JP5309139B2 - 電気化学的電池を相互接続するための配置、燃料電池アッセンブリ、および燃料電池装置を製造する方法 - Google Patents
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Description
1)陽極ガス室を作り出すシーリング機能。これは、それにより膜電極アッセンブリ(MEA)を陽極電流コレクターフォイルに密封する接着剤を使うことによって達成される。
本発明は、導電性フォイルのために正しい材料を選ぶことによって更に改良することができる。このタイプの従来技術セル(特許出願の主題)では、銀被覆されたプラスチック球を含んだ、接着剤で被覆された銅フォイルが使われた。
これは、従来技術に従ったセルのデザインを使って行われた寿命実験の結果を記載する。ここで燃料電池は、各セルが2.25cm2の活性表面を有する、4セルユニットとしてアッセンブルされた。曲げたプラスチックバーがこのアッセンブリのためのクランプ手段として使われた。
時間/時間数 セル電圧/V
100 0.621
200 0.557
300 0.523
400 0.443
500 0.334
見られるように、0.8Aでの電圧(およびそれによるパワー出力と効率レベル)の形でのこのセルの性能は、実験中にほぼ50%まで減少した。
この例では、燃料電池は、各セルが2.25cm2の活性表面を有する、4セルユニットとしてアッセンブルされた。このアッセンブリのためのクランプ手段として、3mmの直径を有する各セルのどちらかの側上の孔の中に、2つのスクリューが挿入された。これらのスクリューは、50mm×18mmの寸法でcm2当り9孔の網の目サイズを有する金メッキされた鋼網を通して貫通し、銅テープとプラスチック泡材料がそれと燃料電池のGDL/MEAの間のいかなる接触をも防止した。スクリューはそれから、この金メッキされた網を通して、要求された締め付け圧力を達成するようにドリルで開けられた孔の中に挿入された。
時間/時間数 セル電圧/V
100 0.562
200 0.57
300 0.565
400 0.562
500 0.547
600 0.552
700 0.547
800 0.545
900 0.537
これは、例2に従ったデザインでは(即ち、銅フォイルとGDL/MEAの間の直接接触を防止するようにプラスチック泡材料を使うことにより)、0.8Aでの電圧の形での性能は、900時間後に5%より少なく減少したことを示し、これにより例1のそれよりもはるかに優れた寿命性能を示した。
この例では、4セル燃料電池ユニットは、例2と同様にアッセンブルされたが、使われた銅テープは非接着側において酸化錫で被覆されていた(TESA, 4385)という違いがある。テープの向きも、各セルについて、支持板の上に接着されたときに銅テープの酸化錫被覆された側が上向きに面するように変えられていた。前と同様、このテープの孔は、支持板のそれらに従って切り取られ位置決めされた。Nolatoからの両面テープ(Adhesive EAD 478)を使うことによって、23mm×23mmのアウトラインが切り取られ、このアウトライン内で15mm×15mmの寸法の内側正方形が切り取られた。このテープのピースはそれから、上板の孔が接着剤の15mm×15mmの切り取られた孔内に位置しているように、酸化錫テープの上に置かれた。GDL材料の一ピース、15mm×15mm、活性エリア2.25cm2、が15mm×15mmの切り取られた孔中に置かれ、よって陽極電流コレクターが形成された。MEA,陰極GDL、およびクランプ手段は例2と同じであった。
時間/時間数 セル電圧/V
100 0.552
200 0.538
300 0.528
400 0.541
500 0.505
600 0.513
700 0.495
800 0.487
900 0.48
1000 0.49
1100 0.487
1200 0.454
1300 0.516
1400 0.508
1500 0.503
1600 0.493
1700 0.482
1800 0.439
1900 0.482
2000 0.472
これは明らかに、例2と比較して、同様の初期性能にこの新しいデザインを使って到達することができることを示す。そして、2000h後の0.8Aにおける電圧に関する性能の減少は15%より少ない。
この例では、各セル1100a〜1100dが3.84cm2の活性表面を有する、4セルユニットがアッセンブルされ、ユニットの寿命が調査された。寿命サイクル中の各50番目の運用サイクル内での30分後の1Aでの性能の変動が、以下の表4に提示されている。
セル1 セル2 セル3 セル4
サイクル (V) (V) (V) (V)
1 0.595 0.629 0.608 0.637
50 0.629 0.656 0.642 0.681
100 0.641 0.659 0.641 0.680
150 0.644 0.663 0.643 0.681
200 0.653 0.664 0.645 0.678
250 0.651 0.666 0.645 0.680
300 0.653 0.660 0.643 0.684
350 0.647 0.656 0.637 0.676
400 0.645 0.652 0.638 0.677
450 0.644 0.649 0.632 0.676
500 0.644 0.653 0.630 0.676
550 0.642 0.646 0.630 0.672
600 0.641 0.649 0.631 0.670
650 0.634 0.643 0.626 0.664
700 0.634 0.637 0.624 0.662
750 0.634 0.638 0.616 0.658
800 0.638 0.637 0.618 0.658
850 0.639 0.637 0.619 0.658
900 0.631 0.632 0.615 0.656
950 0.632 0.627 0.614 0.654
1000 0.629 0.628 0.612 0.648
1050 0.627 0.619 0.602 0.642
1100 0.615 0.603 0.586 0.609
1150 0.597 0.565 0.544 0.577
例5
この例は、製作された4セル装置を記載する。セルは、ガス入口のための孔がレーザーカットされたプラスチックキャリア(Makrofol DE 1-4, T=0.1mm)上に構築された。プラスチックキャリアの両側には、接着剤(3M F9469PC)がシーリングエレメントとして置かれ、サポートフォイルアッセンブリを作りだした。4セルの各々は、2つの長方形のSigracet 34BCガス拡散層(GDL)、12×32mm、からなり、結果として3.84cm2活性表面となる。膜電極アッセンブリ(MEA)は、GoreからのPrimea 5710であった。長方形ピース、16×36mm、が使われた。陽極電流コレクターは、一方の側上に電子導電性接着剤薄膜を有する錫被覆された銅フォイルで作られていた。サプライヤーはTESA(製品番号4385)であった。接着剤は、銀で満たされたアクリリック物質に基づいていた。接着剤側が上向きに置かれ、GDLとMEAがその表面に留められた。金メッキ(2μm)された2331鋼、0.8mm厚で16×36mmが、陰極電流コレクターとクランプ板の両方として使われた。クランプ板パターンは図10に描かれている。MEAと金メッキされたクランプ板の間には、陰極GDLの周りに、2mm幅の泡フレーム(外寸16×36mm、内寸12×32mm、Poron 4790-92-25041-04)が、MEAと泡フレームの間に接着剤(泡フレームと同じ寸法、3M F9469PC)を使って留められていた。セル間の相互接続は、陽極電流コレクターフォイルの1mmを伸長して折り畳み、それを金メッキされたクランプ板と隣接するセルの泡フレームの間に置くことによってなされた。セル間の距離は、1mmであった。
図5bに描かれ例5で検討された、この発明のデザインを使うことによって、コストの観点から可能ないくつかの改良がある。この例では、例5に記載された4セルユニットが、1)導電性接着剤が陽極GDLに面しないように錫被覆された銅フォイルを逆さまにもった導電性テープ(タイプ TESA 4385)を裏返すこと。代わりに陽極GDLは錫被覆されたフォイルと直接接触しており、非導電性接着剤が活性エリアを囲むシーリングエリアで使われた(3M F9469PC)、2)4セルユニットのクランプ板の間の距離が1から5mmに増加されるように、セルが分離された。これはセルを接続しているフォイルの部分を引き伸ばすことによって可能とされた、3)活性エリア/合計エリアの比が増加されるように(即ち、GDLの寸法が14×34mmであった)、活性エリアを囲むフレーム部材の幅が2から1mmに減少された、ことによって改良された。デザインの改良は別々にと組み合わせての両方でテストされた。
Claims (21)
- 陽極ガス拡散層(208)と陰極ガス拡散層(210)の間に挿入配置された膜電極アッセンブリ(MEA)と、前記陽極および陰極ガス拡散層(GDL)にそれぞれ結合された第1および第2の電流コレクターを有するタイプの電気化学的電池を相互接続するための配置であって、第1の電流コレクターが一つの電気化学的電池の陽極側から隣接する電気化学的電池の陰極側まで伸びており、電気化学的電池のコンポーネンツが一緒にクランプされており、
第1の電気化学的電池(200a)の陽極ガス拡散層(GDL;208a)と接触している第1の電流コレクター(206)は、隣接する電気化学的電池の電気化学的に活性なコンポーネンツと電気化学的に接触することなく、不活性な導電性部材(204b;504;904;1110)を介して、第2の隣接する電気化学的電池(200b)の陰極側に接続されるように構成されており、
第1の電気化学的電池(200a)の第1の電流コレクター(206)と第2の隣接する電気化学的電池(200b)の陰極の間に挿入配置された絶縁エレメント(201;319;420;520;801)を含み、電気的接続は前記不活性な導電性部材(204b)によって提供される、
ことを特徴とする配置。 - 前記絶縁エレメント201;319;420;520;801)は、上面および下面を有し、絶縁スペーサー部材の下面が前記第2の電気化学的電池の膜電極アッセンブリ(MEA)の一部と接触するように設けられた絶縁スペーサー部材(201a;319;420;520;801;920;1150)を含み、前記第1の電流コレクター(206)は、クランプされたときに前記絶縁スペーサー部材(201a;319;420;520;801)の上面と接触する伸張された部分を有する、請求項1記載の配置。
- 前記絶縁エレメント(201;319;420;520;801)の少なくとも上側は、凝縮水の薄膜形成を避けるために疎水性である、請求項1または2記載の配置。
- 前記不活性な導電性部材(204b;304;404;504;604;804;1110)は、第1の電流コレクターを絶縁スペーサー部材(201a;319;420;520;801)に対してクランプする、請求項3記載の配置。
- 前記絶縁エレメント201;319;420;520;801)は、上面および下面を有し、絶縁スペーサー部材の下面が前記第1の電気化学的電池(200a)の膜電極アッセンブリ(MEA)の一部と接触するように設けられた絶縁スペーサー部材(201)を含み、前記不活性な導電性部材(204b)は前記絶縁スペーサー部材(201)の下面と第1の電流コレクター(206)の間にクランプされる、請求項1記載の配置。
- 前記不活性な導電性部材(204b)は前記絶縁スペーサー部材(201)の底から上向きに、隣接する電気化学的電池(200b)の陰極GDL(210b)と接触するまで伸びている、請求項5記載の配置。
- 前記絶縁スペーサー部材(319)は、その一方の側の電気化学的電池配置に隣接して位置しており、各電気化学的電池からの第1の電流コレクター(306)は、電気化学的電池配置の縦方向に対して直角に伸びてフラップ(325)を形成し、前記フラップ(325)は、該フラップの一部が隣接する電気化学的電池に隣接して位置するように電気化学的電池の伸張部に対してオフセットされるように構成されており、前記フラップは、該フラップが不活性な導電性部材(304)によってクランプされるところの前記絶縁スペーサー部材(319)の上面上に位置するように該フラップが属する電気化学的電池の陽極側から上向きに伸びている、請求項3または4記載の配置。
- 前記絶縁スペーサー部材は、陰極GDLを囲むフレーム(420;520)として設けられている、請求項3から6のいずれかに記載の配置。
- 各電気化学的電池からの第1の電流コレクター(406)は、電気化学的電池配置の縦方向に対して直角に伸びてフラップ(425)を形成し、前記フラップ(425)は、該フラップの一部が隣接する電気化学的電池に隣接して位置するように電気化学的電池の伸張部に対してオフセットされるように構成されており、前記フラップは、該フラップが不活性な導電性部材(404)によってクランプされるところの前記フレームの上面上に位置するように該フラップが属する電気化学的電池の陽極側から上向きに伸びてフレーム(420)上に折り畳まれている、請求項8記載の配置。
- 前記フラップが伸びるところの絶縁材料(425)が、不活性な導電性部材(404)と電気化学的電池上の該フラップの間に設けられ、該フラップと隣接する電気化学的電池上の不活性な導電性部材(404)の間に電気的接触(419)がある、請求項9記載の配置。
- 前記絶縁スペーサー部材(201;319;420;520;801)が、圧縮可能な材料で作られている、請求項1から10のいずれかに記載の配置。
- 前記絶縁スペーサー部材(201;319;420;520;801)が、該絶縁スペーサー部材が取り付けられるところの電気化学的電池の厚さに適応された厚さを有する硬くて本質的に圧縮不可能な材料で作られている、請求項1から10のいずれかに記載の配置。
- 前記第1の電流コレクター(206)は金属または黒鉛のような炭素ベースの材料で作られた導電性フォイルである、請求項1から12のいずれかに記載の配置。
- 前記導電性フォイル(706a)は、該導電性フォイル(706a)と陰極GDL(710)またはMEA(709)の間の電気化学的接触を防いでいる層(719)によって部分的に覆われている、請求項13記載の配置。
- 前記導電性フォイル(806)は、陽極GDLおよびMEAに面した側全体に渡って導電性接着剤が設けられている、請求項13記載の配置。
- 前記導電性フォイルは、少なくとも一つの側において錫で被膜された銅フォイルである、請求項15記載の配置。
- 前記錫で被膜された銅フォイルは、シーリング(809b)の領域においてのみ接着剤で覆われている、請求項16記載の配置。
- 前記接着剤で被膜されていない領域(809a)は陽極GDLと直接接触している、請求項16記載の配置。
- アッセンブリ中の電気化学的電池間の距離は0.1〜8mmと1〜5mmのどちらか1つの範囲内である。請求項1から18のいずれかに記載の配置。
- 請求項1記載の配置で相互接続された複数の電気化学的電池によって提供された複数の燃料電池を含む、燃料電池アッセンブリ。
- 少なくとも2つの燃料電池を含む燃料電池装置を製造する方法であって、
導電性フォイル(506)、膜電極アッセンブリ(509)およびフレーム材料(520)を、導電性フォイルウェブが導電性フォイルウェブ以外のウェブよりも幅が広い、材料の連続したウェブとして提供し、
燃料電池の陽極へのガス入口/出口のために前記導電性フォイルに孔を作り、
前記導電性フォイル(506)上に陽極GDL(508)を置き、
前記陽極GDL上にMEA(509)を置き、
前記MEAの上にフレーム構造(520)を置き、
フレーム中に陰極GDLを置き、
前記陽極GDLと陰極GDLを前記MEAとよりよく一体化するようにホットプレス工程をオプションで施し、
個別の燃料電池のコンポーネンツをお互いから切断によって分離し、
個別の燃料電池を製作方向に対して90度ひねって個別の燃料電池をサポート部材(511)上に置き、
請求項1において電気化学的電池が相互接続されたところの請求項1記載の配置と同一の配置で燃料電池を相互接続する、
ことを含む方法。
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