JP7330270B2 - 燃料電池 - Google Patents

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Description

[対応出願]
本願は、エーホー・グループ・エンジニアリング・アーゲー名義の2018年7月5日出願のスイス出願第00838/18号の優先権を主張するものであり、その全内容は参照として本願に組み込まれる。
本願は、燃料電池モジュールとその製造方法に関する。
特許文献1及び特許文献2では、主ガスマニホールドを電池活性領域に接続するために、膜電極接合体(MEA,membrane‐electrode‐assembly)の周りに樹脂フレームを使用するという新規概念のガス流入/流出マニホールドが開発されている。MEAは、二つのプレート又はセパレータの間に適切な封止材を用いて挟まれる。この構造の欠点は、特許文献3で述べられているように、圧縮と疲労の後にガス流路が変形して、ガス流路が詰まる確率が高い点である。
そこで、特許文献3では、その状況を多少改善する別の設計を提案している。特許文献3でも、主ガスマニホールドと電池活性領域との間の接続を設けるために、複数種の樹脂系物質を使用していて、その設計を改善している。しかしながら、この手法には以下のいくつかの制限がある:(a)膜の両側と頂部において二種類の樹脂が交差するので、ガス流路の詰まりが不可避であり、長期の動作、熱サイクル、疲労の後に、流路の変形と閉塞の確率が高い;(b)流路の詰まりが組立体内の圧力低下を大きくする;(c)膜電極ガス拡散層接合体(MEGA,membrane‐electrode‐gas diffusion layer‐assembly)が多様な物質を用いて複数ステップで接合され、多様なステップと箇所において140℃以上の温度で接合され、膜の変形、信頼性、製造性に関する追加の複雑性をもたらし、製造速度を制限する。
他にも特許文献4、特許文献5、特許文献6等で多様な設計が提案されているが、これらはいずれも、プレートのスタンプ加工/エンボス加工、機械加工が組立体内の大きな圧力低下を生じさせ、製造を複雑にしている。特許文献7や特許文献8では、別個の部品をサブ組立体に導入しているが、その部品を組み込むために、プレートに対する機械加工やエンボス加工が必要とされる。その設計に起因して長時間動作後に流路の変形が予測され、また、大量生産が制限される。特許文献9では、プレートを三つに分割しているため、設計が複雑であり、同様の詰まりと漏れの問題が生じ得る。特許文献10の設計は主にグラファイトプレートの電池で使用されるものであり、金属プレートよりも厚く、大きな圧力低下が不可避である。
特開2015-133269号公報 米国特許出願公開第2018/0026291号明細書 特開2018-018582号公報 米国特許第6174616号明細書 欧州特許出願公開第1630892号明細書 特開2012-248472号公報 特開平9-35726号公報 米国特許第6017648号明細書 米国特許第5514487号明細書 米国特許出願公開第2008/0131755号明細書 米国特許出願公開第2011/0033782号明細書 米国特許出願公開第2009/0162733号明細書 米国特許出願公開第2010/0297516号明細書 米国特許第4590135号明細書 米国特許出願公開第2004/0115512号明細書 国際公開第2017/077634号 米国特許出願公開第2003/0215692号明細書
そこで、本発明の目的は、流路にわたる圧力低下を最小にして、流路の詰まりを排除することができる新規解決策を提案することである。提案される設計は、特に大型の場合に、既存の製品よりも単純で、信頼性があり、製造が簡単であって、プレートの機械加工やエンボス加工無しでMEAに組み込むこと又は直接電池に組み込むことができるものである。
一実施形態において、本発明は、CCM(触媒コーティング膜)層と、ガスマニホールド及び封止を提供するためのその層の周りのサブガスケットフレームを備える燃料電池組立体を提案する。流路体(FP)が流入口マニホールド及び流出口マニホールドの近傍でサブガスケットに統合され、活性領域に向かう/活性領域からのガスの通路を提供する。FPは、通路を変形させたり詰まらせたりしない硬質な経路を与える。
実施形態において、本発明は燃料電池用の流路体に関し、電池は、底部プレートと、頂部プレートと、プレート同士の間で膜電極接合体によって形成された活性領域と、膜電極接合体の両側のガスケットと、を備え、燃料電池が電池内でガスを通過させるためのマニホールドを備え、流路体がマニホールドと活性領域との間に配置され、流路体が、最小の圧力損失でガスを通過させるための手段を備える。
実施形態において、ガスを通過させるための手段は複数の第一ワイヤを少なくとも備える。
実施形態において、ワイヤは直線状又は湾曲していて、直線状のチャネル又は傾斜したチャネル又は湾曲したチャネルを形成している。
実施形態において、流路体は平坦部を備え得て、その平坦部上にワイヤが取り付けられる。
実施形態において、流路体は複数の第二ワイヤを備え得て、それら第二ワイヤに複数の第一ワイヤが取り付けられ得る。
実施形態において、複数の第二ワイヤは複数の第一ワイヤと垂直になり得る。代わりに、他の相対的な角度も使用可能である。また、一部実施形態では、角度がワイヤ同士の間で異なり得る。
実施形態において、複数の第二ワイヤは複数の第一ワイヤに編み込まれ得る。本発明の範囲内において他の同等な配置構成も可能である。
実施形態において、第一ワイヤと第二ワイヤは同じ物質又は異なる物質製となり得る。一部実施形態では、一方の組(第一又は第二)の中でワイヤ同士の物質が同じ物質又は異なる物質となり得る。
実施形態において、ワイヤは金属及び/又は合成材製となり得る。
実施形態において、本発明は、本開示の流路体を備えるフレームに関する。
実施形態において、本発明は、底部プレートと、頂部プレートと、プレート同士の間で膜電極接合体によって形成された活性領域と、膜電極接合体の両側のガスケットと、を備える燃料電池に関し、燃料電池は電池内でガスを通過させるためのマニホールドを更に備え、燃料電池は、膜電極接合体とマニホールドとの間に本開示の流路体又は本開示のフレームを備える。
実施形態において、マニホールドは電池の流入口と流出口を形成し得て、電池の流入口の流路体は流出口の流路体と同じになり得る。
実施形態において、マニホールドは電池の流入口と流出口を形成し得て、電池の流入口の流路体は流出口の流路体と同じではなくなり得る。
実施形態において、本発明は、本開示の燃料電池と冷却プレートとを少なくとも備える組立体に関する。
実施形態において、組立体は、複数の積み重なった燃料電池と冷却プレートを備え得て、冷却プレートが燃料電池同士の間に介在する。冷却プレートは燃料電池毎に存在するもの又は存在しないものとなり得る。
組立体の実施形態において、フレームは、電池同士の間のスペーサ及び流路体用の支持体として機能し得る。
実施形態において、本発明は、本開示の流路体又は本開示のフレームを製造するための方法と、その方法によって製造された製品に関する。本方法は、好ましくは、流路体又はフレームを圧縮成形又は射出成形するステップを備える。勿論、他の同等な方法とステップが本発明の範囲内において想定可能である。
図1から図14は本発明の実施形態を例示するものであって、具体的には以下の通りである。
本発明に係る単一の電池組立体を示す。 本発明に係る流路体(「FP」)の実施形態と構造を示す。 本発明の一実施形態に係る流路体の上面図と側面図を寸法と共に示す。 本発明の一実施形態に係る流路体の上面図と側面図を寸法と共に示す。 本発明の一実施形態に係る流路体の上面図と側面図を寸法と共に示す。 本発明の一実施形態に係るワイヤを混合した流路体の上面図を示す。 本発明の実施形態に係る電池組立体への流路体の統合を示す。 流路構造体を有する本発明の他の実施形態を示す。 流路体をMEA及びサブガスケットに結合している本発明の他の実施形態の上面図及び側面図を示す。 本発明の一実施形態に係る単一電池の断面図を示す。 本発明の実施形態に係る電池の流入口と流出口における流路体の実施形態を示す。 傾斜したチャネルを有する流路体の実施形態の代替設計を示す。 湾曲したチャネルを有する流路体の実施形態の代替設計を示す。 本発明に係る流路体と共に冷却プレートの一実施形態を示す。
[単一の電池組立体]
図1は、一実施形態に係る単一の電池(セル)組立体の分解図を示し、両端のプレート10、11(底部プレート10と頂部プレート11)、膜電極接合体(MEA)12と、MEAの両側の中間部にあるガス拡散層(GDL)12’と、プレートとガスマニホールドを有するMEA12の延長部との間でMEA12の両側に広がるガスケット13、14とを備える。
例えば、MEAのカソード(頂部)側において、ガスは、マニホールドAから電池に入り、マニホールドBから電池を出て行く。同様に、MEA12のアノード(底部)側において、ガスは、マニホールドCから電池に入り、マニホールドDから電池を出て行く。他の二つのマニホールドEとFは、流路体が図示されていない冷却ループ用のものである。
活性領域の周りの延長部は、「サブガスケット」15と呼ばれることが多く、これは、ガスマニホールドの切断部がまとめられる箇所であり、サブガスケットの物質は、市販のプラスチック、樹脂、ゴム系の物質である。
本発明の一実施形態によると、流路体(FP,flow path)20と称される部品が活性領域及びサブガスケット15の近傍に統合されていて、図1及び図2に示されるように活性領域に向かうガスの通過と活性領域からのガスの通過を促進している。流路体20は、ガスが最小の圧力損失でそこを通過することができ、また、その強力な機械的構造に起因して変形の可能性を完全に排除するように生成される。
特許文献3と異なる本発明の利点は、流路体が完全に平坦であり、これが、圧縮後の部品、サブガスケット15及びプレート10、11の変形を最小にすること、また、マニホールドA、B、C、D周囲のどこにおいても印加圧力を一様にすることを顕著に促進する。後者の利点は電池からの漏れを最小にすることを促進する。
全ての層を互いに積み重ねた後において(図1に示されるように)、流路体20の一方の側がプレート10、11に直接接触し、流路体20の他方の側がMEAの延長部15に直接接触して、その部品に特許文献3のような不均一であったり「交差」したりするような箇所は存在しない。結果として、流路体20に不均一に圧力が印加されないことが保証されるので、GDL及びガスチャネル内の一様なガス分布が保証され、また、通路の閉塞や詰まりの可能性が排除される。
他の利点は、二種類の異なる樹脂と、複数のサブガスケットと、残りの部分が存在する特許文献3とは異なり、組立体中の部品20の数が減ることである。本発明の実施形態では、流路体20は、追加の部品や労力を必要とせずにサブガスケットに直接取り付けられる。
他の利点は、流路体20のリブ同士の間のギャップを増やして、その部品の硬質構造に起因して部品を変形させずに電池の幾何学的形状に適合させ且つ圧力低下を減らすようにすることができる点である。本発明の他の利点は、多様なコンセプトのガスケットが流路体20と統合可能であり、例えば、平坦なガスケットをFP流路体20と隣同士で取り付けたり、分配型ガスケットをその部品の周りで使用したりことができる。更に、自動化という観点からは、本発明は速さをもたらし、設計が単純になり、最終的な組立中の品質管理ステップを最小にすることができる。
[流路体「FP」20の構造の実施形態]
流路体20は多様な方法を用いて多様な形状に生成可能である。いくつかの例を本願で示すが、本発明は以下で説明したり図示されたりする構造に限定されるものではない。
[構造2A(図2及び図3)]
図2は、ガスケット組立体と、流路部20の構造として提案される例の詳細図を示す。この構造は、X方向に沿った平行なワイヤ21と、頂部の平坦部22で構成されている。複数のワイヤ21が、ガス流の方向に平行なX方向に沿っている。
構造2Aのワイヤ21はユニット20の流れガイドとして機能し、図3にM1で示されるように互いに実質的に同じ距離に配置され得て、又は、ワイヤ21同士の間の距離は、幾何学的形状や設計の要求に基づいて異なり得る。しかしながら、強力な機械的支持を与え、下方のチャネルの詰まりと機械的変形を防止するため、好ましくはワイヤは互いに等距離に配置される。勿論、ワイヤ同士の間の距離が変化してもよい。ワイヤ21同士の間の距離(M1)は好ましくは10~700μmであり、より好ましくは50~300μmであり、特に好ましくは100~250μmである。しかしながら、距離M1は、例示的及び/又は好適な値である上記の値に限定されない。構造2Aのワイヤ21上の平坦部22は、好ましくはワイヤと同じ物質製であり、その厚さは、積層組立体の構成に基づいて調節可能である。ワイヤ21同士の間の距離が必要とされるものよりも大きいと、組立の圧縮力が平坦部22を変形させ得るので、ワイヤ21同士の間の距離と設計は注意深く定められることが望ましい。構造2Aの全高Hは、ワイヤ21の直径と頂部プレート22の厚さの和、つまり、H=D1+Tである(図3参照)。
特定の設計において流路体20の長さ(L)が非常に長くて、大きな圧力低下が生じる場合には、ワイヤ21の直径(D1)を増加させ、ワイヤ21同士の間の距離(M1)を増加し、また、ワイヤ21同士の間の距離(M1)を増加することによって、圧力低下を減らすことができる。
更に、電池の流入口と流出口において二種類の異なる流路構造体20を有することが適宜可能である。例えば、カソード側で生成される水の総量に基づいて、流出口におけるワイヤ21同士の間の距離が流入口側におけるその距離よりも大きい流路構造体20とすることができる。製造可能性の観点からは、電池の両側において同じ厚さを有することが推奨され得るが、本発明の実施形態はこの条件に限定されるものではない。
構造2Aの流路体20に用いられる物質は特に限定されない。その構造体は電池の活性領域の外に配置されるので、伝導性物質製とする必要は無い。いくつかの例としては、ステンレス鋼、チタン、硬質プラスチック、例えば、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、炭素繊維等が挙げられる。その構造体が鋼系の物質製であり、その部品の腐食が問題となる場合には、腐食防止処理を表面に施し得る。その部品の電気伝導性が問題とならないので、複数の低伝導性コーティング処理が想定可能であり、幾つかの例として、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)コーティングが挙げられる。何らかの理由で、流路体20が電池の活性領域下に配置され、電気伝導性が必要とされる場合には、CVD(化学気相堆積)やPVD(物理気相堆積)コーティング等の他のコーティング処理が非限定的な例として検討可能である。
このような流路構造体20を生成するための方法はいくつか存在し、例えば、ステンレス鋼の場合には、小型ワイヤ21が平坦部22に溶接可能であり、プラスチック材の場合には、特殊接着剤やホットメルト機を用いて互いに結合可能であり、また、圧縮成形や射出成形によって同時に形成可能であり、レーザ溶接、切断、エッチング、他の適切な方法によっても生成可能である。
[構造2B(図2及び図4)]
構造2Bは、互いに垂直に向けて重ねたX方向に沿った平行なワイヤ21とY方向に沿って平行なワイヤ23で構成される。複数のワイヤ21は、ガス流の方向に平行であるX方向に沿っていて、頂部に位置する複数のワイヤ23は、底部のワイヤ21の機械的及び構造的な支持体として機能する。
ワイヤ23同士の間の距離M1(図4参照)は実質的に同じになり得るが、幾何学的形状と設計の要求に基づいて異なってもよい。しかしながら、頂部での強力な機械的支持を有し、下方のチャネルの詰まりと機械的変形を防止するため、ワイヤ23同士を互いに等距離で密接に配置することが推奨される。勿論、ワイヤ同士の間の距離が変化してもよい。ワイヤ23同士の間の距離(M1)は、好ましくは10~500μmであり、より好ましくは25~250μmであり、特に好ましくは100~200μmであるが、距離M1は、例示的及び/又は好適な値である上記値には限定されない。
ワイヤ21同士の間の距離(M2)は実質的に同じになり得るが、幾何学的形状と設計の要求に基づいて異なってもよい。FPの流出口における均一な流れ分布とするためには、ワイヤ同士の間の均一な距離が推奨される。しかしながら、流れ分布を制御するためにワイヤ同士の間の不均一な距離を有することも適宜可能である。例えば、電池の縁近くのワイヤ同士が互いに近くなり得て、電池の中央に向かうワイヤ同士がそれらの間により大きな距離を有し得て、これは、電池の中央に向かう流れを逸らすのに役立つ。ワイヤ21同士の間の距離(M2)は、好ましくは25~1000μmであり、より好ましくは50~500μmであり、特に好ましくは100~200μmであるが、距離M2は、例示的及び/又は好適な値である上記値に限定されない。頂部のワイヤ23同士の間のピッチであるM1は、下方のワイヤ21のピッチであるM2未満であることが推奨される。これは、主に、ユニットの適切な機械的支持を保証するためであり、それを達成するための好ましい(M1/M2)の比は0.2~0.8であり、より好ましくは0.3~0.6であるが、例示的及び/又は好適な値である上記値には限定されない。
構造2Bは構造2Aと同様の方法で生成可能であるが、それらの方法に実施形態は限定されない。
[構造2C(図2、図5及び図6)]
構造2Cは、X方向に沿った平行なワイヤ24と、ワイヤ24に垂直な向きでY方向に沿って編み込まれたより細いワイヤ25で構成される。複数のワイヤ24は、ガス流の方向に平行であるX方向に沿っていて、ワイヤ24に編み込まれた複数のワイヤ25は、ワイヤ24用の機械的及び構造的な支持体として機能する。
ユニット20用の機械的支持体として機能する構造2Cのワイヤ25は、図5にM4で示されるように互いに実質的に同じ距離で配置され得て、又は、ワイヤ25同士の間の距離は幾何学的形状と電池設計に基づいて異なってもよい。ワイヤ25のピッチを小さくすることがその構造にわたる圧力低下を大きくする一方で、大きなピッチは構造に不安定性をもたらす。従って、圧力低下を最小にするのと同時に強力な機械的構造となるようにワイヤ25同士の間の距離を調節することが好ましく、また簡単に可能である。ワイヤ25の対同士の間の距離(M4)は、好ましくは10~1000μmであり、より好ましくは50~800μmであり、特に好ましくは200~500μmであるが、例示的及び/又は好適な値である上記値には限定されない。
同様に、より太いワイヤ24は、図5のX方向である流れの方向に平行に配置され、ワイヤ24同士の間の距離(M3)は好ましくは同じである。勿論、ワイヤ同士の間の距離が変化してもよい。ワイヤ24同士の間の距離(M3)は、好ましくは25~1000μmであり、より好ましくは50~500μmであり、特に好ましくは100~200μmであるが、距離M3は例示的及び/又は好適な値である上記値には限定されない。ワイヤ24とワイヤ25の断面形状は特に限定されず、円形、矩形、オーバル形等の多様な形状を有し得るが、好ましい断面形状は円形又は矩形である。
図5では、ワイヤ24とワイヤ25が円形断面を有し、ワイヤ24の直径がD3であり、ワイヤ25の直径がD4である。構造2Cの全高は二つの直径の和、つまり、D3+D4である。ワイヤ25の直径(D4)をワイヤ24の直径(D3)よりも小さくすることが好ましくは、その主な理由の一つは、ガスがワイヤ24と平行に流れるからであり、また、通路の圧力低下を最小にするために、ワイヤの直径を小さくすることが推奨される。
この構造の他の利点は、ワイヤ24とワイヤ25が異なる物質製となり得ることである。例えば、実施形態において、ワイヤ24がステンレス鋼製となり得て、ワイヤ25が薄いプラスチック系物質製、例えば、PET、PE(ポリエチレン)、PEEK、ナイロン、カーボン製等となり得る。図6に示される一例では、暗色で示されるワイヤ25の半分がプラスチック材製であり、残りが金属材製である。この構造体20はサブガスケット15上に取り付けられ、単純なホットプレス法を用いて、MEAの周りでサブガスケットに結合され得る。
[統合可能性及び多様な実施形態]
このような流路構造体20を積層組立体に組み込むのにはいくつかの設計の選択肢と可能性がある。その例の一部が図7に示されている。
図7Aの一実施形態では、流路体20とガスケット13が同じ厚さを有し、プレート上に隣同士で取り付けられている。封止材16と、平坦なガスケット13又は分配型のガスケット等が、流路体20の高さに応じて調節され、組立後にMEAからサブガスケット15までが封止材16と流路体20の両方の上に存在する。
図7Bの他の実施形態では、封止材16が流路体20よりも厚く、流路体20を側部と頂部から封止し、MEAが封止材16上に直接取り付けられる。
図7Cの他の実施形態では、流路体20がプレート(頂部プレート又は底部プレート)に直接統合される。流路体が位置する箇所においてプレート上にエンボス加工部(凸部)又は刻印部(凹部)が存在する。これは、グラファイトプレート製の電池の場合となり得る。
本発明の要旨と範囲内において他の変形例や実施形態も可能である。
図7Aの実施形態の場合、流路体20がサブガスケット15に結合され、一体として扱われる。流路体20をサブガスケット15に結合する方法はいくつかある。例えば、ホットプレス法や多様な接着剤がこの目的のために使用可能であるが、これらに限定されない。この場合は図9に示されている。
他の実施形態では、図8に示されるように、流路体20は、その周りのフレーム17を備えて設けられ得る。フレーム17はスペーサとして機能し、封止材がフレームの頂部と底部に存在する。フレーム17の厚さを変更することによって、頂部と底部の封止材の厚さを最適にすることもできる。前述の場合と同様に、流路体20とその周りのフレームが異なる物質製、例えば、金属、PTFE、PE、PEN(ポリエチレンナフタレート)、PET、エポキシ製等となり得るが、これらの物質に限定されるものではない。小型組立体を生成するための多様な方法が存在し、例えば、射出成形、スタンピング成形、圧縮成形等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
他の実施形態では、流路体20を形成する部品が互いに取り外し可能であって、電池に別々に接合され得て、又は、流路体20が電池の周囲においてガスケット15に取り付け又は溶接され、次いで、その上に置かれたMEAを圧縮し得る。図10は、組立体中で特定されている多様な構成要素を備える単一の電池の断面図を示す。頂部チャネル(プレート11)は電池のアノード側を表し、底部チャネル(プレート10)がカソード側を表し、この場合、対向流の構成が想定されるが、並行流や交差流も可能である。二つのサブガスケット15が互いに重ねて結合され、二つの流路体20が流入口マニホールドと流出口マニホールドに位置し、電池の残りの部分は従来の組立体と同じである。重要なのは、本発明がこの配置構成に限定されず、多様な構成が想定可能である点である。
上述のように、特許文献3と比較しての本発明の主な利点の一つは、流路体20に交差部が存在しないので、部品の変形が排除され、組立後に全ての構成要素が平坦な状態で圧縮されることである。この場合は図10に示されている。
電池内の水管理に有用な他の実施形態は、電池の流入口と流出口に統合された二つの異なる流路体20を有するものである。例えば、図11に示されるように、流出口の流路体20(図11A)は、リブ同士の間の大きな間隔(ギャップ26)を有する異なる設計となり得て、流入口の流路体20(図11B)は小さなギャップ27を有し得る。チャネル同士の間の大きなギャップ26は、特に流出口領域において、電池からの水の除去を促進し電池が濡れる確率を最小にする。
他の実施形態では、図12及び図13に示されるように、流路体20上に例えばワイヤ21、24によって形成されるリブ28の向きを傾斜させ得る。ガスは、流路体20の右側から入り、左側と下側から出て行く。この配置構成は、電池内でガスを逸らしてより均一に分布させることを促進し、電池の流入口又は流出口で使用可能である。電池内でガスを均一に分布させるための従来の手法は、ガスマニホールドと活性領域との間の追加の流れリブ/チャネルを有するようにするというものであり、これは、特許文献11、特許文献12、特許文献13、特許文献14、特許文献1、特許文献12、特許文献15、特許文献16、特許文献4、特許文献17等で説明されているとおりである。本発明で提案されているようなFPの統合は、設計をかなり単純にするのと同時に、電池内の圧力低下を顕著に減らす。本設計は、特定の図面に限定されるものではなく、リブ/チャネル28は、流路体20のワイヤの形状によって定められるものとして図13に示されるように異なる曲率半径の曲線等の多様な形状を有することができる。
流路体20は、ガスマニホールドだけではなくて、冷却ループ用にも使用可能である。そのコンセプトと構造は、冷却ループにおいては、流路体20がガスケットに取り囲まれて、頂部と底部の二つのプレート30と接触するという点を除いては同じである。燃料電池積層組立体では、通常、各電池(例えば、図1や図10に示されるような電池)の後に冷却プレート30が統合され、電池からの必要以上の熱を散逸させる。構造の観点からは、その流れチャネルは、組立体の冷却側にMEAが存在しないという点を除いてはガスチャネルと同じである。図14は冷却プレート30の一例であり、中央の水チャネルを液体が左から右に流れ、二つの流路体20が流入口側と流出口側に統合され、圧縮され、頂部プレート31と底部プレート32に直接接触している。前述の構成と同様に、チャネル同士の間の距離は、電池内の圧力低下を最小にするように調節可能である。図14は断面図であり、封止材は見て取れない。
このような流路体20の使用はPEM(高分子電解質膜)燃料電池のみに限定されず、高温PEM(HT‐TEM)、直接メタノール燃料電池(DMFC)、電解槽等の他の種類のデバイスにおいても若干の修正で簡単に使用可能である。更に、プレートを構成する物質は特に限定されず、金属、グラファイト、他の複合材となり得る。
本明細書は、本発明の完全な範囲を表すものではない。本発明はその詳細が多様なレベルで本願において与えられ、添付図面と発明の詳細な説明において与えられているが、要素や部品等が含まれるか含まれないかによって本発明の範囲が限定されるものではない。本発明の更なる態様が、特に添付図面と共に参照することで詳細な説明から自ずと明らかになるものである。
また、例示的な実施形態は、本開示の構造、機能、製造、システムの使用、方法の原理を全体的に理解するために記載されているものである。これらの実施形態の一つ以上は添付図面に例示されている。本願に具体的に記載され添付図面に示されているシステムと方法が非限定的な例示的実施形態であり、本発明の範囲が特許請求の範囲のみによって定められることを当業者は理解するものである。一つの例示的な実施形態に関して図示又は記載されている特徴は他の実施形態の特徴と組み合わせ可能である。このような修正や変更は本発明の範囲内にあるものである。従来の方法とシステムの複数の問題が本願で述べられており、本開示の方法とシステムがそれらの問題の一つ以上に対処し得る。これらの問題を記載することは、当該分野の従来の知識として認めるものではない。特定の方法とシステムが本願に記載されているが、本発明の範囲はそれらに限定されるものではないことを当業者は理解するものである。更に、本発明が複数の実施形態に関して説明されているが、多数の代替、修正、変更が当業者に明らかであることは自明である。従って、そのような代替、修正、均等物、変更が本発明の要旨と範囲内に含まれるものである。
10 底部プレート
11 頂部プレート
12 膜電極接合体
13、14 ガスケット
15 サブガスケット
16 封止材
17 フレーム
20 流路体
21、23、24、25 ワイヤ
22 平坦部
30 冷却プレート

Claims (12)

  1. 底部プレート(10)と、頂部プレート(11)と、前記底部プレートと前記頂部プレートとの間に膜電極接合体(12)によって形成された活性領域と、前記膜電極接合体(12)の両側のガスケット(13、14)と、を少なくとも備える燃料電池であって、該燃料電池内でガスを通過させるためのマニホールド(A、B、C、D)を更に備え、流路体が前記マニホールドと前記活性領域との間に位置し、前記流路体(20)が、前記流路体(20)の全高にわたる機械的構造体を備え、前記機械的構造体が複数の第一ワイヤ(21、24)と平坦部(22)を備え、前記複数の第一ワイヤ(21、24)が前記平坦部(22)上に取り付けられていることを特徴とする燃料電池。
  2. 前記複数の第一ワイヤ(21、24)が直線状であるか又は湾曲していて、直線状のチャネル又は傾斜したチャネル(28)又は湾曲したチャネル(28)を形成している、請求項に記載の燃料電池。
  3. 前記複数の第一ワイヤ(21、24)が同じ物質製又は異なる物質製である、請求項1又は2に記載の燃料電池。
  4. 前記複数の第一ワイヤ(21、24)が金属及び/又は合成材製である、請求項からのいずれか一項に記載の燃料電池。
  5. 前記ガスケット(13、14)が前記流路体(20)を備える、請求項1からのいずれか一項に記載の燃料電池。
  6. 前記底部プレート(10)及び前記頂部プレート(11)が前記流路体(20)を備える、請求項1からのいずれか一項に記載の燃料電池。
  7. 前記マニホールドが前記燃料電池の流入口と流出口を形成し、前記流入口の流路体(20)が前記流出口の流路体(20)と同じである、請求項1からのいずれか一項に記載の燃料電池。
  8. 前記マニホールドが前記燃料電池の流入口と流出口を形成し、前記流入口の流路体(20)が前記流出口の流路体(20)と同じではない、請求項1からのいずれか一項に記載の燃料電池。
  9. 請求項1からのいずれか一項に記載の燃料電池を少なくとも一つと冷却プレート(30)とを備える組立体。
  10. 複数の積み重なった燃料電池と冷却プレートとを備え、前記冷却プレートが燃料電池同士の間に介在している、請求項に記載の組立体。
  11. 前記流路体(20)を備えるフレーム(17)を備え、前記フレームが燃料電池同士の間のスペーサ及び前記流路体の支持体として機能する、請求項又は10に記載の組立体。
  12. 請求項1からのいずれか一項に記載の流路体(20)又は請求項11に記載のフレーム(17)を製造するための方法であって、前記流路体(20)又は前記フレーム(17)を圧縮成形又は射出成形するステップを備える方法。
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013191434A (ja) 2012-03-14 2013-09-26 Nissan Motor Co Ltd 流路付ガス拡散層

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2564251B1 (fr) 1984-05-11 1986-09-12 Alsthom Atlantique Perfectionnements aux structures des piles a combustible
US5514487A (en) 1994-12-27 1996-05-07 Ballard Power Systems Inc. Edge manifold assembly for an electrochemical fuel cell stack
JPH0935726A (ja) 1995-07-18 1997-02-07 Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk 燃料電池用ガスプレート、冷却プレート及び燃料電池
US5798187A (en) * 1996-09-27 1998-08-25 The Regents Of The University Of California Fuel cell with metal screen flow-field
US6017648A (en) 1997-04-15 2000-01-25 Plug Power, L.L.C. Insertable fluid flow passage bridgepiece and method
US6174616B1 (en) 1998-10-07 2001-01-16 Plug Power Inc. Fuel cell assembly unit for promoting fluid service and design flexibility
US7226688B2 (en) 1999-09-10 2007-06-05 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell
US7081316B2 (en) 2002-04-30 2006-07-25 General Motors Corporation Bipolar plate assembly having transverse legs
TWI241732B (en) * 2002-09-25 2005-10-11 E I Du Pont Canada Company Mesh reinforced fuel cell separator plate
JP4792213B2 (ja) 2004-07-29 2011-10-12 東海ゴム工業株式会社 固体高分子型燃料電池用セパレータおよびそれを用いた固体高分子型燃料電池用セル
KR100862419B1 (ko) 2006-12-05 2008-10-08 현대자동차주식회사 연료전지용 분리판
US20090162733A1 (en) 2007-12-21 2009-06-25 Iverson Eric J Flow field plate for a fuel cell with features to enhance reactant gas distribution
US8623565B2 (en) 2009-05-20 2014-01-07 Susanta K. Das Assembly of bifurcation and trifurcation bipolar plate to design fuel cell stack
KR20110013963A (ko) 2009-08-04 2011-02-10 현대자동차주식회사 연료전지용 분리판
JP5664457B2 (ja) 2011-05-30 2015-02-04 トヨタ車体株式会社 燃料電池用セパレータプレート、燃料電池用セパレータ、燃料電池及び燃料電池用セパレータプレートの製造方法
US9685677B2 (en) * 2011-10-24 2017-06-20 Advanced Battery Concepts, LLC Bipolar battery assembly
JP2015133269A (ja) 2014-01-15 2015-07-23 本田技研工業株式会社 燃料電池
CA3003697C (en) 2015-11-06 2019-10-22 Nissan Motor Co., Ltd. Single cell structure for fuel cells, and fuel cell stack structure wherein said fuel cell single cells are stacked
JP6521912B2 (ja) 2016-07-25 2019-05-29 トヨタ自動車株式会社 燃料電池単セルおよびその製造方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013191434A (ja) 2012-03-14 2013-09-26 Nissan Motor Co Ltd 流路付ガス拡散層

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