(57)【要約】  膜電極組立体（MEA）として、その周囲に配置された第1の構造フィルム層25aと、接着剤27によってその第1の構造フィルム層25aに接着された第2の構造フィルム層25bとを備え、その第1と第2の構造フィルム層25a、25bのうちの少なくとも一方も接着剤27によってアノード21とカソード20の一方に接着されており、このMEAと第1と第2の構造フィルム層25a、25bが一対のガス拡散層23、23’に挟まれている構成のMEAにおいて、第1の構造フィルム層25aが、その内部に複数のビア26aを備え；第2の構造フィルム層25bが、その内部に、第1の構造フィルム層25aのビア26aと重ならない関係にされた複数のビア26bを備えることを特徴とするMEA。
2013517606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極組立体（MEA）を形成する、膜と、該膜の一方の側に隣接したアノードと、該膜の反対側に隣接したカソードとを備えていて、さらに該MEAの周囲に配置された第1の構造フィルム層と、該第1の構造フィルム層に接着剤によって接着された第2の構造フィルム層を備え、該第1と第2の構造フィルム層のうちの少なくとも一方も該接着剤によって該アノードと該カソードの一方に接着され、該MEAと該第1と第2の構造フィルム層が、一対のガス拡散層によって挟まれている構成の装置であって、
a．該第1の構造フィルム層が、その内部に複数のビアを備え；
b．該第2の構造フィルム層が、その内部に、該第1の構造フィルム層の該ビアと重ならない関係にされた複数のビアを備え；
c．該接着剤が、該第1の構造フィルム層の該ビアを通り抜けて広がって該一対のガス拡散層の一方を該第1の構造フィルム層に接着するとともに、該接着剤が、該第2の構造フィルム層の該ビアを通り抜けて広がって該一対のガス拡散層の他方を該第2の構造フィルム層に接着していることを特徴とする装置。
【請求項２】
膜電極組立体（MEA）を形成する、膜と、該膜の一方の側に隣接したアノードと、該膜の反対側に隣接したカソードとを備えていて、さらに該MEAの周囲に配置された第1の構造フィルム層と、該第1の構造フィルム層に接着剤によって接着された第2の構造フィルム層を備え、該第1と第2の構造フィルム層のうちの少なくとも一方も該接着剤によって該アノードとカソードの一方に接着され、該MEAと該第1と第2の構造フィルム層が、一対のガス拡散層によって挟まれている構成の装置を製造する方法であって、該方法が、
a．該第1の構造フィルム層に複数のビアを設け；
b．該第2の構造フィルム層に、該第1の構造フィルム層の該ビアと重ならない関係にした複数のビアを設け；
c．該第1と第2の構造フィルム層のうちの少なくとも一方の上に接着剤を供給して両者を接着し；
d．該第1の構造フィルム層の該ビアを通り抜けて広がる該接着剤によって該一対のガス拡散層の一方を該第1の構造フィルム層に接着し、該第2の構造フィルム層の該ビアを通り抜けて広がる該接着剤によって該一対のガス拡散層の他方を該第2の構造フィルム層に接着することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質膜（PEM）燃料電池、より詳細にはPEM燃料電池で使用するための、周辺部が接合された5層膜電極組立体と、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質膜燃料電池（PEMFC）の極めて重要な1つの部品は、イオン交換膜である。一般に、その膜は、アノードとカソードの間に配置される。これらの電極は、燃料（水素燃料電池ではアノード）と酸化剤（水素燃料電池では酸素）の反応を促進する触媒を含んでおり、さらに、さまざまな任意の貴金属や他のよく知られた触媒を含んでいてもよい。“触媒被覆膜（CCM）”は、少なくとも1つの膜と、その膜に隣接した触媒を含む少なくとも1つのそのような電極の組み合わせを意味する。十分に触媒された膜組立体（FCMA）は、少なくとも1つの電極が、その電極に隣接した膜（すなわち電極は膜と同じ場所に広がっている）の実質的に全面を覆っているCCMである。典型的な触媒被覆膜は、その膜の一方の面に接合されたアノードと、その膜の他方の面に接合されたカソードを有するが、接合は不可欠ではない。このような典型的な触媒被覆膜を、この明細書では“膜電極組立体”とも呼ぶ。
【０００３】
PEMFCでは、燃料電池の動作中、膜によってイオンが一方の電極から他方の電極へと容易に伝達される。理想的には、膜は、イオンが電極間をできるだけ迅速に移動できるよう可能な限り薄くされている。しかし膜は、より薄くなると、一般により弱くなる。したがって膜の補強が必要とされる。その1つの解決法は、膜の中に補強体を組み込むことである。そのような解決法の一例が、Baharらに付与されたアメリカ合衆国再発行特許第37,307号で実現されている。この特許には、膜の支持体として延伸ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）などの多孔性材料を使用することが開示されている。
【０００４】
しかし状況によっては、膜と、その膜から形成されるMEAをさらに補強する必要がある。膜を、例えば一般に炭素繊維紙で作られているガス拡散層を有する組立体で用いるとき、炭素繊維によって膜が破れてその組立体が短絡し、その性能が低下したり失われたりする場合のあることが知られている。組立体の破損は、その組立体そのものの製造プロセスで起こったり、封止成形プロセスにおいて鋳型を締め付ける圧力が原因で起こったりする可能性がある。破損は、使用中に時間が経過して起こることや、処理または積層体の組み立て中の取り扱いによって起こることもある。したがって膜をガス拡散媒体の繊維による破損から保護することが望ましい。
【０００５】
さらに、全体的な寸法安定性を大きくするため、膜とMEAのための追加の支持体がしばしば必要とされる。環境条件（例えば湿度）や単なる膜の取り扱いによって膜が損傷する可能性がある。この寸法安定性を大きくするため、追加の補強と支持が望まれている。
【０００６】
そのような追加支持体を設ける典型的な1つの試みを図1(a)〜図1(c)に示す。図1(a)と図1(b)では、膜12と2つの電極13および13’で形成された3層MEA11が、その3層MEA11の周囲に配置された第1の構造フィルム層14と第2の構造フィルム層14’を備えている。接着剤15を用いて第1の構造フィルム層14を第2の構造フィルム層14’と3層MEA11に接合する。この構造は、3層MEA11の優れた支持体となる。
【０００７】
図1(c)は、図1(b)の構造に追加の層として2つのガス拡散層19と19’を加えたものを示している。ガス拡散層19と19’は、それぞれ3層MEA11のいずれかの側に配置されて、この明細書で言及する5層MEAを形成する。重要なことだが、従来のこの構造におけるガス拡散層19と19’は、接着剤15からなる追加層を用いて第1の構造フィルム層14と第2の構造フィルム層14’に取り付けられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
接着剤15からなるこの追加層の使用には多くの欠点がある。すなわち、5層MEAの厚みを増大させる；5層MEAから過剰な接着剤が漏れ出すリスクがある；追加の処理ステップが必要とされる；5層MEAの処理により多くの時間がかかる；組み立てプロセスに余計なコストがかかる；不利な化学的効果の可能性がある；ガス拡散層の周辺部の全面に圧力を加える必要があるため、組立体の構造が破損するリスクが大きくなる、といった欠点がある。5層MEAを支持するための改良された構造と方法が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明により、膜と、その膜の一方の側に隣接したアノードと、その膜の反対側に隣接したカソードを備えていてこれらが膜電極組立体（MEA）を形成しており、さらにそのMEAの周囲に配置された第1の構造フィルム層と、その第1の構造フィルム層に接着剤によって接着された第2の構造フィルム層を備え、その第1と第2の構造フィルム層のうちの少なくとも一方も接着剤によってアノードとカソードの一方に接着され、MEAと第1と第2の構造フィルム層が、一対のガス拡散層によって挟まれている装置において、第1の構造フィルム層が、その内部に（考えられる任意の形状の）複数のビアを備え；第2の構造フィルム層が、その内部に、第1の構造フィルム層のビアと重ならない関係にされた（やはり考えられる任意の形状の）複数のビアを備え；接着剤が、第1の構造フィルム層のビアを通り抜けて広がって一対のガス拡散層の一方をその第1の構造フィルム層に接着するとともに、その接着剤が、第2の構造フィルム層のビアを通り抜けて広がって一対のガス拡散層の他方をその第2の構造フィルム層に接着していることを特徴とする装置が提供される。
【００１０】
別の1つの側面では、本発明により、上記の装置を製造する方法として、第1の構造フィルム層に複数のビアを設け、第2の構造フィルム層に、第1の構造フィルム層のビアと重ならない関係にした複数のビアを設け、第1と第2の構造フィルム層のうちの少なくとも一方（両方であることが好ましい）の上に接着剤を供給して両者を接着し、第1の構造フィルム層のビアを通り抜けて広がる接着剤によって一対のガス拡散層の一方をその第1の構造フィルム層に接着し、第2の構造フィルム層のビアを通り抜けて広がる接着剤によって一対のガス拡散層の他方をその第2の構造フィルム層に接着することによる方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１（ａ）】従来の3層MEAを横から見た断面図である。
【図１（ｂ）】従来の3層MEAを横から見た断面図である。
【図１（ｃ）】従来の5層MEAを横から見た断面図である。
【図２】本発明の一実施態様を横から見た断面図である。
【図３（ａ）】本発明によるアノード側の構造支持フィルムの一実施態様の上面図である。
【図３（ｂ）】本発明によるカソード側の構造支持フィルムの一実施態様の上面図である。
【図４（ａ）】図3(a)と図3(b)の実施態様を互いに接着したものの上面図である。
【図４（ｂ）】図4(a)の実施態様の上面図であり、CCM層とGDL層の範囲を示している。
【図５】本発明の別の一実施態様を横から見た断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、膜と同じ場所に広がっている電極、すなわち膜の全面を覆う電極を、一方または両方の電極の面の外側領域と重なる構造フィルム層と組み合わせて備える組立体として実現される。この明細書では、“構造フィルム層”は、硬くて弾性のない固体を意味する。構造フィルム層は、大きく圧縮することはできない。構造フィルム層の機能は、密封することではない。この明細書では、非弾性ポリマーは、室温で元の長さの少なくとも2倍に伸ばすことを繰り返した後に実質的に元の長さに戻らないポリマーである。この明細書では、“重なる”または“重なっている”は、構造フィルム層が、一方または両方の電極の面の外側領域の一部の上にあってその領域を覆っていることを意味する。
【００１３】
特に図2を参照してこれから本発明を説明する。図2は、アノード21とカソード20が上に配置されて膜電極組立体（MEA）を形成している膜22を示している。この膜電極組立体をガス拡散層23と23’が挟んでいる。第1の構造フィルム層25aがMEAの周囲に配置されている。第2の構造フィルム層25bもMEAの周囲に配置されている。第1の構造フィルム層25aは、その内部に形成された複数のビア26aを有する。同様に、第2の構造フィルム層25bは、その内部に形成された複数のビア26bを有する。第2の構造フィルム層25bのビア26bは、第1の構造フィルム層25aに形成されたビア26aと重ならないように形成されている。接着剤27が第1の構造フィルム層25aと第2の構造フィルム層25bの間に配置されている。接着剤は、第1の構造フィルム層25aと第2の構造フィルム層25bの両方の表面に同量を付着させることが好ましい。その後、これらのフィルム層を互いに貼り合わせるとき、それぞれの接着剤被覆が第1の構造フィルム層25aと第2の構造フィルム層25bの間に単一の接着剤層27を形成する。あるいは接着剤27は、構造フィルム層の一方の表面にだけ付着させ、他方には付着させなくてもよいが、この方法は好ましくない。接着剤27はビア26aと26bを通過して広がり、ガス拡散層23と23’に接着されている。実現可能な異なる製造方法が存在しており、異なる接合法も存在している。例えば温度と圧力ではなく、超音波接合を利用して構造フィルム層25aと25bを接着することができる。さまざまなタイプの接着剤も可能であり、そのような接着剤を活性化するさまざまな方法がある。
【００１４】
図3(a)は、アノード側の構造フィルム層25aの一実施態様の上面図である。ビア26aがその内部に形成されている。
【００１５】
同様に、図3(b)は、ビア26bが内部に形成された第2の構造フィルム層25bの上面図である。ビア26aと26bは特定の形状で示してあるが、それは単に説明を目的としたものである。これらのビア26aと26bは、考えられる任意の形状にすることができる。図3(b)に示してあるように第2の構造フィルム層の四隅にビアまたは切り抜き部が存在していると、それはMEAを挿入するときの鋭い縁部を提供する（こうなっていると、面取り部または丸い部分のない単純でまっすぐなMEAを切り取ることが可能になるため、製造がより簡単になる可能性がある）。また、異なる分布または配置のビアも可能である。考慮すべき唯一の重要な点は、ビア26aと26bを重ならないように形成することである。
【００１６】
図４(a)は、図3(a)と図3(b)の実施態様を互いに接着したものの上面図である。この図４(a)は、ビア26aと26bが重なっていない関係を示している。
【００１７】
図4(b)は、図４(a) の実施態様をさらにGDL層（ガス拡散層）と組み合わせたものの上面図である。この図は、CCM層とGDL層の範囲を示している。
【００１８】
本発明の組み立て法の一例に移ると、5層MEAの製造は、サブガスケット・フレーム（すなわち構造フィルム層）の製造から始まる。このフレームは、一般に長方形の（他の構成または形状も同様に可能であろう）中央開口部を備えていて、その中にCCMが嵌め込まれて追加ステップにおいて接合される。
【００１９】
この目的で、被覆されていないPENフィルム（ロール製品または個別のシート）から、活性面のサイズを持つ対応するウインドウ（すなわちCCMがあとからその中に導入される）を最初に作る（パンチング、カッティング、レーザー処理など）。この第1の層の全面に接着剤で覆われたPENフィルムを接合して加熱し、泡のないラミネートを作る。
【００２０】
次のステップでは、サブガスケットの完全な最終輪郭をすでに形成することができる（パンチング、カッティング、レーザー処理）。最終輪郭には、顧客の要望に合わせ、流体チャネルと積層体固定のためのあらゆる開口部のほか、活性面の第2の中央ウインドウが含まれる。
【００２１】
接着剤で覆われたPENフィルムの中央ウインドウは幾分か小さくなるように設計し、接着剤で覆われている空いた面から接着剤で覆われていないPENフィルムのウインドウへと徐々に移行するようにする。
【００２２】
同じ製造ステップにおいて、切り取られたGDLをあとで接合するため、2枚のPENフィルムの中央切り取り部のエッジ領域に連続的な穴と突起を作る（図面参照）。
【００２３】
MEAの向きの決定とマーキングのため、部品番号をカソード側に印刷する。
【００２４】
次の製造ステップでは、CCMを所定のサイズにし（カット、パンチングなど）、次いでサブガスケット・フレームの中に挿入し、圧力と温度を利用してサブガスケット・ウインドウの接着剤で覆われた空いた縁部に対して連続した状態できつく封止する。
【００２５】
CCMは、非対称に被覆することができる。すなわちGore Select（登録商標）膜の2つの電極皮膜は、機能とコストを理由として異なる触媒負荷を持つことができる。したがって適正な組立体の位置は、組み立て中に確保せねばならない。
【００２６】
品質を保証するため、各製造ステップで対応する光学検査を行なう。最後の作業ステップでは、切り取られたGDLを、それぞれマイクロ層側をCCMのほうに向けた状態で両方の側に載せて合体させてフィットさせ、圧力と温度を利用して縁部に沿ってだけ周囲をサブガスケット・フレームに接合する。サブガスケット・フレームの活性面の縁部領域に特に形成される部分のために対応する接着剤面が露出し、GDLの接合が可能になる。カソード側では、追加の突起によって接着剤面が追加して露出し、何カ所かでGDLが連続的に取り付けられる。アノード側では、GDLを接合している間、接着剤が孔を通過した後に活性面の切り取り部に沿って流れるため、GDLはこの側に固定される。再び接着剤をサブガスケット・フレームの両方の部分に同量付着させることが好ましい。しかし被覆されたPENフィルムは合体させて貼り合わされるため、2つの接着剤被覆はフィルムの間の中央部で合体する。
【００２７】
GDLは、常に気密にされている必要はなく、あとで積層体を組み立てるために所定の位置に保持されているだけでよい。それに加え、ここに開示する本発明は、さまざまな他の組立体の設計に適用できる。それは、例えば図5に示した膜電極サブガスケット組立体の設計である。この実施態様では、ビア26aと26bを構造フィルム層25aと25bに形成する。ここではその構造フィルム層は、それぞれ膜22と重なっている。接着剤27がビア26aと26bを通って流れ、構造フィルム層25aと25bをガス拡散層23と23’に接合するとともに、膜22と電極20、21にも接合する。
【００２８】
本発明では、以下の利点が実現される。すなわち、追加の接着材料または接着剤を付着させる必要がない；接着剤が広がらない；自動製造ラインが可能である；コストと材料が節約され、追加の処理ステップがない；潜在的なマイナスの化学的効果のリスクが減る；製造時間が大幅に短縮される（接着剤の準備、供給、付着がなくなる）；組立体の厚みに対する余分な効果がないことで、積層体の製造に明確な利点がある（寸法のずれが加わる）；GDLとCCMの損傷のリスクが減る；許容誤差の利点；材料が流れることが減る；四隅が鋭い縁部を持つようにできるため、CCMの切り取りが簡単になる；GDLを組立体の全面に押し付ける必要がない、すなわち積層体の組み立て中に第1の面だけを押し付ける。
【００２９】
本発明をいくつかの好ましい実施態様について説明してきたが、本発明の範囲がその実施態様に限定されることは意図していない。むしろ本発明には、添付の請求項に規定されている範囲が与えられる。
【図１（ａ）】
2013517606.tif 000003
【図１（ｂ）】
2013517606.tif 000004
【図１（ｃ）】
2013517606.tif 000005
【図２】
2013517606.tif 000006
【図３（ａ）】
2013517606.tif 000007
【図３（ｂ）】
2013517606.tif 000008
【図４（ａ）】
2013517606.tif 000009
【図４（ｂ）】
2013517606.tif 000010
【図５】
2013517606.tif 000011
【国際調査報告】
2013517606.tif 000012
2013517606.tif 000013