(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
停滞流れの領域を有する導電性部材と、
前記導電性部材に隣接する拡散媒体層と、
隔膜層と、
前記隔膜層に隣接し、前記拡散媒体層に隣接し、前記停滞流れの領域から離して配置された少なくとも１つの触媒層と、
前記隔膜層に隣接し、前記拡散媒体層に隣接し、前記停滞流れの領域に直接接触していないが前記停滞流れの領域の近傍にある少なくとも１つのサブガスケット層であって、前記少なくとも１つの触媒層および少なくとも１つのサブガスケット層が互いに離して配置される少なくとも１つのサブガスケット層と
を備える燃料電池であって、
前記導電性部材がバイポーラプレートであり、
前記停滞流れの領域が、反応体ガスの流れがない領域であり、前記拡散媒体層と前記バイポーラプレート上に形成されるくぼみ区域、バイポーラプレート上に形成され膜電極組立体の周辺にある広いランド及びそれらの組合せからなる群から選択された領域との間に形成され、
前記広いランドが易流動性チャネルに隣接して形成された平坦な区域であり、前記易流動性チャネルでは燃料電池作動中に反応体ガスの連続的な流れがあり、前記易流動性チャネルが前記拡散媒体層と前記バイポーラプレートとの間に形成されている
燃料電池。
【請求項２】
前記導電性部材が金属材料で構成される、請求項１に記載の発明。
【請求項３】
前記導電性部材がステンレス鋼で構成される、請求項１に記載の発明。
【請求項４】
前記サブガスケット層が非導電性材料で構成される、請求項１に記載の発明。
【請求項５】
前記サブガスケット層がプロトン非導電性材料で構成される、請求項１に記載の発明。
【請求項６】
前記サブガスケット層が２５℃／１００％ＲＨで１．３６×１０−２ｃｃ−ｃｍ／（１００  ｃｍ２−２４ｈｒ−ｋＰａ）よりも低い酸素透過率を有する材料で構成される、請求項１に記載の発明。
【請求項７】
前記サブガスケット層が８０℃、２７０ｋＰａ、１００％ＲＨで１．５×１０−８ｍｌ（ＳＴＰ）−ｃｍ厚／（ｓ−ｃｍ２−ｃｍＨｇ）よりも低い水素透過率を有する材料で構成される、請求項１に記載の発明。
【請求項８】
前記サブガスケット層が高分子材料、非腐食性金属材料、およびそれらの組合せからなる群から選択された材料で構成される、請求項１に記載の発明。
【請求項９】
１対の触媒層をさらに備える、請求項１に記載の発明。
【請求項１０】
１対のサブガスケット層をさらに備える、請求項１に記載の発明。
【請求項１１】
前記拡散媒体層と、前記触媒層および前記サブガスケット層のうちの少なくとも１つとの間に配置される微孔質層をさらに含む、請求項１に記載の発明。
【請求項１２】
前記導電性部材が前記隔膜層に接触しない、請求項１に記載の発明。
【請求項１３】
停滞流れの領域を有する導電性部材と、
前記導電性部材に隣接する拡散媒体層と、
隔膜層と、
前記隔膜層の近くに配置される１対の触媒層であって、触媒層のうちの１つが前記拡散媒体層に隣接し、前記停滞流れの領域から離して配置される１対の触媒層と、
前記隔膜層の近くに配置される１対のサブガスケット層であって、サブガスケット層の
うちの１つが前記拡散媒体層に隣接し、１対のサブガスケット層が前記停滞流れの領域に直接接触していないが前記停滞流れの領域の近傍にあり、前記１対の触媒層および１対のサブガスケット層が互いに離して配置される１対のサブガスケット層と
を備える燃料電池であって、
前記導電性部材がバイポーラプレートであり、
前記停滞流れの領域が、反応体ガスの流れがない領域であり、前記拡散媒体層と前記バイポーラプレート上に形成されるくぼみ区域、バイポーラプレート上に形成され膜電極組立体の周辺にある広いランド及びそれらの組合せからなる群から選択された領域との間に形成され、
前記広いランドが易流動性チャネルに隣接して形成された平坦な区域であり、前記易流動性チャネルでは燃料電池作動中に反応体ガスの連続的な流れがあり、前記易流動性チャネルが前記拡散媒体層と前記バイポーラプレートとの間に形成されている
燃料電池。
【請求項１４】
前記導電性部材が金属材料で構成される、請求項１３に記載の発明。
【請求項１５】
前記導電性部材がステンレス鋼で構成される、請求項１３に記載の発明。
【請求項１６】
前記サブガスケット層が非導電性材料で構成される、請求項１３に記載の発明。
【請求項１７】
前記サブガスケット層がプロトン非導電性材料で構成される、請求項１３に記載の発明。
【請求項１８】
前記サブガスケット層が２５℃／１００％ＲＨで１．３６×１０−２ｃｃ−ｃｍ／（１００  ｃｍ２−２４ｈｒ−ｋＰａ）よりも低い酸素透過率を有する材料で構成される、請求項１３に記載の発明。
【請求項１９】
前記サブガスケット層が８０℃、２７０ｋＰａ、１００％ＲＨで１．５×１０−８ｍｌ（ＳＴＰ）−ｃｍ厚／（ｓ−ｃｍ２−ｃｍＨｇ）よりも低い水素透過率を有する材料で構成される、請求項１３に記載の発明。
【請求項２０】
前記サブガスケット層が高分子材料、非腐食性金属材料、およびそれらの組合せからなる群から選択された材料で構成される、請求項１３に記載の発明。
【請求項２１】
前記拡散媒体層と、前記１対の触媒層および前記１対のサブガスケット層のうちの少なくとも１つとの間に配置される微孔質層をさらに含む、請求項１３に記載の発明。
【請求項２２】
前記導電性部材が前記隔膜層に接触しない、請求項１３に記載の発明。
【請求項２３】
内部に形成された少なくとも第１および第２の易流動性チャネルならびに前記第２の易流動性チャネルの近くに形成された第１および第２のランド区域を有する導電性部材と、ここで、第１の易流動性チャネル、第１のランド区域、第２の易流動性チャネルおよび第２のランド区域はこの順番で配置される、
前記導電性部材に隣接する拡散媒体層であって、一部が前記第２のランド区域に重なる拡散媒体層と、
隔膜層と、
前記隔膜層に隣接し、前記拡散媒体層に隣接し、前記第２のランド区域から離して配置される少なくとも１つの触媒層と、
前記隔膜層に隣接し、前記第２のランド区域の近傍で前記拡散媒体層に隣接し、少なくとも部分的に重なる少なくとも１つのサブガスケット層であって、前記少なくとも１つの触媒層および少なくとも１つのサブガスケット層が互いに離して配置される少なくとも１つのサブガスケット層と
を備える燃料電池であって、
前記導電性部材がバイポーラプレートであり、
前記ランド区域はバイポーラプレート上に形成され膜電極組立体の周辺にあり、
前記ランド区域は前記易流動性チャネルに隣接して形成された平坦な区域であり、前記易流動性チャネルでは燃料電池作動中に反応体ガスの連続的な流れがあり、前記易流動性チャネルが前記拡散媒体層と前記バイポーラプレートとの間に形成されている
燃料電池。
【請求項２４】
前記導電性部材が金属材料で構成される、請求項２３に記載の発明。
【請求項２５】
前記導電性部材がステンレス鋼で構成される、請求項２３に記載の発明。
【請求項２６】
前記サブガスケット層が非導電性材料で構成される、請求項２３に記載の発明。
【請求項２７】
前記サブガスケット層がプロトン非導電性材料で構成される、請求項２３に記載の発明。
【請求項２８】
前記サブガスケット層が２５℃／１００％ＲＨで１．３６×１０−２ｃｃ−ｃｍ／（１００  ｃｍ２−２４ｈｒ−ｋＰａ）よりも低い酸素透過率を有する材料で構成される、請求項２３に記載の発明。
【請求項２９】
前記サブガスケット層が８０℃、２７０ｋＰａ、１００％ＲＨで１．５×１０−８ｍｌ（ＳＴＰ）−ｃｍ厚／（ｓ−ｃｍ２−ｃｍＨｇ）よりも低い水素透過率を有する材料で構成される、請求項２３に記載の発明。
【請求項３０】
前記サブガスケット層が高分子材料、非腐食性金属材料、およびそれらの組合せからなる群から選択された材料で構成される、請求項２３に記載の発明。
【請求項３１】
１対の触媒層をさらに備える、請求項２３に記載の発明。
【請求項３２】
１対のサブガスケット層をさらに備える、請求項２３に記載の発明。
【請求項３３】
前記拡散媒体層と、前記触媒層および前記サブガスケット層のうちの少なくとも１つとの間に配置される微孔質層をさらに含む、請求項２３に記載の発明。
【請求項３４】
前記導電性部材が前記隔膜層に接触しない、請求項２３に記載の発明。
【請求項３５】
前記第１または第２のランド区域の幅が前記第２の易流動性チャネルの幅よりも小さい、請求項２３に記載の発明。
【請求項３６】
前記第１または第２のランド区域の幅が前記第２の易流動性チャネルの幅の半分を超えない、請求項２３に記載の発明。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に燃料電池システムに関し、より詳細には、燃料電池システムの新規で改善された膜電極組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は多くの用途で電源として使用されてきた。例えば、燃料電池は内燃機関を置き替えるための電気車両発電装置用に提案された。ＰＥＭタイプの燃料電池では、水素が燃料電池のアノードに供給され、酸素が酸化剤としてカソードに供給される。ＰＥＭ燃料電池は、薄く、プロトン透過性で、非導電性の固体高分子電解質隔膜を備える膜電極組立体（ＭＥＡ）を含み、その固体高分子電解質隔膜は表面のうちの１つの上にアノード触媒を、および反対の表面上にカソード触媒を有する。ＭＥＡは１対の導電性要素の間にはさまれ、導電性要素はしばしばガス拡散媒体構成要素といわれ、（１）アノードおよびカソード用の集電体としての働き、（２）燃料電池のガス反応物をそれぞれアノード触媒およびカソード触媒の表面に分配するために内部に適切な開口を含み、（３）電極からの生成水蒸気または液体の水を流れ場チャネルに移動させ、（４）熱廃棄のために熱伝導性であり、（５）機械的強度を有する。燃料電池という用語は、一般に、状況に応じて単一のセルまたは複数のセル（例えばスタック）のいずれかを指すために使用される。複数の個々のセルは、一般に束ねられて燃料電池スタックを形成し、一般に直列に配置される。スタック内の各セルは上述のＭＥＡを備え、そのような各ＭＥＡは電圧の増大を可能にする。
【０００３】
ＰＥＭ燃料電池では、水素（Ｈ２）はアノード反応体（すなわち燃料）であり、酸素はカソード反応体（すなわち酸化剤）である。酸素は、純粋な形態（Ｏ２）または空気（Ｏ２およびＮ２の混合物）のいずれもありうる。プロトン導電性固体高分子電解質は、一般に、ペルフルオロスルホン酸（「ＰＦＳＡ」）系アイオノマーまたは炭化水素系（非フッ素化または部分的にフッ素化の）プロトン導電性高分子（例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン（ＳＰＥＥＫ）などのイオン交換樹脂で製作される。アノード／カソード電極は、一般に、微細に分割された触媒粒子を含み、それはしばしば炭素粒子上に担持され、プロトン導電性樹脂と混合される。触媒粒子は一般に高価な貴金属粒子である。これらの膜電極組立体は、製造するのに比較的高価であり、有効な動作のために、適切な水分管理および加湿、ならびに一酸化炭素（ＣＯ）などの触媒汚染成分の制御を含むある条件を必要とする。
【０００４】
ＰＥＭおよび他の関係するタイプの燃料電池システムに関連する技術の例は、本発明の譲受人に譲渡された、Ｗｉｔｈｅｒｓｐｏｏｎ等への米国特許第３９８５５７８号、Ｓｗａｔｈｉｒａｊａｎ等への米国特許第５２７２０１７号、Ｌｉ等への米国特許第５６２４７６９号、Ｎｅｕｔｚｌｅｒへの米国特許第５７７６６２４号、Ｓｗａｔｈｉｒａｊａｎ等への米国特許第６２７７５１３号、Ｗｏｏｄｓ  ＩＩＩ等への米国特許第６３５０５３９号、Ｆｒｏｎｋ等への米国特許第６３７２３７６号、Ｖｙａｓ等への米国特許第６５２１３８１号、Ｓｏｍｐａｌｌｉ等への米国特許第６５２４７３６号、Ｆｌｙ等への米国特許第６５６６００４号、Ｆｌｙ等への米国特許第６６６３９９４号、Ｂｒａｄｙ等への米国特許第６７９３５４４号、Ｒａｐａｐｏｒｔ等への米国特許第６７９４０６８号、Ｂｌｕｎｋ等への米国特許第６８１１９１８号、Ｍａｔｈｉａｓ等への米国特許第６８２４９０９号、Ｂｈａｓｋａｒ等への米国特許第６８６１１７３号、Ｖｙａｓ等への米国特許出願第２００３／０１６５７３１号、Ｓｏｍｐａｌｌｉ等への米国特許出願第２００４／００６７４０７号、Ｖｙａｓ等への米国特許出願第２００４／００８１８８１号、Ｌｅｅ等への米国特許出願第２００４／０１１００５８号、Ｂｒａｄｙ等への米国特許出願第２００４／０１５１９５２号、Ｌｅｅ等への米国特許出願第２００４／０２０８９８９号、Ｏ’Ｈａｒａへの米国特許出願第２００５／００２６０１２号、Ｏ’Ｈａｒａ等への米国特許出願第２００５／００２６０１８号、Ｏ’Ｈａｒａ等への米国特許出願第２００５／００２６５２３号、Ｂｕｄｉｎｓｋｉへの米国特許出願第２００５／００３７２１２号、およびＧｏｅｂｅｌ等への米国特許出願第２００５／００５８８８１号、を参照して見いだすことができ、それら全ての全明細書は参照により本明細書に明白に組み込まれる。
【０００５】
直面している１つの問題は、燃料電池の機能および／または効率を潜在的に損なうことがある、ＭＥＡに含まれるかまたはＭＥＡに近接するバイポーラプレートの腐食（特に金属バイポーラプレートに対して）に関係する。例えば、酸素は、ＭＥＡのカソード側から、隔膜を通って、または隔膜保護層（「サブガスケット」と言われる）がＭＥＡの端領域に適用される場合には隔膜およびサブガスケットを通って、ＭＥＡのアノード側に透過する（「酸素透過」と言われる）。ＭＥＡのアノード側の炭素担持白金触媒（Ｐｔ／Ｃ）によって触媒されて、透過酸素は電気化学反応でプロトン導電性高分子からのプロトンと反応し、ごくわずかの過酸化水素を発生する（Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ２）。この反応は、アノード拡散媒体（「ＤＭ」）に一般に塗布される高表面積炭素被覆（しばしば微孔質層または「ＭＰＬ」と言われる）によって、また低効率であるがＤＭ基板の炭素繊維および炭素充填剤によっても触媒される（図１参照）。さらに、アノード側へのＯ２透過は、以下の反応を介してＨＦを発生することがある（Ｏ２＋Ｈ２→ＨＦ）（図１参照）。さらに、カソード側へのＨ２透過も以下の反応を介してＨＦを発生することがある（Ｏ２＋Ｈ２→ＨＦ）（図１参照）。
【０００６】
炭素担持白金触媒と比べて高表面積炭素によって触媒される場合、アノード上で電気化学的にＨ２Ｏ２に還元されるＯ２の割合がより大きいことが、水性酸での回転リングディスク実験によって見出されている（図２参照）。ＭＥＡの境界領域、すなわちガス供給用流れ場チャネルがない領域、および／またはＭＥＡが周囲シール（一般にエラストマー）と接触するようになる領域では、触媒もＭＰＬも必要ないが、ＭＥＡの設計に応じてＰｔ／Ｃおよび／またはＭＰＬがこれらの領域内に存在することがある。しかし、ほとんどのＭＥＡ設計では、電気化学プロセスに関わるＭＥＡの区域を有用な電気化学プロセスに加わらない領域と区別する、上述の境界領域にサブガスケットが組み込まれる。
【０００７】
いくつかの例では、サブガスケットは、ＭＥＡの触媒含有部分で使用されるものと同じＰＦＳＡアイオノマーで構成される。このアイオノマーは比較的高い酸素透過率を示し、よいプロトン導電体である。酸素はサブガスケットを透過した後、隔膜のアノード側で水素と接触することになる。通常は、これにより、水および微量の過酸化水素が形成されることになる。水と過酸化物の分岐比は、適切な触媒の有無および電気化学ポテンシャルによって制御される。
【０００８】
図２は、さまざまポテンシャルでの触媒の相対効果を示す。このプロットで分かるように、高表面積カーボンブラック（一般に使用されるＭＰＬの主成分）は、一般のＰＥＭ燃料電池で観察されるアノード条件下で、酸素と水素との間の反応生成物のかなりの部分を過酸化水素へと触媒する。
【０００９】
過酸化水素が、（隔膜中のおよびさらに電極中の）アイオノマーの劣化を、特に鉄などのカチオンがあるとき、促進することになることが文献に報告された（例えば、Ａ．Ｂ．ＬａＣｏｎｔｉ等、「Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ」（編集者Ｗ．Ｖｉｅｌｓｔｉｃｈ等）：Ｗｉｌｅｙ（２００３）、３（９）巻６４７頁を参照）。主なアイオノマー分解生成物はフッ化水素酸（ＨＦ）である。活性反応体ガス流が流れ場ガスチャネルを介して加えられるＭＥＡの領域では、（アノードへのＯ２透過によって形成される）Ｈ２Ｏ２および（隔膜劣化からの）ＨＦの両方の濃度は、これらの種が反応体ガス流によって連続的に除去されるので低く保たれる。一方、停滞流れ領域が存在するバイポーラプレートの区域（例えば、活性流れのない製造関連の押し跡（「くぼみ」と言われる）、流れ場チャネルがないＭＥＡ周囲に沿った領域、および／または燃料電池作動中に反応性ガスの連続的な流れが可能でないバイポーラプレートの活性区域の領域）では、Ｈ２Ｏ２およびＨＦの両方の濃度が実質的に増加し、したがって金属バイポーラプレート、多くの一般的な塗布被覆（例えば、金属酸化物、および／または金属窒化物など）、およびバイポーラプレートシール材料にとって厳しい腐食環境が形成される。
【００１０】
酸性ＨＦ溶液中のステンレス鋼の腐食がフッ化物の濃度とともに急速に増大し、同様に酸性Ｈ２Ｏ２および酸性ＨＦ／Ｈ２Ｏ２溶液中のステンレス鋼の腐食が過酸化水素の濃度とともに増大することも文献で報告された（Ｎ．Ｌａｙｃｏｃｋ等、Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ  Ｓｃｉｅｎｃｅ、３７巻、１０号、１６３７〜１６４２頁（１９９５）、Ｔ．Ｈａｙｗａｒｄ等、Ｊ．Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｆｌｕｉｄｓ、２７巻、２７５〜２８１頁（２００３）、Ｇ．Ｂｅｌｌａｎｇｅｒ、Ｊ．Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、２１０巻、６３〜７２頁（１９９４）、Ｙ．Ｋｉｍ等、ＮＤＴ＆Ｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、３６巻、５５３〜５６２（２００３）、およびＨ．Ａｎｚａｉ等、Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ  Ｓｃｉｅｎｃｅ、３６巻、７号、１２０１〜１２１１頁（１９９４）を参照）。ひとたびステンレス鋼の腐食が始まると、鉄カチオンが遊離されて、アイオノマーの劣化が加速され、したがってＨＦの濃度が増加することになる。これにより、遊離されたＨＦがステンレス鋼の腐食を加速し、したがってさらに隔膜の劣化が加速され、その結果バイポーラプレートのさらなる腐食が加速される自動触媒プロセスが構成される。
【００１１】
アノード側への酸素の透過およびカソード側への水素の透過の両方がアイオノマーの劣化をまねき、大量のＨＦを生成することになることも当技術分野にて知られている。停滞流れ領域（すなわち、活性区域流れ場チャネルの外側の領域、くぼみ領域の中、および／または減少したガス流の領域など）では、このＨＦ形成の増加により、ＨＦの濃度が高くなり、したがって金属バイポーラプレート（および一般に使用される多くの保護被覆およびバイポーラプレートシール材料）の腐食を加速することになる。
【００１２】
したがって、限定はしないが、新規で改良されたバイポーラプレート、膜電極組立体の設計、および／あるいはステンレス鋼の腐食を最小にするかまたは除くＭＥＡ／ＭＰＬ構成を含む、新規で改良された燃料電池が必要である。
【特許文献１】Ｗｉｔｈｅｒｓｐｏｏｎ等、米国特許第３９８５５７８号
【特許文献２】Ｓｗａｔｈｉｒａｊａｎ等、米国特許第５２７２０１７号
【特許文献３】Ｌｉ等、米国特許第５６２４７６９号
【特許文献４】Ｎｅｕｔｚｌｅｒ、米国特許第５７７６６２４号
【特許文献５】Ｓｗａｔｈｉｒａｊａｎ等、米国特許第６２７７５１３号
【特許文献６】Ｗｏｏｄｓ  ＩＩＩ等、米国特許第６３５０５３９号
【特許文献７】Ｆｒｏｎｋ等、米国特許第６３７２３７６号
【特許文献８】Ｖｙａｓ等、米国特許第６５２１３８１号
【特許文献９】Ｓｏｍｐａｌｌｉ等、米国特許第６５２４７３６号
【特許文献１０】Ｆｌｙ等、米国特許第６５６６００４号
【特許文献１１】Ｆｌｙ等、米国特許第６６６３９９４号
【特許文献１２】Ｂｒａｄｙ等、米国特許第６７９３５４４号
【特許文献１３】Ｒａｐａｐｏｒｔ等、米国特許第６７９４０６８号
【特許文献１４】Ｂｌｕｎｋ等、米国特許第６８１１９１８号
【特許文献１５】Ｍａｔｈｉａｓ等、米国特許第６８２４９０９号
【特許文献１６】Ｂｈａｓｋａｒ等、米国特許第６８６１１７３号
【特許文献１７】Ｖｙａｓ等、米国特許出願第２００３／０１６５７３１号
【特許文献１８】Ｓｏｍｐａｌｌｉ等、米国特許出願第２００４／００６７４０７号
【特許文献１９】Ｖｙａｓ等、米国特許出願第２００４／００８１８８１号
【特許文献２０】Ｌｅｅ等、米国特許出願第２００４／０１１００５８号
【特許文献２１】Ｂｒａｄｙ等、米国特許出願第２００４／０１５１９５２号
【特許文献２２】Ｌｅｅ等、米国特許出願第２００４／０２０８９８９号
【特許文献２３】Ｏ’Ｈａｒａ、米国特許出願第２００５／００２６０１２号
【特許文献２４】Ｏ’Ｈａｒａ等、米国特許出願第２００５／００２６０１８号
【特許文献２５】Ｏ’Ｈａｒａ等、米国特許出願第２００５／００２６５２３号
【特許文献２６】Ｂｕｄｉｎｓｋｉ、米国特許出願第２００５／００３７２１２号
【特許文献２７】Ｇｏｅｂｅｌ等、米国特許出願第２００５／００５８８８１号
【非特許文献１】Ａ．Ｂ．ＬａＣｏｎｔｉ等、「Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ」（編集者Ｗ．Ｖｉｅｌｓｔｉｃｈ等）：Ｗｉｌｅｙ（２００３）、３（９）巻６４７頁
【非特許文献２】Ｎ．Ｌａｙｃｏｃｋ等、Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ  Ｓｃｉｅｎｃｅ、３７巻、１０号、１６３７〜１６４２頁（１９９５）
【非特許文献３】Ｔ．Ｈａｙｗａｒｄ等、Ｊ．Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｆｌｕｉｄｓ、２７巻、２７５〜２８１頁（２００３）
【非特許文献４】Ｇ．Ｂｅｌｌａｎｇｅｒ、Ｊ．Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、２１０巻、６３〜７２頁（１９９４）
【非特許文献５】Ｙ．Ｋｉｍ等、ＮＤＴ＆Ｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、３６巻、５５３〜５６２（２００３）
【非特許文献６】Ｈ．Ａｎｚａｉ等、Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ  Ｓｃｉｅｎｃｅ、３６巻、７号、１２０１〜１２１１頁（１９９４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の一般的な教示によれば、限定はしないがＰＥＭ燃料電池システムなどの燃料電池用の新規で改善された膜電極組立体が提供される。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一実施形態によれば、（１）停滞流れの領域を有する導電性部材と、（２）導電性部材に隣接する拡散媒体層と、（３）隔膜層と、（４）隔膜層に隣接し、拡散媒体層に隣接し、停滞流れの領域から離して配置される少なくとも１つの触媒層と、（５）隔膜層に隣接し、拡散媒体層に隣接し、停滞流れの領域の近傍にある少なくとも１つのサブガスケット層であって、少なくとも１つの触媒層および少なくとも１つのサブガスケット層が互いに離して配置される少なくとも１つサブガスケット層とを備える、燃料電池とともに使用するための膜電極組立体が提供される。
【００１５】
本発明の第１の代替実施形態によれば、（１）停滞流れの領域を有する導電性部材と、導電性部材に隣接する拡散媒体層と、（２）隔膜層と、（３）隔膜層の近くに配置される１対の触媒層であって、触媒層のうちの１つが拡散媒体層に隣接し、停滞流れの領域から離して配置される１対の触媒層と、（４）隔膜層の近くに配置される１対のサブガスケット層であって、サブガスケット層のうちの１つが拡散媒体層に隣接し、１対のサブガスケット層が停滞流れの領域の近傍にあり、１対の触媒層および１対のサブガスケット層が互いに離して配置される１対のサブガスケット層とを備える、燃料電池とともに使用するための膜電極組立体が提供される。
【００１６】
本発明の第２の代替実施形態によれば、（１）内部に形成された第１および第２の易流動性チャネルならびに第２の易流動性チャネルの近くに形成された第１および第２のランド区域を有し、実質的に導電性部材が停滞流れの領域にない導電性部材と、（２）導電性部材に隣接する拡散媒体層であって、一部が第２のランド区域に重なる拡散媒体層と、（３）隔膜層と、（４）隔膜層に隣接し、拡散媒体層に隣接し、第２のランド区域から離して配置される少なくとも１つの触媒層と、（５）隔膜層に隣接し、第２のランド区域の近傍で拡散媒体層に隣接し、少なくとも部分的に重なる少なくとも１つのサブガスケット層であって、少なくとも１つの触媒層および少なくとも１つのサブガスケット層が互いに離して配置される少なくとも１つのサブガスケット層とを備える燃料電池が提供される。
【００１７】
本発明の適用可能なさらなる範囲は以下に与えられる詳細な説明から明らかになるであろう。本発明の好ましい実施形態の説明中における詳細な説明および特定の例は、例示の目的のためだけを意図しており、本発明の範囲を制限することを意図していないことが理解されるべきである。
【００１８】
本発明は、詳細な説明および添付図面からより完全に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
好ましい実施形態の以下の説明は、本質的に単なる例示にすぎず、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ない。
本発明の一般的な教示によれば、特にステンレス鋼で構成されたバイポーラプレートについて、バイポーラプレートの腐食の発生および／または程度を除去するかまたは少なくとも低減し、ならびに表面被覆（例えば、金属酸化物および／または有機被覆（例えば、シリコン酸化物など））の劣化を除去または低減するシステムおよび方法が提供される。
【００２０】
非限定的な例として、ＭＥＡの活性区域の全区域（すなわち、プロトン導電性隔膜、Ｐｔ／Ｃ触媒、当技術分野で知られている他の燃料電池電気触媒（例えばＰｔ合金／Ｃ）、およびＭＰＬを含む区域）は、アノード側およびカソード側の両方の上に、反応体流れを活発に動かす隣接した流れ場チャネルを有するべきである。すなわち、（いくつかのバイポーラプレートの設計で生成される）くぼみまたは極広のランド（例えば、流れ場がランドおよび（ガスが流れる）チャネルで作られる）のような停滞領域、およびＭＥＡの周囲では最終流れ場チャネルとバイポーラプレート周囲シールとの間に停滞領域があってはならない（例えば、いくつかの従来の設計ではガス流が活発に動かされない非常に広いランドがある）。本発明は、腐食を少なくとも低減させるかまたは除去するための金属バイポーラプレートの重要な設計基準を提供する。
【００２１】
上記したように、プロトン導電性高分子の非常に強い酸性の性質（０±１のｐＨ値）のために、プロトン導電性アイオノマーが金属バイポーラプレートに直接接触するところではどこでも、ステンレス鋼の加速度的腐食が生じる。したがって、本発明は、停滞流れ領域があるかないかにかかわらず、プロトン導電性高分子が金属バイポーラプレートに直接接触しないように構成されるＭＥＡを提供する。これは、これらの領域に非プロトン導電性保護膜（例えばサブガスケット）を適用することによって達成することができる。これらのサブガスケットは、またプロトン導電性隔膜と比較して低減された透過率を有することが好ましい。可能な材料には、限定せずに、ＫＡＰＴＯＮ（商標）（例えばポリイミド）、ＭＹＬＡＲ（商標）、ポリエチレンナフタレート、エチレンテトラフロオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエステル、ポリアミド、共重合ポリアミド、ポリアミドエラストマー、ポリウレタン、ポリウレタンエラストマー、および任意の他の非プロトン導電性の膜または被覆が含まれる。さらに、サブガスケットは、限定はしないが金などの非腐食性金属材料で構成できる。
【００２２】
本発明のさらに別の態様によれば、金属バイポーラプレートのある領域の中に存在する腐食種の量が変化したとき、多かれ少なかれ、金属腐食が生じると判断されることが見出された。図３ａ〜図３ｅを参照すると、本発明は、特に隔膜のカソードからアノード側への酸素透過を低減し、かつ／または隔膜のアノードからカソード側への水素透過を低減し、好ましくは酸素透過および水素透過の両方を低減するサブガスケットの幾何学的配置を特に含む、いくつかの代替の膜電極組立体（ＭＥＡ）のサブガスケットの材料および設計を組み込むいくつかの燃料電池の設計を提供する。
【００２３】
プロトン導電性であり、高いＯ２および／またはＨ２透過率を有するアイオノマーサブガスケットに対して低い酸素透過率をもつプロトン非導電性サブガスケット材料を使用することに加えて、本発明は、透過性サブガスケット材料の直下にある（例えば、拡散媒体上に被覆された）微孔質層を除去して腐食種の生成を低減することを可能にする。
【００２４】
上述のＭＥＡの機構が、流れの停滞が生じることがあるバイポーラプレート上のある幾何学的機構において腐食種の濃度を制御することと共に採り入れられる場合、腐食が低減される。ＭＥＡの変更による別の利益は、バイポーラプレート材料表面と、金属バイポーラプレートに高率で腐食を生じさせることが明らかになったＰＦＳＡアイオノマー隔膜材料との間の直接接触を除去できる可能性である。
【００２５】
上述のメカニズムから、以下の設計基準が適用される。
好ましいオプションは、ゼロ／最小のＯ２および／またはＨ２透過率をもつプロトン非導電性サブガスケットが停滞流れの全ての領域（例えば、一般的な打抜バイポーラプレートで生じるくぼみ領域、および／または広いランド領域をもつ周囲領域など）に適用されることである。さらに、停滞流れ領域にある拡散媒体は高表面積炭素被覆（すなわちＭＰＬ）を有するべきでない。このようにして、Ｏ２からＨ２Ｏ２への電気化学的還元が生じないようにできる。このオプションは、図３ａに詳細に示され、ステンレス鋼ショートスタックの耐久性試験においてステンレス鋼プレートの腐食を示さなかった。
【００２６】
この図では、燃料電池１０は、停滞流れの領域１４（例えば、くぼみ区域、活性区域内の不十分な流れチャネル、および／または易流動性チャネル間の広いランド領域など）を有する、限定はしないがバイポーラプレート１２（例えば、限定はしないがステンレス鋼などの金属）などの導電性部材を含む。易流動性チャネル１６は停滞流れの領域に隣接して設けられる。サブガスケット端部１７の幾何学的配置は、サブガスケット端部１７が活性流れ場端部１８と停滞領域端部１９との間にある場合に有利である。本明細書では、広いランドは、それが流れ場のランドの幅の２分の１よりも大きければ、活性流れ場端部１８と停滞領域端部１９との間の距離と定義される。サブガスケット端部１７は、停滞領域端部１９と活性流れ場端部１８との間にあり、活性流れ場端部１８からランド幅の２分の１を超えて離れないことが好ましい。サブガスケット端部１７が活性流れ場端部１８まで達する場合は、より好ましい。これは、さらに他の実施形態のうちのいくつかにも適用される。
【００２７】
拡散媒体構成要素２０はバイポーラプレート１２に隣接する。隔膜２２は、１対の触媒層２４、２６のそれぞれの間に配置され、触媒層２４は拡散媒体構成要素２０に隣接する。触媒層２４、２６は、それぞれくぼみ区域１４から離して配置される。１対のサブガスケット層２８、３０は、それぞれくぼみ区域１４に近接して隔膜２２の近くに配置される。サブガスケット材料は、任意のタイプのプロトン非導電性材料で構成できる。この図では、サブガスケットは、「ＰＥＮ」タイプ（すなわち、ポリエチレンナフタレート）で構成される。しかし、上述されたように、サブガスケットは任意の適切な高分子材料で構成できることが理解されるべきである。
【００２８】
サブガスケットは個別の層、膜、および／または被覆などで構成できることが理解されるべきである。接着剤材料を使用して、隣接する層および／または材料（例えば、隔膜、および／またはＤＭなど）に対して接着を促進することができる。
【００２９】
例えば、Ｎ１１２（商標）などのＮＡＦＩＯＮ（商標）ＰＦＳＡ隔膜が隔膜として使用される場合、非プロトン導電性で低減された透過率のサブガスケット、または膜、または被覆は、酸素に対して、２５℃（７７°Ｆ）／１００％ＲＨで１．３６×１０−２ｃｃ−ｃｍ／（１００  ｃｍ２−２４ｈｒ−ｋＰａ）（３５００ｃｃ−ｍｉｌ／（１００  ｉｎ２−２４ｈｒ−ａｔｍ））よりも小さい透過率を有するべきである。好ましくは、低減された透過率のサブガスケット／膜／被覆は、２５℃（７７°Ｆ）／１００％ＲＨで７．８×１０−４ｃｃ−ｃｍ／（１００ｃｍ２−２４ｈｒ−ｋＰａ）（２００ｃｃ−ｍｉｌ／（１００  ｉｎ２−２４ｈｒ−ａｔｍ））よりも小さいかまたは等しい酸素透過率を有するべきである。そのような透過率を達成するために好ましい材料は、例えば２５℃（７７°Ｆ）／１００％ＲＨで７．２×１０−４ｃｃ−ｃｍ／（１００  ｃｍ２−２４ｈｒ−ｋＰａ）（１８４ｃｃ−ｍｉｌ／（１００  ｉｎ２−２４ｈｒ−ａｔｍ））の酸素透過率を有するエチレンテトラフロオロエチレン（ＥＴＦＥ）である。最も好ましくは、低減された透過率のサブガスケット／膜／被覆は、２５℃（７７°Ｆ）／１００％ＲＨで９．７×１０−５ｃｃ−ｃｍ／（１００  ｃｍ２−２４ｈｒ−ｋＰａ）（２５ｃｃ−ｍｉｌ／（１００  ｉｎ２−２４ｈｒ−ａｔｍ））よりも小さいかまたは等しい酸素透過率を有するべきである。最も好ましい酸素透過率を達成するのに適切な材料は、非限定的な例として、ポリイミド（ＫＡＰＴＯＮ（商標）の商品名で販売されている、２５℃（７７°Ｆ）／１００ＲＨで９．７×１０−５ｃｃ−ｃｍ／（１００  ｃｍ２−２４ｈｒ−ｋＰａ）（２５ｃｃ−ｍｉｌ／（１００  ｉｎ２−２４ｈｒ−ａｔｍ）））、および／またはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ、２５℃（７７°Ｆ）／１００ＲＨで１．３×１０−５ｃｃ−ｃｍ／（１００  ｃｍ２−２４ｈｒ−ｋＰａ）（３．４ｃｃ−ｍｉｌ／（１００  ｉｎ２−２４ｈｒ−ａｔｍ）））などである。
【００３０】
低減された透過率のサブガスケット／膜／被覆における水素の透過率は、８０℃、２７０ｋＰａ、１００％ＲＨで１．５×１０−８ｍｌ（ＳＴＰ）−ｃｍ厚／（ｓ−ｃｍ２−ｃｍＨｇ）よりも小さく、好ましくは８０℃、２７０ｋＰａ、１００％ＲＨで１×１０−９ｍｌ（ＳＴＰ）−ｃｍ厚／（ｓ−ｃｍ２−ｃｍＨｇ）よりも小さいかまたは等しく、最も好ましくは８０℃、２７０ｋＰａ、１００％ＲＨで５×１０−１０ｍｌ（ＳＴＰ）−ｃｍ厚／（ｓ−ｃｍ２−ｃｍＨｇ）よりも小さいかまたは等しくすべきである。上述の水素透過率を達成するための適切な材料は、限定せずに、ＫＡＰＴＯＮ（商標）（８０℃、２７０ｋＰａ、１００％ＲＨで４．７×１０−１０ｍｌ（ＳＴＰ）−ｃｍ厚／（ｓ−ｃｍ２−ｃｍＨｇ））およびポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ、８０℃、２７０ｋＰａ、１００％ＲＨで２×１０−１０ｍｌ（ＳＴＰ）−ｃｍ厚／（ｓ−ｃｍ２−ｃｍＨｇ））を含む。
【００３１】
本実施形態の変形は、プロトン導電性隔膜と同様の酸素透過率および水素透過率を依然として有することができる非プロトン導電性のサブガスケット／膜／被覆を有するＭＥＡ端部の設計形状を含む。このサブガスケット／膜／被覆は、アノード側の透過酸素のＨ２Ｏ２への電気化学反応に必要なプロトンを供給しないので、金属バイポーラプレートの腐食を非常に低減させることになる。
【００３２】
上述のプロトン非導電性サブガスケットを停滞流れ領域で使用できない場合に、これらの領域の拡散媒体がＭＰＬを有することがなく、Ｐｔ／Ｃ触媒を有することがない場合、ステンレス鋼バイポーラプレートの腐食を低減することができる。これは、図３ｂに特に示されるように、アイオノマーサブガスケットが使用され、触媒層およびＭＰＬが停滞流れ領域から引き離されているような場合である。このオプションは、ステンレス鋼バイポーラプレート試験のショートスタック試験で腐食が最小であることを示した。
【００３３】
この図では、燃料電池１００は、停滞流れの領域に対応するくぼみ区域１０４を有する、限定はしないがバイポーラプレート１０２（例えば、限定はしないがステンレス鋼などの金属）などの導電性部材を含む。易流動性チャネル１０６は停滞流れの領域に隣接して設けられる。この実施形態は、サブガスケット端部１０７、活性流れ場端部１０８、および停滞領域端部１０９も含む。拡散媒体構成要素１１０はバイポーラプレート１０２に隣接する。隔膜１１２は、１対の触媒層１１４、１１６のそれぞれの間に配置され、触媒層１１４は拡散媒体構成要素１１０に隣接する。触媒層１１４、１１６は、それぞれくぼみ区域１０４から離して配置される。１対のサブガスケット層１１８、１２０は、それぞれくぼみ区域１０４に近接して隔膜１１２の近くに配置される。この図では、サブガスケットはアイオノマー・タイプの材料で構成される。
【００３４】
上述の２つの設計オプションのどちらも適用できない場合、図３ｃに特に示されるように、停滞流れ領域上のＭＰＬは少なくとも避けられなければならない。
この図では、燃料電池２００は、停滞流れに対応するくぼみ区域２０４を有する、限定はしないがバイポーラプレート２０２（例えば、限定はしないがステンレス鋼などの金属）などの導電性部材を含む。易流動性チャネル２０６は停滞流れの領域に隣接して設けられる。拡散媒体構成要素２０８はバイポーラプレート２０２に隣接する。隔膜２１０は、１対の触媒層２１２、２１４のそれぞれの間に配置され、触媒層２１２は拡散媒体構成要素２０８に隣接する。触媒層２１２、２１４は、それぞれくぼみ区域２０４に近接する。
【００３５】
さらに、停滞流れ領域上にイノマー（ｉｎｏｍｅｒｉｃ）隔膜またはサブガスケットに接するＭＰＬがあると（例えば、図３ｄに特に示されるように）、ステンレス鋼バイポーラプレートの主要な腐食の原因になり、また避けられるべきである。
【００３６】
この図では、燃料電池３００は、停滞流れの領域に対応するくぼみ区域３０４を有する、限定はしないがバイポーラプレート３０２（例えば、限定はしないがステンレス鋼などの金属）などの導電性部材を含む。易流動性チャネル３０６は停滞流れの領域に隣接して設けられる。本実施形態は、サブガスケット端部３０７、活性流れ場端部３０８、および停滞領域端部３０９も含む。拡散媒体構成要素３１０はバイポーラプレート３０２に隣接する。隔膜３１２は、１対の触媒層３１４、３１６のそれぞれの間に配置され、触媒層３１４は拡散媒体構成要素３１０に隣接する。触媒層３１４、３１６は、それぞれくぼみ区域３０４から離して配置される。１対のサブガスケット層３１８、３２０は、それぞれくぼみ区域３０４に近接して隔膜３１２の近くに配置される。さらに、ＭＰＬ３２２は、拡散媒体構成要素３１０と触媒層３１４／サブガスケット層３２０との間に配置される。この図では、サブガスケットはアイオノマー・タイプの材料で構成される。
【００３７】
さらに、停滞流れ領域上で隔膜とＭＰＬとの間にＰｔ／Ｃ触媒があると（図３ｅに特に示されるように）、Ｐｔ／Ｃ触媒を使用しない場合よりもわずかによいが、依然としてかなりの腐食の原因になる。
【００３８】
この図では、燃料電池４００は、停滞流れの領域に対応するくぼみ区域４０４を有する、限定はしないがバイポーラプレート４０２（例えば、限定はしないがステンレス鋼などの金属）などの導電性部材を含む。易流動性チャネル４０６は停滞流れの領域に隣接して設けられる。拡散媒体構成要素４０８はバイポーラプレート４０２に隣接する。隔膜４１０は、１対の触媒層４１２、４１４のそれぞれの間に配置され、触媒層４１２は拡散媒体構成要素４０８に隣接する。触媒層４１２、４１４は、それぞれくぼみ区域４０４に近接する。さらに、ＭＰＬ４１６は、拡散媒体構成要素４０８と触媒層４１２との間に配置される。
【００３９】
以上のことをまとめると、停滞流れ領域は、不透過サブガスケットの使用によって透過Ｏ２をなくすか、またはＯ２からのＨ２Ｏ２形成を触媒し（例えば、高表面積炭素）、Ｏ２および／またはＨ２透過からＨＦを生成する物質を有しないか、またはプロトン非導電性であるサブガスケットを有するようにすべきである。これは、アノード上のＯ２のＨ２Ｏ２形成反応（すなわち、可逆水素基準ポテンシャルに対して０〜０．２Ｖの低い電極ポテンシャルで）が、Ｏ２＋２Ｈ＋２ｅ→Ｈ２Ｏ２（図１に示されるように）と記述することができるという原理に基づく。さらに、アノード側へのＯ２透過が、以下の反応を介して、ＨＦを生成することがある（Ｏ２＋Ｈ２→ＨＦ）（図１に示されるように）。さらに、カソード側へのＨ２透過が、以下の反応を介して、ＨＦを生成することもある（Ｏ２＋Ｈ２→ＨＦ）（図１に示されるように）。本発明は、これらの腐食種の形成を除去するかまたは少なくとも低減する。
【００４０】
この反応は、Ｏ２とＨ＋が触媒活性表面（例えば、高表面積炭素）上に同時にある場合のみＨ２Ｏ２が形成されることを示す。サブガスケットが、Ｏ２透過および／またはＨ＋伝導を抑制する場合、あるいは触媒活性物質が停滞流れ領域から除外される場合（例えば、ＭＰＬ、または、低程度のＰｔ／Ｃ）、Ｈ２Ｏ２は形成されず、ステンレス鋼の腐食は観測されないかまたはほとんど観察されないことになる。
【００４１】
本発明の別の態様によれば、バイポーラプレートが、通常の燃料電池動作からの生産水および／または他の反応生成物を停滞させる機構がないように設計される場合、バイポーラプレートの腐食は低減されるかまたは除去されることになる。そのような機構が燃料電池の動作に必要な場合、その機構の位置は、例えば、サブガスケット、微孔質層、およびＭＥＡ触媒に対して、過酸化物および／またはＨＦ形成物を制限する、酸素および／または水素に対して低い透過をもつ白金触媒またはサブガスケット材料のどちらかを同じ位置に配置するようにすべきである。さらに、被覆の腐食も除去および／または低減されることになる。これらのタイプの燃料電池のさまざまな構成要素は、本明細書で上述されたような材料で構成することができる。さらに、これらの構成要素の特性および性能は、本明細書で上述された構成要素と同様または同一であることができる。本発明のこの特別な態様の例が図４ａに示される。
【００４２】
この図では、燃料電池５００は、活性区域流れ場５０４を有する、限定はしないがバイポーラプレート５０２（例えば、限定はしないがステンレス鋼などの金属）などの導電性部材を含む。流れ場は、少なくとも２つの易流動性チャネル５０６、５０８をそれぞれ含み、易流動性チャネル５０６、５０８はそれらの間に位置するランド区域５１０を有する。別のランド区域５１２は最終易流動性チャネル５０８の後に位置する。ランド区域５１２の幅／長さ／距離は、最終易流動性チャネル５０８の幅／長さ／距離よりも小さく、好ましくは半分を超えないようにすべきである。より好ましくは、ランド区域５１２の幅／長さ／距離は、０に近づくべきである。本明細書で区別なく使用されるように、「幅」、「長さ」、および「距離」という用語は、方向または方位にかかわらず、ある点から第２の離れた点までの寸法の任意の相対比較を含むことを意味する。
【００４３】
拡散媒体構成要素５１４はバイポーラプレート５０２に隣接する。隔膜５１６は、１対の触媒層５１８、５２０のそれぞれの間に配置され、触媒層５１８は拡散媒体構成要素５１４に隣接する。触媒層５１８、５２０は、それぞれ活性区域流れ場５０４上に配置される。１対のサブガスケット層５２２、５２４は、それぞれランド区域５１２に近接して隔膜５１６の近くに配置される。サブガスケット材料は、上述されたように、任意のタイプのプロトン非導電性材料で構成できる。オプションのシール部材５２６も示される。
【００４４】
サブガスケット端部５２８の幾何学的配置は、サブガスケット端部５２８が最終易流動性チャネル５０８の端部とランド区域５１２との間にある場合に有利である。
本発明のこの特別な態様の別の実施形態の例が図４ｂに示される。
【００４５】
この図では、燃料電池６００は、活性区域流れ場６０４を有する、限定はしないがバイポーラプレート６０２（例えば、限定はしないがステンレス鋼などの金属）などの導電性部材を含む。流れ場は、少なくとも２つの易流動性チャネル６０６、６０８をそれぞれ含み、易流動性チャネル６０６、６０８はそれらの間に位置するランド区域６１０を有する。別のランド区域６１２は最終易流動性チャネル６０８の後に位置する。ランド区域６１２の幅／長さ／距離は、最終易流動性チャネル６０８の幅／長さ／距離よりも小さく、好ましくは半分を超えないようにすべきである。より好ましくは、ランド区域６１２の幅／長さ／距離は、０に近づくべきである。
【００４６】
拡散媒体構成要素６１４はバイポーラプレート６０２に隣接する。隔膜６１６は、１対の触媒層６１８、６２０のそれぞれの間に配置され、触媒層６１８は拡散媒体構成要素６１４に隣接する。触媒層６１８、６２０は、それぞれ活性区域流れ場６０４上に配置される。１対のサブガスケット層６２２、６２４は、それぞれランド区域６１２の端部部分に近接して隔膜６１６の近くに配置され、すなわち、サブガスケット層６２２、６２４のどちらもそれぞれランド区域６１２に対応する区域に重ならない。サブガスケット材料は、上述されたように、任意のタイプのプロトン非導電性材料で構成できる。オプションのシール部材６２６も示される。
【００４７】
サブガスケット端部６２８の幾何学的配置は、サブガスケット端部６２８がランド区域６１２の端部部分の外側にある場合に有利である。
本発明のこの特別な態様の別の実施形態の例が図４ｃに示される。しかし、イノマー隔膜またはサブガスケットの近くに、または接してＭＰＬがあると、ステンレス鋼バイポーラプレートの主要な腐食の原因になることがあり、避けられるべきである。
【００４８】
この図では、燃料電池７００は、活性区域流れ場７０４を有する、限定はしないがバイポーラプレート７０２（例えば、限定はしないがステンレス鋼などの金属）などの導電性部材を含む。流れ場は、少なくとも２つの易流動性チャネル７０６、７０８をそれぞれ含み、易流動性チャネル７０６、７０８はそれらの間に位置するランド区域７１０を有する。別のランド区域７１２は最終易流動性チャネル７０８の後に位置する。ランド区域７１２の幅／長さ／距離は、最終易流動性チャネル７０８の幅／長さ／距離よりも小さく、好ましくは半分を超えないようにすべきである。より好ましくは、ランド区域７１２の幅／長さ／距離は、０に近づくべきである。
【００４９】
拡散媒体構成要素７１４はバイポーラプレート７０２に隣接する。隔膜７１６は、１対の触媒層７１８、７２０のそれぞれの間に配置され、触媒層７１８は拡散媒体構成要素７１４に隣接する。触媒層７１８、７２０は、それぞれ活性区域流れ場７０４およびランド区域７１２の上に配置される。さらに、ＭＰＬ７２２は、拡散媒体構成要素７１４と触媒層７１８との間に配置される。１対のサブガスケット層７２４、７２６は、それぞれランド区域７１２の端部部分に近接して隔膜７１６の近くに配置され、すなわち、サブガスケット層７２４、７２６のどちらもそれぞれランド区域７１２に対応する区域に重ならない。サブガスケット材料は、上述されたように、任意のタイプのプロトン非導電性材料で構成できる。オプションのシール部材７２８も示される。
【００５０】
サブガスケット端部７３０の幾何学的配置は、サブガスケット端部７３０が少なくとも部分的にランド区域７１２の内側にあり、少なくとも部分的にＭＰＬ７２２と重なる場合に有利である。
【００５１】
本発明のこの特別な態様の別の実施形態の例が図４ｄに示される。しかし、イノマー隔膜またはサブガスケットに接するＭＰＬがあると、ステンレス鋼バイポーラプレートの主要な腐食の原因になることがあり、避けられるべきである。
【００５２】
この図では、燃料電池８００は、活性区域流れ場８０４を有する、限定はしないがバイポーラプレート８０２（例えば、限定はしないがステンレス鋼などの金属）などの導電性部材を含む。流れ場は、少なくとも２つの易流動性チャネル８０６、８０８をそれぞれ含み、易流動性チャネル８０６、８０８はそれらの間に位置するランド区域８１０を有する。別のランド区域８１２は最終易流動性チャネル８０８の後に位置する。ランド区域８１２の幅／長さ／距離は、最終易流動性チャネル８０８の幅／長さ／距離よりも小さく、好ましくは半分を超えないようにすべきである。より好ましくは、ランド区域８１２の幅／長さ／距離は、０に近づくべきである。
【００５３】
拡散媒体構成要素８１４はバイポーラプレート８０２に隣接する。隔膜８１６は、１対の触媒層８１８、８２０のそれぞれの間に配置され、触媒層８１８は拡散媒体構成要素８１４に隣接する。触媒層８１８、８２０は、それぞれ活性区域流れ場８０４およびランド区域８１２の上に配置される。さらに、ＭＰＬ８２２は、拡散媒体構成要素８１４と触媒層８１８との間に配置される。１対のサブガスケット層８２４、８２６は、それぞれランド区域８１２に近接して隔膜８１６の近くに配置され、すなわち、サブガスケット層８２４、８２６はそれぞれＭＰＬ８２２に重なり、接触する。サブガスケット材料は、上述されたように、任意のタイプのプロトン非導電性材料で構成できる。オプションのシール部材８２８も示される。
【００５４】
サブガスケット端部８３０の幾何学的配置は、サブガスケット端部８３０が少なくとも部分的にランド区域８１２の内側にあり、少なくとも部分的にＭＰＬ８２２に重なる場合に有利である。
【００５５】
さまざまな上述の実施形態の特徴および特性のどれも互いに併用していくつの組合せでも使用することができることを理解すべきである。
本発明の説明は、本質的に単なる例示であって、したがって、本発明の趣旨から逸脱しない変更は、本発明の範囲内にあることを意図する。そのような変更は本発明の精神および範囲からの逸脱するものとみなされるべきでない。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】従来技術による、隔膜を通る酸素透過および／または水素透過の結果として、ＭＥＡを横切って生じる局所電気化学の概略図である。
【図２】従来技術による、カーボンブラックおよび白金がある状態における過酸化物形成の量を示すグラフである。
【図３ａ】本発明の一実施形態による、第１のタイプの燃料電池の概略図である。
【図３ｂ】本発明の第１の代替実施形態による、第２のタイプの燃料電池の概略図である。
【図３ｃ】本発明の第２の代替実施形態による、第３のタイプの燃料電池の概略図である。
【図３ｄ】本発明の第３の代替実施形態による、第４のタイプの燃料電池の概略図である。
【図３ｅ】本発明の第４の代替実施形態による、第５のタイプの燃料電池の概略図である。
【図４ａ】本発明の第５の代替実施形態による、第６のタイプの燃料電池の概略図である。
【図４ｂ】本発明の第６の代替実施形態による、第７のタイプの燃料電池の概略図である。
【図４ｃ】本発明の第７の代替実施形態による、第８のタイプの燃料電池の概略図である。
【図４ｄ】本発明の第８の代替実施形態による、第９のタイプの燃料電池の概略図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０  燃料電池
１２  バイポーラプレート
１４  停滞流れの領域
１６  易流動性チャネル
１７  サブガスケット端部
１８  活性流れ場端部
１９  停滞領域端部
２０  拡散媒体構成要素
２２  隔膜
２４  触媒層
２６  触媒層
２８  サブガスケット層
３０  サブガスケット層
１００  燃料電池
１０２  バイポーラプレート
１０４  くぼみ区域
１０６  易流動性チャネル
１０７  サブガスケット端部
１０８  活性流れ場端部
１０９  停滞領域端部
１１０  拡散媒体構成要素
１１２  隔膜
１１４  触媒層
１１６  触媒層
１１８  サブガスケット層
１２０  サブガスケット層
２００  燃料電池
２０２  バイポーラプレート
２０４  くぼみ区域
２０６  易流動性チャネル
２０８  拡散媒体構成要素
２１０  隔膜
２１２  触媒層
２１４  触媒層
３００  燃料電池
３０２  バイポーラプレート
３０４  くぼみ区域
３０６  易流動性チャネル
３０７  サブガスケット端部
３０８  活性流れ場端部
３０９  停滞領域端部
３１０  拡散媒体構成要素
３１２  隔膜
３１４  触媒層
３１６  触媒層
３１８  サブガスケット層
３２０  サブガスケット層
３２２  ＭＰＬ
４００  燃料電池
４０２  バイポーラプレート
４０４  くぼみ区域
４０６  易流動性チャネル
４０８  拡散媒体構成要素
４１０  隔膜
４１２  触媒層
４１４  触媒層
４１６  ＭＰＬ
５００  燃料電池
５０２  バイポーラプレート
５０４  活性区域流れ場
５０６  易流動性チャネル
５０８  易流動性チャネル
５１０  ランド区域
５１２  ランド区域
５１４  拡散媒体構成要素
５１６  隔膜
５１８  触媒層
５２０  触媒層
５２２  サブガスケット層
５２４  サブガスケット層
５２６  シール部材
５２８  サブガスケット端部
６００  燃料電池
６０２  バイポーラプレート
６０４  活性区域流れ場
６０６  易流動性チャネル
６０８  易流動性チャネル
６１０  ランド区域
６１２  ランド区域
６１４  拡散媒体構成要素
６１６  隔膜
６１８  触媒層
６２０  触媒層
６２２  サブガスケット層
６２４  サブガスケット層
６２６  シール部材
６２８  サブガスケット端部
７００  燃料電池
７０２  バイポーラプレート
７０４  活性区域流れ場
７０６  易流動性チャネル
７０８  易流動性チャネル
７１０  ランド区域
７１２  ランド区域
７１４  拡散媒体構成要素
７１６  隔膜
７１８  触媒層
７２０  触媒層
７２２  ＭＰＬ
７２４  サブガスケット
７２６  サブガスケット
７２８  シール部材
７３０  サブガスケット端部
８００  燃料電池
８０２  バイポーラプレート
８０４  活性区域流れ場
８０６  易流動性チャネル
８０８  易流動性チャネル
８１０  ランド区域
８１２  ランド区域
８１４  拡散媒体構成要素
８１６  隔膜
８１８  触媒層
８２０  触媒層
８２２  ＭＰＬ
８２４  サブガスケット層
８２６  サブガスケット層
８２８  シール部材
８３０  サブガスケット端部
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
0004738297.tif 000005
【図３ｃ】
0004738297.tif 000006
【図３ｄ】
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【図３ｅ】
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【図４ａ】
0004738297.tif 000009
【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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