(57)【要約】  例示的な燃料電池電解質管理装置は、第１の密度を有する第１の構成要素と、第１の密度よりも小さい第２の密度を有する第２の構成要素とを含む。第１の構成要素は、ポケットを含む第１の側面と、第１の側面に対向する第２の側面とを有する。第１の構成要素の第２の側面は、複数の第１の流量チャネルを含む。第２の構成要素は、第２の構成要素に電解質を貯蔵するように構成された気孔率を有する。第２の構成要素はポケット内に収まる。第２の構成要素は、第１の構成要素の第１の側面で直接的に受け止められた第１の側面を有する。第２の構成要素は、複数の第２の流量チャネルを含む第２の側面を有する。
2018537828.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池電解質管理装置であって、
第１の密度を有し、ポケットを含む第１の側面と、前記第１の側面に対向する第２の側面とを有し、前記第２の側面は複数の第１の流量チャネルを含む第１の構成要素と、
前記第１の密度よりも低い第２の密度を有し、第２の構成要素に電解質を貯蔵するように構成された気孔率を有する前記第２の構成要素と
を含み、
前記第２の構成要素は、前記ポケットに収まり、
前記第２の構成要素は、前記第１の構成要素の前記第１の側面で直接的に受け止められた第１の側面を有し、
前記第２の構成要素は、複数の第２の流量チャネルを含む第２の側面を有する、燃料電池電解質管理装置。
【請求項２】
前記第１の構成要素は、第１のタイプのグラファイトと第１のタイプの樹脂とを含み、
前記第２の構成要素は、前記第１のタイプのグラファイトとは異なる第２のタイプのグラファイトと、前記第１のタイプまたは樹脂とは異なる第２のタイプの樹脂とを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１のタイプのグラファイトは、少なくともグラファイトフレークを含み、前記第２のタイプのグラファイトは、少なくとも非フレークグラファイトを含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の樹脂はフルオロポリマー樹脂を含み、前記第２の樹脂は熱硬化性ポリマー樹脂を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記フルオロポリマー樹脂は、前記第１の構成要素の１０重量％〜５０重量％である、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第２の構成要素は、周囲温度または室温より高い温度で分解する接着剤によって前記ポケットに少なくとも一時的に結合されている、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第２の構成要素は、前記ポケットの境界に沿って配置された接着剤によって前記ポケットに少なくとも一時的に結合されている、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記第１の密度は少なくとも２ｇｍ／ｃｍ３である、請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記第１の密度は、前記第１の構成要素を通る電解質の移動を防止するバリアとして有効である、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記装置は、約１００ｐｓｉの軸荷重および１００ＡＳＦで０．００１７ｍＶｍｉｌｌ未満の膜厚方向電気抵抗率、および約１４０ｐｓｉで７Ｗ／ｍＫより大きく、１２Ｗ／ｍＫより小さい膜厚方向熱伝導率を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記第２の構成要素は気孔率が３０％〜７５％である、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記第２の構成要素の細孔は、３ミクロン〜２０ミクロンのサイズを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１の構成要素は、前記ポケットの少なくとも２つの縁部の各々にリブを含み、
前記リブは高さを有し、
前記第２の構成要素は、前記第２の構成要素の第１の側面と第２の側面との間の方向の厚さを有し、
前記高さは前記厚さにほぼ等しい、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１の構成要素は、前記ポケットの２つの縁部のそれぞれにリブを含み、
前記リブは前記複数の第２の流量チャネルに平行であり、
前記各リブにはシール部材が配置されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記各シール部材は、前記対応するリブの縁部を越えて横方向外側に延在するフラップ部分を含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記複数の第１の流量チャネルは、前記リブに略垂直であり、
第１の構成要素シール部材は、前記第１の構成要素の前記第２の側面の各側方最外縁部に配置され、
前記第１の構成要素シール部材は前記複数の第１の流量チャネルに平行である、請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
燃料電池電解質管理装置の作製方法であって、
第１のタイプのグラファイトと第１の樹脂とを含む第１の混合物から第１の密度を有する第１の構成要素を形成するステップと、
前記第１の構成要素の第１の側面にポケットを設けるステップと、
第２のタイプのグラファイトと第２の樹脂とを含む第２の混合物から前記第１の密度よりも小さい第２の密度を有する第２の構成要素を形成するステップであって、前記第２の構成要素は、前記第２の構成要素内に電解質を貯蔵するように構成された気孔率を有する、第２の構成要素を形成するステップと、
前記第２の構成要素の第１の側面が前記第１の構成要素の前記第１の側面で直接受け止められた状態で、前記ポケット内に前記第２の構成要素を配置するステップと、
前記第１の構成要素および前記第２の構成要素のそれぞれに流量チャネルを設けるステップと
を含む、方法。
【請求項１８】
前記第１の構成要素を形成するステップは、
前記第１の混合物を周囲温度で４０００ｐｓｉの圧力を用いて第１のプリフォームにプレスすることと、
その後、前記プリフォームを８００ｐｓｉの圧力を用いて５５０°Ｆの温度で約１時間プレスすることと、
その後、前記プリフォームを８００ｐｓｉの圧力で１４０°Ｆの温度で約１時間プレスすることと
を含み、
前記第２の構成要素を形成するステップは、
前記第２の混合物を２００ｐｓｉの圧力を用いて第２のプリフォームに１８０℃で約３０分間プレスすることと、
その後、前記第２のプリフォームを不活性ガスに曝しながら約９００℃の温度で前記第２のプリフォームを加熱することによって前記第２の樹脂を炭素に変換することと
を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の構成要素に前記ポケットを設けるステップは、前記第１の構成要素の一部分を機械加工して前記ポケットを確立すること、または前記第１の構成要素の形成中に前記ポケットを形成することのうちの少なくとも１つを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の密度は少なくとも２ｇｍ／ｃｍ３であり、前記第２の構成要素は、気孔率が３０％〜７５％である、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
周囲温度または室温より高い温度で分解する接着剤によって前記第２の構成要素を前記ポケットに少なくとも一時的に結合するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記ポケットの境界に沿って接着剤を配置するステップと、
前記接着剤を使用して前記第２の構成要素を前記ポケットに少なくとも一時的に結合するステップと
を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
前記第２の混合物は、高温で気化するワックスを含み、前記第２の構成要素は前記ワックスが気化する前に前記ワックスが占める位置に孔を有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２４】
前記装置は、約１００ｐｓｉの軸荷重および１００ＡＳＦで０．００１７ｍＶｍｉｌｌ未満の膜厚方向電気抵抗率、および約１４０ｐｓｉで７Ｗ／ｍＫより大きく、１２Ｗ／ｍＫより小さい膜厚方向熱伝導率を有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１の混合物は、約８５質量％のフレークグラファイトと約１５質量％のフルオロポリマー樹脂とを含み、
前記第２の混合物は、約８０質量％の非フレークグラファイトと約２０質量％の熱硬化性ポリマー樹脂とを含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池内にリン酸などの電解質を貯蔵することに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素を含む電気化学反応に基づいて電気エネルギーを生成するのに有用である。高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池やリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）を含む数種類の燃料電池がある。液体電解質として機能する十分な量のリン酸を提供し、維持することは、ＰＡＦＣに関連する問題の１つである。リン酸が一旦蒸発すると、ＰＡＦＣは機能しなくなるので、ＰＡＦＣが十分なリン酸を有する時間を延ばすとＰＡＦＣの有効寿命が長くなる。
【０００３】
いくつかの公知のＰＡＦＣには、蒸発するリン酸が捕捉され得るカソードおよびアノード基材上の無触媒凝縮領域が含まれる。このような凝縮領域は、この点に関していくらかの用途を有するが、電気化学反応に利用可能な電極基材の面積を減少させ、その結果、ＰＡＦＣの電気出力容量を減少させる。
【０００４】
一部の提案された燃料電池構成は、一部のリン酸を貯蔵し得る多孔質層を有するバイポーラプレートを含む。このような構成は、典型的には、多孔質層に対する固体セパレータプレートを含み、セル間の酸移動を防止する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このようなセパレータプレートは、その目的に有用であるが、他の問題に遭遇する。例えば、燃料電池スタックアセンブリのセル間の熱的および電気的輸送を最大限にすべきであるが、固体セパレータプレートは熱伝導率および電気伝導率を低下させる傾向がある。別の制限要因は、このようなセパレータプレートを製造するための従来技術が高価であることであった。このようなプレートを各セルに追加することは、多くのセルを含むセルスタックアセンブリまたは発電プラントのコストを増加させる。
リン酸をＰＡＦＣ中に維持する方法の改良が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
例示的な燃料電池電解質管理装置は、第１の密度を有する第１の構成要素と、第１の密度よりも小さい第２の密度を有する第２の構成要素とを含む。第１の構成要素は、ポケットを含む第１の側面と、第１の側面に対向する第２の側面とを有する。第１の構成要素の第２の側面は、複数の第１の流量チャネルを含む。第２の構成要素は、第２の構成要素に電解質を貯蔵するように構成された気孔率を有する。第２の構成要素はポケット内に収まる。第２の構成要素は、第１の構成要素の第１の側面で直接的に受け止められた第１の側面を有する。第２の構成要素は、複数の第２の流量チャネルを含む第２の側面を有する。
【０００７】
前段落の装置の１つ以上の特徴を有する装置の例示的な実施形態では、第１の構成要素は、第１のタイプのグラファイトと第１のタイプの樹脂とを含み、第２の構成要素は、第１のタイプのグラファイトとは異なる第２のタイプのグラファイトと、第１のタイプまたは樹脂とは異なる第２のタイプの樹脂とを含む。
【０００８】
いずれかの前段落の装置の１つ以上の特徴を有する装置の例示的な実施形態では、第１のタイプのグラファイトは、少なくともグラファイトフレークを含み、第２のタイプのグラファイトは、少なくとも非フレークグラファイトを含む。
【０００９】
いずれかの前段落の装置の１つ以上の特徴を有する装置の例示的な実施形態では、第１の樹脂はフルオロポリマー樹脂を含み、第２の樹脂は熱硬化性ポリマー樹脂を含む。
【００１０】
いずれかの前段落の装置の１つ以上の特徴を有する装置の例示的な実施形態では、フルオロポリマー樹脂は、第１の構成要素の１０重量％〜５０重量％である。
【００１１】
いずれかの前段落の装置の１つ以上の特徴を有する装置の例示的な実施形態では、第２の構成要素は、周囲温度または室温より高い温度で分解する接着剤によってポケットに少なくとも一時的に結合されている。
【００１２】
いずれかの前段落の装置の１つ以上の特徴を有する装置の例示的な実施形態では、第２の構成要素は、ポケットの境界に沿って配置された接着剤によってポケットに少なくとも一時的に結合されている。
【００１３】
いずれかの前段落の装置の１つ以上の特徴を有する装置の例示的な実施形態では、第１の密度は少なくとも２ｇｍ／ｃｍ３である。
【００１４】
いずれかの前段落の装置の１つ以上の特徴を有する装置の例示的な実施形態では、第１の密度は、第１の構成要素を通る酸の移動を防止するバリアとして有効である。
【００１５】
いずれかの前段落の装置の１つ以上の特徴を有する装置の例示的な実施形態では、装置は、約１００ｐｓｉの軸荷重および１００ＡＳＦで０．００１７ｍＶｍｉｌｌ未満の膜厚方向電気抵抗率、および約１４０ｐｓｉで７Ｗ／ｍＫより大きく、１２Ｗ／ｍＫより小さい膜厚方向熱伝導率を有する。
【００１６】
いずれかの前段落の装置の１つ以上の特徴を有する装置の例示的な実施形態では、第２の構成要素は気孔率が３０％〜７５％である。
【００１７】
いずれかの前段落の装置の１つ以上の特徴を有するリン酸管理装置の例示的な実施形態では、第２の構成要素の細孔は、３ミクロン〜２０ミクロンのサイズを有する。
【００１８】
いずれかの前段落の装置の１つ以上の特徴を有する装置の例示的な実施形態では、第１の構成要素は、ポケットの少なくとも２つの縁部の各々にリブを含み、リブは高さを有し、第２の構成要素は、第２の構成要素の第１の側面と第２の側面との間の方向の厚さを有し、高さは厚さにほぼ等しい。
【００１９】
いずれかの前段落の装置の１つ以上の特徴を有する装置の例示的な実施形態では、第１の構成要素は、ポケットの２つの縁部のそれぞれにリブを含み、リブは複数の第２の流量チャネルに平行であり、各リブにはシール部材が配置されている。
【００２０】
いずれかの前段落の装置の１つ以上の特徴を有する装置の例示的な実施形態では、各シール部材は、対応するリブの縁部を越えて横方向外側に延在するフラップ部分を含む。
【００２１】
いずれかの前段落の装置の１つ以上の特徴を有する装置の例示的な実施形態では、複数の第１の流量チャネルは、リブに略垂直であり、第１の構成要素シール部材は、第１の構成要素の第２の側面の各側方最外縁部に配置されており、第１の構成要素シール部材は複数の第１の流量チャネルに平行である。
【００２２】
燃料電池電解質管理装置の例示的な作製方法は、第１のタイプのグラファイトと第１の樹脂とを含む第１の混合物から第１の密度を有する第１の構成要素を形成するステップと、第１の構成要素の第１の側面にポケットを設けるステップと、第２のタイプのグラファイトと第２の樹脂とを含む第２の混合物から第１の密度よりも小さい第２の密度を有する第２の構成要素を形成するステップであって、第２の構成要素は、第２の構成要素内に電解質を貯蔵するように構成された気孔率を有する、第２の構成要素を形成するステップと、第２の構成要素の第１の側面が第１の構成要素の第１の側面で直接受け止められた状態で、ポケット内に第２の構成要素を配置するステップと、第１の構成要素および第２の構成要素のそれぞれに流量チャネルを設けるステップとを含む。
【００２３】
前段落の方法の１つ以上の特徴を有する方法の例示的な実施形態において、第１の構成要素を形成するステップは、第１の混合物を周囲温度で４０００ｐｓｉの圧力を用いて第１のプリフォームにプレスすることと、その後、プリフォームを８００ｐｓｉの圧力を用いて５５０°Ｆの温度で約１時間プレスすることと、その後、プリフォームを８００ｐｓｉの圧力で１４０°Ｆの温度で約１時間プレスすることとを含み、第２の構成要素を形成するステップは、第２の混合物を２００ｐｓｉの圧力を用いて第２のプリフォームに１８０℃で約３０分間プレスすること、その後、第２のプリフォームを不活性ガスに曝しながら約９００℃の温度で第２のプリフォームを加熱することによって第２の樹脂を炭素に変換することを含む。
【００２４】
いずれかの前段落の方法の１つ以上の特徴を有する方法の例示的な実施形態では、第１の構成要素にポケットを設けるステップは、第１の構成要素の一部分を機械加工してポケットを確立すること、または第１の構成要素の形成中にポケットを形成することのうちの少なくとも１つを含む。
【００２５】
いずれかの前段落の方法の１つ以上の特徴を有する方法の例示的な実施形態では、第１の密度は少なくとも２ｇｍ／ｃｍ３であり、第２の構成要素は、気孔率が３０％〜７５％である。
【００２６】
いずれかの前段落の方法の１つ以上の特徴を有する方法の例示的な実施形態は、周囲温度または室温より高い温度で分解する接着剤によって第２の構成要素をポケットに少なくとも一時的に結合するステップを含む。
【００２７】
いずれかの前段落の方法の１つ以上の特徴を有する方法の例示的な実施形態は、ポケットの境界に沿って接着剤を配置するステップと、接着剤を使用して第２の構成要素をポケットに少なくとも一時的に結合するステップとを含む。
【００２８】
いずれかの前段落の方法の１つ以上の特徴を有する方法の例示的な実施形態では、第２の混合物は、高温で気化するワックスを含み、第２の構成要素はワックスが気化する前にワックスが占める位置に孔を有する。
【００２９】
いずれかの前段落の方法の１つ以上の特徴を有する方法の例示的な実施形態では、装置は、約１００ｐｓｉの軸荷重および１００ＡＳＦで０．００１７ｍＶｍｉｌｌ未満の膜厚方向電気抵抗率、および約１４０ｐｓｉで７Ｗ／ｍＫより大きく、１２Ｗ／ｍＫより小さい膜厚方向熱伝導率を有する。
【００３０】
いずれかの前段落の方法の１つ以上の特徴を有する方法の例示的な実施形態では、第１の混合物は、約８５質量％のフレークグラファイトと約１５質量％のフルオロポリマー樹脂とを含み、第２の混合物は、約８０質量％の非フレークグラファイトと約２０質量％の熱硬化性ポリマー樹脂とを含む。
【００３１】
本発明の実施形態に関連する様々な特徴および利点は、以下の詳細な説明から当業者には明らかになるであろう。詳細な説明に添付された図面は、以下のように簡単に説明することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に従って設計された燃料電池電解質管理装置の例示的な実施形態を図式的に示す。
【図２】図１に示された例示的な実施形態の分解図である。
【図３】本発明に従って設計された例示的な実施形態の選択された特徴を概略的に示す。
【図４】本発明の一実施形態による装置を作製する例示的なプロセスを要約するフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１および図２は、燃料電池の動作を容易にし、燃料電池内の有用なレベルの電解質を維持するのに有用な燃料電池電解質管理装置２０の一例を示す。電解質の一例はリン酸である。検討の目的のために、リン酸は、燃料電池内で有用な電解質の一例として、以下の説明で参照される。他の電解質は、本発明の実施形態に従って設計された装置または燃料電池に含まれていてもよい。
【００３４】
例示的な装置２０は、第１の構成要素２２と、第１の構成要素２２のポケット２６内で受け止められた第２の構成要素２４とを含む。この例では、第１の構成要素２２は、ポケット２６の両側に隆起した縁部または梁部２８を含む。
【００３５】
第２の構成要素２４の第１の側面３０は、第１の構成要素２２で受け止められ、第２の構成要素２４の第２の側面３２は、第１の側面３０とは反対の方向に向く。いくつかの実施形態では、第１の側面３０は、燃料電池動作温度などの高温で分解する接着剤によってポケット２６に接着剤で接着固定される。いくつかの例では、接着剤は、室温または周囲温度条件を超える温度で分解する。装置２０は、第１の構成要素２２と第２の構成要素２４との間の分離のリスクがないように燃料電池スタック内に配置されるので、第２の構成要素２４をポケット２６内に固定するために使用される接着剤は、装置２０の構成要素の組み立てや取り扱いの間に必要なだけである。接着剤は、燃料電池動作中に第２の構成要素を定位置に保持する必要はない。燃料電池動作温度で分解する接着剤を含む１つの特徴は、第２の構成要素２４の側面３０がポケット２６の表面で受け止められるこれらの２つの構成要素の間の界面で、第１の構成要素２２と第２の構成要素２４との間の材料を除去することである。
【００３６】
いくつかの実施形態は、装置の製造または組み立ての間に期待される室温または周囲温度より高い温度で分解する接着剤を含む。このような接着剤は、予想される燃料電池動作温度よりも低い温度で分解し得るが、そのときでも装置２０がセルスタックアセンブリに組み込まれる前に所望の接着剤による結合をもたらす。
【００３７】
第１の構成要素２２および第２の構成要素２４の材料を、間に介在する層または材料なしで互いに直接隣接させると、装置２０の電気伝導率および熱伝導率が向上する。電気伝導率および熱伝導率を最大化または向上させることにより、燃料電池の出力および性能が向上する。
【００３８】
第２の構成要素２４の第２の側面３２は、燃料電池内のアノード電極に燃料を分配または供給するのに有用な複数のリブ３４および流量チャネル３６を含む。第１の構成要素２２は、例えば、カソード電極に酸化剤を供給するのに有用な流量チャネル３８を含む。
【００３９】
第１の構成要素２２および第２の構成要素２４は、異なる密度および異なる気孔率を有し、装置２０に二重の性質または容量を付与する。第１の構成要素２２は、第２の構成要素２４よりも密度が高く、気孔率が低い。第２の構成要素２４のより低い密度およびより高い気孔率は、それを燃料電池内のリン酸貯蔵領域または構成要素として適切にする。第１の構成要素２２は、本質的に完全に緻密であり、非多孔性であるか、または本質的に非多孔性であり、セルスタックアセンブリ内のセル間の酸移動を防止する。
【００４０】
第２の構成要素２４に貯蔵し得るリン酸の量は、その構成要素の気孔率と共に変化する。第２の構成要素２４の気孔率は、３０％〜７５％の範囲であり得る。気孔率の増加は、上述の製造プロセスおよび組み立てプロセス中の第２の構成要素２４の取り扱いにおける課題を招く。例示的な実施形態の望ましい気孔率の範囲は、３０％〜６０％である。
【００４１】
例示的な細孔径は、約３μｍ〜約２０μｍの範囲である。図示された例における細孔径は、マトリックスの細孔径より大きく、ガス拡散層の細孔径よりも小さくなるように選択される。これらのパラメータ内の細孔径を維持することにより、マトリックスが気泡圧力の損失の結果である可能性のある電解質の損失を防ぎ、燃料または空気窮乏の原因となる可能性があるガス拡散層の氾濫を防止する。
【００４２】
１つの例は、第２の構成要素２４が第２の構成要素２４内の細孔の酸充填を改善するための濡れ性処理を含む。例示的な濡れ性処理には、酸処理、酸素プラズマ、または湿潤性ナノ粒子による第２の構成要素２４の少なくとも一部のコーティングが含まれる。
【００４３】
一例では、第１の構成要素２２は、少なくとも２．１グラム／立方センチメートルの密度を有する。第１の構成要素２２の密度は、燃料電池動作の１００，０００時間ごとに０．１ｍｍ未満の酸移動速度をもたらす。いくつかの実施形態は、１００，０００時間の燃料電池動作ごとに０．１〜０．７ｍｍの酸移動速度を含む。いくつかの実施形態は、１００時間の動作当たり０．５ｍｍの酸移動速度を含む。
【００４４】
第１の構成要素２２および第２の構成要素２４を作製するために選択される材料は、約２００℃の温度で熱リン酸の存在下で安定であり、リン酸燃料電池の動作中に典型的である。
【００４５】
いくつかの実施形態では、第１の構成要素２２と第２の構成要素２４の異なる材料組成は、それらの構成要素の所望の特性をもたらす。例えば、第２の構成要素２４は、１種類のグラファイトを含み、第１の構成要素２２は、別の種類のグラファイトを含む。第２の構成要素２４は、球状グラファイト、フレークグラファイト、または任意の形状の非フレークグラファイトを含み得る。第１の構成要素２２は、フレークグラファイトを含み得る。
【００４６】
いくつかの例示的な実施形態は、材料を加熱すると材料内に細孔を確立する第２の構成要素２４を作製するための材料を含む。例えば、第２の構成要素２４を形成するための混合物に構成要素として、ワックスまたは同様の材料を含めることができる。適切な温度で、ワックスまたは他の構成要素が溶融して、第２の構成要素の残りの材料内に細孔を残す。一例は、約２０％の合成ワックス粉末、２０％のフェノール樹脂粉末、および６０％のグラファイト粉末を混合することを含む。この混合物を用いて第２の構成要素２４を形成する。ワックスは、熱処理工程の間に完全に蒸発し、フェノール樹脂のみで達成できるよりも高い多孔性プレートを生成する。細孔形成材料の他の例は、ポリエチレンワックス、ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）およびセルロース粉末である。ワックスまたは他の材料は約５重量％〜３０重量％を構成し得、フェノール樹脂は１０重量％〜２５重量％の範囲にあり得、残部はグラファイト粉末を含み得る。
【００４７】
図３は、第１の構成要素２２および第２の構成要素２４の異なる密度および気孔率を概略的に示す。図３の説明図に含まれる別の特徴は、第１の構成要素２２の縁部に沿った複数のシール４０である。シール４０は流量チャネルに平行に配置され、セルからセルへの酸の移動を防止する酸バリアをもたらす。この例では、図３で理解できるように、延長フラップ４２は、第１の構成要素２２の外縁部を越えて配置されている。図３の下部に示されているシール４０は、第１の構成要素２２の底部の対応する縁部よりもさらにページ外に延在している。シール４０はまた、セル間のガス拡散を防止する。
【００４８】
第１の構成要素２２およびシール４０の高密度化は、有効な酸バリアおよびガス拡散バリアをもたらし、その結果、別個のセパレータプレートが構成要素２２、２４間に必要とされない。例示的な装置２０は、リン酸燃料電池内で公知のバイポーラプレートの代わりに使用し得る。酸含有固体セパレータプレートおよびそれらの含有物を収容することができる従来のバイポーラプレート設計は、セルスタックアセンブリの電気伝導率および電気生成性を低下させる傾向がある。典型的には固体であり、アノード流動場とカソード流動場の間に介在するセパレータプレートの必要性を排除する１つの特徴は、第１の構成要素２２の材料と第２の構成要素２４の材料との間の直接的な接触のために、熱伝導率および電気伝導率が増加し得ることである。したがって、図示された装置は、燃料電池のためのリン酸貯蔵および電気伝導率および電気生成を向上させる。
【００４９】
例示的な装置２０は、６インチ×６インチのサンプルについて１３９ｐｓｉで測定した場合、７Ｗ／ｍＫ〜１２Ｗ／ｍＫの間の膜厚方向熱伝導率を有する。面内熱伝導率は１１１Ｗ／ｍＫ未満である。例示的な装置２０の電気伝導率は、１００ｐｓｉの軸荷重および１００ＡＳＦで測定した６インチ×６インチのサンプルで０．００１７ｍＶｍｉｌｌ未満である。
【００５０】
例示的な実施形態の低密度でより多孔性の第２の構成要素２４の貯蔵態様の別の特徴は、セルスタックアセンブリ内でより多くのリン酸を維持することによって燃料電池の寿命を延ばすことを試みる目的で、いくつかのＰＡＦＣＳに設けられた凝縮領域の必要性を低減または排除することである。第２の構成要素２４のリン酸貯蔵容量は、凝縮領域の必要性を低減する。凝縮領域を排除することにより、燃料電池の電気化学的エネルギー生成反応に有用な表面積が増加する。これは、例示的な実施形態が燃料電池の生産性を向上させる別の方法である。
【００５１】
図４は、本発明の一実施形態によるリン酸管理装置を作製する例示的なプロセスを概略的に要約したフローチャート図５０である。第２の構成要素２４を作製するためのプロセスが５２から始まり、選択された種類のグラファイトが選択された樹脂と混合される。例示的な混合物は、８０質量％のグラファイトおよび１８質量％の樹脂を含む。検討の目的のために、図４は、球状グラファイトおよびフェノール樹脂を利用することを含む。例示的な実施形態は、フェノール樹脂、石油ピッチおよびフルフリルアルコールを含む。
【００５２】
５４において、グラファイト樹脂混合物は、樹脂を硬化させるのに十分な高温で平板形状にプレスされる。１つの例は、約３０分間１８０℃の温度で２００ｐｓｉを利用することを含む。５６において、グラファイト／樹脂混合物の樹脂は、不活性雰囲気（例えば、窒素またはアルゴン）中、９００℃などの高温で炭素に転化される。
【００５３】
５６において、樹脂は図示の例で炭化される。別の例示的な実施形態では、樹脂は、９００℃を超える温度で第２の構成要素２４となる多孔質プレートをアニールすることによってグラファイト化される。樹脂のグラファイト化が達成されると、装置２０および関連する燃料電池の性能が向上し得る。しかし、炭化の代わりにグラファイト化のために温度を上げると、製造プロセス中に追加のコストがかかる可能性があり、それは性能向上の恩恵を上回る可能性がある。
【００５４】
５８において、密度のより低く多孔性のリン酸貯蔵第２の構成要素２４が、装置２０への一体化のために準備される。いくつかの例示的な実施形態では、連続プロセスが、装置２０の２つの構成要素を作製するために使用される。第２の構成要素２４のためのプリフォームは、個々の燃料電池（幅、長さまたはその両方がより大きい）に必要とされるよりも大きな表面積で作製されてもよい。そのプリフォームは、１つ以上の装置２０に対して適切なサイズにカットされてもよい。いくつかの例は、対応する構成要素の所望の最終幅に対応する幅を有する構成要素２２，２４の少なくとも１つの材料の長い一片を確立することを含む。次に、個々のセクションを所望の長さに切断することができる。このような連続プロセスを使用することにより、本発明の一実施形態に従って設計された装置に関連する経済性を高め得る。
【００５５】
第１の構成要素２２は、６０で始まるプロセスを使用して作製され、フレークグラファイトがフルオロポリマー樹脂と混合される。一例では、樹脂は、コポリマーのフッ素化エチレンプロピレン樹脂である。一例は、８５質量％のグラファイトと１５質量％の樹脂の混合物を使用することを含む。６２におけるプリフォーム製造は、混合物を室温、４０００ｐｓｉでプリフォームにプレスすることによって平板構造を確立する。６４において、プリフォームは、５５０°Ｆの温度、８００ｐｓｉで約６０分間プレスされる。続いて、プリフォームを８００ｐｓｉおよび１４０°Ｆで約６０分間プレスする。
【００５６】
６６において、ポケット２６は、第１の構成要素２２上に確立される。この例では、ポケットは、概略的に示された方法の前の部分で確立されたプリフォームから材料を機械加工することによって確立される。他の実施形態では、少なくとも第１の構成要素２２を製造する際に、モールドトゥシェイプアプローチを使用し得る。６８において、高密度の本質的に非多孔性の第１の構成要素２２は、組み立ての準備ができている。
【００５７】
７０において、結合剤または接着剤がポケット２６に塗布される。上述のように、使用される接着剤の量を低減することは、構成要素２２、２４間の電気伝導率を可能な限り高く維持することを容易にする。１つの例は、結合剤をポケット２６の周囲にのみ適用することを含む。
【００５８】
７２において、第１の構成要素２４がポケット２６内に配置され、次いで接着剤が１００ｐｓｉおよび２００°Ｆで約１分間硬化される。
【００５９】
製造プロセス中に使用される接着剤は、構成要素間の十分な結合をもたらして、７４での機械加工の間およびセルスタックアセンブリ内で個々の燃料電池ユニットを積み重ねるプロセスの間にそれらを一緒に保持するべきである。一例の接着剤は、３Ｍから市販されており、製品番号４２１３ＮＦで知られている。開示された例示的な実施形態は、第２の構成要素２４をポケット２６内に一時的に固定するための結合剤を利用する。上述したように、装置２０が燃料電池スタック内に配置されると、そのスタックに関連する圧縮力は、接着剤の結合特性がもはや必要でないように、構成要素を互いに対して適所に保持する。燃料電池動作温度（約２００℃）または室温または周囲温度を超える他の温度などの高温で分解する結合剤を使用すると、燃料電池内の電気伝導率および熱伝導率に干渉せず、またはそれらを低減しない製造および組み立てプロセスのための良好な結合が得られ、その後に、結合剤が電気伝導率および熱伝導率が悪い場合に存在し得る。
【００６０】
ポケット２６内に第２の構成要素２４を少なくとも一時的に固定するために接着剤が使用されるが、いくつかの例示的な実施形態はそのような接着剤を有さない。第１の構成要素２２および第２の構成要素２４が製造される方法は、接着剤が使用されるか否かを決定し得る。例えば、第２の構成要素２４がポケット２６内に配置された後に流量チャネル３８および３６が装置２０に機械加工される場合、機械加工プロセスを容易にするために接着剤が必要とされ得る。第２の構成要素２４がポケット２６内に配置される前に流量チャネルが構成要素内に予め設定される場合、接着剤は必要でない可能性があり、なぜなら、構成要素はセルスタック組み立て体を作製するプロセスの一部として組み立てられ得、スタックに加えられる最終的な圧力は、構成要素を一緒に保持する。
【００６１】
この例では、チャネルが存在するべきである材料を機械加工することによって、装置の両側に流動場チャネルを確立するために使用される最終加工プロセスが７４で示されている。
【００６２】
説明された例示的な実施形態では機械加工が使用されるが、第１の構成要素２２、第２の構成要素２４、またはその両方を確立するために使用される金型形状は、ポケット２６を第１の構成要素２２に、流量チャネルをどちらか一方の構成要素に、またはこれらの組み合わせを確立するように構成できる。
【００６３】
例示的な装置２０の１つの特徴は、セル間のガスと電解質の混合を防止するために別個の固体セパレータプレート層を必要としない燃料電池内に電解質貯蔵能力をもたらすことである。図示された実施例はまた、ガス混合を防止するためにウェットシールを必要としない。代わりに、第２の構成要素２４よりもかなり高密度の第１の構成要素２２は、セル間の電解質移動とセル間のガスの混合を防止する。
【００６４】
開示された例示的な装置および方法は、燃料電池内の電解質管理の向上をもたらす。電気性能を犠牲にすることなく、追加の電解質貯蔵が可能であるが、代わりに燃料電池の電気的性能の向上が可能となる。
【００６５】
前述の説明は、本質的に限定するものではなく例示的なものである。開示された実施例の変形および変更は、開示された実施形態によってもたらす技術への貢献の本質から必ずしも逸脱していない当業者には明らかになるであろう。法的保護の範囲は、以下の特許請求の範囲を検討することによってのみ決定することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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