(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビームが収容されるボアを含む第１のチューブ（３１）と、同じ方向に延びるシャフト（３２）とを、機械的コンポーネントに保持するステップと、
バイポーラプレート（５）及び膜／電極接合体を交互に有するスタックであって、前記バイポーラプレート及び膜／電極接合体は、それぞれ前記第１のチューブ及び前記シャフトにより貫通される第１及び第２のオリフィス（５１、５２）を含んでいるスタックを形成するステップと、
２つの機械的なコンポーネントの間でスタックを圧縮し、前記ビームを前記第１のチューブのボアから取り除くステップと、
第１のチューブのボアを電気化学反応器の流体フロー回路と接続させるステップとを有する電気化学反応器を製造する方法。
【請求項２】
前記シャフト（３２）は、前記保持されるステップの間、ビーム（６）が収容されるボア（３３）を含む第２のチューブであり、前記圧縮し取り除くステップは、前記第２のチューブ（３２）のボアからビームを取り除くことを更に含む請求項１に記載の電気化学反応器（４）を製造する方法。
【請求項３】
保持される前記第１のチューブ（３１）及び前記シャフト（３２）は、電気的に絶縁された外表面を有する請求項１又は２に記載の電気化学反応器（４）を製造する方法。
【請求項４】
前記バイポーラプレート及び前記スタックされる膜／電極接合体の第１及び第２のオリフィスは、それぞれ前記バイポーラプレート及び膜／電極接合体の反対側の端部に位置する請求項１から３何れか１項に記載の電気化学反応器（４）を製造する方法。
【請求項５】
第１のチューブ（３１）と並行に延びる第１及び第２のアンカーを固定するステップを更に有し、前記スタックの圧縮は、第１及び第２の機械的コンポーネントを使用して前記第１及び第２のアンカーに吸引力を加えることで実施される請求項１から４何れか１項に記載の電気化学反応器（４）を製造する方法。
【請求項６】
前記第１のチューブ（３１）と前記ボア（３３）に収容されるビームとの間の調整はスライドタイプである請求項１から５何れか１項に記載の電気化学反応器（４）を製造する方法。
【請求項７】
前記スタックの前記バイポーラプレート（５）及び前記膜／電極接合体（１１０）の前記第１のオリフィス（５１）の断面は、少なくとも前記第１のチューブ（３１）の横断面の３倍である請求項１から６何れか１項に記載の電気化学反応器（４）を製造する方法。
【請求項８】
前記保持される第１のチューブ（３１）の前記ボア（３３）の横断面は、前記第１のチューブ（３１）の横断面の５０％以上である請求項１から７何れか１項に記載の電気化学反応器（４）を製造する方法。
【請求項９】
前記保持された第１のチューブ（３１）は、前記ボア（３３）の範囲を定める外周壁（３４）を含み、該外周壁は浸透性を有する請求項１から８何れか１項に記載の電気化学反応器を製造する方法。
【請求項１０】
前記保持される第１のチューブ（３１）は、前記ボア（３３）の範囲を定める外周壁（３４）を含み、該外周壁はそこを通過し、前記同じ方向に分散された複数の穴（３６）を含む請求項１から８何れか１項に記載の電気化学反応器を製造する方法。
【請求項１１】
前記流体フロー回路を、燃料源、オキシダント源、又は冷却液体に接続する請求項１から１０何れか１項に記載の電気化学反応器を製造する方法。
【請求項１２】
形成されたスタックの前記バイポーラプレート及び前記膜／電極接合体の前記第１のオリフィス（５１）の外周は前記第１のチューブ（３１）に接触し、形成されたスタックの前記バイポーラプレート及び膜／電極接合体の第２のオリフィス（５２）の外周は前記シャフト（３２）に接触する請求項１から１１何れか１項に記載の電気化学反応器（４）を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、膜／電極接合体のスタックに関し、特に、燃料電池スタック又は加水分解デバイスなどの電気化学反応器に使用されるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは、将来において大量生産される自動車のエネルギー源として特に想定されている。燃料電池スタックは、化学的エネルギーを直接に電気的エネルギーに変換する電気化学デバイスである。燃料電池スタックは、複数のセルを直列に積み重ねたものを有する。各セルは約１Ｖを生成し、それらの積み重ねは、より高いレベルの供給電力、例えば１００Ｖが生成されることを可能とする。
【０００３】
既知の燃料電池スタックのタイプの中で、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池スタックが特に言及されうる。そのような燃料電池スタックは、特に有利な小型特性を有する。各セルは、プロトンのみを通過させ電子を通過させない電解膜を有する。その膜は、膜／電極接合体（ＭＥＡ）を形成するために、第１の面にアノードを有し、第２の面にカソードを有する。
【０００４】
アノードにおいて、ジハイドロジェン（二水素）などの燃料がイオン化され、膜を通過するプロトンが生成される。この反応により生成された電子は、フロープレートに向けて移動し、セルの外部にある電気回路を通過して電流を形成する。カソードにおいて、酸素が還元され、プロトンと反応して水が生成される。
【０００５】
燃料電池スタックは、複数のバイポーラプレートと呼ばれるものを有することができ、バイポーラプレートは例えば金属製である。膜／電極接合体は、２つのバイポーラプレートの間に配置される。燃料電池スタックは、このように、バイポーラプレートと膜／電極接合体とのスタックを交互に含む。ガス拡散層は、電極とバイポーラプレートとの間に挿入され、バイポーラプレートと接触している。
【０００６】
バイポーラプレートは、反応物及び生成物を膜から／膜へガイドするための、冷却流体をガイドするための、及びさまざまなコンパートメントを分離するためのフローチャネル及びオリフィスを有し得る。バイポーラプレートは、アノードで生成された電子の収集器を形成するために導電性でもある。バイポーラプレートは、電気的接触の品質のために必要な締め付け応力を送る際の機械的機能も有する。電子伝導はバイポーラプレートを通じて達成され、イオン伝導は膜を通じて得られる。セルのスタックは、エンドプレートの間で圧縮される。
【０００７】
さまざまなコンパートメントの分離は、燃料電池スタックの良好な運用に欠かせない。そのような分離は、一般にバイポーラプレートの間の圧縮されたシールを必要とする。スタックの接合体の幾何学的な精度は、そのシール気密性及びその性能が保証されるかどうかが重要である。特に、シールとバイポーラプレートとの間のアライメントの精度、及び生成された電流の伝導点のアライメントの精度が重要である。
【０００８】
同様なスタックは、同様な要求を有する電解槽にも使用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
フランス特許公開公報２８９７９８６号は、２つのオリフィスにより両側に貫通されるスタックの使用を記述する。円柱センタリングバーは、それらオリフィス内に収容され、少なくともスタックの厚みに等しい長さを有する。円柱バーとオリフィスとの組み合わせは、スタックのさまざまなバイポーラプレート及び膜電極接合体のアライメントを保証する。円柱バーは、スタックの構成物との電気伝導を防止するために、絶縁材料から成る表面を有する。
【００１０】
一般に、それらスタックの容積及び重量を減少させることが、特に車載アプリケーションに対して要求されている。スタックの重量を減少させるために、そのような円柱バーを使用し、終端プレートの間に引っ張り応力を与えることにより、アンカー機能を提供することが知られている。
【００１１】
一方で、スタックの重量及び容量を更に解決する要求が存在するが、アンカー機能は特に比較的大型で従って重量が重いバーを要求する。他方で、あるスタックされたジオメトリは、あるバーのスタックアンカーとしての使用と両立しない。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、それら欠点の１つ又はより多くを解消することを目的とする。本発明は、従って、添付されたクレームにおいて定義されるような電気化学反応器を製造するためのプロセスに関する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本発明の他の特徴及び効果は、単に非限定的な例として下記に与えられる本明細書の記述から、及び添付された図面を参照して、より明確に明らかとなるであろう。
【図１】図１は、燃料電池のための、例示的な膜／電極接合体とバイポーラプレートとのスタックの展開斜視図である。
【図２】図２は、積み重ねられてスタックを貫くフローダクトを形成するバイポーラプレート及び膜／電極接合体の分解斜視図である。
【図３】図３は、チューブにより貫通されるフローオリフィスを含むバイポーラプレートの上面図である。
【図４】図４は、例示的なチューブの横断面図である。
【図５】図５は、内側に補強材が配置される図４のチューブの横断面図である。
【図６】図６は、変形例のチューブの斜視図である。
【図７】図７は、変形例のチューブの斜視図である。
【図８】図８は、変形例のチューブの斜視図である。
【図９】図９は、チューブによりスタックを貫いて形成される例示的なフローサーキットを図示するものである。
【図１０】図１０は、チューブによりスタックを貫いて形成される例示的なフローサーキットを図示するものである。
【図１１】図１１は、第１の例のエンドプレートに適合されるチューブの横断面側面図である。
【図１２】図１２は、第２の例のエンドプレートに適合されるチューブの横断面側面図である。
【図１３】図１３は、組み立ての間の電気化学反応器の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、燃料電池スタック４のセル１のスタックの模式的展開斜視図である。燃料電池スタック４は、積層された複数のセル１を有する。セル１は、プロトン交換膜又は高分子電解質膜タイプのセルである。
【００１５】
燃料電池スタック４は、燃料源４０を有する。燃料源４０は、ここではジハイドロジェン（二水素）を各セル１のインレットに供給する。燃料電池スタック４は、オキシダント源４２も有する。オキシダント源４２は、ここでは大気を各セル１のインレットに供給し、大気の酸素がオキシダントとして使用される。各セル１は、排出チャネルも有する。各セル１は、冷却回路も有する。
【００１６】
各セル１は、膜／電極接合体１１０又はＭＥＡ１１０を有する。膜／電極接合体１１０は、電解物１１３と、電解物の両側に配置されこの電解物１１３に固定されるカソード１１２（図示せず）及びアノード１１１とを有する。
【００１７】
隣接するＭＥＡのペアの間に、バイポーラプレート５が配置される。各バイポーラプレート５は、陽極フローチャネルと陰極フローチャネルとを定義する。いくつかのバイポーラプレート５は、２つの連続する膜／電極接合体の間で冷却流体フローチャネルも定義する。バイポーラプレート５は、それ自体知られているように、１又はより多くの金属シートで形成され、金属シートは、例えばステンレス鋼から、チタン合金から、アルミニウム合金から、ニッケル合金から、或いはタンタル合金から作成される。バイポーラプレートは、カーボン−高分子複合材料から、モールディング又は射出形成などの他のプロセスによって得られてもよい。
【００１８】
図２は、本発明による製造プロセスにおいてスタックされる２つのバイポーラプレート５、及び膜／電極複合体の展開斜視図である。バイポーラプレート５と膜／電極接合体１１０のスタックは、複数のフローダクトを形成する。この目的のため、それぞれのオリフィスは、バイポーラプレート５及び膜／電極接合体１１０を貫いて製造される。バイポーラプレート５は、従ってオリフィス５１、５３、及び５５を第１の端部に含み、オリフィス５２、５４、及び５６を第１の端部とは反対側の第２の端部に含む。オリフィス５１は、例えば燃料供給ダクトを形成する。オリフィス５６は、例えば燃焼残留物を排出するダクトを形成する。オリフィス５３は、例えば冷却流体を供給するダクトを形成する。オリフィス５４は、例えば冷却液体を排出するダクトを形成する。オリフィス５２は、例えばオキシダントを供給するダクトを形成する。オリフィス５５は、例えば水を排出するダクトを形成する。
【００１９】
バイポーラプレート５及び膜／電極接合体１１０のオリフィスは、フローダクトを形成するために、向かい合わせに配置される。オリフィス１２、１４、及び１６は、例えば膜／電極接合体１１０に製造され、オリフィス５２、５４、及び５６とそれぞれ向かい合わせに配置される。スタックの周囲又は貫通するオリフィスの周りのシール気密性を確実にするために、シール（図示せず）が、バイポーラプレート５の間、又はバイポーラプレート５と膜／電極接合体１１０との間に挿入され得る。
【００２０】
図３は、燃料電池スタック４のスタックの、そのアセンブリの終わりにおけるバイポーラプレート５の上面図である。燃料電池スタック４は、この例では、チューブ３１と、チューブ３２から形成されるシャフトとを含む。チューブ３１及び３２は、同じ方向に延びる。チューブ３１及び３２は、スタックの方向、すなわちバイポーラプレート５及び膜／電極接合体１１０に垂直な方向に延びる。チューブ３１は、重ねられた、バイポーラプレート５のオリフィス（オリフィス５１）及び膜／電極接合体１１０のオリフィスを貫通し、フローダクトを形成する。チューブ３２は、重ねられた、バイポーラプレート５のオリフィス（オリフィス５２）、及び膜／電極接合体１１０のオリフィス（オリフィス１２）を貫通し、フローダクトを形成する。
【００２１】
図４は、チューブ３１又はチューブ３２として使用できるチューブ３の断面図を例示する。チューブ３は、中空管であり、ボア３３を含む。ボア３３は、例えばチューブ３２の全長にわたって延びる。ボア３３は、外周壁３４によって区切られる。
【００２２】
本発明は、バイポーラプレート５と膜／電極接合体１１０との交互スタックを形成する間、バイポーラプレート５又は膜／電極接合体１１０のオリフィスの中の位置に保持される少なくとも１つのチューブ３１及びシャフト（ここではチューブ３２）を使用することを提案する。スタックの形成の間、チューブ３１のボア３３の中に、このチューブ３１の剛性を高め、従ってそれが変形し又は劣化することを防止するために、ビームが収容される。チューブ３１及びシャフトは、さまざまなオリフィスの周縁と接触することにより、スタックの形成の間、膜／電極接合体１１０及びバイポーラプレート５の相対位置を確保する。
【００２３】
スタックの形成の終わりに、このスタックは２つの機械的構成物の間で圧縮され、ビームがチューブ３１のボアから取り除かれる。スタックの形成の間にビームにより提供されるサポートのため、チューブ３１は、ビームが取り除かれた後に、低い重量を、しかしながらその劣化のリスクなしにもたらす薄い壁３４を有していてもよい。さらに、チューブ３１のボアは流体の流れに参加し、従ってスタックの構成物を貫通するオリフィスの断面が制限されることを可能にする。加えて、バイポーラプレート及び膜／電極接合体を貫通するオリフィスの断面は、流体の流れによって通過されるため、ここでは正常に機能する。スタックの形成の間におけるビームの使用のため、薄い壁３４が使用され得、従って好ましい流体流れに対する最適なボア３３となり得る。これら構成物は、従ってより簡易に製造でき、かつより高いコンパクトさを有する。チューブ３１のボア３３の断面は、有利に少なくともこのチューブ３１の断面（すなわち壁３４の周縁によって区切られる領域）の５０％であろう。
【００２４】
例示的なビーム６が、図５の横断面図を参照して説明される。この図において、ビーム６はチューブ３のボア３３の中に収容される。ビーム６のボア３３への挿入／ボア３３からの除去を容易とするために、このボア３３とビーム６の間の調整は、好ましくはスライドタイプである。さらに、ビーム６は、チューブ３の壁３４との接触及び摩擦の領域を制限するために、断面において適切な形状を有し得る。ビーム６は、図示された十字形状、六角形状、さらには八角形状を有し得る。
【００２５】
図１３は、バイポーラプレート５と膜／電極接合体１１０との交互スタックの形成の間における燃料電池スタック４を上から見た横断面図である。
【００２６】
燃料電池スタック４を製造する例示的なプロセスを実施するために、機械的コンポーネント７、例えばエンドプレートが、事前に配置される。そのような機械的コンポーネントは、特に最小の変形でスタックに機械的応力を与えるためのものである。チューブ３１及び３２は、このエンドプレートの反対側の位置において固定され、又は保持される。チューブ３１及び３２をエンドプレート７の反対側に配置することは、形成されるスタックのさまざまな構成物の相対的な位置の正確性を促進する。チューブ３１及び３２は、このエンドプレート７に垂直に延びる。チューブ３１及び３２の一端は、例えばエンドプレート７のそれぞれのハウジングに適合される。さらに、アンカー８は、このエンドプレート７に固定される。アンカー８は、チューブ３１及び３２と同じ方向に延びる。アンカー８は、例えばエンドプレート７にねじ込まれる１つのねじ込み端を有する。ビーム６は、チューブ３１及び３２内に、それらを強固にするためにそれぞれ収容される。
【００２７】
膜／電極接合体１１０は、少なくとも２つのオリフィスがそれぞれチューブ３１及び３２により通過されるように加えられる。それらオリフィスの少なくとも１つは、オリフィスを貫通するチューブの断面よりも大きな断面を有する。チューブ３１及び３２は、好ましくは、それぞれ、それが通過する各オリフィスの表面に接触する少なくとも１つのポイントを有する。
【００２８】
バイポーラプレート５は、その少なくとも２つのオリフィスがそれぞれチューブ３１及び３２によって通過されるように追加される。それらオリフィスの少なくとも１つは、それを貫通するチューブの断面よりも大きな断面を有する。チューブ３１及び３２は、好ましくは、それぞれ、それが通過する各オリフィスの表面に接触する少なくとも１つのポイントを有する。バイポーラプレート５のオリフィスは、膜／電極接合体１１０のオリフィスに重ねられる。
【００２９】
スタックの形成は、バイポーラプレート５と膜／電極接合体１１０の交代を形成するように、膜／電極接合体１１０及びガイドプレート５の同様な追加と共に続けられる。
【００３０】
ガイドプレート５及び膜／電極接合体１１０のそれぞれのオリフィスのチューブ３１及び３２との接触ポイントのため、スタックの種々のコンポーネントの間の優れた相対位置が得られる。
【００３１】
ガス拡散層（図示されず）は、ガイドプレート５と膜／電極接合体１１０との間に挿入され得る。
【００３２】
スタックの形成の最後に、別のエンドプレート７が追加される。このエンドプレートは、典型的には、アンカー８の自由端により貫通される通しボアを含む。スタックは、例えば、シリンダーを用いて、又はアンカー８に牽引力を適用することにより、エンドプレート７の間で圧縮される。例えば、各アンカー８の自由端にねじが固定されていてもよく、そのねじがスタックを圧縮するように締められる。
【００３３】
この圧縮の間、又はその後、チューブ３１及び３２に加わりやすい横断（例えばせん断）ストレスは比較的限定され、スタック及びエンドプレート７のアンカー８によるアセンブリはそれで十分な機械的強度を有する。燃料電池スタック４を軽量化し、チューブ３１及び３２のボア３３を解放するために、ビーム６はその後に取り除かれてよい。
【００３４】
チューブ３１及び３２のボア３３は、燃料電池スタックの流体流回路と連通して配置される。例えば、チューブ３１は燃料流を導くために使用され、チューブ３２はオキシダント流を導くために使用される。
【００３５】
様々なタイプのチューブ３が、バイポーラプレート５又は膜／電極接合体１１０のオリフィスを通じて配置され得る。図６は、第１の形態に係るチューブ３の斜視図である。チューブ３の壁３４は、ここでは開口を有しておらず、かつ堅く密閉されている。ボア３３は、従ってチューブ３の解放端３５を経由してのみアクセスされ得る。図７は、第２の形態に係るチューブ３の斜視図である。チューブの壁３４は、ここでは開口を有しておらず、かつ浸透性を有する。ボア３３は、従って壁３４の全ての表面を通じてアクセスされ得る。図８は、第３の形態に係るチューブ３の斜視図である。壁３４は、ここではそこを通過し、かつチューブ３の長さにわたって分配された複数のオリフィス３６を含む。オリフィス３６は、図７における例に対して損失水頭を削減しつつ、ボアがチューブ３の長さにわたってアクセスされることを可能とする。ビーム６の使用は、浸透性を有し、又は穴があけられており、従ってより低い剛性及び機械的強度を有する壁３４を有するチューブ３が使用されることを可能とする。
【００３６】
チューブ３の重量を制限するために、その断面は、スタックの形成の間に機械的強度を保証しつつ、有利にできるだけ小さくされる。そのようなチューブが通過するオリフィスの断面は、有利にこのチューブ３の断面の少なくとも３倍である。
【００３７】
バイポーラプレート５の間のいかなる短絡を防止するために、チューブ３１及び３２の外表面は電気的に絶縁される。チューブ３１及び３２は、例えば電気絶縁層で被覆されてもよい。チューブ３１及び３２は、電気絶縁材料から成っていてもよい。チューブ３１及び３２は、例えば絶縁プラスチック材料、例えばＰＴＦＥから成っていてもよい。弾性係数がチューブ３１及び３２のそれよりも明確に高い材料から成るビーム６が使用され得る。鋼鉄製のビーム６が特に使用され得る。
【００３８】
図９及び１０は、スタックのオリフィスを通過するチューブ３により形成されることができるフローサーキットの様々なタイプの全体を模式的に図示する。フローサーキットは、ここでは破線により模式的に描かれる。
【００３９】
図９において、密閉されたチューブはスタックを通過し、スタックの深さを通じてフローを導く。例えば１つのエンドプレートに生じた流路は、スタックの他端までフローを導くためにこの密閉されたチューブと連通する。この流路は、スタックを通過する他の密閉されたチューブと連通する。そのような構成は、例えばスタックの外側とフローサーキットのコネクタとを、このスタックの所定の面のレベルで長々と接続する必要があることを回避することを可能とする。そのような構成は、流体を、スタックのコンポーネントから、又は他の流体から隔離することも可能とする。
【００４０】
図１０において、その壁３４に穴を有するチューブは、スタックを通過する。そのような穴あきチューブは、ボアを通過する流体が、スタックにおける様々なレベルからタップオフされることを可能とする。
【００４１】
図１１は、スタックの形成の間、エンドプレート７上の位置に保持されるチューブ３を図示する。チューブ３の壁３４は、典型的には円形溝７１に適合される。チューブ３は、例えば図７及び８において図示されたようなチューブである。パッド７２がここでは形成され、チューブ３のボアの端部に突き刺さる。チューブ３のボアの端部は、ここではパッド７２により塞がれる。ビーム６は、チューブ３のボアを、その全長にわたって通過し、パッド７２に対して近接する。
【００４２】
図１２は、スタックの形成の間、他のエンドプレート７上の位置に保持されるチューブ３を図示する。チューブ３の壁３４は、典型的には円形のカウンターシンク７３に適合される。チューブ３は、例えば図６において図示されたようなチューブである。ボアは、カウンターシンクの中央部分に設けられ、エンドプレート７のフローダクト７４と連通する。ビーム６は、チューブ３のボアを、その全長にわたって通過し、フローダクト７４の底に対して近接する。
【００４３】
円形断面のチューブがここでは記述された。適用の要求に依存して、他の形状も、もちろんチューブの断面として想像され得る。
【００４４】
記述された例において、少なくとも１つのチューブ及びシャフトは、スタックのコンポーネントのオリフィスを通過する。スタックのコンポーネントの位置の正確性を更に増大させるために、それらコンポーネントの３つのオリフィスを通過するための少なくとも３つの細長い要素（チューブ及び／又はシャフト）に対して準備がなされ得る。有利には、過度に制限されたガイドに関連付けられた不必要な制約を作ることを避けるために、最大で３つの細長い要素が使用される。
【００４５】
スタックは、様々な膜／電極接合体及びバイポーラプレートの配置の間、垂直に配置されたチューブを用いて形成され得る。チューブに高いせん断応力が加わるものの、スタックは、様々な膜／電極接合体及びバイポーラプレートの配置の間、水平に配置されたチューブを用いて形成され得る。チューブがスタックを形成する目的で水平に配置されるとき、スタックの様々なコンポーネントの重量が耐えられることを可能にするために、このチューブ及び／又は収容されるビームの寸法は増加される。
【００４６】
本発明は、上記の例において、燃料電池スタック４を形成する電気化学反応器を参照しつつ説明された。本発明は、膜／電極接合体とバイポーラスタックのスタックを含む電気化学反応器の他のタイプ、例えば電気分解装置にも適用できる。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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