JP2015508560A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

本発明は、複数の積層された燃料電池ユニット及び少なくとも１つのスタック終端要素（３）から形成されている燃料電池スタック（１）に関し、積層された燃料電池ユニットはハウジング（２）によって取り囲まれている。フレーム要素（４）が備えられており、このフレーム要素（４）は少なくとも１つのスタック終端要素（３）及びハウジング（２）の端面に配置されており、フレーム要素（４）の範囲内で少なくともスタック終端要素（３）とハウジング（２）との間に少なくとも１つのシール（５）が配置されている。

Description

本発明は、請求項１の上位概念による燃料電池スタックに関する。

燃料電池ユニットは、化学エネルギーを電気エネルギーへと変換する。通常、燃料電池ユニットは膜−電極−ユニットから構成され、このユニットは、殊にプロトン伝導膜、ガス拡散電極の形の電極としてアノード及びカソードを有し、膜はアノードとカソードとの間に配置されており、かつ膜−電極−ユニットは２つの双極性プレートの間に配置されており、かつ隣接する２つの燃料電池ユニット間に双極性プレートがそれぞれ配置されている。

個別の燃料電池ユニットから得ることができる電圧は比較的小さいので、通常、複数の燃料電池ユニットが互いに連結され、この燃料電池ユニットは燃料電池スタックとして統合される。積層された燃料電池ユニットは一般的にハウジング内に配置され、このハウジングは、有利には、燃料電池スタックのエンドプレート間に配置されている。付加的に、この配置でエンドプレートの少なくとも片側は、ホルダ又は支持フレーム、例えば車両ボディとの力嵌め結合による連結を生じることができるように利用できる。規定数の燃料電池ユニットを備える燃料電池スタックの高さは、例えば双極性プレート、膜−電極−ユニット及び／又はシールの許容厚さに依存して変化しうる。この際、個々の部品の厚み偏差は、例えば僅か１００分の１ミリメートルから１０分の１ミリメートルの範囲内で変動する。構成要素の個別許容誤差を合計すると、例えば何百もの燃料電池ユニットを備える燃料電池スタックの高さは予定高さとは明らかに相違しうる。例えば、＋／−５ミリメートル、また特殊な場合では＋／−１７ミリメートルの許容範囲が知られている。その結果、それぞれのハウジングの高さを燃料電池スタックの高さへ個々に合わせなくてはならない。

この問題を解決するために、例えば、異なる高さを有する多数のハウジングを予め製造し、対応する燃料電池スタックの高さが知られるとすぐに、対応して適合するハウジングを製造工程へと導く。

特許文献１には、ハウジング内に配置されている燃料電池スタックが開示されている。このハウジングはその長手側面にカバー要素を有し、かつその端面がエンドプレートで閉じられている。カバー要素及びエンドプレートは部分的に平行に延びており、平行に延びる部分にシールが配置されている。

特開２００９−１７０１６９号公報

本発明は、従来技術と比べ改善された燃料電池スタックを提示するという課題を基礎とする。

この課題は、本発明により、請求項１記載の特徴を有する燃料電池スタックによって解決される。
本発明の有利な形態は、従属請求項の対象である。

燃料電池スタックは、複数の積層された燃料電池ユニットと少なくとも１つのスタック終端要素から形成され、積層された燃料電池ユニットはハウジングによって取り囲まれている。本発明により、フレーム要素が少なくとも１つのスタック終端要素及びハウジングの端面に配置されており、フレーム要素の範囲内で少なくともスタック終端要素とハウジングとの間に少なくとも１つのシールが配置されている。

燃料電池スタックの高さは、冒頭で既に記載したように、例えば双極性プレート、膜−電極−ユニット及び／又はシールの許容厚さによって変化しうる。フレーム要素によって、有利な方法で、このような高さの違いは調整可能である。このためにフレーム要素がスタック終端要素及びハウジングを端面で包囲するので、少なくとも１つのシールによるハウジングとスタック終端要素との間のシーリングは大きな高さ許容範囲でも保障されている。それによって、特に、標準の高さを有するハウジングが使用可能になるので、組立費用をコスト的及び時間的に有効に構成することができる。

フレーム要素は、有利には、スタック終端要素の端面及びハウジングの端面に嵌め合い結合、力嵌め結合及び／又は材料結合により固定されている。特に、フレーム要素は、スタック終端要素及びハウジングの端面に嵌め合い結合により取り付けられ、嵌め合い結合は対応する接着及び／又はねじ留めにより補われるので、フレーム要素とスタック終端要素及びハウジングとの間の機械的に安定した連結が保障されている。

１つの可能な実施形態において、スタック終端要素の端面がスタック終端要素の周囲を巡る（ｕｍｌａｕｆｅｎｄｅｎ）曲げられた縁（Ｒａｎｄ）によって形成されており、スタック終端要素の端面はハウジングの端面と平行に、かつ積層方向へ延びる。スタック終端要素の曲げられた縁によって、有利な方法で、スタック終端要素の曲げ及びねじり剛性が高められる。

スタック終端要素の端面及びハウジングの端面との最適な形状結合のために、フレーム要素は可能な実施形態においてＵ字形輪郭を有し、Ｕ字輪郭の脚の長さはスタック終端要素の曲げられた端面の長さに対応するので、フレーム要素はスタック終端要素の端面を包囲する。

本発明の第１の形態において、脚の間に、それぞれＵ字形輪郭を有する互いに平行に配向された２つのシールが配置されており、一方のシールがスタック終端要素の端面を取り囲み、かつ他方のシールがハウジングの端面を取り囲む。それによって、ハウジングに対するスタック終端要素の嵌め合い結合及びシーリングが有利な方法で可能である。シールは、特に、フレーム要素の内面に形成され、従って簡単な方法で製造可能である。

殊に有利には、一方のシールのＵ字形輪郭がスタック終端要素の端面の形状及び/又は外寸に対応して構成されており、かつ他方のシールのＵ字形輪郭がハウジングの端面の外寸に対応して構成されている。ハウジングの端面を収容するためのシールは、予め設定可能な高さ範囲の異なる高さを有するハウジングの端面をこれらのシールが収容できるようにデザインされている。

本発明による第２の形態においては、ハウジングの方向を向く、スタック終端要素の端面の表面側に、シールが備えられている。シールは、例えば複数のリップシールから形成されている。従って燃料電池スタックへのハウジングの配置の際、すなわち積層方向へのハウジングのスライド（Ａｕｆｓｃｈｉｅｂｅｎ）の際に、既に良好なシール作用が得られる。フレーム要素は、これにより得られる、スタック終端要素の端面及びハウジングの端面への接触圧を改善するために配置されており、かつ従って固定フレームとして作用する。

特に、シールはクランプ装置の収容のために凹所を有し、クランプ装置は少なくとも凹所の範囲において電気的に絶縁されている。例えばリップシールとして構成されたシール及び電気的に絶縁されたクランプ装置は、有利な方法で気密に協働作用し、従って燃料電池スタックとハウジングとの間の範囲へ湿気が浸入するのを妨げる。更に、燃料電池スタックを締め付けるためのクランプ装置と、ハウジングに対するスタック終端要素のシーリングとの組み合わせは、燃料電池スタック用のシールシステムの簡単でかつ低コストな製造及び更には構造空間節約を可能にする。クランプ装置の電気的絶縁のために、クランプ装置上へ絶縁体が形成され、特に例えば射出成型法によって形成されている。

シールのシール作用を最適化するために、これらのシールは、ゴム、発泡体、ポリ塩化ビニル、熱可塑性ポリウレタン及び／又は熱可塑性ポリマーから形成されている。これらの電気的に絶縁性の材料は、高い耐薬品性、熱安定性及び良好な耐食性により優れている。

次に本発明の実施例を図によって詳しく説明する。

第１の実施例における本発明の燃料電池スタックの部分を概略的に示す断面図である。 第２の実施例における本発明の燃料電池スタックの部分を概略的に示す断面図である。

互いに対応する部分は、全図において同じ符号が付与されている。

図１は、第１の実施例における本発明の燃料電池スタックからの部分を示し、燃料電池スタック１はハウジング２、スタック終端要素３及びフレーム要素４を有する。

燃料電池スタック１は、詳述されていない積層された複数の燃料電池ユニットを含み、燃料電池ユニットはハウジング２内に配置されており、燃料電池ユニットは例えば高温−燃料電池ユニット、例えば抗酸化燃料電池、又は低温−燃料電池ユニット、例えばポリマー電解質燃料電池から構成されており、ポリマー電解質燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は有利である。

ハウジング２は、例えば１つの面が開いたハウジング２として構成されており、積層された燃料電池ユニットを取り囲む。理想的には、ハウジング２はその開いた末端によって、燃料電池スタック１を端面で境界付けるスタック終端要素３の末端又は表面側へ接続する。

燃料電池スタック１の高さは、通常、燃料電池ユニット内に配置された双極性プレート、膜−電極−ユニット及び／又はシール５の許容厚さによって変化するので、例えば図１及び２に示されているように、ハウジング２は、スタック終端要素３の端面の表面側の部分を包囲しうる。

スタック終端要素３の端面は、本実施例ではスタック終端要素３の周囲を巡る曲げられた縁によって形成されており、スタック終端要素３の端面はハウジング２の端面と平行にかつ積層方向ｓに延びている。

スタック終端要素３は、上部エンドプレートの形で端面で燃料電池スタック１を境界付けする。代わりにハウジング２は、両側が開いたハウジング２として形成されていてよく、燃料電池スタック１は２つのスタック終端要素３を有するので、スタック終端要素３のうちの一方は燃料電池スタック１の上部端面を限界付けし、及びスタック終端要素３の他方は燃料電池スタック１の下部端面を下部エンドプレートの形で限界付けする（示されていない）。殊に有利には、上部エンドプレートはハウジング２の蓋を、かつ下部エンドプレートはハウジング２の底を形成する。

殊に有利には、スタック終端要素３は、プラスチック−射出成型法で金属−プラスチック−ハイブリット部品として一体に製造されている。従って、金属−プラスチック−ハイブリット部品としてのスタック終端要素３の構成は、異なる２つの材料の好ましい特徴を組み合わせることが可能である。金属部によって、力の付与が大きな面で燃料電池ユニットに導入可能であり、かつ支持構造、例えば車両ボディへの接続点が実現可能である。更に、金属部の形状安定性及び温度安定性は非常に良い。金属材料として例えば鋼のような金属合金も適している。

金属部へ一体成形された補強部によって、環境に対する燃料電池スタック１の電気的絶縁が実現される。更に、補強部によって、燃料電池スタック１のハウジング２への接続部、燃料電池スタック１からのもしくは燃料電池スタック１内への気体状又は液状媒体の取出し及び取り入れ並びに媒体の単離が、電気的にも、腐食から保護するためにも実現可能である。従って、補強部は金属部を最適化する。プラスチック並びに有機ポリマーとして、熱可塑性樹脂が殊に適している。

スタック終端要素３を、その端面はこの実施例で示されたようにハウジング２の端面によって取り囲まれているものであるが、ハウジング２に対してシーリングするために、燃料電池スタック１はフレーム要素４を有し、このフレーム要素４はスタック終端要素３の端面及びハウジング２の端面に嵌め合い結合、力嵌め結合及び／又は材料結合により固定されている。

フレーム要素４はＵ字形輪郭を有し、脚の間に、互いに平行に配向された２つのシール５が配置されており、これらのシールはそれぞれＵ字形輪郭を有する。

一方のシール５はスタック終端要素３の端面を取り囲み、かつ他方のシール５はハウジング２の端面を取り囲むが、スタック終端要素３の端面を包囲するシール５のＵ字形輪郭の脚の長さは、スタック終端要素３の曲げられた端面の長さに対応する。

ハウジング２の端面を包囲するシール５のＵ字形輪郭の脚の長さは、一定の高さ範囲の異なる高さを有するハウジング２のこの端面を収容することができるように予め設定可能である。その高さが一定高さ範囲の最少範囲にあるハウジング２の端面はシール５のＵ字形輪郭の脚のブリッジ（Ｓｔｅｇ）に接触せず、その高さが一定高さ範囲の最大範囲にあるハウジング２の端面はシール５のＵ字形輪郭の脚のブリッジに接触しえ、シール５とハウジング２との間の十分な重なりが保障されている。

従って、ハウジング２に対するスタック終端要素３の嵌め合い結合及びシーリングは、大きな高さ許容範囲でも有利に保障されうる。それによって、特に、標準の高さを有するハウジング２が使用可能であるので、燃料電池スタック１の組立費用はコスト及び時間的に有効に構成されうる。更に、燃料電池スタック１の重量削減が可能であるので、有益な方法で、燃料電池によって駆動される車両の重量削減、従って車両駆動中のエネルギー節約が可能になる。

シール５は、例えばフレーム要素４の内面に形成され、従って簡単な方法で製造可能である。代わりに、フレーム要素４の脚の間にシール５が挿入され、かつ付加的に接着されている。最適なシール作用のために、シール５は、ゴム、発泡体、ポリ塩化ビニル、熱可塑性ポリウレタン及び／又は熱可塑性ポリマーから形成されている。これらの電気的に絶縁性の材料は、高い耐薬品性、高い熱安定性及び良好な耐食性により特徴づけられている。

フレーム要素４は、特に、例えば有機ポリマーのようなプラスチックから製造されており、かつ有利には燃料電池スタック１の組立ての間にスタック終端要素３の端面及びハウジング２の端面へ嵌め合い結合により取り付けられ、嵌め合い結合は、力嵌め結合及び／又は材料結合によって、このフレーム要素４とスタック終端要素３並びにハウジング２との間の機械的に安定した連結が保障されるように補われる。本実施例において、フレーム要素４は、更にねじ６によってスタック終端要素３と力嵌め結合によりねじ止めされている。代わりに、更に、フレーム要素４及び／又はシール５は、スタック終端要素３の端面と、及び／又はハウジング２の端面と接着されていてよい。

本発明の第２の代替の形態が図２に示されており、この形態では、ハウジング２の方向を向く、スタック終端要素３の端面の表面側にシール５が備えられている。

本実施例においては、シール５は周囲を巡る複数のリップシール５．１から形成されており、このリップシール５．１は例えばスタック終端要素３の端面の表面側に形成されている。代わりに、リップシール５．１はスタック終端要素３と接着されていてもよい。更なる代替の実施形態において、シール５は複数のＯリング又は一体式の周囲を巡るシールとして実施されている。

リップシール５．１は、特に、本発明の第１の実施例によるシール５と同様の材料から形成されている。

特に、リップシール５．１は、クランプ装置（示されていない）を収容するために凹所を有し、クランプ装置は少なくとも凹所の範囲で電気的に絶縁されている。クランプ装置によって、スタック終端要素３及びハウジング２は、燃料電池スタック１が組み立てられた状態で互いに締め付けられており、それというのも、クランプ装置は、燃料電池スタック１を締め付けるための引張力を、燃料電池スタックを介してハウジング２内の積層された燃料電池ユニット及びスタック終端要素３へと伝達するからである。

リップシール５．１及び電気的に絶縁されたクランプ装置は、有利な方法で密に協働作用し、かつそれによって燃料電池スタック１とハウジング２との間の範囲への湿気の浸入を妨げる。燃料電池スタック１を締め付けるためのクランプ装置と、ハウジング２に対するスタック終端要素３のシーリングとの組合せは、更に、燃料電池スタック１用のシールシステムの簡単でかつ低コストの製造と、更には構造空間節約を可能にする。この際クランプ装置の電気的絶縁のために、絶縁体がこのクランプ装置上に形成され、特に例えば射出成型法によって形成されている。

ハウジング２が終点に達するまで、ハウジング２の端面の、スタック終端要素３に向けられた表面側がシール５に沿って延びる場合に、燃料電池スタック１にハウジング２を配置する際、すなわち積層方向ｓへハウジング２をスライドする際に、対応するシール作用が得られる。これから得られる接触圧を改善するために、フレーム要素４は、スタック終端要素３及びハウジング２の端面にほぼ嵌め合い結合により配置されており、かつそれによって有利に固定フレーム４．１として作用する。固定フレーム４．１として構成されたフレーム要素４は、一体式で又は複数の部分からなって実施されうる。

本実施例において、固定フレーム４．１は、ねじ６によって力嵌め結合によりスタック終端要素３とねじ止めされている。代わりに、更に、固定フレーム４．１は、スタック終端要素３及び／又はハウジング２と接着されていてよい。更に代替的に、固定フレーム４．１の内側が、対応する取付け輪郭（Ａｎｌａｇｅｐｒｏｆｉｌｅｎ）を備えることも可能であり、その輪郭によって固定フレーム４．１が位置に保持される。

固定フレーム４．１の時間的に最適な、及び費用が最適な組立てを確実にするために、固定フレームの脚は、その開いた末端において、入口傾斜（Ｅｉｎｌａｕｆｓｃｈｒａｅｇｅｎ）を有する。

１ 燃料電池スタック
２ ハウジング
３ スタック終端要素
４ フレーム要素
４．１ 固定フレーム
５ シール
５．１ リップシール
６ ねじ
ｓ 積層方向

Claims (10)

1. 複数の積層された燃料電池ユニットと少なくとも１つのスタック終端要素（３）から形成される燃料電池スタック（１）であって、前記積層された燃料電池ユニットがハウジング（２）により取り囲まれた燃料電池スタック（１）において、
   少なくとも１つの前記スタック終端要素（３）及び前記ハウジング（２）の端面に配置されているフレーム要素（４）により、そして前記フレーム要素（４）の範囲内で少なくとも前記スタック終端要素（３）と前記ハウジング（２）との間に配置されている少なくとも１つのシール（５）により特徴づけられる、燃料電池スタック（１）。
2. 前記フレーム要素（４）が、前記スタック終端要素（３）の端面及び前記ハウジング（２）の端面に嵌め合い結合、力嵌め結合及び／又は材料結合により固定されていることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック（１）。
3. 前記スタック終端要素（３）の端面が前記スタック終端要素（３）の周囲を巡る曲げられた縁によって形成されており、前記スタック終端要素（３）の端面は前記ハウジング（２）の端面と平行に積層方向へ延びることを特徴とする、請求項２記載の燃料電池スタック（１）。
4. 前記フレーム要素（４）がＵ字形輪郭を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池スタック（１）。
5. 前記Ｕ字形輪郭の前記脚の長さが、前記スタック終端要素（３）の曲げられた端面の長さに対応することを特徴とする、請求項４記載の燃料電池スタック（１）。
6. 前記脚の間に、それぞれＵ字形輪郭を有する互いに平行に配向された２つのシール（５）が配置されており、一方の前記シール（５）が前記スタック終端要素（３）の端面を取り囲み、かつ他方の前記シール（５）が前記ハウジング（２）の端面を取り囲むことを特徴とする、請求項５記載の燃料電池スタック（１）。
7. 前記シール（５）の前記Ｕ字形輪郭が、前記スタック終端要素（３）の端面及び前記ハウジング（２）の端面の形状及び／又は外寸に対応して構成されていることを特徴とする、請求項６記載の燃料電池スタック（１）。
8. 前記ハウジング（２）の方向を向く、前記スタック終端要素（３）の端面の表面側に、シール（５）、殊に複数のリップシール（５．１）が備えられていることを特徴とする、請求項２から４のいずれかに記載の燃料電池スタック（１）。
9. クランプ装置を収容するために前記シール（５）が凹所を有し、前記クランプ装置が少なくとも前記凹所の範囲内で電気的に絶縁されていることを特徴とする、請求項８記載の燃料電池スタック（１）。
10. 前記シール（５）がゴム、発泡体、ポリ塩化ビニル、熱可塑性ポリウレタン及び／又は熱可塑性ポリマーから形成されていることを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載の燃料電池スタック（１）。
    

Images