(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックであって、
ａ）第１の略平坦プレート本体（４０４）を含む、バイポーラプレート組立体と、但し、前記第１の略平坦プレート本体は、
ｉ）第１の反応物流動場（４１０）を含む第１の略平坦面（４０６）と、
ｉｉ）第２の略平坦面（４２１）であって、第２の略平坦面上の第１の開放チャネル（４２２）とを含み、第１の開放チャネル（４２２）は、前記第１の略平坦プレート本体を完全に貫いて前記第１の反応物流動場と前記第１の開放チャネル（４２２）とをつないでいる第１の開口（４０９）から前記略平坦プレート本体の周辺部に開いた開口まで延びており、第１の反応物流動場（４１０）、第１の開口（４０９）および第１の開放チャネル（４２２）により、第１の流体流路を画定するものであり、
ｂ）前記第１の反応物流動場と動作可能に連通する第１の面を有する第１の膜電極接合体と、
ｃ）前記第１の流体流路を介して前記反応物流動場（４１０）と流体連通する反応物マニホルドであって、該反応物マニホルドはプレート本体とカプセル化材料とにより形成されており、燃料電池スタックを通過する反応物の移送を容易化するように適合かつ構成されている、前記反応物マニホルドと、および
ｄ）前記バイポーラプレート組立体と膜電極接合体とのまわりに配置され、反応物マニホルドを形成するカプセル化材料の層、ここにおいて前記反応物マニホルドの内壁の一部は、前記略平坦プレート本体の周辺の一部である、前記カプセル化材料の層と、
を含む前記燃料電池スタック。
【請求項２】
バイポーラプレート組立体は、第２の略平坦プレート本体をさらに含み、該第２の略平坦プレート本体は、
ｅ）第３の略平坦面と、
ｆ）前記第２の略平坦面と密着する第４の略平坦面とを含み、
ここにおいて、ｇ）第３の略平坦面は第２の反応物流動場を画定し、
ｈ）第４の略平坦面は、第２の開放チャネルを含み、第２の開放チャネルは、前記第２の略平坦プレート本体を完全に貫いて前記第２の反応物流動場と前記第２の開放チャネルとをつないでいる第２の開口から前記第２の略平坦プレート本体の周辺部に開いた開口まで延びており、第２の反応物流動場、第２の開口および第２の開放チャネルとにより、第２の流体流路を画定するものであり、
ｉ）第２の反応物流動場と動作可能に連通する第１の面を有する、第２の膜電極接合体、を有し、
ｊ）前記第２の流体流路を介して前記第２の反応物流動場と流体連通する反応物マニホルドであって、該反応物マニホルドは略平坦プレート本体とカプセル化材料とにより形成されており、燃料電池スタックを通過する反応物の移送を容易化するように適合かつ構成されている、前記反応物マニホルドと、および
ｋ）前記バイポーラプレート組立体と膜電極接合体とのまわりに配置され、反応物マニホルドを形成するカプセル化材料の層、ここにおいて前記反応物マニホルドの内壁の一部は、前記略平坦プレート本体の周辺の一部である、前記カプセル化材料の層と、を含む、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
第２および第４の略平坦面が協働して、冷却剤流動場から前記略平坦プレート本体の周辺部に向かって延びるチャネルを含む、セパレータプレート内部の冷却剤流動場を画定する、請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
第２および第４の略平坦面が協働して、（ｉ）バイポーラアセンブリ組立体の第１および第３の略平坦面の少なくとも一方の上の反応物流動場から前記バイポーラプレート組立体の周辺部に向かって延びる、反応物流れ通路、および（ｉｉ）バイポーラプレート組立体内部の冷却材流動場からバイポーラプレート組立体の周辺部に向かって延びる、冷却材流れ通路、の内の少なくとも一つを画定し、該流れ通路のうちの少なくとも１つは、バイポーラプレート組立体の縁端の、略平坦プレート本体の周辺部に開いた開口の位置で終端し、該略平坦プレート本体の周辺部に開いた開口は少なくとも部分的に第２および第４の略平坦面によって画定された縁を有し、略平坦プレート本体の周辺部に開いた開口に近接するプレートの縁端が、プレナム成形インサートを受け入れるための凹部を画定する、請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
第２の略平坦面が、第１の開口および第１の開放チャネルを包囲する、シール材チャネル（４２３）をその中に画定し、シール材チャネルは、第１の略平坦プレート本体の周辺部に近接する第１および第２の端部を含み、またシーリングチャネル内に配置されたカプセル化材料をさらに含み、シーリングチャネル内に配置されたカプセル化材料は、反応物チャネルを冷却材チャネルから流体的に絶縁する、請求項３または４に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
第１の略平坦プレート本体および第２の略平坦プレート本体が、第２の略平坦面および第４の略平坦面において互いに接合された一体構造であり、第１の略平坦プレート本体および第２の略平坦プレート本体は導電性接着剤シールで接合されており、導電性接着剤シールは、（ｉ）第１の略平坦プレート本体および第２の略平坦プレート本体の材料と化学的に適合性のある樹脂材料、および（ｉｉ）接着材料からなる群から選択される材料で形成される、請求項５に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項に記載の燃料電池スタックであって、
ｃ）前記バイポーラプレート組立体と膜電極接合体とのまわりに配置されたカプセル化材料は真空により導入可能なものであり
ｄ）反応物マニホルドは流体流路を介して反応物流動場と流体連通し、燃料電池スタックを通って反応物の移送を容易化するように適合かつ構成されており、反応物マニホルドは、部分的にカプセル化材料の型取り成形により形成されているものである、
前記燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギーを生成するための燃料電池スタックに関する。特に、本発明は、カプセル化材料の層を含む燃料電池スタックを対象とする。
【背景技術】
【０００２】
膜式電気化学的電池、特に、陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池はよく知られている。ＰＥＭ燃料電池は、実質的に環境排出物なしに化学エネルギーを電力に変換するものであり、エネルギーが貯蔵されるのではなく、供給燃料から抽出される点においてバッテリーとは異なる。したがって、燃料電池は充電／放電サイクルに束縛されることなく、燃料が連続的に供給される限り、特定の電力出力を維持することができる。多額の資金が燃料電池研究および商品化に投資されてきており、このことはこの技術が市場において相当な将来性を有することを示している。しかしながら、従来型発電技術と比較したときの燃料電池のコストの高さは、燃料電池の一般普及を遅らせている。燃料電池を製作し組み立てるコストは、必要な材料および労力のために、高額になることがある。実際に、燃料電池のコストの８５％までが製造に帰する可能性がある。
【０００３】
一般的に、単一セルＰＥＭ燃料電池は、薄いイオン導電性膜で隔てられたアノードおよびカソード室（compartment）とからなる。この触媒膜は、ガス拡散層を含むか、または含まず、膜電極接合体（ＭＥＡ：membrane electrode assembly）と呼ばれることが多い。エネルギー変換は反応物、還元剤および酸化剤が、ＰＥＭ燃料電池のアノード室およびカソード室にそれぞれ供給されたときに始まる。酸化剤としては、純酸素、空気などの酸素含有ガス、塩素などのハロゲン類がある。還元剤としては、本明細書では燃料とも呼ばれるが、水素、天然ガス、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ホルムアルデヒド、メタノール、エタノール、アルコール混合物およびその他の水素富化有機物があげられる。アノードにおいては、還元剤は酸化されて陽子を生成し、この陽子は膜を横断してカソードに移動する。カソードにおいて、陽子は酸化剤と反応する。全体的な電気化学レドックス（redox: reduction/oxidation）反応は自然発生して、エネルギーが放出される。この反応の間中、ＰＥＭは、還元剤と酸化剤が混合するのを防ぎ、イオン移動の発生を可能にする。
【０００４】
現在の最新の燃料電池設計は、単一セルよりも多くのセルを含み、事実、一般的にいくつかのＭＥＡ、流動場およびセパレータプレートを直列に結合して、燃料電池「スタック」を形成し、これによって、ほとんどの商業用途で必要とされる、より高い電圧および大きな電力出力を提供する。流動場は、燃料電池を通過して反応物を配送することを可能にするものであり、通常は、燃料電池内で多孔質電極層と隔てられている。スタック構成によっては、燃料電池スタック内部での燃料、酸化剤および冷却流の混合を防止するために、１枚または２枚以上のセパレータプレートをスタック設計の一部として使用してもよい。そのようなセパレータプレートは、スタックに対して構造的な支持を与えることもできる。
【０００５】
バイポーラプレートは、酸化剤流動場、燃料流動場およびセパレータプレートの組合せと同じ機能を実行し、これらを使用することによって機能する燃料電池において必要な構成要素の数を低減することができるので、燃料電池の設計において頻繁に使用される。これらのバイポーラプレートは、流動場として機能するＭＥＡに接触するプレート表面に形成されたチャネルの配列を含む。ランド部は電極からの電流を導通するのに対して、ランド部間のチャネルは、燃料電池が使用する反応物を配送するとともに、水などの反応副産物の除去を容易化する役割を果たす。燃料は、バイポーラプレートの一面上で燃料取入れ口から燃料取出し口まで、チャネルによって誘導されるままに配送されるのに対して、酸化剤は、バイポーラプレートの反対面上で酸化剤取入れ口から酸化剤取出し口まで、チャネルによって誘導されるままに配送され、この２つの面はこのプレートを貫通して連結されていない。バイポーラプレート流動場チャネルの詳細な設計は、温度、電力出力、ガス加湿および流量などの燃料電池スタックの動作パラメータに対して最適化してもよい。燃料電池スタックに使用される理想的なバイポーラプレートは、炭素／ポリマー複合材またはグラファイトなどの、薄肉、軽量で耐久性のある高度に導電性の耐食性構造である。燃料電池スタックにおいて、各バイポーラプレートは、その燃料流動場面を介してスタックの１つのＭＥＡに燃料を配送し、その間に反対側の酸化剤流動場面を介して、第２のＭＥＡに酸化剤を配送する役割を果たす。薄い多孔質の紙シート、通常グラファイトまたは炭素でできた布またはフェルトを、それぞれの流動場とＭＥＡの触媒化面との間に設置して、ＭＥＡを支持してもよく、この場合に、それは流動場における溝と対向して、隣接するランド部に電流を流すとともに、ＭＥＡに反応物を配送するのを助ける。この薄いシートは、通常はガス拡散層（ＧＤＬ）と名づけられ、ＭＥＡの一部として組み入れることができる。
【０００６】
必然的に、ＭＥＡのＧＤＬ部分などの、あるスタック構成要素は、燃料電池スタックの中に、その外へ、またその内部で反応物および副生成物の配送を行うために、多孔質である。スタック内部の要素が多孔性であるために、スタック構成要素間（またはスタックの外側）でのすべての液体またはガスのリークを防止するとともに、環境への露出による様々なスタック要素の乾燥を防止する手段も必要である。この目的で、通常、ガスケットまたはその他のシールが、ＭＥＡまたはＰＥＭとその他のスタック構成要素の表面間、およびスタック周辺部の部分の上に設けられる。これらのシーリング手段は、エラストマー材料で構成される場合も、接着材料で構成される場合も、一般的に、シーリングされている特定の表面上に、設置、取付け、形成または直接塗布される。これらの処理は、労働集約的であり、大量生産には適さず、そのために燃料電池のコストを高くする。さらに、これらの工程の変動性によって、製造歩留まりの低下や装置の信頼性の低下を生じる。
【０００７】
燃料電池スタックには、冷却剤流動場の１つまたは２つ以上の内部に加湿チャネルも含めてもよい。これらの加湿チャネルは、燃料電池の動作温度にできる限り近い温度で、燃料および酸化剤を加湿する仕組みを提供する。これによって、燃料電池に進入するガスとＰＥＭの温度との高い温度差によって、水蒸気がＰＥＭから燃料流および酸化剤流へと移るときの、ＰＥＭの脱水を防止するのに役立つ。
【０００８】
燃料電池スタックは、電力出力、冷却、およびその他の技術要件に応じて、その設計が広範囲に変わるが、製造の困難さとさらなる燃料電池コストの増大をもたらす、複雑な組立体においては、多数のＭＥＡ、シール、流動場およびセパレータプレートを使用することもある。これらの多数の個々の構成要素は、通常、１つの単独の複合ユニットに組み立てられる。燃料電池スタックの形成は、帯締め法（banding）またはその他の方法を使用してもよいが、一般的には、エンドプレートとボルトを使用して、ユニットを圧縮することによって、ガスケットシールとスタック構成要素とを互いに緊密に保持して、それらの間で電気的接触が維持される。これらの圧縮を加える従来型手段は、スタックにさらなる構成要素と複雑度を付加するとともに、追加のシーリング要件を課する。
【０００９】
燃料電池スタック組立体設計における、これらの欠点に対処し、それによって製造コストを低減するために、様々な試みが、燃料電池技術においてなされてきた。しかしながら、ほとんどのスタック組立体設計は、まだ構成要素の手作業による位置合せ、シーリング手段の能動設置および／または多段工程を必要とし、これらのそれぞれは、実施における重要な欠点を示している。例えば、Ｓｃｈｍｉｔらへの米国特許第６０８０５０３号、Ｃｈｉらへの米国特許第４３９７９１７号、およびＥｐｐらへの米国特許第５１７６９６６号に記載された工程を参照されたい。
【００１０】
さらに、従来型燃料電池カセットにおいては、２つのタイプのＭＥＡが支配的である。すなわち、１）ガス拡散層の境界を越えて膜が延びるＭＥＡ、および２）ガスケット材料が、ほぼ同一寸法および形状の膜とＧＤＬによって、ＭＥＡ自体の縁端中に形成されている（例えば、Ｂａｌｌａｒｄへの米国特許第６４２３４３９号を参照）ＭＥＡである。第１のタイプでは、別個のガスケットを使用して、ＧＤＬを越えて延びる膜縁端と、スタックの他の部分（バイポーラプレート）との間がシーリングされる。第２のタイプでは、ＭＥＡのガスケットが、スタックのその他の部分と直接的にシーリングを行う。これらの方法のそれぞれは、シールを形成するために圧縮することを必要とする。これらの圧縮方式のシールでは、スタック内のすべての構成要素が高い精度を有して、均一な負荷が維持されるようすることが必要である。ＭＥＡ製造業者は、上記のＭＥＡ型式を供給するのに慣れている。
【００１１】
燃料電池およびその他の電気化学的用途に使用される様々な従来型スタックには、圧縮方式シールを備える内部マニホルド設計が使用される。しかしながら、この構造に付随する明らかな欠点がある。例えば、従来型のシールを用いた、内部マニホルド型スタックを使用することにより、ＭＥＡの周囲および内部マニホルドの回りをシールする上で犠牲にされる面積が大きい。１つの解決法は、マニホルドの一部または全部をスタックの外部に配置することである。しかしながら、外部マニホルド設計について、マニホルドとスタックの間をシーリングすることの困難さなど、その他の困難さが多くのスタックで確認されている。従来型スタックの場合と同様に、シーリングは、通常、ガスケットと圧縮によって達成される。残念なことには、ガスケット／圧縮方式シールは、熱サイクルに対する敏感さ、均一な圧縮および関連するハードウエアの要件、高許容度部品、および繊細な組み立て要件などを含む、いくつかの固有の欠点がある。
【００１２】
さらに別の試みが、燃料電池設計および性能の改善のために行われている。例えば、米国特許第４２１２９２９号は、燃料電池スタックの改良型シーリング方法について記載している。その特許は、マニホルドとスタックの間で締め付けられるポリマーシールフレームを使用するシーリングシステムを報告している。記載のように、圧縮の間にシーリングフレームがスタックと共に移動し、典型的なマニホルドシールに伴うリーク率が減少する。米国特許第５５１４４８７号および米国特許第５７５０２８１号の両方は、ある数のマニホルドプレートを含む、縁端マニホルド接合体について記載している。これらのプレートは、燃料電池スタックの反対両側に装着されて、反応物流と冷却剤流をスタックの外周に沿って選択的に誘導するように機能する。これらの設計は、その他の従来型組立体に限定的な改善をもたらすが、それらは一般的に大量生産には適さない。
【００１３】
当該技術のこれらおよびその他の欠点を認識して、本願の譲受人は、スタックまたはそのモジュールの内部のマニホルドポートをシーリングする一連の革新的な方法、ならびに労働集約度が低く、かつ大量生産により適する、スタックまたはモジュールの周辺部をシーリングする方法を開発した（国際公開ＷＯ０３／０３６７４７を参照）。この公報は、燃料電池スタック（およびその他の電気化学デバイス）の「ワンショット」組立を開示しており、この組立では、構成要素部分のすべてが、ガスケットなしで型の中に組み立てられる。その型の中に樹脂が導入され、この樹脂は、樹脂トランスファー成形技法または射出成形技法のいずれかによって、組立体のある部分を選択的に貫通する。硬化すると、その樹脂は、構成要素をシーリングして、スタック内部のすべてのマニホルドチャネルを画定する。正味効果は、従来型スタックのガスケットを、構成要素の組立後に導入される、接着剤方式シールで置き換えることである。
【００１４】
別の先行特許出願において、本願の譲受人は、各モジュールがある数のユニットセルを互いに永久に結合する、別個のモジュールを一緒に組み立てて、必要な電力出力の燃料電池スタックを形成する、革新的な燃料電池スタック設計を報告している（国際公開ＷＯ０２／４３１７３を参照）。
【００１５】
当該譲受人はまた、ＧＤＬと膜が互いにほぼ同じ全体外形であって、かつ全体スタックプロファイルとなっているＭＥＡを有する燃料電池を以前に記述している（国際公開ＷＯ０３／０９２０９６参照）。この技法の主な利点は、事後処理の必要なく、ロール・ツー・ロールＭＥＡを直接使用できる能力である。しかしながら、各ＭＥＡの横断面の大部分が、様々なマニホルド開口およびスタックの周辺部をシーリングするのに使用されて、セル横断面の約５０％だけが、電気化学反応に利用可能である。
【００１６】
当該譲受人はまた、膜式電気化学的電池、より具体的には、周辺部まわりに成形ガスケットを有する、１つまたは２つ以上の複合材ＭＥＡを含む、ＰＥＭ燃料電池スタックを開発した。複合材ＭＥＡのガスケット部分は、シーリング工程の間にシール材の流れを調整することのできる、１つまたは２つ以上の構造を有する（国際公開２００４／０４７２１０を参照）。
【００１７】
先行技術に対する、これらの利点にもかかわらず、本願の譲受人は、当該技術のさらなる改善を行うことができることを認識した。本発明は、本明細書において具現化するように、そのような改善を提供する。
【発明の概要】
【００１８】
本発明の目的および効果は、以下の明細に記述されており、それから明白になるであろう。本発明のさらなる効果が、明細書およびその請求の範囲に具体的に明記された方法およびシステムによって、ならびに添付の図面から、理解かつ取得することができるであろう。
【００１９】
これらおよびその他の効果を達成するため、また本発明の目的に応じて、本明細書において具現化されているように、本発明は、燃料電池スタックを含む。この燃料電池スタックは、第１の略平坦面を有する第１の略平坦プレート本体を含む、少なくとも１つのバイポーラプレート組立体を含む。この第１の面は、反応物がそこを通過するための、第１のプレート本体によって画定された開口、その上に画定された第１の反応物流動場、および開口を実質的に包囲する、第１の面上の第１の隆起表面を含む。第１の隆起表面は、隣接するバイポーラプレート組立体の面上の第２の表面と結合するように適合かつ構成されており、第１の隆起表面と第２の表面は、該隆起表面同士が結合されるか、または近接して配置されると、カプセル化材料に対する流れ阻止部（flow obstruction）を生成する。第１の膜電極接合体は、第１の反応物流動場と動作可能に連通している。反応物マニホルドは、第１の流体流路を介して反応物流動場と流体連通している。反応物マニホルドは、燃料電池スタックを通過する反応物の移送を容易化するように適合かつ構成されている。カプセル化材料の層が、セパレータプレート、膜電極接合体および反応物マニホルドのまわりに配置されている。カプセル化材料が、第１プレート本体によって画定される開口中に流れ込むことが、流れ阻止部によって実質的に防止されている。
【００２０】
本発明のさらに別の観点によれば、プレート間の流れ阻止部は、２つの構成要素間の電気的絶縁を維持するように適合かつ構成されており、カプセル化材料がスタック中に取り込まれる前に、そこを通るガス流を可能にしてもよい。流れ阻止部は、カプセル化材料がスタック中に取り込まれる前に、ガス流がそこを実質的に通過できないように、適合かつ構成することができる。流れ阻止部には、開口を包囲するＯリングを含めることができる。
【００２１】
本発明の別の観点によれば、第１の隆起表面は、電気的絶縁体であって、次のプレートと接触してカプセル化材料に対する流れ阻止部を実現する材料を含む。第１の隆起表面は、第１のプレート本体および第２のプレート本体と異なる材料で構成することができる。第１の隆起表面は、第１のプレート本体との組み合わせで単体構造を構成することができる。第１の隆起表面は、概して環状としてもよい。第１の隆起表面は、開口を完全に包囲してもよい。第１の隆起表面には、その広がりに沿って、少なくとも１つの分断部をその中に含めることも可能である。
【００２２】
本発明のさらに別の観点によれば、第２の隆起表面が、実質的に開口を包囲して設けられる。第２の隆起表面は第１の隆起表面を実質的に包囲してもよい。
【００２３】
本発明はまた、燃料電池スタックを製作する方法を含む。この方法は、第１の略平坦面を有する第１の燃料電池セパレータプレートを設けることを含む。第１のプレート本体は、反応物がそこを通過するための第１の開口を画定する。第１の反応物流動場が、第１の面上に画定され、第１の隆起表面が、第１の開口を実質的に包囲するように第１の面上に画定される。この方法は、第１の反応物流動場と流体連通する、第１の膜電極接合体の第１の側部を配置することをさらに含む。この方法は、膜電極接合体の第２の側部と連通する第２の略平坦面を有する第２の燃料電池セパレータプレート本体を配置して、スタックを形成することをさらに含む。第２の面は、反応物がそこを通過するための、第２のプレート本体によって画定される第２の開口を含む。第２の面はまた、その上に第２の反応物流動場を画定する。第２の面上には、受け面が、その開口を実質的に包囲している。第１の隆起表面と受け面は、嵌まり合って流れ阻止部を画定する。この方法はまた、カプセル化材料中にスタックをカプセル化することを含む。このカプセル化材料が、第１のプレート本体によって画定される開口中に流れ込むことが、流れ阻止部によって実質的に防止されている。
【００２４】
本発明は、第１の反応物流動場を画定する第１の略平坦面を含む第１の略平坦プレート本体を有するバイポーラプレート組立体を含む燃料電池スタックをさらに含む。プレート本体は、また、プレート本体を貫通して第１の面に達する第１の開口を画定する第２の略平坦面と、この開口からプレートの周辺に向かって延びる、第２の平坦面内の第１の開放チャネルとを有する。第１の流動場、第１の開口および第２の開放チャネルは、第１の流体流路を画定する。燃料電池スタックは、第１の反応物流動場と動作可能に連通する第１の面を有する、第１の膜電極接合体をさらに含む。反応物マニホルドは、第１の流体流路を介して反応物流動場と流体連通している。この反応物マニホルドは、燃料電池スタックを通過する反応物の移送を容易化するように適合かつ構成されている。カプセル化材料の層が、セパレータプレート、膜電極接合体および反応物マニホルドのまわりに配置される。反応物マニホルドは、カプセル化材料と、少なくとも部分的に境界を接している。
【００２５】
本発明の別の観点によれば、バイポーラプレート組立体は、第３の略平坦面と、第２の面と密接に接触する第４の略平坦面とを有する、第２の略平坦プレート本体をさらに含む。第３の略平坦面は、第２の反応物流動場を画定することができる。第４の略平坦面は、第２のプレートを貫通する第２の開口と、該開口から第２のプレートの周辺部に向かって延びる、第４の平坦面内の第２の開放チャネルとを画定することができ、第２の流動場、第２の開口および第２のオープチャネルは、さらに協働して第２の流体流路を画定する。
【００２６】
第２の反応物流動場と動作可能に連通する第１の面を有する第２の膜電極接合体を含めることができる。第２および第４の面は協働して、冷却剤流動場からプレートの周辺部に向かって延びるチャネルを含む、セパレータプレート内部に、冷却剤流動場を画定することができる。第２および第４の面は協働して、バイポーラプレート組立体の外部表面上の反応物流動場からバイポーラプレート組立体の周辺部に向かって延びる反応物流れ通路と、バイポーラプレート組立体の内部の冷却剤流動場からバイポーラプレート組立体の周辺部に向かって延びる冷却剤流れ通路の少なくとも一方を画定することができる。これらの流れ通路の少なくとも１つは、バイポーラプレート組立体の縁端のポートの位置で終端し、このポートは第２および第４の面で画定される外周を有することができる。プレナム成形インサートを受け入れるための凹部を、ポートに近接するプレートの縁端によって画定することができる。
【００２７】
第１のプレート本体および第２のプレート本体は、第２の平坦面と第４の平坦面で接合された一体構造とすることができる。第１のプレート本体および第２のプレート本体は、導電性接着剤シールで接合することができる。導電性接着剤シールは、例えば、第１のプレート本体および第２のプレート本体と化学的な適合性のある樹脂材料、またはとりわけ、接着材料を含む群から選択される材料で形成することができる。
【００２８】
本発明のさらなる観点によれば、第２の平坦面は、第１の開口および第１の開放チャネルを実質的に包囲する、シール材チャネルをその中に画定する。シール材チャネルには、第１のプレート本体の周辺部に近接して、第１および第２の端部を含めることができる。カプセル化材料は、シーリングチャネル内に堆積させることができる。シーリングチャネル内に配置されるカプセル化材料は、好ましくは、反応物チャネルおよび冷却剤チャネルを、スタック内のその他の流体源から、実質的に流体的に分離する。
【００２９】
本方法はまた、燃料電池スタックを製作する方法を含む。本方法は、第１の反応物流動場を画定する第１の略平坦面と、プレートを貫通して第１の面に達する第１の開口を画定する第２の略平坦面とを有する第１の略平坦プレート本体を含む、バイポーラプレート組立体を設けることを含む。第２の平坦面における第１の開放チャネルは、開口からプレートの周辺部に向かって延びている。第１の流動場、第１の開口および第１の開放チャネルは、第１の流体流路を画定する。本方法はまた、第１の反応物流動場と動作可能に連通して第１の膜電極接合体を位置決めすること、およびセパレータプレートおよび膜電極接合体を、カプセル化材料の層の中にカプセル化することを含む。反応物マニホルドは、少なくとも部分的にカプセル化材料によって画定される。反応物マニホルドは、燃料電池スタックを通過する反応物の移送を容易化するように適合かつ構成されている。
【００３０】
なお、前述の全体的な説明および以下の詳細な説明は両方とも例示的であり、請求される本発明についての、さらなる説明を行うことを意図するものである。
【００３１】
本明細書に組み入れられて、その一部を構成する添付の図面は、本発明の方法とシステムを図解して、それらに対するさらなる理解を提供することを意図している。明細書ともに、図面は、本発明の原理を説明する役割を果たすものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、開口を包囲する隆起表面を有するセパレータプレートを示す、本発明に従って製作されたバイポーラプレート組立体とスタックの第１の代表的な態様の一部分の部分切開斜視図である。
【図２】図２は、Ｏリングの形態で開口を包囲する隆起表面を有するセパレータプレートを示す、本発明に従って製作されたバイポーラプレート組立体とスタックの第２の代表的な態様の一部分の部分切開斜視図である。
【図３】図３は、互いに積層された複数のセパレータプレートを示す、図２の燃料電池スタックの斜視図である。
【図４】図４は、１つの環状隆起表面が、開口を包囲する別の環状隆起表面を包囲している、セパレータプレート上の開口を包囲する隆起表面を示す、本発明に従って製作されたバイポーラプレート組立体の第３の代表的な態様の一部分の部分斜視図である。
【図５】図５は、曲がりくねったシール材流路を画定する隆起表面の断面を示す、図４に示したのと同様のセパレータプレートを使用する燃料電池スタックの部分切開斜視図である。
【図６】図６は、スタックのマニホルド部分のまわりに配置されたカプセル化材料を示す、図２の燃料電池スタックの一部分の部分切開斜視図である。
【図７】図７は、セパレートプレートのどちらかの側の反応物流動場および冷却剤流動場に入りこむ開口を示す、本発明に従って製作されたバイポーラプレート組立体の積層体の第４の代表的な態様の斜視図である。
【図８】図８は、セパレータプレート上の反応物流動場に入りこむ、開放チャネルを含む開口を詳細に示す、図７のバイポーラプレート組立体の一部分の斜視図である。
【図９】図９は、セパレータプレートの一表面にすべて画定された、冷却剤流動場、開放チャネル、および冷却剤流動場に入りこむ開口を示す、図７のバイポーラプレート組立体の一部分の斜視図である。
【図１０】図１０は、バイポーラプレート組立体の片側の所定位置の膜電極接合体と、シール材中に燃料電池スタックをカプセル化するのに備えて開口のいくつかを覆うプレナム成形インサートとを示す、図７の燃料電池スタックの一部分の斜視図である。
【００３３】
詳細な説明
ここで、本発明の好ましい態様を詳細に参照し、その実施例を添付の図面に示す。本発明の方法および対応する工程は、システムの詳細な説明と合せて記述する。
【００３４】
本明細書において提示する装置及び方法は、燃料電池の製造性および応用の改善のために使用することができる。本発明は、要求公差を低減し、反応物マニホルドおよび冷却剤マニホルドなどの燃料電池構成要素を単純化し、労働要件を最小化するのに特に適している。
【００３５】
本発明の第１の態様によれば、第１の略平坦面を備える第１の略平坦プレート本体を有する、少なくとも１つのバイポーラプレート組立体を含む、燃料電池スタックが提供される。第１の面は、反応物がそこを通過するための、第１のプレート本体により画定される開口を含む。第１の反応物流動場が第１の面上で画定され、この第１の面上の第１の隆起表面が、実質的に開口を包囲している。第１の隆起表面は、隣接するバイポーラプレート組立体の面上の第２の表面と結合するように適合かつ構成されており、隆起表面同士が結合されると、第１の隆起表面および第２の表面は、流れ阻止部を生成する。第１の膜電極接合体は、第１の反応物流動場と動作可能に連通している。反応物マニホルドは、第１の流体流路を介して反応物流動場と流体連通している。反応物マニホルドは、燃料電池スタックを通過する反応物の移送を容易化するように適合かつ構成されている。カプセル化材料の層が、セパレータプレート、膜電極接合体および反応物マニホルドのまわりに配置されている。カプセル化材料が、第１のプレート本体によって画定される開口へ流入することは、流れ阻止部によって実質的に防止されている。
【００３６】
説明と図解のためであって、限定ではなく、本発明の燃料電池スタックの例示的態様の部分図が、図１に示されており、参照記号１００によって全体的に示されている。本発明のこの態様による、燃料電池スタックのその他の態様、またはその観点は、これから説明するように、図２〜６に示されている。
【００３７】
本発明によれば、第１の略平坦プレート本体１０４を有する、少なくとも１つのバイポーラプレート組立体１０２が提供される。図１は、互いに積層されて、燃料電池スタック１００の一部分を形成する、１０個の個々のプレート本体１０４を含む、５つのバイポーラプレート組立体１０２を示す。各プレート本体１０４は、第１の略平坦面１０６を有する。開口１０８が、各プレート本体１０４内に画定されている。開口１０８は、プレート本体１０４内の円形穴として示されているが、任意好適な形状を、この開口に対して使用することができる。開口１０８は、燃料または酸化剤などの反応物を、そこを通して燃料電池スタックに供給できるように、設計されている。
【００３８】
各プレート本体１０４は、一方の側に画定される、燃料流動場１１０または酸化物流動場１２４などの、反応物流動場を有する。他方の側は、その中に任意選択で冷却剤流動場１２６を画定しており、２つのプレート本体１０４が背面同士に配置されると、それらの組み合わせで、それらの間に冷却剤流動場１２６を包含するようにしてもよい。このようにして一緒に配設された２つのプレート本体１０４は、バイポーラプレート組立体１０２を含む。図１に示すように、バイポーラプレート組立体１０２は、頂面１０６上に画定される燃料流動場１１０、底面１１４上に画定される酸化剤流動場１２４、およびバイポーラプレート組立体１０２の中央を通過する冷却剤流動場１２６を有する。
【００３９】
当業者であれば気づくように、本明細書に記載する場合には、セパレータプレートという用語は、燃料電池スタックにおいて見られる様々な異なる種類のプレートを指している。例えば、セパレータプレートは、燃料電池スタックの中央におけるバイポーラプレートに加えて、スタックのエンドプレートの近傍に位置するターミナルプレートを含んでもよい。
【００４０】
図１にさらに示されるように、隆起表面１１２が、開口１０８の回りに配置されて、各プレート本体１０４の第１の面１０６上に画定されている。図示されているように、隆起表面１１２は、各開口１０８を完全に包囲しているが、本発明によれば、隆起表面１１２が、開口１０８を完全には包囲することなく、実質的に包囲することも可能である。例えば、隆起表面１１２は、分断された表面を含むか、または別の方法で開口１０８を完全には包囲しなくてもよい。隆起表面１１２は、図１に示すように、隣接する燃料電池バイポーラプレート組立体１０２の第２の表面１１４と結合するか、または整列するように設計するのが好ましい。結合されると、隆起表面１１２および第２の表面１１４が協働して、流れ阻止部を形成する。この流れ阻止部は、以下に述べるように、カプセル化プロセス中に、カプセル化材料が開口１０８中に自由に流れ込むのを防止する。
【００４１】
様々な異なる構成を、流れ阻止部として使用することができる。図１に示すように、隆起表面１１２は、開口１０８を包囲する、単純な環状の構造である。隆起表面１１２は、好ましくは、組立体１０２の残部の導電性材料と異なる、非導電性材料で構成され、部品数を低減するために、スタックの組立ての前に、組立体１０２に取り付けられる。言い換えると、隣接バイポーラプレート組立体１０２は、互いに電気的に接触すべきではないので、隆起表面１１２の材料は、隣接組立体１０２間の電気的な絶縁を提供しなくてはならない。さらに別の例として、望ましい場合には、非導電性被覆を使用して絶縁を維持してもよい。また、隆起構造１１２の代わりに、図２、３および６に示すＯリング２１２のような、絶縁性のＯリングを使用することも可能である。Ｏリング２１２は、望ましい場合には、開口２０８の回りで、かつ隣接するセパレータプレート２０２間に、シールを生成するのに使用することができる。好ましくは、隆起表面１１２／２１２の材料は、（後述の）カプセル化材料と適合性があり、隣接するバイポーラプレート組立体１０２／２０２間の接着剤シールを可能にする。隆起表面１１２は、本発明の趣旨と範囲から逸脱することなく、硬質化合物または圧縮性材料から製作することもできる。さらに、隆起表面１１２は、単品構成要素として使用される、精密加工ワッシャー（precision-made washer）、またはプレート製造中にプレート１０４中に正確に配置して、成形されたより従来型のワッシャーとすることもできる。
【００４２】
本発明による流れ阻止部の別の例が、図４および５に示されている。隆起構造３１２は、プレート２０３と単体として形成されており、これは組立を簡略化する。隆起構造３１２は、実際には、２つの隆起環状構造を含み、一方が他方を包囲している。しかしながら、構造３１２が実質的に開口３０８を包囲する限り、隆起環状構造の一方または両方が、分断部を有することも可能である。さらに、本発明によれば、環状の他にも、任意好適な形状を有する類似の構造を使用することも可能である。
【００４３】
相補的な隆起構造３１３が、プレート３０２上の隆起構造３１２の反対側に形成されている。隣接するプレート３０２の隆起構造３１２および３１３は、協働して、開口３０８の回りの流れ阻止部を生成する。隣接プレート３０２が、電気的に接触することは望ましくないので、隣接プレートの構造３１２および３１３は、好ましくは、非導電性材料で製作されるか、またはその上に配置された非導電性被覆を有する。別の態様によれば、構造３１２、３１３の公差は、構造間の間隙を維持して電気接触を防止するように構成してもよい。後にスタック中に取り込まれるカプセル化材料は、次いで、構造３１２、３１３間を通過させてもよい。（後述の）カプセル化プロセスの間に、構造３１２および３１３の組み合わせによって、カプセル化材料が開口３０８中に自由に流れ込むのが抑制されている。
【００４４】
限定ではなく説明の目的で、本明細書において具現化され図１に示されるように、燃料電池スタック１００には、膜電極接合体１１６（以後は、「ＭＥＡ」１１６）がさらに設けられている。スタック１００は、バイポーラプレート組立体１０２の各組の間に挟まれたＭＥＡ１１６を含む。完全に組み立てられた電池スタック１００において、それぞれの動作可能なＭＥＡ１１６は、一方の側で酸化剤流動場１２４と、他方の側で燃料流動場と流体接触している。動作時には、酸化剤と燃料は、ＭＥＡ１１６の反対側を通過して流れて、当該技術において知られているように、電力を生成する。当業者は、ＭＥＡ１１６に対して、多数の好適な材料および構成があることを容易に理解するであろう。
【００４５】
さらに本発明によれば、冷却剤流動場１２６に加えて、各反応物流動場１１０、１２４と流体連通するマニホルド１１８が設けられている。マニホルド１１８は、一般に開口１０８を含み、この開口１０８は、積層されると、図１の断面において最もよくわかるように、一般にプレナムを画定する。それぞれの燃料電池バイポーラプレート組立体１０２は、プレナム１０８から反応物流動場１１０、１２４、または冷却剤流動場１２６への１つまたは２つ以上の通路を含む。この通路は、１つのプレート本体１０４の第２の表面１１３内のチャネル１２２、およびセパレータプレート１０２内の隣接プレート本体１０４の結合面１１３によって画定されている。チャネル１２２によって、流体が、開口のプレナムによって画定される円筒から酸化剤流動場１２４（または図１に示すのと反対の側の燃料流動場１１０）の中へ、またはそこから外に流れることが可能になる。類似のチャネル１２２が、開口１０８と冷却剤流動場１２６の間を連通させる。図２に示すチャネル１２２におけるように、相互結合面（reciprocally mating surface）１１３のそれぞれにおいてチャネル１２２を画定することも可能である。
【００４６】
図１〜３に示すように、それぞれの反応物流動場（例えば、１１０、２２４、２１０）は、一般に、燃料電池バイポーラプレート組立体１０２、２０２の開口１０８、２０８から流れて、ＭＥＡ１１６における反応を最大化するように設計された経路を通り、別の開口１０８、２０８に出る。しかしながら、本発明によれば、任意好適な形状の通路を使用できることに、当業者は容易に気づくであろう。この構成においては、マニホルド１１８、２１８によって、燃料、酸化剤、および冷却剤が、燃料電池スタックを通過して移送されて、電力を生成することが可能となる。各流動場（燃料、酸化剤、および冷却剤）は、流入流体に対するマニホルド１１８、２１８および流出流体のための反対側のマニホルド１１８、２１８の、合計６つのマニホルド１１８、２１８を有する。しかしながら、当業者であれば、本発明の趣旨と範囲から逸脱することなく、マニホルドのその他の構成／数を使用することができることに容易に気づくであろう。
【００４７】
限定ではなく説明の目的で、本明細書において具現化するように、システム１００は、セパレータプレートのまわりに配置された、カプセル化材料の層（図１には図示せず）を含む。図６は、スタック２００のマニホルド２１８を包む、カプセル化材料２２０の層を示す。カプセル化材料２２０を燃料電池スタック２００の周辺部に注入する工程の間に、流れ阻止部（例えば、１１２、２１２、３１２）は、カプセル化材料が、開口１０８、２０８、３０８中に自由に流入するのを防止する作用をする。それによって、積み重ねた開口（例えば、１０８）によって画定される各プレナムが、カプセル化材料２２０で過剰とならないように保たれ、このカプセル化材料は、そうでなければプレナム／マニホルド内部の障害を形成して燃料電池スタック１００、２００、３００の効率を妨げる可能性がある。流れ阻止部１１２、２１２、３１２は、そうでなければチャネルをふさいで燃料電池スタックの適正な動作を妨げる、カプセル化材料２２０がチャネル１２２、２２２、３２２中に流入するのを最終的に防止する。
【００４８】
燃料電池スタック（例えば、２００）をカプセル化するために、樹脂を周辺部のまわり、またはすべての組立て構成要素の注入穴の内部に導入してもよい。次いで、スタックのエンドプレートを通り、組立体内部のマニホルド穴のそれぞれを介して真空に引く。圧力差によって、樹脂が組立体の縁端中に導入され、それによって組立体内の構成要素のすべての縁端をカプセル化して、組立体を、その全文を参照により本明細書に組み入れてある、米国特許第６９４６２１０号に記載されたような燃料電池スタックに形成する。代替的に、燃料電池スタック組立体を真空に引く代わりに、カプセル化剤に圧力をかけて、圧力差を生成してもよい。さらに、同じ圧力差によって、それがある場合には、第１プレート上の隆起構造（例えば、１１２）と隣接するセパレータプレートの表面との間に画定される空間中に、樹脂が導入される。
【００４９】
シーリング工程を達成するのに必要な圧力差と時間は、燃料電池カセット構造に使用される材料の関数である。これらには、例えば、樹脂の粘性および流動特性、およびＭＥＡに使用されるガス拡散層の種類が含まれる。当業者であれば、これらのパラメータに基づき、適当な時間と圧力を判断できるであろう。本発明を実施しようとする者は、組立体の最上層に樹脂の進行を見ることのできる透明型を使用して、シーリング工程中に目視検査をすることによって、最も適当な時間および圧力を確認することができるであろう。
【００５０】
様々な好適なカプセル化材料２２０を本発明に応じて使用することができる。好ましくは、隆起構造１１２、２１２、３１２と適合性のある樹脂材料を使用して、それとの接着シールを形成する。当業者であれば、本発明の趣旨と範囲から逸脱することなく、任意好適なカプセル化材料を使用できることに気づくであろう。カプセル化に使用される樹脂またはシール材は、それが、動作燃料電池システムにおいて見られる条件に対して要求される化学的および機械的な性質（例えば、酸化安定性）を有するように選択される。適当な樹脂／シール材としては、熱可塑性樹脂および熱硬化エラストマーの両方が含まれる。好ましい熱可塑性樹脂としては、熱可塑性オレフィン系エラストマー類、熱可塑性ポリウレタン類、プラストマー類、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリプロピレン、およびポリスチレンが挙げられる。好ましい熱硬化性エラストマーとしては、エポキシ樹脂類、ウレタン類、シリコーン類、フッ化シリコーン類およびビニールエステル類が挙げられる。
【００５１】
図６にさらに示すように、カプセル化チャネル２２３は、開口２０８およびマニホルド２１８のその他の部分を包囲するプレート本体２０４の頂面および底面に形成されて、燃料および酸化剤がマニホルド２１８内の目的とする流通路から流動場２１０、２２４中へと逸脱するのを有効にシールする。チャネル２２３の部分２２３ｂは、Ｏリング２１２に近接するＭＥＡ２１６の縁端を隔離する。図６に示すように、Ｏリング２１２は、カプセル化材料２２０が開口２０８に流入するのを部分的、または完全に阻止してもよい。
【００５２】
気づかれるように、本発明による流れ阻止部は、カンプセル化材料が開口に入るのを完全に阻止する必要はない。流れ阻止部は、マニホルドを実質的に阻止されない状態に保つ程度に、カプセル化材料のマニホルド中への流れを抑制すれば十分である。例えば、図５において、曲がりくねった流通路の形態の小さな間隙が、隆起構造３１２と隆起結合構造３１３の間に示されている。流体（特に、ガス）は、構造３１２および３１３間の流れ阻止部の曲がりくねった通路を越えて連通することができる。しかしながら、カプセル化材料の粘性が十分であり、および／または材料が、開口１０８に接近するほど硬化させられると、流れ阻止部３１２、３１３を通り抜けるカプセル化材料の大量の流れはないことになる。
【００５３】
少量のカプセル化材料で、曲がりくねった間隙を充填したり、マニホルド中に突出させることも可能である。これによって、開口３０８によって画定される、概して円筒状のプレナム壁上に小さな突起、または嶺を生成するが、燃料電池スタック３００の効率は、カプセル化材料が例えば、チャネル３２２を実質的に阻止しない限りは、それによって大きな影響を受けることはない。カプセル化材料で構造３１２と３１３の間の間隙を充填させると、マニホルド３１８の内側に必要なシールを生成する上で、また隣接するプレート３０２を互いに電気的に絶縁するのを助長する上で実際に好都合である。
【００５４】
当業者には理解されるように、熱可塑性樹脂の冷却または熱硬化性樹脂の場合にはキュアリングによって、カプセル化材料を硬化させてもよい。カプセル化材料は、硬化、部分的に硬化、または濃化させて、本明細書で述べたように、材料がマニホルド中に過剰に移動するのを防ぐ上で、流れ妨害形状の有効性の確保を助長することができる。例えば、加熱されたガスを、成形中にマニホルドを通過させてもよい。さらに別の例として、例えば、成形中に除去するか、またはその場に残してもよい加熱インサートを用いて、スタックのセパレータプレートをマニホルド領域において予熱してもよい。
【００５５】
図４および５を参照すると、構造３１２および３１３を除いて、燃料電池スタック３００は、燃料電池スタック３００がセパレータプレート３０２を含み、それぞれがプレート間界面（plate-to-plate-interface）３２８において、冷却剤流動場３２６を包囲している点で、上述のスタック１００および２００に、概して類似している。ＭＥＡ３１６は、隣接するプレート３０２間に配設され、一方の側で燃料流動場３１０と接触しており、反対側で酸化剤流動場３２４と接触している。開口３０８は、燃料流動場および酸化剤流動場３１０、３２４、ならびに冷却剤流動場３２６と、チャネル３２２を介して連通している。
【００５６】
本発明の別の観点によれば、燃料電池スタックを製作する方法が提供される。この方法は、２つのプレート本体を含むバイポーラプレート組立体を設けることを含み、第１のセパレータプレート本体は、第１の略平坦面を含む。第１の開口は、反応物がそこを通過するために、第１のプレート本体によって画定されている。第１の面は、その上に画定された第１の反応物流動場を有する。第１の隆起表面は、第１の面上に配置または形成され、第１の開口を実質的に包囲している。本方法は、第１の反応物流動場と連通して、第１のＭＥＡの第１の側部を配置することをさらに含む。この方法はまた、ＭＥＡの第２の側部と連通して、第２の略平坦面を有する第２の燃料電池セパレータプレート本体を配置して、スタックを形成することも含む。第２の面は、そこを反応物が通過するための、第２のプレート本体で画定された第２の開口を含む。第２の反応物流動場は第２の面上に画定されている。受け面は、第２の面上で実質的に開口を包囲して配置または形成されている。第１の隆起表面と受け面は、嵌まり合って流れ阻止部を画定する。この方法はまた、カプセル化材料を使用して、スタックを、その周辺部のまわりにカプセル化することを含み、このカプセル化材料が、第１のプレート本体によって画定される開口に流入するのが、流れ阻止部によって実質的に防止されている。
【００５７】
限定ではなく説明の目的で、本明細書に具現化されて図１〜６に図示するように、略平坦面を有する第１のバイポーラプレート組立体の第１の燃料電池セパレータプレート本体が設けられる（例えば、プレート本体１０４）。第１の開口（例えば、１０８、２０８、３０８）が、第１のプレート本体に画定される。反応物流動場（たとえば、流動場１１０、２１０、３１０）が、プレート本体の第１の面上に画定される。また、第１の隆起表面（例えば、１１２、２１２、３１２）が、第１の面上に配置または形成される。第１の隆起表面は、第１の開口を実質的に包囲している。流動場、開口、および隆起表面は、すべて、当該技術においてよく知られている方法によって、設けられたプレート本体に形成することができる。
【００５８】
さらに本発明によれば、この方法は、上述のように第１の反応物流動場と連通して第１のＭＥＡ（例えば、１１６、２１６、３１６）の第１の側部を配置する追加の工程を含む。好適なＭＥＡ材料および構成は、当業者には容易に明白になるであろう。
【００５９】
さらに本発明の方法によれば、この方法はまた、ＭＥＡの第２の側部と連通して、第２の略平坦面を有する第２の燃料電池セパレータプレート本体（例えば、１０４）を配置することを含む。第２のプレート本体は、そこを反応物が通過するための第２の開口（例えば、１０８、２０８、３０８）を画定する。第２の反応物流動場（例えば、１２４、２２４、３２４）は第２の面上に画定されている。受け面が、実質的に開口を包囲して、第２の面上に配置または形成されている。第１の隆起表面および受け面は、スタック１００、２００および３００と合わせて上述したように、嵌まり合って流れ阻止部を画定する。
【００６０】
本発明による方法は、また、例えば図６に示すように、カプセル化材料（例えば、２２０）を使用して、スタックをその周辺部のまわりでカプセル化することを含む。限定ではなく例示として、スタック（例えば、１００、２００、３００）は型の中に設置して、樹脂を型中に知られている技法によって注入して、スタックをカプセル化することができる。カプセル化材料は、タック１００、２００、３００を参照して上述したように、第１のプレート本体に画定されている開口中に流入することが、流れ阻止部によって実質的に防止されている。例えば、開口（例えば、１０８）で形成されるプレナムに真空を加えること、および／または樹脂に圧力を加えることによって、カプセル化材料を中に移動させて、流れ阻止部をシールことができる。気付かれるように、本発明による方法には、燃料セルスタックを製作するための、その他任意好適な工程を含めることができる。
【００６１】
図１〜６と合せて上述した方法はおよび燃料電池スタックは、現状技術の燃料電池製造に対していくつかの利点を提供する。マニホルド構造が、セパレータプレート内部に設けられているので、複雑な外部マニホルドを製造する必要がない。さらに、マニホルドをシールしてスタックを包み込むカプセル化材料を使用することによって、個々のプレート上の公差（例えば、表面仕上げ、形状公差、許容ドラフト角、許容縁端半径、など）をいくぶん緩めることができる。また、必要な事後機械加工が少なくなる。したがって、本発明によって燃料電池スタックを製造することは、従来式のスタック製造方法に代わり、より簡潔で、安価である。
【００６２】
さらに本発明によれば、第１の略平坦燃料電池セパレータプレート本体を有する、バイポーラプレート組立体を含む、燃料電池スタックが提供される。第１の略平坦プレート本体は、第１の反応物流動場を画定する、第１の略平坦面を有する。第２の略平坦面は、プレート本体を貫通して第１の面に達する第１の開口と、開口からプレートの周辺部に向かって延びる、第２平坦面内の第１の開放チャネルとを画定する。第１の流動場、第１の開口、および第１の開放チャネルは、第１の流体流路を画定する。燃料電池スタックは、第１の反応物流動場と動作可能に連通する、第１の面を有する第１のＭＥＡをさらに含む。反応物マニホルドは、第１の流体流路を経由して、反応物流動場と流体連通している。反応物マニホルドは、燃料電池スタックを通過する反応物の移送を容易化するように適合かつ構成されている。カプセル化材料の層が、セパレータプレート、ＭＥＡ、および反応物マニホルドのまわりに配置される。反応物マニホルドは、少なくとも部分的にカプセル化材料と境界を接している。
【００６３】
説明と図解のためであって、限定ではなく、本発明のこの観点に応じて製作された、燃料電池スタックの例示的態様の図を、図７〜１０に示す。
【００６４】
本発明によれば、図７を参照すると、第１の略平坦プレート本体４０４ａを含む、バイポーラプレート組立体４０２が提供される。第２の略平坦プレート本体４０４ｂも、図４に示されている。この第２のプレート本体は、プレート本体４０４ａと背面合わせで一体に接合してもよい。プレート本体４０４ａ、４０４ｂは、好ましくは、その間に形成された導電性、接着剤シールで互いに接合される。適切なシーリング材料としては、プレート本体４０４ａ、ｂの材料と化学的に適合性のある樹脂材料、および当該技術において知られているその他の好適な接着材料が挙げられる。そのような材料はまた、図１〜６の態様のプレート本体を合せてシールするのにも使用してもよい。各プレート本体４０４は、第１の反応物流動場４１０を画定する第１の略平坦面を有し、この第１の反応物流動場４１０は、燃料電池スタック１００、２００、３００を参照して上述した流動場（例えば、１１０）と類似している。
【００６５】
さらに本発明によれば、図８に示すように、各プレート本体４０４は、プレート本体４０４を貫通する第１の開口４０９を画定する第２の略平坦面を含む。開口４０９は、第２の面から第１の面によって画定される流動場４１０へと連通している。第１の開放チャネル４２２は、開口４０９からプレート本体４０４の縁端へと延びている。すなわち、プレート本体４０４の縁端から始まり、第１のチャネル４２２および開口４０９を介して、流動場４１０に入る流通路がある。
【００６６】
図９を参照すると、各プレート本体４０９は、流動場４１０の反対の面上に画定される冷却剤流動場４２６を有する。２つのプレート本体４０４が接合されると、図１０に示すように、２つの冷却剤流動場４２６の接合によって、冷却剤チャネルが形成される。冷却剤流動場、および冷却剤一般の使用は任意選択である。本発明は、冷却剤場なしで好適に実施することができるが、当業者であれば、冷却剤チャネルを使用して燃料電池スタック４００における温度を制御する利点を、容易に理解するであろう。接合剤および場所が、プレート間領域におけるプレートの様々な領域間にシールされた界面を生成する限り、様々な接合方法を選択的に利用して、プレート本体４０４を接合してもよい。代わりに、この設計では、カプセル化工程においてすべての必要なシールが生成されるので、プレート接合を使用できない。
【００６７】
引き続き図９を参照すると、チャネル４２２が示されている。図９に示すようにプレート本体４０４の反対側の隅にある、チャネル４２２は、図７〜８に示す反応物流動場４１０への反応物流体の出入り口の役割をする。２つのプレート本体４０４が結合されてバイポーラプレート組立体４０２を形成するときに、各プレートにおける隅チャネル４２２は、他方のプレートにおける平坦チャネル表面４２１と結合される。１つのプレート本体４０４の中心（冷却剤流動場４２６と連通する）にあるチャネル４２２は、対向するプレート本体４０４における中心チャネル４２２と結合する。当業者であれば、中心チャネル４２２で使用されるチャネル構成、すなわち、チャネル４２２同士が、平坦表面４２１とマッチングされるのではなく、結合されたプレート４０４同士を越えて、互いにマッチングされている構成は、本発明の趣旨と範囲から逸脱することなく、隅チャネルとしても機能し（例えば、図２におけるチャネル２２２を参照）、その逆もなりたつことを、容易に理解するであろう。
【００６８】
次に図７および１０を参照すると、ＭＥＡ４１６は、プレート本体４０４ａおよび４０４ｂのそれぞれの上に配置されている。各ＭＥＡ１１６は、燃料電池スタック１００、２００および３００を参照して上述したように、反応物流動場４１０と動作可能に流体連通する面を有する。
【００６９】
説明の目的であって、限定ではなく、本明細書に具現化されているように、図６〜１０を参照すると、燃料電池スタック４００は、開口４０９およびチャネル４２２を介して、反応物流動場４１０と流体連通する反応物マニホルドを含む。カプセル化材料の層（例えば、図６を参照）が、セパレータプレート、ＭＥＡ、および反応物マニホルドのまわりに配置される。したがって、反応物マニホルドは、少なくとも部分的にカプセル化材料と境界を接している。
【００７０】
反応物マニホルドは、上述したように、燃料、酸化剤、および冷却剤を燃料電池スタック４００を通して流すように設計されている。上述のように、マニホルドは、開口１０８、２０８、３０８などの、セパレータプレートに画定された構造を使用して作成することができる。しかしながら、図１０に示すように、燃料電池スタック４００は、スタック４００のまわりに成形されたカプセル化材料で概して形成されたマニホルドを有する。プレナム成形インサート４３０は、図１０に、部分的にセパレータプレート４０２における凹部によって包含されているのが示されている。それによって、インサート４３０は、成形の目的で、セパレータプレート４０２におけるチャネル４２２中への開口をふさぐ。スタック４００がカプセル化材料中に包みこまれた後、かつプレナム成形インサート４３０が除去された後に、参照によりその全文を本明細書に組み入れてある、同時係属中の米国特許出願第１１／７８４９４１号および１１／７８６０８２に詳細に記載されているように、マニホルドが形成されることになる。
【００７１】
カプセル化チャネル４２３は、図９において隅チャネル４２２を包囲しているのが示されている。各カプセル化チャネル４２３の端部は、プレート本体４０４の縁端に達する。チャネル４２３は、主成形工程中に注入するか、または個別に成形して、上述のように反応物流動場４１０を冷却剤流動場４２６からシールするのを助けることができる。チャネル４２３は、開口４０９を包囲しているが、開口４０９を部分的にだけ包囲するだけのチャネル４２３を用いるか、または開口４０９と流動場４２６の間のシール機能が維持される限り、まったくチャネル４２３を用いることなく、本発明を実施することもできる。
【００７２】
燃料電池スタック４００の別の利点は、プレート本体４０４をすべて実質的に同一にすることができることである。さらに、側部穴をプレート中に穿孔する必要がなく、これは、各セルに冷却層が設けられていると同時に、個々の結合プレート本体内に画定されるチャネル／表面の協働によって側部穴が形成されるからである。セルスタック１００、２００、および３００と同様に、カプセル化材料を使用してマニホルドの一部をシールおよび／または形成することによって、プレート本体４０４内での公差を緩和させることができる。
【００７３】
本発明の別の観点によれば、燃料電池セルを製作する方法が提供される。この方法は、第１の反応物流動場を画定する第１の略平坦面を有する第１の略平坦プレート本体を有する、バイポーラプレート組立体を設けることを含む。第２の略平坦面が、プレートを貫通して第１の面に達する第１の開口と、開口からプレートの周辺部に向かって延びる、第２の平坦面内の第１の開放チャネルとを画定する。第１の流動場、第１の開口および第１の開放チャネルは、第１の流体流路を画定する。この方法は、第１のＭＥＡを、第１の反応物流動場と動作可能に連通するように位置決めすることを含む。この方法は、セパレータプレートおよびＭＥＡをカプセル化材料の層の中にカプセル化することをさらに含む。反応物マニホルドは、少なくとも部分的にカプセル化材料によって画定される。この反応物マニホルドは、燃料電池スタックを通過する反応物の移送を容易化するように適合かつ構成されている。
【００７４】
説明の目的であって、限定ではなく、本明細書において具現化されて図１〜１０に示すように、第１の燃料電池バイポーラプレート組立体（例えば、１０２、２０２、３０２、４０２）が提供される。バイポーラプレート組立体は、第１の略平坦プレート本体（例えば、１０４、２０４、３０４、４０４）を含み、この第１の略平坦プレート本体は、第１の反応物流動場（例えば、１１０、２１０、３１０、４１０）を画定する第１の略平坦面（例えば、１０６）を含む。第２の略平坦面（例えば、１１３）が、プレートを貫通して第１の面に達する第１の開口（例えば、１０８、２０８、３０８、および成形工程中に部分４３０によって生成されるネット形状）、および開口からプレートの周辺部に向かって延びる、第２の平坦面内の第１の開放チャネル（例えば、１２２、２２２、３２２、４２２）を画定する。第１の流動場、第１の開口、および第１の開放チャネルは、第１の流体流路を画定する。
【００７５】
さらに本発明の方法によれば、ＭＥＡ（例えば、１１６、２１６、３１６、４１６）が、第１の反応物流動場と動作可能に連通するように位置決めされる。ＭＥＡを定位置に配置すると、セパレータプレートおよびＭＥＡをカプセル化材料（例えば、２２０）の層の中にカプセル化する工程が行われる。反応物マニホルド（例えば、１１８、２１８）の少なくとも一部は、カプセル化材料によって画定される。マニホルドは、図１０に示すスタック４００を参照して上述した、成形中にカプセル化材料がチャネルに進入しないように維持するのにプレナムインサートが使用される種類のものとすることができる。マニホルドを、スタック１００、２００、および３００を参照して上述した、カプセル化材料内に包みこまれる前にプレートがほとんどのマニホルド構造を含む、種類のものとすることもできる。
【００７６】
本発明の方法及びシステムは、上述して図面で示したように、製造の容易さを含む優れた特性を有する燃料電池スタックを提供する。本明細書で参照するそれぞれすべての文献は、参照によりその全文を組み入れてある。本発明の装置および方法において、本発明の趣旨と範囲から逸脱することなく様々な修正および変更を行うことができることは、当業者には明白であろう。すなわち、本発明には添付の請求の範囲とその均等物の範囲に含まれる修正および変更を含めることを意図するものである。
【図１】
0005641932.tif 000002
【図２】
0005641932.tif 000003
【図３】
0005641932.tif 000004
【図４】
0005641932.tif 000005
【図５】
0005641932.tif 000006
【図６】
0005641932.tif 000007
【図７】
0005641932.tif 000008
【図８】
0005641932.tif 000009
【図９】
0005641932.tif 000010
【図１０】
0005641932.tif 000011