(57)【要約】【課題】燃料電池システム用の封止組立体および燃料電池システムを組み立てる方法を提供すること。【解決手段】システムは、シールが隣り合うプレート間に配置されるように積み重ねられた多数の流体搬送プレート組立体で構成される。マイクロシールは金属ビードおよびサブガスケットの１つまたは両方に配置され、これにより、そのような金属ビード、マイクロシールおよびガスケットを備える燃料電池が燃料電池スタックの筐体に位置合わせされ、かつ圧縮されるときに、電池内の位置合わせのずれによる漏出の影響は低減する。詳細には、マイクロシールの縦横比、ポアソン比および堆積時の形状などの形状特性および材料特性を含むマイクロシール設計の変形形態が、向かい合う金属ビードとサブガスケットとの間で最適な封止を可能にするように調整され得る。【選択図】  図１
2018129164.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システム用の双極プレート組立体であって、
その少なくとも１つの表面から突出する、一体形成される金属ビードをそれぞれが備える一対のプレートと、
前記一対のプレートのうちの少なくとも１つの前記金属ビードのうちの少なくとも１つの係合表面に配置されるマイクロシールと、
前記一対のプレート間に配置される膜電極接合体と、
前記一対のプレート間で、前記マイクロシールに対して、かつ前記膜電極接合体の周りに周縁的に配置されて、実質的な（ａ）前記膜電極接合体に形成されたアノードとカソードとの間の電気的絶縁、および（ｂ）前記一対のプレート間の流体分離を可能にするサブガスケットとを含む組立体。
【請求項２】
前記マイクロシールと関連する少なくとも１つの設計パラメータは前記プレートのうちの少なくとも１つによって前記マイクロシールに課される空間的制約を定め、前記少なくとも１つの設計パラメータは（ａ）ポアソン比、（ｂ）縦横比および（ｃ）表面の摩擦性または付着性からなる群から選択される、請求項１に記載の組立体。
【請求項３】
前記マイクロシールは約０．５以下の縦横比を定める、請求項２に記載の組立体。
【請求項４】
前記マイクロシールは約０．４７から０．４９７のポアソン比を定める、請求項３に記載の組立体。
【請求項５】
有効剛性は
【数１】
2018129164.tif 000007
と定められ、
ここで、
【数２】
2018129164.tif 000008
Ｆは前記マイクロシールに加えられる力の量を定め、ａ’は前記マイクロシールの係合される幅を定め、αは前記マイクロシールの位置合わせのずれの量を定め、ｈ’は前記マイクロシールの係合される高さを定め、ηは前記マイクロシールの縦横比に等しい、請求項２に記載の組立体。
【請求項６】
前記マイクロシールを構成する材料は、ポリアクリレート、アルハイドレイトされたクロロスルフォン化ポリエチレン、エチレンアクリル、クロロプレン、クロロスルフォン化ポリエチレン、エチレンプロピレン、エチレン酢酸ビニル、パーフルオロエラストマー、フッ化炭素、フッ化ケイ素、水素化ニトリル、ポリイソプレン、微孔性ポリウレタン、ニトリルゴム、天然ゴム、ポリウレタン、スチレンブタジエンゴム、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）／プロピレン、ケイ素およびカルボキシル化ニトリルからなる群から選択される、請求項１に記載の組立体。
【請求項７】
前記双極プレート組立体の隣り合うプレートに配置される前記マイクロシールは非対称の形状的輪郭を画定する、請求項１に記載の組立体。
【請求項８】
前記マイクロシールは約３００μｍ以下の厚さを画定する、請求項１に記載の組立体。
【請求項９】
前記マイクロシールは前記金属ビードに直接配置される、請求項１に記載の組立体。
【請求項１０】
前記マイクロシールは前記サブガスケットに直接配置される、請求項１に記載の組立体。
【請求項１１】
双極プレート組立体を組み立てる方法であって、
燃料電池のそれぞれが、
その少なくとも１つの表面から突出する、一体形成される金属ビードをそれぞれが備える一対のプレートと、
前記一対のプレートのうちの少なくとも１つの前記金属ビードのうちの少なくとも１つの係合表面に配置されるマイクロシールと、
前記一対のプレート間に配置される膜電極接合体と、
前記一対のプレート間で、前記マイクロシールに対して、かつ前記膜電極接合体の周りに周縁的に配置されて、実質的な（ａ）前記膜電極接合体に形成されたアノードとカソードとの間の電気的絶縁、および（ｂ）前記一対のプレート間の流体分離を可能にするサブガスケットとを含む双極プレート組立体を含む複数の燃料電池を積重ね軸に沿って位置合わせするステップ、
前記積重ね軸に沿って前記位置合わせされた燃料電池に圧縮力を加えるステップ、および、
前記圧縮力を維持しつつ、前記位置合わせされた燃料電池を筐体内で固定するステップを含む方法。
【請求項１２】
前記マイクロシールと関連する少なくとも１つの設計パラメータは前記プレートのうちの少なくとも１つによって前記圧縮力の間に前記マイクロシールに課される空間的制約を定め、前記少なくとも１つの設計パラメータは（ａ）ポアソン比、（ｂ）縦横比および（ｃ）表面の摩擦性または付着性からなる群から選択される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記圧縮力の量は、
【数３】
2018129164.tif 000009
と定められる有効剛性に基づき、
ここで、
【数４】
2018129164.tif 000010
Ｆは前記マイクロシールに加えられる力の量を定め、ａ’は前記マイクロシールの係合される幅を定め、αは前記マイクロシールの位置合わせのずれの量を定め、ｈ’は前記マイクロシールの係合される高さを定め、ηは前記マイクロシールの縦横比に等しい、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記ポアソン比は、（ａ）前記マイクロシールの材料選択、（ｂ）前記マイクロシールの前駆体に加えられる充填剤材料、および（ｃ）前記マイクロシール内の気泡形成のうちの少なくとも１つのパラメータ変動によって調整される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記縦横比は、（ａ）前記マイクロシールによって形成されるドーム輪郭、（ｂ）前記マイクロシールの厚さ調整、および（ｃ）前記マイクロシールの隣り合う対の間の幅の変化のうちの少なくとも１つのパラメータ変動によって調整される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記表面の摩擦性または付着性の調整は、（ａ）前記サブガスケットの材料選択、（ｂ）前記サブガスケットに形成される表面の粗さ、および（ｃ）前記サブガスケットと前記マイクロシールとの間に減摩剤を加えることのうちの少なくとも１つのパラメータ変動によって達成される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記マイクロシールを構成する材料は、ポリアクリレート、アルハイドレイトされたクロロスルフォン化ポリエチレン、エチレンアクリル、クロロプレン、クロロスルフォン化ポリエチレン、エチレンプロピレン、エチレン酢酸ビニル、パーフルオロエラストマー、フッ化炭素、フッ化ケイ素、水素化ニトリル、ポリイソプレン、微孔性ポリウレタン、ニトリルゴム、天然ゴム、ポリウレタン、スチレンブタジエンゴム、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）／プロピレン、ケイ素およびカルボキシル化ニトリルからなる群から選択される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記双極プレート組立体の隣り合うプレートに配置される前記マイクロシールは非対称の形状的輪郭を画定する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
前記マイクロシールは、前記金属ビードおよび前記サブガスケットのうちの少なくとも１つに直接配置される、請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
前記マイクロシールはスクリーン印刷工程によって配置される、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は一般に、燃料電池組立体において用いられる、接合された、または流体的に協働する流体搬送プレート内において反応物質および冷却液流れをよりよく封止するための装置および方法に関し、より詳細には、プレート表面内に画定されるチャネルを介して搬送される反応物質または冷却液をより効果的に流体分離するために、プレートの一方または両方の協働表面に一体形成される金属ビードの上部に配置されるマイクロシールを用いることに関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]燃料電池は、電気化学反応によって燃料を使用に適したエネルギーに変換する。このようなアプローチにとっての大きな利益は、これが中間ステップとしての燃焼に依存することなく達成されることである。そのため、燃料電池は、推進および関連する動力用途に関し、内燃機関（ＩＣＥ：ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  ｅｎｇｉｎｅ）に比べて環境上の利点をいくつか有する。プロトン交換膜または高分子電解質膜（いずれの場合もＰＥＭ：ｐｒｏｔｏｎ  ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅまたはｐｏｌｙｍｅｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）燃料電池のような典型的な燃料電池では、一般に膜電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ばれるものにおいて一対の触媒電極がイオン透過媒体（たとえばＮａｆｉｏｎ（商標））によって分離される。電気化学反応は、ガス還元剤状の第１の反応物質（たとえば水素、Ｈ２）がアノードに導入されてイオン化され、次いでイオン透過媒体を通過させられ、その結果、他方の電極（カソード）を通じて導入されたガス酸化剤状の第２の反応物質（たとえば酸素、Ｏ２）と化合するときに生じ、この反応物質の化合は副産物として水を生成する。第１の反応物質のイオン化において遊離した電子は、有用な動作が実行され得る負荷（たとえば、電動機、およびさまざまなポンプ、弁、圧縮機または他の流体搬送構成要素など）を通常含む外部回路を介して、直流電流（ＤＣ：ｄｉｒｅｃｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ）としてカソードに進む。このＤＣ電気の流れによってもたらされる発電は、そのような電池を多数組み合わせてより大きな電流生成組立体とすることによって増大させることができる。１つのこのような構造において、燃料電池は、一組のトランプのように組立体内で共通の積重ね寸法に沿って接続されて、燃料電池スタックを形成する。
【０００３】
[0003]このようなスタックでは、隣接するＭＥＡは、典型的にはガス不透過性、導電性の双極プレート（本明細書においては、流れ場プレートとも呼ばれる）の形をとる一連の反応物質流れチャネルによって互いに分離される。１つの一般的な形態では、チャネルは全体的に蛇行した設計のものであるが、全体的に直線状または折曲状の形状を備えるものを含む他の形態が用いられてもよい。チャネルはその形状にかかわらず、各プレートの全体的に平坦な表面の大部分を覆う。プレートとＭＥＡとを並置することは反応物質の１つの燃料電池への搬送または燃料電池からの搬送を促進し、また、冷却液の搬送のために追加のチャネル（反応物質チャネルから流体的に分断された）が用いられてもよい。１つの構成では、双極プレートは、それ自体、その表面に型打ちされた、または他の方法で一体形成されたチャネルを有する一対の薄い金属シート（ハーフプレート、またはより単純にプレートと呼ばれる）を固着することによって形成された組立体であるが、別の構成では、組立体は、冷却液を外部シートの隣接するアノードチャネルおよびカソードチャネルと熱的連通の状態になるようにするためのチャネルを備える追加の介在シートを含む。組立体が２シートであるかまたは３シートであるかの違いにかかわらず、これらのシートのそれぞれにチャネルによって形成されたさまざまな反応物質および冷却液の流路は、プレートの１つまたは複数の反対側の縁部に画定されたマニホルド（本明細書では、マニホルド区域またはマニホルド領域とも呼ばれる）に集中するのが典型的である。これらの特徴のすべての例、およびＰＥＭ燃料電池において用いられ得るそのような双極プレート組立体の典型的な構造は、本願の権利者が所有する米国特許第５，７７６，６２４号および米国特許第８，６７９，６９７号において図示および説明され、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５，７７６，６２４号
【特許文献２】米国特許第８，６７９，６９７号
【特許文献３】米国特許出願第１５／０１９，１００号
【特許文献４】米国特許第４，９１９，９６９号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｔｈｅ  Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｉｌｉｔｙ  ｏｎ  ｔｈｅ  Ｓｔｒｅｓｓ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｔｈｉｎ  Ｅｌａｓｔｏｍｅｒｉｃ  Ｂｌｏｃｋｓ  ａｎｄ  Ａｎｎｕｌａｒ  Ｂｕｓｈｉｎｇｓ  ｂｙ  Ｙｅｈ−Ｈｕｎｇ  Ｌａｉ、Ｄ．Ａ．Ｄｉｌｌａｒｄ  ａｎｄ  Ｊ．Ｓ．Ｔｈｏｒｎｔｏｎ  ｉｎ  Ｔｈｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ（１９９２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
[0004]ＰＥＭ燃料電池スタック内において漏出および関連する流体のクロストーク（ｃｒｏｓｓｔａｌｋ）を回避することが重要である。これは、双極プレートのマニホルド区域において特に懸念されることであり、ここでは、プレートの活性区域と比較してより高い圧力を理由として、そこで流体が孔部、表面起伏および関連する封止不連続性を通じて押し出される傾向がより大きい。このような高圧流体の漏出を軽減するために、本発明の譲受人は、少なくとも隣接して積み重ねられた双極プレートのこれらの区域の間に配置される別個の厚い弾性シールを用いた。一形態では、このシールは表面にかぶせられて、隣接するプレートまたは他の構成要素との協働的接合面を形成する方法としてのプレートの区域の境界を定める方法としての全体的に額縁型の構造を画定する。他の構成では、本発明の譲受人はプレート表面に溝を形成し、これによって溝内に配置される全体的に円筒形またはひも状のシールが封止接合面をもたらすことができるようにした。シールが溝のある表面と協働するように構成されるか、溝のない表面と協働するように構成されるかにかかわらず、圧縮（たとえばスタックの組立に伴う圧縮）時の隣接するプレート間のわずかな位置合わせのずれでさえも対応するシールにかけられる圧力の変動をもたらし、このことは次に、シールの変形およびこれに伴う間隙の形成、ならびに反応物質または冷却液の漏出を引き起こす。さらに、別個に形成された厚いシールの組立体の使用は、一般的には改良された封止を達成するのに役立つが、大量の製造要求が年間に多数の燃料電池スタックの製造を伴うことになり得る商業上の自動車燃料電池組立体用途とは相いれない。それぞれの電池がＭＥＡの両方の反対側表面に双極プレート組立体を要するとすれば、少量の製造でさえ、かなりの数のプレートが製造されることを必要とすることになろう。このように、これらの厚い封止のアプローチは、反応物質または冷却液チャネル流れの損失を低減させるために必要とされる封止方法を達成するのに費用があまりにも高額である方法となろう。
【０００７】
[0005]厚い弾性の封止のアプローチを用いることに関連する費用および製造の問題のいくつかを克服するために、本発明の譲受人は、反応物質チャネルまたは冷却液チャネルを形成するために用いられるものに類似する方法でプレート表面が型打ちされた、一体形成される双極プレート封止を開発した。この型打ちは、外側に突出する金属ビードを作出して、隣接するプレート表面間に別個の接触点を画定する全体的に平坦な台地部を設ける。このような構成は前述のような大量製造の必要性とより矛盾のないものであるが、特に、スタック内の構成要素および１００以上の個々の電池の電池間の位置合わせの両方について寸法公差が存在する可能性が高いという燃料電池スタック製造に固有の予測できない変化の観点から、適切な封止を達成するのは依然として困難である。
【０００８】
[0006]このようなシールが構成要素公差、プレート間の位置合わせのずれ、および他の管理が困難な製造要因の影響を受けないことを確実にすることを含め、隣接して積み重ねられたプレート間（単一の双極プレート組立体内であろうと燃料電池スタック内の多数のプレートにわたってであろうと）の封止を強化することが望ましい。そのような封止を繰返し可能な、費用効果の高い方法で達成することもまた望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
[0007]本開示の目的は、双極プレートとその金属ビードとを接合する工程が、プレート間の位置合わせのずれおよび構成要素公差に比較的影響されないようにするのに役立つマイクロシールを提供することである。本発明の第１の態様によれば、燃料電池システム用の双極プレート組立体は一対のプレート（ハーフプレートと呼ばれることも多い）を含み、これらのプレートは、ハーフプレートのうちの少なくとも１つの金属ビード表面に配置されるマイクロシールがプレート間の流体を通さないシールを向上させるように接合される。サブガスケットは一対のプレート間に配置され、マイクロシールおよび一対のプレートの間に配置されるＭＥＡと協働することができる。加えて、サブガスケットは、電池のアノード側およびカソード側の導電層（電極およびガス拡散層）を分離し、かつこれらの間の接触を防止する方法としてＭＥＡの周りに枠のような周縁部を形成するように寸法が合わせられ、非導電性のガス不透過性材料から形作られる。マイクロシールとそれぞれの金属ビードおよびサブガスケットの係合表面との協働によって一対のプレート間の流体分離が保たれ、同時に、サブガスケットとＭＥＡとの協働が望ましい電気的絶縁を確保する。
【００１０】
[0008]本文脈において、ハーフプレートの一方または両方は、少なくとも１つが反応物質チャネル、反応物質マニホルド、冷却液チャネルおよび冷却液マニホルドの１つまたは複数を画定する平坦な対向する表面を含む薄い基礎的金属構造から作られることが理解されるであろう。さらに、金属ビードは、ハーフプレートの表面と一体形成され、かつハーフプレートの表面から突出する矩形、台形、半球または関連する形状断面によって画定され、この金属ビードは、面外の弾性と剛性との適切なバランスを介して、協働的に係合されるプレート間に必要なシール力および関連する流体分離をもたらす。さらに、マイクロシールは高分子材料の層（以下においてより詳細に考察されるようなもの）であり、これは、さまざまな方法（これもまた、以下においてより詳細に考察される）によって金属ビードまたはサブガスケット上に堆積され得る。また、マイクロシールおよび基礎的金属ビードは金属ビードシール（ＭＢＳ：ｍｅｔａｌ  ｂｅａｄ  ｓｅａｌ）を作出し、ここで、マイクロシールの機能は、（ａ）金属ビードおよびサブガスケットの表面の不完全性を埋めること、（ｂ）柔軟クッションを設けて金属ビードの不均一の圧縮された高さを補うことによってＭＢＳ長に沿った長さごとにより均一なシール力をもたらすこと、（ｃ）ガス／流体がマイクロシールの大部分に浸透するのを防止すること、および（ｄ）サブガスケット／マイクロシールまたは金属ビード／マイクロシールの接合面における漏出を防止することである。さらに本文脈においては、サブガスケットの周縁の形成は、ＭＥＡの周りの沿層方向の範囲全体であることを必要とせず、むしろＭＥＡのアノードとカソードとの間の厚み方向全体の電気的絶縁であればよい。
【００１１】
[0009]本発明の別の態様によれば、燃料電池システムを組み立てる方法は、多数の燃料電池を積み重ねられた構成で互いの上部に配置すること、および、双極プレート組立体の少なくとも１つのプレートの一部として一体形成される金属ビードの上部にマイクロシールを配置することを含む。これらのプレート、金属ビードおよびマイクロシールの構成は、前述の態様において考察されたものに類似する。
【００１２】
[0010]これらの目的、特徴、実施形態および効果、ならびに他の目的、特徴、実施形態および効果は、以下の詳細な記述および添付の特許請求の範囲を解釈することから、当業者には明らかとなろう。
【００１３】
[0011]本発明の好ましい実施形態に関して以下に述べる詳細な説明は、以下の図面と併せて読まれる場合に最もよく理解され得るが、この図面において、同様の構造は同様の参照数字で示され、また、図面のさまざまな構成要素は必ずしも縮尺通りに示されるわけではない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一態様によって組み立てられ得る燃料電池スタックを示す簡略化された分解図である。
【図２】電池が上側および下側の周囲双極プレートの部分を含む、図１に示すスタックのうちの単一の燃料電池の部分的分解断面図の簡略化された図である。
【図３】その表面に形成されたチャネル、シールおよびさまざまな領域を含む双極プレート組立体の分解斜視詳細図である。
【図４】図４Ａは、図３に示す双極プレート組立体において用いられ得る、本発明の第１の態様による金属ビード、マイクロシールおよびサブガスケットの配置を示す簡略化された断面図である。図４Ｂは、図３に示す双極プレート組立体において用いられ得る、本発明の第２の態様による金属ビード、マイクロシールおよびサブガスケットの配置を示す簡略化された断面図である。
【図５】マイクロシールのポアソン比の差異に基づく、位置合わせのずれに対するＭＢＳ剛性の敏感性を示す図である。
【図６】金属ビードとサブガスケットとの間に、どのように間隙が発生し得るかを示す図である。
【図７】わずかにドーム状の上部表面が形成される、印刷時のマイクロシールの概念上の形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
[0012]初めに図１から図３を参照すると、分解された形での燃料電池スタックの簡略図（図１）、ＰＥＭ燃料電池（図２）および双極プレート組立体（図３）が示される。スタック１は、ドライエンドユニットプレート１０およびウェットエンドユニットプレート１５で構成される筐体５を含み、これら（および、図示されない他のもの）は、筐体５の圧縮保持システムの圧縮締付け作用を果たすのを助けることができ、このような圧縮保持システムは、ウェットエンドユニットプレート１５をドライエンドユニットプレート１０に固定するために、スタック１の厚みを通って延在する多数のボルト（図示せず）、ならびに積重ね方向（Ｙ軸）に沿って垂直に配置されるさまざまな側壁板２０および剛体ブラケット素子２５を含む。多数の燃料電池３０のスタックは、ボルト、ブラケット素子２５および筐体５内の他の構成要素の作用によって、積重ね方向に沿って圧縮関係でしっかりと保持される。したがって、本文脈において、燃料電池１の積重ね軸は、略垂直の（すなわちＹ）デカルト軸に沿うことができ、その結果、燃料電池３０のそれぞれの表面の大部分はＸ−Ｚ平面にある。それにもかかわらず、スタック１内の電池３０の特定の向きが重要なのではなく、むしろ、以下でより詳細に考察される、個々のプレートの表面に形成される状況を視覚化するのに便利な方法を提供することが、当業者には認識されよう。
【００１６】
[0013]燃料電池３０は、略平面のプロトン交換膜３５、プロトン交換膜３５の一方の面に面して接触するアノード触媒層４０、およびプロトン交換膜３５の他方の面に面して接触するカソード触媒層４５を含む。プロトン交換膜３５と、触媒層４０および４５とは、まとめてＭＥＡ５０と呼ばれる。アノード拡散層５５はアノード触媒層４０に面して接触して配置され、一方、カソード拡散層６０はカソード触媒層４５に面して接触して配置される。拡散層５５および６０のそれぞれは全体的に多孔性構造を備えて作られて、ガス反応物質が触媒層４０および４５に移動するのを容易にする。アノード触媒層４０とカソード触媒層４５とはまとめて電極と呼ばれ、図示のように別個の異なる層として形成されてよく、または（上記で言及されたように）、少なくとも部分的に拡散層５５または６０にそれぞれ埋め込まれて、および部分的にプロトン交換膜３５の両面に埋め込まれて形成されてもよい。実際、当業者には認識されるように、膜３５または拡散層５５、６０への触媒層４０、４５の厳密な配置は、本明細書において考察される本発明の実施形態の実施にとって重要ではなく、そのため、ＭＥＡ５０は２つの従来の形態のうちの１つであってよいが、この従来の形態の第１の形態は触媒被覆膜（ＣＣＭ：ｃａｔａｌｙｓｔ  ｃｏａｔｅｄ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）であり、第２の形態はＰＥＭに続いて取り付けられる触媒被覆拡散媒体（ＣＣＤＭ：ｃａｔａｌｙｓｔ  ｃｏａｔｅｄ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｍｅｄｉａ）である。いずれの変形形態も本発明の範囲と矛盾はなく、したがって、本発明の範囲内にあると考えられる。
【００１７】
[0014]反応ガスがプロトン交換膜３５の適切な側に到達するための実質的に多孔性の流路を設けることに加えて、拡散層５５および６０は、電極触媒層４０、４５と、双極プレート６５の組立体との間に電気的接触をもたらし、これは次に集電装置として機能する。図２においては概念上厚肉構造を有するものとして示されるが、組立体を構成する個々のプレート６５Ａおよび６５Ｂ（本明細書ではハーフプレートとも呼ばれる）は、薄いシート状またはホイル状の構造（図３に関連して以下においてより詳細に図示および記述されるような）を用いるのが好ましく、そのため、図２は相対的な双極プレート６５の厚みを推定するために用いられるべきではない。向かい合って隣接するハーフプレート６５Ａおよび６５Ｂによって画定される簡略化された対向する表面は、各ＭＥＡ５０および付随する拡散層５５、６０を、スタック１内で隣接するＭＥＡおよび層（いずれも図示せず）から分離するために設けられる。一方のハーフプレート６５Ａはアノード拡散層５５と係合し、他方、第２のハーフプレート６５Ｂはカソード拡散層６０と係合する。ハーフプレート６５Ａ、６５Ｂを構成するこれらの２つの薄い向かい合う金属シートは、適切な圧縮および関連する接合技術によって、組み立てられたプレート６５を画定する。各ハーフプレート６５Ａおよび６５Ｂは、各プレート面に沿った多数の反応ガス流れチャネル７０を画定する。双極プレート６５は単に矩形の反応ガス流れチャネル７０および周囲の構造を画定して示される（図案化の目的で）が、より正確な（かつ、好ましい）実施形態が以下に示され、型打ちによって形成され、全体的に台形の断面の輪郭である全体的に蛇行形状のチャネル７０が画定されることが当業者には認識されよう。
【００１８】
[0015]サブガスケット７５は、ハーフプレート６５Ａおよび６５ＢとＭＥＡとの間のシール取付けまたは関連する協働を促進するために用いられてよく、一形態では、サブガスケット７５はプラスチック材料で作られ、周縁部に配置され得る非導電性の額縁状の輪郭を画定して、ＭＥＡ５０の縁部を保護することができる。この、好ましくは厚さ約５０μｍから２５０μｍであるサブガスケット７５は、膜３５の活性表面領域を増大させる方法として、触媒層４０と４５との間のガスおよび電子の分離をＭＥＡ５０の縁部まで拡張するために用いられることも多い。
【００１９】
[0016]作動中、Ｈ２などの第１のガス反応物質は、ハーフプレート６５Ａからチャネル７０を通ってＭＥＡ５０のアノード側に送られ、一方、Ｏ２などの第２のガス反応物質（典型的には空気の状態である）は、ハーフプレート６５Ｂからチャネル７０を通ってＭＥＡ５０のカソード側に送られる。触媒反応はアノード４０およびカソード４５でそれぞれ生じ、プロトン交換膜３５を通って移動するプロトン、および、拡散層５５および６０との間の接触によって拡散層５５および６０と双極プレート６５とを通って伝送され得る、結果的に電流になる電子を生成する。関連するチャネル（図示せず）は、燃料電池１によってもたらされる温度を制御するのに役立つ冷却液を搬送するために用いられ得る。ハーフプレート６５Ａ、６５Ｂが冷却液の流れのために構成される場合には、その反応物質搬送プレートのもう一方と比較し得るその特徴は類似の構造のものであり、本明細書においてさらに詳細には考察されない。
【００２０】
[0017]図３を詳細に参照すると、双極プレート６５組立体を形成するように隣接して積み重ねられた２つのハーフプレート６５Ａ、６５Ｂを示す分解図がより詳細に示される。詳細には、個々のハーフプレート６５Ａ、６５Ｂは活性領域８０とマニホルド領域８５の両方をそれぞれ含み、前者は、ＭＥＡ５０と拡散層５５および６０とに対応する電気化学的活性領域との平面対向関係を確立し、後者は、縁部（図示の通り）または周縁部（図示せず）領域に対応し、ここでは、プレート６５Ａ、６５Ｂを通って形成される開口部が、積み重ねられた燃料電池３０に反応物質、冷却液または副産物を搬送するため、およびこれらを除去するための導管として機能することができる。図３に示す分解図からわかるように、これら２つのハーフプレート６５Ａ、６５Ｂは、ＭＥＡ５０と、アノード拡散層５５およびカソード拡散層６０とともにサンドイッチのような構造を形成するように用いられ、かつ必要に応じて何度も繰り返されて燃料電池スタック１を形成することができる。一形態では、アノードハーフプレート６５Ａとカソードハーフプレート６５Ｂの一方または両方は耐腐食性材料（たとえば、３０４Ｌ  ＳＳまたは同種のもの）で作られる。全体的に蛇行しているガス流れチャネル７０は、一方のマニホルド領域８５に隣接する一方の縁部９０近傍から反対側のマニホルド領域８５に隣接する反対側の縁部９５近傍まで湾曲経路を形成する。図に示されるように、反応物質（ＭＥＡ５０と対向関係で配置されるプレート６５Ａ、６５Ｂの場合）、または冷却液（冷却液チャネルが形成される他方のプレート６５Ｂの裏側と対向関係で配置されるプレート６５Ａの場合）は、活性領域８０と一方（たとえば供給側）の縁部９０のマニホルド領域８５との間にあるヘッダ１００を形成する一連の繰返しのゲートまたは溝からチャネル７０に供給され、類似の構成が反対側（たとえば排出側）の縁部９５に存在する。代替実施形態（図示せず）では、供給側および排出側のマニホルド領域は同一の縁部（すなわち、９０または９５）に隣接して存在してもよい。個々のプレート６５Ａ、６５Ｂが形成に適した材料（たとえば、前述のステンレス鋼）で作られる場合、さまざまな表面特徴（溝、チャネルまたは同種のものを含む）はよく知られた技術によって型打ちされるのが好ましく、それによって、ＭＢＳ（以下でより詳細に考察される）に加えてチャネル７０とそのそれぞれの構造の両方が一枚のシート材料で一体形成されることを確実にする。さらに、ハーフプレート６５Ａ、６５Ｂにランドおよびチャネル７０を形成する同一の型打ち工程は、以下において考察されるような類似の形状を形成するために用いられてよい。
【００２１】
[0018]次に図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、隣接して積み重ねられた双極プレート組立体６５が他のそのような組立体に比べてどのように配置されるかについて、本発明による２つの異なる実施形態の断面図が示される。好ましい形態では、ハーフプレート６５Ａ、６５Ｂのそれぞれは、直立した矩形、台形（図示の通り）またはわずかに湾曲して突出する形をした、金属ビード１０５から生じるガスケットのような係合表面１０７を画定する、一体的に型打ちされた金属ビード１０５を用いる。好ましい一実施形態では、金属ビード１０５は、厚さ約３００μｍから６００μｍ、かつ幅約１ｍｍから４ｍｍである。マイクロシール１１０は、係合表面１０７または前述のサブガスケット７５に配置される。また、金属ビード１０５の係合表面１０７のガスケットのような構造およびマイクロシール１１０はＭＢＳ１１５を画定する。認識される通り、金属ビード１０５のガスケットのような性質は、別の対となる表面と接合されて密閉するものとして機能するときに少なくともいくらかの流体分離の手段をもたらすが、薄い弾性のマイクロシール１１０を上部に含んで結果としてＭＢＳ１１５を生じることによって、さらなる流体引込すなわち分離をもたらす。係合表面１０７は、同様にプレート６５Ａ、６５Ｂの一方または両方の内部に一体形成され得る図２に示すランド７２と、構成および機能の点で全体的に類似する。
【００２２】
[0019]図４Ａはハーフプレート６５Ｂの一部として形成される金属ビード１０５を示すが、同じことが必要な変更を加えてプレート６５Ａに適用され、いずれも本発明の範囲内にあるものと考えられることが認識されよう。各ハーフプレート６５Ａ、６５Ｂが反応物資、冷却液または両方を搬送するように構成されるかどうかにかかわらず、さらにはこのような流体がハーフプレート６５Ａ、６５Ｂの活性領域８０を介して搬送されるかマニホルド領域８５を介して搬送されるかにかかわらず、領域の境界および各領域内で画定される個々のチャネルの境界を横断するこれらの流体の漏出を回避することが重要である。このような目的のために、マイクロシール１１０は薄い弾性の層の形をとり、係合表面１０７に配置され、これにより、複数の電池３０が筐体５内に位置合わせされ、積み重ねられ、圧縮されてスタック１を構成するときに、マイクロシール１１０が変形可能に圧縮されて隣接するハーフプレート６５Ａ、６５Ｂ間の封止を強化する。図４Ａと図４Ｂのいずれにも示されていないが、ＭＥＡ５０は隣接するハーフプレート６５Ａ、６５Ｂの間に挟まれ、その結果、この３つの構成要素は電池３０に類似している。本文脈において、本発明の薄い弾性のマイクロシール１１０は、前述のような厚いシールとはいくつかの重要な点で異なる。第一に、従来のシールが厚さ１０００μｍ超であるのに対して、マイクロシール１１０は厚さ約３００μｍ以下である。
【００２３】
[0020]前述の通り、接合された各ハーフプレート６５Ａ、６５Ｂ上の金属ビード１０５とマイクロシール１１０との協働はＭＢＳ１１５を画定するが、この構造は、封止が活性領域８０に形成されるかマニホルド領域８５に形成されるかにかかわらず、より強固な、漏出の無い封止を促進する。別の形態（図示せず）では、マイクロシール１１０は、ＭＥＡ５０の一部または延在部として、サブガスケット７５に取り付けられ、またはサブガスケット７５に直接形成されてよく、いずれの変形形態も本発明の範囲内にあるものと考えられる。本実施形態で示されるマイクロシール１１０は、比較的大きな縦横（すなわち、厚み対幅）比である点で注目に値する。
【００２４】
[0021]図４Ｂを詳細に参照すると、別の好ましい形態では、隣接して配置されるマイクロシール１１０は非対称の輪郭を画定し、本文脈においては、このような輪郭は同一の双極プレート組立体６５内に隣接して配置される２つのマイクロシール１１０が異なる形状的輪郭を画定する場合に生じる。例として図４Ｂを用いると、これらの形状的輪郭は異なる縦横比の形をとることが多い。図示の通り、一番上のマイクロシール変形形態１１０Ａは比較的高く、厚い矩形の輪郭（すなわち高縦横比）を有し、一方、一番下の変形形態１１０Ｂは比較的低く、幅広の矩形の輪郭（すなわち、低縦横比）を有する。好ましい一形態では、マイクロシール変形形態１１０Ａ、１１０Ｂはいずれも、金属ビード１０５に直接か、またはサブガスケット７５に直接形成されるが、別の形態では、高縦横比のマイクロシール変形形態１１０Ａは金属ビード１０５の係合表面１０７に直接形成されてよく、一方、低縦横比のマイクロシール変形形態１１０Ｂはサブガスケット７５に直接形成される。さらに、マイクロシール１１０が金属ビード１０５の係合表面１０７に直接形成される好ましい一形態では、知られている工程（たとえば、スクリーン印刷または射出成形）が用いられてよい。本発明の譲受人は、スクリーン印刷の利用を追求して、本明細書において考察されるシールを、同時係属のＳＥＡＬ  ＭＡＴＥＲＩＡＬ  ＷＩＴＨ  ＬＡＴＥＮＴ  ＡＤＨＥＳＩＶＥ  ＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳ  ＡＮＤ  Ａ  ＭＥＴＨＯＤ  ＯＦ  ＳＥＡＬＩＮＧ  ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＣＯＭＰＯＮＥＮＴＳ  ＷＩＴＨ  ＳＡＭＥと題する米国特許出願第１５／０１９，１００号（以下、‘１００出願という）において応用し、その内容は全体として参照により本明細書に組み込まれる。シールの形成に特有のさらなるスクリーン印刷の特徴は、ＭＥＴＨＯＤ  ＯＦ  ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ  Ａ  ＳＥＡＬと題する、Ｗａｌｋｅｒに付与された米国特許第４，９１９，９６９号において例示的な形態で開示され、その内容は全体として参照により本明細書に組み込まれる。
【００２５】
[0022]マイクロシール１１０がサブガスケット７５に形成される構成では、マイクロシール１１０は金属ビード１０５の係合表面１０７の幅よりも広いことを要するであろう。さらに、マイクロシール１１０がスクリーン印刷によって金属ビード１０５の係合表面１０７に直接形成される構成では、マイクロシール１１０は、その最厚部で約３００μｍ以下の厚さ、および約３０００μｍ（すなわち３ｍｍ）以下の全幅を金属ビード１０５の係合表面１０７に画定する。より詳細には、厚さ約３０μｍから３００μｍ、幅約１．０ｍｍから３．０ｍｍであるのが好ましい。
【００２６】
[0023]本発明者は、従来の弾性シールでは、封止圧力は単純に接触圧力および幅に比例し、ここで比例定数は材料の弾性係数（または引張係数）Ｅであることに注目した。しかしながら、本発明者は、本発明のＭＢＳ１１５はこれらの理想化された圧力条件を模倣するのではなく、その代わりに空間的制約を考慮に入れることを要することを発見し、これらの制約は、（１）マイクロシール１１０が配置される、比較的剛体の向かい合う金属ビード１０５およびサブガスケット７５の基板、（２）改良された製造工程能力（たとえば、本明細書において考察されるスクリーン印刷）によって可能とされるマイクロシール１１０の層の薄さ、および、（３）初期の製造中、および再加工または再構築中の両方の間に部分処理を容易にすることができる方法としての、マイクロシール１１０とその各基板との間の実質的に完全な付着の前提に起因する。
【００２７】
[0024]重要なことに、本発明者は、これらの制約はマイクロシール１１０の材料にはるかに高い剛性（本明細書において有効係数Ｅｅｆｆと呼ばれる）を示させることを発見し、これは、設計形状（係合されるマイクロシール１１０の高さをｈ’、係合されるマイクロシール１１０の幅をａ’、マイクロシール１１０の縦横比をηとする）および材料特性（引張係数Ｅおよびポアソン比νを含む）を、加えられる負荷および結果として生じる撓みと関連付ける。言い換えれば、有効係数すなわち剛性は、マイクロシール１１０上に位置する空間的制約を考慮に入れることによって、マイクロシール１１０の材料構成に固有の値を修正する。さらに重要なのは、マイクロシール１１０が従来の厚いシールと比較して薄い形状であることによって、有効係数Ｅｅｆｆ（従来の公称封止圧力に頼ることよりも漏出現象をよりよく説明する）は、プレート間および電池間の位置合わせのずれに対して非常に敏感であることを本発明者が発見したことである。制約されたシステムの機械的挙動を表す分析的解決は、Ｔｈｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ（１９９２）で、Ｙｅｈ−Ｈｕｎｇ  Ｌａｉ、Ｄ．Ａ．ＤｉｌｌａｒｄおよびＪ．Ｓ．ＴｈｏｒｎｔｏｎによるＴｈｅ  Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｉｌｉｔｙ  ｏｎ  ｔｈｅ  Ｓｔｒｅｓｓ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｔｈｉｎ  Ｅｌａｓｔｏｍｅｒｉｃ  Ｂｌｏｃｋｓ  ａｎｄ  Ａｎｎｕｌａｒ  Ｂｕｓｈｉｎｇｓにおいて提示され、その内容は全体として参照により組み込まれる。数式形式では、この分析的表現は次のように示される。すなわち、
【００２８】
【数１】
2018129164.tif 000003
【００２９】
ここで、Δは撓みを表し、Ｆはスタック１内でのその軸方向の積重ね寸法に沿った電池３０の圧縮に関連する力などの力（たとえばニュートンで）を表し、Ｓは剛性を表し、かつ、
【００３０】
【数２】
2018129164.tif 000004
【００３１】
このように、Δ／ｈ’は歪み（すなわち、加えられた力Ｆに応じた厚み寸法に沿った厚みの変化）に等しい。上記より、本発明者は、従来のエラストマーシールの設計において材料の係数Ｅがどのように封止圧力に関連し得るかに類似する方法で、有効係数Ｅｅｆｆは局所的な封止圧力に関連し得ると考える。
【００３２】
[0025]本発明の重要な要素は、マイクロシール１１０が、金属ビード１０５またはサブガスケット７５といった向かい合う接合面に及ぼす封止圧力に直接関連する、位置合わせのずれに対するマイクロシール１１０の有効係数Ｅｅｆｆの敏感性を低減させることである。本発明者は、係合されるマイクロシール１１０の幅ａ’は次のように定められると考えることによって位置合わせのずれを説明する。すなわち、
ａ’＝ａ−α
ここで、ａは公称のマイクロシール１１０の幅に等しく、αは位置合わせのずれである。燃料電池に関し本発明にとって興味深いのは、位置合わせのずれは約０．４ｍｍ未満である可能性が高いことである。さらに、非対称のマイクロシール１１０の設計（図４Ｂに示されるようなもの）がある場合には、全体的な係合される厚さｈ’は次のように説明され得る。すなわち、
ｈ’＝ｈ１＋ｈ２
ここで、ｈ１は第１のマイクロシール１１０Ａの厚さに等しく、ｈ２は第２のマイクロシール１１０Ｂの厚さに等しい。このことから、係合されるマイクロシール１１０の縦横比ηは次の通りである。すなわち、
【００３３】
【数３】
2018129164.tif 000005
【００３４】
製造および組立工程能力は、縦横比ηの適合範囲を決定する。たとえば、組立の位置合わせ能力は位置合わせのずれαの範囲の定義をもたらし、かつ、加えられるマイクロシール１１０の厚さの一貫性は全体的な係合される厚さｈ’の範囲の定義をもたらす。このことから、好ましい製造および組立工程の結果として生じる縦横比ηの全範囲に対して有効係数Ｅｅｆｆが強固であるようにＭＢＳ１１５を設計するのが好ましい。このように、本発明者は、位置合わせのずれに対する有効係数Ｅｅｆｆの敏感性を低減させるための好ましい方法は、前述したマイクロシール１１０上の空間的制約を低減させることであると確認した。より詳細には、以下においてより詳細に考察されるように、本発明者は、このことを達成するためにはいくつかの方法（いわゆる「設計ノブ」を介して）があると確認した。
【００３５】
[0026]第１のアプローチは、たとえば、（ａ）マイクロシール１１０の高さ全体を増大させること、（ｂ）位置合わせのずれによって高さｈが幅ａと共に減少し、それによって縦横比ηの適合範囲を減少させる、よりドーム状のマイクロシール１１０の輪郭（図７に示されるようなもの）を利用すること、または（ｃ）繰返しユニットにおいて１つのマイクロシール１１０Ａが隣接するマイクロシール１１０Ｂよりも常に幅が狭く、それによって、係合される幅ａ’が位置合わせのずれαによって実質的に変化しないままであることを可能にする、図４Ｂに示されるような非対称のシール設計を用いることなどによって、設計形状の縦横比ηを増大させることである。３つの空間的制約のうちのいずれかまたはすべてをうまく扱うことの重要性は、基準として公称条件を用いて、異なる設計形状について位置合わせのずれに対する有効係数Ｅｅｆｆの相対的な敏感性を示す表１（加えられる圧力のそれぞれは絶対値で示されるのではなく、標準化される）において見ることができる。
【００３６】
【表１】
2018129164.tif 000006
【００３７】
この表では、異なる設計形状について位置合わせのずれに対する相対的な有効係数Ｅｅｆｆの敏感性が示され、ここで、増大縦横比と題する列は図４Ａに示される構成に対応し、一方、非対称設計のより幅の狭いマイクロシールの幅に等しい位置合わせのずれの閾値までは一定の縦横比ηが得られる変動縦横比と題する列は図４Ｂに示される構成に対応する。それゆえに、シールの有効係数Ｅｅｆｆおよび関連する剛性は、公称条件に関して、図４Ａに示す比較的高縦横比のマイクロシール１１０の設計または図４Ｂに示す非対称のマイクロシール１１０の設計よりも高いが（少なくとも一部は高い空間的制約に起因して）、本発明のこれら２つの設計のいずれにおけるよりも、位置合わせのずれに伴ってさらに急激な（かつ望ましくない）低下を受ける。このように、従来技術と題する列の従来のシール構成は、本発明の２つの変形形態のものよりも、位置合わせのずれに伴うＥｅｆｆのさらに急激な低下を示す。
【００３８】
[0027]次に図５を参照すると、第２のアプローチは、マイクロシール１１０のポアソン比νを減少させることである。このことは、材料応力が材料の圧縮性によって内部に解放されることを可能にすることによってマイクロシール１１０上の空間的制約を低減させる効果を有する。エラストマーでは、所与のゴム重合体バックボーンのポアソン比νに影響を及ぼすある方法は、連続気泡または独立気泡の発泡成形を導入すること、または、材料全体に圧縮性の充填剤をほんの少し散らすことである。図５に示されるように、より高い値（たとえば、０．４９９９５および０．４９９９０）からより低い値（たとえば、０．４７から０．４９７）へのポアソン比νの小さな減少でさえ、有効係数Ｅｅｆｆに関する上記の数式によって証明されるように、位置合わせのずれに対する材料の敏感性に大いに影響を及ぼし得る。
【００３９】
[0028]第３のアプローチは、サブガスケット７５または金属ビード１０５の向かい合う基板へのマイクロシール１１０の付着または摩擦を低減させることである。圧縮時に、低減された摩擦または付着は、マイクロシール１１０が横方向に拡張し、予め想定された空間的制約から逃れることを可能にするであろう。それにもかかわらず、摩擦または付着を弱めるための１つの方法として減摩剤を加えることは双極プレート６５に汚染物質を取り込むことがあるので、注意が必要である。加えて、金属ビード１０５またはサブガスケット７５の粗さを低減させることは基板製造にあまりにも高額の費用のステップを追加することがあり、また、マイクロシール１１０の付着を完全に除去することは、スタック１の位置合わせおよび組立中ならびに何らかの必要な再構築または再加工中の部分処理を困難にするであろう。これらの懸念を念頭に置いて、本発明者は、サブガスケット７５の材料の賢明な使用、サブガスケット７５の表面の粗さの低減、および、サブガスケット７５と金属ビード１０５とマイクロシール１１０との間の任意のまたはすべての接合面区域間での減摩剤の使用によって、初期圧力が低くされ得る構成においてさえ、位置合わせのずれの結果として生じる圧力差（Δｐ）を小さくするための他の設計パラメータ緩和を可能にし得ることを発見した。
【００４０】
[0029]次に図６および図７を参照すると、マイクロシール１１０の厚みがサブガスケット７５と金属ビード１０５との間の間隙を埋めるのに十分でない場合に、マイクロシール１１０の幅にわたって不連続的接触が生じるであろうため、マイクロシール１１０、サブガスケット７５、金属ビード１０５間の連続的接触を達成することが有利である。このような状況は、シールの位置合わせが完全であり、接触面が相互に完全に並び、かつ十分な圧力を生成して封止経路の全長に沿った連続的シールを作出する場合には耐えられるであろうが、知られている電池３０の位置合わせおよびスタック１の組立体の予測できない変化は、位置合わせのずれおよび多数の間隙（およびこれに伴う漏出）が特に屈曲部および湾曲部の周辺域に存在するであろうことを意味する。本発明者は、マイクロシール１１０の形状の縦横比ηを増大させる第１の調整可能な設計ノブに関連して上記において考察された図７に示すドーム状（すなわち凸状）のマイクロシール１１０は、多くのエラストマー堆積工程の自然の副産物であり、かつ、このことからスタック１の形成と関連する予期された圧縮範囲全体にわたる接触を維持するのに適していることを確認した。このマイクロシール１１０の偶然発見された使用法は、係合表面１０７の幅の実質上全体にわたって接触圧力をよりよく分散させるのに役立ち、これはさらに、前述の有効パラメータの１つまたは複数を向上させる。図６は、図７に示すスクリーン印刷のマイクロシール１１０によって改善され得る、金属ビード１０５の係合表面１０７の頂部に形成されるこの自然の間隙を示す。図示される概念的な実施形態において、全高の一部分は全体的に矩形の輪郭を画定し、別の部分は図６に示す間隙Ｇを埋めるために用いられ得る。図６は金属ビード１０５とサブガスケット７５との間の間隙Ｇの形成を示すが、このような間隙Ｇはサブガスケット７５が存在しない構成においても形を成し得ることが認識されよう。すなわち、このような構成は互いに直接的に配置される隣接して向かい合う金属ビードシール１０５を含んでよく、これにより、対応する係合表面１０７間で形成される空間もまた、本発明によって改善され得る状況であると考えられる。
【００４１】
[0030]好ましい形態において、マイクロシール１１０は、ポリアクリレート、アルハイドレイトされたクロロスルフォン化ポリエチレン、エチレンアクリル、クロロプレン、クロロスルフォン化ポリエチレン、エチレンプロピレン、エチレン酢酸ビニル、パーフルオロエラストマー、フッ化炭素、フッ化ケイ素、水素化ニトリル、ポリイソプレン、微孔性ポリウレタン、ニトリルゴム、天然ゴム、ポリウレタン、スチレンブタジエンゴム、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）／プロピレン、ケイ素、カルボキシル化ニトリル、または同種のものを含むさまざまな弾性プラスチックまたは弾性材料で作られてよく、当技術分野において知られているスクリーン印刷工程によって加えられるのが好ましいが、パッド印刷、射出成形または他の堆積技術など他のアプローチが用いられてもよい。
【００４２】
[0031]本明細書において、「好ましくは（ｐｒｅｆｅｒａｂｌｙ）」、「全体的に、一般的に（ｇｅｎｅｒａｌｌｙ）」および「典型的に、通常（ｔｙｐｉｃａｌｌｙ）」などの用語は、特許請求される本発明の範囲を限定するために用いられるわけではなく、または、ある特徴が特許請求される本発明の構造または機能にとって重要、不可欠であり、さらに重大であることを意味するために用いられるわけでもないことが留意される。むしろ、これらの用語は、本発明の特定の実施形態において用いられ得る、または用いられ得ない代替または追加の特徴を強調することが意図されるにすぎない。
【００４３】
[0032]本発明を説明および明確にする目的で、「実質的に、略（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」および「おおよそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語ならびにこれらの異形の用語は、本明細書において、何らかの量的比較、値、測定値または他の表示に起因し得る固有の不確定性の度合を表すために用いられることが留意される。本明細書において、「実質的に、略」という用語はさらに、問題となっている主題の基本的機能の変化を結果的にもたらすことなく、量的表示が述べられた参照内容とは異なり得る度合を表すためにも用いられる。
【００４４】
[0033]本発明について詳細に、かつ特定の実施形態を参照することによって説明してきたが、それでもなお、添付の特許請求の範囲において定められる本発明の範囲から逸脱することなく修正形態および変形形態が可能であることが明らかとなろう。詳細には、本発明の範囲は、述べられた好ましい態様および例示された実施形態に必ずしも限定されるわけではなく、添付の特許請求の範囲によって決定されるべきものであると考えられる。
【符号の説明】
【００４５】
１  スタック、燃料電池スタック
５  筐体
１０  ドライエンドユニットプレート
１５  ウェットエンドユニットプレート
２０  側壁板
２５  剛体ブラケット素子、ブラケット素子
３０  燃料電池、電池
３５  プロトン交換膜、膜
４０  アノード触媒層、触媒層、電極触媒層、アノード
４５  カソード触媒層、触媒層、電極触媒層、カソード
５０  ＭＥＡ（膜電極接合体）
５５  アノード拡散層、拡散層
６０  カソード拡散層、拡散層
６５  双極プレート、プレート、双極プレート組立体
６５Ａ  プレート、ハーフプレート、アノードハーフプレート
６５Ｂ  プレート、ハーフプレート、第２のハーフプレート、カソードハーフプレート
７０  反応ガス流れチャネル、チャネル、ガス流れチャネル
７２  ランド
７５  サブガスケット
８０  活性領域
８５  マニホルド領域
９０  縁部
９５  縁部
１００  ヘッダ
１０５  金属ビード、金属ビードシール
１０７  係合表面
１１０  マイクロシール
１１０Ａ  マイクロシール変形形態、第１のマイクロシール、マイクロシール
１１０Ｂ  変形形態、マイクロシール変形形態、第２のマイクロシール、マイクロシール
１１５  ＭＢＳ（金属ビードシール）
Ｇ  間隙
【図１】
2018129164.tif 000011
【図２】
2018129164.tif 000012
【図３】
2018129164.tif 000013
【図４】
2018129164.tif 000014
【図５】
2018129164.tif 000015
【図６】
2018129164.tif 000016
【図７】
2018129164.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成29年6月8日(2017.6.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システム用の双極プレート組立体であって、
その少なくとも１つの表面から突出する、一体形成される金属ビードをそれぞれが備える一対のプレートと、
前記一対のプレートのうちの少なくとも１つの前記金属ビードのうちの少なくとも１つの係合表面に配置されるマイクロシールと、
前記一対のプレート間に配置される膜電極接合体と、
前記一対のプレート間で、前記マイクロシールに対して、かつ前記膜電極接合体の周りに周縁的に配置されて、実質的な（ａ）前記膜電極接合体に形成されたアノードとカソードとの間の電気的絶縁、および（ｂ）前記一対のプレート間の流体分離を可能にするサブガスケットとを含む組立体。
【請求項２】
前記マイクロシールと関連する少なくとも１つの設計パラメータは前記プレートのうちの少なくとも１つによって前記マイクロシールに課される空間的制約を定め、前記少なくとも１つの設計パラメータは（ａ）ポアソン比、（ｂ）縦横比および（ｃ）表面の摩擦性または付着性からなる群から選択される、請求項１に記載の組立体。
【請求項３】
前記マイクロシールは約０．５以下の縦横比を定める、請求項２に記載の組立体。
【請求項４】
前記マイクロシールは約０．４７から０．４９７のポアソン比を定める、請求項３に記載の組立体。
【請求項５】
有効剛性は
【数１】
2018129164.tif 000018
と定められ、
ここで、
【数２】
2018129164.tif 000019
Ｆは前記マイクロシールに加えられる力の量を定め、ａ’は前記マイクロシールの係合される幅を定め、αは前記マイクロシールの位置合わせのずれの量を定め、ｈ’は前記マイクロシールの係合される高さを定め、ηは前記マイクロシールの縦横比に等しい、請求項２に記載の組立体。
【請求項６】
双極プレート組立体を組み立てる方法であって、
燃料電池のそれぞれが、
その少なくとも１つの表面から突出する、一体形成される金属ビードをそれぞれが備える一対のプレートと、
前記一対のプレートのうちの少なくとも１つの前記金属ビードのうちの少なくとも１つの係合表面に配置されるマイクロシールと、
前記一対のプレート間に配置される膜電極接合体と、
前記一対のプレート間で、前記マイクロシールに対して、かつ前記膜電極接合体の周りに周縁的に配置されて、実質的な（ａ）前記膜電極接合体に形成されたアノードとカソードとの間の電気的絶縁、および（ｂ）前記一対のプレート間の流体分離を可能にするサブガスケットとを含む双極プレート組立体を含む複数の燃料電池を積重ね軸に沿って位置合わせするステップ、
前記積重ね軸に沿って前記位置合わせされた燃料電池に圧縮力を加えるステップ、および、
前記圧縮力を維持しつつ、前記位置合わせされた燃料電池を筐体内で固定するステップを含む方法。
【請求項７】
前記マイクロシールと関連する少なくとも１つの設計パラメータは前記プレートのうちの少なくとも１つによって前記圧縮力の間に前記マイクロシールに課される空間的制約を定め、前記少なくとも１つの設計パラメータは（ａ）ポアソン比、（ｂ）縦横比および（ｃ）表面の摩擦性または付着性からなる群から選択される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ポアソン比は、（ａ）前記マイクロシールの材料選択、（ｂ）前記マイクロシールの前駆体に加えられる充填剤材料、および（ｃ）前記マイクロシール内の気泡形成のうちの少なくとも１つのパラメータ変動によって調整される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記縦横比は、（ａ）前記マイクロシールによって形成されるドーム輪郭、（ｂ）前記マイクロシールの厚さ調整、および（ｃ）前記マイクロシールの隣り合う対の間の幅の変化のうちの少なくとも１つのパラメータ変動によって調整される、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記表面の摩擦性または付着性の調整は、（ａ）前記サブガスケットの材料選択、（ｂ）前記サブガスケットに形成される表面の粗さ、および（ｃ）前記サブガスケットと前記マイクロシールとの間に減摩剤を加えることのうちの少なくとも１つのパラメータ変動によって達成される、請求項７に記載の方法。
【外国語明細書】
2018129164000001.pdf