JP4738411B2 - 打ち抜き加工で製造されたｐｅｍ燃料電池プレート - Google Patents

Description

本発明は、ＰＥＭ燃料電池に係り、より詳しくは、セパレータプレートの構成に関する。

燃料電池は、多数の用途で電源として使用されてきた。例えば、燃料電池は、内燃エンジンに取って代わるため電気車両電源プラントで使用するため提案された。陽子交換膜（ＰＥＭ）形式の燃料電池では、水素が燃料電池のアノードに供給され、酸素がカソードに供給される。ＰＥＭ燃料電池は、薄い陽子伝達性で非導電性の固体ポリマー電解質膜を含む膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を有し、該ポリマー電解質の面の一方にアノード触媒を有し、その反対側の面にカソード触媒を有している。ＭＥＡは、一対の導電要素の間に挟まれており、該一対の導電要素は、（１）アノード及びカソードのための電流コレクターとして機能し、（２）夫々のアノード及びカソード触媒の表面に亘って燃料電池ガス状反応物を分布させるため、適切なチャンネル及び／又は開口部を備えている。

「燃料電池」という用語は、その文脈に応じて、典型的には、単一の電池又は複数の電池のいずれかに言及するため使用されている。複数の個々の電池は、燃料電池スタックを形成するため一緒に共通に束ねられ、一般に、電気的に直列に配列されている。スタック内部の各々の電池は、前述した膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を備え、そのようなＭＥＡの各々は、電圧の増分を提供する。スタック内で隣接する電池の群は、クラスターと称される。

ＰＥＭ燃料電池では、水素（Ｈ２）がアノード反応物（即ち、燃料）であり、酸素がカソード反応物（即ち、酸化剤）である。酸素は、純粋な形態（Ｏ_２）でも空気（Ｏ_２及びＮ_２の混合物）のいずれであってもよい。固体ポリマー電解質は、典型的に、例えば、ペルフルオロスルホン酸等のイオン交換膜から作られている。アノード／カソードは、典型的には、細かく分割された触媒粒子を含んでおり、該粒子は、しばしば、炭素粒子に支持され、陽子伝達性樹脂と混合されている。触媒粒子は、典型的には、コストの高い貴金属粒子である。かくして、これらの膜電極アッセンブリは、製造するのに比較的高価であり、効率的な作動のため、適切な水管理及び加湿や、例えば一酸化炭素（ＣＯ）等の触媒汚染成分の制御を始めとする幾つかの条件を必要としている。

膜電極アッセンブリを挟み込む導電性プレートは、その面に溝列を備えていてもよく、該列は、燃料電池のガス反応物（即ち、水素及び空気の形態の酸素）を各々のカソード及びアノードの表面に亘って分配させるため反応流れ場を形成する。これらの反応物の流れ場は、一般に、複数のランドを備えており、該ランドは、それらの間に複数の流れチャンネルを画定し、該流れチャンネルを通って、ガス状反応物該流れチャンネルの一端部における供給ヘッダーから、該流れチャンネルの反対側端における排出ヘッダーへと流れる。

従来のセパレータプレートでは、通路は、セパレータプレートの平面を通過する流れを連通させるように同定された領域で画定される。一旦、流れがセパレータプレートの所望の表面に連通されたならば、流れチャンネルを画定するランドは、セパレータプレートの表面を横切る流れと連通する。典型的には、通路は、高さ変化部分を通過する位置にセパレータプレートに配列されている。

セパレータプレートを作るための一つの方法は、打ち抜き作業の間に高さ変化部分即ちランドを形成する工程を備えている。次に、通路は、打ち抜きされたプレート内の所望の位置で形成される。予め成形された高さ変化部分を有するプレート内に通路を成形するプロセスは、困難でありコスト高である。

本発明は、ＰＥＭ燃料電池のためのセパレータプレートを提供し、該セパレータプレートは、セパレータプレートの平坦表面から延在する第１の支持要素と、該セパレータプレートの平坦表面から延在する第２の支持要素と、を備え、該平坦表面は、反応ガスの流れが貫通することを可能にするため、第１の支持要素と第２の支持要素との間に配置されたアパーチャを画定する。

本発明の用途の更なる領域は、以下に提供される詳細な説明から明らかとなる。詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施例を支持しているが、図示の目的であることを意図しており、本発明の範囲を制限することを意図したものではない。

本発明は、詳細な説明及び添付図面からより完全に理解されるようになる。
好ましい実施例の次の説明は、本質上単なる例示にしか過ぎず、本発明、その用途又はその使用法を制限することを意図したものではない。

最初に図１を参照すると、燃料電池スタック１０の一部分の断面が示されている。燃料電池スタック１０は、一連の燃料電池１２を備えている。各々の燃料電池１２は、セパレータプレート１６の間に挟まれている膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）１４を備えている。拡散媒体１８は、膜電極アッセンブリ１４と、セパレータプレート１６の各々との間に配置されている。アノード反応物（即ち、水素）と、カソード反応物（即ち、酸素）とは、膜電極アッセンブリ１４を横断する反応のためセパレータプレート１６によって分配されている。

一例では、セパレータプレート１６は、二極式プレート２０として結合されている。各々の二極式プレート２０は、アノードセパレータプレート１６ａと、カソードセパレータプレート１６ｃとを備える。アノードセパレータプレート１６ａは、アノード面２２と、冷却剤面２４ａと、を有する。アノード流れ場２６は、アノード面２２内に形成され、部分冷却剤流れ場２８ａは、冷却剤面２４ａに形成される。カソードセパレータプレート１６ｃは、カソード面３０と、冷却剤面２４ｃとを備える。カソード流れ場３２は、カソード面３０内に形成され、部分冷却剤流れ場２８ｃは冷却剤面２４ｃ内に形成される。アノードセパレータプレート１６ａ及びカソードセパレータプレート１６ｃは、冷却剤面２４ａ及び２４ｃが互いに隣接して配置されるように一緒に積み重ねられている。冷却剤面２４ａ及び２４ｃの部分冷却剤流れ場２８ａ及び２８ｃは、本発明に係る流れ場形状を有する流体チャンネルを形成するため整列している。

現在のところ好ましい、アノードプレート１６ａ及びカソードプレート１６ｃは、より詳細を後述されるように、打ち抜き及び成形作業により形成することができる、好ましくはステンレス鋼の金属シートである。当業者は、他の適切な材料及び製造プロセスを、アノードプレート１６ａ及びカソードプレート１６ｃのための利用することができることを認めるであろう。

引き続いて図１を参照し、更に図２Ａ乃至図４を参照して、二極式プレート２０のアノードプレート１６ａを説明する。図２Ａを特に参照すると、アノードプレート１６ａは、二極式プレート２０を横切って第１の反応物を分配するための第１の反応物入口ヘッダー４０を備えている。第２の反応物入口ヘッダー４２は、二極式プレート２０を横切って第２の反応物を分配するためのアノードプレート１６ａ上に配列されている。冷却剤入口ヘッダー４４は、冷却剤流れ場２８ａ及び２８ｃと流体連通している。

特に図２Ｂを参照すると、アノードプレート１６ａは、第１の反応物を排出するための第１の反応物出口ヘッダー５０と、第２の反応物を排出するための第２の反応物出口ヘッダー５２と、冷却剤を排出するための冷却剤出口ヘッダー５４と、を備えている。

アノードプレート１６ａは、アノードプレート１６ａ（図３）内の入口領域６２で構成された１つ又は複数のアパーチャ６０を通してアノード反応物ガスを受け入れるように構成されている。入口アパーチャ６０は、アノードプレート１６ａに沿って略直線状パターンに配列されている。同様に、アノードプレート１６ａは、アノードプレート１６ａ内の出口領域７２で構成された出口アパーチャ７０を備えている（図４）。１つ又は複数の出口アパーチャ７０が、アノードプレート１６ａに沿って略直線状パターンに配列されている。アノード面２２上に配列されたアノード流れ場２６は、アノード反応ガスを入口領域６２から出口領域７２へと連通するように機能する。アパーチャ６０及び／又は７０は、互い違いパターンに配列されるか又はそれらの鏡像軸により整列されることもできる。例えば、図６に示されるように、入口アパーチャ６０’は、入口領域６２’で互い違いの状態で示されている。

特に図３を参照して、アノード入口領域６２をより詳しく説明する。アノード入口領域６２は、一連の第１の支持要素８０を備え、該要素は、入口アパーチャ６０に隣接した略直線状パターンに配列されている。一連の第１の支持要素８０は、アノード面２２の略平坦な第１の表面８２から延在し、略平坦な第２の表面８４で終わっている。第１の表面８２及び第２の表面８４は、互いから間隔を隔てられた、第１の平面Ａ及び第の２の平面Ｂを各々形成する。第２の支持要素９０は、アノード面２２の平坦な第１の表面８２から延在し、第２の表面９４で終わっている。第１の支持要素８０及び第２の支持要素９０の各々の第２の表面８４及び９４は、略同一平面にある。図示のように、入口アパーチャ６０が、一連の第１の支持要素８０及び第２の支持要素９０の間に配置されている。入口アパーチャ６０は、アノード面２２の第１の平坦表面８２上に形成されているか又は第１及び第２の平坦表面８２及び８４の間の中央平坦表面に形成されている。

ここで特に図４を参照してアノード出口領域７２をより詳細に説明する。アノード出口領域７２は、出口アパーチャ７０に隣接した略直線状パターンに配列された一連の支持要素１００を備えている。一連の第３の支持要素１００は、アノード面２２の略平坦な第１の表面８２から延在し、第２の平面Ｂと同一平面にある第２の表面１０４で終わっている。第４の支持要素１１０は、アノード面２２の平坦な第１の表面８２から延在し、第２の表面１１４で終わっている。第４の支持要素１１０は、複数の指部１１８によって更に形成されている。第３の支持要素１００及び第４の支持要素１１０の各々の第２の表面１０４及び１１４は、略同一平面にある。図示のように、出口アパーチャ７０が、一連の第３の支持要素１００及び第４の支持要素１１０の間に配置されている。出口アパーチャ７０は、アノード面２２の第１の平坦表面８２上に形成されているか又は第１及び第２の平坦表面８２及び８４の間の中央平坦表面に形成されている。

ここで図３を参照して、アノード入口領域６２の作用を説明する。作動中には、アノード入口領域６２における第２の支持要素９０は、反応ガスが入口アパーチャ６０を通って（図３から見て）上方に通過するとき、第１の方向Ｄ_１、第２の方向Ｄ_２及び第３の方向Ｄ_３に反応ガスを拘束し、一連の第１の支持要素８０に向かう第４の方向Ｄ_４における反応ガスに影響を与えるように機能する。更に説明すると、第２の支持要素９０は、略Ｕ字形状の壁を形成し、反応ガスを最小抵抗の領域即ち一連の第１の支持要素８０の間の領域に向かって通過させる境界部を確立する。このようにして、反応ガスは、アノード流れ場２６に向かって差し向けられる。

ここで図４を参照して、アノード出口領域７２の作用を説明する。作動中には、アノード出口領域７２における第４の支持要素１１０は、反応ガスがアノード流れ場２６から一連の第３の支持要素１００の間に通過されたとき第４の方向Ｄ_４に反応ガスを拘束するように機能する。更に説明すると、第４の支持要素１１０は、略Ｕ字形状の壁を形成し、反応ガスが最小抵抗の領域又は１つ又は複数の出口アパーチャ７０を通って下るようにさせる（Ｄ_２、Ｄ_３及びＤ_４の方向における）境界部を確立する。

アノードプレート２０ａは、例えば、ステンレス鋼等の金属シートから構成されている。例えば打ち抜き又はシート金属を成形するための他の任意の適切なプロセス等の金属成形作業の間に、流れ場２６及び各々の支持要素８０、９０、１００及び１１０が、金属シートに成形される。一旦、所望の流れ場及び支持要素が金属シートに形成されたならば、入口アパーチャ６０及び出口アパーチャ７０は、各々の入口領域６２及び出口領域７２において穿孔される。これらの作業は、同時に又は順番になすことができ、逆の順番でさえ、成形品を穿孔することができる。入口アパーチャ６０及び出口アパーチャ７０は、例えば、レーザー切断等の任意の適切な製造プロセスにより成形される。アノードプレートの形態は、アパーチャ６０及び７０を成形するための好ましい平坦作用表面（アノード面２２の平坦表面Ａ）を与えている。詳しくは、各々のアパーチャ６０及び７０は、平坦表面Ａを貫通して単独に成形され、支持要素８０、９０、１００及び１１０に伴う高さ変化部分等、アノードプレート２０ａ上に構成された任意の高さ変化部分を通過することは必要とされない。

ここで図５を参照すると、更なる実施例に係るセパレータプレート２００が示されている。セパレータプレート２００は、第１の支持構造部２１２と、ランド２２２により画定された流れ場２２０とを有する、入口領域２１０を備えている。第１の支持構造部２１２は、該第１の支持構造部を通して反応ガスを流れ場２２０に向かって連通させるため、前方エッジに通路２１６を組み込んでいる。第１の支持構造部２１２は、出口領域に組み込まれていてもよく、通路は、流れ場から反応ガスをプレート２００から離れる方に連通するためのスロットを組み込んでいてもよいことが理解されよう。

ここで、セパレータプレート２００の成形工程を説明する。通路２１６は、最初に、例えばレーザー切除等の任意の適切な製造工程によって薄い金属シート内に成形される。流れ場２２０のランド２２２及び各々の支持構造は、例えば打ち抜き等の金属成形作業又はシート金属を成形するための他の任意の適切なプロセスの間に、金属シート内に順次成形される。ランススロットの成形及び支持構造の成形を同時になすことができ、又は、スリット形成作業を使用し次に成形作業を使用して別々になすことができる。或いは、その逆の順番でも可能である。

当業者は、本発明の幅広い教えを様々な形態で実施することができるということを前記した説明か理解することができる。例えば、本明細書の説明は、アノードプレートの入口及び出口領域に関しているが、同じ説明を、例えばカソードプレート等、燃料電池内に組み込まれた任意のセパレータプレートに適用することができる。同様に、入口の特徴部は、出口特徴部として使用することができ、その逆もまた可能である。その上、入口アパーチャ６０及び出口アパーチャ７０は、直線状のパターンで配列された状態で示されているが、例えば、互い違いの状態等の他のパターンを用いることもできる。従って、本発明は、その特定の例と関連して説明されたが、図面、明細書及び請求の範囲を研究したとき、当業者には他の変更が明らかとなるので、本発明の真の範囲を上記例に限定するべきではない。

図１は、一例としての燃料電池スタックの一部分の断面図である。 図２Ａは、第１のヘッダー部分を示す本発明の原理に従うセパレータプレートの部分斜視図である。

図２Ｂは、第２のヘッダー部分を示す図２Ａのセパレータプレートの部分斜視図である。
図３は、図２Ａのセパレータプレートの入口領域の詳細な斜視図である。 図４は、図２Ｂのセパレータプレートの出口領域の詳細な斜視図である。 図５は、本発明の追加の特徴に係るセパレータプレートの部分斜視図である。 図６は、追加の特徴に係る入口又は出口アパーチャの平面図である。

Claims (4)

1. ＰＥＭ燃料電池のためのセパレータプレートであって、
   入口ヘッダー、出口ヘッダー、及びその間の流れ場を有する１ピースの金属プレート部材；
   通過する流体を受け入れるように機能する、前記入口ヘッダーの第１のアパーチャ及び前記出口ヘッダーの第２のアパーチャ、前記第１及び第２のアパーチャは前記金属プレート部材を完全に貫いて形成されており、それぞれ一定の第１の高さの外縁部を有する；
   前記第１のアパーチャに近接し、第１の平面を画定する第１の高さから第２の平面を画定する第２の高さへと延在する一連の第１の支持要素；
   前記第１のアパーチャに近接して位置し、前記第１の平面から前記第２の平面へと延在する第２の支持要素、前記第２の支持要素は、流体が前記一連の第１の支持要素の間を前記流れ場の方へと第４の方向に向かうように、第１、第２、及び第３の方向において前記第１のアパーチャの境界となっている；
   前記第２のアパーチャに近接し、前記第１の平面から前記第２の平面へと延在する一連の第３の支持要素；
   前記第２のアパーチャに近接して位置し、前記第１の平面から前記第２の平面へと延在する第４の支持要素、前記第４の支持要素は、流体が前記第２のアパーチャの方へと前記第１の方向に向かうように、前記第２、第３、及び第４の方向において前記第２のアパーチャの境界となっている；
   を備え、前記第４の支持要素は前記第２のアパーチャの方へと延在する複数の指部を含んでおり、そして、前記第１のアパーチャは、前記一連の第１の支持要素と前記第２の支持要素との間に位置し、前記第２のアパーチャは、前記一連の第３の支持要素と前記第４の支持要素との間に位置する、セパレータプレート。
2. 前記入口ヘッダーは、一連の第１のアパーチャを含み、前記出口ヘッダーは、一連の第２のアパーチャを含む、請求項１に記載のセパレータプレート。
3. 前記一連の第１及び第３の支持要素は、前記第１の平面に沿って直線状パターンで配列されており、前記第１及び第２の一連のアパーチャは、前記第１の平面に沿って直線状のパターンに配列され、該パターンは前記一連の第１及び第３の支持要素にそれぞれ平行である、請求項２に記載のセパレータプレート。
4. 流体は、前記流れ場から前記一連の第２のアパーチャへと、前記一連の第３の支持要素の間を流れる、請求項３に記載のセパレータプレート。

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