(57)【要約】例示的な燃料電池シールアッセンブリ５６が、第１のガス拡散層１８の外側横方向縁部６０、膜電極アッセンブリ５０の外側横方向縁部６４および第２のガス拡散層２２の外側横方向縁部６８の少なくとも１つを通る燃料電池の流体の流れを制限するように構成されたシールを備えている。第１のガス拡散層１８の外側横方向縁部６０は、第２のガス拡散層２２の外側横方向縁部６８から横方向に離間している。燃料電池の境界部８４をシールする例示的な方法が、第１のガス拡散層１８の外側に面した縁部６０および第２のガス拡散層２２の外側に面した縁部６８の少なくとも一方を通る流れを制限するように構成されたシールを用いて、燃料電池の流体の流れを制限することを含む。第１のガス拡散層１８の外側に面した縁部６０は、第２のガス拡散層２２の外側に面した縁部６８から離間している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のガス拡散層の外側横方向縁部、膜電極アッセンブリの外側横方向縁部および第２のガス拡散層の外側横方向縁部の少なくとも１つを通る燃料電池の流体の流れを制限するように構成されたシールを備え、
前記第１のガス拡散層の外側横方向縁部は、前記第２のガス拡散層の外側横方向縁部から横方向に離間していることを特徴とする燃料電池のシールアッセンブリ。
【請求項２】
前記膜電極アッセンブリの外側横方向縁部は、前記第１のガス拡散層の外側横方向縁部から離間し、前記膜電極アッセンブリの外側横方向縁部は、前記第２のガス拡散層の外側横方向縁部から横方向に離間していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のシールアッセンブリ。
【請求項３】
前記シールの一部が、前記第１のガス拡散層、前記膜電極アッセンブリおよび前記第２のガス拡散層の少なくとも１つの一部内に充填されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のシールアッセンブリ。
【請求項４】
前記シールは、燃料電池プレートに対してシールするように構成された少なくとも１つのシールビードを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のシールアッセンブリ。
【請求項５】
前記シールは、前記第１のガス拡散層、前記膜電極アッセンブリおよび前記第２のガス拡散層の周縁部の周囲に固定されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のシールアッセンブリ。
【請求項６】
前記第１のガス拡散層の外側横方向縁部は、前記燃料電池のシールアッセンブリの第１の外側側部において前記第２のガス拡散層の外側横方向縁部を越えて横方向に延び、前記第２のガス拡散層の外側横方向縁部は、前記第１の外側側部を横切る第２の外側側部において前記第１のガス拡散層の外側横方向縁部を越えて横方向に延びることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池のシールアッセンブリ。
【請求項７】
前記シールは、射出成形されたシールであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のシールアッセンブリ。
【請求項８】
前記シールは、均一な片であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のシールアッセンブリ。
【請求項９】
前記第１のガス拡散層の外側横方向縁部、前記膜電極アッセンブリの外側横方向縁部および前記第２のガス拡散層の外側横方向縁部は、前記燃料電池のシールアッセンブリの同じ側から外側に面することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のシールアッセンブリ。
【請求項１０】
膜電極アッセンブリと、
前記膜電極アッセンブリの側と向かい合って配置され、第１の方向に面する外側横方向縁部を有した第１のガス拡散層と、
前記膜電極アッセンブリの反対側と向かい合って配置され、前記第１の方向に面する外側横方向縁部を有した第２のガス拡散層と、
前記第１のガス拡散層の外側横方向縁部、第２のガス拡散層の外側横方向縁部またはこれらの双方を通る流れを制限するように構成されたシールと、
を備え、
前記第１のガス拡散層の外側横方向縁部と、前記第２のガス拡散層の外側横方向縁部とは、互いに横方向に離間していることを特徴とする燃料電池スタック構成。
【請求項１１】
前記膜電極アッセンブリは、高分子電解質膜を備えることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池スタック構成。
【請求項１２】
前記第１のガス拡散層の外側横方向縁部と、前記第２のガス拡散層の外側横方向縁部とは、互いに平行に整列していることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池スタック構成。
【請求項１３】
前記第１のガス拡散層の外側横方向縁部は、前記第２のガス拡散層の外側横方向縁部を越えて横方向に延びることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池スタック構成。
【請求項１４】
前記第１のガス拡散層は、前記第１の方向に垂直な第２の方向に面する第２の外側横方向縁部を備え、前記第２のガス拡散層は、前記第２の方向に面する第２の外側横方向縁部を備え、前記第２のガス拡散層の第２の外側横方向縁部は、前記第１のガス拡散層の第２の外側横方向縁部を越えて横方向に延びることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池スタック構成。
【請求項１５】
前記膜電極アッセンブリの周縁部の周囲のフレームをさらに備え、前記フレームは、前記膜電極アッセンブリの外側横方向縁部を通る流れを制限するように構成されることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池スタック構成。
【請求項１６】
第１のガス拡散層の外側に面する縁部および第２のガス拡散層の外側に面する縁部の少なくとも一方を通る流れを制限するように構成されたシールを用いて、燃料電池の流体の流れを制限することを含み、
前記第１のガス拡散層の外側に面する縁部は、前記第２のガス拡散層の外側に面する縁部から離間していることを特徴とする燃料電池の境界部をシールする方法。
【請求項１７】
前記第１のガス拡散層の外側に面する縁部と、前記第２のガス拡散層の外側に面する縁部とは、平行であることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記シールの一部を用いて、前記第１のガス拡散層の一部および前記第２のガス拡散層の一部を充填することを含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１のガス拡散層の外側に面する縁部または前記第２のガス拡散層の外側に面する縁部は、膜電極アッセンブリの外側に面する縁部と横方向に整列することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、燃料電池に関し、特に、燃料電池のシール構成に関する。
【０００２】
なお、本発明の実施例は、米国エネルギ省に付与の契約番号ＤＥ−ＦＧ３６−０７ＧＯ１７００５のもと、米国政府の補助によりなされた。したがって、米国政府は、本発明の一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
燃料電池スタックアッセンブリが、周知であり、一般に、複数の個々の燃料電池を有している。個々の燃料電池は、多孔質カーボン電極層の間に配置された高分子電解質膜（ＰＥＭ）をそれぞれ備えることができる。電極層の一方は、アノードとして作用する。また、他方の電極層は、カソードとして作用する。高分子電解質膜および多孔質カーボン電極層は、共に、膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）または触媒でコーティングされた膜を形成する。ガス拡散層（ＧＤＬｓ）が、膜電極アッセンブリの両側に隣接して配置される。ガス拡散層は、膜電極アッセンブリに、燃料電池の流体、例えば、水素および空気を供給する。
【０００４】
ガス拡散層および膜電極アッセンブリの横方向境界部におけるシールにより、例えば、反応物がガス拡散層で混合すること、および反応物がガス拡散層の反対のマニホールドへと漏洩することが阻止される。シールは、一般に、射出成形される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
例示的な燃料電池シールアッセンブリが、第１のガス拡散層の外側横方向縁部、膜電極アッセンブリの外側横方向縁部および第２のガス拡散層の外側横方向縁部の少なくとも１つを通る燃料電池の流体の流れを制限するように構成されたシールを備えている。第１のガス拡散層の外側横方向縁部は、第２のガス拡散層の外側横方向縁部から横方向に離間している。
【０００６】
例示的な燃料電池スタック構成が、膜電極アッセンブリと、該膜電極アッセンブリの側と向かい合って配置された第１のガス拡散層と、膜電極アッセンブリの反対側と向かい合って配置された第２のガス拡散層とを備えている。シールが、第１のガス拡散層の外側横方向縁部、第２のガス拡散層の外側横方向縁部またはこれらの双方を通る流れを制限するように構成される。第１のガス拡散層の外側横方向縁部は、第２のガス拡散層の外側横方向縁部よりもさらに横方向に延びている。
【０００７】
燃料電池の境界部をシールする例示的な方法が、第１のガス拡散層の外側に面した縁部および第２のガス拡散層の外側に面した縁部の少なくとも一方を通る流れを制限するように構成されたシールを用いて、燃料電池の流体の流れを制限することを含む。第１のガス拡散層の外側に面した縁部は、第２のガス拡散層の外側に面した縁部から離間している。
【０００８】
発明を実施するための形態により、開示した例の上記の特徴部および他の特徴部を最も良く理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】シールアッセンブリの選択された部分が取り除かれた例示的な燃料電池スタックアッセンブリの概略図である。
【図２】図１のアッセンブリの横方向外側部分の詳細な図である。
【図３】図１のアッセンブリのシールアッセンブリを成形するのに用いられる例示的な型を示した図である。
【図４】図１の線４−４で取った断面図である。
【図５】他の例示的な燃料電池の横方向外側部分の詳細な図である。
【図６】別の例示的な燃料電池の横方向外側部分の詳細な図である。
【図７】フレームを用いる他の例示的な燃料電池の横方向外側部分の詳細な図である。
【図８】図７のフレームおよび膜電極アッセンブリを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１および図２を参照すると、例示的な燃料電池スタックアッセンブリ１０が、複数の燃料電池１２を備えている。例示的な燃料電池１２は、第１のガス拡散層（ＧＤＬ）１８と第２のガス拡散層（ＧＤＬ）２２との間に配置された高分子電解質膜（ＰＥＭ）１４を備えている。第１のガス拡散層１８に面する高分子電解質膜１４の面が、アノード電極２６を用いてコーティングされている。高分子電解質膜１４の反対側の面が、第２のガス拡散層２２に面しており、カソード電極３０を用いてコーティングされている。
【００１１】
プレート３４が、第１のガス拡散層１８と向かい合って配置されている。プレート３４は、燃料供給源４２から第１のガス拡散層１８へと燃料、例えば、水素を運ぶように構成されたチャネル（図示せず）を形成する。燃料は、第１のガス拡散層１８を通してアノード電極２６へと移動する。
【００１２】
他のプレート３８が、第２のガス拡散層２２と向かい合って配置されている。プレート３８は、酸化剤供給源４６から第２のガス拡散層２２へと酸化剤、例えば、酸素を運ぶように構成されたチャネル（図示せず）を形成する。酸化剤は、第２のガス拡散層２２を通してカソード電極３０へと移動する。
【００１３】
プレート３４は、燃料電池スタックアッセンブリ１０内の他のガス拡散層２２ａへと酸化剤を運ぶように構成された付加的なチャネルを形成する。同様に、プレート３８は、燃料電池スタックアッセンブリ１０内のガス拡散層１８ａへと燃料を運ぶように構成された付加的なチャネルを形成する。
【００１４】
圧力プレート４０が、スタック内の燃料電池１２を締め付けている。一例として、ボルト（図示せず）が、圧力プレート４０を用いて燃料電池１２に締付力を与えることを容易にするように用いられる。
【００１５】
この例では、アノード電極２６、高分子電解質膜１４およびカソード電極３０は、共に、膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）５０を形成し、該膜電極アッセンブリ５０は、水素および酸素が供給されたときに、周知の方法で電気エネルギを提供する。水素イオンおよび酸素が、カソード電極３０の直ぐ近くで結合したときに、副生成物、例えば、水および熱が生成される。
【００１６】
例示的な燃料電池１２は、第１のガス拡散層１８、膜電極アッセンブリ５０および第２のガス拡散層２２の周縁部分の周囲に取り付けられたシールアッセンブリ５６を備えている。例示的なシールアッセンブリ５６は、少なくとも第１のガス拡散層１８の第１の外側横方向縁部６０、膜電極アッセンブリ５０の第２の外側横方向縁部６４および第２のガス拡散層２２の第３の外側横方向縁部６８を通る燃料電池の流体の流れを制限するように構成されている。流れがシールアッセンブリ５６によって制限される例示的な燃料電池の流体は、燃料電池スタックアッセンブリ１０へと供給される水素および酸素を備えている。
【００１７】
例示的なシールアッセンブリ５６は、充填部分５８を備えており、該充填部分５８は、第１のガス拡散層１８、高分子電解質膜１４または第２のガス拡散層２２内に充填されたシールアッセンブリ５６の一部に対応している。例示的なシールアッセンブリ５６は、均一な片である。つまり、例示的なシールは、単一の片の材料として形成される。
【００１８】
例示的なシールアッセンブリ５６の上面７０が、内側シールビード７２および外側シールビード７６を備えている。内側シールビード７２および外側シールビード７６は、シールアッセンブリ５６とプレート３４との間の境界部８４において燃料電池の流体の流れを妨げるように、プレート３４の下流側に面する面８０に接触する。
【００１９】
他の例では、隣接したシールアッセンブリ５６ａの下流側に面した面８０ａが、内側シールビード７２および外側シールビード７６の一方または双方を備えている。他の例は、内側シールビード７２または外側シールビード７６を備えていない。
【００２０】
図３を参照すると、例示的なシールアッセンブリ５６が、第１のガス拡散層１８、膜電極アッセンブリ５０および第２のガス拡散層２２の横方向周縁部に射出成形される。成形プロセス中には、溶融シール材料が、型供給部８８から、型９４によって画定されたキャビティ９２へと射出される。溶融材料は、型９４内で冷却されて硬化する。型９４は、冷却および硬化中に溶融シール材料の位置を保持する。型９４は、溶融材料が冷却されて硬化した後に取り除かれる。
【００２１】
射出成形に加えて、シールアッセンブリ５６を形成するのに適した他の例示的なプロセスが、圧縮成形およびトランスファ成形を有している。
【００２２】
この例では、第１のガス拡散層１８の第１の外側横方向縁部６０が、膜電極アッセンブリ５０の第２の外側横方向縁部６４から距離ｄ1だけ横方向に離間しており、また、第２のガス拡散層２２の第３の外側横方向縁部６８から距離ｄ2だけ横方向に離間している。さらに、第２のガス拡散層２２の第３の外側横方向縁部６８は、膜電極アッセンブリ５０の第２の外側横方向縁部６４から距離ｄ3だけ横方向に離間している。
【００２３】
この例では、溶融シール材料は、第１の外側横方向縁部６０、第２の外側横方向縁部６４および第３の外側横方向縁部６８がそれぞれ横方向に整列する場合よりも、成形中に第１のガス拡散層１８および高分子電解質膜１４の面領域に接触して流れるので、横方向の離間は、充填部分５８を形成することを容易にする。つまり、横方向に離間しているときには、第１の外側横方向縁部６０、第２の外側横方向縁部６４および第３の外側横方向縁部６８を通して移動することに加えて、溶融材料は、充填部分５８を形成するように、通路Ｐに沿って第１のガス拡散層１８の下側面部９６および高分子電解質膜１４の下側面部９８を通して移動することができる。
【００２４】
この例では、第１の外側横方向縁部６０、第２の外側横方向縁部６４および第３の外側横方向縁部６８は、互いに平行に整列している。他の例では、１つまたは複数の第１の外側横方向縁部６０、第２の外側横方向縁部６４および第３の外側横方向縁部６８は、互いに横切るように配置されている。
【００２５】
一例では、シールアッセンブリ５６内の第１のガス拡散層１８および第２のガス拡散層２２の一部が、成形によって生じるフラッシュを減少させるために圧縮される。
【００２６】
例示的なシールアッセンブリ５６は、非シリコーンシール材料、例えば、ＥＰＤＭゴムまたはＦＫＭゴムを備えている。
【００２７】
図１を参照しながら図４を参照すると、例示的なシールアッセンブリ５６は、写真フレーム型構成を備えている。第１のガス拡散層１８および第２のガス拡散層２２は長方形であり、対向する側部を備えており、該対向する側部は、これらの拡散層の他方の対向する側部よりも長い。高分子電解質膜１４は正方形であり、対向する側部を備えており、該対向する側部は、高分子電解質膜１４の他方の対向する側部と同じ長さである。
【００２８】
燃料電池スタック１１２内に配置されたときには、第１のガス拡散層１８の長い側部Ｘ1は、第２のガス拡散層２２の長い側部Ｘ2と直交するように配置されている。したがって、理解することができるように、第１のガス拡散層１８の第１の外側横方向縁部６０は、燃料電池１２の２つの外側の側部において、第２のガス拡散層２２の第３の外側横方向縁部６８よりもさらに横方向に延びている。同様に、第２のガス拡散層２２の第３の外側横方向縁部６８は、燃料電池１２の他方の２つの外側の側部において、第１のガス拡散層１８の第１の外側横方向縁部６０よりもさらに横方向に延びている。
【００２９】
図５を参照すると、他の例示的な燃料電池１１２は、第２の外側横方向縁部１６４を有した膜電極アッセンブリ１５０を備えており、第２の外側横方向縁部１６４は、第２のガス拡散層１２２の第３の外側横方向縁部１６８と同じ広がりを有している。配置された第１のガス拡散層は、第１の外側横方向縁部１６０を備えており、該第１の外側横方向縁部１６０は、第２の外側横方向縁部１６４および第３の外側横方向縁部１６８を越えて横方向に延びる。
【００３０】
図６を参照すると、他の例示的な燃料電池２１２が、第１のガス拡散層２１８の第１の外側横方向縁部２６０を備えており、該第１の外側横方向縁部２６０は、膜電極アッセンブリ２５０の第２の外側横方向縁部２６４および第２のガス拡散層２２２の第３の外側横方向縁部２６８から横方向に離間している。この例では、第２のガス拡散層２２２の第３の外側横方向縁部２６８は、シールアッセンブリ２５６の外側横方向縁部２９９と同じ広がりを有している。
【００３１】
図７および図８を参照すると、他の例示的な燃料電池３１２が、膜電極アッセンブリ３５０の周縁部の周囲にフレーム３１６を備えている。この例では、第１のガス拡散層３１８の第１の外側横方向縁部３６０が、膜電極アッセンブリ３５０を越えてフレーム３１６へと横方向に延びる。第２のガス拡散層３２２の第３の外側横方向縁部３６８が、フレーム３１６の第２の外側横方向縁部３６４を越えて延びる。一例では、フレーム３１６は、ポリエチレンナフサレート材料である。
【００３２】
例示的な燃料電池スタックアッセンブリは、高分子電解質膜に基づいているが、当業者および本発明の恩恵を有する者であれば、他の形式の燃料電池が本発明の教示から恩恵を受け得ることを理解するであろう。
【００３３】
開示した例の特徴部は、成形プロセス中の溶融シール材料の向上した流れと、シールアッセンブリの充填部の形成とを備えている。一例では、型は、溶融シール材料の向上した流れのために、少ない数のシールチャネルを用いている。シールアッセンブリ、特に、シールアッセンブリの最外部分が、２つのガス拡散層に対して抵抗力が足りないので、他の特徴部は、より追従性の高いシールビードを備えている。
【００３４】
上記の説明は、例示的なものであって、限定的なものではない。本発明の真意を逸脱することなく、開示した例に変更および修正が加えられ得ることが、当業者に明らかになるであろう。したがって、本発明の法的保護の範囲は、付記の特許請求の範囲を検討することによって決定されるのみである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
2014504789.tif 000011
2014504789.tif 000012
2014504789.tif 000013