特許 7186692 自立型ポリマー材料ライナーを含む燃料電池マニホールド・アッセンブリ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-01

(45)【発行日】2022-12-09

(54)【発明の名称】自立型ポリマー材料ライナーを含む燃料電池マニホールド・アッセンブリ

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/2485 20160101AFI20221202BHJP

【ＦＩ】

H01M8/2485

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2019510609

(86)(22)【出願日】2017-08-17

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2019-09-05

(86)【国際出願番号】 US2017047338

(87)【国際公開番号】W WO2018039032

(87)【国際公開日】2018-03-01

【審査請求日】2020-08-12

(31)【優先権主張番号】15/242,846

(32)【優先日】2016-08-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】518206871

【氏名又は名称】ドゥサン フューエル セル アメリカ、インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】パターソン、ジュニア、ティモシー ウィリアム

(72)【発明者】

【氏名】リッジウェイ、クリストファー エイチ．

(72)【発明者】

【氏名】ノリ、シャンドラセカール ブイ．

(72)【発明者】

【氏名】オブライエン、エリック ジェイ．

【審査官】多田 達也

(56)【参考文献】

【文献】特表２００６－５０２５５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００３／０１２４４０９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許第１３１６６６６（ＣＮ，Ｃ）

【文献】特開平１１－２６０３９１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／２４

Ｈ０１Ｍ ８／０８６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池マニホールド・ライナーであって、前記燃料電池マニホールド・ライナーは、自立型ポリマー材料ライナー本体部を含み、前記ライナー本体部は、概して平面的な一次壁部および複数の側壁部を含み、前記側壁部は、前記一次壁部から概して垂直方向にそれぞれ延在しており、前記一次壁部および前記側壁部の上の内部表面は、集合的にキャビティーを画定しており、前記一次壁部は、長さおよび幅を有しており、前記幅は、前記長さよりも小さくなっており、前記一次壁部は、前記一次壁部に沿って幅方向に位置している複数のリブを含み、前記複数のリブは、長さ方向に互いから間隔を離して配置されており、前記複数のリブは、可撓性を提供し、前記ライナー本体部のいくらかの熱膨張を可能にする、燃料電池マニホールド・ライナー。

【請求項2】

前記燃料電池マニホールド・ライナーは、それぞれ前記一次壁部から遠位にある前記側壁部の端部の近くに、複数のリップを含み、前記リップは、前記一次壁部に対して概して平行になっている、請求項１に記載の燃料電池マニホールド・ライナー。

【請求項3】

前記燃料電池マニホールド・ライナーは、前記本体部の周囲にチャネルを含み、前記チャネルは、前記側壁部の少なくとも一部分によって画定される１つの側部を有しており、前記チャネルは、前記一次壁部の前記内部表面から反対側方向に面している、請求項１に記載の燃料電池マニホールド・ライナー。

【請求項4】

前記チャネルは、前記一次壁部の１つの端部の近くにおいて、第１の幅を有しており、また、前記一次壁部の反対側端部の近くにおいて、より大きい第２の幅を有している、請求項３に記載の燃料電池マニホールド・ライナー。

【請求項5】

請求項３に記載の燃料電池マニホールド・ライナーと、
前記チャネルの中に受け入れられる縁部を含む金属マニホールド・パンであって、前記金属マニホールド・パンの内部側は、前記ライナー本体部の前記一次壁部の上の外部表面に隣接して位置している、金属マニホールド・パンと
を含む、燃料電池マニホールド・アッセンブリ。

【請求項6】

前記一次壁部を通る開口部を有する、請求項１に記載の燃料電池マニホールド・ライナーと、
前記開口部の中に少なくとも部分的に受け入れられている反応物質導管アダプターであって、前記反応物質導管アダプターと前記一次壁部との間のインターフェースがシールされている、反応物質導管アダプターと
を含む、燃料電池マニホールド・アッセンブリ。

【請求項7】

前記反応物質導管アダプターは、前記一次壁部前記内部表面に接触して受け入れられるフランジを含み、
前記フランジは、前記一次壁部を通る前記開口部を少なくとも部分的に取り囲む、請求項６に記載の燃料電池マニホールド・アッセンブリ。

【請求項8】

前記フランジを前記一次壁部に固定する複数の締結具を含む、請求項７に記載の燃料電池マニホールド・アッセンブリ。

【請求項9】

前記一次壁部の外部表面に隣接して位置している金属マニホールド・パンであって、前記金属マニホールド・パンは、前記ライナー本体部の前記一次壁部を通る前記開口部と整合させられている、前記金属マニホールド・パンを通る開口部を有している、金属マニホールド・パンを含む、請求項６に記載の燃料電池マニホールド・アッセンブリ。

【請求項10】

前記一次壁部の一部分が前記フランジと前記金属マニホールド・パンとの間にある状態で、前記フランジを前記金属マニホールド・パンに固定する複数の締結具を含む、請求項７に従属する請求項９に記載の燃料電池マニホールド・アッセンブリ。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

燃料電池デバイスは、電気化学反応に基づいて電気を提供する。いくつかの燃料電池構成体は、電解質としてリン酸を利用する。そのような燃料電池は、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）と称されることが多い。

【0002】

燃料電池発電プラントは、典型的に、複数の燃料電池を有するセル・スタック・アッセンブリを含む。マニホールドは、反応物質を燃料電池へ方向付けするために、セル・スタック・アッセンブリの少なくとも１つの側部に沿って位置していることが可能である。いくつかのＰＡＦＣでは、マニホールドは、炭素鋼のものであり、リン酸から保護されなければならない。一般のアプローチは、パーフルオロアルコキシポリマー樹脂（ＰＦＡ）コーティングによってマニホールド・パンを静電気的にコーティングすることを含む。そのようなコーティングは、有用な酸バリアを提供し、金属マニホールド・パンの上の誘電体バリアとしての役割を果たすが、そのようなコーティングを利用することは、追加的な費用を導入する。複数のコーティングおよび焼結ステップは、典型的に、効果的なバリアとなるために十分に厚いコーティングを発達させることが必要とされる。

【0003】

代替的なアプローチが、米国特許第６，２４５，４５４号に提案されている。その文献によれば、コーティングをパンに適用する代わりに、樹脂シートがマニホールド・パンの内側に位置していることが可能である。そのアプローチは、困難を伴わないわけではない。その理由は、据え付け技法が面倒である可能性があり、樹脂シートとマニホールド・パンの寸法関係が、材料の異なる熱膨張を収容しなければならないからである。

【0004】

以前のアプローチに関連付けられる費用または複雑さを有しない、燃料電池マニホールドのための耐酸性の誘電体層を有することが有用であることとなる。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0005】

燃料電池マニホールド・デバイスの例示目的の例示的な実施形態は、自立型ポリマー材料ライナー本体部を含み、ライナー本体部は、概して平面的な一次壁部および複数の側壁部を含む。側壁部は、一次壁部から概して垂直方向にそれぞれ延在している。一次壁部および側壁部の上の内部表面は、集合的にキャビティーを画定している。一次壁部は、長さおよび幅を有しており、幅は、長さよりも小さくなっている。一次壁部は、一次壁部に沿って幅方向に位置している複数のリブを含む。リブは、長さ方向に互いから間隔を離して配置されている。リブは、可撓性を提供し、ライナー本体部のいくらかの熱膨張を可能にする。

【0006】

例示目的の例示的な燃料電池マニホールド・アッセンブリは、金属マニホールド・パンを含む。自立型になっているポリマー材料ライナーは、マニホールド・パンの内部に隣接して位置している一次壁部を含む。ライナーは、ライナーの周囲にチャネルを有しており、マニホールドの一部分が、チャネルの中に受け入れられている。反応物質導管アダプターは、マニホールド・パンおよびライナーの中のそれぞれの開口部を通して受け入れられている。反応物質導管アダプターは、フランジを含み、フランジは、フランジと内部表面との間のインターフェースがシールされている状態で、ライナーの一次壁部の上の内部表面に接触して受け入れられている。反応物質導管アダプターの別の部分は、一次壁部の上の内部表面から反対側方向に面する、マニホールド・パンの外部に隣接している。

【0007】

燃料電池マニホールド・デバイスを組み立てる例示目的の例示的な方法は、金属マニホールド・パンの内部に隣接して自立型ポリマー・ライナーを位置付けるステップであって、マニホールド・パンの縁部は、ライナーの周囲のチャネルの中に少なくとも部分的に受け入れられた状態になっている、ステップを含む。反応物質導管アダプターの上のフランジがライナーの上の内部表面に接触して受け入れられるまで、反応物質導管アダプターの一部分は、ライナーおよびマニホールド・パンの中の開口部を通して挿入される。フランジは、開口部のサイズよりも大きい外側寸法を有している。次いで、フランジは、ライナーがフランジとマニホールド・パンとの間にある状態で、マニホールド・パンに固定される。フランジとライナーとの間のインターフェースは、フランジが固定されているときにシールされている。

【0008】

少なくとも１つの開示されている例示的な実施形態のさまざまな特徴および利点は、以下の詳細な説明から当業者に明らかになることとなる。詳細な説明を伴う図面は、以下の通りに簡潔に説明され得る。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態にしたがって設計されたマニホールド・アッセンブリを含む例示的な燃料電池構成体の選択された部分を概略的に図示する図である。

【図2】本発明の実施形態にしたがって設計された例示的なマニホールド・アッセンブリを図示する図である。

【図3】例示的なマニホールド・パンおよび自立型ポリマー・ライナー構成を図示する図である。

【図4】例示的なライナー構成の選択された特徴を図示する図である。

【図5】例示的な反応物質導管アダプターを図示する図である。

【図6】例示的なマニホールド・デバイスを組み立てるための組み立てプロセスの一部分を図示する図である。

【図7】例示的な組み立てプロセスの別の部分を概略的に図示する図である。

【図8】マニホールド・アッセンブリの中の適切な場所に導管反応物質アダプターを固定するための例示的な締結具を図示する図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１は、電気化学反応に基づいて電気を発生させるための燃料電池発電プラント２０の選択された部分を概略的に図示している。複数の個々の燃料電池が、セル・スタック・アッセンブリ２２の中に公知の様式で組み立てられる。セル・スタック・アッセンブリ２２の一方の側に沿って位置しているマニホールド・アッセンブリ２４は、燃料電池に反応物質を提供することを促進させる。別のマニホールド・アッセンブリ２６が、セル・スタック・アッセンブリ２２の別の側に設けられている。

【0011】

図２および図３を参照すると、マニホールド・アッセンブリ２４は、金属マニホールド・パン３０を含み、金属マニホールド・パン３０は、一次壁部３２および複数の側壁部３４を有しており、複数の側壁部３４は、一次壁部３２の縁部から概して垂直方向に延在している。一次壁部３２および側壁部３４の上の内部表面は、金属マニホールド・パン３０によって確立されるキャビティーを画定している。一次壁部３２は、開口部３６を有している。

【0012】

自立型ポリマー材料ライナー４０が、金属マニホールド・パン３０の内部に隣接して位置している。ライナー４０は、一次壁部４２および複数の側壁部４４を有しており、複数の側壁部４４は、一次壁部４２の縁部から概して垂直方向に延在している。一次壁部４２から遠位にある側壁部４４の端部におけるリップ４６は、一次壁部４２に対して平行になっている部分と、対応する側壁部４４に対して平行になっている部分とを含む。

【0013】

図４に見ることができるように、側壁部４４およびリップ４６は、ライナー４０の本体部の周囲にチャネル４７を確立している。チャネル４７は、一次壁部４２の内部表面から反対側方向に面している。図２および図３において、一次壁部４２の内部表面を見ることができる。組み立てられた条件では、マニホールド・パン３０の上の側壁部３４の少なくとも一部分は、チャネル４７の中に受け入れられており、ライナー４０の一次壁部４２は、マニホールド・パン３０の一次壁部３２に隣接して受け入れられている。ライナー４０およびパン３０が互いに隣接して設置されているときに、一次壁部４２の中の開口部４８は、開口部３６と整合させられている。

【0014】

ライナー４０の本体部は、長さＬおよび幅Ｗを有しており、幅Ｗは、長さよりも小さくなっている。いくつかの例示的な実施形態では、長さは、２メートル（６フィート）よりも大きい。マニホールド・パン３０に隣接して受け入れられていることから独立して、ライナー４０がその形状を維持するという点において、ライナー４０は自立型または独立型である。この例では、ライナー４０は、酸および水蒸気に抵抗力のある熱可塑性のポリマーから作製されている。ライナー４０のポリマー材料は、高い温度において良好な強度を有しており、熱成形可能であり、また、比較的に安価であり、ライナー４０が経済的な様式でマニホールド・アッセンブリ２４の内側に効果的な酸バリアを確立するようになっている。

【0015】

ライナー４０の例示的な実施形態に関して有用である例示的な材料は、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳＵ）である。この材料は有用である。その理由は、それが、良好な化学的抵抗特性、良好な高温特性（たとえば、低い膨張係数および高い強度）を有しており、比較的に安価であるからである。他の実施形態は、ライナー４０に関して、たとえば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、およびポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などのような材料を含む。そのような材料は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）よりも好適である。その理由は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）は、十分な高温機械特性を有していないからである。

【0016】

例示的な実施形態は、ライナー４０を成形するために熱成形技法を使用すること、たとえば、ドレープ成形を使用することなどを含む。ライナー４０を形成するための熱成形技法は、ライナーの高速な製作を可能にし、それは、時間および製造費を節減する。熱成形技法は、ライナー４０の自立型性質に貢献する。追加的に、独立型で自立型のライナー４０は、組み立てプロセスの間に金属マニホールド・パン３０と迅速にかつ比較的に簡単に組み立てられ得る。

【0017】

この説明において使用されているように、自立型または独立型という用語は、ライナーが所定の形状を有しているということ、および、ライナー本体部がその隣に別のコンポーネントを必要とすることなくそれ自身の形状を少なくとも維持することができるということを意味している。たとえば、ライナー本体部４０は、その自立型性質に基づいてキャビティーを画定している。ライナーの自立型態様は、一次壁部４２に対して概して平行に位置している側壁部４４を有することを含む。

【0018】

図示されている例示的なライナー４０は、複数のリブ５０を含み、複数のリブ５０は、ライナー４０の本体部の上で幅方向に延在している。リブ５０は、長さ方向に互いから間隔を離して配置されている。図示されている例では、リブ５０は、おおよそ６インチ（０．１５メートル）離れている。リブ５０は、可撓性を提供し、ライナー４０の本体部のいくらかの熱膨張を可能にする。熱膨張を軽減するための材料の膨張のためのリブ５０は、燃料電池動作の間にライナー４０が高温にさらされているときに効果がある。また、リブ５０は、ライナーのたわみを低減させ、そうでなければ、ライナーのたわみが、より高い燃料電池動作温度に露出されるときに、ポリマーの熱膨張の結果として起こることとなる。リブ５０は、ライナー４０の局所化された領域またはエリアを提供し、それは、ライナーの全体的な形状が変化しないままである間に、いくらかの熱膨張を受ける可能性がある。たとえば、燃料電池動作に関連付けられる熱が長さ方向への熱膨張を引き起こすかまたは誘発するときに、リブ５０のうちの１つまたは複数が、少なくとも部分的に平らになることが可能である。

【0019】

図４に示されているように、ライナー４０の周囲のチャネル４７は、ライナー４０の１つの端部の近くにおいて、より大きい幅を有している。５４に示されているように、チャネル４７は、ライナー本体部の（図示によれば）底部の近くにおいて、より大きい幅を有している。チャネル４７のより幅広い幅は、マニホールド・パン３０またはライナー４０の製造サイズのばらつきを収容する。換言すれば、ライナー４０の１つの端部の近くのチャネル４７のより大きい幅は、マニホールド・パン３０およびライナー４０を別々のピースとして製造することに関連付けられる製造公差を収容する。いくつかの例示的な実施形態では、チャネル４７のより幅の広い部分は、ライナー４０の両方の端部の近くに存在している。

【0020】

図５～図８を参照すると、反応物質導管アダプター６０は、反応物質の供給源をマニホールド・アッセンブリ２４と接続することを促進させる。アダプター６０の一方の端部６２は、マニホールド・パン３０の外向きに面する表面の近くにおいて、マニホールド・アッセンブリ２４の外部側に位置している。フランジ６４は、フランジ６４の一方の側にシール６６を伴って、アダプター６０の反対側端部に設けられている。シール６６は、ライナー４０の一次壁部４２に面するフランジ６４の側の上において、別々のガスケット、コーティング、または材料の層であることが可能である。フランジ６４の寸法は、マニホールド・パン３０の中の開口部３６およびライナー４０の中の開口部４８の寸法よりも大きくなっている。

【0021】

図６に示されているように、第１の端部６２は、ライナー４０の内部側から、開口部３８および３６を通して挿入される。アダプター６０の移行部分６８は、開口部３６および４８を通ってフィットしており、開口部３６および４８のサイズとおおよそ同じ外側寸法を備えた部分を有している。アダプター６０は、フランジ６４がライナー４０の一次壁部４２の内部表面に接触して受け入れられているまで操作される。複数の締結具７０は、マニホールド・パン３０と協働するように、および、マニホールド・パン３０に固定されるように構成されている部分７２を有している。いくつかの例では、部分７２は、ネジ山を付けられており、マニホールド・パン３０は、開口部３６を取り囲むネジ山付きの孔部を含む。締結具７０は、シール７４を含み、シール７４は、締結具が適切な場所へ完全に挿入されるときに、フランジ６４に接触して受け入れられ、フランジ６４をライナーの一次壁部４２に対抗して固定する。締結具７０の上のヘッド部分７６は、フランジ６４を通る孔部７８のサイズよりも大きくなっており、フランジ６４と一次壁部４２の内部表面との間のインターフェースがシール６６によってシールされている状態で、マニホールド・パン３０およびライナー４０に対して所望の位置にアダプター６０を維持する。

【0022】

例示的な実施形態に示されているタイプのマニホールド・アッセンブリは、ＰＡＦＣシステムに関してコスト節減を提供する。自立型で独立型のライナー４０は、金属マニホールド・パンにコーティングを適用することと比較して、より容易にかつより安価に作製することができる。ライナー４０に関連付けられる、時間、材料、および処理の節減は、マニホールド・アッセンブリ２４および全体的なＰＡＦＣシステムをより経済的なものにする。

【0023】

先行する説明は、本質的に限定するものというよりもむしろ、例示目的のためのものである。開示されている例示的な実施形態に対する変形例および修正例は、当業者に明らかになり得り、それは、本発明の本質から必ずしも逸脱するわけではない。本発明に与えられる法的な保護の範囲は、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され得る。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】