JP2012523656A - 燃料電池、燃料電池スタック及び燃料電池のシーリング方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、膜電極接合体（２）を備える燃料電池（１）に関する。この膜電極接合体（２）は、２つのバイポーラプレート（５、６）の間に配置されており、シールエレメント（３）に接続されている。シールエレメント（３）とバイポーラプレート（５、６）とは、接触領域（１０）を形成しながら互いに接触している。この接触領域（１０）には滑り面（１１）が設けられており、２つのバイポーラプレート（５、６）が圧縮されると、この滑り面（１１）によって２つのバイポーラプレート（５、６）の間に配置されている膜電極接合体にせん断応力（１５）がかかり得る。さらに、本発明は、この種の燃料電池（１）を備える燃料電池スタックと、燃料電池（１）のシーリング方法とに関する。

Description

本発明は、膜電極接合体を備える燃料電池に関し、この膜電極接合体は、膜電極接合体のアノードに燃料を加えるための第１の分配エレメントと、膜電極接合体のカソードに酸化剤を加えるための第２の分配エレメントとの間に配置されている。この燃料電池には、膜電極接合体に接続されているシールエレメントが含まれている。この場合、シールエレメントと分配エレメントの少なくとも１つとが、少なくとも部分的に接触しており、これによって接触領域が形成されている。さらに、本発明は、この種の燃料電池を複数備える燃料電池スタックと燃料電池のシーリング方法とに関する。

特許文献１は、シールが組み込まれている膜電極接合体を説明している。膜電極接合体の周囲に配置されているシールエレメントは、シール材料がカソード又はアノードの電極を突き抜けるように、シールと膜電極接合体との間の接続部分に形成されている。すなわち、多孔質の電極が、接続部分でシールエレメントの材料によって満たされている。この接続部分では、シール材料がクッションを形成しており、そのクッションの厚さは、平坦な膜電極接合体の厚さよりも大きい。さらに、シール材料は、このクッションよりもさらに外側周辺に配置されている第２のシーリングビードを形成しており、このシーリングビードの厚さはクッションの厚さよりも大きい。シールを組み込んだ膜電極接合体が、２つの双電極性プレートの間に配置される場合、このシーリングビードは、バイポーラプレートの溝に収納される。これらの溝は、シーリングビードの他にクッションも収容する幅を有している。バイポーラプレートが圧迫されると、周囲を取り囲んでいるシーリングビードが変形する。シーリングビードは、バイポーラプレートが圧迫されるとかなり強く圧縮され、その際に変形することがあるが、シールエレメントの圧迫がクッション部分においてせん断応力を引き起こすことはない。従って、シールエレメントの圧迫により、接続部分において膜電極接合体からシールが剥離することはない。このクッションには傾斜が設けられており、この傾斜は、バイポーラプレートが圧迫される前に、溝に形成されている傾斜と接触し、膜電極接合体に関して、双電極プレートを特定の位置に合わせ、センタリングする。

欧州特許出願公開第１６１４１８１Ｂ１明細書

本発明の課題は、冒頭に述べた種類の改良された燃料電池と、改良された燃料電池スタックと、改良された燃料電池のシーリング方法とを提供することである。

この課題は、本発明に基づき、請求項１の特徴を備える燃料電池によって解決される。さらに、この課題は、請求項１３の特徴を有する燃料電池スタック及び請求項１４の特徴を有する方法によって解決される。本発明の適切な発展形態を備える有利な実施形態は、それぞれ従属請求項に示されている。

本発明に基づく燃料電池には、２つの分配エレメントの間に配置されている膜電極接合体が含まれている。２つのうちの第１の分配エレメントは、膜電極接合体のアノードに燃料を加えるために用いられる。第２の分配エレメントは、膜電極接合体のカソードに酸化剤を加えるために用いられる。シールエレメントは、膜電極接合体に接続されている。この場合、シールエレメントと分配エレメントの少なくとも１つとが、少なくとも部分的に接触しており、これにより接触領域が形成されている。この接触領域には滑り面が設けられており、２つの分配エレメントが圧迫されると、この滑り面によって２つの分配エレメントの間に配置されている膜電極接合体にせん断応力がかかり得る。

２つの分配エレメントが相互方向に圧迫され、圧力が平坦な膜電極接合体（ＭＥＡ）に垂直に作用すると、膜電極接合体に加えられるせん断応力は、膜電極接合体に対して接線方向に作用する。これにより、分配エレメントが圧迫されると、これらの間に配置されている膜電極接合体はせん断応力の方向に応力を付与されることができる。燃料電池が圧迫されていない状態において、すなわち、２つの分配エレメントが圧迫される前に、膜電極接合体とこれに接続されているシールエレメントとが占めていた面積は、２つの分配エレメントが押し付けられている圧迫状態の面積よりも小さい。従って、２つの分配エレメントが圧迫される場合に、滑り面に沿って滑りが生じることにより、膜電極接合体は特定の応力状態に移行可能となる。

これにより、膜電極接合体とそれぞれの分配エレメントとの間、及び両方の分配エレメントとの間に、特定のシーリングを実現することができる。従って、とりわけ確実に、特に燃料電池の長い作動期間にわたって漏れを大幅に回避することができる。この方法で分配エレメントの間に配置されたシールエレメントは、さらに、分配エレメントをお互いから絶縁するためにもとりわけ良好に働く。

この種の燃料電池により、低コストの、特に工程信頼性があり、再現可能な組立てが可能となる。さらに、この燃料電池は、とりわけ長い寿命を有している。

本発明の有利な実施形態では、滑り面が傾斜としてシールエレメントに設けられている。この場合、２つの分配エレメントが圧迫されると、分配エレメントの少なくとも一方がこの傾斜に沿って滑り、それによって膜電極接合体にせん断応力がかかる。

しかし、代替の方法として、補足的にもう１つの滑り面が、傾斜として、２つの分配エレメントの少なくとも一方に用意されているのが好ましい。特に、２つの分配エレメントが傾斜を有しており、これらの傾斜がシールエレメントに取り付けられているそれぞれの傾斜と相互に対応している場合は有利である。２つの分配エレメントが圧迫されると、これらの傾斜は相互に滑り、それによって膜電極接合体の応力が生じる。シールエレメントにも、２つの分配エレメントにも傾斜を設けることにより、相互の傾斜で、とりわけ摩擦の少ない滑りが簡単になる。

ここでは、せん断応力方向のシールエレメントの傾斜の長さが、分配エレメントの傾斜の長さと同じである場合、特に有利である。これにより、傾斜の滑り摩擦を大幅に軽減することのできる比較的大きな滑り面が設けられる。

せん断応力の方向へ、少なくとも１つの滑り面の少なくとも１つの端部に接触面が隣接している場合はさらに有利である。この接触面は平坦であるのが好ましい。さらに、滑り面の両方の端部に平坦な接触面が隣接することも可能である。このような接触面は、燃料電池が圧迫されている状態において、シールエレメントと分配エレメントの少なくとも一方との間にもう１つの接触領域を提供することにより、シールエレメントによって、せん断応力の方向に特に幅広いシーリングスペースが提供される。

接触面が平坦に形成されている場合、分配エレメントが圧迫されると、２つの分配エレメントの間に配置されている膜電極接合体によって、接触面の部分で特に高いシーリング力を達成することができる。特に、分配エレメントが圧迫される場合、シールエレメントと分配エレメントとの間で一定の、及び一定して高い接触圧を達成することができる。

少なくとも１つの滑り面が膜電極接合体の周りに形成されている場合、膜電極接合体にせん断応力がかかると、膜電極接合体の周辺に特定の応力が生じる。好ましくは、膜電極接合体に接続されているシールエレメントが、分配エレメントの圧迫の際、周辺で均間隔に拡大する。

本発明のもう１つの有利な実施形態では、このシールエレメントによって、特に曲げ剛性のあるフレームが膜電極接合体に提供されている。膜電極接合体と接続されているシールエレメントを備える膜電極接合体は、特に取扱いに優れている。

特にエラストマを含むシールエレメントが膜電極接合体と溶接されている場合はさらに有利である。ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）を含む膜電極接合体とシールエレメントとがプラスチック溶接法によって接続されている場合、膜電極接合体とシールエレメントとの接続は、分配エレメント圧迫時のせん断応力に抵抗力のある、とりわけ確実な接続になる。この弾性のあるシールエレメントは、熱可塑性エラストマとして形成することができる、及び／又はラバー及び／又はシリコン素材を有することができる。

分配エレメントとシールエレメントを備える膜電極接合体とを配置する燃料電池の組立ては、それぞれの分配エレメントが膜電極接合体に対して平行なシンメトリ面を有している場合に特に簡単に実施することができる。それにより、組立ての際に、分配エレメントの任意の面を膜電極接合体に向けることができる。簡単で、かつ安定して作動するような燃料電池の組立てにさらに有利となるのは、２つの分配エレメントの形状と寸法とが互いに同一である場合である。

本発明のもう１つの有利な実施形態では、分配エレメントの少なくとも一方が、シールエレメントに隣接する少なくとも１つの周辺部分において、膜電極接合体と共同で反応剤の分配スペースを提供している。分配エレメントの間に配置されている膜電極接合体とともに分配エレメントが圧迫されている状態では、有利な場合、膜電極接合体と分配エレメントとの間に、一定した特定の高さを備える中間スペースが提供される。特定の高さを備え、酸化剤又は燃料が通過できるこのような中間スペースが設けられていることにより、燃料電池を通過する反応剤の流れがとりわけ良くなり、特に優れた再現可能性が保証される。これにより、とりわけ電気化学的反応を極めて良好に制御することが可能となる。特に、その安定性は非常に長い期間にわたり保証され得る。

好ましいのは、分配エレメントの一方が、膜電極接合体を向いている少なくとも一方の面に、特に互いに平行な複数の突起部を有していることである。分配エレメントの間に配置されている膜電極接合体とともに分配エレメントが圧迫されている状態では、膜電極接合体とこれらの突起部とが接触するため、分配エレメントと膜電極接合体との間でとりわけ良好に一定した接触圧を達成することができる。

最後に、分配エレメントが導電性である場合は有利である。これにより、分配エレメントは、アノード又はカソードに反応剤を分配するだけではなく、特に、導電性の分配エレメントによって、相互に連結されている複数の燃料電池を接続するためにも用いられる。

本発明の利点は、特に、本発明に基づく燃料電池を複数含む燃料電池スタックにおいて示されている。すなわち、例えば２００〜３００個の比較的数の多い燃料電池によって燃料電池スタックが形成されている場合、それぞれの膜電極接合体の特定の応力は、接触領域に設けられている滑り面によって特に有意に用いることができる。個々の膜電極接合体にせん断応力を加えることにより、燃料電池スタックの高い密閉性と一定した接触圧とが達成可能である。それにより、特定不能な流れ固有のダクト断面積縮小、及び特定不能な燃料電池スタックの長さの膨張を回避することもできる。

個々の燃料電池から燃料電池スタックが組み立てられている場合、それぞれ１つの分配エレメントは、燃料電池スタックの範囲内において、分配エレメントの上面に配置されている膜電極接合体と、同じ分配エレメントの下面に配置されている膜電極接合体とに接触している。言い換えれば、１つの同じ分配エレメントが、隣接する燃料電池のそれぞれ２つの膜電極接合体をお互いから区切っている。スタックの最下部と最上部に配置されている膜電極接合体だけは、分配エレメントがスタックの外面で終了部を形成している。

本発明のもう１つの視点に基づき、燃料電池の改良されたシーリング方法が提供されており、この方法では、膜電極接合体がシールエレメントと接続されており、この膜電極接合体は、膜電極接合体のアノードに燃料を加えるための第１の分配エレメントと膜電極接合体のカソードに酸化剤を加えるための第２の分配エレメントとの間に、接触領域を形成しながら配置されている。２つの分配エレメントが圧迫されると、２つの分配エレメントの少なくとも一方とシールエレメントとが互いに滑り、分配エレメントの間に配置されている膜電極接合体にせん断応力が加えられる。これにより、膜電極接合体にはせん断応力の方向に、すなわち２つの分配エレメントが圧迫される際に作用する力に対して垂直方向に応力がかけられる。

本発明に基づく燃料電池に関して説明されている好ましい実施形態及び利点は、本発明に基づく燃料電池スタック及び本発明に基づく方法にも該当する。

ここまでの説明で述べた特徴及び特徴の組合せ、並びに以下の図の説明で述べられている、及び／又は図の中にのみ示されている特徴及び特徴の組合せは、それぞれに示された特徴の組合せだけではなく、本発明の範囲から出ることなく、その他の組合せ又は単独でも適用可能である。

本発明のさらなる利点、特徴及び詳細は、請求項及び以下の好ましい実施形態の説明、並びに図に示されている。

膜電極接合体が、この膜電極接合体の拡張面内において、２つのバイポーラプレートの間で応力をかけられた状態で保たれている燃料電池の部分的な斜視断面図である。 バイポーラプレートに配置されているシールを備える、図１に基づく燃料電池のバイポーラプレートの一部である。 図１に基づく燃料電池の周辺部分を拡大した斜視断面図である。

図１は、燃料電池スタックの燃料電池１の斜視断面図を示している。この燃料電池１は、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）によってカソードとアノードとに分けられている膜電極接合体２を含んでいる。平坦な、すなわちＸ−Ｙ面の方向に平面的に広がっている膜電極接合体２は、特に、シールフレーム３と溶接によって接続されている。この場合、膜電極接合体２は、シールフレーム３に形成されている溝４の中に挿入されている（図２を参照）。

シールフレーム３はエラストマからなり、図１に基づいて、第１のバイポーラプレート５と第２のバイポーラプレート６とに接触している。バイポーラプレート５、６は、膜電極接合体２のアノードに燃料を加えるための分配エレメントとして、及び膜電極接合体２のカソードに酸化剤を加えるための分配エレメントとして用いられる。この場合、バイポーラプレート５、６は、燃料電池１に送られる反応剤をそれぞれの電極に均等に、及び、継続的な電気化学的反応を有利に分配するために働く。

それぞれのバイポーラプレート５、６から、Ｘ−Ｙ軸に対して垂直であるＺ軸方向に、突起部７が突き出しており、互いに平行な突起部７の間には反応剤用ダクトが形成されている。突起部７は、Ｚ軸方向にも、Ｚ軸方向とは逆方向にも、バイポーラプレート５、６から突き出している。バイポーラプレート５、６は、Ｘ−Ｙ面に対して平行であるシンメトリ面に関して、それぞれ対称的である。

シールフレーム３に隣接しているバイポーラプレート５、６の周辺部分８には、突起部が形成されていないため（図２を参照）、燃料電池１のこの周辺部分８では、膜電極接合体２と共同でそれぞれの反応剤用分配スペース９が提供されている。この分配スペース９の高さは、この場合、突起部７の高さに対応している。

図２の断面図には下部バイポーラプレート６と、この上に配置されているシールフレーム３とが示され、膜電極接合体２は示されていないが、特にこの図２から、シールフレーム３とバイポーラプレート５、６とが接触している接触領域１０に傾斜１１が含まれていることが分かる。シールフレーム３の傾斜１１は、内側で第１の接触面１２に隣接している。さらに、シールフレーム３は、外側で傾斜１１に隣接しているもう１つの接触面１３を有している。すなわち、傾斜１１はＸ−Ｙ面に対して傾いており、接触面１２、１３は、このＸ−Ｙ面に対して平行である。

バイポーラプレート５、６には、対応し合う傾斜１１と接触面１２、１３とが設けられており、燃料電池１を組み立てる場合のこれらの機能については、図３に関連して説明される。

燃料電池１を組み立てる場合、まず、膜電極接合体２がシールフレーム３と溶接によって接続される。この矩形のシールフレーム３は、この場合、膜電極接合体２の周辺を取り囲んでいる。燃料電池１が圧迫されていない状態、すなわち、図３において力の矢印によって示されているプレス力１４がバイポーラプレート５、６に加えられる前では、膜電極接合体２とこれに接続されているシールフレーム３とを含むアセンブリの表面積は、バイポーラプレート５、６のそれぞれの表面範囲よりも小さい。燃料電池１が圧迫されると、すなわちバイポーラプレート５、６とこれらのプレートの間に配置されている膜電極接合体２とが押し付けられると、バイポーラプレート５、６にプレス力１４が加わることにより、シールフレーム３はＸ−Ｙ面の方向にバイポーラプレート５、６と面一になる。すなわち、このアセンブリは、バイポーラプレート５、６にプレス力１４が加えられた結果、表面が均間隔に拡大する。この表面の拡大により、Ｘ−Ｙ面における膜電極接合体２に特定の応力が生じる。

バイポーラプレート５、６が圧迫されると、シールフレーム３とバイポーラプレート５、６のそれぞれの接触面１２、１３が互いに重なるまで、シールフレーム３とバイポーラプレート５、６とに設けられている傾斜１１が互いに滑る。傾斜１１が相互に滑ることにより、膜電極接合体２にせん断応力１５、すなわち膜電極接合体２に応力を付与する力が加えられ、この力は、Ｘ−Ｙ面に対して接線方向に作用する。このせん断応力１５は、図３において、もう１つの力の矢印で示されている。せん断応力１５の方向に滑り面として働く傾斜１１の端部は、ここでは屈曲１６によって形成されている。すなわち、屈曲１６は、それぞれの接触面１２、１３から傾斜１１を区切っている。

バイポーラプレート５、６及びシールフレーム３のそれぞれの接触面１２、１３が互いに接触すると、すぐに、バイポーラプレート５、６へのプレス力１４が、これらの接触面１２、１３へのシーリング力として作用する。それにより、それぞれのバイポーラプレート５、６に向けられたシールフレーム３の面全体にわたり、完全に平坦な、従って特に高い気密性を保証するシーリングが提供されている。さらに、燃料電池１が圧迫されている状態では、シールフレーム３によって、バイポーラプレート５、６が、電気的に互いに絶縁されている。

バイポーラプレート５、６の間の間隔１７は、バイポーラプレート５、６の圧迫後及び接触面１２、１３の接触後、燃料電池１の面全体にわたって一定に調整され、定着しているため、燃料電池１の分配スペース９も同様に一定の高さ範囲を有している。

一方で、このことは、シールフレーム３とバイポーラプレート５、６との傾斜１１及び接触面１２、１３が互いに同じ形状と寸法であることによって保証され、他方では、燃料電池１が圧迫されている状態において、膜電極接合体２と接触している突起部７の特定の高さによって保証されている。

シールフレーム３によって膜電極接合体２のフレーム−間隔−シーリングを確立する場合、個々の燃料電池１の例で説明されている本方法は、燃料電池スタックを組み立てる際に有利に適用することができる。燃料電池スタックを組み立てる場合、多数の膜電極接合体２とバイポーラプレート５、６とは、交互に重ね合わされた後、外側のバイポーラプレート５、６にプレス力１４が加えられることによって圧迫される。従って、燃料電池スタックでは、それぞれ膜電極接合体２が特定の応力状態にあり、この状態において、それぞれのシールフレーム３はバイポーラプレート５、６と面一に揃っている。

１ 燃料電池
２ 膜電極接合体
３ シールフレーム
４ 溝
５ バイポーラプレート
６ バイポーラプレート
７ 突起部
８ 周辺部分
９ 分配スペース
１０ 接触領域
１１ 傾斜
１２ 接触面
１３ 接触面
１４ プレス力
１５ せん断応力
１６ 屈曲
１７ 間隔

Claims (15)

1. 膜電極接合体（２）を備え、前記膜電極接合体（２）が、前記膜電極接合体（２）のアノードに燃料を加えるための第１の分配エレメント（５）と前記膜電極接合体（２）のカソードに酸化剤を加えるための第２の分配エレメント（６）との間に配置されており、前記膜電極接合体（２）に接続されているシールエレメント（３）を備え、前記シールエレメント（３）と前記分配エレメント（５、６）の少なくとも一方とが少なくとも部分的に接触しており、それによって接触領域（１０）が形成されている燃料電池であって、
   前記接触領域（１０）に滑り面（１１）が設けられており、２つの前記分配エレメント（５、６）が圧縮されると、前記滑り面（１１）によって２つの前記分配エレメント（５、６）の間に配置されている前記膜電極接合体（２）にせん断応力（１５）がかかり得ることを特徴とする、燃料電池。
2. 滑り面が、傾斜（１１）として、前記シールエレメント（３）に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
3. もう１つの滑り面が、傾斜（１１）として、２つの前記分配エレメント（５、６）の少なくとも一方に設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 前記せん断応力（１５）方向の前記シールエレメント（３）の前記傾斜（１１）の長さが、前記分配エレメント（５、６）の前記傾斜（１１）の長さと同じであることを特徴とする、請求項２及び３に記載の燃料電池。
5. 前記せん断応力（１５）の方向へ、少なくとも１つの前記滑り面の少なくとも１つの端部（１６）に、特に平坦な接触面（１２、１３）が隣接していることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池。
6. 少なくとも１つの前記滑り面（１１）が、前記膜電極接合体（２）の周りに形成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池。
7. 前記シールエレメントによって、特に曲げ剛性のあるフレーム（３）が前記膜電極接合体（２）に設けられていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池。
8. 特にエラストマを含む前記シールエレメント（３）が、前記膜電極接合体（２）と溶接されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池。
9. 特に形状及び寸法が互いに同じである前記分割エレメント（５、６）が、それぞれ、前記膜電極接合体（２）に対して平行なシンメトリ面を有していることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料電池。
10. 前記分配エレメント（５、６）の少なくとも一方が、前記シールエレメント（３）に隣接する少なくとも１つの周辺部分（８）において、前記膜電極接合体（２）と共同で反応剤の分配スペース（９）を提供していることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃料電池。
11. 前記分配エレメント（５、６）の一方が、前記膜電極接合体（２）を向いている少なくとも一方の面に、特に互いに平行な複数の突起部（７）を有していることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の燃料電池。
12. 前記分配エレメント（５、６）が導電性であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の燃料電池。
13. 請求項１〜１２に記載の燃料電池（１）を複数含んでいることを特徴とする、燃料電池スタック。
14. ａ）膜電極接合体（２）がシールエレメント（３）に接続され、
    ｂ）前記膜電極接合体（２）が、該膜電極接合体（２）のアノードに燃料を加えるための第１の分配エレメント（５）と該膜電極接合体（２）のカソードに酸化剤を加えるための第２の分配エレメント（６）との間に、接触領域（１０）を形成しながら配置される、燃料電池のシーリング方法であって、
    ２つの前記分配エレメント（５、６）が圧縮されると、２つの前記分配エレメント（５、６）の少なくとも一方と前記シールエレメント（３）とが互いに滑り、前記分配エレメント（５、６）の間に配置されている前記膜電極接合体（２）にせん断応力（１５）が加えられることを特徴とする、方法。
15. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の燃料電池（１）又は請求項１３に記載の燃料電池スタックに実施されることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。

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