JP2015502015A - 平面燃料電池のための周囲カップリングおよび関連する方法 - Google Patents

Abstract

この発明は、燃料電池層を第２構造体に結合させる方法および物品に関する。燃料電池層は、上位燃料電池表面、下位燃料電池表面、および周囲燃料電池表面を含む。接着性構造体が、上位、下位、および、周囲燃料電池表面と接着させられて燃料電池層および第２構造体の間にカップリングまたはシールを形成する。【代表図】図１

Description

発明の優先権

この出願は、２０１１年１１月１８日に出願した米国仮特許出願連続番号第６１／５６１，６２９号の優先権を主張し、これは参照してここに組み入れる。

この発明の内容は平面燃料電池のための周囲カップリングおよび関連する方法に関する。

携帯電子機器は代を重ねるにつれて性能が向上し、それでいて小型化している。電子部品は、寸法上、小さく設計され、高機能で複雑な技術が組み込まれているので、関連する電源上の要請も常に増大する。例えば、電源はより小さな体積しか占めず、より小さな設置面積しか占めないようにし、もって、装置全体で付加的な技術を収容し、または全体の寸法を小さくする必要があるであろう。さらに、付加的な技術に対応するには、電源が長時間に渡り継続し、または、安定した電子部品性能のために均一なレートで電力を供給する必要がある。

電源の一例は、燃料電池システムである。燃料電池システムは、１または複数の燃料電池層を含み、各層が、１または複数のアノードおよびカソードを含み、アノードおよびカソードの間に電解質膜を設けている。小さな層状の燃料電池システムは、小さなスペース要件を満たしながら、堅固でなくてはならない。

現代的な携帯電子機器の小さなスペース要件を満たしながら、堅固である、小さな層状燃料電池システムに対する要請がある。

いくつかの実施例において、この発明は、燃料電池層、第２構造体、および、燃料電池層を第２構造体に接着させる接着性シール層を有する燃料電池システムを含む。燃料電池層は上位燃料電池表面、下位燃料電池表面、および周囲燃料電池表面を含んで良い。第２構造体は、下位燃料電池表面の下位に位置決めされて良い。接着性シール層は、上位燃料電池表面ボンディング領域、下位燃料電池表面ボンディング領域、周囲燃料電池表面ボンディング領域、および、第２構造体表面ボンディング領域に接着して良い。

いくつかの実施例において、この発明は、当該発明の燃料電池システムの１つを利用して電気を生成する方法を含む。この方法は、１または複数の燃料電池システムを設け、平面燃料電池層および第２構造体によって形成される包囲体を流体燃料で加圧し、流体燃料を燃料電池層に接触させて電力を発生させることを含む。

さらなる実施例において、この発明は、燃料電池システムを製造する方法を含む。この方法は、燃料電池層と、燃料電池層の下位表面の下方に位置決めされる第２構造体とを設けることを含む。第２構造体の上にカップリング材料の少なくとも一部を被着してカップリング層を形成する。カップリング層は上位燃料電池表面、下位燃料電池表面、周囲燃料電池表面、および第２構造体表面に接触して接着する。

図面は、尺度を必ずしも描くものではないが、これらの図面において、いくつかの図を通じて同様の番号は実質的に類似の要素を記述する。異なるサフィックス文字を伴う同様の番号は類似の要素の異なる例を表す。図面は、この文書において検討される種々の実施例を図説するけれども、それは、全般的には一例としてものであり、限定を目的とするものではない。

燃料電池システムの分解図である。 燃料電池システムの断面図である。 慣用的な接着カップリング層を含むシステムの一部の断面図である。 主側面の双方において燃料電池層の端部をカプセル化するカップリング層を含むシステムの一部の断面図である。 圧縮された状態の燃料電池システムを含むシステムの一部の断面図である。 ここで説明するこの発明のカップリング部材を具備する燃料電池層の種々の配列のうちの１つの断面図である。 ここで説明するこの発明のカップリング部材を具備する燃料電池層の種々の配列のうちの１つの断面図である。 ここで説明するこの発明のカップリング部材を具備する燃料電池層の種々の配列のうちの１つの断面図である。 周囲シールを形成する方法を順次的に示す図である。 周囲シールを形成する方法を順次的に示す図である。 周囲シールを具備する燃料電池システムを製造する方法を順次的に示す図である。 周囲シールを具備する燃料電池システムを製造する方法を順次的に示す図である。 プレフォームカップリング部材の部分を用いて周囲シールを形成する方法を順次的に示す図である。 プレフォームカップリング部材の部分を用いて周囲シールを形成する方法を順次的に示す図である。

以下の説明において、具体的な詳細はこの発明の理解をより確実にするために提示される。しかしながら、この発明はこのような詳細を伴うことなく実施できる。他の例においては、この発明が不必要に不明瞭にならないようにするために周知の事柄は示されないし、説明されない。図は、理解を助けるために、この発明が実施できる具体的な実施例を示す。この発明の趣旨を逸脱することなく、これら実施例は組み合わされて良く、他の要素または構造上、または論理状の修正を行って良い。したがって、明細書および図面は説明のためのものであり、制約的でないものとして理解されなくてはならない。

この文書において参照されている文献、特許、および特許文書は、個々に参照してここに組み入れているけれども、ここで、すべて参照して組み入れることとする。当該文書とそれら文書との間で一貫性のない用例がある場合には、それら組み入れられた文書中の用例は当該文書の用例を補充するものと理解すべきであり、調整ができない場合には当該文書の用例が採用される。

当該文書においては、用語「１」が用いられる場合には、特許文献で通常のように、１または１より大きな場合を含み、これは任意の他の事例、または「少なくとも１つ」や「１または複数」の用例とは別である。当該文書においては、用語「または」は、そうでないと示される場合を除いて、非排他的なものを指すものとして用いられ、例えば、「Ａ、Ｂ、またはＣ」は「Ａ」のみ、「Ｂ」のみ、「Ｃ」のみ、「ＡおよびＢ」、「ＢおよびＣ」、「ＡおよびＣ」、および「Ａ、ＢおよびＣ」を含む。当該文書において、用語「上」（ａｂｏｖｅ）および「下」（ｂｅｌｏｗ）は、複合材（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）の中心との関係で２つの異なる方向を記述するのに採用され、用語「より上」（ｕｐｐｅｒ）および「より下」（ｌｏｗｅｒ）は複合材の異なる２つの面を記述するのに採用される。しかしながら、これらの用語は、単に記述を容易にするために用いられ、説明される実施例の燃料電池層の配位を固定するものとして理解されない。添付の側面およびいずれの請求項においても、用語「第１」、「第２」、および「第３」等は単にラベルとして採用され、それらの対象の数的な要求を課すものでないことに留意されたい。この文書において明示的に開示されたいかなる数値範囲は、その明示的に開示された数値範囲の任意の部分範囲を、その部分範囲が明示的に開示されたのと同様に、含むことに留意されたい。例えば、開示された１〜１００の範囲は、１〜８０の範囲、２〜７６の範囲、または１〜１００の間に入る任意の他の数値範囲を含むと理解される。

携帯電子機器（例えば、移動体電話、ラップトップコンピュータ、コンピュータアクセサリ、ディスプレイ、パーソナルオーディオまたはビデオプレーヤ、医療機器、テレビ、トランスミッタ、レシーバ、野外照明および懐中電灯、電子おもちゃ、電動工具、またはバッテリとともに慣用的に用いられる機器）はサイズが小さくなり、他方、性能要求も増大している。そのため、燃料電池システムは、電気機器の全体の体積中わずかなスペースしか占めないことが必要になる。コンパクトな電源が必要なので、燃料電池が高仕様電力（すなっわち電力密度が大きい）を有して所要の電力を最も小さな実現可能な体積で実現し、また燃料に利用できる体積を最大化することが必要になる。

好ましくは、燃料電池は、できるだけ小さくするとともに、携帯電力用途における良好な動作に繋がる全体形状も有する。最も良好な形状は、平坦に成りがちであり、もって、燃料電池により給電される全体のシステムのフォーマットに対する要請を伴うことなしに、電力源として組み込めるようにする。大きな電力出力を伴う燃料電池は、平面フォーマットに構成されるので、燃料電池の全体の表面面積は増大し、これは、燃料電池に接触する流体の量が増大するので、内部に発生する力を増大させる傾向がある。これらの力は平面燃料電池の種々の部分、例えば、平面燃料電池を一緒に保持する周囲シールに応力を加える。

燃料電池システムの体積要件を減少させる燃料電池システムおよび方法が、本出願人の出願に係る、２００８年９月２５日に提出の、「省スペース流体プレナムを含む燃料電池システムおよび関連方法」という題名の米国特許出願公開第２００９／００８１４９３号に説明されており、その内容は参照してここに組み入れる。

携帯用途に使用される燃料電池は、空気呼吸カソードを具備し、これは周囲環境に、直接に、または何らかの低圧力降下ダクトを介して、露出される。燃料を電池中に押し込み、高電力動作での燃料消費を維持するために、燃料（これは基体でも液体でも良い）は、外部環境に対していくらかの正の圧力を維持して良い。したがって、層状燃料電池構造は、少なくとも部分的に層構造によって形成されるプレナムを含み、こらは、シールされてシステムから燃料がもれないようにする。

慣用的な面シールを用いて燃料電池システムの周囲をシールすることが可能であるけれども、いくらかの力をシールに加えて活性化させる必要がある（すなわち、システムは外からクランプされて漏れを防ぐ必要がある）。代替的には、なんらかの自己保持燃料電池層が、試されて、接着シール部材を用いて非クランプ型のシールを形成する。そのような部材は、燃料プレナムが圧力を受けるときに、引き離し負荷にさらされる。クランプなしのシールでそのような負荷に耐えるのは、挑戦的であり、とくに、燃料電池層が複数の材料の複合材から製造されるときには、そうであり、なぜならば、接着材料は種々の材料に同一の結合力では接着しないからである。例えば、ペルフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）タイプの膜は、プロトン伝導性のために使用されて良く、接着剤を用いて二次構造にシールするのは挑戦的である。

燃料電池において部品の個数を削減し、もって、システム全体のサイズを小さくすることが望まれる。例えば、改善された周囲シールを用いて、外部クランプまたはシール手段を除去または削減できる。

この発明は、平面燃料電池が大きなサイズで製造でき、または大きな圧力に耐えるようにできる改善された周囲カップリングを提供する。この発明は、いずれの外部支持部または固定部を必要とすることなしに印加力に耐えることができる自己支持周囲カップリングを有する燃料電池システムを含む。カップリングはシーリング部材およびボンディング部材として動作する

［定義］
ここで使用されるように、「接着材料」、「接着シール」または「ボンディング材料」は接触領域において働く分子力によって１または複数の要素を統合する物質を指す。接着材料は、ポリウレタン、ウレタン、エポキシ、ポリアミド、ポリエステル、圧力感応接着剤、アクリル、シアノアクリレート、またはこれらの組み合わせを含んで良い。

ここで使用されるように、「カップリング」は、２つの物体のボンディングおよびシーリングを助長する黙時的または明示的な部品である。例えば、黙時的なカップリング部材は、２つの物体を結合する、気密接着剤、または溶接を含んで良い。明示的なカップリング部材は、例えば、機械ファスナを含んで良い。カップリングは接着材料を含んで良い。

ここで使用されるように、「柔軟性電気化学層」は、全体的に、または部分的に柔軟性がある電気化学層を指し、例えば、１または複数の堅固な部品を１または複数の柔軟性部品と一体にするように抱え込む化学電気層を指す。「柔軟性燃料電池層」は１または複数の燃料電池を層中に組み込んだ層を指す。

ここで使用されるように、「柔軟性二次元（２−Ｄ）燃料電池アレイ」は、１つの次元で薄く、多くの燃料電池を支持する柔軟性シートを指す。柔軟性二次元燃料電池アレイは、柔軟性燃料電池層の１例であって良い。燃料電池はシートの１つのフェースまたは主フェースからアクセス可能な１タイプの活性領域（例えばカソード）と、シートの反対側のフェースまたは主フェースからアクセス可能な他のタイプの活性領域（例えばアノード）とを具備する。アクティブ領域は、シートのそれぞれのフェース上に領域内に横たわるように配置されて良い（例えば、シート全体が活性領域で覆われることが必須ではないが、燃料電池の性能は活性領域が増大すれば増大させることができる）。２−Ｄ燃料電池アレイの形状は平坦でも曲がっていても良い。

ここで使用されるように、「平面燃料電池層」は、１つの次元において薄い燃料電池層を指す。平面燃料電池層は、１つのユニット燃料電池または複数のユニット燃料電池を含んで良い。平面燃料電池は柔軟であっても堅固であっても良く、また、平坦であっても曲がっていても良い。

ここで使用されるように、「自己支持」は、基体に結合されているなら、または、そのようなときに、それらが機能するために何ら外部固定部を必要としない部品を指す。

ここで使用されるように、「基体」は、包囲された空間を形成するのに充分な、電気化学電池層に結合された部品を指す。基体は、数あるなかでも、流体マニホールド、燃料電池構造部材、流体制御部品、流体貯蔵部、電子機器の一部、または、これらの組み合わせを含んで良い。流体制御部品は例えば安定化装置のアレイのような圧力安定化素子を含んで良い。

いくつかの実施例において、この発明は、平面燃料電池層および第２構造体の間に周囲シールまたはカップリングを含む。周囲シールまたはカップリングは燃料電池層を第２構造体に結合させ、電池層の上位および下位表面に接着して良い。この発明のカップリング部材は、平面燃料電池層の全体を第２構造体に結合させて良く、または、平面燃料電池層の周囲の所定の部分を結合させて良い（例えば、四辺形平面燃料電池層の１、２、または３つの側面）。いくつかの実施例において、平面燃料電池層は、１、２、または３つの側面で第２構造体に結合されて良く、他方、燃料電池層の残りの側面は慣用的なカップリング手段（例えば慣用的な面シール、または外部クランプ手段）を用いて第２構造体に結合される。

図１は、燃料電池システム１００の分解図を示す。システム１００は、流体貯蔵部１０２、オプションの流体圧力安定化組立体１０４、マニホールドシーリング層１０６、マニホールド管層１０８、カップリング部材１１０燃料電池層１１２、および、外部支持構造１１４を含む。オプションの流体圧力安定化組立体１０４は圧力安定化器または流体制限器１２６を含む。

流体貯蔵部１０２は、燃料電池システム１００の燃料、または、他の反応流体を提供し、充填ポート１１６を介して充填または再供給できる。流体貯蔵部１０２は、セルラー燃料タンクを有して良く、これは、例えば、本出願人の２００７年１月９日の出願に係る、「セルラー貯蔵部および関連する方法」という名称の米国特許出願第１１／６２１，５０１号である、米国特許出願公開第２００７／０１７８３３５号に説明されているもの、または、２００９年７月２１日に発行された、本出願人の出願に係る「流体筐体および関連する方法」という名称の米国特許第７，５６３，３０５号（Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎ等）に説明されている他の燃料用筐体のようなものであって良い。これら２つの文献の内容は参照してここに組み入れる。

流体マニホールドは、流体圧力安定化組立体１０４、マニホールドシーリング層１０６、およびマニホールド管層１０８を含んで良く、流体貯蔵部１０２から燃料電池層１１２への燃料の分配、安定化、および搬送を実現する。流体圧力安定化組立体１０４は、主たる（より高い）流体圧力をより一定の二次的な（より低い）流体圧力に減少させて燃料電池層１１２に供給することにより、流体貯蔵部１０２から出てくる燃料圧力を調整できる。

流体マニホールドの種々の部品は、材料方向付けリセス１２０を介して燃料電池層１１２と流体連通している。流体マニホールドの材料方向付けリセス１２０は燃料の流れを流体分配組立体１０４から燃料電池層１１２に隣接する領域へと方向付け、これは、マニホールド管層１０８に１または複数の溝を生成して形成される。システム１００の流体マニホールドは、層構造であり、これによって、マニホールドが、必要のない体積や不必要に大きな設置面積をとることがない寸法になっており、それでいて、燃料電池システム１００の圧力、体積、または温度の要件が満たされている。図１は、流体マニホールドの１つの実施例を示すけれども、この発明は流体マニホールドの他の形態を含んで良く、これは、例えば、本出願人の出願に係る、「流体マニホールドおよびその方法」という名称で、２００８年３月２１日に、米国特許第１２／０５３，３６６号として提出された米国特許出願公開第２００８／０２１１４５８号に説明されているようなものである。その内容は参照してここに組み入れる。

燃料電池層１１２は、燃料電池層（すなわち、少なくとも１つのアノードおよびカソードを有する）を含み、その間に電解質を介挿させている。システム１００に採用される燃料電池層１１２は、本出願人の出願に係る、「電気化学反応層の下の電流搬送構造を具備する電気化学電池」という名称で、２００５年２月２日に、米国特許第１１／０４７５６０号として提出された米国特許出願公開第２００５／０２５０００４号に説明されるような平面燃料電池であって良く、その内容は参照してここに組み入れる。

図２は、周囲カップリング部材１１０を介して流体マニホールド１２２に結合された燃料電池層１１２を含む、システム１００の部分の断面を示す。明確にするために、マニホールド１２２の置換部品または層は図２において示されていない。包囲領域１２４は、流体プレナムであり、燃料電池層１１２、カップリング部材１１０、および流体マニホールド１２２によって形成される。使用中、包囲領域１２４の体積は、流体１２８の流れ込みによって大きくなっていき、これが燃料電池層１１２の内部の圧力を外の圧力に較べて大きくする。流れ込んでくる流体１２８は、柔軟な燃料電池層１１２に力を加えて、これを流体マニホールド１２２から方向１３０に向かって曲げる。周囲カップリング部材１１０は流体マニホールド１２２および燃料電池層１１２の間の気密シールを維持する。いくつかの実施例において、付加的なカップリングを燃料電池層およびマニホールドの間に設けて周囲カップリングにかかる応力を削減して良い。しかしながら、そのような付加的なカップリングがあっても、周囲カップリングは、システムが加圧されるときや燃料電池層がマニホールドから遠ざかるように曲がるときに形成される負荷にさらされる。

図３は、システム３００の一部の断面を示す。システム３００は、平面燃料電池層３０２と、マニホールド３０４の形態の第２構造体を含み、両者は、慣用的に、接着性カップリング層３０６で結合されている。接着性カップリング層３０６は層３０２およびマニホールド３０４の間に横たわる。接着性カップリング層３０６は、燃料電池層３０２の下位側面の周囲の部分に接触してボンディングされて下位燃料電池表面ボンディング領域３０８を形成する。接着性カップリング層３０６は、流体マニホールド３０４の上位側面の周囲の部分にも接触してボンディングされて第２構造体表面ボンディング領域３１０を形成する。ボンディング領域３１０は長さ３１２を伴う。

ボンディング領域３０８は、長さ３１４を伴うけれども、システム３００の加圧中に、燃料電池層３０２がマニホールド３０２から離れるように変形して接着性カップリング層３０６の上位表面に引っ張りおよび引き剥がし負荷３１８を加える。負荷３１８が充分に大きいと、これによって、燃料電池層３０２の下位表面の部分が、接着性カップリング層３０６から引き剥がされ、積層解除され、もって、接着性カップリング層３０６の上側表面３１６を燃料電池層３０２の下位表面から分離して、下位燃料電池表面ボンディング領域３０８の寸法を減少させる。このため、接着性カップリング層３０６により形成される慣用的なボンディングの強度は、長さ３１０に沿って負荷３１８に抵抗するカップリング層３０６の能力によって決定される。ボンディングに支障が生じると、流体漏れの経路長は、下位燃料電池表面ボンディング領域３０８の長さ３１４であり、これは任意の引き剥がし、または積層解除の前の長さ３１２とほぼ等しい。

この発明では、周囲カップリングが燃料電池層と、流体マニホールドのような第２構造体との間に形成されて良い。カップリングは組立体の周囲全体の回りを伸びても良いし、または間欠的に配置されても良い。いくつかの実施例において、周囲カップリングは、この発明のカップリングを、燃料電池システムの２つの端部に沿って含み、他方、なんらかの他の方法が燃料電池システムの他の２つの端部を結合するために利用される（例えば、慣用的なカップリング、すなわち、外部カップリングがシステムの他の２つの端部をシールするのに採用されて良い）。

図４は、燃料電池システム４００の一部を減圧状態で含むこの発明の１実施例を示す。システム４００は、燃料電池層４０２、カップリング層４０４、および第２構造体４０６を含む。第２構造体４０６は流体マニホールドであって良い。

カップリング層４０４は、燃料電池層４０２の上位表面の部分に接触して接着し、長さ４１６の上位燃料電池表面ボンディング領域４０８を形成する。カップリング層４０４は、また、燃料電池層４０３の下位表面の部分に接触して接着し、長さ４１８の下位燃料電池表面ボンディング領域４１０を形成する。カップリング層４０４は、また、燃料電池層４０２の周囲の後の、または、垂直表面に接触して接着し、長さ４２０の周囲燃料電池表面ボンディング領域４１２を形成する（これは燃料電池層４０２の厚さとほぼ等しい）。カップリング層４０４は、また、第２構造体４０６の上位表面に接触して接着し、第２構造体表面ボンディング領域４２４を形成する。このようにして、カップリング層４０４は燃料電池層の端部を主側面の双方でカプセル化する。

図４において、ボンディング領域４０８の長さ４１６は、ボンディング領域４１０の長さ４１８より長い。ただし、この発明のいくつかの実施例において、上位燃料電池表面ボンディング領域の長さは、上位燃料電池表面ボンディング領域の長さと等しく、または、短くても良い。

流体漏れの経路長は、長さ４１６、長さ４１８、および長さ４２０の合計である。したがって、この発明の１つの長所は、慣用的なボンディング（例えば図３に示すようなもの）により実現されるものよりかなり長い漏れ経路長を伴う周囲カップリングを実現できるという点である。故障のためには、周囲カップリングに支障が生じる前に、漏れが、この発明のカップリングのこれら３つの長さの合計を通じて伝搬していかなければならない。

カップリング層４０４の強度は、その材料特性に左右される。燃料電池システムに使用される材料に良好に接着する任意の材料を利用して周囲カップリング層を形成して良い。そのような材料は、例えば、ポリウレタン、エポキシ、またはポリアミドを含んで良い。

カップリング層４０４の強度は、その幾何形状にも左右される。例えば、層４０４の上側部分の厚さ４２２および長さ４１６が、上位燃料電池表面ボンディング領域４０８を形成し、これが、層４０４の強度に影響を与える。また、第２構造体表面ボンディング領域４２４の長さ４１４、および、周囲燃料電池表面ボンディング領域４１２の長さ４２０も、層４０４の強度を左右し、これは、燃料電池層４０２の下位側面から上位側面に広がる、カップリング層４０４の部分の幅４２６が影響を与えるからである。所与の用途の要件に基づいて、この発明のカップリング層のこれら寸法および他の寸法が可変されて所望の強度特性を具備する周囲ボンディングが形成される。

この発明のカップリング部材の寸法は所与の用途に合致するように可変できるけれども、いくつかの実施例において、第２構造体表面ボンディング領域の長さ（図４に示される長さ４１４に対応する）は約１．９ｍｍ＋−４０％であり、下位燃料電池表面ボンディング領域の長さ（長さ４１８に対応する）は約０．９ｍｍ＋−４０％であり、上位燃料電池表面ボンディング領域の長さ（長さ４１６に対応する）は１．２５ｍｍ＋−４０％である。いくつかの実施例において、カップリング部材の全体の厚さ（厚さ４２２、長さ４２２、および、下位燃料電池表面ボンディング領域４１０および第２構造体表面ボンディング領域４２４の最短距離の輪に対応する）は約１．２ｍｍ＋−４０％である。

図５は、燃料電池システム５００の一部が加圧状態で含まれるこの発明の他の実施例を示す。燃料電池システムは燃料電池層５０２、カップリング層５０４、および第２構造体５０６を含む。カップリング層５０４は燃料電池層５０２の周囲を包囲して、この層５０２を第２構造体５０６にボンディングする。燃料電池層５０２は加圧され、第２構造体５０６から離れるように変形される。

カップリング層５０４の下位燃料電池表面ボンディング領域５１０は、引っ張りおよび引き剥がし負荷５１８を受け、他方、上位燃料電池表面ボンディング領域５０８は、燃料電池層５０２から加えられる剪断応力５２０および圧縮負荷５３０を受ける。図５に示すように、引っ張りおよび引き剥がし負荷５１８は、下位燃料電池表面の一部がカップリング層５０４、すなわち露出表面５６４から引き剥がされ、または積層解除するように働いてしまう。引っ張りおよび引き剥がし負荷５１８が表面５６４の引き剥がしを引き起こす反面、上位燃料電池表面ボンディング領域５０８に加わる圧縮負荷はボンディングの維持を支援する。

単純な慣用的な接着フェース結合に較べ、この発明の周囲カップリングでは、結合長が増大し、大きな結合表面面積を実現する。燃料電池システムで漏れが生じるためには、周囲カップリングの接着が、燃料電池層の上位および下位の表面の双方で支障が生じる必要がある。この発明のカップリングに使用される材料の剪断強度は、その引き剥がし強度の約１０倍大きいであろうから、周囲カップリングの一体性は引っ張りおよび引き剥がし負荷に左右されず、むしろ剪断応力に左右される（例えば図５に示される剪断応力５２０）。

この発明の周囲カップリングは、組立体の破裂を阻止するために、種々の燃料電池層および流体マニホールド構造とともに使用されて良く、これは、内部支持構造（例えば、ボンディング部材、スペーサ、折り畳み可能柱状物、その他、組立体において燃料電池相が外側に拡大するのを阻止するように意図されたもの）、または、堅固または柔軟な燃料電池および／または第２構造体を含む構造を含む。図６Ａ〜図６Ｃはここで説明されたこの発明のカップリング部材を具備する燃料電池層の種々の構成の断面を示す（カップリング部材および燃料電池層の間の接触に固有ないくつかの側面は明瞭化のために省略されている）。

第２構造体はいくつかの実施例においては堅固であるけれども、他の実施例においては柔軟性を有する。図６Ａは、柔軟な第２構造体６０６を具備する加圧燃料電池システム６００の一部を含むこの発明の１実施例を図説する。システム６００は柔軟な第２構造体６０６、カップリング部材６０４、および、堅固な燃料電池層６０２を含む。柔軟な第２構造体６０６は、流体マニホールドの一部である。カップリング部材６０４は、堅固な燃料電池層６０２の外側周囲部分の量側面を包囲して層６０２を構造体６０６にボンディングする。

図６Ｂは、燃料電池システム６１０の一部が加圧状態で含まれる、この発明の１実施例を図説する。燃料電池システム６１０は、燃料電池システム６１０は２つの柔軟な燃料電池層６１２および６１８を含み、これらは各々第２構造体の対抗する面に配置される。カップリング部材６１５は層６１８を構造体６１６に接着させ、他方、カップリング部材６１４は層６１２を構造体６１６の他方の表面に接着させる。第２構造体６１６は堅固でも柔軟であっても良い。

図６Ｃは、燃料電池システム６２０の一部を含むこの発明の１実施例を図説する。システム６２０は燃料電池層６２２、カップリング部材６２４、および第２構造体６２８を含む。カップリング部材６２４は層６２２の周囲部分を構造体６２８にボンディングする。層６２２はボンディング部材６２６の形態の内部サポートによって構造体６２８にも接着される。ボンディング部材６２６は長さに渡る種々の点で燃料電池層６２２の外側への拡大を制約する。

潜在的な燃料電池層および第２構造体（例えば、流体マニホールド）の構成は、先に述べた、本出願人の出願に係る、米国特許出願公開第２００９／００８１４９３号にさらに説明される。

接着に最適な任意の製造方法を使用して、この発明の周囲シールを形成して良い。そのような方法は、注射器被着またはスクリーン印刷を含んで良い。

図７Ａおよび図７Ｂは、周囲シールを形成する方法を含む、この発明の１実施例を順次的に示す。図７Ａは燃料電池層７０２および第２構造体７０６を図説する。第２構造体７０６は例えば流体マニホールドであって良い。

図７Ａは、カップリング材料（例えば接着剤）の第１の量７３２を示し、これが、第２構造体７０６および燃料電池層７０２の間に被着される。カップリング材料の第１の量７３２は第２構造体７０６の上位表面に接触して接着し第２構造体表面境界領域７２４を形成する。カップリング材料の第１の量７３２は、また、燃料電池層７０２の下位表面に接触し、これと接着し、下位燃料電池表面ボンディング領域７１０を形成する。カップリング材料の第１の量７３２は、また、燃料電池層７０２の周囲の側方表面に接触し、これと接着し、周囲燃料電池表面ボンディング領域７１２を形成する。

図７Ｂは、燃料電池層７０２の上位表面および第１の量７１２の上位表面の一部の上に被着される、カップリング材料の第２の量７３４を示す。カップリング材料の第２の量７３４は、燃料電池層７０２の上位表面に接触し、これと接着し、上位燃料電池表面ボンディング領域７０８を形成する。カップリング材料の第２の量７３４は、第１の量７１２の上位表面の一部と接触し、これと接着する。カップリング材料の第１の量７３２および第２の量７３４は、同一の材料でも良いし、異なる材料でも良いけれども、どのような場合でも、双方が接着して周囲カップリングを形成する。

図７Ａおよび図７Ｂは、境界構造体７３８も示し、これは燃料電池層７０２および第２構造体７０６の間に配される。境界構造体７３８は、第１部分７３２が第２構造体７０６の上位表面のより多くの部分、または燃料電池層７０２の下位表面のより多くの部分に接触して接着するのを阻止する。いくつかの実施例において、境界構造体は機械強度を実現する内部支持構造体、または、でき上がった組立体に対する他の構造サポート、例えば、ボンディング部材、スペーサ、または折り畳み柱状物である。他の実施例において、境界構造体は、リブ付きの台座層であり、これは、「燃料電池および非対称アーキテクチャを具備する燃料電池部品ならびにその方法」という名称で、２０１０年１２月２３日に提出された、本出願人の出願に係る、ＰＣＴ国際出願公報第ＷＯ２０１１／０７９３７７号に説明されているようなものであり、その内容は参照してここに組み入れる。

燃料電池組立体の種々の部品は固定部７８２の上に載置され、これは第１および第２の量７３２および７３４が配置されるプロセスの間中、それら部品をその場に保持できる。開放層７８０が第２構造体７０６の下すなわち下位に位置決めされ、固定部７８２の上すなわち上位に位置決めされ、組立体が固定部７８２に固着するのを阻止する。開放層７８０は種々の材料、例えば、微多孔性ポリエチレンフィルム、または多孔性ポリプロピレンから形成できる。いくつかの開放層材料（例えばポリプロピレンフィルム開放層）を複数の燃料電池アレイのために複数の周囲シールを製造するために再利用して良い。

いくつかの実施例において、この発明は、第２構造体（例えば流体マニホールド）および燃料電池層の間に配されるカップリング材料を比較的多くの量だけ利用する製造方法を含む。被着されるカップリング材料の部分は、充分に大きく、もって、第２構造体および燃料電池層により囲まれる空間を満たし、燃料電池層の周囲段部の側方表面を越えて流れ、燃料電池層の上位表面に一部の上に流れ、これによって、燃料電池層の頂部の表面の一部を被覆する。第２構造体の頂部の上で、かつ燃料電池層の下、または燃料電池層の頂部の上に位置決めされる境界構造体（例えば内部支持構造体）は、カップリング材料が制御不可能に第２構造体の上を広がっていくのを阻止できる。

この発明の他の１つの実施例が図８Ａおよび図８Ｂに図説され、これは、この発明の周囲シールを具備する燃料電池システム８００を製造する方法を順次的に示す。燃料電池層８０２は、第２構造体８０６の上に配され境界構造体８３８の上に保持される。垂直寸法を伴う周囲境界構造体８３６は第２構造体８０６の上位表面の周囲部分の付近に配される。図８Ａに示すように、開放溝８４２が、第２構造体８０６の上位表面の一部、境界構造８３６および８３８、および燃料電池層８０２の下位表面の一部によって形成される。第２構造体８０６は開放部材８８０によって固定部８８２上に支持され、開放部材８８０は第２構造体８０６および固定部８８２の間に配される。境界構造体８３８は内部支持構造体または台座部の一部であって良い。

溝８４２は、カップリング材料を被着可能な開放空間を形成する。図８Ｂはそのような被着を図説し、ここでは、カップリング材料８０４がそれまで空だった溝８４２内に被着される。カップリング材料８０４は、溝８４２を形成する燃料電池層８０２の下位表面の一部に接触して接着し、これによって、下位燃料電池表面ボンディング領域８１０を形成する。カップリング材料８０４は、溝８４２を形成する第２構造体８０６の上位表面の一部に接触して接着し、これによって、第２構造体表面ボンディング領域８２４を形成する。カップリング材料８０４は、また、燃料電池層８０２の上位表面の一部に接触して接着し、これによって、上位燃料電池表面ボンディング領域８１０を形成する。燃料電池層８０２は第２構造体８０６より若干小さい点に留意されたい。これによって、カップリング材料８０４が溝８４２に流れ込んで燃料電池８０２の周囲部分をカプセル化できるように充分な余裕が設けられる。

いくつかの実施例において、この発明のカップリングは、接着材料の薄膜層を利用してその場にボンディングされるプレフォームカップリング部材を用いて形成する。図９Ａおよび図９Ｂはそのような実施例を逐次的に示す。図９Ａにおいて、第１構造体部材９３２の形態のカップリング部材の一部が燃料電池層９０２の表面に配置され、他方、プレフォームカップリング部材の一部が第２構造体部材９３４の形態で第２構造体９０６の上に配される。部材９３２および／または９３４は、これら部材９３２および／または９３４と、層９０２または構造体９０６のそれぞれの表面との間に、塗布された薄膜の接着剤を使用して、それぞれの位置に保持することができる。図９Ｂにおいて、２つのプレフォーム構造体部材を、例えば、薄膜の接着剤材料を利用して結合し、これによって、カップリング部材またはシールが燃料電池層９０２および第２構造体９０６の間に界面９３６の位置で掲載される。

代替的には、カップリング部材は接着剤材料で全部構成されて良い。

内部支持構造体を使用することは、燃料電池システムの堅牢性を向上させる補完的な方法である。内部支持構造体は、流体ガス圧によって印加される力を分散する非伝導性多孔性層であって良い。内部支持構造体は、本出願人の出願に係る、「燃料電池および非対称アーキテクチャを具備する燃料電池部品ならびにその方法」という名称で、２０１０年１２月２３日に提出された、本出願人の出願に係る、ＰＣＴ国際出願公報第ＷＯ２０１１／０７９３７７号に説明されており、その内容は参照してここに組み入れる。

以上の記述は説明的であることを意図しており、制約的ではない。他の実施例も利用でき、例えば、当業者は以上の記述を検討することにより採用できる。また、以上の発明の詳細な説明において、種々の特徴をグループ化して説明を簡便にしている。これは、特許請求の範囲に記載されていない特徴がいずれかの請求項において基本的であると理解されてはならない。したがって、特許請求の範囲は発明の詳細な説明に組み込まれ、各請求項はそれ自体で個別の実施例を表す。この発明の範囲は、特許請求の範囲や、そのような特許請求の範囲の権限が及ぶ均等の全範囲を参照にして決定されるべきである。

要約は規則（３７Ｃ．Ｆ．Ｒ １．７２（ｂ））に適合するものであり読者に技術的開示の本質を即座に把握させることを可能にする。これは、請求項の範囲の意味を解釈したり範囲を限定するのに使用されないことに留意されたい。

１００ 燃料電池システム
１０２ 流体貯蔵部
１０４ 流体圧力安定化組立体
１０６ マニホールドシーリング層
１０８ マニホールド管層
１１０ カップリング部材
１１２ 燃料電池層
１１４ 外部支持構造
１１６ 充填ポート
１２０ リセス
１２２ 流体マニホールド
１２４ 包囲領域
１２６ 流体制限器
１２８ 流体
３００ 燃料電池システム
３０２ 平面燃料電池層
３０４ 流体マニホールド
３０６ 接着性カップリング層
３０８ 下位燃料電池表面ボンディング領域
３１０ 第２構造体表面ボンディング領域
３１０ ボンディング領域
３１２ 長さ
３１６ 上側表面
３１８ 負荷
４００ 燃料電池システム
４０２ 燃料電池層
４０４ カップリング層
４０６ 第２構造体
４０８ 上位燃料電池表面ボンディング領域
４１０ 下位燃料電池表面ボンディング領域
４１２ 周囲燃料電池表面ボンディング領域
４２４ 第２構造体表面ボンディング領域

要約は規則（３７Ｃ．Ｆ．Ｒ １．７２（ｂ））に適合するものであり読者に技術的開示の本質を即座に把握させることを可能にする。これは、請求項の範囲の意味を解釈したり範囲を限定するのに使用されないことに留意されたい。
以下、ここに説明した技術的特徴についてまとめておく。
［技術的特徴１］
上位燃料電池表面、下位燃料電池表面、および周囲燃料電池表面を含む平面燃料電池層と、
上記下位燃料電池表面の下位に位置決めされる第２構造体と、
上記平面燃料電池層を上記第２構造体にボンディングするカップリング層とを有し、
上記カップリング層は、上位燃料電池表面と接触して接着し上位燃料電池表面ボンディング領域を形成し、下位燃料電池表面と接触して接着し下位燃料電池表面ボンディング領域を形成し、周囲燃料電池表面と接触して接着し周囲燃料電池表面ボンディング領域を形成し、第２構造体と接触して接着し第２構造体表面ボンディング領域を形成することを特徴とする燃料電池システム。
［技術的特徴２］
上記カップリング層は上記周囲燃料電池表面の全体に接着して上記燃料電池層を上記第２構造体に気密にボンディングする技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴３］
燃料電池層、上記第２構造体、および上記カップリング層は流体プレナムを形成する技術的特徴２記載の燃料電池システム。
［技術的特徴４］
上記流体プレナム中に含有される流体の漏れだし経路長は、上記下位燃料電池表面ボンディング領域の長さより長い技術的特徴３記載の燃料電池システム。
［技術的特徴５］
上記第２構造体は流体マニホールドである技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴６］
上記上位燃料電池表面ボンディング領域は上記下位燃料電池表面ボンディング領域より大きい技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴７］
上記上位燃料電池表面ボンディング領域および上記下位燃料電池表面ボンディング領域は、合計して、上記第２構造体表面ボンディング領域より大きい技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴８］
上記第２構造体の上位表面の上に配される境界構造体をさらに含む技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴９］
上記境界構造体は、上記第２構造体の周囲の少なくとも一部あたりまで伸び、しかも、上記燃料電池層に接触しない技術的特徴８記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１０］
上記境界構造体は、上記第２構造体および上記下位燃料電池表面の間に配される技術的特徴８記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１１］
上記境界構造体は構造支持部材である技術的特徴８記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１２］
上記境界構造体は土台層である技術的特徴８記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１３］
上記平面燃料電池層は曲がっている技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１４］
さらに、上記第２構造体の下位表面に結合される第２の燃料電池層を含む技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１５］
上記燃料電池層は柔軟性を有する技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１６］
上記第２構造体は柔軟性を有する技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１７］
上記カップリング層は、ポリウレタン、ウレタン、エポキシ、ポリアミド、ポリエステル、圧力感応接着剤、アクリル、シアノアクリレート、またはこれらの組み合わせを含む技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１８］
上記上位燃料電池表面ボンディング領域の長さは、約０．７５ｍｍ〜約１．７５ｍｍであり、
上記下位燃料電池表面ボンディング領域の長さは、約０．５４ｍｍ〜約１．２６ｍｍであり、
上記第２構造体表面ボンディング領域の長さは、約１．１４ｍｍ〜約２．６６ｍｍである技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１９］
電気を生成する方法であって、
技術的特徴１〜１８のいずれかに記載の燃料電池システムを設けるステップであって、上記燃料電池システムは上記平面燃料電池層および上記第２構造体によって形成される包囲体を含む、上記ステップと、
上記包囲体を流体燃料で加圧するステップと、
上記流体燃料を上記燃料電池層に接触させて電力を発生させるステップとを有することを特徴とする、上記方法。
［技術的特徴２０］
上記下位燃料電池表面ボンディング領域は、上記包囲体の加圧により生じる引き剥がし負荷および引っ張り負荷の双方を受け、他方、上記上位燃料電池表面ボンディング領域は、上記包囲体の加圧により生じる引き剥がし負荷または引っ張り負荷を受けない技術的特徴１９記載の、上記方法。
［技術的特徴２１］
上記上位燃料電池表面ボンディング領域は上記包囲体の加圧により生じる圧縮負荷および剪断応力を受ける技術的特徴１９記載の、上記方法。
［技術的特徴２２］
上記圧縮負荷および上記剪断応力は上記カップリング層を介して上記上位燃料電池表面ボンディング領域に印加される技術的特徴２１記載の、上記方法。
［技術的特徴２３］
上記包囲体は１５および５０ｐｓｉの間の圧力まで加圧される技術的特徴１９記載の、上記方法。
［技術的特徴２４］
燃料電池システムを製造する方法であって、
平面燃料電池層と、上記燃料電池層の下位表面の下方に位置決めされる第２構造体を設けるステップと、
上記第２構造体の上にカップリング材料の少なくとも一部を被着してカップリング層を形成するステップとを有し、
上記カップリング層は上位燃料電池表面、下位燃料電池表面、周囲燃料電池表面、および第２構造体表面に接触して接着する、上記方法。
［技術的特徴２５］
さらに、カップリング材料の第２の部分を被着して上記カップリング層を形成するステップをさらに含む技術的特徴２４記載の、上記方法。
［技術的特徴２６］
カップリング材料の上記第１の部分および上記第２の部分は非類似の物質である技術的特徴２５記載の、上記方法。
［技術的特徴２７］
さらに、境界構造体を上記第２構造体の上位表面の上に被着するステップを含む技術的特徴２４記載の、上記方法。
［技術的特徴２８］
上記境界構造体は構造支持部材または土台層である技術的特徴２７記載の、上記方法。
［技術的特徴２９］
上記境界構造体は上記下位燃料電池表面に接触する技術的特徴２７記載の、上記方法。
［技術的特徴３０］
上記境界構造体は上記燃料電池層に接触せず、上記第２構造体の周囲端部の上に被着される技術的特徴２７記載の、上記方法。
［技術的特徴３１］
上記第２構造体の上記上位表面、上記下位燃料電池表面、および上記境界構造体が、カップリング材料の少なくとも一部の被着に先立って、開放溝を形成する技術的特徴３０記載の、上記方法。

Claims (31)

1. 上位燃料電池表面、下位燃料電池表面、および周囲燃料電池表面を含む平面燃料電池層と、
   上記下位燃料電池表面の下位に位置決めされる第２構造体と、
   上記平面燃料電池層を上記第２構造体にボンディングするカップリング層とを有し、
   上記カップリング層は、上位燃料電池表面と接触して接着し上位燃料電池表面ボンディング領域を形成し、下位燃料電池表面と接触して接着し下位燃料電池表面ボンディング領域を形成し、周囲燃料電池表面と接触して接着し周囲燃料電池表面ボンディング領域を形成し、第２構造体と接触して接着し第２構造体表面ボンディング領域を形成することを特徴とする燃料電池システム。
2. 上記カップリング層は上記周囲燃料電池表面の全体に接着して上記燃料電池層を上記第２構造体に気密にボンディングする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 燃料電池層、上記第２構造体、および上記カップリング層は流体プレナムを形成する請求項２記載の燃料電池システム。
4. 上記流体プレナム中に含有される流体の漏れだし経路長は、上記下位燃料電池表面ボンディング領域の長さより長い請求項３記載の燃料電池システム。
5. 上記第２構造体は流体マニホールドである請求項１記載の燃料電池システム。
6. 上記上位燃料電池表面ボンディング領域は上記下位燃料電池表面ボンディング領域より大きい請求項１記載の燃料電池システム。
7. 上記上位燃料電池表面ボンディング領域および上記下位燃料電池表面ボンディング領域は、合計して、上記第２構造体表面ボンディング領域より大きい請求項１記載の燃料電池システム。
8. 上記第２構造体の上位表面の上に配される境界構造体をさらに含む請求項１記載の燃料電池システム。
9. 上記境界構造体は、上記第２構造体の周囲の少なくとも一部あたりまで伸び、しかも、上記燃料電池層に接触しない請求項８記載の燃料電池システム。
10. 上記境界構造体は、上記第２構造体および上記下位燃料電池表面の間に配される請求項８記載の燃料電池システム。
11. 上記境界構造体は構造支持部材である請求項８記載の燃料電池システム。
12. 上記境界構造体は土台層である請求項８記載の燃料電池システム。
13. 上記平面燃料電池層は曲がっている請求項１記載の燃料電池システム。
14. さらに、上記第２構造体の下位表面に結合される第２の燃料電池層を含む請求項１記載の燃料電池システム。
15. 上記燃料電池層は柔軟性を有する請求項１記載の燃料電池システム。
16. 上記第２構造体は柔軟性を有する請求項１記載の燃料電池システム。
17. 上記カップリング層は、ポリウレタン、ウレタン、エポキシ、ポリアミド、ポリエステル、圧力感応接着剤、アクリル、シアノアクリレート、またはこれらの組み合わせを含む請求項１記載の燃料電池システム。
18. 上記上位燃料電池表面ボンディング領域の長さは、約０．７５ｍｍ〜約１．７５ｍｍであり、
    上記下位燃料電池表面ボンディング領域の長さは、約０．５４ｍｍ〜約１．２６ｍｍであり、
    上記第２構造体表面ボンディング領域の長さは、約１．１４ｍｍ〜約２．６６ｍｍである請求項１記載の燃料電池システム。
19. 電気を生成する方法であって、
    請求項１〜１８のいずれかに記載の燃料電池システムを設けるステップであって、上記燃料電池システムは上記平面燃料電池層および上記第２構造体によって形成される包囲体を含む、上記ステップと、
    上記包囲体を流体燃料で加圧するステップと、
    上記流体燃料を上記燃料電池層に接触させて電力を発生させるステップとを有することを特徴とする、上記方法。
20. 上記下位燃料電池表面ボンディング領域は、上記包囲体の加圧により生じる引き剥がし負荷および引っ張り負荷の双方を受け、他方、上記上位燃料電池表面ボンディング領域は、上記包囲体の加圧により生じる引き剥がし負荷または引っ張り負荷を受けない請求項１９記載の、上記方法。
21. 上記上位燃料電池表面ボンディング領域は上記包囲体の加圧により生じる圧縮負荷および剪断応力を受ける請求項１９記載の、上記方法。
22. 上記圧縮負荷および上記剪断応力は上記カップリング層を介して上記上位燃料電池表面ボンディング領域に印加される請求項２１記載の、上記方法。
23. 上記包囲体は１５および５０ｐｓｉの間の圧力まで加圧される請求項１９記載の、上記方法。
24. 燃料電池システムを製造する方法であって、
    平面燃料電池層と、上記燃料電池層の下位表面の下方に位置決めされる第２構造体を設けるステップと、
    上記第２構造体の上にカップリング材料の少なくとも一部を被着してカップリング層を形成するステップとを有し、
    上記カップリング層は上位燃料電池表面、下位燃料電池表面、周囲燃料電池表面、および第２構造体表面に接触して接着する、上記方法。
25. さらに、カップリング材料の第２の部分を被着して上記カップリング層を形成するステップをさらに含む請求項２４記載の、上記方法。
26. カップリング材料の上記第１の部分および上記第２の部分は非類似の物質である請求項２５記載の、上記方法。
27. さらに、境界構造体を上記第２構造体の上位表面の上に被着するステップを含む請求項２４記載の、上記方法。
28. 上記境界構造体は構造支持部材または土台層である請求項２７記載の、上記方法。
29. 上記境界構造体は上記下位燃料電池表面に接触する請求項２７記載の、上記方法。
30. 上記境界構造体は上記燃料電池層に接触せず、上記第２構造体の周囲端部の上に被着される請求項２７記載の、上記方法。
31. 上記第２構造体の上記上位表面、上記下位燃料電池表面、および上記境界構造体が、カップリング材料の少なくとも一部の被着に先立って、開放溝を形成する請求項３０記載の、上記方法。

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