JP2021528814A - 膜電極接合体、膜電極接合体を備える燃料電池セルスタック、および燃料電池セルスタッの位置合わせ治具 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料電池セルスタック（１６）の膜電極接合体（４）に関し、少なくともカソードと、アノードと、カソードとアノードとの間の膜と、を備え、前記膜電極接合体（４）は、燃料電池セルユニットの双極性プレート（６）の形状にほぼ類似する基本形状をさらに有し、前記双極性プレート（６）の上に、前記膜電極接合体（４）が載置されることが意図され、前記膜電極接合体（４）は、前記基本形状の外周部から突出する少なくとも１つの特徴的な位置合わせ突出部（１０）をさらに備え、前記特徴的な位置合わせ突出部（１０）は、位置合わせ治具（２）が接触して前記膜電極接合体（４）を前記燃料電池セルスタック（１６）において位置合わせするように適合させたサイズおよび／または形状を有する。同様に本発明は、膜電極接合体（４）と位置合わせ治具（２）とを備える燃料電池セルスタック（１６）に関し、燃料電池セルスタック（１６）を位置合わせ、及び／又は収容する燃料電池セルスタックハウジング（２）に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、膜電極接合体、このような膜電極接合体を備える燃料電池セルスタック、ならびに燃料電池セルスタックの位置合わせ治具に関する。

燃料電池スタックは普通、２つの単極性プレートを備え、２つの単極性プレートの間に複数の膜電極接合体が配置され、これらの膜電極接合体が今度は、双極性プレートにより分離される。膜電極接合体（ＭＥＡ）自体は、少なくともカソードと、アノードと、カソードとアノードとの間に在って、水素と酸素とを反応させて電気エネルギーおよび水を発生させる膜と、を備える。反応物（水素および酸素）をそれぞれの電極に供給するために、ＭＥＡの両側に配置される双極性プレートは、反応物流体の流れをそれぞれの電極に導く流体の流れ場を有する。

単一のＭＥＡにおける反応は通常、ほとんどのアプリケーションを動作させるためには不十分な電圧しか生成しないので、複数のＭＥＡを積層し、電気的に直列に接続して所望の電圧を達成する。電流は燃料電池セルスタックから収集され、負荷を駆動するために使用される。

燃料電池セルスタックの効率は、ＭＥＡの表面を横切る反応物の流れ、ならびに燃料電池セルスタックの個々の燃料電池セル内の様々な接触界面およびシール界面の完全性に依存する。このような接触界面およびシール界面は、スタックの燃料電池セル内および燃料電池セル間の燃料、冷却剤、および排出物の輸送に関連する界面を含む。それ故に、燃料電池セルスタック内の燃料電池セル構成部材および接合体の適正な位置合わせが、燃料電池セルシステムの効率的な動作を確保するために必須となる。

位置合わせと積層を行なう場合には普通、位置合わせ治具が、例えば少なくとも１つの案内部材を有する位置合わせ用枠体として使用され、位置合わせ用枠体により、ＭＥＡおよび双極性プレートの所定の配置を積層プロセス中に確保する。所望の数のＭＥＡおよび双極性プレートを積層した後、結果として得られる燃料電池セルスタックを圧縮する、例えばネジで互いに固定するか、その他には、接合させて燃料電池セルスタックを所望のアプリケーションに使用することができるようにする。

ＭＥＡおよび双極性プレートの適正な位置合わせを確保するために、最先端技術では、ＭＥＡおよび双極性プレートの両方に、凹部のような位置合わせ形状部を設け、位置合わせ形状部に、位置合わせ用枠体の案内部材を挿入する、または嵌合させることが提案されている。

既知の位置合わせの不具合は、ＭＥＡおよび双極性プレートの両方に、それぞれの位置合わせ形状部を設ける必要があり、これには非常に高いコストが掛かり、ＭＥＡおよび双極性プレートの製造における非常に小さな誤差しか許容されないことである。さらに、積層プロセスは非常に長い時間を要し、単一の双極性プレートまたはＭＥＡだけが適正に位置合わせされない場合に、スタック全体を廃棄する必要がある。

既知の燃料電池セルユニットの別の不具合は、適正な位置合わせの必要があり、ＭＥＡが可撓性であるので容易に屈曲することから、ＭＥＡを隣接する双極性プレートで安定化させる必要があることである。したがって、ＭＥＡのサイズおよび形状を双極性プレートのサイズおよび形状に適合させる必要がある。これにより今度は、ＭＥＡが、両側から挟み込む形の双極性プレートの外周縁部まで延びない場合には、双極性プレート群が接触することによる短絡のリスクを伴う。

したがって、本発明の目的は、膜電極接合体と、燃料電池セルスタックと、燃料電池セルスタックの構成部材の正確な位置合わせを可能にすると同時に、双極性プレート群が接触することによる短絡のリスクを低減する位置合わせ治具と、を提供することにある。

この目的は、請求項１に記載の膜電極接合体、請求項５に記載の燃料電池セルスタック、および請求項１０に記載の位置合わせ治具により解決される。

以下では、燃料電池セルスタックの膜電極接合体が提案され、膜電極接合体は、少なくともカソードと、アノードと、カソードとアノードとの間の膜と、を備える。膜電極接合体は、燃料電池セルユニットの双極性プレートの形状にほぼ類似する基本形状をさらに有し、双極性プレートの上に、膜電極接合体が載置されるように意図される。位置合わせ治具、例えば案内ロッドを受け入れる凹部を設ける代わりに、または位置合わせ治具が双極性プレートに接触する可能性がある独特な箇所を受け入れる凹部を設ける代わりに、膜電極接合体を双極性プレートに正しく位置合わせすることを可能にする場合、本願発明者は驚くべきことに、膜電極接合体に、膜電極接合体の基本形状の外周部から大きく突出する特徴的な位置合わせ突出部を設ける場合に、この位置合わせ突出部を使用して燃料電池セルスタック構成部材群を位置合わせすることができるという知見を得た。これは、位置合わせ治具が特徴的な位置合わせ突出部に接触するように、例えば余り大きくならないようにするか、または特定の形状にすることにより接触するように特徴的な位置合わせ突出部を適合させる場合に、位置合わせ突出部は、正しい位置合わせを行なうために十分な剛性を実現するという事実に起因している。したがって、剛性は、膜電極接合体を対応する双極性プレートに、積層および位置合わせプロセスの前に固定する場合にさらに高めることができる。次に、膜電極接合体は、双極性プレートにより安定化され、位置合わせ突出部を使用して膜電極接合体−双極性プレート−複合体を位置合わせすることができる。位置合わせ治具は、燃料電池セルスタック自体のハウジングとすることもできることに留意されたい。それ故に、以下では、位置合わせ治具は、別体の位置合わせ治具とするか、または位置合わせ治具構造および機能を一体的に備える燃料電池セルスタックハウジングとすることができる。

位置合わせを行なう場合に、双極性プレートに接触する必要がなくなるので、この構成により、膜電極接合体のサイズが、対応する双極性プレートのサイズを超えて延びることを可能とすることもできる。したがって、双極性プレート群が接触することによる短絡のリスクは、膜電極接合体が双極性プレート群の間の絶縁体として機能するので回避される。膜電極接合体は双極性プレートを全ての箇所で超えて延びるので、このような絶縁は全ての場合において確保される。

さらなる好適な実施形態によれば、膜電極接合体は、少なくとも２つの特徴的な位置合わせ突出部を備える。これにより、位置合わせ精度を高めることができる。また、膜電極接合体が好ましくは、膜電極接合体の外周部に沿って非対称にさらに分散配置される２つ以上の位置合わせ突出部を有する場合、膜電極接合体の特定の電気的な向きを積層中に確保することさえ可能である。したがって、膜電極接合体のカソード側が、双極性プレートのカソード側に接触し、膜電極接合体のアノード側が、双極性プレートのアノード側に接触することを確保することができる。あるいは、またはさらに、これにより、膜電極接合体および双極性プレートが事前に組み付けられる場合には、膜電極接合体は、隣接する燃料電池セルユニットの双極性プレートに必ず接触し、隣接する燃料電池セルユニットの膜電極接合体には絶対接触しないことが確保される。それ故に、正しくない空間的な向き、または正しくない電気的な向きの両方が不揃いになることによる製造欠陥のリスクを低減することができる、または完全に回避することさえできる。

さらなる好適な実施形態によれば、少なくとも２つの位置合わせ突出部は、異なる形状および／またはサイズを有する。したがって、位置合わせ突出部が、位置合わせ治具内の凹部であって当該突出部に対応する凹部にのみぴったり嵌合するので、正しい位置合わせを自動化プロセスにおいても確保することができる。さらに、これにより、正しくない空間的な向き、または正しくない電気的な向きの両方が不揃いになることによる製造欠陥のリスクを回避することもできる。

さらなる態様によれば、本発明は、膜電極接合体を燃料電池セルスタックにおいて位置合わせする位置合わせ治具に関する。好ましくは、位置合わせ治具は、少なくとも１つの凹部を有する少なくとも１つの部材、例えば壁部材を有し、壁部材は、膜電極接合体の特徴的な位置合わせ突出部を収容するように適合させる。したがって、凹部の形状および／またはサイズは、対応する位置合わせ突出部の形状および／またはサイズに適合させることが好ましい。

これにより、膜電極接合体の正しい位置合わせが可能となり、最終的に、膜電極接合体が双極性プレートに事前に組み付けられて燃料電池セルユニットを形成する場合には、燃料電池セルユニットを燃料電池セルスタックにおいて正しく位置合わせすることが可能となる。

本発明のさらなる態様は、上に説明した少なくとも１つの膜電極接合体を備える燃料電池セルスタックに関するものであり、少なくとも１つの膜電極接合体は、位置合わせ治具により上に開示した通りに位置合わせされていることが好ましい。あるいは、燃料電池セルスタックは、位置合わせ治具および収容体の両方として機能するハウジングに含めることができ、したがって位置合わせ治具の上記形状部をさらに備えることができる。

さらなる好適な実施形態によれば、燃料電池セルスタックは、複数の事前に組み付けた燃料電池セルユニットを備え、各事前に組み付けた燃料電池セルユニットは、双極性プレートに双極性プレートの両側の一方の側で固定されている膜電極接合体の事前組付体である。この事前組付体により、積層プロセス中の燃料電池セルユニットのハンドリングを簡易化することが可能となり、さらに、膜電極接合体の剛性を高めることができる。これにより今度は、積層プロセス中の膜電極接合体の屈曲およびそれに続く位置合わせずれを必ず回避し易くすることができる。

さらに、事前組付体により、事前に組み付けた燃料電池セルユニットの構成部材の空間的な向きを保つことが確保される。さらに、膜電極接合体が双極性プレートの一方の側にのみ配置されるので、積層手順を容易にし、膜電極接合体の空間的な向きにのみ基づかせることができる。これは、双極性プレートの剛性により膜電極接合体の剛性を、膜電極接合体を単独で、燃料電池セルユニット群の位置合わせの基準体として使用することができる程度に高めることができるからである。双極性プレート自体は、燃料電池セルスタックの位置合わせに関して完全に無視することができる。

事前組付体が双極性プレートを備えることにより膜電極接合体の剛性が高まると、さらに軟度の高い材料を膜電極接合体に使用することができる、および／または膜電極接合体をより薄くして、より高い電気的歩留まりを可能にする材料の使用が可能となる、および／またはさらに多くの燃料電池セルユニットを積層して、既知の燃料電池セルスタックと同じ寸法を有するスタックとすることが可能となってさらなる利点をもたらす。

別の好適な実施形態によれば、上に述べたように、燃料電池セルスタックの膜電極接合体は、双極性プレートを覆って全領域において延びることができる。これにより、双極性プレート群が中間の膜電極接合体を介して互いから電気的に絶縁され、これにより今度は、燃料電池セルスタックにおける短絡を必ず回避することが可能となることが確保される。

膜電極接合体が双極性プレートに重なる場合、双極性プレートと膜電極接合体の正しい位置合わせを利用することは非常に難しい課題である。それ故に、燃料電池セルユニット群が膜電極接合体の特徴的な位置合わせ突出部を介して位置合わせされる実施形態が好ましい。したがって、積層燃料電池セルスタックは、少なくとも１つの突出形状を呈し、突出形状は、各膜電極接合体の位置合わせされた特徴的な突出部により形成される。膜電極接合体の特徴的な位置合わせ突出部により燃料電池セルユニット群を、膜電極接合体を介してのみ位置合わせすることができ、双極性プレート群を接触させるか、または位置合わせすることにより位置合わせするのではないので、上記難しさが克服されている。

燃料電池セルスタックがハウジングに含まれることが意図される場合には、ハウジングが少なくとも１つの側壁を有し、少なくとも１つの側壁が、膜電極接合体の特徴的な位置合わせ突出部を取り囲む少なくとも１つの凹部を有する場合がさらに好ましい。膜電極接合体の位置合わせ突出部の形状および／またはサイズに対応する、その結果として、各膜電極接合体の位置合わせされた特徴的な突出部により形成されるスタックの突出形状および／またはサイズに対応する形状および／またはサイズを有する少なくとも１つの凹部を設けることにより、ハウジングが位置合わせ治具として追加的に機能することがさらに好ましい。

さらなる利点および好適な実施形態は、特許請求の範囲、詳細な説明、および図に開示される。当業者であれば、提示した特徴を個々に評価または使用することができる、または提示した特徴を示唆した態様以外の態様で、本発明の範囲を広めることなく組み合わせることができることにさらに留意されたい。

以下では、本発明について、図に示す実施形態を用いて説明する。図示の実施形態は例示に過ぎず、保護範囲を限定することを意図しない。保護範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ規定される。

組み付け後の燃料電池セルユニットの細部の概略図である。 燃料電池セルスタックを収容するように適合させたハウジングの概略図である。 組み付け後の燃料電池セルスタックの概略図である。

以下では、同じ機能部材または同様の機能部材が同じ参照番号で示される。

図１は、位置合わせ治具２内にある燃料電池セルユニット１の概略図を示しており、燃料電池セルユニット１は膜電極接合体４を備え、膜電極接合体４の上で、双極性プレート６の向きが設定される。好ましくは、双極性プレート６は、膜電極接合体４に前の事前組み付け工程で固定されており、事前組み付け工程では、膜電極接合体４および双極性プレートが互いに位置合わせされて固定される。

双極性プレート６の一方の側にある膜電極接合体４の位置合わせは、任意の適切な位置合わせ方法により行なうことができる。例えば、膜電極接合体４が双極性プレート６の上に載置される、または逆に双極性プレート６が膜電極接合体４の上に載置される場合に双極性プレート６に対する膜電極接合体４の所定の空間的な向きを与えるカメラまたは位置合わせ構造を使用することが可能である。勿論、任意の他の位置合わせ手順も可能である。

膜電極接合体４および双極性プレート６の固定は、任意の適切なプロセスにより、例えば溶接、接着、熱可塑性樹脂の熱圧着、半田付けなどにより行なうことができる。固定後、膜電極接合体４および双極性プレート６の空間的な向きを固定して、燃料電池セルユニット群の次の位置合わせを膜電極接合体４の位置合わせにのみ基づいて行なうことができるようにする。

図１から分かるように、膜電極接合体４は、双極性プレートの形状にほぼ類似する基本形状を有するが、双極性プレート６を覆って双極性プレート６の外周部全体にわたって延びて、双極性プレートが膜電極接合体材料の周縁部８で取り囲まれるようにする。これにより、２つの隣接する燃料電池セルユニット１の対応する双極性プレート６が、中間の膜電極接合体４を挟んで互いに接触しないようにしているので、非常に良好な絶縁を、互いの上に配置される２つの燃料電池セルユニット１の間に確保することができる。

周縁部８自体を使用して燃料電池セルユニット群１を位置合わせすることが可能である場合でも、少なくとも１つの特徴的な位置合わせ突出部１０を使用することが好ましく、突出部１０は、膜電極接合体４の基本形状から大幅に突出し、膜電極接合体４の周辺部に配置される。図示の実施形態では、４つの特徴的な位置合わせ突出部１０−１、１０−２、１０−３、および１０−４を設ける。これらの特徴的な位置合わせ突出部１０は、任意の適切な形状および／またはサイズを有することができるが、図１に示す実施形態では、同じ形状およびサイズを有し、膜電極接合体４の周辺部に沿って対称に分散配置される４つの位置合わせ突出部１０−１、１０−２、１０−３、および１０−４を設ける。図１からさらに分かるように、特徴的な位置合わせ突出部１０は、位置合わせ治具２に設けられる対応する形状の凹部１２に収容される、または燃料電池セルスタックを収容するハウジングがハウジング内の位置合わせ治具２として機能する場合に対応する形状の凹部１２に収容される。

このようなハウジングまたは位置合わせ治具２は、図２に斜視図で示される。図から分かるように、ハウジング／位置合わせ治具２は、図示の実施形態において、２つの長尺溝１４−１および１４−２を形成する凹部１２を有し、これらの長尺溝は、位置合わせ突出部１０に対応する形状になっている。図３から分かるように、積層燃料電池セルスタック１６では、位置合わせ突出部１０−１、１０−２、１０−３、および１０−４は、レール状の延長部１８−１、１８−２、１８−３、１８−４を形成し、これらのレール状の延長部は、ハウジング／位置合わせ治具２の溝１４−１および１４−２に収容することができる。

あるいは、特徴的な位置合わせ突出部１０および対応する凹部１２はそれぞれ、異なる形状および／またはサイズを有することができる、および／または非対称に分散配置され、これにより、積層中の膜電極接合体４の特定の空間的な向き、および電気的な向きが可能となる。したがって、膜電極接合体４および双極性プレート６が事前に組み付けられていない場合でも、膜電極接合体４のカソード側が双極性プレート６のカソード側に接触し、膜電極接合体４のアノード側が双極性プレート６のアノード側に接触することを確保することもできる。あるいは、またはさらに、これにより、膜電極接合体４および双極性プレート６が事前に組み付けられている場合に、膜電極接合体４が、隣接する燃料電池セルユニットの双極性プレート６に必ず接触し、隣接する燃料電池セルユニットの膜電極接合体４には絶対に接触しないことが確保される。それ故に、正しくない空間的な向き、または正しくない電気的な向きの両方が不揃いになることによる製造欠陥のリスクを低減することができる、または完全に回避することさえもできる。

膜電極接合体４を使用して、または特に、膜電極接合体の位置合わせ突出部１０を使用して燃料電池セルユニット群を位置合わせする場合、突出部の形状だけでなくサイズも所望の機能に適合させる必要があることにさらに留意されたい。これは、膜電極接合体４が非常に薄く、非常に可撓性が高い場合に、十分な剛性を確保し続けるためには位置合わせ突出部を余り大きくすることができない可能性があることを意味している。

１ 燃料電池セルユニット
２ 位置合わせ治具／ハウジング
４ 膜電極接合体
６ 双極性プレート
８ 周縁部
１０ 位置合わせ突出部
１２ 位置合わせ凹部
１４ 長尺溝
１６ 燃料電池セルスタック
１８ レール状の延長部

Claims (10)

1. 燃料電池セルスタック（１６）の膜電極接合体（４）であって、少なくともカソードと、アノードと、カソードとアノードとの間の膜と、を備え、前記膜電極接合体（４）は、燃料電池セルユニットの双極性プレート（６）の形状にほぼ類似する基本形状をさらに有し、前記双極性プレート（６）の上に、前記膜電極接合体（４）が載置されることが意図され、
   前記膜電極接合体（４）は、前記基本形状の外周部から突出する少なくとも１つの特徴的な位置合わせ突出部（１０）をさらに備え、前記特徴的な位置合わせ突出部（１０）は、位置合わせ治具（２）が接触して前記膜電極接合体（４）を前記燃料電池セルスタック（１６）において位置合わせするように適合させたサイズおよび／または形状を有することを特徴とする、膜電極接合体（４）。
2. 前記膜電極接合体（４）は、少なくとも２つの特徴的な位置合わせ突出部（１０）を備える、請求項１に記載の膜電極接合体（４）。
3. 前記少なくとも２つの特徴的な位置合わせ突出部（１０）は、前記膜電極接合体（４）の外周部に沿って非対称に分散配置される、および／または異なる形状および／またはサイズを有する、請求項２に記載の膜電極接合体（４）。
4. 複数の燃料電池セルユニットを備える燃料電池セルスタック（１６）であって、各燃料電池セルユニットは、膜電極接合体（４）と、双極性プレート（６）と、を含み、前記燃料電池セルユニット群を積層して前記膜電極接合体（４）が双極性プレート（６）により分離されるようにし、前記膜電極接合体（４）の少なくとも１つの膜電極接合体、好ましくは全ての膜電極接合体は、請求項１から３のいずれかに記載の膜電極接合体（４）である、燃料電池セルスタック（１６）。
5. 少なくとも１つの燃料電池セルユニット、好ましくは全ての燃料電池セルユニットは、前記双極性プレート（６）に少なくとも１つの固定手段により固定される前記膜電極接合体（４）を有する事前に組み付けた燃料電池セルユニットである、請求項４に記載の燃料電池セルスタック（１６）。
6. 前記膜電極接合体（４）のサイズは、前記双極性プレート（６）のサイズを超えて全ての領域において延びている、請求項４または５に記載の燃料電池セルスタック（１６）。
7. 前記燃料電池セルユニットは、前記特徴的な位置合わせ突出部（１０）を介して位置合わせされて、積層後かつ位置合わせ後の燃料電池セルスタック（１６）が、前記膜電極接合体（４）の位置合わせ後の特徴的な突出部（１０）により形成される少なくとも１つの突出形状（１８）を有するようになる、請求項４乃至６のいずれかに記載の燃料電池セルスタック（１６）。
8. 前記燃料電池セルスタック（１６）は、少なくとも１つの側壁を有するハウジング（２）によりさらに取り囲まれ、前記側壁は、前記燃料電池セルスタック（１６）の前記少なくとも１つの突出形状（１８）に対応する形態（１４）を有する少なくとも１つの凹部（１２）をさらに含む、請求項７に記載の燃料電池セルスタック（１６）。
9. 請求項４乃至８のいずれかに記載の燃料電池セルスタック（１６）の少なくとも一部を位置合わせして積層する位置合わせ治具（２）または燃料電池セルスタックハウジング（２）であって、複数の燃料電池セルユニットを備え、各燃料電池セルユニットは、請求項１から３のいずれかに記載の膜電極接合体（４）と、双極性プレート（６）と、を含み、前記位置合わせ治具または燃料電池セルスタックハウジング（２）は、前記特徴的な位置合わせ突出部（１０）を収容するように適合させた少なくとも１つの凹部（１２）を有する位置合わせ部材をさらに備える、位置合わせ治具（２）または燃料電池セルスタックハウジング（２）。
10. 前記少なくとも１つの凹部（１２）は、前記特徴的な位置合わせ突出部（１０）のサイズおよび／または形状に対応するサイズおよび／または形状を有する、請求項９に記載の位置合わせ治具または燃料電池セルスタックハウジング（２）。

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