(57)【要約】燃料電池膜電極アセンブリと、ガスケットとを含むガスケット付燃料電池膜電極アセンブリであって、ガスケットが、独立気泡フォームゴム、典型的にはシリコーンフォームゴムを含む、ガスケット付燃料電池膜電極アセンブリを提供する。膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、典型的には、ＭＥＡが、その中心のイオン伝導膜層または触媒コーティング膜層と、任意に接着剤が付着された独立気泡フォームゴムガスケットとから本質的になる、周囲シーリングゾーンを含む。典型的には、本発明によるガスケット付燃料電池膜電極アセンブリは、ハードストップ層を含まない。【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池膜電極アセンブリと、独立気泡フォームゴムを含むガスケットとを含むガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項２】
前記独立気泡フォームゴムがシリコーンを含む、請求項１に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項３】
前記独立気泡フォームゴムがシリコーンから本質的になる、請求項１に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項４】
ハードストップ層を含まない、請求項１に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項５】
ハードストップ層を含まない、請求項２に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項６】
ハードストップ層を含まない、請求項３に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項７】
前記ガスケット付燃料電池膜電極アセンブリが、イオン伝導膜と、独立気泡フォームゴムガスケットとから本質的になる、周囲シーリングゾーンを含む、請求項１に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項８】
前記独立気泡フォームゴムがシリコーンを含む、請求項７に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項９】
前記独立気泡フォームゴムがシリコーンから本質的になる、請求項７に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項１０】
前記ガスケット付燃料電池膜電極アセンブリが、イオン伝導膜と、接着剤と、独立気泡フォームゴムガスケットとから本質的になる、周囲シーリングゾーンを含む、請求項１に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項１１】
前記独立気泡フォームゴムがシリコーンを含む、請求項１０に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項１２】
前記独立気泡フォームゴムがシリコーンから本質的になる、請求項１０に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項１３】
前記ガスケット付燃料電池膜電極アセンブリが、触媒コーティング膜と、独立気泡フォームゴムガスケットとから本質的になる、周囲シーリングゾーンを含む、請求項１に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項１４】
前記独立気泡フォームゴムがシリコーンを含む、請求項１３に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項１５】
前記独立気泡フォームゴムがシリコーンから本質的になる、請求項１３に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項１６】
前記ガスケット付燃料電池膜電極アセンブリが、触媒コーティング膜と、接着剤と、独立気泡フォームゴムガスケットとから本質的になる、周囲シーリングゾーンを含む、請求項１に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項１７】
前記独立気泡フォームゴムがシリコーンを含む、請求項１６に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【請求項１８】
前記独立気泡フォームゴムがシリコーンから本質的になる、請求項１６に記載のガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー省によって認められた協力協定ＤＥ−ＦＣ０２−９９ＥＥ５０５８２に基づき政府の援助でなされた。政府は、本発明における特定の権利を有する。
【０００２】
本発明は、独立気泡フォームゴムガスケットを含み、典型的にはハードストップ層を含まないガスケット付燃料電池膜電極アセンブリに関する。
【背景技術】
【０００３】
米国特許出願第２００１／０，０１９，７９０号明細書および米国特許出願第２００１／０，０１９，７９１号明細書は、ポリマー電解質膜に成形してもよいマルチローブガスケットを含む燃料電池を開示している。ガスケットは、好ましくは、シリコーンゴムまたはフルオロシリコーン（ｆｌｕｏｒｏｓｉｌｉｃｏｎｅ）である。
【０００４】
米国特許第６，３３７，１２０号明細書は、射出成形によってシート材料の溝に形成された、液体ゴムからなるガスケットを開示している。
【０００５】
米国特許第６，２６１，７１１号明細書は、燃料電池フロープレートの溝内に配置されたガスケットを含む燃料電池用シール、および対向する圧縮性部材を開示している。両方とも、ＥＰＤＭまたはシリコーンポリマーなどのポリマーからなってもよい。
【０００６】
米国特許第６，１５９，６２８号明細書は、周囲に熱可塑性材料を含浸させた多孔性基材を含む燃料電池を開示している。
【０００７】
米国特許第６，０８０，５０３号明細書は、ＭＥＡが１つ以上のセパレータプレートに接着結合された燃料電池を開示している。
【０００８】
米国特許第６，０５７，０５４号明細書は、いくつかの実施形態において、同延のポリマー電解質膜、およびシリコーンなどのシール材料を含浸させた多孔性電極層を有するＭＥＡを開示している。この引例は、他の実施形態において、シール材料を多孔性電極層に含浸させたＭＥＡであって、シールがＭＥＡを越えて延在するＭＥＡを開示している。
【０００９】
米国特許第５，９２８，８０７号明細書は、弾性、塑性変形可能、かつ導電性の黒鉛シールを含むポリマー電解質燃料電池を開示している。
【００１０】
米国特許第５，４６４，７００号明細書は、周囲にポリマー電解質膜材料の代わりにガスケット材料を使用することによって、燃料電池のポリマー電解質膜材料の量を最小にするように意図された燃料電池膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）用ガスケットシステムを開示している。ガスケット材料は、好ましくは、非親水性熱可塑性エラストマーである。
【００１１】
米国特許第５，２６４，２９９号明細書は、周囲部分が、エラストマー材料、好ましくはシリコンゴムで充填されたＭＥＡでの使用のための多孔性支持本体を開示している。
【００１２】
米国特許第４，７２１，５５５号明細書は、電解セルの電極フレーム部材の間に入れるべき固体シール手段を開示している。この引例は、図１７および図１８に示された塩素−アルカリセルなどの、内部セパレータを備えた電解セル、ならびに塩素酸塩セルなどの、内部セパレータのない電解セルを記載している。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
簡単に言えば、本発明は、燃料電池膜電極アセンブリと、シリコーンフォームゴムなどの独立気泡フォームゴムを含むガスケットとを含み、典型的にはハードストップ層を含まないガスケット付燃料電池膜電極アセンブリを提供する。
【００１４】
別の態様において、本発明は、ガスケット付燃料電池膜電極アセンブリが、イオン伝導膜または触媒コーティング膜と、シリコーンフォームゴムガスケットなどの独立気泡フォームゴムガスケットと、任意に接着剤とから本質的になり、典型的にはハードストップ層を含まない、周囲シーリングゾーンを含むガスケット付燃料電池膜電極アセンブリを提供する。
【００１５】
当該技術において説明されておらず、かつ本発明によって提供されるのは、独立気泡フォームゴムガスケットを含むガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ、特に、ハードストップ層を含まないものである。
【００１６】
本出願において、
「ガスケット付燃料電池膜電極アセンブリ」とは、ガスケットが、膜電極アセンブリに結合されるか、単に機械的力によって所定位置に保持されるかに関わらず、１つ以上のガスケットが関連した燃料電池膜電極アセンブリを意味し、
「フォームゴム」とは、弾力のある弾性ポリマー、典型的には、天然ゴム、合成ゴム、ポリウレタン、フルオロシリコーンゴム、または最も典型的にはシリコーンゴムの固体フォームを意味し、
「ハードストップ」または「ハードストップ層」とは、イオン伝導膜層、触媒層、ガス拡散層、シールもしくはガスケット層、または接着剤層以外の、一定の厚さまたは歪みにおいてＭＥＡの圧縮を止める、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）内の層を意味する。
【００１７】
本発明の利点は、広範囲の圧縮条件にわたってシールするガスケット付燃料電池膜電極アセンブリを提供することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、燃料電池膜電極アセンブリと、ガスケットとを含むガスケット付燃料電池膜電極アセンブリであって、ガスケットが、独立気泡フォームゴム、典型的にはシリコーンフォームゴムを含む、ガスケット付燃料電池膜電極アセンブリを提供する。膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、典型的には、ＭＥＡが、その中心のイオン伝導膜層または触媒コーティング膜層と、任意に接着剤が付着された独立気泡フォームゴムガスケットとから本質的になる、周囲シーリングゾーンを含む。典型的には、本発明によるガスケット付燃料電池膜電極アセンブリは、ハードストップ層を含まない。
【００１９】
膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、水素燃料電池などのプロトン交換膜燃料電池の中心要素である。燃料電池は、水素などの燃料と酸素などの酸化剤との触媒化合（ｃａｔａｌｙｚｅｄ  ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）によって、使用可能な電気を発生する電気化学電池である。典型的なＭＥＡは、固体電解質として機能するイオン伝導膜（ＩＣＭ）（プロトン交換膜（ＰＥＭ）としても知られている）を含む。ＩＣＭの１つの面はアノード電極層と接触し、反対側の面はカソード電極層と接触する。各電極層は、典型的には白金金属を含む電気化学触媒を含む。ガス拡散層（ＧＤＬ）が、アノード電極材料およびカソード電極材料への、ならびにアノード電極材料およびカソード電極材料からのガス輸送を容易にし、かつ、電流を導く。典型的なＰＥＭ燃料電池において、プロトンが、水素酸化によってアノードで形成され、カソードに輸送されて、酸素と反応し、電流が、電極を接続する外部回路内で流れることを可能にする。ＧＤＬは、また、流体輸送層（ＦＴＬ）または拡散体／集電体（ＤＣＣ）と呼んでもよい。アノード電極層およびカソード電極層は、完成されたＭＥＡ内でＩＣＭとＧＤＬとの間に配置される限り、製造中、ＩＣＭまたはＧＤＬに塗布してもよい。任意の適切なＭＥＡを本発明の実施に使用してもよい。
【００２０】
任意の適切なＩＣＭを本発明の実施に使用してもよい。ＩＣＭは、典型的には厚さが５０μｍ未満、より典型的には４０μｍ未満、より典型的には３０μｍ未満、最も典型的には約２５μｍである。ＩＣＭは、典型的には、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標）（デラウェア州ウィルミントンのデュポン・ケミカルズ（ＤｕＰｏｎｔ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，  Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ  ＤＥ））およびフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（商標）（日本、東京の旭硝子株式会社（Ａｓａｈｉ  Ｇｌａｓｓ  Ｃｏ．  Ｌｔｄ．，  Ｔｏｋｙｏ，  Ｊａｐａｎ））などの酸官能性フルオロポリマーであるポリマー電解質から構成される。本発明に有用なポリマー電解質は、典型的には、好ましくはテトラフルオロエチレンと１つ以上のフッ素化酸官能性コモノマーとのコポリマーである。典型的には、ポリマー電解質はスルホネート官能基を有する。最も典型的には、ポリマー電解質はナフィオン（登録商標）である。ポリマー電解質は、典型的には酸当量が１２００以下、より典型的には１１００以下、より典型的には１０５０以下、最も典型的には約１０００である。
【００２１】
任意の適切なＧＤＬを本発明の実施に使用してもよい。典型的には、ＧＤＬは、炭素繊維を含むシート材料から構成される。典型的には、ＧＤＬは、織布および不織布炭素繊維構造から選択される炭素繊維構造である。本発明の実施に有用であってもよい炭素繊維構造としては、東レ（Ｔｏｒａｙ）（商標）カーボン紙、スペクトラカーブ（ＳｐｅｃｔｒａＣａｒｂ）（商標）カーボン紙、ＡＦＮ（商標）不織布カーボンクロス、ゾルテック（Ｚｏｌｔｅｋ）（商標）カーボンクロスなどを挙げてもよい。ＧＤＬは、炭素粒子コーティング、親水性化（ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｚｉｎｇ）処理、およびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）でのコーティングなどの疎水性化（ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｚｉｎｇ）処理を含めて、さまざまな材料でコーティングまたは含浸させてもよい。
【００２２】
任意の適切な触媒を本発明の実施に使用してもよい。典型的には、炭素担持触媒粒子が使用される。典型的な炭素担持触媒粒子は、５０〜９０重量％の炭素および１０〜５０重量％の触媒金属であり、触媒金属は、典型的には、カソード用のＰｔと、アノード用の２：１の重量比のＰｔおよびＲｕとを含む。典型的には、触媒は、触媒インクの形態でＩＣＭまたはＧＤＬに塗布される。触媒インクは、典型的には、ＩＣＭを構成するポリマー電解質材料と同じであっても同じでなくてもよいポリマー電解質材料を含む。ポリマー電解質は、典型的には、ナフィオン（登録商標）（デラウェア州ウィルミントンのデュポン・ケミカルズ）およびフレミオン（商標）（日本、東京の旭硝子株式会社）などの酸官能性フルオロポリマーである。本発明に使用されるインクに有用なポリマー電解質は、典型的には、好ましくはテトラフルオロエチレンと１つ以上のフッ素化酸官能性コモノマーとのコポリマーである。典型的には、ポリマー電解質はスルホネート官能基を有する。最も典型的には、ポリマー電解質はナフィオン（登録商標）である。ポリマー電解質は、典型的には当量が１２００以下、より典型的には１１００以下、より典型的には１０５０以下、最も典型的には約１０００である。触媒インクは、典型的には、ポリマー電解質の分散液中の触媒粒子の分散液を含む。インクは、典型的には５〜３０％の固形分（すなわちポリマーおよび触媒）、より典型的には１０〜２０％の固形分を含有する。電解質分散液は、典型的には水性分散液であり、これは、アルコール、ならびにグリセリンおよびエチレングリコールなどの多価アルコールをさらに含有してもよい。水、アルコール、および多価アルコール含有量は、インクのレオロジー特性を変えるように調整してもよい。インクは、典型的には、０〜５０％のアルコールおよび０〜２０％の多価アルコールを含有する。さらに、インクは適切な分散剤０〜２％を含有してもよい。インクは、典型的には、熱を伴って撹拌し、その後、コーティング可能なコンシステンシーに希釈することによって製造される。
【００２３】
触媒は、ハンドブラッシング、ノッチバーコーティング、流体ベアリング（ｆｌｕｉｄ  ｂｅａｒｉｎｇ）ダイコーティング、巻線ロッドコーティング、流体ベアリングコーティング、スロット供給ナイフコーティング、３ロールコーティング、またはデカール転写を含む、手動方法および機械方法の両方を含む任意の適切な方法によって、ＩＣＭまたはＧＤＬに塗布してもよい。コーティングは、１回の塗布または複数回の塗布で行ってもよい。触媒電極材料がＩＣＭ上に直接コーティングされる場合、結果として生じる３層構造は、触媒コーティング膜（ＣＣＭ）である。５層ＭＥＡという用語は、特に、ＧＤＬが付着されたＣＣＭを説明する。触媒電極層は、完成したＭＥＡのＩＣＭとＧＤＬとの間に配置され、結果として生じる５層ＭＥＡが、ＧＤＬ、触媒、ＩＣＭ、触媒、ＧＤＬを順に含む限り、製造の間、ＩＣＭまたはＧＤＬに塗布してもよい。ＧＤＬは、熱および／または圧力下での積層を含む任意の適切な方法によって、ＭＥＡの残りに接合してもよい。
【００２４】
あるいは、米国特許第５，３３８，４３０号明細書（固体ポリマー電解質に埋込まれたナノ構造化電極）または米国特許第５，８７９，８２８号明細書（ナノ構造化要素を含む電極層を有するＭＥＡ）に開示されているように、ナノ構造化触媒を使用してＣＣＭを製造してもよい。
【００２５】
典型的には、触媒は、ＭＥＡの内部活性領域に制限される。しかし、ナノ構造化触媒が使用される場合、触媒は、典型的には、ＩＣＭの端縁まで延在する。典型的には、ＧＤＬは、ＭＥＡの内部領域に制限される。したがって、ＭＥＡは、ガスケットまたはシール材料をＩＣＭまたはＣＣＭに塗布してもよい周囲シーリングゾーンを含んでもよい。ガスケットまたはシールは、適切な接着剤によってＭＥＡに結合してもよいし、機械的力のみによって所定位置に保持してもよい。ハードストップ層がＭＥＡに組入れらる場合、それは、典型的には、ガスケットまたはシールの下にある。ハードストップ層は、適切な接着剤によってＭＥＡおよび／またはガスケットに結合してもよいし、機械的力のみによって所定位置に保持してもよい。ＭＥＡの周囲は、また、ＭＥＡを通る穴を含んでもよく、これらは、また、任意のガスケットおよび／または任意のハードストップ層を通ってもよい。これらの穴は、反応物もしくは生成物流体のためのまたは冷却流体のためのマニホルドとして役立ってもよく、この場合、ガスケットは、ＭＥＡの活性領域の外縁をシールするだけでなく、また、マニホルドの一体性を維持し、それを活性領域から分離するために役立つ。そのような穴は、また、機械的目的、たとえば取付けもしくは位置合せ、または他の目的のため役立ってもよい。
【００２６】
本発明によるガスケットは、独立気泡フォームゴムからなる。独立気泡フォームゴムは、天然ゴム、合成ゴム、ポリウレタン、フルオロシリコーンゴム、または最も典型的にはシリコーンゴムを含む、任意の適切な弾力のある弾性ポリマーからなってもよい。１つの適切な独立気泡シリコーンフォームゴムは、６０００７−６１２０、イリノイ州エルク・グローブ・ビレッジ、イースト・デボン・アベニュー２３００のロジャース・コーポレーション、ハイ・パフォーマンス・フォームズ・ディビジョン、ビスコ・マテリアルズ・ユニット（Ｒｏｇｅｒｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，  Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｆｏａｍｓ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ，  Ｂｉｓｃｏ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｕｎｉｔ，  ２３００  Ｅａｓｔ  Ｄｅｖｏｎ  Ａｖｅｎｕｅ，  Ｅｌｋ  Ｇｒｏｖｅ  Ｖｉｌｌａｇｅ，  Ｉｌｌｉｎｏｉｓ  ６０００７−６１２０）によって製造され、ＰＡ  １９１３６、フィラデルフィア、タルボット・ストリート４７４９のストックウェル・ラバー・カンパニー・インコーポレイテッド（Ｓｔｏｃｋｗｅｌｌ  Ｒｕｂｂｅｒ  Ｃｏｍｐａｎｙ，  Ｉｎｃ．，  ４７４９  Ｔａｌｂｏｔ  Ｓｔ．，  Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ，  ＰＡ  １９１３６）から入手可能な製品ＨＴ８００であり、これは、１／３２インチ（０．７９ｍｍ）の呼び厚さおよび次の仕様を有する。
圧縮力撓み：２５％の撓みにおいて８ｐｓｉ（５５ＭＰａ）
７０℃における圧縮永久歪み：＜１％
１００℃における圧縮永久歪み：＜５％
密度：２０ｌｂ／ｆｔ3（０．３２ｋｇ／リットル）
引張強度：４５ｐｓｉ（３１０ＭＰａ）
伸び：８０％
体積抵抗率：１０14オーム−ｃｍ
【００２７】
ガスケット材料は、典型的には、１８０ＭＰａ未満、より典型的には１２０ＭＰａ未満、最も典型的には６０ＭＰａ未満の、２５％の歪み（撓み）における圧縮力を必要とする。ガスケット材料は、典型的には、５％未満、より好ましくは３％未満、最も好ましくは１％未満の、７０℃における圧縮永久歪みを示す。ガスケット材料は典型的には導電性でない。
【００２８】
ガスケットは、使用中シールするように、任意の適切な圧縮されていない厚さを有してもよい。典型的には、ガスケットの圧縮されていない厚さは、ＧＤＬの圧縮されていない厚さの５０％から３００％、より典型的にはＧＤＬの厚さの８０％から２００％、最も典型的にはＧＤＬの厚さの１００％から１５０％である。
【００２９】
本発明によるＭＥＡは、本明細書と同じ日に出願された同時係属中の特許出願第１０／２９４，２２４号明細書に記載されているような燃料電池スタックに使用してもよい。
【００３０】
本発明は、燃料電池ＭＥＡ、燃料電池スタック、および燃料電池システムの設計および製造に有用である。
【００３１】
本発明のさまざまな修正および変更が、本発明の範囲および原理から逸脱することなく、当業者には明らかになるであろう。また、本発明は、上述された例示的な実施形態に不当に限定されるべきではないことが理解されるべきである。
【国際調査報告】
2006506798.tif 000002
2006506798.tif 000003
2006506798.tif 000004
2006506798.tif 000005