JP2017525098A5

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Publication number: JP2017525098A5
Application number: JP2016575731A
Authority: JP
Filing date: 2015-06-24
Publication date: 2018-12-20
Anticipated expiration: 2035-06-24

Description

ＭＥＡ用の従来のフレームは、典型的には、縁部にて膜または触媒被覆膜に結合し、それを挟む、２つの高分子フィルムを備える。こうすることでフレームは、封止目的でガスケットとして使用される。多くの場合、かかる設計と共に用いられるガス拡散層は、他の周辺封止を機械的に支援するために、電極の有効面積を超えて延在する。これらの設計においては、燃料電池組立体を外部封止するためのエラストマー性密封材が、バイポーラプレート上に成形されるか、あるいは別々に成形された後にバイポーラプレートに事前組み立てられてもよい。用いられる高分子フィルムは、熱可塑剤（例えば、ポリエチレン）、または好適な接着剤（例えば、熱活性化接着剤）でコーティングされた高分子であり得る。

かかる燃料電池スタック用の関連燃料電池組立体は、膜電極接合体、フレーム、カソード及びアノードガス拡散層、酸化剤流れ場プレート及び燃料流れ場プレート、ならびにその接合体用の縁部密封材を備える。更に、本膜電極接合体は、固体高分子電解質膜電解質、膜電解質の片面にあるカソード、及び膜電解質のもう一方の面にあるアノードを備える。フレームは、膜電極接合体の周辺に取り付けられ、プラスチック、例えば、ポリエチレンナフタレートから作製され得る。カソードガス拡散層はカソードに隣接し、同様に、アノードガス拡散層はアノードに隣接する。酸化剤流れ場プレートは、カソードガス拡散層に隣接し、カソードガス拡散層に隣接する側面にあるランディングによって分離される複数のチャネルを備える酸化剤流れ場、酸化剤ポート（及び典型的には同様に他のポート）、及び酸化剤流れ場と酸化剤ポートとの間の移行領域を備え、この移行領域は、深さを有し、支持機構を備える。これらの関連燃料電池組立体においては、カソードガス拡散層の本質的に全てが酸化剤流れ場に隣接する（即ち、カソードガス拡散層が移行領域に存在しない）。また同様に、燃料流れ場プレートは、アノードガス拡散層に隣接し、アノードガス拡散層に隣接する側面にあるランディングによって分離される複数のチャネルを備える燃料流れ場、燃料ポート（及び典型的には同様に他のポート）、及び燃料流れ場と燃料ポートとの間の移行領域を備え、この移行領域は、深さを有し、支持機構を備える。そしてまた、これらの関連する燃料電池組立体においては、アノードガス拡散層の本質的に全てが燃料流れ場に隣接する（即ち、アノードガス拡散層が移行領域に存在しない）。密封材は、フレームを縁部封止位置にて酸化剤流れ場プレート及び燃料流れ場プレートに封止するためのものであり、エラストマー、例えば、シリコーンから作製され得る。本発明では、酸化剤流れ場プレート及び燃料流れ場プレートのうちの少なくとも一方の移行領域における支持機構は、少なくとも１つの流れ場プレートの流れ場におけるランディングより高い。加えて、少なくとも１つの流れ場プレートの移行領域の深さも、少なくとも１つの流れ場プレートの流れ場におけるチャネルの深さより大きくてもよい。

酸化剤流れ場プレート１は、酸化剤流入ポート３、燃料流入ポート４、冷却剤流入ポート５、及びバックフィードポート６を備える。密封材７は、縁部封止位置にて様々なポート及びプレートの周辺を取り囲み、フレームミングされたＭＥＡのフレーム（図１において提示せず）をプレート１に封止することを含む、いくつかの封止機能を果たす。移行領域８は、バックフィードポート６と酸化剤流れ場２との間の空間を占める。図１に描写する実施形態では、移行領域８は多数の円錐形支持機構９を備え、これらはフレーミングされたＭＥＡのフレームを支持する働きをする。

ＭＥＡ２１は、２部品フレームでフレーミングされ、この２部品フレームは、ＭＥＡ２１の中から、移行領域４０、４１を通過し、封止領域を越えて延在し、酸化剤流れ場プレート３０用の密封材３２及びアノード流れ場プレート３１用の密封材３３を含む。フレーム部品２７及びフレーム部品２８は、ＭＥＡ２１の縁部２９付近で膜電解質２１を挟み、概してそれらに結合する。ＭＥＡ２１の外では、フレーム部品２７及び２８は直接的に共に結合する。

本発明の図示を助けるために、燃料電池組立体２０に隣接するプレート及び密封材も図３に示す。これらのプレート及び密封材は、燃料電池組立体２０におけるものと同様の構造であり、燃料電池スタックにおける隣接する燃料電池組立体に属する。このように、酸化剤流れ場プレート３０ａは酸化剤流れ場プレート３０と同様であり、燃料流れ場プレート３１ｂは燃料流れ場プレート３１と同様であり、密封材３２ａは密封材３２と同様であり、密封材３３ｂは密封材３３と同様である。共に嵌合することで、酸化剤流れ場プレート３０ａ及び燃料流れ場プレート３１は、それらの間に冷却剤流れ場５０ａを創出する。同様に、酸化剤流れ場プレート３０及び燃料流れ場プレート３１ｂから構成される嵌合した対は、それらの間に冷却剤流れ場５０ｂを創出する。

Claims

固体高分子電解質燃料電池スタック用の燃料電池組立体であって、
固体高分子電解質膜電解質、前記膜電解質の一方の面にあるカソード、及び前記膜電解質のもう一方の面にあるアノードを備える、膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の周辺に取り付けられたフレームと、
前記カソードに隣接するカソードガス拡散層と、
前記アノードに隣接するアノードガス拡散層と、
前記カソードガス拡散層に隣接する酸化剤流れ場プレートであって、
前記カソードガス拡散層に隣接する面にあるランディングによって分離される複数のチャネルを備え、前記カソードガス拡散層の本質的に全てが隣接する、酸化剤流れ場と、
酸化剤ポートと、
深さを有し、前記フレームを支持する複数の支持機構を備える、前記酸化剤流れ場と前記酸化剤ポートとの間の移行領域と、を備える、前記酸化剤流れ場プレートと、
前記アノードガス拡散層に隣接する燃料流れ場プレートであって、
前記アノードガス拡散層に隣接する面にあるランディングによって分離される複数のチャネルを備え、前記アノードガス拡散層の本質的に全てが隣接する、燃料流れ場と、
燃料ポートと、
深さを有し、前記フレームを支持する複数の支持機構を備える、前記燃料流れ場と前記燃料ポートとの間の移行領域と、を備える、前記燃料流れ場プレートと、
前記フレームを縁部封止位置にて前記酸化剤流れ場プレート及び前記燃料流れ場プレートに封止するための、前記縁部封止位置における前記酸化剤流れ場プレート及び前記燃料流れ場プレートのそれぞれの凹所に設けられる密封材と、を備え、
前記酸化剤流れ場プレート及び前記燃料流れ場プレートのうちの少なくとも１つの前記移行領域における前記複数の支持機構が、前記燃料電池組立体の内側方向に、前記少なくとも１つの流れ場プレートの前記流れ場における前記ランディングより高いことを特徴とする、前記燃料電池組立体。
前記少なくとも１つの流れ場プレートの前記移行領域の深さが、前記燃料電池組立体の外側方向に、前記少なくとも１つの流れ場プレートの前記流れ場における前記チャネルの深さより大きい、請求項１に記載の燃料電池組立体。
前記少なくとも１つの流れ場プレートが金属から作製される、請求項１に記載の燃料電池組立体。
前記少なくとも１つの流れ場プレートの前記移行領域が接着剤を含まない、請求項１に記載の燃料電池組立体。
前記少なくとも１つの流れ場プレートの前記移行領域が接着剤を含まない、請求項３に記載の燃料電池組立体。
前記酸化剤流れ場プレート及び前記燃料流れ場プレートの各々の前記移行領域における前記複数の支持機構が、前記燃料電池組立体の内側方向に、前記酸化剤流れ場プレート及び前記燃料流れ場プレートの各々の前記流れ場における前記ランディングより高い、請求項１に記載の燃料電池組立体。
請求項１に記載の複数の燃料電池組立体の直列スタックを備える、固体高分子電解質燃料電池スタック。
固体高分子電解質燃料電池スタック用の燃料電池組立体における流れ場内の流れ分担を改善する方法であって、前記燃料電池組立体が、
固体高分子電解質膜電解質、前記膜電解質の一方の面にあるカソード、及び前記膜電解質のもう一方の面にあるアノードを備える、膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の周辺に取り付けられたフレームと、
前記カソードに隣接するカソードガス拡散層と、
前記アノードに隣接するアノードガス拡散層と、
前記カソードガス拡散層に隣接する酸化剤流れ場プレートであって、
前記カソードガス拡散層に隣接する面にあるランディングによって分離される複数のチャネルを備え、前記カソードガス拡散層の本質的に全てが隣接する、酸化剤流れ場と、
酸化剤ポートと、
深さを有し、前記フレームを支持する複数の支持機構を備える、前記酸化剤流れ場と前記酸化剤ポートとの間の移行領域と、を備える、前記酸化剤流れ場プレートと、
前記アノードガス拡散層に隣接する燃料流れ場プレートであって、
前記アノードガス拡散層に隣接する面にあるランディングによって分離される複数のチャネルを備え、前記アノードガス拡散層の本質的に全てが隣接する、燃料流れ場と、
燃料ポートと、
深さを有し、前記フレームを支持する複数の支持機構を備える、前記燃料流れ場と前記燃料ポートとの間の移行領域と、を備える、前記燃料流れ場プレートと、
前記フレームを縁部封止位置にて前記酸化剤流れ場プレート及び前記燃料流れ場プレートに封止するための、前記縁部封止位置における前記酸化剤流れ場プレート及び前記燃料流れ場プレートのそれぞれの凹所に設けられる密封材と、を備え、
前記酸化剤流れ場プレート及び前記燃料流れ場プレートのうちの少なくとも１つの前記移行領域における前記複数の支持機構の高さを増加させることで、前記増加した複数の支持機構を、前記燃料電池組立体の内側方向に、前記少なくとも１つの流れ場プレートの前記流れ場における前記ランディングより高くすることを含む、前記方法。
前記少なくとも１つの流れ場プレートの前記移行領域の深さを増加させることで、前記増加した移行領域の深さを、前記燃料電池組立体の外側方向に、前記少なくとも１つの流れ場プレートの前記流れ場における前記チャネルの深さより大きくすることを含む、請求項８に記載の方法。
前記少なくとも１つの流れ場プレートが金属から作製される、請求項８に記載の方法。
前記少なくとも１つの流れ場プレートの前記移行領域において接着剤が用いられない、請求項８に記載の方法。
前記少なくとも１つの流れ場プレートの前記移行領域において接着剤が用いられない、請求項１０に記載の方法。
前記酸化剤流れ場プレート及び前記燃料流れ場プレートの各々の前記移行領域における前記複数の支持機構の高さを増加させることで、前記増加した複数の支持機構を、前記燃料電池組立体の内側方向に、前記酸化剤流れ場プレート及び前記燃料流れ場プレートの各々の前記流れ場における前記ランディングより高くすることを含む、請求項８に記載の方法。
前記複数の支持機構の前記高さを増加させること及び前記移行領域の前記深さを増加させることが、前記高さを増加させる前の前記複数の支持機構に比べより高い前記複数の支持機構と前記深さを増加させる前の前記移行領域に比べより深い前記移行領域との間の総距離を２５〜７０％の範囲の量だけ増加させる、請求項９に記載の方法。
前記複数の支持機構の前記高さを増加させること及び前記移行領域の前記深さを増加させることが、前記高さを増加させる前の前記複数の支持機構に比べより高い前記複数の支持機構と前記深さを増加させる前の前記移行領域に比べより深い前記移行領域との間の総距離を１００〜４００マイクロメートルの範囲の量だけ増加させる、請求項９に記載の方法。