JP4555225B2 - 燃料電池用の改良された電解質管理と電気接触のための不活性な端部セルアセンブリ - Google Patents
燃料電池用の改良された電解質管理と電気接触のための不活性な端部セルアセンブリ Download PDFInfo
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Description
本出願は、2002年12月24日に出願された米国特許出願第10/329,305号の一部継続である。
上記および他の目的は、活性電極部、電極リザーバまたはシンク、不活性なアノード部分および端部プレートを含む、溶融炭酸塩燃料電池積層体中に電解質を貯蔵するアセンブリで実現される。ここで使用される「リサーバ」は、電解質を保持するまたは貯蔵し、必要な場合、必要とする場所に電解質を分配することができる構造に適用される。「シンク」と「スポンジ」は、過剰の電解質を集めて、吸収して、保つことができる構造に関して使用される。各活性な電極部は、少なくとも電極と電流コレクタとを有する。電解質貯蔵容量を最大にするリザーバは、シンクと同様にリブ付きカソードを有する。各不活性アノード部は、少なくとも発泡体アノード層(foam anode layer)とアノード電流コレクタを含む。積層体の負極側の端部セルは、その隣の不活性なアノード部分を含む。積層体の正極すなわちカソード側の端部セルは、好ましくは、リブ付き電極リザーバの両側に隣接して不活性なアノード部分を含む。
本発明の上記および他の特徴および態様は付属の図面と関連して以下の詳細な説明を読むとき、より明白となるであろう。図2は、一般に、本発明の原理に従って燃料電池積層体の正極部および負極部の両極部の端部セルアセンブリを例示する。示されるように、不活性なアノード部12、22は、積層体の両端で端部プレート14、24に隣接して配置される。燃料電池積層体の正極すなわちカソード側上に、端部セル10はさらに第2の不活性なアノード12によって活性カソード部18から分離されたリブ付き電極リザーバ16を含む。積層体の負極すなわちアノード側上の端部セルアセンブリ20は、活性アノード部28に隣接したリブ付き電極シンク26を含む。積層体の両端部における端部セル構造において、不活性なアノード部12、22は、リブ付き電極リザーバ16あるいはシンク26と端部プレート14、24との間で、および正極端部セル10中の活性カソード部18とリブ付き電極リザーバ16との間で、電気伝導性の分離界面を供給する。
図3、図4Aおよび4Bで示されるように、燃料電池積層体は、好ましくはステンレスで作られている厚く、堅い端部プレート14、24の両端で終わる。リブ付き電極リザーバ16から正極端部プレート14を分離する正極端部セルアセンブリ10中の不活性アノード部12は、発泡体アノード層44(図4Bで示される)とアノード電流コレクタ50を含む。
アノードすなわち負極端部セル20の構造は、上記説明した正極端部セル10が同様の構造と同様であるが、図3の下部分と図5Aおよび5Bに関して以下詳細に記載するように、1つの不活性アノード部22を含んでいる。
Claims (38)
- 燃料電池積層体の端部プレートと前記燃料電池積層体の活性セルとの間の前記燃料電池積層体中で使用する装置であって、
電解質貯蔵アセンブリと、
前記電解質貯蔵アセンブリと、前記端部プレートおよび前記活性セルのうちの少なくとも1つとの間の電気接触を促進する、弾性変形可能な電気伝導性アセンブリと、
を有し、
前記電解質貯蔵アセンブリは、
前記端部プレートに向き合う第1表面と、前記第1表面から伸びる第2および第3側部表面とを有し、
前記電解質貯蔵アセンブリは、さらに
前記電解質貯蔵アセンブリの前記第1表面を形成する1つの表面と、前記1つの表面に対向する他の表面と、前記1つの表面と前記他の表面のうちの1つ中に形成されたリブと、前記電解質貯蔵アセンブリの前記第2および第3側部表面をそれぞれが持ちかつ前記1つの表面と前記他の表面とをそれぞれが結合する第1および第2側面と、を有するリブ付きカソードと、
前記リブ付きカソードの前記リブと隣接して溝を形成する平らなカソードと、を有し、
前記リブ付きカソードと前記平らなカソードとが多孔性であり、
前記弾性変形可能な電気伝導性アセンブリは、
前記電解質貯蔵アセンブリの前記第2および第3側部表面に隣接して配置された第1部分であって、前記リブ付カソードと前記平らなカソードに隣接して配置されている、前記第1部分を少なくとも含み、
さらにオプションに、前記電解質貯蔵アセンブリの第1表面と前記端部プレートの間に配置された第2部分と、前記電解質貯蔵アセンブリの前記第2および第3側部表面に隣接して配置された第3部分であって、前記第2部分は、向かい合う第1および第2表面を有する発泡体アノードと、アノード電流コレクタとを含み、前記発泡体アノードは、前記発泡体アノードの第1表面で前記端部プレートと隣接し、前記発泡体アノードの第2表面で前記アノード電流コレクタに隣接している、前記第2部分と前記第3部分のうちの1つまたはそれ以上を含むことを特徴とする装置。 - 前記電解質貯蔵アセンブリは、
前記端部プレートに向き合う第1表面と、
前記電解質貯蔵アセンブリの第1表面から伸びる第2および第3側部表面とを有し、
前記弾性変形可能な電気伝導性アセンブリは、
前記電解質貯蔵アセンブリの第1表面と前記端部プレートの間に配置された第1部分と、
前記電解質貯蔵アセンブリの前記第2および第3側部表面にそれぞれ隣接して配置された第2および第3部分と、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 前記アノード電流コレクタと、前記弾性変形可能な電気伝導性アセンブリの前記第2および第3部分とは、それぞれ波形構造として形成されることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記リブ付きカソードは、65%の気孔率を有する材料で作られていることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記平らなカソードは、70%の気孔率を有する材料で作られていることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記平らなカソードおよびリブ付きカソードの気孔中に貯蔵された電解質を更に有し、
前記平らなカソードおよびリブ付きカソードは電解質貯蔵としての役目をすることを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 前記平らなカソードは、前記アノード電流コレクタと前記リブ付きカソードの間に配置され、
前記リブ付きカソードは、電解質を吸収して保つことができる電解質貯蔵部としての役目をすることを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 前記リブに対向する前記リブ付きカソードの前記1つの表面および前記他の表面の1つに面している更なるアノード電流コレクタと、前記更なるアノード電流コレクタに隣接して配置されたアノードとをさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の装置。
- 内部に前記更なるアノード電流コレクタとアノードとが配置されている上部ポケットと、内部に前記リブ付きカソードと前記弾性変形可能な電気伝導性アセンブリの前記第2および第3部とが配置されている下部ポケットとを画定する第1のバイポーラプレートを更に有することを特徴とする請求項8に記載の装置。
- 前記平らなカソードと前記端部プレートの間に配置され、内部に前記アノード電流コレクタと発泡体アノードが配置されている、前記端部プレートに面するポケットを画定する第2のバイポーラプレートを更に有することを特徴とする請求項9に記載の装置。
- 前記装置は、前記燃料電池積層体の負極端部に配置されており、
前記アノードが、前記第1のバイポーラプレートの上部ポケット中の前記更なるアノード電流コレクタと、前記負極端部で前記燃料電池積層体中の最後の燃料電池との間に配置されていることを特徴とする請求項10に記載の装置。 - 内部に前記アノード電流コレクタが配置されている上部ポケットと、前記プレート構造を画定し、内部に前記リブ付きカソードと前記弾性変形可能な電気伝導性アセンブリの第2および第3部分とが配置されている下部ポケットとを画定するバイポーラプレートを更に有することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記バイポーラプレートが電気伝導性材料で作られていることを特徴とする請求項12に記載の装置。
- 前記弾性変形可能な電気伝導性アセンブリの第2および第3部分は、前記燃料電池積層体の動作中に前記リブ付きカソードの機械的な変形に対応して弾性変形することを特徴とする請求項12に記載の装置。
- 前記バイポーラプレートの下部ポケット中の前記弾性変形可能な電気伝導性アセンブリの第2および第3部分のそれぞれの下に配置されているシムを更に有することを特徴とする請求項14に記載の装置。
- 前記酸化ガスが前記平らなカソードと前記リブ付きカソードとの間に形成された溝を通って流れることを特徴とする請求項14に記載の装置。
- 還元ガスが、前記酸化ガスが流れる溝と異なる溝を通って前記酸化ガスの流れに垂直に流れることを特徴とする請求項16に記載の装置。
- 前記酸化ガスは酸素を含み、還元ガスは水素を含むことを特徴とする請求項17に記載の装置。
- 前記溝を通る酸化ガスの前記流れは、前記リブ付きカソードの表面を均質に酸化することを特徴とする請求項17に記載の装置。
- 前記還元ガスの流れの方向に平行な前記発泡体アノードの向かい合わせの側面に沿って配置されたマトリクス帯を更に含むことを特徴とする請求項17に記載の装置。
- 前記酸化ガスの流れの方向に平行な前記平らなカソードの向かい合わせの側面に沿って配置されたマトリクス帯を更に含むことを特徴とする請求項20に記載の装置。
- 前記マトリクス帯が前記酸化ガス流れと前記還元ガス流れの間にガスシールを供給することを特徴とする請求項21に記載の装置。
- 前記平らなカソードに続く更なる発泡体アノードと、前記更なる発泡体アノードに面する更なるアノード電流コレクタとを更に有することを特徴とする請求項14に記載の装置。
- 前記更なるアノード電流コレクタに続くカソード電流コレクタと、前記カソードに面するカソードとを更に有することを特徴とする請求項23に記載の装置。
- 内部に前記更なるアノード電流コレクタが配置されている上部ポケットと、内部に前記カソード電流コレクタが配置されている下部ポケットとを画定する第2バイポーラプレートを更に有することを特徴とする請求項24に記載の装置。
- 前記発泡体アノードから前記らなカソードを分離する金属シートを更に含むことを特徴とする請求項25に記載の装置。
- 前記装置が、前記燃料電池積層体の正極端部に配置され、
カソードが、前記積層体の前記正極端部で、前記カソード電流コレクタと前記燃料電池積層体中の第1の燃料電池との間に配置されることを特徴とする請求項26に記載の装置。 - 電気的に直列に積層された複数の活性な燃料電池を有する燃料電池積層体と、
前記積層体の第1端部の端部プレートと、
前記端部プレートと前記燃料電池積層体の前記活性な燃料電池との間に配置された請求項1に記載の装置と、
を有することを特徴とする燃料電池アセンブリ。 - 前記アノード電流コレクタと、前記弾性変形可能な電気伝導性アセンブリの前記第2および第3部分とは、それぞれ波形構造として形成されることを特徴とする請求項28に記載の燃料電池アセンブリ。
- 前記リブ付きカソードが、65%の気孔率を有する材料で作られていることを特徴とする請求項28に記載の燃料電池アセンブリ。
- 前記平らなカソードが、70%の気孔率を有する材料で作られていることを特徴とする請求項28に記載の燃料電池アセンブリ。
- 前記装置は、前記リブ付きおよび平らなカソードの前記気孔中に貯蔵された電解質を更に有し、前記リブ付きおよび平らなカソードが電解質貯蔵器としての役目をすることを特徴とする請求項28に記載の燃料電池アセンブリ。
- 前記平らなカソードは、前記アノード電流コレクタと前記リブ付きカソードとの間に配置され、前記リブ付きカソードは、電解質を集めて、吸収し、貯蔵することができる電解質貯蔵部として働き、
前記装置が更に、
前記リブと前記更なるアノードコレクタに隣接して配置されたアノードを向かい合わせる前記リブ付きカソードの前記1つの表面と前記他の表面の1つに面するアノード電流コレクタと、
前記更なるアノード電流コレクタと、アノードが内部に配置されている上部ポケットと、前記プレート構造を形成し、前記リブ付きカソードと前記弾性変形可能な導電性アセンブリの第2および第3部が内部に配置されている下部ポケットとを画定する第1バイポーラプレートと、
前記平らなアノードと前記端部プレートとの間に配置され、前記アノード電流コレクタと発泡体アノードとが配置されている前記端部プレートに面する第2のバイポーラプレートと、
を有することを特徴とする請求項28に記載の燃料電池アセンブリ。 - 前記装置は、前記燃料電池積層体の前記負極端部に配置され、
前記アノードは、前記第1バイポーラプレートの上部ポケット中の前記更なるアノード電流コレクタと、前記負極端部で前記燃料電池積層体中の最後の燃料電池との間に配置されていることを特徴とする請求項33に記載の燃料電池アセンブリ。 - 前記装置は更に、
前記アノード電流コレクタが内部に配置されている上部ポケットと、前記プレート構造を画定し、内部に前記リブ付きカソードと前記弾性変形可能な導電性のアセンブリの前記第2および第3部分とが配置されている下部ポケットとを画定するバイポーラプレートと、
前記平らなカソードと前記更なる発泡体アノードに面するカソードとが後に続く更なる発泡体アノードと、
前記更なるアノード電流コレクタと前記カソード電流コレクタに面するカソードが続くカソード電流コレクタと、
内部に前記更なるアノード電流コレクタが配置されている上部ポケットと、前記カソード電流コレクタが内部に配置されている底部ポケットを画定する第2バイポーラプレートと、
を有することを特徴とする請求項28に記載の燃料電池アセンブリ。 - 前記端部プレートは前記燃料電池積層体の前記正極端部であり、
前記カソードは、前記積層体の正極端部で、前記カソード電流コレクタと前記燃料電池中の第1の燃料電池間に配置されることを特徴とする請求項35に記載の燃料電池アセンブリ。 - 前記酸化ガスが、前記平らなカソードと前記リブ付きカソードとの間に形成された溝を通って流れ、前記還元ガスが、前記酸化ガスの流れに垂直な更なる溝を通って流れ、
前記装置は、更に、
前記還元ガス流れの方向に平行に前記発泡体アノードと更なる発泡体アノードの各々の向かい合う側面に沿って配置されたマトリックス帯と、
前記酸化ガス流れの方向に平行に前記平らなカソードに向かい合う側面に沿って配置されたマトリックス帯と、
前記平らなカソードを前記更なる発泡体アノードから分離する金属シートと、を有することを特徴とする請求項36に記載の燃料電池アセンブリ。 - 前記装置は、更に、前記バイポーラプレートの下部ポケット中で前記弾性変形可能な導電性のアセンブリの前記第3および第4部分のそれぞれの下に配置されたシムを含むことを特徴とする請求項37に記載の燃料電池アセンブリ。
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