JP2002528862A - 個別の膜組立体とプレート組立体との間にシールを備える燃料電池 - Google Patents
個別の膜組立体とプレート組立体との間にシールを備える燃料電池Info
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Abstract
Description
レートと、隣接する構成要素との間に形成されるシールに関し、特に、膜と電解
質の組立体や関連する水分離プレートに関する。
299号や第5,523,175号は、エラストマー性の(elastomer
ic)シール材料を使用して、燃料電池の構成要素、特に多孔質である構成要素
の周縁部をシールする先行技術の典型である。特に、米国特許第5,264,2
99号の第4欄第1行から第6欄第49行には、保持プレートとプロトン交換膜
とを、これらの構成要素の周縁部を結合するそのようなシール材料を使用して、
どのように組み立てるかが記載されている。米国特許第5,264,299号は
、ここで参照することによってここに組み込まれる。
硬化させる必要があるサルトマー社(SARTOMER CO.,INC.)製
のSARTOMER GRADE2108などの化学薬品で、各構成要素の外側
周縁部を含浸させることが必要である。このような化学薬品は、硬化された状態
では、疎水性であり、それによって、一般的に有利な冷却流体、すなわち燃料電
池に現在一般に使用されている水に連続して接触するのに耐性がある。
ことで、気体状の反応物の漏出を防止しさらにこれらの反応物の液体冷媒への浸
透を防止するのに役立つ端部のシールが形成される。
た樹脂には、サルトマー社(SARTOMER CO.,INC.)製のSAR
TOMER 2100や、ダウケミカル(Dow Chemical Corp
oration)製のSYLGARD 170などがある。しかしながら、これ
らの高分子は、いくぶん疎水性であり、水に完全に濡れることはない。水は、燃
料電池の中の反応生成物であり、一般にプロトン交換膜型(PEM)燃料電池の
冷媒にもなっているので、このような特性は、そのような端部のシールに適用す
るには好ましくない。特に、この疎水性の結果として、水移動プレートの中央の
活性領域と水移動プレートの周縁端のシール部分との間の界面は、水で完全には
充填されない。そのような状態では、水移動プレートのシール効果が低減し、反
応物の気体が冷媒の中にいくぶん漏れることになり、結果的に好ましくない状態
になる。
。そのような含浸に一般に使用される化合物には、シリコーンゴムがある。しか
しながら、シリコーンゴムは、触媒保持プレート内で効果的なシールを形成する
が、プロトン交換膜(PEM)とは良好な付着性を示さない。このように付着力
が弱いので、これらの構成要素の間の界面で反応物が漏出しがちであり、特に、
プロトン交換膜の水の含有量がPEM型燃料電池の条件によって低下した場合、
PEMが触媒保持プレートの端部から縮んで離れてしまう。プロトン交換膜が縮
むと、アノード電極の触媒保持プレートとカソード電極の触媒保持プレートとが
電気的に短絡する可能性がある。当然そのような短絡によって燃料電池の効率は
低下するであろうし、局所的に過熱することになる。
プレートと触媒保持プレートとの間で効果的なシールを形成するために、通常ア
クリルテープを使用して、水移動プレートの周縁部と触媒保持プレートの周縁部
とを結合する。このようなアクリルテープは、水移動プレートの半分同士を2つ
互いに結合するのにも使用する。このようなシール構造は、使用する材料が疎水
性であり、さらにPEMとの付着力が弱いので、その性能は限界に近い。さらに
、そのようなシールは、構成要素の数が多くまたその製造や組み立てに必要な工
程の数が多いので、製造に大きな費用が掛かる。
持プレートとに付着しさらに交換膜自体にも付着する、単一のシール剤による周
縁部の被覆を提供することである。
この単一の接着剤/シール剤によって、所望するシールと接着の両方の作用が都
合よく得られ、さらにシールと接着の機能を得るために先に述べた材料を使用す
る場合に生じる不利な点が回避される、という事実に依拠する。
権利者による米国特許第5,264,299号、第5,523,175号や、さ
らに米国特許第5,303,944号、第5,700,595号、第4,769
,297号などに記載されており、これらは、参照することによってここに組み
込まれる。
A)を備える燃料電池セルスタックを提供することで実現可能であり、この膜電
極組立体では、対向する触媒層がプロトン交換膜(PEM)の両側に設けられ、
通常多孔質の黒鉛製の対向するアノード電極保持プレートとカソード電極保持プ
レートとが、この触媒の両側に設けられ、これらの触媒保持プレートは、触媒に
隣接する中央領域と、第1の収容表面を含むシールするための周縁領域とを備え
る。第2の収容表面を含む周縁のシール領域を備える同様に多孔質の黒鉛製の結
合された反応物の流れの場のプレート/水移動プレートが、触媒保持プレートに
隣接して設けられる。
1、第2の収容表面の間に設けられ、触媒保持プレートを流れの場のプレートに
接着させ結合させるように機能する。
技術の燃料電池の構成でのいくつかの問題が回避されるが、同じシール剤による
被覆材料を膜電極組立体や関連する1つまたは複数の水移動プレートの端部まわ
りにさらに設けることで、反応物や冷媒の漏出を防止する構造が得られる。
囲、添付の図面を考慮して、よりよく理解されるであろう。
り返して設けられる通常の燃料電池セルのさまざまな構成要素が、分解図により
示される。2つの膜電極組立体が、図1ではMEAと標記され、それらの間に配
置するように、水移動プレートWTPと分離プレートSPが設けられる。
置された固体高分子イオン交換膜10を備える。アノード電極とカソード電極は
、以下では電極と呼ぶが、それぞれは、図1では一般的に16と標記された触媒
層と、触媒保持プレートとを備える。触媒層は、電極の膜10に隣接する側面に
設けられ、この触媒層によって、これらの電極は電気化学的に活性化する。
面する側面に溝18を備え、この溝18を通って通常酸素または空気の形態で酸
化剤が流れる。この流れの場のプレートWTPは、膜電極組立体MEAに面する
側面とは反対の側面に他の溝20を備え、電気化学反応により燃料電池に発生す
る熱を回収するために、この溝20を通って水の形態で冷媒流体が流れる。
接して設けられ、さらに、その反対側で次の膜電極組立体に隣接する側面に、2
2で示すように、アノード電極12に隣接して通常水素を含む気体の形態で燃料
を流すための適切な溝が形成される。
る溝18が形成されたプレートとは別の分離プレートSPに冷媒のための溝20
を形成することが可能であったり、または好ましかったりする。
プレート、分離プレートSPなどの間のシールが、シリコーンが被覆されたガラ
ス織物製の界面周縁部用ガスケットからなることが示唆されており、これらのガ
スケットは、これらのさまざまな構成要素それぞれの1つの側面に適合されてお
り、好ましくは感圧性シリコーン接着剤の形態からなる。これらのシリコーンガ
スケットによって、許容できるシールは確かに得られるが、相対的に多量のシー
ル剤が必要であり、さらに不可避的に大きなシートから切り出すため多量の無駄
が生じることになる。この問題の別の解決策は、これらの構成要素の外側周縁部
をSARTOMERなどの樹脂で含浸して形成した端部のシールの形態をとる。
残念ながら、このような樹脂は硬化された状態では通常疎水性あり、従って、端
部のシール界面で水気泡圧力(water bubble pressure)
が低下することになるため、限界に近い結果しか得られない。水で含浸した後で
は、この化学薬品すなわち樹脂で被覆した構成要素の濡れ性は低く、局所的な漏
出が起こる。
は紙状であり、触媒が被覆され、その周縁端部は、さらにSYLGARD 17
0などのシリコーンゴムでシールする必要がある。そのようなシリコーンシール
剤を使用すると、許容できるシールは形成されるが、通常NAFIONなどで作
製される膜電極組立体自体との付着が十分でない。
剤30が、セル構成要素の外側端部上と、膜電極組立体と水移動プレートとの間
と、の両方に設けられる。このような接着剤の好ましい材料には、フルオロラス
ト社(Fluorolast)のローリーン(Laureen)部門製の等級S
BまたはWBのFLUOROLASTなどのフルオロエラストマーがある。この
種類のフルオロエラストマーは、膜電極組立体MEAの構造に関連して使用され
るNAFIONと非常によく付着するばかりでなく、FLUOROLASTは、
黒鉛とも非常によく付着することが見出された。黒鉛材料は、図2でWTPやS
Pと標記されているプレートなどの流体の流れのプレートを作製するのに好まし
い伝導性材料である。黒鉛は、このような接着剤/シール剤とともに使用するの
に適しているので、これらの構成要素は、互いに固定されるとともに、溝20内
の水に対して効果的なシールが得られる。
WTP)を背中合わせの構成で使用することできる。この構成では、反応物の流
れの溝は、外側表面に形成され、水移動プレートWTPの流れの溝は、内側表面
に形成される。それぞれのWTPは、酸化剤から燃料を分離する機能が得られる
のに十分な気泡圧力(bubble pressure)を備えるように作製さ
れる。
部は、Flourolastエラストマーで含浸される。図3には、分離プレー
トを省いた背中合わせの水移動プレート(WTP)を備えた別のセル構成が示さ
れる。この電極保持プレートの周縁部は、透過性であり、Flourolast
エラストマーで含浸されて端部のシールが形成され、さらにそれぞれのWTPの
シール表面は、Flourolastで被覆される。
0やSYLGARD170を使用することが必要なさまざまな界面のシールや端
部のシールは、図2に示されるフルオロエラストマー材料30に置き換えること
ができるので、通常の燃料電池セルスタックを製造する全体の費用が抑えられ、
さらにシール特性が向上する。
した。より詳細には、トレイ社(Toray)により販売されている等級TGP
−H−120である14mil(0.356mm)の多孔質の黒鉛製の電極保持
プレートをFlourolastで含浸させ、含浸後にこの試験片を約212°
F(約100℃)で約1時間硬化させた。次に、この試験片を3インチ(76.
2mm)角の枠体状に切り出したところ、厚みは0.25インチ(6.35mm
)であった。このような試験片の2つを圧力試験装置に組み込んだところ、枠体
の内部に95psig(1平方インチ当たりのポンドでのゲージ圧力)(ゲージ
圧0.655MPa)まで圧力を掛けても、外に漏出する窒素は見られなかった
。
Gで販売されている種類の緻密な黒鉛材料からなる厚みが0.9mmの分離プレ
ートのシール表面を使用して同様の試験を実施した。これらの構成要素をFlo
urolastで被覆し、約70°F(約21℃)の室温で72時間硬化させた
。このような試験片の4つを上述した大きさに切り、圧力試験装置に組み込んだ
。この結合されたスタックは、10分間圧力低下がないことから明白なように界
面の漏出がない状態で窒素による95psig(ゲージ圧0.655MPa)の
内部圧力に耐えることができた。このスタックを水の中に沈めても、気泡の形成
は見られなかった。
の硬化を評価する試験も実施した。インターナショナルフューエルセルズ社(I
nternational Fuel Cells)製の3インチ(76.2m
m)角で厚みが0.1インチ(2.54mm)の多孔質の黒鉛製の水移動プレー
トに、水を充填したところ、それらの気泡圧力は、8psi(0.055MPa
)と決定された。次に試験片を乾燥し、それらの端部をflourolastで
シールし、Flourolastを使用して試験片の両側に3インチ(76.2
mm)角で2.5の黒鉛製の枠体を結合した。180°F(82.2℃)で16
時間硬化した後、再び試験片に水を充填したところ、気泡圧力は、8psi(0
.055MPa)と測定され、フルオロエラストマーを使用して端部をシールし
ても、水移動プレートの気泡圧力は低下しないことが示された。次に、この具体
的な試験片を上述した外部への漏出試験に掛けたところ、95psi(0.65
5MPa)で、漏出が見られなかった。
ことなく、さまざまな変形、置換を行うことができる。従って、本発明は、限定
によってではなく例示によって説明したものであると理解される。
んだ一対の燃料電池セルのいくつかの構成要素を示す分解側面立面図。
示すとともに、燃料電池セルスタックの外側端部に設けられた同じシール剤の被
覆を示す、図1の燃料電池セルの部分図。
の触媒保持プレートと水移動プレートの構成を示す図。
Claims (9)
- 【請求項1】 電気エネルギーを生成する燃料電池セルスタックであって、ス
タック内のセルは、 対向する触媒層と、前記触媒層の間にあるプロトン交換膜と、前記触媒層に
隣接した対向するアノード保持プレートとカソード保持プレートと、を備えた膜
電極組立体であって、それぞれの触媒保持プレートが、第1のシール表面を形成
する端部周縁表面を有する、膜電極組立体と、 前記触媒保持プレートに隣接し、第2のシール表面を形成する周縁表面を有
する反応物の流れの場のプレートすなわち水移動プレートと、 前記触媒保持プレートを前記流れの場のプレートすなわち水移動プレートに
結合するためのエラストマー性の接着剤からなり、前記第1、第2のシール表面
の間にあるシール剤の被覆と、 から構成されることを特徴とする燃料電池セルスタック。 - 【請求項2】 前記膜電極組立体は、前記触媒層と前記膜との間に触媒保持層
を備え、前記触媒保持層は保持シートの形態で設けられ、前記シール剤の被覆は
、前記膜電極組立体の外側のまわりとともに前記反応物の流れの場のプレートの
外側のまわりにさらに設けられることを特徴とする請求項1記載の組合せ。 - 【請求項3】 前記エラストマー性の接着剤は、フルオロエラストマーからな
ることを特徴とする請求項1記載の組合せ。 - 【請求項4】 前記エラストマー性の接着剤は、Fluorolastである
ことを特徴とする請求項1記載の組合せ。 - 【請求項5】 前記流れの場のプレートに隣接して間に冷媒の流路を形成する
ように分離プレートが設けられ、前記流れの場のプレートと前記分離プレートの
両方とも、それらの周縁領域が前記エラストマー性の接着剤によりシールされる
ことを特徴とする請求項1記載の組合せ。 - 【請求項6】 前記流れの場のプレートは、黒鉛材料から作製されることを特
徴とする請求項1記載の組合せ。 - 【請求項7】 前記触媒保持層は、黒鉛材料から作製されることを特徴とする
請求項1記載の組合せ。 - 【請求項8】 前記シール剤の被覆は、フルオロエラストマーからなり、前記
フルオロエラストマーは、燃料電池セルスタック内の前記膜電極組立体と流れの
場のプレートすなわち水移動プレートとの外側に設けられることを特徴とする請
求項1〜7のいずれかに記載の組合せ。 - 【請求項9】 前記触媒保持プレートは、フルオロエラストマーで含浸された
透過性の周縁部分を備え、前記エラストマー性の接着剤は、フルオロエラストマ
ーからなることを特徴とする請求項1記載の組合せ。
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