(57)【要約】【課題】【解決手段】燃料電池の膜電極アッセンブリを製造するための方法は、複数の層を有するスタックを所望の配置で形成し、圧縮する工程を備える。これらの層には、膜と、カソードと、アノードと、少なくとも１つのエッジ保護層と、が含まれる。本方法は、カソード又はアノードに隣接した少なくとも１つの機械的補強層を提供し、積層前に、応力を除去するため高温下で電極を弛緩することを可能にする、各工程を備える。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の膜電極アッセンブリを製造するための方法であって、
複数の層を有するスタックを所望の配置で形成する工程であって、これらの層には、膜と、カソードと、アノードと、少なくとも１つのエッジ保護層と、前記カソード及び前記アノードのうち少なくとも１つに隣接した少なくとも１つの機械的補強層と、が含まれる、前記工程と、
前記スタックを、熱源を有するプレスアッセンブリ内に配置する工程と、
所定の時間に亘って、前記スタックを所望の温度及び力に加熱・加圧する工程と、
前記加圧された膜電極アッセンブリを取り外す工程と、
を備える、方法。
【請求項２】
前記機械的補強層は、発泡ＰＴＦＥを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記機械的補強層は、剥離可能である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記スタックを加熱する工程は、前記プレスアッセンブリを約３９４Ｋから約４５０Ｋ（約２５０°Ｆから約３５０°Ｆ）の温度に加熱する工程を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記スタックを加圧する工程は、約４分から約８分の時間に亘って、約１／２トンから約１５トンの圧縮力を印加する工程を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記スタックを形成する工程は、整列設備品内で前記複数の層を整列させる工程と、前記スタックを収容した前記整列設備品を前記プレスアッセンブリ内に配置する工程と、を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記整列設備品は、上側プレスプレートと、下側プレスプレートと、を備え、更には、前記スタックを形成する工程は、前記上側及び下側プレスプレートのうち少なくとも１つと前記スタックとの間に横方向力分配層を配置する工程を備える、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記横方向力分配層と前記少なくとも１つのプレスプレートとの間に解放材料を配置する工程を更に備える、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記整列設備品は、上側プレスプレートと、下側プレスプレートと、を備え、更には、前記スタックを形成する工程は、前記上側及び下側プレスプレートのうち少なくとも１つと前記スタックとの間に解放材料を配置する工程を備える、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記解放材料は、ポリイミド膜を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記スタックを加圧する前に前記アノード層及び前記カソード層のうち少なくとも１つの弛緩を可能にするのに十分な温度及び時間で前記スタックを加熱する工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
所定の温度近傍であるが、前記膜と前記エッジ保護層のうちいずれか一方のガラス遷移温度を超えない温度にまで、前記スタックを加熱する工程を備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記加圧された膜電極アッセンブリを取り外す工程は、前記機械的補強層を取り外す工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
請求項１に係る方法によって準備された膜電極アッセンブリを備える燃料電池。
【請求項１５】
燃料電池の膜電極アッセンブリを製造するための方法であって、
複数の層を有するスタックを所望の配置で形成する工程であって、これらの層には、膜と、カソードと、アノードと、少なくとも１つのエッジ保護層と、が含まれる、前記工程と、
前記スタックを、熱源を有するプレスアッセンブリ内に配置する工程と、
前記複数の層を弛緩することを可能とするため有効な時間量に亘って、圧力を加えることなく所望の温度にまで前記スタックを加熱する工程と、
所定の時間に亘って、前記スタックを所望の圧力に加圧する工程と、
前記加圧された膜電極アッセンブリを取り外す工程と、
を備える、方法。
【請求項１６】
前記スタックは、前記カソード又は前記アノードに隣接した少なくとも１つの機械的補強層を更に備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記機械的補強層は、発泡ＰＴＦＥを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記スタックを加熱する工程は、前記プレスアッセンブリを約３９４Ｋから約４５０Ｋ（約２５０°Ｆから約３５０°Ｆ）の温度に加熱する工程を備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記スタックを加圧する工程は、約４分から約８分の時間に亘って、約１／２トンから約１５トンの圧縮力を印加する工程を備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記加圧された膜電極アッセンブリを取り外す前に、前記所望の圧力を維持しつつ前記プレスアッセンブリを能動的に冷却する工程を更に備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記プレスアッセンブリは、上側プレスプレートと、下側プレスプレートと、を備え、更には、前記スタックを形成する工程は、前記上側及び下側プレスプレートのうち少なくとも１つと前記スタックとの間に横方向力分配層を配置する工程を備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
前記横方向力分配層と前記少なくとも１つのプレスプレートとの間に解放材料を配置する工程を更に備える、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及び燃料電池拡散媒体に係り、より詳しくは膜電極アッセンブリを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、燃料電池等の電気化学電池は、反応物と酸化剤との電気化学的反応を通して電力を発生する。一例としての燃料電池は、触媒電極を備えた膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）と、電極の間に挟まれた陽子交換膜（ＰＥＭ）と、を有する。好ましいＰＥＭ式の燃料電池では、水素がアノードに還元剤として供給され、酸素がカソードに酸化剤として供給される。ＰＥＭ燃料電池は、カソードで酸素を還元し、車両を始めとした様々な用途のためのエネルギー供給源を提供する。
【０００３】
製造を容易にするため、燃料電池は、典型的にはサブアッセンブリを使用して製造される。燃料電池は、触媒被覆膜（ＣＣＭ）又は触媒被覆拡散媒体（ＣＣＤＭ）のいずれかをサブアッセンブリとして含んでいる。様々な製造方法は、ＣＣＭを製造するために開発された。ＣＣＤＭを製造するため使用される薄層技術は、積層されたサブアッセンブリ内で「撓み」効果によって視覚的に示された有意な量の応力をしばしば生じさせる。応力の積層後解放は、望ましくないひび割れ及び拡散媒体の破壊をしばしば伴うものとなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記応力解放問題を回避する様々な手段が探し求められたが、サイズ及び形状を始めとする燃料電池部品の物理的特徴の望ましくない変化をもたらした。かくして、既知のプロセスに連係した問題を回避すると共に燃料電池性能、効率及び寿命を改善する、高い体積生成率でＣＣＤＭを製造する方法の必要性が依然として残されている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、触媒被覆拡散媒体を有する、燃料電池の膜電極アッセンブリを製造するための方法を提供する。第１の実施例では、本方法は、複数の層を有するスタックを所望の配置で形成する工程を備える。これらの層には、膜と、カソードと、アノードと、少なくとも１つのエッジ保護層と、前記カソード及び前記アノードのうち少なくとも１つに隣接した少なくとも１つの機械的補強層と、が含まれる。スタックは、熱源を有するプレスアッセンブリ内に配置される。スタックは、所定の時間に亘って、所望の温度及び圧力に加熱・加圧され、最後に膜電極アッセンブリから取り外される。幾つかの実施例では、機械的補強層は、発泡ＰＴＦＥを含んでいる。
【０００６】
別の実施態様では、本発明の方法は、膜と、カソードと、アノードと、少なくとも１つのエッジ保護層と、を備えるスタックを形成する方法を提供する。本方法は、前記複数の層を弛緩することを可能とするため有効な時間量に亘って、圧力を加えることなく所望の温度にまで前記スタックを加熱する工程を備える。様々な実施例は、所定の温度近傍であるが、前記膜と前記エッジ保護層のうちいずれか一方のガラス遷移温度を超えない温度にまで、前記スタックを加熱する工程を備える。一旦、弛緩されたならば、圧縮力は、約４分から約８分の時間に亘って、約１／２トンから約１５トンの圧力で前記スタックに印加される。
【０００７】
本明細書で使用される用語に付与される不定冠詞（日本語では用語に何も付与されていない）は、当該用語により示される事物が「少なくとも１つ」存在することを示し、可能であるならば、そのような事物が複数個存在し得ることを示している。数値に適用された「約」という用語は、計算値又は測定値が当該値において僅かな不正確さを許容していることを示している（当該値において厳密な値に接近した状態、当該値におおよそか又は合理的に近づいた状態、又は、ほぼその値である状態）。何らなの理由のため、「約」により提供された不正確さが、当該技術分野でこの通常の意味で他の仕方で理解されない場合には、本明細書で使用されるときの「約」は、少なくともそのような値を測定する通常の方法から生じ得る可能なばらつきを示している。  
【０００８】
本発明の更なる応用可能性の領域は、以下で提供される詳細な説明から明らかとなる。詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施例を指し示しているが、説明の目的だけが意図されており、本発明を制限するものではないことが理解されるべきである。
【０００９】
本発明は、詳細な説明及び添付図面からより完全に理解されるようになる。
【実施例】
【００１０】
好ましい実施例についての次の説明は、その本質上単なる例示であり、本発明、その用途又は使用法を限定することを意図したものではない。
様々なサブアッセンブリの使用を通して燃料電池の製造が簡単化され、より正確に実行される。そのようなサブアッセンブリの一つが、５層積層膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）である。この５層ＭＥＡは、膜と、該膜のいずれかの側に形成されたエッジ保護層と、各々のエッジ保護層の反対側に隣接して配置された触媒被覆拡散媒体（ＣＣＤＭ）と、を備えている。５層構成要素の使用は、拡散媒体が膜に予め結合されているので、燃料電池スタックの組み立ての間に利点をもたらす。これは、電池組み立ての間に、多数の構成分の個々の配置を注意深く整列しなければならない技術とは異なり、非耐久物を単一回で整列させて配置させる。
【００１１】
本発明は、ＣＣＤＭを有する積層式ＭＥＡを製造する方法を提供する。本方法は、所望の配位で複数の層を備えるスタックを形成する工程を備える。これらの層は、膜と、カソードと、アノードと、少なくとも１つのエッジ保護層と、カソード及びアノードのうち少なくとも１つの外側に隣接して配置された少なくとも１つの機械式補強層と、を備えるのが好ましい。スタックは、熱源を有するプレスアッセンブリ内に配置され、該スタックは、所定の時間に亘って、所望の温度へと加熱され、所望の圧力へと加圧され、燃料電池で使用するためのプレスアッセンブリから取り外される。
【００１２】
本発明のよりよい理解を得るため、本発明の原理に係る一例としての整列設備品１０が図１に示されている。整列設備品１０は、ＭＥＡの様々な構成部品の正確な整列及び圧縮を可能とし、少なくとも、剛性頂部ベースプレート１２と剛性底部ベースプレート１４とを備え、それらの間で様々な層構成部品を固定する手段を使用する。現在のところ好ましい一つの実施例では、設備品１０の位置決めは、ベースプレート１２、１４に脱着可能に固定され且つアッセンブリの様々な構成部品を貫通する、整列ピン１６の使用を用いて達成される。幾つかの実施例では、ピン１６は、所望された場合にはスペーサーとして機能することができる、取り外し可能な長いワッシャー（図示せず）を有する。
【００１３】
図１は、ＭＥＡフォーメーションで使用される、様々なサブアッセンブリ部品層及び材料の現在のところ好ましい一つの配列を示している。ＭＥＡの中心に存在するものは、陽子交換膜（ＰＥＭ）１８である。ＰＥＭは、当該技術分野で使用される典型的な膜材料から選択される。特定の膜材料の選択を記することが重要であり、並びに、触媒層内の構成部品は、以下でより詳細に説明されるように、積層条件に影響を与える。好ましくは、膜１８は、整列ピン１６を覆って配置される。
【００１４】
膜１８の隣接する両側部は、カソード側エッジ保護層２０及びアノード側エッジ保護層２２である。エッジ保護層として使用するための現在のところ好ましい材料は、例えば、ＭＹＬＡＲ（Ｒ）及びＫＡＰＴＯＮ（Ｒ）等のポリ（エチレンテレフタレート）又はポリイミドフィルムを各々含んでいる。両方ともデュポン・ダ・ニューモラウス及び会社等から市販されている。或いは、当該技術分野で知られているような様々なポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）成分を含んでいる。特に重要なものは、エッジ保護層２０、２２の各々の互いに対する整列、並びに、エッジ保護層の触媒層エッジに対する整列とである。好ましくは、エッジ保護層２０、２２は、整列ピン１６を覆って配置されている。
【００１５】
エッジ保護層２０、２２に隣接しているものは、カソード側部及びアノード側部のＣＣＤＭ２４，２６の各々である。アノード側部が下方に向いた状態で５層ＭＥＡが組み立てられることが一般的である。幾つかの実施例では、アノード側部エッジ保護層２２は、カソード側部のエッジ保護層２０よりも大きい活性領域窓２３を持つことができる。他の実施例では、カソード側部エッジ保護層２０は、アノード側部エッジ保護層２２よりも大きい活性領域窓２３を持つことができる。更に他の実施例では、活性領域窓２３は、アノード及びカソードに関して同じサイズである。他の実施例では、ＭＥＡの２つの側部は対称的であり、仕切り部はカソード２４とアノード２６との間には必ずしも必要とはされないが、ＭＥＡの２つの側部を明示することは依然として良好な態様である。ＣＣＤＭ層２４、２６は、好ましくは、所望の寸法へと予め切断され、整列ピン１６に亘っては配置されない。
【００１６】
幾つかの実施例では、少なくとも１つの機械式補強層２８は、カソード２４と、アノード２６又はそれらの両方に隣接して配置されている。この補強層２８は、加圧された積層工程の間に、及び、積層後にアッセンブリが冷却されている間に、機械的支持部を提供する。補強層２８は、Ｘ−Ｙ平面（拡散媒体と平行な平面）内で良好な機械式強度を有するのが好ましい。様々な実施例では、層２８は、基板上に配置された後に、剥離可能であり、例えば、拡散媒体から損傷無しに容易に除去される。様々な実施例では、補強層は、約１ミルないし約５ミル（約２５μｍから約１２５μｍ）、好ましくは、約３ミル（約７５μｍ）の厚さを有する、発泡ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）の薄い膜を含んでいる。高い温度及び圧力から周囲環境の温度及び圧力への遷移の間に、拡散層が追加の応力及びひび割れを非常に被りやすいということが可能性が高いと考えられるため、機械的な補強層は、応力吸収又は解放を提供するように機能する。適切なｅＰＴＦＥは、Ｍｄ、エルクトンのＷ．Ｌ．ゴアアンドアソシエイト社からＧＯＲＥＴＥＸ（Ｒ）の商標名の下で、並びに、Ｐａ，フィータビレのテトラティック社から商標名ＴＥＴＲＡＴＥＸ（Ｒ）の下で市販されている。好ましくは、機械的補強層２８は、整列ピン１６を覆って配置されている。様々な実施例では、機械的補強層は、再利用可能であり、例えば、更なるサブアッセンブリの製造のために保持され、再使用される。
【００１７】
様々な実施例では、解放シート３０は、電極２４、２６又は機械的補強層２８のいずれかに隣接して提供されてもよい。解放シート３０は、好ましくは、拡散媒体又は膜に抵抗せず付着もしない適切な材料から構成され、積層プロセスの後、容易に除去される。様々な実施例では、デュポン・ダ・ニューモラウス及び会社から市販されている商標名カプトン（Ｒ）の下で販売されているもののような、ポリイミドフィルムが使用される。ポリイミド解放シート３０は、整列ピン１６に配置され、４００℃程度の温度の用途で使用することができる。
【００１８】
最終的には、解放シート３０と、ベースプレート１２、１４との間に、積層の間に被った横方向の力を分配させることを援助する材料層３２が形成され得る。現在のところ好ましい一つの力分配器３２は、ＮＹ、パルミラのガーロックシーリングテクノロジー社からＧＹＬＯＮ（Ｒ）の商標名の下で市販されている。この力分配層３２の主要な目的は、本方法の積層工程の間の圧縮力を均等に拡散させることである。この層３２がより薄くなり、圧縮の間に平坦な方向に拡大するので、この層は、整列ピンを覆って配置されるべきではない。該層が望ましくない捻れを引き起こし得るからである。図１は、ベースプレート１２、１４の両方に隣接した一つの力分配層３２の使用を示しているが、幾つかの実施例では、より多くの層３２又はより少ない層３２を必要に応じて使用することが望ましいことが理解されるべきである。
【００１９】
ここで図２を参照すると、本発明の原理に係る５層ＭＥＡ構造を積層する方法が概略的に示されている。温度、圧力及び積層時間を始めとする適切な積層条件は、膜の種類、触媒層の成分及び触媒層の全体的な幾何学的形状に基づいて選択される。図示の目的のために、本願明細書で提供される温度及び圧力は、アサヒカセイから市販されているＡＣＩＰＬＥＸ（Ｒ）ＳＦ１１０１ＰＦＳＡ膜及び触媒層中の９００ＥＥＷＰＦＳＡイオノマーを備えた、約５２０ｃｍ２の面積を有するＭＥＡの使用に基づいている。本発明は、様々な異なる材料の使用、並びに、約５０ｃｍ２から８００ｃｍ２以上の面積を有するアッセンブリに適しているものと考えられる。
【００２０】
プロセス１００は、最初に、当該構成部品の全てを組み立てることにより開始し、ブロック１０２により示され、前述されたように、整列設備品１０内で当該構成部品を所望のスタック配置へと整列させる。整列設備品１０の使用は本質的なものではないが、速度、正確さ及び首尾一貫性のために推奨される。一旦、組み立てられたならば、整列設備品１０又はスタックは、好ましくは加熱プレスプラッテンを有し、ブロック１０４により示された、予め加熱されたプレスアッセンブリ内に挿入される。整列設備品１０又はスタックは、所望の積層温度まで加熱することが可能となっている。構成部品は、ブロック１０６により示されるように、好ましくは、積層力の適用の前に高い熱の下で弛緩されることを可能とされている。本明細書で使用されるように、当該構成部品を弛緩させることを可能にすることは、プレス工程前に、好ましくは機械的補強層２８の援助を用いて、当該構成部品を熱の印加により引き起こされた任意の蓄積応力を解放することを可能にする。
【００２１】
様々な実施例では、本方法は、アノード層及びカソード層のうち少なくとも１つの弛緩を可能にするため十分な温度へと十分な時間に亘ってスタックを加熱する工程を備えている。好ましい実施例では、スタックは、膜１８及びエッジ保護層２０、２２のいずれか一方のガラス遷移温度の近傍の温度であるが、該遷移温度を超えない温度にまで加熱される。時間及び温度は、使用のため選択された材料の温度特性に応じて変化するが、様々な実施例では、プレスアッセンブリは、約３９４Ｋから約４５０Ｋ（約２５０°Ｆから約３５０°Ｆ）以上の温度へと加熱される。
【００２２】
一旦、構成部品を弛緩させるための機会を持ったならば、ブロック１０８により示されるように適切な積層力が構成部品のスタックに印加される。使用される材料の種類及びサイズと共に圧力及び時間が変化するが、それと均等な圧力及び時間が本発明の範囲内にあるということが理解されるべきである。例えば、約５０ｃｍ２の面積を有するＭＥＡが、約２／３トンのプレス力を必要とし、約８００ｃｍ２の面積を有するＭＥＡが、約１１トンのプレス力を必要とするということである。様々な実施例では、スタックは、例えば、約４分から約８分の時間に亘って約１／２トンから約１５トンの圧力を発揮する適切な圧縮力を印加することによって圧縮される。幾つかの実施例では、圧力範囲は、約５から約８トンである。加圧積層工程が完了した後、アッセンブリが冷却され、ブロック１１０により示されるように、プレス機から取り外される。様々な実施例では、アッセンブリは、圧縮力の印加の後に直ちに、それがまだ熱い間に、プレス機から取り外される。様々な他の実施例では、アッセンブリは、印加された圧縮力が維持された状態で、プレートが能動的に冷却されている間にプレス機内に残っている。取り外しの一つの好ましい実施例では、頂部プレートが最初に除去され、最下解放シート３０及び横方向力分配器３２を除いて、構成部品が底部プレートから横滑りされる。冷却後には、上側解放層３０及び機械的補強層２８は、ブロック１１２により示されたように取り外され、燃料電池で使用するため５層ＭＥＡを残す。かくして、本発明は、改善された低応力ＭＥＡの形成を可能にし、５層内の撓みをより少なくし、引き続く燃料電池スタックの組み立てをさらに容易にすることを可能にする。
【００２３】
本発明の記載は、本質上単なる例示にしか過ぎず、かくして、本発明の要旨から逸脱しない変形は、本発明の範囲内にあることが意図されている。そのような変形は、本発明の精神及び範囲からの逸脱とみなされるべきではない。  
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、膜電極アッセンブリの個々の構成要素を始めとする一例としての整列設備品の概略的な分解図である。
【図２】図２は、本発明の原理に係る膜電極アッセンブリを製造する方法の流れ図である。
【図１】
2007173240.tif 000003
【図２】
2007173240.tif 000004
【外国語明細書】
2007173240000001.pdf