(57)【要約】  ガスケットを組み込んだガス拡散層（ＧＩＧ）について、ＧＩＧサブアセンブリを組み込んだアセンブリと共に説明する。また、ＧＩＧ及びＧＩＧを組み込んだ膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を製作するためのプロセスについて説明する。ＧＩＧサブアセンブリは、ガス拡散層（ＧＤＬ）と、そのＧＤＬに接合されたガスケットとを有する。ガスケットは、第１のガスケット層及び第２のガスケット層を有している。第２のガスケット層は、第１のガスケット層及びＧＤＬと接触するガスケット材料で形成されている。第２のガスケット層のガスケット材料は、ＧＤＬを第１のガスケット層に接合する。接着剤層が、また所望により、取り外し可能な接着剤ライナーが、第１のガスケット層の、第２のガスケット層から反対側の表面上に設けられる。いくつかのＭＥＡの構成において、ＧＤＬは、第１のガスケット層内の開口部内に設けられる。
2010514100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス拡散層（ＧＤＬ）と、
前記ＧＤＬに接合されたガスケットであって、
第１のガスケット層、
前記第１のガスケット層及び前記ＧＤＬと接触するガスケット材料を含む第２のガスケット層であって、前記ガスケット材料が、前記第１のガスケット層に前記ＧＤＬを接合する第２のガスケット層、及び
前記第１のガスケット層の表面上に設けられた接着剤層
を備えるガスケットと
を備える、燃料電池の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）用のサブアセンブリ。
【請求項２】
前記第２のガスケット層の前記ガスケット材料が、前記ＧＤＬに侵入する、請求項１に記載のサブアセンブリ。
【請求項３】
前記第２のガスケット層が、前記ＧＤＬの表面の一部分の上に設けられる、請求項１に記載のサブアセンブリ。
【請求項４】
前記第２のガスケット層が、少なくとも一方の表面上にミクロ構造形状を有する、請求項１に記載のサブアセンブリ。
【請求項５】
前記第１のガスケット層がポリマーを含む、請求項１に記載のサブアセンブリ。
【請求項６】
前記第１のガスケット層が、ＰＥＮ、ＰＥＴ、又はポリイミドを含む、請求項１に記載のサブアセンブリ。
【請求項７】
前記ガスケット材料が、シリコーン、ゴム、又はフルオロポリマーを含む、請求項１に記載のサブアセンブリ。
【請求項８】
前記ガスケット材料が、熱と圧力の少なくとも一方の作用下で流動可能又は変形可能である材料を含む、請求項１に記載のサブアセンブリ。
【請求項９】
前記ＧＤＬが、前記第１のガスケット層の開口部内に設けられる、請求項１に記載のサブアセンブリ。
【請求項１０】
前記ＧＤＬが、前記第１のガスケット層に重なる、請求項１に記載のサブアセンブリ。
【請求項１１】
前記接着剤層が、取り外し可能な接着剤ライナーを有する、請求項１に記載のサブアセンブリ。
【請求項１２】
複数の類似したサブアセンブリを備えるロール品の構成要素である、請求項１に記載のサブアセンブリ。
【請求項１３】
第１及び第２のサブアセンブリであって、各々が、
ガス拡散層（ＧＤＬ）と、
前記ＧＤＬに接合されたガスケットであって、
第１のガスケット層、
前記第１のガスケット層及び前記ＧＤＬと接触するガスケット材料を含む第２のガスケット層であって、前記ガスケット材料が、前記ＧＤＬに前記第１のガスケット層を接合する第２のガスケット層、及び
前記第１のガスケット層の反対側の表面上に設けられた接着剤層
を備えるガスケットと
を備える第１及び第２のサブアセンブリと、
前記第１のサブアセンブリと第２のサブアセンブリとの間に配置された電解質膜と、
前記第１のサブアセンブリと前記膜との間の第１の触媒層と、
前記第２のサブアセンブリと前記膜との間の第２の触媒層と
を備える、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）。
【請求項１４】
前記第１及び第２の触媒層が、針状のナノ構造支持体上に形成された触媒材料のナノスケール粒子を有するナノ構造薄膜触媒層を含む、請求項１３に記載のＭＥＡ。
【請求項１５】
前記膜、前記第１の触媒層、及び前記第２の触媒層が、触媒被覆膜を形成する、請求項１３に記載のＭＥＡ。
【請求項１６】
前記第２のガスケット層の前記ガスケット材料が、前記ＧＤＬに侵入する、請求項１３に記載のＭＥＡ。
【請求項１７】
前記第２のガスケット層が、前記ＧＤＬの表面の一部分の上に設けられる、請求項１３に記載のＭＥＡ。
【請求項１８】
前記第１のガスケット層と前記第２のガスケット層の少なくとも一方が、ミクロ構造形状を有する、請求項１３に記載のＭＥＡ。
【請求項１９】
前記第１のガスケット層と前記第２のガスケット層の少なくとも一方が、実質的に平坦である、請求項１３に記載のＭＥＡ。
【請求項２０】
複数のＭＥＡを備えるロール品の構成要素である、請求項１３に記載のＭＥＡ。
【請求項２１】
第１及び第２のサブアセンブリを備える膜電極アセンブリであって、第１及び第２のサブアセンブリの各々が、
ガス拡散層（ＧＤＬ）と、
前記ＧＤＬに接合されたガスケットであって、
第１のガスケット層、
前記第１のガスケット層及び前記ＧＤＬと接触するガスケット材料を含む第２のガスケット層であって、前記ガスケット材料が、前記ＧＤＬに前記第１のガスケット層を接合する第２のガスケット層、及び
前記第１のガスケット層の反対側の表面上に設けられた接着剤層
を備えるガスケットと、
前記第１のサブアセンブリと第２のサブアセンブリとの間の触媒被覆膜と
を備える、膜電極アセンブリと、
各々が流路の配列を有する第１及び第２の流れ場プレートであって、圧縮力下で前記第１及び前記第２のサブアセンブリの前記ガスケットと接触する第１及び第２の流れ場プレートと
を備える燃料電池スタック。
【請求項２２】
前記触媒被覆膜が、ナノ構造薄膜触媒層を備える、請求項２１に記載の燃料電池スタック。
【請求項２３】
前記第２のガスケット層の前記ガスケット材料が、前記ＧＤＬに侵入する、請求項２１に記載の燃料電池スタック。
【請求項２４】
前記第２のガスケット層が、前記ＧＤＬの表面の一部分の上に設けられる、請求項２１に記載の燃料電池スタック。
【請求項２５】
前記ガスケット層のうちの少なくとも１つが、エンボス加工されたミクロ構造形状を有する、請求項２１に記載の燃料電池スタック。
【請求項２６】
膜電極アセンブリ用のサブアセンブリを製作する方法であって、
サブアセンブリ構成要素を用意する工程であって、
接着剤層を上に設けた第１のガスケット層に対してガス拡散層（ＧＤＬ）を配置することと、
前記第１のガスケット層上にガスケット材料を置くことと
を含む工程と、
前記サブアセンブリ構成要素を成形して、前記第１のガスケット層と前記ＧＤＬとの間の接合部をなす工程であって、前記接合部が、前記ガスケット材料によって形成される工程と
を含む方法。
【請求項２７】
前記サブアセンブリ構成要素を用意する工程が、前記第１のガスケット層内に開口部を切断することを更に含み、
前記第１のガスケット層に対して前記ＧＤＬを配置することが、前記ＧＤＬを前記開口部内に配置することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記ガスケット材料を硬化させる工程を更に含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記サブアセンブリ構成要素を成形する工程が、ミクロ構造形状を有する第２のガスケット層を前記ガスケット材料から形成することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
前記サブアセンブリ構成要素を成形する工程が、エンボス加工された形状を有する第２のガスケット層を前記ガスケット材料から形成することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
前記サブアセンブリ構成要素を成形する工程が、前記サブアセンブリ構成要素の所定の厚さを達成するように前記サブアセンブリ構成要素を成形することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３２】
前記サブアセンブリ構成要素を成形する工程が、ミクロ構造パターンを有する金型板を使用して前記サブアセンブリ構成要素を成形することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３３】
前記接着剤層が、取り外し可能なライナーを有する感圧性接着剤層を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３４】
膜電極アセンブリを製作する方法であって、
第１及び第２のガスケット付きガス拡散層（ＧＤＬ）サブアセンブリを形成する工程であって、各サブアセンブリの形成が、
接着剤層を上に有する少なくとも第１のガスケット層を備えるガスケット内に開口部を切断することと、
前記開口部の上にガス拡散層を配置することと、
前記第１のガスケット層上にガスケット材料を置くことと、
前記第１のガスケット層、ＧＤＬ、及び前記流動可能なガスケット材料を成形して、前記第１のガスケット層と前記ＧＤＬとの間の接合部をなすことであって、前記接合部が前記ガスケット材料によって形成されることと
を含む工程と、
前記第１のガスケット付きＧＤＬサブアセンブリと第２のガスケット付きＧＤＬサブアセンブリとの間に触媒被覆電解質膜を配置する工程と
を含む方法。
【請求項３５】
前記触媒被覆膜を配置する工程が、
前記第１のガスケット付きＧＤＬサブアセンブリ上に前記触媒被覆膜を置くことと、
前記触媒被覆膜及び前記第１のガスケット付きＧＤＬサブアセンブリ上に前記第２のＧＤＬサブアセンブリを置くことと
を含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記第１のガスケット付きＧＤＬサブアセンブリの前記接着剤層が、取り外し可能な接着剤ライナーを有する感圧性接着剤層を有し、
前記第１のガスケット付きＧＤＬサブアセンブリと第２のガスケット付きＧＤＬサブアセンブリとの間に前記触媒被覆膜を配置する前に、前記接着剤ライナーを取り外す工程と、
圧力を与えて、前記感圧性接着剤層を介して前記第１のガスケット付きＧＤＬサブアセンブリを前記第２のガスケット付きＧＤＬサブアセンブリに接合する工程と
を更に含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
前記ＧＤＬが、前記第２のガスケット層に重なる、請求項１０に記載のサブアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には燃料電池に関し、より具体的には、膜電極アセンブリ用のガスケット付きガス拡散層に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的な燃料電池電力システムは電力セクションを有し、その電力セクション内に、燃料電池の１つ以上のスタックが設けられる。燃料電池電力システムの効率は、主として、個々の燃料電池内の、及びスタックの隣接する燃料電池間の様々な接触及び封止境界面の結合性に依存する。
【０００３】
いくつかの実現形態に必要な電力を達成するために、燃料電池スタックは、多数の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）、流れ場プレート、及びシールガスケットを有することができる。スタックのこれらの及び他の構成要素は、綿密に位置合わせされ組み立てられなければならない。たとえ少数の構成要素でも誤って位置合わせすると、ガス漏れ、水素クロスオーバー、及び性能／耐久性の劣化につながることがある。
【０００４】
長期にわたる動作の間の燃料電池膜の耐久性は、多くの場合、燃料電池が費用効果的に使用され得るか否かを決定する。ＭＥＡは多数の形で故障することがあるが、１つの典型的な故障メカニズムは、湿度サイクルに伴う膜の膨張及び収縮が原因で、活性領域の縁部において膜が破損すること又は物理的変形が繰り返されることによって生じる余剰ガスクロスオーバーである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
耐久性及び寿命を改善したＭＥＡが必要とされている。本発明はこれら及び他の必要性を満たす。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ガスケットを組み込んだガス拡散層（ＧＩＧ）、ＧＩＧを使用したアセンブリ、並びに、ＧＩＧ及びＧＩＧを組み込んだ膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を製作するためのプロセスに関する。
【０００７】
一実施形態において、ＭＥＡ用のＧＩＧサブアセンブリは、ガス拡散層（ＧＤＬ）と、そのＧＤＬに接合されたガスケットとを有する。ガスケットは、第１のガスケット層と第２のガスケット層とを有する。第２のガスケット層は、第１のガスケット層の縁部及び／又は表面の少なくとも一部分、並びにＧＤＬの縁部及び／又は表面の少なくとも一部分と接触するガスケット材料で形成される。第２のガスケット層のガスケット材料は、ＧＤＬを第１のガスケット層に接合する。接着剤層、及び所望による接着剤ライナーが、第１のガスケット層の、第２のガスケット層から反対側の表面上に設けられる。ＧＤＬは、第１のガスケット層内の開口部内に設けられてもよく、また、第１のガスケット層に重なってもよい。
【０００８】
いくつかの実現形態において、第２のガスケット層は、ＧＤＬの表面の少なくとも一部分の上に設けられる。第２のガスケット層のガスケット材料は、ＧＤＬの縁部及び／又は表面でＧＤＬに侵入してもよい。第２のガスケット層のガスケット材料は、第１のガスケット層の表面及び／又は縁部に侵入してもよい。
【０００９】
第１及び／又は第２のガスケット層は、いくつかの構成において、ガスケットの封止性を向上させるために、ミクロ構造形状を有してもよい。他の構成において、第１及び／又は第２のガスケット層の封止面は、実質的に平坦であってもよい。
【００１０】
第１のガスケット層は、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド、又は、十分に薄く、十分に強く、燃料電池環境に十分に適合する他の硬質な高分子材料などのポリマーを含んでもよい。第２のガスケット層のガスケット材料は、例えば、シリコーン、ゴム、フルオロポリマー、又は様々な熱硬化性の軟質なポリマーを含んでもよい。
【００１１】
本発明の別の実施形態は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）に関する。このＭＥＡは、電解質膜と、触媒層と、ＧＩＧとを有する。触媒層は、触媒被覆膜（ＣＣＭ）を形成する電解質膜上に設けられてもよく、膜に面するＧＤＬの表面上に設けられてもよい。様々な構成において、電解質膜は、ミクロ構造形状を備えてもよく、並びに／又は、第１及び第２の触媒層の一方若しくは双方が、ナノ構造薄膜（ＮＳＴＦ）触媒を備える。例えば、ＮＳＴＦ触媒は、針状のナノ構造支持ウィスカ上に配置された触媒粒子を含んでもよい。
【００１２】
本発明の別の実施形態は、燃料電池スタックを含む。この燃料電池スタックは、流れ場プレート間に設けられた、ガスケットを組み込んだＧＤＬ（ＧＩＧ）を２つ有し、それらの流れ場プレートは、圧縮力下でＧＩＧのガスケットと接触する。ＭＥＡは、電解質膜と、触媒層と、第１及び第２のサブアセンブリとを有し、各サブアセンブリは、ＧＤＬと、そのＧＤＬに接合されたガスケットとを備える。ガスケットは第１のガスケット層を有し、その第１のガスケット層は、一方の表面上に設けられた接着剤層を有する。ガスケットはまた、第２のガスケット層を有し、その第２のガスケット層は、第１のガスケット層とＧＤＬの少なくとも一方の表面と接触するガスケット材料を含む。
【００１３】
本発明の更なる別の実施形態は、膜電極アセンブリ用のサブアセンブリを製作する方法に関する。サブアセンブリ構成要素は、第１のガスケット層に対してガス拡散層（ＧＤＬ）を配置し、第１のガスケット層の一方の表面上に流動可能な又は変形可能なガスケット材料を置くことによって用意される。感圧性接着剤及び取り外し可能な接着剤ライナーが、第１のガスケット層の反対側の表面上に設けられてもよい。サブアセンブリ構成要素は成形されて、第１のガスケット層とＧＤＬとの間の接合部をなし、その接合部は、ガスケット材料によって形成される。
【００１４】
サブアセンブリ構成要素の用意は、第１のガスケット層内に開口部を切断することと、その開口部内にガス拡散層を配置することとを含んでもよい。一実現形態において、流動可能なガスケット材料のビードが、成形に先立って、第１のガスケット層上に及び／又は金型板上に置かれてもよい。成形の後、流動可能なガスケット材料を硬化させてもよい。成形に使用される金型板はミクロ構造形状を有してもよく、その結果、第２のガスケット層は、流動可能なガスケット材料内にエンボス加工されたミクロ構造形状を有するように形成することができる。この成形プロセスで、サブアセンブリ構成要素の所定の厚さを容易に達成することができる。
【００１５】
別の実現形態によれば、本願において加熱／加圧処理可能な材料と呼ばれる、熱と圧力の一方又は両方によって処理可能な材料のプレカットフレームが、ＧＤＬ及び第１のガスケット層に近接して置かれる。例えば、加熱／加圧処理可能な材料は、ＧＤＬの縁部の上に、また第１のガスケット層の縁部の上に置かれてよい。ＧＤＬ、プレカットフレーム、及び第１のガスケット層がホットプレスされ、第２のガスケット層が、ＧＤＬを第１のガスケット層に接合する加熱／加圧処理可能な材料から形成される。加熱／加圧処理可能な材料は、第１のガスケット層とＧＤＬとの間の接合部の形成をなすように、熱と圧力の一方又は両方の下で十分に流動可能又は変形可能である。
【００１６】
本発明の別の実施形態は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を製作する方法に関する。第１及び第２のＧＩＧが形成される。各ＧＩＧは、少なくとも第１のガスケット層を備えるガスケット内に開口部を切断することによって形成される。ＧＤＬが、開口部の中又は上に配置される。加熱／加圧処理可能なガスケット材料が、第１のガスケット層の上若しくは近くに、及び／又は金型板の上に置かれる。第１のガスケット層、ＧＤＬ、及び加熱／加圧処理可能なガスケット材料は成形されて、加熱／加圧処理可能なガスケット材料によって形成された、第１のガスケット層とＧＤＬとの間の接合部をなす。電解質膜及び触媒層が、第１のガスケット付きＧＤＬサブアセンブリと第２のガスケット付きＧＤＬサブアセンブリとの間に配置される。本発明の一態様によれば、電解質膜は触媒層を上に設けられて、触媒被覆膜（ＣＣＭ）を形成する。別の態様によれば、触媒層は、第１及び第２のＧＩＧのＧＤＬ上に設けられる。
【００１７】
本発明の一態様によれば、ＣＣＭは、第１のＧＩＧと第２のＧＩＧとの間に配置される。例えば、ＣＣＭは第１のＧＩＧ上に置かれ、第２のＧＩＧはＣＣＭ上に置かれ、その結果、ＣＣＭは第１のＧＩＧと第２のＧＩＧとの間に挟まれる。ＧＩＧの一方又は両方のガスケットは、取り外し可能な接着剤ライナーを有する感圧性接着剤層を有してもよい。接着剤ライナーを使用する場合、第２のＧＩＧをＣＣＭ上に置くのに先立って、接着剤ライナーを第２のＧＩＧから取り外すと、第２のＧＩＧの接着剤層が露出する。圧力を与えて、感圧性接着剤層を介して第２のＧＩＧをＣＣＭ及び／又は第１のＧＩＧに取り付ける。
【００１８】
上記の本発明の概要は、本発明の各実施形態又はすべての実現形態を説明することを意図したものではない。本発明の利点及び成果は、本発明のより完全な理解と共に、添付の図面に関連してなされた以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を参照することによって明らかになり、また理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】燃料電池の動作。
【図２Ａ】本発明の一実施形態による、ガスケットを組み込んだガス拡散層（ＧＩＧ）。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態による、ガスケットを組み込んだガス拡散層（ＧＩＧ）。
【図２Ｃ】本発明の一実施形態による、ガスケットを組み込んだガス拡散層（ＧＩＧ）。
【図２Ｄ】本発明の一実施形態による、ガスケットを組み込んだガス拡散層（ＧＩＧ）。
【図３Ａ】本発明の実施形態による、触媒被覆膜（ＣＣＭ）とＧＩＧとを組み込んだ膜電極接合体（ＭＥＡ）の展開図。
【図３Ｂ】本発明の実施形態による、触媒被覆膜（ＣＣＭ）とＧＩＧとを組み込んだ膜電極接合体（ＭＥＡ）の圧縮された図（compressed view）。
【図３Ｃ】本発明の実施形態による、溝を有する流れ場プレートに対する封止を促進するためにＧＩＧが実質的に平坦な表面を有する単燃料電池アセンブリ。
【図３Ｄ】本発明の実施形態による、ＧＤＬ上に設けられた触媒層をＧＩＧが有する単燃料電池アセンブリ。
【図３Ｅ】本発明の実施形態による、各単電池がＧＩＧを組み込んだ複数の単電池を有する燃料電池。
【図４Ａ】本発明の実施形態に従って構成された、ガスケットを組み込んだガス拡散層（ＧＩＧ）の横断面図。
【図４Ｂ】本発明の実施形態に従って構成された、ガスケットを組み込んだガス拡散層（ＧＩＧ）の平面図。
【図４Ｃ】本発明の実施形態による触媒被覆ＧＤＬを有するＧＩＧの横断面図。
【図４Ｄ】本発明の実施形態による、第１のガスケット層がＧＤＬの下方に設けられたＧＩＧの横断面図。
【図４Ｅ】本発明の実施形態による、第１のガスケット層がＧＤＬの下方に設けられたＧＩＧの横断面図。
【図４Ｆ】本発明の実施形態による、第２のガスケット層に使用される加熱／加圧処理可能な材料の一部分が第１のガスケット層とＧＤＬとの間に設けられたＧＩＧの横断面図。
【図５Ａ】一実施形態に従って形成された、第１のキャリアウェブと第２のキャリアウェブとの間に挟まれた複数のＧＩＧを備えるＧＩＧサブアセンブリウェブの横断面図。
【図５Ｂ】第２のキャリアウェブのない図５ＡのＧＩＧサブアセンブリウェブの平面図。
【図５Ｃ】一実施形態による、第１のキャリアウェブと第２のキャリアウェブとの間に挟まれた複数のＧＩＧを備え、ＧＤＬが第１のガスケット層に重なるＧＩＧサブアセンブリウェブの横断面図。
【図６Ａ】本発明の実施形態による、触媒被覆電解質膜（ＣＣＭ）の第１及び第２の表面上に設けられたＧＩＧを有する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）。
【図６Ｂ】本発明の実施形態による、触媒層のない電解質膜上に触媒被覆ＧＤＬを設けられたＧＩＧを有するＭＥＡ。
【図６Ｃ】本発明の実施形態による、ＧＤＬがＧＩＧの第１のガスケット層に重なるＧＩＧを有する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）。
【図７】本発明の実施形態に従って形成されたＭＥＡウェブの横断面図。
【図８】本発明の実施形態による、ＧＩＧを組み込んだＭＥＡを有する単燃料電池。
【図９Ａ】本発明の実施形態によるＧＩＧを製作するためのプロセスを示す流れ図。
【図９Ｂ】本発明の実施形態によるＧＩＧを製作するためのプロセスを示す流れ図。
【図１０Ａ】本発明の実施形態によるＧＩＧを製作するためのプロセスを示す一連の略図の１つ。
【図１０Ｂ】本発明の実施形態によるＧＩＧを製作するためのプロセスを示す一連の略図の１つ。
【図１０Ｃ】本発明の実施形態によるＧＩＧを製作するためのプロセスを示す一連の略図の１つ。
【図１０Ｄ】本発明の実施形態によるＧＩＧを製作するためのプロセスを示す一連の略図の１つ。
【図１０Ｅ】本発明の実施形態によるＧＩＧを製作するためのプロセスを示す一連の略図の１つ。
【図１０Ｆ】本発明の実施形態によるＧＩＧを製作するためのプロセスを示す一連の略図の１つ。
【図１０Ｇ】本発明の実施形態によるＧＩＧを製作するためのプロセスを示す一連の略図の１つ。
【図１１Ａ】本発明の実施形態によるＧＩＧを組み込んだＭＥＡを製作するためのプロセスを示す一連の略図の１つ。
【図１１Ｂ】本発明の実施形態によるＧＩＧを組み込んだＭＥＡを製作するためのプロセスを示す一連の略図の１つ。
【図１１Ｃ】本発明の実施形態によるＧＩＧを組み込んだＭＥＡを製作するためのプロセスを示す一連の略図の１つ。
【図１１Ｄ】本発明の実施形態によるＧＩＧを組み込んだＭＥＡを製作するためのプロセスを示す一連の略図の１つ。
【図１１Ｅ】本発明の実施形態によるＧＩＧを組み込んだＭＥＡを製作するためのプロセスを示す一連の略図の１つ。
【図１１Ｆ】本発明の実施形態によるＧＩＧを組み込んだＭＥＡを製作するためのプロセスを示す一連の略図の１つ。
【図１１Ｇ】本発明の実施形態によるＧＩＧを組み込んだＭＥＡを製作するためのプロセスを示す一連の略図の１つ。
【図１１Ｈ】本発明の実施形態によるＧＩＧを組み込んだＭＥＡを製作するためのプロセスを示す一連の略図の１つ。
【図１２】一実施形態による、本明細書で説明するＧＩＧを組み込むことができる燃料電池システム。
【図１３】一実施形態による、本明細書で説明するＧＩＧを組み込むことができる燃料電池システム。
【図１４】一実施形態による、本明細書で説明するＧＩＧを組み込むことができる燃料電池システム。
【図１５】一実施形態による、本明細書で説明するＧＩＧを組み込むことができる燃料電池システム。
【００２０】
本発明は様々な修正及び代替の形態に容易に応じるが、その細部を、一例として図面に示してあり、また詳しく説明することにする。しかしながら、その意図は、説明する特定の実施形態に本発明を限定することではないことは理解されよう。逆に、その意図は、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲に含まれるすべての修正物、等価物、及び代替物を網羅することである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
例示する実施形態を以下に説明するにあたり、添付の図面を参照するが、その図面は本願の一部をなすものであり、また、本発明が実施され得る様々な実施形態を実例として示すものである。本発明の範囲から逸脱することなく、これらの実施形態が利用されることができ、また、構造的な変更がなされ得ることが理解されよう。
【００２２】
本発明の実施形態は、本願において、ガスケットを組み込んだガス拡散層（ＧＩＧ）又はＧＩＧサブアセンブリと呼ばれる、ガスケットに接合されたガス拡散層（ＧＤＬ）に関する。従来のガスケット法では、ガスケット層が、触媒被覆膜（ＣＣＭ）に良好に接合することが要求される。接合が不十分であると、ＭＥＡが動作条件下に置かれたときに漏れを生じる結果となる。また、接合が不十分であると、ガスケットが接着できず電解質膜から外れた場合、製造及びスタックの組み立てプロセスの間にサブアセンブリを取り扱うことが困難となる。本明細書において説明するガスケット法は、ＧＤＬ／ＣＣＭ境界面における接合を増強するものであり、また、ナノ構造薄膜触媒層と共に用いられると特に有利となるものである。
【００２３】
膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、本明細書で説明する実施形態による１つ以上のＧＩＧを組み込むことができる。本発明のいくつかの実施形態は、ＧＩＧサブアセンブリを製作するためのプロセス、及びＧＩＧサブアセンブリを組み込んだＭＥＡを製作するためのプロセスに関する。本明細書で説明するいくつかの実施形態において、ＭＥＡの第１及び第２のＧＩＧのガスケットは互いに接合され、ＧＤＬをＣＣＭにしっかりと接合する必要性が排除される。いくつかの実施形態において、ＧＩＧサブアセンブリ及び／又はＧＩＧを組み込んだＭＥＡは、ロール品として作製されてもよい。
【００２４】
本発明のＧＩＧは、高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池の用途において特に有用である。典型的な燃料電池の構成が、図１に示されている。図１に示す燃料電池１１０は、第１のＧＩＧ  １１４に隣接する第１の流体流れプレート１１２を有している。ＧＩＧ  １１４には、電解質膜１１６と触媒層１１５、１１３とを備える触媒被膜電解質膜（ＣＣＭ）１２０が隣接している。第２のＧＩＧ  １１８がＣＣＭ  １２０に隣接して位置し、第２の流体流れプレート１１９が、第２のＧＩＧ  １１８に隣接して位置している。
【００２５】
動作の際、水素燃料が、燃料電池１１０のアノード部分の中に導入され、第１の流体流れプレート１１２を越えて第１のＧＩＧ  １１４のＧＤＬ部分を通過する。触媒１１５の表面上における第１のＧＩＧ  １１４のＧＤＬとＣＣＭ  １２０との境界面で、水素燃料は水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とに分離する。
【００２６】
ＣＣＭ  １２０の電解質膜１１６は、水素イオンつまり陽子のみを、電解質膜１１６を通して燃料電池１１０のカソード触媒１１３へと通過させる。電子は、電解質膜１１６を通過することはできないが、その代わりに、外部電気回路を電流の形で流れることができる。この電流は、電動モーターなどの電気負荷１１７に給電することができ、また、充電式電池などのエネルギー蓄積装置に案内されることもできる。
【００２７】
酸素は、第２の流体流れプレート１１９を介して、燃料電池１１０のカソード側の第２のＧＩＧ  １１８のＧＤＬを通じて流れる。カソード触媒１１３の表面上で、酸素と、陽子と、電子とが結合して、水と熱を発生する。
【００２８】
図１に示す燃料電池などの個々の燃料電池は、多数の他の燃料電池と結合されて燃料電池スタックを形成することができる。スタック内の燃料電池の数によってスタックの総電圧が決まり、電池の活性領域の表面積によって総電流が決まる。所与の燃料電池スタックによって生成される総電力は、総スタック電圧を総電流で乗算することによって決定されることができる。
【００２９】
図２Ａ及び２Ｂはそれぞれ、一実施形態によるＧＩＧの横断面図及び平面図を示している。ＧＩＧは、ガスケット２１０と、ガス拡散層（ＧＤＬ）２０５とを有している。ＧＤＬ  ２０５は、反応ガスを通過させる一方で電極から電流を集めることが可能な任意の材料、典型的には織布又は不織布の炭素繊維紙又は炭素繊維布から作ることができる。
【００３０】
ガスケット２１０は、ＧＤＬ  ２０５に対して配置された第１のガスケット層２１１を有する層構造である。一実施形態において、図２Ａに最も良く示されているように、ＧＤＬ２０５は、第１のガスケット層２１１内の開口部よりもわずかに小さい。ＧＤＬ  ２０５は、第１のガスケット層２１１の開口部内に配置されている。第１のガスケット層２１１は、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、及び／又は、十分に薄く、十分に強く、燃料電池の環境、すなわち、水、水素、若しくは酸素への暴露を伴う８０℃〜１００℃の温度に十分に適合し、接着剤層並びに第２のガスケット層２１４への接着を促進する表面を提供する硬質なポリマー材料などの他の材料のような、様々な種類の高分子材料を含んでよい。
【００３１】
ガスケット２１０は、接着剤層２１２と、所望による接着剤ライナー２１３とを有しており、この接着剤ライナー２１３は、第１のガスケット層２１１の一方の表面上に設けられている。接着剤層２１２は、感圧性接着剤（ＰＳＡ）又は加熱活性化接着剤を含んでもよい。例えば、接着剤層２１２は、アクリル系ＰＳＡ、ゴム系接着剤、エチレン無水マレイン酸共重合体、１−オクテンとエチレン又はプロピレンとの共重合体などのオレフィン系接着剤、ニトリル系接着剤、エポキシ系接着剤、及びウレタン系接着剤のいずれかを含んでよい。いくつかの実施形態において、接着剤層２１２は、サーモボンド（Thermobond）８４５（マレイン酸ポリエチレン系）又はサーモボンド５８３（ニトリルゴム系）などの加熱活性化接着剤を含んでもよい。
【００３２】
ガスケット２１０は、第１のガスケット層２１１及びＧＤＬ  ２０５と接触する第２のガスケット層２１４を有している。第２のガスケット層２１４は、図２Ａに示すように実質的に平坦であってもよく、また表面形状を有してもよい。例えば、封止をなすための適切な隆起を有する燃料電池スタックセパレータプレート又は流れ場プレートに対する封止を促進するために、実質的に平坦なガスケット表面が使用されてもよい。この構成において、平坦なガスケットは、セパレータ又は流れ場プレートに対して変形して封止をなす。以下で説明するミクロ構造形状を有するガスケット表面は、例えば、実質的に平坦な流れ場プレートに対する封止を増強するために有用となり得る。
【００３３】
第２のガスケット層２１４を形成する材料は、第１のガスケット層２１１をＧＤＬ  ２０５に接合する。ある構成において、第２のガスケット層２１４を形成する材料は、シリコーン材料を含む。他の実施形態において、第２のガスケット層２１４は、例えば、ゴム、フルオロポリマー、又は他の変形可能で、流動可能で、並びに／又は硬化可能な材料から形成されてもよい。様々な実施形態において、第２のガスケット層は、本願において加熱／加圧処理可能な材料と呼ばれる、熱と圧力の一方又は双方の作用下で流動するか又は変形する材料を含む。加熱／加圧処理可能な材料は、第１のガスケット層とＧＤＬとの間の接合部を形成するように、加熱及び／又は加圧下で十分に流動可能又は変形可能である。
【００３４】
熱可塑性材料及び硬化性材料などの、任意の好適なガスケット材料が第２のガスケット層に使用されてよい。また、熱可塑性エラストマー及びエラストマー系接着剤がガスケット材料として使用されてもよい。エラストマーのガスケットは、典型的には導電性ではない。ガスケット材料は、エチレンプロピレンジエンモノマーゴム（ＥＰＤＭゴム）若しくはブチルゴムなどのゴム、又はシリコーンから選択されてよい。硬化性材料は、実質的に硬化したときに、実質的に凝固する。実質的に硬化したとは、典型的には、ガスケット材料が外力の非存在下で安定な形状を維持する程度に硬化したことを意味する。付加的な更なる硬化工程が続いてもよい。熱可塑性材料は、そのガラス転移温度（Ｔg）未満に冷却されたとき、実質的に凝固する。
【００３５】
図２Ｃは、別の実施形態によるＧＩＧの構成を示している。このＧＩＧは、ＧＤＬ  ２０５に接合されたガスケット２２０を有している。この構成において、第２のガスケット層２１５の一方の表面は、ミクロ構造形状２１６を有している。いくつかの実施形態において、ミクロ構造形状２１６は、ＧＩＧの封止特性を向上させる。図２Ｃ〜２Ｄに示すミクロ構造形状２１６は、三角形の山部と谷部として示されているが、他の実施形態において、ミクロ構造形状は、様々な他のいかなる形状をなしてもよい。例えば、一実施形態において、ミクロ構造形状は、最密な六角形（closely packed hexagon）を含んでもよい。ミクロ構造形状は、第１のガスケット層と第２のガスケット層の一方又は双方に存在してよい。
【００３６】
いくつかの実現形態において、ミクロ構造形状の高さは、ガスケットの封止面が流れ場の頂部と同一平面上にある流れ場プレートに適合するように選択されてもよい。他の実現形態において、ガスケットの封止面は、流れ場の頂部からある程度くぼんでいてもよい。このくぼんだ実現形態では、ミクロ構造形状をより高いものにすることができ、プレート厚さの不均一性の存在下で封止の許容度を向上させることができる。
【００３７】
第２のガスケット層２１５の材料は、第１のガスケット層２１１及びＧＤＬ  ２０５と接触し、第１のガスケット層２１１とＧＤＬ  ２０５との間の接合部を形成する。第２のガスケット層２１５は、第１のガスケット層２１１の、接着剤層２１２から反対側の表面２１９上に設けられており、ＧＤＬの縁部領域２０１においてＧＤＬ  ２０５と隣接している。いくつかの実施形態において、図２Ｃに示すように、第２のガスケット層２１５の材料は、ＧＤＬ  ２０５の縁部２０１と接触してもよく、また、このガスケット材料は、第２のガスケット層２１５をＧＤＬ  ２０５に接合するのを支援するために、ＧＤＬ縁部２０１に一定の深さ２０４まで侵入してもよい。
【００３８】
図２Ｄは、別の実施形態によるＧＩＧを示している。この実施形態において、ＧＩＧの第２のガスケット層２１７は、ミクロ構造表面形状２１６を有している。第２のガスケット層２１７の材料は、ＧＤＬの縁部２０１と接触しており、また、ＧＤＬ  ２０５の表面２０２の、縁部２０１付近の部分とも接触している。第２のガスケット層２１７の材料は、一定の深さ２０４までＧＤＬ  ２０５表面２０２及び／又は縁部２０１に侵入してもよい。侵入の深さは、取扱い及びＭＥＡの組み立ての使用目的でＧＤＬとガスケットを互いに保持するのに十分であるべきであるが、ＭＥＡの活性領域を著しく減じるほどには大きくすべきではない。例えば、様々な実施形態において、侵入の深さは、約０．１ｍｍ〜約５ｍｍの範囲、約０．５ｍｍ〜約３ｍｍの範囲、約０．５ｍｍ〜約２ｍｍの範囲、又は約０．５ｍｍ〜約１ｍｍの範囲を含んでよい。
【００３９】
ここで図３Ａ及び３Ｂを参照すると、本発明の実施形態による燃料電池スタックの単電池アセンブリが示されている。図３Ａは、単燃料電池アセンブリの展開図を示している。図３Ｂは、圧縮後の単燃料電池アセンブリの横断面図を示している。図３Ａ及び３Ｂにおいて、燃料電池スタックは、上で説明したように２つのＧＩＧ  ３５１を流体流れプレート３６０、３６１の間に組み込んだ五層ＭＥＡ  ３５０を備えている。図３Ｂに示すように、ＭＥＡ  ３５０は、アノード触媒層３５３とカソード触媒層３５９との間の電解質膜３５２を有している。いくつかの構成において、アノード触媒層３５３とカソード触媒層３５４の一方又は双方は、触媒被覆膜（ＣＣＭ）３５５を形成する電解質膜３５２の表面に設けられてもよい。他の構成において、触媒層３５３、３５９は、ＧＤＬ  ３０５の表面上に設けられてもよい。更なる他の構成において、触媒層３５３、３５９は、一部分は電解質膜３５２上に、一部分はＧＤＬ  ３０５上に設けられてもよい。
【００４０】
各ＧＩＧ  ３５１は、ＧＤＬ  ３０５と、第１のガスケット層３１１と、接着剤層３１２と、第１のガスケット層３１１をＧＤＬ  ３０５に接合する第２のガスケット層３１５とを有している。ガスケット付きＭＥＡ  ３５０の組み立て前に、ＧＩＧ  ３５１は、ＭＥＡ  ３５０の組み立ての間に除去される接着剤ライナーを有していてもよい。ＧＩＧ  ３５１の接着剤層３１２は、ＣＣＭ  ３５５の表面に、そして互いに接着して、ガスケット付きＭＥＡ  ３５０を形成する。
【００４１】
図３Ａ及び３Ｂに示した例において、各ＧＩＧ  ３５１の第２のガスケット層３１５は、ＧＩＧ  ３５１と燃料流れプレート３６０、３６１との間の封止を促進するために、所望によるミクロ構造形状３１６を有している。流体流れプレート３６０、３６１の各々は、水素及び酸素燃料が通過するガス流れチャネル３４３及びポートの領域を有している。図３Ａ及び３Ｂに示す構成において、流れ場プレート３６０、３６１は、単極の流れ場プレートとして構成されている。他の構成において、流れ場プレート３６０、３６１は、多数のＭＥＡを積み重ねて所望の電圧を燃料電池スタック全体にわたって達成するために、二極の流れプレートを備えてもよい。図３Ｃに示す例において、第２のガスケット層３１８の表面は、実質的に平坦である。第２のガスケット層３１８は、隆起部３４５を有する燃料流れプレート３６２、３６３の間で圧縮されている。
【００４２】
図３Ｄは、ＭＥＡ  ３７５が、ＣＣＭではなく、触媒層のない電解質膜３７２を有することを除いて、図３Ｂのアセンブリと類似した単電池アセンブリを示している。ＧＩＧ  ３７６は、触媒層３７３、３７９が上に設けられたＧＤＬ  ３７０を有している。図３Ｅは、複数の電池３８０を組み込んだ燃料電池スタックを示している。
【００４３】
図４Ａ及び４Ｂはそれぞれ、一実施形態によるＧＩＧ  ４００の横断面図及び平面図を示している。ＧＩＧ  ４００は、ガスケット４１０と、ガス拡散層（ＧＤＬ）４０５とを有している。
【００４４】
ガスケット４１０は、ＧＤＬ  ４０５に対して配置された第１のガスケット層４１１を有する層構造である。一実施形態において、図４Ａに最も良く示されているように、ＧＤＬ  ４０５は、第１のガスケット層４１１内の開口部４９０よりもわずかに小さい。この実施形態において、ＧＤＬ  ４０５は、第１のガスケット層４１１の開口部４９０内に配置されている。先に議論したように、第１のガスケット層４１１は、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、並びに／又は、十分に薄く、十分に強く、燃料電池の環境、すなわち、水、水素、及び／若しくは酸素の存在下での８０℃〜１００℃の温度に十分に適合する硬質なポリマー材料などの他の類似の材料のような、様々な種類の高分子材料を含んでよい。
【００４５】
ガスケット４１０は、第１のガスケット層４１１の一方の表面上に設けられた接着剤層４１２を有し、また所望により、接着剤ライナー４１３を有する。第１のガスケット層及び接着剤層４１２の材料は、接着剤層４１２が第１のガスケット層４１１に良好に接着するように選択される。接着剤層４１２は、感圧性接着剤（ＰＳＡ）又は加熱活性化接着剤を含んでもよい。
【００４６】
ガスケット４１０は、ＧＤＬ  ４０５と第１のガスケット層４１１とを互いに接合する第２のガスケット層４１４を有している。本明細書で議論する様々な実施形態において、第２のガスケット層４１４は、室温で固体である材料であって、熱及び／又は圧力で加工されてＧＤＬ  ４０５と第１のガスケット層４１１との間の接合部を形成する材料から形成されてよい。熱及び／又は圧力を材料に作用させると、材料は、ＧＤＬ  ４０５と第１のガスケット層４１１との間の接合部を形成するように、十分に流動するか又は変形する。第２のガスケット層４１４を形成するために使用される材料は、本明細書において、加熱／加圧処理可能な材料と呼ばれる。第２のガスケット層の形成に好適な材料には、例えば、加熱処理可能なポリマー又は熱可塑性封止材料が挙げられる。熱可塑性材料は、ＴＨＶ（テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロエチレンと二フッ化ビニリデンとのターポリマー）のようなフッ素樹脂、ポリエチレン、エチレンとアクリル酸のコポリマーなどのポリエチレンのコポリマー、サーモ−ボンド（Thermo-Bond）８４５（スリーエム社（3M）製造の、例えばポリエチレン無水マレイン酸コポリマー）及びサーモ−ボンド６６８（スリーエム社（3M）製造の、例えばポリエステル）であることができる。また、これらの材料のブレンド、又はこれらにカーボン、ガラス、セラミックなどの充填剤を加えた複合材料が、熱可塑性樹脂として使用されてもよい。溶融温度は、５０℃〜１８０℃、例えば１００℃〜１５０℃となり得る。
【００４７】
一実施形態において、第１のガスケット層４１１及び／又は第２のガスケット層４１４の表面は、ミクロ構造形状４１６などの表面形状を有してもよい。いくつかの実施形態において、ミクロ構造形状４１６は、ＧＩＧの封止特性を向上させる。ミクロ構造形状４１６は、最密な六角形又は他の任意の形状などを含めた多様な形状で形成されてよい。先に議論したように、特定の実施形態において、ミクロ構造形状４１６の高さは、ＧＩＧの封止面が流れ場の頂部と同一平面上にあるか、又は封止面がある程度くぼんでいるセパレータ流れ場プレートに適合するように選択することができる。このくぼんだ変型形態では、ミクロ構造形状４１６をより高いものにすることができ、プレート厚さの不均一性の存在下で封止の許容度を向上させることができる。場合によっては、第１及び／又は第２のガスケット層４１１、４１４の好ましい表面形状４１６は、封止をなすのに適切な隆起部を有する燃料電池流れ場プレートへの接合を促進するために、実質的に平坦である。
【００４８】
いくつかの実施形態において、第２のガスケット層４１４を形成するために使用される加熱／加圧処理可能な材料が、開口部を有するフレームへと切断され、ＧＤＬ  ４０５の外縁部４０６（図４Ｂ）及び第１のガスケット層４１１の内縁部４１７の上に置かれる。置かれた後、熱及び／又は圧力がサブアセンブリに与えられ、加熱／加圧処理可能な材料の一部が、ＧＤＬ  ４０５の隣接する縁部及び／又は表面に、そして第１のガスケット層４１１の隣接する縁部及び／又は表面に流れ込む。熱及び／又は圧力を与えると、第２のガスケット層４１４は第１のガスケット層４１１とＧＤＬ  ４０５の双方に接着し、これにより、第１のガスケット層４１１がＧＤＬ  ４０５に取り付けられる。ホットプレスに使用される圧縮工具の表面は、第１及び／又は第２のガスケット層４１１、４１４の表面上にミクロ構造形状を生じさせるために、ミクロ構造形状を（凹凸を逆にして）有してもよい。いくつかの実施形態において、ＧＩＧ  ４０１のＧＤＬ  ４０５は、図４Ｃに示すように、一方の表面上に設けられた触媒層４１５を更に有してもよい。
【００４９】
図４Ｄ及び４Ｅは、ＧＩＧ  ４０２、４０３の実施形態を示しており、接着剤層４２２と所望による接着剤ライナー４２３とを有する第１のガスケット層４２１が、ＧＤＬ  ４２５の下に配置されている。図４Ｄ及び４Ｅに示す実施形態において、第２のガスケット層４２４、４２７は、ＧＤＬ  ４２５に隣接する第１のガスケット層４２１上に設けられている。いくつかの実現形態において、第２のガスケット層４２４、４２７の材料は、ＧＤＬ  ４２５の上面に重なってもよい。第２のガスケット層４２４、４２７は、ミクロ構造形状４２６（図４Ｄ）を有しても、実質的に平坦な封止面４２８（図４Ｅ）を有してもよい。
【００５０】
いくつかの実施形態において、ＧＩＧは、ＧＤＬを第１のガスケット層上に配置するのに先立って、第２のガスケット層を形成するために使用される加熱／加圧処理可能なガスケット材料を第１のガスケット層上に置くか又は蒸着させることによって組み立てられる。例えば、加熱／加圧処理可能なガスケット材料は、第１のガスケット層の表面上にスクリーン印刷されるか又は別の方法で蒸着されてよい。次いで、ＧＤＬは、第１のガスケット層の上に配置される。いくつかの実現形態において、第２のガスケット層のガスケット材料の一部分は、ＧＤＬと第１のガスケット層との間に設けられてもよい。ＧＤＬを置いた後、熱及び／又は圧力がサブアセンブリに与えられ、加熱／加圧処理可能な材料の一部が、ＧＤＬの隣接する縁部及び／又は表面に、そして第１のガスケット層の隣接する縁部及び／又は表面に流れ込む。
【００５１】
図４Ｆは、上述のプロセスに従って形成され得るＧＩＧ  ４０４を示している。この実現形態において、第２のガスケット層の加熱／加圧処理可能な材料４８５の一部が、ＧＤＬ  ４８０と第１のガスケット層４８１との間に設けられる。第１のガスケット層４８１は、接着剤層４８２と所望による接着剤ライナー４８３とを有している。第２のガスケット層４８４は、ミクロ構造形状を有してもよく、また、図４Ｆに示すように実質的に平坦であってもよい。
【００５２】
図４Ａ〜４Ｆに示すＧＩＧなどの複数のＧＩＧを備えるウェブが、ＧＩＧサブアセンブリウェブとしてロールツーロールプロセスで作製されてもよい。図５Ａは、図４Ａ〜４Ｃに示すＧＩＧと類似した複数のＧＩＧ  ５１０を備えるＧＩＧウェブ５００の横断面図を示している。ＧＩＧサブアセンブリ構成要素の取扱い及び搬送を容易にするために、第２のガスケット層５１４を形成する加熱／加圧処理可能な材料が、第１のキャリアウェブ５３１上に設けられてもよく、また、第１のガスケット層が、作製プロセスの間に第２のキャリアウェブ５３２上に設けられてもよい。
【００５３】
作製の間、第２のガスケット層５１４を形成する加熱／加圧処理可能な材料が、第１及び第２のキャリアウェブ５３１、５３２の動作によって、一対の接合ローラーなどの圧縮装置において、第１のガスケット材料５１１及びＧＤＬ  ５０５と近づけられる。接合ローラーにおいて、熱及び／又は圧力が、加熱／加圧処理可能な材料に与えられて、材料が流動するか又は変形し、第１のガスケット材料５１１をＧＤＬ  ５０５に接合する第２のガスケット層５１４が形成される。各ＧＩＧは、ミクロ構造形状５１６を有していても有していなくてもよい。接着剤層５１２及び所望による接着剤ライナー５１３が、第１のガスケット層５１１上に設けられている。図５Ｂは、第２のキャリアウェブ５３２を有し図５Ａに示す第１のキャリアウェブ５３１のないＧＩＧサブアセンブリウェブの平面図（正確な縮尺ではない）を示している。
【００５４】
図４Ｄ〜４Ｅに示すＧＩＧなどの複数のＧＩＧを備えるウェブが、図５Ｃに示されている。図５Ｃは、一実施形態による複数のＧＩＧ  ５２０を備えるＧＩＧウェブ５０２の横断面図を示している。ＧＩＧサブアセンブリ構成要素の取扱い及び搬送を容易にするために、第２のガスケット層５２４を形成する加熱／加圧処理可能な材料が、第１のキャリアウェブ５３１上に設けられてもよく、また、第１のガスケット層が、接合に先立って作製プロセスの間に第２のキャリアウェブ５３２上に設けられてもよい。
【００５５】
作製の間、第２のガスケット層５２４を形成する加熱／加圧処理可能な材料が、第１及び第２のキャリアウェブ５３１、５３２の動作によって、一対の接合ローラーなどの圧縮装置において、第１のガスケット材料５２１及びＧＤＬ  ５２５と近づけられる。接合ローラーにおいて、熱及び／又は圧力が、加熱／加圧処理可能な材料に与えられて、材料が流動するか又は変形し、第１のガスケット材料５２１をＧＤＬ  ５２５に接合する第２のガスケット層５２４が形成される。接着剤層５２２及び所望による接着剤ライナー５２３が、第１のガスケット層５２１上に設けられている。
【００５６】
特定の実施形態において、上で説明し図４Ａ〜５Ｃに示したプロセスに従って作製されたＧＩＧ及び／又はＧＩＧサブアセンブリウェブは、後のプロセスにおいてＭＥＡ又はＭＥＡサブアセンブリウェブを形成するために使用されてもよい。図６Ａ及び６Ｂは、触媒被覆電解質膜の第１及び第２の表面上に設けられたＧＩＧを使用して作製されたＭＥＡを示している。図６Ａは、触媒被覆電解質膜（ＣＣＭ）６３０の第１及び第２の表面上に設けられたＧＩＧ  ６１０、６２０を示している。各ＧＩＧ  ６１０、６２０は、第１のガスケット層６１１、６２１を有しており、これら第１のガスケット層６１１、６２１は、ミクロ構造形状６１６、６２６を含んでもよい。接着剤層６１２、６２２が、第１のガスケット層６１１、６２１の各々の上に設けられている。ＧＩＧ  ６１０、６２０の第１のガスケット層６１１、６２１の各々は開口部を有しており、ＧＤＬ  ６０５、６０６がその開口部内に配置されている。
【００５７】
図６Ａに示すＧＤＬ  ６０５、６０６は、ＧＤＬ  ６０５、６０６が第１のガスケット層６１１、６２１の開口部に嵌合するように、第１のガスケット層６１１、６２１の開口部よりもわずかに小さいものとなっている。いくつかの実現形態において、ＧＤＬ  ６０５、６０６は、ＧＤＬ  ６０５、６０６の外縁部６１７、６２７が第１のガスケット層６１１、６２１の内縁部６１８、６２８と重なるように、第１のガスケット層６１１、６２１の開口部よりもわずかに大きくてもよい。各ＧＩＧは、加熱／加圧処理可能な材料から形成された第２のガスケット層６１４、６２４を有している。
【００５８】
熱及び／又は圧力を与えられた後、加熱／加圧処理可能な材料は、第１のガスケット層６１１、６２１とＧＤＬ  ６０５、６０６とを接合する第２のガスケット層６１４、６２４を形成するように流動する。接合プロセスの間、ＧＩＧ  ６０１の封止性を向上させるために、ミクロ構造形状が、第２のガスケット層６１４及び／又は第１のガスケット層６１１に付与されてもよい。
【００５９】
図６Ｂは、図６ＢのＧＩＧ  ６５０、６６０がＧＤＬ  ６０７、６０８の表面上に触媒層６３３、６３４を有することを除いて、図６Ａに示すＭＥＡと類似したＭＥＡ  ６０１を示している。この実施形態において、電解質膜６３６は、触媒層を有していても有していなくてもよい。
【００６０】
図６Ｃは、膜６３５と触媒層６３１、６３２とを有する触媒被覆電解質膜（ＣＣＭ）６３０の第１及び第２の表面上に設けられたＧＩＧ  ６８０、６９０を示している。各ＧＩＧ  ６８０、６９０は、第１のガスケット層６４１、６５１を有している。接着剤層６４２、６５２が、第１のガスケット層６４１、６５１の各々の上に設けられている。この実施形態において、ＧＤＬ  ６０３、６０９は、第１のガスケット層６４１、６５１に重なっている。各ＧＩＧ  ６８０、６９０は、加熱／加圧処理可能な材料から形成された第２のガスケット層６４４、６５４を有している。この実施形態において、第２のガスケット層６４４、６５４は、ミクロ構造形状６２６、６５６を有している。
【００６１】
図７は、一実施形態による、ロールツーロール製造プロセスによって作製され得る複数のＭＥＡを備えるＭＥＡサブアセンブリウェブ７００の横断面図を示している。ＭＥＡサブアセンブリウェブ７００は、各ＧＩＧサブアセンブリから第２のキャリアウェブが除去された後に、図５Ａに示すような２つのＧＩＧサブアセンブリウェブを使用して作製されてもよい。第２のキャリアウェブが除去された後、また使用されている場合は接着ライナーも除去された後、一方のＧＩＧサブアセンブリ７０１は、第１のガスケット層７１１の接着剤層７１２を介してＣＣＭ  ７３０の一方の表面に接着剤で接合される。もう一方のＧＩＧサブアセンブリ７０２は、ＭＥＡサブアセンブリウェブ７００を形成するように、ＣＣＭ  ７３０の反対側の表面に接着剤で接合される。このプロセスでは、ＧＩＧサブアセンブリウェブ７０１、７０２の各々の第１のキャリアウェブ７３１は元のままに残され、それによって、後の処理工程におけるＭＥＡサブアセンブリウェブ７００の取扱いを容易にすることができる。
【００６２】
ここで図８を参照すると、本発明の実施形態による燃料電池スタック８００の単電池アセンブリの横断面図が示されている。燃料電池スタックは、上述のように流体流れプレート８６０、８６１の間に挟まれた２つのＧＩＧ  ８５１、８５５を組み込んだ五層ＭＥＡ  ８５０を備えている。
【００６３】
ＭＥＡと流れ場プレートとを有する燃料電池の作製は、ロールツーロールプロセスによって達成されてもよい。ロールツーロールプロセスに好適な流れ場セパレータプレートなどの、ロールツーロールによる燃料電池の作製に有用な方法及び装置が、参照によって本願にすべてが組み込まれる同一所有者の米国特許公開第２００６０１４１３２８号に記載されている。
【００６４】
燃料電池８００のＭＥＡ  ８５０は、アノード触媒層８５３とカソード触媒層８５４との間に電解質膜８５２を有している。いくつかの構成において、アノード触媒層８５３とカソード触媒層８５４の一方又は双方が、触媒被覆膜（ＣＣＭ）を形成する電解質膜８５２の表面上に設けられてもよい。他の構成において、先に図６Ｂに示したように、触媒層８５３、８５４は、ＧＤＬ  ８０５、８２５の表面上に設けられてもよい。更なる他の構成において、触媒層８５３、８５４は、一部分は電解質膜８５２上に、一部分はＧＤＬ  ８０５、８２５上に設けられてもよい。
【００６５】
アノード触媒層８５３及びカソード触媒層８５４は、本明細書で説明するように構成された電解質膜８５２とＧＩＧ  ８５１、８５５との間に設けられている。各ＧＩＧ  ８５１、８５５は、ＧＤＬ  ８０５、８２５と、第１のガスケット層８１１、８２１と、接着剤層８１２、８２２と、第１のガスケット層８１１、８２１をＧＤＬ  ８０５、８２５に接合する第２のガスケット層８１４、８２４とを有している。ガスケット付きＭＥＡ  ８５０の組み立て前に、ＧＩＧ  ８５１、８５５は、ＭＥＡ  ８５０の組み立ての間に取り外される接着剤ライナーを所望により有している。接着剤ライナーの除去後、ＧＩＧ  ８５１、８５５の接着剤層８１２、８２２は、ＣＣＭの表面に、及び／又は、いくつかの構成においては互いに接着して、ガスケット付きＭＥＡ  ８５０を形成する。
【００６６】
図８に示す例において、ＧＩＧ  ８５１、８５５の第１のガスケット層８１１、８２１及び／又は第２のガスケット層８１４、８２４は、ＧＩＧ  ８５１、８５５と燃料流れプレート８６０、８６１との間の封止を促進するために、所望によるミクロ構造形状８１６、８２６を有している。流れ場プレート８６０、８６１の各々は、水素及び酸素燃料が通過するガス流れチャネル８４３及びポートの領域を有している。図８に示す構成において、流れ場プレート８６０、８６１は、単極の流れ場プレートとして構成されている。他の構成において、流れ場プレート８６０、８６１は、多数のＭＥＡを積み重ねて所望の電圧を燃料電池スタック全体にわたって達成するために、二極の流れ場プレートを備えてもよい。
【００６７】
いかなる好適な電解質膜も、本発明の実施において使用されてよい。有効なＰＥＭ厚さは、約２００μｍと約１５μｍとの間の範囲に及ぶ。テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）と、式：ＦＳＯ２−ＣＦ２−ＣＦ２−Ｏ−ＣＦ（ＣＦ３）−ＣＦ２−Ｏ−ＣＦ＝ＣＦ２に従うコモノマーとのコポリマーは既知であり、スルホン酸の形態で、すなわち、ＦＳＯ２−末端基をＨＳＯ３−に加水分解して、デラウェア州ウィルミントン（Wilmington）のデュポンケミカル社（DuPont Chemcial Company）によってＮＡＦＩＯＮ（登録商標）の商標名で販売されている。ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）は、燃料電池に使用するための高分子電解質膜の製作に広く使用されている。また、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）と、式：ＦＳＯ２−ＣＦ２−ＣＦ２−Ｏ−ＣＦ＝ＣＦ２に従うコモノマーとのコポリマーは既知であり、スルホン酸の形態で、すなわち、ＦＳＯ２−末端基をＨＳＯ３−に加水分解して、燃料電池に使用するための高分子電解質膜の製作に使用されている。最も好ましいのは、ＦＳＯ２−末端基をＨＳＯ３−に加水分解した、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）とＦＳＯ２−ＣＦ２ＣＦ２ＣＦ２ＣＦ２−Ｏ−ＣＦ＝ＣＦ２とのコポリマーである。ＰＥＭ構造に好適な他の材料が、参照によって本願に組み込まれる、２００５年９月１３日出願の同一所有者の米国特許出願第１１／２２５６９０号に記載されている。
【００６８】
いくつかの実施形態において、触媒層は、塩化白金酸の還元などの湿式化学法によってより大きな炭素粒子にコーティングされたＰｔ又はＰｔ合金を含んでもよい。この形態の触媒は、アイオノマー結合剤、溶媒、また多くの場合、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子と共に分散されて、膜又はＧＤＬのいずれかに塗布されるインク、ペースト、又はディスパージョンを形成する。
【００６９】
いくつかの実施形態において、触媒層は、触媒材料の粒子又はナノ構造薄膜（ＮＳＴＦ）を支えるナノ構造支持要素を備えてもよい。ナノ構造触媒層は、支持体としての炭素粒子を含有しておらず、したがって、触媒粒子の高密度分布を形成する電解質膜の極薄表面層の中に組み込まれてもよい。ＮＳＴＦ触媒層を使用することで、触媒利用率を、分散法によって形成された触媒層と比べて非常に高くすることができ、また、炭素支持体が存在しないことで、高電圧及び高温での浸食に対する更なる耐性がもたらされる。いくつかの実現形態において、ＣＣＭの触媒表面積は、ミクロ構造形状を電解質膜の上にエンボス加工することによって、更に拡張されてもよい。ＮＳＴＦ触媒は、ミクロ構造触媒転写基材の上にコーティングされ、このミクロ構造触媒転写基材は、加熱及び加圧下で触媒を電解質膜に積層転写すると、電解質膜の表面をミクロ複製させる（micro-replicated）。ミクロ構造触媒転写基材に関する方法及びシステムが、参照によって本願に組み込まれる同一所有者の米国特許第６，１３６，４１２号に記載されている。ミクロ構造電解質膜及びＮＳＴＦ触媒層を製作するための様々な方法が、参照によって本願に組み込まれる同一所有者の特許文書：米国特許第４，８１２，３５２号及び同第５，８７９，８２７号、２００５年９月１３日出願の米国特許出願番号第１１／２２５，６９０号、並びに、２００５年９月１３日出願の米国特許出願番号第１１／２２４，８７９号に記載されている。
【００７０】
ＮＳＴＦ触媒層は、針状のナノ構造支持体の上に触媒材料を真空蒸着させることによって形成され得る、細長いナノスケール粒子を含んでいる。本発明における使用に好適なナノ構造支持体は、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド（C.I. PIGMENT RED）１４９（ペリレン赤）などの有機顔料のウィスカを含んでもよい。結晶性ウィスカは、実質的に均一であるが同一ではない横断面、及び長さと幅との大きな比を有する。ナノ構造支持体ウィスカは、触媒作用に好適なコーティング材料でコーティングされ、それによって、複数の触媒部位として作用することが可能な、微細なナノスケールの表面構造がウィスカに加えられる。
【００７１】
特定の実現形態において、ナノ構造支持要素は、継続的な螺旋転位の成長によって拡張されてもよい。ナノ構造支持要素の長さの延長及び密度の増加によって、触媒作用のための表面積を増加させることができる。ナノ構造支持要素の長さを延長するためのプロセスが、先に組み込まれた米国特許出願第１１／２２５，６９０号に記載されている。それに加えて又はそれに代わって、ナノ構造支持要素の複数の層がまた、表面積の増加をもたらす。ナノ構造支持要素の複数の層を製造するためのプロセスが、先に組み込まれた米国特許出願第１１／２２４，８７９号に記載されている。そのナノ構造支持体要素は、触媒材料でコーティングされてナノ構造薄膜触媒層を形成する。一実現形態によれば、触媒材料は、白金族金属などの金属を含む。一実施形態において、触媒被覆ナノ構造支持要素は、触媒被覆膜を形成するために、電解質膜の表面に転写されてもよい。別の実施形態において、触媒被覆ナノ構造支持要素は、ＧＤＬ表面上に形成されてもよい。
【００７２】
ＧＤＬは、反応ガスを通過させる一方で電極から電流を集めることが可能な任意の材料、典型的には織布又は不織布の炭素繊維紙又は炭素繊維布であることができる。ＧＤＬは、ガス状の反応物質及び水蒸気を触媒及び膜へと多孔性によって出入りさせ、また、外部負荷に電力供給するために、触媒層内で生成された電子電流を集める。
【００７３】
ＧＤＬは、炭素繊維構造体（例えば、織布及び不織布カーボン繊維構造体）など、任意の好適な導電性多孔性基材であってよい。市販されている炭素繊維組織の例には、マサチューセッツ州ローウェル（Lowell）のバラードマテリアルプロダクツ社（Ballard Material Products）による商標表記「ＡｖＣａｒｂ  Ｐ５０」の炭素繊維紙、マサチューセッツ州ウォバーン（Woburn）のエレクトロケム社（ElectroChem, Inc.）から入手できる「Ｔｏｒａｙ」炭素紙、マサチューセッツ州ローレンス（Lawrence）のスペクトラコープ社（Spectracorp）による「ＳｐｅｃｔｒａＣａｒｂ」炭素紙、マサチューセッツ州イーストウォルポール（East Walpole）のホリングスワース＆ヴォース社（Hollingsworth & Vose Company）による「ＡＦＮ」不織布炭素布、ミズーリ州セントルイス（St. Louis）のゾルテック社（ Zoltek Companies, Inc.）による「Ｚｏｌｔｅｋ」炭素布、及び、日本国東京都の三菱レイヨン社（Mitsubishi Rayon Co.）による「Ｕ−１０５」炭素布が挙げられる。また、ＧＤＬは、疎水性を増すように又は付与するように処理されてもよい。例えば、ＧＤＬは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）及びフッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）など、高度にフッ素化されたポリマーで処理されてもよい。
【００７４】
図９Ａは、本発明の実施形態によるＧＩＧを製作するためのプロセスを示している。このプロセスは、個々のＧＩＧに対して、又はロール品として形成された複数のＧＩＧに対して実施されてよい。加熱／加圧処理可能な材料が、接着剤層と所望による接着剤ライナーとを有する第１のガスケット層上に置かれるか又は蒸着される（９０２）。例えば、加熱／加圧処理可能な材料は、１つ以上の開口部が第１のガスケット層の中に切断される前又は切断された後に、第１のガスケット層の表面上に、シルクスクリーン印刷されるか又は他の方法で蒸着されてもよい。加熱／加圧処理可能な材料の蒸着は、加熱／加圧処理可能な材料が第１のガスケット層の表面全体にわたって傾斜する厚さを有するように実施されてもよい。ＧＤＬは、ＧＤＬが第１のガスケット層の開口部の縁部に重なると共に加熱／加圧処理可能な材料が第１のガスケット層とＧＤＬとの間に設けられるように、第１のガスケット層に対して配置される（９０４）。ＧＤＬの下方の加熱／加圧処理可能な材料の厚さは、例えば、第１のガスケット層上の他の場所における加熱／加圧処理可能な材料の厚さよりも薄いものであってもよい。ＧＤＬと、第１のガスケット層と、加熱／加圧処理可能な材料とを有するサブアセンブリは、接合ステーションにおいて成形される（９０６）。加熱／加圧処理可能な材料は、第１のガスケット層をＧＤＬに接合する第２のガスケット層を形成するように、変形するか又は流動する。
【００７５】
図９Ｂは、別の実施形態によるＧＩＧを製作するためのプロセスを示す流れ図である。ＧＤＬが、第１のガスケット層の縁部に対して配置される（９１０）。例えば、ＧＤＬは、第１のガスケット層内に開口部を形作る、第１のガスケット層の内縁部に対して配置されてもよい。第１のガスケット層は、接着剤層を一方の表面上に、また所望により接着剤ライナーを有する。熱及び／又は圧力によって流動するか又は変形するガスケット材料が、第１のガスケット層の、接着剤層及び／又は金型板から反対側の表面上に置かれる（９２０）。ＧＤＬ、第１のガスケット層、及びガスケット材料が、金型内に置かれ成形される（９３０）。この成形プロセスにより、ガスケット材料から第２のガスケット層が形成され、ＧＤＬと第１のガスケット層とが接合される。いくつかの構成において、ガスケット材料は、ＧＤＬ及び第１のガスケット層の隣接する縁部の上にかぶさるようにダイカットされた加熱／加圧処理可能なポリマーを備える。いくつかの構成において、ミクロ構造形状が、成形プロセスの間に、第２のガスケット層及び／又は第１のガスケット層の表面上にエンボス加工される。
【００７６】
ここで図１０Ａ〜１０Ｇに目を向けると、本発明の実施形態による、ＧＩＧが構成材料の層から構成される様々な処理段階を表す多数の図が示されている。図１０Ａの横断面図に示すように、第１のガスケット層１０１１は、ＧＤＬの寸法よりわずかに大きい開口部１０６０を有するようにダイカットされている。第１のガスケット層１０１１は、ＰＥＮ、ＰＥＴ、ポリイミド、又は他の好適なポリマーを含んでよい。第１のガスケット層１０１１は、接着剤層１０１２と所望による接着剤ライナー１０１３とを有している。例えば、一実現形態において、第１のガスケット層は約０．１２５ｍｍの厚さを有してもよく、接着剤層は約０．０１２５ｍｍ未満の厚さを有してもよく、また接着剤ライナーは、約０．０２５ｍｍの厚さを有してもよい。
【００７７】
ダイカットされた第１のガスケット層／接着剤層／接着剤ライナー１０１１〜１０１３は、ＧＤＬ及び第２のガスケット層の材料、例えばシリコーンが接着することのない剥離コーティング又はライナーを有するフラットプレート１０９０の上に、接着剤ライナー１０１３側を下にして置かれている（図１０Ｂ）。ＧＤＬ  １００５が、図１０Ｃに示すように、第１のガスケット層の開口部の中に取り付けられる。ある構成において、シリコーンなど、流動可能で硬化可能なガスケット材料のビード１０１８が、第１のガスケット層１０１１の自由表面上に置かれる（図１０Ｄ）。金型板１０９５が、上記のサブアセンブリの上部に取り付けられる（図１０Ｅ）。金型板１０９５は、流動可能なガスケット材料の物質が接着するのを防止する剥離コーティングを有している。金型板１０９５は、第１のガスケット層１０１１の領域に対応するミクロ構造パターン表面１０９６を組み込んでもよい。金型板１０９５は、ＧＤＬ  １００５の高さの何分の１かに対応するように、特定の深さ、例えば約０ｍｍ〜約０．２５０ｍｍの溝を有していてもよい。
【００７８】
上記のサブアセンブリは、プレス機の中に導入され、例えば約６０℃〜約１５０℃で約２５トン〜約３０トンの加熱及び加圧下で、約２分間〜約１０分間にわたって成形されて（図１０Ｆ）、シリコーンを流動させ、ＧＩＧを所望の厚さに到達させることができる。そのシリコーンは硬化されて、第２のガスケット層１０１５を形成する。図１０Ｇは、プレス機１０６０から取り出された後のＧＩＧを示している。説明した工程は、任意の好適な順序で実施されてよい。
【００７９】
図１１Ａ〜１１Ｈは、本発明の実施形態によるＧＩＧを組み込んだＭＥＡを製作するためのプロセスを示す多数の略図を示している。図１１Ａは、真空テーブル１１９０上に置かれた第１のＧＩＧ  １１８０を示しており、この真空テーブル１１９０は、多層ＭＥＡの様々な層の位置決めを促進するように構成された位置合わせピン１１９１を有している。第１のＧＩＧ１１  ８０の微孔性層は、上向きに面している。真空にされて、第１のＧＩＧ  １１８０が定位置に保持される。接着剤ライナー１１１３は、図１１Ｂに示すように、第１のＧＩＧ  １１８０から取り外される。
【００８０】
図１１Ｃは、真空プレート１１９３の上に置かれたＣＣＭ  １１８５を示しており、この真空プレート１１９３は、真空テーブル１１９０のピン１１９１と係合するための適切な位置合わせ形状１１９４を有している。真空プレート１１９３が真空にされて、ＣＣＭ  １１８５が定位置に保持される。図１１Ｄに示すように、ＣＣＭ  １１８５を保持する真空プレート１１９３は、第１のＧＩＧ  １１８０とＣＣＭ  １１８５の層が正確に組み合わされるようにピン１１９１と形状１１９４とを位置合わせして、真空テーブル１１９０／第１のＧＩＧ  １１８０の上部に置かれる。真空プレート１１９３が真空を解除され、真空プレート１１９３が取り外されて、ＣＣＭ  １１８５は第１のＧＩＧ  １１８０に接着剤によって貼り付けられたままとなる。
【００８１】
図１１Ｅに示すように、第２のＧＩＧ  １１８１が、微孔性層側を上にして、真空プレート１１９３内に置かれる。真空にされて、第２のＧＩＧ  １１８１が定位置に保持される。接着剤ライナー１１１４は、第２のＧＩＧ  １１８１から取り外される。図１１Ｇに示すように、真空プレート１１９３／第２のＧＩＧ  １１８１は、真空テーブル１１９０上のＣＣＭ  １１８５／第１のＧＩＧ  １１８０アセンブリの上部に置かれる。図１１Ｈに示すように、真空プレート１１９３が真空を解除され、プレート１１９３が取り外されて、第２のＧＩＧ  １１８１／ＣＣＭ  １１８５／第１のＧＩＧ  １１８０ＭＥＡアセンブリが残される。ＭＥＡは、真空テーブル１１９０から取り外され、また、その部品の外のり寸法を調整するためにダイカットされてもよい。
【００８２】
いくつかの実施形態において、本明細書で説明する実施形態に従って構成されたＧＩＧは、代理人整理番号第６２５９１ＵＳ００２で識別される、同一所有者の米国特許出願に記載されている連続プロセス及び／又はロールツーロールプロセスを通じて製作されてもよく、その米国特許出願は、本願と同時に出願され、引用によって本願に組み込まれる。
【００８３】
本明細書に提示した実施形態に従って構成されたＧＩＧは、従来のガスケット法に勝る多数の利点をもたらす。従来のプロセスでは、ガスケットの形成に、あるいは、燃料電池構成要素の接合（例えば、ＣＣＭへのＧＤＬの接合、又は電解質膜への触媒被覆ＧＤＬの接合）に必要な望ましい温度及び圧力を超える温度及び圧力に、ＭＥＡ及びＧＤＬをさらすことが必要である。製造プロセスの間に高温及び高圧にさらされることは、ＣＣＭを通じたＧＤＬの電気短絡の原因となることがある。本明細書において説明するＧＩＧは、ＣＣＭによって許容される温度を上回る温度を用いて製造されてもよい。本発明のＧＩＧを使用すると、ＣＣＭはこれらの過大温度にさらされることがなく、したがって、緩慢なガスケット製作手順において、場合によってはサイクル時間を短縮することが可能となる。硬化手順の速度は、使用される特定の材料に依存する。加えて、シリコーンなどのガスケット材料が硬化すると、ＣＣＭに有害な化学種が放たれることがある。本明細書で説明するＧＩＧを使用すると、ＣＣＭがガスケット硬化プロセスにさらされることがない。
【００８４】
本明細書で説明するＧＩＧは、製造プロセスの間のＣＣＭのスクラップ化を最小にするために使用されてもよい。まずＧＩＧを形成し、次いでそれらをＣＣＭに貼り付けることは、ガスケット製作プロセスでいかなる失敗が生じても、より高価なＣＣＭの浪費にはつながらないことを意味する。
【００８５】
従来のガスケット法は、ガスケット層、例えばＰＥＮ、ＰＥＴ、又は他のポリマーが、ＣＣＭに良好に接合することを必要とする。接合が不十分であると、ＭＥＡを動作条件下に置いたときに漏れを生じる結果となる。また、接合が不十分であると、ガスケットが接着できず電解質膜から外れた場合に、製造及びスタックの組み立てプロセスの間にサブアセンブリを取り扱うことが困難となる。本明細書において説明しているガスケット法は、ＧＩＧ／ＣＣＭ境界面における接合を増強するものであり、ナノ構造薄膜触媒層が用いられるとき特に有利となるものである。
【００８６】
加えて、一部の従来のガスケット法は、封止面積を適切にし、ガスケットとＣＣＭとの接合面積を十分にするために、ガスケット付きＣＣＭを部品の最終的な外のり寸法と同じ寸法に切断することを必要とする。本発明の手法では、ＣＣＭをＧＤＬよりもわずかに大きく、一方の電極からその領域内のもう一方の電極へ反応物質がクロスオーバーするのを防止するのに十分な大きさで切断することが可能となる。本明細書で説明する手法では、好都合にも、必要となる高価な触媒被覆膜の量が減じられる。
【００８７】
接合されたＧＤＬを有していないＭＥＡを燃料電池スタックの中に組み込むための従来の手法は、要求される位置合わせ許容誤差が厳しいがために困難を呈する。本明細書で説明する手法は、ＧＤＬの接合が不可能であるか又は望ましくないＭＥＡの組み立てをより容易にする。
【００８８】
図１２〜１５は、本明細書で説明する燃料電池アセンブリを組み込み、燃料電池スタックを発電用に使用することができる様々な燃料電池システムを示している。図１２に示す燃料電池システム１２００は、本明細書で実施形態によって説明したような燃料電池アセンブリが利用され得るシステムについて考えられるもののうちの１つを示している。
【００８９】
燃料電池システム１２００は、燃料プロセッサ１２０４と、電力セクション１２０６と、電力コンディショナ１２０８とを有している。燃料プロセッサ１２０４は、燃料改質器を有するものであり、天然ガスなどの原燃料１２０１を受容し、その原燃料１２０１を処理して、水素リッチ燃料１２０２を発生させる。水素リッチ燃料１２０２は、電力セクション１２０６に供給される。電力セクション１２０６内で、水素リッチ燃料１２０２は、電力セクション１２０６内に収容された燃料電池スタックのＭＥＡのスタックの中に導入される。また、空気１２０３が、電力セクション１２０６に供給され、それによって、燃料電池のスタックのための酸素源が与えられる。
【００９０】
電力セクション１２０６の燃料電池スタックは、直流電力１２１０と、熱１２１２と、清浄水１２１３とを発生させる。高分子電解質膜燃料電池システムは、生成水１２１３を燃料プロセッサ１２０４に再供給してもよく、この燃料プロセッサ１２０４は、水素の大部分を水から、残りを膜又は他の燃料１２０１から作る。電力セクション１２０６によって産出された直流電力１２１０は、電力コンディショナ１２０８に送られ、この電力コンディショナ１２０８は、後の利用のために直流電力１２１０を交流電力１２１１に変換する。交流電力変換が、直流出力電力を提供するシステムに含められる必要がないことは理解されよう。
【００９１】
図１３は、燃料供給ユニット１３０５と、燃料電池電力セクション１３０６と、電力コンディショナ１３０８とを有する燃料電池電力供給部１３００を示している。燃料供給ユニット１３０５は、燃料電池電力セクション１３０６に供給される水素燃料を含んだリザーバを有している。電力セクション１３０６内で、水素燃料は、電力セクション１３０６内に収容された燃料電池スタックのＭＥＡの中に、空気又は酸素と共に導入される。
【００９２】
燃料電池電力供給システム１３００の電力セクション１３０６は、直流電力と、使用可能な熱と、清浄水とを発生させる。電力セクション１３０６によって産出された直流電力は、所望により交流電力に変換するために、電力コンディショナ１３０８に送られてもよい。図１３に示す燃料電池電力供給システム１３００は、例えば、据置き式又は可搬式の交流又は直流電力発生器として実現されてよい。
【００９３】
図１４に示す実現形態において、燃料電池システム１４００は、燃料電池電力供給部によって産出された電力を使用して、コンピュータを動作させるための電力を供給する。図８と関連して説明したように、燃料電池電力供給システムは、燃料供給ユニット１４０５と、燃料電池電力セクション１４０６とを有している。燃料供給ユニット１４０５は、燃料電池電力セクション１４０６に水素燃料を供給する。電力セクション１４０６の燃料電池スタックは、デスクトップ又はラップトップコンピュータなどの、コンピュータ１４１０を動作させるために使用される電力を発生させる。
【００９４】
別の実現形態において、図１５に示すように、燃料電池システム１５００は、燃料電池電力供給部からの電力を使用して自動車を動作させる。この構成において、燃料供給ユニット１５０５は、燃料電池電力セクション１５０６に水素燃料を供給する。電力セクション１５０６の燃料電池スタックは、自動車１５１０の駆動機構に連結されたモーター１５０８を動作させるために使用される電力を発生させる。
【００９５】
本発明の様々な実施形態の上述の説明は、例示及び説明を目的として提示されたものである。網羅的なものにすること、又は、本発明を、開示した厳密な形に限定することは意図されていない。以上の教示を考慮すれば、多数の修正及び変形が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、むしろ本明細書に添付された特許請求の範囲によって限定されことが意図されている。
【図１】
2010514100.tif 000003
【図２Ａ】
2010514100.tif 000004
【図２Ｂ】
2010514100.tif 000005
【図２Ｃ】
2010514100.tif 000006
【図２Ｄ】
2010514100.tif 000007
【図３Ａ】
2010514100.tif 000008
【図３Ｂ】
2010514100.tif 000009
【図３Ｃ】
2010514100.tif 000010
【図３Ｄ】
2010514100.tif 000011
【図３Ｅ】
2010514100.tif 000012
【図４Ａ】
2010514100.tif 000013
【図４Ｂ】
2010514100.tif 000014
【図４Ｃ】
2010514100.tif 000015
【図４Ｄ】
2010514100.tif 000016
【図４Ｅ】
2010514100.tif 000017
【図４Ｆ】
2010514100.tif 000018
【図５Ａ】
2010514100.tif 000019
【図５Ｂ】
2010514100.tif 000020
【図５Ｃ】
2010514100.tif 000021
【図６Ａ】
2010514100.tif 000022
【図６Ｂ】
2010514100.tif 000023
【図６Ｃ】
2010514100.tif 000024
【図７】
2010514100.tif 000025
【図８】
2010514100.tif 000026
【図９Ａ】
2010514100.tif 000027
【図９Ｂ】
2010514100.tif 000028
【図１０Ａ】
2010514100.tif 000029
【図１０Ｂ】
2010514100.tif 000030
【図１０Ｃ】
2010514100.tif 000031
【図１０Ｄ】
2010514100.tif 000032
【図１０Ｅ】
2010514100.tif 000033
【図１０Ｆ】
2010514100.tif 000034
【図１０Ｇ】
2010514100.tif 000035
【図１１Ａ】
2010514100.tif 000036
【図１１Ｂ】
2010514100.tif 000037
【図１１Ｃ】
2010514100.tif 000038
【図１１Ｄ】
2010514100.tif 000039
【図１１Ｅ】
2010514100.tif 000040
【図１１Ｆ】
2010514100.tif 000041
【図１１Ｇ】
2010514100.tif 000042
【図１１Ｈ】
2010514100.tif 000043
【図１２】
2010514100.tif 000044
【図１３】
2010514100.tif 000045
【図１４】
2010514100.tif 000046
【図１５】
2010514100.tif 000047
【国際調査報告】
2010514100.tif 000048
2010514100.tif 000049
2010514100.tif 000050