JP6446130B2 - 燃料電池用の一体型シール付きバイポーラプレートアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用、及び特に高出力密度を要する用途向けの固体高分子電解質燃料電池用のバイポーラプレートアセンブリに関する。

固体高分子電解質またはプロトン交換膜燃料電池などの燃料電池は、反応物質、つまり燃料（水素など）及び酸化剤（酸素または空気など）を電気化学的に変換して電力を発生させる。固体高分子電解質燃料電池は、一般に、カソード及び陽極電極間にプロトン伝導性の固体高分子膜電解質を用いる。これら２つの電極間に挟まれた固体高分子膜電解質を含む構造体は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）として知られる。典型的な燃料電池においては、反応物質のための多数の流体分配チャネルを含む流れ場プレートがＭＥＡの両側に提供されて、燃料及び酸化剤をそれぞれの電極に分配し、また、燃料電池内で起こる電気化学的反応の副産物を除去する。水は、水素と空気との反応物質で動作する電池内の主な副産物である。単一の電池の出力電圧は１Ｖのオーダーであるため、通常、商業用途では、より高い出力電圧を提供するために複数の電池が直列に積層される。燃料電池積層体は、自動車用途などにおける使用のために、直列及び／または並列の相互接続積層体のアレイ状にさらに接続され得る。

水と共に、熱は、燃料電池内で起こる電気化学的反応からの著しい副産物である。故に、燃料電池積層体を冷却するための方法が、概して必要とされる。高出力密度（例えば、自動車積層体）を達成するように設計される積層体は、典型的に、熱を迅速かつ効率的に除去するために、積層体全体に液体冷却剤を循環させる。これを達成するためには、多数の冷却剤チャネルを含む冷却剤流れ場も、典型的に、積層体内の電池の流れ場プレートに組み込まれる。冷却剤流れ場は、流れ場プレートの電気化学的に不活性な表面上に形成され得、故に、冷却剤を確実に反応物質から分離しつつ、電池全体に均一に冷却剤を分配することができる。

故に、プレート間に密閉された冷却剤流れ場を形成するように結合されかつ適切に密閉されているアノード流れ場プレート及びカソード流れ場プレートを含むバイポーラプレートアセンブリが、当該技術分野において共通して用いられる。３つすべての作動液（即ち、燃料、酸化剤、及び冷却剤）に関与する様々な移行チャネル、ポート、ダクト、及び他の機能も、これらのプレートの不活性面及び他の不活性領域上に見られ得る。作動液は、著しい圧力下で提供され得、故に、プレート内のすべての機能は、液体間及び外部環境への漏出を防ぐために適切に密閉される必要がある。バイポーラプレートアセンブリに対するさらなる要件は、２つのプレート間に十分な電気接続が存在することである。これは、燃料電池積層体によって生成される実質的な電流が２つのプレート間を通過しなければならないことが理由である。

最大限の出力密度を得るため、燃料電池の開発者は、特に積層体内の多数のバイポーラプレートの厚さを減少させることにより、燃料電池積層体をより小さくすることを目指している。その点において、アセンブリを構成するプレートは、好ましくは金属製であり、典型的に、適切な金属材料（例えば、特定の耐食ステンレス鋼）のシートに所望の機能を打抜き加工または形成することによって生成される。次いで、２つ以上の打抜き加工されたシートは、典型的に、すべての液体通路を互いから及び外部環境から適切に密閉するために一緒に溶接される。追加の溶接は、アセンブリが特に対向するプレートの活性領域の電流を搬送する能力を向上するために提供され得る。しかしながら、金属製プレートは、接着剤を使用して結合及び密閉され得る。耐食コーティングも、しばしばアセンブリの前後に適用される。

金属製バイポーラプレートアセンブリのための多数の設計が当該技術分野において提案されている。例えば、特許文献１は、プレートのうちの少なくとも２つが、プレート上に注入される高分子材料の共通のシール要素を有し、かつプレートが少なくとも部分的に互いに結合される様々な実施形態を開示する。この配置は、比較的少ない工数で燃料電池配置を組み立てるのに必要な個々の部品の数を減らすことを可能にする。同時に、シール要素は、大幅な追加手段を必要とすることなくプレートを機械的に固定することができる。シール要素によって、個々のモジュール間を密閉することだけなく、モジュールの個々のプレート間を密閉することも達成することが可能である。
シール要素によるプレートの接続の特定の構成のための多数のバリエーションが可能である。

別の例では、特許文献２が、燃料電池システムの一体化電極アセンブリ（ＵＥＡ）及びプレートの間に実質的流体密封シールを形成するためのシール構造体を開示し、該シール構造体は、１つの燃料電池プレート内に形成されるシーリング部材、隣接する燃料電池プレート内の供給領域チャネルに広がるように適合されるシール支持体、ならびに燃料電池プレート、シーリング部材、及びシール支持体の間に配設されるＵＥＡと協働して、ＵＥＡ及び１つの燃料電池プレートの間に実質的流体密封シールを形成するように適合されるシールを含む。該シール構造体は、燃料電池システムからの流体の漏出を阻止し、燃料電池システム内の反応物質流の速度の管理を促進し、そのコストを最小限にする。しかしながら、この開示において、シール付近にあるシーリング部材自体は、十分に支持されない。

さらにまた、特許文献３が、改善された機械特性を有するシーリングアセンブリのための別のアプローチを開示する。シールアセンブリは、シーリング要素と周辺との間の反力が小さいために溝及び／または隣接するコンポーネントの損傷が回避されるように設計される。シーリングアセンブリは、少なくとも１つの階段形状ビードを有するプレートを含み、該ビードは、逆向きビード土台を有するビード内にある少なくとも１つの逆向きビード及び少なくとも１つの逆向きビード逃げ面を有し、ここでは少なくとも１つシーリング縁を有する異形シーリング要素が、ある特定の特徴を有する対向するビード土台上に位置する。

ＵＳ７４１９７３８ ＵＳ２００９／０２５３０２２ ＥＰ２６９６４１８

今日までの多くの開発にもかかわらず、燃料電池積層体からの出力密度におけるより大きな改善が、特に自動車用途のために、依然として必要とされる。本発明は、これらの必要性を満たし、さらなる関連利点を提供する。

成形金属アノードプレートに結合された成形金属カソードプレートを含むサブアセンブリを備える燃料電池用の一体型シール付きバイポーラプレートアセンブリが開示される。プレートのうちの少なくとも第１のプレート上に、２つの隆起した連続リッジが、この第１のプレートの外向き面上及び外周の周りに形成され、それによりシールを含むためのチャネルを作成する。この設計では、この第１のプレートの内向き面上のチャネル領域の実質的な部分（例えば、２分の１超）が、他方の第２のプレートと直接接触しており、かつそれによって支持される。チャネル、それ故にシールは、したがって、成形中、及び組み立てられた燃料電池内での圧縮下において、十分に支持される。シールは、サブアセンブリに一体化され、そこではシールは、第１のプレートのチャネル内及び外向き面上にシーリングパッドを含む。シーリングビードは、第１のプレートのチャネル内のシーリングパッドの外向き面上に任意に含まれ得る。
この設計では、シール領域を横切るダクトが、シールの機能に影響を与えることなく、様々な燃料電池流体のために有利に形成され得る。ダクト（複数可）は、結合されたカソード及びアノードプレートの間に形成され得、第１のプレートの２つの隆起した連続リッジの両方の下である長さを横切る。

特定の実施形態において、一体型シールは、バイポーラプレートアセンブリの両側に提供され得る。例えば、サブアセンブリは、チャネル内にありかつ結合されたカソード及びアノードプレートの両方を貫通する少なくとも１つの貫通孔を含み得る。また、一体型シールは、一部分が貫通孔を埋めるように、さらにシーリングパッドが第２のプレートの外向き面上に提供されるように、提供され得る。この目的のためには、チャネル内の複数の貫通孔を用いることが有利であり得る。そのような実施形態において、第２のプレートの外向き面上のシーリングパッドは平坦であり得る。さらに、カールが、一体化をサブアセンブリへ良好に固定するために、貫通孔（複数可）の周囲に設けられ得る。

他の実施形態において、同様の第２のチャネルが第２のプレート内に提供され得る。つまり、サブアセンブリ内の第２のプレートも、外向き面上及び外周の周りに２つの隆起した連続リッジを含み得、それにより第２のプレートの外周の周りに第２のチャネルを作成する。ここでも、第２のプレートの内向き面上の第２のチャネルの領域の実質的な部分（例えば、２分の１超）が、第１のプレートと直接接触しており、かつそれによって支持される。さらにここでも、第２のチャネル及び関連シールは、したがって、成形中、及び組み立てられた燃料電池内での圧縮下において、十分に支持される。

そのような一体型シール付きバイポーラプレートアセンブリは、燃料電池、ならびに特に高出力密度用途（例えば、自動車）のための固体高分子電解質燃料電池、及びその積層体における使用に好適である。

先述の一体型シール付きバイポーラプレートアセンブリは、金属カソードプレート及び金属アノードプレートを提供すること、２つの隆起した連続リッジをカソード及びアノードプレートのうちの第１のプレートの外向き面上及び外周の周りに形成し、それにより第１のプレートの外周の周りにチャネルを作成することによって製造され得る。第１のプレートは、第２のプレートに結合されてサブアセンブリを形成し、そこでは第１のプレートの内向き面上のチャネルの領域の実質的な部分が、カソード及びアノードプレートのうちの第２のプレートと直接接触しており、かつそれによって支持される。次いで、第１の型が、第１のプレートの２つの隆起した連続リッジの頂点に密閉係合され、液体シール材が第１の型に注入され、この液体シール材は、係合された第１の型内で硬化される。

サブアセンブリ内に１つ以上の貫通孔を含む実施形態において、貫通孔（複数可）は、それがチャネル内にあり、かつ結合された第１及び第２のプレートを貫通するように形成される。この工程は、プレートが結合される前または後のいずれかに達成され得る。第２の型も、第２のプレートの外向き面に密閉係合される。その後、液体シール材が、第１及び第２の型の両方に注入され（第１の型もしくは第２の型のいずれか、または両方への直接接続により）、次いで係合された第１及び第２の型内で硬化される。

本発明のこれらの態様及び他の態様は、添付の図面及び以下の詳細な説明への参照により明白である。

本発明の実施形態における、第１のプレートの外向き面及びシーリングパッドの単純化した概略図を示す。 セクションＡ−Ａに沿った図１ａの実施形態の概略断面図を示す。 セクションＢ−Ｂに沿った図１ａの実施形態の概略断面図を示す。 先行技術の実施形態の概略断面図を示す。 第１のプレート上のシーリングパッドの外向き面上に単一のシーリングビードを含む実施形態における、チャネル領域の等角断面図を示す。 第１のプレート上のシーリングパッドの外向き面上に５つのシーリングビードを含む実施形態における、チャネル領域の等角断面図を示す。 チャネル領域がチャネルの下である長さを横切るいくつかのダクトを含む、サブアセンブリ内のチャネル領域（即ち、一体型シールがない）の等角断面図を示す。

本明細書において、「１つ（ａ）」及び「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」などの言葉は、非制限的な意味に解釈されるものとし、少なくとも１つを意味するが１つだけに限定されないと見なされるものとする。

本明細書内では、量的な意味において、「約」という用語は、最大プラス１０％から最低マイナス１０％の範囲にあると解釈されるべきである。

「形成される」は、ある構成要素をある特定の形状または形態に作製するまたは形づくるプロセスを指す。金属プレートを形成することに関して、典型的に、これは打抜き加工または加圧形成プロセスを伴う。

一体型シール付きバイポーラプレートアセンブリのための本設計は、シールを成形及び設置するチャネル、ならびに成形中、及び組み立てられた燃料電池内で圧縮下にある間のチャネルへの所望の支持を提供する。図１ａは、本発明のバイポーラプレートアセンブリの一実施形態の単純化した概略図を示す。第１のプレートの外向き面、及びシーリングパッドが示される。

バイポーラプレートアセンブリ１は、成形金属の第２のプレート１２（第１のプレート２の下にあり、図１ａでは見えない）に結合された成形金属の第１のプレート２、及び一体型シールを含む。一体型シール３は、シーリングパッド４（そのシーリング表面が、図１ａ内では見えている）を含む。第１のプレート２は、その外向き面上に形成され、かつ第１のプレート２の外周の周りに現れる２つの隆起した連続リッジ５ａ、５ｂを含む。リッジ５ａ、５ｂが、シーリングパッド４が設置されるチャネル７を画定する（シーリングパッド４の下にあり、図１ａでは見えない）。２組の形成されたダクト６ａ、６ｂも図１ａで見えている。これらのダクト６ａ及び６ｂは、冷却剤流体が結合された第１及び第２のプレート２、１２の間ならびに電気化学的に活性な領域８の下の電気化学的に不活性な領域にアクセスするために、チャネル７の下に通路を提供する。図１ａでは、故に、ダクト６ａ、６ｂは、見る人に向かって隆起して見える。チャネル７へ流体接続されるのは、一体型シール３を作成する液体注入成形プロセスで用いられる注入点９及び通気口１０である。（単純化のため、実際のバイポーラプレートアセンブリ内の多数の他の機能が、図１ａから省略されていることに留意されたい。例えば、省略されたのは、反応物質流れ場チャネル及びランディング、移行領域、ならびにそのようなアセンブリで典型的に見られる外周近くのチャネル７の外側で通常見られるポート及び位置決め機能と併せて、電気化学的に活性な領域８に通常見られるポート機能である。）

図１ｂは、ダクト６ｂの付近にありかつ貫通孔１３を含むセクションＡ−Ａに沿った、図１ａの実施形態の概略断面図を示す。第１のプレート２は、一連の溶接１１（図１ｂでは２つが見えている）によって第２のプレート１２に結合される。上で述べたように、チャネル７は、２つの隆起した連続リッジ５ａ、５ｂによって画定される。貫通孔１３は、チャネル７内に見られ、第１及び第２のプレート２、１２の両方を貫通する。この実施形態における一体化シール３は、第１のプレート２の外向き面上にシーリングビード１４を有するシーリングパッド４、貫通孔１３を埋める部分１５、及び第２のプレート１２の外向き面上にシーリングパッド１６を含む。図１ｂにおいて明白であるように、第１のプレート２の内向き面上の本質的にすべてのチャネル領域１７が、第２のプレート１２と直接接触しており、かつそれによって支持される。故に、シール成形動作中の隆起したリッジ５ａ、５ｂの頂点に、または組み立てられた燃料電池積層体内で圧縮下にある一体型シール３に力が印加されようとも、チャネル７は、隣接する第２のプレート１２によって完全に支持されるため、変形または沈下することはない。

図１ｃは、ダクト６ｂのうちの１つ内のセクションＢ−Ｂに沿って、図１ａの実施形態の概略断面図を示す。図１ｃの断面は、図１ｂのものと同様である（及び同様の数字が同様のコンポーネントを識別するために使用されている）が、ここではダクト６ｂが、チャネル７の下、及び電気化学的に活性な領域８の下の電気化学的に不活性な領域内に通路を提供する。またその結果としてここでは、第１のプレート２の内向き面上のチャネル領域１９は、第２のプレート１２と直接接触しておらず、かつそれによって支持されない。しかしながら、ダクト６ａ、６ｂと関連した領域は小さく、隆起したリッジ５ａ、５ｂ、またはシーリングビード１４に力が印加されたときに、チャネル７のいかなる著しい変形または沈下も許さない。

本発明を使用する例示的な燃料電池積層体は、自動車用途向けの固体高分子電解質燃料電池積層体である。そのような積層体は、いくつかのバイポーラプレートアセンブリ１によって分離される概して矩形で平面の燃料電池の一連積層体を含む。燃料電池の膜電極アセンブリは、電気化学的に活性な領域８内に位置する。次いでバイポーラプレートアセンブリ内の各シーリングパッド４が、積層体内の隣接するバイポーラプレートアセンブリ内の第２のプレートに対して密閉する。

比較のため、図２は、ＥＰ２６９６４１８からのシーリングアセンブリを含む先行技術実施形態の概略断面図を示す。先行技術バイポーラプレートアセンブリ２１も、成形金属の第２のプレート２３に結合された成形金属の第１のプレート２２を含むサブアセンブリを備える。プレート２２、２３は両方とも、その中に形成されるチャネル２５、及びこれらのチャネル２５内に見られる一体型シール２４を有する。しかしながら、間隙２６が、一体型シール２４の表面の大部分またはすべての下のチャネル２５付近にある両方のプレート２２、２３の間に存在する。故に、燃料電池積層体内で圧縮下にある一体型シール２４に、または成形動作中のリッジ２７に力が印加されると、チャネル２５は変形または沈下し、低効率性のシール及び潜在的な漏出をもたらす。

図３ａは、貫通孔の周囲がシールを金属プレートサブアセンブリに固定するように設計される本発明の異形を示す。チャネル領域の等角断面図は、図３ａに示される。ここで、バイポーラプレートアセンブリ３１も、成形金属の第２のプレート３３に結合された成形金属の第１のプレート３２のサブアセンブリを備える。プレート３２は、くぼみのある輪郭が中に形成される２つの隆起した連続リッジ３９を有し、それがチャネル３５を画定する。さらに一体型シール３４が、このチャネル３５内では見られる。示されるように、シール３４は、その外向き面上に単一のシーリングビード３６を含む。示される本断面は、貫通孔３７を通っている。この異形では、貫通孔３７の周囲３８はカールされる。シール３４は周囲３８の周りに成形されることから、後者がシール３４を適切な場所に保持または固定する働きをする。

本発明のさらに別の異形が、図３ｂに示される。ここでのバイポーラプレートアセンブリ３１ａは、燃料電池内への酸素拡散を減少させる目的でシール３４が複数のシーリングビード３６ａを含むことを除き、図３ａに示されるものと同様である。（図３ａは、様々な高さの５つのシーリングビード３６ａを示す。）

図４は、形成されたチャネルの下に通路を提供するのに好適なダクトの付近にある、本発明の金属プレートサブアセンブリの構造体を例証するために提供される。具体的には、図４は、チャネル領域がチャネル３５の下である長さを横切るいくつかのダクトを含む、サブアセンブリ４１内のチャネル領域の等角断面図を示す。チャネル３５は、図３ａの実施形態に見られるものと同様の連続リッジ３９によって作成される。図４には一体型シールがない。いくつかのダクトが、プレート３２内に適切な機能を形成することによって、サブアセンブリ４１内に作成されている。チャネル３５の下のダクトの部分は、４２と表示される一方、チャネル３５の両側のダクトの部分は、図４では４３と表示される。

本発明の一体型シール付きバイポーラプレートアセンブリは、適切な金属カソード及びアノードプレートブランクを獲得し、次いで２つの隆起した連続リッジをプレートのうちの一方または両方の外向き面上及び外周の周りに形成して、プレート（複数可）の外周の周りに所望のチャネルを作成することによって製造され得る。ダクト及び流れ場などの他の所望の機能も、プレート内に形成される。次いで、２つのプレートが結合されて、サブアセンブリを形成する。重要なことには、意図的に、結合後、関連プレートの内向き面上の形成されたチャネルの領域の実質的な部分が、他方のプレートと直接接触しており、かつそれによって支持される。他方のプレート内の支持領域は、残りのプレート面にある必要がないことに留意されたい（例えば、図１、３、または４に例証されるように）。代わりに、他方のプレート内の支持領域は、支持プレート内のチャネルの形状を補完するために適切な階段を作成するように形成され得る。

金属プレートサブアセンブリの準備が整うと、適切なシーリング材（例えば、シリコーン）をサブアセンブリに成形することによって、シールがそこへ一体化され得る。例えば、第１の型は、チャネルを含むプレートの２つの隆起した連続リッジの頂点に密閉係合され得、次いで、液体シール材が第１の型内に注入され得、その後、液体シール材は係合された第１の型内で硬化される。

一体型シールがバイポーラプレートサブアセンブリの両側に形成されるシーリングパッドを有することが望ましい場合、貫通孔もプレート内に形成される（例えば、図１ｂ、３ａ、３ｂに示されるように）。貫通孔は、個々のプレート内に、それらが結合されてサブアセンブリになる前に形成され得る。しかしながら、整列の問題を最小限にするため、好ましくは、貫通孔は、プレートが結合されてサブアセンブリになった後に形成され得る。第２の型は、概して、そのような一体型シールを作成することを必要とされる。つまり、加えて、第２の型は、第２の支持プレートの外向き面に密閉係合され、次いで液体シール材が第１及び第２の型の両方に注入され、硬化される。注入は、第１及び第２の型のうちのいずれか一方または両方への直接接続によって達成され得る。

上記の米国特許、米国特許出願刊行物、米国特許出願、外国特許、外国特許出願、及び本明細書内で参照される非特許刊行物のすべては、参照によりその全体が本明細書内に組み込まれる。

本発明の特定の要素、実施形態、及び用途が、示されかつ説明されてきたが、当然のことながら、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、特に前述の教示を踏まえて、当業者により修正がなされ得るため、本発明はそれらに限定されないことが理解される。そのような修正は、本明細書に添付される特許請求の範囲の権限及び範囲内であると見なされるものとする。

Claims (9)

1. 燃料電池用の一体型シール付きバイポーラプレートアセンブリであって、
   成形金属アノードプレートに結合された成形金属カソードプレートを含むサブアセンブリであって、前記カソード及びアノードプレートのうちの第１のプレートが、前記第１のプレートの外向き面上及び外周の周りに２つの隆起した連続リッジを含み、それにより前記第１のプレートの前記外周の周りに電気化学的に活性な領域を取り囲むチャネルを作成し、前記第１のプレートの内向き面上の前記チャネルの領域の半分以上が、前記カソード及びアノードプレートのうちの第２のプレートと直接接触しており、かつそれによって支持される、サブアセンブリと、
   前記サブアセンブリに一体化されたシールであって、前記シールが、前記チャネル内及び前記第１のプレートの前記外向き面上にシーリングパッドを含む、シールと、
   前記結合されたカソード及びアノードプレートの間に形成され、かつ前記第１のプレートの前記２つの隆起した連続リッジの両方の下である長さを横切る少なくとも１つのダクトと、
   を備える、一体型シール付きバイポーラプレートアセンブリ。
2. 前記シールが、前記第１のプレートの前記チャネル内の前記シーリングパッドの前記外向き面上にシーリングビードを含む、請求項１に記載の一体型シール付きバイポーラプレートアセンブリ。
3. 前記サブアセンブリが、前記チャネル内にあり、かつ前記結合されたカソード及びアノードプレートの両方を貫通する少なくとも１つの貫通孔を含み、
   前記シールが、前記貫通孔を埋める部分、及び前記カソード及びアノードプレートのうちの前記第２のプレートの前記外向き面上にシーリングパッドを含む、請求項１に記載の一体型シール付きバイポーラプレートアセンブリ。
4. 前記サブアセンブリが、前記チャネル内にあり、かつ前記結合されたカソード及びアノードプレートの両方を貫通する複数の貫通孔を含む、請求項３に記載の一体型シール付きバイポーラプレートアセンブリ。
5. 前記第２のプレートの前記外向き面上の前記シーリングパッドが平坦である、請求項３に記載の一体型シール付きバイポーラプレートアセンブリ。
6. 前記貫通孔の周囲がカールしている、請求項３に記載の一体型シール付きバイポーラプレートアセンブリ。
7. 前記サブアセンブリ内の前記カソード及びアノードプレートのうちの前記第２のプレートが、前記外向き面上及び前記外周の周りに２つの隆起した連続リッジを含み、それにより前記第２のプレートの前記外周の周りに電気化学的に活性な領域を取り囲む第２のチャネルを作成し、前記第２のプレートの前記内向き面上の前記第２のチャネルの領域の２分の１超の部分が、前記第１のプレートと直接接触しており、かつそれによって支持される、請求項１に記載の一体型シール付きバイポーラプレートアセンブリ。
8. 請求項１に記載の一体型シール付きバイポーラプレートアセンブリを備える、燃料電池。
9. 前記燃料電池が固体高分子電解質燃料電池である、請求項８に記載の燃料電池。
   

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