(57)【要約】本発明は、燃料電池電極板において流体分配チャネルを形成するための方法および装置、ならびにそのような方法によって生産される極板に関する。開示される例示的な実施形態は、燃料電池電極板（１００）において流体分配チャネルを形成する方法を含み、その方法は、極板の厚さを横切って圧力を適用しながら、ローラ（８０１）と平らな打ち型（８０２）との対抗表面の間で極板を横断させて、それによって極板の表面を横切って一連のチャネルを形成することを含む。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池電極板における流体分配チャネルを形成するための方法であって、前記極板の前記厚さを通して圧力を適用しながら、ローラと平らな打ち型との対抗表面の間で前記極板を横断させ、それによって前記極板の表面を横切って一連のチャネルを形成することを含む、方法。
【請求項２】
前記平らな打ち型の前記表面は、前記一連のチャネルを形成するように構成される一連の隆線を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記一連のチャネルは、２５μｍ以下の断面寸法を有する、請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記一連のチャネルは、１５μｍ〜２０μｍの範囲の深さまたは幅を有する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記一連のチャネルの前記深さまたは幅の偏差は、平均値の５％以内である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ローラの回転軸は、前記極板が前記ローラと前記打ち型との間で通過させられる方向に対して９０°未満の角度で配向される、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記ローラの前記表面は、前記回転軸に沿って先細にされる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記一連のチャネルは、前記極板の前記表面を横切ってチャネルの並行配列を備える、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
燃料電池電極板において流体分配チャネルを形成するための装置であって、圧力下で前記ローラと打ち型との表面の間を横断させられる極板において一連のチャネルを形成するように構成され、配置されるローラおよび平らな打ち型を備える、装置。
【請求項１０】
前記平らな打ち型の前記表面は、前記極板において前記一連のチャネルを形成するように構成される一連の隆線を備える、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記一連の隆線は、２５μｍ以下の断面寸法を有する前記一連のチャネルを形成するように構成される、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記隆線は、深さまたは幅が１５μｍ〜２０μｍの範囲である前記一連のチャネルを形成するように構成される、請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記一連の隆線は、前記平らな打ち型の前記表面を横切る平行な隆線の配列を備える、請求項１０〜１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
前記極板の折り畳み領域内の表面内に形成されるチャネルの第１および第２の配列を備える燃料電池電極板であって、チャネルの前記第１の配列は、前記折り畳み領域の第１の内部面を横切って前記極板の縁から延在し、チャネルの前記第２の配列は、前記第１の方向に横断する第２の方向において前記折り畳み領域の第２の対抗面を横切って延在する、燃料電池電極板。
【請求項１５】
前記折り畳み領域は、前記極板の前記厚さを通り、流体分配チャネルの前記配列と流体連通しているポートを備える、請求項１４に記載の燃料電池電極板。
【請求項１６】
実質上、添付の図面を参照して本明細書中に記述されるように、燃料電池電極板において流体分配チャネルを形成する方法。
【請求項１７】
実質上、添付の図面を参照して本明細書中に記述されるように、燃料電池電極板において流体分配チャネルを形成するための装置。
【請求項１８】
実質上、前記添付の図面を参照して本明細書中に記述される、燃料電池電極板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池電極板において流体分配チャネルを形成するための方法および装置、ならびにそのような方法によって生産される極板に関する。
【背景技術】
【０００２】
ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）ベースの燃料電池は、燃料気体（典型的に水素）および酸化体（典型的に空気）を含む２つの流体送りの供給を最低限必要とする。冷却も通常必要であり、これは酸化体送りを通して、すなわち、燃料電池のカソードを横切って、または専用冷却剤送りを介して提供され得る。別個の冷却剤送りが、酸化体および燃料チャネルから隔離されているが、燃料電池スタックを構成するそれぞれ個々の燃料電池から熱を抽出するように配置された、一連の別個のチャネルの形態で提供され得る。代替の冷却設備は、各燃料電池のカソード側を通して制御された様式において追加の水を提供することである。そのような追加の水は、燃料電池内で気化し、蒸気として退出することによって最も効率的に熱を抽出するように機能することができる。動作の効率を最大化するためには、各燃料電池の幅を横切り、精密に画定された様式によって制御された量の水を導入することが重要である。各燃料電池は、厚さが１ｍｍ以下、幅が数センチメートルの等級であり得、所望のレベルの制御を達成することは困難となり得る。
【０００３】
冷却剤の分配に関してある程度の制御を達成する１つの方法は、燃料電池極板の縁に沿って位置付けされた追加のシムコンポーネントの使用により、このシムは、流体を方向付けるためのチャネル等の食刻特徴を有する。そのようなシム、および精細な特徴を生成するために使用される食刻過程は、製造過程に複雑性および費用を追加する。それゆえ、よりコスト効果のある解決策が必要とされる。
【０００４】
燃料電池内の制御された程度の水の冷却を達成する代替的方法は、国際公開第２００７／１２９０３０号に開示されており、そこでは、燃料電池極板の折り畳み縁が制御された量の冷却水を流体流れ送り極板のカソード側に導入するために使用される。複数のチャネルが、折り畳み領域の内側面の一方または両方に適用される正面組成によって折り畳み内に提供される。冷却水は、折り畳み領域を通って押し進められ、極板を横切って延在するカソードチャネル内へ退出する。
【０００５】
冷却のためにそのような機構を提供する際の問題は、極板を横切る流れの制御される程度、ならびに、極板の幅を横切る冷却剤の分配が均一であることを確保することにある。さらに、極板内で冷却剤チャネルを形成する従来の方法は、均一な冷却剤流量のために必要とされる精細な制御の程度および小さい許容値を提供するためには概して不十分である。
【０００６】
１つ以上の上に述べた問題に取り組むことが本発明の目的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１の態様に従うと、流体分配チャネルを燃料電池電極板において形成する方法が提供され、その方法は、圧力を極板の厚さを通して適用しながらローラと平らな打ち型との対抗表面の間で極板を横断させ、それによって極板の表面を横切って一連のチャネルを形成することを含む。
【０００８】
必要な冷却剤チャネルを形成するために、ローラと平らな打ち型との組み合わせを使用することによって、制御された程度の冷却剤流れをどのように提供するかの問題に取り組む。この方法はチャネル寸法に関する精細な程度の制御を可能にし、それによって使用される燃料電池極板の幅を横切る冷却剤のより均一な流れを確保する。
【０００９】
好ましい実施形態では、平らな打ち型の表面は、一連のチャネルを形成するように構成される一連の隆線を備える。ローラの表面は好ましくは円滑で均一であり、したがって、平らな打ち型上の隆線形状は、ローラと打ち型との間で通過させられるときに、極板内の対応するチャネルへ正確に転送される。
【００１０】
圧力を極板を横切って適用しながら、打ち型に対して極板を所定位置に固定し、ローラを極板を横切って横断させることによって、極板はローラと打ち型との間で横断され得る。代替的には、極板および打ち型は、固定されたローラを横切って横断させらせ得る。それぞれのケースにおいて、制御された力がローラと打ち型との間に適用され、これは例えば、スプリング負荷機構によって、または空気圧あるいは油圧手段による。
【００１１】
極板の表面内に形成された一連のチャネルは、２５μｍ以下の断面寸法を好ましくは有し、好ましい実施形態においては、一連のチャネルは１５μｍ〜２０μｍの範囲の深さまたは幅を有する。一連のチャネルの深さまたは幅における偏差は、好ましくは±５％以内であり、より好ましくは平均値の±５％以内である。
【００１２】
ローラの回転軸と、ローラと打ち型との間で極板が横断される方向との角度は９０°または好ましい実施形態では、９０°未満、例えば、８５°未満または８０°未満、任意選択では７０°と８５°の間であり得る。極板の移動方向に対する回転軸の角度付けは、チャネルを、移動方向に直交する方向において漸進的に形成されることを許可し、それによってより高い均一性を提供する。
【００１３】
隆線の方向と、ローラと打ち型との間で極板が横断される方向との角度は９０°または好ましい実施形態では、９０°未満、例えば、８５°未満または８０°未満、任意選択では７０°と８５°の間であり得る。極板の移動方向に対する隆線の方向、つまりチャネル、を角度付けすることは、また、チャネルが、移動方向に直交する方向において漸進的に形成され、それによってより高い均一性を提供することを許す。
【００１４】
回転軸の角度が９０°未満である実施形態では、ローラの表面は好ましくは先細にされる。このことは、極板がローラと打ち型との間で通過させらる間、極板に対するローラ表面の滑動を阻止する。ローラ表面上の先細り角度は、好ましくは、９０°から回転軸と移動方向との間の角度を差し引いたものに等しい。
【００１５】
一連のチャネルは、極板の表面を横切ってチャネルの並行配列を備え得る。チャネルの方向は、極板とローラとの間の相対的移動方向に直交し得る。
【００１６】
本発明の第２の態様に従うと、燃料電池電極板において流体分配チャネルを形成するための装置が提供され、その装置は圧力下のローラの表面と打ち型との間を横断する極板における一連のチャネルを形成するように構成され、配置されるローラおよび平らな打ち型を備える。
【００１７】
好ましい実施形態では、平らな打ち型の表面は、極板において一連のチャネルを形成するように構成される一連の隆線を備える。代替実施形態においては、一連の隆線がローラの表面上に代わりに提供され得る。
【００１８】
一連の隆線は、２５μｍ以下の断面寸法を有する一連のチャネルを形成するように構成され得る。隆線は、１５μｍ〜２０μｍの範囲の深さまたは幅を有する一連のチャネルを形成するように構成され得る。一連の隆線は、平らな打ち型の表面を横切る並行隆線の配列を任意選択により備える。
【００１９】
本発明の第３の態様に従うと、極板の折り畳み領域内に表面内に形成されるチャネルの第１および第２の配列を備える燃料電池電極が提供され、チャネルの第１の配列は折り畳み領域の第１の内部面を横切って電極の縁から延在し、チャネルの第２の配列は、第１の方向へ横断する第２の方向において折り畳み領域の第２の対抗面を横切って延在する。
【００２０】
チャネルの第１および第２の配列の上述の構成の長所は、冷却剤流体は極板を横切ってチャネルの第２の配列に沿って輸送されることが可能であり、一方、チャネルの第１の配列は冷却剤を折り畳み極板の縁に沿って分配することである。第２の配列におけるチャネルの断面寸法は、第１の配列におけるそれよりも大きいことが好ましく、２以上の係数が好ましい。
【００２１】
折り畳み領域は、流体分配チャネルの配列と流体交流のある極板の厚さを通るポートをさらに備え得る。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
本発明の態様および実施形態は、例によっておよび同封される図面を参照して以下により詳細に記述される。
【００２３】
【図１】流体送り分配チャネルが縁に沿って形成された、二極燃料電池電極板の透視図。
【図２】折り畳み動作の後の、図１におけるものと類似した二極燃料電池電極板の透視図。
【図３】極板の周囲周りに過剰鋳造ガスケットを適用した後の、図２の二極燃料電池電極板の透視図。
【図４】図１の極板の縁の部分透視図。
【図５】図２の極板の縁の部分透視図。
【図６】図３の極板の縁の部分透視図。
【図７】図６の極板の縁の部分透視図で、流体送り分配チャネルからカソード流体送り領域への流体流れを図解する。
【図８】燃料電池極板において流体送り分配チャネルを形成するための機械加工動作の部分透視図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１に示されるのは、波形カソード流体流れ場領域１０１を形成するための動作後の、例示的な二極燃料電池極板１００である。極板１００の第１の縁１０２に沿って形成されるのは微細チャネル１０３の第１の配列および、極板１００の幅を横切って延在するより大きな流体送りチャネル１０４の第２の配列であり、第１の配列１０３は極板の縁１０２まで延在している。これらの動作に続いて、極板は折り畳み線１０５に沿って折り畳まれ、図２に図解される極板２００の形となり、そこでは、第１および第２の配列１０３、１０４は折り畳み領域１０７内に取り囲まれる。流体侵入ポート１０６は、極板２００の厚さを通って形成され、折り畳み動作の前または後のいずれかにおいて、折り畳み領域１０７内へ、および、もはや取り囲まれたチャネル１０３、１０４に沿って、冷却剤のアクセスを許容する。使用時には、ポート１０６を通って折り畳み領域１０７に流れ込む冷却剤は、チャネル１０４の取り囲まれた第２の配列に沿って極板の幅を横切って分配され、非折り畳み極板１００の縁１０２に対応する、折り畳み領域１０７の縁１０８に向けて、チャネル１０３の第１の配列に沿って輸送される。
【００２５】
図３は、過剰鋳造ガスケット３０１を極板３００の周囲縁に適用するためのさらなる動作に続いて、二極極板３００を図解する。ガスケット３０１は反対の開口縁１０９ａ、１０９ｂ（図２）に沿って折り畳み領域１０７をカプセル化し、一方、折り畳み領域１０７の長い縁１０８を開いたままとする。鋳造ガスケット３０１はまた、カソード空気供給が１つ以上の空気入口ポート３０２ａ、３０２ｂを介してカソード流れ場１０１に送られることを許容するためにさまざまな表面特徴を提供する。ガスケット３０１はまた、折り畳み領域１０７へのアクセスのため、ポート１０６に接続された冷却剤侵入ポート３０３を形成する。カソード出口ポート３０４は極板３００の反対縁に隣接して提供され、カソード流体流れ場１０１と流体交流となる。
【００２６】
図４および５は、折り畳み領域１０７を形成するための折り畳み動作の前後における、二極極板１００の縁部分のより詳細な図を示す。並行微細チャネル１０３の第１の配列は、極板１００の縁１０２に沿って形成される。図３においてやはり可視的なものは、微細チャネル１０３の第１の配列に隣接して形成されたより大きなチャネル１０４の第２の配列であり、このより大きなチャネルは冷却剤を、折り畳み領域１０７内で、ポート１０６から極板１００の幅を横切って分配するように構成されている。流体チャネル１０４の第２の配列は交差するチャネルの格子の形態であり、第１の組は極板の幅を横切って延在し、第２の組は横断して第１の組と相互接続する。チャネルの第１の組は、流体を中央ポート１０６（図５）から極板２００の幅を横切って輸送するために仕え、一方、チャネルの第２の組は、極板の幾何形状を安定化させ、折り畳み領域１０７を形成するための折り畳み過程中にあらゆるひずみを低減する。チャネルの第２の組はまた冷却剤流体を正面チャネルに輸送するために仕える、すなわち、他のチャネルから縁１０８（図５）に最も近いチャネルである。第１の組中にいくつかのチャネルを有することは、極板を横切る流体流れのためのチャネルの断面積を増加させ、一方、その後の過程および燃料電池スタックの組み立てにおける崩壊に抗する幾何形状を維持する。図解された実施形態では、第１の組内のすべてのチャネルは、極板の全幅を横切って延在し、極板に対するひずみを低減するが、この特徴は本発明にとって必須ではない、何故ならば、チャネルは流体をカソード流体流れ領域１０１の幅を横切って輸送することのみを必要とするからである。
【００２７】
チャネルの第１の配列１０３は、極板１００の表面を横切る方向に配向され、第２の配列１０４内のチャネルの方向へ横断する。折り畳み動作の前または後ろのいずれかにおいて、ポート１０６を形成するために極板１００内で貫通が形成される。使用中は、冷却剤はポート１０６を通って折り畳み領域１０７内へ、またチャネル１０４の第２の配列（図４）内へ流れ込む。冷却剤は、チャネルの第２の配列１０４によって、折り畳み領域１０７に沿って極板の幅を横切って分配され、第１の配列１０３内のチャネルに沿って進むことにより、折り畳み領域を退出し、折り畳み領域１０７を折り畳み極板２００の縁１０８に沿って残す。第２の配列１０４内のチャネルの断面寸法を第１の配列１０３のそれよりも大きくすることにより、第２の配列１０４に沿う極板の幅を横切るものと比較して、より大きな圧力滴が折り畳み領域の縁１０８と第２の配列１０４との間に作成され、折り畳み領域１０７の縁１０８から外部へ冷却剤のより均一な分配を確保する。第２の配列内のチャネルの断面寸法は、第１の配列１０３内のチャネルのそれに対し、好ましくは少なくとも２倍、また任意選択で少なくとも３倍または４倍である。例えば、第１の配列１０３内のチャネルが約２０μｍの深さまたは幅を有する場合は、第２の配列１０４内の匹敵する寸法は、深さまたは幅において、少なくとも４０μｍ、６０μｍまたは８０μｍであり得る。第２の配列１０４内のチャネルのより大きな寸法の理由により、従来の圧縮または浮彫技法を使用してチャネルを形成し得る。
【００２８】
図６は、ガスケット３０１が適用された後の二極極板の縁の詳細図を示しており、これは二極極板の建造を完了させる。示された図は鋳造水入口ポート３０３および折り畳み領域にアクセスするためのポート１０６を形成する極板の貫通を表示する。ガスケット幾何形状はまた、スプライン加工６０１および隔離された突起６０２を備える開口エリアの形による、極板３００を横切ってカソード流体流れ場１０１に至る空気流れのための流体流れ経路を形成する。
【００２９】
極板３００の折り畳み領域１０７の詳細な略図が図７に示される。覆い気体拡散層７０５の破断図がカソード流体流れ場１０１を横切って示される。水液滴７０１は、折り畳み領域１０７の縁１０８において形成しているものとして示され、液滴７０１は折り畳み領域１０７内に取り囲まれた微細チャネルの端に形成する。一旦水液滴７０１が表面張力を壊すのに十分な寸法に到達すると、それらは極板３００（矢印７０３）および極板におけるカソード流体流れチャネル７０４に沿って、空気流の方向に極板（矢印７０２） を横切って進む。液滴は流体流れチャネル７０４に沿って進むので、熱は液滴７０１内の水の蒸発によって極板３００から抽出される。
【００３０】
表面張力を使用して冷却剤液滴の輸送を制御することは、カソード空気流のみに依存することと比較して、正確な水分配を促進するばかりでなく、向き、振動、揺れおよび変化するカソード流量に対する燃料電池スタックの感度も低減する。
【００３１】
図８は、極板１００のカソード面上に微細チャネルの第１の配列を提供するための、装置８００の詳細図の略図である。装置８００はローラ８０１および打ち型８０２を備え、打ち型８０２の平らな表面は峰８０３の配列を有する。峰８０３は、ローラ８０１が極板（矢印８０４）に対して移動するにつれ、この間極板１００の厚さを通して圧力を加えながら、極板１００の縁１０２に沿って微細チャネルの第１の配列を形成するように構成される。リニアプレスまたは圧印操作を使用する代わりに、平らな打ち型に対して圧延過程を使用することは、極板１００の幅を横切るチャネル幾何形状の均一性制御のより高い程度を可能とし、またカソード流体流れ場１０１（図８に示されるものの反対側）を形成するための圧縮操作後に過程の実行を可能とする。
【００３２】
典型的には、各チャネルは約２０ミクロン幅および１５ミクロン深さの断面を有する。各チャネルの断面積は、動作における満足すべき均一な水分配を達成するために、±２％変異内で概して製造されることが必要とされる。これは、極板の厚さを横切って一定の力を維持しながら圧延要素を使用することによって達成されることが可能である。
【００３３】
圧延要素８０１の回転軸８０５は、移動８０４の方向に対して直交、また極板１００上に形成されるチャネルの方向に対して並行であり得る。代替実施形態においては、チャネルは回転軸８０５に対してある角度に向けさせることができ、これは、軸８０５を打ち型８０２に対して回転することによって、または峰８０３を直交から遠ざかる方向に揃えることによる。この効果は、ローラ８０１が打ち型８０２に対して横断させられるにつれ、各微細チャネルを漸進的に形成することとなる。ローラ軸８０５が横断８０４の方向に対する直交から遠ざかるように揃えられた場合には、ローラと極板１００との間の結果としての滑りは、ローラ８０１の正面８０６が先細りを有することによって収容され得る。
【００３４】
二極極板１００は、過剰鋳造ゴム状ガスケット３０１を有して、鋼から作られることが好ましい。ガスケット３０１は、代替的に、燃料電池スタックの組み立て中に、極板上に置かれた別のコンポーネントで作成され得る。
【００３５】
添付の請求項により規定されるように、他の実施形態は意図的に本発明の範囲内にある。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成26年9月22日(2014.9.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池電極板における流体分配チャネルを形成するための方法であって、前記極板の前記厚さを通して圧力を適用しながら、ローラと平らな打ち型との対抗表面の間で前記極板を横断させ、それによって前記極板の表面を横切って一連のチャネルを形成することを含む、方法。
【請求項２】
前記平らな打ち型の前記表面は、前記一連のチャネルを形成するように構成される一連の隆線を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記一連のチャネルは、２５μｍ以下の断面寸法を有する、請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記一連のチャネルは、１５μｍ〜２０μｍの範囲の深さまたは幅を有する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記一連のチャネルの前記深さまたは幅の偏差は、平均値の５％以内である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ローラの回転軸は、前記極板が前記ローラと前記打ち型との間で通過させられる方向に対して９０°未満の角度で配向される、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記ローラの前記表面は、前記回転軸に沿って先細にされる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記一連のチャネルは、前記極板の前記表面を横切ってチャネルの並行配列を備える、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
燃料電池電極板において流体分配チャネルを形成するための装置であって、圧力下で前記ローラと打ち型との表面の間を横断させられる極板において一連のチャネルを形成するように構成され、配置されるローラおよび平らな打ち型を備える、装置。
【請求項１０】
前記平らな打ち型の前記表面は、前記極板において前記一連のチャネルを形成するように構成される一連の隆線を備える、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記一連の隆線は、２５μｍ以下の断面寸法を有する前記一連のチャネルを形成するように構成される、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記隆線は、深さまたは幅が１５μｍ〜２０μｍの範囲である前記一連のチャネルを形成するように構成される、請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記一連の隆線は、前記平らな打ち型の前記表面を横切る平行な隆線の配列を備える、請求項１０〜１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
前記極板の折り畳み領域内の表面内に形成されるチャネルの第１および第２の配列を備える燃料電池電極板であって、チャネルの前記第１の配列は、前記折り畳み領域の第１の内部面を横切って前記極板の縁から延在し、チャネルの前記第２の配列は、前記第１の方向に横断する第２の方向において前記折り畳み領域の第２の対抗面を横切って延在する、燃料電池電極板。
【請求項１５】
前記折り畳み領域は、前記極板の前記厚さを通り、流体分配チャネルの前記配列と流体連通しているポートを備える、請求項１４に記載の燃料電池電極板。
【国際調査報告】
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