(57)【要約】  【課題】  本発明は、燃料電池（５）を密封する方法、およびこの方法で製造される燃料電池（５）に関する。  【解決手段】  その際、燃料電池（５）は、少なくとも１つの膜・電極ユニット（４２）とバイボーラプレート（１８、２２）とを有する。その際、方法は、膜・電極ユニット（４２）の少なくとも片側にシール材料（５４）を材料接続的に設けるステップと、少なくとも１つのバイポーラプレート（１８、２２）の密封箇所（５８）に前駆体（６２）を設けるステップと、膜・電極ユニット（４２）に少なくとも１つのバイポーラプレート（１８、２２）を設置し、それにより前駆体（６２）を有する密封箇所（５８）がシール材料（５４）と接触するステップと、少なくとも１つのバイポーラプレート（１８、２２）を膜・電極ユニット（４２）と圧力下および／または温度下で加圧し、それによりシール材料（５４）が少なくとも１つのバイポーラプレート（１８、２２）および膜・電極ユニット（４２）と材料接続的な結合を形成するステップと、を包含する。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池（５）が少なくとも１つの膜・電極ユニット（４２）とバイボーラプレート（１８、２２）とを有する、燃料電池（５）を密封する方法において、
−前記膜・電極ユニット（４２）の少なくとも片側にシール材料（５４）を材料接続的に設けるステップと、
−前記少なくとも１つのバイポーラプレート（１８、２２）の密封箇所（５８）に前駆体（６２）を設けるステップと、
−前記膜・電極ユニット（４２）に前記少なくとも１つのバイポーラプレート（１８、２２）を設置し、それにより前記前駆体（６２）を有する前記密封箇所（５８）が前記シール材料（５４）と接触するステップと、
−前記少なくとも１つのバイポーラプレート（１８、２２）を前記膜・電極ユニット（４２）とともに圧力下および／または温度下で加圧し、それにより前記シール材料（５４）が前記少なくとも１つのバイポーラプレート（１８、２２）および前記膜・電極ユニット（４２）と材料接続的な結合を形成するステップと、を特徴とする、方法。
【請求項２】
前駆体（６２）としてプライマまたは加硫剤が使用されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池（５）を密封する方法。
【請求項３】
シール材料（５４）として、ＦＫＭまたはＥＰＤＭが使用されることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池（５）を密封する方法。
【請求項４】
前記前駆体（６２）を設ける前、または設けた後に、前記バイポーラプレート（１８、２２）に溝（１４）が成形されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池（５）を密封する方法。
【請求項５】
前記シール材料（５４）は印刷されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池（５）を密封する方法。
【請求項６】
前記シール材料（５４）は、スクリーン印刷法によって印刷されることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池（５）を密封する方法。
【請求項７】
前記シール材料（５４）は、吹き付けられることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池（５）を密封する方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の密封する方法で密封されている燃料電池（５）であって、前記燃料電池（５）は、
−シール材料（５４）が材料接続的に設けられる少なくとも１つの膜・電極ユニット（４２）と、
−前記膜・電極ユニット（４２）の前記シール材料（５４）に当接し、かつ密封結合を形成する密封箇所（５８）を有するバイポーラプレート（１８、２２）と、を備え、少なくとも１つのバイポーラプレート（１８、２２）の前記密封箇所（５８）に前駆体（６２）が設けられ、それにより前記シール材料（５４）と前記少なくとも１つのバイポーラプレート（１８、２２）との間に材料接続的な結合が形成される、燃料電池。
【請求項９】
前記前駆体（６２）は、プライマまたは加硫剤であることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池（５）。
【請求項１０】
前記シール材料（５４）は、ＦＫＭまたはＥＰＤＭであることを特徴とする、請求項８または９に記載の燃料電池（５）。
【請求項１１】
前記バイポーラプレート（１８、２２）は、前記密封箇所（５８）に溝（１４）を有することを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池（５）。
【請求項１２】
請求項８〜１１のいずれか１項に記載の少なくとも１つの燃料電池（５）を有する燃料電池スタック。
【請求項１３】
請求項１２に記載の燃料電池スタックを有する自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を密封する方法、およびこの方法で密封された燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、通常、燃料電池内で水素と反応させて水とし、それに伴い電気化学的変換によって電力を提供するために、周囲空気からの酸素である酸化剤が使用される。燃料電池の内部を周辺に対して分離するために、燃料電池内にシールが配置されている。
【０００３】
特許文献１から、燃料電池のバイポーラプレートの冷却剤室を密封する方法が知られている。この方法では、ガス室を密封するためのシールは、バイポーラプレートの２つのバイポーラプレート半部がシールによって接触させられるように配置される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０１２２２１７３０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の背景は、燃料電池スタックにおいて、スタック作製時に欠陥が生じるリスクが最も高いのは電池内の密封箇所であるということである。欠陥のリスク全体は、スタックあたりの密封箇所の総数が数千という場合に格段に上昇し、それにより燃料電池スタックの作製後、欠陥のある燃料電池スタックの廃棄率が１０％の範囲と比較的高くなる。それによって、欠陥のある燃料電池スタックの高い廃棄率は、欠陥のない燃料電池スタックの価格を上昇させる。したがってシールの密封性を保証するために多大な手間がかけられる。それによって燃料電池スタックの価格がさらに上昇する。
【０００６】
したがって本発明の課題は、密封箇所の密封特性を改善し、かつ簡単で、ひいては経済的なシールの製造を可能にする燃料電池を密封する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題は、請求項１に記載の特徴を有する燃料電池を密封する方法により解決される。この方法で製造される燃料電池に関しては請求項８に記載されている。それぞれ引用する従属請求項は、本発明の有利な展開形態を示す。
【０００８】
その際、本発明による燃料電池を密封する方法は、膜・電極ユニットの少なくとも片側にシール材料を材料接続的に設けるステップと、少なくとも１つのバイポーラプレートの密封箇所に前駆体を設けるステップと、膜・電極ユニットに少なくとも１つのバイポーラプレートを設置し、それにより前駆体を有する密封箇所がシール材料と接触するステップと、少なくとも１つのバイポーラプレートを膜・電極ユニットとともに圧力下および／または温度下で加圧し、それによりシール材料が少なくとも１つのバイポーラプレートおよび膜・電極ユニットと材料接続的な結合を形成するステップと、を包含する。
【０００９】
本発明の意味における前駆体は、他の事の前に起こった、または存在した、かつそれに対して影響を及ぼすものである。その際、前駆体は、シール材料の後からの密封特性を決定的に決める。
【００１０】
本発明による燃料電池を密封する方法は、シール材料を膜・電極ユニットおよびバイポーラプレートと材料接続的に結合することができる簡単な方法を提供する。それによって、この種のシールを経済的に作製することが可能である。
【００１１】
これに加えて、このように作成された密封は、高い緊密性（Ｄｉｃｈｔｉｇｋｅｉｔ）が可能にされるという利点を有する。それによって、不完全なシールにもとづく燃料電池の廃棄率をはるかに低減することができる。これに加えて、それによってこの種の燃料電池を製造するためのコストが低減される。
【００１２】
本発明の好ましい一実施形態では、前駆体としてプライマまたは加硫剤が使用される。プライマは、表面の付着特性を改善するために用いられる接着促進剤（Ｈａｆｔｖｅｒｍｉｔｔｌｅｒ）である。それによってシール材料の密封特性（Ｄｉｃｈｔｅｉｇｅｎｓｃｈａｆｔ）を改善することができる。
【００１３】
加硫剤は、例えば硫黄の添加によって、弾性ゴム（Ｋａｕｔｓｃｈｕｋ）または類似のポリマーをより耐久性のある材料へと変化させるための化学的プロセスを実行するために用いられる薬剤である。これらの添加物は、個々のポリマー鎖間に架橋（橋かけ）を形成することによってポリマーを変化させる。それによってバイポーラプレートとの特に耐久性のある結合が形成され、それによって密封特性がはるかに改善される。
【００１４】
本発明の別の好ましい一実施形態では、シール材料としてＦＫＭまたはＥＰＤＭが使用される。ＥＰＤＭは、非常に良好な耐老化性（Ａｌｔｅｒｕｎｇｓｂｅｓｔａｅｎｄｉｇｋｅｉｔ）を有する。これに加えて、ＥＰＤＭは酸素に耐える。ＦＫＭは、良好な耐熱性と低いガス透過性と優れた耐老化性とを有する。したがってＦＫＭまたはＥＰＤＭは、優れた密封特性を有するシール材料を提供することができる。
【００１５】
本発明の有利な一実施形態では、前駆体を設ける前、または設けた後にバイポーラプレートに溝が成形される。本発明の意味における溝は、手で、または機械で作製される細溝状（ｒｉｎｎｅｎｆｏｅｒｍｉｇ）の凹部である。この溝は、バイポーラプレートの剛性を高め、それによりバイポーラプレートを固定した（Ｖｅｒｓｐａｎｎｅｎ）後にシール材料に対して十分に高い押圧力を加えることが可能になるという利点を有する。
【００１６】
これに加えて、密封されるべき領域の横断面が小さくされ、それにより溝がシール高さの大部分にわたって金属バリアを形成する。それによって、シール材料を通るガス拡散が低減される。これに加えて、溝はバイポーラプレートの基材と同じ熱膨張係数を有する。それによって熱特性が改善され、それにより溝の熱膨張が密封箇所において付加的加圧をもたらし、それに伴い密封箇所の密封性を高める。
【００１７】
殊に、シール材料は印刷される。シール材料の印刷は、自動化された製造の流れに簡単に組み入れることができ、それによりこのようにして設けられるシール材料は経済的に製造可能である。
【００１８】
シール材料がスクリーン印刷法で印刷されることが特に好ましい。スクリーン印刷法によって、質的に高価値のシール材料を大量生産で効率的に製造することができる。したがって、それによって、これにより製造されたシール材料の密封特性が改善される。これに加えて、このように製造されたシール材料は大量の個数で経済的に製造することが可能である。
【００１９】
有利な一展開形態では、シール材料は吹き付けられる。シール材料の提案される吹付けは、安価な製造に決定的に寄与する。
【００２０】
これに加えて、本発明の課題は、本発明による方法で密封される燃料電池によって解決される。その際、燃料電池は、シール材料が材料接続的に設けられる少なくとも１つの膜・電極ユニットと、膜・電極ユニットのシール材料に当接し、かつ密封結合を形成する密封箇所を有するバイポーラプレートと、を備え、少なくとも１つのバイポーラプレートの密封箇所に前駆体が設けられ、それによりシール材料と少なくとも１つのバイポーラプレートとの間に材料接続的な結合が形成される。
【００２１】
本発明による方法で密封される燃料電池により、方法について挙げられた利点を得ることができる。
【００２２】
好ましい一実施例では、前駆体はプライマまたは加硫剤である。別の好ましい実施例では、シール材料はＦＫＭまたはＥＰＤＭである。したがって、方法についてすでに挙げた利点が得られる。
【００２３】
殊に、バイポーラプレートは、密封箇所に溝を有する。その際、溝は、方法についてすでに挙げた利点を有する。
【００２４】
さらに、本発明の課題は、本発明による方法で密封される少なくとも１つの燃料電池を有する燃料電池スタックによって解決される。これに加えて、本発明は、この種の燃料電池スタックを有する自動車を提供する。この種の燃料電池スタックまたはこの種の燃料電池スタックを有する自動車により、先に挙げた利点を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による方法で密封された燃料電池の一実施例の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の実施例を図面に示し、以下の記載において詳しく説明する。
【００２７】
図１は、本発明による方法で密封された燃料電池５の一実施例の断面図を示す。この方法について燃料電池５の単独セルの部分図を用いて説明する。燃料電池５は、溝１４を有するカソードバイポーラプレート１８から形成されている。カソードバイポーラプレート１８の鏡反転で（ｓｐｉｅｇｅｌｖｅｒｋｅｈｒｔ）アノードバイポーラプレート２２が配置され、それにより２つのバイポーラプレート１８、２２の溝１４が向かい合う。それによってカソードバイポーラプレート１８とアノードバイポーラプレート２２との間にチャネル２６が形成される。
【００２８】
チャネル２６内に層構造３０が配置されている。この層構造３０は、例示的に１つのチャネル２６を使って示されている。その際、層構造３０は、膜・電極ユニット４２により分離される第１ガス拡散プライ（Ｇａｓｄｉｆｆｕｓｉｏｎｓｌａｇｅ）および第２ガス拡散プライ３４、３８からなる。第１ガス拡散プライ３４とカソードバイポーラプレート１８の間を酸化のために必要とされる酸素４６が流れる。第２ガス拡散プライ３８とアノードバイポーラプレート２２との間を燃料として好適に使用される水素５０が流れる。
【００２９】
膜・電極ユニット４２の、カソードバイポーラプレート１８およびアノードバイポーラプレート２２の溝１４が向かい合う箇所にシール材料５４が材料接続的に設けられている。シール材料５４と接触する溝１４の領域には密封箇所５８が形成されている。これらの密封箇所５８には、バイポーラプレート１８、２２を設置する前に前駆体６２が設けられた。
【００３０】
先にすでに説明したように、大抵の欠陥は密封箇所５８で生じる。これらの密封箇所５８には、不十分な接触にもとづいてこの種の燃料電池５の不緊密性（Ｕｎｄｉｃｈｔｉｇｋｅｉｔｅｎ）が生じる。
【００３１】
次のステップでは、バイポーラプレート１８、２２が、高い温度および圧力で互いに加圧され、それにより前駆体６２が設けられた密封箇所５８において、シール材料５４とそれぞれのバイポーラプレート１８、２２との間に材料接続的な結合が形成される。
【符号の説明】
【００３２】
５  燃料電池
１４  溝
１８  バイポーラプレート
２２  バイポーラプレート
２６  チャネル
３０  層構造
３４  拡散プライ
３８  拡散プライ
４２  膜電極ユニット
４６  酸素
５０  水素
５４  シール材料
５８  密封箇所
６２  前駆体
【図１】
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【国際調査報告】
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2022502825.tif 000005
2022502825.tif 000006
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