JP6305990B2 - 燃料電池板アセンブリおよび燃料電池スタック - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池板アセンブリの分野に関し、具体的には、限定されるものではないが、組み立てて燃料電池スタックを形成することができる燃料電池板アセンブリに関する。

従来の電気化学燃料電池は、燃料および酸化体を、一般にこれら両方ともにガス流の形態で、電気エネルギーおよび反応生成物に変換する。水素と酸素を反応させるための一般的な種類の電気化学燃料電池は、高分子イオン（陽子）移動膜を備え、燃料および空気がその膜の各側面上を通過する。陽子（すなわち、水素イオン）は、その膜を通って伝導され、燃料電池のアノードおよびカソードに接続する回路を通って伝導される電子によってバランスが保たれている。利用可能な電圧を増加させるために、別個のアノードおよびカソード流体流路とともに配置されたいくつかの膜を備えるスタックが形成され得る。そのようなスタックは、典型的には、スタックのいずれかの端部で終板によって一緒に保持された多数の個別の燃料電池板を備えるブロックの形態である。

燃料および酸化体の反応は、熱ならびに電力を発生させるので、燃料電池スタックは、動作温度に到達した時点で冷却する必要がある。冷却は、空気をカソード流体流路に強制的に通すことによって達成され得る。開いたカソードスタックでは、酸化体流路および冷却液路が同じであり、すなわち、空気をスタックに強制的に通すことは、カソードへの酸化体の供給およびスタックの冷却の双方を行う。

本発明の第１の態様に従って、燃料電池板アセンブリが提供され、この燃料電池板アセンブリは、
流体を受容するためのポートを備える双極板と、
流体拡散層と、
活性領域を画定する電極と、を備え、
流体拡散層は、ポートで受容される流体を活性領域に連通させるように構成される。

流体を連通させるために流体拡散層を使用することは、流体のための連通経路を提供するように、双極板内のいずれかの溝を使用することに対する必要性を回避することができる。そのような溝は、溝上にある材料の層が溝の中へ垂下し、流体の輸送を妨害する可能性があるため、特に、電極アセンブリのサブガスケットが溝の頂部に位置するときは、不利であり得る。

流体拡散層は、ポートと活性領域との間に延在し得る。流体拡散層は、活性領域のフットプリントの外側に位置する、延在領域、またはタブを備え得る。そのようなタブを使用することは、流体を連通させるための好都合な手段を提供し、かつ流体拡散層材料を効率的に使用することもできる。

流体拡散層の延在領域は、ポートと活性領域との間の双極板と接触し得る。このようにして、追加のガスケットまたはサブガスケットは、流体拡散層と双極板との間で必要とされない。

ポートはまた、燃料電池板アセンブリの厚さを通じて、隣接する燃料電池板アセンブリに、またはそこから流体を運搬するように構成され得る。このようにして、複数の燃料電池板アセンブリのポートは、個々の燃料電池板アセンブリの各々の対するスタックに沿って、流体を輸送することができる。

流体拡散層は、燃料電池板アセンブリの平面に沿って、ポートで受容される流体を活性領域に連通させるように構成され得る。このようにして、流体の流動は、それが、アセンブリの厚さを通じてポートで受容される第１の方向から、アセンブリの平面内の第２の方向に、方向転換することができる。第１および第２の方向は、互いに対して略横方向または直交であってもよい。

燃料電池板アセンブリは、ポートの周囲に第１の接着剤（または封止剤）のトラックをさらに備え得る。第１の接着剤のトラックは、双極板と、スタック内の隣接する燃料電池板アセンブリの第２の双極板との間に密封を提供するように構成され得る。この密封は、流体が、著しい漏出を伴わずに、連続する燃料電池板アセンブリ間を通過することを可能にする。

第１の接着剤のトラックは、流体拡散層の延在領域上に延在し得る。このようにして、延在領域の一部分は、それが流体を活性領域に連通させることができるように、ポート内の流体に曝露される。

双極板は、１つ以上の流体流動チャネルを備え得る。流体拡散層は、ポートで受容される流体を、１つ以上の流体流動チャネルに連通させるように構成され得る。流体流動チャネルは、流体拡散層に対して外方に、燃料電池板アセンブリの幅を横断して横方向に流体を分散するように構成することができる。

双極板は、ポートで受容される流体を、１つ以上の流体流動チャネルまたは活性領域のフットプリントに連通させるように構成される、１つ以上のポートチャネルを備え得る。ポートチャネルは、双極板内の溝またはくぼみであってもよい。ポートチャネルは、流体拡散層を通じて、ポートから活性領域への流体の輸送を補完するために使用されてもよい。流体拡散層は、それがポートチャネルの中へ垂下しないように、十分に剛性であってもよく、流体拡散層の剛性を増加させるためのガスケットまたはサブガスケットを必要としなくてもよい。

流体拡散層は、双極板内の複数の流体流動チャネル間で流体を連通させるように構成され得る。代替的に、またはさらに、双極板は、流体流動チャネル間で流体を連通させるように構成される、１つ以上の接続チャネルを備え得る。接続チャネルは、双極板内の溝またはくぼみであってもよい。このようにして、流体は、電極の活性領域を横断して分散することができる。

双極板は、ポートに対して双極板の反対の端部に第２のポートをさらに備え得る。流体拡散層は、活性領域と第２のポートとの間で流体を連通させるように構成され得る。第２のポートは、活性領域に流体を提供するための入口であってもよく、または活性領域から流体を受容するための出口であってもよい。

流体拡散層は、アノード流体拡散層であってもよい。燃料電池板アセンブリは、カソード流体拡散層を備えるラミネート層と、電極を備える膜電極アセンブリとをさらに備え得る。

本明細書で説明されるような複数の燃料電池板アセンブリを備える燃料電池スタックが提供され得る。

ここで、添付の図面を参照して、ほんの一例として説明する。

本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池板アセンブリを構築することができるのかを概略的に示す。 本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池板アセンブリを構築することができるのかを概略的に示す。 本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池板アセンブリを構築することができるのかを概略的に示す。 本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池板アセンブリを構築することができるのかを概略的に示す。 図４の燃料電池板アセンブリの頂部に位置付けられる第２の双極板の断面図を示す。 本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池板アセンブリを構築することができるのかを概略的に示す。 本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池板アセンブリを構築することができるのかを概略的に示す。 本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池板アセンブリを構築することができるのかを概略的に示す。 本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池板アセンブリを構築することができるのかを概略的に示す。 本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池板アセンブリを構築することができるのかを概略的に示す。 本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池板アセンブリを構築することができるのかを概略的に示す。 本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池板アセンブリを構築することができるのかを概略的に示す。 本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池スタックを組み立てることができるのかを概略的に示す。 本発明の代替的な実施形態に従って、どのように燃料電池スタックを組み立てることができるのかを概略的に示す。 本発明の実施形態に従う燃料電池スタックを例示する。

本明細書で開示される１つ以上の実施形態は、他の燃料電池板アセンブリの隣に配置して、燃料電池スタックを形成することができる、燃料電池板アセンブリに関する。燃料電池板アセンブリは、双極板と、流体拡散層と、活性領域を画定する電極とを備える。双極板は、水素等の流体を受容するためのポートを有する。流体拡散層は、ポートで受容される流体を活性領域に連通させるように構成される。いくつかの実施形態において、流体拡散層は、ポートと流体流動チャネルとの間に延在するタブを有してもよい。

流体を活性領域に連通させるために流体拡散層を使用することは、流体のための連通経路を提供するように、双極板内のいずれかの溝を使用することに対する必要性を回避することができる。そのような溝は、そうでなければ溝より上に位置され得る電極アセンブリのサブガスケットが、溝の中へ垂下し、流体の輸送を妨害する可能性があるため、不利であり得る。加えて、サブガスケットは、比較的高価なコンポーネントであり得、したがって、サブガスケットに対する必要性を回避することは、燃料電池板アセンブリの全体的な費用およびコンポーネントの数を低減することができる。

加えて、そのような燃料電池板アセンブリは、電極材料が、接合されたサブガスケットを伴わずに、使用されることを可能にすることができる。そのような接合されたガスケットは、そうでなければ、電極のための支持を提供することが必要とされ、これは、様々な機械的力、ならびに燃料および酸化剤ガスへの直接的な曝露に対して、過度に脆弱であり得る。ＧＤＬ内のタブは、そうでなければ、別個のガスケットとＧＤＬとの間の間隙の存在下で存在するであろう、機械的応力を生成することなく、電極へのガス連通を可能にすることができる。さらに依然として、ＧＤＬと別個のガスケットとの間の間隙の回避により、ガススキップのいずれの問題（アノードガスが、それを通じてよりもむしろ、入口端部から排出端部へＧＤＬの周囲でスキップするとき）を低減または排除することができる。タブはまた、スタックアセンブリ全体をともに糊付けする比較的粗雑なプロセスを可能にし、アノードへのガス分配における良好な均一性（電池間）を提供することができる。

図１〜図４は、本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池板アセンブリを構築することができるのかを示す。図１は、双極板１０２を示す。図２は、双極板の上に配置される、第１の流体拡散層２１０を示す。図３は、双極板１０２および第１の流体拡散層２１０の上に分注される接着剤３１４、３１６を示す。図４は、ラミネート層４１８を示し、該ラミネート層は、第１の流体拡散層および接着剤３１６の上に配置される、膜電極アセンブリおよび第２の流体拡散層を含む。さらなる詳細は、下で提供される。

図１は、本発明の実施形態に従って、燃料電池板アセンブリの部品を提供することができる、双極板１０２の一方の端部を示す。図１で示される双極板１０２の端部は、ポート１０４を有する。図６で示されるように、双極板１０２のもう一方の端部もポートを有することができることが認識されるであろう。ポート１０４は、電極の活性領域に提供される水素等の流体を受容するためのものである。電極自体は示されていないが、電極の活性領域のフットプリントは、図１において参照番号１０５で示される。電極は、図４を参照して下でさらに詳細に説明される。

活性領域１０５は、膜を通した陽子の交換を促進するために必要な反応ガスが電極に提供されるように電極表面と接触している、ガス拡散層（ＧＤＬ）のフットプリント／領域とみなすことができる。

ポート１０４は、双極板１０２の厚さを通る方向で、流体を受容する。流体を電極に提供することに加えて、ポート１０４はまた、スタックが構築されたときに双極板のポートが整列されると、燃料電池スタックの中の隣接する燃料電池アセンブリに流体を通す。

この実施例において、双極板１０２は複数の流体流動チャネル１０６を有し、該流体流動チャネルは、不連続であり、双極板１０２の横幅全体にわたって延在する。このようにして、流体が流体流動チャネル１０６に進入すると、流体は、活性領域１０５の幅を横断して横方向に分散することができる。

下でさらに詳細に論じるように、流体は、ガス拡散層を通して双極板１０２の縦方向の長さに沿って通る。しかしながら、１つ以上の任意のポートチャネル１０８は、ポート１０４と活性領域１０５との間の流体接続を提供することができる。ポートチャネル１０８は、双極板１０２の溝として提供することができる。ポートチャネル１０８と流体拡散層との関係は、図２を参照して下でさらに詳細に説明される。

加えて、１つ以上の随意の接続チャネル１０７も、双極板１０２の長さに沿って、連続する流体流動チャネル１０６の間で流体を輸送することができる。そのような接続チャネル１０７はまた、双極板１０２の溝としても提供することができる。接続チャネル１０７は、双極板１０２の縦方向の長さに沿って、屈曲したまたは相互嵌合した経路を提供するように、流体流動チャネル１０６の異なる端部の間で交互に接続し得る。これは、流体が電極に均一に提供されるように、流体拡散層の大部分に浸透するのを助長することができる。

図２は、図１の双極板１０２上に位置される、流体拡散層２１０を示す。流体拡散層は、典型的に、ガス拡散層（ＧＤＬ）として知られており、この実施例では、電極のアノード側の活性領域にガスを提供するので、アノードＧＤＬ２１０と称される。

アノードＧＤＬ２１０は、双極板１０２のポート１０４と活性領域１０５との間に延在する、延在領域２１２を有する。タブ２１２は、活性領域１０５のフットプリントの外側にある。延在領域は、タブ２１２と称される。タブ２１２は、アノードＧＤＬ２１０の本体から延在し、この実施例では、全般的に、活性領域１０５と並置される。アノードＧＤＬのタブ２１２は、ポート１０４で受容される水素を活性領域１０５に連通することができる。上で識別されるように、図１で示されるポートチャネル１０８はまた、ポート１０４から活性領域１０５に水素を連通することもできる。しかしながら、水素の輸送は、単にアノードＧＤＬ２１０だけを通して行うことができるので、これらのポートチャネル１０８は、随意であることが認識されるであろう。同様に、アノードＧＤＬ２１０は、流体流動チャネル１０６間で水素を連通するための唯一の手段とすることができるので、図１の接続チャネル１０７も随意である。

図３は、図２の双極板１０２およびアノードＧＤＬ２１０上に堆積される、２つの接着剤のトラック３１４、３１６を示す。第１の接着剤のトラック３１４は、ポート１０４の周囲に連続ループを提供し、アノードＧＤＬ２１０のタブ２１２の上を通る。第２の接着剤のトラック３１６は、アノードＧＤＬ２１０の外側周囲で双極板１０２上に堆積され、同じく、アノードＧＤＬ２１０のタブ２１２上を通る。このようにして、第２の接着剤のトラック３１６は、膜電極アセンブリが部分燃料電池板アセンブリ上に位置するときに、アノードＧＤＬ２１０の周囲に密封を提供するように位置付けられる。

接着剤は、アノードＧＤＬ２１０のタブ２１２の中への接着剤の浸透が最小であるように選択され、それによって、アノードＧＤＬ２１０通した流体の輸送を著しく妨げない。

図４は、ラミネート層４１８が図３の部分的な燃料電池板アセンブリに加えられた、燃料電池板アセンブリ４００を示す。ラミネート層は、４層膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）であり、また、カソード流体拡散層と、第１の触媒層と、電極膜と、第２の触媒層とを備える。２つの触媒層および電極膜は、組み立てて、電極を備える膜電極アセンブリと称することができる。

４層ＭＥＡ４１８は、第２の接着剤のトラック３１６の上に位置付けられる。図４から、第２の接着剤のトラック３１６が、第１の接着剤のトラック３１４と当接し、それによって、ポート１０４の外側にあるアノード ＧＤＬ２１０のタブ２１２の周囲に密封を提供するように、移動され、広げられたことが分かる。また、２つの移動された接着剤トラック３１４、３１６は、タブ２１２の表面で接触し、それによって、アノードの囲い込みを完成し、電池のための全体的なアノードの密封を提供する。

活性領域は、４層ＭＥＡ４１８の外側帯が接着剤３１６の上に位置付けられるので、４層ＭＥＡ４１８の外周の内側に定義され、アノードガス（水素）の電極への輸送を防止する。接着剤の配置は、意図する活性領域１０５の中への接着剤の移動を最小にするように制御できることが認識されるであろう。

図５は、図４の燃料電池板アセンブリ４００の頂部に位置付けられる、第２の双極板５０２の断面図を示す。当技術分野で知られているように、複数の燃料電池板アセンブリ４００を構築して、燃料電池スタックを形成することができる。

図５で示されるように、第２の双極板５０２が燃料電池アセンブリ４００の頂部に位置付けられると、該双極板は、第１の双極板１０２のポート１０４の周囲の第１の接着剤のトラック３１４に接触する。したがって、この第１の接着剤のトラック３１４は、２つの双極板のポートの周囲に密封を生じさせ、その下をアノードＧＤＬ２１０のタブ２１２が通る。双極板１０２がポートチャネル（参照番号１０８で図１に示される）を含む場合、アノードＧＤＬ２１０のタブ２１２は、ポートチャネルの溝に落ち込むのを防止するのに十分な剛性とすることができる。これは、電極と関連するサブガスケットが溝より上に位置され、溝の中へ垂下する可能性がある、従来技術の燃料電池とは対照的であり得る。

図６〜１２は、本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池板アセンブリを構築することができるのかを概略的に示す。

図６は、構築ポイントに提供される、帯状の双極板１０２を例示する。この実施例では、双極板１０２が２つのポート１０４、６２２を有することが分かる。上で詳細に論じられるように、第１のポート１０４は、入口である。第２のポート６２２は、出口または入口とすることができる。いくつかの実施形態において、燃料電池における水素との反応の化学量論的効率は、１よりも大きく、したがって、第２のポート６２２は、製品の水分管理のための貫流を提供するために、出口として使用すべきである。他の実施形態において、第２のポート６２２はまた、化学量論的効率および／または水分管理技術が許容するのであれば、入口とすることもできる。

双極板は、双極板１０２が構築ポイントに進入する直前に、単にともに結合される、例えば抵抗、レーザー、または接着剤でともに接合される、別個のアノードシート６０２ａおよびカソードシート６０２ｂを備え得る。これは、図６において、アノードシート６０２ａおよびカソードシート６０２ｂが最初に別個に供給されているように示される。

構築ポイントの両側には、アノードＧＤＬ２１０のスタックおよび４層ＭＥＡ４１８のスタックが位置する。

図７は、第１のアノードＧＤＬ２１０が、スタックから取り出されて、図２に示されるものと同じように、双極板上に位置付ける準備のできた状態にあることを示す。この動作、およびそれに続く動作は、自動化できることが認識されるであろう。図８は、双極板１０２上に適所に位置される、アノードＧＤＬ２１０を示す。

図９は、アノードＧＤＬ２１０および双極板１０２の上側の適所にある接着剤分注器９３０を示す。

図１０は、接着剤分注器９３０によって分注された、３つの接着剤のトラック３１４、３１６、１０４０を示す。第１のトラック３１４および第２のトラック３１６は、図３を参照して説明されるものと同じである。図１０にはまた、第２のポート６２２の周囲に連続ループを提供する、第３の接着剤のトラック１０４０も示される。これは、第１の接着剤のトラック３１４が第１のポート１０４の周囲に連続ループを提供するのと同じ方法である。

図１１は、４層ＭＥＡが、スタックから取り出されて、図４で示されるものと同じように、双極板１０２およびアノードＧＤＬ２１０の上に位置付ける準備のできた状態にあることを示す。図１２は、双極板１０２およびアノードＧＤＬ２１０上の適所に位置される、４層ＭＥＡ４１８を示す。

図６〜１２によって例示される構築ステップのそれぞれは、同じ構築ポイントで行うことができることが認識されるであろう。

図１３は、燃料電池スタックを組み立てることができるように、図６〜１２によって例示される構築方法を発展させている。図１３は、図６〜図１２で例示されるものと同じである、帯状の双極板１０２、アノードＧＤＬ２１０のスタック、および４層ＭＥＡ４１８のスタックを例示する。加えて、図１３は、燃料電池スタックの頂部終板のための２つのコンポーネントのスタック１３５０、１３５２、および燃料電池スタックの底部終板のための２つのコンポーネントのスタック１３５４、１３５６を示す。底部終板のためのスタック１３５４、１３５６からの板は、燃料電池板アセンブリの構築が開始される前に、構築ポイントに位置し、頂部終板のためのスタック１３５０、１３５２からの板は、燃料電池スタックが所望のサイズに構築されたときに、構築ポイントで、燃料電池アセンブリの頂部に位置する。次いで、燃料電池スタックは、図１３において参照番号１３６２で示される構築ポイントから移動させることができる。

最後に、クリップ１３５８、１３６０は、完成した燃料電池スタック１３６１を提供するために、燃料電池板アセンブリをともに意図する作業寸法に保つように、燃料電池スタック１３６２の各側に取り付けることができる。

図１４は、本発明の実施形態に従って燃料電池スタックを構築するための代替の方法を例示する。この実施例において、アノードＧＤＬ、４層ＭＥＡ、および終板のためのコンポーネントは、ピックアンドプレースプロセスの直前にストリップ供給され、分割される帯状部である。

図１５は、本発明の実施形態に従う、燃料電池スタック１５００を例示する。燃料電池スタックの頂部終板１５７０は、燃料電池板アセンブリの各端部でそれぞれがポート（図１５には示さず）と流体接続している、２つの開口部１５７２、１５７４を含む。必要に応じて、類似する開口部が、底部終板１５７６に提供され得ることが認識されるであろう。

Claims (11)

1. 燃料電池板アセンブリであって、
   流体を受容するためのポートを備える双極板と、
   流体拡散層と、
   活性領域を画定する電極と、を備え、
   前記流体拡散層は、前記ポートで受容される前記流体を前記活性領域に連通させるために、前記ポートと前記活性領域との間に延在し、
   前記双極板は、２つ以上の流体流動チャネルを備え、前記流体拡散層は、前記ポートで受容される前記流体を、前記２つ以上の流体流動チャネルに連通させるように構成され、
   前記双極板は、前記２つ以上の流体流動チャネルの間で流体を連通させるように構成される、１つ以上の接続チャネルを備え、
   前記ポートの周囲に第１の接着剤（または封止剤）のトラックをさらに備え、前記第１の接着剤のトラックは、前記双極板と、隣接する燃料電池板アセンブリの第２の双極板との間に密封を提供するように構成される、燃料電池板アセンブリ。
2. 前記流体拡散層は、前記ポートから前記活性領域に延在する、請求項１に記載の燃料電池板アセンブリ。
3. 前記流体拡散層は、前記活性領域のフットプリントの外側に位置する延在領域を備える、請求項１に記載の燃料電池板アセンブリ。
4. 前記流体拡散層の延在領域は、前記ポートと前記活性領域との間の前記双極板と接触する、請求項１に記載の燃料電池板アセンブリ。
5. 前記ポートはまた、前記燃料電池板アセンブリの厚さを通じて、隣接する燃料電池板アセンブリに、またはそこから前記流体を運搬するように構成される、請求項１に記載の燃料電池板アセンブリ。
6. 前記流体拡散層は、前記燃料電池板アセンブリの平面に沿って、前記ポートで受容される流体を前記活性領域に連通させるように構成される、請求項１に記載の燃料電池板アセンブリ。
7. 前記流体拡散層は、前記活性領域のフットプリントの外側に位置する延在領域を備え、前記第１の接着剤のトラックは、前記流体拡散層の前記延在領域上に延在する、請求項１に記載の燃料電池板アセンブリ。
8. 前記双極板は、前記ポートで受容される前記流体を、前記２つ以上の流体流動チャネルに連通させるように構成される、１つ以上のポートチャネルを備える、請求項１に記載の燃料電池板アセンブリ。
9. 前記双極板は、前記ポートに対して前記双極板の反対の端部に第２のポートをさらに備え、前記流体拡散層は、前記活性領域と前記第２のポートとの間で流体を連通させるように構成される、請求項１に記載の燃料電池板アセンブリ。
10. 前記流体拡散層は、アノード流体拡散層であり、前記燃料電池板アセンブリは、カソード流体拡散層を備えるラミネート層と、前記電極を備える膜電極アセンブリとをさらに備える、請求項１に記載の燃料電池板アセンブリ。
11. 請求項９に記載の複数の前記燃料電池板アセンブリを備える、燃料電池スタック。

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