JP6120777B2 - 燃料電池のシール - Google Patents

Description

本発明は、一般に、燃料電池に関し、特に、燃料電池のシール構成に関する。

なお、本発明の実施例は、米国エネルギ省に付与の契約番号ＤＥ−ＦＧ３６−０７ＧＯ１７００５のもと、米国政府の補助によりなされた。したがって、米国政府は、本発明の一定の権利を有する。

燃料電池スタックアッセンブリが、周知であり、一般に、複数の個々の燃料電池を有している。個々の燃料電池は、多孔質カーボン電極層の間に配置された高分子電解質膜（ＰＥＭ）をそれぞれ備えることができる。電極層の一方は、アノードとして作用する。また、他方の電極層は、カソードとして作用する。高分子電解質膜および多孔質カーボン電極層は、共に、膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）または触媒でコーティングされた膜を形成する。ガス拡散層（ＧＤＬｓ）が、膜電極アッセンブリの両側に隣接して配置される。ガス拡散層は、膜電極アッセンブリに、燃料電池の流体、例えば、水素および空気を供給する。

ガス拡散層および膜電極アッセンブリの横方向境界部におけるシールにより、例えば、反応物がガス拡散層で混合すること、および反応物がガス拡散層の反対のマニホールドへと漏洩することが阻止される。シールは、一般に、射出成形される。

例示的な燃料電池シールアッセンブリが、第１のガス拡散層の外側横方向縁部、膜電極アッセンブリの外側横方向縁部および第２のガス拡散層の外側横方向縁部の少なくとも１つを通る燃料電池の流体の流れを制限するように構成されたシールを備えている。第１のガス拡散層の外側横方向縁部は、第２のガス拡散層の外側横方向縁部から横方向に離間している。

例示的な燃料電池スタック構成が、膜電極アッセンブリと、該膜電極アッセンブリの側と向かい合って配置された第１のガス拡散層と、膜電極アッセンブリの反対側と向かい合って配置された第２のガス拡散層とを備えている。シールが、第１のガス拡散層の外側横方向縁部、第２のガス拡散層の外側横方向縁部またはこれらの双方を通る流れを制限するように構成される。第１のガス拡散層の外側横方向縁部は、第２のガス拡散層の外側横方向縁部よりもさらに横方向に延びている。

燃料電池の境界部をシールする例示的な方法が、第１のガス拡散層の外側に面した縁部および第２のガス拡散層の外側に面した縁部の少なくとも一方を通る流れを制限するように構成されたシールを用いて、燃料電池の流体の流れを制限することを含む。第１のガス拡散層の外側に面した縁部は、第２のガス拡散層の外側に面した縁部から離間している。

発明を実施するための形態により、開示した例の上記の特徴部および他の特徴部を最も良く理解することができる。

シールアッセンブリの選択された部分が取り除かれた例示的な燃料電池スタックアッセンブリの概略図である。 図１のアッセンブリの横方向外側部分の詳細な図である。 図１のアッセンブリのシールアッセンブリを成形するのに用いられる例示的な型を示した図である。 図１の線４−４で取った断面図である。 他の例示的な燃料電池の横方向外側部分の詳細な図である。 別の例示的な燃料電池の横方向外側部分の詳細な図である。 フレームを用いる他の例示的な燃料電池の横方向外側部分の詳細な図である。 図７のフレームおよび膜電極アッセンブリを示した図である。

図１および図２を参照すると、例示的な燃料電池スタックアッセンブリ１０が、複数の燃料電池１２を備えている。例示的な燃料電池１２は、第１のガス拡散層（ＧＤＬ）１８と第２のガス拡散層（ＧＤＬ）２２との間に配置された高分子電解質膜（ＰＥＭ）１４を備えている。第１のガス拡散層１８に面する高分子電解質膜１４の面が、アノード電極２６を用いてコーティングされている。高分子電解質膜１４の反対側の面が、第２のガス拡散層２２に面しており、カソード電極３０を用いてコーティングされている。

プレート３４が、第１のガス拡散層１８と向かい合って配置されている。プレート３４は、燃料供給源４２から第１のガス拡散層１８へと燃料、例えば、水素を運ぶように構成されたチャネル（図示せず）を形成する。燃料は、第１のガス拡散層１８を通してアノード電極２６へと移動する。

他のプレート３８が、第２のガス拡散層２２と向かい合って配置されている。プレート３８は、酸化剤供給源４６から第２のガス拡散層２２へと酸化剤、例えば、酸素を運ぶように構成されたチャネル（図示せず）を形成する。酸化剤は、第２のガス拡散層２２を通してカソード電極３０へと移動する。

プレート３４は、燃料電池スタックアッセンブリ１０内の他のガス拡散層２２ａへと酸化剤を運ぶように構成された付加的なチャネルを形成する。同様に、プレート３８は、燃料電池スタックアッセンブリ１０内のガス拡散層１８ａへと燃料を運ぶように構成された付加的なチャネルを形成する。

圧力プレート４０が、スタック内の燃料電池１２を締め付けている。一例として、ボルト（図示せず）が、圧力プレート４０を用いて燃料電池１２に締付力を与えることを容易にするように用いられる。

この例では、アノード電極２６、高分子電解質膜１４およびカソード電極３０は、共に、膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）５０を形成し、該膜電極アッセンブリ５０は、水素および酸素が供給されたときに、周知の方法で電気エネルギを提供する。水素イオンおよび酸素が、カソード電極３０の直ぐ近くで結合したときに、副生成物、例えば、水および熱が生成される。

例示的な燃料電池１２は、第１のガス拡散層１８、膜電極アッセンブリ５０および第２のガス拡散層２２の周縁部分に取り付けられたシールアッセンブリ５６を備えている。例示的なシールアッセンブリ５６は、少なくとも第１のガス拡散層１８の第１の外側横方向縁部６０、膜電極アッセンブリ５０の第２の外側横方向縁部６４および第２のガス拡散層２２の第３の外側横方向縁部６８を通る燃料電池の流体の流れを制限するように構成されている。流れがシールアッセンブリ５６によって制限される例示的な燃料電池の流体は、燃料電池スタックアッセンブリ１０へと供給される水素および酸素を備えている。

例示的なシールアッセンブリ５６は、充填部分５８を備えており、該充填部分５８は、第１のガス拡散層１８、高分子電解質膜１４または第２のガス拡散層２２内に充填されたシールアッセンブリ５６の一部に対応している。例示的なシールアッセンブリ５６は、均一な片である。つまり、例示的なシールは、単一の片の材料として形成される。

例示的なシールアッセンブリ５６の上面７０が、内側シールビード７２および外側シールビード７６を備えている。内側シールビード７２および外側シールビード７６は、シールアッセンブリ５６とプレート３４との間の境界部８４において燃料電池の流体の流れを妨げるように、プレート３４の下流側に面する面８０に接触する。

他の例では、隣接したシールアッセンブリ５６ａの下流側に面した面８０ａが、内側シールビード７２および外側シールビード７６の一方または双方を備えている。他の例は、内側シールビード７２または外側シールビード７６を備えていない。

図３を参照すると、例示的なシールアッセンブリ５６が、第１のガス拡散層１８、膜電極アッセンブリ５０および第２のガス拡散層２２の横方向周縁部に射出成形される。成形プロセス中には、溶融シール材料が、型供給部８８から、型９４によって画定されたキャビティ９２へと射出される。溶融材料は、型９４内で冷却されて硬化する。型９４は、冷却および硬化中に溶融シール材料の位置を保持する。型９４は、溶融材料が冷却されて硬化した後に取り除かれる。

射出成形に加えて、シールアッセンブリ５６を形成するのに適した他の例示的なプロセスが、圧縮成形およびトランスファ成形を有している。

この例では、第１のガス拡散層１８の第１の外側横方向縁部６０が、膜電極アッセンブリ５０の第２の外側横方向縁部６４から距離ｄ₁だけ横方向に離間しており、また、第２のガス拡散層２２の第３の外側横方向縁部６８から距離ｄ₂だけ横方向に離間している。さらに、第２のガス拡散層２２の第３の外側横方向縁部６８は、膜電極アッセンブリ５０の第２の外側横方向縁部６４から距離ｄ₃だけ横方向に離間している。

この例では、溶融シール材料は、第１の外側横方向縁部６０、第２の外側横方向縁部６４および第３の外側横方向縁部６８がそれぞれ横方向に整列する場合よりも、成形中に第１のガス拡散層１８および高分子電解質膜１４の面領域に接触して流れるので、横方向の離間は、充填部分５８を形成することを容易にする。つまり、横方向に離間しているときには、第１の外側横方向縁部６０、第２の外側横方向縁部６４および第３の外側横方向縁部６８を通して移動することに加えて、溶融材料は、充填部分５８を形成するように、通路Ｐに沿って第１のガス拡散層１８の下側面部９６および高分子電解質膜１４の下側面部９８を通して移動することができる。

この例では、第１の外側横方向縁部６０、第２の外側横方向縁部６４および第３の外側横方向縁部６８は、互いに平行に整列している。他の例では、１つまたは複数の第１の外側横方向縁部６０、第２の外側横方向縁部６４および第３の外側横方向縁部６８は、互いに横切るように配置されている。

一例では、シールアッセンブリ５６内の第１のガス拡散層１８および第２のガス拡散層２２の一部が、成形によって生じるフラッシュを減少させるために圧縮される。

例示的なシールアッセンブリ５６は、非シリコーンシール材料、例えば、ＥＰＤＭゴムまたはＦＫＭゴムを備えている。

図１を参照しながら図４を参照すると、例示的なシールアッセンブリ５６は、写真フレーム型構成を備えている。第１のガス拡散層１８および第２のガス拡散層２２は長方形であり、対向する側部を備えており、該対向する側部は、これらの拡散層の他方の対向する側部よりも長い。高分子電解質膜１４は正方形であり、対向する側部を備えており、該対向する側部は、高分子電解質膜１４の他方の対向する側部と同じ長さである。

燃料電池スタック１１２内に配置されたときには、第１のガス拡散層１８の長い側部Ｘ₁は、第２のガス拡散層２２の長い側部Ｘ₂と直交するように配置されている。したがって、理解することができるように、第１のガス拡散層１８の第１の外側横方向縁部６０は、燃料電池１２の２つの外側の側部において、第２のガス拡散層２２の第３の外側横方向縁部６８よりもさらに横方向に延びている。同様に、第２のガス拡散層２２の第３の外側横方向縁部６８は、燃料電池１２の他方の２つの外側の側部において、第１のガス拡散層１８の第１の外側横方向縁部６０よりもさらに横方向に延びている。

図５を参照すると、他の例示的な燃料電池１１２は、第２の外側横方向縁部１６４を有した膜電極アッセンブリ１５０を備えており、第２の外側横方向縁部１６４は、第２のガス拡散層１２２の第３の外側横方向縁部１６８と同じ広がりを有している。配置された第１のガス拡散層は、第１の外側横方向縁部１６０を備えており、該第１の外側横方向縁部１６０は、第２の外側横方向縁部１６４および第３の外側横方向縁部１６８を越えて横方向に延びる。

図６を参照すると、他の例示的な燃料電池２１２が、第１のガス拡散層２１８の第１の外側横方向縁部２６０を備えており、該第１の外側横方向縁部２６０は、膜電極アッセンブリ２５０の第２の外側横方向縁部２６４および第２のガス拡散層２２２の第３の外側横方向縁部２６８から横方向に離間している。この例では、第２のガス拡散層２２２の第３の外側横方向縁部２６８は、シールアッセンブリ２５６の外側横方向縁部２９９と同じ広がりを有している。

図７および図８を参照すると、他の例示的な燃料電池３１２が、膜電極アッセンブリ３５０の周縁部分にフレーム３１６を備えている。この例では、第１のガス拡散層３１８の第１の外側横方向縁部３６０が、膜電極アッセンブリ３５０を越えてフレーム３１６へと横方向に延びる。第２のガス拡散層３２２の第３の外側横方向縁部３６８が、フレーム３１６の第２の外側横方向縁部３６４を越えて延びる。一例では、フレーム３１６は、ポリエチレンナフタレート材料である。

例示的な燃料電池スタックアッセンブリは、高分子電解質膜に基づいているが、当業者および本発明の恩恵を有する者であれば、他の形式の燃料電池が本発明の教示から恩恵を受け得ることを理解するであろう。

開示した例の特徴部は、成形プロセス中の溶融シール材料の向上した流れと、シールアッセンブリの充填部の形成とを備えている。一例では、型は、溶融シール材料の向上した流れのために、少ない数のシールチャネルを用いている。シールアッセンブリ、特に、シールアッセンブリの最外部分が、２つのガス拡散層に対して抵抗力が足りないので、他の特徴部は、より追従性の高いシールビードを備えている。

上記の説明は、例示的なものであって、限定的なものではない。本発明の真意を逸脱することなく、開示した例に変更および修正が加えられ得ることが、当業者に明らかになるであろう。したがって、本発明の法的保護の範囲は、付記の特許請求の範囲を検討することによって決定されるのみである。

Claims (4)

1. 第１のガス拡散層の外側横方向縁部、膜電極アッセンブリの外側横方向縁部および第２のガス拡散層の外側横方向縁部の少なくとも１つを通る燃料電池の流体の流れを制限するシールを備え、
   前記燃料電池は、互いに対向した一対の第１の外側側部と、前記第１の外側側部と直交する、互いに対向した一対の第２の外側側部と、を有し、
   前記膜電極アッセンブリは、高分子電解質膜を含み、前記第１のガス拡散層は、前記高分子電解質膜の一方の側に沿って配置され、前記第２のガス拡散層は、前記高分子電解質膜の他方の側に沿って配置され、
   前記高分子電解質膜は、４つの側部を有する正方形をなし、前記第１のガス拡散層および前記第２のガス拡散層は、いずれも、一対の長い側部と、一対の短い側部とを有する長方形をなしており、
   前記第１のガス拡散層は、前記短い側部が前記燃料電池の前記第１の外側側部の側に位置し、前記長い側部が前記第２の外側側部の側に位置し、前記第２のガス拡散層は、前記長い側部が前記第１の外側側部の側に位置し、前記短い側部が前記第２の外側側部の側に位置して、前記第１のガス拡散層の前記長い側部が前記第２のガス拡散層の前記長い側部と直交しており、
   前記一対の第１の外側側部において、前記第１のガス拡散層の短い側部は、前記第２のガス拡散層の長い側部を越えて外側に延びており、前記第２のガス拡散層の長い側部と、前記第１のガス拡散層の短い側部と、の間に、前記高分子電解質膜の対向する一対の側部がそれぞれ位置しており、
   前記第１のガス拡散層、前記高分子電解質膜および前記第２のガス拡散層の前記外側横方向縁部は、各々の４つの側部に沿っており、
   前記シールは、前記第１のガス拡散層、前記膜電極アッセンブリおよび前記第２のガス拡散層の周縁部分に取り付けられており、前記周縁部分は前記第１のガス拡散層、前記膜電極アッセンブリおよび前記第２のガス拡散層の各々の外側横方向縁部を含むことを特徴とする燃料電池のシールアッセンブリ。
2. 前記シールの一部が、前記第１のガス拡散層、前記膜電極アッセンブリおよび前記第２のガス拡散層の少なくとも１つの一部内に充填されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のシールアッセンブリ。
3. 前記シールは、前記第１のガス拡散層と向かい合って配置されているプレートに対してシールするように構成された少なくとも１つのシールビードを備え、前記プレートは、前記第１のガス拡散層に燃料を運び、前記第２のガス拡散層に酸化剤を運ぶチャネルを形成することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のシールアッセンブリ。
4. 前記第２のガス拡散層の前記短い側部は、前記燃料電池の前記第２の外側側部において、前記第１のガス拡散層の前記長い側部を越えて外側に延びていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のシールアッセンブリ。

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