JP2005142167A - 陽子交換薄膜燃料電池電力システム - Google Patents

Abstract

【課題】 個々の不都合な点を避けることができる陽子交換薄膜燃料電池電力システムを提供する。
【解決手段】 電力を発生する陽子交換薄膜燃料電池電力システムは、それぞれが対向したアノード側（１５３）とカソード側（１５４）を有する少なくとも二つの薄膜電極拡散アセンブリ（１５０）を有する複数の個別燃料電池モジュール（１００）と、前記薄膜電極拡散アセンブリの対向するアノード側及びカソード側とそれぞれ抵抗接触状態で並置される一対の集電体（１９０）と、前記一対の集電体と各薄膜電極拡散アセンブリに対して任意の力を付加する各力付加アセンブリ（２００）とを具備する。前記陽子交換薄膜燃料電池電力システムはまた、前記個別燃料電池モジュールを受け入れる複数のサブラックを搭載する収容体を有する。さらに、前記各個別陽子交換燃料電池モジュールの特性パラメータを最適化する制御システムが開示されている。
【選択図】 図１２

Description

本発明は、陽子交換薄膜（ＰＥＭ）燃料電池電力システムに関し、より詳しくは、それぞれが電圧を発生する複数の個別燃料電池モジュールを備え、その個別燃料モジュールが自己加湿式であり、少なくと約４０％の電力効率を有し、プラントにおいて高い信頼性と、保守の容易性と、これまでになく投資コストの安い電力システムを提供するものである。

燃料電池は、１５０年以上前の１８３９年にウィリアム グルーブ卿によってイギリスで開発された。発明者は当時、電気蓄積バッテリーである彼の他の発明である燃料電池と区別するために、それを“ガス状バッテリー”と呼んだ。燃料電池は、通常空気から供給される酸素と水素が反応し、電気と水を生成する電気化学装置である。従来の処理では、天然ガス、石炭から得た合成燃料を含む広い範囲の燃料を電力に変換することができる。基本的な処理は非常に効率が高く、水素によって直接燃焼される燃料電池であり、公害の無いものである。さらに、燃料電池は複数個を積み重ねて、異なる大きさに組み上げることができるので、広範囲の出力レベルを提供する電力システムが開発されており、従って、多くの種類のエンドユーズへの応用を可能とするものである。

これまで、燃料電池は、地球と宇宙での使用において、代替的電力源として使用されてきた。その使用例として、一部ではあるが、無人通信リピータ、ナビゲーション補助具、宇宙飛行体、海洋ステーションがある。

基本的な工程は非常に効率が高くまた公害の無いものであるが、この技術を利用した商業的に実現可能な電力システムはまだ達成されていない。例えば、陽子交換薄膜（ＰＥＭ）燃料電池に基づく、水素燃焼式燃料電池電力プラントは公害が無く、清潔で、設置場所において静かで、且つ可動部品を僅かにしか有していない。さらに、それらは、理論的には約８０％までの効率を有するものである。これは、燃料から電気へのエネルギー変換効率が高くとも５０％であり、小さい発電容量であり、非経済的であり且つ効率が非常に低いものである燃焼タービンなどの従来の燃焼技術とは明確に対比されるものである。

全ての燃料電池に関係した基本的な電気化学工程は良く理解されてはいるが、ある種の燃料電池の信頼性を高めるための、他の種類のものでは経済的にするための技術的解決策がまだ見つかっていないことが分かった。ＰＥＭ燃料電池では、信頼性はこれまではあまり大きな関心事ではなく、発電容量のワット当りの設置コストの方がむしろ関心事であった。ワット当りのＰＥＭ燃料電池コストを下げるために、電力出力を高めることにより多くの注意が払われてきた。歴史的には、そのことにより、ＰＥＭ燃料電池電力出力を最適化し且つ高く維持するのに必要な更に洗練されたバランスの良いプラントシステムをもたらす結果となった。非常に複雑な、プラントに欠かせない残余のシステムのために、小さい（単一設置）発電容量プラントは容易にスケールダウンできない。したがって、設置コスト、効率、信頼性、保守に要する出費は全て、小さい発電への適用では不都合に作用する。

先に記したように、燃料電池は、同じ電解質を共有する電極の各インターフェイス面において燃料と酸素を作用させることにより起電力を発生する。ＰＥＭ燃料電池の場合、水素ガスが第一電極のところに導入され、そこで、水素は触媒の存在のもと、電気化学的に反応し、電子と陽子を発生する。電子は、両電極間に接続された電気回路を通って、第一電極から第二電極へ循環する。さらに、陽子は、固体、重合電解質の薄膜（陽子交換薄膜又はＰＥＭ）を通過し、第二電極へ達する。同時に、酸素ガス等の酸化剤（又は空気）が第二電極に導入され、そこで、酸化剤は触媒の存在のもとで電気化学的に反応し、電気回路からの電子と（陽子交換薄膜を通過して来た）陽子と結合し、水を生成すると共に電気回路を完成させる。燃料側電極はアノードと呼ばれ、また酸素側電極はカソードと認識される。外部電気回路には電流が流れるので、電池から電力を引き出すことができる。ＰＥＭ燃料電池全体の反応により、燃料電池内で起きる少ない内部損失で、電池の分離した各半分での反応の総和としての電気エネルギーが生じることになる。

単一のＰＥＭ燃料電池は、負荷が掛けられた状態で僅か約０．４５〜約０．７Ｖの直流を有効な電圧として発生するものであるため、実際のＰＥＭ燃料電池プラントでは、多数のセルがそれらが直列に接続されるように積み重ねて構成されていた。部品点数を減らし、コストを最小化するために、グラファイト又は特別な金属でしばしば作られた頑丈な支持／導電分離板が用いられてきた。このようなものは、しばしば、バイポーラ構造として説明されている。より具体的には、これらバイポーラ板では、板の一方側がアノードとして機能し、他方側がカソードとして機能する。電極、薄膜、バイポーラ板からなるそのようなアセンブリは、スタックと呼ばれる。これまでの実際のスタックは、交流に効率良く変換されるために必要な直流電圧を発生させるために、２０個又はそれ以上の数のセルから構成されていた。バイポーラ板を用いたスタック構造に基づく設計の経済的利点は非常に大きい。しかしながら、この構造による設計は、有用性を損なういろいろな不利な点も有している。例えば、スタック内の一つの電池の電圧が大幅に低下したり消失した場合には、ボルトによってしっかりと互いに固定されたスタック全体を保守のために取り出して、分解し、そして修理しなければならない。スタックの冷却は、反応体、自然対流、放熱によって行なわれ、さらに可能ならば、追加的に冷却チャンネル及び／又は冷却プレートを設けることによって行なわれる。従来のスタックの設計では、さらに、集電体、電池間のシーリング、絶縁、配管、電池の特性を監視するために用いられる各種の機器がある。燃料電池スタック、収容体、そして関係したハードウェアによって実際に動作する燃料電池プラントが構成される。よく分かる通り、そのような従来のものは、非常に大きく、扱い難く、そして極めて重いものであった。実際上、従来技術により設計された商業上有用なＰＥＭ燃料電池は何れも、それらの特性からして、人の手によって操作できるものではなかった。

ＰＥＭ燃料電池が陽子交換薄膜（電解質）に対して追加的な加湿が可能であるならば、より高い電力出力レベルで動作し得ることは良く知られている。加湿により、陽子が流れるための陽子交換薄膜の抵抗が下げられる。追加の水は水素又は酸素の流れに導入することができ、または、注入芯を用いた物理的現象によりより直接的に陽子交換薄膜に導入することができる。近年集中的に行なわれている研究は、追加的加湿が行なわれなく動作する場合でも出力電力が改善された（即ち、自己加湿可能な）薄膜／電極のアセンブリ（ＭＥＡ）を開発することである。自己加湿される状態でＭＥＡを動作できることは、プラントが複雑となること及び設置コストをともに減少できるので、利点があると言える。しかしながら、これまでの自己加湿方法は、燃料電池が低い電流密度で動作するものであり、従って、所定量の電力を発生させるためには、より多くのこれらアセンブリが要求されるものであった。これは、従来の設計において、バイポーラ板などの支持構造体のコストを下げることの重要性を増させるものであった。

従って、上に説明した従来の技術から得られる利点を達成できるとともに、それらに関連した個々の不都合な点を避けることができる陽子交換薄膜燃料電池電力システムを提供とすることを、本願発明の主目的とする。

本発明の一態様によれば、それぞれの薄膜電極拡散アセンブリを有する複数個の個別ＰＥＭ燃料電池モジュールからなる陽子交換薄膜燃料電池電力システムが提供され、そのＰＥＭ燃料電池モジュールはそれぞれ更に、薄膜電極拡散アセンブリに対して所定の力を作用させるための圧力付加アセンブリを有している。また、本発明によるＰＥＭ燃料電池モジュールは人の手によって容易に操作することができるものである。

本発明の他の態様によれば、動作中、所定量の熱エネルギーを発生するＰＥＭ燃料電池モジュールが提供され、そのＰＥＭ燃料電池モジュールは該ＰＥＭ燃料電池モジュールで発生した熱エネルギーを除去するためのカソード空気流を具えるものである。

本発明の他の態様によれば、個別ＰＥＭ燃料電池モジュールのそれぞれが少なくとも６０平方センチメートルの累積活性領域を有する対向した薄膜電極拡散アセンブリを有し、個別ＰＥＭ燃料電池モジュールのそれぞれが直流０．５Ｖの公称電圧のもと、活性領域の１平方センチメートル当り少なくとも３５０ｍＡの電流密度を発生し、少なくとも１０．５Ｗの電力出力である陽子交換薄膜燃料電池電力システムが提供される。

本発明の更に他の態様は、中にキャビティーを画定する収容体と、そのキャビティーに搭載され、複数個の個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールを支持するサブラックとを有する陽子交換薄膜燃料電池電力システムに関する。

本発明の他の態様は、陽子交換薄膜燃料電池電力システムであって、該システムは、
個別キャビティーを画定する水素供給フレームであって、該個別キャビティーのそれぞれには、各薄膜電極拡散アセンブリが封入されており、前記各薄膜電極拡散アセンブリはそれぞれ対向するアノード側とカソード側を有している水素供給フレームと、
前記各キャビティーに受け入れられる一対の集電体であって、それぞれの集電体は各薄膜電極拡散アセンブリのそれぞれアノード側とカソード側に抵抗電気接触されて設けられる集電体と、
を有するものである。

本発明の更に他の態様は、陽子交換薄膜燃料電池電力システムであって、該システムは、
水素供給フレームのそれぞれのキャビティーを部分的に塞ぐカソードカバーであって、それぞれのカソードカバーはお互いにそして水素供給フレームと個別に係脱自在に協働するカソードカバーと、
前記キャビティーのそれぞれの中に受容され、集電体と薄膜電極拡散アセンブリに対して所定の力を作用させる圧力伝達アセンブリであって、前記カソードカバーから圧力が伝達される状態で設けられる圧力伝達アセンブリと、
を有するものである。

本発明の更に他の態様は、薄膜電極拡散アセンブリを有する陽子交換薄膜燃料電池電力システムであって、
対向するアノード側とカソード側とを有する固体陽子伝導電解質薄膜と、
前記電解質薄膜のアノード側及びカソード側とイオン接触して設けられるそれぞれの触媒採用アノード電極及びカソード電極と、
アノード電極及びカソード電極上にそれぞれ設けられ、導電性であって且つ所定の多孔性を有する拡散層と、
を有するものである。

本発明の更に他の態様によれば、スルホン酸基を有する架橋高分子連鎖を有する固体電解質薄膜を有する陽子交換薄膜燃料電池電力システムが提供され、前記架橋高分子連鎖はメタアクリレートである。

更に、本発明の他の態様は、少なくとも７０％の空き領域を有する集電体を有する陽子交換薄膜燃料電池電力システムに関する。

本発明のこれら及び他の特徴は、以下の詳細な説明によりより明瞭なものとなる。

本発明の陽子交換薄膜（ＰＥＭ）燃料電池電力システムは、図１において参照符号１０で示されている。同図に示されている通り、ＰＥＭ燃料電池電力システムは、参照符号１１で示され、地上又は他の支持体表面上に載置される収容体を有する。収容体１１は左側、右側側面１３，１４および前面、後面１５，２０を有する。収容体は、左側、右側側面および前面、後面にそれぞれ接続した上表面２１を有する。第１及び第２開口部２２，２３がそれぞれ前面１５内に形成されている。さらに、参照符号２４で示される一対の扉が前面１５に対して兆番を用いて取り付けられており、各開口２２，２３を塞ぐことができるようになっている。収容体１１には、上記のように構成されることにより、所定容積のキャビティー２５が画定される。

開口２３は、参照符号３０によって示される複数のサブラックによって塞がれる。サブラックは、それぞれキャビティー２５に設けられ、該キャビティー２５内において複数の個別ＰＥＭ燃料電池モジュールを所定の方向に支持する。ＰＥＭ燃料電池モジュールの説明はこの後詳細に行う。図２を参照すると、サブラック３０はＰＥＭ燃料電池モジュールを支持するための本体３１を有する。本体３１は、収容体１１に対して適当な締具によって取り付けられる支持フランジ３２を有する。サブラック３０は前方端３３と後方端３４を有する。さらに、本体は上部部分３５及び底部部分４０を有する。後方壁４１（図５、図６参照）は、後方端３４のところで、上部及び底部部分と接続されている。図２に最も良く表わされている通り、複数の開口４２，４３が上部部分及び底部部分にそれぞれ形成されている。さらに、上部部分３５及び底部部分４０には、複数の細長い溝４４，４５がそれぞれ設けられている。図３，４，５を参照することにより最も良く理解できる通り、本体３１は、合体したとき本体を形成する、多数の個別ミラーイメージ部分３１Ａから成り立っている。これは、更に図８に示されている。これらミラーイメージ部分は、成型体個別基板で作られている。図５及び図６に最も良く表わされている通り、ＤＣ（直流）バス５０がサブラック３０の後部壁上に取付けられている。８対の導電接触部５１の繰り返しパターンが後部壁面上に設けられている。さらに、第一バルブ５２及び第二バルブ５３が、８対の導電接触部５１に対して適当に配置されている。図６に最も良く表わされている通り、第一及び第二バルブ５２，５３は、後部壁面４１を通り抜けて出ており、そして第一及び第二導管５４，５５とそれぞれ流体通過可能状態で接続される。ここで図８を参照すると、第一導管５４は、水素源６０（図１参照）と流動体移動可能状態で接続される水素供給アセンブリを構成する。さらに、バルブアセンブリ６１が、水素源６０及び第一導管５４に対して流量計測可能な状態で接続されている。第二導管５５は、周囲に開放されているか、または、水素回収リサイクルシステム又は電力システム１０によって使用される水素を供給する化学的処理装置等の他の装置に流動体移動可能な状態で接続されても良い。この点、水素回収リサイクルシステムは、各ＰＥＭ燃料電池モジュールを既に通過してきた未反応の水素を回収または採取するものである。このシステムは、簡単に言うと、他の汚染物質（水、窒素など）から未反応の水素を分離し、それを電力システム１０に再び戻すものである。他の手段として、化学的処理装置を上に述べた目的で利用することもでき、そうすれば、以下に更に詳しく説明するように、未反応の水素は、化学的処理装置に戻され、そしてそれは再び各ＰＥＭ燃料電池モジュールに供給される。

図６を参照すると、本発明のＰＥＭ燃料電池モジュール電力システム１０は更に、空気供給アセンブリ７０を有する。この空気供給アセンブリは、収容体１１内に受容され、サブラック３０に対して流動体移動可能な状態で接続される。空気供給アセンブリ７０は、参照符号７１で示される空間を具える。空間７１は、第一の取入端７２と第二の排出端７３とを有する。排出端７３は、上部部分３５と底部部分４０との間に位置し、サブラック３０によって支持される各ＰＥＭ燃料電池モジュールに空気を提供する。さらに、取入端７２は、サブラック３０の上部部分３５及び底部部分４０と流動体移動可能な状態で配置接続されている。

直流ファン７５を有する空気移動通気アセンブリ７４またはこれと同等の物が、空間７１と作動的に結合されている。可変速度ファン７５は、空気を、空間７１の取入端７２から排出端７３に移動させる。図６及び図７Ａ，７Ｂを参照すると、空気混合バルブ８０が空気移動アセンブリ７４と、空間７１の取入端７２と作動的に結合している。空気混合バルブ８０は、その中に空間７１と流動体移動可能に連絡する一対の開口８２が形成される外側管８１を有する。さらに、空気混合バルブ８０は内側管８３を有する。内側管８３は、外側管８１の内側に嵌め込み式に受容され、且つ外側管８１に対してほぼ同心的に設けられる。内側管８３は外側管８１に対して選択的に回転できるようになっている。一対の開口８４が内側管に形成され、これにより、排出端７３を空間７１の取入端７２と選択的に連絡するための好適手段が提供される。さらに、内側管８３は空間７１の外部から入ってくる外部空気と流動体移動可能な状態で接続されるものと理解すべきである。図２を参照すると最も良く表わされている通り、アクチュエータ又はモータ８５が、空気混合バルブ８、より具体的にはその内側管８３に対して力伝達可能な状体で設けられている。アクチュエータ８５はそれが付勢されたとき、空気混合バルブ８０を、より具体的にはその第二の管を、図７Ｂに示されている第１の位置９１から図７Ａに示されている第２の位置９２に、所定の移動経路９０に沿って動かすよう動作する。この経路９０に沿って空気混合バルブ８０を動かすことにより、外部の空気と、各ＰＥＭ燃料電池モジュールを既に通過してきた、そして各陽子交換薄膜燃料電池モジュール内で起きた化学反応によって加熱され且つ加湿された空気との混合が容易となる。

図３０を検討することで最も良く理解される通り、複数の温度センサー９３が、個別ＰＥＭ燃料電池モジュールに入る空気の温度を検出するために、空間７１の排出端７３の近傍と、空間の取入端７２の近傍に設けられている。温度センサー９３は、外気空気と各個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールを通過してきた空気との混合空気の温度を検出する。さらに、図３０に最も良く表わされている通り、制御アセンブリ２５０が、温度センサー９３とアクチュエータ８５と電気的に接続されている。制御アセンブリは、空間７１の排出端７３に供給される空気の温度を制御する目的で、空気混合バルブ８０を移動経路９０に沿って動かすために、アクチュエータ８５を選択的に付勢する。空気流アセンブリ７４の運動速度は自由に調節できるものである。この点、制御アセンブリは、均衡がとれた運転状態において陽子交換薄膜（ＰＥＭ）燃料電池モジュールの運転特性を変化し、または特性を最適化するために、空気流アセンブリ７４、温度センサー９３及び空気混合バルブ８０と制御可能な状態で電気的に接続されている。この関係は、図３０に最も適切に示されている。

図９を参照すると、複数の個別ＰＥＭ燃料電池モジュールが参照符号１００によって示されており、これらは、サブラック３０上に装脱自在に支持される。以下の説明は、単一のＰＥＭ燃料電池モジュールについて行うこととする。各ＰＥＭ燃料電池モジュールはほぼ同一の構成であって、重量が軽く、そして人の手によって容易に操作又は移動することができるものである。個別ＰＥＭ燃料電池モジュール１００は、図９及び図１１に最も良く表わされている。図１０を参照すると、各ＰＥＭ燃料電池モジュール１００は、参照符号１１０によって示される水素供給フレームを有する。水素供給フレーム１１０は、撓み係数が平方インチ当り５００，０００ポンド（約３５，１６０ｋｇ／ｃｍ^２）より小さく、圧縮強度が平方インチ当り２０，０００ポンド（約１，４００ｋｇ／ｃｍ^２）より小さい基板からなる。そのようなものとして、多くの適当且つ互換性のある熱可塑性材料を用いることができる。水素供給フレーム１１０は、図１０に示される通り、本体部１１１を有する。本体部１１１は第一端１１２及びこれに対向する第二端１１３を有する。さらに、本体部は周縁部１１４によって画定される。周縁部の所定位置に設けられているのはハンドル１１５であって、このハンドルは、ＰＥＭ燃料電池モジュール１００の手による操作を容易とする。長手案内部材又は突起部１１６が第一端１１２及び第二端１１３にそれぞれ設けられている。各突起部１１６は、サブラック３０（図９参照）の上部部分３５及び底部部分４０に形成された長手溝４４及び４５にそれぞれ受け入れられ、これと協働する。各突起部１１６を各溝内に揃えて受容させることにより、それぞれのＰＥＭ燃料電池モジュール１００を、サブラック上に滑り入れ、相互に所定の間隔を保って配置させることができる。そのような状態は、図２に最も明確に示されている。サブラック３０に受け入れられると、空間７１の排出端７３は、二つの隣り合うＰＥＭ燃料電池モジュール１００の間に受け入れられる。

図１０から分かる通り、本体部１１１は、複数のほぼ対向したキャビティー１２０を画定する。これらのキャビティーは、第１キャビティー１２１、第２キャビティー１２２、第３キャビティー１２３、第４キャビティー１２４として示される。さらに、再び図１０を参照すると、複数の穴１２５が本体部１１１内の所定位置に設けられ、これらの穴は、以下に詳細を説明する締結部を受け入れるように作用する。本体部１１１はさらに、参照符号１３０で示される一対の通路を具える。一対の通路は、水素源６０からの水素を各キャビティー１２１〜１２４に供給する第１通路１３１と、各キャビティー１２１〜１２４から不純物、水、未反応の水素を除去する第２通路１３２とを有する。連絡通路１３３は、第１キャビティー１２１と第２キャビティー１２２とを、また第３キャビティー１２３と第４キャビティー１２４とを、互いに流動体移動可能に接続する。その結果、第１通路１３１によって供給された水素ガスは、各キャビティー１２１〜１２４への通過経路を得ることになる。キャビティー１２１〜１２４の各キャビティーは、その全体寸法及び形状がほぼ同一である。さらに、各キャビティーは、所定の面積領域及び深さを具えた窪み領域１３４を有する。この窪み領域１３４に位置し、その面からほぼ直角に延び出ているのは、複数の小さい突起１３５である。それぞれの突起の機能は以下に詳しく説明する。図１０に最も良く表わされている通り、第１通路１３１及び第２通路１３２は、窪み領域１３４のそれぞれに対して流動体移動可能に接続されている。図１０を更に参照すると、本体部１１１の周縁部１１４は途中不連続である。具体的には、周縁部１１４は多数のギャップ又は開口部１３６を途中に画定する。ここで図１１を参照すると、各通路１３１，１３２は所定の外側直径寸法を有する終端部１３７を有する。各通路１３０の終端部１３７は、第１バルブ５２、第２バルブ５３とそれぞれ流動体移動可能に確実に嵌り合うようになっている。

図１２，１３，２６及び図２７を参照すると、キャビティー１２１〜１２４内にそれぞれ封止状態で装着されるのは、参照符号１５０で示される薄膜電極拡散アセンブリである。薄膜電極拡散アセンブリ１５０は、本体部又は固体電解質薄膜１５１を有し、該固体電解質薄膜は、水素供給フレーム１１０に対して封止状態で装着される。薄膜電極拡散アセンブリ１５０は、アノード側１５３とこれと反対側のカソード側１５４とを具える。アノード側１５３は、各キャビティー１２１〜１２４を形成する水素供給フレーム１１０に対して、複数の突起１３５（図１０参照）によって所定の間隔を置いて保持される。この特殊な関係が、各キャビティー１２１〜１２４に供給された水素が薄膜電極拡散アセンブリ１５０のアノード側の全ての部分に行きわたることを確実にする。触媒アノード電極１６１及びカソード電極１６２を有する電極１６０が、本体部１５１上に形成される。これらのアノード電極１６１とカソード電極１６２はイオン接触状態に置かれる。さらに、非触媒導電性拡散層１７０がアノード及びカソード電極１６０上に付着され、そしてこの層は所定の多孔性を有している。図２６に最も良く表わされている通り、非触媒導電性拡散層１７０は、電極１６１，１６２とそれぞれ電気抵抗接触状態で設けられる第１拡散層１７１と、下層第１拡散層と電気抵抗接触状態で配置される第２拡散層とを有する。図２７に最も良く表わされている通り、同図は薄膜電極拡散アセンブリ１５０の第二の形態を示し、これには、第３拡散層が設けられている。この形態においては、第３拡散層は、第１及び第２拡散層が本体部１５１に付着される前に本体部１５１に付着される。この点、我々発明者にはその組成は分からないが、多数の商業的に購入可能な薄膜電極アセンブリが製造されている。

図２６を参照すると、薄膜電極拡散アセンブリ１５０、より具体的には、それに付着された第１拡散層１７１は、バインダー樹脂内に粒子カーボンをサスペンドした被覆物である。更に、第２拡散層１７２は、多孔性疎水カーボンバック層であることが好ましい。バインダー樹脂に関しては、それは殆ど疎水性であって、主としてパーフルオロ炭化水素又はその代替物を含む群の中から選択される。更に、第１拡散層１７１は、２０〜９０重量％の粒子カーボンを有する。第２拡散層１７２に関しては、基本的にはカーボンクロス、カーボンペーパ、カーボンスポンジ又はその代替物を含む群の中からか選択される。好ましい発明の実施例では、第１拡散層１７１は、それぞれが所定の疎水性を有した複数の連続状第１拡散層の複合被覆体である。さらに、第１拡散層１７１は疎水性勾配を有している。この勾配は、複合被覆体を形成する複数の層それぞれの疎水性を調節することにより変えることができる。使用される薄膜電極拡散アセンブリ１５０に要求される特性パラメータにより、第２拡散層１７２に最も近い連続状の層が全ての層の中で最も疎水性が低いものとしても良く、又は、最も疎水性が高いものとしても良い。第１拡散層１７１及び第２拡散層１７２を下層アノード電極１６１及びカソード電極１６２に付着するために、主としてポリエチレン、ワックス又はこれらの代替物の群の中から選択される熱可塑性接着剤を用いることができる。さらに、これらの層は圧力と熱を加えて接着しても良い。本発明の好ましい実施例では、各アノード電極１６１とカソード電極１６２は、粒子カーボン、白金等の触媒及びスルホン酸基を有する架橋コポリマー（架橋共重合体）を有する。

上に述べた第１拡散層１７１及び第２拡散層１７２を形成する方法は、以下の段落で説明する。薄膜電極拡散アセンブリ１５０と共に用いられる拡散層１７０を形成する方法は、第１の工程として、第２拡散層１７２を構成するカーボンバック層を提供する工程を有する。カーボンバック層は、主としてカーボンクロス、カーボンペーパ、カーボンスポンジ又はその代替物を含む群のなからか選択される。その方法は、これに続く工程として、第２拡散層１７２を構成するカーボンバック層に疎水性ポリマーを塗布する工程と、第２拡散層を構成するカーボンバック層を、疎水性ポリマーの融点よりも高い温度の下で焼結する工程とを有する。上で述べた通り、疎水性ポリマーは、主にパーフルオロ炭化水素又はその代替物の群の中から選択される。さらに、上の方法においては、焼結工程は、２７５℃〜３６５℃の下で実行される。薄膜電極拡散アセンブリ１５０と共に用いられる拡散層１７０を形成する好ましい方法は、第２拡散層１７２を構成する多孔質カーボンバック層を提供する工程と、粒子カーボンのスラリと、バインダー樹脂及び多孔質カーボンバック層上に加えられる射出液からなる多孔性被覆を提供する工程とを有する。第２拡散層１７２を構成する多孔質カーボンバック層は上に説明したものと同じである。さらに、バインダー樹脂は疎水性を有し、パーフルオロ炭化水素を有していても良い。多孔質被覆体は、少なくとも２０〜９０重量％の粒子カーボンを有する。粒子カーボンのスラリとバインダー樹脂を形成するために用いられる射出液は、水と相溶性界面活性剤とからなる。具体的には、射出液は、主として９５〜９９重量％の水と、１〜５重量％の相溶性界面活性剤とからなる。界面活性剤は、主に水酸化アンモニウム及び／又はアルコールの群から選択される。以下の実施例では、使用される射出液は、２−ブトキシエタノールと界面活性剤としての水酸化アンモニウムの溶液である。このような溶液は市販品から確保することができる。本実施例では、発明者は、商品名“Ｗｉｎｄｅｘ”等で市販されているものを用いた。“Ｗｉｎｄｅｘ”は、S.C. Johnson & Sons社が所有する登録商標である。バインダー樹脂及び粒子カーボンを有するスラリを提供した後、その方法は更に、射出液を除去する工程を有し、該工程により、第１拡散層１７１を構成する多孔質カーボンバック層上に、粒子カーボン及びバインダー樹脂が取り残され又は堆積される。射出液は、それに対してその揮発を促進する熱を加えることによって除去される。

本発明の他の実施例では、上で述べたバインダー樹脂及び多孔質カーボン被覆スラリは、被覆を何層か繰り返して行い、そうすることにより疎水性勾配をもたらすようにしても良い。疎水性勾配は、先に説明した通り、連続する各層の疎水性を変えることにより調節しても良い。この疎水性勾配を調節可能とするためには、バインダー樹脂は、主に疎水性及び親水性バインダー樹脂及びその代替物の群から選択される。理解される通り、複合第１拡散層１７１を形成する各層を所定の疎水性とするためには、疎水性のバインダー樹脂と親水性のバインダー樹脂を所定の割合で混合し、結果物としてのスラリを提供することにより調整しても良く、または、組成物間の構成比例関係を変えることによって調整しても良い。上で説明した通り、多孔性カーボンバック層に最も近い、複合第１拡散層１７１の各被覆層は、薄膜電極拡散アセンブリ１５０に要求される動作特性の如何によって、最も高い疎水性としても、又は最も低い親水性とすることもできる。さらに、方法は、焼結工程を有していてもよく、この工程により、結果としての拡散層１７０は、バインダー樹脂を融かし、ほぼ均質な表面を形成するのに有効な温度で、焼結される。上記工程に加えてその方法は更に、焼結工程の後に、結果としてできる拡散層１７０の多孔性を変えるのに有効な、任意値であって所定パターンの圧力を拡散層１７１に与える工程を有する。上で説明した通り、下層の触媒アノード電極１６１及びカソード電極１６２それぞれに対して、熱可塑性接着剤を用いて又は熱と圧力により、拡散層１７０を付着してもよい。熱可塑性接着液は、主にポリエチレン又はワックスからなる群から選択される。

上で説明した拡散層１７０は、各ＰＥＭ燃料電池モジュール１００内で起こる化学反応の結果として生ずる水を処理するのに有用である。この点に関し、拡散層１７０が、薄膜電極拡散アセンブリ１５０のカソード側から十分な量の水を逃がし、その結果、ＰＥＭ燃料電池モジュール１００を該モジュールが動作不能となるような“水浸し”とはならないことを、発明者は発見した。他方、疎水性勾配は、上で説明した通り、ＰＥＭ燃料電池モジュール１００が自己加湿されるための十分な量の水分を保持することを容易にするものである。すなわち、薄膜電極拡散アセンブリには、ＰＥＭ燃料電池モジュール１００の外部から追加の水又は加湿が行なわれなくても、ＰＥＭ燃料電池モジュール１００がほぼ最大電流密度で動作するのに十分な量の水が保持されるのである。さらに、空気供給アセンブリ７０と空気混合バルブ８０は、外部からの空気を各ＰＥＭ燃料電池モジュール１００内を既に通過してきた空気に混合するのに都合の良い手段を提供する。この手段により、ＰＥＭ燃料電池モジュール１００は、好ましい加湿状態に維持される。理解される通り、この空気の混合により、薄膜電極拡散アセンブリ１５０のカソード側からは、水が効率良く除去される。さらに、同じ空気の混合により、各ＰＥＭ燃料電池モジュール１００内で起こる化学反応の結果物として発生する熱が効率良く除去され、その結果、ＰＥＭ燃料電池モジュールを安定温度に維持することができる。この点に関し、空間７１の排出端７３に供給される空気は、カソード空気流を形成する。本発明による電力システム１０における新規な特徴は、各ＰＥＭ燃料電池モジュールによって生じる熱エネルギーがそこからこのカソード空気流によって除去されることである。

薄膜電極拡散アセンブリ１５０の基本となる本体部１５１上に拡散層１７０を形成する方法の実施例を以下に示す。

以下に示す実施例は、図２６，図２７にそれぞれ示す拡散層１７０の製造方法に関する。

一般的テストの方法
水素／空気燃料電池試験装置は、４ｃｍ角のテストの対象となる陽子伝導性薄膜電極拡散アセンブリ（ＭＥＤＡ）を収容する二つの部分で構成されたステンレス鋼器具で作られていた。水素側のブロック（アノード）は、平面多孔質セラミック板を有するキャビティーを画定する。このセラミック板の上部に加えられる効果的な圧力条件は、圧力を有孔白金被覆ニッケル集電体に調和させることである。水素ガスは、セラミック板の孔及びこれに関連した集電体を通して、ステンレス鋼器具のアノードの半分まで通り過ぎる。水素はこのように、アノード集電体の上部に置かれたＭＥＤＡのアノードまで達することができる。

W.L. Gore Company社から商品番号“Primea 6000シリーズ”として入手可能な陽子伝導性ＭＥＤＡは、それに取り付ける電極よりも大きい。そのＭＥＤＡは５ｃｍ角の寸法を有する。これは、ステンレス鋼器具がボルト締めされるとき、電極の周囲部に封止ガスケットを置くことを可能とするものである。

試験装置のカソード側は、また、有孔セラミック板及び集電体を合致して受け入れるキャビティーを画定する。しかしながら、ステンレス鋼器具は、ＭＥＤＡに対して集電体を直接には押圧しない。その代わりに、５つのネジが試験装置カソード側に設けられている。これらのネジは、有孔金属圧力板に対して圧力を加える。この板には、セラミック板に設けられている孔とほぼ同心状に一致している開口を有する。これらのネジは、セラミック板及び集電体を更に押圧する。ネジをねじ込んでいくことにより、ＭＥＤＡに対する集電体の接触圧力を、ステンレス鋼試験装置がボルト締めされた後、選択的に調節することができる。上で述べた圧力ネジの間の、ステンレス鋼器具に機械的に穿孔された幾つかの開口によって、カソードに空気が供給される。こうすることにより、空気が、ネジ、有孔鋼製圧力板、セラミック板、集電体を通って、ＭＥＤＡのカソード側に流れることになる。

試験ＭＥＤＡは、封止ガスケットと共に、試験装置のカソード上に置かれる。試験装置は次にボルト締めされる。圧力ネジは次に、集電体カソード／アノード境界部分に十分な力が発生し、良好な電気接触が得られるまで、ねじ込みが進められていく。一旦この作業が完了すると、水素ガスが約５PSI（約３４．５ｋＰａ）の圧力の下で供給される。ＭＥＤＡのアノード側では次に、全ての空気の排出（除去）が行なわれる。次に、ＭＥＤＡのカソード側に対して、ファン又はその他の手段により、新しい空気の供給が行なわれる。空気の供給は、露点１５℃で行なわれる。

電気的特性の試験は、燃料電池に種々の抵抗器を負荷することによって行なわれる。その場合、抵抗値は分かっているので、電流は、抵抗器両端間の電圧を調べることによって計算できる。ＭＥＤＡは状態を整えるために最初は短絡され、次に、通常な約０．６Ｖの任意負荷のもと、安定化される。定常状態の電力出力が得られた時点で、データの収集が行なわれる。

比較試験では、ＭＥＤＡのカソード側とアノード側に設けられた拡散層１７０はしばしば似ていないことがある。ＰＥＭ燃料電池の電気的特性は、アノード拡散層が変えられたときには、大きな影響は受けない。しかしながら、ＭＥＤＡのカソード側に設けられた拡散層は、ＰＥＭ燃料電池の電気的特性に非常に大きな影響を与える。なぜならば、水の発生、蒸発は全てＭＥＤＡのカソード側で起きるからである。前に記した通り、上に説明した製造方法は、拡散層１７０を下に横たわるＭＥＡに付着させて、これによりＭＥＤＡを形成するのに有効的な任意の温度及び圧力条件に拡散層１７０をさらす工程を有する。この点に関し、同一の圧力がＭＥＤＡのカソード側とアノード側に加えられる。これまで説明した方法によって形成される二つの異なる拡散層の間の最も正確な比較は、単一のＭＥＤＡを用いることによってなされる。この点、異なった層の間の比較試験は、試験装置内においてＭＥＤＡを単に引っ繰り返すこと、即ち、ＭＥＤＡのアノード側とカソード側を逆にすることによって行なわる。したがって、同一のＭＥＤＡが、異なる拡散層がカソードとして機能する状態で試験されることになる。

試験例１
一枚のカーボンペーパ（東レ ＴＧＰ−Ｈ−０６０）が、テフロン−１２０（デュポン社 登録商標）と脱イオン化水が２：３の溶液内に数分間浸漬された。テフロン−１２０はポリテトラフルオロエチレンを有する疎水性ポリマーである。テフロン−１２０は、E.I. Dupont Company社の商品記号である。カーボンペーパは、溶液から取り出された後、スポンジ上に水平状に置かれ乾燥処理された。次に、カーボンペーパは、空気充満焼結オーブン（３６０℃）内に３〜５分間置かれた。これらの処理により、カーボンペーパは疎水性となった。

拡散層の“Ａ”側
水と相溶性界面活性剤からなる溶液を次に用意した。具体的には、２００ｍｌの購入可能な洗剤“Windex”と、４．２ｇのVulcan XC-72R(Cabot)粒子カーボンパウダーとを混合した。混合溶液は９０秒間、超音波破壊している間攪拌棒を用いて攪拌しスラリを作るように、約２００ワットのパワーの下で超音波破壊される。超音波破壊の後、１ｍｌの疎水性ポリマー、具体的にはテフロン−３０（デュポン社）が加えられた。複数の通路を用いたエアーブラシによって、スラリがカーボンペーパ上に散布された。カーボンペーパが一旦溶液によって湿らされた後、それは、水と界面活性剤を有する溶液を蒸発させるために、ホットプレート上に載せられた。散布／乾燥の処理がその後繰り返された。蒸発の処理により、粒子カーボン及びこれに関連したバインダー樹脂が堆積し、最終的な（乾燥状態の）増加重量は、６．４ｍｇ／ｃｍ^２となった。最後に、被覆カーボンペーパは、空気充満焼結オーブン内に３６０℃のもと、３〜５分間投入される。この焼成処理により、バインダー樹脂は溶融し、ほぼ均質な表面を形成する。

拡散層の“Ｂ”側
“Ｂ”側は上述した“Ａ”側とほぼ同一の方法によって形成される。しかしながら、“Ｂ”側は、１０秒間プレス機に置かれ、３トンの力が加えられた。圧力が加えられる前に、不均一面が、拡散層の“Ｂ”側の上に置かれた。このテストでは、アルミ箔をスペーサシートとして用い、１５０番サンドペーパが用いられた。圧力が作用している間は、散布面側がサンドペーパ／アルミ箔に向かい合った。

ＭＥＡの製造
拡散層は、W.L. Gore Company社から商品記号“Primea Series 6000”として購入可能な薄膜電極拡散アセンブリに取り付けられた。この作業は、アセンブリをホットプレス内に置くことによって行なわれた。ＭＥＤＡは、徐々に大きくなる圧力によって数回ホットプレスされた。データは、連続的に圧力が加えられる間ごとに取られた。

結果
各試料の試験は上で説明した試験装置に入れて行なわれた。拡散層の所で温度が測定され、その温度は、±２℃の範囲内であった。これらの温度は、カソード空気流を変えることにより制御された。値は、０．６Ｖのもと、ｍＡ／ｃｍ^２で表される電流密度である。下での“Ａ”側及び“Ｂ”側は、カソードとして機能する側を示すものである。

結論：パターンプレス側（“Ｂ”側）は、９個の比較データポイント中８個、４５℃及び５３℃での特性より良いか又は等しい特性を示している。良好な特性は、“Ａ”側においても得られている。

試験例２
一枚のカーボンペーパ（東レ ＴＧＰ−Ｈ−０６０）が、テフロン−１２０（デュポン社）と脱イオン化水が２：３の溶液内に数分間浸漬された。テフロン−１２０は、前にも記した通り、E.I. Dupont Company社の商品記号である。カーボンペーパは、溶液から取り出された後、スポンジ上に水平状に置いて乾燥処理された。次に、カーボンペーパは、空気充満焼結オーブン（３６０℃）内に３〜５分間置かれた。熱エネルギーはポリテトラフルオロエチレン（テフロン−１２０）を溶かし、これによりほぼ均一な表面となった。この焼結処理により、カーボンペーパは疎水性となった。

拡散層の“Ａ”側
水と、アンモニア等である相溶性界面活性剤からなる溶液を次に用意した。具体的には、２００ｍｌの購入可能な洗剤“Windex”と、４．２ｇのVulcan XC-72R(Cabot)粒子カーボンパウダーとを混合してスラリを用意した。混合溶液は９０秒間、超音波破壊している間攪拌棒を用いて攪拌しスラリを作るように、約２００ワットのパワーの下で超音波破壊される。超音波破壊の後、１ｍｌの疎水性ポリマーであるテフロン−３０（デュポン社）が加えられた。複数の通路を用いたエアーブラシによって、前にも説明した通り、スラリがカーボンペーパ上に散布された。カーボンペーパが一旦スラリによって湿らされた後、それは、水と界面活性剤を有する溶液を蒸発させるために、ホットプレート上に載せられた。散布／乾燥の処理がその後繰り返された。蒸発の処理により、粒子カーボン及びこれに関連したバインダー樹脂が堆積し、最終的な（乾燥状態の）増加重量は６．４ｍｇ／ｃｍ^２となった。続いて“Ｂ”側が１０秒間プレス機に置かれ、３トンの力が加えられた。第１実施例の場合と同様に、不均一面が、プレス機と散布面層の間に用いられた。本実施例では、アルミ箔をスペーサシートとして用い、１５０番サンドペーパが用いられた。圧力が加えられている間は、散布面側がサンドペーパ／アルミ箔組合体に向かい合った。

拡散層の“Ｂ”側
２００ｍｌの“Windex”と、４．２ｇのVulcan XC-72R(Cabot)粒子カーボンパウダーとを混合することによって、類似したスラリを用意した。混合溶液は９０秒間、超音波破壊している間攪拌棒を用いて攪拌しスラリを作るように、約２００ワットのパワーの下で超音波破壊される。超音波破壊の後、１．２ｍｌのテフロン−３０（デュポン社）の溶液がスラリに加えられた。複数の通路を用いたエアーブラシによって、その混合溶液がカーボンペーパ上に散布された。カーボンペーパが一旦溶液によって湿らされた後、それは、水と界面活性剤（Windex）を蒸発させるために、ホットプレート上に載せられた。散布／乾燥の処理がその後繰り返された。最終的な（乾燥状態の）増加重量は、４．９１ｍｇ／ｃｍ^２となった。

２００ｍｌの“Windex”と、４．２ｇのVulcan XC-72R(Cabot)粒状カーボンパウダーとを混合することによって、次に第２のスラリを用意した。このスラリは９０秒間、超音波破壊している間攪拌棒を用いて攪拌し、約２００ワットのパワーの下で超音波破壊される。超音波破壊の後、０．５ｍｌのテフロン−３０（デュポン社）が加えられた。複数の通路を用いたエアーブラシによって、そのスラリが、それに先立って被覆されているカーボンペーパ上に散布された。カーボンペーパが一旦スラリによって湿らされた後、それは、水と界面活性剤（Windex）を蒸発させ、それにより疎水性ポリマー及び粒子カーボンを堆積するために、ホットプレート上に載せられた。散布／乾燥の処理がその後繰り返され、最終的な（乾燥状態の）増加重量は１．５８ｍｇ／ｃｍ^２となった。散布処理された層の総重量は、６．５ｍｇ／ｃｍ^２となった。“Ｂ”側は、不均一面（アルミ箔をスペーサシートとして用いた１５０番サンドペーパ面）の下側に、３トンの力のもと、１０秒間プレス機内に置かれた。圧力が加えられている間は、散布面側がサンドペーパ／アルミ箔組合体に向かい合った。

ＭＥＡの製造
拡散層は、先の実施例１で述べたような購入可能なＭＥＤＡに取り付けられた。この作業は、アセンブリをホットプレス内に置くことによって行なわれた。ＭＥＤＡは、徐々に大きくなる圧力によって数回ホットプレスされた。データは、連続的に圧力が加えられる間ごとに取られた。

結果
各試料の試験は上で説明した試験装置に入れて行なわれた。拡散層表面の所で下記表に記する温度が測定され、その温度は、許容値の±２℃の範囲内であった。記載されている各値は、０．６Ｖのもと、ｍＡ／ｃｍ^２の単位で表される電流密度である。この実施例の試料では、表示の通り、ホットプレスは、同一圧力の下で二回実施されると共に、各プレスの間にＭＥＤＡを１８０°回転した。

３．５トン以上の圧力を作用させたとき、反対勾配の試料は、１２個の比較テスト中１１個の割合で、勾配の無いサンプルと同等か、又はそれよりも良い電流密度特性を呈することが結果として分かった。

試験例３
一枚のカーボンペーパ（東レ ＴＧＰ−Ｈ−０９０）が、テフロン−１２０（デュポン社）と脱イオン化水が４：９の割合の溶液内に数分間浸漬された。カーボンペーパは、溶液から取り出された後、スポンジ上に水平状に置いて乾燥処理された。次に、カーボンペーパは、空気充満焼結オーブン（３６０℃）内に３〜５分間置かれた。この処理により、カーボンペーパは疎水性となった。

拡散層の“Ａ”側
次に、２００ｍｌの“Windex”と、４．２ｇのVulcan XC-72R(Cabot)粒子カーボンパウダーとを混合してスラリを用意した。これは、これまでの実施例の場合と同じである。混合溶液は９０秒間、超音波破壊している間攪拌棒を用いて攪拌し、約２００ワットのパワーの下で超音波破壊された。超音波破壊の後、１．２ｍｌのテフロン−３０（デュポン社）がスラリに加えられた。複数の通路を用いたエアーブラシによって、スラリがカーボンペーパ上に散布された。カーボンペーパが一旦スラリによって湿らされた後、それは、水と界面活性剤(Windex)の溶液を蒸発させるために、ホットプレート上に載せられた。その結果、疎水性ポリマーと粒子カーボンが堆積する。その後、散布／乾燥の処理が、最終的な増加重量が１．０ｍｇ／ｃｍ^２となるまで繰り返された。

次に、２００ｍｌの“Windex”と、４．２ｇのVulcan XC-72R(Cabot)粒子カーボンパウダーとを混合することによって、第２のスラリを用意した。このスラリは９０秒間、超音波破壊している間攪拌棒を用いて攪拌し、約２００ワットのパワーの下で超音波破壊された。超音波破壊の後、０．５ｍｌのテフロン−３０（デュポン社）が添加された。複数の通路を用いたエアーブラシによって、そのスラリが、前以て被覆されているカーボンペーパ上に散布された。カーボンペーパが一旦スラリによって湿らされた後、それは、水と界面活性剤（Windex）溶液を蒸発させ、それにより疎水性ポリマー及び粒子カーボンを堆積するために、ホットプレート上に載せられた。散布／乾燥の処理がその後繰り返され、最終的な（乾燥状態の）増加重量は０．５ｍｇ／ｃｍ^２となった。散布処理された層の総重量は、１．５ｍｇ／ｃｍ^２となった。

拡散層の“Ｂ”側
“Ｂ”側は“Ａ”側と全く同じに用意された。しかしながら、“Ｂ”側は、不均一面（アルミ箔をスペーサシートとして用いた１５０番サンドペーパ面）の下側に、３トンの力のもと、１０秒間プレス機内に置かれた。圧力が加えられている間は、散布面側がサンドペーパ／アルミ箔組合体に向かい合った。
ＭＥＡの製造

拡散層は、先の実施例１で述べたような購入可能なＭＥＤＡに取り付けられた。この作業は、ＭＥＤＡをホットプレス内に置くことによって行なわれた。ＭＥＤＡは、徐々に大きくなる圧力によって数回ホットプレスされた。データは、連続的に圧力が加えられる間ごとに取られた。

結果
各試料の試験は上で説明した試験装置に入れて行なわれた。拡散層表面の所で下記表に記する温度が測定され、その温度は、±２℃の許容値範囲内であった。記載されている各値は、０．６Ｖのもと、ｍＡ／ｃｍ^２の単位で表される電流密度である。“Ａ”側、“Ｂ”側はカソードとして機能する側を示したものである。この実施例の試料では、ホットプレスが同一圧力の下で二回実施された。ＭＥＤＡは、各プレスの間に約１８０°回転された。

上の表中のデータは、拡散層１７０及びこれに関連した薄膜電極拡散アセンブリの構造が新規なものであることを改めて示すものであった。

試験例４
拡散層の“Ａ”側
一枚のカーボンペーパ（東レ ＴＧＰ−Ｈ−０６０）が、テフロン−１２０（デュポン社）と脱イオン化水が４：９の割合の溶液内に数分間浸漬された。カーボンペーパは、溶液から取り出された後、スポンジ上に水平状に置いて乾燥処理された。次に、カーボンペーパは、空気充満焼結オーブン（３６０℃）内に３〜５分間置かれた。この焼結処理により、カーボンペーパは疎水性となった。

次に、水と、例えばアンモニア等の相溶性界面活性剤を用いてスラリが用意された。本実施例の場合、２００ｍｌの購入可能な“Windex”と、４．２ｇのVulcan XC-72R(Cabot)粒子カーボンパウダーとを混合してスラリが用意された。このスラリは、９０秒間、超音波破壊している間攪拌棒を用いて攪拌し、約２００ワットのパワーの下で超音波破壊された。超音波破壊の後、１．２ｍｌの疎水性ポリマー溶液であるテフロン−３０（デュポン社）が添加された。前の実施例でも説明した通り、複数の通路を用いたエアーブラシによって、スラリがカーボンペーパ上に散布された。カーボンペーパが一旦スラリによって湿らされた後、それは、水と界面活性剤を蒸発させるために、ホットプレート上に載せられた。その後、散布／乾燥の処理が、最終的な増加重量が４．２ｍｇ／ｃｍ^２となるまで繰り返された。

次に、２００ｍｌの“Windex”と、４．２ｇのVulcan XC-72R(Cabot)粒子カーボンパウダーとを混合することによって、第２のスラリを用意した。このスラリは９０秒間、超音波破壊している間攪拌棒を用いて攪拌し、約２００ワットのパワーの下で超音波破壊された。超音波破壊の後、０．５ｍｌのテフロン−３０（デュポン社）が添加された。複数の通路を用いたエアーブラシによって、そのスラリが、前以て被覆されているカーボンペーパ上に散布された。カーボンペーパが一旦スラリによって湿らされた後、それは、水と界面活性剤を蒸発させために、ホットプレート上に載せられた。その後、この散布／乾燥の処理は、最終的な（乾燥状態での）増加重量が１．６ｍｇ／ｃｍ^２となるまで繰り返された。散布処理された層の総重量は、５．８ｍｇ／ｃｍ^２となった。

拡散層の“Ｂ”側
一枚のカーボンペーパ（東レ ＴＧＰ−Ｈ−０９０）が、テフロン−１２０（デュポン社）と脱イオン化水が４：９の割合の溶液内に数分間浸漬された。カーボンペーパは、溶液から取り出された後、スポンジ上に水平状に置いて乾燥処理された。次に、カーボンペーパは、空気充満焼結オーブン（３６０℃）内に３〜５分間置かれた。この処理により、カーボンペーパは疎水性となった。

次に、水と、例えばアンモニア等の相溶性界面活性剤を用いてスラリが用意された。具体的には、２００ｍｌの購入可能な“Windex”と、４．２ｇのVulcan XC-72R(Cabot)粒子カーボンパウダーとを混合してスラリが用意された。このスラリは、９０秒間、超音波破壊している間攪拌棒を用いて攪拌し、約２００ワットのパワーの下で超音波破壊された。超音波破壊の後、１．２ｍｌの疎水性ポリマー溶液であるテフロン−３０（デュポン社）が添加された。複数の通路を用いたエアーブラシによって、混合液がカーボンペーパ上に散布された。カーボンペーパが一旦スラリによって湿らされた後、それは、水と界面活性剤を蒸発させるために、ホットプレート上に載せられた。その後、散布／乾燥の処理が、最終的な増加重量が１．０ｍｇ／ｃｍ^２となるまで繰り返された。

次に、２００ｍｌの“Windex”と、４．２ｇのVulcan XC-72R(Cabot)粒子カーボンパウダーとを混合することによって、第２のスラリが用意された。このスラリは９０秒間、超音波破壊している間攪拌棒を用いて攪拌し、約２００ワットのパワーの下で超音波破壊された。超音波破壊の後、０．５ｍｌのテフロン−３０（デュポン社）が添加された。複数の通路を用いたエアーブラシによって、そのスラリが、前以て被覆されているカーボンペーパ上に散布された。カーボンペーパが一旦スラリによって湿らされた後、それは、水と界面活性剤を蒸発させために、ホットプレート上に載せられた。その後、この散布／乾燥の処理は、最終的な（乾燥状態での）増加重量が０．５ｍｇ／ｃｍ^２となるまで繰り返された。散布処理された層の総重量は、１．５ｍｇ／ｃｍ^２となった。

ＭＥＤＡの製造及び試験
各拡散層は、W.L. Gore Company社から商品記号“Primea Series 6000”として購入可能な薄膜電極アセンブリに取り付けられた。この作業は、アセンブリをホットプレス内に置くことによって行なわれた。６０ｃｍ^２のＭＥＤＡが３２トンの圧力のもと、１５０℃で４分間一回ホットプレスされ、そして、さらに時間を掛け、３７トンの圧力のもと、１５０℃で再プレスされた。この処理は、４つのＭＥＤＡができるまで繰り返された。

結果
４個のＭＥＤＡを用いてＰＥＭ燃料電池モジュールが形成された。燃料電池モジュール１００は図１０，１１，１４に示されているような形状をしているが、セラミック板２０５が取り除かれ、圧力伝達アセンブリ２０３がカソード集電体１９２に直接接触している点で異なっている。燃料電池モジュール１００は、それを図５に示すスタンドに類似した試験用スタンドに挿入し、約１２立方フィート毎分の空気を燃料電池モジュール内に通過させるための小型ファンを用いることによって試験が実施された。水素の送圧は８ＰＳＩに設定された。２．００４Ｖ（ＭＥＤＡ１個当り約０．５Ｖ）のもと、正しく校正されたＤＣ電流変換器を用いて電流２４．０Ａが計測された。これは、電流密度で４００ｍＡ／ｃｍ^２、１単位ＰＥＭ燃料電池モジュール当り４８．０９６Ｗの電力を発生したことを示す。

薄膜電極拡散アセンブリ１５０の本体部１５１は、前にも説明した通り、スルホン酸基を含むほぼ直線状の架橋高分子連鎖を有する電解質薄膜を有する。より具体的には、架橋高分子連鎖は、主にポリ（エチレングリコール）メタクリレート、ポリ（プロピレングリコール）メタクリレート、ポリ（エチレングリコール）エチルエーテルメタクリレート、ポリ（プロピレングリコール）メチルエーテルメタクリレート、ヒドロキシプロピルメタクリレート、２−ヒドロキシエチルメタクリレート、アクリレート類似体、４−ヒドロキシブチルアクリレートを含む群から選択される単量体単位から形成される。類似した単量体単位からなる直鎖共重合体であって、架橋剤無くして合成される直鎖共重合体を以下に説明する。

さらに、スルホン酸基は、主に、３−アルコキシ−２−ヒドロキシ−１−プロパンスルホン酸、４−スチレンスルホン酸、ビニルスルホン酸、３−スルホプロピルメタクリレート、３−スルホプロピルアクリレート、及びフッ素処理されたその誘導体の群から選択される。さらに、共重合体を架橋するのに用いられる架橋剤は、主にエチレングリコールジビニルエーテル、ジエチレングリコールジビニルエーテル、トリエチレングリコールジビニルエーテル、エチレングリコールジメタクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、トリエチレングリコールシメタクリレート、グリセロールジメタクリレート、ジアリルオキシ酢酸塩、アリルメタクリレートの群から選択される。

本発明の好ましい実施例においては、薄膜電極拡散アセンブリ１５０は、
モル濃度３５％〜５０％のメタクリル酸モノマーと、
モル濃度３０％〜５０％のアクリル酸モノマーと、
モル濃度２５％〜４５％のスルホン酸と、
モル濃度５％〜２０％の相溶性架橋剤と、
からなる。なお、各成分のモル濃度の合計は１００％を超えない。

上に説明した本発明の好ましい実施例では、電解質薄膜又は本体部１５１は、少なくとも１１０℃のガラス転移温度と、好ましくは約０．２μｍの厚さを有する。さらに、電解質薄膜１５１は、水の存在下においてほぼ安定していなければならず、また約８０℃以下の温度で動作するものでなければならない。電解質薄膜１５１は、上で述べた通り、主にフタレートエステルの群から選択される相溶性可塑剤を有していても良い。本発明の他の実施例では、電解質薄膜１５１は、電解質薄膜１５１と一体的に作られた、その機械的強度を高める多孔質支持マトリクスを有している。この点に関し、多孔質支持マトリクスは水素イオンを反応しては発生せず、絶縁性を示す。さらに、多孔質支持マトリクスは、ほぼ不活性であり、３０％〜８０％の有孔率であり、そして支持マトリクスの有孔率に比例する任意陽子伝導率を有する。使用可能な多孔質支持マトリクスは、主に親水性ポリエチレンの群から選択してもよい。

最も好ましい実施例では、本発明の電解質薄膜１５１は、
主にポリ（エチレングリコール）メタクリレート、ポリ（プロピレングリコール）メタクリレート、ポリ（エチレングリコール）エチルエーテルメタクリレート、ポリ（プロピレングリコール）メチルエーテルメタクリレート、ヒドロキシプロピルメタクリレート、２−ヒドロキシエチルメタクリレート、アクリレート類似体、４−ヒドロキシブチルアクリレートを含む群から選択される単量体単位である、少なくともモル濃度で１０％〜５０％の共重合体と、
主に３−アルコキシ−２−ヒドロキシ−１−プロパンスルホン酸、４−スチレンスルホン酸、ビニルスルホン酸、３−スルホプロピルメタクリレート、３−スルホプロピルアクリレート、及びフッ素処理された誘導体の群から選択される、少なくともモル濃度で２５％〜４５％の酸と、
主にエチレングリコールジビニルエーテル、ジエチレングリコールジビニルエーテル、トリエチレングリコールジビニルエーテル、エチレングリコールジメタクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート、グリセロールジメタクリレート、ジアリルオキシ酢酸塩、アリルメタクリレートの群から選択される、少なくともモル濃度で５％〜２０％の架橋剤と、
相溶性可塑剤と、
任意最小限の多孔性と、絶縁性を有した支持マトリクスと、
を有する。なお、各成分のモル濃度の合計は１００％を超えない。

上で説明した通り、好ましい電解質薄膜１５１の一例としては、W.L. Gore Company社から商品記号“Primea 6000シリーズ”ＭＥＡとして求めても良い。

電解質薄膜１５１の合成に関する代表的例を以下に示す。

例１
３−スルホプロピルメタクリレートの１５．７８重量／容積％の水溶液（８ｍモル）１０．５６ｍｌを先ず最初に濃縮し、１６．３容積／容積％の水分を有する最終反応混合物を作る。ポリ（プロピレングリコール）メタクリレート（２．９６００ｇ、８ｍｍｏｌ）、ヒドロキシプロピルメタクリレート（０．１４４２２ｇ、１ｍｍｏｌ）、グリセロールジメタクリレート（０．４５６５グラム、２ｍｍｏｌ）が加えられ、先の濃縮酸溶液と良く混合された。混合液は４℃まで冷却され、次に、冷たいエチレングリコールジビニルエーテル（０．２２８３ｇ、２ｍｍｏｌ）と水０．７２ｍｌに溶かした過硫酸アンモニウムが加えられた。良く混合した後、反応混合物は脱気され、そして前以て親水化されている グラフトポリエチレン（Ｅ１５０１２）に塗られる。紫外線光のもとに１０分間さらして、光化学重合が行なわれた。

例２
３−スルホプロピルメタクリレートの１５．７８重量／容積％の水溶液（７．９２ｍｌ、６ｍｍｏｌ）を濃縮し、１７．７容積／容積％の水分を有する最終反応混合物を作り、そしてポリ（プロピレングリコール）メタクリレート（５．１８００ｇ、１４ｍｍｏｌ）を加えて良くかき混ぜた。過酸化ベンゼン（０．４８４４ｇ、２ｍｍｏｌ）と１，１−アゾビス（１−サイクロヘキサンカーボンニトリル） （０．４８８４ｇ、２ｍｍｏｌ）をアセトン（４ｍｌ）に溶かして加えられた。こうしてできた反応混合物は真空脱気され、全てのアセトンは除去された。７１〜７４℃のもと９０分間、熱重合が行われた。一晩室温にて冷却された後、結晶化された生成物は、針状の結晶の束とされた。ポリ（プロピレングリコール）メタクリレートに代えて、ヒドロキシプロピルメタクリレート（１４ｍｍｏｌ）とポリ（エチレングリコール）メタクリレートを用いて、同様の直鎖状重合体を合成することができた。

例３
３−アルコキシ−２−ヒドロキシ−１−プロパンスルホン酸の３５％水溶液（２１．６０ｍｌ、４０ｍｍｏｌ）を濃縮し、１２０．９容積／容積％の水分を有する最終反応混合物を作った。ポリ（プロピレングリコール）メタクリレート（１１．１０００ｇ、３０ｍｍｏｌ）、ヒドロキシプロピルメタクリレート（２．８８３４ｇ、２０ｍｍｏｌ）、ジエチレングリコールジメタクリレート（２．４２２７ｇ、１０ｍｍｏｌ）が加えられ、酸と良く混合された。開始剤の過硫酸アンモニウム（１．１４１０ｇ、５ｍｍｏｌ）を適当量の水に溶かし加えた。完全に混合した後、反応混合物は脱気された。そして、この混合物は、型の中で７５℃のもと９０分間熱重合、または、親水化されたポリエチレンを支持物質として用いて、紫外線光のもと１０分間、光化学重合された。ポリ（エチレングリコール）メタクリレートがポリ（プロピレングリコール）メタクリレートに代えて用いられた。グリセロールジメタクリレート（ジアリルオキシ酢酸塩）とエチレングリコールジビニルエーテルが、ジエチレングリコールジメタクリレートの代わりに用いられた。

上の例に基づき合成された各電解質薄膜が試験され、先に説明した動作特性が得られることが分かった。

図１２−１９及び図２８に示されている通り、本発明の陽子交換燃料電池電力システムは更に、各キャビティー１２１〜１２４にそれぞれ受け入れられる一対の集電体を有する。集電体には、図面上参照符号１９１，１９２がそれぞれ付して表されている。集電体１９０はそれぞれ、各薄膜電極拡散アセンブリ１５０の対向したアノード側１５３とカソード側１５４と抵抗電気接触を保って並置される。図２８に最も良く表されている通り、各集電体１９０は、その中に複数の穴又は開口領域１９４を有した本体部１９３を有する。具体的には、本体部は、少なくとも７０％が開口領域である一定の表面領域を有する。導電部材１９５が本体部から外側に張り出ており、水素供給フレーム１１０に設けられた開口又は隙間１３６の一つから抜け出るようになっている。図１１にその様子が示されている。各導電部材１９５はサブラック３０の背面壁４１に設けられている８対の導電接触部５１の内の一つの間に受け入れられ、これと電気的接触が達成される。この状態は、図３，４に最も明確に表されている。

一般的に、集電体１９０は本体部１９３を形成する基板を有し、それに対して被覆又は層が設けられ、それは隣の薄膜電極拡散アセンブリ１５０と電気的接触が有効に保たれるようになっている。本体部１９３は、４つの個別部品から成る。第１の部品は、酸素に晒されたとき表面が不動態化することがある導電性の基板である。本体部１９３のこの個別部品に使用することができる適当な材料としては、基本的に３ＸＸシリーズのクロム含有ステンレス鋼又はこれの代替物からなる電流伝導基板である。これらの基板は、約２．４ＩＡＣＳのバルク導電率を有し、また、全体の厚さが０．７〜３．０ｍｍである。さらに、約２４％ＩＡＣＳ以上のバルク導電率を有し、その厚さが０．２〜１．３ｍｍの銅又はニッケル基板を用いても同等の結果を得ることができる。

本体部１９３を形成するのに用いられる第２の部品は、導電性基板を被覆するような関係で形成され、もし不用意に酸素に晒されれば不動態化するであろう保護層である。この第２の部品に適した部材は、約２．４％ＩＡＣＳのバルク導電率を有し、その厚みが０．０２〜０．１５ｍｍの３ＸＸシリーズクロム含有ステンレス鋼の箔クラッド、または、もし空気に不用意に晒されたとき、表面不動態を形成するタンタル又はニオビウム等のＩＶＢ族金属から基本的になる被覆又は合金化合物である。この被覆又は合金化合物は、０．２〜２μｍの厚さを有する。

本体部１９３を形成する第３の部品は、導電性のコンタクト層であり、これは、電池作用においてカソードの性質を有し且つ酸素に対して安定している。コンタクト層に使用することができる適当な材料は、窒化可能であって、ＩＶＢ族に属するものから形成される被覆である。これらの物質の例には、チタン、窒化ジルコニウム、又は酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等の導電性の酸化金属である。等価的代替物質には、パラジウム、プラチナ、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウム等のプラチナ族金属が含まれる。この第３の部品の厚さは０．２〜２μｍである。

本体部１９３を形成する第４の部品は、電解質／酸素排除層である。この機能を得るための好ましい材料は、グラファイトで満たされた導電性の接着剤である。そのようなものは、二液エポキシ又はシリコンゴムで作ることができる。

４つの部品のいろいろな組み合わせにより、適切な本体部１９３を形成することができる。各本体部１９３は導電性の基板を有することになる。これと一緒に用いられる他三つの部品の組み合わせは、ここでは特に説明しない。残り三つの部品のうち一つより少なくなく、また残り三つの部品全てが一緒になって適切な本体部１９３を形成しなければならないことは当然に理解されることである。好ましい実施例では、本発明の発明者は、ニッケル又は銅等の導電性の基板、３ＸＸシリーズクロム含有ステンレス鋼からなる箔クラッド、窒化物を形成することができるＩＶＢ族の導電性の材料からなる被覆で構成された本体部１９３により良い結果が得られることを見出した。

図１２−１９、図２２−２５をそれぞれ参照すると、本発明の陽子交換薄膜燃料電池電力システム１０は更に、各集電体対１９０及び集電体対の間に挟まれる薄膜電極拡散アセンブリ１５０に対して任意の力を作用させるための各圧力付加アセンブリ２００を有している。この点、各圧力付加アセンブリは、図１３，１５，１７，１９にそれぞれ最も良く表されている。図１２，２２に示されている第一態様の圧力付加アセンブリは、水素供給フレーム１１０の各キャビティーを部分的に覆うカソードカバー２０１を有する。図面に示されている通り、それぞれのカソードカバー２０１は互いに、そして水素供給フレーム１１０に対して係脱自在に協働するようになっている。参照符号２０２で示され、ここでは複数の波形スプリングとして示されるバイアスアセンブリは、カソードカバーと協働し、圧力供給アセンブリ２０４によって隣の圧力伝達アセンブリ２０３に力を伝えるように動作する。ここで図１４，１５，２３を参照して説明すると、本発明の第二の態様においては、伝達アセンブリ２０３は、カソードカバー２０１によってそれに伝えられた力を、接している圧力板２０５に伝達するようになっている。本発明のこの形式の場合には、圧力供給アセンブリは取り除かれている。

図１６，１７，２４に示すような本発明の第三の態様によれば、圧力付加アセンブリ２０２は、カソードカバー２０１と複数の波形スプリングと波形圧力板２３２とからなる。本発明のこの態様の場合、圧力伝達アセンブリ２０３はアセンブリ２００から取り除かれている。図１８，１９，２５に示すようような本発明の更に第四の態様によれば、圧力付加アセンブリ２００は、カソードカバー２０１と波形スプリングと圧力伝達アセンブリ２０３とからなる。本発明のこの態様の場合、圧力板２０５及び圧力供給アセンブリは構成から無い。上に説明した本発明の４つの態様の何れの場合にも、平方インチ当り少なくとも１７５ポンド（約１２．３ｋｇ／ｃｍ^２）の力の印加が、薄膜電極拡散アセンブリ１５０とこれに関連した集電体対の間に達成できる。

図１１を参照すると、各カソードカバー２０１は、平方インチ当り少なくとも１００万ポンド（約７０，０００ｋｇ／ｃｍ^２）の撓み率を有する基板から作られた本体部２１０を有する。平方インチ当り５０，０００ポンド（約３，５１５ｋｇ／ｃｍ^２）より小さい撓み率であり、平方インチ当りの圧縮耐圧が２０，０００ポンド（約１，４００ｋｇ／ｃｍ^２）より小さい基板から作られる水素供給フレーム１１０とは対照的である。本体部２１０は、外部に面する面２１１と反対側の内部に面する面２１２（図１３参照）とを有する。さらに、本体部はその中に複数の開口２１４が設けられた周囲エッジ２１３を有する。各カソードカバーは、水素供給フレーム１１０によって画定されるキャビティー１２１から１２４の一つにそれぞれ入り込んで収まる。適正に入り込むと、各開口２１４は、水素供給フレーム１１０の本体部１１に形成された開口１２５とほぼ同軸で一致する。この同軸一致により、締め具２１５をその中に受け入れることができるようになる。締め具を締め付けることにより、対向したカソードカバーは、上で説明した中間のアセンブリによって薄膜電極拡散アセンブリ１５０に力を付加し、これにより、各集電体１９０と隣り合う薄膜電極拡散アセンブリとの間に良好な電気接続状態が与えられる。さらに、本体部２１０は一部に第３の通路２１６を画定する。図９，１１に示される第３通路は、空間７１の排出端７３によって供給されるカソード空気流を薄膜電極拡散アセンブリ１５０のカソード側１５４に供給するために好都合な手段を提供する。具体的には、通路は、第１又は取入端２１７と第２又は排出端２１８とを有する。図９に示されている通り、各第３通路２１６の排出端は水素供給フレーム１１０の対向する端１１２及び１１３の一つの近傍に位置している。図６に示す通り、排出端２１８を通して出てきた空気は、サブラック３０の上部部分３５及び底部部分４０にそれぞれ設けられた開口４２，４３を通過する。そうなることにより、空気は空間内に入り、既に説明した空気混合バルブ８０の手段によって再使用（リサイクル）されても良い。図１３，２２に最も良く示されている通り、カソードカバーの内側面２１２は所定寸法のキャビティー２１９を画定する。内側面は更に複数の溝２２０を画定する。溝２２０は、バイアスアセンブリ２０２を構成する各波形スプリングをその溝内に受け入れる。

ここで図２９を参照すると、圧力伝達アセンブリ２０３は、中心背骨体２２２を有する長手本体部２２１を有する。さらに、複数の足部材２２３が中心背骨体２２２から張り出ており、これらは、本発明の一態様（図１４，２３参照）では、圧力板２０５に対して強制的に係合するように動作する。さらに、本体部２２１は、第１の面２２４と第２の面２２５とを有する。第１の面内には溝２２６が設けられており、この溝は、バイアスアセンブリ２０２（図２５参照）を構成する金属波形スプリングの一つを受け入れるものである。これに代わる本発明の他の形式によれば、圧力板２０５は除去され、圧力供給部材２０４がバイアスアセンブリ２０３と圧力伝達アセンブリの第１の面２２４との間に配置される（図１２，２２参照）。本発明のこの形式の場合には、圧力伝達アセンブリ２０４は、圧力が作用すると各足部材が０．００１〜０．００４インチ（０．２５ｍｍ〜１．０２ｍｍ）だけ変形する可撓性の基板で製造される。

上で述べた通り、本発明の一態様は、圧力板２０５（図１４，１５参照）を有していても良い。具体的には、図示の圧力板２０５は、本体部２３０を有したセラミック板又はその等価代替物である。図１５に示す通り、セラミック板はその板内に設けられた複数の開口２３１を有する。この開口２３１はそこを空気が通過することを許容し、そしてその空気をカソードカバー２０１の本体部２１０の一部に設けられた第３通路２１６に進めることができる。圧力板２０５の本体部２３０は、不均一度が約０．００２インチ（約０．５１ｍｍ）以内のほぼ平坦面を形成する。図１６，１７に圧力板の他の実施例が参照符号２３２で示されている。この第２実施例の圧力板は、図１５に示される圧力板２０５よりもその厚さが厚いものである。ここで図２０，２１を参照すると、圧力板２３２はその一方の面に、所定の開放領域である、複数のほぼ等間隔に設けられた波状のしわ２３３を画定する。これらの波状のしわは、その間に空気が移動することができる特別な溝２３４を画定する。圧力板２０５の第２の形状２３２が採用される場合、前にも説明した通り、アセンブリから圧力伝達アセンブリ２０３を取り除いても構わない。圧力板２０５によって画定される溝又は開放領域２３４は、それが図１５に示す第１形状の圧力板であろうと、または、図２０に示す圧力板であろうと、一部に第３通路２１６を画定する。この第３通路２１６により、空気がカソードカバー２０１から薄膜電極拡散アセンブリ１５０のカソード側１５４に流れることになる。既に説明し、図１２，１３に示されている通り、本発明の一態様は、圧力伝達アセンブリ２０４を利用する。これが採用されると、圧力板２０５は取り除かれ、圧力伝達アセンブリ２０４が、バイアスアセンブリ２０２を構成する波形スプリングと、既に説明した圧力伝達アセンブリ２０３との間に配置される。具体的には、圧力伝達アセンブリは、第１のほぼ非圧縮性で且つ可撓性の基板２４０（図２２参照）を有する。第１非圧縮性基板は第１面２４１と反対側の第２面２４２とを有する。第１面２４１は、バイアスアセンブリ２０２と接触する。反対側の第２面２４２上には、圧縮性基板２４３が載置される。圧縮性基板は、圧力伝達アセンブリ２０３の第１面と接触する外側面２４４を有する。実際の動作では、それぞれのカソードカバー及び関連したバイアスアセンブリ２０２は力を発し、カソードカバーにはある程度の変形又は曲がりが生じるであろう。この様子は図２２に示されている。このことが起こると、圧力伝達アセンブリの第１面は圧縮性の面２４３に対して圧力を与え、これにより、隣の集電体の全体面に亘ってほぼ一定の圧力を維持することができる。陽子交換薄膜燃料電池電力システム１０は更に、図３０に示されている通り、デジタル式プログラム可能制御アセンブリ２５０を有する。デジタル式プログラム可能制御アセンブリ２５０は、個別ＰＥＭ燃料電池モジュール１００のそれぞれに電気的に接続されており、その結果、その電気的特性が監視できるようになっている。このデジタル式プログラム可能な制御アセンブリ２５０は、空気供給アセンブリ７０にも電気的に接続されている。さらに、デジタル式プログラム可能な制御アセンブリ２５０は、水素源６０、これに付加したバルブ、関連した第１導管５４を含む燃料供給アセンブリに電気的に接続される。第１導管５４は、バルブ５２の一つによって水素を個別ＰＥＭ燃料電池モジュール１００のそれぞれに供給する。

更に図３１を参照すると、本発明のＰＥＭ燃料電池電力システム１０は、空気を個別ＰＥＭ燃料電池モジュール１００に供給するための空気供給アセンブリと作動的に接続された熱交換器２６０を有する。熱交換器２６０は、個別ＰＥＭ燃料電池モジュール１００が放出した有用な熱エネルギーを捕獲する。さらに、電力システム１０は、インバータを有する電力調整アセンブリ２７０（図１参照）を具える。インバータは、直流バスに電気的に接続され、個別ＰＥＭ燃料電池モジュール１００のそれぞれが発生した直流電気エネルギーを受け、そしてこれを適当な交流に変換するものである。

作用
本発明の各実施例の動作は明らかになったものと思うので、ここでは簡単に述べることとする。

最も広い観点では、本発明は、自己加湿能力を有すると共にそれぞれが所定の熱エネルギーを発生する個別陽子交換薄膜燃料電池モジュール１００を複数個有した陽子交換薄膜燃料電池電力システム１０である。さらに、個別陽子交換薄膜燃料電池モジュール１００はそれぞれカソード空気流を有し、個別陽子交換薄膜燃料電池モジュール１００のそれぞれによって発生した多い分の熱エネルギーはカソード空気流によって除去される。

本発明の他の特徴は、少なくとも二つの薄膜電極拡散アセンブリ１５０を有する複数の個別燃料電池モジュール１００を具えた、電気エネルギーを発生するための陽子交換薄膜燃料電池電力システム１０に関する。薄膜電極拡散アセンブリ１５０はそれぞれ、対向するアノード側１５３とカソード側１５４を有する。さらに、このＰＥＭ燃料電池電力システム１０は、各薄膜電極拡散アセンブリ１５０の対向するアノード側１５３とカソード側１５４と電気的接触を保ってそれぞれ並置される一対の集電体１９０を有する。さらに、各集電体及び薄膜電極拡散アセンブリのそれぞれに任意の力を与えるための力付加アセンブリ２００が設けられている。前に記した通り、力付加アセンブリはいろいろな形状とすることができる。各力付加アセンブリに共通していることは、何れもがカソードカバー２０１とバイアスアセンブリ２０２を有する。しかしながら、本発明の一形態においては、複数の開口がその中に設けられたセラミック板を有する圧力板２０５を用いることができる。図１４に示す通り、圧力伝達アセンブリ２０５が設けられ、これは、下側に位置する薄膜電極拡散アセンブリ１５０に対して圧力板によって力を有効的に伝達する。他の形態においては（図１６参照）、第２の圧力板２３２を用いることもできる。この圧力板が用いられる場合には、ＰＥＭ燃料電池モジュール１００の構成から、圧力伝達アセンブリ２０３を省くことができる。力付加アセンブリ２００の更に他の形態においては（図１２参照）、圧力板２０５を省くと共に、隣りの集電体１９０の表面領域全体に亘ってほぼ均一な力を作用させることを確実にする圧力伝達アセンブリを用いることもできる。

ここに開示されている通り、ＰＥＭ燃料電池電力システム１０、より具体的には、個別ＰＥＭ燃料電池モジュール１００は、少なくとも４０％の電気効率と、自己加湿機能を有する。この自己加湿機能により、水素燃料６０に対して外部から追加の加湿を全く行う必要がなく、また、空気の供給も全く不要である。さらに、本発明で使用される薄膜電極拡散アセンブリ１５０は、任意の表面領域を有する活性領域を有する。個別ＰＥＭ燃料電池モジュール１００は、少なくとも直流０．５Ｖの公称電池出力電圧のもと、活性領域１ｃｍ^２当り少なくとも３５０ｍＡの電流密度を発生するものと決められた。さらに、個別燃料電池モジュール１００はそれぞれ少なくとも１０．５Ｗの電気出力能力を有する。

それぞれの陽子交換薄膜燃料電池モジュール１００は、それを支持するためのサブラック３０を有する収容体１１の中に装着される。陽子交換薄膜燃料電池モジュール１００と一緒に用いられる収容体１１は更に、個別ＰＥＭ燃料電池モジュール１００それぞれに水素を供給するための燃料供給アセンブリ５２，５４，６０を有する。個別ＰＥＭ燃料電池モジュール１００のそれぞれに空気を供給するための空気供給アセンブリ７０が設けられ、そして、直流出力バス、個別ＰＥＭ燃料電池モジュール１００のそれぞれによって発生した電力を受けて変換する電力調整アセンブリ２７０も収容体１１内に収容される。前に説明した通り、サブラック３０のそれぞれは、収容体１１によって画定されるキャビティー２５内に装着される。サブラック３０は、前方端３３、後方端３４、上部部分３５、底部部分４０をそれぞれ有する。個別ＰＥＭ燃料電池モジュール１００はそれぞれ燃料供給アセンブリ、直流出力バス５０、各サブラックの後方端３４の近傍の電力調整アセンブリ２７０に作動的に接続される。この状態は、図３，４，６に最も良く表されている。さらに、個別ＰＥＭ燃料電池モジュール１００は、サブラック３０の上部部分３５及び底部部分４０のところで空気供給アセンブリ７０と、そしてラックの排出端７３のところで空間７０と、それぞれ流動体通過可能に接続される。

図６を参照すると、本装置で用いられる空気供給アセンブリ７０は、各サブラック３０と一体的に形成される空間７１を有する。この空間は、サブラック３０上に支持された各ＰＥＭ燃料電池モジュール１００に空気を供給する排出端７３と、各ＰＥＭ燃料電池モジュール１００内を通過してきた空気と、ＰＥＭ燃料電池モジュール１００の外から入ってきた空気の両方を受け入れる取入端７２を有する。さらに、空気供給アセンブリ７０は、ファン７５の形態をした空気移動アセンブリ７４を有する。この空気移動アセンブリは、空間７１に作動的に接続され、空気を各ＰＥＭ燃料電池モジュール１００に向けて空間７１に沿って任意の方向に移動させる。空気混合バルブ８０が空間７１内に設けられ、このバルブは、各ＰＥＭ燃料電池モジュール１００に再循環される空気の混合量を制御する。既に詳細に説明した通り、個別ＰＥＭ燃料電池モジュール１００は、個別のキャビティー１２０を画定する水素供給フレーム１１０を有し、各薄膜電極拡散アセンブリ１５０がキャビティー１２０のそれぞれに封止状態で装着される。本発明の好ましい実施例では、水素供給フレーム１１０は、各薄膜電極拡散アセンブリ１５０の間に、所定の方向で設けられる。図１０に最も良く表されている通り、水素供給フレーム１１０は、別々に対向したキャビティー１２１〜１２４を複数対有する。

水素供給フレーム１１０により、水素ガスがキャビティー１２１〜１２４のそれぞれに供給される。具体的には、水素供給フレーム１１０は、これによって画定されたキャビティー１２１〜１２４のそれぞれと、薄膜電極拡散アセンブリ１５０のアノード側１５３への水素の供給を可能とする第１通路１３１を画定する。さらに、水素供給フレーム１１０は、キャビティー１２１〜１２４のそれぞれからの不純物、水、未反応水素の除去を容易とする。前に記した通り、各カソードカバー２０１とそれぞれの力付加アセンブリ２００は第３の通路を確定し、該第３通路は、各キャビティー１２１〜１２４及び薄膜電極拡散アセンブリ１５０それぞれの各カソード側１５４への空気の供給を可能とする。水素供給フレーム１１０の各キャビティー１２１〜１２４への水素の供給は、第１通路１３１の手段により、１ＰＳＩ〜１０ＰＳＩ（約６．９ｋＰａ〜約６９ｋＰａ）の圧力のもとで行われ、また、空気の供給は空気供給アセンブリ７０により大気圧以上のもとで行われる。

既に説明した通り、水素源６０は、ここでは収容体１１（図１参照）内に収容される水素の加圧容器として示されている。しかしながら、水素供給アセンブリ１１０へ適当な量の水素を供給することができる他の手段が採用されても良いのは勿論である。具体的には、化学反応により適当な量の水素を生成する化学又は燃料リフォーマーを用いて、これを収容体の内側又は外側に装備することもできる。化学リフォーマーは、天然ガス、アンモニア又はこれに類似の流動体等の水素リッチ流動体の供給部に接続されれば良い。化学リフォーマーは、化学反応により、水素リッチ流動体中の水素要素を得て、水素供給アセンブリへ供給する。残りのリフォーマー生成物は、次に大気中に排気されるか（これらの生成物が周囲環境を汚染したり危険でないと仮定して）、または、適当な廃棄又はリサイクル手段のために集められても良い。

本発明の電力システム１０で使用される薄膜電極拡散アセンブリ１５０は、大まかに言って、対向したアノード側１５３とカソード側１５４とを有する固体陽子伝導性電解質薄膜１５１と、電解質薄膜１５１のアノード側１５３とカソード側１５４のそれぞれとイオン接触して配置される触媒アノード電極１６１と触媒カソード電極１６２と、該触媒アノード電極１６１と触媒カソード電極１６２のそれぞれ上に形成され、導電性で且つ所定の多孔性の拡散層１７０とを有する。本発明の好ましい実施例では、拡散層１７０は、アノード電極１６１とカソード電極１６２のそれぞれ上に設けられ、これらと電気接触する状態に設けられる第１拡散層１７１を有する。この第１拡散層１７１は、導電性であり且つ所定サイズの細孔を有する。さらに、第１拡散層１７１上に第２拡散層１７２が設けられ、これは、下に位置する第１拡散層１７１と電気的接触状態を保って配置される。第２拡散層１７２は導電性であり、第１拡散層１７１の所定サイズの孔より大きい所定サイズの孔を有する。

最も広い意味で、本発明のシステム１０は、スルホン酸基を有する架橋高分子連鎖を有する電解質部材１５１を有する。より具体的には、電解質薄膜１５１は、少なくとも２０％モル濃度のスルホン酸を有する。本発明の薄膜電極拡散アセンブリ１５０に用いられる拡散層１７０は、先に説明した任意方法によって設けられるが、ここではその説明は繰り返さない。

本発明のシステム１０では、アノード電極１６１とカソード電極１６２はそれぞれ、広い意味で、粒子カーボンと、触媒と、バインダー樹脂と、スルホン酸基を有する架橋共重合体とを有する。先に述べたことに加えて、本発明の電力システム１０は更に、一対の集電体１９０を有する。この集電体１９０は、広い意味で、導電性で、もし空気に触れたら表面が不動態化するベース基板と、導電性で、電池作用においてはカソード特性で、酸素に対して安定な接触層とを有する。さらに、集電体対１９０は、その厚さが０．１ｍｍ〜１．３ｍｍであり、また接触層はその厚さが約０．２μｍから約２μｍである。これに加えて、ベース基板１９０は、少なくとも７０％が開放領域である所定の表面領域を有する。

電力システム１０は、デジタル式プログラム可能制御アセンブリ２５０を有する。この制御アセンブリは、個別陽子交換薄膜電池モジュール１００の特性と、個別ＰＥＭ燃料電池モジュール１００への水素６０の流量、陽子交換薄膜燃料モジュール１００それぞれの熱出力、外部空気と個別陽子交換薄膜燃料電池モジュール１００を通過してきた空気とを混合する空気供給アセンブリ７０の動作等の他の特性を監視する。空気混合バルブ８０は、陽子交換薄膜燃料電池モジュール１００に供給される空気の温度、並びに相対的加湿度を有効的に制御する。こうすることにより、ＰＥＭ燃料電池モジュール１００のそれぞれによって発生した超過熱エネルギーは、そこから有効的に除去されるか又は大気中に排気される。または、他の目的のために集められる。制御アセンブリ２５０は、したがって、最大電流密度及び効率が得られるように、個別ＰＥＭ燃料電池モジュール１００の動作状態を最適化するように動作する。

本発明システム１０の最も重要な利点の幾つかは、モジュール化されており、構造が簡単で、動作上の効率が良く、保守が容易なことである。例えば、あるＰＥＭ燃料電池モジュールが動作しなくなったとき、動作しないＰＥＭ燃料電池モジュール１００をサブラック３０から素手によって容易に取り外し、システム１０の動作を中断することなく、正常に動作するモジュールと取り替えることができる。このようにして修理できることは、修理が行われている間、故障したＰＥＭ燃料電池（スタックとして構成されたもの）全体の分解が要求される従来技術に比して極めて重要な利点である。

本発明のシステム１０は従来技術に比して他に数々の利点があり、それには、そのようなシステムでは典型的に利用されている多くのサブアセンブリを省略できることである。さらに、本発明の陽子交換薄膜燃料電池モジュール１００が自己加湿作用を有していることにより、他の制御手段が簡素化されるか又は省略化され、それにより、所定量の電力を発生するに当たって、特性能力を増加させると同時にその必要コストを減少させることができる。

本発明は最も好ましい実施例について添付図面を参照しながら説明してきたが、その実施例は限定的なものではなく、請求の範囲に記載の範囲内において、適当な変更又は改変が当然にできるものである。

図１は本発明の陽子交換薄膜燃料電池電力システムの正面斜視図であり、一部の隠れた部分を点線で示した図である。 図２は本発明装置に用いられるサブラックの斜視図である。 図３は図２において線３−３に沿った位置で切り出した垂直方向の概略断面図である。 図４は図２において線３−３に沿った位置で切り出した垂直方向の第２の概略断面図である。 図５はサブラックの一部斜視図である。 図６は図２において線６−６に沿った位置で切り出した垂直方向の概略断面図である。 図７Ａは本発明の空気混合バルブの垂直方向の断面図であり、図７Ｂは本発明の空気混合バルブの垂直方向の断面図であり、特に、バルブが第二の位置にあるときを示す図である。 図８は図２の線８−８に沿った位置で切り出した水平方向の断面図である。 図９は本発明で用いられる陽子交換薄膜燃料電池モジュールとこれに嵌り合うサブラックの一部の斜視拡大側面図である。 図１０は本発明の陽子交換薄膜燃料電池モジュールと一緒に用いられる水素供給フレームの側面図である。 図１１は本発明の陽子交換薄膜燃料電池モジュールの斜視側面図である。 図１２は本発明のＰＥＭ燃料電池モジュールの一態様の一部分解斜視図である。 図１３は図１２のＰＥＭ燃料電池モジュールの一部を大きく拡大した分解斜視図である。 図１４は本発明のＰＥＭ燃料電池モジュールの一態様の一部分解斜視図である。 図１５は図１４のＰＥＭ燃料電池モジュールの一部を大きく拡大した分解斜視図である。 図１６は本発明のＰＥＭ燃料電池モジュールの一態様の一部分解斜視図である。 図１７は図１６のＰＥＭ燃料電池モジュールの一部を大きく拡大した分解斜視図である。 図１８は本発明のＰＥＭ燃料電池モジュールの一態様の一部分解斜視図である。 図１９は図１８のＰＥＭ燃料電池モジュールの一部を大きく拡大した分解斜視図である。 図２０は本発明の一態様のＰＥＭ燃料電池モジュールで利用される圧力板の斜視図である。 図２１は図２０の圧力板の端部を示す図である。 図２２は本発明のカソードカバーの垂直方向の概略断面図であり、本図はその一態様を示す図である。 図２３は本発明のカソードカバーの垂直方向の概略断面図であり、本図は他の態様を示す図である。 図２４は本発明のカソードカバーの垂直方向の概略断面図であり、本図は更に他の態様を示す図である。 図２５は本発明のカソードカバーの垂直方向の概略断面図であり、本図は更に他の態様を示す図である。 図２６は本発明の薄膜電極拡散アセンブリを極めて簡略化して示した分解図である。 図２７は本発明の他の態様の薄膜電極拡散アセンブリを極めて簡略化して示した分解図である。 図２８は本発明のＰＥＭ燃料電池モジュールに用いられる集電体の平面図である。 図２９は本発明の装置に用いられる圧力伝達アセンブリを大きく拡大した斜視図である。 図３０は本発明の制御アセンブリを非常に簡略化して示した概略図である。 図３１は本発明の熱交換器を非常に簡略化して示した概略図である。

Claims (53)

1. 陽子交換薄膜燃料電池電力システムであって、該電力システムは、
   各々が少なくとも二個の薄膜電極拡散アセンブリを有し、各々の前記薄膜電極拡散アセンブリが対向するアノード側とカソード側とを有する複数個の個別燃料電池モジュールと、
   各々が薄膜電極拡散アセンブリの対向するアノード側とカソード側とに抵抗電気接触されて並置される一対の集電体と、
   各々の対の前記集電体と前記薄膜電極拡散アセンブリに対して力を作用させるための力付加アセンブリと、
   を有することを特徴とする電力システム。
2. 請求項１記載の陽子交換薄膜燃料電池電力システムであって、前記個々の個別燃料電池モジュールが少なくとも４０％の電気効率を有し、個別燃料電池モジュールが人の手によって操作することができるものであることを特徴とする電力システム。
3. 請求項１記載の陽子交換薄膜燃料電池電力システムであって、前記個々の個別燃料電池モジュールが自己加湿式であり、各々の個別燃料電池モジュールが一定量の熱を発生し、カソード空気流を有し、該カソード空気流が個別燃料電池モジュールからの熱エネルギーの殆どが除かれることを特徴とする電力システム。
4. 請求項１記載の陽子交換薄膜燃料電池電力システムであって、該システムは更に、
   キャビティーを画定する収容部と、
   前記キャビティーに搭載され、該キャビティー内に所定の配向で設けられる複数個の個別燃料電池モジュールを支持するサブラックと、
   を有することを特徴とする電力システム。
5. 請求項４記載の陽子交換薄膜燃料電池電力システムであって、前記収容部は更に、
   各々の前記燃料電池モジュールに電気的に接続されるデジタル式プログラム可能な制御装置を有することを特徴とする電力システム。
6. 請求項４記載の陽子交換薄膜燃料電池電力システムであって、前記収容部は更に、
   個々の前記個別燃料電池モジュールに水素を送る燃料供給アセンブリと、
   個々の前記個別燃料電池モジュールに空気を送る空気供給アセンブリと、
   直流出力バスと、
   個々の前記個別燃料電池モジュールによって発生した電力を受けて変換する電力調整アセンブリと、
   を有することを特徴とする電力システム。
7. 請求項６記載の陽子交換薄膜燃料電池電力システムであって、複数個のサブラックが前記キャビティーの中に設けられており、各々の前記サブラックは前方端、後方端及び上部部分、底部部分を有し、各々の前記燃料電池モジュールが、各サブラックの前方端の近くで、前記燃料供給アセンブリ、前記直流出力バス、及び前記電力調整アセンブリと作動的に連結されており、また各サブラックの上部部分及び底部部分で前記空気供給アセンブリと作動的に連結されていることを特徴とする電力システム。
8. 請求項６記載の陽子交換薄膜燃料電池電力システムであって、前記空気供給アセンブリは更に、
   各々のサブラックと一体的に構成される空間部であって、該空間部が、サブラックに支持される各々の前記燃料電池モジュールに空気を送る排出端と、前記燃料電池モジュールを通過した空気とそれぞれの前記燃料電池モジュールの外部からの空気の両方を受ける取入端とを有する空間部と、
   個々の前記燃料電池モジュールに前記空間部に沿って空気を移動させるように前記空間部に作動的に連結される空気移動アセンブリと、
   前記空間部に作動的に連結され、それぞれの前記燃料電池を通過し各々の燃料電池モジュールに再循環する空気の量を制御する空気混合バルブと、
   を有することを特徴とする電力システム。
9. 請求項６記載の陽子交換薄膜燃料電池電力システムであって、前記電力調整アセンブリは、直流電圧を交流電圧に変換するインバータを有することを特徴とする電力システム。
10. 請求項１記載の陽子交換薄膜燃料電池電力システムであって、前記個別燃料電池モジュールは、個別キャビティーを画定する水素供給フレームを有し、それぞれの前記薄膜電極拡散アセンブリが、各々のキャビティーに個々にシール可能に搭載されており、前記水素供給フレームが個々の薄膜電極拡散アセンブリの間に配置されることを特徴とする電力システム。
11. 請求項１０記載の陽子交換薄膜燃料電池電力システムであって、前記水素供給フレームが、複数の対の個別的に相対するキャビティーからなることを特徴とする電力システム。
12. 請求項１０記載の陽子交換薄膜燃料電池電力システムであって、前記力付加装置は、
    前記水素供給フレームのそれぞれのキャビティーを部分的に塞ぐカソードカバーであって、それぞれのカソードカバーが、互いにそして水素供給フレームと着脱可能に連結されるカソードカバーと、
    前記集電体の一個に対して並置になるように配置される圧力伝達アセンブリと、
    それぞれのカソードカバーと圧力伝達アセンブリとの間に配置されるバイアス部材であって、平方インチ当り少なくとも１７５ポンド（約７９ｋｇ／ｃｍ^２）の力の印加が、薄膜電極拡散アセンブリとこれに関連する集電体対の間に達成できるバイアス部材と、
    を有することを特徴とする電力システム。
13. 請求項１２記載の陽子交換薄膜燃料電池電力システムであって、前記力付加装置は更に前記圧力伝達アセンブリに並置される圧力分散アセンブリを有し、該圧力分散アセンブリは、
    実質的に非圧縮性で可撓性の基板と、
    前記非圧縮性の基板上に設けられ、実質的に半剛体で非伸縮性で圧縮性の基板とを有し、該圧縮性の基板が前記圧力伝達アセンブリに接触して設けられ、前記非圧縮性基板が前記バイアス部材に接触して設けられることを特徴とする電力システム。
14. 請求項１３記載の陽子交換薄膜燃料電池電力システムであって、前記実質的に非圧縮性の基板が薄い金属板からなることを特徴とする電力システム。
15. 請求項１３記載の陽子交換薄膜燃料電池電力システムであって、前記圧縮性の基板が合成高分子材料から製造された剛性の気泡材料からなることを特徴とする電力システム。
16. 請求項１３記載の陽子交換薄膜燃料電池電力システムであって、前記圧力分散アセンブリは、連結するカソードカバーから力を実質的に均一に薄膜電極拡散アセンブリに作用させるようになっていることを特徴とする電力システム。
17. 請求項１０記載の陽子交換薄膜燃料電池電力システムであって、前記水素供給フレームは更に、水素ガスを各々の前記キャビティー及び前記薄膜電極拡散アセンブリのアノード側に送るための第１の通路と、各キャビティーから不純物、水、未反応水素を除去するための第２の通路を画定し、各カソードカバー及びそれぞれの力付加アセンブリは、空気を各々のキャビティーとそれぞれの薄膜電極拡散アセンブリの各々のカソード側に送るための第３の通路を画定することを特徴とする電力システム。
18. 請求項１７記載の陽子交換薄膜燃料電池電力システムであって、前記圧力伝達アセンブリは、前記薄膜電極拡散アセンブリのカソード側に抵抗電気接触された前記集電体に並置され、前記圧力伝達アセンブリが隣接する集電体と接続するカソードカバーとの間に一定の空間領域を画定し、該空間領域が部分的に第３の通路を画定し、バイアス部材が圧力伝達アセンブリを通してそれぞれのカソードカバーによって伝達される力を分配することを特徴とする電力システム。
19. 電力システム収容体であって、該収容体は、
    キャビティーを画定する収容部と、
    前記キャビティー内に設けられ、キャビティー内で所定の配向の複数個の個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールを支持するサブラックと、
    を有することを特徴とする電力システム収容体。
20. 請求項１９記載の電力システム収容体であって、前記サブラックが前方端、後方端及び上部部分、底部部分を有し、前記電力システム収容体が前記収容部内に設けられ前記個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールの各々に流体を流すように設けられ、前記水素供給アセンブリが前記後方端の近傍において前記個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールの各々に着脱可能に連結されることを特徴とする電力システム収容体。
21. 請求項１９記載の電力システム収容体であって、前記サブラックが前方端、後方端及び上部部分、底部部分を有し、前記電力システムが、更に、前記収容部内に設けられ、前記サブラックの上部部分及び底部部分に流体を流すように連結される空気供給アセンブリを有することを特徴とする電力システム収容体。
22. 電力システム収容体であって、該収容体は、
    キャビティーを画定する収容部と、
    前記キャビティー内に設けられ、前記キャビティー内で複数個の個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールを支持し、前方端、後方端及び上部部分、底部部分を備えるサブラックであって、前記電力システム収容体は更に前記収容部に設けられ、前記サブラックの前記上部部分及び底部部分に流体を流すように連結される空気供給アセンブリを有し、前記サブラックが更に、各サブラックと一体的に形成され、サブラックに上部部分及び底部部分で支持される各々の個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールからの空気とそれぞれの陽子交換薄膜燃料電池モジュールの外部からの空気とを受ける取入端と、各々の陽子交換薄膜燃料電池モジュールを通過した空気とそれぞれの個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールの外部からの空気との両方を供給する排出端とを有する空間部を含むサブラックと、
    個々の前記燃料電池モジュールに前記空間部に沿って一定の方向に空気を移動させるように前記空間部に作動的に連結される空気移動アセンブリと、
    前記空間部と作動的に連結され、それぞれの前記燃料電池モジュールを通過し、各燃料電池モジュールに再循環する空気の量を制御する空気混合バルブと、
    を有することを特徴とする電力システム収容体。
23. 請求項２２記載の電力システム収容体であって、前記空気混合バルブが、前記キャビティーの取入端に対して流体の計量を選択的に調整可能に設けられ、前記空気移動アセンブリが、前記空間部の前記取入端と前記排出端の中間に設けられ、前記空気混合バルブが、それぞれの燃料電池モジュールの外部からの空気とそれぞれの燃料電池モジュールを通過してきた空気との両方を混合するようになっていることを特徴とする電力システム収容体。
24. 請求項２２記載の電力システム収容体であって、該収容体は更に、
    前記個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールに入る空気と、外部からの空気と、それぞれの燃料電池モジュールを通過してきた空気との温度を検知する温度センサーと、
    前記空気混合バルブに対して力を伝達するように設けられ、それが付勢されたとき、第１の位置と第２の位置との間の所定移動経路に沿って前記空気混合バルブを移動させ、前記所定移動経路に沿った空気混合バルブの移動により、前記個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールを既に通過してきた空気への外気の選択的混合を可能にするアクチュエータと、
    前記温度センサー及び前記アクチュエータの温度を検知するように電気的に接続され、前記空間部の排出端の所に供給される空気の温度を制御するように所定の移動経路に沿って前記空気混合バルブを動かすように前記アクチュエータを選択的に付勢する制御器と、
    を有することを特徴とする電力システム収容体。
25. 請求項２４記載の電力システム収容体であって、前記空気混合バルブが、第１の位置に位置しているときは前記空間部に外部からの空気を送り、第２の位置に位置しているときはそれぞれの前記個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールからの空気とそれぞれの個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールを通過した空気の両方の可変混合空気を送るようになっていることを特徴とする電力システム収容体。
26. 請求項２５記載の電力システム収容体であって、前記空気移動アセンブリが、可変的に調節可能な動作速度を有し、前記制御器が前記空気移動アセンブリの動作速度を制御するように電気的に接続されていることを特徴とする電力システム収容体。
27. 請求項２４記載の電力システム収容体であって、前記個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールの各々が電力を発生し、前記電力システム収容体が更に前記個別燃料電池モジュールで発生した電力を受けてこれを変換する電力調整アセンブリを有することを特徴とする電力システム収容体。
28. 請求項２４記載の電力システム収容体であって、前記個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールが熱エネルギーを発生し、前記電力システム収容体が前記個別燃料電池モジュールで発生した熱エネルギーを捕獲する熱交換器を有することを特徴とする電力システム収容体。
29. 電力システム収容体であって、該収容体は、
    キャビティーを画定する収容部と、
    前記キャビティー内に設けられ、前記キャビティー内で複数個の個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールを支持するサブラックと、
    各々の前記個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールに電気的に接続されるデジタル式プログラム可能な制御器と、
    を有することを特徴とする電力システム収容体。
30. 電力システム収容体であって、該収容体は、
    キャビティーを画定する収容部と、
    前記キャビティー内に設けられ、前記キャビティー内で複数個の個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールを支持するサブラックとを有し、該サブラックが前方端と後方端と、該後方端の近傍に設けられる直流バスとを有し、前記個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールが前記直流バスに電気的に着脱可能に接続されることを特徴とする電力システム収容体。
31. 電力システム収容体であって、
    キャビティーを画定する収容部と、
    前記キャビティー内に設けられ、前方端、後方端、上部部分及び底部部分を有し、前記キャビティー内にそれぞれが熱エネルギーを発生する複数個の個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールを支持するサブラックと、
    前記収容部の前記キャビティー内に設けられ、前記個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールの各々に流体を流すように設けられる水素供給アセンブリと、
    前記収容部の前記キャビティー内に設けられ、前記サブラックと作動的に連結され、前記個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールの各々に空気を供給する空気供給アセンブリであって、優位となった熱エネルギーを前記陽子交換薄膜燃料電池モジュールから除去する空気供給アセンブリと、
    を有することを特徴とする電力システム収容体。
32. 請求項３１記載の電力システム収容体であって、前記個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールの各々が電力を発生し、前記電力システム収容体が前記個別燃料電池モジュールが発生した電力を受けてこれを変換する電力調整アセンブリを有することをことを特徴とする電力システム収容体。
33. 電力システム収容体であって、該収容体は、
    キャビティーを画定する収容部と、
    前記キャビティー内に設けられ、前記キャビティー内で複数個の個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールを支持するサブラックと、
    前記収容部の前記キャビティー内に設けられ、各々の陽子交換薄膜燃料電池モジュールに流体を流すように設けられる水素供給アセンブリと、
    前記収容部に設けられ、前記サブラックに作動的に結合され、各々の陽子交換薄膜燃料電池モジュールに流体を流すように設けられる空気供給アセンブリと、
    前記個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールのそれぞれと電気的に接続されるデジタル式プログラム可能な制御器と、
    を有することを特徴とする収容体。
34. 電力システム収容体であって、該収容体は、
    キャビティーを画定する収容部と、
    後方端を有し、前記キャビティー内に設けられ、複数個の個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールを支持するサブラックと、
    各々の前記陽子交換薄膜燃料電池モジュールに流体を流すように設けられる水素供給アセンブリと、
    前記サブラックに接続され、前記陽子交換薄膜燃料電池モジュールのそれぞれに空気を供給する空気供給アセンブリと、
    前記サブラックの後方端の近傍に設けられ、前記個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールが電気的に着脱可能に接続される直流バスと、
    を有することを特徴とする電力システム収容体。
35. 電力システム収容体であって、前記収容体は、
    キャビティーを画定する収容部と、
    前記キャビティー内に設けられ、前方端及び後方端、上部部分及び底部部分を備え、前記キャビティー内で複数個の個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールを支持するサブラックと、
    前記キャビティー内に設けられ、各々の前記個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールに流体を流すように設けられる水素供給アセンブリと、
    前記各々のサブラックと一体的に形成される空間部を含む空気供給アセンブリであって、該空間部が、前記サブラックの上部部分及び底部部分の中間部分で前記サブラックに支持される各々の前記陽子交換薄膜燃料電池モジュールに空気を供給する排出端と、前記各陽子交換薄膜燃料電池モジュールを通過してきた空気と、それぞれの前記陽子交換薄膜燃料電池モジュール外部からの空気との両方を受ける取入端とを有す空気供給アセンブリと、
    前記空間部の取入端から排出端へ空気を移動させるように前記空間部に作動的に連結される空気移動アセンブリと、
    前記空間部と作動的に連結され、それぞれの前記陽子交換薄膜燃料電池モジュールを通過してき、各燃料電池モジュールに再循環する空気の量を制御する空気混合バルブと、
    を有することを特徴とする電力システム収容体。
36. 請求項３５記載の電力システム収容体であって、前記空気混合バルブは前記空間部の取入端に対して、選択的に流量調節可能な状態で設けられ、前記空気移動アセンブリは空間部の取入端と排出端の中間に設けられ、前記空気混合バルブがそれぞれの個別燃料電池モジュールの外部から入ってきた空気と個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールのそれぞれを通過してきた空気とを混合することを特徴とする収容体。
37. 請求項３６記載の電力システム収容体であって、該収容体は更に、
    前記個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールに入ってくる空気の温度と、外部の空気の温度と、個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールのそれぞれを通過してきた空気の温度とを検知するための温度センサーと、
    前記空気混合バルブに力を伝達可能な状態で設けられ、それが付勢されたとき、前記空気混合バルブを所定の変動過程に沿って、第１の位置から第２の位置へ移動し、前記所定の変動過程に沿った空気混合バルブの移動により、外部から取り入れた空気の各陽子交換薄膜燃料電池モジュールを既に通過してきた空気への選択的混合を容易とするアクチュエータと、
    前記温度センサーとアクチュエータに対して検出可能な状態で電気的に接続され、前記空間部の排出端へ供給される空気の温度を制御するのに、所定の変動過程に沿って前記空気混合バルブを動かすために、前記アクチュエータを選択的に付勢する制御器と、
    を有することを特徴とする収容体。
38. 請求項３７記載の電力システム収容体であって、前記空気混合バルブは、それが第１の位置にあるときは、外部の空気を空間部に供給し、他方、第２の位置にあるときは、空気混合バルブは、各個別陽子交換薄膜燃料電池モジュールの外部から取り入れられた空気と各陽子交換薄膜燃料電池モジュールのそれぞれを通過してきた空気との両方の可変混合空気を供給することを特徴とする収容体。
39. 請求項３７記載の電力システム収容体であって、前記空気移動アセンブリは可変調節可能な動作速度を有し、該空気移動アセンブリの動作速度を制御するために、前記制御器が空気移動アセンブリに対して制御可能に電気的に接続されていることを特徴とする収容体。
40. 陽子交換薄膜燃料電池モジュールであって、該燃料電池モジュールは、
    一対のキャビティーを画定する水素供給フレームと、
    対向するアノード側とカソード側を有し、前記水素供給フレーム上に封止状態で装着され、前記水素供給フレームによって画定されるキャビティーのそれぞれ内に一定の方向をもって設けられる薄膜電極拡散アセンブリであって、前記水素供給フレームがそれぞれの薄膜電極拡散アセンブリを互いに間隔を置いてほぼ平行な状態に配置し、対向するアノード側とカソード側を有する固体陽子伝導性電解質薄膜と、前記電解質薄膜のアノード側とカソード側のそれぞれとイオン接触状態で設けられる各触媒アノード電極とカソード電極と、前記アノード電極とカソード電極に担持され、電気的に導電性であり、所定の多孔性を有する拡散層とを有する薄膜電極拡散アセンブリと、
    前記各薄膜電極拡散アセンブリの対向するアノード側とカソード側に抵抗接触状態でそれぞれ並置される一対の集電体と、
    前記各薄膜電極拡散アセンブリと前記水素供給フレームによって画定される各キャビティー内に受け入れられる関連した前記一対の集電体に対して力を伝達可能な状態で設けられる圧力伝達アセンブリと、
    前記水素供給フレームのキャビティーのそれぞれを部分的に覆い、前記水素供給フレーム及び前記圧力伝達アセンブリと一致協働するカソードカバーと、
    前記カソードカバー及び隣接する前記圧力伝達アセンブリの中間に配置されるバイアス部材と、
    を有することを特徴とする燃料電池モジュール。
41. 請求項４０記載の陽子交換薄膜燃料電池モジュールであって、該モジュールは更に圧力供給アセンブリを有し、該アセンブリは、
    ほぼ非圧縮性であり、且つ可撓性の基板と、
    前記非圧縮性基板上に設けられ、前記圧力伝達アセンブリに対して並置される圧縮性基板と、
    を有することを特徴とする燃料電池モジュール。
42. 請求項４１記載の陽子交換薄膜燃料電池モジュールであって、前記非圧縮性基板は金属基板から形成され、また、前記圧縮性基板は熱可塑性発泡体から形成されることを特徴とする燃料電池モジュール。
43. 請求項４２記載の陽子交換薄膜燃料電池モジュールであって、前記バイアス部材は、接しているカソードカバーと一致協働し、前記圧力伝達アセンブリの非圧縮性基板に強制的に係合する複数個の金属波形スプリングを有することを特徴とする燃料電池モジュール。
44. 請求項４０記載の陽子交換薄膜燃料電池モジュールであって、前記カソードカバーのそれぞれは、平方インチ当り少なくとも１００万ポンド（約７０，０００ｋｇ／ｃｍ^２）の可撓率を有する基板で形成され、他方、前記水素供給フレームは平方インチ当りの可撓率が５００，０００ポンド（約３，５１５ｋｇ／ｃｍ^２）より小さく、且つ平方インチ当りの圧縮耐力が２０，０００ポンド（約１，４００ｋｇ／ｃｍ^２）より小さい基板から形成されることを特徴とする燃料電池モジュール。
45. 請求項４０記載の陽子交換薄膜燃料電池モジュールであって、前記水素供給フレームは更に水素ガスを前記キャビティーのそれぞれと前記薄膜電極拡散アセンブリのアノード側に供給する第１通路と、前記キャビティーのそれぞれから不純物、水、未反応の水素ガスを除去することを容易にする第２通路とを画定し、また、カソードカバーのそれぞれとそれぞれの圧力伝達アセンブリは空気を前記キャビティーのそれぞれと前記各薄膜電極拡散アセンブリのカソード側に供給する第３通路を画定することを特徴とする燃料電池モジュール。
46. 請求項４５記載の陽子交換薄膜燃料電池モジュールであって、前記圧力伝達アセンブリは、隣の集電体と接しているカソードカバーとの間に所定の空間領域を画定し、該空間領域は一部に前記第３通路を画定し、前記バイアス部材は、前記各カソードカバーによって伝達される力を接している集電体の別々の場所に分散するように、前記圧力伝達アセンブリと協働することを特徴とする燃料電池モジュール。
47. 請求項４５記載の陽子交換薄膜燃料電池モジュールであって、前記水素ガスは前記第１通路によって圧力が１ＰＳＩ〜１０ＰＳＩ（約６．９ｋＰａ〜約６９ｋＰａ）のもとで前記水素供給フレームのキャビティーのそれぞれに供給され、また、空気は大気圧より高い圧力のもとで供給されることを特徴とする燃料電池モジュール。
48. 請求項４０記載の陽子交換薄膜燃料電池モジュールであって、前記圧力伝達アセンブリは、長手本体部と、これから延び出した複数の変形可能部材とを有することを特徴とする燃料電池モジュール。
49. 陽子交換薄膜燃料電池モジュールであって、該モジュールは、
    多数対のそれぞれが対向したキャビティーを画定し、更に、水素ガス源の各キャビティーへの供給を容易にする第１通路と、各キャビティーから未反応水素ガス、水、不純物の除去を容易にする第２通路とを画定する水素供給フレームと、
    対向するアノード側とカソード側を有し、前記水素供給フレーム上に封止状態で装着され、前記各キャビティー内に配置される薄膜電極拡散アセンブリであって、該アセンブリは、少なくともモル濃度で２０％のスルホン酸を含有する、対向するアノード側とカソード側とを持つ固体陽子伝導性電解質薄膜と、前記電解質薄膜のアノード側とカソード側にそれぞれイオン接触状態で設けられるそれぞれのアノード電極とカソード電極と、前記アノード電極とカソード電極のそれぞれに担持される拡散層とを有する薄膜電極拡散アセンブリと、
    前記アノード電極とカソード電極のそれぞれに担持される前記拡散層と抵抗接触状態にそれぞれが並置される一対の集電体であって、該集電体のそれぞれは、電気的に導電性のベース基板と、該ベース基板上のコンタクト層とを有し、各集電体は少なくとも７０％が空き領域である所定の表面領域を有する一対の集電体と、
    前記薄膜電極拡散アセンブリのカソード側と抵抗接触状態に方向付けられ、前記集電体に対して並置される圧力伝達アセンブリであって、該アセンブリは、上部面及び底部面を有する長手本体部と、その底部面から下側に向かって延び、前記薄膜電極拡散アセンブリのカソード側と抵抗接触状態に配置される集電体に強制的に係合する複数の弾性部材とを有し、前記圧力伝達アセンブリはその一部に、前記薄膜電極拡散アセンブリのカソード側への空気の供給を容易とする第３通路を画定する圧力伝達アセンブリと、
    前記各キャビティーに対して部分的にそれを覆うような関係に設けられ、前記圧力伝達アセンブリと一致協働するカソードカバーであって、該カソードカバーは、その一部に第３通路を画定し、それぞれのカソードカバーは互いにそして前記水素供給フレームと一致係合するカソードカバーと、
    前記各カソードカバーと前記圧力伝達アセンブリとの間に配置されるバイアスアセンブリであって、該バイアスアセンブリは、力伝達アセンブリの手段によって、ほぼ均一な力を伝達し、その結果、平方インチ当り少なくとも１７５ポンド（約７９ｋｇ／ｃｍ^２）の力が各薄膜電極拡散アセンブリと関連する対の集電体の間に発生するバイアスアセンブリと、
    を有することを特徴とする陽子交換薄膜燃料電池モジュール。
50. 陽子交換薄膜燃料電池電力システムであって、該システムは、
    熱エネルギーを発生し、空気流を有する陽子交換薄膜燃料電池モジュールを含み、前記記熱エネルギーが優位になるのを前記空気流によって除くようになっていることを特徴とする陽子交換薄膜燃料電池電力システム。
51. 陽子交換薄膜燃料電池であって、該電池は、
    一対の対向するキャビティーを有する燃料電池モジュールと、
    陽子交換薄膜燃料電池モジュールの各キャビティー内に設けられる力付加アセンブリと、
    を有することを特徴とする陽子交換薄膜燃料電池。
52. 陽子交換薄膜燃料電池電力システムであって、該システムは、
    陽子交換薄膜燃料電池モジュールと、
    前記陽子交換薄膜燃料電池モジュールを支持するサブラックと、
    前記サブラックに流体を流すように結合される燃料供給アセンブリと、
    前記サブラックに流体を流すように結合される空気供給アセンブリと、
    前記陽子交換薄膜燃料電池モジュールに着脱可能に電気的に接続される直流バスと、
    を有することを特徴とする陽子交換薄膜燃料電池電力システム。
53. 陽子交換薄膜燃料電池モジュールであって、該モジュールは、
    キャビティーを画定する水素供給フレームと、
    前記キャビティー内に設けられ、対向するアノード側及びカソード側を有する陽子交換薄膜と、
    前記アノード側とカソード側とに抵抗電気接触される個々の集電体とを有し、前記陽子交換薄膜燃料電池モジュールが空気流を有すると共に熱エネルギーを発生し、熱エネルギーが優位になるのを前記空気流によって陽子交換薄膜燃料電池モジュールから除くようになっていることを特徴とする陽子交換薄膜燃料電池モジュール。
    

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