JP4734253B2

JP4734253B2 - 容易に隔離した特大サイズの燃料電池スタック冷却プレート

Info

Publication number: JP4734253B2
Application number: JP2006536674A
Authority: JP
Inventors: マイヤーズ，ジェレミー，ピー．; デーヴ，ナイルシュクマー，ティー．; レイク，ジェフリー，ジー．; レイアー，マーク，ダブリュ．
Original assignee: ユーティーシーパワーコーポレイション
Priority date: 2003-10-23
Filing date: 2004-10-14
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2024-10-14
Also published as: JP2007509482A; WO2005043646A3; US20050089736A1; WO2005043646A2; US7135247B2; DE112004002019T5

Description

本発明は、起こり得る燃料電池内部への液漏れ（特に冷却液）に対抗して、スタックにおける全ての電池のエッジを密封することを可能にする拡張部分を有する燃料電池発電装置用の冷却プレートに関する。

電気自動車に電力を供給する燃料電池発電装置の使用は、多くの供給源によって発案されている。世界中の多くの場所において、燃料電池発電装置は氷点下の気温に耐えられる必要がある。燃料電池に対する１つの方法は、通常、エチレングリコール凍結防止剤の水溶液のような、耐寒冷却剤の溶液を使用することである。しかしながら、エチレングリコールはプロトン交換膜型（ＰＥＭ）燃料電池の膜及び触媒に対して極めて有害であり、そのために燃料電池から完全に隔離する必要がある。

冷却プレートは容易に配設され、プレート内に冷媒を完全に収容する。その結果、冷却剤から燃料電池に危険な兆候をもたらすことはない。しかしながら、従来の問題は、冷却プレートへの冷媒の流入が要求され、マニフォルドが存在するので、ひいては隣接する燃料電池との間の接合部ならびに冷却プレートと燃料電池との間の接合部で冷媒の漏れが生じ易く、その結果、燃料電池自体に侵入して、汚染することである。

本発明の特徴は、燃料電池に有害な冷媒の改良された分配と、冷媒を燃料電池スタックの冷却プレートに供給するよう改良された冷媒マニフォルドと、燃料電池反応剤ならびに冷媒用の改良されたマニフォルド構造体と、完全に密封されて燃料電池スタックの燃料電池から隔離された冷媒マニフォルドと、を含む。

本発明によれば、冷却プレートの各々は、燃料電池のエッジと整列している冷却プレートのエッジから外側に延びている突起を有し、この突起は、インレット流路ならびにアウトレット流路を具備する。インレット流路及びアウトレット流路は、燃料電池の形状に比較して外側に延びている。燃料電池のエッジを越えて延びることにより、冷却プレートのインレット流路及びアウトレット流路は、冷媒インレットマニフォルドならびに冷媒アウトレットマニフォルドと連通し、一方で、同時に燃料電池のエッジへの冷媒の侵入を完全に阻止するよう、インレット流路ならびにアウトレット流路が密封される。

本発明によれば、耐凍結冷媒用のマニフォルドは、反応ガスマニフォルドも画定するマニフォルド構造体によって供給される。

本発明におけるその他の特徴ならびに長所は、後述する実施例の詳細な説明ならびに添付した図によって明らかになるであろう。

図１を参照すると、燃料電池スタック７の区画は、１２枚の燃料電池８を有し、燃料電池８の１つおきに配置される本発明における冷却プレート９を備える。即ち、燃料電池８の各々の対につき１枚の冷却プレート９を備える。冷却プレート９の各々は、燃料電池のエッジの基本面を越えて延びている部分（１２、１３）を有し、これらの部分が、インレット流路ならびにアウトレット流路１５を有する。例えば、突起１２の内部にインレット流路を有し、突起１３の内部にアウトレット流路を備え（または、逆もある）、それらの間に冷媒流路が延びている。
図２を参照すると、冷媒インレットマニフォルド１７は、反応ガスマニフォルド１８とともに一つの構造体として組み合わせられ、また冷媒アウトレットマニフォルド２０は、別の反応ガスマニフォルド２１とともに一つの構造体として組み合わせられる。通常、マニフォルド１８、２１は、空気インレット／アウトレットマニフォルドならびにエアターンマニフォルドである。同様のマニフォルド２４、２５は、燃料ガスインレット／アウトレットマニフォルドならびに燃料ガスターンマニフォルドを備える。本発明とは関係しないが、周知の通り、マニフォルドは、マニフォルド構造体２７〜３０によって形成され、バンド３２または他の周囲包囲材を利用して、燃料電池スタック７に対し堅固に固定される。
マニフォルド構造体２７〜３０は、プロトン交換膜型（ＰＥＭ）電池の環境に適合したシリコンゴムのような、プラスチック系材料またはエラストマ系材料であるシール材と接触する。図３にさらに明瞭に示すように、シール材３５、３６は、燃料電池スタック７の角のエッジを覆い、また図３に示すように、全ての突起１２、１３の間ならびにその周囲に延びている。このようにして、マニフォルド構造体２７、２８が燃料電池スタック７に対し堅固に固定されている状態では、シール材３５、３６によって、冷媒マニフォルド１７、２０が、燃料電池８から全体的に密封される。

マニフォルド構造体２７〜３０の接触面はノッチを有していても良く、より良好な密封ができるように、その中に発泡ゴムガスケットが封入される。さらに、２００３年７月１５日に出願された同時係属中の米国特許出願番号第１０／６１９，４０６号に開示されているように、密封を改善するために、平形ストリップ（図示せず）を使用しても良い。燃料電池スタック７にマニフォルド構造体２７〜３０を密封する正確な方法は、本発明において重要ではないが、本発明は、冷却プレートに突起１２、１３を有し、またシリコンゴムシール３５、３６がこれらの突起を完全に囲う。これによって、燃料電池そのものが、冷媒マニフォルド１７、２０内の冷媒から隔離される。

ある実施例では、冷媒インレットマニフォルドならびに冷媒アウトレットマニフォルドが、同じマニフォルド構造体によって形成され、または燃料電池スタックの同一側に形成される。

本発明におけるインレット流路及びアウトレット流路の延長部分を含む冷却プレートを有する数枚の電池の燃料電池スタックを示す斜視図。燃料電池スタックの所定の位置に位置した冷媒マニフォルド部分を含む種々の反応ガスマニフォルドを有する図１における燃料電池スタックの部分断面斜視図。種々のマニフォルドが燃料電池スタックから密封されるように、シール材が燃料電池スタックの冷媒インレット流路及び冷媒アウトレット流路の双方の範囲ならびにスタックの角部に取り付けられた状態を示す、マニフォルドが所定の位置に位置する前の、図１、２における燃料電池スタックの部分断面斜視図。

Claims

スタック（７）として隣接して配置された複数の燃料電池（８）であって、燃料電池の各々の幅及び高さ寸法は、上記スタックにおける他の燃料電池の幅及び高さ寸法に等しく、これにより、これらの燃料電池のエッジが、平面を形成するように組み合わせられた複数の燃料電池（８）と、
冷媒インレット流路ならびに冷媒アウトレット流路（１５）、およびこれらの冷媒インレット流路と冷媒アウトレット流路との間に延びている冷媒流路を有し、かつ、複数対の燃料電池の各対の燃料電池の間に配置された複数の冷却プレート（９）と、を備えた燃料電池発電装置であって、
上記冷却プレートの各々は、上記冷媒インレット流路を含む突起と、上記冷媒アウトレット流路を含む突起（１２、１３）と、を有し、これらの突起は、上記平面から離れて延びるように上記冷却プレートのエッジから外側に延びており、上記冷却プレートの各々は、これらの突起を除いて、幅及び高さ寸法が、上記燃料電池の寸法と同一であり、
さらに、上記突起の各々を完全に囲み、かつ上記突起の各々とこれに隣接する突起との間に延びているエラストマ系ゴムシール材（３５）を備え、このエラストマ系シール材は、シール面を形成するように、上記突起の全ての両側に延び、かつ上記平面の周囲に延び、
さらに、上記平面の全体に延在するプレート部と、該プレート部の両端部およびそれらの間の中間部に沿ってそれぞれ上記平面の方に突出して延在する第１、第２および第３のリブとからなるマニフォルド構造体（２７、２８）であって、該第１、第２および第３のリブの頂部がそれぞれ上記シール材のシール面に接触し、かつ冷媒インレットマニフォルド（１７）または冷媒アウトレットマニフォルド（２０）を画定するマニフォルド構造体（２７、２８）を備え、このマニフォルド構造体は、上記プレート部の上記平面に面する面および第１、第３のリブと上記シール材のシール面との間で、（ａ）上記冷媒インレット流路と連通した冷媒インレットマニフォルド（１７）、または、（ｂ）上記冷媒アウトレット流路と連通した冷媒アウトレットマニフォルド（２０）、を画定し、また、上記プレート部の上記平面に面する面およびマニフォルド構造体の第２、第３のリブと上記シール材のシール面との間で、（ｃ）反応ガスインレットマニフォルド（１８）または（ｄ）反応ガスアウトレットマニフォルド（２１）を画定する、ことを特徴とする燃料電池発電装置。
上記エラストマ系シール材は、シリコンゴムであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
スタック（７）として隣接して配置された複数の燃料電池（８）であって、燃料電池の各々の幅及び高さ寸法は、上記スタックにおける他の燃料電池の幅及び高さ寸法に等しく、これにより、これらの燃料電池のエッジが、平面を形成するように組み合わせられた複数の燃料電池（８）と、
冷媒インレット流路ならびに冷媒アウトレット流路（１５）、およびこれらの冷媒インレット流路と冷媒アウトレット流路との間に延びている冷媒流路を有し、かつ、複数対の燃料電池の各対の燃料電池の間に配置された複数の冷却プレート（９）と、を備えた燃料電池発電装置であって、
上記冷却プレートの各々は、上記冷媒インレット流路を含む突起と、上記冷媒アウトレット流路を含む突起（１２、１３）と、を有し、これらの突起は、上記平面から離れて延びるように上記冷却プレートのエッジから外側に延びており、上記冷却プレートの各々は、これらの突起を除いて、幅及び高さ寸法が、上記燃料電池の寸法と同一であり、
さらに、上記突起の各々を完全に囲み、かつ上記突起の各々とこれに隣接する突起との間に延びているエラストマ系ゴムシール材（３５）を備え、このエラストマ系シール材は、シール面を形成するように上記突起の全ての両側に延び、
さらに、上記平面の全体に延在するプレート部と、該プレート部の両端部およびそれらの間の中間部に沿ってそれぞれ上記平面の方に突出して延在する第１、第２および第３のリブとからなるマニフォルド構造体（２７、２８）であって、該第１、第２および第３のリブの頂部がそれぞれ上記シール材のシール面に接触し、かつ冷媒インレットマニフォルド（１７）または冷媒アウトレットマニフォルド（２０）を画定するマニフォルド構造体（２７、２８）を備え、このマニフォルド構造体は、上記プレート部の上記平面に面する面および第１、第３のリブと上記シール材のシール面との間で、（ａ）上記冷媒インレット流路と連通した冷媒インレットマニフォルド（１７）、または、（ｂ）上記冷媒アウトレット流路と連通した冷媒アウトレットマニフォルド（２０）、を画定する、ことを特徴とする燃料電池発電装置。
上記エラストマ系シール材は、シリコンゴムであることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電装置。
上記マニフォルド構造体は、上記プレート部の上記平面に面する面およびマニフォルド構造体の第２、第３のリブと上記シール材のシール面との間で、反応ガスインレットマニフォルドまたは反応ガスアウトレットマニフォルド（１８、２１、２４、２５）を画定することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電装置。
上記冷媒インレット流路を含む上記冷却プレートの各々の突起（１２）は、各冷却プレートのエッジに配置され、上記冷媒アウトレット流路を含む突起（１３）が延びるエッジと反対側にあることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電装置。
燃料電池発電装置用のマニフォルド構造体（２７、２８）であって、
上記燃料電池発電装置は、スタック（７）として隣接して配置された複数の燃料電池（８）であって、燃料電池の各々の幅及び高さ寸法は、上記スタックにおける他の燃料電池の幅及び高さ寸法に等しく、これにより、これらの燃料電池のエッジが、平面を形成するように組み合わせられた複数の燃料電池（８）を備えており、
上記マニフォルド構造体は、上記平面の全体に延在するプレート部と、該プレート部の両端部およびそれらの間の中間部に沿ってそれぞれ上記平面の方に突出して延在する第１、第２および第３のリブとからなり、該第１、第２および第３のリブの頂部がそれぞれ燃料電池スタック（７）のシール材（３５）のシール面に接触するように構成され、かつ上記プレート部の上記平面に面する面および第１、第３のリブが上記シール面とともに（ａ）冷媒インレットマニフォルド（１７）または（ｂ）冷媒アウトレットマニフォルド（２０）のどちらかを形成し、また、上記プレート部の上記平面に面する面および第２、第３のリブが上記シール面とともに（ｃ）反応ガスインレットマニフォルド（１８、２４）または（ｄ）反応ガスアウトレットマニフォルド（２１、２５）のどちらかを形成することを特徴とする燃料電池発電装置用のマニフォルド構造体（２７、２８）。
燃料電池発電装置用のマニフォルド構造体（２７、２８）であって、
上記燃料電池発電装置は、スタック（７）として隣接して配置された複数の燃料電池（８）であって、燃料電池の各々の幅及び高さ寸法は、上記スタックにおける他の燃料電池の幅及び高さ寸法に等しく、これにより、これらの燃料電池のエッジが、平面を形成するように組み合わせられた複数の燃料電池（８）を備えており、
上記マニフォルド構造体は、上記平面の全体に延在するプレート部と、該プレート部の両端部およびそれらの間の中間部に沿ってそれぞれ上記平面の方に突出して延在する第１、第２および第３のリブとからなり、該第１、第２および第３のリブの頂部がそれぞれ燃料電池スタック（７）のシール材（３５）のシール面に接触するように構成され、上記マニフォルド構造体は、（ａ）冷媒インレットマニフォルドまたは（ｂ）冷媒アウトレットマニフォルドのどちらかを画定する第１のチャンバ（１７、２０）と、（ｃ）反応ガスインレットマニフォルドまたは（ｄ）反応ガスアウトレットマニフォルドのどちらかを画定する第２のチャンバ（１８、２１）と、を有し、上記第１のチャンバ（１７、２０）は、上記プレート部の上記平面に面する面および第１、第３のリブと、上記シール面とにより画成され、上記第２のチャンバ（１８、２１）は、上記プレート部の上記平面に面する面および第２、第３のリブと、上記シール面とにより画成されることを特徴とする燃料電池発電装置用のマニフォルド構造体（２７、２８）。