JPH10507573A

JPH10507573A - 統合的流体制御板技術を用いた燃料電池

Info

Publication number: JPH10507573A
Application number: JP8513426A
Authority: JP
Inventors: スピアー，リージナルド，ジー．，ジェーアール．; ミューゲンバーグ，エイチ．，ハリー; ホッジ，レックス
Original assignee: エイチパワーコーポレーション
Priority date: 1994-10-12
Filing date: 1995-10-10
Publication date: 1998-07-21
Also published as: WO1996012316A1; US5863671A; EP0783770A1; CA2202380A1; EP0783770A4; US6051331A; AU4193996A; MX9702720A

Abstract

(57)【要約】積層されたセパレータ／膜電極組立体を含む燃料電池スタックにおいて、セパレータは、個々に形成された蛇行微小チャンネルによる反応ガス加湿用、活性領域用、および冷却用のフィールドを有する一連の積層薄板を含む。この板は、位置合わせされた形状部を正確に整合させて隣接する板と接触させて積層して接合し、一体型のセパレータを形成する。接着後のプロセスは、窒化などの不動態化を含む。好ましい板の材料は、４〜２５ｍｉｌのＴｉで、形状部、蛇行チャネンル、タブ、ランド部、通路、マニホールド、および孔は、化学的またはレーザによるエッチング、切削、プレス加工、またはエンボス加工によって形成され、これに深さエッチングと貫通エッチングの組み合わせが好ましい。板製造プロセスは連続的で高速である。ＣＡＤに基づく板の設計とフォトリソグラフィーを採用することにより、広範の温度管理および加湿技術に適応するために形状部のデザインを迅速に変更できる。本ＩＦＭＴ板設計による１００セルのＨ₂−Ｏ₂／空気ＰＥＭ燃料電池スタックは、０．７５ｋＷ／ｋｇの出力を出し、現状の黒鉛燃料電池の約３〜６倍大きい。

Description

【発明の詳細な説明】統合的流体制御板技術を用いた燃料電池技術分野本発明は燃料電池に関する。特に、積層板から成り統合的流体制御技術（IFMT ）を用いた燃料電池、ならびに IMF 電池の製造方法および運転方法に関する。本発明の原理を用いた実施例の一つは、個別に設けた反応物ガス・冷却剤・加湿の各領域をなす微小チャンネルを含むチタン、ニオブ、銅、ステンレス鋼、アルミニウムまたはプラスチック製の板を接合して成る複数のセパレータを採用し、約50〜150℃で作動し、0.25〜1.0 kW/kg、0.5〜1.0kW/L 程度の出力を有する、定置または移動用電源として開回路・閉回路いずれでも使用できる、水素−空気／酸素電池である。IMF 板およびセパレータの設計は燃料電池スタック全体にわたって、各セルの変化する熱管理および湿度条件に適合するように調整することができる。従来技術水素または炭素質燃料を直接電力に転換する燃料電池は、理論的には極めて有望であるが、種々の技術的問題および経済的理由によって、商業的に広く使用されるには至っていない。水素−空気／酸素電池の場合、出力密度（単位重量あたり発生電力）が小さく、寿命が不十分であり、従来技術による電池では時間とともに触媒あるいは電解膜の被毒により時間とともに出力が低下し、燃料ガスの電池内分布が不均一であるためホットスポットが形成されて電池の破損の原因となるなどの問題があった。定置電源または移動電源として特に有望視される燃料電池として、両側に貴金属触媒を被覆した固体高分子製プロトン交換膜を電極ないし導電性セパレータの間に配置した低温Ｈ₂/Ｏ₂燃料電池がある。燃料としてはＨ₂を用い、ガスとして供給するか、または電気分解のような化学反応によってあるいは金属水素化物からセルと関連して発生させる。酸化剤はＯ₂または空気であり、冷却および膜の加湿のために水を必要とする。加湿が必要な理由は、膜が乾燥すると効率が低下したり亀裂によって強度が低下するためである。典型的にはアノード側がまず乾燥するが、これはアノードからカソードへの電気浸透による圧送、ガス供給速度が電気化学反応の速度より大きいこと、カソード側の空気または酸素の流れにより生成した水と同時に水素アノード側から膜を透過する水蒸気も気掃されることなど、種々の原因による。このため燃料ガスを電池スタック内で加湿し脱水効果を軽減する。冷却水はセル内で触媒的電気化学反応として起こる緩やかな燃焼により発生する過剰の熱を除去し、外部に導かれて熱交換される。冷却水を反応物ガスの加湿に利用する設計も可能である。このような低温燃料電池に利用できる電極膜組立体（EMA）としては数種の適切なものがある。その一つであるニュージャージー州ベレビルのエッチ・パワー分子フィルムに Pt 触媒を塗布したものである。またダウケミカル社もパーフルオロスルホン化ポリマーを提供しており、米国特許 5,316,869によれば、これを用いたセルの電流密度は 4000A/ft²に達し、セル電圧は 0.5V以上、セルスタックの電力密度は 2kW/ft²以上となる。現在入手可能なスタックの代表的な設計としてバラードの燃料電池スタックがあり、活性電解セル35個、熱管理用セル19個、反応物加湿用セル14個から成り、厚さ 1/4インチの黒鉛板スタックに Pt を塗布したNAFION 117製 EMAを使用している。燃料としてＨ₂とＯ₂を用い、全容積は 0.5ft³、重量 94lb、出力は 3kWと報告されている。しかし黒鉛板は脆く、セルは反応物の漏れを防ぐためにセル内およびセル間のシーリングを確実にする必要からセルスタックに圧縮力をかけなければならないので、構造強度を確保し、かつ反応物の混合を防止するために比較的厚くせざるを得ない。また黒鉛は熱伝導率も電気伝導度も低いため、ホットスポットやデッドスポットを生じやすい。また、製造上も特にガス分配用チャンネルの加工に困難がある。出力は比較的低く0.05kW/lb の程度である。上記の例では反応に寄与しない冷却・加湿用セルが活性な電解セルとほぼ同数使用されている。このことはスタックに使用される封止用ガスケットの数が事実上２倍になることを意味し、したがってスタックの信頼性と性能を低下させる。上記米国特許5,316,869はスタック外部の閉回路系のマイクロプロセッサ制御に関するものであり、黒鉛板セルスタックの設計にかかわる問題点の解決策を提供するものではない。したがって燃料電池の設計、製造、運転の方法には従来技術の難点を解決するための改良が必要とされる。発明の開示目的および効果本発明の一つの目的は、燃料電池の改良された設計および製造・運転方法を提供すること、特に現在得られる黒鉛型電池を３倍以上改善した水素−酸素／空気電池を提供することである。その他の目的および効果として下記のものがある。エッチング、レーザーによる研磨または切削、打刻、打ち抜きあるいはエンボス加工により形成した特別な形状を有するガスおよび水の分配のための微小チャンネルを有する板を多数個積層する技術に基づく燃料電池の改良された構成技術を提供すること、一連の個別の板のフォトリソグラフィーに続いてエッチング、エンボス加工、打刻、または打ち抜きによる形状部(feature)の形成、積層した板の加熱加圧下におけるロウ付けまたははんだ付けによる結合、板および／または電極セパレータのサブ組立体の耐酸化剤被覆を含む統合的な燃料電池の製造方法を提供すること、特に単極または双極セパレータ（個々のセル）に組み立てられる板、およびスタックに組み上げられる複数のセルの設計において、膜との接触のためおよび熱および湿度を制御のための燃料および酸化剤ガスの加湿と分配を改善して脱水によるホットスポットの発生および膜の劣化を防止する、燃料電池セルのスタックに対する統合的な流体制御技術（IFMT）を提供すること。極セパレータを圧縮状態に保持して燃料電池スタックを形成する極セパレータ間に設けられた EMAを封止し得るような特殊な封止隆起部を有する、フォトリソグラフィーおよびエッチングにより形成された、燃料電池セパレータ組立体用板を提供すること、スタック内の位置により異なる熱的環境および加湿条件に対応し得る燃料電池スタック内の可変式のIFM板極セパレータの設計を提供すること。さらにその他の目的は明細書、図面および特許請求範囲から明らになるであろう。本発明は、相互に関連した一連の統合的流体制御(IFM)板を各々有する複数個のセルを積層して成る、改良された燃料電池スタックを提供するものである。本発明はまた板の設計、製作、形状部形成、組立、接合によりモジュール形式の極セパレータ（サブスタックセル組立体）を形成する方法、および統合的流体制御技術による板を用いた燃料電池スタックの運転方法をも提供する。本発明の技術は、特に水素および酸素ないし空気を使用するプロトン交換膜(PEM)型燃料電池に用い得るものとして開示するが、本発明の技術は、アルカリ型、固体酸化物型、溶融炭酸塩型の各燃料電池、および燃料電池と共に用いられるリフォーマーにも適用可能であり、燃料と酸化剤の組み合わせとしてもＨ₂/Ｃｌ₂、ＮＨ₃/Ｏ₂、Ｈ₂/Ｘ₂（Ｘはハロゲン）、ＣＨ₃ＯＨ/Ｏ₂など各種のものが利用可能である。本発明による燃料電池は１個以上のセルから成り、各セルは電極膜組立体(EMA )を間に挟んだ１対の双極セパレータから成る。セパレータは単極（ターミナルエンドプレートの場合）または片面がアノード（Ｈ₂）側、他面がカソード(Ｏ₂) 側の双極型である。本発明による極セパレータ組立体は複数個の、好ましくは金属、プラスチック、セラミックまたはその他の適当な材料の板から成り、板の表面には精巧な微小溝状の流体分配用チャンネルが形成されている。チャンネルは好ましくはエッチングにより形成されるが、レーザーによる研磨または切削、エンボス加工、プレス、打ち抜きまたは打刻によって形成してもよく、このチャンネルにより貫通および貫通しない深さを有する形状部が形成される。位置を合せた浅い溝（ハーフチャンネル）を有する隣接する板を接合することにより、典型的には円形または楕円形の横断面を有する、ガス、冷却剤および蒸気の分配用チャンネルが形成され、その連続的で正弦波状でかつ分岐を有する形状は他の方法によっては形成不可能である。２個の単極セパレータの間に EMA を挟んで成る組立体は電気化学セルを形成し、整列したセル列を、任意的にセル間に封止用ガスケットを挟んで、接合または固定手段によって相互に固定させたものは、燃料電池スタック、すなわち完成した燃料電池を形成する。典型的な例では、燃料電池スタックを構成する個々の極セパレータサブ組立体を形成する板の数は３〜10枚、好ましくは４〜７枚である。EMA は隣接する極セパレータに挟まれ、好ましくはそれらのアノードおよびカソード凹部に挿入される。現時点で好適とされるEMAは厚さ２〜17milのスルホン化パーフルオロ化膜の両面に白金黒微粒子（Pt-black）とカーボンブラックの溶媒中混合物を被覆し、撥水性のテフロンバインダーを含む厚さ 10mil、気孔率65％の黒鉛紙を両面に重ねたものである。例示として白金黒／NAFION製 EMAを採用した双極型の水素／空気または酸素電池のみを参照して本発明による統合的流体制御型燃料電池の原理を説明するが、温度50〜150℃で動作する、液体、気体あるいはその組み合わせを含む他の燃料と酸化剤の組み合わせに対しても同様に適用可能である。本発明による板の設計の重要な点は、熱管理およびガスと電解質膜の加湿の顕著な改善によって、本発明の板により構成される燃料電池の出力を従来技術に比べて顕著に改善し得ることである。好ましい実施態様においては、この板は金属製、典型的にはアルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニオブまたはチタン製である。このような板は製造の後、特定の熱および圧力スケジュールのもとで（たとえば導電性接着剤による接着、拡散接合、溶接、ロウ付けまたははんだ付けにより）接合して極セパレータサブ組立体を形成し、さらに必要があれば防食被覆または防食処理を施す。ついで各電気化学セルを形成するセパレータ板の間のウインドウフレームと呼ばれる、任意的に設けられる膜リセス内にEMAをセットして各セルを形成し、複数個のセルを積層して燃料電池スタックを形成する。次にこのように形成した組立体全体を、たとえばタイロッド、ナット、定圧縮装置を用いて圧縮状態で固定して封止を確実にし、一つの一体の燃料電池スタックとする。膜としては様々な多孔質固体高分子プロトン交換膜が利用できるが、典型的なものはダウケミカル社、旭化成、ゴアー、デュポンなどのスルホン化フルオロカーボン膜であり、現時点ではデュポン社のNAFIONが好ましい。膜の両面には触媒としてPd、Pt、Rh、Ruのような貴金属、貴金属酸化物あるいはそれらの混合物を塗布し、黒鉛紙電極に接合する。あるいは黒鉛紙電極に触媒を被覆し、膜と接合してもよい。この種の好ましい EMA はニュージャージー州ベレビルのエッチ・パワー社から入手できる。利用可能な他の型の EMA としては炭素または黒鉛製の多孔質薄膜、触媒を被覆したポリイミダゾール膜などがある。特定の形式あるいは製造者の膜を用いることにより性能が多少改善されることはあるが、本発明はこれらの膜ないしEMAの形式に依存するものではない。本発明の統合型流体管理技術(IFMT)による板を用いたアプローチはは広範な種類の燃料電池に適用可能であり、それによって性能の改善をもたらすものである。本板技術によれば、燃料電池のいかなる外形にも対応して種々微小チャンネルの設計が可能であり、いずれの場合も優れた熱交換および加湿制御によって、燃料または酸素の遅滞を生ずることなくガスの効率的な分配が可能となり、定常出力を向上させることができる。本発明による IMF 板技術の重要な利点の一つは、燃料電池の製造を自動化し得ることであり、この板状材料にフォトリソグラフィーおよびエッチングまたは打刻技術を適用する。セパレータサブ組立体の設計は迅速に変更できるため、１つの工場で多用な燃料電池設計に対応することが可能であり、通常経済的な生産のために要求される大量生産は不要である。したがって極めて異なった設計の電池を少数生産してなお経済性を発揮することができる。さらに生産設備は既製のフォトリソグラフィー、マスキング、エッチンまたは打刻装置に近いものであるため、設備投資額も著しく低減される。たとえばセパレータの多数のシートを大寸法で正確に設計し、写真によって縮小し、金属または導電性プラスチックシートの連続的なロールから板を打ち抜くことができる。あるいは、現時点で最良と考えられる方法として、フォトリソグラフィー技術によってシートをレジストで被覆し、エッチングによって流体管理用の微小溝を形成し、フォトレジストマスク層を物理的または化学的に除去し、板を洗浄する方法がある。仕上げられた板を組み立ててセパレータを形成し、圧力ラムを備えた真空炉に入れ、熱および圧力を加えて金属拡散接合法により一体化することにより、各種ガスや水その他の冷却液を通すための、たとえば異なった深さで直交するチャンネルのような複雑な微小チャンネルを内部に含む一体形のセパレータ板サブ組立体を得る。次にこのセパレータ板を窒素雰囲気中で加熱し、窒素とチタンを反応させることにより、内部のガスおよび水用チャンネルを含む全ての露出面を耐食性かつ導電性の窒化チタン膜で被覆する。このような板状セパレータの設計と製造は、PC基板の生産ラインに類する連続的生産ラインで実施することができる。ついで複数個の板を含むサンドイッチ構造全体に熱および圧力を加えて（たとえば拡散、ロウ付け、溶接、またははんだ付けによって）接合し、一体化したセパレータを形成する。続いて EMA を個々の極セパレータ板の間に挿入し、セパレータを積層し、外側のエンドプレートを追加してタイロッド、ナット、定常的加圧装置による圧力によって反応物を封止し得るようにした完全な燃料電池スタックとする。電線、反応物ガス、冷却水を接続し、ガスと冷却水を流せば燃料電池が作動する。本発明による典型的な７枚板のIFM双極セパレータサブ組立体においては、次のような順序で板を使用する。１ウインドウフレーム板（EMA 挿入用）２アノード側フローフィールドスペーサ板３アノード側フローフィールド（分配）板４冷却用板５カソード側フローフィールド（分配）板６カソード側フローフィールドスペーサ板７ウインドウフレーム板（隣接セルの EMA 挿入用）このうち板１と７は同一であり、板２〜６はそれぞれ異なるので、都合６種の異なった板があることになる。ここに例として説明するエッチングおよび板設計の詳細は、加圧接合に際して微小チャンネルの崩壊がないことを示すものである。上記の双極セパレータの例では板１、２、６、７は厚さ12mil（接合前）であり、板３〜５は厚さ約20milであるが、拡散接合後はやや薄くなり、一体化した後の双極セパレータ積層体の厚さは約100milである。対向するウインドウフレーム板の凹部の合計深さ（第１の双極セパレータのアノードウインドウ側とそれに対向する第２の双極セパレータのカソードウインドウ側との間）は20mil前後である。 EMAは厚さ約26milであるが多少弾性がある。カーボンブラック中に微細に分散した白金黒触媒を両面に被覆したNAFION膜の厚さは４〜5milであり、外側の黒鉛／テフロン紙層の厚さは約10milである。これらはウインドウフレームに的確に嵌め込まれ、極セパレータ板を加圧封止するとEMAは圧縮されて深さ20milのウインドウ凹部に収まる。ガスを良好かつ均等に分配するために黒鉛紙の気孔率は約65 ％が好適である。アノード側では電子が電解質膜上の触媒反応部位から黒鉛紙を通ってセパレータ板のランド部へ導かれ、燃料電池の電気出力として流出する。電子は外部回路を通ってカソードに戻る。カソード側では、セパレータ板のランド部からカソード側黒鉛紙を通ってEMA上の触媒反応部位へ電子が導かれる。燃料電池を構成する複数個の双極セパレータのスタックの両端はアノードおよびカソードとなる単極セパレータ板であるエンドプレートでなければならない。このエンドプレートは集電板としても働く。アノード単極セパレータは上記のうち板１〜４を用い、カソードセパレータには板４〜７を用いる。単極板セパレータの両端はさらに厚い(４〜20mil)エンドプレートで被い、タイロッドによる圧縮組立体を締めて圧縮される。別の例として、ガスの加湿が不要の場合は４枚板の双極セパレータを用いることができ、その中の板の順序は下記のとおりである。１アノード側フローフィールド（分配）板２冷却マニホールド用板３終端板（アノード側は中実、カソード側はマニホールド（微小溝））４カソード側フローフィールド（分配）板さらにEMAを挿入する場合はウインドウフレーム板を両端に用いて６枚板の双極セパレータ組立体とすることができる。またウインドウフレーム板の代わりに可撓性の両面ガスケット材を使用することもできる。このように、ウインドウフレーム板の有無によって加湿型双極セパレータは５枚または７枚、非加湿型は４枚または６枚の板を使用し、後者は２枚のウインドウフレーム板を含む。チタンは適当な温度および圧力のもとで流動し、拡散接合型の自己接合が可能であるため、特に好適である。組み上げたセパレータ（複数枚の板のサブ組立体）は、板および材料の数と厚さによって、厚さ100mil前後、重量４〜８oz(110〜300g)となる。セルスタックにおいては１kWあたり約10個のセパレータが用いられる。タイロッド上での組み立ての後、厚さ1.5in前後の加圧エンドプレートを両端に当て、ネジ付きタイロッドによって組立体全体を 200psi の力で圧縮し、一体化した燃料電池スタックを形成する。スタックの作動圧力１〜65psiは容易に達成でき、出力は70〜150A 程度となる。隣接するセパレータサブ組立体の封止のため、ウインドウフレーム板（外面）に高さ１〜2milの嵌合型シール隆起部（通常は三角形断面）をエッチングまたはプレスによって形成し、隆起部が隣接するセパレータサブ組立体のウインドウフレーム板または終端エンドプレートに完全に嵌合するようにする。本発明のIMF板設計による燃料電池には、Ｈ₂を供給するために任意の適当な炭化水素改質部を含むことができる。たとえば酸素不足型バーナーと水蒸気を用いてＨ₂、Ｏ₂、ＣＯ₂を発生させるスチームシフトプロセスを含むことができる。本発明による板の主要な特徴は、１対の板の対向接合面（すなわちスタック中で相接する面）内の位置を合わせたハーフチャンネルとして、エッチングにより形成したガスおよび水の分配用チャンネル、および同様に形成した送入用マニホールドを用いることである。板の周縁部に隣接するセル組立体の封止を補助するためのシール隆起部をエッチング形成することが、必須ではないが好ましい。 PEM電池の効果的な高出力運転の限界は、均一なガスフローによる熱収支、水和及びそのコントロールが適切であることである。現状のPEM燃料電池には、熱管理や水収支が悪いこと、黒鉛の電気伝導率や延性が低いこと、スケーリングの可能性が限られていること、反応物質の消耗などの問題点がある。現用の膜の最高動作温度は90〜98℃程度であり、これを超えた温度では細孔構造が破壊されて膜は恒久的な損傷を被るので、PEM電池では適切な熱管理が特に重要である。本発明による燃料電池は各双極セパレータに熱交換部分を含めることができ、黒鉛PEM電池の場合の４〜５枚に１枚とは大きく異なる。熱の発生と制御（熱交換）は共に面積に比例するから、本発明によるスタックは容易にスケールアップすることができる。熱管理を膜や燃料の種類に合わせることは容易であり、またセル内部ではより高性能のEMAを用いることができるため、出力密度の向上が可能である。水収支に関しては、各セパレータに加湿工程を組み込むことにより、アノード側とカソード側で異なる条件に個別に対応することが可能であるため、水収支は改善される。アノード側の水は膜を通じての電気浸透圧送、および反応ガス流の乾燥によって除去される。カソード側には電気浸透圧送の出力および反応による水の生成によって水が蓄積され、いずれも空気ないし酸素気流の乾燥により除去される。黒鉛PEM電池に比して、本発明における金属板は約30倍の電気伝導率を有し、高電流密度のスタックにおいて抵抗損失（I²Rロス）を著しく低減することができる。この損失はスタックから得られる電圧および電力を低減する。金属セパレータの内部抵抗が低いため電流分布はより均一となり、セル内のホットスポットやデッドスポットの発生が減少する。黒鉛セパレータは封止のため圧縮状態におかれるが、黒鉛の抵抗は圧力によって非線形的に変化するため、均一な出力を有する黒鉛セルを製作することは極めて困難である。これに対して金属セパレータは熱伝導・電気伝導とも優れているため、ホットスポットやデッドスポットが生じない。また黒鉛はＨ₂、Ｏ₂、空気に対して多孔質であるため、水素の一部が発電に寄与しない直接酸化で消費されるので、黒鉛スタックの化学的効率が低下する。さらに黒鉛電池の動作圧力は25〜60psigであり、ガス漏れを防ぐために必要な封止圧力を加えることによって黒鉛セパレータに亀裂が発生する。このような亀裂発生の傾向のためスタック中のセルの数と寸法が著しく制約され、スタック内の１個またはそれ以上のセルで漏れが生じた場合、電気出力は失われるか著しく減少する。このような問題は延性を有する金属板においては発生しない。本発明の別の重要な特徴は、本発明によるIFM技術によってスタック内の板の設計に柔軟性がもたらされ、熱管理の改善が可能なことである。すなわち、冷却しないスタックの中央部にあるセルとスタック両端ないしそれに近いセルでは、熱的環境が異なり、したがって加湿の要求条件も異なる。板の冷却剤用および加湿用微小チャンネルの設計はアノード側とカソード側で容易に変更でき、スタック内の種々異なる勾配に対応して位置を指定することもできる。同様にスタックも、多様な外部環境に応じて設計することができ、極地用と熱帯用、海中用と宇宙用ではそれぞれ異なる設計となる。このような設計の柔軟性、すなわち微小チャンネルの形状、長さ、幅をスタック内でセパレータの各ゾーン別（アノード、カソード、熱交換、加湿）およびセパレータ別（セル別）に個別的・連続的に変化させてスタック内の環境や勾配に対応し得ることから、大出力電池、たとえば50〜100kW 級以上へのスケールアップが容易である。チャンネルの直列および並列蛇行チャンネルの設計により、反応ガスの分布は均一となる。このことは空気を用いる電池において、空気がチャンネルを通過する際のＯ₂の消耗によるカソード性能を向上させる点で重要である。現状のチャンネル設計では、空気はＯ₂に富んだ状態で導入され、Ｏ₂が電気化学反応で消費され希薄になった状態で放出される。Ｈ₂についても同様な希薄化効果がある。本発明においては、一連の短いチャンネルがマニホールドによって並列に接続され、種々の形状や幅が変化するチャンネルを設計できるので、燃料電池の性能を現在最も強く制約しているカソード反応の速度が改善される。本発明では、流れが一連の並列経路に分割され、正確な圧力降下が得られ、並列回路の数を増やせば流速が小さくなるため圧力降下も小さく、また経路が短くなるためチャンネル壁との摩擦の影響も減少する。本発明の現時点で最良の実施態様においては、触媒／カーボンブラックで被覆したウインドウフレーム板の膜の上に黒鉛紙を重ね、ランダムなガス分配チャンネルを有する高度に多孔質の膜を得るが、本発明の同様に重要な他の実施態様として、黒鉛紙を有しない膜を用い、ウインドウフレーム板の「ウインドウペーン領域」に微細な孔をエッチングにより形成して同様なガス分配機能を持たせるものがある。ウインドウフレーム板を製作するとき、板の外縁の内部に位置する板の適切な中央の領域にウインドウペーン領域を定義する。（ペーン領域を定義する線はエッチングによって貫通させることができる。この際、製造工程でペーン領域を保持するため少数の細いブ隆起部部分を残し、後にペーンを除去しまたは脱落させてウインドウフレーム板を完成させる。）隣接する板の間に完全なシート膜を挟んで圧縮することにより、この開放領域に炭素繊維紙が入る。別の実施態様によれば、ウインドウペーン領域の材料を除去せず、ウインドウペーン領域に5000〜10,000個/in²の微細孔ををエッチングにより貫通させた「ウインドウスクリーン領域」を設け、触媒を被覆し黒鉛紙を用いない膜を隣接するセパレータ板の間に挟んで圧縮する。図面の簡単な説明本発明を図面を参照して更に詳細に説明する。図１は、本発明の原理を採用し、特にＨ₂および空気ないしＯ₂を用いた運転に特に適応させた、板状双極セパレータを用いる燃料電池スタックの概略断面図である。図2Aおよび図2Bは、本発明の冷却されるが加湿されない（図2A）、および加湿され冷却される（図2B）燃料電池のIFMT板セパレータの概略断面図であり、用いる板の枚数を広い範囲で変更できることを示したものである。図３は、本発明によるセル２個から成るIFMT燃料電池のサブ組立体の構造を示す等角投影分解図である。図４は、本発明によるIFMT燃料電池の板６〜７枚から成るセパレータの一つの実施態様の等角投影分解図である。図５〜10は、板６〜７枚から成るセパレータの図４の実施態様の詳細な平面図である。図5Aは、ウインドウフレームまたはウインドウスクリーン（第１アノードおよび第７カソード）シール板の前面とその鏡像、および背面である。図6Aおよび図6Bは、アノード側フローフィールドスペーサ板（板２）の前面および背面である。図7Aおよび図7Bは、アノード側フローフィールド板（板３）の前面および背面である。図8Aおよび図8Bは、冷却用板の前面および背面であり、図8Aはアノード側を、図8Bはカソード側を示す（板４）。図9Aおよび図9Bは、カソード側フローフィールド板（板５）の前面および背面である。図10Aおよび図10Bは、カソード側フローフィールドスペーサ板（板６）の前面および背面である。図11は、膜と接触する隣接の接合双極セパレータとの間の流体回路の模式図であり、水、熱、反応ガスの輸送を示している。図12は、本発明のPEM使用IFMT板燃料電池における電気化学過程を模式的に示したものである。図13は、本発明による、セル２個より成る試験的Ｈ₂/Ｏ₂燃料電池のセル電圧と電流密度の関係を示すグラフである。図14は、本発明による、セル２個より成る試験的Ｈ₂/空気燃料電池のセル電圧と電流密度の関係を示すグラフである。図15は、深さエッチングおよび貫通エッチングにより形状部形成を行う連続板製造プロセスのフローシートである。図16は、本発明による板を接合して一体化セパレータを製造する工程のフローシートである。図17は、本発明のIFMTの原理に従って個々の板を設計するためのフォトリソグラフィー用アートワークを迅速に生成するプロセスのフローシートである。発明を実施するための最良の形態以下の詳細な説明は、本発明を実例によって説明するものであり、本発明の原理を限定するものではない。この説明は明らかに当業者が本発明を使用するために十分なものであって、本発明の数種の実施態様、適応例、変形、代案、利用について述べ、かつ発明者らが現時点において本発明を実施するための最良と考えるものを含んでいる。図１は、多板式双極セパレータ 2A、2B、2Cと１対のカソードおよびアノード用単極エンドセパレータ３、４を含む、本発明による燃料電池スタック１の簡略化した（概略的）断面図である。セパレータの間には図示のようにプロトン交換電極膜組立体（EMA）5A、5B、5C、5Dが配置される。空気および／またはＯ₂はマニホールド系６を通じて、Ｈ₂および／またはその他の燃料はマニホールド系７を通じてそれぞれ供給され、冷却および加湿のための水は８に供給され９から排出される。図２は、接合した板により形成される双極セパレータの一つの実施態様における構造を示す概略断面図であり、図2Aは加湿を行わない板10によるセパレータ２、図2Bは加湿を行う板30によるセパレータ20を示している。図２はまたセパレータを製作する際の板の使用枚数を、深さエッチング（即ち貫通しない所定深さの形状部の形成）と貫通エッチング（貫通した形状部の形成）の種々の組み合わせにより、広範囲に変化させ得ることを示している。たとえば図2Aは次の７枚板構成を示す。10Aはウインドウフレームまたはウインドウスクリーン板である。10B はアノード側フローフィールド板で、最適には、アノードスペーサ板とその右側のアノード側フローフィールド板との対とされる。10Cは閉止板である。10Dは冷却フローフィールド板で、エッチングにより貫通していてもよく、両面からの深さエッチングによって形成しそれらの全長に渡って連通していない異なるチャンネル（貫通エッチングによる通路で連絡していてもよい）を採用して複数の冷却剤流路を有してもよい。10Eは閉止板である。10Fはカソード側フローフィールド板で10Bに対応する。10Gはウインドウフレームまたはウインドウスクリーン板で 10Aと同様なものである。図2A下部は５枚板構成を示し、10-1と10-5はウインドウフレームまたはウインドウスクリーン板、10-2はアノード側から深さエッチングを施した１枚の板、10-3は１枚の冷却用板、10-4は10-2と同様なカソード板である。したがってスタックの構成は５枚板から11枚板まで可変であり、後者の場合10Bおよび／または10Fは２枚、10Dは３枚から成ることになる。同様に図2Bにおいても、必要とされる板の構成により、３ないし４枚から20枚に至る構成をとることができ、図には７枚（30-1〜30-7）を示してある。構成は主として材料および製造法に関する考え方、または燃料電池あるいは膜の種類によって規定されるが、すべての場合に本発明による IFMT の原理を採用することができる。たとえば 30-4は図では１枚板であるが、エッチングで貫通した２枚と中間のシムあるいは閉止板から成る３枚構成とすることもできる。図３はスタック内の２個のセル 15A、15B の等角投影分解図であり、セパレータ2A（または20A）、2B（または20B）、2C（または20C）とそれに挟まれた２個のEMA 5A、5Bから成る。この図は、双極セパレータのＨ₂（アノード）側のみが見えるように描かれているが、後述のように背面（カソード側）にも位置を合わせたＯ₂ゾーンが存在する。大面積の部分25Aはセルの活性領域であり、25Aはアノード側、25Cはカソード側である。セパレータにはアノード加湿領域35とカソード加湿領域40が存在し、これらについては以下に詳述する。 EMA 5A、5B、活性領域25A、25Cに対応する触媒で被覆された領域25A、25Cを有する。領域37、42は触媒被覆が施されておらず、アノードおよびカソード加湿領域35、40にそれぞれ対応する。板およびEMAの周縁部には整列用孔およびマニホールド通路が明らかに見られる。図４は本発明による７枚板構成の加湿方式IFMT双極セパレータ20の等角投影分解図であり、６種の異なる板を含んでおり、板30-1と30-7は同じウインドウフレームまたはウインドウスクリーン板（図にはウインドウフレーム板を示す）である。これらの板は、切欠部、活性領域25、加湿領域35、40、貫通エッチングによって横切るように形成した反応ガスおよび冷却剤用マニホールドの回りにシール隆起部（図示せず）を含むことができる。シール隆起部は板にエンボス加工またはエッチングにより形成される。板30-2はアノード側フローフィールドスペーサ板であって、貫通エッチングで形成したチャンネルおよび流路、深さエッチングで形成したマニホールドおよびタブ部を有する。板30-2〜30-7の何れにおいても、貫通エッチングによって形成された横断方向の境界通路またはマニホールドは、板30-1に形成されたものと対応している。板30-3はアノード側フローフィールド板であり、深さエッチングにより形成したチャンネルを有し、その位置は板30-2の貫通したチャンネルと合わせられている。板30-4は冷却用板であり、アノード側には活性領域の半分を占める、複数個の深さエッチッグによって形成された平行な蛇行冷却チャンネルが設けられている。背面にはカソード冷却チャンネルが設けられ、このチャンネルも深さエッチングで形成され、活性領域の他の半分を覆っている。板30-5はカソード側フローフィールド板であって、図４では見えない背面に板30-3と同様なチャンネルが深さエッチングによって形成されている。板30-6はカソード側フローフィールドスペーサ板であり、板30-5と位置を合わせた貫通エッチングによって形成したチャンネルおよび板30-2と同様な深さエッチングによって形成したタブを有する。板30-7はカソード側ウインドウフレーム（ウインドウスクリーン）板であり、板30-1について上述したのと同様なシール隆起部を前面に有す。図５〜10は、本発明のIFM原理による図４の７枚双極セパレータの各板における、貫通エッチングおよび深さエッチングによって形成した形状の一実施例の細部を示すもので、各板の対向側からみた平面図である。板の順序は図４と同様であり、-Aを付した数字はアノード側（図４の手前側）からみた板の前面で、-Bは図４では見えない各板の背面を示す。すなわち各図は全てアートワーク、即ち板の上向きにした図を示す。板１および７は本質的に同一であるが、シール隆起部を用いた場合は図５が板１の前面および板７の背面となり、図５の鏡像が板１の背面および板７の前面となる。図５は双極セパレータとEMAの封止にガスケットを用いる実施態様を示している。ガスケットを使用しない場合は、アノード板の前面にカソード板の背面の２つの隆起部の間の溝に嵌合するように位置合わせされた１つの隆起部を設けることができる。図５はアノード封止板30-1およびカソード封止板30-7（ウインドウフレームまたはウインドウスクリーン板）のアノード側の面を示す。この面の内部マニホールド（角を丸めた長方形）通路およびフローフィールドの周囲に１〜2milのシール隆起部を設けることができる。この板の主な特徴は３個の大きい長方形であって、これらはEMAの黒鉛紙が圧縮した状態で入る空間を提供する。長方形25はアノードの活性領域のフローフィールド用の切欠部（スクリーン領域）である。左上の長方形35は燃料（水素）加湿フローフィールド、右上の長方形40はカソード加湿用のウォーターフローフィールドである。板の上下および両側には貫通エッチングによる横断的な反応ガス用マニホールド（12、14、16、18）および冷却剤用マニホールド(22、24)が配置されている。最も小さいマニホールドが燃料用であり、12が入口、14が出口である。中程度の大きさの２本のマニホールドは冷却用および加湿用の水の通路であり、22A 、22Cが導入用、24A、24Cが排出用である。２本の大きいマニホールドは空気（酸素）用であり、16が入口、18A、18B が出口である。各横断的マニホールドおよびポケット（切り抜き部分（スクリーン）25、35、 40）の周囲には27にシール隆起部を設けることができる。あるいは板に第２回の深さエッチングを施してシール隆起部を形成することができる。すなわち１回目のエッチングによってマニホールド、フィールド、整列用およびタイロッド用の孔を貫通させ、２回目のエッチングによって隆起部を形成する。また、図５は貫通エッチングによって形成した積層時の整列用孔32およびスルーホール型タイロッド用の孔34を示している。整列用孔は板を接合するに際して板を正確に整列させるために利用する。シール隆起部とガスケットの何れを用いるかに関わらず、この板の背面は前面の鏡像からシール隆起部を除いたものとなる。上記シール隆起部の有無に関わらず、板30-7の前面は図５の鏡像であり、30 -7の背面は図５である。図６は、アノード側フローフィールドスペーサ板の前面側を示し、貫通エッチングにより形成した一連の平行な燃料（水素）用フローフィールド44、燃料（水素）加湿用フローフィールド46、膜のカソード側でＯ₂を加湿するためのカソードウォーターフィールド49を含む。これらのチャンネルはセル内の流速および圧力降下を最適にするように設計される。図には燃料（水素）、空気（酸素）、冷却水の出入のための横断的なマニホールドの続きである12、14、16、18、22、24 も示されている。本図にはまた本発明の重要な特徴の一つであるタブ50を示している。これはチャンネル52が（本板では）貫通エッチングで形成しているのに対して、深さエッチングによって形成されたものであり、間隔を置いて交互に配置されたランド部 42を連結している。図6Bに見られるように、タブは見えないがチャンネル52とスペーサランド部54は可視的である。タブは背面（図6B）からのみの深さエッチッグで形成され、前面はそのままである。エッチングの深さは板の厚さの約60％である。貫通エッチングは適当なマスキングを適用して両面からの深さエッチングを行うことにより実現される。深さエッチッグは片面のみに施される。加湿フィールド46、48についても同様である。図6Bに示す背面には貫通エッチングによるフローフィールドチャンネル52、および各種マニホールド、整列用およびタイロッド用の孔の続きが示されている。この板にはＨ₂、Ｏ₂、水の出入のためのマニホールドは示されていない。図7Aはアノード側フローフィールド板の前面であり、水素の活性領域フローフィールド44を形成する一連の深さエッチッグによって形成した平行チャンネル、水素加湿領域46、フィールド49内のカソードウォータチャンネル91を示している。これらのチャンネル52およびランド部54はアノード側フローフィールドスペーサ板（図6A、6B）のチャンネルおよびランド部と正確に合うように位置決めされている。この板には、水素加湿フローフィールド46に出入する、深さエッチングで形成された分配チャンネル延長部56も含まれる。（このフィールドにおける水素の流れを追跡するには図8Aも参照されたい。）Ｈ₂は横断的入口12から分配マニホールド60（図8A）を通りフィールド入口通路61（図7A、7B）からＨ₂加湿チャンネル62（図7A）に入る。このチャンネルは水素加湿フィールド46の３つの独立した平行蛇行チャンネルとして示されている。Ｈ₂はほぼ湿度100％となって出口通路63（図7A、7B）からこのフィールドを出て、排出用補集マニホールド64（図 8A）、角型通路65（図7B、8A）を経て、アノード活性フィールド44の水素分配用入口マニホールド66に戻る。活性フィールドには６本の平行な蛇行チャンネル67 が存在する。残るＨ₂は延長部68、排気用マニホールド69を経て横断的排出管14 に達する。これらマニホールドおよび通路はフローフィールド全体にわたる水素の均一な分布を保証するように設計される。通路61、63の寸法は流量測定ポートとしても機能するように定める。分配および補集用マニホールドの設計によって、圧力降下と流量を正確に制御することができる。これに続く板（図7B、8A）における通路61、63、65およびマニホールドを重ねて見れば各板間の流通を容易に理解することができる。図7Bはアノード側フローフィールド板の背面を示し、横断的Ｈ₂流路入口12および深さエッチングで形成したマニホールド60（図8A）からＨ₂（アノード）加湿フィールド46（図7A）に至る燃料（水素）の流量を制御するための、貫通エッチングによる流量測定用オリフィス（通路）61を含む。スルーホール（通路）63 は、角型供給孔（通路）65を介して活性フィールド44の入口マニホールド66に至る、深さエッチングで形成したマニホールド 64（図8A）への出口である。Ｈ₂出口は深さエッチングで形成したマニホールド69を通じて横断的出口14に連なっている。図7Bにおいて、カソード冷却水は横断的孔（マニホールド）22Cから入り、出口熱水は通路70、71を通って加湿ゾーン49（図7A）に入り、加湿ゾーン49を出てさらに通路72、73から排出されてマニホールド74（図8A）を介して横断的マニホールド24Cに至る。同様に、空気/Ｏ₂は横断的マニホールド16から深さエッチングで形成された空気入口マニホールド76（図8A）を介して空気（カソード）加湿領域47（図9B）に入り、深さエッチングで形成された空気分配マニホールド77から深さエッチングで形成されたマニホールド78を通ってカソード活性領域98（図 9B、10A）に至る。廃空気は排気マニホールド79に集められ、横断的マニホールド孔18A、18Bを介して排出される。図8Aはアノードおよびカソード冷却板の前面を示し、活性フローフィールドエリアの半分を被い熱負荷の半分を処理する、深さエッチングで形成された３組の蛇行冷却剤チャンネル81を含んでいる。水はポート22Cから蛇行部81に入り、マニホールド83から排出される。この熱水は続いて通路70、71（図7B）を通ってカソード水領域49（図7A）に至る。水分子が膜を拡散して、膜の反対側に存在する酸素を加湿する。水は通路72、73（図7A、7B）を通ってマニホールド74に集められ、横断的マニホールド24Cを介してスタック外に排出される。この板にはまた空気/Ｏ₂入口マニホールド76と空気分配用マニホールド77、78 も見られ、これらは図8Bに示すように連結され、貫通エッチングで形成されている。同様に廃空気捕集マニホールド79もこの板（図４の板30-4）に貫通エッチングで形成されているが、板7Bの対向面ではいずれも深さエッチッグされているのみである。図8Bはアノードおよびカソード冷却板の背面を示し（背面がカソード側である）、深さエッチッグＨ₂分配マニホールド60、64および通路65がないことを除けば類似した形状を示している。これはカソード側であるから、水の入印よ22A、蛇行部は80、熱水捕集マニホールドは82、水出口マニホールドは75となる。マニホールド82は熱水通路84、85を介してアノードウォーターフィールド48と、また水出口領域48は通路86、87を介してマニホールド75と連結されている。蛇行部80 は活性領域フィールド44の熱負荷の残り半分を処理する。図9Aは、カソード側フローフィールド板の前面を示す。このカソード側フローフィールド板は、深さエッチングにより形成されたＯ₂入口分配マニホールド78 、排気補集マニホールド79、及び貫通エッチングにより形成された横断方向マニホールド（Ｈ₂用（12: 入口、14: 出口）、Ｏ₂用（16: 入口、18: 出口）、水用（22A 、22C:入口、24A 、24C:出口））を有する。また、Ｏ₂加湿フィールド4 7（図9B）へＯ₂を流入させるための入口通路列 88、およびＯ₂加湿フィールド47 からの出口通路90が設けられている。加湿Ｏ₂入口マニホールドはＯ₂カソード活性フィールド通路92（図9B）と連通しており、廃Ｏ₂は通路96（図9B）を介して排気補集マニホールド79へ流出し、Ｏ₂横断方向マニホールド18A、18Bから出て行く。図9Bは、カソード側フローフィールド板（図４の板30-5）の背面を示す。これはアノードフローフィールド板（図４の板30-3）の前面に類似しているが、Ｏ₂ 加湿フィールド 47 中のＯ₂蛇行部89およびカソードＯ₂活性領域98中の蛇行部94 が、空気／Ｏ₂の粘性の増大に起因して水素に比べて短くなっている点は異なる。Ｈ₂用の蛇行部３個に対して、Ｏ₂用に18個設けられている。Ｏ₂は入口マニホールド76（図8A）を介して横断方向入口16から入口通路88（図9Aおよび9B）へ通過し、フィールド47に流れ、通路90から流出して分配マニホールド77、78（図8A ）に達し、そして通路96（図9B）を介してカソード活性領域98の蛇行部へ流れる。廃空気／Ｏ₂は通路100を介して排気補集マニホールド79（図9A）に流れ、そして横断方向マニホールド出口18A、18Bから流出する。上記したように、フィールド47、48および98は、チャンネルおよび中間ランドを形成するために深さエッチングされている。図10Aは、上記したように貫通エッチングされたチャンネルフローフィールド4 7、48および98を有するカソード側フローフィールドスペーサ板の前面を示す。この板は、上記のアノード側フローフィールドスペーサ（図４の板30-2）に類似しているか、蛇行チャンネルはＯ₂の圧力低下を最小にし、流量を最大にするように設計されている点は異なる。図10Bは、上記したようにカソード側フィールドスペーサ板（図４の30-6）の背面を示す。深さエッチングにより形成されたタブ50が、活性カソードフィールド98内の隣接する貫通エッチングされたチャンネル94、アノード側ウォーターフィールド48内のチャンネル93、およびＯ₂加湿フィールド47内の酸素チャンネル8 9の間でランド102を保持している点において上記のアノード側スペーサ板（図４の30-2）に類似している。ランド、チャンネルおよびタブは上記のように形成されている。図11は、セパレータ対を通る、水素、酸素、および加湿／冷却水流路を示し、第１セパレータのアノード側が「アノード」として示され、スタック中の次のセパレータのカソード側が「カソード」として示されており、水透過性のEMA5がそれらの間に配置されている。要素の番号は上記の図３および図５〜10に対応している。横断方向マニホールド12を介して供給された水素は、最初に、加湿膜領域 37を介してのアノード側ウォーターチャンネル93（領域48内のカソード側）から加湿領域（ゾーン）46内の水素加湿チャンネル52への拡散による熱い水分子の移動によって領域46のチャンネル52内において加湿される。そして、加湿された水素は、活性電極膜領域28の活性領域44内のチャンネル67を通過し、余った水素と加湿水は出口マニホールド14を介して外部に流出する。アノード水は、入口横断方向マニホールド22Aを介して流入し、蛇行熱交換機8 0内で加熱される。この熱交換機80は、活性領域28のチャンネル80内において、反応するＨ₂とＯ₂からの熱の半分を奪い、熱い水を領域48のチャンネル93から膜 37に供給する。これに対応し、マニホールド22Cを介して流入するカソード水は、蛇行熱交換機 81 内で熱を受け取り、熱い水を領域49のチャンネル91から膜42 に供給し、この熱い水はマニホールドまたは膜を介して拡散し、膜の反対側の領域47中のチャンネル89内の流入するカソード空気に取り込まれる。カソード空気は入口横断方向マニホールド16を介して流入し、膜領域42を介して蒸気または分子を通す領域49のチャンネル91内の熱いカソード水によって、領域47のチャンネル89内で加湿される。そして、加湿されたカソード空気は活性領域98内のチャンネル94を通過し、Ｏ₂を消費した空気および反応生成物である水はマニホールド18A、18Bを介して排気される。本質的な効果は、加湿水の蒸気が膜のカソード側から膜の第１領域を通過してアノード側のＨ₂を加湿し、水の蒸気が膜のアノード側から膜の第２領域を通過してカソード側の流入するカソード空気を加湿することである。第３の膜領域は活性領域であり、この活性領域では、熱の取り出すために各側で水を使用した状態で反応が行われ、このゾーンでの生成水の最終的な流れはアノード側からカソード側である。図12の中央部は、燃料電池全体の動作を示す。アノード側のＨ₂が触媒によって酸化され、黒鉛電極（アノード）において２個の電子（2e-で示されている）を生成し、得られた２個の水和されたプロトンは拡散し、濡れた電解質膜を通してカソード触媒位置に電気浸透圧的に押し出される（膜中においてＨ₊／Ｈ₂Ｏによって示されている）。このカソード触媒位置において、水和プロトンはＯ₂および２個の電子（2e-で示されている）と結合してＨ₂Ｏを生成する。図12の上部および下部は、本発明の中心的要素である向流加湿メカニズムを示す。電解質膜は、固体電解質の役割と加湿膜の役割の両方を果たす。上部は、アノード側の水によって加湿されているカソード側の酸素ガスを示す。逆に、アノード側の水素はカソード側の水によって加湿される。図13〜14は、本発明のIFMT板の原理を採用した実際のテスト燃料電池スタックのセル電圧と電流密度の関係を示す出力のグラフである。何れのテストにおいても、図４〜10に示す７枚セパレータを採用した２個のセルを有する電池を使用した。活性領域の合計は、129平方センチであった。エッチ・パワー社から供給されている、Pt−ブラックを含有するカーボンブラックで被覆した膜電極組立体NA FIONを採用した。動作パラメータは、Ｔ＝95℃、ＰＨ₂／Ｏ₂＝15/25psig、燃料: Ｈ₂とＯ₂であった。図13に示すように、セル電圧と電流密度の関係は、0.9V （50mA/cm²）から0.4V（830mA/cm²）まで本質的に直線的である。電池はこの割合で８時間電気を発生した。テストは、電池スタックの故障ではなく、時間の制約のために終了した。図14は、同じ電池をＨ₂と空気を使用し、25/30psig の圧力で95℃で運転した。同様に、0.9V（10mA/cm²）から0.4V（460mA/cm²）まで本質的に直線的である。電池はこの割合で８時間電気を発生した。テストは、電池スタックの故障ではなく、時間の制約のために終了した。図15は、化学的ミリング（エッチング）による形状部成形を含む板製造プロセスの主要な工程を示す流れ図である。Ａ．板素材の検査: 搬入された板素材110を検査工程120にかけ、材料の種類、圧延硬さ、圧延厚さ、表面均一度、および関連する供給者からの情報を確認する。Ｂ．板素材の洗浄および乾燥: フォトレジスト塗布のために板素材を洗浄し（130）、自動機械を使用して、スクラビング、脱脂、および化学洗浄を行う。この工程により、残留しているシート材料圧延用グリスおよび油を除去する。脱脂後、希釈したエッチング溶液により、室温で穏やかな化学洗浄を行い、酸化物および表面不純物を除去する。チタンについての洗浄溶液は３〜９％のＨＦと10 〜18％のＨＮＯ₃である。その他の金属については、室温でボーメ度が30〜45の塩化第二鉄を洗浄液として使用する。フォトレジストを塗布する前の最終工程として板を強制対流乾燥機内で乾燥する。レジストが湿式か乾式かによって、下記工程Ｃ−１とＣ−２によってまたは工程Ｃ−３によってレジスト塗布プロセスが行われる。Ｃ−１．湿式プロセスフォトレジストの塗布: 湿式プロセスフォトレジストは、フォトレジスト層が薄いため細部について最も細かい分解能を達成できる。典型的には、浸漬タンクを用いて湿式フォトレジストを塗布する（135）。小さな板は、半導体産業向けに開発されたスピンコーティング装置を用いてスピンコーティングすることもできる。Ｃ−２．レジストオーブン: オーブン137内で湿式レジストを焼成（硬化）させ、固い弾性層を形成する。Ｃ−３．乾式プロセスフォトレジストの塗布: 許容誤差が大きい場合には乾式フォトレジストを使用する。典型的には、燃料電池セパレータに乾式フォトレジストを使用する。乾式レジストを台紙から剥がし、加熱ローラプレスを用いて接着させる（139）。ローラプレスは、プリント回路板の業界において使用されているものに似たものである。このローリングプロセスは、自動的にフォトレジストから台紙を剥がす。典型的な乾式フォトレジスト材料は、デュポン社によって製造されている2milの“Riston4620”である。Ｄ．フォトレジストマスクの紫外線露光: 紫外線接触露光器を用いて板を露光する（140）。アートワークの両側が正確に位置合わせされるように注意を払う。この工程を補助するために整合ターゲットを使用する。Ｅ．現像: 露光された板を現像液およびオーブンを通す（145）。湿式プロセスレジストを炭化水素現像液内で現像し、硬化していなしルジストを除去する。典型的な現像液は、グレート・ウエスタン・ケミカルズの“Stoddard's Solutio n” （部品番号:GW325）およびバン・ウォーター・アンド・ロジャーズから入手できるブチルアセテート（部品番号:CAS104-46-4）である。湿式プロセスの現像は、これらの溶液を室温で最大強度で使用する。現像液に晒した後、残存する湿式レジストを再び焼成し、弾性層を形成する。乾式ブロセスの現像は、デュポンの“ Liquid Developer Concentrate”（部品番号:D-4000）を1.5％溶液として80°F で使用する。Ｆ．スプレーエッチングタンクによる化学的加工: 現像した板をスプレーエッチングタンク内でエッチングする（150）。スループット速度が高いことから、浸漬タンクエッチング装置よりもスプレータンクが好ましい。場合によっては、浸漬タンクエッチング装置を用いた方が、スプレーエッチング装置から得られるよりも高い分解能が得られる。エッチングプロセスは、エッチング液の強度、コンベヤベルトの速度、スプレー圧およびプロセスの温度に非常に敏感である。生産運転の間、インプロセス検査152を継続することによって、上記のパラメータに関するプロセスのフィードバック155を維持する。典型的には、要求されるエッチングの結果を得るためにラインの速度を変化させる。塩化第二鉄またはＨＦ／硝酸溶液をエッチング液として使用する。塩化第二鉄は、銅、アルミニウム、およびステンレス鋼に使用する。ＨＦ／硝酸溶液はチタンに使用する。チタンについての典型的なエッチング液の濃度はＨＦが３〜10％、ＨＮＯ₃が10〜18％の範囲である。チタンについてのエッチング温度の範囲は80〜130°Fである。他の金属についての典型的な塩化第二鉄の濃度は30〜45ボーメ度で、エッチング温度は80〜130°Fの範囲に維持する。特定の濃度と温度条件は、採用した異なる金属毎に制御できる。ライン速度は使用されているエッチングタンクの数の関数となる。典型的なエッチング装置は、独立したエッチングタンクを共通のコンベヤで連結して構成される。典型的なエッチング装置は、オハイオ州マウミーのシュミッドシステム社、およびペンシルバニア州ステートカレッジのアトテックケムカット社から入手できる。最後のエッチングタンクの後、カスケード洗浄装置内で板を洗浄する。カスケード洗浄装置により検査の前に余分なエッチング液を除去する。Ｇ．インプロセス検査: エッチング速度およびライン速度に関する情報をエッチングプロセスにフィードバックするために152において板を検査する。インプロセスの検査は、典型的には視覚的に行う。Ｈ．レジストの剥離: 炭化水素除去剤を使用して200°Fで湿式プロセスのフォトレジストを剥離する（160）。好ましいものは、カリフォルニア州カーソンのアルファメタルによって製造されている“Chem Strip”（部品番号:PC1822）である。乾式プロセスのフォトレジストは、カリフォルニア州ラ・ミラダのアルドロックスによって製造されている“Ardrox”（部品番号:PC4055）を使用して除去する。Ardroxは１〜３％に希釈し、130°Fで使用する。剥離工程の後、カスケード洗浄装置により板を洗浄する。Ｉ．最終検査: 測定を行うとともにCAD設計プロセスで選択された重要な寸法1 62と比較することによって視覚による最終検査を行う（165）。エッチングと設計プロセスを制御するためにこの情報をフィードバックする。完成した板のマザーシート172を、形式毎またはグループ分けして在庫170としてまとめておく。ロール素材は、典型的には、厚さが４〜25mil（板の設計条件に依存する）で、幅が36インチのチタンであり、板素材は６インチ×８インチである。このため、上記の連続送りプロセスではシートの幅方向に板が６個配置される。板は全て同じ形式、例えば板#2（図４の30-2）またはグループ化された一連の板1-7（30-1〜30-7）である。図16は、板を一体型極セパレータ組立体に接合する現時点での好適な方法を示すプロセスフローチャートである。必要に応じて板マザーシート172を在庫170から引出し、下記のように処理する。Ａ．化学洗浄: 板を洗浄するために室温で最大強度のエッチング液を使用する（175）、これによって、接合表面に酸化物がない状態にする。洗浄後、板をオーブンで焼成して乾燥する。Ｂ．板分離: 形状部が成形された板をマザーシート内で所定位置に保持するブリッジを切断することによって板マザーシートを分離する。これは接着プロセスを容易にするためスタックにする前に行う。Ｃ．積層プロセスおよび接着防止剤スプレー塗布: 板を水平に向け順序ずけ（正しい順番に置く）、２個の位置合わせピン182を有する熱いプラテン上に順番に垂直に積み重ねる（190）。板位置合わせ孔（図５の孔32）をピンに嵌め、板を正確に位置合わせし、これにより組み合わせられた形状部が相互に関連し、通路、ランド、マニホールドおよびチャンネルを形成する。積み重ねる前に、板がプラテンに接着するのを阻止するために熱いプラテンを市販の接着防止剤によって被覆する（195）。接着防止剤の組成は接着する金属の種類によって変化する。チタンについては酸化イットリウムを使用し、その他の金属については酸化アルミニウムを使用する。接着防止剤は、隣接するスタックへの接着を阻止するために板スタック組立体の間にも塗布される。小型のプラテンを板スタック組立体の間に置き、負荷を正確に伝達するとともに接着を容易にする。この様にして最大100枚のセパレータを一度に接着し、上部および下部プラテンの間に単一の接着スタックを形成する。Ｄ．拡散接着: 組み立てられた板スタック190（プラテンは示していない）を加熱した真空プレス内に搬入し、拡散接着を行う（200）。異なる金属は異なる接着条件を必要とする。接着条件は、加圧ラム圧力と温度の詳細なスケジュールによって決定される。接着サイクルを開始するためにプレスを閉じ、加熱時における酸化を阻止するとともに板の間の隙間から気体を抜くために10^-6torrになるまで真空引きを行う。適切な真空度が得られた後、炉加熱をオンにし、組み立てた板スタックを熱的に平衡な状態にする。場合によっては、加熱期間の間に局部的なラム圧を加える。熱的平衡が得られたとき、接着圧力を、接着する金属に依存する詳細なスケジュールに従って加える。場合によっては、接着する部品の種類および金属の種類に依存する接着後熱処理を減圧下で行う。典型的な接着サイクルは、接着する金属および板のデザインに依存し、2000〜 4000psiの圧力下、 900〜1700°F の温度で10〜60分続ける。100psiで約60分加熱する場合におけるチタンについての典型的な加熱温度は約1500〜約1600°F である。接着および熱処理サイクルの完了後、温度を室温まで下げる。チャンバーの温度が100〜200° F に達した時、真空状態を解除し、真空プレスからの搬出を行う。Ｅ．プルーフおよび／または漏れ検査: 接着された板セパレータを、チャンネル、マニホールドおよび通路に内部圧力を加えて接着剤の無欠性、即ち縁での漏れまたは内部チャンネルの短絡がが無いことを確認する試験装置を使用して漏れ検査にかける（205）。Ｆ．接着後洗浄: 漏れ検査後、機械的除去装置によって板セパレータから接着防止剤を除去し（210）、その後、酸エッチング、カスケード洗浄、および強制空気オーブン乾燥を行う。Ｇ．最終トリム: 取扱用フレームや板の連番（板の縁に形成されている）などの加工を補助する部分を、最終トリム加工にて除去し（切り落し）215、上記の複雑な内部微小チャンネルフィールドを有する一体型接合板セパレータ220を生産する。Ｈ．パッシベーション: 完成したチタンセパレータを10^-6torrまで真空引きされた真空炉内で窒化する(225)。圧力が１psigになるまで乾燥窒素を炉内に導入する。このサイクルを繰り返す。１psigの最終圧力が得られたとき、1200〜1625 °F の温度で約20〜約90分の期間、炉を加熱する。具体的な時間と温度は、必要とされる窒化チタン皮膜の厚さに依存する。炉を冷却して再加圧し、完成品である窒化（不動態化された）板セパレータ230が準備される。この板セパレータ230 をEMAと組み合わせて個々のセルが作られ、完全な電池スタックを構成する複数のセルはタイロッド（図５の孔34を通る）によりまとめて保持され、ナットによって固定される。これにより、スタックは圧縮状態に置かれ、気体圧が加えれた状態でも漏れを起こすことがない。このようにして製造されたセルの動作方法は図11〜図14に関連して既に述べた。図17は、図15および図16に記載した板の光食刻法（フォトリソグラフィー）による湿式または乾式プロセスエッチングのための板デザインアートワークを準備するためのプロセスを示す。工程は以下のとおりである。Ａ．板の製図: 板組立体の図面はコンピュータによって自動化された製図CAD シススム240上で作る。図面は、実質寸法で寸法が決められる。各板の両面は平面図245として仕上ける。これらの図面を板マスクアートワーク生成CADシステム 250に電気的に送る。CAD図面から検査データベース162を生成する。この検査データはアートワーク作成時および製造プロセスにおいて確認すべき重要な寸法を含んでいる。製造プロセスではアートワークと板の両方を検査する。Ｂ．マスクアートワーク生成: 板CAD 図面をマスクアートワーク CADシステム 250内で各板についてのフォトツーリングマスクに変換する。各図面の各形状部にエッチングファクターを適用する。各ファクターは、各板を加工するのに使用する化学的エッチングプロセスの間に生じるアンダーカットを補償するために形状部の幅に対するフォトツーリングマスクの幅を調製するものである。これにより、フォトツーリングマスク内のチャンネルの寸法がアンダーカットを補償するために減少される。各ファクターは金属の種類、化学的加工装置の形式、エッチング速度、使用するエッチング液の種類と強度に依存する。マスク発生プロセスにおいて製造の手助けになる部分を加えられる。製造の手助けになる部分には、位置合わせ用ターゲット、板番号、および積み重ねおよび接着プロセスにおいて助けとなる取扱いフレームが含まれる。Ｃ．アートワークフォトプロッティング: 自動フォトプロッター255を使用し、フィルム上に１倍の倍率で板アートワークを描く。Ｄ．ポジティブ検査: 板CAD図面作成プロセスにおいて生成された検査データベース162を使用して完成したアートワークの映像検査を行う（260）。検査の後、正確に位置を合わせて上側（前面）と下側（背面）の板アートワークを結合する（270）。産業上の利用可能性：本発明の典型的なIFMT板燃料電池は以下の動作データを呈する。 PEM EMAを有し、Ｈ₂とＯ₂または空気を消費する２個の電池テストスタックは95 ℃において、0.4V出力（空気の場合は 460mA/cm²、Ｏ₂の場合は 830mA/cm²）から0.9V出力（空気の場合は 10mA/cm²、Ｏ₂の場合は 50mA/cm²）の間で直線的出力特性を示す。100 IFMT板セル電力密度のの最大規模の燃料電池は、522mW/cm² を越えるものと思われ、これは50ポンド以下の重さで、13インチ（長さ）×６インチ（幅）×８インチ（高さ）以下のサイズの電池スタックでの6.79kWに相当する。これに対し、５〜７kWの範囲の出力を有する黒鉛プレート燃料電池の重さは 100〜500ポンドの範囲である。自動車で使用する場合は10〜40kWの燃料電池出力が必要とされ、バスの場合は100〜 150kWの燃料電池出力が必要とされる。本発明のIFMT板燃料電池は現在の電気自動車のニーズに適合する。0.7V、EMA 電流密度 750mA/cm²の条件でＨ₂−Ｏ₂／空気（圧力に依存）で動作する本発明の 100 IFMT板セルの最大規模のスタックの場合、電力密度は 326W/kgで比出力は74 3kW/m³(743W/L)である。これらの結果は、50〜125W/Kgの範囲の出力を有する対応の黒鉛／NAFION Ｈ₂／Ｏ₂およびＨ₂／空気電池に比べて優れたものである。即ち、本発明のIFMT板電池は、現状の黒鉛燃料電池の約３〜６倍の電力密度を有している。これは、本発明のIFMT板Ｈ₂／空気燃料電池は、たった 21kg（46ポンド）しかなく、容積が 0.009m³（0.323立方フィート）、即ち12.9インチ（長さ） ×5.6 インチ（幅）×7.6 インチ（高さ）の電池スタックで6.79KWを発生できる。これはパワフルであり、ハイブリッド型の自動車にとって充分小さいものである。本発明の改善されたIFMT燃料電池は、特に、遠隔地にある家、産業または建設現場において、静止型電源として、専用の単一装置電源のための小型化のために、また、特に建設重機、トラック、鉄道および船舶などの車両電源用として広い産業上の利用性を有している。本発明のIFMT燃料電池を製造するのに使用する“ 印刷”技術は、フォトリソグラフィー、エッチングおよび洗浄、組立、接着、パッシベーション、流通、およびサービスの分野において数々の仕事を提供しこれらの分野の成長をもたらすものである。電力出力、重量/Kw出力の比の低減、製造の容易さ、および本明細書に開示された特定の燃料電池のデザインを適用する場合の迅速さの面において３倍以上の改良をもたらすものであり、これは本発明が広く受け入れられるであろうと結論づける強力な根拠となる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＭ，ＡＵ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＺ，ＥＥ，ＦＩ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＲ，ＬＴ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＮ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＵＡ，ＵＳ，ＶＮ (72)発明者ミューゲンバーグ，エイチ．，ハリーアメリカ合衆国 95608 カリフォルニア州，カーマイケル，ブラッフコート 3525 (72)発明者ホッジ，レックスアメリカ合衆国 95823 カリフォルニア州サクラメント，バッセットウェイ 5101 【要約の続き】６倍大きい。

Claims

【特許請求の範囲】１．薄いシート材から成る複数の板を作動的組み合わせで含み、各板は個別に形成された形状部を有し、この形状部は、メータリングオリフィス、チャンネル、通路およびマニホールドの内の少なくとも一つから選択され、前記形状部は板毎に位置合わせされて少なくとも一つの活性領域微小チャンネルフィールドを提供し、前記板を一緒に接合して、燃料電池スタック内において電解質膜組立体と接触するように配置するための一体型のセパレータを形成するようにした極燃料電池セパレータ。２．燃料または酸化剤のための少なくとも一つの加湿フィールドを形成する形状部を含む、請求項１に記載の極燃料電池セパレータ。３．少なくとも一つの冷却剤フィールドを含む、請求項２に記載の極燃料電池セパレータ。４．前記冷却剤フィールドが前記加湿フィールドの少なくとも一つと連通して加熱された加湿流体を前記加湿フィールドに提供するようにした、請求項３に記載の極燃料電池セパレータ。５．形状部が深さエッチッグと貫通エッチングの組み合わせによって形成されている、請求項１に記載の極燃料電池セパレータ。６．前記一体型のセパレータを形成するために前記板が、加熱加圧下において、接着、拡散接合、溶接、ロウ付けまたははんだ付けにより接合されるものである、請求項５に記載の極燃料電池セパレータ。７．前記セパレータが、アノード側とカソード側を有する双極セパレータで、前記フィールドチャンネルは、その長さ、微小チャンネル断面寸法および蛇行形状が、ガスの組成および粘性に適合されている、請求項６に記載の極燃料電池セパレータ。８．前記セパレータのフィールドが、Ｈ₂加湿フィールドと空気／Ｏ₂加湿フィールドとを含む、請求項６に記載の極燃料電池セパレータ。９．前記セパレータのフィールドが、少なくとも一つの冷却剤フィールドを含む、請求項８に記載の極燃料電池セパレータ。１０．ｉ）積層アレーに内の極セパレータおよび膜電極組立体と、ｉｉ）前記スタックの一端において前記膜電極組立体の内の一つと接触しているアノード側セパレータエンドプレートと、ｉｉｉ）前記スタックの他端において一つの膜電極組立体と接触しているカソード側セパレータエンドプレートとを含む複数のセルを作動的組み合わせで含み、前記双極セパレータ並びに前記アノード側およびカソード側セパレータは請求項１に記載のセパレータであり、動作する電池を構成するために前記セルが圧縮状態で順番に組み立てられるものである燃料電池スタック。１１．前記形状部が燃料または酸化剤のための少なくとも一つの加湿フィールドを含み、少なくとも一つの冷却剤フィールドが前記加湿フィールドと連通して加熱された加湿流体を前記加湿フィールドに提供するようにした、請求項１０に記載の燃料電池スタック。１２．前記フィールドは、その長さ、微小チャンネル断面寸法および蛇行形状が、燃料としてのＨ₂、酸化剤として空気／Ｏ₂に適合されている、請求項１１に記載の燃料電池スタック。１３．前記セパレータが、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、ニオビウム、ステンレス鋼、合金、積層体、金属の層、およびそれらの複合体から選択される拡散接合された金属によって構成され、前記膜電極組立体は炭素紙によって被覆されたＰＥＭまたは炭素紙によって被覆されていないＰＥＭであり、前記セパレータは前記炭素紙によって被覆されたＰＥＭに接触するウインドウフレーム板または炭素紙によって被覆されていないＰＥＭに接触するウインドウスクリーン板を含むものである、請求項１２に記載の燃料電池スタック。１４．薄いシート素材内に、微小チャンネル、通路およびマニホールドから選択される位置合わせされた形状部を有する複数の異なった板を形成し、前記形状部は共同して、膜電極組立体と接触する、酸化剤または燃料を消費するための少なくとも一つの活性領域を形成し、前記個々の板の形状部を対を成す隣接する板の対応する形状部と正確に位置を合わせて前記板を積層して前記酸化剤または燃料のための連続する循環通路を提供し、前記整合された板を接合して、内部微小チャンネルとこれに続くマニホールドを有する一体型のセパレータを形成する工程を含む燃料電池セパレータ組立体を生産する方法。１５．前記シート素材が金属であり、前記形成工程が、深さエッチッグと貫通エッチングの組み合わせによって前記形状部をエッチングによって形成する工程を含む請求項１４に記載の方法。１６．前記貫通エッチングが、前記シート素材の両側から選択された領域を、シート厚の５０％を越える深さまで深さエッチングすることを含む請求項１５に記載の方法。１７．前記金属がＴｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、ニオビウム、ステンレス鋼、合金、積層体、金属の層、およびそれらの複合体から選択されるものである請求項１６に記載の方法。１８．前記形成工程は、前記金属シート素材の上に形状部を定義するために前記金属シート素材をフォトリソグラフィー的にレジストで被覆することを含む請求項１５に記載の方法。１９．接合後、前記セパレータを不動態化（パッシベーション）する工程を含む請求項１５に記載の方法。２０．前記接合は、加熱加圧下での拡散接着を含み、前記金属はＴｉであり、前記不動態化は高温で窒素に晒すことを含む請求項１９に記載の方法。