JP6828019B2 - 電気化学セルスタックの製造方法および面状電気化学セルモジュール - Google Patents

Description

本明細書で開示される主題は、電気化学セル、特に、電気化学セルおよび電気化学スタックのモジュールコンポーネント、およびその製造方法に関する。

電気化学セルは一般的に、水素または炭化水素燃料からの発電、水素の生成および圧縮、酸素または酸素富化空気の生成および圧縮、もしくは窒素富化空気の生成などの様々な用途のためのスタック構成で使用される。スタック構成は変動させることができるが、共通の設計は面状膜電極アセンブリ（「ＭＥＡ」）内に一連の膜（たとえば、高分子電解質膜、すなわち「ＰＥＭ」としても知られるプロトン交換膜）を含み、各膜は積層可能なフレームに配置され、バイポーラプレートとも称される導電性セパレータプレートによって分離される。バイポーラプレートは、積層されたＭＥＡを一連に接続し、各ＭＥＡのアノード側の流体をスタック内の隣接ＭＥＡのカソード側の流体から分離する役割を果たす。セルから流体流を送ると共に受け取るための流体流路は一般的に、積層されたコンポーネントのフレームに組み込まれる。通常、スタックはスタックの各端部にエンドプレートを有する。積層されたコンポーネントは、スタックを通じてエンドプレート同士の間を延在するボルトからの圧縮荷重下で組み立てられる。

電気化学セルと電気化学スタックは、多様な寸法および構成で設計および製造される。このため、通常、様々な寸法の多様なコンポーネントをオーダーメイドで設計および製造する必要があり、コスト、複雑度、品質を維持する困難さを高める可能性があった。また、一部のコンポーネントは、複数の寸法で製造されるとき、製造仕様を維持することが困難になる、またはコストが嵩む可能性がある。さらに、電気化学セル内の相互膜厚差が相当高くなる可能性があり（たとえば、用途によっては最大１６．５４７ＭＰａ（２４００ｐｓｉ））、有効で漏れのないセル動作を提供するためにかなり高い精度を必要とする。このような精度は、セル毎に比較的小さな作用面積を有するスタックでは容易に達成されるが、セル毎の作用面積が増加するにつれ、セルフレームコンポーネントや膜などのコンポーネントは、所望の仕様で製造するのが益々困難になる。

本発明の目的は、上記した電気化学セルおよびスタックをより向上させた電気化学セルおよびスタックを提供することにある。

本発明のいくつかの側面によると、様々な寸法または構成を有する電気化学セルスタックの製造方法が提供される。この方法によると、第１の面寸法および構成を有する第１の面状モジュールが、接続可能端に沿って嵌合面を有する面状モジュール部品を備える第１の部品ストックから組み立てられる。面状モジュール部品同士は、共面構成で接続されて、第１の寸法および構成を有する第１の面状モジュールを形成する。第１の面状モジュールは、複数の面状モジュールを備える第１の電気化学スタックへと組み立てられて、第１の面寸法および構成に対応する第１の電気化学スタックを形成する。第１のストックと共通する面状モジュール部品を含む第２の部品ストックが特定され、第１の面状モジュールとは異なる面寸法または構成を有する第２の面状モジュールは、第２のストックから組み立てられる。第２の面状モジュールは複数の面状モジュールを備える第２の電気化学スタックへと組み立てられて、第１の面寸法および構成に対応する第２の電気化学スタックを形成する。

本発明のいくつかの側面によると、面状電気化学セルモジュールは、複数の面状モジュールフレーム部品を備える面状周縁フレームを備え、複数の面状モジュールフレーム部品同士を、モジュール面状周縁フレーム部品の相互接続端に沿って嵌合面で接続し合わせて、接続されたモジュール面状周縁フレーム部品を面状周縁フレームの面に沿って延在させる。

本発明のいくつかの側面によると、電気化学セルスタックは、複数の面状モジュールエンドプレート部品を有する面状エンドプレートを備え、前記複数の面状モジュールエンドプレート部品同士を、モジュール面状エンドプレート部品の相互接続端に沿って嵌合面で接続し合わせて、接続されたモジュール面状エンドプレート部品を前記面状エンドプレートの面に沿って延在させる。

本発明のいくつかの側面によると、面状電気化学セルは、プロトン交換膜、セパレータプレート、電極、流れ場、またはそれらの組み合わせから選択されるコンポーネントを有する複数の面状セルモジュールを備える。面状セルモジュールは、電気化学セルの共通面に沿って配置され、面状セルモジュールの周縁端に沿って嵌合面で、複数のフレーム付き空間を備えるフレームのフレーム部材に接続される。

本発明のいくつかの側面によると、電気化学セルスタックは、複数の面状モジュール電気バスプレート部品を有する面状電気バスプレートを備え、複数の面状モジュール電気バスプレート部品同士は、モジュール面状電気バスプレート部品の相互接続端に沿って嵌合面で接続し合って、接続されたモジュール面状電気バスプレート部品を面状電気バスプレートの面に沿って延在させる。

発明とみなされる主題は、明細書の最後の特許請求の範囲において特定して指摘し明瞭に請求する。本発明の以下およびその他の特徴と利点は、添付図面と併せて以下の詳細な説明から明らかとなる。添付図面は、以下の通りである。

本明細書に記載されるフレームモジュールの概略展開図である。 本明細書に記載されるフレームモジュールの概略組立拡大図である。 本明細書に記載されるフレームモジュールの概略組立図である。 本明細書に記載されるフレームモジュールの概略組立図である。 本明細書に記載される多素子（ｍｕｌｔｉ−ｅｌｅｍｅｎｔ）モジュールの概略展開図である。 本明細書に記載される多素子モジュールの概略展開図である。 本明細書に記載される外側および内側フレーム部品を有するフレームモジュールの概略図である。 本明細書に記載される外側および内側フレーム部品を有するフレームモジュールの概略図である。 本明細書に記載される多素子モジュールの概略図である。 本明細書に記載される別のモジュールの概略図である。 本明細書に記載される複数のモジュールを含む電気化学セルスタックの概略図である。

詳細な説明は、例として図面を参照して、利点および特徴と共に代表的な実施形態について説明する。
実施形態のいくつかの例では、上述の第１および第２のモジュールは、セルフレーム、電気バスプレート、エンドプレート、もしくはプロトン交換膜、セパレータプレート、電極、流れ場、またはそれらの組み合わせから選択されるセルコンポーネントとすることができる。図１を参照すると、例示的セルフレームモジュール１０が展開図で示されている。図１に示すように、６つの面状モジュールフレーム部品１２同士が組み立てられて、フレームモジュール１０を形成する。図２の拡大図に示すように、モジュールフレーム部品１２同士は、面状モジュールの面に対して垂直な方向に凹んだ嵌合面１４、１６で接続し合い、嵌合面１４は大きさ１４’だけ凹み、嵌合面１６は大きさ１６’だけ凹んでいる。この接続は、嵌合面１４、１６に沿って接着剤またはろう接、および／または連結機能（図示せず）を用いることによって簡易化することができる。面状モジュールフレーム部品１２は、たとえば流体を電気化学セルへ輸送および電気化学セルから輸送するための開口部１８と、フレームモジュールがセルスタックに組み込まれたときにスタックアセンブリボルトを収容する非導電性開口部２０とを有することができる。

面状モジュールフレーム部品は、第１の面状モジュールとは異なる寸法および／または構成の第２の面状モジュールを形成するために使用される共通部品ストックの一部とすることができる。たとえば、図１に示すモジュールとは異なる寸法および構成を有する面状モジュールを図３Ａおよび図３Ｂに示す。図３Ａは、図１のフレームの２倍の寸法（表面積によって特徴付けられる）を有し、１０個のモジュールフレーム部品１２（図示するが、個々に符号を付さない）から組み立てられる面状フレームモジュール１０’を示す。図３Ｂに示す面状フレームモジュール１０”は、図３Ａの面状フレームモジュールと同一の寸法（表面積）を有するが、８個のモジュールフレーム部品１２（図示するが、個々に符号を付さない）から組み立てられた異なる構成を有する。

上述したように、面状モジュール部品の共通ストックを含む部品ストックから組み立てられる第１および第２のモジュールは、プロトン交換膜、セパレータプレート、電極、流れ場、またはそれらの組み合わせとすることができる。そのような実施形態の一例は、複数の面状流れ場モジュール部品２２（図４Ａでは２つの面状流れ場コンポーネント部品２２、図４Ｂでは６つの面状流れ場コンポーネント部品２２）から組み立てられる様々な寸法／構成の面状流れ場を示す図４Ａおよび図４Ｂの展開図に示される。流れ場コンポーネント部品２２同士は、隣接する流れ場コンポーネント部品２２同士の間のインタフェースでプロトン交換膜などの繊細な素子を保護するのを助ける保護架橋ストリップ素子（ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｂｒｉｄｇｅ ｓｔｒｉｐ ｅｌｅｍｅｎｔ）２４を通じて、嵌合面に沿って接続し合う。図４Ａおよび図４Ｂに示すように、流れ場モジュール部品２２同士は、一体的セパレータプレート２６および面状フレーム２８と共に組み立てられて、電気化学セルの一部位を形成する。また、流れ場モジュール部品２２は通常、アノード側流れ場カソード側流れ場との両方を提供するように、図４Ａおよび図４Ｂで見て、セパレータプレート２６の両対向側に配置される。面状フレーム２８は、図４Ａおよび図４Ｂに示すように面状フレームモジュール部品１２から組み立てることができる、あるいは、一体型フレームとすることができる。非導電性ボルト貫通素子（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｎｏｎ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｂｏｌｔ ｐａｓｓ−ｔｈｒｏｕｇｈ ｅｌｅｍｅｎｔ）３０は、スタックアセンブリボルト（図示せず）用の開口部を提供する。

いくつかの実施形態では、面状フレームコンポーネントから組み立てられる面状フレームは、たとえば図５Ａおよび図５Ｂに示すように、周縁フレームと内側フレームとを含むことができる。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、展開図（図５Ａ）と組立図（図５Ｂ）に示される面状フレームモジュール３１、３１’は、面状セルフレームモジュール部品３２、３４、３６から組み立てられる。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、組み立てられたフレームは、面状セルフレームモジュール部品３２、３４によって形成される周縁フレーム部と、セルフレームモジュール部品３６とセルフレームモジュール部品３４の内方延在部３４’とによって形成される内側フレーム部とを含む。

当然ながら、両ストックに共通するモジュール部品を含む部品ストックからの第１および第２の面状モジュールの組立は、単独の種類のモジュールに限定されない。図４Ａおよび図４Ｂは、両フレーム部品と流れ場が、両ストックに共通するモジュール部品を含む部品ストックから組み立てられる実施形態を示す。上述したように、他の種類のモジュールも共通部品ストックから組み立てることができる。膜またはセパレータプレートなどのその他のコンポーネントが、スタックセルの占有スペースの全表面積を覆う一体的膜またはセパレータプレートの代わりに、面状モジュール部品から組み立てることができるように、図５Ａおよび図５Ｂに示すような内側フレームは、封止面を設けることができる。上記実施形態の一例は図６に示され、複数の面状モジュール部品から組み立てられる様々な寸法／構成のセルモジュールを図示する。図６に示すように、膜モジュール部品３８、流れ場モジュール部品２２、セパレータプレートモジュール部品４０が（間接的に面状セルフレームモジュール部品３４’、３６を介して）共面構成で接続されて、セルスタックに含めるための完成した面状セルモジュールを形成する。電極（図示せず）は膜の対向側に配置され、膜上にプリントまたは塗布する、あるいは当該技術において既知なように流れ場に一体化させることができる。本明細書に開示される他のモジュールと同様、図６に示すモジュールは、様々な寸法および／または構成、たとえば、図５Ａ（図６）に示すフレーム３１の寸法／構成、および／または図５Ｂのフレーム３１’の寸法／構成で組み立てることができる。

本明細書に記載されるような様々な寸法／構成で組み立てることのできる別の種類の電気化学セルスタックモジュールは、２０１４年１２月２９日に出願された米国特許出願第６２／０９７，４８１号に、より詳細に記載される中間モジュールであり、この特許出願の開示全文を引用により本明細書に組み込む。これらの中間モジュールは、（ｉ）中間モジュールの内側に配置され、中間モジュールの一方側の電気化学セルスタックの動作圧力よりも高い圧力で、流体源と流体連通する空隙を含む、および／または（ｉｉ）スタック内の複数の電気化学セルと流体連通する導電プロセス液体のために、異なる作業電圧を有する電気化学セル同士の間の流体連通路に沿って非導電性経路を設けることができる。中間モジュールは、スタックの動作圧力から生じる横方向応力に対抗する固定具用の台を提供するプレートを含むことができる。固定具は、少なくとも１つのプレートの周縁部に沿って配置され、プレートから積層面状モジュールの面に対して垂直な方向に延在する。固定具は、積層面状モジュールの面と平行な方向の応力に対抗して、積層面状モジュールの外周面に沿って構造上の支持を提供する表面部分を含む。

実施形態の一例を図７の展開図に示し、中間モジュールエンドプレート４２、４４は、中間モジュールエンドプレート４２、４４の間に配置される中間モジュール内側プレートを有する。固定具４５は、動作中の加圧流体からの横方向応力に対抗する補強材を提供する。中間モジュール内側プレートは、任意の冷却流体流路４８を内部に配置する中間モジュール内側プレート面状モジュール部品４６から組み立てられる。中間モジュール内側プレートは、上述した方法と同様に、様々な数および／または構成の内側プレート面状モジュール部品４６を用いて組み立てることができる。

本明細書に記載される各種モジュール同士は、電気化学セルスタック内で組み立てることができる。そのような実施形態の一例を図８の部分展開図に示す。図８に示すように、スタックは膜５０と、カソード側セルアセンブリ５２と、アノード側セルアセンブリ５４とを含む。図８の上部展開図に示すように、カソード側およびアノード側セルアセンブリは、モジュールフレーム部品１２から作製される面状フレーム２８内にセパレータプレート２６とモジュール流れ場部品２２とを含む。図８にさらに示すように、スタックは、中間モジュール内側プレート面状モジュール部品４６と、中間モジュールエンドプレート４２、４４と、固定具４５とから組み立てられる中間モジュールをさらに含む。ボルトまたはタイロッド５０とナット５２とは、スタックに圧縮荷重を加える。

引き続き図８を参照すると、追加のモジュールは、嵌合面に沿って共面式に接続される面状モジュール部品から組み立てられていることが分かる。電気バスプレート５６は、相互に導電接触する面状電気バスプレートモジュール部品５８同士を突き合わせて組み立てられる。絶縁体プレート６０は面状絶縁体プレートモジュール部品６２から組み立てられ、エンドプレート６４を電気バスプレート５４から電気的に絶縁させる。エンドプレート６４は、面状エンドプレートモジュール部品６６から組み立てられる。いくつかの実施形態では、エンドプレートモジュール部品６６は、面状エンドプレートの面に対して垂直な方向に凹んだ重複嵌合面６８で接続される。

上述したように、電気化学セルスタックは通常、対向側に配置されるアノードとカソードとを有する高分子電解質膜を含む。アノード側流れ場構造およびカソード側流れ場構造は典型的には、膜の一方側に配置される。これらの流れ場構造は通常、膜から遠位に配置され、面状膜電極アセンブリ（「ＭＥＡ」）および流れ場構造はそれぞれ上述したようにフレームアセンブリに搭載されて、流体流がＭＥＡと接触する空間を提供する。流れ場構造は導電性を有し（たとえば、スチールメッシュ）、導電セパレータプレートを通じて、あるセルのカソードから隣接セルのアノードまでの電気接続を提供して、スタックのセルを直列に電気接続させることができる。プロトン交換膜は、電気化学セルの動作状況下で固体である電解質を含むことができる。膜を製造できるのに有効な材料としては、プロトン伝達イオノマおよびイオン交換樹脂が挙げられる。プロトン伝達物質として有効なイオン交換樹脂には、炭化水素樹脂やフルオロカーボン型樹脂などがある。フルオロカーボン型樹脂は通常、ハロゲン、強酸、塩基による酸化に対する優れた耐性を発揮する。スルホン酸基官能性を有するフルオロカーボン型樹脂の族の１つがＮＡＦＩＯＮ（登録商標）樹脂（デラウェア州ウィルミントンのＥ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙで市販）である。

アノードとカソードは、必要な電気化学反応（たとえば、水または水素ガスの解離）を実行するのに適した触媒物質から製造することができる。適切な触媒物質は、白金、パラジウム、ロジウム、炭素、金、タンタル、タングステン、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、それらの合金など、および上記物質の組み合わせを含むが、それらに限定されない。アノードとカソードは、対応する電解質膜に隣接して、好ましくは接触して配置され、多孔基板に吸収される個々の触媒粒子を備える構造を有することができる。触媒粒子の基板への接着は、吹付け、浸漬、塗布、吸収、蒸着、および上記方法の組み合わせなどを含むが、それらに限定されない任意の方法によることができる。もしくは、触媒粒子をプロトン交換膜の対向側または支持部材に直接蒸着させてもよい。

本発明はごく限られた数の実施形態に関連して説明したが、本発明は上記の開示された実施形態に限定されないと容易に理解すべきである。むしろ、本発明は、上述していないが、発明の趣旨および範囲に相応する任意の数の変形、変更、置換、または等価の配置を組み込むように変更することができる。また、本発明の各種実施形態について説明したが、発明の側面は上述の実施形態のいくつかだけを含むことができると理解すべきである。したがって、本発明は上述の説明に限定されると解釈されず、添付の特許請求の範囲によってのみ制限される。

Claims (10)

1. 様々な寸法または構成の電気化学セルスタックの製造方法であって、
   接続可能端に沿って嵌合面を有する面状モジュール部品を備える第１の部品ストックから第１の面寸法および構成を有する第１の面状モジュールを組み立てることであって、共面構成で前記面状モジュール部品同士を接続して、前記第１の面寸法および構成を有する第１の面状モジュールを形成することを含むことと、
   複数の面状モジュールを備える第１の電気化学スタック内の前記第１の面状モジュールを組み立てて、前記第１の面寸法および構成に対応する前記電気化学スタックを形成することと、
   前記第１の部品ストックと共通する面状モジュール部品を含む第２の部品ストックを特定すると共に、前記第１の面状モジュールとは異なる面寸法または構成を有する第２の面状モジュールを前記第２の部品ストックから組み立てることと、
   複数の面状モジュールを備える第２の電気化学スタック内の前記第２の面状モジュールを組み立てて、前記第２の面寸法または構成に対応する前記第２の電気化学スタックを形成することと、を含む方法。
2. 前記第２の面状モジュールが、前記第１の面状モジュールの共通面状モジュール部品とは異なる数の共通面状モジュール部品を備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の面状モジュールが、前記第１の面状モジュールの共通面状モジュール部品と同数の共通面状モジュール部品を、前記第１の面状モジュールとは異なる構成で備える、請求項１に記載の方法。
4. 前記複数の面状モジュール部品が、前記面状モジュールの面に対して垂直な方向に凹んだ第１の面状モジュール部品の嵌合面に沿った部分と、前記第１の面状モジュール部品の凹んだ部分を補完するように構成される第２の面状モジュール部品の嵌合面に沿った部分との間の接続部を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 複数のモジュール面状周縁フレーム部品を有する面状周縁フレームを備える面状電気化学セルモジュールであって、前記複数のモジュール面状周縁フレーム部品同士を、前記モジュール面状周縁フレーム部品の相互接続端に沿って嵌合面で接続させて、接続されたモジュール面状周縁フレーム部品を面状周縁フレームの面に沿って延在させた、面状電気化学セルモジュール。
6. 前記面状周縁フレームが機能モジュールを保持する、請求項５に記載の面状電気化学セルモジュール。
7. 前記モジュール面状周縁フレーム部品が、前記面状周縁フレームの面に対して垂直な方向に凹んだ第１のモジュール面状周縁フレーム部品の嵌合面と、前記第１のモジュール面状周縁フレーム部品の凹んだ部分を補完するように構成される第２のモジュール面状周縁フレーム部品の前記嵌合面に沿った部分と、に沿って接続される、請求項５または６に記載の面状電気化学セルモジュール。
8. 前記面状周縁フレーム内に保持される面状内側フレームをさらに備える、請求項５〜７のいずれか一項に記載の面状電気化学セルモジュール。
9. 前記面状内側フレームが前記面状周縁フレームと共に、複数のフレーム付き空間を形成する、請求項８に記載の面状電気化学セルモジュール。
10. 前記モジュール面状周縁フレーム部品が、スタックアセンブリボルトのための非導電性開口部を含む、あるいは協働して含む、請求項５〜９のいずれか一項に記載の面状電気化学セルモジュール。

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