(57)【要約】  アノードおよびカソード・プレートの間に配置された補強材を含んでアセンブリを補強する燃料電池二極性プレート・アセンブリを開示する。
2008527645.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード・プレートと、
カソード・プレートと、
それらの間に配置された補強材シートとを備え、前記補強材シートが、前記アノードおよびカソード・プレートに前記補強材シートを固定するために前記補強材シートに結合された接着剤を有する、
燃料電池二極性プレート・アセンブリ。
【請求項２】
前記補強材がカーボン・ファイバー布である、請求項１に記載の燃料電池二極性プレート・アセンブリ。
【請求項３】
前記補強材が接着剤を予め含浸させてある、請求項１に記載の燃料電池二極性プレート・アセンブリ。
【請求項４】
前記補強材が接着剤で被覆されている、請求項１に記載の燃料電池二極性プレート・アセンブリ。
【請求項５】
前記アノードおよびカソード・プレートがそれぞれ前記接着剤が被覆された１つの面を有する、請求項１に記載の燃料電池二極性プレート・アセンブリ。
【請求項６】
アノード・プレートと、
カソード・プレートと、
それらの間に配置された補強材シートとを備え、前記シートが前記アノードおよびカソード・プレートのマニホルド領域を囲み、前記アノード・プレートおよび前記カソード・プレートから選択された少なくとも１つのプレートの活動領域を被覆なしのままにしておき、前記補強材シートが前記アノードおよびカソード・プレートに前記補強材シートを固定するための接着剤を有する、
燃料電池二極性プレート・アセンブリ。
【請求項７】
前記補強材が紙である、請求項６に記載の燃料電池二極性プレート・アセンブリ。
【請求項８】
前記補強材がグラスファイバーである、請求項６に記載の燃料電池二極性プレート・アセンブリ。
【請求項９】
前記補強材シートが前記アノード・プレートおよび前記カソード・プレートから選択された少なくとも１つのプレートの活動領域を構成する、請求項６に記載の燃料電池二極性プレート・アセンブリ。
【請求項１０】
アノード・プレートを設けることと、
カソード・プレートを設けることと、
前記アノード・プレートと前記カソード・プレートの間に補強材シートを固定することとを含む、
燃料電池二極性プレート・アセンブリを製造する方法。
【請求項１１】
前記補強材が前記アノード・プレートに面する第１の面と、前記カソード・プレートに面する第２の面とを有し、前記方法が、前記第１および第２の面の少なくとも１つに接着剤を塗布することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記アノード・プレートが前記カソード・プレートに面する第１の面を有し、前記カソード・プレートが前記アノード・プレートに面する第２の面を有し、前記方法が、前記第１および第２の面の少なくとも１つに接着剤を塗布することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記アノード・プレートおよび前記カソード・プレートの少なくとも１つが複数の溝によって画定される活動領域を有し、前記補強材が前記活動領域を被覆しない、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記アノード・プレートおよび前記カソード・プレートの少なくとも１つがマニホルド領域を画定する少なくとも１つの開口部を有し、前記補強材が前記マニホルド領域を被覆しない、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
接着剤を硬化することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
少なくとも１つの開口部、第１の面、および第２の面を有し、少なくとも前記第１の面が複数の溝を有するアノード・プレートと、
少なくとも１つの開口部、第１の面、および第２の面を有し、少なくとも前記第１の面が複数の溝を有するカソード・プレートと、
前記アノード・プレートの前記第２の面と前記カソード・プレートの前記第２の面の間に配置され、カーボン・ファイバー布が少なくとも１つの開口部を有するカーボン・ファイバー布補強材とを備え、
前記補強材が、前記アノード・プレートの前記第２の面および前記カソード・プレートの前記第２の面の少なくとも１つに接着接合され、前記アノード・プレートの少なくとも１つの開口部が、前記カソード・プレートの少なくとも１つの開口部および前記カーボン・ファイバー布の少なくとも１つの開口部と概ね位置合わせされた、
燃料電池二極性プレート・アセンブリ。
【請求項１７】
前記アノード・プレートの少なくとも前記第１の面上の前記複数の溝が第１の活動領域を画定し、前記カソード・プレートの少なくとも前記第１の面上の前記複数の溝が第２の活動領域を画定し、前記補強材が前記第１の活動領域および前記第２の活動領域の両方を被覆なしのままにしておく、請求項１６に記載の燃料電池二極性プレート・アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００５年１月１０日付申請米国仮出願６０／６４２６５３の利益を主張し、そのすべての内容は、ここに参照により組み込まれる。
【０００２】
燃料電池二極性プレート・アセンブリ（ｆｕｌｌ  ｃｅｌｌ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｐｌａｔｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）、より具体的には、補強された燃料電池二極性プレート・アセンブリを開示し、記載する。
【背景技術】
【０００３】
燃料電池は、燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーおよび熱に変換する装置である。その最も単純な形態では、燃料電池は電解質によって分けられたアノードおよびカソードの２つの電極を備える。作動中、ガス分配装置はアノードおよびカソードに燃料および酸化剤をそれぞれ供給する。典型的には、燃料電池は酸化剤として空気中の酸素を、燃料として水素ガス（炭化水素を改質することによって生成される水素を含む）を使用する。その他の有望な燃料としては、数ある中で改質ガソリン、メタノール、エタノール、および圧縮天然ガスが含まれる。高分子電解質膜（「ＰＥＭ」）燃料電池については、このそれぞれの燃料は水素燃料へ改質されなければならない。しかし、直接メタノール型燃料電池では、メタノールそのものが燃料である。燃料はアノードで酸化されて、陽子および電子を生成する。陽子は、電解質を介してカソードへと拡散し、そこで酸素および電子と結合して水および熱を生成する。電解質が電子の流れに対する障壁として作用するので、電子は、燃料電池によって生成された電力を消費する動力装置または他の電気負荷を含む外部回路を経由してアノードからカソードへ移動する。
【０００４】
完全な燃料電池は、一般に一対のセパレータ・プレートまたはプレート・アセンブリを電解質のいずれかの側に含む。導電性バッキング層（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｂａｃｋｉｎｇ  ｌａｙｅｒ）も各プレートと電解質の間に設けられて、電子が電極層の中および外へ自由に移動することが可能になるようにできる。機構に関する支持を提供する他に、プレート・アセンブリは燃料電池内の流体流れ経路を画定し、化学反応物の酸化および還元によって生成される電流を集める。プレート・アセンブリは気体不浸透性であり、電解質に面する１つまたは両方の面上に形成されるチャネルまたは溝を有する。チャネルは、燃料電池に流入し、そこから流出する燃料、酸化剤、水、および任意の冷媒または熱媒液を含む流体（気体および液体）を分配する。各プレート・アセンブリはまた、一連の燃料電池にわたって燃料、酸化剤、水、冷媒および任意の他の流体を分配するプレートを介して延在する１つまたは複数の開口部を有してよい。各プレート・アセンブリは、グラファイト、アルミニウム、他の金属、および熱硬化性または熱可塑性高分子マトリクスに埋め込まれたグラファイト粒子などの複合材料を含む電子伝導材料からなる。そのエネルギー送出能力を増加するために、燃料電池は典型的には、各プレート対または各プレート・アセンブリ対の間に電解質を有するセパレータ・プレート対またはプレート・アセンブリ対の積層配置で与えられる。この配置では、プレート・アセンブリの一方の側は、１つの燃料電池のアノードに近接および接触して配置されるが、プレート・アセンブリの他方の側は別の燃料電池のカソードに近接および接触して配置されよう。したがって、セパレータ・プレート・アセンブリは「二極性」と称される。
【０００５】
典型的な二極性プレート・アセンブリは、導電性接着剤を使用して一緒に接合したアノード・プレートおよびカソード・プレートを含む。上記に示したように、冷媒チャネルは、一方のプレート上の溝が平坦な面に対合する、または他方のプレート上に整合するために、典型的にアセンブリ・プロセスによって形成される。二極性プレート・アセンブリはより薄く（＜１ｍｍ）ならざるを得ないので、プレートの強度が低下する。上記で述べた開口部は反応物の供給および生成物の除去のためのマニホルド穴を画定する。この領域は特に亀裂が入りやすい。したがって、アセンブリの厚みを著しく増加することなく、より強度のある二極性プレート・アセンブリの必要性がある。
【発明の要約】
【０００６】
燃料電池二極性プレート・アセンブリは、アノード・プレート、カソード・プレート、およびそれらの間に配置された補強材シートを備え、この補強材シートはアノードおよびカソード・プレートに前記補強材シートを固定するために補強材シートに結合された接着剤を有する。一つの実施形態では、補強材はカーボン・ファイバー布である。別の実施形態では、補強材は接着剤が予め含浸させてある。他の実施形態では、補強材は、接着剤が被覆されている。さらに別の実施形態では、アノードおよびカソード・プレートそれぞれは、接着剤が被覆された１つの面を有する。
【０００７】
燃料電池二極性プレート・アセンブリは、アノード・プレート、カソード・プレート、およびそれらの間に配置された補強材シートを含む。補強材シートは、アノードおよびカソード・プレートのマニホルド領域を囲み、アノード・プレートおよびカソード・プレートから選択された少なくとも１つのプレートの活動領域を被覆なしのままにしておく。補強材シートは、補強材シートをアノードおよびカソード・プレートに固定するために接着剤を有する。一つの実施形態では補強材は活動領域を構成する。別の実施形態では、補強材は紙である。さらに別の実施形態では、補強材はグラスファイバーである。
【０００８】
燃料電池アセンブリを製造する方法は、アノード・プレートを設けること、カソード・プレートを設けること、およびアノード・プレートとカソード・プレートの間に補強材シートを固定することを含む。一つの実施形態では、補強材はアノード・プレートに面する第１の面と、カソード・プレートに面する第２の面とを有し、この方法は第１および第２の面の少なくとも１つに接着剤を塗布することをさらに含む。他の実施形態では、アノード・プレートはカソード・プレートに面する第１の面を有し、カソード・プレートはアノード・プレートに面する第２の面を有し、この方法は第１および第２の面の少なくとも１つに接着剤を塗布することをさらに含む。さらに別の実施形態では、この方法は接着剤を硬化させることをさらに含む。
【０００９】
燃料電池アセンブリは、少なくとも１つの開口部、第１の面、および第２の面を有するアノード・プレートを備え、少なくともこの第１の面は複数の溝を有する。アセンブリはさらに、少なくとも１つの開口部、第１の面、および第２の面を有するカソード・プレートを備え、少なくともこの第１の面は複数の溝を有する。カーボン布補強材は、アノード・プレートの第２の面とカソード・プレートの第２の面の間に配置される。この補強材は少なくとも１つの開口部を有する。補強材はアノード・プレートの第２の面およびカソード・プレートの第２の面の少なくとも１つに接着接合され、アノード・プレートの少なくとも１つの開口部は、カソード・プレートの少なくとも１つの開口部およびカーボン・ファイバー布の少なくとも１つの開口部と概ね位置合わせされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１を参照して、補強された二極性燃料電池セパレータ・プレート・アセンブリ１０の実施形態を示す。プレート・アセンブリ１０は、アノード・プレート１２およびカソード・プレート１４を備える。アノード・プレート１２およびカソード・プレート１４の両方は、グラファイト、アルミニウム、または他の金属などの電子伝導材料を備える。熱硬化性または熱可塑性高分子マトリクスに埋め込まれたグラファイト粒子などの複合材料が好ましい。ビニル・エステル高分子マトリクスに埋め込まれたグラファイト粒子が特に好ましい。積層された燃料電池配置で使用されるとき、カソード・プレート１４の面１８は第１の燃料電池カソード（図示せず）に近接して配置される。したがって、面１８は、燃料電池に流入し、そこから流出する気体および液体（例えば、燃料電池に流入する酸素および燃料電池から流出する水）を分配するための構造体を含む。比例しておよび均一にこの種の材料を分配するために、構造体は面１８上に設けられたチャネルまたは溝２０を備えることが好ましい。加えて、カソード・プレート１４は、別のセパレータ・プレート上の対応する開口部（以下に述べるようなアノード・プレート１２上の開口部２４など）と協働して燃料、酸化剤、水、冷媒、および任意の他の流体を一連の燃料電池にわたって分配するためのマニホルドを画定する１つまたは複数の開口部２２を含んでよい。
【００１１】
アノード・プレート１２はカソード・プレート１４と同様に構成されてよい。アノード・プレート１２は、カソード・プレート１４から外方に面する面１９（図示せず）を含む。積層された燃料電池配置では、面１９は第２の燃料電池のアノードに近接して配置される。カソード・プレート１４の面１８のように、面１９は、チャネルおよび溝のような、燃料電池に流入し、そこから流出する気体および液体（例えば燃料電池に流入する水素）を分配するための構造体を含んでよい。また、アノード・プレート１２は、開口部２２と協働し、この開口部２２に概ね位置合わせされてマニホルドを画定する開口部２４も含んでよい。
【００１２】
一つの実施形態では、図１に示すように、補強材１６がアノード・プレート１２とカソード・プレート１４の間に設けられる。補強材１６は導電性または非導電性であってよい。しかし、補強材は導電性であること、またはアノード・プレート１２とカソード・プレート１４の間の導電を可能にするように構成されることが好ましい。また軽量であることも好ましい。一つの例示的な実施形態では、補強材１６はカーボン・ファイバー布シートを備える。しかし、紙、グラスファイバー、金属、プラスチック・スクリーン、またはプラスチック・フレームなどの他の補強材もまた使用されてよい。アノード・プレート１２およびカソード・プレート１４が２２および２４のような開口部を含む場合、補強材１６は、プレート・アセンブリ１０を介して流れ経路を設けるために開口部２２および２４と概ね位置合わせされた対応する開口部１７が設けられることが好ましい。
【００１３】
アノード・プレート１２およびカソード・プレート１４は既知の接着剤を使用して一緒に接合されることが好ましい。一つの例示的な実施形態では、各プレートは補強材１６に施された接着剤に結合される。補強材１６が接着剤を予め含浸されていてもよく、または接着剤がアセンブリ時に補強材に（例えば被覆によって）加えられてもよい。また、個別のセパレータ・プレートがそのプレートに被覆した接着剤を備えていてもよい。接着剤は、標準的な製造接合技術（ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｂｏｎｄｉｎｇ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）を使用して接着剤に適切な時間および温度で硬化させることが好ましい。２つのアセンブリが積層配置で結合される一つの例示的な実施形態では、アセンブリは約３１５°Ｆ（１５７．２℃）、約１６，０００ポンド・フォース（７１ｋＮ）で約３分間、プレス機に置かれる。
【００１４】
補強されたセパレータ・プレート・アセンブリの第２の実施形態を図２に示す。この実施形態では、補強材２６は、開口領域２７を設けてあるフレームまたは他の構造を備える。図１の補強材１６とは異なり、補強材２６はアノード・プレート１４およびカソード・プレート１６の活動領域（すなわち溝２０によって画定されるプレート領域）を被覆なしのままにしておく。開口部２２および２４がアノード・プレート１２およびカソード・プレート１４上に設けられる場合、補強材２６は開口部を被覆しないように構成されることが好ましい。例示的な実施形態では、補強材２６は図１の補強材１６の開口部１７と同様の開口部を含む。活動領域は被覆されていないので、補強材２６は非導電性であってよく、これはなぜならアノード・プレート１２およびカソード・プレート１４はお互いに電気接触し続けるからである。一つの例示的な実施形態では、補強部材２６は紙フレームを備える。しかし、カーボン・ファイバー布、グラスファイバー、プラスチック、または金属構造物などの他の適切な材料が使用されてよい。前の実施形態と同様に、補強材２６が接着剤を予め含浸されていてもよく、または接着剤がアセンブリ時に補強材に加えられてもよい。アノード・プレート１２およびカソード・プレート１４はその上に被覆された接着剤を有してもよい。接着剤は、次いで上記で述べたように標準的な製造接合技術を好ましくは使用して硬化される。
【００１５】
燃料電池二極性アセンブリを製造する方法の実施形態をここで述べる。再び図１を参照すると、アノード・プレート１２およびカソード・プレート１４が設けられる。カソード・プレート１４は上記で述べたように複数の溝またはチャネル２０を好ましくは含む第１の面１８を有する。カソード・プレート１４はまた、マニホルドを画定するために１つまたは複数の開口部２２を含むことが好ましい。同様にアノード・プレート１２は好ましくは複数のチャネルおよび溝（図示せず）を備える面１９（図示せず）、およびマニホルドを画定するための１つまたは複数の開口部２４を含む。
【００１６】
この方法によって、補強材１６が設けられる。補強材１６は上記で述べたカーボン・ファイバー布または他の材料を備えることが好ましい。接着剤は、アノード・プレート１２およびカソード・プレート１４にそれぞれ面する補強材１６の１つまたは両方の面に塗布される。加えて、接着剤はお互いに面するアノード・プレート１２およびカソード・プレート１４の面に直接塗布されてよい。図１に示すように、補強材１６はマニホルドを画定するために、カソード・プレートの開口部２２およびアノード・プレートの開口部２４に概ね位置合わせされた１つまたは複数の開口部１７を含むことが好ましい。接着剤は次いで、標準的な接合技術（ｂｏｎｄｉｎｇ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）を使用してその接着剤に適切な時間および温度で硬化させることが好ましい。上記で述べたように、２つのアセンブリが積層配置で結合される一つの例示的な実施形態では、アセンブリは約３１５°Ｆ（１５７．２℃）、約１６，０００ポンド・フォース（７１ｋＮ）で約３分間、プレス機に置かれる。接着接合の使用に加えて、または代えて、アノード・プレート１２およびカソード・プレート１４は適所に補強材１６を保持するために機械的に留められてよい。
【００１７】
前述の方法はまた図２のアセンブリ１０を製造するためにも使用することができる。図に示すように、カソード・プレート１４上の複数の溝またはチャネル２０は、カソード・プレート１４の活動領域を画定する。図に別々に示していないが、アノード・プレート１２は、アノード・プレート１２の活動領域をやはり画定する面１９上の複数の溝を含むことが好ましい。上記で説明したように、この実施形態によると、補強材２６は、アノード・プレート１２およびカソード・プレート１４の１つまたは両方の活動領域に概ね位置合わせされるように配置される開口領域２７を含む。加えて、補強材２６は開口部２２または２４を被覆しないように配置されることが好ましい。図１の実施形態のように、補強材２６は補強材１６上の開口部１７のように補強材自体の開口部を含んでよい。この場合、補強材の開口部はマニホルドを画定するために、アノード・プレートの開口部２４およびカソード・プレートの開口部２２と概ね位置合わせされることが好ましい。
【００１８】
本発明は、発明を行うための最良の形態の単なる例示である前述の実施形態に関して特に示し、述べてきた。本明細書で述べた本発明の実施形態の様々な代替は、特許請求の範囲で規定されるような本発明の精神および範囲から逸脱することなく本発明の実施に使用されてよいことは当業者は理解されたい。特許請求の範囲は本発明の範囲を規定し、この請求項の範囲内の方法および装置ならびにそれらの均等物がそれによって保護されることが意図される。本発明のこの説明は、本明細書に記載した要素のすべての新規な、および非自明の組合せを含むことを理解されたい。また、この要素の任意の新規な、および非自明の組合せに対して本出願または以降の出願で特許請求を行う可能性がある。さらに、前述の実施形態は例示であり、どの単一の特徴または要素も、本出願、または以降の出願で特許請求され得るすべての可能性のある組合せに対して不可欠というわけではない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】二極性燃料電池セパレータ・プレート・アセンブリの第１の実施形態の概略図である。
【図２】二極性燃料電池セパレータ・プレート・アセンブリの第２の実施形態の概略図である。
【図１】
2008527645.tif 000003
【図２】
2008527645.tif 000004
【国際調査報告】
2008527645.tif 000005
2008527645.tif 000006
2008527645.tif 000007