JP2007510274A - 隔離した内部冷媒マニフォルドを有するｐｅｍ型燃料電池スタックアセンブリ - Google Patents

Abstract

ＰＥＭ型燃料電池アセンブリは、不凍液による電池の汚染の危険性を最小限にするよう、隔離ギャップ（２８）によって電池スタックアセンブリから隔離された内部冷媒マニフォルド（２５）とともに、冷却プレート（１０）を含む。内部冷媒マニフォルドは、シールアセンブリ（２４）によって形成され、各々のシールアセンブリ（２４）は、エアターンマニフォルドとして用いられるギャップ（２８）を備えるよう、燃料電池の平面形状（１７）から外側に延びている各々の冷却プレートの突起（１６）における、インレット開口部（１４）またはアウトレット開口部（１５）の間に配置される。貫通孔（４１）を有するフランジ（４０）は、燃料電池スタックの冷却プレートとの組立を補助するタイロッドを受ける。

Description

本発明は、ＰＥＭ型燃料電池アセンブリにおいて、燃料電池の平面形状から外側に延びている冷却プレートの突起に形成された冷媒マニフォルドに関する。

プロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池では、水素燃料が負極（アノード）に供給され、燃料は、酸化反応（Ｈ₂→２Ｈ⁺+２ｅ^-）に従い、触媒作用によって陽子及び電子に解離する。陽子（Ｈ⁺）は、陽極（カソード）に向かって膜電解質を透過し、一方で電子（ｅ^-）は、外部負荷を介してアノードとカソードとの間の電流を発生する外部経路を通して伝導される。カソードでは、還元反応（Ｏ₂+４ｅ^-+４Ｈ⁺→２Ｈ₂Ｏ）に従い、酸素の存在のもとで、水を生成するよう陽子と電子が再結合される。ＰＥＭ型燃料電池の反応における副産物は水ならびに熱であり、この熱によって、燃料電池が許容できる内部温度に保持されるよう冷却する必要がある。
単一の燃料電池は、一対の電極（アノード及びカソード）間に挿入された膜電解質からなる膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、各々の電極の膜電解質と反対側に隣接した導電性プレートと、を含み、導電性プレートが、反応ガス流領域を画定する。ガス拡散プレートは、各々の電極に反応ガスを案内し、即ち水素燃料をアノードに、酸化剤をカソードに案内し、かつ副産物である水を電池から離れるように運搬する。

特定の用途に必要な電圧を発生するために、多数の燃料電池が電気的に直列に接続され、かつ電池スタックアセンブリ（ＣＳＡ）を形成するよう積み重ねられる。アノードならびにカソード流領域へ反応ガスならびに排気ガス（水素及び酸化剤）を分配する対向した対の外部マニフォルドが、電池スタックアセンブリに対し密封されている。例えば、外部マニフォルドは、燃料ターンマニフォルドと対向する燃料インプット／アウトプットマニフォルド、ならびにエアターンマニフォルドと対向する空気インプット／アウトプットマニフォルドを含む。内部燃料マニフォルド及び内部空気マニフォルドを有する燃料電池の構成は、公知である。

燃料電池内部の燃料及び酸素の発熱反応によって発生した熱を吸収するために、内部冷媒チャネルを有する中実状の冷却プレートが、通常、ＣＳＡの燃料電池の２つから４つおきに配置される。図１は、代表的な従来技術における冷却プレート２１０を示しており、熱を電池から運搬するように、冷媒が、複数の冷却液チャネル２６２を横断する。冷却液チャネル２６２は、インレット開口部２４８及びアウトレット開口部２５０の各々を介して冷媒マニフォルドと連通する。燃料インレット開口部及び燃料アウトレット開口部（各々２４４、２４６）ならびに、酸化剤インレット開口部及び酸化剤アウトレット開口部（各々２４０、２４２）は、外部反応ガスマニフォルドと連通する。境界のシール２６４が、反応剤マニフォルド開口部（２４０、２４２、２４４、２４６）の周りを囲んでおり、反応剤マニフォルド及びＣＳＡ流領域を介して流れる反応流からプレート２１０の中央冷媒流領域を隔離する。
内部または外部となり得る反応ガスマニフォルドとは異なり、ＰＥＭ型燃料電池アセンブリ用の冷媒マニフォルドは、通常、内部マニフォルドであり、つまり、電池スタックアセンブリの本体内部に配置される。例えば、本出願人の米国特許第３，９６９，１４５号に示すように、外部冷媒マニフォルドは、リン酸型燃料電池用に使用されているが、ＰＥＭ型燃料電池は、リン酸型燃料電池や他の形式の燃料電池と比較して電池の範囲が小さいことや電池構成要素が薄い理由により、通常、ＰＥＭ型燃料電池には適さない。しかしながら内部マニフォルドにおける欠点は、作用面積比が減少し、電池スタックアセンブリの出力密度が減少することである。

自動車または車両に応用される燃料電池発電装置は、氷点下の温度で作動する必要があり、冷媒として不凍剤溶液を使用することは非常に好ましいが、ＰＥＭ型燃料電池に別の問題を引き起こす。不凍液は燃料電池の触媒に対して有害であり、また電池に接触することは許容されない。冷却プレートならびに冷媒マニフォルドシールは、不凍剤溶液に対して不浸透性でなければならない。この問題は、通常、燃料電池の汚染を防止するよう、従来技術において、境界のシール２６４（図１）と、電池に沿って電池の周りを囲むエッジシールと、を備えることによって対処されてきた。しかしながら、信頼性の高いシールを実現することは、困難でかつ費用も高価である。

本発明の目的は、冷媒の汚染の危険性を最小限にし、かつ電池スタックアセンブリの作用面積を最大にするよう冷媒の循環路を隔離し、冷媒のエッジシールを除去し、電池スタックアセンブリの改良した構造安定性を提供し、低コストならびに高信頼性のマニフォルドシールを提供する、ことを含む。

本発明によれば、燃料電池アセンブリは、一対の冷却プレートの間に挿入された少なくとも１枚の燃料電池を含み、各々の冷却プレートは、冷媒マニフォルドと連通する冷媒インレット開口部ならびに冷媒アウトレット開口部を有する。インレット開口部及びアウトレット開口部は、燃料電池の平面形状から延びているインレット突起ならびにアウトレット突起に各々配置され、隔離ギャップが電池の平面形状と冷媒マニフォルドとの間に設けられる。冷媒マニフォルドは、冷却プレート間に冷媒を流すよう、隣接する冷却プレートの対応する突起の間に配置されたシールアセンブリによって形成される。

本発明におけるその他の特徴ならびに長所は、後述する実施例の詳細な説明ならびに添付した図によって明らかになるであろう。

図２を参照すると、空気インレットマニフォルド６ａ及び空気アウトレットマニフォルド６ｂは、エアターンマニフォルド７と対向し、また燃料インレットマニフォルド８ａ及び燃料アウトレットマニフォルド８ｂは、燃料ターンマニフォルド９と対向する。図２で、本発明における燃料電池アセンブリは、インレット開口部１４及びアウトレット開口部１５の各々を介して冷媒マニフォルドと連通する複数の内部冷媒チャネル１２を有する冷却プレート１０を含む。インレット開口部１４ならびにアウトレット開口部１５は、燃料電池の平面形状１７を越えて延びている冷却プレート１０の突起１６に配置される。冷却プレート１０は金属、グラファイト、または適当な他の導電性素材でできている。

冷媒インレット開口部１４及び冷媒アウトレット開口部１５用の突起１６は、図２に示すように冷却プレートの両側か、または図３に示すように、電池スタックアセンブリの同一の側に配置される。いずれの場合も、冷媒の圧力は反応剤の圧力以下であると想定して、冷媒内部に漏れるガス漏れが空気となるように、冷媒インレット開口部１４ならびに冷媒アウトレット開口部１５が、空気マニフォルド（例えば、空気インレット／アウトレットマニフォルド６ａ、６ｂまたはエアターンマニフォルド７のどちらか一方）に隣接することが好ましい。
図４を参照すると、本発明における他の実施例では、冷却プレート１０が、荷重の均一性ひいては電池スタックアセンブリの性能ならびに密封を改善する構造帯として機能する。図４に示すように、冷却プレート１０は、電池スタックアセンブリの端部に位置したプレッシヤプレート（図示せず）に冷却プレートを取り付けるために、貫通孔４１を有するフランジ４０を含む。電池スタックアセンブリは、プレッシャプレートを貫通し、かつ冷却プレートの貫通孔４１を通るタイロッドによって圧縮状態に保持される。

図５の断面図に示すように、隣接する冷却プレート１０の対応する突起１６の間に配置されたシールアセンブリ２４の寸法は、隔離ギャップ２８によって燃料電池から隔離された冷媒マニフォルド２５を形成するように、介在する燃料電池１１の数に従って設定されている。

図５に示す例では、隣接する冷却プレート１０の間に３枚の電池１１が存在するが、冷却プレート間の電池の数は用途に応じて変動する。各々の電池１１は、一対の反応剤流領域プレートの間に挟まれた膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含む。
冷媒が矢印１９の方向に冷媒マニフォルド２５を介して流れるが、電池１１と冷媒マニフォルド２５との間の隔離ギャップ２８によって、電池の冷媒による汚染の危険性が最小限となる。このような構成は、電池から冷媒を隔離し、かつ電池内部の冷媒エッジシールの必要性を無くすが、反応物を封入するためのエッジシールは、電池内部で従来どおり必要である。ある実施例では、電池のエッジと冷媒マニフォルドとの間のギャップないし空間が、エアターンマニフォルドとして機能する。さらに、加圧反応物が冷媒マニフォルドシールに接触しないため、本発明における冷媒マニフォルドにわたる圧力差は、従来の内部マニフォルドよりも低い。
図５を参照すると、シールアセンブリ２４は、冷却プレートの突起１６の一つの平面に接着された固形ブッシュ３０と、一方の面が上記ブッシュ３０に、他方の面が第２の冷却プレート１６の対応する突起に、接着剤３２によって接着された、好ましくは室温加硫（ＲＴＶ）シリコンゴムのような架橋結合が可能なゴムからなる独立発泡フォームガスケット３１と、を含む。
ブッシュ３０は、ガラス繊維ならびにフェノール樹脂またはエポキシ樹脂のようなガラス強化熱硬化性プラスチックである。これに代えて、ポリエチルマイドまたは、ポリイミドのような耐クリープ性熱可塑性樹脂から製造されても良い。ブッシュ３０はまた、冷却プレートに成形されるエラストマ系ゴムでも良い。
接着剤３２は、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂から製造される。具体例である熱可塑性樹脂は、ポリエチレンならびにポリビニリデンフッ化物を含む。最適な熱硬化性樹脂またはエラストマは、エポキシならびにフェノール、またはＲＴＶのようなシリコンゴムポリマを含む。

ガスケット３１は、シリコンフォームのような独立発泡フォームでも良く、または固形ゴムを使用しても良い。必要に応じて実施例では、突起１６の面にガスケット３１を拘束する溝を含んでも良い。

図６を参照すると、別の実施例で、シールアセンブリ２４は、突起１６の面に接着剤３２で接着されたＲＴＶのような架橋結合が可能なゴムからなる固形もしくは独立発泡のゴムシール３５を含む。必要に応じて突起１６の面は、シール荷重を増加させるよう突起（図示せず）を有しても良い。

従来技術における冷却プレートを示す平面図。 本発明における冷却プレートの第１の実施例を示す平面図。 同一側に突起を有する冷却プレートの実施例を示す平面図。 構造帯として用いられた冷却プレートの実施例を示す平面図。 本発明における電池スタックアセンブリの第１の実施例を示す断面図。 本発明における電池スタックアセンブリの第２の実施例を示す断面図。

Claims (8)

1. 電気的に直列に接続され、かつ各々実質的に同一の平面形状（１７）を有する複数のＰＥＭ型燃料電池（１１）と、
   上記燃料電池の組の間に挿入された複数の冷却プレート（１０）と、を備えた燃料電池アセンブリであって、
   上記冷却プレートの各々は、これらの冷却プレートの１つ或いは複数の突起（１６）に配置されたインレット開口部（１４）ならびにアウトレット開口部（１５）と連通する内部冷媒チャネル（１２）を有し、上記突起は、燃料電池の上記平面形状から外側に延び、
   さらに、隣接する冷却プレートの対応する突起の間に配置され、かつ冷却プレート間に冷媒を流すためにインレットマニフォルド及びアウトレットマニフォルドを形成するように、上記インレット開口部ならびにアウトレット開口部の各々と連通する流路を有する複数のシールアセンブリを備える、ことを特徴とする燃料電池アセンブリ。
2. 上記シールアセンブリの各々は、独立発泡ゴムガスケット（３１）を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
3. 上記シールアセンブリの各々は、ガスケット（３１）に接着された固形ブッシュ（３０）を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
4. 上記ブッシュ（３０）の各々は、ガラス強化プラスチックであることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池アセンブリ。
5. 上記ブッシュ（３０）の各々は、耐クリープ性プラスチックであることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池アセンブリ。
6. 上記冷却プレートの各々は、上記燃料電池アセンブリに冷却プレートを取り付けるフランジ（４０）を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
7. 上記突起（１６）は、上記マニフォルド（２５）と上記平面形状（１７）との間に隔離ギャップ（２８）を備えるよう、上記平面形状から外側に十分に延びていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
8. 上記隔離ギャップ（２８）は、エアターンマニフォルドを構成することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池アセンブリ。
   

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