JP2005502995A - モジュール式燃料電池カートリッジおよびスタック - Google Patents
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Abstract
モジュール式のユニット化された電気化学的燃料電池カートリッジ（２０）は、単極性アノードプレート（２２）と、第２の単極性カソードプレート２４と、該アノードと該カソードとの間に動作可能に挿入される固体ポリマー膜電極アセンブリ（２６）とから形成される。電気化学的燃料電池スタックは、少なくとも１つの取り外し可能な燃料電池カートリッジと、該アノードプレートおよび該カソードプレートの反対側の面上に別個に配置される一対の集電装置と、該集電装置の該アノードプレートおよび該カソードプレートの反対側の面上に別個に配置される一対のエンドプレートとを有して提供される。整列手段（４６）に加えて、封止性エッジ（４２）および嵌合グルーブ（４４）が、モジュール式のユニット化された燃料電池カートリッジの容易な組立、および該カートリッジを積み重ねることを可能にする。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタック、より詳細には、単極性の燃料電池カートリッジを有するユニット化された電気化学的燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
クリーンで効率的な発電のために用いられる燃料電池技術は、長年にわたってすさまじい技術的進歩を遂げてきた。固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）およびプロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）において、大部分の進歩がなされてきている。発電のために燃料電池がますます受け入れられてきていることは、低い動作温度、非腐食性かつ安定な電解質、およびより広い市場用途を含む多くの利点による。
【０００３】
燃料電池技術が直面している重要な挑戦の１つは、電気化学的燃料電池スタックを費用効果的に設計および大量生産することができるかどうかである。燃料電池スタックのコストを削減するためには、低コストの材料を開発すること、および低コストで単純な大量生産を可能にする新規なスタック設計を開発することが必要である。
【０００４】
双極性フローフィールドプレートが、１つの燃料電池のアノードと第２の燃料電池のカソードとの間に形成される。これは、酸化剤および燃料の両方のためのフローフィールドを提供し、１つの燃料電池のアノードで生成される電子が隣接する電池のカソードに伝わることを可能にする。
【０００５】
双極性フローフィールドプレートは、典型的には、強い腐蝕抵抗性、ガス透過性がないこと、および良好な導電性を有するグラファイトブロック／プレートから機械切削される。フローフィールドのチャネルは、双極性プレートの両面の表面内に機械切削される。双極性プレート内のこれらのチャネルのレイアウトが、電極表面への反応剤の分布の均一性を決定し、したがって、プレートは非常に複雑なものになる恐れがある。したがって、双極性プレートの製造は、困難かつ高価である。
【０００６】
加えて、双極性フローフィールドプレートを金属またはグラファイトから作製する際に、時として、流体および電極を横断して双極性プレート内をリーク電流が流れ、双極性プレート内に腐蝕を発生させる。腐食性流体に対する高度の抵抗性を示し、良好な電流収集特性および高度の構造的一体性を有する単一の材料から、ポリマー電解質燃料電池用の双極性プレートを製造することは困難である。
【０００７】
双極性の燃料電池スタックを形成するためには、一群の双極性プレートの組立部品を直列に接続する。ここで、それぞれのプレートは２つのガス電極（一面上のアノードおよび他面上のカソード）を担持する。そのような燃料電池スタック（５０以上のプレートを含む可能性がある）は、スタック全体に対して反応剤を導入して初めて機能するようになる。すなわち、Ｈ2およびＯ2のような適切な燃料がスタック内部を通過して初めて、燃料電池スタックは電流を発生することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
双極性燃料電池スタック組立手順は複雑ではないように見えるが、この慣用の燃料電池の双極性の設計に関連する多くの実際上の製造および組立に関する問題点が存在する。主要な問題点は、燃料電池スタックが完全に組み立てられて初めて、その燃料電池スタックを試験することができることである。大型のスタックにおいては、個々の燃料電池のそれぞれが仕様の範囲内で動作する公算は、非常に乏しい。したがって、故障（たとえば劣悪な作働電池電圧）の場合には、スタック全体を分解し、そして不良の電池を除去および交換しなければならない。不良の電池を識別することは、面倒な処置である。なぜなら、通常、スタックは数十の燃料電池を包含するからである。加えて、スタックの再組立は同程度に困難であり、および再組立の後に全てのセルが機能することの保証を与えるものではない。したがって、スタックが仕様どおりに機能する前に、第２回目あるいは第３回目の反復を必要とする恐れがある。さらに、ひとたびスタックが作働した際には、別の問題点が発生する恐れがある。たとえば、燃料を酸素から離隔するシールが漏れを起こす恐れがある。これが発生した場合には、再びスタック全体の分解および再組立が必要となる。
【０００９】
要約すると、双極性燃料電池スタックは、組み立てるのに費用がかかり、組立プロセスは時間がかかり、かつ労働集約的であり、および製品品質の制御を達成するのが困難である。現在のところ、電池部品を完全なスタックに組み立てなければならないという比較的に非効率的な方法によって、個々の燃料電池およびスタック部品の製造コストはさらに増大する。
【００１０】
したがって、上記で認識された組立および設計における多様な問題点に満足のいくように対処すると同時に、向上したエネルギー密度および出力密度を達成することができる燃料電池設計に対する要求が存在することは明らかである。より詳細には、自動化され信頼できる方法で組み立てることができ、必要とされる際には独立的に取り外すことができ、および費用効果的な方法において良好に機能する電池を実現するモジュール式部品から構成される燃料電池設計に対する実質的な要求が存在する。
【００１１】
加えて、完全な燃料電池スタックへの組立前に予備試験を行うことができる燃料電池に対する要求が存在する。この予備試験は、スタックの最終組立前に、正常に機能しないセルを識別および排除するであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
したがって、本発明の１つの態様において、
（ａ） 単極性アノードプレートであって、燃料を分配するためにその表面内に形成される第１のフローフィールドと、該フローフィールドと連通する少なくとも１つの燃料開口部と、該フローフィールドの該少なくとも１つの燃料開口部の反対端において該フローフィールドと連通する少なくとも１つの燃料放出口と、少なくとも１つの空気開口部とを有する単極性アノードプレートと、
（ｂ） 単極性カソードプレートであって、空気を分配するためにその表面内に形成される第２のフローフィールドと、該フローフィールドと連通する少なくとも１つの空気開口部と、該フローフィールドの該少なくとも１つの燃料開口部の反対端において該フローフィールドと連通する少なくとも１つの空気放出口と、少なくとも１つの燃料開口部とを有する単極性アノードプレートと、
それらプレートは、プレート−プレート間シールを提供するための該プレートの一面上の封止性リッジと、該プレートの他面上の対応嵌合グルーブとをさらに含み、
（ｃ）アノードプレートとカソードプレートとの間に、動作可能に挿入される固体ポリマー膜電極アセンブリと
を含むモジュール式のユニット化された電気化学的燃料電池カートリッジを提供する。
【００１３】
また、別の態様において、本発明は、電気化学的燃料電池モジュールであって、
単極性アノードプレートであって、燃料を分配するためにその表面内に形成される第１のフローフィールドと、該フローフィールドと連通する少なくとも１つの燃料開口部と、該フローフィールドの該少なくとも１つの燃料開口部の反対端において該フローフィールドと連通する少なくとも１つの燃料放出口と、少なくとも１つの空気開口部とを有する単極性アノードプレートと、
単極性カソードプレートであって、空気を分配するためにその表面内に形成される第２のフローフィールドと、該フローフィールドと連通する少なくとも１つの空気開口部と、該フローフィールドの該少なくとも１つの燃料開口部の反対端において該フローフィールドと連通する少なくとも１つの空気放出口と、少なくとも１つの燃料開口部とを有する単極性アノードプレートと、
それらプレートは、プレート−プレート間シールを提供するための該プレートの一面上の封止性リッジと、該プレートの他面上の対応嵌合グルーブとをさらに含み、
アノードプレートとカソードプレートとの間に、動作可能に挿入される固体ポリマー膜電極アセンブリと
を含む１つまたは複数の電気化学的燃料電池カートリッジを含み；
前記少なくとも１つの燃料開口部は、それを通して燃料を分配するための燃料供給チャネルを形成するようにモジュール内で整列され；
前記少なくとも１つの空気開口部は、それを通して空気を分配するための空気供給チャネルを形成するようにモジュール内で整列され；
前記少なくとも１つの燃料放出口は、それを通して燃料排出チャネルを形成するようにモジュール内で整列され；
前記少なくとも１つの空気放出口は、それを通して空気排出チャネルを形成するようにモジュール内で整列される
電気化学的燃料電池モジュールを提供する。
【００１４】
また、別の態様において、本発明は、電気化学的燃料電池スタックであって
単極性アノードプレートであって、燃料を分配するためにその表面内に形成される第１のフローフィールドと、該フローフィールドと連通する少なくとも１つの燃料開口部と、該フローフィールドの該少なくとも１つの燃料開口部の反対端において該フローフィールドと連通する少なくとも１つの燃料放出口と、少なくとも１つの空気開口部とを有する単極性アノードプレートと、
単極性カソードプレートであって、空気を分配するためにその表面内に形成される第２のフローフィールドと、該フローフィールドと連通する少なくとも１つの空気開口部と、該フローフィールドの該少なくとも１つの燃料開口部の反対端において該フローフィールドと連通する少なくとも１つの空気放出口と、少なくとも１つの燃料開口部とを有する単極性アノードプレートと、
それらプレートは、プレート−プレート間シールを提供するための該プレートの一面上の封止性リッジと、該プレートの他面上の対応嵌合グルーブとをさらに含み、
アノードプレートとカソードプレートとの間に、動作可能に挿入される固体ポリマー膜電極アセンブリと
を含み；
前記少なくとも１つの燃料開口部は、それを通して燃料を分配するための燃料供給チャネルを形成するようにモジュール内で整列され；
前記少なくとも１つの空気開口部は、それを通して空気を分配するための空気供給チャネルを形成するようにモジュール内で整列され；
前記少なくとも１つの燃料放出口は、それを通して燃料排出チャネルを形成するようにモジュール内で整列され；
前記少なくとも１つの空気放出口は、それを通して空気排出チャネルを形成するようにモジュール内で整列される
１つまたは複数の燃料電池カートリッジと；
一対の集電装置であって、それぞれの集電器は、前記１つまたは複数の燃料電池カートリッジの反対側の外面に配置されている一対の集電装置と；
第１および第２のエンドプレートであって、前記集電装置の前記１つまたは複数の燃料電池カートリッジとは反対側の面上に別個に配置され、前記第１エンドプレートは、前記空気供給チャネルと連通する空気注入口および前記燃料供給チャネルと連通する燃料注入口を有し、および前記第２エンドプレートは、前記空気排出チャネルと連通する空気排出口および前記燃料排出チャネルと連通する燃料排出口を有する第１および第２のエンドプレートと
を含む電気化学的燃料電池スタックを提供する。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態を、図面を参照しながら記載する。図面において、同様の符号は、いくつかの部面における同一の部品を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、モジュール式のユニット化された電気化学的燃料電池カートリッジおよび電気化学的燃料電池スタックの新しい設計を提供し、そして、図１を参照して本発明を記載する。
【００１７】
１つの態様において、本発明は、全体的に２０として示されるモジュール式のユニット化された電気化学的燃料電池カートリッジを提供し、該カートリッジは、単極性アノードプレート２２、単極性カソードプレート２４、およびアノードプレート２２とカソードプレート２４との間に動作可能に挿入される固体ポリマー膜電極アセンブリ２６を含む。単極性アノードプレート２２は、燃料を分配するために内側に面する表面２３内に形成される第１のフローフィールド３６を有する。燃料開口部２８（より多くを設けてもよい）は、当該技術において知られているポート手段を介してフローフィールド３６に連通して、フローフィールド３６の周辺に配置される。同様に、単極性アノードプレート２２は、既知のポート手段を介してフローフィールド３６に連通し、およびフローフィールド３６の燃料開口部２８とは反対端（その周辺）に配置される燃料放出口３０（より多くを設けてもよい）を含む。また、アノードプレート２２は、空気開口部３２および空気放出口３４を含む。
【００１８】
同様に、カソードプレート２４は、空気を分配するために内側に面する表面に形成され、アノードフローフィールド３６と同一または異なる形状を有してもよいフローフィールド３７（不図示）、およびフローフィールド３７と連通する空気開口部３２を含む。また、カソードプレート２４は、フローフィールド３７と連通し、およびフローフィールド３７の空気開口部３２とは反対端（その周辺）に配置される空気放出口３４を含む。また、カソードプレート２４は、燃料開口部２８および燃料放出口３０を含む。これらの開口部２８，３０，３２および３４は、プレートの整列時に、カートリッジ２０内にチャネルが形成されるように、プレート２２、２４中に配置される。
【００１９】
アノードプレート２２およびカソードプレート２４ともに実質的に平坦であり、および好ましい実施形態においては正方形に成形される。しかしながら、プレート２２，２４は、任意の他の適当な形状または大きさであることもできる。本発明のプレート２２，２４は、導電性であるベース基板から一体的に形成されてもよいし、またはフローフィールドの周辺が別個に形成され、および電気絶縁性かつ熱伝導性ポリマーフレームを含むように形成されてもよい。そのようなフレームの存在は、起こり得る隣接する燃料電池の短絡を防止することができ、および隣接する燃料電池間の寄生電流の流れを減少または排除することができる。また、そのフレームは、燃料電池カートリッジの熱管理を向上させることができる。加えて、そのフレームの組み込みは、燃料電池カートリッジ２０の電流が通じているパーツとの接触から人間を保護するための組込型安全装置の機能を提供する。
【００２０】
本発明のプレート２２，２４を、当該技術において知られているような電気化学的燃料電池プレートに適当である任意の材料から製造してもよい。
【００２１】
本発明のアノードプレート２２およびカソードプレート２４は比較的に薄く、および典型的には０．０１５〜０．１２インチの間の厚さを有する。しかしながら、プレート２２，２４の要件およびそれらの用途に依存して、この厚さを変化させてもよい。
【００２２】
前述のように、プレート２２，２４は、それらの内側に面する表面上にフローフィールド３６，３７を包含する。本発明の好ましい実施形態において、フローフィールド３６は、プレート２２，２４の中央部分に配置される。フローフィールド３６は、プレート２２，２４の表面の全面に反応剤を分配する反応剤フローチャネルのネットワーク（図面中においては明確には認識できない）を有する。
【００２３】
燃料開口部２８は、フローフィールド３６，３７と流体連通している。図１に示されるように、本発明の好ましい実施形態のアノードプレート２２上に配置される燃料開口部２８は、プレート２２の周辺部に配置される。しかしながら、プレート２２上に配置されるフローフィールド３６と流体連通することを条件として、燃料開口部２８はプレート２２上の任意の位置に配置することができる。フローフィールド３６の、燃料開口部２８とは反対端には、アノードプレート２２を貫いて延びる燃料放出口３０が配置される。本発明においては、燃料放出口は、プレート２２の周辺部の付近に配置される。カソードプレート２４は、空気開口部３２および空気放出口３４を含み、それらは両方ともにカソードプレート２４上に配置されるフローフィールド３７と流体連通し、およびプレート２４を貫いて延びる。また、アノードプレート２２は少なくとも１つの空気開口部３２を含み、該空気開口部３２はプレート２２を貫いて配置されるが、フローフィールド３６とは流体連通しない。同様に、カソードプレート２４は少なくとも１つの燃料開口部２８を含み、該燃料開口部２８はプレート２４を貫いて配置されるが、プレート２４上に配置されるフローフィールド３７とは流体連通しない。
【００２４】
図１から理解できるように、アノードプレート２２は、フローフィールド３６を包含しないプレート２２の外側に面する表面上に配置される一連の封止性リッジ４２を有し、カソードプレート２４は、フローフィールド３７を包含しないプレート２４の外側に面する表面上に配置される、一連の対応嵌合グルーブ４４を含む。リッジ４２およびグルーブ４４は、アノードプレート２２およびカソードプレート２４が隣接しおよび互いに対して整列される際に、それらの間においてカートリッジ−カートリッジ間（電池−電池間とも呼ばれる）のシールを提供する。リッジ４２およびグルーブ４４は、カートリッジ２０の間に気密シールが存在することを保証し、燃料電池カートリッジの効率的動作を保証する。本発明のリッジ４２およびグルーブ４４は、燃料開口部２８，燃料放出口３０、空気開口部３２および空気放出口３４の外周の周囲に配置される。しかしながら、リッジ４２およびグルーブ４４は、隣接するプレート間の効率的シールを保証するプレートの表面上の任意の位置に配置することができる。リッジ４２は、好ましくは柔軟性であり、あるいは適切なシールをもたらすためのエラストマー被覆を有して設けられる。リッジ４２は、嵌合グルーブ４４内での緊密な嵌め合いのために寸法を合わされ、それによってそれぞれの開口部２８，２３の周囲のシールをもたらす。リッジ４２およびグルーブ４４は、スタック内で電池を整列させるための手段を提供する。
【００２５】
また、プレート２２，２４のそれぞれは、燃料電池カートリッジ２０を形成する際のプレート２２，２４の正確な整列を保証するための整列手段４６を含む。本発明の整列手段４６は、好ましくは、それぞれのプレート２２，２４内に一体的に形成されたピンを含む。ピンは、一緒になってカートリッジを形成する、隣接するプレート上に配置される凹部を用いて整列される。他の整列手段を用いてもよく、代替の整列手段の例は、プレートを貫いて配置される一連の凹部と、プレートが整列される際に開口部を通してはめ込むことができるプレートと一体的には形成されない一連のピンとである。当該技術において知られている他の整列手段を用いることもできる。ピンは、非伝導性材料から作製される。
【００２６】
プレート２２，２４上の整列手段４６の組み込みは、プレート２２，２４の正確な整列を保証するのみならず、プレート−プレート間のシールを向上させ、したがって電池内の漏れを抑制する。前述のように、本発明の好ましい実施形態は、整列手段４６として、プレート設計内に一体化されたピンを用いる。プレート内に整列手段４６を一体的に形成することにより、プレートのコストおよび製造時間が相当に削減される。プレート、および引き続く使用時にはカートリッジがより少ない部品を有し、そのことはプレートおよびカートリッジの複雑性を減少させる。プレート２２，２４の外部表面上のリッジ４２および対応して嵌合グルーブ４４の組み込みは、隣接するプレート２２，２４（および、結果として燃料電池カートリッジ２０）の整列を保証し、および同様に電池間の漏れを抑制することを補助する。
【００２７】
本発明の燃料電池カートリッジ２０は、１つまたは複数の粘着性フィルムガスケット（不図示）をさらに含んでもよい。それぞれのプレート２２，２４をフィルムガスケットに接着し、そして引き続いて固体ポリマー膜電極アセンブリ２６をプレート２２，２４の間に挟持し、および前記ガスケットによりそれらを接着してもよい。
【００２８】
あるいはまた、シーラントまたはボンドウェルド(bondweld)を用いて、それらプレートおよび膜電極アセンブリを結合して、電池間シールを形成してもよい。流体分配装置を用いて、シーラントを適用してもよい。このプロセスは、双極性プレート設計において遭遇する労力を要する組立および整列の問題点を軽減または排除する。また、この設計は、燃料電池ユニットの単純かつ迅速な品質制御および保守を可能にする。
【００２９】
図１および図３から理解できるように、膜電極アセンブリ２６がプレート２２，２４と同等の寸法を有する際に、燃料および空気がそれぞれの開口部を通して流れ、かつ膜電極アセンブリが、図３に示されるような燃料チャネル５２を通る燃料の流れおよび図３に示されるような空気チャネルを通る空気の流れを阻害しないために、膜電極アセンブリが開口部２８，３０，３２および３４（プレート２２，２４に配置される開口部と同一の寸法を有し、該開口部と整列される）を含む必要がある。しかしながら、膜電極アセンブリ２６は、プレート２２，２４よりも小さい寸法を有し、したがって開口部２８，３０，２３および３４に干渉しないように製造されてもよく、したがって、そのような場合には、膜電極アセンブリは同一の開口部を必要としない。
【００３０】
そして図２を参照して、カートリッジ−カートリッジ間シール（一般に、電池−電池間シールとも呼ばれる）をより詳細に記載する。前述のように、アノードプレート２２の外部表面はリッジ４２を有し、一方、カソードプレート２４の外部表面は対応して嵌合するグルーブ４４を有する。たとえば矢印Ａの方向において、２つのカートリッジ２０を互いに対して整列する際には、一方のアノードプレート２２を他方の隣接するカソードプレート２４と整列させ、リッジ４２がグルーブ４４内に受容され、カートリッジ−カートリッジ間シールを提供する。スタックまたは隣接するカートリッジのいずれかからカートリッジ２０を取り外すためには、カートリッジは、矢印Ａの反対の方向に単純に引き離され、リッジ４２はグルーブ４４から解放される。また、電池内シールのためにアノードプレート２２およびカソードプレート２４の内部表面に封止性リッジ４２および嵌合グルーブ４４を組み込むことも可能である。
【００３１】
これらのカートリッジ２０は、容易な組立および保守、柔軟な配列および使用を可能にし、および該カートリッジ２０を、広範な用途において使用することができる。
【００３２】
図３に示される本発明のさらなる態様は、１つまたは複数の前述の燃料電池カートリッジ２０を含む電気化学燃料電池スタック５０を提供する。燃料電池スタック５０中に配置される際に、スタック５０を貫いて燃料を分配するための燃料供給チャネル５２を形成するために、燃料開口部２８が整列され、およびスタック５０を貫いて空気を分配するための空気供給チャネル５４を形成するために、空気開口部３２が整列される。同様に、１つまたは複数の燃料放出口３０をスタック５０内で整列させて燃料排出チャネル５６を形成し、および空気排出チャネル５８を形成するために１つまたは複数の空気放出口３４をスタック５０内で整列させる。また、燃料電池スタック５０は、１つまたは複数の燃料電池カートリッジ２０の反対の外側面に配置される一対の集電装置６０を含む。集電装置６０の反対の面上に配置されるように、第１のエンドプレート６２が配置され、第１のエンドプレート６２の反対側の端に第２のエンドプレート６４が配置される。第１のエンドプレート６２は、空気供給チャネル５４と連通する空気注入ポート（不図示）と、燃料供給チャネル５２と連通する燃料注入ポート（不図示）とを有する。第２のエンドプレート６４は、空気排出チャネル５８と連通する空気エグゾースト（不図示）と、同様に燃料排出チャネル５６と連通する燃料エグゾースト（不図示）とを有する。
【００３３】
図３から理解できるように、２つ以上の燃料電池カートリッジ２０がスタック５０中に配置される際に、燃料電池カートリッジ２０は、アノードプレート２２およびカソードプレート２４が交互に並ぶように整列される。リッジ４２および対応して嵌合するグルーブが隣接する燃料電池カートリッジ２０間の有効なプレート−プレート間の封止を保証し、同時に、内部の整列手段４６が、個々の燃料電池カートリッジ２０それぞれの有効な封止および整列を保証する。
【００３４】
次に、燃料電池カートリッジの組立を論ずる。燃料電池カートリッジ２０は、単極性のフローフィールドアノードプレート２２、固体ポリマー膜電極アセンブリ２６および単極性のフローフィールドカソードプレート２４を含むサンドイッチ構造に類似する。
【００３５】
燃料電池カートリッジ２０を組み立てるプロセスを、コンベア、ディスペンサおよび圧力シール機構（不図示）のよく知られている組合せを用いて自動化してもよい。燃料電池２０の組立コンベアは、部品フィーダ／ローダを有する部品ディスペンサから連続的に全ての電池部品を受容し、粘着性フィルム、またはコンベア経路に沿って配置される粘着性ガスケット分配ステーションを通してそれら部品を搬送する。コンベアを断続的に運転して、電池部品を圧力接着して燃料電池カートリッジ２０を形成するステーションに対して電池部品を輸送し、該燃料電池カートリッジ２０は、単体電池ディスペンサに転送される。単体電池ディスペンサは、品質制御ステーションおよびセル分配機構を含み、それはセル１つ１つを分配および計数する。この後に、個々の燃料電池カートリッジを、所望される数の燃料電池が達成されるまで、反対極性の燃料電池が直列に接続されるように、交互になるように積み重ねる。次に、スタックを振動させることによって、燃料電池を整列させる。整列の後に、スタックは、スタックホルダ中に置かれる。
【００３６】
製造された燃料電池カートリッジ２０は、その製造ラインに沿った品質制御ステーションにおいて最初に試験される。このステーションにおいて、多数の試験方法およびツールを用いて、個々の燃料電池カートリッジの品質を試験してもよい。これらは、開路電位測定および分極技術、ならびに交流（ＡＣ）抵抗法のような電気化学的方法を含む。ＡＣミリオームメータは、内部抵抗を測定することにより、個々の燃料電池のそれぞれの品質を試験するための実用的ツールを提供する。不良電池は、スタック内での組立の前に排除される。この予備試験が可能であることは、スタックの生産性および信頼性を向上させる。
【００３７】
次に、２つ以上の燃料カートリッジ２０を含む燃料スタックに関連して、スタック５０の組立を論ずる。しかし、スタックは１つの燃料電池カートリッジ２０のみを含むことができ、記載される方法と同様の方法によって組立られる。燃料電池カートリッジ２０を直列に配列して、１つのカートリッジのアノードプレート２２の外側表面が、隣接するカートリッジ２０のカソードプレート２４の外側表面に隣接する。アノードプレート２２の外側表面上に配置されるリッジ４２は、カソードプレート２４の外側表面に配置される嵌合グルーブ内に解放可能に受容され、適切なカートリッジ−カートリッジ間シールを提供する。カートリッジが直列に整列される際に、プレート２２，２４に配置される燃料開口部２８が全て整列され燃料供給チャネル５２を形成し、同様に燃料放出口３０が整列されて燃料排出チャネル５６を形成し、空気開口部３２が整列されて空気供給チャネル５４が形成され、および空気放出口３４が整列されて空気排出チャネル５８を形成する。
【００３８】
ひとたびカートリッジ２０が直列に整列されたならば、一連のカートリッジ２０のそれぞれの端に、カートリッジ２０の表面に平行に集電装置６０が配置される。本発明の集電装置６０は、好ましくは銅で作製される。金メッキを用いて、銅製集電装置の耐腐食性を向上させてもよい。集電装置６０の追加の後に、カートリッジ２０の１つの端に第１のエンドプレート６２が配置され、反対端に第２のエンドプレートが配置される。
【００３９】
第１のエンドプレート６２は、空気注入ポート６６および燃料注入ポート６８を含み、スタックの端部に配置される際に、空気注入ポート６６は空気供給チャネル５４と整列され、空気が空気注入ポート６６を通って、空気供給チャネル５４へと流れ込み、および空気供給チャネル５４と連通するフローフィールド３６を通って流れることを可能にする。同様に、燃料注入ポート６８は、燃料供給チャネル５２と整列され、燃料が燃料注入ポート６８を通って燃料供給チャネル５２へと流れ込み、および燃料供給チャネル５２と連通するフローフィールド３６を通って流れることを可能にする。
【００４０】
スタックの反対側の端部において、第２のエンドプレート６４は、空気エグゾースト（不図示）および燃料エグゾースト（不図示）を含む。第１のエンドプレート６２と同様の形状において、第２のエンドプレート６４の空気エグゾーストは、空気放出チャネル５８と整列され、および空気が、フローフィールド３６を通り、および空気放出口３４から流れ出て、空気放出チャネル５８を通過して空気エグゾーストから出ることを可能にする。同様に、第２のエンドプレート６４は、燃料放出チャネル５６と整列される燃料エグゾーストを有し、および燃料が、フローフィールド３６を通り、および燃料放出口３０から流れ出て、燃料放出チャネル５６を通過して燃料エグゾーストから出ることを可能にする。
【００４１】
本発明の好ましい実施形態のさらなる詳細は、以下の実施例において例示される。以下の実施例は、添付の特許請求の範囲を何ら制限するものではないことは理解される。
【実施例１】
【００４２】
一般的に図１に表された実施形態にしたがって、モジュール式のユニット化された電気化学的燃料電子カートリッジを、５００Ｗ燃料電子スタックモジュール用に設計および構築した。スタックは、４０個のカートリッジを含み、メタノール燃料および酸化剤として空気を用いて作働するように設計された。それぞれのカートリッジは、２つの単極性プレートおよび膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）から構成された。ＭＥＡは、Nafion（登録商標、DuPont）のようなプロトン交換膜と、白金、白金−ルテニウム合金のような触媒材料と、多孔性拡散裏打層とを含んだ。拡散層（ＤＬ）は、その周囲に熱可塑性フルオロポリマーを含浸させることによって、エッジシールされた。エッジシールされたＤＬをその膜に熱間プレスすることによって、ＭＥＡを形成した。同一のプレス工程において、マニホールド孔を開けた。ＭＥＡは、電気化学的プロセスによって燃料および酸化剤を消費し、電極から外部回路へと取り出される電流を生成した。プレートは、伝導性複合材料から作製された。フローフィールドのチャネルがプレートの一方の面上に刻み込まれ、および反対面上に封止リッジまたはグルーブが形成された。２つのプレートの間にＭＥＡを単純に挟持することによって、電池カートリッジを製作した。テフロン（登録商標）のピンを用いて、カートリッジを固定した。カートリッジのＡＣ抵抗をミリオームメータを用いて測定するか、あるいは電池の品質を調べるためにＡＣインピーダンスを測定した。
【００４３】
エンドプレートの上に、誘電性の片面接着材料を配置した。ナイロンネジを用いて母線をエンドプレートに固定した。Ｏ−リングを用いて、エンドプレート−母線サブアセンブリと電池カートリッジの間のシールを確立した。整列ガイドを有する組立装置を用いてスタックを製作した。第１のエンドプレート−母線サブアセンブリを据え付けた。所望される数の電池が組み立てられるまで、該サブアセンブリの上にユニット化されたセルカートリッジを置いた。リッジおよびグルーブが適切な電池−電池間の整列を保証し、かつ電池−電池間のシールを確立した。スタックを所望される圧力まで締め付け、そしてスタックの抵抗値を測定した。空気またはヘリウムを用いる気体漏れ試験を実施した。スタックの電流−電圧性能および定常状態動作を評価した。図４は、８０℃において作働されるスタックの電流−電圧挙動を示す。２０Ａにおける５００Ｗ直接型メタノールスタックモジュールの電池電圧分布を、図５に示す。
【００４４】
好ましい実施形態に関して本発明を呈示かつ記載したが、本発明の実質および真意から離れることなしに他の変更、修正、追加および省略を行ってもよいこと、および本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義されることは当業者に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の燃料電池カートリッジの好ましい実施形態の構造を示す展開図である。
【図２】セル対セル間のシールを例示する、２つの図１に示す燃料電池カートリッジの部分図である。
【図３】本発明の燃料電池スタックの好ましい実施形態の構造を示す展開図である。
【図４】図１に示される実施形態によって作製される５００Ｗの燃料電池スタックモジュールの性能を示す図である。
【図５】定電流におけるスタックモジュールの電圧分布プロファイルを示す図である。
【０００１】
本発明は、燃料電池スタック、より詳細には、単極性の燃料電池カートリッジを有するユニット化された電気化学的燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
クリーンで効率的な発電のために用いられる燃料電池技術は、長年にわたってすさまじい技術的進歩を遂げてきた。固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）およびプロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）において、大部分の進歩がなされてきている。発電のために燃料電池がますます受け入れられてきていることは、低い動作温度、非腐食性かつ安定な電解質、およびより広い市場用途を含む多くの利点による。
【０００３】
燃料電池技術が直面している重要な挑戦の１つは、電気化学的燃料電池スタックを費用効果的に設計および大量生産することができるかどうかである。燃料電池スタックのコストを削減するためには、低コストの材料を開発すること、および低コストで単純な大量生産を可能にする新規なスタック設計を開発することが必要である。
【０００４】
双極性フローフィールドプレートが、１つの燃料電池のアノードと第２の燃料電池のカソードとの間に形成される。これは、酸化剤および燃料の両方のためのフローフィールドを提供し、１つの燃料電池のアノードで生成される電子が隣接する電池のカソードに伝わることを可能にする。
【０００５】
双極性フローフィールドプレートは、典型的には、強い腐蝕抵抗性、ガス透過性がないこと、および良好な導電性を有するグラファイトブロック／プレートから機械切削される。フローフィールドのチャネルは、双極性プレートの両面の表面内に機械切削される。双極性プレート内のこれらのチャネルのレイアウトが、電極表面への反応剤の分布の均一性を決定し、したがって、プレートは非常に複雑なものになる恐れがある。したがって、双極性プレートの製造は、困難かつ高価である。
【０００６】
加えて、双極性フローフィールドプレートを金属またはグラファイトから作製する際に、時として、流体および電極を横断して双極性プレート内をリーク電流が流れ、双極性プレート内に腐蝕を発生させる。腐食性流体に対する高度の抵抗性を示し、良好な電流収集特性および高度の構造的一体性を有する単一の材料から、ポリマー電解質燃料電池用の双極性プレートを製造することは困難である。
【０００７】
双極性の燃料電池スタックを形成するためには、一群の双極性プレートの組立部品を直列に接続する。ここで、それぞれのプレートは２つのガス電極（一面上のアノードおよび他面上のカソード）を担持する。そのような燃料電池スタック（５０以上のプレートを含む可能性がある）は、スタック全体に対して反応剤を導入して初めて機能するようになる。すなわち、Ｈ2およびＯ2のような適切な燃料がスタック内部を通過して初めて、燃料電池スタックは電流を発生することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
双極性燃料電池スタック組立手順は複雑ではないように見えるが、この慣用の燃料電池の双極性の設計に関連する多くの実際上の製造および組立に関する問題点が存在する。主要な問題点は、燃料電池スタックが完全に組み立てられて初めて、その燃料電池スタックを試験することができることである。大型のスタックにおいては、個々の燃料電池のそれぞれが仕様の範囲内で動作する公算は、非常に乏しい。したがって、故障（たとえば劣悪な作働電池電圧）の場合には、スタック全体を分解し、そして不良の電池を除去および交換しなければならない。不良の電池を識別することは、面倒な処置である。なぜなら、通常、スタックは数十の燃料電池を包含するからである。加えて、スタックの再組立は同程度に困難であり、および再組立の後に全てのセルが機能することの保証を与えるものではない。したがって、スタックが仕様どおりに機能する前に、第２回目あるいは第３回目の反復を必要とする恐れがある。さらに、ひとたびスタックが作働した際には、別の問題点が発生する恐れがある。たとえば、燃料を酸素から離隔するシールが漏れを起こす恐れがある。これが発生した場合には、再びスタック全体の分解および再組立が必要となる。
【０００９】
要約すると、双極性燃料電池スタックは、組み立てるのに費用がかかり、組立プロセスは時間がかかり、かつ労働集約的であり、および製品品質の制御を達成するのが困難である。現在のところ、電池部品を完全なスタックに組み立てなければならないという比較的に非効率的な方法によって、個々の燃料電池およびスタック部品の製造コストはさらに増大する。
【００１０】
したがって、上記で認識された組立および設計における多様な問題点に満足のいくように対処すると同時に、向上したエネルギー密度および出力密度を達成することができる燃料電池設計に対する要求が存在することは明らかである。より詳細には、自動化され信頼できる方法で組み立てることができ、必要とされる際には独立的に取り外すことができ、および費用効果的な方法において良好に機能する電池を実現するモジュール式部品から構成される燃料電池設計に対する実質的な要求が存在する。
【００１１】
加えて、完全な燃料電池スタックへの組立前に予備試験を行うことができる燃料電池に対する要求が存在する。この予備試験は、スタックの最終組立前に、正常に機能しないセルを識別および排除するであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
したがって、本発明の１つの態様において、
（ａ） 単極性アノードプレートであって、燃料を分配するためにその表面内に形成される第１のフローフィールドと、該フローフィールドと連通する少なくとも１つの燃料開口部と、該フローフィールドの該少なくとも１つの燃料開口部の反対端において該フローフィールドと連通する少なくとも１つの燃料放出口と、少なくとも１つの空気開口部とを有する単極性アノードプレートと、
（ｂ） 単極性カソードプレートであって、空気を分配するためにその表面内に形成される第２のフローフィールドと、該フローフィールドと連通する少なくとも１つの空気開口部と、該フローフィールドの該少なくとも１つの燃料開口部の反対端において該フローフィールドと連通する少なくとも１つの空気放出口と、少なくとも１つの燃料開口部とを有する単極性アノードプレートと、
それらプレートは、プレート−プレート間シールを提供するための該プレートの一面上の封止性リッジと、該プレートの他面上の対応嵌合グルーブとをさらに含み、
（ｃ）アノードプレートとカソードプレートとの間に、動作可能に挿入される固体ポリマー膜電極アセンブリと
を含むモジュール式のユニット化された電気化学的燃料電池カートリッジを提供する。
【００１３】
また、別の態様において、本発明は、電気化学的燃料電池モジュールであって、
単極性アノードプレートであって、燃料を分配するためにその表面内に形成される第１のフローフィールドと、該フローフィールドと連通する少なくとも１つの燃料開口部と、該フローフィールドの該少なくとも１つの燃料開口部の反対端において該フローフィールドと連通する少なくとも１つの燃料放出口と、少なくとも１つの空気開口部とを有する単極性アノードプレートと、
単極性カソードプレートであって、空気を分配するためにその表面内に形成される第２のフローフィールドと、該フローフィールドと連通する少なくとも１つの空気開口部と、該フローフィールドの該少なくとも１つの燃料開口部の反対端において該フローフィールドと連通する少なくとも１つの空気放出口と、少なくとも１つの燃料開口部とを有する単極性アノードプレートと、
それらプレートは、プレート−プレート間シールを提供するための該プレートの一面上の封止性リッジと、該プレートの他面上の対応嵌合グルーブとをさらに含み、
アノードプレートとカソードプレートとの間に、動作可能に挿入される固体ポリマー膜電極アセンブリと
を含む１つまたは複数の電気化学的燃料電池カートリッジを含み；
前記少なくとも１つの燃料開口部は、それを通して燃料を分配するための燃料供給チャネルを形成するようにモジュール内で整列され；
前記少なくとも１つの空気開口部は、それを通して空気を分配するための空気供給チャネルを形成するようにモジュール内で整列され；
前記少なくとも１つの燃料放出口は、それを通して燃料排出チャネルを形成するようにモジュール内で整列され；
前記少なくとも１つの空気放出口は、それを通して空気排出チャネルを形成するようにモジュール内で整列される
電気化学的燃料電池モジュールを提供する。
【００１４】
また、別の態様において、本発明は、電気化学的燃料電池スタックであって
単極性アノードプレートであって、燃料を分配するためにその表面内に形成される第１のフローフィールドと、該フローフィールドと連通する少なくとも１つの燃料開口部と、該フローフィールドの該少なくとも１つの燃料開口部の反対端において該フローフィールドと連通する少なくとも１つの燃料放出口と、少なくとも１つの空気開口部とを有する単極性アノードプレートと、
単極性カソードプレートであって、空気を分配するためにその表面内に形成される第２のフローフィールドと、該フローフィールドと連通する少なくとも１つの空気開口部と、該フローフィールドの該少なくとも１つの燃料開口部の反対端において該フローフィールドと連通する少なくとも１つの空気放出口と、少なくとも１つの燃料開口部とを有する単極性アノードプレートと、
それらプレートは、プレート−プレート間シールを提供するための該プレートの一面上の封止性リッジと、該プレートの他面上の対応嵌合グルーブとをさらに含み、
アノードプレートとカソードプレートとの間に、動作可能に挿入される固体ポリマー膜電極アセンブリと
を含み；
前記少なくとも１つの燃料開口部は、それを通して燃料を分配するための燃料供給チャネルを形成するようにモジュール内で整列され；
前記少なくとも１つの空気開口部は、それを通して空気を分配するための空気供給チャネルを形成するようにモジュール内で整列され；
前記少なくとも１つの燃料放出口は、それを通して燃料排出チャネルを形成するようにモジュール内で整列され；
前記少なくとも１つの空気放出口は、それを通して空気排出チャネルを形成するようにモジュール内で整列される
１つまたは複数の燃料電池カートリッジと；
一対の集電装置であって、それぞれの集電器は、前記１つまたは複数の燃料電池カートリッジの反対側の外面に配置されている一対の集電装置と；
第１および第２のエンドプレートであって、前記集電装置の前記１つまたは複数の燃料電池カートリッジとは反対側の面上に別個に配置され、前記第１エンドプレートは、前記空気供給チャネルと連通する空気注入口および前記燃料供給チャネルと連通する燃料注入口を有し、および前記第２エンドプレートは、前記空気排出チャネルと連通する空気排出口および前記燃料排出チャネルと連通する燃料排出口を有する第１および第２のエンドプレートと
を含む電気化学的燃料電池スタックを提供する。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態を、図面を参照しながら記載する。図面において、同様の符号は、いくつかの部面における同一の部品を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、モジュール式のユニット化された電気化学的燃料電池カートリッジおよび電気化学的燃料電池スタックの新しい設計を提供し、そして、図１を参照して本発明を記載する。
【００１７】
１つの態様において、本発明は、全体的に２０として示されるモジュール式のユニット化された電気化学的燃料電池カートリッジを提供し、該カートリッジは、単極性アノードプレート２２、単極性カソードプレート２４、およびアノードプレート２２とカソードプレート２４との間に動作可能に挿入される固体ポリマー膜電極アセンブリ２６を含む。単極性アノードプレート２２は、燃料を分配するために内側に面する表面２３内に形成される第１のフローフィールド３６を有する。燃料開口部２８（より多くを設けてもよい）は、当該技術において知られているポート手段を介してフローフィールド３６に連通して、フローフィールド３６の周辺に配置される。同様に、単極性アノードプレート２２は、既知のポート手段を介してフローフィールド３６に連通し、およびフローフィールド３６の燃料開口部２８とは反対端（その周辺）に配置される燃料放出口３０（より多くを設けてもよい）を含む。また、アノードプレート２２は、空気開口部３２および空気放出口３４を含む。
【００１８】
同様に、カソードプレート２４は、空気を分配するために内側に面する表面に形成され、アノードフローフィールド３６と同一または異なる形状を有してもよいフローフィールド３７（不図示）、およびフローフィールド３７と連通する空気開口部３２を含む。また、カソードプレート２４は、フローフィールド３７と連通し、およびフローフィールド３７の空気開口部３２とは反対端（その周辺）に配置される空気放出口３４を含む。また、カソードプレート２４は、燃料開口部２８および燃料放出口３０を含む。これらの開口部２８，３０，３２および３４は、プレートの整列時に、カートリッジ２０内にチャネルが形成されるように、プレート２２、２４中に配置される。
【００１９】
アノードプレート２２およびカソードプレート２４ともに実質的に平坦であり、および好ましい実施形態においては正方形に成形される。しかしながら、プレート２２，２４は、任意の他の適当な形状または大きさであることもできる。本発明のプレート２２，２４は、導電性であるベース基板から一体的に形成されてもよいし、またはフローフィールドの周辺が別個に形成され、および電気絶縁性かつ熱伝導性ポリマーフレームを含むように形成されてもよい。そのようなフレームの存在は、起こり得る隣接する燃料電池の短絡を防止することができ、および隣接する燃料電池間の寄生電流の流れを減少または排除することができる。また、そのフレームは、燃料電池カートリッジの熱管理を向上させることができる。加えて、そのフレームの組み込みは、燃料電池カートリッジ２０の電流が通じているパーツとの接触から人間を保護するための組込型安全装置の機能を提供する。
【００２０】
本発明のプレート２２，２４を、当該技術において知られているような電気化学的燃料電池プレートに適当である任意の材料から製造してもよい。
【００２１】
本発明のアノードプレート２２およびカソードプレート２４は比較的に薄く、および典型的には０．０１５〜０．１２インチの間の厚さを有する。しかしながら、プレート２２，２４の要件およびそれらの用途に依存して、この厚さを変化させてもよい。
【００２２】
前述のように、プレート２２，２４は、それらの内側に面する表面上にフローフィールド３６，３７を包含する。本発明の好ましい実施形態において、フローフィールド３６は、プレート２２，２４の中央部分に配置される。フローフィールド３６は、プレート２２，２４の表面の全面に反応剤を分配する反応剤フローチャネルのネットワーク（図面中においては明確には認識できない）を有する。
【００２３】
燃料開口部２８は、フローフィールド３６，３７と流体連通している。図１に示されるように、本発明の好ましい実施形態のアノードプレート２２上に配置される燃料開口部２８は、プレート２２の周辺部に配置される。しかしながら、プレート２２上に配置されるフローフィールド３６と流体連通することを条件として、燃料開口部２８はプレート２２上の任意の位置に配置することができる。フローフィールド３６の、燃料開口部２８とは反対端には、アノードプレート２２を貫いて延びる燃料放出口３０が配置される。本発明においては、燃料放出口は、プレート２２の周辺部の付近に配置される。カソードプレート２４は、空気開口部３２および空気放出口３４を含み、それらは両方ともにカソードプレート２４上に配置されるフローフィールド３７と流体連通し、およびプレート２４を貫いて延びる。また、アノードプレート２２は少なくとも１つの空気開口部３２を含み、該空気開口部３２はプレート２２を貫いて配置されるが、フローフィールド３６とは流体連通しない。同様に、カソードプレート２４は少なくとも１つの燃料開口部２８を含み、該燃料開口部２８はプレート２４を貫いて配置されるが、プレート２４上に配置されるフローフィールド３７とは流体連通しない。
【００２４】
図１から理解できるように、アノードプレート２２は、フローフィールド３６を包含しないプレート２２の外側に面する表面上に配置される一連の封止性リッジ４２を有し、カソードプレート２４は、フローフィールド３７を包含しないプレート２４の外側に面する表面上に配置される、一連の対応嵌合グルーブ４４を含む。リッジ４２およびグルーブ４４は、アノードプレート２２およびカソードプレート２４が隣接しおよび互いに対して整列される際に、それらの間においてカートリッジ−カートリッジ間（電池−電池間とも呼ばれる）のシールを提供する。リッジ４２およびグルーブ４４は、カートリッジ２０の間に気密シールが存在することを保証し、燃料電池カートリッジの効率的動作を保証する。本発明のリッジ４２およびグルーブ４４は、燃料開口部２８，燃料放出口３０、空気開口部３２および空気放出口３４の外周の周囲に配置される。しかしながら、リッジ４２およびグルーブ４４は、隣接するプレート間の効率的シールを保証するプレートの表面上の任意の位置に配置することができる。リッジ４２は、好ましくは柔軟性であり、あるいは適切なシールをもたらすためのエラストマー被覆を有して設けられる。リッジ４２は、嵌合グルーブ４４内での緊密な嵌め合いのために寸法を合わされ、それによってそれぞれの開口部２８，２３の周囲のシールをもたらす。リッジ４２およびグルーブ４４は、スタック内で電池を整列させるための手段を提供する。
【００２５】
また、プレート２２，２４のそれぞれは、燃料電池カートリッジ２０を形成する際のプレート２２，２４の正確な整列を保証するための整列手段４６を含む。本発明の整列手段４６は、好ましくは、それぞれのプレート２２，２４内に一体的に形成されたピンを含む。ピンは、一緒になってカートリッジを形成する、隣接するプレート上に配置される凹部を用いて整列される。他の整列手段を用いてもよく、代替の整列手段の例は、プレートを貫いて配置される一連の凹部と、プレートが整列される際に開口部を通してはめ込むことができるプレートと一体的には形成されない一連のピンとである。当該技術において知られている他の整列手段を用いることもできる。ピンは、非伝導性材料から作製される。
【００２６】
プレート２２，２４上の整列手段４６の組み込みは、プレート２２，２４の正確な整列を保証するのみならず、プレート−プレート間のシールを向上させ、したがって電池内の漏れを抑制する。前述のように、本発明の好ましい実施形態は、整列手段４６として、プレート設計内に一体化されたピンを用いる。プレート内に整列手段４６を一体的に形成することにより、プレートのコストおよび製造時間が相当に削減される。プレート、および引き続く使用時にはカートリッジがより少ない部品を有し、そのことはプレートおよびカートリッジの複雑性を減少させる。プレート２２，２４の外部表面上のリッジ４２および対応して嵌合グルーブ４４の組み込みは、隣接するプレート２２，２４（および、結果として燃料電池カートリッジ２０）の整列を保証し、および同様に電池間の漏れを抑制することを補助する。
【００２７】
本発明の燃料電池カートリッジ２０は、１つまたは複数の粘着性フィルムガスケット（不図示）をさらに含んでもよい。それぞれのプレート２２，２４をフィルムガスケットに接着し、そして引き続いて固体ポリマー膜電極アセンブリ２６をプレート２２，２４の間に挟持し、および前記ガスケットによりそれらを接着してもよい。
【００２８】
あるいはまた、シーラントまたはボンドウェルド(bondweld)を用いて、それらプレートおよび膜電極アセンブリを結合して、電池間シールを形成してもよい。流体分配装置を用いて、シーラントを適用してもよい。このプロセスは、双極性プレート設計において遭遇する労力を要する組立および整列の問題点を軽減または排除する。また、この設計は、燃料電池ユニットの単純かつ迅速な品質制御および保守を可能にする。
【００２９】
図１および図３から理解できるように、膜電極アセンブリ２６がプレート２２，２４と同等の寸法を有する際に、燃料および空気がそれぞれの開口部を通して流れ、かつ膜電極アセンブリが、図３に示されるような燃料チャネル５２を通る燃料の流れおよび図３に示されるような空気チャネルを通る空気の流れを阻害しないために、膜電極アセンブリが開口部２８，３０，３２および３４（プレート２２，２４に配置される開口部と同一の寸法を有し、該開口部と整列される）を含む必要がある。しかしながら、膜電極アセンブリ２６は、プレート２２，２４よりも小さい寸法を有し、したがって開口部２８，３０，２３および３４に干渉しないように製造されてもよく、したがって、そのような場合には、膜電極アセンブリは同一の開口部を必要としない。
【００３０】
そして図２を参照して、カートリッジ−カートリッジ間シール（一般に、電池−電池間シールとも呼ばれる）をより詳細に記載する。前述のように、アノードプレート２２の外部表面はリッジ４２を有し、一方、カソードプレート２４の外部表面は対応して嵌合するグルーブ４４を有する。たとえば矢印Ａの方向において、２つのカートリッジ２０を互いに対して整列する際には、一方のアノードプレート２２を他方の隣接するカソードプレート２４と整列させ、リッジ４２がグルーブ４４内に受容され、カートリッジ−カートリッジ間シールを提供する。スタックまたは隣接するカートリッジのいずれかからカートリッジ２０を取り外すためには、カートリッジは、矢印Ａの反対の方向に単純に引き離され、リッジ４２はグルーブ４４から解放される。また、電池内シールのためにアノードプレート２２およびカソードプレート２４の内部表面に封止性リッジ４２および嵌合グルーブ４４を組み込むことも可能である。
【００３１】
これらのカートリッジ２０は、容易な組立および保守、柔軟な配列および使用を可能にし、および該カートリッジ２０を、広範な用途において使用することができる。
【００３２】
図３に示される本発明のさらなる態様は、１つまたは複数の前述の燃料電池カートリッジ２０を含む電気化学燃料電池スタック５０を提供する。燃料電池スタック５０中に配置される際に、スタック５０を貫いて燃料を分配するための燃料供給チャネル５２を形成するために、燃料開口部２８が整列され、およびスタック５０を貫いて空気を分配するための空気供給チャネル５４を形成するために、空気開口部３２が整列される。同様に、１つまたは複数の燃料放出口３０をスタック５０内で整列させて燃料排出チャネル５６を形成し、および空気排出チャネル５８を形成するために１つまたは複数の空気放出口３４をスタック５０内で整列させる。また、燃料電池スタック５０は、１つまたは複数の燃料電池カートリッジ２０の反対の外側面に配置される一対の集電装置６０を含む。集電装置６０の反対の面上に配置されるように、第１のエンドプレート６２が配置され、第１のエンドプレート６２の反対側の端に第２のエンドプレート６４が配置される。第１のエンドプレート６２は、空気供給チャネル５４と連通する空気注入ポート（不図示）と、燃料供給チャネル５２と連通する燃料注入ポート（不図示）とを有する。第２のエンドプレート６４は、空気排出チャネル５８と連通する空気エグゾースト（不図示）と、同様に燃料排出チャネル５６と連通する燃料エグゾースト（不図示）とを有する。
【００３３】
図３から理解できるように、２つ以上の燃料電池カートリッジ２０がスタック５０中に配置される際に、燃料電池カートリッジ２０は、アノードプレート２２およびカソードプレート２４が交互に並ぶように整列される。リッジ４２および対応して嵌合するグルーブが隣接する燃料電池カートリッジ２０間の有効なプレート−プレート間の封止を保証し、同時に、内部の整列手段４６が、個々の燃料電池カートリッジ２０それぞれの有効な封止および整列を保証する。
【００３４】
次に、燃料電池カートリッジの組立を論ずる。燃料電池カートリッジ２０は、単極性のフローフィールドアノードプレート２２、固体ポリマー膜電極アセンブリ２６および単極性のフローフィールドカソードプレート２４を含むサンドイッチ構造に類似する。
【００３５】
燃料電池カートリッジ２０を組み立てるプロセスを、コンベア、ディスペンサおよび圧力シール機構（不図示）のよく知られている組合せを用いて自動化してもよい。燃料電池２０の組立コンベアは、部品フィーダ／ローダを有する部品ディスペンサから連続的に全ての電池部品を受容し、粘着性フィルム、またはコンベア経路に沿って配置される粘着性ガスケット分配ステーションを通してそれら部品を搬送する。コンベアを断続的に運転して、電池部品を圧力接着して燃料電池カートリッジ２０を形成するステーションに対して電池部品を輸送し、該燃料電池カートリッジ２０は、単体電池ディスペンサに転送される。単体電池ディスペンサは、品質制御ステーションおよびセル分配機構を含み、それはセル１つ１つを分配および計数する。この後に、個々の燃料電池カートリッジを、所望される数の燃料電池が達成されるまで、反対極性の燃料電池が直列に接続されるように、交互になるように積み重ねる。次に、スタックを振動させることによって、燃料電池を整列させる。整列の後に、スタックは、スタックホルダ中に置かれる。
【００３６】
製造された燃料電池カートリッジ２０は、その製造ラインに沿った品質制御ステーションにおいて最初に試験される。このステーションにおいて、多数の試験方法およびツールを用いて、個々の燃料電池カートリッジの品質を試験してもよい。これらは、開路電位測定および分極技術、ならびに交流（ＡＣ）抵抗法のような電気化学的方法を含む。ＡＣミリオームメータは、内部抵抗を測定することにより、個々の燃料電池のそれぞれの品質を試験するための実用的ツールを提供する。不良電池は、スタック内での組立の前に排除される。この予備試験が可能であることは、スタックの生産性および信頼性を向上させる。
【００３７】
次に、２つ以上の燃料カートリッジ２０を含む燃料スタックに関連して、スタック５０の組立を論ずる。しかし、スタックは１つの燃料電池カートリッジ２０のみを含むことができ、記載される方法と同様の方法によって組立られる。燃料電池カートリッジ２０を直列に配列して、１つのカートリッジのアノードプレート２２の外側表面が、隣接するカートリッジ２０のカソードプレート２４の外側表面に隣接する。アノードプレート２２の外側表面上に配置されるリッジ４２は、カソードプレート２４の外側表面に配置される嵌合グルーブ内に解放可能に受容され、適切なカートリッジ−カートリッジ間シールを提供する。カートリッジが直列に整列される際に、プレート２２，２４に配置される燃料開口部２８が全て整列され燃料供給チャネル５２を形成し、同様に燃料放出口３０が整列されて燃料排出チャネル５６を形成し、空気開口部３２が整列されて空気供給チャネル５４が形成され、および空気放出口３４が整列されて空気排出チャネル５８を形成する。
【００３８】
ひとたびカートリッジ２０が直列に整列されたならば、一連のカートリッジ２０のそれぞれの端に、カートリッジ２０の表面に平行に集電装置６０が配置される。本発明の集電装置６０は、好ましくは銅で作製される。金メッキを用いて、銅製集電装置の耐腐食性を向上させてもよい。集電装置６０の追加の後に、カートリッジ２０の１つの端に第１のエンドプレート６２が配置され、反対端に第２のエンドプレートが配置される。
【００３９】
第１のエンドプレート６２は、空気注入ポート６６および燃料注入ポート６８を含み、スタックの端部に配置される際に、空気注入ポート６６は空気供給チャネル５４と整列され、空気が空気注入ポート６６を通って、空気供給チャネル５４へと流れ込み、および空気供給チャネル５４と連通するフローフィールド３６を通って流れることを可能にする。同様に、燃料注入ポート６８は、燃料供給チャネル５２と整列され、燃料が燃料注入ポート６８を通って燃料供給チャネル５２へと流れ込み、および燃料供給チャネル５２と連通するフローフィールド３６を通って流れることを可能にする。
【００４０】
スタックの反対側の端部において、第２のエンドプレート６４は、空気エグゾースト（不図示）および燃料エグゾースト（不図示）を含む。第１のエンドプレート６２と同様の形状において、第２のエンドプレート６４の空気エグゾーストは、空気放出チャネル５８と整列され、および空気が、フローフィールド３６を通り、および空気放出口３４から流れ出て、空気放出チャネル５８を通過して空気エグゾーストから出ることを可能にする。同様に、第２のエンドプレート６４は、燃料放出チャネル５６と整列される燃料エグゾーストを有し、および燃料が、フローフィールド３６を通り、および燃料放出口３０から流れ出て、燃料放出チャネル５６を通過して燃料エグゾーストから出ることを可能にする。
【００４１】
本発明の好ましい実施形態のさらなる詳細は、以下の実施例において例示される。以下の実施例は、添付の特許請求の範囲を何ら制限するものではないことは理解される。
【実施例１】
【００４２】
一般的に図１に表された実施形態にしたがって、モジュール式のユニット化された電気化学的燃料電子カートリッジを、５００Ｗ燃料電子スタックモジュール用に設計および構築した。スタックは、４０個のカートリッジを含み、メタノール燃料および酸化剤として空気を用いて作働するように設計された。それぞれのカートリッジは、２つの単極性プレートおよび膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）から構成された。ＭＥＡは、Nafion（登録商標、DuPont）のようなプロトン交換膜と、白金、白金−ルテニウム合金のような触媒材料と、多孔性拡散裏打層とを含んだ。拡散層（ＤＬ）は、その周囲に熱可塑性フルオロポリマーを含浸させることによって、エッジシールされた。エッジシールされたＤＬをその膜に熱間プレスすることによって、ＭＥＡを形成した。同一のプレス工程において、マニホールド孔を開けた。ＭＥＡは、電気化学的プロセスによって燃料および酸化剤を消費し、電極から外部回路へと取り出される電流を生成した。プレートは、伝導性複合材料から作製された。フローフィールドのチャネルがプレートの一方の面上に刻み込まれ、および反対面上に封止リッジまたはグルーブが形成された。２つのプレートの間にＭＥＡを単純に挟持することによって、電池カートリッジを製作した。テフロン（登録商標）のピンを用いて、カートリッジを固定した。カートリッジのＡＣ抵抗をミリオームメータを用いて測定するか、あるいは電池の品質を調べるためにＡＣインピーダンスを測定した。
【００４３】
エンドプレートの上に、誘電性の片面接着材料を配置した。ナイロンネジを用いて母線をエンドプレートに固定した。Ｏ−リングを用いて、エンドプレート−母線サブアセンブリと電池カートリッジの間のシールを確立した。整列ガイドを有する組立装置を用いてスタックを製作した。第１のエンドプレート−母線サブアセンブリを据え付けた。所望される数の電池が組み立てられるまで、該サブアセンブリの上にユニット化されたセルカートリッジを置いた。リッジおよびグルーブが適切な電池−電池間の整列を保証し、かつ電池−電池間のシールを確立した。スタックを所望される圧力まで締め付け、そしてスタックの抵抗値を測定した。空気またはヘリウムを用いる気体漏れ試験を実施した。スタックの電流−電圧性能および定常状態動作を評価した。図４は、８０℃において作働されるスタックの電流−電圧挙動を示す。２０Ａにおける５００Ｗ直接型メタノールスタックモジュールの電池電圧分布を、図５に示す。
【００４４】
好ましい実施形態に関して本発明を呈示かつ記載したが、本発明の実質および真意から離れることなしに他の変更、修正、追加および省略を行ってもよいこと、および本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義されることは当業者に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の燃料電池カートリッジの好ましい実施形態の構造を示す展開図である。
【図２】セル対セル間のシールを例示する、２つの図１に示す燃料電池カートリッジの部分図である。
【図３】本発明の燃料電池スタックの好ましい実施形態の構造を示す展開図である。
【図４】図１に示される実施形態によって作製される５００Ｗの燃料電池スタックモジュールの性能を示す図である。
【図５】定電流におけるスタックモジュールの電圧分布プロファイルを示す図である。
Claims (24)
- （ａ） 単極性アノードプレートであって、燃料を分配するためにその表面内に形成される第１のフローフィールドと、該フローフィールドと連通する少なくとも１つの燃料注入開口部と、該フローフィールドの該少なくとも１つの燃料開口部の反対端において該フローフィールドと連通する少なくとも１つの燃料放出口と、少なくとも１つの空気開口部とを有する単極性アノードプレートと、
（ｂ） 単極性カソードプレートであって、酸化剤を分配するためにその表面内に形成される第２のフローフィールドと、該フローフィールドと連通する少なくとも１つの空気注入開口部と、該フローフィールドの該少なくとも１つの燃料開口部の反対端において該フローフィールドと連通する少なくとも１つの空気放出口と、少なくとも１つの燃料開口部とを有する単極性カソードプレートと、
それらプレートは、プレート−プレート間シールを提供するための該プレートの一面上の封止性リッジと、該プレートの他面上の対応嵌合グルーブとをさらに含み、
（ｃ）アノードプレートとカソードプレートとの間に、動作可能に挿入される固体ポリマー膜電極アセンブリと
を含むことを特徴とするモジュール式のユニット化された電気化学的燃料電池カートリッジ。 - 前記第１の単極性プレートおよび前記第２の単極性プレートは、導電性であるベース基板を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池カートリッジ。
- 前記第１の単極性プレートおよび前記第２の単極性プレートは、
（ａ）第１のポリマー材料を含む電気絶縁性かつ熱伝導性のフレームと、
（ｂ）前記フレーム内の中央の導電性平面部分であって、該中央部分は第２のポリマー材料を含み、およびその上のフローフィールドを包含する部分と
を含み、前記第１のポリマー材料および第２のポリマー材料は、同等の機械的特性、熱的特性および溶融流動特性を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池カートリッジ。 - 前記フレームおよび前記中央部分が一緒に成形されて、単極性プレートを形成することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池カートリッジ。
- 前記フレームおよび前記中央部分が前記第１および第２のポリマー材料の両方の中に存在する共通のポリマー成分を含むポリマー結合剤によって結合されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池カートリッジ。
- 前記開口部は、前記プレートの周辺部に配置されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池カートリッジ。
- 前記プレートは、隣接するプレートを整列させるための整列手段をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池カートリッジ。
- 前記整列手段は、前記プレート中に一体的に形成されるピンであることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池カートリッジ。
- 前記整列手段は、前記プレートを貫いて配置される孔、および隣接するプレート上の前記孔を通して配置可能なピンであることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池カートリッジ。
- （ａ） 前記アノードと前記固体ポリマー膜電極アセンブリの一方の面との間に挟持される第１の封止性粘着性フィルムガスケットと、
（ｂ） 前記カソードと前記固体ポリマー膜電極アセンブリの他方の面との間に挟持される第２の封止性粘着性フィルムガスケットと
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池カートリッジ。 - 電気化学的燃料電池モジュールであって、
単極性アノードプレートであって、燃料を分配するためにその表面内に形成される第１のフローフィールドと、該フローフィールドと連通する少なくとも１つの燃料開口部と、該フローフィールドの該少なくとも１つの燃料開口部の反対端において該フローフィールドと連通する少なくとも１つの燃料放出口と、少なくとも１つの空気開口部とを有する単極性アノードプレートと、
単極性カソードプレートであって、空気を分配するためにその表面内に形成される第２のフローフィールドと、該フローフィールドと連通する少なくとも１つの空気開口部と、該フローフィールドの該少なくとも１つの燃料開口部の反対端において該フローフィールドと連通する少なくとも１つの空気放出口と、少なくとも１つの燃料開口部とを有する単極性カソードプレートと、
それらプレートは、プレート−プレート間シールを提供するための該プレートの一面上の封止性リッジと、該プレートの他面上の対応嵌合グルーブとをさらに含み、
アノードプレートとカソードプレートとの間に、動作可能に挿入される固体ポリマー膜電極アセンブリと
を含む１つまたは複数の燃料電池カートリッジを含み、
前記モジュール内の前記少なくとも１つの燃料開口部は、それを通して燃料が分配される燃料供給チャネルを形成するように整列され、
前記モジュール内の前記少なくとも１つの空気開口部は、それを通して空気が分配される空気供給チャネルを形成するように整列され、
前記モジュール内の前記少なくとも１つの燃料放出口は、それを通して燃料排出チャネルを形成するように整列され、
前記モジュール内の前記少なくとも１つの空気放出口は、それを通して空気排出チャネルを形成するように整列される
ことを特徴とする電気化学的燃料電池モジュール。 - 前記プレートは、電池−電池間シールを提供するために、前記プレートの一方の面上の封止性リッジと、前記プレートの他方の面上の対応嵌合グルーブとをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の電気化学的燃料電池モジュール。
- 前記開口部は、前記プレートの周辺部に配置されることを特徴とする請求項１２に記載の電気化学的燃料電池モジュール。
- 前記プレートは、隣接するプレートを整列させるための整列手段をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の電気化学的燃料電池モジュール。
- 前記整列手段は、前記プレート中に一体的に形成されるピンであることを特徴とする請求項１４に記載の電気化学的燃料電池モジュール。
- 前記整列手段は、前記プレートを貫いて配置される孔、および隣接するプレート上の前記孔を通して配置可能なピンであることを特徴とする請求項１５に記載の電気化学的燃料電池モジュール。
- 複数の請求項１に記載の燃料電池カートリッジを含むことを特徴とする電気化学的燃料電池スタック。
- 電気化学的燃料電池スタックであって、
単極性アノードプレートであって、燃料を分配するためにその表面内に形成される第１のフローフィールドと、該フローフィールドと連通する少なくとも１つの燃料開口部と、該フローフィールドの該少なくとも１つの燃料開口部の反対端において該フローフィールドと連通する少なくとも１つの燃料放出口と、少なくとも１つの空気開口部とを有する単極性アノードプレートと、
単極性カソードプレートであって、空気を分配するためにその表面内に形成される第２のフローフィールドと、該フローフィールドと連通する少なくとも１つの空気開口部と、該フローフィールドの該少なくとも１つの燃料開口部の反対端において該フローフィールドと連通する少なくとも１つの空気放出口と、少なくとも１つの燃料開口部とを有する単極性カソードプレートと、
それらプレートは、プレート−プレート間シールを提供するための該プレートの一面上の封止性リッジと、該プレートの他面上の対応嵌合グルーブとをさらに含み、
アノードプレートとカソードプレートとの間に、動作可能に挿入される固体ポリマー膜電極アセンブリと
を含む１つまたは複数の燃料電池カートリッジであって、
前記スタック内の前記少なくとも１つの燃料開口部は、それを通して燃料が分配される燃料供給チャネルを形成するように整列され、
前記スタック内の前記少なくとも１つの空気開口部は、それを通して空気が分配される空気供給チャネルを形成するように整列され、
前記スタック内の前記少なくとも１つの燃料放出口は、それを通して燃料排出チャネルを形成するように整列され、
前記スタック内の前記少なくとも１つの空気放出口は、それを通して空気排出チャネルを形成するように整列される
１つまたは複数の燃料電池カートリッジと、
一対の集電装置であって、それぞれの集電装置は、前記１つまたは複数の燃料電池カートリッジの反対側の外側の面に配置される集電装置と、
前記集電装置の前記１つまたは複数の燃料電池カートリッジと反対側の面上に個別に配置される第１および第２のエンドプレートであって、第１のエンドプレートは、前記空気供給チャネルと連通する空気注入口と前記燃料供給チャネルと連通する燃料注入口とを有し、第２のエンドプレートは、前記空気排出チャネルと連通する空気放出口と前記燃料排出チャネルと連通する燃料放出口とを有する第１および第２のエンドプレートと
を含むことを特徴とする電気化学的燃料電池スタック。 - １つまたは複数の燃料電池カートリッジを含み、前記１つまたは複数のカートリッジは、交互のアノードプレートおよびカソードプレートが接触する関係においてスタック内に配置されることを特徴とする請求項１８に記載の電気化学的燃料電池スタック。
- それらプレートが、電池−電池間のシールを提供するための、該プレートの１つの面上の封止性リッジと、該プレートの他の面上の対応嵌合グルーブとを含むことを特徴とする請求項１８に記載の電気化学的燃料電池スタック。
- それら開口部は、それらプレートの周辺部に配置されることを特徴とする請求項２０に記載の電気化学的燃料電池スタック。
- それらプレートは、隣接するプレートを整列させるための整列手段をさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載の電気化学的燃料電池スタック。
- 前記整列手段は、前記プレート中に一体的に形成されるピンであることを特徴とする請求項２２に記載の電気化学的燃料電池スタック。
- 前記整列手段は、前記プレートを貫いて配置される孔、および隣接するプレートの前記孔を通して配置可能であるピンであることを特徴とする請求項２３に記載の電気化学的燃料電池スタック。
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