JP2008529215A - 非導電性フレームヘッダにより分離された多重活性領域を備えた燃料電池両極プレート - Google Patents

Abstract

【解決手段】両極プレートを製作する方法は、複数の受け入れ領域を画定する非伝導性のハウジングをモールド成形する工程を含んでいる。第１の複数の伝導性装入物が、複数の受け入れ領域それぞれの中に配置される。第１の複数の伝導性装入物のそれぞれに圧縮力が掛けられて、外縁部が非伝導性のハウジングに結合された第１の複数の伝導性プレートが画定される。第２の複数の伝導性プレートが、第１の一連の伝導性プレート上に載せられる。第１と第２の複数の伝導性プレートが一体に結合され、両者の間に冷却剤の流れ場が画定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＰＥＭ燃料電池に関し、より具体的には、燃料電池スタック内で使用される両極プレートを制作する方法に関する。

燃料電池は、多くの用途で電力源として使用されている。例えば、燃料電池は、電気自動車で内燃機関に代わる発電装置として使用することが提案されている。プロトン交換膜（ＰＥＭ）型の燃料電池では、燃料電池のアノードには水素が供給され、カソードには酸化剤として酸素が供給される。ＰＥＭ燃料電池は、一方の面にアノード触媒を、反対側の面にカソード触媒を設けた、プロトン透過性を有する非電気伝導性の薄い固体高分子電解質膜を備えている膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を含んでいる。ＭＥＡは、（１）アノード及びカソードの集電器として働き、（２）燃料電池の気体状反応物質をアノードとカソードの各触媒面に亘って分配するために形成された適切な流路及び／又は開口部を備えている、一対の非多孔質電気伝導性要素又はプレートの間に挟まれている。

「燃料電池」という用語は、一般に、文脈次第で単一のセル又は複数のセル（スタック）の何れかを言及するのに使用されている。通常は、複数の個別のセルが一体に束ねられて燃料電池スタックを形成し、電気的に直列に配置されるのが一般的である。スタック内の各セルは、先に述べた膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を含んでおり、その様なＭＥＡそれぞれが、各自の電圧増分を提供する。スタック内の隣接しているセルの群はクラスタと呼ばれる。

ＰＥＭ燃料電池では、水素（Ｈ_２）がアノード反応物質（即ち、燃料）であり、酸素がカソード反応物質（即ち、酸化剤）である。酸素は、純粋な形態（Ｏ_２）であってもよいし、空気（Ｏ_２とＮ_２の混合体）であってもよい。固体高分子電解質は、通常は、過フッ化スルホン酸の様なイオン交換樹脂で形成されている。アノード／カソードは、通常、細かく分割された触媒粒子を備えており、それら粒子は、しばしば、炭素粒子上に支持され、プロトン伝導性樹脂と混合されている。触媒粒子は、代表的には費用がかかる貴金属粒子である。その様なＭＥＡは、製造費用が比較的嵩み、有効に作動させるには、適切な水分管理と加湿、及び一酸化炭素（ＣＯ）の様な触媒汚染成分の抑制を含む或る一定の条件が必要になる。

ＭＥＡを挟んでいる電気伝導性プレートには、その面内に、燃料電池の気体状反応物質（即ち、水素と、空気の形態をした酸素）をカソードとアノードそれぞれの表面にに亘って分配するための反応物質の流れ野を画定する溝の配列が設けられている。それら反応物質の流れ野は、一般に複数のランド部を含んでおり、ランド部の間には複数の流路が画定され、その流路を通って、気体状反応物質が、流路の一方の端の供給ヘッダから流路の反対側の端の排気ヘッダまで流れる。

一般に、高電圧を有する燃料電池スタックを提供することが望ましい。高電圧を提供する一つのやり方は、幾つかの燃料電池スタックを電気的に直列に接続することである。自動車に使用するための嵩張る燃料電池の取り扱いと組み立てに伴う費用は、コスト的に大きな障害になっている。高電圧を提供することの他に、車両内でのパッケージング上の制約のため、燃料電池スタックは、占有面積を縮小することが求められている。結果的に、パッケージング上の制約を満たしながら、高電圧の燃料電池を提供することが求められている。

両極プレートを製作する方法は、複数の受け入れ領域を画定する非伝導性のハウジングをモールド成形することを含んでいる。第１の複数の伝導性装入物が、複数の受け入れ領域のそれぞれに配置される。第１の複数の伝導性装入物のそれぞれに圧縮力が掛けられ、外側の縁部が非伝導性のハウジングに結合された第１の複数の伝導性プレートが画定される。第２の複数の伝導性プレートが、第１の一連の伝導性プレートの上に載せられる。第１及び第２の複数の伝導性プレートが一体に結合され、両者の間に冷却剤の流れ場が画定される。

他の特徴によれば、第２の複数の伝導性装入物に圧縮力が掛けられ、それにより第２の複数の伝導性プレートが形成される。第１の複数の伝導性装入物のそれぞれに圧縮力を掛けることは、第１の複数の伝導性プレートそれぞれの上に第１の反応物質の流れ場を画定することを含んでいる。第２の複数の伝導性装入物に圧縮力を掛けることは、第２の複数の伝導性プレートそれぞれの上に第２の反応物質の流れ場を画定することを含んでいる。第１と第２の複数の伝導性プレートを一体に結合させることは、第１と第２の複数の伝導性プレートの間に画定された接触面に接着剤を塗布することを含んでいる。第１と第２の複数の伝導性プレートに圧縮力を掛けることにより、接着剤を熱的に活性化して、接触面に結合を作り出す。

本発明を適用可能なこの他の分野は、以下に記載の詳細な説明から明らかになるであろう。なお、詳細な説明及び特定の実施例は、本発明の好適な実施形態を示してはいるが、それらは説明のみを目的としており、本発明の範囲を限定するものではないものと理解されたい。

本発明は、詳細な説明及び添付図面により、更に深く理解頂けるであろう。
以下の好適な実施形態の説明は、事実上、代表的なものに過ぎず、本発明、その適用法又は使用法を何ら限定するものではない。

図１は、非多孔質で電気伝導性の両極プレートアッセンブリ２０により互いから分離されている膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）１４、１６を有する部分的なＰＥＭ燃料電池スタック１０を概略的に示している。ＭＥＡ１４と１６並びに両極プレートアッセンブリ２０は、非多孔質電気伝導性の両極プレートアッセンブリ２２と２４の間に、一体に積み重ねられている。多孔質で気体透過性を有する電気伝導性のシート又は拡散媒体２６、２８、３０、３２は、ＭＥＡ１４と１６の電極面に押し付けられ、電極の主集電器として働く。拡散媒体２６、２８、３０、３２は、更に、ＭＥＡ１４と１６に、特に、他のやり方ではＭＥＡが流れ野の中で支持されない箇所に、機械的支持を提供している。適した拡散媒体としては、電極からの電流を伝導すると同時にガスが通過できるようにする、炭素／グラファイト紙／布、細かい網目の貴金属スクリーン、オープンセル貴金属発泡体、及び類似物が挙げられる。

両極プレートアッセンブリ２２と２４は、ＭＥＡ１４のカソード面１４ｃ上の主集電器２６と、ＭＥＡ１６のアノード面１６ａ上の主集電器３２に押し付けられている。両極プレートアッセンブリ２０は、ＭＥＡ１４のアノード面１４ａ上の主集電器２８と、ＭＥＡ１６のカソード面１６ｃ上の主集電器３０に押し付けられている。

引き続き図１を、更に図２及び図６を参照しながら、両極プレートアッセンブリ２０を説明する。両極プレートアッセンブリ２０は、下で更に詳しく説明するが、概略的には、一連の区別できるアノードプレート４０とカソードプレート４４（図６）を含んでいる。アノードの流れ場４６（図１及び図２）は、両極プレートアッセンブリ２０のアノードプレート４０のそれぞれを横断して画定されており、カソードの流れ場４８（図１）は、両極プレートアッセンブリ２０のカソードプレート４４のそれぞれを横断して画定されており、冷却剤の流れ場５０は、アノードプレート４０とカソードプレート４４の間に画定されている。酸素又は空気の様な酸化剤ガスが、貯蔵タンク５６から適切な供給配管５８を介して燃料電池スタック１０のカソード側に供給される。同様に、水素の様な燃料が、貯蔵タンク６０から適切な配管６２を介して燃料電池スタック１０のアノード側に供給されている。隣接するアノードプレート４０とカソードプレート４４の間には、冷却剤タンク６４から冷却剤が供給されている。

或る好適な実施形態では、酸素タンク５６を無くして、空気が雰囲気中からカソード側に供給される。同様に、水素タンク６０も無くして、水素は、メタノール又は液体炭化水素（例えば、ガソリン）から触媒作用で水素を生成する改質器からアノード側に供給される。ＭＥＡのＨ_２及びＯ_２空気のための排気用配管（具体的に図示せず）も、各アノード流れ場４６からはＨ_２を消耗したアノードガスを、そして各カソード流れ場４８からはＯ_２を消耗したカソードガスをそれぞれ取り除くために設けられている。

次に図１から図３を具体的に参照しながら、燃料電池スタック１０内の各反応物質の搬送路について詳しく説明する。図３は、両極プレートアッセンブリ２０（アノード側を上に向けた状態）の上面図を示している。下で詳しく説明するが、両極プレートアッセンブリ２０は、概略的には、第１の複数のアノードプレート４０と、相補的な一連のカソードプレート４４（図３に見えるアノードの下方に配置）と、非伝導性のハウジング６６を含んでいる。アノードプレート４０とカソードプレート４４は、それぞれ、非伝導性のハウジング６６により横方向に互いから電気的に絶縁されている複数（図では４個）の個別の両極プレート７０を形成している。更に、アノードプレート４０とカソードプレート４４は、燃料電池スタック１０内で電気的に直列に接続され、小さいスペースで高い出力電圧を提供する。それぞれのアノードプレート４０とカソードプレート４４は、それぞれ円形状のものとして示しているが、この幾何学形状は一例に過ぎず、矩形の様な形状も同様に採用することができるが、これに限定されるものではないと理解されたい。また、各流れ場４４、４６、５０は、一例に過ぎず、他の流れパターンを備えていてもよい。同様に、ハウジング６６は、円形のアノード及びカソードプレート４０と４４を収納するため概ねクローバ様の形状をしているが、両極プレート７０を備えているアノード及びカソードプレート４０と４４を収容するのに適している他の形状も同様に採用することができる。

両極プレートアッセンブリ２０は、概略的には、両極プレートアッセンブリ２０の真ん中を通って垂直方向に配置された吸気ヘッダ７４と、両極プレートアッセンブリ２０の真ん中を通って水平方向に配置された排気ヘッダ７８を含んでいる。吸気ヘッダ７４は、概略、一連の吸気孔Ｉ_１―Ｉ_６を画定している。同様に、排気ヘッダは、概略、一連の排気孔Ｅ_１―Ｅ_６を画定している。或る実施形態では、吸気孔Ｉ_１―Ｉ_６は、協働して、第１反応ガス（例えば、Ｈ_２）をアノードプレートＡ_１、Ａ_２、及びＡ_３、Ａ_４それぞれに送達する。作動時、第１反応ガスが各アノード流れ場４６を横断して流れると、ガスは排気孔Ｅ_３とＥ_４を経由して排気される。残りの吸気孔と排気孔は、第２反応ガス（例えば、Ｏ_２）と冷却剤をそれぞれ送達するのに使用される。図示の代表的な構成例では、吸気孔Ｉ_２―Ｉ_５は、協働して、第２反応ガス（例えば、Ｈ_２）をカソードプレート４４に沿って各カソード流れ場４８に送達する（図２には具体的に示していないが、カソードプレート４４は、アノードプレート４０のそれぞれの下方に作動的に配置されている）。

作動時、第２反応ガスが各カソード流れ場４８を横断して流れると、ガスは排気孔Ｅ_２とＥ_５を経由して排気される。最後に、吸気孔Ｉ_３とＩ_４は、協働して、冷却剤を、アノードプレート４０とカソードプレート４４の間に画定されている各冷却剤流れ場５０に送達する。冷却材は、排気孔Ｅ_１とＥ_６を経由して排気される。各吸気及び排気孔Ｉ_１−６並びにＥ_１−６は、所与の流体と連通するために特定的に割り当てられているが、各孔は入れ替えることができ、必要に応じて所与の流体を送達するように構成できるものと理解されたい。その様な構成は、非伝導性のハウジング６６により提供される搬送路構成により画定されることが明らかになるであろう。また、一対の流れ場を供給するものとして、単一の吸気及び排気各孔を説明しているが、他の構成も同様に採用することができる。

次に図３から図６を具体的に参照しながら、本発明の教示に従って両極プレートを製作する方法を説明する。最初に、ハウジング６６（図４）が、適した非伝導性の絶縁材料から形成される。ハウジング６６は、例えば射出成形の様な適した加工処理で形成することができる。図４に示すように、ハウジング６６は、複数の受け入れ部分８２を画定している。同様に、ハウジング６６には、適切な流体と連通して、吸気ヘッダ７４から各流れ場４６、４８、５０を横断させ排気ヘッダ７４から放出させるのに必要な搬送路が画定されている。搬送路の他にも、必要なガスケット及びシール類が非伝導性のハウジング６６にモールド成形されている（具体的には図示せず）。モールド成形時の整列用のロッド（図示せず）を収納するするために中央孔８４が設けられている。

次に、非伝導性のハウジング６６は、圧縮型９０に入れられる（図５）。複数の伝導性装入物１００が、各受け入れ領域に入れられる。伝導性装入物１００は、モールド成形用の複合材を画定しており、例えば、球又は円盤の形状をしている。伝導性装入物１００は、好適な両極プレート特性を有する適した材料であればどの様な材料を備えていてもよい。一つの適した材料に、Bulk Molding Compounds, Incにより製造されているＢＭＣ９４０がある。装入物１００が、各受け入れ領域８２に入れられると、伝導性装入物１００に圧縮力が掛けられる。その結果、各伝導性装入物１００は、ハウジング６６に画定されている受け入れ領域８２の各内径１０４に向けて押し込まれる。同時に、付帯するランド部とチャネル部を有する望ましい流れ場４８と５０（図１）が、新たに形成されたプレートの両側の面に画定される。流れ場のパターンは、成形型９０の金型部分１１０と１１２によって画定される。また、圧縮成形型９０は、各プレート４４上の流れ場４８と５０の該当する入口と出口を該当する搬送路Ｉ_１―Ｉ_６及びＥ_１―Ｅ_６と整列させるように構成されている。図示のプレートは、カソードプレート４４であるが、アノードプレート４０をこの段階で代わりに形成してもよいものと理解されたい。圧縮成形工程は、ハウジング６６とカソードプレート４４の間の境界面に（受け入れ領域の内径部１０４に）（図５）一体の化学的シールを作り出す。

次に図６は、図５のモールド成形工程後のカソードプレート４４を示している。この時点で、熱により活性化する伝導性の接着剤１２０が、各カソードプレート４４の上側面に塗布される。次に、相補的な複数のアノードプレート４０が、カソードプレート４４上に載せられる。アノードプレート４６は、予備の段階として、相補的な圧縮成形型で独立した部品として形成される。次に、アッセンブリは、アノードプレート４０をカソードプレート４４に押し当てて保持するのに適したプレス機１３０の中に、アッセンブリをアノードプレート４０とカソードプレート４４の間の（接着剤１２０により促進される）接着結合を活性化させるのに必要なレベルの温度に曝しながら、入れられる。冷却剤の流れ場５０は、カソードプレート４４の上側面とアノードプレート４０の下側面の上の流路を合わせて画定されることを指摘しておく。つまり、この段階でアノードプレート４０をカソードプレート４４の上に重ねる際には、正しい整列が維持されねばならない。具体的に示していないが、アノードプレート４０には、内径１０４上に画定された溝の中に入れるために、外周から伸張するキーを設けておくことも考えられる。代わりに、先に説明したように、アノードプレート４０（及びカソードプレート４４）は、正しい整列を促すため、矩形の様な他の幾何学形状に形成されていてもよい。一般に、接着接合は、相対するアノードプレート４０とカソードプレート４４の間のランド部対ランド部の接触を助長し、通電し易くする。これで、両極プレートアッセンブリ２０の組み立てが完了する。

一連の両極プレートアッセンブリ２０は、上記方法に従って製作されるのが望ましい。次に、燃料電池スタック１０は、各ＭＥＡ１４と１６及び拡散媒体２６、２８、３０、３２を、図１Ａに示すように、隣接する両極プレートアッセンブリ２０の間に組み込むことにより完成する。

当業者には、これまでの説明から、本発明の広範な教示は様々な形態で実施できることが理解頂けるであろう。例えば、必要なガスケットとシール類は、ここでは非伝導性のハウジングと同時に成形されるように説明してきたが、ガスケットとシール類は、追加的なモールド成形工程で組み込んでもよい。また、吸気ヘッダ７４と排気ヘッダ７８の上に画定される搬送路は、各アノード、カソード、及びハウジング６６を通って画定されている冷却剤通路を含めて、一例として示したものであり、モールド成形工程を介するなどして他の配置を採用してもよい。従って、本発明は、その特定の実施例に関連付けて説明してきたが、当業者には、図面、明細書、及び特許請求の範囲を研究すれば、この他の変更が自明になるであろうことから、本発明の真の範囲は上記に限定されるものではない。

本発明の教示による燃料電池スタックの部分断面図である。 図１の燃料電池スタックの部分分解図である。 本発明の教示による両極プレートアッセンブリの平面図である。 図３の両極プレートアッセンブリを構築するのに採用されている非伝導性のハウジングの斜視図である。 図４の非伝導性のハウジング内に第１の複数の伝導性プレートを形成するのに使用される成形加工工程の斜視図である。 第２の複数の伝導性プレートが、第１の複数の伝導性プレートに取り付けられる様子を示す斜視図である。

Claims (20)

1. 両極プレートを製作する方法において、
   複数の受け入れ領域を画定する非伝導性のハウジングをモールド成形する工程と、
   第１の複数の伝導性装入物を、前記複数の受け入れ領域のそれぞれに配置する工程と、
   前記第１の複数の伝導性装入物のそれぞれに圧縮力を掛けて、外縁部が前記非伝導性のハウジングに結合された第１の複数の伝導性プレートを画定する工程と、
   第２の複数の伝導性プレートを前記第１の一連の伝導性プレート上に載せる工程と、
   前記第１と第２の複数の伝導性プレートを一体に結合させて、両者の間に冷却剤の流れ場を画定する工程と、から成る方法。
2. 第２の複数の伝導性装入物に圧縮力を掛けて、前記第２の複数の伝導性プレートを画定する工程を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の複数の伝導性装入物のそれぞれに圧縮力を掛ける工程は、第１の複数の伝導性プレートそれぞれの上に、第１の反応物質の流れ場を画定する工程を含んでいる、請求項１に記載の方法。
4. 前記第２の複数の伝導性装入物に圧縮力を掛ける工程は、第２の複数の伝導性プレートそれぞれの上に、第２の反応物質の流れ場を画定する工程を含んでいる、請求項２に記載の方法。
5. 前記第１と第２の複数の伝導性プレートを一体に結合させる工程は、
   前記第１と第２の複数の伝導性プレートの間に画定された接触面に接着剤を塗布する工程と、
   前記第１と第２の複数の伝導性プレートに圧縮力を掛けて、前記接着剤を熱的に活性化させ、前記接触面に結合を形成する工程を含んでいる、請求項１に記載の方法。
6. 前記第１と第２の複数の伝導性プレートを一体に結合させる工程は、前記第２の複数の伝導性プレートの外縁部を前記非伝導性のハウジングに接着結合させる工程を更に含んでいる、請求項５に記載の方法。
7. 前記第２の複数の伝導性プレートを前記非伝導性のハウジングに接着結合させる工程は、前記複数の伝導性プレートと前記非伝導性のハウジングの間に、冷却剤を前記冷却剤流れ場に提供する溝を画定する工程を含んでいる、請求項６に記載の方法。
8. 非伝導性のハウジングをモールド成形する工程は、第１反応物質、第２反応物質、及び冷却剤それぞれのための少なくとも１つの入口と出口通路を画定する工程を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
9. 前記第１と第２の複数の伝導性装入物は、グラファイト複合材材料を備えている、請求項２に記載の方法。
10. 両極プレートを製作する方法において、
    第１の複数の伝導性装入物を、非伝導性のハウジングの対応する複数の受け入れ領域に配置する工程と、
    前記第１の複数の伝導性装入物のそれぞれに圧縮力を掛けて、外縁部が前記非伝導性のハウジングに結合された第１の複数の伝導性プレートを画定する工程と、
    第２の複数の伝導性プレートを前記第１の一連の伝導性プレートの上に取り付ける工程と、から成る方法。
11. 前記第１の複数の伝導性装入物のそれぞれに圧縮力を掛ける工程は、前記第１の複数の伝導性プレートそれぞれの上に、第１の反応物質の流れ場を画定する工程を含んでいる、請求項１０に記載の方法。
12. 第２の複数の伝導性装入物に圧縮力を掛けて、前記第２の複数の伝導性プレートそれぞれの上に、第２の反応物質の流れ場を画定する工程を更に含んでいる、請求項１０に記載の方法。
13. 前記第１と第２の複数の伝導性プレートを一体に取り付ける工程は、
    前記第１と第２の複数の伝導性プレートの間に画定された接触面に接着剤を塗布する工程と、
    前記第１と第２の複数の伝導性プレートに圧縮力を掛けて、前記接着剤を熱的に活性化させ、前記接触面に結合を作り出す工程と、を含んでいる、請求項１０に記載の方法。
14. 第１反応物質、第２反応物質、及び冷却剤それぞれのための少なくとも１つの入口と出口通路を画定する非伝導性のハウジングをモールド成形する工程を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
15. 前記第１と第２の複数の伝導性装入物は、グラファイト複合材材料を備えている、請求項１２に記載の方法。
16. 両極プレートを製作する方法において、
    モールド成形用複合材を、非伝導性のフレームの少なくとも２つの受け入れ領域の中に配置する工程と、
    前記モールド成形用複合材に圧縮力を掛けて、外縁部が前記非伝導性のフレームに結合された少なくとも２つの伝導性プレートを画定する工程と、
    相補的な伝導性プレートを、前記少なくとも２つの伝導性プレート上に取り付ける工程と、から成る方法。
17. 前記モールド成形用の複合材に圧縮力を掛ける工程は、前記少なくとも２つの伝導性プレート上に、第１の反応物質の流れ場を画定する工程を含んでいる、請求項１６に記載の方法。
18. 前記相補的な伝導性プレートを取り付ける工程は、
    前記少なくとも２つの伝導性プレートと前記相補的な伝導性プレートの間に画定された接触面に接着剤を塗布する工程と、
    前記少なくとも２つの伝導性プレートと前記相補的な伝導性プレートに圧縮力を掛けて、前記接着剤を熱的に活性化させ、前記接触面に結合を作り出す工程と、を含んでいる、請求項１６に記載の方法。
19. 前記少なくとも２つの受け入れ領域と、第１反応物質、第２反応物質、及び冷却剤それぞれのための少なくとも１つの入口と出口通路と、を画定している非伝導性のハウジングを成形する工程を更に含んでいる、請求項１６に記載の方法。
20. 前記少なくとも２つの伝導性プレートと前記相補的な伝導性プレートは、グラファイト複合材材料を備えている、請求項１６に記載の方法。

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