(57)【要約】  本発明の、バイポーラプレートは比較的簡単な設計で出来ており、製造コストが低い。しかも、二つの供給管路しか必要としない。バイポーラプレートは基本的には、それぞれ変形シートで出来ている二つのディストリビュータ（１４）間に挟持したセパレータ（２０）を備え、二つの側のそれぞれに配給流路（１６Ａ，１６Ｂ）が形成される。中心孔（１５）を用いて両流路を接続し、ディストリビュータの一端から他端へ単一の配給流路のみが形成される。燃料ガスと酸化剤ガスは外部へ排出されるか、あるいは供給孔（１７）に類似した周縁排出孔（２８）に収集されてもよい。
2008533677.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも二つの供給孔（１７）を周縁配置して備える、電極／隔膜／電極の２つの基部要素（１０）間に取付けるための燃料電池用バイポーラプレートであって、
剛性金属製セパレータ（２０）と、
変形シートで作られた少なくとも一つの第１の剛性金属製ディストリビュータ（１４）と、を備え、
前記第１の剛性金属製ディストリビュータ（１４）の形状が前記シートのそれぞれの側に配給管路（１６Ａ，１６Ｂ）を形成し、各配給管路（１６Ａ，１６Ｂ）の第１の端部が達する配給孔（１５）を備え、前記ディストリビュータ（１４）を貫通する単一の管路を形成することを特徴とする、バイポーラプレート。
【請求項２】
前記配給孔（１５）が中央にあることを特徴とする、請求項１記載のバイポーラプレート。
【請求項３】
少なくとも二つのディストリビュータ（１４）を、それぞれ前記セパレータ（２０）の片側に配置して備えることを特徴とする、請求項１記載のバイポーラプレート。
【請求項４】
前記二つのディストリビュータ（１４）の両方が同一であることを特徴とする、請求項３記載のバイポーラプレート。
【請求項５】
少なくとも一つの管路（１６Ａ，１６Ｂ）の第２の端部（１６Ｃ）を、このように形成した前記バイポーラプレートの外部に開口させることを特徴とする、請求項１記載のバイポーラプレート。
【請求項６】
少なくとも一つの配給管路（１６Ｆ）の第２の端部（１６Ｅ）を周縁排出孔（１７）へ接続することを特徴とする、請求項１又は５記載のバイポーラプレート。
【請求項７】
前記配給管路（１６Ｆ）の周縁を形成する保持リング（２９）を備えることを特徴とする、請求項５記載のバイポーラプレート。
【請求項８】
多孔質基板（３０）を配置する中心に、樋形状の金属フレーム（３１）からなる第２種の第２のディストリビュータを備え、
前記セパレータ（２０）が前記多孔質基板（３０）を周縁供給孔（１７）へ接続する周縁流出路（３２）と、前記配給流路（１６Ｇ）を排出孔（２８）へ接続する排出流路（３４）と、を備えることを特徴とする、請求項１記載のバイポーラプレート。
【請求項９】
電極／隔膜／電極の基部要素（１０）と、請求項１〜８のいずれか１項に記載の幾つかのバイポーラプレートのスタックを備える燃料電池。
【請求項１０】
前記バイポーラプレートと前記電極／隔膜／電極の基部要素（１０）との間に少なくとも一つの電気的気密シール（２６）を用いることを特徴とする、請求項９記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック電解質と共に高温で稼働する燃料電池の分野に関し、またその動作が燃料電池の動作とは逆の、高温で稼働する電解装置の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの種類の燃料電池は、複数の基部要素とポーラプレート又はバイポーラプレートとを交互に配置して備えるスタックからなる。各基部要素は、二つの電極、すなわち一つのアノードと一つのカソードとの間に挟持した隔膜を備え、それには酸化剤と燃料、例えば水素と空気が連続的に供給される。バイポーラプレートは、それぞれ該バイポーラプレートに隣接する二つの基部要素へ前記酸化剤と燃料の同時供給を可能にする。
【０００３】
スタックに関する考え方は、今日までに実装された技術内に幾つか存在する。
【０００４】
図１を参照すると、第１の考え方は、少なくとも一つの外部点と中心点とを介して燃料ガスと酸化剤ガスの導入路を備える円形要素のスタックからなる。スタックの各要素、すなわち二つの電極２Ａ，２Ｂ及びバイポーラプレート３Ａ，３Ｂの間に配置された電解質１からなる基部要素は円形形状であり、中心孔４を有する。バイポーラプレート３Ａは二つの基部要素間に配置された板であり、対してポーラプレート３Ｂは端板である。矢印は空気と水素の流れる軌跡を示しており、それぞれバイポーラプレートの特別な回路内にある。水素は中心孔４を介して流入して外部へ排出され、一方で空気は外部から流入して外部へ排出される。この構造体系の主な欠点は、水素が中心領域から流入するために、カソード２Ａと中心孔４との間の各基部要素に対し十分な気密性を保証する必要がある点にある。この箇所で漏洩が起きるとカソード隔室内での水素と空気の間の燃焼を引き起こすかもしれず、そのことによりセラミック材料に亀裂を生じさせる相当の温度上昇を引き起こし、電池性能を劣化させるだろう。
【０００５】
別の考え方は、セルの中心、すなわち各基礎段の中心を介して空気と水素を流入させることからなる。残留ガスは、電池の周縁出口にて燃焼する。この種の考え方は、燃焼領域は電池の活性要素と直接接触しないという事実は別としても、図１に示したものと同じ欠点を意味する。
【０００６】
最後に、第３タイプの考え方は、円形平面幾何構造を有する基部要素に対しセル外部からガスを導入することを構想するものである。しかしながら、この機能を実現するセラミック材料の選択は、活性領域の周辺近傍にガス源の配置を必要とし、空気源と水素源から気密性と接続を喪失した場合、結局は不利になる可能性がある。ここでもまた、局所的に高温な箇所が出現することによってスタック部品を破損させやすい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、これら全ての欠点を除去し、燃料電池スタックに燃料と酸化剤を供給する、他の考え方を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
したがって、本発明の第１の主題は、電極／隔膜／電極、の二つの基部要素間に取り付けるための、少なくとも二つの供給孔を周縁配置して備える燃料電池バイポーラプレートである。
【０００９】
本発明によれば、プレートは、変形シートからなる少なくとも一つの第１の剛性金属製ディストリビュータに隣接してプレート両側に配給流路を形成し、中心孔により互いに接続されてディストリビュータを挿通する単一の管路を形成し、供給孔へ接続された第１の端部を有する剛性金属製セパレータを備える。
【００１０】
本発明の第１の主実施形態では、二つの第１のディストリビュータをセパレータの両側に配置する。
【００１１】
前記二つのディストリビュータは同一であることが好ましい。
【００１２】
この場合、こうして形成された最小管路の第２の端部を極板外部へ開口させることが可能である。
【００１３】
この第１の場合、こうして形成した管路内に保持リングを配置するのが好都合である。
【００１４】
こうして形成した少なくとも一つの管路の第２の端部を、周縁排出孔に形成することもまた可能である。このようにして、バイポーラプレート上での排出を二つの異なる種類有することが可能である。
【００１５】
本発明によるプレートの第２の好ましい実施形態では、多孔質アノード基板を配置した樋形状の剛性金属フレームで構成した第２のディストリビュータを用い、該第２のディストリビュータが多孔質基板を周縁排出孔へ接続する周縁流出路を備え、この場合セパレータは供給孔を該セパレータの中心で接続して多孔質基板に対して開口する供給管路を有する。
【００１６】
本発明によるポーラプレートの使用においては、本発明になる各バイポーラプレートと供給孔及び／又は排出孔周りの保持リング及びシールの基部要素との間の燃料電池スタックの組立中に、周縁シールの使用が構想される。この場合、マイカのシールを備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により提案する実施形態では、簡易化したスタック組立体を保ちつつ、水素の気密性の課題を取り除くことが可能である。
【００１８】
気密域は、電池の機能的領域に対するオフセット部分内にある。流入口と流出口の数は、隔室ごとに一つの流入口と流出口の数へ低減することができる。
【００１９】
本実施形態において配給管路用の螺旋形状が提案されており、流出ガスに対する供給と流出と気密性分離幹の組立原理が保たれている限り、他形状を構想してもよい。
【００２０】
この考え方により、バイポーラプレートの製造コストを相当に低減することができる。実際、第１の実施形態では、バイポーラプレートは二つの異なる要素、すなわち一つのセパレータと二つのディストリビュータだけで出来ており、それは製造コストを相当に低減するエンボス加工により簡単に得られる。
【００２１】
本発明は、特にＳＯＦＣ（固体酸化物燃料電池）型の電池に適用される。
【００２２】
この考え方は、アノード端に使用する燃料種（水素、メタン、炭化水素等）とは無関係であり、カソード端における空気又は酸素の導入をもって機能させることができる。
【００２３】
この原理は、ＰＣＦＣ（陽子セラミック燃料電池）型燃料電池にも使用される。
【００２４】
最後に、燃料電池の逆動作の実装を構想することで、電流内の水分子解離によって水素を生成するよう高温の電解装置を構想することが可能である。しかしながら、流出口におけるガス分離を用いた変形のみがこの種の電解装置へ適用可能である。異質熱モードによるかあるいは自動熱モードによるかのいずれかにより、「酸素アノード」モードと「脱分極アノード」モードの両方を実装できることに、留意すべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明とその様々な技術的特徴は、幾つかの図面を添付した本開示を読むことによって、より明確に理解されるだろう。
【００２６】
図２Ａ，２Ｂを参照するに、本発明によるバイポーラプレート１２と基部要素１０の形状は円形である。各基部要素１０からの電極は、同じ円形の幾何構造のバイポーラプレート１２により上側と下側からそれぞれ個別に供給される。燃料源と酸化物源、すなわち水素あるいは空気は組立体の外部から供給され、バイポーラプレート１２により各電極の中心へ送られる。例えば、水素をバイポーラプレート１２上方に位置する電極に供給し、その一方で空気を前記バイポーラプレート１２下側に位置する電極に供給する。
【００２７】
この原理に基づき、あらゆる中心の空気あるいは水素供給幹の気密性を備える必要性についての困難が回避される。基部要素１０とバイポーラプレート１２は、同一の直径であってもよい。
【００２８】
図３Ａと３Ｂを参照するに、本発明によるバイポーラプレートの各々は単一の剛性金属製セパレータ２０を備えており、金属製セパレータ２０は平面シートで出来ていて、全体の機械的強度を保証することができる。前記シートは二つの剛性金属製ディストリビュータ１４間に挟持されており、金属製ディストリビュータ１４それぞれは、例えばエンボス加工により得ることのできる波形シートで出来ている。こうして、ディストリビュータ１４は、それぞれの面に、他方の面に形成された流路の部分間に存在する仕切りにそれぞれ対応する流路１６Ａ，１６Ｂを備える。つまり、各ディストリビュータ１４を形成する波形シートはそれぞれ相補形状をもった面を有する。このことは、全てのディストリビュータを一種類のディストリビュータから形成できるようにするという大きな利点をもたらす。つまり、一種類の部品を工夫して前記要素を製造することである。
【００２９】
また、流路１６Ａ，１６Ｂは単一流路で構成されており、例えば中心を巻いてそこに至る螺旋に配置されている。図３Ｂは、この種の構造を示すものである。しかしながら、各セパレータ１４はその中心に、２つの流路１６Ａ，１６Ｂを接続する配給孔１５を備える。この接続のために、各ディストリビュータは実際には一つだけその壁を挿通する流路を備える。二つの流路のうち一方、この場合流路１６Ｂは、ディストリビュータの周縁凹部１８内に開口する周縁端１６Ｃを備える。一方で、他方の流路１６Ａはスタック外部に開口する対向端部１６Ｄを備える。いったん基部要素１０とセパレータ２０との間にこのように積層すると、一連の流路１６Ａ，１６Ｂからなる各単一流路は周縁凹部１８からガスを循環させ、外部に開口する流路１６Ａの端部１６Ｄを介して外部へ排出することができる。各凹部１８上には供給孔１７が存在するため、空気又は水素をこうして形成された燃料電池の基部要素１０の各面に対し送ることができることが理解されるだろう。電池の動作は、集電器により完成する。二つのディストリビュータ１４ははんだ付けによりセパレータ２０周りに周方向に組み合わせ、そこでセパレータを封止する。一方の側から他の側へ流路が挿通できるようにする配給孔１５は、中心にある。実際、これにより基部要素１０（電極／隔膜／電極）の反応面全体が使用できるようになる。稼働中は熱が放射される。中心供給によって、温度分布について同じ回転対称性が保たれる（同心的態様にて、中心がより高温であり、外側へ向けて、より低温となる）。
【００３０】
燃料電池の電力を増大できるようスタックを形成すべく、互いの頂部にバイポーラプレートと電極／隔膜／電極の基部要素とから形成した異なる下位組立体を積層することが単に必要である。供給孔１７を重ねることで組立を実行した際に、空気あるいは水素供給幹がかくして組立体として形成される。
【００３１】
図４を参照するに、前述した、電極／隔膜／電極の一連の基部要素１０とバイポーラプレートとを備えるこの種のスタックは、ある程度の気密性を有するだろう。
【００３２】
この目的に合わせ、供給孔１７において、電極／隔膜／電極の基部要素１０に対向配置されたバイポーラプレート１４の面上の供給孔１７の周りにシール２６を配置する。この種のシール２６は、マイカで作成するか又はプラズマにより蒸着することができる。この箇所で漏洩が発生する場合は、これらを燃料電池の活性部分すなわち機能部分の外部領域に配置し、かくして電極／隔膜／電極の基部要素１０の一体性に強い影響を及ぼさないようにすることに留意されたい。さらに、この種のシール２６は電気的絶縁とガスに対する気密性の両方を保証する。
【００３３】
図５Ａ，５Ｂ，５Ｃを参照するに、本発明による燃料電池の第２実施形態は、燃料ガスと酸化剤ガスと反応後のそれらの残存生成物を回収、すなわち別個に収集し、燃料電池の動作域とスタック外部との間の気密性を保証するものである。図５Ｃは、供給孔１７だけでなく、同様に構成されディストリビュータ２４の両側を構成する各段からの管路の流出口へそれぞれ接続した排出孔２８もまた示している。
【００３４】
先の実施形態とは異なり、周縁には残存ガスと燃料のための可能ないかなる流出口も、酸化剤のための配給管路の流出口も存在しない。前記ディストリビュータ２４を変形したもので形成した管路の螺旋形状の最終円周からなる保持リング２９と配給流路１６Ｆの第２の端部１６Ｅとを用い、前記端部を排出孔２８へ接続している。保持リング２９上には、スタック全体の気密性を保証すべく、その表面に電極／隔膜／電極の基部要素１０に当接するようシールが配置してある。換言すれば、シールは電極／隔膜／電極の基部要素１０の各面上に周縁配置してある。
【００３５】
燃料だけを回収して酸化剤は放出させることを構想することも、可能である。この場合、同一のバイポーラプレートのディストリビュータは異なるものとなる。
【００３６】
図６Ａ，６Ｂ，６Ｃを参照するに、本発明による実施形態は前述した唯一のディストリビュータとは異なるディストリビュータの用途を規定している。この場合、多孔質基板で出来た第２種のディストリビュータ３０を用い、燃料ガスあるいは酸化剤ガスが前記多孔質基板の容量を貫流し、電極／隔膜／電極の基部要素１０の電極に接触できるようにしてある。前記多孔質基板３０は、供給孔１７と流出孔２８において同一形状を有する周縁フレーム３１により完成される。この場合、セパレータ４０は流出幹への配給流路１６Ｇの排出流路３４を備える。
【００３７】
前記多孔質基板３０は、セパレータ２０上に組み立てるか、あるいは被覆技術により付着させるかのいずれかとする。材料は、電子導体か又は複合体、すなわち電子導体かイオン導体のいずれかである。
【００３８】
外部に対するアノード隔室の仕切りと外部に対するカソード隔室の仕切りは、この場合、区域３３内の２つのバイポーラプレート間、すなわち多孔質基板とそのフレーム３１との間の接合位置の電気的絶縁シールによってももたらされる。この実施形態では、バイポーラプレートとそれを部分的に構成する多孔質基板３０との間に良好な電気的接触をもたらすことが可能であり、その上に電極／隔膜／電極の基部要素１０の電極を付着させる。すなわち前記多孔質基板３０がイオン導体と電子導体の両方で出来ている場合は直接電解質上に付着させる。
【００３９】
本実施形態の場合、セパレータ２０は、バイポーラプレートの中心へ向けて、かつ供給孔１７へ向けて開口する供給流路３２を備える。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】前述した先行技術による燃料電池の考え方を分解して示す図である。
【図２Ａ】本発明によるバイポーラプレートの動作モードに関する線図である。
【図２Ｂ】本発明によるバイポーラプレートの動作モードに関する線図である。
【図３Ａ】本発明の第１実施形態による二つのバイポーラプレートの断面図である。
【図３Ｂ】本発明の第１実施形態による二つのバイポーラプレートの上面図である。
【図４】図３Ａと図３Ｂに示した実施形態によるバイポーラプレートを用いた３段の燃料電池の断面図である。
【図５Ａ】本発明の第２実施形態によるバイポーラプレートを用いた３段の燃料電池スタックの断面図である。
【図５Ｂ】本発明の第２実施形態によるバイポーラプレートを用いた３段の燃料電池スタックの断面図である。
【図５Ｃ】本発明の第２実施形態によるバイポーラプレートを用いた３段の燃料電池スタックの上面図である。
【図６Ａ】本発明の第３実施形態によるバイポーラプレートを用いた３段の燃料電池段の断面図である。
【図６Ｂ】本発明の第３実施形態によるバイポーラプレートを用いた３段の燃料電池段の断面図である。
【図６Ｃ】本発明の第３実施形態によるバイポーラプレートを用いた３段の燃料電池段の上面図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
2008533677.tif 000014
【国際調査報告】
2008533677.tif 000015
2008533677.tif 000016
2008533677.tif 000017
2008533677.tif 000018
2008533677.tif 000019
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