(57)【要約】【解決手段】イオン伝導性部材（４）と、電極（６）と、電気伝導性部材（１０）を含んでいる燃料電池用のアッセンブリ（２）が提供されている。アッセンブリは、更に、電気伝導性部材、電極、及びイオン伝導性部材を接着すると共に、機械的支持を提供し、反応ガスがイオン伝導性部材を通って透過するのを阻止する、アッセンブリの周辺縁部に配置された接着剤（１８）を含んでいる。【選択図】図１
2008523574.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用のアッセンブリにおいて、
主面を有するイオン伝導性部材と、
前記主面に配置された電極と、
前記電極に配置された電気伝導性部材と、
前記電気伝導性部材と、前記電極と、前記イオン伝導性部材とを接着するために、前記アッセンブリの周辺縁部に配置された接着剤と、
を備えているアッセンブリ。
【請求項２】
前記接着剤は、エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）、ポリアミド、ポリオレフィン、ポリエステル、及びそれらの混合物から成る群より選択された少なくとも１つのホットメルト接着剤を備えている、請求項１に記載のアッセンブリ。
【請求項３】
前記接着剤は、シリコン、ポリウレタン、フルオロエラストマー、熱可塑性エラストマー、エポキシ、フェノキシ、アクリル、感圧性接着剤、及びそれらの混合物から成る群より選択された少なくとも１つの接着剤を備えている、請求項１に記載のアッセンブリ。
【請求項４】
前記接着剤は、前記イオン伝導性部材の周辺面に、機械的支持を提供している、請求項１に記載のアッセンブリ。
【請求項５】
前記電気伝導性部材は、ガス拡散媒体である、請求項１に記載のアッセンブリ。
【請求項６】
前記電気伝導性部材は、複数の孔を備えており、
前記接着剤は、前記電気伝導性部材の前記複数の孔に吸収される、請求項１に記載のアッセンブリ。
【請求項７】
前記接着剤は、少なくとも、反応ガスが前記イオン伝導性部材の周辺面で前記イオン伝導性部材を通って拡散するのを阻止する、請求項１に記載のアッセンブリ。
【請求項８】
前記接着剤は、前記電気伝導性部材と前記イオン伝導性部材との間にシールを提供している、請求項１に記載のアッセンブリ。
【請求項９】
前記電極は、前記イオン伝導性部材上に形成されている、請求項１に記載のアッセンブリ。
【請求項１０】
前記電極は、前記電気伝導性部材上に形成されている、請求項１に記載のアッセンブリ。
【請求項１１】
前記電気伝導性部材上に形成された微小孔層を更に備えている、請求項１に記載のアッセンブリ。
【請求項１２】
前記微小孔層は、水分管理層である、請求項１に記載のアッセンブリ。
【請求項１３】
燃料電池を用意する方法において、
イオン伝導性部材を提供する段階と、
前記イオン伝導性部材に電極を設ける段階と、
前記電極の縁部と、前記イオン伝導性部材の周辺面とを覆って接着剤を塗布する段階と、
前記電極に電気伝導性部材を設ける段階と、
前記電気伝導性部材を、前記電極と前記イオン伝導性部材の前記周辺面とに、前記接着剤で接着する段階と、から成る方法。
【請求項１４】
前記接着剤を塗布する前に、前記電極、前記イオン伝導性部材、及び前記電気伝導性部材、の各面を前処理する段階を更に含んでいる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記電極、前記イオン伝導性部材、及び前記電気伝導性部材、の各面を前処理する前記段階は、無線周波数グロー放電処理、ナフタレートナトリウムエッチング処理、コロナ放電処理、及び、火炎処理から成る群より選択された少なくとも１つで行われる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記前処理は、前記電極、前記イオン伝導性部材、前記電気伝導性部材の、前記各面を活性化する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記接着剤は、エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）、ポリアミド、ポリオレフィン、ポリエステル、及びそれらの混合物から成る群より選択された少なくとも１つのホットメルト接着剤から成る、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記接着剤は、シリコン、ポリウレタン、フルオロエラストマー、熱可塑性エラストマー、エポキシ、フェノキシ、アクリル、感圧性接着剤、及びそれらの混合物から成る群より選択された少なくとも１つの接着剤を備えている、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記前処理の後に、前記電極、前記イオン伝導性部材、及び前記電気伝導性部材、の前記各面に、プライマー又は結合剤を塗布する段階を更に備えている、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記接着剤は、射出成形によって取り付けられる、請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
前記接着剤は、スラグとして取り付けられる、請求項１３に記載の方法。
【請求項２２】
前記接着剤は、噴霧によって塗布される、請求項１３に記載の方法。
【請求項２３】
前記接着剤は、フィルムとして取り付けられる、請求項１３に記載の方法。
【請求項２４】
前記電極、前記イオン伝導性部材、及び前記電気伝導性部材の前記各面を前処理する前記段階は、プラズマ処理によって行われ、前記プラズマ処理は、プラズマベースの火炎処理、プラズマベースのＵＶ処理、プラズマベースのＵＶ／オゾン処理、大気圧放電プラズマ処理、及び低圧プラズマ処理から成る群より選択された少なくとも１つの処理である、請求項１４に記載の方法。
【請求項２５】
前記電極、前記イオン伝導性部材、及び前記電気伝導性部材の前記各面を前処理する前記段階は、プラズマ処理によって行われ、前記プラズマ処理は、誘電バリア放電プラズマ処理、ＤＣスパッタ堆積プラズマ処理、ＲＦ磁性強化スパッタ堆積プラズマ処理、ＲＦ及びマイクロ波エッチングプラズマ処理、ＲＦ及びマイクロ波磁性強化エッチングプラズマ処理、スパッタエッチングプラズマ処置、ＲＦスパッタエッチングプラズマ処理、イオンビームエッチングプラズマ処理、グロー放電プラズマ処理、及び静電結合プラズマ処理から成る群より選択された少なくとも１つの処理である、請求項１４に記載の方法。
【請求項２６】
燃料電池において、
主面を有するイオン伝導性部材と、
前記主面に配置された電極と、
前記電極に配置された電気伝導性部材と、
前記電気伝導性部材と、前記電極と、前記イオン伝導性部材とを接着するために、前記燃料電池の周辺縁部に配置された接着剤と、を備えており、
前記接着剤は、少なくとも１つの突出部分を含んでいる、燃料電池。
【請求項２７】
前記突出部を含んでいる前記接着剤は、前記燃料電池の前記周辺縁部に射出成形されている、請求項２６に記載の燃料電池。
【請求項２８】
前記突出部分は、前記燃料電池の前記周辺縁部に機械的支持を提供している、請求項２６に記載の燃料電池。
【請求項２９】
前記電気伝導性部材上に形成された微小孔層を更に備えている、請求項２６に記載の燃料電池。
【請求項３０】
前記微小孔層は、水分管理層である、請求項２９に記載の燃料電池。
【請求項３１】
前記電極は、前記イオン伝導性部材上に形成されている、請求項２６に記載のアッセンブリ。
【請求項３２】
前記電極は、前記電気伝導性部材上に形成されている、請求項２６に記載のアッセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の膜電極アッセンブリ、並びに膜電極アッセンブリを用意するための方法と工程に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気自動車及び他の用途のための動力源として開発されている。この様な燃料電池の一つに、一対の電極（即ち、アノードとカソード）を膜−電解質の互いに反対側の面上に設けた薄い固体高分子の膜−電解質を備えた、いわゆる「膜−電極アッセンブリ」（ＭＥＡ）を含んでいる、ＰＥＭ（即ち、プロトン交換膜）燃料電池がある。ＭＥＡは、平坦なガス供給要素の間に挟まれている。
【０００３】
それらＰＥＭ燃料電池では、膜電解質の縁部が電極より外にはみ出すように、電極は、膜電解質に比べて通常は表面積が小さい。膜電解質のそれら縁部には、ガスケット又はシールが配置され、電極の周辺を枠で囲んでいる。しかしながら、製造公差に限界があるため、シール、ＭＥＡ、及びガス供給要素は、適切に厳密に整列しているわけではない。それら要素の整列不良に起因して、膜電解質の縁部に不具合が発生し、燃料電池の寿命が短くなったり燃料電池の性能が低下する恐れがある。
【０００４】
また、膜電解質が湿潤状態から乾燥状態に循環する際の膜の収縮によって膜電解質に生じる引張応力、並びに、交差ガス（アノードからカソードへは水素、カソードからアノードへは酸素）の反応により生成される遊離基による、膜と電極における電解質の化学的攻撃に起因する膜電解質の化学的劣化も、燃料電池の寿命と性能に影響する。而して、上記の欠点を無くしたＰＥＭ燃料電池を開発することが求められている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記要求の観点に立って開発されたものであり、イオン伝導性部材、電極、及び電気伝導性部材を有するアッセンブリを含んでいる燃料電池を提供している。アッセンブリは、更に、電気伝導性部材、電極、及びイオン伝導性部材を接着すると共に、機械的支持を提供し、反応ガスがイオン伝導性部材を通って透過するのを阻止する、アッセンブリの周辺縁部に配置された接着剤を含んでいる。
【０００６】
上記燃料電池を製造するために、電極に配置された電気伝導性部材が電極及びイオン伝導性部材の周辺面に結合されるように、電極の縁部とイオン伝導性部材の周辺面を覆って接着剤を塗布する段階を含んでいる方法が開発された。この方法は、接着剤を塗布する前に、電極、イオン伝導性部材、及び電気伝導性部材、の各面を前処理する段階も含んでいる。
【０００７】
本発明を適用できるこの他の領域は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。なお、詳細な説明及び具体的な実施例は、本発明の好適な実施形態を示してはいるが、説明を目的としており、本発明の範囲を限定するものではないものと理解されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、詳細な説明及び添付の図面から更に深く理解頂けるであろう。
以下の好適な実施形態の説明は、事実上、一例に過ぎず、本発明、その用途、又は使用法をなんら制限する意図はない。
【０００９】
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の原理による膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）の分解断面図である。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、ＭＥＡ２は、アノード電極６とカソード電極８の間に配置されたイオン伝導性部材４を含んでいる。ＭＥＡ２は、更に、一対の電気伝導性部材１０と１２、又はガス拡散媒体１０と１２、の間にも配置されている。ガス拡散媒体１０と１２は、フレーム状のガスケット１４と１６で周辺部が取り囲まれている。ガスケット１４と１６及び拡散媒体１０と１２は、イオン伝導性部材４及び／又は電極６と８に重ねてもよいし、重ねなくてもよい。
【００１０】
イオン伝導性部材４は、固体高分子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４は、ここでは膜４とも呼ばれる。イオン伝導性部材４は、厚さが１０μｍから１００マイクロメートルの範囲にあるのが望ましくは、約２５マイクロメートルの厚さであるのが最も望ましい。この様な膜電解質に適したポリマーは、当技術では既知であり、米国特許第５，２７２，０１７号及び同第３，１３４，６９７号並びにその他の特許及び非特許文献に記載されている。しかしながら、イオン伝導性部材４の組成は、当技術で従来使用されている何れのプロトン伝導性ポリマーを備えていてもよいことを指摘しておく。登録商標NAFIONの様な過フッ化スルホン酸ポリマーを使用するのが望ましい。また、ポリマーは、単独で膜を構成してもよいし、別の材料の機械的支持を提供する繊維を含有してもよいし、又は、粒子（例えば、シリカ、ゼオライト、又は他の同様な粒子）を散在させていてもよい。代わりに、ポリマー又はイオノマーは、別の材料の孔に担持されていてもよい。
【００１１】
本発明の燃料電池では、イオン伝導性部材４は、Ｈ＋イオンを移動イオンとして有するカチオン透過性プロトン伝導性膜であり、燃料ガスは水素（又は改質材）であり、酸化剤は酸素又は空気である。電池全体の反応は、水素を酸化して水にするものであり、アノード及びカソードでの各反応は、Ｈ２＝２Ｈ＋＋２ｅ−（アノード）及び１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−＝Ｈ２Ｏ（カソード）である。
【００１２】
アノード電極６とカソード電極８の組成は、イオン伝導性部材４と同じく、NAFIONの様なプロトン伝導性材料である電気化学活性を有する材料を、ポリマー結合剤中に分散させて構成されているのが望ましい。電気化学活性を有する材料は、触媒で被覆した炭素又はグラファイト粒子を備えているのが望ましい。アノード電極６とカソード電極８は、プラチナ−ルテニウム、プラチナ、又は他のＰｔ／遷移合金を、触媒として含んでいるのが望ましい。各図のアノード６とカソード８は、寸法が等しいものとして示しているが、アノード６とカソード８の寸法が異なっていても（即ち、カソードがアノードより大きいか、又はその逆）、本発明の範囲から逸脱していることにはならないことを指摘しておく。アノード６とカソード８の好適な厚さは、約２μｍから３０μｍの範囲にあり、約１０μｍであるのが最も望ましい。
【００１３】
ガス拡散媒体１０と１２並びにガスケット１４と１６は、当技術で既知の何れのガス拡散媒体又はガスケットでもよい。ガス拡散媒体１０と１２は、厚さが約５０μｍから３００μｍの範囲のカーボン紙、カーボン布、又はカーボン発泡体であるのが望ましい。また、ガス拡散媒体１０と１２には、（登録商標）Teflon又は他の過フッ化炭化水素を様々なレベルで染みこませて、程度の差はあれ、疎水性としている。ガスケット１４と１６は、通常は弾性高分子物質であるが、ポリエステル及び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１４と１６は、膜電極アッセンブリ２を密封できるのであればどの様な材料でもよい。ガスケット１４と１６の好適な厚さは、ガス拡散媒体１０と１２の厚さの約半分から、ガス拡散媒体１０と１２の厚さの約１倍半までの範囲にある。
【００１４】
図１Ａ及び図１Ｂに示す本発明の第１実施形態によれば、拡散媒体１０と１２をＭＥＡ２に結合するのに使用される接着剤１８は、膜電解質４の縁部２０又は周辺面２０に配置され、電極６と８並びに膜電解質４と重なっている。接着剤１８は、エチルビニルアセテート（ＥＶＡ）、ポリアミド、ポリオレフィン、又はポリエステルの様なホットメルト接着剤であるのが望ましい。接着剤１８を、拡散媒体１０及び１２と膜４の間に配置すること（図１Ａ）により、又は電極６及び８と膜４の間に配置すること（図１Ｂ）により、膜縁部２０の耐久性が改善される。なお、ホットメルト接着剤１８を用いるのは単に好ましいというだけのことで、本発明はこれに限定されるものではないものと理解されたい。より具体的には、シリコン、ポリウレタン、及びフルオロエラストマーの様な他の接着剤１８を、接着剤１８として使用してもよい。また、熱可塑性エラストマー、エポキシ、フェノキシ、アクリルの様なエラストマー系、並びに感圧性接着剤系も、接着剤１８として使用することができる。接着剤１８を、膜電解質４の周辺面２０に塗布することで、電極６と８で支持されていない膜電解質４の縁部２０に存在する引張応力が低減され又は均一化され、膜電解質４の化学的劣化が防止される。
【００１５】
より具体的には、図２は、先行技術によるＭＥＡ２２を図示している。この先行技術によるＭＥＡ２２は、膜電解質２８に比べて表面積がずっと小さい電極２４と２６を含んでおり、膜電解質２８の縁部３０が電極２４と２６から外に突き出ている。膜電解質２８の上記縁部３０には、サブガスケット３２と３４が、電極２４と２６を取り囲んで置かれている。ガス拡散媒体３６と３８は、サブガスケット３２と３４の上に着座している。ガスケット４０と４２は、ガス拡散媒体３６と３８を取り囲んでいる。
【００１６】
厳格な公差に対する製造の難しさのために、電極２４及び２６とサブガスケット３２及び３４の間には間隙４４が存在する。その様な間隙４４は、実働蝶番として働き、膜２８が撓むのを許容する。この様な蝶番作用は、膜電解質２８の縁部３０に、応力が生じ、裂けや破れ又は孔ができる原因になる。これは、高さの違いなどに起因して、膜電解質２８に作用する圧縮力が異なるという点でも、応力を発生させる原因になる。例えば、サブガスケット３２と３４が電極２４と２６よりも高い場合には、サブガスケット３２と３４に働く圧縮力が非常に高くなり、サブガスケット３２又は３４が電極２４又は２６よりも低い場合には、電極２４又は２６に働く圧縮力が非常に高くなる。而して、先行技術に典型的な配置は、サブガスケット３２及び３４と電極２４及び２６の間に小さな間隙４４を生じさせてしまう。この小さな間隙４４のせいで、膜電解質２８の一部は支持されないまま取り残される。
【００１７】
また、サブガスケット３２と３４が電極２４と２６よりも厚い場合には、「段差」が形成され、その上にガス拡散媒体３６と３８が乗ることになる。ガス拡散媒体３６と３８は、反応ガスＨ２とＯ２が電極２４と２６を覆うように分散するのを支援し、電流を電極２４と２６から電気伝導性の両極プレート（図示せず）のランド部まで導く。而して、ガス拡散媒体３６及び３８と電極２４及び２６の間の電気伝導性を促進するためには、膜電極アッセンブリ２２を高い圧力で圧縮する必要がある。これは、膜電解質２８の支持されていない部分に過大な応力を発生させて、微小なピンホール又は裂けを生じさせかねない。ピンホールは、拡散媒体３６及び３８の炭素又はグラファイト繊維が膜電解質２８を穿刺することによっても生じる。それら繊維の穿刺により、燃料電池は短絡を引き起こし電池電位が下がってしまう。
【００１８】
次に図３では、本発明の原理による膜電極アッセンブリ２の組み立てられた状態の断面図を示している。図３では、膜電極アッセンブリ２の要素それぞれが、接着剤１８で一体に結合されているのが分かる。ガス拡散媒体１０と１２は多孔質材料なので、燃料電池の各要素が一体に圧縮される際に、接着剤１８がガス拡散媒体１０と１２の孔に入り込む。接着剤１８が固まると同時に、接着剤１８は、膜電解質４の周辺面２０と電極６及び８とガス拡散媒体１０及び１２を一体に結合する、膜電解質４の周辺面２０の周りのシールの役目を果たす。膜電解質４と、電極６及び８と、ガス拡散媒体１０及び１２は、一体に結合されるので、ユニット化された構造が形成される。而して、燃料電池の各要素の間には間隙が存在せず、膜電解質４は面全体に均一な圧力を受けることができる。均一な圧力は、膜電解質４に引張応力が働くのを防止して、ピンホール発生や膜電解質４の劣化が防止される。寿命が長く耐久性を備え且つ高性能の燃料電池が、こうして実現される。
【００１９】
更に、接着剤１８は、密封特性を有しているので、水素と酸素が膜電解質４を膜電解質縁部２０で横切って拡散するのを防止する。接着剤１８は、構成成分の反応物質（即ち、Ｈ２とＯ２）が膜電解質４をその縁部２０で横切って拡散するのを防止する密封特性を有しているので、膜電解質４の化学的劣化が防止される。
【００２０】
即ち、燃料電池の通常の運転時には、水素及び酸素ガスは、膜電解質４を横切ってカソード８とアノード６の両方までそれぞれ透過するので、酸素が水素中に存在する。上記反応ガスが、電極６と８の電気化学活性を有する材料に接触すると、酸素が還元されて、水素燃料ガスの酸化により発生したＨ＋イオンと反応する。還元された酸素とＨ＋イオンの間の続いて起こる副反応によって、Ｈ２Ｏ２が次のように発生する。
Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−＝Ｈ２Ｏ２
【００２１】
このＨ２Ｏ２の生成は、膜電解質４の劣化を引き起こし、ひいては、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。また、膜及び電極における電解質の化学的劣化のその他の考えられるメカニズムは、膜４を通って交差するガスが存在しなければ軽減されるはずであることも広く理解されている。図２に示す先行技術の膜電極アッセンブリ２８を再度参照すると、これらのガスは、膜２８の縁部を、燃料電池の各要素の製造公差によって各要素間に生じるいわゆる間隙４４で透過する傾向がより強い。而して、反応ガスの凝縮束４６は、電極２４と２６の縁部が、支持も密封もされていない膜電解質２８に出会う地点の領域に集まり、そこにＨ２Ｏ２が生成され、膜電解質２８を化学的に劣化させる。即ち、間隙４４に集まる凝縮束４６が、電極２４と２６の電気化学的に活性な物質に接触すると、Ｈ２Ｏ２の生成が起こる。
【００２２】
具体的には、複数の酸化状態を有する金属カチオンの様な燃料電池環境中に複汚染物質又は不純物が存在するとき、Ｈ２Ｏ２は、それら金属カチオンが存在している状態では、膜２８と電極２４及び２６のイオノマーを攻撃する過酸化物基に分解される。凝集束４６は膜２８の縁部に形成される傾向があるので、膜２８の縁部は特に劣化を被り易い。
【００２３】
次に図４に示すように、膜電解質２０の周辺面が接着剤１８によって支持され密封されている場合、膜の周辺面２０に集まるガスの凝集束４６は、接着剤１８によって、膜電解質４を横切って拡散しないようになっている。而して、ガスの凝集束４６と電極６及び８の電気化学的活性領域との接触が防止されるので、Ｈ２Ｏ２の生成が防止される。従って、膜電解質４の縁部２０における劣化は、防止される。
【００２４】
次に図５を参照しながら、本発明の第２の実施形態を説明する。図５に示すように、接着剤１８は、ガスケットが不要になるように、ＭＥＡ２の縁部に取り付けられる。即ち、接着剤１８は、射出成形で取り付けてもよいし、プラグ又はインサートを加熱及び圧縮成形してＭＥＡ２の外側部分全体を密封するように取り付けてもよい。接着剤１８を圧縮成形されるプラグとして用いる場合、接着剤１８は仮想線で示す形態をとる。この様にすると、ＭＥＡ２の各要素は、一体に結合されて、ＭＥＡ２が燃料電池内で圧縮されたときにＭＥＡ２の全体構造に亘って一様な機械的支持を提供するユニット構造を形成する。
【００２５】
図５に示す第２の実施形態の独特な態様は、接着剤１８の縁部に突出部分１９が形成されていることである。それら球頭状部分１９は、ＭＥＡ２のガスケットとして機能し、ＭＥＡ２が燃料電池スタック内で複数のＭＥＡ２と共に圧縮されたときに、更なる機械的支持がスタック内のＭＥＡ２の縁部に提供される。これは、接着剤１８が、ＭＥＡ２上へのモールド成形後に固化した後も、依然として曲がりやすく柔軟な材料に留まっているためである。
【００２６】
なお、本発明の第２の実施形態によるＭＥＡ２は、上記機械的支持特性に加えて、第１の実施形態に関連して説明した、反応ガスが膜を横切って交差するのを防止するのと同じ密封特性も提供するものと理解されたい。即ち、接着剤１８は、Ｈ２Ｏ２の生成を防止できるように、水素と酸素が膜４を横切って交差するのを低減し又は防止する。また、射出成形で、又は圧縮成形されるプラグとして取り付けられる接着剤１８も、ガス拡散媒体１０及び１２にしみ込む。
【００２７】
図１Ａ及び図１Ｂに示す本発明によるＭＥＡ２を用意する方法を、以下説明する。ＭＥＡ２のアノード６とカソード８を用意するために、触媒処理された炭素粒子を用意し、鋳造成形用溶剤の入った溶液内のイオノマー結合材と結合させる。アノード６とカソード８は、炭素又はグラファイトを１／３、イオノマーを１／３、触媒を１／３含んでいるのが望ましい。好適な鋳造成形用溶剤は、事実上、水性又はアルコール系であるが、ジメチル酢酸（ＤＭＡ）又はトリフルオロ酢酸（ＴＦＡ）の様な溶剤も使用することができる。
【００２８】
鋳造成形用溶液は、転写法で使用するのに適したシートに塗布されるが、シートはテフロン加工されたシートであるのが望ましい。このシートを次いでＰＥＭの様なイオン伝導性部材４（膜電解質）に熱間プレスし、触媒被覆膜（ＣＣＭ）を形成する。次いで、イオン伝導性部材４からシートを剥ぎ取るが、触媒で被覆された炭素又はグラファイトは連続した電極６と８として埋め込まれたまま残り、ＭＥＡ２が形成される。代わりに、鋳造成形用溶液をガス拡散媒体１０又は１２に直接塗布して、触媒で被覆された拡散媒体（ＣＣＤＭ）を形成してもよい。
【００２９】
理解頂けるように、ガス拡散媒体１０又は１２上には、微小孔層１１と１３が形成されているのが望まし。微小孔層１１と１３は、膜４から水分を吸い取る水分管理層であり、上記の電極６及び８と同じやり方で形成されるが、鋳造成形用溶液は炭素粒子とテフロン溶液で構成されている。
【００３０】
接着剤１８を取り付けるのに、様々な方法を採用することができる。即ち、接着剤１８は、フィルム又はスラグとして取り付けてもよいし、膜電解質４の縁部２０、電極６と８、並びにガス拡散媒体１０と１２に噴霧してもよい。また、第２の実施形態について上で説明したように、接着剤はＭＥＡ２の縁部に射出成形してもよい。接着剤１８が取り付けられた後、接着剤を、接着剤として使用されている材料の種類によって決まる融点まで加熱し、１０から２０ｐｓｉの圧力を掛けることにより、ＭＥＡ２の各要素が結合され、ユニット構造が形成される。接着剤の結合温度は、２７０°Ｆから３８０°Ｆの範囲にあるのが望ましい。この範囲の温度を使用すれば、膜電解質４及び電極６と８の様なＭＥＡ２の感受性の高い材料が、これらの材料の劣化を引き起こす可能性の或る温度に曝されるのが防止できる。
【００３１】
本発明に独特の態様では、接着剤１８を取り付ける前に、膜電解質４、電極６と８、及びガス拡散媒体１０と１２に前処理が施される。即ち、膜電解質４、電極６と８、及びガス拡散媒体１０と１２は、これらの材料の面を活性化する表面処理で前処理が施される。無線周波数グロー放電処理を使用するのが望ましい。これらの材料の表面を活性化する他の前処理として、ナフタレートナトリウムエッチング処理、コロナ放電処理、火炎処理、プラズマ処理、ＵＶ処理、湿式化学処理、表面拡散処理、スパッタエッチング処理、イオンビームエッチング処理、ＲＦスパッタエッチング処理、及びプライマーの使用がある。
【００３２】
プラズマ処理に関しては、プラズマベースの火炎処理、プラズマベースのＵＶ又はＵＶ／オゾン処理、大気圧放電プラズマ処置、及び低圧プラズマ処理の様な、多様なプラズマベースの技法を使用することができる。これらのプラズマ処理は、ＭＥＡ２の各要素を清浄化し、化学的に活性化し、被覆する。使用できる他のプラズマ処理としては、誘電バリア放電プラズマ処理、スパッタ堆積プラズマ処理（ＤＣ及びＲＦ磁性強化プラズマ）、エッチングプラズマ処理（ＲＦ及びマイクロ波プラズマ、及びＲＦ及びマイクロ波磁性強化プラズマ）、スパッタエッチングプラズマ処理、ＲＦスパッタエッチングプラズマ処理、イオンビームエッチングプラズマ処理、グロー放電プラズマ処理、及び静電結合プラズマ処理がある。
【００３３】
前処理を行うことで、膜電解質４、電極６と８、及びガス拡散媒体１０と１２の高分子基を励起又は活性化することにより、ＭＥＡ２の各要素間の接着性が増す。これは、ポリマーやプラスチックは表面エネルギーの低い材料で、最高強度の接着剤がそれらの面を自然に濡らすことはないため、好都合である。これは、表面の前処理が再現可能な面を提供するため、接着剤１８の接着効果を製品間で一貫したものとすることができることからも好都合である。而して、膜電解質４、電極６と８、ガス拡散媒体１０と１２の各表面を活性化することにより、接着剤１８の接着力が増し、ＭＥＡ２の密封性が増す結果になる。また、ＭＥＡ２の要素間の接着力が増すと、機械的及び化学的応力に対する抵抗性を高めた、より頑強なＭＥＡ２が提供される。
【００３４】
即ち、前処理を使用することにより、各要素の表面エネルギーが上昇し、膜電極４、電極６と８、及び拡散媒体１０と１２を形成している高分子基の各端部に遊離基が形成されるようになる。それら遊離基は、接着剤１８が塗布されると、接着剤１８の分子を引き寄せ、ＭＥＡ２の各要素を接着剤１８と「結合」させる。また、上記表面処理は、ＭＥＡ２の各高分子要素に化学的変化と物理的変化を引き起こすことにより、ＭＥＡ２の各要素の表面エネルギーを高めるものと理解されたい。
【００３５】
より具体的には、ＭＥＡ２の各要素は、上記前処理によって、新たな化学種の組み込み、化学種の喪失、遊離基の形成、ＭＥＡ２の各要素の処理された表面と前処理が実施されている雰囲気との相互作用、により化学的に改質される。ＭＥＡ２の各要素に起こり得る物理的変化には、鎖の切断、低分子量断片の生成、表面架橋、各表面基の再配向、及び各表面種のエッチングと除去がある。但し、物理的変化は、大抵、物理的変化を与えることの他に、ＭＥＡ２の各要素の界面化学特性を変化させることを指摘しておく。
【００３６】
また、ＭＥＡ２の各要素の前処理が、空気を含有している雰囲気中で、アルゴン、窒素、シラン、又は流れ込む遊離基を生成することのできるその他のガス、の様な適した化学種を含有している反応ガスを用いて行われる場合には、各要素間の接着特性を更に増強することができる。即ち、膜４、電極６と８、及び拡散媒体１０と１２を形成している高分子基の端部に遊離基が形成されると、雰囲気中に流れ込む化学種も遊離基を形成し、それが高分子基の端部に形成された遊離基に結合することになる。その後、ＭＥＡ２の各要素が一体に圧縮されて、ＭＥＡ２の各要素間の接触が促進されると、化学種はここで一体に結合して、ＭＥＡ２の各要素を密に接合する。例えば、前処理時に、窒素を含有している反応ガスを雰囲気中に流し込むと、窒素の遊離基が、ＭＥＡ２の各要素の高分子基の端部に形成される。各要素が一体に圧縮されると、１つの要素の窒素遊離基が別の要素の窒素遊離基と結合して、非常に強力な窒素結合を形成する。
【００３７】
コロナ処理の場合には、処理は、空気を含有している雰囲気中で、窒素又はアルゴンガスを流し込みながら行うのが望ましい。無線周波数グロー放電処理に関しては、処理は、真空中で、アルゴン又は窒素の様な反応ガスを流し込みながら行うのが望ましい。或いは、炭素質又は催淫性のガスを流し込んでもよいし、又は酸素又はＨｅ−Ｏ配合気体の様なガスを使用してもよい。
【００３８】
なお、前処理を行った後で且つＭＥＡ２の各要素を一体に圧縮する前に、ＭＥＡ２の各要素にプライマー又は結合剤を塗布してもよい。因みに、プライマー又は結合剤は、当技術では既知のどの様なプライマー又は結合剤でもよいが、前処理として使用される用途に特化して選択されれねばならない。
【００３９】
本発明の説明は、実質的に例示に過ぎず、而して、本発明の要旨から逸脱しない変型は、本発明の範囲に含まれるものとする。その様な変型は、本発明の精神と範囲を逸脱しているとは見なされない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の原理と第１の実施形態による膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）の分解断面図である。
【図２】先行技術による膜電極アッセンブリの断面図である。
【図３】組み立てられた形態の図１Ａ及び図１Ｂに示すＭＥＡの断面図である。
【図４】ガスの凝縮束が膜電解質を横切るのが防止されていることを描いている、図３に示すＭＥＡの断面図である。
【図５】本発明の原理と第２の実施形態によるＭＥＡの断面図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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