(57)【要約】  可撓性フローフィールドセパレータは、可撓性材料で形成され、第１および第２の表面を有する基材層を含む。構造化フローフィールドパターンは基材層の第１の表面に画定される。構造化フローフィールドパターンは、１つ以上の流体チャネルを画定する。セパレータは、１種類以上の金属で形成され、基材層の第１の表面に配置された第１の層を含む。第１の層は導電性材料で形成されている。セパレータは基材層の第２の表面に配置された第２の層をさらに含む。第２の層は可撓性導電性材料で形成されている。第１の層は１つ以上の位置で第２の層と接触して、第１の層と第２の層との間に電気的結合を画定している。
2008525987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性材料で形成され、第１および第２の表面を有する基材層と、
前記基材層の前記第１の表面に画定され、１つ以上の流体チャネルを画定する構造化フローフィールドパターンと、
導電性材料で形成され、前記基材層の前記第１の表面に配置された第１の層と、
前記基材層の前記第２の表面に配置され、可撓性導電性材料で形成された第２の層と、
を含み、
前記第１の層が１つ以上の位置で前記第２の層と接触して、前記第１の層と前記第２の層との間で電気的接続を画定している、可撓性フローフィールドセパレータ。
【請求項２】
前記第２の層と前記基材層との間に配置された接着層をさらに含む請求項１に記載のセパレータ。
【請求項３】
前記第１の層と前記基材層との間に配置された接着促進層をさらに含む請求項１に記載のセパレータ。
【請求項４】
前記接着促進層がスパッタ金属層を含む請求項３に記載のセパレータ。
【請求項５】
前記基材層が１枚以上のフィルムから形成されている請求項１に記載のセパレータ。
【請求項６】
前記構造化フローフィールドパターンが、前記基材層の前記第１の表面に提供されたエンボス加工構造化フローフィールドパターンを画定している請求項１に記載のセパレータ。
【請求項７】
前記基材層が１枚以上のフィルムを含み、
前記第２の層が１枚以上のフィルムまたはホイルを含み、
前記第１の層が、前記１種類以上の金属で形成された導電性コーティングを画定している、請求項１に記載のセパレータ。
【請求項８】
前記基材層がポリマー材料から形成されている請求項１に記載のセパレータ。
【請求項９】
前記ポリマーがポリカーボネートである請求項８に記載のセパレータ。
【請求項１０】
前記基材層が実質的に非導電性の材料から形成されている請求項１に記載のセパレータ。
【請求項１１】
前記基材層が、前記第１の層と第２の層との間で画定された電気的接続よりも実質的に導電性の低い材料から形成されている、請求項１に記載のセパレータ。
【請求項１２】
前記基材層が１つ以上のアパーチャを含み、前記第１の層と前記第２の層との間の電気的接続が前記１つ以上のアパーチャを介して確立されている、請求項１に記載のセパレータ。
【請求項１３】
前記第２の層が１枚以上のフィルムまたはホイルから形成されている請求項１に記載のセパレータ。
【請求項１４】
前記第２の層がアルミニウムのホイルを含む請求項１に記載のセパレータ。
【請求項１５】
前記第１の層がニッケルのコーティングを含む請求項１に記載のセパレータ。
【請求項１６】
前記第１の層と前記第２の層との間の前記電気的接続が約０．００１オーム／ｃｍ2〜約０．１オーム／ｃｍ2の面積比抵抗を提供する、請求項１に記載のセパレータ。
【請求項１７】
前記第２の層が、冷却剤が通過できるように構成されたチャネルを含む、請求項１に記載のセパレータ。
【請求項１８】
前記第２の層が、冷却剤が通過できるように構成されたチャネルを含む押出しホイル構造を含む、請求項１に記載のセパレータ。
【請求項１９】
前記基材層が、冷却剤が通過できるように構成されたチャネルを含む、請求項１に記載のセパレータ。
【請求項２０】
前記第２の層が第１の表面および第２の表面を含み、前記第１の表面が前記基材層の前記第２の表面と接触しており、前記セパレータが、
可撓性材料で形成され、第１および第２の表面を有する第２の基材層であって、前記第２の基材層の前記第２の表面が、前記第２の層の前記第２の表面と接触している、第２の基材層と、
前記第２の基材層の前記第１の表面上で画定され、１つ以上の流体チャネルを画定している第２の構造化パターンと、
導電性材料で形成され、前記第２の基材層上に配置された第３の層と、
をさらに含む、請求項１に記載のセパレータ。
【請求項２１】
前記第２の層が第１の表面および第２の表面を含み、前記第１の表面が前記基材層の前記第２の表面と接触しており、前記セパレータが、
可撓性材料で形成され、第１および第２の表面を有する第２の基材層であって、前記第２の基材層の前記第２の表面が、前記第２の層の前記第２の表面と接触している、第２の基材層と、
前記第２の基材層の前記第１の表面上で画定され、１つ以上の流体チャネルを画定している第２の構造化フローフィールドパターンと、
１種類以上の金属で形成され、前記第２の基材層上に配置され、導電性材料で形成された第３の層と、
をさらに含み、
前記第３の層が、１つ以上の位置で前記第２の層と接触して、前記第１の層と前記第２の層との間に電気的接続を画定している、請求項１に記載のセパレータ。
【請求項２２】
前記第２の層が、冷却剤が通過できるように構成されたチャネルを含む、請求項２１に記載のセパレータ。
【請求項２３】
前記第２の層が、冷却剤が通過できるように構成されたチャネルを含む押出しホイル構造を含む、請求項２１に記載のセパレータ。
【請求項２４】
前記基材層と第２の基材層のうち少なくとも１つが、冷却剤が通過できるように構成されたチャネルを含む、請求項２１に記載のセパレータ。
【請求項２５】
前記第１および第２の層のうち一方または両方の少なくとも一部に配置された耐食性層をさらに含み、前記耐食性層が導電性耐食性材料を含む請求項１に記載のセパレータ。
【請求項２６】
複数の前記セパレータがロールグッドを画定している請求項１に記載のセパレータ。
【請求項２７】
複数の前記セパレータがユニット化電池アセンブリ（ＵＣＡ）に組み込まれている請求項１に記載のセパレータ。
【請求項２８】
請求項１に記載のセパレータを含む複数の前記ユニット化電池アセンブリが、燃料電池スタックに組み込まれている、請求項２７に記載のユニット化電池アセンブリ。
【請求項２９】
請求項１に記載の複数のセパレータがポリマー溶着により結合されている請求項２７に記載のユニット化電池アセンブリ。
【請求項３０】
複数の前記ユニット化電池アセンブリが燃料電池スタックに組み込まれている請求項２７に記載のユニット化電池アセンブリ。
【請求項３１】
請求項１に記載の複数のセパレータが機械的締め代により結合されている請求項２７に記載のユニット化電池アセンブリ。
【請求項３２】
可撓性導電性材料で形成された第２の層を提供する工程と、
前記第２の層と接触させてポリマー基材層の第２の表面を配置する工程と、
前記ポリマー基材層の第１の表面に構造化フローフィールドパターンを展開する温度で前記第２の層および前記基材層をラミネートする工程と、
前記ポリマー基材層の前記第１の表面に導電性材料の第１の層をコーティングして、前記第１の層が１つ以上の位置で前記第２の層と接触して、前記第１の層と前記第２の層との間に電気的接続性を確立する工程と、
を含む可撓性フローフィールドセパレータを製造する方法。
【請求項３３】
電気的接続性が前記第１の層と前記第２の層との間の１つ以上の不連続な導電性パスを介して確立される請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
電気的接続性が前記第１の層と前記第２の層との間の１つ以上の導電性ゾーンを介して確立される請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
前記ポリマー基材層が１つ以上のアパーチャを含み、方法が、前記１つ以上のアパーチャを介して前記第１の層と前記第２の層との間に電気的接続性を確立する工程をさらに含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３６】
前記ポリマー基材層をレーザー処理して前記１つ以上のアパーチャを形成する工程をさらに含む請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記ポリマー基材層を機械的に処理して前記１つ以上のアパーチャを形成する工程をさらに含む請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
ポリマーを成形して、前記ポリマー基材層および前記１つ以上のアパーチャを形成する工程をさらに含む請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記第２の層および前記基材層のうち少なくとも１つが１枚以上のフィルムから形成されている、請求項３２に記載の方法。
【請求項４０】
前記第２の層および前記基材層がそれぞれ１枚以上のフィルムから形成されている、請求項３２に記載の方法。
【請求項４１】
前記第１の層が蒸着プロセスにより形成されている請求項３２に記載の方法。
【請求項４２】
前記第１の層がスパッタリングプロセスにより形成されている請求項３２に記載の方法。
【請求項４３】
前記可撓性フローフィールドセパレータが前記第１および第２の層のうち一方または両方の少なくとも一部に配置された耐食性層をさらに含み、前記耐食性層が導電性耐食性材料を含む請求項３２に記載の方法。
【請求項４４】
前記ポリマー基材層に成形プロセスを行って、前記フローフィールドパターンの構造化フィーチャーを形成する工程をさらに含む請求項３２に記載の方法。
【請求項４５】
前記セパレータがユニポーラセパレータとして製造される請求項３２に記載の方法。
【請求項４６】
前記セパレータがバイポーラセパレータとして製造される請求項３２に記載の方法。
【請求項４７】
前記第１および第２の層のうち一方または両方に近接配置された冷却剤フローフィールドを形成する工程をさらに含む請求項３２に記載の方法。
【請求項４８】
複数の前記セパレータのロールグッドを形成する工程をさらに含む請求項３２に記載の方法。
【請求項４９】
複数の前記セパレータを含むユニット化燃料電池アセンブリを形成する工程と、
複数の前記ユニット化燃料電池アセンブリを含む燃料電池スタックを形成する工程と、
前記複数のユニット化燃料電池アセンブリを、前記複数のユニット化燃料電池アセンブリの近接するものの間に形成されたポリマー溶着により結合する工程と、
をさらに含む請求項３２に記載の方法。
【請求項５０】
欠陥のあるユニット化電池アセンブリを検出する工程と、
前記複数のユニット化電池アセンブリから圧縮を取り除く工程と、
前記欠陥のあるユニット化電池アセンブリを交換する工程と、
前記ユニット化電池アセンブリをユニット化電池アセンブリ位置合せに維持する工程と、
複数のユニット化電池アセンブリへの適正な圧縮を再適用する工程と、
を含む請求項３０に記載の複数のユニット化電池アセンブリから構成される燃料電池スタックを修理する方法。
【請求項５１】
約２０度を超える靭性と、約４．５未満の平均嵩密度とを有する可撓性フローフィールドセパレータ。
【請求項５２】
前記可撓性フローフィールドセパレータが層状構造を含む請求項５１に記載の可撓性フローフィールドセパレータ。
【請求項５３】
可撓性材料で形成され、第１および第２の表面を有する基材層と、
前記基材層の前記第１の表面に画定され、１つ以上の流体チャネルを画定する構造化フローフィールドパターンと、
導電性材料で形成され、前記基材層の前記第１の表面に配置された第１の層と、
前記基材層の前記第２の表面に配置され、可撓性導電性材料で形成された第２の層と、
をさらに含み、
前記第１の層が１つ以上の位置で前記第２の層と接触して、前記第１の層と前記第２の層との間で電気的接続を画定している、請求項５１に記載の可撓性フローフィールドセパレータ。
【請求項５４】
前記可撓性フローフィールドセパレータが、前記フローフィールドセパレータの上層と下層との間が導電性である層状構造を含む、請求項５１に記載の可撓性フローフィールドセパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に、ｚ軸方向に導電性である流体輸送フィルムに関する。
【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を含み、各プロトン交換部材のいずれかの側にガス拡散層を備えている。アノードとカソード触媒層は、それぞれ、ガス拡散層の内側に配置されている。このユニットは膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と呼ばれている。セパレータプレートまたはフローフィールドプレートは、それぞれ、膜電極アセンブリのガス拡散層の外側に配置されている。このタイプの燃料電池は、ＰＥＭ燃料電池と呼ばれることが多い。
【０００３】
単一燃料電池の反応では、一般的に、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極を供給するのに用いてもよい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明はフローフィールドセパレータに関する。一実施形態によれば、可撓性フローフィールドセパレータは、可撓性材料で形成され、第１および第２の表面を有する基材層を含む。構造化フローフィールドパターンは、基材層の第１の表面に画定される。構造化フローフィールドパターンは、１つ以上の流体チャネルを画定する。セパレータは、１種類以上の金属で形成され、基材層の第１の表面に配置された第１の層を含む。第１の層は、導電性材料で形成されている。セパレータは、基材層の第２の表面に配置された第２の層をさらに含む。第２の層は、可撓性導電性材料で形成されている。第１の層は、１つ以上の位置で第２の層と接触して、第１の層と第２の層との間に電気的結合を画定している。
【０００５】
他の実施形態は、可撓性フローフィールドセパレータを製造する方法に関する。本方法は、可撓性導電性材料で形成された第２の層を提供する工程を含む。ポリマー基材層の第２の表面は、第２の層と接触配置される。第２の層および基材層は、圧力および任意の温度下でラミネートされ、ポリマー基材層の第１の表面に構造化フローフィールドパターンを展開する。導電性材料の第１の層が、ポリマー基材層の第１の表面にコートされて、１つ以上の位置で第１の層が第２の層と接触して、第１の層と第２の層との間に電気的接続性を確立するようにする。
【０００６】
本発明のさらに他の実施形態は、本明細書に記載した靭性試験に従って測定したときに約２０度を超える靭性と、約４．５未満の平均嵩密度を有する可撓性フローフィールドセパレータに関する。
【０００７】
本発明のさらなる実施形態には、燃料電池スタックを修理する方法が包含される。燃料電池スタックは、可撓性材料で形成され、第１および第２の表面を有する基材層を有する１つ以上の可撓性フローフィールドセパレータを含む。構造化フローフィールドパターンは、基材層の第１の表面に画定される。構造化フローフィールドパターンは、１つ以上の流体チャネルを画定する。セパレータは、１種類以上の金属で形成され、基材層の第１の表面に配置された第１の層を含む。第１の層は、導電性材料で形成されている。セパレータは、基材層の第２の表面に配置された第２の層をさらに含む。第２の層は、可撓性導電性材料で形成されている。第１の層は、１つ以上の位置で第２の層と接触して、第１の層と第２の層との間に電気的結合を画定している。
【０００８】
本発明の一態様によれば、欠陥のあるユニット化電池アセンブリが検出される。圧縮が、燃料電池スタックの複数のユニット化電池アセンブリから取り除かれ、欠陥のあるユニット化電池アセンブリが交換される。ユニット化電池アセンブリをユニット化電池アセンブリ位置合せに維持しながら、正確な圧縮を複数のユニット化電池アセンブリに再適用する。
【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請求項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、図面により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、本発明を説明する特定の実施形態に限定するものではないことを理解されたい。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】
例証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例証のために示した本発明を実施する特定の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】
本発明は、フローフィールドフィルムに係り、これは、本明細書においては、セパレータの表面間にｚ軸導電性を与えるフローフィールドセパレータを示す。セパレータは、少なくとも一表面に画定された構造化フローフィールドパターンを有する可撓性基材を含む。第１および第２の導電性層が、基材の表面に配置され、第１の層が、１つ以上の位置で基材を通るアパーチャまたは導電路を介して第２の層と電気的に接触している。
【００１３】
自動車牽引スタック等の特定の用途について、既存のＰＥＭ燃料電池だと重量、容積および／またはコストが多大で制限があることが認識されている。この主な理由は、フローフィールドセパレータの厚さと重量による。機械加工されたグラファイト、カーボンコンポジットおよび金属が、フローフィールドセパレータに一般的に用いられている材料である。これらの材料の選択は、過剰な容量か重量のいずれかを伴う。各スタックに多くのセパレータがあるのが一般的であり、この制限により、燃料電池スタックは重くなったり、嵩張ったりする。さらに、これらのセパレータを薄くて強固なものにするのは難しい。グラファイトやカーボンコンポジットベースのセパレータでは破損や亀裂が問題となっている。小さな欠陥があると、破断や突発的な破損につながる。薄い、軽量の金属プレートセパレータは容易に曲げて、変形したままとすることができる。フローフィールドセパレータの性能を改善するために多くの試みがなされてきたが、コスト、厚さ、重量および靭性の良いバランスを見出すことは困難であった。本発明は、これらの制限に対する費用効果のある強固な解決策により、これらの問題に取り組むものである。本発明はまた、費用効果のあるＰＥＭ燃料電池スタックのセパレータを製造する方法も提供するものである。連続フィルムベースの方法が、費用効果のある成形方法と共に提供される。これらの方法は、より費用効果があり工業化されたＰＥＭ燃料電池の製造に新たな機会を与えるものである。
【００１４】
燃料電池電力システムの効率はまた、燃料電池スタックの個々の燃料電池内の様々な接触およびシーリング界面の完全性にも依存している。かかる接触およびシーリング界面には、スタックの燃料電池内および電池間の燃料、冷却剤および廃液の輸送に関連するものが含まれる。燃料電池システムの効率的な操作を確実なものにするために、燃料電池スタック内の燃料電池コンポーネントとアセンブリの適正な整合が重要である。燃料電池サブアセンブリの組み立て中の取扱いの結果として燃料電池コンポーネントがずれていると、例えば、個々の燃料電池の不具合および燃料電池システム性能の劣化につながる可能性がある。これは、サブアセンブリまで広げる必要がある。ユニット化電池アセンブリ（ＵＣＡ）は正確な整合、シーリングおよびボンディングを必要とする。
【００１５】
本発明のセパレータは、燃料電池用途に用いるバイポーラまたはユニポーラフローフィールドセパレータを形成するのに特に有用である。本発明によるフローフィールドセパレータは、燃料電池アセンブリでは特に有利であるが、本発明の原理は、様々な用途で実施できるものと考えられる。従って、後述する特定の例示の実施形態は説明のためであり、限定するものではない。
【００１６】
下記の実施例に記載したセパレータフィルムを用いて、反応物質および副生成物を効率的に輸送し、熱エネルギーを導き、汎用性があって費用効果のあるやり方で抵抗性電流の損失を最小にすることができる。機械加工されたグラファイト、成形導電性カーボンコンポジットポリマー、リソグラフィーエッチングプレートおよび形成金属プレートを用いるもの等フローフィールドプレートのその他のタイプは、それぞれ、多大な性能またはコストの制限を受ける。本発明は、非常に薄く、靭性があって、可撓性の軽量フローフィールドユニおよびバイポーラセパレータを提供する、汎用性があって、費用効果のあるｚ軸導電性流体輸送フィルムに関する。
【００１７】
基本性能パラメータに加えて、本明細書に記載した実施形態のいくつかは、可撓性で、連続処理技術により形成されるフローフィールドセパレータについて記載してある。本明細書に記載した可撓性セパレータは、不連続なコンポーネントまたは連続ロールとして形成してもよい。
【００１８】
本発明の実施形態によるセパレータは、弾性をある程度有する材料から形成される流体構造を含み、このセパレータによってコンフォーマル性および改善されたガスケットが与えられる。ある実施形態において、セパレータは、別個のシールの代わりに用いてよい一体化ガスケットフィーチャーを含む。ある実施形態において、セパレータは、３つの別の流体領域の動きを促し、これらは、例えば、冷却剤と２つの反応物質ストリームを収容する。かかる構成は、燃料電池用途に一体化冷却を備えたバイポーラフローフィールドセパレータを形成するのに特に有利である。
【００１９】
本発明のフローフィールドセパレータは、様々なタイプ、構成および技術の燃料電池アセンブリおよびスタックに組み込んでよい。代表的な燃料電池を図１ａに示す。燃料電池は、水素燃料と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。燃料電池は、それ自体は、あったとしても少量しか危険な排出液を生成しない。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。
【００２０】
図１ａに示す燃料電池１０は、アノード１４に近接する第１の拡散器／集電装置（ＤＣＣ）１２を含む。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の拡散器／集電装置１９はカソード１８に近接配置される。操作中、水素燃料を、燃料電池１０のアノード部分へ導入し、第１の拡散器／集電装置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。
【００２１】
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、電気モータ等の電気負荷１７に電力を供給する、または充電式バッテリ等のエネルギー記憶装置に向けられる。
【００２２】
酸素は、第２の拡散器／集電装置１９を介して燃料電池１０のカソード側へ流れる。酸素がカソード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。
【００２３】
図１ａに示すような個々の燃料電池は、後述するとおり、ユニット化燃料アセンブリとしてパッケージすることができる。本明細書においてユニット化電池アセンブリ（ＵＣＡ）と呼ばれるユニット化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、スタックの合計電圧を決めるスタック内の数多くのＵＣＡと直列に電気的に接続してもよく、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で乗算することにより決めることができる。
【００２４】
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１つ以上のフローフィールドセパレータを用いて、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℃）で操作され、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、自動車等の即時の始動が必要とされる用途に好適である。
【００２５】
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固体ポリマー電解質シートであるが、それでも、ガス状反応物質を分離する。膜は、一般的に、活性触媒である高分散金属または金属粒子（例えば、白金または白金／ルテニウム）が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、腐食および電解質汚染の問題を減じるため有利である。
【００２６】
水素を燃料電池のアノード側に供給する。そこでは触媒が水素原子を促進して電子を放出し、水素イオン（プロトン）となる。電子は、酸素が導入された燃料電池のカソード側に戻る前に利用できる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、そこで水素イオンが再結合して、酸素と反応して水を生成する。
【００２７】
膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、水素燃料電池等のＰＥＭ燃料電池の中央要素である。上述したとおり、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。
【００２８】
ＰＥＭの一面はアノード触媒電極層と接触しており、反対面はカソード触媒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。拡散器／集電装置は、アノードおよびカソード電極材料を行き来するガスの輸送を促し、触媒層からセパレータまたはフローフィールドフィルムへ電流を流す。
【００２９】
代表的なＰＥＭ燃料電池において、プロトンは水素酸化を介して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。
【００３０】
ＤＣＣはまた、ガス拡散層（ＧＤＬ）とも呼ばれる。アノードおよびカソード電極層は、完成ＭＥＡにおいてＰＥＭとＤＣＣとの間に配置される限りは、製造中ＰＥＭまたはＤＣＣに適用してもよい。
【００３１】
任意の好適なＰＥＭを本発明の実施に用いてよい。有用なＰＥＭの厚さは、約２００μｍ〜約１５μｍである。ＰＥＭは、一般的に、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（ＤｕＰｏｎｔ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ））、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））および高度にフッ素化された骨格と、式ＹＯＳＯ2−ＣＦ2−ＣＦ2−ＣＦ2−ＣＦ2−Ｏ−［ポリマー骨格］（式中、ＹはＨ+またはアルカリ金属カチオン等のその他一価のカチオンである）による繰り返しペンダント基とを有するポリマー等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。後者のポリマーは、国際公開第２００４０６２０１９号パンフレットに記載されている。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のが好ましい。
【００３２】
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。ポリマー電解質の酸当量は一般的に１２００以下、より一般的には１１００、最も一般的には約１０００である。８００と低い、さらには７００の当量を用いてもよい。
【００３３】
任意の好適なＤＣＣを本発明の実施に用いてよい。一般的に、ＤＣＣ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。ＤＣＣは、一般的に、織および不織カーボンファイバー構造から選択される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。ＤＣＣ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。
【００３４】
白金ブラックまたは微粒子、インク含有カーボン担持触媒粒子（米国特許出願公開第２００４０１０７８６９号明細書）またはナノ構造化薄膜触媒（米国特許第６４８２７６３号明細書および米国特許第５８７９８２７号明細書）をはじめとする任意の好適な触媒を本発明の実施に用いてよい。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ＤＣＣ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。
【００３５】
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電池と類似している。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、４０〜９０℃の温度で操作される。直接メタノール燃料電池は、本発明の原理に従って構成された１つ以上のフローフィールドセパレータを利用することができる。
【００３６】
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に示すとおり、ＵＣＡ２０の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）２５は５枚の成分層を含む。ＰＥＭ層２２は、例えば、ＤＣＣ層２４と２６の間、またはガス拡散層（ＧＤＬ）の間に挟まれている。アノード触媒３０は第１のＤＣＣ２４と膜２２との間に位置し、カソード触媒３２は膜２２と第２のＤＣＣ２６との間に位置している。
【００３７】
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ＤＣＣ２４、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。さら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ＤＣＣ２４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ＤＣＣ２６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。
【００３８】
ＤＣＣ２４、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、ＤＣＣ２４、２６は片側にカーボン粒子コーティングを有することができる。ＤＣＣ２４、２６は、上述したとおり、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。
【００３９】
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。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、フローフィールドセパレータフィルム４０、４２間を絶縁し、ハードストップ圧縮制御する。図１ｂに示した実施例において、フローフィールドフィルム４０および４２は、それぞれ、第１および第２の端部シールシステム３４および３６に近接配置されている。本明細書に記載したある実施形態において、フローフィールドセパレータは、端部シールシステム３４、３６の代わりに一体化ガスケットを提供するように構成されている。
【００４０】
フローフィールドフィルム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のフィールドとポートとを含んでいる。フローフィールドフィルム４０、４２はまた、冷却剤チャネルおよびポートを組み込んでもよい。冷却剤チャネルは、ガスフローチャネル４３を組み込んだ表面の反対のフローフィールドフィルム４０、４２の表面に組み込まれてもよい。
【００４１】
図１ｂに図示する構成において、フローフィールドフィルム４０、４２は、ユニポーラフローフィールドセパレータとして構成され、単一ＭＥＡ２５がその間に挟まれている。図１ｂに示したＵＣＡ構成は、本発明によるフローフィールドセパレータ法で用いるのに実施可能な特定の構成の代表例である。この構成は、例証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成の全てを表すものではない。むしろ、図１ｂは、特定の燃料電池アセンブリ設計に選択的に組み込むことのできる様々なコンポーネントを例示するためのものである。
【００４２】
本発明の態様は、ユニポーラまたはバイポーラフローフィールドセパレータフィルムに関する。本明細書で記載したとおりに構成されたユニポーラまたはバイポーラフローフィールドフィルムは、燃料電池アセンブリまたはサブアセンブリを製造するのに特に有用である。本発明の態様は、多数の電池アセンブリ（ＭＣＡ）またはＵＣＡのサブユニットを一緒にスタックすることにより構築される燃料電池スタックにさらに関し、各ＭＣＡ（またはＵＣＡ）モジュール自身は、少なくとも１つの膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と少なくとも２つのバイポーラまたはユニポーラフローフィールドセパレータ（または混在させた対のバイポーラおよびユニポーラフローフィールドセパレータ）を組み込んだ「ショート−スタック」そのものである。
【００４３】
図２に、本発明の実施形態によるフローフィールドセパレータの断面図を示す。図２のフローフィールドセパレータは、例えば、燃料電池用途のユニポーラフローフィールドフィルムとして用いてよい。フローフィールドセパレータは、良好な寸法安定性と低熱膨張係数を有するポリマー等のポリマー材料で形成された可撓性基材層２１０を含む。例えば、ポリマーは、ポリメチルメタクリレート、ポリプロピレンおよびポリカーボネート等の材料から選択してよい。ポリカーボネートが好ましい。
【００４４】
第１および第２の導電性層２２０、２３０は、基材２１０の反対表面に配置されている。ある実施形態において、接着層を、基材２１０と第２の層２３０との間に配置してもよい。例えば、接着層は、ゴム、シリコーンまたはアクリルベースの接着剤を含んでいてよい。エポキシ、イソシアネート等をはじめとするその他の接着層も考えられる。基材２１０は、１枚以上のフィルムを含み、導電性であっても、第１および第２の層より実質的に導電性が低くてもよい。第２の層２３０は可撓性で、アルミニウムホイル等の１枚以上の導電性フィルムおよび／またはホイルを含んでいてもよい。第１の層２２０は、ニッケル等の１種類以上の金属の導電性コーティングで形成されてもよい。ある実施形態において、接着促進層を、第１の層２２０と基材２１０との間に用いてもよい。例えば、接着促進層は、スパッタまたは蒸気コート金属層を含んでいてよい。接着促進層としては、サブモノレイヤーから数十または数百ナノメートルの厚さ範囲のニッケルまたはクロム／ニッケル金属層、金属フィルムの組み合わせを挙げることができる。
【００４５】
セパレータは、第１の層２２０と第２の層２３０との間に電気的接触を提供する相互接続ゾーン２７０を含む。ゾーン２７０は、第１の導電性層２２０が、いくつかの小さめの不連続な領域および／または１つ以上の大きめの連続領域において、第２の導電性層２３０に電気的に接続されるように構成されている。ゾーン２７０は、セパレータのｚ軸を通る抵抗性電流を大幅に損失することなく、セパレータが大量の電流を通すように構成されている。第１の層２２０と第２の層２３０との間の相互接続ゾーン２７０は、約０．００１オーム−ｃｍ2〜約０．１オーム−ｃｍ2の面積比抵抗を提供する。
【００４６】
基材２１０は、少なくとも１つのチャネル２５０および１つのアパーチャ２４０を形成するフィーチャー２６０のフローフィールドパターンを含む。フローフィールドパターンは、基材２１０の表面に構造化フローフィールドパターンを画定する。チャネル２５０は、セパレータの表面を超えて燃料反応物質、副生成物および／または冷却剤の輸送を行う。フローフィールドの１つまたは複数のチャネル２５０は、基材２１０の表面を超えて蛇行パターン、曲線パターンおよび／または直線パターンをはじめとする様々なパターンを画定する。
【００４７】
基材表面２６０および／またはアパーチャ２４０は好ましくは成形により形成されるが、他のプロセスにより形成されてもよい。基材２１０のアパーチャ２４０は、第１の層２２０と第２の層２３０との間の相互接続ゾーン２７０の形成を促す。アパーチャ２４０は、基材の成形、ラミネーティング、レーザー切断、穿孔またはその他プロセスにより形成してよい。
【００４８】
第１の導電性層２２０は１種類以上の金属を含み、基材２１０の一表面のフィーチャー２６０をコンフォーマルにコートする。例えば、第１の層２２０は、基材フィーチャー２６０の表面にコンフォーマルな亜鉛めっき形成金属スキンを含んでよい。第１の層２２０の厚さは約３ミルで、好ましい厚さは約１．５〜２ミルであるが、厚さは約０．１ミル〜５ミルを超える厚さとすることができる。第１の層２２０の厚さは、基材２１０のフィーチャー２６０および／またはチャネル２５０に対して薄いのが好ましい。一般的なチャネル２５０の寸法は、約１ミル〜約１００ミル、より好ましくは約３ミル〜約５０ミル、より好ましくは約１０ミル〜約３５ミルである。通常、第１の層２２０は、チャネル２５０に比べて薄いままであり、第１の層２２０をできる限り薄く保つのが望ましい。
【００４９】
第２の導電性層２３０は、第１の導電性層２２０から基材２１０の反対表面に配置されている。第２の層２３０は、ニッケル、アルミニウムまたはステンレス鋼といった金属ホイル等の可撓性の導電性材料を含む。第２の層２３０は、任意で、グラフオイル（ＧＲＡＰＨＯＩＬ）等のグラファイトの可撓性の形態またはその他導電性および可撓性材料で形成される。
【００５０】
前述したとおり、基材２１０はアパーチャ２４０を含み、これを通して、電気的相互接続２７０が第１の層２２０と第２の層２３０との間に形成される。一実施形態において、アパーチャ２４０は、チャネルフィーチャー２６０を形成するのに用いる成形プロセスにより形成しても、別個のプロセス工程で形成してもよい。例えば、アパーチャ２４０は、後に第２の層２３０にラミネートされる複製基材フィルムを穿孔することにより形成してもよい。あるいは、アパーチャ２４０は、任意で、基材の第２の層２３０へのラミネーティングか成形後に形成してもよい。第１の層２２０は、基材２１０の表面にコンフォーマルに付着して、相互接続ゾーン２７０でアパーチャ２４０を通して第２の層との電気的接触を行う。
【００５１】
基材２１０は、必ずしも、というわけではないが、導電性材料で形成されてもよい。基材が導電性の場合には、相互接続ゾーン２７０のみにより提供されるｚ軸導電性よりもセパレータのｚ軸導電性が促進される。上述した構造化基材２１０に近接する第１および第２の導電性層２２０、２３０はコンフォーマルな層であるため、流体チャネルは小さくすることができる。このフィーチャーは、燃料電池において非常に有用である。というのはフローフィールドを薄く製造でき、コンパクトなユニポーラまたはバイポーラフローフィールドフィルムおよび燃料電池設計をさらに促進することができるからである。
【００５２】
以下に詳述するとおり、靭性測定値を用いて、セパレータの突発的な破損に対する抵抗性を測定する。例えば、本発明の実施形態により形成されたセパレータは、本明細書に記載した靭性試験に従って測定したときに約２０度を超える靭性試験値と、一方で、約４．５ｇｍ／ｃｍ3未満の平均嵩密度を維持する。
【００５３】
図３〜６は、本発明の実施形態による部分または完全形成されたセパレータの様々な顕微鏡写真である。図３は上述したセパレータの断面顕微鏡写真である。図３に、一連の相互接続ゾーンまたはビアを通して切断された断面を示す。基材のチャネルおよびアパーチャは、断面では不連続な段に見える。この例では、基材はポリマーで形成されており、第１の導電層はＮｉ、第２の導電層（裏側層）はＡｌである。
【００５４】
図４および５に、図２および３に示す以外の異なる断面形状を有する成形基材を示す。基材の成形表面は湾曲して、チャネルおよびアパーチャを形成する。図４に、アルミニウムベース層に配置されたポリマー基材のいくつかのチャネル／アパーチャフィーチャーの断面図を示す。図５は、基材とアルミニウムベース層との間の界面の拡大図である。図６は、基材に形成されたアパーチャを含む基材チャネルの平面の顕微鏡写真である。
【００５５】
図７に示す一実施形態において、セパレータの熱除去特性をさらに促進するために、熱移動流体を含有するように構成された一組のチャネル７５０をセパレータは含む。図７に示すとおり、本実施形態は、第１の基材２１０により画定されるチャネル２５０の反対の第２の組のチャネル７５０を画定する第２の基材７１０を含む。第１のチャネル２５０は、第２の組のチャネル７５０と整合する必要はない。同じく、電気的接続２７０および７７０も整合する必要はない。同じく、アパーチャ２４０および７４０も整合する必要はない。本発明のセパレータの薄さはまた、電気的接続２７０および７７０と組み合わせて、第１の層２２０側から第３の層側７２０まで熱の移動を補助する。
【００５６】
図７に示すとおり、第２の基材７１０は第２の層２３０に配置される。第１および第２の基材２１０、７１０の表面に形成されたフィーチャー２６０、７６０のパターンは、図２に関して説明したとおり、チャネル２５０、７５０を形成する。第１の基材２１０は、導電性の第１の層２２０でコンフォーマルにコートされる。第２の基材７１０を、導電性の第３の層７２０でコンフォーマルにコートしてもよい。第１の基材のアパーチャ２４０によって、第１の層２２０と第２の層２３０との間の電気的相互接続ゾーン２７０が得られる。操作中、熱導電性流体は、第２の基材７１０のチャネル７５０を流れて、熱エネルギーがセパレータから離れて流れる。熱エネルギーは、第１の層２２０と第２の層２３０との間のｚ軸相互接続２７０点で高流動速度を有する。
【００５７】
本発明の実施形態は、図８に示すバイポーラフローフィールドセパレータに関する。バイポーラフローフィールドセパレータは、第２の層２３０に配置された反対の可撓性基材層２１０、９１０を含む。第１および第２の基材２１０、９１０は、チャネル２５０、９５０およびアパーチャ２４０、９４０を形成するフィーチャー２６０、９６０を含む。第１の導電性層２２０を、第１の基材２１０の表面に形成して、第１の層２２０が第１の基材２１０のフィーチャー２６０に沿うようにする。第１の基材２１０のアパーチャによって、第１の層２２０を第２の層２３０に電気的に接続する電気的相互接続ゾーン２７０が形成される。
【００５８】
第３の導電性層９２０を、第２の基材９１０の表面に形成して、第３の層９２０が第２の基材９１０のフィーチャー９６０に沿うようにする。第２の基材９１０のアパーチャ９４０によって、第３の層９２０を第２の層２３０に電気的に接続する電気的相互接続ゾーン９７０が形成される。この構成では、セパレータの両表面を反応物質および／または副生成物のフローフィールドとして用いてよい。セパレータをバイポーラフローフィールドフィルムとして利用して、フィルムを流れるｚ軸電流を提供する。あるいは、冷却チャネルを一表面に、反応物質チャネルを反対表面に有し、ｚ軸電流がフィルムを流れるユニポーラフローフィールドフィルムとしてセパレータをこの構成で用いてもよい。
【００５９】
図９に示す本発明の実施形態は、バイポーラフィルムから離れて熱を伝導するのに用いる内部チャネル１０９０を有するバイポーラフローフィールドセパレータに関する。本実施形態によれば、３つの別個の流体移動領域が提供される。内部冷却チャネル１０９０は、セパレータ内の冷却剤フローを促す。反応物質および／または副生成物は、バイポーラセパレータの２つの外側表面でチャネル２５０、９５０を流れる。
【００６０】
本実施形態によれば、セパレータの第２の層２３０は、冷却剤流体のフローを促すチャネル１０９０を含む。本実施形態において、第２の層２３０は、押出しアルミニウムホイル等の押出しホイル構造を含む。第１および第２の基材２１０、９１０は、第２の層２３０の反対表面に形成されている。第１および第２の基材２１０、９１０は、チャネル２５０、９５０およびアパーチャ２４０、９４０を形成するフィーチャー２６０、９６０を含む。第１の導電性層２２０を、第１の基材２１０の表面に形成して、第１の層２２０が第１の基材２１０のフィーチャー２６０に沿うようにする。第１の基材２１０のアパーチャ２４０によって、第１の層２２０を第２の層２３０に電気的に接続する電気的相互接続ゾーン２７０が形成される。
【００６１】
第３の導電性層９２０を、第２の基材９１０の表面に形成して、第３の層９２０が第１の基材９１０のフィーチャー９６０に沿うようにする。第２の基材９１０のアパーチャによって、第３の層９２０を第２の層２３０に電気的に接続する電気的相互接続ゾーン９７０が形成される。
【００６２】
いくつかの実施形態には、セパレータの表面に任意のコーティングが含まれていてよい。一実施形態によれば、任意の耐食性コーティングを上述の第１、第２および／または第３の層の１つ以上に付着してもよい。例えば、耐食性層を用いて、金属の腐食を防ぎ、第１、第２および／または第３の層間で約０．００１オーム−ｃｍ2〜約０．１オーム−ｃｍ2等の適切な面積比抵抗を維持する。
【００６３】
他の実施形態によれば、コーティングを第１、第２のおよび／または第３の層の表面に適用して、接触抵抗を減じてもよい。かかるコーティングを用いると、セパレータの全体的な電気抵抗が減じる。
【００６４】
本発明の他の実施形態によれば、接着コーティングを基材と第２の層との間に適用してもよい。
【００６５】
基材は、エラストマー特性を有する材料で形成してもよい。エラストマー基材だと、ガスケットが提供されるようにセパレータを構成することができる。セパレータの特定の領域に流体を含ませる必要がある用途に本実施形態は特に有用である。例えば、燃料電池用途においては、セパレータは、ユニポーラまたはバイポーラフローフィールドセパレータと、燃料電池スタックの近接構造の周囲領域間でガスケットとして機能するエラストマー基材を含む。エラストマー基材により形成されるガスケット領域を用いて、例えば、燃料電池アセンブリに一般的に用いられる別個のシールに交換してもよい。
【００６６】
図１０および１１に、本発明の実施形態によるユニポーラ燃料電池フローフィールドフィルムとして用いるのに好適なフローフィールドセパレータの第１の表面１１００および第２の表面１２００を示す。図１１および１２に示すとおり、セパレータの第１の表面１１００は、反応物質チャネルの蛇行パターンを有するフローフィールド１１１１を含む。セパレータの第２の表面１２００は、冷却チャネルを有する冷却領域１２１１を組み込んでいる。本用途では、図１１および１２に示す構成の２つのセパレータが、燃料電池ユニット化電池アセンブリ（ＵＣＡ）を形成するために、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）層、拡散器／集電装置（ＤＣＣ）層、フローフィールドセパレータフィルム間に挟まれたアノードおよびカソード触媒層で構成されている。
【００６７】
図１１および１２のセパレータは、冷却剤入口マニホルド１２２１、１２２２、冷却剤出口マニホルド１２２３、１２２４を囲む領域、燃料入口マニホルド１１３１〜１１３３、燃料出口マニホルド１１３４、１１３５を囲む領域、および／または接続ロッドホール１２４１を囲む周囲領域等のＵＣＡ構造の様々な領域のシーリングを促す表面を含む。
【００６８】
前述したとおり、セパレータ基材は、冷却剤および燃料マニホルド１１３１〜１１３５、１２２１〜１２２４を囲む領域ならびに接続ロッドホール１２４１を囲む周囲領域にガスケットを提供するエラストマー材料で形成される。燃料電池操作のガスケットによって、燃料電池操作を大幅に劣化させる恐れのある冷却剤および／または燃料電池漏れの可能性が減じる。
【００６９】
図１２に、接続ロッドホール１２４１を通したセパレータの断面を示す。セパレータは、チャネル１１５０、１２５０を形成するフィーチャー１１６０、１２６０を有する第１の基材１１１０および第２の基材１２１０と第１および第２の基材１１１０、１２１０にアパーチャ１１４０、１２４０を含む。第１の基材１１１０の一部は、コンフォーマルな金属層である第１の層１１２０と第２の層１１３０との間に配置される。第１の層１１２０は、第１の基材１１１０のアパーチャ１１４０により提供される相互接続ゾーン１１７０で第２の層１１３０と接触する。第２の基材１２１０の一部は、第２の層１１３０と第３のコンフォーマルな層１２２０との間に配置される。第３の層１２２０は、第２の基材１２１０のアパーチャ１２４０により提供される相互接続ゾーン１２７０で第２の層１１３０と接触する。
【００７０】
第１の表面１１００のチャネル１１５０は、燃料電池の反応物質燃料にフローフィールドを提供する。液体冷却剤を第２の表面１２００のチャネル１２５０を通して分散して、燃料電池の活性領域からの熱を除去してよい。セパレータは、第１および第３の層を電気的に接続する相互接続ゾーン１１７０、１２７０を介してｚ軸で集電する。
【００７１】
図１３は、表面１２００から示した図１１および１２のセパレータについての相互接続ゾーン１１７０、１２７０の可能な構成の詳細図である。相互接続ゾーン１１７０、１２７０は、導電性の第１および第３のコンフォーマルな層が同じく導電性である第２の層と接触する複数の領域を含む。かかる構成は、集電のための低抵抗接続を提供する。
【００７２】
図１０〜１２に示したとおり、セパレータはまた、フローフィールド１１１１、１１２１を超えて、冷却剤および燃料マニホルド１１３１〜１１３５、１２２１〜１２２４を周囲領域ならびに接続ロッドホール１２４１を包含する領域まで延在していてもよい。本発明の実施形態によれば、第１および第２の基材１１１０、１２１０は、これらの周囲領域の１つ以上についてのガスケットを促進するエラストマー材料で形成してもよい。周囲領域の基板１１１０、１２１０は、圧縮性ガスケットを形成するフローフィールド領域より厚くしてもよい。図１２に示すとおり、基材１１１０、１２１０は、周囲領域１１７５に第１および第３のコンフォーマル層を含む必要はない。
【００７３】
図１４に、本発明の実施形態による燃料電池用途のユニット化電池アセンブリ（ＵＣＡ）１５５０を示す。ＵＣＡ１５５０は、１つ以上のユニポーラフローフィールドフィルム１５５２、１５５６、１５５４を用いることにより、多数のＭＥＡ１５２５ａおよび１５２５ｂを組み込んでいる。図１４に示す構成において、ＵＣＡ１５５０は２つのＭＥＡ１５２５ａおよび１５２５ｂと、４つのユニポーラフローフィールドフィルム１５５２、１５５４、１５５６を組み込んでいる。ユニポーラフローフィールドフィルム１５５６は、一表面１５５６ｂに冷却チャネルを組み込んでいる。あるいは、２つのユニポーラフローフィールドフィルム１５５６を、ここで述べたように、内部冷却チャネルを有するバイポーラフローフィールドフィルムに交換してもよい。ＵＣＡは、米国特許出願第１１／０２５２６７号（弁護士整理番号６０１３８ＵＳ００２）に記載されているような好適な方法または機構により一緒に保持してもよい。
【００７４】
ＭＥＡ１５２５ａは、拡散器／集電装置（ＤＣＣ）１５６６ａと１５６４ａとの間に挟まれたカソード１５６２ａ／膜１５６１ａ／アノード１５６０ａ層状構造を含む。ＤＣＣ１５６４ａは、ユニポーラフローフィールドフィルム１５５６の第１のフローフィールド表面１５５６ａに近接配置されている。ユニポーラフローフィールドフィルム１５５６の第２のフローフィールド表面１５５６ｂは冷却チャネルを含む。ＤＣＣ１５６６ａは、フローフィールドフィルム１５５２に近接配置されていて、ユニポーラフローフィールドフィルムまたはバイポーラフィルムとして構成してよい。フローフィールドフィルム１５５２が、ユニポーラフローフィールドフィルムとして構成されている場合には、一表面１５５２ａが反応物質フローフィールドを含み、第２の表面１５５２ｂが冷却剤フローフィールドを含んでいてよい。
【００７５】
ＭＥＡ１５２５ｂは、拡散器／集電装置（ＤＣＣ）１５６６ｂと１５６４ｂとの間に挟まれたカソード１５６２ｂ／膜１５６１ｂ／アノード１５６０ｂ層状構造を含む。ＤＣＣ１５６４ｂは、ユニポーラフローフィールドフィルム１５５６の第１のフローフィールド表面１５５６ａに近接配置されている。ユニポーラフローフィールドフィルム１５５６の第２のフローフィールド表面１５５６ｂは冷却チャネルを含む。ＤＣＣ１５６６ｂは、フローフィールドフィルム１５５４に近接配置されていて、ユニポーラフローフィールドフィルムまたはバイポーラフィルムとして構成してよい。フローフィールドフィルム１５５４が、ユニポーラフローフィールドフィルムとして構成されている場合には、一表面１５５４ａが反応物質フローフィールドを含み、第２の表面１５５４ｂが冷却剤フローフィールドを含んでいてよい。
【００７６】
図１４に示す構造の多数のＵＣＡをポリマー溶着により結合して、燃料電池スタックを形成する。その他の好適な結合手段としては、クリップ、スクリュー、接着剤、エポキシ、スナップロックやデュアルロック（ＤＵＡＬ−ＬＯＣＫ）（登録商標）により実証されている機械的締め代、ロッキングテーパー等が挙げられる。
【００７７】
燃料電池スタックは、ＵＣＡおよび／またはＵＣＡコンポーネント間のシーリングを促進するために整合された多数のＵＣＡを圧縮することにより形成される。例えば、燃料電池スタックは、ＵＣＡの周囲部分を通過して、スタックに所定の圧力を適用する接続ロッドを用いて整合および圧縮される。ＵＣＡの１つ以上のコンポーネントは、圧縮プロセス中にＵＣＡを整合する役割を果たす位置合せフィーチャーを含んでいてよい。本明細書で述べたとおり、セパレータは、ＵＣＡにガスケットを提供する。図１ｂに示すとおり、別個のガスケットを用いてスタックのシーリングを促進してもよい。
【００７８】
本発明の一実施形態には、燃料電池スタックでＵＣＡを交換する方法が包含される。一例において、ＵＣＡが欠陥があると判断された場合には、燃料電池スタックのＵＣＡの交換が望ましい。例えば、１つ以上の不良ＭＥＡを含む場合には、ＵＣＡは欠陥がある。この場合、接続ロッドのナットと緩める等して、燃料電池スタックのＵＣＡから圧縮を取り除く。欠陥のあるＵＣＡを取り外して、交換するＵＣＡをスタックに挿入する。燃料電池スタックに圧縮を再度適用する。
【００７９】
圧縮プロセス中、ＵＣＡコンポーネントを適正な整合で維持する。適正な整合は、例えば、ＵＣＡの１つ以上のコンポーネントの位置合せフィーチャーにより維持される。燃料電池スタックの圧縮には、接続ロッドナットを所定のシーケンスで所定の圧力まで締結して、燃料電池表面の均一な圧縮が促進されるようにすることが包含される。
【００８０】
一実施形態によれば、可撓性フローフィールドセパレータを製造する方法には、ポリマー基材層の第２の表面を、アルミニウムホイル等の可撓性の導電性材料の第２の層と接触させて配置することが包含される。第２の層および／または基材は１枚以上のフィルムを含んでいてよい。ある実施形態において、基材はポリプロピレンまたはポリカーボネート等のポリマーフィルムで形成し、第２の層はアルミニウムホイルまたはフィルムで形成してよい。構造化フローフィールドパターンは、基材の第１の表面で形成される。基材の第１の表面は、導電性材料の第１の層、例えば、ニッケルでコートされる。第１の層は、１つ以上の位置で第２の層と接触して、第１の層と第２の層との間に導電性を確立している。
【００８１】
フローフィールドパターンの形成は、基材層に成形プロセスを行って、構造化フィーチャー、例えば、チャネルとアパーチャを基材の表面に形成することによりなされる。代表的な方法としては、圧縮成形、射出成形、押出しエンボス加工、押出しコーティングおよび鋳造と硬化が挙げられる。基材層を形成するのに用いる材料は、熱可塑性ポリマー、ポリマーコンポジットまたは硬化性ポリマー樹脂処方とすることができる。代表的な構造フィーチャーとしては、Ｖ形リブ、上部が平坦なリブおよびポストや不連続リブが挙げられる。構造の設計は、燃料電池の必要性に応じて異なる。代表的な深さは約１ミル〜１００ミル、より好ましくは約３ミル〜５０ミルである。リブは、鋭い先端を有するか、または丸めた先端、さらには平坦な先端を有する。
【００８２】
ある実施形態において、基材を成形またはラミネートして、パターンを形成し、第１の層をパターン上に付着する。他の実施形態において、第１の層を平滑な基材に付着し、層状構造を圧縮成形でエンボス加工して、パターンを形成する。基材の成形またはラミネートは、基材を第２の層に配置する前後に行ってよい。
【００８３】
セパレータは、フローフィールドがセパレータの片面または両面にあるように製造してもよい。一実施形態において、セパレータの第１の表面のフローフィールドは、反応物質および／または副生成物の輸送に用い、セパレータの第２の表面のフローフィールドは液体またはガス状冷却剤のために用いてよい。セパレータの一表面に反応物質フローフィールドおよび反対の表面に冷却剤フローフィールドを利用するセパレータを、一体冷却型の燃料電池ユニポーラフローフィールドフィルムとして実施してもよい。
【００８４】
他の実施形態において、セパレータの両側にあるフローフィールドは、バイポーラフローフィールドセパレータとして利用してもよい。
【００８５】
両表面に反応物質フローフィールドを有するバイポーラフローフィールドセパレータおよび一表面に反応物質フローフィールドそして他表面に冷却剤チャネルを備えたユニポーラフローフィールドセパレータは同様の方法を用いて形成してよい。本発明の実施形態に従ってかかる構造を形成する方法は、第１および第２のポリマー基材を第２の層の第１および第２の表面に配置することを包含する。構造化フローフィールドパターンを、第１の基材の表面および第２の基材の表面に形成する。第１の層を第１の基材の表面に付着する。第３の層を第２の基材の表面に付着する。
【００８６】
様々な実施形態によれば、第１の層と第２の層との間および／または第３の層と第２の層との間に、第１の層と第２の層との間に１つ以上の不連続な導電性パスまたはゾーンを介して電気的な相互接続を確立してよい。例えば、第１および第２の基材のうち一方または両方にアパーチャを形成し、第１の層と第２の層との間および／または第３の層と第２の層との間に、１つ以上の基材アパーチャを通して電気的な相互接続を確立する。アパーチャは、上述したラミネーティングまたは成形プロセスの一部として形成したり、レーザー処理、穿孔または機械的ツールによる切断により形成してもよい。
【００８７】
第１の層は１種類以上の金属を含み、パターン形成前後に基材に付着させてもよい。第１の層は、例えば、電気めっき、蒸着、スパッタリングまたはその他コーティング技術をはじめとする様々なプロセスにより基材の第１の表面に付着することができる。
【００８８】
ある実施形態において、第１の層は多層構造を含んでよい。第１の層は、ある付着プロセスにより第１の副層を基材に付着し、異なる付着プロセスにより第１の副層に第２の副層を付着することにより形成されてもよい。第１および第２の副層は同じ金属を含み、第１の副層は第２の副層とは異なる金属を含んでよい。
【００８９】
一例において、第１の副層は基材へのニッケルの蒸着により形成されてよい。第２の副層は第１の副層のニッケルの電気めっきにより形成されてよい。この例では、第１の副層は比較的薄い層を含み、第２の副層は第１の層のバルクを形成している。他の例において、第１の副層は基材への銅の蒸着により形成され、第２の副層は銅の副層へのニッケルの蒸着により形成される。
【００９０】
さらなる層を第１の層および／または第２の層に配置してもよい。一例において、追加の層は熱伝導性層を含んでよい。他の例において、追加の層はベース層の抵抗性を減じる層を含んでよい。さらに他の例において、追加の層は耐食性層を含む。
【００９１】
第２の層はアルミニウムやその他金属等の金属ホイルであってよい。場合によっては、第２の層を押出して、複数の内部チャネルを金属ホイル内に形成してもよい。内部チャネルは、チャネルを流れる冷却剤フローのために用いてよい。各表面に内部チャネルおよびフローフィールドを有するセパレータは、表面を超えた、かつ／またはセパレータ内での３種類の流体の動きのための領域を提供する。セパレータは、反応物質、副生成物、冷却剤および／またはその他物質の、表面のフローフィールドおよびセパレータ内部への行き来をさせるための入口と出口ポートを含んでいてよい。
【００９２】
本明細書に記載したセパレータは可撓性で、連続処理技術を用いて形成してよい。本明細書に記載した可撓性セパレータは、不連続なコンポーネントまたは連続ロールで複数のコンポーネントとして形成してもよい。
【実施例】
【００９３】
これらの実施例において、チャネルはポリプロピレンから形成され、平らな裏側金属層はアルミニウムで構成され、前側コンフォーマル層はニッケルでできている。試料は、アルミニウムホイルおよびポリプロピレンにツールをエンボス加工し、チャネルベースで露出したアルミニウムでチャネルを形成することにより形成した。ホイルをＮｉ蒸気コートし、亜鉛めっき形成Ｎｉの他層をＮｉ蒸気コートに付着した。通電容量、抵抗および燃料電池性能について試料を試験した。
【００９４】
実施例１
ノースカロライナ州のウィンストン−セーラムのＲＪＲパッケージング（ＲＪＲ  Ｐａｃｋａｇｉｎｇ、Ｗｉｎｓｔｏｎ−Ｓａｌｅｍ，ＮＣ）製の３ミルのポリプロピレンコートされたアルミニウムホイル（ＲＪＲホイル、ＫＷ３８４−１１６、ＩＤ００３）を本実施例のセパレータ用導電性材料ベースとして用いた。次に、シェルケミカルカンパニー（Ｓｈｅｌｌ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ）（テキサス州、ヒューストン（Ｈｏｕｓｔｏｎ  Ｔｅｘａｓ））製の厚さ８ミルの２層の超高衝撃エチレン／プロピレンコポリマーＳＲＤ７−５６０（３０ＭＦＩ）をポリコートＡｌホイルに配置して、後述するＶ溝ツールを用いてウォバッシュバンテージプレス（Ｗａｂａｓｈ  Ｖａｎｔａｇｅ  ｐｒｅｓｓ）、型番Ｖ７５Ｈ−２４−ＣＬＸにパターン１としてプレスした。プレス条件は次の通りであった。
【００９５】
ステップ１：ツール、ポリプロピレン層、Ａｌホイルおよびクロムめっきプレスプレートを１７５℃に予熱しておいたプレスに入れる。内側プラテン制御を１７５℃にセットし、外側プラテンを１５０℃にセットした。プレスを閉じ、２０ｐｓｉでクランプした。この状態を５分間保持した。
【００９６】
ステップ２：温度を１７５℃に維持し、圧力を２００ｐｓｉまで上げた。この状態を１０分間保持した。
【００９７】
ステップ３：圧力を２００ｐｓｉのままとし、水冷をオンにした。プラテン熱電対が４０℃〜５０℃の温度を示したらプレスを開けた。
【００９８】
ステップ４：試料をプレスから取り出し、ツールから剥ぎ取った。ステップ４の後のように見えるアルミニウムおよびポリプロピレン界面の例を図４および５の顕微鏡写真に示す。
【００９９】
次の工程で、導電層をポリプロピレンに与え、微細構造側をＡｌホイルに接続した。フィルムをＮｉで蒸気コートして、酸素グロー放電ステップの後、Ｎｉ蒸気コーティングをした。導電性Ｎｉ層を付着する複数ステッププロセスは、拡散ポンプＤＶＢ４４デントンボックスコーター（Ｄｅｎｔｏｎ  ｂｏｘ  ｃｏａｔｅｒ）（ニュージャージー州、チェリーヒル、デントンバキューム（Ｄｅｎｔｏｎ  Ｖａｃｕｕｍ，Ｃｈｅｒｒｙ  Ｈｉｌｌ，ＮＪ））を用いた。まず、真空チャンバを２．０×１０-6トルまで引いた。次に、高真空バルブを閉じ、バイパスバルブを開き、２０ｓｃｃｍの酸素の供給を開始した。バイパスバルブを締めて４ｍトルのチャンバ圧力とした。ウェブを１０分間予熱して、４００ミリアンペアにセットした酸素プラズマ源を用いて良好なＮｉ接着を得た。酸素バルブおよびバイパスバルブを閉じ、高真空バルブを開いて、２．０×１０-6トルのチャンバ圧力とした。７５０オングストロームのＮｉ層を、１秒当たり３オングストロームで電子ビーム蒸着プロセスで付着した。このプロセスをウェブの反対側で繰り返した。最後に、フィルムをＮｉめっき漕に入れ、ＮｉをＮｉ／ｈｒ０．００１”の速度でフィルム表面に付着した。６００オングストロームの層はコンフォーマルで性質が均一であり、チャネルベースで露出したＡｌホイルと電気的に接触させた。ステップ４：試料をプレスから取り出し、ツールから剥ぎ取った。ステップ４の後のように見えるアルミニウムおよびポリプロピレン界面の例を図４および５の顕微鏡写真に示す。
【０１００】
実施例２
本実施例において、チャネルおよび電気的接触ゾーン用に用いるＮｉツーリングを、パターン２として後述する矩形チャネルでツールを用いて形成した以外は実施例１と条件は同一であった。基材に不連続な穴が形成され、そこでは前面から後面に電流が流れた。図６に、このツールにより基材に切断されたアパーチャを示す。
【０１０１】
実施例３
実施例３については、用いたＡｌホイルが４ミルの超軟質（ｄｅａｄ  ｓｏｆｔ）アルミニウムホイルで、片側のみにポリマーコーティングを有し、Ａｌホイルの裏側（非構造化側）を未コートのままとした以外は、条件およびツーリングは実施例１と同一であった。ホイルは、ヒュックフォリエン株式会社（ＨＵＥＣＫ  ＦＯＬＩＥＮ  ＧｍｂＨ＆Ｃｏ．ＫＧ）ピルクミュール（Ｐｉｒｋｍｕｅｈｌｅ）１４−１６  Ｄ−９２７１２ピルク（Ｐｉｒｋ）、ロット番号１０２０００７の冷間成形ＰＰフィルムパック（ｆｉｒｍｐａｋ）であった。
【０１０２】
ツーリング説明：
ツールパターン１：９０°先端、２０°ノッチ、４１．２４ミルピッチおよび３０ミルチャネル深さのＶ溝パターン。９０°先端は０．８ミルの半径を有していた。Ｖ溝壁は曲がって、２０°底角および９０°先端角にフィットした。
【０１０３】
ツールパターン２：２０ミルの高さのチャネルの矩形チャネルパターン。チャネルの上幅は２０ミル、底幅は２５．６２ミルである。チャネルは３０．６２ミルのピッチである。チャネル壁は直線である。チャネルの上部は矩形ポストである。ポストは９ミルの高さ、６．８ミルの幅および４１ミルの長さである（チャネル方向に）。ポストはチャネル方向に０．３５インチ（０．８９ｃｍ）のピッチ、交差チャネル方向に３０．６２ミルピッチ（各チャネルはポストを有する）である。ポストは、交差チャネル方向に互いに整合されている。
【０１０４】
靭性試験を行って、本発明の実施形態により形成されたセパレータの靭性を、コンポジットグラファイトプレートと比較した。靭性試験は、材料の突発的な破損に対する抵抗性を測定するものである。本発明の実施形態に従って形成されたアルミニウム／ポリプロピレン／ニッケル層状セパレータの３つの試料の靭性を後述するプロセスを用いて試験した。セパレータは、アルミニウムの第１の層、ポリプロピレン基材およびニッケルの第１の層を含んでおり、全体の厚さは約０．１４４ｃｍであった。靭性試験に用いたアルミニウム／ポリプロピレン／ニッケル層状セパレータ試料の平均嵩密度は約３ｇｍ／ｃｍ3であった。靭性試験に用いるアルミニウム／ポリプロピレン／ニッケル層状セパレータを図７に示す。第１および第２の基材は別々に形成してから第２の層にラミネートした。第１および第２の基材をまず、ステンレス鋼ツールに対するポリプロピレンコポリマー７Ｃ５０（ミシガン州ミッドランドのダウケミカル（Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ，Ｍｉｄｌａｎｄ，ＭＩ））の圧縮成形により製造して、チャネル壁を形成した。第１の基材は８４ミルのピッチで深さ３０ミルのチャネルを有していた。第１の基材チャネルは、横断幅が７．１ｃｍで、チャネル領域に１１．１ｃｍの幅を１３横断する蛇行チャネルであった。チャネル領域の２８．４５ｃｍの長さをカバーするチャネルを横断する４つのセクションがあった。第２の基材は、基材の長さにわたって、９５ミルのピッチで深さ１０ミルのチャネルを有していた。チャネル領域は幅１１．１ｃｍ×長さ２９．０１ｃｍであった。用いたプレス条件は、ステップ１のクランピングを５０ｐｓｉで行い、ステップ２および３の圧力が３００ｐｓｉであった以外は、実施例１と同じであった。第１および第２の基材を、３Ｍ  ＶＨＢテープＦ−９４６０（ミネソタ州、セントポールの３Ｍカンパニー（３Ｍ  Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｓｔ．Ｐａｕｌ  ＭＮ））、厚さ２ミルの接着転写テープを用いて、ノースカロライナ州、セウィンストン−セーラムのＲＪＲパッケージング（ＲＪＲ  Ｐａｃｋａｇｉｎｇ，Ｗｉｎｓｔｏｎ−Ｓａｌｅｍ，ＮＣ）製の３ミルのポリプロピレンコートアルミニウムホイル（ＲＪＲホイル、ＫＷ３８４−１１６、ＩＤ００３）にラミネートした。次に、２６６ｎｍのレーザーを用いてＡｌホイルまでドリル加工することによりチャネルベースにビアを開けた。ビアは直径２０ミルで、７２個のビア／ｉｎ2であった。次の工程で、導電層をポリプロピレンに与え、微細構造側をＡｌホイルに接続した。このステップを実施例１と同様にして行った。
【０１０５】
アルミニウム／ポリプロピレン／ニッケル層状セパレータ試料の靭性を、対照として用いたグラファイトコンポジットセパレータの３つの試料と比べた。グラファイトセパレータ試料を、イリノイ州、ウエストシカゴのバルクモールディングコンパウンヅ社（Ｂｕｌｋ  Ｍｏｌｄｉｎｇ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ，Ｉｎｃ．，Ｗｅｓｔ  Ｃｈｉｃａｇｏ，Ｉｌｌｉｎｏｉｓ）より市販されているＢＭＣ９４０−８６４９コンポジットビニルエステルバルクモールディングコンパウンドから成形した。グラファイトセパレータの厚さは約０．２６７ｃｍ、平均嵩密度は約２ｇｍ／ｃｍ3、切断前の寸法は約１５ｃｍ×１５ｃｍであった。比較のために、一般的に、チタンセパレータの平均嵩密度は約４．５ｇｍ／ｃｍ3であり、一般的なステンレス鋼セパレータの平均嵩密度は約７．９ｇｍ／ｃｍ3である。
【０１０６】
試料を幅１インチ（２．５４ｃｍ）の大きめの片から切断した。グラファイトコンポジットを帯鋸を用いて切断して、幅１インチ（２．５４ｃｍ）、長さ約６インチ（１５．２４ｃｍ）の試料を形成した。アルミニウム／ポリプロピレン／ニッケル層状セパレータをはさみを用いて切断した。
【０１０７】
各試料を尖ったダイヤモンド工具を用いて試料の幅を超えて直線にけがいた。けがいた線で試料端部から約２インチ切断された。けがいた線が下向きになるように試料をアルミニウムプレートに置いた。アルミニウムブロックを試料上部に置き、ブロックの端部がけがいた線に平行に同一平面となるようにした。上部のブロックは断面が四角形であった。油圧プレスを用いてブロックを試料およびアルミニウムプレートに対してプレスし、軽い圧力でブロックを試料に対して保持した。
【０１０８】
試料をアルミニウムプレートから持ち上げ、けがいた線から３インチの試料の高さを試料破損点で測定した。破損角度を記録した。試料が破損しなかったが、試料がアルミニウムブロックまで曲がるまで曲げることができる場合には９０度と記録した。角度が大きいということは、より靭性および延性が試料にあるということである。
【０１０９】
靭性試験結果は次のとおりであった。
グラファイトセパレータ
試料１：５．９５度
試料２：３．５８度
試料３：３．５８度
アルミニウム／ポリプロピレン／ニッケルセパレータ
試料１：９０度（破損なし）
試料２：９０度（破損なし）
試料３：９０度（破損なし）
【０１１０】
上述したとおり、本発明のセパレータを用いて、燃料電池用途に特に有用なバイポーラまたはユニポーラフローフィールドセパレータを形成する。本明細書に記載したセパレータは、費用効果のあるやり方で反応物質、反応物質副生成物および冷却剤を輸送し、セパレータにｚ軸電流伝導を通すことができる。ある実施形態において、セパレータは、３つの別の流体領域を提供し、これらを用いて、冷却と２つの反応物質ストリームを収容してもよい。セパレータの可撓性構造によって、一体型ガスケット領域が形成される。
【０１１１】
本発明の様々な実施形態の前述の記載は、例示および説明のために示されてきた。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、添付の請求項により限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【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り構成されたフローフィールドセパレータを含むユニット化電池アセンブリを示す。
【図２】本発明の実施形態によるフローフィールドセパレータの断面図を示す。
【図３】本発明の実施形態によるセパレータの断面の顕微鏡写真である。
【図４】本発明の実施形態によるアルミニウムベース層に配置されたポリプロピレン基材のいくつかのチャネル／アパーチャフィーチャーの断面図を示す。
【図５】本発明の実施形態により形成された基材とアルミニウムベース層との間の界面の拡大図である。
【図６】本発明の実施形態により基材に形成されたアパーチャを含む基材チャネルの平面の顕微鏡写真である。
【図７】本発明の実施形態による一表面に冷却チャネルを有するフローフィールドセパレータの断面図を示す。
【図８】本発明の実施形態によるバイポーラフローフィールドセパレータの図である。
【図９】本発明の実施形態による冷却内部チャネルを有するバイポーラフローフィールドセパレータの図である。
【図１０】本発明の実施形態によるフローフィールドセパレータの第１の表面を示す。
【図１１】本発明の実施形態によるフローフィールドセパレータの第２の表面を示す。
【図１２】本発明の実施形態による一体型ガスケットを示す接続ロッドホールを通して見るセパレータの断面図を示す。
【図１３】本発明の実施形態による相互接続ゾーンの可能な構成の詳細図である。
【図１４】２つのＭＥＡを有する本発明の実施形態による燃料電池用途のユニット化電池アセンブリを示す。
【図１ａ】
2008525987.tif 000003
【図１ｂ】
2008525987.tif 000004
【図２】
2008525987.tif 000005
【図３】
2008525987.tif 000006
【図４】
2008525987.tif 000007
【図５】
2008525987.tif 000008
【図６】
2008525987.tif 000009
【図７】
2008525987.tif 000010
【図８】
2008525987.tif 000011
【図９】
2008525987.tif 000012
【図１０】
2008525987.tif 000013
【図１１】
2008525987.tif 000014
【図１２】
2008525987.tif 000015
【図１３】
2008525987.tif 000016
【図１４】
2008525987.tif 000017
【国際調査報告】
2008525987.tif 000018
2008525987.tif 000019
2008525987.tif 000020
2008525987.tif 000021
2008525987.tif 000022