(57)【要約】本発明は、燃料電池スタックに関する。この燃料電池スタックでは、本発明にしたがって貫通する燃料チャネルを形成するため、燃料電池スタックの多数の要素が、１つのパッキングによって効果的に密閉される。この本発明の燃料電池スタックは、非常にコンパクトに構成され得る。この場合、個々の燃料電池の層厚が、一様に １．５ｍｍ、好ましくは １．２ｍｍ未満である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも３つの隣接した要素（Ｅ）を有し、これらの要素（Ｅ）はそれぞれ、貫通する１本のチャネルを形成するために１つの孔を有する燃料電池スタックにおいて、
−外側にある両要素（Ｅａ ）の孔（Φａ ）が、内側にあるこの要素の孔（Φｉ ）
よりも小さいか又は内側にあるこれらの要素（Ｅｉ ）の孔よりも小さいこと、
及び、
−形成されたチャネルを密閉する１本のパッキング（Ｄ）だけが、外側にある要素（Ｅａ ）間に設けられていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
外側にある要素の孔は、同じ大きさの直径を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
内側にある要素の孔は、同じ大きさの直径を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
個々の燃料電池ユニットの層厚は、２ｍｍ、特に １．５ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
パッキングは、Ｏリングであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
各要素は、貫通する１本のチャネルを形成する少なくとも２つの孔を有し、１つの孔は、燃料用に使用され、１つの孔は、酸素媒体用に使用されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
隣接した要素は、１つのフラットパッキング及び燃料を分配するガス分配構造を有する４つの要素であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
１つの要素が、隣接した両要素を電気的に接触させる１つの追加の孔を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
内側にある要素（Ｅｉ ）は、非導電性の多孔性の網又はネットであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は、特に低温燃料電池用の燃料電池スタックに関する。
【０００２】
従来の技術
燃料電池は、陰極，電解質及び陽極を有する。酸化剤、例えば空気が陰極に供給され、燃料、例えば水素が陽極に供給される。
【０００３】
いろいろな燃料電池の種類が公知である。すなわち、例えばＳＯＦＣ燃料電池は、ドイツ連邦共和国特許発明第 ４４ ３０ ９５８号明細書から公知であり、ＰＥＭ燃料電池は、ドイツ連邦共和国特許発明第 １９５ ３１ ８５２ 号明細書から公知である。
【０００４】
一般に、多数の燃料電池が、大電力を得るために接続要素によって電気的にかつ機械的に互いに接続される。ドイツ連邦共和国特許発明第 ４４ １０ ７１１号明細書から公知のバイポーラ板が、このような接続要素に関する例を示す。積み重ねられ電気的に直列接続された複数の燃料電池が、複数のバイポーラ板によって構成される。この配置は、燃料電池スタックと呼ばれる。
【０００５】
共通の陽極室と陰極室をそれぞれ２つの燃料電池に対して形成することによって、燃料電池スタックの構造空間を別々の燃料電池に比べて明らかに小さくすることができる。
【０００６】
好ましくは、この目的のために１つの燃料電池スタック内では、２つのセルが、共通に、すなわち対になって各セルフレーム内に組込まれる。相前後して接続された多数のセルフレームが、１つの燃料電池スタックを構成する。これらのセルフレームは、外部接触される。
【０００７】
従来では、一般に高価な構造が、セルフレームとバイポーラ板に対して必要である。これらの構造は、所定の非常にコンパクトな構造を必要とし、製造において複雑にする。電気接触のほかに、それぞれの作動媒体の供給と排出も必要である。
【０００８】
燃料電池用のバイポーラ板が、国際特許発明第 ９８／１３ ８９１号明細書に記されている。このバイポーラ板は、主に多数の平坦な構造部材から構成される。このバイポーラ板は、個々の構造部材間に経費のかかるパッキング手段を不利益に必要とする。このバイポーラ板は、約３ｍｍの厚さの層システムを形成する。
【０００９】
この構成では、陽極室及び陰極室並びに燃料を供給するチャネルを密閉する必要があることが同様に欠点として証明されている。燃料電池スタックのコンパクトな構造のために、一般にフラットパッキングがその都度使用される。一般に、これらのフラットパッキングでは、凹凸性と製造精度とに関する要求が構造部材の表面に対して高い。その結果、一般に製造コストがより高くなる。
【００１０】
課題と解決手段
本発明の課題は、非常にコンパクトな構造を可能にし、上述した欠点のない燃料電池スタックを提供することにある。
【００１１】
この課題は、請求項１に記載の燃料電池スタックによって解決される。燃料電池スタック用の好適な実施形は、従属請求項に記載されている。
【００１２】
本発明の説明
請求項１に記載の燃料電池スタックは、隣接した少なくとも３つの要素を有する。これらの要素はそれぞれ、１本の貫通するチャネルを形成するために１つの孔を有する。さらに、外側にある要素の孔は、内側にある複数の要素又は内側にある１つの要素の孔よりも小さい。外側にある要素間に形成されたチャネルを密閉するため、パッキングが１つだけ設けられている。
【００１３】
特に、ガス分配構造を有するか若しくは膜・電極配置を収容するフレーム要素、バイポーラ板又は適切な凹部によって電極室を提供することが可能なフラットパッキングが、この発明の意味における要素と解すことができる。これらの要素は、燃料電池スタック内で一般に隣接して、すなわち層状に配置されている。これらの要素内で１本の貫通するチャネルを形成するため、特に作動媒体を供給及び／又は排出するため、これらの要素は対応する孔を有する。この場合、本発明にしたがって、内側にある要素又は内側にある中央の要素の孔が、外側にある２つの要素の孔よりも大きい。これらの要素の孔によって形成されたチャネルは、ただ１つのパッキングによって密閉される。この場合、このパッキングは、本発明にしたがって外側にある要素間だけに存在する。外側にある要素間に配置されたパッキングが、中央の要素の孔の内部に存在する程度の直径を、（中央にある）この中央の要素の孔は有する。したがって、内側にある要素の１つの密閉部が、隣接した両要素に対して省略され得る。
【００１４】
この配置では、個々の要素が貫通領域内でこの要素に隣接した要素に対して密閉される従来の技術とは違って、１つのパッキングが省略され得る。これによって、燃料電池スタックが、有益にそれに応じてコンパクトに構成され得る。その結果、個々の燃料電池と同時に燃料電池スタック全体の層厚が均一的に低減され得る。
【００１５】
要素が３つよりも多い場合は、１つのパッキングだけではなくて、それに応じて多数の追加のパッキングを節約することができる。個々の燃料電池の層厚は、パッキングが節減されるほど有効に減少する。
【００１６】
本発明の好適な実施形では、外側にある要素が、同一の直径を有する孔を形成する。一般に、これらの孔は、燃料用チャネルの一部を形成する。異なる幾何形状に起因する流れの変化と圧力の変化を阻止するため、これらの孔は、好ましくは一様な直径を有する。
【００１７】
好ましくは、内側にある全ての要素の孔が同一の直径を有する。外側にある要素間に挿入されたパッキングの内径が、外側にある要素の孔の内径に一致するように、このパッキングが寸法決めされ得るように、これらの直径を選択しなければならない。その結果、燃料用チャネル内部の孔に、パッキングをほぼ摩擦なしに挿入させる。
【００１８】
好ましくは、本発明の燃料電池スタックの１つの燃料電池ユニットの層厚が、２ｍｍ未満、特に １．５ｍｍ未満である。１つの燃料電池ユニットの層厚の下では、本発明の範囲内では、構造的な距離が、膜・電極配置（ＭＥＡ）からその次の膜・電極配置までと解される。相前後して直列接続された燃料電池の場合、１つの燃料電池ユニットが、１つの膜，１つの陰極，その陰極室，１つのバイポーラ板，その陽極室及びその陽極から構成される。同一の電極が２つずつ隣接して配置されている燃料電池の場合、１つのユニットが、例えば１つの膜，１つの陰極，その陰極室及びさらに１つの陰極から構成される。
【００１９】
好ましくは、Ｏリングの形態の縁パッキングが、本発明の燃料電池スタック内のパッキングとして使用される。Ｏリングは、フラットパッキングが必要とするような表面特性に対する高い信頼性を必要としない。Ｏリングのパッキングに適した材料は、例えば非常に安定しているＥＰＤＭである。一般に、Ｏリングのパッキングは、非常に弾性的なパッキングである。しかも、このパッキングは安価である。Ｏリングのパッキングは、フラットパッキングのように平坦に製造する必要はない。しかし、上述した欠点は、パッキングを節減することによって解決され得る。したがって、例えばＯリングをパッキングとして使用することによって、一般に２ｍｍ未満、特に １．５ｍｍ未満の燃料電池ユニット用の層厚を実現することが可能である。
【００２０】
こうして、可能な限り多くの作動媒体チャネルが、燃料電池スタック内で密閉されるときに、層厚が特に効果的に低減され得る。好ましくは、それ故に、１つの燃料電池スタックが、作動媒体チャネルを形成するために少なくとも２つの孔、特に４つの孔を有する複数の要素を備える。これらの孔をそれぞれ１つの要素内で対角線上に配置することによって、作動媒体が、電極室内で最適に分配される。
【００２１】
好ましくは、幾つかの要素、特にフラットパッキング内の追加の孔が、直接隣接しない２つの要素間を簡単に電気接触させる。これらの要素間の接触は、これらの要素の外側ではなくて、適切な手段によってこれらの要素間で直接実施される。このような適切な手段は、第１要素の平面から引き出された導電性の連結金具である。隣接した第２の要素内の対応する孔によって、この要素が接触しなくなる。対応する位置に孔のない別の第３の要素が、連結金具によって接触して初めて、第１の要素と第３の要素との間が、簡単に電気的に接続されるものの、中央の要素に対しては接続されない。
【００２２】
発明の詳細な説明
以下に、本発明の範囲に限定されることなしに、本発明を図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１ａは、３つの要素Ｅ、例えばフレーム要素又はバイポーラ板から構成された従来の技術の燃料電池スタックの一部を概略的に示す。これらの要素はそれぞれ、直径Φの１つの孔を有し、１本の貫通チャネルを形成する。各要素は、例えば孔の周りのリング状のパッキングＤによって隣接した要素に対して密閉される。従来では、この場合、いわゆるフラットパッキングが、パッキングとして使用される。これらのフラットパッキングでは、好ましくは非常に薄いものの、凹凸性と製造精度とに関する要求がこれらの要素の表面に対して高い。
図１ｂ中には、本発明の構成の燃料電池スタックの一部が同様に概略的に示されている。隣接した３つのＥａ ， Ｅｉ ，Ｅａ が、１本の貫通チャネルを形成する孔を有する。しかしながら、内側にある要素Ｅｉ の孔の直径Φｉ は、外側にある要素Ｅａ の孔の直径Φａ よりも大きい。これによって、外側にある要素間のチャネルが、ただ１つのパッキングＤによって有効に密閉される。
【００２４】
１つのパッキングがこうして節減されるので、経費のかかるフラットパッキングが省略され得、このフラットパッキングの代わりに、例えば簡単なＯリングがパッキングとして設けられ得る。
個々のパッキング（図１ｂ中のＤ）自体は、フラットパッキング（図１ａ中のＤ）よりも厚くなるものの、本発明のこの実施形では、３つの要素の層厚Ｓ２ は、従来の技術Ｓ１ に比べて一般に低減されている。このことは、燃料電池スタックの構造に対して特に好ましい。本発明の種類のパッキングの数が多いほど、層厚の低減による利点が顕著になる。
【００２５】
図２は、本発明の燃料電池スタックの実施の形態を示す。この燃料電池スタックでは、１つの電極室がそれぞれ、２つの同一な電極に隣接する。１つの電極室が、ガス分配構造１，５を有する２つの導電性の要素とこれらのガス分配構造間に存在するフラットパッキング７とによって構成される。さらに、１つの電極室がそれぞれ、隣接した２つの膜・電極配置（ＭＥＡ）２によって仕切られる。これらの膜・電極配置２は、１つの又は２つの適切なパッキング３によって隣接した要素に対して密閉され、電気的に絶縁される。
【００２６】
各要素１，５，７はそれぞれ、１本の燃料媒体チャネルと１本の酸素媒体チャネルとを形成する２つの孔を有する。陰極ユニットの要素１Ｋの孔から隣接した陰極要素５Ｋにかけて敷設されている酸素媒体チャネル１２の一部が、１つのパッキング９だけによってこの孔とこの陰極要素との間に存在する陽極要素１Ａ，７及び５に対して密閉される。
【００２７】
この場合、外側にある要素と内側にある要素の符号は、絶対的なものと見る必要はなくて、それぞれの形成すべきチャネルに関連する。酸素媒体チャネル１２に関しては、陽極ユニットのガス分配構造５Ａ，１Ａを有する要素が、内側にある要素を形成する。この内側にある要素の孔は、要求に応じて隣接した陰極ユニットの外側にある要素の孔よりも大きい。しかしながら、燃料電池チャネル１３に関しては、この陽極ユニットの同じ要素５Ａ，１Ａは、外側にある要素を形成する。
【００２８】
図３ａ，〜３ｃは、第１の実施の形態における個々の要素から成る本発明の燃料電池スタックの構造を示す。膜・電極ユニット（ＭＥＡ）２が、カートリッジ４，６内に予め取付けられている。カートリッジ板１は、ＭＥＡフラットパッキング３によって電気的に絶縁されている。カートリッジが２つずつ１つの共通の陽極室又は陰極室を介して接触するように、これらのカートリッジ４，６が積み重なって配置されている。２つのカートリッジ４，６間の又はカートリッジ４，６と端部板１０との間のこの陽極室又はこの陰極室は、フラットパッキング７内の凹部７ｂによって形成される。これらの媒体空間内部の流れの分配及びＭＥＡの押圧は、非導電性のインサート８によって実現される。
【００２９】
このインサート８は、合成樹脂の網である。作動媒体をさらに送る孔１ａ，１ｂ，５ｃ，５ｄは、カートリッジ板１，５に任意に形成できる。孔１ａ，５ｃは、孔１ｂ，５ｄよりも小さい。
【００３０】
例えば、陽極室からその次の陽極室にかけた媒体のさらなるチャネル部分が、縁パッキング（Ｏリング）９によって密閉される。小さい孔１ａ，５ｃの周りのすぐ近くにあるカートリッジ板１，５内の面は、同時にパッキング９用の搭載面である。このパッキング９は、孔１ｂ，７ａ，５ｄ，１２ａによって形成される陽極室内に格納されている。接触連結金具５ａが、電流をさらに流すためにカートリッジ５上に任意に形成できる。これらの接触連結金具５ａは、開口部７ｃ，５ｂ，１２ｂを貫通して、フレーム要素７，カートリッジ板５，インサート１２，カートリッジ４及び端部板１０，１１内で接触する。カートリッジ板１，５の厚さは、約 ０．２ｍｍである。フレーム要素７の厚さは、約 ０．８ｍｍである。インサート１２の厚さは、 ０．５〜 ４．０ｍｍである。
【００３１】
図４ａ〜４ｃは、個々の要素から成る本発明の燃料電池スタックの第２の実施の形態の構造を示す。図３中に示された燃料電池スタックとは違って、この実施の形態では、個々のカートリッジ４，６がそれぞれ、その個々の要素１，５内に４つの孔の代わりに孔を２つしか有さない。酸素媒体チャネル用の孔がない。さらに、凹部７ｂ内に設けられている合成樹脂の網８から成るインサートを有するフラットパッキング７の代わりに、フラットパッキング７（８）が部分的に設けられている。これらのフラットパッキング７（８）は、完全に網８から形成され、燃料媒体チャネル用の孔と連結金具５ａ用の孔を有する。
【００３２】
貫通する酸素媒体チャネルの代わりに、この実施形では、酸素媒体が、フラットパッキング７（８）の縁部から対応する陰極室内に直接移動する。この場合、酸素媒体が、換気口を経由して網７（８）に流入する。しかし小出力の場合は、換気口を使用する必要なしに、２〜４ｍｍの厚さの網７（８）を選択するだけで十分である。酸素媒体が周囲の圧力下で作動されない場合は、全ての燃料電池ユニットを加圧下にある１本の大きい分配チャネル又は１本の集合チャネルに連結してもよい。
【００３３】
パッキング７（８）用の合成樹脂の網の代わりに、チャネルを有する合成樹脂板等を使用してもよい。
【００３４】
以上により、本発明に対して以下の利点を奏する：
・個々のセル当たり１．５ｍｍ 未満の非常に平坦な構造が実現可能である；
・陽極室と陰極室を共有しているにもかかわらず、外部接続が不要である；
・縁パッキング（Ｏリング）が、４つのパッキング接合部（Ｄｉｃｈｔｕｎｇｓｕｅｂｅｒｇａｅｎｇ　ｅ）又は構造面を覆い、信頼性の高い密閉を引き起こす；
・極めて薄く、しかも平坦な構造しか必要としない。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】
パッキングによって分離された隣接する従来の３つの要素の横断面を概略的に示す。これらの要素は、共通な１本の貫通チャネルを有する。
【図１ｂ】
パッキングによって分離された隣接する本発明の実施の形態の３つの要素の横断面を概略的に示す。これらの要素は、共通な１本の貫通チャネルを有する。
【図２】
本発明の燃料電池スタックの横断面を概略的に示す。
【図３ａ】
第１の実施の形態の隣接したガス分配構造を有する膜・電極ユニットを展開して示す。
【図３ｂ】
第１の実施の形態の隣接したガス分配構造と電気接触部材とを有する膜・電極ユニットを展開して示す。
【図３ｃ】
図３ａのユニットと図３ｂのユニットとから構成された燃料電池スタックを展開して示す。
【図４ａ】
第２の実施の形態の隣接したガス分配構造を有する膜・電極ユニットを展開して示す。
【図４ｂ】
第２の実施の形態の隣接したガス分配構造と電気接触部材とを有する膜・電極ユニットを展開して示す。
【図４ｃ】
図４ａのユニットと図４ｂのユニットとから構成された燃料電池スタックを展開して示す。
【符号の説明】
Ｅ，Ｅｉ ，Ｅａ 　素子，内側素子，外側素子
φｉ ，φａ 　　　孔の直径（ｉ＝内径，ａ＝外径）
Ｄ　　　　　　　パッキング
Ｓ１ ，Ｓ２ 　　　層厚
１　　　　　　　ガス分配構造を有するカートリッジ板
１Ａ＝陽極側，１Ｋ＝陰極側
１ａ＝空気チャネル用の孔
１ｂ＝燃料媒体チャネル用の孔
２　　　　　　　膜・電極配置，ＭＥＡ
３　　　　　　　ＭＥＡ用フラットパッキング
４　　　　　　　要素１，２，３及び１から構成されたカートリッジ
５　　　　　　　ガス分配構造を有するカートリッジ板
５Ａ＝陽極側，５Ｋ＝陰極側
５ａ＝接触連結金具
５ｂ＝連結金具５ａ用の孔
５ｃ＝酸素媒体チャネル用の孔
５ｄ＝燃料媒体チャネル用の孔
６　　　　　　　要素５，２，３及び５から構成されたカートリッジ
７　　　　　　　フラットパッキング
７ａ＝接触連結金具５ａ用の孔
７ｂ＝インサート８用の凹部
８　　　　　　　非導電性の合成樹脂の網から成るインサート
７（８）　　　　完全に非導電性の合成樹脂の網から成るフラットパッキング
８ａ＝連結金具５ａ用の孔
８ｂ＝燃料媒体チャネル用の孔
９　　　　　　　Ｏリング
１０　　　　　　端部板
１１　　　　　　端部板
１２　　　　　　酸素媒体チャネル
１３　　　　　　燃料媒体チャネル
【図２】
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【国際公開パンフレット】
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2004514243.tif 000012
2004514243.tif 000013
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2004514243.tif 000020
2004514243.tif 000021
2004514243.tif 000022
2004514243.tif 000023
2004514243.tif 000024
2004514243.tif 000025
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004514243.tif 000026
2004514243.tif 000027
【国際調査報告】
2004514243.tif 000028
2004514243.tif 000029
2004514243.tif 000030
2004514243.tif 000031