(57)【要約】  アノード側の触媒被覆した拡散媒体とカソード側の触媒被覆した拡散媒体およびこれらの媒体によって挟み込まれたイオン伝導性の膜を有する燃料電池。イオン伝導性の膜とアノード側およびカソード側の触媒被覆した拡散媒体との間にシール材料が配置され、このときシール材料はイオン伝導性の部材の透過性よりも低い透過性を有する材料で形成される。シール材料はイオン伝導性の膜よりも柔らかい材料で形成されていてもよく、それによって、シール材料は変形することができ、そして燃料電池の膜電極集成体がこの集成体の全体にわたって均一な圧力を受けることを可能にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のための集成体であって：
イオン伝導性の部材；
前記イオン伝導性の部材の表面に配置された導電性の部材；
前記イオン伝導性の部材と前記導電性の部材の間に挟まれた電気化学的に活性な材料；および
前記導電性の部材の周縁と重なり合っているシール部材；
を含み、このとき前記シール部材は前記イオン伝導性の部材の透過性よりも低い透過性を有している、前記集成体。
【請求項２】
前記シール部材は前記イオン伝導性の部材を通しての反応物質の気体の透過を防ぐかあるいは少なくとも抑制する、請求項１に記載の集成体。
【請求項３】
前記シール部材は、前記周縁において前記イオン伝導性の部材の一方の側から他方の側への反応物質の気体の透過を防ぐかあるいは少なくとも抑制する、請求項２に記載の集成体。
【請求項４】
前記透過性は、水素の透過性、酸素の透過性、または両者である、請求項１に記載の集成体。
【請求項５】
前記電気化学的に活性な材料は前記導電性の部材の上に配置される、請求項１に記載の集成体。
【請求項６】
前記シール部材は前記電気化学的に活性な材料と重なり合っている、請求項５に記載の集成体。
【請求項７】
電気化学的に活性な材料は導電性の部材の周縁まで延びている、請求項５に記載の集成体。
【請求項８】
シール部材はイオン伝導性の部材の一方の側にある、請求項１に記載の集成体。
【請求項９】
シール部材はイオン伝導性の部材の両側にある、請求項１に記載の集成体。
【請求項１０】
イオン伝導性の部材の一方の側にあるシール部材は他方の側にあるシール部材とは異なる大きさの開口を有する、請求項９に記載の集成体。
【請求項１１】
前記シール部材は、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、エチレンテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエステル類、ポリアミド類、コポリアミド類、ポリアミドエラストマー、ポリウレタン類、ポリウレタンエラストマー、シリコーン類、および熱可塑性エラストマーからなる群から選択される少なくとも一つで形成される、請求項１に記載の集成体。
【請求項１２】
集成体の１以上の他の部材とのシール部材の組立てのために用いられる加工温度において前記シール部材は柔らかくなる、請求項１に記載の集成体。
【請求項１３】
前記シール部材は電気化学的に活性な材料の中に吸収される、請求項１２に記載の集成体。
【請求項１４】
電気化学的に活性な材料とイオン伝導性の部材の間に形成される空所の中に前記シール部材が流れ込む、請求項１２に記載の集成体。
【請求項１５】
前記導電性の部材は多孔質材料を含み、そして前記シール部材は前記多孔質材料における多数の細孔の中に吸収される、請求項１に記載の集成体。
【請求項１６】
前記シール部材は電気的に絶縁性の材料を含む、請求項１に記載の集成体。
【請求項１７】
前記シール部材は、８０℃および１００％RHにおいて測定して１×１０−９(ml(STP)-cmthick)/(s-cm2-cmHg) 未満の水素透過性を有する材料を含む、請求項１に記載の集成体。
【請求項１８】
前記シール部材は８０℃および１００％RHにおいて測定して１×１０−９(ml(STP)-cmthick)/(s-cm2-cmHg) から２×１０−１０(ml(STP)-cmthick)/(s-cm2-cmHg) までの範囲の水素透過性を有する材料を含む、請求項１に記載の集成体。
【請求項１９】
前記シール部材は７７oＦおよび１００％RHにおいて測定して３５００cc-mil/(１００in2-２４hr-atm) 未満の酸素透過性を有する材料を含む、請求項１に記載の集成体。
【請求項２０】
前記シール部材は７７oＦおよび１００％RHにおいて測定して３.４cc-mil/(１００in2-２４hr-atm) から２００cc-mil/(１００in2-２４hr-atm) までの範囲の酸素透過性を有する材料を含む、請求項１に記載の集成体。
【請求項２１】
前記導電性の部材は、前記シール部材を収容するために、前記導電性の部材の周縁部にフレーム形状の凹所を有する、請求項１に記載の集成体。
【請求項２２】
前記シール部材、前記イオン伝導性の部材、および前記フレーム形状の凹所を有する前記導電性の部材は、前記イオン伝導性の部材と前記導電性の部材の間に密封された境界面領域を画定している、請求項２１に記載の集成体。
【請求項２３】
前記導電性の部材と前記電気化学的に活性な材料の間に挟まれた微孔質の層をさらに有していて、前記微孔質の層は水制御層である、請求項１に記載の集成体。
【請求項２４】
前記シール部材の厚さは前記導電性の部材の厚さの一部分である、請求項１に記載の集成体。
【請求項２５】
前記シール部材の前記厚さは前記導電性の部材の前記厚さの２０％未満である、請求項２４に記載の集成体。
【請求項２６】
前記シール部材の前記厚さは前記導電性の部材の前記厚さの約１〜５％の範囲である、請求項２４に記載の集成体。
【請求項２７】
燃料電池であって：
イオン伝導性の膜； 
前記イオン伝導性の膜を挟んでいるアノード側の触媒被覆した拡散媒体とカソード側の触媒被覆した拡散媒体；および
前記イオン伝導性の膜と前記アノード側およびカソード側の触媒被覆した拡散媒体との間に配置されたシール部材；
を含み、このとき前記シール部材は前記イオン伝導性の膜よりも柔らかい材料で形成されていて、それによって前記シール部材は変形して、そして前記触媒被覆した拡散媒体に設けられた多数の細孔の中に吸収される、前記燃料電池。
【請求項２８】
前記シール部材は前記イオン伝導性の部材を機械的に支持している、請求項２７に記載の燃料電池。
【請求項２９】
前記シール部材は断熱材料を含む、請求項２７に記載の燃料電池。
【請求項３０】
前記シール部材は１〜５０マイクロメートルの範囲の厚さを有する、請求項２７に記載の燃料電池。
【請求項３１】
前記シール部材は前記触媒被覆した拡散媒体と前記イオン伝導性の膜に密封係合されている、請求項２７に記載の燃料電池。
【請求項３２】
前記密封係合は、前記触媒被覆した拡散媒体、前記シール部材、および前記イオン伝導性の膜のそれぞれが共に偏っていることを含む、請求項３１に記載の燃料電池。
【請求項３３】
前記密封係合は物理的な取り付けを含む、請求項３１に記載の燃料電池。
【請求項３４】
前記触媒被覆した拡散媒体と前記イオン伝導性の膜は前記シール部材に張り合わされている、請求項３１に記載の燃料電池。
【請求項３５】
膜電極集成体を製造するための方法であって：
イオン伝導性の部材を用意し；
イオン伝導性の部材の表面に電極を配置し；そして
前記イオン伝導性の部材の透過性と比較したシール材料の透過性に基づいて、前記電極と前記イオン伝導性の部材の間に配置すべき前記シール材料を選択する；
工程を含み、このとき前記シール材料の前記透過性は前記イオン伝導性の部材の前記透過性よりも低い、前記方法。
【請求項３６】
前記シール材料の前記透過性は水素の透過性であり、そして前記シール材料の前記水素透過性は前記イオン伝導性の部材の水素透過性よりも低い、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記シール材料の前記透過性は酸素の透過性であり、そして前記シール材料の前記酸素透過性は前記イオン伝導性の部材の酸素透過性よりも低い、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
導電性の部材を用意する工程をさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記電極は前記導電性の部材の表面上に配置される、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記導電性の部材の厚さと比較して前記シール材料のための厚さを選択する工程をさらに含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記導電性の部材は微孔質の層を有していて、前記微孔質の層は水制御層である、請求項３８に記載の方法。
【請求項４２】
前記導電性の部材はこの導電性の部材の周縁部に形成された切欠きを有していて、前記切欠きは前記シール材料を収容するためのものである、請求項３８に記載の方法。
【請求項４３】
前もって選ばれた加工条件における前記シール材料の柔らかさに基づいて前記シール材料を選択する工程をさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４４】
シール材料と前記電極を圧縮することによって前記シール材料と前記電極を接合する工程をさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４５】
シール材料と前記電極を圧縮しそして加熱することによって前記シール材料と前記電極を接合する工程をさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４６】
前記シール材料と前記電極は２５psig〜１０００psigの範囲の圧力で圧縮される、請求項４４に記載の方法。
【請求項４７】
前記シール材料と前記電極は５０psig〜２００psigの範囲の圧力で圧縮される、請求項４４に記載の方法。
【請求項４８】
前記シール材料と前記電極は１２０oＦ〜４００oＦの範囲の温度に加熱される、請求項４５に記載の方法。
【請求項４９】
前記シール材料と前記電極は２６０oＦ〜３４０oＦの範囲の温度に加熱される、請求項４５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は燃料電池のための膜電極（membrane electrode）集成体に関し、特に酸素と水素に対して低い透過性を有する膜電極集成体に関する。
【０００２】
発明の背景
燃料電池は、電気自動車やその他の適用のための電力源として開発されつつある。一つのそのような燃料電池はPEM（すなわちプロトン交換膜）燃料電池であり、これは、薄い固体のポリマー膜電解質と、この膜電解質の反対側の面に一対の電極（すなわちアノードとカソード）を有する、いわゆる「膜-電極-集成体」（MEA）を有している。MEAは平らな気体分配要素の間に挟み込まれている。
【０００３】
これらPEM燃料電池において、電極は典型的に膜電解質と比べて小さな表面積のものであり、そのため膜電解質の端部は電極から外に突き出ている。膜電解質のこれらの端部で、ガスケットまたはシールが配置されて、電極の周囲を形づくっている。しかし、製造上の許容誤差の限界があるために、シール、MEA、および気体分配要素は適切にぴったりと位置合わせされない。これらの構成要素の不整列さのために、膜電解質の端部において破損が生じる可能性があり、そのため燃料電池の寿命期間が短くなり、また燃料電池の性能が低下する。
【０００４】
さらに、膜電解質が湿潤状態から乾燥状態へと周期変化するときに膜の収縮によって膜電解質に引張り応力が生じ、また通過する気体（アノードからカソードへの水素およびカソードからアノードへの酸素）の反応によって生成する遊離基による膜と電極における電解質の化学的侵食のために、膜電解質の化学的分解が生じる。従って、これらの欠点を解消する、燃料電池のためのMEAを開発するのが望ましい。
【０００５】
発明の概要
上述の欠点を考慮に入れて、本出願の発明者らは、アノード側の触媒被覆した拡散媒体とカソード側の触媒被覆した拡散媒体およびこれらの媒体によって挟み込まれたイオン伝導性の膜を有する燃料電池を開発した。イオン伝導性の膜とアノード側およびカソード側の触媒被覆した拡散媒体との間にシール材料が配置され、このときシール材料はイオン伝導性の部材の透過性よりも低い透過性を有する材料で形成される。本発明の別の面において、シール材料はイオン伝導性の膜よりも柔らかい材料で形成され、それによって、シール材料は変形することができ、そして燃料電池の膜電極集成体がこの集成体の全体にわたって均一な圧力を受けることを可能にする。
【０００６】
本発明のさらなる応用分野は、以下で提示する詳細な説明から明らかになるだろう。その詳細な説明と特定の実施例は、本発明の好ましい態様を提示しているが、それらは単に例証する目的のためのものであり、本発明の範囲を限定することを意図しているのではない、ということが理解されるべきである。
【０００７】
好ましい態様の詳細な説明
好ましい態様についての以下の説明は本質的に単に例示のものであり、本発明とその適用あるいは用途を限定することは決して意図されていない。
【０００８】
図１は本発明の原理による膜電極集成体（MEA）の分解組み立て断面図である。図１に示すように、MEA２はアノード電極６とカソード電極８の間に挟み込まれたイオン伝導性の部材４を有する。MEA２はまた、一対の電気伝導性の部材10および12、または気体拡散媒体10および12を有する。また、イオン伝導性の部材４はフレーム（枠）形状のシール部材14および16によって周縁が囲まれている。図１に示されているMEA２は、流動領域板（両極板とも呼ばれる、図示せず）とシール部材14および16との間に用いられるポリマーのシールによって、積層状にして密封される。
【０００９】
イオン伝導性の部材４は、好ましくは固体ポリマー膜の電解質、そして好ましくはプロトン交換部材（PEM）である。好ましくは、イオン伝導性の部材４はおよそ１０マイクロメートル〜１００マイクロメートルの範囲の厚さ、そして最も好ましくは約２５マイクロメートルの厚さを有する。そのような膜電解質のために適したポリマーは当分野において周知であり、米国特許5,272,017号および3,134,697号およびその他の特許文献や非特許文献に記載されている。しかしながら、イオン伝導性の部材４の組成物は当分野で慣用的に用いられるプロトン伝導性のポリマーのいかなるものを含んでいてもよい、ということに留意すべきである。好ましくは、NAFION（登録商標）などの過フッ素化スルホン酸ポリマーが用いられる。
【００１０】
イオン伝導性の部材４は陽イオン透過性のプロトン伝導性膜であり、移動イオンとしてH+ イオンを有する。燃料気体は水素（またはリフォーメート（reformate））であり、そして酸化体は酸素または空気である。電池の全体的な反応は水素の水への酸化であり、アノードとカソードにおけるそれぞれの反応は、H2＝2H+＋2e-（アノード）および1/2O2＋2H+＋2e-＝H2O（カソード）である。
【００１１】
アノード電極６とカソード電極８の組成物は好ましくは、イオン伝導性の部材４と同様にNAFION（登録商標）などのプロトン伝導性物質であるポリマー結合剤の中に分散した電気化学的に活性な材料を含む。電気化学的に活性な材料は好ましくは、触媒を被覆した炭素または黒鉛の粒子を含む。アノード電極６とカソード電極８は好ましくは、触媒として白金を含むだろう。図におけるアノード６とカソード８は大きさが同じであるように示されているが、アノード６とカソード８を異なる大きさとすることも本発明の範囲からはずれない、ということに留意すべきである（すなわち、カソードはアノードよりも大きいか、あるいは逆もまた同様）。アノードとカソードの好ましい厚さはおよそ２〜３０マイクロメートルの範囲、そして最も好ましくはおよそ１０マイクロメートルである。
【００１２】
本発明の第一の態様によれば、アノード６とカソード８は好ましくは拡散媒体10および12の上に配置されて、それにより触媒被覆した拡散媒体（CCDM）が形成される。しかしながら、アノード６とカソード８は好ましくは拡散媒体10および12の上に配置されるけれども、アノード６とカソード８をイオン伝導性の部材４の上に配置して、それにより触媒被覆した膜（CCM）が形成されてもよく、これも本発明の範囲と精神に含まれる、ということを理解すべきである。特に、アノード６とカソード８の電気化学的に活性な材料を、拡散媒体10および12に対面するイオン伝導性の部材の表面5aおよび5bの上に配置してもよい。
【００１３】
アノード電極６とカソード電極８は好ましくは、イオン伝導性の部材に隣接している拡散媒体10および12の表面全体の上に配置され、それによりアノード６とカソード８の周縁が拡散媒体10および12の周縁まで延びているようにしてもよい。このやり方においては、アノード６とカソード８および拡散媒体10および12の端部はシール部材14および16の上に置かれる。これらシール部材14および16は、上で説明したように、イオン伝導性の部材４の周辺部に配置されるフレーム形状の部材である。しかしながら、アノード電極６とカソード電極８は気体拡散媒体10および12の端部に配置される必要はなく、これも本発明の範囲内のことである、ということを理解すべきである。
【００１４】
図１には微孔質（microporous）の層７および９も示されている。これら微孔質の層７および９は好ましくは電極６および８と拡散媒体10および12との間に配置され、燃料電池の電気化学反応の間に生成される水をイオン伝導性の部材４の表面から吸収する水制御層としての役割をする。好ましくは、微孔質の層（これらはPTFEなどの疎水性の結合剤の中に分散される炭素の粒子で形成される）は、気体拡散媒体10および12に直接添着される。
【００１５】
気体拡散媒体10および12は、当分野で知られているいかなる気体拡散媒体であってもよい。好ましくは、気体拡散媒体10および12は、およそ１００〜３００マイクロメートルの範囲の厚さを有する炭素の紙、炭素の布、または炭素の発泡体である。シール部材14および16は、膜電極集成体２を密封し、イオン伝導性の部材の端部に対して機械的な支持を与え、そしてイオン伝導性の部材をまたいで反応物質の気体が通り抜けるのを防ぐのに十分ないかなる材料であってもよい。この点に関して、シール部材14および16のために好ましい材料は、本質的にゴム弾性または高分子であって、電気的に絶縁性（非導電性）であり、そして酸性で湿潤な燃料電池の環境に対して耐性を有する材料である。すなわち、シール部材は０のpHに対して耐性であり、そして６０〜１２０℃の範囲の動作温度に耐えることができなければならない。
【００１６】
本発明の重要な見地は、シール部材14および16として用いるために選択される材料は、イオン伝導性の部材４の空気（酸素）と水素ガスに対する透過性よりも低い空気（酸素）と水素ガスに対する透過性を有していなければならない、ということである。シール部材14および16の透過性がイオン伝導性の部材４の透過性よりも低いとき、膜電極集成体２の端部における燃料電池反応物質の気体の通り抜けが防がれる。これは有利なことであって、その理由は、膜４を通しての気体（すなわち、アノードからカソードへの水素、あるいはカソードからアノードへの酸素）の通り抜けによって膜と電極における電解質の化学的分解が起こり、従って不透過性のシール部材14および16は化学的分解を軽減するからである。
【００１７】
より具体的には、水素燃料が存在する場合の酸素のように、燃料電池が通常の動作をする間に、水素と酸素ガスはそれぞれカソード８とアノード６の両方へイオン伝導性の部材（膜）４を通して浸透するかもしれない。これらの反応物質の気体がアノード６およびカソード８の電気化学的に活性な材料と接触すると、酸素は還元され、そして水素燃料ガスの酸化によって生成したH+ イオンと反応する。この続いて起こる還元された酸素とH+ イオンの間の副反応によって、次のようにしてH2O2 が生成する：
O2＋2H+＋2e-＝H2O2
このH2O2 の生成は膜４の分解を生じさせ、そのため燃料電池の寿命と性能を低下させることが知られている。さらに、膜と電極における電解質の化学的分解のその他の可能性のある機構は、膜４を通しての気体の通り抜けを防ぐかあるいは少なくとも抑制することによって軽減されうることが、理解されるべきである。これらの気体は、製造上の許容誤差によって生じる燃料電池の構成要素の間の隙間のうち、膜４の端部において膜４をなおいっそう透過しやすい。従って、反応物質の気体の濃縮した流れはアノード６およびカソード８の端部に集まるだろう。従って、膜４の分解は典型的にアノード６とカソード８の端部において起こる。
【００１８】
H2O2 の生成を抑制しそして解消するために、シール部材14および16は、膜４よりも低い空気と水素に対する透過性を有する材料で形成される。例えば、N112などのNAFION（登録商標）の膜が膜４として用いられる場合、シール部材14および16は、７７oＦ/１００％RHにおいて３５００cc-mil/(１００in2-２４hr-atm) よりも低い空気（酸素）に対する透過性を有しているべきである。好ましくは、シール部材14および16は、７７oＦ/１００％RHにおいて２００cc-mil/(１００in2-２４hr-atm) 以下の酸素透過性を有しているべきである。そのような透過性を達成するための好ましい材料は、例えばエチレンテトラフルオロエチレン（ETFE）であり、これは７７oＦ/１００％RHにおいて１８４cc-mil/(１００in2-２４hr-atm) の酸素透過性を有している。最も好ましくは、シール部材は７７oＦ/１００％RHにおいて２５cc-mil/(１００in2-２４hr-atm) 以下の酸素透過性を有しているべきである。最も好ましい酸素透過性を達成する適当な材料は、例えばポリイミド（Kaptonの商品名で販売されている、７７oＦ/１００％RHにおいて２５cc-mil/(１００in2-２４hr-atm）またはポリフッ化ビニリデン（PVDF、７７oＦ/１００％RHにおいて３.４cc-mil/(１００in2-２４hr-atm）である。
【００１９】
水素に対する透過性は８０℃、２７０kPa、１００％RHにおいて１.５×１０−８ml(STP)-cmthick/(s-cm2-cmHg) 未満であるべきであり、好ましくは８０℃、２７０kPa、１００％RHにおいて１×１０−９ml(STP)-cmthick/(s-cm2-cmHg) 以下であり、そして最も好ましくは８０℃、２７０kPa、１００％RHにおいて５×１０−１０ml(STP)-cmthick/(s-cm2-cmHg) 以下である。このような水素透過性を達成するための適当な材料は、例えばKapton（８０℃、２７０kPa、１００％RHにおいて４.７×１０−１０ml(STP)-cmthick/(s-cm2-cmHg)）およびポリエチレンナフタレート（PEN、８０℃、２７０kPa、１００％RHにおいて２×１０−１０ml(STP)-cmthick/(s-cm2-cmHg)）である。
【００２０】
さらに、ETFE、Kapton、PVDF、およびPENが上述の酸素および水素の透過性を得るために好ましい材料であると説明したが、膜４よりも低い酸素および水素に対する透過性を有している限り、シール部材14および16として用いるためにその他の材料が選択されてもよいことが理解されるべきである。その他の材料の例としては、ポリエステル、ポリアミド、コポリアミド、ポリアミドエラストマー、ポリウレタン、ポリウレタンエラストマー、シリコーン、およびその他の熱可塑性エラストマーがある。アノード６とカソード８の端部において反応物質の気体に対する透過性を低下させることによって、膜４の分解を起こさせる可能性のある反応物質の気体の通り抜けが低減および／または防止されるだろう。
【００２１】
上述したように、シール部材14および16はまた、軽減されない熱の生成から膜４の端部を保護もする。すなわち、反応物質の気体が膜４を膜の端部で通り抜けて、そしてアノード電極６とカソード電極８の触媒処理した炭素粒子と接触すると、反応物質の気体が発火して膜４に小さな燃焼孔が生じる危険性があり、それによってMEA２の寿命が短くなる。シール部材14および16を膜４の周辺部に配置することによって、反応物質の気体の通り抜けが防がれ、それによって、触媒処理した炭素粒子と接触したときに反応物質の気体が発火することが防止される。
【００２２】
MEA２の膜４を通しての反応物質の気体の通り抜けを防ぐためにシール部材14および16として用いるための適当な材料を選択するとき、アノード側のシール部材14として用いるために第一の材料を選択することができ、そしてカソード側のシール部材16として用いるために第二の材料を選択することができる、ということが理解されるべきである。より具体的には、MEA２のアノード側には水素燃料が用いられるので、シール部材14としては水素に対して低い透過性を有する材料を選択するのが好ましいだろう。逆に、MEA２のカソード側には酸素または空気が用いられるので、シール部材16としては酸素に対して低い透過性を有する材料を選択するのが好ましいだろう。このようにして、反応物質の気体の通り抜けをよりいっそう防止することができ、MEA２のよりいっそう長い寿命を達成することができる。
【００２３】
シール部材14および16のための材料は、空気と水素に対するその透過性に加えて、MEAの加工温度（これは例えば、そのガラス転移温度またはその溶融温度によって決められる）におけるその柔らかさに応じて選択されてもよい、ということも理解されるべきである。すなわち、シール部材14および16は、MEAの加工温度において柔らかくて柔軟な材料で形成されてもよい。この点に関して、シール部材14および16のための好ましい材料は、（限定するものではないが）ポリフッ化ビニリデン（PVDF）である。その他の材料としてはポリエチレンナフタレート（PEN）やポリイミドがある。
【００２４】
膜４よりも柔らかくて柔軟かつ展性があり、そして曲がりやすいシール部材14および16を用いることによって、MEA２の構成要素が一緒に圧縮されて集成体が完成されるときに、シール部材14および16は圧縮して変形するだろう。このようにして、シール部材14および16はCCDMおよび膜４と結合するか、または層状に張り合わされるだろう。MEA２の構成要素のこの結合または張り合わせによって単一構造が得られ、このことによりMEA２の強靭さは増大する。というのは、MEA２の構成要素はMEA２の表面の全体にわたって均一な圧力を受けるからである。さらに、アノード６とカソード８は拡散媒体10および12の上でかつその端部に配置されるので、アノード電極６、カソード電極８、および拡散媒体10および12の端部はシール部材14および16の上に置かれるだろう。このことによって膜４に対してさらなる保護が与えられる。というのは、多孔質の気体拡散媒体10および12の繊維は膜４と接触できなくなるからであり、それによって膜４が破れるのが防止され、そして集成体の寿命が延びるだろう。
【００２５】
特に、アノード電極６とカソード電極８は、MEA２の他の構成要素を載せるための本質的に平らな表面を与える連続したなめらかな層としての拡散媒体10および12の表面の全体の上に配置されるのが好ましい。このことは、燃料電池の電気化学反応において生成される電子の導電性を促進しそして高めるために、拡散媒体10および12やシール部材14および16などの構成要素がMEA２と共に燃料電池の中で圧縮されるとき、イオン伝導性の部材４はその表面の全体にわたって均一な圧力を受ける、という点で有益である。イオン伝導性の部材４がその表面の全体にわたって均一な圧力を受けるとき、イオン伝導性の部材４にかかる過度の応力は解消するだろう。従って、MEA２に発生してその寿命を短縮し、そして電池の全体的な能力を抑制する破れや小さな穴も解消されるだろう。
【００２６】
MEA２の構成要素を結合するか、または層状に張り合わせるために、MEA２を２５psig〜１０００psigの範囲の圧力で圧縮するのが好ましく、そしてMEA２を５０psig〜１００psigの範囲の圧力で圧縮するのが最も好ましい。さらに、構成要素の結合または張り合わせを容易にするために、圧縮する間にMEAを穏やかに加熱するのが好ましいかもしれない。この点に関して、加熱したプレスまたは加熱したローラーを使用してMEA２を１２０oＦ〜４００oＦの範囲の温度、そして最も好ましくは２６０oＦ〜３４０oＦの範囲の温度に加熱するのが好ましい。また、MEAの構成要素の結合または張り合わせをさらに容易にするために、感圧性の材料または感熱性の材料で形成されたシール部材14および16を用いるのが好ましいかもしれない。
【００２７】
シール部材14および16は、圧縮されて加熱されるとき、触媒で被覆された拡散媒体の細孔の中に吸収されるかもしれない、ということも理解されるべきである。より具体的には、拡散媒体10および12の上に配置されるアノード電極６とカソード電極８は、好ましくは多孔質の材料である。シール部材14および16が加熱されて圧縮されるとき、シール部材14および16のために選択された材料は流動し、そして多孔質の電極６および８の細孔の中に吸収されるだろう。そのため、物理的な付着または物理的な結合が生じる。加熱と圧縮に続いて、次いでシール部材14および16のための材料は硬化して、シール部材14および16は触媒被覆した拡散媒体10および12に結合し、それによって単一構造が形成される。このようにして、アノード電極６とカソード電極８の端部は反応物質の気体の通り抜けから保護され、そしてMEA２はよりいっそう強化される。
【００２８】
MEA２の構成要素の結合または張り合わせについて上で説明されて、そしてそれは好ましい態様ではあるが、MEA２の構成要素は張り合わされることなく（すなわち熱と圧力を適用することなく）組み立てられて、燃料電池の積層体に典型的に加えられる圧縮力（すなわち５０〜４００psi）によってのみそれらが一緒にくっついているようにしてもよい、ということが理解されるべきである。すなわち、燃料電池の積層体に加えられる圧縮力によってMEA２の構成要素を一緒に単に圧縮することによって、燃料電池の積層体の中でMEA２を短時間動作させた後に、最終的に張り合わされたMEA２が製造される。
【００２９】
MEA２がこの集成体の全体にわたって均一な圧力を受けるのに必要な機械的特性を与えるために、拡散媒体10および12の厚さに応じてシール部材14および16の厚さを変えることができる。すなわち、約２００マイクロメートルの厚さを有する比較的厚い拡散媒体10または12が用いられるとき、比較的厚いシール部材14または16を用いるのが好ましいだろう。それに対して、比較的薄い拡散媒体10または12が用いられるとき（例えば１００マイクロメートル）、比較的薄いシール部材14または16を用いるのが好ましいだろう。この点に関して、シール部材14および16の厚さは１〜５０マイクロメートルの範囲、より好ましくは３〜２５マイクロメートルの範囲、そして最も好ましくは４〜１２マイクロメートルの範囲にあるのが好ましい。一般に、シール部材14および16の厚さは拡散媒体10および12の厚さの２０％未満であり、好ましくは５％未満であり、そして最も好ましくは１％〜４％の範囲である。この設計基準について、拡散媒体10の下に位置する領域においてシール部材14の上に加えられる追加の圧縮力は、MEA２の中央の領域における圧縮力よりも著しく大きくはない。同じことは、拡散媒体12の下に位置する領域におけるシール部材16についても言える。このようにかなりの追加の圧縮力が避けられる場合においては、過剰な圧縮力による膜の機械的な破損が避けられる。それでもなお、拡散媒体10または12の厚さとの関係において選択されるときは、シール部材14および16についてはいかなる厚さを用いてもよい。さらに、対応する第一のシール部材の厚さを加えた第一の拡散媒体の厚さは、対応する第二のシール部材の厚さを加えた第二の拡散媒体の厚さとは異なるものを用いてもよい、ということが理解されるべきである。すなわち、例えば、MEA２のアノード側は、カソード側のMEAの拡散媒体12とシール部材16とは異なる厚さを有する拡散媒体10とシール部材14を有していてもよい。
【００３０】
ここで図２を参照すると、本発明の第二の態様が記載されている。図２に示すように、単一のシール部材14がMEA２のアノード側だけに配置されている。このような配置は、MEA２の構成要素の間の導電性を高めるためにMEA２が圧縮されるとき、MEA２の構成要素は単一の構造を形成するようには圧縮しない可能性がある、という理由によって有益である。
【００３１】
詳しく説明すると、先行技術のMEA18を示す図３を参照すると、硬質の（曲げにくい）サブガスケット（subgasket）20が用いられるとき、拡散媒体24と電極26の間に空所の領域22が形成されるかもしれない。この空所の領域22は、先行技術のサブガスケット20が用いられるときに生じる「テント（tenting）」効果の結果である。この空所の領域22は、気体拡散媒体24がサブガスケット20に対して圧縮されたときに、サブガスケット20が硬すぎる（硬直すぎる）かあるいは厚すぎて、形が順応しないために生じる。従って、本発明の意図として、層状に張り合わせる工程が行われる間にサブガスケット20が電極26の中に吸収されるか、あるいは拡散媒体24に比べてサブガスケット20が十分に薄いために空所の領域22を形成することなく拡散媒体がサブガスケット20に対してなめらかに順応すれば、空所の領域22を解消することができる。この空所の領域22のために、膜28がこの領域において保護されないことにより、反応物質の気体の軽減されない通り抜けが生じうる。さらに、この空所の領域22に水がたまるかもしれず、それによって燃料電池の性能が損なわれるかもしれない。
【００３２】
図２において、シール部材14はMEA２のアノード側に示されていて、これが好ましい態様として説明されるが、単一のシール部材14はカソード側に配置されてもよい、ということが理解されるべきである。このような配置は、燃料電池において用いられる反応物質の気体のタイプによっては、好ましいものであるかもしれない。例えば、純粋な酸素の代わりに空気が酸化体ガスとして用いられるとき、膜を通しての酸素の通り抜けに対して、カソード側のシール部材16は必要でないかもしれない。あるいは、水素燃料としてリフォーメート（reformate）が用いられるとき、膜を通しての水素ガスの通り抜けに対して、アノード側のシール部材14は必要でないかもしれない。さらに、MEA２のアノード側とカソード側のいずれかにおいて単一のシール部材14だけを用いることができるが、これによってもやはりH2O2の形成は防止されるのであり、なぜならば、反応物質の気体（水素または酸素）のうちの少なくとも一つが膜４を通り抜けることを防止できるからである、ということが理解されるべきである。
【００３３】
ここで図４を参照すると、本発明の第三の態様が記載されている。本発明の第三の態様によれば、シール部材14および16は異なる大きさであるように形成される。すなわち、図４に示すように、例えばシール部材16はカソード電極８の方で大きな表面積を覆うように形成することができる。あるいは、シール部材14がアノード電極６の方で大きな表面積を覆うように形成してもよい。
【００３４】
シール部材14とシール部材16が異なる大きさであるように形成することによって、燃料電池が動作している間および反応物質（すなわち水素と酸素）の存在下での電流の分布と電極電位の変動に影響を及ぼすことができる。電流の分布と電極電位の変動の両者は、熱の局所的な生成および（膜と電極の両者における）電解質の分解速度のそれぞれに大きな影響を与えるので、シール部材を互いに異なる大きさにすることは、MEAの耐久性に大きな影響を及ぼす。
【００３５】
本発明の別の態様においては、拡散媒体10および12の周縁部にフレーム（枠）形状の切欠き30を形成することによって、MEAの全体での圧縮荷重をさらに低減することができる。すなわち、図５を参照すると、シール部材14および16を収容するために、フレーム形状のシール部材14および16に対応する凹所部分30を拡散媒体10および12に形成してもよい。拡散媒体10および12に切欠きすなわち凹所部分30を形成することによって、MEA２の構成要素の間で十分な導電性を得ることを容易にするのに必要な圧縮荷重の低減が可能になる。
【００３６】
このような態様によれば、図３に示す先行技術の膜電極集成体18の空所の領域22が生じないことも保証される。すなわち、拡散媒体10および12の凹所部分30は好ましくは、シール部材14および16の厚さと一致する深さに形成される。このようにして、拡散媒体10および12、シール部材14および16、およびイオン伝導性の部材４は、これらの構成要素のそれぞれの間の境界面領域50においてぴったりと取り付けられるだろう。境界面領域50におけるこのぴったり合う取り付けによっても、膜４を通しての反応物質の気体の透過または移動を防ぐかあるいは少なくとも抑制する、いっそう強靭な密封をシール部材14および16に与えることが可能になる。さらに、MEA２の構成要素の間の電気的な接触を容易にするためにMEA２が圧縮される場合、MEA２を密封するのに必要なだけでなく導電性を高めるのに必要な圧力も低減される。
【００３７】
さらに、本発明のこの態様においては必要でないけれども、前述の態様で説明されたシール部材14および16のいずれも、フレーム形状の切欠き30を形成した拡散媒体10または12と組み合わせて用いてもよい、ということが理解されるべきである。すなわち、膜４よりも低い前もって選ばれた透過性を有するシール部材14および16、異なる大きさと厚さであるように形成されたシール部材14および16、および膜４よりも柔らかいシール部材14および16のいずれも、拡散媒体10および12の周縁部に形成されたフレーム形状の切欠き30を有する拡散媒体と組み合わせて用いることができる。さらに、単一のシール部材14だけを用いてもよい、あるいはフレーム形状の切欠き30を有する単一の拡散媒体10または12を用いてもよい、ということが理解されるべきである。
【００３８】
本発明の説明は本質的に例示したものに過ぎず、本発明の要旨からはずれない変形は本発明の範囲内のものであることが意図されている。そのような変形は本発明の精神と範囲から離脱しているものとはみなされない。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は本発明の原理による膜電極集成体の分解組み立て断面図である。
【図２】図２は本発明の別の原理による膜電極集成体の分解組み立て断面図である。
【図３】図３は先行技術の膜電極集成体の断面図である。
【図４】図４は本発明のさらに別の原理による膜電極集成体の分解組み立て断面図である。
【図５】図５は本発明のさらに別の原理による膜電極集成体の分解組み立て断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年3月22日(2007.3.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のためのイオン伝導性の部材；
前記イオン伝導性の部材の表面に配置された導電性の部材；
前記イオン伝導性の部材と前記導電性の部材の間に挟まれた電気化学的に活性な材料；および
前記導電性の部材の周縁と重なり合っているシール部材；
を含む製品であって、前記シール部材は前記イオン伝導性の部材の透過性よりも低い透過性を有している、製品。
【請求項２】
前記シール部材は前記イオン伝導性の部材を通しての反応物質の気体の透過を防ぐかあるいは少なくとも抑制する、請求項１に記載の製品。
【請求項３】
前記電気化学的に活性な材料は前記導電性の部材の上に配置される、請求項１に記載の製品。
【請求項４】
前記シール部材は前記電気化学的に活性な材料と重なり合っている、請求項３に記載の製品。
【請求項５】
電気化学的に活性な材料は導電性の部材の周縁まで延びている、請求項３に記載の製品。
【請求項６】
シール部材はイオン伝導性の部材の一方の側にある、請求項１に記載の製品。
【請求項７】
シール部材はイオン伝導性の部材の両側にある、請求項１に記載の製品。
【請求項８】
イオン伝導性の部材の一方の側にあるシール部材は他方の側にあるシール部材とは異なる大きさの開口を有する、請求項７に記載の製品。
【請求項９】
前記シール部材は、８０℃および１００％RHにおいて測定して１×１０−９(ml(STP)-cmthick)/(s-cm2-cmHg) 未満の水素透過性を有する材料を含む、請求項１に記載の製品。
【請求項１０】
前記シール部材は７７oＦおよび１００％RHにおいて測定して３５００cc-mil/(１００in2-２４hr-atm) 未満の酸素透過性を有する材料を含む、請求項１に記載の製品。
【請求項１１】
前記導電性の部材は、前記シール部材を収容するために、前記導電性の部材の周縁部にフレーム形状の凹所を有する、請求項１に記載の製品。
【請求項１２】
膜電極集成体を製造するための方法であって：
イオン伝導性の部材を用意し；
イオン伝導性の部材の表面に電極を配置し；そして
前記イオン伝導性の部材の透過性と比較したシール材料の透過性に基づいて、前記電極と前記イオン伝導性の部材の間に配置すべき前記シール材料を選択する；
工程を含み、このとき前記シール材料の前記透過性は前記イオン伝導性の部材の前記透過性よりも低い、前記方法。
【請求項１３】
前記シール材料の前記透過性は水素の透過性であり、そして前記シール材料の前記水素透過性は前記イオン伝導性の部材の水素透過性よりも低い、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記シール材料の前記透過性は酸素の透過性であり、そして前記シール材料の前記酸素透過性は前記イオン伝導性の部材の酸素透過性よりも低い、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
導電性の部材を用意する工程をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記電極は前記導電性の部材の表面上に配置される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記導電性の部材はこの導電性の部材の周縁部に形成された切欠きを有していて、前記切欠きは前記シール材料を収容するためのものである、請求項１６に記載の方法。
【国際調査報告】
2008508679.tif 000008