燃料電池装置
【課題】燃料電池装置を構成するいくつかの成分の間に接触力を供給できる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池は膜電極接合体と２つのガス拡散層と２つの電流コレクタと２つの密封部材と流れ場プレートアッセンブリとを有する。前記膜電極接合体３０１は、膜を少なくとも１つ有し、２つのガス拡散層は、膜電極接合体３０１の両側に、それぞれ結合されている。流れ場プレートアッセンブリ１０は、膜電極接合体３０１の両側面のうち第１側面において、膜電極接合体３０１に結合されている。膜電極接合体３０１、２つのガス拡散層３０２、２つの電流コレクタ３０３，３０４、および２つの密封部材２０のうち少なくとも１つが、膜電極接合体３０１、２つのガス拡散層３０２、２つの電流コレクタ３０３，３０４、および２つの密封部材３０１をアッセンブルする前には、非平面状で、アッセンブルしたときに少なくとも一部が平面化する非平面状表面を有する。
【解決手段】燃料電池は膜電極接合体と２つのガス拡散層と２つの電流コレクタと２つの密封部材と流れ場プレートアッセンブリとを有する。前記膜電極接合体３０１は、膜を少なくとも１つ有し、２つのガス拡散層は、膜電極接合体３０１の両側に、それぞれ結合されている。流れ場プレートアッセンブリ１０は、膜電極接合体３０１の両側面のうち第１側面において、膜電極接合体３０１に結合されている。膜電極接合体３０１、２つのガス拡散層３０２、２つの電流コレクタ３０３，３０４、および２つの密封部材２０のうち少なくとも１つが、膜電極接合体３０１、２つのガス拡散層３０２、２つの電流コレクタ３０３，３０４、および２つの密封部材３０１をアッセンブルする前には、非平面状で、アッセンブルしたときに少なくとも一部が平面化する非平面状表面を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［優先権］
この出願は、２００９年１２月７日に出願された米国仮出願第６１/２６７，３８７号の優先権の利益を主張するものであり、この仮出願の全てが、ここに参照として全体として取り込まれる。また、この出願は、上記米国仮出願第６１/２６７，３８７号の優先権を主張した３つの係属中の出願に関連する。すなわち、第１に、発明の名称を「流れ場プレートアッセンブリ」とする２０１０年８月９日に出願された米国出願第１２／８５３，０９６号、第２に、発明の名称を「平行な複数の流路を有する流れ場プレートアッセンブリ」とする２０１０年８月２０日に出願された米国出願第１２／８６０，４２１号、第３に、発明の名称を「モジュール化された燃料電池装置及び流れ場プレートアッセンブリ」とする２０１０年８月２０日に出願された米国出願第１２／８６０，４６０号である。また、この出願は、２０１０年３月１２日に出願された台湾特許出願第０９９１０７２２０号の優先権の利益を主張するものであり、この出願の全てが、ここに参照として全体として取り込まれる。
【０００２】
本発明は、燃料電池装置に関し、特に、接触力（contact force）供給成分を有する燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００３】
流れ場プレートは、流体に関連する用途のために設計された構造を有するものであり、たとえば、１または２種以上の流体を運んだり、届けたり、分割したり、および／または、分配したりするための構造を有するものである。ここで、「流体」という用語は、広義な意味で用いられ、ある地点から他の地点まで流れることができるものであれば何でもよい。たとえば、流体としては、空気、気体、液体、粘性流体など、ある地点から他の地点間まで、それ自身が流れて移動することができるものや、流体の一部として、流れて移動することができるものが含まれる。
【０００４】
具体例として、流れ場プレートの数多くの適用例の一つとして、燃料電池用途があり、燃料電池用途においては、流れ場プレートは、電力を発生させるための液体または気体状の、１または２種以上の「燃料」を、移送、案内、および／または分配するために用いられる。図１は、従来の燃料電池装置の一例を示す断面図である。図１を参照すると、たとえば、プロトン交換膜燃料電池（「ＰＥＭＦＣ」として知られている。）などの、単一の燃料電池４００は、主に、膜電極接合体４１０、二つのガス拡散層４０５，４０６、及び二つの流れ場プレート４０１，４０２を含む。図に示すように、二つのガス拡散層４０５，４０６は、膜電極接合体４１０を、その間に挟んでおり、二つの流れ場プレート４０１，４０２は、膜電極接合体４１０および二つのガス拡散層４０５，４０６を、その間に挟んでいる。各流れ場プレート４０１，４０２は、流路４０３，４０４のような１または２以上の流路が形成されており、各流路を反応流体が流れるようになっている。膜電極接合体４１０は、たとえば、プロトン交換膜４０９、陽極触媒層４０７、及び陰極触媒層４０８を備えている。通常、陽極および陰極触媒層４０７，４０８は、白金、または白金合金の成分を有しており、これらは触媒として作用し、燃料電池の電気化学反応を促進する。
【０００５】
従来の燃料電池装置においては、電極やその他の接触成分などの内部成分に対して、限られた接触力しか提供できていない。そのため、燃料電池装置を構成するいくつかの成分の間に接触力を供給できる燃料電池装置を提供することが望まれている。
【発明の概要】
【０００６】
本実施例に係る燃料電池は、膜電極接合体と、２つのガス拡散層と、２つの電流コレクタと、２つの密封部材と、流れ場プレートアッセンブリと、を有する。前記膜電極接合体は、燃料電池反応のための膜を少なくとも１つ有し、前記２つのガス拡散層は、前記膜電極接合体の両側に、それぞれ結合されている。前記２つの電流コレクタは、前記２つのガス拡散層に、それぞれ結合されており、前記２つの密封部材は、前記２つの電流コレクタに、それぞれ結合されている。前記流れ場プレートアッセンブリは、前記膜電極接合体の両側面のうち第１側面において、前記膜電極接合体に、結合されており、前記膜電極接合体は、前記流れ場プレートアッセンブリと前記膜電極接合体の前記第１側面との間に、前記２つのガス拡散層のうち対応する少なくとも１つ、前記２つの電流コレクタのうち対応する少なくとも１つ、および、前記２つの密封部材のうち少なくとも１つ有している。前記流れ場プレートアッセンブリは、前記膜のうちの１つの膜と結合するための露出側面を有する流路を有している。
【０００７】
さらに、いくつかの実施例において、前記膜電極接合体、前記２つのガス拡散層、前記２つの電流コレクタ、および前記２つの密封部材のうち少なくとも１つが、（前記膜電極接合体、前記２つのガス拡散層、前記２つの電流コレクタ、および前記２つの密封部材をアッセンブルする前において）、アッセンブルしたときに少なくとも一部が平面化する非平面状表面を有する。いくつかの実施例において、前記膜電極接合体、前記２つの電流コレクタのうち少なくとも一方が、前記膜電極接合体、前記２つのガス拡散層、前記２つの電流コレクタ、および前記２つの密封部材をアッセンブルする前には、非平面状であり、アッセンブルしたときに少なくとも一部が平面化する非平面状表面を有する。
【０００８】
他の実施例において、燃料電池システムは、ホルダーと、複数の燃料電池モジュールを有する。前記ホルダーは、前記燃料電池システムに燃料電池モジュールの搭載部を提供し、かつ、前記ホルダーは、流入流体を供給するためのチャンネルを有する。前記複数の燃料電池モジュールは、ホルダーに搭載されるためのエッジをそれぞれ有し、前記複数の燃料電池モジュールは、前記ホルダーの周囲に放射状に配置される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、従来の燃料電池を示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施例に係る燃料電池モジュールの分解概略図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の一実施例に係る燃料電池モジュールの側面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の一実施例に係る燃料電池モジュールの側面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、本発明の一実施例に係る複数の流路を接続する第１マニホールドおよび第２マニホールドを有する流れ場プレートアッセンブリの断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施例に係る密封部材により取り囲まれた電流コレクタを示す概略図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の一実施例に係るキャリア上に形成された電流コレクタの正面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の一実施例に係るキャリアの電流コレクタおよび受け入れスロットのエッジ構造を示す断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ａに示す本発明の一実施例に係るキャリア上に設置された電流コレクタのX1−X2線に沿う断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の一実施例に係る電流コレクタの側面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、他の実施例に係る電流コレクタの側面図である。
【図６】図６は、本発明の一実施例に係る複数の燃料電池モジュールを備える燃料電池システムを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明についての目的、特徴、長所が一層明確に理解されるよう、以下に実施形態を例示し、図面を参照にしながら、詳細に説明する。
【００１１】
以下においては、燃料電池モジュールをアッセンブルする際またはアッセンブルされた燃料電池モジュール内において、接触力を提供する非平面状表面を供給可能な構造を有する１または２以上の成分を有する燃料電池モジュールの実施例について開示する。いくつかの実施例においては、電流コレクタまたは他の成分が、膜電極接合体に対して突出した曲面状あるいは多角形状の表面を有する。いくつかの実施例においては、システムデザイン、用途あるいは他の要因に応じて、前記接触力は、電気伝導性、電気的接触の安定性、および／または長期間における信頼性を提供することができる。
【００１２】
図２Ａは、本発明の実施例に係る燃料電池モジュールの分解概略図である。図２Ｂは、本発明の一実施例に係る燃料電池モジュールの側面図であり、アッセンブルされる前およびアッセンブルされた後の構成を示している。図２Ａ、図２Ｂを参照すると、一実施例において、燃料電池モジュールＦは、２つのインターフェースユニットＫと、２つのインターフェースユニットＫの間に配置され、あるいは、これらの間に結合された流れ場プレートアッセンブリ１０（fluid flow plate assembly）とを含む。流れ場プレートアッセンブリ１０は、複数の流路（fluid flow channel）Ｃを有し、複数の流路Ｃは、図に示すように、流れ場プレート１０の一方の表面または両側の表面のそれぞれに形成され、２つのインターフェースユニットＫにそれぞれ向かい合う。
【００１３】
インターフェースユニットＫのうち、１方または両方は、密封部材（sealing member）２０と、膜電極接合体（membrane electrode assembly）３０１と、１または２以上のガス拡散層（gas diffusion layer）３０２（図中、前のものを示した）と、（直接または間接的に）互いに結合された２つの電流コレクタ（current collector）３０３，３０４と、を含み、これらは図示された順で、あるいは異なる順で配置される。いくつかの実施例においては、インターフェースユニットＫは、電流コレクタ３０４に直接または間接的に結合されたキャリア４０を含む。一実施例においては、２つのガス拡散層３０２は、膜電極接合体３０１の両側の表面に、それぞれ結合または取り付けられる。これらの結合は、たとえばホットプレスなどの種々の接合技術により、直接または間接的に行われる。取り付け技術の例としては、射出成形、ホットプレスまたは接着などが挙げられる。各２つの電流コレクタ３０３，３０４は、１つの側面において、２つのガス拡散層のうち１つにそれぞれ結合され、他の側面において、２つの密封部材２０のうち１つにそれぞれ結合される。いくつかの実施例において、密封部材２０は、射出成形、ホットプレスおよび／または接着により、２つの電流コレクタ３０３，３０４に、それぞれ取り付けられる。さらに、密封部材２０は、ホットプレスにより、膜電極接合体３０１の２つの両側の表面に、それぞれ結合される。
【００１４】
一実施例において、電流コレクタ３０４は、キャリア４０上に配置され、膜電極接合体３０１に向かって盛り上がって突出している。いくつかの実施例においては、図２Ａ、図２Ｂに示すように、１または２以上の成分（膜電極接合体３０１、２つのガス拡散層３０２、２つの電流コレクタ３０３，３０４および２つの密封部材２０）は、非平面状表面（non-planar surface）を有し、燃料電池モジュールをアッセンブルするための接触力を供給する。いくつかの実施例においては、接触力は、アッセンブルした後も、燃料電池モジュール内に残ることとなる。
【００１５】
図２Ａを参照すると、流れ場プレートアッセンブリ１０は、インターフェースユニットＫと向かい合ってなる複数の流路Ｃを有しており、また、流れ場プレートアッセンブリ１０は、他のインターフェースユニットＫと向かい合う反対側の面にも、流路Ｃを有している。一実施例において、流れ場プレートアッセンブリ１０は、長方形構造あるいは実質的に長方形構造となっている。一実施例においては、流れ場プレートアッセンブリ１０は、図２Ｄに示すように、流路Ｃを連結する第１マニホールド１１および第２マニホールド１２を含んでいる。
【００１６】
反応／流入流体は流れ場プレートアッセンブリ１０の流体入口１１ａを通って、第１マニホールド１１に入る。流入流体の一部は、たとえば、インターフェースユニットＫの膜に対して露出した反応領域など、流路中に放出された流体（放出流体）のための露出した反応領域を有する流路Ｃを流れ、これにより、燃料電池の電気化学反応が促進される。言い換えれば、流路Ｃは、インターフェースユニットＫの膜と結合した露出側面を有している。流体は、部分的にあるいは完全に反応し、第２マニホールド１２に排出され、そして、排出された流体は、流れ場プレートアッセンブリ１０の流体出口１２ａを通って、流れ場プレートアッセンブリ１０から出て行くこととなる。
【００１７】
特に、いくつかの実施例においては、図２Ｄに示すように、流れ場プレートアッセンブリ１０は、第１マニホールド１１、第２マニホールド１２、第１マニホールド１１と第２マニホールド１２との間に結合された流路Ｃを有する。第１マニホールド１１は、その右端部に流入流体を受け入れるための流体入口１１ａを有し、第１方向（たとえば、流れ場プレートアッセンブリ１０の右側面側から左側面側の方向）に沿って延びており、流入流体の一部を第１方向に沿って移送するためのチャンネルを形成する。第２マニホールド１２は、その左端部に、排出流体、および、部分的にあるいは完全に反応した流入流体を一部含有する排出流体を、排出するための流体出口１２ａを有する。第２マニホールド１２は、第２方向（たとえば、流れ場プレートアッセンブリ１０の右側面側から左側面側の方向）に沿って延びており、排出流体の一部を第２方向に沿って移送するためのチャンネルを形成する。第１方向および第２方向は、いずれも、流路の流体分配平面と実質的に平行とされている。流路の例としては、図２Ａに示すような、少なくとも２つの方向（垂直方向および水平方向）に、分配平面に沿って延びた流路Ｃが例示される。
【００１８】
第１マニホールド１１は、第１マニホールド１１に形成された１または２以上の流体分配出口（第１マニホールド１１と流路との間に形成された開口）を介して、流入流体を放出する。第２マニホールド１２は、第２マニホールド１２に形成された１または２以上の排出流体入口（第２マニホールド１２と流路との間に形成された開口）を介して、排出流体を受け入れる。各流路Ｃは、図２Ａに示すように、第１マニホールドから放出された流体の少なくとも一部を分配するために、第１マニホールド１１の１つの分配出口と、第２マニホールド１２の１つの排出流体入口と、を結んでいる。一実施例において、流路Ｃは、少なくとも２つの方向に、かつ、インターフェースユニットＫのコンタクト表面に対応する面に平行に形成された流体分配面に、実質的に沿うように延びた、複数の流路セクションを有していてもよい。その結果として、放出された流体の一部が、流路Ｃを通って流れて、分配出口を通り、排出流体として、第２マニホールド１２まで流れていく。第１方向および第２方向は、流体分配面と実質的に平行である。
【００１９】
図２Ｃは、本発明の一実施例に係る燃料電池モジュールの側面図である。図２Ｃを参照すると、燃料電池モジュールＦは、流れ場プレートアッセンブリ１０とインターフェースユニットＫとをアッセンブルすることにより形成される。一実施例においては、インターフェースユニットＫが、流れ場プレートアッセンブリ１０とアッセンブルされることにより、インターフェースユニットＫに備えられた屈曲した、または非平面（non-planar）状の部材が、平面化あるいは部分的に実質的に平面化される。いくつかの実施例においては、非平面状部材がゆがむことで、上述した接触力を発生させる。
【００２０】
図３に示すように、密封部材２０は、射出成形、ホットプレスまたは接着により、第１電流コレクタ３０３を取り囲むように取り付けられている。同様に、密封部材２０は、膜電極接合体３０１と互いにホットプレスされることにより、膜電極接合体３０１に結合されている。流れ場プレートアッセンブリ１０および膜電極接合体３０１は、反応流体の漏出を防止するために、強固に結合されている。実施例のひとつとして、２つの電流コレクタ（ここでは３０３を示している。）は、膜電極接合体３０１に向かって盛り上がって突出した、非平面状表面を有しており、これによって、２つの電流コレクタにより、それぞれ対応するガス拡散層３０２（および、膜電極接合体３０１）に対して、接触力が供給される。図２Ｂに示すように、図２Ｂの左に示すアッセンブルする前のインターフェースユニットＫにおける、接触力は、右方向に向かう横の力であり、図２Ｂの左に示すアッセンブルした後のインターフェースユニットＫの接触力は、左方向に向かう横の力である。
【００２１】
図４Ａは、本発明の一実施例に係るキャリア上に形成された電流コレクタの正面図である。図４Ａを参照すると、キャリア４０（あるいは、いくつかの実施例においては、電流コレクタ３０４上に積層された流れ場プレートアッセンブリにより供給される外側フレーム）は、燃料電池モジュールの燃料交換または燃料電池反応を可能とするために、電流コレクタ３０４の所定の領域を露出するための開口を提供する。
【００２２】
図４Ｂは、本発明の一実施例に係るキャリアの電流コレクタおよび受け入れスロットのエッジ構造を示す断面図である。上述した実施例では、インターフェースユニットＫの非平面状部材が、外部装置または上述した種々の取り付け技術により、インターフェースユニットＫの他の部材に取り付けられる。いくつかの実施例においては、インターフェースユニットＫの非平面状部材は、たとえば、突出部や、フランジ構造、フック構造あるいはディタムなどの、インターフェースユニットＫの他の部材と相互に作用するための特定のエッジ構造を有している。エッジ構造は、１方、または両方のエッジ（たとえば、図２Ｂ中において、電流コレクタ３０３の上側および下側のエッジ）位置に設定される。
【００２３】
このようなエッジ構造の一例としての図４Ｂを参照すると、一実施例に係る電流コレクタ３０４は、屈曲し突出した構造を有するとともに、エッジ構造を有することができる。このようなエッジ構造としては、突出部、フック、ベンド、フランジ、あるいは、Ｌ型または角度を有するエッジ延伸部が挙げられる。一実施例においては、たとえばエッジ構造３０４１（ひとつだけ示した。）などの、電流コレクタ３０４の一方または両方の端部に設けられた１または２以上のエッジ構造は、キャリア４０などの隣接する部材のスロット４１（ひとつだけしか示さなかったが、両方のエッジに存在する。）の中に入り、スロット４１に係合する。図４Ａは、本発明の一実施例に係る電流コレクタ３０４の上側エッジ上または上側エッジ付近に配置される複数のエッジ構造を示す図である。
【００２４】
図４Ｂを参照すると、スロット４１は、エッジ構造３０４１がスロット４１内において動けるような空間を提供している。電流コレクタ３０４とキャリア４０とがお互いに、あるいは、（たとえば、図２Ａに示す矢印Ａの方向に沿って）膜電極接合体３０１に向かって押された場合、エッジ構造３０４１は、スロット４１に内において、表面をスライドする。図４Ｃは、図４Ａに示す本発明の一実施例に係るキャリア上に設置された電流コレクタのX1−X2線に沿う断面図である。図４Ｃを参照すると、エッジ構造３０４１は、スロット４１内において、表面をスライドすることができる。いくつかの実施例においては、エッジ構造３０４１、スロット４１のデザイン、これらの大きさ、および、エッジ構造３０４１が、対応する受け入れスロット４１を移動する距離、あるいは他の因子や構造は、接触力を調整あるいは制御するために、変化させることができる。いくつかの実施例においては、電流コレクタ３０４は、燃料電池モジュールＦのアッセンブリを行う際に、押されて、平面化または部分的に実質的に平面化する。平面化された電極コレクタ３０４に生じた接触力、または燃料電池モジュールＦの他の成分の平面化された表面に生じた接触力は、燃料電池モジュールＦ内における強固な接触を供給する。これにより、ガス拡散層３０２と第２電流コレクタ３０４との間の接触抵抗を減らすことができる。エッジ構造を用いないいくつかの実施例においては、インターフェースユニットＫの複数の層が強固に押され、互いにくっつけられる前またはくっつけられる時に、インターフェースユニットＫは、その耐性をなお持ち続けており、これにより、１または２以上の材料の固有の柔軟性、あるいは、異なる層間における層間を伝わる柔軟性に基づいて、１または２以上の非平面部材が、平面化されあるいは部分的に実質的に平面化され（これにより、垂直方向および水平方向に延伸され）るようにする。
【００２５】
図５Ａは、本発明の一実施例に係る電流コレクタの側面図である。一実施例においては、電流コレクタ３０４は、図５Ａに示すように曲面プロファイルを有する。電流コレクタ３０４、あるいは、燃料電池モジュールＦの他の成分の種々の非平面状の表面（あるいは、表面プロファイル）は、接触力を提供するために用いられる。図５Ｂは、他の実施例に係る電流コレクタの側面図である。図５Ｂを参照すると、電流コレクタ３０４は、いくつかの実施例において、多角形の突出構造を有するものとすることができ、この多角形の突出構造は、一実施例において、平面状の表面３０４２を有するものとすることができる。平面状の表面３０４２は、図２Ａに示すように、膜電極接合体３０１およびガス拡散層３０２と実質的に平行なものとすることができる。いくつかの実施例において、平面状の表面３０４２は、ガス拡散層３０２と電流コレクタ３０４とを強固に接触させることができ、これにより、これらの間の接触抵抗を低減することができる。平面状の表面３０４２を有する電流コレクタ３０４として、平面状の表面３０４２の２つの外側エッジにおいて、角度を有する屈曲部（angled bend）を有するものを例示したが、湾曲したエッジや他の屈曲形体を適用することも可能である。
【００２６】
図６は、本発明の一実施例に係る複数の燃料電池モジュールを備える燃料電池システムを示す概略図である。図６を参照すると、複数の燃料電池モジュールからなる燃料電池装置は、ホルダーＨ、またはベースＢ、あるいはこれらの両方の上に、複数の燃料電池モジュールＦを搭載させることにより形成される。一実施例においては、ホルダーＨは、各燃料電池モジュールの側部のエッジあるいは側面に結合され、これにより、ホルダーＨは、燃料電池システムに、燃料電池モジュールを搭載する役割を果たしている。ホルダーＨは、燃料電池モジュールに備えられた各第１マニホールドに対して、流入流体を供給するための（あるいは、燃料電池モジュールに備えられた各第２マニホールドからの排出流体を排出するための）チャンネルＨ２１を有している。ベースＢは、一実施例において、流体分配ベースであり、この流体分配ベースは、ホルダーＨのチャンネルＨ２１と燃料電池モジュールＦとの間に結合され、これにより、流入流体を複数の燃料電池モジュールに分配する。特に、ベースＢは、ホルダーＨ内のチャンネルに結合した流体流入入口（または、出口）、および、燃料電池モジュールの各第２マニホールドから通じている複数の流体出口（または、入口）を有している。一実施例においては、複数の燃料電池モジュールは、ホルダーＨの周りに放射状に配置される。
【００２７】
あるいは、燃料電池モジュールＦは、ベースＢに固定され、かつ、ホルダーＨの周りに放射状に配置された構成とすることができる。特に、反応流体は、ホルダーＨのチャンネルＨ２１から入ることができ、反応流体は、ホルダーＨおよびベースＢを通って、燃料電池モジュールＦに流れる。そして、反応流体は、燃料電池モジュールＦの第２マニホールド１２を通って、図６に矢印で示す方向に、排出される。
【００２８】
上述した実施例によれば、非平面状であり、突出した構造を有する電流コレクタやその他の成分を備えた燃料電池モジュールが提供される。いくつかの実施例においては、上記構造は、燃料電池モジュール内において、たとえば、ガス拡散層と電流コレクタとの間の強固な接触を形成させるための、および／または、これらの間の接触抵抗を低減させるための接触力を提供することができる。いくつかの実施例において、ホルダー、またはベース、あるいはこれらの両方に、複数の燃料電池モジュールが搭載されてなる燃料電池システムによれば、小型化されたシステム、または容易に組み立てできるシステムを提供することができる。上記システムは、電子装置、輸送機器、車、軍用設備、または航空宇宙産業などの分野に適応することができる。
【００２９】
以上、本発明の好適な実施例を例示したが、これは本発明を限定するものではなく、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者であれば行い得る少々の変更や修飾を付加することが可能である。従って、本発明が請求する保護範囲は、特許請求の範囲を基準とし、さらには、その均等の範囲も含まれる。
【符号の説明】
【００３０】
１０ 流れ場プレートアッセンブリ
１１ 第１マニホールド
１１ａ 流体入口
１２ 第２マニホールド
１２ａ 流体出口
２０ 密封部材
３０１ 膜電極接合体
３０２ ガス拡散層
３０３ 第１電流コレクタ
３０４ 第２電流コレクタ
３０４１ エッジ構造
３０４２ 平面状表面
４０ キャリア
４１ スロット
Ｃ 流路
Ｆ 燃料電池モジュール
Ｋ インターフェースユニット
Ｈ ホルダー
Ｂ ベース
【技術分野】
【０００１】
［優先権］
この出願は、２００９年１２月７日に出願された米国仮出願第６１/２６７，３８７号の優先権の利益を主張するものであり、この仮出願の全てが、ここに参照として全体として取り込まれる。また、この出願は、上記米国仮出願第６１/２６７，３８７号の優先権を主張した３つの係属中の出願に関連する。すなわち、第１に、発明の名称を「流れ場プレートアッセンブリ」とする２０１０年８月９日に出願された米国出願第１２／８５３，０９６号、第２に、発明の名称を「平行な複数の流路を有する流れ場プレートアッセンブリ」とする２０１０年８月２０日に出願された米国出願第１２／８６０，４２１号、第３に、発明の名称を「モジュール化された燃料電池装置及び流れ場プレートアッセンブリ」とする２０１０年８月２０日に出願された米国出願第１２／８６０，４６０号である。また、この出願は、２０１０年３月１２日に出願された台湾特許出願第０９９１０７２２０号の優先権の利益を主張するものであり、この出願の全てが、ここに参照として全体として取り込まれる。
【０００２】
本発明は、燃料電池装置に関し、特に、接触力（contact force）供給成分を有する燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００３】
流れ場プレートは、流体に関連する用途のために設計された構造を有するものであり、たとえば、１または２種以上の流体を運んだり、届けたり、分割したり、および／または、分配したりするための構造を有するものである。ここで、「流体」という用語は、広義な意味で用いられ、ある地点から他の地点まで流れることができるものであれば何でもよい。たとえば、流体としては、空気、気体、液体、粘性流体など、ある地点から他の地点間まで、それ自身が流れて移動することができるものや、流体の一部として、流れて移動することができるものが含まれる。
【０００４】
具体例として、流れ場プレートの数多くの適用例の一つとして、燃料電池用途があり、燃料電池用途においては、流れ場プレートは、電力を発生させるための液体または気体状の、１または２種以上の「燃料」を、移送、案内、および／または分配するために用いられる。図１は、従来の燃料電池装置の一例を示す断面図である。図１を参照すると、たとえば、プロトン交換膜燃料電池（「ＰＥＭＦＣ」として知られている。）などの、単一の燃料電池４００は、主に、膜電極接合体４１０、二つのガス拡散層４０５，４０６、及び二つの流れ場プレート４０１，４０２を含む。図に示すように、二つのガス拡散層４０５，４０６は、膜電極接合体４１０を、その間に挟んでおり、二つの流れ場プレート４０１，４０２は、膜電極接合体４１０および二つのガス拡散層４０５，４０６を、その間に挟んでいる。各流れ場プレート４０１，４０２は、流路４０３，４０４のような１または２以上の流路が形成されており、各流路を反応流体が流れるようになっている。膜電極接合体４１０は、たとえば、プロトン交換膜４０９、陽極触媒層４０７、及び陰極触媒層４０８を備えている。通常、陽極および陰極触媒層４０７，４０８は、白金、または白金合金の成分を有しており、これらは触媒として作用し、燃料電池の電気化学反応を促進する。
【０００５】
従来の燃料電池装置においては、電極やその他の接触成分などの内部成分に対して、限られた接触力しか提供できていない。そのため、燃料電池装置を構成するいくつかの成分の間に接触力を供給できる燃料電池装置を提供することが望まれている。
【発明の概要】
【０００６】
本実施例に係る燃料電池は、膜電極接合体と、２つのガス拡散層と、２つの電流コレクタと、２つの密封部材と、流れ場プレートアッセンブリと、を有する。前記膜電極接合体は、燃料電池反応のための膜を少なくとも１つ有し、前記２つのガス拡散層は、前記膜電極接合体の両側に、それぞれ結合されている。前記２つの電流コレクタは、前記２つのガス拡散層に、それぞれ結合されており、前記２つの密封部材は、前記２つの電流コレクタに、それぞれ結合されている。前記流れ場プレートアッセンブリは、前記膜電極接合体の両側面のうち第１側面において、前記膜電極接合体に、結合されており、前記膜電極接合体は、前記流れ場プレートアッセンブリと前記膜電極接合体の前記第１側面との間に、前記２つのガス拡散層のうち対応する少なくとも１つ、前記２つの電流コレクタのうち対応する少なくとも１つ、および、前記２つの密封部材のうち少なくとも１つ有している。前記流れ場プレートアッセンブリは、前記膜のうちの１つの膜と結合するための露出側面を有する流路を有している。
【０００７】
さらに、いくつかの実施例において、前記膜電極接合体、前記２つのガス拡散層、前記２つの電流コレクタ、および前記２つの密封部材のうち少なくとも１つが、（前記膜電極接合体、前記２つのガス拡散層、前記２つの電流コレクタ、および前記２つの密封部材をアッセンブルする前において）、アッセンブルしたときに少なくとも一部が平面化する非平面状表面を有する。いくつかの実施例において、前記膜電極接合体、前記２つの電流コレクタのうち少なくとも一方が、前記膜電極接合体、前記２つのガス拡散層、前記２つの電流コレクタ、および前記２つの密封部材をアッセンブルする前には、非平面状であり、アッセンブルしたときに少なくとも一部が平面化する非平面状表面を有する。
【０００８】
他の実施例において、燃料電池システムは、ホルダーと、複数の燃料電池モジュールを有する。前記ホルダーは、前記燃料電池システムに燃料電池モジュールの搭載部を提供し、かつ、前記ホルダーは、流入流体を供給するためのチャンネルを有する。前記複数の燃料電池モジュールは、ホルダーに搭載されるためのエッジをそれぞれ有し、前記複数の燃料電池モジュールは、前記ホルダーの周囲に放射状に配置される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、従来の燃料電池を示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施例に係る燃料電池モジュールの分解概略図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の一実施例に係る燃料電池モジュールの側面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の一実施例に係る燃料電池モジュールの側面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、本発明の一実施例に係る複数の流路を接続する第１マニホールドおよび第２マニホールドを有する流れ場プレートアッセンブリの断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施例に係る密封部材により取り囲まれた電流コレクタを示す概略図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の一実施例に係るキャリア上に形成された電流コレクタの正面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の一実施例に係るキャリアの電流コレクタおよび受け入れスロットのエッジ構造を示す断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ａに示す本発明の一実施例に係るキャリア上に設置された電流コレクタのX1−X2線に沿う断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の一実施例に係る電流コレクタの側面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、他の実施例に係る電流コレクタの側面図である。
【図６】図６は、本発明の一実施例に係る複数の燃料電池モジュールを備える燃料電池システムを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明についての目的、特徴、長所が一層明確に理解されるよう、以下に実施形態を例示し、図面を参照にしながら、詳細に説明する。
【００１１】
以下においては、燃料電池モジュールをアッセンブルする際またはアッセンブルされた燃料電池モジュール内において、接触力を提供する非平面状表面を供給可能な構造を有する１または２以上の成分を有する燃料電池モジュールの実施例について開示する。いくつかの実施例においては、電流コレクタまたは他の成分が、膜電極接合体に対して突出した曲面状あるいは多角形状の表面を有する。いくつかの実施例においては、システムデザイン、用途あるいは他の要因に応じて、前記接触力は、電気伝導性、電気的接触の安定性、および／または長期間における信頼性を提供することができる。
【００１２】
図２Ａは、本発明の実施例に係る燃料電池モジュールの分解概略図である。図２Ｂは、本発明の一実施例に係る燃料電池モジュールの側面図であり、アッセンブルされる前およびアッセンブルされた後の構成を示している。図２Ａ、図２Ｂを参照すると、一実施例において、燃料電池モジュールＦは、２つのインターフェースユニットＫと、２つのインターフェースユニットＫの間に配置され、あるいは、これらの間に結合された流れ場プレートアッセンブリ１０（fluid flow plate assembly）とを含む。流れ場プレートアッセンブリ１０は、複数の流路（fluid flow channel）Ｃを有し、複数の流路Ｃは、図に示すように、流れ場プレート１０の一方の表面または両側の表面のそれぞれに形成され、２つのインターフェースユニットＫにそれぞれ向かい合う。
【００１３】
インターフェースユニットＫのうち、１方または両方は、密封部材（sealing member）２０と、膜電極接合体（membrane electrode assembly）３０１と、１または２以上のガス拡散層（gas diffusion layer）３０２（図中、前のものを示した）と、（直接または間接的に）互いに結合された２つの電流コレクタ（current collector）３０３，３０４と、を含み、これらは図示された順で、あるいは異なる順で配置される。いくつかの実施例においては、インターフェースユニットＫは、電流コレクタ３０４に直接または間接的に結合されたキャリア４０を含む。一実施例においては、２つのガス拡散層３０２は、膜電極接合体３０１の両側の表面に、それぞれ結合または取り付けられる。これらの結合は、たとえばホットプレスなどの種々の接合技術により、直接または間接的に行われる。取り付け技術の例としては、射出成形、ホットプレスまたは接着などが挙げられる。各２つの電流コレクタ３０３，３０４は、１つの側面において、２つのガス拡散層のうち１つにそれぞれ結合され、他の側面において、２つの密封部材２０のうち１つにそれぞれ結合される。いくつかの実施例において、密封部材２０は、射出成形、ホットプレスおよび／または接着により、２つの電流コレクタ３０３，３０４に、それぞれ取り付けられる。さらに、密封部材２０は、ホットプレスにより、膜電極接合体３０１の２つの両側の表面に、それぞれ結合される。
【００１４】
一実施例において、電流コレクタ３０４は、キャリア４０上に配置され、膜電極接合体３０１に向かって盛り上がって突出している。いくつかの実施例においては、図２Ａ、図２Ｂに示すように、１または２以上の成分（膜電極接合体３０１、２つのガス拡散層３０２、２つの電流コレクタ３０３，３０４および２つの密封部材２０）は、非平面状表面（non-planar surface）を有し、燃料電池モジュールをアッセンブルするための接触力を供給する。いくつかの実施例においては、接触力は、アッセンブルした後も、燃料電池モジュール内に残ることとなる。
【００１５】
図２Ａを参照すると、流れ場プレートアッセンブリ１０は、インターフェースユニットＫと向かい合ってなる複数の流路Ｃを有しており、また、流れ場プレートアッセンブリ１０は、他のインターフェースユニットＫと向かい合う反対側の面にも、流路Ｃを有している。一実施例において、流れ場プレートアッセンブリ１０は、長方形構造あるいは実質的に長方形構造となっている。一実施例においては、流れ場プレートアッセンブリ１０は、図２Ｄに示すように、流路Ｃを連結する第１マニホールド１１および第２マニホールド１２を含んでいる。
【００１６】
反応／流入流体は流れ場プレートアッセンブリ１０の流体入口１１ａを通って、第１マニホールド１１に入る。流入流体の一部は、たとえば、インターフェースユニットＫの膜に対して露出した反応領域など、流路中に放出された流体（放出流体）のための露出した反応領域を有する流路Ｃを流れ、これにより、燃料電池の電気化学反応が促進される。言い換えれば、流路Ｃは、インターフェースユニットＫの膜と結合した露出側面を有している。流体は、部分的にあるいは完全に反応し、第２マニホールド１２に排出され、そして、排出された流体は、流れ場プレートアッセンブリ１０の流体出口１２ａを通って、流れ場プレートアッセンブリ１０から出て行くこととなる。
【００１７】
特に、いくつかの実施例においては、図２Ｄに示すように、流れ場プレートアッセンブリ１０は、第１マニホールド１１、第２マニホールド１２、第１マニホールド１１と第２マニホールド１２との間に結合された流路Ｃを有する。第１マニホールド１１は、その右端部に流入流体を受け入れるための流体入口１１ａを有し、第１方向（たとえば、流れ場プレートアッセンブリ１０の右側面側から左側面側の方向）に沿って延びており、流入流体の一部を第１方向に沿って移送するためのチャンネルを形成する。第２マニホールド１２は、その左端部に、排出流体、および、部分的にあるいは完全に反応した流入流体を一部含有する排出流体を、排出するための流体出口１２ａを有する。第２マニホールド１２は、第２方向（たとえば、流れ場プレートアッセンブリ１０の右側面側から左側面側の方向）に沿って延びており、排出流体の一部を第２方向に沿って移送するためのチャンネルを形成する。第１方向および第２方向は、いずれも、流路の流体分配平面と実質的に平行とされている。流路の例としては、図２Ａに示すような、少なくとも２つの方向（垂直方向および水平方向）に、分配平面に沿って延びた流路Ｃが例示される。
【００１８】
第１マニホールド１１は、第１マニホールド１１に形成された１または２以上の流体分配出口（第１マニホールド１１と流路との間に形成された開口）を介して、流入流体を放出する。第２マニホールド１２は、第２マニホールド１２に形成された１または２以上の排出流体入口（第２マニホールド１２と流路との間に形成された開口）を介して、排出流体を受け入れる。各流路Ｃは、図２Ａに示すように、第１マニホールドから放出された流体の少なくとも一部を分配するために、第１マニホールド１１の１つの分配出口と、第２マニホールド１２の１つの排出流体入口と、を結んでいる。一実施例において、流路Ｃは、少なくとも２つの方向に、かつ、インターフェースユニットＫのコンタクト表面に対応する面に平行に形成された流体分配面に、実質的に沿うように延びた、複数の流路セクションを有していてもよい。その結果として、放出された流体の一部が、流路Ｃを通って流れて、分配出口を通り、排出流体として、第２マニホールド１２まで流れていく。第１方向および第２方向は、流体分配面と実質的に平行である。
【００１９】
図２Ｃは、本発明の一実施例に係る燃料電池モジュールの側面図である。図２Ｃを参照すると、燃料電池モジュールＦは、流れ場プレートアッセンブリ１０とインターフェースユニットＫとをアッセンブルすることにより形成される。一実施例においては、インターフェースユニットＫが、流れ場プレートアッセンブリ１０とアッセンブルされることにより、インターフェースユニットＫに備えられた屈曲した、または非平面（non-planar）状の部材が、平面化あるいは部分的に実質的に平面化される。いくつかの実施例においては、非平面状部材がゆがむことで、上述した接触力を発生させる。
【００２０】
図３に示すように、密封部材２０は、射出成形、ホットプレスまたは接着により、第１電流コレクタ３０３を取り囲むように取り付けられている。同様に、密封部材２０は、膜電極接合体３０１と互いにホットプレスされることにより、膜電極接合体３０１に結合されている。流れ場プレートアッセンブリ１０および膜電極接合体３０１は、反応流体の漏出を防止するために、強固に結合されている。実施例のひとつとして、２つの電流コレクタ（ここでは３０３を示している。）は、膜電極接合体３０１に向かって盛り上がって突出した、非平面状表面を有しており、これによって、２つの電流コレクタにより、それぞれ対応するガス拡散層３０２（および、膜電極接合体３０１）に対して、接触力が供給される。図２Ｂに示すように、図２Ｂの左に示すアッセンブルする前のインターフェースユニットＫにおける、接触力は、右方向に向かう横の力であり、図２Ｂの左に示すアッセンブルした後のインターフェースユニットＫの接触力は、左方向に向かう横の力である。
【００２１】
図４Ａは、本発明の一実施例に係るキャリア上に形成された電流コレクタの正面図である。図４Ａを参照すると、キャリア４０（あるいは、いくつかの実施例においては、電流コレクタ３０４上に積層された流れ場プレートアッセンブリにより供給される外側フレーム）は、燃料電池モジュールの燃料交換または燃料電池反応を可能とするために、電流コレクタ３０４の所定の領域を露出するための開口を提供する。
【００２２】
図４Ｂは、本発明の一実施例に係るキャリアの電流コレクタおよび受け入れスロットのエッジ構造を示す断面図である。上述した実施例では、インターフェースユニットＫの非平面状部材が、外部装置または上述した種々の取り付け技術により、インターフェースユニットＫの他の部材に取り付けられる。いくつかの実施例においては、インターフェースユニットＫの非平面状部材は、たとえば、突出部や、フランジ構造、フック構造あるいはディタムなどの、インターフェースユニットＫの他の部材と相互に作用するための特定のエッジ構造を有している。エッジ構造は、１方、または両方のエッジ（たとえば、図２Ｂ中において、電流コレクタ３０３の上側および下側のエッジ）位置に設定される。
【００２３】
このようなエッジ構造の一例としての図４Ｂを参照すると、一実施例に係る電流コレクタ３０４は、屈曲し突出した構造を有するとともに、エッジ構造を有することができる。このようなエッジ構造としては、突出部、フック、ベンド、フランジ、あるいは、Ｌ型または角度を有するエッジ延伸部が挙げられる。一実施例においては、たとえばエッジ構造３０４１（ひとつだけ示した。）などの、電流コレクタ３０４の一方または両方の端部に設けられた１または２以上のエッジ構造は、キャリア４０などの隣接する部材のスロット４１（ひとつだけしか示さなかったが、両方のエッジに存在する。）の中に入り、スロット４１に係合する。図４Ａは、本発明の一実施例に係る電流コレクタ３０４の上側エッジ上または上側エッジ付近に配置される複数のエッジ構造を示す図である。
【００２４】
図４Ｂを参照すると、スロット４１は、エッジ構造３０４１がスロット４１内において動けるような空間を提供している。電流コレクタ３０４とキャリア４０とがお互いに、あるいは、（たとえば、図２Ａに示す矢印Ａの方向に沿って）膜電極接合体３０１に向かって押された場合、エッジ構造３０４１は、スロット４１に内において、表面をスライドする。図４Ｃは、図４Ａに示す本発明の一実施例に係るキャリア上に設置された電流コレクタのX1−X2線に沿う断面図である。図４Ｃを参照すると、エッジ構造３０４１は、スロット４１内において、表面をスライドすることができる。いくつかの実施例においては、エッジ構造３０４１、スロット４１のデザイン、これらの大きさ、および、エッジ構造３０４１が、対応する受け入れスロット４１を移動する距離、あるいは他の因子や構造は、接触力を調整あるいは制御するために、変化させることができる。いくつかの実施例においては、電流コレクタ３０４は、燃料電池モジュールＦのアッセンブリを行う際に、押されて、平面化または部分的に実質的に平面化する。平面化された電極コレクタ３０４に生じた接触力、または燃料電池モジュールＦの他の成分の平面化された表面に生じた接触力は、燃料電池モジュールＦ内における強固な接触を供給する。これにより、ガス拡散層３０２と第２電流コレクタ３０４との間の接触抵抗を減らすことができる。エッジ構造を用いないいくつかの実施例においては、インターフェースユニットＫの複数の層が強固に押され、互いにくっつけられる前またはくっつけられる時に、インターフェースユニットＫは、その耐性をなお持ち続けており、これにより、１または２以上の材料の固有の柔軟性、あるいは、異なる層間における層間を伝わる柔軟性に基づいて、１または２以上の非平面部材が、平面化されあるいは部分的に実質的に平面化され（これにより、垂直方向および水平方向に延伸され）るようにする。
【００２５】
図５Ａは、本発明の一実施例に係る電流コレクタの側面図である。一実施例においては、電流コレクタ３０４は、図５Ａに示すように曲面プロファイルを有する。電流コレクタ３０４、あるいは、燃料電池モジュールＦの他の成分の種々の非平面状の表面（あるいは、表面プロファイル）は、接触力を提供するために用いられる。図５Ｂは、他の実施例に係る電流コレクタの側面図である。図５Ｂを参照すると、電流コレクタ３０４は、いくつかの実施例において、多角形の突出構造を有するものとすることができ、この多角形の突出構造は、一実施例において、平面状の表面３０４２を有するものとすることができる。平面状の表面３０４２は、図２Ａに示すように、膜電極接合体３０１およびガス拡散層３０２と実質的に平行なものとすることができる。いくつかの実施例において、平面状の表面３０４２は、ガス拡散層３０２と電流コレクタ３０４とを強固に接触させることができ、これにより、これらの間の接触抵抗を低減することができる。平面状の表面３０４２を有する電流コレクタ３０４として、平面状の表面３０４２の２つの外側エッジにおいて、角度を有する屈曲部（angled bend）を有するものを例示したが、湾曲したエッジや他の屈曲形体を適用することも可能である。
【００２６】
図６は、本発明の一実施例に係る複数の燃料電池モジュールを備える燃料電池システムを示す概略図である。図６を参照すると、複数の燃料電池モジュールからなる燃料電池装置は、ホルダーＨ、またはベースＢ、あるいはこれらの両方の上に、複数の燃料電池モジュールＦを搭載させることにより形成される。一実施例においては、ホルダーＨは、各燃料電池モジュールの側部のエッジあるいは側面に結合され、これにより、ホルダーＨは、燃料電池システムに、燃料電池モジュールを搭載する役割を果たしている。ホルダーＨは、燃料電池モジュールに備えられた各第１マニホールドに対して、流入流体を供給するための（あるいは、燃料電池モジュールに備えられた各第２マニホールドからの排出流体を排出するための）チャンネルＨ２１を有している。ベースＢは、一実施例において、流体分配ベースであり、この流体分配ベースは、ホルダーＨのチャンネルＨ２１と燃料電池モジュールＦとの間に結合され、これにより、流入流体を複数の燃料電池モジュールに分配する。特に、ベースＢは、ホルダーＨ内のチャンネルに結合した流体流入入口（または、出口）、および、燃料電池モジュールの各第２マニホールドから通じている複数の流体出口（または、入口）を有している。一実施例においては、複数の燃料電池モジュールは、ホルダーＨの周りに放射状に配置される。
【００２７】
あるいは、燃料電池モジュールＦは、ベースＢに固定され、かつ、ホルダーＨの周りに放射状に配置された構成とすることができる。特に、反応流体は、ホルダーＨのチャンネルＨ２１から入ることができ、反応流体は、ホルダーＨおよびベースＢを通って、燃料電池モジュールＦに流れる。そして、反応流体は、燃料電池モジュールＦの第２マニホールド１２を通って、図６に矢印で示す方向に、排出される。
【００２８】
上述した実施例によれば、非平面状であり、突出した構造を有する電流コレクタやその他の成分を備えた燃料電池モジュールが提供される。いくつかの実施例においては、上記構造は、燃料電池モジュール内において、たとえば、ガス拡散層と電流コレクタとの間の強固な接触を形成させるための、および／または、これらの間の接触抵抗を低減させるための接触力を提供することができる。いくつかの実施例において、ホルダー、またはベース、あるいはこれらの両方に、複数の燃料電池モジュールが搭載されてなる燃料電池システムによれば、小型化されたシステム、または容易に組み立てできるシステムを提供することができる。上記システムは、電子装置、輸送機器、車、軍用設備、または航空宇宙産業などの分野に適応することができる。
【００２９】
以上、本発明の好適な実施例を例示したが、これは本発明を限定するものではなく、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者であれば行い得る少々の変更や修飾を付加することが可能である。従って、本発明が請求する保護範囲は、特許請求の範囲を基準とし、さらには、その均等の範囲も含まれる。
【符号の説明】
【００３０】
１０ 流れ場プレートアッセンブリ
１１ 第１マニホールド
１１ａ 流体入口
１２ 第２マニホールド
１２ａ 流体出口
２０ 密封部材
３０１ 膜電極接合体
３０２ ガス拡散層
３０３ 第１電流コレクタ
３０４ 第２電流コレクタ
３０４１ エッジ構造
３０４２ 平面状表面
４０ キャリア
４１ スロット
Ｃ 流路
Ｆ 燃料電池モジュール
Ｋ インターフェースユニット
Ｈ ホルダー
Ｂ ベース
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池反応のための膜を少なくとも１つ有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の両側に、それぞれ結合された２つのガス拡散層と、
前記２つのガス拡散層に、それぞれ結合された２つの電流コレクタと、
前記２つの電流コレクタに、それぞれ結合された２つの密封部材と、
前記膜電極接合体の両側面のうち第１側面において、前記膜電極接合体に、結合される流れ場プレートアッセンブリと、を有する燃料電池モジュールであって、
前記膜電極接合体は、前記流れ場プレートアッセンブリと前記膜電極接合体の前記第１側面との間に、前記２つのガス拡散層のうち対応する少なくとも１つ、前記２つの電流コレクタのうち対応する少なくとも１つ、および、前記２つの密封部材のうち少なくとも１つを有しており、
前記流れ場プレートアッセンブリは、前記膜のうちの１つの膜と結合するための露出側面を有する流路を有し、
前記膜電極接合体、前記２つのガス拡散層、前記２つの電流コレクタ、および前記２つの密封部材のうち少なくとも１つが、前記膜電極接合体、前記２つのガス拡散層、前記２つの電流コレクタ、および前記２つの密封部材をアッセンブルする前には、非平面状であり、かつ、アッセンブルしたときに少なくとも一部が平面化する非平面状表面を有することを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記２つの電流コレクタのうち少なくとも１つが、前記膜電極接合体の方向に向かって突出する非平面状表面を有し、前記２つのガス拡散層のうち対応する一つに対して、前記２つの電流コレクタのうち少なくとも一方により、接触力を供給できるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記複数の密封部材が、射出成形、ホットプレス、および接着のいずれか一つにより、前記電流コレクタにそれぞれ取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記複数のガス拡散層は、ホットプレスによって、前記膜電極接合体の対向する２つの面にそれぞれ結合されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記複数の密封部材は、ホットプレスにより、前記膜電極接合体の両面に、それぞれ結合されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記非平面状表面は、前記膜電極接合体の方向に向かって突出する湾曲構造を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項７】
前記非平面状表面は、前記膜電極接合体の方向に向かって突出する多角形状の構造を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項８】
前記多角形状の構造は、前記膜電極接合体と実質的に平行な平面状の表面を有することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池モジュール。
【請求項９】
前記非平面状表面に対するキャリアをさらに備え、前記キャリアは、前記非平面状表面のエッジ構造を受け入れるためのスロットを有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１０】
前記非平面状表面が押されたときに、前記エッジ構造はスロット中でスライドすることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１１】
前記流れ場プレートアッセンブリは、
流入流体を受け入れるための流体入口を有し、第１方向に延伸し、前記流入流体の一部を第１方向に沿って移送するための流路を提供する第１マニホールドと、
前記流入流体の一部からなる排出流体を排出するための流体出口を有し、第２方向に延伸し、前記排出流体の一部を第２方向に沿って移送するための流路を提供する第２マニホールドと、
前記第１マニホールドと前記第２マニホールドとの間に結合される少なくとも１つの流路と、をさらに備え、
前記第１マニホールドは、前記流入流体のうち少なくとも一部を、少なくとも１つの分配出口から放出流体として放出し、
前記第２マニホールドは、少なくとも１つの排出流体入口から、前記排出流体を受け入れ、
前記流路は、放出流体の少なくとも一部を分配するための前記分配出口と前記排出流体入口との間に結合され、前記流路は、流体分配面に実質的に沿って、少なくとも２つの方向に延びた複数の流路セクションを有し、これにより、前記放出流体の一部が、少なくとも一つの流路を通り、排出流体の一部として、少なくとも１つの前記排出流体入口まで流れるようになっており、
前記第１方向が、前記流体分配面に実質的に平行であり、かつ、前記第２方向が、前記流体分配面に実質的に平行であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１２】
複数の燃料電池モジュールを備える燃料電池システムに搭載するための燃料電池モジュール搭載部を供給するために、前記燃料電池モジュールのエッジに結合されたベースまたはホルダーをさらに有することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１３】
燃料電池反応のための膜を少なくとも１つ有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の両側に、それぞれ結合された２つのガス拡散層と、
前記２つのガス拡散層に、それぞれ結合された２つの電流コレクタと、
前記２つの電流コレクタに、それぞれ結合された２つの密封部材と、
前記膜電極接合体の両側面のうち第１側面において、前記膜電極接合体に、結合される流れ場プレートアッセンブリと、を有する燃料電池モジュールであって、
前記流れ場プレートアッセンブリは、前記２つのガス拡散層のうち対応する少なくとも１つ、前記２つの電流コレクタのうち対応する少なくとも１つ、および、前記２つの密封部材のうち少なくとも１つが、前記流れ場プレートアッセンブリと前記膜電極接合体の前記第１側面との間に位置するように、前記膜電極接合体に結合され、
前記流れ場プレートアッセンブリは、前記膜のうちの１つの膜と結合するための露出側面を有する流路を有し、
前記膜電極接合体、前記２つの電流コレクタのうち少なくとも一方が、前記膜電極接合体、前記２つのガス拡散層、前記２つの電流コレクタ、および前記２つの密封部材をアッセンブルする前には、非平面状であり、アッセンブルしたときに少なくとも一部が平面化する非平面状表面を有することを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項１４】
前記２つの電流コレクタのうち少なくとも一方が、前記膜電極接合体の方向に向かって突出する非平面状表面を有し、前記２つのガス拡散層のうち対応する一つに対して、前記２つの電流コレクタのうち少なくとも一方により、接触力を供給できるようになっていることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１５】
前記複数の密封部材が、射出成形、ホットプレス、および接着のいずれか一つにより、前記電流コレクタにそれぞれ取り付けられていることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１６】
前記非平面状表面は、前記膜電極接合体の方向に向かって突出する湾曲構造を有することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１７】
前記非平面状表面は、前記膜電極接合体の方向に向かって突出する多角形状の構造を有することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１８】
前記多角形状の構造は、前記膜電極接合体と実質的に平行な平面状の表面を有することを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１９】
前記非平面状表面に対するキャリアをさらに備え、前記キャリアは、前記非平面状表面のエッジ構造を受け入れるためのスロットを有することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項２０】
前記非平面状表面が押されたときに、前記エッジ構造はスロット中にスライドすることを特徴とする請求項１９に記載の燃料電池モジュール。
【請求項２１】
前記流れ場プレートアッセンブリは、
流入流体を受け入れるための流体入口を有し、第１方向に延伸し、前記流入流体の一部を第１方向に沿って移送するための流路を提供する第１マニホールドと、
前記流入流体の一部からなる排出流体を排出するための流体出口を有し、第２方向に延伸し、前記排出流体の一部を第２方向に沿って移送するための流路を提供する第２マニホールドと、
前記第１マニホールドと前記第２マニホールドとの間に結合される少なくとも１つの流路と、をさらに備え、
前記第１マニホールドは、前記流入流体のうち少なくとも一部を、少なくとも１つの分配出口から放出流体として放出し、
前記第２マニホールドは、少なくとも１つの排出流体入口から、前記排出流体を受け入れ、
前記流路は、放出流体の少なくとも一部を分配するための前記分配出口と前記排出流体入口との間に結合され、前記流路は、流体分配面に実質的に沿って、少なくとも２つの方向に延びた複数の流路セクションを有し、これにより、前記放出流体の一部が、少なくとも一つの流路を通り、排出流体の一部として、少なくとも１つの前記排出流体入口まで流れるようになっており、
前記第１方向が、前記流体分配面に実質的に平行であり、かつ、前記第２方向が、前記流体分配面に実質的に平行であることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項２２】
複数の燃料電池モジュールを備える燃料電池システムに搭載するための燃料電池モジュール搭載部を供給するために、前記燃料電池モジュールのエッジに結合されたベースまたはホルダーをさらに有することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項２３】
前記燃料電池システムに燃料電池モジュールの搭載部を提供するホルダーと、
複数の燃料電池モジュールと、を備える燃料電池システムであって、
前記ホルダーは、流入流体を供給するためのチャンネルを有し、
前記複数の燃料電池モジュールは、前記ホルダーに搭載されるためのエッジをそれぞれ有し、前記複数の燃料電池モジュールは、前記ホルダーの周囲に放射状に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２４】
前記ホルダーのチャンネルと前記複数の燃料電池モジュールとの間に結合され、前記複数の燃料電池モジュールに前記流入流体を分配するための流体分配ベースをさらに備えることを特徴とする請求項２３に記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
前記流体分配ベースは、前記複数の燃料電池モジュールに前記流入流体を分配するために、前記ホルダーの前記チャンネルに結合される請求項２４に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
燃料電池反応のための膜を少なくとも１つ有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の両側に、それぞれ結合された２つのガス拡散層と、
前記２つのガス拡散層に、それぞれ結合された２つの電流コレクタと、
前記２つの電流コレクタに、それぞれ結合された２つの密封部材と、
前記膜電極接合体の両側面のうち第１側面において、前記膜電極接合体に、結合される流れ場プレートアッセンブリと、を有する燃料電池モジュールであって、
前記膜電極接合体は、前記流れ場プレートアッセンブリと前記膜電極接合体の前記第１側面との間に、前記２つのガス拡散層のうち対応する少なくとも１つ、前記２つの電流コレクタのうち対応する少なくとも１つ、および、前記２つの密封部材のうち少なくとも１つを有しており、
前記流れ場プレートアッセンブリは、前記膜のうちの１つの膜と結合するための露出側面を有する流路を有し、
前記膜電極接合体、前記２つのガス拡散層、前記２つの電流コレクタ、および前記２つの密封部材のうち少なくとも１つが、前記膜電極接合体、前記２つのガス拡散層、前記２つの電流コレクタ、および前記２つの密封部材をアッセンブルする前には、非平面状であり、かつ、アッセンブルしたときに少なくとも一部が平面化する非平面状表面を有することを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記２つの電流コレクタのうち少なくとも１つが、前記膜電極接合体の方向に向かって突出する非平面状表面を有し、前記２つのガス拡散層のうち対応する一つに対して、前記２つの電流コレクタのうち少なくとも一方により、接触力を供給できるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記複数の密封部材が、射出成形、ホットプレス、および接着のいずれか一つにより、前記電流コレクタにそれぞれ取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記複数のガス拡散層は、ホットプレスによって、前記膜電極接合体の対向する２つの面にそれぞれ結合されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記複数の密封部材は、ホットプレスにより、前記膜電極接合体の両面に、それぞれ結合されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記非平面状表面は、前記膜電極接合体の方向に向かって突出する湾曲構造を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項７】
前記非平面状表面は、前記膜電極接合体の方向に向かって突出する多角形状の構造を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項８】
前記多角形状の構造は、前記膜電極接合体と実質的に平行な平面状の表面を有することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池モジュール。
【請求項９】
前記非平面状表面に対するキャリアをさらに備え、前記キャリアは、前記非平面状表面のエッジ構造を受け入れるためのスロットを有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１０】
前記非平面状表面が押されたときに、前記エッジ構造はスロット中でスライドすることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１１】
前記流れ場プレートアッセンブリは、
流入流体を受け入れるための流体入口を有し、第１方向に延伸し、前記流入流体の一部を第１方向に沿って移送するための流路を提供する第１マニホールドと、
前記流入流体の一部からなる排出流体を排出するための流体出口を有し、第２方向に延伸し、前記排出流体の一部を第２方向に沿って移送するための流路を提供する第２マニホールドと、
前記第１マニホールドと前記第２マニホールドとの間に結合される少なくとも１つの流路と、をさらに備え、
前記第１マニホールドは、前記流入流体のうち少なくとも一部を、少なくとも１つの分配出口から放出流体として放出し、
前記第２マニホールドは、少なくとも１つの排出流体入口から、前記排出流体を受け入れ、
前記流路は、放出流体の少なくとも一部を分配するための前記分配出口と前記排出流体入口との間に結合され、前記流路は、流体分配面に実質的に沿って、少なくとも２つの方向に延びた複数の流路セクションを有し、これにより、前記放出流体の一部が、少なくとも一つの流路を通り、排出流体の一部として、少なくとも１つの前記排出流体入口まで流れるようになっており、
前記第１方向が、前記流体分配面に実質的に平行であり、かつ、前記第２方向が、前記流体分配面に実質的に平行であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１２】
複数の燃料電池モジュールを備える燃料電池システムに搭載するための燃料電池モジュール搭載部を供給するために、前記燃料電池モジュールのエッジに結合されたベースまたはホルダーをさらに有することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１３】
燃料電池反応のための膜を少なくとも１つ有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の両側に、それぞれ結合された２つのガス拡散層と、
前記２つのガス拡散層に、それぞれ結合された２つの電流コレクタと、
前記２つの電流コレクタに、それぞれ結合された２つの密封部材と、
前記膜電極接合体の両側面のうち第１側面において、前記膜電極接合体に、結合される流れ場プレートアッセンブリと、を有する燃料電池モジュールであって、
前記流れ場プレートアッセンブリは、前記２つのガス拡散層のうち対応する少なくとも１つ、前記２つの電流コレクタのうち対応する少なくとも１つ、および、前記２つの密封部材のうち少なくとも１つが、前記流れ場プレートアッセンブリと前記膜電極接合体の前記第１側面との間に位置するように、前記膜電極接合体に結合され、
前記流れ場プレートアッセンブリは、前記膜のうちの１つの膜と結合するための露出側面を有する流路を有し、
前記膜電極接合体、前記２つの電流コレクタのうち少なくとも一方が、前記膜電極接合体、前記２つのガス拡散層、前記２つの電流コレクタ、および前記２つの密封部材をアッセンブルする前には、非平面状であり、アッセンブルしたときに少なくとも一部が平面化する非平面状表面を有することを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項１４】
前記２つの電流コレクタのうち少なくとも一方が、前記膜電極接合体の方向に向かって突出する非平面状表面を有し、前記２つのガス拡散層のうち対応する一つに対して、前記２つの電流コレクタのうち少なくとも一方により、接触力を供給できるようになっていることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１５】
前記複数の密封部材が、射出成形、ホットプレス、および接着のいずれか一つにより、前記電流コレクタにそれぞれ取り付けられていることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１６】
前記非平面状表面は、前記膜電極接合体の方向に向かって突出する湾曲構造を有することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１７】
前記非平面状表面は、前記膜電極接合体の方向に向かって突出する多角形状の構造を有することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１８】
前記多角形状の構造は、前記膜電極接合体と実質的に平行な平面状の表面を有することを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１９】
前記非平面状表面に対するキャリアをさらに備え、前記キャリアは、前記非平面状表面のエッジ構造を受け入れるためのスロットを有することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項２０】
前記非平面状表面が押されたときに、前記エッジ構造はスロット中にスライドすることを特徴とする請求項１９に記載の燃料電池モジュール。
【請求項２１】
前記流れ場プレートアッセンブリは、
流入流体を受け入れるための流体入口を有し、第１方向に延伸し、前記流入流体の一部を第１方向に沿って移送するための流路を提供する第１マニホールドと、
前記流入流体の一部からなる排出流体を排出するための流体出口を有し、第２方向に延伸し、前記排出流体の一部を第２方向に沿って移送するための流路を提供する第２マニホールドと、
前記第１マニホールドと前記第２マニホールドとの間に結合される少なくとも１つの流路と、をさらに備え、
前記第１マニホールドは、前記流入流体のうち少なくとも一部を、少なくとも１つの分配出口から放出流体として放出し、
前記第２マニホールドは、少なくとも１つの排出流体入口から、前記排出流体を受け入れ、
前記流路は、放出流体の少なくとも一部を分配するための前記分配出口と前記排出流体入口との間に結合され、前記流路は、流体分配面に実質的に沿って、少なくとも２つの方向に延びた複数の流路セクションを有し、これにより、前記放出流体の一部が、少なくとも一つの流路を通り、排出流体の一部として、少なくとも１つの前記排出流体入口まで流れるようになっており、
前記第１方向が、前記流体分配面に実質的に平行であり、かつ、前記第２方向が、前記流体分配面に実質的に平行であることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項２２】
複数の燃料電池モジュールを備える燃料電池システムに搭載するための燃料電池モジュール搭載部を供給するために、前記燃料電池モジュールのエッジに結合されたベースまたはホルダーをさらに有することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項２３】
前記燃料電池システムに燃料電池モジュールの搭載部を提供するホルダーと、
複数の燃料電池モジュールと、を備える燃料電池システムであって、
前記ホルダーは、流入流体を供給するためのチャンネルを有し、
前記複数の燃料電池モジュールは、前記ホルダーに搭載されるためのエッジをそれぞれ有し、前記複数の燃料電池モジュールは、前記ホルダーの周囲に放射状に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２４】
前記ホルダーのチャンネルと前記複数の燃料電池モジュールとの間に結合され、前記複数の燃料電池モジュールに前記流入流体を分配するための流体分配ベースをさらに備えることを特徴とする請求項２３に記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
前記流体分配ベースは、前記複数の燃料電池モジュールに前記流入流体を分配するために、前記ホルダーの前記チャンネルに結合される請求項２４に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１１９２３０（Ｐ２０１１−１１９２３０Ａ）
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１０−２１５９９５（Ｐ２０１０−２１５９９５）
【出願日】平成２２年９月２７日（２０１０．９．２７）
【出願人】（３９００２３５８２）財団法人工業技術研究院 (524)
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ
【住所又は居所原語表記】１９５ Ｃｈｕｎｇ Ｈｓｉｎｇ Ｒｄ．，Ｓｅｃ．４，Ｃｈｕｔｕｎｇ，Ｈｓｉｎ−Ｃｈｕ，Ｔａｉｗａｎ Ｒ．Ｏ．Ｃ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１５９９５（Ｐ２０１０−２１５９９５）
【出願日】平成２２年９月２７日（２０１０．９．２７）
【出願人】（３９００２３５８２）財団法人工業技術研究院 (524)
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ
【住所又は居所原語表記】１９５ Ｃｈｕｎｇ Ｈｓｉｎｇ Ｒｄ．，Ｓｅｃ．４，Ｃｈｕｔｕｎｇ，Ｈｓｉｎ−Ｃｈｕ，Ｔａｉｗａｎ Ｒ．Ｏ．Ｃ
【Ｆターム（参考）】
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