JP2013545236A - 燃料電池アッセンブリシール構成 - Google Patents

Abstract

実施例のシールアッセンブリは、燃料電池マニホールドと燃料電池スタックの間に配置されるように構成された第１のシールを備える。第１のシールは、第１のシールの燃料電池スタックに面する側に凹部領域を形成する。燃料電池シールアッセンブリはさらに、凹部領域で第１のシールと燃料電池スタックの間に配置されるように構成された第２のシールを備える。実施例の燃料電池接続部をシールする方法は、マニホールド内に形成された溝に第１のシールを保持し、第２のシール内に形成された凹部領域に第２のシールを保持する、ことを含む。方法は、第１のシールおよび第２のシールを用いて燃料電池流体の流れを制限する。

Description

本開示は、一般に燃料電池に関する。本開示はより詳細には、燃料電池アッセンブリ用のシール構成に関する。

燃料電池スタックアッセンブリ（ｃｅｌｌ ｓｔａｃｋ ａｓｓｅｍｂｌｙ）（ＣＳＡ）は、よく知られており、一般に複数の個々の燃料電池を備える。燃料電池は、一緒に一体化電極アッセンブリを形成する、白金触媒を含有する多孔質炭素電極間に配置された高分子電解質膜（ｐｏｌｙｍｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）（ＰＥＭ）を備える。電極の一方は、アノードとして作動し、もう一方は、カソードとして作動する。個々の燃料電池はさらに、各多孔質炭素電極に隣接して配置された二極性プレートを備える。燃料電池は、既知の仕方で電気エネルギーを生成するように水素および空気などの燃料および酸化剤を使用する。燃料電池はまた、液体および熱副生成物を生成し得る。ＣＳＡ内の燃料電池に燃料および酸化剤を伝達するために一般にマニホールドが使用される。燃料電池から排出されるよう副生成物を伝達するために他のマニホールドが使用され得る。

マニホールドのＣＳＡとの接続部を通る流れを遮断するためにシール構成が使用される。接続部は不規則な表面を有し得るので、シリコーン基シールが一般に使用される。シリコーンシールの可撓性によって不規則な表面に適合するのが容易になる。

実施例のシールアッセンブリは、燃料電池マニホールドと燃料電池スタックの間に配置されるように構成された第１のシールを備える。第１のシールは、第１のシールの燃料電池スタックに面する側に凹部領域を形成する。燃料電池シールアッセンブリはさらに、凹部領域で第１のシールと燃料電池スタックの間に配置されるように構成された第２のシールを備える。

実施例の燃料電池スタックアッセンブリのシール構成は、複数の外向き面を有する燃料電池スタックを備える。外向き面のうちの１つおよびマニホールドが、流体連通経路の一部を形成する。非シリコーンシール構成が、外向き面とマニホールドの間に保持される。非シリコーンシールは、外向き面とマニホールドの間の接続部をシールするように構成される。

実施例の燃料電池接続部をシールする方法は、マニホールド内に形成された溝に第１のシールを保持し、第２のシール内に形成された凹部領域に第２のシールを保持する、ことを含む。方法は、第１のシールおよび第２のシールを用いて燃料電池流体の流れを制限する。

開示の実施例のこれらと他の特徴は、以下の明細書および図面から最も良く理解できるであろう。以下は、図面の簡単な説明である。

実施例の燃料電池アッセンブリの概略図。 図１の燃料電池アッセンブリの端面図。 図１の燃料電池アッセンブリにおけるマニホールド接続部の拡大図。 図１の燃料電池アッセンブリのマニホールドおよびシールアッセンブリの分解図。 図１の燃料電池アッセンブリ内の接続部をシールする実施例の方法の流れ図。

図１、図２を参照すると、実施例のプロトン交換膜型燃料電池スタックアッセンブリ１０が、スタック内に配置された複数の個々の燃料電池１４を一緒に保持するように構成された圧力プレート１２を備える。各燃料電池１４は、一体化電極アッセンブリ２６の対向面上にアノード１８およびカソード２２を備える。流れ場プレート３０が、アノード１８の近くに配置される。別の流れ場プレート３４が、カソード２２の近くに配置される。一体化電極アッセンブリ２６は、既知のように電極間に配置されたプロトン交換膜を備える。

この実施例では、流体源３６が、水素などの燃料電池流体をマニホールド３８に供給し、マニホールド３８は、この流体を流れ場プレート３０、３４を通して燃料電池スタックアッセンブリ１０に分配する。

実施例のマニホールド３８は、燃料電池スタックアッセンブリ１０の外向き面４２に固定される。別のマニホールド３８ａが、外向き面４２ａに固定される。他の実施例は、外向き面４２ａ、４２ｂ上にマニホールド（図示せず）を備える。マニホールド３８、３８ａは、スチールケーブルおよびターンバックルシステムを用いてそれぞれ外向き面４２、４２ａに対して保持される。他の実施例は、他の種類のケーブル、ボルト、ラッチ、ストラップ、またはタイロッドを用いてマニホールド３８、３８ａを保持する。既知のように、マニホールド３８、３８ａは、流体源３６からの水素または酸化剤などの燃料電池流体を、燃料電池１４へと、または燃料電池１４から伝達させる。

例示的な実施例は、マニホールド３８とプロトン交換膜型燃料電池スタックアッセンブリ１０の間の接続部をシールするものとして説明されるとはいえ、当業者で本開示から利益を得る者は、開示された実施例から利益が得られるであろう他の種類の燃料電池を理解するであろう。

この実施例では、マニホールド３８は、圧力プレート１２のうちの１つから圧力プレート１２のうちの別の１つへと延在する。別の実施例では、マニホールド３８は、圧力プレート１２の１つからの燃料電池１４のうちの１つへなどと、外向き面４２のより小さな部分に亘って延在する。いくつかの実施例では、２つ以上のマニホールド３８が外向き面４２上に配置される。

燃料電池１４およびそれらのそれぞれの構成要素の位置は、燃料電池スタックアッセンブリ１０の長手軸Ｘに対して変化し得る。理解できるように、これらの変動によって、燃料電池スタックアッセンブリ１０の外向き面４２内には、不規則性が生じる。シールアッセンブリ４６が、これらの不規則性に適合するのを容易にする。

図１への参照を継続しながら、ここで図３、図４を参照すると、実施例のシールアッセンブリ４６は、マニホールド３８と燃料電池スタックアッセンブリ１０の間の接続部５６に第１のシール５０および第２のシール５４を備える。マニホールド３８は、第１のシール５０の延長部６２を収容する溝５８を形成する。第１のシール５０は、第２のシール５４を収容する凹部領域６６を形成する。理解できるように、シールアッセンブリ４６は、額縁型構成を有する。

この実施例では、第１のシール５０は、延長部６２から離れる方へと延在する複数のリッジ７０を備える。複数のリッジ７０は、凹部領域６６形成する。複数のリッジ７０は、マニホールド３８が外向き面４２に対して保持される際に、燃料電池スタックアッセンブリ１０の圧力プレート１２に接触するように構成される。理解できるように、複数のリッジ７０および第２のシール５４両方は、外向き面４２の周縁部に接触する。別の実施例では、複数のリッジ７０および第２のシール５４は、外向き面４２の他の領域に、マニホールド３８が外向き面４２のより小さな部分を被覆する際などに、接触する。

実施例の第１のシール５０の延長部６２は、５．７ｍｍ〜６．２ｍｍの範囲の長さｌ₁を有する。実施例の第１のシール５０の本体部分は、９．１ｍｍの長さｌ₂を有する。複数のリッジ７０のそれぞれは、１．１ｍｍの長さｌ₃を有し、実施例の第１のシール５０の幅ｗは、約８ｍｍである。

実施例の第１のシール５０は、いくらか柔軟性があり、それによって、マニホールド３８が外向き面４２に対して固定される前に、第１のシール５０とマニホールド３８の間の最初の締まり嵌め、または摩擦嵌めが容易になる。従って、実施例の第１のシール５０は、圧入（ｐｒｅｓｓ−ｉｎ−ｐｌａｃｅ）シールと見なされる。他の実施例では、接着剤などの他の技術を用いてマニホールド３８に対して第１のシール５０が最初に固定される。

この実施例では、第１のシール５０および第２のシール５４両方とも非シリコーンシールである。特に、実施例の第１のシール５０は、エチレンプロピレンジエンモノマー（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｄｉｅｎｅ Ｍｏｎｏｍｅｒ）（ＥＰＤＭ）ゴムからなり、実施例の第２のシール５４は、フルオロエラストマー（ｆｌｕｏｒｏｅｌａｓｔｏｍｅｒ）（ＦＫＭ）材料からなる。Ｄｙｎｅｏｎ^TMによって、一実施例において第２のシール５４に適した材料が製造される。

実施例の第２のシール５４は、熱硬化される前は長方形断面を有するシーラントテープである。別の実施例では、第２のシール５４は、チューブから直接凹部領域６６へと供給される所定量供給可能なシーラントである。

第２のシール５４が最初に外向き面４２に対して固定される際、第２のシール５４は、柔軟性を有しており、外向き面４２の不規則性に適合する。すなわち、第２のシール５４の断面は、一定した長方形断面を有するものから、外向き面４２の不規則性に適合する不規則な断面を有するものへと変化する。マニホールド３８によって加えられる圧力によって、第２のシール５４が外向き面４２の不規則性に適合するのが助けられる。次いで第２のシール５４を硬化させることで、第２のシール５４の形状を安定させ、第２のシール５４によって接続部５６の一部をシールすることができる。

複数のリッジ７０は、硬化処理の際に第２のシール５４の移動または回転を制限する。特に、複数のリッジ７０もいくぶん外向き面４２の不規則性に適合するとはいえ、第１のシール５０の材料特性に起因して、一貫してシールされる接続部は一般に提供されない。

図３、図４への参照を継続しながら図５を参照すると、シールアッセンブリ４６を取り付ける実施例の方法１００は、ステップ１１０において第１のシール５０の延長部６２を溝５８に挿入することを含む。ステップ１１０では、第１のシール５０がマニホールド３８に対して固定される。

次にステップ１２０において、第２のシール５４が第１のシール５０の凹部領域６６に配置される。例えば、第２のシール５４を凹部領域６６に固定するのに接着剤が使用される。別の実施例では、第２のシール５４を凹部領域６６に固定するのに第１のシール５０および第２のシール５４の材料特性に依存する。

次いでステップ１３０において、マニホールド３８が、外向き面４２に対して固定される。一実施例では、マニホールド３８は、第２のシール５４が第１のシール５０の凹部領域６６に封じ込められ、第１のシール５０および第２のシール５４両方が外向き面４２に接触するように、外向き面４２に対して押し付けられる。

ステップ１４０において、燃料電池スタックアッセンブリ１０が高温保持（ｈｏｔ ｓｏａｋ）される。高温保持によって、第２のシール５４が、接続部５６をシールするように硬化される。この実施例では、第２のシール５４は、燃料電池スタックアッセンブリ１０が８０℃で高温保持される時、４時間以内に硬化する。

開示の実施例の特徴は、燃料電池スタックの外向き面の不規則性に適合する簡略化されたシール構成を含む。別の特徴は、シールが回転する傾向を低減することである。

上記の説明は、本質的に限定ではなく例示的なものである。当業者は、本開示の本質から逸脱しない、開示の実施例に対する特定の変更例および修正例を理解できるであろう。その理由から、本開示に与えられる真の法的保護範囲を決定するために以下の特許請求の範囲を検討する必要がある。

Claims (20)

1. 燃料電池マニホールドと燃料電池スタックの間に配置されるように構成された第１のシールであって、第１のシールの燃料電池スタックに面する側に凹部領域が形成された第１のシールと、
   凹部領域で第１のシールと燃料電池スタックの間に配置されるように構成された第２のシールと、
   を備えることを特徴とするシールアッセンブリ。
2. 第１のシールは、エチレンプロピレンジエンモノマーゴムからなることを特徴とする請求項１記載のシールアッセンブリ。
3. 第２のシールは、フルオロエラストマーシールからなることを特徴とする請求項１記載のシールアッセンブリ。
4. 第２のシールは、Ｄｙｎｅｏｎ^TMからなることを特徴とする請求項３記載のシールアッセンブリ。
5. 第２のシールは、熱硬化されたシールからなることを特徴とする請求項１記載のシールアッセンブリ。
6. 第１のシールおよび第２のシールは、燃料電池スタックに接触することを特徴とする請求項１記載のシールアッセンブリ。
7. 第１のシールのマニホールドに面する側の少なくとも一部が、マニホールドによって形成される溝に収容されることを特徴とする請求項１記載のシールアッセンブリ。
8. 第１のシールは、マニホールドによって形成される溝に収容されるように構成された延長部を備え、第１のシールは、この延長部から離れる方へと延在する複数のリッジを備え、複数のリッジは、第２のシールを保持する凹部領域の少なくとも一部を形成するように構成され、複数のリッジはさらに、燃料電池スタックに接触するように構成されることを特徴とする請求項１記載のシールアッセンブリ。
9. 燃料電池スタックは、外向き面を備え、第２のシールは、外向き面の周縁部に対してシールするように構成されることを特徴とする請求項１記載のシールアッセンブリ。
10. 複数の外向き面を有する燃料電池スタックと、
    マニホールドと、
    非シリコーンシール構成と、
    を備える燃料電池アッセンブリシール構成であって、
    外向き面のうちの少なくとも１つおよびマニホールドが、流体連通経路を形成し、
    非シリコーンシール構成は、該少なくとも１つの外向き面とマニホールドの間に保持され、非シリコーンシールは、該少なくとも１つの外向き面とマニホールドの間の接続部をシールするように構成されることを特徴とする燃料電池アッセンブリシール構成。
11. マニホールドの周縁部が、接続部の一部を形成することを特徴とする請求項１０記載のシール構成。
12. 流体連通経路は、燃料、酸化剤、または両方を燃料電池スタックへと伝達させることを特徴とする請求項１０記載のシール構成。
13. 非シリコーンシールは、マニホールドの溝に収容される部分を有する第１のシールと、第１のシールの凹部領域に収容される部分を有する第２のシールからなることを特徴とする請求項１０記載のシール構成。
14. 第１のシールおよび第２のシールは、前記少なくとも１つの外向き面に接触することを特徴とする請求項１３記載のシール構成。
15. 燃料電池スタックは、プロトン交換膜型燃料電池の一部を含むことを特徴とする請求項１３記載のシール構成。
16. マニホールド内に形成された溝に第１のシールを保持し、
    第２のシール内に形成された溝に第２のシールを保持し、
    第１のシールおよび第２のシールを用いて燃料電池流体の流れを制限する、
    ことを含むことを特徴とする、燃料電池接続部をシールする方法。
17. 第１のシールおよび第２のシールを燃料電池スタックの外向き面に対して保持することを含むことを特徴とする請求項１６記載の方法。
18. 第２のシールを第１のシールと燃料電池スタックの外向き面の間に封じ込めることを含むことを特徴とする請求項１６記載の方法。
19. 第１のシールおよび第２のシールは、非シリコーンシールであることを特徴とする請求項１６記載の方法。
20. 燃料電池を高温保持する際に第２のシールを硬化させることを含むことを特徴とする請求項１６記載の方法。

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