JP2008511120A - 燃料電池スタックのための密封構成 - Google Patents

Abstract

【解決手段】膜電極アッセンブリの両側に各々配置された第１の二極式プレート及び第２の二極式プレートを備える燃料電池のための密封構成が提供される。密封構成は、第１の二極式プレートの凹領域に接着された第１のサブガスケットと、第２の二極式プレートの凹領域に接着された第２のサブガスケットとを備える。第１及び第２のサブガスケットは、膜電極アッセンブリの両側に各々配置される。シール部材は、第１及び第２の二極式プレート内の凹領域に、第１及び第２のサブガスケットの間に配置される。本発明の設計は、バイパス領域のサイズを減少させ、全ての構成部品の位置の良好な制御を提供し、不正確に位置決めされた部品に起因した故障を無くす。本発明のアプローチは、更には、周囲の相対湿度の変動に対する感度を減少させ、従って、生成領域における湿度制御のための必要性を無くすことによって、製造コストを減少させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＰＥＭ燃料電池に係り、より詳しくは、燃料電池スタック内に組み込まれた密封構成に関する。

燃料電池は、多数の用途で電源として使用されてきた。例えば、燃料電池は、内燃エンジンに取って代わるため電気車両電源プラントで使用するため提案された。陽子交換膜（ＰＥＭ）形式の燃料電池では、水素が燃料電池のアノードに供給され、酸素がカソードに供給される。ＰＥＭ燃料電池は、薄い陽子伝達性で非導電性の固体ポリマー電解質膜を含む膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を有し、該ポリマー電解質の面の一方にアノード触媒を有し、その反対側の面にカソード触媒を有している。ＭＥＡは、一対の導電要素の間に挟まれており、該一対の導電要素は、アノード及びカソードのための電流コレクターとして機能し、夫々のアノード及びカソード触媒の表面に亘って燃料電池ガス状反応物を分布させるため、適切なチャンネル及び／又は開口部を備えている。

膜電極アッセンブリを挟んでいる導電性プレートは、その面に溝列を備えていてもよく、該面は、各々のカソード及びアノードの表面に亘って燃料電池のガス状反応物（即ち、水素及び空気の形態の酸素）を分配するための反応物流れ場を画定する。これらの反応物の流れ場は、概して、複数のランドを備え、該ランドの間に複数の流れチャンネルを形成し、該流れチャンネルを通って、ガス状反応物が、流れチャンネルの一方の端部に設けられアノード供給ヘッダーから、流れチャンネルの反対側端部に設けられた排出ヘッダーへと流れる。

典型的には、非導電性ガスケット又はシール部は、燃料電池スタックの幾つかのプレートの間に密封及び電気的絶縁を提供する。加えて、シール部は、供給ヘッダーから各々のアノード触媒及びカソード触媒の表面へとガス状反応物のための流れ経路を提供する。従来では、シール部は、例えば、ゴム等の成形された従順材料を含んでいる。シール部が従順材料から作られ、狭い壁厚を有しているので、組み立てプロセスの間にそれらを取り扱うことは困難となり得る。

図６は、第１の二極式プレート１１０及び第２の二極式プレート１１２を備える燃料電池スタックのための従来技術の密封構成を示している。第１及び第２の二極式プレートの各々は、それらの周辺部の周りに、凹んだ溝部分１１４、１１６が形成されている。膜電極アッセンブリ１１８は、二極式プレート１１０、１１２の間に配置されている。膜電極アッセンブリ１１８は、一方の面でアノード触媒を備え、第２の面でカソード触媒を備えるイオノマー層１１８Ａを備えている。膜電極アッセンブリ１１８のエッジでは、イオノマー層１１８Ａは、第１のサブガスケット層１２２と、第２のサブガスケット層１２４と、を備えている。２つのサブガスケット層１２２、１２４を備えたイオノマー層は、凹んだ領域１１４内の二極式プレート１１０の一つに対して配置されている。シール部材１２６は、両側の二極式プレート１１０、１１２の凹んだ領域１１４、１１６内に配置され、サブガスケット層１２４に対して押圧される。従来技術の設計は、図６に示されるように、シール部材１２６のエッジ表面に対して位置してアノード又はカソードのガスが入り得る比較的大きいバイパス領域１２８を提供する。

図６に示された密封構成を利用した、燃料電池スタックの組み立ての間には、構成部品は視覚的に組み立てられ、燃料電池スタックが構成部品の位置決めに関して非常に制限された制御で組み立てられる。アッセンブリ領域における相対湿度は、膜１１８のサイズを変えることができ、該膜は、膜１１８に接続されたサブガスケット１２２、１２４に起因して、生成領域における湿度が周囲の相対湿度の変動に対する感度を減少させるために制御されるべきということを要求する。換言すれば、湿度依存性のＰＥＭ膜は、様々に異なる湿度条件の下で伸張又は収縮するので、二極式プレート内の流れ通路に対するガスケット材料の位置を変え得る。

上記事実に鑑みて、本発明は、第１の二極式プレート及び第２の二極式プレートを備える燃料電池のための密封構成を提供する。第１及び第２の二極式プレートの各々は膜電極アッセンブリの両側に各々配置され、第１及び第２の二極式プレートの各々にはそのエッジ二極式プレート沿って凹領域が配置されている。密封構成は、第１の二極式プレートの凹領域に接着された第１のサブガスケットと、第２の二極式プレートの凹領域に接着された第２のサブガスケットとを備えている。第１及び第２のサブガスケットは、膜電極アッセンブリの両側に各々配置されている。シール部材は、第１及び第２の二極式プレート内の凹領域に、第１及び第２のサブガスケットの間に配置されている。本発明の設計は、バイパス領域のサイズを減少させ、全ての構成部品の位置の良好な制御を提供し、不正確に位置決めされた部品に起因した故障を無くす。本発明のアプローチは、更には、周囲の相対湿度の変動に対する感度を減少させ、従って、生成領域における湿度制御のための必要性を無くすことによって、製造コストを減少させる。

本発明の用途の更なる領域は、以下に提供される詳細な説明から明らかとなる。詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施例を示しているが、本発明の開示のみを目的としたもので、本発明の範囲を制限するものではないことが理解されるべきである。

本発明は、詳細な説明及び添付図面からより完全に理解されるようになる。
好ましい実施例の次の説明は、その本質上単なる例示にしか過ぎず、本発明、その用途又はその使用法を限定するものではない。

図１及び図２を参照して本発明の原理に係る燃料電池スタックのための密封構成を説明する。図１に示されるように、一例としての燃料電池１０は、第１の二極式プレート１２及び第２の二極式プレート１６を備え、これらの二極式プレートは、膜電極アッセンブリ１６を挟み込んでいる。第１の拡散媒体パネル１８は、第１の二極式プレート１２及び膜電極アッセンブリ１６の間に配置され、第２の拡散媒体パネル２０は、第２の二極式プレート１４及び膜電極アッセンブリ１６の間に配置されている。第１のサブガスケット２２は、第１の二極式プレート１２及び膜電極アッセンブリ１６の間に配置され、第２のサブガスケット２４は、第１の二極式プレート１４及び膜電極アッセンブリ１６の間に配置されている。

当該技術分野で知られているように、二極式プレート１２、１４は、複数の流れチャンネルを形成する複数のランドによって特徴付けられた反応ガス流れ場４０を各々備え、該反応ガス流れ場は、複数の流れチャンネルを形成する複数のランドによって特徴付けられ、該流れチャンネルを通って、反応ガスがスタックの入口プレートマージン４０ａから排出プレートマージン４０ｂへと流れる。アノード及びカソードプレートの各々を横断する流れの方向は、概して、入口プレートマージン４０ａから、各々の流れ場を通って出口プレートマージン４０ｂへと向き付けされる。複数の供給ヘッダーアパーチャ４２ａから４２ｃは、入口プレートマージン４０ａの外側エッジの近傍に形成されている。同様に、複数の排出ヘッダーアパーチャ４４ａ〜４４ｃは、出口プレートマージン４０ｂの外側エッジの近傍に形成されている。より詳しくは、供給ヘッダーアパーチャ４２ａは、アノードプレートに亘って流れチャンネルを通して燃料（Ｈ_２）と連通し、排出ヘッダーアパーチャ４４ａを通して外部へと連通する。供給ヘッダーアパーチャ４２ｂは、カソードプレートに亘って流れチャンネルを通して酸化剤（Ｏ_２）と連通し、排出ヘッダーアパーチャ４４ｂを通して外部へと連通する。最終的には、供給ヘッダーアパーチャ４２ｃは、必要に応じて、二極式プレートのアノードプレート面及びカソードプレート面の間に冷却剤を連通させ、該冷却剤は、排出ヘッダーアパーチャ４４ｃにおいてスタックを残す。ヘッダー位置は、図示の位置に関して変えることができることが理解されるべきである。

二極式プレート１２、１４の流れチャンネルに対して配置された拡散媒体１８、２０は、当該技術分野で知られているように、膜電極アッセンブリ１６に反応ガスを分配させるのに役立つ。シール部２６は、二極式プレート１２、１４の凹領域２８、３０に各々配置され、該凹領域は二極式プレート１２、１４の周辺部の周りに延在する。

図２に示されるように、燃料電池１０は、膜電極アッセンブリ１６が、第１の二極式プレート１２と第２の二極式プレート１４との間に配置された、積み重ねられた組み立て状態で示されている。膜電極アッセンブリ１６のイオノマー層１６Ａは、サブガスケット層２２、２４が二極式プレート１２、１４の凹領域２８、３０に向かって分岐するところの位置Ｐまで、サブガスケット層２２、２４の間で延在する。サブガスケット２２、２４には、サブガスケットを二極式プレート１２、１４に接着させる接着剤３２の層が形成されている。代替例として、接着層３２は、サブガスケット材料が、サブガスケットの位置決めの間に接着剤と接触する密封領域においてプレート上に存在するようにしてもよい。サブガスケット２２、２４は、拡散媒体層１８、２０に亘って部分的に重なり合い、拡散媒体層を適所に保持している。サブガスケット２２、２４は、既知のガスケット材料から作られていてもよい。シール部２６が、サブガスケット２２、２４の間に配置される。エラストマーシール部材２６のリブが、二極式プレート１２、１４の間に圧縮シール部を提供するため圧縮される。分岐したサブガスケット２２、２４は、図６に示された従来技術の大きなバイパス領域１２８と比較したとき、減少したバイパス領域３６を提供する。バイパス領域３６は、二極式プレートの間の密封領域において反応ガス（及び反応ガスの流れ／バイパス）にさらされた領域である。

本発明の好ましい実施例によれば、膜電極アッセンブリ１６には、その一方の面でアノード触媒１６Ｂを有し、且つ、その第２の面でカソード触媒１６Ｃを有するイオノマー層１６Ａが設けられている。イオノマー層１６Ａは、二極式プレート１２の凹領域２８へとサブガスケット２２と共に延在している。図２の実施例では、イオノマー層１６Ａは、プレート１２の外側エッジへと続き、シール部材２６と接触している。図３に示されたような第２の実施例によれば、イオノマー層は、２つのサブガスケット層２２、２４が分離している位置Ｐの付近で終わっている。図４を参照すると、第３の実施例が示されており、該第３の実施例では、イオノマー層１６Ａが、プレート１２の外側エッジへと続き、イオノマー層１６Ａとシール部材２６との間に追加のサブガスケットの狭いリング５０が提供される。リング５０は、内側方向に延在し、サブガスケット層２２、２４が分離するところの位置Ｐに至る前で終わっている。図５は、第４の実施例を示し、該第４の実施例では、追加のサブガスケット５２の全層が、イオノマー層１６Ａとシール部材２６との間に提供される。サブガスケット５２は、サブガスケット層２４に隣接しているが、サブガスケット層２４及び５２がシール部材２６の両側に各々配置されるように位置Ｐにおいてサブガスケット層２４から分離する。

本発明の密封構成によれば、図１及び図２に示されるように、バイパス領域が最小にされ、構成部品の全ての位置のより良好な制御を提供し、不正確な位置決め部品（プレートの特徴部に対するサブガスケットの活性領域反応窓の位置決め）に起因する故障を無くす。本発明は、膜電極アッセンブリ１６の細部及び形状に影響を及ぼし得る周囲の相対湿度変動に対する感度を減少させ、従って、生成領域における湿度制御の必要性を無くすことによって製造コストを減少させる。本発明のシステムによれば、サブガスケットの構成部品２２、２４は、膜電極アッセンブリ１６とは対照的に、二極式プレート１２、１４に取り付けられる。サブガスケット２２、２４を二極式プレート１２、１４に取り付けることによって、膜電極アッセンブリ１６が生成領域において周囲空気の相対湿度に起因して遭遇し得るサイズ変動にも係わらず、特にサブガスケットにおけるヘッダーアパーチャの整列が制御される。

本発明の説明は、その本質上単なる例示にしか過ぎず、よって、本発明の要旨から逸脱しない変形は、本発明の範囲内にあることが意図される。そのような変形は、本発明の精神及び範囲からの逸脱としてみなされるべきではない。

図１は、本発明の原理に係る燃料電池の分解斜視図である。 図２は、本発明の原理に係る燃料電池のための密封構成の断面図である。 図３は、本発明の第２の実施例に係る燃料電池のための密封構成の断面図である。 図４は、本発明の第３の実施例に係る燃料電池のための密封構成の断面図である。 図５は、本発明の第４の実施例に係る燃料電池のための密封構成の断面図である。 図６は、従来技術の密封構成の断面図である。

Claims (7)

1. 第１の二極式プレート及び第２の二極式プレートを備える燃料電池のための密封構成であって、第１及び第２の二極式プレートの各々は膜電極アッセンブリの両側に各々配置され、該第１及び第２の二極式プレートの各々は、そのエッジに沿って配置された凹領域を備え、前記密封構成は、
   前記第１の二極式プレートの凹領域に接着された第１のサブガスケットと、
   前記第２の二極式プレートの凹領域に接着された第２のサブガスケットであって、前記第１及び第２のサブガスケットは前記膜電極アッセンブリの両側に各々配置されている、前記第２のサブガスケットと、
   前記第１及び第２の二極式プレートの前記凹領域に配置され、前記第１及び第２のサブガスケットの間に配置された、シール部材と、
   を備える、密封構成。
2. 前記第１のサブガスケットと前記第１の二極式プレートとの間に配置された第１の拡散媒体と、前記第２のサブガスケットと前記第２の二極式プレートとの間に配置された第２の拡散媒体と、を更に備えている、請求項１に記載の密封構成。
3. 前記第１及び第２のサブガスケットは、前記膜電極アッセンブリのエッジ部分と重なり合う、請求項１に記載の密封構成。
4. 前記膜電極アッセンブリは、前記第１の二極式プレートの前記凹領域と前記シール部材との間に延在する、イオノマー層を備える、請求項１に記載の密封構成。
5. 前記イオノマー層と前記シール部材との間に配置された第３のサブガスケットを更に備える、請求項４に記載の密封構成。
6. 前記第３のサブガスケットは、その中央部に開口部を有し、該開口部は、前記第１の二極式プレートの前記凹領域のほぼ内側エッジで終わっている内側エッジを備えている、請求項５に記載の密封構成。
7. 前記第３のサブガスケットは、前記膜電極アッセンブリと前記第２のサブガスケットとの間に配置されている、請求項５に記載の密封構成。

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