(57)【要約】メンブラン燃料電池スタック（１）が説明される。これは、例えばアルミニウムや銅のような高導電性の金属集電板（３’）を含み、金属集電板（３’）は、基本セル（２）の１つと比べて小さくされた平面図形を有する。このタイプの設計により、従来技術の集電板に影響を及ぼすガルバーニ型の腐食現象、および結果として生じる循環水における金属イオンの放出が、克服される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本燃料セルのスタックであって、それぞれの基本セルは、プロセス流体の通路用の第１の多数の穴と、タイロッドの通路用のオプションの第２の多数の穴とを備えるバイポーラ板により境界が定められるものであり、前記スタックは１対の集電板および１対の圧縮板を備え、前記集電板は、正端子および負端子に対応して前記セルの外側に配置され、前記圧縮板は、前記スタックの２つの末端で前記集電板の外側に配置されるものであり、前記スタックは、
前記集電板が前記プロセス流体から隔離され、
前記集電板が、前記バイポーラ板の平面図形に対して小さい平面図形を有し、前記基本セルのアクティブ・エリアと少なくとも同じ広がりをもつ
ことを特徴とする、スタック。
【請求項２】
請求項１に記載のスタックであって、前記集電板が、前記バイポーラ板の前記第２の多数の穴に整合する、締め付け用のタイロッドの通路用の第１の多数の穴を含む、ことを特徴とするスタック。
【請求項３】
請求項１または２に記載のスタックであって、前記集電板の少なくとも１つが、対応する前記圧縮板内に設けられた凹部に収容されることを特徴とする、スタック。
【請求項４】
前記請求項の何れか一項に記載のスタックであって、前記バイポーラ板の前記第１の多数の穴を通る前記プロセス流体は冷却材を含む、ことを特徴とするスタック。
【請求項５】
請求項４に記載のスタックであって、前記冷却材は水である、ことを特徴とするスタック。
【請求項６】
請求項４または５に記載のスタックであって、前記圧縮板の少なくとも１つが、前記冷却材用の入口ノズルおよび出口ノズルを備える、ことを特徴とするスタック。
【請求項７】
請求項６に記載のスタックであって、前記負端子に対応して配置された前記圧縮板のみが、前記冷却材用の入口ノズルおよび出口ノズルを備える、ことを特徴とするスタック。
【請求項８】
前記請求項の何れか一項に記載のスタックであって、前記集電板が銅またはアルミニウムで製作される、ことを特徴とするスタック。
【請求項９】
前記請求項の何れか一項に記載のスタックであって、前記圧縮板が電気絶縁材料で製作される、ことを特徴とするスタック。
【請求項１０】
請求項９に記載のスタックであって、前記電気絶縁材料が強化プラスチック材料である、ことを特徴とするスタック。
【請求項１１】
前記請求項の何れか一項に記載のスタックであって、前記基本セルの前記バイポーラ板と、前記集電板との両方とも、相互交換可能である、ことを特徴とするスタック。
【請求項１２】
燃料電池スタックであって、明細書で説明および図面を参照して実質的に示された燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
燃料電池スタック。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素などの燃料と空気などの酸化剤との再結合の化学エネルギーを電気エネルギーとする既知の直接変換デバイスである。燃料電池は既知のカルノー・サイクルの制限を受けず、従って、中間熱段階が存在する電気エネルギー生成用の従来のデバイスと比較して、特に効率が高いことを特徴とする。
【０００３】
幾つかの既知のタイプの中で、陽イオン交換膜燃料電池（簡潔にするために、以下、プロトン交換膜燃料電池（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）からの頭字語ＰＥＭＦＣで示される）は、急速な電力要求への応答の能力と、特に自動車用途における関連する補助材料の簡単さと、家庭用や小さい地域用の小さい固定電力の生成とについて、特別な注目を得ている。
【０００４】
ＰＥＭＦＣはイオノマー・メンブレン（例えば、ポリスチレンまたはポリエーテルエーテルケトンなどの重合体から得られた炭化水素タイプや、例えば米国のＤｕＰｏｎｔ（デュポン）により商標Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）として商品化されたような過フルオロ化タイプのもの）を含む電気化学ユニットからなり、その面上に２つの電極、即ち、アノード（負に荷電）およびカソード（正に荷電）が、適切な触媒を含む多孔質フィルムの形態で適用される。電極の外面は、今度は、最適な電気伝導およびガス状反応物の均質な分布を確立するのに適する、ディフューザとして知られている全体的に平坦な構造と接触する。ディフューザと関連した電気化学ユニットから結果的になされる全体としてのアセンブリ（膜電極アセンブリ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）からの頭字語ＭＥＡにより一般に示される）は、最終的に、正および負の１対のバイポーラ板の間に封じ込められるものであり、１対のバイポーラ板は２つの適切に形作られた板からなり、反応物を通さず、導電性を備える。最も一般的な場合は純粋または混合物の水素である燃料と、最も一般的な場合は空気である酸化剤とが、バイポーラ板に得られた適切な開口を通って供給され、ディフューザを通ってアノードおよびカソードそれぞれに達する。水素は酸化されて電子およびプロトンを生成し、それらはイオノマー・メンブレンを通って移動し、空気の酸素の還元反応に関与して水を形成する。還元反応に必要な電子は、外部の電気エネルギー・ユーザ回路を通じてアノードから来る。電流生成条件下の単一の燃料セルの電圧は、通常、０．５ボルトと０．８ボルトとの間にあり、ユーザの機器により一般に必要とされる高電圧を得るために、フィルタ・プレス・タイプのモジュール構成によりスタックに積層された一般に５０個から２００個の多数の基本セルが使用される。バイポーラ板は通常は交換可能であり、関連する開口は重ね合わせ可能であるので、基本セルの積層により内部の長手方向のマニホルドを形成し、それにより、個々のセルへのガス状反応物の供給および排気の抽出を可能にする。多数の基本セルの正端子極および負端子極に対応して、外部電気回路へ最小の抵抗降下で確実に接続するのに適した２つの集電板が設置され、このために、２つの集電板は、高い導電性をもつ材料、一般にはアルミニウムや銅、で製作され、適切な厚さを有する。多数の基本セル／集電板のアセンブリは、最終的に２つの端子板の間に封じ込まれ、２つの端子板はタイロッドまたは当技術分野で既知の他の締め付けデバイスと協働して圧縮状態の下にアセンブリを維持し、それにより、多数の基本セルのそれぞれの対の間の電気接触が最適になること、および外部環境に対して必要とされる密閉をそれぞれの基本セルの周辺（ペリフェラル）ガスケットが確実にすることが、保証される。
【０００５】
燃料電池の反応の化学エネルギーから電気エネルギーへの典型的な変換効率は、従来の発電機よりも実質的に高いが、１００％よりもかなり低く、電気エネルギーに変換されない化学エネルギーの一部は熱エネルギーに変換され、それは、セル内部温度を約６０〜１００℃に維持するために取り除かなければならず、そうするために、通常、低電力システムでは強制空気循環を行い、また、高電力システムでは冷却材循環を行う。水素と空気中に含まれる酸素との結合反応で水が生成されるので、水は、一般的に適用される解決策によれば、冷却材として使用するために適切なタンクに集められるが、冷却は２つの全く異なる技術によるものであり、基本セルに挿入された適切なデバイスを横切る通路による間接的冷却によるものか、または、基本セル内部の直接注入によるものである。スタックは、水の供給および抽出のためのノズルを備え、２つの端子板の一方または両方に固定され、収集タンク、循環ポンプ、フィルタ、および適切な管路を含む外部回路に接続される。
【０００６】
適正なＰＥＭＦＣ動作を保証するためにより一般的に採用される対策は、高いプロトン移動、従って、低いオーム抵抗、および高い動作電圧を可能にするのに適したメンブレン水和レベルを確保するための、ガス供給の事前加湿により代表されるものであり、これは、前述のセル冷却が直接水注入により行われない場合に備えて、特に重要であると考えられる。
【０００７】
従来技術により製造されたスタックの内部設計は、水が様々なシステムコンポーネント、特に、バイポーラ板、メンブレン、集電板、タンク、フィルタ、循環ポンプ、および外部回路の管路に接触することを暗示している。
【０００８】
これらの部分の多くは金属であり、従って、そして更にシステムに典型的な特有の電気状況の結果として、特に集電板に関してはアルミニウム・イオンおよび銅イオンを放出する情況となり、それらは循環水中で次第に濃縮されていく。水がメンブレンと接触するシステムの領域では、メンブレン・ポリマーがイオン交換樹脂として有効に働くので、金属イオンが吸収され、漸進的なプロトン輸送損失は動作電圧の減少に関連する。
【０００９】
濃縮は制限することができ、そうするためには、水回路中に陽イオン交換樹脂を含むカートリッジを設置するか、または、メンブレン周囲の変更と、基本セルへ水を配給する内部長手方向管の形状の変形とを含む国際公開第２００５／０３１９００号パンフレットに開示された手法を用いる。そのような手法は、管理や製造の複雑性を伴い、特に集電板による金属イオン放出に関しては問題を解決しないことが分かった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の第１の目的は、従来技術の制限を克服すること、特に、集電板による金属イオン放出と、性能の時間減衰に関連する現象との問題を解決するスタック設計を提供することである。
【００１１】
これおよび他の目的は、以下の説明および添付の図面により明確にされ、それらは本発明の制限を意図するものでない。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明で提案されるものによれば、第１の目的は、請求項１に示される特徴を有するスタックにより達成される。
【００１３】
本発明によるスタックは多数の基本燃料セルからなり、プロセス流体から隔離され、平面図形に対して低減された平面図形を有する集電板を備える。
【００１４】
集電板の減少された平面図形により、本説明では、基本セルの境界を定めるバイポーラ板の表面へ、集電板の表面を幾何学的に投射したところは、セルのアクティブ・エリアを全面的に含むオーバーラップ（重なり）・エリアを画定することが意図されており、そこは電気化学反応の場所であり、実際に電極表面と一致するが、同じバイポーラ板の周辺領域の少なくとも一部を含まない。
【００１５】
本発明の減少された平面図形をもつ集電板は、アルミニウムまたは銅で製作されるのが好ましい。
【００１６】
好ましい一実施形態では、集電板は、締め付け用タイロッドの通路としてオプションで使用される開口以外のいかなる開口も含まず、特に、プロセス流体の通路のためにチャネルを画定する集電板に開口は存在しない。
【００１７】
好ましい一実施形態では、集電板は、端子圧縮板で設けられる適切な凹部に収容される。
【００１８】
本発明のスタックは、当技術分野で既知の任意のタイプの冷却システム、例えば、隣接する燃料セルの対の間に冷却材再循環セルを挿入したタイプや、または基本燃料セルの内部へ直接に水注入するタイプのものを含むことができ、本発明の目的を達成するための唯一不可欠な要件は、水または他の選択された冷却材が集電板に接触することができないことである。
【００１９】
このために、冷却材入口ノズルおよび出口ノズルは、好都合には、２つの端子圧縮板に、またはそれらの一方だけ、好ましくは、負に帯電されるものにに配置し、特に、集電板に重ねられない負に帯電された板の周辺領域に対応して配置する。
【００２０】
スタック圧縮板は様々な材料で製造することができ、電気絶縁材料、例えば、適切に強化されたプラスチック材料を使用するのが好ましい。
【００２１】
本発明のスタックは、燃料セルバイポーラ板を相互に交換可能にする設計を採用することにより好都合に製造することができ、更に、２つの集電板は、好ましくは、同じで相互に交換可能な設計を特徴とする。
【００２２】
本発明の発見は、単に例示を目的として、以下の図面を参照して説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１Ａおよび図１Ｂは、従来技術による燃料電池スタック（１）を含む電気エネルギー生成システムの２つの方式（断面の側面図）を表し、詳細には、（２）は、基本セルを示し、（３）は、外部回路へのスタックの接続を確立するのに適する正および負の端子側の集電板を表し、（４）および（５）は、タイロッドまたは他の機械的締め付け手段（図示せず）と協働して基本セル（２）を適切な電気直列接続に維持できるようにする圧縮板を表し、（６）は、例えば、自動車用途の場合には電気エンジンであり、固定用途の場合には一般的な家庭電化製品である外部回路の電気負荷を表し、（７）は、水の抽出のための内部長手方向マニホルドを表し、（８）は、水の供給のための内部長手方向マニホルドを表し、（９）および（１０）は、外部水循環システムへのマニホルド（７）および（８）の接続ノズルを表し、（１１）は、負の端子側での電気回路および外部水循環システムの接地への接続を表し、（１２）は、循環ポンプを表し、（１３）は、循環水の貯蔵タンクを表し、（１４）は、次の図３で拡大されるスタックの詳細を表す。特に図１Ａおよび図１Ｂはスタック設計に関しており、２つの水の入口および出口のノズルは、それぞれ、同じ圧縮板（例えば、負端子側の板）または両方の板に固定される。後者の場合（図１Ｂ）、正端子側の圧縮板に接続された水回路は、２つの部分（１５）および（１６）を含み、電気絶縁材料で製作された前者は、正極から接地への漂遊電流を実質的に低減するような寸法にされる。
【００２４】
図１Ａのスタックの正端子側の端部が図２に詳細に示されており、外側へのアセンブリ順序で左から右そして上から下に４つのコンポーネントの正面図を示す。コンポーネントは、それぞれ、次のようである。（ａ）は最後の基本セルの正バイポーラ板（１７）であり、（１８）はガス状反応物（一般に空気および純粋または混合された水素）の供給および抽出用の開口を示し、（１９）は水の供給および抽出の開口を示し、（２０）はタイロッドの通路用の穴を示す。（ｂ）はガスケット（２１）であり、導電性かつ変形可能なエレメント（２２）、例えば、発砲金属を備え、それは中央の中空空間に収容され、バイポーラ板（１７）と、隣接する集電板との間の一様な電気接触を保証するためのものである（図１Ａに図示せず）。（ｃ）は集電板（３）であり、電気接続用の横方向拡張部と、板（１７）の開口および穴に対応し、それらに重ねることができる開口および穴とを備える。（ｄ）は圧縮板（４）であり、これもまた、板（１７）の開口および穴に対応し、それらに重ねることができる開口および穴を備え、好ましくは、強化プラスチック材料、例えば、ガラス繊維強化ポリサルホンで製作される。そのような構造は金属タイプに対して好ましく、その理由は、それが、自動車分野で特に評価されるスタック全体の重量の低減と、漂遊電流による腐食現象の抑制と、設置者およびユーザの安全のために必要とされる電気絶縁の容易さと、端末の基本セルをより良好に熱防護するからであり、熱防護については、これにより端末の基本セルの動作温度をスタックの残りのセルと同様の動作温度に維持する。
【００２５】
集電板は、電気的負荷の下での効率損失を最小にするために、無視できる抵抗降下を有することを特徴としなければならず、これのために、集電板は適切な厚さを有し、高い導電性を特徴とする材料、好ましくは、銅またはアルミニウムから製造される。スタックの負端子側の部分も同様に製造される。
【００２６】
正端子側の図２の４つのコンポーネントの組み立ての結果が図３に示され、図３は図１Ａの詳細（１４）の拡大図を示すしており、共通のエレメントは同じ参照番号により識別されるものであり、（２）は、端末基本セルを示し、（２３）は、板（４）と集電板（３）との間に必ず導入されるガスケットであり、マニホルド（７）および（８）を循環する水が漏れないようにするためのものである。図３から明らかなように、前述の開示した組立体は、集電板（３）が、スタックの最後の基本セル（２）、より正確には、通常はステンレス鋼またはオプションとしてグラファイトで製作されるセルの正バイポーラ板と、直接に接触することを示唆する。材料の専門家に知られているように、冷却水または直接注入水の場合のような弱酸性水が存在するところにおいて、異なる性質の２つの金属が直接に接触すると、２つの金属のうちの弱いもの、ここでの場合は集電板（３）の銅またはアルミニウム、の腐食を必然的に引き起こす。この生理学的状況に、最後のセルの正端子バイポーラ板により負わせられる電気ポテンシャルに寄与し、結果として劣化を増大させる。腐食は、材料の損失を伴うものであり、長期にわたって開口（１９）を拡張していくものであり、また、金属イオン（Ｃｕ２＋およびＡｌ３＋、一般にＭｅｎ＋で示される）を放出し、それが循環水に蓄積する。金属イオンは、水と接触する点でメンブレンにより吸収され、スタック性能の減衰により、非常に短時間で結果的な陽イオン伝導性の損失が結果として起こる。更に、金属イオンを含む水の電気抵抗が、漂遊電流の並行した増加と共に減少し、更なる腐食をもたらす。
【００２７】
スタックの負端子側において、集電板−バイポーラ板の結合状況は類似しているが、最後のセルの負端子バイポーラ板のポテンシャルが、腐食を抑制するかまたは少なくとも腐食の強度を減少させる。それにもかかわらず、負端子側においても、水素の内部自己消費が、最後のセルの端子バイポーラ板の電気ポテンシャルの増加を決定するとき、スタックのシャットダウン中に腐食状態が確立される。
【００２８】
図４は、本発明によるスタックを含むシステムの方式（負端子側の同じ圧縮板に入口ノズルおよび出口ノズルの両方を配置したバージョンの縦断面の側面図）および関連する冷却水回路を示す。新しいエレメントは２つの集電板（３’）ならびに圧縮板（４’）および（５’）により表され、前の図のシステムと共通する残りのエレメントは同じ参照番号により示される。特に、２枚の圧縮板（４’）および（５’）は、セルのバイポーラ板およびその圧縮板の外側の全体の平面図形よりも小さい平面図形を有する隣接する集電板（３’）を収納するのに適する凹部（２４）を備える。しかし、そのような平面図形は、基本セルのアクティブ・エリアの平面図形と少なくとも同一の広がりをもち、それと重ねられるものであり、後者は電極表面と一致し、好ましい一実施形態では、変形可能な導電性エレメント（２２）の平面図形と表示的に等しい。
【００２９】
正端子側のスタックの部分のコンポーネントは、外側へのアセンブリ順序、左から右そして上から下に従って、図５に示されている。（ａ）は最後の基本セルの正バイポーラ板（１７）であり、（１８）は、ガス状反応物（一般に空気および水素または水素含有ガス）の供給開口および抽出開口を示し、（１９）は、水の供給開口および抽出開口を示し、（２０）は、締め付け用タイロッドの通路用の穴を示す。（ｂ）はガスケット（２１）であり、導電性であり変形可能なエレメント（２２）を備え、それは例えば発砲金属であり、中央の中空空間に収容され、バイポーラ板（１７）と、隣接する集電板との間の一様な電気接触を保証するためのものである（図４に図示せず）。（ｃ）は本発明の集電板であり、バイポーラ板（１７）および圧縮板（３’）の平面図形よりも小さい平面図形を特徴とし、タイロッドの通路用の穴（２０）だけを備える。（ｄ）は圧縮板であり、隣接する集電板（３’）を収容するのに適する中央凹部（２４）を備え、タイロッドの通路用の穴（２０）だけを備える。
【００３０】
より良く理解するために、図６は不等角投影図で図５のコンポーネントを示す。
【００３１】
図７は、正端子側のスタックの末端に関する図４の詳細（１４）の拡大図を示し、（２）は最後の基本セルを示し、（３’）は本発明に従って圧縮板（４’）の凹部（２４）に収納される集電板の一部を示す。図７は、集電板（３’）と、多数の基本セルのバイポーラ板の開口（１９）の並置により形成されたマニホルド（７）および（８）を循環する水との間に、いかにして余剰の直接接触がないかを明らかにしており、従って、集電板（３’）と最後の基本セル（２）の隣接するバイポーラ板との２つの異なる金属間の接触による金属イオンの放出を引き起こさない。従来技術の不都合、開口（１９）の腐食および拡張、結果として生じるイオン伝導性低下を伴うメンブレンによる金属イオンの吸着、および漂遊電流増加が、完全に抑制される。
【００３２】
図７は、従来技術の設計で必要な端末ガスケット（２３）をどのように除去することができるかも示している。なぜなら、循環水に対する水をシールする機能が単独のガスケット（２１）により確保されているからである。これは、当然、負端子側のスタックの末端にも適用される。
【００３３】
組み立てる部品の数を減少させる利点に加えて、ガスケット（２３）の除去は、圧縮板内へ集電板の挿入することと共に、従来技術の設計で得ることができるスタックと比較してスタックの長さがかなり減少することを示し、この特徴は自動車タイプの用途で特に有用である。
【００３４】
本発明の更なる特徴は、前述の図示の利点が、交換可能なバイポーラ板および集電板を用いて得られ、その結果として、スタックの製造における簡素化がなされ且つ高信頼性が得られることである。
【００３５】
前述の説明は本発明を限定するものではなく、本発明は、その範囲から逸脱することなく様々な実施形態に従って使用することができ、本発明の範囲は特許請求の範囲により定義される。
【００３６】
本出願の説明および特許請求の範囲の全体を通して、「含む（備える、ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という用語および「含む（備える、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「含む（備える、ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」などの変形は、他の要素または付加物の存在を排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１Ａ】図１Ａは、従来技術によるスタック（縦断面の側面図）および関連する冷却回路を含むシステムの第１の実施形態の方式である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、従来技術によるスタック（縦断面の側面図）および関連する冷却回路を含むシステムの第２の実施形態の方式である。
【図２】図２は、図１Ａのスタックの正の端子側の幾つかのコンポーネントの正面図である。
【図３】図３は、正の集電板による金属イオン放出が示されている、図１Ａのスタックの詳細である。
【図４】図４は、本発明によるスタック（縦断面の側面図）および関連する冷却回路を含むシステムの第１の実施形態の方式である。
【図５】図５は、図４のスタックの正の端子側の幾つかのコンポーネントの正面図である。
【図６】図６は、図５のコンポーネント（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）の不等角投影図である。
【図７】図７は、図４のスタックの詳細である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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