JP3721371B2

JP3721371B2 - 燃料電池用のモジュール

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Publication number: JP3721371B2
Application number: JP2003327007A
Authority: JP
Inventors: マウスカルル−ハインツ; ハインルヴェールナ; フォムシュタインハンス−ヨーアヒム
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2005-11-30
Anticipated expiration: 2023-09-19
Also published as: GB2394828A; FR2846799A1; ITTO20030822A1; DE10250434A1; US7419738B2; US20040180255A1; JP2004152745A; GB2394828B; GB0325159D0

Description

本発明は、燃料電池装置用のモジュールおよびこの種のモジュールの製造方法並びに、それで製造される燃料電池装置に関する。

燃料電池は、化学反応により電気エネルギーの発生に役立ち、例えば、ブロック形状体で実現でき、ブロック形状体は、多数の重合積層する単一モジュールを有し、単一モジュール内では、それぞれ、化学反応を経る。反応体は燃料電池に度々、気体状態で、例えば、水素、酸素または空気の形態で供給され、確実な密閉は燃料電池装置に必要である。

燃料電池のシールは、例えば、ドイツ特許公開第１００２８３９５号明細書から周知である。そこでは、担体上に配置されるエラストマー材料を備える担体を有するシールが開示される。エラストマー材料は、流動性ゴム加硫体の形状で担体上に塗布され、続いて架橋結合されるか、加流される。

ヨーロッパ特許公開第１０３２０６５号公報から、燃料電池内で介在されるイオン交換膜ユニットを備えた特に二極プレートのためのシール装置は周知である。このシール装置では、ポリマー材料から成るシール要素は二極プレートの収容部内に注入され、それぞれの付属の二極プレートにより全体ユニットを形成する。シール要素は、もちろん、収容部を充填するのではなくて、シール要素の側壁と収容部の隣接壁との間で自由空間および隙間を残す。それにより、シール要素は圧縮の際に場所を開けることができることを保証する。さらに、シール要素は収容部から突出し、すなわち、シール要素の高さは収容部の深さより大きい。
ドイツ特許公開第１００２８３９５号公報ヨーロッパ特許公開第１０３２０６５号公報

本発明は、燃料電池装置の製造費をできる限り少なく保ち、同時に確実なシールを保証することを課題とする。

この課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、多数の積層状に配置されるプレート（７、８）を有する燃料電池装置用のモジュールにおいて、少なくとも二枚のプレート（７、８）は、プレート（７、８）に吹き付けられ、プレート（７、８）を少なくとも部分的に相互に結合するポリマー材料から成る共通のシール要素（９）を有し、前記シール要素（９）は、少なくとも一つのスロット（隙間）（１２）を通してプレート（７、８）間へ広がることを特徴とする。

この課題を解決するために、請求項２に記載の発明は、前記プレート（７、８）は、シール要素（９）を介して粘着閉鎖で相互に結合されることを特徴とする。

この課題を解決するために、請求項３に記載の発明は、前記プレート（７、８）は、シール要素（９）を介して形状閉鎖で相互に結合されることを特徴とする。

この課題を解決するために、請求項４に記載の発明は、前記シール要素（９）は、プレート（７、８）により形成される積層体の両方の主面に構成されることを特徴とする。

この課題を解決するために、請求項５に記載の発明は、前記シール要素（９）により、隣接するプレート（７、８）間に構成される中間室（１１）は密閉されていることを特徴とする。

この課題を解決するために、請求項６に記載の発明は、前記シール要素（９）は、プレート（７、８）の端面を領域的に囲むことを特徴とする。

この課題を解決するために、請求項７に記載の発明は、隣接するプレート（７、８）内で、それぞれ、長穴状スロット（隙間）（１２）が構成され、その際、一方のプレート（７）のスロット（隙間）（１２）と、他方のプレート（８）のスロット（隙間）（１２）は、それぞれ、重なることを特徴とする。

この課題を解決するために、請求項８に記載の発明は、シール要素（９）は、プレート（７、８）間の少なくとも一つのトンネル状中空室（１３）内へ広がることを特徴とする。

この課題を解決するために、請求項９に記載の発明は、トンネル状中空室（１３）は、少なくとも一つの開口（１４）を有することを特徴とする。

この課題を解決するために、請求項１０に記載の発明は、シール要素（９）は、プレート（７、８）の範囲で平坦な平面を備える断面範囲（１６）を有することを特徴とする。

この課題を解決するために、請求項１１に記載の発明は、シール要素（９）は、プレート（７、８）の範囲で先細の表面を備える部分断面（１５）を有することを特徴とする。

この課題を解決するために、請求項１２に記載の発明は、シール要素（９）は、同じプレート（７、８）の範囲内で平坦な表面を備える断面範囲（１７）と、先細の表面を備える断面とを有することを特徴とする。

この課題を解決するために、請求項１３に記載の発明は、平坦な表面を備える各断面範囲（１７）は、平坦な表面に対する窪み（１８）により先細の表面を備える部分断面（１５）から分離されることを特徴とする。

この課題を解決するために、請求項１４に記載の発明は、少なくとも一つのモジュール（１０）は、請求項１〜１３のいずれか一項に記載されたことを特徴とする。

この課題を解決するために、請求項１５に記載の発明は、少なくとも二枚のプレート（７、８）は、少なくとも領域的に鋳型内に入れられ、鋳型内にポリマーシール材料が充填され、シール材料は両方のプレート（７、８）に積重することを特徴とする。

この課題を解決するために、請求項１６に記載の発明は、多数の積層状に配置されるプレート（７、８）を有する燃料電池装置用のモジュールの製造方法において、
少なくとも二枚のプレート（７、８）は、プレート（７、８）に吹き付けられ、プレート（７、８）を少なくとも部分的に相互に結合するポリマー材料から成る共通のシール要素（９）を有し、前記シール要素（９）は、少なくとも一つのスロット（隙間）（１２）を通してプレート（７、８）間へ広がるように配置され、前記二枚のプレート（７、８）は、少なくとも領域的に鋳型内に入れられ、鋳型内にポリマーシール材料が充填され、シール材料は両方のプレート（７、８）に積重することを特徴とする。

本発明による燃料電池装置用のモジュールは、多数の積層配置されるプレートを有する。その際、少なくとも二枚のプレートは、プレートに吹き付けられ、プレートを少なくとも部分的に相互に結合するポリマー材料から成る共通なシール要素を有する。これは、燃料電池装置の組立に必要な個々の部品数が減少され、組立が比較的に少ない作業工程で可能であるという長所を持つ。別の長所は、シール要素はプレートを同時に機械的に固定し、それで、この固定のために、余分な処置を必要としないことにある。

プレートは、シール要素を介して粘着閉鎖で相互に結合できる。同じく、プレートは、シール要素を介して形状閉鎖で相互に結合することもでき、両方の結合の仕方もできる。それにより、たいていそれぞれの使用の場合の適切な結合をプレートの間で製造できる。

シール要素は、有利には、プレートにより形成される積層体の両方の主面に構成される。
それにより、燃料電池装置に対する本発明によるモジュールの重合積層の場合に、本発明によるモジュール間で非常に良好な密閉体を製造できる。同じく、シール要素により、隣接するプレート間で構成される中間室を構成でき、シール要素により、個々の本発明によるモジュール間の密閉のみならず、また、それぞれ、本発明によるモジュール間で密閉を行うことができる。

実施例によると、シール要素は、プレートの端面を少なくとも領域で囲むことができる。同じく、シール要素は少なくとも一つの貫通口を通してプレート内に延びることもできる。さらに、隣接するプレート内では、それぞれ、特別な縦孔状貫通口を構成でき、その際、一方のプレートの貫通口および他方のプレートの貫通口は、それぞれ、重合する。結局、シール要素はプレート間の少なくとも一つのトンネル状の中空室内へ広がる。その際、トンネル状の中空室は、たいてい、少なくとも一つの開口を有する。それで、シール要素によるプレートの結合の具体的な構成のための数多くの変形が利用され、その際、全実施例では、粘着閉鎖結合でも形状閉鎖結合でも製造でき、さらに、それぞれ、プレート間の中間室を同じく密閉する可能性がある。

また、シール要素の造形のために、一連の変形を利用する。それで、シール要素は一方のプレートの範囲で平坦な表面を備える断面範囲を有する。同じく、シール要素は一方のプレートの範囲で先細り表面を有することもできる。こられの両方の可能性は、本発明のモジュールでは、シール要素が本発明によるモジュールの一方の端面上で平坦な表面を有し、他方の端面上で先細り表面を有するように、都合よく相互に組み合わせることができる。それから、燃料電池装置のための本発明によるモジュールの重合積層の場合に、それぞれ、シール要素の先細り表面が平坦な表面に当接し、非常に良好なシール作用を達成できる。別の実施例では、シール要素は、同じプレートの範囲で平坦な表面を備える断面範囲と、先細り平面を備える断面範囲を有する。その際、特に、平坦な表面を備える各断面範囲は、平坦な表面に対して窪みにより先細り平面を備える断面範囲から分離できる。シール要素のこの実施例では、平坦な表面を備える断面範囲が、本発明によるモジュールの重合積層の際に停止部として役立ち、先細り表面を備える断面範囲に対して最大に圧縮できる。その際、窪みにより、先細り表面を備える断面範囲の柔軟性が向上され、この断面範囲の圧縮の際に押しのけられる材料が収容される。それで、この実施例は、燃料電池装置に対して重合積層の際に本発明によるモジュールの非常に簡単な取り扱いができ、シール要素は、先細り表面を備える断面範囲の過度な圧縮による損傷の前に保護されるという長所を持つ。この実施例によるシール要素は、本発明によるモジュールの重合積層の場合に、完全に平坦に構成されるシール要素と協働できるか、同様のシール要素と協働できる。最後に述べた組み合わせを実現するために、平坦な表面を備える断面範囲は、先細り表面を備える断面範囲の両方で対称に構成でき、二つのシール要素の重合積層の場合に、先細り表面を備える断面範囲は、その都度、それぞれ他方のシール要素の平坦な表面を備える断面範囲に当接し、それにより、二つの連続した処理されるシール個所が構成できる。

燃料電池装置用の本発明のモジュールの製造方法は、少なくとも二枚のプレートが、少なくとも領域的に鋳型内に入れられ、ポリマー材料が鋳型内に充填され、シール材料が両方のプレートに積重されることを特徴とする。それで、多数のプレートの場合に非常に有効な仕方でシール要素を構成でき、さらになお、同じ工程でプレート間で機械的な結合体を製造できる。

燃料電池装置の製造費をできる限り少なく保ち、同時に確実なシールを保証するという目的を多数の積層状に配置されるプレートを部分的に相互に結合するポリマー材料から成る共通のシール要素によって実現した。

本発明を図示される実施例に基づいて次に詳細に説明する。

図１は、本発明によるモジュールが入れられる燃料電池装置を平面図で示す。燃料電池装置は、典型的には、水素、酸素または空気の気体で動作され、これらは電気エネルギーの発生を受けて水に変換される。図１で示す燃料電池装置は、それぞれが長方形のプレートまたは積層体として構成され、積層形状に相互に配置される多数の単一要素から成る。異なるレベルで配置される単一要素に、それぞれ、必要な気体を供給し、または、形成される水を排出するために、全積層体を通して個々のプレートまたは積層体に対して垂直に気密される閉鎖縦穴１が延びる。これらの縦穴１から、縦穴内に送られて横に分配される通路２が時々交差して分岐する。

図２は、図１の燃料電池装置を断面で示す。切断は図１で示される断線ＡＢに沿って行われた。燃料電池装置は、周期的に繰り返される電極３の連続体と、第一触媒プレート４と、薄膜５と、それぞれ、別の電極３の追加の下で燃料電池を構成する第二触媒プレート６とから成る。本発明の本質的な観点は、電極３が、それぞれ、薄いプレート７、８から組み立てられ、これらの薄いプレートは主面で互いに接し、ポリマー材料から成るシール要素９により結合され、それぞれ、本発明によるモジュール１０が構成されることにある。その際、シール要素９は、一方では両方の板７、８を機械的に結合する静止機能を引き受ける。さらに、図２から分かるように、シール要素９は、さらに、例えば、相互に積層されるシール要素９が縦穴１を密閉するシール機能も引き受ける。その際、燃料電池装置を追加のシールなしに、完全に密閉できるようにシール要素９を構成することができる。

モジュール１０を製造するために、それぞれ、二枚のプレート７、８は、シール要素９を構成しなければならない範囲内で、相互に少なくとも最適の相対位置で、ダイカスト型枠内に嵌め込まれ、吹き付けできるポリマー材料で周辺が鋳込まれる。その際、両方のプレート７、８はダイカスト材料により粘着閉鎖結合および／または形状閉鎖結合で相互に固定される。これが、望ましい場合には、さらに、このようにして、両方の固定されたプレート７、８の間の当接範囲は密閉できる。そのようにして製造されるモジュール１０は、燃料電池装置の組立の場合に、それぞれ、単体として加工できる。

モジュール１０の異なる実施例は、図３ないし図１０で示され、次に詳細に説明する。
その際、図３ないし図７の実施例は、シール要素９の範囲でのプレート７、９の構成により部分的に相互に異なる。図８ないし図１０の実施例は、シール要素９の構成に関して相互に異なる。

図３は、モジュール１０の実施例を斜視図で示される。この実施例では、シール要素９は両方のプレートの端面を囲み、両方のプレート側で等しく成形される。シール要素９の断面部分は台形の形状を有し、その際、台形の平行に対向する側はプレート７、８に対して平行に延びる。それで、プレート７の範囲でも、プレート８の範囲でも、それぞれ、平らで、プレート表面から増える距離と共に縮小するシール形状が生じる。図示の実施例では、プレート７とプレート８との間で、中間室１１が構成される。シール要素９が両方のプレート７、８の端面を囲むことにより、同時に中間室１１を外方へ密閉する。

図４は、モジュール１０の別の実施例を斜視図で示す。付属の平面図が図５で図示される。この実施例では、シール要素９はプレート７、８の縁に配置されなくて、プレート内部に配置される。それでもやはり、シール要素９でプレート７とプレート８との間の連結を製造できるために、両方のプレートは、それぞれ、スロット（隙間）１２の形状体内に構成されて領域的に重なる隙間を有する。その際、プレート７およびプレート８でのスロット（隙間）１２間の充填部は、スロット（隙間）１２の縦延長部より非常に小さく選択され、各スロット（隙間）１２は両方の隣接部で重なる。それにより、既に図３で述べた中間室の密閉は確保されるであろう。プレート７、８内のスロット（隙間）の重合範囲は、シール要素９により連続して充填され、すなわち、シール要素９は重合範囲でプレート７の外面からスロット（隙間）を通過してプレート８の外面までのび、このようにして、プレート７とプレート８との間での形状閉鎖結合および粘着閉鎖結合を製造できる。シール要素９の断面積は、その形状に関して図３で示される実施例と一致する。スロット（隙間）１２の代わりにプレート７、８内で別種に成形される充填部も構成できる。スロット（隙間）１２の大きさや数の適切な規模では、シール要素９の装着前にスロット（隙間）１２の縦延長部と平行なシール要素９による確実な結合の調整のため、プレート７、８を整合しなければならない必要性はない。

図６は、本発明による別の実施例を斜視図で示し、図7は、この実施例の平面図を示す。図６、図７による実施例は、プレート７、８により、シール要素９が配置される範囲でトンネル状の中空室１３が構成されることで特徴付けられる。中空室１３は、一方のプレート７または８、または、両方のプレートに細工される開口１４を介して接近できる。開口１４を通して、シール要素９の製造の際に、シール材料が中空室１３内に押し入れられ、シール材料を充填できる。その際、特に、中空室１３を画定するプレート７、８の範囲でプレート７、８を結合する粘着閉鎖結合および／または形状閉鎖結合を製造できる。また、図６、図７で示されるモジュール１０の実施例は、図３で図示するのと同様の断面形状を有する。トンネル状の中空室１３でのシール材料の充填により、両方のプレート７、８間の当接範囲は、トンネル状の中空室１３の全長に亘って密閉されることで達成される。それで、図示の実施例では、シール要素９により、両方のプレート７、８の機械的な結合および連続するモジュール１０の密閉のために、さらに、プレート７とプレート８との間で構成される中間室１１の密閉が達成される。

図８、図９および図１０は、モジュール１０の別の実施例を断面図で示す。これらの実施例は、それぞれ、既述の六角形断面の代わりであるシール要素９の断面の構成に関して相違する。

図８では、シール要素９の断面は、プレート７の側上では、先細り部分断面１５が形成され、プレート８の側上では、矩形の部分断面１６が形成されるように構成される。換言すれば、プレート７の側上では、シール要素９は先細り表面を有し、プレート８の側上では、平坦な表面を有する。シール要素９のこの構成は、燃料電池装置のための個々のモジュール１０の重合する積層体では、それぞれ、シール要素９の先細り部分断面１５が矩形の部分断面１６に当接し、それで、モジュール１０の確実な密閉のための良好な前提が重合して与えられることに通じる。

図９による実施例では、プレート７上には、さらに、先細り部分断面１５が構成され、第二プレート８上には、矩形部分断面１６が構成される。しかしながら、図８による実施例との相違は、プレート７上には、先細り部分断面１５の両側に、さらに、平坦な表面を備えた停止範囲１７が構成されることである。先細り部分断面１５は、停止範囲１７を越えて突出し、両側は窪み１８により停止範囲１７から分離される。その際、先細り部分断面１５は、シール要素９の断面の横全延長部のほぼ中央に配置される。図９で図示するシール要素の実施例は、図８による実施例と対応するように、モジュール１０の重合積層の場合、シール作用はない。もちろん、図９による実施例は、モジュール１０の重合積層での停止範囲１７として、停止部として作用し、先細り部分断面１５が強く圧縮されて、それにより、多分、損傷されるのを妨げる限り、追加機能を有する。

図１０で図示するシール要素９の実施例は、図９による実施例に非常に類似し、第一プレート７上にあるシール要素９の輪郭は、第二プレート８上で、すなわち、先細り部分断面１５を有し、先細り部分断面は窪み１８により、両側に延びる停止範囲１７から分離される。もちろん、わずかな相違は、図１０の実施例では、先細り部分断面１５が、それぞれ、シール要素９の断面の横全延長部の中央に配置されていなくて、中央から相互に反対方向へ、偏倚されていることにある。それにより、燃料電池装置でのモジュール１０の重合積層の場合、それぞれ、先細り部分断面１５は停止範囲１７に当接し、その際、それぞれ、両方のプレート７、８では、二つの先細り部分断面１５が並置できる。このことは、二つのシール個所が連続して配置され、それで、特別に確実な密閉がシール要素９により行われることを意味する。

これが、費用と利益のバランスの際に有利と思われる場合、プレート７、８はダイカスト材料での周囲射出の前に、相互に溶接されるか、他の仕方で相互に連結される。それにより、高度な機械的な負荷性能が達成でき、プレート７とプレート８との間で低い過渡抵抗を守ることができる。

本発明によるモジュールが入れられる燃料電池装置の平面図である。図１の燃料電池装置を示すＡ−Ｂ線拡大断面図である。本発明によるモジュールの一実施例を示す斜視図である。本発明によるモジュールの別の実施例を示す斜視図である。図４の実施例を示す平面図である。本発明によるモジュールの別の実施例を示す斜視図である。図６の実施例を示す平面図である。本発明によるモジュールの別の実施例を示す断面図である。本発明によるモジュールの別の実施例を示す断面図である。本発明によるモジュールの別の実施例を示す断面図である。

符号の説明

１縦孔
２通路
３電極
４第一触媒プレート
５薄膜
６第二触媒プレート
７プレート
８プレート
９シール要素
１０モジュール
１１中間室
１２スロット（隙間）
１３中空室
１４開口
１５先細り部分断面
１６矩形部分断面
１７停止範囲

Claims

多数の積層状に配置されるプレート（７、８）を有する燃料電池装置用のモジュールにおいて、少なくとも二枚のプレート（７、８）は、プレート（７、８）に吹き付けられ、プレート（７、８）を少なくとも部分的に相互に結合するポリマー材料から成る共通のシール要素（９）を有し、
前記シール要素（９）は、少なくとも一つのスロット（隙間）（１２）を通してプレート（７、８）間へ広がることを特徴とするモジュール。
前記プレート（７、８）は、シール要素（９）を介して粘着閉鎖で相互に結合されることを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
前記プレート（７、８）は、シール要素（９）を介して形状閉鎖で相互に結合されることを特徴とする請求項１または２に記載のモジュール。
前記シール要素（９）は、プレート（７、８）により形成される積層体の両方の主面に構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のモジュール。
前記シール要素（９）により、隣接するプレート（７、８）間に構成される中間室（１１）は密閉されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のモジュール。
前記シール要素（９）は、プレート（７、８）の端面を領域的に囲むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のモジュール。
隣接するプレート（７、８）内で、それぞれ、長穴状スロット（隙間）（１２）が構成され、その際、一方のプレート（７）のスロット（隙間）（１２）と、他方のプレート（８）のスロット（隙間）（１２）は、それぞれ、重なることを特徴とする請求項６に記載のモジュール。
シール要素（９）は、プレート（７、８）間の少なくとも一つのトンネル状中空室（１３）内へ広がることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のモジュール。
トンネル状中空室（１３）は、少なくとも一つの開口（１４）を有することを特徴とする請求項８に記載のモジュール。
シール要素（９）は、プレート（７、８）の範囲で平坦な平面を備える断面範囲（１６）を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のモジュール。
シール要素（９）は、プレート（７、８）の範囲で先細の表面を備える部分断面（１５）を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のモジュール。
シール要素（９）は、同じプレート（７、８）の範囲内で平坦な表面を備える断面範囲（１７）と、先細の表面を備える断面とを有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のモジュール。
平坦な表面を備える各断面範囲（１７）は、平坦な表面に対する窪み（１８）により先細の表面を備える部分断面（１５）から分離されることを特徴とする請求項１〜１２に記載のモジュール。
少なくとも一つのモジュール（１０）は、請求項１〜１３のいずれか一項に記載されたことを特徴とする多数の積層状に配置される単一成分を備える燃料電池装置。
少なくとも二枚のプレート（７、８）は、少なくとも領域的に鋳型内に入れられ、鋳型内にポリマーシール材料が充填され、シール材料は両方のプレート（７、８）に積重することを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載された燃料電池用のモジュール（１０）。
多数の積層状に配置されるプレート（７、８）を有する燃料電池装置用のモジュールの製造方法において、
少なくとも二枚のプレート（７、８）は、プレート（７、８）に吹き付けられ、プレート（７、８）を少なくとも部分的に相互に結合するポリマー材料から成る共通のシール要素（９）を有し、前記シール要素（９）は、少なくとも一つのスロット（隙間）（１２）を通してプレート（７、８）間へ広がるように配置され、前記二枚のプレート（７、８）は、少なくとも領域的に鋳型内に入れられ、鋳型内にポリマーシール材料が充填され、シール材料は両方のプレート（７、８）に積重することを特徴とする燃料電池用のモジュール（１０）の製造方法。