(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの電気化学セルを備えた電気化学カセットの製造方法であって、
電気化学カセットは、複合膜電極接合体（ＭＥＡ）であって、モールドされ前記ＭＥＡの周縁に接合されたガスケットを有し、前記ガスケットは、その厚みを貫通して広がる少なくとも１つの反応物質マニホールド開口および少なくとも１つのシール材チャンネルまたはポートを具備する複合膜電極接合体、および、
燃料流動場、酸化剤流動場およびセパレータプレートであって、該各部材はその厚みを通って広がる少なくとも１つの反応物質マニホールド開口を具備する、燃料流動場、酸化剤流動場およびセパレータプレートを備え、
１つまたは２つ以上の前記ＭＥＡ、燃料流動場、酸化剤流動場およびセパレータプレートは、組み立てられ、その周縁部においてシール材によってカプセル化され、そして、
前記シール材はそれぞれのチャネルを同時にシールし、反応物質マニホールド開口のうち特定の流動場に材料を送達しないものを選択的にブロックし、
シール材チャンネルの少なくとも１つの部分が、カセットの１つまたは２つ以上のプレートの周縁端に開口し、シール材の前記シール材チャンネルへの導入が前記カセットのカプセル化の間に該周縁端の開口から導入することにより行われる、電気化学カセットの前記製造方法。
【請求項２】
カセットが、少なくとも１つの冷却剤流動場をさらに具備し、各膜電極接合体および各プレートが少なくとも１種の冷却剤マニホールド開口をさらに具備し、各冷却剤マニホールド開口はカセットの厚みを貫通している、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
セパレータプレートおよび１つまたは２つ以上の流動場が、バイポーラープレートに一体化されている、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
各バイポーラープレートが零個または１つの酸化剤流動場を有し、零個または１つの燃料流動場を有する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
各膜電極接合体が、燃料流動場および酸化剤流動場と接している、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
電気化学カセットが、燃料電池カセットである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
各複合ＭＥＡが、触媒を含む２つのガス拡散層の間に挿通されたイオン伝導層を具備するＭＥＡ、および前記ＭＥＡの周縁に接合された、モールドされたガスケットを備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
複合ＭＥＡが、ＭＥＡのガス拡散層の部分の内部に相互に貫通した、モールドされたガスケットを具備する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
セパレータプレートおよび１つまたは２つ以上の流動場が一体化されてバイポーラープレートになり、各流動場が前記バイポーラープレートの表面にエッチされた一連の隆起または突起を具備する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
少なくとも１つのバイポーラープレートが、冷却剤流動場を具備する、請求項３に記載の方法。
【請求項１１】
第一のバイポーラープレートが、第一の冷却剤流動場および第二のバイポーラープレートを具備し、これらは位置決めされて冷却剤の経路を形成する、請求項３に記載の方法。
【請求項１２】
少なくとも１つのセパレータプレートの少なくとも１つの表面が、１つまたは２つ以上のシール材チャネルを有する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
少なくとも１つのバイポーラープレートシール材チャネルの少なくとも１つの部分が、膜電極接合体に隣接している、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
シール材チャネルがガスケットと膜電極接合体との接触面に隣接している、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
少なくとも１つのシール材チャネルが、各膜電極接合体と各プレートまたは隣接するプレートとの間に挿通されている、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
モールドされたガスケットが、熱硬化性材料または熱可塑性材料から構成されている、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
シール材が、熱硬化性材料または熱可塑性材料から構成されている、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
熱可塑性材料が、熱可塑性オレフィンエラストマー類、熱可塑性ポリウレタン、プラストマー、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化ポリプロピレンおよびポリスチレンからなる群から選択される、請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
熱硬化性材料が、エポキシ樹脂類、ウレタン類、シリコーン類、フルオロシリコーン類およびビニルエステル類からなる群から選択される、請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項２０】
熱硬化性材料が、約１０，０００〜１５０，０００ｃＰの範囲の粘度を有する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
熱硬化性材料が、約１０，０００〜５５，０００ｃＰの範囲の粘度を有する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
バイポーラープレートが、カーボン／ポリマー複合体、グラファイトまたは金属の少なくとも１種から機械加工またはモールド成形されたものである、請求項３に記載の方法。
【請求項２３】
バイポーラープレートが、金属のシートからスタンプによって得られものである、請求項３に記載の方法。
【請求項２４】
各膜電極接合体およびプレートが、少なくとも１つのシール材孔をさらに具備し、該シール材孔は、それらの厚みにわたって貫通し、１つまたは２つ以上のシール材チャネルの少なくとも１つの部分に接触している、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
シール材チャネルの少なくとも１つの部分が、１つまたは２つ以上の、ＭＥＡまたはカセットのプレートの周縁端に開口している、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
シール材の燃料電池カセットへの導入が、シール材孔の１つまたは２つ以上を通して、またはプレートの周縁付近のシール材チャネル開口を通して行われる、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
シール材の導入が、圧力利用樹脂移送によって、または真空利用樹脂移送によって行われる、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
シール材または樹脂の導入が、約＋１５ｐｓｉと約−１５ｐｓｉとの間の範囲の圧力差の下で行われる、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
シール材の導入が、圧力利用樹脂移送によって、０〜約５０ｐｓｉの陽圧の下において行われる、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
シール材の導入が、真空利用樹脂移送によって、約７５０Ｔｏｒｒ〜約１ｍＴｏｒｒの分圧の下において行われる、請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
燃料電池スタックの製造方法であって、
（ａ）請求項１〜３０のいずれかに記載の、少なくとも１つの電気化学カセットの製造方法、および、
（ｂ）反応物質マニホールド開口に対して位置決めされた１つまたは２つ以上の開口を有する、少なくとも１つのエンドプレート、を用意し、
前記エンドプレートを、１つまたは２つ以上の前記（ａ）により得られた電気化学カセットの頂部および／または底部に配置し、前記エンドプレートの前記開口を、燃料マニホールド開口、酸化剤開口、および任意に冷却剤マニホールド開口に対して位置決めすることを含む、燃料電池スタックの前記製造方法。
【請求項３２】
エンドプレートが、電気化学カセットとともに組み立てられ、該組み立ては、カプセル化の前かつシール材の導入の前に行われ、前記エンドプレートおよび燃料電池カセットは、組になってカプセル化される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
圧縮手段がスタックに適用され、付加的な圧縮力を燃料電池スタックに付与する、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
エンドプレートが、１つまたは２つ以上の電気化学カセットに対して、前記電気化学カセットのカプセル化の後に設置される、請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
エンドプレートの取り付けが、圧縮シールによって行われる、請求項３２に記載の方法。
【請求項３６】
少なくとも１つのエンドプレートが、熱硬化性材料、熱可塑性材料、金属または合金から構成されている、請求項３２に記載の方法。
【請求項３７】
少なくとも１つのエンドプレートが、充填されたポリマー複合体から構成されている、請求項３２に記載の方法。
【請求項３８】
充填されたポリマー複合体が、ファイバーグラス強化熱可塑性物質またはグラファイト強化熱可塑性物質である、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
複合体である膜電極接合体（ＭＥＡ）の製造方法であって、ＭＥＡはモールドされ、前記ＭＥＡの周縁に接合されたガスケットを有し、前記ガスケットは、その厚みを貫通して広がる少なくとも１つの反応物質マニホールド開口および少なくとも１つのシール材チャンネルを具備し、前記ＭＥＡは、イオン伝導材料を２つのガス拡散層の間に挿通して具備し、シール材チャンネルの少なくとも１つの部分が周縁端に開口し、シール材の前記シール材チャンネルへの導入が前記膜電極接合体のカプセル化の間に周縁端に設けた開口から導入することにより行われることを含む、ＭＥＡの前記製造方法。
【請求項４０】
反応物マニホールド開口およびシール材チャンネルは、高くなった稜線により画定されるものである、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
高くなった稜線は、盛り上がったチャンネルを画定する２つの平行な高くなった稜線である、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
高くなった稜線は、周縁端において縁にほぼ直角である、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
シール材の盛り上がったチャンネルへの導入が周縁端の位置において行われる、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
シール材が、使用しないマニホールド開口を閉鎖する、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
シール材が、盛り上がったチャンネルを閉鎖するセパレータープレートとガスケットとを接合する、請求項４４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００２年１１月１８日を出願日とする米国仮出願６０／４２７，２６１号の利益を主張する。前記仮出願の全記載は、本願に参照として組み入れられる。
【０００２】
発明の分野
本発明は、膜ベース電気化学電池スタックに関し、より具体的には、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池スタックに関する。本発明は、新規なこれらのＰＥＭ燃料電池スタックの製造方法についても記載する。
【０００３】
発明の背景
膜ベース電気化学電池、とくにプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池は、周知である。ＰＥＭ燃料電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するが、環境への物質放出は実質的に伴わず、バッテリーとは、エネルギーが蓄積されず供給された燃料から抽出される点において異なる。したがって、燃料電池は、充電／放電サイクルの制限を受けることなく、一定のエネルギー出力の維持を、燃料が連続して供給される限り可能とすることができる。巨額の投資が燃料電池の研究および商業化になされていることが、当技術が市場において相当なポテンシャルを有するものであることを示している。しかしながら、燃料電池はコストが従来のエネルギー産生技術よりかさむため、使用の普及が遅延している。燃料電池を加工し組み立てる際のコストは膨大なものとなり得るが、その理由は必要な材料および作業量のためである。実際に、燃料電池のコストの実に８５％が、その製造において発生するものである。
【０００４】
単セルＰＥＭ燃料電池は、薄い、イオン伝導膜によって分離された陽極および陰極コンパートメントで構成される。この触媒添加膜は、ガス拡散層を有するものまたはガス拡散層有さないものとがあるが、膜電極接合体（ＭＥＡ：membrane electrode assembly）と呼ばれることが多い。エネルギー変換は、反応物質、還元剤および酸化剤が、ＰＥＭ燃料電池の陽極および陰極コンパートメントにそれぞれ供給されると開始される。酸化剤は、純酸素、空気などの酸素含有ガス、および塩素などのハロゲン類である。還元剤は、本明細書では燃料とも呼ぶが、水素、天然ガス、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ホルムアルデヒド、メタノール、エタノール、アルコール配合体、およびその他のハロゲンに富む有機物質を含む。陽極において、還元剤が酸化されてプロトンを生成し、このプロトンが膜を横断して陰極へと移動する。陰極においては、プロトンが酸化剤と反応する。全体的な電気化学レドックス（酸化／還元）反応は、自然発生的であり、エネルギーが放出される。この反応中に、ＰＥＭは、還元剤と酸化剤が混合するのを防止するとともに、イオン移動を発生させる役割を果たすのである。
【０００５】
現在の最新技術による燃料電池の設計は、単一セルではなく多数のセルを備えるものであり、実際には、一般にいくつかのＭＥＡ、流動場、およびセパレータプレートを直列に組み合わせて、燃料電池「スタック」を形成し、これによって、ほとんどの商業的な用途に必要とされる、より高い電圧と大きな出力とを提供する。流動場は、反応物質の燃料電池内における分散を可能とし、典型的には燃料電池内の多孔性電極層から分離している。スタックの配置に依存して、１つまたは２つ以上のプレートが設計されたスタックの部分として用いられて、燃料、酸化剤および投入された冷却剤または排出される冷却剤の流れが混合し合うのを防止する場合もある。このようなセパレータプレートは、構造上の支持もスタックに与える。
【０００６】
バイポーラープレートは、酸化剤流動場、燃料流動場およびセパレータプレートを組み合わせたものと同一の機能を有し、燃料電池の設計に用いられることが多い。バイポーラープレートを用いることによって、機能する燃料電池に必要なコンポーネントの数を減らすことができるからである。これらのバイポーラープレートは、ＭＥＡに接触しているプレートの表面に形成され、配列されたチャネルを具備し、該チャネルは、流動場として機能する。ランド部（land）によって電極から電流が伝導されるが、これは、ランド部間のチャネルが、燃料電池に用いられる反応物質を分配し、水のような液体副生物の除去を容易にする役割を果たす間に行われる。燃料は燃料注入ポートから燃料排出ポートに、チャネルに導かれて分配されるが、これはバイポーラープレートの１つの面において行われる。一方、酸化剤は、酸化剤注入ポートから酸化剤排出ポートに、チャネルに導かれて分配されるが、これはバイポーラープレートの対向する面において行われる。これらの２つの面は、プレート全体にわたって連結することはない。燃料電池スタックにおいては、各バイポーラープレートは、スタックの１つのＭＥＡに対して、その燃料流動場面を通して燃料を分配する役割を果たす一方、第二のＭＥＡに対して、その対向する酸化剤流動場面を通して酸化剤を分配する。バイポーラープレート流動場チャネルの個々の設計は、燃料電池の作動パラメータ、例えば温度、エネルギー出力、およびガスの過失度合い、に応じて最適化することができる。理想的なバイポーラープレートは、燃料電池スタックにおいて用いられる場合には、薄く、軽く、耐久性があり、伝導性が高く、耐腐食性を有する構造であり、例えばカーボン／ポリマー複合体、グラファイトまたは金属類である。
【０００７】
流動場においては、ランド部は電極からの電流を導き、これに対してランド部間の溝は、水素、酸素または空気などの燃料電池によって使用されるガス状の反応物を、電極面上に均一に分配する。ランド部および溝によって形成されるチャネルも、水などの液体反応副生成物の除去を容易にする。通常グラファイトもしくはカーボンで作られる薄い一枚の多孔質の紙、布またはフェルトを、各流動場とＭＥＡの触媒添加面との間に配置して、ＭＥＡを支持し、そこにおいて流動場内の溝と直面し、隣接するランド部へ電流を導くとともに、反応物をＭＥＡに分配するのを助ける。この薄膜は通常、ガス拡散層（ＧＤＬ：gas diffusion layer）と名付けられて、ＭＥＡの一部として組み入れられる。
【０００８】
燃料電池スタックはまた、１つまたは複数の冷却剤流動場内に、加湿チャネルを含むことがある。これらの加湿チャネルは、燃料および酸化剤を燃料電池の動作温度にできる限り近い温度で、燃料および酸化剤に加湿する機構を提供する。これによって、燃料電池に流入するガスとＰＥＭとの大きな温度差によって、水蒸気がＰＥＭから燃料流および酸化剤へ移動することによる、ＰＥＭの脱水を防止するのを助ける。加湿チャネルの位置は、Chowらの米国特許第５，３８２，４７８号および、Vitaleらの米国特許第６，０６６，４０８号に開示されているように、ＭＥＡの上流でもよく、あるいはEppらの米国特許第５，１７６，９６６号に開示されているようにＭＥＡの下流でもよい。
【０００９】
必然的に、ＭＥＡのＧＤＬ部分などの、スタック構成要素のあるものは、反応物および副生成物を、燃料電池スタック中、およびスタック外、またスタック内部に分布させるために多孔質にされる。スタック内の要素に孔隙があることによって、スタック構成要素間（またはスタックの外部）での液体またはガスの漏洩を防止する手段と共に、こらの多孔質要素が環境に暴露されることによって乾燥するのを防止する手段も必要となる。この目的で、通常、ガスケットまたはその他のシール材が、ＭＥＡと流動場などのその他のスタック構成要素の間、またはスタック周辺部分の上に設けられる。これらのシール手段は、エラストマー材料または接着材料であり、一般に、シールされる特定の表面に、配置、嵌合、形成されるか、または直接塗布される。このような工程は、労働集約型であり、大量生産には向かず、燃料電池のコストを増大させる。また、これらの工程のばらつきによって、生産歩留とデバイス信頼性が悪化する。
【００１０】
燃料電池は、出力電力、冷却およびその他の技術要件に応じて様々に設計されるが、ＭＥＡ、シール材、流動場、セパレータプレートを複数用いて精密な組み立体として用いることもあり、これによって製造が困難となるとともに、燃料電池コストがさらに増大する。これら複数の個別のコンポーネントは、典型的には組み立てられて１つの単一複合体ユニットとなる。燃料電池スタックの形成は、前記ユニットを圧縮し、一般的にはエンドプレートおよびボルトが用いられるが、バンディングまたは他の方法を用いることも可能であり、ガスケットシールおよびスタックコンポーネントが固く一緒に保持され、それらの間に電気的な接触が維持されていればよい。これら従来の方法によって圧縮を適用することは、さらに多くのコンポーネントおよび複雑さをスタックに加重し、付加的なシールの必要性を生じせしめることとなる。
【００１１】
他の欠点として、いくつかの燃料電池スタックに関連して見いだされるものは、事実上電気的なものである。例えば、燃料電池の配置および種々のマニホールドであって反応物質および冷却剤を流動場の供給するものにおける反応物質および廃棄物ストリーム、ＭＥＡが暴露される度合いに応じて、セル間（cross cell）における電位の問題が生じる場合がある。とくに、ＭＥＡがそれらの反応物質に対して著しい暴露を受けると、ＭＥＡ層の「ショート・アウト」が起きる場合があり、その結果燃料のパフォーマンスは全体的に不十分なものとなる。また、ＭＥＡがいくつかの潜在的な冷却液体に暴露されると、膜部分を害する場合がある。例えば、ＭＥＡと冷却剤の組み合わせによっては、その冷却剤によって膜の暴露された部分が溶解され、膨潤し、このことによってＭＥＡに対する障害が誘起され得る。
【００１２】
種々の試みが燃料電池技術においてなされ、燃料電池接合体設計におけるこれらの欠点の解消が試みられ、それによって製造コストの低減が図られた。しかし、大部分は手作業によるコンポーネントの組み立て、シール材の迅速な配置および／または複数ステップによる方法を必要とするものである。
従来法のいくつかは、Schmidtらの米国特許6,080,503号、Chiらの米国特許4,397, 917号、Epp らの米国特許5,176, 966号、Krasijらの米国特許5,264, 299号に記載されている。しかしながら、これらの方法においては、顕著な欠点が解消されないまま残っている。
【００１３】
例えば、Schmidらの米国特許第6,080,503号は、スタックの特定の部分において、ガスケット方式のシールを、テープ、コーキングまたは層の形態の、接着剤を基とする材料で置換することを記載している。しかしながら、このようなスタックの組立は、シールをコーキングするのと違わない方法で、接着工程中に人手による構成要素の位置合わせが、やはり必要であり、積極配置によって接着剤が塗布されたインタフェースのみにおいてシーリングがされる。
Chiらの米国特許第4,397, 917号は、取り扱いおよび試験を容易にするために、燃料電池スタック内に、サブユニットを製造することを開示している。しかしながら、この設計は、構成要素間およびサブユニット間の従来式のシーリングに依存している。さらに、サブユニットの内部を貫通するマニホールドがない。
【００１４】
Eppらの米国特許第5,176, 966号も参照されたい。これは、必要なガスケットの少なくとも一部を、燃料電池スタック組立体中に、直接形成する方法を記載している。Krasijらの米国特許第5,264, 299号には、２つの多孔質支持層の間に挟まれたＰＥＭを有する燃料電池モジュールが記載されており、この多孔質支持層は、反応物を触媒層に分布させ、この触媒層内では、支持層の周辺部分が、エラストマー材料でシールされ、これによってＰＥＭが支持層と結合されて、支持層の解放細孔が、エラストマー材料で充填されて、流体不透過性となる。
【００１５】
さらに、WO 02/093672には、液体樹脂の注入によって燃料電池スタックをシールするための方法が記載されている。この方法は、まずスタックの全てのコンポーネントを組み立て、次にシール材を導入して燃料電池スタックを製造する。この方法によって、既に報告されていた当時の技術にかかる、燃料電池スタックの製造方法がある程度改良されたといえるかもしれないが、問題のいくつかは解消されないままである。例えば、実際場面においては、前記方法においては注入の際に高圧を要し、また充填時間が遅くなる。注入の際の高圧のため、コンポーネントの設計として、スタックのより壊れやすいコンポーネント（すなわちＭＥＡ）を保護するものがさらに必要となる。他の主要な欠点として、各層の相当部分の面積を犠牲にする必要があることがある。これはシール工程自体に起因するものである。
【００１６】
さらにまた、旧来の燃料電池カセットにおいては、２つのタイプのＭＥＡが主流である。１）膜がガス拡散層の境界を越えて伸展しているＭＥＡ、および２）ガスケット材料をＭＥＡ自体の端部として形成するＭＥＡ（膜およびＧＤＬとして、ほぼ同じ大きさと形を有するものを用いる。例えばBallardの米国特許6,423, 439号を参照）。第一のタイプにおいては、別々のガスケット材料を用いて、ＧＤＬを越えて伸展する膜端とスタック（バイポーラープレート）の他の部分とをシールする。第二のタイプにおいては、スタックの他の部分に直接シールすることが可能である。これらの方法はそれぞれ、シールを構成する際に圧縮を必要とする。別々のガスケット材料を用いて、ＧＤＬを越えて伸展する膜端とスタック（バイポーラープレート）の他の部分とをシールする。これらの圧縮ベースシールにおいては、スタックの全てのコンポーネントに、高い精度によって均一なロードが維持される必要がある。ＭＥＡの供給者は、上記のようなＭＥＡのフォーマットを供給することに習熟することとなった。
【００１７】
本発明者らは、以前の特許出願において、燃料電池スタックの革新的な設計について報告した。この設計においては、個々のモジュールを一緒に組み立てて、要求される出力電力を有する燃料電池スタックを形成し、各モジュールは数多くのユニット電池を一緒に結合するものである（国際出願ＷＯ 02/43173を参照。その全体は参照によって組み入れられる）。
【００１８】
簡潔に述べれば、ＷＯ 02/43173には３段階による製造方法として、燃料電池カセットの製法が詳説されている。その特徴は下記のとおりである：
１）個々の流動場（燃料、酸化剤および冷却剤）が用いられていないマニホールド／ポートの開口のシール。例えば、酸化剤流動場の場合には、（他の層の）燃料と冷却剤の分配のために用いられるポートのシールを、その周縁付近において行い、これらのインプットされたストリームが混ざり合うのを防止しなければならない。
２）膜電極接合体内の全てのポートのシール。ＭＥＡ層内における反応物質の漏出を防ぐ。
３）（前記のとおりに適切にシールされた）これらのコンポーネントの、型枠またはフィクスチャ内部における、個々のスタック設計に処方された方法による、層としての構築。フィクスチャ内部において構成要素を組み立て、樹脂を周縁に導入する。真空移送モールディングまたはインジェクションモールディングの手法により、樹脂をカセット接合体の端部内に流し込む。硬化すると、接合体全体に構造上の支持と端部のシールが付与される。
【００１９】
次に、形成された燃料電池カセットを、エンドプレートを付加することによって燃料電池スタックに変形する。かかる構造によって、適切なマニホールドおよび圧縮手段がもたらされる。
本発明者らは、マニホールドスタックまたはそのモジュールの内部においてマニホールドをシールするための方法、ならびにスタックまたはモジュールの周縁をシールする方法として、作業量が少なく、高容量の製造方法により好適な革新的な方法を開発した（国際出願ＷＯ 03/036747およびＷＯ 03/092096を参照。それらの全体は参照によって組み入れられる）。
当技術分野において本発明者らも進歩に寄与はしたものの、より改良された燃料電池スタック設計として、製造がより簡便であり、信頼性がより高く、より低コストであるものの提供が望まれている。また、ＭＥＡのロール・トゥ・ロールな製造を用いた燃料電池カセットの製造方法の提供が、この構成要素のコストを著しく低減するため、強く望まれている。
【００２０】
燃料電池カセットとして、ＭＥＡが種々のマニホールドの周囲にある反応物質、廃棄物ストリーム、または冷却液に暴露されるのを低減または防止し、クロス・セルポテンシャル（cross-cell potential）の問題または前記暴露に関連して生じる材料の不適合を改良したものの開発も強く望まれている。さらにまた、燃料電池カセットとして、低減されたインジェクション圧において形成されてコンポーネントの設計がシンプルであり、各層の相当部分の面積を犠牲にする必要がないものの開発も強く望まれている。
【００２１】
発明の概要
本発明は、従来のスタックおよび製造方法であって上記を含むものに顕著な改良を与えるものである。とくに、本発明は、改良された電気化学カセットおよび燃料電池カセットとして、ＭＥＡを用いる燃料電池スタックを与える。本明細書においては、「複合ＭＥＡ」（composite MEA）とは、通常の積層されたＭＥＡのうち、イオン伝導膜（ＩＣＭ）を、２つのガス拡散層（ＧＤＬ）の間に挿入して有し、該イオン伝導膜は次に積層の周縁付近に、非多孔性のインシュレーティングガスケットに接合されるものを意味するものとする。シールされた各スタックモジュールは、本明細書においては「燃料電池カセット」または「電気化学カセット」と呼ぶが、これらは電気化学コンポーネントであって、内部に接合されたマニホールドを有し、シールされて自己含有ユニット（self-contained unit）を形成するものの接合体である。これらの電気化学カセットまたは燃料電池カセットは、標準の仕様に適合するように設計することができる。
【００２２】
本発明においては、シールチャネルの形成が、複合ＭＥＡのガスケットにおいて行われる。このことによって、スタックの他の部分が顕著に簡素化され、とくに非多孔性セパレータプレートの簡素化が著しい。平らなＭＥＡの周囲にエッジガスケットを形成する代わりに、複合膜を作製し、複合ＭＥＡのガスケット内にシールチャネルを取り込むガスケットを具備せしめる。続いてスタックをシンプルな流動場（金属のスクリーン）および平らなセパレータプレート（例えばシートストック）とともに、またはバイポーラープレートコンポーネントを用いて、作製する。カセットの製造の間に、シール材をスタックの端部から（またはスタックコンポーネントのシール材孔から）導入する。シール材はＭＥＡのガスケットに導入されたチャネルを移動し、ガスケットおよびセパレータプレートに接合する。
【００２３】
本発明において好ましいカセットは、一般に少なくとも１つの膜電極接合体を備えていているところ、該膜電極接合体は少なくとも２つのプレートとの接触に適合したものであり、該プレートは、それぞれ１つまたは２つ以上の流動場を具備している。各流動場は、少なくとも１つの溝（groove）または他の管を具備し、該溝または他の管は流動場を通る流動を促進するかまたは他の場合にはそれを可能にする。別個の流動場が、酸化剤流動場、燃料流動場、および冷却剤流動場から選択される。流動場は、セパレータプレート、例えばバイポーラープレートの表面に一体化されていてもよく、流動場は、別異の多孔性コンポーネントであって、気体または液体が、流動場と接触する実質的に全てのMEAと接触するようにするものであってもよい。
【００２４】
好ましいカセットであって別異の流動場コンポーネント、例えば流動場スクリーン、を有するものにおいては、隣接する複合ＭＥＡおよびセパレータプレートによって空間が画定され、該空間においては流動場が接合の間に設置される。本発明においては、各膜電極接合体および各プレートは、少なくとも１つの酸化剤マニホールド開口および少なくとも１つの燃料マニホールド開口を備え、各マニホールド開口はカセットの厚さにわたって伸長している。各複合ＭＥＡは、好ましくは少なくとも１つのシール材チャネルを具備し、かかるシール材チャネルは少なくともその厚みの一部分にわたって伸長し、各セパレータプレートまたはバイポーラープレートは、任意に１つまたは２つ以上のシール材チャネルをさらに具備し、かかるシール材チャネルは少なくともその厚みの一部分にわたって伸長している。
【００２５】
本発明においてはまた、前記１つまたは２つ以上の膜電極接合体およびプレートを組み立て、その周縁部においてシール材によってカプセル化する。シール材は同時に１つまたは２つ以上の複合ＭＥＡの各チャネルをシールし、任意に１つまたは２つ以上のプレートをシールし、１つまたは２つ以上のマニホールド開口またはマニホールドポートであってその近傍にあるものを選択的にブロックする。このようにして、各特定の層の内部のマニホールド開口のうちあるものは閉鎖され、あるものは開放されるように選択的に維持され、望ましくない流動が減じられるかまたは排除される。
【００２６】
シール材口（任意）および複合ＭＥＡの内部にカットされたかまたは他の場合には形成されたチャネルの個数、形、および配置を通して、シール樹脂を接合体に導入し、接合体の周縁をシールし、接合体内部のいくつかのマニホールドポートをシールする。ある好ましい態様においては、シール材孔およびチャネルまたは溝が、複合ＭＥＡの周縁のガスケットに導入される。これはガスケットを形成し、従来のＭＥＡに接合する間に行われる。改良された本発明の燃料電池ガスケットは、従来の燃料電池コンポーネントから製造することが可能であり、インジェクションモールディングおよび真空利用樹脂移送（vacuum assisted resin transfer）モールディング法のいずれをも用いることができる。
【００２７】
本発明によって、燃料電池スタックの製造が最小限の労力によって可能となり、その結果製造コストが飛躍的に軽減され、製造のオートメーション化が可能となる。さらに、本発明においては、マニホールド開口のシールはシール材の燃料電池コンポーネントへの接着によって行われ、エンドプレートの圧縮または他の圧縮手段によるものではない。このことによって最終段階のスタックにおいて必要とされていた圧縮を減じることが可能となり、シールの確実性を向上せしめ、電気的な接触を改善せしめ、より多種にわたる樹脂の使用が可能となる。さらに、エンドプレートは燃料電池カセットにモールドしてもよく、それによってスタック全体（例えばカセットおよびエンドプレート）を一工程で製造することもできる。
【００２８】
ある好ましい態様において、本発明は燃料電池として複合ＭＥＡを有し、該複合ＭＥＡにおいてＧＤＬおよび膜が実質的に同一の全体的な外形を有し、隣接する流動場（流動場スクリーンまたは隣接するバイポーラープレートの流動場）と相互に同一の全体的な外形を有するものを提供する。周縁に接合されたガスケットは、複合ＭＥＡの外形全体に増大し、組み立てられたスタックのプロファイルの外形とほぼ同一に増大する。これらの燃料電池の利点の１つは、ロール・トゥ・ロールにＭＥＡを直接用い得ることおよびスタックに導入されたＭＥＡの作業面積を最大限にすることである。すなわち、ＭＥＡの面積のうちカセットの他のコンポーネントへの接合（またはシール）に用いられる面積が、周縁のエッジガスケットを導入することによって低減されるのである。さらに、周縁ガスケットによって、ＭＥＡが反応物質のうちカセットのマニホールドに存在するものと相互作用することを防ぐことが可能となり、クロス・セルを防ぐかまたは減じることができる。本発明の好ましい複合ＭＥＡの製造は、モールドした、ＭＥＡの周辺の周縁エッジガスケットを形成することによって行うことができる。そのモールドは、周縁ガスケットに特定のパターンからなるチャネルまたは溝を転写できるモールドを用いて行われる。典型的には、インジェクションモールディング法または加圧（または真空）利用樹脂移送モールディング法を用いて複合ＭＥＡを形成する。
【００２９】
シール工程を説明すると以下のとおりである。シール材の移動が、複合ＭＥＡの周縁部のチャネルに存在するガスケットを通って、および任意にバイポーラプレートまたはセパレータプレートに刻まれたチャネルを通って行われ、複合ＭＥＡおよび隣接するプレートの両方を接合せしめ、流体に対して堅固なシール（fluid tight seal）を形成する。ある態様においては、バイポーラプレートの１つまたは２つ以上のチャネルまたは溝が、ＧＤＬ−ガスケットインターフェースに対して位置決めされ、チャネルに導入されたシール材がチャネル近傍のＧＤＬの部分にも接合し、シール効率を向上せしめ、複合ＭＥＡ−プレートの接合を増大せしめることが好ましい。
【００３０】
本発明によって、複合ＭＥＡを具備する燃料電池が供給される。複合ＭＥＡは、好ましくはガスケットとしてＭＥＡの積層構造の周辺に固定されたものを具備する。複合ＭＥＡを具備する好ましい燃料電池においては、周辺のガスケットの外形は、スタックプロフィールの外形とほぼ同一の大きさである。ＭＥＡの活性部分は、組み立てスタックの上下の反応流動場とほぼ整列するように設置される。セパレータプレートおよび流動場スクリーンを用いるあるカセットにおいては、複合ＭＥＡのガスケット部分は、典型的にはＭＥＡの積層構造より大きい厚みを有する。典型的には、周縁のガスケットは、少なくとも流動場スクリーンの厚みの分、ＭＥＡの積層構造の表面を越えて広がる。ある好ましい態様においては、カプセル化の間の圧縮によって周縁のガスケットの圧縮が誘発され、その結果ガスケットの厚みが減少する。このようにして、好ましい周縁のガスケットは、少なくとも流動場スクリーンの厚みの分、ＭＥＡの積層構造の表面を越えて広がるのである。
【００３１】
本発明のカセットを製造する方法として好ましい方法は、一般的にカセットの種々の構成要素（例えば、１つまたは２つ以上のＭＥＡおよびプレート。これらはそれぞれ個々のマニホールド開口を具備する。本明細書においてさらに説明する）を、企図するアプリケーション（application）に適切な大きさおよび数として供給する工程、前記構成要素を組み立て、前記アプリケーションにおけるアウトプットの要求を支持する設計配置とする工程、そして複合ＭＥＡに存在する（および任意に前記プレートに存在する）、あるチャネルにシール材を導入する工程を含む。それらのプレートをシールすることによって、あるマニホールド開口のうち、特定の流動場に材料を送達することが意図されていないものが選択的にブロックされ、その結果望ましくない流動が防がれるか、または少なくとも実質的に減じられる。また、シール材によって、複合体の周縁の封止を、チャネルと同時に行うことができる。
関連する側面を以下に説明する。
【００３２】
図１は、本発明の燃料電池スタックの一態様を図示したものである。
図２は、図３および図４に記載の型枠を用いて、樹脂の真空利用樹脂移送およびＭＥＡによって製造した複合ＭＥＡの写真イメージである。
図３は、本発明のスタックにおいて用いるのに適した、ある複合ＭＥＡの形成に適した型枠の上底面の模式図である。
図４は、図３に模式的に示した型枠の写真イメージである。
図５は、ＭＥＡの周縁領域付近にガスケットを具備する複合ＭＥＡを図示したものである。
図６は、シール材チャネルを導入した端部ガスケットを具備する複合ＭＥＡの断面図である。
図７Ａ−Ｂは、高くなった稜線（elevated ridge）および盛り上がった（raised）チャネルを具備する周縁ガスケットを備えた複合ＭＥＡの上底面および側面の模式図である。
【００３３】
図８Ａ−Ｂは、レリーフによって表面に導入された流動場を具備するバイポーラープレートの上底面および側面の模式図である。
図９は、図１０に図示した構成要素の接合体によって製造したスタックのイメージ図である。
図１０は、例１に記載され、図９に図示されたスタックを組み立てるために用いられる構成要素の接合体の写真図である。上面およびプレート（１）、フロースクリーン（２、４、６および８）、２つの複合ＭＥＡ（３と７）、分離プレート（５）を含む。底部エンドプレート（９）は図示されていない。
図１１は、図２に示された複合ＭＥＡのシール材樹脂を盛り上がったチャネルおよび複合ＭＥＡの周縁付近に導入した後の、複合ＭＥＡのイメージ図である。
図１２は、本発明のバイポーラプレートの酸化剤流動場の面の上底面の図である。
図１３は、本発明において用いられる、シール材の溝およびシール材の孔の設計の図である。
【００３４】
図１４は、本発明において用いられる、シール材の溝およびシール材の孔の他の態様の設計の図である。
図１５は、本発明において用いられる、シール材の溝およびシール材の孔の他の態様の設計の図である。
図１６は、燃料電池接合体が型枠に入り封止前の状態の写真イメージ図である。
図１７は、接合されたエンドプレートを具備する、本発明の燃料電池カセットの上底面および側面の模式図である。
【００３５】
発明の詳細な説明
本発明によって、種々のカセットとして電気化学的なアプリケーションに適したものが提供される。上記のとおり、本発明のカセットは、燃料電池における使用にとくに好適である。
燃料電池アプリケーションにおいて用いるために、本発明のカセットは、典型的にはスタックされた接合体（assembly）の形態をとり、以下の構成要素を備える：複合膜電極接合体（複合ＭＥＡ）、流動場およびセパレータプレート。
【００３６】
ここで図面を参照すると、図１は本発明の燃料電池スタック１０の一態様である。燃料電池カセット１は本明細書に記載の方法によって形成され、あらゆる個数の複合ＭＥＡ、冷却剤流動場および流動場およびセパレータプレートまたはバイポーラプレートを具備する。燃料電池カセット１は、圧縮手段５を介して、上部および底部エンドプレート３ａおよび３ｂの間に挿入される。燃料電池カセットは、ターミナルプレートまたはエンドプレートをカセットの上部および底部に用いてもよいが、その場合のターミナルプレートは、バイポーラプレートの構造の半分（１つの流動場のみ）からなるものである。複合ＭＥＡの組み立ては、本技術分野において公知の材料または市販の材料を用いてよい。
【００３７】
好ましい態様においては、積層されたＭＥＡの製造を、触媒を受けたカーボン紙のホットプレスをＮＡＦＩＯＮ（E.I.Dupont de Memours and Company, U.S.A.より購入可能）の両面に行うことによって行う。前記積層されたＭＥＡは、型枠および周縁ガスケットに入れ、それを積層されたＭＥＡの端部に接合せしめ、真空利用樹脂移送、インジェクションモールディングなどによって形成される。燃料１５、酸化剤１９、および冷却剤１７の注入口および排出口も示されている。
【００３８】
本発明の好ましい複合膜電極接合体として、燃料電池カセットにおける使用に適したものの例を図５示す。図示したように、複合ＭＥＡは積層された膜電極接合体１３を備えているところ、かかる膜電極接合体はその周縁付近をガスケット５２によって囲まれている。ガスケット５２は、熱硬化性または熱可塑性のエラストマー材料によって構成される。典型的には、好ましいものは、膜電極接合体としてガスケットが熱硬化性材料、とくにシリコーン材料から構成されているものである。複合ＭＥＡとして平らな周縁のガスケットを具備するものは市販されているが、パターンを有する周縁ガスケットを具備し、そのパターンによってシール材の分配が、シール工程の間にカセットを通してなされるものは知られていない。すなわち、従来の複合ＭＥＡにおいて、周縁ガスケットとして１つまたは２つ以上の溝、チャネル、またはポートを具備し、これらがシール材をシール工程の間に分配するように設計されているものはない。
【００３９】
ＭＥＡの内部のＧＤＬが孔を有しているため、ＭＥＡの周縁に形成されたガスケットはＧＤＬの内部に入り込み、ＭＥＡと接合してＧＤＬの端部を隠す。複合ＭＥＡ５０の、ガスケットを形成した後の写真イメージが図２であり、複合ＭＥＡ５０の調製はプレカットしたＭＥＡを、図３に模式的に示し図４に写真で示した型枠に入れ、ガスケットの周縁付近に真空利用樹脂移送モールディング（真空による吸引を図３および図４の中心孔を通して行う）またはインジェクションモールディングによって行う。典型的には、１つまたは２つ以上のチャネルまたは溝が周縁ガスケットに形成されるが、これはモールドまたはガスケットに存在するパターンを転写することによって、製造工程の間に行われる。従来の方法においては、ポリマー膜を必要とするが、これはＧＤＬを越えてシール目的のフレームを与えるためである。したがって、このことによって、製造コストの増大することとなる。
【００４０】
これとは対照的に、本発明におけるシールは、ＧＤＬとポリマー膜が実質的に同じ大きさおよび形において行うことができる。ガスケットの樹脂はポリマー膜に接合し、ＧＤＬの端部に浸入する。これは有利なことであるって、その理由は、本発明において用いられる複合ＭＥＡの作製が、連続して行うことによって製造コスト削減が達成せられることとなり、用いる積層ＭＥＡ（ポリマー膜およびＧＤＬ）の量はより少量となり、電池またはスタックの効率を、クロスポテンシャルを防ぐことによって増大せしめることができるからである。さらに、好ましいモールディング工程においては、複数の複合ＭＥＡの製造を、２つまたは３つ以上の型枠を用いることによって行うことが考慮されている。これは図３および４に続けて示してある。
【００４１】
１つの好ましい態様においては、全ての燃料電池の構成要素が、ほぼ同一の形の周縁を有するように切られている。マニホールド開口またはポートのシリーズの２つ、各反応物質の流動の注入開口および排出開口を流動場および（バイポーラ）プレートに切り、カセットを通る燃料の流動および酸化剤の流動のためのマニホールドを与える。好ましくは、マニホールド開口またはポートを複合ＭＥＡの周縁ガスケットに切るかまたは形成する。
【００４２】
別の態様においては、１つまたは２つ以上の冷却剤流動場も用いる。かかる例においては、ポートの追加のシリーズを、各構成要素に切り、冷却剤の投入の流動および除去の流動を、カセットを通るように与える。シール溝を各（バイポーラ）プレートの冷却剤流動場に隣接しているものに切る。これを通してシール材を導入し、用いられていないポートの封止を燃料電池複合体全体のシールと同時に行い、燃料電池カセットを形成することができる。これとは別に、前記複合ＭＥＡの形成を、同様な溝構造によって行うこともできる。前記のような形および配置のシール溝を各構成要素に用いることによって、シール材の構成要素への流入を制御することができる。溝のカットは、特定の層におけるシールしないポートを囲むように行うことはない。
【００４３】
溝の長さと幾何学的形状によっては、前記接合体の端部からのシール材の流動は、ポートを完全に封止するために適切でない場合がある。そのような場合には、シール材孔を構成要素に切り込み、追加のシール材をシール溝に直接導くようにする。
図１２〜１５に図示されているのは、種々のバイポーラプレートとしてシール材チャネルまたは溝およびシール材ポートを有し、それらがバイポーラプレートの端部およびポートを封止するように設計されているものである。これらのバイポーラプレートの設計は、WO03/092096において報告されている。その全体を、参照として組み入れる。
【００４４】
本発明においては、シール材溝、チャネルおよびシール材マニホールドポートのそれぞれを、本発明の複合ＭＥＡの周縁ガスケットにおけるチャネル、溝およびポートとして導入してもよい。
例えば、図１２には、バイポーラプレートとして、シール溝を切り込んで有するもののシールパターンが示されている。該パターンは、本発明との関連において好適に用いられる。シール溝２３をバイポーラプレート２０の各側面に付加する。かかるシール溝２３は、バイポーラープレートの表面の流動場のチャネルパターン１１とは接続されないものであるところ、その理由は、流動場のチャネルパターン１１は、妨害されることなくカセットを通る反応物質の流動を適切に与えるものでなければならないからである。
【００４５】
これらのシール溝の設計は、バイポーラプレート２０の燃料流動場面において、燃料ポート１５が開いたままで燃料が分配され、残りの酸化剤ポート１９および冷却剤ポート１７がシールされるようになっている。バイポーラプレート２０の、対向する酸化剤流動場面においては、酸化剤ポート１９は開いたままとなって、他の全てのポートがシールされている間に酸化剤を分配する。したがって、シール溝２３は、燃料注入ポートおよび燃料排出ポート１５ならびに冷却剤注入ポートおよび冷却剤排出ポート１７を囲むが、酸化剤注入ポートならびに酸化剤排出ポート１９は囲まない。
【００４６】
ここで図１３を参照すると、バイポーラープレート２０の別のシール溝２３およびシール材孔２１の設計が示されている。シール材孔２１が用いられ、シール材はシール材孔２１から引き出されて（または押し出されて）、燃料ポート１５および冷却剤ポート１７を囲むシール溝２３に達し、シール材は複合体の周縁から引き出され、構成要素の周縁のみをシールする。シール材孔の付加をＭＥＡに行わなければならない。
【００４７】
シール溝およびシール材孔の設計の他の態様としてバイポーラープレート２０に設けたものを図１４に示した。図示されているとおり、シール材はシール材孔２１から引き出され、燃料ポート１５および冷却剤ポート１７をシールする。外周９および該溝を囲むシール溝２３は、シール溝のうち接合体の外周９の周囲にあるものから隔離されている。この態様においては、外周の接合に接合体全体を外部においてカプセル化することは必要ではないところ、これは熱を除去する観点から有利である。
図１５には、シールチャネルおよびシール材孔のパターンとして、シール溝２３がシール材を外周９およびシール材孔２１を通して供給され、燃料ポート１５および冷却剤ポート１７をシールする、さらに別異の態様を図示した。
【００４８】
適切なシール材孔および／またはシールチャネルが刻まれ、もしくは燃料電池の各構成要素に上記のように形成された後、構成要素の組み立てを所望のカセットの設計および必要な出力に従って行う。燃料電池スタックの接合体として、バイポーラープレートを用いるものには、ターミナルプレートとしてバイポーラープレートの半分の構造、すなわち流動場フェースが１つだけのもの、を導入したものを含んでもよい。
極めて基本的な接合体の設計においては、複合ＭＥＡを２つのターミナルプレートの間に挿入するところ、これらのターミナルプレートは、各々１つの流動場パターンを、その１つの面に有する。すなわち、各ターミナルプレートは、流動場をレリーフまたはエッチとして１つの表面に有し、複合ＭＥＡとともに組み立てられて１つの燃料電池を形成する。しかし、他の好ましい態様においては、接合体の設計は次の順番で、ターミナルプレート、複合ＭＥＡ、１つまたは２つ以上の反復ユニットとして（１）バイポーラープレートおよび（２）複合ＭＥＡからなるもの、ならびに第２のターミナルプレート、を具備する。
【００４９】
さらにバイポーラープレートおよび複合ＭＥＡをカセット接合体に付加してもよい。この場合、冷却層は、完成後の燃料電池における必要な出力よってはあってもなくてもよい。典型的には、燃料電池として複数の複合ＭＥＡを具備するものは、反復ユニットとして１〜約１０個の複合ＭＥＡを、冷却層の間に挿入して備える。より典型的には、約２〜約４個の複合ＭＥＡを、冷却層の間に挿入して備えるところ、かかる冷却層はパワーの密度および十分な熱除去を、カセットまたはスタック全体にわたって最大化するようにバランスをとる。
【００５０】
例としての接合体の設計について記載したが、当業者であれば燃料電池に所望の数の構成要素を接合せしめ、アウトプットとして最終的な燃料電池カセットに必要なものに対応することができることを認識するはずである。さらに、当業者であれば、複合ＭＥＡとして本明細書に記載されたものは、カセットの設計として、国際公報WO 02/43173、WO 03/036747および WO 03/092096に記載されたあらゆるものに適合することも認識するはずである。これらの国際公報の全体は、参照として本明細書に取り込まれる。
【００５１】
個々の設計とは無関係に、構成要素の組み立ては、接合体における各構成要素のポートが残りの構成要素のポートに対して位置決めされて配置される。図１６に示したように、接合体３０は型枠またはキャビティ３１の内部に設置され、適切な位置に型枠内にて保持される。かかる保持は、トッププレート３３および適切な圧縮手段３５、単純なクランプまたはボルトのパターンによって行われる。シール材孔が用いられた場合には、前記トッププレートには孔として、シール材が接合体に導入される際に通るものも具備せしめる。
【００５２】
上記燃料電池カセット接合体のシールを真空利用樹脂移送モールディング法によって行うためには、シール材の導入を全ての組み立てられた構成要素の外周およびシール材孔に行う。真空による吸引を、接合体の内部の各ポートを通して行う。圧力の差によってシール材を接合体の端部に引き込み、それによって接合体の構成要素の外周のシールを一緒に行い接合体を完成した燃料電池カセットとして形成する。また、同一の圧力差によってシール材を複合ＭＥＡまたは任意にバイポーラープレートに存在するチャネルまたは溝に引き込む。シール材孔がある場合、圧力の差によって、シール材の吸引または引き込みが、シール材孔から溝の中に行われる。
【００５３】
外周およびポートのシールが終了するのは、シール材の流動が溝から生じて適切なポートに達し、これらを封止したときである。カセット接合体全体二位おいて、各流動場の適切なシールは、各個別の層におけるマニホールドポートとのうち所望のもののみを開放しておくようになされる。残りのポートについては、選択的な閉鎖／封鎖を、溝をその時点においてシールすることによって行う。接合体の端部もシール材によってカプセル化する。圧力差および時間としてシール工程に必要なものは、構成要素およびシール材に用いられた材料の関数となり、これにはシール溝ならびにシール材の粘度および流動特性が包含されるが、これらに限定されない。
【００５４】
もしくは、圧力利用樹脂移送法を用いて、粘度の低いシール材をシール材孔内部および／または接合体の外周に押し入れることもできる。２部の熱硬化性樹脂として、粘度が150,000ｃP以下、より好ましくは100,000ｃP以下であるものによって、シールチャネルおよびスタックの外部の充填を、最小の駆動圧（＜１０ＰＳＩ）によって極めて短い充填時間（＜１分）において行うことができる。さらに、前記燃料電池の構成要素およびシールチャネルの設計は複雑なものではないが、これは高圧充填法および典型的に必要とされるより緊密な耐用性によってもたらされる。
【００５５】
燃料電池カセットをインジェクションモールディングによってシールするために、シール材を機械的に接合体外周の周囲およびシール材孔内に強制的に配置する。好ましい態様においては、熱硬化性樹脂を用いてシール材とし、そのインジェクションをインジェクション孔の中および接合体の端部に行い、硬化を燃料電池カセットを型枠からはずす前に行う。他の１つの態様においては、熱可塑性樹脂を用いてシール材とする。このシール材のインジェクションはインジェクション孔の中および接合体の端部に行い、冷却および硬化を燃料電池カセットを型枠からはずす前に行う。型枠としては、関係する温度および圧力に対応可能なものを用いる。
【００５６】
したがって、燃料電池および関連する電気化学カセットを構成する方法として本明細書において示されるものにおいては、モデル品の迅速な設計および最適化が可能である。かかる構成方法は、少量から中量において（すなわち＜100,000ユニット）電気化学カセットまたは燃料電池カセットを真空利用樹脂移送法または圧力利用樹脂移送法によって製造するのに好適である。とくに、本発明のカセットは、減圧下／低圧下において製造することができる。さらに、本発明のカセットにおいては、電気化学的に活性な断面が、所定のカセットサイズに対して増大している。すなわち、シールを目的とする場合に用いる（犠牲とする）カセットの部分はより小さくなければならない。
【００５７】
低圧シール法に必要な断面の面積が本発明においては減少しているため、反応物質の送達およびカセット内部の流動場からの除去についてはより柔軟に行うことができる。そのため、反応物質の流動場における損失は低減され、または排除されている。すなわち、例えば、各流動場に反応物質に２つまたは３つ以上の反応物質マニホールドを与え、廃棄物の流動場からの除去を２つまたは３つ以上の廃棄マニホールドを介して行うことができる。
流動場の設計がよりフレキシブルに行えることによって、さらに、カセットの効率が向上し、カセットの設計をより拡張的に行うことができる。すなわち、本発明においては、カセットとしてより大きいまたは小さい出力電力をカセットから産生されるものとして有し、現存する燃料電池スタックであって同等の出力電力を有するものより小さいものが考慮に含まれている。
【００５８】
シール材として周縁及びポートのシールに用いられるものの選択は、必要な化学的および機械的特性を、作動中の燃料電池システムにおいて見いだされる条件、例えばこれに限定されるわけではないが、温度安定性、を有することを観点として行われる。適切なシール材には、熱可塑性エラストマーおよび熱硬化性エラストマーのいずれもが包含される。好ましい熱可塑性のものには、熱可塑性オレフィンエラストマー類、熱可塑性ポリウレタン類、プラストマー、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリプロピレンおよびポリスチレンが包含される。好ましい熱硬化性のものには、エポキシ樹脂類、ウレタン類、シリコーン類、フルオロシリコーン類およびビニルエステル類が包含される。
【００５９】
別の態様である図１７に示されるものにおいては、エンドプレート３ａおよび３ｂが、燃料電池カセット１０に３７のように直接接合されるが、これは上記シールステップの間に行われる。いくつかの利点が、この態様によってもたらされる。燃料電池カセットとしてエンドプレートの間にあるものを圧縮する必要がないため、燃料電池スタックの信頼性が高くなり、実質的に重量が減じられる。また、導入されたエンドプレートに付属の要素（fittings）を備えることによって、燃料電池スタックをさらに単純なものにすることができる。ある好ましい態様において、外部燃料、酸化剤流動場および冷却剤流動場への連結がスタックにおいて用いられるターミナルプレートに付加され、該ターミナルプレートはスタックのエンドプレートとして機能する。
【００６０】
別の好ましい態様において、本発明はカセットとしてシールチャネル２３として、複合ＭＥＡ５０のガスケット５２にモールドされているものを提供する。これによって、スタックのその余の部分が顕著に簡素なものとなり、とくに簡素化されるのは無孔性セパレータプレートである。図６に示したように、複合ＭＥＡによって個々の複合ＭＥＡ６０および１つのセパレータプレート６２をバイポーラープレートの代わりに用いることが可能となり、各流動場は複合ＭＥＡの表面、セパレータプレートの表面および複合ＭＥＡのガスケット部分の高くなった稜線および盛り上がったチャネルの高さによって画定された空間の内部に配置される。端部ガスケットを平坦な複合ＭＥＡの周囲に形成せずに、複合膜を、ガスケット５２として高くなった稜線および盛り上がったチャネル、すなわちシールチャネル２３、を具備するものとして複合ＭＥＡのガスケットに調製し、これらによって、シール材の流動のうち、組み立てられたスタックの中への、またはその内部を通るものを、シール工程の間に調節する。
【００６１】
スタックの作製を、続いて単純な流動場６０（例えば金属のスクリーン）および平らなセパレータプレート６２（例えばシートストック）を用いて行うことができる。もしくは平らなプレートをスタンプし、１つまたは２つ以上の流動場をセパレータと接合することもできる。カセットの構築の間、シール材をスタックの端部から（またはスタック構成要素のシール材孔から）導入する。シール材はＭＥＡのガスケットに導入されたチャネル２３を通って移動し、および／またはさらに浸潤にして、シールとして高められた稜線および対向面（例えばバイポーラープレートまたはセパレータプレート）の間に形成されたものによってブロックされるまで移動する。接合をセット、硬化、固化、冷却または他の熟成工程で行うことによって、シールが複合ＭＥＡのガスケット部分とセパレータプレート６２との間に形成される。図６および図１１を参照されたい。
【００６２】
複合ＭＥＡ５０（本明細書において「ガスケットＭＥＡ」ということもある）は本発明において好適に用いられ、中心部の積層ＭＥＡ１３（ＮＡＦＩＯＮ型のパースルホン化されたアイオノマー層であり、触媒処理を施したカーボン紙層の間に積層されている）および非伝導性であり非多孔性のガスケット５２として積層されたＭＥＡ５２（図５）の周縁に接合されたものを具備する。前記ガスケット５２は、典型的には熱硬化性または熱可塑性材料から調製され、キャスト、モールドされ、またはこれら以外の場合には積層されたＭＥＡの周縁付近に形成される。好ましい態様において、ガスケットは、モールドとして、溝を具備し、この溝が１つまたは２つ以上の高くなった稜線および盛り上がったチャネルの形成に好適であるモールドを用いて形成される。
【００６３】
ある好ましい複合ＭＥＡの調製は、ガスケットを真空利用樹脂移送モールディングまたはインジェクションモールディングによって行う。すなわち、複合ＭＥＡを図３および図４に図示した型枠に設置する。樹脂の導入をＭＥＡの周縁付近に行い、樹脂によってＧＤＬの端部を遮り、ＭＥＡとガスケットとの間に強固な接合が形成されるようにする。型枠の形は、１つまたは２つ以上の溝を含むものとし、該溝は高くしたチャネルおよび／または盛り上げた稜線としてＭＥＡの周縁をブロックするものの位置および寸法に対応し、シール材をマニホールドとして材料を供給するかまたは特定の流動場から材料を除去するものの周りに導く。
【００６４】
ガスケットを形成する間、典型的には１つまたは２つ以上の反応物質マニホールド、冷却剤マニホールドまたはシール材マニホールドの開口を与える（またはマニホールド開口の導入は、ガスケットの形成を必要な開口をガスケットおよび／またはＭＥＡの切り込みまたはパンチによって行った後に行ってもよい）。複合ＭＥＡのガスケット部分はさらに１つまたは２つ以上の高くなった稜線および／または盛り上がったチャネルを備え、これらによってシール材の流動を制御するとともに方向付けをシール工程の間に行う。典型的には、高くなった稜線または盛り上がったチャネルの高さは、流動場スクリーンまたは高くした流動場としてバイポーラープレートの表面にレリーフされたものの厚みにほぼ等しい。
【００６５】
ある態様において、ガスケットの少なくとも部分が、積層されたＭＥＡの厚みより大きい厚みを有する。これらの高くなった稜線は、シール材、例えばシール材樹脂、を、流動場または反応物質マニホールドもしくはシール材マニホールドに入るのをブロックするように設計されている。すなわち、図７に図示したように、流動場の周縁は、マニホールド開口として流動場に材料を送達することが意図されているものを含めて、ＭＥＡのガスケット部分の高くなった稜線によって囲まれている。高くなった稜線７２および盛り上がったチャネル２３（２つまたは３つ以上の実質的に平行な高くなった稜線７２として、シール材が流動してもよいチャネル２３を形成するもの）をガスケット部分に配置して、ＭＥＡの周縁をシールし、マニホールド開口として流動場と相互作用しないものを囲むようにする。すなわち、高くなった稜線または盛り上がったチャネルとしてガスケットＭＥＡのガスケット部分にあるものは、シール材が浸透しない境界面を、隣接するセパレータプレートまたはバイポーラープレートの平らな端部とともに形成するところ、シール材がスタックに導入されたとき、該シール材は前記高くなった稜線を越えることができないようになっている。
【００６６】
ある態様において、カセットとして流動場スクリーンを具備するものは、好ましくはスクリーンとして、寸法が隣接するＭＥＡの表面およびセパレータプレートとの間の接合体に好適であるものを有し、該スクリーンの断面はシールを形成する周縁のガスケットの部分とセパレータプレートとによって、例えば三次元空間として隣接するＭＥＡの表面、セパレータプレートおよび複合ＭＥＡの周縁端部ガスケットによって、画定されるものである。最終的な分離距離の画定は、流動場スクリーンの厚みによってなされる。次にスタックを組み立てるが、これは伝導セパレータプレート（典型的には表面スパタリングを施していないもの）をガスケットＭＥＡとして流動場スクリーンをＭＥＡと前記セパレータプレートとの間に有するものと交互に入れ換えることによって行う。
【００６７】
図８Ａおよび図８Ｂは、バイポーラープレートとして蛇行したシリーズの稜線を有するものとして、該稜線が、流動場を画定し、反応物質を方向付けするとともに、その流動を、送達マニホールドと排出マニホールドとして流動場に連結しているものの間の実質的に全てのＭＥＡを通って行わせしめるものを示す。もしくは、一連の高くなったランド、例えば複数の多角形または円形の突起であって、バイポーラープレートの表面からのものである配置された長方形のランドとして図１２に図示されたもの、をバイポーラープレートの流動場として導入してもよい。好ましいバイポーラープレートは、実質的に平面の表面を流動場領域周辺に具備し、該平面はガスケットを有するＭＥＡのガスケット部分の高くなった稜線および／または盛り上がったチャネルと連結することができ、これによってシール材または他の材料を流動場またはマニホールド開口からシール工程または封止工程の間排除する。バイポーラープレートは、カーボン／ポリマー複合体から機械製造（machine）またはモールドすることができる。もしくは、バイポーラープレートは、金属のシートストックからスタンプ製造（stamp）することもできる。
【００６８】
あるいは、各流動場の形成をバイポーラープレートの表面に行うこともでき、複合ＭＥＡを組み立ててカセットとすることもできる。好ましくは、１つまたは２つ以上のチャネルがモールドしたガスケットに存在するかまたはバイポーラープレートの表面にエッチされ、構成要素を一緒に接合し、各マニホールドとして流動場から隔離するべきものをシール材によって囲む。
【００６９】
さらに、複合ＭＥＡのガスケット部分に対するシールによって低減されるかまたは妨げられるのは、ＭＥＡの表面の断面の部分が、反応物質のうち、流動場であって前記ＭＥＡの表面に導入されないものに暴露されることである。より詳細には、マニホールド開口であって燃料および酸化剤を供給するものが暴露されるのは、複合ＭＥＡのガスケット部分のうち典型的に電気化学的に不活性なもののみである。したがって、複合ＭＥＡの表面であって酸化剤流動場に接しているものは、その表面にある燃料に暴露されることが防がれる。その理由は、複合ＭＥＡの積層されたＧＤＬ／ＭＥＡ構造は、例えば燃料マニホールドと接していないからである。
カセットであって冷却剤マニホールドを具備するものにおいては、マニホールド開口の暴露は、好ましくは複合ＭＥＡのガスケット部分にのみなされる。このような配置によって、冷却剤によって引き起こされるＭＥＡおよび／またはカセットに対する損傷を減じることができる。
【００７０】
他の側面において、本発明はスタックとして燃料電池における使用に好適なもの、電気化学的またはイオン交換アプリケーションを与える。本発明のスタックは、少なくとも１つの本発明のカセット少なくとも１つのエンドプレートであって、カセットの反応物質マニホールド開口に対して位置決めされている開口を有するものを具備する。各カセットの組み立ては、相互に反応物質マニホールド開口に対して位置決めするように行われる。エンドプレートの組み立ては燃料電池カセットのスタックの頂部または底部に行われ、エンドプレートの開口が応物質マニホールド開口と位置決めされるようにする。
【００７１】
エンドプレートと燃料電池カセットを組み立てて本発明の燃料電池スタックを形成せしめる方法はとくに限定されず、圧縮ガスケットシールおよび共カプセル化（co-encapsulation）を樹脂および／またはシール材の中に行ってもよい。好ましい態様において、エンドプレートの組み立ては燃料電池カセットとともに樹脂によるカプセル化の前かつシール材の導入前、に行い、エンドプレートおよび燃料電池カセットのカプセル化およびシールを、組にして、例えば同時に、行うようにする。
【００７２】
本発明の他の好ましい態様においては、１つまたは２つ以上の燃料電池カセットを製造し、次にそれらをスタック内に圧縮ガスケットおよびエンドプレートとともに配列せしめる。圧縮手段、例えばスルーボルト、タイダウンまたは他の機械的な接合材を燃料電池スタックに付着せしめ、燃料電池カセットおよびエンドプレートを機械的にシールする。
【００７３】
層の大きさおよび層の数は、本発明のカセットまたはスタックにおいては特に限定されない。典型的には、各流動場および／または膜接合体は約１ｃｍ２および約１ｍ２の範囲とするが、これらより大きいかまたは小さい流動場層および／または膜接合体膜は、あるアプリケーションにおいては好適である。層の大きさおよび層の数は、本発明の燃料電池カセットにおいては、種々のアプリケーションに対して十分な出力電力を産生するように設定する。多くの場合、電力出力は本発明の燃料電池カセットおよび燃料電池スタックにおいては約０．１Wから約１００ｋWの範囲であり、より好ましくは約0.5Wから約１または約１０ｋWまでの範囲である。他の好ましい本発明の燃料電池カセットにおいては約５Wから約１ｋWの範囲である。
【００７４】
圧力の差および時間としてシール工程を完遂に必要とされるものは、燃料電池カセットの構築において用いられる材料の関数となる。これらにはシール材チャネルの形状、樹脂の粘度および流動特性、ならびにＭＥＡにおいて用いられるガス拡散層のタイプが包含される。当業者であれば、適切な時間及び圧力をこれらのパラメータに基づいて判断することができる。本発明を実施する者は、最も好適な時間および圧力を目視によって確認してもよい。シール工程の間に透明な型枠を用いれば、樹脂の進み具合を接合体の最上層において見ることができる。
【００７５】
好ましい本発明の燃料電池カセットについて、例示のための以下の態様によってさらに説明するが、これらは説明のためだけのものであって、本発明をこれらに記載した特定の部分および範囲に限定することを意図するものではない。
【００７６】
例１：２セルスタックのパフォーマンスデータ
稜線および盛り上がったチャネルパターンとして図７に図示したものを用いて、複合ＭＥＡとして図２に図示したものを市販のＭＥＡおよびシリコーン樹脂から、ガスケット型枠として図３および図４に図示したものを用いてモールドした。セパレータプレートはプレート状のステンレス鋼から切り出し、網状の流動場はステンレス鋼の網から切り出した。各構成要素は図１０に図示し、例えば、２つの複合ＭＥＡ、４つの流動場スクリーン、１つのセパレータプレート、および２つのエンドプレートであり、これらを以下の順番で型枠に組み立てて設置する：エンドプレート、流動場スクリーン、複合ＭＥＡ流動場スクリーンおよびセパレータプレート。接合体のカプセル化を、シリコーン樹脂、Silastic（Dow Coming Corporation of Midland、Michigan、USAから購入可能）を用いて、樹脂をシール材孔にハンドディスペンサを押し入れて行う。
【００７７】
表１に、総電圧、セル電圧、電流および電流密度を、上記燃料スタック接合体について示した。動作環境は、５０Cのスタック温度、デッドエンド系水素（通常のパージ）、および１ＬＰＭの空気（加湿、５０C）であった。
【００７８】
表１
【表１】
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【００７９】
例２：標準的なインジェクションモールディング
ほとんど変更を加えなくても、上記スキームを自動インジェクションモールディングに用いることができる。２部の樹脂（例えば例１において用いたシリコーン）を用いると、樹脂のインジェクションをチャネル内に駆動圧をかけて、内部のポートに真空を引かずに行えることが明らかになった。従来のインジェクションモールディングにおいて熱可塑性樹脂としては、用いる型枠は、関連する温度および圧力を耐用するものである必要がある。モルテン樹脂をインジェクション孔の内部および接合体の周囲にインジェクションし、冷まして硬化せしめる。インジェクションの速度プロファイル、パック圧、および冷却時間は構成要素の損傷を最小限とするように、そして最終部分のシールを確実にするように収縮／反りを制御するように、最適化する。最後に、燃料電池カセットを型枠からはずす。
【００８０】
本発明にかかる上記記載は、その例示にすぎないものであり、変更および修正は、本発明の精神及び範囲から逸脱しない範囲で行うことができる旨理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の燃料電池スタックの一態様を図示したものである。
【図２】図３および図４に記載の型枠を用いて、樹脂の真空利用樹脂移送およびＭＥＡによって製造した複合ＭＥＡの写真イメージである。
【図３】本発明のスタックにおいて用いるのに適した、ある複合ＭＥＡの形成に適した型枠の上底面の模式図である。
【図４】図３に模式的に示した型枠の写真イメージである。
【図５】ＭＥＡの周縁領域付近にガスケットを具備する複合ＭＥＡを図示したものである。
【図６】シール材チャネルを導入した端部ガスケットを具備する複合ＭＥＡの断面図である。
【００８２】
【図７Ａ−Ｂ】高くなった稜線および盛り上がったチャネルを具備する周縁ガスケットを備えた複合ＭＥＡの上底面および側面の模式図である。
【図８Ａ−Ｂ】表面に刻んで導入された流動場を具備するバイポーラープレートの上底面および側面の模式図である。
【図９】図１０に図示した構成要素の接合体によって製造したスタックのイメージ図である。
【図１０】例１に記載され、図９に図示されたスタックを組み立てるために用いられる構成要素の接合体の写真図である。上面およびプレート（１）、フロースクリーン（２、４、６および８）、２つの複合ＭＥＡ（３と７）、分離プレート（５）を含む。底部エンドプレート（９）は図示されていない。
【図１１】図２に示された複合ＭＥＡのシール材樹脂を盛り上がったチャネルおよび複合ＭＥＡの周縁付近に導入した後の、複合ＭＥＡのイメージ図である。
【図１２】本発明のバイポーラプレートの酸化剤流動場面の上底面の図である。
【００８３】
【図１３】本発明において用いられる、シール材の溝およびシール材の孔の設計の図である。
【図１４】本発明において用いられる、シール材の溝およびシール材の孔の他の態様の設計の図である。
【図１５】本発明において用いられる、シール材の溝およびシール材の孔の他の態様の設計の図である。
【図１６】燃料電池接合体が型枠に入り封止前の状態の写真イメージ図である。
【図１７】接合されたエンドプレートを具備する、本発明の燃料電池カセットの上底面および側面の模式図である。
【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５】
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【図６】
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【図７Ａ−Ｂ】
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【図８Ａ−Ｂ】
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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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