(57)【要約】それぞれが、実質的にガス不透過性の電解質膜からなる膜と、それぞれの陽極と陰極とが該膜のそれぞれの面上に配置された少なくとも２つの電極対と、を含む少なくとも２枚のスタック化された燃料電池ボードを備える燃料電池。各電極対の電極は、該電解質膜の導電性領域を含む膜貫通接続またはプリント回路基板上の外部接続によって、隣接する電極対の電極に接続されている。電解質膜の膜貫通電気接続の形成方法も開示される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）それぞれが、少なくとも１枚のイオン透過膜と複数の陽極と複数の陰極とを含み、前記陽極と前記陰極は、各陽極が陰極に対して膜の反対側に位置付けられるように対で配置されている、少なくとも２枚の燃料電池ボードと、
ｂ）隣接する燃料電池ボード間に配置され、各陽極に酸化性ガスを供給し各陰極に還元性ガスを供給するガス流チャネルと、
（ｃ）同じ燃料電池ボード上の陽極と陰極の隣接する対を接続する電気コネクタと、を備え、
各燃料電池ボードは、１つのボード上の前記陽極と陰極が隣接するボード上の陽極と陰極と（それぞれ）反対に位置付けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記電気コネクタは、
ｉ）前記膜内に位置付けられた少なくとも１つの導電性領域を含む膜貫通接続、あるいは
ｉｉ）プリント回路基板によって提供される外部接続
から構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
少なくとも３枚の燃料電池ボードを備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
各燃料電池ボードは、
ａ）膜の第１面上の少なくとも２個の陽極と、前記膜の第２面上の少なくとも２個の陰極とを支持する１枚のイオン透過膜、あるいは
ｂ）それぞれが、膜の第１面上の１個の陽極と前記膜の第２面上の１個の陰極とを支持する少なくとも２枚のイオン透過膜を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
各燃料電池ボードは、
ａ）膜の第１面上の少なくとも３個の陽極と、前記膜の第２面上の少なくとも３個の陰極とを支持する１枚のイオン透過膜、あるいは
ｂ）それぞれが、膜の第１面上の１個の陽極と前記膜の第２面上の１個の陰極とを支持する少なくとも３枚のイオン透過膜を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
隣接する電極対の接続された電極は部分的に重なっていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃料電池ボードの前記膜は、多層プリント回路基板に接合されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記プリント回路基板（ＰＣＢ）は、
第１電流収集・分配層と、反応物質分配層と、第２電流収集・分配層と、
反応物質分配層で分離された第１および第２電流収集層または
反応物質分配層で分離された第１および第２電流分配層と、を含み、
前記個々の層は互いに接合されて単一のプリント回路基板を形成することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
各ＰＣＢの各層は、前記燃料電池ボードのスタッキング時に、位置が一致して、前記燃料電池内を通って前記燃料電池ボードの平らな表面に実質的に垂直に走る導管を形成する孔を有することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１０】
各ＰＣＢの各層は、前記燃料電池ボードのスタッキング時に、位置が一致して、前記燃料電池内を通る複数の導管を形成することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記導管は、反応物質用の入口または出口チャネルとして働くことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記導管は冷却剤用の入口または出口チャネルとして働くことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１３】
プリント回路基板は、
第１電流収集・分配層と、反応物質分配層と、第２電流収集・分配層と、
反応物質分配層で分離された第１および第２電流収集層または
反応物質分配層で分離された第１および第２電流分配層と、を含み、
前記個々の層は互いに接合されて単一のプリント回路基板を形成することを特徴とする多層プリント回路基板。
【請求項１４】
前記電流収集・分配層は、燃料電池ボード上の電極を電気的直列に接続するために、第１電極対の陽極を隣接する電極対の陰極にリンクさせる電気分配トラックのパネルを保持するフレームを含むことを特徴とする請求項１３に記載の多層プリント回路基板。
【請求項１５】
前記電流収集・分配層は、複数の燃料電池ボードが互いにスタックされた場合、前記燃料電池ボードの平らな表面に実質的に垂直に走る導管を形成できる孔を含むことを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の多層プリント回路基板。
【請求項１６】
前記反応物質分配層は、複数の反応物質分配チャネルを画定するフレームと、複数の燃料電池ボードが互いにスタックされた場合、前記燃料電池ボードの平らな表面に実質的に垂直に走る導管を形成できる孔を含むことを特徴とする請求項１３乃至請求項１５のいずれかに記載の多層プリント回路基板。
【請求項１７】
ａ）膜の第１面上の少なくとも２個の陽極と前記膜の第２面上の２個の陰極とを支持する実質的にガス不透過性の電解質膜からなる１枚の膜、あるいは
ｂ）それぞれが、膜の第１面上の１個の陽極と前記膜の第２面上の１個の陰極とを支持する実質的にガス不透過性の電解質膜からなる少なくとも２枚の膜
がプリント回路基板へ接合され、
前記膜の第１面上の１個の陽極と前記膜の第２面上の１個の陰極は、実質的に互いに反対に位置付けされて電極対を形成することを特徴とする請求項１３乃至請求項１６のいずれかに記載の多層プリント回路基板。
【請求項１８】
前記膜あるいは前記少なくとも２枚の膜は、各電極対の表面積が前記電流収集・分配層上の電気分配トラックのパネルおよび反応物質分配チャネルに対応するように、プリント回路基板に接合されることを特徴とする請求項１２乃至請求項１７のいずれかに記載の多層プリント回路基板。
【請求項１９】
反応物質は、前記燃料電池ボードのスタック化により形成されて前記燃料電池ボードの平らな表面に実質的に垂直に走る導管によって、前記電極に供給されることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項２０】
前記導管は、燃料電池ボードの反応物質分配層上の反応物質分配チャネルに接続されることを特徴とする請求項１９に記載の燃料電池。
【請求項２１】
第１反応物質分配チャネルの第１端部に第１反応物質を提供するように働く第１導管と、前記第１反応物質分配チャネルの第２端部から前記反応物質を受け取るように働く第２導管と、第２反応物質分配チャネルの第１端部に第２反応物質を提供するように働く第３導管と、前記第２反応物質分配チャネルの第２端部から前記反応物質を受け取るように働く第４の導管が燃料電池ボード上の各電極対に対して設けられていることを特徴とする請求項１９または請求項２０の燃料電池。
【請求項２２】
前記第１導管は、少なくとも２つの第１反応物質分配チャネルの第１端部に第１反応物質を提供し、記第２導管は、前記少なくとも２つの第１反応物質分配チャネルの第２端部から前記第１反応物質を受け取り、前記第３導管は、少なくとも２つの第２反応物質分配チャネルの第１端部に第２反応物質を提供し、前記第４導管は、前記少なくとも２つの第２反応物質分配チャネルの第２端部から前記第２反応物質を受け取ることを特徴とする請求項２１に記載の燃料電池。
【請求項２３】
各燃料電池ボードは、電子回路に接続されて電気を出力することを特徴とする請求項１乃至請求項１２および請求項１９乃至請求項２２のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項２４】
前記電子回路に接続された前記燃料電池ボードはそれぞれ、個々に切り替え可能であることを特徴とする請求項２３に記載の燃料電池。
【請求項２５】
前記燃料電池ボードの各ボード上に少なくとも１つのスイッチを設けることにより、それぞれが個々に切り替え可能な、少なくとも２枚の燃料電池ボードを備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２６】
前記電極に隣接して触媒層が設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項１２および請求項１９乃至請求項２２のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項２７】
前記触媒層は導電性であり、反応物質導管に隣接する外部層を有することを特徴とする請求項２６に記載の燃料電池。
【請求項２８】
ガス拡散層が、一方の側が反応物質導管に隣接し、他方の側が前記触媒層に隣接する外側層として設けられることを特徴とする請求項２６または請求項２７に記載の燃料電池。
【請求項２９】
前記ガス拡散層は、１つまたは複数の導電性または非導電性材料から構成されることを特徴とする請求項２８に記載の燃料電池。
【請求項３０】
隣接するスタック化された燃料電池ボード分離用電気絶縁性スペーサ。
【請求項３１】
一体化された冷却剤導管を有することを特徴とする請求項３０に記載のスペーサ。
【請求項３２】
反応物質の分配を支援するように形状化されていることを特徴とする請求項３０または請求項３１に記載のスペーサ。
【請求項３３】
水の供給導管または抽出導管をさらに含むことを特徴とする請求項３０乃至請求項３２のいずれかに記載のスペーサ。
【請求項３４】
前記スタック内の隣接する燃料電池ボードは、請求項３０乃至請求項３３のいずれかに記載の絶縁性スペーサで分離されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１２および請求項１９乃至請求項２９のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項３５】
陽極と陰極の並びは、各燃料電池ボードの各面上において、各陽極が、前記燃料電池ボードの端部の陽極を除いて、２個の陰極間に存在し、各陰極が、前記燃料電池ボードの端部の陰極を除いて、２個の陽極間に存在するように交替し、前記燃料電池の前記燃料電池ボードは、２枚の隣接する燃料電池ボードの陽極が実質的に互いに反対に存在し、２枚の隣接する燃料電池ボードの陰極が実質的に互いに反対に存在するようにスタック化されることを特徴とする請求項１乃至請求項１２および請求項１９乃至請求項２９のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項３６】
第１反応物質は、ある反応物質分配層上の単一の第１反応物質分配チャネルによって、隣接する第１および第２燃料電池ボード上の陽極対に供給され、第２反応物質は、前記反応物質分配層上の単一の第２反応物質分配チャネルによって、前記隣接する第１および第２燃料電池ボード上の陰極対に供給されることを特徴とする請求項３５に記載の燃料電池。
【請求項３７】
各燃料電池ボードの各面は、陽極だけまたは陰極だけを保持し、前記燃料電池の前記燃料電池ボードは、２枚の隣接する燃料電池ボードの陽極が実質的に互いに反対に存在し、２個の隣接する燃料電池ボードの陰極が実質的に互いに反対に存在するように配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１２および請求項１９乃至請求項２９のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項３８】
電解質材料で構成される膜における膜貫通電気接続の形成方法であって、前記膜の選択された領域を、導電性材料の前駆体を含む溶液にさらすステップと、その後、前記膜の選択された領域を少なくとも１つの反応物質種含有溶液にさらすか、電気化学的に還元させるか、あるいは電気化学的に酸化するステップと、を備えることを特徴とする方法。
【請求項３９】
前記膜を処理して前記電気接続の導電率を実現するかまたは向上させるステップをさらに備えることを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
導電性材料の前駆体を含有する前記溶液は、金、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウムあるいはパラジウム錯体を含むことを特徴とする請求項３８または請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
１枚または複数枚の燃料電池ボードを選択的に切り替えるステップを備える、少なくとも２枚の燃料電池ボードを有する燃料電池の出力プロファイルの制御方法。
【請求項４２】
デューティサイクルに従って燃料電池ボードを切り替えるステップを備えることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
それぞれが、絶縁性スペーサではさまれた少なくとも１つの膜貫通電気接続を有する複数の燃料電池ボードをスタック化するステップを備えることを特徴とする燃料電池の組み立て方法。
【請求項４４】
プリント回路基板の個々の層を製造し機械加工するステップと、多層プリント回路基板へとこれらを互いに積層するステップと、少なくとも１個の陽極と少なくとも1個の陰極を支持する少なくとも１枚の膜を前記多層プリント回路基板に接合するステップと、を備えることを特徴とする燃料電池の組み立て方法。
【請求項４５】
前記多層プリント回路基板は、
第1電流収集・分配層と、反応物質分配層と、第２電流収集・分配層と、
反応物質分配層で分離された第１および第２電流収集層または
反応物質分配層で分離された第１および第２電流分配層と、を含むことを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記方法は、
少なくとも２個の陽極と少なくとも２個の陰極とを支持する１枚の膜、あるいは
それぞれが1個の陽極と1個の陰極とを支持する少なくとも2枚の膜を、前記多層プリント回路基板に接合するステップを備えることを特徴とする請求項４４または請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記方法は、
少なくとも３個の陽極と少なくとも３個の陰極とを支持する１枚の膜、あるいは
それぞれが1個の陽極と1個の陰極とを支持する少なくとも３枚の膜を、前記多層プリント回路基板に接合するステップを備えることを特徴とする請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
燃料電池ボードの反応物質分配層上の反応物質分配チャネルに対する反応物質入口を閉じるバルブとしての形状記憶合金の使用。
【請求項４９】
燃料電池のガス流チャネル内へのガスの進入を制御または防止できる形状記憶合金を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項１２および請求項１９乃至請求項３７のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５０】
反応物質分配チャネル内へのガスの進入を制御または防止できる形状記憶合金を含むことを特徴とする請求項１６乃至請求項１８のいずれかに記載の多層プリント回路基板。
【請求項５１】
燃料電池の電流収集およびまたは分配層の表面上への耐食層堆積方法。
【請求項５２】
耐食層を、請求項７乃至請求項１２および請求項３４乃至請求項３７のいずれかに記載の燃料電池の電流収集およびまたは分配層上に堆積する、あるいは、請求項１３乃至請求項１８のいずれかに記載のプリント回路基板上に堆積することを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記方法は、前記燃料電池の電流収集および分配層の表面上に耐食層を堆積するステップをさらに備えることを特徴とする請求項４３乃至請求項４７のいずれかに記載の方法。
【請求項５４】
前記耐食層は、導電性高分子、導電性金属酸化物あるいはカーボン導電性インクを電流収集およびまたは分配層の表面に塗布することによって形成されることを特徴とする請求項５１乃至請求項５３のいずれかに記載の方法。
【請求項５５】
前記導電性高分子は、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンおよびポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）から選択されることを特徴とする請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記導電性金属酸化物は、Ｔｉ４Ｏ７；Ｔｉ０．９Ｎｂ０．１Ｏ２；あるいはアンチモン、フッ素あるいはインジウムでドープされた酸化スズから選択されることを特徴とする請求項５４に記載の方法。
【請求項５７】
電流収集およびまたは分配層の表面上に導電性高分子を電着し、その後、熱アニールによって前記フィルムを溶融させて耐食層を形成することを特徴とする請求項５１乃至請求項５３のいずれかに記載の方法。
【請求項５８】
前記導電性高分子材料、ペルフルオロ化置換基を、特に、１つまたは複数のペルフルオロ化脂肪族鎖を含むことを特徴とする請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記導電性高分子材料を形成するモノマーは、ペルフルオロ化アルキル鎖を含むことを特徴とする請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
電流収集およびまたは分配層の表面は、耐食層を形成するシランまたはジアゾ試薬を利用して、その表面の直接誘導体化を生じることを特徴とする請求項５１乃至請求項５３のいずれかに記載の方法。
【請求項６１】
前記シランまたはジアゾ試薬はペルフルオロ特性を有することを特徴とする請求項６０に記載の方法。
【請求項６２】
前記シランまたはジアゾ試薬は、ペルフルオロ化ベンゼン、あるいはペルフルオロ化アルキル鎖をさらに含むアリール環を含むことを特徴とする請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
耐食層の組み合わせを電流収集およびまたは分配層の表面に塗布する請求項５１乃至請求項５３のいずれかに記載の方法であって、請求項５４に従って、電流収集およびまたは分配層の表面にインクを塗布するステップと、およびまたは、請求項５４，請求項５５または請求項５７に従って、電流収集およびまたは分配層の表面上に導電性高分子を電着するステップと、およびまたは、請求項６０に従って、電流収集およびまたは配分層の表面をシランまたはジアゾ試薬で直接誘導体化するステップと、を備えることを特徴とする方法。
【請求項６４】
導電性高分子、導電性金属酸化物、カーボン導電性インクあるいはペルフルオロ化シランまたはジアゾ試薬を含むことを特徴とする耐食性コーティング。
【請求項６５】
前記導電性高分子は、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンおよびポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）から選択され、前記導電性金属酸化物は、Ｔｉ４Ｏ７；Ｔｉ０．９Ｎｂ０．１Ｏ２；あるいはアンチモン、フッ素あるいはインジウムでドープされた酸化スズから選択され、前記シランまたはジアゾ化合物は、１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−ペルフルオロオクチルトリエトキシシラン、トリクロロ（１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−ペルフルオロオクチル）シラン、トリクロロ（３，３，３−トリフルオロプロピル）シラン、トリメトキシ−メチル（３，３，３−トリフルオロプロピル）シランあるいは（ペンタフルオロフェニル）トリエトキシシランから選択されることを特徴とする請求項６４に記載の耐食性コーティング。
【請求項６６】
前記コーティングは、燃料電池電流収集およびまたは分配層に塗布されることを特徴とする請求項６４に記載の耐食性コーティング。
【請求項６７】
前記電流収集層は、請求項６４乃至請求項６６のいずれかに記載の耐食性コーティングを含むことを特徴とする請求項１３乃至請求項１８のいずれかに記載の多層プリント回路基板。
【請求項６８】
本明細書および図２〜図１４（ｃ）に実質的に記載した本発明。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池、例えば中実高分子電解質型燃料電池に関する。本発明はさらに、本発明の燃料電池の製造におけるプリント回路基板（ＰＣＢ）技術の使用、耐食性コーティングの使用、および燃料電池の薄型バルブにおける形状記憶合金（ＳＭＡ）の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、酸化剤（例えば純酸素または空気）と燃料（例えば水素、水素含有混合物、炭化水素または炭化水素誘導体）から、電気エネルギーと熱とを生成する電気化学装置である。燃料電池技術は、発電所、車両およびラップトップコンピュータなどの携帯、移動および固定用途での応用が見出されている。
【０００３】
典型的には、セルは、陽極と陰極の２個の電極を備えており、それらは、イオン（例えば水素イオン）は一方の電極から他方へ通過できるが、自由電子は通過できない電解質膜で互いに分離されている。電極上の触媒層によって燃料（陽極上）と酸化剤（陰極上）との反応が促進され、イオンと電子が生成あるいは消費される。陽極で解放された電子は電流を形成し、その電流は仕事に使われた後陰極に流れ、そこで電子は消費される。
【０００４】
電解質膜で分離された一対の電極は、膜電極接合体（ＭＥＡ）と呼ばれる。適度な負荷で作動する燃料電池ＭＥＡの出力電圧は約０．７Ｖだが、これは多くの実用性からは低すぎる。この電圧を上げるために、ＭＥＡは、従来、図１に示すようにスタックに組立てられている。各ＭＥＡ１は、２つの電解質層に挟まれたイオン透過膜である「電解質膜」１ａの層と、該電解質膜の対向面上の陽極２および陰極３とを有する。隣接するＭＥＡは、導電性バイポーラセパレータプレート４で分離され得、水素燃料５および酸素ガス６は、バイポーラプレートの対向面上に設けられたチャネル内を流れる。エンドプレート９は、電気接続７および８を経由して外部回路に接続される。燃料電池のスタック内のこれらＭＥＡの数によって全電圧が決まり、各膜電極の表面積によって全電流が決まる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現在の燃料電池配列の問題は、燃料電池をこのようにスタック化すると、電流がＭＥＡの面に垂直に流れることである。そのために、このスタック化には、電流を１つのセルの正極から次のセルの負極まで伝導するセパレータプレートが必要となる。また、例えば、膜電解質を貫通するピンホールの生成や膜を越えた電極間の短絡などによるＭＥＡの不具合によって、スタック全体を停止しなければならない。また、１つのＭＥＡが他のものと同じように機能していない場合、電流はそこを通って送られるため、急速に劣化するであろう。１つのＭＥＡが駄目になれば、燃料電池スタック全体が使用不可能になる。
【０００６】
既知の配置では、バイポーラプレートは、一般にグラファイトカーボンまたはステンレス鋼で作られていて、導電性およびガス不透過性でなければならず、反応物質とおそらくは冷却剤の流通のための流動場チャネルがＭＥＡの表面全体に組み込まれていなければならない。従って、バイポーラプレートの材料組成は制限され、プレートの製造も複雑で高価になる。また、性能最適化のためには、電解質膜中の水分含量を正しく維持することが不可欠である。セル電流を落とさないように作動しイオン電流を効率的に伝導するために、該膜には一定レベルの水分が必要である。セルで生成された水は、陰極に沿ったガス流で除去されるか逃がされる。従って、セルの湿潤環境における金属バイポーラプレートの腐食が共通の問題であり、このためにバイポーラプレートの製造材料が制限される。また、燃料電池スタックの過熱も問題であり、冷却が必要である。これは通常、冷却水をスタック中間部を通して循環させるチャネルを備えたプレートをさらに設けることによって達成されるが、それは多くの用途にとって厄介であり非実用的である。また、スタックの電気出力は、モノリシックパワーエレクトロニクスによって変調・調整される。これによって高価となり、また、これらのパワーエレクトロニクスの点故障は燃料電池システム全体の不具合にも繋がる。
【０００７】
一つの既知の代替方法が、燃料電池システム用新材料に関する第１回国際シンポジウム会報（１９９５、Ｐ１２８〜１３４）の「Ｎｅｗ  ＳＰＦＣ−Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｗｉｔｈ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ」（Ｋ．ＬｅｄｊｅｆｆおよびＲ．Ｎｏｌｔｅによる）に記載されている。著者らは、スタック技術を用いずに、高出力電圧を生成する単一の電解質膜の帯状構造について記述している。標準構造の燃料電池の電極とバイポーラプレートが、各燃料電池ＭＥＡが隣接する第２ＭＥＡ帯に接合した帯として存在する共平面構造に搭載されている。この方法での問題は、この膜構造においては、酸化剤と燃料との混合を避けるために、隣接する帯同士を注意深く組み立ててシーリングしなければならないことである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明を請求項で提示する。複雑で高価なバイポーラプレートとは対照的に、隣接するＭＥＡ間にプラスチックまたは他の非導電性スペーサを使用できるために、スタック化燃料電池の構造が非常に簡略化される。本発明による燃料電池のレイアウトによって、燃料と酸素が混合するリスクは低い。燃料電池スタック内の個々のＭＥＡまたは燃料電池ボードには、燃料電池を補足的に制御する独立したスイッチを組み込んでもよい。
【０００９】
以下の議論では、３つの実施形態に言及して本発明を説明する。これらの実施形態の説明は、本発明の範囲を限定するように理解されるべきではなく、単に本発明を例証するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
添付図を参照して本発明の特定の実施形態を説明する。
【図１】既知のタイプのスタック化燃料電池の概略側面図である。
【図２（ａ）】本発明の第１の実施形態による燃料電池ボードの側横断面図である。
【図２（ｂ）】本発明の第１の実施形態による燃料電池ボードの斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による燃料電池ボードスタックを備える燃料電池の側断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による燃料電池システムの斜視図である。
【図５（ａ）】表面チャネルを有するスペーサの側横断面図である。
【図５（ｂ）】表面チャネルを有するスペーサの斜視図である。
【図５（ｃ）】冷却剤用の内部導管を有するプラスチックスペーサの平面図または上面図である。
【図６】第１の実施形態の燃料電池スタックの一部の内部構造を示す部分分解斜視図である。
【図７】本発明の第２の実施形態の燃料電池スタックの部分破断斜視図である。
【図８】本発明の第２の実施形態のＭＥＡレイアウトを詳細に示す燃料電池の一部の分解図である。
【図９】本発明の第２の実施形態のＰＣＢボードの個々の層とＭＥＡの分解図である。
【図１０（ａ）】本発明の第２の実施形態の電流収集・分配層の平面図である。
【図１０（ｂ）】本発明の第２の実施形態の電流収集・分配層の平面図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態の反応物質分配層の平面図である。
【図１２】反応物質流が付加された、本発明の第２の実施形態のＰＣＢボードの個々の層の分解図である。
【図１３（ａ）】本発明の第３の実施形態の横断面図である。
【図１３（ｂ）】本発明の第３の実施形態の横断面図である。
【図１３（ｃ）】本発明の第３の実施形態の燃料電池ボードの個々の層の平面図である。
【図１４】図１４（ａ）〜図１４（ｃ）は、反応物質チャネルの下半分および薄型バルブとしての形状記憶合金（ＳＭＡ）の使用を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の第１の実施形態は図２（ａ）および図２（ｂ）を参照して理解され、ここでは、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）膜などの高分子電解質１０の単一層の一方の側面に沿って電極対が直列に配置され、本明細書では燃料電池ボード２２と呼ぶ膜またはシートが形成されている。ギャップ１５で分離された陽極１１は、この膜の一方の面上に配置され、ギャップ１５で分離された陰極１２は、この膜の他方の面上に配置される。２つの隣接する電極対の陽極と陰極はそれぞれ、部分的に重なっていてもよい。膜貫通電子接続１３は、重複領域内で膜を越えて電極を接続するが、これらは以下より詳細に説明する均質な化学堆積プロセスで製造される。電極に隣接する触媒層１４は、電極での反応を促進する。水素ガスなどの燃料１６は、陽極を支持する燃料電池ボード２２の面に沿って流れ、酸素ガスや空気などの酸化剤１７は、陰極を支持する燃料電池ボードの面に沿って流れる。燃料電池ボードの上面端部の一電極と下面の別の端部の一電極は、電気接続１８、１９を経由して外部回路に接続される。この直列配置では、電極対の表面積によって燃料電池ボード２２の電流の大きさが決まるが、電圧は、燃料電池ボード２２上の電極対の数に対応して増大する。
【００１２】
好適な実施形態では、電解質膜層１０の厚みは１〜２００μｍであり、好適には５〜１００μｍである。電極帯１１、１２の幅は１ｍｍ〜５ｃｍであり、好適には２ｍｍ〜１ｃｍである。電極帯間のギャップ１５の幅は０．１ｍｍ〜１．５ｃｍであり、好適には０．２ｍｍ〜１ｃｍである。膜貫通電子コネクタ１３の幅は１μｍ〜２ｍｍであり、好適には１０μｍ〜１ｍｍである。
【００１３】
図３および図４は、電流を向上させるために、複数の燃料電池ボード２２が２つの端部プレート２１間にスタックされた燃料電池を示す。電気絶縁性スペーサ２０が各燃料電池ボード間のスタックに一体化されており、各燃料電池ボードは、反応物質分配システムを一体化し得る導電性材料で構成されたスペーサを備え、また、冷却システムに付随するチャネルまたは導管を選択的に含み、配水または除水用の分配システムを選択的に含む。スペーサ２０は、任意の適切なレイアウトで配置されてもよく、以下より詳細に議論するように、膜の水和に必要な水の供給あるいは生成水の抽出に伴うチャネルまたは導管を含むことも可能である。単一セルの大きさ（すなわち一対の電極の表面積）によって、燃料電池ボードの電流のサイズが決まる。燃料電池ボード上のこれらの単一セルの数によって、生成電圧が決まる。スタック内の燃料電池ボードの数によって、燃料電池スタックの全電流の大きさが決まる。任意の適切な形態のマニホールド（図３および図４には図示せず）によって、セルの入口および出口で反応物質がそれぞれ供給および収集されるが、冷却剤および水和／生成水用の入口および出口をさらに組み込んでもよい。
【００１４】
本発明では、燃料電池ボード間の電気的接触を必要としないので、現在の燃料電池設計で使用されているバイポーラプレートは、容易に製造されそのために安価な簡易なプラスチックスペーサで置換できる。同様に、ある燃料電池ボードの陽極を次の燃料電池ボードの隣の陰極にスタック化する必要がないので、隣接する燃料電池ボードはその陽極側（あるいは陰極側）を互いに対向させてもよく、その場合、ガスが混合するリスクがないので、多孔質スペーサ２０を設けることができる。これによって、１つのガス流を２枚の燃料電池ボードに供給できるので、燃料電池の充填密度が大幅に向上でき、シール数の低減と出力密度の増加が実現できる。反復距離（つまり組み合わせた燃料電池ボードと供給領域の厚み）は約０．２ｍｍに短くできる。従って、燃料電池システムのはるかに高い容積出力密度が達成できる。また、表面のチャネルはガス循環用として容易に形成され、また、内部導管もスペーサ内に容易に一体化されるため、冷却剤およびまたは水の循環が可能となり、スタック用の冷却および水分配システムが提供できる。反応ガス用のチャネルと冷却およびまたは水分配システムに付随するチャネルまたは導管とは、以下より詳細に示すように分離される。
【００１５】
各燃料電池ボード上の端部陰極１２および陽極１１はそれぞれ、電気接続１８、１９経由で第１および第２出力ライン２３、２４に接続される。スタックの各燃料電池ボードと第２出力ライン２４との接続は、セルでの出力操作と制御を直接行う電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）スイッチなどのスイッチ機構２５で制御できる。これらの各スイッチは、個々の制御ライン２６で制御できる。これにより、個々の燃料電池ボードはそれぞれ「停止」や負荷軽減ができるので、１つの燃料電池ボードの不具合は深刻なものではなく、安価な低電流スイッチを用いて、セルにおける出力操作と制御が可能になる。
【００１６】
図５（ａ）〜図５（ｃ）は、反応物質が流れるようにチャネル２７を表面にエッチングした絶縁性スペーサ２０と、燃料電池ボードの層間を冷却ガスまたは冷却液を循環させる内部冷却チャネル２８（点線で図示）の１つの可能なレイアウトと、をより詳細に示す。最も効率的な冷却として、燃料電池スタックの各層間のスペーサに、あるいは、燃料電池スタックの２番目、３番目または４番目の燃料電池ボード層などの複数の層間に、これらのチャネルを設けてもよい。
【００１７】
あるいは、図７に示すように、燃料電池スタックの１つまたは複数の端部に配置され、空気をチャネル内のスタックを通して吹付けるファン４６を用いて冷却してもよい。これによって、反応物質に必要な単一のチャネルには、バイポーラプレートやさらには冷却システム用に用いられる分離プレートよりも早い、スタック層内のガス流が可能になるため、効果的な冷却が実現される。また、多量のガスを使用してもよく、これによっても冷却が向上する。冷却剤はポンプで冷却チャネル内に送り込まれて、スタックを所望の作動温度に維持する。
【００１８】
図６は、燃料電池スタックの一部の内部構造を示す部分分解斜視図である。帯状ＭＥＡ３０は、垂直に隣接する（この図では）ＭＥＡの陽極を互いに対向させ、これらの陰極も互いに対向させて配置される。酸素または空気Ａは陰極に供給され、水素などの燃料Ｂは陽極に供給される。ガス分配チャネルを有する、多孔質で非導電性のスペーサ３１は、可撓性の非導電性材料から成るリブ３２を用いたガス分布層を形成する。該リブは、電極帯間のギャップ３３に沿って配置される。各燃料電池ボードはシール３４で外気からシールされ、例えばＦＥＴスイッチ３６経由で外部回路あるいはバスバー３５に取り付けられる。
【００１９】
多孔質で非導電性のスペーサ３１は、硬質プラスチック材で作られていてもよい。好適には、リブ３２およびシール３４は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）あるいは密封が可能な同様の可撓性材料で作られる。
【００２０】
燃料電池スタック組み立てのために、複数の電極帯を膜の上面および下面上に、例えばスクリーン印刷し、陽極および陰極は同じ方向に走る帯形態とし、膜貫通接続により対で接続される。該膜貫通電子接続は、下記のように、電解質膜に沿う帯で形成される。各膜は、複数の電極でこのように被覆されて燃料電池ボードを形成する。完成すると、これらの燃料電池ボードは成形プラスチックで形成された絶縁性スペーサで交互にスタック化される。
【００２１】
膜貫通導電体の堆積には、金属または他の導電性材料を膜内に化学的に堆積させなければならない。この材料は、燃料電池作動条件下の膜内で化学的に安定でなければならず、典型的には貴金属（例えばＰｔ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｄ）あるいは貴金属の酸化物であり得る。一般的な方法は、膜をマスク内に置くステップと、それを導電性材料の前駆体にさらすステップと、を備える。該前駆体は膜内に拡散できるものであり、その後、該前駆体と反応して膜材料内に粒子堆積を生じる反応物質種にこの膜をさらす。この反応物質種は酸であっても塩基であってもよく、あるいは酸化剤であっても還元剤であってもよく、あるいは前駆体を含む複合体を不安定化するものであってもよい。この第２のステップによって、膜貫通導体の位置を「固定する」。この固定化ステップは電気化学的なものであってもよく、２個の電極は膜のいずれかの側に配置され、電流を通して、該膜貫通導電体が配置される点において前駆体の還元または酸化を誘起してもよい。該「固定ステップ」で生成された粒子は、導電性であってもなくてもよい。さらなる化学種を含む後処理あるいは処理ステップを選択的に用いて、これらの粒子を膜内に堆積させてもよく、あるいは堆積した粒子の伝導率を向上させてもよい（例えば、化学的還元剤を用いて非導電性前駆体粒子を導電性状態になるまで還元してもよい）。該前駆体導入−固定-後処理プロセスを２度以上繰り返して、膜貫通接続の伝導率を向上させてもよい。
【００２２】
導電性帯を膜内に堆積する好適な方法について説明する。膜をマスク内に置き、それを溶液中に浸漬するかあるいは溶液をその上に流す。該溶液は、高濃度の金属錯体、例えば金錯体または白金錯体（例えばＰｔ（ＮＨ３）４Ｃｌ２またはＡｕＣｌ２））を含む。該金属イオン／錯体は、マスクで保護されていない領域で膜内に拡散する。その後、この金属−錯体溶液を高濃度の強還元剤（例えばＮａＢＨ４またはＨＣＯＯＨ）を含む溶液で置換する。該還元剤によって金属イオンは金属状態に還元され、膜内に金属粒子が堆積される。これらの金属粒子は凝集して電流を伝導するようになる。
【００２３】
貴金属錯体または塩の膜内への含浸は、複合体か塩の含浸は、溶液中のイオン濃度、膜材料、膜材料中の分子の拡散係数および膜材料の厚みに依存する。含浸温度はイオンの拡散係数に影響し、それは温度上昇と共に増加する。
【００２４】
距離Ｌに対する特有の拡散時間はτ＝Ｌ２／Ｄ（Ｄ：イオン交換高分子の分子の拡散係数）で表される。従って、拡散係数を１０−６ｃｍ２ｓ−１、膜厚を２００μｍ、金属錯体溶液が膜の両側から拡散すると仮定すると、特有の拡散時間は１００秒となる。膜は通常、該特有の拡散時間の倍数の時間放置されてシステムは平衡に達しているため、膜材料が金属イオンで含浸されるのは約２５０秒であろう。
【００２５】
膜厚が半分になれば特有の拡散時間τは１／４になるため、薄膜を用いることには大きな利点がある。現代の燃料電池システムで一般的な薄いＮａｆｉｏｎ（登録商標）を使用することによって、特有の拡散時間は約２０秒になる。その後の反応物質の拡散では、該貴金属前駆体の場合と同等な時間が必要であり、従って、含浸、還元、洗浄のサイクル時間は２〜３分間となる。このプロセスを数回繰り返して、膜貫通接触を向上させてもよい
あるいは、非常に拡散した膜貫通接続の生成を回避するために、膜貫通接続が求められる場所において、電子ビーム、可視光ビームあるいはＵＶ光ビームを該電解質膜に当てて金属錯体を還元してもよく、これによって、非常に良好に画定され、正確に位置付けられた膜貫通接続が得られる。この方法では、電解質膜全体を金属錯体溶液中に浸漬できるため、マスクが不要であり、また、導電性貫通接続が選択的に形成できるというさらなる利点も得られる。
【００２６】
別の代替法は、可視光またはＵＶ光で活性化する還元剤を含む組成物と金属錯体とを電解質膜中に分散させる方法である。従って、可視光またはＵＶ光が膜に照射されていれば、金属イオンは還元される。膜をマスク内に置くステップと、その後その上に可視光またはＵＶ光を照射するステップか、あるいはマスクを用いずに、ビーム形状によって、正確で十分に画定された膜貫通接続が形成できる。
【００２７】
電子接続は、膜の一体性を損なうことなく膜内に一体化されるため、燃料と酸素とが混合するリスクは低い。
【００２８】
本発明の第２の実施形態では、燃料電池スタック４０が提供される。図７は部分破断斜視図であり、図８はより詳細を示す。図８は、ＭＥＡレイアウトを詳細に示す燃料電池の一部の分解図である。燃料電池スタックの各燃料電池ボード４１は、それぞれ陽極５１と陰極５２を支持する複数の高分子電解質膜５０ａ、５０ｂ、５０ｃなどを備える。あるいは、各燃料電池ボードは、複数の陽極および陰極を支持する単一の高分子電解質膜を備えていてもよい。この場合も、下記の作動モードは変わらない。
【００２９】
明確にするために、燃料電池ボードの構造および燃料電池スタックを、ここでは、図示の実施形態に応じて「水平面」と「垂直面」の観点で説明する。しかしながら、これらの面は明確化のためだけに用いられるものであり、本発明の範囲に関して制限するものではない。燃料電池ボードは、水平面だけでなく任意の平面に配置できることは読者には明らかであろう。また、「正反対の」は、記載された電極に限定されるものではない。
【００３０】
陽極は、高分子電解質の１つの面上に存在し、同じ電解質膜層の対向面上の陰極と正反対に存在する。該陽極と陰極は共にＭＥＡ５９を形成する。一（水平）面内では、高分子電解質層５０ａの一面上の陽極は、隣接する電解質層５０ｂの同じ面上の陰極に隣接する。すなわち、水平面内では、隣接するＭＥＡ内に位置する陽極と陰極の並びは、各ＭＥＡ毎で交替する。単一の高分子電解質膜が使用される場合、各面に沿った陽極と陰極の並びが交替すると、対向面上のそれぞれの陰極と陽極の並びも交替する。
【００３１】
従って、各燃料電池ボードは、その対向する２つの面上で、陽極と陰極との交互に現れる並びを備える。水平面内の電解質膜の各面上の陽極と陰極は、ギャップ５５で分離されている。対応する鉛直面内では、ＭＥＡ５４a上の陽極は、隣接するＭＥＡ５４bの陽極に対向し、ＭＥＡ５４ｂの上の陰極は、隣接するＭＥＡ５４ｃの陰極に対向する。従って、複数の燃料電池ボードが互いにスタック化される場合、隣接する陽極の対および隣接する陰極の対は、単独で交替する陽極および陰極に垂直な面内で交替する。
【００３２】
図９に示すように、３つのそれぞれの層から構成されたＰＣＢボード６０がＭＥＡ５９の各平面層間に存在する。このＰＣＢボードは、第１電流収集・分配層６１と、反応物質分配層６２と、第２電流収集・分配層６３と、を備える。これらの３つの層は互いに接合されて単一のＰＣＢボード６０を形成する。該電流収集・分配層のおかげで、電流は電解質層を横断しないが、電極の水平面に平行に、陽極から陰極へ横方向に移動する。そのために、電流の流れにとって、膜貫通接続は必要ではない。
【００３３】
ＰＣＢボードの個々の層、すなわち、第１および第２電流収集・分配層と反応物質分配層は、エポキシ含有ガラス繊維組成物を用いて互いに接着されて中実な構造となる。該ＰＣＢは、個々の層を互いに接合し、またＭＥＡをＰＣＢに接合するためのある量の材料を含む予備含浸組成物で組み立てられてもよく、あるいは予備含浸組成物繊維マスクをＰＣＢに塗布してもよい。ＭＥＡをＰＣＢ上にレーザ接合して燃料電池ボード４１を製作してもよい。燃料電池スタック製作のために、複数のボードを互いに積層する。電極間のギャップおよびエポキシ樹脂によるこのギャップ内で実現されるシーリングによって、以下より詳細に説明するように、燃料ガス流と酸化剤ガス流との混合が防止され、燃料の陰極への接触と酸化剤の陽極への接触が防止される。この積層ステップによって、個々の層が良好に接触した中実の構造が得られるため、通常は必要となる重い端部ボードが不要になる。従って、モノリシックで軽く、完全にシールされた構造が製造できる。簡単なＰＣＢを端部ボードとして使用できる。
【００３４】
燃料電池スタックに組み立てると、第１燃料電池ボード上の第１ＭＥＡの陽極は、第２燃料電池ボード上の第２ＭＥＡの陽極と正反対および垂直に存在し、第１および第２燃料電池ボードは、燃料電池スタック内で水平に隣接する。同様に、第１燃料電池ボード上の第１ＭＥＡの陰極は、第２燃料電池ボード上の第２ＭＥＡの陰極と正反対に垂直に存在し、第１および第２燃料電池ボードは、燃料電池スタック内で水平に隣接する。
【００３５】
電流収集・分配層６１の構造を図９により詳細に示す。図９は、２枚の隣接するＭＥＡ５９に対応する層６１の一部を示す。図９を参照して、層６１は、あるＭＥＡの陽極５９ａを、垂直に隣接するＭＥＡの陰極５９ｂにリンクする電気分配トラック６６のパネルを備えたフレーム６５から構成される。電流収集・分配層の電気分配トラックのおかげで、各個々の燃料電池ボード上のＭＥＡは、電気的に直列に接続される。図９の矢印で示されるように、陽極５９ａと陰極５９ｂは、図示されたＭＥＡの下面上に位置付けられる。ＭＥＡの上面には、対応する陰極５９ｃと陽極５９ｄがそれぞれ位置付けられる。
【００３６】
図１０ａおよび図１０ｂは、１６枚のＭＥＡから成る平面層での電流収集・分配層６１の平面図である。図１０ｂ（および図１０ａに示す層の左側端部）は、互いに接合された第１および第２電流収集・分配層の平面図である。すなわち、第１および第２電流収集・分配層のトラック６６が見える。図１０ａ（層の左側端部は除いて）は、単一の電流収集・分配層の平面図である。トラックの単一の層だけが見えている。
【００３７】
フレーム６５内に一定間隔で孔６７を設けて、一体的な冷却システムの一部を形成してもよい。図７に示すように、これらの孔で垂直冷却チャネル４２を形成してもよい。１個または複数個のファン４６を備えて空気を冷却システム内に送り込んでもよい。
【００３８】
また、電流収集・分配層の６１には、電極帯の狭端部に隣接する電流分配層の２つの対向する端部において、垂直反応物質チャネル４３（図７に示す）の一部を形成する孔６８を設けてもよい。
【００３９】
燃料電池ボード４１がスタック化されると、これらの垂直チャネル４２、４３が形成される。図７の実施形態では、垂直の燃料入口および出口チャネルは、層の一端部４４近くに設けられ、垂直の酸化剤入口および出口チャネルは、層の反対側端部４５近くに設けられている。図７〜図１２の実施形態では、電極１個当たり、２つの垂直の燃料および酸化剤チャネルが設けられている。これらの垂直の反応部物質チャネルは、反応物質分配層に設けられたチャネルに接続される。
【００４０】
反応物質分配層６２の構造を図９および図１１に詳細に示すが、この中では、２つの隣接するＭＥＡ５９電極対に対応するこの層６２の一部を示す。反応物質分配チャネルの数が平面内のＭＥＡまたは電極対の数に対応するようにこの部分を繰り返す。反応物質分配層６２は、それぞれが反応物質平面ループを形成する２つのチャネル７１、７２を有するフレーム７０と、該分配ループの狭端部のフレームの対向する端部近くに位置付けられた、垂直反応物質チャネルを形成する孔と、を備える。
【００４１】
フレーム７０の一端部に沿った孔は順番に、例えば水素などの燃料である反応物質用の入口チャネル７３ａ、７４ａおよび出口チャネル７３ｂ、７４ｂであり、該フレームの反対側端部に沿った孔は順番に、例えば酸素または空気などの酸化剤である反応物質用の入口チャネル７５ａ、７６ａおよび出口チャネル７５ｂ、７６ａである。これを図９および図１２に示す。反応物質分配層６２上の孔７３，７４，７５および７６は、電流収集・分配層６１内の孔６８と位置が一致し、図７に示す垂直の反応物質分配チャネル４３を作る。
【００４２】
図１２に示す反応物質分配層において、例えば燃料などの反応物質は、フレーム７０の一端部上の垂直チャネル８０を通って流れる。該垂直チャネルの位置が陽極５９ａ、５９ａ’間の位置に相当する場合、該垂直チャネルは、反応物質分配層６２の反応物質分配ループ７２に接続される。従って、燃料は、垂直の入口チャネル７３ａから、反応物質分配層の真上および真下の平面内の陽極５９ａ、５９ａ’の面に沿って反応物質分配層の分配ループ７２の入口８１内に流れる。分配ループの出口８２は、垂直の燃料出口チャネル７３ｂに接続される。フレームの反対側端部における、例えば酸化剤を運ぶ垂直チャネル７６ａ、７６ｂは、フレーム７０内の分配ループ７２に接続されていない孔である。
【００４３】
平面で隣接するＭＥＡにおいて、分配チャネル７１に面する電極は陰極５９ｂ、５９ｂ’である。従って、これらの電極に関連する分配チャネル７１のレイアウトは逆になる。図９、図１１および図１２に示す反応物質分配層において、酸化剤は、フレームの右側端部上の垂直チャネル９０を通って流れる。垂直チャネルの位置が、陰極５９ｂ、５９ｂ’間の反応物質分配層６２内の位置に相当する場合、垂直チャネルは、反応物質分配層６２の反応物質分配ループ７１に接続される。従って、酸化剤は、垂直入口チャネル７５ａから、反応物質分配層の真上および真下の面内の陰極の面に沿って、反応物質分配層の分配ループの入口９１内に流れる。分配ループの出口９２は分配ループの入口９１に隣接し、垂直入口チャネル７５ａに隣接する垂直燃料出口チャネル７５ｂに接続される。フレームの反対側端部における、燃料を運ぶ垂直チャネル７４ａ、７４ｂは、分配ループ７１に接続されない。
【００４４】
燃料電池スタックの隣接した燃料電池ボードでは、陽極と陰極の並びは逆になる。垂直に配置された陽極と陰極対にそれぞれ燃料と酸化剤とを供給するために、反応物質分配チャネルのレイアウトは、水平面内と垂直面内における並びにおいてこのように逆になる。
【００４５】
本発明の第１の実施形態と同様に、高分子電解質層は、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）膜のシートなどのように、イオン（例えば水素イオン）は一方の電極から他方通過できるが、自由電子は通過できない任意の電解質膜であってもよい。第１の実施形態で説明した好適な実施形態と同じものが当てはまる。
【００４６】
反応ガス流は、隣接するＭＥＡの電極間のギャップにおけるシールのおかげで分離され続けている。これらのシールは、ＰＣＢボードをエポキシ化合物で含浸することによって実現されており、このエポキシ化合物は、積層時およびＭＥＡとの接合時に活性化されて密封を形成する。適切な場合には、例えば燃料電池ボードの外側端部において、ＰＤＭＳ製のシールを用いてさらにシーリングしてもよい。
【００４７】
垂直チャネルは、スタックの２つの反対側の端部に沿って１つまたは複数の反応物質マニホールドに接続され、これによって反応物質が供給および回収される。
【００４８】
また、一体的な冷却システムの一部を形成のために、反応物質分配層のフレームは、下記のように、フレーム内に一定間隔で一連の孔１００を備えていてもよい。
【００４９】
必要となる冷却に応じて、冷却システム用に設けられた孔６７，１００を水平面内の電極間毎に配置してもよく、あるいは、２番目、３番目、４番目、５番目、６番目、７番目、８番目、９番目あるいは１０番目の電極毎間に配置してもよい。孔を電極間の一定の間隔に設ける必要はなく、任意の適切な間隔に設け得る。
【００５０】
本発明の第３の実施形態では、燃料電池スタックの各燃料電池ボード４１は、平面内に配置された１つまたは複数の高分子電解質膜を備える。ａ）各燃料電池ボードに対する第１の代替実施形態では、膜の一方の面上の陽極とその反対側の面上の陰極とを有する一連の個々の膜は、平面内に配列される。ｂ）第２の代替実施形態では、各燃料電池ボードに対して、膜の一方の面上の一連の陽極とその反対側の面上の一連の陰極とを有する単一の膜が設けられる。ａ）とｂ）の両方の実施形態において、陽極はすべて、水平面内の１つまたは複数の高分子電解質膜の一方の面上に位置し、陰極はすべて、それらの高分子電解質膜の対向面上に位置する。第２の実施形態と同様に、陽極と陰極は互いに正反対に存在する。
【００５１】
第１の実施形態と同様に、第３の実施形態では、燃料電池ボードは、２枚の隣接する燃料電池ボードの陽極側の面が互いに対向するようにスタック化される。この方法においては、２枚の隣接する燃料電池ボード上のすべての陽極に燃料を簡単に供給でき、２枚の隣接した燃料電池ボード上のすべての陰極に酸化剤を簡単に供給できる。
【００５２】
第２の実施形態と同様に、第３の実施形態では、ＭＥＡは、３つの分離した層で作られるＰＣＢボード上に接合されて燃料電池ボードを形成する。燃料電池スタックでは、一連の平面ＭＥＡはそれぞれ、２枚のＰＣＢボード間に位置付けられる。第２の実施形態で説明したように、電極への反応物質の供給は、ＰＣＢボードの反応物質分配層によって実現される。このように、第１の実施形態の電気絶縁性スペーサ（図３および図４参照、各スペーサ２０）はＰＣＢ層で置換される。
【００５３】
第２の実施形態と同様に、第３の実施形態では、燃料電池ボードは互いに積層されて中実構造になるので、重い端部プレートは必要ではない。その代わりに、簡単なＰＣＢを使用できる。
【００５４】
第３の実施形態の代替である、各燃料電池ボードが一連の個々の膜を備えるａ）実施形態では、陽極と陰極間の電気接続は、ＰＣＢボードに容易に孔を機械加工で設けられるために、膜間のギャップを通して行えるか、あるいは、陽極側のＰＣＢボードの電流収集層を陰極側のＰＣＢボードの電流分配層に外部接続することによって行える。
【００５５】
第３の実施形態の代替である、各燃料電池ボードに対して単一の膜が設けられるｂ）実施形態では、陽極と陰極間の電気接続は、実施形態１で説明したように、膜貫通接続によって行えるか、あるいは、陽極側のＰＣＢボードの電流収集層を陰極側のＰＣＢボードの電流分配層に外部接続することによって行える。
【００５６】
ＰＣＢ反応物質分配層は、本発明の第２の実施例を参照してより詳細に説明した。しかしながら、第３の実施形態では陽極と陰極のレイアウトが異なるために、電気接続が膜貫通接続で行われるか、あるいはＰＣＢボードを通して行われる場合、電流収集・分配層は必要ではない。電気接続が、陽極側のＰＣＢボードを陰極側のＰＣＢボードに外部接続することによって行なわれる場合、陽極に対向するＰＣＢボードは、反応物質分配層で分離された第１および第２電流収集層面を有し、陰極に対向するＰＣＢボードは、反応物質分配層で分離された第１および第２電流分配層を有するであろう。この接続は、燃料電池ボードの電極対の数に応じて、第１ＭＥＡの陽極と第２ＭＥＡの陰極間、第２ＭＥＡの陽極と第３ＭＥＡの陰極間などで行われる。
【００５７】
図１３（ａ）は、ＭＥＡ１１０、ＰＣＢ材１１１、第１セルの陽極から次のセルの陰極まで電流を伝導する導電層１１２、および反応物質を電極まで運ぶ反応物質分配チャネル１１３を備える燃料電池スタックの２つの層を示す。図１３（ｂ）は代替レイアウトを示す。図１３（ｃ）は、３枚の分離したボード２組の間に挟まれた１組の燃料電池電極を備えた燃料電池構造の抜粋を示す。個々の小区分は互いに積層されている。４個の燃料電池電極１２０は、電気的に直列に構成されている。下流陰極接触ボード１２１が陰極側に隣接しており、上流陽極接触ボード１２２が他方に隣接する。これらの接触ボードはその中にスロットを有しており、入口チャネルからの反応物質は出口チャネルへ流れることができる。これらのボードは、電流を横方向に運ぶ導電性バー１２３、１２４を保持している。図１３（ｃ）では、導電体層が上を向いた陰極ボードを示したが、実際には、導体は電極１２０の方へ面しているであろう。内部空気分散層１２５が下流陰極接触ボード１２１に隣接する。この層は、空気（酸素）用の入口および出口チャネル１２７の組と、水素入口および出口チャネル１２８用の孔と、を有する。各チャネルは対応する反応物質プレナムに流れる。水素入口および出口チャネル１２９と空気入口および出口チャネル１３０とを備えた内部水素分配層１２６が上流陽極接触ボード１２２に隣接する。上流陰極接触ボード１３１が内部空気分配層１２５に隣接し、下流陽極接触層１３２が内部水素分配層１２６に隣接する。下流陰極接触ボード１２１の下流側接触は、上流陽極接触ボード１２２のコネクタに接続するように設計され、これによってＭＥＡ１２０は電気的直列に配置される。
【００５８】
本発明の第１の実施形態と同様に、高分子電解質層は、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）膜のシートなどのように、イオン（例えば水素イオン）は一方の電極から他方へ通過できるが、自由電子は通過できない任意の電解質膜であってもよく、この膜が１つの完全な一片ではなく、個々の部分に設けられているという条件で、同様に好適な寸法が当てはまる。
【００５９】
ＰＣＢ技術（あるいは他の同様な技術）を用いて、第２および第３の実施形態の燃料電池スタックの要素を製造する。これによって、該要素を大量にまた安価に製造できる。例えば、スタック化されその後同時に送られる薄層ボードを用いることによって、複数流動場ボードを同時に製造できる。その後、個々に送られたボードはスタック化され、互いに積層される。
【００６０】
本発明のＰＣＢは既知の方法で製造される。絶縁層は、エポキシ樹脂プリプレグで互いに積層されるＦＲ−１、ＦＲ−２、ＦＲ−３、ＦＲ−４、ＦＲ−５、ＦＲ−６、ＣＥＭ−１、ＣＥＭ−２、ＣＥＭ−３、ＣＥＭ−４、ＣＥＭ−５、ポリテトラフルオロエチレンおよびＧ−１０などの誘電体基板で作られていてもよい。導電性領域を産出するために、銅の薄層を絶縁基板全体に貼り付け、マスクを用いてエッチング除去して所望の導電性パターンを保持するか、あるいは電気めっきで貼り付ける。
【００６１】
ＰＣＢボードの個々の層のそれぞれの厚みは３０μｍ〜２ｍｍであり、好適には５０μｍ〜１ｍｍであり、より好適には０．１ｍｍ〜０．８ｍｍであり、最も好適には約０．４ｍｍである。従って、各ＰＣＢボードの厚みは９０μｍ〜６ｍｍであり、好適には１５０μｍ〜３ｍｍであり、より好適には０．３ｍｍ〜２．４ｃｍであり、最も好適には約１．２ｃｍである。電極層の厚みは０．１ｍｍ〜１ｍｍであり、好適には０．３〜０．６ｍｍであり、より好適には０．４ｍｍである。従って、セルピッチは１好適には１．６ｍｍ（１．２＋０．４ｍｍ）厚であり、従って１インチ当たりセル１６枚が可能である。
【００６２】
本発明の第１、第２および第３の実施形態において、電極帯の幅は１ｍｍ〜５ｃｍであり、好適には５ｍｍ〜１５ｍｍであり、より好適には約１ｃｍである。電極帯間のギャップの大きさは、それらが冷却チャネルを収容するか否かに依存する。冷却チャネルを備えた電極帯間のギャップ幅は１ｍｍ〜１．５ｃｍであり、好適には２ｍｍ〜１．２ｃｍであり、より好適には５ｍｍ〜１ｃｍである。冷却チャネルを備えない電極帯間のギャップ幅は０．５ｍｍ〜１ｃｍであり、好適には２ｍｍ〜８ｍｍであり、より好適には３ｍｍ〜６ｍｍである。
【００６３】
本発明の第１、第２および第３の実施形態では、触媒層は好適には電極上に設けられる。燃料電池生産分野の熟練研究者には一般に理解されるように、この層は、対象の反応に適切な触媒材料で作られていてもよい。例えば、該触媒層は、”ＰＥＭ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃａｔａｌｙｓｔｓ  ａｎｄ  Ｃａｔａｌｙｓｔ  Ｌａｙｅｒｓ  Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，Ｊｉｕｊｕｎ  Ｚｈａｎｇ（Ｅｄ．），１ｓｔ  Ｅｄｉｔｉｏｎ．，２００８，ＸＸＩＩ，１１３７ｐ．４８９ｉｌｌｕｓ．，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ  Ｌｏｎｄｏｎ，ＩＳＢＮ：９７８−１−８４８００−９３５−６に記載されているように、炭素上に堆積された白金ナノ粒子で構成され、プロトン伝導性高分子（例えばＮａｆｉｏｎ（登録商標））で結合されていてもよい。
【００６４】
ガス拡散層を該触媒層に隣接して備えてもよい。ガス拡散層は、熟練した読者にはよく知られているように、任意の適切な方法で製造または堆積されてもよい。例えば、典型的な燃料電池中のガス拡散層は、該層のぬれ特性を変えるために多くのバインダーと添加剤が混合された、多くの形態の内の一形態の炭素で構成される。典型的には、触媒層に隣接するガス拡散層は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で結合された炭素粉末の細孔層（この層は、非常に小さな気孔を有する）で構成される。この細孔層に隣接して、典型的には、織布状の、あるいは紙などの不織布材のある形態に結合された炭素繊維で構成されたバッキング層がさらに存在する。この層は大きな気孔を有する。これらの２つの層の組み合わせによって、ガスチャネルから触媒層に向かって孔径が漸次的に変化する。２つの個別の層ではなく、細孔層と多孔質バッキング層とが互いに貫通し合っている場合もある。
【００６５】
ガス拡散層の厚みは、典型的には約１００〜１０００μｍである。現代の一般的な燃料電池では、ガス拡散層の主要成分としての炭素は、電流が該触媒層からバイポーラプレートのリブまで流れなければならないというさらなる制約に基づいて選択される。使用され得る他のほとんどの材料は、耐食性が十分でないもの（他の多くの材料）か、あるいは価格が高すぎるもの（金、白金など）である。
【００６６】
本発明の設計では、ガス拡散層は、同じ材料、すなわち、適切なバインダーで結合され、その親水性を変えるために適切な化学物質で処理された炭素粉末およびまたは炭素繊維で構成されてもよい。しかしながら、電極表面に垂直な方向への電子の輸送は必要ないので、ガス拡散層は、その代替として、適切な特性を有しながらも非導電性の材料で構成されてもよい。電流はＭＥＡの表面に沿って流れなければならないので、表面層には、抵抗損（表面電流・層抵抗）が小さくなる（すなわち１０〜２０ｍＶ未満）ように十分に高い導電率が求められ、正確な特質および導電性は、表面層の導電率要件によって決定される。
【００６７】
ガス拡散層が構成され得る材料としては以下のものの多孔質形態が挙げられる：無機酸化物（Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２）；プラスチック（ＰＴＦＥ、ポリエチレン、ポリスルホンなど）；他の無機質原料（窒化物、炭化物、リン酸塩、硫酸塩など）。例えば厚い触媒層などの場合には、触媒層それ自体が十分な導電性を提供してもよく、この場合、ガス拡散層は導電性である必要はなく、さらには除外してもよい。その他の場合、電流の一部をガス拡散層を通して流すことが必要であり得、この場合は、ガス拡散層を（少なくとも部分的に）炭素あるいは他の導電性材料で構成することが必要であろう。すべての場合において、ガス拡散層は非常に薄く、例えば１００μｍ未満で、より好適には２５μｍ未満で製造できる。薄ければ薄いほど、ガス拡散層は、触媒層へのおよび触媒層からの反応物質の輸送を向上させる。
【００６８】
典型的な作動条件下では、燃料電池の過熱を防ぐために冷却機構の提供が必要である。一部の既知の燃料電池では冷却板が用いられるが、それは本発明の燃料電池スタックに組み込まれ得る。しかしながら、この冷却板の厚みによって、燃料電池密度が制限される。本発明の第１、第２および第３の実施形態の例の燃料電池スタックの冷却は、１つまたは複数の冷却板、冷却チャネルおよびまたはヒートパイプを備えることで実現される。
【００６９】
本発明の第２および第３の実施形態では、ＰＣＢ技術（孔）により、燃料電池スタックの一体的な冷却は簡単である。空冷、水冷あるいはヒートパイプが使用できる。例えば、例えば、燃料電池スタックを通る垂直チャネル内に空気を送り込む空冷用ファンを設けて、空気をプレナムに送り込んでもよい。これらの冷却チャネルは、上記のように、孔を有するボードをフレーム内に水平にスタック化した結果形成されたものである。冷却チャネルと共に、あるいはそれに代えて、ヒートパイプを使用してもよい。
【００７０】
ヒートパイプは、“Ａｎ  ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｏ  ｈｅａｔ  ｐｉｐｅｓ：ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｔｅｓｔｉｎｇ，ａｎｄ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，Ｇ．Ｐ．Ｐｅｔｅｒｓｏｎ，Ｗｉｌｅｙ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，１９９４，ＩＳＢＮ０４７１３０５１２Ｘに詳細に記載されている。ヒートパイプは、熱伝導率が高い材料で作られた両端がシールされた中空管で、わずか１質量％の作動流体（冷却剤）が充填されたものであり、閉ループキャピラリ再循環システムを形成する。ヒートパイプは、パイプの両端に温度差がある場合、蒸発冷却を用いて、作動流体または冷却剤の蒸発または凝縮によって熱エネルギーをパイプの一端から他端に移動させるように作動する。あるいは、扁平な、平面ヒートパイプ用いてもよい。
【００７１】
本発明の第１、第２および第３の実施形態の燃料電池ボードはそれぞれ、その最初の陰極と最後の陽極を経由で外部回路に接続される。これらの電気接続は既知の手段によって行われる。ＦＥＴスイッチなどのスイッチ機構と、おそらくは、任意の適切な既知のタイプの電圧測定器とが燃料電池ボードに組み込まれる。電圧測定器は、スタックバスバーに接続されていてもあるいは切り離されていても、各燃料電池ボードの出力電圧を迅速・簡単にモニタリングできる。下記のように、その後、この電圧測定値を用いて燃料電池ボードの負荷パターンを調節する。このスイッチを電極の電気接続とスタックバスバー間に配置し、電圧測定器は、各燃料電池ボードの最初の陰極と最後の陽極に接続する。個別の制御ラインを用いてこれらスイッチのそれぞれを作動させる。
【００７２】
作動中は、燃料電池を筐体内に入れて外気からシールする。反応物質は、シールされた接続から燃料電池チャネル内に供給される。シールは、例えばＰＤＭＳで作られる。特に、燃料（例えばＨ２）と酸化剤（例えばＯ２）は、燃料が陽極に供給され酸化剤が陰極に供給されるように、燃料電池スタックの適切なチャネル内に供給される。こうして形成された電流を直接取り出すこともでき、あるいは、燃料電池ボードの出力を前述のスイッチを用いて変調することもできる。燃料電池が改質油、メタノール（直接メタノール型燃料電池において）あるいは、時間経過と共に燃料電池の被毒化を生じる他の燃料で作動している場合、燃料電池ボードからの出力の変調によって、その性能は著しく改善される。
【００７３】
スタックの一定の電力出力は種々の方法で達成され得る。例えば、すべての燃料電池ボードに常に負荷をかけてもよい。あるいは、燃料電池ボードをグループ分けして、同期させながらこれらのグループを順番に作動させてもよい（すなわち、所定の時間にすべての燃料電池ボードに対して切り替えを行う）。燃料電池ボードを非同期あるいは疑似非同期の方法で切り替えてもよく、すなわち、それぞれに対して個別に規定した所定の時間および頻度で、各燃料電池ボードを負荷に接続したり切り離す。デューティサイクルによるある割合の時間だけ負荷に接続するように各燃料電池ボードを切り替えることによって、スタックの出力を連続的に変化させられる。例えば、所定のサンプル時間中、燃料電池ボードの５０％だけを負荷に接続すると、燃料電池スタックの出力は同様に低減するであろう。この５０％が達成される方法は多くの方法でなされ得る。例えば、その時間中、燃料電池ボードの半分を負荷から切り離し、半分を負荷に接続してもよく、あるいは、燃料電池ボードすべてを負荷に接続するが、それぞれをサンプル時間の半分の時間だけ接続してもよい。あるいは、燃料電池ボードの半分をサンプル時間の１／４の時間負荷に接続し、残りの半分は、サンプル時間の４分の３の時間負荷に接続してもよい。使用する特定のスキームまたはデューティサイクルを、個々の燃料電池ボードの性能、加熱やホットスポット局所化回避の必要性、生成水による陰極場所のフラッディング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）回避の必要性、あるいは電極の被毒化対策の必要性によって選択してもよい。デューティサイクルは予め定めても、あるいは、例えば上記の電圧測定器による閉じたフィードバックループにおいてモニターされた燃料電池の性能に基づいて、リアルタイムに制御されてもよいことに気付かれるであろう。電流設計上の制限である燃料電池スタックではなく、個々の燃料電池ボードそれぞれに対して最適な負荷条件と電力変換が実現できれば、燃料電池ボードのパートタイム使用によっても効率を向上させ得る。燃料電池ボードにさらにスイッチ部品とフィルタリング部品とを備えることによって、電位の簡単な切り替えやステップ状の切り替えに加えて、例えば正弦波などのスムーズに変化する出力が得られる。
【００７４】
燃料電池ボードの故障の場合には、故障した燃料電池ボードを完全に停止してもよい。故障前に、診断または予測モデルに基づいてこの停止を行ってもよい。
【００７５】
各燃料電池ボードは、それぞれが電気バスに出力を供給するそれ自身の電気回路を保持し得る。すなわち、各ボードは、それ自身のパワーエレクトロニクスと制御装置とを備える。後者は、燃料電池電極の性能、局所的な湿度および温度をモニターする。それはまた、以下詳細に説明するように、形状記憶合金（ＳＭＡ）バルブを制御して、ボード上の電極への反応物質流を調整できる。このように、パワーエレクトロニクスを各水平ボード上に直接配置できる。こうして、性能劣化に対する各電極の状態をモニターできる。この情報がフィードバックされて、電極の特別のボードの使用を落とせるようにエレクトロニクスを変調でき、これによって、あるいは電極のボードを完全に停止することによって、劣化プロセスを遅らすことができる。
【００７６】
各ボード上に直接エレクトロニクスを備えることのさらなる利点は、それらが異なる方法で出力を運べるように、それぞれ構成できることである。一例では、燃料電池を用いて多相電動機を動かし、異なる時間に異なるコイルに電流を供給することによって、効率向上、性能制御の向上および低トルクでの制御向上が図られる。一連の電極を備える水平ボードはそれぞれ１相を駆動するであろう。
【００７７】
例えば、ある電極の性能が低下あるいは故障すると、該個々のエレクトロニクスを使用する影響を受けたボードを停止できるだけでなく、特定の電極への燃料または酸化剤の供給を停止することも可能である。このような場合、停止した電池への水素流を特に停止することが望ましい。ガス入口が薄型であるため、ガス流を停止させることは困難である。しかしながら、薄型バルブとして形状記憶合金（ＳＭＡ）を使用することにより、該入口からのガス流を阻止できることが分かった。形状記憶合金は、温度（例えば熱）あるいは電磁場（例えば電流印加）の印加に応じて変形し、例えば熱または電流の印加が終了すると元の形状に戻る金属合金である。これについて、反応物質チャネルの下半分（明確化のために、上側半分は図示せず）の３個のバルブを示す図１４（ａ）〜図１４（ｃ）を参照して説明する。図１４（ａ）は開いた反応物質バルブを示す。矢印は、反応物質流の方向を示す。ＳＭＡは、図１４（ｂ）に示すように、加熱すると変形してチャネルを閉じるものであってもよく、あるいは図１４（ｃ）に示すように、フラップに取付けたワイヤーの形態であり、加熱するとその形状を変化させて、例えばフラップなどの物体を引っ張ってチャネルを閉じるものであってもよい。本発明で使用し得るＳＭＡとしては、ニッケル−チタン、銅−アルミニウム−ニッケル、銅−亜鉛−アルミニウムおよび鉄−マンガン−珪素合金などが挙げられる。使用されるＳＭＡは好適にはニッケル−チタン合金である。
【００７８】
本発明の燃料電池は少なくとも２枚の燃料電池ボードを備え、そのそれぞれは、ａ）その第１面上の少なくとも２個の陽極と第２面上の２個の陰極とを支持する実質的にガス不透過性の電解質材料の１枚の膜か、あるいは、ｂ）それぞれが、第１面上の１個の陽極と第２面上の１個の陰極とを支持する実質的にガス不透過性の電解質材料の少なくとも２枚の膜を含む。
【００７９】
好適には、該燃料電池は少なくとも３枚の燃料電池ボードを備える。より好適には、該燃料電池は、例えば８枚、１０枚、１６枚あるいは２０枚などの、４〜５０枚の燃料電池ボードを備える。
【００８０】
好適には、各燃料電池ボードは、ａ）その第１面上の少なくとも３個の陽極と第２面上の３個の陰極とを支持する実質的にガス不透過性の電解質材料の１枚の膜か、あるいは、ｂ）それぞれが、第１面上の１個の陽極と第２面上の１個の陰極とを支持する実質的にガス不透過性の電解質材料の少なくとも３枚の膜を含む。
【００８１】
より好適には、各燃料電池ボードは、ａ）その第１面上の少なくとも３個の陽極と第２面上の３個の陰極；例えば、その第１面上の少なくとも４個の陽極と第２面上の４個の陰極、例えば、その第１面上の少なくとも１０個の陽極と第２面上の１０個の陰極、例えば、その第１面上の少なくとも１６個の陽極と第２面上の１６個の陰極、例えば、その第１面上の少なくとも２０個の陽極と第２面上の２０個の陰極とを支持する実質的にガス不透過性の電解質材料の１枚の膜か、あるいは、ｂ）それぞれが、第１面上の１個の陽極と第２面上の１個の陰極とを支持する実質的にガス不透過性の電解質材料の少なくとも３枚の膜；例えば、それぞれが、第１面上の１個の陽極と第２面上の１個の陰極とを支持する実質的にガス不透過性の電解質材料の少なくとも４枚の膜、例えば、それぞれが、第１面上の１個の陽極と第２面上の１個の陰極とを支持する実質的にガス不透過性の電解質材料の少なくとも１０枚の膜、例えば、それぞれが、第１面上の１個の陽極と第２面上の１個の陰極とを支持する実質的にガス不透過性の電解質材料の少なくとも１６枚の膜、例えば、それぞれが、第１面上の１個の陽極と第２面上の１個の陰極とを支持する実質的にガス不透過性の電解質材料の少なくとも２０枚の膜のいずれかを含む。
【００８２】
電流が電流収集・分配層によって伝導される場合、１枚の膜あるいは少なくとも２枚の膜上の電極の表面積は、特定の実施形態に応じて、反応物質分配層上の反応物質分配チャネルの大きさおよび電流収集・分配層上の電気分配トラックのパネル大きさ、あるいは電流収集層および電流分配層上のパネルの大きさに対応していなければならない。好適には、電極の表面積は、可能な限り多くの部分が反応物質分配チャネルに接触するようになされているであろう。
【００８３】
本発明の可撓特性によって、本発明は、高出力密度に加えて、高度の復元力と耐障害性が必要な用途での使用に適切なものになっている。例えば、本発明は、人間の介入なしに、長期間の作動が要求される固定電力供給システム内において、あるいは、部分的な損傷による劣化条件下での作動が必要な用途で使用され得る。
【００８４】
燃料電池の劣化をモニターでき、障害が生じた電極を含むプレート全体を停止できるため、既知の燃料電池で可能な許容誤差より低い誤差で電極を構築できる。これによって、既知の燃料電池に比べて、本発明の燃料電池の製造コストが下げられる。
【００８５】
このように、本発明の実施形態はすべて、燃料流と空気流とを簡単に分離できる利点を有しており、これによって、簡単でより安価なシステムが得られ、燃料電池スタックの各要素の作動状態（例えば劣化）のモニターと、該要素を個々に制御することが可能である。
【００８６】
本発明の態様は、適切に置換あるいは並置され得ることは理解されるであろう。使用される燃料は水素に制限されず、任意の適切な燃料であってもよい。例えば、本明細書で説明した燃料電池スタックの新規な形状は、直接メタノール型燃料電池で使用されるメタノールにも適用できる。膜上に堆積された電極は直線帯である必要はなく、例えば、曲面であったり場所によって幅が変化したりなどの、任意の適切な形状であってもよい。同様に、いかなる冷却またはガス拡散チャネルもストレートである必要はなく、例えば、蛇行デザインなどであってもよい。また、本発明の第１の実施形態は、各スペーサ内に１つだけの冷却またはガス拡散チャネルを有するものに限定されない。
【００８７】
膜材料はＮａｆｉｏｎ（登録商標）に限定されるものではなく、フッ素重合体スルホン酸膜などの任意の適切なイオン交換電解質を用いてもよい。
【００８８】
第１の実施形態では、スタック化シート間のスペーサはプラスチックであり得るが、任意の適切な電気絶縁性材料を用いてもよい。スペーサのいずれかの面の表面内チャネルは位置が一致する必要はなく、あるいは同じ大きさである必要もない。
【００８９】
燃料電池ボードのエレクトロニクス制御用のスイッチ機構はＦＥＴタイプのスイッチに限定されず、接合トランジスタなどの任意の適切なスイッチであってもよい。
【００９０】
金または白金錯体含有溶液は、膜貫通電子接続の製造には好適であるが、任意の適切な貴金属または適切な化合物を用いてもよい。触媒は好適には白金または白金合金であり、選択的には炭素上に担持されるが、こうした実施例には限定されない。
【００９１】
本発明のさらなる態様は、本発明の第１、第２および第３の実施形態で適用され得る耐食性コーティングに関する。このコーティングは、ＰＣＢの銅表面の不動態化と銅層の腐食防止に用いられる。燃料電池中の状態は非常に酸性・酸化性であり銅が腐食するため、これは重要である。銅がＣｕ０からＣｕ＋２へ酸化されると、ＰＣＢの銅表面の分解に繋がり、その結果燃料電池の分解に繋がる。
【００９２】
従って、Ｈ２ＯのＰＣＢの銅表面への到達を防止しながら、良好な導電性を可能とするコーティングが必要となる。ＰＣＢの銅表面は、例えば電流収集およびまたは分配層、すなわち「プレート」であってもよい。該コーティングは安定でなければならず、また燃料電池環境内でいかなる電気化学的または化学的劣化も生じてはならない。銅表面から?離してはいけないので、このコーティングは同時に耐摩耗性でなければならない。このコーティングには、水侵入を許す亀裂や穴がないことも重要である。
【００９３】
これらの効果を実現する３つの異なる方法について以下説明する。最高の性能を実現するために、この内の２つまたはすべての方法の組み合わせも考慮する。
【００９４】
第１の方法では、導電性の粒子で構成されるインクまたはペイントで銅層をコーティングする。これらの粒子は不活性でなければならず、また著しい酸化的または酸性的腐食を生じてはならない。
【００９５】
適切な粒子としては、炭素（グラファイト粒子の形態）あるいは、例えばＥｂｏｎｅｘ（登録商標）として市販されているＴｉ４Ｏ７などの導電性亜酸化チタンなどが挙げられる。例えば、より耐食性であり得る、ドープしたチタン酸化物（導電率向上のためにアンチモン、フッ素あるいはインジウムをドープ）のＴｉ０．９Ｎｂ０．１Ｏ２あるいは導電性の高分子粒子で構成されるインクなどの他の材料を考慮してもよい。適切な高分子としては、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンおよびポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）などが挙げられる。
【００９６】
ＰＣＢの銅トラックコーティング用カーボンインクは既知であり市販されている。
【００９７】
インクは、例えば、グラファイト、チタンあるいは上記のスズ化合物などの導電性化合物と、溶媒および高分子バインダーとを混合してスラリまたはインクを形成することで得られる。インク中の使用される粒子の濃度は、体積分率が典型的には２０Ｖｏｌ％超であり、例えば２０Ｖｏｌ％〜７０Ｖｏｌ％であり、例えば２０Ｖｏｌ％〜６０Ｖｏｌ％である。この体積分率は、伝導率のための良好な粒子−粒子接触が得られるように、また、十分なバインダーを含有させて安定なコーティング層を形成するように選択される。インクが基板上にコーティングされると、粒子はコーティング層の導電相を構築する。高分子バインダーは、例えば、ポリエチレン、あるいは熱硬化性エポキシ高分子などのエポキシド高分子などの任意の適切な高分子であってもよい。
【００９８】
導電性高分子含有のインクは、以前は、燃料電池電流収集プレートには使用されていなかったが、現在は、ディスプレイ用のエレクトロニクス産業で使用されている。「電流収集プレート」は、燃料電池における、バイポーラプレート、モノポーラまたはユニポーラ集電器、ガス拡散層、ガス輸送層などとも呼ばれる構成要素範囲を含むものとして用いられる。
【００９９】
上記の他の材料は、インク、または、ＰＣＢ、燃料電池収集およびまたは分配層すなわちプレート用の保護膜層の分野では知られていない。
【０１００】
第２の方法は、ＰＣＢの銅表面上への導電性高分子の直接電着に関する。ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンおよびポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）を含めて考慮できる、可能性ある高分子は多い。
【０１０１】
電気化学的酸化と還元および導電率向上に対する高分子の安定化は、ポリ（スチレンスルホネート）またはＮａｆｉｏｎ（登録商標）などの高分子アニオン荷電型ポリマーの組み込みで実現され得る。
【０１０２】
燃料電池内では、主に触媒層内において、こうした導電性高分子の使用は従来から考慮されてきている。防食層としてのこれらの材料の使用は一般に文献に開示されているが、燃料電池における防食層としてのこれらの材料の使用に関しては開示されていない。
【０１０３】
本出願人は、導電性耐食層としてのフッ素化高分子誘導体の使用について検討し、ペンダント型ペルフルオロアルキル鎖添加による該高分子のフッ素化によって、得られるコーティングの表面エネルギーが増加し撥水性になることを発見した。これは腐食の可能性を低減させる。表面エネルギーが高ければ高いほど摩擦が減少するために、良好な摩耗性も得られる。
【０１０４】
好適な実施形態では、該導電性高分子は、例えば、ペルフルオロ化アルキル鎖を含むなどの高フッ素含量を有するように選択される。
【０１０５】
その安定性と高伝導率により、ＰＥＤＯＴは、以前は保護層として考慮されてきた。本出願人は、燃料電池収集およびまたは分配層すなわちプレート上に直接電着した保護層として、フッ素化ＰＥＤＯＴを検討した。
【０１０６】
該ＥＤＯＴモノマーの製造方法およびその重合化は、Ｂｅｎｅｄｅｔｔｏ  ｅｔ  ａｌ．，Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ  Ａｃｔａ，Ｖｏｌ５３，１１，２０  Ａｐｒｉｌ  ２００８，３７７９−３７８８に記載されている。ＥＤＯＴモノマーの例を以下に示す。
【化１】
2014507056.tif 000003
【０１０７】
第３の方法は、有機基を銅表面に直接結合して、表面の水吸着を低減させ表面エネルギーを増加させる方法に関する。疎水性骨格を有するシリルクロリド、疎水性骨格を有するシリルアルコキシドまたはペルフルオロ化アルコキシシランと表面との反応を含む多くの異なる方法が可能である。実施例の材料を表１に示す。有機エレクトロニクス目的に使用されるこの方法の例が、Ｌｅｅ，Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ  ｂｅｔｗｅｅｎ  ｔｈｅ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｎａｔｕｒｅ  ｏｆ  ｓｉｌａｎｅｓ  ａｎｄ  ｄｅｖｉｃｅ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅｓ，Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ，Ｖｏｌ５１５，４，５  Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  ２００６，２７０５−２７０８に記載されている。
【表１】
2014507056.tif 000004
この方法は、燃料電池電流収集およびまたは分配層すなわちプレートでの使用に対しては、今まで開示されていなかった。
【０１０８】
例えば、この方法での１つの可能性は、官能化アニリンからジアゾ化合物を形成し、このジアゾ化合物と基板との反応、あるいは材料を直接電気化学的に堆積する電気化学的還元である。
【０１０９】
ジアゾ誘導体の生成と、その後の（１）表面水素による直接還元、（２）電気化学的還元、（３）直接電気化学的堆積のいずれかによる表面の誘導体化を示すスキームの概要を以下に示す。
【化２】
2014507056.tif 000005
ジアゾ塩を生成する他の方法も可能であり、またさまざまな反応条件が可能である。
【０１１０】
Ｘｕらによる、ペンタフルオロアリール基が炭素表面に結合した燃料電池触媒層の化学プロセスが、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ８，１０，ｐＡ４９２−Ａ４９４，（２００５）に開示されている。しかしながら、このプロセスの燃料電池電流収集およびまたは分配層すなわちプレートへの応用に関しては開示されていない。
【０１１１】
ジアゾ方法を用いたペルフルオロアニリン誘導体の例を表２に示す。他の例は、上記のＥＤＯＴモノマー（１）〜（３）で示したものと同じペンダント型鎖を有するアニリンを含む。
【０１１２】
【表２】
2014507056.tif 000006
この方法では、シリコン上にペルフルオロ誘導体化アリール基で銅表面を被覆する化学プロセスを用いることも可能である。このプロセスは、Ｓｔｅｗａｒｔ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２６（１）：３７０に記載されているが、燃料電池集電器およびまたは分配層すなわちプレートへのこの方法の応用については記載されていない。
【０１１３】
Ｌｙｓｋａｗａ ａｎｄ  Ｂeｌａｎｇｅｒ，Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．，２００６，１８（２０），４７５５?４７６３に記載されている電気化学的プロセスは、金属と炭素両方の誘導体化に用いられてきたが、燃料電池集電器およびまたは分配層すなわちプレートへは応用されていない。
【０１１４】
本発明で記載されるように、電気化学的方法を用いたフッ素化材料の堆積については開示されていない。
【０１１５】
本出願人によって考案された、表面にペルフルオロ基を堆積する電気化学的方法は、中間体のアゾ化合物の不安定さにより、通常の方法とは異なる。
【０１１６】
本発明の例証するように意図され、請求項の範囲を制限するようには意図されない、使用した実施例を以下に示す。
【０１１７】
（ａ）導電性カーボンインクを銅電極表面上にスクリーン印刷し、１２０℃のオーブン内で乾燥させる。適切なインク例は下記のものである。
【０１１８】
１．Ｓｕｎ  Ｃｈｍｉｃａｌ社製のカーボン導電性インクＸＺ３０２−１
２．Ｐｅｔｅｒｓ  Ｌａｃｋｗｅｒｓｅ社製のカーボン導電性インクＳＤ２８４３ＨＡＬ。
【０１１９】
（ｂ）Ｂｅｎｅｄｅｔｔｏらに記載されているように、ＥＤＯＴモノマー化合物（１）の合成に着手した。０．１ＭのＢｕ４Ｎ  ＰＦ６を含むアセトニトリル溶液（１）１０ｍＭを、電気化学ポテンシャルを１．１Ｖにスイープして銅表面上に電解重合した。
【０１２０】
（ｃ）（ペンタフルオロフェニル）トリエトキシシランを０．５ｍｏｌ／ｄｍ３ＨＣｌに溶解し、濃度１０ｍｍｏｌ／ｄｍ３とした。氷浴内のこの溶液にＮａＮＯ３を添加し、濃度を２０ｍｍｏｌ／ｄｍ３とした。銅表面はこの溶液に入れ、飽和カロメル電極に対し電位−０．２Ｖで５分間保持した。
【０１２１】
（ｄ）銅表面を清浄化し、トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル−１−シロキサンでコーティングした。濃度０．２質量％の酢酸２〜３滴を含む１００ｍｌのブタノール／水（９５／５）溶液に、１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−ペルフルオロオクチルトリエトキシシランを溶解してシラン溶液を調製した。この溶液を６０分間攪拌してシラン材料を加水分解し、その後、清浄化した銅表面を加水分解シラン溶液で浸漬コーティングした。浸漬コーティング後、シラン処理した銅表面をトルエンで数回洗浄してシラン層を得た。トルエン洗浄後、このシランコーティング基板を１６０℃×５分間乾燥させて、残存する溶媒を除去した。
【０１２２】
以下の実施例は、２層以上の耐食性コーティング層を実現するコーティング技術のコーティング技術組み合わせに関する。
【０１２３】
（ｅ）実施例（ａ）の方法の後、実施例（ｂ）の方法を行うが、電解重合は、実施例（ｂ）で言及した「銅表面」上ではなく、（ａ）で生成された表面上で起こる。
【０１２４】
（ｆ）実施例（ａ）の方法の後、実施例（ｃ）の方法を行うが、（ペンタフルオロフェニル）トリエトキシシランは、実施例（ｃ）で言及した「銅表面」ではなく、（ａ）で生成された表面上にコーティングされる。
【０１２５】
（ｇ）実施例（ａ）の方法の後、実施例（ｄ）の方法を行うが、トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル−１−シロキサンは、実施例（ｄ）で言及した「銅表面」ではなく、（ａ）で生成された表面上にコーティングされる。
【０１２６】
（ｈ）実施例（ｂ）の方法後、実施例（ｃ）の方法を行うが、（ペンタフルオロフェニル）トリエトキシシランは、実施例（ｃ）で言及した「銅表面」ではなく、（ｂ）で生成された表面上にコーティングされる。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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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１３ｃ】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年10月31日(2013.10.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６１】
ＰＣＢボードの個々の層のそれぞれの厚みは３０μｍ〜２ｍｍであり、好適には５０μｍ〜１ｍｍであり、より好適には０．１ｍｍ〜０．８ｍｍであり、最も好適には約０．４ｍｍである。従って、各ＰＣＢボードの厚みは９０μｍ〜６ｍｍであり、好適には１５０μｍ〜３ｍｍであり、より好適には０．３ｍｍ〜２．４ｍｍであり、最も好適には約１．２ｍｍである。電極層の厚みは０．１ｍｍ〜１ｍｍであり、好適には０．３〜０．６ｍｍであり、より好適には０．４ｍｍである。従って、セルピッチは１好適には１．６ｍｍ（１．２＋０．４ｍｍ）厚であり、従って１インチ当たりセル１６枚が可能である。
【国際調査報告】
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