JP2014508386A - 燃料セルプレートの接合方法およびその配置 - Google Patents

Abstract

一例のボンドフィルムの燃料セルコンポーネントへの固定方法が、燃料セルコンポーネントに隣接するようにボンドフィルムを位置決めし、射出成形シールからの熱エネルギーを用いてボンドフィルムを溶解させることを含む。

Description

本発明は概して燃料電池に関し、特に燃料セルプレートの、別の燃料セルプレートに対する固定、封止に関する。

燃料セルスタックアセンブリ（ＣＳＡ）は公知であり、一般に複数の個々の燃料セルを含む。個々の燃料セルは、ポリマ電解質膜（ＰＥＭ）を有する一体式電極アセンブリ（ＵＥＡ）などのコンポーネントを含む。

個々の燃料セルは、通常、一体式電極アセンブリのアノード側に一つのバイポーラプレートを含むとともに、その一体式電極アセンブリのカソード側にもう一つのバイポーラプレートを含む。バイポーラプレートは、一体式電極アセンブリに燃料および酸化剤を伝達する導管を構築する。燃料セルは周知のように電気エネルギーを発生させるように燃料および酸化剤を利用する。一部の燃料セルスタックアセンブリは燃料および酸化剤の流れを制御するようにエラストマシールを使用する。

本発明は、ボンドフィルムの燃料セルコンポーネントへの固定方法およびその燃料セルコンポーネントの配置を提供する。

一例のボンドフィルムの燃料セルコンポーネントへの固定方法が、燃料セルコンポーネントに隣接するようにボンドフィルムを位置決めし、射出成形シールからの熱エネルギーを用いてボンドフィルムを溶解させることを含む。

一例の燃料セルコンポーネント配置が、燃料セルプレートを含む。射出成形シールが燃料セルプレートの一方の側に配置される。射出成形シールは、燃料セルプレートと別の燃料セルコンポーネントとの間の境界面を密封するシール面を有する。ボンドフィルムが、燃料セルプレートのもう一方の側の、射出成形シールと反対側に固定されるように構成される。射出成形シールからの熱エネルギーが、ボンドフィルムを溶解させる。

一例の燃料セルアセンブリが、積層関係に配置されたアノードプレートおよびカソードプレートを含む。ボンドフィルムが、アノードプレートをカソードプレートに固定するように配置される。射出成形シールが、アノードプレート、カソードプレート、またはその両方に近接するように配置される。射出成形シールは、別の燃料セルコンポーネントに対して密封するように構成されたシール面を有する。

本発明の様々な特徴および利点が、以下の詳細な説明から当業者にとって明らかとなるであろう。詳細な説明に添付の図面を以下のように簡単に説明する。

一例のセルスタックアセンブリの概略図。 図１のセルスタックアセンブリ内の燃料セルの分解正面図。 図２の燃料セルの分解背面図。 図１のセルスタックアセンブリとともに使用するマニホルドの分解組立図。 図２の線４−４に沿って切断した断面図。 モールド内における図２の燃料セルの正確な縮尺ではない選択された部分を示す、図３の線５−５に沿って切断した断面図。 モールド内における別の例の燃料セルの選択された部分を示す断面図。 モールド内におけるさらに別の例の燃料セルの選択された部分を示す断面図。 モールド内におけるさらに別の例の燃料セルの選択された部分を示す断面図。 モールド内におけるさらに別の例の燃料セルの選択された部分を示す断面図。 図２の燃料セルのコンポーネントを固定するための一例の方法の流れを示す図。

図１〜５を参照すると、一例の燃料セルスタックアセンブリ（ＣＳＡ）１０が、燃料セル１２を含み、複数のその他の燃料セル１２ａ，１２ｂと積層関係に配置される。この例では、プレッシャプレート１３がセルスタックアセンブリ１０内の燃料セル１２〜１２ｂをクランプ締めする。一例ではセルスタックアセンブリ１０の燃料セルに型締力を印加するようにボルト（図示せず）が用いられる。

一例の燃料セル１２がポリマ電解質膜（ＰＥＭ）を有する一体式電極アセンブリ（ＵＥＡ）１４を含む。一体式電極アセンブリ１４は、燃料および酸化剤が供給されたときに周知のように電気エネルギーを提供する。

一例の燃料セル１２は、一体式電極アセンブリ１４に燃料および酸化剤を流体の形態で供給する燃料プレート１８およびカソードプレート２２などのバイポーラプレートを含む。その他の燃料セルは他の種類の燃料セル流体プレートおよびコンポーネントを含みうる。

この例では、燃料プレート１８は、水素などの燃料を一体式電極アセンブリ１４に供給するように構成された複数の燃料チャネル２６を構築する。一部の例では、燃料プレート１８はアノードプレートと呼ばれる。

この例では、カソードプレート２２の片側が、空気などの酸化剤を燃料セル１２ａの一体式電極アセンブリへと供給するように構成された酸化剤チャネル３０を構築する。カソードプレート２２の反対側が、燃料プレート１８に亘って冷却剤を通流させるように構成された冷却剤チャネル３４を構築し、冷却剤は燃料セル１２から熱エネルギーを運ぶ。一部の例では、カソードプレート２２はカソードプレートと呼ばれる。

一例の燃料セル１２は、燃料セル１２ａの一体式電極アセンブリと接触するように、カソードプレート２２の酸化剤チャネル側から離れて延在するシールアセンブリ３６を含む。シールアセンブリ３６は、プレート２２内部に構築された凹部４０内に保持される部位を含む。一例のシールアセンブリ３６は、射出成形されたＦＫＭ熱硬化性エラストマ界面シールなどの、熱硬化性エラストマシールである。シールアセンブリ３６は、２つの独立したＬ字状部分を含む。

シール３６は、セルスタックアセンブリ１０内の燃料セル１２の頂部に燃料セル１２ａが積層されたときに、その燃料セル１２ａにおける一体式電極アセンブリの下方を向く面と直接接触する接触面４８を含む。この例では、接触面４８は、燃料セル１２ａの一体式電極アセンブリと直接接触する４つの隆起した突出部５２を含む。

一例のシールアセンブリ３６は、燃料セル１２ａと積層関係に配置されたときに、酸化剤などの燃料セル流体の、セルスタックアセンブリ１０からの移動を制限する。

一例のセルスタックアセンブリ１０は外部にマニホルドが配される。すなわち、セルスタックアセンブリ１０内の複数の燃料セル１２に燃料、酸化剤、および冷却剤を供給するように複数の外部マニホルド５４が用いられる。別の例では、セルスタックアセンブリ１０は、内部にマニホルドが配されたセルスタックアセンブリである。

一例の燃料セル１２は、燃料プレート１８の燃料チャネル側を一体式電極アセンブリ１４に固定するボンドフィルム５６のストリップを含む。ボンドフィルム５６はまた、セルスタックアセンブリ１０からの燃料セル流体の流れを制限するように燃料プレート１８と一体式電極アセンブリ１４との間の境界面を密封する。ボンドフィルム５６のストリップはこの例ではＩ字形であり、セルスタックアセンブリ１０の外側縁に沿って配置される。

また一例の燃料セル１２は、プレート１８をプレート２２に対して固定するボンドフィルム６４のストリップを含む。ボンドフィルム６４はまた、セルスタックアセンブリ１０からの燃料セル流体の移動を制限するようにプレート１８とプレート２２との間の境界面を密封する。ボンドフィルム６４のストリップはこの例ではＬ字形であり、セルスタックアセンブリ１０の外側縁に沿って配置される。

一例のボンドフィルム５６，６４は、ＤＹＮＥＯＮ ＴＨＶ（登録商標）などの熱可塑性エラストマ、またはポリエチレンなどの汎用熱可塑性フィルムである。ボンドフィルム５６，６４の温度を上昇させることにより、ボンドフィルム５６，６４の部位を溶解させる。溶解部分が硬化して、ボンドフィルム５６，６４と接触するコンポーネントを固定する。

引き続き図３を参照しながら図６を参照すると、上部モールド６８および下部モールド７２が、プレート２２、ボンドフィルム６４およびプレート１８を保持するように構成される。上部モールド６８と凹部４０とがキャビティ７６を画定する。液状物質、この例ではエラストマが、物質供給源７８からキャビティ７６へと少なくとも一つの湯口８０を通して射出される。液状物質がキャビティ７６内で硬化されて、シール３６を形成する。

射出成形時に、一例のボンドフィルム６４がプレート２２とプレート１８との間に保持される。一部の熱エネルギーがシール３６からプレート２２を通してボンドフィルム６４へと移動する。熱エネルギーによりボンドフィルム６４が溶解し、次いで冷却、硬化されて、プレート２２をプレート１８に対して保持する。射出成形からの熱エネルギーを用いたボンドフィルム６４の硬化により、燃料セル１２の部位を単一の射出成形ステップで一体化させる。

この例では、液状物質をキャビティ７６内に射出成形することにより、プレート２２をプレート１８に向かって下方へと押圧する。理解されるように、この射出成形からの圧力により、プレート２２のプレート１８との接合を向上させる。

図７を参照すると、別の例では、上に向けられたシール１３６ａがプレート１２２に隣接して射出成形されるとともに、下に向けられたシール１３６ｂがプレート１１８に隣接して射出成形される。この例では、上部モールド１６８および下部モールド１７２がそれぞれ少なくとも一つの湯口１８０を含む。

また、この例では、シール１３６ａ，１３６ｂの一方または両方からの熱エネルギーがボンドフィルム１６４へと移動してボンドフィルム１６４を溶解させ、次いで冷却、硬化されてプレート１２２をプレート１１８に対して固定する。溶解および硬化時に射出成形圧力がボンドフィルム１６４を圧縮することにより、プレート１２２のプレート１１８との接合を向上させる。

図８を参照すると、さらに別の例では、シールが、上に向けられたシール部２３６ａと、下に向けられたシール部２３６ｂと、を含む。射出成形時にプレート２２２およびプレート２１８がそれぞれ液状物質をシール部２３６ｂへと連通させる開口部８４の部位を構築する。シールの連結部２３６ｃが開口部８４内で凝固し、上に向けられたシール部２３６ａと下に向けられたシール部２３６ｂとを連結する。

この例では、一つまたは複数の部位２３６ａ，２３６ｂ，２３６ｃからの熱エネルギーが内側ボンドフィルム部２６４ａおよび外側ボンドフィルム部２６４ｂへと移動する。その熱エネルギーがボンドフィルム部２６４ａ，２６４ｂを溶解させ、次いで冷却、硬化されてプレート２２２をプレート２１８に対して固定する。溶解および硬化時に射出成形圧力がボンドフィルム部２６４ａ，２６４ｂを圧縮することにより、プレート２２２のプレート２１８との接合を向上させる。

特に、この例では、上に向けられたシール部２３６ａおよび下に向けられたシール部２３６ｂがシールの連結部２３６ｃに対して放射状に拡大される。したがって、理解されるように、シール２３６ａ〜２３６ｃおよびボンドフィルム２６４ａ，２６４ｂの両方がプレート２２２とプレート２１８との間の相対的なずれを制限する。

図９を参照すると、さらに別の例では、シールが、上に向けられたシール部３３６ａと、拡張部３３６ｂと、を含む。プレート３２２が開口部８８を構築し、ここで拡張部３３６ｂが硬化されるように液状物質を保持する。

一例の拡張部３３６ｂがボンドフィルム３６４と直接接触する。上に向けられたシール部３３６ａおよび拡張部３３６ｂのうちの一つまたは複数からの一部の熱エネルギーがボンドフィルム３６４へと移動してボンドフィルム３６４を溶解させ、次いで冷却、硬化されて、プレート３２２をプレート３１８に対して固定する。シール材料によりボンドフィルム３６４に及ぼされる射出成形圧力が、溶解および硬化時にボンドフィルム３６４を圧縮し、それによりプレート１２２のプレート１１８との接合を向上させる。

図１０を参照すると、さらに別の例では、上部モールド４６８および下部モールド４７２が、プレート４２２、ボンドフィルム４６４、プレート４１８、ボンドフィルム４５６、および一体式電極アセンブリ４１４などの、燃料セル４１２の部位を保持するように構成される。上部モールド４６８と、上部モールド４６８の凹部４４０と、がキャビティ４７６を画定する。液状物質が少なくとも一つの湯口４８０を通してキャビティ４７６内に射出される。液状物質がキャビティ４７６内で硬化されて、シール４３６を形成する。

この例では、シール４３６からの熱エネルギーがボンドフィルム４６４およびボンドフィルム４５６を溶解させる。ボンドフィルム４６４がプレート４１８に対してプレート４２２を硬化および保持する。ボンドフィルム４５６が一体式電極アセンブリ４１４に対してプレート４１８を硬化および保持する。シール４３６の射出成形時にボンドフィルム４６４およびボンドフィルム４５６を硬化することにより単一のステップで燃料セル４１２を一体化させる。シール材料によって及ぼされる射出成形圧力がボンドフィルム４６４およびボンドフィルム４５６を圧縮し、それによりボンドフィルム４６４，４５６の接合を向上させる。

図１１を参照すると、燃料セルコンポーネントの、別の燃料セルコンポーネントに対する固定の一例の方法５００が、ステップ５９２において第１のコンポーネントをボンドフィルムと接触させ、ステップ５９４において第２のコンポーネントをボンドフィルムと接触させるステップ５９０を含む。この方法は、ステップ５９６において第３のコンポーネントを射出成形するときにボンドフィルムを溶解させる。この方法５００は、成形処理時にボンドフィルムを圧縮してもよい。一例では、第３のコンポーネントの硬化に必要な温度が、ボンドフィルムの溶融温度と適合される。

本発明の例示はシールからボンドフィルムへと移動する熱エネルギーについて記載するものである。こうした記載は（シールを形成する）液状物質からボンドフィルムへの熱エネルギーの移動を含むことが当業者および本発明の開示から利益を享受する者にとって理解されるであろう。理解されるように、シールおよびボンドフィルムの材質は、ボンドフィルムの溶融温度がシールにとって適切な射出成形温度と一致するように選択されうる。

開示の実施例の特徴は、燃料セルにおける複数のプレートの、単一の製造ステップでの成形および接合を含み、それにより燃料セルコンポーネントに対するシールの適用の処理時間および製造時間を低減させる。

上記の記載は本質的に限定的なものではなく例示に過ぎない。開示の実施例に対する種々の変更および修正が当業者にとって明らかとなるであろう。法的保護の範囲は以下の特許請求の範囲を検討することによってのみ画定される。

Claims (17)

1. 第１の燃料セルコンポーネントに隣接するようにボンドフィルムを位置決めし、
   射出成形シールからの熱エネルギーを用いて前記ボンドフィルムを溶解させることを備えた、ボンドフィルムの燃料セルコンポーネントへの固定方法。
2. 前記第１の燃料セルコンポーネントを第２の燃料セルコンポーネントに対して固定するように前記ボンドフィルムを溶解させたのちに、前記ボンドフィルムを硬化させることを特徴とする請求項１に記載のボンドフィルムの燃料セルコンポーネントへの固定方法。
3. 前記第１の燃料セルコンポーネントおよび前記第２の燃料セルコンポーネントが燃料セルプレートであり、前記位置決めが、前記燃料セルプレートの間に前記ボンドフィルムを位置決めすることを備えることを特徴とする請求項２に記載のボンドフィルムの燃料セルコンポーネントへの固定方法。
4. 前記ボンドフィルムおよび前記燃料セルコンポーネントを保持するモールド内に前記射出成形シールを射出することを特徴とする請求項１に記載のボンドフィルムの燃料セルコンポーネントへの固定方法。
5. 前記溶解時に前記ボンドフィルムを圧縮するように前記射出成形シールを用いることを特徴とする請求項１に記載のボンドフィルムの燃料セルコンポーネントへの固定方法。
6. 第１の燃料セルプレートと、
   前記燃料セルプレートの第１の側に配置されるとともに、該燃料セルプレートと別の燃料セルコンポーネントとの間の境界面を密封するように構成されたシール面を有する射出成形シールと、
   前記燃料セルプレートの前記第１の側と反対側の第２の側に固定されるように配置されたボンドフィルムと、
   を備え、
   前記射出成形シールからの熱エネルギーが、前記ボンドフィルムを少なくとも部分的に溶解させることを特徴とする燃料セルコンポーネント配置。
7. 前記射出成形シールが、熱硬化性エラストマシールであることを特徴とする請求項６に記載の燃料セルコンポーネント配置。
8. 前記ボンドフィルムが、熱可塑性ボンドシールであることを特徴とする請求項６に記載の燃料セルコンポーネント配置。
9. 前記射出成形シールが、前記ボンドフィルムと接触するように前記第１の燃料セルプレートの開口部を通して延在することを特徴とする請求項６に記載の燃料セルコンポーネント配置。
10. 前記ボンドフィルムが、前記第１の燃料セルプレートを第２の燃料セルプレートに対して固定することを特徴とする請求項６に記載の燃料セルコンポーネント配置。
11. 前記射出成形シールが、前記第１の燃料セルプレートに対して成形された第１のシール部と、前記第２の燃料セルプレートに対して成形された第２のシール部と、を備えることを特徴とする請求項１０に記載の燃料セルコンポーネント配置。
12. 前記射出成形シールが、前記燃料セルプレートの開口部と、前記第２の燃料セルプレートの開口部と、を通して延在するとともに、２つの互いに反対側を向いたシール面を有することを特徴とする請求項１０に記載の燃料セルコンポーネント配置。
13. 前記ボンドフィルムが、前記燃料セルプレートを一体式電極アセンブリに固定することを特徴とする請求項６に記載の燃料セルコンポーネント配置。
14. 前記ボンドフィルムが、前記射出成形シールの射出成形時に、硬化されるように構成されることを特徴とする請求項６に記載の燃料セルコンポーネント配置。
15. アノードプレートと、
    前記アノードプレートと積層関係に配置されたカソードプレートと、
    前記アノードプレートを前記カソードプレートに固定するように配置されたボンドフィルムと、
    前記アノードプレートまたは前記カソードプレートの少なくとも一つに近接して配置されるとともに、別の燃料セルコンポーネントと接触するように構成されたシール面を有する射出成形シールと、
    を備え、
    前記射出成形シールからの熱エネルギーが前記ボンドフィルムを溶解させることを特徴とする燃料セルアセンブリ。
16. 前記射出成形シールの射出成形時に、前記ボンドフィルムが硬化されるように構成されることを特徴とする請求項１５に記載の燃料セルアセンブリ。
17. 前記射出成形シールが、前記ボンドフィルムを溶解させるのに十分に高い硬化温度を有することを特徴とする請求項１５に記載の燃料セルアセンブリ。

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