(57)【要約】拡散媒体の内部領域に関する解放縁部を含む、ＰＥＭ燃料電池内に用いるための拡散媒体が開示されている。シーリングガスケットと境界を接する拡散媒体の外周又は部分は、予圧縮される。予圧縮された拡散媒体は、ＭＥＡのガスケット境界面に働く圧縮応力を下げ、燃料電池スタックの組立、圧縮、及びその後の作動中に、ＭＥＡ表面全体に亘って、より均一な圧縮力が働くようにする。【選択図】図１Ａ
2008511118.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の拡散媒体であって、
第１厚さを有する第１部分と、
第２厚さを有する第２部分と、を備えており、
前記第１厚さは前記第２厚さより薄く、前記第１部分は、燃料電池内で圧縮されるときに前記第１部分と膜電極アッセンブリとの間に分離層を提供するガスケットと係合するようになっている、拡散媒体。
【請求項２】
請求項１に記載の拡散媒体において、
前記第１厚さは、燃料電池スタック内の前記第１部分と前記ガスケットとの境界面における圧縮圧力が所定の範囲に収まる程度の厚さである、拡散媒体。
【請求項３】
請求項２に記載の拡散媒体において、
前記境界面における前記圧縮圧力は、前記第２部分と前記膜電極アッセンブリとの間の圧縮圧力より小さい、拡散媒体。
【請求項４】
請求項１に記載の拡散媒体において、
前記第１部分は、前記拡散媒体の周辺を含んでいる、拡散媒体。
【請求項５】
請求項１に記載の拡散媒体において、
前記第１部分は、永久変形した部分である、拡散媒体。
【請求項６】
燃料電池であって、
セパレータプレートと、
ＭＥＡの縁部領域、前記ＭＥＡ縁部領域に隣接するＭＥＡ内部領域、及び前記ＭＥＡ内部領域の面上に形成されている第１反応物表面を有する膜電極アッセンブリと、
前記セパレータプレートと前記膜電極アッセンブリとの間に挟まれている拡散媒体とを備えており、前記拡散媒体は、拡散媒体内部領域上に形成され、前記第１反応物面と並置されている主面を有しており、これによって、両者の間に第１境界面を形成しており、また、前記拡散媒体は、前記ＭＥＡ縁部領域から間隔をあけて配置されている拡散媒体縁部領域を有しており、
前記燃料電池は、また、
前記ＭＥＡの縁部領域と前記拡散媒体の縁部領域の間に配置され、両者の間に第２境界面を形成しているガスケットを備えており、
前記膜電極アッセンブリと前記ガスケットが前記セパレータプレートと前記拡散媒体との間で圧縮されるときに、前記第１境界面で測定される圧縮圧力が、前記第２境界面で測定される圧縮圧力の三分の二以上となるように、前記ガスケットは前記拡散媒体縁部領域と協働する、燃料電池。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池において、
前記拡散媒体の内部領域は第１厚さを有しており、前記拡散媒体の縁部領域は、前記第１厚さより薄い第２厚さを有している、燃料電池。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池において、
前記拡散媒体は、圧縮された拡散媒体縁部領域を更に備えている、燃料電池。
【請求項９】
請求項７に記載の燃料電池において、
前記ガスケットは第３厚さを有しており、前記第１厚さは、前記第２及び第３厚さの合計よりも最大で１．２倍厚くなっている、燃料電池。
【請求項１０】
請求項６に記載の燃料電池において、
前記拡散媒体の縁部領域は、前記拡散媒体の周囲に延びている、燃料電池。
【請求項１１】
請求項６に記載の燃料電池において、
前記ガスケットは、前記ＭＥＡ縁部領域に接着剤で固定されている、燃料電池。
【請求項１２】
請求項６に記載の燃料電池において、
前記ガスケットは、前記ＭＥＡ縁部領域から側方方向に外向きに延びている、燃料電池。
【請求項１３】
請求項６に記載の燃料電池において、さらに、
前記第１反応物表面の反対側の前記ＭＥＡ内部領域の面上に形成されている第２反応物表面と、
第２セパレータプレートと、
前記第２セパレータプレートと前記膜電極アッセンブリとの間に挟まれている第２拡散媒体とを備えており、前記第２拡散媒体は、第２拡散媒体内部領域に形成され、前記第２反応物面と並置されている主面を有しており、これによって、両者の間に第３境界面を形成しており、また、前記第２拡散媒体は、前記ＭＥＡ縁部領域から間隔をあけて配置されている第２拡散媒体縁部領域を有しており、
前記燃料電池は、また、
前記ＭＥＡの縁部領域と前記第２拡散媒体の縁部領域の間に挟まれ、両者の間に第４境界面を形成している第２ガスケットを備えており、
前記膜電極アッセンブリと前記第２ガスケットが前記第２セパレータプレートと前記拡散媒体との間で圧縮されるときに、前記第３境界面で測定される圧縮圧力が、前記第４境界面で測定される圧縮圧力の三分の二以上となるように、前記第２ガスケットは前記第２拡散媒体縁部領域と協働する、燃料電池。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料電池において、
前記第２拡散媒体の内部領域は第３厚さを有しており、前記第２拡散媒体の縁部領域は、前記第３厚さより薄い第４厚さを有している、燃料電池。
【請求項１５】
請求項１４に記載の燃料電池において、
前記第２拡散媒体は、圧縮された拡散媒体縁部領域を更に備えている、燃料電池。
【請求項１６】
請求項１４に記載の燃料電池において、
前記第２ガスケットは第５厚さを有しており、前記第３厚さは、前記第４及び第５厚さの合計よりも最大で１．２倍厚くなっている、燃料電池。
【請求項１７】
請求項１３に記載の燃料電池において、
前記第２拡散媒体の縁部領域は、前記第２拡散媒体の周囲に延びている、燃料電池。
【請求項１８】
請求項１３に記載の燃料電池において、
前記第２ガスケットは、前記ＭＥＡ縁部領域に接着剤で固定されている、燃料電池。
【請求項１９】
請求項１３に記載の燃料電池において、
前記第２ガスケットは、前記ＭＥＡ縁部領域から側方方向に外向きに延びている、燃料電池。
【請求項２０】
燃料電池用のサブアッセンブリを製造する方法であって、前記サブアッセンブリは、拡散媒体とガスケットを含んでおり、前記ガスケットは、前記拡散媒体の縁部と膜電極アッセンブリを分離させることができ、
（ａ）力を拡散媒体の一部分に加えて、前記拡散媒体の前記部分を圧縮して永久変形させる段階と、
（ｂ）前記力を前記拡散媒体の前記部分から取り除く段階と、
（ｃ）前記ガスケットを前記拡散媒体と係合させる段階とを備えた、方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法において。
（ｃ）は（ａ）を実行する前に実行され、（ａ）は、前記拡散媒体の前記部分に重なっている前記ガスケットの一部分に前記圧縮力を加える段階を含んでいる、方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の方法において、
（ｃ）は、感圧接着剤を前記ガスケットに塗布する段階と、前記ガスケットを拡散媒体の上に、前記接着剤を前記拡散媒体と接触させて配置する段階と、軽い圧力を前記ガスケットに加えて、前記ガスケットを前記拡散媒体に係合させる段階と、を含んでおり、
（ａ）は、前記圧縮力を前記ガスケットの前記部分に加えることによって、前記ガスケットを前記拡散媒体に前記接着剤によって固定する段階を含んでいる、方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法において、
（ｃ）は、バッキング層を、前記ガスケットの前記感圧接着剤と反対側に取外し可能に取り付ける段階を含んでおり、
（ａ）は、前記圧縮力を前記バッキング層に加える段階を含んでおり、前記バッキング層は、前記圧縮力を加える装置が、前記拡散媒体に接触しないようにする厚さを有している、方法。
【請求項２４】
請求項２０に記載の方法において、
（ａ）は、前記拡散媒体の前記部分を所定の圧力まで圧縮する段階を含んでいる、方法。
【請求項２５】
請求項２４に記載の方法において、
（ａ）は、前記ガスケットの厚さ、前記燃料電池の所望の圧縮、及び前記拡散媒体の特徴の内の少なくとも１つに基づいて、前記拡散媒体を所定の圧力まで圧縮する段階を含んでいる、方法。
【請求項２６】
請求項２０に記載の方法において、
（ｃ）は、前記ガスケットが前記拡散媒体の前記部分だけに沿って前記拡散媒体に重なるように、前記ガスケットを前記拡散媒体に取り付ける段階を含んでいる、方法。
【請求項２７】
請求項２０に記載の方法において、
（ａ）は、前記拡散媒体の外周部分を圧縮する段階を含んでいる、方法。
【請求項２８】
請求項２０に記載の方法において、
（ａ）は、前記圧縮力を前記拡散媒体に、前記ガスケットに似た形に作られているフレームの部分で加える段階を含んでいる、方法。
【請求項２９】
請求項２０に記載の方法において、
前記サブアッセンブリは、導電性電極要素を含んでおり、
前記方法は、前記拡散媒体を、前記取り付けられているガスケットと共に、前記導電性電極要素に接着させる段階を更に含んでいる、方法。
【請求項３０】
請求項２０に記載の方法において、
（ａ）は、前記ガスケットと前記拡散媒体の境界面における圧縮圧力が、燃料電池スタック内で圧縮されるときに所定の範囲に収まるだけの、圧縮力を加え、そして取り除く段階を含んでいる、方法。
【請求項３１】
請求項２０に記載の方法において、
（ａ）は、前記ガスケットと前記拡散媒体の境界面における圧縮圧力が、燃料電池スタック内で圧縮されるときに、前記燃料電池スタック内の前記膜電極アッセンブリの活性区域と前記拡散媒体との間の圧縮圧力の１５０％よりも小さくなるだけの、圧縮力を加え、そして取り除く段階を含んでいる、方法。
【請求項３２】
互いに積み重ねられ、一緒に圧縮された複数の燃料電池を含む燃料電池スタックを作る方法であって、
前記燃料電池は、拡散媒体、膜電極アッセンブリ、前記拡散媒体と前記膜電極アッセンブリの間に分離層を提供することのできるガスケット、及び導電性電極要素を含んでおり、
前記方法は、
（ａ）前記拡散媒体が前記燃料電池スタック内で前記燃料電池の圧縮によって圧縮される前に、圧縮力を前記拡散媒体の一部分に加える段階と、
（ｂ）前記圧縮力を取り除く段階と、
（ｃ）前記燃料電池を所望の向きに配置する段階と、
（ｄ）前記燃料電池を一緒に圧縮して、燃料電池スタックを形成する段階とを備えた、方法。
【請求項３３】
請求項３２に記載の方法において、
（ａ）は、前記ガスケットを、前記拡散媒体の前記部分に取り付ける段階と、前記圧縮力を、前記ガスケットのうち、前記拡散媒体の前記部分に重なる部分に加える段階と、を含んでいる、方法。
【請求項３４】
請求項３３に記載の方法において、
（ｃ）を実行する前に、前記拡散媒体を、前記取り付けられているガスケットと共に、前記導電性電極要素に取り付ける段階を更に含んでいる、方法。
【請求項３５】
請求項３２に記載の方法において、
（ａ）及び（ｂ）を実行した後で、（ｃ）を実行する前に、前記拡散媒体を前記導電性電極要素に取り付ける段階を更に含んでいる、方法。
【請求項３６】
請求項３５に記載の方法において、
（ｃ）を実行する前に、前記ガスケットを前記膜電極アッセンブリに取り付ける段階と、
（ｄ）を実行するときに、前記ガスケットが前記拡散媒体の前記部分に対して圧縮されるように、前記膜電極アッセンブリを前記取り付けられているガスケットと共に前記拡散媒体に対して位置決めする段階と、を更に含んでいる、方法。
【請求項３７】
請求項３２に記載の方法において、
（ａ）は、所定の強さの圧縮力を加える段階を含んでおり、
前記所定の強さは、前記ガスケットの厚さ、前記燃料電池スタック内の前記燃料電池の所望の圧縮力、及び前記拡散媒体の特性のうちの少なくとも１つに基づいている、方法。
【請求項３８】
請求項３２に記載の方法において、
（ａ）は、前記ガスケットと前記拡散媒体の境界面における圧縮圧力が、前記燃料電池が前記燃料電池スタック内で一緒に圧縮されるときに所定の範囲内に収まるだけの、圧縮力を加える段階を含んでいる、方法。
【請求項３９】
請求項３２に記載の方法において、
（ｄ）は、所定の範囲内の圧縮圧力が前記膜電極アッセンブリの活性区域と前記拡散媒体との間に存在するように、前記燃料電池を一緒に圧縮する段階を含んでおり、
（ａ）は、前記ガスケットと前記拡散媒体の境界面における圧縮圧力が、前記燃料電池スタック内で一体に圧縮されるときに、
前記膜電極アッセンブリの前記活性区域と前記拡散媒体との間の前記圧縮圧力の１５０％よりも小さくなるだけの、圧縮力を加える段階を含んでいる、方法。
【請求項４０】
請求項３２に記載の方法において、
（ａ）は、圧縮力を加える段階であって、前記拡散媒体の前記部分の厚さが、前記圧縮力が除去されたときに前記拡散媒体の圧縮されていない部分の厚さより薄くなるように圧縮力を加える段階を含んでいる、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＥＭ燃料電池、具体的には、燃料電池用の拡散媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、多くの用途で電源として用いられてきている。例えば、燃料電池は、内燃機関の代わりに、電気自動車の動力装置に使用するよう提案されている。陽子交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池では、水素が燃料電池のアノードに供給され、酸素が酸化剤としてカソードに供給される。ＰＥＭ燃料電池は、薄く陽子透過性で非導電性の固体高分子電解質膜を備えている膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を含んでいる。薄く陽子透過性で非導電性の固体高分子電解質膜は、一方の面の活性区域部分にアノード触媒を、反対側の面の活性区域部分にカソード触媒を有している。ＭＥＡは、一対の非多孔質の導電性要素又はバイポーラプレートの間に挟まれている。一対の非多孔質の導電性要素又はバイポーラプレートは、アノード及びカソードの集電装置として作用し、燃料電池の気体反応物を各アノード及びカソード触媒の表面に亘って分配するのに適したチャネル及び／又は開口部が中に形成されている。
【０００３】
ＭＥＡを挟んでいる導電性のバイポーラプレートは、その面内に、燃料電池の気体反応物（即ち、気体形態の水素と酸素）を各カソード及びアノードの表面に亘って分配するための反応物の流れの場を形成する溝の列を設けることができる。これらの反応物の流れの場は、一般的に、複数のランド部を含んでおり、ランドの間に複数の流れのチャネルが形成され、気体反応物は、そこを通って、流れのチャネルの一端の供給ヘッダーから、流れのチャネルの反対側の端部の排出ヘッダーまで流れる。
【０００４】
活性区域の先のＭＥＡ面の部分は、通常、シール面として用いられる。これらの膜電解質の縁部には、メインガスケット又はシールが、バイポーラプレートの周囲に縁を形成するために配置されており、膜電解質がプレートと接触するのを防いでいる。更に、追加の薄いポリマーフィルムガスケットが、燃料電池の膜電解質と拡散媒体の間に用いられてきた。スタック組立工程の間に膜電解質のガスケット境界面に掛かる圧縮及び剪断応力は相当に高いため、高感度の膜は早期に壊れる。従って、これらの要素の製造を改良する必要がある。
【特許文献１】米国特許第５，２７２，０１７号
【特許文献２】米国特許第３，１３４，６９７号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、拡散媒体の内部領域に関わる解放縁部領域を含んでいるＰＥＭ燃料電池に用いるための拡散媒体を提供している。燃料電池スタックを組み立てて圧縮する前に、拡散媒体の外周、即ちシールガスケットと境界を接する部分は、プレス工具で予圧縮される。予圧縮された拡散媒体は、ガスケット境界面でＭＥＡに掛かる圧縮応力を下げ、これによって、組立、圧縮、及びその後の燃料電池スタックの作動の際に、ＭＥＡが表面全体に亘ってより均一に圧縮されるようにする。
【０００６】
本発明の或る態様では、第１厚さを有する第１部分と、第２厚さを有する第２部分を含んでおり、第１厚さは第２厚さより薄い、燃料電池の拡散媒体が開示されている。第１部分は、燃料電池内で圧縮されるときに、第１部分と膜電極アッセンブリの間に分離層を提供するガスケットと係合するようになっている。
【０００７】
本発明の別の態様では燃料電池が開示されている。燃料電池は、セパレータプレート、ＭＥＡ、及びセパレータプレートとＭＥＡの間に挟まれている拡散媒体を含んでいる。拡散媒体は、内部領域と外部領域を備えた主面を有している。主面は、ＭＥＡの第１反応物面と並置され、ＭＥＡ縁部領域から離れている拡散媒体の縁部領域の間に第１境界面を形成する。ＭＥＡの縁部領域と拡散媒体の縁部領域の間にはガスケットが配置され、両者の間に第２境界面を形成している。ガスケットは、拡散媒体縁部領域と協働して、ＭＥＡとガスケットがセパレータプレートと拡散媒体の間で圧縮されるときに、第１境界面で測定される圧縮圧力が、第２境界面で測定される圧縮圧力の三分の二以上となるようにする。
【０００８】
本発明の別の態様では、燃料電池用のサブアッセンブリを製造する方法が開示されている。サブアッセンブリは、拡散媒体とガスケットを含んでおり、ガスケットは、拡散媒体とＭＥＡの間に分離層を形成することができる。本方法は、（１）力を拡散媒体の一部分に加えて、拡散媒体の前記部分を圧縮して永久変形させる段階、（２）前記力を前記拡散媒体の前記部分から取り除く段階、及び（３）ガスケットを拡散媒体に取り付ける段階を含んでいる。
【０００９】
本発明の更に別の態様では、互いに（例えば、上下に）積み重ねられ、一体（又は一緒）に圧縮される複数の燃料電池を含む燃料電池スタックを作る方法が開示されている。燃料電池は、拡散媒体、ＭＥＡ、拡散媒体の縁部とＭＥＡの縁部との間に分離層を提供することのできるガスケット、及び導電電極要素を含んでいる。本方法は、（１）燃料電池スタック内の燃料電池の圧縮により拡散媒体が圧縮される前に、圧縮力を拡散媒体の一部分に加える段階、（２）前記圧縮力を取り除く段階、（３）燃料電池を所望の向きに並べる段階、及び（４）燃料電池を一体又は一緒に圧縮して、燃料電池スタックを形成する段階を含んでいる。
【００１０】
本発明を適用することのできるこの他の領域は、以下に提供する詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明と具体例は、本発明の好適な実施形態を示してはいるが、例示を目的にしており、本発明の範囲を限定するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、詳細な説明と添付図面から良く理解頂けるであろう。
好適な実施形態に関する以下の説明は、実際には代表例の説明に過ぎず、本発明、その用途、又は使用法を限定するものではない。
【００１２】
燃料電池スタックは、通常、上下に積み重ねられ、互いに圧縮して保持されている複数の燃料電池を備えている。複数の積み重ねられた燃料電池は、複数の燃料電池を圧縮が掛かった関係に保持するため圧縮されている燃料電池アッセンブリを形成している。図４は、第１バイポーラプレート１１２と第２バイポーラプレート１１４を含む先行技術による燃料電池装置１１０の部分断面図を示している。バイポーラプレート１１２、１１４は、ここでは導電性電極とも呼ばれる。拡散媒体１１６、１１８は、それぞれ各バイポーラプレート１１２、１１４に隣接している。ＭＥＡ１２０は、拡散媒体１１６、１１８の間に配置されている。ＭＥＡ１２０はイオン伝導部材１２２を含んでおり、その一方の面にアノード電極１２４、反対側の第２面にカソード電極１２６が設けられている。ＭＥＡ１２０の縁部には、第１ガスケット層１２８と第２ガスケット層１３０が配置されており、剥き出しのＭＥＡ１２０が、バイポーラプレート１１２、１１４と過酷な燃料電池環境とに曝されないようにしている。燃料電池アッセンブリは、燃料電池スタックを一体に絞るために、相当量の圧縮力を必要とする。燃料電池の内部構成要素の間に良好な電気的接触を維持しなければならないだけでなく、燃料電池内の反応物の内部気圧からも、圧縮力が必要である。燃料電池の活性区域は、燃料電池スタックアッセンブリの効率を最大にするために均一に圧縮されるのが望ましい。
【００１３】
図４に示すガスケット１２８、１３０を備えている先行技術によるアッセンブリ１１０は、通常、スタックの組立及び圧縮工程の際に、ＭＥＡ１２０の、ガスケット縁部１３２、１３４の部分に、相当高い圧縮及び剪断応力を誘起する。この理由の一部は、各拡散媒体１３６、１３８の、ガスケット１２８、１３０の上下の部分を、それぞれ、ガスケット１２８、１３０の追加の厚さを収容するため、更に圧縮しなければならないからである。
【００１４】
図４Ｂは、図４Ａに対応する先行技術による燃料電池アッセンブリのＭＥＡの幅に亘る圧力分布又は接触圧力を示している。厚さ０．０２５ｍｍのポリマーフィルムで作られた典型的なガスケットと、拡散媒体１１６、１１８としての典型的な厚さ０．２ｍｍのＴｏｒａｙペーパーを使用すると、ＭＥＡのガスケット縁部境界区域１３７に掛かる圧力は、燃料電池スタックアッセンブリを組立、圧縮した後では、活性区域１２５、１２７の２倍になり得ることが立証されている。その結果、ＭＥＡ１２０は、ＭＥＡ１２０のガスケット縁部１３２、１３４で過早故障を起こす傾向にあり、燃料電池スタックの耐久性を深刻に低下させることが分かっている。
【００１５】
本発明は、拡散媒体の内部領域に対する解放縁部領域を含んでいる拡散媒体を使用する設計及び方法に伴う高い圧縮応力の問題に取り組んでいる。解放縁部領域は、縁部領域に応力緩和を付与する、厚さ方向に異なる応力−歪み特性を有している。或る好適な実施形態では、拡散媒体は、燃料電池に使用される前に、周辺が予め圧縮される。予圧縮された拡散媒体は、ＭＥＡ−ガスケットの境界の圧縮応力を低げ、ＭＥＡの耐久性を上げる。
【００１６】
図１Ａは、本発明による膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を有する燃料電池１０の部分断面図である。図１Ａに示す様に、ＭＥＡ２０は、一対の活性表面２５、２７を提供するアノード電極２４とカソード電極２６に挟まれたイオン伝導部材２２を含んでいる。ＭＥＡ２０は、更に、一対の拡散媒体１６、１８に挟まれている。燃料電池を組み立てる前に、拡散媒体１６、１８は、拡散媒体１６、１８の周辺を取り囲んでいるガスケット２８、３０に隣接する外周に沿う区域が、それぞれ予圧縮される。追加のシール部材（図示せず）が、バイポーラプレート１２、１４の間の周辺領域に配置されている。当該技術では知られている様に、バイポーラプレート１２、１４は、それぞれ、反応物が流れる複数の流路を形成する複数のランドによって一般的に特徴付けられる反応物の流れの場（図示せず）を含んでいる。ガスケット２８、３０とシール部材は、通常、弾性体であるが、ポリエステル及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の様な材料を備えていてもよい。しかしながら、ガスケットとシール部材は、ＭＥＡ２０をシールできるのであれば、どの様な材料でもよい。
【００１７】
イオン伝導部材２２は、薄い固体ポリマー膜電解質であるのが望ましく、ＰＥＭであるのが望ましい。部材２２は、ここでは膜２２とも呼ばれている。イオン伝導部材２２は、約１０μｍ−１００μｍの範囲の厚さを有しているのが望ましく、約２５μｍの厚さであるのが最も望ましい。その様な膜電解質に適したポリマーは、当該技術では周知であり、米国特許第５，２７２，０１７号及び第３，１３４，６９７号と、特許及び非特許書類の何処かに記載されている。しかしながら、イオン伝導部材２２の組成は、当該技術で従来使用されているどの様な陽子伝導ポリマーを備えていてもよいものと理解されたい。市販されているＮＡＦＩＯＮの様な過フッ化スルホン酸ポリマー（perfluorinated sulfonic acid polymers）を使用するのが望ましい。更に、ポリマーは、膜の唯一の構成要素であってもよいし、別の材料の機械的支持繊維が入っていてもよいし、粒子（例えば、シリカ、ゼオライト、又は他の同様の粒子）が点在していてもよい。代わりに、ポリマー又はイオノマーが、別の材料の細孔に担持されていてもよい。
【００１８】
イオン伝導部材２２は、カチオン透過性の陽子伝導膜で、モバイルイオンとしてＨ＋イオンを有しており、燃料ガスは水素（又は改質油あるいは改質ガソリン）で、酸化剤は酸素又は空気である。全体の電池反応は、水素の水への酸化であり、アノード及びカソードにおける各反応は、Ｈ２＝２Ｈ＋＋２ｅ―（アノード）と、1/2Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ―＝Ｈ２Ｏ（カソード）である。
【００１９】
アノード電極２４とカソード電極２６の組成物は、イオン伝導部材２２と同様にＮＡＦＩＯＮの様な陽子伝導材料である、ポリマー結合剤の中に分散している電気化学活性材料を含んでいるのが望ましい。電気化学活性材料は、触媒被覆炭素又はグラファイト粒子を含んでいるのが望ましい。アノード電極２４とカソード２６は、プラチナルテニウム、プラチナ、又は他のＰｔ／遷移金属合金を触媒として含んでいるのが望ましい。図中のアノード２４とカソード２６は、等しい大きさに示しているが、アノード２４とカソード２６が異なる大きさ（例えば、カソードがアノードよりも大きいか、その逆）であっても、本発明の範囲から逸脱しないものと理解頂きたい。アノードとカソードの好ましい厚さの範囲は、約２−３０μｍであり、約１０μｍが最も望ましい。代替実施形態では、燃料電池は、触媒被覆拡散媒体を使用することができる。この設計では、ＭＥＡは、イオン伝導部材２２だけで構成されており、電極と電気化学活性材料は拡散媒体１６、１８内に組み込まれている（図示せず）。
【００２０】
アノード電極２４とカソード電極２６は、連続した滑らかな層として、イオン伝導部材２２を覆って配置されていると理解されたい。この連続した滑らかな層は、当該層その上に載る、ガスケット２８、３０と、拡散媒体１６、１８とに基本的に平坦な面を提供する。これは、燃料電池の電気化学反応で作られる電子の導電性を促進し高めるために、これらの要素が燃料電池スタックアッセンブリ内でＭＥＡ２０と共に圧縮されるときに、イオン伝導部材２２は、その表面に亘って全体に概ね均一な圧力を受けるという点で、有用である。イオン伝導部材が、その表面全体に亘って均一な圧力を受けると、イオン伝導部材２２上に働く不適切な（又は過度の）応力が低下し又は無くなる。図１Ａは、アノード２４とカソード２６が、イオン伝導部材２２の全区域を覆って配置されているように示しているが、アノード２４とカソード２６の層は、ＭＥＡ２０の最も外側の縁部まで必ずしも延ばさなくともよい。
【００２１】
拡散媒体１６、１８は、一般的に、当該技術で知られているどの様な拡散媒体であってもよい。拡散媒体１６、１８は、厚さ約５０−５００μｍの炭素紙、炭素布、又は炭素発泡体であるのが望ましい。拡散媒体１６、１８は、反応ガスを電極２４、２６上に分散させるのを助け、電流を電極２４、２６から導電性バイポーラプレート１２、１４のランド（図示せず）へ導く。本発明の適切な拡散媒体は、第１厚さを有する第１部分４０と、ＭＥＡ２５、２７の活性区域に隣接し、より大きな第２の厚さを有する第２部分４２と、を含んでいる。第１部分４０は、燃料電池アッセンブリ内で圧縮されると、永久変形して、第１部分４０とＭＥＡ２０の間に分離層を提供するガスケット２８、３０と係合するようになっている。ガスケット２８、３０は、燃料電池の縁部区域を固定する働きをする。これによって、燃料電池の活性区域から外部周辺へ熱伝達が行えるようになり、拡散媒体１６、１８の繊維が剥き出し膜と直接接触することの無いようにしている。
【００２２】
先に述べた様に、拡散媒体１６、１８と電極２４、２６の間の導電性を促進するため、ＭＥＡ２０は、高圧で圧縮しなければならない。第１厚さは、ＭＥＡ２０とガスケット２８、３０の境界面３７における圧縮圧力が、その燃料電池スタックアッセンブリに関する所定の範囲内となる大きさであるのが望ましい。或る実施形態では、図１Ａと１Ｂに示す様に、境界面３７における圧縮圧力は、ＭＥＡ２０と拡散媒体１６、１８の間の活性区域２５、２７における圧縮圧力以下である（すなわち、その圧縮圧力と等しいかあるいはそれよりも小さい）。この結果を得るため、ガスケット２８、３０の厚さは、第２部分４２の厚さが、ガスケット２８、３０と拡散媒体１６、１８の第１部分４０の合計厚さを上回るような厚さであるのが望ましい。第２部分４２の厚さは、第１部分４０の厚さの１．２倍（１２０％）まで厚くてもよい。変形している第１部分４０と変形していない第２部分４２の間の厚さの明確な傾斜又は勾配の変化は、図１−３に示している様に、必ずしも存在しなくてもよいものと理解されたい。より具体的には、その様な部分の間に勾配の変化が無い場合、図面は、必ずしも適切な変化の尺度を示していないものと理解されたい。
【００２３】
予圧縮圧力は、ガスケット２８、３０の厚さ、目標のスタック圧縮量、及び拡散媒体１６、１８の圧縮挙動によって変わる。拡散媒体１６、１８の圧縮挙動は、その圧縮応力／歪み曲線によって記述することができる。その圧縮応力／歪み曲線は、一連の加負荷、除負荷、及び再加負荷のサイクルによって生成され、後続のサイクルではより高い圧縮圧力が掛かる、拡散媒体１６、１８を予圧縮するのに用いられる圧縮力の大きさは、後に続く製造工程で拡散媒体１６、１８の周辺部又は縁部４０を、第１所望圧力になるまで再加負荷して、ＭＥＡ２０の活性区域２５、２７が第２所望圧力に圧縮されるように、選択しなければならない。或る実施形態では、第１所望圧力は、ＭＥＡの活性区域２５、２７に掛かる第２所望圧力の１５０％以下（すなわち、１５０％と等しいかあるいはそれよりも小さい）である。
【００２４】
本発明の予圧縮された拡散媒体を製造するための方法を、図２に示している。或る好適な実施形態では、プレス工具４４は、拡散媒体の縁部４０を所定の圧縮力に圧縮する。ガスケット２８、３０には、第１側に取り外し可能なバッキング（裏当て）４６が、反対の第２側に感圧接着剤（ＰＳＡ）の層４８が設けられている。取り外し可能なバッキング４６は、ガスケットに積層され、ＰＳＡ４８は反対側に貼り付けられているのが望ましい。これは、別々に行ってもよいし、或いは、ＰＳＡ／ガスケット／バッキングのサブアッセンブリ５０を、シートの形態（図示せず）で準備し、その後、使用するガスケットに依って、所望の形状、寸法に切断又は成形してもよい。ＰＳＡ／ガスケット／バッキングのサブアッセンブリ５０は、出来上がると、拡散媒体１６、１８上に置かれ、サブアッセンブリ５０を所定の位置に固定するため軽く圧力が加えられる。次にプレス工具４４を、サブアッセンブリ５０に整合させて、その上に配置し、所定の圧縮力が、サブアッセンブリ５０とその下の拡散媒体１６、１８に加えられる。圧力が掛かると、拡散媒体は、縁部４０が永久変形する。ＰＳＡ４８は、ガスケット２８、３０に接触する拡散媒体１６、１８の区域５２内へと分散又は散開することによって、ガスケット２８、３０を拡散媒体１６、１８に接着する。取り外し可能なバッキング４６の厚さは、プレス工具４４が、圧縮中に、拡散媒体の非圧縮活性区域４２と物理的に接触しないように選択するのが望ましい。
【００２５】
ＰＳＡは、一般的に、基材上に被覆として提供され、紙、布、セルロース、プラスチックフィルム、金属箔の様な様々な担体に支持されている。ＰＳＡの化学物質群には、天然ゴム（natural rubber）、スチレン−ブタジエンゴム（styrene-butadiene rubber）、ブチルゴム（butyl rubber）、再生ゴム（reclaimed rubber）、ニトリルゴム（nitrile rubber）、ポリアクリレート（polyacrylates）、ポリビニルエーテル（polyvinylethers）、及びシリコーン（silicones）が含まれる。一般に、純粋なゴムベースの材料は、経時特性（老化特性）が良くない。大部分は、ゴムがベースで、粘着剤を含む様々な添加剤が加えられている。ＰＳＡは利用し易いが、接着性能は、適用装置に複雑に影響される。一般的に、ＰＳＡラベルとテープは一様な厚さを有しており、接着は、通例、室温で永久的になる（即ち、熱、水、又は溶剤による活性化は不要）が、幾つかの調合物を架橋結合させることもできる。選択されたＰＳＡは、室温で暫時圧力を加えて基材（基板）同士を接触させると、基材同士を一体に保持できるようになるのが望ましい。ＰＳＡ材料は、接着中にエネルギーを消散させ、部分的な弾性的挙動を有し、過剰な流れに抵抗する傾向を有することのできる能力、つまり、接着破壊エネルギーを保存し、剥離と粘性を提供できる能力（即ち、粘弾性）を備えていなくてはならない。シリコーンＰＳＡは、他の殆どのものより使用温度の範囲が広く、化学物質及び溶剤への抵抗及び柔軟性に優れている。シリコーンＰＳＡは、ゴムと樹脂をベースにしている。
【００２６】
本発明の別の実施形態では、拡散媒体１６、１８は、ガスケット２８、３０を同時に接着又は取り付けること無く、圧縮することができる。この実施形態は、拡散媒体の一部分に力を加えて、拡散媒体の一部分を、圧縮し、永久変形させる段階を含んでいる。拡散媒体の外周部分は、圧縮されるのが望ましい。拡散媒体は、先に述べた様に、ガスケットの突出する形状を有するように変更されたプレス工具４４を使って、圧縮することができる。別の実施形態は、ガスケット２８、３０の形状を有するように作られているフレーム型の装置を通して拡散媒体を押し付ける段階を含んでいる。本発明は、拡散媒体が予圧縮される、ここに開示している実施形態に限定されず、当業者によって、拡散媒体の各部分を圧縮する多くの変形例及び方法を使用できるものと理解されたい。
【００２７】
図３Ａ−３Ｄは、本発明の様々な実施形態とサブアッセンブリを示している。図３Ａは、予圧縮された拡散媒体１６、１８自体を、一実施形態として描いている。別の実施形態では、ガスケット２８、３０を拡散媒体１６、１８に接着し、図３Ｂに示す様なアッセンブリを形成することができる。或る好適な実施形態では、ガスケット２８、３０は、拡散媒体１６、１８に取り付けられ、拡散媒体１６、１８の予圧縮部分４０だけに沿って拡散媒体１６、１８に重なっている。図３Ｃと図３Ｄは、バイポーラプレート１２、１４の各側に取り付けられている、拡散媒体と拡散媒体／ガスケットのサブアッセンブリを示している。拡散媒体１６、１８は、導電性接着剤によって、バイポーラプレート１２、１４に接着されているのが望ましい。接着剤は、拡散媒体１６、１８と組み合わせる前に、バイポーラプレート１２、１４のランドに塗布してもよいし、あるいは、外周に沿って２つの表面の間に塗布してもよい。適した導電性接着剤には、フレーク状（薄片状）の及び粉末状の金属を含む様々な材料を含めることができ、適した導電性接着剤は、当該技術では広く知られている。導電性接着剤は、一般に、燃料電池の様な過酷な環境での腐食と攻撃的な材料に対する抵抗が大きいので、はんだ付け方法よりも好適である。更に、はんだに比べると、接着剤は、接続材料の重量が１０倍から２０倍軽い。
【００２８】
複数の燃料電池を重ねて並べる段階と、アッセンブリを圧縮する段階を含んでいる燃料電池スタックを準備するための方法について説明する。各燃料電池は、拡散媒体１６、１８、ＭＥＡ２０、拡散媒体１６、１８とＭＥＡ２０との間に分離層を提供することのできるガスケット２８、３０、及び一対の導電性電極要素１２、１４を含んでいる。本方法は、先に述べた様に、拡散媒体の一部分を永久変形させるために、圧縮力を加える段階と、取り除く段階を含んでいる。予圧縮された拡散媒体１６、１８は、別の燃料電池構成要素と、所望の編成に並べられ、要素アッセンブリ全体が一緒又は一体に圧縮され、燃料電池スタックが形成される。燃料電池アッセンブリに付与される圧縮力は、通常、当該技術では既知の様に、側方プレート（図示せず）によって一定の間隔を空けて保持されている上方及び下方の端部プレート（図示せず）によって、生成することができる。当業者には理解頂けるように、燃料電池アッセンブリを形成するために互いに隣接して積み重ねられている燃料電池の数は、様々であり、燃料電池スタックのニーズや要件次第である。
【００２９】
本発明は、予圧縮された縁部を有する拡散媒体１６、１８を含む好適な実施形態を開示しているが、ＭＥＡ／ガスケットの境界面でＭＥＡに掛かる応力を解放する代わりの方法も考えられるものと理解されたい。例えば、拡散媒体の縁部は、（限定するわけではないが、レーザーエッチング、化学エッチング、彫刻、研磨、ミーリング、成形、サンダー仕上げ、及び当該技術では既知の他の同様な機械加工工程を含む）別の手段によって切断又は除去し、中実部材を形成し及び変形させてもよい。従って、本発明の説明は、本質的に単なる代表例であり、本発明の主旨から離れていない変更例も、本発明の範囲に含まれるものとする。その様な変更例は、本発明の精神及び範囲から逸脱したものとはみなされない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１Ａは、本発明の原理による燃料電池アッセンブリの部分断面図である。図１Ｂは、本発明の原理による燃料電池アッセンブリのＭＥＡ／拡散媒体境界面の幅に沿う接触圧力のグラフである。
【図２】図２は、本発明の原理による拡散媒体を圧縮するプレス工具の断面図である。
【図３】図３Ａ−３Ｄは、本発明の好適な構成の断面図である。
【図４】図４Ａは、先行技術による燃料電池アッセンブリの部分断面図である。図４Ｂは、先行技術による燃料電池アッセンブリのＭＥＡ／拡散媒体境界面の幅に沿う接触圧力のグラフである。
【図１】
2008511118.tif 000003
【図２】
2008511118.tif 000004
【図３Ａ】
2008511118.tif 000005
【図３Ｂ】
2008511118.tif 000006
【図３Ｃ】
2008511118.tif 000007
【図３Ｄ】
2008511118.tif 000008
【図４】
2008511118.tif 000009
【国際調査報告】
2008511118.tif 000010