(57)【要約】      （修正有）【課題】密封性にすぐれたユニット化電気化学的電池半組立部品およびこれの製造方法の提供。【解決手段】分離板５が互いに面する時にチャンバ２０を限定する凹部を流れ路５０側に存在させる。イオン交換膜１０と１対の気体拡散層１５を含んで成る膜電極一体構造１２を分離版５の上および間に前記イオン交換膜１０の周囲縁１４が前記チャンバ２０の中に位置させる。また、分離板５を互いに密封結合させかつ前記イオン交換膜１０の周囲縁１４に密封結合させる非導電性密封用重合体２５も前記チャンバ２０の中に入れる。また、上記構成からなるユニット化電気化学的電池半組立部品を製造するに適した加工方法も開示する。【選択図】図２
2005347255.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユニット化電気化学的電池半組立部品であって、
（ａ）各々が１番目の表面を有する１番目の分離板および２番目の分離板、
（ｂ）前記１番目の表面の中の少なくとも一方に存在していて前記板の前記１番目の面が互いに面する時に前記板の周囲に隣接して位置するチャンバを限定する凹部、
（ｃ）前記１番目の表面の各々の上に位置しかつ前記１番目の板と前記２番目の板の間に位置していてイオン交換膜と１対の気体拡散層を含んで成る膜電極一体構造、
（ｄ）前記チャンバの中に位置し、周囲縁を有する前記イオン交換膜、および
（ｅ）前記チャンバの中に位置していて前記１番目の板と前記２番目の板を互いに密封結合させかつ前記１番目および２番目の板を前記イオン交換膜の前記縁と密封結合させる非導電性密封用重合体、
を含んで成るユニット化電気化学的電池半組立部品。
【請求項２】
前記非導電性密封用重合体が溶融加工可能重合体、フッ素置換重合体、熱可塑性弾性重合体、液晶重合体、ポリオレフィン、ポリアミド、芳香族縮合重合体、アイオノマー重合体およびこれらの混合物から成る群から選択される熱可塑性重合体である請求項１記載のユニット化電気化学的電池半組立部品。
【請求項３】
前記非導電性密封用重合体が酸により変性されたポリオレフィン、好適には無水マレイン酸により変性されたポリオレフィンである請求項２記載のユニット化電気化学的電池半組立部品。
【請求項４】
各々が１番目の表面を有する１番目の分離板および２番目の分離板および前記１番目の表面の各々の上に位置しかつ前記１番目の板と前記２番目の板の間に位置していて周囲縁を有するイオン交換膜と１対の気体拡散層を含んで成る膜電極一体構造（ＭＥＡ）を含んで成るユニット化電気化学的電池半組立部品の加工方法であって、
（ａ）前記１番目の表面の中の少なくとも一方に存在していて前記板の前記１番目の面が互いに面する時に前記板の周囲に隣接して位置するチャンバを限定する凹部を生じさせ、
（ｂ）前記ＭＥＡを前記イオン交換膜の前記縁が前記チャンバの中に位置するように前記１番目の板と前記２番目の板の間に入れ、
（ｃ）非導電性密封用重合体挿入片を前記チャンバの中に入れ、
（ｄ）熱と圧力をかけることで前記密封用重合体を溶融させて溶融した重合体を生じさせ、そして
（ｅ）熱をかけるのを止めて前記溶融した重合体を冷却させて前記イオン交換膜の前記縁の周囲で硬化させることで、前記１番目の板と前記２番目の板を互いに密封結合させかつ前記１番目および２番目の板を前記イオン交換膜の前記縁と密封結合させる、
段階を含んで成る方法。
【請求項５】
１番目の分離板と２番目の分離板と膜電極一体構造を含んで成るユニット化電気化学的電池半組立部品であって、請求項４の方法を用いて前記１番目と２番目の分離板と前記膜電極一体構造が互いに密封されているユニット化電気化学的電池半組立部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はユニット化電気化学的電池半組立部品（ｕｎｉｔｉｚｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｅｌｌ  ｓｕｂ−ａｓｓｅｍｂｌｙ）、より詳細には、分離板（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）と冷媒用板（ｃｏｏｌａｎｔ  ｐｌａｔｅｓ）と膜電極一体構造（ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）（ＭＥＡ）を一体化することで生じさせたユニット化電気化学的電池半組立部品に関する。本発明は、更に、製造を簡潔にしたユニット化電気化学的電池半組立部品加工方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質膜燃料電池は、２枚の電流分離板（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｓｅｐａｒａｔｏｒ  ｐｌａｔｅｓ）の間に位置する膜電極一体構造を含んで成る。前記膜電極一体構造の中に１対の流体分布層［一般に気体拡散層（ｇａｓ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｌａｙｅｒｓ（ＧＤＬ）と呼ばれる］とイオン交換膜が位置する。前記イオン交換膜または気体拡散層のいずれかの少なくとも一部が貴金属触媒で覆われている。前記イオン交換膜を前記気体拡散層間に位置させて圧縮することで前記膜電極一体構造物を生じさせる。前記分離板は前記ＭＥＡを支えかつ仕切りとして働くことで、隣接する燃料電池の中の燃料と酸化剤が混ざらないようにしている。
【０００３】
分離板［また流れ場板（ｆｌｏｗ  ｆｉｅｌｄ  ｐｌａｔｅｓ）とも呼ばれる］は燃料電池の中でいろいろな機能を果たし、そのような機能には、電池内で発生した電流を集めること、電池反応体を収容または分配すること、電池反応生成物を除去すること、そして熱制御による補助を行うことが含まれる。そのような機能が電気化学的電池の中で達成されるには、気体も流体も出て行くことがないように電池がしっかりと密封されたユニット（ｕｎｉｔ）を形成していることが重要である。そのような分離板は主にグラファイト、グラファイト−重合体複合体、金属薄板、導電性重合体、多孔質グラファイトまたは多孔質グラファイト−重合体複合体材料で作られている。
【０００４】
プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池の現在の構成は特許文献１、２および３に示されているデザインの如きデザインから進展したものである。そのようなデザインの全部で反応体ガスシール（ｒｅａｃｔａｎｔ  ｇａｓ  ｓｅａｌｓ）が用いられており、それらは、膜電解質と直接接触する密封面を少なくとも１つ有する。それはイオン交換膜自身を当該電池の活性触媒領域の外側に延長させることを要求する。そのようなデザインは電池構成要素、例えば反応体ガス流れ場などの中の溝を膜電解質が橋渡しすることを要求する。そのようなデザインにすると結果として典型的に前記膜の縁も同様に周囲の空気および／または冷却用液にさらされる。前記膜が周囲の空気にさらされると結果として前記膜が乾燥しそして前記膜が冷却用液にさらされると金属イオンによる汚染が起こる可能性がある。そのような影響の両方によって電気化学的電池の性能が低下しかつ前記膜の機械的劣化がもたらされてしまう。
【０００５】
従来技術では、膜−シール連結部の破壊が最小限になるようにＰＥＭ電気化学的電池に適したシールデザインを提供するいろいろな試みがなされてきた。縁が密封されたＭＥＡを作り出す目的で適切な密封剤、例えば熱可塑性ガスケットまたはフィルム、接着性フィルム、接着性テープおよびガスケットなどを用いて前記膜の縁を封じ込めることが盛んに実行されている方法である。そのような方法が例えば特許文献４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２（これらは全部引用することによって本明細書に組み入れられる）に開示されている。
【０００６】
そのようにＭＥＡの縁を密封することで膜の乾燥に関係した問題、膜の汚染、従って電気化学的電池の中の膜に関係した障害に取り組むことは行われているが、機能的電池を構築する目的で２枚の分離板の間に余分な密封用ガスケットを位置させて圧縮する必要がある。従って、この上で考察したように、その組み立てられた電池の耐久性はそのようなガスケットの脆弱性によって制限されることから、そのような電気化学的電池の商業的成功は制限されたままである。
【０００７】
攻撃性のある電気化学的電池環境の中ではいろいろな密封剤が不安定であることが大きな問題である。そのような電気化学的電池環境の中で用いるに必要な耐久性を示す材料を見つけだすことは難題である。用いられている密封剤のいくつかは還元環境、例えば電気化学燃料電池の陽極側（水素が消費される）などではあまり安定ではない。そのような材料は空気または酸化剤側ではうまく働くが、水素が存在しているとうまく働かない。従って、密封剤は好適には水素および酸素両方の環境の中で安定であるべきである。
【０００８】
分離板は、一般に、液体も気体も漏れることがないように、周囲付近および分離板とＭＥＡの間の連結部が密封されている。特に、グラファイトまたはグラファイト複合体で作られた分離板の場合、シールとグラファイトの接着力が問題になっている。この場合に可能な最も高い信頼性を達成しようとして、ＧＤＬを収容する凹面を前記板の中に与えかつ溝を刻み目の形態で生じさせている（特許文献１３）。別法として、密封用要素（ｓｅａｌｉｎｇ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ）が分離板につなぎ止められるように密封面を非常に粗くすることが行われている（特許文献１４）。分離板を多孔質にした時の孔は密封剤によるつなぎ止めにとって有利である。ガスケットを用いると典型的に界面または気体透過性シーリング（ｓｅａｌｉｎｇ）が達成される。電池に含まれる各構成要素の間にガスケットを取り付けそして適切な接着剤、例えば特許文献１５および１６（これらは両方とも引用することによって本明細書に組み入れられる）に記述されている如き接着剤を用いて分離板またはＧＤＬに固着させることが行われている。ガスケットをまた分離板またはＧＤＬの上に生じさせておいた通路または溝の中に形成させることも可能である。
【０００９】
高分子電解質膜燃料電池で界面シールとして用いられている最も通常の種類の密封剤はシリコンゴム、ＲＴＶ、Ｅ−ＲＴＶ、ネオプレンゴムまたは同様なゴム弾性材料で作られたガスケットである。そのような種類のガスケットが特許文献１７、１８、１９、１０および２１（引用することによって本明細書に組み入れられる）に開示されている。
【００１０】
分離板の周囲を密封する目的でシリコンゴム、ＲＴＶ、Ｅ−ＲＴＶなどの如き密封剤を用いることに関連した欠点がいくつか存在する。そのような密封剤は用いられる板材料（これはグラファイト、グラファイト複合体または金属であり得る）と適合しない可能性がある。そのような弾性重合体製ガスケットは電気化学的電池の実用寿命過程全体に渡って長期の変形および苛酷な運転環境にさらされる。そのようなガスケットは例えば圧縮永久歪みおよび化学的劣化が理由で経時的に弾力性が低下する傾向がありかつ永久的に変形してしまう可能性もある。それによって密封機能に否定的な影響が生じかつ最終的に漏れ発生率が高くなる可能性がある。
【００１１】
材料が不適合であると密封剤付近で漏れが誘発される可能性があり、それによって、反応体流体および／または冷媒流体が混ざり合う結果として電池の障害がもたらされる可能性がある。そのようなガスケットを取り付けた板は、この板の密封領域に圧力が連続的にかかった時に塑性変形を起こす度合が高くなる。そのような密封剤を用いた電気化学的電池積み重ね品では、その積み重ね品の長さ方向に沿ってガスケット圧力分布が不均一になって積み重ね品の中心部の圧力が最も低いことが観察され得る。このように、そのような積み重ね品の中心電池における密封性能が充分であることを保証しようとして典型的には密封剤の板末端領域が高い圧力にさらされる。当該電池の板末端領域にかけられる密封圧力が高くなると結果として塑性変形の度合が高くなりかつガスケットおよびＭＥＡのあまりにも早期の破壊がもたらされてしまう可能性がある。その上、通常の製造方法を用いた場合には２枚の分離板またはＧＤＬに与えておいた溝または通路の中のガスケットの位置を正しくするのはしばしば困難であり、従ってまた変形がもたらされてしまう可能性がある。
【００１２】
代替手段を用いて電気化学的電池の中にシールを作り出すか或はより良好なデザインおよび異なる密封剤／結合剤を組み込む他の試みがいくつか成されてきた。例えば、燃料電池に含まれる熱可塑性フィルムと他の熱可塑性構成成分との間にシールを超音波溶着で作り出す方法が特許文献２２に記述されている。特許文献２２に記述された溶着方法は、膜電極一体構造（ＭＥＡ）をブラケットとフレームの間でせん断溶着させてＭＥＡの周囲にフレームを作り出す目的で用いられた。しかしながら、特許文献２２には、燃料電池の分離板を一緒に密封する方法も分離板をＭＥＡに直接密封する方法も記述されていない。
【００１３】
分離板を一緒に積み重ねかつ超音波溶着を用いて燃料電池の分離板を密封する方法が特許文献２３に記述されている。しかしながら、そのような溶着方法には、ＭＥＡを２枚の分離板の間に挟みながらそれらを密封する方法も分離板をＭＥＡに密封する方法も記述されていない。その上、特許文献２３に記述されている超音波溶着は単に好適な溶着方法として記述されたものである。
【００１４】
膜をＭＥＡから延長させて２枚の分離板の間にシールを生じさせる方法が特許文献２４に記述されている。特許文献２４に開示されている流体シールは、１番目の分離板の上に位置する圧縮性部材と２番目の分離板の溝の中に位置するガスケットを含有する。前記ＭＥＡから延長させた膜の一部を前記ガスケットと前記圧縮性部材（これは前記ガスケットの表面に一致する）の間に挟み込むことで、２枚の分離板が一緒に圧縮された時に流体シールが生じるようにしている。しかしながら、特許文献２４には、２枚の分離板の間に硬質シール（これはＭＥＡの圧縮性を維持するように両方の分離板を一緒に保持し得る）を生じさせる方法は記述されていない。特許文献２４に記述されている如き方法は、ＭＥＡの圧縮の維持ばかりでなく気密シールを生じさせるに必要な力も積み重ね圧縮力に頼っている。
【００１５】
重合体溶着方法を用いて２枚の燃料電池分離板または燃料電池分離板とＭＥＡの間にシールを作り出す方法が特許文献２５に記述されている。前記燃料電池分離板は非導電性重合体枠で構成されており、それが重合体溶着の目的で用いられる。しかしながら、特許文献２５には、非導電性枠を使用しないで燃料電池分離板を密封する方法は記述されていない。特許文献２５には、また、燃料電池分離板の導電性部分と非導電性部分を同じ重合体である結合剤で構成させることも開示されている。非導電性（密封用）と導電性領域に同じ重合体を存在させていることから、前記板の導電性部分が密封工程（これは一般に熱の発生を伴う）中に損傷を受ける可能性がある。
【００１６】
モジュール化単一電池（ｍｏｄｕｌｉｚｅｄ  ｓｉｎｇｌｅ  ｃｅｌｌ）およびモジュール化電池ユニット（ｍｏｄｕｌｉｚｅｄ  ｃｅｌｌ  ｕｎｉｔ）の概念が特許文献２６に記述されている。位置させた陽極と陰極の双極性板の間の周囲部分にシリコンゴム（ＲＴＶ）を所望量で前以て決めておいた圧縮圧下で加えた後、前記ＲＴＶを硬化させて前記板の間に有効なシール、即ちＭＥＡの縁シールを作り出しており、このように、関連した成分の全部を結合させることで一体式ユニットを生じさせている。しかしながら、そのシールの有効性は未硬化ＲＴＶ材料の流動特性および硬化特性、例えば当該材料が硬化工程中に囲まれた溝の中で示す体積変化などに依存する。
【００１７】
電気化学的電池モジュールに含まれるいろいろな層を一体化する目的で異なる弾性係数を示す密封層を用いることが特許文献２７に開示されている。層と層の間で求められる剛性および柔軟性に応じていろいろな層の間で異なる密封剤を用いることが提案されている。シリコンゴム、ブチルゴムおよびエポキシ系接着剤の使用が示されている。陽極および陰極板には弾力性が低い密封剤が用いられており、そしてＭＥＡのイオン交換膜の延長部分の周囲では弾力性が高い密封剤が用いられている。しかしながら、そのような材料が電気化学的電池環境の中で示す安定性そしてユニット化モジュール（ｕｎｉｔｉｚｅｄ  ｍｏｄｕｌｅ）を製造する目的でその構成要素を組み立てる方法および容易さは開示されていない。
【００１８】
縁のシールおよび周囲のシールを作り出す目的でいろいろな密封剤を板および膜に付着させることが特許文献２８、２９および３０に開示されている。多孔質板の孔に適合する接着性および表面つなぎ止め性を示す熱可塑性材料、例えばＴｈｅｒｍｏｂｏｎｄ（商標）フィルムなどの使用が開示されている。また、いろいろな燃料電池構成要素の間にシールを作り出す方法も開示されている。前記熱可塑性材料を熱プレス加工して溶融させて多孔質気体拡散基質の縁の周囲および／または前記多孔質板の縁の周囲に含浸させることで、縁が密封されたユニット化電池モジュールを作り出している。前記板と縁が密封されているＭＥＡの間にシールを作り出す目的で発泡ガスケット材料が用いられた。従って、電気化学的電池のための完全なシーリングを生じさせる目的で、異なる２種類の密封剤、即ち発泡ガスケットと接着特性を示す溶融加工可能熱可塑性フィルムが用いられた。それは前記密封剤のいずれも縁と周囲の両方のシーリングを一緒には達成しないことから行われた。しかしながら、異なる密封剤および取り付け段階を用いると電池ユニット化工程で消費される時間が非常に長くなりかつ費用が非常にかかることから、電気化学的電池の商業化にとって障害になる。
【００１９】
ＭＥＡの電極を収容する目的で凹形流れ場領域を用いることが特許文献３１に開示されている。密封領域付近に凹領域または段形を存在させることで電極の気体拡散層を支えかつ密封用の追加的領域を与えている。
【００２０】
板と気体拡散層のユニット化一体構造が特許文献３２に開示されている。気体拡散基質を収容する凹形または段形領域を板の中に作り出している。その目的は、燃料電池積み重ね品を組み立てている間に気体拡散基質の位置が変わることがないようにしかつ積み重ね品の組み立てが容易なユニット化モジュールを作り出すことにあった。しかしながら、特許文献３２には、板の中に生じさせた凹領域を用いて電気化学的電池の周囲付近に改良されたシーリングを得ることは全く述べられていない。
【００２１】
凹領域を含有する陽極板を用いてユニット化電池を製造することが特許文献３３に教示されている。組み立て工程をより容易にする目的で、その凹領域がＭＥＡおよび陰極板を保持し得るようにそれを作り出している。しかしながら、開示されたのはそのような凹領域を存在させると密封が向上する可能性があることであった。
【００２２】
従って、ユニット化電気化学的電池半組立部品、より詳細には分離板と冷媒用板と膜電極一体構造（ＭＥＡ）を一体化することで生じさせたユニット化電気化学的電池半組立部品を提供することが求められているままである。
【００２３】
本明細書で引用する特許／出願および他の資料全部の開示は引用することによって本明細書に組み入れられる。
【特許文献１】Ｇｒｕｂｂの米国特許第２，９１３，５１１号
【特許文献２】Ｎｉｅｄｒａｃｈの米国特許第３，４３２，３５５号
【特許文献３】Ａｄｌｈａｒｔの米国特許第４，１７５，１６５号
【特許文献４】米国特許第５，２６４，２９９号
【特許文献５】米国特許第５，４６４，７００号
【特許文献６】米国特許第６，０５７，０５４号
【特許文献７】米国特許第６，０８０，５０３号
【特許文献８】米国特許第６，１５９，６２８号
【特許文献９】米国特許第６，４４０，５９７号
【特許文献１０】ＷＯ  ０１／８０３３９  Ａ２
【特許文献１１】ＷＯ  ０２／０９３６７２
【特許文献１２】ＷＯ  ０３／０６３２８０
【特許文献１３】米国特許第６，２８０，８７０号
【特許文献１４】米国特許第６，３４８，２７９号
【特許文献１５】米国特許第６，３３８，４９２  Ｂ１
【特許文献１６】ＥＰ  ０６６５９８４  Ｂ１
【特許文献１７】ＷＯ  ０２／０９３６７２  Ａ２
【特許文献１８】米国特許第６，３３７，１２０号
【特許文献１９】米国特許出願番号２００２００６４７０３
【特許文献２０】米国特許出願番号２００１００５５７０８
【特許文献２１】米国特許出願番号２００２００６８７９７
【特許文献２２】米国特許第６，１７６，９５３号
【特許文献２３】ＰＣＴ特許出願ＷＯ  ０２／０９１５０６  Ａ１
【特許文献２４】米国特許第６２６１７１１号
【特許文献２５】ＰＣＴ特許出願ＷＯ  ０１／８０３３９  Ａ２
【特許文献２６】米国特許第２００２／０１１０７２０
【特許文献２７】米国特許第６，４４０，５９７号
【特許文献２８】米国特許第６，１５９，６２８号
【特許文献２９】米国特許出願番号２００１／０００１０５２
【特許文献３０】米国特許出願番号２００３／０１２４４０２
【特許文献３１】米国特許第４，３２４，８４４号
【特許文献３２】米国特許第６，２８０，８７０号
【特許文献３３】米国特許第６，１８０，２７４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
従って、電気化学的電池積み重ね品を組み立てる時間が短縮されかつ製造費用が低くなるようにそれらの個々別々の構成要素を簡潔にしかつそれらの数を少なくすることが求められているままである。その上、通常の密封技術に関連した欠点が軽減されかつあらゆる構成要素を有効に一体化するに役立つように改良されたシールを前記積み重ね品に含まれる電池の中に生じさせることができれば、これも望ましいことである。
【００２５】
従って、本発明の１つの面は、電池構成要素、例えば膜電極一体構造（ＭＥＡ）、分離板および／または冷媒用板などが一体化した構造を含んで成るユニット化電気化学的電池半組立部品を提供することにある。
【００２６】
本発明の別の面は、電気化学的電池の酸化剤側から燃料側または燃料側から酸化剤側または冷媒側から反応体側への気体漏れが起こらない電気化学的電池構造物を提供することにある。
【００２７】
本発明の別の面は、要求される熱および圧力結合段階の数を最小限にすることで電気化学的電池製造を容易にしかつ費用を低くする方法を提供することにある。
【００２８】
本発明の別の面は、電気化学的電池の酸化および還元環境に対して安定で構成要素間に耐久性のある結合およびシールを維持する密封剤を提供することにある。
【００２９】
好適な態様の詳細な説明、本実施例および請求の範囲を読んだ後の本分野の技術者に本発明の他の数多くの目的、利点および特徴が明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明の１番目の面では、ユニット化電気化学的電池半組立部品を提供し、これは、
ａ．  各々が１番目の表面を含んで成る１番目の分離板および２番目の分離板、
ｂ．  前記１番目の表面の中の少なくとも一方に存在していて前記板の前記１番目の面が互いに面する時に前記板の周囲に隣接して位置するチャンバ（ｃｈａｍｂｅｒ）を限定する凹部、
ｃ．  前記１番目の表面の各々の上に位置しかつ前記１番目の板と前記２番目の板の間に位置していてイオン交換膜と１対の気体拡散層を含んで成る膜電極一体構造（ＭＥＡ）、
ｄ．  前記チャンバの中に位置し、周囲縁を有する前記イオン交換膜、および
ｅ．  前記チャンバの中に位置していて前記１番目の板と前記２番目の板を互いに密封結合させかつ前記１番目および２番目の板を前記イオン交換膜の前記縁と密封結合させる非導電性密封用重合体、
を含んで成る。
【００３１】
好適には、前記板の１番目の表面の各々に更に気体拡散層を収容する形態の２番目の凹部も含める。
【００３２】
好適には、前記１番目および２番目の分離板の各々は陽極双極性板、陰極双極性板および冷媒用板から成る群から選択した板である。
【００３３】
好適には、前記非導電性密封用重合体はまた電気化学的電池用の電気絶縁体でもある。
【００３４】
好適には、前記非導電性密封用重合体に１種以上の抗酸化剤による酸化安定化を受けさせる。
【００３５】
好適には、前記対の気体拡散層の各々の周囲縁を前記チャンバの中に位置させそして前記非導電性密封用重合体シールで前記１番目および２番目の板を前記対の気体拡散層の縁と結合させる。
【００３６】
好適には、前記１番目および２番目の分離板は、金属；重合体である結合剤と導電性充填材を含んで成る重合体複合体；またはこれらの混合物を含んで成り、より好適には、前記１番目および２番目の分離板はグラファイト繊維およびグラファイト粉末を含んで成る。更に、前記重合体である結合剤が熱可塑性重合体、部分フッ素置換重合体、液晶重合体またはこれらの混合物と約１重量％から３０重量％の無水マレイン酸変性ポリオレフィン（ｍａｌｅｉｃ  ａｎｈｙｄｒｉｄｅ  ｍｏｄｉｆｉｅｄ  ｐｏｌｙｏｌｅｆｉｎ）の混合物を含んで成るようにするのも好適である。
【００３７】
好適には、前記板の１番目の表面の各々に更に前記気体拡散層を収容する形態の２番目の凹部も含める。
【００３８】
好適には、前記板と前記イオン交換膜の間にさらなるシールが作り出されるように本電気化学的電池半組立部品に更に前記板の１番目の表面と前記イオン交換膜の間に位置する１個以上の密封用ガスケットも含有させる。
【００３９】
好適には、前記非導電性密封用重合体が前記板につなぎ止められるように、前記凹部が前記密封用重合体の一部が入るトラップ（ｔｒａｐ）を含んでなるようにする。
【００４０】
好適には、本電気化学的電池半組立部品が前記１番目の分離板の周囲に１番目の縁を含みかつ前記隣接する分離板の周囲に２番目の縁を含んで成っていて前記１番目の縁と２番目の縁が溝を限定しており、そしてその溝の中にガスケットを位置させる。
【００４１】
本発明は、さらなる面において、各々が１番目の表面を含んで成る１番目の分離板および２番目の分離板および前記１番目の表面の各々の上に位置しかつ前記１番目の板と前記２番目の板の間に位置していて周囲縁を有するイオン交換膜と１対の気体拡散層を含んで成る膜電極一体構造（ＭＥＡ）を含んで成るニット化電気化学的電池半組立部品の加工方法を提供し、この方法は、
ａ．  前記１番目の表面の中の少なくとも一方に存在していて前記板の前記１番目の面が互いに面する時に前記板の周囲に隣接して位置するチャンバを限定する凹部を生じさせ、
ｂ．  前記ＭＥＡを前記イオン交換膜の前記縁が前記チャンバの中に位置するように前記１番目の板と前記２番目の板の間に入れ、
ｃ．  非導電性密封用重合体挿入片を前記チャンバの中に入れ、
ｄ．  熱と圧力をかけることで前記密封用重合体を溶融させて溶融した重合体を生じさせ、
ｅ．  熱をかけるのを止めて前記溶融した重合体を冷却させて前記イオン交換膜の前記縁の周囲で硬化させることで、前記１番目の板と前記２番目の板を互いに密封結合させかつ前記１番目および２番目の板を前記イオン交換膜の前記縁と密封結合させる、
段階を含んで成る。
【００４２】
好適には、抵抗溶着、超音波溶着、熱積層、熱結合、レーザー溶着および振動溶着から成る群から選択した技術を用いて熱をかける。より好適には、
ａ．  前記重合体が溶融して溶融した重合体が生じるに充分な局所的熱が前記密封用重合体挿入片にもたらされるように前記１番目の分離板と２番目の分離板を通る電流をかけ、そして
ｂ．  圧力をかけながら前記１番目および２番目の分離板に電流をかけるのを止めることで前記溶融した重合体を冷却する、
段階を含んで成る抵抗溶着技術を用いて熱をかける。
【００４３】
好適には、加熱を止めた後も圧力をかけ続ける。
【００４４】
好適には、前記１番目および２番目の分離板の各々は陽極双極性板、陰極双極性板および冷媒用板から成る群から選択した板である。
【００４５】
好適には、前記非導電性密封用重合体はまた電気化学的電池用の電気絶縁体でもある。また、前記非導電性密封用重合体が溶融加工可能重合体、フッ素置換重合体、熱可塑性弾性重合体、液晶重合体、ポリオレフィン、ポリアミド、芳香族縮合重合体、アイオノマー重合体およびこれらの混合物から成る群から選択した熱可塑性重合体であるのも好適である。より好適には、この非導電性密封用重合体は酸により変性したポリオレフィンである。また、前記非導電性密封用重合体に１種以上の抗酸化剤による酸化安定化を受けさせるのも好適である。
【００４６】
好適には、前記対の気体拡散層の各々が周囲縁を有し、そして本方法に、更に、前記対の気体拡散層の前記縁を前記チャンバの中に位置させて前記非導電性密封用重合体で前記１番目および２番目の板を前記対の気体拡散層の前記縁と密封結合させる段階も含める。
【００４７】
本方法に、更に、前記板の１番目の表面の各々に前記気体拡散層を収容する形態の２番目の凹部を生じさせる段階を含めてもよい。
【００４８】
本方法に、更に、前記板と前記イオン交換膜の間にさらなるシールが作り出されるように前記板の１番目の表面と前記イオン交換膜の間に１個以上の密封用ガスケットを生じさせることを含めてもよい。
【００４９】
本方法に、更に、トラップ（前記溶融した密封用重合体が固化した時に前記重合体が前記板につなぎ止められるように前記溶融した重合体の一部が前記トラップの中に流れ込む）を前記凹部の中に生じさせる段階を含めてもよい。
【００５０】
本方法に、更に、加熱を行う前に前記密封用重合体挿入片の少なくとも一部を前記膜電極一体構造の縁に固定する段階を含めてもよい。
【００５１】
好適には、前記１番目および２番目の板の各々が周囲に縁を有していて前記板の縁が溝を限定しており、そしてその溝の中にガスケットを位置させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
ここに、添付図を参照して本発明の好適な態様を記述する。
【００５３】
本発明の１番目の態様では、単極性もしくは双極性気体分離板と冷却用板（ｃｏｏｌｉｎｇ  ｐｌａｔｅｓ）を一緒に結合させて膜とＭＥＡの縁周囲に気密シールを生じさせることに加えて前記板の周囲に流体密封シールを生じさせておいたユニット化電気化学的電池半組立部品を提供する。この態様のユニット化電池半組立部品は２つの機能を果たす。それは電力発生に専用の領域と電池の構造的および密封支持を与える専用の領域を有する。前記膜を電池の活性領域（それが必要としているただ１つの領域）に限定したままにしておくことによって、前記膜と周囲空気の接触も冷却用流体の接触も全く起こらないようにする。前記膜はもはや電池構成要素間の溝を橋渡ししなくなる。化学的に不活性な密封剤がそのような機能を果たす。
【００５４】
本発明の別の面では、ユニット化電気化学的電池半組立部品の構成要素は、２番目の分離板に結合した１番目の分離板からなる。この２枚の板の少なくとも一部がチャンバを限定するようにして、その中に前記膜の一部を位置させる。非導電性重合体挿入片を前記膜の一部に隣接するチャンバの中に入れそして前記重合体挿入片を前記板に溶着させることで前記板と板の間に１番目のシールを形成させることでシールを作り出す。同様に、前記膜の一部が前記チャンバと膜電極一体構造の中に伸びるようにして前記板と板の間に２番目のシールも生じさせる。その結果として２枚の板とＭＥＡを含有するユニット化電気化学的電池半組立部品がもたらされる。
【００５５】
さらなる態様では、本ユニット化電気化学的電池半組立部品に２枚の分離板を含めて、前記板の周囲に隣接して位置するチャンバが限定されるようにする。ＭＥＡを前記板と板の間に位置させることに加えて前記ＭＥＡの縁を前記チャンバの中に位置させる。また、非導電性重合体挿入片も前記チャンバの中に入れた後、熱と圧力をかけることで前記重合体挿入片を溶融させる。次に、加熱を止めて前記重合体を硬化させることで、前記板と板の間に１番目のシールを形成させかつ前記板と前記ＭＥＡの縁の間に２番目のシールを形成させることによって、本ユニット化電気化学的電池半組立部品を作り出す。
【００５６】
別法として、本半組立部品に板と膜のシールを作り出す時に役立つｏ−リングを１個以上含めてもよい。この場合には、前記挿入片に由来する溶融重合体が前記膜電極一体構造の一部と前記２枚の板の中の一方（両方の板ではなく）の間にシールを作り出す。
【００５７】
さらなる態様として、また、膜延長部が絶縁用多孔質マトリックス（ｍａｔｒｉｘ）の中に封じ込められるように密封用重合体と膜電極一体構造の間に多孔質マトリックスを位置させることを利用して本ユニット化電気化学的電池半組立部品を製造する。従って、そのような絶縁用多孔質マトリックスを用いて前記１番目の分離板と２番目の分離板の間に１番目のシールを生じさせかつ前記板と前記ＭＥＡの縁の間に２番目のシールを生じさせる。
【００５８】
図１に示すように、典型的な高分子電解質膜燃料電池は、２枚の導電性分離板５の間に位置する膜電極一体構造１２（「ＭＥＡ」）を含んで成る。前記ＭＥＡ（１２）はイオン交換膜１０と２つの気体拡散層１５を含有する。
【００５９】
本発明は、ユニット化電池構成要素（ｕｎｉｔｉｚｅｄ  ｃｅｌｌ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を提供しかつ電気化学的電池、特に燃料電池のいろいろな構成要素を一緒に密封することでそれを加工する方法を提供する。
【００６０】
１番目の態様を図２に示すが、この態様では、分離板５とＭＥＡ１２に特定の形態を持たせることで燃料電池の密封を容易にする。図２に示したのは電気化学的電池周囲近くのＭＥＡ１２と分離板５の部分断面のみである。図２に示した態様では、両方の分離板５の中の溝によって板５の周囲に隣接して位置するチャンバ２０が限定されている。両方の分離板５をこれらが互いに面するように位置させると、前記板５の中の溝がチャンバ２０を形成する。また、流れ場路（ｆｌｏｗ  ｆｉｅｌｄ  ｃｈａｎｎｅｌｓ）５０が存在する領域（板５の）の周囲に沿って段形もしくは凹形表面４５を板５の各々に存在させてもよい。この凹面４５の形態は以下に記述するようにＭＥＡ１２を収容する形態である。
【００６１】
非導電性熱可塑性重合体挿入片２５をチャンバ２０の中に入れる。ＭＥＡ１２を分離板５と分離板５の間の凹面４５の中に位置させる。２つの気体拡散層１５の縁を凹形領域４５の中に収容させて分離板５の流れ場路５０の付近に位置させる。重合体挿入片２５に隣接する場所でイオン交換膜１０の一部１４がＭＥＡ（１２）から外側にチャンバ２０に向かって伸びるようにする。
【００６２】
イオン交換膜１０の延長部分１４と分離板５の間にシールを生じさせる目的で、前記重合体挿入片２５をチャンバ２０の中で好適には加熱技術、例えば加熱溶融、抵抗溶着または熱プレス加工技術などを用いて溶融させる。加熱を止めた後にも圧力を分離板５にかけ続けることで、その溶融した重合体が冷却した時にそれらが互いに圧縮されるようにする。局所的熱発生を止めると溶融していた重合体の温度が急速に降下し、その結果として、その溶融していた重合体が固化することで永久的なシールが作り出される。分離板５の各々の間に１番目のシールが生じそして分離板５とイオン交換膜延長部分１４の間に２番目のシールが生じる。
【００６３】
導電性分離板５とイオン交換膜延長部分１４の間のシールの品質は非導電性重合体挿入片２５がこの密封工程中に示す性質に左右されることは本分野の技術者に明らかであろう。好適には、そのような３構成要素の間に良好なシールが作り出されるように導電性分離板５およびイオン交換膜１０の材料に適合する非導電性重合体材料２５を挿入片２５として用いる。他方、挿入片２５の非導電性材料が導電性分離板５と適合するが、イオン交換膜１０とは適合しない場合には、導電性分離板５と非導電性重合体挿入片２５の間の１番目のシールは良好なシールであるが、非導電性重合体挿入片２５とイオン交換膜延長部分１４の間の２番目のシールはあまり良好ではないであろう。その場合には、本電気化学燃料電池組み立て品の中の有効なシールを維持する目的で、導電性分離板５とイオン交換膜延長部分１４の間に３番目の追加的シールを与える必要がある。
【００６４】
図２に示さなかったさらなる態様では、２つの気体拡散層の縁が凹領域４５の中に完全に収容されるのではなくそれがチャンバ２０の中にまで伸びるようにしてもよい。従って、重合体挿入片２５を溶融させた後にチャンバ２０の中で硬化させると、その密封用重合体が分離板５を１対の気体拡散層の縁と密封結合させるであろう。
【００６５】
さらなる態様では、１個以上のｏ−リング２７を用いて、イオン交換膜延長部分１４の延長部分を分離板５と分離板５の間に保持させてもよい。図２に示すように、ｏ−リング２７を膜延長部分１４の両側に位置させることで膜延長部分１４と分離板５の間に気密シールを与えてもよい。挿入片２５に由来する溶融した重合体が加熱溶融工程中に前記ｏ−リング２７の上で溶融して分離板５とｏ−リング２７の間にシールを作り出すが、イオン交換膜延長部分１４はそのままである。従って、挿入片２５に由来する溶融した重合体とイオン交換膜１０の間の適合性が導電性板５とイオン交換膜１０の間に良好なシールを作り出す時の制限になることはない。そのようなｏ−リング２７が導電性分離板５とイオン交換膜延長部分１４の間の良好な密封を確保すると同時に溶融した重合体挿入片２５が導電性分離板５と５の間およびｏ−リング２７と分離板５の間に良好なシールを作り出すことで、気密ユニット化電池半組立部品がもたらされる。
【００６６】
溶着中に生じる溶融物圧縮力を低くする目的で本発明の電池半組立部品に他のいろいろな特徴を加えることも可能である。例えば、分離板５の形態を分離板５の周囲付近に溝が存在するような形態にすることも可能である。その溝の中にガスケット２９を位置させることで溶着中の溶融物圧縮力をいくらか吸収させることも可能である。ガスケット２９はまた分離板５と５の間の電気的短絡を防止する働きもする。
【００６７】
また、チャンバ２０の中の重合体挿入片２５が安定になるように、チャンバ２０の形態を溝４０を伴う形態にすることも可能である。溝４０は重合体挿入片２５が溶着工程中に動く度合を最小限にする。その溶融した重合体は結果として導電性板５の表面と重合体挿入片２５の間で滑り作用を示す可能性があり、その結果として、重合体挿入片２５の位置がずれて望ましくない配向がもたらされる可能性がある。溝４０は溶融した重合体が前記挿入片の底に入り込むのを防止し、かつ前記挿入片を元々の位置に保つようにする。
【００６８】
図３に、イオン交換膜延長部分１４が密封用重合体で取り巻かれていることでそれらが外側環境から隔離されている本発明の態様を示す。イオン交換膜１０と板５の両方に適合する密封用重合体材料３３を膜延長部分１４と分離板５の間に用いてもよく、この場合、前記密封用重合体が結合材料として働く。導電性分離板５とイオン交換膜延長部分１４の上部および下部表面の間に適合性密封用重合体を用いることによって、密封領域を広くすることができる。密封領域を広くすると結果として密封度合がより良好になるであろう。密封用重合体材料３３を用いてイオン交換膜延長部分１４と導電性分離板５がかみ合う領域を大きくすることが可能になりかつ膜１４にかかる圧力点を減少させることが可能になる。ある場合には、密封用重合体材料３３は重合体挿入片２５で用いた重合体と同じであってもよく、その場合、前記重合体は板５とイオン交換膜１０の両方に適合する。分離板５の流れ場路５０の付近に凹面領域４５を与えることでＧＤＬがその凹面に収容されるようにする。
【００６９】
一般的抵抗溶着方法がＢｕｒｋｅの米国特許第４，６７３，４５０号（引用することによって本明細書に組み入れられる）に挙げられている。しかしながら、それを燃料電池に適用することはまだ探求されていない。抵抗溶着方法を用いる場合、交流または直流の電流を用いて重合体挿入片２５を加熱することでシールを生じさせる。電流を上部および下部分離板５の側面に電極、例えば図４に示す電極６０（板５の側面に接触）などに通してかける。電流が導電性分離板５を通って流れる時に導電性分離板５に局所的熱が発生して重合体挿入片２５が溶融することで溶融した重合体が生じる。その溶融した重合体が分離板５を一緒に融合させかつ分離板５とイオン交換膜の延長部分１４を融合させる。電流を切った後も圧力を分離板５にかけ続けることで、溶融重合体が冷却する時にそれらが互いに圧縮されるようにする。電流を切ると局所的熱発生が止んで溶融した重合体の温度が急速に低下し、その結果として、その溶融していた重合体が固化することで永久的なシールが生じる。
【００７０】
また、分離板５とＭＥＡ１２の半組立部品を熱プレスに入れて加熱するか或は加圧した半組立部品を重合体挿入片２５の溶融温度より高い温度に維持されているオーブンの中に入れることでも分離板５の同様な加熱、従って重合体挿入片２５の溶融を達成することができる。
【００７１】
また、導電性分離板５とイオン交換膜１０の間に良好なシールを生じさせようとする時に請求する如き本発明から逸脱することなく使用可能な他の数多くの手段が存在することは明らかであろう。例えば、図５に示す如き２個のｏ−リングの代わりに１個のｏ−リング２７を用いることも可能である。導電性分離板５の中の一方の縦継ぎ面（ｌａｎｄｉｎｇ  ｓｕｒｆａｃｅｓ）の形状を、イオン交換膜１４の上表面が平らな縦継ぎ面の直ぐ下に来るように変えることも可能であり、その結果として、導電性分離板５とイオン交換膜１４の間に完全なシールを生じさせることができる。凹領域４５をこれがＧＤＬの厚みを受け入れるように流れ場路５０の付近に生じさせるべきである。ｏ−リング２７をイオン交換膜１４の下方に位置させることで、２番目の導電性分離板５とイオン交換膜１４の下方表面の間にシールを生じさせることもできる。２番目の分離板には凹領域４５を存在させる必要はない、と言うのは、ｏ−リングの厚みがＧＤＬの厚みを補うであろうからである。そのような配置に伴う利点は、導電性分離板５と５の間にかけられた圧力下でｏ−リング２７が力をイオン交換膜１４に対して及ぼすことでイオン交換膜延長部分１４と導電性分離板５の間にシールが作り出される点にある。そのような加熱工程の結果として溶融した重合体が導電性分離板５と５の間およびｏ−リング２７の周囲にさらなるシールを作り出すことで板５が一緒に圧縮されたままになる。
【００７２】
別法として、図６に示すように、ｏ−リング２７の代わりに結合材料２８を膜１４の片面と分離板５の中の一方の間に用いることも可能である。導電性分離板５とイオン交換膜１４の上部または下部表面の間に結合材料を用いることによって密封領域を大きくすることができる。密封領域が大きくなると結果として密封度合がより有効になるであろう。そのような結合材料はイオン交換膜１４と導電性分離板５がかみ合う領域を大きくしかつ膜１４にかかる圧力点を減少させるであろう。分離板５は流れ場路５０付近に凹面領域４５を生じさせて、この凹面の中にＧＤＬが収容されるようにする。
【００７３】
また、本発明の方法を用いてＭＥＡ１２の周囲にシールを直接作り出すことも可能であることは本分野の技術者に明らかであろう（図７を参照）。本発明のこのさらなる態様では、ＭＥＡ１２の縁をチャンバ２０の中に入らせそしてＭＥＡ１２の周辺に重合体挿入片２５を形成させる。この重合体挿入片２５を二つの部分として供給してもよい。ＭＥＡ１２が重合体挿入片２５のほぼ中心に来るように挿入片２５の下部半分および上部半分の両方がＭＥＡ１２の縁を収容することができる。熱を分離板５にかけると重合体挿入片２５が溶融することで溶融した重合体が生じる。この溶融した重合体が分離板５と５の間およびＭＥＡ１２の縁付近に流れ込んで融合する。その溶融した重合体はまたＭＥＡ１２の中の気体拡散層の多孔質マトリックスの中にも流れ込むことでＭＥＡ１２の周囲に縁シールを作り出す。次に、加熱を止めた後も分離板５に圧力をかけ続けることで冷却後に分離板５と５の間およびＭＥＡ１２の周囲に永久的なシールが作り出される。
【００７４】
本発明のこの態様では、溶融していた重合体が固化してシールを作り出した後に分離板５が分離しないようにする目的で分離板５にまた重合体トラップ５５を含めてもよい。この重合体トラップ５５は、チャンバ２０の上方および下方側壁に存在させる空の刻み目である。加熱処理中に溶融した重合体がその空の重合体トラップ５５の中に流れ込む。この流れは圧力をかけると増加し、これは、重合体挿入片２５がより溶融しかつより溶融した重合体を生じさせるに役立つであろう。加熱を止めると、その溶融した重合体の温度が低下しそしてそのトラップ５５の中に存在する溶融していた重合体が固化する。そのトラップ５５の中で固化した重合体は、重合体挿入片２５によって生じたシールが導電性分離板５の中に固定されたままであることに役立つであろう。言い換えれば、そのシールを板５の中につなぎ止める。このように、重合体トラップ５５はシールがこれの所望位置からいくらかずれるのを防止するであろう。
【００７５】
重合体挿入片２５の重合体を熱可塑性重合体で構成させてもよく、それの形状は分離板５の周囲のデザインに応じて球、薄膜または片であってもよい。挿入片２５の重合体および密封用重合体材料３３は好適には熱で活性化する接着性材料である。適切な熱可塑性重合体は下記の種類のいずれに属するものであってもよい。変性されたポリオレフィン、例えばＢｙｎｅｌ（商標）４１０５、Ｂｙｎｅｌ（商標）４０Ｅ５２９、Ｂｙｎｅｌ（商標）５０Ｅ５６１、Ｆｕｓａｂｏｎｄ（商標）５１１Ｄ、Ｅｎｇａｇｅ（商標）８４０２［全部、Ｅ．Ｉ．ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ＆  Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ．（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ、ＤＥ）が製造］がその種類に入る。ポリオレフィン、例えばＳｃｌａｉｒ（商標）２３１８、Ｓｃｌａｉｒ（商標）ＨＤＰＥ−１９Ａ［ＮＯＶＡ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｃａｌｇａｒｙ、Ａｌｂｅｒｔａ、カナダ）が製造］ばかりでなくＰＲＩＥＸ（商標）１１００６、ＰＲＩＥＸ（商標）１２０３０、ＰＲＩＥＸ（商標）６３１０８およびＰＲＩＥＸ（商標）６３２０８［Ｓｏｌｖａｙ（オランダ）が製造］がその分類に入る。Ｐｒｏｆａｘ（商標）ＳＢ８２３［Ｂａｓｅｌｌ（オランダ）が製造］もまたその分類に入る。Ｅ．Ｉ．ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ＆  Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ．（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ、ＤＥ）が製造しておりかつ米国特許第４８６１６７７号、５６４３９９９号および６５４５０９１号（引用することによって本明細書に組み入れられる）に記述されている如き酸官能化（ａｃｉｄ  ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｓｅｄ）ポリオレフィン系接着剤は接着特性を有することから有利に使用可能である。ある種の用途では、そのような熱可塑性重合体の２種以上の混合物を用いることも可能である。
【００７６】
そのような熱可塑性重合体にまた場合により繊維または無機充填材による補強を受けさせることも可能である。そのような補強によって、結合させた最終的電池構造物の中のシールが示すそりを低下させかつ剛性および強度を向上させることができる。当該熱可塑性重合体が示す弾性特性を向上させる目的で、適切な量のＳｕｒｌｙｎ（商標）樹脂［Ｅ．Ｉ．ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ＆  Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ．（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ、ＤＥ）が製造］と上述した熱可塑性重合体、例えばＢｙｎｅｌ（商標）共押出し加工可能接着剤、Ｆｕｓａｂｏｎｄ（商標）接着性樹脂および樹脂改質剤などのいずれかの混合物を用いることも可能である。そのような混合物を用いると、固有の密封特性を有することに加えて所望の弾性特性を示す密封剤がもたらされると言った利点が得られる。
【００７７】
密封剤が電気化学的電池環境の中で起こる酸化によって誘発されて起こす劣化（その結果として物理的および化学的特性が悪化する）を防止する目的で、適切な量の抗酸化剤、例えばＣｉｂａ（商標）ＩＲＧＡＮＯＸ（商標）、ＩＲＧＡＦＯＳ（商標）またはＰＳ８０２などを上述した熱可塑性重合体と混合してもよい。そのような抗酸化剤を存在させると密封剤が起こす酸化劣化の度合が低下しかつ耐久性が向上するであろう。適切な抗酸化剤の例にはフェノール類、第二級アミン類、ホスファイト類およびチオエステル類が含まれる。
【００７８】
電気化学的電池を組み立てている時に陽極と陰極の気体拡散層（ＧＤＬ）によって膜に穴が開いて短絡することが場合によって起こる。それを防止する目的で、絶縁材料で出来ている織りもしくは不織多孔質マトリックスまたは無孔性フィルムをＧＤＬと膜の間を分離する物として用いてもよい。そのような絶縁層に存在させる材料は一般に非導電性でありかつ燃料電池を汚染すべきでなくかつ燃料電池作動温度で熱および寸法的に安定であるべきである。一般的には、抵抗値が約１０４オーム・ｃｍ以上、より典型的には抵抗値が約１０６オーム・ｃｍ以上、最も典型的には抵抗値が約１０９オーム・ｃｍ以上の材料が有用であると考えている。その例には、織りＦｉｂｅｒｇｌａｓｓ  Ｃｌｏｔｈ、不織Ｋｅｖｌａｒ（商標）紙［Ｅ．Ｉ．ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ＆  Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ．（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ、ＤＥ）が製造］および無孔性フィルム、例えばＤａｒｔｅｋ（商標）、Ｋａｐｔｏｎ（商標）およびＭｙｌａｒ（商標）フィルム［Ｅ．Ｉ．ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ＆  Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ．（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ、ＤＥ）が製造］が含まれる。本発明の接着性密封剤を用いて、それを前記多孔質マトリックスの中にしみ込ませるか或は前記無孔性フィルムと結合させることで、前記膜とＧＤＬの間にシールを作り出すことができ、そのようにして、ＧＤＬ材料が膜を貫通して短絡を起こすことがないようにする。そのような織りもしくは不織多孔質マトリックスまたは無孔性フィルムを本接着性密封剤で補強することによって、結果として生じる密封用ガスケットの絶縁特性を向上させる。
【００７９】
以下の実施例に好適な半組立部品および本発明の方法のいろいろな利点を示す。
【００８０】
実施例
【実施例１】
【００８１】
膜電極一体構造（ＭＥＡ）をＺｅｎｉｔｅ（商標）液晶重合体樹脂含有量が２５％でＴｈｅｒｍｏｃａｒｂ（商標）グラファイト粉末が５５％でグラファイト繊維含有量が２０％の複合板の２枚の同じ正方形片部分の間に挟み込むことを通して、ユニット化電池を調製した。前記部分は長さが８６．３６ｍｍで幅が８６．３６ｍｍで厚みが１．７８ｍｍであった。気体拡散層を収容するように長さが７６．２ｍｍで幅が７６．２ｍｍで深さが０．１２７ｍｍの凹形中心領域を両方の板部分の中に生じさせた。密封領域として用いる目的で前記凹形中心領域の周囲付近に５ｍｍの追加的領域を生じさせた。前記複合板部分の１つの隅に相当する穴を与えて、それをユニット化組み立て品の漏れ試験を実施する時の気体入り口または出口として用いた。その穴の直径は４．５７ｍｍであり、それらの各々を前記板の両面から１２．７ｍｍ離れた所に位置させた。
【００８２】
１枚のＢｙｎｅｌ（商標）フィルムからＢｙｎｅｌ（商標）フィルムの幅が５．０８ｍｍで厚みが０．０７６ｍｍの絵画用額縁形状の２枚のガスケットを切り取った。次に、このガスケットを下部板の密封領域の上に注意深く置いた。炭素繊維が基になっている拡散支持体（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｂａｃｋｉｎｇ）、即ちＳＧＬ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｇｒｏｕｐ（Ｍｅｉｔｉｎｇｅｎ、ドイツ）が製造している「Ｓｉｇｒａｃｅｔ」ＧＤＬ  １０  ＢＢの２層（圧縮されていない状態の厚みが各々０．０３６ｍｍ）の間に厚みが０．０２５４ｍｍのＮａｆｉｏｎ（商標）イオン交換膜［ＤｕＰｏｎｔ（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ、ＤＥ）が製造］が挟み込まれている３層サンドイッチを前記下部板上の正方形の凹形領域の中に入れた。前記サンドイッチは、これに不足しているのは燃料電池機能に必要な電気触媒作用（ｅｌｅｃｔｒｏｃａｔａｌｙｓｉｓ）のみであって機械的および電気的には同じ様式で働き得る点で、本質的に「ダミー」ＭＥＡであった。
【００８３】
寸法は下記の通りであった：
正方形のＮａｆｉｏｎ（商標）膜は８６．３６ｍｍｘ８６．３６ｍｍであった。
寸法が７６．２ｍｍｘ７６．２ｍｍのＧＤＬを切り取った。
絵画用額縁形状のＢｙｎｅｌ（商標）ガスケットの外側寸法は８６．３６ｍｍｘ８６．３６ｍｍで額縁の幅は５．０８ｍｍであった。
【００８４】
下部ＧＤＬの縁が１番目のＢｙｎｅｌ（商標）ガスケットに重なり合うように組み立て品を配置した。１番目のガスケットの寸法と同じ寸法を有する２番目のＢｙｎｅｌ（商標）ガスケットを、これが上部ＧＤＬの縁周囲に重なるように置いた。その上部ＧＤＬの上に上部板を気体拡散層が上部板の凹部分に面するように置いた。
【００８５】
そのように層状にした組み立て品を１４０℃に前以て加熱しておいたホットプレスの中に入れて、それに１．０３ＭＰａの圧力をかけた。この組み立て品を加圧下で４分間加熱した後、圧力をかけながらそれを８０℃になるまで冷却した。その冷却した組み立て品を前記プレスから取り出して、それに漏れ試験を受けさせることで、ユニット化組み立て品が示す結合強度を測定した。
【００８６】
その漏れ試験を下記の如く実施した。室温で１０  ＰＳＩ（０．０７ＭＰａ）に加圧した空気および８５℃で１０  ＰＳＩ（０．０７ＭＰａ）に加圧した水素を用いた。前記板に開けておいた小さな穴を用いて気体／空気を前記組み立て品の中に導入した後、前記電池を１０  ＰＳＩ（０．０７ＭＰａ）の圧力下に３０分間保持しそして前記電池が示す圧力降下を監視した。その組み立てたユニットに試験を受けさせた時に有意な圧力降下が全く記録されず、このことは、その組み立てたユニットの中のあらゆる層の密封度および結合度が良好であることを立証していた。
【実施例２】
【００８７】
下記を除いて実施例１に記述した道具および工程を用いてユニット化電池を調製した：ユニット化組み立て品が短絡しないように多孔質Ｋｅｖｌａｒ（商標）ガスケットを膜とＢｙｎｅｌ（商標）ガスケットの間に位置させた。Ｂｙｎｅｌ（商標）ガスケットと同じ寸法のＫｅｖｌａｒ（商標）ガスケットを切り取って、それをＮａｆｉｏｎ（商標）膜の直ぐ下および上に置いた。ホットプレス加工中に溶融したＢｙｎｅｌ（商標）がＫｅｖｌａｒ（商標）の多孔質マトリックスの中にしみ込んで、それがＮａｆｉｏｎ（商標）膜に面するように密封された。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
ここに、添付図を参照して本発明の好適な態様を記述するが、いくつかの図の中の同様な数字は同じ部分を指す。
【図１】図１は、典型的な燃料電池の図式図である。
【図２】図２は、本発明の１番目の好適な態様を示す部分図式図である。
【図３】図３は、本発明の２番目の好適な態様を示す部分図式図である。
【図４】図４は、本発明の３番目の好適な態様を示す部分図式図である。
【図５】図５は、本発明の４番目の好適な態様を示す部分図式図である。
【図６】図６は、本発明の５番目の好適な態様を示す部分図式図である。
【図７】図７は、本発明の６番目の好適な態様を示す部分図式図である。
【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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【図６】
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【図７】
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