(57)【要約】  本発明は、形成されるアセンブリのその後の取り扱い温度よりも高い温度において強化膜を高分子電解質膜とアセンブルすることにある、高分子電解質膜／燃料電池電極アセンブリを製造するための方法に関する。
2020518983.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
次のステップ、
ａ）外側エッジおよび開口部を規定する内側エッジを備える第１の強化膜（１８）を提供するステップと、
ｂ）前記強化膜（１８）の前記開口部（１８ａ）を閉じる能力がある高分子電解質膜（１６）を提供するステップと、
ｃ）前記高分子電解質膜（１６）および前記第１の強化膜（１８）が、温度および湿度の第１の条件下にあり、
ｃ１）前記高分子電解質膜（１６）が、前記強化膜（１８）の前記開口部（１８ａ）を閉じるように、前記高分子電解質膜（１６）および前記第１の強化膜（１８）を重ね合わせるステップと、次いで
ｃ２）前記高分子電解質膜（１６）を前記第１の強化膜（１８）に接続するステップと、
ｄ）前記高分子電解質膜（１６）が、前記第１の温度および湿度条件下でのその状態と比較して膨張するような第２の温度および湿度条件下でステップｃ）の終わりに形成されたアセンブリを支持体上に置くステップとを含む、燃料電池のための高分子電解質膜／電極アセンブリの構成要素をプリアセンブルするための方法。
【請求項２】
前記支持体は、前記第１の強化膜（１８）−高分子電解質膜（１６）アセンブリの貯蔵マガジンの支持体またはプレスのピストンに対向して配置される前記プレスの静的支持体である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ステップｄ）は、次のステップ、
ｉ）前記第１の温度および湿度条件を受ける筐体（３６）内に前記第１の強化膜（１８）を置くステップと、
ｉｉ）前記強化膜（１８）の前記開口部（１８ａ）を閉じるように、前記第１の強化膜（１８）の上に高分子電解質膜（１６）を配置するステップと、
ｉｉｉ）その外側エッジ（１６ａ）が、前記第１の強化膜（１８）の内側エッジ（１８ｂ）と外側エッジとの間に内接されるように、前記高分子電解質膜（１６）を切断するステップと、
ｉｖ）前記第１の強化膜（１８）を前記高分子電解質膜（１６）と固定するステップとを含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
ステップｉｉｉ）およびｉｖ）は、前記第１の強化膜（１８）と溶接し、同時に前記高分子電解質膜（１６）を切断する、前記高分子電解質膜（１６）の閉じた輪郭（５４）の実現を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
ステップｉｉｉ）およびｉｖ）は、レーザビームを使用して実行される、請求項３または４に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の温度および湿度条件の温度は、前記第２の温度および湿度条件の温度よりも５から５０℃高く、好ましくは１０から２０℃の間であり、湿度は、前記第１および第２の条件下で実質的に同じである、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
次のステップ、
外側エッジおよび開口部（１４ａ）を規定する内側エッジを備える第２の強化膜（１４）を提供するステップと、
前記第１および第２の強化膜（１４、１８）の前記開口部（１４ａ、１８ａ）を閉じる能力がそれぞれある第１および第２の電極（１２、２０）を提供するステップと、
前記第１の電極（１２）、前記第１の強化膜（１４）、前記高分子電解質膜（１６）、前記第２の強化膜（１８）および前記第２の電極（２０）の連続する積層体を得るように、前記第１および第２の強化膜（１４、１８）、前記第１および第２の電極（１２、２０）ならびに前記高分子電解質膜（１６）を配置するステップであって、前記第１および第２の強化膜の前記開口部は、前記第１および第２の電極ならびに前記高分子電解質膜（１６）によって密閉される、ステップとを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池膜アセンブリの層を固定するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＥＭＦＣとして知られている、プロトン交換膜燃料電池は、「プロトン交換膜燃料電池」または「高分子電解質膜燃料電池」を表し、特に興味深い小型化特性を有する。各セルは、プロトンの通過だけを可能にし、電子の通過を不可能にする、高分子電解質膜を含む。膜は、ＭＥＡと呼ばれる膜／電極アセンブリを形成するために第１の側でアノードとかつ第２の側でカソードと接触している。
【０００３】
上記のアセンブリは一般に、アセンブリを支持するための強化膜が介在する状態で異なる膜および電極の連続する重ね合わせによって実行される。異なる厚さを一緒に固定するために、アセンブリの熱圧縮動作を実行することが可能である。
【０００４】
実際には、強化膜および高分子電解質膜の重ね合わせが、困難である可能性があることは、分かっている。確かに、アセンブリングを実行するためには、高分子電解質膜の取り扱いおよび異なる膜の互いに関するセンタリングを容易にするために第１の強化膜および第２の強化膜の１つを高分子電解質膜とプリアセンブルすることが望ましいこともある。しかしながら、高分子電解質膜は、圧力が一定で、温度変化から生じる湿度変化に対して非常に敏感であるように見える。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明はまず初めに、次のステップ、
ａ）外側エッジおよび開口部を規定する内側エッジを有する強化膜を提供するステップと、
ｂ）強化膜の前記開口部を閉じる能力がある高分子電解質膜を提供するステップと、
ｃ）高分子電解質膜および強化膜は、温度および湿度の第１の条件下にあり、
ｃ１）高分子電解質膜が、強化膜の開口部を閉じるように、高分子電解質膜および強化膜を重ね合わせるステップと、次いで
ｃ２）高分子電解質膜を強化膜に固定するステップと、
ｄ）高分子電解質膜が、温度および湿度の第１の条件下でのその状態と比較して膨張するような温度および湿度の第２の条件下でステップｃ）の終わりに形成されたアセンブリを支持体上に置くステップとを含む、燃料電池のための高分子電解質膜／電極アセンブリを製造するための方法に関する。
【０００６】
本発明によると、高分子電解質膜のプリアセンブリングは、第１の温度条件下で実行され、膜が膨張の能力がある第２の温度および湿度条件下で取り扱われる。このようにして、高分子電解質膜は、プリアセンブリが、第２の温度および湿度条件を受けている限り、収縮しないということを確実にすることができる。実際には、圧力が、大気圧であり、空気の湿度が、一定であるとき、ステップｃ）は、プリアセンブリが支持体上に置かれるときに受ける温度Ｔ２よりも高い温度Ｔ１において行われる。
【０００７】
この支持体は、強化膜／高分子電解質膜アセンブリのための貯蔵マガジンの支持体またはプレスのピストンに対向して配置される前記プレスの静止支持体とすることができる。
【０００８】
第１の場合には、それ故に高分子電解質膜との強化膜のプリアセンブリの平坦性を保証することが可能であり、それは、特に吸引フレームによって、このプリアセンブリをつかむことをより容易にする。加えて、プリアセンブリの平坦性の保証は、高分子電解質膜／電極アセンブリのその他の層を順に積み重ねることをより容易にする。
【０００９】
本発明の１つの特定の実施形態では、ステップｄ）は、次のステップ、
ｉ）温度および湿度の第１の条件を受ける筐体内に強化膜を置くステップと、
ｉｉ）強化膜の開口部を閉じるように、強化膜の上に高分子電解質膜を配置するステップと、
ｉｉｉ）その外側エッジが、強化膜の内側エッジと外側エッジとの間に内接されるように、高分子電解質膜を切断するステップと、
ｉｖ）強化膜を高分子電解質膜と固定するステップとを含んでもよい。
【００１０】
本発明のなお別の特徴によると、ステップ（ｉｉｉ）および（ｉｖ）は、強化膜との高分子電解質膜の第１の閉じた溶接輪郭および強化膜との高分子電解質膜の第２の閉じた溶接輪郭の、例えばレーザビームを使用する実現ならびに高分子電解質膜だけを切断するステップを含み、第２の輪郭は、第１の輪郭を取り囲む。
【００１１】
別の実施形態では、ステップｉｉｉ）およびｉｖ）は、強化膜と溶接し、同時に高分子電解質膜を切断する、高分子電解質膜の閉じた輪郭の実現を含む。
【００１２】
本発明の特定の実施形態では、第１の温度および湿度条件の温度は、第２の温度および湿度条件の温度よりも５から５０℃高く、好ましくは、１０から２０℃の間であり、湿度は、第１および第２の条件下で実質的に同一である。
【００１３】
別の特徴によると、本方法はまた、次のステップ、
−  外側エッジおよび開口部を規定する内側エッジを有する別の強化膜を提供するステップと、
−  強化膜の開口部を閉じる能力がそれぞれある２つの電極を提供するステップと、
−  １つの電極、強化膜、高分子電解質膜、別の強化膜および別の電極の連続する積層体を得るように、強化膜、電極および高分子電解質膜を配置するステップであって、強化膜の開口部は、電極および高分子電解質膜によって閉じられる、ステップとを含みもする。
【００１４】
添付の図面を参照して、限定されない例として与えられる次の記述を読むとき、本発明は、より良く理解されることになり、本発明の他の詳細、特徴および利点は、現れることになる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】電極−高分子電解質膜−電極アセンブリの第１のタイプの概略説明図である。
【図２】本発明の方法により得られる膜のプリアセンブリの概略図である。
【図３】図２における膜のプリアセンブリのために使用されることを目的とするデバイスの概略横断面図である。
【図４】図３のデバイスの概略上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
まず初めに、図１について言及がなされ、それは、下から上に連続する要素、
−  燃料電池内でアノードを形成する能力がある第１の電極１２または下側電極と、
−  第１の電極１２によって底部において閉じられる開口部１４ａを規定する内側エッジ１４ｂを備える第１の膜１４または下側強化膜であって、第１の電極１２の外側エッジ１２ａは、第１の強化膜１４の内側エッジ１４ｂと接触している、第１の膜１４または下側強化膜と、
−  プロトン伝導を確保する高分子電解質膜１６と、
−  開口部１８ａを規定する内側エッジ１８ｂを備える第２の膜１８または上側強化膜と、
−  上側強化膜１８の開口部１８ａを閉じる、燃料電池内でかつ最上部においてカソードを形成する能力がある第２の電極２０または上側電極であって、第２の電極２０の外側エッジ２０ａは、第２の強化膜１８の内側エッジ１８ｂと接触している、第２の電極２０または上側電極とを備える、ＭＥＡと呼ばれる高分子電解質膜／電極アセンブリ１０を表す。
【００１７】
図１では、上で述べられた異なる層は、互いに接触しており、前記層間のギャップは、現実のアセンブリ内には存在しないということを理解すべきである。この図において明瞭に分かるように、高分子電解質膜１６は、
−  最上部においてその開口部１４ａを閉じるように、第１の強化膜１４の内側エッジ１４ｂ上の最上部において、
−  最上部においてその開口部１８ａを閉じるように、第２の強化膜１８の内側エッジ１８ｂ上の底部において適用される、外側エッジ１６ａを有する。
【００１８】
それ故に、高分子電解質膜１６は、第１の強化膜１４と第２の強化膜１８との間に完全に適合され、それ故に高分子電解質膜を冷却液および純ガスの通過から隔離する。このタイプのアセンブリは、「アンチウィッキング」として知られている。より正確には、図１に提示されるアセンブリは、電解質膜−電極−強化膜アセンブリ１０の外側輪郭を形成する閉じた輪郭周辺カットアウト２２を含む。アセンブリ１０はまた、前記周辺カットアウト２２と高分子電解質膜１６の外側エッジ１６ａとの間に穴２４も含み、これらの穴２４は、冷却液および純ガス（Ｈ２およびＯ２または空気）の通過を目的としている。言い換えれば、これらの穴２４は、高分子電解質膜１６ならびに第１の電極１２および第２の電極２０を取り囲む周辺ゾーン内に形成される。
【００１９】
異なる層、すなわち第１の強化膜１４および第２の強化膜１８、第１の電極１２および第２の電極２０ならびに高分子電解質膜１６は、実質的に長方形の形状を有することができる。第１の強化膜１４および第２の強化膜１８の開口部２４もまた、形状を長方形とすることができる。高分子電解質膜１６は、第１の電極１２および第２の電極２０よりも大きい表面積を有する。
【００２０】
図２は今から、第２の強化膜１８との、すなわち上側強化膜との高分子電解質膜１６のプリアセンブリと呼ばれる。以下で述べられるようなプリアセンブリはまた、第１の強化膜１４または下側強化膜にも適用可能であることに留意すべきである。
【００２１】
図２に見られるように、第２の強化膜１８はここでは、穴２４がないように示され、それらは、ＭＥＡの異なる層のアセンブリおよび固定の後に作られる。第１の電極１２および第２の電極２０もまた、高分子電解質膜１６に対する電極１２、２０のそれぞれの寸法を示すために点線で示される。
【００２２】
本発明によると、高分子電解質膜１６は、図３および図４に示されるデバイス２６を用いて第２の強化膜１８に固定される。このデバイス１６は、高分子電解質膜１６のリール２９のアンワインダステーション２８ならびに加熱ステーション３１および高分子電解質膜の切断を含む。このアンワインダステーション２８は、リールストリップを走らせるための２つの軸３０を含む。リール２９のストリップ３２は、下側保護フィルムおよび上側保護フィルムでカバーされた高分子電解質材料の層を含む多層構造によって形成される。ステーション３１はまた、下側および上側フィルムを分離し、高分子電解質材料の層を保護し、下側および上側フィルムを巻き取るための手段３４も含む。これらの分離および収集手段３４は、溶接および切断手段４８の筐体３６または格納ボックス内に配置される。このボックス３６はまた、加熱コードによって加熱システム３８に接続されるプレートも収納する。プレート４０は好ましくは、吸引手段４４に接続される複数の穴４２を設けられる。ボックス３６は、ボックス３６の外側に配置されるリール２９のストリップ３２の循環を可能にするように、側壁の１つに形成されるスロット４６を設けられる。
【００２３】
溶接および切断手段４８は、ボックス３６の内部に配置される。これらの手段４８は、垂直軸に沿って、すなわちアーム５０の動きの平面に垂直に移動可能であるトレイ４０の平面に平行な平面内で手移動可能であるアーム５０を含む。アーム５０は、ビームをトレイに向かって放射する能力があるレーザ５２を担持する。
【００２４】
本発明による方法は、次のステップを含む。オペレータは、強化膜、すなわち第２の強化膜１８をプレート４０上に置く。第２のステップでは、オペレータは、第２の強化膜１８の開口部１８ａをカバーするために、リールストリップを引き寄せる。吸引手段４４は次いで、第２の強化膜１８および高分子電解質膜１６をプレート４０上に維持するために、動作状態にされる。その後のステップでは、高分子電解質膜１６は、実質的に長方形の形状に切断され、第２の強化膜１８に付着される。
【００２５】
高分子電解質膜１６は、レーザ溶接を使用して切断されかつ第２の強化膜１８に付着される。初めに、２つの層は、第２の強化膜１８の内側エッジ１８ｂへの高分子電解質膜１６の第１の閉じた輪郭５４の溶接をすることによって一緒に固定される。第２のステップでは、高分子電解質膜１６の第２の閉じた輪郭５６の溶接が、第２の強化膜１８の内側エッジ１８ｂ上になされ、第２の輪郭５６は、第１の輪郭５４を取り囲む。第１の溶接輪郭５４を作るときのレーザのパワーは、それが、高分子電解質膜１６が第２の強化膜１８にそれを切断することなく固定されることを可能にするようなものである。第２の輪郭５６の実現は、電解質膜１６だけの切断を可能にしながら、すなわち第２の強化膜を切断することなく、第２の強化膜１８上への高分子電解質膜１６の溶接を可能にするのに十分である。単一の閉じた輪郭５４はまた、電解質膜を強化膜と溶接し、高分子電解質膜を同時に切断するために使用されることもあり得るということに留意するべきである。
【００２６】
ボックス３６の内部では、高分子電解質膜１６および第２の強化膜１８は、温度および湿度の第１の条件を受ける。実質的に一定の絶対湿度を有する空気については、温度を変えることによって、相対湿度または湿度測定の程度を変えることが可能である。閉じた空気の容積については、相対湿度の減少は、温度を増加させることによって得られる。それ故に、高分子電解質膜１６が受ける湿度の程度を変えるためには、温度を変えることで十分である。このために、筐体またはボックス３６の温度、より詳しくはプレートの温度は、高分子電解質膜が、それが固定される第２の強化膜１８と一緒に取り扱われることになる、温度Ｔ２よりも高い温度Ｔ１に維持される。
【００２７】
本発明の特定の実施形態では、第１の温度および湿度条件の温度は、第２の温度および湿度条件の温度よりも５から５０℃高く、好ましくは１０から２０℃の間であり、湿度は、第１および第２の条件下で実質的に同一である。
【００２８】
前記アセンブリが次いで取り扱われるそれよりも高い温度における高分子電解質膜−第２の強化膜アセンブリの実現は、膜が温度Ｔ１におけるその状態に対して温度Ｔ２を受けることを可能にする。それ故に、水分変化に対して非常に敏感である高分子電解質膜は、第２の強化膜１８にどんな応力も誘発せず、それはそれ故に、第１の電極１２および第２の電極２０ならびに第１の強化膜１４を用いたその後のアセンブリのために平坦な状態に保つことができる。
【００２９】
例えば、２０℃において５０％の相対湿度（ＲＨ）を有する基準周囲空気について、筐体は、３５℃の温度に調節されてもよい。この場合、空気は、局所的に２２％相対湿度にある。膜の薄さ（１０〜５０μｍ）は、高分子電解質膜１６の温度上昇時間および高分子電解質膜１６の水安定化時間が、溶接／切断サイクルの位置決めおよび初期化時間未満であると考えることを可能にする。
【００３０】
３５℃２２％ＲＨにおいては、最初２０℃５０％ＲＨにある膜は、０．５％の熱膨張および７．８％の「水」収縮、すなわち７．３％の全収縮を受ける。膜を溶接し、切断した後、こうして形成された二重層は、周囲条件に戻され、高分子電解質膜１６は、７．３％の逆変形（膨張）を受ける。その結果、膜は、それが固定される強化材にどんな応力も発生させない。
【００３１】
同様に、ＭＥＡ機械の環境内への、特に２５℃であり、従って３８％ＲＨにあるプレスの静的支持体上への、第２の強化膜１８に固定される高分子電解質膜１６の設置は、膜の新しい変形を引き起こすことになるが、
−  ０．２％熱膨張、
−  ３．４％「水」後退、
−  すなわち３．２％の全後退に制限される。
【００３２】
高分子電解質膜１６は、７．３％だけ膨張されるので、３．２％の収縮は、強化膜にどんな応力も発生させないことになり、それは従って、プレス支持体上に完全に位置決めされたままであることになる。この論法はまた、前記二重層が完全に平坦であるとき吸引フレームを用いて達成することがより容易である高分子電解質膜１６−第２の強化膜１８二重層の取り扱いにも当てはまる。
【符号の説明】
【００３３】
１０  高分子電解質膜／電極アセンブリ
１２  第１の電極、下側電極
１２ａ  外側エッジ
１４  第１の膜、下側強化膜
１４ａ  開口部
１４ｂ  内側エッジ
１６  高分子電解質膜
１６ａ  外側エッジ
１８  第２の膜、上側強化膜
１８ａ  開口部
１８ｂ  内側エッジ
２０  第２の電極、上側電極
２０ａ  外側エッジ
２２  周辺カットアウト
２４  穴
２６  デバイス
２８  アンワインダステーション
２９  リール
３０  軸
３１  加熱ステーション
３２  ストリップ
３４  分離および収集手段
３６  筐体、ボックス
３８  加熱システム
４０  プレート、トレイ
４２  穴
４４  吸引手段
４６  スロット
４８  溶接および切断手段
５０  アーム
５２  レーザ
５４  第１の閉じた輪郭
５６  第２の閉じた輪郭
【図１】
2020518983.tif 000003
【図２】
2020518983.tif 000004
【図３】
2020518983.tif 000005
【図４】
2020518983.tif 000006
【国際調査報告】
2020518983.tif 000007
2020518983.tif 000008
2020518983.tif 000009
2020518983.tif 000010