(57)【要約】固体酸化物型燃料電池のインタコネクトが、第１の接触領域を画定する第１の部分と、この第１の接触領域から離間した第２の接触領域を画定する第２の部分と、第１の部分と第２の部分との間に延びる中間部分と、を有した導電性構造体を備える。中間部分は、第１のコーナー部を介して第１の部分に接続され、かつ第２のコーナー部を介して第２の部分に接続される。ここで、第１のコーナー部の半径は、第２のコーナー部の半径よりも小さい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の接触領域を画定する第１の部分と、該第１の接触領域から離間した第２の接触領域を画定する第２の部分と、前記第１の部分と前記第２の部分との間に延びる中間部分と、を有した導電性構造体を備え、
前記中間部分は、第１のコーナー部を介して前記第１の部分に接続され、かつ第２のコーナー部を介して前記第２の部分に接続され、前記第１のコーナー部の半径は、前記第２のコーナー部の半径よりも小さいことを特徴とする固体酸化物型燃料電池のインタコネクト。
【請求項２】
前記導電性構造体は、ワイヤメッシュから構成されることを特徴とする請求項１に記載のインタコネクト。
【請求項３】
前記導電性構造体は、金属フォイルから構成されることを特徴とする請求項１に記載のインタコネクト。
【請求項４】
前記金属フォイルの厚さは、０．１〜０．２ｍｍであることを特徴とする請求項３に記載のインタコネクト。
【請求項５】
前記金属フォイルは、フェライト系ステンレス鋼から構成されることを特徴とする請求項３に記載のインタコネクト。
【請求項６】
前記第１の接触領域は、燃料セル接触領域であり、前記第２の接触領域は、バイポーラプレート接触領域であることを特徴とする請求項１に記載のインタコネクト。
【請求項７】
前記第１のコーナー部の半径に対する前記第２のコーナー部の半径の比は、少なくとも２．５であることを特徴とする請求項１に記載のインタコネクト。
【請求項８】
前記中間部分は、前記第１の部分および前記第２の部分に対して２０〜７０°の角度に配置されることを特徴とする請求項７に記載のインタコネクト。
【請求項９】
前記中間部分は、前記第１の部分および前記第２の部分に対して２０〜７０°の角度に配置されることを特徴とする請求項１に記載のインタコネクト。
【請求項１０】
前記第１の接触領域は、前記第２の接触領域よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のインタコネクト。
【請求項１１】
燃料セルと、
バイポーラプレートと、
前記燃料セルに接触した燃料セル接触領域を画定する第１の部分と、前記バイポーラプレートに接触し、かつこの第１の接触領域から離間したバイポーラプレート接触領域を画定する第２の部分と、前記第１の部分と前記第２の部分との間に延びる中間部分と、を備えた導電性インタコネクト構造体と、
を備え、
前記中間部分は、第１のコーナー部を介して前記第１の部分に接続され、かつ第２のコーナー部を介して前記第２の部分に接続され、前記第１のコーナー部の半径は、前記第２のコーナー部の半径よりも小さいことを特徴とする固体酸化物型燃料電池アッセンブリ。
【請求項１２】
前記導電性構造体は、ワイヤメッシュから構成されることを特徴とする請求項１１に記載の固体酸化物型燃料電池アッセンブリ。
【請求項１３】
前記導電性構造体は、金属フォイルから構成されることを特徴とする請求項１１に記載の固体酸化物型燃料電池アッセンブリ。
【請求項１４】
前記金属フォイルの厚さは、０．１〜０．２ｍｍであることを特徴とする請求項１３に記載の固体酸化物型燃料電池アッセンブリ。
【請求項１５】
前記金属フォイルは、フェライト系ステンレス鋼から構成されることを特徴とする請求項１３に記載の固体酸化物型燃料電池アッセンブリ。
【請求項１６】
前記第１の接触領域は、燃料セル接触領域であり、前記第２の接触領域は、バイポーラプレート接触領域であることを特徴とする請求項１１に記載の固体酸化物型燃料電池アッセンブリ。
【請求項１７】
前記第１のコーナー部の半径に対する前記第２のコーナー部の半径の比は、少なくとも２．５であることを特徴とする請求項１１に記載の固体酸化物型燃料電池アッセンブリ。
【請求項１８】
前記中間部分は、前記第１の部分および前記第２の部分に対して２０〜７０°の角度に配置されることを特徴とする請求項１７に記載の固体酸化物型燃料電池アッセンブリ。
【請求項１９】
前記中間部分は、前記第１の部分および前記第２の部分に対して２０〜７０°の角度に配置されることを特徴とする請求項１１に記載の固体酸化物型燃料電池アッセンブリ。
【請求項２０】
前記燃料セル接触領域は、前記バイポーラプレート接触領域よりも大きいことを特徴とする請求項１１に記載の固体酸化物型燃料電池アッセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池に関し、特に、固体酸化物型燃料電池のインタコネクトに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池発電装置は、燃料セルおよびバイポーラプレートを交互に備える。インタコネクトは、１つのセルから次のセルへと電流を通過させて収集するために使用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
インタコネクトの構造体の一例は、隣接する燃料セルおよびバイポーラプレートに接触する導電性の半長方形構造体の形態をとっており、これにより、電流が、燃料セルとバイポーラプレートとの間を通過する。このようなインタコネクトは、電流を通過させて収集するという意図された目的のために一般に機能するが、隣接する構成要素と良好な接触を維持することに関して問題がある。さらに、長方形構造体は圧縮剛性が高く、これが問題となり得る。
【０００４】
この問題と、長方形構造体に伴う上記の欠点と、を対策した改良されたインタコネクトが必要とされていることが明らかである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の要求は、本発明によって満足される。
【０００６】
本発明では、導電性構造体を備えた固体酸化物型燃料電池が提供され、この導電性構造体は、第１の接触領域を画定する第１の部分と、この第１の接触領域から離間した第２の接触領域を画定する第２の部分と、第１の部分と第２の部分との間に延びる中間部分と、を有する。中間部分は、第１のコーナー部を介して第１の部分に接続され、かつ第２のコーナー部を介して第２の部分に接続されている。ここで、第１のコーナー部の半径は、第２のコーナー部の半径よりも小さい。
【０００７】
さらに、本発明では、燃料セル、バイポーラプレートおよび導電性インタコネクト構造体を備えた固体酸化物型燃料電池アッセンブリが提供され、この導電性インタコネクト構造体は、燃料セルに接触した燃料セル接触領域を画定する第１の部分と、この第１の接触領域から離間し、かつバイポーラプレートに接触したバイポーラプレート接触領域を画定する第２の部分と、第１の部分と第２の部分との間に延びる中間部分と、を有する。中間部分は、第１のコーナー部を介して第１の部分に接続され、かつ第２のコーナー部を介して第２の部分に接続されている。ここで、第１のコーナー部の半径は、第２のコーナー部の半径よりも小さい。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来技術の長方形インタコネクトを示した図である。
【図２】図１のインタコネクトの変形を示した図である。
【図３】本発明のインタコネクトを示した図である。
【図４】図３のインタコネクトの変形を示した図である。
【図５】代替の実施例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、燃料電池、特に、固体酸化物型燃料電池のインタコネクトに関する。インタコネクトは、非対称のダブテール形状であり、これにより、圧縮されたときに望ましい変形および追従性を与えるための助けとなる。
【００１０】
図１および図２には、半長方形のインタコネクト１が示されており、該インタコネクト１は、燃料電池発電装置の隣接する構成要素の間、例えば、燃料セル２とバイポーラプレート３との間に電気的な接続をもたらすように一般に使用される。燃料セル２およびバイポーラプレート３は、図１に概略的にそれぞれ示されている。
【００１１】
インタコネクト１は、第１の水平部分、垂直方向中間部分および第２の水平部分が交互に繰り返されるように形状づけられた材料から形成されるので、半長方形と呼ばれている。この構造は、インタコネクトの特定の寸法に沿って繰り返される。この構造によって３つの辺のみの長方形が繰り返されるので、本明細書では、この長方形は半長方形インタコネクトと呼ばれている。
【００１２】
図２には、圧縮状態におけるインタコネクト１の一般的な応答が示されており、セル接触部分４が、セル２から離間するように撓み、セル２に面した凹面が形成される。インタコネクトとセルとの間に付着強度がほとんど無い、もしくは付着強度が全く無くなり、生じた変形によってインタコネクト１とセル２との間の接触領域が減少するので、このセル接触部分４の変形は望ましくない。さらに、側部部材即ち中間部材５が比較的垂直な構成をとることによって、圧縮状態におけるインタコネクト１の追従性が減少する。
【００１３】
図３および図４には、本発明の実施例におけるインタコネクト１０が示されている。１つのセルから次のセルへと電流を通過させて収集するために、インタコネクト１０は、燃料電池発電装置の隣接する構成要素の間、例えば、燃料セル１２とバイポーラプレート１４との間に位置決めされる。この位置において、インタコネクト１０は、セパレータ即ちバイポーラプレートの面および燃料電池の電極の外側面に接触している、つまりこれらの面を相互接続している。
【００１４】
図３には、複数の第１の部分１６を備えたインタコネクト１０が示されており、該第１の部分１６は、実質的に同一平面上にあり、例えば、燃料セル１２である１つの燃料電池構成要素に接触した第１の接触領域をともに画定する。また、インタコネクト１０は、複数の第２の部分１８を備えており、該第２の部分１８も、実質的に同一平面上にあり、例えば、バイポーラプレート１４である他の燃料電池構成要素に接触した第２の接触領域をともに画定する。
【００１５】
第１の部分１６および第２の部分１８は、図示されているように第１の部分１６と第２の部分１８との間に延びる中間部分２０によって接続されている。図１に示されている構造体とは異なり、中間部分２０は、第１の部分１６および第２の部分１８に対して約２０〜７０°の角度Ａだけ傾斜している。さらに、中間部分２０と第１の部分１６との接続点において、第１の曲率半径ｒの丸みを帯びた構造であるコーナー部２２が、中間部分２０および第１の部分１６によって画定される。同様に、中間部分２０と第２の部分１８との接続点において、第２の曲率半径Ｒの丸みを帯びた構造であるコーナー部２４が、中間部分２０および第２の部分１８によって画定される。図３に示されているように、第２の曲率半径Ｒは、第１の曲率半径ｒよりも大きい。したがって、コーナー部２２の半径ｒに対するコーナー部２４の半径Ｒの比は、１よりも大きく、さらに好ましくは少なくとも約２．５である。コーナー部２２，２４の半径および中間部分２０の角度Ａによって形成された構成によって、圧縮状態において、インタコネクト１０と燃料セル１２との接触が良くなり、インタコネクト１０の追従性も良くなる。
【００１６】
極端な場合には、コーナー部２２，２４は、これらのコーナー部の曲線が１つの接点において互いに連続するような大きさとすることができ、この構成においては、中間部分２０として確認できる長さが無くなる、ということを理解すべきである。このような構成では、この接点自体が中間部分と見なされ、角度Ａはこの接点を通る接線によって定まる。
【００１７】
図４には、圧縮状態におけるインタコネクト１０が示されており、第１の接触領域を画定する第１の部分１６が実質的に同一平面上にある状態を保っている。隣接する燃料セル１２との良好な接触を維持するので、これは望ましい。コーナー部２４におけるより大きい半径Ｒによって、圧縮時に変形しやすくなり、図１および図２の半長方形インタコネクトにおいて生じていた第１の部分１６ならびに燃料セルとの接触領域の変形が生じないようになる。さらに、中間部分２０を傾斜させることによって、圧縮に対する望ましい追従性を与えるための助けとなる。
【００１８】
インタコネクト１０は、導電性材料からなるシートもしくは帯状部材の形態で設けられており、これらのシートもしくは帯状部材は、互いに離間した第１の部分および第２の部分を画定する構造として形成される。交互に位置するチャネル２６，２８が、隣接する中間部分２０の間に画定されている。チャネル２６は、燃料セル１２に向かって開いており、チャネル２８は、バイポーラプレート１４に向かって開いている。インタコネクト１０の構造体によって、長方形の構成の場合に可能となるチャネルよりも広いチャネル、特に、より広いチャネル２８が利用可能となり、これは圧縮剛性および接触領域の両方の観点から有効である。本発明の構成によって、第２の接触領域に対する第１の接触領域のオーバーラップが生じ、第１の接触領域を第２の接触領域よりも大きくすることが可能である。
【００１９】
図４における圧縮状態では、第１の部分１６は、第２の部分１８と部分的にオーバーラップし、これにより、インタコネクト１０の両側における接触面積が増加する。
【００２０】
また、図３および図４に示されているように、燃料セルに接触しない側の半径がより大きいことによって、燃料セルとの接触に悪影響を及ぼすことなくインタコネクト１０の変形を吸収するのに寄与する。
【００２１】
インタコネクト１０は、ワイヤメッシュ、金属フォイルまたは当業者に明らかな他の構造体の形態で設けることが可能である。このような広い範囲の中で、ワイヤメッシュおよび金属フォイルは特に適切な実施例である。
【００２２】
金属フォイルとして設けられる場合には、材料の厚さを非常に小さくすることが可能であり、好ましくは、約０．１〜０．２ｍｍとなる。さらに、金属フォイルは、フェライト系ステンレス鋼で形成され得る。フェライト系ステンレス鋼製金属フォイルの熱膨張係数は、一般的な燃料セルの熱膨張係数と概ね同じであり、これにより、熱応力が最小化される。
【００２３】
ワイヤメッシュ構造として設けられる場合には、曝される雰囲気に対して最適な材料が望ましい。
【００２４】
インタコネクト１０は、燃料電池のアノード電極またはカソード電極と交互に接触することを理解すべきである。アノード側は、水素リッチ燃料の環境となっており、インタコネクト１０の望ましい材料は、ニッケルおよび／またはニッケル合金である。カソード側は、酸素の環境となっており、望ましい材料は、酸化に対して抵抗力があり、および／またはこのような環境において導電性スケールまたは半導電性スケールを形成する材料である。このような環境における適切な材料には、ニッケル−クロム、鉄、鉄−クロム、鉄−クロム−ニッケルのようなクロミア形成合金、コバルト基合金、クロム基合金、貴金属、貴合金およびこれらを組み合わせたものが含まれる。
【００２５】
図５には、編み込まれたワイヤメッシュとして画定されたインタコネクト１０の実施例が示されている。図示されているように、インタコネクト１０の材料は、編み込まれたワイヤ構造となっており、このワイヤ構造は、第１の部分１６と第２の部分１８との間においてインタコネクト１０に沿って延び、交互もしくは波形状となった第１のワイヤ３０の群と、ワイヤ３０の間を通して編み込まれ、ワイヤ３０と直交するようにチャネル２６，２８の方向に延びる第２のワイヤ３２の群と、を備える。これらのワイヤ３０，３２は、あらゆる適切な材料から形成することができ、このような材料の適切な例は上記の記載から分かる。さらに、インタコネクトを使用する環境に応じて、例えば、インタコネクトがアノード反応物、カソード反応物、または他の雰囲気のいずれに曝されるかに応じて、予想される使用環境に対する耐性を与えるようにワイヤメッシュおよび／または金属フォイルを選択することができる。
【００２６】
上記の環境上の問題や、ワイヤ３０，３２が異なる機能を果たすかどうかに応じて、図５のインタコネクト１０におけるワイヤ３０，３２は、同一のものとなるか、または互いに異なるものとなり得る。例えば、チャネル２６，２８と平行して延びるワイヤ３２は、大量の電流を直接輸送することはないので、接触領域の間に延びているために電流を輸送することになるワイヤ３０とは異なる材料から形成することが可能である。
【００２７】
本発明は、燃料セルとバイポーラプレートとの間のインタコネクトについて説明しているが、本発明のインタコネクトは、本発明の広い範囲内において、他の位置にも使用され得ることを理解すべきである。
【００２８】
本発明は、本発明の実施例から構成され、本発明の範囲内において、多くの修正が、本発明により実施される構造体、材料およびステップになされ得ることも理解すべきである。
【図１】
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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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【国際調査報告】
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