(57)【要約】【課題】サブガスケットをイオノマー膜に付着させるための方法を提供すること。【解決手段】その方法は、イオノマー膜の寿命を延長するために必要とされる機能性を提供するように、およびアセンブリ処理中のイオノマー膜への損傷を回避するように、触媒層などの燃料電池の他の構成要素縁部に対してサブガスケットを正確に配置することを可能にする。【選択図】図１
2008124021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サブガスケット部材を提供するステップと、
前記サブガスケット部材の表面に接着層を提供するステップと、
前記サブガスケット部材を所望の構成に形成するステップであって、開口部を画定する範囲が前記サブガスケット部材の前記表面の中央範囲に形成される、ステップと、
前記サブガスケット部材を第１のプラテン部材に固定するステップと、
触媒被覆膜部材を提供するステップであって、触媒層が前記膜部材の中央範囲に設けられ、前記触媒層は前記開口部の縁部構成と実質的に同一である縁部構成を含む、ステップと、
前記触媒被覆膜部材を第２のプラテン部材に固定するステップと、
前記接着層が前記触媒被覆膜部材の前記膜部材に接触するように、前記第１および第２のプラテン部材を操作するステップと、
を含む、膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【請求項２】
前記接着層は感圧接着剤から構成される、請求項１に記載の膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【請求項３】
前記膜部材はイオノマー材料から構成される、請求項１に記載の膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【請求項４】
前記サブガスケット部材は真空の力により前記第１のプラテン部材に固定される、請求項１に記載の膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【請求項５】
前記接着層は前記第１のプラテン部材から離間され、対向する、請求項１に記載の膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【請求項６】
前記触媒層は前記開口部の縁部構成と実質的に同一の縁部構成を含む、請求項１に記載の膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【請求項７】
前記触媒層の前記縁部構成の第１の配置基準と、前記開口部の前記縁部構成の第１の配置基準とを位置合わせするステップをさらに含む、請求項６に記載の膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【請求項８】
前記触媒被覆膜部材は真空の力により第２のプラテン部材に固定される、請求項１に記載の膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【請求項９】
前記触媒層は前記第２のプラテン部材から離間され、対向する、請求項１に記載の膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【請求項１０】
前記触媒層は前記接着層または前記サブガスケット部材の一部分を重ね合わせるように働く、請求項１に記載の膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【請求項１１】
前記サブガスケット部材の周辺部分に開口部を画定する範囲を形成するステップをさらに含む、請求項１に記載の膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【請求項１２】
前記触媒被覆膜部材は、前記サブガスケット部材の周辺部構成に比べてより小さい周辺部構成を有する、請求項１に記載の膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【請求項１３】
前記接着層は前記サブガスケット部材の前記開口部に隣接して配置される、請求項１に記載の膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【請求項１４】
サブガスケット部材を提供するステップと、
前記サブガスケット部材の表面に接着層を提供するステップと、
前記サブガスケット部材を所望の構成に形成するステップであって、開口部を画定する範囲が前記サブガスケット部材の前記表面の中央範囲に形成される、ステップと、
前記サブガスケット部材を真空の力により第１のプラテン部材に固定するステップであって、前記接着層は前記第１のプラテン部材から離間され、対向する、ステップと、
触媒被覆膜部材を提供するステップであって、触媒層が前記膜部材の中央範囲に設けられ、前記触媒層は前記開口部の縁部構成と実施的に同一である縁部構成を含む、ステップと、
前記触媒被覆膜部材を真空の力により第２のプラテン部材に固定するステップであって、前記触媒層は前記第２のプラテン部材から離間され、対向する、ステップと、
前記接着層は前記触媒被覆膜部材の前記膜部材と接触するように、前記第１および第２のプラテン部材を操作するステップであって、前記触媒層は前記接着層または前記サブガスケット部材の一部分を重ね合わせるように働く、ステップと、
を含む、膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【請求項１５】
前記接着層は感圧接着剤から構成される、請求項１４に記載の膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【請求項１６】
前記膜部材はイオノマー材料から構成される、請求項１４に記載の膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【請求項１７】
前記触媒層の前記縁部構成の第１の配置基準と、前記開口部の前記縁部構成の第１の配置基準とを位置合わせするステップをさらに含む、請求項１４に記載の膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【請求項１８】
前記サブガスケット部材の周辺部に開口部を画定する範囲を形成するステップをさらに含む、請求項１４に記載の膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【請求項１９】
前記触媒被覆膜部材は、前記サブガスケット部材の周辺部構成に比べてより小さい周辺部構成を有する、請求項１４に記載の膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【請求項２０】
前記接着層は前記サブガスケット部材の前記開口部に隣接して配置される、請求項１４に記載の膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【請求項２１】
サブガスケット部材を提供するステップと、
前記サブガスケット部材の表面に感圧接着層を提供するステップと、
前記サブガスケット部材を所望の構成に形成するステップであって、開口部を画定する範囲が前記サブガスケット部材の前記表面の中央範囲に形成される、ステップと、
前記サブガスケット部材を真空の力により第１のプラテン部材に固定するステップであって、前記接着層は前記第１のプラテン部材から離間され、対向する、ステップと、
触媒被覆イオノマー膜部材を提供するステップであって、触媒層が前記イオノマー膜部材の中央範囲に設けられ、前記触媒層は前記開口部の縁部構成と実質的に同一である縁部構成を含む、ステップと、
前記触媒被覆イオノマー膜部材を真空の力により第２のプラテン部材に固定するステップであって、前記触媒層は前記第２のプラテン部材から離間され、対向する、ステップと、
前記触媒層の前記縁部構成の第１の配置基準と、前記開口部の前記縁部構成の第１の配置基準とを位置決めするステップと、
前記接着層は前記触媒被覆イオノマー膜部材の前記イオノマー膜部材と接触するように前記第１および第２のプラテン部材を操作するステップであって、前記触媒層は前記接着層または前記サブガスケット部材の一部分を重ね合わせるように働く、ステップと、
を含む膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【請求項２２】
前記膜部材はイオノマー材料から構成される、請求項２１に記載の膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【請求項２３】
前記サブガスケット部材の周辺部分に開口部を画定する範囲を形成するステップをさらに含む、請求項２１に記載の膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【請求項２４】
前記触媒被覆膜部材は前記サブガスケット部材の周辺部構成に比べてより小さい周辺部構成を有する、請求項２１に記載の膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【請求項２５】
前記接着層は前記サブガスケット部材の前記開口部に隣接して配置される、請求項２１に記載の膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、燃料電池に関し、より詳細には、強化された耐久性を示す膜電極アセンブリを構成するための新規の、および改良された方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、多くの用途に動力源として使用されている。例えば、燃料電池は、内燃機関を交換するために電気自動車動力施設での使用について提案されている。プロトン交換膜（ＰＥＭ）型の燃料電池では、水素が燃料電池のアノードに供給され、酸素がカソードに酸化剤として供給される。ＰＥＭ燃料電池は、アノード触媒を一方の表面に、およびカソード触媒を反対の表面に有する薄い、プロトン透過性の、非導電性固体高分子電解質膜を備える膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含む。ＭＥＡは、（１）アノードおよびカソードに対して集電板として働き、（２）アノードおよびカソードの触媒それぞれの表面の上に燃料電池の気体反応物を分配するためにその中に適切な開口部を含み、（３）生産水の蒸気または液体水を電極から流れ場チャネルに移動し、（４）熱遮断については熱伝導性であり、（５）機械的強度を有する、気体拡散媒体の構成要素として称されることもある１組の導電性素子の間に挟まれている。燃料電池という用語を使用して、通常、文脈に応じて、単一のセル、または複数のセル（例えばスタック）を称する。複数の個別セルは、一般に、束になって燃料電池スタックを形成し、一般に、連続して配列される。スタックの中の各セルは先に説明したＭＥＡを含み、この種の各ＭＥＡはその電圧増加をもたらす。
【０００３】
ＰＥＭ燃料電池では、水素（Ｈ２）はアノード反応物（すなわち、燃料）であり、酸素はカソード反応物（すなわち、酸化剤）である。酸素は純粋な形（Ｏ２）、または空気（Ｏ２とＮ２との混合物）であることが可能である。固体高分子電解質は、通常、ペルフルオロ化スルホン酸などのイオン交換樹脂から形成される。アノード／カソードは、通常、微粉砕の触媒粒子を含み、その粒子は、炭素粒子上で支持され、プロトン伝導性樹脂と混合されることが多い。触媒粒子は、通常、コスト的に高い金属粒子である。これらの膜電極アセンブリは、相対的に高い費用が製造にかかり、効率的な動作には、適切な水管理および加湿と、一酸化炭素（ＣＯ）など、触媒の汚染成分の制御とを含む特定の条件が必要である。
【０００４】
ＰＥＭおよび他の関連タイプの燃料電池システムに関連する技術の例は、同一出願人による、Ｗｉｔｈｅｒｓｐｏｏｎらへの米国特許第３，９８５，５７８号、Ｓｗａｔｈｉｒａｊａｎらへの第５，２７２，０１７号、Ｌｉらへの第５，６２４，７６９号、Ｎｅｕｔｚｌｅｒへの第５，７７６，６２４号、ＤｉＰｉｅｒｎｏ  Ｂｏｓｃｏらへの第６，１０３，４０９号、Ｓｗａｔｈｉｒａｊａｎらへの第６，２７７，５１３号、Ｗｏｏｄｓ，ＩＩＩらへの第６，３５０，５３９号、Ｆｒｏｎｋらへの第６，３７２，３７６号、Ｍａｔｈｉａｓらへの第６，３７６，１１１号、Ｖｙａｓらへの第６，５２１，３８１号、Ｓｏｍｐａｌｌｉらへの第６，５２４，７３６号、Ｓｅｎｎｅｒへの第６，５２８，１９１号、Ｆｌｙらへの第６，５６６，００４号、Ｆｏｒｔｅらへの第６，６３０，２６０号、Ｆｌｙらへの第６，６６３，９９４号、Ｓｅｎｎｅｒへの第６，７４０，４３３号、Ｎｅｌｓｏｎらへの第６，７７７，１２０号、Ｂｒａｄｙらへの第６，７９３，５４４号、Ｒａｐａｐｏｒｔらへの第６，７９４，０６８号、Ｂｌｕｎｋらへの第６，８１１，９１８号、Ｍａｔｈｉａｓらへの第６，８２４，９０９号、Ｓｅｎｎｅｒらへの米国特許出願公開第２００４／０２２９０８７号、Ｏ’Ｈａｒａへの第２００５／００２６０１２号、Ｏ’Ｈａｒａらへの第２００５／００２６０１８号、およびＯ’Ｈａｒａらへの第２００５／００２６５２３号を参照すると見出すことが可能であり、それらすべての全明細書は、参照により本明細書に明示的に組み込まれる。
【０００５】
燃料電池のサブガスケットは、以下の機能について使用可能である。（１）イオノマー膜は、温度および相対湿度により寸法が大幅に変化する軟質材料であるので、サブガスケットはその膜の領域をシーリングするために硬い、寸法安定性のある材料（例えば、ＰＥＴまたはＰＥＮ）を備え、（２）イオノマー膜は軟質であるので、サブガスケットを使用することにより、膜に損傷を与えることなしに、シール負荷を高めることが可能になり、（３）ＰＥＭ燃料電池の種々の構成要素の縁部は、膜上に局部応力の集中をもたらす可能性があり（例えば、サブガスケットを使用することにより、これらの縁部の早期膜不良を防ぐことが可能であり）、（４）サブガスケット縁部の配置を使用して、触媒縁部における活動を制御することが可能である（例えば、サブガスケットが不透過性である場合には、反応物が触媒に及ぶことを回避することが可能であり、したがって、サブガスケット縁部は触媒の効率的な活動縁部を制御することが可能である）。ＭＥＡの寿命の大幅な改良は、サブガスケットを使用して触媒縁部を人工的に制御することによって行われている。
【０００６】
しかし、サブガスケットをイオノマー膜に付着させる従来の方法では、十分に満足が得られない。様々な試みが、この問題を克服するためになされている。例えば、いくつかのメーカは、熱圧縮を使用して、サブガスケットをイオノマー膜に付着させている。その技術に必要な熱および圧力に加えて、さらなる欠点は、触媒層がサブガスケットの後に追加されることである。これは、サブガスケットが触媒層の上に付着されることを阻む。サブガスケットは、この方法では、触媒の下に付着可能であるが、これにより、サブガスケット縁部での触媒の亀裂および剥離へとつながることが多くなる。この亀裂は、結果的に、サブガスケット縁部での不明瞭な触媒縁部をもたらす。アノードおよびカソードの触媒縁部をオフセットするために、この方法には、亀裂により生じる触媒縁部の不明確さを明らかにするための追加スペースが必要である。加えて、この方法は、触媒およびサブガスケット縁部の間に、露出したイオノマー膜の隙間を残す可能性がある。
【０００７】
他の試みでは、サブガスケットが膜の上部に配置される手法を使用する。その場合、この３層構造は、２つの触媒被覆拡散媒体の間に挟まれる。アセンブリ全体が、その場合に、イオノマーのガラス転移点を超えて熱圧縮されて、ＭＥＡを形成する。この手法は、触媒縁部を制御するという点ではかなり着実であるが、いくつかの欠点をはらむ。第１に、接合するために必要な熱および圧縮により、イオノマー膜が、流れてしまう可能性があり、その膜はサブガスケットの下で薄くなることへとつながる可能性がある。第２に、熱／冷却サイクルは、部分的に熱応力を含む可能性がある。その場合に、不具合がサブガスケット縁部で生じる可能性がある。第３に、気体拡散媒体（ＧＤＭ）を含むＭＥＡ全体が、一熱圧縮工程においてアセンブルされるので、その場合、触媒縁部の位置を調べることは非常に困難である。
【特許文献１】米国特許第３，９８５，５７８号
【特許文献２】米国特許第第５，２７２，０１７号
【特許文献３】米国特許第第５，６２４，７６９号
【特許文献４】米国特許第第５，７７６，６２４号
【特許文献５】米国特許第第６，１０３，４０９号
【特許文献６】米国特許第第６，２７７，５１３号
【特許文献７】米国特許第第６，３５０，５３９号
【特許文献８】米国特許第第６，３７２，３７６号
【特許文献９】米国特許第第６，３７６，１１１号
【特許文献１０】米国特許第第６，５２１，３８１号
【特許文献１１】米国特許第第６，５２４，７３６号
【特許文献１２】米国特許第第６，５２８，１９１号
【特許文献１３】米国特許第第６，５６６，００４号
【特許文献１４】米国特許第第６，６３０，２６０号
【特許文献１５】米国特許第第６，６６３，９９４号
【特許文献１６】米国特許第第６，７４０，４３３号
【特許文献１７】米国特許第第６，７７７，１２０号
【特許文献１８】米国特許第第６，７９３，５４４号
【特許文献１９】米国特許第第６，７９４，０６８号
【特許文献２０】米国特許第第６，８１１，９１８号
【特許文献２１】米国特許第第６，８２４，９０９号
【特許文献２２】米国特許出願公開第２００４／０２２９０８７号
【特許文献２３】米国特許出願公開第２００４第２００５／００２６０１２号
【特許文献２４】米国特許出願公開第２００４第２００５／００２６０１８号
【特許文献２５】米国特許出願公開第２００４第２００５／００２６５２３号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
したがって、サブガスケットをイオノマー膜に付着させる新しい、改良された方法の必要性があり、その方法は、イオノマー膜の寿命を延長するために必要な機能性を提供するように、およびアセンブリ処理中のイオノマー膜への損傷を回避するように、燃料電池の他の構成要素の縁部に対してサブガスケットを正確に配置することを可能にする。
【０００９】
第１の実施形態により、膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成する方法が、（１）サブガスケット部材を提供するステップと、（２）サブガスケット部材の表面に接着層を提供するステップと、（３）サブガスケット部材を所望の構成に形成し、開口部を画定する範囲がサブガスケット部材の表面の中央範囲に形成される、ステップと、（４）サブガスケット部材を第１のプラテン部材に固定するステップと、（５）触媒被覆膜部材を備え、触媒層が膜部材の中央範囲に設けられ、その触媒層が開口部の縁部構成と実質的に同一である縁部構成を含む、ステップと、（６）触媒被覆膜部材を第２のプラテン部材に固定するステップと、（７）接着層が触媒被覆膜部材の膜部材と接触するように、第１および第２のプラテン部材を操作するステップとを含むことを可能にする。
【００１０】
第１の代替の実施形態により、膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成する方法が、（１）サブガスケット部材を提供するステップと、（２）サブガスケット部材の表面に接着層を提供するステップと、（３）サブガスケット部材を所望の構成に形成し、開口部を画定する範囲がサブガスケット部材の表面の中央範囲に形成される、ステップと、（４）サブガスケット部材を真空の力により第１のプラテン部材に固定し、接着層は第１のプラテン部材から離間され、対向する、ステップと、（５）触媒被覆膜部材を備え、触媒層が膜部材の中央範囲に設けられ、その触媒層は開口部の縁部構成と実質的に同一である縁部構成を含む、ステップと、（６）触媒被覆膜部材を真空の力により第２のプラテン部材に固定し、触媒層は第２のプラテン部材から離間され、対向する、ステップと、（７）接着層は触媒被覆膜部材の膜部材と接触するように、第１および第２のプラテン部材を操作し、触媒層は接着層またはサブガスケット部材の接着層の一部分を重ね合わせるように働く、ステップとを含むことを可能にする。
【００１１】
第２の代替の実施形態により、膜電極アセンブリ／サブガスケットアセンブリを構成する方法が、（１）サブガスケット部材を提供するステップと、（２）サブガスケット部材の表面に感圧接着層を提供するステップと、（３）サブガスケット部材を所望の構成に形成し、開口部を画定する範囲がサブガスケット部材の表面の中央範囲に形成される、ステップと、（４）サブガスケット部材を真空の力により第１のプラテン部材に固定し、接着層が第１のプラテン部材から離間され、対向する、ステップと、（５）触媒被覆イオノマー膜部材を備え、触媒層がイオノマー膜部材の中央範囲に設けられ、触媒層は開口部の縁部構成と実施的に同一である縁部構成を含む、ステップと、（６）触媒被覆イオノマー膜部材を真空の力により第２のプラテン部材に固定し、触媒層は第２のプラテン部材から離間され、対向する、ステップと、（７）触媒層の縁部構成の第１の配置基準と、開口部の縁部構成の第１の配置基準とを位置合わせするステップと、（８）接着層が触媒被覆イオノマー膜部材のイオノマー膜部材と接触するように、第１および第２のプラテン部材を操作し、触媒層は接着層またはサブガスケット部材の一部分を重ね合わせるように働く、ステップとを含むことを可能にする。
【００１２】
本発明のさらなる適用範囲は、以下に提供される詳細な説明により明らかになるであろう。詳細な説明および特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示しているが、例示の目的にのみ意図されており、本発明の範囲を限定することを意図していない。
【００１３】
本発明は、詳細な説明および添付の図面により、より完全に理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
好ましい実施形態（複数可）の以下の説明は、本質的に単に例示的に過ぎず、本発明、その用途または使用法を限定することを全く意図していない。
典型的なＰＥＭ燃料電池１０は、例えば図１に示すように、それぞれが離間され、対向する１組の双極プレート１２と１４、それぞれが離間され、対向する１組のシール材１６と１８、それぞれが離間され、対向する２つの気体拡散媒体層２０と２２、それぞれが離間され、対向する２つの触媒層２４と２６、イオノマー膜２８、および選択的にそれぞれいくつかのタイプのサブガスケット材料３０と３２と３４と３６から構成される。上述のように、サブガスケットは選択的であり、イオノマー膜２８の一方の側、または両方の側上に表示されることが可能である。イオノマー膜２８縁部、および触媒層２４と２６それぞれの縁部に対するサブガスケットの配置はまた、サブガスケットの機能に応じて可変である。
【００１５】
本発明は、一次的には、サブガスケットをイオノマー膜に付着させるための方法に関する。これらの方法により、他の構成要素縁部に対するサブガスケットの正確な配置が、膜寿命を延長するために必要な機能性を創出することを可能にする。加えて、このアセンブリ方法は、膜に損傷を与える可能性をはらんだ業界では一般的なやり方である処理方法を排除する。
【００１６】
ＭＥＡは、異なる形態でいくつかの企業から入手可能である。それらは、触媒被覆膜（ＣＣＭ）、サブガスケットを備えたＣＣＭ、および触媒被覆拡散媒体（ＣＣＤＭ）から形成されるＭＥＡ積層の形態で購入可能である。これらすべての場合において、メーカはサブガスケットの配置機会において制限され、縁部保護のための配置の重要性を理解しないことが多い。本発明により、正確に配置されたサブガスケットを備えた標準的ＭＥＡ構成の変更が、部品の寿命を延長させることを可能にする。
【００１７】
本発明は、カソード触媒縁部に対するアノード触媒縁部の相対位置を制御することにより、触媒縁部でイオノマー膜の化学分解が十分に抑えられることを可能にすることを提案する。縁部不良は、通常、よく駆動しているＰＥＭ燃料電池に見られる第１の不良点である。縁部不良を軽減し、または排除することにより、ＭＥＡ寿命全体において３００％までの改善が達成可能になる。これらの触媒縁部を互いに対して制御するためには、いくつかの方法があるが、本発明は、一次的に、触媒層縁部の一方または双方の上に不透過性のサブガスケットを正確に配置することに取り組む。
【００１８】
非限定的な例として、サブガスケットは、ＣＣＤＭ−ＭＥＡ構成の場合のように、触媒の下の膜に付着可能であり、またはサブガスケットは、ＣＣＭ−ＭＥＡ構成の場合における触媒の上に延在する膜にも付着可能である。いずれの場合でも、触媒層縁部に対するサブガスケット縁部の配置を制御することが重大である。サブガスケットを配置する能力におけるいずれの変動も、縁部が設計制約に対して適切に制御されることを確実にするための、サブガスケット／触媒の重なり部分の範囲の拡大へとつながることになる。ＰＥＭ燃料電池における最も一般的な触媒は白金であるので、非活動触媒の範囲を縮小することは、コストの点から非常に重要である。加えて、サブガスケットの配置における公差の増加は、非活動範囲がサブガスケットの重なり部分の拡大により大きくなるにつれて、燃料電池の出力密度にマイナスの影響を与えることになる。
【００１９】
本発明の概括的な教示により、サブガスケットをＭＥＡに接合させるために、（１）熱硬化性接着剤を使用して、サブガスケットをイオノマーおよび触媒に熱溶解する、（２）室温感圧接着剤（ＰＳＡ）を使用する、および（３）燃料スタック形成時には、セルの中にサブガスケットを無造作に置く、という複数の異なる方法がある。この場合、サブガスケットは、接着剤を使用して膜および／または触媒層に接合されるのではなく、ＧＤＭによって生成される圧縮力およびサブガスケットへのシール界面から所定の位置に保持される。
【００２０】
第１の方法はいくつかの利点を有し、サブガスケットを使用するほとんどのＭＥＡメーカによる業界標準である。イオノマー膜およびサブガスケットの間の接合は強固であり、不良率を非常に低くできることが多い。しかし、この方法はまた、重大な欠点もはらんでいる。このタイプの接合は、イオノマー膜を加熱することが必要であり、材料のガラス転移点を超えることが多い。これは、高圧力範囲からイオノマー膜が流れることへとつながる可能性があり、結果的に、サブガスケットの下での膜の菲薄化をもたらす。加えて、この処理により必要な熱付加によって、イオノマー膜は、熱／冷却サイクル中に形状を変えることが生じる。サブガスケットは熱膜に接合されると、所定の位置に堅く保持される。ＭＥＡが冷却される場合には、応力は部品へと取り込まれる。この菲薄化および増大する応力の双方は、早期膜不良へとつながる可能性がある。
【００２１】
第２のアセンブリ方法は、室温処理の利点を有する。さらには、適切な接着剤により、サブガスケットおよび膜に与えられる最小限の圧力での優れた接合を達成することが可能になる。室温ＰＳＡを使用することに対する欠点は、部品が互いに接触状態へとなった場合には、膜配置に対するサブガスケットは正確でなくてはならないことである。加えて、部品は、しわを回避するために平坦である必要があり、いずれのずれも修正不可能であろう。
【００２２】
第３のアセンブリ方法は、第１のアセンブリ方法と関連した膜の菲薄化および熱応力を回避することが可能である。加えて、それは、第２のアセンブリ方法で必要とされる正確な据付けは必要ではない。しかし、この方法は、量が多い際には実用的ではなく、単調な処理である。それは、各ＭＥＡが形成時にアセンブルされることを必要とする。第１または第２のアセンブリ方法を支持するために必要な追加の据付けは、アセンブリ時間全体を縮小し、より良い制御を確実にするであろう。
【００２３】
本発明は、第２のアセンブリ方法を使用することに焦点を絞っているが、位置合わせの据付けは、必要に応じて、正確な位置合わせと共に熱圧縮に適合するように変更される。
本発明は、ＣＣＭで始まるサブガスケットされるＭＥＡのアセンブリに一次的に焦点を絞ることにする。しかし、アセンブリ処理および据付けからの同一の利益は、わずかな変更によってＣＣＤＭ−ＭＥＡに適用可能である。
【００２４】
本発明の一態様により、アセンブリ処理の第１の工程は、所望のサブガスケット材料のロール１本を調達することにより開始することが可能である。材料は、反応物に対して不透過性でなくてはならず、燃料電池の環境（例えば、典型的にはＰＥＮまたはＰＥＴ）によって劣化してはならない。材料は、支持層を有する一方の側にＰＳＡを含むことが好ましい。サブガスケット材料のロールがＰＳＡを含んでいない場合には、それはアセンブリの前に転写テープにより被覆されなくてはならない。加えて、ＰＳＡはシルクスクリーン処理などによって適用されることが可能であろう。
【００２５】
許容可能なＰＳＡは、シリコンベースまたはアクリル系であることが可能であり、アクリル系が好ましい。選択された接着剤は、燃料電池の環境によって劣化してはならず、ＭＥＡの活動範囲へと浸出する可能性のある汚染物質を含んではならない。また、接着剤は、可能な限り薄いことが好ましい。例えば、より薄い接着剤は、ＭＥＡの活動範囲へは流れにくい。加えて、より薄い接着剤は、それが燃料電池スタックにおいてアセンブルされる場合に、ＭＥＡ上の圧縮に関連するいずれの応力も抑えることになる。
【００２６】
また、好ましくは、より薄いサブガスケットである。接着剤と同様に、より薄いサブガスケットは、典型的には、燃料電池スタックにおいて圧縮される場合には、応力の集中を制限する。より薄いサブガスケットはまた、アセンブリ処理において切り取ることをより容易にする。しかし、より薄いサブガスケットは、部品のハンドリングおよびアセンブリをより困難にする。
【００２７】
次の工程は、所望のサブガスケットのフットプリントを母材料のロールから型抜きすることである。同時に、この型は、図２に示すように、ＭＥＡの活動範囲を画定することになるサブガスケット内のウィンドウを切り取らなくてはならない。ＰＳＡは、その中のウィンドウが切り取られる前ではなく、その後に、サブガスケットに適用可能になることを理解されたい。例えば、ウィンドウがサブガスケットから切り取られた後に、ＰＳＡは、シルクスクリーンなどを含むが、それなどに限定されない任意の数の技術によって、ウィンドウに隣接した範囲（例えばウィンドウの周辺部、例えばウィンドウの周辺部約０．３１７５ｃｍ（１／８インチ）の縁）内のサブガスケットに適用可能になる。
【００２８】
次の工程は、外側の触媒縁部を基準として使用して、ＣＣＭをアセンブリプラテンと位置合わせすることである。例えば、メーカは、活動範囲のウィンドウを位置合わせ機構として使用して、サブガスケットの部品を他のアセンブリプラテン上に位置合わせすることが可能であろう。サブガスケットの部品は、プラテンとは反対のＰＳＡの側を有することになる。ＬＥＤまたは類似の光源を使用して、プラテン上に活動範囲のウィンドウおよび触媒の縁部を配置することが可能である。プラテンは真空の力を使用して、平坦であり、硬い部品を保持することが可能である。ここで、支持紙がサブガスケット部品から取り除かれ、したがってＰＳＡを露出する。ＣＣＭプラテンおよびサブガスケットプラテンは、その場合に、位置合わせ機構を使用することになり、それにより、それらは互いに適切に位置合わせされる。この位置合わせは、少なくとも部分的に、所望のＭＥＡ縁部構造により決定されることになる。この時点で、サブガスケットは、ＣＣＭに穏やかに押圧され、したがって、図３に示すように、正確に位置合わせされた触媒およびサブガスケットの縁部を有するサブガスケットされたＭＥＡを創出する。
【００２９】
本発明の他の態様により、ＣＣＭは、サブガスケットに比べて幾分小さいように構成可能であり、例えばサブガスケット内に形成されたウィンドウよりはわずかに大きなサイズを有する。このような仕方で、ＣＣＭを形成する材料は節約可能になり、したがって製造費用が抑えられる。この場合には、ガスケット上に配置されたＰＳＡは、より小さいＣＣＭ層の外周部（例えば、０．３１７５ｃｍ（１／８インチ）の周辺部分）はＰＳＡとは接触するが、図３ａに示すように、サブガスケット層の外周の方向にはＰＳＡ層を越えてそれほど延在しないように、ウィンドウの周辺部辺りに配置されなくてはならない。
【００３０】
片面サブガスケットアセンブリにより、ＰＳＡは、サブガスケットがプラテンまたは他の望ましくない表面に粘着しないように、ウィンドウの周辺部に適用される必要があることを理解されたい。加えて、両面サブガスケットアセンブリでは、ＰＳＡがウィンドウの周辺部に一方の側上に適用されることが必要であるが、２つのサブガスケットが互いに接合することが可能になるように、サブガスケットの他の側に大量に適用可能であることを理解されたい。
【００３１】
この時点では、アセンブルされたＭＥＡは、真空によって一方のプラテンに付着されたままであり、他方のプラテンは取り除かれる。真空は、触媒範囲に対して元の位置にＭＥＡを保持しているので、基準は設定されて以来、維持されている。これは、燃料電池スタック用途に適合させるために、ＭＥＡをトリムする場合に重要である。燃料電池スタックをアセンブルする場合に、位置合わせ機構について触媒またはサブガスケットの縁部を使用することは、実用的ではない。したがって、追加の配置機構が、双極プレート機構によりそれを適切に位置合わせするためにＭＥＡを切り取ることが多い。本発明のこのアセンブリ方法は、基準構造を変えることにより生じる追加公差を最小限にすることを可能にする。
【００３２】
ＭＥＡを所定の場所に保持する間、ポートおよび外部配置機構は、部品へと切り取られる。処理の開始から終了まで一次的基準として触媒を保持することにより、最小公差は、図４に示すように、触媒縁部からサブガスケット縁部まで、および触媒縁部からすべての他の燃料電池の界面まで達成可能である。
【００３３】
図５を参照すると、上に論じたように、本発明のアセンブリ方法の一次的処理段階を概説する流れ図が示されている。
本発明のいくつかの利点は、（１）燃料電池スタックのアセンブリを容易にし、例えば、サブガスケットは、より容易に部品をハンドリングすることを可能にし、サブガスケットの基準は、主要な双極プレート機構により主要なＭＥＡ機構を正確に配置することを可能にし（例えば、正確な位置合わせは、触媒を基準として設定し、全体を通してＭＥＡ／サブガスケットのアセンブリ処理を保持することにより達成され）、（２）ＭＥＡの耐久性を高め、例えば、触媒被覆膜上の所望の点にサブガスケットを正確に位置合わせする（またはＣＣＤＭ−ＭＥＡ上に活動範囲を設定する）ことが可能であることにより、触媒縁部不良を制御することを可能にし、室温ＰＳＡを使用することにより、イオノマー膜を薄くすることなしにＭＥＡへのサブガスケットのアセンブリを可能にし、室温ＰＳＡを使用することにより、イオノマー膜への熱応力を取り込むことなしにＭＥＡへのサブガスケットのアセンブリを可能にし、薄いサブガスケットおよび接着剤は、サブガスケット縁部における圧縮に関連した応力を抑え、ＧＤＭ縁部内側の場合には、サブガスケットを追加することにより、ＧＤＭの繊維がＧＤＭ縁部においてイオノマー膜を穿刺することが回避され、（３）燃料電池の出力密度を高め、例えばサブガスケット縁部を正確に配置することにより、部品設計者は、所望の各位置にＧＤＭ、触媒およびサブガスケット縁部を配置するために必要とされる専有面積を削減することが可能になり、したがって、結果的に、より小さい部品になり、（４）ＭＥＡの費用を削減し、例えば、サブガスケット縁部を正確に配置することにより、より小さい部品を可能にする（例えば、原材料はＭＥＡの総費用において非常に大きな要素であり、所要の材料を抑えることにより、純費用が削減される）ことを含んでよいが、それらに限定されない。
【００３４】
本発明は、本明細書に説明したように、離散プラテンアセンブリ方法を含むが、それに限定されない任意の数の方法においてアセンブル可能であることを理解されたい。高度なロールツーロールのアセンブリ処理も使用可能であることが想定される。
【００３５】
本発明の説明は、本質的に単に例示的であるに過ぎず、本発明の要旨から逸脱しない変形は、本発明の範囲内にあると意図される。この種の変形は、本発明の精神および範囲からの逸脱とみなされるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来技術による従来のＰＥＭ燃料電池の分解図である。
【図２】本発明の第１の実施形態により作成された活動範囲ウィンドウによるサブガスケット部材の概略図である。
【図３】本発明の第１の代替実施形態により、トリムされていないＭＥＡ部材を形成するための処理工程の概略図である。
【図４】本発明の第２の代替実施形態により、完成したＭＥＡ部材を形成するための処理工程の概略図である。
【図５】本発明の第３の代替実施形態により、完成したＭＥＡ部材を形成するための処理の一次的処理工程の流れ図である。
【符号の説明】
【００３７】
３０  ガスケット材料
３２  ガスケット材料
３４  ガスケット材料
３６  ガスケット材料
【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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【外国語明細書】
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