(57)【要約】本発明は、ポリマー電解質膜と、アノードおよびカソード触媒層と、アノード側およびカソード側流体輸送層と、アノード側およびカソード側ガスケットとを含むガスケット付燃料電池膜電極アセンブリであって、ガスケットが、それぞれの流体輸送層の外縁部に含浸されたエラストマーガスケット材料を含み、各ガスケットの接触面の少なくとも一部が、隆起リッジ微細構造化接触パターンを有する、ガスケット付燃料電池膜電極アセンブリを提供する。本発明によるガスケット付燃料電池膜電極アセンブリは、ガスケットの少なくとも一部とポリマー電解質膜との間に位置決めされた剛性非エラストマーアノード側およびカソード側シムをさらに含んでもよい。隆起リッジ微細構造化接触パターンは、好ましくは、接合点で出会うリッジを含み、３以下のリッジが、いずれか１つの接合点で出会う。そのような隆起リッジ微細構造化接触パターンは、六角形パターンまたは退化六角形パターンであってもよい。別の態様において、本発明は、同時に、ＭＥＡの部品をともに結合し、未硬化のエラストマーガスケット材料を各流体輸送層の外縁部に含浸させ、未硬化のエラストマーガスケット材料を実質的に硬化させて、アノード側およびカソード側ガスケットを形成することによって、ガスケット付燃料電池膜電極アセンブリを製造する方法を提供する。各ガスケットの接触面上に隆起リッジ微細構造化接触パターンを形成するために、隆起リッジ微細構造化接触パターンのネガティブレリーフを有するパターニングプレートを、プレスプラテンと未硬化のエラストマーガスケット材料との間に位置決めしてもよい。
2005525681.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）外縁部を備えたアノード面と、外縁部を備えたカソード面と、外周とを有するポリマー電解質膜と、
ｂ）前記ポリマー電解質膜のアノード面の少なくとも一部と接触するアノード触媒材料層と、
ｃ）前記ポリマー電解質膜のカソード面の少なくとも一部と接触するカソード触媒材料層と、
ｄ）外縁部を有し、前記アノード触媒材料層と接触し、前記ポリマー電解質膜のアノード側の外縁部にわたって延在しないアノード側流体輸送層と、
ｅ）外縁部を有し、前記カソード触媒材料層と接触し、前記ポリマー電解質膜のカソード側の外縁部にわたって延在しないカソード側流体輸送層と、
ｆ）前記ポリマー電解質膜のアノード側の外縁部にわたって延在し、接触面と、外周とを有するアノード側ガスケットと、
ｇ）前記ポリマー電解質膜のカソード側の外縁部にわたって延在し、接触面と、外周とを有するカソード側ガスケットと、
を含むガスケット付燃料電池膜電極アセンブリであって、
前記ガスケットが、エラストマーガスケット材料を含み、
各ガスケットのエラストマー材料が、それぞれの流体輸送層の外縁部に含浸され、
前記ガスケットの各々の接触面の少なくとも一部が、隆起リッジ微細構造化接触パターンを有する、ガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項２】
前記ガスケットの各々の外周が、前記ポリマー電解質膜の外周と同延である、請求項１に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項３】
ｈ）外周を有し、前記アノード側ガスケットの少なくとも一部と前記ポリマー電解質膜のアノード面との間に位置決めされ、厚さが前記アノード側流体輸送層の厚さの９０％未満である剛性非エラストマーアノード側シムと、
ｊ）外周を有し、前記カソード側ガスケットの少なくとも一部と前記ポリマー電解質膜のカソード面との間に位置決めされ、厚さが前記カソード側流体輸送層の厚さの９０％未満である剛性非エラストマーカソード側シムと、
をさらに含む、請求項１に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項４】
前記シムの各々の外周が、前記ポリマー電解質膜の外周と同延である、請求項３に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項５】
前記隆起リッジ微細構造化接触パターンが、接合点で出会うリッジを含み、３以下のリッジが、いずれか１つの接合点で出会う、請求項１に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項６】
前記隆起リッジ微細構造化接触パターンが六角形パターンである、請求項５に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項７】
前記隆起リッジ微細構造化接触パターンが退化六角形パターンである、請求項５に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項８】
前記隆起リッジ微細構造化接触パターンが、接合点で出会うリッジを含み、３以下のリッジが、いずれか１つの接合点で出会う、請求項２に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項９】
前記隆起リッジ微細構造化接触パターンが六角形パターンである、請求項８に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項１０】
前記隆起リッジ微細構造化接触パターンが退化六角形パターンである、請求項８に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項１１】
前記隆起リッジ微細構造化接触パターンが、接合点で出会うリッジを含み、３以下のリッジが、いずれか１つの接合点で出会う、請求項３に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項１２】
前記隆起リッジ微細構造化接触パターンが六角形パターンである、請求項１１に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項１３】
前記隆起リッジ微細構造化接触パターンが退化六角形パターンである、請求項１１に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項１４】
前記隆起リッジ微細構造化接触パターンが、接合点で出会うリッジを含み、３以下のリッジが、いずれか１つの接合点で出会う、請求項４に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項１５】
前記隆起リッジ微細構造化接触パターンが六角形パターンである、請求項１４に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項１６】
前記隆起リッジ微細構造化接触パターンが退化六角形パターンである、請求項１４に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項１７】
前記微細構造化接触パターンが、幅が３００マイクロメートル以下、深さが１００マイクロメートル以下であるリッジを含む、請求項５に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項１８】
前記微細構造化接触パターンが、幅が３００マイクロメートル以下、深さが１００マイクロメートル以下であるリッジを含む、請求項８に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項１９】
前記微細構造化接触パターンが、幅が３００マイクロメートル以下、深さが１００マイクロメートル以下であるリッジを含む、請求項１１に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項２０】
前記微細構造化接触パターンが、幅が３００マイクロメートル以下、深さが１００マイクロメートル以下であるリッジを含む、請求項１４に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項２１】
前記エラストマーガスケット材料が、エチレンプロピレンジエンモノマーゴム（ＥＰＤＭゴム）、ブチルゴム、およびシリコーンからなる群から選択される、請求項５に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項２２】
前記エラストマーガスケット材料がシリコーンを含む、請求項２１に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項２３】
前記エラストマーガスケット材料が、エチレンプロピレンジエンモノマーゴム（ＥＰＤＭゴム）、ブチルゴム、およびシリコーンからなる群から選択される、請求項８に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項２４】
前記エラストマーガスケット材料がシリコーンを含む、請求項２３に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項２５】
前記エラストマーガスケット材料が、エチレンプロピレンジエンモノマーゴム（ＥＰＤＭゴム）、ブチルゴム、およびシリコーンからなる群から選択される、請求項１１に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項２６】
前記エラストマーガスケット材料がシリコーンを含む、請求項２５に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項２７】
前記エラストマーガスケット材料が、エチレンプロピレンジエンモノマーゴム（ＥＰＤＭゴム）、ブチルゴム、およびシリコーンからなる群から選択される、請求項１４に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項２８】
前記エラストマーガスケット材料がシリコーンを含む、請求項２７に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項２９】
前記ポリマー電解質膜の厚さが３０マイクロメートル以下である、請求項５に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項３０】
前記ポリマー電解質膜の厚さが３０マイクロメートル以下である、請求項８に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項３１】
前記ポリマー電解質膜の厚さが３０マイクロメートル以下である、請求項１１に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項３２】
前記ポリマー電解質膜の厚さが３０マイクロメートル以下である、請求項１４に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項３３】
前記流体輸送層が炭素繊維構造を含む、請求項５に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項３４】
前記流体輸送層が炭素繊維構造を含む、請求項８に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項３５】
前記流体輸送層が炭素繊維構造を含む、請求項１１に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項３６】
前記流体輸送層が炭素繊維構造を含む、請求項１４に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項３７】
ａ）外縁部を備えたアノード面と、外縁部を備えたカソード面と、外周とを有するポリマー電解質膜と、
ｂ）前記ポリマー電解質膜のアノード面の少なくとも一部と接触するアノード触媒材料層と、
ｃ）前記ポリマー電解質膜のカソード面の少なくとも一部と接触するカソード触媒材料層と、
ｄ）外縁部を有し、前記アノード触媒材料層と接触し、前記ポリマー電解質膜のアノード側の外縁部にわたって延在しないアノード側流体輸送層と、
ｅ）外縁部を有し、前記カソード触媒材料層と接触し、前記ポリマー電解質膜のカソード側の外縁部にわたって延在しないカソード側流体輸送層と、
ｆ）前記ポリマー電解質膜のアノード側の外縁部にわたって延在し、接触面と、外周とを有する、エラストマーガスケット材料を含むアノード側ガスケットと、
ｇ）前記ポリマー電解質膜のカソード側の外縁部にわたって延在し、接触面と、外周とを有する、エラストマーガスケット材料を含むカソード側ガスケットと、
を含み、
各ガスケットのエラストマー材料が、それぞれの流体輸送層の外縁部に含浸されたガスケット付燃料電池膜電極アセンブリを製造する方法であって、
ｉ）プレスのプラテン間に、
１）アノード側流体輸送層と、
２）アノード触媒材料層と、
３）外縁部を備えたアノード面と、外縁部を備えたカソード面とを有するポリマー電解質膜と、
４）カソード触媒材料層と、
５）カソード側流体輸送層と、を位置決めする工程と、
ｉｉ）未硬化のエラストマーガスケット材料を前記ポリマー電解質膜のアノード側の外縁部に塗布する工程と、
ｉｉｉ）未硬化のエラストマーガスケット材料を前記ポリマー電解質膜のカソード側の外縁部に塗布する工程と、
ｉｖ）熱および圧力を加えて、同時に、
１）部分ｉ）１）、ｉ）２）、ｉ）３）、ｉ）４）、ｉ）５）をともに結合し、
２）前記未硬化のエラストマーガスケット材料を各流体輸送層の外縁部に含浸させ、
３）前記未硬化のエラストマーガスケット材料を実質的に硬化させて、アノード側およびカソード側ガスケットを形成する工程と、
を含む方法。
【請求項３８】
工程ｉ）が、前記プレスの前記プラテン間に、
６）外周を有し、前記ポリマー電解質膜のアノード側の外縁部にわたって位置決めされ、厚さが前記アノード側流体輸送層の厚さの９０％未満である剛性非エラストマーアノード側シムと、
７）外周を有し、前記ポリマー電解質膜のカソード側の外縁部にわたって位置決めされ、厚さが前記カソード側流体輸送層の厚さの９０％未満である剛性非エラストマーカソード側シムと、
を位置決めすることをさらに含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
ｖ）工程ｉｖ）で得られた前記ガスケット付燃料電池膜電極アセンブリを、前記ガスケットの各々の外周が前記ポリマー電解質膜の外周と同延になるようにエッジトリミングする工程をさらに含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
ｖ）工程ｉｖ）で得られた前記ガスケット付燃料電池膜電極アセンブリを、前記ガスケットの各々の外周が前記ポリマー電解質膜の外周と同延になるようにエッジトリミングする工程をさらに含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記ガスケットの各々の接触面の少なくとも一部が、隆起リッジ微細構造化接触パターンを有し、
ｖｉ）隆起リッジ微細構造化接触パターンのネガティブレリーフを有する１つまたは２つのパターニングプレートを、前記プレスの一方または両方のプラテンと前記未硬化のエラストマーガスケット材料との間に位置決めする工程をさらに含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４２】
前記隆起リッジ微細構造化接触パターンが、接合点で出会うリッジを含み、３以下のリッジが、いずれか１つの接合点で出会う、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記ガスケットの各々の接触面の少なくとも一部が、隆起リッジ微細構造化接触パターンを有し、
ｖｉ）隆起リッジ微細構造化接触パターンのネガティブレリーフを有する１つまたは２つのパターニングプレートを、前記プレスの一方または両方のプラテンと前記未硬化のエラストマーガスケット材料との間に位置決めする工程をさらに含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４４】
前記隆起リッジ微細構造化接触パターンが、接合点で出会うリッジを含み、３以下のリッジが、いずれか１つの接合点で出会う、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記ガスケットの各々の接触面の少なくとも一部が、隆起リッジ微細構造化接触パターンを有し、
ｖｉ）隆起リッジ微細構造化接触パターンのネガティブレリーフを有する１つまたは２つのパターニングプレートを、前記プレスの一方または両方のプラテンと前記未硬化のエラストマーガスケット材料との間に位置決めする工程をさらに含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４６】
前記隆起リッジ微細構造化接触パターンが、接合点で出会うリッジを含み、３以下のリッジが、いずれか１つの接合点で出会う、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記ガスケットの各々の接触面の少なくとも一部が、隆起リッジ微細構造化接触パターンを有し、
ｖｉ）隆起リッジ微細構造化接触パターンのネガティブレリーフを有する１つまたは２つのパターニングプレートを、前記プレスの一方または両方のプラテンと前記未硬化のエラストマーガスケット材料との間に位置決めする工程をさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４８】
前記隆起リッジ微細構造化接触パターンが、接合点で出会うリッジを含み、３以下のリッジが、いずれか１つの接合点で出会う、請求項４７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素燃料電池などの燃料電池用の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）およびその製造方法に関する。ＭＥＡは、典型的には六角形または退化（変形）した六角形パターンの微細構造化シーリング表面を備えた一体的ガスケットまたはシールを有する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許出願公開第２００１／０，０１９，７９０号明細書および米国特許出願公開第２００１／０，０１９，７９１号明細書は、ポリマー電解質膜に成形してもよいマルチローブガスケットを含む燃料電池を開示している。
【０００３】
米国特許第６，３３７，１２０号明細書は、シート材料の溝に形成されたガスケットを開示している。
【０００４】
米国特許第６，２６１，７１１号明細書は、燃料電池フロープレートの溝内に配置されたガスケットを含む燃料電池用シールを開示している。
【０００５】
米国特許第６，１５９，６２８号明細書は、周縁で熱可塑性材料を含浸させた多孔性基材を含む燃料電池を開示している。
【０００６】
米国特許第６，０８０，５０３号明細書は、ＭＥＡが１つ以上のセパレータプレートに接着結合された燃料電池を開示している。
【０００７】
米国特許第６，０５７，０５４号明細書は、いくつかの実施形態において、同延のポリマー電解質膜、およびシリコーンなどのシール材料を含浸させた多孔性電極層を有するＭＥＡを開示している。この引例は、他の実施形態において、シール材料を多孔性電極層に含浸させたＭＥＡであって、シールがＭＥＡを越えて延在するＭＥＡを開示している。シールは、リブおよび交差リブのパターンを含んでもよい。
【０００８】
米国特許第５，９２８，８０７号明細書は、弾性、塑性変形可能、かつ導電性の黒鉛シールを含むポリマー電解質燃料電池を開示している。
【０００９】
米国特許第５，４６４，７００号明細書は、周縁でポリマー電解質膜材料の代わりにガスケット形成材料を使用することによって、燃料電池のポリマー電解質膜材料の量を最小にするように意図された燃料電池膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）用ガスケット形成システムを開示している。
【００１０】
米国特許第５，４４１，６２１号明細書は、「交差リッジ」パターン、特に正方形セルを形成する「交差リッジ」パターンを有する燃料電池用シーリング表面を開示している。この引例は、交差リッジシーリング表面を具現する剛性セルフレームを開示している。
【００１１】
米国特許第５，２６４，２９９号明細書は、エラストマー材料で充填された周縁部を有するＭＥＡ用多孔性支持体を開示している。
【００１２】
米国特許第４，７２１，５５５号明細書は、電解セルの電極フレーム部材間に介在させる固体シール手段を開示している。この引例は、図１７および図１８に示されたカラーアルカリセルなどの、内部セパレータを備えた電解セル、ならびに塩素酸塩セルなどの、内部セパレータのない電解セルを記載している。図８および図９は、六角形パターンを示している。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
簡潔に言えば、本発明は、ａ）ポリマー電解質膜と、ｂ）アノード触媒層と、ｃ）カソード触媒層と、ｄ）アノード側流体輸送層と、ｅ）カソード側流体輸送層と、ｆ）アノード側ガスケットと、ｇ）カソード側ガスケットとを含むガスケット付燃料電池膜電極アセンブリであって、ガスケットがエラストマーガスケット材料を含み、各ガスケットのエラストマー材料が、それぞれの流体輸送層の外縁部に含浸され、各ガスケットの接触面の少なくとも一部が、隆起リッジ微細構造化接触パターンを有する、ガスケット付燃料電池膜電極アセンブリを提供する。ガスケットの各々の外周は、典型的には、ポリマー電解質膜の外周と同延である。本発明によるガスケット付燃料電池膜電極アセンブリは、ｈ）アノード側ガスケットの少なくとも一部とポリマー電解質膜との間に位置決めされた剛性非エラストマーアノード側シムと、ｊ）カソード側ガスケットの少なくとも一部とポリマー電解質膜との間に位置決めされた剛性非エラストマーカソード側シムとをさらに含んでもよい。シムの外周は、ポリマー電解質膜の外周と同延であってもよい。隆起リッジ微細構造化接触パターンは、好ましくは、接合点で出会うリッジを含み、３以下のリッジが、いずれか１つの接合点で出会う。そのような隆起リッジ微細構造化接触パターンは、六角形パターンまたは退化六角形パターンであってもよい。
【００１４】
別の面において、本発明は、プレスのプラテン間に、１）アノード側流体輸送層と、２）アノード触媒材料層と、３）外縁部を備えたアノード面と、外縁部を備えたカソード面とを有するポリマー電解質膜と、４）カソード触媒材料層と、５）カソード側流体輸送層とを位置決めし、未硬化のエラストマーガスケット材料をポリマー電解質膜のアノード側およびカソード側の外縁部に塗布し、熱および圧力を加えて、同時に、ＭＥＡの部品をともに結合し、未硬化のエラストマーガスケット材料を各流体輸送層の外縁部に含浸させ、未硬化のエラストマーガスケット材料を実質的に硬化させて、アノード側およびカソード側ガスケットを形成することによって、ガスケット付燃料電池膜電極アセンブリを製造する方法を提供する。各ガスケットの接触面上に隆起リッジ微細構造化接触パターンを形成するために、隆起リッジ微細構造化接触パターンのネガティブレリーフを有するパターニングプレートを、プレスの一方または両方のプラテンと未硬化のエラストマーガスケット材料との間に位置決めしてもよい。典型的には、こうして形成されたＭＥＡの端縁を、任意の適切な方法によって、各ガスケットの外周がＰＥＭの外周と同延になるようにトリミングする。
【００１５】
当該技術において説明されておらず、かつ本発明によって提供されるのは、ポリマー電解質膜と同末端（共通末端）であり、かつポリマー電解質膜と同延でない流体輸送層に含浸された一体的微細構造化ガスケットまたはシールを備えた膜電極アセンブリであり、特に、シールが隆起リッジの六角形または退化六角形パターンを有する。
【００１６】
本出願において、
「微細構造化」とは、リッジのパターンに関して、幅が１，０００マイクロメートル未満、より典型的には６００マイクロメートル未満、最も典型的には３００マイクロメートル未満であり、深さ（高さ）が２５０マイクロメートル以下、より典型的には１５０マイクロメートル未満、最も典型的には１００マイクロメートル未満であるリッジから実質的に構成されることを意味し、
「六角形パターン」とは、３以下のリッジが１つの点で出会うという規則に実質的に従うリッジのパターンを意味し、これは、図３ａおよび図３ｂに示されたような６辺の（六角形）セルを主として含み、かつ、端縁領域で不完全なセルを含んでもよく、
「退化六角形パターン」は、３以下のリッジが１つの点で出会うという規則に実質的に従うリッジのパターンを意味し、これは、図４ａおよび図４ｂに示されたような、６辺の（六角形）セルの２つ以上の連続した辺を平行にすることによって６辺の（六角形）セルから得てもよい、３辺、４辺、または５辺のセルを主として含み、かつ、端縁領域で不完全なセルを含んでもよく、
「一体的ガスケット」とは、ＭＥＡに関して、ＭＥＡのポリマー電解質膜、ＭＥＡの流体輸送層、または両方に結合されたガスケット、最も典型的には、ＭＥＡの流体輸送層に含浸させたガスケット材料を含むガスケットを意味する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の利点は、過剰圧縮を防止するための一体的な硬い止めを備えて、低シール力下で、低公差合せ部品にシールすることができる、燃料電池用の、改良されかつ一体的なシールまたはガスケットを備えたＭＥＡを提供できることである。さらに、本発明の利点は、ＰＥＭが、ＦＴＬ、ガスケット、または両方によって、両面の全体にわたって保護されかつ機械的に支持され、したがって、より薄いＰＥＭの使用を可能にするＭＥＡを提供できることである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、過剰圧縮を防止するための一体的な硬い止めを備えて、低シール力下で、低公差合せ部品に有利にシールすることができる一体的微細構造化ガスケットまたはシールを備えた膜電極アセンブリを提供する。
【００１９】
膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、水素燃料電池などのプロトン交換膜燃料電池の中心エレメントである。燃料電池は、水素などの燃料と酸素などの酸化剤との触媒的化合によって、使用可能な電気を発生する電気化学電池である。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、白金金属を典型的には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。
【００２０】
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）（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。
【００２１】
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。典型的には、ＦＴＬ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）（商標）カーボン紙（Ｃａｒｂｏｎ  Ｐａｐｅｒ）、スペクトラカーブ（ＳｐｅｃｔｒａＣａｒｂ）（商標）カーボン紙（Ｃａｒｂｏｎ  Ｐａｐｅｒ）、ＡＦＮ（商標）不織布カーボンクロス、ゾルテック（Ｚｏｌｔｅｋ）（商標）カーボンクロス（Ｃａｒｂｏｎ  Ｃｌｏｔｈ）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。
【００２２】
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。典型的には、触媒は、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。ポリマー電解質は、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）（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。本発明に使用されるインク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。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、ならびに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を変え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、熱を伴って撹拌し、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。
【００２３】
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。
【００２４】
図１および図２を参照すると、本発明によるＭＥＡは、５層を次の順序で、すなわち、アノード側流体輸送層（２）、アノード触媒材料の薄い層（図示せず）、ポリマー電解質膜（１）、カソード触媒材料の薄い層（図示せず）、およびカソード側流体輸送層（３）を含む。各触媒層は、ＰＥＭとＦＴＬの１つと接触する。流体輸送層（２、３）は、ポリマー電解質膜（１）の外縁部（６）にわたって延在しない。ポリマー電解質膜（１）の外縁部（６）は、ゼロでない幅を有する。典型的には、触媒層は、それらのそれぞれのＦＴＬ（２、３）の周囲を越えて延在しない。本発明によるＭＥＡは、ＰＥＭ（１）のアノード側の外縁部（６）にわたって延在するアノード側ガスケット（１０）と、ＰＥＭ（１）のカソード側の外縁部（６）にわたって延在するカソード側ガスケット（１１）とをさらに含む。典型的には、各ガスケット（１０、１１）の外周（１６、１７）は、ＰＥＭ（１）の外周（７）と同延である。代替実施形態において、各ガスケットの外周は、ＰＥＭ（１）の外周（７）を越えて延在してもよい。各ガスケット（１０、１１）は接触面（１４、１５）を有する。各接触面（１４、１５）の少なくとも一部は、以下でより十分に説明される隆起リッジ微細構造化接触パターン（１２、１３）を有する。また、以下で説明されるが、各ガスケット（１０、１１）はエラストマーガスケット材料を含む。各ガスケット（１０、１１）のエラストマー材料は、それぞれのＦＴＬ（２、３）の外縁部（４、５）に含浸される。
【００２５】
ＰＥＭが、ＦＴＬ、ガスケット、または両方によって、両面の全体にわたって保護されかつ機械的に支持されることが、本発明によるＭＥＡの利点である。これは、より薄いＰＥＭ、典型的には厚さ３０μｍ未満、より典型的には厚さ約２５μｍの使用を可能にする。
【００２６】
図１および図２は各々、本発明によるＭＥＡの端縁の断面図を表すが、本発明によるＭＥＡが、各側で同様の端縁を有することが容易に理解されるであろう。ガスケットは、任意の適切な幅であってもよい。ガスケット幅は、ＭＥＡの周囲で変わってもよい。ＭＥＡのガスケット部は、ＭＥＡの平面に垂直にカットされた穴を収容してもよい。ＭＥＡは、任意の適切な周囲形状を有してもよい。
【００２７】
図２を参照すると、本発明の一実施形態は、アノード側ガスケット１０の下にある剛性非エラストマーアノード側シム２０と、カソード側ガスケット１１の下にある剛性非エラストマーカソード側シム２１とをさらに含む。シムは、ＭＥＡの圧縮を制限するように機能する。各シム（２０、２１）の厚さは、それぞれのＦＴＬ（２、３）の厚さの９０％未満である。典型的には、各シム（２０、２１）の外周（２２、２３）は、ＰＥＭ（１）の外周（７）と同延である。シムは、ＭＥＡの使用の条件に対して不活性である任意の適切な材料から製造してもよい。シム材料は、典型的には、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）およびポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などのポリエステル、ポリカーボネート、高密度ポリエチレン、およびガラス繊維を含む、ポリマーまたはセラミックスなどの材料から選択される。シム材料は、最も典型的にはＰＥＴおよびＰＥＮから選択される。
【００２８】
ガスケットは、ゴム、シリコーン、熱可塑性エラストマー、およびエラストマー接着剤を含む、任意の適切なエラストマー材料から製造してもよい。エラストマーガスケット材料は、典型的には、エチレンプロピレンジエンモノマーゴム（ＥＰＤＭゴム）もしくはブチルゴムなどのゴム、またはシリコーンから選択され、最も典型的にはシリコーンである。エラストマーガスケット材料は、典型的には導電性でない。
【００２９】
隆起リッジ微細構造化接触パターンは、典型的には、接合点で出会うリッジを含み、３以下のリッジがいずれか１つの接合点で出会う。本発明による隆起リッジ微細構造化接触パターンは、有利に、図３ａおよび図３ｂに示されたパターンを含んでもよい六角形パターン、または図４ａおよび図４ｂに示されたパターンを含んでもよい退化六角形パターンである。本発明による隆起リッジ微細構造化接触パターンは、有利に、漏れの広がりを局所化かつ防止するようにセルから構成される。セルから構成されたパターンは、また、多数の穴が、穴間に連結通路を開けることなく、ＭＥＡの平面に垂直に、ＭＥＡのガスケット部にカットされることを可能にする。本発明による接触表面が、著しく圧縮可能ではないが、シールするように圧力下で変形する形状に形成されるエラストマー材料から製造されることが理解されるであろう。接触パターンは、有利に、エラストマー材料のための場所が、リッジが接合点で出会う場合でも、圧力下で移動することを可能にする。本発明によるＭＥＡにおいて、セルから構成されたパターンのリッジの最大変形性は、いずれか１つの接合点で出会うリッジの数を、３、すなわち、ジオメトリによって可能にされる最小数に制限することによって維持される。
【００３０】
隆起リッジ微細構造化接触パターンを構成するリッジは、典型的には非積載幅が１，０００マイクロメートル未満、より典型的には６００マイクロメートル未満、最も典型的には３００マイクロメートル未満であり、典型的には深さ（高さ）が２５０マイクロメートル以下、より典型的には１５０マイクロメートル未満、最も典型的には１００マイクロメートル未満である。
【００３１】
本発明によるＭＥＡは、任意の適切な方法によって製造してもよい。有利に、本発明によるＭＥＡは、次の通りに、１工程のガスケット形成および結合プロセスによって製造される。
【００３２】
本発明による方法において、上でより十分に説明された次の層、すなわち、１）アノード側流体輸送層、２）アノード触媒材料層、３）外縁部を備えたアノード面と外縁部を備えたカソード面とを有するポリマー電解質膜、４）カソード触媒材料層、および５）カソード側流体輸送層を、プレスのプラテン間に位置決めする。任意に、アノード側およびカソード側シムも、ポリマー電解質膜の外縁部に位置決めする。次に、未硬化のエラストマーガスケット材料を、ポリマー電解質膜のアノード側およびカソード側の外縁部に塗布する。プレスのプラテンをともに合せ、熱および圧力を加えて、ＭＥＡの部品を同時にともに結合し、前記未硬化のエラストマーガスケット材料を各流体輸送層の外縁部に含浸させ、未硬化のエラストマーガスケット材料を実質的に硬化させて、アノード側およびカソード側ガスケットを形成する。実質的に硬化されたとは、典型的には、ガスケット材料が、外力がない状態で安定した形状を維持するような程度に硬化されたことを意味する。より典型的には、実質的に硬化されたとは、本質的に完全に硬化されたことを意味する。さらなる硬化工程が続いてもよい。適切な圧力、温度、および持続時間を、使用される材料に関して定める。典型的な圧力は、１〜３ＭＰａ、より典型的には１〜２ＭＰａ、最も典型的には約１．７ＭＰａである。典型的な温度は、８０℃〜１５０℃、より典型的には１２０℃〜１４０℃、最も典型的には約１３２℃である。典型的な持続時間は、１分〜１５分、より典型的には３〜８分、最も典型的には約５分である。
【００３３】
典型的には、こうして形成されたＭＥＡの端縁を、各ガスケットの外周がＰＥＭの外周と同延になるように、任意の適切な方法によってトリミングする。
【００３４】
各ガスケットの接触面上に隆起リッジ微細構造化接触パターンを形成するために、隆起リッジ微細構造化接触パターンのネガティブレリーフを有するパターニングプレートを、前記プレスの一方または両方のプラテンと未硬化のエラストマーガスケット材料との間に位置決めしてもよい。
【００３５】
本発明は、燃料電池の製造および動作に有用である。
【００３６】
本発明の目的および利点を、次の実施例によってさらに例示するが、これらの実施例に記載された特定の材料および量、ならびに他の条件および詳細は、本発明を不当に限定するように解釈されるべきではない。
【実施例】
【００３７】
圧縮を、本発明によるＭＥＡに使用されるような微細構造化ガスケット材料（Ａ）、および比較用非微細構造化ガスケット材料（Ｂ）の加えられた圧力の関数として測定した。
【００３８】
両方のサンプルを、二液性液体シリコーンゴム（ダウ・コーニング（Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ）（登録商標）Ｄ９８−５５、ミシガン州ミッドランドのダウ・コーニング・コーポレーション（Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｍｉｄｌａｎｄ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ））から製造した。
【００３９】
サンプルＡは、厚さが４３０マイクロメートル（１７ミル）であり、両面上に隆起リッジ微細構造化接触パターンがあった。微細構造化リッジは、深さが１３０マイクロメートル（５ミル）、幅が２５０マイクロメートル（１０ミル）であった。隆起リッジ微細構造化接触パターンは、本質的に図４ｂに示されたものであった。リッジ間の平均間隔（ピッチ）は、各セルの長い辺にわたって９７０マイクロメートル（３８ミル）であり、各セルの短い辺にわたって８４０マイクロメートル（３３ミル）であった。
【００４０】
サンプルＢは、滑らかな表面を有し、厚さが４３０マイクロメートル（１７ミル）であった。
【００４１】
サンプルＡおよびＢは、二液性シリコーンを混合し、混合物を微細構造化（サンプルＡ）プラテンまたは平坦な（サンプルＢ）プラテン間に塗布し、１３２℃で５分間硬化させることによって製造した。
【００４２】
サンプルを、所与の圧力における圧縮の測定を可能にするように、２つのプラテン間でサンプルを圧縮するために装備されたプレスを含む圧縮試験機に配置した。この装置のすべての態様が、コンピュータ制御された。ロードセルを使用して、プレートをともに合せるのに必要な力を測定した。圧縮を、いくつかの値の加えられた圧力で測定した。結果として生じるデータは、図５の応力／歪み曲線にプロットされている。
【００４３】
このグラフは、本発明によるＭＥＡに使用されるガスケット材料が、低シール力下で、かつ過剰圧縮を防止するための一体的な硬い止めを備えて、低公差合せ部品にシールすることができることを示す。
【００４４】
サンプルＡの微細構造化接触パターンによって、低シール力で著しい圧縮が得られる。サンプルＡは、比較サンプルＢの１％の圧縮しか生じない圧力下で５％の圧縮を示す。
【００４５】
サンプルＡのトレースは、サンプルＡのガスケット材料が、比較サンプルＢの１−３％の効果的な範囲と比較して、５％から２５％の圧縮で効果的にシールすることができることを示す。したがって、サンプルＡは、合せ部品の厚さのばらつきについてはるかに広い公差を示す。
【００４６】
サンプルＡおよびサンプルＢのトレースの勾配が、いったんサンプルＡの微細複製リッジが圧縮されると、同様になることに留意されたい。この圧縮性の変化は、破砕損傷しやすいＭＥＡの構成要素を保護するために使用してもよい、関連する硬い止めを示す。
【００４７】
本発明のさまざまな修正および変更が、本発明の範囲および原理から逸脱することなく、当業者には明らかになるであろう。また、本発明は、上述された例示的な実施形態に不当に限定されるべきではないことが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明による膜電極アセンブリの端縁部の概略断面図である。
【図２】本発明による膜電極アセンブリの端縁部の概略断面図である。
【図３ａ】本発明の実施に有用な六角形パターンの図である。
【図３ｂ】本発明の実施に有用な六角形パターンの図である。
【図４ａ】本発明の実施に有用な退化六角形パターンの図である。
【図４ｂ】本発明の実施に有用な退化六角形パターンの図である。
【図５】微細構造化ガスケット材料（Ａ）および比較用非微細構造化ガスケット材料（Ｂ）の圧縮対加えられた圧力のグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【国際調査報告】
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