JP5575765B2 - 燃料電池用インターコネクタ、燃料電池用インターコネクタを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、薄い金属シートを塑性変形することで、流路のための突出部および窪み部、入口および出口ゾーン、シール表面およびパージチャネルを単体のシートに一体化することによって作製される燃料電池用インターコネクタに関する。

以下に、本発明を固体酸化物燃料電池に関して説明する。しかし、本発明によるインターコネクタはまた、高分子電解質燃料電池（ＰＥＭ）または直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）などの他のタイプの燃料電池に用いることもできる。固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、酸素イオンの伝導を可能にする固体電解質、酸素が酸素イオンに還元されるカソードおよび水素が酸化されるアノードを含む。ＳＯＦＣ全体の反応は、水素および酸素が電気化学的に反応して電気、熱および水を生成することである。所要の水素を生成するには、アノードが、炭化水素、特に天然ガスを水蒸気改質するための触媒活性を通常は有し、これにより水素、二酸化炭素および一酸化炭素が発生する。天然ガスの主成分であるメタンの水蒸気改質は、以下の式：
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２
ＣＨ_４＋ＣＯ_２→２ＣＯ＋２Ｈ_２
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２
によって記載することができる。操作の間、空気などの酸化体が、カソード領域において固体酸化物燃料電池に供給される。水素などの燃料は、燃料電池のアノード領域において供給される。代替的には、メタンなどの炭化水素燃料は、アノード領域において供給され、ここで、上記反応によって水素および酸化炭素に変換される。水素は、多孔性アノードを通過し、電解質を通して拡散した、カソード側で発生した酸素イオンと、アノード／電解質界面にて反応する。酸素イオンは、該電池の外部電気回路から電子を流入させることでカソード側において作り出される。

電圧を増大させるために、いくつかのセルユニットがアセンブルされてスタックを形成し、インターコネクタによって共に連結されている。インターコネクタは、隣接するセルユニットのアノード（燃料）側とカソード（空気／酸素）側とを分離するガスバリアとしての機能を果たすと同時に、隣接するセル間、すなわち、余剰の電子を含む一方のセルのアノードと還元方法のための電子を必要とする隣のセルのカソードとの間の電流伝導を可能にする。さらに、インターコネクタは、その一方の側にある燃料ガスの通路および反対の側にある酸化体ガスの通路のための複数の流路を通常は備える。ＳＯＦＣスタックの性能を最適化するには、正の値の範囲を、最小化すべきである他の範囲の関係する負の値について許容できない結果とならないようにしながら最大化すべきである。これらの値のうちいくつかは、以下の通りである。
最大化すべき値 最小化すべき値
−燃料利用 −価格
−電気効率 −寸法
−寿命 −（温度、ある程度）
−製造時間
−故障率（ｆａｉｌ ｒａｔｅ）
−構成要素の数
−寄生損失（加熱、冷却、ブロワなど）

インターコネクタは、言及した複数の値に直接影響を及ぼす。ほとんど全ての値が相互関係にあり、このことは、１つの値を変更することが他の値に影響を与えることになるということを意味する。インターコネクタの特徴と上記値との間のいくつかの関係を以下に言及する。

燃料利用：
インターコネクタの燃料側における流路は、スタック内の各セルに等量の燃料を与えるように設計されるべきである、すなわち、スタックの燃料側を通した流れの「ショートカット」が存在してはならない。

寄生損失：
インターコネクタにおける流路の設計は、インターコネクタの少なくとも空気側において、場合によっては燃料側において、流量あたりの低い圧力損失を達成するようにすべきであり、これにより、ブロワに対する寄生損失を減少させることができる。

電気効率：
インターコネクタは、隣のセルのアノードおよびカソード層の間に電流を流す。したがって、内部抵抗を減少させるためには、インターコネクタの電気伝導接点（以下、単に「接点」と称する）を、電極（アノードおよびカソード）への良好な電気的接触を確立するように設計すべきであり、接点は、決して離れてはならず、さもないと、電流は、より長い距離の電極を通り抜けることを余儀なくされ、得られる内部抵抗はより高くなる。

寿命：
インターコネクタに関しては、とりわけ、インターコネクタの燃料側および空気側の両方における均一な流れ分布、数種の構成要素および材料上への均一な保護コーティングに依存する。

価格：
貴材料を用いないことによって、インターコネクタの製造時間を減少することによって、および材料損失を最小化することによって、インターコネクタの価格の寄与を減少することができる。

寸法：
燃料スタック全体の寸法は、インターコネクタの設計によって活性セル領域の有効利用が確保されるときに減少される。燃料流または空気流が少ない死積は減少されるべきであり、表面をシールするための不活性ゾーンは、最小化されるべきである。

温度：
温度は、セル内の触媒反応を確保するのに十分に高く、なおかつ、セルの構成要素の加速的劣化を回避するのに十分に低くあるべきである。したがって、インターコネクタは、最高温度を超えることなく高い平均温度を付与する均一な温度分布に寄与すべきである。

製造時間
インターコネクタ自体の製造時間は最小化されるべきであり、インターコネクタの設計もまた、スタック全体の迅速なアセンブリに寄与すべきである。一般に、構成要素ごとのインターコネクタの設計は不必要となり、製造時間について利益がある。

故障率
インターコネクタの製造方法および製造材料によって、インターコネクタ故障率（例えば、インターコネクタガスバリアにおける望ましくないホール、不均一な材料厚または特徴）を低くすべきである。さらに、アセンブルされたセルスタックの故障率は、インターコネクタの設計によってアセンブル対象の構成要素の総数を減少させ、かつシール表面の長さを減少させるときに、減少させることができる。

構成要素の数
既に言及したエラーおよびアセンブル時間の最小化とは別に、構成要素の数の減少により、価格の減少がもたらされる。

米国特許出願公開第２００４０２１９４２３号（特許文献１）には、例えば、厚さが０．１〜２ｍｍであるステンレス鋼金属シートから作製される内部マニホルディングインターコネクタが記載されている。該シートは、型押しされて、インターコネクタの両側における流路を画定する隆起部および／または窪みを提供することができる。

米国特許第７３１８９７３号（特許文献２）では、セルスタック層のシールに関連する問題が議論されている。内部でマニホルディングするインターコネクタが開示されており、これは、２つの表面を有する型押しされた金属シートから作製され、各表面上には、流れ場がある。流路は、インターコネクタ板によってアセンブルされた、別個の型押しされたブリッジ部材によって画定されている。

米国特許出願公開第２００３０１２４４０５号（特許文献３）において、金属シートから作製される型押しされたバイポーラ板の反対側にある流れ場は、流れを方向付けるための互い違いのシール配置をさらに含むときに画定される。

構成要素の数を減少させようとして、米国特許第５４２４１４４号（特許文献４）のインターコネクタは、挿入リングを組み込んで挿入リングシールおよび外周の湿潤シールを形成することによって、単体プレスした金属板においてシール領域を一体化する。米国特許第５４２４１４４号のインターコネクタは、一体型セパレータ板と称されているが、圧縮力をシールに伝えるための複数の金属製挿入リングが依然として必要とされている。

さらなる金属シート製インターコネクタは、米国特許第６６９９６１４号（特許文献５）、ＷＯ２００５１１２１６５号（特許文献６）、ＥＰ１２８４５１２号（特許文献７）、米国特許第７１８６４７６号（特許文献８）および米国特許出願第２００８００２６２７９号（特許文献９）に記載されている。

米国特許出願公開第２００４０２１９４２３号 米国特許第７３１８９７３号 米国特許出願公開第２００３０１２４４０５号 米国特許第５４２４１４４号 米国特許第６６９９６１４号 ＷＯ２００５１１２１６５号 ＥＰ１２８４５１２号 米国特許第７１８６４７６号 米国特許出願第２００８００２６２７９号

本発明の目的は、燃料がどの流路を通過するかに関係なくセルにおいて均一な燃料保持時間を有することによって燃料利用を増大させる、燃料電池用インターコネクタスタックを提供することである。

本発明の目的は、寄生損失を減少させる低い圧力損失のインターコネクタを提供することである。

本発明のさらなる目的は、接点が燃料電池スタックの高い電気効率に寄与するように設計されたインターコネクタを提供することである。

本発明のなおさらなる目的は、最高温度を超えることなく、セル領域に対して流れ分布および平均温度を最適化する設計であるインターコネクタを提供することである。

本発明の目的は、さらに、インターコネクタおよびセルスタックの価格、寸法、製造時間および故障率を減少させることである。

本発明の別の目的は、燃料電池スタックにおける構成要素の数、ならびにシール数および表面積を減少させるインターコネクタを提供することである。

本発明のさらなる目的は、燃料電池スタックの外表面を通して未燃燃料を排出することなく、該スタック用インターコネクタを提供することである。

これらおよび他の目的は、以下に記載する本発明によって達成される。

したがって、特に固体酸化物燃料電池だけでなく、潜在的にＰＥＭおよびＤＭＦＣなどの他の燃料電池にも用いられるインターコネクタが提供される。いずれの場合にも、燃料電池は、複数の流れ提供マニホールドを含み、これらは、内部マニホルディングタイプであっても、外部マニホルディングタイプであっても、両方の混合体であってもよい。インターコネクタは、金属シートから作製され、第１酸化体側、および該酸化体側の反対の第２燃料側を含む。第１酸化体側は、複数の酸化体ガス流路を含有し、燃料側は、複数の燃料ガス流路を含有する。インターコネクタの酸化体側および燃料側は、それぞれ、隣にある２個のセル、カソードおよびアノード側に相当することが理解されよう。したがって、インターコネクタの第１の側（面）は、酸化体側を画定し、反対の側（面）は、燃料側を画定する。酸化体および燃料ガスの流路は両端で開口しており、１個または複数の流入口および流出口を有し、該流入口および流出口は、内部マニホルディングの場合にはインターコネクタにおいてアパーチャ（複数可）の形態であってよく、外部マニホルディングの場合にはインターコネクタの縁の一部に形成されていてよい。以下、セルの有効面積を最大化することと、インターコネクタの第２燃料側において明確に画定されたシーリングを有することとの間の妥協点として、外部マニホルディングを第１酸化体側に有し、内部マニホルディングを第２燃料側に有する実施形態を開示する。インターコネクタは、流入口に隣接して、流れを入口から複数の流路に均一に分配することを目的とした入口ゾーンを含む。入口がアパーチャである場合、入口ゾーンは、入口の周囲から、入口全体または一部の周囲のアパーチャから離れた距離で延在する。この距離は、入口ゾーンの幅を画定しており、入口の周囲もしくはその部分的周囲において、入口ゾーンの全範囲にわたって変化しなくてもよく、または該幅は変動してもよい。外部マニホルディングを用いるとき、入口ゾーンは、入口の縁から、インターコネクタの一部およびインターコネクタ表面内への距離にわたって延在するゾーンとして画定される。両方の場合において、これらの距離は変動してよい。インターコネクタの両側で流れを流路から出口に導くためには、インターコネクタは、その各側において１個または複数の流出口ゾーンをさらに含む。出口ゾーンは、入口ゾーンと同様に設計されてもよく、より単純な設計が選択されてもよい。インターコネクタは、明確に画定されたガスケット用表面を確保する突出シール表面、または、インターコネクタを隣の電極にシールする場合にはアノードもしくはカソードに接触かつシールするシーリングをさらに含む。好ましくは、シール表面は、インターコネクタ領域の全体にわたって均一な厚さ（突出部高さ）を有し、かつ、熱膨張が残りのインターコネクタと異ならないなどの材料特徴を有する。電解質、電極およびインターコネクタ自体において電気効率および最小化された内部電気抵抗を確保するために、インターコネクタはまた、インターコネクタ全領域にわたって電気伝導接点を突出させるアレイも有する。内部距離を可能な限り小さくして多くの接点を有することと同時に、接点のためのインターコネクタ領域を可能な限り小さくして用いることをバランスよく行おうとすることで、流路に最も多くの領域が用いられる、すなわち、活性であり得る。接点が隣の電極と良好に電気的接触していることもまた重要であるため、この接触が、最小限の力で隣の電極に対して保持されるべきである。

本発明によるインターコネクタは金属シートから作製されているため、突出部は、例えば、型押し、プレス、粉砕、深絞りなどの任意の公知の方法で金属シートを成形することによって作製されていてよい。ここで、インターコネクタの少なくとも３レベルは、以下のように画定される。中間レベルは、あらゆる変形が実施される前に金属シートによって画定される；第１レベルは、金属シート製インターコネクタの未変形の第１の側の表面から、該インターコネクタの第１の側にある突出部の頂部までのレベルとして画定される；第２レベルは、該インターコネクタの未変形の第２の側の表面から該インターコネクタの突出部の頂部までのレベルとして画定される。第１の側にある流路は、インターコネクタの第１の側にある突出部の間（突出接点と突出シール表面との間）に形成され、インターコネクタの第２の側にある流路は、第２の側にある突出部の間（接点とシール表面との間）に形成されている。

したがって、少なくとも３レベルを有するという概念により、第１の側にある流路を第２の側にある流路から独立して設計することができ、このことは、いずれの場合にも大きな利点であるが、特に一方の側にある外部マニホルディングと他方の側の内部マニホルディングとを合わせる場合、これが非対称流路を必要とするときに大きな利点である。当然ながら、第１の側にある突出部は、インターコネクタの第２の側にある窪み部に対応し、その逆も然りであり、このことは本発明においても利用されて、小さな再循環ゾーンを形成する。したがって、突出部が流路を確実に画定し、これらの流路が流れを避けなければならないので、そのため、バリア表面および２つの別個の独立した突出部レベルを形成する中間レベルは、インターコネクタの各側において、すなわち、第１酸化体側および第２燃料側において、実質的に独立した流路設計を可能にする。金属シートを塑性変形して上記３レベルのインターコネクタ板を作製する方法に続いて、第１の側、したがって第１の画定レベルにおける任意の突出部が、インターコネクタの第２の側だけでなく該第１レベルにおける窪み部にも対応する。同様に、インターコネクタの第２の側、したがって第２の画定レベルにおける突出部が、第１の側にある窪み部に対応するが、該窪み部は、第２レベルに位置している。この少なくとも３レベルのインターコネクタ設計は、第１および第２の側の独立した流路設計を可能にするだけでなく、非常に重要なことに、インターコネクタの両側において全ての流入口ゾーン、流出口ゾーン、全ての流路、接触域およびシール表面を、１つの単体の金属シートに一体化することも可能にする。インターコネクタ全体を形成するのに、追加のリングも特定のパターンシールも必要としない。これにより、製造価格ならびにアセンブル価格および時間が、実質的に減少し、さらには、アセンブリ不良またはシールの漏れに起因するエラーの危険性も実質的に低下する。

シール表面と接点とが一体化された、記載した単一金属シートの設計のさらなる利点は、インターコネクタ全体において均一な材料厚および非剛性形状であることが、材料の断面厚を変動させながら、より剛性かつ非可撓性のインターコネクタとする場合に比べて、隣のセルおよびシーリング領域に対して、ダメージを与える機械的応力を伝える可能性を低下させよう。

本発明のさらなる実施形態において、特にインターコネクタの第２燃料側にあるシール表面は、少なくとも１つのパージチャネルを含み、ここでは、酸化体が流れ、漏れ事象においては、漏れる燃料ガスが混合される。上記少なくとも１つのパージチャネルは、細長い溝の形態であり、該溝は、両端で開口しており、インターコネクタの第２燃料側の一方の周囲縁部に沿って少なくとも延在し、上記少なくとも１つのパージチャネルは、酸化体ガス入口マニホールドからの酸化体ガスの通路のための入口側を一方の開口端に、出口酸化体ガスマニホールドからのガスの通路のための出口側を他方の端に有する。インターコネクタのシール表面が、例えばＳ字屈曲の形状の細長い突出部によってできているとき、パージチャネルは、以下の図面に例示するように、第２燃料側において、Ｓ字形状の細長い溝の１つとして形成され得る。

インターコネクタ全体の厚さは、インターコネクタの金属シートの材料厚＋第１レベルの第１の側にある突出部の高さ＋第２レベルの第２の側にある突出部の高さとして画定される。シート材料が薄いと、結果として、突出部が、離散点または長円の突起部の形状のいずれかにおいて可撓性になる。このことは、公差の小さな相違を吸収することができ、かつ、温度膨張をある程度まで相殺できるという利点を有する。金属シートの材料厚は、状況に応じて広い範囲内にあってよく、好ましくは５０から１０００μｍの間、好ましくは５０から４００μｍの間、好ましくは１００から２５０μｍの間にある。金属は、いずれの好適な種であってもよく、クロム鋼、フェライトステンレス鋼、オーステナイトステンレス鋼、ニッケル系合金、ニッケル、各種貴金属および酸化物分散強化合金などのいずれの好適な合金を有していてもよい。

説明したように、燃料電池の有効性および寿命のために、インターコネクタが、可能な限り、その広い領域にわたって均一な流れ分布を提供することが重要である。したがって、本発明の実施形態では、上記インターコネクタの第１の側および第２の側にある流路が、第１の側および第２の側にある各流路の間に、均一な流れ分布を提供するようにそれぞれ設計される。理想的には、均一な流れ分布を達成するためには、圧力損失、流れおよび流路設計などの全ての条件をインターコネクタ領域の全体にわたって等しくすべきである。これが可能でない場合には、均一な圧力損失、均一な断面積、均一な長さまたは全てを混合したものを有する流路を設計することによって、均一な流れ分布を得ようと努めてよい。状況に応じて、第１の側の流れが、第２の側の流れに対して並流であっても向流であってもよく；さらに、いずれかの側の流れが、入口側から出口側まで実質的に線状であってもよく、または、該流れが、大部分の流れストリームが入口から出口方向に対して交差方向または反対方向に進んで、実質的に蛇行していてもよい。

少なくとも３層によるこの発明は、第２の側の流れタイプから実質的に独立した第１の側の流れタイプを可能にする。例として、第１の側において、突出部は、第１酸化体流を、実質的に線状の流れで、インターコネクタの入口側の縁に沿って入口ゾーンから、インターコネクタの出口側の縁に沿って出口ゾーンまで、確実に流れるようにすることができる（ここでは、流れの大部分が入口から出口の方向に線状で進む一方で、流れの比較的より少ない部分が、流れストリームが接点および交差する窪み部を通るときに起こる偏向の結果として、交差方向に方向付けられるということを実質的に意味していると理解されるべきである）；また、第２の側において、該インターコネクタは、燃料流を実質的に蛇行した流れにする突出部を有し、ここで、実質的に全ての燃料流が、入口から出口への主な流れ方向以外の方向に数回曲がる。

離散流路内での流れが余儀なくされるとき、流路が、ある理由、すなわち、材料欠陥、不純物、アセンブリ不良などで閉塞すると、起こり得るエラーが起こる可能性がある。閉塞は、インターコネクタの小さな領域のみであっても、少なくとも結果として効率が下がることにより、また、おそらくは材料欠陥およびセル−スタック欠陥により、全流路を不活性にする可能性がある。閉塞の影響に対応するために、本発明の実施形態では、流路は、突出接触域に突破口を含むバイパス流路によって交差される。これにより、以下のことが確実になる。閉塞の場合に閉塞されて不活性となるのは流路のほんの小さな部分であること、ならびに、流れが突破口付近を通り抜けること、隣の流路を介して閉塞をバイパスすること、および流路を交差する突破口を介して閉塞後に元の流路に戻ることを可能にすること。

本発明によるインターコネクタの少なくとも３層設計のさらなる利点は、突出部がインターコネクタの各側の状態に独立して設計することができることである。インターコネクタの第１の側では線状の流れが望ましく、インターコネクタの第２の側では実質的に蛇行する流れが望ましい例において、有利なことには、第１の側にある突出接点は離散点を含むことができるが、第２の側では突出接点が長円の突起部を含むことができ、または逆も然りである。本発明のさらなる実施形態は、先の記載によるインターコネクタを製造する方法を含む。金属シートは、言及した材料または塑性変形に好適な任意の他の金属から提供される。次いで、先の記載による流路のための突出部、流入口、流入口ゾーン、流出口、流出口ゾーン、シール表面および接触域が、プレス過程の前に、金属シートによって画定される金属シートの中間レベルに隣接する金属シートの第１および第２層においてプレスされる。プレス過程は、２層内にプレスされた突出部が、プレス過程が終了した後にも依然として残ることができるように、金属シートを塑性変形する。金属シートは、予め切断されたアパーチャを有していてよく、または、アパーチャが、プレス過程が行われると同時に切断されても型押しされてもよい。同様に、金属シートは、最終の外周寸法を有して提供されてもよく、または、任意のアパーチャと同じく、最終の寸法は、プレス過程が行われると同時に切断されても型押しされてもよい。

代替的には、プレス過程は１を超えるステップで行われてよく、外側の金属シート縁またはアパーチャの切断または型押しは、いずれも、プレス過程が行われる前のステップで行われても後のステップで行われてもよい。本発明の実施形態において、金属シートの一部を折り曲げるさらなる方法ステップが続くことができる。折り曲げは、縁（複数可）に沿って長円のシール表面を形成するために、金属シートの１つまたは複数の縁で実施され得る。これにより、シール表面がインターコネクタの同一セクションの両側において比較的大きい幅を有することを可能にする。

製造の前に金属シートを保護層でコーティングしてインターコネクタを操作状態から保護してもよく、またはインターコネクタを製造方法後にコーティングしてもよい。したがって、本発明によると、一体化されたシール表面、流路、入口、入口ゾーン、出口、出口ゾーン、接点、バイパス突破口およびバイパス窪み部を有する金属シート製インターコネクタを、単一の製造ステップ、または簡単な少数の連続する製造ステップにおいて製造することができる。

したがって、従来のインターコネクタの状態と比較したとき、本発明の主な利点は以下の通りである。
− インターコネクタの製造価格が減少する。
− インターコネクタの材料価格が減少し、材料浪費が最小化され、いずれの切り取られた材料も再利用できる。
− インターコネクタの製造時間が減少する。
− 燃料電池スタックのアセンブル時間が減少する。
− アセンブリ不良による燃料電池の異常が減少する。
− インターコネクタの全領域、したがって燃料電池の活性領域が増大する。
− 流れ分布が向上する。
− 電気効率が増大する。
− 構成要素の数が減少する。
− セルスタックの不均一かつ非可撓性の熱膨張に起因した漏れおよび欠陥が減少する。
− 燃料利用が増大する。
− インターコネクタおよびセルスタックの寿命が増大する。
− 低い圧力降下に起因して、寄生損失が減少する。
− 安全性が増大する。未燃燃料の漏れおよび爆発の危険性に対応しており、したがって、燃料電池スタックの外側における高価かつ嵩高い空気希釈容器はもはや必要でなくなる。
− インターコネクタの縁に沿った高価な気密燃料シールへの依存度が低い。
− パージ空気用の別個のファンまたはブロワが不要である。パージ空気は、空気マニホールドに適合した方法空気ブロワによって供給される。
− 低質量、およびセルまたはシールに悪影響を与えずにより高い温度勾配を可能にする可撓性形状に起因して、起動時間が減少する。

１．複数の流れ提供マニホールドを含む燃料電池用インターコネクタであって、第１および第２の側を含み、各側が、流路、上記流路間に流れを分配する１個または複数の流入口および入口ゾーン、１個または複数の流出口および出口ゾーン、突出シール表面、突出接触域ならびに突出シール表面支持体を有し、上記流路が突出シール表面と突出接触域との間に形成されているインターコネクタにおいて、
突出部を有さない金属シート部分によって画定される中間レベル、第１の側にある突出部によって画定される第１レベルおよび第２の側にある突出部によって画定される第２レベルを少なくとも含む金属シートから作製されており、第１の側にある突出部が第１レベル内に延在する第２の側にある窪み部に対応し、第２の側にある突出部が第２レベル内に延在する第１の側にある窪み部に対応するようになっており；流入口ゾーン、流出口ゾーン、流路、接触域、シール表面支持体およびシール表面が、上記金属シートの両側において一体化されている、インターコネクタ。

２．上記シール表面の位置が、窪み部によって支持されている、特徴１に記載のインターコネクタ。

３．第１または第２の側にある上記シール表面の１つまたは複数が、少なくとも１つのパージチャネルを含む、特徴１〜２のいずれか一つに記載のインターコネクタ。

４．上記シール表面および上記電気伝導接触域が可撓性である、特徴１〜３のいずれか一つに記載のインターコネクタ。

５．上記金属シートが、５０〜４００μｍの間、好ましくは１００〜２５０μｍの間の厚さを有する、特徴１〜４のいずれか一つに記載のインターコネクタ。

６．上記金属シートが、クロム鋼またはニッケル合金からなる、特徴１〜５のいずれか一つに記載のインターコネクタ。

７．第１の側および第２の側にある上記流路が、それぞれ、第１の側および第２の側の各流路の間に均一な流れ分布を提供するように設計されている、特徴１〜６のいずれか一つに記載のインターコネクタ。

８．それぞれ、第１または第２の側にある１個または複数の流入口が内部にあり、第２または第１の側にある１個または複数の流入口が外部にある、特徴１〜７のいずれか一つに記載のインターコネクタ。

９．それぞれ、第１または第２の側にある流路が、蛇行する流れを提供するように配置されており、第２または第１の側にある流路が、蛇行する流れの主な方向に対して並流または向流の流れを提供するように配置されている、特徴１〜８のいずれか一つに記載のインターコネクタ。

１０．上記流路が、突出接触域に突破口を含むバイパス流路によって交差される、特徴１〜９のいずれか一つに記載のインターコネクタ。

１１．上記流路が、窪み部によって交差される、特徴１〜１０のいずれか一つに記載のインターコネクタ。

１２．それぞれ、第１または第２の側にある突出接触域が離散点を含み、第２または第１の側にある突出接触域が長円の突起部を含む、特徴１〜１１のいずれか一つに記載のインターコネクタ。

１３．電解質、アノード、カソード、および特徴１〜１２のいずれか一つに記載のインターコネクタを含む燃料電池反復ユニット。

１４．燃料電池が、高温燃料電池である、特徴１３に記載の燃料電池反復ユニット。

１５．燃料電池が、固体酸化物燃料電池または溶融炭酸塩燃料電池である、特徴１３に記載の燃料電池反復ユニット。

１６．燃料電池が、ＰＥＭプロトン交換膜燃料電池である、特徴１３に記載の燃料電池反復ユニット。

１７．燃料電池が、ＤＭＦＣ直接メタノール燃料電池である、特徴１３に記載の燃料電池反復ユニット。

１８．特徴１２〜１７に記載の少なくとも２つの燃料電池反復ユニットを含む燃料電池スタック。

１９．特徴１〜１１のいずれか一つに記載のインターコネクタを製造する方法であって、
− 金属シートをプレスに提供するステップと、
− 金属シートにおいて突出部をプレスすることにより、流路、上記流路間の流れを分配する１個または複数の流入口および入口ゾーン、１個または複数の流出口および出口ゾーン、シール表面ならびに接触域を形成するステップと
を含む方法。

２０．以下のステップ：
− インターコネクタの一部を折り曲げてシール表面を形成するステップ
をさらに含む、特徴１９に記載のインターコネクタを製造する方法。

本発明を、本発明の実施形態の例を示す添付の図面によってさらに説明する。

本発明の一つの実施形態によるインターコネクタの第１の側を示す。 図１−Ｏに示すインターコネクタの線Ａ−Ａに沿って切断した図を示す。インターコネクタの第１の側が下側を向いている。 図１−Ａのインターコネクタおよびパージチャネルの一方の縁に沿ったシール表面の詳細を示す。 第２の側にある出口に対向するインターコネクタにおける第１の側にあるシール表面の詳細を示す。 図１−Ｏに示すインターコネクタの線Ｄ−Ｄに沿って切断した図を示す。インターコネクタの第１の側が下側を向いている。 第２の側にある入口に対向するインターコネクタの第１の側にあるシール表面の詳細を示す。 本発明の一つの実施形態によるインターコネクタの第２の側を示す。 図２−Ｏに示すインターコネクタの線Ｇ−Ｇに沿って切断した図を示す。インターコネクタの第１の側が左側を向いている。 図２−Ｏに示すインターコネクタの右下隅部の引き伸ばし図を示す。 図２−Ｇに示す切断部の引き伸ばし図を示す。 インターコネクタの第１の側の斜視図を示す。 第２の側に２つのパージチャネルを含む図２−Ｉに示すインターコネクタの左下隅の詳細を斜視的に示す。 第２の側にある出口と対向するインターコネクタの第１の側にあるシール表面の詳細を斜視的に示す。 インターコネクタの２つの折り曲げられた縁が両側において幅広いシール表面を形成している実施形態におけるインターコネクタの第２の側の斜視図である。 図３−Ｏに示す折り曲げられたシール表面縁の詳細を斜視的に示す。

位置番号の概説
３００．インターコネクタ
３３３．中間レベル
１００．第１の側
１０１．第１の側の流入口
１０２．第１の側の流出口
１０３．第１の側の流入口ゾーン
１０４．第１の側の流出口ゾーン
１０５．第１の側の流路
１０６．第１の側の突出シール表面
１０７．第１の側の突出接触域
１０８．第１の側の窪み部
１１１．第１レベル
１１２．第１の側の突出シール表面支持体
２００．第２の側
２０１．第２の側の流入口
２０２．第２の側の流出口
２０３．第２の側の流入口ゾーン
２０４．第２の側の流出口ゾーン
２０５．第２の側の流路
２０６．第２の側の突出シール表面
２０７．第２の側の突出接触域
２０８．第２の側の窪み部
２０９．第２の側のパージチャネル
２１０．第２の側のバイパス流路
２１２．第２の側の突出シール表面支持体
２２２．第２レベル

図１−Ｏは、４つのインターコネクタ周囲縁を画定する矩形板の形態のインターコネクタ３００の第１の側１００を示す。インターコネクタは、この例においてはインターコネクタの酸化体側である第１の側１００を、ここで示すインターコネクタの一方の面に有し、かつ、この例においてはインターコネクタの燃料側である第２の側２００を、図２に示す反対の面に有する。空気などの酸化体ガスを、入口酸化体マニホールド（図示せず）から、インターコネクタの一方の周囲縁の比較的大部分に沿って伸びる第１の側酸化体流入口１０１に導入する。このタイプの入口は、外部マニホルディングの特徴を有し、外部マニホルディングは、本発明によるインターコネクタを含む多数の燃料電池を含むアセンブルされた燃料電池スタックの外表面にシールされた外部マニホールド（図示せず）を介して流れを入口に導く。

酸化体は、第１の側の流入口を経て、第１の側の流入口ゾーン１０３に入り、該入口ゾーンは、第１の側の突出シール表面１０６、第１の側の流入口およびインターコネクタ領域内への比較的小さな距離（この例においては約２〜８ｍｍ）によって区切られた領域である。第１の側の流入口ゾーンは、多数の第１の側の突出シール表面支持体１１２を含み、該支持体は、インターコネクタと隣接する電極（カソード）（図示せず）との間の電気伝導および機械的接触を確保して、シール表面（２０６）をインターコネクタの反対の側で支持する働きをし、さらに、第１の側の流路１０５の中に酸化体流を入口から均一に分配する働きをする。第１の側の流路は、両端で開口しており、流路の一方の端の第１の側の入口ゾーンから流路の他方の端の第１の側の出口ゾーン１０４までの、インターコネクタの第１の側の領域の大部分にわたって走る。第１の側の流路は、インターコネクタの２つの縁に沿って、突出シール表面１０６によって縁取られる。ラインパターンで配置された第１の側の突出接触域１０７は、第１の側の流路を画定し、該流路は、ここでは離散点の形態である突出接触域のラインの間を走る。酸化体流は、第１の側の流路を、第１の側の流入口ゾーンから第１の側の流出口ゾーンまで実質的に線状の流れでたどるが、一部の酸化体は、中間の突出点を、突出点によって、さらには第１の側の流路を交差する第１の側の窪み部１０８によって導入される迂回によって導かれて分岐方向に（ジグザグに）流れる。第１の側の窪み部は、インターコネクタの反対の側にある突出部に対応するが、このようにして、インターコネクタの第１の側においてある一つの目的も果たす。

第１の側の流路が、インターコネクタ板の第１の側、第２の側の燃料流入口２０１および出口２０２を包囲する２つの第１の側の突出シール表面、ならびに第１の側の突出接触域およびシール表面（ガスケットを含む−図示せず）の頂部部分と接触する隣接する電極表面（図示せず）によってさらに画定されることが理解されよう。第１の側の出口ゾーンは、第１の側の入口ゾーンに類似して設計される。

図１−Ａにおいて、インターコネクタの断面図も示す：インターコネクタ全体の厚さは、第１の側における最大突出部の高さから第２の側における最大突出部の高さまでの距離として画定される。該図において、両側における突出シール表面の最大高さは、状況および望まれる特徴に従ってではあるが、突出接触域の最大高さに等しく、他から独立してあらゆる突出部高さに設計できること、すなわち、突出シール表面が突出接点よりも高くてよいこと、およびその逆でもよいこと、ならびに、第１における最大突出部高さが第２の側における最大突出部高さよりも高くても低くてもよいこと、このことが、両側において流れおよび圧力損失に影響を及ぼし得ることが理解されるべきである。記載した高さは、以下の引き伸ばし図に関するセクションにおいて、よりはっきりと見ることができる。

図１−Ｂは、インターコネクタの縁に沿った突出シール表面を含む断面図の引き伸ばし図である。本発明によると、図１−Ｂにおいて明らかである３つのインターコネクタレベルが画定される。本発明によると、突出部および対応する窪み部は、塑性変形によって、例えば金属シート板のプレスによって作製される。したがって、インターコネクタの中間レベル３３３は、未変形の金属シートによって画定され、図１−Ｂの断面図において、未変形の金属シートの一方の面から他方の面に伸びていることを、すなわち、未変形の金属シートの材料厚に等しい寸法を有することを見ることができる。さらに、インターコネクタの第１レベル１１１は、未変形金属シートの第１の側の表面から第１の側の突出部の最大高さまで達する、インターコネクタの第１の側を超えるレベルとして画定される。図１−Ｂでは、第１の側の突出部の最大高さは、第１の側の突出シール表面（下向き）の頂部によって表され、第２の側の突出部の最大高さは、第２の側の突出シール表面２０６（上向き）の頂部によって表される。図１−Ｂにおいてシール表面に隣接するインターコネクタシートの大部分は、第１レベルに位置する離散点である第１の側の突出部を除いて、中間レベルに位置している。

図１−Ｃは、燃料に対する酸化体の流れが実質的に向流である場合の、第２の側の流出口２０２および第２の側の流出口ゾーン２０４の断面図の引き伸ばし図を示す。図１−Ｃは、流れが並流の場合には、第２の側の流入口２０１および第２の側の流入口ゾーン２０３の一部を示す。図１−Ｂと同様に図１−Ｃにおいて、突出部の最大高さは第２の側の流出口の周囲の第１の側のシール表面によって表されることが分かる。上記シール表面は、第１レベルから中間レベルを経て第２レベルに達する、離散点である窪み部のパターンを有し、これにより、インターコネクタの第２の側にある接触域２０７および第２の側の出口ゾーン内の流れ分配点を画定する。

図１−Ｄは、第２の側の流入口を交差するセクションにおけるインターコネクタの断面図を示す。したがって、図１−Ｄの、第２の側の流入口周囲の部分の引き伸ばし図である図１−Ｅでは、第２の側入口の縁としての働きをするインターコネクタシートの終端縁を、第１レベルに位置する第１の側の突出シール表面として見ることができる。第２の側の入口／出口および入口／出口ゾーン全体をインターコネクタ領域内に有する、本発明のこの実施形態では、第２の側が、内部マニホールドを有するとして画定される。したがって、本発明のこの実施形態によると、インターコネクタは、第１の側に外部マニホルディングを、第２の側に内部マニホルディングを有する。

図２−Ｏは、この例においては燃料側である、インターコネクタの第２の側２００を示す。上記に記載したように、燃料流は、第２の側の流入口２０１を介して入り、この実施形態においては第２の側の入口の縁から伸びる領域に、かつインターコネクタの第２の側の表面内に約２〜８ｍｍの距離で位置する、第２の側の流入口ゾーン２０３によって、第２の側の流路２０５に均一に分配される。

図２−Ｏにおいて、入口ゾーンは、２つの側方向に向かって複数の流路に通じるいくつかの第２の側の突出シール表面支持体２１２を除いて開口しているが、上方向および下方向は、第２の側の突出シール表面２０６によって閉塞されている。インターコネクタの両側のシール表面支持体（１１２および２１２）は、該支持体が突出する側において均一な流れ分布を提供する働きをし（流れ分配ゾーン）、また、他方の側において反対のシール表面に支持体を提供する働きをする。インターコネクタの第２の側では、燃料の流れをインターコネクタの第２の側に面する隣接する電極（アノード）（図示せず）の活性領域にわたって均一に分布する流路は、第２の側の長円の突出接触域、ならびに第２の側の突出シール表面によって画定される。流路に対する側壁は、長円の接触域によって形成されており、該接触域は、インターコネクタの第２の側の領域を、第２の側のバイパス流路２１０用ではなかった別個の経路に分割する。流路の第１部分が、第２の側の入口から出口に向かう主たる流れ方向に実質的に垂直である方向に流れを導いた後、バイパス流路は、各流路内の副流をそれぞれ隣の副流と接触させる。これにより、副流が、潜在的に閉塞している流路を迂回し、閉塞の後の流路に戻ることにより、このような閉塞による影響を最小化する。バイパス流路を無視する場合、図２−Ｏにおいて、全ての流体流路が実質的に同じ長さであること、および実質的に等しい断面積を有することが分かる。これは、流路間、したがって、インターコネクタおよび隣接する電極の全活性領域にわたって均一な流れ分布を確保しようとする１つの方法である。設計により、示していない他の方法で、均一な流れ分布を促進できることを理解することができ、例えば、より短い流路をより狭く作ることができ、そうすると流路長さあたりの圧力損失が増大する。離散的で特に長円状に形成されている突出部はまた、シートインターコネクタの安定化プロフィールも提供する。図において、インターコネクタの第２の側の４つの縁の全てが、第２の側の突出シール表面（およびガスケット−図示せず）によってシールされており、これにより、開口部のみが内部マニホルディング第２の側の入口および出口にあるように残されることが分かる。燃焼していない燃料が外部マニホールドに面していないインターコネクタの２つの縁に漏れることを回避するために、第２の側のパージチャネル２０９は、以下のことを確実にする。シーリングを経て漏れるあらゆる燃料をパージすること、これにより、該燃料を、燃料スタックを包囲する区画内に導き出さないようにすること。図２−Ｇは、断面図においてＧ−Ｇで切断した、インターコネクタの側図を示す。図２−Ｈに示す対応する引き伸ばし図は、既に説明した中間レベル、第１レベルおよび第２レベルを明確に示し、第１の側にある突出部が第１レベル内に延在し、第２の側にある突出部が第２レベル内に延在している。第１の側にある突出部１０７が、第２の側にある窪み部２０８に対応していることが分かるが、ここで、上記窪み部は第１レベル１１１内に延在しており、同様に、第２の側にある突出部２０７が、第１の側にある窪み部１０８に対応しているが、上記窪み部は、第２レベル２２２内に延在している。

本発明によると、塑性変形した金属シートから作製されるインターコネクタのこの少なくとも３レベルの設計は、潜在的に、単一のまたは非常に少ない製造ステップにおいて、非常に簡単かつ安価な製造を可能にする。本発明の別の実施形態においては、図３−Ｏおよび３−Ａに示すように、インターコネクタの２つの縁に沿った突出シール表面を、続いての折り曲げステップで作製することができ、これは、比較的幅広いシール表面を提供する。

図２−Ｉは、既に説明したように、インターコネクタの第１の側の斜視図であり、図２−Ｆに示す縁のシール表面を引き伸ばして、流路、突出部および窪み部を明確に視覚化している。図２−Ｊに示す引き伸ばし図は、インターコネクタの第２の側への流出口として働くアパーチャを完全にシールする、インターコネクタの第１の側の突出シール表面の明確な図を与える。さらに、図２−Ｊは、流れを第１の側の突出接触域の間に導くのに役立つ第１の側の窪み部の明確な図を与える。

Claims (20)

1. 複数の流れ提供マニホールドを含む燃料電池用インターコネクタ（３００）であって、第１（１００）および第２の側（２００）を含み、該第１の側（１００）で外部マニホールドを使用しそして該第２の側（２００）で内部マニホールドを使用し、各側が、流路（１０５、２０５）、前記流路間に流れを分配する１個または複数の流入口（１０１、２０１）および流入口ゾーン（１０３、２０３）、１個または複数の流出口（１０２、２０２）および流出口ゾーン（１０４、２０４）、第１の側の突出シール表面（１０６）、第２の側の突出シール表面（２０６）、突出接触域（１０７、２０７）、第２の側の突出シール表面（２０６）に形成されている窪み部である第１の側の突出シール表面支持体（１１２）及び第１の側の突出シール表面（１０６）に形成されている窪み部である第２の側の突出シール表面支持体（２１２）を有し、インターコネクタの第１及び第２の側のシールされる部分がシールされる突出表面、即ち突出シール表面（１０６、２０６）であり、前記流路が突出シール表面と突出接触域との間に形成されているインターコネクタにおいて、
   突出部を有さない金属シート部分によって画定される中間レベル（３３３）、第１の側にある突出部によって画定される第１レベル（１１１）および第２の側にある突出部によって画定される第２レベル（２２２）を少なくとも含む金属シートから作製されており、第１の側にある突出部が第１レベル内に延在する第２の側にある窪み部（２０８）に対応し、第２の側にある突出部が第２レベル内に延在する第１の側にある窪み部（１０８）に対応するようになっており；流入口ゾーン、流出口ゾーン、流路、突出接触域、突出シール表面支持体および突出シール表面が、前記金属シートの両側において一体化されている、インターコネクタ。
2. 前記突出シール表面の位置が、窪み部によって支持されている、請求項１に記載のインターコネクタ。
3. 第１または第２の側にある前記突出シール表面の１つまたは複数が、少なくとも１つのパージチャネル（２０９）を含む、請求項１または２に記載のインターコネクタ。
4. 前記突出シール表面が可撓性である、請求項１〜３のいずれか一つに記載のインターコネクタ。
5. 前記金属シートが、５０〜１０００μｍの間の厚さを有する、請求項１〜４のいずれか一つに記載のインターコネクタ。
6. 前記金属シートが、１００〜２５０μｍの間の厚さを有する、請求項５に記載のインターコネクタ。
7. 前記金属シートが、クロム鋼またはニッケル合金からなる、請求項１〜６のいずれか一つに記載のインターコネクタ。
8. 第１の側および第２の側にある前記流路が、それぞれ、第１の側および第２の側の各流路の間に均一な流れ分布を提供するように設計されている、請求項１〜７のいずれか一つに記載のインターコネクタ。
9. それぞれ、第２の側にある１個または複数の流入口が内部にあり、第１の側にある１個または複数の流入口が外部にある、請求項１〜８のいずれか一つに記載のインターコネクタ。
10. 前記流路が、突出接触域に突破口を含むバイパス流路（２１０）によって交差される、請求項１〜９のいずれか一つに記載のインターコネクタ。
11. 前記流路が、窪み部（１０８、２０８）によって交差される、請求項１〜１０のいずれか一つに記載のインターコネクタ。
12. それぞれ、第１または第２の側にある突出接触域が離散点を含み、第２または第１の側にある突出接触域が長円の突起部を含む、請求項１〜１１のいずれか一つに記載のインターコネクタ。
13. 電解質、アノード、カソード、および請求項１〜１２のいずれか一つに記載のインターコネクタを含む燃料電池反復ユニット。
14. 燃料電池が、高温燃料電池である、請求項１３に記載の燃料電池反復ユニット。
15. 燃料電池が、固体酸化物燃料電池または溶融炭酸塩燃料電池である、請求項１３に記載の燃料電池反復ユニット。
16. 燃料電池が、ＰＥＭプロトン交換膜燃料電池である、請求項１３に記載の燃料電池反復ユニット。
17. 燃料電池が、ＤＭＦＣ直接メタノール燃料電池である、請求項１３に記載の燃料電池反復ユニット。
18. 請求項１３〜１７に記載の少なくとも２つの燃料電池反復ユニットを含む燃料電池スタック。
19. 請求項１〜１２のいずれか一つに記載のインターコネクタを製造する方法であって、
    − 金属シートをプレスに提供するステップと、
    − 金属シートにおいて突出部をプレスすることにより、流路、前記流路間の流れを分配する１個または複数の流入口および流入口ゾーン、１個または複数の流出口および流出口ゾーン、突出シール表面ならびに突出接触域を形成するステップと
    を含む方法。
20. − インターコネクタの一部を折り曲げて突出シール表面を形成するステップ
    をさらに含む、請求項１９に記載のインターコネクタを製造する方法。

Images