JP7171740B2 - 燃料電池および燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、隔膜によって互いに分離された第１の電極および第２の電極を有する少なくとも１つの隔膜・電極ユニットと、少なくとも１つの極板とを含む燃料電池に関する。燃料電池の極板は、第１の電極へ燃料を分配するための第１の分配領域と、第２の電極へ酸化剤を分配するための第２の分配領域とを含む。本発明は、本発明による複数の燃料電池を含む燃料電池スタックにも関する。

燃料電池は、連続的に供給される燃料と酸化剤との化学的な反応エネルギーを電気エネルギーに変換するガルバニ電池である。すなわち燃料電池は、電気化学的なエネルギー変換器である。周知の燃料電池では、特に水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）が水（Ｈ２Ｏ）と電気エネルギーと熱に変換される。

特にプロトン交換膜（Ｐｒｏｔｏｎ－Ｅｘｃｈａｎｇｅ－Ｍｅｍｂｒａｎｅ＝ＰＥＭ）燃料電池が知られている。プロトン交換膜燃料電池は、プロトンすなわち水素イオンに対して透過性である中央に配置された隔膜を有する。酸化剤が、特に空気酸素が、それによって燃料から、特に水素から空間的に分離される。

さらにプロトン交換膜燃料電池は、アノードと呼ばれる電極とカソードと呼ばれる電極とをさらに有する。燃料は燃料電池のアノードで供給され、触媒作用により電子を放出しながら酸化されてプロトンとなる。プロトンは隔膜を通ってカソードに達する。放出された電子は燃料電池から導出され、外部の電気回路を介してカソードへと流れ、ないしは、隣接するバイポーラ板を介して隣接する燃料電池のカソードへと流れる。酸化剤は燃料電池のカソードで供給され、外部の電気回路から、または隣接する燃料電池から電子を受け取ることで、および隔膜を通してカソードへと到達したプロトンを受け取ることで、反応して水になる。こうして発生した水が燃料電池から導出される。全反応は次のようになる：
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^－ → ２Ｈ_２Ｏ

アノードへ燃料を均等に分配するために、ならびにカソードへ酸化剤を均等に分配するために、バイポーラ板が設けられる。バイポーラ板は燃料と酸化剤を各電極へ分配するために、たとえば通路状の構造を有する。さらに通路状の構造は、反応時に発生する水を導出するための役目を果たす。さらにバイポーラ板は、熱を排出するために燃料電池に冷却液を導通するための構造を有することができる。

このとき燃料電池のアノードとカソードの間に電圧が印加される。電圧を高めるために、複数の燃料電池を燃料電池スタックをなすように機械的に相前後して配置して、電気的に直列につなぐことができる。無負荷のときの、すなわち電気的な負荷がないときの、燃料電池のアノードとカソードの間の電圧は最大であり、無負荷電圧と呼ばれる。負荷が増すにつれて、ないしは電流が増すにつれて、電圧は低下する。

燃料電池が無負荷電圧に近い高い電圧で作動するとき、このことは燃料電池の損傷につながることがあり、特に、不可逆的な劣化につながることがある。このような動作ケースは、たとえば燃料電池がスイッチオフされたとき、ならびに負荷遮断のときに発生し得る。したがって、無負荷電圧に近い高い電圧での、およびこれに伴って損傷の閾値よりも上側での燃料電池の動作が回避されるべきである。

隔膜によって互いに分離された第１の電極および第２の電極を有する少なくとも１つの隔膜・電極ユニットと、少なくとも１つの極板とを含む燃料電池が提案される。特に燃料電池は、隔膜・電極ユニットに両側でそれぞれ極板が後続するように構成される。

極板はたとえばバイポーラ板として構成され、第１の電極へ燃料を分配するための第１の分配領域と、第２の電極へ酸化剤を分配するための第２の分配領域とを含む。燃料電池スタックでは、隣接する２つの燃料電池の間にそれぞれ１つのバイポーラ板が配置される。

極板はたとえばモノポーラ板として構成されていてもよく、第１の電極へ燃料を分配するための第１の分配領域と、第２の電極へ酸化剤を分配するための第２の分配領域とを含んでいてよい。燃料電池スタックではそれぞれ１つのモノポーラ板が縁部に、すなわちそれぞれ外側の燃料電池に配置される。

このとき本発明によると、少なくとも１つの隔膜・電極ユニットの第１の電極と第２の電極がコンダクタによって電気接続される。コンダクタは導電性の部材である。すなわちコンダクタは、少なくとも１つの隔膜・電極ユニットの第１の電極と第２の電極との間で電気接続を成立させ、この電気接続を介して、第１の電極と第２の電極の間に電圧が印加されたときに電流が流れることができる。このときコンダクタは燃料電池の一部であり、動作中には常時、少なくとも１つの隔膜・電極ユニットの両方の電極と電気接続される。特にコンダクタは、燃料電池がスイッチオフされているとき、ならびに負荷遮断されているときにも電極と接続されたまま保たれる。

コンダクタは、コンダクタを通って流れる電流によって燃料電池が比較的短い時間、たとえば１０秒間、第１の電極と第２の電極の間に印加される電圧が閾値よりも低下するように放電されるように設計される。この閾値は、たとえば１つの燃料電池につき０．８５Ｖである。

コンダクタは、コンダクタを通って流れる電流によって引き起こされる熱損失が比較的小さくなり、燃料電池の効率の些細な低下しか帰結されないようにも設計される。特に、コンダクタを取って流れる電流は燃料電池の定格電流の多くとも３％であり、好ましくは燃料電池の定格電流の多くとも０．５％である。

本発明の好ましい実施形態では、コンダクタはオーム抵抗を含む。したがってコンダクタを通って流れる電流は、第１の電極と第２の電極の間で印加される電圧に比例する。

本発明の別の好ましい実施形態では、コンダクタは半導体素子を含む。したがってコンダクタを通って流れる電流は、第１の電極と第２の電極の間で印加される電圧に依存する。ただし、この依存性は必ずしも比例ではない。

半導体素子はたとえばダイオード、特にツェナーダイオード、またはトランジスタであってよい。半導体素子は、閾値よりも低い電圧が印加されているとき半導体素子が電気的に非導電性ないしは不良導電性であり、閾値よりも高い電圧が印加されているとき半導体素子が電気的に良導電性であるように構成されるのが好ましい。このケースでは、燃料電池の放電のために電流がコンダクタを通って流れるのは、もしくは特別な程度に流れるのは、電圧が閾値よりも高いときに限られる。燃料電池の通常の動作時には電圧は限界値よりも低く、コンダクタを通って電流が流れず、もしくはわずかな電流しか流れない。

コンダクタは複数の部材の組み合わせを有することもでき、たとえばオーム抵抗と半導体素子の直列回路や並列回路を有することができる。

本発明の考えられる実施形態では、コンダクタはディスクリート部品として、または複数のディスクリート部品の形態でも構成される。

本発明の別の考えられる実施形態では、コンダクタは、少なくとも１つの隔膜・電極ユニットの縁部領域に配置される補強部材として構成されている。補強部材はたとえば２つの結合された平坦な、特にフィルム状の部材の形態で構成され、第１の電極、隔膜、および第２の電極を機械的に統合し、またはこれらを縁部領域で補強する役目を果たす。特に、「サブガスケット」とも呼ばれるＰＥＭ燃料電池で典型的に適用される縁部補強が、コンダクタとして製作されていてよい。

本発明の別の考えられる実施形態では、コンダクタは、少なくとも１つの隔膜・電極ユニットの縁部領域を少なくとも１つの極板に対して封止するシール部材として構成される。

コンダクタが粘着剤として構成されていてもよい。特に粘着剤は、補強部材および／またはシール部材を極板と、ならびに燃料電池の隔膜・電極ユニットと接着するための役目を果たす。

本発明の別の考えられる実施形態では、コンダクタは、少なくとも１つの隔膜・電極ユニットの縁部領域と少なくとも１つの極板の端面とを取り囲む封止剤として構成される。

本発明の別の考えられる実施形態では、コンダクタはフィルム状またはテープ状またはワイヤ状または泡状に構成され、少なくとも１つの極板の少なくとも１つの端面に当接する。フィルム状またはテープ状またはワイヤ状または泡状のコンダクタが、複数の極板の端面に装着され、特に接着されるのが好ましい。

本発明の別の考えられる実施形態では、コンダクタは同時にセル電圧測定装置の一部であり、特に、電圧タップまたはその保持部の一部であり、セル電圧測定装置の個々の測定入力部をそれぞれの極板または隔膜・電極ユニットと接続し、それは、たとえばこれらもしくはその一部が相応に導電性材料で製作され、またはそのような材料でコーティングされ、印刷され、接着され、もしくはその他の形で結合されるからである。

コンダクタは、少なくとも１つの極板の端面に印刷されていてもよい。コンダクタは、複数の極板の端面に特に３Ｄ印刷によって印刷されるのが好ましい。

本発明による複数の燃料電池を含む燃料電池スタックも提案される。このとき燃料電池は電気的に直列につながれるのが好ましい。

本発明による燃料電池は、無負荷電圧に近い高い電圧での燃料電池の動作がほぼ回避されるように構成される。燃料電池が無負荷のとき、すなわち電気的な負荷が不存在のとき、燃料電池が比較的迅速に放電される。閾値を超える電圧での燃料電池の一時的な動作のみが行われる。それに伴い、燃料電池の不可逆的な劣化がほぼ防止されるという利点がある。電気的に直列に配線された複数の燃料電池を有する燃料電池スタックでは、すべての燃料電池の放電が均等に行われる。特に、同じく燃料電池の不可逆的な劣化を引き起こすことがある負の電圧も燃料電池で回避される。本発明による燃料電池の設計上の構造は比較的簡素かつそれに伴って低コストである。特にコンダクタが適当な半導体素子を含む場合、本発明による燃料電池の作動時の熱損失も最小化されるという利点がある。

本発明の実施形態について、図面と以下の記述を用いて詳しく説明する。

複数の燃料電池を有する燃料電池スタックを示す模式図である。 第１の実施形態に基づく燃料電池スタックである。 第２の実施形態に基づく燃料電池スタックを示す部分的な分解図である。 第３の実施形態に基づく燃料電池スタックを示す部分的な分解図である。 第４の実施形態に基づく燃料電池スタックである。 第５の実施形態に基づく燃料電池スタックである。

本発明の実施形態についての以下の記述では、同一または類似の部材は同一の符号で表されており、これらの部材について個別ケースごとに繰り返して説明することはしない。図面は本発明の対象物を模式的にのみ示す。

図１は、複数の燃料電池２を有する燃料電池スタック５の模式図を示している。各々の燃料電池２は、第１の電極２１、第２の電極２２、および隔膜１８を含む隔膜・電極ユニット１０を有している。両方の電極２１，２２は隔膜１８の互いに向かい合う側に配置され、すなわち、隔膜１８によって互いに分離されている。第１の電極２１を以下においてアノード２１とも呼び、第２の電極２２を以下においてカソード２２とも呼ぶ。隔膜１８はポリマー電解質膜として構成されている。隔膜１８は、水素イオンすなわちＨ^＋イオンに対して透過性である。

さらに各々の燃料電池２は、ここに示す図面ではバイポーラ板４０として構成され、隔膜・電極ユニット１０に両側で後続する２つの極板４０を有している。燃料電池スタック５における複数の燃料電池２のここに示した配置では、各々のバイポーラ板４０は、互いに隣接して配置される２つの燃料電池２に帰属するものとみなすことができる。燃料電池２は電気的に直列に配線されている。

バイポーラ板４０は、アノード２１のほうを向く、燃料を分配するための第１の分配領域５０をそれぞれ含んでいる。バイポーラ板４０は、カソード２２のほうを向く、酸化剤を分配するための第２の分配領域６０もそれぞれ含んでいる。第２の分配領域６０は、同時に、反応時に燃料電池２で発生する水を導出するための役目を果たす。バイポーラ板４０は、本例では、第１の分配領域５０と第２の分配領域６０の間に配置された第３の分配領域７０を含んでいる。第３の分配領域７０は、バイポーラ板４０に冷却剤を導通し、それに伴って燃料電池２および燃料電池スタック５を冷却するための役目も果たす。

第１の分配領域５０と第３の分配領域７０は、第１の分離板７５により互いに分離されている。第２の分配領域６０と第３の分配領域７０は、第２の分離板７６によって互いに分離されている。バイポーラ板４０の分離板７５，７６は、本例では、薄い金属板として構成されている。分離板７５，７６はこれ以外の材料、たとえば炭素やグラファイトなどで構成されていてもよい。バイポーラ板４０は、および特に分離板７５，７６は、導電性に構成される。

燃料電池２の作動時には、燃料が第１の分配領域５０を介してアノード２１へと案内される。同様に酸化剤が、第２の分配領域６０を介してカソード２２へと案内される。本例では水素である燃料は、アノード２１で触媒作用により電子を放出しながら酸化してプロトンとなる。プロトンは隔膜１８を通ってカソード２２に達する。放出された電子は燃料電池２から導出されて、外部の電気回路を通じて流れるか、または隣接するバイポーラ板４０を介してカソード２２へと流れる。本例では空気酸素である酸化剤は、外部の電気回路または隣接するバイポーラ板４０から電子を受け取ることで、および隔膜１８を通してカソード２２に達したプロトンを受け取ることで反応して水になる。

各々の隔膜・電極ユニット１０のアノード２１とカソード２２の間で、このようにして電圧が生成される。燃料電池２の直列配線に基づき、この電圧が積算されて燃料電池スタック５の全体電圧となる。

図２は、第１の実施形態に基づく燃料電池スタック５を示している。隣接して配置されたそれぞれ２つのバイポーラ板４０の間に、ディスクリート部品９１の形態のコンダクタ９０がそれぞれ１つの接続されている。したがってコンダクタ９０は、隣接する２つのバイポーラ板４０の間の電気接続を成立させる。それに伴い、隣接するバイポーラ板４０の間に配置された隔膜・電極ユニット１０のアノード２１とカソード２２も、コンダクタ９０によって電気接続される。コンダクタ９０はオーム抵抗として、または半導体素子として、特にツェナーダイオードとして構成されていてよい。コンダクタ９０は複数の部材の組み合わせを有することもでき、たとえば、オーム抵抗と半導体素子の直列回路または並列回路を有することができる。

図３は、第２の実施形態に基づく燃料電池スタック５を部分的な分解図で示している。各々の隔膜・電極ユニット１０は、向かい合う縁部領域にそれぞれ１つの補強部材９２を有している。補強部材９２は周回していてもよい。補強部材９２は互いに結合された２つのフィルム状の部材からなり、隔膜・電極ユニット１０のアノード１１、隔膜１８、およびカソード２２を機械的に統合し、および／または組立時に発生するプレス力に対して隔膜・電極ユニット１０が影響を受けにくくするための役目を果たす。補強部材９２は導電性であり、定義されたオーム抵抗を有する。補強部材９２は隣接するバイポーラ板４０に当接し、そのようにして、隣接するそれぞれ２つのバイポーラ板４０の間で電気接続を成立させる。このように補強部材９２はコンダクタ９０を定義する。それに伴い、隣接するバイポーラ板４０の間に配置された隔膜・電極ユニット１０のアノード２１とカソード２２も、コンダクタ９０によって電気接続される。

図４は、第３の実施形態に基づく燃料電池スタック５を部分的な分解図で示している。各々の隔膜・電極ユニット１０は、向かい合う縁部領域にそれぞれ１つのシール部材９３を有している。シール部材９３は隣接するバイポーラ板４０に当接して、隣接するバイポーラ板４０に対して隔膜・電極ユニット１０の縁部領域を封止する。シール部材９３は導電性であり、定義されたオーム抵抗を有する。このようにシール部材９３は、隣接するそれぞれ２つのバイポーラ板４０の間で電気接続を成立させる。このようにシール部材９３はコンダクタ９０を定義する。それに伴い、隣接するバイポーラ板４０の間に配置された隔膜・電極ユニット１０のアノード２１とカソード２２も、コンダクタ９０によって電気接続される。

第３の実施形態に基づく燃料電池スタック５では、各々の隔膜・電極ユニット１０は第１の部分板４１と第２の部分板４２の間に配置され、特に封入される。ここでは第１の部分板４１は第１の分配領域５０と第３の分配領域７０を含み、第２の部分板４２は第２の分配領域６０を含む。第１の部分板４１が第１の分配領域５０だけを含み、第２の部分板４２が第２の分配領域６０と第３の分配領域７０を含むことも考えられる。そして燃料電池スタック５では、第１の部分板４１が隣接する第２の部分板４２とともにバイポーラ板４０を形成する。部分板４１および４２はそのために機械的に結合されていてよく、あるいは互いにスタックされるだけでもよい。

図５は、第４の実施形態に基づく燃料電池スタック５を示している。隔膜・電極ユニット１０の縁部領域とバイポーラ板４０の端面が、封止剤９４によって包囲されている。このように封止剤９４は、特に隣接するバイポーラ板４０の端面に当接する。封止剤９４は導電性であり、定義されたオーム抵抗を有する。このように封止剤９４は、隣接するそれぞれ２つのバイポーラ板４０の間で電気接続を成立させる。このように封止剤９４はコンダクタ９０を定義する。それに伴い、隣接するバイポーラ板４０の間に配置された隔膜・電極ユニット１０のアノード２１とカソード２２も、コンダクタ９０によって電気接続される。

図６は、第５の実施形態に基づく燃料電池スタック５を示している。隔膜・電極ユニット１０の縁部領域とバイポーラ板４０の端面が、フィルム９５で覆われている。それに伴いフィルム９５は、特に隣接するバイポーラ板４０の端面に当接する。フィルム９５はドーピングされた半導体材料から製作される。フィルム９５は、たとえば印加される電圧が閾値を超えたときに導電性になる。このようにフィルム９５は、隣接するそれぞれ２つのバイポーラ板４０の間で電気接続を成立させる。このようにフィルム９５はコンダクタ９０を定義する。それに伴い、隣接するバイポーラ板４０の間に配置された隔膜・電極ユニット１０のアノード２１とカソード２２も、コンダクタ９０によって電気接続される。

本発明は、ここで説明した実施例やその中で強調されている態様だけに限定されるものではない。むしろ、特許請求の範囲に記載されている範囲内で、当業者の行為の枠内にある数多くの改変が可能である。

２ 燃料電池
５ 燃料電池スタック
１０ 隔膜・電極ユニット１０
１８ 隔膜
２１ 第１ の電極
２２ 第２ の電極
４０ 極板
５０ 第１ の分配領域
６０ 第２ の分配領域
９０ コンダクタ
９１ ディスクリート部品
９２ 補強部材
９３ シール部材
９４ 封止剤

Claims (2)

1. 燃料電池（２）を製造する方法であって、
   前記燃料電池は隔膜（１８）によって互いに分離された第１の電極（２１）および第２の電極（２２）を有する少なくとも１つの隔膜・電極ユニット（１０）と、
   少なくとも１つの極板（４０）とを含み、該極板は、
   前記第１の電極（２１）へ燃料を分配するための第１の分配領域（５０）、および／または
   前記第２の電極（２２）へ酸化剤を分配するための第２の分配領域（６０）を含む、そのような燃料電池を製造する方法において、
   少なくとも１つの前記隔膜・電極ユニット（１０）の前記第１の電極（２１）と前記第２の電極（２２）がコンダクタ（９０）によって電気接続され、
   前記コンダクタ（９０）は少なくとも１つの前記極板（４０）の端面に印刷されることを特徴とする燃料電池（２）を製造する方法。
2. 前記コンダクタ（９０）は複数の極板（４０）の端面に３Ｄ印刷によって印刷されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池（２）を製造する方法。

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