(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの集電プレートと該集電プレート間に配置された１つの膜電極ユニットと１つの二極板とを有する
少なくとも２つの燃料電池セルユニット（７）から成るバッテリにおいて、
２つの燃料電池セルの間の二極板に少なくとも１つの冷却プレート（１、２）が取り付けられており、該冷却プレートは各燃料電池セル（７）の一方の集電プレートに熱的にコンタクトしており、
各冷却プレートは冷却媒体を流すための中空室を有しており、
各冷却プレートと各燃料電池セルとを相互に平行に積層し、その際に各冷却プレートを接続することにより冷却循環装置の管路（５、６）が形成され、
該管路は前記冷却プレートおよび前記燃料電池セルの積層方向に沿って延在し、かつ、前記冷却プレートを貫通しており、
各冷却プレートは熱伝導性または導電性の接着剤を介して集電プレートに接続されている
ことを特徴とする少なくとも２つの燃料電池セルから成るバッテリ。
【請求項２】
冷却プレート（１）と隣接する燃料電池セル（７）との間に電気的なコンタクトが存在する（図１）、請求項１記載のバッテリ。
【請求項３】
管路は外部の熱交換機と接続されている、請求項１または２記載のバッテリ。
【請求項４】
冷却プレートはあいだに中空室を有する２重のプレートを有しており、該２重のプレートは少なくとも１つのシール用のクランプによって２つの打ち抜きプレートがエッジに沿って接続されているものである、請求項１から３までのいずれか１項記載のバッテリ。
【請求項５】
２つの集電プレートと該集電プレート間に配置された１つの膜電極ユニットと１つの二極板とを有する
少なくとも２つの燃料電池セルユニットから成るバッテリの製造方法において、
２つの燃料電池セルの間の二極板に少なくとも１つの冷却プレートを取り付け、該冷却プレートを各燃料電池セルの一方の集電プレートに熱的にコンタクトさせ、
各冷却プレートは冷却媒体を流すための中空室を有しており、
各冷却プレートと各燃料電池セルとを相互に平行に積層し、その際に各冷却プレートを接続することによって冷却循環装置の管路（５、６）を形成し、
該管路が前記冷却プレートおよび前記燃料電池セルの積層方向に沿って延在し、かつ、前記冷却プレートを貫通するようにし、
各冷却プレートを熱伝導性または導電性の接着剤を介して集電プレートに接続する
ことを特徴とする少なくとも２つの燃料電池セルから成るバッテリの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、それぞれ１つの膜電極ユニットと２つの集電プレートとを含む少なくとも２つの燃料電池セルを備えた燃料電池から成るバッテリの新しい冷却装置に関している。
【０００２】
従来、冷却装置を有する燃料電池バッテリが知られている。この場合二極板がバッテリの個々の燃料電池のセルユニットの間に存在しており、この中を冷却媒体が流れている。そのほかにこのバッテリのための比較的新しい冷却装置が公知である。ここで二極板なしのバッテリまたはフィルタプレス技術なしのバッテリはガス槽または液槽で冷却され（ドイツ連邦共和国特許第４４４２２８５号明細書を参照）、個々に処理可能な燃料電池のセルユニットをバッテリ内部に有する。
【０００３】
二極板を有するバッテリを冷却する際には、特にシールの問題が発生する。これは酸素および燃料が案内される領域が隣り合って位置しており、これを確実に相互に密閉しなければならないからである。最近ようやく知られるようになった二極板なしの燃料電池では（ドイツ連邦共和国特許第４４４２２８５号明細書を参照）、これまで基本的には２つの冷却装置しか知られておらず、これらは２つとも冷却媒体をバッテリを通る自由流として流れさせるものである。
【０００４】
ただし流体冷却のコンセプトでは場合により、冷却媒体を均一に分配して燃料電池バッテリの内部を貫流させることができない問題が発生する。なぜならバッテリの流入開口および流出開口の付近の領域に流れが集中し、これによりこの領域がバッテリの他の領域よりも強く冷却されるからである。さらにバッテリの複数の構成要素が冷却剤に接してしまう欠点があり、特に燃料電池の作用物質に不適切な冷却剤を使用すると都合が悪い。
【０００５】
ドイツ連邦共和国特許第４４４２２８５号明細書に記載の発明は本発明と内容的に関連しており、そこに開示されている内容全体が本発明の対象と関連している。
【０００６】
低コストで二極板なしに構成される燃料電池バッテリへの要求が存在しており、その場合冷却装置は冷却剤をできる限り均一にこのバッテリ内部に分配することが保証される。二極板を有する燃料電池のバッテリではさらに、バッテリが一時的に高い能力を発揮しなければならない場合に接続される冷却容量への要求も存在している。
【０００７】
本発明の課題は、燃料電池バッテリ例えばＰＥＭ燃料電池バッテリの冷却装置を提供して、燃料電池バッテリの冷却剤をできる限り均一に貫流させ、および／または必要に応じて存在する冷却剤を供給できるようにすることである。
【０００８】
本発明は少なくとも２つの燃料電池セルを有するバッテリとこのバッテリの製造方法とに関している。このバッテリはそれぞれ１つの膜電極ユニットと２つの集電プレートとを有しており、燃料電池セルの間に少なくとも１つの冷却プレートが存在しており、この冷却プレートは少なくとも１つの隣接する燃料電池セルと熱的に接触している。
【０００９】
本発明の別の有利な実施形態は従属請求項に記載されており、また実施形態、実施例および図に即して説明される。
【００１０】
本発明の１つの実施形態では、バッテリの個々の冷却プレートは、冷却媒体を搬送する管路によって接続されている。ただし冷却プレートは電気的に相互に分離されている。管路によって１つ（または複数の）バッテリの冷却プレートを相互に接続するだけでなく、外部の熱交換機と接続するとコスト上有利である。この熱交換機は冷却媒体の調整に用いられ、例えば熱機関の形で構成することができる。
【００１１】
別の実施形態では、冷却プレートに吸熱反応性の媒体が満たされており、密閉するフレーム部材を介して排出される排気ガスから吸熱反応で熱が逃げる（例えばアルコール）。またバッテリの作動時間中、充分な冷却容量が冷却プレートに含まれており、そのため冷却プレートの供給管路または排出管路は必要ない。
【００１２】
本発明の実際の実施形態では、冷却プレート自体は簡単に低コストで作成できる。なぜならこの冷却プレートは簡単なシールおよび／またはクランプおよび／または２つの打ち抜きプレートのアセンブリによって構成できるからである。
【００１３】
別の有利な実施形態では冷却プレートは、接続される燃料電池セルのそれぞれ隣接する集電プレートと接着剤を介して熱伝導的および／または導電的に接続されている。さらに別の実施形態では、冷却プレートは必要に応じて二極板内へ挿入することができる。また冷却プレートは本発明の別の実施形態では、個々の燃料電池セルの集電プレート間に存在する中間部材の形に集積できる。中間部材として燃料電池バッテリ内部の個々の部材は、
ａ）個々の燃料電池セル間の機械的な圧力の伝達
ｂ）個々の燃料電池セル間の電流の伝達
ｃ）集電プレートの損失熱の放出
に用いられる。例えば本出願人によるドイツ連邦共和国特許出願第１９６３５９０１．５号明細書に示される中間部材が特に良好に適している。
【００１４】
本発明では、少なくとも２つの直列に接続された燃料電池セルから成る１つのユニットまたはスタックを”バッテリ”と称する。燃料電池バッテリの適用分野に応じて（ＰＥＭバッテリを定置する適用分野には例えば荷電の給電および分散的な発電があり、可動の適用分野にはエレクトリックトラクションないし電気運転がある）、実際にはきわめて多数の直列に接続された個々の燃料電池セルを有する装置が使用される。
【００１５】
本発明では、有利には既に上で引用したドイツ連邦共和国特許第４４４２２８５号明細書に開示された燃料電池セルを”燃料電池セル”または”燃料電池セルユニット”と称する。この燃料電池セルは各１つの陰極板と膜電極ユニットと陽極板とを有する個別に処理可能なユニットであり、上述の構成部材はそれぞれフレーム部材によって機械的に不動かつ気密に、また電気的には絶縁されるように相互に接続されている。ただし本発明はこの燃料電池セルのバッテリに限定されるものではなく、既に述べたように二極板を使用してフィルタプレス技術で製造されたバッテリにも適用される。
【００１６】
”膜電極ユニット”という概念はこの技術において周知であり、例えばHg.Ledjeff,”Brennstoffzellen”,Mueller Verlagまたは上掲の明細書に説明されている。
【００１７】
バッテリの燃料電池セルユニットの端部プレートを”集電プレート”または”コンタクトプレート”と称する。この場合従来の”二極板”または”バイポーラプレート”を用いて２つの集電プレートを１つの二極板にまとめて使用することもできるし、また例えばドイツ連邦共和国特許第４４４２２８５号明細書に記載のように個々の極板を使用することもできる。従来の二極板はその他には上掲のHg.Ledjeff,”Brennstoffzellen”にも記載されている。
【００１８】
”冷却プレート”は溶接または他の手段で形成された種々の形式のプレートとして理解される。このプレートは冷却媒体のための中空室を形成する。例えばこれは２重のプレートであり、これらを対向して配置し、エッジに沿って相互に気密に接合する。この冷却プレートは冷却媒体を収容および排出するための開口を有しており、この開口はシール部材またはシールリップによって包囲されている。このため冷却プレートを積み重ねるだけでプレート間の管路が形成され、この管路を介して冷却媒体を流入および流出できる。
【００１９】
１つまたは複数の燃料電池バッテリの中空室は相互に管路を介して接続することができる。この管路は種々の形式の冷却循環装置に接続でき、冷却循環装置の構成は完全に任意である。例えば熱機関を介して簡単なヒータを構成することができる。シール部材とともに冷却プレートを形成するプレートの材料は、導電性かつ熱伝導性を有する材料でなくてはならず、充分な弾性を有する必要がある。このためこのプレートをバッテリ内の機械的な圧力の伝達にも実質的に使用でき、構成要素の製造誤差が補償される。例えば貴金属、弾性の高い青銅、他の銅合金またはアルミニウム合金、およびプラスティック例えば金属を含有するポリマーが適している。コンタクト抵抗を低減し、冷却媒体への熱放出を改善するために、プレートの表面処理が行われ（例えば金めっき）、これにより腐食からも保護できる。この種の表面処理は冷却プレートに対してのみ意義があるのではなく、本発明のバッテリの他の構成要素に対しても重要である。
【００２０】
本発明の範囲では”管路”とは、ＰＥＭ燃料電池バッテリの個々のユニットの取り付けにより付加的な管路部材なしに形成される管路を意味する。同様に本発明の管路は成形された管路部材例えばチューブまたはホースとしてバッテリへ組み込まれるように構成し製造してもよい。本発明には冷却媒体に対してあらゆる管路および導管装置が包含されている。
【００２１】
個々のプレートの厚さも種々であってよい。有利にはこの厚さは０．００１ｍｍから１ｍｍの間であり、特に有利には０．０１ｍｍから０．４ｍｍの間であり、例えば０．０５ｍｍから０．２ｍｍの間である。
【００２２】
冷却プレートの製造はできる限り低コストかつ簡単に行いたいので、例えばシールされたクランプ部材と２つの打ち抜きプレートのアセンブリとにより、有利には弾性を有するシール部材を使用して製造する。冷却プレートとそれぞれ隣接する集電プレートとの熱伝導性および／または導電性を改善するために、導電性および／または熱伝導性を有する接着剤を使用すると有利である。例えば冷却プレートの活性の表面全体は隣接する集電プレートのセル表面とともに同じ接着剤で（両面または片面を）覆われ、相互に押圧されている。もちろん表面の個々の点または線のみをこのような接着剤層を介して接続してもよい。冷却プレートの製造は２重のプレートの簡単な溶接またははんだ付けによって行うことができる。それぞれ冷却プレートの実際の製造の際には、１つの部材または複数の部材から成るプレートをはんだ付け、接着、溶接または他の手段を用いて本発明により構成する。
【００２３】
”冷却媒体”とは流体（例えば水、アルコール、油）またはガス（例えば吸熱反応性のガス混合物であって、連続的に動作するプロセスにわたって熱を燃料セルの排熱から取る）を意味する。
【００２４】
冷却プレートは中間部材、例えばドイツ連邦共和国特許出願第１９６３５９０１．５号明細書に記載されている部材であって、バッテリ内部で電流や機械的圧力を伝達し、熱の伝達または放出に用いられる。しかし一方でこの中間部材は変更された形で構成することもでき、この場合この冷却プレートは中間部材に組み込んでもよいし、また導電性および熱伝導性の接着剤または他の導電性および熱伝導性の接続部材を介して中間部材と接続してもよい。例えば冷却プレートおよび／または集電プレートと中間部材とのはんだ付けまたは溶接による接続は、機械的な圧力、電流および熱がこのような接続部を介して伝達されることが保証されるように行われる。
【００２５】
以下に本発明を３つの図に即して説明する。
【００２６】
図１には、それぞれ２つの燃料電池セルユニットと２つの冷却プレートとを有する本発明のバッテリの第１の実施例が斜視図で概略的に示されている。
【００２７】
図２には冷却プレートの有利な形態が断面図で示されており、図２のａにははんだ付けまたは溶接で接合された冷却プレート、図２のｂにはシールするクランプによって接合された冷却プレートがそれぞれ断面図で示されている。
【００２８】
図３には６つの燃料電池セルユニット、および前後部のカバープレートとタイロッドのねじ締結部を有する本発明のバッテリが示されている。
【００２９】
図１には４つの個別の部材が示されており、これらは機能的に矢印３に沿って組み立てられてバッテリを構成する。最も前方には冷却プレート１が配置されており、この冷却プレートは貫通する２つの開口を有しており、この開口は第２の冷却プレート２の相応の開口と管路５、６により接続されている。冷却プレートの八角形の形態は有利な実施例を示しているが、冷却プレートのエッジの数をこれに限定する必要はない。むしろ冷却プレートのあらゆる形態が本発明では可能であり、例えば円形または湾曲形の形状に成形することができる。冷却プレートに冷却媒体を均一に流すために、ここで例として示されている冷却プレート１、２は横方向のチャネル４を有しており、このチャネルは横方向の線４により概略的に示されている。一点鎖線５は２つの冷却プレート１、２が管路によってどのように接続されるかを示している。有利にはこの管路は軸方向チャネルであり、燃料電池バッテリの残りのチャネル例えば燃料および酸素供給チャネルと同様に構成されている。これらの管路へ冷却媒体が供給される。例えば右側の管路５により新鮮な冷却媒体が冷却プレートへ供給され、消費された後左側の管路６を介して再び排出される。冷却プレート１の後方には第１の燃料電池セルユニット７ａが位置しており、このセルユニットには４つの供給および排出用の軸方向チャネルと分配チャネルとがセル表面に沿って設けられていることが示されている。
【００３０】
バッテリを矢印３に沿って組み立てる際に、一方で燃料電池セルユニットを相互に接続し、他方で冷却プレートを相互に接続する複数の管路のほかに、それぞれの管路でのシール部材が冷却プレートまたは燃料電池セルのインタフェースで使用される。このシール部材はすでに燃料電池セルユニットまたは冷却プレートに組み込まれており、例えば前述の燃料電池ユニット（ドイツ連邦共和国特許第４４４２２８５号明細書を参照）に記載されているように、別の構成要素を必要としない。ただしこの装置の構造では、冷却プレートを相互に電気的にコンタクトさせていないことに注意すべきである。そうしないと間に存在している燃料電池セルが短絡してしまうからである。シールは一般的には弾性を有するシール材料、例えば従来の形の燃料電池バッテリに使用されている材料である。ここで図示されている個々の要素を相互に接続している管路および軸方向チャネルの数はもちろん例にすぎず、例えば冷却プレートを相互に２つ以上の管路を用いて接続してもよい。
【００３１】
図２にはａ、ｂとで２つの部分図が示されている。図２のａには中央に本発明の冷却プレート１が示されており、このプレートはエッジ４がそれぞれ溶接されている。図からわかるように、２重プレートの上方の部材３と下方の部材５とが本発明のこの実施例では冷却プレート１を形成している。２つの個別プレート３、５は前述のように、例えば予め打ち抜かれた個々のプレートから製造され、例えばはんだ付け、溶接または接着によりエッジ４の個所でシールされて組み合わされている。この図からは冷却プレートを相互に接続する開口は見えない。なぜなら個々で示されている断面図では開口はプレートに平行な面に存在するからである。ハッチングされている冷却媒体７は冷却プレートの内部に冷却プレートの形状によって存在し、このプレートにより均一な分配が行われるように所定の流れに定められる。
【００３２】
冷却プレートにはそれぞれ上方と下方とに集電プレート８が接続されて存在しており、この集電プレートは燃料電池セルのケーシングとして電流の伝達に用いられるだけでなく、媒体の供給や電解質の支承にも利用される。集電プレート８は冷却プレートと同様に相互に接続されており、やはり導電接続しなければならない。集電プレートの導電接続または直列接続を冷却プレートによって遮断してはならない。冷却プレートが隣接する燃料電池セルに電気的にコンタクトしている場合、例えば図２のｂの実施例の冷却プレートでは２つの部材をシールするクランプが形成されていることがわかるが、集電プレートと次の集電プレートとの冷却プレートを介した導電接続がプレート１０内のコンタクトによって保証されるか、またはシールするクランプ９により保証されなければならない。図２のａ、ｂの２つの集電プレートまたはコンタクトプレート８の間に本発明のバッテリでは燃料電池セルユニット（膜電極ユニット）が設けられているが、ここでは図示されていない。冷却プレートを少なくとも熱的に、場合により電気的および／または機械的に、隣接する集電プレートまたはコンタクトプレートにコンタクトさせるには、表面１１に沿って集電プレートを冷却プレートと突き合わせ溶接する。この表面は２つの部材すなわち一方は集電プレートであり他方は冷却プレートであって、機械的に相互に押圧される（ここで例えば成形されたバッテリの端部プレートのタイロッドが充分な機械的圧力を生じさせる）か、または接着剤を用いて形成される。この接着剤は２つの部材の間に塗布され、これらの部材を少なくとも熱的に、場合によっては導電的に接続する。特に有利な実施例では、このコンタクトはまず機械的な圧力によって行われ、次に熱伝導的に行われ、場合により導電的な接着剤で強化される。接着剤を使用することによりコンタクト面での熱伝導性および導電性を改善できる。同様に例えば製造時すなわち燃料電池バッテリの組み立て時に、接着接続により強固に一体化することもできる。特に有利な実施例では、冷却プレートの製造はシールするクランプにより図２のｂに示されているように行われる。同じクランプ装置を用いる例は例えばドイツ連邦共和国特許第４４４２２８５号明細書に示されている。この場合同じクランプを使用して燃料電池バッテリを作成する製造コストを著しく低減することができる。また食材保存容器および飲料缶の製造に適用されているような折り畳み手法（Falzverfahren）を用いることもできる。
【００３３】
図３には、端部プレートおよびタイロッドを有する本発明のバッテリのセルスタックが示されている。空冷式の実施形態（ドイツ連邦共和国特許第４４４２２８５号明細書を参照）の場合と同様に、この場合も個々のセルが機能でき、漏れ個所は反応ガスを外室および周囲空気へ流出させる。欠陥のあるセルは個別に検出され、交換することができる。それぞれ２つのセルまたは燃料電池セルの間に冷却プレート１が挿入されており、個々の冷却プレートは管路５を介して相互に接続されている。管路５は有利な実施例では、シール部材または第１の冷却プレートの開口を包囲するシールリップであり、タイロッドを用いて押圧されて次の第２の冷却プレートの他のシールリップへ積み重ねられるかまたは他のシール部材へ積み重ねられることにより、管路５を形成する。個々の燃料電池セルユニット７および個々の冷却プレートへの供給は相互に管路を介して行われ、この管路はそれぞれバッテリの端部プレートの流入口および流出口へ接続されている。端部プレート３上には流入開口４が存在し、これを通って冷却媒体１０が管路５へ達し、この管路は上述のように個々の冷却プレートを接続する。同じ高さの個所に流出開口として開口１１が示されており、図１の管路６で供給された使用済みの冷却媒体がこれを通って燃料電池セルのスタックまたはバッテリから排出され、例えば熱交換機または他のリジェネレーションシステムで再生される。個々のセル７は４つのチャネルを介して反応ガスを供給および排出され、流入開口および流出開口は例えば開口１２として端部プレート３に存在している。同様に端部プレート３にはタイロッド１３が設けられており、このタイロッドによってバッテリ全体が組み合わされている。
【００３４】
例として挙げたジオメトリ的な形態と概略的な図は本発明の有利な実施例を示すものであるが、本発明はこの範囲に限定されない。このような燃料電池バッテリの使用分野は多岐にわたっており、電気運転から比較的高いキロワット領域での定置の使用までカバーする。
【図面の簡単な説明】
【図１】それぞれ２つの燃料電池セルユニットと２つの冷却プレートとを有する本発明のバッテリの第１の実施例の斜視図である。
【図２】ａははんだ付けまたは溶接で接合された冷却プレートの断面図、ｂはシールするクランプによって接合された冷却プレートの断面図である。
【図３】６つの燃料電池セルユニットおよび前後部のカバープレートとタイロッドのねじ締結部を有する本発明のバッテリを示す図である。
【図１】
0004427105.tif 000002
【図２ａ】
0004427105.tif 000003
【図２ｂ】
0004427105.tif 000004
【図３】
0004427105.tif 000005