(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と、該電解質層の両主面側に設けられたガス拡散層と、該ガス拡散層の外側に設けられた境界構造と、該境界構造の外側に設けられた基板とを有する燃料電池であって、
前記境界構造は、前記基板上にデポジットされ、選択的にパターニングされて放射線硬化されたことによって中空通路の境界構造を定める感光材料からなる整形層と、該整形層の上面に接着剤によって接合された第１の板状構造とを含み、
前記中空通路は、前記ガス拡散層に流体を供給する供給フィンガーチャネルおよび前記ガス拡散層から流体を回収する排出フィンガーチャネルであり、当該供給フィンガーチャネルおよび排出フィンガーチャネルは、交互に噛み合わせて配置されるものであり、
前記第１の板状構造は、並列化された複数のマイクロチャネルを形成し、
前記中空通路の前記外側の底が前記基板によって形成され、
前記流体を前記ガス拡散層に沿って導くべく、隣接する前記排出フィンガーチャネルと前記排出フィンガーチャネルとを前記複数のマイクロチャネルで連通させたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記接着剤が繊維強化接着剤であ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】
ａ）前記中空通路を形成する過程と、
ｂ）前記並列化されたマイクロチャネルが予め形成された状態の前記第１の板状構造を前記整形層上に接合する過程とを有し、
前記中空経路形成過程が、
Ｉ）未硬化状態の前記感光材料を前記基板上にデポジットする過程と、
ＩＩ）前記感光材料の前記選択的パターニング及び前記放射線硬化によって前記中空通路の境界構造を定める過程と、
ＩＩＩ）未硬化の状態で残った前記感光材料を除去する過程とを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項４】
前記第１の板状構造と前記ガス拡散層との間に導電性接着剤がデポジットされていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第１の板状構造と前記ガス拡散層との間において複数の穿孔が設けられた金属フォイルが接着剤を介して接合されており、前記金属フォイルが集電部として働くことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
ａ）基板を準備する過程と、
ｂ）未硬化状態の前記感光材料を前記基板上にデポジットする過程と、
ｃ）前記感光材料の前記選択的パターニング及び前記放射線硬化によって前記中空通路の境界構造を定める過程と、
ｄ）未硬化の状態で残った前記感光材料を除去する過程と、
ｅ）前記金属フォイルを形成する過程と、
ｆ）前記金属フォイルと前記第１の板状構造との間に前記接着剤を施す過程と、
ｇ）前記金属フォイルを前記第１の板状構造上に接合する過程とを含むプロセスによって形成されたことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項７】
前記整形層と前記第１の板状構造との間に第２の板状構造を有し、
前記第２の板状構造は通孔からなる第１及び第２のビア穴を有し、前記流体が前記第１のビア穴を通じて前記マイクロチャネルの一端において供給され、第２のビア穴を通じて前記マイクロチャネルの他端において排出されるように前記マイクロチャネルの位置が前記ビア穴に関連して定められていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記ビア穴が導電性を有し、前記ガス拡散層から離れた位置にある導電性リードに導通可能に接続されており、前記マイクロチャネルは前記ビア穴と導電可能に接続されており、それによって前記ガス拡散層から収集された電流が前記マイクロチャネル、前記ビア穴及び前記導電性リードを介して前記ガス拡散層から遠ざかるように伝達され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】
前記電流が、前記マイクロチャネルの上面に接合された穿孔が設けられた金属フォイルによって収集されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記電流が、前記板状構造に加えられた導電性化合物によって収集されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記電流が、前記マイクロチャネルの上面と前記ガス拡散層との間にデポジットされた導電性接着剤によって収集されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１２】
ａ）前記板状構造を前記導電性ビア穴と共に形成する過程と、
ｂ）未硬化の状態の前記感光材料を前記板状構造の上にデポジットする過程と、
ｃ）前記中空通路の境界構造を前記感光材料の前記選択的パターニング及び前記放射線硬化によって定める過程とを含むプロセスによって形成された請求項７に記載の燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特に、好適には光パターニングされた薄層から構成され、好適には繊維強化接着剤（fiber-reinforced adhesive）によって接合された、高度に並列化された配流チャネルを有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、化学反応によって電流を生成する電気化学装置である。通常の燃料電池の構成では、イオン伝導性電解質が２つの電極間に設けられ、これら電極の外側に燃料及び酸化剤配流板が配置される。一方の電極（即ち、アノード）上の触媒は燃料側においてイオンと電子の分離を促進する。電解質を通過するのはイオンだけであり、酸化剤側（即ち、カソード）において電子と再結合する。電子は外部回路を通って流れ、電力を供給する。燃料電池技術に関する概要は以下の文献において得ることができる。
【０００３】
“Fuel Cell Systems Explained” edited by J. Larminie and A. Dicks and published by John Wiley and Sons (2000)、または、“Fuel Cell Technology Handbook” edited by G. Hooger and published by CRC Press。
【０００４】
関連する例示的な技術が米国特許第５，６４１，５８６号（１９９７年６月２４日、Wilsonに対し付与。タイトル“FUEL CELL WITH INTERDIGITATED POROUS FLOW-FIELD”）に示されている。
【０００５】
１９９７年１１月４日、Spear et al. に付与された“METAL PLATELET FUEL CELLS PRODUCTION AND OPERATION METHODS”なるタイトルの米国特許第５，６８３，８２８号。
【０００６】
S.J. Lee, S.W. Cha, Y.C. Liu, R. O'Hayre, F.B. Prinz, “High Power-Density Polymer-Electrolyte Fuel Cells by Microfabrication”, in Micro Power Sources, K. Zaghib and S. Surampudi (eds.), Proceedings, V. 2000-3, The Electrochemical Society Proceeding Series, Pennington, NJ, 2000。
【０００７】
“Miniature Fuel Cells with Non-Planar Interface by Microfabrication”, in Power Sources for the New Millennium, M. Jain, M.A. Ryan, S. Surampudi, R.A. Marsh, and G. Nagarajan (eds.), Proceedings, V. 2000-22, The Electrochemical Society Proceeding Series, Pennington, NJ, 2000。
【０００８】
R. O'Hayr, T. Fabian, S. J. Lee, F. B. Prinz,“Lateral Ionic conduction in Planar Array Fuel Cells”, Journal of Electrochemical Society, Volume 150, Number 4, April 2003, pp. A430-A438。
【０００９】
S.J. Lee, A. Chang-Chien, S.W. Cha, R. O'Hayre, Y. I. Park, Y. Saito, F. B. Prinz,“Design and Fabrication of a Micro Fuel Cell Array with Flip-Flop' Interconnection”, Journal of Power Sources, Volume 112, Issue 2, November 2002, pp. 410-418。
【００１０】
図１は、従来の燃料電池アセンブリの側断面図である。このアセンブリは膜電解質９を有し、この膜電解質９の両主面側には触媒を担持したガス拡散層２が設けられている。主たる電気化学反応は膜電解質９と隣接する触媒担持ガス拡散層２の境界で起こる。この膜−電極アセンブリは２つのバッキング層３０の間に配置される。バッキング層３は反応物を流すための開放流路３１を提供可能なように製造されている。従来の燃料電池における開放流路は、反応流体をガス拡散層２に沿って配布する並列または直列に配置された配流チャネルからなる。動作を最適にするには、圧力及び流れの変動は最小にしつつ極力均一に反応流体を流すことが望ましいが、配流チャネルの占める設計スペースも極力小さくすることが望ましい。本発明はこのような要請に応えるものである。
【００１１】
各部品を一体に保持し且つ膜電解質９の両側の反応物を分離するため、従来の燃料電池は機械的な締結構造を用いており、それには例えばボルト及び／ナットのようなねじ切りされた締結具やプレート４１などの他の公知の機械締結要素が含まれ得る。従来の燃料電池では、燃料電池のコア構造の周囲のエラストマーガスケット５内における機械的圧迫が燃料電池の効率に影響を与え得る。尚、エラストマーガスケット５は膜電解質９の両側の反応物を分離するべく、膜電解質９とバッキング層の間に配置されている。そのため、所望の圧迫力を生成し且つその圧迫力を燃料電池のコア構造に均一に加えるために含まれる機械的構造のため、燃料電池が全体的に大きく複雑になり、製造コストが増加する。
【００１２】
締結機構によらず各部品を一体に保持し且つ膜電解質１の両側の反応物を分離するための別の方法が従来において開示されている。この別の方法では、純粋な接着剤（pure adhesives）が用いられている。しかしながら、純粋な接着剤を用いた膜電解質の接合は、膜電解質と純粋な接着剤との間の適合性（compatibility）の問題があり、組立の上で大きな課題となる。更に、純粋な接着剤は膜電解質の膨張及び湿分の変化に曝されたとき早く劣化することが知られている。従って、本分野においては、効率的に製造でき、機械的締結構造を要することなく動作可能で、燃料電池要素を接合するために用いられる純粋な接着剤の限界を考慮した燃料電池アセンブリが求められている。本発明はそのような要望に応えるものである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の様々な特徴が、単純な構成で製造コストが安く且つ高い動作効率を有する改善された燃料電池に貢献する。本発明の主たる特徴は以下の通りである：
・流体を導く２及び３次元の境界構造を形成するため選択的パターニングと組み合わせて感光材料を使用
・境界構造を２及び３次元の導電路と組み合わせるためプリント配線板（ＰＣＢ）製造技術を使用
・拡散層のデッドゾーンを大幅に減少するためのマイクロチャネル構造及びマイクロスイッチ構造を形成するべく感光材料とＰＣＢ製造技術を代替的に及び／または組み合わせて使用
・機械的締結要素を用いることなく燃料電池アセンブリに接着接合（adhesive bonding）を使用するとともに、電気的接続のため接着剤に金属化合物を添加
・接合領域の剛性向上、構造支持体として働くシール部の形成及び中央の膜への繊維侵入のため接着剤を繊維強化
・大型の支持板を不要とするとともに接着接合を補助するべく、機械的支持のためのバッキング層（backing layers）をその弾性に関連して定められる自然な曲がりをもって予め製造
・中央の膜に沿ったプロトンの流れを遮ることによる、電気的にリンクした同一面内の隣接するセル要素（cell elements）間におけるプロトン遮断。プロトン遮断は接着性、薄板状及び／または感光性の材料からなる遮断構造によってなされる。
【００１４】
２つの電極とその間に配置された電解質層とを有する燃料電池が提供される。この燃料電池は更に、電極に接する１または複数のバッキング層を有する。燃料電池の少なくとも１つは、例えば選択的パターニングのような放射線感受性イメージ転送法によって幾何学的に定められた放射線硬化性樹脂からなる境界構造を有する。硬化のための放射線は紫外光またはプロトンビームとすることができる。
【００１５】
本発明の第１の側面によると、燃料電池のバッキング層に流体伝導システムが設けられる。この流体伝導システムは、少なくとも部分的に境界構造によって形成された、たかだか数層の独立して整形された同一面内及び／または面を横切る中空通路や、場合によっては一体的な流量制限器、及び／または弁機構を含み得る。境界構造は好適には放射線硬化性樹脂のデポジット及び整形によって形成されるが、エッチング、電気めっき、スパッタリング、電着、プリント配線板（ＰＣＢ）製造技術または他のマイクロスケール及びマクロスケール構造要素用の公知製造技術と組み合わせてもよい。
【００１６】
好適には、１または複数のバッキング層は所定の高導電度領域及び所定の低導電度領域を有する。一実施例では、高導電度領域及び低導電度領域は、概ね導電性を有する領域がマスクの開口領域を通じて選択的にデポジットされるような選択的デポジットプロセスによって好適に定められる。或いは、高導電度領域及び低導電度領域は、概ね導電性を有する領域が導電層に接するマスクの露出された領域を通じて選択的にエッチングされるような選択的エッチングプロセスによって好適に定められる。
【００１７】
燃料電池の層の組立方向に沿って、ポートまたは通孔を形成することもできる。このようなポートは個々の機能層間の流体伝導に用いることができる。高導電度領域は、ＰＣＢビア（vias）用によく知られている態様で、これらポートの側壁に沿って延在することができる。また、このような通孔ビアによる接続は、電極の近傍または電極に直接接触するように設けてもよい。高導電度領域は好適には外からの機械的圧力を要することなく燃料電池の他の部品に接触する。このような接触は好適には電気的接触である。高導電度領域は導電度がより低い材料内を通る連続した導電路を好適に形成し、所定の導電経路を提供する。また、所定の機械的、熱的、化学的、または電気的劣化及び／または変質によって、隣接するセル要素の間の領域において中央の膜を選択的に不活性化及び／または構造的に変化させ、燃料電池アセンブリ内において個々のセル要素間のイオン伝導を実質的に禁止することができる。
【００１８】
複数の燃料電池（セル）要素を燃料電池アセンブリ内において同一面内に配置し、電気的に接続してもよい。電気的接続は並列及び／または直列でよく、例えばジャンパー、スイッチ及び半田結合のような導電性結合要素の適切な挿入または除去によって再構成可能とすることができる。
【００１９】
好適には、燃料電池の各層は外から加えられる大きな圧力なしに一体に保持される。この燃料電池アセンブリの部品に機械的締結要素は含まれない。個々の層は接着接合により一体に保持される。接合過程において、接合される層は接着剤が施された領域において一時的に圧を加えられる。接着剤が硬化したら、一時的な圧力は除かれ、接着剤によって接合された領域に働く弾性張力がある程度それに代わる。直接的な接着接合のない領域に引張力を均一に伝えるため、ドームのような予め定められた曲がりをもってバッキング層を前もって形成することもできる。このドームの形状はバッキング層の自然な弾性に関連して定められ、隣接する層に接合されたとき隣接する層に概ね一様な圧力を加えるようにすることができる。
【００２０】
接着剤は、接合の目的及び／または局所的に層間の導電性を増し、例えば、電流コレクタまたはセル要素間の電気的相互接続をなすのに用いることができる。また接着剤は無機材料からなるものとすることができる。接着剤で所定の空洞を周囲する気密封止をなすこともできる。
【００２１】
燃料電池の製造方法は、反応ガスポート及び電気的相互接続のためのパターニングされた通孔を備えた半剛性ポリイミド（polyimide）基板を準備する過程を有する。感光性エポキシ樹脂（例えばMicroChem SU-8）がポリイミド基板上にコーティングされ、その後、所定のマスクを通じたフォトリソグラフィによって反応物フローチャネルとともにパターニングされる。所望に応じて、エポキシ構造の表面を導電性フィルムで被覆してもよい。その後、光化学的にエッチングされた金属フォイルがフローチャネル上に積層されるが、ここで金属フォイルのエッチングされた開口は小さく、好ましくは１０μｍのオーダーである。この微細なフィーチャーサイズは触媒材料を所定の場所に保持する構造支持体と、低抵抗で電流を導通させる微細導電グリッドの２つの働きをする。そうして、各面にカーボン支持された白金触媒層を有する膜−電極アセンブリが、金属フォイル、光パターニングされたチャネル及びポリイミドのバッキングからなる対称構造の間に接合される。
【００２２】
本発明の第２の側面によると、燃料電池の部品を接合する繊維強化された接着剤を含む燃料電池アセンブリが提供される。燃料電池部品の接合を容易にするのに加えて、繊維強化接着剤は燃料電池の化学的反応手段内に反応物をシールし隔離する働きもする。繊維強化接着剤は通常変形容易（compliant）な性質を有し、膜電解質に対し適合性があり、接着剤と繊維網を含む。膜電解質は繊維強化接着剤を用いてバッキング層に接合される。バッキング層は繊維強化接着剤の接着性によって接合される。電解質も繊維強化背着剤の接着性によって接合されるが、この接合は繊維強化接着剤の繊維が電解質内に侵入することにより強化される。
【００２３】
繊維強化接着剤を用いた燃料電池部品の組み付けは高温高圧の下でなされる。繊維強化接着剤は１または複数のパターニングされたシートの形状で、または、自由に流動可能な状態で提供することができる。２またはそれより多くの燃料電池部品の接合を同時に且つ自動化された態様で行うことができる。本発明の完成した燃料電池アセンブリでは、動作中それを一体に保持するための機械的接合及び強度が繊維強化接着剤の接合特性及び強度によって提供されるため、動作中に外からの圧力を必要としない。
【００２４】
繊維強化接着剤に繊維強化を導入することにより、純粋な接着剤に比べてより信頼度の高い接合が得られる。特に、繊維強化接着剤の使用によって小型で軽量のパッケージングが可能となるが、これは薄い製造材料の使用と、特に、ねじ切りされたボルトや硬質の圧迫プレートといった従来の耐荷重部品が不要となることによる。本発明の燃料電池組立の自動化は、連続した圧迫プレートを含む容易にスケール変更可能は製造プロセスを用いることにより好適になされる。燃料電池アセンブリの設計の変更容易性及び複雑さは、繊維強化接着剤が固有のパターンにパターニング可能であることによって達成される。また、繊維強化接着剤の変形容易な性質によって、燃料電池アセンブリの耐久性が向上する。このアセンブリは実質的に特殊な層状複合体となり、剛性、靭性及び他の機械的特性について最適化することができる。
【００２５】
本発明の第３の側面によると、燃料電池における反応物の配流のための新たな設計思想が開示される。この設計思想は、一様な圧力及び速度の実現を促進し、流体の動的損失を最小化し、燃料電池の性能を向上する。各電極における流れ特性を制御するべく小さな流路が所定の態様で設けられる。局所的なチャネルによって能動的な流れの制御（強制的な移動）及び受動的な流れの制御（拡散による移動）が為される。圧力損失を最小化するとともに速度の一様性を維持するべく、より大きなチャネルが小さなチャネルに接続される。これらの新たな特徴に加えて以下の特徴がある：
大きな圧力損失を生じることなく、非常に小さな、高度に並列化された（massively parallel）燃料電池用マイクロチャネルを実現；互いに噛み合うようにまたは別の態様で交互配置された供給及び排出用チャンバを用いることによる広範囲に渡る一様性；及びスケール変更可能な、自動化された低コストな製造方法。このような新たな特徴によって、従来技術に対し以下のような利点が得られる：
【００２６】
反応物の全体的な配流は大きなチャネルによってアクティブセル領域全体に広がるようになされ、高抵抗の小さなチャネルは非常に局所的に且つ短い移動長さでしか存在しないため、均一な圧力及び流れが得られる。
【００２７】
高精度の小さなチャネルは高度に並列化されており且つ供給から排出までの全体的な移動長さの一部しか成していないので、圧力損失が低減される。
【００２８】
流れの挙動がミリメートル未満のスケールで局所的に制御されるため、極めて精緻な性能最適化が可能であり、広範囲の不均一性を避けることができる。
【００２９】
生来的に薄い製造材料の使用によって小型で軽量のパッケージングが実現される。
【００３０】
光パターニング、連続フィルムまたはバッチシート処理を含む高度にスケール変更可能な製造プロセスの使用により、製造自動化が好適に実現される。
【００３１】
バッチ処理材料及び手作業によらない組立手順の選択によってコスト低減が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明によると、高い電力密度を有する小型燃料電池の新規な設計構造及び製造方法が開示される。図２を参照すると、本発明に基づく基本的な燃料電池装置１は２つの電極２０の間にイオン伝導性電解質膜１０を有し、２つの電極２０の外側にはバッキング層またはバッキング構造３０が設けられている。バッキング構造は、流体の供給及び排出のための配流チャネル３１、３２、３５、３６、３７、３８（図３〜図１１参照）を有する。燃料側において一方の電極上の触媒はイオンと電子を分離する。イオンのみが電解質を通過し、酸化剤側で電子と再結合する。こうして外部回路を流れる電子によって電力が供給される。燃料電池１のこれらの層はアセンブリ軸１０１に沿って組み立てられる。
【００３３】
理解が容易なように最初に本発明の数々の特徴を個別の章で説明し、その後でそれらの特徴間の相互関係を説明する。
【００３４】
感光材料から形成された境界構造
第１の実施例では、流体の流れる流路を定める境界構造が、例えばＵＶ硬化エポキシ樹脂のような感光材料から形成される。境界構造の形成は、基板上に未硬化の感光材料をデポジット（deposit）することによって達成される。感光材料は例えばエッチング構造用に用いられる犠牲パターンの形成にも共通して使用される。燃料電池アセンブリにおける剛性及び強度に対する要求に応じて、基板は、例えば、半硬質ポリイミドまたは繊維強化エポキシからなるものとすることができる。基板は永久的（permanent）であっても犠牲的（sacrificial）であってもよい。
【００３５】
燃料電池の境界構造の形成に関連する感光材料の特徴には、可能な最小フィーチャーサイズ（feature size）、フィーチャーアスペクト比（feature aspect ratio）、及び多くの物理特性が含まれる。物理特性には、ガスの非透過性、硬化時の収縮、熱膨張、熱伝導性、熱抵抗、弾性、化学的燃料電池流体抵抗、及び接着強度が含まれる。関連する特徴に適合する好適な材料には、商品名MicroChem SU-8として商業的に入手可能なエポキシ樹脂がある。
【００３６】
境界構造の形成は、犠牲パターンを形成するのと同様な複数の過程でなされる。まず、未硬化の感光材料が基板上にデポジットされる。デポジットされた材料がその後の製造工程において概ね固定した状態に保たれるように、未硬化の材料の粘性を低下させるべく、これを加熱してもよい。このようにしてデポジットプロセスを繰り返し、トータルのデポジット高さが１回のデポジットプロセスより高くなるようにすることもできる。感光材料は、公知のプレプレグ（prepreg）の形態でデポジットすることも可能である。
【００３７】
続いてなされる放射線硬化と組み合わされた選択的パターニングにおいて、感光材料の硬化特性に応じて、単一の形状レベル（contour level）の最大形状高さ（maximum contour height）が形成される。例えば、MicroChem SU-8の硬化特性では、従来のＵＶ放射で、１０μｍ〜１ｍｍの硬化高さに対し、１μｍのオーダーの最小解像度及び１０μｍのオーダーの構造要素に対する最小フィーチャーサイズが与えられる。１０：１より高いアスペクト比を得ることが可能であり、これは１０μｍのフィーチャーサイズが望まれる場合、１回の放射線硬化で形成される形状レベルが１００μｍを越える最大高さを有し得ることを意味する。
【００３８】
後の材料除去処理なしに形成される形状レベルの形状高さは、未硬化の感光材料がある高さでデポジットされるデポジットプロセスによって主として定められる。感光材料の製造業者は、通常、未硬化の材料のデポジットを所定のデポジット高さとなるように行うための手順について詳細な情報を提供している。
【００３９】
本発明において、形状レベルは境界構造の形状レベルであり、そこでは境界構造の側壁は概ね連続であり、幾分かデポジットの高さ方向に伸びて（propagating）いる。放射線源の向き及び焦点に応じて、側壁は徐々に狭まったり、徐々に広がったり、或いは境界構造のデポジット方向に垂直に伸びたりすることができる。
【００４０】
感光材料を選択的パターニング及び放射線硬化とともに用いることで、非平面状の境界構造の大量生産も可能となる。そのような場合、感光材料は非平面基板上にデポジットしても、或いは、平面基板上にデポジットしてもよい。湾曲した基板上にデポジットしたり、及び／または、デポジットした感光材料を湾曲した型内で焼いたりすることにより、３次元の湾曲を形成することもできる。また、焼かれたが未硬化の樹脂に二次的な機械加工処理を施して、３次元湾曲を形成することもできる。その利点は以下の「自然な曲がりを有するバッキング層」の章において明らかになるだろう。
【００４１】
本発明がなされた時点において、発明者の認識するところでは、感光材料を硬化させるためのＵＶ照射は概ね深さによらない（insensitive）。このことは、ある形状レベルの形状高さを形成する際、各照射過程の後に硬化していない材料を除去し、その後にデポジットされる層の放射線硬化において不所望に硬化するのを防止する必要があることを意味する。
【００４２】
発明者の認識するところでは、MicroChem SU-8のようなＵＶ硬化可能な樹脂をプロトン照射によって硬化させることもでき、その場合、プロトン照射パラメータを変えることで硬化深さを調節することができるという利点がある。そのようにして、デポジットと選択的パターニングを、未硬化の感光材料の除去を間に行う必要なく、繰り返し行うことができる。選択的パターニング及び放射線硬化の後に残っている未硬化の材料は、デポジット、選択的パターニング及び放射線硬化を含む後の製造サイクルにおいて犠牲材料として用いることができる。この連続パターニングは、複数の互いに重複及び／または被覆する形状レベルを含む複雑な形状の層構造を形成する上で大きな利点を有する。本発明では、整形層（shaped layer）とは、選択的パターニング及び放射線硬化を施された感光材料からなる燃料電池アセンブリの層である。
【００４３】
上記した理由により、感光材料の使用は燃料電池における境界構造を形成するのに非常に好ましい。スパッタリング及び／または電気めっきのような他の技術を導電性リード及び／または導電性領域を形成するのに感光材料と組み合わせて用いてもよい。
【００４４】
感光材料は、中空通路や、例えば弁、流量制限器または電気機械要素などの他の構造要素の底面、側壁及び／または上面を形成するのに用いることができる。当業者にはよく知られているように、異なる性質の感光材料を、特定の目的のために組み合わせることもできる。上記したように、例えばプロトン遮断構造のような他の構造を感光材料から形成することもできる。プロトン遮断構造の使用については、以下の「プロトンクロス伝導防止」の章で説明する。
【００４５】
しかしながら、場合によっては、導電性のリード、経路、及び領域のような機能要素を含む及び／または一体に具備するため、或いは、感光材料では得ることのできない他の物理的特性を提供するため、他の製造技術を用いる必要がある。特に、繊維強化の場合、繊維幅と同じぐらいのスケールの特徴を放射線硬化で形成することは実用的でないが、それは硬化過程におけるデポジットされた材料中の放射線の伝搬が繊維によって乱されるからである。
【００４６】
境界構造と組み合わされた導電経路のためのＰＣＢ製造技術
複数の形状レベル（contour levels）を有する整形層を製造するための別の方法は、独立して形成された複数の形状レベル及び／または整形層を層状化し接合することである。更に、接合の目的に十分適合する限り、任意の板状構造を層状化し一体化してもよい。特に、感光材料で形成されるものより大きなスケールの特徴部を備えた大型の板状構造（board structure）を形成する場合、層状化や他のプリント配線板においてよく知られている製造技法が、感光材料と組み合わせて用いられる。板状構造は複数の層状化されたプレプレグから形成することもできる。繊維強化エポキシを用いて、僅かな反りで広範囲に渡って延在し得る堅い構造を形成することもできる。
【００４７】
板状構造は、上記したように感光材料から形状レベル、整形層、及び／または境界構造を形成するための基板として用いることができる。板状構造自身が、以下に述べるように、例えば供給チャネルマニホルド３１、３５、３７及び／または排出チャネルマニホルド３２、３６、３８のための境界構造を具備することもできる。
【００４８】
板状構造は、好適には公知のＰＣＢと同様の寸法スケールで製造される。従って、安価で容易に適用可能なＰＣＢ製造技術を用いて、燃料電池の動作中に発生する電流の収集及び／または伝達に適した電気部品を形成することができる。特に有益なのは、通常ＰＣＢにおいて電子部品を半田付けしたり、ＰＣＢの一面側から他面側へまたはＰＣＢ内の金属層へ（または金属層内に）導通路を形成したりするためのビア穴（via holes）である。このようなビア穴は、通常、様々な直径を有し側壁が金属被覆された通孔からなる。本発明では、ビア穴は収集した電流の伝達とともに或いはその替わりに流体を流すのに用いられる。これは、効率的な流体の流れを実現すると同時に板状構造の高さ方向に電流を伝達するべく多数のビア穴が密に設けられた構成において特に有益である。
【００４９】
本発明で用いられる別の技術は、ＰＣＢの一面または両面若しくはＰＣＢ内部に設けられる金属クラッド層（cladding layers）を整形するための公知のＰＣＢ製造技術である。それによって、導電性リードや導電経路及び中空通路の境界構造を形成することができる。ガス拡散層２０に隣接した中空通路の側壁の形成に特に関連するが、クラッド層の高い導電性は収集された電流をガス拡散層から遠ざけるように伝達するのに好適である。ＰＣＢのような板状構造は５０μｍから１ｍｍの範囲の厚みを有する。境界構造に用いられるＰＣＢのようなクラッド層は１０μｍから２００μｍの範囲の厚みを有する。クラッド層の金属は、パターニング及びエッチングが比較的容易な銅からなるものとすることができる。燃料電池の動作流体に対する耐腐食性を高めるため、クラッド層を金などの耐金属腐食層によって被覆することもできる。クラッド層の他に、スパッタリング及び／または電気めっきなどの他の技術を、導電性リード及び／または導電性領域を形成するのに用いてもよい。
【００５０】
高い導電性を有する境界構造を提供するべく導電性ビア穴及び／またはクラッド層を用いるため、及び、特に商業的に入手可能なＰＣＢの原材料上にクラッド層を形成する際の厚さに関する制限を許容するため、本発明では、マイクロチャネル構造やマイクロスイッチ構造といった特殊なチャネルの設計が用いられる。
【００５１】
マイクロチャネル構造
図３及び図４を参照すると、バッキング層３０は、その接触面３９上に配置された高度に並列化されたマイクロチャネル３３の形態の中空通路を提供している。マイクロチャネル３３のフィーチャーサイズは好適には２０μｍから４００μｍである。最小チャネルサイズは隣接し接触するガス拡散層２０の構造に影響される。カーボンクロスを含む拡散層２０の場合、カーボン繊維は約１０μｍの厚さを有する。チャネル幅を繊維の厚さ以下に小さくすると、マイクロチャネル３３の上部が塞がり、拡散層２０とマイクロチャネルとの間の流体伝搬が妨げられる恐れがある。
【００５２】
マイクロチャネル３３の断面が比較的小さいことは、それらを高度に並列化することで補償されている。流体は第１の開口３４１と第２の開口３４２を通じてマイクロチャネル３３へと流入若しくはそこから流出する。第１の開口３４１は供給チャネルマニホルドのフィンガーチャネル３１とマイクロチャネル３３を接続する中空通路である。供給チャネルマニホルドは、マニホルド入口３７と供給クロスチャネル３５を含む。燃料電池１にマニホルド入口３７を通じて流入した流体は、供給クロスチャネル３５に沿って進み、供給フィンガーチャネル３１に漸次分配される。供給フィンガーチャネル３１に沿って流れる流体は、入口開口３４１を介してマイクロチャネル３３に漸次分配される。マニホルド入口３７、供給クロスチャネル３５及び供給フィンガーチャネル３１は、供給チャネルマニホルドの一部である。
【００５３】
残余流体はマイクロチャネル３３から出口開口３４２を通じて排出フィンガーチャネル３２へと流出し、排出クロスチャネル３６へと案内される。個々の排出フィンガーチャネル３２から集められた残余流体は全てマニホルド出口３８へと進み、燃料電池１から排出される。マニホルド出口３８、排出クロスチャネル３６及び排出フィンガーチャネル３２は排出チャネルマニホルドの一部である。
【００５４】
櫛歯状に噛み合った供給フィンガーチャネル３１と排出フィンガーチャネル３２の組み合わせは、それらとクロスする向きのマイクロチャネル３３と相俟って、燃料電池１のフットプリント（foot print）を燃料電池要素に有効利用するのを可能とする。マイクロチャネル領域３３４の大きさは、好適には、単一のセル要素が所与の出力を発揮するのにそのセルに求められる面積に関連して定められる。本発明によると、マイクロチャネル領域３３４はマイクロチャネル３３の概ね連続なアレイからなるものとすることができる。各マイクロチャネル領域３３４間の分離は、電気的にリンクしたセル要素間のプロトン遮断の必要性によって定められるが、それについては後に「クロス伝導防止」の章で詳細に説明する。各マイクロチャネル領域３３４間の分離は、接着接合面積によっても影響されるが、それについては以下の「接着接合」の章で説明する。更に、各マイクロチャネル３３４間の分離は電流伝達によっても影響されるが、それについては以下の「電流伝達」の章で詳細に説明する。
【００５５】
フィンガーチャネル３１、３２とマイクロチャネル３３は、開口３４１、３４２がマイクロチャネル３３及びフィンガーチャネル３１、３２の所与の幅に対して最大となるように配置することが望ましい。そのため、各開口３４１、３４２がフィンガーチャネル３１、３２の全幅に渡って延在することができ、且つ、対応するマイクロチャネル３３の境界内にあるように、マイクロチャネル３３がフィンガーチャネル３１、３２と重なるようにしてもよい。開口３４１、３４１はマイクロチャネル３３の端にあってもよく、これは、本発明によると、拡散層２０とマイクロチャネル３３の間の外部から強制された流体交換及び公知の反応によって生じる流体交換がマイクロチャネル３３の長さに沿って概ね一定となるようなマイクロチャネル３３の有限な長さに関する位置を意味する。
【００５６】
マイクロチャネル３３は開口３４１、３４２及びチャネルマニホルドとともに複雑な形状の境界構造を形成するが、この境界構造には整形層及び板状構造が含まれ得る。整形層及び／または板状構造は、マイクロチャネル３３の大きさ、マイクロチャネル領域３３４の数及び当業者には公知の他の設計上の条件に応じて具現することができる。例えば、マイクロチャネル３３の大きさがクラッド層を形成するためのＰＣＢ製造技術に適合したものである場合、マイクロチャネル形状高さ３３０に渡る第１の板状構造を用いることができる。マイクロチャネル３３はクラッド層に設けることができる。開口３４１、３４２は第１の板状構造、または、第１の板状構造に接合された第２の板状構造の一部に形成されたビア穴からなるものとすることができる。マニホルド形状高さ３１０を有するチャネルマニホルドは、第１の板状構造、第２の板状構造、或いは、第３の板状構造内に組み込むことができ、各板状構造は隣接する板状構造に接合される。開口３４１、３４２及びマイクロチャネル３３の適用可能なフィーチャーサイズは２０μｍ〜４００μｍの範囲とすることができる。
【００５７】
マイクロチャネル３３が上記したような感光材料に対する製造技術に適合する大きさであるような別の例では、マイクロチャネル形状高さ３３０に渡る第１の整形層を用いることができる。形状高さ３３０に渡るマイクロチャネル３３を画定する第１の形状レベルは、犠牲基板上或いは開口３４１、３４２を提供する形状レベルまたは板状構造の上面に形成することができる。形状高さ３４０に渡る板状構造が用いられる場合、開口３４１、３４２はビア穴として形成することができる。マイクロチャネル３３の大きさがＰＣＢ製造の寸法的限界より小さい場合、形状高さ３４０に渡る第２の形状レベルを用いることができる。当業者であれば、この例に従って、寸法スケールや最適な量産規模に対応した、含まれる全ての中空通路の境界構造を提供するためのＰＣＢ製造と感光材料の可能な組み合わせを提供することが可能である。感光材料を最適に活用する適用可能な開口３４１、３４２及びマイクロチャネル３３のフィーチャーサイズは２０μｍから４００μｍの範囲とすることができる。
【００５８】
感光材料を単独で用いて境界構造が形成される場合、バッキング高さ３０１に渡る基板を設けることができる。その場合、基板は半硬質のポリイミドまたは繊維強化されたエポキシとすることができる。
【００５９】
個々のマイクロチャネル３３間の分離距離とチャネル幅は、境界構造と拡散層の接触圧力を実際的な範囲内に維持するべく、概ね同じとなっていることが好ましい。また、拡散層２０からの集電を改善するため、境界構造と拡散層２０の間に所定の接触面積があることが望ましい。詳細は以下の「集電」の章で説明される。
【００６０】
チャネル幅、チャネル高さ及びチャネル間隔などのフィーチャーサイズが概ね等しい、概ね均質に形成されたマイクロチャネル領域３３４に対して実験的に得られた動作セル電圧に対する電流密度がいくつか図１７に示されている。これらの曲線は、５乃至５００μｍのフィーチャーサイズに対するものである。表面粗度及び他の公知の影響は、測定に対して一定であると考えられる。図１７の結果は図１８の反転グラフにも示されているが、そこではセル電圧がフィーチャーサイズに対してプロットされている。図１８の曲線は一定の電流密度の曲線である。
【００６１】
図１７について述べたのと同じ仮定の下、図１９は２０μｍ及び１００μｍのフィーチャーサイズに対して電力密度と電流密度の関係を示している。図２０は、様々な電流密度に対しピーク電力密度とフィーチャーサイズの関係を示す。
【００６２】
集電
燃料電池１の効率的な動作のため、接触面３９と拡散層２０の間の集電インタフェースにおいて効果的に電流が集められる。効率的な集電は拡散層２０に隣接する境界構造の性質に基づいて、いくつかの方法で達成される。拡散層２０に隣接して板状構造が設けられる場合、接触する境界構造はクラッド層からなる固体金属とすることができる。接触面３９における導電度は高くなる。
【００６３】
感光材料が境界構造として用いられる場合、接触面３９における通常低い樹脂の導電度を、図５ＡＡに示すように接触面３９を導電性材料でコーティングすることによって増加することができる。金属コーティング３９１は、電気めっき及び／またはスパッタリングを選択的パターニング及び／または続いてなされるエッチングと組み合わせて行うことで、導電度の高い領域がセル要素によって占められる領域内に限定されるように設けることができる。隣接するセル要素間の電気的なクロス伝導は阻止される。
【００６４】
接触面３９における導電度は、図６ＡＡに示すように接触面３９上に予め形成された金属フォイルを接合することによっても増加することができる。金属フォイルは複数の穿孔（perforations）が設けられてガス貫通可能となっており、それにより流体が拡散層へ向かってまたは拡散層から遠ざかるように導通することができる。
【００６５】
図５ＡＡと図６ＡＡのどちらの場合も、導電性接着剤を集電インタフェースに更に塗布することができる。締結機構を有さない燃料電池１では、集電インタフェースにおける接触抵抗を、集電インタフェースにおける接触圧力に無関係に極力小さく保つことが望ましい。図２２は、接触インタフェースにおける接触圧力に対する接触抵抗を実験的に求めた結果を示すグラフである。曲線２２０１は導電性接着剤を用いないブランク接触インタフェースに対する結果を示す。曲線２２０２は導電性接着剤を用いた改善された接触インタフェースに対する結果を示す。接触抵抗の低減により、図２３及び図２４に示すように電流密度及び電力密度も増加する。図２３において、曲線２３０１はブランクインタフェースに対応し、曲線２３０２は改善されたインタフェースに対応する。図２４において、曲線２４０１はブランクインタフェースに対応し、曲線２４０２は改善されたインタフェースに対応する。
【００６６】
実験では、接着剤は剪断強さが１２００ポンド／インチより大きく体積抵抗率が０．００１Ω−ｃｍより小さい銀添加エポキシであった。公称厚さ５０μｍのステンレス鋼フォイル中にチャネル幅が約１００μｍの流れ領域をエッチングにより形成した。流れチャネルは１４ｍｍ×１４ｍｍのアクティブセル領域を覆うように並列に配置した。実験は室温で１気圧の下で行った。膜−電極アセンブリは、２ｍｇ／ｃｍ２で白金触媒を担持した従来のNafion 115であった。
【００６７】
電流伝達
燃料電池１の効率的な動作のため、集電インタフェースから離れる向きに効率的に電流の伝達がなされる。効率的な電流伝達は、拡散層２０に隣接する境界構造の性質に基づいていくつかの方法で達成される。
【００６８】
拡散層２０に隣接して板状構造が設けられる場合、接触する境界構造はクラッド層からなる固体金属とすることができる。その結果、形状高さ３３０に沿った導電度は高くなる。また、板状構造導電性材料を付加し、板状構造内の導電度を増加させることもできる。
【００６９】
感光材料が境界構造として用いられる場合、形状高さ３２０に沿った通常低い樹脂の導電度を、図５ＡＡに示すようにマイクロチャネル３３の側壁を導電性材料でコーティングすることによって増加することができる。このコーティングは、「集電」の章で述べたような接触インタフェースのコーティングと共に設けてもよい。
【００７０】
電流は各セル毎に別個に伝達されるのが好ましい。そのため、導電性経路またはリードが、形状高さ３３０及び／または３４０に渡って、及び／または、形状高さ３３０及び／または３４０に沿って形成される。
【００７１】
図７では、高さ３４０に渡る板状構造３４６が用いられている。板状構造３４６は入口及び出口開口３４１、３４２として働くビア穴を有している。ビア穴は、接触面から離れたレベルにおいてバルクリード３４５に導通可能に接続された導電壁３４３を有する。本発明によると、この離れたレベルは好適には接触面３９から遠ざかる側である。バルクリードはクラッド層中に形成してもよい。バルクリード３４５と同じ側には、チャネルマニホルド３１、３２がある。チャネルマニホルド３１、３２の断面は、バルクリード３４５の高さが流体伝搬に概ね悪影響を与えないような寸法となっている。バルクリード３４５は燃料電池１の周囲へと低抵抗で電流が流れるように密に配置されている。形状高さ３３０に渡る整形層によりマイクロチャネル３３が設けられる。マイクロチャネル３３の側壁及び底面と、接触インタフェースは金属コーティングされている。金属コーティングはビア壁に導通可能に接続され、それによって、接触インタフェースから高さ３３０、３４０に渡り且つバルクリード３４５に沿った導電経路が確立される。
【００７２】
図８及び図９では、バッキング層３０は以下の「マイクロスイッチ構造」の章でより詳細に説明されるマイクロスイッチ構造を有している。図８において、高さ３０１に渡る基板上に複数の形状レベルが形成された整形層を設けることで境界構造全体を具現することができる。収集された電流を燃料電池１の周囲へと伝達する導電性リードは、集電部の間において共に接触面３９上にデポジットされる。
【００７３】
図９では、板状構造３４７によって接触面３９が提供されている。バッキング層３０の残りは整形層によって提供されている。バルクリード３４５は、図７で説明したのと同様に、接触面３９から離れた側に設けられている。集電部は、板状構造３４７の接触面３９上に直接デポジットされている。集電部は導電性壁３４３を介してバルクリード３４５に導電可能に接続されている。
【００７４】
燃料電池１の周囲において、例えば、半田端子、ジャンパーなどの電気要素３９２（図１２参照）を設け、燃料電池１の個々のセル要素への、個々のセル要素からの、及び／または、個々のセル要素間の一時的及び／または永久的な接続を提供することができる。
【００７５】
マイクロスイッチ構造
図１０及び図１１によると、マイクロスイッチ構造は拡散層２０に隣接する入口穴３４１と出口穴３４２の間の領域において拡散層２０を通過する流体の流れを提供する。入口穴３４１は出口穴３４２に対して交互に織り交ざってアレイ状に配置されており、接触面３９を通じて拡散層２０へ向かって伸びている。流体は入口穴３４１の近傍では拡散層２０を通って概ね径方向に入口穴３４１から遠ざかる方向に伝搬し、出口穴３４２の近傍では拡散層２０を通って概ね径方向に出口穴３４２へ向かって伝搬する。その結果、拡散層２０のデッドゾーンは概ね除去される。本発明に関し、デッドゾーンとは、電極に到達する流体が実質的にない拡散層の領域である。デッドゾーンを小さく抑えることは、セル要素の拡散層に沿った全面的な電流密度の向上に寄与する。
【００７６】
入口穴３４１と出口穴３４２はそれぞれの供給フィンガーチャネル３１及び排出フィンガーチャネル３２と連通している。入口穴３４１と出口穴３４２の間のピッチ３４９は１００μｍ程度に小さくすることができる。穴３４１、３４２の最小サイズは、触媒担持ガス拡散層の特性によって制限され、これら穴がカーボン繊維または触媒粉によって詰まることがないようにされる。入口及び出口穴３４１、３４２の二次元アレイは、フィンガーチャネル３１、３２の延在方向に対し角度を持っていてもよい。図１１に示した例では、穴アレイの角度はフィンガーチャネル３１、３２の延在方向に対し約４５度の角度となっており、フィンガーチャネル３１の幅は所与のピッチ３４９に対して最小となっている。
【００７７】
フィンガーチャネル３１、３２の幅に対するピッチ３４９の影響を小さくするため、以下の「空間的マニホルド配置」で説明するように整形層及び／または板状層と共に３次元マニホルドチャネルを実現することもできる。
【００７８】
空間的マニホルド配置
整形層または板状構造のいずれかによって複雑な境界構造を形成する可能性について、上記の「感光材料から形成された境界構造」及び「境界構造と組み合わされた導電経路のためのＰＣＢ製造技術」の章で説明した。これらの可能性を組み合わせたり独立して適用したりすることで、供給チャネルマニホルド及び排出チャネルマニホルドを含む配流チャネルシステムが２つの態様で提供される。第１に、上記章にて説明したように、供給チャネルマニホルド及び排出チャネルマニホルドを一平面内に設け、最終的に整形層の単一の形状レベル内に定めることができる。
【００７９】
第２に、図８及び図９に示すように、供給チャネルマニホルド及び排出チャネルマニホルドをアセンブリ軸１０１に沿ってずらして設けることができる。これにより、供給チャネルマニホルドと排出チャネルマニホルドは整形層の別個の形状レベル内に定められる。このようにすることにより、フィンガーチャネル３１、３２の幅をより自由に選択することが可能となる。それに応じて、穴３４１、３４２の長さは対応するチャネルマニホルドまで延在するように調節される。
【００８０】
図８及び図９の例は、ガス拡散層へ向かう及びガス拡散層から遠ざかる流体交換のため、いくつかの別個の形状レベルを用いるという本発明の思想を例示している。当業者には理解されるように、この思想を変形して、製造及び動作に適するよう流体供給及び／または流体排出が別個の形状レベル内でなされるようにすることもできる。
【００８１】
接着接合
燃料電池の複雑な境界構造及び他の機能層は、接着剤によって一体に接合することができる。感光材料は、化学的に類似した接着剤と組み合わされる場合、特に接着接合に適し得る。例えば、板状構造の繊維強化エポキシや、MicroChem SU-8のようなエポキシベースの感光材料は、エポキシベースの接着剤と良好に結合し得る。化学組成が類似していることによって、例えば、高い接合強度、類似した熱特性、類似した化学的特性及び類似した物理的特性といった接合における公知の利点が得られ、要するに、接合がより信頼性が高く実現容易なものとなる。
【００８２】
更に、接着剤の使用によって、シールやインシュレータ及び締結構造などの別個の部品を少なくするまたはなくすことができる。それによって、接着接合を用いた改良された燃料電池１はより簡単で製造容易になり、且つ、極めてコンパクトな全体デザインと高効率の動作が実現される。
【００８３】
図１２に示すように、バッキング層３０は膜１０の材料分離部（material separations）１１、１２を通じて接着接合することができる。材料分離部１１は、後に「プロトンクロス伝導防止」の章で説明される更なる機能を提供する。
【００８４】
繊維強化接着剤
接着剤は以下に述べる理由のため繊維強化することもできる。図１２は本発明の燃料電池アセンブリの分解組立等角投影図であり、両主面上に触媒担持ガス拡散層２０を有する膜電解質１０を示している。膜電解質１０は例えばduPont社のNafion 115からなり、カーボンクロスのような電極バッキング材料を備え、白金触媒が挿入されて触媒担持ガス拡散層２０をなすものとすることができる。しかしながら、当業者には容易に理解されるように、本発明はこのような種類の材料に限定されるものではなく、他の電解質材料、電極材料及び触媒を本発明の範囲を逸脱することなく用いることが可能である。各触媒担持ガス拡散層２０の背面側の反応チャンバーをシール及び隔離するための領域を設けるため、燃料電池設計の分野では広くなされているように、膜電解質１０は触媒担持層２０よりも広がって伸びている。
【００８５】
図１２の実施例は更に、膜電解質１０の各側に設けられたパターニングされた繊維強化薄板接着シート６０を示しており、この接着シート６０は組み付け時に膜電解質１０をバッキング層３０の各々に接合する。バッキング層３０には、反応物を触媒担持ガス拡散層２０の外面に導くためのチャネルが設けられている。またバッキング層３０はシール面を提供するフレーム領域を有している。繊維強化薄板接着シート６０は周囲にフレームが設けられるように開口領域をカットすることでパターニングされ、各ガス拡散層への反応物の送付を妨げることなく周縁部のシールを提供する。開口領域は接着部が邪魔となることなく電極を受け入れることができる寸法となっており、フレームは膜電解質の周縁部によるシール領域と整合するような寸法となっている。繊維強化接着剤６０はシート状に形成することができ、それによって自動的な取り扱い（例えばバッチ処理）が容易になるとともに、複雑な幾何学的及び固有のパターニングが可能となる。繊維強化薄板状粘着シート６０は好適には変形容易な性質を有することが好ましく、それによって燃料電池アセンブリの耐久性を向上するとともに、剛性、靭性及び接合の他の機械的性質を最適化することができる。繊維強化接着シートの例としては、例えばFR402プレプレグのようなIsola FR400シリーズがある。しかしながら、本発明の目的及び利点を達成し、接着及び繊維強化接合を提供するために、別の繊維接着剤を用いることもできる。
【００８６】
燃料電池アセンブリの一例では、繊維強化薄板接着シート６０は電解質膜１０と２つの配流バッキング部材３０の各々との間に設けられる。このアセンブリ全体が、繊維強化接着剤が硬化するのに十分な高温高圧に曝される。高温高圧の例としては、限定するものではないが、例えば１２０℃及び９００ｋＰａとすることができる。硬化時間は、限定するものではないが、例えば１２０℃、９００ｋＰａで約２時間とすることができる。この接合過程によって更に、接着シート内の繊維が膜面１０に食い込み、密接な接触及び機械的連結が強化される（図１５参照）。燃料電池アセンブリは、温度及び圧力が除去された後も接合状態を維持する。
【００８７】
図１４は、好適には繊維７０の網状組織及び接着材料８０を含む、繊維強化薄板接着シート６０の実施例の側断面の拡大図である。本発明の好適実施例では、接着剤は室温において繊維マトリックス中に保持されるが、接合過程において加えられるような高温では液状となる。
【００８８】
図１５は、電解質膜１０と配流板３０の境界において示された、繊維強化薄板接着シートの拡大側断面図である。流動可能な接着剤８０は配流板３０と表面接合を形成する。しかしながら、本発明で特に注意すべきはインタフェース領域９０であり、そこでは繊維７０が膜電解質１０の本体中に食い込んでいる。このように繊維が食い込むことによって接合が機械的に強化され、表面接着のみの場合よりすぐれた接合が得られる。膜電解質１０と繊維強化接着剤６０との間の繊維強化接合によって膜電解質１０が幾分か変形し、それによって接合強度が一層高められる。
【００８９】
本発明をいくつかの実施例に基づいて説明してきたが、これら実施例は例示を意図したものであって、限定的なものではない。本発明の具体的な実施において、当業者であれば本明細書における説明から導くことができる多くの変形変更が可能である。例えば、本発明を膜電解質とバッキング層３０の間の接合について説明したが、燃料電池の他の部品または複数の燃料電池を、繊維強化接着剤を使った同様の方法で組み立てることもできる。他の変形として、繊維強化薄板接着シートはシート状のものとして供給する必要はなく、流動可能な接着剤として供給することもできる。流動可能接着剤は、例えばシリンジ先端の自動制御機器による操作といった他の塗布及びパターニング方法を可能とする。本発明の更に別の変形では、繊維強化薄板接着シート及び電極／触媒バッキングの接合を同時に行うが、それはどちらの過程も通常高温高圧を用いるからである。例えば、“高温プレスされた”膜−電極アセンブリを予め組み立てた後、別個の接着接合過程を適用することもできるが、原理的には、これらの処理のいくつかまたは全てを同時に実行することができる。更に別の変形では、繊維強化薄板接着剤を１または複数のシートとして供給し、厚さや接合特性を調節するべくこれらを積層することができる。本発明の更に別の変形では、燃料電池の製造における異なる一体化プロセスが結合または変更される。例えば、繊維強化接着剤を別個のシートとして導入するのではなく流体バッキング構造の一体的な部分としてパターニングすることができる。尚、パターニングは除去される部分を最終的に残る部分から区別する任意の製造プロセスを含み得る。そのようなプロセスには、限定するものではないが、スタンピング、ブレード切断、レーザー切断、フォトマスク、及び現像が含まれる。本発明の更に別の変形では、好適な特性が得られるように燃料電池の組み立て方法を変形してもよい。例えば、好適実施例では膜のカソード側とアノード側が同時に接合されるが、特殊な添加剤、シール検査、湿潤処理、洗浄などを含み得る目的のため、膜の各側を個別に任意の順で接合してもよい。本発明の更に別の変形では、エポキシ化合物中の銀粉またはグラファイト繊維のような導電性充填材料を導入または除去することによって導電度を選択的に設定することもできる。上記したような変形は全て本発明の思想及び範囲内に入るものと考えられる。
【００９０】
自然な曲がりのバッキング層
燃料電池１の全体的なアセンブリ高さを最小化するため、個々の層を極力薄くし組み立てることが望ましい。同時に、使用される材料の剛性の制限のため、構造的剛性が求められるところでは、ある最低限の厚さが要求される。特に、当業者にはよく理解されるように、燃料電池１の中央の層を外側から支持するバッキング層３０は、圧力下での接着接合処理の間及び／または燃料電池１の動作中において十分な剛性を提供しなければならない。バッキング層３０の厚さを低減するため、バッキング層３０の所定の歪みに対抗するような自然な曲がりをバッキング層３０に導入することができる。所定の歪みは、接合処理及び／または燃料電池の動作中に発生し得る。
【００９１】
図１３に示すように、バッキング層３０はその組み付け前において自然な曲がりを有する。この自然な曲がりは接合領域６２に加えられる力Ｆに対して調整される。その結果、領域６３にかかる接触圧力は、続けて組み付けられるバッキング層３０において生じる弾性撓みにも関わらず、組み付けられたバッキング層３０の間で概ね等しくなる。
【００９２】
プロトンクロス伝導防止
図１６によると、プロトンクロス伝導は燃料電池１の電気的にリンクされた隣接するセル要素間で発生する。図１６において、セルＡのカソード拡散層２０はセルＢのアノード拡散層２０にリード３９１を介して電気的に接続されるが、これは間に位置する電解質層を貫通する必要はなく、外部の電気回路を通じてなすことができる。２つの隣接するセルが近接しており膜層１０がプロトン伝導性を有することにより、セルＡのカソード拡散層２０とセルＢのアノード拡散層２０の間でプロトンが伝搬し、セルＡとＢの間に寄生電圧が発生する。寄生電圧は、影響されるセル要素の動作セル電圧（operational cell voltages：ＯＣＶ）に悪影響を与える。プロトン伝導は隣接するセル要素間の膜の構造及び隣接するセル要素間のギャップ距離及び関連する各セル要素のセル境界面積に依存する。本発明では、セル境界面積は、境界長さに膜厚を含むアノード及びカソード拡散層２０の高さを掛けて得られる面積である。図２５は、セルギャップ１３ｍｍ（中抜き丸の曲線）、セルギャップ４ｍｍ（塗り潰し三角の曲線）、及び理想的なプロトン遮断物と考えられる破断した膜（塗り潰し四角の曲線）に対して実験的に定められたセルＢの電圧に対するセルＡの動作セル電圧（ＯＣＶ）を示すグラフである。図２６は、ギャップ距離Smin、１３（図１２、１７参照）に依存する破れのない膜に対する様々な最大電力低下をセル境界面積ｔ＊Ｌ２に対して示したものである。
【００９３】
プロトン遮断をなすための最もよい方法はプロトン伝搬路を断つことである。これは、膜に構造的な損傷を与える、または、電解質支持膜の材料分離部１２（図１２参照）を横切って燃料電池の隣接するセル要素間にプロトン遮断構造を配置することによって達成される。図１２及び図１７に示すように、そのようなプロトン遮断構造は繊維強化樹脂６１からなるものとすることができる。プロトン遮断構造は整形層によって提供することもできる。膜への構造的損傷は、例えばスタンピングまたはエッチングのような公知の機械的及び／または化学的材料除去技法によって為すことができる。
【００９４】
上述したように、明細書に開示した本発明の範囲は請求の範囲によって定められる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】従来技術の燃料電池の単純化された断面を示している。
【図２】本発明の目的に基づく燃料電池の単純化された断面を示している。
【図３】マイクロチャネルが形成された単純化されたバッキング層の第１の例示的な断面を示している。
【図４】図３に示したのと同様の例示的なバッキング層の下から上に見た図。
【図５ＡＡ】図３、４においてラインＡ−Ａによって示された第１の単純化された断面を示している。
【図６ＡＡ】図３、４においてラインＡ−Ａによって示された第２の単純化された断面を示している。
【図７】マイクロチャネルが形成された単純化されたバッキング層の第２の例示的な断面を示している。
【図８】マイクロスイッチが形成された単純化されたバッキング層の第３の例示的な断面を示している。
【図９】マイクロスイッチが形成された単純化されたバッキング層の第４の例示的な断面を示している。
【図１０】マイクロスイッチバッキング層に対する流体の流れを例示するための単純化された燃料電池の中央部断面を示している。
【図１１】マイクロバッキング層に対する流体の流れを例示するための単純化されたバッキング層を下から上に見た図。
【図１２】例示的な燃料電池アセンブリの分解斜視図。
【図１３】組立前の燃料電池の単純化された断面図であり、自然な曲がりを有するバッキング層が示されている。
【図１４】繊維強化された接着剤層の模式的な断面図。
【図１５】繊維強化層によって接合された２つの層の模式的な断面図。
【図１６】２つの隣接した、電気的にリンクした同一面内のセル要素を備えた膜−電解質アセンブリの模式的な断面を示すことによってプロトンのクロス伝導の影響を示している。
【図１７】例示的なプロトン遮断構造を備えた、図１６に対応する膜−電解質アセンブリの模式的な断面図。
【図１８】様々なマイクロチャネルサイズに対してセル電圧と電流密度の関係を示した例示的なグラフ。
【図１９】様々な電流密度のレベルに対してセル電圧とフィーチャーサイズの関係を示す例示的なグラフであり、所与の電流密度においてフィーチャーサイズが小さいと電圧は高くなることを示している。
【図２０】２つのマイクロチャネルサイズに対して電力密度と電流密度の関係を示す例示的なグラフ。
【図２１】ピーク電力密度及び電力損失とフィーチャーサイズの関係を示す例示的なグラフであり、上側の曲線に示されるように、ピーク電力はフィーチャーサイズが小さいほど大きくなるのに対し、流体を非常に狭いチャネルを通じて流すことに関連する電力損失の不利益は比較的小さいものとなっている。
【図２２】電流ドレイン抵抗と層間圧力の関係を、拡散層をバッキング層に対して接合するのにＡｇ濃度を高められた樹脂を用いた場合とそうでない場合とについて示した例示的なグラフ。
【図２３】従来の圧力を加えた導電接合層アセンブリと圧力を加えない導電接合層アセンブリについて、セル要素電圧と電流密度の関係を示す例示的なグラフ。
【図２４】従来の圧力を加えた導電接合層アセンブリと圧力を加えない導電接合層アセンブリについて、電力密度と電流密度の関係を示す例示的なグラフ。
【図２５】第１のセルに対する動作電圧と隣接する第２のセルの電圧の関係を示す例示的なグラフ。このグラフの各線は２つの隣接するセル間の関係を、それらの間の様々なプロトン遮断条件に対して示している。
【図２６】様々な最大電力減少及び最大動作セル電圧に対してセル境界面積に対する隣接セル間距離を示した例示的なグラフ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ＡＡ】
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【図６ＡＡ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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