JP2006506789A - ユニット化燃料電池アセンブリおよび冷却装置 - Google Patents

Abstract

スタック可能なユニット化燃料電池システムは、冷却能力を含む。ユニット化燃料電池システムは、第１のフローフィールドプレートと、第２のフローフィールドプレートと、第１のフローフィールドプレートと第２のフローフィールドプレートとの間に設けられた膜電極組立体（ＭＥＡ）とを有するユニット化燃料電池アセンブリを含む。１つの構成において、冷却構造が、ユニット化燃料電池アセンブリに対して分離可能である。別の構成において、冷却構造は、ユニット化燃料電池アセンブリに一体的である。ユニット化燃料電池アセンブリおよび冷却構造の一方または両方の上に保持機構が設けられる。保持機構は、ユニット化燃料電池アセンブリ、冷却構造、および燃料電池スタックの隣接したユニット化燃料電池システムの間の嵌合係合を促進するように構成される。

Description

本発明は、一般に、燃料電池に関し、より特定的には、ユニット化燃料電池アセンブリおよび冷却装置に関する。

典型的な燃料電池電力システムは、燃料電池の１つ以上のスタックが提供された電力セクションを含む。燃料電池電力システムの有効性は、大部分、個別の燃料電池内の、およびスタックの隣接した燃料電池の間の、さまざまな接触およびシーリング界面の一体性による。そのような接触およびシーリング界面は、スタックの燃料電池内の、およびスタックの燃料電池の間の、燃料、冷却剤、および流出物の輸送と関連するものを含む。

現在、従来の方法を用いて燃料電池のスタックを造るプロセスは、退屈であり、時間がかかり、大量生産に容易に適合できない。例として、典型的な５ｋ ｋＷ燃料電池スタックは、約８０の膜電極組立体（ＭＥＡ）と、約１６０のフローフィールドプレートと、約１６０のシーリングガスケットとを含むことができる。スタックのこれらおよび他の構成要素は、注意深く整列させ組立てなければならない。少ない構成要素の整列不良でさえ、ガス漏れ、水素クロスオーバ、冷却剤漏れ、および性能／耐久性劣化をもたらすことがある。

さらに、燃料電池ＭＥＡは、非常に壊れやすく、たとえば、電気短絡、ピンホール、および膜上に形成されるしわを防止するために、非常に注意深く取扱う必要がある。ＭＥＡの汚染が、燃料電池スタック組立ての間の別の重要な問題である。現在知られているスタック組立てプロセスは、非常に労働集約的なので、燃料電池システムの費用効果的な製造が、従来の方法を用いて達成できないであろう。

冷却能力を組入れた、改良された燃料電池アセンブリおよびパッケージング方法が必要である。冷却構造を備えた燃料電池スタックの効率的な組立ておよび分解を容易にする燃料電池アセンブリおよび冷却装置が、さらに必要である。燃料電池スタックおよびシステム内の有用な構成要素のリサイクルが、さらに必要である。本発明は、これらおよび他の必要を満たす。

本発明は、冷却能力を有するスタック可能なユニット化燃料電池システムまたはＵＣＡ（ユニット化燃料電池アセンブリ）に関する。ユニット化燃料電池システムは、単独でまたはスタック内の他のＵＣＡと関連して機能燃料電池として働くことができる１つ以上の電池を含むユニットモジュールまたはユニットである。一実施形態によれば、ユニット化燃料電池システムは、ユニット化燃料電池アセンブリと、分離可能な冷却構造とを含む。ユニット化燃料電池アセンブリは、第１のフローフィールドプレートと、第２のフローフィールドプレートと、第１のフローフィールドプレートと第２のフローフィールドプレートとの間に設けられた膜電極組立体（ＭＥＡ）とを含む。冷却構造は、ユニット化燃料電池アセンブリに対して分離可能である。ユニット化燃料電池アセンブリおよび冷却構造の一方または両方の上に保持機構が設けられる。保持機構は、ユニット化燃料電池アセンブリと冷却構造との間の嵌合係合を促進し、ユニット化燃料電池アセンブリの所定の姿勢での保持を促進するように構成される。

別の実施形態によれば、スタック可能なユニット化燃料電池システムは、ユニット化燃料電池アセンブリと、分離可能な冷却構造とを含む。ユニット化燃料電池アセンブリは、第１のフローフィールドプレートと、第２のフローフィールドプレートと、第１のフローフィールドプレートと第２のフローフィールドプレートとの間に設けられたＭＥＡとを含む。冷却構造は、ユニット化燃料電池アセンブリに対して分離可能である。ユニット化燃料電池アセンブリおよび冷却構造の一方または両方の上に保持機構が設けられる。保持機構は、ユニット化燃料電池アセンブリと冷却構造との間の嵌合係合を促進するように構成される。固定機構が、ユニット化燃料電池システムの隣接したものと、嵌合係合すると、位置合せし整列するように構成される。

さらなる実施形態によれば、スタック可能なユニット化燃料電池アセンブリは、第１の表面と、第２の表面と、第１の係合機構とを有する第１のプレートを含む。第１のプレートの第１の表面は、第１のフローフィールドを含み、第１のプレートの第２の表面は、一体的冷却機構を含む。アセンブリの第２のプレートは、第１の表面と、第２の表面と、第２の係合機構とを含む。第２のプレートの第１の表面は、第２のフローフィールドを含む。第１のフローフィールドと第２のフローフィールドとの間にＭＥＡが設けられる。ＭＥＡは、第１および第２の流体輸送層（ＦＴＬ）と、アノード触媒層とカソード触媒層との間に設けられた膜とを含む。第１の係合機構が第２の係合機構と嵌合係合すると、第１のプレートの第１のフローフィールドが第２のプレートの第２のフローフィールドと位置合せする。

本発明の上記要約は、本発明の各実施形態またはあらゆる実現を説明することが意図されていない。本発明のより完全な理解とともに、利点および達成は、添付の図面と関連して、次の詳細な説明および特許請求の範囲を参照することによって、明らかになり、理解されるであろう。

本発明は、さまざまな修正例および代替形態が可能であるが、その特定のものが、図面に例として示されており、詳細に説明される。しかし、本発明を、説明される特定の実施形態に限定しないことが意図されることが理解されるべきである。それどころか、特許請求の範囲によって規定されるような本発明の範囲内である修正例、均等物、および代替例をすべて網羅することが意図される。

例示された実施形態の次の説明において、本明細書の一部を形成し、本発明を実施してもよいさまざまな実施形態が例示として示されている添付の図面を参照する。これらの実施形態を用いてもよく、また、本発明の範囲から逸脱することなく、構成変更を行ってもよいことが理解されるべきである。

本発明は、改良された燃料電池アセンブリおよび冷却装置に関する。一実施形態において、冷却装置は、ユニット化燃料電池アセンブリに対して分離可能である。別の実施形態において、冷却装置は、ユニット化燃料電池アセンブリに一体的である。

本発明のさまざまな実施形態は、燃料電池スタックの組立ておよび分解の容易さに備えるユニット化燃料電池アセンブリおよび冷却装置に関する。本発明によって冷却能力を含むように実現されたユニット化燃料電池パッケージは、さらに、個別の燃料電池および燃料電池スタックの製造、修理、およびメンテナンスの間のスタック内の配列のために構成された燃料電池のリサイクルに備えることができる。

特定の実施形態が、モノポーラまたはバイポーラ構成で実現されたユニット化燃料電池アセンブリに関する。他の実施形態において、ユニット化燃料電池には、熱管理機構が設けられる。そのような実施形態において、熱管理機構は、ユニット化燃料電池アセンブリに一体的に、またはユニット化燃料電池アセンブリから分離した構造として実現することができる。本発明のさらなる実施形態は、ユニット化燃料電池アセンブリを使用して実現された燃料電池スタックおよびシステムに関する。

燃料電池は、水素燃料と空気からの酸素とを組合せて、電気、熱、および水を発生する電気化学デバイスである。燃料電池は、燃焼を利用せず、したがって、燃料電池は、たとえあるとしても、有害な流出物をほとんど発生しない。燃料電池は、水素燃料および酸素を電気に直接変換し、かつ、たとえば内部燃焼発電機よりはるかに高い効率で動作させることができる。

典型的な燃料電池が、図１ａに示されている。図１に示された燃料電池１０は、アノード１４に隣接した第１の流体輸送層（ＦＴＬ）１２を含む。電解質膜１６がアノード１４に隣接している。カソード１８が電解質膜１６に隣接して位置し、第２の流体輸送層１９がカソード１８に隣接して位置する。動作中、水素燃料が、燃料電池１０のアノード部分に導入され、第１の流体輸送層１２を通り、アノード１４の上を通る。アノード１４において、水素燃料は、水素イオン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）とに分離される。

電解質膜１６は、水素イオンまたはプロトンのみが、電解質膜１６を通って、燃料電池１０のカソード部分に進むことを可能にする。電子は、電解質膜１６を通ることができず、代わりに、電流の形態で外部電気回路を通って流れる。この電流は、電気モータなどの電気負荷１７を電力供給することができるか、充電式バッテリなどのエネルギー蓄積デバイスに向けることができる。

酸素は、第２の流体輸送層１９を介して、燃料電池１０のカソード側に流入する。酸素がカソード１８の上を通るとき、酸素、プロトン、および電子は、組合さって、水および熱を発生する。

図１ａに示されたような個別の燃料電池を、以下で詳細に説明されるように、ユニット化燃料電池アセンブリとしてパッケージングすることができる。便宜上ユニット化電池アセンブリまたはＵＣＡとここで呼ばれるユニット化燃料電池アセンブリを、いくつかの他のＵＣＡと組合せて、燃料電池スタックを形成することができる。スタック内のＵＣＡの数によって、スタックの総電圧が決まり、各電池の活性表面積によって、総電流が決まる。所与の燃料電池スタックによって発生される総電力は、スタック総電圧に総電流を乗じることによって定めることができる。

いくつかの異なった燃料電池技術を用いて、本発明の原理に従うＵＣＡを構成することができる。たとえば、本発明のＵＣＡパッケージング方法を用いて、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池アセンブリを構成することができる。ＰＥＭ燃料電池は、比較的低温（約１７５°Ｆ／８０℃）で動作し、高電力密度を有し、電力要求のシフトに応じるためにそれらの出力を迅速に変えることができ、たとえば自動車におけるような、迅速な始動が必要とされる用途によく適している。

ＰＥＭ燃料電池に使用されるプロトン交換膜は、水素イオンを通す薄いプラスチックシートである。膜は、典型的には、両面に、活性触媒である高度に分散した金属粒子または金属合金粒子（たとえば、白金または白金／ルテニウム）がコーティングされている。使用される電解質は、典型的には、ポリ−ペルフルオロスルホン酸などの固体有機ポリマーである。固体電解質の使用は、腐食問題および管理問題を低減するので、有利である。

水素が、燃料電池のアノード側に供給され、そこで、触媒は、水素原子が、電子を放出し、水素イオン（プロトン）になることを促進する。電子は、利用することができる電流の形態で移動し、酸素が導入された燃料電池のカソード側に戻る。同時に、プロトンは、膜を通ってカソードに拡散し、そこで、水素イオンは、酸素と再び組合され反応して、水を発生する。

膜電極組立体（ＭＥＡ）は、水素燃料電池などのＰＥＭ燃料電池の中心要素である。上述されたように、典型的なＭＥＡは、固体電解質として機能するポリマー電解質膜（ＰＥＭ）（イオン伝導性膜（ＩＣＭ）としても知られている）を含む。

ＰＥＭの１つの面はアノード電極層と接触し、反対側の面はカソード電極層と接触する。各電極層は、典型的には白金金属を含む電気化学触媒を含む。流体輸送層（ＦＴＬ）が、アノード電極材料およびカソード電極材料への、ならびにアノード電極材料およびカソード電極材料からのガス輸送を容易にし、かつ、電流を導く。

典型的なＰＥＭ燃料電池において、プロトンが、水素酸化によってアノードで形成され、カソードに輸送されて酸素と反応し、電流が、電極を接続する外部回路内で流れることを可能にする。ＦＴＬは、また、ガス拡散層（ＧＤＬ）またはディフューザ／集電体（ＤＣＣ）と呼んでもよい。アノード電極層およびカソード電極層は、完成されたＭＥＡ内でＰＥＭとＦＴＬとの間に配置される限り、製造中、ＰＥＭに塗布してもＦＴＬに塗布してもよい。

任意の適切なＰＥＭを本発明の実施に使用してもよい。ＰＥＭは、典型的には厚さが５０μｍ未満、より典型的には４０μｍ未満、より典型的には３０μｍ未満、最も典型的には約２５μｍである。ＰＥＭは、典型的には、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標）（デラウェア州ウィルミントンのデュポン・ケミカルズ（ＤｕＰｏｎｔ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ， Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ ＤＥ））およびフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標）（日本、東京の旭硝子株式会社（Ａｓａｈｉ Ｇｌａｓｓ Ｃｏ． Ｌｔｄ．， Ｔｏｋｙｏ， Ｊａｐａｎ））などの酸官能性フルオロポリマーであるポリマー電解質から構成される。本発明に有用なポリマー電解質は、典型的には、好ましくはテトラフルオロエチレンと１つ以上のフッ素化酸官能性コモノマーとのコポリマーである。

典型的には、ポリマー電解質はスルホネート官能基を有する。最も典型的には、ポリマー電解質はナフィオン（登録商標）である。ポリマー電解質は、典型的には酸当量が１２００以下、より典型的には１１００以下、より典型的には１０５０以下、最も典型的には約１０００である。

任意の適切なＦＴＬを本発明の実施に使用してもよい。典型的には、ＦＴＬは、炭素繊維を含むシート材料から構成される。ＦＴＬは、典型的には、織布および不織布炭素繊維構造から選択される炭素繊維構造である。本発明の実施に有用であってもよい炭素繊維構造としては、東レ（Ｔｏｒａｙ）カーボン紙、スペクトラカーブ（ＳｐｅｃｔｒａＣａｒｂ）カーボン紙、ＡＦＮ不織布カーボンクロス、ゾルテック（Ｚｏｌｔｅｋ）カーボンクロスなどを挙げてもよい。ＦＴＬは、炭素粒子コーティング、親水性化（ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｚｉｎｇ）処理、およびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）でのコーティングなどの疎水性化（ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｚｉｎｇ）処理を含めて、さまざまな材料でコーティングまたは含浸させてもよい。

任意の適切な触媒を本発明の実施に使用してもよい。典型的には、炭素担持触媒粒子が使用される。典型的な炭素担持触媒粒子は、５０〜９０重量％の炭素および１０〜５０重量％の触媒金属であり、触媒金属は、典型的には、カソード用のＰｔと、アノード用の２：１の重量比のＰｔおよびＲｕとを含む。触媒は、典型的には、触媒インクの形態でＰＥＭまたはＦＴＬに塗布される。触媒インクは、典型的には、ＰＥＭを構成するポリマー電解質材料と同じであっても同じでなくてもよいポリマー電解質材料を含む。

触媒インクは、典型的には、ポリマー電解質の分散液中の触媒粒子の分散液を含む。インクは、典型的には５〜３０％の固形分（すなわちポリマーおよび触媒）、より典型的には１０〜２０％の固形分を含有する。電解質分散液は、典型的には水性分散液であり、これは、アルコール、グリセリンおよびエチレングリコールなどの多価アルコール、またはＮ−メチルピリリドン（ｍｅｔｈｙｌｐｙｒｉｌｉｄｏｎ）（ＮＭＰ）およびジメチオホルムアヒド（ｄｉｍｅｔｈｙｏｆｏｒｍａｈｙｄｅ）（ＤＭＦ）などの他の溶媒をさらに含有してもよい。水、アルコール、および多価アルコール含有量は、インクのレオロジー特性変更するように調整してもよい。インクは、典型的には、０〜５０％のアルコールおよび０〜２０％の多価アルコールを含有する。さらに、インクは適切な分散剤０〜２％を含有してもよい。インクは、典型的には、熱とともに撹拌し、その後、コーティング可能なコンシステンシーに希釈することによって製造される。

触媒は、ハンドブラッシング、ノッチバーコーティング、流体ベアリングダイコーティング、巻線ロッドコーティング、流体ベアリングコーティング、スロット供給ナイフコーティング、３ロールコーティング、またはデカール転写を含む、手動方法および機械方法の両方を含む任意の適切な手段によって、ＰＥＭまたはＦＴＬに塗布してもよい。コーティングは、１回の塗布または複数回の塗布で行ってもよい。

ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、ポリマー膜を電解質として使用する点で、ＰＥＭ電池と同様である。しかし、ＤＭＦＣにおいて、アノード触媒自体が、液体メタノール燃料から水素を引き、燃料改質装置の必要をなくす。ＤＭＦＣは、典型的には、１２０〜１９０°Ｆ／４９〜８８℃の間の温度で動作する。ダイレクトメタノール燃料電池は、本発明の原理に従うＵＣＡパッケージングを行うことができる。

ここで図１ｂを参照すると、ＰＥＭ燃料電池技術に従って実現されたＵＣＡの実施形態が示されている。図１ｂに示されているように、ＵＣＡ２０の膜電極組立体（ＭＥＡ）２５は、５の構成要素層を含む。ＰＥＭ層２２が、たとえば拡散集電体（ＤＣＣ）またはガス拡散層（ＧＤＬ）などの、１対の流体輸送層２４および２６の間に挟まれている。アノード３０が、第１のＦＴＬ２４と膜２２との間に位置し、カソード３２が、膜２２と第２のＦＴＬ２６との間に位置する。

１つの構成において、ＰＥＭ層２２が、一方の表面上にアノード触媒コーティング３０を含み、他方の表面上にカソード触媒コーティング３２を含むように製造される。この構造は、しばしば、触媒コーティング膜またはＣＣＭと呼ばれる。別の構成によれば、第１のＦＴＬ２４および第２のＦＴＬ２６は、それぞれ、アノード触媒コーティング３０およびカソード触媒コーティング３２を含むように製造される。さらに別の構成において、アノード触媒コーティング３０を、第１のＦＴＬ２４上に部分的に配置し、かつＰＥＭ２２の一方の表面上に部分的に配置することができ、カソード触媒コーティング３２を、第２のＦＴＬ２６上に部分的に配置し、かつＰＥＭ２２の他方の表面上に部分的に配置することができる。

ＦＴＬ２４、２６は、典型的には、炭素繊維紙または不織布材料もしくは織布から製造される。製品構造によっては、ＦＴＬ２４、２６は、一方の側に炭素粒子コーティングを有することができる。上述されたようなＦＴＬ２４、２６は、触媒コーティングを含むか除くように製造することができる。

図１ｂに示された特定の実施形態において、ＭＥＡ２５は、第１のエッジシールシステム３４と第２のエッジシールシステム３６との間に挟まれて示されている。フローフィールドプレート４０および４２が、それぞれ、第１のエッジシールシステム３４および第２のエッジシールシステム３６に隣接している。フローフィールドプレート４０、４２の各々は、水素および酸素供給燃料が通るガスフローチャネル４３およびポートのフィールドを含む。図１ｂに示された構成において、フローフィールドプレート４０、４２は、間に１つのＭＥＡ２５が挟まれているモノポーラフローフィールドプレートとして構成される。このおよび他の実施形態のフローフィールドは、２００１年９月１７日に出願された同時係属中の出願０９／９５４，６０１に開示されたような低横流（ｌｏｗ ｌａｔｅｒａｌ ｆｌｕｘ）フローフィールドであってもよい。

エッジシールシステム３４、３６は、さまざまな流体（気体／液体）輸送および反応領域を、互いに汚染することから、かつＵＣＡ２０から不適切に出ることから隔離するために、ＵＣＡパッケージ内の必要なシーリングを提供し、さらに、フローフィールドプレート４０とフローフィールドプレート４２との間の電気絶縁およびハードストップ圧縮制御に備えてもよい。ここで使用されるような「ハードストップ」という用語は、一般に、動作圧力および動作温度下で厚さが著しく変わらない、ほぼまたは実質的に非圧縮性の材料を指す。より特定的には、「ハードストップ」という用語は、一定の厚さまたは歪みにおいてＭＥＡの圧縮を止める、膜電極組立体（ＭＥＡ）内の実質的に非圧縮性の部材または層を指す。ここで呼ばれるような「ハードストップ」は、イオン伝導膜層、触媒層、またはガス拡散層を意味することが意図されない。

１つの構成において、エッジシールシステム３４、３６は、エラストマー材料から形成されたガスケットシステムを含む。他の構成において、以下で説明されるように、さまざまな選択された材料の、１、２、またはそれ以上の層を使用して、ＵＣＡ２０内の必要なシーリングを提供することができる。他の構成は、その場で形成されたシールシステムを使用する。

特定の実施形態において、ガスケットは、代理人事件表５８２１８ＵＳ００２で２００２年１１月１４日に出願された同時係属中の出願１０／２９４，０９８に開示されたような独立気泡フォームゴムガスケットであってもよい。他の実施形態において、ガスケットには、２００２年５月１０日に出願された同時係属中の出願１０／１４３，２７３に開示されたような隆起リッジ微細構造化シーリングパターンを有する接触面を形成してもよい。

図１ｃは、１つ以上のバイポーラフローフィールドプレート５６の使用によって複数のＭＥＡ２５を組入れるＵＣＡ５０を示す。図１ｃに示された構成において、ＵＣＡ５０は、２つのＭＥＡ２５ａおよび２５ｂと、１つのバイポーラフローフィールドプレート５６とを組入れる。ＭＥＡ２５ａは、ＦＴＬ６６ａとＦＴＬ６４ａとの間に挟まれたカソード６２ａ／膜６１ａ／アノード６０ａ層構造を含む。ＦＴＬ６６ａは、モノポーラフローフィールドプレートとして構成されるフローフィールドエンドプレート５２に隣接して位置する。ＦＴＬ６４ａは、バイポーラフローフィールドプレート５６の第１のフローフィールド表面５６ａに隣接して位置する。

同様に、ＭＥＢ２５ｂは、ＦＴＬ６６ｂとＦＴＬ６４ｂとの間に挟まれたカソード６２ｂ／膜６１ｂ／アノード６０ｂ層構造を含む。ＦＴＬ６４ｂは、モノポーラフローフィールドプレートとして構成されるフローフィールドエンドプレート５４に隣接して位置する。ＦＴＬ６６ｂは、バイポーラフローフィールドプレート５６の第２のフローフィールド表面５６ｂに隣接して位置する。Ｎ数のＭＥＡ２５およびＮ−１のバイポーラフローフィールドプレート５６を、１つのＵＣＡ５０に組入れることができることが理解されるであろう。しかし、一般に、１つまたは２つのＭＥＡ５６（Ｎ＝１、バイポーラプレート＝０、またはＮ＝２、バイポーラプレート＝１）を組入れるＵＣＡ５０が、より効率的な熱管理に好ましいと考えられる。

図１ｂおよび図１ｃに示されたＵＣＡ構成は、本発明に関連する使用のために実現することができる２つの特定の機構を表す。これらの２つの機構は、例示のためにのみ提供され、本発明の範囲内になる可能な構成をすべて表すことが意図されない。たとえば、図１ｂに示されたシールシステム３４を、ここに開示されたような他のシーリングシステムと取替えるかそれらで補うことができる。むしろ、図１ｂおよび図１ｃは、本発明の原理に従ってパッケージングされたユニット化燃料電池アセンブリに選択的に組入れることができるさまざまな構成要素を示すことが意図される。

さらなる例として、本発明によって実現されるさまざまなシーリング方法を用いて、１対のモノポーラフローフィールドプレートの間に配置された１つのＭＥＡを含むＵＣＡの必要なシーリングを提供することができ、また、複数のＭＥＡと、１対のモノポーラフローフィールドプレートと、１つ以上のバイポーラフローフィールドプレートとを含むＵＣＡをシールすることができる。たとえば、モノポーラ構造またはバイポーラ構造を有するＵＣＡを、平坦な固体シリコーンガスケットなどのその場で形成された固体ガスケットを組入れるように構成することができる。

特定の実施形態において、シーリングガスケットを含むことに加えて、ＵＣＡは、ハードストップ機構を組入れることができる。ハードストップは、組込むか、ＵＣＡの内部に配置するか、モノポーラおよび／またはバイポーラフローフィールドプレートに一体化することができる。フローフィールドプレート上に設けられた余分なガスケット材料のトラップチャネルおよび微細複製パターンなどの他の特徴を、ＵＣＡに組入れることができる。ハードストップをＵＣＡパッケージングに組入れることは、有利に、製造の間（たとえば、プレス力）および使用の間（たとえば、外部スタック圧力システム）にＭＥＡに加えられる圧縮力の量を制限する。たとえば、ＵＣＡハードストップの高さを計算して、ＵＣＡ構成の間、３０％などの指定された量のＭＥＡ圧縮をもたらすことができ、そのような圧縮は、ハードストップによって指定された量に制限される。ハードストップをフローフィールドプレートに組入れることは、また、２つのフローフィールドプレートのための位置合せの助けとして働くことができる。

さらに、さまざまなＵＣＡ構成を、本発明の他の実施形態によって、熱管理能力で実現することができる。例として、所与のＵＣＡ構成が、一体化熱管理システムを組入れることができる。あるいは、またはさらに、所与のＵＣＡを、分離可能な熱管理構造と機械的に結合するように構成することができ、これの実施形態を以下で説明する。したがって、本発明の燃料電池アセンブリは、特定のＵＣＡ構成、またはここで説明されるような特定の熱管理システムに限定されるべきではない。

燃料電池およびシステムを市場価格で大量生産するために、燃料電池技術の進歩が必要であることが、当業者によって理解される。従来の燃料電池パッケージング方法は、現在、高レベルの燃料電池スタック組立て効率を達成する能力を制限する。さらに、現在のパッケージングおよび積重ね方法は、現在、燃料電池構成要素リサイクルに適用できず、これは、いったん燃料電池が不十分に動作すると特定されると燃料電池アセンブリ全体のむだな廃棄をもたらす。燃料電池リサイクルは、いったん欠陥燃料電池が除去され分解されると、特定の燃料電池アセンブリ構成要素の再使用を可能にする。本発明の原理と一致するＵＣＡパッケージング方法は、燃料電池スタックの効率的な組立ておよび分解に備え、さらに、さまざまなＵＣＡ構成要素のリサイクルに備える。

ここで図２ａを参照すると、本発明の一実施形態によるＵＣＡの断面図が示されている。この実施形態によれば、ＵＣＡ８０が、その場で形成された平坦な固体シリコーンガスケットと、ハードストップ機構とを組入れる。図２ａに示された実施形態、およびここで説明される他の実施形態において、液化シリコーンシーラントを使用することができる。シリコーンシーラント材料が、本発明によるＵＣＡの構成における使用に適した、いくつかのタイプの材料の１つを表すことが理解される。シーリングのための適切な弾性特性を示し、かつ燃料電池環境に十分に耐久性があると想定して、他のシーリング材料を代わりに使用することができる。

図２ａに示されたＵＣＡ８０を、次の例示的なプロセスに従って構成することができる。フローフィールドプレート８４が、フローチャネル８５が上方に面する状態で、平坦な表面上に配置される。フローフィールドプレート８４は、例のため、１０ｃｍ×１０ｃｍのフローチャネル領域を有する１３ｃｍ×１３ｃｍのプレートである。フローフィールドプレート８４、８２を、炭素／ポリマー複合材料、黒鉛、金属、または導電性材料でコーティングされた金属から製造することができることが留意される。

液化シリコーンシーラント材料が、約０．３５ｍｇ／ｍｉｎの速度などの所定の速度で、フローフィールドプレート８４の表面上に分配され、そこで、ＭＥＡのガスケットが形成される。適切なシリコーン材料は、ダウコーニング（Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ）から入手可能な、Ｄ９８−５５、部分ＡおよびＢである。フローチャネル領域８５は、１１ｃｍ×１１ｃｍのＦＴＬ８８によって被覆される。一方の表面上にアノード触媒材料がコーティングされ、他方の表面上にカソード触媒材料がコーティングされたＰＥＭを表す触媒コーティング膜（ＣＣＭ）９０が、下側のＦＴＬ８８上に、ＣＣＭ９０の中心がＦＴＬの中心に整列されて配置される。

上側の１１ｃｍ×１１ｃｍのＦＴＬ８６が、ＣＣＭ９０上に、それぞれの中心が整列されて配置される。シリコーンがＦＴＬ８６、８８の多孔性炭素繊維内に流れ浸透してエッジシールを作ることができる空間を提供するために、ＦＴＬ８６、８８は、ＣＣＭ９０よりわずかに大きい。ＣＣＭ９０に対する、ＦＴＬ８６、８８のこのオーバサイズは、また、シリコーンがフローチャネル８５内に流れることを防止し、これは、そうでなければ、外側のフローチャネルを塞ぐことになる。

示されているように、ＣＣＭ９０の膜９１またはＣＣＭ９０全体が、ＭＥＡから、ハードストップ９２に近接した位置まで外方に延在する。この延在した膜またはＣＣＭ部分は、フローフィールドプレート８４とフローフィールドプレート８２との間の向上した電気絶縁に備える。しかし、膜９１またはＣＣＭ９０が、図２ａおよび他の図に示されているようにＭＥＡから延在する必要はないことが理解される。さらに、膜９１またはＣＣＭ９０が、ＭＥＡから、ＭＥＡとハードストップ９２との間のある所望の距離における位置まで延在することができることが理解される。

ＭＥＡ圧縮を制御するために、外部ハードストップ９２がＵＣＡ８０内でシムとして使用される。ハードストップ９２を、たとえば、ポリエチレンナフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｎａｐｔｈａｌａｔｅ）（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、テフロン（登録商標）、もしくは他の非圧縮性材料、またはそのような材料の組合せを含むさまざまな材料から製造することができる。図２ａに示された実施形態において、外部ハードストップ９２は、ＰＥＮから製造され、テフロン（登録商標）でコーティングされて、ＵＣＡが形成された後に非粘着性および除去可能性を確実にする。ハードストップ９２の厚さは、所望の量のＭＥＡ圧縮を達成するように選択することができる。図２ａにおいて、ハードストップ９２の厚さは、ＭＥＡの３０％圧縮を確実にするように選択される。

２つの部分（ＡおよびＢ）が予め混合された液化シリコーンが、約０．３５ｍｇ／ｍｉｎの速度で、上側のフローフィールドプレート８２および下側のフローフィールドプレート８５の表面上に分配され、そこで、ＭＥＡのガスケットが形成される。ＭＥＡ構成要素および外部ハードストップ９２は、分配されたシリコーンとともに、２つのフローフィールドプレート８２および８５の間に挟まれる。次に、サンドイッチ構造８０全体がプレス内に配置される。サンドイッチ構造８０は、好ましくは、２７０°Ｆ、３トン、１０分間のプレス条件に曝され、これは、その場で形成された平坦な固体ガスケットを備えたＵＣＡ８０の形成をもたらす。ＵＣＡ形成プロセスの間、ＦＴＬ８８、８６およびＣＣＭ９０が接合されて、良好な界面を備えたＭＥＡを形成する。ＭＥＡが先に接合されていない場合、たっぷり１０分の接合時間が典型的には必要であることが留意される。シリコーン材料が、１０分よりはるかに短い時間の後硬化してもよく、かつ、対象ＭＥＡが先に接合されたＭＥＡである場合、１０分の典型的なプレス／接合時間を低減することができることがさらに留意される。

図２ｂは、本発明の原理に従うＵＣＡの別の実施形態を示す。この実施形態において、その場で形成されたシリコーンガスケットの使用に加えて、内部ハードストップ機構が使用される。１０ｃｍ×１０ｃｍのフローチャネル領域８５を備えた１３ｃｍ×１３ｃｍのフローフィールドプレート８４が、フローチャネルが上方に面する状態で、平坦な表面上に配置される。このＵＣＡ構成は、シリコーンガスケット形成領域内の、フローフィールドプレート８２、８４の各々の上に設けられたトラップチャネル９５を含む。示されているように、トラップチャネル９５は、ハードストップ機構９３ａ／９３ｂとそれぞれのフローフィールドプレート８２、８４の外周との間に配置される。トラップチャネル９５は、フローチャネルを塞がないように、余分な液化シリコーンが流入するための空間を提供する。これは、また、必要なＭＥＡシーリングに加えて、ＵＣＡパッケージング一体性を向上させる内部固定機構を提供することができる。

液化シリコーンが、約０．３５ｍｇ／ｍｉｎの速度で、フローフィールドプレート８４の表面上に分配され、そこで、ＭＥＡのガスケットが形成される。一体的ハードストップ機構の存在によって、プレート表面上に分配されるシリコーンの量を、図２ａについて計算された量の約５０％だけ低減することができる。

本実施形態のハードストップ機構は、ＰＥＮ、ＰＥＴ、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ガラス繊維、ナイロン、デルリン、レキサン、マイラー、カプトン、テフロン（登録商標）などの適切な材料から形成されたフレーム９３ａおよび９３ｂを含む。これらの材料またはこれらの複合材料と、炭素、ガラス、セラミックなどの充填剤とのブレンドも、ハードストップとして使用してもよい。ハードストップ機構が、１つの連続部材である必要はないが、代わりに、いくつかの、接続されていないか緩く接続された別々のハードストップ要素によって規定してもよいことが理解される。

図２ｂに示されたフレーム９３ａおよび９３ｂは、ＰＥＮから作られる。この実施形態のＰＥＮフレーム９３ｂは、１２．５ｃｍ×１２．５ｃｍの外側の寸法と、１１ｃｍ×１１ｃｍの窓とを有する。フレーム９３ｂは、液化シリコーン９４の多くを被覆するように、フローフィールドプレート８４上に配置される。ＰＥＮフレーム９４の厚さは、ＭＥＡの３０％圧縮を確実にするように選択される。

１１ｃｍ×１１ｃｍのＦＴＬ８８が、ＰＥＴフレーム９３ｂの内側の窓内に配置される。ＣＣＭ９０が、ＦＴＬ８８上に、ＣＣＭの中心がＦＴＬの中心に整列されて配置される。フレーム９３ｂと同じ寸法を有する別のＰＥＴフレーム９３ａが、ＣＣＭ９０上に、中心がそれぞれ整列されて配置される。第２の１１ｃｍ×１１ｃｍのＦＴＬ８６が、ＰＥＮフレーム９３ａの窓内に配置される。

液化シリコーン９４が、約０．３５ｍｇ／ｍｉｎの速度で、第２のフローフィールドプレート８２の表面上に分配され、そこで、ＭＥＡのガスケットが形成される。第２のフローフィールドプレート９２は、フローフィールドプレート８４／ＦＴＬ８８／ＣＣＭ９０／ＦＴＬ８６構造の上に配置され、好ましくは２７０°Ｆ、３トン、１０分間のプレス条件下で、プレス内に配置される。

図３ａは、その場で形成されたシリコーンガスケットに加えて、組込みハードストップが使用される別の実施形態を示す。図３ａに示されたＵＣＡ８０の基本構造は、ハードストップ構成を除いて、図２ｂに示されたものと同様である。図３ａに示された実施形態において、ハードストップ特徴は、フローフィールドプレート８２、８４に組込まれる。示されているように、フローフィールドプレート８２、８４の各々は、図３ｂに最もよく見られるように、突出する周縁８２ａ、８４ａを有する。端縁８２ａ、８４ａは、互いに位置合せし、かつ、シリコーンシール９４を収容するのに十分な、内部のフローフィールドプレート表面の間の所定のサイズの間隙を設けるように形成される。突出する周縁８２ａ、８４ａの高さは、適切な程度のＭＥＡ圧縮をもたらすように選択される。

図３ｂに示されているように、周縁８２ａは突出する界面を含み、周縁８４ａは窪んだ界面を含む。２つのフローフィールドプレート８２、８４がプレス内で圧力下で一緒にされるとき、端縁８２ａの突出する界面は、端縁８４ａの窪んだ界面によって受けられる。２つのフローフィールドプレート８２、８４の間に必要な電気絶縁をもたらすために、絶縁フィルムなどの絶縁層８９が、周縁８２ａと周縁８４ａとの間に配置される。

別のシーリング方法に従って、フローフィールドプレートの表面を、しばしば微細構造化表面と呼ばれる微細複製パターンを含むように機械加工することができる。さまざまな微細構造パターンおよびそれらを製造する方法が、当該技術において知られている。微細構造化パターンは、対向するフローフィールドプレート表面上に設けられたパターンが係合するとＵＣＡのフローフィールドプレートの間の機械的結合をもたらすように、フローフィールドプレートの特定の領域内に機械加工することができる。パターンは、たとえば、５から２５ミルの間で変わることができる幅と、約１．５から２．５ミルの間で変わることができる高さとを有するリッジを有することができる。

たとえば、微細構造化パターンをガスケット領域内のフローフィールド表面内に機械加工して、ガスケットの表面上に多くの小さい半リッジ（ｓｅｍｉ−ｒｉｄｇｅｓ）を形成することができる。微細構造化パターンをフローフィールドランド内に機械加工することもできる。以下でより詳細に説明されるように、微細構造化パターンと、ポリマーガスケット（たとえば、その場で形成されたシリコーンガスケットまたは別個のエラストマーガスケット）との組合された使用によって、または微細構造化パターンもしくは他の機械的機構（たとえば、位置決めピン、ねじ、ボルト／ナット、噛合い表面特徴）の単独使用によって、ＵＣＡシーリングを達成することができる。

図４ａおよび図４ｂは、内部ハードストップおよびその場で形成されたシリコーンシールまたはガスケットを使用するＵＣＡのさらなる実施形態を示す。この実施形態によれば、ＵＣＡ１００は、燃料電池のカソード側を表す上側のフローフィールドプレート１０２と、燃料電池のアノード側を表す下側のフローフィールドプレート１０４とを含む。ハードストップ機構１１０は、図４ｂに最もよく見られるように、下側のフローフィールドプレート１０４に設けられたスロット１１４内に位置決めされたワンピースハードストップコアまたはコイル１１２を含む。

スロット１１４は、プレート製造プロセスの間、所定位置に予め機械加工するか成形することができる。スロット１１４の深さは、ハードストップコア１１２の直径に従って変えることができる。湾曲した凹部１１６が、上側のフローフィールドプレート１０２に設けられ、ハードストップコア１１２の半径と適合する半径を有する。下側のフローフィールドプレート１０４は、ガスケット形成の間に流れることがある余分なシーラント材料を収容するためのトラップチャネル１０５を含むことができる。

ハードストップコイル１１２は、ここで説明される他のハードストップ実施形態のように、ＰＥＴ、ＰＥＮ、またはテフロン（登録商標）などの非圧縮性材料から形成することができる。ハードストップコイル１１２の厚さは、典型的には、０．５ｍｍから２．０ｍｍである。一般に、ハードストップコイル１１２の厚さは、ＭＥＡの厚さの約７０％でなければならなず、これは、典型的には厚さ約０．０１２インチである。

ハードストップコイル１１２をスロット１１４内に位置決めする前に、液体シリコーンをハードストップコイル１１２の上に分配することによって、シリコーンガスケットが形成される。次に、ハードストップコイル１１２は、スロット１１４内に沈み、スロット１１４の中心線に沿って姿勢されたままになる。これは、ハードストップコイル１１２に近接したシリコーン層の同じ厚さを維持するのを助ける。ＭＥＡ１０６および上側のフローフィールドプレート１０２は適切に位置され、サンドイッチ構造１００は、先に説明されたように、所定の持続時間の間、適切な温度および圧力条件下でプレス内に配置される。

膜のサイズがＦＴＬと同じであることができることが留意される。触媒が予想外に露出したとしても、これは問題とはならず、というのは、シリコーンが、触媒を燃料に曝すことに対して保護するように形成するからである。ＵＣＡをリサイクルすることが意図される場合、シリコーンガスケット／シーリング材料と直接接触するフローフィールドプレート１０２、１０４の表面上に、付加的な剥離コーティングを塗布することができる。したがって、故障したＵＣＡのＭＥＡおよびシール／ガスケットを、再使用可能なフローフィールドプレート１０２、１０４から容易に分離することができる。

ここで図５ａ〜５ｆを参照すると、本発明の別の実施形態によるシーリング機構を使用するＵＣＡの一部が示されている。図５ａ〜５ｆに示された実施形態は、熱可塑性シーリング材料を組入れ、これは、典型的には、フィルム、テープ、または他の固体形態の形態で分配される。熱可塑性樹脂は、ＴＨＶ（テトラフルオロエチレンと、ヘキサフルオロプロピレンと、二フッ化ビニリデンとのターポリマー）などのフッ素樹脂；ポリエチレン；エチレンとアクリル酸とのコポリマーなどのポリエチレンのコポリマー；サーモボンド（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｂｏｎｄ）８４５（３Ｍによって製造される、たとえば、ポリエチレン無水マレイン酸コポリマー）およびサーモボンド６６８（３Ｍによって製造される、たとえば、ポリエステル）であることができる。これらの材料またはこれらの複合材料と、炭素、ガラス、セラミックなどの充填剤とのブレンドも、熱可塑性樹脂として使用してもよい。好ましくは、溶融範囲は５０〜１８０℃であり、より好ましくは１００〜１５０℃であり、これは、ＭＥＡ接合温度と同様でなければならない。熱可塑性材料は、また、ハードストップおよびフローフィールドプレートに接着しなければならない。

特定のＵＣＡ／ＭＥＡ構成において、熱可塑性シーリング材料は、ＵＣＡシーリングに加えて、向上した膜端縁保護に備える。他の利益の中で、固体熱可塑性シーリングフィルムの使用は、液化シーラントの使用で発生することがあるフローチャネル閉塞のリスクを著しく低減するかなくす。さらに、熱可塑性シーリングフィルムがガス供給穴およびチャネル内に流れることを防止するために、ＦＴＬをＵＣＡ／ＭＥＡ内に位置決めすることができる。

固体熱可塑性シーリングフィルムを使用することの１つの特定の利点は、そのようなシーリングフィルムがＦＴＬ内に溶融し、そのため、シーリングフィルムがＦＴＬに重なるＦＴＬの端縁上の厚さ変化がないという特徴に関する。ＭＥＡを造る従来の方法は、対照的に、ＭＥＡの端縁上の小さい厚さ変化をもたらすことがあり、したがって、ＭＥＡの残りより著しく大きい圧力を受ける位置を生じることがある。ＭＥＡがその端縁に沿って大きすぎる圧力を受けると、ＭＥＡはそれらの領域で故障しがちになる。この実施形態による熱可塑性シーリングフィルムが、いったんＦＴＬ中に拡散されると、ＦＴＬ表面に対して有効な厚さ変化を有さないので、ＭＥＡは、ＭＥＡ表面全体にわたって等しくＵＣＡスタックの圧力を吸収する。

この実施形態による熱可塑性シーリングフィルムを使用することの別の利点は、上で簡単に説明されたように、膜端縁保護である。耐久性実験において、ＭＥＡの故障の主な原因が、ＦＴＬとガスケットハードストップとの間の領域で発生する応力であることがわかっており、これは、引裂を引起し、大量の水素クロスオーバを生じることがある。このクロスオーバは、ＭＥＡを完全に役に立たなくさせ、かつＵＣＡスタックの残りを故障させ、というのは、それが水素燃料をスタック内の他のＭＥＡに送出することができないからである。

この端縁引裂現象は、特定のＭＥＡ構造内で発生することがあり、というのは、しばしばアノード層とカソード層との間の圧力差があり、膜はその領域で弱く、というのは、それを支持するものがほとんどまたは何もないからである。本ケースにおいて、熱可塑性シーリングフィルムは、膜の上に溶融し、容易に引裂されない強い支持を提供する。ＦＴＬの端縁において保護された、結果として生じる膜は、寿命および信頼性のある性能のより高い可能性を有し、というのは、端縁上の故障のおそれが著しく低減されるからである。

このＵＣＡ構造のさらなる利点は、ＦＴＬの鋭いコーナからの膜保護である。多くの場合、特により剛性のＦＴＬで、時には、ＦＴＬの端縁が、膜を突き通し、短絡を引起すことがあり、したがって、ＭＥＡ故障を引起すことがあることがわかっている。従来の方法は、この問題を部分的に制御することしかできない。本実施形態によれば、熱可塑性シーリングフィルムが、好ましくは、接合前にＦＴＬの端縁の下に位置される。熱可塑性シーリングフィルムは、膜を、接合プロセスの間鋭い端縁の犠牲になることから保護する。この実施形態による熱可塑性シーリングフィルムの使用は、従来の方法と対照的に、ＦＴＬにより促進された膜穿刺が発生することを完全になくす。

特定の実施形態におけるハードストップの追加は、ＵＣＡ内の圧縮を精密に制御し、ＦＴＬ圧縮が最適なレベルに達したとき燃料電池の圧縮を止めるというさらなる利点をもたらす。ハードストップの厚さは、最適な圧縮値をもたらすように、ＦＴＬの厚さによって変えることができる。

図５ａは、接合プレス内に配置される前のＵＣＡの端縁部分を示し、図５ｂは、接合プロセスの完了後の図５ａのＵＣＡ部分を示す。ＵＣＡ２００は、第１のフローフィールドプレート２０２および第２のフローフィールドプレート２０４を含み、各フローフィールドプレートは、供給ガスポート２０６、２１０と、いくつかのガスフローチャネル２０８、２１２とを有する。第１のフローフィールドプレート２０２と第２のフローフィールドプレート２０４との間にＭＥＡ２１２が設けられる。ＭＥＡ２１２は、間にＣＣＭ２１４が位置する、１対のＦＴＬ２２０、２２２を含むように示されている。ＣＣＭ２１４は、カソード触媒層２２４と、アノード触媒層２２６と、ＭＥＡ２１２から外方に延在する膜２２８とを含む。示されているように、膜２２８は、ＦＴＬ２２０、２２２の端縁を越えて延在し、第１のフローフィールドプレート２０２および第２のフローフィールドプレート２０４の端縁に近接して終わる。

ＵＣＡ２００は、膜２２８とそれぞれの第１のフローフィールドプレート２０２および第２のフローフィールドプレート２０４との間に位置する第１のハードストップフレーム２３４および第２のハードストップフレーム２４０を含むハードストップ機構を組入れる。ハードストップフレーム２３４、２４０は、ＰＥＴ、ＰＥＮ、テフロン（登録商標）などの適切なハードストップ材料から製造することができる。第１のハードストップフレーム２３４は、第１のハードストップフレーム２３４と膜２２８との間に設けられた接着剤フィルムまたは層２３６の使用によって、膜２２８上に所定位置に維持される。同様に、第２のハードストップフレーム２４０は、第２のハードストップフレーム２４０と膜２２８との間に設けられた接着剤フィルムまたは層２３８の使用によって、膜２２８上に所定位置に維持される。

第１の熱可塑性フィルム２３０の第１の端部は、第１のＦＴＬ２２０と、膜２２８の、カソード触媒層２２４を越えて延在する部分との間に位置する。第１の熱可塑性フィルム２３０は、第１のＦＴＬ２２０の端部と第１のハードストップフレーム２３４との間に形成された間隙２１１ａ内を通る。図５ａの構成において、第１の熱可塑性フィルム２３０は、第１のハードストップフレーム２３４と第１のフローフィールドプレート２０２との間に位置して示されている。第１の熱可塑性フィルム２３０の第２の端部は、第１のフローフィールドプレート２０２の端縁で終わる。

第２の熱可塑性フィルム２３２の第１の端部は、第２のＦＴＬ２２２と、膜２２８の、アノード触媒層２２６を越えて延在する部分との間に位置する。第２の熱可塑性フィルム２３２は、第２のＦＴＬ２２２の端部と第２のハードストップフレーム２４０との間に形成された間隙２１１ｂ内を通る。図５ａの構成において、第２の熱可塑性フィルム２３２は、第２のハードストップフレーム２４０と第２のフローフィールドプレート２０４との間に位置して示されている。第２の熱可塑性フィルム２３２の第２の端部は、第２のフローフィールドプレート２０４の端縁で終わる。

熱可塑性フィルム２３０、２３２の各々は、典型的には厚さ約２．５ミルであり、１つのハードストップフレーム２３４、２４０は、典型的には厚さ約５ミルである。図５ｃ〜５ｄに示された実施形態などの、１つのハードストップフレームが使用されるＵＣＡ構成において、この場合のハードストップフレーム２３５は、厚さ約１０ミルである。ＦＴＬ２２０、２２２が、典型的には厚さ約８ミルであることが留意される。これらの寸法が特定のＵＣＡ設計によって変わることが理解されるであろう。

別の構成によれば、第１の熱可塑性フィルム２３０が、第１のＦＴＬ２２０と、膜２２８の、カソード触媒層２２４を越えて延在する部分との間に位置する。この構成による第１の熱可塑性フィルム２３０は、間隙２１１ａ内を通り、第１のハードストップフレーム２３４の端縁で終わる。層２３６のものと同様の接着剤フィルムまたは層が、第１のハードストップフレーム２３４と第１のフローフィールドプレート２０２との間に設けられる。

この実施形態によれば、第２の熱可塑性フィルム２３２が、第２のＦＴＬ２２２と、膜２２８の、アノード触媒層２２６を越えて延在する部分との間に位置する。この構成による第２の熱可塑性フィルム２３２は、間隙２１１ｂ内を通り、第２のハードストップフレーム２４０の端縁で終わる。層２３８のものと同様の接着剤フィルムまたは層が、第２のハードストップフレーム２４０と第２のフローフィールドプレート２０４との間に設けられる。

図５ｂは、接合プロセスの完了後の端縁保護されたＵＣＡを示す。図５ｂに見ることができるように、ＵＣＡ２００のさまざまな構成要素は、溶融した熱可塑性フィルム２３０、２３２によってともに保持される。熱可塑性材料は、ＦＴＬ２２０、２２２に含浸しているが、供給ガスポート２０６、２１０内に滲出していない。さらに、ガスチャネル２０８、２１２に対する、ＦＴＬ２２０、２２２の戦略的な配置が、ガスチャネル閉塞が接合プロセスの間に発生することを防止する。膜２２８は、第１のストップフレーム２３４および第２のストップフレーム２４０と第１のＦＴＬ２２０および第２のＦＴＬ２２２との間の脆弱な端縁で膜２２８を囲む、溶融した熱可塑性材料の健全な層を有する。

図５ｃおよび図５ｄは、ハードストップ機構と組合せて熱可塑性シーラント材料を組入れるＵＣＡパッケージング構成の別の実施形態を示す。図５ｃは、接合プレス内に配置される前のＵＣＡの端縁部分を示し、図５ｄは、接合プロセスの完了後の図５ｃのＵＣＡ部分を示す。この実施形態によれば、ＭＥＡ２１２は、第１のＦＴＬ２２０および第２のＦＴＬ２２２の端縁でまたはその近くで終わる膜２２８を含む。図５ａおよび図５ｂの実施形態のように、図５ｃおよび図５ｄの第１の熱可塑性フィルム２３０および第２の熱可塑性フィルム２３２は、それぞれ、触媒層２２４、２２６を越えて延在する膜２２８と第１のＦＴＬ２２０および第２のＦＴＬ２２２との間に位置する。

第１の熱可塑性フィルム２３０および第２の熱可塑性フィルム２３２は、それぞれ、第１のＦＴＬ２２０および第２のＦＴＬ２２２の端部とハードストップフレーム２３５との間に形成された間隙２１１内を通る。膜２２８がハードストップ機構を越えて延在しないので、１つのハードストップフレーム２３５を使用することができる。第１のフローフィールドプレート２０２と第２のフローフィールドプレート２０４との間の向上した電気絶縁に備えるために、膜２２８が、間隙２１１内およびハードストップフレーム２３５まで延在することができることが留意される。

第１の熱可塑性フィルム２０３および第２の熱可塑性フィルム２３２は、それぞれ、ハードストップフレーム２３５と第１のフローフィールドプレート２０２および第２のフローフィールドプレート２０４との間に位置して示されている。図５ａおよび図５ｂに示された構成のように、第１の熱可塑性フィルム２０３および第２の熱可塑性フィルム２３２は、ハードストップフレーム２３５まで延在し、ハードストップフレーム２３５で終わることができ、この場合、接着剤フィルムまたは層を、ハードストップフレーム２３５とそれぞれ第１のフローフィールドプレート２０２および第２のフローフィールドプレート２０４との間に配置することができる。

図５ｅおよび図５ｆは、本発明による熱可塑性シーラント材料を組入れるＵＣＡのさらなる実施形態を示す。この実施形態において、図５ａ〜５ｄに示された実施形態の場合のようにハードストップ機構が使用されない。図５ｅは、接合プレス内に配置される前のＵＣＡ２００の端縁部分を示し、図５ｆは、接合プロセスの完了後の図５ｅのＵＣＡ部分を示す。

この実施形態によれば、ＭＥＡ２１２は、ＭＥＡ２１２から外方に延在し、それぞれの第１のフローフィールドプレート２０２および第２のフローフィールドプレート２０４の端縁でまたはその近くで終わる膜２２８を含む。第１の熱可塑性フィルム２３０が、第１のＦＴＬ２２０と、膜２２８の、カソード触媒層２２４を越えて延在する部分との間に位置する。この構成による第１の熱可塑性フィルム２３０は、膜２２８の延在部分上に位置し、第１のフローフィールドプレート２０２の端縁で終わる。

この実施形態による第２の熱可塑性フィルム２３２が、第２のＦＴＬ２２２と、膜２２８の、アノード触媒層２２６を越えて延在する部分との間に位置する。第２の熱可塑性フィルム２３２は、膜２２８の延在部分上に位置し、第２のフローフィールドプレート２０２の端縁で終わる。膜２２８が、ＭＥＡ２１２の端縁を越えて、またはそれぞれの第１のフローフィールドプレート２０２および第２のフローフィールドプレート２０４の端縁までずっと延在する必要はないことが理解される。

ここで本発明の別の態様に進み、さらなる実施形態が、熱管理特徴が設けられたＵＣＡアセンブリに関する。特定の実施形態において、熱管理特徴は、ＵＣＡに対して分離可能な冷却構造を含む。他の実施形態において、熱管理特徴は、ＵＣＡパッケージに一体的に組入れられた冷却構造を含む。さらなる実施形態において、ＵＣＡに対して一体的または分離可能であることができるＵＣＡ冷却構造は、ＵＣＡのスタックの効率的な組立ておよび分解を容易にするように実現される。

他の実施形態によれば、ＵＣＡスタック内に組立てられたＵＣＡの容易な挿入および除去を促進するために、さまざまなロッキング／係合機構が使用される。さらなる実施形態において、１対のフローフィールドプレートに対するＭＥＡの容易な挿入および除去を促進するために、さまざまなロッキング／係合機構が使用される。ここで、これらおよび他の特徴をより詳細に説明する。

一般に、フローフィールドプレートと、ＭＥＡと、冷却構造とを含む燃料電池スタックは、一般に、すべての構成要素を注意深く整列させ、各燃料電池が特定の量の圧縮を受けるように、これらの構成要素をともにプレスすることによって組立てられる。従来の燃料電池スタック造りは、フローフィールドプレートの内部を通る固定穴とともにタイロッド方法を用いて、スタックを圧縮する。電池が故障した場合、スタックまたはモジュールが動作を続けるために、欠陥電池は、除去し、おそらくは取替える必要がある。

従来の燃料電池スタックアセンブリでは、スタックの不良電池または不良セクションを除去するか取替えるプロセスは、複雑であり、時間がかかる。従来の方法を用いて組立てられた燃料スタックから１つの欠陥電池を除去するために、たとえば、スタック全体は、ばらばらにし、その後完全に造り直さなければならない。これは、すべてのタイロッドおよび各電池を除去し、その後、スタックから故障した電池を除去した後、スタック全体を造り直すことを伴う。

本発明の原理と一致する燃料電池積重ね方法は、スタックアセンブリ内の欠陥電池の効率的な除去および取替えに備え、これは、有利に、スタック偽り（ｄｉｓｓｅｍｂｌｉｎｇ）および再組立てと関連する複雑さおよび時間消費を低減する。さらに、本発明の燃料電池積重ね方法は、燃料電池構成要素の向上したリサイクルに備え、したがって、スタックから除去された欠陥燃料電池アセンブリの特定の燃料電池構成要素（たとえば、フローフィールドプレート、ハードストップ構成要素、エラストマーシール、冷却構成要素など）の再使用を考慮する。

１つの熱管理構成によれば、および図６ａ〜６ｃに示されているように、ＵＣＡアセンブリ３００が、ＵＣＡ３０２と、分離可能な冷却プレート３０４とを含むように示されている。この実施形態のＵＣＡ３０２は、矩形または正方形ブロック形状を有するように構成され、他の形状および構成が可能であることが理解される。冷却プレート３０４は、ＵＣＡ３０２を受けるような寸法にされた凹面３０８を含む。冷却プレート３０４の背面および／または側面などの１つ以上の表面に、冷却チャネルまたはフィンなどの冷却機構３０６が設けられる。空気、水、または他の気体冷却剤もしくは流体冷却剤などの流体熱伝達媒体が、冷却機構３０６を通されるか冷却機構３０６の上を通されて、ＵＣＡ３０２の温度を制御する（すなわち、加熱するおよび／または冷却するまたはＵＣＡ３０２）ことができる。

図６ｂおよび図６ｃに見ることができるように、第１のＵＣＡ３０２を、冷却プレート３０４の第１の表面上に設けられた凹部３０８に嵌合させることができる。さらに、冷却機構３０６を含む表面などの、冷却プレート３０４の第２の表面は、第２のＵＣＡ３０２を受けるような寸法にされた凹部３０７を含むことができる。このようにして、１つの冷却プレート３０４を使用して、２つのＵＣＡ３０２との冷却および整列係合をもたらすことができる。

したがって、ＵＣＡアセンブリ３００のスタックは、ＵＣＡ３０２と冷却プレート３０４との間の凹部嵌合（ｒｅｃｅｓｓｅｄ ｆｉｔ）関係を用いることによって噛合せることができる。代替構成において、凹部をＵＣＡ３０２の１つ以上の表面上に設けることができ、かつ、冷却プレート３０４を、ＵＣＡ３０２の関連した凹面に嵌合する、１つ以上の突出面を含むように構成することができることが留意される。

ＵＣＡ３０２と冷却プレート３０４との間のような凹部嵌合は、それらの間の整列の容易さおよび挿入／除去の容易さの両方に備える。この実現によれば、ならびに図７ａおよび図７ｂに最もよく見られるように、ＵＣＡアセンブリ３００（すなわち、関連した冷却プレート３０４を備えたＵＣＡ３０２）のスタックを、タイロッド３２６がＵＣＡアセンブリ３００の完全に外側に位置する圧縮装置３２０を使用して圧縮することができる。この設計では、スタック組立てのために特別の整列が必要ではない。スタックシステム内の特定の電池の除去または取替えは、フローフィールドプレートを通るタイロッドを使用する従来の方法より著しく少ない作業を必要とする。

図７ａおよび図７ｂに示された圧縮装置３２０は、間にいくつかのタイロッド３２６が延在する、１対のエンドプレート３２２、３２４を含む。燃料マニホルドおよび冷却剤マニホルドならびに整列ピンは、説明を簡単にするために示されていない。最初に、各ＵＣＡ３０２が、その関連した冷却プレート３０４の凹部３０８内に配置され、これらの組合せが、この実施形態に関連するＵＣＡアセンブリ３００を規定する。タイロッド３２６は、それぞれのエンドプレート３２２、３２４内に設けられた穴に通される。

示されているように、ＵＣＡアセンブリ３００の、圧縮装置３２０への挿入を促進するために、タイロッドの１つ３２６ａを、最初に、取付けられないままにすることができる。すべてのＵＣＡアセンブリ３００が挿入された後、ナット３２５が関連したタイロッド３２６上に通され、締付けられて、適切な量のスタック圧縮（たとえば、約１５０ｐｓｉ）を生じる。トルクレンチを使用して、ナット３２５を所望の量だけ締付けることができる。ＵＣＡ３０２と冷却プレート３０４との間のような凹部嵌合が、スタック内のＵＣＡ３０２を精密に整列させ、かつＵＣＡ３０２がスタック組立ておよび分解の間に外れることを防止することがわかり得る。

図７ａおよび図７ｂに示されているように、１つのタイロッド３２６ａを除去して、スタックからの欠陥ＵＣＡ３０２の除去を促進することができる。示されているように、タイロッド３２６ａが除去され、すべての他のタイロッド３２６が緩められる。故障したＵＣＡ３０２は除去される。次に、取替え用ＵＣＡ３０２を、故障したＵＣＡ３０２が除去された冷却プレート凹部に挿入することができる。あるいは、除去されたＵＣＡ３０２と関連する冷却プレート３０４自体をスタックから除去し、スタック内のＵＣＡが１つ少ないアセンブリ３００をもたらすことができる。先に除去されたタイロッド３２６ａは元の場所に戻され、すべてのタイロッド３２６が適切な量だけ再び締付けられる。

この実施形態による凹部嵌合設計では、燃料電池スタックを緩め、不良電池（ＵＣＡ）を除去し、取替えるか、スタック内の電池（ＵＣＡ）が１つ少ない状態で再び締付けさえすればよい。凹部嵌合設計は、有利に、モジュール内の電池（ＵＣＡ）すべての精密な整列をもたらし、それらはまさに同じ位置にある。電池（ＵＣＡ）は、周りを移動または摺動することが可能にされず、これは、そうでなければ、高い圧縮勾配または不良シールを生じることがある。タイロッド穴がもはやフローフィールドプレート内に配置されないので、フローフィールドプレートは、製造することが、より複雑でなく、より費用がかからない。さらに、各フローフィールドプレートの両側にシーリングを必要とするタイロッド穴がないので、製造すべきシールがより少ない。シールの数を低減することによって、クロスオーバおよび漏れの対応する低減を達成することができる。

図６ｄは、本発明の原理に従うリサイクル可能なＵＣＡアセンブリの別の実施形態を示す。図６ａ〜６ｃに示された実施形態のように、図６ｄに示されたＵＣＡ構成は、分離可能な冷却プレート４０４ａ、４０４ｂと、同様の凹部嵌合噛合い機構とを使用する。図６ｄに示されたＵＣＡアセンブリ設計を同様に用いて、図７ａおよび図７ｂに示されたような圧縮装置を使用する燃料電池スタックを構成することができる。

図６ｄに示されたＵＣＡアセンブリは、２つのＵＣＡ４０２ａ、４０２ｂを効果的に組入れるバイポーラＵＣＡ４０２を含む。バイポーラＵＣＡ４０２は、１対の冷却プレート４０４ａ、４０４ｂの間に位置する。ＵＣＡ４０２は、第１のモノポーラフローフィールドプレート４１０と、バイポーラフローフィールドプレート４１４と、第２のモノポーラフローフィールドプレート４２０とを含む。第１のＭＥＡ４１２が、第１のフローフィールドプレート４１０とバイプローラ（ｂｉｐｌｏｌａｒ）フローフィールドプレート４１４との間に位置し、第２のＭＥＡ４１６が、第２のフローフィールドプレート４２０とバイプローラ（ｂｉｐｌｏｌａｒ）フローフィールドプレート４１４との間に位置する。第１のＭＥＡ４１２の冷却は、主として冷却プレート４０４ａによってもたらされ、第２のＭＥＡ４１６は、主として冷却プレート４０４ｂによって冷却される。

図６ｄは、欠陥ＭＥＡが特定された場合にＵＣＡのさまざまな構成要素をリサイクルすることができるＵＣＡパッキング構成を示す。ＵＣＡのシーリングガスケット機構が、先に説明されたような除去可能なエラストマーシール機構または熱可塑性シール機構によって提供されると想定して、欠陥ＵＣＡを電池スタックから除去し、分解することができる。１つの方法において、図６ｄに示されたような欠陥バイポーラＵＣＡアセンブリ４０２を、たとえば、モノポーラＵＣＡ実現に関して先に説明されたように、その関連した冷却プレート４０４ａ、４０４ｂから除去し、動作可能なバイポーラＵＣＡアセンブリ４０２と取替えることができる。

別の方法によれば、欠陥バイポーラＵＣＡアセンブリを除去し、さらに分解して、バイポーラＵＣＡパッケージから２つのＭＥＡの各々を除去することができる。たとえば、バイポーラＵＣＡアセンブリを加熱して、その場で形成された熱可塑性シール機構を軟化またはリフローすることができる。次に、フローフィールドプレート４１０、４１４、および４２０を分離して、２つのＭＥＡ４１２、４１６を露出することができる。次に、１つまたは複数の欠陥ＭＥＡを除去することができる。次に、フローフィールドプレート４１０、４１４、４２０を清掃し、再使用のために準備することができる。先に述べられたように、ＵＣＡ構成要素の容易な分解を促進するために、その場でのガスケットが形成されるべきであるフローフィールドプレートの表面に、剥離コーティングを塗布することができる。

ここで図８ａ〜８ｃを参照すると、本発明によるロッキングまたは係合能力を用いるＵＣＡアセンブリの実施形態が示されている。ＵＣＡ５００は、第１のフローフィールドプレート５０２と、第２のフローフィールドプレート５０４とを含む。第１のフローフィールドプレート５０２は、ＭＥＡを受けるような寸法にされた凹面５１２をさらに含む。第２のフローフィールドプレート５０４も、ＭＥＡを受けるような寸法にされた凹面５１４を含む。

第１のフローフィールドプレート５０２は、この特定の実施形態において第１のフローフィールドプレート５０２に一体的である冷却機構５１０を組入れる。冷却機構５１０は、たとえば、第１のフローフィールドプレート５０２の背面の上のもしくは背面を通る熱伝達媒体の輸送を促進する、冷却チャネル、フィン、または他の構造を含むことができる。

図８ａ〜８ｃに示されたＵＣＡ５００は、ＵＣＡのスタック５０１を構成するときＵＣＡの精密な整列および容易な組立てを促進するロッキングまたは係合機構５０６を組入れる。図８ａ〜８ｃに示された実施形態において、固定機構５０６は、第１のフローフィールドプレート５０２および第２のフローフィールドプレート５０４の対向する端部にそれぞれ設けられた機械的ロッキング構造５２０および５２４を含む。ロッキング構造５２４は、好ましくは第２のフローフィールドプレート５０４の周縁の近くに配置された、第２のフローフィールドプレート５０４の突出面を含む。ロッキング構造５２０は、また好ましくは第１のフローフィールドプレート５０２の周縁の近くに配置された、第１のフローフィールドプレート５０２の凹面を含む。

それぞれのロッキング構造５２０、５２４は、第１のフローフィールドプレート５０２と第２のフローフィールドプレート５０４との間、およびそれぞれのロッキング構造５２０、５２４を備えた組立てられたＵＣＡ５００と隣接したＵＣＡとの間の整列凹部嵌合に備える。ロッキング構造５２０、５０４が、適切な絶縁材料の使用によって互いに電気的に絶縁されることが理解される。

この機械的固定機構は、図８ｃに示されているように、ＵＣＡ５００のスタック５０１の容易な組立ておよび分解に備える。他の凹面および突出面構成を使用して、本発明のこの実施形態による機械的ロッキング能力を実現することができることが理解されるであろう。たとえば、第１のフローフィールドプレート５０２は、第２のフローフィールドプレート５０４上に設けられた突出面を受ける凹面を組入れることができる。

他の機械的固定機構を使用して、ＵＣＡの対向するフローフィールドプレートの機械的結合および切離しを可能にすることができる。フロープレートが設けられたそのような機構は、位置決めピン、フックおよびループ材料、微細構造化パターン、ねじ、ボルト、ともにパチンと嵌まる（ｓｎａｐ−ｔｏｇｅｔｈｅｒ）結合特徴、ならびに他のタイプの機械的ファスナの使用を含む。

ここで図９ａ〜９ｅを参照すると、本発明の実施形態による一体的冷却機構を組入れるＵＣＡアセンブリが示されている。この実施形態は、他の特徴の中で、位置合せおよび整列特徴、機械的ロッキング構造、ならびに一体的冷却機構を含む、いくつかの有利な特徴を含む。これらの特徴のいくつかまたはすべてを、本発明によるＵＣＡアセンブリに組入れることができる。

図９ａは、それらの間に位置するＭＥＡ（図示せず）ともに、ＵＣＡ６００を規定する２つのプレート６０２、６０４を示す。プレート６０２は、一体的冷却機構６３０を組入れる第１の表面６０６と、フローフィールドを含む第２の表面６０８とを含む。プレート６０２の第１の表面６０６は図９ｅに示されており、プレート６０２の第２の表面６０８は図９ｂに示されている。図９ａに示されたプレート６０４は、第１の表面６１０上にフローフィールド６５０を組入れ、第２の表面６１２上に滑らかな領域を有する。プレート６０４の第１の表面６１０は図９ｃに示されており、第２の表面６１２は図９ｄに示されている。

プレート６０２および６０４には、燃料電池スタックのＵＣＡを規定するプレート６０２、６０４の繰返し対の間のような凹部嵌合を促進するロッキング構造が設けられる。図９ａに最もよく示されているように、第１のプレート６０２および第２のプレート６０４は、プレート６０２の第２の表面６０８がプレート６０４の第１の表面６１０と嵌合係合するように、示された姿勢で互いに嵌合係合する。第１のプレート６０２および第２のプレート６０４の端縁に沿って設けられた凹面および突出面は、ＵＣＡ６００の主要な係合またはロッキング構造を規定する。一緒にされると、これらの表面は係合して、機械的に健全な凹部嵌合をもたらす。

２つのそのようなＵＣＡ６００が組立てられた後、２つのＵＣＡ６００は、第１のＵＣＡ６００のプレート６０２の第１の表面６０６と第２のＵＣＡ６００の第２のプレート６０４の第２の表面６１２との間の凹部嵌合に関して互いに機械的に結合される。このようにして、任意の数のＵＣＡ６００を組立てて、所与の燃料電池スタックを構成することができる。

位置合せ、整列、および噛合い能力を提供することに加えて、ＵＣＡプレート６０２および６０４のさまざまな凹面、滑らかな表面、および突出面は、ＵＣＡの冷却領域６２０、燃料マニホルド領域６２２、６２４、６２８、および６２６、ならびに周縁領域などの、ＵＣＡのさまざまな領域のシーリングを促進するように構成される。

図９ａおよび図９ｅに示されているようなプレート６０２の第１の表面６０６は、冷却剤分散フィールド６３０が冷却剤マニホルドポート６３４と冷却剤マニホルドポート６３２との間に設けられた冷却領域６２０を含む。燃料入口および出口ポート６９０、６８８、６８２、および６９２は、それぞれ、燃料マニホルド領域６２２、６２４、６２８、および６２６内に規定される。燃料マニホルド領域６２２、６２４、６２８、６２６、および冷却領域６２０は、プレートのベース表面６０６に対して隆起した表面である。これらの隆起した表面は、プレート６０４の第２の表面６１２上に設けられた対応する凹面および／または滑らかな表面によって受けられるように構成される。

特に、第１のＵＣＡ６００のプレート６０２の表面６０６上に設けられた隆起した冷却領域６２０は、第２のＵＣＡ６００のプレート６０４の第２の表面６１２上に設けられた滑らかな表面７００と係合しシールを確立するように構成される。第１のＵＣＡ６００のプレート６０２の第１の表面６０６上に設けられた隆起した燃料マニホルド領域６２２、６２４、６２８、および６２６は、第２の隣接したＵＣＡ６００のプレート６０４の第２の表面６１２上に設けられた燃料マニホルド領域６５２、６６２、６６０、および６５８に近接した滑らかな表面と係合しシールを確立するように構成される。燃料マニホルド領域６２２および６２６に設けられた燃料ポート６３５および６３７は、ＵＣＡ６００のフローフィールドを通るための燃料の通過を考慮する。

第１のプレート６０２の第２の表面６０８は、図９ｂに示されているように、フローフィールド６８０を含む。フローフィールド６８０は、燃料入口６８４と、燃料出口６８６とを含む。燃料入口６８４は、図９ｅに見ることができるように、プレート６０２の第１の表面６０６上に設けられた燃料ポート６３５に流体結合される。燃料出口６８６は、プレート６０２の第１の表面６０６上に設けられた燃料ポート６３７に流体結合される。

同様に、第２のプレート６０４の第１の表面６１０は、図９ｃに示されているように、フローフィールド６５０を含む。フローフィールド６５０は、燃料入口６５６と、燃料出口６５４とを含む。燃料入口６５６は、図９ｄに見ることができるように、プレート６０４の第２の表面６１２上に設けられた燃料ポート７０１に流体結合される。燃料出口６５４は、プレート６０４の第２の表面６１２上に設けられた燃料ポート７０３に流体結合される。

ＵＣＡ６００の構成の間、ＭＥＡが、第１のプレート６０２または第２のプレート６０４のフローフィールド６８０、６５０の一方の上に適切に位置決めされる。１つ以上のハードストップフレームも、プレート６０２または６０４上に位置決めすることができる。予め形成されたシールまたはその場で形成されたシール（たとえば、液化シリコーンまたは熱可塑性シール）を先に説明されたように提供することができる。

先に説明されたような、位置決めピン、フックおよびループ材料、微細構造化パターン、ねじ、ボルト、ともにパチンと嵌まる結合特徴、ならびに他のタイプの機械的ファスナなどのさまざまな他の機械的結合方法を代わりにまたはさらに用いてもよい。プレート６０２、６０４を、金属、炭素、または、たとえば導電性黒鉛もしくは炭素／ポリマー複合材料などの複合材料から機械加工または形成することができる。

構成後、ＵＣＡ６００は、燃料電池スタック組立ての間、他のそのようなＵＣＡ６００とともに配列することができる。他の実施形態のように、図９ａ〜９ｅに示されたＵＣＡ６００は、不十分に動作する場合、先に説明されたようにリサイクルすることができる。

図１０は、燃料がスタック内に入りスタックから出る態様の理解を促進する単純化された燃料電池スタックの図である。上で説明された構造を有するいくつかのＵＣＡが、図１０に一般に示されたタイプのスタックに使用されることが意図されること、ならびに図１０に示されたスタックの特定の構成要素および構成が、例示のためにのみ提供されることが理解される。当業者は、本出願において企図されるタイプの燃料電池スタックを、本発明の原理に従って構成されたＵＣＡを使用して組立てることができることを容易に理解するであろう。

図１０に示された燃料電池スタック８００は、第１のエンドプレート８０２と、第２のエンドプレート８０４とを含む。エンドプレート８０２、８０４の各々は、モノポーラフローフィールドプレートとして構成されるフローフィールドプレートを含む。いくつかのＭＥＡ８２０およびバイポーラフローフィールドプレート８３０が、第１のエンドプレート８０２と第２のエンドプレート８０４との間に位置する。これらのＭＥＡおよびフローフィールド構成要素は、好ましくは上で説明されたタイプのものであり、冷却機構もスタック８００に組入れることができることが理解される。

第１のエンドプレート８０２は、たとえば酸素を受入れることができる第１の燃料入口ポート８０６と、たとえば水素を排出することができる第２の燃料出口ポート８０８とを含む。第２のエンドプレート８０４は、たとえば酸素を排出することができる第１の燃料出口ポート８０９と、たとえば水素を受入れることができる第２の燃料入口ポート８１０とを含む。燃料は、エンドプレート８０２、８０４に設けられたさまざまなポート、ならびにスタック８００のＭＥＡ８２０およびフローフィールドプレート８２５（たとえば、ＵＣＡ）の各々の上に設けられたマニホルドポート８２５を介して、指定されたようにスタックを通る。

図１１は、本発明のＵＣＡを使用する１つ以上の燃料電池スタックを使用することができる燃料電池システムを示す。図１１に示された燃料電池システム９００は、ＵＣＡベースの燃料電池スタックが有用性を見出すことができる多くの可能なシステムの１つを示す。

燃料電池システム９００は、燃料処理装置９０４と、電力セクション９０６と、電力調整装置９０８とを含む。燃料改質装置を含む燃料処理装置９０４は、天然ガスなどの源燃料を受け、源燃料を処理して水素リッチ燃料を発生する。水素リッチ燃料は、電力セクション９０６に供給される。電力セクション９０６内で、水素リッチ燃料は、電力セクション９０６に収容された燃料電池スタックのＵＣＡのスタックに導入される。空気の供給も電力セクション９０６に提供され、これは、燃料電池のスタックのための酸素源を提供する。

電力セクション９０６の燃料電池スタックは、ＤＣ電力、使用可能な熱、およびきれいな水を発生する。再生システムにおいて、副産物熱の一部またはすべてを用いて蒸気を発生することができ、蒸気は、燃料処理装置９０４によって、そのさまざまな処理機能を行うために用いることができる。電力セクション９０６によって発生されたＤＣ電力は、電力調整装置９０８に送られ、これは、その後の使用のためＤＣ電力をＡＣ電力に変換する。ＡＣ電力変換が、ＤＣ出力電力を提供するシステムに含まれる必要はないことが理解される。

本発明のさまざまな実施形態の上記の説明は、例示および説明のために提示された。余すところがないこと、または本発明を開示された厳密な形式に限定することは、意図されていない。上記教示に鑑み、多くの修正および変更が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によって限定されないが、むしろ、特許請求の範囲によって限定されることが意図される。

燃料電池およびその構成層の図である。 本発明の実施形態による、モノポーラ構成を有するユニット化電池アセンブリを示す。 本発明の実施形態による、モノポーラ／バイポーラ構成を有するユニット化電池アセンブリを示す。 本発明の実施形態による、外部ハードストップ機構およびその場で形成されたシーリングガスケットを使用するユニット化電池アセンブリの断面図である。 本発明の実施形態による、内部ハードストップ機構およびその場で形成されたシーリングガスケットを使用するユニット化電池アセンブリの断面図である。 本発明の実施形態による、組込みハードストップ機構およびその場で形成されたシーリングガスケットを使用するユニット化電池アセンブリの断面図である。 本発明の実施形態による、組込みハードストップ機構およびその場で形成されたシーリングガスケットを使用するユニット化電池アセンブリの断面図である。 本発明の別の実施形態による、内部ハードストップ機構およびその場で形成されたシーリングガスケットを使用するユニット化電池アセンブリの概略断面図である。 本発明の別の実施形態による、内部ハードストップ機構およびその場で形成されたシーリングガスケットを使用するユニット化電池アセンブリの概略断面図である。 接合プロセス前のユニット化電池アセンブリの概略断面図であり、ユニット化電池アセンブリは、本発明の実施形態による内部ハードストップ機構およびその場で形成された熱可塑性シーリングガスケットを使用する。 接合プロセス後のユニット化電池アセンブリの概略断面図であり、ユニット化電池アセンブリは、本発明の実施形態による内部ハードストップ機構およびその場で形成された熱可塑性シーリングガスケットを使用する。 接合プロセス前のユニット化電池アセンブリの概略断面図であり、ユニット化電池アセンブリは、本発明の別の実施形態による内部ハードストップ機構およびその場で形成された熱可塑性シーリングガスケットを使用する。 接合プロセス後のユニット化電池アセンブリの概略断面図であり、ユニット化電池アセンブリは、本発明の別の実施形態による内部ハードストップ機構およびその場で形成された熱可塑性シーリングガスケットを使用する。 接合プロセス前のユニット化電池アセンブリの概略断面図であり、ユニット化電池アセンブリは、本発明のさらなる実施形態によって、その場で形成された熱可塑性シーリングガスケットを使用し、ハードストップ機構を除く。 接合プロセス後のユニット化電池アセンブリの概略断面図であり、ユニット化電池アセンブリは、本発明のさらなる実施形態によって、その場で形成された熱可塑性シーリングガスケットを使用し、ハードストップ機構を除く。 接合プロセス前のユニット化電池アセンブリの概略断面図であり、ユニット化電池アセンブリは、本発明の別の実施形態による内部ハードストップ機構およびその場で形成された熱可塑性シーリングガスケットを使用する。本発明の実施形態による、モノポーラユニット化電池アセンブリと、分離可能な冷却構造とを含むユニット化電池アセンブリシステムを示す。 接合プロセス後のユニット化電池アセンブリの概略断面図であり、ユニット化電池アセンブリは、本発明の別の実施形態による内部ハードストップ機構およびその場で形成された熱可塑性シーリングガスケットを使用する。本発明の実施形態による、モノポーラユニット化電池アセンブリと、分離可能な冷却構造とを含むユニット化電池アセンブリシステムを示す。 本発明の実施形態による、モノポーラユニット化電池アセンブリと、分離可能な冷却構造とを含むユニット化電池アセンブリシステムを示す。 本発明の別の実施形態による、モノポーラ／バイポーラユニット化電池アセンブリと、分離可能な冷却構造とを含むユニット化電池アセンブリシステムを示す。 本発明の実施形態による、圧縮システム内に配置されたユニット化電池アセンブリのスタックを示す。 本発明の実施形態による、圧縮システム内に配置されたユニット化電池アセンブリのスタックを示す。 本発明の実施形態による、ロッキングまたは係合能力を用いるユニット化電池アセンブリの断面図を示す。 本発明の実施形態による、ロッキングまたは係合能力を用いるユニット化電池アセンブリの断面図を示す。 本発明の実施形態による、ロッキングまたは係合能力を用いるユニット化電池アセンブリの断面図を示す。 本発明の実施形態による、一体的冷却機構を組入れるユニット化電池アセンブリを示す。 本発明の実施形態による、一体的冷却機構を組入れるユニット化電池アセンブリを示す。 本発明の実施形態による、一体的冷却機構を組入れるユニット化電池アセンブリを示す。 本発明の実施形態による、一体的冷却機構を組入れるユニット化電池アセンブリを示す。 本発明の実施形態による、一体的冷却機構を組入れるユニット化電池アセンブリを示す。 燃料が燃料電池のスタック内に入りスタックから出る態様の理解を促進する単純化された燃料電池スタックの例示的な図であり、燃料電池は、好ましくは、本発明の原理に従ってユニット化電池アセンブリとして構成される。 本発明のユニット化電池アセンブリを使用する１つ以上の燃料電池スタックを使用することができる燃料電池システムを示す。

Claims (52)

1. 単体燃料電池アセンブリであって、
   第１フローフィールドプレート、
   第２フローフィールドプレート、および
   該第１フローフィールドプレートと該第２フローフィールドプレートとの間に設けられた膜電極組立体（ＭＥＡ）を備える単体燃料電池アセンブリと、
   前記単体燃料電池アセンブリに対して分離可能な冷却構造と、
   前記単体燃料電池アセンブリおよび冷却構造の一方または両方に設けられた保持機構であって、前記単体燃料電池アセンブリと冷却構造との間の嵌合係合および前記単体燃料電池アセンブリの所定姿勢での保持を促進するように構成された保持機構と、
   を具備するスタック可能な単体燃料電池システム。
2. 前記保持機構が、前記単体燃料電池アセンブリを受容するように構成された前記冷却構造の凹部を備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記保持機構が、前記冷却構造を受容するように構成された前記単体燃料電池アセンブリの凹部を備える、請求項１に記載のシステム。
4. 冷却構造が熱伝導性複合材料を含む、請求項１に記載のシステム。
5. 冷却構造が金属材料を含む、請求項１に記載のシステム。
6. 冷却構造が複数の冷却フィンを有する、請求項１に記載のシステム。
7. 冷却構造が１つ以上の冷却チャネルを有する、請求項１に記載のシステム。
8. 前記冷却構造が気体熱伝達媒体を収容する、請求項１に記載のシステム。
9. 前記冷却構造が液体熱伝達媒体を収容する、請求項１に記載のシステム。
10. 前記第２フローフィールドプレートがバイポーラフローフィールドプレートを形成し、前記単体燃料電池アセンブリが、第３フローフィールドプレートと、前記第２フローフィールドプレートと該第３フローフィールドプレートとの間に設けられた第２ＭＥＡとをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
11. 前記単体燃料電池アセンブリが、第１表面と第２表面とを有し、前記システムが、前記単体燃料電池アセンブリに対して分離可能な第２冷却構造をさらに具備する、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記単体燃料電池アセンブリが、第１表面と第２表面とを有し、
    前記システムが、前記単体燃料電池アセンブリに対して分離可能な第２冷却構造をさらに具備し、
    前記保持機構が、前記冷却構造と前記単体燃料電池アセンブリの前記第１表面との間、および前記第２冷却構造と前記単体燃料電池アセンブリの前記第２表面との間の嵌合係合を促進するように構成される、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記保持機構が、
    単体燃料電池アセンブリの前記第１表面を受容するように構成された前記冷却構造の第１凹部と、
    単体燃料電池アセンブリの前記第２表面を受容するように構成された前記第２冷却構造の第２凹部とを備える、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記保持機構が、
    前記冷却構造の突出面を受容するように構成された前記単体燃料電池アセンブリの前記第１表面の第１凹部と、
    前記第２冷却構造の突出面を受容するように構成された前記単体燃料電池アセンブリの前記第２表面の第２凹部とを備える、請求項１２に記載のシステム。
15. 前記保持機構が、
    単体燃料電池アセンブリの前記第１表面を受容するように構成された前記冷却構造の第１凹部と、
    前記第２冷却構造の突出面を受容するように構成された前記単体燃料電池アセンブリの前記第２表面の第２凹部とを備える、請求項１２に記載のシステム。
16. 複数の前記単体燃料電池システムが、該単体燃料電池システムの相互接続スタックに配置されて、燃料電池スタックアセンブリを形成する、請求項１に記載のシステム。
17. １つ以上の前記燃料電池スタックアセンブリが、燃料電池システムに組入れられる、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記燃料電池スタックアセンブリが、前記スタックの最初の単体燃料電池システムに隣接した第１エンドプレートと、前記スタックの最後の単体燃料電池システムに隣接した第２エンドプレートとを有する圧縮機構を備え、該圧縮機構が前記スタックに圧縮力を加える、請求項１６に記載のシステム。
19. 前記圧縮機構が、前記スタックから選択された単体燃料電池アセンブリの挿入および除去を促進する少なくとも１つの除去可能な圧縮要素を備える、請求項１８に記載のシステム。
20. 単体燃料電池アセンブリであって、
    第１フローフィールドプレート、
    第２フローフィールドプレート、および
    該第１フローフィールドプレートと該第２フローフィールドプレートとの間に設けられた膜電極組立体（ＭＥＡ）を備える単体燃料電池アセンブリと、
    前記単体燃料電池アセンブリに対して分離可能な冷却構造と、
    前記単体燃料電池アセンブリおよび冷却構造の一方または両方に設けられた保持機構であって、前記単体燃料電池アセンブリと冷却構造との間の嵌合係合および前記単体燃料電池アセンブリの所定姿勢での保持を促進するように構成された保持機構と、
    隣接する１つの単体燃料電池システムに嵌合係合することにより、該単体燃料電池システムに対し、位置合せおよび整列を遂行するように構成された固定機構と、
    を具備するスタック可能な単体燃料電池システム。
21. 前記固定機構は、隣接する１つの前記単体燃料電池システムの固定機構に嵌合係合することにより、該単体燃料電池システムに対し位置合せを遂行するように構成される、請求項２０に記載のシステム。
22. 前記単体燃料電池アセンブリが、第１表面と第２表面とを有し、
    前記保持機構が、前記単体燃料電池アセンブリの前記第１表面を受容するように構成された前記冷却構造の凹部を備え、
    前記固定機構が、前記冷却構造の前記凹部から外方に突出する前記単体燃料電池アセンブリの前記第２表面のすべてまたは一部を含む、請求項２０に記載のシステム。
23. 前記単体燃料電池アセンブリの前記第２表面の外方に突出する部分が、前記隣接する単体燃料電池システムの凹面によって受容されるように構成される、請求項２２に記載のシステム。
24. 前記隣接する単体燃料電池システムの前記凹面が、該隣接する単体燃料電池システムの冷却構造の凹面を具備する、請求項２３に記載のシステム。
25. 前記単体燃料電池アセンブリが、第１表面と第２表面とを有し、
    前記保持機構が、前記単体燃料電池アセンブリの前記第１表面の凹部によって受容されるように構成された前記冷却構造の第１突出面を備え、
    前記固定機構が、前記冷却構造の第２突出面を備える、請求項２０に記載のシステム。
26. 前記冷却構造の前記第２突出面が、前記隣接する単体燃料電池システムの単体燃料電池アセンブリの凹面によって受容されるように構成される、請求項２５に記載のシステム。
27. 複数の前記単体燃料電池アセンブリの固定機構が、嵌合係合されて、前記単体燃料電池アセンブリのスタックを形成する、請求項２０に記載のシステム。
28. 前記単体燃料電池アセンブリの前記スタックが、該スタックにおける最初の単体燃料電池アセンブリに隣接した第１エンドプレートと、該スタックにおける最後の単体燃料電池アセンブリに隣接した第２エンドプレートとを有する圧縮機構をさらに備え、該圧縮機構が前記スタックに圧縮力を加える、請求項２７に記載のシステム。
29. 前記圧縮機構が、前記スタックから選択された単体燃料電池アセンブリの挿入および除去を促進する少なくとも１つの除去可能な圧縮要素を備える、請求項２８に記載のシステム。
30. １つ以上の前記燃料電池スタックが、燃料電池システムに組入れられる、請求項２７に記載のシステム。
31. 第１表面、第２表面および第１係合機構を有する第１プレートであって、該第１プレートの該第１表面が第１フローフィールドを備え、該第１プレートの該第２表面が一体的冷却機構を備える、第１プレートと、
    第１表面、第２表面および第２係合機構を有する第２プレートであって、該第２プレートの該第１表面が第２フローフィールドを備える、第２プレートと、
    前記第１フローフィールドと前記第２フローフィールドとの間に設けられた膜電極組立体（ＭＥＡ）であって、第１および第２流体輸送層（ＦＴＬ）、並びにアノード触媒層とカソード触媒層との間に設けられた膜を含む膜電極組立体（ＭＥＡ）と、を具備し、
    前記第１係合機構が前記第２係合機構に嵌合係合するときに、前記第１フローフィールドが前記第２フローフィールドに対し位置合せを遂行する、
    スタック可能な単体燃料電池アセンブリ。
32. 前記第２係合機構が、前記第２プレートの前記第１表面に設けられた凹部を備え、前記第１係合機構が、前記第１プレートの前記第１表面に設けられた隆起部を備え、該第１係合機構と該第２係合機構とが相互に嵌合係合するときに、該第２プレートの該凹部が該第２のプレートの該隆起部を受容する、請求項３１に記載のアセンブリ。
33. 前記第２係合機構が、前記第２プレートの前記第１表面に設けられた隆起部を備え、前記第１係合機構が、前記第１プレートの前記第１表面に設けられた凹部を備え、該第１係合機構と該第２係合機構とが相互に嵌合係合するときに、該第２プレートの該隆起部が該第２プレートの該凹部を受容する、請求項３１に記載のアセンブリ。
34. 前記第１および第２係合機構が、前記第１および第２プレートのそれぞれの前記第１表面に設けられた１つ以上の微細構造パターンを有する、請求項３１に記載のアセンブリ。
35. 前記第１および第２係合機構が、前記第１および第２プレートのそれぞれの前記第１表面に設けられた１つ以上の解除可能なファスナを有する、請求項３１に記載のアセンブリ。
36. 前記第１係合機構が、隣接する１つの前記単体燃料電池アセンブリの前記第２係合機構に嵌合係合するように構成される、請求項３１に記載のアセンブリ。
37. 前記第１プレートの前記冷却機構が、前記隣接する単体燃料電池アセンブリに冷却をもたらす、請求項３６に記載のアセンブリ。
38. 前記第２係合機構が、前記隣接する単体燃料電池アセンブリの前記第１係合機構に嵌合係合するように構成される、請求項３６に記載のアセンブリ。
39. 前記第１および第２係合機構が、隣接する前記単体燃料電池アセンブリのそれぞれの前記第２表面に係合するための、前記第１および第２プレートのそれぞれの前記第２表面に設けられた１つ以上の微細構造パターンを有する、請求項３１に記載のアセンブリ。
40. 前記第１および第２係合機構が、隣接する前記単体燃料電池アセンブリのそれぞれの前記第２表面に係合するための、前記第１および第２プレートのそれぞれの前記第２表面に設けられた１つ以上の解除可能なファスナを有する、請求項３１に記載のアセンブリ。
41. 前記第１係合機構が、第１の隣接する前記単体燃料電池アセンブリの前記第２係合機構に嵌合係合するように構成され、前記第２係合機構が、第２の隣接する前記単体燃料電池アセンブリの前記第１係合機構に嵌合係合するように構成され、前記第１プレートの前記冷却機構が、該第１の隣接する単体燃料電池アセンブリに冷却をもたらす、請求項３１に記載のアセンブリ。
42. 前記冷却機構が冷却チャネルを有する、請求項３１に記載のアセンブリ。
43. 前記冷却チャネルが、前記第１プレートの周縁の内側に設けられる、請求項４２に記載のアセンブリ。
44. 前記冷却機構が、前記冷却チャネルにそれぞれ流体結合された入口ポートおよび出口ポートをさらに有し、熱伝達媒体が、該入口ポートおよび該出口ポートを介して前記冷却チャネルを通る、請求項４２に記載のアセンブリ。
45. 前記冷却機構が複数の冷却剤分散チャネルを有する、請求項３１に記載のアセンブリ。
46. 前記第１係合機構が、隣接する１つの前記単体燃料電池アセンブリの前記第２係合機構に嵌合係合するときに、該隣接する単体燃料電池アセンブリの前記第２フローフィールドから、前記冷却機構の冷却流体を隔離するシール機構をさらに具備する、請求項３１に記載のアセンブリ。
47. 前記冷却機構が気体熱伝達媒体を収容する、請求項３１に記載のアセンブリ。
48. 前記冷却機構が液体熱伝達媒体を収容する、請求項３１に記載のアセンブリ。
49. 複数の前記単体燃料電池アセンブリの前記第１および第２係合機構が、嵌合係合されて、前記単体燃料電池アセンブリのスタックを形成する、請求項３１に記載のアセンブリ。
50. 前記単体燃料電池アセンブリのスタックが、該スタックにおける最初の単体燃料電池アセンブリに隣接した第１エンドプレートと、該スタックにおける最後の単体燃料電池アセンブリに隣接した第２エンドプレートとを有する圧縮機構をさらに備え、該圧縮機構が該スタックに圧縮力を加える、請求項４９に記載のアセンブリ。
51. 前記圧縮機構が、前記スタックから選択された単体燃料電池アセンブリの挿入および除去を促進する少なくとも１つの除去可能な圧縮要素を備える、請求項５０に記載のアセンブリ。
52. １つ以上の前記燃料電池スタックが、燃料電池システムに組入れられる、請求項４９に記載のアセンブリ。

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