(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１パターンに配列された複数の第１凹部を備えた第１側面と、第２パターンに配列された複数の第２凹部を備えた第２側面と、を備えた単一部材からなる一体型本体部を有する膜支持部材であって、
上記第１，第２凹部の重複部分によって上記本体部を横切る複数の流路が画定されるように、上記第１，第２パターンが互いに関連して配列され、上記第１凹部もしくは上記第２凹部より小さい上記流路が形成されることを特徴とする膜支持部材。
【請求項２】
上記第１パターンは上記第１凹部の第１形状を画定し、かつ、上記第２パターンは上記第２凹部の第２形状を画定することを特徴とする請求項１に記載の膜支持部材。
【請求項３】
上記第１形状と上記第２形状とが異なっていることを特徴とする請求項２に記載の膜支持部材。
【請求項４】
上記流路の形状が上記第１形状および上記第２形状と異なることを特徴とする請求項２に記載の膜支持部材。
【請求項５】
上記本体部がある厚さを有し、かつ、上記第１凹部が第１深さを有し、かつ、上記第２凹部が第２深さを有し、かつ、上記第１深さと上記第２深さを合わせると上記厚さに等しいことを特徴とする請求項１に記載の膜支持部材。
【請求項６】
上記第１パターンおよび第２パターンは互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の膜支持部材。
【請求項７】
一体型材料の第１側面に第１格子パターンを形成する段階と、
上記材料を通過する流路が得られるように、上記一体型材料の第２側面に、上記第１格子パターンと異なる第２格子パターンを形成する段階と、
上記一体型材料の第１側面に複数の第１凹部を形成し、かつ、上記一体型材料の第２側面に複数の第２凹部を形成する段階と、
上記第１，第２凹部の重複部分によって複数の流路が画定されるように、上記第１，第２パターンを互いに関連させて配列する段階と、
を含んだ交換膜支持部材の製造方法。
【請求項８】
上記パターンをエッチングする段階を含んだ請求項７に記載の交換膜支持部材の製造方法。
【請求項９】
モールディングもしくは鋳造のいずれか１つのプロセスにおいて上記パターンを形成する段階を含んだ請求項７に記載の交換膜支持部材の製造方法。
【請求項１０】
上記第１凹部を第１形状に形成し、かつ、上記第２凹部を第２形状に形成する段階を含んだ請求項７に記載の交換膜支持部材の製造方法。
【請求項１１】
上記第１形状と上記第２形状とが異なっていることを特徴とする請求項１０に記載の交換膜支持部材の製造方法。
【請求項１２】
上記材料の第２側面へと延びる第１深さを上記第１凹部に設け、かつ、上記材料の第１側面へと延びる第２深さを上記第２凹部に設ける段階と、
上記第１深さと上記第２深さを合わせると上記材料の厚さに等しくなるように上記第１，第２深さを選択する段階と、
を含んだ請求項７に記載の交換膜支持部材の製造方法。
【請求項１３】
第１側面に第１格子パターンを有し、かつ、第２側面に第２格子パターンを有した一体型材料を備え、かつ、
上記第１格子パターンおよび上記第２格子パターンは、互いに異なるものであり、協働して上記一体型材料を通過する複数の流路を形成し、
上記第１格子パターンは、第１形状を有する複数の第１凹部を画定し、上記第２格子パターンは、第２形状を有する複数の第２凹部を画定し、
上記流路の形状が上記第１形状および上記第２形状と異なることを特徴とする膜支持部材。
【請求項１４】
上記第１，第２凹部の重複部分によって複数の流路が画定されることを特徴とする請求項１３に記載の膜支持部材。
【請求項１５】
上記流路は、上記第１凹部もしくは上記第２凹部よりも小さいことを特徴とする請求項１４に記載の膜支持部材。
【請求項１６】
上記第１形状と上記第２形状とが異なっていることを特徴とする請求項１５に記載の膜支持部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水の電気分解と燃料電池技術とによるプロトン交換膜水素発電機に例えば用いられるイオン交換膜の支持に関する。より具体的には、本発明は、例えば上記用途のための一体型支持部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧の圧力下で生成物が貯蔵されもしくは使用される場合には、例えば、電気エネルギのために燃料電池において水から水素ガスを発生させるように、高圧電気化学プロセスが有利となる種々の状況が存在する。固体高分子電解質技術は、電解質が柔軟な固体であり、液体電解質を備える通常の電解質マトリックス構造の沸点圧力（バブル圧力）よりも大きな差圧能力を有するため、高圧の用途に適している。高圧用のハードウェアはさらに、セルの両側に対し、もしくは、貯蔵が要求されるシステム流体側のみに対し、圧力増大させることができ、システムのバランスはほぼ周囲圧力に維持される。
【０００３】
固体高分子セル技術において、イオン交換電解質膜は、シール材料でもあり、セルアセンブリのアノードキャビティとカソードキャビティとの間にある唯一のセパレータでもある。電極が通常、高分子シートに直接与えられ、電極と流体キャビティとの間に遮断されない材料の交換が最大限可能となるように浸透性の部材内に電気接点が形成される。上記流体キャビティは、上記圧力を含み、セルの運転の必要に応じて流体を分離したまま維持する公知の方法で設計されている。通常の高圧用セルのハードウェアの大部分は、金属からなる。電解質膜は、通常、セルアセンブリの中で一番弱い構成部品である。
【０００４】
通常の膜材料は、上記用途において予想される応力に強度が適合するように、変更され、もしくは代用されることはない。その代わりに、電解質膜の支持部材が、具体的な用途において予想される差圧による負荷に対して十分な補強が得られるように、通常調整される。加えて、より低い応力レベルにおいても膜材料は一般にクリープしてしまうため、膜の十分な支持の実現を複雑にする。膜は、本来、アセンブリの他の材料よりも弱いため、支持が必要となり、クリープサイズを調整することは、設計タスクをより困難なものとさせる。クリープは、時間に依存する現象であって設計者によって制御されるものではないことが知られている。多くの状況においては、破損点に至るまで上記膜は変形し、破損が起きるまでどれくらいの時間が掛かるのかが、唯一の問題となるようにみえる。試験状況において適切に機能しているようにみえた支持された膜であっても、より長い期間が経過した後に、つまりアセンブリが完全な運転に供されると、破損することになる。上記支持部材は、上記流体の交換を妨げず、また、アセンブリに対し不合理な重量や費用を追加することなく、十分な強度を有するとともに、クリープによる移動を制限しなければならない。
【０００５】
上記膜の適切な支持によりハードウェア差圧能力を増大させようとする従来の取り組みには、焼結多孔質金属板の使用が挙げられる。特許文献１、特許文献２、特許文献３、および特許文献４に実施例が示されている。上記多孔質板は適宜に機能するが、詳述しないのであれば、上記多孔質板は、差圧能力よりも電気特性を向上するための設計に属するものであり、高価である上、重量や容積の検討が重要となる用途には適するものではないといえる。
【０００６】
さらに、従来の取り組みには、微細メッシュ拡大金属スクリーンを用いて、高差圧用（つまり、例えば圧力差が約２０６９ｋＰａ（３００ＰＳＩ）を越えるもの）の適切な膜支持を得るものがあるが、主に、配列誤差が開口寸法にまで達しているという理由から、不十分なセル性能を有していた。これらの構成においては、支持構造を構成する金属スクリーンの位置ずれは、支持部材を横切る、流体キャビティと電極との間の物質交換を制限してしまう。
【０００７】
複数のスクリーンが互いの上面に取り付けられ、膜支持部材を構成する場合には、層内の個々のストランド（素線）は、互いに、および隣接の層に対し、自由に移動する。スクリーン層の配列や圧力による移動によって、スクリーン形状や支持部材の性能は変更される。これにより、分離した層の断面を結合することにより得られる、材料の強度や電気特性の利点がなくなってしまう。
【特許文献１】米国特許第５，２９６，１０９号明細書
【特許文献２】米国特許第５，３５０，４９６号明細書
【特許文献３】米国特許第５，３７２，６８９号明細書
【特許文献４】米国特許第６，０２４，８４８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
圧力差に関連した力に耐え得る支持構造であって、（例えば、流れの）交換を十分に許容し、破損点に至る膜の変形を抑止するようにクリープに耐える構造が必要とされている。本発明は、上述の短所や欠点を回避しつつ上記必要性に対処するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、一般に一体型の膜支持部材に関する。一実施態様の用途には、温度上昇時や圧力増大時の応力下で運転するときに生ずる材料クリープに起因した膜移動を制限する機能を本来的に備えた高圧用電気化学セルがある。
【００１０】
ある実施例において、支持部材は、第１パターンに配列された複数の第１凹部を備えた第１側面を有する一体型の本体部を含む。第２の側面は第２パターンに配列された複数の第２凹部を備える。上記第１，第２凹部の重複部分によって上記本体部を横切る複数の流路が画定されるように、上記第１，第２パターンは互いに関連して配列される。
【００１１】
一体型の構造は、所定の関係で凹部を保持し、十分な流れを確保し、多層構造よりも優れた強度を有する。
【００１２】
もう一つの実施例であるイオン交換膜支持部材は、第１側面に第１格子パターンを有し、かつ、第２側面に第２格子パターンを有した一体型材料を備える。上記第１格子パターンと上記第２格子パターンとは、非対称であり、かつ、協働して上記一体型材料を通過する複数の流路を形成する。
【００１３】
もう一つの実施例である交換膜支持部材の製造方法は、一体型材料の第１側面に第１格子パターンを形成する段階を含む。上記一体型材料の第２側面に、上記第１格子パターンに対し非対称となる第２格子パターンを形成する段階をさらに含み、これにより、上記材料を通過する流路が得られる。
【００１４】
もう一つの実施例においては、上記第１，第２側面が同時にエッチングされ、各格子パターンと流路が形成される。
【００１５】
発明を実施するための最良の形態についての以下の詳細な説明を参照することにより、当業者であれば、本発明の種々の特徴や利点を容易に理解できよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、膜支持部材２０を概略的に示す。一体型材料２２が、上記材料の第１側面２８に複数の凹部２６を備えた第１格子パターン２４を有する。
【００１７】
図２から最も明らかなように、上記一体型材料の第２側面３２における第２格子パターン３０が複数の凹部３４を有する。図１および図２から分かるように、これらの格子パターン２４，３０は互いに非対称である。本実施例の第１格子パターン２４は、複数の実質的に矩形の凹部２６を含む。本実施例の第２格子パターン３０は、複数の実質的に菱形の凹部３４を含む。
【００１８】
具体的な格子パターンが図示されているが、具体的な状況の必要に応じて種々のパターンを用いてもよい。本明細書の利点を把握した当業者であれば、具体的な状況の必要に応じて、上記凹部や格子パターンの形状を適宜選択することができよう。
【００１９】
図１および図２の上記実施例には２つの格子パターンのみが示されているが、本発明により設計された支持部材内に、２つより多くの格子パターンを用いてもよい。
【００２０】
上記一体型材料２２の各側面に設けられた上記凹部の深さは、それぞれ、該一体型材料２２の全厚さよりも短い。ある実施例においては、各組の凹部の深さは、上記材料の約半分の厚さと一致する。もう１つの実施例では、１組の凹部の深さは、他の組の凹部の深さよりも長い。凹部２６と凹部３４とが重なり合った部分が、上記材料２２を通過する流路を形成する。本実施例では上記凹部の深さを合わせると上記材料の厚さに等しくなるため、上記凹部の重なり合った部分は、上記材料を通過する開口部となり、流路として機能する。
【００２１】
本実施例の流路によって、流体は、上記支持部材２０の平面に対し直交にかつ該支持部材２０の平面の内部を流れる。上記一体型構造によって、凹部の整列が固定されたまま維持され、分離したシートの支持メッシュを使用した場合に生じてしまうような詰まりが流路に発生しないことが保証される。
【００２２】
第１，第２格子パターン２４，３０を備えた一体型材料２２は、上記２つの格子パターンが該材料の同一シートの一部となるため、従来の二層アセンブリより強固な構造となる。この複合構造の剛性は、層アセンブリと比べてはっきり区別し得る程、増大する。上記一体型の構造の特徴である上記格子の付随した性質によって、一方の格子が他方の格子を支持し、かつ、変形を阻止することが可能になる。
【００２３】
図１および図２の実施例により設計された支持部材は、例えば、膜を破損させることなく約５５１７ｋＰａ（８００ＰＳＩ）オーダーの圧力に耐えることが可能である。
【００２４】
開示された実施例のもう１つの利点は、一体構造の支持部材においては、セルアセンブリのハードウェアの活性領域とシール領域との間が連続的な遷移となることである。セルハードウェアの活性領域とシール領域との間の金属フォイル内に不連続な隔たりを生ずる公知の設計手法により、公知の焼結多孔質金属板を膜の支持に用いるときに生ずる別々の移動を、上記一体型の設計は、大幅に減少させもしくは除去することができる。上記シール領域に要求される圧縮力は上記活性領域での圧縮力と異なっているために、上記のような不連続性があると、上記ハードウェア上に、別々に移動しかつ異なる圧縮剛性を有する２つの領域が生じてしまう。図１および図２の実施例においては、上記圧縮力がなお異なっているものの、別々の移動は大幅に減少しあるいは除去される。上記特徴は、ハードウェア起因の応力や初期のセル故障から電解質膜を保護する点で有利となる。
【００２５】
図３は、公知の流体キャビティ４２，４４を備えた固体高分子電解質電気化学セルアセンブリ４０を概略的に示す。このアセンブリは、例えば、本発明の態様により設計された支持部材２０を含む。この支持部材２０は、電極５０ａ，５０ｂおよび電解質膜５２の両側に設けられる。一般的な端部セパレータ５４が、例えば、燃料電池アセンブリのアノードおよびカソードの機能を果たす上記流体キャビティ４２，４４の外側に設けられる。上記セルアセンブリの製造に使用される構成部品は公知であり、本発明により設計されたイオン交換膜支持部材２０を用いることによって、幾つかの利点が得られる。
【００２６】
支持部材の用途に応じて、支持部材の形成にあたり種々の材料を用いてもよい。一つの実施例として、射出成形によって、一体型材料の両側に第１，第２の格子パターンを備えた支持部材が形成される。もう一つの実施例として、支持部材の形成に鋳造技術が用いられる。さらに、もう一つの実施例として、一体型材料２２の両側に上記格子パターンを形成するために一般的なエッチング技術が用いられる。
【００２７】
一つの実施例は、エッチングされる領域が黒ずんだ（darkened）透明基材上に設けられた印刷画像（print image）を用いることを含む。その後、金属フォイルが、透明基材に応じて改質されたゴムフィルムによって覆われる。露光機(Photo tool)が上記一体型材料の両側に配置され、露光する。上記ゴムフィルムは硬化し、ゴムフィルムで覆われた部分はエッチングから保護される。次に上記フォイル材料は一般的なエッチングプロセスを施され、つまり、加熱され、エッチエンド（etchends）の噴流が上記材料の各側面に付与される。加工機械内を上記材料が移動する速度と、付与される噴射量と、によって、上記各側面に形成される凹部の深さが調整される。所望の深さの凹部を形成するのに十分な材料がエッチングされた後、アルカリ性溶液によって上記硬化ゴムフィルムは除去され、この結果生じた支持部材は、一般的な方法で処理され所望の用途に用いられる。
【００２８】
ある実施例においては、本発明により設計されたエッチング加工支持部材は、同等の大きさの焼結多孔質金属板に比べて大幅なコスト削減を実現する。ある実施例においては、５０％台のコスト削減が実現される。電気化学的なハードウェアには種々の材料が要求されることがあり、装置の性能や耐用年数のために材料の選択が重要となる。本発明により設計されたエッチング加工支持部材を用いることにより、広範な材料の中から該支持部材を製造することが可能となる。本発明の態様により設計された支持部材は高い作動圧力が要求される種々の用途に用いられ、ハードウェア内に高い差圧能力を有するという利点が得られる。これらの用途は、燃料電池技術にまでおよび、さらに電気化学的なコンプレッサやセパレータ、過酸化水素の製造等のための電気化学的な反応器等を含む。本明細書の利点を把握した当業者であれば、該当業者が置かれている状況において、本発明により設計された支持部材の使用による利益を把握するだろう。
【００２９】
上述の詳細な説明は、本来、例示的なものであって限定的なものではない。当業者であれば、開示された実施例から、本発明の趣旨から逸脱することのない変更や改良を想到することができよう。本発明に与えられる法的な保護の範囲は、添付の特許請求の範囲を検討することによって定められる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施例により設計された膜支持部材の概略図。
【図２】図１の実施例の反対側を示した概略図。
【図３】図１および図２に示すような支持部材を組み込んだ電気化学セルアセンブリの実施例を部分的に分解して示した部分概略図。
【符号の説明】
【００３１】
２０…膜支持部材
２２…一体型材料
２４…第１格子パターン
２６…凹部
２８…第１側面
３０…第２格子パターン
３４…凹部
【図１】
0004733380.tif 000002
【図２】
0004733380.tif 000003
【図３】
0004733380.tif 000004