JP2016502740A - 水輸送板のエラストマシールからの隔離 - Google Patents

Abstract

燃料セルスタック（１１）が複数の連続した燃料セル（１３）を含み、その各々が、多孔質のアノード水輸送板（２２）およびカソード水輸送板（１８）の間に挟持された一体型電極アセンブリ（１５）を含む。外部マニホルド（２７）とのシールを形成するようにシリコーンゴム（２９）またはその他のエラストマが燃料セルの縁部を被覆する領域では、水輸送板の隣接する縁部がエラストマ不透過性材料（３４）で置き換えられるまたは補強される。それにより、反応物ガスを冷却水から隔離するために必要な水泡圧力を低減もしくは排除するのに十分な疎水性を生じさせる原因となる、水輸送板へのエラストマの浸入を防ぎ、その結果、冷却剤ポンプの気体による阻害を防ぐ。予め成形した挿入部（３４）を、モールド成形するように水輸送板と一体成形してもよく、あるいは、流動状の可融性または硬化性の非エラストマである、エラストマ不透過性材料を、既に成形された水輸送板の細孔内に堆積させたのちに融解または硬化させてもよい。

Description

米国政府は、ＦＴＡ全米燃料電池バスプログラム−ナツメグプログラムの契約番号ＦＴＡ ＭＡ−０４−７００２により、本発明およびそれについて発行された特許の一定の権利を有する。

片側の表面に水流路を有し、その反対側の表面に反応物ガス流路を有する多孔質、親水性の燃料セル基体は、一般に水輸送板（ＷＴＰ）と呼ばれており、エラストマシール材料との接触により徐々に疎水性となりうる水輸送板の角部には、エラストマ不透過性材料が設けられ、それにより、水および気泡圧力の低下を無くし、冷却剤へのガスのクロスオーバを防ぐ。

図１を参照すると、気体反応物を一体型電極アセンブリ１５におけるプロトン交換膜の電解質に接触させる燃料セル１３の公知のスタック１１は、多孔質、親水性の分離板を使用するタイプのものであり、こうした分離板は一般に、各基体の片側の表面に気体反応物溝を有するとともに、その反対側の面に、通常は水である冷却剤用の溝１６を有する。一つの燃料セルにおけるカソード水輸送板１８は、その反応物ガス溝１９に酸化剤を通流させるとともに、そのカソード水輸送板が接触した、隣接する燃料セルのアノード水輸送板２２は、その反応物ガス溝２３に燃料を通流させる。燃料および酸化剤は、水輸送板の細孔内の水によって互いに隔離されており、気泡が水を通過するためにある一定の圧力が要求される細孔の毛管力は、気泡圧力と呼ばれる。

燃料セルスタックが組立てられると、水輸送板１８，２２および一体型電極アセンブリ１５の異なる高さとして図示されるように、水輸送板同士および一体型電極アセンブリに対する水輸送板の寸法公差および位置公差が、「スカイライン」と呼ばれる基体の縁部の位置合わせ不良を生じさせる。そのため、燃料セルの縁部を、酸化剤マニホルド２７などの外部反応物ガスマニホルドの表面に対して封止する相対的に滑らかな領域を提供するように、シリコーンゴム２９などのエラストマ充填材が燃料セルの不均一な表面に適用される。これにより、特許文献１，２に記載されるように、マニホルド２７の縁部とシリコーン２９との間のゴムガスケット３０に対し、十分に滑らかな下面が提供され、それらの特許文献は本発明の参照となる。一部の例では、誘電体であってもよい薄い剛性ストリップがゴムガスケットとシリコーン２９との間に設けられる。

マニホルド２７を燃料セル１３に対して封止する領域において、流路１９，２３から流路１６内の冷却剤への反応物ガスの漏出が、冷却剤ポンプが機能し得ない程度にまで発生することが判明している。これは全ての燃料セルスタックにおいて発生し、スタックの寿命を制限する。また、シリコーンの新しい層および／または新しいゴムガスケット３０などのシールの外側部分の交換がほとんどの場合において効果的ではないことが判明している。多くの場合、スタックを組み立て直す必要がある。分解後、有効なセルは無駄になってしまい、その材料は、良くてもリサイクルされる。

米国特許第６６６０４２２号明細書 米国特許第７１２２３８４号明細書

図２を参照すると、反応物ガス流路と水流路との間の漏出が、水輸送板内の気泡圧力の低下によって引き起こされることが判明している。

そしてこの低下はまた、矢印３２で示すように、燃料セルコンポーネントの縁部のシールから水輸送板１８，２２の多孔質構造への、シリコーン等のエラストマの浸入（infusion）に起因することが分かっている。

エラストマは極めて疎水性であり、細孔を満たすことなく細孔の既存の表面を被覆するため、シリコーンによって侵食された領域は疎水性となる。浸入の程度が十分大きい場合、（一般に、より高圧の）反応物ガスが、（一般に、より低圧の）水流路１６へと流入する。冷却システムは、最終的に冷却剤ポンプが冷却液体を効率的に推進できない程、気体を十分に引き込むようになり、システムをシャットダウンさせる。

本発明の態様は、エラストマシール部材の近傍にある水輸送板の各縁部に、水輸送板へのエラストマの浸入をブロックするためのエラストマ不透過性材料（elastomer-impervious material）を提供することである。この態様により、水輸送板の縁部が疎水性となることを防ぎ、気泡圧力の低下を無くし、冷却システムへのガスの流入を防止する。その材料は、エラストマを越えて延在するとともに、水輸送板の全厚に亘って約１ｃｍ（１／３インチ）の短い距離だけ水輸送板内部に延在する。

その材料は予成形されるとともに、水輸送板を成形する際に水輸送板にモールド成形される。その材料は、代替的に、水輸送板のマスキングされていない部分の細孔内に流動状に堆積され、次いで水輸送板の成形温度を下回る温度で融解または硬化させることにより、凝固される。

添付図面に示した例示的な実施形態についての以下の詳細な説明に照らして、その他の変形例がさらに明らかになるであろう。

外部マニホルドの縁部の真下のゴムガスケットとシリコーンシールを有する部分を誇張した比率で図示した、燃料セルコンポーネントの部分斜視図。 水輸送板へのシリコーンの浸入を示す、図１のコンポーネントの部分斜視図。 本発明の態様によるシリコーン不透過性の挿入部を含んだコンポーネントの部分斜視図。 水輸送板のモールド成形前に、内部に位置合わせされたシリコーン不透過性挿入部を有する鋳型の角部を誇張した比率で図示した部分斜視図。 本発明の態様のシリコーン不透過性挿入部の代替実施例の部分斜視図。 本発明の態様のシリコーン不透過性挿入部の代替実施例の部分斜視図。 本発明の態様のシリコーン不透過性挿入部の代替実施例の部分斜視図。

図３を参照すると、本発明の態様の第一の一般的な実施例が、シリコーン２９の領域における各水輸送板の縁部に、予成形されたエラストマ不透過性挿入部（elastomer-impervious insert）３４を用いることにより、各水輸送板へのシリコーンまたはその他のエラストマの浸入（infusion）を防ぐ。ここで用いられるように、表現「領域」および「近傍」は、予想される将来の使用を含む。この挿入部３４は、水輸送板へのシリコーンの浸入を防ぎ、水輸送板の気泡圧力の崩壊を防ぐ。

挿入部３４は、モールド３６にグラファイト／樹脂（またはその他の適切な）混合物を充填する前にその挿入部をモールド３６の角に配置することによって提供される（図４）。図４では、モールドの側面および底面の、互いに隣接する面３８〜４０のみしか図示していない。モールドに通常のグラファイト／樹脂混合物を充填する工程時のモールドへの適切な位置合わせ（registration）の保証と、水輸送板の成形を補助するように、ピン４３がモールドの底面３８に取り付けられて、挿入部３４内に途中まで設けられた穴４４をガイドする。

成形工程時の水輸送板に対する挿入部３４の接合を補助するように、挿入部３４の水輸送板への接合を補助するためのある程度の表面の拡大が行われる。図４の実施例では、挿入部３４の２つの縁部５０，５１の各々にスロット４６，４７が設けられており、それらは水輸送板と連続的となる。

図５は、挿入部３４と水輸送板１８，２２との間の接着を向上させるように、スロット４６，４７の代わりに波状面５３が用いられることを示す。波状面５３は、緩やかに起伏してもよく、急激に起伏すなわち鋸歯のようであってもよい。しかしながら、接着が望ましい水輸送板の縁部に対して主に垂直な表面を提供することが有益である。

図６は、表面積を増加させ、かつ挿入部３４と水輸送板１８，２２との間の接着を向上させるように穴５５が用いられてもよいことを示す。

図７は、表面積を増加させ、かつ挿入部３４と水輸送板１８，２２との間の接着を向上させるようにリブ５６が用いられうることを示す。

穴およびピン４３，４４の代わりに、挿入部３４をモールド３６に対して指標付けるその他の機構を利用してもよい。しかしながら、エラストマ／シリコーンが、選択される指標手段を通して通路を形成しないようにする必要がある。

本発明の第二の一般的な実施例では、予成形品を成形される水輸送板と一体成形（casting）する代わりに、水輸送板を従来の方法によって完成させてもよく、次いで、その水輸送板におけるエラストマ不透過性材料が必要な箇所を除いた表面上をマスキングする。次いで、流動状の可融性または硬化性の非エラストマである、エラストマ不透過性材料をエラストマシールの近傍にある水輸送板の全厚に亘る細孔に堆積させ、次いでこれを融解または硬化させる。

流動物質は、非エラストマである、エラストマ不透過性の可融性プラスチックの適切な微粉でもよく、あるいは、ビスマス、鉛、スズ、およびカドミウムから選択された共融混合物でもよい。

本発明の要旨を逸脱しない範囲で開示の実施例の変更および変形を行うことができるため、本発明は付記の特許請求の範囲に要求される以外の開示に限定することを意図するものではない。

Claims (16)

1. 複数の相互に連続的な燃料セル（１３）と、
   エラストマ封止材（２９）と、を備えた燃料セルスタック（１１）であって、
   前記燃料セルの各々は、カソード触媒およびカソード触媒担体と、アノード触媒およびアノード触媒担体と、の間に挟持されたプロトン交換膜を含んだ電極アセンブリ（１５）と、前記アノード触媒担体と隣接するように配置された多孔質、親水性のアノード水輸送板（１８）と、前記カソード触媒担体と隣接するように配置された多孔質、親水性のカソード水輸送板（２２）と、を備え、
   前記エラストマ封止材（２９）は、外部マニホルド（２７）を前記燃料セルに対して封止する領域における該燃料セルの縁部を被覆する、燃料セルスタック（１１）において、
   エラストマ不透過性材料（３４）が、前記水輸送板の各々の全厚の範囲に亘って前記エラストマ封止材の近傍に配置されることを特徴とする、燃料セルスタック（１１）。
2. 前記水輸送板（１８，２２）の各々における前記エラストマ不透過性材料（３４）が、挿入部（３４）を備え、前記挿入部（３４）は、エラストマ不透過性材料から予成形されるとともに、前記水輸送板のモールド成形時に対応する水輸送板と一体成形されることをさらに特徴とする請求項１に記載の燃料セルスタック（１１）。
3. 前記水輸送板と接触する各挿入部（３４）の縁部が、接着を向上させるための表面積拡大部（４６，４７；５３；５５；５６）をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料セルスタック（１１）。
4. 前記接着を向上させるための表面積拡大部が、スロット（４６，４７）を含むことを特徴とする請求項３に記載の燃料セルスタック（１１）。
5. 前記接着を向上させるための表面積拡大部が、一つ以上の穴（５５）を含むことを特徴とする請求項３に記載の燃料セルスタック（１１）。
6. 前記接着を向上させるための表面積拡大部が、波状面（５３）を含むことを特徴とする請求項３に記載の燃料セルスタック（１１）。
7. 前記接着を向上させるための表面積拡大部が、リブ（５６）を含むことを特徴とする請求項３に記載の燃料セルスタック（１１）。
8. 前記エラストマ不透過性材料（３４）が、非エラストマのプラスチックを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料セルスタック（１１）。
9. 前記エラストマ不透過性材料（３４）が、金属を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料セルスタック（１１）。
10. 前記エラストマ不透過性材料（３４）が、前記エラストマ封止材の近傍にある前記水輸送板の各々の全厚に亘る細孔内に流動状に堆積させたのちにその位置で融解または硬化させた、可融性または硬化性の非多孔性、非エラストマを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料セルスタック（１１）。
11. 前記エラストマ不透過性材料（３４）が、非エラストマのプラスチックを備えることを特徴とする請求項１０に記載の燃料セルスタック（１１）。
12. 前記エラストマ不透過性材料（３４）が、金属を備えることを特徴とする請求項１０に記載の燃料セルスタック（１１）。
13. 前記エラストマ不透過性材料（３４）が、ビスマス、鉛、スズ、およびカドミウムから選択された共融混合物を備えることを特徴とする請求項１２に記載の燃料セルスタック（１１）。
14. エラストマ不透過性材料（３４）を、水輸送板の各々の全厚の範囲に亘ってエラストマ封止材（２９）の近傍に設けることを備えた、燃料セルスタック（１１）における複数の多孔質、親水性の水輸送板（１８，２２）へのエラストマ封止材（２９）のエラストマの浸入の防止方法。
15. 前記エラストマ不透過性材料を設けるステップが、前記エラストマ不透過性材料から予成形された挿入部（３４）を、前記水輸送板の成形時に各水輸送板（１８，２２）と一体成形することをさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記エラストマ不透過性材料を設けるステップが、流動状の可融性または硬化性の非多孔性、非エラストマの、エラストマ不透過性材料（３４）を、前記エラストマ封止材（２９）の近傍にある前記水輸送板（１８，２２）の各々の全厚に亘る細孔内に堆積させ、次いで前記材料を融解または硬化させることをさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。

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