(57)【要約】燃料電池スタックにおいて電気的な接続及び最小限の機械的なストレスを備える機械的なサポートを容易にする相互接続。かかる相互接続は柔軟であり、低コストで高いスタック性能を備える機械的に頑丈な燃料電池スタックを提供する。柔軟な相互接続は、従来の強固な肋材の相互接続に置き換えて、セラミック燃料電池の不完全な平坦さに適応するであろうフレキシブル“フィンガー”又は接触パッドを提供する。さらに、積層された燃料電池の機械的なストレスは、フィンガーの柔軟さにより小さくなるであろう。かかる相互接続は、片方側であるか、又は両側になりうる。
2005505890.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プレートと、
前記プレートの少なくとも一つの表面から外側に向けて延在する複数の間隔が置かれた要素とを有する燃料電池のための柔軟な相互接続であって、
前記要素が接触パッドを定義する部分を有することを特徴とする柔軟な相互接続。
【請求項２】
前記プレートの反対側から外側に向けて延在する複数の間隔が置かれた要素を追加的に有することを特徴とする請求項１に記載の相互接続。
【請求項３】
前記プレートは、異なる物質の３層から構成されることを特徴とする請求項１に記載の相互接続。
【請求項４】
前記３層の物質は、３層の異なる物質と、同一の３つの物質と、２層の同一又は異なる物質を含む３層の物質から構成されるグループから選択してよいことを特徴とする請求項３に記載の相互接続。
【請求項５】
前記３層の少なくとも一つは耐酸化物質を含むことを特徴とする請求項３に記載の相互接続。
【請求項６】
前記３層の少なくとも一つは高伝導物質を含むことを特徴とする請求項３に記載の相互接続。
【請求項７】
前記３層の第一層は耐酸化物質から構成され、前記３層の第二層は高伝導物質から構成され、さらに前記３層の第三層は、前記第一と前記第二との中間に位置する物質から構成されることを特徴とする請求項３に記載の相互接続。
【請求項８】
前記複数の間隔が置かれた要素は、前記プレートに必須の端を夫々有することを特徴とする請求項１に記載の相互接続。
【請求項９】
前記複数の間隔が置かれた要素は、複数の部分から夫々構成されて、少なくとも第一部分は前記プレートに関する角度で延在し、第二部分は前記プレートに対して実質的に平行であることを特徴とする請求項１に記載の相互接続。
【請求項１０】
前記少なくとも第一部分は、前記プレートに必須である部分を有することを特徴とする請求項９に記載の相互接続。
【請求項１１】
前記間隔が置かれた要素は、フィンガー又はブリッジからなるグループから構成されることを特徴とする請求項９に記載の相互接続。
【請求項１２】
前記複数の間隔が置かれた要素は、該要素の長さよりも広い幅を夫々有することを特徴とする請求項１に記載の相互接続。
【請求項１３】
前記複数の間隔が置かれた要素は、該要素の幅よりも長い長さを夫々有することを特徴とする請求項１に記載の相互接続。
【請求項１４】
前記複数の間隔が置かれた要素の少なくとも一つは、前記間隔が置かれた要素の少なくとも別の規模とは異なる規模を有することを特徴とする請求項１に記載の相互接続。
【請求項１５】
前記複数の間隔が置かれた要素は一対の単一電池の中間に設置されて、前記複数の柔軟な要素は、一つの燃料電池の陽極と接触し、隣接する電池の陰極と接触するように、前記プレートの反対側から延在することを特徴とする請求項１に記載の相互接続。
【請求項１６】
前記複数の間隔が置かれた要素は、先細部分と、平坦な部分及び２つの先細部分を有する平坦な部分又はブリッジとを有するフィンガーの一つを形成するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の相互接続。
【請求項１７】
複数の単一電池と、
隣接する単一電池の中間に位置する少なくとも一つの相互接続を備える複数の相互接続とを有する燃料電池スタックであって、
前記複数の相互接続は前記隣接する単一電池の反対表面に接する間隔が置かれた突出する要素を有することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１８】
前記複数の相互接続は、少なくとも一つの先細部分と、一つの平坦な部分とを有する形態であることを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池スタック。
【請求項１９】
前記複数の相互接続は、ブリッジ形態であることを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
アメリカ合衆国政府は、ローレンス・リヴァーモア国立研究所のオペレーションのためにアメリカ合衆国エネルギー省とカリフォルニア大学との間のコンタクト番号Ｗ−７４０５−ＥＮＧ−４８に準ずる本発明の権利を有する。
【０００２】
関連出願
本出願は、２００１年３月８日に出願された米国仮特許出願番号６０／２７４，２０１に関連し、３５ＵＳＣ１２０に基づき優先権を主張する。
【０００３】
本発明の背景
本発明は燃料電池の相互接続に関し、詳細には燃料電池スタックにおける相互接続に関し、より詳細には、電気的な接続を容易にし、最小限の機械的なストレスを備えた機械的サポートを提供する燃料電池スタックのための柔軟な相互接続に関する。
【０００４】
燃料電池は、燃料の化学的なエネルギーを直接電気に変換する、電気化学的な装置である。燃料と大気中の酸素との熱力学的反応により、単一の燃料電池は約１ボルトの電圧を有する。したがって、実際的な適用において、数多の電池は高電圧を生成するために積層されなければならない。電池の積層は、電池を電気的に接続する相互接続の使用を必要とする。ほとんどの場合、相互接続は空気と燃料の流れのためのガス通路としての役割をする。ここより後に詳細に記載する、図１は、空気と燃料のためのクロスフローデザインを有する従来の燃料電池スタックの拡大図を示す。
【０００５】
図１において、相互接続は耐酸化合金からなり、空気と燃料通路として役立つ一定間隔で配置された肋材を有する。かかる構造は、熱交換器の構造に非常に近似している。良好な電気的な接触のために、相互接続は反対側に位置する単一電池と物理的に近接して接触しなければならない。セラミック燃料電池の避けられないわずかな湾曲により、良好な接触が電池全体を覆うことは困難である。加えて、相互接続の肋材の下に位置するエリアがガスに対して直接的に暴露されず、したがって、ガス不足が生じ、低いスタック効率を導く。一方で、著しいほどに薄い肋材を備える相互接続は、電池とエリアの不十分な接触を有する可能性がある。セラミック燃料電池を備える金属相互接続の積層は、構造の硬さ及び金属とセラミックの熱性の性質における差異のために、高いストレスをさらに引き起こす。
【０００６】
本発明は、従来の相互接続の強固な肋材と関連する上に記載した問題の解決策を提供し、強固な肋材に置き換えて、セラミック燃料電池の不完全な平坦さに適応するフレキシブル“フィンガー”を提供する。それらのフレキシブルフィンガーは、電池と相互接続との間の改良された電気的な接触を可能にし、ガスの欠乏に従う減少するエリアと同様に機械的なストレスを削減する。
【０００７】
発明の概要
本発明の目的は、柔軟な相互接続を備える燃料電池スタックを提供することである。
【０００８】
本発明のさらなる目的は、電気的な接続を容易にし、最小限の機械的なストレスを備える機械的なサポートを提供する、燃料電池の相互接続を提供することである。
【０００９】
本発明の別の目的は、従来から既知の燃料電池の相互接続の強固な肋材をフレキシブルフィンガーを有する相互接続で置き換えることである。
【００１０】
本発明の別の目的は、燃料電池の任意の不完全な平坦さと適応するであろうフレキシブルフィンガーを備える燃料電池の相互接続を提供することである。
【００１１】
本発明の別の目的は、プレートの両側にフレキシブルフィンガーを有する相互接続プレートを提供することである。
【００１２】
本発明の別の目的は、空気側だけが耐酸化物質からなり、燃料側のフィンガーが柔軟な高伝導物質からなる、相互接続プレートを提供することである。
【００１３】
本発明の別の目的は、２つの電極に対する共通接続を形成するように下と同様に上も指し示しているフィンガーを備える、単一プレートからなる背中合わせの相互接続を提供することである。
【００１４】
本発明の他の目的及び利点は、下記の詳細及び添付図から明白になるであろう。本発明は燃料電池スタックのための柔軟な相互接続を包含している。柔軟な要素又はフィンガーは電気的な接続を容易にし、最小限の機械的ストレスを備える機械的サポートを可能にし、さらにセラミック電池などの燃料電池の任意の不意安全な平坦さに対して柔軟に適応する。加えて、相互接続のフィンガーと接触する電池のエリアは、従来の強固な肋材よりも小さく、したがってより少ないガス不足が提供される。相互接続は３プレートからなり、例えば、分離プレートと、燃料側にフレキシブルフィンガー又は接触パッドを備えたプレートと、及び空気側にフレキシブルフィンガーを備えたプレートである。空気側のプレートだけが耐酸化物質でなり、一方で、燃料側プレートは柔軟な高伝導性物質からなる。さらに、相互接続は、２つの電極の共通接続を形成するように反対方向に延在するフレキシブルフィンガーを備える単一プレートから背中合わせの形態で組立できる。各フレキシブルフィンガーの長さとサイズは、個別の適用に応じて夫々適応できる。
【００１５】
本開示に組み込まれ、その一部分を形成する添付図は、下記の記載と共に本発明の実施態様を例示して、本発明の原理の説明に役立つ。
【００１６】
発明の詳細な記載
本発明は燃料電池スタックにおける柔軟な相互接続を包含する。本発明の相互接続は、燃料電池スタックにおける電気的な接続と最小限の機械的なストレスを備える機械的なサポートを容易にする。これは、低コストで高いスタック性能を備えた機械的に頑丈な燃料電池スタックを導く。本発明は、従来から既知の相互接続の強固な肋材に代わって、フレキシブルフィンガー又はブリッジの形態が可能な接触パッドに置き換える。特異的な形状により、また適切な合金が使用される場合、フィンガーは、セラミック燃料電池の不完全な平坦さに適応するであろう、数多の柔軟性を有することができる。これは、電池と相互接続との間の電気的な接触における著しい改善を導く。機械的なストレスは、フィンガーの柔軟性により小さくなるであろう。加えて、相互接続と接触する、単一電池のエリアは、薄い“脚”による重大なガス不足を引き起こすことなく拡大できる。
【００１７】
本発明の相互接続は、中間の分離プレート又は層と、燃料側にフィンガーを備えるプレートと、及び空気側にフィンガーを備えるプレートとの実質的に３層からなるプレートを活用する。空気側のプレートだけが、Ｉｎｃｏｎｅｌ６００又は６０１、Ｈａｎｅｓ２３０、及びフェライトを含むステンレス鋼などの耐酸化合金から構成されなければならない。燃料側にフィンガーを備えるプレートは、空気側と同一物質か、又は柔軟な物質か、若しくは酸化するおそれがない銅、銀、金などの高伝導性金属からなりうる。分離プレートは空気側の物質と同様の物質からなりうる。全構造に機械的なサポートとして役立つために厚さはより厚くなることができうる。
【００１８】
背中合わせの形態において、フィンガーは２つの電極に対して共通の接続を形成するように下と同様に上を指し示すフィンガーを備えたプレートからなる。各フィンガーの長さとサイズは、型押しの形成における最低費用で個別の適用に対して夫々対応できうる。任意のプレートは、目的とする適用に依存する様々な物質で形成されるのと同様に、長さ及び／又は幅が変化するフィンガーを備えて提供できうる。
【００１９】
ここで図を参照するに、図１は強固な肋材を有する従来技術の相互接続を活用する燃料電池を例示し、一方で図２Ａ乃至２Ｂ、３Ａ乃至３Ｂ、及び４Ａ乃至４Ｂはフレキシブルフィンガーを使用する本発明と一致してなる相互接続の実施態様を例示する。
【００２０】
図１で見られるように、燃料電池スタックは、一般的に１０で示され、２つのセラミックの単一電池１１及び１２を含み、各単一電池は、燃料電池１１の真下に位置する相互接続１６と、燃料電池１１と１２の中間に位置する相互接続１７とを備え、陽極１３、電解質１４及び陰極１５を含む。各相互接続１６及び１７は、その反対側に一連の強固な肋材１８及び１９を含み、それによって空気は矢印２０から２１に向かって示されるように肋材１８間のエリアを通過し、燃料は矢印２２から２３に向かって示されるように肋材１９間のエリアを通過する。
【００２１】
図２Ａ乃至２Ｂは、３０で概略して示される本発明の相互接続の３つのプレートの実施態様を例示しており、図２Ｂの拡大した側面図で見られるように、外部プレート３１と３２を含み、それらプレート３１と３２の間に分離プレートを備える。上部の外部プレート３１は、複数の外に向かって突出しているフィンガー又は接触パッド３４を備えて提供されて、先細部分３５及び平坦か又は真っ直ぐな部分３６を夫々有し、従来から既知のようにプレートから物質を除去することなく、プレート３１の穴あけ工程によって形成される。同様にして、下部の外部プレート３２は、先細部分３８及び平坦か又は真っ直ぐな部分３９を有する突出するフィンガー又は接触パッド３７を備えて提供される。上に示されたように、相互接続３０の空気側（プレート３１又は３２）だけは、空気側の物質などの同一物質からなる分離プレート３３を備えて、耐酸化物質からなるか、又は耐酸化物質で塗布される。
【００２２】
実施例の方法によって、プレート３１と３２の指３４と３７は、６乃至１５ｍｍの全体の長さと４乃至１０ｍｍの幅を有し、１乃至２０μｍの厚さで、好ましくは５乃至１０μｍの厚さであって、２乃至１０ｍｍ長で３０°乃至８０°の角度である先細部分と、４乃至１０ｍｍ長を有する平坦な部分を備えてよい。分離プレート３３は、１０乃至２００μｍの厚さで、好ましくは２０乃至５０μｍの厚さを有する。上に示したように、プレート３２のフィンガー３７は、プレート３１のフィンガー３４とは異なるサイズか又は形状であってもよいし、又は何れかのプレートの様々なフィンガーは様々な用途に対して適応するように異なるサイズ及び形状であってよい。熱膨張適合性及び簡潔さのために、すべての層において同一物質を活用することが望ましい。さらに、燃料と空気の流れの違いは、異なる間隔を必要としてよい。
【００２３】
図３Ａ及び３Ｂの実施態様は、図２Ａ及び２Ｂにおけるフィンガー又は接触パッドのサイズが異なり、対応している構成要素はその対応する参照番号が添えられている。図３Ａで見られるように、フィンガー又は接触パッド３４１は、プレート３１で示された６つだけのフィンガー３４１を備え、図２Ａの幅よりも実質的に広い幅を有し、先細部分３５１と、６乃至１５ｍｍの幅を有する平坦な部分３５１（図３Ｂ）は、上に記載と同様の角度及び長さを有する。同様にして、プレート３２１は図３Ａに示されるように構成されたフィンガー３７１を備えて提供されてよい。
【００２４】
概略して４０で示された図４Ａ乃至４Ｂの実施態様は、上面４３から延在するフィンガー又は接触パッド４２と、下面４５から延在するフィンガー又は接触パッド４４とを有し、下面のフィンガーと相殺される上面のフィンガーを備える、単一プレート４１を含む。図２Ａ乃至２Ｂで示されるように、フィンガー４２は先細部分４６及び平坦又は真っ直ぐな部分４７を含み、一方でフィンガー４４は先細部分４８及び平坦又は真っ直ぐな部分４９を含む。フィンガー４２と４４の長さ、幅、及び角度は、上に記載のようになされる。図５は、フィンガーよりもブリッジ構造を活用し、１に代わって２つの脚を含む、本発明の別の実施態様における断面を例示する。示されるように、５０で示される３層構造は、図２Ａ乃至２Ｂの実施態様のように、外部プレート５１と５２を有し、それらプレート５１と５２の間に位置する分離プレート５３を備える。各外部プレート５１と５３は、平坦又は表面部分５５と、一対の脚部分５６及び５７とを有する、外側に向かって延在するブリッジ又は要素５４を備えて提供される。図２Ａ乃至２Ｂのように、ブリッジ５４はプレート５１及び５２から穴あけされてよい。さらに、ブリッジ５４は、共に結合又はろう接されたフィンガーの平坦な部分の外部端を備える２つの面するフィンガーから形成できうる。
【００２５】
３層構造が様々な方法でなされてよいが、好ましい方法はプレートのろう接又は拡散結合形成によってなされる。
【００２６】
したがって、本発明は、従来技術の相互接続の問題を克服する、電池スタックにおける相互接続を提供することが示される。本発明の相互接続は、従来から既知の強固な肋材を、様々な用途においてサイズ化されてよい、フレキシブルフィンガー又は接触パッドと置き換える。それらの柔軟な相互接続はまた、他の装置にも適用されて、例えば、蒸気電解槽、セラミック酸素ジェネレータ、セラミック水素ジェネレータ、二酸化炭素電解層などである。
【００２７】
本発明の原理を例証し教示するために、特定のパラメータ及び物質に沿って本発明の特異的な実施態様を実証したが、本発明を限定することを目的とするものではない。修正及び変形は当業者にとって明白となるが、請求項の範囲を逸脱せずに限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来技術の強固な肋材の相互接続を備える燃料電池スタックを示す図である。
【図２Ａ】
短いフレキシブルフィンガーを活用する本発明の実施態様を示す図である。
【図２Ｂ】
短いフレキシブルフィンガーを活用する本発明の実施態様を示す、図２Ａを拡大した側面図である。
【図３Ａ】
長いフレキシブルフィンガーを活用する本発明の実施態様を示す図である。
【図３Ｂ】
長いフレキシブルフィンガーを活用する本発明の実施態様を示す、図３Ａを拡大した側面図である。
【図４Ａ】
相互接続の反対側における相互接続電極の背中合わせのフレキシブルフィンガー形態を示す図である。
【図４Ｂ】
相互接続の反対側における相互接続電極の背中合わせのフレキシブルフィンガー形態を示す、図４Ａの側面図である。
【図５】
フレキシブルブリッジ構造を活用する本発明の実施態様を示す図である。
【図１】
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【国際公開パンフレット】
2005505890.tif 000004
2005505890.tif 000005
2005505890.tif 000006
2005505890.tif 000007
2005505890.tif 000008
2005505890.tif 000009
2005505890.tif 000010
2005505890.tif 000011
2005505890.tif 000012
2005505890.tif 000013
2005505890.tif 000014
2005505890.tif 000015
2005505890.tif 000016
2005505890.tif 000017
2005505890.tif 000018
2005505890.tif 000019
2005505890.tif 000020
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005505890.tif 000021
2005505890.tif 000022
【国際調査報告】
2005505890.tif 000023
2005505890.tif 000024
2005505890.tif 000025