(57)【要約】  一例の燃料セル電極アセンブリが、膜を含む。第１の電極が膜の第１の側にある。第２の電極が膜の第２の側にある。第１のガス拡散層が、第１の電極に隣接する。第１のガス拡散層の少なくとも一部が第１のプラスチック材料によって少なくとも部分的に含浸され、第１のプラスチック材料は、その第１のガス拡散層の一部を第１の電極に接着させる。第２のガス拡散層が、第２の電極に隣接する。第２のガス拡散層の少なくとも一部が第２のプラスチック材料によって少なくとも部分的に含浸され、第２のプラスチック材料は、その第２のガス拡散層を第２の電極に接着させる。第１のガス拡散層を第２のガス拡散層から電気的に絶縁するように、それらのガス拡散層のうちの少なくとも一方と、その隣接する電極と、の間に第３のプラスチック材料が配置される。
2015526846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料セル電極アセンブリであって、
膜と、
前記膜の第１の側における第１の電極と、
前記膜の第２の側における第２の電極と、
前記第１の電極に隣接する第１のガス拡散層であって、その第１のガス拡散層の少なくとも一部を前記第１の電極に接着させる第１のプラスチック材料によって、前記少なくとも一部が少なくとも部分的に含浸された、第１のガス拡散層と、
前記第２の電極に隣接する第２のガス拡散層であって、その第２のガス拡散層を前記第２の電極に接着させる第２のプラスチック材料によって、前記第２のガス拡散層の少なくとも一部が少なくとも部分的に含浸された、第２のガス拡散層と、
前記第１のガス拡散層を前記第２のガス拡散層から電気的に絶縁するように、前記２つのガス拡散層のうちの少なくとも一方と、その隣接する電極と、の間に配置された第３のプラスチック材料と、
を備えた燃料セル電極アセンブリ。
【請求項２】
前記第３のプラスチック材料が、前記第１および第２のプラスチック材料とは異なることを特徴とする請求項１に記載の燃料セル電極アセンブリ。
【請求項３】
前記第１および第２のプラスチック材料が、融解温度を有し、
前記第３のプラスチック材料が、前記第１および第２のプラスチック材料の融解温度よりも高い融解温度を有することを特徴とする請求項２に記載の燃料セル電極アセンブリ。
【請求項４】
前記第１および第２のプラスチック材料が、低密度ポリエチレンを備え、
前記第３のプラスチック材料が、鎖状低密度ポリエチレンを備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料セル電極アセンブリ。
【請求項５】
前記第３のプラスチック材料が、前記第１のプラスチック材料または前記第２のプラスチック材料の少なくとも一方に少なくとも部分的に封入されることを特徴とする請求項１に記載の燃料セル電極アセンブリ。
【請求項６】
前記第３のプラスチック材料が、前記第２のガス拡散層と前記第２の電極との間に配置され、
前記第２の電極の一部が、前記第２のガス拡散層の平面に沿った方向に幅を有し、
前記第３のプラスチック材料が、前記方向に前記第２のガス拡散層の前記一部の幅よりも小さい幅を有することを特徴とする請求項５に記載の燃料セル電極アセンブリ。
【請求項７】
前記第１のプラスチック材料が、前記第１の電極と、前記第１のガス拡散層の前記一部と、の境界面を密封し、
前記第１のプラスチック材料が、前記第１のガス拡散層の外周に亘る流体の移動を阻止するように、前記第１のガス拡散層の前記外周に沿ったバリアを構築し、
前記第２のプラスチック材料が、前記第２の電極と、前記第２のガス拡散層の前記一部と、の境界面を密封し、
前記第２のプラスチック材料が、前記第２のガス拡散層の外周に亘る流体の移動を阻止するように、前記第２のガス拡散層の前記外周に沿ったバリアを構築することを特徴とする請求項１に記載の燃料セル電極アセンブリ。
【請求項８】
燃料セル電極アセンブリの製造方法であって、
第１のガス拡散層と、第１の電極と、の間に第１のプラスチック材料を位置決めするステップと、
第２のガス拡散層と、第２の電極と、の間に第２のプラスチック材料を位置決めするステップと、
少なくとも前記第２のガス拡散層と、前記第２の電極と、の間に第３のプラスチック材料を位置決めするステップと、
前記第１のプラスチック材料を前記第１のガス拡散層の一部に少なくとも部分的に含浸させて前記第１のガス拡散層を前記第１の電極に固定するように、前記第１のプラスチック材料を融解させるステップと、
前記第２のガス拡散層を前記第１のガス拡散層から電気的に絶縁させるように前記第２の電極と前記第２のガス拡散層との間に前記第３のプラスチック材料を配置した状態で、前記第２のプラスチック材料を前記第２のガス拡散層の一部に少なくとも部分的に含浸させて前記第２のガス拡散層を前記第２の電極に固定するように、前記第２のプラスチック材料を融解させるステップと、
を備えた燃料セル電極アセンブリの製造方法。
【請求項９】
プレス内に、前記プラスチック材料と、前記ガス拡散層と、前記電極と、を位置決めするステップと、
前記プレス内で、少なくとも前記プラスチック材料および前記ガス拡散層に押圧を印加するステップと、
前記プラスチック材料が前記押圧を受けている間に前記第１および第２のプラスチック材料を少なくとも部分的に融解させるように、それらのプラスチック材料を十分に加熱するステップと、
前記プラスチック材料が前記押圧を受けている間に、前記加熱ステップに続いて前記プラスチック材料を冷却するステップと、
を備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料セル電極アセンブリの製造方法。
【請求項１０】
少なくとも前記第１および第２のプラスチック材料の融解温度であり、かつ、前記第３のプラスチック材料の融解温度よりも低い温度に、それらのプラスチック材料を加熱するステップを備えることを特徴とする請求項９に記載の燃料セル電極アセンブリの製造方法。
【請求項１１】
前記第３のプラスチック材料を融解させることなく軟化させるステップを備えることを特徴とする請求項１０に記載の燃料セル電極アセンブリの製造方法。
【請求項１２】
前記ガス拡散層、前記プラスチック材料、および前記電極を層状に重ねるステップであって、
前記第１のプラスチック材料を備えた少なくとも一つの第１のフィルムを、前記第１のガス拡散層に対して位置決めし、
前記第１の電極を、前記第１のフィルムに対して位置決めし、
前記第２のプラスチック材料を備えた少なくとも一つの第２のフィルムを、前記第２の電極に対して位置決めし、
前記第３のプラスチック材料を備えた少なくとも一つの第３のフィルムを、前記第２のフィルムに対して位置決めし、
前記第２のプラスチック材料を備えた少なくとも一つの第４のフィルムを、前記第３のフィルムに対して位置決めし、
前記第２のガス拡散層を、前記第４のフィルムに対して位置決めする、
ように前記ガス拡散層、前記プラスチック材料、および前記電極を層状に重ねるステップと、
前記層状に重ねられた前記ガス拡散層、前記プラスチック材料、および前記電極を前記プレス内に配置するステップと、
を備えることを特徴とする請求項９に記載の燃料セル電極アセンブリの製造方法。
【請求項１３】
前記第３のプラスチック材料が、前記第１および第２のプラスチック材料とは異なることを特徴とする請求項８に記載の燃料セル電極アセンブリの製造方法。
【請求項１４】
前記第１および第２のプラスチック材料が、融解温度を有し、
前記第３のプラスチック材料が、前記第１および第２のプラスチック材料の融解温度よりも高い融解温度を有することを特徴とする請求項１３に記載の燃料セル電極アセンブリの製造方法。
【請求項１５】
前記第１および第２のプラスチック材料が、低密度ポリエチレンを備え、
前記第３のプラスチック材料が、鎖状低密度ポリエチレンを備えることを特徴とする請求項１３に記載の燃料セル電極アセンブリの製造方法。
【請求項１６】
前記第２のプラスチック材料に、前記第３のプラスチック材料を少なくとも部分的に封入させるステップを備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料セル電極アセンブリの製造方法。
【請求項１７】
前記第２の電極の一部が、前記第２のガス拡散層の平面に沿った方向に幅を有し、
前記第３のプラスチック材料が、前記方向に前記第２のガス拡散層の前記一部の幅よりも小さい幅を有することを特徴とする請求項８に記載の燃料セル電極アセンブリの製造方法。
【請求項１８】
前記第１の電極と、前記第１のガス拡散層の前記一部と、の境界面を、前記第１のプラスチック材料で密封し、
前記第１のガス拡散層の外周に亘る流体の移動を阻止するように、前記第１のプラスチック材料を備えたバリアを、前記第１のガス拡散層の前記外周に沿って構築し、
前記第２の電極と、前記第２のガス拡散層の前記一部と、の境界面を、前記第２のプラスチック材料で密封し、
前記第２のガス拡散層の外周に亘る流体の移動を阻止するように、前記第２のプラスチック材料を備えたバリアを、前記第２のガス拡散層の前記外周に沿って構築する、ステップを備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料セル電極アセンブリの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
燃料セルは、電気を発生させるのに有用である。燃料セルは、水素および酸素といった、反応物間の電気化学反応を促進する。電極アセンブリを含んだ燃料セル内には様々なコンポーネントが存在する。
【背景技術】
【０００２】
一例の電極アセンブリは、両側に電極を有する膜を含む。電極のうちの一方は、カソードとしての機能を果たし、他方はアノードとしての機能を果たす。一部の燃料セル設計では、それらの電極と反応物分流板との間にガス拡散層が設けられ、それにより反応物の膜への案内を容易にする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃料セル内における様々なコンポーネントの適切なアラインメントの実現を含む、燃料セルの組み立てに関連する様々な課題が存在する。一般的な組み立て工程は相対的に多大な時間を必要とするとともに多大な労働力を要し、それにより余分な費用が嵩む傾向がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一例の燃料セル電極アセンブリが、膜を含む。第１の電極が膜の第１の側にある。第２の電極が膜の第２の側にある。第１のガス拡散層が、第１の電極に隣接する。第１のガス拡散層の少なくとも一部が第１のプラスチック材料によって少なくとも部分的に含浸され、第１のプラスチック材料は、その第１のガス拡散層の一部を第１の電極に接着させる。第２のガス拡散層が、第２の電極に隣接する。第２のガス拡散層の少なくとも一部が第２のプラスチック材料によって少なくとも部分的に含浸され、第２のプラスチック材料は、その第２のガス拡散層を第２の電極に接着させる。第１のガス拡散層を第２のガス拡散層から電気的に絶縁するように、それらのガス拡散層のうちの少なくとも一方と、その隣接する電極と、の間に第３のプラスチック材料が配置される。
【０００５】
一例の燃料セル電極アセンブリの製造方法が、第１のガス拡散層と、第１の電極と、の間に第１のプラスチック材料を位置決めすることを含む。第２のプラスチック材料が、第２のガス拡散層と、第２の電極と、の間に位置決めされる。第３のプラスチック材料が、第２のガス拡散層と、第２の電極と、の間に位置決めされる。第１のプラスチック材料を第１のガス拡散層の一部に少なくとも部分的に含浸させるように第１のプラスチック材料が融解される。融解した第１のプラスチック材料はまた、第１のガス拡散層を第１の電極に固定する。第２のプラスチック材料を第２のガス拡散層の一部に少なくとも部分的に含浸させるように第２のプラスチック材料が融解される。第２のガス拡散層を第１のガス拡散層から電気的に絶縁させるように、第２の電極と第２のガス拡散層との間に第３のプラスチック材料を配置した状態で、第２のプラスチック材料が、第２のガス拡散層を第２の電極に固定する。
【０００６】
開示の実施例の様々な特徴および利点が以下の詳細な説明から当業者にとって明らかとなるであろう。詳細な説明に添付の図面を以下のように簡単に説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施例に従って設計された一例の電極アセンブリの概略図。
【図２】図１の実施例のような電極アセンブリの製造工程時に用いられる複数の層を示す図。
【図３】実施例の電極アセンブリの製造工程の一部の概略図。
【図４】実施例の製造工程の別の一部の概略図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１は、一体型電極アセンブリ（ＵＥＡ）を想定した燃料セル電極アセンブリ２０を概略的に示す。図示の一体型電極アセンブリ２０は、膜２４と、膜２４の一方の側の第１の電極２６と、膜２４の反対側の第２の電極２８と、を含む。電極２６，２８のうちの一方がアノード電極としての機能を果たすように構成される一方、他方の電極２６，２８がカソード電極としての機能を果たすように構成される。
【０００９】
第１のガス拡散層３０が、第１の電極２６に隣接するとともに、少なくともその第１のガス拡散層３０の外周に沿って、第１の電極２６に固定される。第２のガス拡散層３２は、少なくともその第２のガス拡散層３２の外周に沿って、第２の電極２８に固定される。電気絶縁性プラスチック層３４が、第２のガス拡散層３２と、第２の電極２８と、の間に位置している。電気絶縁性プラスチック層３４は、第１のガス拡散層３０を第２のガス拡散層３２から電気的に絶縁する。この層３４は、ガス拡散層の任意の繊維が、一体型膜電極アセンブリ２０へと浸透するのを防ぐとともに、他方のガス拡散層に接触するのを防ぐ。
【００１０】
図２は、一例の電極アセンブリ２０の製造に用いられる複数の層を概略的に示す。第１のプラスチック材料層４０が第１のガス拡散層３０と第１の電極２６との間に位置決めされる。この実施例では、第１のプラスチック材料層４０は、２つのプラスチックフィルム４０Ａ，４０Ｂを備える。第１のプラスチック材料の単一のプラスチックフィルムを用いることも可能である。図からも分かるように、プラスチックフィルム４０Ａ，４０Ｂは、第１のガス拡散層３０の外周の縁部に対応する、概ね矩形の外周の４つの側に沿った幅を有する。
【００１１】
第２のプラスチック材料を備えたフィルムの少なくとも一つの層が第２のガス拡散層３２と、第２の電極２８との間に位置決めされる。この例では、第２のプラスチック材料の層が、２つのフィルム層４４，４６を含む。フィルム層４４は、第２の電極２８にすぐ隣接するように位置決めされ、フィルム層４６は、第２のガス拡散層３２にすぐ隣接するように位置決めされる。
【００１２】
電気絶縁性プラスチック層３４はこの例では第３のプラスチック材料を備える。第３のプラスチック材料のフィルムがプラスチックフィルム４４とプラスチックフィルム４６との間に位置決めされる。このプラスチックフィルム４４は、第３のプラスチック材料３４の、第２の電極２８への接着を容易にする。プラスチックフィルム４６，４４は、第２のガス拡散層３２の外周に少なくとも部分的に含浸され、第２のガス拡散層３２の、第２の電極２８への接着を容易にする。
【００１３】
図３は、対向するプレスプレートを備えたプレス５０を概略的に示す。解放フィルム層５２が、それぞれ、プレスプレートと、ガス拡散層３０，３２と、の間に位置決めされる。解放フィルム層５２は、組み立て工程が完了したときの完成した電極アセンブリの、プレス５０からの取り外しを容易にする。
【００１４】
図３の例では、第１のプラスチック材料を単一の層すなわちフィルム４０として示し、このフィルムは、図２に概略的に示す２つ以上のフィルムを含んでもよい。
【００１５】
図３は、様々なプラスチックフィルム層のそれぞれの幅を示すが、それらは必ずしも縮尺どおりに示されていない。図２，３からも分かるように、第３のプラスチック材料を備えたフィルム３４の概ね直線状のセグメントの幅は、第２のプラスチック材料のフィルム層４４，４６のセグメントの幅よりも小さい。第３のプラスチック材料の層３４のより小さい幅により、組み立て工程の結果、第３のプラスチック材料が、第２のプラスチック材料内に少なくとも部分的に封入されるのを容易にする。図４からも分かるように、ひとたび第２のプラスチック材料が融解すると、この第２のプラスチック材料が第２のガス拡散層３２の一部６４に少なくとも部分的に含浸されて、第２の電極２８と、第３のプラスチック材料の層３４との間にボンディング層を提供し、第３のプラスチック材料３４を少なくとも部分的に封入する。組み立て工程の終了時にこうした配置の第２のプラスチック材料を有することにより、第２の電極２８と第２のガス拡散層３２との間に第３のプラスチック材料３４さえも有する流体密封のシールを、第２のガス拡散層３２および第２の電極２８の外周の境界面に保証する。
【００１６】
図３からも分かるように、これらのガス拡散層、プラスチック材料、および電極が層状に重ねられて、第１のプラスチック材料層４０が第１のガス拡散層に対して位置決めされ、第１の電極２６が第１のプラスチック材料層４０に対して位置決めされ、第２のプラスチック材料の層４４が第２の電極２８に対して位置決めされ、第３のプラスチック材料の層３４が第２のプラスチック材料の層４４に対して位置決めされ、第２のプラスチック材料の層４６が第３のプラスチック材料の層３４に対して位置決めされ、第２のガス拡散層３２が第２のプラスチック材料の層４６に対して位置決めされる。これらの層のすべてがプレス５０内に位置決めされる。一部の例では、図３に示される異なる層の順序を確立するように、個々の層がそれぞれプレス内に位置決めされる。他の例では、それらの個々の層が互いに層状配置に位置決めされ、次いでその層状配置全体がプレス５０内に配置される。
【００１７】
一旦、全ての層がプレス５０内に適切に位置決めされると、プレスプレートを互いに向かって強く促す方向に第１の押圧が印加される。一例では、第１の押圧は約１５００ポンドである。プレス５０内の全ての層が、第１の選択温度に達するまで加熱される。一例では、第１の選択温度は、約２４０°Ｆである。プレス５０の中身が第１の選択温度にある状態で、第２の押圧が印加される。第２の押圧は、一例では約７０００ポンドである。
【００１８】
プレス５０の中身を加熱し続けながら、選択された時間、一例では５分間、第２の押圧が印加される。一例では、第２の押圧を印加しながら、電極アセンブリの種々の層が約２５０°Ｆの温度に到達する。選択時間の経過後、加熱が停止され、プレス５０の中身が冷却される。組み立て工程における冷却部分の間、第２の押圧が印加される。一例では、第２の押圧が解放される前にプレス５０の中身が１１０°Ｆ未満の温度に到達するまで、プレス５０の中身が冷却される。
【００１９】
第２の押圧の解放後、プレス５０が開放され、完成した電極アセンブリ２０が取り外される。
【００２０】
図４からも明らかなように、プレス５０の中身の加熱は、第１のプラスチック材料が第１のガス拡散層３０の一部６０に少なくとも部分的に含浸されるように、第１のプラスチック材料を融解させるのに十分である。第２のプラスチック材料が第２のガス拡散層３２の一部６４に少なくとも部分的に含浸されるように、第２のプラスチック材料を少なくとも部分的に融解させるには、同じ温度で十分である。一例では、第１のプラスチック材料および第２のプラスチック材料は同一である。一例では、第１のプラスチック材料および第２のプラスチック材料として低密度ポリエチレンを含む。一部の例では、第１のプラスチック材料および第２のプラスチック材料の両方のプラスチック材料が、各々のガス拡散層の一部に含浸され、かつ、それらの部分を隣接する電極に固定させるのに十分であるように、それぞれ、少なくとも部分的に融解されるべく十分に低い融解温度を有する場合に限り、第１のプラスチック材料および第２のプラスチック材料は異なっていてもよい。
【００２１】
層３４の第３のプラスチック材料の融解温度は第１および第２のプラスチック材料の融解温度よりも高い。こうしたより高い融解温度により、組み立て工程時に第３のプラスチック材料の層３４が融解するのを防ぐ。一例では、第１および第２のプラスチック材料の融解に用いられる温度に曝されたとき、第３の材料は少なくとも部分的に軟化する。図４は、加熱および押圧の印加前のプラスチック層３４と同じ形状にプラスチック層３４が概ね保持されていることを概略的に示す。図４の配置は、必ずしも縮尺どおりに示されていないが、種々のプラスチック材料と、電極アセンブリの複数の層との関係を示すことを意図している。一例では、第３のプラスチック材料は、第１のガス拡散層３０を第２のガス拡散層３２から電気的に絶縁するのに有効な鎖状低密度ポリエチレンを備える。
【００２２】
実施例の特徴の一つは、単一のボンディング工程を通じての電極アセンブリ２０の組み立てを可能にすることである。ガス拡散層をそれぞれ電極に固定する接着は、プレス５０内での単一の工程時に確立される。同一の工程により、ガス拡散層におけるプラスチックの含浸部分の構築が可能となり、それによりそれらの部分と電極の各々との間の境界部に流体密封のシールを構築する。同時に、ガス拡散層のプラスチックが含浸された外周部がバリアを備え、このバリアは、ガス拡散層の平面に対して平行な方向（例えば、図３および図４の右側または左側）への、ガス拡散層の縁部に亘る流体の移動を阻止する。
【００２３】
電極アセンブリ２０の種々のシールを確立するとともに種々の層を互いに固定する、プレス内での単一の工程の利用を可能にすることにより、組立て時間、労働力、および費用を低減する。したがって、開示の実施例により、燃料セル電極アセンブリを製造するための多段組み立て工程に比較して、経済性が高められる。
【００２４】
上記の記載は本質的に限定的なものではなく例示に過ぎない。本発明の真意を逸脱することなく開示の実施例に対する種々の変形や修正が当業者にとって明らかとなるであろう。本発明に付与される法的保護の範囲は付記の特許請求の範囲を検討することによってのみ決定される。
【図１】
2015526846.tif 000003
【図２】
2015526846.tif 000004
【図３】
2015526846.tif 000005
【図４】
2015526846.tif 000006
【国際調査報告】
2015526846.tif 000007
2015526846.tif 000008