JP2015537343A - メンブレン電極アッセンブリ、このようなメンブレン電極アッセンブリを有する燃料電池及び燃料電池を有する自動車 - Google Patents
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Abstract
本発明は、燃料電池（５０）用のメンブレン電極アッセンブリ（１０）に関する。メンブレン電極アッセンブリ（１０）は、メンブレン（２０）とこのメンブレン（２０）の両側に面で接触する２つの電極（２２）とを備えるメンブレン電極ユニット（１２）を有する。加えて、メンブレン電極アッセンブリ（１０）は、メンブレン（２０）を環状に包囲しかつこのメンブレンとオーバーラップするシールサポート（１４）を有する。その上、メンブレン電極アッセンブリ（１０）は、メンブレン（２０）及びシールサポート（１４）と環状にオーバーラップする結合層（２４）を有し、結合層（２４）の同じ平坦面上で、結合層（２４）の内側の周縁区間（２８）がメンブレン電極ユニット（１２）と、結合層（２４）の外側の周縁区間（３０）がシールサポート（１４）と、物質融合式に結合されている。更に、メンブレン電極アッセンブリ（１０）は、メンブレン（２０）の外側でシールサポート（１４）と結合されたシール（１６）を有する。加えて、本発明は、複数の本発明によるメンブレン電極アッセンブリ（１０）を有する燃料電池（５０）と、請燃料電池（１０）を有する自動車（６２）と、メンブレン電極アッセンブリ（１２）を製造するための方法とに関する。
Description
本発明は、メンブレン電極ユニットとシールを有する燃料電池用のメンブレン電極アッセンブリに関する。加えて、本発明は、複数の本発明によるメンブレン電極アッセンブリを有する燃料電池と、このような燃料電池を有する自動車に関する。
燃料電池は、電気エネルギーを発生させるために、酸素と燃料の水への化学変換を利用する。このため、燃料電池は、中核構成要素としていわゆるメンブレン電極ユニット（ＭＥＡ：ｍｅｎｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）を包含し、このメンブレン電極ユニットは、イオン伝導性のメンブレンと、このメンブレンの両側に配置されたそれぞれ１つの電極（陽極及び陰極）とから成る複合体である。加えて、ガス拡散層（ＧＤＬ）を、メンブレン電極ユニットの両側で、電極のメンブレンとは反対の側に配置することができる。通常、燃料電池は、スタック内に配置された多数のＭＥＡによって構成され、これらＭＥＡの電力は加算される。燃料電池の作動中、燃料、特に水素Ｈ２又は水素を含有するガス混合物は、陽極に供給され、ここで、電子を放出しつつＨ２からＨ＋への電気化学的酸化が行なわれる。反応室をガス密に互いに分離して電気的に絶縁する電解質又はメンブレンを介して、陽極室から陰極室へのプロトンＨ＋の（水と結びついた又は水のない）搬送が行なわれる。陰極で提供される電子は、電気伝導を介して陽極に導かれる。陰極には、酸素又は酸素を含有するガス混合物が供給されるので、電子を吸収しつつＯ２からＯ２−への還元が行なわれる。同時に陰極室で、これら酸素アニオンが、メンブレンを介して搬送されたプロトンと、水を生成させつつ反応する。化学エネルギーから電気エネルギーへの直接変換により、燃料電池は、カルノー因子の迂回に基づいて他の発電機に対して改善された効率を達成する。
現在最も発展させた燃料電池技術は、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）に基づくが、これらポリマー電解質膜の場合、メンブレン自身は、ポリマー電解質から成る。この場合、しばしば酸変性ポリマー、特にパーフルオロ化されたポリマーが使用される。このクラスのポリマー電解質の最も普及した代表者は、スルホン化されたポリテトラフルオロエチレンコポリマー（商品名：ナフィオン；テトラフルオロエチレンとパーフルオロアルキルビニルエーテルのスルホン酸フッ化物誘導体とから成るコポリマー）から成るメンブレンである。この場合、電解質伝導は、水和されたプロトンを介して行なわれ、それ故、プロトン伝導性のためには、水の存在が条件であり、ＰＥＭ燃料電池の作動中は、作動ガスに湿度を与えることが必要である。水の必要性に基づいて、これら燃料電池の最大作動温度は、標準圧力の場合は１００℃以下に限定されている。その電解質伝導性が、静電的な複合体形成によってポリマー電解質膜のポリマー構造に結び付いた電解質に基づき（例えばリン酸をドーピングしたポリベンジイミダゾール（ＰＢＩ）膜）、１６０℃の温度で作動させられる高温ポリマー電解質膜燃料電池（ＨＴ−ＰＥＭ燃料電池）と区別して、この燃料電池タイプは、低温ポリマー電解質膜燃料電池（ＮＴ−ＰＥＭ燃料電池）とも呼ばれる。
冒頭で述べたように、燃料電池は、スタック内に配置された多数のシングルセルによって構成されるので、燃料電池スタックの話をする。メンブレン電極ユニットの間に、通常は、いわゆる二極プレートが配置され、これら二極プレートは、作動媒体の、即ち反応物質と通常は冷却液のシングルセルへの供給を保証する。加えて、二極プレートは、メンブレン電極ユニットに対する導電接触を生じさせる。
メンブレン電極ユニットと二極プレートの間に、シールが配置され、これらシールは、陽極室及び陰極室を外に向かってシールし、燃料電池スタックからの作動媒体の流出を防止する。シールは、メンブレン電極ユニット及び／又は二極プレートの側に設けること及び特にこれら構成要素と結合することができる。
この目的のため、シールは、二極プレートの片側又は両側に加硫付けすることができる。更に、シールビードの形態のシールを、ロボットによって二極プレートに貼り着けることができる。ロボットによって貼り着けられるシールは、著しい許容差を備えることがあり、これら許容差は、リークを生じさせることがある。この問題には、これまでは例えばロボットによるシールビードの貼付けのプロセス最適化によって対処がなされた。
更に、メンブレンは、接着剤でコーティングされた２つのフィルム（周縁補強フィルム）の間に積層化することができる。シールは、メンブレン電極ユニットに射出形成するもしくはメンブレン電極ユニットを射出被覆することができる。しかしながらこの場合、最大温度は、メンブレン電極ユニットによって決定され、約１２０℃である。この温度限度は、シールのエラストマーの架橋のためのプロセス時間において重要であり、長いプロセス時間並びに多数の廃品のためにコストを高くする。これにより生じる廃品コストは、メンブレン電極ユニットの瑕疵のある射出被覆にも、打抜きプロセス及び射出成形プロセスでの最も敏感な部品の取扱いにも起因している。
独国特許出願公開第１０ ２００９ ００３ ９４７号明細書には、実質的にＭＥＡの活性領域を超えて延在することのない電解質膜を備えるＭＥＡを有するＵＥＡ（ｕｎｉｔｉｚｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）が開示されている。バリヤフィルムが、ＵＥＡの化学的活性領域の周囲を周回するシールと化学的活性領域との間に配置されている。バリヤフィルムは、活性領域外でＭＥＡとオーバーラップすることができる。更に、バリヤフィルムは、シールのためのサポートとして使用し、特にシールと一体的に形成することができる。ＭＥＡは、化学的接着剤によってバリヤフィルムと連結することができる。加えて、結合構成に応じて、結合フィルムが電解質膜の端部を覆うことができる。
国際公開第２０１０／１１４１３９号パンフレットには、燃料電池及び燃料電池の燃料電池モジュールのための製造方法が記載されている。燃料電池は、それぞれ１つのＭＥＡとＭＥＡの陽極側及び陰極側にそれぞれ１つの多孔質層とを有する電極ユニットを有する。ＭＥＡは、更にまた電解質膜と触媒をする陽極層及び陰極層とを有する。多孔質層は、それぞれ１つの、ＭＥＡの側のガス拡散層（カーボンペーパーから成る）とガス流路層（焼結された金属発泡体から成る）とを有する。電極ユニットの間に、セパレータ（二極プレートに相当する）が配置され、これらセパレータは、それぞれ３つのスチール層を有する。セパレータの間でこれらに接触するように、フレーム状のシールが配置され、これらシールは、電極ユニットを包囲する。
製造時、まず、セパレータ及びフレーム状のシールの外側のフレームを有する第１のユニットと、電極ユニット及びフレーム状のシールの内側のフレームを有する第２のユニットが構成される。次いで、内側のフレームが、電極ユニットと共に外側のシールに挿入される。別のバリエーションとして、電極ユニットを、セパレータ及びフレーム状のシールを有するユニットに挿入することもできる。
国際公開第２０１０／１１４１４０号パンフレットには、燃料電池のセルアッセンブリのための製造方法が開示されている。燃料電池の構成は、実質的に国際公開第２０１０／１１４１３９号パンフレットの構成と同様である。製造時、まず、電極ユニット、セパレータ及びフレーム形状を備えるシール予備成形品が製造される。電極ユニット、セパレータ及びシール予備成形品は、プレス装置を有する成形型内に配置される。圧力及び熱により、個々の部品が、成形型内で互いに結合される。
本発明の根底にある課題は、より簡単に製造することができるメンブレン電極アッセンブリを得ることにある。
この課題は、請求項１の特徴を有するメンブレン電極アッセンブリによって解決される。本発明の別の好ましい形成は、従属請求項に記載された残りの特徴からわかる。
本発明による燃料電池用のメンブレン電極アッセンブリは、メンブレンとこのメンブレンの両側に面で接触する２つの電極とを備えるメンブレン電極ユニットを有する。加えて、メンブレン電極アッセンブリは、メンブレンを環状に包囲しかつこのメンブレンとオーバーラップするシールサポートを有する。更に、メンブレン電極アッセンブリは、メンブレン及びシールサポートと環状にオーバーラップする結合層を有し、結合層の同じ平坦面上で、結合層の内側の周縁区間がメンブレン電極ユニットと、結合層の外側の周縁区間がシールサポートと、物質融合式に結合されている。加えて、メンブレン電極アッセンブリは、メンブレンの外側でシールサポートと結合されたシールを有する。
メンブレンは、典型的にプロトン伝導性のメンブレン（ポリマー電解質膜）である。電極は、陽極及び陰極を形成し、メンブレンの両側にコーティングすることができる。
結合層の内側の周縁区間は、メンブレン電極ユニットのメンブレン及び／又は電極と物質融合式に結合されている。
平坦な要素において、その広がりが要素の他の面と比較して実質的に大きい面を、“平坦面”と呼ぶ。
結合層は、物質融合式の結合によって典型的にメンブレン電極ユニットの化学的活性領域の周囲を周回する、シールサポート及びメンブレン電極ユニットに対するシール面を形成する。これにより、メンブレンの両面の間の作動媒体の不所望の越境が防止される。加えて、物質融合式の結合によって、メンブレン電極アッセンブリの十分な安定性が保証されている。化学的活性領域は、作動中に反応物質の作用を受ける、メンブレン電極ユニットの領域である。結合層は、典型的にフィルム、特にプラスチックフィルムである。
シールは、典型的にメンブレンを環状に包囲するように形成されている。これにより、メンブレン電極ユニットの化学的活性領域も、環状に包囲されている。シールが化学的活性領域を包囲することにより、反応物質及び反応生成物がメンブレン電極アッセンブリを有する燃料電池から流出することが阻止される。従って、メンブレン電極ユニットの電極も、シールによって環状に包囲された化学的活性領域内に配置されている。
特に、シールは、物質融合式にシールサポートと結合されている。これは、典型的に、例えば当該材料の部分的な溶解下でのシールサポートへのシールの射出形成によって実現可能である。
通常、シールは、結合層の外側でシールサポートと結合されている。
更に、シールは、通常、シールサポートの両側、特にシールサポートに沿った２つの部分区間内に延在する。両部分区間は、第１の部分区間がシールサポートの第１の平坦面に沿って延在し、第２の部分区間がシールサポートの第２の平坦面に沿って延在することによって、シールサポートの両側に延在する。
両部分区間は、シール面を備え、第１の部分区間と第２の部分区間のシール面は、好ましくは実質的に合同の垂直投影領域を、シールサポート上に投影する。“シール面”は、例えば二極プレートの相手面に当接してシールするために形成された面を意味する。特に好ましくは、シール面が、シールサポート（もしくはシールサポート内に位置する平面）に対して鏡面対称に形成されている。
好ましくは、シールは、部分区間ごとに２つのシールリップを備え、これらシールリップは、シールの相応の成形によって構成される。これにより、互いに依存しない２つのシールラインが、即ち実質的に２つのシール領域が生じ、これらシール領域は、リークに対する二重の安全を生じさせる。典型的に、２つのシールリップは、シールされる領域の周囲に延在する。
特に、シールサポートは、プラスチックから成るシールサポートフィルムである。特に、シールサポートフィルムは、ＰＥＮフィルム（ポリエチレンナフタレート）であるか、シールサポートフィルムがＰＥＮを有する。
好ましくは、シールサポートが、作動媒体を通過させるための少なくとも１つの開口を備え、この開口が、典型的に、シールによって環状に包囲されている。作動媒体を通過させるための開口は、メンブレン電極ユニットに作動媒体を供給するために使用される。これにより、燃料電池スタックは、コンパクトかつ省スペースに作動媒体を供給され得る。作動媒体は、反応物質、即ち燃料（例えば水素）及び酸化剤（例えば酸素又は空気）と、冷媒、特に冷却液を含む。更に、反応生成物（例えば水）は、開口を介して排出することができる。
メンブレン電極ユニットは、ガス拡散層（ＧＤＬ）を有することができ、これらガス拡散層は、シールによって環状に包囲された化学的活性領域内に配置されている。電極は、いわゆるガス拡散電極を得るためにガス拡散層と結合することができる。
好ましくは、結合層は、メンブレンのシールサポートとは反対の平坦面に配置されている。これにより、メンブレン（典型的にはメンブレン電極ユニット全体）は、結合層とフィルムサポートの間に保護されて存在する。
特に、物質融合式の結合は、接着である。接着部は、容易かつ安価に形成することができる。接着は、感圧接着（粘着式接着剤による）とすることも、熱活性化接着及び／又は熱接着剤による接着とすることもできる。
本発明の好ましい形成によれば、結合層は、接着剤でコーティングされ、特に結合層は、自己粘着性のフィルムである。この形成により、特に簡単なやり方で、メンブレン電極ユニットの、従ってメンブレンのシールサポートとの結合が行なわれ得る。従って、結合層、特に自己粘着性のフィルムは、メンブレン電極ユニット及びシールサポート上に貼り付けられ、この場合これらは、オーバーラップする。
好ましくは、結合層の内周縁が、シールサポートの内周縁に対して位置ずれして終了する。特に、結合層の内周縁は、（化学的活性領域の方向に、即ち典型的にメンブレンの中心の方向に）シールサポートの内周縁から突出する。この形成により、メンブレン電極アッセンブリの均等に延在する厚さが実現され、シールサポートと結合層の間のメンブレンに対する剪断作用が防止される又は少なくとも低減される。
特に、シールサポートが、穿孔を備え、この穿孔に沿って、シールが、シールサポートの両側に延在する。シールの第１の部分区間が、シールサポートの第１の平坦面に配置され、シールの第２の部分区間が、シールサポートの第２の平坦面に配置されている。両部分区間は、穿孔を経て互いに一体的に結合されている。これにより、シールは、シールサポートと噛合い係合式に結合されている。典型的に、穿孔及び穿孔を経て延在するシールによって、多数の噛合い係合式の結合箇所が提供される。好ましくは、シールサポートに対する両部分区間の垂直投影は、合同の領域を有し、シールサポートは、合同の領域内に穿孔を備える。穿孔は、シールサポートを貫通する切欠きを、任意の形態、例えば円形で、任意の配置、即ち規則的又は不規則な間隔で、及び、任意の数、しかしながら少なくとも１つで、有する。
更に、燃料電池が提供される。燃料電池は、交互に積み重ねられた複数の二極プレートと本発明によるメンブレン電極アッセンブリとを有する。典型的に、シール、特にその部分区間は、メンブレン電極ユニットと二極プレートの間の空間をシールする。
更に、本発明による燃料電池を有する自動車が提供される。燃料電池は、特に電流を自動車に供給するために使用される。特に、燃料電池は、自動車の電気駆動装置に電流供給のために設けられている。
更に、本発明によるメンブレン電極アッセンブリを製造するための方法が提供される。この方法は、シールサポートの領域にシールを形成するステップと、次いで、結合層の内側の周縁区間をメンブレン電極ユニットと、結合層の外側の周縁区間をシールサポートと、物質融合式に結合する次のステップとを、を有する。
結合層の内側の周縁区間は、典型的にメンブレン電極ユニットのメンブレン及び／又は電極と物質融合式に結合される。
典型的に、物質融合式の結合の前に、シールサポートとメンブレンの接合、即ち典型的にシールサポートとメンブレン電極ユニット全体の接合が行なわれる。
特に、シールの形成は、シールサポートへのシールの射出形成によって実現されている。これは、シールの（初期）材料の射出形成によって行なわれる。典型的に、引続き、（初期）材料の架橋のステップが行なわれる。この形成により、典型的にシールとシールサポートの間の緊密な結合が行なわれる。
メンブレン電極ユニット（ＭＥＡ）の射出被覆とは異なり、本発明によれば、シールが単にメンブレン電極ユニットを有しないシールサポートに射出される、もしくは、シールサポートがシールで射出被覆される。従って、最大に実現可能な処理温度は、シールサポート、特にシールサポートのために使用されるフィルムに依存し、メンブレン電極ユニットに依存しない。欠品のためのコストは、シールサポート及びシールのコストに低減される。次のステップで、比較的敏感なメンブレン又は典型的にメンブレン電極ユニット全体は、後に実質的に化学的活性領域（即ち化学的活性面）となるシールサポートの開口領域（窓）内に位置決めされる。メンブレン電極ユニットの接着は、通常は、接着剤（粘着式接着剤）でコーティングされた結合層（典型的にはフレーム）の載置によって行なわれる。ガス拡散層は、公知の方法により、積層化する（即ち接着剤なしのホットプレス方法によってメンブレンと結合する）又は貼り着けることができる。
本発明を、以下で添付図による実施例で説明する。
図１では、発明の好ましい形成に従った本発明によるメンブレン電極アッセンブリ１０が、平面図、断面図（Ａ−Ａ）及びこの断面図（Ａ−Ａ）の詳細図で明らかである。
メンブレン電極アッセンブリ１０は、メンブレン電極ユニット１２（ＭＥＡ）、シールサポート１４及びこのシールサポート１４と結合されたシール１６を有する。シールサポート１４は、作動媒体を通過させるための開口１８を備えることができる。
メンブレン電極ユニット１２（ＭＥＡ）は、メンブレン２０と、このメンブレン２０の両側に配置された電極２２（電極自身は、図示されておらず、その位置だけが指示されている）とを有する。メンブレン電極アッセンブリ１０は、化学的活性領域２６を形成し、この化学的活性領域は、作動中に反応物質の作用を受け、内部で所望の反応が行なわれる。通常は、メンブレン２０の両平坦面が、電極２２によって完全に覆われている。更に、電極２２は、しかしながらまた化学的活性領域に限定し、従ってメンブレン２０の平坦面を部分的にだけ覆うこともできる。
断面図Ａ−Ａ及びこれに付属する詳細図で明らかなように、メンブレン２０は、シールサポート１４の開口領域にはめ込まれている。メンブレン２０及びこの例ではメンブレン電極ユニット１２全体は、シールサポート１４と環状にオーバーラップし、結合層２４によってシールサポート１４と結合されている。これは、シール層２４が、メンブレン電極ユニット１２、即ちそのメンブレン２０及び／又は電極２２と物質融合式に結合され、加えてまたシールサポート１４とも物質融合式に結合されることによって、行なわれる。このため、シール層２４は、メンブレン２０とも、シールサポート１４とも環状にオーバーラップする。物質融合式の結合の実現のために、結合層２４は、自己粘着性のフィルムとして形成することができる。このフィルムは、通常は片側の、接着剤によるコーティングを備え、このコーティングは、（結合層２４の同じ平坦面上で）内側の周縁区間２８ではメンブレン電極ユニット１２と接触し、外側の周縁区間ではシールサポート１４と接触する。シールサポート１４も結合層２４も閉じた環状の形態を備えるので、これらは、メンブレン２０及び特に化学的活性領域２６を包囲する。結合層２４とメンブレン電極ユニット１２の間並びに結合層２４とシールサポート１４の間の同様に閉じた環状の物質融合式の結合により、環状に閉じたシール領域が得られ、これらシール領域は、作動中に、メンブレン２０の一方の側からメンブレン２０の他方の側への反応物質の越境を防止する。
明らかなように、この場合、メンブレン電極ユニット１２は、シールサポート１４と結合層２４の間に配置することができるので、メンブレン２０は、シールサポート１４と結合層２４の間のその周縁領域において安定化されている。換言すれば、結合層２４は、メンブレン２０のシールサポート１４とは反対の平坦面に配置することができる、ということである。
加えて、結合層２４の内周縁３２は、シールサポート１４の内周縁３４に対して位置ずれして終了することができ、これにより、比較的敏感なメンブレン電極ユニット１２への機械的負荷が軽減される。示した例では、結合層２４の内周縁３２が、シールサポート１４の内周縁３４から突出する。
メンブレン電極ユニット１２には、両側にガス拡散層３６が隣接し得る。
シール１６は、第１の部分区間３８と第２の部分区間４０を備えることができ、これら部分区間は、シールサポート１４の両側に延在する。両部分区間３８，４０は、それぞれ２つのシールリップ４２を形成することができる。典型的に、部分区間は、二極プレートのシール部に対するシール面４４を備える。この場合、シールサポート１４への機械的負荷を軽減するために、シール面４４は、シールサポート１４に対して鏡面対称に形成することができる。
図２は、既に前で検討した図１から既知のメンブレン電極アッセンブリ１０の分解図を示す。続く以下の図３〜７は、メンブレン電極アッセンブリ１０を製造するための好ましい順序に従った個々のステップを示す。
製造方法は、典型的に、図３に示したシールサポート１４（周縁補強部もしくはフィルムサポート）をもって開始する。シールサポートは、作動媒体開口１８と開口領域４６とを備えることができる。加えて、シールサポート１４は、穿孔４８を備え、この穿孔に沿って、次の製造ステップで、シール１６がシールサポート１４に取り付けられる。作動媒体開口１８も、開口領域４６及び穿孔４８の切欠きも、シールサポート１４を貫通する切欠きである。これら貫通する切欠き１８，４６，４８及びシールサポート１４の輪郭は、通常は、シールサポートのフィルム（典型的にはプラスチックフィルム）からのシールサポート１４の打抜きによって得ることができる。
シールサポート１４にシール１６を取り付けるための可能性は、シールサポート１４へのシール１６の射出形成である。これは、架橋すべきポリマー又はモノマーと場合によっては架橋剤とを含む反応混合物を射出成形型へ注入することによって、射出成形型内で行なわれる。穿孔４８のおかげで、射出形成工程中に、両部分区間３８，４０の反応混合物内の均圧化を行なうことができる。これにより、シールサポート１４の変形が、シールサポート１４の両側での生じ得る異なった圧力に基づいて予防される。射出形成後、通常は、架橋工程及び／又は重合工程が行なわれ、この工程は、所定の持続時間にわたる反応混合物の加熱によって行なわれる。穿孔４８のおかげで、両部分区間３８，４０は、穿孔４８を経て互いに一体的に結合され、これにより、シール１６は、シールサポート１４と噛合い係合式に結合されている。
既にシールサポート１４と結合されている、即ち典型的にシールサポートに射出形成されているシール１６は、図４において明らかである。このユニットは、フィルムシールフレームと呼ばれることもある。
次のステップとして、典型的にシールサポート１４とメンブレン電極ユニット１２の接合が行なわれる（図５参照）。このため、メンブレン電極ユニット１２が、示した例ではシールサポート１４上に位置決めされ、図４で未だ明らかな開口領域４６が、メンブレン電極ユニット１２によって閉鎖される。この場合、メンブレン２０は、その周縁領域においてシールサポート１４とオーバーラップする。
図６は、別の製造ステップ後のメンブレン電極アッセンブリ１０を示す。この場合、結合層２４（粘着フレーム）、例えば自己粘着性のフィルムが、示したフレーム形態では、メンブレン電極ユニット１２及びシールサポート１４に、これらとオーバーラップするように貼り着けられる。
選択的に、シールサポート１４は、メンブレン２０とオーバーラップする周縁領域に（シールサポート１４及び／又はメンブレン電極ユニット１２、例えばそのメンブレン２０に）接着剤を塗布することによって、メンブレン電極ユニット１２と直接的に接着することができる。しかしながら、このバリエーションを実現するためには、それぞれの周縁領域への接着剤の塗布の比較的費用のかかるステップが必要である。従って、結合層２４による接着が優先される。
最後のステップで、更に、ガス拡散層３６を、メンブレン電極ユニット１２の両側に貼り付ける又は積層化することができる。図７には、このステップの後のメンブレン電極アッセンブリ１０が示されている。
従って、メンブレン２２の固定は、既にシール１６を備えているシールサポート１４（即ち周縁補強部の唯一の層）上で、結合層２４（典型的には粘着フレーム）を取り付けることによって行なわれる。
本発明により、シールサポート１４とのシール１６の結合、即ちシールサポート１４へのシール１６の射出形成（又はシール１６によるシールサポート１４の射出被覆）は、メンブレン２０とのシールサポート１４の結合の前に既に行なわれる。同時に、メンブレン２０とのシールサポート１４のこの結合は、結合層２４によって極めて簡単に行なわれる。メンブレン電極ユニット１２の後からの取付けにより、廃品コストが低減され、シール１６の射出形成時のプロセス時間が短縮される。
片側の接着により、コスト的に有利でプロセス的に確実に製造可能な安定したメンブレン電極アッセンブリ１０が得られる。
図８は、概略図で、複数の本発明によるメンブレン電極アッセンブリ１０を有する燃料電池５０を示す。メンブレン電極アッセンブリ１０は、複数のシングルセル５６を有する燃料電池スタック５４が得られるように二極プレート５２と交互に積み重ねられる。
二極プレート５２は、ガス拡散層３６を介してメンブレン電極アッセンブリ１０のメンブレン電極ユニット１２に反応物質を供給するが、このため、通常は、適当な通路が二極プレート５２に設けられている。加えて、二極プレート５２は、隣接する２つのメンブレン電極ユニット１２を導電的に結合し、これにより、これら二極プレートは、直列に接続されている。末端の両二極プレートは、単極プレートとも呼ばれるが、それは、これらが、片側にしか、接続するメンブレン電極ユニット１２を提供せず、このためその一方の側にしか相応の通路を有しないからである。
メンブレン電極アッセンブリ１０のシール１６は、メンブレン電極ユニット１２と二極プレート５２の間の空間を外に向かってシールし、従って、燃料電池５０の作動中の燃料電池スタック５４からの作動媒体の流出を防止する。
シール１６の機能性並びにメンブレン電極ユニット１２に対する二極プレート５２の導電接触を、（例えば自動車での使用による）振動時でも保証するため、燃料電池スタック５４は、典型的に圧迫される。これは、通常は、複数の牽引要素６０と組み合わせた、燃料電池スタック５４の両端に配置された２つのエンドプレート５８を介して行なわれる。牽引要素６０は、張力をエンドプレート５８に導入するので、エンドプレート５８は、燃料電池スタック５４を圧縮する。
図９は、燃料電池５０を有する自動車６２を示す。燃料電池５０は、自動車６２の作動中に電気エネルギーを、典型的には自動車６２の電気駆動システムのために提供する。
１０ メンブレン電極アッセンブリ
１２ メンブレン電極ユニット（ＭＥＡ）
１４ シールサポート
１６ シール
１８ 作動媒体を通過させるための開口
２０ メンブレン
２２ 電極
２４ 結合層
２６ 化学的活性領域
２８ 結合層の内側の周縁区間
３０ 結合層の外側の周縁区間
３２ 結合層の内周縁
３４ シールサポートの内周縁
３６ ガス拡散層
３８ シールの第１の部分区間
４０ シールの第２の部分区間
４２ シールリップ
４４ シール面
４６ 開口領域
４８ 穿孔
５０ 燃料電池
５２ 二極プレート
５４ 燃料電池スタック
５６ シングルセル
５８ エンドプレート
６０ 牽引要素
６２ 自動車
１２ メンブレン電極ユニット（ＭＥＡ）
１４ シールサポート
１６ シール
１８ 作動媒体を通過させるための開口
２０ メンブレン
２２ 電極
２４ 結合層
２６ 化学的活性領域
２８ 結合層の内側の周縁区間
３０ 結合層の外側の周縁区間
３２ 結合層の内周縁
３４ シールサポートの内周縁
３６ ガス拡散層
３８ シールの第１の部分区間
４０ シールの第２の部分区間
４２ シールリップ
４４ シール面
４６ 開口領域
４８ 穿孔
５０ 燃料電池
５２ 二極プレート
５４ 燃料電池スタック
５６ シングルセル
５８ エンドプレート
６０ 牽引要素
６２ 自動車
Claims (10)
- ・メンブレン（２０）とこのメンブレン（２０）の両側に面で接触する２つの電極（２２）とを備えるメンブレン電極ユニット（１２）と、
・メンブレン（２０）を環状に包囲しかつこのメンブレンとオーバーラップするシールサポート（１４）と、
・メンブレン（２０）及びシールサポート（１４）と環状にオーバーラップする結合層（２４）と、
・メンブレン（２０）の外側でシールサポート（１４）と結合されたシール（１６）と、
を有し、結合層（２４）の同じ平坦面上で、結合層（２４）の内側の周縁区間（２８）がメンブレン電極ユニット（１２）と、結合層（２４）の外側の周縁区間（３０）がシールサポート（１４）と、物質融合式に結合されていること、を特徴とする燃料電池（５０）用のメンブレン電極アッセンブリ（１０）。 - 結合層（２４）が、メンブレン（２０）のシールサポート（１５）とは反対の平坦面に配置されていること、を特徴とする請求項１に記載のメンブレン電極アッセンブリ。
- 物質融合式の結合が、接着であること、を特徴とする請求項１又は２に記載のメンブレン電極アッセンブリ。
- 結合層（２４）が、接着剤でコーティングされ、特に自己粘着性のフィルムであること、を特徴とする請求項３に記載のメンブレン電極アッセンブリ。
- 結合層（２４）の内周縁（３２）が、シールサポート（１４）の内周縁（３４）に対して位置ずれして終了し、特に突出すること、を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のメンブレン電極アッセンブリ。
- シールサポート（１４）が、穿孔（４８）を備え、この穿孔に沿って、シール（１６）が、シールサポート（１４）の両側に延在し、シール（１６）の第１の部分区間（３８）が、シールサポート（１４）の第１の平坦面に配置され、シール（１６）の第２の部分区間（４０）が、シールサポート（１４）の第２の平坦面に配置され、両部分区間（３８，４０）が、穿孔（４８）を経て互いに一体的に結合されていること、を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のメンブレン電極アッセンブリ。
- 交互に積み重ねられた複数の二極プレート（５２）と請求項１〜６のいずれか１項に記載のメンブレン電極アッセンブリ（１０）とを有すること、を特徴とする燃料電池（５０）。
- 請求項７に記載の燃料電池（１０）を有すること、を特徴とする自動車（６２）。
- ・シールサポート（１４）の領域にシール（１６）を形成するステップと、
・次いで、結合層（２４）の内側の周縁区間（２８）をメンブレン電極ユニット（１２）と、結合層（２４）の外側の周縁区間（３０）をシールサポート（１４）と、物質融合式に結合するステップとを、
を有すること、を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のメンブレン電極アッセンブリ（１２）を製造するための方法。 - シール（１６）の形成が、シールサポート（１４）へのシール（１６）の射出形成によって実現されていること、を特徴とする請求項９に記載の方法。
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