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JP3023171B2 - 燃料電池集電板 - Google Patents

燃料電池集電板

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Publication number
JP3023171B2
JP3023171B2 JP03501735A JP50173591A JP3023171B2 JP 3023171 B2 JP3023171 B2 JP 3023171B2 JP 03501735 A JP03501735 A JP 03501735A JP 50173591 A JP50173591 A JP 50173591A JP 3023171 B2 JP3023171 B2 JP 3023171B2
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JP
Japan
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current collector
separator
deformed
arches
flat surface
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JP03501735A
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カッツ，マーレイ
ボンク，スタンレー、ピー．
マリクル，ドナルド、エル．
エイブラムズ，マーチン
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は燃料電池集電板に係り、特に脆い電極と共に
使用するのに適した集電板に関する。
発明の背景 燃料電池スタックは、電気的に直列に積み重ねられた
複数の燃料電池から構成されており、各々の燃料電池は
隔離板によって分けられている。隔離板に隣接して電極
があり、それに電解液を含むマトリックスが続く。マト
リックスの反対側には、もう一つの電極があり、さらに
別の隔離板がある。最初の電極を陽極とすると、もう一
つの電極は陰極となる。二つの隔離板とそれに挟まれた
電極の間の空間に、燃料と酸化体が反応物質として通さ
れる。
電解液は電極を通って拡散するため、一方の電極表面
上で燃料と電解液間の反応が起こると同時に、もう一方
の電極表面上で酸化体と電解液の反応が起こる。
これらの反応や、電極，電解液，電解液を保持してい
るマトリックスの詳細については、既にこれまでの技術
に関連して十分に議論されてきた。
燃料電池スタック構成要素の素材を決定するに当たっ
ては、燃料電池中の特定の物質に対する耐食性や燃料電
池の使用温度レベルなどの制約がある。つまり、個々の
構成要素は、腐食に耐える素材のものから選択されなけ
ればならない。
燃料電池の化学反応に応じて、隣接する燃料電池間に
電子流が起こらなければならない。したがって、燃料電
池スタックの構成要素は、熱損失なしに電子の移動を容
易にするような高い電気伝導率を持っていなければなら
ず、またそれぞれ電流を通しやすいように電気的に接触
していなければならない。
電池内で過渡的な温度変化が起こって部分部分で膨張
率が異なった場合でも、電池全体の電気的接触を適度に
保ち続けるためには、スタックにかかる軸方向の圧縮荷
重を一定に保たなければならない。
溶融炭酸塩型燃料電池では、陰極は脆い粗石のように
なる傾向がある。このため、隔離板と電極間にガスを流
す通路を設けるという、より一般的な方法は利用できな
い。ガスを通すための溝を加工すると、電極の強度が不
十分になってしまうからである。
さらに、反応体はガス空間に入り込めるだけではな
く、ガス空間を絶えず流れることができなければならな
い。反応体にかかる圧力が大きく落ちて速度が不適当な
ものになることを避けるためには、反応ガスが流れる空
間を十分に確保する必要がある。このためには、電極と
接触する機器によって電極のかなりの部分が覆われるこ
とがないようにして、ガスと電極が直接十分に接するよ
うにしてやらなければならない。
これまでの溶融炭酸塩型燃料電池の技術では、陰極に
特に問題があった。この問題を解決するためには、陰極
から隔離板に電子を移動させるための集電板を設けなけ
ればならない。集電板の設置に当たっては、反応ガスが
陰極に接しやすいようにし、かつガスの流れる空間を十
分に確保して圧力降下を低くおさえてやることが必要で
ある。
これまでの技術では、平面面積の大きい多孔板を陰極
に接触させて、陰極を支えると共に電気的に十分に接触
させるやり方が取られてきた。多孔板と隔離板の間に
は、折り畳んだキンテックス片をはさむ。キンテックス
の形状は反応ガスが通過できるように複数の孔を開けた
波型金属板が一般的であった。しかし、この方法ではキ
ンテックス片をいくつも用いる必要があり、一般に陰極
面積の2.6倍の材料が必要となる。また、ガスの通過空
間がキンテックスによって妨げられるのに加え、多孔板
の厚さ分はガスが流れないので、縦方向のスペースが余
分に必要になる。さらに多孔板とキンテックス間で電気
的接触ジョイントが一つ増えてしまう。
先に述べたように、燃料電池は最低170キロパスカル
の荷重を受けて圧縮されている。集電装置は、電池内に
過渡的な温度変化が起こっても接触を保てる柔軟性と、
製造公差を吸収する柔軟性がなければならない。また、
過度なクリープなしにこの荷重を受けとめることができ
なければならない。
発明の概要 燃料電池には、複数の隔離板と複数の電極があり、隔
離板と電極間にはそれぞれ集電板が設けられている。集
電板の電極に接する側は平面になっており、隔離板に接
する側には当該集電板を変形させていくつものアーチが
形成される。燃料電池が軸方向の圧縮荷重を受けると、
このアーチが荷重を受けとめ、電気的接触を維持して、
かつ反応体の流路を与える。
個々のアーチの脚は平面板に対して鋭角をなしてお
り、一対の脚は平面板の平坦表面に対して鈍角で交わ
り、わずかに弓状になったビーム部分は平面板とほぼ平
行になっている。アーチは碁盤目状に並び、反応体の流
れを横切るように配置されている。
図面の簡単な説明 図１は、燃料電池積層体の一つの電池の立体分解図、
図２は、集電板の平面図、図３は、図２の３−３部分の
断面図、図４は、図２の４−４部分から見た側面図、図
５は、集電板のアーチの拡大図、図６は、集電板の一部
の拡大平面図、図７は、改良型集電板の一部の拡大平面
図、および図８は、陰極，陽極双方に隣接して設置され
るタイプの集電板を図示したものである。
発明を実施するための最良の形態 図１には、ひとつの燃料電池10が示され、隣り合った
燃料電池の間に隔離板12が設けられている。陽極14は従
来通りのもので、縦方向に伸びた溝が形成され、この陽
極14は電解液を含んだマトリックス18と接している。燃
料16は陽極と隔離板との間を流れる。
陰極20も電解質と接しているが、この陰極20はニッケ
ル製で、酸化された酸化ニッケルとなる。酸化ニッケル
は脆い粗石状の物質である。陰極20は陽極14のように成
形することはできないので、両面とも平坦になってい
る。集電板22の片方の面は平坦な表面24で、陰極と接し
ている。もう一方の面には３形状に盛り上がった多数の
アーチが形成され、これらは次の隔離板25と接してい
る。アーチについては後で詳しく説明する。酸化剤17は
陰極20と隔離板25との間を流れる。同様の構成の電池が
いくつも連なっている。
図２に示された集電板22は厚さ0.25mmの310番ステン
レス鋼で作られており、全体の大きさは30cm×27cmであ
る。この環境に耐えることのできる素材には、他に316
番ステンレス鋼やインコロイ825などがある。アーチ26
と28は板材を変形して作られている。各アーチの板表面
からの呼び高さ30は、1.63mmである。パンチングで作ら
れた長孔34の全長32は4.83mmになっている。
長孔は6.22mmのピッチ36で並んでいる。板の厚さ38は
0.25mmである。
26のパターンのアーチと28のパターンのアーチが一列
ずつ交互に並んで、全体では碁盤目のようなパターンに
なっている。各アーチのビーム部分40は、陰極と隔離板
の間の集電板のガス空間を通る反応体の流れ方向17に対
して直角をなしている。このような構成によって、反応
体の流れの圧力降下は低くおさえられている。各アーチ
の幅42は1.52mmで、横方向のピッチ44は2.95mmになって
いる。
集電板22のパンチング部分は合計で集電板全体の40％
であるが、この率は30から45％にするのが適当である。
電極が集電板によって支えられていない箇所の幅は、
それぞれ最高でも1.52mmになっている。脆くて粗石状の
電極の場合、電極の性質に応じてこの距離をできるだけ
小さくおさえることが重要である。一般的にこの幅が1.
52mmを越えないようにしなければならない。
図５はアーチの断面の詳細を示している。呼び高さ30
は1.63mmである。アーチのビーム40はわずかに弓状にな
っており、隔離板の方向へ距離46＝0.008mmだけ突き出
している。この距離はビーム40のスパンの５％を越えな
いようにすることが好ましい。アーチの脚48は平面52に
対して60度の角度50で上方に突き出している。先に述べ
たように、燃料電池積層体は１平方センチメートルあた
り最低1.58キロパスカルの圧縮荷重を受けている。アー
チをしっかり支えるには、角度50が最低でも50度である
必要があるが、この角度が70度を越えると、平面52素材
からビームを成型するのが非常に難しくなる。ビームは
54の曲げ半径を0.75mmに、脚48とビーム40の境界の曲げ
半径56も0.75mmに成型されている。
脚48は、適度な圧縮荷重を受けとめられるようしっか
りとしていなければならない。しかし、58と60の曲がり
は、アーチに大きな荷重がかかった際でも常に十分な圧
縮接触を保つための柔軟性を与える半径となっている。
ビーム中の緩やかな弓型46は、この構造物全体の柔軟性
で追従出来ないような荷重の弛緩が起こっても、隔離板
との電気的接触が維持できるのに十分な柔らかいバネ機
能を与える。
図６は集電板22の一部を大きく拡大したもので、26と
28のアーチ列を示している。先に述べたアーチの長さと
ピッチの場合、距離62は1.40mmになる。先に示したよう
にアーチの幅とピッチがそれぞれ1.52mmと2.95mmの場
合、隣接するアーチ列間の距離64は1.43mmになる。
破線66で示された部分は、ガスがブロックされて電極
と接触しない部分である。
この部分は、最も近接したガス空間から約0.7mmの距
離にある。
電極が十分に厚い場合、ガスは損失が過度にならずに
電極のブロック部分へ流れることが十分に期待される。
三角形68は、ブロックが0.7mmを越える部分であるこ
とに注意する必要がある。
特に薄い電極を使う場合、ガスの移動が一層困難にな
るので、このブロックされた空間を最小にするための改
良をすることが必要である。改良を施した集電板を図７
に示す。ここでは孔の部分の面積が集電板全体の38％に
なっている。
各アーチ26と28の幅70は、再び1.5mmになっている。
ビームに平行な方向の寸法は先の場合と同じであるが、
アーチのピッチ72を増加させて3.81mmとし、各アーチ列
間の距離74が2.29mmとなるようにする。直径0.75mmの孔
76を各アーチ１個に対して４個の割合でパンチングす
る。各孔の中心を結んだ中心線から隣接する長孔までの
距離78は1.14mm、各孔のピッチ80は1.6mmとなる。
孔82が同じアーチ列の隣接するアーチ間84の中心線
上、つまり、図６で示された問題の領域68の位置にある
ことに特に注意する必要がある。
図８は、集電板が陰極と陽極双方に隣接して設置され
るタイプを図示したものである。陰極側の集電板22のア
ーチ26のビーム40は、隔離板25に接している。
陽極側の集電板90のアーチ92のビーム94は、隔離板25
に隣接している。40と94のビームは、燃料電池と軸を共
有している。このため、隔離板を曲げることなく圧縮荷
重が受けとめられる。
40と92のビームはそれぞれ、ビームの長さ方向が、反
応体の流れ96と98に対して直交するように配置されてい
る。反応体が流れる際の圧力降下はこれによって最小に
保たれる。
集電板は一枚の平板から打ち抜かれた一体型で、二重
に厚くなった箇所がないため反応体の流れを妨げること
が無い。過渡的な熱変化があっても確実で連続的な電気
的接触が維持される。このような集電板で形成される反
応体通路を通過する際の圧力降下は少ない。
このように燃料電池の電極20と隔離板25の間に設けら
れた集電板22を、一枚の平板から、碁盤目状に複数のア
ーチ26,28を成型して作ることにより、反応体が流れる
空間を確保するのに十分なアーチ高さ30が得られ、各ア
ーチには圧縮荷重に十分耐えられる剛性と、荷重を分配
して電気的接触を保つのに十分な弾力性を持たせること
ができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エイブラムズ，マーチン アメリカ合衆国コネチカット州、グラス トンベリー、スリー、マイル、ロード、 118 (56)参考文献 特開 平２−160371（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−86361（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−279573（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−109262（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】複数の隔離板と、複数の電極と、各電極と
    隔離板との間に反応体を流す手段と、を有する燃料電池
    における電極と隔離板との間に置かれた燃料電池集電板
    であって、； 前記電極に隣接して接触する平坦表面を持つ板と、 素材板を変形させて前記平坦表面上に複数のパンチング
    長孔を切り曲げ成形することにより形成された複数個の
    変形アーチと、 を有し、 前記電極に接触する前記平坦表面が占める面積部分は、
    前記の複数個の変形アーチが占める面積部分より広い部
    分を占め、 前記の各アーチは、 前記平坦表面に対して鈍角で交わる一対の支え脚と、 前記平坦表面とほぼ平行なビームと、 を有し、 各アーチの前記ビームは、前記隔離板の方へ突き出した
    緩やかな弓状突き出しを有するとともに前記隔離板に接
    触しており、 前記の複数の変型アーチのビームの長さ方向が、前記集
    電板に接する反応体の流れの方向と直交しており、 前記の変型アーチのビームの長さ方向の長さが幅方向の
    長さより大きいことを特徴とする燃料電池集電板。
  2. 【請求項２】前記弓状突き出しが、前記ビームのスパン
    の５％以下であることを特徴とする請求の範囲第１項記
    載の燃料電池集電板。
  3. 【請求項３】前記の複数の変形アーチが、碁盤目状に隣
    接して幾列にも交互に配列されていることを特徴とする
    請求の範囲第１項乃至第２項のいずれか１項に記載の燃
    料電池集電板。
  4. 【請求項４】複数の隔離板と、 複数の陽極と、 複数の陰極と、 電極と隔離板との間に置かれた集電板に反応体を流す手
    段と、 前記各陽極と隣接した隔離板との間に位置した多数の陽
    極集電板と、を備える燃料電池であって、 各陽極集電板は、 陽極に隣接して接触する平坦平面を持つ板と、 素材板を変形させて前記平坦表面上に複数のパンチング
    長孔を切り曲げ成形することにより形成された複数個の
    変形アーチと、 を有し、 前記陽極に接触する前記平坦表面が占める面積部分は、
    前記の複数個の変形アーチが占める面積部分より広い部
    分を占め、 前記の各アーチは、 前記平坦表面に対して鈍角で交わる一対の支え脚と、 前記平坦表面とほぼ平行なビームと、 を有し、 各アーチの前記ビームは、前記隔離板の方へ突き出した
    緩やかな弓状突き出しを有するとともに前記隔離板に接
    触しており、 前記の複数の変型アーチのビームの長さ方向が、前記集
    電板に接する反応体の流れの方向と直交しており、 前記の変型アーチのビームの長さ方向の長さが幅方向の
    長さより大きいことを特徴とする燃料電池。
  5. 【請求項５】前記各陰極と隣接した隔離板との間に位置
    した多数の陰極集電板を備え、各陰極集電板は、 陰極に隣接して接触する平坦平面を持つ板と、 素材板を変形させて前記平坦表面上に複数のパンチング
    長孔を形成することにより形成された複数個の変形アー
    チと、 を有し、 前記陰極に接触する前記平坦表面が占める面積部分は、
    前記の複数個の変形アーチが占める面積部分より広い部
    分を占め、 前記の各アーチは、 前記平坦表面に対して鈍角で交わる一対の支え脚と、 前記平坦表面とほぼ平行なビームと、 を有し、 各アーチの前記ビームは、前記隔離板の方へ突き出した
    緩やかな弓状突き出しを有するとともに前記隔離板に接
    触している、 ことを特徴とする請求の範囲第４項に記載の燃料電池。
  6. 【請求項６】前記の陽極集電板のビームのそれぞれと、
    前記の陰極集電板のビームのそれぞれが燃料電池と軸を
    共有し、隔離板を曲げることなく圧縮荷重に耐えられる
    ようにしたことを特徴とする請求の範囲第５項記載の燃
    料電池。
  7. 【請求項７】前記隔離板を挟んで二枚の前記集電板が互
    いに90度回転した位置関係で積層されたときに一方の前
    記集電板における前記の複数個の変形アーチと他方の前
    記集電板における前記の複数個の変形アーチとが積層方
    向から見て互いに同一の位置に重なって配列されるよう
    に、前記変形アーチが形成されていることを特徴とする
    請求の範囲第１項に記載の燃料電池集電板。
  8. 【請求項８】前記隔離板を挟んで二枚の前記集電板が互
    いに90度回転した位置関係で積層されたときに一方の前
    記集電板における前記の複数個の変形アーチと他方の前
    記集電板における前記の複数個の変形アーチとが積層方
    向から見て互いに同一の位置に重なって配列されるよう
    に、前記変形アーチが形成されていることを特徴とする
    請求の範囲第４項に記載の燃料電池。
JP03501735A 1989-11-24 1990-11-15 燃料電池集電板 Expired - Lifetime JP3023171B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US440,923 1989-11-24
US07/440,923 US4983472A (en) 1989-11-24 1989-11-24 Fuel cell current collector
PCT/US1990/006734 WO1991008595A1 (en) 1989-11-24 1990-11-15 Fuel cell current collector

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Publication Number Publication Date
JPH05503606A JPH05503606A (ja) 1993-06-10
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ID=23750752

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP03501735A Expired - Lifetime JP3023171B2 (ja) 1989-11-24 1990-11-15 燃料電池集電板

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EP (1) EP0502125B1 (ja)
JP (1) JP3023171B2 (ja)
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DE (1) DE69022244T2 (ja)
DK (1) DK0502125T3 (ja)
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