JP4738362B2

JP4738362B2 - 改善された膜電極アッセンブリの耐久性のための制御された電極重なり合いアーキテクチャ

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Publication number: JP4738362B2
Application number: JP2007041046A
Authority: JP
Inventors: ジェームズ・ライスター; ロナルド・エル・ジェームズ; デヴィッド・ダブリス
Original assignee: ジーエム・グローバル・テクノロジー・オペレーションズ・インコーポレーテッド
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2007-02-21
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2027-02-21
Also published as: DE102007008213A1; JP2007242609A; CN101026241B; CN101026241A; US7955750B2; US20070196718A1; DE102007008213B4

Description

本発明は、概して、燃料電池に係り、より詳しくは、向上した耐久性を示す新しい改善された膜電極アッセンブリに関する。

燃料電池は、多数の用途で電源として使用されてきた。例えば、燃料電池は、内燃エンジンに取って代わるため電気車両電源プラントで使用するため提案された。陽子交換膜（ＰＥＭ）形式の燃料電池では、水素が燃料電池のアノードに供給され、酸素がカソードに供給される。ＰＥＭ燃料電池は、薄い陽子伝達性で非導電性の固体ポリマー電解質膜を含む膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を有し、該ポリマー電解質の面の一方にアノード触媒を有し、その反対側の面にカソード触媒を有している。ＭＥＡは、ガス拡散媒体構成要素と称されることもある一対の導電要素の間に挟まれており、該一対の導電要素は、（１）アノード及びカソードのための電流コレクターとして機能し、（２）夫々のアノード及びカソード触媒の表面に亘って燃料電池ガス状反応物を分布させるため、適切なチャンネル及び／又は開口部を備え、（３）電極から流れ場チャンネルへと生成水蒸気又は生成液体水を除去し、（４）熱排除のための熱伝導性を持ち、（５）機械的な強度を有している。「燃料電池」という用語は、状況に応じて、典型的には、単一の電池又は複数の電池のいずれかに言及するため使用されている。複数の個々の電池は、燃料電池スタックを形成するため一緒に共通に束ねられ、一般に、電気的に直列に配列されている。スタック内部の各々の電池は、前述した膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を備え、そのようなＭＥＡの各々は、電圧の増分を提供する。

ＰＥＭ燃料電池では、水素（Ｈ_２）がアノード反応物（即ち、燃料）であり、酸素がカソード反応物（即ち、酸化剤）である。酸素は、純粋な形態（Ｏ_２）でも空気（Ｏ_２及びＮ_２の混合物）のいずれであってもよい。固体ポリマー電解質は、典型的に、例えば、ペルフルオロスルホン酸等のイオン交換膜から作られている。アノード／カソードは、典型的には、細かく分割された触媒粒子を含んでおり、該粒子は、しばしば、炭素粒子に支持され、陽子伝達性樹脂と混合されている。触媒粒子は、典型的には、コストの高い貴金属粒子である。かくして、これらの膜電極アッセンブリは、製造するのに比較的高価であり、効率的な作動のため、適切な水管理及び加湿や、例えば一酸化炭素（ＣＯ）等の触媒汚染成分の制御を始めとする幾つかの条件を必要としている。

ＰＥＭ及び他の関連した燃料電池システムに関する技術の例は、共有譲渡された、ウィサースプーンらに付与された米国特許番号３，９８５，５７８号、スワシラジャンらに付与された米国特許番号５，２７２，０１７号、リーらに付与された米国特許番号５，６２４，７６９号、ノイツラーらに付与された米国特許番号５，７７６，６２４号、ディピルノ・ボスコらに付与された米国特許番号６，１０３，４０９号、スワシラジャンらに付与された米国特許番号６，２７７，５１３号、ウッズＩＩＩに付与された米国特許番号６，３５０，５３９号、フロンクらに付与された米国特許番号６，３７２，３７６号、マシアスらに付与された米国特許番号６，３７６，１１１号、ヴィアスらに付与された米国特許番号６，５２１，３８１号、ソムパリらに付与された米国特許番号６，５２４，７３６号、スェナーらに付与された米国特許番号６，５２８，１９１号、フライらに付与された米国特許番号６，５６６，００４号、フォルテらに付与された米国特許番号６，６３０，２６０号、フライらに付与された米国特許番号６，６６３，９９４号、スェナーらに付与された米国特許番号６，７４０，４３３号、ネルソンらに付与された米国特許番号６，７７７，１２０号、ブラディらに付与された米国特許番号６，７９３，５４４号、ラパポートらに付与された米国特許番号６，７９４、０６８号、ブランクらに付与された米国特許番号６，８１１，９１８号、マシアスらに付与された米国特許番号６，８２４、９０９号、スェナーらによる米国特許公開番号２００４／０２２９０８７号、オハラによる米国特許公開番号２００５／００２６０１２号、オハラらによる米国特許公開番号２００５／００２６０１８号並びにオハラらによる米国特許公開番号２００５／００２６５２３号を参照して見い出すことができ、それらの全ての全明細書は、参照により本願に組み込まれる。

図１及び図２は、典型的な重なり合いエッジの設計を示している。該エッジ設計では、例えば、アノード触媒層１２のエッジ部分１０がサブガスケット層１６のエッジ部分１４及び接着層２０のエッジ部分１８に当接するところのエッジ領域、及び／又は、カソード触媒層２４のエッジ部分２２が他のサブガスケット層２８のエッジ部分２６及び他の接着層３２のエッジ部分３０に当接するところのエッジ領域において典型的に破損する。なお、アノード触媒層１２及びカソード触媒層２４は、図１及び図２に示されるように、重なり合い形態、互い違い形態又はオフセットの形態で、膜層３４を挟んでいる。

この未調整の重なり合い形態は、典型的には、アノード及びカソードのサブガスケットの膜への適用の間、及び、電極デカルコマニア転写プロセスの間に、製造上の許容範囲に起因して、幾つかの膜電極アッセンブリエッジ位置で、アノード＞カソード形態を与え、幾つかの他の膜電極アッセンブリエッジ位置ではカソード＞アノード形態を取る。これらの特別の設計の制限には、図３及び図４に示されるように、各々の触媒層のエッジと各々のサブガスケットのエッジとの間で可能となるギャップＧが含まれている。ギャップは、例えば、Ｏ_２又はＨ_２のいずれかのガスの膜表面への直接的なアクセスを可能にし、これによって、交錯したガスからの^＊ＯＨ及び^＊ＨＯ_２基の化学種の形成を向上させ、かくして、ポリマー膜の加速された局所的化学的劣化へと導く。電極がサブガスケットにより形成された窓よりも大きい場合、触媒層は、図５及び図６に示されるように、膜への触媒塗布プロセス（典型的には、デカルコマニア転写として知られている）の間にサブガスケットのエッジに亘って「テント形態」Ｔを形成し得る。このテント形態は、典型的には、サブガスケットのエッジで触媒クラックを生じさせ、膜表面への引き続く直接的なガスアクセスを生じさせ、局所的な化学的な劣化を加速させる。加えて、テント形態の現象は、典型的には、サブガスケットの厚さのオーダーの長さに亘って触媒が付けられていない膜表面を生じさせる。

この問題を克服するため様々な試みがなされてきた。例えば、ある製造業者は、サブガスケットをイオノマー膜に取り付けるため高い圧力を使用してきた。当該技術で熱及び圧力が必要となることに加えて、追加された欠点は、触媒層がサブガスケットの後に追加されるということである。これは、サブガスケットが触媒層に亘って取り付けられることを防止する。サブガスケットは、この方法において触媒の下方に取り付けることができるが、これは、サブガスケットエッジにおいて触媒のひび割れ及び剥離をしばしば生じさせる。このひび割れは、サブガスケットエッジにおいて、ぼやけた触媒エッジをもたらす。アノード及びカソード触媒エッジをオフセットするため、本方法は、ひび割れにより引き起こされた触媒エッジにおいて不明瞭な部分を占めるため追加のスペースを必要とする。更に加えて、本方法は、触媒エッジ及びサブガスケットエッジの間にさらされたイオノマー膜のギャップを残しかねない。

他の試みは、サブガスケットが膜の頂部上に配置されたアプローチを使用する。次に、この３層構造は、触媒被覆拡散媒体の２つの部分の間に挟まれる。次に、アッセンブリ全体は膜電極アッセンブリを形成するためイオノマーのガラス遷移温度を超えて高熱加圧される。このアプローチは、触媒エッジを制御する点でかなりロバストであるが、幾つかの欠点を有している。第１に、結合を得るべく要求された熱及び圧力は、イオノマー膜を流れさせ、サブガスケットの下方で薄化をもたらし得る。第２には、熱／冷却サイクルは、熱的応力を部分的に誘起し得る。次に、サブガスケットエッジで破損が発生し得る。第３に、膜電極アッセンブリ全体がガス拡散媒体（ＧＤＭ）を備えるため、一つの高温加圧工程で組み立てられるので、触媒エッジ位置を検査することは非常に困難となる。

以上により、サブガスケット及び触媒被覆膜層に近接したエッジアーキテクチャーが、向上した膜耐久性を提供するような、新規で改善された膜電極アッセンブリ構成が求められている。

本発明の一般的な教えによれば、改善された膜耐久性のための新しい改善された膜電極アッセンブリエッジ設計及び形態が提供される。
本発明の一実施態様によれば、膜電極アッセンブリが提供され、該膜電極アッセンブリは、（１）膜層と、（２）前記膜層の表面に隣接したカソード触媒層と、（３）前記膜層の他の表面に隣接したアノード触媒層であって、該膜層は前記カソード触媒層と前記アノード触媒層との間に配置されている、前記アノード触媒層と、（４）前記膜層の他の表面に隣接した接着層であって、該接着層は前記アノード触媒層の表面と当接する、前記接着層と、（５）エッジ部分を有するサブガスケット層であって、該サブガスケット層は前記接着層の表面に隣接し、該接着層は前記サブガスケット層と前記膜層との間に配置されている、前記サブガスケット層と、を備え、前記カソード触媒層及び前記アノード触媒層は前記サブガスケット層の前記エッジ部分に対して前記膜層の長さに沿って延在し、前記カソード触媒層は、前記サブガスケット層のエッジ部分に対して前記アノード触媒層よりも前記膜層の長さに沿ってより大きい長さだけ延在している。

本発明の一実施態様によれば、膜電極アッセンブリが提供され、該膜電極アッセンブリは、（１）膜層と、（２）前記膜層の表面に隣接したカソード触媒層と、（３）前記膜層の他の表面に隣接したアノード触媒層であって、該膜層は前記カソード触媒層と前記アノード触媒層との間に配置されている、前記アノード触媒層と、（４）前記膜層の他の表面に隣接した接着層であって、該接着層は前記アノード触媒層の表面と当接する、前記接着層と、（５）エッジ部分を有するサブガスケット層であって、該サブガスケット層は前記接着層の表面に隣接し、該接着層は前記サブガスケット層と前記膜層との間に配置されている、前記サブガスケット層と、を備え、前記カソード触媒層及び前記アノード触媒層は前記サブガスケット層の前記エッジ部分に対して前記膜層の長さに沿って延在し、前記アノード触媒層は、前記サブガスケット層のエッジ部分に対して前記カソード触媒層よりも前記膜層の長さに沿ってより大きい長さだけ延在している。

本発明の一実施態様によれば、膜電極アッセンブリが提供され、該膜電極アッセンブリは、（１）膜層と、（２）前記膜層の表面に隣接したアノード触媒層と、（３）前記膜層の他の表面に隣接したカソード触媒層であって、該膜層は前記カソード触媒層と前記アノード触媒層との間に配置されている、前記カソード触媒層と、（４）前記膜層の他の表面に隣接した接着層であって、該接着層は前記カソード触媒層の表面と当接する、前記接着層と、（５）エッジ部分を有するサブガスケット層であって、該サブガスケット層は前記接着層の表面に隣接し、該接着層は前記サブガスケット層と前記膜層との間に配置されている、前記サブガスケット層と、を備え、前記カソード触媒層及び前記アノード触媒層は前記サブガスケット層の前記エッジ部分に対して前記膜層の長さに沿って延在し、前記カソード触媒層は、前記サブガスケット層のエッジ部分に対して前記アノード触媒層よりも前記膜層の長さに沿ってより大きい長さだけ延在している。

本発明の一実施態様によれば、膜電極アッセンブリが提供され、該膜電極アッセンブリは、（１）膜層と、（２）前記膜層の表面に隣接したアノード触媒層と、（３）前記膜層の他の表面に隣接したカソード触媒層であって、該膜層は前記カソード触媒層と前記アノード触媒層との間に配置されている、前記カソード触媒層と、（４）前記膜層の他の表面に隣接した接着層であって、該接着層は前記カソード触媒層の表面と当接する、前記接着層と、
エッジ部分を有するサブガスケット層であって、該サブガスケット層は前記接着層の表面に隣接し、該接着層は前記サブガスケット層と前記膜層との間に配置されている、前記サブガスケット層と、を備え、前記カソード触媒層及び前記アノード触媒層は前記サブガスケット層の前記エッジ部分に対して前記膜層の長さに沿って延在し、前記アノード触媒層は、前記サブガスケット層のエッジ部分に対して前記カソード触媒層よりも前記膜層の長さに沿ってより大きい長さだけ延在している。

本発明の用途の更なる領域は、以下に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示しているが、本発明の開示のみを目的としたもので、本発明の範囲を制限するものではない。

本発明は、次の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。
好ましい実施例の次の説明は、本質上、単なる例示にしか過ぎず、本発明、その用途又はその使用法を制限するものではない。

本発明の包括的な教えによれば、膜電極アッセンブリの改善されたエッジアーキテクチャーが、不浸透性バリア膜及び接着剤を含むサブガスケットを備える触媒被覆膜を備えている。サブガスケットは、アノード電極面積より大きいカソード電極面積を与えるアノード触媒側部に適用されるか又はカソード触媒面積より大きいアノード触媒面積を与えるカソード触媒側部に適用されるか、及び／又は、アノード／カソード触媒面積よりも小さいか及び／又は大きいカソード／アノード触媒面積のいずれかを与えるアノード電極面積及びカソード電極面積の両方に適用されてもよい。しかし、アノード及びカソードは、如何に多くのサブガスケットを用いるかに関わりなく、互いのエッジ部分に関して、実質的に境界を共有する（即ち、重なり合いが無いか又は非常に低い重なり合いの度合い）ように構成することができることが理解されるべきである。

図７を参照すると、アノード触媒層面積よりも局所的に大きいカソード触媒層面積を有する膜電極アッセンブリの概略図が示されており、サブガスケットはアノード触媒層と重なり合い、接着層は、本発明の第１の実施例に従って、サブガスケットとアノード触媒層との間に配置されている。

より詳しくは、全体として１００で示された膜電極アッセンブリは、主要には、膜層１０２と、膜層１０２の表面１０２ａに隣接したカソード触媒層１０４と、膜層１０２の他の表面１０２ｂに隣接したアノード触媒層１０６と、を備え、膜層１０２は、カソード触媒層１０４とアノード触媒層１０６との間に配置され、接着層１０８が膜層１０２の他の表面１０２ｂに隣接し、接着層１０８はアノード触媒層１０６の表面１０６ａと、エッジ部分１１２を有するサブガスケット層１１０とに当接し、サブガスケット層１１０は接着層１０８の表面１０８ａに隣接し、接着層１０８は、サブガスケット層１１０と膜層１０２との間に配置され、カソード触媒層１０４及びアノード触媒層１０６は、サブガスケット層１１０のエッジ部分１１２に対して膜層１０２の長さに沿って延在し、カソード触媒層１０４は、サブガスケット層１１０のエッジ部分１１２に対してアノード触媒層１０６よりも膜層１０２の長さに沿って大きい長さだけ延在する。即ち、カソード触媒層１０４及びアノード触媒層１０６は、互いに対して、重なり合った、互い違いの又はオフセットの配置にある。更には、カソード触媒層１０４は、サブガスケット層１１０のエッジ部分１１２からカソード触媒層１０４のエッジ部分１１４にかけて測定されたときアノード触媒層１０６よりも長い。即ち、サブガスケット層１１０のエッジ部分１１２からカソード触媒層１０４のエッジ部分１１４にかけて測定されたときのカソード触媒層１０４の長さは、サブガスケット層１１０のエッジ部分１１２からアノード触媒層１０６のエッジ部分１１６にかけて測定されたときのカソード触媒層１０６の長さよりも長い。

本発明の一態様によれば、サブガスケット層１１０のエッジ部分１１２と、カソード触媒層１０４のエッジ部分１１４との間の距離は、約０．１ミリメートルから約５ミリメートルの範囲にある。本発明の別の態様によれば、サブガスケット層１１０のエッジ部分１１２とカソード触媒層１０４のエッジ部分１１４との間の距離は、約１．５ミリメートルから約２．５ミリメートルの範囲にある。

本発明の一態様によれば、接着層１０８の一部分は、接着侵入層１１８を形成するため、アノード触媒層１０６へと侵入する。接着侵入層１１８は、アノード触媒層１０６とサブガスケット層１１０との間に配置されている。本発明の一態様によれば、接着侵入層１１８は、アノード触媒層１０６の深さの上側部分の約１０％内へと侵入している。

図８を参照すると、カソード触媒層面積よりも局所的に大きいアノード触媒層面積を有する膜電極アッセンブリの概略図が示されており、本発明の第２の実施例に従って、サブガスケットはアノード触媒層と重なり合い、接着層は、サブガスケットとアノード触媒層との間に配置されている。

より詳しくは、全体として２００で示された膜電極アッセンブリは、主要には、膜層２０２と、膜層２０２の表面２０２ａに隣接したカソード触媒層２０４と、膜層２０２の他の表面２０２ｂに隣接したアノード触媒層２０６と、を備え、膜層２０２は、カソード触媒層２０４とアノード触媒層２０６との間に配置され、接着層２０８は膜層２０２の他の表面２０２ｂに隣接し、接着層２０８はアノード触媒層２０６の表面２０６ａと、エッジ部分２１２を有するサブガスケット層２１０とに当接し、サブガスケット層２１０は接着層２０８の表面２０８ａに隣接し、接着層２０８は、サブガスケット層２１０と膜層２０２との間に配置され、カソード触媒層２０４及びアノード触媒層２０６は、サブガスケット層２１０のエッジ部分２１２に対してカソード触媒層２０４よりも膜２０２の長さに沿って大きい長さだけ延在する。即ち、カソード触媒層２０４及びアノード触媒層２０６は、互いに対して、重なり合った、互い違いの又はオフセットの配置にある。更に加えて、アノード触媒層２０６は、サブガスケット層２１０のエッジ部分２１２からアノード触媒層２０４のエッジ部分２１４にかけて測定されたときカソード触媒層２０４よりも長い。即ち、サブガスケット層２１０のエッジ部分２１２からカソード触媒層２０４のエッジ部分２１６にかけて測定されたときのアノード触媒層２０６の長さは、サブガスケット層２１０のエッジ部分２１２からカソード触媒層２０４のエッジ部分２１６にかけて測定されたときのカソード触媒層２０４の長さよりも長い。

本発明の一態様によれば、サブガスケット層２１０のエッジ部分２１２とアノード触媒層２０６のエッジ部分２１４との間の距離は、約０．１ミリメートルから約５ミリメートルの範囲にある。本発明の別の態様によれば、サブガスケット層２１０のエッジ部分２１２とアノード触媒層２０６のエッジ部分２１４との間の距離は、約１．５ミリメートルから約２．５ミリメートルの範囲にある。

本発明の一態様によれば、接着層２０８の一部分は、接着侵入層２１８を形成するため、アノード触媒層２０６へと侵入する。接着侵入層２１８は、アノード触媒層２０６とサブガスケット層２１０との間に配置されている。本発明の一態様によれば、接着侵入層２１８は、アノード触媒層２０６の深さの上側部分の約１０％内へと侵入している。

図９を参照すると、アノード触媒層面積よりも局所的に大きいカソード触媒層面積を有する膜電極アッセンブリの概略図が示されており、本発明の第３の実施例に従って、サブガスケットはカソード触媒層と重なり合い、接着層は、サブガスケットとカソード触媒層との間に配置されている。

より詳しくは、全体として３００で示された膜電極アッセンブリは、主要には、膜層３０２と、膜層３０２の表面３０２ａに隣接したカソード触媒層３０４と、膜層３０２の他の表面３０２ｂに隣接したアノード触媒層３０６と、を備え、膜層３０２は、カソード触媒層３０４と、アノード触媒層３０６と、の間に配置され、接着層３０８は膜層２０２の他の表面２０２ｂに隣接し、接着層３０８はカソード触媒層３０６の表面３０６ａと、エッジ部分３１２を有するサブガスケット層３１０とに当接し、サブガスケット層３１０は接着層３０８の表面３０８ａに隣接し、接着層３０８は、サブガスケット層３１０と膜層３０２との間に配置され、アノード触媒層３０４及びカソード触媒層３０６は、サブガスケット層３１０のエッジ部分３１２に対してアノード触媒層３０４よりも膜３０２の長さに沿って大きい長さだけ延在する。即ち、カソード触媒層３０６及びアノード触媒層３０４は、互いに対して、重なり合った、互い違いの又はオフセットの配置にある。更に加えて、カソード触媒層３０６は、サブガスケット層３１０のエッジ部分３１２からカソード触媒層３０６のエッジ部分３１４にかけて測定されたときアノード触媒層３０４よりも長い。即ち、サブガスケット層３１０のエッジ部分３１２からカソード触媒層３０６のエッジ部分３１４にかけて測定されたときのカソード触媒層３０６の長さは、サブガスケット層３１０のエッジ部分３１２からアノード触媒層３０４のエッジ部分３１６にかけて測定されたときのアノード触媒層３０４の長さよりも長い。

本発明の一態様によれば、サブガスケット層３１０のエッジ部分３１２とカソード触媒層３０６のエッジ部分３１４との間の距離は、約０．１ミリメートルから約５ミリメートルの範囲にある。本発明の別の態様によれば、サブガスケット層３１０のエッジ部分３１２とカソード触媒層３０６のエッジ部分３１４との間の距離は、約１．５ミリメートルから約２．５ミリメートルの範囲にある。

本発明の一態様によれば、接着層３０８の一部分は、接着侵入層３１８を形成するためカソード触媒層３０６へと侵入する。接着侵入層３１８は、カソード触媒層３０６とサブガスケット層３１０との間に配置されている。本発明の一態様によれば、接着侵入層３１８は、カソード触媒層３０６の深さの上側部分の約１０％内へと侵入している。

図１０を参照すると、カソード触媒層面積よりも局所的に大きいアノード触媒層面積を有する膜電極アッセンブリの概略図が示されており、本発明の第４の実施例に従って、サブガスケットはカソード触媒層と重なり合い、接着層は、サブガスケットとカソード触媒層との間に配置されている。

より詳しくは、全体として４００で示された膜電極アッセンブリは、主要には、膜層４０２と、膜層４０２の表面４０２ａに隣接したアノード触媒層４０４と、膜層４０２の他の表面４０２ｂに隣接したカソード触媒層４０６と、を備え、膜層４０２は、アノード触媒層４０４とカソード触媒層４０６との間に配置され、接着層４０８は膜層４０２の他の表面４０２ｂに隣接し、接着層４０８は、カソード触媒層４０６の表面４０６ａと、エッジ部分４１２を有するサブガスケット層４１０とに当接し、サブガスケット層４１０は接着層４０８の表面４０８ａに隣接し、接着層４０８は、サブガスケット層４１０と膜層４０２との間に配置され、アノード触媒層４０４及びカソード触媒層４０６は、サブガスケット層４１０のエッジ部分４１２に対してカソード触媒層４０６よりも膜層４０２の長さに沿って延在する。即ち、アノード触媒層４０４及びカソード触媒層４０６は、互いに対して、重なり合った、互い違いの又はオフセットの配置にある。更に加えて、アノード触媒層４０４は、サブガスケット層４１０のエッジ部分４１２からアノード触媒層４０４のエッジ部分４１４にかけて測定されたときカソード触媒層４０６よりも長い。即ち、サブガスケット層４１０のエッジ部分４１２からアノード触媒層４０４のエッジ部分４１４にかけて測定されたときのアノード触媒層４０４の長さは、サブガスケット層４１０のエッジ部分４１２からカソード触媒層４０６のエッジ部分４１６にかけて測定されたときのカソード触媒層４０６の長さよりも長い。

本発明の一態様によれば、サブガスケット層４１０のエッジ部分４１２とアノード触媒層４０４のエッジ部分４１４との間の距離は、約０．１ミリメートルから約５ミリメートルの範囲にある。本発明の別の態様によれば、サブガスケット層４１０のエッジ部分４１２とアノード触媒層４０４のエッジ部分４１４との間の距離は、約１．５ミリメートルから約２．５ミリメートルの範囲にある。

本発明の一態様によれば、接着層４０８の一部分は、接着侵入層４１８を形成するため、カソード触媒層４０６へと侵入する。接着侵入層４１８は、カソード触媒層４０６とサブガスケット層４１０との間に配置されている。本発明の一態様によれば、接着侵入層４１８は、カソード触媒層４０６の深さの上側部分の約１０％内へと侵入している。

前述した実施例に関しては、サブガスケット層は、ポリエステル、ポリエチレン、ポリイミド、及び、それらの組み合わせからなる群から選択された材料から構成される。例を挙げて説明すると、サブガスケット層１０８は、不浸透性のバリア膜として、マイヤー（Ｒ）（例えば、二軸配向ポリエチレンテレフタレート（ＢＯＰＥＴ）ポリエステル膜）又はＰＥＴ（即ち、ポリエチレンテレフタレート）から構成することができるが、これらの例に限定されるものではない。しかし、例えばＰＥＮ（即ち、２，６−ナフタレンジカルボン酸ポリエチレン）、ＫＡＰＴＯＮ（Ｒ）（即ち、ポリイミド膜）、他のポリエステル膜及び／又はその他等の他の材料も同様に用いることができる。本発明の一態様によれば、エッジアーキテクチャーは、ポリイミド膜に比べて、ガス浸透性の５倍及び１０倍の減少に起因してＰＥＴ又はＰＥＮのいずれかを備えている。加えて、湿気吸収は、ポリイミド膜と比べて、ＰＥＴ及びＰＥＮに関して３倍及び４倍だけ各々減少される。これらの厚さ範囲は、高い体積製造作業のために要求される５層膜電極アッセンブリ（概してＭＥＡ５として知られている）のエッジにある程度の剛性を付与するが、現在の自動車用途により要求される高いパワー密度の要求にとってまだ十分に薄い。

前述された実施例に関して、サブガスケット層は、約１００μｍ以上の厚さを有する。本発明の別の態様によれば、サブガスケット層は、約６μｍから約１００μｍの範囲の厚さを有する。本発明の更に別の態様によれば、サブガスケット層は、約１２μｍから約５０μｍの範囲の厚さを有する。

前述した実施例に関しては、接着層の接着剤には、圧力検知接着剤（ＰＳＡ）、ホットメルト接着剤及び／又はその他が挙げられるが、それらに限定するものではない。ＰＳＡは、アクリル又はシリコンを基にした接着剤が挙げられるが、これらに限定されるものではない。ホットメルト接着剤には、ポリビニールアセテート又はエチルビニルアセテート／ポリエチレンのブレンドが挙げられるが、これらに限定されるものではない。本発明の一態様によれば、膜電極アッセンブリのエッジアーキテクチャーは、ＰＳＡの使用を備えている。ＰＳＡを、膜の耐久性に影響を及ぼさない室温で触媒被覆膜に塗布することができるからである。

前述した実施例に関しては、接着剤層は、約５０μｍ以上の厚さを有する。本発明の別の態様によれば、接着剤層は、約６μｍから約５０μｍの範囲の厚さを有する。本発明の更に別の態様によれば、接着剤層は、約８μｍから約２５μｍの範囲の厚さを有する。

本発明の作動に関する特定の理論に拘束されること無く、これらの範囲は、接着剤の空洞部が存在しない連続的な接着膜を与え、接着剤が触媒層エッジで流れることを可能にし、これによって、触媒エッジと膜との間のガス気密シール部を提供する。本発明の作動に関する特定の理論に拘束されること無く、このガス気密シール部は、膜への直接的なガスアクセス及びこれに引き続く遊離基の形成を最小にする。この遊離基は、局所的な化学的劣化を加速させるものである。

前述された実施例に関して、膜電極アッセンブリ全体の耐久性は、従来の膜電極アッセンブリの形態と比較したとき２倍から３倍だけ改善される。典型的には、サブガスケット層（即ち、不浸透性のバリア膜）／接着剤のカソード側部への塗布は、約２倍の膜電極アッセンブリの耐久性の増大を与え、サブガスケット層（即ち、不浸透性のバリア膜）／接着剤のアノード側部への塗布は、約３倍の膜電極アッセンブリの耐久性の増大を与える。

本発明の作用の特定の理論に拘束されることなく、本発明を用いることによって実現することができる幾つかの利点が存在する。例えば、（１）接着剤で膜層にサブガスケット層を接着させることは、高体積の製造作業においてより容易に取り扱うためのより剛性の部分を提供し、（２）サブガスケット層（即ち、不浸透性のガスバリア膜）は、改善された膜全体の耐久性をもたらす局所的な電極の重なり合いに関係することなく、首尾一貫したエッジアーキテクチャー構成、例えば、カソード＞アノード又はアノード＞カソードのいずれかの構成を画定し、（３）サブガスケット層（即ち、不浸透性ガスバリア膜）と触媒層（即ち、電極）のエッジとの間の接着膜（即ち、接着侵入層）は、触媒被覆膜のエッジに沿って置かれた遊離したバリア膜と比較して、膜層への直接的なガスアクセスと、これに引き続いて生じる遊離基形成及び局所的な化学的劣化の加速と、を最小にし、（４）局所的なポリマー膜化学的劣化が、アノード触媒エッジとカソード触媒エッジとの間の領域で発生する場合に、サブガスケット層／接着層は、ガスの交錯を防止し、これによって膜全体の耐久性を改善する。

本発明の記載は、本質上単なる例示にしか過ぎず、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してみなされるべきではない。

図１は、従来技術に係る、第１の従来の膜電極アッセンブリの概略図である。図２は、従来技術に係る、第２の従来の膜電極アッセンブリの概略図である。図３は、従来技術に係る、第２の従来の膜電極アッセンブリの概略図である。図４は、従来技術に係る、第２の従来の膜電極アッセンブリの概略図である。図５は、図１又は図３に表された従来の膜電極アッセンブリの概略図であり、触媒層は、従来技術に係るサブガスケットを覆ってテント形態が形成されている。図６は、図２又は図４に表された従来の膜電極アッセンブリの概略図であり、触媒層は、従来技術に係るサブガスケットを覆ってテント形態が形成されている。図７は、アノード触媒層領域よりも局所的に大きいカソード触媒層領域の概略図であり、本発明の第１の実施例に従って、サブガスケットはアノード触媒層に重なり合い、接着層はサブガスケット及びアノード触媒層の間に配置されている。図８は、カソード触媒層領域よりも局所的に大きいアノード触媒層領域の概略図であり、本発明の第２の実施例に従って、サブガスケットはアノード触媒層に重なり合い、接着層はサブガスケット及びアノード触媒層の間に配置されている。図９は、アノード触媒層領域よりも局所的に大きいカソード触媒層領域を有する膜電極アッセンブリの概略図であり、本発明の第３の実施例に従って、サブガスケットはカソード触媒層に重なり合い、接着層はサブガスケット及びカソード触媒層の間に配置されている。図１０は、カソード触媒層領域よりも局所的に大きいアノード触媒層領域を有する膜電極アッセンブリの概略図であり、本発明の第４の実施例に従って、サブガスケットはカソード触媒層に重なり合い、接着層はサブガスケット及びカソード触媒層の間に配置されている。

Claims

膜層と、
前記膜層の全長よりも短い長さを有し、前記膜層の一面に隣接して設けられているカソード触媒層と、
前記膜層の全長よりも短い長さを有し、前記膜層の他面に隣接して設けられているアノード触媒層と、
前記アノード触媒層の前記膜層と隣接する面とは反対側の面の一部に隣接して設けられている、エッジ部分を有するサブガスケット層と、を具備し、カソード触媒層、膜層、アノード触媒層及びサブガスケット層の順に積層されてなる膜電極アッセンブリであって、
前記膜層と前記サブガスケット層とに挟まれ、前記アノード触媒層のエッジ部分に当接する接着層を具備し、前記接着層の一部分は、接着侵入層を形成するため前記アノード触媒層内へと侵入しており、
前記接着侵入層は、前記アノード触媒層と前記サブガスケット層との間に配置されており、
前記サブガスケット層のエッジ部分を起点として計測する場合、前記接着層に当接する前記アノード触媒層のエッジ部分までの距離が、前記カソード触媒層のエッジ部分までの距離よりも短いことを特徴とする、膜電極アッセンブリ。
前記サブガスケット層は、ポリエステル、ポリエチレン、ポリイミド、及び、それらの組み合わせからなる群から選択された材料から構成されている、請求項１に記載の膜電極アッセンブリ。
前記サブガスケット層のエッジ部分と前記カソード触媒層のエッジ部分との間の距離は、０．１ミリメートル乃至５ミリメートルの範囲内にある、請求項１に記載の膜電極アッセンブリ。
前記サブガスケット層のエッジ部分と前記カソード触媒層のエッジ部分との間の距離は、１．５ミリメートル乃至２．５ミリメートルの範囲内にある、請求項１に記載の膜電極アッセンブリ。
膜層と、
前記膜層の全長よりも短い長さを有し、前記膜層の一面に隣接して設けられているカソード触媒層と、
前記膜層の全長よりも短い長さを有し、前記膜層の他面に隣接して設けられているアノード触媒層と、
前記アノード触媒層の前記膜層と隣接する面とは反対側の面の一部に隣接して設けられている、エッジ部分を有するサブガスケット層と、を具備し、カソード触媒層、膜層、アノード触媒層及びサブガスケット層の順に積層されてなる膜電極アッセンブリであって、
前記膜層と前記サブガスケット層とに挟まれ、前記アノード触媒層のエッジ部分に当接する接着層を具備し、前記接着層の一部分は、接着侵入層を形成するため前記アノード触媒層内へと侵入しており、
前記接着侵入層は、前記アノード触媒層と前記サブガスケット層との間に配置されており、
前記サブガスケット層のエッジ部分を起点として計測する場合、前記接着層に当接する前記アノード触媒層のエッジ部分までの距離が、前記カソード触媒層のエッジ部分までの距離よりも長いことを特徴とする、膜電極アッセンブリ。
前記サブガスケット層は、ポリエステル、ポリエチレン、ポリイミド、及び、それらの組み合わせからなる群から選択された材料から構成されている、請求項５に記載の膜電極アッセンブリ。
前記サブガスケット層のエッジ部分と前記アノード触媒層のエッジ部分との間の距離は、０．１ミリメートル乃至５ミリメートルの範囲内にある、請求項５に記載の膜電極アッセンブリ。
前記サブガスケット層のエッジ部分と前記アノード触媒層のエッジ部分との間の距離は、１．５ミリメートル乃至２．５ミリメートルの範囲内にある、請求項５に記載の膜電極アッセンブリ。
膜層と、
前記膜層の全長よりも短い長さを有し、前記膜層の一面に隣接して設けられているカソード触媒層と、
前記膜層の全長よりも短い長さを有し、前記膜層の他面に隣接して設けられているアノード触媒層と、
前記カソード触媒層の前記膜層と隣接する面とは反対側の面の一部に隣接して設けられている、エッジ部分を有するサブガスケット層と、を具備し、サブガスケット層、カソード触媒層、膜層及びアノード触媒層の順に積層されてなる膜電極アッセンブリであって、
前記膜層と前記サブガスケット層とに挟まれ、前記カソード触媒層のエッジ部分に当接する接着層を具備し、前記接着層の一部分は、接着侵入層を形成するため前記カソード触媒層内へと侵入しており、
前記接着侵入層は、前記カソード触媒層と前記サブガスケット層との間に配置されており、
前記サブガスケット層のエッジ部分を起点として計測する場合、前記接着層に当接する前記カソード触媒層のエッジ部分までの距離が、前記アノード触媒層のエッジ部分までの距離よりも長いことを特徴とする、膜電極アッセンブリ。
前記サブガスケット層は、ポリエステル、ポリエチレン、ポリイミド、及び、それらの組み合わせからなる群から選択された材料から構成されている、請求項９に記載の膜電極アッセンブリ。
前記サブガスケット層のエッジ部分と前記カソード触媒層のエッジ部分との間の距離は、０．１ミリメートル乃至５ミリメートルの範囲内にある、請求項９に記載の膜電極アッセンブリ。
前記サブガスケット層のエッジ部分と前記カソード触媒層のエッジ部分との間の距離は、１．５ミリメートル乃至２．５ミリメートルの範囲内にある、請求項９に記載の膜電極アッセンブリ。
膜層と、
前記膜層の全長よりも短い長さを有し、前記膜層の一面に隣接して設けられているカソード触媒層と、
前記膜層の全長よりも短い長さを有し、前記膜層の他面に隣接して設けられているアノード触媒層と、
前記カソード触媒層の前記膜層と隣接する面とは反対側の面の一部に隣接して設けられている、エッジ部分を有するサブガスケット層と、を具備し、サブガスケット層、カソード触媒層、膜層及びアノード触媒層の順に積層されてなる膜電極アッセンブリであって、
前記膜層と前記サブガスケット層とに挟まれ、前記カソード触媒層のエッジ部分に当接する接着層を具備し、前記接着層の一部分は、接着侵入層を形成するため前記カソード触媒層内へと侵入しており、
前記接着侵入層は、前記カソード触媒層と前記サブガスケット層との間に配置されており、
前記サブガスケット層のエッジ部分を起点として計測する場合、前記接着層に当接する前記カソード触媒層のエッジ部分までの距離が、前記アノード触媒層のエッジ部分までの距離よりも短いことを特徴とする、膜電極アッセンブリ。
前記サブガスケット層は、ポリエステル、ポリエチレン、ポリイミド、及び、それらの組み合わせからなる群から選択された材料から構成されている、請求項１３に記載の膜電極アッセンブリ。
前記サブガスケット層のエッジ部分と前記アノード触媒層のエッジ部分との間の距離は、０．１ミリメートル乃至５ミリメートルの範囲内にある、請求項１３に記載の膜電極アッセンブリ。
前記サブガスケット層のエッジ部分と前記アノード触媒層のエッジ部分との間の距離は、１．５ミリメートル乃至２．５ミリメートルの範囲内にある、請求項１３に記載の膜電極アッセンブリ。