(57)【要約】  成形多部品フローフィールド構造は、第１のポリマーを含む導電性材料で形成された成形フローフィールド板を含む。成形フレームは、フローフィールド板の周囲に配置され、第２のポリマーを含む非導電性材料で形成されている。成形フローフィールド板とフレームは、好ましくは、単極フローフィールド構造を画定している。マニホルドが成形フレームに形成され、成形ガスケット機構が、マニホルドの周囲に近接配置されている。成形カップリング機構を形成して、フレームから延在させ、フローフィールド構造を他の単極フローフィールド構造と結合して、単極フローフィールド構造の連続ウェブを画定するように構成されている。
2007516581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のポリマーを含む導電性材料で形成された成形フローフィールド板と、
前記フローフィールド板周囲に配置され、第２のポリマーを含む非導電性材料で形成された成形フレームと、
前記成形フレームに形成された複数のマニホルドと、
前記マニホルドの周囲に近接配置された成形ガスケット機構と
を含み、前記成形フローフィールド板とフレームが単極フローフィールド構造を画定している、燃料電池アセンブリに用いるフローフィールド構造。
【請求項２】
第１のポリマーを含む導電性材料で形成された成形フローフィールド板と、
前記フローフィールド板周囲に配置され、第２のポリマーを含む非導電性材料で形成された成形フレームと、
前記フレームから延在している成形カップリング機構と
を含み、前記成形フローフィールド板とフレームが単極フローフィールド構造を画定しており、
前記成形カップリング機構が、前記単極フローフィールド構造を、他の単極フローフィールド構造に結合して、前記単極フローフィールド構造の連続ウェブを画定するように構成されている、燃料電池アセンブリに用いるフローフィールド構造。
【請求項３】
前記フレームが、複数の成形マニホルドと、前記複数のマニホルドの周囲に近接配置されたガスケット機構とを含む請求項２に記載の構造。
【請求項４】
前記単極フローフィールド構造の前記ウェブが、前記単極フローフィールド構造のロールグッドを形成するのに十分に可撓性である請求項２または３に記載の構造。
【請求項５】
前記ガスケット機構が、前記第２のポリマーを含む非導電性材料で形成されている請求項１または３に記載の構造。
【請求項６】
前記ガスケット機構が、前記第２のポリマーとは異なる第３のポリマーを含む非導電性材料で形成されている請求項１または３に記載の構造。
【請求項７】
第１のポリマーを含む導電性材料を用いて、フローフィールド板と、前記フローフィールド板内にマニホルドとを成形する工程と、
第２のポリマーを含む非導電性材料を用いて前記フローフィールド板周囲にフレームを成形する工程と、
前記マニホルドの周囲に近接してガスケット機構を成形する工程と
を含む燃料電池アセンブリに用いるフローフィールド構造の製造方法。
【請求項８】
第１のポリマーを含む導電性材料を用いてフローフィールド板を成形する工程と、
第２のポリマーを含む非導電性材料を用いて前記フローフィールド板周囲にフレームを成形し、前記成形フローフィールド板とフレームが単極フローフィールド構造を画定するようにする工程と、
単極フローフィールド構造と、他の単極フローフィールド構造の間にカップリング機構を成形して前記単極フローフィールド構造の連続ウェブを画定する工程と
を含む燃料電池アセンブリに用いるフローフィールド構造の製造方法。
【請求項９】
前記フローフィールド板の成形と前記フレームの成形が同時に行われる請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
前記フローフィールド板と前記フレームの成形を単一の成形機で行い、
前記フローフィールド板の成形を第１の成形ショット中に行い、
前記フレームの成形を第２の成形ショット中に行い、
前記成形機が、前記第１および前記第２の成形ショット中、およびその間閉じたままである請求項７または８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に係り、特に、不連続なロールグッド燃料電池アセンブリに用いる成形フローフィールド構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な燃料電池システムは、１つ以上の燃料電池が電力を生成する電力部を含む。燃料電池は、水素および酸素を水へと変換して、プロセス中電力と熱を生成するエネルギー変換装置である。各燃料電池ユニットは、中心にプロトン交換部材と、プロトン交換部材の各側に近接する電極と、触媒層に近接するガス拡散層とを含む。アノードとカソード単極または二極板は、それぞれ、ガス拡散層の外側に配置されている。
【０００３】
単一燃料電池の反応により１ボルト未満が生成される。複数の燃料電池を積み重ねて、直列に電気的に接続すると所望の電圧が得られる。電流は、燃料電池スタックから集められ用いられて負荷を駆動する。燃料電池を、自動車からラップトップコンピュータに及ぶ様々な用途に電力を供給するのに用いてもよい。
【０００４】
確立されたエネルギー生成技術としての燃料電池の有効性は、材料および製造コストを減じて、より高い処理量を与える新規な製造技術に大いに依存している。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、燃料電池アセンブリに用いるフローフィールド構造に関する。特に、本発明は、好ましくは単極またはモノポーラー構成（二極構成も考えられるものである）を有する成形多部品フローフィールド構造に関する。一実施形態によるフローフィールド構造は、第１のポリマーを含む導電性材料で形成された成形フローフィールド板を含む。成形フレームは、フローフィールド板の周囲に配置され、第２のポリマーを含む非導電性材料で形成されている。マニホルドが成形フレームに形成され、成形ガスケット機構が、マニホルドの周囲に近接配置されている。
【０００６】
他の実施形態によれば、燃料電池アセンブリに用いるフローフィールド構造は、第１のポリマーを含む導電性材料で形成された成形フローフィールド板と、フローフィールド板周囲に配置され、第２のポリマーを含む非導電性材料で形成された成形フレームとを含む。成形カップリング機構はフレームから延在している。成形カップリング機構は、単極フローフィールド構造を他の単極フローフィールド構造と結合して、単極フローフィールド構造の連続ウェブを画定するよう構成されている。
【０００７】
更なる実施形態によれば、燃料電池アセンブリに用いるフローフィールド構造の製造方法は、フローフィールド板と、フローフィールド板のマニホルドを、第１のポリマーを含む導電性材料を用いて成形する工程を含む。フレームは、第２のポリマーを含む非導電性材料を用いてフローフィールド板周囲で成形される。ガスケット機構は、マニホルド周囲近傍で成形される。
【０００８】
他の実施形態によれば、燃料電池アセンブリに用いるフローフィールド構造の製造方法は、第１のポリマーを含む導電性材料を用いてフローフィールド板を成形する工程と、フローフィールド板の周囲に、第２のポリマーを含む非導電性材料を用いてフレームを成形する工程とを含む。本方法は、フローフィールド構造と他のフローフィールド構造の間にカップリング機構を成形して、フローフィールド構造の連続ウェブを画定する工程を更に含む。
【０００９】
本発明の上記概要は、各実施形態または本発明のそれぞれの実施を説明することを意図するものではない。利点および達成されたものは、本発明のより完全な理解と共に、図面と組み合わせて、以下の詳細な説明および特許請求の範囲を参照することにより明白となり、理解されるであろう。
【００１０】
本発明は様々な修正および変形形態に訂正可能であるが、その特定例については、図面に例示されておりこれについて詳細に説明する。しかしながら、記載した特定の実施形態に本発明を限定することを意図したものではないものと考えられる。逆に、付随の請求項により定義される本発明の範囲内に含まれる全ての修正、等価物および変形を含むものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
例示の実施形態の以下の説明において、その一部を形成する添付の図面と本発明を実施する様々な実施形態を参照する。実施形態を利用して、構造上の変更を本発明の範囲から逸脱することなく行えるものと考えられる。
【００１２】
本発明の成形多部品フローフィールド構造は、様々なタイプ、構成および技術の燃料電池アセンブリに組み込まれる。成形した多部品フローフィールド構造は、単極またはモノポーラー構成を有しているのが好ましい。本発明の単極フローフィールド構造を、１つ以上のその他の単極フローフィールド構造と共に用いて、様々な構成の燃料電池アセンブリを構築してもよい。本発明の単極フローフィールド構造を、１つ以上の二極フローフィールド構造と共に用いて、様々な構成の燃料電池アセンブリを構築してもよい。本発明の成形多部品フローフィールド構造は、単極構成で本明細書に記載されているが、二極フローフィールド構造を本発明の原理に従って構築してもよいものと考えられる。従って、単極と、二極と、単極および二極の両方とのフローフィールド構造を組み込んだ燃料電池アセンブリの様々な実施形態を、例示の目的で後述するが、これらに限られるものではない。
【００１３】
一般的な燃料電池を図１Ａに示す。燃料電池は、水素燃料および空気からの酸素を結合して、電力、熱および水を生成する電気化学装置である。燃料電池は、燃焼は利用しない。このように、燃料電池は、あったとしても少量しか危険な排出物を生成しない。燃料電池は、水素燃料および酸素を直接電力に変換し、例えば、内燃発電機よりも高効率で操作することができる。
【００１４】
図１Ａに示す燃料電池１０は、アノード１４に近接する第１の流体移動層（ＦＴＬ）１２を含む。ＦＴＬはまた、ガス拡散層（ＧＤＬ）または拡散器／集電器（ＤＣＣ）とも呼ばれる。アノード１４に近接しているのは電解質膜１６である。カソード１８は電解質膜１６に近接配置され、第２の流体移動層１９はカソード１８に近接配置される。動作に際して、水素燃料を、燃料電池１０のアノード部分へ導入し、第１の流体移動層１２を通過してアノード１４へ通す。アノード１４で、水素燃料は、水素イオン（Ｈ+）と電子（ｅ-）に分離される。
【００１５】
電解質膜１６は、水素イオンまたはプロトンのみを電解質膜１６を通過させて、燃料電池１０のカソード部分へ通す。電子は、電解質膜１６を通過できず、その代わりに、電流の形態で外部電気回路を通って流れる。この電流は、電気モータなどの電気負荷１７に電力を供給する、または充電式バッテリなどのエネルギー貯蔵装置に向けられる。
【００１６】
酸素は、第２の流体移動層１９を介して燃料電池１０のカソード側へ流れる..........KK。酸素がカソーZZド１８を通過するにつれて、酸素、プロトンおよび電子が結合して、水と熱を生成する。
【００１７】
図１Ａに示すような個々の燃料電池は、単体燃料アセンブリとしてパッケージすることができる。本明細書において単体電池アセンブリ（ＵＣＡ）と呼ばれる単体燃料電池アセンブリを他の多くのＵＣＡと組み合わせて、燃料電池スタックを形成することができる。ＵＣＡは、直列に電気的に接続されてもよく、スタック内のＵＣＡの数が、該スタックの合計電圧を決め、各電池の有効表面積が合計電流を決める。ある燃料電池スタックにより生成される合計電力は、合計スタック電圧を合計電流に乗算することにより求めることができる。
【００１８】
数多くの異なる燃料電池技術を用いて、本発明の原理に従って、ＵＣＡを構築することができる。例えば、本発明のＵＣＡパッケージング法を用いて、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池アセンブリを構築することができる。ＰＥＭ燃料電池は、比較的低温（約１７５°Ｆ／８０℃）で動作し、高電力密度を有し、電力需要の変化に適合すべく即時に出力を変更でき、例えば、自動車などの即時の始動が必要とされる用途に好適である。
【００１９】
ＰＥＭ燃料電池に用いるプロトン交換膜は、一般的に、水素イオンが通過できる一般的に薄いプラスチックシートである。膜は、一般的に、活性触媒である高分散金属または金属合金粒子（例えば、白金または白金／ルテニウム）で両側にコートされている。用いる電解質は、一般的に固体の過フッ素化スルホン酸ポリマーである。固体電解質を用いると、腐食および管理の問題を減じるため有利である。
【００２０】
水素を燃料電池のアノード側に供給する。そこでは水素原子が電子を放出して水素イオン（プロトン）となることを触媒が促進する。電子は、酸素が導入される燃料電池のカソード側に戻る前に利用可能な電流の形態で移動する。同時に、プロトンは膜を通してカソードに拡散し、そこでは水素イオンが再結合して、酸素と反応して水を生成する。
【００２１】
膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、水素燃料電池などのＰＥＭ燃料電池の主要な要素である。上述した通り、一般的なＭＥＡは、固体電解質として機能するポリマー電解質膜（ＰＥＭ）（イオン導電性膜（ＩＣＭ）としても知られている）を含む。
【００２２】
ＰＥＭの一面はアノード電極層と接触しており、対向面はカソード電極層と接触している。各電極層は、電気化学触媒、一般的に、白金金属を含む。流体輸送層（ＦＴＬ）は、アノードおよびカソードの電極材料への／からのガスの移動を促進し、電流を伝導する。
【００２３】
代表的なＰＥＭ燃料電池において、プロトンは水素酸化によりアノードで形成され、カソードに移動して、酸素と反応することによって、電流が電極を接続する外部回路を流れる。アノードおよびカソード電極層は、完成ＭＥＡにおいてＰＥＭとＦＴＬとの間に配置される限りは、製造中ＰＥＭまたはＦＴＬに適用してもよい。
【００２４】
任意の好適なＰＥＭを本発明の実施に用いてよい。ＰＥＭの厚さは５０μｍ未満、より一般的には４０μｍ未満、さらに一般的には３０μｍ未満、最も一般的には約２５μｍ未満である。ＰＥＭは、一般的に、例えば、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標）（デラウェア州ウィルミントンのデュポンケミカルズ（ＤｕＰｏｎｔ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ  ＤＥ））およびフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標）（日本、東京の旭硝子社（Ａｓａｈｉ  Ｇｌａｓｓ  Ｃｏ．  Ｌｔｄ．，Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ））などの酸官能性フルオロポリマーであるポリマー電解質から構成されている。本発明に有用なポリマー電解質は一般的に、テトラフルオロエチレンと１種類以上のフッ素化酸官能性コモノマーのコポリマーである。
【００２５】
一般的に、ポリマー電解質はスルホネート官能性基を含む。最も一般的にはポリマー電解質はナフィオン（登録商標）である。ポリマー電解質の酸等量は一般的に１２００以下、より一般的には１１００、最も一般的には約１０００である。
【００２６】
任意の好適なＦＴＬを本発明の実施に用いてよい。一般的に、ＦＴＬは、カーボンファイバーを含むシート材料から構成されている。ＦＴＬは、織および不織カーボンファイバー構造から選択される一般的に、カーボンファイバー構造である。本発明の実施に有用なカーボンファイバー構造としては、東レ（Ｔｏｒａｙ）カーボン紙、スペクトラカーブ（ＳｐｅｃｔｒａＣａｒｂ）カーボン紙、ＡＦＮ不織カーボン布、ゾルテック（Ｚｏｌｔｅｋ）カーボン布等が挙げられる。ＦＴＬは、カーボン粒子コーティング、親水性処理およびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）によるコーティングといった疎水性処理をはじめとする様々な材料でコートまたは含浸してもよい。
【００２７】
任意の好適な触媒を本発明の実施に用いてよい。一般的に、炭素担持触媒粒子が用いられる。代表的な炭素担持触媒粒子は、炭素５０〜９０重量％および触媒金属１０〜５０重量％であり、触媒金属は、カソードはＰｔを含み、アノードは２：１の重量比でＰｔおよびＲｕを含む。触媒は、一般的に、触媒インクの形態でＰＥＭまたはＦＴＬに適用される。触媒インクは、一般的にポリマー電解質材料を含んでおり、これはＰＥＭを含む同じポリマー電解質材料であってもなくてもよい。
【００２８】
触媒インクは一般的にポリマー電解質の分散液中の触媒粒子の分散液を含む。インクは一般的に５〜３０％の固体（すなわち、ポリマーおよび触媒）、より一般的には１０〜２０％の固体を含む。電解質分散液は一般的に水性分散液であり、さらにアルコール、グリセリンやエチレングリコールなどのポリアルコール、またはＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）およびジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）などのその他の溶剤を含有していてもよい。水、アルコールおよびポリアルコール含量を調整してインクの流動特性を変えてもよい。インクは一般的に０〜５０％のアルコールと０〜２０％のポリアルコールとを含有している。さらに、インクは０〜２％の好適な分散剤を含有していてもよい。インクは一般的に熱を加えて攪拌した後、希釈するとコート可能な粘稠度を有するようになる。
【００２９】
触媒は、ハンドブラッシング、ノッチバーコーティング、流体含有ダイコーティング、巻き線ロッドコーティング、流動含有コーティング、スロット供給ナイフコーティング、３本ロールコーティングまたは転写印刷を含む手動と機械による方法の両方をはじめとする好適な手段によりＰＥＭまたはＦＴＬに適用してよい。コーティングは、一回の適用、または複数回の適用で行ってよい。
【００３０】
直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、ポリマー膜を電解質として用いるという点でＰＥＭ電池と類似である。しかしながら、ＤＭＦＣにおいては、アノード触媒そのものは、水素を液体メタノール燃料から引くため、燃料改質剤の必要性が排除される。ＤＭＦＣは、一般的に、１２０〜１９０°Ｆ／４９〜８８℃の温度で動作する。直接メタノール燃料電池は、本発明の原理に従って、ＵＣＡパッケージすることができる。
【００３１】
図１Ｂに、ＰＥＭ燃料電池技術によって実施されたＵＣＡの実施形態を示す。図１Ｂに示す通り、ＵＣＡ２０の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）２５は５つの成分層を含む。ＰＥＭ層２２は、一対の流体輸送層２４と２６との間に挟まれている。アノード３０は第１のＦＴＬ２４と膜２２との間に位置し、カソード３２は膜２２と第２のＦＴＬ２６との間に位置している。
【００３２】
ある構成において、ＰＥＭ層２２は、一方の表面にアノード触媒コーティング３０を、もう一方の表面にカソード触媒コーティング３２を含むように製造される。この構造は、触媒コート膜またはＣＣＭと呼ばれることが多い。他の構造によれば、第１および第２のＦＴＬ２４、２６は、それぞれアノードとカソード触媒コーティング３０、３２を含むように製造される。更に他の構成において、アノード触媒コーティング３０は、第１のＦＴＬ２４に部分的に、そしてＰＥＭ２２の一表面に部分的に配置でき、カソード触媒コーティング３２は、第２のＦＴＬ２６に部分的に、そしてＰＥＭ２２の他の表面に部分的に配置することができる。
【００３３】
ＦＴＬ２４、２６は、一般的に、カーボンファイバー紙または不織材料または織布から製造される。製品構造に応じて、ＦＴＬ２４、２６は片側にカーボン粒子コーティングを有することがある。ＦＴＬ２４、２６は、上述した通り、触媒コーティングを含める、または排除するように製造することができる。
【００３４】
図１Ｂに示した特定の実施形態において、ＭＥＡ２５は、第１の端部シールシステム３４と第２の端部シールシステム３６との間に挟まれているのが図示されている。第１および第２の端部シールシステム３４および３６に近接しているのは、それぞれフローフィールド板４０と４２である。フローフィールド板４０、４２はそれぞれ、水素と酸素供給燃料が通過するガスフローチャネル４３とポートとのフィールドを含んでいる。図１Ｂに図示する構成において、フローフィールド板４０、４２は、モノポーラーフローフィールド板と呼ばれることもある単極フローフィールド板として構成されており、単一ＭＥＡ２５がその間に挟まれている。
【００３５】
一般的な用語で、図２に示すように、単極フローフィールド板とは、フローフィールド側４７と冷却側４５を有するフローフィールド構造のことを指す。上述した通り、フローフィールド側４７は、水素または酸素供給燃料が通過するガスフローチャネルとポートとのフィールドを組み込んでいる。本およびその他の実施形態におけるフローフィールドは、２００１年９月１７日出願の共有同時係属米国特許出願第０９／９５４，６０１号明細書に開示された低側方フラックスフローフィールドであってもよい。
【００３６】
冷却側４５は、一体型冷却チャネルなどの冷却構成を組み込む。あるいは、冷却側４５は、例えば、冷却剤が通過する冷却ブロックまたはブラダー、またはヒートシンク要素などの別個の冷却要素と接触するように構成してもよい。様々な有用な燃料電池冷却方法が、２００２年１１月１５日出願の共有同時係属米国特許出願「単体燃料電池アセンブリと冷却装置（Ｕｎｉｔｉｚｅｄ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  ａｎｄ  Ｃｏｏｌｉｎｇ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ）」第１０／２９５，５１８号明細書に記載されている。単極フローフィールド板４０、４２は、本明細書に記載した多部品成形法に従って構築するのが好ましい。
【００３７】
図１Ｂに戻ると、端部シールシステム３４、３６は、ＵＣＡパッケージ内に必要なシーリングを与えて、様々な流体（ガス／液体）移動および反応領域を、互いによる汚染から、そしてＵＣＡ２０から不適切に出ないよう単離し、フローフィールド板４０、４２の間を絶縁し、ハードストップ圧縮制御する。本明細書で用いる「ハードストップ」という用語は、動作圧力および温度で厚さが大幅に変化しない、ほとんど、または実質的に圧縮されない材料のことを指す。より具体的には、「ハードストップ」という用語は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の圧縮を固定した厚さまたは歪みで止める、ＭＥＡ中の実質的に圧縮されない部材または層のことを指す。本明細書で言及する「ハードストップ」とは、イオン導電性膜層、触媒層またはガス拡散層のことを意味するものではない。
【００３８】
ある構成において、端部シールシステム３４、３６は、エラストマー材料から形成されたガスケットシステムを含む。他の構成において、様々な選択した材料の１層、２層以上の層を用いて、ＵＣＡ２０内に必要なシーリングを提供することができる。かかる材料としては、例えば、テフロン（登録商標）（ＴＥＦＬＯＮ（登録商標））、テフロン（登録商標）（ＴＥＦＬＯＮ（登録商標））で含浸したファイバーガラス、エラストマー材料、ＵＶ硬化性ポリマー材料、表面テクスチャー材料、多層複合材材料、シール剤およびシリコン材料が挙げられる。その他の構成は、２００２年１１月０１日出願の共有同時係属米国特許出願「単体燃料電池アセンブリ（Ｕｎｉｔｉｚｅｄ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）」第１０／２９５，２９２号明細書および前に参照した２００２年１１月１５日出願の第１０／２９５，５１８号明細書に記載されたものなどのインサイチュで形成されたシールシステムを用いる。
【００３９】
他の構成において、ガスケット機構は、フローフィールド板４０、４２に組み込まれ、成形プロセス中に形成される。詳細を後述してある、ある方法によれば、フローフィールド板４０、４２を成形して、フローフィールド板４０、４２に与えたマニホルドにガスケット機構を含める。ガスケット機構は、フローフィールド板４０、４２の成形中および後の成形プロセス中に形成してもよい。ガスケット機構は、例えば、成形フローフィールド板４０または４２の１つ以上の隆起成形セグメントを含んでいてもよい。他の方法において、１つ以上のチャネルを、１つ以上のガスケット（例えば、ｏ−リング）を挿入するフローフィールド板４０、４２へと成形してもよい。かかるガスケットは、それぞれ、２００２年１１月１４日出願の同時係属出願第１０／２９４，０９８号明細書に開示された独立気泡発泡ゴムガスケットであってもよい。後述する他の実施形態において、ガスケット機構は、隆起リッジ微細構造シーリングパターンを有する接触面を備えたフローフィールド板４０、４２へと成形してもよい。
【００４０】
ある構成において、図１Ｂに示すタイプの別個の端部シールシステムのガスケットシステムは必要ない。別個の端部シールは、フローフィールド板４０、４２へと成形されるガスケット機構と組み合わせて用いてもよい。あるいは、フローフィールド板４０、４２を形成または後に処理して、マニホルドガスケット機構の組み込みに加えて、端部シーリングを与えて、図１Ｂに示すタイプの別個の端部シールシステムの必要性を排除してもよい。
【００４１】
図１Ｃに、単極フローフィールド板と１つ以上の二極フローフィールド板５６を用いることにより多数のＭＥＡ２５を組み込んだＵＣＡ５０を示す。図１Ｃに示す構成において、ＵＣＡ５０は２つのＭＥＡ２５ａおよび２５ｂと、単一の二極フローフィールド板５６を組み込んでいる。ＭＥＡ２５ａは、ＦＴＬ６６ａと６４ａとの間に挟まれたカソード６２ａ／膜６１ａ／アノード６０ａ層状構造を含む。ＦＴＬ６６ａは、フローフィールド端部板５２に近接配置されており、単極フローフィールド板として構成されている。ＦＴＬ６４ａは、二極フローフィールド板５６の第１のフローフィールド表面５６ａに近接配置されている。
【００４２】
同様に、ＭＥＡ２５ｂは、ＦＴＬ６６ｂと６４ｂとの間に挟まれたカソード６２ｂ／膜６１ｂ／アノード６０ｂ層状構造を含む。ＦＴＬ６４ｂは、フローフィールド端部板５４に近接配置されており、単極フローフィールド板として構成されている。ＦＴＬ６６ｂは、二極フローフィールド板５６の第２のフローフィールド表面５６ｂに近接配置されている。Ｎ個のＭＥＡ２５およびＮ−１個の二極フローフィールド板５６を単一ＵＣＡ５０に組み込むことができるものと考えられる。しかしながら、通常、より効率的な熱管理については、１または２つのＭＥＡ５６（Ｎ＝１、二極板＝０またはＮ＝２、二極板＝１）を組み込んだＵＣＡ５０が好ましいと考えられる。前述した通り、ＵＣＡの一つ又は複数の二極板は、本発明の多部品成形法により構築してもよく、または従来の構造としてよい。
【００４３】
図１Ｂおよび１Ｃに示したＵＣＡ構成は、本発明で用いるのに実施可能な２つの特定の構成の代表例である。これら２つの構成は、例示の目的でのみ与えられており、本発明の範囲に入る可能な構造の全てを表すものではない。図１Ｂおよび１Ｃは、本発明の原理に従ってパッケージされる単体燃料電池アセンブリに選択的に組み込むことのできる様々な構成要素を例示するためのものである。
【００４４】
図３に、本発明によるフローフィールド構造の実施形態を示す。図３に、単極構成を有するフローフィールド構造１００を示す。本実施形態によるフローフィールド構造１００は、フローフィールド板１０２とフレーム１０４とを含む多部品構造である。フローフィールド板１０２は導電性材料で形成されており、フレーム１０４は非導電性材料で形成されている。フローフィールド板１０２とフレーム１０４は、好ましくは、ポリマー材料から形成された成形構造である。ポリマー材料は、特徴が同じであっても異なってもよい。
【００４５】
例えば、フローフィールド板１０２とフレーム１０４は、同じベース樹脂または異なる樹脂から形成することができる。フローフィールド板１０２とフレーム１０４に異なる材料を用いると、最良の特性および最小のコストの材料を、フローフィールド構造１００の各機能領域に用いることができる。好適な材料としては、エラストマー材料、熱硬化性および熱可塑性材料が挙げられるがこれらに限られるものでも網羅的なものでもない。フレームは、好ましくは、エポキシ、ウレタン、アクリレート、ポリエステルまたはポリプロピレンでできており、フローフィールド板は、これらと同じ材料またはポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシドなどの高温樹脂でできている。フレームは、熱可塑性ウレタン（ＴＰＵ）などのエラストマーでできており、フローフィールド板は射出成形可能な等級のグラファイト付勢熱可塑材でできているのが最も好ましい。ある例示の構成において、フローフィールド板１０２は、グラファイトなどの導電性フィラーまたは炭素質導電性フィラーで高充填された熱硬化性材料からできていてもよい。フレーム１０４は、熱可塑性材料から形成されていてもよい。他の例示の構成において、フローフィールド板１０２とフレームの両方が熱可塑性ベース材料から形成されている。
【００４６】
フローフィールド構造１００は、成形技術の１つまたは組み合わせを用いて成形してもよい。更に、フローフィールド板１０２とフレーム１０４は、同じ機械または異なる成形機で成形してもよい。更に、フローフィールド板１０２とフレーム１０４は、第１の材料ショットを介してフローフィールド板１０２を成形した後すぐに、第２の材料ショットを介してフレーム１０４を形成することによる等して共通の成形機で同時に成形してもよい。第１および第２のショットは同じ成形機で行っても異なる機械で行ってもよい。同様に、第１および第２のショットは、第１のショットと第２のショットとの間に鋳型を開けずに同じ成形機で行ってもよい。
【００４７】
数多くの成形技術を用いて、本発明の多部品フローフィールド構造１００の成形に用いるのに修正してもよい。かかる成形技術としては、例えば、圧縮成形、射出成形、トランスファー成形および圧縮射出成形が挙げられる。ある方法によれば、フローフィールド板１０２は、圧縮成形技術を用いて形成し、フレーム１０４は射出成形技術を用いて形成してもよい。フローフィールド板１０２とフレーム１０４の両方を、射出成形技術を用いて形成するのが好ましい。
【００４８】
一例として、高充填材料を圧縮成形して、フローフィールド板１０２を形成してもよい。形成したら、フローフィールド板１０２は、自動的に、または手動補佐によりインサートとして射出成形機に移動する。フレーム１０４は、フローフィールド板インサート周囲で射出成形してもよい。他の方法において、高充填材料を射出成形して、フローフィールド板１０２を形成してもよい。充填されない材料をフローフィールド板１０２周囲で射出成形して、フレーム１０４を形成してもよい。これは、同じ鋳型または異なる鋳型で行ってもよい。
【００４９】
更に他の方法において、共通の鋳型内で２つのショット方法を用いる。一つの材料を第１のショットにおいて射出成形してフローフィールド板１０２とフレーム１０４の一方を形成し、第２の材料を第２のショットで射出成形してフローフィールド板１０２とフレーム１０４の他方を形成する。第２の材料ショットは、第１の材料ショットが略硬化した後に分配してもよい。鋳型は、第１と第２の材料ショットの間で開けても開けなくてもよい。
【００５０】
図４〜６に、本発明の成形フローフィールド構造に組み込まれる様々な特徴点を示す。図４〜６は、図３に示すフローフィールド板１０２とフレーム１０４の一部のＡ−Ａ断面図である。ある実施形態において、図４〜６に示した特徴点の全てを成形フローフィールド構造に組み込んでもよいものと考えられる。他の実施形態において、図示した全特徴事項より少ないものを本発明の成形フローフィールド構造に組み込んでもよい。
【００５１】
図４に、フローフィールド構造１００のフローフィールド板１０２とフレーム１０４へ成形してもよいいくつかの利点のある特徴点を示す。マニホルド１０６は、フレーム１０４に燃料または酸素が通過する空間を画定する。位置合せ機構１０８は、フレーム１０４の一部として成形されたものとして示されている。位置合せ機構１０８は、セル内およびセル間位置合せのいずれか、または両方を与えるように構成してもよい。
【００５２】
例えば、位置合せ機構１０８によるセル内における特徴点は、ある燃料電池アセンブリまたはＵＣＡの少なくとも２つの構成要素の位置合せを行うことである。位置合せ機構１０８によるセル間における特徴点は、ある燃料電池アセンブリまたはＵＣＡの少なくとも１つの構成要素と、近接する燃料電池アセンブリまたはＵＣＡの少なくとも１つの構成要素とで位置合せを行うことである。位置合せ機構１０８は、セル内とセル間の位置合せの両方を与える１つ以上の特徴点を含むことに注意する。成形された位置合せ機構を用いると、燃料電池構成要素組み立て中に位置合せポストを対応の位置合せアパーチャへ挿入する第２の組み立てプロセスを不要とし有利である。
【００５３】
例えば、図４に示す通り、位置合せ機構１０８は、位置合せポスト１０８ｂと位置合せリセス１０８ａとを含む。位置合せポスト１０８ｂは、近接するフローフィールド構造１００またはフローフィールドスタックアセンブリの端部板の位置合せリセス１０８ａが受けるように構成されている。位置合せリセス１０８ａは、対象ＵＣＡの対向するフローフィールド構造の位置合せポスト１０８ｂを受けるように構成されている。ある構成において、ＵＣＡのＭＥＡ（図示せず）は、位置合せポスト１０８ｂを通過させる寸法の位置合せアパーチャを含むものとして製造されている。第１のフローフィールド構造１００の位置合せポスト１０８ｂは、ＭＥＡにある位置合せアパーチャと位置合せされ、そこを通過する。第１のフローフィールド構造１００の位置合せポスト１０８ｂは、ＵＣＡの第２のフローフィールド構造１００の位置合せリセス１０８ａに受けられる。第２のフローフィールド構造１００の位置合せポスト１０８ｂはＵＣＡから突出している。第１のＵＣＡをこのようにして組み立て、第１のＵＣＡの位置合せポスト１０８ｂを次のＵＣＡの位置合せリセス１０８ａと係合することにより、他のＵＣＡを第１のＵＣＡに近接して組み立ててもよい。
【００５４】
組み立てたＵＣＡのフローフィールド構造から突出する位置合せポスト１０８ｂがあると（またはないと）、他のＵＣＡを燃料電池スタックに追加するための目視可能な位置的および極性識別を与えることができることに注意する。突出する位置合せポスト１０８ｂがあると、例えば、位置合せリセス１０８ａがあるのが容易に見分けられる。採用した特定の識別規則に応じて、各燃料電池アセンブリのアノードまたはカソード板を、例えば、位置合せポスト１０８ｂがあることにより識別することができる。アノードおよびカソード板のもう一方は、位置合せリセス１０８ａがあることにより識別される。
【００５５】
一実施形態において、位置合せポスト１０８ｂおよびリセス１０８ａは、同じ周囲形状を有していてもよく、位置合せポスト１０８ｂとリセス１０８ａとの間の接触インターフェースは、実質的に連続したプレスフィットインタフェースを画定する。他の実施形態によれば、各位置合せポスト１０８ｂは、位置合せリセス１０８ａの内側表面の形状とは異なる形状の外側表面を有している。位置合せリセス１０８ａの内側表面は、複数の不連続プレスフィット位置で位置合せポスト１０８ｂの外側表面と接触している。
【００５６】
ある構成において、位置合せリセス１０８ａの内側表面と位置合せポスト１０８ｂの外側表面のうちの少なくとも１つの形状が、例えば、凸曲線形状を画定してもよい。位置合せリセス１０８ａの内側表面と位置合せポスト１０８ｂの外側表面のうちの少なくとも１つの形状がまた、２つ以上の凹または突出部分を含む略曲線の形状を画定してもよい。他の構成において、位置合せリセス１０８ａの内側表面と位置合せポスト１０８ｂの外側表面のうちの少なくとも１つの形状が、円形または楕円形を画定してもよい。例えば、位置合せリセス１０８ａの内側表面と位置合せポスト１０８ｂの外側表面のうち少なくとも１つの形状が円を画定し、位置合せリセス１０８ａの内側表面と位置合せポスト１０８ｂの外側表面の他方の形状が楕円を画定してもよい。
【００５７】
その他の形状の関係もまた可能である。例えば、位置合せリセス１０８ａの内側表面と位置合せポスト１０８ｂの外側表面のうちの少なくとも１つの形状が、多角形を画定してもよい。位置合せリセス１０８ａの内側表面と位置合せポスト１０８ｂの外側表面のうち少なくとも１つの形状が、例えば、第１の多角形を画定し、位置合せリセス１０８ａの内側表面と位置合せポスト１０８ｂの外側表面の他方の形状が第２の多角形を画定してもよい。更なる例として、位置合せリセス１０８ａの内側表面と位置合せポスト１０８ｂの外側表面のうち少なくとも１つの形状が多角形を画定し、位置合せリセス１０８ａの内側表面と位置合せポスト１０８ｂの外側表面の他方の形状が円または楕円を画定してもよい。位置合せリセス１０８ａの内側表面の形状はまた三角形を画定してもよく、位置合せポスト１０８ｂの外側表面が円を画定してもよい。その他の例示の位置合せポスト構成としては、テーパ形状またはウェッジ形状を有するものが挙げられる。有用な燃料電池位置合せ機構の更なる詳細は、２００３年１０月３１日出願の共有同時係属米国特許出願「燃料電池アセンブリの位置合せ機構（Ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ  Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ  ｆｏｒ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ）」第１０／６９９，４５４号明細書に開示されている。
【００５８】
引き続き図４を参照すると、フレーム１０４とフローフィールド板１０２との間にジョイント１１０が形成されている。ジョイント１１０を形成すると、フレーム１０４とフローフィールド板１０２との間にシールが提供される。ある構成において、ジョイント１１０のシーリングは、成形プロセス中のフレームとフローフィールド板材料の一方または両方の優先的な収縮により与えられる。例えば、フレーム１０４は、フローフィールド板１０２周囲で成形して、フレーム１０４とフローフィールド板１０２との間での気密シールの形成を促す収縮特性を有していてもよい。
【００５９】
図４に示す通り、例えば、フレーム１０４の非導電性ポリマーは、フローフィールド板１０２に内側に向かうフレーム１０４材料の優先的な収縮となる方向性収縮特性を有している。フレーム１０４の収縮特性は、例えば、ガラスビーズや好適な鉱物などの適切な種類および量のフィラーでポリマーをドーピングすることにより制御することができる。フレーム１０４の望ましくない反り（例えば、オイルキャニング）を最小にしながら、フレーム１０４の収縮特性を制御して、ジョイント１１０に必要なシーリングを与えるのが好ましい。当業者であれば、鋳型温度、硬化時間、射出圧力および保持圧力などのその他の因子が、フローフィールド構造１００を形成するのに用いる材料の収縮特性に影響することが分かるであろう。
【００６０】
ジョイント１１０は、フレーム１０４とフローフィールド板１０２との間にサウンドメカニカル界面を与える係合構成を組み込むのが好ましい。図４に示す構成において、ジョイント１１０は、成形プロセスの一部として、フレーム１０４とフローフィールド板１０２との間に形成されたインターロック機構を組み込む。ある方法において、インターロック機構の第１の特徴点をフローフィールド板１０２の外側周囲で成形する。インターロック機構の第２の特徴点を板１０４の内側周囲で成形する。成形された第１と第２の特徴点は、フレーム１０４とフローフィールド板１０２との間にメカニカルインターロックを提供する。
【００６１】
図５および６に、ジョイント１１０でのインターロック機構の２つの構成を示す。図５は、フローフィールド板１０２の成形された外側周囲にバックドラフト角度θを含めることにより形成された部分蟻継インターロック機構を示す。フレーム１０４の材料をフローフィールド板１０２周囲で射出すると、フレーム材料がフローフィールド板１０２の外側周囲のバックドラフト領域周囲を流れて、フローフィールド板１０２とフレーム１０４との間にインターロック機構を作製する。図６は、フローフィールド板１０２の成形された外側周囲の２つのバックドラフト領域にバックドラフト角度θを含めることにより形成された完全蟻継インターロック機構を示す。図６のインターロック機構は２つのバックドラフト領域を組み込むのに対して、図５では単一のバックドラフト領域を組み込むため、図６に示したバックドラフト角度θは、図５より小さいことに注意する。
【００６２】
図７および８に、本発明の実施形態によるガスケット機構を示す。図７は、成形ガスケット機構１１４を組み込むフローフィールド構造１００のフローフィールド側の図である。燃料または酸素マニホルド１０６を図７に示す。例示として、フローチャネルは、フローフィールド板１０２を通って進み、燃料入口および出口マニホルド１０６で終わるものとして示されている。図８は、図７のＢ−Ｂ断面のフレーム１０４の一部の分解断面図である。
【００６３】
ガスケット機構１１４は、フレーム１０２の表面から突出する１つ以上のリッジとして形成されている。図８において、ガスケット機構１１４は、成形材料のダブルリッジを含むものとして示されているが、シングルリッジまたは３つを超えるリッジを成形してガスケット機構１１４を形成してもよいものと考えられる。図７に示す通り、ある構成において、ガスケット機構１１４は、各マニホルド１０６周囲に成形される。他の構成において、共通のガスケット機構１１４（２つのシングルまたは複数のリッジガスケット）を全マニホルド１０６の周囲に形成してもよい。
【００６４】
ある方法によれば、ガスケット機構１１４は、フレーム１０４の成形中に形成される。他の方法において、後の成形プロセスにおいて以前に形成したフレーム１０４にガスケット機構１１４は成形される。フレーム１０４とは別の成形プロセスでガスケット機構１１４を成形すると、フローフィールド構造１００の様々な機能領域について材料の選択の幅が広がる。例えば、ある用途においては、フレーム１０４を形成するのに用いるのと同じ材料を用いてガスケット機構１１４を形成するのが望ましい。他の用途においては、フレーム１０４を形成するのに用いるのとは異なる材料を用いてガスケット機構１１４を形成するのが望ましい。例えば、フレーム１１４にガスケット機構１１４を成形するのに用いるポリマー材料は、フレーム材料より柔らかくてもよい。フローフィールド板１０２、フレーム１０４およびガスケット１１４を、これらの構成要素にとって最適な材料を用いて成形すると、様々な用途に用いるために設計可能なフローフィールド構造１００を製造する機会が、そして性能とコスト要件をより効率的にバランスさせる機会が与えられる。
【００６５】
図９Ａおよび９Ｂに、本発明によるガスケット機構の他の実施形態を示す。本実施形態によれば、ガスケット機構１１４は、フレーム１０４に形成された微細構造シーリングパターンを含む。図９Ａに示す通り、微細構造シーリングパターン１１６は、フレーム１０４の全てまたは略全ての表面に作ってもよい。図９Ｂに示す通り、微細構造シーリングパターン１１６は、フレーム１０４の選択された表面部分に作ってもよい。例えば、微細構造シーリングパターン１１６は、燃料および冷却剤を燃料電池アセンブリへ出し入れするのに用いるマニホルド１０６などのフレーム１０４のマニホルド周囲に提供してもよい。
【００６６】
一実施形態によれば、微細構造シーリングパターン１１６は、隆起リッジ微細構造接触パターンを含む。この構成において、隆起リッジ微細構造接触パターンは、例えば、変形六角パターンを含めてもよい六角形パターンを組み込むのが好ましい。隆起リッジ微細構造接触パターンは、一般的に、結合点で接触するリッジを含み、３個以下のリッジが１つの結合点で接触している。隆起リッジ微細構造接触パターンは、一般的に、漏れを局所化し、広がりを防ぐためにセルで構成されている。
【００６７】
特に限定しない例として、隆起リッジ微細構造接触パターンを含むリッジの、無負荷の幅は１，０００マイクロメートル未満、より一般的には６００マイクロメートル未満、最も一般的には３００マイクロメートル未満であり、深さ（高さ）は一般的に２５０マイクロメートル以下、より一般的には１５０マイクロメートル未満、最も一般的には１００マイクロメートル未満である。図９Ａおよび９Ｂに示す微細構造シーリングパターン１１６は、２００２年５月１０日出願の共有同時係属米国特許出願第１０／１４３，２７３号明細書に記載されたやり方で形成してもよい。カップリング機構がマルチキャビティ鋳型のキャビティ間で成形されるマルチキャビティ鋳型を用いることもできる。
【００６８】
図１０Ａ〜１４Ｂに、フローフィールド構造の様々な実施形態を示す。かかるフローフィールド構造のウェブの製造を促進するために、カップリング機構が組み込まれている。図１０Ａ〜１４Ｂに示すタイプのカップリング機構を含めるためにフローフィールド構造を成形すると、ロールグッドとして巻き上げるのに好適なフローフィールド構造の大量生産が行える。フローフィールド構造のロールグッドは、後述する通り、ＵＣＡを製造する自動プロセスに用いてもよい。本発明の成形フローフィールド構造のカップリング機構には、数多くのフローフィールド構造を接続するために、一体ヒンジ、キャリアストリップまたはテーパホールおよびプラグ機構などのその他インターロック機構のうち１つ以上を組み込んでもよい。
【００６９】
図１０Ａおよび１０Ｂにおいて、フローフィールド構造１００ａ、１００ｂのウェブ２００のセグメントが示されている。図１０Ａに示す２つのフローフィールド構造１００ａ、１００ｂは、前述したタイプのものであるのが好ましい。カップリング機構は、２つのフローフィールド構造１００ａ、１００ｂを合わせて接続するように示されている。通常、カップリング機構は、あるフローフィールド構造１００ａと、予め成形しておいたフローフィールド構造１００ｂとの間で成形またはオーバーモールドした材料により形成してもよい。数多くの成形フローフィールド構造間にカップリング機構を繰り返し形成することにより、フローフィールド構造の連続ウェブが生成される。
【００７０】
図１０Ｂは、図１０Ａに示したカップリング機構の分解図である。カップリング機構は、近接配置されたフローフィールド構造１００ａ、１００ｂの各フレーム１０４ａ、１０４ｂ間に形成されたオーバーモールド領域２０４を含む。図１０Ｂに示す構成において、カップリング機構は、近接するフレーム１０４ａ、１０４ｂの間に形成されたインターロックフランジを組み込んでいる。ある方法において、オーバーモールド領域２０４は、第１のフレーム１０４ａの全てまたは一部に沿って第１のＬ形フランジを成形することにより形成される。第２の成形フレーム１０４ｂの第２のＬ形フランジが、材料を第２のフレーム１０４ｂから第１のＬ形フランジの領域へオーバーモールドすることにより続いて形成される。第２のＬ形フランジを第１のＬ形フランジにオーバーモールドすると、近接するフローフィールド構造１００ａ、１００ｂ間にカップリング機構が形成される。
【００７１】
図１０Ｂに示すカップリング機構は、一体ヒンジ２０６を更に含む。図１０Ｂに示す一体ヒンジ２０６は、近接するフローフィールド構造１００ａ、１００ｂの材料接続フレーム１０４ａ、１０４ｂに凹部を画定している。一体ヒンジ２０６を含めると、フローフィールド構造のウェブの可撓性が増大し、後におけるウェブからの個々のフローフィールド構造の切り離しが容易になる。図１０Ａおよび１０Ｂに示すカップリング機構は、フレーム１０４ａ、１０４ｂの全てまたは一部を通して連続していてもよいことに注意する。カップリング機構は、一般的に、フレーム１０４ａ、１０４ｂと同じ材料で形成してもよいし、フレーム１０４、１０４ｂとは異なる材料を用いて形成してもよいことに更に注意する。例えば、カップリング機構は、フレーム１０４ａ、１０４ｂとは異なる特性（例えば、可撓性が大きい）を有する材料を用いて、２つの成形フレーム１０４ａ、１０４ｂ間に形成してもよい。
【００７２】
図１１に、本発明の他の実施形態によるタブ２０２を示す。本実施形態によれば、近接するフローフィールド構造１００ａ、１００ｂ、１００ｃのフレーム間に数多くの不連続なタブ２０２が形成される。図１１に示すタブ２０２のそれぞれが、図１０Ｂに示すタイプのインターロックオーバーモールド領域２０４と一体ヒンジ２０６の一方または両方を含んでいてもよい。
【００７３】
図１２に、本発明によるカップリング機構の他の実施形態を示す。本実施形態において、キャリアストリップ１２０ａ、１２０ｂを形成して、連続ウェブにおいて近接するフローフィールド構造を接続する。ある方法において、フローフィールド構造１００ａ、１００ｂのフレームおよびキャリアストリップ１２０ａ、１２０ｂを、同時に射出して鋳型で形成し、連続または不連続接続材料を、フローフィールド構造１００ａ、１００ｂのフレームとキャリアストリップ１２０ａ、１２０ｂとの間に形成する。
【００７４】
図１３Ａおよび１３Ｂに、キャリアストリップ１２０ａ、１２０ｂを含む他のカップリング機構の詳細を示す。ある方法において、フローフィールド構造１００ａ、１００ｂのフレーム、キャリアストリップ１２０ａ、１２０ｂおよび接続タブ１２６（フローフィールド構造１００ａ、１００ｂのフレームとキャリアストリップ１２０ａ、１２０ｂとの間に形成）のそれぞれを、同時に射出して鋳型で形成する。他の方法において、フローフィールド構造１００ａ、１００のフレームおよびキャリアストリップ１２０ａ、１２０ｂを、同時に射出して形成するが、この第１の射出の後、フローフィールド構造１００ａ、１００ｂとキャリアストリップ１２０ａ、１２０ｂの間に狭いギャップが形成される。第２のオーバーモールド射出において、材料をこの狭いギャップに注入して、フローフィールド構造１００ａ、１００ｂのフレームとキャリアストリップ１２０ａ、１２０ｂとの間に連続タブ１２６を形成する。接続タブ１２６は、フローフィールド構造１００ａ、１００ｂのフレームを形成するのに用いるのと同じまたは異なる材料を用いて形成してもよい。
【００７５】
図１３Ｂに分解図を示す、オーバーモールド領域１２４を組み込むためにキャリアストリップ１２０ａ、１２０ｂを形成してもよい。オーバーモールド領域１２４は、近接成形されたキャリアストリップ１２４ａ、１２４ｂのエッジフィーチャー間に形成されたインターロック機構を含む。図１３Ｂに、キャリアストリップ１２４ａおよび１２４ｂのオーバーモールデングにより形成される多くの可能なインターロック機構のうちの一つを示す。
【００７６】
図１４Ａおよび１４Ｂに、連続ウェブを形成するためのフローフィールド構造成形の更に他の方法を示す。この方法によれば、逆テーパホール１３０を、第１の射出中に第１のフローフィールド構造１００ａのコーナーに成形する。近接するフローフィールド板１００ｂを形成する第２のオーバーモールド射出中、第２の射出からの材料を、予め成形しておいた板１００ａの少なくとも逆テーパホール１３０に流して、プラグ１３２を形成する。このホールおよびプラグインターロック機構は、近接するフローフィールド構造１００ａ、１００ｂの各コーナーに形成することができる。
【００７７】
図１５〜１６Ｂに、本発明によるフローフィールド構造のウェブを製造するのにとても好適な成形プロセスを示す。図１５に、鋳型の上半分３０２と鋳型の下半分３０４とを含む鋳型３００の一部を示す。各鋳型の半分３０２、３０４は、導電性フローフィールド板と非導電性フレームの両方の単一成形機における成形を促進する可動な特徴点を含む。更に、可動な特徴点は、鋳型を開くことなく連続射出での導電性フローフィールド板と非導電性フレームの両方の成形を促進する。図１５〜１６Ｂを参照して説明した鋳型およびプロセスは、例示のためのみであり、他の鋳型構成およびプロセスを用いてもよいものと考えられる。例えば、多数の成形機を用いて、フローフィールド構造およびカップリング機構の異なる構成要素を成形して、フローフィールド構造のウェブを製造してもよい。
【００７８】
図１５に戻ると、鋳型の上半分３０２は、垂直変位可能なコア３０６ａ、３０６ｂおよびスプリングで付勢されたコア３０８ａ、３０８ｂを含んでいる。鋳型の下半分３０４は、垂直変位可能なスライド３０１ａ、３０１ｂを含んでいる。上部および下部鋳型の半分３０２、３０４のスライドおよびコアは、整合させたやり方で動作させて、導電性材料の第１の射出でフローフィールド板１０２ｂを、そして、非導電性材料の第２の射出でフレーム１０４ｂを生成する。第２の射出（または第３の射出）中、カップリング配置３１０を形成して、今成形されたフローフィールド構造１００ｂのフレーム１０４ｂを、先に成形されたフローフィールド構造１００ａのフレーム１０４ａと接続する。
【００７９】
前述した通り、カップリング機構３１０は、インターロック配置を形成するオーバーモールド領域を含み、一体ヒンジも含む（例えば、図１０Ｂ参照）。カップリング機構３１０を形成するための鋳型の細部は、簡単にするために図１５〜１６Ｂには示していないことに注意する。鋳型３００に対して入口に近接する鋳型構造もまた、簡単にするために示していないことにも注意する。しかしながら、これらの鋳型構造は、当業者であれば容易に理解されるであろう。
【００８０】
図１６Ａおよび１６Ｂに、フローフィールド構造およびフレームが、好ましくは材料の射出間で鋳型を開けることなく、単一の成形機で成形される成形プロセスの第１および第２の射出を示す。図１６Ａにおいて、以前の多部品フローフィールド構造１００ａが先に成形されており、次の近接するフローフィールド構造１００ｂが今成形されているとする。鋳型３００を閉じた状態で、コア３０６ａ、３０６ｂを鋳型の上半分３０４から鋳型の下半分３０４へ変位する。スプリングで付勢されたコア３０８ａ、３０８ｂは、スライド３０１ａ、３０１ｂを鋳型の下半分３０４から上方へ移動することにより生成された力を受ける引き込み位置にある。コア３０６ａ、３０６ｂおよびスライド３０１ａ、３０１ｂを図１６Ａに示す位置にして、導電性材料を鋳型キャビティへ注入して、フローフィールド板１０２ｂを形成する。図１６Ａに示すようなコア３０６ａ、３０６ｂおよびスライド３０１ａ、３０１ｂの配置により、フローフィールド板１０２ｂとフレーム１０４ｂとの間に形成されるインターロックジョイントの半分が形成されることに注意する。
【００８１】
第１の射出の完了および適切な硬化期間の終了後、スライド３０６ａ、３０６ｂを、フローフィールド板１０２ｂの上部表面に対して同一平面な位置まで上方へ変位する。スライド３０１ａ、３０１ｂを下方へ変位して、スライド３０１ａ、３０１ｂの上部表面が、フローフィールド板１０２ｂの下部表面に対して同一平面とする。スライド３０１ａ、３０１ｂの下方への動きによって、図１６Ｂに示すような下方位置までスプリング付勢コア３０８ａ、３０８ｂを動かすことができる。図１６Ｂに示す位置にスライド３０６ａ、３０１ａ、３０１ｂを再配置した後、非導電性材料の第２の射出を鋳型キャビティに分配する。第２の射出により、フレーム１０４ｂが形成され、フレーム１０４ａとフローフィールド板１０２ｂとの間にインターロックジョイントが完成し、スプリング付勢コア３０８ａ、３０８ｂを介してマニホルドが形成される。第２の射出中、カップリング機構３１０の形成も完成する。
【００８２】
第２の射出の完了および適切な硬化期間の終了後、鋳型の各半分３０２、３０４を分離して、多部品成形フローフィールド構造１０２ｂを鋳型キャビティから分離し、自動的に、または手動補佐により、鋳型キャビティの出口に近接するステージング位置へ動かす。鋳型３００のスライドおよびコアを適切な位置まで動かし、他の多部品フローフィールド構造を上述した方法で成形する。この方法で、成形フローフィールド構造の連続ウェブを生成してもよい。このウェブに、巻上げ操作を行って、フローフィールド構造のロールグッドを生成してもよい。
【００８３】
本発明に従って生成されたフローフィールド構造のウェブを、燃料電池組立作業にいずれ用いるためにロールグッドとして巻き上げることができる。あるいは、図１７に示した通り、フローフィールド構造のウェブを、ＵＣＡアセンブリライン３８０へ直接供給することができ、この場合には、２つの成形機３００ａ、３００ｂを用いることができ、この場合にはそれぞれにおいて上述したやり方で単極フローフィールド構造のウェブを作製することができる。個々のＭＥＡ（ＭＥＡウェブ）を組み込んだロールグッド燃料電池ウェブは、２００３年５月２８日出願の共有同時係属米国特許出願「ロールグッド燃料電池の製造方法、装置および製造された物品（Ｒｏｌｌ−Ｇｏｏｄ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，  Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，  ａｎｄ  Ａｒｔｉｃｌｅｓ  Ｐｒｏｄｕｃｅｄ  Ｆｒｏｍ  Ｓａｍｅ）」第１０／４４６４８５号明細書に記載されたやり方で製造してもよい。
【００８４】
通常、ＭＥＡウェブ３２０を移動して、ＭＥＡウェブ３２０の個々のＭＥＡ３２０ａが、第１および第２のフローフィールド板ウェブ１００ｕ、１００Ｌからの一対のフローフィールド構造１００ｕ’、１００Ｌ’と位置合せされる。ＭＥＡ３２０ａを、フローフィールド構造１００ｕ’、１００Ｌ’の各対間に入れた後、シーリングステーションおよび／または巻上げステーションにより得られるＵＣＡウェブ３３０を更に処理してもよい。シールしたＵＣＡのウェブ３３０に続いてダイシングプロセスを行って、個々のＵＣＡをＵＣＡウェブ３３０から分離することができる。
【００８５】
様々な図面に示し、本明細書で述べたＵＣＡ構成は、本発明で用いるのに実施可能な特定の構成の代表例であることに注意されたい。これらの構成は、例示の目的でのみ与えられており、本発明の範囲に入る可能な構造の全てを表すものではない。例えば、上述したフローフィールド構造を製造する成形プロセスは、追加または拡張されたシーリングフィーチャー、ガスケットフィーチャーおよび／またはハードおよびソフトストップフィーチャーなどの特定のＵＣＡフィーチャーの使用を表すものである。逆に、かかる成形プロセスだと、フローフィールド構造のマニホルドおよび／または端部周囲に成形された材料を代替として使用することにより、別個のガスケットやシーリングフィーチャーを排除する等、特定のＵＣＡフィーチャーが排除される。
【００８６】
本発明の他の実施形態による熱管理機能により様々なＵＣＡ構成を実施することができる。一例として、あるＵＣＡ構成では、一体型熱管理システムを組み込むことができる。あるいは、またはこれに加えて、あるＵＣＡでは、分離可能な熱管理構造と機械的に結合するように構成することができる。いくつかの例示のＵＣＡ熱管理方法は、前述した米国特許出願第１０／２９５，５１８号明細書および第１０／２９５，２９２号明細書に開示されている。
【００８７】
図１８〜２１に、本明細書に記載した成形多部品フローフィールド構造を有する燃料電池アセンブリを組み込んだ発電用の様々な燃料電池システムを示す。図１８に示した燃料電池システム４００は、実施形態により例示された燃料電池アセンブリを用いる多くの可能なシステムの一つを示す。
【００８８】
燃料電池システム４００は、燃料プロセッサ４０４、電力部４０６およびパワーコンディショナー４０８を含む。燃料改質装置を含む燃料プロセッサ４０４は、天然ガスなどの原料燃料を受け取って、原料燃料を処理して水素に富む燃料を生成する。水素に富む燃料を電力部４０６に供給する。電力部４０６内で、水素に富む燃料は、電力部４０６に含まれる燃料電池スタックのＵＣＡのスタックに導入される。電力部４０６に空気も供給して、燃料電池スタックの酸素源とする。
【００８９】
電力部４０６の燃料電池スタックは、ＤＣ電力、利用可能な熱および清浄な水を生成する。再生システムにおいて、副生成物の一部または全てを用いると蒸気を生成でき、これを、燃料プロセッサ４０４が用いると、様々な処理機能を行わせることができる。電力部４０６により生成されたＤＣ電力は、パワーコンディショナー４０８に送られて、後の使用のためにＤＣ電力がＡＣ電力に変換される。ＡＣ電力変換は、ＤＣ出力電力を与えるシステムに含まれる必要はないものと考えられる。
【００９０】
図１９に、燃料供給ユニット５０５、燃料電池電力供給部５０６およびパワーコンディショナー５０８を含む燃料電池電源５５０を示す。燃料供給ユニット５０５は、燃料電池電力部５０６に供給される水素燃料を含有するタンクを含む。電力部５０６内で、水素燃料は、電力部５０６に含まれる燃料電池スタックのＵＣＡへ空気または酸素と共に導入される。
【００９１】
燃料電池電力供給システム５００の電力部５０６は、ＤＣ電力、利用可能な熱および清浄な水を生成する。電力部５０６により生成されたＤＣ電力は、パワーコンディショナー５０８に送って、所望であればＡＣ電力に変換してもよい。図１９に示された燃料電池電力供給システム５００は、例えば、固定または携帯用ＡＣまたはＤＣ発電機として実施されてもよい。
【００９２】
図２０に示す実施例において、燃料電池システム６００は、燃料電池電源により生成された電力を用いて、コンピュータを操作するための電力を与えている。燃料電池システムは、燃料供給ユニット６０５および燃料電池電力部６０６を含む。燃料供給ユニット６０５は、水素燃料を燃料電池電力部６０６に提供する。電力部６０６の燃料電池スタックは、デスクトップ、ラップトップまたはパームコンピュータなどのコンピュータ６１０を操作するのに用いる電力を生成する。
【００９３】
図２１に示す他の実施例において、燃料電池電源からの電力を用いて自動車７１０を操作している。この構成において、燃料供給ユニット７０５は、水素燃料を燃料電池電力部７０６に供給する。電力部７０６の燃料電池スタックは、自動車７１０の駆動機構と結合してモータ７０８を操作するのに用いられる電力を生成する。
【００９４】
本発明の前述の記載は、例示および説明のためのものである。本発明は、開示された正確な形態で網羅または限定されるものではない。上記の教示を鑑みれば、多くの修正および変更が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明に限定されるものではなく、添付の特許の請求の範囲により限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１Ａ】燃料電池およびその構成層の図である。
【図１Ｂ】本発明の実施形態による単極構成を有する単体電池アセンブリを示す。
【図１Ｃ】本発明の実施形態による単極／二極構成を有する単体電池アセンブリを示す。
【図２】本発明の実施形態による成形単極フローフィールド構造のフローフィールド側と冷却側の２つの側を示す。
【図３】本発明の実施形態による成形フローフィールド構造のフローフィールド側の様々な特徴を示す。
【図４】断面Ａ−Ａでとった図３に示すフローフィールド構造の様々な特徴の分解図である。
【図５】本発明の実施形態によるフローフィールド板とフレームとの間のインターロック係合に提供されるジョイント構成を示す。
【図６】本発明の実施形態によるフローフィールド板とフレームとの間のインターロック係合に提供されるジョイント構成を示す。
【図７】本発明の実施形態によるフローフィールド構造のフレームに成形されたシーリングガスケットの実施形態を示す。
【図８】本発明の実施形態によるフローフィールド構造のフレームに成形されたシーリングガスケットの実施形態を示す。
【図９Ａ】本発明の実施形態によるフローフィールド構造のフレームに成形された微細構造シーリングガスケットの実施形態を示す。
【図９Ｂ】本発明の実施形態によるフローフィールド構造のフレームに成形された微細構造シーリングガスケットの実施形態を示す。
【図１０Ａ】本発明の実施形態による近接するフローフィールド構造間に提供された成形カップリング機構の実施形態を示す。
【図１０Ｂ】本発明の実施形態による図１０Ａに示した成形カップリング機構の特徴点を示す。
【図１１】本発明の実施形態による近接するフローフィールド構造間に提供された成形カップリング機構の他の実施形態を示す。
【図１２】本発明の実施形態による近接するフローフィールド構造間に提供された成形カップリング機構の更なる実施形態を示す。
【図１３Ａ】本発明の実施形態による近接するフローフィールド構造間に提供された成形カップリング機構の更に他の実施形態を示す。
【図１３Ｂ】本発明の実施形態による近接するフローフィールド構造間に提供された成形カップリング機構の更に他の実施形態を示す。
【図１４Ａ】本発明の実施形態による近接するフローフィールド構造間に提供された成形カップリング機構の更なる実施形態を示す。
【図１４Ｂ】本発明の実施形態による近接するフローフィールド構造間に提供された成形カップリング機構の更なる実施形態を示す。
【図１５】本発明の実施形態によるフローフィールド構造を成形するための成形装置を示す。
【図１６Ａ】本発明の実施形態によるフローフィールド構造を成形するための成形装置を示す。
【図１６Ｂ】本発明の実施形態によるフローフィールド構造を成形するための成形装置を示す。
【図１７】フローフィールド構造を成形し、本発明の実施形態による単体燃料電池アセンブリをカプセル化するための成形装置を示す。
【図１８】本発明の成形多部品フローフィールド構造を用いる１つ以上の燃料電池スタックを用いる燃料電池システムを示す。
【図１９】本発明の成形多部品フローフィールド構造を用いる１つ以上の燃料電池スタックを用いる燃料電池システムを示す。
【図２０】本発明の成形多部品フローフィールド構造を用いる１つ以上の燃料電池スタックを用いる燃料電池システムを示す。
【図２１】本発明の成形多部品フローフィールド構造を用いる１つ以上の燃料電池スタックを用いる燃料電池システムを示す。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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