JP2005174908A - モジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 燃料電池の陽極板に環状凹部と延伸環状凹部が開設され、陰極板に環状凹部と連通する延伸環状凹部が設けられ、電池ユニット組立時に、陽極板と陰極板の周囲エリアの対応する環状凹部と延伸環状凹部の間に、先にシリコン樹脂を塗布し、並びにシリコン樹脂が未硬化の前の粘ちょう状の時に、陽極板、膜電極アセンブリと陰極板をアライメントさせて重合させ、並びに所定の圧力値で圧着し、陽極板の環状凹部のシリコン樹脂と陰極板の環状凹部の対応するシリコン樹脂を密着接合させ、これにより陽極板と陰極板の周囲エリアの間にシール環状面を形成し、また陽極板と陰極板の周縁エリアの対応する延伸環状凹部のシリコン樹脂も相互に対応させ、膜電極アセンブリ中のプロトン交換膜を中間位置に圧着、位置決めし、陽極板と陰極板の間の各貫通孔周囲にもシール環状面を形成させる。
【選択図】 図6
Description
1.陽極板101のチャネル101aに水素ガスが通入される時、パッキング106と陽極板101の間の空隙より漏出しやすく、陰極板102のチャネル102aに酸素ガスを通入する時もパッキング107と陰極板102の間の空隙より極めて漏出しやすく、反応の進行に厳重な影響を与える。この欠点はパッキング106、107をある時間使用して老化現象が形成された後に特に明らかとなり、即ちパッキング106、107を一体成形で単一パッキングに形成してもこの問題を有効に解決することはできない。
2.パッキング106、107自身の材質の制限により、付近の圧力が不均一となりやすく、また老化速度が不均一となり、全体の電池ユニットの接触圧力が不均一となり、このためにガス拡散反応が平均して実行されなくなる原因である。全体の燃料電池セットは最後にタイロッド110による接触圧力制御を必要とし、燃料電池セット周縁と中央エリアに明らかな重合圧力の差が出現し、厳重に燃料電池の作業効率に影響を与える。
3.パッキング106、107を陽極板101と陰極板102間に採用する措置は、汚染隔離の効果があがらないばかりか、層の重合の位置決めの機能を発生できない。またその接触圧力は事前に最適な数値に制御しがたく、ゆえにこの措置は燃料電池セットを電池ユニットモジュール化の形式で事前に製造、ストックすることができず、また可能な形式の製品試験を行なうこともできない。このため現在のプロトン交換膜燃料電池は広く有効に運用できない。
該膜電極アセンブリは陽極側と陰極側を具え、該陽極側に陽極ガス拡散層が形成され、該陰極側に陰極ガス拡散層が形成され、プロトン交換膜が該陽極ガス拡散層と該陰極ガス拡散層の間に挟まれ、
該陽極板は、該膜電極アセンブリの陽極ガス拡散層の外側表面に位置し、該陽極板は第1表面、第2表面、中央エリア、周縁エリア、及び該周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第1表面は該膜電極アセンブリの陽極ガス拡散層に対向し、且つ該第1表面の中央エリアに複数の陽極ガスチャネルが形成され、該第1表面の周縁エリアに環状凹部が開設され、且つ該環状凹部の該陽極板の各貫通孔の近隣の位置に連通する延伸環状凹部が形成され、
該陰極板は該膜電極アセンブリの陰極ガス拡散層の外側表面に位置し、該陰極板は第1表面、第2表面、中央エリア、周縁エリア、及び周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第2表面は該膜電極アセンブリの陰極ガス拡散層に対向し、第2表面の中央エリアに複数の陰極ガスチャネルが形成され、第2表面の周縁エリアに環状凹部が開設され、且つ環状凹部の該陰極板の各貫通孔に近隣の位置に連通する延伸環状凹部が形成され、 電池ユニットを組み立てる時、該陽極板の第1表面及び陰極板の第2表面の周縁エリアの対応する環状凹部と延伸環状凹部の間にシリコン樹脂が塗布され、並びに該シリコン樹脂が未硬化で粘ちょう状を呈する時に、該陽極板、膜電極アセンブリと陰極板がアライメント並びに重合され、並びに所定圧力で圧着され、陽極板の環状凹部のシリコン樹脂と陰極板の環状凹部の対応するシリコン樹脂が密着し接合され、これにより陽極板と陰極板の周縁エリアにシール環状面が形成され、
これと同時に陽極板の第1表面及び陰極板の第2表面の周縁エリアの対応する延伸環状凹部のシリコン樹脂が相互に対応し膜電極アセンブリ中のプロトン交換膜に密着しその中間位置に圧着、位置決めし、該陽極板と陰極板間の各貫通孔の周縁もまたシール環状面を形成することを特徴とする、モジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造としている。
請求項2の発明は、請求項1記載のモジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造において、陰極板の第1表面に複数の冷却チャネルが形成されたことを特徴とする、モジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造としている。
請求項3の発明は、請求項1記載のモジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造において、陽極板の第2表面が平坦表面とされことを特徴とする、モジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造としている。
請求項4の発明は、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造において、複数の重合された燃料電池ユニットを具え、各燃料電池ユニットが膜電極アセンブリ、陽極板、陰極板を具え、
該膜電極アセンブリは陽極側と陰極側を具え、該陽極側に陽極ガス拡散層が形成され、該陰極側に陰極ガス拡散層が形成され、プロトン交換膜が該陽極ガス拡散層と該陰極ガス拡散層の間に挟まれ、
該陽極板は、該膜電極アセンブリの陽極ガス拡散層の外側表面に位置し、該陽極板は第1表面、第2表面、中央エリア、周縁エリア、及び該周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第1表面は該膜電極アセンブリの陽極ガス拡散層に対向し、且つ該第1表面の中央エリアに複数の陽極ガスチャネルが形成され、該第1表面の周縁エリアに環状凹部が開設され、且つ該環状凹部の該陽極板の各貫通孔の近隣の位置に連通する延伸環状凹部が形成され、
該陰極板は該膜電極アセンブリの陰極ガス拡散層の外側表面に位置し、該陰極板は第1表面、第2表面、中央エリア、周縁エリア、及び周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第2表面は該膜電極アセンブリの陰極ガス拡散層に対向し、第2表面の中央エリアに複数の陰極ガスチャネルが形成され、第2表面の周縁エリアに環状凹部が開設され、且つ環状凹部の該陰極板の各貫通孔に近隣の位置に連通する延伸環状凹部が形成され、 燃料電池を組み立てる時、該陽極板の第1表面及び陰極板の第2表面の周縁エリアの対応する環状凹部と延伸環状凹部の間にシリコン樹脂が塗布され、並びに該シリコン樹脂が未硬化で粘ちょう状を呈する時に、該陽極板、膜電極アセンブリと陰極板がアライメント並びに重合され、並びに所定圧力で圧着され、陽極板の環状凹部のシリコン樹脂と陰極板の環状凹部の対応するシリコン樹脂が密着し接合され、これにより陽極板と陰極板の周縁エリアにシール環状面が形成され、
これと同時に陽極板の第1表面及び陰極板の第2表面の周縁エリアの対応する延伸環状凹部のシリコン樹脂が相互に対応し膜電極アセンブリ中のプロトン交換膜に密着しその中間位置に圧着、位置決めし、該陽極板と陰極板間の各貫通孔の周縁もまたシール環状面を形成することを特徴とする、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造としている。
請求項5の発明は、請求項4記載のプロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造において、陰極板の第1表面の中央エリアに冷却チャネルが形成され、且つこの第1表面の周縁エリアに環状凹部と該陰極板の貫通孔を囲む延伸環状凹部が形成され、該環状凹部と該延伸環状凹部中に硬化したシリコン樹脂が形成されたことを特徴とする、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造としている。
請求項6の発明は、請求項4記載のプロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造において、陽極板の第2表面が平坦表面とされことを特徴とする、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造としている。
請求項7の発明は、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造において、第1膜電極アセンブリと第2膜電極アセンブリ、少なくとも一つの双極板、陽極板、及び陰極板を具え、
該第1膜電極アセンブリ及び該第2膜電極アセンブリがそれぞれ陽極側と陰極側を具え、該陽極側に陽極ガス拡散層が形成され、該陰極側に陰極ガス拡散層が形成され、プロトン交換膜が該陽極ガス拡散層と該陰極ガス拡散層の間に挟まれ、
該少なくとも一つの双極板は、膜電極アセンブリの間に取り付けられ、該双極板は第1表面、第2表面、中央エリア、周縁エリア、及び該周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第1表面の中央エリアに複数の陰極ガスチャネル形成され、第2表面の中央エリアに複数の陽極ガスチャネルが形成され、
該陽極板は、該第2膜電極アセンブリの陽極ガス拡散層の外側表面に位置し、該陽極板は第1表面、第2表面、中央エリア、周縁エリア、及び該周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第1表面は第2膜電極アセンブリの陽極ガス拡散層に対向し、且つ第1表面の中央エリアに複数の陽極ガスチャネルが形成され、第1表面の周縁エリアに環状凹部が開設され、該環状凹部の該陽極板の各貫通孔の近隣の位置に連通する延伸環状凹部が形成され、
該陰極板は、膜電極アセンブリの陰極ガス拡散層の外側表面に位置し、該陰極板は第1表面、第2表面、中央エリア、周縁エリア、及び該周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第2表面は膜電極アセンブリの陰極ガス拡散層に対向し、且つ第2表面の中央エリアに複数の陰極ガスチャネルが形成され、第2表面の周縁エリアに環状凹部が開設され、該環状凹部の該陰極板の各貫通孔の近隣の位置に連通する延伸環状凹部が形成され、
燃料電池モジュールを組み立てる時、該陽極板及び双極板の第1表面及び陰極板及び双極板の第2表面の周縁エリアの環状凹部と延伸環状凹部と隣り合う双極板の周縁エリアの対応する環状凹部と延伸環状凹部の間に、先にシリコン樹脂が塗布され、並びに該シリコン樹脂が未硬化で粘ちょう状を呈する時に、該陽極板、双極板、膜電極アセンブリと陰極板がアライメント並びに重合され、並びに所定圧力で圧着され、陽極板の第1表面と双極板の第2表面の環状凹部の対応するシリコン樹脂が密着接合され、対応する延伸環状凹部のシリコン樹脂もまた相互に対応し第2膜電極アセンブリを中間位置に密着させ位置決めし、これにより陽極板と双極板の周縁エリアの間にシール環状面が形成され、また陽極板の第2表面及び双極板の周縁エリアの対応する延伸環状凹部のシリコン樹脂も相互に対応し、第1膜電極アセンブリ中のプロトン交換膜を中間位置に密着位置決めし、陰極板と双極板の間の各貫通孔周縁にもシール環状面を形成することを特徴とする、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造としている。
請求項8の発明は、請求項7記載のプロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造において、陰極板の第1表面の中央エリアが冷却チャネルとされたことを特徴とする、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造としている。
請求項9の発明は、請求項7記載のモジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造において、陽極板の第2表面が平坦表面とされことを特徴とする、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造としている。
Electronic Grade)の加湿硬化(Moisture Cured)材料或いは加熱硬化(Heat Cured)材料が最も好ましい選択である。当然その他の類似特性を有する材料を密封材料とすることもできる。
10b、10c 燃料電池モジュール
1 陽極板
11 第1表面
12 第2表面
13 中央エリア
14 周縁エリア
15 陽極ガスチャネル
16a 水素ガス進入貫通孔
16b 水素ガス送出貫通孔
16c 空気進入貫通孔
16d 空気送出貫通孔
16e 冷却液進入貫通孔
16f 冷却液送出貫通孔
17 環状凹部
17a 延伸環状凹部
2 陰極板
21 第1表面
22 第2表面
23 中央エリア
24 周縁エリア
25 陰極ガスチャネル
26a 水素ガス進入貫通孔
26b 水素ガス送出貫通孔
26c 空気進入貫通孔
26d 空気送出貫通孔
26e 冷却液進入貫通孔
26f 冷却液送出貫通孔
27 環状凹部
27a 延伸環状凹部
28 冷却チャネル
29 環状凹部
29a 延伸環状凹部
3、3a、3b 膜電極アセンブリ
31、31a、31b プロトン交換膜
32、32a、32b 陽極ガス拡散層
33、33a、33b 陰極ガス拡散層
4、4a シリコン樹脂
5、5a シリコン樹脂
6、6a シリコン樹脂
7 双極板
71 第1表面
72 第2表面
73 中央エリア
74 周縁エリア
75 陰極ガスチャネル
77 環状凹部
77a 延伸環状凹部
78 陽極ガスチャネル
79 環状凹部
79a 延伸環状凹部
8 第2双極板
81 第1表面
82 第2表面
83 中央エリア
84 周縁エリア
85 陰極ガスチャネル
87 環状凹部
87a 延伸環状凹部
88 冷却チャネル
89 環状凹部
89a 延伸環状凹部
91、91a シリコン樹脂
92、92a シリコン樹脂
93、93a シリコン樹脂
94、94a シリコン樹脂
95、95a シリコン樹脂
100 燃料電池セット
101 陽極板
101a 陽極ガスチャネル
102 陰極板
102a 陰極ガスチャネル
103 プロトン交換膜
104 陽極ガス拡散層
105 陰極ガス拡散層
106、107 パッキング
108a 上端板
108b 下端板
109a、109b 金属導電端子
110 タイロッド
Claims (9)
- モジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造において、膜電極アセンブリ、陽極板、陰極板を具え、
該膜電極アセンブリは陽極側と陰極側を具え、該陽極側に陽極ガス拡散層が形成され、該陰極側に陰極ガス拡散層が形成され、プロトン交換膜が該陽極ガス拡散層と該陰極ガス拡散層の間に挟まれ、
該陽極板は、該膜電極アセンブリの陽極ガス拡散層の外側表面に位置し、該陽極板は第1表面、第2表面、中央エリア、周縁エリア、及び該周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第1表面は該膜電極アセンブリの陽極ガス拡散層に対向し、且つ該第1表面の中央エリアに複数の陽極ガスチャネルが形成され、該第1表面の周縁エリアに環状凹部が開設され、且つ該環状凹部の該陽極板の各貫通孔の近隣の位置に連通する延伸環状凹部が形成され、
該陰極板は該膜電極アセンブリの陰極ガス拡散層の外側表面に位置し、該陰極板は第1表面、第2表面、中央エリア、周縁エリア、及び周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第2表面は該膜電極アセンブリの陰極ガス拡散層に対向し、第2表面の中央エリアに複数の陰極ガスチャネルが形成され、第2表面の周縁エリアに環状凹部が開設され、且つ環状凹部の該陰極板の各貫通孔に近隣の位置に連通する延伸環状凹部が形成され、 電池ユニットを組み立てる時、該陽極板の第1表面及び陰極板の第2表面の周縁エリアの対応する環状凹部と延伸環状凹部の間にシリコン樹脂が塗布され、並びに該シリコン樹脂が未硬化で粘ちょう状を呈する時に、該陽極板、膜電極アセンブリと陰極板がアライメント並びに重合され、並びに所定圧力で圧着され、陽極板の環状凹部のシリコン樹脂と陰極板の環状凹部の対応するシリコン樹脂が密着し接合され、これにより陽極板と陰極板の周縁エリアにシール環状面が形成され、
これと同時に陽極板の第1表面及び陰極板の第2表面の周縁エリアの対応する延伸環状凹部のシリコン樹脂が相互に対応し膜電極アセンブリ中のプロトン交換膜に密着しその中間位置に圧着、位置決めし、該陽極板と陰極板間の各貫通孔の周縁もまたシール環状面を形成することを特徴とする、モジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造。 - 請求項1記載のモジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造において、陰極板の第1表面に複数の冷却チャネルが形成されたことを特徴とする、モジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造。
- 請求項1記載のモジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造において、陽極板の第2表面が平坦表面とされことを特徴とする、モジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造。
- プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造において、複数の重合された燃料電池ユニットを具え、各燃料電池ユニットが膜電極アセンブリ、陽極板、陰極板を具え、
該膜電極アセンブリは陽極側と陰極側を具え、該陽極側に陽極ガス拡散層が形成され、該陰極側に陰極ガス拡散層が形成され、プロトン交換膜が該陽極ガス拡散層と該陰極ガス拡散層の間に挟まれ、
該陽極板は、該膜電極アセンブリの陽極ガス拡散層の外側表面に位置し、該陽極板は第1表面、第2表面、中央エリア、周縁エリア、及び該周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第1表面は該膜電極アセンブリの陽極ガス拡散層に対向し、且つ該第1表面の中央エリアに複数の陽極ガスチャネルが形成され、該第1表面の周縁エリアに環状凹部が開設され、且つ該環状凹部の該陽極板の各貫通孔の近隣の位置に連通する延伸環状凹部が形成され、
該陰極板は該膜電極アセンブリの陰極ガス拡散層の外側表面に位置し、該陰極板は第1表面、第2表面、中央エリア、周縁エリア、及び周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第2表面は該膜電極アセンブリの陰極ガス拡散層に対向し、第2表面の中央エリアに複数の陰極ガスチャネルが形成され、第2表面の周縁エリアに環状凹部が開設され、且つ環状凹部の該陰極板の各貫通孔に近隣の位置に連通する延伸環状凹部が形成され、 燃料電池を組み立てる時、該陽極板の第1表面及び陰極板の第2表面の周縁エリアの対応する環状凹部と延伸環状凹部の間にシリコン樹脂が塗布され、並びに該シリコン樹脂が未硬化で粘ちょう状を呈する時に、該陽極板、膜電極アセンブリと陰極板がアライメント並びに重合され、並びに所定圧力で圧着され、陽極板の環状凹部のシリコン樹脂と陰極板の環状凹部の対応するシリコン樹脂が密着し接合され、これにより陽極板と陰極板の周縁エリアにシール環状面が形成され、
これと同時に陽極板の第1表面及び陰極板の第2表面の周縁エリアの対応する延伸環状凹部のシリコン樹脂が相互に対応し膜電極アセンブリ中のプロトン交換膜に密着しその中間位置に圧着、位置決めし、該陽極板と陰極板間の各貫通孔の周縁もまたシール環状面を形成することを特徴とする、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造。 - 請求項4記載のプロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造において、陰極板の第1表面の中央エリアに冷却チャネルが形成され、且つこの第1表面の周縁エリアに環状凹部と該陰極板の貫通孔を囲む延伸環状凹部が形成され、該環状凹部と該延伸環状凹部中に硬化したシリコン樹脂が形成されたことを特徴とする、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造。
- 請求項4記載のプロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造において、陽極板の第2表面が平坦表面とされことを特徴とする、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造。
- プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造において、第1膜電極アセンブリと第2膜電極アセンブリ、少なくとも一つの双極板、陽極板、及び陰極板を具え、
該第1膜電極アセンブリ及び該第2膜電極アセンブリがそれぞれ陽極側と陰極側を具え、該陽極側に陽極ガス拡散層が形成され、該陰極側に陰極ガス拡散層が形成され、プロトン交換膜が該陽極ガス拡散層と該陰極ガス拡散層の間に挟まれ、
該少なくとも一つの双極板は、膜電極アセンブリの間に取り付けられ、該双極板は第1表面、第2表面、中央エリア、周縁エリア、及び該周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第1表面の中央エリアに複数の陰極ガスチャネル形成され、第2表面の中央エリアに複数の陽極ガスチャネルが形成され、
該陽極板は、該第2膜電極アセンブリの陽極ガス拡散層の外側表面に位置し、該陽極板は第1表面、第2表面、中央エリア、周縁エリア、及び該周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第1表面は第2膜電極アセンブリの陽極ガス拡散層に対向し、且つ第1表面の中央エリアに複数の陽極ガスチャネルが形成され、第1表面の周縁エリアに環状凹部が開設され、該環状凹部の該陽極板の各貫通孔の近隣の位置に連通する延伸環状凹部が形成され、
該陰極板は、膜電極アセンブリの陰極ガス拡散層の外側表面に位置し、該陰極板は第1表面、第2表面、中央エリア、周縁エリア、及び該周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第2表面は膜電極アセンブリの陰極ガス拡散層に対向し、且つ第2表面の中央エリアに複数の陰極ガスチャネルが形成され、第2表面の周縁エリアに環状凹部が開設され、該環状凹部の該陰極板の各貫通孔の近隣の位置に連通する延伸環状凹部が形成され、
燃料電池モジュールを組み立てる時、該陽極板及び双極板の第1表面及び陰極板及び双極板の第2表面の周縁エリアの環状凹部と延伸環状凹部と隣り合う双極板の周縁エリアの対応する環状凹部と延伸環状凹部の間に、先にシリコン樹脂が塗布され、並びに該シリコン樹脂が未硬化で粘ちょう状を呈する時に、該陽極板、双極板、膜電極アセンブリと陰極板がアライメント並びに重合され、並びに所定圧力で圧着され、陽極板の第1表面と双極板の第2表面の環状凹部の対応するシリコン樹脂が密着接合され、対応する延伸環状凹部のシリコン樹脂もまた相互に対応し第2膜電極アセンブリを中間位置に密着させ位置決めし、これにより陽極板と双極板の周縁エリアの間にシール環状面が形成され、また陽極板の第2表面及び双極板の周縁エリアの対応する延伸環状凹部のシリコン樹脂も相互に対応し、第1膜電極アセンブリ中のプロトン交換膜を中間位置に密着位置決めし、陰極板と双極板の間の各貫通孔周縁にもシール環状面を形成することを特徴とする、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造。 - 請求項7記載のプロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造において、陰極板の第1表面の中央エリアが冷却チャネルとされたことを特徴とする、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造。
- 請求項7記載のモジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造において、陽極板の第2表面が平坦表面とされことを特徴とする、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造。
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