JP2007516581A - 羽成形多部品フローフィールド構造 - Google Patents
羽成形多部品フローフィールド構造 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007516581A JP2007516581A JP2006545730A JP2006545730A JP2007516581A JP 2007516581 A JP2007516581 A JP 2007516581A JP 2006545730 A JP2006545730 A JP 2006545730A JP 2006545730 A JP2006545730 A JP 2006545730A JP 2007516581 A JP2007516581 A JP 2007516581A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- flow field
- frame
- molded
- molding
- field plate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
- H01M8/0223—Composites
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
- B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
- B28B5/00—Producing shaped articles from the material in moulds or on moulding surfaces, carried or formed by, in, or on conveyors irrespective of the manner of shaping
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
- H01M8/0221—Organic resins; Organic polymers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
- H01M8/0263—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant having meandering or serpentine paths
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
- H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
- H01M8/242—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes comprising framed electrodes or intermediary frame-like gaskets
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
- H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
成形多部品フローフィールド構造は、第1のポリマーを含む導電性材料で形成された成形フローフィールド板を含む。成形フレームは、フローフィールド板の周囲に配置され、第2のポリマーを含む非導電性材料で形成されている。成形フローフィールド板とフレームは、好ましくは、単極フローフィールド構造を画定している。マニホルドが成形フレームに形成され、成形ガスケット機構が、マニホルドの周囲に近接配置されている。成形カップリング機構を形成して、フレームから延在させ、フローフィールド構造を他の単極フローフィールド構造と結合して、単極フローフィールド構造の連続ウェブを画定するように構成されている。
Description
本発明は、燃料電池に係り、特に、不連続なロールグッド燃料電池アセンブリに用いる成形フローフィールド構造に関する。
一般的な燃料電池システムは、1つ以上の燃料電池が電力を生成する電力部を含む。燃料電池は、水素および酸素を水へと変換して、プロセス中電力と熱を生成するエネルギー変換装置である。各燃料電池ユニットは、中心にプロトン交換部材と、プロトン交換部材の各側に近接する電極と、触媒層に近接するガス拡散層とを含む。アノードとカソード単極または二極板は、それぞれ、ガス拡散層の外側に配置されている。
単一燃料電池の反応により1ボルト未満が生成される。複数の燃料電池を積み重ねて、直列に電気的に接続すると所望の電圧が得られる。電流は、燃料電池スタックから集められ用いられて負荷を駆動する。燃料電池を、自動車からラップトップコンピュータに及ぶ様々な用途に電力を供給するのに用いてもよい。
確立されたエネルギー生成技術としての燃料電池の有効性は、材料および製造コストを減じて、より高い処理量を与える新規な製造技術に大いに依存している。
本発明は、燃料電池アセンブリに用いるフローフィールド構造に関する。特に、本発明は、好ましくは単極またはモノポーラー構成(二極構成も考えられるものである)を有する成形多部品フローフィールド構造に関する。一実施形態によるフローフィールド構造は、第1のポリマーを含む導電性材料で形成された成形フローフィールド板を含む。成形フレームは、フローフィールド板の周囲に配置され、第2のポリマーを含む非導電性材料で形成されている。マニホルドが成形フレームに形成され、成形ガスケット機構が、マニホルドの周囲に近接配置されている。
他の実施形態によれば、燃料電池アセンブリに用いるフローフィールド構造は、第1のポリマーを含む導電性材料で形成された成形フローフィールド板と、フローフィールド板周囲に配置され、第2のポリマーを含む非導電性材料で形成された成形フレームとを含む。成形カップリング機構はフレームから延在している。成形カップリング機構は、単極フローフィールド構造を他の単極フローフィールド構造と結合して、単極フローフィールド構造の連続ウェブを画定するよう構成されている。
更なる実施形態によれば、燃料電池アセンブリに用いるフローフィールド構造の製造方法は、フローフィールド板と、フローフィールド板のマニホルドを、第1のポリマーを含む導電性材料を用いて成形する工程を含む。フレームは、第2のポリマーを含む非導電性材料を用いてフローフィールド板周囲で成形される。ガスケット機構は、マニホルド周囲近傍で成形される。
他の実施形態によれば、燃料電池アセンブリに用いるフローフィールド構造の製造方法は、第1のポリマーを含む導電性材料を用いてフローフィールド板を成形する工程と、フローフィールド板の周囲に、第2のポリマーを含む非導電性材料を用いてフレームを成形する工程とを含む。本方法は、フローフィールド構造と他のフローフィールド構造の間にカップリング機構を成形して、フローフィールド構造の連続ウェブを画定する工程を更に含む。
本発明の上記概要は、各実施形態または本発明のそれぞれの実施を説明することを意図するものではない。利点および達成されたものは、本発明のより完全な理解と共に、図面と組み合わせて、以下の詳細な説明および特許請求の範囲を参照することにより明白となり、理解されるであろう。
本発明は様々な修正および変形形態に訂正可能であるが、その特定例については、図面に例示されておりこれについて詳細に説明する。しかしながら、記載した特定の実施形態に本発明を限定することを意図したものではないものと考えられる。逆に、付随の請求項により定義される本発明の範囲内に含まれる全ての修正、等価物および変形を含むものとする。
例示の実施形態の以下の説明において、その一部を形成する添付の図面と本発明を実施する様々な実施形態を参照する。実施形態を利用して、構造上の変更を本発明の範囲から逸脱することなく行えるものと考えられる。
本発明の成形多部品フローフィールド構造は、様々なタイプ、構成および技術の燃料電池アセンブリに組み込まれる。成形した多部品フローフィールド構造は、単極またはモノポーラー構成を有しているのが好ましい。本発明の単極フローフィールド構造を、1つ以上のその他の単極フローフィールド構造と共に用いて、様々な構成の燃料電池アセンブリを構築してもよい。本発明の単極フローフィールド構造を、1つ以上の二極フローフィールド構造と共に用いて、様々な構成の燃料電池アセンブリを構築してもよい。本発明の成形多部品フローフィールド構造は、単極構成で本明細書に記載されているが、二極フローフィールド構造を本発明の原理に従って構築してもよいものと考えられる。従って、単極と、二極と、単極および二極の両方とのフローフィールド構造を組み込んだ燃料電池アセンブリの様々な実施形態を、例示の目的で後述するが、これらに限られるものではない。
一般的な燃料電池を図1Aに示す。燃料電池は、水素燃料および空気からの酸素を結合して、電力、熱および水を生成する電気化学装置である。燃料電池は、燃焼は利用しない。このように、燃料電池は、あったとしても少量しか危険な排出物を生成しない。燃料電池は、水素燃料および酸素を直接電力に変換し、例えば、内燃発電機よりも高効率で操作することができる。
図1Aに示す燃料電池10は、アノード14に近接する第1の流体移動層(FTL)12を含む。FTLはまた、ガス拡散層(GDL)または拡散器/集電器(DCC)とも呼ばれる。アノード14に近接しているのは電解質膜16である。カソード18は電解質膜16に近接配置され、第2の流体移動層19はカソード18に近接配置される。動作に際して、水素燃料を、燃料電池10のアノード部分へ導入し、第1の流体移動層12を通過してアノード14へ通す。アノード14で、水素燃料は、水素イオン(H+)と電子(e-)に分離される。
電解質膜16は、水素イオンまたはプロトンのみを電解質膜16を通過させて、燃料電池10のカソード部分へ通す。電子は、電解質膜16を通過できず、その代わりに、電流の形態で外部電気回路を通って流れる。この電流は、電気モータなどの電気負荷17に電力を供給する、または充電式バッテリなどのエネルギー貯蔵装置に向けられる。
酸素は、第2の流体移動層19を介して燃料電池10のカソード側へ流れる..........KK。酸素がカソーZZド18を通過するにつれて、酸素、プロトンおよび電子が結合して、水と熱を生成する。
図1Aに示すような個々の燃料電池は、単体燃料アセンブリとしてパッケージすることができる。本明細書において単体電池アセンブリ(UCA)と呼ばれる単体燃料電池アセンブリを他の多くのUCAと組み合わせて、燃料電池スタックを形成することができる。UCAは、直列に電気的に接続されてもよく、スタック内のUCAの数が、該スタックの合計電圧を決め、各電池の有効表面積が合計電流を決める。ある燃料電池スタックにより生成される合計電力は、合計スタック電圧を合計電流に乗算することにより求めることができる。
数多くの異なる燃料電池技術を用いて、本発明の原理に従って、UCAを構築することができる。例えば、本発明のUCAパッケージング法を用いて、プロトン交換膜(PEM)燃料電池アセンブリを構築することができる。PEM燃料電池は、比較的低温(約175°F/80℃)で動作し、高電力密度を有し、電力需要の変化に適合すべく即時に出力を変更でき、例えば、自動車などの即時の始動が必要とされる用途に好適である。
PEM燃料電池に用いるプロトン交換膜は、一般的に、水素イオンが通過できる一般的に薄いプラスチックシートである。膜は、一般的に、活性触媒である高分散金属または金属合金粒子(例えば、白金または白金/ルテニウム)で両側にコートされている。用いる電解質は、一般的に固体の過フッ素化スルホン酸ポリマーである。固体電解質を用いると、腐食および管理の問題を減じるため有利である。
水素を燃料電池のアノード側に供給する。そこでは水素原子が電子を放出して水素イオン(プロトン)となることを触媒が促進する。電子は、酸素が導入される燃料電池のカソード側に戻る前に利用可能な電流の形態で移動する。同時に、プロトンは膜を通してカソードに拡散し、そこでは水素イオンが再結合して、酸素と反応して水を生成する。
膜電極アセンブリ(MEA)は、水素燃料電池などのPEM燃料電池の主要な要素である。上述した通り、一般的なMEAは、固体電解質として機能するポリマー電解質膜(PEM)(イオン導電性膜(ICM)としても知られている)を含む。
PEMの一面はアノード電極層と接触しており、対向面はカソード電極層と接触している。各電極層は、電気化学触媒、一般的に、白金金属を含む。流体輸送層(FTL)は、アノードおよびカソードの電極材料への/からのガスの移動を促進し、電流を伝導する。
代表的なPEM燃料電池において、プロトンは水素酸化によりアノードで形成され、カソードに移動して、酸素と反応することによって、電流が電極を接続する外部回路を流れる。アノードおよびカソード電極層は、完成MEAにおいてPEMとFTLとの間に配置される限りは、製造中PEMまたはFTLに適用してもよい。
任意の好適なPEMを本発明の実施に用いてよい。PEMの厚さは50μm未満、より一般的には40μm未満、さらに一般的には30μm未満、最も一般的には約25μm未満である。PEMは、一般的に、例えば、ナフィオン(Nafion)(登録商標)(デラウェア州ウィルミントンのデュポンケミカルズ(DuPont Chemicals,Wilmington DE))およびフレミオン(Flemion)(登録商標)(日本、東京の旭硝子社(Asahi Glass Co. Ltd.,Tokyo,Japan))などの酸官能性フルオロポリマーであるポリマー電解質から構成されている。本発明に有用なポリマー電解質は一般的に、テトラフルオロエチレンと1種類以上のフッ素化酸官能性コモノマーのコポリマーである。
一般的に、ポリマー電解質はスルホネート官能性基を含む。最も一般的にはポリマー電解質はナフィオン(登録商標)である。ポリマー電解質の酸等量は一般的に1200以下、より一般的には1100、最も一般的には約1000である。
任意の好適なFTLを本発明の実施に用いてよい。一般的に、FTLは、カーボンファイバーを含むシート材料から構成されている。FTLは、織および不織カーボンファイバー構造から選択される一般的に、カーボンファイバー構造である。本発明の実施に有用なカーボンファイバー構造としては、東レ(Toray)カーボン紙、スペクトラカーブ(SpectraCarb)カーボン紙、AFN不織カーボン布、ゾルテック(Zoltek)カーボン布等が挙げられる。FTLは、カーボン粒子コーティング、親水性処理およびポリテトラフルオロエチレン(PTFE)によるコーティングといった疎水性処理をはじめとする様々な材料でコートまたは含浸してもよい。
任意の好適な触媒を本発明の実施に用いてよい。一般的に、炭素担持触媒粒子が用いられる。代表的な炭素担持触媒粒子は、炭素50〜90重量%および触媒金属10〜50重量%であり、触媒金属は、カソードはPtを含み、アノードは2:1の重量比でPtおよびRuを含む。触媒は、一般的に、触媒インクの形態でPEMまたはFTLに適用される。触媒インクは、一般的にポリマー電解質材料を含んでおり、これはPEMを含む同じポリマー電解質材料であってもなくてもよい。
触媒インクは一般的にポリマー電解質の分散液中の触媒粒子の分散液を含む。インクは一般的に5〜30%の固体(すなわち、ポリマーおよび触媒)、より一般的には10〜20%の固体を含む。電解質分散液は一般的に水性分散液であり、さらにアルコール、グリセリンやエチレングリコールなどのポリアルコール、またはN−メチルピロリドン(NMP)およびジメチルホルムアミド(DMF)などのその他の溶剤を含有していてもよい。水、アルコールおよびポリアルコール含量を調整してインクの流動特性を変えてもよい。インクは一般的に0〜50%のアルコールと0〜20%のポリアルコールとを含有している。さらに、インクは0〜2%の好適な分散剤を含有していてもよい。インクは一般的に熱を加えて攪拌した後、希釈するとコート可能な粘稠度を有するようになる。
触媒は、ハンドブラッシング、ノッチバーコーティング、流体含有ダイコーティング、巻き線ロッドコーティング、流動含有コーティング、スロット供給ナイフコーティング、3本ロールコーティングまたは転写印刷を含む手動と機械による方法の両方をはじめとする好適な手段によりPEMまたはFTLに適用してよい。コーティングは、一回の適用、または複数回の適用で行ってよい。
直接メタノール燃料電池(DMFC)は、ポリマー膜を電解質として用いるという点でPEM電池と類似である。しかしながら、DMFCにおいては、アノード触媒そのものは、水素を液体メタノール燃料から引くため、燃料改質剤の必要性が排除される。DMFCは、一般的に、120〜190°F/49〜88℃の温度で動作する。直接メタノール燃料電池は、本発明の原理に従って、UCAパッケージすることができる。
図1Bに、PEM燃料電池技術によって実施されたUCAの実施形態を示す。図1Bに示す通り、UCA20の膜電極アセンブリ(MEA)25は5つの成分層を含む。PEM層22は、一対の流体輸送層24と26との間に挟まれている。アノード30は第1のFTL24と膜22との間に位置し、カソード32は膜22と第2のFTL26との間に位置している。
ある構成において、PEM層22は、一方の表面にアノード触媒コーティング30を、もう一方の表面にカソード触媒コーティング32を含むように製造される。この構造は、触媒コート膜またはCCMと呼ばれることが多い。他の構造によれば、第1および第2のFTL24、26は、それぞれアノードとカソード触媒コーティング30、32を含むように製造される。更に他の構成において、アノード触媒コーティング30は、第1のFTL24に部分的に、そしてPEM22の一表面に部分的に配置でき、カソード触媒コーティング32は、第2のFTL26に部分的に、そしてPEM22の他の表面に部分的に配置することができる。
FTL24、26は、一般的に、カーボンファイバー紙または不織材料または織布から製造される。製品構造に応じて、FTL24、26は片側にカーボン粒子コーティングを有することがある。FTL24、26は、上述した通り、触媒コーティングを含める、または排除するように製造することができる。
図1Bに示した特定の実施形態において、MEA25は、第1の端部シールシステム34と第2の端部シールシステム36との間に挟まれているのが図示されている。第1および第2の端部シールシステム34および36に近接しているのは、それぞれフローフィールド板40と42である。フローフィールド板40、42はそれぞれ、水素と酸素供給燃料が通過するガスフローチャネル43とポートとのフィールドを含んでいる。図1Bに図示する構成において、フローフィールド板40、42は、モノポーラーフローフィールド板と呼ばれることもある単極フローフィールド板として構成されており、単一MEA25がその間に挟まれている。
一般的な用語で、図2に示すように、単極フローフィールド板とは、フローフィールド側47と冷却側45を有するフローフィールド構造のことを指す。上述した通り、フローフィールド側47は、水素または酸素供給燃料が通過するガスフローチャネルとポートとのフィールドを組み込んでいる。本およびその他の実施形態におけるフローフィールドは、2001年9月17日出願の共有同時係属米国特許出願第09/954,601号明細書に開示された低側方フラックスフローフィールドであってもよい。
冷却側45は、一体型冷却チャネルなどの冷却構成を組み込む。あるいは、冷却側45は、例えば、冷却剤が通過する冷却ブロックまたはブラダー、またはヒートシンク要素などの別個の冷却要素と接触するように構成してもよい。様々な有用な燃料電池冷却方法が、2002年11月15日出願の共有同時係属米国特許出願「単体燃料電池アセンブリと冷却装置(Unitized Fuel Cell Assembly and Cooling Apparatus)」第10/295,518号明細書に記載されている。単極フローフィールド板40、42は、本明細書に記載した多部品成形法に従って構築するのが好ましい。
図1Bに戻ると、端部シールシステム34、36は、UCAパッケージ内に必要なシーリングを与えて、様々な流体(ガス/液体)移動および反応領域を、互いによる汚染から、そしてUCA20から不適切に出ないよう単離し、フローフィールド板40、42の間を絶縁し、ハードストップ圧縮制御する。本明細書で用いる「ハードストップ」という用語は、動作圧力および温度で厚さが大幅に変化しない、ほとんど、または実質的に圧縮されない材料のことを指す。より具体的には、「ハードストップ」という用語は、膜電極アセンブリ(MEA)の圧縮を固定した厚さまたは歪みで止める、MEA中の実質的に圧縮されない部材または層のことを指す。本明細書で言及する「ハードストップ」とは、イオン導電性膜層、触媒層またはガス拡散層のことを意味するものではない。
ある構成において、端部シールシステム34、36は、エラストマー材料から形成されたガスケットシステムを含む。他の構成において、様々な選択した材料の1層、2層以上の層を用いて、UCA20内に必要なシーリングを提供することができる。かかる材料としては、例えば、テフロン(登録商標)(TEFLON(登録商標))、テフロン(登録商標)(TEFLON(登録商標))で含浸したファイバーガラス、エラストマー材料、UV硬化性ポリマー材料、表面テクスチャー材料、多層複合材材料、シール剤およびシリコン材料が挙げられる。その他の構成は、2002年11月01日出願の共有同時係属米国特許出願「単体燃料電池アセンブリ(Unitized Fuel Cell Assembly)」第10/295,292号明細書および前に参照した2002年11月15日出願の第10/295,518号明細書に記載されたものなどのインサイチュで形成されたシールシステムを用いる。
他の構成において、ガスケット機構は、フローフィールド板40、42に組み込まれ、成形プロセス中に形成される。詳細を後述してある、ある方法によれば、フローフィールド板40、42を成形して、フローフィールド板40、42に与えたマニホルドにガスケット機構を含める。ガスケット機構は、フローフィールド板40、42の成形中および後の成形プロセス中に形成してもよい。ガスケット機構は、例えば、成形フローフィールド板40または42の1つ以上の隆起成形セグメントを含んでいてもよい。他の方法において、1つ以上のチャネルを、1つ以上のガスケット(例えば、o−リング)を挿入するフローフィールド板40、42へと成形してもよい。かかるガスケットは、それぞれ、2002年11月14日出願の同時係属出願第10/294,098号明細書に開示された独立気泡発泡ゴムガスケットであってもよい。後述する他の実施形態において、ガスケット機構は、隆起リッジ微細構造シーリングパターンを有する接触面を備えたフローフィールド板40、42へと成形してもよい。
ある構成において、図1Bに示すタイプの別個の端部シールシステムのガスケットシステムは必要ない。別個の端部シールは、フローフィールド板40、42へと成形されるガスケット機構と組み合わせて用いてもよい。あるいは、フローフィールド板40、42を形成または後に処理して、マニホルドガスケット機構の組み込みに加えて、端部シーリングを与えて、図1Bに示すタイプの別個の端部シールシステムの必要性を排除してもよい。
図1Cに、単極フローフィールド板と1つ以上の二極フローフィールド板56を用いることにより多数のMEA25を組み込んだUCA50を示す。図1Cに示す構成において、UCA50は2つのMEA25aおよび25bと、単一の二極フローフィールド板56を組み込んでいる。MEA25aは、FTL66aと64aとの間に挟まれたカソード62a/膜61a/アノード60a層状構造を含む。FTL66aは、フローフィールド端部板52に近接配置されており、単極フローフィールド板として構成されている。FTL64aは、二極フローフィールド板56の第1のフローフィールド表面56aに近接配置されている。
同様に、MEA25bは、FTL66bと64bとの間に挟まれたカソード62b/膜61b/アノード60b層状構造を含む。FTL64bは、フローフィールド端部板54に近接配置されており、単極フローフィールド板として構成されている。FTL66bは、二極フローフィールド板56の第2のフローフィールド表面56bに近接配置されている。N個のMEA25およびN−1個の二極フローフィールド板56を単一UCA50に組み込むことができるものと考えられる。しかしながら、通常、より効率的な熱管理については、1または2つのMEA56(N=1、二極板=0またはN=2、二極板=1)を組み込んだUCA50が好ましいと考えられる。前述した通り、UCAの一つ又は複数の二極板は、本発明の多部品成形法により構築してもよく、または従来の構造としてよい。
図1Bおよび1Cに示したUCA構成は、本発明で用いるのに実施可能な2つの特定の構成の代表例である。これら2つの構成は、例示の目的でのみ与えられており、本発明の範囲に入る可能な構造の全てを表すものではない。図1Bおよび1Cは、本発明の原理に従ってパッケージされる単体燃料電池アセンブリに選択的に組み込むことのできる様々な構成要素を例示するためのものである。
図3に、本発明によるフローフィールド構造の実施形態を示す。図3に、単極構成を有するフローフィールド構造100を示す。本実施形態によるフローフィールド構造100は、フローフィールド板102とフレーム104とを含む多部品構造である。フローフィールド板102は導電性材料で形成されており、フレーム104は非導電性材料で形成されている。フローフィールド板102とフレーム104は、好ましくは、ポリマー材料から形成された成形構造である。ポリマー材料は、特徴が同じであっても異なってもよい。
例えば、フローフィールド板102とフレーム104は、同じベース樹脂または異なる樹脂から形成することができる。フローフィールド板102とフレーム104に異なる材料を用いると、最良の特性および最小のコストの材料を、フローフィールド構造100の各機能領域に用いることができる。好適な材料としては、エラストマー材料、熱硬化性および熱可塑性材料が挙げられるがこれらに限られるものでも網羅的なものでもない。フレームは、好ましくは、エポキシ、ウレタン、アクリレート、ポリエステルまたはポリプロピレンでできており、フローフィールド板は、これらと同じ材料またはポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシドなどの高温樹脂でできている。フレームは、熱可塑性ウレタン(TPU)などのエラストマーでできており、フローフィールド板は射出成形可能な等級のグラファイト付勢熱可塑材でできているのが最も好ましい。ある例示の構成において、フローフィールド板102は、グラファイトなどの導電性フィラーまたは炭素質導電性フィラーで高充填された熱硬化性材料からできていてもよい。フレーム104は、熱可塑性材料から形成されていてもよい。他の例示の構成において、フローフィールド板102とフレームの両方が熱可塑性ベース材料から形成されている。
フローフィールド構造100は、成形技術の1つまたは組み合わせを用いて成形してもよい。更に、フローフィールド板102とフレーム104は、同じ機械または異なる成形機で成形してもよい。更に、フローフィールド板102とフレーム104は、第1の材料ショットを介してフローフィールド板102を成形した後すぐに、第2の材料ショットを介してフレーム104を形成することによる等して共通の成形機で同時に成形してもよい。第1および第2のショットは同じ成形機で行っても異なる機械で行ってもよい。同様に、第1および第2のショットは、第1のショットと第2のショットとの間に鋳型を開けずに同じ成形機で行ってもよい。
数多くの成形技術を用いて、本発明の多部品フローフィールド構造100の成形に用いるのに修正してもよい。かかる成形技術としては、例えば、圧縮成形、射出成形、トランスファー成形および圧縮射出成形が挙げられる。ある方法によれば、フローフィールド板102は、圧縮成形技術を用いて形成し、フレーム104は射出成形技術を用いて形成してもよい。フローフィールド板102とフレーム104の両方を、射出成形技術を用いて形成するのが好ましい。
一例として、高充填材料を圧縮成形して、フローフィールド板102を形成してもよい。形成したら、フローフィールド板102は、自動的に、または手動補佐によりインサートとして射出成形機に移動する。フレーム104は、フローフィールド板インサート周囲で射出成形してもよい。他の方法において、高充填材料を射出成形して、フローフィールド板102を形成してもよい。充填されない材料をフローフィールド板102周囲で射出成形して、フレーム104を形成してもよい。これは、同じ鋳型または異なる鋳型で行ってもよい。
更に他の方法において、共通の鋳型内で2つのショット方法を用いる。一つの材料を第1のショットにおいて射出成形してフローフィールド板102とフレーム104の一方を形成し、第2の材料を第2のショットで射出成形してフローフィールド板102とフレーム104の他方を形成する。第2の材料ショットは、第1の材料ショットが略硬化した後に分配してもよい。鋳型は、第1と第2の材料ショットの間で開けても開けなくてもよい。
図4〜6に、本発明の成形フローフィールド構造に組み込まれる様々な特徴点を示す。図4〜6は、図3に示すフローフィールド板102とフレーム104の一部のA−A断面図である。ある実施形態において、図4〜6に示した特徴点の全てを成形フローフィールド構造に組み込んでもよいものと考えられる。他の実施形態において、図示した全特徴事項より少ないものを本発明の成形フローフィールド構造に組み込んでもよい。
図4に、フローフィールド構造100のフローフィールド板102とフレーム104へ成形してもよいいくつかの利点のある特徴点を示す。マニホルド106は、フレーム104に燃料または酸素が通過する空間を画定する。位置合せ機構108は、フレーム104の一部として成形されたものとして示されている。位置合せ機構108は、セル内およびセル間位置合せのいずれか、または両方を与えるように構成してもよい。
例えば、位置合せ機構108によるセル内における特徴点は、ある燃料電池アセンブリまたはUCAの少なくとも2つの構成要素の位置合せを行うことである。位置合せ機構108によるセル間における特徴点は、ある燃料電池アセンブリまたはUCAの少なくとも1つの構成要素と、近接する燃料電池アセンブリまたはUCAの少なくとも1つの構成要素とで位置合せを行うことである。位置合せ機構108は、セル内とセル間の位置合せの両方を与える1つ以上の特徴点を含むことに注意する。成形された位置合せ機構を用いると、燃料電池構成要素組み立て中に位置合せポストを対応の位置合せアパーチャへ挿入する第2の組み立てプロセスを不要とし有利である。
例えば、図4に示す通り、位置合せ機構108は、位置合せポスト108bと位置合せリセス108aとを含む。位置合せポスト108bは、近接するフローフィールド構造100またはフローフィールドスタックアセンブリの端部板の位置合せリセス108aが受けるように構成されている。位置合せリセス108aは、対象UCAの対向するフローフィールド構造の位置合せポスト108bを受けるように構成されている。ある構成において、UCAのMEA(図示せず)は、位置合せポスト108bを通過させる寸法の位置合せアパーチャを含むものとして製造されている。第1のフローフィールド構造100の位置合せポスト108bは、MEAにある位置合せアパーチャと位置合せされ、そこを通過する。第1のフローフィールド構造100の位置合せポスト108bは、UCAの第2のフローフィールド構造100の位置合せリセス108aに受けられる。第2のフローフィールド構造100の位置合せポスト108bはUCAから突出している。第1のUCAをこのようにして組み立て、第1のUCAの位置合せポスト108bを次のUCAの位置合せリセス108aと係合することにより、他のUCAを第1のUCAに近接して組み立ててもよい。
組み立てたUCAのフローフィールド構造から突出する位置合せポスト108bがあると(またはないと)、他のUCAを燃料電池スタックに追加するための目視可能な位置的および極性識別を与えることができることに注意する。突出する位置合せポスト108bがあると、例えば、位置合せリセス108aがあるのが容易に見分けられる。採用した特定の識別規則に応じて、各燃料電池アセンブリのアノードまたはカソード板を、例えば、位置合せポスト108bがあることにより識別することができる。アノードおよびカソード板のもう一方は、位置合せリセス108aがあることにより識別される。
一実施形態において、位置合せポスト108bおよびリセス108aは、同じ周囲形状を有していてもよく、位置合せポスト108bとリセス108aとの間の接触インターフェースは、実質的に連続したプレスフィットインタフェースを画定する。他の実施形態によれば、各位置合せポスト108bは、位置合せリセス108aの内側表面の形状とは異なる形状の外側表面を有している。位置合せリセス108aの内側表面は、複数の不連続プレスフィット位置で位置合せポスト108bの外側表面と接触している。
ある構成において、位置合せリセス108aの内側表面と位置合せポスト108bの外側表面のうちの少なくとも1つの形状が、例えば、凸曲線形状を画定してもよい。位置合せリセス108aの内側表面と位置合せポスト108bの外側表面のうちの少なくとも1つの形状がまた、2つ以上の凹または突出部分を含む略曲線の形状を画定してもよい。他の構成において、位置合せリセス108aの内側表面と位置合せポスト108bの外側表面のうちの少なくとも1つの形状が、円形または楕円形を画定してもよい。例えば、位置合せリセス108aの内側表面と位置合せポスト108bの外側表面のうち少なくとも1つの形状が円を画定し、位置合せリセス108aの内側表面と位置合せポスト108bの外側表面の他方の形状が楕円を画定してもよい。
その他の形状の関係もまた可能である。例えば、位置合せリセス108aの内側表面と位置合せポスト108bの外側表面のうちの少なくとも1つの形状が、多角形を画定してもよい。位置合せリセス108aの内側表面と位置合せポスト108bの外側表面のうち少なくとも1つの形状が、例えば、第1の多角形を画定し、位置合せリセス108aの内側表面と位置合せポスト108bの外側表面の他方の形状が第2の多角形を画定してもよい。更なる例として、位置合せリセス108aの内側表面と位置合せポスト108bの外側表面のうち少なくとも1つの形状が多角形を画定し、位置合せリセス108aの内側表面と位置合せポスト108bの外側表面の他方の形状が円または楕円を画定してもよい。位置合せリセス108aの内側表面の形状はまた三角形を画定してもよく、位置合せポスト108bの外側表面が円を画定してもよい。その他の例示の位置合せポスト構成としては、テーパ形状またはウェッジ形状を有するものが挙げられる。有用な燃料電池位置合せ機構の更なる詳細は、2003年10月31日出願の共有同時係属米国特許出願「燃料電池アセンブリの位置合せ機構(Registration Arrangement for Fuel Cell Assemblies)」第10/699,454号明細書に開示されている。
引き続き図4を参照すると、フレーム104とフローフィールド板102との間にジョイント110が形成されている。ジョイント110を形成すると、フレーム104とフローフィールド板102との間にシールが提供される。ある構成において、ジョイント110のシーリングは、成形プロセス中のフレームとフローフィールド板材料の一方または両方の優先的な収縮により与えられる。例えば、フレーム104は、フローフィールド板102周囲で成形して、フレーム104とフローフィールド板102との間での気密シールの形成を促す収縮特性を有していてもよい。
図4に示す通り、例えば、フレーム104の非導電性ポリマーは、フローフィールド板102に内側に向かうフレーム104材料の優先的な収縮となる方向性収縮特性を有している。フレーム104の収縮特性は、例えば、ガラスビーズや好適な鉱物などの適切な種類および量のフィラーでポリマーをドーピングすることにより制御することができる。フレーム104の望ましくない反り(例えば、オイルキャニング)を最小にしながら、フレーム104の収縮特性を制御して、ジョイント110に必要なシーリングを与えるのが好ましい。当業者であれば、鋳型温度、硬化時間、射出圧力および保持圧力などのその他の因子が、フローフィールド構造100を形成するのに用いる材料の収縮特性に影響することが分かるであろう。
ジョイント110は、フレーム104とフローフィールド板102との間にサウンドメカニカル界面を与える係合構成を組み込むのが好ましい。図4に示す構成において、ジョイント110は、成形プロセスの一部として、フレーム104とフローフィールド板102との間に形成されたインターロック機構を組み込む。ある方法において、インターロック機構の第1の特徴点をフローフィールド板102の外側周囲で成形する。インターロック機構の第2の特徴点を板104の内側周囲で成形する。成形された第1と第2の特徴点は、フレーム104とフローフィールド板102との間にメカニカルインターロックを提供する。
図5および6に、ジョイント110でのインターロック機構の2つの構成を示す。図5は、フローフィールド板102の成形された外側周囲にバックドラフト角度θを含めることにより形成された部分蟻継インターロック機構を示す。フレーム104の材料をフローフィールド板102周囲で射出すると、フレーム材料がフローフィールド板102の外側周囲のバックドラフト領域周囲を流れて、フローフィールド板102とフレーム104との間にインターロック機構を作製する。図6は、フローフィールド板102の成形された外側周囲の2つのバックドラフト領域にバックドラフト角度θを含めることにより形成された完全蟻継インターロック機構を示す。図6のインターロック機構は2つのバックドラフト領域を組み込むのに対して、図5では単一のバックドラフト領域を組み込むため、図6に示したバックドラフト角度θは、図5より小さいことに注意する。
図7および8に、本発明の実施形態によるガスケット機構を示す。図7は、成形ガスケット機構114を組み込むフローフィールド構造100のフローフィールド側の図である。燃料または酸素マニホルド106を図7に示す。例示として、フローチャネルは、フローフィールド板102を通って進み、燃料入口および出口マニホルド106で終わるものとして示されている。図8は、図7のB−B断面のフレーム104の一部の分解断面図である。
ガスケット機構114は、フレーム102の表面から突出する1つ以上のリッジとして形成されている。図8において、ガスケット機構114は、成形材料のダブルリッジを含むものとして示されているが、シングルリッジまたは3つを超えるリッジを成形してガスケット機構114を形成してもよいものと考えられる。図7に示す通り、ある構成において、ガスケット機構114は、各マニホルド106周囲に成形される。他の構成において、共通のガスケット機構114(2つのシングルまたは複数のリッジガスケット)を全マニホルド106の周囲に形成してもよい。
ある方法によれば、ガスケット機構114は、フレーム104の成形中に形成される。他の方法において、後の成形プロセスにおいて以前に形成したフレーム104にガスケット機構114は成形される。フレーム104とは別の成形プロセスでガスケット機構114を成形すると、フローフィールド構造100の様々な機能領域について材料の選択の幅が広がる。例えば、ある用途においては、フレーム104を形成するのに用いるのと同じ材料を用いてガスケット機構114を形成するのが望ましい。他の用途においては、フレーム104を形成するのに用いるのとは異なる材料を用いてガスケット機構114を形成するのが望ましい。例えば、フレーム114にガスケット機構114を成形するのに用いるポリマー材料は、フレーム材料より柔らかくてもよい。フローフィールド板102、フレーム104およびガスケット114を、これらの構成要素にとって最適な材料を用いて成形すると、様々な用途に用いるために設計可能なフローフィールド構造100を製造する機会が、そして性能とコスト要件をより効率的にバランスさせる機会が与えられる。
図9Aおよび9Bに、本発明によるガスケット機構の他の実施形態を示す。本実施形態によれば、ガスケット機構114は、フレーム104に形成された微細構造シーリングパターンを含む。図9Aに示す通り、微細構造シーリングパターン116は、フレーム104の全てまたは略全ての表面に作ってもよい。図9Bに示す通り、微細構造シーリングパターン116は、フレーム104の選択された表面部分に作ってもよい。例えば、微細構造シーリングパターン116は、燃料および冷却剤を燃料電池アセンブリへ出し入れするのに用いるマニホルド106などのフレーム104のマニホルド周囲に提供してもよい。
一実施形態によれば、微細構造シーリングパターン116は、隆起リッジ微細構造接触パターンを含む。この構成において、隆起リッジ微細構造接触パターンは、例えば、変形六角パターンを含めてもよい六角形パターンを組み込むのが好ましい。隆起リッジ微細構造接触パターンは、一般的に、結合点で接触するリッジを含み、3個以下のリッジが1つの結合点で接触している。隆起リッジ微細構造接触パターンは、一般的に、漏れを局所化し、広がりを防ぐためにセルで構成されている。
特に限定しない例として、隆起リッジ微細構造接触パターンを含むリッジの、無負荷の幅は1,000マイクロメートル未満、より一般的には600マイクロメートル未満、最も一般的には300マイクロメートル未満であり、深さ(高さ)は一般的に250マイクロメートル以下、より一般的には150マイクロメートル未満、最も一般的には100マイクロメートル未満である。図9Aおよび9Bに示す微細構造シーリングパターン116は、2002年5月10日出願の共有同時係属米国特許出願第10/143,273号明細書に記載されたやり方で形成してもよい。カップリング機構がマルチキャビティ鋳型のキャビティ間で成形されるマルチキャビティ鋳型を用いることもできる。
図10A〜14Bに、フローフィールド構造の様々な実施形態を示す。かかるフローフィールド構造のウェブの製造を促進するために、カップリング機構が組み込まれている。図10A〜14Bに示すタイプのカップリング機構を含めるためにフローフィールド構造を成形すると、ロールグッドとして巻き上げるのに好適なフローフィールド構造の大量生産が行える。フローフィールド構造のロールグッドは、後述する通り、UCAを製造する自動プロセスに用いてもよい。本発明の成形フローフィールド構造のカップリング機構には、数多くのフローフィールド構造を接続するために、一体ヒンジ、キャリアストリップまたはテーパホールおよびプラグ機構などのその他インターロック機構のうち1つ以上を組み込んでもよい。
図10Aおよび10Bにおいて、フローフィールド構造100a、100bのウェブ200のセグメントが示されている。図10Aに示す2つのフローフィールド構造100a、100bは、前述したタイプのものであるのが好ましい。カップリング機構は、2つのフローフィールド構造100a、100bを合わせて接続するように示されている。通常、カップリング機構は、あるフローフィールド構造100aと、予め成形しておいたフローフィールド構造100bとの間で成形またはオーバーモールドした材料により形成してもよい。数多くの成形フローフィールド構造間にカップリング機構を繰り返し形成することにより、フローフィールド構造の連続ウェブが生成される。
図10Bは、図10Aに示したカップリング機構の分解図である。カップリング機構は、近接配置されたフローフィールド構造100a、100bの各フレーム104a、104b間に形成されたオーバーモールド領域204を含む。図10Bに示す構成において、カップリング機構は、近接するフレーム104a、104bの間に形成されたインターロックフランジを組み込んでいる。ある方法において、オーバーモールド領域204は、第1のフレーム104aの全てまたは一部に沿って第1のL形フランジを成形することにより形成される。第2の成形フレーム104bの第2のL形フランジが、材料を第2のフレーム104bから第1のL形フランジの領域へオーバーモールドすることにより続いて形成される。第2のL形フランジを第1のL形フランジにオーバーモールドすると、近接するフローフィールド構造100a、100b間にカップリング機構が形成される。
図10Bに示すカップリング機構は、一体ヒンジ206を更に含む。図10Bに示す一体ヒンジ206は、近接するフローフィールド構造100a、100bの材料接続フレーム104a、104bに凹部を画定している。一体ヒンジ206を含めると、フローフィールド構造のウェブの可撓性が増大し、後におけるウェブからの個々のフローフィールド構造の切り離しが容易になる。図10Aおよび10Bに示すカップリング機構は、フレーム104a、104bの全てまたは一部を通して連続していてもよいことに注意する。カップリング機構は、一般的に、フレーム104a、104bと同じ材料で形成してもよいし、フレーム104、104bとは異なる材料を用いて形成してもよいことに更に注意する。例えば、カップリング機構は、フレーム104a、104bとは異なる特性(例えば、可撓性が大きい)を有する材料を用いて、2つの成形フレーム104a、104b間に形成してもよい。
図11に、本発明の他の実施形態によるタブ202を示す。本実施形態によれば、近接するフローフィールド構造100a、100b、100cのフレーム間に数多くの不連続なタブ202が形成される。図11に示すタブ202のそれぞれが、図10Bに示すタイプのインターロックオーバーモールド領域204と一体ヒンジ206の一方または両方を含んでいてもよい。
図12に、本発明によるカップリング機構の他の実施形態を示す。本実施形態において、キャリアストリップ120a、120bを形成して、連続ウェブにおいて近接するフローフィールド構造を接続する。ある方法において、フローフィールド構造100a、100bのフレームおよびキャリアストリップ120a、120bを、同時に射出して鋳型で形成し、連続または不連続接続材料を、フローフィールド構造100a、100bのフレームとキャリアストリップ120a、120bとの間に形成する。
図13Aおよび13Bに、キャリアストリップ120a、120bを含む他のカップリング機構の詳細を示す。ある方法において、フローフィールド構造100a、100bのフレーム、キャリアストリップ120a、120bおよび接続タブ126(フローフィールド構造100a、100bのフレームとキャリアストリップ120a、120bとの間に形成)のそれぞれを、同時に射出して鋳型で形成する。他の方法において、フローフィールド構造100a、100のフレームおよびキャリアストリップ120a、120bを、同時に射出して形成するが、この第1の射出の後、フローフィールド構造100a、100bとキャリアストリップ120a、120bの間に狭いギャップが形成される。第2のオーバーモールド射出において、材料をこの狭いギャップに注入して、フローフィールド構造100a、100bのフレームとキャリアストリップ120a、120bとの間に連続タブ126を形成する。接続タブ126は、フローフィールド構造100a、100bのフレームを形成するのに用いるのと同じまたは異なる材料を用いて形成してもよい。
図13Bに分解図を示す、オーバーモールド領域124を組み込むためにキャリアストリップ120a、120bを形成してもよい。オーバーモールド領域124は、近接成形されたキャリアストリップ124a、124bのエッジフィーチャー間に形成されたインターロック機構を含む。図13Bに、キャリアストリップ124aおよび124bのオーバーモールデングにより形成される多くの可能なインターロック機構のうちの一つを示す。
図14Aおよび14Bに、連続ウェブを形成するためのフローフィールド構造成形の更に他の方法を示す。この方法によれば、逆テーパホール130を、第1の射出中に第1のフローフィールド構造100aのコーナーに成形する。近接するフローフィールド板100bを形成する第2のオーバーモールド射出中、第2の射出からの材料を、予め成形しておいた板100aの少なくとも逆テーパホール130に流して、プラグ132を形成する。このホールおよびプラグインターロック機構は、近接するフローフィールド構造100a、100bの各コーナーに形成することができる。
図15〜16Bに、本発明によるフローフィールド構造のウェブを製造するのにとても好適な成形プロセスを示す。図15に、鋳型の上半分302と鋳型の下半分304とを含む鋳型300の一部を示す。各鋳型の半分302、304は、導電性フローフィールド板と非導電性フレームの両方の単一成形機における成形を促進する可動な特徴点を含む。更に、可動な特徴点は、鋳型を開くことなく連続射出での導電性フローフィールド板と非導電性フレームの両方の成形を促進する。図15〜16Bを参照して説明した鋳型およびプロセスは、例示のためのみであり、他の鋳型構成およびプロセスを用いてもよいものと考えられる。例えば、多数の成形機を用いて、フローフィールド構造およびカップリング機構の異なる構成要素を成形して、フローフィールド構造のウェブを製造してもよい。
図15に戻ると、鋳型の上半分302は、垂直変位可能なコア306a、306bおよびスプリングで付勢されたコア308a、308bを含んでいる。鋳型の下半分304は、垂直変位可能なスライド301a、301bを含んでいる。上部および下部鋳型の半分302、304のスライドおよびコアは、整合させたやり方で動作させて、導電性材料の第1の射出でフローフィールド板102bを、そして、非導電性材料の第2の射出でフレーム104bを生成する。第2の射出(または第3の射出)中、カップリング配置310を形成して、今成形されたフローフィールド構造100bのフレーム104bを、先に成形されたフローフィールド構造100aのフレーム104aと接続する。
前述した通り、カップリング機構310は、インターロック配置を形成するオーバーモールド領域を含み、一体ヒンジも含む(例えば、図10B参照)。カップリング機構310を形成するための鋳型の細部は、簡単にするために図15〜16Bには示していないことに注意する。鋳型300に対して入口に近接する鋳型構造もまた、簡単にするために示していないことにも注意する。しかしながら、これらの鋳型構造は、当業者であれば容易に理解されるであろう。
図16Aおよび16Bに、フローフィールド構造およびフレームが、好ましくは材料の射出間で鋳型を開けることなく、単一の成形機で成形される成形プロセスの第1および第2の射出を示す。図16Aにおいて、以前の多部品フローフィールド構造100aが先に成形されており、次の近接するフローフィールド構造100bが今成形されているとする。鋳型300を閉じた状態で、コア306a、306bを鋳型の上半分304から鋳型の下半分304へ変位する。スプリングで付勢されたコア308a、308bは、スライド301a、301bを鋳型の下半分304から上方へ移動することにより生成された力を受ける引き込み位置にある。コア306a、306bおよびスライド301a、301bを図16Aに示す位置にして、導電性材料を鋳型キャビティへ注入して、フローフィールド板102bを形成する。図16Aに示すようなコア306a、306bおよびスライド301a、301bの配置により、フローフィールド板102bとフレーム104bとの間に形成されるインターロックジョイントの半分が形成されることに注意する。
第1の射出の完了および適切な硬化期間の終了後、スライド306a、306bを、フローフィールド板102bの上部表面に対して同一平面な位置まで上方へ変位する。スライド301a、301bを下方へ変位して、スライド301a、301bの上部表面が、フローフィールド板102bの下部表面に対して同一平面とする。スライド301a、301bの下方への動きによって、図16Bに示すような下方位置までスプリング付勢コア308a、308bを動かすことができる。図16Bに示す位置にスライド306a、301a、301bを再配置した後、非導電性材料の第2の射出を鋳型キャビティに分配する。第2の射出により、フレーム104bが形成され、フレーム104aとフローフィールド板102bとの間にインターロックジョイントが完成し、スプリング付勢コア308a、308bを介してマニホルドが形成される。第2の射出中、カップリング機構310の形成も完成する。
第2の射出の完了および適切な硬化期間の終了後、鋳型の各半分302、304を分離して、多部品成形フローフィールド構造102bを鋳型キャビティから分離し、自動的に、または手動補佐により、鋳型キャビティの出口に近接するステージング位置へ動かす。鋳型300のスライドおよびコアを適切な位置まで動かし、他の多部品フローフィールド構造を上述した方法で成形する。この方法で、成形フローフィールド構造の連続ウェブを生成してもよい。このウェブに、巻上げ操作を行って、フローフィールド構造のロールグッドを生成してもよい。
本発明に従って生成されたフローフィールド構造のウェブを、燃料電池組立作業にいずれ用いるためにロールグッドとして巻き上げることができる。あるいは、図17に示した通り、フローフィールド構造のウェブを、UCAアセンブリライン380へ直接供給することができ、この場合には、2つの成形機300a、300bを用いることができ、この場合にはそれぞれにおいて上述したやり方で単極フローフィールド構造のウェブを作製することができる。個々のMEA(MEAウェブ)を組み込んだロールグッド燃料電池ウェブは、2003年5月28日出願の共有同時係属米国特許出願「ロールグッド燃料電池の製造方法、装置および製造された物品(Roll−Good Fuel Cell Fabrication Processes, Equipment, and Articles Produced From Same)」第10/446485号明細書に記載されたやり方で製造してもよい。
通常、MEAウェブ320を移動して、MEAウェブ320の個々のMEA320aが、第1および第2のフローフィールド板ウェブ100u、100Lからの一対のフローフィールド構造100u’、100L’と位置合せされる。MEA320aを、フローフィールド構造100u’、100L’の各対間に入れた後、シーリングステーションおよび/または巻上げステーションにより得られるUCAウェブ330を更に処理してもよい。シールしたUCAのウェブ330に続いてダイシングプロセスを行って、個々のUCAをUCAウェブ330から分離することができる。
様々な図面に示し、本明細書で述べたUCA構成は、本発明で用いるのに実施可能な特定の構成の代表例であることに注意されたい。これらの構成は、例示の目的でのみ与えられており、本発明の範囲に入る可能な構造の全てを表すものではない。例えば、上述したフローフィールド構造を製造する成形プロセスは、追加または拡張されたシーリングフィーチャー、ガスケットフィーチャーおよび/またはハードおよびソフトストップフィーチャーなどの特定のUCAフィーチャーの使用を表すものである。逆に、かかる成形プロセスだと、フローフィールド構造のマニホルドおよび/または端部周囲に成形された材料を代替として使用することにより、別個のガスケットやシーリングフィーチャーを排除する等、特定のUCAフィーチャーが排除される。
本発明の他の実施形態による熱管理機能により様々なUCA構成を実施することができる。一例として、あるUCA構成では、一体型熱管理システムを組み込むことができる。あるいは、またはこれに加えて、あるUCAでは、分離可能な熱管理構造と機械的に結合するように構成することができる。いくつかの例示のUCA熱管理方法は、前述した米国特許出願第10/295,518号明細書および第10/295,292号明細書に開示されている。
図18〜21に、本明細書に記載した成形多部品フローフィールド構造を有する燃料電池アセンブリを組み込んだ発電用の様々な燃料電池システムを示す。図18に示した燃料電池システム400は、実施形態により例示された燃料電池アセンブリを用いる多くの可能なシステムの一つを示す。
燃料電池システム400は、燃料プロセッサ404、電力部406およびパワーコンディショナー408を含む。燃料改質装置を含む燃料プロセッサ404は、天然ガスなどの原料燃料を受け取って、原料燃料を処理して水素に富む燃料を生成する。水素に富む燃料を電力部406に供給する。電力部406内で、水素に富む燃料は、電力部406に含まれる燃料電池スタックのUCAのスタックに導入される。電力部406に空気も供給して、燃料電池スタックの酸素源とする。
電力部406の燃料電池スタックは、DC電力、利用可能な熱および清浄な水を生成する。再生システムにおいて、副生成物の一部または全てを用いると蒸気を生成でき、これを、燃料プロセッサ404が用いると、様々な処理機能を行わせることができる。電力部406により生成されたDC電力は、パワーコンディショナー408に送られて、後の使用のためにDC電力がAC電力に変換される。AC電力変換は、DC出力電力を与えるシステムに含まれる必要はないものと考えられる。
図19に、燃料供給ユニット505、燃料電池電力供給部506およびパワーコンディショナー508を含む燃料電池電源550を示す。燃料供給ユニット505は、燃料電池電力部506に供給される水素燃料を含有するタンクを含む。電力部506内で、水素燃料は、電力部506に含まれる燃料電池スタックのUCAへ空気または酸素と共に導入される。
燃料電池電力供給システム500の電力部506は、DC電力、利用可能な熱および清浄な水を生成する。電力部506により生成されたDC電力は、パワーコンディショナー508に送って、所望であればAC電力に変換してもよい。図19に示された燃料電池電力供給システム500は、例えば、固定または携帯用ACまたはDC発電機として実施されてもよい。
図20に示す実施例において、燃料電池システム600は、燃料電池電源により生成された電力を用いて、コンピュータを操作するための電力を与えている。燃料電池システムは、燃料供給ユニット605および燃料電池電力部606を含む。燃料供給ユニット605は、水素燃料を燃料電池電力部606に提供する。電力部606の燃料電池スタックは、デスクトップ、ラップトップまたはパームコンピュータなどのコンピュータ610を操作するのに用いる電力を生成する。
図21に示す他の実施例において、燃料電池電源からの電力を用いて自動車710を操作している。この構成において、燃料供給ユニット705は、水素燃料を燃料電池電力部706に供給する。電力部706の燃料電池スタックは、自動車710の駆動機構と結合してモータ708を操作するのに用いられる電力を生成する。
本発明の前述の記載は、例示および説明のためのものである。本発明は、開示された正確な形態で網羅または限定されるものではない。上記の教示を鑑みれば、多くの修正および変更が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明に限定されるものではなく、添付の特許の請求の範囲により限定されるものとする。
Claims (10)
- 第1のポリマーを含む導電性材料で形成された成形フローフィールド板と、
前記フローフィールド板周囲に配置され、第2のポリマーを含む非導電性材料で形成された成形フレームと、
前記成形フレームに形成された複数のマニホルドと、
前記マニホルドの周囲に近接配置された成形ガスケット機構と
を含み、前記成形フローフィールド板とフレームが単極フローフィールド構造を画定している、燃料電池アセンブリに用いるフローフィールド構造。 - 第1のポリマーを含む導電性材料で形成された成形フローフィールド板と、
前記フローフィールド板周囲に配置され、第2のポリマーを含む非導電性材料で形成された成形フレームと、
前記フレームから延在している成形カップリング機構と
を含み、前記成形フローフィールド板とフレームが単極フローフィールド構造を画定しており、
前記成形カップリング機構が、前記単極フローフィールド構造を、他の単極フローフィールド構造に結合して、前記単極フローフィールド構造の連続ウェブを画定するように構成されている、燃料電池アセンブリに用いるフローフィールド構造。 - 前記フレームが、複数の成形マニホルドと、前記複数のマニホルドの周囲に近接配置されたガスケット機構とを含む請求項2に記載の構造。
- 前記単極フローフィールド構造の前記ウェブが、前記単極フローフィールド構造のロールグッドを形成するのに十分に可撓性である請求項2または3に記載の構造。
- 前記ガスケット機構が、前記第2のポリマーを含む非導電性材料で形成されている請求項1または3に記載の構造。
- 前記ガスケット機構が、前記第2のポリマーとは異なる第3のポリマーを含む非導電性材料で形成されている請求項1または3に記載の構造。
- 第1のポリマーを含む導電性材料を用いて、フローフィールド板と、前記フローフィールド板内にマニホルドとを成形する工程と、
第2のポリマーを含む非導電性材料を用いて前記フローフィールド板周囲にフレームを成形する工程と、
前記マニホルドの周囲に近接してガスケット機構を成形する工程と
を含む燃料電池アセンブリに用いるフローフィールド構造の製造方法。 - 第1のポリマーを含む導電性材料を用いてフローフィールド板を成形する工程と、
第2のポリマーを含む非導電性材料を用いて前記フローフィールド板周囲にフレームを成形し、前記成形フローフィールド板とフレームが単極フローフィールド構造を画定するようにする工程と、
単極フローフィールド構造と、他の単極フローフィールド構造の間にカップリング機構を成形して前記単極フローフィールド構造の連続ウェブを画定する工程と
を含む燃料電池アセンブリに用いるフローフィールド構造の製造方法。 - 前記フローフィールド板の成形と前記フレームの成形が同時に行われる請求項7または8に記載の方法。
- 前記フローフィールド板と前記フレームの成形を単一の成形機で行い、
前記フローフィールド板の成形を第1の成形ショット中に行い、
前記フレームの成形を第2の成形ショット中に行い、
前記成形機が、前記第1および前記第2の成形ショット中、およびその間閉じたままである請求項7または8に記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US10/740,985 US20050136317A1 (en) | 2003-12-19 | 2003-12-19 | Molded multi-part flow field structure |
PCT/US2004/040967 WO2005067087A2 (en) | 2003-12-19 | 2004-12-07 | Molded multi-part flow field structure |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007516581A true JP2007516581A (ja) | 2007-06-21 |
Family
ID=34678017
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006545730A Pending JP2007516581A (ja) | 2003-12-19 | 2004-12-07 | 羽成形多部品フローフィールド構造 |
Country Status (8)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20050136317A1 (ja) |
EP (1) | EP1698013A2 (ja) |
JP (1) | JP2007516581A (ja) |
KR (1) | KR20060132868A (ja) |
CN (1) | CN1906000A (ja) |
CA (1) | CA2550388A1 (ja) |
TW (1) | TW200529490A (ja) |
WO (1) | WO2005067087A2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009272287A (ja) * | 2008-05-07 | 2009-11-19 | Optodisc Technology Corp | 燃料電池のパッケージ構造 |
JP2018070764A (ja) * | 2016-10-28 | 2018-05-10 | 北村 透 | 鉄筋コンクリート電気防食用の外装塗料及び陽極被膜 |
Families Citing this family (20)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4622383B2 (ja) * | 2004-08-18 | 2011-02-02 | トヨタ自動車株式会社 | 水素分離基材 |
GB2437767B (en) * | 2006-05-05 | 2010-11-17 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell fluid distribution plates |
US20070292736A1 (en) * | 2006-06-20 | 2007-12-20 | Steigerwalt Eve S | Fuel cell separator plate and method of forming same |
CN101536234A (zh) * | 2006-10-31 | 2009-09-16 | 瑞典电池公司 | 制造燃料电池的方法 |
JP2008235096A (ja) * | 2007-03-22 | 2008-10-02 | Toyota Motor Corp | 燃料電池の製造方法、燃料電池セパレータおよびその搬送システム |
TW200935650A (en) * | 2008-02-04 | 2009-08-16 | Coretronic Corp | Switch valve applied to a cartridge of a fuel cell |
US8168344B2 (en) * | 2009-02-20 | 2012-05-01 | Clearedge Power, Inc. | Air-cooled thermal management for a fuel cell stack |
TWI408843B (zh) | 2009-12-24 | 2013-09-11 | Ind Tech Res Inst | 燃料電池流場板及其形成方法 |
CN102130344B (zh) * | 2010-01-14 | 2013-12-18 | 财团法人工业技术研究院 | 燃料电池流场板及其形成方法 |
WO2013161200A1 (en) * | 2012-04-27 | 2013-10-31 | Panasonic Corporation | Solid polymer electrolyte type fuel cell, and electrolyte membrane-electrode-frame assembly |
GB2507735B (en) * | 2012-11-07 | 2020-09-30 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell components |
DE102013009629B4 (de) * | 2013-06-10 | 2019-09-12 | Carl Freudenberg Kg | Elektrodenmodul und Anordnung mit Elektrodenmodulen |
KR101672077B1 (ko) * | 2013-08-21 | 2016-11-04 | 포항공과대학교 산학협력단 | 고체산화물 연료전지에 있어서 단위 셀과 분리판 제작 및 이를 이용한 스택 제작 방법 |
US20160240868A1 (en) * | 2013-09-23 | 2016-08-18 | Lockheed Martin Advanced Energy Storage, Llc | Bipolar plate design with non-conductive picture frame |
JP6383203B2 (ja) * | 2014-07-25 | 2018-08-29 | Nok株式会社 | プレート一体ガスケットの製造方法 |
GB2565371B (en) * | 2017-08-11 | 2020-10-14 | Intelligent Energy Ltd | Plastic frame assembly and bipolar plate with through-flow fuel feed |
US11742496B2 (en) * | 2019-07-19 | 2023-08-29 | Ford Global Technologies, Llc | Bipolar plate for fuel cell |
US11524397B2 (en) | 2020-02-05 | 2022-12-13 | Worklife Brands Llc | Stapler with moveable strike plate and integrated accessibility features |
DE102021132696A1 (de) | 2021-12-10 | 2023-06-15 | Carl Freudenberg Kg | Einheit |
WO2023219648A1 (en) | 2022-05-09 | 2023-11-16 | Lockheed Martin Energy, Llc | Flow battery with a dynamic fluidic network |
Family Cites Families (30)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4124478A (en) * | 1977-02-07 | 1978-11-07 | Tsien Hsue C | Thin sheet apparatus and a fluid flow device |
US4352476A (en) * | 1980-07-01 | 1982-10-05 | Itw Limited | Cable clamps |
FR2564249B1 (fr) * | 1984-05-11 | 1986-09-12 | Alsthom Atlantique | Amenagements aux structures des piles a combustible |
US4743518A (en) * | 1987-03-04 | 1988-05-10 | International Fuel Cells Corporation | Corrosion resistant fuel cell structure |
US5514487A (en) * | 1994-12-27 | 1996-05-07 | Ballard Power Systems Inc. | Edge manifold assembly for an electrochemical fuel cell stack |
GB9526577D0 (en) * | 1995-12-28 | 1996-02-28 | Nat Power Plc | Method for the fabrication of electrochemical cells |
US6054228A (en) * | 1996-06-06 | 2000-04-25 | Lynntech, Inc. | Fuel cell system for low pressure operation |
US6146780A (en) * | 1997-01-24 | 2000-11-14 | Lynntech, Inc. | Bipolar separator plates for electrochemical cell stacks |
JPH11297338A (ja) * | 1998-04-10 | 1999-10-29 | Nisshinbo Ind Inc | 固体高分子型燃料電地用セパレータ及びその製造方法 |
EP1223629B1 (en) * | 1999-07-13 | 2018-09-12 | Nok Corporation | Gasket for fuel cell and method of forming it |
US6332899B1 (en) * | 1999-07-23 | 2001-12-25 | Ta-Ching Pong | Modularized metal-air battery and method for manufacturing the same |
US6485858B1 (en) * | 1999-08-23 | 2002-11-26 | Catalytic Materials | Graphite nanofiber catalyst systems for use in fuel cell electrodes |
US6319625B1 (en) * | 1999-10-29 | 2001-11-20 | George J. Gemberling | Graphite plate assembly and method of manufacture |
AU3434801A (en) * | 1999-11-16 | 2001-05-30 | Allen Engineering Company, Inc. | Fuel cell bipolar separator plate and current collector assembly and method of manufacture |
NL1014405C1 (nl) * | 2000-02-17 | 2001-08-20 | Nedstack Holding B V | Methode voor het vervaardigen Polymeer Elektrolyt Brandstofcellen. |
US6511766B1 (en) * | 2000-06-08 | 2003-01-28 | Materials And Electrochemical Research (Mer) Corporation | Low cost molded plastic fuel cell separator plate with conductive elements |
US20020108510A1 (en) * | 2001-02-12 | 2002-08-15 | Thielman W. Scott | Apparatus for making fuel cell plates |
JP2002015763A (ja) * | 2000-06-30 | 2002-01-18 | Toshiba Corp | 燃料電池およびその製造方法 |
AU2001278046A1 (en) * | 2000-07-28 | 2002-02-13 | International Power Systems, Inc. | Dc to dc converter and power management system |
JP2002141073A (ja) * | 2000-10-31 | 2002-05-17 | Nissan Motor Co Ltd | 移動体用燃料電池システム |
US6597072B2 (en) * | 2001-05-09 | 2003-07-22 | Ford Global Technologies, Inc. | System and method for charging a high voltage bus within a hybrid electric vehicle |
US7094311B2 (en) * | 2001-06-01 | 2006-08-22 | Advanced Energy Technology Inc. | Assembling bipolar plates |
US6780536B2 (en) * | 2001-09-17 | 2004-08-24 | 3M Innovative Properties Company | Flow field |
EP1302996A3 (en) * | 2001-10-16 | 2006-04-19 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Polymer electrolyte fuel cell |
US6761991B2 (en) * | 2001-10-16 | 2004-07-13 | Dow Corning Corporation | Seals for fuel cells and fuel cell stacks |
US6841275B2 (en) * | 2001-12-14 | 2005-01-11 | Ballard Power Systems Inc. | Method and apparatus for controlling voltage from a fuel cell system |
US6818165B2 (en) * | 2002-02-25 | 2004-11-16 | Ballard Power Systems Inc. | Method of fabricating fluid flow field plates |
DE10216306B4 (de) * | 2002-04-14 | 2008-06-12 | Sgl Carbon Ag | Verfahren zur Herstellung einer Kontaktplatte für eine elektrochemische Zelle sowie deren Verwendungen |
US7087339B2 (en) * | 2002-05-10 | 2006-08-08 | 3M Innovative Properties Company | Fuel cell membrane electrode assembly with sealing surfaces |
US20030219646A1 (en) * | 2002-05-23 | 2003-11-27 | Lecostaouec Jean-Francois | Carbon fiber reinforced plastic bipolar plates with continuous electrical pathways |
-
2003
- 2003-12-19 US US10/740,985 patent/US20050136317A1/en not_active Abandoned
-
2004
- 2004-12-07 CA CA002550388A patent/CA2550388A1/en not_active Abandoned
- 2004-12-07 WO PCT/US2004/040967 patent/WO2005067087A2/en active Application Filing
- 2004-12-07 CN CNA2004800406096A patent/CN1906000A/zh active Pending
- 2004-12-07 JP JP2006545730A patent/JP2007516581A/ja active Pending
- 2004-12-07 KR KR1020067014356A patent/KR20060132868A/ko not_active Application Discontinuation
- 2004-12-07 EP EP04813300A patent/EP1698013A2/en not_active Withdrawn
- 2004-12-17 TW TW093139405A patent/TW200529490A/zh unknown
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009272287A (ja) * | 2008-05-07 | 2009-11-19 | Optodisc Technology Corp | 燃料電池のパッケージ構造 |
JP2018070764A (ja) * | 2016-10-28 | 2018-05-10 | 北村 透 | 鉄筋コンクリート電気防食用の外装塗料及び陽極被膜 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
TW200529490A (en) | 2005-09-01 |
KR20060132868A (ko) | 2006-12-22 |
WO2005067087A3 (en) | 2006-09-21 |
US20050136317A1 (en) | 2005-06-23 |
EP1698013A2 (en) | 2006-09-06 |
CN1906000A (zh) | 2007-01-31 |
CA2550388A1 (en) | 2005-07-21 |
WO2005067087A2 (en) | 2005-07-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2007516581A (ja) | 羽成形多部品フローフィールド構造 | |
EP1685615B1 (en) | Registration arrangement for fuel cell assemblies | |
US8828620B2 (en) | Roll-good fuel cell fabrication processes, equipment, and articles produced from same | |
US8367270B2 (en) | Flow field plate arrangement for a fuel cell | |
US20040096725A1 (en) | Unitized fuel cell assembly | |
KR20060109476A (ko) | 연료 전지 종판 조립체 | |
US8153316B2 (en) | Unitized fuel cell assembly and cooling apparatus | |
JP2008525986A (ja) | 燃料電池アセンブリのための現場成形締結 | |
US20090104506A1 (en) | Flow field | |
WO2011108022A1 (ja) | 燃料電池 | |
JP6751891B2 (ja) | 燃料電池、及び燃料電池の製造方法 | |
JP2006086041A (ja) | 燃料電池セルの製造方法及び製造設備 | |
KR101731845B1 (ko) | 연료전지용 복합재료 분리판 및 그 제조방법 | |
CN1331260C (zh) | 用于燃料电池的双极板 | |
JP2005019109A (ja) | 燃料電池用ガスケットおよびそれを用いた燃料電池およびガスケット加工用金型 | |
JP2012003857A (ja) | 燃料電池 | |
JP2006269264A (ja) | 固体高分子電解質形燃料電池 |