JP6735758B2 - 電気化学反応器構成部品においてシールを製作するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気化学反応器の分野に関し、詳細には、シールと電気化学反応器構成部品とを製造するための方法に関する。

燃料電池は、燃料と酸化剤との間での酸化還元によって、燃料と酸化剤とから電気を生成することを可能にする電気化学反応器である。

イオン交換膜燃料電池は、各々がそれぞれの反応ガスの循環のための２つの流体区画室と、イオン交換膜を通じたイオン交換による反応ガスの酸化還元のための、流体区画室同士を分離する少なくとも１つの膜とを備える。アノード区画室と呼ばれる１つの流体区画室がガス状の燃料の循環のために使用され、カソード区画室と呼ばれる１つの流体区画室がガス状の酸化剤の循環のために使用される。

燃料電池が活性状態であるとき、燃料は、区画室の端部の方に向けられた各々のイオン交換膜の面に沿って、アノード区画室において循環し、酸化剤は、カソード区画室の方に向けられた各々のイオン交換膜の面に沿って、カソード区画室において循環する。燃料電池は、各々のイオン交換膜を通じた燃料と酸化剤との酸化還元反応によって、電気を生成する。

分離用板およびイオン交換膜の積み重ねから作られた燃料電池を製作することが可能であり、分離用板には、各々のイオン交換膜の反対側の面に沿って、反応ガスの循環のための通路が設けられる。分離板のアノード通路同士が、アノード区画室を形成するために互いに連結され、分離板のカソード通路同士が、カソード区画室を形成するために互いに連結される。

ガス漏れを回避するために、分離板と積み重ねの膜との間で封止することを確保することが必要である。そのために、封止するガスケットが板に搭載されることを提供することが可能である。

しかしながら、積み重ねによって形成された燃料電池は、数十枚の分離板および膜を備える可能性がある。そのため、シールを形成することは、手間の掛かる可能性がある。

さらに、シールは、積み重ねの所定の圧縮力について信頼できる封止性を得るために、正確な形状で製造されなければならない。

本発明の目的のうちの１つは、電気化学反応器のシールおよび構成部品を製造するための方法を提案することであり、その方法は、実施するのが容易でコスト効果があり、正確な形状でシールを得ることを可能にする。

そのために、本発明は、電気化学反応器を形成するために積み重ねられるように意図された電気化学反応器構成部品の面にシールを製作するための方法であって、各々の構成部品は、板の形態であり、第１の面と、反対側の第２の面とを有し、第１の面は第１のシールを受け入れるように設計され、第２の面は第２のシールを受け入れるように設計され、方法は、
− 第１のシールを、構成部品の第１の面において造形するステップであって、第１のシールは少なくとも部分的に重合される、ステップと、
− 第２のシールを、構成部品の第２の面に堆積させるステップと、
− 成形板と交互になっている構成部品から形成される積み重ねを圧縮することで第２のシールを造形するステップであって、各々の成形板は、構成部品の第１の面に押し付けられ、前記構成部品の第１の面において先に形成された第１のシールを、変形することなく受け入れるように設計される溝を備える担持面と、他の構成部品の第２の面に押し付けられ、積み重ねを圧縮する結果として前記他の構成部品の第２の面に堆積された第２のシールを造形するための成形表面を有する成形面とを有する、ステップと、
− 第２のシールを少なくとも部分的に重合するステップと
を含む、方法を、提案する。

一実施形態では、第１のシールの造形するステップは、
− 第１のシールを構成部品の第１の面に堆積させるステップと、
− 交互になっている構成部品と成形板とから形成される積み重ねを圧縮することで第１のシールを造形するステップであって、各々の成形板は、構成部品の第２の面に押し付けられる担持面と、他の構成部品の第１の面に押し付けられ、積み重ねを圧縮する結果として前記他の構成部品の第１の面に堆積された第１のシールを造形するための成形表面を有する成形面とを有する、ステップと、
− 第１のシールを少なくとも部分的に重合するステップと
を含む。

一実施形態では、同一の成形板が、第１のシールの造形の積み重ねと、第２のシールの造形の積み重ねとのために使用される。

一実施形態では、成形板は、第１の積み重ねから第２の積み重ねへと進むために、構成部品に対して裏返される。

一実施形態では、各々の成形板は単一品で形成される。

一実施形態では、各々の成形板は、付着されるシムを成形面において担持し、シム間に溝を造形するシールを定める芯部を有する。

一実施形態では、構成部品は分離板であり、反応性の流体循環通路を定めるように設計される溝を備える。

本発明はまた、電気化学反応器を形成するために積み重ねられるように設計される電気化学反応器構成部品においてシールを製作するための成形板であって、各々の構成部品は、板の形態であり、構成部品の第１の面および反対側の第２の面においてシールを受け入れるように提供され、成形板は、担持面が押し付けられる構成部品の面において先に形成されたシールを、変形することなく受け入れるように設計される溝を備える担持面を有し、成形面は、成形面が押し付けられる構成部品の面に堆積されるシールの造形のための成形表面を有する、成形板に関する。

一実施形態では、各々の成形板は単一品で形成される。

一実施形態では、成形板は、付着されるシムを成形面において担持し、シム間に溝を造形するシールを定める芯部を有する。

本発明およびその利点は、例としてのみ提供された、添付の図面を参照して成された以下の記載を読むことで、より良く理解されるものである。

電気化学反応器構成部品において、より具体的には、分離板において、シールを製作するための方法の連続するステップを示す図である。 電気化学反応器構成部品において、より具体的には、分離板において、シールを製作するための方法の連続するステップを示す図である。 電気化学反応器構成部品において、より具体的には、分離板において、シールを製作するための方法の連続するステップを示す図である。 電気化学反応器構成部品において、より具体的には、分離板において、シールを製作するための方法の連続するステップを示す図である。 分離板を用いて形成された電気化学反応器を部分的に示す図である。 製造方法を実行するための成形板を示す図である。 製造方法を実行するための成形板を示す図である。

図１〜図４に示した製造方法の実施は、板の形態での構成部品の２つの反対側の面の各々にシールを形成することで、複数の電気化学反応器構成部品に（複数の電気化学反応器構成部品において）シールを形成することを可能にする。

図１に示しているように、電気化学反応器構成部品は、ここでは、双極の分離板２である。

各々の分離板２は、電気化学反応器の積み重ねにおける２つのイオン交換膜の間に挿入されるように意図されている。

各々の分離板２は、反応ガスの循環のための通路４Ａ、４Ｂが各々設けられた第１の面２Ａおよび第２の面２Ｂを備えている。

第１の面２Ａおよび第２の面２Ｂは、面に押し付けられるイオン交換膜と、または、隣接する分離板との封止を確保するために、シールを受け入れるように設けられた封止段差部６Ａ、６Ｂを各々有している。

封止段差部６Ａ、６Ｂは、好ましくは、分離板２の周縁において据え付けられ、通路４Ａ、４Ｂの周りに封止を提供するために、反応ガス循環通路４Ａ、４Ｂを包囲する。第１の面２Ａおよび第２の面２Ｂは、分離板２において封止された領域を定めるために、１つまたはいくつかの閉じた線の周りで延びる封止段差部を各々有する。

第１の面２Ａおよび第２の面２Ｂは、シールを受け入れるために封止溝８Ａ、８Ｂを各々有しており、封止段差部６Ａ、６Ｂは封止溝８Ａ、８Ｂの底に設けられている。代替では、封止段差部６Ａ、６Ｂは溝の底に設けられない。

製造方法は、いくつかの同一の成形板１０を用いて実行される。

各々の成形板１０は成形面１２と担持面１４とを備えている。

成形面１２には、成形板１０の成形面１２が押し付けられる分離板２の面に堆積されるシールと接触するために設けられた成形表面１６が設けられている。

成形表面１６は、分離板２への成形板１０の押し付けのため、正確な形状でシールを造形するために設けられている。成形表面１６は、好ましくは、例えば±数ミクロンの遊びを伴うといった、遊び範囲から成る、所定の高さＨを伴うシールを形成するために具体的には設けられている。

成形面１２は、ここでは、成形表面１６が底に設けられている成形溝１８を備えている。

各々の成形板１０の担持面１４は、シールが堆積され、造形され、少なくとも部分的に、または、完全に重合された状態で、このシールと接触することなく、提供される分離板２の面に圧し掛かるように提供される。

担持面１４は、分離板２の面が成形板１０の担持面１４に押し付けられるとき、分離板２のこの面に先に形成されているシールを受け入れるように設けられた受入溝２０を備えている。受入溝２０は、分離板の封止段差部に据え付けられるように位置決めされ、受入溝２０の壁部を、分離板２に先に形成されたシールと干渉させない寸法を有している。

図１に示しているように、成形溝１８と受入溝２０とは、互いに列になって位置決めされている。成形溝１８は、受入溝２０の深さＰ２より完全に小さい深さＰ１を有している。

ここで、分離板にシールを製作するための方法を、図１〜図４を参照して説明する。

分離板２の第１の面２Ａおよび第２の面２Ｂは、最初はシールを有していない。

第１のステップでは（図１）、第１のシール２２Ａが分離板２の第１の面２Ａに堆積される。第１のシール２２Ａは第１の面２Ａの封止段差部６Ａに堆積される。

「シールを堆積させる」という表現は、ここでは、シールシームを造形させることができる粘性状態でシールシームを堆積させることを意味する。シールは、合成または天然の重合可能な材料で提供される。堆積のときに、シールは重合されない。

第１のシール２２Ａは、例えば、第１のシール２２Ａを封止段差部６Ａに沿って適用するために、分離板に対して移動可能な注入ノズルを有する自動機械を用いてといった、知られている手法で分離板２に堆積される。

第１の面２Ａに重合されていない第１のシール２２Ａが提供された分離板２は、分離板２と成形板１０とが交互になる第１の積み重ね２４を形成するために使用され、成形板１０の成形面１２は、分離板２の第１の面２Ａに押し付けられ、成形板１０の担持面１４は、分離板２の第２の面２Ｂに押し付けられる。

好ましくは、分離板２の第１の面２Ａは好ましくは上方の向きとされ、成形板１０の成形面１２は下方の向きとされる。

第１の積み重ね２４は漸進的に作られ、各々の分離板２が、第１のシール２２Ａがその分離板２に堆積されると付け加えられる。代替で、第１のシール２２Ａは、いくつかの分離板２を交互の成形板１０と積み重ねる前に、これらの分離板２に堆積される。

各々の分離板の第１の面に成形板の成形面を押し付けるため、成形板の成形表面は、この分離板に堆積された第１のシールに押し付けられる。これは、シールの造形をもたらす。

「シールの造形」という表現は、シールに、必要な形状、ここでは具体的には、必要な高さＨを与えることを言っている。図１および図２に示しているように、造形されたシールは、ここでは、その頂点において平らになっている。

第３のステップでは（図２）、第１のシール２２Ａは少なくとも部分的に重合される。第１のシール２２Ａは、部分的に重合される、または、実質的に完全に重合される。第１のシール２２Ａは、剥ぎ取った後にそれ自体の形状を保持するのに十分な重合がされる。第１のシール２２Ａは、例えば、それ自体の形状を保持するように表面が重合され、一方、それ自体の芯部は重合されない。

重合を確保するために、第１の積み重ね２４は、例えば、所定温度へと、所定の長さの時間にわたって加熱される（矢印Ｔ）。

好ましくは、圧縮力Ｃ（図２）が、各々の成形板１０の成形面１２を分離板２の第１の面２Ａにその真向いから押し付けるために、第１の積み重ね２４に発揮される。圧縮力は、造形のために、重合の間、維持される。

第４のステップでは（図３）、各々の分離板２は第１の積み重ねから除去される。第２の重合されていないシール２２Ｂが、分離板２の第２の面２Ｂに、より具体的には、第２の面２Ｂの封止段差部６Ｂに、堆積される。

第２の面２Ｂに重合されていない第２のシール２２Ｂが提供された分離板２は、分離板２が成形板１０と交互になって積み重ねられる第２の積み重ね２６を形成するために使用され、成形板１０の成形面１２は、分離板２の第２の面２Ｂに押し付けられ、成形板１０の担持面１４は、分離板２の第１の面２Ａに押し付けられる。第１のシール２２Ａは、成形板１０と干渉することなく、担持面１４の受入溝２０に受け入れられる。

第２の積み重ね２６では、分離板２は、第１の積み重ね２４に対して裏返されており、一方、成形板１０は裏返されていない。

第２の積み重ね２６では、分離板２の第２の面２Ｂは、好ましくは、上方の向きとされ、成形板１０の成形面１２は下方の向きとされる。

第２の積み重ね２６の製作のため、第２のシール２２Ｂは、所望の形状を伴う、具体的には、所望の高さＨを伴う成形板１０によって、造形される。

好ましくは、第２の積み重ねは、第２のシール２２Ｂの造形のための圧縮力（矢印Ｃ）を受ける。圧縮力は、造形のために、重合の間、維持される。

担持面の受入溝のおかげで、分離板の第１の面において先に形成された第１のシールは、第２の積み重ねにおいて変形または圧迫されない。したがって、第１のシールは、第１の積み重ねにおいて第１のシールに与えられた形を保持する。

第２の積み重ねが製作されると、第２のシールは完全に重合される。第１のシールが、第１の積み重ねに適用された重合の端部において部分的に重合されるだけの場合、第１のシールの重合は、第２の積み重ねに適用される重合の間に完全にされる。

第１の積み重ね（図２）から第２の積み重ね（図４）へと進むためには、成形板１０を第１の積み重ね２４から第２の積み重ね２６へと、成形板１０を裏返すことなく移し、次に、第１の積み重ね２４において下に据え付けられた分離板２を取り出し、その間に第２のシール２２Ｂをその分離板２の第２の面２Ｂに堆積し、次に、その分離板２を、裏返した後に第２の積み重ね２６において据え付けすることによって、板ごとで進行することが可能である。

各々の成形板１０が、一方の側に据え付けられた分離板２においてシールを成形するために使用され、反対側に据え付けられた別の分離板２に向けた担持のために作用するため、分離板２の第１のシール２２Ａおよび第２のシール２２Ｂは、より少ない数の成形板１０を用いて、同じ成形板１０で形成される。

より少ない数の成形板１０は、限られた数の成形板１０で十分であるため、製作方法を実行するための治工具のコストを抑えることに加えて、成形板１０の操作も限られるため、製作方法の実施自体のコストも抑える。成形板１０の保管もより容易にされる。これは、数十の積み重ねられた分離板２を備え得る電気化学反応器を製作するのに特に有利である。

製作方法は、具体的には第１の積み重ねから第２の積み重ねへと進むために、効果的に実行され得る。

さらに、シールは、重合時間のより良好な統制によって作られてもよい。第１のシールのすべてが、近いまたは同等の重合時間で製作され、第２のシールのすべてが近い重合時間で製作される。

好ましくは、第１のシール２２Ａは、第２のシール２２Ｂを堆積し、第２の積み重ね２６を形成することへと進むとき、第１の積み重ね２４において部分的に重合されるだけである。これは、一方において第１のシール２２Ａの重合時間における差を制限し、他方において第２のシール２２Ｂの重合時間の差を制限することを可能にする。

各々の分離板２の第１のシール２２Ａと第２のシール２２Ｂとは同一である。それらシールは、断面において、同じ線に沿って延び、同じ形状を有する。各々の分離板２の第１のシール２２Ａと第２のシール２２Ｂとは、同一の成形板１０の成形面１２で形成される。

図５に示しているように、イオン交換膜の電気化学反応器３０が、分離板２と膜／電極組立体３４とが交互になっている積み重ね３２を備えている。

各々の膜／電極組立体３４は、ＥＭＥとも呼ばれ、２つの電極３８の間に挟まれたイオン交換膜３６を備えている。各々の膜／電極組立体３４は、２つの分離板２の間に挟まれている。

１つだけの分離板／ＥＭＥ／分離板の組立体がここでは示されているが、実際の積み重ね３２は、複数のこのような分離板／ＥＭＥ／分離板の組立体を備える。各々の分離板／ＥＭＥ／分離板の組立体は、実際にはこれらのうちのいくつかを備える電気化学反応器３０の基本の電気化学セル４０を定める。

分離板２の相対する面のシール２２は、分離板２間で、反応ガスに対する封止を提供し、具体的には、これらの面における反応ガスのための循環通路の封止を提供する。

膜／電極組立体の膜３６は、電極３８に対して過剰に流れる周辺領域４２を有している。この周辺領域４２は、膜／電極組立体３４を挟む分離板２同士の相対する面のシール２２の間で挟み付けられる。１つの代替では、膜／電極組立体の膜は、突き出た周辺領域を有しておらず、分離板同士の相対する面は互いに接触する。

電気化学反応器３０は、例えば、燃料と酸化剤との間での酸化還元によって、燃料と酸化剤とから電気を生成することを可能にする電気化学反応器である燃料電池である。代替では、電気化学反応器は、水および電気から二水素および二酸化物を生成することを可能にする電解槽である。

図１〜図４に示しているように、成形板１０は、単一の材料の品で作られる。成形板１０は、例えば、プラスチックから作られる。正確な形状が必須ではない受入溝２０が、成形板１０の成形から生じ得る一方で、成形表面１６は、好ましくは、非常に正確な形状を有するために、機械加工によって得られる。

図６に示した代替では、成形板１０は支持板４４によって形成されており、支持板４４の一方の面は、成形板の担持面１４を定め、受入溝２０が設けられており、他方の面は、支持板４４において付着されると共に成形溝１８を間に定めるシム４６を担持している。成形溝１８の底は、非常に正確な形状を有するために、少なくとも成形溝１８において、成形から得られる、または、機械加工によって作られる支持板４４の前記他方の面によって、形成されている。

図７に示された代替では、成形板１０は、一方の面において受入溝２０を定め、他方の面において成形溝１８を定めるために、２つの面の各々にシム５０、５２が設けられた支持板４８を備えている。

図１〜図４の製作方法は、分離板においてシールを製作するために記載されている。製作方法は、板形態における他の電気化学反応器構成部品に適用可能である。例えば、製造方法は、分離板において製作されるシールの置き換えとして、または、そのシールに加えて、イオン交換膜においてシールを形成するために、イオン交換膜に適用可能である。

２ 分離板
２Ａ 第１の面
２Ｂ 第２の面
４Ａ、４Ｂ 通路
６Ａ、６Ｂ 封止段差部
８Ａ、８Ｂ 封止溝
１０ 成形板
１２ 成形面
１４ 担持面
１６ 成形表面
１８ 成形溝
２０ 受入溝
２２ シール
２２Ａ 第１のシール
２２Ｂ 第２のシール
２４ 第１の積み重ね
２６ 第２の積み重ね
３０ 電気化学反応器
３２ 積み重ね
３４ 膜／電極組立体
３６ イオン交換膜
３８ 電極
４０ 電気化学セル
４２ 周辺領域
４４ 支持板
４６ シム
４８ 支持板
５０、５２ シム
Ｃ 圧縮力
Ｔ 加熱

Claims (7)

1. 電気化学反応器を形成するために積み重ねられるように意図された電気化学反応器構成部品（２）の面にシールを製作するための製作方法であって、各々の構成部品（２）は、板の形態であり、第１の面（２Ａ）と、反対側の第２の面（２Ｂ）とを有し、前記第１の面は第１のシール（２２Ａ）を受け入れるように設計された封止段差（６Ａ）が設けられており、前記第２の面は第２のシール（２２Ｂ）を受け入れるように設計された封止段差（６Ｂ）が設けられており、前記製作方法は、
   前記第１のシール（２２Ａ）を、前記構成部品の前記第１の面（２Ａ）において形状付けるステップであって、前記第１のシールは、形状付けられた後の前記第１のシールの形状を保持できるよう少なくとも部分的に重合される、ステップと、
   前記第２のシール（２２Ｂ）を、前記構成部品の前記第２の面（２Ｂ）に堆積させるステップと、
   成形板（１０）と交互になっている前記構成部品から形成される積み重ねを圧縮することで前記第２のシール（２２Ｂ）を形状付けるステップであって、各々の成形板（１０）は、構成部品の前記第１の面に押し付けられた担持面（１４）であって、前記構成部品の前記第１の面（２Ａ）において先に形成された前記第１のシール（２２Ａ）を、変形することなく受け入れるように設計された溝（２０）を備える担持面（１４）と、他の構成部品の前記第２の面（２Ｂ）に押し付けられた成形面（１２）と、を有しており、前記成形面（１２）は、成形表面（１６）を有しており、前記成形表面（１６）は、前記積み重ねの圧縮によって、前記他の構成部品の前記第２の面に堆積された前記第２のシール（２２Ｂ）を形状付ける、ステップと、
   前記第２のシール（２２Ｂ）を、形状付けられた後の前記第２のシール（２２Ｂ）の形状を保持できるよう少なくとも部分的に重合するステップと、
   を含む、製作方法。
2. 前記第１のシール（２２Ａ）の前記形状付けるステップは、
   前記第１のシール（２２Ａ）を前記構成部品の前記第１の面（２Ａ）に堆積させるステップと、
   前記交互になっている構成部品（２）と成形板（１０）とから形成される積み重ねを圧縮することで前記第１のシール（２２Ａ）を形状付けるステップであって、各々の成形板は、構成部品（２）の前記第２の面（２Ｂ）に押し付けられた担持面（１４）と、他の構成部品の前記第１の面に押し付けられた成形面（１２）と、を有しており、前記成形面（１２）は、成形表面（１６）を有しており、前記成形表面（１６）は、前記積み重ねの圧縮によって、前記他の構成部品の前記第１の面（２Ａ）に堆積された前記第１のシール（２２Ａ）を形状付ける、ステップと、
   前記第１のシール（２２Ａ）を、形状付けられた後の前記第１のシール（２２Ａ）の形状を保持できるよう少なくとも部分的に重合するステップと、
   を含む、請求項１に記載の製作方法。
3. 同一の成形板（１０）が、前記第１のシールの形状付けの積み重ねと、前記第２のシールの形状付けの積み重ねとのために使用される、請求項１または２に記載の製作方法。
4. 前記成形板（１０）は、第１の積み重ねから第２の積み重ねへと進むために、前記構成部品に対して裏返される、請求項３に記載の製作方法。
5. 各々の成形板（１０）は単一品で形成される、請求項１から４のいずれか一項に記載の製作方法。
6. 各々の成形板（１０）は、付着されるシムを前記成形面において担持し、前記シム間に溝を形状付けるシールを定める芯部を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の製作方法。
7. 前記構成部品（２）は分離板であり、反応性の流体循環通路を定めるように設計される溝（４Ａ、４Ｂ）を備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の製作方法。

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