(57)【要約】本発明は、様々な電気化学的用途の使用に好適な膜カセットおよびそのスタックを提供する。本発明は、１つまたは２つ以上の外部マニホルドを含み、試薬および／または冷却剤を、膜カセットの１つまたは２つ以上の反応物流動域または冷却剤流動域に供給する膜カセットをさらに提供する。ある好ましい態様には、本発明は、燃料電池用途の使用に好適なカセットおよびスタックを提供する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの電気化学的セルを含む電気化学的カセットであって、
前記セルが、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）、還元剤流動域、酸化剤流動域、分離プレート、少なくとも１つの還元剤外部マニホルド、および少なくとも１つの酸化剤外部マニホルドを含み、ここで
それぞれの流動域は、セルの周囲を通じて広がる少なくとも１つの開口部を含み、それぞれの外部マニホルドは、プライマリーマニホルド、および外部マニホルドが物質を供給することを意図した、流動域の周囲開口部と連結することができる、少なくとも１つのポートを含み、ここで
１つまたは２つ以上のＭＥＡ、酸化剤流動域、還元剤流動域、分離プレート、酸化剤外部マニホルド、および還元剤外部マニホルドが組み立てられ、シーリング材によりそれらの周囲で密封されている、前記電気化学的カセット。
【請求項２】
それぞれの外部マニホルドが、それらの全長に沿って実質的に一定の断面を有する、単一の導管からなるプライマリーマニホルドを含む、請求項１に記載の電気化学的カセット。
【請求項３】
それぞれの還元剤外部マニホルドおよびそれぞれの酸化剤外部マニホルドが、マニホルドが物質を供給または除去することを意図した、同数の流動域の周囲開口部と結合することができる、少なくとも１つのポートを含む、請求項１に記載の電気化学的カセット。
【請求項４】
それぞれの還元剤外部マニホルドおよびそれぞれの酸化剤外部マニホルドが、マニホルドが物質を供給または除去することを意図した、同数の流動域の周囲開口部と結合することができる、少なくとも２つのポートを含む、請求項１に記載の電気化学的カセット。
【請求項５】
それぞれの還元剤外部マニホルドおよびそれぞれの酸化剤外部マニホルドが、マニホルドが物質を供給または除去することを意図した、同数の流動域の周囲開口部と結合することができる、２から１００のポートを含む、請求項１に記載の電気化学的カセット。
【請求項６】
外部マニホルドのそれぞれのポートが、実質的に直線配列で配列された、請求項３の電気化学的カセット。
【請求項７】
それぞれの還元剤外部マニホルドおよびそれぞれの酸化剤外部マニホルドが、
実質的に均一な組成を有する単一品を含み、ここで、それぞれのマニホルドが、プライマリーマニホルド、およびマニホルドが物質を供給または除去することを意図した、同数の流動域の周囲開口部と結合することができる、少なくとも２つのポートを含む、請求項１に記載の電気化学的カセット。
【請求項８】
シーリング材が、外部マニホルドのポートと、密封過程中マニホルドが物質を供給することを意図した流動域の周囲開口部との間の接合部を同時にシールする、請求項１に記載の電気化学的カセット。
【請求項９】
それぞれの複合材料ＭＥＡおよびそれぞれの分離プレートが、溝、ホール、またはそれらの厚さ全体を通じて広がる他の開口部を含まない、請求項１に記載の電気化学的カセット。
【請求項１０】
カセットが少なくとも１つの冷却剤流動域をさらに含み、ここで、それぞれの冷却剤流動域は、流動域の周囲を通じて広がる少なくとも２つの開口部、および少なくとも２つの冷却剤外部マニホルドを含み、それぞれがプライマリーマニホルド、および冷却剤流動域の周囲開口部と連結することができる少なくとも１つのポートを含む、請求項１に記載の電気化学的カセット。
【請求項１１】
それぞれの還元剤外部マニホルドおよびそれぞれの酸化剤外部マニホルドが、プライマリーマニホルドの導管、およびマニホルドが物質を供給することを意図する同数の流動域の周囲開口部と結合することができる、少なくとも２つのポートを含む、単一の構成要素を含み；ならびにそれぞれの冷却剤外部マニホルド開口部が、プライマリーマニホルドの導管、および同数の冷却剤流動域の周囲開口部と結合することができる少なくとも１つのポートを含む、単一の構成要素を含む、請求項１０に記載の電気化学的カセット。
【請求項１２】
それぞれの外部マニホルドが、少なくとも２つのプライマリーマニホルド、および少なくとも２セットのポートを含み、それぞれのプライマリーマニホルドおよびそれぞれのポートセットが、それぞれのプライマリーマニホルドが物質を供給または除去することを意図した流動域に、物質を供給または除去することができるように、それらが流体的に接続されていない、請求項１に記載の電気化学的カセット。
【請求項１３】
分離プレートまたは２つの流動域が、バイポーラプレートに組み込まれ、それぞれの流動域の周囲開口部が、バイポーラプレートの厚さ部のみを通じて広がる、請求項１に記載の電気化学的カセット。
【請求項１４】
カセットが少なくとも１つの冷却剤流動域をさらに含み、ここでそれぞれの冷却剤流動域が、流動域の周囲を通じて広がる少なくとも２つの開口部、およびそれぞれがプライマリーマニホルドを含む少なくとも２つの冷却剤外部マニホルド、ならびに冷却剤流動域の周囲開口部と連結することができる少なくとも１つのポートを含む、請求項１３に記載の電気化学的カセット。
【請求項１５】
それぞれのバイポーラプレートが、０または１つの酸化剤流動域、０または１つの燃料流動域、および０または１つの冷却剤流動域を有する、請求項１４に記載の電気化学的カセット。
【請求項１６】
それぞれの膜電極アセンブリが、燃料流動域および酸化剤流動域と接触している、請求項１に記載の電気化学的カセット。
【請求項１７】
電気化学的カセットが燃料電池カセットである、請求項１〜１５のいずれかに記載の電気化学的カセット。
【請求項１８】
少なくとも１つのバイポーラプレートが冷却剤流動域を含む、請求項１４に記載の電気化学的カセット。
【請求項１９】
第１バイポーラプレートが、冷却剤通路を形成するために配列された、第１冷却剤流動域および第２バイポーラプレートを含む、請求項１８に記載の電気化学的カセット。
【請求項２０】
外部マニホルドが、プライマリーマニホルド、およびそれらの全長に沿って配置された複数のポートからなり、ここで前記ポートは、外部マニホルドが材料を供給することを意図した流動域に対応する、流動域の複数の周囲開口部と流動体密着シールを形成するように配置されている、請求項１に記載の電気化学的カセット。
【請求項２１】
外部マニホルドが、樹脂、セラミック、または金属から機械加工され、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂から成型または成形され、または複数のプラスチックチューブまたはゴムチューブから製造される、請求項２０に記載の電気化学的カセット。
【請求項２２】
外部マニホルドが、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂から機械加工され、成型され、または成形され、あるいはプラスチックチューブまたはゴムチューブから製造される、請求項２１に記載の電気化学的カセット。
【請求項２３】
外部マニホルドが、熱可塑性オレフィンエラストマー、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、フッ素化ポリプロピレン、およびポリスチレンからなる群から選択される熱可塑性物質から機械加工され、成型され、または成形される、請求項２２に記載の電気化学的カセット。
【請求項２４】
外部マニホルドが、エポキシ樹脂、ウレタン、シリコーン、フルオロシリコーン、およびビニルエステルからなる群から選択される熱硬化性物質から、機械加工され、成型され、または成形される、請求項２２に記載の電気化学的カセット。
【請求項２５】
外部マニホルドが、シリコーン、タイゴン、ブチルゴム、ポリ（イソプレン）、スチレンおよびイソプレンの共重合体から選択される、チューブ、ホース、またはパイプから製造される、請求項２２に記載の電気化学的カセット。
【請求項２６】
バイポーラプレートが、カーボン／ポリマー複合材料、グラファイト、または金属の少なくとも１つを材料として、機械加工または成形される、請求項１３に記載の電気化学的カセット。
【請求項２７】
バイポーラプレートが金属シートから打ち抜かれる、請求項１３に記載の電気化学的カセット。
【請求項２８】
シーリング材が、圧力で補助された樹脂トランスファ成形、真空で補助された樹脂トランスファ成形工程  および射出成形により導入される、請求項１に記載の電気化学的カセット。
【請求項２９】
シーリング材または樹脂が、約＋１５ｐｓｉ〜約−１５ｐｓｉの圧力差で導入される、請求項２８に記載の電気化学的カセット。
【請求項３０】
シーリング材が、０ｐｓｉ〜約５００ｐｓｉの正圧下、圧力で補助された樹脂トランスファにより導入される、請求項２８に記載の電気化学的カセット。
【請求項３１】
シーリング材または樹脂が、約７５０Ｔｏｒｒ〜約１ｍＴｏｒｒの分圧下、真空で補助された樹脂トランスファにより導入される、請求項２８に記載の電気化学的カセット。
【請求項３２】
（ａ）請求項１〜３１のいずれかに記載の少なくとも１つの電気化学的カセット
（ｂ）少なくとも１つのエンドプレート
を含む燃料電池スタックであって、エンドプレートが、１つまたは２つ以上の電気化学的カセットの、スタックの上部および／または下部に組み立てられる、前記燃料電池スタック。
【請求項３３】
エンドプレートおよび燃料電池カセットが組み合わせて密封され、およびシールされるように、密封の前に、エンドプレートが電気化学的カセットと共に組み立てられる、請求項３２に記載の燃料電池スタック。
【請求項３４】
燃料電池スタックに圧縮力を提供するために、圧縮手段がスタックに適用される、請求項３２に記載の燃料電池スタック。
【請求項３５】
電気化学的カセットの密封後に、エンドプレートが、１つまたは２つ以上の電気化学的カセットに取り付けられる、請求項３２に記載の燃料電池スタック。
【請求項３６】
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３５に記載の燃料電池スタック。
【請求項３７】
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、または合金からなる、請求項３２に記載の燃料電池スタック。
【請求項３８】
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なる、請求項３２に記載の燃料電池スタック。
【請求項３９】
充填ポリマー複合材料が、繊維強化熱可塑性プラスチックまたはグラファイト強化熱可塑性プラスチックである、請求項３８に記載の燃料電池スタック。
【請求項４０】
エンドプレートの少なくも一部分が導電性金属または合金からなる、請求項３２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４１】
エンドプレートの少なくも一部分が銅電流コレクタである、請求項４０に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、２００３年２月２７日に出願され、参照として組み込まれる米国仮出願60/450,817の利益を主張する。
【０００２】
発明の分野
この出願は、外部マニホルドアセンブリを有し、樹脂により密封された電気化学的スタック、特に外部マニホルドを含む固体高分子型燃料電池スタックに関する。
【０００３】
発明の背景
膜に基づく電気化学的セル、および特に、固体高分子型（ＰＥＭ）燃料電池はよく知られている。固体高分子型（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、燃料が継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。莫大な資金が燃料電池の研究および商業化に投資されてきており、これは市場における当該技術が多大な可能性を有していることを示している。しかしながら、従来の電力発生技術と比較した場合の高いコストは、その広範に亘る使用の傷害となっている。関連する材料および労働力のために、燃料電池の製造および組み立ては重要であり得る。実際、燃料電池のコストの８５％は製造に起因する。
【０００４】
従来から、燃料電池の内部にマニホルドされたスタックを用いること、および他の電気化学的用途の問題点の１つは、内部マニホルド周囲をシーリングする際に犠牲になる領域である。１つの改善法は、マニホルドのいくつかまたは全てを、スタックの外部に置くことである。いくつかの例は存在するが、マニホルドとスタックとの間をシーリングする困難性に苦しんでいる。従来のスタックにあるように、シーリングは典型的には、ガスケットとコンプレッションを用いて仕上げられている。残念なことに、ガスケット／コンプレッションに基づくシールは、温度サイクリングに対する感受性、一定のコンプレッションおよび関連するハードウエアの要求、高い耐久性の部品、および精巧な組み立て要求を含む、数多くの固有の欠点を有している。
【０００５】
一般的に、単一セル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部および陰極部からなる。気体拡散層を伴うか、または伴わない、この触媒膜は、しばしば膜電極アセンブリ（“ＭＥＡ”）と呼ばれる。反応物、還元剤および酸化剤が、それぞれＰＥＭ燃料電池の陽極部および陰極部に供給されるとき、エネルギー変換が始まる。酸化剤は、純粋な酸素、空気などの酸素を含有する酸素、および塩素などのハロゲンを含む。ここで燃料とも呼ばれる還元剤は、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を含む。陽極では、還元剤は酸化されて、プロトンを生成し、膜を通過して陰極に移動する。陰極では、プロトンが酸化剤と反応する。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、エネルギーが放出される。この反応を通じて、ＰＥＭは、還元剤と酸化剤とが混合するのを防ぎ、イオン移動を生じさせる役目をする。
【０００６】
現在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一般的に組み合わせており、それにより、多くの商業的用途に必要な高電圧および大きな電力出力を供給する。流動域は、燃料電池を通じて、反応物の分布を可能とし、典型的には燃料電池内の多孔性電極層と分離している。スタックの構造に依存するが、１つまたは２つ以上の分離プレートは、燃料、酸化剤、および冷却剤の流れの燃料電池内での混合を防ぐために、スタック設計の部品として利用することができる。そのような分離プレートは、構造的支持をスタックに提供することもできる。
【０００７】
バイポーラプレートは、酸化剤流動域、燃料流動域、および分離プレートの組み合わせと同じ機能を果たし、それらの使用が燃料電池を機能させる際に要求される構成要素の数を減少させることができるため、しばしば燃料電池の設計に用いられる。これらのバイポーラプレートは、流動域として機能するＭＥＡと接触するプレートの表面に形成される一列のチャネルを含有する。平坦部(land)は、電極からの電流を伝導し、平坦部間のチャネルが燃料電池に用いられる反応物を分配し、および水などの反応副生成物の除去を容易にするのに役立つ。燃料は、バイポーラプレートの面上で、チャネルに方向付けられるように、燃料入り口ポートから燃料出口ポートまで分配される一方、酸化剤は、バイポーラプレートの反対面上で、チャネルに方向付けられるように、酸化剤入り口ポートから酸化剤出口ポートまで分配されており、２つの面はプレートを通じて結合していない。バイポーラプレートの流動域チャネルの特別な設計は、燃料電池スタックの操作上のパラメータ、例えば、温度、電力出力、および気体の加湿のために最適化することができる。燃料電池スタックの使用のための理想的なバイポーラプレートは、薄く、軽量で、耐久性があり、高い伝導性を示し、カーボン／ポリマー複合材料またはグラファイトなどの耐食性構造である。燃料電池スタックにおいては、それぞれのバイポーラプレートは、その燃料流動域面を通じて、スタックの１つのＭＥＡに燃料を分配する一方、その反対側の酸化剤流動域面を通じて、他のＭＥＡに酸化剤を分配するのに役立つ。通常、グラファイトまたはカーボン製、多孔性紙、布、またはフェルトの薄いシートは、それぞれの流動域とＭＥＡの触媒面との間に位置することができ、電流を隣接する平坦部に伝導し、ＭＥＡに反応物を分配することを補助するために、流動域において溝と向き合う位置にＭＥＡを支持する。この薄いシートは、通常、気体拡散層（“ＧＤＬ”）と称され、ＭＥＡの一部として組み込むことができる。
【０００８】
必要に応じて、ＭＥＡのＧＤＬ部などの特定のスタック構成要素は、燃料電池スタック内への、または外への、およびその内部での反応物および副生成物の分配を提供するために多孔性である。スタック内における要素が多孔性であるため、スタック構成要素間（またはスタック外部）の液体または気体の漏出を防ぐ手段と、周囲への露出によるこれらの多孔性要素の乾燥を防ぐ手段も必要である。このために、ガスケットまたは他のシールが、通常、ＭＥＡの表面と他のスタック構成要素との間、およびスタック周囲部に施される。これらのシーリング手段は、エラストマ材料または粘着性材料からなり、一般的に、シールされる特定の表面に置かれるか、はめ込まれるか、形成されるか、または直接に適用される。これらの工程は、手間がかかり、大量生産につながらず、それにより燃料電池の高コストを増大させる。加えて、これらの工程の変動性が、悪い製造歩留まりおよび低いデバイス信頼性につながる。
【０００９】
燃料電池スタックは、１つまたは２つ以上の冷却剤流動域内に、加湿チャネルを含有することもできる。加湿チャネルは、燃料電池の作動温度に可能な限り近い温度で、燃料および酸化剤を加湿する作用を提供する。これは、燃料電池に入るガスとの間の温度差が高いときの、ＰＥＭの脱水を防ぐことを助け、ＰＥＭの温度が、水蒸気をＰＥＭから燃料流れおよび酸化剤流れに移すことを引き起こす。
【００１０】
燃料電池スタックは、電力出力、冷却、および他の技術的要求に依存した設計に及ぶが、数多くのＭＥＡ、シール、流動域および分離プレートを、製造困難性および増大した燃料電池コストをもたらす複雑なアセンブリに、利用することができる。それぞれの構成要素のこれらのものは、典型的には、単独の複雑なユニットに組み立てられる。燃料電池スタックは、バンディングまたは他の方法が用いられてもよいが、一般的にはプレートおよびボルトを用いて、ガスケットシールおよび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通常の手段は、さらなる構成要素を付加し、スタックの複雑さを増し、付加的なシールの必要性を生じる。
【００１１】
燃料電池スタックアセンブリ設計におけるこれらの欠点をなくし、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。しかしながら、多くは、構成要素の手作業での配列、シーリング手段の積極的な配置、および／または複数ステップ工程を必要とし、それぞれには著しい欠点がある。例えば、シュミッド(Schmid)ほかの米国特許6,080,503、チー(Chi)ほかの米国特許4,397,917、エップ(Epp)ほかの米国特許5,176,966に記載される工程を参照。
【００１２】
加えて、従来の燃料電池カセットには、ＭＥＡの２つのタイプが中心となる；１）膜が気体拡散層の境界を越えて広がる、および２）ガスケット材料が、膜ならびにおよそ同じサイズ、同じ形のＧＤＬを伴って、ＭＥＡ自体の端に形成される（例えば、バラードの米国特許6,423,439参照）。第１のタイプでは、分離ガスケットは、ＧＤＬを超えて広がる膜の端と、スタックの他の部分との間をシールするために用いられる（バイポーラプレート）。第２のタイプでは、ＭＥＡのガスケットは、スタックの他の部分を直接シールする。これらの方法のそれぞれは、シールするために圧縮を必要とする。これらの圧縮を基本とするシールは、一定の負荷が維持されるように、スタック内の全ての構成要素が高い精度を有することを必要とする。ＭＥＡ供給者は、上記のＭＥＡ型を提供することに慣れてきている。
【００１３】
燃料電池設計および性能を改善するために、他の試みがなされてきた。例えば、米国特許4,212,929には、燃料電池スタックのシール方法が記載されている。該特許文献は、マニホルドとスタックとの間をクランプで固体したポリマーシールフレームを利用した、シールシステムを報告している。記載されているように、シールフレームがスタックと共に動き、典型的なマニホルドシールと関連する漏出率が、圧縮の間に減少してしまう。米国特許5,514,487および米国特許5,750,281には、数多くのマニホルドプレートを含むマニホルドアセンブリの端が記載されている。該プレートは、燃料電池スタックの反対側に置かれ、反応物および冷却剤がスタックの周囲に沿って流れ、選択的に方向付けるように機能する。これらの設計が、他の従来のアセンブリに限定的な改善を付与する一方、それらは一般的に大量生産に対し不適切である。
【００１４】
当該分野のこれらおよび他の欠点を認識して、発明者は、スタックまたはそれらのモジュール内のマニホルドポートをシールするための革新的な一連の方法と、手間がかからず大量生産工程に適した、スタックまたはモジュール周囲をシールするための方法とを開発した（ここで参照として組み込まれる国際公開WO03/036747を参照）。該公報は、ガスケットを用いずに全ての構成要素部を型に組み込む、燃料電池スタック（および他の電気化学的デバイス）の“ワンショット”アセンブリを開示する。樹脂を型に導入し、樹脂トランスファー成形または射出成形技術により、この樹脂を選択的にアセンブリの特定の部位に浸透させる。硬化させると、樹脂は構成要素をシールし、スタック内の全てのマニホルドチャネルを定める。最終的な効果は、従来のスタックのガスケットを粘着性に基づくシールで置き換えることであり、構成要素の組み合わせ後に導入される。
【００１５】
発明者らは、以前に、ＭＥＡを有する燃料電池を記載しており、それはＧＤＬおよび膜がそれぞれと同じ概要であり、全体的なスタックプロフィルである（ここで参照として組み込まれる、国際公開WO 03/092996 A2を参照）。この技術の主な利点は、如何なる後処理工程を施す必要なく、ロール・トゥ・ロール(roll-to-roll)ＭＥＡを直接用いることができることである。しかしながら、それぞれのＭＥＡの実質的な断面の部分は、種々のマニホルド開口部およびスタックの周囲をシールするために用いられ、セル断面の約５０％だけが電気化学的反応に用いられる。
【００１６】
発明者らは、膜に基づく電気化学的セル、および特に、周囲に成形されたガスケットを有する、１つまたは２つ以上の複合材料ＭＥＡを含むＰＥＭ燃料電池スタックを開発した。複合材料ＭＥＡのガスケット部は、シーリング工程中、シーリング材の流れを調節することができる１つまたは２つ以上の特徴を有する（ここで参照として組み込まれる、国際出願PCT/US03/37127参照）。
【００１７】
以前の他の特許出願で、発明者らは、それぞれのモジュールを一緒に組み合わせ、必要な電力出力の燃料電池スタックを形成し、およびそれぞれのモジュールが多くの単位セルを恒久的に結合する、革新的な燃料電池スタック設計を報告している（ここで参照として組み込まれる、国際公開WO 02/43173を参照）。
【００１８】
従来技術を超える利点があるにも拘わらず、発明者らは、当該技術を更に改善できることを見出した。１つ目の改善は、例えば、電気化学的プロセスのために全体のＭＥＡ面積のより大きな部分を利用することである。例えば、内部マニホルド設計を含む燃料電池スタックに特に関連して、カセットの特定の断面は、シーリング材チャネルおよび反応剤／冷却剤マニホルドのために用いられなければならない；従って、潜在的に活性な面積が必然的に犠牲になる。複雑でなく、より信頼性があり、製造にコストがかからない改善された燃料電池スタック設計を提供することも望まれている。加えて、（上記のとおり）ＭＥＡの全体表面の大部分が、スタック内で起こる電気化学的反応の使用に利用できる、例えば、触媒面およびプロトン移動のために利用でき、軽量化および小型化されて、改善された燃料電池スタックが強く望まれている。
【００１９】
本発明の要約
本発明は、上記したものを含む従来の燃料電池および関連する工程を超えた著しい改善を提供する。特に、本発明は、外部にマニホルドされた燃料電池スタック、ならびに反応物流動体、膜電極アセンブリおよび反応物マニホルドを、バイポーラプレートを利用するスタックを含む燃料電池スタックカセットに組み合わせる改良方法に関する。ここで、“燃料電池カセット”と呼ばれる、シールされたそれぞれのスタックモジュールは、反応物流動域、膜電極アセンブリならびに反応物および生成物の供給／除去のための外部マニホルドを接合する燃料電池構成要素のアセンブリであり、シールされて内蔵ユニットを形成する。これらの燃料電池カセットは、標準的仕様を達成するために設計することができる。
【００２０】
本発明の外部にマニホルドされた電気化学的カセットの新規設計は、ＭＥＡ表面の大きな割合が電気化学的反応のために利用され、あるカセット能力に対し小さいカセット（例えば、全体的なカセットサイズおよび重量）となる。ここで提供されるカセット設計は、カセット構成要素の製造および組み立てを単純化する。本発明に従えば、カセットの活性表面は著しく増大する。特に、分離プレート（またはバイポーラプレート）およびＭＥＡは、内部マニホルドを利用する燃料電池アセンブリのような、それらの厚さを通じて広がるホールまたは他の開口を必要としない。加えて、ＭＥＡは、エッジ(edge)ガスケットを組み込む別の段階を必要としない。本発明のカセットは、マニホルドポートが、カセットを形成する分離プレート、流動域、およびＭＥＡの組み立てアセンブリにおける対応周囲開口部と結合することができるように、製造または組み立てられる予備形成外部マニホルドを含む。
【００２１】
本発明のカセットは、１つまたは２つの試薬流動域を含む、１つまたは２つのプレートを含み、試薬流動域は、少なくとも１つ、好ましくは２つの開口部を、プレート周囲のそれぞれの試薬流動域に対し有する。具体的に言えば、プレートは、試薬流動域当たり少なくとも１つ、好ましくは２つの開口部を含み、それは、スタックが樹脂で密封されたとき、外部マニホルドポートと流動体密着(tight)シールを形成することができる。好ましくは、流動域またはプレートの周囲開口部およびマニホルドポートは、圧力または真空が樹脂密封中に適用されるときに、スタックの組み立ておよび流動体密着シールの形成が容易になるように成形する。
【００２２】
本発明の燃料電池は、一つには、コレクタ／エンドプレートを試薬マニホルドから空間的に分離することにより、改善された耐食性および増大した作動寿命を与える。外部マニホルドは、コレクタプレートおよび複合材料ＭＥＡから分離したマニホルドを通じて、燃料および酸化剤を試薬流動域に供給する。伝導性金属または合金から形成される、電流コレクタの腐食は、電流コレクタを酸化または電流コレクタと反応することができる試薬を、外部マニホルドおよびマニホルドが物質を供給する流動域に、隔離することにより防がれる。同様に、試薬マニホルドのＭＥＡからの分離は、ＭＥＡの両面がマニホルドを通じた試薬の流れに露出されることを防ぎ、従って、従来多くの燃料電池設計に関連するクロス−セルポテンシャル(cross-cell potential)問題を防ぐ。加えて、ＭＥＡと冷却剤流体との接触も避けられる。
【００２３】
従来の如何なるＭＥＡも、本発明の燃料電池スタックにおける使用に好適である。さらに、正方形、円、長方形、または試薬流動域プレートまたはバイポーラプレートと同一の断面部を有する他の通常の形状をしたＭＥＡが、本発明の燃料電池スタックの使用に好適である。複合材料ＭＥＡが、付加的な変形、例えば、ＭＥＡ構造を付加的に開口すること、または非伝導性ガスケットを組み込むことを必要とせずに、本発明のセルの使用に好適である。流動域および／または分離プレートと実質的に同一の断面を有する、実質的に均一な複合材料ＭＥＡを組み込むことが、電気化学的反応の使用に利用できるＭＥＡ部を最大化する。
【００２４】
本発明の改善された燃料電池スタックは、従来の燃料電池構成要素から製造することができ、射出成形および真空で補助された樹脂トランスファ成形、ならびに圧力で補助された樹脂トランスファ成形工程を利用することができる。
【００２５】
本発明は、燃料電池スタックの製造を最小労働で可能とし、それにより、劇的にそれらのコストを削減して、プロセス・オートメーションを可能にする。加えて、本発明において、ポートは、エンドプレートの圧縮または他の圧縮手段ではなく、シーリング材を燃料電池構成要素に接着させることによりシールされる。これは、最終的なスタックに要求される圧縮を減少させ、したがって、シールの信頼性を改善し、電気的接触を改善し、広範にわたる樹脂の使用を可能とする。さらに、エンドプレートは燃料電池カセットに成形することができ、それにより、完全なスタック（例えば、燃料電池カセットおよびエンドプレート）を、一段階で製造することができる。
以下に本発明に関連する態様を論じる。
【００２６】
発明の詳細な説明
本発明は、電気化学的用途およびイオン交換用途の使用に好適な様々なカセットを提供する。上記したように、本発明のカセットは、特に燃料電池の使用に好適である。
【００２７】
現在の技術革新は、前記した“ワンショット”製造技術での外部マニホルドの使用を可能とする。一般的に、流動域は、活性面積（例えば、２〜３ｍｍ）の向こう側の最小の端を用いる。流動域は、それぞれの反応物に対して少なくとも１つの入り口を提供するために、外部の端に開かれている。燃料電池の陰極側に用いられる流動域において、少なくとも１つの入り口および少なくとも１つの出口が備えられている。同様に、外部の端に少なくとも１つの入り口開口部、および少なくとも１つの出口開口部を有する、冷却剤流動域を用いることができる。流動域は、金属もしくはカーボン複合材料、または燃料電池の機能に適合する他の材料からつくることができる。流動域のバイポーラ形状も、１つの構成要素の片側に２つの流動域を含むものを利用することができる。膜電極アセンブリは、流動域と同じサイズおよび寸法にカットされる。流動域およびＭＥＡ構成要素は、スタック設計（セルの数、冷却層の数および配置などを含む）に特有に、一緒に層状化される。これらの構成要素は、ＭＥＡ活性面積が、必要な流動域に露出されて、アセンブリを形成するように、大雑把に配列される（バイポーラプレートの中か、またはばらばらに）。このアセンブリは、いくつかのセル、および必要な流動域構成要素からなる冷却層、ならびに相対的に組み立てられるＭＥＡを含むことができる。得られるアセンブリは、残りの工程のために、締め力(clamping force)により、一緒に保持することができる。
【００２８】
好ましい態様には、本発明は、少なくとも１つの電気化学的セルを含む電気化学的カセットを提供する：
該電気化学的セルは、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）、還元剤流動域、酸化剤流動域、分離プレート、少なくとも１つの還元剤外部マニホルド、および少なくとも１つの酸化剤外部マニホルドを含み、ここで
それぞれの流動域は、セルの周囲を通じて広がる少なくとも１つの開口部を含み、それぞれの外部マニホルドは、プライマリーマニホルド、および外部マニホルドが物質を供給することを意図した、流動域の周囲開口部と連結することができる、少なくとも１つのポートを含み、ここで
１つまたは２つ以上のＭＥＡ、酸化剤流動域、還元剤流動域、分離プレート、酸化剤外部マニホルド、および還元剤外部マニホルドが組み立てられ、シーリング材によりそれらの周囲で密封されている。
【００２９】
好ましい態様には、外部マニホルドは、それらの全長に沿って実質的に一定の断面を有する、単一の導管からなるプライマリーマニホルドを含む。より好ましくは、それぞれの還元剤外部マニホルドおよびそれぞれの酸化剤外部マニホルドが、マニホルドが物質を供給または除去することを意図した、同数の流動域の周囲開口部と結合することができる、少なくとも１つのポートを含み、より好ましくは、それぞれの還元剤外部マニホルドおよびそれぞれの酸化剤外部マニホルドが、同数の流動域の周囲開口部と結合することができる、少なくとも２つのポートを含む。組み立ての容易性および設計の単純性のため、他の配置も考えられるが、外部マニホルドが、実質的に直線の配列に配置された複数のポートを含むことが一般的に好ましい。
【００３０】
他の好ましい態様には、それぞれの外部マニホルド（例えば、それぞれ外部の、冷却剤、還元剤、および酸化剤マニホルド）が、実質的に均一な組成を有する単一品（single article）を含み、ここで、それぞれのマニホルドは、プライマリーマニホルド、およびマニホルドが物質を供給または除去することを意図した、同数の流動域の周囲開口部と結合することができる、少なくとも２つのポートを含む。したがって、図３、４および６に記載されるように、それぞれの外部マニホルドは、プライマリーマニホルド８０、および複数のポート８２を含み、ポートは実質的に直線の配列に配置されている。特定の態様では、それぞれのマニホルドが流体的に分離され、ＭＥＡ／バイポーラプレートまたはＭＥＡ／流動域／分離プレートの組み立てスタックの、周囲開口部の分離配列と接触するように、２つまたは３つ以上の外部マニホルドを、単一のハウジングに組み込むことが望ましい。
【００３１】
典型的には、外部マニホルドのポート、およびＭＥＡ／バイポーラプレートまたはＭＥＡ／流動域／分離プレートの周囲開口部は、それらが物質を供給（または除去する）ことを意図する流動域に、それぞれのマニホルドを流体的に結合させるために、一緒に一致させる。組み立て後、シーリング材樹脂を導入し、外部マニホルドと、マニホルドが物質を供給することを意図する流動域の周囲開口部との間の接合部を同時にシールし、組み立てカセットの周囲を密封する。
【００３２】
複数のＭＥＡを含む、または電気化学的反応が相当量の熱を発生させる、本発明の電気化学的カセットには、カセットの作動中に生じる熱を解消するために、１つまたは２つ以上の冷却剤流動域を電気化学的カセットに組み込むことが、一般的に望ましい。したがって、特定の態様には、電気化学的カセットは、少なくとも１つの冷却剤流動域をさらに含み、ここでそれぞれの冷却剤流動域は、流動域の周囲を通じて広がる少なくとも２つの開口部、および少なくとも２つの冷却剤外部マニホルドを含み、それぞれがプライマリーマニホルド、および冷却剤流動域の周囲開口部と連結することができる少なくとも１つのポートを含む。特定の用途のために他の配置も好適であるが、冷却剤流動域は、典型的には、ＭＥＡ層の約１〜約８層、好ましくは２、３、４、５または６層のセット間に介在させる。少なくとも１つの冷却剤流動域を含む電気化学的カセットには、それぞれの還元剤外部マニホルドおよびそれぞれの酸化剤外部マニホルドが、プライマリーマニホルドの導管、およびマニホルドが物質を供給することを意図した同数の流動域の周囲開口部と結合することができる、少なくとも２つのポートを含む；ならびにそれぞれの冷却剤外部マニホルド開口部が、プライマリーマニホルドの導管、および同数の冷却剤流動域の周囲開口部と結合することができる少なくとも１つのポートを含む。
【００３３】
セル構成要素を締め付けたアセンブリに、分離マニホルドピースを付加して、それぞれの層における個々の反応物入り口または出口に対応する全ての開口部に結合させる。これらのマニホルドピースは、固体ストック(stock)から機械加工され、いくつもの材料から成型され、または、例えば図３および図４に描かれるように、好適な樹脂から成型され、図６に描かれるように、複数のホース、パイプ、またはチューブなどから製造される。一般的には、これらのマニホルドピースは、接合するそれぞれのスタック構成要素にぴったりと適合させるために必要である。外部にマニホルドされたスタックアセンブリは金型内に置かれて、樹脂を構成要素の周囲に導入する。樹脂は、スタックの外部から適用される圧力、またはスタック内部に適用される真空により（すなわち、それぞれのマニホルドを通じて）、スタックアセンブリの端に導入する。熱可塑性樹脂の冷却、または熱硬化性樹脂の場合の架橋により、一旦硬化させると、密封燃料電池スタックは型から外される。樹脂は、マニホルドピースを含む全てのスタック構成要素を一緒に結合させるだけでなく、それぞれのＭＥＡの端をシールするのに役立つ。
【００３４】
最終的な密封は、エンドプレートおよび電流コレクタピースを含むことができ、最終製品の信頼性だけでなく、組み立て工程の更なる一体化を可能とする。エンドプレートは、密封ステップの前または後に、スタック構成要素部を圧縮するための特徴を含むことができる。燃料電池が、分離ガスケットを必要とせずに製造されるため、要求される圧縮は、従来の燃料電池スタックにおける圧縮の一部だけであり、良好な電気的接触を維持するために用いられる。
【００３５】
本発明の燃料電池は、従来のデバイスより優れたいくつかの利点を提供するが、以下のものに限定されない：
・構成要素面積の大部分がアセンブリで活性に用いられる、すなわち、ＭＥＡ断面の少なくとも８０％、より好ましくは、８５％〜約９５％が電気化学反応のために活性に用いられるように、小さい部分だけが、スタックのシーリング／マニホルドに用いられる。
・連続的に覆われたＭＥＡが容易に用いられる（すなわち、ＭＥＡのロール・トゥ・ロール処理に適合する）。
・スタック内の全ての構成要素の密封が、強固な製品を提供する。
・構成要素ピースは、シーリングにガスケットおよび圧縮を必要としないため、非常に穏やかな許容範囲で製造できる。
・反応物流れをエンドプレートまたはコレクタプレートから分離することにより、スタック内の腐食を減少させる、または防ぐ。
・ＭＥＡの非水性冷却剤への露出と関連する問題を、冷却剤の流れを複合材料ＭＥＡから分離することにより減らす、または防ぐ。
【００３６】
好ましくは、燃料電池構成要素の全ては、ほぼ同じ形の周囲にカットされる。好ましい態様には、ＭＥＡ層は、それらの厚さを通じて、カットまたは他のホールもしくはチャネルのない固体シートであり、バイポーラプレートは、反対面に１つまたは２つの流動域、およびそれぞれの流動域に開かれているバイポーラプレートの周囲に、流動域当たり少なくとも２つの開口部を有する。
【００３７】
ＭＥＡの気体拡散層（ＧＤＬ）の多孔性質より、ＭＥＡおよびバイポーラプレートの周囲に導入されるシーリング材は、ＧＤＬに浸透して、ＭＥＡおよびバイポーラプレートを一緒にシールし、外部マニホルドのポートにバイポーラプレート開口部をシールする。従来の工程では、高分子膜は、しばしば、シーリング目的のために、フレームを提供するＧＤＬを超えて広げることが求められる。結果的に、これは製造コストを増大させることにつながる。対照的に、本発明によれば、シーリングは、ＧＤＬ、および実質的に同じ大きさおよび形の高分子膜で達成される。このことは、本発明で用いられるＭＥＡが、製造コストの減少に関連する連続的な基準で製造できるため、有益である。
【００３８】
図２は、カットされた流動域の溝５２を有するバイポーラプレート５０の好ましい態様を示す。代替的に、流動域は、スクリーン、または流動域を形成するための分離プレートと連結した他の多孔性材料により、形成することができる。これらの流動域溝５２は、流動域に導入される試薬または冷却剤が一定に流動域に分配されるように設計される。さらに、流動域溝は、バイポーラプレート５０の周囲で少なくとも２つの開口部５４および５６に開かれており、試薬または冷却剤が、２つまたは３つ以上の外部マニホルド（８０）を通じて流動域に導入または除去されることができる。
【００３９】
構成要素は、所望のカセット設計および出力要求に従って組み立てられる。バイポーラプレートを用いた燃料電池スタック１０の組み立ては、半分のバイポーラプレート構造、すなわち、１つだけの流動域面を組み込む、末端のプレートの使用を必要とする。図１に示されるように、単純なバイポーラアセンブリ設計１０においては、ＭＥＡ層（３０、３２および３４）を、バイポーラプレート４４、４６、４８および５０の間に入れる。外部マニホルド８０は、その後に、ＭＥＡおよびバイポーラプレートの交互のスタックに結合され、ここでバイポーラプレートの開口部５４、５６（示されていない）、５８および６０は、シールを形成するための外部マニホルド８０のポート８２と結合する。典型的には、開口部とポートとの間の流動体密着シールは、シーリング工程中に、外部マニホルドおよび流動域に真空にすることにより形成される。しかしながら、密封工程中の、開口部とポートとをシールする他の手段も考えられる。付加的なバイポーラプレートおよびＭＥＡを、最終燃料電池の出力要求に依存して冷却層を備えるかまたは備えずに、カセットアセンブリに加えることができる。
【００４０】
図６は、プライマリーマニホルド８４中に備えた、３つのポート８２を有する外部マニホルド８０の他の好ましい態様を示す。図６の外部マニホルドは、プライマリーマニホルドチューブ、ホースまたはパイプを備え、プライマリーマニホルドの側壁を通じて一連の開口部を置くこと、およびポートに対するホース、パイプまたはチューブを開口部に挿入することにより、組み立てられる。好ましくは、マニホルド開口部に挿入されるポート  チューブは、ポートとプライマリーマニホルドとの間の結合が、樹脂で燃料電池を密封した後に流動体密着または流動体密着であるように、実質的に同じ直径を有する。シーリング材および反応物、例えば、酸化剤および／または燃料に化学的に安定な如何なる材料も、外部マニホルド開口部の製造の使用に好適であるが、好ましい材料は、スタックの組み立てを容易にするために充分に柔軟な非伝導性樹脂である。典型的には、好ましいマニホルド材料は、シリコーン、テフロン（登録商標）、ポリエチレン、タイゴン(Tygon)チューブ、ブチルゴムなどである。
【００４１】
燃料電池用の使用のためには、本発明のカセットは、以下の構成要素を含むスタックされたアセンブリの形態で典型的に用いられる：膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）、流動域、分離プレートおよび外部マニホルド。好ましくは、ＭＥＡと分離プレートとを結合させ、マニホルドと少なくともいくつかの流動域との間の導管を形成する分離プレートに、外部マニホルドをシールするために、スタックされたアセンブリは樹脂で密封される。好ましい態様には、１つまたは２つの流動域、および分離プレートが、単一のバイポーラプレートに備えられ、その後に、ＭＥＡ層および他のバイポーラプレートと共にスタックされる。
【００４２】
特定の用途、特に、流動域へ大量の物質が分配されること、またはより均一に分配されることが要求される用途においては、本発明は、２つまたは３つ以上の物質供給外部マニホルド、および２つまたは３つ以上の排出マニホルドと流体的に接触している、電気化学的カセットを意図する。ここで提供される電気化学的カセット設計は、一つにはカセットの組み立ての容易性、およびそれぞれの外部マニホルドへの流動域開口部に小さい断面積が求められるため、複数のマニホルド流動域結合を備えている。したがって、本発明のカセットは、場合によっては、スタックのそれぞれの流動域と流体的に接触する、複数の物質供給および／または排出外部マニホルドを組み込むことが出来る。
【００４３】
典型的なアセンブリ設計を記載しているが、当業者は、燃料電池が、最終的な燃料電池カセットの出力要求に応じて、組み立てられる必要な数の構成要素を有することができることを認識するだろう。特別な設計に拘わらず、構成要素は、完成された燃料電池の要求を満たすために組み立てられる。それぞれの場合、それぞれのバイポーラプレートまたは分離プレートの相等する、流動域のそれぞれの開口部に連結するのに好適な大きさおよび配置である、ポートを有する外部マニホルドは、その後に、それぞれの流動域とのシールを形成するために、スタックアセンブリに配置される。
【００４４】
真空樹脂トランスファ成形技術を用いて、上記の燃料電池カセットアセンブリをシールするために、シーリング材は、組み立てられた構成要素の周囲に導入される。アセンブリ内のそれぞれの外部マニホルドを通じて真空で引く。圧力差がシーリング材をアセンブリの端に引き込み、それによりアセンブリと共に構成要素周囲をシールし、アセンブリを完成した燃料電池カセットへと形成する。シーリング材はまた、ＭＥＡのＧＤＬを浸透する。周囲シーリングは、シーリング材がＭＥＡの隣接する部分を結合させるときに完了する。
【００４５】
射出成形技術を用いて燃料電池カセットをシールするために、シーリング材は、外部マニホルドを含むアセンブリの周囲に、駆動圧力手段を用いて注入される。シーリング材は、外部マニホルドの内部の導管、または外部マニホルドの内部の導管に開いている流動域には導入されない。好ましい態様には、熱可塑性樹脂が、アセンブリの端周囲のシーリング材として用いられ、冷却され、型から燃料電池カセットを取り除く前に硬化される。関連する温度および圧力に適応することができる型が用いられる。代替的には、熱硬化性樹脂を同様に用いることができ；時間および温度の好適な如何なる組み合わせでも硬化できる。
【００４６】
シーリング工程を完遂させるのに必要な圧力差および時間は、燃料電池カセット構造に用いられる材料による。これらは、樹脂の粘性および流量特性、およびＭＥＡに用いられる気体拡散層のタイプを含む。当業者は、これらのパラメータに基づき、適当な時間および圧力を判断することができるだろう。本発明を実行する当業者は、シーリング工程中の外観検査により、最も適当な時間および圧力を確かめることもできる。
【００４７】
密封のために用いられる樹脂またはシーリング材は、作動中の燃料電池系（例えば、酸化安定性）の条件下で、所望の化学的性質および機械的性質を有するように、選択される。好適な樹脂／シーリング材は、熱可塑性物質および熱硬化性エラストマの双方を含む。好ましい熱可塑性物質は、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、フッ素化ポリプロピレン、およびポリスチレンを含む。好ましい熱硬化性エラストマは、エポキシ樹脂、ウレタン、シリコーン、フルオロシリコーン、およびビニルエステルを含む。
【００４８】
特定の好ましい態様には、上記したシーリングステップ中に、エンドプレートは、ＭＥＡ層およびバイポーラプレートのスタックアセンブリに、直接結合される。代替的に、エンドプレートは、ある表面に流動域、ならびに他方の表面に導線および／または種々のアダプターを有するバイポーラプレートに改造することができる。この態様を用いることにより、いくつかの利点がある。燃料電池カセットと従来のエンドプレートとの圧縮シールを除くことは、燃料電池スタックの信頼性を改善し、実質的には重量を減少させる。また、組み込まれるエンドプレートは、さらに燃料電池スタックを単純化するために、種々の付属品(fitting)を含むことができる。
【００４９】
本発明の好ましい態様には、真空で補助された樹脂トランスファ成形が、シーリング材（スタックの外側の外部端から導入される）を、ＭＥＡの周囲端およびバイポーラプレート周囲に引き込むために用いられる。好ましくは、シーリング材は、シールが液体密着または気体密着となるように、ＭＥＡおよびバイポーラプレートの外部端と接触させたＧＤＬの部分に非多孔性複合材料を形成する。本発明のこの態様は、製造の観点で容易性を提供するため好ましく、したがって、燃料電池カセットの大量生産のために、好ましいシーリング手段である。
【００５０】
本発明の燃料電池カセットの使用に好適な、好ましい複合材料膜電極は、膜、触媒層、および気体拡散層を含む薄板状の膜電極アセンブリを含む。供給者は、３Ｍ、デュポン、Johnson Matthey、W.L. Gore、およびUmicoreを含む。
【００５１】
電気化学的用途および燃料電池用途の使用に好適な、好ましいカセットは、好ましくはエンドプレートに組み込まれる、少なくも２つの電流コレクタをさらに含む。したがって、好ましいカセットには、エンドプレートの一つの少なくも一部分は、導電性金属または合金から成る。より好ましくは、エンドプレートの一つの少なくとも一部分は、銅電流コレクタである。エンドプレートおよび燃料電池カセットを組み立て、本発明により提供される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／またはシーリング材での共密封(co-encapsulation)を含むことができる。好ましい態様には、エンドプレートは、樹脂による密封の前およびシーリング材の導入の前に、エンドプレートと燃料電池カセットが密封され、組み合わせて、例えば同時にシールされるように、燃料電池カセットと共に組み立てられる。
【００５２】
本発明の他の好ましい態様には、１つまたは２つ以上の燃料電池カセットが製造され、その後に、１つまたは２つ以上の圧縮ガスケットおよびエンドプレートと共にスタックに配列される。ボルト、タイダウン(tie down)、またはほかの機械的機構などによる圧縮手段は、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ために、燃料電池スタックに取り付ける。
【００５３】
好ましい態様には、それぞれのカセットの外部マニホルドは、他のカセットの隣接する外部マニホルドと液体または気体密着シールを形成することができる。
【００５４】
本発明のカセットおよびスタック中の、層のサイズおよび層の数は、特に限定されない。典型的には、それぞれの流動域および／または膜アセンブリは、約１ｃｍ２〜約１ｍ２であろう。しかしながら、当業者には分かるように、より大きい、およびより小さい流動域層および／または膜アセンブリ層が特定の用途に好適であり得る。本発明の燃料電池カセット中の層サイズおよび燃料電池カセット層の数は、種々の用途に好適な電力出力を製造することができる。しばしば、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、約０．１Ｗ〜約１００ｋＷ、より好ましくは、約０．５Ｗ〜約１０ｋＷの範囲であろう。
【００５５】
本発明の好ましい燃料電池カセットは、以下の実例態様により、さらに説明され、それは説明の目的にのみ与えられ、そこに開示されている特別な構成要素および量に、本発明を限定することを意図しない。
【００５６】
例１
バイポーラプレートを、図２に示されるように、カーボン−ポリマーから機械加工した。ＭＥＡを、大きいシートから、バイポーラプレートとほぼ同じ寸法にカットした。３つのＭＥＡおよび４つのバイポーラプレートを、燃料流動域および酸化剤流動域が、それぞれのＭＥＡのどちら側にも接するように、スタックに組み立てた。銅シート電流コレクタを、シート素材からカットし、リードを電流コレクタにはんだづけした。マニホルドチューブを、図６に記載の、様々な直径のシリコーンチューブから組み立てた。小さいチューブが、マニホルドに相応するそれぞれの流動域に連結するそれぞれのプレートに適合するように、マニホルドピースをスタックアセンブリに付けた。それぞれの燃料および酸化剤は、入り口マニホルドおよび出口マニホルドを有する。
【００５７】
エンドプレートを、バイポーラプレートよりわずかに大きいポリカーボネートから形造る。エンドプレート、電流コレクタおよびスタック構成要素を組み立て、エンドプレート（燃料電池構成要素の外部）を通したボルトで締める。
【００５８】
組み立てられた構成要素を紙型により包囲した。型を２部のシリコーン（シラスティックＴ２−ダウコーニング）で満たし、構成要素を囲む。１０インチＨｇの真空を、約３０秒間マニホルドを通じて同時に引き、マニホルドと他のスタック構成要素との間のスペースだけでなく、それぞれのＭＥＡの端にもシリコーンを引き込む。アセンブリおよび型を、シリコーンが硬化するまで対流式オーブンで加熱した（〜２００Ｆ）。得られるスタックを型から切り取った。
【００５９】
スタックを典型的な燃料電池条件下でテストした。水素をスタック内に行き止まりにした（短いパージで）。５０℃で湿気のある空気を、２〜５等量で、スタック中を流した。
【表１】
2006519468.tif 000002
本発明の上述の記載は、単に説明したものであり、本発明の精神と範囲から離れずに、変更および修正を施すことができる。
【００６０】
例２
以下の例は、本発明の外部マニホルド設計のある態様を示す。比較分析として、内部にマニホルドされたスタックとのいくつかの差異（改善）も記載する。
【００６１】
増大したＭＥＡ稼働率
内部にマニホルドされたスタックを、WO03/936747に記載の方法に従って形成した。そのスタックは、５２％の稼働率のため、１１．５ｃｍ２の活性面積および２２．３ｃｍ２の設置面積を有していた。対照的に、本発明に従って形成された外部にマニホルドされたスタックアセンブリを利用すると、１１．５ｃｍ２の活性面積に対し、約８９％の稼働率のために、ＭＥＡ稼働率は１３．０ｃｍ２であった（その説明のため、図８Ａ／８Ｂ参照）。
【００６２】
減少されたセルサイズおよび重量
内部にマニホルドされたスタックには、１０セルの１１．５ｃｍ２活性面積スタックための体積は、１０８ｃｍ３である（４．５ｃｍ×６．５ｃｍ×３．７ｃｍ）。外部にマニホルドされたアセンブリには、同じ１０セルの１１．５ｃｍ２活性面積スタックための目的体積は、７５ｃｍ３であり（４．５ｃｍ×４．３ｃｍ×３．９ｃｍ）、それは体積の３０％減少に相当する。スタック重量は、おおよそスタック体積に応じて、例えば、この例では２０１ｇから１４１ｇに、減少するだろう。
【００６３】
射出成形のために単純化された設計
内部にマニホルドされた設計は、成形工程中に、チャネルが樹脂で満たされることを必要とする。低圧力（＜５ｐｓｉ）樹脂トランスファ成形技術が用いられるとき、チャネルは容易に満ちる。注入成形を行うためには、薄いシーリング材チャネルにおける樹脂の流れの抵抗に打ち勝つために、より高圧が必要になるだろう。そのような注入圧力は、ＭＥＡ層へのダメージを引き起こしかねない。チャネルが存在しない外部マニホルド設計では、セルの外部周囲の外部空洞のみが、樹脂を満たすために必要である。したがって、外部マニホルド設計は、再設計を必要とされることもなく、小さい体積、低い圧力の樹脂トランスファ成形製造、および非常に大きい体積、高い圧力、自動化注入成形製造の全てに好適である。
【００６４】
耐食性
外部マニホルド設計は、燃料、酸化剤および冷却剤流れを、電流コレクタ／エンドプレートから分離させるだろう。燃料電池の一般的な故障モードは、気体および流動体の流れによる電流コレクタの腐食である。外部マニホルド設計では、気体および流動体流れは、マニホルド、ＭＥＡおよびバイポーラプレートにのみ接触するだろう。これらの構成要素の全ては耐食性であり、金属電流コレクタ（典型的には、銅、ステンレス鋼、またはアルミニウムであり、それぞれは任意にめっきすることができる）に劣化を生じさせないだろう。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の１つの態様の燃料電池の分解図であり、３つのＭＥＡおよび４つのバイポーラプレートを有する３つの燃料電池スタック、ならびに燃料入り口、燃料出口、酸化剤入り口、酸化剤出口に対応する、外部マニホルドのアセンブリを示す図である。
【図２】２つの流動域および外部マニホルドでシールするのに好適な開口部を有するバイポーラプレートの略図である。
【図３】マニホルドを流動域開口部にシールするのに好適な部分を含む外部マニホルドの略図である。
【図４】マニホルドを流動域開口部にシールするのに好適な部分を含む外部マニホルドの、別の略図である。
【図５】図１および図６に示される部分に一致する外部設計のテストの写真である。
【図６】複数のチューブ部分から構成される外部マニホルドの写真である。
【図７】図６に描かれた外部マニホルドを含む燃料電池の図である。
【図８Ａ−Ｂ】内部にマニホルドされ、およびガスケットされた燃料電池アセンブリと、本発明の外部にマニホルドされた燃料電池の断面とを並べた比較図である。
【図９】例１で製造された燃料電池のワットに対する電圧のプロットである。
【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７】
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【図８Ａ−Ｂ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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