(57)【要約】  本発明は、平面高分子膜を有する、燃料電池のための膜電極体（MEA）に関する。前記膜は、接線方向の内部領域で、両側を電極構造で覆われ、また少なくとも片側が電極構造コーティングを越えて、突き出ている接線方向の外部領域で、シーリング要素と結合している。高分子膜は、その境界域でエラストマーシーリング要素に組み込まれている。シーリング部材は、外部領域および内部領域の間に接線方向に横たわる遷移領域へ向かって接線方向に内部に伸び、そしてそれは、高分子膜の両側の電極構造に外面で重なり合う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のための膜電極体（MEA）であって、接線方向の内部領域（III）においては、両側が電極構造（１２、１３）で覆われ、また接線方向の外部領域（I）においては、少なくとも片側が電極構造（１２、１３）を越えて突き出るようにシーリング部材（１４）と結合している平面高分子膜（１１）を含む、前記膜電極体において、高分子膜（１１）がその渕の部位で、エラストマー材料からなるシーリング部分（１４）に埋め込まれ、またシーリング部材が、接線方向に向かって外部領域（I）および内部領域（III）の間に横たわる遷移領域（II）であって、シーリング部材が通常、高分子膜（１１）の両側の電極構造（１２、１３）と外面で重なり合う前記遷移領域内部まで伸びていることを特徴とする、前記膜電極体（MEA）。
【請求項２】
シーリング部材（１４）が、高分子膜（１１）の内部領域（III）を接線方向に外枠状に、完全に取り囲むことを特徴とする、請求項１に記載のMEA。
【請求項３】
エラストマー材料を高分子膜（１１）上に成型することを特徴とする、請求項１または２に記載のMEA。
【請求項４】
高分子膜（１１）の内部領域（III）および遷移領域（II）が、ドーピング剤の濃度が、遷移領域で接線方向に外側に向かって減少するように、ドーピング剤でドープされることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のMEA。
【請求項５】
ドーピング剤がリン酸（H３PO４）を含むことを特徴とする、請求項4に記載のMEA。
【請求項６】
高分子膜が、ポリベンゾイミダゾールで形成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のMEA。
【請求項７】
シーリング部材（１４）のエラストマー材料に比べ非弾性であるスペーサ構造が、シーリング部材に埋め込まれていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のMEA。
【請求項８】
高分子膜（１１）およびシーリング部材（１４）が、反応ガスまたは冷却媒体が通るために、外部領域（I）に開口（２３）を有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のMEA。
【請求項９】
シーリング部材（１４）が、シールを形成するように、燃料電池スタック内の隣接した要素と相互作用するため、法線方向に外部に配置されたシーリング構造（１５）を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載のMEA。
【請求項１０】
セパレータプレート（２０）の間にそれぞれ配置された複数個の膜電極ユニット（MEA）（１０）を含む燃料電池スタックであって、ここでそれぞれのMEAは接線方向に内部領域（III）の両側が電極構造（１２、１３）で覆われ、また電極構造コーティング（１２、１３）を越えて突き出るように、接線方向の外部領域（I）を有する平面高分子膜（１１）を含み、それぞれの高分子膜（１１）の境界域が、エラストマー材料で形成されたシーリング部材（１４）に埋め込まれ、結合を形成し、シーリング部材（１４）が、外部領域（I）および内部領域（III）の間に接線方向に横たわる遷移領域（II）へ向かって接線方向に内部に伸び、そしてそれが通常、高分子膜（１１）の両側の電極構造（１２、１３）に外面で重なり合うことを特徴とする、燃料電池スタック。
【請求項１１】
外枠状に、高分子膜の内部領域を完全に囲むことを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池スタック。
【請求項１２】
エラストマー材料を高分子膜（１１）上に成型することを特徴とする、請求項１０または１１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１３】
ドーピング剤の濃度が、遷移領域で接線方向に外側に向かって減少するように、複数個の高分子膜（１１）の内部領域（III）および対応する遷移領域（II）がドーピング剤でドープされることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項１４】
ドーピング剤がリン酸（H３PO４）を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の燃料電池スタック。
【請求項１５】
高分子膜がポリベンゾイミダゾールで形成されることを特徴とする、請求項１０〜１４のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項１６】
シーリング部材（１４）のエラストマー材料と比べ非弾性であるスペンサー構造が、シーリング部材に埋め込まれていることを特徴とする、請求項１０〜１５のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項１７】
シールを形成するために、それぞれのシーリング部材（１４）が、それを突き抜ける、それぞれのチャネル（２２）を取り込み、また隣接したセパレータプレート（２０）と接触する、シーリング構造を有するように、反応ガスおよび／または冷却媒体を導くためのチャネル（２２）が提供され、軸方向に高分子膜（１１）の外部領域（I）に対応する領域内の燃料電池スタックを通って、伸びることを特徴とする、請求項１０〜１６のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面高分子膜を有する、燃料電池のための膜電極体（MEA）に関していて、そしてそれは、接線方向の内部領域においては両側を電極構造で覆われ、少なくとも片側が電極構造コーティングを越えて、突出ている接線方向の外部領域においては、シーリング部材と結合している。
【０００２】
本発明はさらに、セパレータプレート（双極性または単極性セパレータ）の間に配列された複数の膜電極体を有する、燃料電池スタックに関する。それぞれのMEAは、接線方向の内部領域で、両側を電極構造で覆われ、電極構造を越えて、突き出ている接線方向の外部領域を有する平面高分子膜を有している。
【背景技術】
【０００３】
各種の燃料電池が当該技術分野で知られている。特に、いわゆるプロトン変換膜燃料電池(PEMFC)では、プロトン伝導膜が提供され、それは両側の電極で接触される。電極は従来、膜と直接接触している、例えばプラチナ被覆炭素で形成される触媒活性層、および反応ガスを触媒活性層へ送るためのポーラス電子伝導構造を含む。これら後者の構造は大抵、ガス拡散構造と称する。それらは例えば、ポーラスカーボン紙、カーボン織物またはカーボン不織布物質で形成され得る。
【０００４】
燃料電池を作動するために、水素ガスまたは水素含有ガスが、陽極として働く電極へ送達される。ガスの正確な組成は、燃料電池の残りの特別な特徴に依存する。同時に、酸素ガスまたは酸素含有ガスが、陰極として働く２つ目の電極へ送達される。前述のガスは、以下「反応ガス」と称する。
【０００５】
水素は陽極で触媒酸化される：
H２→２H＋＋２e＋
【０００６】
結果として放出された電子は、電極を通って消費するものへ放出され、プロトンは陰極側へ電解質を通って移動し、そこでそれらは酸素によって、水へ変換される。必須の電子は電極を通って供給される：
１／２O２+２H＋＋２e−→H２O
【０００７】
PEMFCにおいて、例えば、電解質を介する電荷移動は、H３O＋イオンの移動および／またはプロトンホッピングプロセスを通して起こる。これを達成するために、用いられるほとんどの高分子膜は、ドーピング剤でドープされなければならない。よく使用されるドーピング剤は、例えば、リン酸（H３PO４）である。他の膜は、水の吸収によって、十分イオン誘電性になる。
【０００８】
しかしながら、ドープは、高分子膜が膨らみ、それらの安定性を失うことを引き起こす。これはさらに、膜の扱いをとても難しくする。
【０００９】
例えば、燃料電池スタックの構築に特に有利な高分子膜の境界域においてシーリング材を取り付けることが難しくなる。一般的なMEAを開示する日本公報JP 03331873 A1は、この問題を避ける方法を記載している。この文献に開示されているMEAは、高分子膜の外部領域が片側だけ電極構造を欠いている。言い換えれば、高分子膜の他の側の電極構造は、境界域も覆っている膜の境界まで伸びている。これはMEAの十分な安定性を生みだし、これのむき出しの領域がしっかりとシーリング部材に結合されることができる。不安定な高分子膜は、したがって、実際の電気化学的に活性なMEAの内部領域をはるかに越えて外側へ伸びている電極構造によって安定化される。この手段は、いくつかの欠点を有している。一方で、電極領域の拡張は、電極物質、例えば、プラチナ被覆炭素が高価であるので、費用がかかる。次に、最も薄い実行できる電極層を使用する、他の所望の目的は、電極層への上昇された安定性の要求により、厳しく制限される。最後に、MEAの活性領域が正確に定義されていないので、この一群は電気化学的に好ましくない。それどころか、それは高分子膜の一方に、他方に比べ、かなり広い領域にわたって伸び、そしてそれはイオン輸送および交流に関する問題を引き起こす。
【００１０】
シーリング部材のMEA自体への取り付けの代わりとして、突出している膜領域がシーリング物質と相互に作用するような方法で、シーリング物質を燃料電池スタックのセパレータプレートの上へ配置して、その高分子膜が、セパレータプレートの間の両側の境界域で覆われていない、高度に柔軟な、ドープされたMEAを配列することが知られている。このタイプの一般的な燃料電池スタックは、ドイツ公報DE 101 21 176に開示されている。ドイツ公報DE 102 51 439 A1も類似の燃料電池スタックを開示している。しかしながら、欠点は、追加のシーリング物質の必要性、および機械的に感受性の高いMEAを扱う困難のため、スタック構造の複雑性である。
【発明の開示】
【００１１】
本発明の目的は、製造コストを低くするために、安定性が上昇されることができ、電極コーティングの厚みが最小限に押さえられるように、さらに一般的なMEAを洗練することである。
【００１２】
この目的は、請求項１の前提部分（preamble)の特徴と共に、シーリング部材が、外部領域および内部領域の間に接線方向に横たわる遷移領域へ向かって直線方向に内部に伸び、そしてそれが通常、高分子膜の両側の電極構造に外面で重なり合うように、高分子膜の境界域をエラストマーシーリング物質へ埋め込むことによって、達成された。
【００１３】
本発明に記載の装置の更なる目的は、一般的な燃料電池スタックをさらに洗練させ、この構造を単純化させることである。
【００１４】
この目的は、請求項１０の前提部分の特徴と共に、シーリング部材が、外部領域および内部領域の間に接線方向に横たわる遷移領域へ向かって直線方向に内部に伸び、そしてそれが通常、高分子膜の両側の電極構造に外面で重なり合うように、エラストマー材料で作られているシーリング材へそれぞれの高分子膜の境界域を埋め込み、それとともに結合を形成することによって、達成された。
【００１５】
本発明に記載のMEA、および本発明に記載の燃料電池スタック両方のために、本発明の効果と利点を論じる。
【００１６】
本発明に従って、安定機能は、高分子膜の境界域が埋め込まれた、エラストマーシーリング部材によって、推測される。しかしながら、シーリング部材は、高分子膜の両側上の電極構造の境界域に、好ましくは少し、重なるのに十分なだけ接線方向の内部へ伸びる。電気化学的に活性な領域に一致する電極によって、安定化されたMEAの内部領域、およびシーリング部材によって安定化された外部領域の間の確実な遷移を確かにする。
【００１７】
特に有利な本発明の態様は、従属請求項に記述されている。
【００１８】
シーリング部材は、好ましくは、外枠状に、高分子膜の内部領域を完全に囲む。燃料電池スタックが構築された場合、寸法安定性であり、したがってセパレータプレートの間に容易に設置されることができる、シーリングMEAを作り出す。
【００１９】
特に好ましくは、エラストマー材料が高分子膜上に成型される。他の連結方法も使用されてもよいが、結合、溶接またはホットプレスなどである。
【００２０】
本発明は、好ましい態様において、遷移領域で接線方向に外側に向かって減少するように、高分子膜の内部領域および遷移領域がドーピング剤でドープされる、と定める。ドーピング剤の濃度の減少を伴って、プロトン伝導度は外側への方向に減少する一方、機械的な高分子膜の安定性が上昇する。本発明に記載のMEAの製造は、したがって、大幅に単純化された。シーリング部材が取り付けられる前に、ドーピングが実行された場合、シーリング部材に埋め込まれる膜の外部領域は、埋め込み工程、特に膜の辺へのエラストマー材料の注入の間、扱いに特別な難しさがないように、かなり安定している。他の態様において、膜のドーピングは、シーリング部材が適用された後、電極を通って行われることができる。高分子膜は、好ましくはポリベンゾイミダゾールで形成される。
【００２１】
ドーピング剤は、好ましくはリン酸（H３PO４）を含む。
【００２２】
本発明に記載のMEAが、燃料電池スタックに設置された場合、エラストマー材料の弾性特性のおかげで、個々の要素のどの不均一性も補正されることができる。さらに、燃料電池スタックの加圧成形の間の、MEAの過度の圧縮を防ぐために、本発明の特に好ましい態様は、シーリング部材に埋め込まれるエラストマー材料と比べて、非弾性であるスペーサー構造を設ける。しかしながら、その補正している弾性特性を過度に損なうことなく、これらの構造は、シーリング部材の過度の圧縮を妨げる。例えば、エラストマー材料よりかなり固い、金属、プラスチックまたはカーボンで形成された繊維または棒が使われても良い。対応するスペーサー構造は、セパレータプレートに一体化されても良い。
【００２３】
本発明の他の好ましい更なる改良は、高分子膜およびシーリング部材に、反応ガスまたは冷却媒体の伝導のために、開口をそれらの外部領域に提供すると定める。反応ガスおよび／または冷却媒体が、スタックのそれぞれ個々のセルに、別々に送達される必要がないように、セパレータプレートの対応する開口に通じている、そのような開口が、燃料電池スタックを軸方向に通って伸びる、ガスまたは流動体チャネルとして、使用されても良い。
【００２４】
好ましくは、シーリング部材は、燃料電池スタック内で、近隣の要素とのシーリング相互作用のために、通常の外面シーリング構造を有すると定められる。これらの構造は、例えばシーリングリップまたはシーリング溝であってもよい。それらは、例えば、電極を通って送達された反応ガスが、外側へ漏れることを防ぐために、MEAの電気化学的に活性な内部領域を外枠状に囲むことができる。ガスまたは流動体を伝導するために提供された開口が、膜およびシーリング部材を貫通した場合、そのようなシーリング構造は、導かれたガスまたは流動体が漏れることを防ぐために、開口をほぼ環状に囲むことができる。
【００２５】
他の効果および利点は、添付された図面を参照して、以下の特別な説明から明らかになる：
【００２６】
図１は、本発明に記載のMEA１０の個々の要素および領域を表す概略断面図である。モジュールの中心は、高分子膜１１、ならびにそれぞれ、高分子膜１１の一方に適用された、電極構造１２および１３を含んでいる、実際のMEAである。外部領域I（図２も参照）において、膜１１は電極構造コーティング１２、１３を越えて、突き出している。この領域で、これはエラストマー材料で作られたフレーム１４に埋め込まれ、共に結合を形成する。埋め込みは、好ましくはインジェクション形成または成型によって行われる。MEAの電気化学的に活性な領域に対応した、MEA１１、１２、１３の内部領域IIIには、フレーム１４のエラストマー材料が存在しない。電極構造１２、１３への反応ガスの送達、触媒反応および膜１１を通るイオン遷移はこの領域で起こる。
【００２７】
遷移領域IIにおいて、電極構造１２、１３の境界域は、エラストマーフレーム１４に埋め込まれ、一緒に結合を形成する。
【００２８】
図2は、ドーピング剤、例えば、リン酸の濃度分布を、異なる領域I、IIおよびIIIにわたるその空間分布で表す。活性領域IIIにおいて、濃度は特に高い。この領域において、膜１１を通るイオン輸送が保証されなければならない。一方、外部領域Iにおいて、膜１１は、少なくともエラストマーフレーム１４に埋め込まれる前まで、自立できるので、膜１１は、好ましくは非ドープである。この領域でドープされた場合、膜はその機械的安定性をほとんど失い、それは扱いをさらに難しくする。したがって、図２に描かれた、好ましい態様において、ドーピング剤の濃度が、遷移領域IIで接線方向に外側に向かって減少する、特に活性領域IIIで最大の濃度から、外部領域Iでゼロへ減少する。遷移領域IIにおいて、この領域では、反応ガスはシーリングエラストマーフレームを通って送達されないので、特に何の電気化学反応も起こらない。反応ガスが、まだ電極構造１２、１３を通って遷移領域IIへ広がっている、活性領域IIIとの境に近い領域でのみ、電気化学反応が行われる（接線方向に外側に向かって減少する強度と共に）。濃度が接線方向に外側に向かって減少するにしたがって、膜１１の安定性が上昇する。電極構造１２および１３ならびにエラストマーフレーム１４の部位両方によって、膜１１がこの領域で安定しているので、接合体１０は全体として、安定していて、扱いやすい。
【００２９】
図1に示される態様において、エラストマー接合体１０が燃料電池スタックに設置された場合、エラストマーフレーム１４の外側の境界域で、シーリングリップ１５は通常外側に配列され、シールを形成するために隣接した構造と相互に作用する。
【００３０】
燃料電池スタックの説明図が図３に描かれる。ここで、MEA１０は、MEAの活性領域IIIに対応する、それらの内部領域２１内の、双極性プレート２０の間に置かれ、電極１２および１３を介して（後者は図３に現れていない）送達された反応ガスが通るチャネル構造を有している。図３は、燃料電池スタックを軸方向に突き抜けるガスまたは流動体チャネル２２も示す。図３の典型的な態様にあるように、それらは、好ましくは、対応する開口を有するMEAの外部領域Iに配列される。スタックの軸に沿った、反応ガスおよび／または冷却媒体の輸送は、エラストマーフレーム１４のシーリングアクションによって保証され、例えばシーリングリップ（図３に示されていない）などの、シーリング構造によって有利に補助される。
【００３１】
描かれ、特に説明された本発明の態様は、もちろん実例としてあげられた単なる例である。特にエラストマーフレームのための物質の選択に関しては、当業者は、広い範囲の選ばれる物質が分かっている。以下の物質は、いくつかある特徴の中で特に、優れた耐熱性のために、本発明に記載のエラストマーフレーム１４を形成するのに適している：エチレンプロピレンジエンゴム、シリコーンゴム、フルオロシリコーンゴム、フルオレンゴム、フルオロ炭素ゴム、およびペルフルオリナテドゴム。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に記載のMEAの断面略図である。
【図２】図１のMEAの延長線上を横切る、ドーピング濃度を示す説明図である。
【図３】本発明に記載のMEAを使用した、燃料電池スタックの説明図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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