JP5076131B2 - ガス拡散ユニット - Google Patents

Description

本発明は、平面的に形成された少なくとも２つのガス拡散層であってその周縁部にシールが配置されているガス拡散層を含む、燃料電池用のガス拡散ユニットに関する。

燃料電池は、個々の電池を互いに接触させて並べたものから構成される。このような燃料電池は、さらにしばしば冷却用の付加的な構成要素が組み込まれている、いわゆるスタック又はセル積層体を形成する。その場合、スタックは、５００個までの個々の電池から構成することができる。１つのセルは層形式の構造を特徴としており、セルは、ガス分配構造を有する２つの二極板（バイポーラプレート）によって形成された配列と、２つのガス拡散層と、触媒膜の形態の１つの反応層とから構成される。この場合、それぞれ２つのガス拡散層は、反応層を取り囲み、１つの膜電極配列を形成している。膜電極配列又は二極板には、リークを回避するためにシールが設けられている。リークは、燃料電池の破壊を引き起こす可能性があり、また燃料電池の効率を低下させる。米国特許出願第２００３／００８２４３０号明細書から、シールが、平面的に形成されたガス拡散層に射出成形された（に接着するよう射出成形された）ガス拡散ユニットが知られている。この場合、組立の際に、ガス拡散層及び反応層の接触領域並びにガス拡散層及び二極板の接触領域がリークなしで密閉されるように、ガス拡散層を互いに正確に位置合わせすることは難しい。

よって、本発明の課題は、より簡単で且つ安全に密閉して組立可能なガス拡散ユニットを提供することである。

この課題は、請求項１の特徴によって解決される。有利な実施態様には、従属請求項が関連している。

この課題を解決するために、少なくとも２つのガス拡散層が関節式に（gelenkig、折り曲げ可能に）互いに結合されている。この場合、製造完了した状態では、ガス拡散層の間に１つの膜が配置されている。この関節式の結合によって旋回軸が得られ、この旋回軸の周りを、ガス拡散層が互いに相対的に旋回可能であるようになっている。膜−電極ユニットを製造するには、まず膜を層の間に配置し、次いでガス拡散層を上下に重ね合わせて旋回させる。この規定された旋回運動によって、両ガス拡散層とこのガス拡散層のシールとが確実に位置合わせされて重ね合わせて配置される。シールの正確な位置合わせによって、高い信頼性でリークが阻止される。別の実施態様では、シールを、ポリマー材料からなる支持枠上に配置することができる。

ガス拡散層のシールは、互いに結合していてよい。この結合によって、簡単な手段で且つ付加的な部材なしに、ガス拡散層の可動な結合体を得ることができる。

シールは、単一成分材料で且つ一体的に形成することができる。それによって、ガス拡散層のシールが互いに結合されている。このシールは、安価に製造可能である。

このシールは、結合ストリップによって互いに結合することができる。この場合、結合ストリップは、ガス拡散層を旋回可能に互いに結合させるフィルムヒンジである。結合ストリップは、同時に、製造時には材料の溢流を可能にする規定された領域となっている。これによって、全てのシールの製造を一作業工程で実施することができる。

別の実施態様では、シールは、ウェブによって互いに結合することができる。このウェブは、同様に旋回可能で、さらに材料を節約するガス拡散層の結合部となる。

結合ストリップ又はウェブは、少なくとも片側に長手方向に延在する切欠又はテーパ部（先細になっている部分）を有していてよい。この切欠及びテーパ部によって、運動軸のより正確な固定及びこれによるガス拡散層の良好な位置合わせが得られ、これによって、より良好な密閉効果が得られる。

シールは、弾性ポリマー材料から構成することができる。エラストマー材料は、弾性的、高変形可能に且つ簡単に加工できる。シールは、例えばシリコーン、ＦＫＭ（フルオロエラストマー）、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンモノマー）、ＰＩＢ（ポリイソブチレン）、ＰＵ（ポリウレタン）、ＢＲ（ブタジエン）又はそれらからなる混合物からなっていてよい。混合によって、目的に合致するように個々の材料の有利な性質を組み合わせることができる。フルオロエラストマーは、燃料電池環境で特に有利であることが実証されている良好な耐温度性及び耐化学薬品性を特徴とする。

別の実施態様では、シール材料として熱可塑性材料、例えば熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）も考えられる。熱可塑性エラストマーは、特に、熱可塑性材料のように短い工程時間で加工できるという長所を有する。

上記の全ての材料の長所は、形状付与による方法（成形）で加工できることである。

ガス拡散層へシールを取り付けるために考え得る製造方法は、射出成形、プレス、接着及び注型である。

ここで、プレスは、特に、工具及び機械のコストが低いことによって好ましい製造方法であって、この方法により、シールを燃料電池に典型的な小さい公差で且つ高い寸法維持性を有するように製造することが可能となる。

接着は、種々のシールの態様をガス拡散層の種々の態様と組み合わせることができるモジュール方式の製造を可能にし、その柔軟性によって特に部品点数がより少ない場合に適している。

シールは、ガス拡散層に射出する（ガス拡散層と接着するように若しくは一体となるように射出する）ことができる。射出成形法は量産に適した製造方法である。前記ガス拡散層への射出によって、ガス拡散層の間に配置された反応層を完全に取り囲むことができる取り囲みシールが形成され、これにより、リークが回避される。射出成形法の場合、ガス拡散層へ射出されるシール材料がガス拡散層内に侵入していると有利である。この侵入は、特に不織布から形成されているガス拡散層の場合に得られる。それによって、密閉効果並びにハンドリング性がさらに改善される。

シールは、少なくとも部分的に取り囲む少なくとも１つのシール突起（Dichtwulst）を有することができる。前記シール突起は、特にＶ字形に形成することができる。シール突起は密閉作用を改善し、膜−電極ユニットの組立を簡単にする。組み立てのために互いに結合されたガス拡散層は、その間に配置された膜と共に、例えば二極板の間のねじ結合によって互いに押し付けられている。シール突起は接触面が小さいので、押圧力は最初は小さいが、圧縮力の増加とともに連続的に上昇する。シール突起が完全に圧縮された後は、平面的に形成されている隣接するシール領域が係合し、押圧力が超比例的に大きく上昇するので、これは、正確な押圧力及びそれによる密閉力に対する指標となり得る。それによって、過度に大きい押圧力によるシールの過剰圧縮が回避される。さらに、シール突起は、密閉される表面の公差及び凹凸性を補償する。

ガス拡散ユニットの厚みは２ｍｍ未満であってよい。これにより、特に携帯式の用途又は小型電気機器のための、特にコンパクトな燃料電池の構成が可能となる。

シールは、少なくとも部分的に取り囲む少なくとも１つのシール突起と、少なくとも１つの取り囲む凹部とを有していてよく、この場合、凹部は、シール突起に隣接して配置されている。前記凹部は、押圧力が増加した際にシール突起の材料が侵入できる空間を提供する。これによって、シール突起の亀裂又は折曲げを引き起こし得る大きな拡延（膨張）が回避される。密閉作用は向上する。

シールは、さらに、二極板内で反応媒体及び冷媒を供給するための貫通部の周りを取り囲むことができる。この領域は、組立時のシールのオフセット（ずれ）の影響を特に受けやすいので、本発明はここでも付加的な長所を提供する。この方法により、１つのシールエレメントを用いるだけで、燃料電池シールに対する様々な要求が低いコストで満たされる。

ガス拡散層は不織布を含むことができる。不織布はコスト的に有利であり、安定したガス拡散層を形成する。さらに、不織布は、シール材料に対する良好な付着下地を形成し、それというのは、不織布の多孔性によってシール材料が不織布の中に侵入できるからである。その場合、不織布は、基本的に炭化されている。その場合、ガス拡散層は、多孔質の炭素繊維体又は炭素物体を含む不織布を有することができる。炭素繊維により、ガス拡散層の電気伝導性が改善される。

以下に、本発明に係るガス拡散ユニットのいくつかの実施例を、図面を利用してより詳しく説明する。各図は概略図である。

図１に、平面状に形成された２つのガス拡散層３からなる燃料電池２用のガス拡散ユニット１を示す。ガス拡散層３は、炭化不織布からなり、ガス拡散層３の周縁部にはシール４が配置されている。シール４は、本実施態様では、シリコーンを含む組成物からなり、射出成形法を利用してガス拡散層３に固定されており、シール材料は不織布の孔の中へと侵入している。別の実施態様で、シールは、熱可塑性エラストマー、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンモノマー）、ＰＩＢ（ポリイソブチレン）、ＰＵ（ポリウレタン）、ＢＲ（ブタジエン）又はシリコーンを含む前記材料からなる組成物からなっていてよい。両ガス拡散層３のシール４は、単一成分材料で且つ一体に形成されており、本実施態様では、結合ストリップ５を介して互いに結合されている。結合ストリップ５によって両ガス拡散層３が関節式に互いに結合される。

図２は、図１記載のガス拡散ユニット１を示し、シール４は本実施態様ではウェブ６によって互いに結合されている。

図３〜５に、膜９がガス拡散層３の間に配置されているガス拡散ユニット１の製造ステップを示す。膜９はポリマーからなる。製造するには、膜９をガス拡散層３上に配置し、両方のガス拡散層３を重なり合うように旋回させ、これにより、膜９がガス拡散層３の間に配置される。ガス拡散層３の関節式の結合によって、ガス拡散層の旋回運動は規定され、それにより、両方のガス拡散層３は自動的にセンタリングされ、シール４が互いに向かい合わせに当接し、それによって膜９が両側で密閉される。

シール４は、組立後に膜９とは反対の側に配置され且つ二極板（図示せず）の方向を向いた取り囲むシール突起７を有する。図５に示したシール４は、シール突起７の他にさらに、それを取り囲む２つの凹部８を有し、その凹部は、シール突起７の両側に隣接して配置されている。

図６に、携帯用の燃料電池２を示す。燃料電池２の中に配置されたガス拡散ユニット１は、１ミリメートル未満の厚みを有する。

図７に、図１記載の実施態様では結合ストリップ５によって、また図２記載の実施態様ではウェブ６によって形成されたガス拡散層３の結合体を示す。この結合体は、ほぼ中心に両側に切欠１０を有する。図８記載の実施態様では、結合体は、ほぼ中心に両側に円弧状のテーパ部１１を有する。

図９は、図１のガス拡散ユニット１を示し、シール４は、付加的に、反応媒体供給部１２の領域を取り囲んでいる。

結合ストリップを有するガス拡散ユニットを示す。 結合ストリップを有するガス拡散ユニットを示す。 射出成形法工程後のガス拡散ユニットを示す。 挿入された反応層を有するガス拡散ユニットを示す。 完成したガス拡散ユニットを示す。 本発明に係るガス拡散ユニットを有する燃料電池を示す。 ガス拡散ユニットのテーパ部を有する関節式結合を示す。 ガス拡散ユニットの接着された関節式結合を示す。 反応媒体供給部の領域周りに結合ストリップとシールエレメントとを有するガス拡散ユニットを示す。

Claims (14)

1. 平面的に形成され且つ周縁部にシール（４）が配置された少なくとも２つのガス拡散層（３）を含む、燃料電池（２）用のガス拡散ユニット（１）であって、
   前記少なくとも２つのガス拡散層（３）が、関節式に互いに結合されている、ガス拡散ユニット。
2. 前記ガス拡散層（３）の前記シール（４）が互いに結合されている、請求項１記載のガス拡散ユニット。
3. 前記シール（４）が、単一成分材料で且つ一体に形成されている、請求項１又は２記載のガス拡散ユニット。
4. 前記シール（４）が、結合ストリップ（５）によって互いに結合されている、請求項２又は３記載のガス拡散ユニット。
5. 前記シール（４）が、ウェブ（６）によって互いに結合されている、請求項２又は３記載のガス拡散ユニット。
6. 前記結合ストリップ（５）又はウェブ（６）が、少なくとも片側に結合ストリップ（５）の長手方向に延在する切欠（１０）又はテーパ部（１１）を有する、請求項４又は５記載のガス拡散ユニット。
7. 前記シール（４）が弾性ポリマー材料からなる、請求項１から６のいずれか１項に記載のガス拡散ユニット。
8. 前記シール（４）が、シリコーン、ＦＫＭ、ＥＰＤＭ、ＰＩＢ、ＴＰＥ又はそれらからなる混合物からなる、請求項１から７のいずれか１項に記載のガス拡散ユニット。
9. 前記シール（４）が、成形法によって製造されている、請求項１から８のいずれか１項に記載のガス拡散ユニット。
10. 前記シール（４）が、前記ガス拡散層（３）に射出されている、請求項１から９のいずれか１項に記載のガス拡散ユニット。
11. 前記シール（４）が、少なくとも部分的に取り囲む少なくとも１つのシール突起（７）を有する、請求項１から１０のいずれか１項に記載のガス拡散ユニット。
12. 前記ガス拡散層（３）の厚みが２ｍｍ未満である、請求項１から１１のいずれか１項に記載のガス拡散ユニット。
13. 前記シール（４）が、少なくとも部分的に取り囲む少なくとも１つのシール突起（７）と、少なくとも部分的に取り囲む少なくとも１つの凹部（８）とを有し、前記凹部が、前記シール突起（７）に隣接して配置されている、請求項１から１２のいずれか１項に記載のガス拡散ユニット。
14. 前記シール（４）が、付加的に、二極板内に反応媒体（１２）を供給するための貫通部を密閉する、請求項１から１３のいずれか１項に記載のガス拡散ユニット。

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