(57)【要約】 【課題】  膜電極モジュールとその組み立て方法を提供する。【解決手段】  第１表面と第２表面を含む交換膜、前記第１表面の上に設置された第１電極、及び前記第２表面の上に設置された第２電極を含む膜電極アセンブリ、前記第１表面に接触した第１固定素子、及び前記第２表面に接触した第２固定素子を含み、前記第１固定素子と前記第２固定素子は、前記交換膜に固定されるように熱圧着によって前記交換膜に接合される膜電極モジュール。【選択図】  図２
2010103100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１表面と第２表面を含む交換膜、
前記第１表面の上に設置された第１電極、及び
前記第２表面の上に設置された第２電極を含む膜電極アセンブリ、
前記第１表面に接触した第１固定素子、及び
前記第２表面に接触した第２固定素子を含み、前記第１固定素子と前記第２固定素子は、前記交換膜に固定されるように熱圧着によって前記交換膜に接合される膜電極モジュール。
【請求項２】
前記第１電極は、第１触媒層と第１気体拡散層を含み、前記第１触媒層は、前記交換膜と前記第１気体拡散層の間に設置され、前記第２電極は、第２触媒層と第２気体拡散層を含み、前記第２触媒層は、前記交換膜と前記第２気体拡散層の間に設置される請求項１に記載の膜電極モジュール。
【請求項３】
前記第１固定素子と前記第２固定素子は、プリプレグ材料またはエポキシ樹脂で作られる請求項１に記載の膜電極モジュール。
【請求項４】
第１ソフトシートと第２ソフトシートを更に含み、前記第１ソフトシートは、前記第１固定素子を覆い、前記第２ソフトシートは、前記第２固定素子を覆う請求項１に記載の膜電極モジュール。
【請求項５】
前記第１ソフトシートと前記第２ソフトシートは、エポキシ樹脂またはガラス繊維で作られる請求項４に記載の膜電極モジュール。
【請求項６】
第１交換膜を含む第１膜電極アセンブリ、
第２交換膜を含む第２膜電極アセンブリ、
第１固定素子、及び
第２固定素子を含み、前記第１固定素子と前記第２固定素子は、前記第１交換膜と第２交換膜に固定されるように熱圧着によって前記第１交換膜と第２交換膜に接合され、前記第１交換膜と第２交換膜の間に形成される膜電極モジュール。
【請求項７】
前記第１固定素子と前記第２固定素子は、プリプレグ材料またはエポキシ樹脂で作られる請求項６に記載の膜電極モジュール。
【請求項８】
第１ソフトシートと第２ソフトシートを更に含み、前記第１ソフトシートは、前記第１固定素子を覆い、前記第２ソフトシートは、前記第２固定素子を覆う請求項６に記載の膜電極モジュール。
【請求項９】
前記第１ソフトシートと前記第２ソフトシートは、エポキシ樹脂またはガラス繊維で作られる請求項８に記載の膜電極モジュール。
【請求項１０】
交換膜、第１電極と、第２電極を含み、前記交換膜は、第１表面と第２表面を含み、前記第１電極は、前記第１表面の上に設置され、前記第２電極は、前記第２表面の上に設置される膜電極アセンブリを提供するステップ、
第１固定素子と、第２固定素子を提供するステップ、及び
前記交換膜に固定されるように前記第１固定素子、前記第２固定素子と、前記交換膜を熱圧着するステップを含み、前記固定素子は、前記第１表面に接触し、前記第２固定素子は、前記第２表面に接触する膜電極モジュールの組み立て方法。
【請求項１１】
前記第１電極は、第１触媒層と第１気体拡散層を含み、前記第１触媒層は、前記交換膜と前記第１気体拡散層の間に設置され、前記第２電極は、第２触媒層と第２気体拡散層を含み、前記第２触媒層は、前記交換膜と前記第２気体拡散層の間に設置される請求項１０に記載の膜電極モジュールの組み立て方法。
【請求項１２】
前記第１固定素子と前記第２固定素子は、熱硬化性材料で作られる請求項１０に記載の膜電極モジュールの組み立て方法。
【請求項１３】
前記第１固定素子と前記第２固定素子は、プリプレグ材料またはエポキシ樹脂で作られる請求項１０に記載の膜電極モジュールの組み立て方法。
【請求項１４】
第１ソフトシートと第２ソフトシートを提供するステップ、及び
前記第１ソフトシートを前記第１固定素子の上に覆い、前記第２ソフトシートを前記第２固定素子の上に覆うステップを更に含み、前記第１固定素子、前記第２固定素子と、前記交換膜を熱圧着するステップでは、前記第１ソフトシートは、前記第１固定素子と熱圧着され、前記第２ソフトシートは、前記第２固定素子と熱圧着される請求項１０に記載の膜電極モジュールの組み立て方法。
【請求項１５】
前記第１ソフトシートと前記第２ソフトシートは、エポキシ樹脂またはガラス繊維で作られる請求項１４に記載の膜電極モジュールの組み立て方法。
【請求項１６】
前記第１固定素子、前記第１固定素子と、交換膜を熱圧着するステップでは、圧着圧力が前記第１固定素子、前記第２固定素子、前記第１ソフトシート、前記第２ソフトシートと、前記交換膜に加えられ、前記圧着圧力が０〜１００ｋｇ／ｃｍ２の間である請求項１４に記載の膜電極モジュールの組み立て方法。
【請求項１７】
前記第１固定素子、前記第１固定素子と、交換膜を熱圧着するステップでは、圧着温度が前記第１固定素子、前記第２固定素子、前記第１ソフトシート、前記第２ソフトシートと、前記交換膜に加えられ、前記圧着温度が５０〜１５０℃の間である請求項１４に記載の膜電極モジュールの組み立て方法。
【請求項１８】
前記第１ソフトシートと前記第２ソフトシートの厚さを変え、続くプロセスで前記第１電極と前記第２電極の圧縮量を調整するステップを更に含む請求項１４に記載の膜電極モジュールの組み立て方法。
【請求項１９】
前記第１固定素子、前記第１固定素子と、交換膜を熱圧着するステップでは、圧着圧力が前記第１固定素子、前記第２固定素子と、前記交換膜に加えられ、前記圧着圧力が０〜１００ｋｇ／ｃｍ２の間である請求項１０に記載の膜電極モジュールの組み立て方法。
【請求項２０】
前記第１固定素子、前記第１固定素子と、交換膜を熱圧着するステップでは、圧着温度が前記第１固定素子、前記第２固定素子と、前記交換膜に加えられ、前記圧着温度が５０〜１５０℃の間である請求項１０に記載の膜電極モジュールの組み立て方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極モジュールに関し、特に、熱圧着によって交換膜を固定する膜電極モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１は、燃料電池の従来の膜電極モジュール１を表しており、第１電極１０、第２電極２０と、交換膜３０を含む。交換膜３０は、第１電極１０と第２電極２０の間に設置される。交換膜３０は、ボルト２によってフレーム４０に固定される。従来の交換膜の固定プロセスでは、交換膜３０が第１電極１０と第２電極２０に固定された後、交換膜３０は、空気に露出されるため、交換膜３０に含まれる水分がなくなり、交換膜３０が湾曲する。このような場合、ボルト２は、湾曲した交換膜３０をフレーム４０にしっかりと固定することができないため、燃料電池の燃料が電気発生の反応の間に漏れる。
【０００３】
また、交換膜３０はボルト２によってフレームに固定されるため、間隙が燃料電池の素子（例えば、第１電極１０、第２電極２０と、フレーム４０）の間に形成される。交換膜３０の水分は、電気発生の反応中に蒸発し、間隙を伝って漏れるため、交換膜３０を破裂させる。
【０００４】
湾曲した交換膜が固定の効果を悪化するのを防ぐために、複数の膜電極モジュールが並列した時、複数の交換膜が互いに接続される。しかし、増加した交換膜の材料のために燃料電池のコストが上がる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−３４３３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
膜電極モジュールとその組み立て方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
膜電極モジュールが提供される。膜電極モジュールは、膜電極アセンブリ、第１固定素子と、第２固定素子を含む。膜電極アセンブリは、交換膜、第１電極と、第２電極を含む。交換膜は、第１表面と第２表面を含む。第１電極は、前記第１表面の上に設置される。第２電極は、前記第２表面の上に設置される。第１固定素子は、前記第１表面に接触する。第２固定素子は、前記第２表面に接触する。第１固定素子と第２固定素子は、交換膜に固定されるように熱圧着によって交換膜に接合される。
【０００８】
本発明の実施例は、適当な素子材料を選択し、適合した後、低温で第１固定素子、第２固定素子と、交換膜の熱圧着を実現する。熱圧着のプロセスの間、交換膜は、第１と第２固定素子に正確に位置合わせされる必要はない。よって、第１固定素子、第２固定素子と、交換膜は、交換膜が気体に接触するのを防ぐように膜電極アセンブリが形成された後、自動的に熱圧着されることができる。また、第１と第２固定素子は、塑性的に変形して交換膜の周囲の間隙を埋め、水分がなくなるのを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】従来の燃料電池の膜電極モジュールを示している。
【図２】本発明の実施例の膜電極モジュールを示している。
【図３】第１固定素子の上面図である。
【図４】第１ソフトシートの上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明についての目的、特徴、長所が一層明確に理解されるよう、以下に実施形態を例示し、図面を参照しながら、詳細に説明する。
【実施例】
【００１１】
図２は、本発明の実施例の膜電極モジュール１００を示しており、膜電極アセンブリ１１０、第１固定素子１２０、第２固定素子１３０、第１ソフトシート１４０と、第２ソフトシート１５０を含む。
【００１２】
膜電極アセンブリ１１０は、交換膜１１１、第１電極１１２と第２電極１１３を含む。交換膜１１１は、第１表面１１１と第２表面１１１２を含む。第１電極１１２は、第１表面１１１１上に設置される。第２電極１１３は、第２表面１１１２上に設置される。第１電極１１２は、第１触媒層１１２１と第１気体拡散層１１２２を含む。第１触媒層１１２１は、交換膜１１１と第１気体拡散層１１２２の間に設置される。第２電極１１３は、第２触媒層１１３１と第２気体拡散層１１３２を含む。第２触媒層１１３１は、交換膜１１１と第２気体拡散層１１３２の間に設置される。
【００１３】
第１固定素子１２０は、第１表面１１１１に接触する。第２固定素子１３０は、第２表面１１１２に接触する。第１ソフトシート１４０は、第１固定素子１２０を覆う。第２ソフトシート１５０は、第２固定素子１３０を覆う。第１ソフトシート１４０は、熱圧着によって第１固定素子１２０に接続され、第２ソフトシート１５０は、熱圧着によって第２固定素子１３０に接続される。第１固定素子１２０と第２固定素子１３０は、交換膜１１１に固定されるように交換膜１１１に熱圧着される。
【００１４】
交換膜１１１は、プロトン交換膜である。本発明の実施例では、ナフィオンのプロトン交換膜が用いられる。
【００１５】
第１固定素子１２０と第２固定素子１３０は、例えばプリプレグ材料またはエポキシ樹脂などの熱硬化性材料で作られることができる。プリプレグ材料としては、例えば紙とフェノール樹脂の組み合わせ（ＦＲ−１、ＦＲ−２）、紙とエポキシ樹脂の組み合わせ（ＦＲ−３）、ガラス織布とエポキシ樹脂の組み合わせ（ＦＲ−４、ＦＲ−５）、紙とガラス布とエポキシ樹脂の組み合わせ（ＣＥＭ−１）、ガラス織布とエポキシ樹脂（ＣＥＭ−３）などを用いることができる。
【００１６】
第１ソフトシート１４０と第２ソフトシート１５０は、エポキシ樹脂またはガラス繊維（例えばＦＲ５）で作られることができる。
【００１７】
第１ソフトシート１４０、第２ソフトシート１５０、第１固定素子１２０、第２固定素子１３０と、交換膜１１１を熱圧着するステップでは、圧着圧力と圧着温度が第１固定素子１２０、第２固定素子１３０、第１ソフトシート１４０、第２ソフトシート１５０と、交換膜１１１に加えられる。圧着圧力は、０〜１００ｋｇ／ｃｍ２の間である。圧着温度は、５０〜１５０℃の間である。
【００１８】
従来の技術では、熱圧着プロセスの高温が交換膜内の水分を蒸発させ、交換膜を損傷した。よって、熱圧着プロセスは、従来の膜電極モジュールの交換膜を固定するのに用いられない。
【００１９】
本発明の実施例は、適当な素子材料を選択し、適合した後、低温で第１固定素子、第２固定素子と、交換膜の熱圧着を実現する。熱圧着プロセスでは、交換膜は、第１と第２固定素子に正確に位置合わせされる必要がない。よって、第１固定素子、第２固定素子と、交換膜は、交換膜が気体に接触するのを防ぐように膜電極アセンブリが形成された後、自動的に熱圧着されることができる。また、第１と第２固定素子は、塑性的に変形して交換膜の周囲の間隙を埋め、水分がなくなるのを防ぐことができる。
【００２０】
本発明の実施例では、膜電極モジュール１００は、膜電極アセンブリ１１０’を更に含む。膜電極アセンブリ１１０’は、交換膜１１１’を含む（図２）。間隙Ｇは、交換膜１１１と 交換膜１１１’の間に形成される。第１と第２固定素子が熱圧着で塑性的に変形され、間隙Ｇを埋めるため、交換膜が湾曲するのを防ぎ、位置合わせの必要があまり重要でなくなり、交換膜１１１が交換膜１１１’に接続される必要がない。よって、交換膜の材料がより少なく用いられ、燃料電池のコストを減少する。本発明の実施例では、第１固定素子は、間隙Ｇの位置で第２固定素子に接続される。
【００２１】
図３は、第１固定素子１２０の上面図である。第２固定素子１３０の構造は、第１固定素子１２０の構造と同じである。図４は、第１ソフトシート１４０の上面図である。第２ソフトシート１５０の構造は、第１ソフトシート１４０の構造と同じである。本発明の１つの実施例では、続くプロセスの第１電極１１２と第２電極１１３の圧縮量は、第１ソフトシート１４０と第２ソフトシート１５０の厚さを変えることで調整され、膜電極モジュール１００の性能を制御することができる（図２）。
【００２２】
以上、本発明の好適な実施例を例示したが、これは本発明を限定するものではなく、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者であれば行い得る少々の変更や修飾を付加することが可能である。従って、本発明が請求する保護範囲は、特許請求の範囲を基準とする。
【符号の説明】
【００２３】
１  膜電極モジュール
２  ボルト
１０  第１電極
２０  第２電極
３０  交換膜
４０  フレーム
１００  膜電極モジュール
１１０  膜電極アセンブリ
１１１  交換膜
１１１１  第１表面
１１１２  第２表面
１１２  第１電極
１１２１  第１触媒層
１１２２  第１気体拡散層
１１３  第２電極
１１３１  第２触媒層
１１３２  第２気体拡散層
１２０  第１固定素子
１３０  第２固定素子
１４０  第１ソフトシート
１５０  第２ソフトシート
１１０’  膜電極アセンブリ
１１１’  交換膜
【図１】
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【図２】
2010103100.tif 000004
【図３】
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【図４】
2010103100.tif 000006