(57)【要約】燃料電池設備は、各々少なくとも一つの膜電極ユニットおよび対応する双極板を有する燃料電池スタックを備える。膜電極ユニットと双極板との密着接触を保証するために、従来は押圧力を発生するための特別の機構を設けていたが、本発明では膜電極ユニット（１２、２０）と双極板（１５、２１、２２）とで自己支持型ユニットを形成することで、特別の機構を不要とする。この型のユニットはＰＥＭ燃料電池、特にＨＴ−ＰＥＭ燃料電池に適する。
2004514261.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極ユニット（ＭＥＡ）と対応する双極板を含む少なくとも一つの燃料電池モジュールを備えた燃料電池設備において、
前記膜電極ユニット（１０、２０）が前記双極板（５、１５、２１、２２）と共に自己支持型ユニットを形成することを特徴とする設備。
【請求項２】
一つの膜電極ユニット（１０）と一つの双極板（１５）が機械的に結合されて自己支持型ユニットを形成することを特徴とする請求項１記載の設備。
【請求項３】
機械的な結合手段が、前記双極板（１５）に対する電気絶縁のための絶縁部材（８）を備えた金属フレーム（１）であることを特徴とする請求項２載の設備。
【請求項４】
前記金属フレーム（１）が、前記双極板（１５）と電極を有する前記膜電極ユニット（１０）との間の結合部の十分な押圧力を保証するウエブ（５）を備えることを特徴とする請求項３記載の設備。
【請求項５】
複数の燃料電池が燃料電池スタックを構成し、二つの膜電極ユニット（２０、２０’）が、その間に介在する集電板（２１、２２）と共に機械的および電気的に接続されて自己支持型ユニットを形成することを特徴とする請求項１記載の設備。
【請求項６】
前記膜電極ユニット（２０、２０’）の自由面に、集電のためのウエブ（２５）を備えることを特徴とする請求項５記載の設備。
【請求項７】
複数の膜電極ユニット（１０、２０、２０’）と、対応する双極板（１５、２１、２２）とが燃料電池スタックを形成することを特徴とする請求項１から６の１項に記載の設備。
【請求項８】
前記燃料電池スタックが、外部フレーム（３０）内に保持されたことを特徴とする請求項７記載の設備。
【請求項９】
前記燃料電池スタックが、冷却装置の様式に従って構成されたことを特徴とする請求項１から８の１項に記載の設備。
【請求項１０】
個々の自己支持型ユニットの高さと幅が１０〜２０ｃｍ、好ましくは約１２ｃｍ、深さが０．５〜２ｃｍ、好ましくは約１ｃｍであることを特徴とする請求項１から９の１項に記載の設備。
【請求項１１】
前記燃料電池モジュールがＰＥＭ燃料電池を含むことを特徴とする請求項１から１０の１項に記載の設備。
【請求項１２】
前記燃料電池モジュールがＨＴ−ＰＥＭ燃料電池を含むことを特徴とする請求項１から１１の１項に記載の設備。
【請求項１３】
前記ＨＴ−ＰＥＭ燃料電池の膜電極ユニット（１０、２０）が、自己解離型および自己プロトリシス型の少なくとも一方の電解質を含むことを特徴とする請求項１２記載の設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、膜電極ユニットと、対応する双極板とを有する少なくとも一つの燃料電池を含む、少なくとも一つの燃料電池モジュールを備えた燃料電池設備に関する。
【０００２】
種々に構成の、従来技術による燃料電池を備えた燃料電池設備は公知である。単位電圧発生のための個々の燃料電池から、通常電気的に直列接続したユニットからなる燃料電池積層体として燃料電池モジュールが構成される。なお、積層体は専門用語では、所謂「スタック」とも称される。
【０００３】
個々の燃料電池ユニットの実質的な構成部分は膜電極ユニット、所謂ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）であり、このＭＥＡで電圧発生のための化学的反応が起る。膜電極ユニットは、各々二つの、所謂集電子間に構成されている。集電子は集電板又は特に双極板とも呼ばれる。
【０００４】
前記双極板は、電流を集めることとガスをＭＥＡに導くことの二つの責務を持つ。第一の責務を果すべく、双極板はＭＥＡの各電極とその全面にわたり密に接触せねばならない。第二の責務を果すべく、双極板は燃焼ガスと酸化物を各々電極の適当な場所に運ぶガス案内チャネルを備える。更にＭＥＡの冷却も必要である。そのため、例えば双極板に冷却チャネルを設ける。しかし、２枚の双極板間に介挿する固有の冷却板や、所謂冷却カードを備えることもできる。
【０００５】
従来技術によれば、上述の配置構成として二つの実施形態が公知である。一つの実施形態では、ＭＥＡと双極板および冷却板とが分離した別々のユニットを形成し、電池スタックの組立てに際して初めて、それらユニットが交互に積層される。第２の実施形態では、ＭＥＡが双極板と共にセルと呼ばれる一つの完全なユニットを形成し、該ユニットが冷却板と交互に積層される。
【０００６】
両実施形態では、双極板と各電極の間の密着接触を保証できない。セルをスタックに組込む際、通常押圧力を発生する処置がとられる。実用的な処置では、中空でない端板を用い、両端板の間でＭＥＡおよび双極板からなるスタックをアンカーロッドにより一緒に押圧する。この処置、特に個々の燃料電池ユニットおよび端板を一つのスタックにずれを生じないように積層するのは面倒であり、そのための費用を要する。
【０００７】
従って本発明の課題は、燃料電池設備用の燃料電池ユニットの簡素化された構成を提供することである。
【０００８】
この課題は、本発明に従い請求項１の特徴部に記載の構成により解決される。他の実施の形態は従属請求項に記載してある。
【０００９】
本発明では、膜電極ユニットと対応するＭＥＡからなる自己支持型ユニットを構成する。そのため燃料電池設備用の完全なスタックの構造を簡略化できる。
【００１０】
本発明では、唯一のＭＥＡを双極板と共に組立てることで自己支持型ユニットを形成する。二つのＭＥＡを、中間部材としての集電板の適当な接合技術によって一つの自己支持型ユニットに纏めることも可能である。
【００１１】
本発明では、膜電極ユニットにばね圧下に接触し、平行に配置されたウエブ形双極板を形成することで十分な押圧力を保証する。膜電極ユニットとの電気的接触のため、ウエブはＭＥＡの電極に接続する。膜上に接着点を設定し、そこにウエブを接着すれば、適当な接着技術により膜への電気的接続を改善できる。
【００１２】
本発明では、既述のように複数のＭＥＡで一つのスタックを形成できる。その場合、安定性は本発明によって最初から保証される。しかしスタック全体は媒体および電力供給のための手段を装備した外部フレーム内に保持される。
【００１３】
本発明は、所謂ＰＥＭ燃料電池に適用される。特にＨＴ−ＰＥＭ燃料電池で本発明は特別な利点を発揮する。それは、そこでは高い運転温度で膜の導電機構が水と無関係であり、生成水がスタックをガスの状態で通過するからである。そのためＭＥＡの空気に接触する側のガス案内チャネルを省き、平行ウエブの形の双極板を形成できる。これは、セルの自己呼吸作用を可能にする。
【００１４】
本発明の他の構成部分および利点を、請求項との関連において以下に述べる実施の形態で明らかにする。
【００１５】
図２は図３の一部を示す。同一構成要素ないし同一作用をする構成要素には同一符号を付してある。次に各図につき、部分的に共通する部分の説明を行う。
【００１６】
各図において、個々の膜電極ユニットを１０又は２０で示す。所謂ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）として示したユニットは、各々適当なポリマー膜からなり、両面に触媒材料と金属電極を備えている。ＭＥＡ１０又は２０そのものは従来技術によって公知であり、燃料電池、特に所謂ＰＥＭ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）燃料電池の要部を構成する。複数のＭＥＡが一つの燃料電池堆積体に組立てられ、それは専門用語では燃料電池スタックとも称される。
【００１７】
図１では一つのＭＥＡを符号１０で示しているが、ここではその内部構成については言及しない。ＭＥＡ１０の一方の面に双極板１５が存在する。双極板１５は、一方にガス案内チャネル１６、他方に冷却チャネル１７を備えている。
【００１８】
個々の燃料電池ユニットそのものは公知である。従来技術では、複数のユニットを一つのスタックに堆積し、端板を設け、かつ適当な結合およびコンパクトなモジュールが得られるようにウエブにより押圧する。この種の構造は、専門用語で燃料電池スタックと称され、単に「スタック」とも呼ばれる。
【００１９】
図１は、ＭＥＡ１０と双極板１５とを機械的に一体化する金属フレーム１を示す。金属フレーム１はＭＥＡ１０を両側で挟み、ＭＥＡ１０の自由面上に互いに平行な複数のウエブ５を、間隔をおいて支持する。ＭＥＡ１０と双極板１５からなるユニットの電気的接触と十分な押圧が各ウエブ５により生ずる。電気的絶縁のため、金属フレーム１の内面の双極板１５に対向する部分に絶縁部８を設けている。従って、個々のウエブ５は特に最も近い燃料電池の双極板に接触する。
【００２０】
図２において、二つのＭＥＡ２０、２０’間に、波状の二つの金属構造部２１、２２からなる機械的構造部が存在し、両金属構造部２１、２２は最大波高部で互いに接続されている。金属構造部２１、２２の接続はリベット止め、半田付け又は溶接や接着により行うことができる。場合により、金属構造部２１、２２の外部領域で固定を行えば、積層でも十分である。
【００２１】
波状金属構造部２１、２２を相互に接続し、これをＭＥＡ２０から２０’の電極に取付けることで、一方では冷却チャネル２４を有する集電板が形成され、他方では燃料電池ユニットの運転に必要なガス案内チャネル２６が形成される。このようにして双極板の機能が実現される。
【００２２】
かくして図２の構成では、機械的に安定な構造ユニットを形成できる。この構造は二つのＭＥＡ２０、２０’間に存在するので、安定性特性が両ＭＥＡ２０、２０’に伝達される。両ＭＥＡ２０、２０’の他方の側にも、各々図１に対応して、複数の平行なウエブ２５が存在し、それらはＭＥＡ２０、２０’の電極に機械的、電気的に接続される。その際、特に導電性接着剤を使用できる。
【００２３】
適当な接着技術によりＭＥＡ２０、２０’を安定な機械的スペーサに接着することができる。しかし、ばね性のウエブを有する２枚の双極板によりＭＥＡ２０、２０’をスペーサに押圧することもできる。いずれの場合も自己支持型の燃料電池ユニットが得られ、それにより実用上大きな利点をもたらすことができる。
【００２４】
しかし図２に示すように、スペーサの両側にＭＥＡ２０、２０’を備えることは必ずしも必要でない。片側にのみ、例えばばね性ウエブにより、スペーサに対して押圧されるＭＥＡ２０を設けてもよい。
【００２５】
図３は、外部フレーム３０を有し、図２に対応する複数のユニットを堆積して完全な燃料電池設備を形成した状態を示す。そのため安定手段、例えば各ユニットを受ける内側溝を有する外部締め具３５を設けることができる。勿論外部フレーム３０は単に封止および電流伝達機能しか持っていない。フレームは、従来技術におけるような支持部材および押圧部材としては不要である。
【００２６】
図２を参照して説明した自己支持型の配置で、個々のユニットは、例えば高さと幅が各１２ｃｍ、深さないし厚さが１ｃｍの寸法を持つ。その際、例えば前者の寸法は１０〜２０ｃｍ、後者の寸法は０．５〜２ｃｍの幅があってもよい。各ユニットからなる燃料電池スタックは、冷却装置の様式に合わせて構成できる。
【００２７】
上述のように、この装置はＰＥＭ燃料電池を堆積し、完成した「スタック」を実用向けの燃料電池モジュールとして実現するのに適する。しかしながら、特にＨＴ（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）−ＰＥＭ燃料電池での使用に適する。その際の運転温度は、ＰＥＭ燃料電池の動作温度を超え、圧力に応じ６０〜３００℃である。
【００２８】
最後に述べたＨＴ−ＰＥＭ燃料電池は、所定の温度範囲、即ち常圧でＴ≧１００℃、特に１２０〜２００℃の温度で、水と無関係に動作する利点を持つ。その目的に適用可能なＭＥＡは、自己解離型電解質および自己プロトリシス型電解質（ａｕｔｏｐｒｏｔｏｌｙｔｉｓｃｈｅｎ Ｅｌｅｋｔｒｏｌｙｔ）の少なくとも一方を含む特別な膜を必要とする。このような耐熱性のＭＥＡの機械的感度に基づき、通常は特別な手段を備えねばならないが、それは本発明によるＭＥＡと対応する双極板の自己支持型ユニットとしての構成により保証される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
双極板を組込んだ膜電極ユニットの斜視図。
【図２】
自己支持構成のための集電面構造を介挿した二つの膜電極ユニットの部分断面図。
【図３】
安定性向上のための手段を付加的に設けた、図２による膜電極ユニットを備える複数のスタック型燃料電池の部分断面図。
【符号の説明】
１　金属フレーム、５　ウエブ、８　絶縁部、１０、２０　膜電極ユニット、１５　双極板、１６　ガス案内チャネル、１７　冷却チャネル、２１、２２　金属構造部、２５　ウエブ、３０　外部フレーム、３５　外部締め具
【国際公開パンフレット】
2004514261.tif 000003
2004514261.tif 000004
2004514261.tif 000005
2004514261.tif 000006
2004514261.tif 000007
2004514261.tif 000008
2004514261.tif 000009
2004514261.tif 000010
2004514261.tif 000011
2004514261.tif 000012
2004514261.tif 000013
2004514261.tif 000014
2004514261.tif 000015
2004514261.tif 000016