JP2014530463A - 燃料電池分離プレート - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料電池用の分離プレート（１０８）、とりわけ、端部シール特性の向上のために特定の形状を有する分離プレートに関する。本発明の代表的な実施例は、対向関係にある第１および第２面（３０４、３０５）を有する燃料電池分離プレート（３０８）からなり、前記分離プレートは、対向関係にある前記プレートの第１および第２端部の間に延び、空気流路（３０２）を設ける、一連の起伏（３０１）を有しており、前記第１面（３０４）と比べて前記第２面（３０５）側の接触面積がより大きくなるように、前記プレートの前記第１端部（３０３）に近接する前記第１面（３０４）側の起伏の頂部が陥没させられ、前記第２面側の起伏の隣接する頂部と同一平面上とされている。【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池用の分離プレート、とりわけ、端部シール特性の向上のために特定の形状を有する分離プレートに関する。

オープンカソード型のセルスタックにおいて、空気流は、各燃料電池のカソード側を横切るように導かれ、酸化剤が典型的には拡散層を介して、燃料電池の膜電極接合体（ＭＥＡ）のカソード側に供給される。スタック全体にわたって一様な空気の流れを得るために、一般的な構成では、スタックの対向面間でセルスタックを横切るように平行に空気を流し、空気は一端から反対側の端部へと各セルを横切って流れる。

スタックの全重量を低く抑えながらスタックの各セルを横切る十分な空気流を得る典型的な手段は、波形のカソード分離プレートを使用することである。このような分離プレートは、燃料電池用電解質のカソード側と電気的結合を形成するとともに、下方にある拡散層を横切る空気流の流路を構成するよう機能する。

従来の波形カソード分離プレートを使用することによる問題点は、各セルの開放端において、下方にある電解質層および介在するガスケット材料に対して間欠的な接続しか得られないことである。このため、例えばスタックの熱循環の間に、その下方にある層を分離することになり、最終的には漏れを引き起こす可能性がある。セルの下方にある層と接触する部分の間は、例えば、起伏のピッチを小さくすることによって小さくすることができるが、これはセルを横切って設けられる空気流路の容量を減少させる。漏れの可能性を低下させるために考えられるもう一つの手段は、燃料電池の活性化領域を包囲するガスケット領域の幅を大きくすることである。しかしながら、これはセルの活性化領域の比率を低下させ、よってセルの効率を低下させる。これは、一般的に端部のガスケット領域がセル面積全体に対して高い比率を占める小型のセルスタックの場合に、特に問題となる。

本発明の目的は、上述した問題の１つ以上を解決することである。

本発明の第１の態様によると、対向関係にある第１および第２面を有する燃料電池分離プレートが供せられ、前記分離プレートは、対向関係にある前記プレートの第１および第２端部の間に延び、空気流路を設ける、一連の起伏を有しており、前記第１面と比べて前記第２面側の接触面積がより大きくなるように、前記プレートの前記第１端部に近接する前記第１面側の前記起伏の頂部は陥没させられ、前記第２面側の前記起伏の隣接する頂部と同一平面上とされている。

本発明の利点は、分離プレートの端部領域に沿って表面積が大きくなっていることによるものである。これにより下方にあるシール領域に対する、例えばガスケットに対する、より均一なシール圧が可能となる。これは、分離プレートを通る空気流路に悪影響を与えることなく、下方にある膜電極接合体内での漏れの可能性を低下させる。

分離プレートの起伏の頂部は、同一の目的を達成するために、さまざまな方法で陥没可能である。選ばれた代表的な実施例を以下に挙げる。

ある実施例では、分離プレートの空気流路を横切る方向の切断線に沿って、プレートの端部に平行に起伏が切断されることで、頂部が陥没させられ、起伏の頂部が、切断線とプレートの端部の間で陥没する。陥没した起伏頂部からなる各領域は、プレート材料の折り返しを１つまたは２つ含むものとできる。折り返しは、第２面に向かってかつそれぞれの空気流路から遠ざかる方向に折り重ねられるものとできる。折り返し部を折り重ねることは、分離プレートの空気流路から材料を遠ざけ、これにより使用中にプレートを横切って利用可能な空気流を増やし、あるいは少なくとも、折り返し領域がプレートを通る空気流に対する障害となることを防止するという利点を有する。

ある実施例では、陥没した起伏頂部の領域が、分離プレートの第１端部に平行に、プレートの第１面に流路を画定する。このような実施例では、流路と一直線上にある第２面側のシール部は、切断線だけを用いた実施例での片側のみからと異なり、セルの組立時に第１面から加わる圧力により流路の両側で支持され得るものとなる。これはセルの下方にある層に対し、さらに良好なシールを可能とする。

陥没した起伏頂部からなる各領域に１つの折り返し部が形成された実施例では、折り返し部は好ましくは、それぞれの空気流路から遠ざかる方向で、かつ、プレートの第２面に向けて折られる。これは、空気流路の利用可能容量を増加させる。折り返し部を１つだけとした場合、折り返し領域が２つ形成される実施例に比べ、第２面での利用可能シール面がさらに大きくなるというさらなる利点もある。

本発明の第２の態様によると、
対向関係にあるプレートの第１および第２端部の間に延び、空気流路を設ける、一連の起伏を与え、
第１面と比べて第２面側の接触面積をより大きくするために、前記プレートの前記第１端部に近接する前記第１面側の起伏の頂部を陥没させ、前記第２面側の起伏の頂部と同一平面上とする工程からなる燃料電池分離プレートの形成方法が供せられる。

本方法は、前記プレートの前記第１端部と平行な切断線で前記第１面沿いに前記プレートを切断し、前記起伏の頂部が、前記第１端部と前記切断線の間で陥没させられるものとできる。

本方法はさらに、陥没した起伏頂部からなる各領域に、プレート材料の折り返しを２つ形成する、あるいは、陥没した起伏頂部からなる各領域に、プレート材料の折り返しを１つだけ形成するものとできる。いずれの場合でも、各折り返しは、前記第２面に向かってかつそれぞれの空気流路から遠ざかる方向に折り重ねられるものとできる。

陥没した起伏頂部の領域は、前記プレートの前記第１端部に平行に、前記第１面に流路を画定するものとできる。

本方法は、前記プレートの前記第２端部に近接する前記第１面側の前記起伏の頂部を陥没させ、前記第２面側の前記起伏の頂部と同一平面上とするものとできる。

本発明の特徴および実施の形態を、一例として、添付の図面を参照して、以下にさらに詳しく説明する。
波形カソード分離プレートを備えた典型的な燃料電池の模式的な分解斜視図である。 波形カソード分離プレートの端部の詳細斜視図である。 本発明による波形カソード分離プレートの第１実施例の詳細斜視図である。 波形カソード分離プレートの第２実施例の詳細斜視図である。 波形カソード分離プレートの第３実施例の詳細斜視図である。 波形カソード分離プレートの第４実施例の詳細斜視図である。 波形カソード分離プレートの第５実施例の詳細斜視図である。 プレートの第２面のシール領域に沿ってガスケット材料のビードが設けられた第５実施例の詳細斜視図である。 本発明の一側面による典型的な方法を示すフローチャートである。

図１が示すのは、典型的な燃料電池集合体１００の分解斜視図である。燃料電池集合体１００は、順に、アノードプレート１０１と、アノード側拡散層１０２と、アノードガスケット１０３と、膜電極接合体（ＭＥＡ）１０４と、カソードガスケット１０５と、カソード側拡散層１０６と、波形カソード分離プレート１０８と、セルのアノード側に燃料を供給する一対のマニホールドガスケット１０９ａ、１０９ｂとを含んでいる。

波形カソード分離プレート１０８は、ガスケット１０５に対して間欠的な支持しかもたらさない。プレート１０８が下方にあるガスケット１０５と接触していない領域、すなわち、プレートを通る空気流路が設けられている領域では、ガスケット１０６には、プレート１０８が直接接触している場所ほど大きな圧縮圧はかかっていない。この圧力減少の結果、下方にあるガスケット１０３、１０５が隣接する層から部分的に分離する恐れがある。状況によっては、これは漏れにつながる。

図２は、図１の燃料電池集合体１００に用いられる典型的な波形カソード分離プレート１０８の一般的な形態を示しており、プレート１０８は、対向関係にある第１面２０４および第２面２０５を有している。プレート１０８は、対向関係にあるプレートの第１および第２端部の間に延び、空気流路２０２を設ける、一連の起伏２０１を有しており、図２には、その第１端部２０３が示されている。プレート１０８の起伏２０１は、プレート１０８の第１面２０４の側に頂部２１３を有し、プレート１０８の対抗する第２面２０５の側に頂部２１４を有する。プレート１０８の対抗する第２端部も、おおむね同一または同様の形態となっている。ＭＥＡ１０４のカソード側に酸化剤を供給するために、第１面２０４の側の頂部２１３と第２面２０５の間に画定された空気流路２０２は、プレートとその下にあるセル集合体の拡散層１０６の間において、空気がそのプレートに沿って流れる流路を構成している。第２面側の頂部２１４と第１面２０４の間に画定された他方の空気流路２０６は、プレート１０８と隣接するセルの間において空気がプレート１０８に沿って流れるのを許容し、冷却作用をもたらす。

図３はカソード分離プレート３０８の第１実施例を示し、ここでは第１面３０４と比べて第２面３０５の側の接触面積がより大きくなるように、プレート３０８の第１端部３０３に近接する第１面３０４の側の頂部３１３が陥没させられ、第２面３０５の側の頂部３１４と実質的に同一平面上にある陥没領域３１５を形成している。プレート３０８の第１端部３０３における頂部３１３は、第１端部３０３と、プレート３０８の第１端部３０３に平行でかつ空気流路３０２を横切る切断線３０９との間で陥没させられている。この実施例では、各陥没頂部３１５は、プレート材料の折り返し３１１、３１２、すなわち、プレート材料がそれ自体に折り返された領域を２つ含んでいる。この結果、プレート３０８の第１端部３０３に沿って、第２面３０５での利用可能接触表面積が増加し、下方にあるガスケットに対するシール面が改善される。陥没頂部３１５は、第２面と正確に同一平面上である必要はないが、第２面３０５でのシール面の改善に必要な作用を可能とするのに十分なだけ同一平面上である必要がある。

図４はカソード分離プレート４０８の第２実施例を示し、ここでは一連の同様な、第１面側の起伏の陥没頂部４１５が、図３の実施例のものに設けられている。もっとも、この場合、頂部４１３は、プレート４０８の第１端部４０３に近接して流路４０９を画定するよう陥没させられ、流路４０９は、プレート４０８の第１端部４０３と平行に延びている。図３の実施例と同様、２つの折り返し領域４１１、４１２が、頂部が陥没した各領域に形成されている。陥没頂部４１５を横切る方向の流路４０９のいずれの側からも圧力がプレート４０８の第２面４０５に印加可能であるため、この構成は、より均一な圧力が下方にあるガスケットに加わることを可能とする。

図５はカソード分離プレート５０８の第３実施例を示し、ここでは図４および３の実施例のそれぞれの２つの折り返し部４１１、４１２あるいは３１１、３１２の代わりに、陥没頂部５１５のそれぞれに対して、折り返し部５１１が１つだけ形成されている。この構成は、下方にあるガスケットとの接触のために、プレート５０８の第２面５０５での利用可能表面積がより大きくなるという利点を有する。折り返し領域５１１は好ましくは、燃料電池のカソード側への酸化剤の供給に対する妨害作用を減らすために、第２面５０５に向かってかつそれぞれの空気流路５０２から遠ざかる方向に折り重ねられている。

図６はカソード分離プレート６０８の第４実施例を示し、ここでは図４の実施例の折り返し領域４１１、４１２が、プレート４０８の第２面４０５に向かってかつ空気流路４０２から遠ざかる方向に折り重ねられている。図５の実施例と同様、空気流路４０２から遠ざかる方向に折り返し領域４１１、４１２を折ることは、分離プレート６０８が用いられている燃料電池のカソード側への酸化剤の供給に対する妨害作用を減らす。

図７はカソード分離プレート７０８の第５実施例を示し、ここでは図５の実施例同様、各起伏７０１の陥没頂部７１５が折り返し部７１１を１つだけ持つ。しかしながらこの実施例では、折り返し部は、空気流路７０２を横切る方向に設けられる流路７０９が図４、５、６の実施例のように連続しておらず、間欠的なため、プレート７０８の第２面７０５に向かって折られていない。

図８は、図７の第５の分離プレート実施例の第２面７０５の図を示している。液状ガスケットまたは接着性化合物などのシーラント材料のビード(bead)８０１が、第２面７０５に沿って陥没頂部７１５をわたって設けられている。陥没頂部７１５なしでは、プレート７０８にわたってこのようなビード８０１をつけることは不可能、あるいは信頼性に欠ける。第２面７０５と同一平面上にある陥没頂部は、プレートの第２面７０５にわたってほぼ連続した表面を形成するため、プレート７０８を通過しての酸化剤の供給を可能とするために開放状態でなくてはならない隣接する空気流路７０２に影響を及ぼすことなく、ビード８０１をつけることができる。

本発明の上述の実施例による分離プレートは、多くの方法により形成可能である。好ましい形成方法では、まず起伏が、プレートに起伏を形成可能な所定ピッチを有する一対のギア付きローラにプレートを通すことにより、ステンレス鋼などの平坦な原料プレート材料に与えられる。次に対向するプレート間でのスタンピング工程で波形プレートの正確な形を決める。このスタンピング工程で、あるいは別工程として、プレートの第１面側の起伏の頂部が陥没させられ、第２面と同一平面上とすることができる。第３および第４実施例によるプレートに関しては、プレート５０８、６０８の第２面４０５、５０５に向かって折り返し領域５１１、４１１、４１２を変形させるために、さらなるスタンピング工程が必要である。

図９は本発明の一実施例による方法に沿った処理作業の典型的な一連のステップを示す。原料プレートが供給され（ステップ９０１）、これがさらに処理されて一連の起伏を形成する（ステップ９０２）。第１のスタンピング作業（ステップ９０３）で、図３および４の実施例でおおまかに述べたように、第２面と同一平面上となるようにプレートの第１面側の起伏の頂部が陥没させられる。任意の第２のスタンピング作業（ステップ９０３）で、図５および６の実施例でのように、プレートの第２面に向かって折り返し領域が曲げられる。実施例によっては、ステップ９０１および９０２が組み合わされて一つのスタンピング作業とされてもよい。

他の実施の形態も、意図的に、添付の請求項によって定められた本発明の範囲内にある。

Claims (14)

1. 対向関係にある第１面及び第２面を有する燃料電池分離プレートであって、
   前記分離プレートは、対向関係にある前記プレートの第１端部および第２端部の間に延び、空気流路を供する一連の起伏を有しており、前記第１面と比べて前記第２面側の接触面積がより大きくなるように、前記プレートの前記第１端部に近接する前記第１面側の前記起伏の頂部が陥没させられ、前記第２面側の前記起伏の隣接する頂部と同一平面上とされている、
   燃料電池分離プレート。
2. 請求項１に記載された燃料電池分離プレートであって、前記第１面側の前記起伏の頂部が、前記第１端部と、前記プレートの前記第１端部に平行でかつ前記空気流路を横切る切断線との間で陥没させられている、燃料電池分離プレート。
3. 請求項１または２に記載された燃料電池分離プレートであって、前記プレートの前記第１端部に近接する陥没した起伏頂部からなる各領域が、プレート材料の折り返しを２つ含む、燃料電池分離プレート。
4. 請求項１または２に記載された燃料電池分離プレートであって、前記プレートの前記第１端部に近接する陥没した起伏頂部からなる各領域が、プレート材料の折り返しを１つだけ含む、燃料電池分離プレート。
5. 請求項３または４に記載された燃料電池分離プレートであって、各折り返しが、前記第２面に向かってかつそれぞれの空気流路から遠ざかる方向に折り重ねられている、燃料電池分離プレート。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載された燃料電池分離プレートであって、陥没した起伏頂部の領域は、前記プレートの前記第１端部に平行に、前記第１面に流路を画定する、燃料電池分離プレート。
7. 請求項１乃至５の何れかに記載された燃料電池分離プレートであって、前記プレートの前記第２端部に近接する前記第１面側の前記起伏の頂部が陥没させられ、前記第２面側の前記起伏の隣接する頂部と同一平面上となっている、燃料電池分離プレート。
8. 対向関係にあるプレートの第１および第２端部の間に延び、空気流路を設ける、一連の起伏を与え、
   第１面と比べて第２面側の接触面積をより大きくするために、前記プレートの前記第１端部に近接する前記第１面側の起伏の頂部を陥没させ、前記第２面側の起伏の頂部と同一平面上とする工程からなる燃料電池分離プレートの形成方法。
9. 請求項８に記載された方法であって、前記プレートの前記第１端部と平行な切断線で前記第１面沿いに前記プレートを切断し、前記起伏の頂部が、前記第１端部と前記切断線の間で陥没させられる、方法。
10. 請求項８または９に記載された方法であって、陥没した起伏頂部からなる各領域に、プレート材料の折り返しを２つ形成する、方法。
11. 請求項８または９に記載された方法であって、陥没した起伏頂部からなる各領域に、プレート材料の折り返しを１つだけ形成する、方法。
12. 請求項１０または１１に記載された方法であって、各折り返しは、前記第２面に向かってかつそれぞれの空気流路から遠ざかる方向に折り重ねられる、方法。
13. 請求項８乃至１２のいずれかに記載された方法であって、陥没した起伏頂部の領域は、前記プレートの前記第１端部に平行に、前記第１面に流路を画定する、方法。
14. 請求項８乃至１３のいずれかに記載された方法であって、前記プレートの前記第２端部に近接する前記第１面側の前記起伏の頂部を陥没させ、前記第２面側の前記起伏の頂部と同一平面上とする、方法。

Images