JP4484369B2 - 個別の膜組立体とプレート組立体との間にシールを備える燃料電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、電気化学的燃料電池に関し、特に、燃料電池の冷媒の流れの場のプレートと、隣接する構成要素との間に形成されるシールに関し、特に、膜と電解質の組立体や関連する水分離プレートに関する。
【０００２】
【背景技術】
ここに開示される本発明の譲受人に譲渡された従来の米国特許第５，２６４，２９９号や第５，５２３，１７５号は、エラストマー性の（ｅｌａｓｔｏｍｅｒｉｃ）シール材料を使用して、燃料電池の構成要素、特に多孔質である構成要素の周縁部をシールする先行技術の典型である。特に、米国特許第５，２６４，２９９号の第４欄第１行から第６欄第４９行には、保持プレートとプロトン交換膜とを、これらの構成要素の周縁部を結合するそのようなシール材料を使用して、どのように組み立てるかが記載されている。米国特許第５，２６４，２９９号は、ここで参照することによってここに組み込まれる。
【０００３】
先行技術の膜とプレートの組立体の周縁部のシールには、酸素のない雰囲気で硬化させる必要があるサルトマー社（ＳＡＲＴＯＭＥＲ ＣＯ．，ＩＮＣ．）製のＳＡＲＴＯＭＥＲ ＧＲＡＤＥ２１０８などの化学薬品で、各構成要素の外側周縁部を含浸させることが必要である。このような化学薬品は、硬化された状態では、疎水性であり、それによって、一般的に有利な冷却流体、すなわち燃料電池に現在一般に使用されている水に連続して接触するのに耐性がある。
【０００４】
先行技術の燃料電池では、水移動プレートの端部を樹脂で含浸し、重合させることで、気体状の反応物の漏出を防止しさらにこれらの反応物の液体冷媒への浸透を防止するのに役立つ端部のシールが形成される。
【０００５】
水移動プレートのこのような端部のシールを形成するのに一般に使用されてきた樹脂には、サルトマー社（ＳＡＲＴＯＭＥＲ ＣＯ．，ＩＮＣ．）製のＳＡＲＴＯＭＥＲ ２１００や、ダウケミカル（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）製のＳＹＬＧＡＲＤ １７０などがある。しかしながら、これらの高分子は、いくぶん疎水性であり、水に完全に濡れることはない。水は、燃料電池の中の反応生成物であり、一般にプロトン交換膜型（ＰＥＭ）燃料電池の冷媒にもなっているので、このような特性は、そのような端部のシールに適用するには好ましくない。特に、この疎水性の結果として、水移動プレートの中央の活性領域と水移動プレートの周縁端のシール部分との間の界面は、水で完全には充填されない。そのような状態では、水移動プレートのシール効果が低減し、反応物の気体が冷媒の中にいくぶん漏れることになり、結果的に好ましくない状態になる。
【０００６】
多孔質の触媒保持プレートの端部も、そこにシールを形成するために含浸する。そのような含浸に一般に使用される化合物には、シリコーンゴムがある。しかしながら、シリコーンゴムは、触媒保持プレート内で効果的なシールを形成するが、プロトン交換膜（ＰＥＭ）とは良好な付着性を示さない。このように付着力が弱いので、これらの構成要素の間の界面で反応物が漏出しがちであり、特に、プロトン交換膜の水の含有量がＰＥＭ型燃料電池の条件によって低下した場合、ＰＥＭが触媒保持プレートの端部から縮んで離れてしまう。プロトン交換膜が縮むと、アノード電極の触媒保持プレートとカソード電極の触媒保持プレートとが電気的に短絡する可能性がある。当然そのような短絡によって燃料電池の効率は低下するであろうし、局所的に過熱することになる。
【０００７】
最後に、一般的なＰＥＭ型燃料電池のシール構造では、構成要素である水移動プレートと触媒保持プレートとの間で効果的なシールを形成するために、通常アクリルテープを使用して、水移動プレートの周縁部と触媒保持プレートの周縁部とを結合する。このようなアクリルテープは、水移動プレートの半分同士を２つ互いに結合するのにも使用する。このようなシール構造は、使用する材料が疎水性であり、さらにＰＥＭとの付着力が弱いので、その性能は限界に近い。さらに、そのようなシールは、構成要素の数が多くまたその製造や組み立てに必要な工程の数が多いので、製造に大きな費用が掛かる。
【０００８】
本発明の目的は、多孔質の黒鉛製の水移動プレートと多孔質の黒鉛製の触媒保持プレートとに付着しさらに交換膜自体にも付着する、単一のシール剤による周縁部の被覆を提供することである。
【０００９】
本発明の利点は、これらの構成要素の外側端部を被覆し含浸するのに使用するこの単一の接着剤／シール剤によって、所望するシールと接着の両方の作用が都合よく得られ、さらにシールと接着の機能を得るために先に述べた材料を使用する場合に生じる不利な点が回避される、という事実に依拠する。
【００１０】
【発明の開示】
燃料電池の構成やその作動方法についての詳細は、よく知られており、共通の権利者による米国特許第５，２６４，２９９号、第５，５２３，１７５号や、さらに米国特許第５，３０３，９４４号、第５，７００，５９５号、第４，７６９，２９７号などに記載されており、これらは、参照することによってここに組み込まれる。
【００１１】
本発明のこれらと他の目的は、スタック内の個々のセルが膜電極組立体（ＭＥＡ）を備える燃料電池セルスタックを提供することで実現可能であり、この膜電極組立体では、対向する触媒層がプロトン交換膜（ＰＥＭ）の両側に設けられ、通常多孔質の黒鉛製の対向するアノード電極保持プレートとカソード電極保持プレートとが、この触媒の両側に設けられ、これらの触媒保持プレートは、触媒に隣接する中央領域と、第１の収容表面を含むシールするための周縁領域とを備える。第２の収容表面を含む周縁のシール領域を備える同様に多孔質の黒鉛製の結合された反応物の流れの場のプレート／水移動プレートが、触媒保持プレートに隣接して設けられる。
【００１２】
好ましくはフルオロエラストマーの形態であるシール剤の被覆が、これらの第１、第２の収容表面の間に設けられ、触媒保持プレートを流れの場のプレートに接着させ結合させるように機能する。
【００１３】
触媒層と膜自体とに隣接して設けられたこの触媒保持プレートによって、先行技術の燃料電池の構成でのいくつかの問題が回避されるが、同じシール剤による被覆材料を膜電極組立体や関連する１つまたは複数の水移動プレートの端部まわりにさらに設けることで、反応物や冷媒の漏出を防止する構造が得られる。
【００１４】
本発明のこれらと他の特徴、態様や利点は、以下の詳細な説明、特許請求の範囲、添付の図面を考慮して、よりよく理解されるであろう。
【００１５】
【発明を実施するための最良の形態】
より詳細に図面を参照すると、図１には、通常の燃料電池セルスタック内に繰り返して設けられる通常の燃料電池セルのさまざまな構成要素が、分解図により示される。２つの膜電極組立体が、図１ではＭＥＡと標記され、それらの間に配置するように、水移動プレートＷＴＰと分離プレートＳＰが設けられる。
【００１６】
それぞれの膜電極組立体は、アノード電極１２とカソード電極１４との間に配置された固体高分子イオン交換膜１０を備える。アノード電極とカソード電極は、以下では電極と呼ぶが、それぞれは、図１では一般的に１６と標記された触媒層と、触媒保持プレートとを備える。触媒層は、電極の膜１０に隣接する側面に設けられ、この触媒層によって、これらの電極は電気化学的に活性化する。
【００１７】
流れの場のプレートすなわち水移動プレートＷＴＰは、膜電極組立体ＭＥＡに面する側面に溝１８を備え、この溝１８を通って通常酸素または空気の形態で酸化剤が流れる。この流れの場のプレートＷＴＰは、膜電極組立体ＭＥＡに面する側面とは反対の側面に他の溝２０を備え、電気化学反応により燃料電池に発生する熱を回収するために、この溝２０を通って水の形態で冷媒流体が流れる。
【００１８】
分離プレートＳＰは、これらの溝を閉じるように、水移動プレートＷＴＰに隣接して設けられ、さらに、その反対側で次の膜電極組立体に隣接する側面に、２２で示すように、アノード電極１２に隣接して通常水素を含む気体の形態で燃料を流すための適切な溝が形成される。
【００１９】
この構成は変形が可能であり、いくつかの装置では、気体状の反応物に関連する溝１８が形成されたプレートとは別の分離プレートＳＰに冷媒のための溝２０を形成することが可能であったり、または好ましかったりする。
【００２０】
先行技術には、これらのさまざまな構成要素、すなわち膜電極組立体、水移動プレート、分離プレートＳＰなどの間のシールが、シリコーンが被覆されたガラス織物製の界面周縁部用ガスケットからなることが示唆されており、これらのガスケットは、これらのさまざまな構成要素それぞれの１つの側面に適合されており、好ましくは感圧性シリコーン接着剤の形態からなる。これらのシリコーンガスケットによって、許容できるシールは確かに得られるが、相対的に多量のシール剤が必要であり、さらに不可避的に大きなシートから切り出すため多量の無駄が生じることになる。この問題の別の解決策は、これらの構成要素の外側周縁部をＳＡＲＴＯＭＥＲなどの樹脂で含浸して形成した端部のシールの形態をとる。残念ながら、このような樹脂は硬化された状態では通常疎水性あり、従って、端部のシール界面で水気泡圧力（ｗａｔｅｒ ｂｕｂｂｌｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）が低下することになるため、限界に近い結果しか得られない。水で含浸した後では、この化学薬品すなわち樹脂で被覆した構成要素の濡れ性は低く、局所的な漏出が起こる。
【００２１】
先に述べたように、電極保持プレートの好ましい形態は、一般にシート状または紙状であり、触媒が被覆され、その周縁端部は、さらにＳＹＬＧＡＲＤ １７０などのシリコーンゴムでシールする必要がある。そのようなシリコーンシール剤を使用すると、許容できるシールは形成されるが、通常ＮＡＦＩＯＮなどで作製される膜電極組立体自体との付着が十分でない。
【００２２】
本発明によれば、図２に最もよく示されるように、改良された接着剤／シール剤３０が、セル構成要素の外側端部上と、膜電極組立体と水移動プレートとの間と、の両方に設けられる。このような接着剤の好ましい材料には、フルオロラスト社（Ｆｌｕｏｒｏｌａｓｔ）のローリーン（Ｌａｕｒｅｅｎ）部門製の等級ＳＢまたはＷＢのＦＬＵＯＲＯＬＡＳＴなどのフルオロエラストマーがある。この種類のフルオロエラストマーは、膜電極組立体ＭＥＡの構造に関連して使用されるＮＡＦＩＯＮと非常によく付着するばかりでなく、ＦＬＵＯＲＯＬＡＳＴは、黒鉛とも非常によく付着することが見出された。黒鉛材料は、図２でＷＴＰやＳＰと標記されているプレートなどの流体の流れのプレートを作製するのに好ましい伝導性材料である。黒鉛は、このような接着剤／シール剤とともに使用するのに適しているので、これらの構成要素は、互いに固定されるとともに、溝２０内の水に対して効果的なシールが得られる。
【００２３】
また、分離プレートを省くことも可能であり、さらに２つの水移動プレート（ＷＴＰ）を背中合わせの構成で使用することできる。この構成では、反応物の流れの溝は、外側表面に形成され、水移動プレートＷＴＰの流れの溝は、内側表面に形成される。それぞれのＷＴＰは、酸化剤から燃料を分離する機能が得られるのに十分な気泡圧力（ｂｕｂｂｌｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を備えるように作製される。
【００２４】
図３に本発明の好ましい実施態様が示され、ここで、電極保持プレートの周縁部は、Ｆｌｏｕｒｏｌａｓｔエラストマーで含浸される。図３には、分離プレートを省いた背中合わせの水移動プレート（ＷＴＰ）を備えた別のセル構成が示される。この電極保持プレートの周縁部は、透過性であり、Ｆｌｏｕｒｏｌａｓｔエラストマーで含浸されて端部のシールが形成され、さらにそれぞれのＷＴＰのシール表面は、Ｆｌｏｕｒｏｌａｓｔで被覆される。
【００２５】
実験室の結果から、前もってアクリルテープの形態でＳＡＲＴＯＭＥＲ２１００やＳＹＬＧＡＲＤ１７０を使用することが必要なさまざまな界面のシールや端部のシールは、図２に示されるフルオロエラストマー材料３０に置き換えることができるので、通常の燃料電池セルスタックを製造する全体の費用が抑えられ、さらにシール特性が向上する。
【００２６】
本発明のさまざまな特徴を確認するために、下位規模の構成要素で試験を実施した。より詳細には、トレイ社（Ｔｏｒａｙ）により販売されている等級ＴＧＰ−Ｈ−１２０である１４ｍｉｌ（０．３５６ｍｍ）の多孔質の黒鉛製の電極保持プレートをＦｌｏｕｒｏｌａｓｔで含浸させ、含浸後にこの試験片を約２１２°Ｆ（約１００℃）で約１時間硬化させた。次に、この試験片を３インチ（７６．２ｍｍ）角の枠体状に切り出したところ、厚みは０．２５インチ（６．３５ｍｍ）であった。このような試験片の２つを圧力試験装置に組み込んだところ、枠体の内部に９５ｐｓｉｇ（１平方インチ当たりのポンドでのゲージ圧力）（ゲージ圧０．６５５ＭＰａ）まで圧力を掛けても、外に漏出する窒素は見られなかった。
【００２７】
神戸製鋼所（ＫＯＢＥ ＳＴＥＥＬ ＬＴＤ．）により等級番号ＧＣＲ１０１Ｇで販売されている種類の緻密な黒鉛材料からなる厚みが０．９ｍｍの分離プレートのシール表面を使用して同様の試験を実施した。これらの構成要素をＦｌｏｕｒｏｌａｓｔで被覆し、約７０°Ｆ（約２１℃）の室温で７２時間硬化させた。このような試験片の４つを上述した大きさに切り、圧力試験装置に組み込んだ。この結合されたスタックは、１０分間圧力低下がないことから明白なように界面の漏出がない状態で窒素による９５ｐｓｉｇ（ゲージ圧０．６５５ＭＰａ）の内部圧力に耐えることができた。このスタックを水の中に沈めても、気泡の形成は見られなかった。
【００２８】
水移動プレートの気泡圧力に対するフルオロエラストマーによる端部のシールの硬化を評価する試験も実施した。インターナショナルフューエルセルズ社（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ）製の３インチ（７６．２ｍｍ）角で厚みが０．１インチ（２．５４ｍｍ）の多孔質の黒鉛製の水移動プレートに、水を充填したところ、それらの気泡圧力は、８ｐｓｉ（０．０５５ＭＰａ）と決定された。次に試験片を乾燥し、それらの端部をｆｌｏｕｒｏｌａｓｔでシールし、Ｆｌｏｕｒｏｌａｓｔを使用して試験片の両側に３インチ（７６．２ｍｍ）角で２．５の黒鉛製の枠体を結合した。１８０°Ｆ（８２．２℃）で１６時間硬化した後、再び試験片に水を充填したところ、気泡圧力は、８ｐｓｉ（０．０５５ＭＰａ）と測定され、フルオロエラストマーを使用して端部をシールしても、水移動プレートの気泡圧力は低下しないことが示された。次に、この具体的な試験片を上述した外部への漏出試験に掛けたところ、９５ｐｓｉ（０．６５５ＭＰａ）で、漏出が見られなかった。
【００２９】
好ましい実施態様を例示し説明してきたが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、さまざまな変形、置換を行うことができる。従って、本発明は、限定によってではなく例示によって説明したものであると理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を利用するのに適合した典型的な通常の燃料電池セルスタックの中に並んだ一対の燃料電池セルのいくつかの構成要素を示す分解側面立面図。
【図２】 燃料電池の標記された構成要素の周縁表面の間に設けられたシール剤の被覆を示すとともに、燃料電池セルスタックの外側端部に設けられた同じシール剤の被覆を示す、図１の燃料電池セルの部分図。
【図３】 図２と同様の図であるが、２つの水移動プレートを備えたセルのための多孔質の触媒保持プレートと水移動プレートの構成を示す図。

Claims (6)

1. 電気エネルギーを生成する燃料電池セルスタックであって、スタック内のセルは、
   対向する触媒層と、前記触媒層の間にあるプロトン交換膜と、前記触媒層に隣接した対向するアノード触媒保持プレートとカソード触媒保持プレートと、を備えた膜電極組立体であって、それぞれの触媒保持プレートが、第１のシール表面を形成する端部周縁表面を有する、膜電極組立体と、
   前記触媒保持プレートに隣接し、第２のシール表面を形成する周縁表面を有するとともに、膜電極組立体に面する側の面に溝を備え、この溝を通って燃料または酸化剤が流れる、反応物の流れの場のプレートと、
   前記触媒保持プレートを前記流れの場のプレートに結合するためのエラストマー性の接着剤からなり、前記第１、第２のシール表面の間にあるシール剤の被覆と、
   から構成されており、
   前記エラストマー性の接着剤は、フルオロエラストマーからなり、
   前記シール剤の被覆は、前記膜電極組立体の外側のまわりとともに前記反応物の流れの場のプレートの外側のまわりにさらに設けられることを特徴とする燃料電池セルスタック。
2. 前記流れの場のプレートに隣接して間に冷媒の流路を形成するようにもう１つの流れの場のプレートが設けられ、前記流れの場のプレート両方は、前記第２のシール表面の反対側にあるそれらの周縁領域が前記エラストマー性の接着剤によりシールされることを特徴とする請求項１記載の燃料電池セルスタック。
3. 前記流れの場のプレートは、黒鉛材料から作製されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池セルスタック。
4. 前記触媒保持プレートは、黒鉛材料から作製されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池セルスタック。
5. 前記シール剤の被覆は、フルオロエラストマーからなり、前記フルオロエラストマーは、燃料電池セルスタック内の前記膜電極組立体と流れの場のプレートの外側に設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池セルスタック。
6. 前記触媒保持プレートは、フルオロエラストマーで含浸する前は透過性であった、フルオロエラストマーで含浸された周縁部分を備え、前記エラストマー性の接着剤は、フルオロエラストマーからなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池セルスタック。

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