(57)【要約】燃料電池２０が、第１の流れ場プレート２６ａと、第２の流れ場プレート２６ｂと、流れ場プレート２６ａ，２６ｂの間のアノード電極およびカソード電極とを備えている。高分子電解質膜（ＰＥＭ）２８が、電極の間に配置される。流れ場プレート２６ａ，２６ｂの少なくとも一方は、高分子電解質膜２８の内面異方性物理条件に少なくとも部分的に影響を及ぼし、該内面異方性物理条件は、高い数値方向と低い数値方向との間で大きさが変化する。高分子電解質膜２８は、内面物理特性を有しており、内面物理特性は、高い数値方向と低い数値方向との間で大きさが変化する。高分子電解質膜２８は、該高分子電解質膜２８の高い数値方向が流れ場プレートの高い数値方向と実質的に整列するように方向付けられている。
2014526134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の流れ場プレートおよび第２の流れ場プレートと、
前記第１の流れ場プレートと前記第２の流れ場プレートとの間のカソード電極およびアノード電極と、
前記アノード電極と前記カソード電極との間の高分子電解質膜（ＰＥＭ）と、
を備え、
前記第１の流れ場プレートおよび前記第２の流れ場プレートの少なくとも一方は、前記高分子電解質膜の内面異方性物理条件に少なくとも部分的に影響を及ぼし、該内面異方性物理条件は、高い数値方向（Ｈ燃料電池）と低い数値方向（Ｌ燃料電池）との間で大きさが変化し、前記高分子電解質膜は、内面物理特性を画定し、該内面物理特性は、高い数値方向（Ｈ高分子電解質膜）と低い数値方向（Ｌ高分子電解質膜）との間で大きさが変化し、前記高分子電解質膜は、前記高い数値方向（Ｈ高分子電解質膜）が前記高い数値方向（Ｈ燃料電池）と実質的に整列するように、前記アノード電極と前記カソード電極との間に方向付けられることを特徴する燃料電池。
【請求項２】
前記内面異方性物理条件は、前記高分子電解質膜にかかる応力を有し、前記内面物理特性は、極限強さであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記流れ場プレートの少なくとも一方は、長手方向軸に沿った細長いマニホールドを備え、前記高い数値方向（Ｈ高分子電解質膜）は、前記長手方向軸と実質的に平行であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記流れ場プレートの一方は、空気プレートであり、前記空気プレートは、長手方向軸に沿った細長いマニホールドを備え、前記高い数値方向（Ｈ高分子電解質膜）は、前記長手方向軸と実質的に平行であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記高分子電解質膜は、押出層を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記高分子電解質膜は、該高分子電解質膜の移動が制限されるように、前記流れ場プレートの間でクランプされることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に用いられる膜に関する。
【０００２】
なお、本発明は、米国エネルギ省に付与の契約番号ＤＥ−ＰＳ３６−０８ＧＯ９８００９のもと、米国政府の補助によりなされた。したがって、米国政府は、本発明の一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
燃料電池は、一般に、反応物の間、例えば、燃料と酸化剤との間の周知の電気化学反応から電流を生成するために、アノード触媒と、カソード触媒と、該アノード触媒と該カソード触媒との間の電解質材料とを備えている。燃料電池は、各触媒に反応物を案内するチャネルを有した流れ場プレートを備えることができる。電解質材料は、一般に高分子電解質膜またはＰＥＭと呼ばれる高分子層を備えることができ、この高分子層は、流れ場プレートの間に配置される。
【０００４】
流れ場プレートの間の高分子電解質膜の配置により、高分子電解質膜の移動を制限することができ、これにより、応力が高分子電解質膜に生じる。したがって、高分子電解質膜は、適切な最小厚さで設計されており、さらに、応力による破断を制限するために特定の高分子材料から形成される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
例示的な燃料電池が、第１の流れ場プレートと、第２の流れ場プレートと、流れ場プレートの間のアノード電極およびカソード電極とを備えている。高分子電解質膜（ＰＥＭ）が、電極の間に配置される。流れ場プレートの少なくとも一方は、高分子電解質膜の内面異方性物理条件に少なくとも部分的に影響を及ぼし、該内面異方性物理条件は、高い数値方向と低い数値方向との間で大きさが変化する。高分子電解質膜は、内面物理特性を有しており、内面物理特性は、高い数値方向と低い数値方向との間で大きさが変化する。高分子電解質膜は、該高分子電解質膜の高い数値方向が流れ場プレートの高い数値方向と実質的に整列するように電極の間で方向付けられている。
【０００６】
本発明の例の種々の特徴および利点が、発明を実施するための形態から当業者に明らかになるであろう。発明を実施するための形態に付随する図面を、以下に簡潔に説明することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】例示的な燃料電池の組立分解図である。
【図２】燃料電池の断面図である。
【図３】燃料電池において用いられる、第１の直交積層および第２の直交積層を備えた膜を示した図である。
【図４】第１の直交積層、第２の直交積層および第３の直交積層を備えた膜を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１には、例示的な燃料電池２０の選択された部分の組立分解図が示されており、該燃料電池２０は、例えば、反応ガスの間の周知の電気化学反応から電流を生成する。図２には、組み立てられた形態の燃料電池２０の断面が示されている。燃料電池２０の本発明の配置は例示するためだけのものであり、本明細書に開示した概念が燃料電池の他の配置にも適用され得ることを理解されたい。さらに、燃料電池２０は、例えば、冷却チャネルおよびガス拡散層に限定されない、本発明に説明されておらず、または図面に示されていない他の構成要素を備えることができる。
【０００９】
例示的な燃料電池２０は、１つまたは複数の燃料電池ユニット２２を備えており、該燃料電池ユニット２２は、燃料電池２０のアッセンブリを提供するように周知の方法で積み重ねられ得る。燃料電池ユニット２２の各々は、電極アッセンブリ２４と、該電極アッセンブリ２４へと反応ガス（例えば、空気および水素）を運ぶ流れ場プレート２６ａ，２６ｂとを備えている。流れ場プレート２６ａは、空気を運ぶ空気プレートとみなされ、流れ場プレート２６ｂは、水素を運ぶ燃料プレートとみなされ得る。また、流れ場プレート２６ａ、流れ場プレート２６ｂまたはこれらの双方は、燃料電池２０の望ましい動作温度を維持するとともに反応ガスを水和するように、（冷媒チャネルにおいて）冷媒を循環させることもできる。
【００１０】
電極アッセンブリ２４は、カソード触媒３０ａとアノード触媒３０ｂとの間に、陽子交換膜とも呼ばれる高分子電解質膜（ＰＥＭ）２８を備えている。一例では、高分子電解質膜２８はイオノマである。他の例では、イオノマは、スルホン化パーフルオロポリマを備えている。図示していないが、ガス拡散層が、反応ガスの供給を容易にするように、流れ場プレート２６ａ，２６ｂと電極アッセンブリ２４との間で用いられ得る。
【００１１】
流れ場プレート２６ａ，２６ｂの各々は、反応ガスの各々を運ぶチャネル３２を備えている。流れ場プレート２６ａ，２６ｂの各々のチャネル３２は、流れ場３４の各々を構成する。さらに、流れ場プレート２６ａ，２６ｂの各々は、流れ場３４へと反応ガスを運ぶ入口と、流れ場３４から未使用の反応ガスを受ける出口を備えることができる。この点に関しては、流れ場プレート２６ａは、該流れ場プレート２６ａの１つの縁部に沿って延びる入口マニホールド３６を備えている。入口マニホールド３６は、長手方向軸３８を有した流れ場プレート２６ａの１つの縁部に沿って長細いものとされている。
【００１２】
図示した配置では、電極３０ａ，３０ｂおよび高分子電解質膜２８は、基本的に、流れ場プレート２６ａと流れ場プレート２６ｂとの間（例えば、チャネル３２を形成するリブの間）でクランプされる。クランプ力により、流れ場プレート２６ａ，２６ｂに対する高分子電解質膜２８の移動が制限される。周知のように、燃料電池２０は、該燃料電池２０内の反応ガスおよび副生成物の水を維持するように外周部の周囲にシールされる。また、燃料電池２０の外周部をシールすることにより、高分子電解質膜２８の移動をさらに制限することができる。
【００１３】
流れ場プレート２６ａまたは流れ場プレート２６ｂの少なくとも一方が、高分子電解質膜２８の内面異方性物理条件に少なくとも部分的に影響を及ぼし、この条件は、矢印４０ａによって示された高い数値方向（Ｈ燃料電池）と、矢印４０ｂによって示された低い数値方向（Ｌ燃料電池）との間で大きさが変化する。一例では、内面異方性物理条件は、クランプ力および燃料電池２０の作動要因のために燃料電池２０内で高分子電解質膜２８にかかる応力の大きさを備えている。異方性物理条件は、必ずしも応力に限定されるものではない。他の例では、異方性物理条件は、電気伝導性、伸びおよび伝熱のうちの１つまたは複数を備えている。
【００１４】
一例では、応力は、燃料電池２０の作動中に、空気が入口マニホールド３６を通して流れ場プレート２６ａの流れ場３４のチャネル３２へと流入するときに生じる。空気は、最初に乾燥しており、入口マニホールド３６の近くの局所的な領域において高分子電解質膜２８の乾燥効果を備えることができる。乾燥した空気は、入口マニホールド３６の近くにおいて高分子電解質膜２８から水分を吸収し易い。入口マニホールド３６からさらに遠くへとチャネル３２を通して流れる空気が、副生成物の水から水分を吸収し、したがって、入口マニホールド３６からさらに遠くへと離間した高分子電解質膜２８の領域において、乾燥は、さほど問題ではない。
【００１５】
車両のような高動力条件および苛酷な使用に耐え得る車両の用途において、燃料電池２０は、多くの量の副生成物の水を生成し、この水は、高分子電解質膜２８を水和するとともに乾燥を制限する。しかし、低動力条件またはオン／オフサイクルの間では、高分子電解質膜２８は乾燥し得る。したがって、乾燥した状態と湿った状態との間の高分子電解質膜２８の水分含有量の変化は、高動力燃料電池においてさらに大きいものとなる。
【００１６】
入口マニホールド３６の近くの領域において高分子電解質膜２８から水分を失うことにより、高分子電解質膜２８が、局所的に収縮する。しかし、燃料電池２０の流れ場プレート２６ａ，２６ｂおよび／または外周部のシールにより、高分子電解質膜２８に応力を生じさせる高分子電解質膜２８の移動が制限される。燃料電池２０のオン／オフサイクル（または燃料電池２０の高動力条件と低動力条件との間）から水分を失うことと得ることを繰り返すことにより、周期的な応力（つまり、疲労）条件が、高分子電解質膜２８に生じる。
【００１７】
高分子電解質膜２８にかかる応力は、高い数値方向４０ａに沿って最大である。応力は、低い数値方向４０ｂに沿って最小となり得る。図示した例では、高い数値方向４０ａは、細長い入口マニホールド３６の長手方向軸３８と実質的に平行である。したがって、流れ場プレート２６ａ，２６ｂのクランプ力および入口マニホールド３６の姿勢が、高分子電解質膜２８にかかる応力の指向性および大きさに少なくとも部分的に影響を及ぼす。
【００１８】
上記の応力に対する高分子電解質膜２８の耐久性を向上させるために、高分子電解質膜２８は、応力条件に抵抗するために、燃料電池２０内の上述した姿勢で配置される。図示した実施例では、高分子電解質膜２８は、内面物理特性を有しており、該内面物理特性は、矢印４２ａによって示された高い数値方向（Ｈ高分子電解質膜）と、矢印４２ｂによって示された低い数値方向（Ｌ高分子電解質膜）との間で大きさが変化する。例として、内面物理特性は、所定の方向に沿った高分子電解質膜２８の強さの特質、例えば、極限強さである。
【００１９】
一例では、高分子電解質膜２８は、該高分子電解質膜２８の材料において高分子チェーンを伸ばすために、横方向よりも押し出し方向において高い強さを有した押出層を備えている。この点に関しては、例示的な高分子電解質膜２８は、低い数値方向４２ｂよりも高い数値方向４２ａにおいて高い極限強さを備えている。
【００２０】
図示した実施例では、高分子電解質膜２８は、高い数値方向４２ａが、流れ場プレート２６ａの高い数値方向４０ａと実質的に整列するとともに細長い入口マニホールド３６の長手方向軸３８と実質的に平行となるように、燃料電池２０内に配置される。例えば、高分子電解質膜２８の最大の強さの方向は、最大の応力が燃料電池２０の高分子電解質膜２８にかかる方向と実質的に整列する。ある例では、高い数値方向４２ａと高い数値方向４０ａとは、±１０度内で互いに整列する。
【００２１】
特徴部の組み合わせが、図示した例に示されているが、本発明の種々の実施例の恩恵を実現するために特徴部の全てが組み合わせられる必要はない。つまり、本発明の実施例に従って設計されたシステムは、必ずしも、図に示された特徴部の全て、または図に概略的に示された部分の全てを備える必要はない。さらに、１つの例示的な実施例の選択された特徴部は、他の例示的な実施例の選択された特徴部と組み合わせられ得る。
【００２２】
上述の説明は、例示的なものであって、限定的なものではない。本発明の真意を逸脱することなく、本発明の例に変更および修正がなされることが、当業者に明らかになるであろう。添付の特許請求の範囲を検討することによって、本発明に与えられる法的保護の範囲を決定することができるのみである。
【図１】
2014526134.tif 000003
【図２】
2014526134.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成26年3月26日(2014.3.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図面の簡単な説明】
【図１】例示的な燃料電池の組立分解図である。
【図２】燃料電池の断面図である。
【国際調査報告】
2014526134.tif 000005
2014526134.tif 000006