JP5218403B2 - 燃料電池装置用モジュール - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池装置用のモジュールであって、スタック状に配置されたプレートを含み、少なくとも２枚のプレートがその一部分をシーリングエレメントによって互いに結合されているものに関する。

この種のモジュールであってＤＥ１０２５０４３４Ａ１により公知のものにおいては、燃料電池を組み立てるのに必要な単セルの個数が削減され、わずかな工程数で組み立て可能な点において有利である。さらには、プレートを固定する追加的な措置が不要である。なぜならば、この固定をプレートと摩擦連結および／または嵌合連結によって結合されたシーリングエレメントによって行うからである。プレートは、この場合、たいていはバイポーラプレートとして形成され、ＰＥＭ燃料電池に使用するために考えられている。シーリングエレメントはこの場合、しばしば射出成形プロセスの間にプレートに取り付けられる。この場合の欠点は、シーリングエレメントの収縮プロセスによって、プレート間に局部的な漏洩を生じ、これにより冷媒液体または燃料電池ガスが流れ出す可能性があることである。あるいは、シール材料がプレート間の中間スペースに押し込まれ、その離隔作用のために電気抵抗の上昇を生じることである。この種のシールアレンジメントは、非破壊的方法ではシール箇所を見通せないので、品質確保と点検が困難である。

本発明の課題は、燃料電池装置用モジュールとして、プレート間の漏洩を確実に防止できるものを提供することである。

上記の課題は、請求項１および９の諸特徴によって解決される。有利な構成を従属請求項に記載した。

上記の課題を解決するため、各プレート間に少なくとももう１つのシールを設ける。本発明は、両者プレートを取り外し不可能な状態に結合する前に、プレートの少なくとも一方にこのシールを取り付ける。シール材料とシールジオメトリの設計によって、プレートを組み合わせた後、このシールの規定通りの締め付けが得られる。これにより密封作用が確実に得られ、プレート間の漏洩が抑止される。本発明による解決法の場合、シーリングエレメントのシール材料を、特別に高い圧力でシール箇所に押し込む必要はない。密封性はすでにもう１つのシーリングエレメントによって得られるからである。これによりプレート間にシール材料があふれ出るのが防止され、モジュールの導電性は損なわれない。

各プレートの互いに向かい合う側に複数の凹部を設け、これらの凹部に、前記もう１つのシールを配置することができる。これらの凹部をシーリング溝として形成し、これらの溝は、一方のプレートまたは両方のプレートの互いに向かい合う側に設けることができる。これらの凹部に、前記もう１つのシールを配置する。

これらのプレートは、冷却装置を組み込まれたバイポーラプレートとして、形成することができる。燃料電池セル、特に、ＰＥＭ燃料電池セルの１つのエレメントは、２枚のバイポーラプレート間に配置されたイオン交換膜を含む。この場合、２つの隣接するセルのバイポーラプレート２枚ずつ（エレメント）が、１つのモジュールにまとめられる。これらのバイポーラプレートは膜に向かってガス供給構造を備え、この供給構造によって反応
ガスが膜に導かれる。別のバイポーラプレートに向かっては複数の凹部が設けられ、これらの凹部は、液体冷媒を各バイポーラプレートの間に導き、こうして燃料電池の動作温度を制御するようにできている。前記もう１つのシールは、バイポーラプレートにおいて、冷却装置のための凹部が設けられている側に配置されている。また、これらバイポーラプレートには複数の貫通口が設けられ、この貫通口を通って、反応ガスと冷媒がバイポーラプレートの中を導かれる。前記もう１つのシールは、反応ガスがあふれたり、液体冷媒が漏洩したりするのを防止する。

前記もう１つのシールは、射出成形部品として形成することができる。そのためには、シール材料を射出成形によって上記の凹部に入れ、同時にこのシールの表面に異形化を施すことができる。この種のシールは、エラストマ材料、たとえばＥＰＤＭまたはＦＫＭ（フッ素ゴム）からなるものとするのが有利である。これらのシールは、簡易かつ安価に製造できる。

前記もう１つのシールは、接着結合体として形成することができる。これは、適切な接着剤からなる接着剤ビード、またはエポキシ樹脂からなる接着結合体とすることができる。この場合、接着結合体を挿入し、つづいて締め付けることにより、両プレートの固定結合を生じることができる。この接着結合は、つづいて熱処理することによって最適化できる。結合に対する高度の要求事項がなければ、プレート同士をシーリングエレメントでさらに結合する必要はない。

前記もう１つのシールは、フラットシールとして形成することができる。フラットシールは、平面的な部品を静的に結合するためのものとして以前から公知である。フラットシールは、素材接合あるいは摩擦／嵌合接合によってプレートと結合することができる。

前記もう１つのシールは表面を異形化することができる。表面の異形化は、たとえばビード、波形、櫛状の突起、または凸面／凹面のある表面ジオメトリとする。これら異形化は、シール箇所で初期締め付け力が小さくても接触応力の向上が生じ、これによりシール作用の改善が得られる。

前記もう１つのシールは、Ｏリングからなるものとすることができる。Ｏリングも同様に、静的密封のためのものとして以前から公知のシーリングエレメントである。Ｏリングは、このＯリングに適合された溝に挿入され、締め付けられる。

もう１つの実施形態では、一方のプレートは少なくとも１つの突起を備え、この突起はシーリングエレメントに隣接して配置されて、前記もう１つのシールを形成する。この突起は、プレートを組み合わせるとき他方のプレートに接触し、この突起領域で表面圧の局部的増加を生じる。表面圧の増加によってこの領域で密封性の改善が得られ、これにより、シーリングエレメントのシール材料が、射出成形の際にあふれるのを防止できる。これは特に有利である。なぜならば、シーリングエレメント生成後は、プレートが相互に固定結合され、シール箇所を再作業できないからである。この突起の形状のもう１つのシールを、上述したもう１つのシールの１つと組み合わせることができる。

１つのプレートに円形に周回する突起を２つ設け、これら突起が、それぞれシーリングエレメントに隣接して配置され、前記もう１つのシールを形成することができる。これによりシーリングエレメントがあふれるのを、両方向とも防止できる。

これらの突起は、プレートと同一材料かつ一体型に形成することができる。これらの突起は、プレートを成形する際に設けることができる。金属プレートの場合も、グラファイトプレートの場合も、有利なシール作用が得られる。

この突起は、三角形に形成することができる。三角形の突起は、特に製造がし易くかつ離型がし易い。またこの突起は、特に安定していて、特に高い表面圧を生じる。

別なプレートは、突起に適合した凹部を少なくとも１つ備える。この方法は、これらのプレートを互いに非常に正確に配置できるので有利であり、これにより、射出成形前のプレートの煩雑な方向付けが省略される。これによりプレートの製造が、より簡易かつ安価になる。両プレートを通る穴または接続エレメントを、非常に正確に方向付けることも、つねに可能である。両プレートの嵌合結合が得られるので、両プレートは接合後互いに位置が移動することがない。

燃料電池のモジュールを製造する本発明の方法の場合、まず各プレートを製造し、次にこれらプレートの上に前記もう１つのシールを配置し、２枚のプレートを接合して、シーリングエレメントをプレートと結合するが、その結合の際に、両プレートが互いに結合されるようにする。

下記に図面を用いて、本発明によるモジュールのいくつかの実施例を詳しく説明する。

各図は、それぞれ燃料電池装置用、これらの実施例ではＰＥＭ燃料電池用のモジュール１を示す。モジュール１は、スタック状に配置された２枚のプレート２、３からなっていて、これらプレートは互いにその一部分が、シーリングエレメント４によって結合されている。そのためにプレート２、３は、長い穴の形をした貫通口９を備えており、開口１０が形成されるようにこれらの貫通口は互いに位置をずらして配置される。プレート２、３はグラファイトバイポーラプレートであって、それぞれ互いに向かい合う側に冷却装置７を備える。冷却装置７は、冷却コイル状の凹部からなる。プレート２、３の間には、それぞれ少なくとももう１つのシール５が配置されている。そのためプレート２、３の互いに向かい合う側に凹部６が設けられ、それら凹部の中に、前記もう１つのシール５が配置されている。以下に示すモジュール１は、それぞれが１つの実施例であるが、シーリングエレメント４と、さまざまに異なる実施例の前記もう１つのシール５とを互いに組み合わせた、このほかの実施例を考えることができる。

モジュール１を製造するには、まずプレート２、３を製造する。その次は、必要であればプレート２、３に凹部６を施し、この凹部の中に前記もう１つのシール５を配置する。つづいて２枚のプレート２、３を接合し、シーリングエレメント４をプレート２、３と結合するが、その際このシーリングエレメント４が、両プレート２、３を嵌合結合によって互いに結合する。プレート２、３のそれぞれ互いに反対側の面には、流路１３、１４を１つずつ配置する。流路１３、１４は、２つの隣接する燃料電池セルの陽極１３と陰極１４を形成する。流路１３、１４によって、膜（ここに図示しない）に向かって反応ガスの供給が行われる。膜は陽極１３と陰極１４の間に配置されている。

図１は、前記もう１つのシール５がＯリングとして形成されているモジュール１を示すが、この場合、前記もう１つのシール５は、プレート２、３の凹部６の中に配置されている。シーリングエレメント４はＥＰＤＭ、あるいは別な実施例ではＦＫＭからなっていて、射出成形によって貫通口９の中に配置されている。貫通口９は、プレート２、３の内部にあって小さい横断面積を有している。シーリングエレメント４はビード状の突起１１を備えている。

図２に示すモジュール１の場合、シーリングエレメント４はプレート２、３の外側周囲に配置され、これによりプレート２、３を嵌合結合させている。この実施例の場合、前記
もう１つのシール５は射出成形部品として形成され、このもう１つのシール５は異形化された表面８を備える。

図３は図１と同様なモジュール１を示すが、この構成では、貫通口９が一定の横断面を有している。この実施例の場合、前記もう１つのシール５はフラットシールとして形成されている。

図４は、反応ガスを導く媒体流路１２を持つプレートを示す。この媒体流路１２は、シーリングエレメント４と、冷却装置７に対するもう１つのシール５とによって、それぞれ密封されている。

図５は図４と同様なモジュール１を示すが、この場合、シートエレメント４は、媒体流路１２の内張りを形成する。この実施例で、前記もう１つのシール５は接着結合体として形成されている。

図６も図４と同様なモジュール１を示すが、この構成では、貫通口９が一定の横断面を有している。

図７は、１つの燃料電池装置用、この実施例の場合はＰＥＭ燃料電池用のモジュール１を示す。モジュール１は、スタック状に配置された２枚のプレート２、３からなり、これらのプレートはその一部分が、シーリングエレメント４によって互いに結合されている。そのためこれらのプレート２、３は長い穴の形状の貫通口９を備えており、開口１０が形成されるようにこれらの貫通口は互いに位置をずらして配置される。プレート２、３はグラファイトバイポーラプレートであって、互いに向かい合う側に冷却装置７を備える。冷却装置７は、冷却コイル状の凹部からなる。プレート２、３の間には、それぞれ少なくとももう１つのシール５が配置されている。これらもう１つのシール５は、この実施例では、シーリングエレメント４の両側に配置された突起１５からなる。これらの突起は、プレート３と同一材料かつ一体型に形成され、したがってグラファイト製である。突起１５は円形に周回する土手状に形成されている。プレート２では、シーリングエレメント４の両側に１つずつ、やはり円形に周回する凹部１６が設けられ、これら凹部は突起１５に適合して形成されている。

図８は、図７と同様なモジュール１である。この実施例では、突起１５が設けられている凹部１６は、矩形の溝として形成されている。この場合、突起１５は、この図ではＶ字形に形成されているが、両プレート２、３が締め付けられるとき、この突起の材料を、凹部１６の内部に残る自由なスペースに押し込むことができる。したがって突起１５は、その高さを凹部１６の深さよりも大きくすることができ、とくに密封された結合が得られる。突起１５はこれと異なる形状とすることもでき、その場合、突起１５を例えば半円形または放物線形に形成することもできる。

本発明によるモジュールの横断面図である。 外側周囲にシーリングエレメントを配置されたモジュールである。 一定の横断面の貫通口を備えたモジュールである。 媒体流路ともう１つのシール複数とを備えたモジュールである。 シーリングエレメントが媒体流路の内張りを形成するモジュールである。 媒体流路と複数のシーリングエレメントとを備えたモジュールである。 シーリングエレメントに隣接する突起を２つ備えたモジュールである。 シーリングエレメントに隣接しかつ矩形の溝に収容されている突起を２つ備えたモジュールである。

Claims (4)

1. スタック状に配置されたプレート（２、３）を含み、
   少なくとも２枚のプレート（２、３）が、その一部分をシーリングエレメント（４）によって互いに結合されている、燃料電池用のモジュール（１）であって、
   前記プレート（２、３）の互いに向かい合う側の少なくともいずれか一方に凹部（６）が設けられ、
   当該凹部に少なくとももう１つの射出成形部品として形成されたシール（５）が配置され、
   前記プレート（２、３）が、互いに向かい合う側に冷却装置（７）を組み込まれたバイポーラプレートとして形成され、
   前記プレート（２、３）は、前記シーリングエレメント（４）が配置される貫通口（９）をそれぞれ有するとともに、互いに向かい合う側においてそれぞれの貫通口（９）の間に貫通口（９）よりも断面積の大きい開口（１０）を有していることを特徴とするモジュール。
2. 前記もう１つのシール（５）が、接着結合体として形成されていることを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
3. 前記もう１つのシール（５）が、フラットシールとして形成されてい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。
4. 前記もう１つのシール（５）が、Ｏリングからなることを特徴とする請求項１に記載のモジュール。

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