(57)【要約】【課題】燃料電池の各電池について、組立操作中、他のコンポーネントに対する配列および確保を比較的容易に行い得るガスケットを有するとともに、完成したアセンブリに適正な密封力を保証する。【解決手段】燃料電池アセンブリの各電池のまわりの密封のため、燃料電池ガスケットを使用する。各電池は、膜電極アセンブリを含み、この場合、若干のコンポーネントは、他のコンポーネントの如く、電池周縁に密着して延びておらず、かくして、間隙が形成される。積層された層から形成できるガスケットは、それぞれ、ガスケット上に延びる１対の密封ビードを含む。密封ビードは、分離プレートへ向かって延び分離プレートに対して密封を行うよう形成され、膜電極アセンブリの非連続層によって誘起される間隙を説明する異なる高さを有する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池アセンブリの各電池に使用するための装置であって、下記、即ち，
相互に不連続な部分を含む複数の層を有する膜電極アセンブリと、
膜電極アセンブリの第１側に取付けられ、第１分離プレートに隣接させるのに適した第１表面を含む第１ガスケットと、第１表面を越えて第１距離にわたって延びる第１密封ビードと、第１表面を越えて第１距離よりも大きい第２距離にわたって延びる第２密封ビードと、膜電極アセンブリの第２側に取付けられ、第２分離プレートに隣接させるのに適した第２表面を含む第２ガスケットと、第２表面を越えて第３距離にわたって延びる第３密封ビードと、第２表面を越えて第３距離よりも大きい第４距離にわたって延びる第４密封ビードと、を含み、
上記第３，第４距離の少なくとも１つが、上記第１，第２距離の何れかと異なる形式の装置。
【請求項２】
各密封ビードが、上記ビードに隣接する少なくとも１つのチャンネルを含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項３】
複数の層が、膜と、膜の第１側に隣接させて設置された第１触媒層と、膜の第２側に隣接させて設置された第２触媒層と、第１触媒層に隣接させて設置された第１ガス拡散層と、第２触媒層に隣接させて設置された第２ガス拡散層とを含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項４】
膜、第１触媒層および第２触媒層が、それぞれ、相互に隣接させて設置された周縁を含み、第１ガス拡散層、第２ガス拡散層および第１ガスケットが、それぞれ、膜、第１触媒層および第２触媒層の周縁を越えて延びる周縁を有することを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の装置。
【請求項５】
膜、第１触媒層、第２触媒層、第１ガス拡散層および第２ガス拡散層が、それぞれ、相互に隣接させて設置された周縁を含み、第１ガスケットが、他の周縁を越えて延びる周縁を有することを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の装置。
【請求項６】
第１ガスケットが、膜電極アセンブリに隣接させた担体層と、第１分離プレートに隣接させるのに適した担体層に確保されたエラストマー密封層とを含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、静的シールに関し、更に詳細に云えば、燃料電池のコンポーネントの間の密封に使用されるガスケットに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質の対向表面に設置された２つの電極を含む電気化学的エネルギ変換器である。１つの事例では、イオン伝導ポリマー電解膜は、２つの電極層（場合によっては、ガス拡散層とも呼ばれる）の間に配置され、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を形成するため、膜と電極層との間に触媒材料層を含む。ＭＥＡは、２つの反応体の間の所望の電気化学的反応を促進するために使用される。１つの反応体、即ち、酸素または空気は、１つの電極を通過し、他方、水素、即ち、他の反応体は、他の電極を通過する。酸素および水素は、結合して水を生成し、プロセスにおいて、電気および熱を発生する。
【０００３】
燃料電池アセンブリ内の各電池は、１対の分離プレート（場合によっては、流動界プレートとも呼ばれる）の間に設置されたＭＥＡを含む。分離プレートは、典型的に、流体透過性で且つ電気伝導性である。流体流動路またはチャンネルは、電極に対する反応体のアクセスおよび化学反応生成物の除去を容易化するため、電極層の各プレート表面に隣接させて形成されている。
【０００４】
このような燃料電池の場合、弾性ガスケットまたはシールは、典型的に、流動反応体のリークを阻止し且つ流れを形成するため、ＭＥＡの面と各分離プレートの周縁との間に設けられている。燃料電池は、酸素および水素を使用するので、水素、酸素および水に対して良好な密封を行うのみならず、燃料電池操作中に放出される熱に起因する温度変化時も良好な密封を行うシールを提供することが重要である。良好な密封を保証するため、シールは、正確に構成するとともに、各電池に組込んだ後にシールに沿って加えられる固有の密封力を有する必要がある。特に、適切な密封力を達成するのは難しい。なぜならば、電池内の各種層が、電池周縁に至る経路の一部の外部に延び得るに過ぎないからである。コンポーネントの組立および密封を支援するため接着剤（特に、感圧接着剤）を使用てきるが、電池アセンブリに接着剤を使用することは、必ずしも望ましくない。アセンブリサイクル時間が、所望値よりも長くなる。なぜならば、接着剤のキュアのために待機しなければならないからである。更に、ガスケットは、組立中に接着剤の適正な接着を達成するため、感圧接着剤の範囲において、さもない場合に必要な厚さよりも厚く構成する必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
かくして、燃料電池の各電池について、組立操作中、他のコンポーネントに対する配列および保持を比較的容易に行い得るガスケットを有するとともに、完成したアセンブリに適正な密封力を保証することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、その具体化において、第１分離プレートに隣接させるのに適合した第１表面を含む第１ガスケットと、第１表面を越えて第１距離にわたって延びる第１密封ビードと、第１表面を越えて第１距離よりも大きい第２距離にわたって延びる第２密封ビードとを含み、燃料電池の各電池に使用するためのシールを意図する。
【０００７】
本発明は、更に、相互に不連続な部分を含む複数の層を有する膜電極アセンブリと、膜電極アセンブリの第１側に取付けられ、第１分離プレートに隣接させるのに適合した第１表面を含む第１ガスケットと、第１表面を越えて第１距離にわたって延びる第１密封ビードと、第１表面を越えて第１距離よりも大きい第２距離にわたって延びる第２密封ビードとを含み、燃料電池の各電池に使用するための装置を意図する。
【０００８】
本発明は、更に、膜電極アセンブリを供給する工程と、膜電極アセンブリの第１側に第１ガスケットの第１側を組合せる工程と、膜電極アセンブリの第２側に第２ガスケットの第１側を組合せる工程と、第１ガスケットの第２側に第１分離プレートを組合せる工程と、この場合、第１ガスケットは、第２側から第１分離プレートへ向かって外方へ延びる第１密封ビードおよび第２密封ビードを含んでいて、第２密封ビードは、第１密封ビードよりも各電池の周縁に接近し且つ第１密封ビードよりも第２表面から離れて延びていて、第２ガスケットの第２側に第２分離プレートを組合せる工程と、第１，第２密封ビードに密封力を形成するため第１，第２分離プレートを相互に圧縮する工程とによって、燃料電池の各電池を組立てることを意図する。
【０００９】
ここで注意するが、上記密封ビードの何れかは、“高さ”または外方への突起、即ち、他の密封ビードの任意の１つまたは複数のビードの距離とは異なる距離を有するので、本発明にもとづき、各密封ビードに十分な密封力の存在が保証され、他方、密封ビードの何れもが過圧縮されないことが保証される。これは、燃料電池アセンブリの各種層が、必ずしも、燃料電池の周縁へ向かって外方へ同一距離にわたって延びていなくても、保証される。更に、異なる密封ビードにおける異なる密封力によって、ガスケットおよびガス拡散層が相互に圧縮され、望ましくない間隙が排除される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の利点は、ガスケットは、多重層ラミネートが非連続層を有することを許容し、しかも、電池のＭＥＡのまわりに適切な密封力を与えると云う点にある。かくして、単一ガスケットによって、非連続のＭＥＡは、１つの密封部分に過大圧縮を必要とすることなくまたは他の部分に過小圧縮を必要とすることなく、プレートに適合され、密封される。
【００１１】
本発明の他の利点は、ＭＥＡの周縁のまわりに接着剤の使用を必要とすることなく密封を完成できると云う点にある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１に、燃料電池アセンブリに使用するための各電池２０の部分を示した。各電池２０は、好ましくは、ガスケットをユニット化した膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）２２を含む（所望であれば，ガスケットは、ユニット化せず別個であってもよい）。ＭＥＡ２２は、膜２４の両側に触媒材料層を含む膜２４から構成されている。更に、ＭＥＡ２２は、触媒材料層２６の各側の第１ガス拡散層（ＧＤＬ）３０および第２ガス拡散層ＧＤＬ３２および第１ＧＤＬ３０と、第２ＧＤＬ３２のまわりにそれぞれ確保された第１ガスケット３４および第２ガスケット３６とを含む。ガスケット３４，３６は、接着剤によってＧＤＬ３０，３２に確保できるが、所望であれば、他の確保手段を使用することができ、例えば、当該のＧＤＬに各ガスケットを注形できる。第１ガスケット３４は、異なる形状および厚さを採用できることを示すため、第２ガスケット３６よりも大きく且つ異なる形状として示してある。しかしながら、ガスケットの実際の相対厚さおよびその密封ビードの形状は、密封される各電池の細目に依存する。もっとも、典型的には、電池２０のコンポーネントは、一般に、膜２４に関して対称である。
【００１３】
各電池２０を形成するため、第１分離（セパレータ）プレート３８は、第１ガスケット３４および第１ＧＤＬ３０に対向して設置され、第２分離（セパレータ）プレート４０は、第２ガスケット３６および第２ＧＤＬ３２に対向して設置される。各コンポーネントの相対厚さは、極めて薄いので、発明の説明の支援のため、図面には、厚さを模式的に示した。コンポーネントの実際の厚さは、燃料電池の特殊な用途に応じて変更でき、当業者に知られている。
【００１４】
膜２４は、好ましくは、このタイプの燃料電池の用途において一般に使用されるイオン伝導ポリマー電解膜である。触媒材料２６が、白金または燃料電池用途の典型的なポリマー電極膜タイプに好適な他の触媒材料であれば好ましい。第１，第２ＧＤＬ３０，３２は、炭化繊維であれば好ましいが、燃料電池の電極としての使用に好適な他のガス透過性材料であってもよい。ＭＥＡ２２は、ＧＤＬを組合せた触媒化膜または２つの触媒化ＧＤＬの間に組込んだ膜を含むことができ、これらの膜の各々は、当業者に知られている。
【００１５】
この実施例の場合、膜２４および触媒層２６は、周縁へ向かってガス拡散層３０，３２まで外方へ延びていない。膜層２４および触媒２６のこの非連続性は、厚さＧの間隙５０を形成する。薄い電気絶縁性充填材料６０が、間隙５０の厚さＧの一部を占め、第２ガス拡散層３２に対して第１ガス拡散層３０を電気的に絶縁するのに役立つ。
【００１６】
ガスケット３４，３６が、それぞれ、エラストマー・シール５６，５８をそれぞれ確保した薄い可撓性担体５２，５４を含む積層ガスケットであれば好ましい。担体５２，５４は、それぞれ、相互間に間隙５０が形成された当該のガス拡散層３０，３２に隣接させて設置してある。各担体５２，５４が、それぞれ、１，０ｍｍよりも小さい厚さを有していれば好ましく、ポリマー基板（例えば、ポリイミドまたはポリエステル）から構成するのが好ましい。各エラストマー・シール５６，５８は、その担体５２，５４に注形するのが好ましいが、所望であれば、これら２つを確保する他の手段も採用できる。
【００１７】
第１ガスケット３４は、所定の密封力によって第１分離プレート３８に対して押圧された際に密封機能を果たすため電池２０の実質的に全周縁のまわりにそれぞれ延びる第１密封ビード６４および第２密封ビード６６を含む。第１組のチャンネル６８，７０，７２は、これらの密封ビード６４，６６に隣接させて形成されている。これらのチャンネル６８，７０，７２は、電池２０の組立中に密封力で圧縮された際に密封ビード６４，６６が入りこむスペースを与える。第１密封ビード６４は、その非圧縮状態において、第１ガスケット３４の外面７４を越えて距離Ｈ１にわたって延び、他方、第２密封ビード６６は、その非圧縮状態において、第１ガスケット３４の外面７４を越えて距離Ｈ２にわたって延びる。距離Ｈ２は、間隙Ｇの厚さから充填材６０の厚さの１／２を差し引いた差のほぼ１／２だけ距離Ｈ１よりも大きい。
【００１８】
第２ガスケット３６は、密封力で第２分離プレート４０に対して圧縮された際に密封機能を果たすため電池２０の実質的に全周縁のまわりにそれぞれ延びる第３密封ビード７６および第４密封ビード７８を含む。第２組のチャンネル８０，８２，８４は、これらの密封ビード７６，７８に隣接させて形成されている。これらのチャンネル８０，８２，８４は、電池２０の組立中に密封力で圧縮された際に密封ビード７６，７８が入りこむスペースを与える。第３密封ビード７６は、その非圧縮状態において、第２ガスケット３６の外面８６を越えて距離Ｈ３にわたって延び、他方、第４密封ビード７８は、その非圧縮状態において、第２ガスケット３６の外面８６を越えて距離Ｈ４にわたって延びる。距離Ｈ４は、間隙Ｇの厚さから充填材６０の厚さの１／２を差し引いた差のほぼ１／２だけ距離Ｈ３よりも大きい。
【００１９】
各密封ビード６４，６６，７６，７８は、対応する分離プレート３８，４０の表面に対して圧縮され、分離プレート３８，４０の表面に沿ってシール３４，３６を越える流体の移動を阻止するため十分な密封力によって保持されるよう設計されている。電池２０の組立中、分離プレート３８，４０はガスケット３４，３へ向かって移動されるので、上記分離プレートは、まず、それぞれ、第２密封ビード６６および第４密封ビード７８と接触する。分離プレート３８，４０は、継続して相互に移動されるので、密封ビード６６，７８は、圧縮を開始し、ガスケット３４，３６およびＧＤＬ３０，３２は、充填材６０へ向かって湾曲する。次いで、プレート３８，４０は、接触するとともに、第１密封ビード３２および第３密封ビード７６の圧縮を開始する。第２密封ビード６６および第４密封ビード７８の高さは、第１密封ビード６４および第３密封ビード７６よりも大きいので、完全に組立てた位置では、４つの密封ビード６４，６６，７６，７８は、圧縮され、ＧＤＬ３０，３２は、充填材６０へ向かって圧縮される。電池２０の周縁により近い２つのビード６６，７８の特別な高さは、ＧＤＬ３０，３２と充填材６０との間の間隙の開放スペースの原因をなす。
【００２０】
従って、各ガスケットのビードの間の相対高さの差を考慮することによって、各ビード６４，６６，７６，７８に十分な密封力が存在することが保証され、他方、密封ビードの何れも過圧縮されないことが保証される。これは、各種の層が、必ずしも、電池２０の周縁へ向かって外方へ同一距離にわたって延びなくても、保証される。更に、密封ビード６６，７８における密封力によって、ガスケット３４，３６およびガス拡散層３０，２３が相互に圧縮され、間隙５０が排除される。
【００２１】
図２に、本発明の他の実施例を示した。この実施例の場合、第１実施例と類似の要素は、１００を加えた同一の符号で示した。さて、第１ガス拡散層１３０および第２ガス拡散層１３２は、単に、ほぼ膜１２４および触媒層１２６まで周縁へ向かって延び、他方、第１，第２担体１５２，１５４および第１，第２エラストマー・シール１５６，１５８は、各電池１２０の周縁の直近まで延びる。かくして、厚さＧ´の間隙１５０が生ずる。この実施例の場合、第１ＧＤＬ１３０は，第２ＧＤＬ１３２と接触できないので、これらを相互に電気的に絶縁するために、充填材料は不要である。従って、間隙１５０の厚さＧ´は、膜１２４，触媒層１２６およびＧＤＬ１３０，１３２の組合せ厚さにほぼ等しい。各表面１７４，１８６上の４つの密封ビード１６４，１６６，１７６，１７８の高さ差は、下式、即ち、（Ｈ２´−Ｈ１´）＋（Ｈ４´−Ｈ３´）＝Ｇ´で表される。第１実施例と同様に、分離プレート１３８，１４０は、ガスケット１３４，１３６まで圧縮されるので、間隙１５０は、閉鎖、密封され、密封ビード１６４，１６６，１７６，１７８は、適切な量の密封力によってプレート１３８，１４０に対して圧縮される。
【００２２】
上述の如く、本発明の何れかの実施例において、上記密封ビードの何れかは、“高さ”または外方への突起、即ち、他の密封ビードの任意の１つまたは複数のビードの距離とは異なる距離を有する。かくして、本発明にもとづき、各密封ビードに十分な密封力の存在が保証され、他方、密封ビードの何れも過圧縮されないことが保証される。これは、燃料電池アセンブリの各種層が、必ずしも、燃料電池の周縁へ向かって外方へ同一距離にわたって延びていなくても、保証される。更に、異なる密封ビードにおける異なる密封力によって、ガスケットおよびガス拡散層が相互に圧縮され、望ましくない間隙が排除される。
【００２３】
本発明の若干の実施例を詳細に説明したが、本発明に関係する分野の当業者は、上記の請求項によって定義される如き発明を実施例するための各種の異なる設計および変更例
を知悉していると云えよう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】分離プレートを組込む前の燃料電池アセンブリの各電池の部分の部分的に展開した断面図である。
【図２】本発明の第２実施例の各電池の部分の部分的に展開した断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
２０  電池
２２  膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）
２４  膜
２６  触媒材料層
３０，３２  ガス拡散層（ＧＤＬ）
３４，３６  ガスケット
３８，４０  分離プレート
５０  間隙
５２，５４  担体
５６，５８  エラストマー・シール
６０  充填材料
６４，６６  密封ビード
【図１】
2006520081.tif 000002
【図２】
2006520081.tif 000003
【国際調査報告】
2006520081.tif 000004