(57)【要約】【課題】本発明は、積層された多数の燃料電池要素（２）を備え、この燃料電池要素の間にそれぞれセパレータ（３）が配置された燃料電池スタックに関する。燃料ガスを供給するためおよび排ガスを排出するために内部の通路（４）が形成されている。本発明による燃料電池スタックは、燃料電池要素（２）の第１の側に、燃料ガス（１３）を案内するための、平行に延びる多数の縦方向流路（６）が形成され、一端に、縦方向流路（６）の第１の端部と供給通路（４）を接続する分配領域（７）が形成され、縦方向流路（６）の第２の端部と排出通路（５）を接続する捕集領域（８）が設けられていることと、燃料電池要素（２）の第２の側に、縦方向流路（６）の方向に延びる酸化剤ガイド（９）が設けられていることを特徴とする。
2006518538.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された多数の燃料電池要素（２）を備え、この燃料電池要素の間にそれぞれセパレータ（３）が配置され、燃料ガス（１３）を供給するために少なくとも一つの内部の供給通路（４）が設けられ、排ガス（１４）を排出するために少なくとも一つの内部の排出通路（５）が設けられ、この供給通路と排出通路が積層方向に延び、燃料電池要素（２）のそれぞれ一方の側に燃料ガス（１３）の供給部が設けられ、他方の側に酸化剤（１５）の供給部が設けられている、燃料電池スタック（１）において、
燃料電池要素（２）の第１の側に、
−  燃料ガス（１３）を案内するための、平行に延びる多数の縦方向流路（６）と、
−  縦方向流路（６）の第１の端部と供給通路（４）を接続する分配領域（７）と、
−  縦方向流路（６）の第２の端部と排出通路（５）を接続する捕集領域（８）と
が設けられ、
燃料電池要素（２）の第２の側に、縦方向流路（６）の方向に延びる酸化剤ガイド（９）が形成され、この酸化剤ガイドが酸化剤（１５）を供給するために燃料電池スタック（１）の側面に開放していることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
少なくとも１つの供給通路（４）と少なくとも１つの排出通路（５）が燃料電池スタック（１）の一方の側（１１）の範囲に配置されていることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
少なくとも１つの供給通路（４）と少なくとも１つの排出通路（５）が燃料電池スタックに斜めに対向して配置されていることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
分配領域（７）が供給通路（４）から出発して縦方向流路（６）の第１の端部に沿って縮小し、捕集領域（８）が排出通路（５）から出発して縦方向流路（６）の第２の端部に沿って縮小していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
分配領域（７）と捕集領域（８）が燃料電池要素に対称に形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
分配領域（７）と捕集領域（８）によって付加的な冷却面が形成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
分配領域（７）および／または捕集領域（８）によって熱交換面が形成され、この熱交換面によって燃料ガス（１３）と酸化剤（１５）の間で熱エネルギーが伝達されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層された多数の燃料電池要素を備え、この燃料電池要素の間にそれぞれセパレータが配置され、燃料ガスを供給するために少なくとも一つの内部の供給通路が設けられ、排ガスを排出するために少なくとも一つの内部の排出通路が設けられ、この供給通路と排出通路が積層方向に延びている、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
個々の燃料電池要素が非常に小さな電圧しか生じないので燃料電池スタックが使用される。従って、用途のために利用可能な電圧を発生するために、複数の燃料電池要素が直列に接続されるので、電池電圧が加算される。燃料電池要素は、それとセパレータの間に隙間が形成されるように重ねて配置される。この場合、燃料電池要素の一方の側に燃料ガスが供給され、燃料電池要素の他方の側に酸化剤が供給される。燃料ガスと酸化剤のための隙間は通常は、複数の流路の形に形成されている。従って、流路の間で、燃料電池要素とセパレータが互いに接触および電気的に接触する。これにより、燃料電池で発生した熱と電流を排出することができる。
【０００３】
燃料電池要素のための燃料ガスは、取り扱いが危険である水素または水素を含むガスである。加湿または漏れに基づいて流出する水素を含むガスは例えば空気中の酸素と制御できないほど反応し、少なくとも燃料電池システムを損傷させることになる。従って、内部の供給通路と排出通路が使用される。そのために、個々の燃料電池要素とその間に配置されたセパレータ内に切欠きが設けられている。この切欠きは燃料電池スタックの組み立て状態で通路を形成する。切欠きの周りにシールが設けられているので、燃料電池スタックに適当に力を加えると、封止された通路が生じる。これにより、必要な封止は外部の燃料ガス供給部の場合よりも一層確実である。
【０００４】
非特許文献１により、燃料ガスと酸化剤の供給部のいろいろな実施形が知られている。第１の実施形では、燃料ガスのためのガイドと酸化剤のガイドが、ガス流の方向が交叉するように設けられている。その際、ガスガイドは燃料電池スタックのそれぞれの側面で開放している。この場合、燃料電池スタックの側をそれぞれのガスが流れる。しかし、この公知の交叉流型の燃料電池スタックは出力密度が比較的に悪い。更に、燃料ガスの外部供給は封止性に関しておよび水素を含む燃料ガスの意図しない流出に関して問題がある。
【０００５】
図示してある第２の実施形では、燃料ガスが内部の供給通路を経てそれぞれの燃料電池要素に案内される。酸化剤は外部から供給され、燃料ガスの流れ方向に対して横方向に燃料電池要素の他方の側に沿って供給される。
【０００６】
第３の実施形は燃料ガスと酸化剤の供給方法を示している。この場合、両ガスの流れ方向は平行である。この並行流型と、流れ方向が反対である対向流型は、温度分布とガス濃度が均一であるという利点がある。しかし、きわめて多数の供給通路と排出通路を設けなければならないという欠点がある。これはシールの数を増大させ、それに伴い封止問題が生じることになる。更に、燃料電池スタックの外側で、ガスを供給通路と排出通路に供給排出すると、コストが非常に高くつく。そのため、このような燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの価格が比較的に高価になる。
【０００７】
更に、酸化剤の内部供給は不利である。というのは、複雑な管案内によって互いに圧力損失が生じ、それに伴い酸化剤の流量が制限されるからである。これを補償するために、強力なファンを設けることができる。しかし、これは付加的なコストを生じる。全体システムの効率は更に悪くなる。というのは、強力なファンのために、大きな駆動出力が必要であるからである。
【０００８】
酸化剤の外部供給は従来、並行流技術または対向流技術と組み合わせて行われなかった。というのは、燃料ガスの供給通路と排出通路に基づいて、多すぎる部品が流路内に設けられ、従って充分な酸化剤流量が達成できなかったからである。
【０００９】
酸化剤流量が制限されると特に、酸化剤、例えば空気によって、燃料電池で発生する熱が充分に排出されないという欠点がある。酸化剤または空気の流量が少なければ少ないほど、燃料電池スタックの過熱の危険が大きくなる。
【００１０】
対向流型の公知の燃料電池スタックの他の欠点は、多数の供給通路および排出通路に基づいて、必要な封止を保証するためにスタックを非常に多数の締付けが必要である点にある。それによって、燃料電池スタックは非常に頑丈になり、その結果構造的コストおよび費用が高くつく。
【非特許文献１】A.J.Appleby:燃料電池ハンドブック,Van Nostrand Reinhold,ニューヨーク 1989年 第450頁以降
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、本発明の課題は、並行流技術または対向流技術で作動し、それにもかかわらず多量の酸化剤流量を確保して簡単なシステム接続を可能にする、燃料電池スタックを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この課題は、冒頭に述べた種類の燃料電池スタックにおいて、燃料電池要素の第１の側に、燃料ガスを案内するための、平行に延びる多数の縦方向流路と、縦方向流路の第１の端部と供給通路を接続する分配領域と、縦方向流路の第２の端部と排出通路を接続する捕集領域とが設けられ、燃料電池要素の第２の側に、縦方向流路の方向に延びる酸化剤ガイドが形成され、この酸化剤ガイドが酸化剤を供給するために燃料電池スタックの側面に開放していることによって解決される。
【００１３】
本発明に従って設けられた分配領域と捕集領域によって、酸化剤の流路内に部品が設けられないように、供給通路と排出通路を配置することができる。それによって、酸化剤は外部から供給可能である。これは、本発明による燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの構造を簡単かつ低コストにする。供給通路と排出通路は燃料電池スタックの同じ側に設けることができるので、燃料電池スタックのこの側だけを強く締めつけるだけでよい。
【００１４】
燃料ガスだけが内部から供給されるので、分配領域と捕集領域のための充分なスペースが存在する。従って、１つの供給通路と１つの排出通路を備えた燃料電池スタックを実現することができる。これにより、板あたりの貫通穴の数が非常に少なくなり、シールが少なくて済む。
【００１５】
本発明による燃料電池スタックは、酸化剤流量の増大によって冷却が改善され、構造が簡単かつ低コストとなり、信頼性が高まるという利点がある。燃料電池スタックの締付けはシールの周りの狭い範囲においてのみ可能である。それによって、燃料電池スタックは非常に軽量となり、許容振動が大きく、構造的コストが少なくなる。
【００１６】
燃料電池スタックの有利な実施形では、分配領域と排出領域が供給通路または排出通路から出発して縦方向流路に沿って縮小している。それによって、きわめて均一な圧力分布が達成される。本発明の他の有利な実施形は従属請求項に記載してある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、実施の形態に基づいて本発明を詳しく説明する。
【００１８】
図１は、燃料電池要素２の下面を概略的に示している。燃料電池要素２の作用範囲１２の上側を、燃料ガスが１３が流れる。その際、燃料ガスは供給通路４を経て燃料電池要素２に供給される。供給通路４は積層された燃料電池要素とその間に配置されたセパレータの切欠きによって形成されている。燃料ガス１３は燃料電池要素２の作用範囲１２を経て縦方向流路に案内される。この縦方向流路は図１では見えない。なぜなら、縦方向流路が燃料電池要素の間に配置されたセパレータの成形によって形成されているからである。供給通路４と、作用範囲１２を経て縦方向流路に入る燃料ガスの入口範囲との間には、分配領域７が形成されている。供給通路４を通って供給される燃料ガスはこの分配領域において、個々の縦方向流路に分配される。
【００１９】
縦方向流路は作用範囲１２の反対側で終わり、排ガスとして出る反応した燃料ガスは捕集領域８で一緒に案内され、排出通路５を経て排出される。
【００２０】
燃料電池要素２の他方の側（図１において下側）で、酸化剤１５（最も簡単な場合には空気）が作用範囲１２の下側に沿って案内される。酸化剤の流れ方向は燃料ガス１３の流れ方向と同じ向きである。
【００２１】
供給通路４と排出通路５を側方に配置することにより、燃料電池要素２の隣接する側は、酸化剤１５の外部供給のために空いている。酸化剤の流れは、冒頭に記載した技術水準の配置構造の場合のように、そこに延設された通路によって妨害されない。酸化剤１５は燃料電池要素の反対側から排気１６として出る。
【００２２】
分配領域７と捕集用域８において、燃料ガスと空気は薄い材料層だけで分離されて互いに近接して案内されている。更に、分配領域７と捕集領域８の面積が比較的に大きいので、熱交換機能が達成され、それによって両ガス流の異なる温度を互いに近づけることができる。従って、燃料電池スタック内で均一な温度分布が達成させる。すなわち、不所望な熱応力が減少する。温度を互いに近づけることは、燃料電池要素２の作用範囲１２よりも非常に敏感でない分配領域７と捕集領域８の範囲において行われる。
【００２３】
分配領域７と捕集領域８の面積は燃料電池要素２の作用面１２とは無関係に選択可能である。それによって、作用面１２のガスの流れを悪化させることなく、上記の熱交換機能または冷却機能を増大させることができる。
【００２４】
図２には、本発明による燃料電池スタックの具体的な構造が斜視図で示してある。燃料電池スタック１はその表面側が切断されているので、燃料電池要素２の下にあるセパレータ３が見える。セパレータ３の上面には縦方向流路６が形成されている。燃料ガス１３がこの縦方向流路によって案内され、そして排ガス１４として燃料電池スタックから出る。
【００２５】
図２の実施の形態において、分配領域７は、縦方向流路６の端部から離隔してウェブ１７を設けることによって形成されている。このウェブは縦方向流路６の端部とセパレータ３のエッジの間の範囲を画成している。供給通路４から流入する燃料ガス１３は分配領域７において個々の縦方向流路６に分配される。分配領域７は本実施の形態では、縦方向流路の端部に沿って縮小するように形成されている。それによって、圧力分布が良好となる。セパレータ３の上面は、供給通路４から流入する燃料ガス１３が排出通路５に直接流れないで、縦方向流路６を通過しなければならないように成形されている。
【００２６】
縦方向流路６の他の側には、捕集領域８が形成されている。この捕集領域は分配領域７と同じように形成されている。
【００２７】
酸化剤１５はセパレータの他方の側で、ひいてはその下にある燃料電池要素に沿って、縦方向流路６の方向に対して平行に流れる。分配領域７と捕集領域８が設けられている、縦方向流路６の側方の範囲は比較的に大きい。それによって、付加的な冷却面または熱交換面が生じる。というのは、酸化剤１５がこの面の傍らを流れ、燃料電池要素２内で発生した熱を搬出するからである。
【００２８】
図３はセパレータ３を詳細に示している。セパレータ３の上面には、多数の平行な溝によって縦方向流路６が形成されている。供給通路４と排出通路５の間に、セパレータ３の厚さが設けられているので、流入するガスが排出通路５に直接流れない。というのは、セパレータがこの範囲においてその上に位置する燃料電池要素に接触するからでる。セパレータの下面には、セパレータ３の上面の縦方向流路６の方向に延びる酸化剤ガイド９が設けられている。セパレータの下面には勿論、他の燃料電池要素が接触している。すべてセパレータ３は同じに形成されているので、組込み状態で、セパレータ３に接触する燃料電池要素の上面に、他のセパレータ３が載っている。従って、燃料電池要素の他の側に、酸化剤ガイド９が隣接配置されている。
【００２９】
酸化剤の案内のために複数の流路が設けられている。その際、作用範囲１２に隣接するセパレータ３の区間が波状に形成され、それによって燃料ガスの流路と酸化剤１５の流路がずれていることが望ましい。流路をこのように形成することにより、セパレータ３の材料が作用面１２と面で強く接触する。この接触は接触範囲の平坦化によって更に改善される。それによって、流れと熱が燃料電池２からきわめて良好に排出される。特に、点状または格子状の接触面よりも良好に排出される。同時に、ガス流は熱伝達媒体としてのその特性により、作用面１２の非常に近くを案内される。すなわち、セパレータ３の材料厚さによってのみ分離されている。これはガス流への熱伝導を改善する。
【００３０】
図４には、図３のセパレータと燃料電池要素の組み立て方法が示してある。その際特に、燃料電池要素２とセパレータ３の切欠きが、供給通路４と排出通路５を形成するために互いに重なっていることが明らかである。
【００３１】
図５はセパレータ３の平面図であり、第１の実施形における燃料ガスの流れ方向が記入されている。その際、供給通路４と排出通路５はセパレータ３、ひいては燃料電池スタックの同じ側に配置されている。代替的な配置構造が図６に示してある。図６では、供給通路と排出通路を形成するために設けられた切欠きがセパレータ３と燃料電池要素の対向する角の範囲に設けられている。この配置構造は、燃料電池要素において燃料ガス濃度がきわめて均一に分布する点が有利である。というのは、各縦方向流路に関して、進む距離と圧力分布が同じであるからである。
【００３２】
切欠きの他の代替的な配置構造が図７に示してある。供給通路４のための切欠きと排出通路５のための切欠きは共に、縦方向流路６の第１の端部の側に配置されている。すなわち、燃料ガス１３が縦方向流路６に流入する側に配置されている。
【００３３】
図５〜７に示した代替的な配置構造は、その都度の構造的な要求に従って選択される。特に、燃料電池スタックの外側にあるシステム構成要素の配置に依存して選択される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】燃料ガスと酸化剤の流れ方向を記入した、燃料電池要素を概略的に示す図である。
【図２】複数の燃料電池要素を備えた燃料電池スタックの斜視図である。
【図３】セパレータの斜視図である。
【図４】セパレータに対する燃料電池要素の付設構造を示す図である。
【図５】第１の実施形による供給通路と排出通路の配置構造を示す図である。
【図６】第２の実施形による供給通路と排出通路の配置構造を示す図である。
【図７】第３の実施形による供給通路と排出通路の配置構造を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…燃料電池スタック、２…燃料電池要素、３…セパレータ、４…供給通路、５…排出通路、６…縦方向流路、７…分配領域、８…捕集領域、９…酸化剤ガイド、１１…燃料電池スタックの側、１２…燃料電池要素の作用範囲、１３…燃料ガス、１４…排ガス、１５…酸化剤、１６…排気
【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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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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