JP4742043B2 - 一体化シールを有する膜電極アセンブリ - Google Patents
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Description
供給され得る。たとえば、酸化剤の流れは、実質的に純粋な酸素ガス、または空気のような希釈された酸素の流れであってもよい。燃料は、実質的に純粋な水素ガスか、気体状態の水素含有改質油の流れか、または直接メタノール燃料電池においては水を混ぜたメタノールの混合液であってもよい。反応体は燃料電池の電極に向かい、流体拡散層によってその中の触媒に分散する。
エッジシール11の断面図は図2bに見られる。図2bは図2aのセクションA−Aに沿ったプロファイルを示す。エッジシール11の設計および特徴は後にさらに詳細に記述される。内部マニホールドシール12の断面図は図2cに見られる。図2cは図2aのセクションB−Bに沿ったプロファイルを示す。図示されるように、マニホールドシール12はエッジシール11に用いられるシール要素と類似した断面の形状を有する。ただし、所望であれば、その他の代替的な形状が採用されてもよい。
以下において、従来のMEAサブアセンブリが使用されており、NAFION(登録商標)112の、TGP−60のガス分散層を含む電解質膜および電極と、Toray Industries社の製品である炭素繊維紙とを有する。上記の低粘着性珪素樹脂と類似した機械的特性を有するシール材としての使用のため、珪素樹脂エラストマー材が選択された。
最後に、2つの10セルの燃料電池スタックが組立てられ、高レート放電、および、シールの破損までの期間を決定するための一定の状態条件の下で作動された。1つの電池スタックは、「C」と表され、一体化シールを有する上記の比較のMEAを用いて組立てられ、一方、他の電池スタックは、「I」と表され、一体化シールを有する上記の発明のMEAを用いて組立てられる。全体の反応物の(すなわち、双方の反応物の)漏れレートは、期間を通し各スタックに対して測定され、結果は、作動時間に対するセル毎の平均漏れレートとして、図6に示される。スタックI内のセルについて、背景となる初期の漏れレートは、スタックC内のセルよりもはるかに低い。約1200時間連続して高レート作動した後、スタックC内の1つまたは複数のシールが破損し、スタックCは実質的に漏れを生じた。しかし、スタックIは同様の漏れを生じるまでにその2倍を超えて(2400時間を超えて)稼動した。
Claims (17)
- 固体高分子電解質燃料電池であって、2枚のプレートと、該2枚のプレート間でその公称厚みにまで圧縮される膜電極アセンブリとを備え、該膜電極アセンブリが、
該2枚のプレート間で圧縮される膜電極サブアセンブリであって、膜電解質と、多孔性のカソード電極と、多孔性のアノード電極とを含み、平坦であり、かつ、2つの主要面を有する膜電極サブアセンブリと、
シール材で形成され、該2枚のプレート間で圧縮されるエッジシールとを備え、
該エッジシールが、
a)該膜電極サブアセンブリの該カソード電極およびアノード電極と界面を形成するインボードパッドであって、該膜電極サブアセンブリの外周に沿う該カソード電極およびアノード電極の端部にある該孔を満たし、該膜電極サブアセンブリの少なくとも端部よりも厚く、かつ、該パッドの応力が該シール材に対する該電極の界面の破壊応力の限度よりも小さくなる厚みである、インボードパッドと、
b)該インボードパッドおよび該膜電極サブアセンブリの端部の外側方向に隣接するフレキシブルカップリングであって、該パッドよりも薄く、かつ、該2枚のプレートおよび該カップリングの間に間隙が残る厚みである、フレキシブルカップリングと、
c)該フレキシブルカップリングの外側方向に隣接し、該2枚のプレート間で圧縮され、シールを形成するシール要素であって、該インボードパッドよりも厚く、かつ、該インボードパッドよりも大きく圧縮される厚みである、シール要素と
を有する、固体高分子電解質燃料電池。 - 前記インボードパッドが25%未満圧縮される、請求項1に記載の燃料電池。
- 前記シール要素が30%を超えて圧縮される、請求項1に記載の燃料電池。
- 前記シール材がエラストマーである、請求項1に記載の燃料電池。
- 前記エラストマーが、ショアーA硬度40であること、および、40%のひずみ下における単軸張力係数が0.2MPaであることを特徴とする、請求項4に記載の燃料電池。
- 前記電極の界面の破壊応力の限度が1.2MPaである、請求項5に記載の燃料電池。
- 前記エラストマーが、エチレン−プロピレン−ジエン ターポリマーである、請求項4に記載の燃料電池。
- 前記エラストマーがフルオロエラストマーである、請求項4に記載の燃料電池。
- 前記多孔性カソードおよびアノード電極が炭素繊維紙を有する、請求項1に記載の燃料電池。
- 前記膜電極アセンブリの主要面に対して垂直方向の前記シール要素の断面の形状が、中心をずらして前記膜電極アセンブリの主要面に対して垂直に配置される2つの円で描かれる、請求項1に記載の燃料電池。
- 前記インボードパッドが前記膜電極アセンブリの該カソード電極およびアノード電極との界面における応力の集中を低減するための面を有する、請求項1に記載の燃料電池。
- 前記シール要素の外側方向に隣接した絶縁タブを有する、請求項1に記載の燃料電池。
- 固体高分子電解質燃料電池であって、2枚のプレートと、該2枚のプレート間でその公称厚みにまで圧縮される膜電極アセンブリとを備え、該膜電極アセンブリが、
該2枚のプレート間で圧縮される膜電極サブアセンブリであって、膜電解質と、多孔性のカソード電極と、多孔性のアノード電極とを有し、平坦であり、かつ、2つの主要面を有する膜電極サブアセンブリと、
シール材で形成され、該2枚のプレート間で圧縮されるエッジシールとを備え、
該エッジシールが、
a)該膜電極サブアセンブリの該カソード電極およびアノード電極と界面を形成するインボードパッドであって、該膜電極サブアセンブリの外周に沿う該カソード電極およびアノード電極の端部にある該孔を満たし、該膜電極サブアセンブリの少なくとも端部よりも厚く、かつ、該パッドの応力が該シール材に対する該電極の界面の破壊応力の限度よりも小さくなる厚みである、インボードパッドと、
b)該インボードパッドおよび該膜電極サブアセンブリの端部の外側方向に隣接するフレキシブルカップリングであって、該インボードパッドよりも厚みが薄いフレキシブルカップリングと、
c)該フレキシブルカップリングの外側方向に隣接し、該2枚のプレート間で圧縮されるシール要素であって、該インボードパッドよりも厚く、かつ、該インボードパッドよりも大きく圧縮される厚みである、シール要素と
を有し、
該フレキシブルカップリングが、該シール要素における応力から該インボードパッドを隔離する、固体高分子電解質燃料電池。 - 前記2枚のプレートがフローフィールドプレートである、請求項13に記載の燃料電池。
- 各フローフィールドプレートが、前記インボードパッド上の前記面を揃える位置合わせの目印を有する、請求項14に記載の燃料電池。
- 各フローフィールドプレートが、前記シール要素を保つための壁を保有する、請求項14に記載の燃料電池。
- 2枚のプレートと、該2枚のプレート間でその公称厚みにまで圧縮される膜電極アセンブリとを備える、固体高分子電解質燃料電池の製造方法であって、該方法は、
膜電極サブアセンブリであって、膜電解質と、多孔性のカソード電極と、多孔性のアノード電極とを有し、平坦であり、かつ、2つの主要面を有する膜電極サブアセンブリを提供することと、
シール材で形成したエッジシールであって、
a)該膜電極サブアセンブリの該カソード電極およびアノード電極と界面を形成するインボードパッドであって、該膜電極サブアセンブリの外周に沿う該カソード電極およびアノード電極の端部にある該孔を満たし、該膜電極サブアセンブリの少なくとも端部よりも厚く、かつ、該膜電極アセンブリをその公称厚みにまで圧縮した際の該パッドの応力が該シール材に対する該電極の界面の破壊応力の限度よりも小さくなる厚みである、インボードパッドと、
b)該インボードパッドおよび該膜電極サブアセンブリの端部の外側方向に隣接するフレキシブルカップリングであって、該インボードパッドよりも薄く、かつ、該膜電極アセンブリをその公称厚みにまで圧縮した際に該2枚のプレートのそれぞれと該カップリングとの間に間隙が残る厚みである、フレキシブルカップリングと、
c)該フレキシブルカップリングの外側方向に隣接するシール要素であって、該インボードパッドよりも厚く、かつ、該膜電極アセンブリをその公称厚みにまで圧縮した際に、該インボードパッドよりも大きく圧縮される、シール要素と
を備えるエッジシールを該膜電極サブアセンブリの端部に形成し、該膜電極アセンブリを形成することと、
該シール要素が該2枚のプレート間で圧縮されてシールを形成するように、該2枚のプレート間で該膜電極アセンブリをその公称厚みにまで圧縮することと
を包含する、製造方法。
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