JP2017139214A

JP2017139214A - 不整列の条件下で改善された接触圧力均一性をもつエンボス金属シール設計

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Publication number: JP2017139214A
Application number: JP2016231074A
Authority: JP
Inventors: マシュー・ジェイ．・ブーテル; J Beutel Matthew
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-02-04
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2017-08-10
Also published as: CN107039664A; US20170229714A1; DE102017101318A1

Abstract

【課題】特殊なエンボス形体を有する、対向するプレス金属板半体を含む燃料電池スタックのための双極板を提供する。【解決手段】スタックが組み立てられたときに、対向するシール経路の中心線がオフセットされて双極板のより固い部分とより固くない部分との間にオフセットを作り出すように、対向する板半体のエンボス形体が互いに対して位置付けられ、それにより、圧縮組立力を受ける板半体間のビードシールに沿ってより均一な封止を可能にする。【選択図】図３

Description

[0001]本発明は一般に、封止のためのエンボス形体を含む燃料電池スタックのための双極板に関し、より詳細には、双極板半体が、対向する板半体のエンボス形体が互いに対してオフセットされるように組み立てられてシール周囲のまわりでシール力および／または圧力変動を低減させる、エンボス形体を含む燃料電池スタックのための双極板に関する。

[0002]水素燃料電池は、間に電解質があるアノードおよびカソードを含む電気化学装置である。アノードは水素ガスを受け取り、カソードは酸素または空気を受け取る。水素ガスはアノードで解離されて自由水素プロトンおよび電子を生成する。水素プロトンは電解質を通過してカソードに至る。アノードからの電子は電解質を通過することができず、したがってカソードに送られる前に、負荷を通して導かれて仕事を行う。プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は車両用に普及した燃料電池形であり、一般に、ペルフルオロスルホン酸膜などの固体高分子電解質プロトン伝導膜を含む。アノードおよびカソードは典型的には、炭素粒子に担持されかつアイオノマーと混合される微粉触媒粒子、通常白金（Ｐｔ）を含み、ここで触媒混合物は膜の対向する両側に堆積される。アノード触媒混合物、カソード触媒混合物、および膜の組合せは、膜電極接合体（ＭＥＡ）を定める。膜は燃料電池スタックのアノード側とカソード側との間のガスの透過を阻止するが、一方でプロトンを透過させてそれらのそれぞれの電極上のアノードおよびカソード反応を完成するようにする。

[0003]典型的にはいくつかの燃料電池が燃料電池スタックに組み合わされて所望の電力を生成する。燃料電池スタックは典型的には、スタック内でいくつかのＭＥＡ間に位置付けられる一連の流れ場または双極板を含み、ここで双極板およびＭＥＡは２つの端板間に位置付けられる。双極板は、スタック内で隣接する燃料電池のためのアノード側およびカソード側を含む。アノードガス流路が双極板のアノード側に提供されて、アノード反応ガスがそれぞれのＭＥＡに流れられるようにする。カソードガス流路が双極板のカソード側に提供されて、カソード反応ガスがそれぞれのＭＥＡに流れられるようにする。一方の端板はアノードガス流路を含み、他方の端板はカソードガス流路を含む。双極板および端板は、ステンレス鋼または導電性複合材などの導電材料で作られる。端板は燃料電池によって生成される電気をスタック外に伝導する。双極板は冷却流体が流れる流路も含む。

[0004]燃料電池スタックはＭＥＡが設けられる活性領域を含み、それはスタック内の電気化学反応が生じる範囲である。反応ガスは、ＭＥＡの代わりにカソード流路とアノード流路の間のサブガスケットを含む非活性供給領域を通じて、１つまたは複数の入口ヘッダから活性領域内の流路に供給される。双極板は典型的には、反応ガスと冷却流体が分離されて適切な多岐管ヘッダに連結されることができるように、組み合わされて溶接される。双極板は一般に、カソード反応ガス流路およびアノード反応ガス流路が活性領域と非活性領域の両方で実質的に同じサイズになるように構成される。

[0005]双極板を製作するための技術には様々な技法が公知である。１つの設計では、プレス金属板半体は、板半体の一方の片側でアノード流路が提供され、他方の板半体の反対側でカソード流路が提供され、そして板半体間に冷却流体流路が提供されるように組み合わされる。双極板は互いの上に積み重ねられ、次いでその内部の様々な流路を封止するように端構造の間で圧縮される。

[0006]板半体のプレス形状は、最終的に反応ガスまたは冷却流体流路およびシールを画定する溝など、板におけるエンボス形体を画定する。流路のためのエンボス形体は同相で整列しているか、または異相で不整列であることができる。ＭＥＡを通してのアノード流路とカソード流路の配列は実質的に異なってよく、すなわち整列しているかまたは直交であることができる。エンボス形体が封止のために使用されるとき、エンボス形体経路自体はアノードおよびカソード板半体において同じ経路をたどる。双極板のための対向する板半体が組立工程中に積み重ねられると、板半体が互いに接触する範囲が、ビードシールを画定することができ、ここで接触域は固く、互いから離間される範囲は変形可能かつ弾性である。組立中に双極板のスタックに加えられる圧縮力は、板半体をビードシールで共に封止されるようにする。典型的には、薄いエラストマーがビードシールの箇所で板半体に設置されて、封止効果を増大させる。

[0007]燃料電池スタックの組立工程中に、半板におけるエンボス形体はできるだけうまく互いと整列される。しかしながら、組立工程における非効率性および典型的な燃料電池スタックに必要とされる板半体の数のため、板半体のエンボス形体は完全には整列されない。板半体間のこの不整列は、板封止に影響する板半体上の望ましくない圧力変動という結果になる。さらに、供給領域および供給領域と活性領域との間の遷移領域における様々な箇所が湾曲されて、反応ガスが特定の多岐管に導かれるようにする。直線のエンボス形体経路は、湾曲したエンボス形体経路より堅くないだろう。ヘッダ形状および活性範囲のフットプリントは、シール経路エンボス形体が形状のまわりを封止するために方向転換を有することを必要とし、これは直線のシール経路よりも堅い封止−たわみ応答を有するだろう。板半体は、ＵＥＡサブガスケットが封止範囲における接触を分離した状態で、互いと接触する必要があるだろう。ヘッダまたは活性範囲形状を囲む際のシールエンボス形体の隅または屈曲部の堅さが、封止変動を生じるだろう。

[0008]本発明は、燃料電池スタックのための双極板を開示および記載し、この双極板は、スタックが組み立てられたときに、対向するシール経路の中心線がオフセットされて双極板のより固い部分とより固くない部分との間にオフセットを作り出すように、対向する板半体のエンボス形体が互いに対して位置付けられ、それにより、圧縮組立力を受ける板半体間のビードシールに沿ってより均一な封止を可能にするような、特殊なエンボス形体を有する対向するプレス金属板半体を含む。

[0009]本発明の追加の特徴は、添付の図面と併せて以下の説明および添付の請求項から明らかになるだろう。

[0010]２つの非入れ子プレス双極板を図示する、既知の燃料電池スタックのヘッダシールエンボスの部分横断面図である。 [0011]ヘッダ開口を図示する既知の双極板半体の破断上面図である。 [0012]対向する板半体におけるエンボス形体が互いに対してオフセットされた２つの非入れ子プレス双極板半体を図示する、燃料電池スタックの不活性供給領域の部分横断面図である。 [0013]スタックが組立中に圧縮された後の、図３に図示される燃料電池スタックの部分横断面図である。

[0014]特殊な不整列のエンボス形体を有する対向するプレス金属板半体を含む燃料電池スタックのための双極板を目的とする本発明の実施形態の以下の説明は、本質的に例示にすぎず、決して本発明またはその応用例もしくは使用例を限定するものとは意図されない。

[0015]図１は、既知の燃料電池スタック１０の不活性供給領域の一部分を通る部分横断面図である。燃料電池スタック１０のこの部分は、間に一体電極集合体（ＵＥＡ）サブガスケット１６が位置付けられる２つの双極板１２および１４を図示する。双極板１２はカソード板半体１８およびアノード板半体２０を含み、そして双極板１４はカソード板半体２２およびアノード板半体２４を含む。板半体１８、２０、２２、および２４の各々は図示されるような構成をもつプレス金属板であり、かつエンボス形体２６を含んで特定の燃料電池スタック設計のためのシール、ランド、溝などを画定する。板半体１８、２０、２２、および２４が連結されて双極板１２および１４を提供すると、形体２６は、板半体１８および２０と板半体２２および２４との間の冷却流体流路３０、アノード反応ガス流路３４、ならびにカソード反応ガス流路３６を画定する。燃料電池スタック１０が左右および上下にいくらかの距離にわたり繰り返されて、完成した燃料電池スタック１０内で多くの反応ガス流路３４および３６ならびに冷却流体流路３０を画定するだろうことが明らかである。

[0016]スタック１０は、一般に圧縮力の矢印３８によって表されるように、スタック組立中に圧縮力を受ける。板半体１８および２０と板半体２２および２４との間の接触域は、スタック１０における様々な流路３０、３４および３６を封入するビードシール４０を画定する。エンボス形体２６の構成は、圧縮力３８下で変形する可能性が低いより固い範囲４２、および圧縮力３８下でより変形する可能性が高いより固くない範囲４４を提供する。

[0017]図１に図示される双極板１２および１４の部分は不活性供給領域にあり、そしてそのためサブガスケット１６を含む。サブガスケット１６はこの領域における流路３４と３６の間の分離層であり、カプトン、ポリエチレンナフタレート、またはなんらかの他のプラスチックなどの任意の適切な材料でありえる。本明細書に論じられる板半体１８、２０、２２、および２４の構成は、燃料電池スタック１０の活性領域に対して等しく適用でき、その場合サブガスケット１６は当業者によってよく理解される方式でＭＥＡおよびガス拡散媒体層に置き換えられることが留意される。板半体１８、２０、２２、および２４は、活性領域、不活性領域、および多岐管のすべてを含む燃料電池スタック１０全体にわたって連続している。

[0018]上述したように、典型的には、板半体１８、２０、２２、および２４の完全な整列が所望されるとしても、板半体１８、２０、２２、および２４間にはいくらかの不整列があり、とりわけ冷却流体流路３０などの流路が湾曲される領域ではビードシール４０のシール完全性が低下する。図２は、板形体の湾曲により、板半体１８、２０、２２、および２４の整列がビードシール４０に沿った接触圧力変動の能力を低下させうる範囲が生じる範囲を例示する、既知のプレス双極板半体５０の角の破断上面図である。特に、板半体５０は、たとえば、出口多岐管ヘッダ（図示せず）に送られる冷却流体通路３０に流れる冷却流体の集合範囲を提供するいくつかの開口部５２を含む。ビードシール５４および５６が、板５０におけるエンボス形体が他の板におけるエンボス形体に接触してシール５４および５６を形成する範囲として板半体５０に図示される。明らかなように、ビードシール５４および５６は、シール経路に沿ったシール圧力の変動を低下させるために利用される波形構成を有する。

[0019]以下に詳細に論じられるように、本発明は、双極板半体がスタック組立工程中に互いと整列されるときに、一方の板半体におけるより固い範囲が隣接する板半体におけるより固くないより弾性のある範囲といくらか整列されるようにエンボス形体が互いに対してオフセットされて、シール経路に沿ったシール圧力およびシール経路を横切るシール圧力の変動がより少なくなるように、双極板半体におけるエンボス形体を構成することを提案する。板半体のエンボス形体間のこのオフセットは、図２を参照しつつ上記したものなど、エンボス形体の湾曲した範囲に沿ってより少ない圧力変動を提供する。オフセットは、ビードとビードが接触する幅を横切る接触圧力の予想される変動、およびビード経路がシール経路の長さに沿って直線部分から湾曲部分に遷移する際の接触圧力の変動も、低減または解消する。

[0020]図３は、燃料電池スタック１０と同様の燃料電池スタック６０の部分横断面図であり、ここで同様の要素は同じ参照番号によって図示され、板半体におけるエンボス形体は、それらが板半体間で正確には整列せず互いに対してオフセットされるように構成される。特に、燃料電池スタック６０は、カソード板半体６４およびアノード板半体６６を有する双極板６２を含み、かつカソード板半体７０およびアノード板半体７２を有する双極板６８を含む。板半体６４はエンボス形体８０を含み、板半体６６はエンボス形体８２を含む。エンボス形体８０および８２は、それらが、図示されるようにスタック６０内で互いに対してオフセットされるようにそれぞれ板半体６４および６６に意図的に構成され、ここで、板半体６４におけるランド８４がエンボス形体８２を部分的に横切って延在し、かつオフセット８６を画定し、板半体６６におけるランド８８がエンボス形体８０を部分的に横切って延在し、かつオフセット９０を画定する。このようにすると、一方の板半体におけるエンボス形体によって画定されるより固い範囲が、対向する板半体におけるエンボス形体によって画定されるより固くない範囲の中に部分的に延在し、その結果、板半体に生じる変形はより少なくなる。対向する板半体６４と６６の間のシール経路は整列されるが、シール経路の中心線はオフセットされる。したがって、ビードシール４０に沿ってより均一なシール圧力があり、とりわけビードシール４０が湾曲した形体のまわりに進行する場所で、より高い完全性シールを作り出す。さらに、シールビードの圧縮圧力の増加および損失にわたる整列の公差に対する感度の低下が、より均一化される。

[0021]図４は、スタック６０が上記した圧縮封止力３８にさらされた後の燃料電池スタック６０の部分横断面図である。上記した固い封止範囲に対するオフセット８６および９０ならびにエンボス形体８０および８２のために、圧縮力３８によって引き起こされる変形は、ランド８４および８８ならびにエンボス形体８０および８２にわたってより一貫しており、より一貫したシールを提供する。

[0022]上述の考察は本発明の例示的な実施形態を開示および記載するにすぎない。当業者はそのような考察からならびに添付の図面および特許請求の範囲から、以下の特許請求の範囲に定められる本発明の精神および趣旨から逸脱することなく、様々な変更、改変および変形がなされることができることを容易に認識するだろう。

１６サブガスケット
３０冷却流体流路
３４アノード反応ガス流路
３６カソード反応ガス流路
４０ビードシール
６０燃料電池スタック
６２双極板
６４カソード板半体
６６アノード板半体
６８双極板
７０カソード板半体
７２アノード板半体
８０エンボス形体
８２エンボス形体
８４ランド
８６オフセット
８８ランド
９０オフセット

Claims

エンボス形体を各々含む第１の板半体および第２の板半体を含む少なくとも１つの双極板を備える燃料電池スタックにおいて、前記エンボス形体が互いに対してオフセットされるように前記第１の板半体における接触域が前記第２の板半体における接触域に対して位置付けられるように、前記第１および第２の板半体が互いと接触して位置付けられ、前記第１の板半体の前記接触域の一部分が前記第２の板半体の前記エンボス形体を横切って延在し、前記第２の板半体の前記接触域の一部分が前記第１の板半体の前記エンボス形体を横切って延在する、燃料電池スタック。
前記第１の板半体と第２の板半体との間のシール経路が整列されるが、前記シール経路の中心線はオフセットされる、請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記第１および第２の板半体がプレス金属板である、請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記第１および第２の板半体の前記エンボス形体が、前記双極板におけるシールを画定する、請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記双極板が前記燃料電池スタック内の活性領域および不活性領域を横切って延在する、請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記エンボス形体が、前記第１および第２の板半体の開口部に適合するように湾曲される、請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記第１および第２の板半体が圧縮力にさらされて前記接触域にビードシールをもたらす、請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記少なくとも１つの双極板が、エンボス形体を有する第１の板半体および第２の板半体を各々含む複数の双極板である、請求項１に記載の燃料電池スタック。
対向するプレス金属の板半体を各々含む複数の双極板を備え、各板半体はエンボス形体を含み、前記対向する板半体は各々、前記エンボス形体が互いに対してオフセットされるように互いと接触して位置付けられ、前記複数の双極板が圧縮力にさらされて、前記板半体が互いに接触するビードシールをもたらす、燃料電池スタック。
前記対向する板半体間のシール経路が整列されるが、前記シール経路の中心線はオフセットされる、請求項９に記載の燃料電池スタック。
前記対向する板半体の前記エンボス形体が、前記双極板におけるシールを画定する、請求項９に記載の燃料電池スタック。
前記双極板が前記燃料電池スタック内の活性領域および不活性領域を横切って延在する、請求項９に記載の燃料電池スタック。
前記エンボス形体が、前記板半体の開口部に適合するように湾曲される、請求項９に記載の燃料電池スタック。
燃料電池スタックを組み立てるための方法において、
少なくとも１つのエンボス形体を含む第１の双極板半体を提供するステップと、
少なくとも１つのエンボス形体を含む第２の双極板半体を提供するステップと、
前記エンボス形体が互いに対してオフセットされて、前記第１の板半体における接触域の一部分が前記第２の板半体の前記エンボス形体を横切って延在し、かつ前記第２の板半体における接触域の一部分が前記第１の板半体の前記エンボス形体を横切って延在するように、前記第１および第２の双極板半体を共に整列させて双極板を画定するステップと、
前記双極板半体に圧力を加えて前記双極板半体を共に封止し、ビードシールを形成するステップとを含む方法。
前記第１および第２の双極板半体を共に整列させるステップが、前記第１の板半体と第２の板半体との間のシール経路を、前記シール経路の中心線がオフセットされるように整列させることを含む、請求項１４に記載の方法。
第１の双極板および第２の双極板を提供するステップが、プレス金属双極板半体を提供することを含む、請求項１４に記載の方法。
第１の双極板および第２の双極板を提供するステップが、前記エンボス形体を設けてシールを画定することを含む、請求項１４に記載の方法。
前記双極板が前記燃料電池スタック内の活性領域および不活性領域を横切って延在する、請求項１４に記載の方法。
前記エンボス形体が前記第１および第２の板半体の開口部に適合するように湾曲される、請求項１４に記載の方法。
対向する第１および第２の板半体を各々含む複数の双極板を提供するステップをさらに含み、前記第１および第２の板半体のすべてが圧縮力にさらされて、前記接触域でビードシールを提供する、請求項１４に記載の方法。