JP2011508383A - 燃料電池スタック用の圧縮装置 - Google Patents

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Abstract

第1端板と、第2端板と、第1端板と第2端板の間に介在する複数の燃料電池と、ばねバー(440)と、内径と外径を有し第1端板とばねバー(440)の間に介在する皿ばね(450)であって、ばねバー(440)が皿ばね(450)をその内径で荷重する皿ばね(450)と、第1端板および第2端板に向けて、第1端板、第2端板、複数の燃料電池およびばねバー(440)を取り囲み、これにより複数の燃料電池に対して圧縮力を加える圧縮バンドとを備える燃料電池組立体。

Description

本開示は、燃料電池スタック組立体に関し、圧縮され組み立てられた状態で燃料電池スタックを固定する機構が、皿ばねをその内径で荷重するばねバーと、燃料電池スタック組立体を取り囲む圧縮バンドとを含む燃料電池スタック組立体に関する。
燃料電池は、燃料と酸化剤を電気と反応生成物に変換する。固体高分子電解質型燃料電池は一般に、2つの電極の間に配置され多孔性の導電性シート材料を含む高分子電解質膜(「PEM」)(またはイオン交換膜)と、所望の電解反応を引き起こすために膜/電極層の境界面にそれぞれ配置される電気触媒とで構成される膜電極接合体(MEA)を利用する。
典型な燃料電池では、MEAは、2つの導電セパレータの間または流体流れフィールド板の間に配置される。流体流れフィールド板には、各電極、すなわち燃料側のアノードと、酸化剤側のカソードに燃料と酸化剤を誘導するために少なくとも1つの流路が形成される。単セル構成では、流体流れフィールド板はアノード側とカソード側にそれぞれ設けられる。板はまた、集電板として作用しかつ電極を機械的に支持する。
組立体の総電圧を上げるために、2つ以上の燃料電池を直列に一緒に接続して燃料電池スタックを形成することができる。燃料電池スタックでは、所与の板の片側は1つのセルのアノード板として機能し、板のもう片方の側は隣接するセルのカソード板として機能することができる。
燃料電池スタックは典型的には、アノードとカソードの流れフィールド通路に燃料および酸化剤をそれぞれ誘導するためのマニフォルドと吸入口をさらに含む。また燃料電池スタックは通常、燃料電池内の発熱反応によって生成された熱を吸収するために、典型的には水である冷却液を燃料電池スタックの中にある内部通路に誘導するためのマニフォルドと吸入口を含む。また燃料電池スタックは一般に、反応後の燃料および酸化剤ガスを吐き出すための排気マニフォルドと排出口、ならびに燃料電池スタックから冷却液流が出ていくための排出マニフォルドと排出口を含む。
例えば、米国特許第3,134,697号、米国特許第3,297,490号、米国特許第4,057,479号、米国特許第4,214,969号および米国特許第4,478,917号に記載され示されるものなどの従来の燃料電池スタック組立体の設計では、従来の燃料電池組立体をそれぞれ構成する板は、タイロッドによって組み立てられた状態で圧縮され維持される。タイロッドは、スタックの端板の周縁部に形成された穴を貫通して延在し、タイロッドをスタック組立体に対して取り付け、かつ燃料電池スタック組立体の端板を互いに向けて圧縮するナットまたは他の締付け手段がこれに結合される。典型的にはタイロッドは外付けであり、すなわちそれらタイロッドは燃料電池セパレータまたは流れフィールド板を貫通しては延在しない。従来の設計でタイロッドを周縁部に配置して使用する1つの理由としては、中心部、すなわち燃料電池の電気化学的に活性な部分に開口が形成されることを避けるためである。
しかしながら従来の燃料電池の設計における周縁部でのタイロッドの配置には固有の欠点がある。圧縮力を板の領域全体にわたって均一に伝達するには、端板が十分な厚さであることが要求される。また端板の厚さが不十分な場合、タイロッドを周縁部に配置することによって端板が時間が経つにつれてたわむ可能性がある。圧縮力が不十分であると、内側の板の中心領域のマニフォルドおよび流れフィールドに結合されたシールが損なわれる恐れがあり、さらにスタックを構成する燃料電池間を直列に電気接続するのに必要とされる板およびMEAの表面全域にわたる電気的な接触が損なわれる恐れもある。しかしながら端板が十分な厚さであるということは、燃料電池スタックの総重量および容積に有意に影響するが、これは燃料電池が原動力として利用される際に特に望ましくない。また外付けのタイロッドが使用される際、各端板の面積は、積み重ねられた燃料電池組立体より大きくなければならない。端板が燃料電池組立体を超えて突出する量はタイロッドの厚さに左右され、かつワッシャ、ナットおよびタイロッドの端部に通される任意のばねなどは端板の縁部上に突き出してはいけないため、これらの構成要素の直径にもさらに大きく左右される。したがって外付けタイロッドの使用は、スタック容積を有意に増大させる可能性がある。
米国特許第5,484,666号に、燃料電池板にある端板貫通開口同士の間に延在する内部タイロッドと、膜電極接合体とを組み込むコンパクトな燃料電池スタックの設計が開示されているが、このような設計では、MEA内で必要とされるシールの数が多くなり、構造が複雑になり、製造コストが増大し、故障が生じ得る機械部分が増えることになる。
端板の厚さと重量を縮小させ、かつ圧縮力をより均一に分配しようとする中で、1つまたは複数の剛性の圧縮バーが対向する端板において対応するバーに接続され(典型的には外付けタイロッドおよび締め具によって)、各端板の端から端まで延在する多様な設計が採用されてきた。このような設計は、米国特許第5,486,430号に記載され示される。
上記に記載される燃料電池スタック圧縮機構は典型的には、燃料電池スタックを圧縮する目的で2つの端板を互いに向けて押しやるために、ばね、油圧式または空気式ピストン、圧力パッドまたはタイロッドと協働する他の弾性圧縮手段(これらは一般にかなり剛性である)および端板を利用する。これらの圧縮機構は、燃料電池スタックの重量および/または容積を増加させ構造を複雑にする点で望ましくない。
タイロッドは典型的には、スタックの重量を有意に増加させる上、スタックの容積を拡大せずに収容するのは困難である。連結される締め具は、燃料電池スタックを組み立てるのに必要とされるそれぞれ異なる部品の数を増やす。
米国特許第5,993,987号は、端板組立体の周りにぴったりと延在し燃料電池スタックを組み立てられた状態で保持し固定する圧縮バンドを備えた端板組立体を含む燃料電池スタックを開示する。端板組立体はさらに、その間に介在する皿ばねのスタックを備えた層状になった一組の板を備える。端板組立体は好ましくは、バンドに対する応力を緩和させる目的で角が丸められた縁部を有する。
皿ばねは従来より、荷重を受けるとその内径全体が接触する。例えば全米皿ばねカタログおよびニュージャージー州、ヒルサイド、ヒルサイドアベニュー385のRolex社の国際皿ばね事業部は、このような皿ばねが、荷重を課す面を皿ばねの外径に接触させるべきであるとことを教示している。しかしながら外径を使う皿ばねの荷重は、外径を荷重するのにより多くの材料を必要とし、結果として重量および容積が増大し、材料のコストが上がり、特に自動車に適用される際、出力密度および効率が低下することになる。
米国特許第3,134,697号 米国特許第3,297,490号 米国特許第4,057,479号 米国特許第4,214,969号 米国特許第4,478,917号 米国特許第5,484,666号 米国特許第5,486,430号 米国特許第5,993,987号
重量および容積が縮小され、結果として出力密度および効率が向上し、コストが削減される燃料電池スタックを有することが望ましい。本開示は、これらのおよび関連する利益に向けられている。
一実施形態は、第1端板と、第2端板と、第1端板と第2端板の間に介在する複数の燃料電池と、ばねバーと、内径および外径を有し第1端板とばねバーの間に介在する皿ばねであって、ばねバーが皿ばねをその内径で荷重する皿ばねと、第1端板、第2端板、複数の燃料電池およびばねバーを取り囲み、ばねバーを第1端板および第2端板に向かって押しやり、これにより複数の燃料電池に対して圧縮力を加える圧縮バンドとを備える燃料電池スタック組立体として要約することができる。
別の実施形態は、第1端板と、第2端板と、第1端板と第2端板の間に介在する複数の燃料電池と、第1ばねバーと、第2ばねバーと、内径および外径を有し第1端板と第1ばねバーの間に介在する第1皿ばねであって、第1ばねバーがその内径で第1皿ばねを荷重する第1皿ばねと、内径および外径を有し第2端板と第2ばねバーの間に介在する第2皿ばねであって、第2ばねバーがその内径で第2皿ばねを荷重する第2皿ばねと、第1ばねバー、第2ばねバー、複数の燃料電池、第1端板および第2端板を取り囲み、第1ばねバーを第2ばねバーに向かって押しやり、これにより複数の燃料電池に対して圧縮力を加える圧縮バンドとを備える燃料電池スタック組立体として要約することができる。
さらに別の実施形態は、第1端板と、第2端板と、第1端板と第2端板の間に介在する複数の燃料電池と、ばねバーと、内径および外径を有し第1端板とばねバーの間に介在する皿ばねであって、ばねバーが皿ばねをその内径で荷重する皿ばねと、ばねバーを第1端板および第2端板に向かって押しやり、これにより複数の燃料電池に対して圧縮力を加える圧縮手段とを備える燃料電池スタック組立体として要約することができる。
ばねバーの幅は、皿ばねの外径より小さくてよく、アルミニウム、鋼、プラスチックおよび複合繊維を使用する材料など弾性の材料で構成されてよい。ばねバーは、皿ばねにその内径を使って係合するように適合されてよく、かつ圧縮バンドを受けるように適合されてよい。
端板は、皿ばねを受けるように適合されてよい。
従来技術の燃料電池スタックの一部の分解組立斜視図である。 従来技術の燃料電池スタックの斜視図である。 従来技術の端板の側部断面図である。 一実施形態による燃料電池スタックの斜視図である。 別の実施形態による燃料電池スタックの側部断面図である。 一実施形態による燃料電池スタックの部分斜視図である。 一実施形態による燃料電池スタックの斜視図である。 別の実施形態による燃料電池スタックの側部断面図である。 別の実施形態によるばねバーの側部断面図である。 一実施形態によるばねバーの底面図である。 一実施形態によるばねバーの斜視図である。
図1は、一組の端板15、20と、その間に介在する複数の燃料電池25とを含む従来技術の燃料電池スタック組立体10を示す。タイロッド30が端板15と20の間に延在し、締付けナット32によって燃料電池スタック組立体10を組み立てられた状態で保持し固定する。締付けナット32と端板20の間に介在するタイロッド30上のばね34が、燃料電池25のスタックに対して長手方向に弾性の圧縮力を加える。反応物質および冷却剤の液流が、端板15にある吸入口および排出口(図示せず)を介して燃料電池スタック組立体10の中の内部マニフォルドおよび通路に供給され、かつそこから排出される。燃料電池25はそれぞれ、アノード流れフィールド板35と、カソード流れフィールド板40と、MEA45とを含む。端板35は、そのMEA45に面する主要な面に形成される複数の流体流路35aを有する。
図2は、端板115および120と、端板115と120の間に介在する複数の燃料電池125とを含む従来技術の燃料電池スタック組立体110を示す。圧縮バンド130が、端板組立体115、120および燃料電池125の周りにぴったりと延在し、燃料電池スタック組立体110を組み立てられた状態で保持し固定する。端板組立体115、120は好ましくは、圧縮バンド130に対する応力を緩和させるために角が丸められた縁部115a、120aを有する。
図3は、従来技術の端板組立体215を示す燃料電池スタック組立体210の一部の側部断面図である。端板組立体215は、皿ばね250のスタックが間に介在する一組の板215a、215bを備える。圧縮バンド230および燃料電池225が示されている。この従来技術では、端板組立体215、すなわち端板215aおよび215bは、皿ばね250にその外径を使って係合する。
図4Aは、端板414と419の間に配置された複数の燃料電池425を有する図示の一実施形態による燃料電池スタック組立体410aを示す。ばねバー440および皿ばね450が、圧縮バンド430と端板414の間に介在する。圧縮バンド430は、ばねバー440と燃料電池425の周りにぴったりと延在し、燃料電池スタック組立体410aを組み立てられた状態で保持し固定する。
当業者は、1つの皿ばねを使用するか、あるいは複数の皿ばねを使用するかを選択することができる。1つの皿ばね450が使用される場合、皿ばねは、ばねバー440が皿ばね450をその内径で荷重し、その外径が端板414に接触するように配置される。所望のばね定数またはばねたわみの組み合わせを実現するために複数の皿ばねを使用することができる。複数の皿ばねがばねスタックの形態で使用される場合、皿ばねは、ばねスタックの中の最も外側の皿ばねがその内径を使ってばねバー440により荷重されるように配置されてよい。ばねスタック内の最も内側の皿ばねは、端板414に荷重が集中するのを緩和させるために、その外径を使って端板414に接触することができる。すなわちこのような構成により、圧縮による荷重の分散は端板414の全域にわたって拡げられる。例えば図4Bは、1つの皿ばね450aが一端で使用され、反対側の端部で3つの皿ばね450b−450dが使用される燃料電池スタック組立体410bの断面図を示す。
ばねバー440によって皿ばね450a、450bを皿ばね450の内径451a、451bで荷重することによって、ばねバー440は、皿ばね450a、450bの外径452a、452bに及ぶ程の幅を有する必要がなくなる。すなわちばねバー440は、皿ばね450a、450bの外径452a、452bより幅を狭くすることができる。幅が狭くなり、したがって材料が少なくてすむことによって、組立体に対してさらに付勢特性を与えるようにばねバー440を弾性式にたわみやすくさせ、個々の燃料電池425間の密閉および電気的接触を向上させることができる。さらに軽量かつコンパクトな構造により、燃料電池スタック組立体の総重量および容積が縮小され、効率、コストおよび出力密度が向上する。例えば図5は、端板414と、ばねバー440と、皿ばね450aと、圧縮バンド430とを示し、ばねバー440は、圧縮による荷重を受けてたわむ。
ばねバー440は、アルミニウム、鋼、プラスチックおよびKevlar(登録商標)などの複合繊維を使用する材料を含めた好適な材料で作製することができる。ばねバー440が、上記に記載したようにたわみに対して弾性があることが望まれる場合、同様にばねバー440をアルミニウム、鋼、プラスチックおよびKevlar(登録商標)などの複合繊維を使用する材料を含めた好適な材料で作製することができる。当業者は、ばねバー440に適した材料を選択することができる。ばねバー440は、例えば鋳込み成形、機械加工、および射出成形を含めた従来技術で知られた任意の好適な方法で作製することができる。
燃料電池スタック組立体は、燃料電池スタックを取り囲む1つまたは複数の圧縮バンドによって構成されてよい。いずれの場合でも、皿ばねおよび対応するばねバーを燃料電池スタック組立体の一端または両端で使用することができる。当業者は、特定の用途に適した数の圧縮バンド、皿ばね、およびばねバーを容易に選択することができる。例えば図6は、複数の圧縮バンド430a、430b、ばねバー440a、440b、および皿ばね450a、450eが使用される燃料電池スタック組立体410cの別の実施形態を示す。
図7は、皿ばね450とばねバー440が燃料電池スタック組立体410dの一端のみで使用される燃料電池スタック組立体410dの一実施形態を示す。
ばねバー440はさらに、皿ばね450にその内径で係合するように適合される。図8Aは、リップ442によって皿ばね(図示せず)に係合するように適合されたばねバー440cの一実施形態を示す。リップ442は、例えば図8Bに示されるように円形であってよく、または波状のもの、切れ込みが入れられたもの、起伏があるものでもよく、あるいは一定の立体角を定める扇型であってよい。ばねバー440はさらに、圧縮バンドを受けるように適合されてよい。図8Cは、くぼみ441を有するばねバー440dを示す。端板414も同様に、皿ばね450に係合するように適合されてよい。例えば図7は、端板414が、端板414のくぼんだ部分によって皿ばね450の外径452に係合するように適合された一実施形態を示す。このように係合したり受け入れたりするように適合させることによって、組み立てやすくなり、ばねバー440および端板414から皿ばね450への圧縮力の伝達および皿ばね450からの伝達を向上させることができる。
当業者は、燃料電池スタックを圧縮するのに好適な材料を容易に選択することができる。例えば圧縮手段は、所望の長さ(外周)に事前に溶接された圧延ステンレス鋼(例えば、グレード301、厚さ0.025インチ、幅2.5インチ、引っ張り強度26,000 psi)のひも材料から形成されたバンドであってよい。圧縮手段がスタックに好ましく適合される際、溶接された連結部は端板組立体の一方に配置される。圧縮手段が導電性材料または半導体材料で作製される場合、圧縮手段と燃料電池の縁部との間に帯状の電気絶縁材料(図示せず)を介在させることができる。
圧縮手段は、これに限定するものではないが以下に記載されるものを含めた様々な方法でスタックに適用することができる。好ましい適合方法を決める要因としては、圧縮手段の性質、スタックに組み込まれた任意の弾性部材の性質、ならびに端板およびばねバーの設計を含めたスタックの設計が挙げられる。例えば圧縮手段が連続する構造体として形成される場合(または圧縮手段をスタックの周りに適合させる前にその端部を連結することが好ましい場合)、スタックは固定装置の中でわずかに「過圧縮」されてよく、1つまたは複数の圧縮手段がスタックの周りで摺動しスタックは固定装置から解放される。圧縮手段に十分な伸縮性と弾性がある場合、圧縮手段をスタックの周囲に適合させる目的でそれを引き延ばすことができる。圧縮手段の端部は、それがスタックの周りに巻き付けられた後連結されてよく、その場合、確実に厳重に適合させるために、1つまたは複数のバンドが適合するまでスタックを固定装置内で再度過圧縮することが望ましい場合がある。圧縮手段の長さを調節できる場合、それを適合させその後しっかりと締めてもよい。
たとえ固定式のスタックの設計であってもスタックの構成要素の厚さにわずかな差があるため、スタックの長手方向の寸法は変わることがある。また使用中にもスタックの長手方向の寸法は変わりやすい。あるケースでは、例えば圧縮バンドの長さを容易に調節できない場合、例えば最初にスタックを組み立てる際および/または長期に使用した後などスタックの長さを拡げるためにスペーサ層を使用することが望ましい場合がある。この手法を使用することで、長さがわずかに異なる圧縮バンドを大量に準備し揃えておく必要がなくなり所望の圧縮力を確実にスタックに加えることが可能になる。
要約書に記載されるものを含めた示される実施形態に関する上記の記載は、包括的であること、または本実施形態を開示される厳密な形態に限定することは目的としていない。例示の目的で特定の実施形態および実施例が本明細書に記載されているが、関連分野の当業者に理解されるように、本開示の精神および範囲から逸脱することなく様々な等価な修正形態を作成することが可能である。
上記に記載される種々の実施形態は、さらなる実施形態を形成するために組み合わせることが可能である。それらが本明細書の固有の教示および定義と矛盾しない限り、本明細書で言及されたおよび/または2006年11月22日に出願された米国出願番号11/562,886号に限定するものではないがこれを含めた出願データシートに列記される上記の米国特許、米国特許出願公開、米国特許出願、外国特許、外国特許出願および非特許文献は全て、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
上記に詳細に記載された説明を鑑みて、本実施形態に対してこれらのおよび他の変更を行うことができる。一般に、以下のクレームで使用される用語は、クレームを明細書およびクレームに開示される特定の実施形態に限定するものと解釈すべきでなく、このようなクレームに権利を与える等価物の範囲全てと同様に全ての可能な実施形態を含むものと解釈すべきである。したがって、クレームは本開示によって限定されるものではない。
10、110、210、410a、410b、410c、410d 燃料電池スタック組立体
15、20、115、120、215a、214b、414、419 端板
25、125、225、425 燃料電池
30 タイロッド
32 締付けナット
34 ばね
35 アノード流れフィールド板
35a 流体流路
40 カソード流れフィールド板
45 MEA
115a、120a 縁部
130、230、430、430a、430b 圧縮バンド
215 端板組立体
250、450、450a、450b、450c、450d、450e 皿ばね
440、440a、440b、440c、440d ばねバー
441 くぼみ
451a、451b ばねの内径
452、452a、452b 皿ばねの外径
442 リップ

Claims (17)

  1. 第1端板と、
    第2端板と、
    前記第1端板と前記第2端板の間に介在する複数の燃料電池と、
    ばねバーと、
    内径および外径を有し前記第1端板と前記ばねバーの間に介在する皿ばねであって、前記ばねバーが皿ばねをその内径で荷重する皿ばねと、
    前記第1端板、前記第2端板、前記複数の燃料電池および前記ばねバーを取り囲み、前記ばねバーを前記第1端板および前記第2端板に向かって押しやり、これにより前記複数の燃料電池に対して圧縮力を加える圧縮バンドとを備える燃料電池スタック組立体。
  2. 前記ばねバーの幅が、前記皿ばねの外径より小さい、請求項1に記載の燃料電池スタック組立体。
  3. 前記ばねバーが弾性材料で構成される、請求項1に記載の燃料電池スタック組立体。
  4. 前記弾性材料が、アルミニウム、鋼、プラスチックおよび複合繊維を使用する材料のうちの少なくとも1つを含む、請求項3に記載の燃料電池スタック組立体。
  5. 前記弾性材料がアルミニウムである、請求項4に記載の燃料電池スタック組立体。
  6. 前記ばねバーが、前記皿ばねにその内径で物理的に係合するように適合される、請求項1に記載の燃料電池スタック組立体。
  7. 前記ばねバーが、圧縮バンドを受けるように適合される、請求項1に記載の燃料電池スタック組立体。
  8. 前記第1端板が、前記皿ばねを受けるように適合される、請求項1に記載の燃料電池スタック組立体。
  9. 第1端板と、
    第2端板と、
    前記第1端板と前記第2端板の間に介在する複数の燃料電池と、
    第1ばねバーと、
    第2ばねバーと、
    内径および外径を有し前記第1端板と前記第1ばねバーの間に介在する第1皿ばねであって、前記第1ばねバーがその内径で第1皿ばねを荷重する第1皿ばねと、
    内径および外径を有し前記第2端板と前記第2ばねバーの間に介在する第2皿ばねであって、前記第2ばねバーがその内径で前記第2皿ばねを荷重する第2皿ばねと、
    前記第1ばねバー、前記第2ばねバー、前記複数の燃料電池、前記第1端板および前記第2端板を取り囲み、前記第1ばねバーを前記第2ばねバーに向かって押しやり、これにより前記複数の燃料電池に対して圧縮力を加える圧縮バンドとを備える燃料電池スタック組立体。
  10. 前記第1皿ばねおよび前記第2皿ばねの少なくとも一方の幅が、前記第1皿ばねまたは前記第2皿ばねの対応する方の外径より小さい、請求項8に記載の燃料電池スタック組立体。
  11. 前記第1ばねバーおよび前記第2ばねバーの少なくとも一方が、弾性材料で構成される、請求項8に記載の燃料電池スタック組立体。
  12. 前記弾性材料が、アルミニウム、鋼、プラスチックおよび複合繊維を使用する材料のうちの少なくとも1つである、請求項11に記載の燃料電池スタック組立体。
  13. 前記弾性材料がアルミニウムである、請求項11に記載の燃料電池スタック組立体。
  14. 前記第1ばねバーおよび前記第2ばねバーの少なくとも一方が、前記第1皿ばねまたは前記第2皿ばねの対応する方とその内径で係合するように適合される、請求項9に記載の燃料電池スタック組立体。
  15. 前記第1端板および前記第2端板の少なくとも一方が、前記圧縮バンドを受けるように適合される、請求項9に記載の燃料電池スタック組立体。
  16. 前記第1端板および前記第2端板の少なくとも一方が、前記皿ばねのそれぞれ一方を受けるように適合される、請求項9に記載の燃料電池スタック組立体。
  17. 第1端板と、
    第2端板と、
    前記第1端板と前記第2端板の間に介在する複数の燃料電池と、
    ばねバーと、
    内径および外径を有し前記第1端板と前記ばねバーの間に介在する皿ばねであって、前記ばねバーが皿ばねをその内径で皿ばねを荷重する皿ばねと、
    前記ばねバーを前記第1端板および前記第2端板に向かって押しやり、これにより前記複数の燃料電池に対して圧縮力を加える圧縮手段とを備える燃料電池スタック組立体。
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