(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池カセットであって：
膜電極接合体層、燃料流動域層および酸化剤流動域層を含み、それぞれの構成要素層は、その厚さを貫通する少なくとも１つの反応物質マニホールド穴およびその厚さを貫通する少なくとも１つの封止剤マニホールドを有し、流動域層は封止剤チャネルを有し；
それぞれの反応物質マニホールドが層に垂直方向に揃って、繋がった流路を形成するように整列し、それぞれの封止剤マニホールドの少なくとも一部が層に垂直方向に揃って、繋がった流路を封止剤チャネルと連通して形成するように整列するように、前記膜電極接合体層、燃料流動域層および酸化剤流動域層は、互いに関連して組み立てられ；
燃料流動域層および酸化剤流動域層は、層内を物質が流動することを許容し、反応物質マニホールドはその中を通って物質が流動することを許容し、封止剤マニホールドおよび封止剤チャネルは封止剤が封止剤マニホールドから流動域層内へ浸透することを許容するものであり、
燃料電池カセットの周縁部を密閉するために、膜電極接合体、燃料流動域および酸化剤流動域の周縁部に樹脂が導入され、特定の流動域に物質を送達することを意図しない反応物質マニホールドを囲むために、封止剤が封止剤マニホールドおよび封止剤チャネルに導入される、
前記燃料電池カセット。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池カセットであって：
その厚さにわたって広がる少なくとも１つの反応物質マニホールドおよびその厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールドを有する、非多孔性分離プレートをさらに含み；
それぞれの反応物質マニホールドが層に垂直方向に揃って、繋がった流路を形成するように整列し、それぞれの封止剤マニホールドの少なくとも一部が層に垂直方向に揃って、繋がった流路を形成するように整列するように、前記膜電極接合体層、燃料流動域層、酸化剤流動域層および非多孔性分離プレートは、互いに関連して組み立てられ；
燃料電池カセットの周辺部を密閉するために、膜電極接合体、燃料流動域、酸化剤流動域および非多孔性分離プレートの周辺端に樹脂が導入され、特定の流動域に物質を送達することを意図しない反応物質マニホールドを囲むために、封止剤が封止剤マニホールドおよび封止剤チャネルに導入される、
前記燃料電池カセット。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池カセットであって：
その厚さにわたって広がる少なくとも２つの反応物質マニホールドおよびその厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールドおよび封止剤チャネルを有する、冷却剤流動域層をさらに含み；
それぞれの反応物質マニホールドが層に垂直方向に揃って、繋がった流路を形成するように整列し、それぞれの封止剤マニホールドの少なくとも一部が層に垂直方向に揃って、繋がった流路を形成するように整列するように、前記膜電極接合体層、燃料流動域層、酸化剤流動域層、非多孔性分離プレートおよび冷却剤流動域層は、互いに関連して組み立てられ；
燃料電池カセットの周辺部を密閉するために、膜電極接合体層、燃料流動域層、酸化剤流動域層、非多孔性分離プレートおよび冷却剤流動層の周辺端に樹脂が導入され、特定の流動域に反応物質を送達することを意図しない反応物質マニホールドを囲むために、封止剤が封止剤マニホールドおよび封止剤チャネルに導入される、
前記燃料電池カセット。
【請求項４】
燃料電池カセットの周辺部に適用される樹脂が、封止剤マニホールドに導入される封止剤の少なくとも一部と接触する、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池カセット。
【請求項５】
封止剤マニホールドに導入される封止剤が、実質的に特定の流動域に反応物質を送達することを意図しない反応物質マニホールドを囲む、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池カセット。
【請求項６】
封止剤マニホールドが、カセットの１または２以上の層の周辺端への開口を少なくとも１つ含み、カセットの密封の間に封止剤マニホールドに樹脂が導入される、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池カセット。
【請求項７】
少なくとも１つの封止剤および樹脂が、熱硬化性または熱可塑性の物質である、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池カセット。
【請求項８】
少なくとも１つの封止剤および樹脂がシリコンである、請求項７に記載の燃料電池カセット。
【請求項９】
樹脂および封止剤が同一の物質から構成される、請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池カセット。
【請求項１０】
酸化剤流動域が、少なくとも１つの外気への開口部を含む、請求項１に記載の燃料電池カセット。
【請求項１１】
（ａ）膜電極接合体層、燃料流動域層および酸化剤流動域層を含み、それぞれがその厚さにわたって広がる少なくとも１つの反応物質マニホールドおよびその厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールドを有し、流動域層は封止剤チャネルを有する、少なくとも１つの燃料電池カセットと；
（ｂ）反応物質マニホールドに対して整列する、１または２以上の孔を有する少なくとも１つのエンドプレートとを含む、燃料電池スタックであって；
燃料流動域層および酸化剤流動域層は、層内を物質が流動することを許容し、反応物質マニホールドはその中を通って物質が流動することを許容し、封止剤マニホールドおよび封止剤チャネルは封止剤がマニホールドから流動域層内へ浸透することを許容するものであり、
燃料電池カセットの周辺部を密閉するために、膜電極接合体層、燃料流動域層および酸化剤流動域層の周辺端に樹脂が導入され、特定の流動域に物質を送達することを意図しない反応物質マニホールドを囲むために、封止剤が封止剤マニホールドおよび封止剤チャネルに導入され；
前記エンドプレートの孔が、燃料流動域マニホールド、酸化剤流動域マニホールドおよび燃料電池カセットの封止剤マニホールドそれぞれの少なくとも一部に対して層に垂直方向に揃うように整列するように、前記エンドプレートが、燃料電池カセットの上および／または底に組み立てられる、前記燃料電池スタック。
【請求項１２】
燃料電池カセットの周辺部に適用される樹脂が、封止剤マニホールドに導入される封止剤の少なくとも一部と接触する、請求項１１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１３】
樹脂による密封の前で、かつ封止剤の導入の前にエンドプレートが燃料電池カセットと組み立てられ、エンドプレートおよび燃料電池カセットが、組み合わさって密封され、封止される、請求項１１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１４】
燃料電池スタックの封止および密封の後に、封止剤の少なくとも一部が、封止剤マニホールドの少なくとも１つから除去され、付加的な圧縮力を燃料電池スタックに提供するために、圧縮手段が空の封止剤マニホールドに挿入される、請求項１１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１５】
樹脂による密封および封止剤の封止剤マニホールドへの導入の後に、エンドプレートが、１または２以上の燃料電池カセットに取り付けられる、請求項１１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１６】
エンドプレートが圧縮シールにより取り付けられる、請求項１５に記載の燃料電池スタック。
【請求項１７】
１または２以上の燃料電池カセットの封止および密封の後に、封止剤の少なくとも一部が、封止剤マニホールドの少なくとも１つから除去され、付加的な圧縮力を燃料電池スタックに提供するために、圧縮手段が空の封止剤マニホールドに挿入される、請求項１６に記載の燃料電池スタック。
【請求項１８】
少なくとも１つの封止剤または樹脂が、熱可塑性物質または熱硬化性物質である、請求項１１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１９】
少なくとも１つのエンドプレートが、熱硬化性ポリマー、熱可塑性ポリマー、金属または合金から構成される、請求項１１に記載の燃料電池スタック。
【請求項２０】
少なくとも１つのエンドプレートが、充填ポリマー複合材料から構成される、請求項１１に記載の燃料電池スタック。
【請求項２１】
充填ポリマー複合材料が、ガラス繊維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２０に記載の燃料電池スタック。
【請求項２２】
電気化学的またはイオン交換の用途に適するカセットであって：
その厚さにわたって広がる少なくとも１つの反応物質マニホールドおよびその厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールドを有する膜接合体層と；
その厚さにわたって広がる少なくとも１つの反応物質マニホールドおよびその厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールドと、封止剤チャネルとを有する、第１の反応物質流動域層と；
その厚さにわたって広がる少なくとも１つの反応物質マニホールドおよびその厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールドと、封止剤チャネルとを有する、第２の反応物質流動域層を含み；
前記反応物質マニホールドが層に垂直方向に揃って、繋がった流路を形成するように整列し、かつそれぞれの封止剤マニホールドの少なくとも一部が層に垂直方向に揃って、繋がった流路を形成するように整列するように、前記膜接合体層、第１の反応物質流動域層および第２の反応物質流動域層は、互いに関連して組み立てられ；
反応物質流動域層は、層内を反応物質が流動することを許容し、反応物質マニホールドはその中を通って反応物質が流動することを許容し、封止剤マニホールドおよび封止剤チャネルは封止剤がマニホールドから流動域層内へ浸透することを許容するものであり、
カセットの周辺部を密閉するために、前記膜接合体、第１の反応物質流動域および第２の反応物質流動域の周辺端に樹脂が導入され、特定の流動域に反応物質を送達することを意図しない反応物質マニホールドを囲むために、封止剤が封止剤マニホールドおよび封止剤チャネルに導入される、前記カセット。
【請求項２３】
カセットの周辺部に適用される樹脂が、封止時マニホールドに導入される封止剤の少なくとも一部と接触する、請求項２２に記載のカセット。
【請求項２４】
膜接合体が、さらに少なくとも２つの電極を含む、請求項２２に記載のカセット。
【請求項２５】
燃料電池カセットであって：
その厚さにわたって広がる少なくとも１つの反応物質マニホールドを有する、膜電極接合体層と；
燃料流動域層であって、その厚さにわたって広がる少なくとも１つの反応物質マニホールドと、燃料流動域層の周辺部につながり、その厚さにわたって広がる開口を有する、少なくとも１つの封止剤マニホールドチャンネルとを有する前記燃料流動域層と；
酸化剤流動域であって、その厚さにわたって広がる少なくとも１つの反応物質マニホールドを有し、前記酸化剤流動域層の周辺部につながり、その厚さにわたって広がる開口を有する前記封止剤マニホールドチャンネルを少なくとも１つ有する前記酸化剤流動域層と；
それぞれの反応物質マニホールドが層に垂直方向に揃って、繋がった流路を形成するように整列するように、膜電極接合体、燃料流動域および酸化剤流動域は、互いに関連して組み立てられ；
燃料流動域層および酸化剤流動域層は、層内を反応物質が流動することを許容し、反応物質マニホールドはその中を通って反応物質が流動することを許容し、封止剤マニホールドチャンネルは封止剤が封止剤マニホールドチャンネルから流動域層内へ浸透することを許容するものであり、
燃料電池カセットの周辺部を密閉するために、前記膜電極接合体層、燃料流動域層および酸化剤流動域層の周辺端に樹脂が導入され、特定の流動域に物質を送達することを意図しない反応物質マニホールドを囲むために、封止剤が封止剤マニホールドチャンネルに導入され；
封止剤マニホールドチャンネルは１または２以上のカセットの層の周辺端につながる開口を少なくとも１つ含み、カセットの密封の間に樹脂が封止剤マニホールドチャンネルに導入される、前記燃料電池カセット。
【請求項２６】
（ａ）電気化学的またはイオン交換の用途に適するカセットであって：
膜接合体層、第１の反応物質流動域層および第２の反応物質流動域層を含み、それぞれの構成要素は、その厚さにわたって広がる少なくとも１つの反応物質マニホールドおよびその厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールドを有し、流動域層は封止剤チャネルを有し；
反応物質流動域層は、層内を反応物質が流動することを許容し、反応物質マニホールドはその中を通って反応物質が流動することを許容し、封止剤マニホールドは封止剤がマニホールドおよび封止剤チャネルから流動域層内へ浸透することを許容するものであり、
カセットの周辺部を密閉するために、前記膜接合体層、第１の反応物質流動域層および第２の反応物質流動域層の周辺端に樹脂が導入され、特定の流動域に反応物質を送達することを意図しない反応物質マニホールドを囲むために、封止剤が封止剤マニホールドおよび封止剤チャネルに導入される、前記カセットを少なくとも１つと、
（ｂ）反応物質マニホールドに対して整列する孔を有する少なくとも１つのエンドプレートとを有し；
反応物質マニホールドが層に垂直方向に揃って、繋がった流路を形成するように整列し、封止剤マニホールドが層に垂直方向に揃って、繋がった流路を形成するように整列するように、それぞれのカセットは、スタック内で互いに関連して組み立てられ；
前記エンドプレートの孔が、反応物質マニホールドに対して整列するように、前記エンドプレートが、カセットのスタックの上および／または底に組み立てられる、電気化学的またはイオン交換の用途に適するスタック。
【請求項２７】
カセットの周辺部に適用される樹脂が、封止剤マニホールドに導入される封止剤の少なくとも一部と接触する、請求項２６に記載のスタック。
【請求項２８】
膜接合体が、さらに少なくとも２つの電極を含む、請求項２６に記載のスタック。
【請求項２９】
樹脂による密封の前で、かつ封止剤の導入の前にエンドプレートがカセットと組み立てられ、エンドプレートおよびカセットが、組み合わさって密封され、封止され、それぞれの封止剤マニホールドがエンドプレートの孔に対して整列する、請求項２６に記載のスタック。
【請求項３０】
樹脂による密封および封止剤の封止剤マニホールドへの導入の後に、エンドプレートがカセットに取り付けられる、請求項２６に記載のスタック。
【請求項３１】
エンドプレートが、圧縮シールによって取り付けられる、請求項２６に記載のスタック。
【請求項３２】
カセットの封止および密封の後に、封止剤の少なくとも一部が、封止剤マニホールドの少なくとも１つから除去され、付加的な圧縮力をスタックに提供するために、圧縮手段が空いている封止剤マニホールドに挿入される、請求項２６に記載のスタック。
【請求項３３】
（ａ）その厚さにわたって広がる少なくとも１つの反応物質マニホールドおよびその厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールドを有する少なくとも１つの膜接合体を提供するステップと；
（ｂ）その厚さにわたって広がる少なくとも１つの反応物質マニホールドおよびその厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールドおよび封止剤チャネルを有する少なくとも１つの第１の反応物質流動域層を提供するステップと；
（ｃ）その厚さにわたって広がる少なくとも１つの反応物質マニホールドおよびその厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールドおよび封止剤チャネルを有する少なくとも１つの第２の反応物質流動域層を提供するステップを含み；
反応物質流動域層は、層内を反応物質が流動することを許容し、反応物質マニホールドはその中を通って反応物質が流動することを許容し、封止剤マニホールドおよび封止剤チャネルは封止剤がマニホールドおよび封止剤チャネルから流動域層内へ浸透することを許容するものであり、
前記反応物質マニホールドが層に垂直方向に揃って、繋がった流路を形成するように整列し、かつそれぞれの封止剤マニホールドの少なくとも一部が層に垂直方向に揃って、繋がった流路を形成するように整列するように、前記膜接合体、第１の反応物質流動域および第２の反応物質流動域は、互いに関連して組み立てられ；
カセットの周辺部を封止し、圧力差をカセットに対して加えることによって封止剤マニホールドを取り囲むカセットの一部を封止するステップを含み、
（１）前記膜接合体、第１の反応物質流動域および第２の反応物質流動域の周辺端が、樹脂によって一緒に密封され、
（２）特定の流動域に反応物質が送達されることを意図しない前記反応物質マニホールドが、樹脂、封止剤またはその組み合わせによって隔離されている、カセットの製造方法。
【請求項３４】
請求項３３に記載の方法であって、封止するステップが：
スタック形成物を樹脂で取り囲むステップと；
封止剤を封止剤マニホールドに導入するステップと；
スタック形成物の周辺端に樹脂が導入されるように、かつ封止剤マニホールドを取り囲むカセットの一部に封止剤が導入されるように、所期の間隔で圧力差手段をスタック形成物に適用するステップと；
前記封止剤の凝固を可能にし、それにより、その特定の流動域のための反応物質に対応しない反応物質を含有する前記マニホールドを囲むステップと；
前記樹脂の凝固を可能にし、それにより、膜接合体と第１の反応物質流動域と第２の反応物質流動域の間に結合を形成し、スタックの周辺部を樹脂で密封するステップを含む、前記方法。
【請求項３５】
請求項３３に記載のカセットの製造方法であって、
（ｄ）その厚さにわたって広がる少なくとも１つの反応物質マニホールドおよびその厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールドおよび封止剤チャネルを有する、少なくとも１つの冷却剤流動域層を提供するステップと；
（ｅ）その厚さにわたって広がる少なくとも１つの反応物質マニホールドおよびその厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールドを有する、少なくとも１つの非多孔性分離プレートを提供するステップを含み；
前記反応物質マニホールドが整列し、それにより、その厚さにわたって広がる少なくとも１つのマニホールドチャンネルを画定するように、前記膜接合体、第１の反応物質流動域、第２の反応物質流動域、冷却剤流動域および非多孔性分離プレートは、互いに関連して組み立てられ；
組み立てたものを樹脂で取り囲むステップと；
封止剤を封止剤マニホールドに導入するステップと；
スタック形成物の周辺端に樹脂が導入されるように、かつ封止剤マニホールドおよび封止剤チャネルを取り囲むカセットの一部に封止剤が導入されるように、所期の間隔で圧力差手段をスタック形成物に適用するステップと；
前記封止剤の凝固を可能にし、それにより、その特定の流動域のための反応物質に対応しない反応物質を含有する前記マニホールドを囲むステップと；
前記樹脂の凝固を可能にし、それにより、膜接合体、第１の反応物質流動域、第２の反応物質流動域、冷却剤流動域、非多孔性分離プレートとの間に結合を形成し、スタックの周辺部を樹脂で密封するステップを含む、前記方法。
【請求項３６】
（ａ）その厚さにわたって広がる少なくとも１つの反応物質マニホールドおよびその厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールドを有する少なくとも１つの膜接合体層を提供するステップと；
（ｂ）その厚さにわたって広がる少なくとも１つの反応物質マニホールドおよびその厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールドおよび封止剤チャネルを有する少なくとも１つの第１の反応物質流動域層を提供するステップと；
（ｃ）その厚さにわたって広がる少なくとも１つの反応物質マニホールドおよびその厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールドおよび封止剤チャネルを有する少なくとも１つの第２の反応物質流動域層を提供するステップと；
（ｄ）少なくとも前記反応物質マニホールドに対して整列する孔を有する、少なくとも１つのエンドプレートを提供するステップを含み；
前記反応物質マニホールドが垂直方向に整列し、それにより、スタック形成物の厚さにわたって広がる少なくとも１つのマニホールドチャンネルを画定するように、前記膜接合体層、第１の反応物質流動域層および第２の反応物質流動域層が配置され；
反応物質流動動層は、層内を反応物質が流動することを許容し、反応物質マニホールドはその中を通って反応物質が流動することを許容し、封止剤マニホールドおよび封止剤チャネルは封止剤がマニホールドおよび封止剤チャネルから流動層内へ浸透することを許容するものであり、
圧力差をカセットに対して加えることによって、カセットおよび封止剤マニホールドを取り囲むカセットの一部を封止するステップを含み、
（１）前記膜接合体層、第１の反応物質流動域層および第２の反応物質流動域層の周辺端が、樹脂によって一緒に密封され、
（２）特定の流動域に反応物質が送達されることを意図しない前記反応物質マニホールドが、樹脂、封止剤またはその組み合わせによって隔離されている、スタックの製造方法。
【請求項３７】
樹脂による密封の前で、かつ封止剤の導入の前にエンドプレートがカセットと組み立てられ、エンドプレートおよびカセットが、組み合わさって密封され、封止される、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
樹脂による密封および封止剤の封止剤マニホールドへの導入の後に、エンドプレートがカセットに取り付けられる、請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
エンドプレートが圧縮シールによって取り付けられる、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
カセットが、燃料電池の用途に適し、膜接合体が、膜電極接合体であり、第１の反応物質が燃料、第２の反応物質が酸化剤である、請求項３７に記載の方法。
【請求項４１】
少なくとも１つの、請求項１〜１１、２３〜２６のいずれかに記載のカセットのスタックを製造する方法であって、
（ａ）少なくとも１つのカセットおよび少なくとも１つのエンドプレートであって、それぞれのカセット（単数または複数）およびエンドプレート（単数または複数）は、第１の反応物質流動域マニホールドおよび第２の反応物質流動域マニホールドに対して整列する孔を有し、それぞれのカセットの反応物質マニホールドは、整列し、少なくとも１つの反応物質マニホールド通路を形成する、前記カセットおよび前記エンドプレートと、
（ｂ）前記エンドプレートの反応物質マニホールドが、カセットのスタックの反応物質通路に対して整列するように、前記カセットのスタックの上および／または底に取り付けられる、少なくとも１つのエンドプレートとを含むスタックを組み立てるステップと、
前記エンドプレートおよびカセットを前記スタックに封入するために、圧縮手段を適用するステップとを含む、前記方法。
【請求項４２】
スタックを樹脂で密封するステップをさらに含む、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
カセットが、燃料電池の用途に適し、膜接合体が、膜電極接合体であり、第１の反応物質が燃料、第２の反応物質が酸化剤である、請求項４１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この出願は、２００１年１０月２２日に出願され、参照として組み込まれる米国仮出願60/337,851による利益を享受することを主張する。
【０００２】
発明の背景
１．発明の属する分野
この発明は、樹脂または熱可塑性マトリックスによる構成要素部分の密封を経て作られる、膜に基づくカセットおよびスタックの製造に関する。本発明は、内部ポート（例えばマニホールド部）の特徴を含んでおり、セルカセットの組立に先立って、個別の構成要素を密封するための独立したステップの必要性を除去する。本発明のカセットおよびスタックは、イオン交換の用途と同様に、燃料電池を含む、多種の電気化学的な用途に特に適している。
【０００３】
２．背景
電気化学セル、特にPEM燃料電池は、当該技術分野において公知である。PEM燃料電池は、事実上環境を害する放出をせずに、化学エネルギーを電気エネルギーに変換し、エネルギーは格納されず、供給燃料から得るという点でバッテリーとは異なる。したがって、燃料電池は、充電／放電のサイクルに関係なく、燃料が連続的に供給される限り、特定の電力出力を維持することができる。燃料電池の研究および商業化に対する莫大な投資が、市場における当該技術の多大な可能性を示している。しかしながら、従来の電力発生技術と比較した場合の燃料電池の高いコストは、その潜在的な広範にわたる使用の障害となっている。材料および労働力が関係するために、燃料電池の製造および組立のコストは重要であり、燃料電池のコストの実に８５％が製造段階に帰する。
【０００４】
単一セルのPEM燃料電池は、薄いイオン伝導膜によって分離されたアノード部およびカソード部からなる。ガス拡散層を伴う、または伴わないこの触媒膜は、しばしば膜電極接合体（“ＭＥＡ”）と呼ばれる。エネルギー変換は、反応物、還元剤および酸化剤が、PEM燃料電池のアノード部およびカソードにそれぞれ供給されたときに始まる。酸化剤は、純粋な酸素、空気などの気体を含有する酸素および塩素などのハロゲンが含まれる。還元剤またはここで燃料と呼ぶものは、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、アルコール混合物および他の水素リッチな有機物が含まれる。アノードにおいて、還元剤は酸化されて陽子を放出し、この陽子は、膜を通過してカソードに移動する。カソードにおいて、陽子は、酸化剤と反応する。全体の電気化学的レドックス（還元／酸化）反応は、自発的であり、エネルギーが解放される。この反応を通じて、PEMは、還元剤および酸化剤が混合することを防ぎ、かつイオンの移動が生じることを可能にするために役立つ。
【０００５】
現在最先端の燃料電池の設計は、単一セルよりも多くを含み、実際に、燃料電池“スタック”を形成する一連のいくつかのＭＥＡ、流動域および分離プレートを組み合わせており、それによって多くの用途に必要な高電圧および重要な電力出力を提供する。スタックの構成に従って、スタックの設計の一部として、１または２以上の分離プレートが利用されてよい（“二極スタック”と呼ばれる）。この基本的な設計の作用は、スタックの構造上の支持を提供する一方で、燃料、酸化剤および冷却剤の入力ストリームが燃料電池スタック内で混合することを防ぐことである。これらの分離プレートは、電極の電流コレクタとして役立ち、また、ＭＥＡと接触するプレートの表面上に形成される、多くの並んだランド（land）およびグルーヴ（groove）を含んでもよく、この場合、分離プレートは、しばしば単に“二極プレート”と呼ばれ、多くの並んだランドおよびグルーヴは、“流動域”と呼ばれる。あるいは、この流動域は、分離された多孔性の電極層でもよい。燃料電池スタックに使用される理想的な分離プレートは、薄く、軽量で、耐久性があり、高い伝導性を示し、所望により効果的な流動域を提供することができ、それにより二極プレートとなる腐食抵抗性の構造である。
【０００６】
流動域において、ランドは、ランド間のグルーヴが、水素、酸素または空気などの燃料電池に利用される反応物を電極の面にわたり均一に分配する間に、電流を電極から伝導する。また、ランドおよびグルーヴによって形成されるチャンネルは、水などの液体反応の副産物の除去を容易にする。通常グラファイトまたは炭素から作られる、薄い多孔性の紙、布またはフェルトのシートは、流動域とＭＥＡの触媒面との間それぞれに位置し、電流を隣接するランドに伝導し、ＭＥＡに反応物を分配することを助けるために、流動域においてグルーヴと向き合う位置にＭＥＡを支持する。この薄いシートは、通常ガス拡散層（“GDL”）と称され、ＭＥＡの一部として組み込まれることができる。
【０００７】
また、燃料電池スタックは、１または２以上の冷却剤流動域内に加湿チャンネルを含んでもよい。これらの加湿チャンネルは、燃料電池の動作温度にできるだけ近い温度の燃料および酸化剤を加湿する機構を提供する。これは、燃料電池に進入する気体とPEMの温度との間の高い温度差が、水蒸気のPEMから燃料および酸化剤のストリームへの移動を生じさせるので、PEMの再水和を防ぐことを助ける。加湿チャンネルの位置は、チャウ（Chow）他の米国特許5,382,478およびヴィターレ（Vitale）他の米国特許6,066,966に記載される燃料電池スタックのように、ＭＥＡの上流またはエップ（Epp）他の米国特許5,176,966に記載されているように、ＭＥＡの下流のいずれかが可能である。
【０００８】
必要に応じて、ＭＥＡのGDL部分などの特定のスタック構成要素は、燃料電池スタックへの、またはそれからの、あるいはその内部での還元剤および副産物の分配を提供するために多孔性である。スタック内の部品の数のために、スタック構成要素間（またはスタックの外部）において、液体または気体の漏洩を防ぐ手段が必要である。この目的のために、ガスケットまたは他のシールが、膜の表面とおよび／またはＭＥＡと流動域などの他のスタック構成要素との間およびスタック周辺部の一部に通常提供される。これら封止手段、エラストマー材料または粘着性物質のいずれかが、封止される特定の表面に設置され、はめ込まれ、成形され、または直接適用される。これらの工程は、労働量が集約し、大量生産につながらず、燃料電池に高いコストを付加している。これらの工程の変動性は、不十分な製造量および製品の信頼性という結果をもたらす。
【０００９】
燃料電池スタックは、電力出力、冷却および他の技術的要件により設計に幅があるが、多数のＭＥＡ、シール、流動域および分離プレートを利用して、複雑な集合体となる場合があり、製造上において困難をもたらし、燃料電池のコストがさらに高くなる。例えば、スピア（spear）他の米国特許5,683,828に記載されている燃料電池スタックは、一緒に接着結合している最大１０の分離された層を含む二極プレートを利用し、それぞれの層は、温度管理のために冷却水を燃料電池スタック全体に伝えるために用いられる独自のチャンネルを有する。
【００１０】
典型的に、これらの多数の個別の構成要素は、単位の複合ユニットに組み立てられ、燃料電池スタックを形成する。スタックは、バンディングまたは他の方法が用いられてもよいが、一般的にはエンドプレートおよびボルトを使用して、スタック構成要素が堅く保持され、構成要素間の電気的接触を維持するように圧縮される。圧縮を加えるための現在の手段は、さらなる構成要素を付加し、スタックの複雑さを増し、付加的な封止の必要性を生じる。燃料電池スタック集合体の設計におけるこれらの欠陥をなくし、それにより製造コストを下げるために、燃料電池の分野において多種の試みがなされてきた。
【００１１】
他の従来の工程が、シュミッド（Schmid）他の米国特許6,080,503、チー（Chi）他の米国特許4,397,917、エップ（Epp）他の米国特許5,176,966に記載されている。しかしながら、このような従来の工程には顕著な不利点がある。
例えば、シュミッド他の米国特許6,080,503を見ると、スタックのある部分にあるガスケットに基づくシールをテープ、コークまたは層の形状の接着剤に基づく材料で置き換えることが記載されている。しかしながら、このスタックの集合体は、シールをコーキングする場合と変わりなく、接着の工程の間に、接着剤が有効な場所にわたって適用されるインタフェースにおいてのみ封止が行われるように、なお構成要素の手動整列が必要である。
【００１２】
同様に、チー（Chi）他の米国特許4,397,917には、燃料電池スタック内のサブユニットの製造が記載されており、取扱いおよび試験が容易に提供されると報告されている。しかしながら、この設計は、構成要素とサブユニットとの間の従来の封止に依っている。それに加え、マニホールド部は、サブユニット内部を貫通しない。
【００１３】
また、直接的に燃料電池スタック集合体に所望のガスケットを形成する方法についてのエップ（Epp）他の米国特許5,176,966およびクラシジ（Krasij）他の米国特許5,264,299には、反応物を触媒層に分配する２つの多孔性支持層の間に置かれるPEMを有する燃料電池モジュールであって、当該触媒層において、支持層の周辺部がエラストマー材料で封止され、その結果PEMが支持層につながれて、支持層の開口が、流動体を不浸透にするエラストマー材料で満たされる、前記燃料電池モジュールが記載されている。
【００１４】
これらおよび他の従来の工程と対照的に、本発明は、本明細書に参照として組み込まれる、“Electrochemical Polymer Electrolyte Membrane Cell Stacks and Manufacturing Methods Thereof”と題する米国特許出願09/908,359に基づく、国際公開WO02/43173に記載されている燃料電池カセットおよび燃料電池カセットの製造方法を基礎とする。
【００１５】
簡潔には、WO02/43173は、以下を含む燃料電池カセットの形成のための３つのステップの工程を詳細に記述する。
１）それぞれの特定の流動域（燃料、酸化剤および冷却剤）の未使用のマニホールド穴／ポートの封止。例えば、酸化剤流動域の場合、（他の層の）燃料および冷却剤の分配に利用されるポートは、入力ストリームの混合を防ぐために、その周辺で封止されなければならない。
２）ＭＥＡ層内の反応物の漏洩を防ぐための膜電極接合体内の全てのポートの封止。
３）特定のスタック設計によって規定される方法における型または備品内でのこれらの構成要素の層状化（適切に封止される）。部品が前記備品内で組み立てられると、樹脂が周辺部に導入される。真空トランスファー成形（vacuum transfer molding)または射出成形(injection molding)技術を使用して、樹脂がカセット集合体の端に押しやる。一度硬化すると、この集合体にわたる構造上の支持および端の封止を提供する。
【００１６】
その結果得られる燃料電池カセットは、エンドプレートを付加され、燃料電池スタックに成形される。このような構造は、適切なマニホールドおよび圧縮手段を提供する。
しかしながら、当業者に利用可能な多数の従来の工程および我々自身のこの分野における前進にもかかわらず、未だ改善されたカセットおよびスタックに対するニーズがある。特に、信頼性を向上させ、さらに労働量およびコストを削減した、燃料電池スタックおよびカセットが強く望まれている。
【００１７】
発明の概要
本発明は、上記説明されたものを含む、従来の工程に対して顕著な改善を提供する。特に、密封ステップにおける内部ポート（またはマニホールド）の形成を可能にする。実際に、本発明の新しい設計のために、燃料電池カセットの組立の前に、個別の構成要素をポート封止する独立したステップの必要がない。したがって、本発明の好適な側面において、それぞれの特定の流動域およびＭＥＡ内の未使用のマニホールド穴／ポートの封止は、燃料電池カセット集合体の全ての構成要素に対して同時に起こり、組み立てられた燃料電池構成要素の端密封と同時に起こる。
【００１８】
当該燃料電池カセットは、上記参照された米国特許出願09/908,359に記載されているように同じ材料から製造され得る。利用される基本原理により、端封止剤が、流動域に設けられた孔およびチャンネルの数、形状および位置に基いて、その他を開いたままにして特定のポートを遮断することを可能にする。この設計および工程は、射出成形技術を介する燃料電池カセットの形成のために特に有用である。以前の特許出願のように、この発明は燃料電池スタックの最小限の労働力での生産を可能にし、これらのシステムのさらなるコスト削減をもたらす。
【００１９】
本発明の燃料電池カセットは、アルカリ燃料電池同様水素または直接メタノールに基づくPEM燃料電池などの燃料電池システムにおいて使用可能である。また、本発明の燃料電池カセットは、上記説明された燃料電池システム以外の電解膜を利用する、多数の電気化学的適用において使用可能である。これらの適用は、以下に限定されないが、バッテリー、メタノール／空気セル、電解槽、濃縮器、圧縮器および反応器が含まれる。それに加えて、本発明は、濾過カセットの製造において、以前に知られた濾過カセットの生産方法に対する実質的な改善重要な利用性を有し得る。
関連の方法および本発明の他の側面が以下に説明される。
【００２０】
発明の詳細
本発明は、電気化学的用途およびイオン交換の用途に適する多種のカセットを提供する。上述のとおり、本発明のカセットは、特に燃料電池での使用によく適する。
【００２１】
本発明のカセットは、一般に膜接合体、第１の反応物質流動域および第２の反応物質流動域を含む。膜接合体は、その厚さにわたって広がる、少なくとも１つの反応物質マニホールド穴および少なくとも１つの封止剤マニホールド穴を有する。また、第１および第２の反応物質流動域は、それぞれその厚さにわたって広がる、少なくとも１つの反応物質マニホールド穴および少なくとも１つの封止剤マニホールド穴を有する。好適には、これらの反応物質マニホールド穴が整列し、それぞれの封止剤マニホールド穴の一部が整列するように、膜接合体、第１の反応物質流動域および第２の反応物質流動域は、互いに関連して組み立てられる。
【００２２】
カセットの周辺部が樹脂によって密封されるように、膜接合体、第１の反応物質流動域および第２の反応物質流動域は、樹脂によって一緒に密封される。封止剤は、例えば気体、液体または懸濁液などの物質を特定の流動域に送達することを意図しない反応物マニホールド穴を囲むために封止剤マニホールド穴に導入される。例えばある層において不使用の反応物のマニホールド部などの、特定の流動域に物質を送達することのない、反応物マニホールド穴の隔離を達成するために、カセットの周辺部に適用される樹脂は、封止剤マニホールド部に導入される封止剤の少なくとも一部と接触する。
【００２３】
あるいは、封止剤マニホールド部に導入される封止剤が実質的に反応物質マニホールド部を囲むように、カセットの周辺部から離れた未使用マニホールド部は、１または２以上の封止剤マニホールド穴を介して、この流動域に導入される封止剤で囲むことによって、流動域から隔離されていてもよい。封止剤がこの反応物質マニホールド穴を完全に取り囲むリングを形成するように、反応物質マニホールド部を完全に囲むことが好適であるが、１または２以上の主でない開口を含む囲いもまた、特定の状況において許容されてもよい。典型的に、反応物質マニホールド部から流動域に逃げる流動体または物質の流量が、カセットまたはスタックの性能を損なわない場合に、このような封止剤の囲いが許容される。
【００２４】
他の好適な態様において、これら未使用の反応物マニホールド部の隔離は、樹脂のみによって達成することが可能で、例えば、１または２以上の流動域層の周辺部につながるチャンネルによってカセットに導入される樹脂によって、未使用の反応物マニホールド部が流動域から隔離される。カセットの周辺部につながるチャンネルマニホールド部に樹脂を導入することによってマニホールド部を隔離する、特定のカセットに対しては、封止剤マニホールド部は、必要ではなく、ＭＥＡおよびいずれの非多孔性層も任意に封止剤マニホールド穴を省くことができる。
【００２５】
さらに、電気化学的および燃料電池の用途に適する好適なカセットは、カセットの膜接合体層と好適に一体化される少なくとも２つの電極を含む。特に好適な態様において、膜接合体は、非多孔性で、２つの電極と２つのガス拡散層の間に位置する、イオン伝導性層を有する、膜電極接合体である。
燃料電池の用途のために、本発明のカセットは、典型的に以下の構成要素：膜電極接合体（ＭＥＡ）、流動域および分離プレートを含む、スタック集合体の形状が利用される。
【００２６】
本発明の好適な燃料電池カセットは、その厚さにわたって広がる少なくとも１つの反応物マニホールド穴およびその厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールド穴を有する膜電極接合体と、その厚さにわたって広がる少なくとも１つの反応物マニホールド穴およびその厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールド穴と、その厚さにわたって広がる少なくとも１つの反応物マニホールド穴およびその厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールド穴を有する酸化剤流動域を含む。
【００２７】
反応物マニホールド穴が整列し、封止剤マニホールド穴の少なくとも一部が整列するように、膜電極接合体、燃料流動域および酸化剤流動域は、典型的に互いに関連して組み立てられる。膜電極接合体、燃料流動域および酸化剤流動域の周辺端は、樹脂によって一緒に密封され、その結果、物質を特定の流動域に送達することを意図しない反応物マニホールド穴を囲むために、燃料電池カセットの周辺部が樹脂によって密封され、封止剤が封止剤マニホールド穴に導入される。密封を得るために、燃料電池カセットの周辺部に適用される樹脂は、封止剤マニホールド部に導入される封止剤の少なくとも一部と接触する。あるいは、密封は、封止剤のみによっても達成することができて、例えば封止剤が、１または２以上の流動域層の周辺部の孔を通してカセットに押し込まれる。
【００２８】
本発明の他の好適な燃料電池カセットは、その厚さにわたって広がる少なくとも１つのマニホールド穴を有する、非多孔性の分離プレートをさらに含む。反応物マニホールド穴が整列し、封止剤マニホールド穴の少なくとも一部が整列するように、膜電極接合体、燃料流動域、酸化剤流動域および非多孔性分離プレートは、典型的に互いに関連して組み立てられる。以上において説明された態様のように、膜電極接合体、燃料流動域、酸化剤流動域および非多孔性分離プレートは、樹脂によって一緒に密封され、その結果、物質を特定の流動域に送達することを意図しない反応物マニホールド穴を囲むために、燃料電池カセットの周辺部が樹脂によって密封され、封止剤が封止剤マニホールド穴に導入される。密封は、上記の場合のようにして得られる。
【００２９】
別の好適な態様において、本発明の燃料電池カセットは、その厚さにわたって広がる少なくとも２つのマニホールド穴およびその厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールド穴を有する冷却剤流動域をさらに含む。反応物マニホールド穴が整列し、封止剤マニホールド穴の少なくとも一部が整列するように、構成要素は、互いに関連して組み立てられる。膜電極接合体、燃料流動域、酸化物流動域、非多孔性分離プレートおよび冷却剤流動域は、樹脂によって一緒に密封され、その結果、物質を特定の流動域に送達することを意図しない反応物マニホールド穴を囲むために、燃料電池カセットの周辺部が樹脂によって密封され、封止剤が封止剤マニホールド穴に導入される。密封は、上記の場合のようにして得られる。
【００３０】
また、燃料電池、電気化学的およびイオン交換の用途に適するカセットは、１または２以上の二極プレートを使用して構成されてもよい。典型的に、２つの反応物質が二極プレートの反対の平行な面に選択的に送達され、それにより、カセットに組み込まれる個別の構成要素の数が減少する。好適な態様において、１または２以上の二極プレートを有するカセットは、その厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールド穴を伴う膜電極接合体を含む。また、酸化剤流動域、燃料流動域および燃料流動域と酸化剤流動域の間に位置する分離プレートを含む、二極プレートが含まれる。
【００３１】
この二極プレートは、その厚さにわたって広がる少なくとも１つのマニホールド穴およびその厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールド穴を有する。反応物マニホールド穴が整列し、封止剤マニホールド穴の少なくとも一部が整列するように、膜電極接合体および二極プレートは、互いに関連して組み立てられる。膜電極接合体、二極プレートの周辺端は、樹脂によって一緒に密封され、その結果、物質を特定の流動域に送達することを意図しない反応物マニホールド穴を囲むために、燃料電池カセットの周辺部が樹脂によって密封され、封止剤が封止剤マニホールド穴に導入される。密封は、上記の場合のようにして得られる。
【００３２】
別の側面において、本発明は、燃料電池、電気化学的またはイオン交換の用途に適するスタックを提供する。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およびカセットの反応物質マニホールド穴に対して整列する孔を有する、少なくとも１つのエンドプレートを含む。反応物質マニホールド穴が整列するように、それぞれのカセットは、互いに関連して組み立てられる。エンドプレートの孔が反応物質マニホールド穴に対して整列するように、エンドプレートは、燃料電池カセットのスタックの上および／または底に組み立てられる。
【００３３】
本発明により提供される、エンドプレートおよび燃料電池カセットを組立、燃料電池スタックを形成する手段は、特に限定されず、圧縮ガスケットシールおよび樹脂および／または封止剤による相互の密封（co-encapsulation）を含んでもよい。好適な態様において、エンドプレートは、樹脂による密封の前で、かつ封止剤の導入の前に、燃料電池カセットと組み立てられて、エンドプレートおよび燃料電池カセットは、組み合わさって、例えば同時に、密封され、封止される。
【００３４】
本発明の好適な態様において、１または２以上の燃料電池カセットを製造し、そして１または２以上の圧縮ガスケットおよびエンドプレートに対し、スタック内で一緒に整列させる。ボルト、釘付けまたは他の機械的な留め具を介する圧縮手段が、燃料電池スタックに取り付けられ、燃料電池カセットおよびエンドプレートを機械的に封止する。
【００３５】
さらに別の側面において、本発明は、燃料電池、電気化学的またはイオン交換に使用する本発明のカセットを製造する方法を提供する。本発明の方法は、以下のようなカセットの構成要素を提供することを含む。
（ａ）その厚さにわたって広がる少なくとも１つの反応物質マニホールド穴およびその厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールド穴を有する、少なくとも１つの膜接合体を提供すること；
（ｂ）その厚さにわたって広がる少なくとも１つの反応物質マニホールド穴およびその厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールド穴を有する、少なくとも１つの第１の反応物質流動域を提供すること；
（ｃ）その厚さにわたって広がる少なくとも１つの反応物質マニホールド穴およびその厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールド穴を有する、少なくとも１つの第２の反応物質流動域を提供すること；
（ｄ）前記反応物質マニホールド穴が整列し、かつそれぞれの封止剤マニホールド穴の少なくとも一部が整列するように、構成要素（ａ）〜（ｃ）を互いに関連して組み立てること；
（ｅ）カセットの周辺部および前記封止剤マニホールド部を取り囲む、カセットの少なくとも一部を封止すること；および
（ｆ）特定の流動域に物質が送達されることを意図しない前記反応物質マニホールド穴を囲むために、封止剤を封止剤マニホールド穴に導入すること。
【００３６】
好適には、封止するステップは、圧力差をカセットに加えることにより達成され、膜接合体、第１の反応物質流動域および第２の反応物質流動域の周辺端が樹脂によって一緒に密封される。この方法では、カセットの周辺部は、樹脂によって密封される。
【００３７】
本発明の特に好適なカセットの製造方法において、封止するステップは、スタック形成物を樹脂で取り囲むステップと、封止剤を封止剤マニホールド穴に導入するステップと、スタック形成物の周辺端に樹脂が導入されるように、かつ封止剤マニホールド穴を取り囲むカセットの一部に封止剤が導入されるように、所期の間隔で圧力差手段をスタック形成物に適用するステップと、前記封止剤の凝固を可能にし、それにより、その特定の流動域のための反応物質に対応しない反応物質を含有する前記マニホールド穴を囲むステップと、前記樹脂の凝固を可能にし、それにより、膜接合体と第１の反応物流動域と第２の反応物流動域の間に結合を形成し、スタックの周辺部を樹脂で密封するステップをさらに含む。
【００３８】
圧力差手段は、すなわち反応物マニホールド部を通して、この集合体内にバキューム（vacuum）を引き込むことを含むことができる（真空補助樹脂トランスファー成形（vacuum assisted resin transfer molding）として知られている）。あるいは、圧力差は、適切な放出を可能にして、すなわち反応物マニホールド部を通じて、集合体の外側から樹脂および／または封止剤の注入することで実現することができる（射出成形として知られている）。
【００３９】
本発明の方法は、さらに少なくとも１つの冷却剤流動域を提供することを含んでもよい。特に、上述した構成要素を提供することに加えて、その厚さにわたって広がる少なくとも１つの反応物質マニホールド穴およびその厚さにわたって広がる少なくとも１つの封止剤マニホールド穴を有する、少なくとも１つの冷却剤流動域が提供される。
【００４０】
本発明は、さらに本発明のスタックを製造する方法を提供する。本発明により提供される好適なスタック製造方法において、エンドプレートは、樹脂による密封の前で、かつ封止剤の導入の前に、燃料電池カセットと組み立てられて、エンドプレートおよび燃料電池カセットは、組み合わさって密封され、封止される。
【００４１】
本発明によって提供される他の好適なスタック製造方法において、エンドプレートは、樹脂による密封および封止剤マニホールド穴への封止剤の導入の後に、燃料電池カセット（単数または複数）に取り付けられる。典型的に、樹脂密封の後に取り付けられたエンドプレートは、圧縮シールによってカセットに接続される。特に好適な態様において、エンドプレートとカセットの接続に液体または気体の密なシールを保証するために、圧縮シールは、任意にカセットとエンドプレートの間にガスケットを含んでもよい。あるいは、エンドプレートまたはカセットの表面は、圧縮力を整列されたカセットおよびエンドプレートの集合体に加えて、気体または液体の密なシールを形成するように、さらに封止構造を含んでもよい。
【００４２】
本発明は、さらに燃料電池、電気化学的またはイオン交換の用途に適するスタックの製造方法を提供する。
当該製造方法は、
下記（ａ）および（ｂ）を含むスタックを組み立てるステップ、
（ａ）少なくとも１つのカセットおよび少なくとも１つのエンドプレートであって、それぞれのカセット（単数または複数）およびエンドプレート（単数または複数）は、少なくとも１つの反応物質マニホールド部のための孔を有し、それぞれのカセットの反応物マニホールド穴が整列し、少なくとも１つの反応物マニホールドチャンネルを形成するように、前記カセットがスタック内に配置される、前記カセットおよび前記エンドプレート；
（ｂ）少なくとも１つのエンドプレートであって、エンドプレートの反応物マニホールド穴が、カセットのスタックの反応物チャンネルに対して整列するように、前記カセットのスタックの上および／または底に取り付けられる、前記エンドプレート；
ならびに、
前記エンドプレートおよびカセットを前記スタックに封入するために、圧縮手段を適用するステップを含む。
【００４３】
本発明の好適な態様において、本発明のカセットおよびスタックは、多種の流動域に反応物質を送達するために、少なくとも１つのマニホールド部を含む。さらに好適なカセットおよびスタックは、スタックの多種の流動域に反応物質を送達するために２以上のマニホールド部を含む。反応物質の１つが空気、二酸素もしくは酸素を含むガス状の混合物、亜酸化窒素または他のガス状の酸化物である態様において、ガス状の反応物質は、マニホールド部を介して、または外気を酸化物流動域に接続する１または２以上の開口を提供することによって、送達されてよく、ガス状の酸化物または他の反応物質は、周りの外気から流動域への拡散によって流動域に送達される。好適な態様において、空気が典型的に酸化物として使用され、酸化物流動域は、周囲の外気への開口を有する。
【００４４】
本発明の好適な態様において、流動域は、ワイヤメッシュスクリーン（wire mesh screen）から形成される。当業者に公知であるその他の流動域構造も同様に使用され得る。本発明の好適な態様において、ＭＥＡは、触媒カーボン紙を、米国のE.I duPont de Nemours and Companyから商業的に利用可能であるNafion（登録商標）過フッ素化スルホン酸（perfluoronated sulfonic acid）膜の両側に加熱プレスして作られるが（上記示した特許出願明細書参照）、当業者の間に知られているいずれのＭＥＡも本発明に利用され得る。
【００４５】
一般に、構成要素の全てが大体同じ形状で同じ長さに切断されることが好適である。説明のために、二列の孔がＭＥＡおよび分離プレートに形成され、燃料、酸化物および冷却用の二組の孔（一方はそれぞれの流れの流入用で、他方は流出用、図１参照）が形成される。他の孔の組が形成され、それを通して封止樹脂が導入されることによって集合体の密封が得られる（図１参照）。最後に、分離プレートおよびＭＥＡのものと同じマニホールド穴を有する流動域層が、、金属メッシュスクリーンから切り出される。それに加えて、チャンネルが、カセットの他の部材に開けられた注入口と位置を合わせるようにしてスクリーンから切りとられる。各々の流動域のために、３つの独立したパターンのチャンネルが必要である（燃料、酸化剤および冷却剤に対応−図２参照）。孔およびチャンネルの配置は、以下に詳細に説明される。図３は、有用であり得る流動域パターンのいくつかの変種を示す。
【００４６】
本発明のカセットおよびスタックの層の大きさおよび層の数は、特に限定されない。さらに、本発明の燃料電池カセットおよび燃料電池スタックの層の大きさおよび層の数は、特に限定されない。典型的に、それぞれの流動域および／または膜接合体は、約１ｃｍ２と約１ｍ２の間であるが、ある用途においては、より大きいまたは小さい流動域層および／または膜接合体層が適し得る。本発明の燃料電池カセットおよび燃料電池スタックの層の大きさおよび層の数は、多種の用途に対して十分な電力供給を生成することが可能である。本発明の燃料電池カセットおよび燃料電池スタックの電力出力は、しばしば約０．１Ｗから約１００ｋＷ、またはより好適には、約０．５Ｗから約１０ｋＷの範囲に及ぶ。
【００４７】
図３および図４を参照し、上記説明されたそれぞれの構成要素は、所望の燃料電池カセットの設計に従って（ユニットセルの数ならびに冷却層の数および位置など）組み立てられる。最も基本的な設計は、燃料流動域３５、ＭＥＡ１０（図１に表される）および酸化剤流動域３０をセルユニットとして含むであろう。複数のユニットセルを伴う集合体を含む燃料電池カセット５０は、それぞれのユニットセル間に１つの分離プレート６の追加を必要とするであろう（図１に示されるパターンによって表される）。冷却層の追加により、分離プレート６の追加が必要となり、冷却流動域４０が集合体５０に追加される。特定の設計とは関係なく、所望の設計において構成要素は組み立てられ、注入口および集合体のそれぞれの構成要素のマニホールド穴が整列し、この集合体が、型または空洞６０の内部に配置される（図４参照）。集合体５０は、適切な圧縮手段７０（即ち単純なクランプ）を伴い、トッププレート１３０によってこの型の内部に保持される。
【００４８】
図４を参照すると、燃料電池カセット集合体５０を密封するために、樹脂が、全ての組み立てられた構成要素の周縁部の周りと注入口内部とに導入される。バキュームが、トッププレートを介し、集合体内部のそれぞれのマニホールド穴を通じて引き込まれる。この圧力差によって樹脂が集合体の端縁に引き込まれ、それによりこの集合体の構成要素全ての端縁が一緒に密封されて、この集合体を米国出願09/908,359に記載されているような燃料電池カセットに成型する。
【００４９】
それに加えて、同じ圧力差によって、注入口に導入された樹脂は、それぞれの流動域構成要素に切り抜かれたチャンネルに引き込まれる。この樹脂は、流動域を構成する材質内に引き込まれるよりもより速く、切り抜かれたチャンネル内に引き込まれる。結果として、導管を囲んで切り抜かれたチャンネルの周辺が封止され、導管の封止がなされる。それぞれの流動域が結果としてどのようになるかが図５および６に示される。例えば、４０で示される（図２Ｃおよび図５Ｃ）冷却流動域の場合、燃料（１４および１５）および酸化剤（１２および１３）マニホールド部は、この層においては閉鎖される一方で、冷却マニホールドポート１６および１７は、密封が起きた後も開いたままである。このカセット集合体において、それぞれの流動域は、適切に封止されて、対象のマニホールドポートのみがそれぞれ個別の層で開いたままになり、その他は、樹脂２４または封止剤２０で今や封止されてしまっているチャンネル１９および１９’によって塞がれる。
【００５０】
密封に使用される樹脂２４または封止剤２０は、燃料電池システムの動作における条件において必要とされる化学的および機械的な特性（例えば酸化安定性）を有するように選択される。適切な樹脂／封止剤は、熱可塑性および熱硬化性のエラストマーが含まれる。好適な熱可塑性物質は、熱可塑性オレフィンエラストマー、熱可塑性樹脂、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、フッ素化されたポリプロピレンおよびポリスチレンが含まれる。好適な熱硬化性エラストマーは、エポキシ樹脂、ウレタン、シリコン、フルオロシリコンおよびビニルエステルが含まれる。
【００５１】
チャンネルの形状および位置は、樹脂の流れがこれらのパターンにより制御される点において重要である。実際に、樹脂は、スクリーン自体を通るのと比して、チャンネルによってスクリーンに画定される空き領域においてより速く流動する。図６に示されるパターンにおいて、個別のマニホールド穴は、２つの最も近い樹脂注入ポートからの樹脂の流動を介して封止される。バキューム（または他の圧力差）が適用される間に、樹脂は、これら注入口のぞれぞれからチャンネルに流れる（図５および６の樹脂パターンの結果を参照）。それぞれの注入口からの樹脂の流れが合流し、適切なポートが密閉されたときに、密封ステップは完了する。封止することを意図しないポートは、隣接の注入口にチャンネルを有さない。圧力差が適用されるので、樹脂は、依然として注入ポートから放射状に流れてはいても、その速度は関連のポートを密閉しない程度に十分に遅い（図５の樹脂パターン結果を参照）。
【００５２】
封止工程を完遂するために必要とされる圧力差および時間は、燃料電池カセットの構成に使用される物質の関数である。これらには、流動域のタイプ（即ち、金属スクリーンのメッシュサイズ）、樹脂の粘性および流動特性、ＭＥＡに使用されるガス拡散層のタイプが含まれる。当業者は、これらのパラメータに基づいて適切な時間および圧力を判断することが可能であろう。また、本発明を実施する者は、封止工程中に、集合体の最上層で樹脂の進行を見ることができる半透明の型の使用することで、視覚的な検査によって最も適切な時間および圧力を確かめることができる。図７は、同じ方法論に基づく構成要素の別の代替パターンを示す。この流動域パターンは、その中心に３つの対称軸を有するので、同じスクリーンパターンがそれぞれの流れに（６０°回転することによって）使用され得る。
【００５３】
図８〜９を参照し、密封された燃料電池カセット５０またはこのような燃料電池カセット５０の集合体は、完成した燃料電池カセット１００を形成するために、燃料（１１４および１１５）、酸化剤（１１２および１１３）、および冷却剤（１１６および１１７）のストリームの適切なマニホールドを提供するエンドプレート１３０の間に固定されてもよい。エンドプレート１３０とカセット５０の間のインタフェースを封止するために、典型的なシリコンガスケット１４０が、必要な圧縮を提供する外部ボルト１２０を伴って使用されてもよい。あるいは、以上で説明されたカセット組み立ての方法が、エンドプレートを密封ステップに組み込むことを可能にする。例えば、典型的なエンドプレート１３０は、燃料電池カセット構成要素と大体同じ寸法にＡＢＳプラスチックから作られる（適切な調整具を含む）。密封ステップの間、これらはカセット集合体に含まれる。密封が終わると、これらはカセット５０に組み込まれて、外部マニホールドおよび接続を提供する（図９参照）。
【００５４】
低圧下で操作されるスタックとして、密封する樹脂は、スタックを一緒に保つために、十分な保全性および堅固さを提供することができる。あるいは、密封ステップの後に、注入ポートの硬化した樹脂は、孔を開けられて、圧縮および堅固さを改善するために、締め付けボルトまたは他の圧縮手段が加えられる。いくつかの改善は、燃料電池スタックエンドプレート１３０を密封ステップに組み込むことに起因する。燃料電池スタック１００の完成に必要なステップの数の減少のみならず、（エンドプレート１３０およびカセット５０は、現在樹脂によって一緒に結合されているため）典型的なガスケットおよび圧縮を必要とする、集合体の最後の封止が取り除かれ、高い封止信頼性が得られる。
【００５５】
図８は、本発明に従って、ここで説明される燃料電池カセット５０から組み立てられた燃料電池スタック１００を示す。燃料電池スタック１００を形成するために、燃料電池カセット５０は、組み込まれた適切なガス調整具（１４０）を伴って、ポリカーボネートエンドプレート１３０の間に固定される。カセットの最上のスクリーンは、冷却チャンネル４０である。
特に図９を参照し、燃料電池スタック１００を形成するために、燃料電池カセット５０およびＡＢＳエンドプレート１３０が、（組み込まれた適切なガス調整具を伴って）一緒に密封される。
【００５６】
本発明の新しい設計は、従来のカセットおよび関連の方法と比較して、顕著な利点を提供する。例えば、本発明に従って、カセットの全ての構成要素は、組立および密封ステップの前に切断される。これだけでいくつかの有利な効果を提供する。
・エンドプレートの圧縮または他の圧縮手段によらずに、樹脂をスタック構成要素に接着することによって、ポートが封止される。これは、完成のスタックに必要とされる圧縮を小さくし、封止の信頼性を改善し、より柔らかい樹脂の使用を可能にする。
・全ての構成要素は、密封の前に良好に電気的に接触し、全体にわたって低い接触抵抗をもたらす。
・全ての構成要素は、標準的な大量生産技術、パンチング、スタンピング、ダイ切断またはレーザー切断を利用して切断される。
・許容範囲が著しく改善される。例えば、従来のカセットおよびスタック技術を利用すると、適切な封止のための仕様は、必然的に非常に厳格である。本発明を利用すると、ポートは、接着により封止され、これは、良好な電気的接触が維持され、すなわち広い許容範囲を可能にすることを保証する。
【００５７】
・密封の前のカセットの組み立てが、比較的容易である。
・密封ステップは、比較的単純な型を必要とする。
・密封ステップは、射出成形と共用できる（真空補助樹脂トランスファー成形を含む）。  ・組み立ておよび密封ステップの両方は、自動化につながり、コストのさらなる削減をもたらす。
・圧縮および外部の流れとの接続を提供するエンドプレート部は、カセットへと成形可能であり、１つのステップ（例えば“ワンステップ製造”）で全体のスタック（カセットとエンドプレート）を作り出す。
本発明は、非制限的な以下の例においてさらに説明される。
【００５８】
本発明の例
例１
図３Ａおよび３Ｂに示されるパターンを使用して、流動域が４０メッシュ３１６ステンレス鋼スクリーンからレーザー切断される。分離プレートは、図１のパターンに従って、０．００６”ステンレス鋼から切断される。ＭＥＡは、図１のパターンに従って、既知の工程および切断によって作られる。それぞれの部材のいくつかは、型内で層状にされる。この集合体は、２インチ水銀柱のバキュームを約２０秒間適用することによって、シリコン樹脂、Silastic M（米国のThe Dow Corning Corporation of Midlandから商業的に利用可能）で密封される。
【００５９】
例２
図３Ａおよび３Ｂに示されるパターンを使用して、流動域が４０メッシュ３１６ステンレス鋼スクリーンからレーザー切断される。分離プレートは、図１のパターンに従って、０．００６”ステンレス鋼から切断される。ＭＥＡは、図１のパターンに従って、既知の工程および切断によって作られる。それぞれの部材のいくつかは、型内で層状にされる。この集合体は、３インチ水銀柱のバキュームを約２５秒間適用することによって、シリコン樹脂、CR19-2186（米国カリフォルニア州のThe Nusil Technology Corporation of Carpinteriaから商業的に利用可能）で密封される。
【００６０】
結果
製造されるいくつかの燃料電池カセットおよび燃料電池スタックは、以上で説明された本発明に従って作られている。これらの燃料電池カセット設計のいくつかは、最大１８の活性のＭＥＡ層（および関連の流動域）、および複数の冷却層を含む。単一セルの燃料電池カセットおよび３層のカセットで構成される燃料電池スタックの燃料電池試験の結果が図１０に示される。図１０には、例１の態様が“Cell 107”として、例２の態様が“Cell 102”として示される。
【００６１】
射出成形
以上で示された方法にほとんど変化は加えられずに射出成形が利用される。２つの部分の樹脂を使用することで（例１および２で使用されたシリコンのように）、樹脂が、内部ポートのバキュームの引っ張りよりも推進圧によってチャンネルに注入され得ることが示された。従来の熱可塑性樹脂の射出成形において、使用される型は、関連の温度および圧力に適応しなければならなかった。融解した樹脂は、注入口および集合体の端周辺に注入され、冷却して硬化を可能にする。注入速度曲線、圧縮圧力（pack pressure）および冷却時間は、縮み／反りを制御すると同様に、構成要素の損傷の可能性を最小限にするために最適化され、最後の部分の封止を保証する。最後に、燃料電池カセットが型から除去される。
【００６２】
濾過カセット
以上で説明された本発明の濾過ユニットへの拡張は、同様に製造に必要な労働力の実質的な減少を可能にする。濾過カセットは、異なるユニットセル構成要素を有し、それぞれのユニットセルは、一方の側にフィードスクリーン（feed screen）、他方に濾過スクリーンを伴う１片の濾過膜から構成される。それぞれのユニットセルは、固体のプラスチック分離器（以上で用いられた分離プレートに類似のもの）によって隔離される。このユニットセルは、所望の濾過カセット設計を満足するために必要な回数繰り返されてよい。燃料電池カセットに関する本発明の上記説明に沿って、材料およびユニットセルに（説明されたように）適宜変化を加えた濾過カセットの集合体が予想される。商業的なカセットは、ここで説明された最も単純なものとは異なるユニットセルを利用するが、以上で説明された概念の拡張は、濾過ユニットのために利用されるいずれのユニットセルに対しても容易に適用され得る。
【００６３】
以上の本発明の説明は、単にその説明を目的とするものであって、変種および改変は、本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく行われると理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の好適な態様における、ＭＥＡおよび分離プレートのマニホールド穴および注入口のパターンを示す（注入口およびマニホールド穴のラベルを含む）。
【図２】本発明の好適な態様における、それぞれの流動域のマニホールド穴および注入口／チャンネルのパターンを示す（注入口およびマニホールド穴のラベルを含む）。
【図３】流動域のマニホールド穴および注入口／チャンネルのパターンの変種を示す（図１のように、ＭＥＡおよび分離プレートは、チャンネルは伴わずにマニホールド穴および注入ポートを有する）。
【図４】密封前の型内の燃料電池カセット集合体を示す。
【図５】密封後のそれぞれの流動域のパターンを示す（マニホールド孔にラベルを含む）。
【図６】密封後のそれぞれの流動域のパターンの画像を示す。
【図７】密封ステップの後のａ）ＭＥＡおよび分離プレート、ｂ）流動域、ｃ）ならびに流動域スクリーンの代替パターンを示す。
【図８】ここで説明される燃料電池から、本発明に従って組み立てられる、燃料電池スタックを示す。
【図９】カセット密封ステップの間に、組み込まれたスタックエンドプレートを伴って、本発明に従って組み立てられる、燃料電池スタックを示す。
【図１０】例でさらに説明されるように、本発明の好適な態様を利用して作られた、いくつかの単セルスタックの電流／電圧曲線を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図７】
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【図１０】
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【図４】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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