(57)【要約】燃料電池セルおよび他の電気化学セル用に、複雑で多重のシール構成を形成するための封止および修理技法が、提供されている。酸化剤、燃料および（または）冷却剤用のチャンバーを封止するためのシールを設けるためには、燃料電池セル・アセンブリの各種の要素を貫いて伸張する溝部ネットワークを設ける。次いで、シール材の供給源を、外部の充填ポートに接続し、溝部ネットワークに注入し、次いで、シール材を硬化させて、シールを形成する。したがって、頑丈で、許容差および寸法のばらつきを吸収でき、かつ、可能な場合には、燃料電池セル・アセンブリの個々の要素に接着できる「シール・イン・プレイス」シールが、形成される。電気化学セル・スタックの一部分を修理するためには、どこかの要素を除去し、修理するか、あるいは、交換する。次いで、セル・アセンブリを再び一緒にし、かつ、穴部を設けて、新しいシール材を注入する。この穴部は、最初のアセンブリに形成しておくこともできるし、あるいは、最初のシール材の一部分の機械的な除去によっても形成される。【選択図】図２２ａ
2008535165.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学セル・アセンブリであって、
（ａ）  複数の別個の要素であって、該要素のうちの少なくともいくつかは、シール用の溝部を含む複数の別個の要素と、
（ｂ）  該複数の別個の要素同士の間の該溝部における複数のシールであって、該要素を封止して流体の流れを制御する複数のシールと、
を含む電気化学セル・アセンブリにおいて、
該要素および該シールは、二つまたはそれ以上の要素の分離で、該シールおよび別個の要素のうちの一つまたはそれ以上のものに対する損傷が生じるように共に接着されており、かつ、
該電気化学セル・アセンブリは、該別個の要素のうちの少なくともいくつかのそれぞれに対して、再封止部分であって、それを貫く穴部を形成して、該溝部のうちの少なくとも一つへの流体連通を与えることを可能にする再封止部分を含み、それにより、使用の際には、該電気化学セル・アセンブリを、少なくとも部分的に分解することができ、いかなる損傷した要素も交換することができ、前記該溝部のうちの少なくとも一つと接続する前記再封止部分のうちの選択した再封止部分を貫いて少なくとも一つの穴部を形成して、溝部ネットワークを形成することができ、それにより、該電気化学セル・アセンブリは、再組立てすることができ、かつ、硬化可能なシール材を該溝部ネットワークに注入し、かつ、硬化させて、該電気化学セル・アセンブリを再封止することができる、
ことを特徴とする電気化学セル・アセンブリ。
【請求項２】
前記複数の別個の要素は、一般に互いに他に対して平行に配列された複数の別個の極板を含み、かつ、該再封止部分は、該別個の要素に対して略垂直に伸張している少なくとも一つの穴部が形成されることを可能にするようなものである、請求項１記載の電気化学セル・アセンブリ。
【請求項３】
該複数の別個の要素は、縁部表面を有し、かつ、スタック内で互いに他に対して略平行に配列された複数の極板を含み、該スタックは、該複数の別個の要素の該縁部表面から形成されている側面を有し、かつ、該再封止部分は、該スタックの該側部表面から該スタックの中へと伸張して前記溝部のうちの少なくとも一つと連通する穴部が形成されることを可能にする、請求項１記載の電気化学セル・アセンブリ。
【請求項４】
各再封止部分は、前記少なくとも一つの穴部を形成することができる開口部を含む、請求項２または３記載の電気化学セル・アセンブリ。
【請求項５】
該電気化学セル・アセンブリの最初に組み立てられた状態において、前記少なくとも一つの穴部は、空である、請求項４記載の電気化学セル・アセンブリ。
【請求項６】
該電気化学セル・アセンブリの最初に組み立てられた状態において、前記少なくとも一つの穴部は、シーラント材料で充填されている、請求項４記載の電気化学セル・アセンブリ。
【請求項７】
前記再封止部分は、任意の能動的な領域から十分に間隔を取られた該別個の要素の中実な部分、および該別個の要素の開口部を含み、使用の際には、前記少なくとも一つの溝部へのアクセスを与えるための穴部が形成されることを可能にする、請求項２または３記載の電気化学セル・アセンブリ。
【請求項８】
該別個の要素のそれぞれは、能動的な領域、および該能動的な領域に隣接し、かつ、他の要素の開口部と整列して、該スタックを貫いて伸張する流体用のマニフォールドを形成するようにされた複数の開口部を含み、かつ、該再封止部分は、該開口部と該能動的な領域との間に設けられており、かつ、それらから十分に間隔を取られて、使用の際には、前記少なくとも一つの穴部が、形成されることを可能にする、請求項７記載の電気化学セル・アセンブリ。
【請求項９】
該再封止部分は、シーラント用の開口部であって、該複数の別個の要素を貫いて伸張する該シーラント用の少なくとも一つの溝部マニフォールドを形成するよう整列させたシーラント用の開口部を含み、かつ、各前記少なくとも一つの穴部は、各溝部マニフォールド内を伸張し、かつ、その側面から間隔を取られている穴部を含む、請求項１記載の電気化学セル・アセンブリ。
【請求項１０】
各穴部および各溝部マニフォールドは、一般に円筒形である、請求項９記載の電気化学セル・アセンブリ。
【請求項１１】
該複数の別個の要素は、互いに他に対して平行に積み重ねられた複数の陽極および陰極極板を含み、かつ、各溝部マニフォールドおよび各穴部は、該陽極および陰極極板に対して略垂直に伸張している、請求項９記載の電気化学セル・アセンブリ。
【請求項１２】
該シーラント材料は、熱硬化性樹脂材料を含む、請求項１記載の電気化学セル・アセンブリ。
【請求項１３】
該熱硬化性樹脂材料は、シリコーン・ベースの材料を含む、請求項１２記載の電気化学セル・アセンブリ。
【請求項１４】
該シーラント材料は、熱可塑性樹脂を含む、請求項１記載の電気化学セル・アセンブリ。
【請求項１５】
該電気化学セル・アセンブリの最初の組立て中、該シール材を供給するため、該電気化学セル・アセンブリの少なくとも一つの要素を貫いて、該溝部マニフォールドまで伸張している横行ダクトを含む、請求項９記載の電気化学セル・アセンブリ。
【請求項１６】
該溝部マニフォールドは、組立て中、ロッドを該主マニフォールド内に挿入し、かつ、位置決めして、各穴部を形成することを可能にするため、両方の端部で開いている、請求項９記載の電気化学セル・アセンブリ。
【請求項１７】
電気化学セル・アセンブリであって、
複数の別個の要素と、
該電気化学セル・アセンブリを貫いて、かつ、該複数の別個の要素同士の間を、少なくとも部分的に伸張しており、かつ、該少なくとも一つの溝部ネットワーク用の少なくとも一つの充填ポートを含む少なくとも一つの溝部ネットワークと、
該少なくとも一つの溝部ネットワーク内のシールであって、そのシールは、前記別個の要素の組立て後、硬化した液体シール材から定位置に形成されているシールにおいて、該シールは、該電気化学セル・アセンブリの動作のための流体用チャンバーを規定する前記別個の要素のうちの少なくとも二つの間のバリアとなっているシールと、
再封止部分であって、該電気化学セル・アセンブリの該複数の別個の要素のうちの少なくともいくつかのそれぞれに対して、少なくとも一つのそれを貫く穴部を形成して、該溝部のうちの少なくとも一つへの流体連通を与えることを可能にする再封止部分と、を含み、それにより、使用の際には、該電気化学セル・アセンブリを、少なくとも部分的に分解し、かつ、その後、再組立てすることができ、前記少なくとも一つの穴部は、再組立て後、液体シール材を注入して、該電気化学セル・アセンブリを再封止することを可能にする、
ことを特徴とする電気化学セル・アセンブリ。
【請求項１８】
該再封止部分は、該要素のうちの少なくともいくつかのそれぞれに対して、該電気化学セル・アセンブリを貫いて伸張する少なくとも一つの溝部マニフォールドを形成するよう整列させた開口部を含む、請求項１７記載の電気化学セル・アセンブリ。
【請求項１９】
該複数の別個の要素は、互いに他に対して平行に積み重ねられた複数の陽極および陰極極板を含み、かつ、該マニフォールドは、 該陽極および陰極極板に対して略垂直に伸張している請求項１８記載の電気化学セル・アセンブリ。
【請求項２０】
該電気化学セル・アセンブリの最初の組立て中、液体シール材を供給するため、該電気化学セル・アセンブリの一つの要素を貫いて、少なくとも一つの溝部マニフォールドまで伸張している横行ダクトを含む、請求項１９記載の電気化学セル・アセンブリ。
【請求項２１】
各少なくとも一つの溝部マニフォールドは、該電気化学セル・アセンブリ全体を貫いて伸張する穴部が形成されることを可能にするため両方の端部で開いている、請求項２０記載の電気化学セル・アセンブリ。
【請求項２２】
前記複数の別個の要素は、一般に互いに他に対して平行に配列された複数の別個の極板を含み、かつ、該再封止部分は、該別個の要素に対して略垂直に伸張している少なくとも一つの穴部が形成されることを可能にするようなものである、請求項１７記載の電気化学セル・アセンブリ。
【請求項２３】
該複数の別個の要素は、縁部表面を有し、かつ、スタック内で互いに他に対して略平行に配列された複数の極板を含み、該スタックは、該複数の別個の要素の該縁部表面から形成されている端部および側面を有し、かつ、該再封止部分は、該スタックの該側部表面から該スタックの中へと伸張して前記溝部のうちの少なくとも一つと連通する穴部が形成されることを可能にする、請求項１７記載の電気化学セル・アセンブリ。
【請求項２４】
複数の別個の要素を含む電気化学セル・アセンブリ内にシールを形成する方法において、該方法は、
（ａ）  該燃料電池セルの該別個の要素を共に組み立てる工程と、
（ｂ）  該別個の要素を貫いて伸張している少なくとも一つの溝部ネットワーク、および外部に開き、かつ、該少なくとも一つの溝部ネットワークと連通している充填ポートを設ける工程と、
（ｃ）  液体シール材の供給源を該充填ポートに接続し、かつ、該シール材を該少なくとも一つの溝部ネットワークに注入して、該少なくとも一つの溝部ネットワークを充填し、かつ、同時にそれからガスを出させる工程と、
（ｄ）  該複数の別個の要素のうちの少なくともいくつかを貫いて伸張する穴部を該シール材に形成し、かつ、該シール材を硬化させて、該少なくとも一つの溝部ネットワークにシールを形成する工程と、
を含む方法。
【請求項２５】
工程（ｄ）は、開口部を貫いて伸張するロッドを、前記該複数の別個の要素のうちの少なくともいくつかに挿入して、該穴部を形成する工程を含む、請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
請求項２５記載の方法であって、該方法は、前記該複数の別個の要素のうちの少なくともいくつかに開口部を設ける工程と、該開口部を整列させて、該電気化学セル・アセンブリを貫いて伸張する主溝部マニフォールドを形成する工程と、該ロッドを、該主溝部マニフォールド内に、かつ、その側面から間隔をあけて設ける工程と、を含む、請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
請求項２５または２６記載の方法であって、該方法は、該シール材の、該溝部ネットワークへの注入の前に、該電気化学セル・アセンブリ内に該ロッドを設け、かつ、該シール材が、硬化し、かつ、凝固した後、該ロッドを取り外す工程を含む、請求項２５または２６記載の方法。
【請求項２８】
請求項２５または２６記載の方法であって、該方法は、該シール材を注入して、該溝部ネットワークを充填する工程の後で、該ロッドを挿入して、過剰のシール材を追い出し、かつ、その後、該シール材を硬化させる工程を含む、請求項２５または２６記載の方法。
【請求項２９】
請求項２４、２５または２６のいずれかに記載の方法であって、工程（ｄ）において、該シール材として、熱硬化性樹脂材料を供給し、かつ、該電気化学セル・アセンブリおよび該シール材を加熱して、該シール材を硬化させる工程を含む、請求項２４、２５または２６のいずれか一つに記載の方法。
【請求項３０】
請求項２４、２５または２６のいずれかに記載の方法であって、工程（ｄ）において、該シール材として、熱硬化性樹脂を供給し、かつ、該電気化学セル・アセンブリおよび該シール材を冷却して、該シール材を硬化させ、該シール材を凝固させる工程を含む、請求項２４、２５または２６のいずれかに記載の方法。
【請求項３１】
複数の別個の要素を含む電気化学セル・アセンブリ内にシールを形成する方法において、該方法は、
（ａ）  該燃料電池セルの該別個の要素を共に組み立てる工程と、
（ｂ）  該複数の別個の要素を貫いて伸張し、かつ、該電気化学セル・アセンブリの外部に開いている少なくとも一つの開放端を含む少なくとも一つの主マニフォールドを設ける工程と、
（ｃ）  該別個の要素を貫いて伸張している少なくとも一つの溝部ネットワーク、および外部に開き、かつ、該少なくとも一つの主マニフォールド、および該少なくとも一つの溝部ネットワークと連通している充填ポートを設ける工程と、
（ｄ）  液体シール材の供給源を該充填ポートに接続し、かつ、該シール材を該少なくとも一つの溝部ネットワークに注入して、該少なくとも一つの溝部ネットワークを充填し、かつ、同時にそれからガスを出させる工程と、
を含み、
それにより、前記少なくとも一つの開放端の該付与は、その後、該電気化学セル・アセンブリの少なくともいくつかの要素を貫いて、その再組立てのため、穴部が形成されることを可能にする、
ことを特徴とする方法。
【請求項３２】
請求項３１記載の方法であって、該方法は、前記該複数の別個の要素のうちの少なくともいくつかに一般に円形の開口部を設ける工程と、該開口部を整列させて、該電気化学セルを貫いて伸張する主溝部マニフォールドを形成する工程と、前記少なくとも一つの開放端を形成する工程と、を含む、請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
電気化学セル・アセンブリを分解し、かつ、再組立てする方法であって、該電気化学セル・アセンブリは、
（a）  複数の別個の要素であって、該別個の要素のうちの少なくともいくつかは、シール用の溝部を含む複数の別個の要素と、
（b）  該別個の要素同士の間の該溝部内の複数のシールと、
を含み、
該方法は、
（１）  該電気化学セル・アセンブリを少なくとも二つの部分に分離する工程であって、それぞれは、前記複数の別個の要素のうちの少なくとも一つを含む工程と、
（２）  該電気化学セル・アセンブリの前記少なくとも二つの部分の対面する表面において、該溝部の一つまたはそれ以上の内のどの既存のシール材も清掃し、かつ、除去する工程と、
（３）  該電気化学セル・アセンブリを貫いて伸張し、かつ、各空の溝部と連通している少なくとも一つの穴部を設ける工程と、
（４）  該前記少なくとも二つの部分を共に再組立てする工程と、
（５）  該穴部を貫いて新しいシール材を注入して、各空の溝部に充填し、かつ、該新しいシール材を硬化させて、該電気化学セル・アセンブリの前記少なくとも二つの部分の間の該シールを作り直す工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３４】
請求項３３記載の方法であって、該方法は、該最初の電気化学セル・アセンブリにおいて、該電気化学セル・アセンブリの該要素のうちの少なくともいくつかを貫いて伸張する少なくとも一つの穴部として前記穴部を設ける工程を含む、請求項３３記載の方法。
【請求項３５】
請求項３４記載の方法であって、該方法は、工程（４）において、該シール材を凝固させて、該電気化学セル・アセンブリにおける該穴部を作り直す前に、該電気化学セル・アセンブリを貫いて伸張するロッドを設ける工程を追加的に含む、請求項３４記載の方法。
【請求項３６】
工程（３）は、該別個の要素の一部分を除去して、シール開口部を形成することによって、該穴部を形成する工程を含み、該シール開口部は、溝部マニフォールドを形成するよう、整列させてある請求項３３記載の方法。
【請求項３７】
請求項３３のいずれか一つに記載の方法であって、該方法は、複数の交互の陽極および陰極極板および該陽極および陰極極板の間に挟まれた複数の膜電極アセンブリを含む電気化学セル・スタック・アセンブリに適用され、該方法は、さらに、
（ａ）  該複数の膜電極アセンブリのうちの一つを含む少なくとも二つの個所で該電気化学セル・アセンブリを分離する工程と、
（ｂ）  前記二つの個所の間の該極板よび膜交換アセンブリに対して、下記の工程、すなわち、個々の極板を分離する工程、再使用のため、該個々の極板のシール材を清掃する工程、および必要な場合、膜交換アセンブリの交換を行なう工程、および前記二つの個所の間に位置している全ての該陽極極板、陰極極板および該膜交換アセンブリを捨て、かつ、清浄な陽極極板、陰極極板および膜交換アセンブリとの交換を行なう工程、のうちの一つを実施する工程と、
（ｃ）  該電気化学セル・アセンブリを再組立てする工程と、
（ｄ）  新しいシール材を注入して、該空の溝部に充填し、かつ、該シール材を凝固させる工程と、
を含む、請求項３３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項３８】
請求項３７に記載の方法であって、該方法は、
該最初の電気化学セル・アセンブリに、少なくとも部分的にシール材を充填した少なくとも一つの主溝部マニフォールドを設ける工程を含み、該方法は、さらに、該シール材を、前記少なくとも一つの主マニフォールドから除去して、前記少なくとも一つの穴部を形成する工程を含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
少なくとも各主溝部マニフォールド内に、熱可塑性樹脂シール材を供給する工程を含む請求項３８に記載の方法であって、該方法は、さらに、該熱可塑性樹脂シール材を融解して、その除去を可能にすることによって、該穴部を形成する工程を含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
さらに、各主溝部マニフォールドから、該シール材を機械的に除去して、該穴部を形成する工程を含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
請求項３７に記載の方法であって、該方法は、さらに、該要素のうちの一つの少なくとも一部を機械的に除去して、該シール材の供給のための該穴部を形成する工程を含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４２】
シール材を電気化学アセンブリに与えて、該電気化学セルの各種の部品を封止する装置であって、該装置は、
（ａ）  本体と、
（ｂ）  該シール材を受け入れるため該本体の一端部近くに配設された入口と、
（ｃ）  該電気化学セルの少なくとも一つの部分に、該シール材を供給するため、該本体の他の端部近くに配設された出口と、
を含み、
該本体は、一般に、該シール材が、該電気化学セルに渡された後で、該電気化学セル内に穴部を残すための適切な形状を有している、
ことを特徴とする装置。
【請求項４３】
該本体は、内側の部材および外側の部材を含み、該内側の部材は、該シール材を該外側の部材に供給するためのスロットを含み、かつ、該外側の部材は、該シール材を、該電気化学セル・アセンブリの各種の部分に供給するための、互いに他から上下方向に変位させた複数の開口部を有している、請求項４２に記載の装置。
【請求項４４】
該内側の部材における該スロットは、略垂直方向であり、かつ、該外側の部材における該開口部は、互いに他から水平方向に変位させてあり、かつ、該装置は、さらに、該開口部が、該シール材を、該電気化学セル・アセンブリの該各種の部分に、逐次的なやり方で供給するように、該部材を互いに他に対して回転させる回転手段を含む請求項４３に記載の装置。
【請求項４５】
該内側の部材における該スロットは、ある角度で変位させてあり、該外側の部材における該開口部は、略垂直方向であり、かつ、該装置は、さらに、該開口部が、該シール材を、該電気化学セル・アセンブリの該各種の部分に、逐次的なやり方で供給するように、該部材を互いに他に対して回転させる回転手段を含む請求項４３に記載の装置。
【請求項４６】
該装置は、さらに、該部材を互いに他に対して回転させる回転手段を含み、かつ、該内側の部材における該スロットおよび該外側の部材における該開口部は、該部材を回転させつつある時、高々、該開口部のうちの一つのみが、該スロットと整列するように配設されており、したがって、シール材は、該開口部を一度に一つずつ通って流れることになる、請求項４３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学セルに関し、かつ、本発明は、より詳しくは、従来の燃料電池セル、または、他の電気化学セル・スタック・アセンブリの異なる要素間に、シールを形成して、個々のセルの動作に必要なガスおよび液体の漏れを防止するための装置および方法に関する。本発明はまた、新しいシール材でシールを形成する方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池セルには、各種の既知のタイプのものが有る。現在、多くの用途で、取扱いが実践的であると思われている燃料電池セルの一つの形態は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）を使用した燃料電池セルである。ＰＥＭ燃料電池セルは、簡単でコンパクトな燃料電池セルの設計を可能にするもので、これは、頑丈であり、周囲温度とあまり異ならない温度で使用でき、かつ、燃料、酸化剤および冷却剤の供給源について複雑な条件が無い、ものである。
【０００３】
従来の燃料電池セルは、比較的低い電圧を発生する。使用できる量の電力を得るためには、燃料電池セルは、一般に、燃料電池スタックに構成されており、これは、一般に、単一のスタック内に、１０、２０、３０個、あるいは、１００個台の燃料電池セルを有している場合がある。これは、まさに、使用できる電圧で有用な量の電力を発生できる単一のユニットを提供するものであるが、設計が、極めて複雑となる場合があり、かつ、多数の要素を含む場合があり、それらの全ては、慎重に組み立てねばならないものである。
【０００４】
例えば、従来のＰＥＭ燃料電池セルは、二つの流れ場極板、すなわち、陽極流れ場極板と陰極流れ場極板とを必要とする。二つの極板の間に、実際のプロトン交換膜を含む膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）が、設けられている。また、ガス拡散媒体（ＧＤＭ）が、各流れ場極板とプロトン交換膜との間に挟まれて、設けられている。ガス拡散媒体は、適切なガス、すなわち、燃料または酸化剤のいずれかの、ＰＥＭの表面への拡散を可能にし、かつ、同時に、関連流れ場極板とＰＥＭとの間で電気を導く。
【０００５】
この基本的なセル構造それ自体は、二つのシールを必要とし、各シールは、流れ場極板のうちの一つとＰＥＭとの間に設けられている。さらに、これらのシールは、比較的複雑な構成のものでなければならない。詳細には、以下に詳述するように、燃料電池スタック内で使用される流れ場極板は、多数の機能を有していなければならず、複雑な封止配列が必要である。
【０００６】
燃料電池スタックでは、流れ場極板は、一般に、開口部もしくはオープニング（開口部）を、どちらかの端部に有し、したがって、流れ場極板のスタックが、流れ場極板に垂直に伸張している細長い流路を規定している。燃料電池セルは、燃料、酸化剤および冷却剤の流れを必要とし、したがって、一般に、３対のポート、もしくは、合計６個のポートを必要とする。これは、燃料および酸化剤が、各燃料電池セルを通過して流れるのに必要だからである。連続的なフロースルーは、燃料または酸化剤の大部分が、場合により、消費されても、いかなる汚染物も、燃料電池セルを通して連続的に洗い流されてしまうことを保証する。
【０００７】
上記のことは、燃料電池セルが、冷却剤として、水などを与えられたコンパクト型の構成である、ことを仮定している。既知のスタック構成では、冷却剤として空気を使用するものが有り、これは、自然対流に依存するか、あるいは、強制対流を行なっている。このようなセル・スタックは、一般に、冷却剤用に、スタックを通る開いた流路を有し、その封止条件は、うるさくない。一般に、酸化剤および燃料用に封止された供給流路を設けることだけが必要とされる。
【０００８】
したがって、各流れ場極板は、一般に、各端部に三つの開口部を有し、各開口部は、燃料、酸化剤および冷却剤のうちの一つのための入口あるいは出口を表わしている。完成した燃料電池スタックでは、これらの開口部は、燃料電池スタック全体を貫いて伸張する分配流路を形成するよう整列させてある。したがって、封止条件は、複雑で、満足するのが難しいことが理解されよう。しかしながら、スタック／セル設計によっては、燃料電池セルが、各流体に対して、多重の入口および出口を有するようにすることが可能である。例えば、ある種の燃料電池セルは、陽極、陰極および冷却剤のそれぞれに対して２個の入口ポート、冷却剤に対して２個の出口ポート、かつ、陰極および陽極のそれぞれに対してただ１個の出口ポートを有している。しかしながら、いかなる組合せでも想定可能である。
【０００９】
冷却剤については、これは一般に、各燃料電池セルの背面に亘って流れ、したがって、隣接する、個々の燃料電池セル同士の間を流れる。しかしながら、これは、必須のことではなく、結果として、多くの燃料電池スタック設計は、第２、第３、または第４（など）の極板ごとに冷却流路を有しているだけである。これは、よりコンパクトなスタック（より薄い極板）をもたらすことになるが、冷却が満足どころではなくなる場合がある。この構成では、別のシール、すなわち、個々の燃料電池セルの各隣接するペアの間のシールが必要となる。したがって、完成した燃料電池スタックでは、各個々の燃料電池セルは、二つの流れ場極板に対して膜電極アセンブリを封止するためだけに、二つのシールを必要としよう。３０個の個々の燃料電池セルを有する燃料電池スタックでは、この目的のためだけに、６０個のシールが必要となろう。また、燃料電池セルの各隣接するペアと、集電体に対する端部シールとの間にも１個のシールが必要であることに気付く。３０個のセル・スタックでは、追加の３１個のシールが必要である。したがって、３０個のセル・スタックでは、合計９１個のシール（バス・バー、集電体および端部極板のシールを除く）が必要となり、かつ、これらのそれぞれは、複雑で凝った構造のものとなろう。バス・バー、絶縁体極板および端部極板に必要な追加のガスケットを入れれば、数は、単一の３０セル・スタック内に、各種の構成のシールが１００個に達する。
【００１０】
一般に、シールは、流れ場極板内に流路または溝部を設け、次いで、これらの流路または溝部内に予め作製されたガスケットを設けてシールとすることによって形成される。既知のやり方では、ガスケット（および（または）シール材）は、燃料電池セル内の構造物の各種の材料、各種のガスおよび熱伝達に使用される水性、有機および無機物の流体であり得る冷却剤、との接触による劣化に抵抗するよう、特異的に重合および配合されている。しかしながら、これは、燃料電池スタックに対する組立て技法が、複雑で、時間が掛かり、かつ、誤りを犯す機会が多くなることを意味する。ここで、弾性シールに言及すると、これは、一般に、エラストマーの射出、トランスファまたは圧縮成形などの既知の方法によって、燃料電池セルの個々の要素とは別個に成形されたフロッピなガスケット・シールを指す。弾性シールは、インサート射出成形などの既知の方法によって、極板上に作製することができ、したがって、ユニットの組立ては、明らかに、より簡単になる場合があるが、このようなシールの形成は、金型の摩耗、作製された極板内の許容差および材料の変化などの固有の処理変数により、困難で高くつく場合がある。おまけに、各シールおよび極板設計には、特注のツーリングが必要である。
【００１１】
追加の問題は、このようなシールまたはガスケットの形成または製造が複雑なことである。これらを製造するためには、一般に、二つの技法が既知である。
【００１２】
第一の技法では、個々のガスケットは、適当な金型内で成形することによって形成される。これは、比較的複雑で、高価である。各燃料電池セルの構成については、流れ場極板内の関連溝部の形状に正確に対応する金型の設計および製造が必要である。これには、設計者が、各ガスケットまたはシールの横断面を選択する完全な自由を有しており、具体的には、シールの横断面は、一様な厚さを有していなくてよい、という利点が有る。
【００１３】
第二の、別の技法は、中実の材料シートから各ガスケットを切り出すものである。これは、より安く、かつ、より簡単な技法が使える、という利点を有している。平面図で、単に、ガスケットの形状を規定し、かつ、その形状に対して切削工具を用意することだけが、必要である。次いで、ガスケットを、適切な厚さの適切な材料のシートから切り出す。これには、必然的に、一様な厚さを有するガスケットを形成することしかできない、という欠点が有る。おまけに、材料の相当な無駄が発生する。各ガスケットについて、材料の、流れ場極板の面積に対応する部分を使用しなければならず、しかも、シールそれ自体の表面積は、流れ場極板の面積のほんの小さな一部分である。
【００１４】
燃料電池スタックは、組立て後、一般に、締め付けて、要素を保持し、かつ、燃料電池スタックのシールおよび能動的な領域に十分な圧縮力が加えられることを保証する。この方法は、接触抵抗が最小限となり、かつ、セルの電気抵抗が最小限となることを保証する。この目的のため、燃料電池スタックは、一般に、二つの実質的な端部極板を有しており、これは、十分頑丈に構成されているため、圧力下でのそれらの撓みは、受容できる許容差内である。燃料電池セルはまた、一般に、燃料電池セルからの電流を集めて、小さなピックアップ点に集中させるための電流バス・バーを有しており、したがって、電流は、導体を介して負荷に伝えられる。電流バス・バーおよび端部極板を互いに他から、熱的に、かつ、電気的に分離するため、絶縁極板が使われる場合もある。したがって、複数の細長いロッド、ボルトなどを、極板のペアの間に設けて、燃料電池スタックを、テンション・ロッドによって、極板の間に締め付けることができる。リベット、ストラップ、ピアノ線、金属板および他の機構も、スタックを共に締め付けるのに使用できる。スタックを組み立てるためには、端部極板のうちの一つを貫いて伸張するロッドを設ける。絶縁体極板、次いで、バス・バー（シールを含む）を、端部極板の頂部に設置し、次いで、燃料電池セルの個々の要素を、ロッドによって規定された、あるいは、何らか他の位置決めツールによって規定された空間内に組み上げる。これは、一般に、各燃料電池セルについて、下記の工程を必要とする。
（ａ）  第一のシールを設置して、燃料電池セルを、先行する燃料電池セルから分離する工程、
（ｂ）  第一の流れ場極板を、第一のシール上に位置決めする工程、
（ｃ）  第二のシールを、第一の流れ場極板上に位置決めする工程、
（ｄ）  第二のシール内のＧＤＭを、第一の流れ場極板上に設置する工程、
（ｅ）  ＭＥＡを、第二のシール上に設置する工程、
（ｆ）  追加のＧＤＭを、ＭＥＡの頂部に設置する工程、
（ｇ）  シールを有する第二の流れ場極板を用意し、かつ、これをＭＥＡの頂部に、第二の極板のシールが、第二のＧＤＭの周りに落ちることを保証しながら、設置する工程と、
（ｈ）  次いで、この第二のまたは上側流れ場極板が、工程（ａ）におけるようなシールを受け入れるための溝部を示す工程。
【００１５】
このプロセスは、最後の燃料電池セルが形成されるまで繰返す必要があり、次いでバス・バー、絶縁体極板および最終的な端部極板を頂部に付ける。
【００１６】
各シールは、慎重に設置しなければならず、また、設置者は、各シールが、その封止溝部に、十分、かつ、適切に係合していることを保証しなければならないことが、理解されよう。設置者が、シールの小さな一部分が、適切に位置していないという事実を見落とすことは、極めて容易に起こる。冷却剤領域では、燃料電池セルの隣接するペアの間のシールは、二つの流れ場極板の対面する表面に設けられた溝部を有している場合がある。設置者は、やむを得ず、これらの溝部のうちの一つにのみシールを設置する場合があり、その場合、感覚などに頼って、シールが、組立て中、適切に他の極板の溝部に係合することを保証しなければならない。シールを目視で検査して、シールが、両方の溝部に適切に着座しているのを保証することは、実践的には不可能である。
【００１７】
上記のように、シールを個々のセルに直接成形することは可能である。これは、フロッピなシールに比べて、より良い許容差および部品割付け性の向上などの、組立ての際の利点を示すが、それでもなお、本発明の技法に比べて、ＭＥＡとの整列の問題、多重のシール、およびシールを作製するのに金型が必要、など、多くの欠点、を有している。おまけに、本発明が提案している方法よりも多くの工程が、製品の完成には必要である。
【００１８】
したがって、従来の燃料電池スタックを組み立てるのは、困難で、時間が掛かり、かつ、封止破損に至ることが多いことが理解されよう。完全なスタックを組み立てた後では、それを試験するが、これは、それ自体、困難で、複雑な手順である。たとえ、漏れが検出されても、これは、単に、スタックが特定の流体の圧力を維持できないため、それ自体、初期的に存在する場合があり、また、漏れが生じている個所を正確に突き止めるのは、特に、漏れが、内部の場合、非常に困難なことがある。たとえ、正確に突き止められても、スタックを修理する途は、それを完全に分解し、異常なシールを交換することしかない。これは、全ての他のシールの崩壊となり、したがって、スタック全体および全ての異なるシールを再組立てしなければならず、再び、どれか一つのシールのミスアラインメントおよび破損の可能性が生じる。
【００１９】
従来の技法のさらなる問題は、スタックに加えられる締付け圧力が、事実、二つの全く異なり、かつ、別個の役割を果たすことが意図されていることである。これらは、十分な圧力を与えて、シールが、意図されている通りに働くことを保証すること、およびＭＥＡそれ自体と個々の流れ場極板との間に挟まれたガス拡散媒体に、所望の圧力または圧縮力を加えることである。ＧＤＭに不十分な圧力が加えられた場合は、電気的な接触が不十分となり、他方、ＧＤＭが過大に圧縮された場合は、ガスの流れが、悪影響を受ける場合がある。残念なことに、多くの従来の設計では、既知の総圧力を、燃料電池スタック全体に加えることができるだけである。この圧力を、シールに加えられる圧力とＧＤＭに加えられる圧力との間で分けるわけ方は、全く知られていない。従来の設計では、加えられる圧力のこの分割は、完全に、燃料電池スタック内の個々の要素の設計および適切な許容差の維持に左右される。例えば、ＧＤＭは、一般に、流れ場極板の中心部分に存在し、各中心部分の深さが、受容できる許容差の外に変動すると、これは、不当な圧力が、ＧＤＭに加えられる結果となる。この深さは、ガスケットがどの程度まで圧縮されているかに左右される場合があり、封止特性、耐久性およびシールの寿命に影響する場合もある。
【００２０】
これらすべての理由のため、従来の燃料電池セルの製造および組立ては、時間が掛かり、かつ、高価である。より具体的には、現在のアセンブリ技法は、生産ラインベースの燃料電池セルの大規模生産には、完全に不適である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
先の出願第09/854,362号によれば、燃料電池セル・アセンブリ、および関連する方法であって、
複数の別個の要素と、
該燃料電池セル・アセンブリ全体を貫いて伸張させた少なくとも一つの溝部ネットワークであって、該少なくとも一つの溝部ネットワーク用の少なくとも一つの充填ポートを含む少なくとも一つの溝部ネットワークと、
前記別個の要素の組立て後、定位置に形成された各溝部ネットワーク内のシールと、を含み、該シールは、燃料電池セルの動作のための流体用のチャンバーを規定する前記別個の要素のうちの少なくとも二つの間のシールとなっている、ことを特徴とする燃料電池セル・アセンブリが、提供されている。
【００２２】
その発明の方法は、別個のガスケットを使用する従来の構造に比べて多数の利点を提供している。先ず、この発明は、各燃料電池セルの膜の能動的領域の、能率的で正確な締付けおよび位置決定を可能にする。これとは対照的に、従来の技法では、多重セル・スタックの全ての要素は、要素に僅かに間隔を付けて組み立てられ、全ての要素を、最終的な、締付け位置に共に引き寄せるのは、最終的な締付けだけであり、これは、スタック内の異なる要素の正確な整列を保証するのを困難にする。シールに対する溝部の許容差条件は、相当に緩和することができるが、これは、許容差条件を選んだガスケット寸法に対応させることが最早必要ないからである。注入される液体材料で、溝部寸法の広範囲のばらつきを補償することができる。この発明のこれらの属性を組み合わせると、相当により薄い極板構造の利用が可能である。燃料電池セル設計の現在の動向は、ますますより薄い流れ極板を求めており、ある与えられた電力の燃料電池スタックの全体寸法を減らす意図が働いている。この発明の封止技法を用いれば、溝部は、比較的薄い底壁（溝部の開いた側と反対の側の壁）を有することができる。これは、スタックを最初に組み立てる時、溝部にいかなる圧力も存在せず、かつ、組み立てられた状態では、構成は、どの薄壁部分に対しても支持を与えるようなものにすることができるからである。シール材を注入し、かつ、硬化させるのは、組立て後のみである。
【００２３】
硬化するとエラストマー材料を形成する液体シーラントの使用は、燃料電池スタックの各種の要素に化学的に接着するよう設計された材料の使用を可能とし、それにより、シール性能を保証し、かつ（あるいは）高めている。これは、燃料電池スタックの全体的な耐久性を増大することにもなろう。また、燃料電池スタックの設計によっては、積極的な冷却剤、例えばグリコールが使用できることが予想され、かつ、この発明では、冷却剤および存在する他の流体と両立できるシール材を選択するのは、簡単なことである。
【００２４】
しかしながら、上述した先の発明の可能的な欠点は、いかなる電気化学セル・スタックも、ひとたび組み立てられると、例えば修理のため、容易に分解することができないことである。別個のガスケットなどを使用する従来の配列体は、組み立てるのが困難で労働集約的な場合があるが、それらの場合は、何時でも、スタックを分解して、損傷した部品を見つけ出し、その後、スタックを共に締付けることなどによって再組立てすることが可能である。
【００２５】
本発明は、先の出願第09/854,362号によって作られた電気化学セル・アセンブリまたはスタックを、少なくとも部分的に分解して、例えば修理および交換を行い、次いで、再組立てすることを可能にする技法を提供することを意図している。より具体的には、本発明は、硬化可能なシール材を注入して、硬化させ、スタックまたはアセンブリ内のシールを作り直すことができるよう、再組み立てした電気化学セル・スタック内の溝部への流体連通を行なうための多数の技法を提供している。
【００２６】
そのようなものとして、本発明は、永久的で別個の部品の分解を容易には許さないシールを有する全ての電気化学セル・アセンブリに対する適用性を有している。例えば、場合によっては、従来の別個に成形されたガスケットは、スタックが、容易には分解できないよう、接着剤などで他の部品に接着されている場合がある。このようなスタックは、本発明によれば、溝部を充填ポートに接続して、スタックの少なくとも一部を硬化可能なシール材で再封止できるようにすることで、再組立てすることができよう。
【００２７】
本発明は、共に封止することを必要とする対向する表面に、シール材が供給できるよう、溝部の付与を必要とする。この点では、対向する溝部の両半分（これらは、横断面が同一あるいは同様でない場合がある）を設けて各溝部を形成するのが一般的である。しかしながら、目的によっては、一つの要素内に溝部の全体を与えること、および対向する要素に平坦な表面を与えることが好ましい場合もあることが理解されよう。多くの場合、一つの要素上に平坦な封止表面を与えることは、その要素のいかなるミスアラインメントも吸収する簡単な方法である。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明の第一のアスペクトによれば、
電気化学セル・アセンブリであって、
（ａ）  複数の別個の要素であって、要素のうちの少なくともいくつかは、シール用の溝部を含む複数の別個の要素と、
（ｂ）  複数の別個の要素同士の間の溝部における複数のシールであって、要素を封止して流体の流れを制御する複数のシールと、
を含む電気化学セル・アセンブリにおいて、
要素およびシールは、二つまたはそれ以上の要素の分離で、シールおよび別個の要素のうちの一つまたはそれ以上のものに対する損傷が生じるように共に接着されており、かつ、
電気化学セル・アセンブリは、別個の要素のうちの少なくともいくつかのそれぞれに対して、再封止部分であって、それを貫く穴部を形成して、溝部のうちの少なくとも一つへの流体連通を与えることを可能にする再封止部分を含み、それにより、使用の際には、電気化学セル・アセンブリを、少なくとも部分的に分解することができ、いかなる損傷した要素も交換することができ、前記溝部のうちの少なくとも一つと接続する前記再封止部分のうちの選択した再封止部分を貫いて少なくとも一つの穴部を形成して、溝部ネットワークを形成することができ、それにより、電気化学セル・アセンブリは、再組立てすることができ、かつ、硬化可能なシール材を溝部ネットワークに注入し、かつ、硬化させて、電気化学セル・アセンブリを再封止することができる、
ことを特徴とする電気化学セル・アセンブリ、が提供されている。
【００２９】
本発明の別のアスペクトは、
電気化学セル・アセンブリであって、
複数の別個の要素と、
電気化学セル・アセンブリを貫いて、かつ、複数の別個の要素同士の間を、少なくとも部分的に伸張しており、かつ、少なくとも一つの溝部ネットワーク用の少なくとも一つの充填ポートを含む少なくとも一つの溝部ネットワークと、
少なくとも一つの溝部ネットワーク内のシールであって、そのシールは、前記別個の要素の組立て後、硬化した液体シール材から定位置に形成されているシールにおいて、シールは、電気化学セル・アセンブリの動作のための流体用チャンバーを規定する前記別個の要素のうちの少なくとも二つの間のバリアとなっているシールと、
再封止部分であって、電気化学セル・アセンブリの複数の別個の要素のうちの少なくともいくつかのそれぞれに対して、少なくとも一つのそれを貫く穴部を形成して、溝部のうちの少なくとも一つへの流体連通を与えることを可能にする再封止部分と、を含み、それにより、使用の際には、電気化学セル・アセンブリを、少なくとも部分的に分解し、かつ、その後、再組立てすることができ、前記少なくとも一つの穴部は、再組立て後、液体シール材を注入して、電気化学セル・アセンブリを再封止することを可能にする、
ことを特徴とする電気化学セル・アセンブリを提供している。
【００３０】
本発明のさらなるアスペクトは、
複数の別個の要素を含む電気化学セル・アセンブリ内にシールを形成する方法において、該方法は、
（ａ）  燃料電池セルの別個の要素を共に組み立てる工程と、
（ｂ）  別個の要素を貫いて伸張している少なくとも一つの溝部ネットワーク、および外部に開き、かつ、少なくとも一つの溝部ネットワークと連通している充填ポートを設ける工程と、
（ｃ）  液体シール材の供給源を充填ポートに接続し、かつ、シール材を少なくとも一つの溝部ネットワークに注入して、少なくとも一つの溝部ネットワークを充填し、かつ、同時にそれからガスを出させる工程と、
（ｄ）  複数の別個の要素のうちの少なくともいくつかを貫いて伸張する穴部をシール材に形成し、かつ、シール材を硬化させて、少なくとも一つの溝部ネットワークにシールを形成する工程と、
を含む方法を提供している。
【００３１】
本発明の方法アスペクトに対する一変形例として、
複数の別個の要素を含む電気化学セル・アセンブリ内にシールを形成する方法において、該方法は、
（ａ）  燃料電池セルの別個の要素を共に組み立てる工程と、
（ｂ）  複数の別個の要素を貫いて伸張し、かつ、電気化学セル・アセンブリの外部に開いている少なくとも一つの開放端を含む少なくとも一つの主マニフォールドを設ける工程と、
（ｃ）  別個の要素を貫いて伸張している少なくとも一つの溝部ネットワーク、および外部に開き、かつ、少なくとも一つの主マニフォールド、および少なくとも一つの溝部ネットワークと連通している充填ポートを設ける工程と、
（ｄ）  液体シール材の供給源を充填ポートに接続し、かつ、シール材を少なくとも一つの溝部ネットワークに注入して、少なくとも一つの溝部ネットワークを充填し、かつ、同時にそれからガスを出させる工程と、
を含み、
それにより、前記少なくとも一つの開放端の付与は、その後、電気化学セル・アセンブリの少なくともいくつかの要素を貫いて、その再組立てのため、穴部が形成されることを可能にする、
ことを特徴とする方法が提供されている。
【００３２】
本発明の方法部分の別のアスペクトは、
電気化学セル・アセンブリを分解し、かつ、再組立てする方法であって、電気化学セル・アセンブリは、
（a）  複数の別個の要素であって、別個の要素のうちの少なくともいくつかは、シール用の溝部を含む複数の別個の要素と、
（b）  別個の要素同士の間の溝部内の複数のシールと、
を含み、
該方法は、
（１）  電気化学セル・アセンブリを少なくとも二つの部分に分離する工程であって、それぞれは、前記複数の別個の要素のうちの少なくとも一つを含む工程と、
（２）  電気化学セル・アセンブリの前記少なくとも二つの部分の対面する表面において、溝部の一つまたはそれ以上の内のどの既存のシール材も清掃し、かつ、除去する工程と、
（３）  電気化学セル・アセンブリを貫いて伸張し、かつ、各空の溝部と連通している少なくとも一つの穴部を設ける工程と、
（４）  前記少なくとも二つの部分を共に再組立てする工程と、
（５）  穴部を貫いて新しいシール材を注入して、各空の溝部に充填し、かつ、新しいシール材を硬化させて、電気化学セル・アセンブリの前記少なくとも二つの部分の間のシールを作り直す工程と、
を含むことを特徴とする方法を提供している。
【００３３】
本発明はまた、
シール材を電気化学アセンブリに与えて、電気化学セルの各種の部品を封止する装置であって、該装置は、
（ａ）  本体と、
（ｂ）  シール材を受け入れるため本体の一端部近くに配設された入口と、
（ｃ）  電気化学セルの少なくとも一つの部分に、シール材を供給するため、本体の他の端部近くに配設された出口と、
を含み、
本体は、一般に、シール材が、電気化学セルに渡された後で、電気化学セル内に穴部を残すための適切な形状を有している、
ことを特徴とする装置も提供している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
図１〜２１は、先の出願第09/854,362号で記述された本発明を示す。図２２〜２８は、本発明の詳細を開示している。出願第09/854,362号の内容は、これにより、参照によって組み込まれている。
【００３５】
先の出願第09/854,362号は、一般に、多数のシールを必要とする複雑な構造（例えば、何百個の別個のシールを必要とする場合がある電気化学セル・スタック）において、溝部ネットワークを形成し、硬化可能なシール材を注入し、次いで、シール材を硬化させることによって、シールを形成する技法を記述している。これは、従来のスタックを組み立てる際に出会うアラインメントの許容差などの問題を解決するものである。
【００３６】
しかしながら、この技法は、分解または修理に対するいかなる機会も与えない永久的に組み立てられたスタックとなっている。これは、例えば、燃料電池スタックの１個のセル内の膜が破損した場合、燃料および酸化剤ガスの受容できない混合となるであろう。多くの場合、セル・スタックの残りの部分は、良好な状態のままで、設定された仕様を満足するであろう。
【００３７】
したがって、本発明は、このような電気化学セル・スタックの分解および再組立てを可能にする技法を提供する。このような技法は、主として、損傷した部品の修理または交換を可能にすることを意図したものである。
【００３８】
大きな、複雑なスタックでは、損傷した部分のみの分解を必要とする。良好な稼動状態のセルは、いかなる点でも影響されない。
【００３９】
先の発明の第一の実施形態は、図１ａに示してあり、一般に、参照数字２０で示してある。簡単さのため、この図は、図２と同様、燃料電池スタックの一部分のみを示す。スタックにおける他の燃料電池セルは、これに等しく、かつ、燃料電池スタックは、従来の端部要素、締付け要素などを含むであろうことが理解されよう。一般に、図１ａ〜３は、本発明の個々の実施形態の重要な要素を示すことを意図しており、この技術に長けた人なら、燃料電池スタックは、さもなければ、従来どおりであろうことが理解されよう。図１ａ〜ｅおよび２ではまた、プロトン交換膜を示してあるが、明瞭さのため、厚さを誇張してあり、これは、既知のように、小さな厚さを有している。図１ａ〜ｅでは、シール材の溝部を概略的に示してあり、溝部は、一般に、同様の深さおよび幅、すなわち、一般に正方形の横断面を有することが予想される。溝部は、任意の所望の輪郭を有し得ることにも注目されたい。
【００４０】
第一の実施形態２０は、陽極バイポーラ極板２２および陰極バイポーラ極板２４を含む燃料電池セルを示している。バイポーラ極板２２、２４の間には、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）２６が、既知のやり方で、挟まれている。ＭＥＡを封止するため、バイポーラ極板２２、２４のそれぞれには、それぞれの溝部２８、３０が与えられている。これは、従来の実践からの逸脱であり、従来では、一般に、流れ極板にガスの流路を与えてはいるが、ガス拡散媒体（ＧＤＭ）などのためのいかなる凹部も与えていない。一般に、流れ極板上に突出しているシールの厚さは、ＧＤＭを収容するのに十分な空間を有している。ここで、流れ極板は、互いに他に直接当接し、それにより、完全なＭＥＡ２６に与えられた空間、したがって、ＧＤＭに加えられる圧力に対して、はるかによりよい制御が行なわれることが意図されている。これは、ＧＤＭから、よりよく、かつ、より一様な性能が得られることを保証するであろう。
【００４１】
ＭＥＡは、従来どおり、合計三つの層、すなわち、中央のプロトン交換膜層（ＰＥＭ）、ＰＥＭの両側面上の細かく分割された触媒の層（ＰＥＭの各側面上で必要な反応を促進するためのもの）を含む、と考えられる。また、ＰＥＭの各側面上に位置して、触媒層と当接し、かつ、一般に、十分な導電率を保証するため、触媒層に押し当てられた状態に維持されている二つのガス拡散媒体（ＧＤＭ）の層も有るが、ＧＤＭのこれら二つの層は、ＭＥＡそれ自体の一部分とは考えられない。
【００４２】
陰極バイポーラ極板２４は、図示のように、隣接する燃料電池セルの別の陽極バイポーラ極板２２の裏面に臨む裏面を有して、冷却剤流路３２を規定している。陰極バイポーラ極板２４および上側の陽極バイポーラ極板２２を封止するためには、再び、溝部３４および３６が、設けられている。
【００４３】
陽極および陰極バイポーラ極板２２、２４は、ＭＥＡ２６を受け入れるための、かつ、ＭＥＡの各側面上のガス分配媒体（ＧＤＭ）のためのチャンバーまたは空洞部を規定していることが理解されよう。ＧＤＭのためのチャンバーまたは空洞部は、３８で示してある。
【００４４】
図１ａは、本発明の奥に在る基本的な原理を単に示すことを意図したものであり、完全な燃料電池スタックに必須の他の要素は示していないことが理解されよう。例えば、図１ａは、個々の燃料電池セルに、ガスおよび冷却剤の流れを与えるという問題には、取り組んでいない。図１ａの封止技法は、図４およびその後の図の実施形態に組み込まれており、また、本発明のこれらのさらなるアスペクトは、それらの図に関連してさらに説明されている。
【００４５】
図２は、別の配列を示す。ここで、陽極および陰極バイポーラ極板は、４２、４４および４２ａで示してあり、これらは、図１ａの極板２２、および２４に対応する。ＭＥＡは、再び、２６で示してある。冷却剤空洞部が、４６に形成されており、また、空洞部またはチャンバー４８、５０が、ＧＤＭに与えられている。
【００４６】
ここで、極板４２、４４は、図１ａの場合と同様、各種の空洞部または溝部を設けて、シール５２が形成されるよう、設計されている。したがって、最下側のシール５２は、ＭＥＡ２６と陽極バイポーラ極板４２との間のシールとなっている。ＭＥＡ２６の頂部では、さらなるシール５２が、陰極バイポーラ極板４４に対するシールとなっている。これらのシール５２は、図１ａの場合と同様、先ず、流れ場極板の表面に亘って、溝部または流路のネットワークを設けることによって形成されている。
【００４７】
ところで、本発明のこの第二の実施形態によれば、追加のシールおよび追加の封止保証を与えるため、シール・イン・プレイス・シール５４が、燃料電池スタックの外部全体の周りに、図示のように、設けられる。図１ａの場合と同様、従来のポートおよび開口部（図示せず）が、燃料電池スタックに対するガスおよび冷却剤の流れに与えられるであろう。このシールを形成するためには、スタック全体が、外装されることになろうし、また、シール材を注入して、外側のシール５４および全ての内側のシールを同時に形成できるよう、ポートおよびベントを設ける。この目的のため、シール５２のための溝部と、シール５４が形成されるスタックの外部との間に、連通流路およびダクトを設ける。前述のように、材料は、ひとたび注入したら、室温（周囲温度）で、あるいは、高温で加熱することによって、硬化させる。スタックの表面上の最終的なシール材は、二つの目的、すなわち、スタック全体の封止、および燃料電池スタックの電気的な絶縁に役立つことになる。
【００４８】
図２の配列の変形例では、完全に外装された溝部を設けるのではなく、溝部は、燃料電池スタックの側面に開放されることになろう。したがって、シールを形成するためには、燃料電池スタックの側部は、図３に示すように、金型などによって、幾分は閉鎖されることになろう（以下の説明参照）が、燃料電池スタック全体の周りに、完全な外部シールのためのいかなる空間も設けられることはない。
【００４９】
図３は、図２の実施形態の場合と幾分は同様の、一般に、シールを形成するための、６０で示されるアセンブリ装置を示す。ここで、燃料電池スタックは、先ず、既知の実践に従うが、いかなるシールも挿入されることなしに組み立てられることが、予想される。したがって、スタックの各種の要素、主として、流れ場極板およびＭＥＡは、適切な端部部品と共に、逐次的に組み立てられることになる。部品同士を整列させるためには、締付けロッドを用いて、先ず、これらを一方の端部極板に取り付けるか、あるいは、正確なアラインメントを保証するよう寸法取りされた治具内で部品を組み立てればよい。どちらのやり方でも、全ての部品が定位置となったら、アセンブリ全体を、一般に、上記のように、両方の端部極板に係合する締付けロッドを用いて、共に締め付ける。アセンブリ装置６０は、ウェル６６を規定するベース６２および周辺壁６４を有している。追加的に、端部極板に係合して、燃料電池スタックを定位置に設置するための上側および下側突出部６８が存在する。図３は、燃料電池スタックの二つの側部のみにおける突出部６８を示しているが、それらは、四つの側部全てに設けられることが理解されよう。
【００５０】
次いで、陰極極板および陽極極板、ＭＥＡ、絶縁体、電流バス・バー、などを含む燃料電池スタックの要素のアセンブリを、ウェル６６内に設置し、突出部６８により、陽極極板および陰極極板の全ての周りに、かつ、端部極板の少なくとも一部分の周りに、空間が存在することを保証する。集電体極板は、一般に、ケーブルなどへの接続および収容のための突出タブを有しており、これらには、シールが設けられている。スタックの各種の層または極板を、図３の６９で概略的に示し、端部極板を、６９ａで示してある。
【００５１】
次いで、本発明によれば、スタックの周りに、７０で示すように、材料の層を注入する。これは、次いで、幾分は図２のやり方で、シールとなる。再び、燃料電池スタック内の、内部の溝部ネットワークへの接続を行なって、シールを同時に形成する。この場合、端部極板にガス抜きを設けることになろう。ベント流路は、スタックを貫いて伸張し、かつ、スタックの端部から出るように設け、かつ、スタックそれ自体の内部の溝部ネットワークと連通させることになろう。
【００５２】
シール材を硬化させるためには、一般に、シール材用に適当な部品を選択することによって、硬化温度を選択することができる。硬化温度は、例えば、３０(C、８０(C、またはそれ以上を選択することができる。硬化温度は、燃料電池セルの材料に適合していなくてはならない。高温度での硬化のためには、加熱した水をスタックに通過させれば、スタック全体が、速やかに硬化温度まで加熱されて、硬化サイクルの短縮が保証されることが、予想される。上記のように、本発明は、いかなる別個の加熱工程も必要としないよう、周囲温度で硬化するシール材を用いるか、あるいは、冷却するにつれて凝固する熱可塑性樹脂を用いることができることも、予想される。シール材を充填する際、個々の溝部から空気を排出させるためには、ベントを設けることができる。
【００５３】
本発明は、単一の溝部ネットワークに関連して説明しているが、多重の溝部ネットワークを設けることができることを理解されたい。例えば、複雑な設計では、個々の、分離されたネットワークを有して、個々のネットワークへのシール材の流れを制御できるようにすることが好ましいことが分かろう。多重の、別個のネットワークはまた、燃料電池セル・アセンブリの異なる部品に対して、異なるシール材を用いることの可能性も提供する。したがって、上記のように、燃料電池セル内で、多種多様な異なる材料を使用することができる。シール材および多種多様な材料との適合性があるプライマーを見出すことは、困難であるかもしれない。別個のネットワークを設けて、各シール材とプライマーのペアが、より小さい範囲の材料と共に使用する場合にしか適合しないようにすることが、有利である、と分かろう。
【００５４】
ここで、図５〜１３を参照すると、これらは、本発明の好適な一実施形態を示すものであり、これらの図における燃料電池スタックは、一般に、参照数字１００で示してある。
【００５５】
先ず、図５および６を参照すると、スタック１００の基本的な要素が示されている。したがって、スタック１００は、陽極端部極板１０２および陰極端部極板１０４を含んでいる。端部極板１０２、１０４には、必要な流体の供給用の接続ポートが、既知のやり方で、設けられている。空気接続ポートは、１０６、１０７で示し、冷却剤接続ポートは、１０８、１０９で示し、また、水素接続ポートは、１１０、１１１で示してある。図示されていないが、ポート１０６〜１１１に対応する、対応する空気、冷却剤および水素ポートが、燃料電池スタック１００の陽極側に設けられていることが理解されよう。各種のポート１０６〜１１１は、先の実施形態の場合と同様、燃料電池スタック１００を貫いて伸張する分配流路またはダクトに接続されている。ポートは、ペアで設けられ、かつ、燃料電池スタック１００を貫いていっぱいに伸張して、燃料電池スタック１００の、各種の必要な機器への接続を可能にしている。これはまた、多数の燃料電池スタックを既知のやり方で共に接続することを可能にしている。
【００５６】
陽極および陰極端部極板１０２、１０４に直接隣接して、絶縁体１１２および１１４が有る。絶縁体に直接隣接して、既知のやり方で、陽極集電体１１６および陰極集電体１１８が存在している。
【００５７】
集電体１１６、１１８の間に、複数の燃料電池セルが有る。この特定の実施形態では、１０個の燃料電池セルが有る。図５は、簡単さのため、１個の燃料電池セルの要素しか示していない。したがって、図５では、陽極流れ場極板１２０、第一のまたは陽極ガス拡散層または媒体１２２、ＭＥＡ１２４、第二のまたは陰極ガス拡散層１２６、および陰極流れ場極板１３０が、示されている。
【００５８】
アセンブリを一体に保持するため、タイロッド１３１が設けられており、これは、陽極端部極板１０２のねじ穴部にねじ込み、陰極端部極板１０４の対応するバカ穴部を通過させる。アセンブリ全体を締め、かつ、個々の燃料電池セルの各種の要素が、確実に一体的に締め付けられるよう、既知のやり方で、ナットおよび座金が設けてある。
【００５９】
ところで、本発明は、シールおよびそれらを形成する方法に関している。そのようなものとして、燃料スタック・アセンブリの他の要素は、大幅に従来どおりであることができ、したがって、それらを詳述しないことがことが理解されよう。詳細には、流れ場極板、ＭＥＡおよびガス拡散層用に選ばれた材料は、従来の燃料電池セル技術の事項であり、したがって、それらだけでは、本発明の一部を形成しない。
【００６０】
ここで、図６ａおよび６ｂを参照すると、これらは、それぞれ、２０および１００個の個々の燃料電池セルを有する構成を示している。これらの図は、燃料電池セルを概略的に示しており、かつ、燃料電池セルそれ自体の基本的な要素を、スタックの端部における必要な部品を除いて示している。したがって、端部極板１０２、１０４、絶縁体１１２、１１４、および集電体１１６、１１８は、示されていない。代わりに、これらの図は、単に流れ場極板１２０、１３０のペアのみを示している。
【００６１】
以下の記述において、陽極および陰極流れ場極板１２０、１３０に対する「表面」および「裏面」の名称は、ＭＥＡに対するそれらの向きを示している、と理解されたい。したがって、「表面」は、ＭＥＡの方向に向いている面を指し、一方、「裏面」は、ＭＥＡと反対の方向に向いている面を指す。したがって、図８および１０において、ポートの構成は、図７および９に比べて反転している。
【００６２】
ここで、図７および８を参照すると、これらは、陽極バイポーラ極板１２０の詳細を示す。図示のように、極板１２０は、一般に長方形であるが、任意の形状にすることができ、かつ、図７に示す表面または内側の面１３２および図８に示す裏面または外側の面１３４を含んでいる。表面１３２は、水素に流路を与え、裏面１３４は、冷却を容易にする流路配列を与えている。
【００６３】
スタック・アセンブリ全体のポート１０６〜１１１に対応して、流れ場極板１２０は、空気流のための長方形の開口部１３６、１３７、冷却剤流のための一般に正方形の開口部１３８、１３９、および、水素流のための一般に正方形の開口部１４０、１４１を有している。これらの開口部１３６〜１４１は、ポート１０６〜１１１と整列させてある。対応する開口部は、燃料電池スタックを既知のやり方で貫いて伸張するダクトまたは分配流路を規定するように、全ての流れ場極板に設けられている。
【００６４】
ところで、燃料電池スタック１００の各種の要素を共に封止するため、流れ場極板には、溝部を設けて、溝部ネットワークを形成しており、これは、以下に詳述するように、燃料電池スタックを貫いてシールを形成するシーラントの流れを受け入れ、かつ、規定するよう構成されている。陽極流れ場極板１２０の各側におけるこの溝部ネットワークの要素をここで説明する。
【００６５】
表面１３２上には、表面溝部ネットワークまたはネットワーク部分が、１４２で示してある。溝部ネットワーク１４２は、０.０２４インチの深さを有しており、幅は、以下に示すようにさまざまである。
【００６６】
溝部ネットワーク１４２は、サイド溝部１４３を含んでいる。これらのサイド溝部１４３は、０.１５３インチの幅を有している。
【００６７】
また、溝部ネットワーク１４２は、一端部で、開口部１３６、１３８および１４０の周りに、対応する長方形の溝部部分を有している。
【００６８】
長方形の溝部部分１４４（開口部１３６の）は、外側の溝部セグメント１４８を含んでおり、これらは、溝部セグメント１４９に続いており、それら全ては、０.２００インチの幅を有している。内側の溝部セグメント１５０は、０.１２０インチの幅を有している。冷却流体用の開口部１３８では、長方形の溝部１４５が、三つの側部の周りに設けられた溝部セグメント１５２を有しており、それぞれ、再び０.２００インチの幅を有している。開口部１４０では、長方形の溝部１４６が、溝部セグメント１５２と本質的に等しい溝部セグメント１５４を有しており、それぞれ、再び０.２００インチの幅を有している。溝部セグメント１５２、１５４では、内側の溝部セグメント１５３、１５５が有り、これらは、溝部セグメント１５０と同様、０.１２０インチの幅を有している。
【００６９】
開口部１３６、１３８および１３８、１４０の隣接するペアの間には、０.５インチの総幅を有する溝部接合部分１５８、１５９が有り、隣接する溝部セグメント同士の間の、滑らかな遷移部となっていることに注目されたい。溝部接合部分１５８のこの構成、および、外側の溝部セグメントに比べた場合の溝部セグメント１５０、１５３、１５５の低減された厚さは、シーラントの材料が、全ての溝部セグメントを貫流して、確実にそれらを一様に充填することを意図したものである。
【００７０】
各種の流れ場極板などを通して接続を行なうため、接続開口部１６０が設けてあり、これは、０.２５インチの幅、０.１２５インチの半径で丸みを付けた端部、および０.３５インチの全長を有している。図７に示すように、接続開口部１６０は、溝部セグメント１５２、１５４を明確に遮断するよう寸法取りされている。この構成は、端部極板、絶縁体および集電極板にも見出されるが、これは、接続開口部１６０が、連続して端部極板に至り、かつ、端部極板は、対応する溝部輪郭を有しているからである。これは、図１２および１５でより詳しく図解し、かつ、以下で説明する。
【００７１】
陽極流れ場極板の裏面シール輪郭を図８に示す。これは、表面上のサイド溝部に比べて、０.２００インチというより大きな幅を有するサイド溝部１６２を含んでいる。空気開口部１３６の周りには、これも０.２００インチという一様な幅を有する溝部セグメント１６４が有る。これらは、第一の溝部接合部分１６６に接続する。
【００７２】
冷却剤開口部１３８では、溝部セグメント１６８が、これも０.２００インチの幅を有して、三つの側部の周りに伸張している。図示のように、開口部１３８は、内側の側部で開いて、冷却流体が、図示の流路ネットワークを貫流することを可能にしている。図示のように、流路ネットワークは、流れ場極板の後部に亘って、冷却流の一様な分配を促進するようになっている。
【００７３】
燃料または水素開口部１４０では、三つの側部に溝部セグメント１７０が有る。溝部接合部分１７２は、開口部１３８、１４０の周りの溝部セグメントを接合している。
【００７４】
開口部１４０の最内側の溝部セグメント１７４は、溝部セグメント１５５に比べて、より長い距離に設定されている。これは流路１７６が、溝部セグメント１５５の下で伸張して設けられることを可能にしている。次いで移動スロット１７８が、設けられており、これは、ガスが、流れ場極板の一方の側面から他方に流れることを可能にしている。図７に示すように、これらのスロットは、流れ場極板の表面側に出、かつ、ガス流を極板の表面側に亘って一様に分配するため、流路ネットワークが設けられている。図８における開口部１３６、１３８および１４０の周りの完全な長方形の溝部は、それぞれ１８２、１８４および１８６と名付けられている。
【００７５】
図７および８に示すように、陽極流れ場極板１２０の他の端部における開口部１３７、１３９および１４１の構成は、対応している。簡単さおよび簡潔さのため、これらの流路の説明は、繰返さない。各種の溝部セグメント、接合部分などを表わすのに、同じ参照数字を使用しているが、接尾辞「ａ」で、それらを区別している（例えば、図７における溝部部分１４４a、１４５a、および１４６ａ）。
【００７６】
ここで、図９および１０を参照すると、これらは、陰極流れ場極板１３０の構成を示している。先ず、封止溝部の配列は、陽極流れ場極板１２０のそれと本質的に等しいことに注目されたい。これは、二つの流れ場極板の間にＭＥＡ１２４を挟み、互いに他と真反対の位置にシールを形成することが、設計上、必要であったため、必要なことである。スタック・アセンブリは、シールが、互いに他と反対の位置になるよう設計するのが、一般に好適であるが、これは、必須のことではない。また、陽極および陰極流れ場極板１２０、１３０の表面側のシール経路（溝部）は、それらの裏面の場合と同様、互いに他の鏡像であることも理解されたい。したがって、再び、簡単さおよび簡潔さのため、図９および１０では、同じ参照数字を用いて、封止流路アセンブリの異なる溝部セグメントを表わすが、アポストロフィで、陰極流れ場極板におけるそれらの使用を示している。
【００７７】
陰極流れ場極板１３０では、表面上の溝部パターンは、必然的に、酸化剤開口部１３６、１３７からの酸化剤流の分配が一様になるよう、設けられている。陰極流れ場極板の裏面側では、移動スロット１８０が、設けられて、酸化剤用の開口部１３６、１３７と、極板の表面側のネットワーク流路との間の接続を行なっている。ここで、各開口部には、５本のスロットが設けられているが、陽極流れ場極板の場合は、４本である。この場合、燃料電池セルで一般的であるように、酸化剤には、空気が用いられ、空気の約８０%は、窒素を含んでいるので、酸化剤の十分な供給を保証するためには、より多くの流量のガスを供給しなければならない。
【００７８】
陰極流れ場極板１３０の裏面上には、冷却水流のための流路は、全く設けられておらず、裏面は、完全に平坦である。流路の異なる長さおよびその内部の異なる流体を補償するため、異なる深さが用いられている。しかしながら、シールの深さおよび幅は、各スタック設計で最適化する必要があろう。ここで、図１１〜１５を参照すると、これらは、陽極および陰極端部極板の詳細を示している。これらの端部極板は、流れ場極板のそれらに対応する溝部ネットワークを有している。
【００７９】
したがって、陽極端部極板１０２では、溝部ネットワーク１９０が有り、これは、陰極流れ場極板１３０の裏面上の溝部ネットワークに対応している。したがって、同様の参照数字を用いて、図１１〜１３および１４〜１５で詳細に示す陽極および陰極端部極板１０２、１０４の異なる溝部セグメントを示してあるが、接尾辞「ｅ」で識別してある。１９２で示したように、タイロッド１３１を受け入れるため、ねじ穴部が設けてある。
【００８０】
ところで、先の発明によれば、図１３で最善に示すように、接続ポート１９４が、設けられている。接続ポート１９４は、ねじ付きの外側部分１９６を含んでおり、これは、既知のやり方で穴明けされ、かつ、ねじ立てされている。これは、より小さい直径の短い部分１９８に続いており、これは、今度は、接続開口部１６０ｅに接続している。しかしながら、任意の流体コネクタが使用できる。
【００８１】
陽極端部極板１０２では、流れ場極板に対応して、二つの接続ポート１９４が有り、これらは、図１２および１３で最善に示すように、接続開口部１６０ｅおよび１６０ａｅに接続している。
【００８２】
対応的に、陰極端部極板が、図１４および１５で詳細に示されており、図１５は、図１２と同様、溝部セグメントへの接続を示している。陰極端部極板の内面上の溝部輪郭は、陽極流れ場極板の裏面上の溝部輪郭に対応している。以下に詳述するように、使用の際、この配列は、シール材が、供給されて、各種のシール溝部および流路を充填することを可能にする。シールが、ひとたび形成されると、次いで、シール材の供給導管を取り外し、かつ、閉鎖プラグを挿入するが、閉鎖プラグは、図５において、２００で示してある。
【００８３】
使用の際には、適切な数の燃料電池セルで燃料電池スタック１００を組み立て、かつ、タイロッド１３１を用いてそれらを共に締め付ける。スタックは、次いで、図５について上に挙げた要素を含むことになるであろうが、従来の燃料電池スタックに比べて、この段階では、要素群のうちのいずれの間にもシールが無いことに注目することができる。しかしながら、ＭＥＡに触れる陽極および陰極極板を保護するため（短絡を防止するため）、絶縁材料が存在し、かつ、ＭＥＡの一部として設けられている。この材料は、イオノマーそれ自体の一部、あるいは、何らか適当な材料（弗素重合体、マイラ、など）にすることができる。別法は、これらの領域では、バイポーラ極板を非導電性にすることである。
【００８４】
次いで、ねじ穴部１９６によって設けられたポートを、液体シリコーン・エラストマー・シール材の供給源に接続する。各端部極板には二つのポートまたは穴部１９６、すなわち、合計４個のポートが有り、これは、シール材が、スタックの陽極および陰極端部の両方から同時に供給され、また、陰極および陽極のそれぞれの両方の端部または縁部から追加的に、供給されることを意味する。しかしながら、任意数のポートから供給することが可能であり、これは、設計者次第である。
【００８５】
次いで、適当なシール材を、適当な圧力下で注入する。圧力は、全ての溝部および流路の十分な充填が、所望の時間内で確実に行なわれるよう、材料の粘度、溝部、ダクトおよび流路に対して選んだ値などにより、選択する。
【００８６】
次いで、接続ポート１９４を、プラグ２００で閉じる。次いで、燃料スタック・アセンブリ１００全体に、硬化作業を施す。これは、一般に、設定された時間期間の間、燃料スタック・アセンブリ全体を高温に曝露することを必要とする。次いで、シール材を選択して、これらの条件下で確実に硬化するようにする。
【００８７】
次いで、硬化に続き、燃料電池スタック１００に対して、一連の試験を行ない、所望の電気的および流体特性をチェックし、詳細には、それを貫流する流体のうちのいずれも漏れていないことを確認する。
【００８８】
漏れが検出された場合は、燃料電池セルは、修理しなければならない可能性が最も高い。漏れおよび個々のスタック設計の詳細にもよるが、単に、一つのシールにおけるアセンブリ全体を分離し、欠陥のあるシールを排除し、次いで、新しいシールを形成することが可能である。この理由により、他の従来の実践に比べて、比較的小さな燃料電池セルのスタックを製造することが、望ましい、と分かる場合がある。これは、より多くのスタック間接続を必要とする場合があるが、それぞれ個々の燃料電池スタック本来の頑丈さおよび信頼性によって、十分過ぎるほど報われるであろう。このコンセプトは、単一のセル・ユニット（膜電極ユニットまたはＭＥＵとして識別される）に至るまで適用でき、かつ、これにより、恐らくは任意の長さのスタックが、製造可能となるであろう。
【００８９】
このＭＥＵは、好ましくは、多数のこのようなＭＥＵを、容易に、かつ、簡単に、共に締め付けて、所望の能力の完全な燃料電池スタックが形成できるように構成されている。したがって、１個のＭＥＵは、単に二つの流れ場極板を有し、それらの外側の面、あるいは、裏面を、他のＭＥＵの対応する面と接合して、必要な機能性を与えるようにすることができよう。一般に、ＭＥＵの面は、燃料電池セルを冷却する冷却剤チャンバーを形成するようになっている。ＭＥＵの一つの外側の面は、シールまたはそれにより予成形されるガスケットを有することができる。次いで、他の面は、平面にするか、あるいは、溝を付けて、他のＭＥＵ上の予成形シールを受け入れるようにすることができよう。この外側のシールまたはガスケットは、好ましくは、本発明により、内部のシールの形成と同時に、現場注入して、形成する。この目的のためには、金型部分を、持ち上げて、ＭＥＵの外側の面に対向させ、次いで、シール材を、金型部分とＭＥＵのその外側の面との間に規定されたシール輪郭に、シール材をＭＥＵそれ自体の内部の溝部ネットワークに注入するのと同時に注入する。完全な燃料電池セル・アセンブリを形成するには、単に、所望数のＭＥＵを選択し、ＭＥＵを端部極板間で、普通の追加の端部部品、例えば絶縁体、集電体、などと共に締め付ければよい。ＭＥＵの外側の面および予成形されるシールは、必要な追加のチャンバー、特に冷却剤用のチャンバーを形成することになり、これらを、アセンブリ全体の内部の適切な冷却剤ポートおよび流路に接続することになる。これにより、多種多様な燃料電池スタックを、ＭＥＵとして識別される単一の基本ユニットから構成することが可能となる。ＭＥＵは、単一のセルしか有していなくてよい場合があり、あるいは、非常に小さな数、例えば５個の、燃料電池セルであってよい場合があることが注目される。完成した燃料電池スタックでは、破損したＭＥＵを交換することは、簡単である。再組立てでは、隣接するＭＥＵ間に適切なシールが形成されること、および各ＭＥＵ内のシールが、この手順によって崩壊しないことを保証することだけが必要である。
【００９０】
説明した実施形態は、要素または部品のどちらかの側で、要素または部品内に溝部セグメントを含む溝部ネットワークを有している。これは、必ずしも必要ではないことが理解されよう。したがって、ある種の目的のため、例えば、冷却剤用のチャンバーを規定するためには、溝部セグメントを一つの流れ極板内に、許容差の厳しさが減るよう接合面を平面にして、設ければ、十分な場合がある。本発明はまた、縁部まで伸張しているＭＥＡを示すものとして説明した。ここで、二つの主要な問題に注目されたい。先ず、ＭＥＡの材料は、高価で、かつ、必然的に全く薄くしなければならず、現在の材料では、一般に、１〜２千分の一のオーダーであり、したがって、それほど頑丈ではない。ある種の用途では、共に接着され、かつ、ＰＥＭそれ自体の周囲とオーバーラップする周辺フランジまたは取付け層を設けることが好ましいであろう。次いで、一般に、フランジが、二つの層（それぞれ、厚さ１〜２千分の１インチ、総厚さ２〜４千分の１インチ）から形成されることになる。次いで、シールで封止するのは、このフランジまたは層である。
【００９１】
第二の問題は、シール材用の溝部または流路を２分するＭＥＡまたはフランジ層を設けると、問題が生ずる場合がある、ということである。シール材の流れは、一様である、と仮定している。これは、実際には起こらない場合がある。例えば、ＭＥＡが、僅かに歪むと、どちらかの側の流れの横断面が歪むことになる。これは、ＭＥＡの二つの側面におけるシール材の流量の歪みとなり、これは、もっぱら歪みを増大させることになる。したがって、これは、既により大きな流量を経験している側における流量を増大させ、かつ、他の側では、それが制限される。これは、ＭＥＡの不適切な封止を生ずる場合がある。これを回避するため、先の発明はまた、図１ｂ〜１ｅに示す変形例も予想している。これらを、以下に説明し、かつ、簡単さのため、これらの図における同様の部品には、図１ａの場合と同じ参照数字を与えてあるが、異なる特徴を示すため、適宜的に、接尾辞ｂ、ｃ、ｄを付してある。
【００９２】
図１ｂにおける第一の変形例は、ＭＥＡ２６ｂ、または、任意の取付けフランジの周囲が、溝部それ自体の縁部で終わるよう寸法取りされた構成を有している、すなわち、ＭＥＡ２６ｂは、溝部いっぱいに亘っては伸張させていない。これは、ＭＥＡ２６ｂのより精密な取付けを必要とすることになる。さらに言えば、これは、溝部ネットワークの外側の端部極板などの接合面は、ＭＥＡによっては分離されないことを意味するであろう。流れ場極板同士の間で絶縁を取るためには、２７で示した別個の絶縁層を、例えば、これを流れ場極板２２ｂおよび２４ｂの表面にスクリーン・プリンティングすることによって、設ければよいであろう。また、図示のように、溝部２８ｂ、３０ｂは、大きく変えなくてよい。
【００９３】
図１ｃにおける第二の変形例は、２８ｃ、３０ｃで示したオフセット溝部を与えることによって、対向溝部における異なる流量がＭＥＡの歪みを生ずるという可能的な問題を克服している。この配列では、極板２２ｃにおける各溝部２８ｃは、ＭＥＡ２６ｃの一部分によって閉じられることになるが、ＭＥＡ２６ｃのその部分の他の側は、第二の極板２４ｃによって支持されることになり、したがって、歪みは有り得ない。対応的に、第二の極板２４ｃにおける溝部３０ｃ（極板２２ｃにおける溝部２８ｃからオフセットされている）は、ＭＥＡ２６ｃによって閉じられることになり、かつ、ＭＥＡ２６ｃは、極板２２ｃによって裏打ちされ、かつ、支持されることになる。
【００９４】
図１ｄを参照すると、さらなる変形例において、ＧＤＭ空洞部３８は、極板２２ｄおよび２４ｄの周囲まで伸張しているＧＤＭ層を設けることによって、効果的に除去されている。溝部２８ｄ、３０ｄは、依然として、図示のように与えられており、ＧＤＭ層の縁部に開いている。次いで、シールが、溝部２８ｄ、３０ｄ、から流れ出て、ＧＤＭにおけるボイドを充填し、シール材が、ＭＥＡ２６ｄの表面に達する。シール材が、たとえ触媒層に十分に浸透しなくても、シール材が、触媒層の個々の粒子の周りに流れて、実際のプロトン交換膜にシールを形成することが予想される。ＭＥＡ２６ｄ層は、必要に応じて、極板２２ｄ、２４ｄの周囲とツライチにするか、あるいは、極板の周囲からセットインした状態で終わらせることができ、後の場合には、シールそれ自体は、極板の周囲とツライチで、かつ、ＭＥＡ２６ｄおよびＧＤＭ層の外側の縁部の周りに効果的に形成されることになる。どちらの場合にも、溝部２８ｄ、３０ｄの外側に、かつ、極板の周囲を越えて、可能的には、全体としての燃料電池スタックの周りに伸張させて、シールの延長部を設けることができる。
【００９５】
図１ｅでは、構造は、図１ｄと同様である。しかしながら、ＧＤＭ層は、３１ｅで示すように、極板の周囲に達しないで終わっている。したがって、溝部２８ｅ、３０ｅは、ＧＤＭ層の外側に、極板２２ｅ、２４ｅの周囲まで効果的に形成されている。
【００９６】
図１ｄおよび１ｅでは、陽極および陰極流れ場極板は、平坦で対向する面を有しているが、これらの面は、既知のやり方で、ガス用の流路を含むことができることが理解されよう。これらの面は、さもなければ平坦であるため、これは、許容差およびアラインメントの問題を大いに軽減し、かつ、一般に、ＭＥＡ２６ｄ，ｅは、いかなる厳しい許容差の維持も必要とすることなしに、挿入できることが予想される。
【００９７】
図１ａ〜１ｅの全てにおいて、ＰＥＭ層２６ａ〜ｅは、外側の取付けフランジまたは辺縁を有しているＰＥＭ層と交換できる。これは、一般に、ＰＥＭ層をより強くし、かつ、より高価なＰＥＭ材料を節約する。これは、フランジ材料を選択して、シール材により、良好なボンドを形成でき、かつ、これは、触媒層を含むシールを形成するといういかなる可能的な問題も回避する、という利点を有している。
【００９８】
図１ｄおよび１ｅにおいて、極板の外側の周囲の周りに、対面突出部を設けて、極板の間隔、したがって、ＧＤＭ層に対する圧力を、シール材の流れに影響を与えることなく、制御することができる。これらは、追加的に、ＰＥＭ層２６とＧＤＭ層とを整列させるのに役立ち得る。別法として、突出部を省略し、かつ、スタック全体を既知の圧力まで締め付けてから封止することができる。既知の技法とは違って、全ての圧力は、ＧＤＭ層に掛かり、したがって、各ＧＤＭ層には、同じ圧力が掛かる。この圧力は、好ましくは、タイロッドなどによって設定し、かつ、維持してから、シール材を注入する。
【００９９】
ここで、図１６ａおよび１６ｂを参照すると、シール材を供給するための全体的な配列が、概略的に示されており、図１６ｂは、二つの異なるシール材を供給するための配列を示している。
【０１００】
図１６ａでは、図５の燃料電池スタック１００が、示されている。燃料電池スタック１００の一端部における二つのポートには、ホース２１２によって、ポンプ２１０が、接続されている。追加のホース２１２が、ポンプ２１０をシリコーン・シール材分配機（静的ミキサーを含む）に接続しており、これは、２１４で示してある。
【０１０１】
この配列では、シール材は、スタック１００の一端部に供給され、そしてそこから供給される。そのようなものとして、スタックの遠方の端部に到達するには、いくらか時間が掛かる場合があり、したがって、これは、より大きなスタックには適さない場合がある。より大きなスタックでは、点線２１６で示すように、追加のホースを設けて、シール材が、スタック１００の両方の端部から供給されるようにすることができる。他所で詳述するように、材料は、所望の圧力で、スタックが充填され、かつ、全ての空気が、スタックから追い出されてしまうまで供給される。
【０１０２】
図１６bを参照すると、これは、２２０で示す別法の燃料電池スタックを示している。この燃料電池スタック２２０は、２２２および２２４で概略的に示した二つの別個の溝部ネットワークを有している。溝部ネットワーク２２２は、一端部でポート２２６に接続されており、溝部ネットワーク２２４は、他端部でポートs２２８に接続されている。この目的は、各溝部ネットワークに、別個のシール材を供給することであり、かつ、各シール材を、燃料電池スタックの異なる要素と接触させることである。これは、燃料電池スタックの異なる部品に合わせてシール材を調製することを可能にし、したがって、スタックの全ての材料に適合した一つのシール材を使う必要性を無くすものである。
【０１０３】
第一の溝部ネットワーク２２２では、ポンプ２３０が、ホース２３２によって、燃料電池スタック２２０に接続されている。一つのホース２３２はまた、ポンプ２３０を分配機２３４に接続している。対応的に、第二の溝部ネットワーク２２４では、ポンプ２３６が、ホース２３８によって、スタック２２０に接続されており、ホース２３８はまた、第二の分配機２４０をポンプ２３６に接続している。
【０１０４】
使用の際、これは、各溝部ネットワーク２２２、２２４が、別個に充填されることを可能にする。これは、各溝部ネットワークに対して、異なる圧力、充填時間などを選択することを可能にする。充填時間は、製造速度の理由から、互換性があることが望ましく、また、これは、異なるシール材によっては、異なる圧力の使用を必要とする場合がある。
【０１０５】
また、異なる硬化レジームを設けることも可能である。例えば、先ず、一方の溝部ネットワークを充填し、かつ、高い温度（その温度では第二のシール材が損傷されることになる）で硬化させる。次いで、第二の溝部ネットワークを第二のシール材で充填し、かつ、異なるより低い温度で硬化させる。しかしながら、一般には、製造速度の理由から、二つの別個の溝部ネットワーク２２２、２２４を同時に充填し、かつ、硬化させることが好まれるであろう。
【０１０６】
ポンプおよび分配機は、別個に示したが、これらの部品は、互いに他と一体であってもよいことは、理解されよう。
【０１０７】
先の発明は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池セルに関連して説明してあるが、本発明は、任意のタイプの電気化学セルに対する一般的な適用性を有していることを理解されたい。したがって、本発明は、下記のものに加えることができよう、すなわち、アルカリ電解液を有する燃料電池セル、リン酸電解液を有する燃料電池セル、高温燃料電池セル（例えば、プロトン交換膜と同様であるが、２００(C付近で動作するようにしてある膜を有する燃料電池セル）、電気分解機、再生型燃料電池セルおよび（同じく他の電気化学セル）。このコンセプトは、より高い温度の燃料電池セル、すなわち、溶融炭酸塩および固体酸化物燃料にも適用されよう（但し、適当なシール材が有ればの話である）。
【０１０８】
図１７、１８、１９および２０は、極板に対する別法のリブ構成を示す。ここでは、燃料および酸素流のための開口部に隣接する、「バックサイド」供給機能を与えるためのリブの数は、本質的にほぼ倍になっている。これは、極板の他の側における溝部セグメントにより大きな支持を与えるものである。
【０１０９】
図１７〜２０では、移動スロットを、陽極極板１２０については参照数字１７８ａで、また、陰極極板１３０については１８０ａで表わしてある。接尾辞は、移動スロットが、異なる寸法を有し、かつ、より多数であることを示している。４本のスロット１７８に比べて、８本の移動スロット１７８ａが有り、また、４本のスロット１８０に比べて、８本の移動スロット１８０ａが有る。離散的なスロットを設けることは必要ではなく、また、各流れに対して、単一の比較的大きな移動スロットを設けることができることも理解されよう。スロット１７８ａのそれぞれは、単一の流路と連通しており（図１７）、また、スロット１８０ａのそれぞれは、単一の流路と連通している端部スロット１８０ａ以外は、二つの流路と連通している（図１９）。
【０１１０】
移動スロット１７８ａは、リブ１７９によって分離されており、また、これらは、第一の実施形態または変形例の場合よりもより多数である。ここで、追加のリブ１７９は、陽極極板の表面上で、内側の溝部セグメントに追加の支持を与えている（図１７、１８）。同様に、スロット１８０ａ同士の間に、ここで１８１と呼ぶより大きな数のリブが存在し、かつ、これらは、溝部セグメント１５０に改善された支持を与える（図１７、１８）。
【０１１１】
上で説明したように、陽極および陰極極板の対面する裏面は、当接して、冷却剤用のコンパートメントを形成していることも理解されよう。したがって、リブ１７９および１８１は、陰極極板に当接し、かつそれを支持して、陰極極板１３０の開口部１３７および１４１の周りの内側の溝部セグメントに対する支持を与えている（図１８）。
【０１１２】
図２２ａおよび２２ｂを参照すると、３００で概略的に示した本発明による燃料電池スタックが示されている。スタック３００は、複数の個々のセル３０２、絶縁体極板３０４および端部極板３０６を含み、絶縁体極板３０４とセル３０２との間には、集電極板が既知のやり方で存在している。
【０１１３】
本発明によれば、燃料電池スタック３００には、燃料電池セル３０２を貫いて、かつ、必要に応じて、集電体極板および端部極板３０６を貫いて伸張して、各種の部品を互いに他に対して封止することを可能にする溝部ネットワークが設けられている。シール材を供給するため、接続ポートが、一つの端部極板３０６の側に設けられており、かつ、横行ダクト３０８によって接続されているが、これは、必要に応じて、二つまたはそれ以上の主マニフォールド３１０に接続することができる。
【０１１４】
図２２ａおよび２２ｂでは、溝部ネットワークの詳細を示さず、ここでは、スタック３００の各種の極板３０４および他の要素を垂直に貫いて伸張している主溝部マニフォールド３１０を示す。
【０１１５】
前の図面を参照すると、この主マニフォールド３１０は、開口部１６０から形成することができるが、以下に詳述する理由から、この実施形態では、開口部１６０に、異なる構成を与えている。主マニフォールド３１０は、図示のように、比較的大きな横断面の主部分３１１、およびより小さい直径の第二の部分３１２を有している。
【０１１６】
図２２ａを参照すると、溝部ネットワークをシール材で初期的に充填し、かつ、シール材を硬化させる目的のため、コネクタ３１４、異なる直径の部品を接続するアダプタ３１６を含む装置が設けられており、コネクタ３１４を比較的より大きな直径の短い管部分３１８に接続している。図示のように、管部分３１８には、第一のフェルール３２０が配置されており、端部極板３０６の底部に位置している凹部３２２内には、第二のフェルール３２１が配置されている。ロッド３２４は、ねじ付きで、フェルール３２０、３２１に既知のやり方で係合しており、フェルール３２０、３２１は、引き締められて、ロッド３２４を僅かに緊張させている。これは、ロッド３２４が、主マニフォールド３１０内で心出しされ、かつ、フェルール３２０、３２１が、シールを与えることを保証している。
【０１１７】
ここで、図２３ａ、２３ｃを参照すると、これらは、セル・スタック１００の初期充填および封止のための充填シーケンスを示している。図２３では、個々の陰極極板は、３３０で示し、かつ、個々の陽極極板は、３３２で示してあり、各セルの膜交換アセンブリ（ＭＥＡ）は、３３４で示してある。
【０１１８】
図２３ａは、シール材が注入される前のセル・スタック３００を、部分的に示す。ロッド３２４は、主溝部マニフォールド３１０の主部分３１１内に心出しされた状態で示してあり（図２２ａ）、シール材のための環状空間３３６を規定している。図２３ａは、例示目的のため、先の図に関連して上で詳述した膜交換アセンブリ３３４と、隣接する陽極および陰極極板３３２、３３０との間、また、極板３３０、３３２の対面ペア同士の間の、空の溝部３３８を、追加的に、概略的に示している。
【０１１９】
次いで、図２３ｂは、シール材が、スタック３００に注入された後の構成を示している。環状空間３３６および溝部３３８には、次いで、全て、シール材が充填され、未硬化状態となる。上で詳述したように、シリコーン型の材料の場合は、次いで、これを硬化させることが必要である。別法として、熱可塑性樹脂を使用した場合は、これは、高温で注入され、次いで、材料の硬化または凝固のためには、単に、より低い温度に冷却することのみを必要とする。
【０１２０】
次いで、図２３ｃは、シール材を硬化させた後のスタック３００を示す。この時までには、ロッド３２４は、除去されている。図２３ｃに示すように、溝部３３８は、３３９で示したシール材で充填されており、かつ、環状空間３３６は、対応的に、３３７で示したシール材の環状プラグで充填されており、シール材３３７の環状プラグを貫いて伸張する穴部３４０が残されている。以下に詳述するように、これは、個々のセルに対するシールの修理を行なうことを可能にするが、修理を必要としないセルのシールには影響しない。
【０１２１】
図２２ｂを参照すると、これは、セル・スタック内のセルを修理するようにした、図２２ａの装置の変形例を示す。図２２ｂでは、ロッド３２４およびその対応するフェルール３２０、３２１は、除去されている。代わりに、穴付き止めねじ３２６が有る。図２２ｂに示す燃料電池スタック３００の頂部には、コネクタ３１４が、再び設けられているが、それは、単に、シール材の供給源への接続のための適切なアダプタまたは要素３２８に接続されているだけである。これは、穴部３４０を通してシール材を与えることを可能にするが、それは、横行ダクト３０８が、初期組立て後は、凝固したシール材で充填されているからである。
【０１２２】
ここで、図２３ｄ〜２３ｇを参照すると、燃料電池スタック内で修理を実施するためのシーケンスが示されている。既知のように、燃料電池スタック３００は、多くのセル、何百個ものセルを含む場合がある。燃料電池スタック３００の寿命におけるいかなる段階においても、スタック３００内のセルのシールまたは他の要素の一つまたはそれ以上が、破損する場合がある。本発明は、このような破損したセルの修理を可能にするが、良好な修理の状態では、他のセルを崩壊させることはない。
【０１２３】
破損したセルを突き止めたら、そのシールのどちらかの側の個々の極板３３０、３３２を分離して、それを修理できるようにする。スタック３００の修理すべき部分の露出されている側における既存のシール材を、適切な手段を用いて除去する。実践的には、単一セルの極板３３０および３３２のペアの間の膜電極アセンブリ３３４において、スタック３００を容易に切り離し得ることが分かっている。これは、極板３３０、３３２の間にナイフを慎重に滑り込ませることによって成し遂げることができる。しかしながら、隣接するセルからの極板３３０、３３２が、互いに他に当接しており、それによって、冷却剤チャンバーを規定し、かつ、それらの間にＭＥＡ３３４を有していない場合は、スタック３００それ自体の内部のこれら極板を切り離すことは、より困難である。このような極板のペアを、スタック３００からひとたび除去すれば、切り離すことは可能であるかもしれないが、これは、既知の極板についての出願者の知識では、可能ではなく、したがって、それらは、単に、交換するだけである。これらの部域で、剥離剤を使用するか、あるいは、接着剤を適切に調整すれば（シーラントの変質可能な特性）、剥離可能である。しかしながら、これは、必ずしも実践的でない場合がある。
【０１２４】
したがって、図２３ｄは、二つの陰極極板３３０ａおよび３３０ｂを、二つの陽極極板３３２ａおよび３３２ｂと共に、スタックから分離し、かつ、交換する、あるいは、可能なら、それらの各シールを修理し、かつ、元に戻す場合の修理を示している。極板ペア３３０ａ、３３２ｂは、それらの間に、ＭＥＡ３３４ａを有しており、かつ、ＭＥＡ３３４ａに対するシールに何らかのシール破損が有ると仮定している（ここで、この技法によって修理できる他の破損、例えば、ＭＥＡまたは極板の破損が有ることに注目されたい）。上で説明したように、実践的には、燃料電池スタック３００は、ＭＥＡ３３４でより容易に切り離し得ることが分かっており、したがって、スタックは、ＭＥＡ３３４ａに直接隣接している３３４ｂおよび３３４ｃで示した二つのＭＥＡで切り離す。
【０１２５】
相当な注意および熟練によれば、スタックを個々のＭＥＡで切り離し、かつ、ＭＥＡを無傷のままにしておくことができることが証明されている。これが、可能でない場合は、ＭＥＡ３３４ｂ、３３４ｃを交換し、かつ、スタックの、隣接し、かつ、保持された極板上の溝部を清掃して、二つの新しいＭＥＡを封止することになる。
【０１２６】
スタックをＭＥＡ３３４ｂ、３３４ｃで切り離すと、次いで、４個の極板３３０ａ、３３０ｂ、３３２ａ、および３３２ｂを、ＭＥＡ３３４ａの場合と同様、必要に応じて、切り離すか、あるいは、交換することができる。次いで、スタック３００を、図２３ｄに示すように、再組み立てすると、シール材３３７の環状プラグは、図示のように、極板３３０ａ、３３０ｂ、３３２ａ、および３３２ｂにおいて、不連続部を示すことになり、後に、穴部３４２が残される。この穴部３４２は、より小さい穴部３４０との連通状態で示してある。したがって、図２２ｂにおける装置を用い、穴部３４０および穴部３４２を通して、シール材を、各種の要素３３０ａ、３３０ｂ、３３２ａ、および３３２ｂ、と、ＭＥＡ３３４ａ、３３４ｂおよび３３４ｃとの間の溝部３３８に注入することができる。次いで、シール材を、上記のように硬化させ、凝固させることができる。
【０１２７】
この技法は、ワンタイム修理に使用できるが、次いで、穴部３４０を、硬化するシール材で充填すれば、スタック３００を通る、個々のシールの修理のための、素通しの穴部は、最早存在しないことが理解されよう。この配列は、図２３ｅに示してある。
【０１２８】
一つの好適な別法は、図２３ｆに示すように、穴部３４２および修理された部分の溝部３３８に材料を充填して後、ロッド３２４を再挿入することである。図２３ｆに概略的に示すように、ロッド３２４は、次いで、３４４で示したように、過剰なシール材を追い出す。次いで、最初のシールプロセスでのように、シール材を硬化させるか、あるいは、放置して凝固させ、次いで、ロッド３２４を除去すれば、後に、実質的に再形成された穴部３４０が残される。これは、図２３ｇに示してあり、したがって、スタック３００は、図２３ｃに示す、最初に形成され、かつ、封止されたスタックと本質的に同じ状態となることが理解されよう。万一、さらなるセルが破損した場合は、今述べたシーケンスを用いて、この個々のセルを修理することが可能であるが、これは、穴部３４０が、スタック３００内の任意のセルまたはセル群にシール材を運ぶのに利用できるからである。
【０１２９】
スタック全体に対して初期シールを形成する場合、あるいは、スタックの修理中に、シールを形成した後で、ロッド３２４を容易に除去できるようにするためには、ロッド３２４が、滑らかで研磨した表面を有し、かつ、剥離剤で被覆されていることを保証することが好ましい。追加的に、大きなスタックにおける修理プロセスでは、ロッド３２４の端部を整形して、穴部３４０の残された部分を通してそれを案内する際の助けとなるようにすることが望ましい場合もある。例えば、ロッド３２４の端部に丸み、あるいは、テーパを付けて、環状プラグ３３７の穴部３４０を規定する部分を損傷しないようにすることができる。
【０１３０】
ここで、図２４〜２７を参照すると、これは、本発明を実施するための変形例装置を示している。
【０１３１】
先ず、図２４ａおよび２４ｂを参照すると、外側円筒体３５２および内側円筒体３５４を含む注入デバイスまたは装置３５０が示してあり、これには、シール材を供給するための作動ノブ３５６および接続部３５８が設けられている。
【０１３２】
外側円筒体３５２は、一連の開口部３６０を含んでおり、これは、円筒体３５２の周りで、上下方向および円周方向の両方向にずらして配列されている。内側円筒体３５４は、図２４ｂにおいて、３６２で示す上下方向に伸張しているスロットを有している。図２４ａに示すように、スロット３６２は、開口部３６０のうちの一つと整列させることができる。
【０１３３】
使用の際には、シール材が、接続部３５８を通して、内側円筒体３５４の内部に供給されると、この配列は、シール材が、選択された開口部３６０のうちの一つにのみ流れ出ることができることを保証する。したがって、この配列は、シール材をセル・スタック内のただ一つのセル、あるいは、可能的には、セルのグループに供給するためのただ一つの開口部３６０にシール材を供給することを可能にする。作動ノブ３５６を回せば、所望のセルまたはセルのグループが選択できる。
【０１３４】
内側円筒体はまた、上下方向に伸張しているスロット３６２と反対の位置に、角度付きまたは螺旋状の追加のスロットを含ませて、全ての開口部３６０との整列が可能であるようにすることもできる。この追加のスロットは、最初の製造中に、全ての溝部などを同時に充填するのに使用することができよう。
【０１３５】
図２５ａおよび２５ｂは、注入装置３５０の変形例を示し、同様の部品には、図２４に示したのと同じ参照数字を与えてあるが、接尾辞「ａ」を付してある。したがって、装置３５０ａは、開口部３６０ａを含む外側円筒体３５２ａを有している。ここで、開口部３６０ａは、上下方向に整列させてある。内側円筒体３５４ａでは、スロット３６２ａは、角度を付けるか、もしくは、傾斜させて、内側円筒体３５４の周りの螺旋状経路を辿るようにしてある。動作の際には、開口部３５０ａは、図２４の装置３５０と正確に同じやり方で機能して、開口部３６０ａのうちの選択された一つを、スロット３６２ａと整列させることが可能である。図２４の変形例と同様、単一の上下方向スロットも設けて、それと全ての開口部３６０ａとを同時に整列させて、セル・スタックにおける全ての溝部の初期充填を行なうこともできる。
【０１３６】
ここで、図２６を参照すると、燃料電池スタック３００を封止し、かつ、後で修理するための、さらなる別法の手順および装置が示されており、この場合、各セルの極板の各ペアにおける接続開口部１６０は、異なるサイズになっている。図２２〜２５の先の実施形態の場合と同様、極板における開口部は、細長い形ではなく、円形であることが企図されている。
【０１３７】
図２６は、参照セル３７０、および参照数字３７１、３７２、３７３および３７４のセル１〜４として示した５個の好適な極板セルを示す。各極板３７０〜３７４では、極板の一部のみを示してある。極板３７０〜３７４は、ＭＥＡおよびＧＤＭ層などの介在層を収容するため、間隔を空けて示してあるが、この間隔は、概略的である。また、一般に、極板それら自体は、どの介在層よりもはるかに厚いことが理解されよう。また、各極板またはセル３７０〜３７４に対して、穴部が、示されており、各穴部は、極板材料の円環体によって規定されている状態が示されているが、これは、概略的であり、先の図面におけるように、各極板は、広大であり、穴部は、極板それ自体よりも小さい寸法を有することになる。また、溝部または溝部材料への接続部は、図２６の右手側に概略的に示してある。
【０１３８】
図２６は、セル３７０〜３７４に対する５個の極板を示している、と理解することができるが、参照数字３７０〜３７４のそれぞれは、二つの極板、またはセルのグループを有する完全な単一セルに対応させることも可能である。後者の場合では、セルの完全なグループを交換することによって修理を行なうことが意図されている。
【０１３９】
セルの詳細は、十分には示してないが、参照セル３７０は、内側の直径ｙ’を有するそ
の陽極および陰極極板内に、先の実施形態の開口部１６０におけるシールに対応する開口部３７５を有しており、また、参照セル３７０内の開口部３７５の全高さは、Ｗとして示してある。次のセルまたは極板、すなわち第一のセル３７１は、その極板、ＭＥＡ、などにおいて、より大きな直径の開口部を有しており、直径ｙは、図示のように、ｙ’より大
きい。図示のように、他の三つのセル、３７２、３７３および３７４は、それぞれ、対応的に大きな直径、ｘ、ｚ、などを有している。
【０１４０】
使用の際には、初期組立ておよび製造中に、図２６に示す各種のセルまたは極板３７０〜３７４を通る穴部もしくは開口部に、図２２ａに関連して上記したやり方に幾分似たやり方で、適当なシール材を充填し、シール材は、主溝部マニフォールド３１０の場合と同じやり方で、図２６に示す穴部もしくは開口部を満たす。シール材が凝固する前に、それが、熱硬化性樹脂材料製であるか熱可塑性樹脂材料製であるかを問わず、プランジャを挿入して、極板もしくはセル３７０〜３７４における穴部のそれぞれが、図２６に示すように、清浄、かつ、さえぎるものの無い状態で残ることを保証する。したがって、このようなプランジャは、段付きで、一連の円筒形の部分を有し、それぞれ、直径y、y'、などに対応する直径を有していなければならないことが理解されよう。シール材がひとたび凝固したら、次いで、プランジャを除去するが、この目的のためには、プランジャを剥離剤で被覆することになろう。
【０１４１】
使用の際には、個々の極板３７０〜３７４、または、セルまたはセルのグループ３７０〜３７４のうちの任意の一つを、適宜取り外し、かつ、交換することができる。例えば、３７１で示した極板またはセルを修理し、かつ、交換するためには、極板またはセル３７１の上および下で、セル・スタックを分離し、かつ、極板またはセル３７１を、交換または修理し、かつ、スタックを再組み立てすることになる。
【０１４２】
シールを作り直し、かつ、シール材が、まさに極板またはセル３７１まで供給されることを保証するためには、外直径ｘおよび内直径ｙの管を、セルのスタックを通して挿入し、極板またはセル３７２における直径ｘを有する開口部に、はめ込むようにスライドさせて、極板またはセル３７１の頂部と当接させる。次いで、この管を通してロッドを挿入するが、該ロッドは、直径ｙ’を有し、該ロッドを、極板またはセル３７０における開口部に係合するまで挿入して、参照セル３７０、およびスタックのそれ以下のどの部分も、シール材から遮断されるようにする。次いで、液体シール材を、管とロッドとの間の環状開口部を通して注入すれば、シール材は、次いで、極板またはセル３７１から伸張している概略的に示した特定のまたは各溝部ネットワークに流入するだけであることが理解されよう。（概略的な図示では、単一の接続部のみを示しているが、同じ溝部ネットワークまたは二つまたはそれ以上の別個の溝部ネットワークの異なる部分への接続部が存在し得ることが理解されよう。）
【０１４３】
全ての溝部にシール材を充填したら、管およびロッドを取り外す。必要なら、初期組立てに使用したようなプランジャを再挿入して、極板またはセル３７１の穴部全体にシール材が存在しないことを保証することができる。シール材は、次いで、凝固することを許すか、あるいは、凝固させる。
【０１４４】
任意の個々のセルにおけるシールに対する修理は、同じやり方で実施できることが理解されよう。適切な直径の管の付与は、セル・スタックの上部の部分における極板またはセルが、シール材から分離されることを保証し、同様に、修理されている極板またはセルの直ぐ下の極板またはセルにおける開口部内にロッドを挿入することは、シール材が、修理されている極板またはセル層の下のセル・スタックの要素から遮断される、あるいは、それら要素にまで流れ下ることが防止されることを同様に保証する。
【０１４５】
図２７aおよび２７bは、燃料電池スタックを貫いて伸張するロッド３２４を与えることに対する別法を示す。これらの図が概略的に示すように、管３８０を、燃料電池スタック内の穴部３８２内に伸張している状態で設けることができる。穴部３８２は、上記し、かつ、個々のセル極板および膜内の開口部によって形成されている主溝部マニフォールド３１０に対応している。管３８０の頂部３８４は、例えば、上記したフェルール３２０、３２１などの、セルの頂部に保持されている要素により、整列させることができる。
【０１４６】
使用の際には、シール材は、管３８０を通して下方に注入され、次いで、３８６で示した環状空間を通して、流れ上がり、次いで外方に向かって、個々のセル内の個々の溝部を充填する。全ての溝部が、完全に充填されたら、管３８０を取り外して、図２７ｂに示す穴部３８８が、シール材の環状プラグ３９０によって囲まれたままにしておく。
【０１４７】
図２３ｄ〜２３ｇに関連して述べたように、この穴部３８８の存在は、次いで、図２３ｄ〜２３ｇで述べたやり方によるスタックの修理を容易にする。
【０１４８】
図２８は、本発明のさらなる実施形態を示すもので、これは、図２３に示す修理技法の一変形例と考えることができる。図２８では、セル・スタックの個々の極板は、３９２で示してあり、これらは、主マニフォールド３９３を規定している。シール材の環状プラグは、交換された極板３９２のグループ内の穴部３９５の上および下に、３９４で示してある。
【０１４９】
ところで、シール材が、まさにこの穴部３９５に供給されることを保証するためには、開口部３９７を含み、かつ、その端部３９８で閉じている管３９６を挿入する。管３９６は、環状プラグ３９４内で密封嵌めとなる。管３９６およびその開口部３９７を通して、液体シール材を供給し、穴部３９５に充填させ、かつ、修理すべき、交換された極板３９２の溝部ネットワークに流入させる。
【０１５０】
シール材が、ひとたび凝固したら、管３９６を取り外せば、先の実施形態の場合のように、本質的に連続的な穴部が、極板３９２のスタックを貫いて存在していることが理解されよう。
【０１５１】
この実施形態および他の実施形態は、熱によって、あるいは、別様に硬化させるシリコーン・ベースの材料を含む各種のシール材を使用する場合に、適用可能であり、また、高温で注入し、次いで、放置して冷却かつ凝固させる熱可塑性樹脂シール材を使用する場合にも適用可能である。
【０１５２】
実際、熱可塑性樹脂シール材の使用は、いくつかの点で、シリコーン材料に勝る利点を呈する。例えば、熱可塑性樹脂材料を使用する場合は、図２３の穴部３４０などの穴部を残して、シールが修理できるようにしなくてよい場合がある。この理由は、いかなる熱可塑性樹脂材料も、加熱によって除去できるからである。穴部が存在しない場合は、加熱された管を挿入して、シール材を局部的に融解させ、次いで引き上げて、必要な穴部を形成することができよう。次いで、この穴部および再充填して再封止すべきシール溝部に、図２３で説明したやり方でシール材を充填し、放置して凝固させる。再び、熱可塑性樹脂材料では、いかなる後の修理のためにも、穴部３４０を残す必要はなく、かつ、必要に応じて、上記のやり方で穴部を再形成することができる。
【０１５３】
ここで説明し、かつ、図解した実施形態は、本発明（その範囲は、添付のクレームで定義されている）から逸脱することなしに、各種の修正を行なうことができることを理解すべきである。さらに、用語「凝固する」は、シーラント材料は、硬化し終わると、燃料電池スタック内にシールを形成することを示しており、これは、シール材が、シリコーン・ベースの材料であるか、あるいは、熱可塑性樹脂ベースの材料であるかを問わないことを理解すべきである。さらに、本発明は、一般に、燃料電池スタックおよび電気分解機を含む電気化学セル・スタックに適用可能であることを理解すべきである。
【０１５４】
本発明は、燃料電池スタック、あるいは、より一般的には、スタックの製造または組立て中に、穴部が予成形される電気化学セル・アセンブリに関連して説明したが、本発明は、その最も広い意味では、そのような穴部が予成形されることは、必ずしも必要としない。上記したように、少なくとも熱可塑性樹脂材料の場合は、極板などのスタックを貫いて伸張するいかなる主マニフォールドにも、完全にシール材を充填することが可能である。それは、次いで、単に融解することだけで除去できる。
【０１５５】
また、熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂材料の両方について、各主マニフォールドまたは分配溝部に、シール材を完全に充填できることが想定されていることに留意されたい。使用の際に、修理を実施するためには、熱可塑性樹脂材料を単に、例えば、穴明けによって機械的に、あるいは、融解することによって除去すればよい。さらに、場合によっては、スタックに形成されている要素の一つまたはそれ以上を貫いて、例えば、再び穴明けすることによって、穴部の少なくとも一部を形成することが必要な場合もあることが想定されている。例えば、最初の組立て方法は、シール材を側方から注入することで説明した。この目的のためには、セル・アセンブリの端面に向かって開いた穴部を有することは、必要ではない。したがって、端面におけるこの開口部は、除外することができる。したがって、使用の際の修理目的のためには、単に、スタック・アセンブリの中へと、必要な深さまで、穴を明けて、新しいシール材を注入するための穴部を設けるだけでよい。この目的のためには、端部極板に、個々の極板における適切な開口部と整列させた表示（例えば、くぼみ）を設けて、既存のシール材を除去し、かつ、必要な穴部を形成するための穴が、正確に、そして容易に明けられるようにすればよい。一般に、この作業は、スタックの分離の前に行なうことになる。
【０１５６】
セル・スタック内の全く新しい個所内のある個所に穴部を形成することも可能であり、そのような穴部は、必ずしも極板に垂直に伸張している円筒形の穴部である必要はない。最小限のところ必要なことは、いかなる穴部も、セルが動作するための流体用のいかなるチャンバーまたは導管にも交差しないこと（なぜなら、シール材を別様に注入すると、そのようなチャンバーまたは導管へのシール材の漏れが生じることになるからである）、および穴部は、溝部または溝部ネットワークと十分に交差して、新しいシール材を必要とする溝部が、再封止できるようにすること、だけである。
【０１５７】
例えば、具体的には、大きなスタックの場合、スタックの側面からのアクセス穴部を形成して、修理されている極板の上および下のシールおよび他の要素との、何らかの点での干渉を避けることが好ましい場合がある。これは多くのスタックで見出される薄い極板では困難な場合があり、そのような場合、二つまたはそれ以上の隣接する極板内に、極板の平面内で、穴部を形成して、必要な溝部へのアクセスを行なうことは、可能である。
【０１５８】
本発明はまた、セル・アセンブリ内のどのシール材も均質ではないという可能性も包摂している。一つのセル・アセンブリ内で、異なるタイプのシール材を使用することが可能である。例えば、異なる融点を有する熱可塑性樹脂材料を使用すれば、追加の融通性が生まれることになり、あるシールは、融解して除去できるが、その場合、他のシールには影響を与えないことが可能である。例えば、セルの予め決められたグループの間で、第一の溝部ネットワークには、融点の低い第一の熱可塑性樹脂を充填し、次いで、第二の溝部ネットワークには、各グループの個々のセルの間の溝部を満たしている融点のより高い第二の熱可塑性樹脂を充填することが可能である。これは、スタック全体の温度を、各セル・グループ内のシールに外乱を与えることなしに、第一の融点まで上げることによって、セルのグループを互いに他から分離することを可能にするものである。さらに、混合シール材が、一つのセル・アセンブリ内での、熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂材料の両方の使用を、包摂し、それぞれを、各溝部ネットワークを通して供給できることも考えられる。
【０１５９】
さらに、本発明は、各種の異なる最初のシールを有する電気化学アセンブリに対する適応性を有している。例えば、接着剤などの使用によって、例えば、永久的なシールが形成されているところではどこでも、本発明は、硬化可能なシール材を注入することによって、交換シールを形成することを可能にする。
【０１６０】
本発明をよりよく理解するために、また、それをどのようにして実行することができるかをより明瞭に示すために、ここで、例として、本発明の好適な実施形態を図示し、かつ、以下に説明する添付の各図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【０１６１】
【図１ａ】燃料電池スタックの一部を通る断面図を概略的に示す図である。
【図１ｂ】図１の実施形態および他の実施形態において使用のための変形例シール配列を示す図である。
【図１ｃ】図１の実施形態および他の実施形態において使用のための変形例シール配列を示す図である。
【図１ｄ】図１の実施形態および他の実施形態において使用のための変形例シール配列を示す図である。
【図１ｅ】図１の実施形態および他の実施形態において使用のための変形例シール配列を示す図である。
【図２】第二の実施形態による燃料電池スタックの一部を通る断面図を概略的に示す図である。
【図３】燃料電池スタックを組み立てるための組立て装置の断面図を示す図である。
【図４】燃料電池スタックの等測投影図を示す図である。
【図５】図４の燃料電池スタックの等測投影分解図を示す図であって、その個々の部品を示す図である。
【図６ａ】２０セルおよび１００セルの燃料電池スタックを示す図である。
【図６ｂ】２０セルおよび１００セルの燃料電池スタックを示す図である。
【図７】図５の燃料電池スタックの、陽極バイポーラ流れ場極板の表面図および裏面図を示す図である。
【図８】図６の燃料電池スタックの、陽極バイポーラ流れ場極板の表面図および裏面図を示す図である。
【図９】図５の燃料電池スタックの、陰極バイポーラ流れ場極板の表面図および裏面図を示す図である。
【図１０】図６の燃料電池スタックの、陰極バイポーラ流れ場極板の表面図および裏面図を示す図である。
【図１１】陽極端部極板の裏面図を示す図である。
【図１２】図１１の細部１２の、より大きな尺度での図を示す図である。
【図１３】図１２の線１３に沿った横断面図を示す図である。
【図１４】陰極端部極板の裏面図を示す図である。
【図１５】図１４の細部１５の、より大きな尺度での図を示す図である。
【図１６ａ】エラストマー・シール材の燃料電池スタックへのポンプ送りのための異なる構成を概略的に示す図である。
【図１６ｂ】エラストマー・シール材の燃料電池スタックへのポンプ送りのための異なる構成を概略的に示す図である。
【図１７】陽極バイポーラ流れ場極板の表面の一端部の変形例を示す図（他の端部は対応している）である。
【図１８】陽極バイポーラ流れ場極板の裏面の一端部の変形例を示す図（他の端部は対応している）である。
【図１９】陰極バイポーラ流れ場極板の表面の一端部の変形例を示す図（他の端部は対応している）である。
【図２０】陰極バイポーラ流れ場極板の裏面の一端部の変形例を示す図（他の端部は対応している）である。
【図２１】変形例極板を示す極板のうちの一つの端部における細部を示す一部切り欠き斜視図である。
【図２２ａ】本発明によるシール材を注入するための装置を有する燃料電池スタック、および修理目的のためにシール材を注入するための装置を有する燃料電池スタックの概略側面図を示す図である。
【図２２ｂ】本発明によるシール材を注入するための装置を有する燃料電池スタック、および修理目的のためにシール材を注入するための装置を有する燃料電池スタックの概略側面図を示す図である。
【図２３ａ】燃料電池スタックの一部を通しての概略横断面を示す図であり、シール材のスタックへの初期充填および硬化を示している。
【図２３ｂ】燃料電池スタックの一部を通しての概略横断面を示す図であり、シール材のスタックへの初期充填および硬化を示している。
【図２３ｃ】燃料電池スタックの一部を通しての概略横断面を示す図であり、シール材のスタックへの初期充填および硬化を示している。
【図２３ｄ】燃料電池スタックの一部を通しての概略横断面を示す図であり、スタックのセルのうちのいくつかにおいて、シールを修理するためのシーケンスを示している。
【図２３ｅ】燃料電池スタックの一部を通しての概略横断面を示す図であり、スタックのセルのうちのいくつかにおいて、シールを修理するためのシーケンスを示している。
【図２３ｆ】燃料電池スタックの一部を通しての概略横断面を示す図であり、スタックのセルのうちのいくつかにおいて、シールを修理するためのシーケンスを示している。
【図２３ｇ】燃料電池スタックの一部を通しての概略横断面を示す図であり、スタックのセルのうちのいくつかにおいて、シールを修理するためのシーケンスを示している。
【図２４ａ】シール材の、燃料電池スタックへの注入を制御するための本発明による一装置の概略図を示す図である。
【図２４ｂ】シール材の、燃料電池スタックへの注入を制御するための本発明による一装置の概略図を示す図である。
【図２５ａ】図２４ａの装置の変形例を示す図である。
【図２５ｂ】図２４ｂの装置の変形例を示す図である。
【図２６】燃料電池スタック内の、選択されたセルへのシール材の注入を制御するための、本発明によるさらなる実施形態を概略的に示す図である。
【図２７ａ】シール材を燃料電池スタックに注入するための本発明によるさらなる実施形態を示す図である。
【図２７ｂ】シール材を燃料電池スタックに注入するための本発明によるさらなる実施形態を示す図である。
【図２８】シール材の制御された注入のための、本発明によるさらなる実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【０１６２】
３００  スタック
３０２  セル
３０４  絶縁体極板
３０６  端部極板
３１０  主マニフォールド
３１１  主部分
３１４  コネクタ
３１８  管部分
３２０  フェルール
３２４  ロッド
【図１ａ】
2008535165.tif 000003
【図１ｂ】
2008535165.tif 000004
【図１ｃ】
2008535165.tif 000005
【図１ｄ】
2008535165.tif 000006
【図１ｅ】
2008535165.tif 000007
【図２】
2008535165.tif 000008
【図３】
2008535165.tif 000009
【図４】
2008535165.tif 000010
【図５】
2008535165.tif 000011
【図６ａ】
2008535165.tif 000012
【図６ｂ】
2008535165.tif 000013
【図７】
2008535165.tif 000014
【図８】
2008535165.tif 000015
【図９】
2008535165.tif 000016
【図１０】
2008535165.tif 000017
【図１１】
2008535165.tif 000018
【図１２】
2008535165.tif 000019
【図１３】
2008535165.tif 000020
【図１４】
2008535165.tif 000021
【図１５】
2008535165.tif 000022
【図１６ａ】
2008535165.tif 000023
【図１６ｂ】
2008535165.tif 000024
【図１７】
2008535165.tif 000025
【図１８】
2008535165.tif 000026
【図１９】
2008535165.tif 000027
【図２０】
2008535165.tif 000028
【図２１】
2008535165.tif 000029
【図２２ａ】
2008535165.tif 000030
【図２２ｂ】
2008535165.tif 000031
【図２３ａ】
2008535165.tif 000032
【図２３ｂ】
2008535165.tif 000033
【図２３ｃ】
2008535165.tif 000034
【図２３ｄ】
2008535165.tif 000035
【図２３ｅ】
2008535165.tif 000036
【図２３ｆ】
2008535165.tif 000037
【図２３ｇ】
2008535165.tif 000038
【図２４ａ】
2008535165.tif 000039
【図２４ｂ】
2008535165.tif 000040
【図２５ａ】
2008535165.tif 000041
【図２５ｂ】
2008535165.tif 000042
【図２６】
2008535165.tif 000043
【図２７ａ】
2008535165.tif 000044
【図２７ｂ】
2008535165.tif 000045
【図２８】
2008535165.tif 000046
【国際調査報告】
2008535165.tif 000047
2008535165.tif 000048
2008535165.tif 000049
2008535165.tif 000050