JP2008159587A - 外縁が強化された複合バイポーラプレートを成形するプロセス - Google Patents

Abstract

【課題】プレートのヘッダ領域の強度を増す、燃料電池スタック用の複合ユニポーラプレートを成形するプロセスを提供すること。
【解決手段】種々の入口および出口多岐管を画定する開口を含む、ヘッダ領域の構造に合わせて形作られた高強度で非導電性のプリプレグ挿入物が、モールド内に配置される。塊状成形材料充填材が、モールド内に配置され、高熱下で圧縮され、それにより、塊状成形材料が、モールド内で分散し、プリプレグ挿入物が塊状成形材料に対して硬化するようにプリプレグ挿入物を覆う。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、燃料電池スタック用の複合バイポーラプレートを成形するプロセスに関し、より詳細には、プレートの外縁に強度を付加するために、バイポーラプレートが成形されるときにバイポーラプレートのヘッダ領域において１個または複数個の強化挿入物を設けることを含む、燃料電池スタック用の複合バイポーラプレートを成形するプロセスに関する。

水素は、クリーンで、かつ、燃料電池において電気を効率的に生成するのに使用されることができるため、非常に魅力的である。水素燃料電池は、アノードとカソードを含み、両者の間に電解質を有する電気化学デバイスである。アノードは、水素ガスを受け取り、カソードは、酸素または空気を受け取る。水素ガスは、アノードで分離して、自由プロトンと電子を生成する。プロトンは、電解質を通ってカソードへ流れる。プロトンは、カソードで酸素と電子と反応して、水を生成する。アノードからの電子は、電解質を通過することができず、そのため、負荷を通して誘導されて、カソードへ送出される前に仕事を行う。

プロトン交換膜燃料電池（ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）（ＰＥＭＦＣ）は、乗り物用の人気のある燃料電池である。ＰＥＭＦＣは、一般に、パーフルオスルホン酸膜などの固体高分子電解質プロトン導電性膜（ｓｏｌｉｄ ｐｏｌｙｍｅｒ−ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｐｒｏｔｏｎ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｍｅｍｂｒａｎｅ）を含む。アノードおよびカソードは、通常、炭素粒子上に支持され、かつ、イオノマーと混合された、微細化された触媒粒子、通常、プラチナ（Ｐｔ）を含む。触媒混合物は、膜の両側に堆積される。アノード触媒混合物、カソード触媒混合物、および膜の組合せは、膜／電極集合体（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）（ＭＥＡ）を画定する。ＭＥＡは、適切な水管理および加湿を含む、効率的な動作のための一定の条件を必要とする。

所望の電力を生成するために、いくつかの燃料電池が、通常、燃料電池スタック内で組合される。上述した自動車燃料電池スタックの場合、スタックは、約２００以上の燃料電池を含む場合がある。燃料電池スタックは、カソード反応ガス、通常、圧縮機によってスタックを通って強制的に流される空気流を受け取る。酸素が全て、スタックによって消費されるわけではなく、空気の一部は、スタック副産物として水を含む場合があるカソード排出ガスとして出力される。燃料電池スタックはまた、スタックのアノード側に流れるアノード水素反応ガスを受け取る。

燃料電池スタックは、スタック内のいくつかのＭＥＡ間に配置された一連のバイポーラプレートを含み、バイポーラプレートとＭＥＡは、２つの端プレートの間に配置される。バイポーラプレートは、スタック内の隣接燃料電池用のアノード側とカソード側を含む。アノードガス流路は、バイポーラプレートのアノード側に設けられ、アノード反応ガスが、それぞれのＭＥＡに流れることを可能にする。カソードガス流路は、バイポーラプレートのカソード側に設けられ、カソード反応ガスが、それぞれのＭＥＡに流れることを可能にする。１つの端プレートは、アノードガス流路を含み、他の端プレートは、カソードガス流路を含む。バイポーラプレートおよび端プレートは、ステンレス鋼または導電性複合物などの導電性材料でできている。端プレートは、燃料電池によって生成された電気をスタックの外へ伝導する。バイポーラプレートはまた、冷却流体が、そこを通って流れる流路を含む。

本発明の教示によれば、プレートのヘッダ領域の強度を増す、燃料電池スタック用の複合ユニポーラプレートを成形するプロセスが開示される。

ヘッダ領域は、導電性である必要がないため、種々の入口および出口多岐管を画定する開口を含む、ヘッダ領域の構造に合わせて形作られた、強度の高いプリプレグ挿入物が、モールド内に配置される。塊状成形材料充填材が、モールド内に配置され、高熱下で圧縮され、それにより、塊状成形材料が、モールド内で分散し、プリプレグ挿入物を覆う。ユニポーラプレートが、モールドから除去されると、プリプレグ挿入物は、ヘッダ領域の強度を増して、プレートが後続の処理中に破断する機会が減少する。

本発明のさらなる特徴は、添付図面に関連して行われる、以下の説明および添付特許請求の範囲から明らかになるであろう。

燃料電池スタック用の複合ユニポーラプレートを成形するプロセスを対象とする本発明の実施形態の以下の説明は、本来例示的であるに過ぎず、本発明またはその応用またはその使用を制限することを、いずれの点でも意図しない。

図１は、燃料電池スタック用の複合ユニポーラプレート１０の平面図である。ユニポーラプレート１０は、バイポーラプレートのアノード側またはカソード側であることができ、プレート１０を成形する成形プロセスは、アノード流路（図示せず）またはカソード流路（図示せず）を形成することになる。アノード側ユニポーラプレートまたはカソード側ユニポーラプレートの他方は、他の流路を含むことになり、アノード側ユニポーラプレートまたはカソード側ユニポーラプレートの一方または他方の背面は、冷却流体チャネルを含むことになり、それにより、アノード側とカソード側のユニポーラプレートが、接着などによって一緒に固定されると、冷却流体チャネルが、プレート間に存在することになる。

アノード側とカソード側のユニポーラプレートが一緒に固定されると、拡散媒体層が、バイポーラプレートの両側の流路に接して配置され、ＭＥＡは、２つの拡散媒体層の間に配置されて、燃料電池が画定される。燃料電池スタックは、対向するバイポーラプレートの間に挟まれた、ＭＥＡおよび２つの拡散媒体層を含む複数の燃料電池である。

ユニポーラプレート１０は、燃料電池の電気化学反応が起こる活性領域１２を含む。ユニポーラプレート１０の外縁は、種々の多岐管を含むヘッダ領域１４を画定し、種々の多岐管を通って、空気、水素燃料、および冷却流体が、燃料電池内に導入され、また、アノード排出ガス、カソード排出ガス、および加熱された冷却流体が、燃料電池スタックを出る。特に、ユニポーラプレート１０は、カソード入力多岐管１６、１８、および２０ならびにカソード出口多岐管２２、２４、および２６を含む。同様に、ヘッダ領域１４は、アノード入口多岐管２８およびアノード出口多岐管３０を含む。さらに、ヘッダ領域１４は、冷却流体入口多岐管３２および３４ならびに冷却流体出口多岐管３６および３８を含む。シーリング領域４０は、活性領域１２内の種々の流路ならびに種々の多岐管をシールするためにシールが設けられるエリアを提供する。

ユニポーラプレート１０は、単一部品成形構造である。ユニポーラプレート１０は、電気化学反応によって電気を伝導する必要があるため、いくつかの材料だけが、プレート１０の組成について適する。一実施形態では、材料は、グラファイト粒子、ビニルエステルなどの熱硬化性樹脂、およびプレート１０内で懸濁されたグラファイト粒子を維持する充填材料を含む塊状成形材料（ｂｕｌｋ ｍｏｌｄｉｎｇ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）（ＢＭＣ）である。塊状成形材料の充填材は、２０４℃（４００°Ｆ）などのある温度に加熱されるモールド内に設置される。ダイプレスが、充填材に押し付けられて、ユニポーラプレート１０の形状を実現するように、充填材がモールドエリアの全てに流れ込むようにさせられる。

ユニポーラプレートは、成形されると、ヘッダ領域１４内の、ならびに、ヘッダ領域１４の縁部の周りの種々の開口から過剰の材料を除去するバリ取りプロセスに進む。次に、ユニポーラプレートは、ユニポーラプレートの両側から、薄い樹脂に富む外層を除去するスカッフィング動作に進む。成形プロセスの結果として、グラファイト粒子が、被成形プレートの表面から離れる傾向を有し、接触抵抗が増加することがわかっている。したがって、導電率を改善するために、ユニポーラプレートの外側表面を除去することが、通常必要である。スカッフィング動作後、ユニポーラプレートは、一緒に接着されて、燃料電池スタックにおいて後で組み立てられる完全なバイポーラプレートが形成される。

ユニポーラプレートは、通常、非常に薄く、１ｍｍ程度である。さらに、入口および出口多岐管のためにヘッダ領域１４内に形成されるいくつかの開口は、ユニポーラプレート１０が、容易に、割られるかつ／または破断されるエリアを作る。ユニポーラプレート１０を処理するいくつかの操作ステップが存在するため、ユニポーラプレートが、ヘッダ領域１４において損傷を受けることになる可能性が重要である。したがって、スタックまたはスタックを組み立てるプロセスに大きなコストを付加することなく、ヘッダ領域１４の強度を増すことが望ましいことになる。

ヘッダ領域１４が、燃料電池スタックの動作について導電性である必要がないことを、本発明は認識している。したがって、本発明は、ユニポーラプレート１０のヘッダ領域１４に、非導電性であるが、強度の高い材料を付加することを提案する。一実施形態では、強度の高い材料は、ヘッダ領域１４の形状に合わせて型抜きされるプリプレグ挿入物である。プリプレグ挿入物は、成形プロセス中に塊状成形材料に対して、接着される、または、硬化される。一実施形態では、プリプレグ挿入物の強化材は、ガラス繊維織物である。しかし、当業者に理解されるように、他の材料が、同様に適用可能であってよい。

図２は、本発明の実施形態による、ユニポーラプレート１０を成形するためのモールド５０の部分断面図である。モールド５０は、モールドキャビティベース部５２、および、塊状成形材料６０をモールド５０の形状に押し付ける可動モールドプラグ５４を含む。モールド５０を閉じる前に、プリプレグ挿入物５６は、モールドキャビティベース構造５２内で適切な位置に配置される。同様に、成形プロセス中に、プリプレグ５６の下に塊状成形材料６０が流れることを防止するために、モールドリブ５８が、プリプレグ挿入物５６に隣接して配置される。一実施形態では、モールドリブ５８は、シールチャネルが、成形プロセス中にシールチャネルを画定するシールエリア４０におけるシールのためのものである場所に配置される。モールドプラグ５４が、塊状成形材料充填材を下に押し付けると、塊状成形材料６０は、広がって、モールドキャビティを充填し、モールドリブおよびプリプレグ挿入物５６の上に流れる。成形プロセスによる熱および圧力によって、塊状成形材料６０が、プリプレグ挿入物５６に対して硬化し、その結果、塊状成形材料６０がモールドから除去されると、プリプレグ挿入物５６が、他のエリア１４全体にわたって広がる。

プリプレグ挿入物５６は、微細なガラス繊維織物に、適した熱硬化性樹脂を予め含浸させ、硬化の程度を進行させることによって作ることができる。プリプレグ挿入物５６が、接触によって熱い鋼に付着することになるモールドキャビティベース部５２内に設置されるために、プリプレグ挿入物５６は、真空によってフィクスチャに対して保持されることができる。

塊状成形材料６０とプリプレグ挿入物５６の熱膨張係数が、ほぼ同じであることが望ましい。特に、プレート１０の温度が上昇するときに、ユニポーラプレート１０が、カールする（熱膨張係数が異なる結果として起こる可能性がある）ことを防止することが望ましい。塊状成形材料６０の熱膨張係数は、わかっていることになり、そのため、プリプレグ挿入物５６は、その熱膨張係数に一致するように設計されることができる。塊状成形材料６０の熱膨張係数に一致するように、熱膨張係数を微調整するために、種々の充填材が、プリプレグ挿入物５６の樹脂に添加されることができる。

特定のユニポーラプレートの成形に必要とされるプリプレグ挿入物の数は、ユニポーラプレートの形状および構造に依存することになる。ユニポーラプレート１０は、２つのプリプレグ挿入物を必要とする場合があり、１つは、開口２２、２４、２６、２８、３２、および３４を含むプレート１０の一端用であり、１つは、開口１６、１８、２０、３０、３６、および３８を含むユニポーラプレート１０の他端用である。他のユニポーラプレートの設計は、少ないまたは多いプリプレグ挿入物を必要としてもよい。非制限的な一実施形態では、プリプレグ挿入物５６の厚さは、ユニポーラプレート１０の全厚さの約３分の１である。たとえば、ユニポーラプレート１０が約１ｍｍである場合、プリプレグ挿入物５６の厚さは、約０．３ｍｍであってよい。

先の説明は、本発明の単に例示的な実施形態を開示し述べる。添付の特許請求の範囲において規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、実施形態において、種々の変更、修正、および変形を行うことができることを、当業者は、そうした説明から、また、添付図面および特許請求項から、容易に認識するであろう。

燃料電池スタック用のユニポーラプレートの平面図である。 本発明の実施形態による、ユニポーラプレートのヘッダ領域を強化するためのプリプレグ挿入物を含む、図１に示すユニポーラプレートを作るためのモールドの部分断面図である。

符号の説明

１０ ユニポーラプレート
１２ 活性領域
１４ ヘッダ領域
１６、１８，２０ カソード入力多岐管
２２、２４、２６ カソード出力多岐管
２８ アノード入口多岐管
３０ アノード出口多岐管
３２、３４ 冷却流体入口多岐管
３６、３８ 冷却流体出口多岐管
４０ シーリング領域
５０ モールド
５２ モールドキャビティベース部
５４ 可動モールドプラグ
５６ プリプレグ挿入物
５８ モールドリブ
６０ 塊状成形材料

Claims (19)

1. 燃料電池スタック用の複合ユニポーラプレートを成形する方法であって、
   少なくとも１つのプリプレグ挿入物を設けるステップと、
   前記プリプレグ挿入物を、前記被成形ユニポーラプレートのヘッダ領域に配置されるように、モールド内に配置するステップと、
   塊状成形材料の充填材を前記モールド内に設置するステップと、
   前記塊状成形材料充填材を圧縮するステップであって、それにより、前記塊状成形材料を前記モールドの形状に成形し、前記塊状成形材料を前記プリプレグ挿入物に対して硬化させる、圧縮するステップとを含む方法。
2. 少なくとも１つのプリプレグ挿入物を設けるステップは、ガラス繊維織物を含浸された熱硬化性樹脂を設けるステップを含む請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも１つのプリプレグ挿入物を設けるステップは、前記被成形ユニポーラプレートの全厚さの約３分の１の厚さを有する少なくとも１つのプリプレグ挿入物を設けるステップを含む請求項１に記載の方法。
4. 少なくとも１つのプリプレグ挿入物を設けるステップは、前記塊状成形材料の熱膨張係数と同じである熱膨張係数を有する少なくとも１つのプリプレグ挿入物を設けるステップを含む請求項１に記載の方法。
5. 少なくとも１つのプリプレグ挿入物を設けるステップは、前記ユニポーラプレートの、アノード入力多岐管、アノード出力多岐管、カソード入力多岐管、カソード出力多岐管、冷却流体入力多岐管、および冷却流体出力多岐管の全てを収容するために複数のプリプレグ挿入物を設けるステップを含む請求項１に記載の方法。
6. 前記ユニポーラプレートが成形される前に、前記モールド内で前記プリプレグ挿入物に隣接してモールドリブを配置するステップであって、それにより、前記塊状成形材料が、前記プリプレグ挿入物の下に流れることを防止する、配置するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
7. 前記モールドリブは、前記複合ユニポーラプレートのシールエリアを画定する、モールドのロケーションに配置される請求項６に記載の方法。
8. 前記塊状成形材料は、熱硬化性樹脂内で懸濁されたグラファイト粒子を含む請求項１に記載の方法。
9. 燃料電池スタック用のユニポーラプレートであって、
   活性領域、ヘッダ領域、および前記活性領域と前記ヘッダ領域との間のシールエリアを画定する複合本体部と、
   前記ヘッダ領域を強化するための、前記ヘッダ領域内で前記複合本体部に対して硬化した少なくとも１つのプリプレグ挿入物とを備えるユニポーラプレート。
10. 前記少なくとも１つのプリプレグ挿入物は、非導電性材料でできている請求項９に記載のユニポーラプレート。
11. 前記少なくとも１つのプリプレグ挿入物は、ガラス繊維織物を含浸された熱硬化性樹脂である請求項１０に記載のユニポーラプレート。
12. 前記少なくとも１つのプリプレグ挿入物および前記複合本体部は、ほぼ同じ熱膨張係数を有する請求項９に記載のユニポーラプレート。
13. 前記複合本体部は、熱硬化性樹脂内で懸濁されたグラファイト粒子である請求項９に記載のユニポーラプレート。
14. 前記ヘッダ領域は、カソード入口多岐管、カソード出口多岐管、アノード入口多岐管、アノード出口多岐管、冷却流体入力多岐管、および冷却流体出口多岐管を含む請求項９に記載のユニポーラプレート。
15. 前記少なくとも１つのプリプレグ挿入物は、前記ユニポーラプレートの全厚さの約３分の１の厚さを有する請求項９に記載のユニポーラプレート。
16. 前記少なくとも１つのプリプレグ挿入物は、複数のプリプレグ挿入物である請求項９に記載のユニポーラプレート。
17. 燃料電池スタック用のユニポーラプレートであって、
    活性領域、ヘッダ領域、および前記活性領域と前記ヘッダ領域との間のシールエリアを画定する複合本体部と、
    前記ヘッダ領域を強化するための、前記ヘッダ領域内で前記複合本体部に対して硬化した少なくとも１つのプリプレグ挿入物とを備え、前記プリプレグ挿入物は、ガラス繊維織物を含浸された熱硬化性樹脂であり、前記プリプレグ挿入物および前記複合本体部は、ほぼ同じ熱膨張係数を有するユニポーラプレート。
18. 前記少なくとも１つのプリプレグ挿入物は、前記ユニポーラプレートの全厚さの約３分の１の厚さを有する請求項９に記載のユニポーラプレート。
19. 前記少なくとも１つのプリプレグ挿入物は、複数のプリプレグ挿入物である請求項９に記載のユニポーラプレート。

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