JP6842421B2 - 固体ポリマー電解質燃料電池のためのシール - Google Patents

Description

本発明は、シールされた膜電極アセンブリおよびシールを膜電極アセンブリに提供する方法に関する。

燃料電池は、燃料と酸化剤流体とが電気化学的に反応し、電気を発生させるデバイスである。種々の商業用途のために開発されているあるタイプの燃料電池は、固体ポリマー電解質燃料電池であり、それは、２つの電極の間に配置された好適なイオノマー材料（例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標））から成る固体ポリマー電解質を備えている膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を採用する。各電極は、固体ポリマー電解質に隣接して位置する、適切な触媒を備えている。触媒は、例えば、金属ブラック、合金、または支持された金属触媒（炭素上の白金等）であり得る。触媒は、触媒層内に配置され得、触媒層は、典型的には、固体ポリマー電解質のために使用されるそれに類似し得るイオノマーを含む。流体拡散層（多孔質の電気的に伝導性のシート材料）が、典型的には、機械的支持、電流収集、および／または反応物質分散のために、電極に隣接して採用される。ガス状反応物質の場合、そのような流体拡散層は、ガス拡散層と称される。触媒層が、ガス拡散層上に組み込まれる場合、ユニットは、ガス拡散電極と称される。

商業用途のために、複数の燃料電池が、概して、より多くの出力電圧を送達するために、直列にスタックされる。セパレータプレートが、典型的には、固体ポリマー電解質燃料電池内のガス拡散電極層に隣接して採用され、１つの電池をスタック内の別の電池から分離する。入口および出口ポート、流体分散プレナム、および多数の流体チャネルを含む流体分散特徴が、典型的には、反応物質流体を電極に分散させ、反応副産物をそこから除去するために、電極に隣接したセパレータプレートの表面内に形成される。セパレータプレートはまた、電気および熱伝導のための経路ならびに機械的支持および寸法上の安定性をＭＥＡに提供する。

組み立てられた燃料電池では、ＭＥＡ内の多孔性ガス拡散層は、反応物質ガスが誤った電極に漏出することを防止するために、または反応物質ガスと燃料電池スタックを包囲する大気との間の漏出を防止するために、その周縁において、その隣接するセパレータプレートに対して適度にシールされなければならない。これは、ＭＥＡが、典型的には、比較的に大型の薄いシートであり、したがって、シールが、有意な周囲の長さにわたって必要とされ得、燃料電池スタックが、典型的には、多数のＭＥＡをシールすることを伴うので、困難であり得る。したがって、通常、ＭＥＡ縁シールの設計は、大量生産と信頼性のある高品質の漏出防止シールとを提供すべきである。これを達成する種々の方法が、当技術分野で提案されている。

ある従来技術のシール方法は、ＭＥＡと大気との間に信頼性のあるシールをもたらすために、ＭＥＡを包囲し、アノードおよびカソードのセパレータプレート間に有意に圧縮され得るシールガスケットの使用を伴う。アノードをカソードから分離するシールは、ガスケットシール材料をＭＥＡの縁の中に含浸させ、包囲するガスケットにこれらの含浸された縁を取り付けるか、または統合することによって、得られることができる。米国特許第６，０５７，０５４号（特許文献１）は、直線切りＭＥＡを使用する実施形態を開示している（膜電解質、電極、およびガス拡散層の縁は、同一場所において、すなわち、直線切り縁において、整列させられ、終端する）。しかしながら、そのようなアプローチは、概して、ガスケットと同一材料が、縁含浸のために使用されることを要求し、さらに、厳密な許容誤差、故に、生産上の困難性を要求し得る。

他の従来技術のシール方法は、要求されるシールをもたらすために、２つ以上の圧縮可能ガスケットを採用し得る。例えば、フレーム付きＭＥＡを採用する実施形態が提案されており、フレームが包囲する単一ガスケットに接合されないが、代わりに、２つの包囲する圧縮可能ガスケットの間に挿入される。したがって、一方の包囲するガスケットは、アノードフレームと隣接するセパレータプレートとの間のアノードをシールする一方、他方の包囲するガスケットは、カソードフレームとその隣接するセパレータプレートとの間のカソードをシールする。しかしながら、対向するガスケットが、互いに対して整列からずれる場合、困難が生じ得、したがって、再び、厳密な許容誤差が、要求され得る。

いくつかの従来のシール方法では、多成分シールリムが、ＭＥＡの縁をシールするために使用され得る。米国特許公開第２００９／０２２０８３４号（特許文献２）は、フレームが、ＭＥＡの縁に適用され得、リム構成要素が、２つの異なる接合手段を用いて接合されることを開示している。ＭＥＡのリム構造は、接着剤および物理的係止の両方によって互いに接合される、少なくとも２つの材料（シール材料ＡおよびフレームＢ）を備えている。フレームＢは、少なくとも１つの穿孔を有し、それを通して、シール材料が浸透し、互いにかみ合った接続を確立する。複数の穿孔が提供される場合、それらの間の典型的距離は、０．１〜１００ｍｍの範囲内である。フレーム内の穿孔の数およびサイズは、個々の構成要素間の接着接続の要求される強度に依存するであろう。このシール構造では、シール材料ＡおよびフレームＢは両方とも、ＭＥＡ構成要素のうちの少なくとも１つと接触する。シール材料Ａは、熱可塑性ポリマー、熱硬化性ポリマー、またはシリコーンゴム等のエラストマーであり得る。

しかしながら、シリコーン等のいくつかのシール材料は、膜電極アセンブリを汚染することが示されている。例えば、米国特許公開第２００５／００８９７４６号（特許文献３）は、シリコーンがシール材料として使用されるとき、流動性シロキサンが、膜の中に移行し得、そこで、次いで、化学的に酸化され、二酸化ケイ素誘導体を形成し得ることを示唆している。この汚染は、その後、膜内の内部亀裂および燃料電池の最終的故障につながり得る。さらに、シールフレーム上への液体注入可能材料の射出成形は、制御が困難であり、金型内の液体注入可能材料の分散を正確に調整することも困難である。したがって、燃料電池環境内で劣化するシリコーンおよび他のシール材料をＭＥＡから物理的に分離しながら、液体注入成形可能材料を使用して、多成分または混成シールを形成する改良された方法の必要性が、残っている。

米国特許第６，０５７，０５４号明細書 米国特許出願公開第２００９／０２２０８３４号明細書 米国特許出願公開第２００５／００８９７４６号明細書

本発明は、アノードとカソードとの間に配置されているイオノマー電解質を含む膜電極アセンブリを含む固体ポリマー電解質燃料電池に適用可能である。

一実施形態では、膜電極アセンブリをシールする方法は、フレームを膜電極アセンブリの周縁の周囲に提供し、フレーム付き膜電極アセンブリを形成することであって、フレームは、第１の側と、反対の第２の側とを含む、ことと、貫通孔をフレーム内に提供することであって、貫通孔は、膜電極アセンブリから離れ間隔を置かれている、ことと、フレーム付き膜電極アセンブリをシール金型の中に設置することであって、シール金型は、リザーバ領域、シールビーズ領域、およびリザーバ領域をシールビーズ領域に流動的に接続する少なくとも１つの湯道領域を含む、ことと、流動処理可能シール材料をフレーム内の貫通孔と整列させられている、シール金型におけるリザーバ領域の中に給送することであって、液体注入可能シール材料が、貫通孔を通してフレームの第１および第２の側に給送される、ことと、流動処理可能シール材料をリザーバ領域からシールビーズ領域に少なくとも１つの湯道領域を通して給送し、それによって、少なくとも１つの湯道およびシールビーズをフレームの第１の側に形成することとを含み、少なくとも１つの湯道領域の水力直径は、リザーバ領域の水力直径より小さい。フレームは、熱可塑性材料を含む。流動処理可能シール材料は、熱硬化性液体射出成形可能化合物を含む。

方法は、少なくとも１つの湯道およびシールビーズをフレームの反対の第２の側に形成することを含む。フレームの反対の第２の側の湯道およびシールビーズは、フレームの第１の側の湯道およびシールビーズと同時に形成される。

いくつかの実施形態では、フレームを膜電極アセンブリの周縁の周囲に提供することは、複数のフレーム部材を膜電極アセンブリの周縁に接合することを含む。

フレームは、少なくとも１つのマニホールドをフレーム付き膜電極アセンブリの周縁上に形成する。フレーム内の貫通孔は、膜電極アセンブリおよびマニホールドからオフセットされる。本願の方法を通してフレーム上に形成されるシールビーズは、フレーム内のマニホールドを包囲する。リザーバ、湯道、およびシールビーズは、膜電極アセンブリから物理的に分離される。

好ましい実施形態では、湯道およびリザーバは、シールビーズより断面高さにおいて低い。例えば、少なくとも１つの湯道の断面高さは、シールビーズの断面高さの約半分未満であることができる。

方法はさらに、液体注入可能シール材料を硬化させることを含む。

本発明はまた、膜電極アセンブリの周縁の周囲に提供され、フレーム付き膜電極アセンブリを形成するフレームであって、第１の側と、反対の第２の側とを含むフレームと、膜電極アセンブリから離れ間隔を置かれている、フレーム内の貫通孔と、第１の側からフレームの反対の第２の側まで延びている、貫通孔内のリザーバと、フレームの第１の側の少なくとも１つの湯道およびシールビーズであって、流動処理可能シール材料から作製されている湯道およびシールビーズとを含む燃料電池のためのシールされた膜電極アセンブリを開示する。各湯道の水力直径は、リザーバの水力直径より小さい。フレーム付き膜電極アセンブリのフレームは、好ましくは、熱可塑性材料から作製される。湯道およびシールビーズのための流動処理可能シール材料は、熱硬化性液体射出成形可能化合物を含むことができる。

フレーム付き膜電極アセンブリの各湯道および各リザーバは、好ましくは、シールビーズの断面高さより断面高さが低く、好ましくは、それらが接続されるシールビーズの断面高さの約半分未満の断面高さを有する。

シールされた膜電極アセンブリはさらに、少なくとも１つのマニホールドを膜電極アセンブリの周縁上のフレーム内に備え、シールビーズは、各マニホールドを包囲する。

好ましい実施形態では、貫通孔は、膜電極アセンブリおよびマニホールドからオフセットされる。

好ましい実施形態では、シールされた膜電極アセンブリはまた、少なくとも１つの湯道およびシールビーズをフレームの反対の第２の側に含む。

本発明のこれらおよび他の側面は、添付の図および以下の発明を実施するための形態に照らして明白であろう。
例えば、本願は以下の項目を提供する。
（項目１）
アノードとカソードとの間に配置されているイオノマー電解質を備えている膜電極アセンブリをシールする方法であって、前記方法は、
フレームを前記膜電極アセンブリの周縁の周囲に提供することによって、フレーム付き膜電極アセンブリを形成することであって、前記フレームは、第１の側と、反対の第２の側とを備えている、ことと、
貫通孔を前記フレーム内に提供することであって、前記貫通孔は、前記膜電極アセンブリから離れ間隔を置かれている、ことと、
前記フレーム付き膜電極アセンブリをシール金型の中に設置することであって、前記シール金型は、リザーバ領域、シールビーズ領域、および前記リザーバ領域を前記シールビーズ領域に流動的に接続する少なくとも１つの湯道領域を備えている、ことと、
流動処理可能シール材料を前記シール金型における前記リザーバ領域の中に給送することであって、前記リザーバ領域は、前記フレーム内の貫通孔と整列させられている、ことと、
前記流動処理可能シール材料を前記フレームの前記第１および第２の側と相互作用するように前記貫通孔を通して給送することと、
前記流動処理可能シール材料を前記リザーバ領域から前記シールビーズ領域に前記少なくとも１つの湯道領域を通して給送することによって、少なくとも１つの湯道およびシールビーズを前記フレームの第１の側に形成することと
を含み、
前記少なくとも１つの湯道領域の水力直径は、前記リザーバ領域の水力直径より小さい、
方法。
（項目２）
前記フレームは、熱可塑性材料を備えている、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記流動処理可能シール材料は、熱硬化性液体射出成形可能化合物を備えている、項目１に記載の方法。
（項目４）
前記フレームを前記膜電極アセンブリの周縁の周囲に提供することは、複数のフレーム部材を前記膜電極アセンブリの周縁に接合することを含む、項目１に記載の方法。
（項目５）
少なくとも１つのマニホールドを前記フレーム付き膜電極アセンブリの周縁上に形成することをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目６）
前記貫通孔を前記膜電極アセンブリおよび前記少なくとも１つのマニホールドからオフセットさせることをさらに含む、項目５に記載の方法。
（項目７）
前記シールビーズは、前記少なくとも１つのマニホールドを包囲する、項目５に記載の方法。
（項目８）
前記リザーバ、前記少なくとも１つの湯道、および前記シールビーズは、前記膜電極アセンブリから物理的に分離されている、項目１に記載の方法。
（項目９）
前記少なくとも１つの湯道および前記リザーバは、前記シールビーズより断面高さにおいて低い、項目１に記載の方法。
（項目１０）
前記少なくとも１つの湯道の断面高さは、前記シールビーズの断面高さの約半分未満である、項目１に記載の方法。
（項目１１）
少なくとも１つの湯道およびシールビーズを前記フレームの前記反対の第２の側に形成することをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目１２）
前記フレームの前記反対の第２の側の前記少なくとも１つの湯道およびシールビーズは、前記フレームの前記第１の側の前記少なくとも１つの湯道および前記シールビーズと同時に形成される、項目１１に記載の方法。
（項目１３）
前記流動処理可能シール材料を硬化させることをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目１４）
項目１に記載の方法によって作製される燃料電池のためのシールされた膜電極アセンブリ。
（項目１５）
燃料電池のためのシールされた膜電極アセンブリであって、前記シールされた膜電極アセンブリは、
フレーム付き膜電極アセンブリを形成するために膜電極アセンブリの周縁の周囲に提供されているフレームであって、前記フレームは、第１の側と、反対の第２の側とを備えている、フレームと、
前記フレーム内の貫通孔であって、前記貫通孔は、前記膜電極アセンブリから離れ間隔を置かれている、貫通孔と、
前記貫通孔におけるリザーバであって、前記リザーバは、前記フレームの前記第１の側から前記反対の第２の側まで延びている、リザーバと、
前記フレームの前記第１の側の少なくとも１つの湯道およびシールビーズであって、前記少なくとも１つの湯道およびシールビーズは、流動処理可能シール材料から作製されている、湯道およびシールビーズと
を備え、
前記少なくとも１つの湯道の水力直径は、前記リザーバの水力直径より小さい、
シールされた膜電極アセンブリ。
（項目１６）
前記フレームは、熱可塑性材料を備えている、項目１５に記載のシールされた膜電極アセンブリ。
（項目１７）
前記流動処理可能シール材料は、熱硬化性液体射出成形可能化合物を備えている、項目１５に記載のシールされた膜電極アセンブリ。
（項目１８）
前記少なくとも１つの湯道および前記リザーバは、前記シールビーズより断面高さにおいて低い、項目１５に記載のシールされた膜電極アセンブリ。
（項目１９）
前記少なくとも１つの湯道の断面高さは、前記シールビーズの断面高さの約半分未満である、項目１５に記載のシールされた膜電極アセンブリ。
（項目２０）
少なくとも１つのマニホールドを前記膜電極アセンブリの周縁上のフレーム内にさらに備え、前記シールビーズは、前記少なくとも１つのマニホールドを包囲する、項目１５に記載のシールされた膜電極アセンブリ。
（項目２１）
前記貫通孔は、膜電極アセンブリおよび前記少なくとも１つのマニホールドからオフセットされている、項目２０に記載のシールされた膜電極アセンブリ。
（項目２２）
少なくとも１つの湯道およびシールビーズを前記フレームの前記反対の第２の側にさらに備えている、項目１５に記載のシールされた膜電極アセンブリ。

図１は、フレーム部材およびマニホールドを含み、エラストマーシールをフレーム部材上に伴う、アノード側の例示的フレーム付き膜電極アセンブリの平面図である。 図２は、エラストマーシールをフレーム部材上に伴う、フレーム付き膜電極アセンブリのＡ−Ａを通した例示的シール領域の概略断面図である。 図３は、フレーム付き膜電極アセンブリのフレーム部材上にエラストマーシールビーズを形成するための例示的シール金型の概略断面図である。

以下の説明では、ある具体的詳細が、本発明の種々の実施形態の完全理解を提供するために記載される。しかしながら、当業者は、本発明が、これらの詳細を伴わずに実践され得ることを理解するであろう。他の事例では、燃料電池、燃料電池スタック、および燃料電池システムに関連付けられた周知の構造は、本発明の実施形態の説明を不必要に曖昧にすることを回避するために、詳細に図示または説明されていない。

文脈によって別様に要求されない限り、明細書および続く請求項全体を通して、単語「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（〜を備えている）」ならびに「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」および「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」等のその変形例は、制限のない包含的意味において、すなわち、「〜を含むが、それに限定されない」ものとして解釈されるものとする。

本明細書全体を通して「一実施形態」または「ある実施形態」という言及は、その実施形態に関連して説明される、特定の特徴、構造、または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態内に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通した種々の場所における語句「一実施形態では」または「ある実施形態では」の表出は、必ずしも、同一実施形態を指すわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つ以上の実施形態において、任意の好適な様式で組み合わせられ得る。

米国特許出願公開第２００５／００８９７４６号に記載されるように、シリコーン等の流動処理可能エラストマーは、特に、燃料電池の寿命にわたって、燃料電池内で見出される酸性、酸化性、還元性環境内で化学的に安定しない場合がある。特に、劣化は、シール材料がＭＥＡの活性エリアに近接するＭＥＡの領域内に限定されているように思えた。したがって、流動処理可能エラストマーを、ＭＥＡから、より具体的には、電極およびイオノマー膜から離れるように、物理的に分離することが好ましい。

図１は、フレーム付きＭＥＡ２の平面図を示す。フレーム付きＭＥＡ２は、アノードとカソードとの間に配置されているイオノマー電解質を備えているＭＥＡ４と、エラストマーシール８をその表面上に伴うフレーム６とを有する。図１では、ＭＥＡの片側、例えば、アノード側が、示されている。フレーム６は、その活性エリアの周囲のＭＥＡ４の周縁を流動的にシールし、それによって、反応物質は、ＭＥＡの各側に隔離され、さらに、フレーム６は、アノードをカソードから電気的に隔離し、燃料電池スタック内の隣接するＭＥＡ間を電気的に隔離する。フレーム６はまた、反応物質、反応副産物、および冷却剤をＭＥＡ３に提供し、そこから排出するマニホールド１０ａ、１０ｂ、１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂを形成する。エラストマーシール８が、フレーム６の表面上に形成され、ＭＥＡ４の活性エリアならびにマニホールド１０ａ、１０ｂ、１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂの周囲を包囲し、燃料電池を形成するとき、隣接するアノードセパレータ（図示せず）に対して流動的にシールする。ＭＥＡの周縁を熱可塑性フレームでシールし、次いで、エラストマー材料がＭＥＡから物理的に分離されるように、フレーム上にエラストマーシールビーズを提供することによって、シールのエラストマー材料の劣化に起因するＭＥＡ劣化は、実質的に低減させられる。

図２は、図１の断面Ａ−Ａにおけるシール領域の断面図である。後節で論じられるであろうように、貫通孔２４が、フレーム６を通して形成され、これは、流動処理可能シール材料で充填され、リザーバ２６ａ、２６ｂをフレーム６の第１の側および反対の第２の側に形成する。いくつかの実施形態では、フレーム６は、膜電極アセンブリの周縁に接合される２つ以上の重ねられたフレーム部材から成る層状構造を有することができる。湯道２８ａ、２８ｂも、フレーム６上に同じ流動処理可能シール材料から形成され、それは、リザーバ２６ａ、２６ｂからエラストマーシールビーズ８ａ、８ｂまで延びている。貫通孔２４は、フレーム６内に提供されるＭＥＡ４およびマニホールドからオフセットされる（すなわち、それと整列させられない）。

フレーム付きＭＥＡを形成するために、フレーム６が、最初に、ＭＥＡの周縁においてＭＥＡの両側に設置され、次いで、熱および／または圧力によって接合され、フレーム付きＭＥＡを形成する。貫通孔が、ＭＥＡおよびマニホールドから離れた場所において、フレーム内に提供される。貫通孔は、接合前または後に提供され得るが、貫通孔が接合前に形成される場合、整列は、より困難になる。フレーム付きＭＥＡは、次いで、流動処理可能材料をフレーム上に射出成形するために、シール金型の中に設置される。

図３は、エラストマーシールビーズをフレーム付きＭＥＡ上に形成するための例示的シール金型３０ａ、３０ｂの断面図を示す。給送スロット３２が、流動処理可能シール材料をフレーム６の貫通孔２４からシール領域３４ａ、３４ｂにリザーバ領域３６ａ、３６ｂおよび湯道領域３８ａ、３８ｂを通して給送するために提供される。ＭＥＡのための結果として生じるシールは、フレームの貫通孔と整列させられるリザーバと、フレームの両側のリザーバに流動的に接続される複数の湯道と、湯道のうちの少なくとも１つに流動的に接続されるエラストマーシールビーズとを含む。エラストマーシールビーズは、図１に示されるように、ＭＥＡおよび／またはマニホールドを包囲する。

前で記載されるように、エラストマーシールをフレーム上に提供するための熱可塑性フレーム上への流動処理可能材料の射出成形は、制御が困難であり、金型内の流動処理可能材料の分散を正確に調整することが困難である。しかしながら、本発明者らは、湯道領域の水力直径がリザーバ領域未満である場合、シール金型におけるリザーバ領域および湯道領域を使用して、流動処理可能材料をフレーム上にフレーム内の貫通孔を通して直接提供することによって、解決策を発見した。方法は、いくつかの利点を有する。

第１に、流動処理可能材料は、流動処理可能材料をＭＥＡおよびマニホールドから間隔を置かれたフレームの領域内のシールフレーム内の貫通孔を通して給送することによって（すなわち、貫通孔は、ＭＥＡまたはマニホールドと接触しない）、１つのステップにおいて、かつ金型の片側のみから、フレームの両側に容易に提供されることができる。これは、流動処理可能材料をフレーム上に提供する２ステップアプローチ（エラストマーシールを２つの別個のステップにおいて積層の各側に射出成形する）の必要性、または単一ステップにおいて、流動処理可能材料を上部および底部金型の両方から提供する必要性を排除する。さらに、流動処理可能材料は、ＭＥＡと接触せず、したがって、シリコーン等の材料を使用する場合、燃料電池動作中に形成される流動性シロキサンに起因する膜劣化が、低減または排除される。加えて、エラストマーシールは、燃料電池組立中にフレームと隣接する流場プレートとの間に設置される別個のエラストマーシールとしてではなく、フレームの両側に直接提供されるので、エラストマーシールを燃料電池の中に設置し、シールをフレームと流場プレートとの間で整列させる別個のステップ、およびそれに関連付けられた難点は、排除される。

第２に、リザーバ領域は、流動処理可能材料の流動が、処理中、貫通孔を通って、フレームの第１および第２の側の湯道の中へより均一であるように、湯道と比較して低流動抵抗を提供するように寸法を決定される。リザーバが、小さすぎる、または存在しない（すなわち、リザーバが使用されない）場合、流動が、フレームの第２の側の湯道よりフレームの第１の側の湯道を通ってはるかに高速に進み、フレームの両側の湯道内に不均一な充填を生じさせるであろうことが可能である。例えば、リザーバは、フレームの片側において約１ミリメートルの直径および約１５０ミクロンの断面高さ（または厚さ）から、約５ミリメートルの直径および約１ミリメートルの断面高さ（または厚さ）に及び得る。加えて、リザーバ直径は、貫通孔直径より大きく、フレーム内の貫通孔とシール金型との間の不整列許容誤差を可能にする。リザーバは、フレームのためのある物理的「係止」特徴を提供し得るが、小サイズのリザーバは、提供され得る物理的「係止」量を限定する。

第３に、流動処理可能材料が提供されるリザーバより小さい水力直径を伴う湯道領域を使用することによって、シールビーズ領域の中へのシリコーン材料のより優れた調整制御を可能にする。なぜなら、湯道の著しい圧力降下が、注入器から上部湯道（湯道２８ａ）およびエラストマーシールビーズ８ａへの流動の抵抗と、注入器から底部湯道（湯道２８ｂ）およびエラストマーシールビーズ８ｂへの流動の抵抗とを等化するからである。

当業者は、湯道およびリザーバが、製造中の流動処理可能材料の改良された制御を提供ように寸法を決定され、したがって、必ずしも、シール機能を隣接する流場プレートに対して提供するように寸法を決定されないことを理解するであろう。湯道およびリザーバは、流場プレートに対してシールしないので、湯道およびリザーバは、ＭＥＡの活性エリアならびにマニホールドを包囲するエラストマーシールビーズより短い。いくつかの実施形態では、湯道およびリザーバは、シールビーズ応力および寿命に影響を及ぼさないように、燃料電池スタック圧縮下、隣接する流場プレートに物理的に接触しない。例えば、湯道は、リザーバおよびシールより断面において短く、典型的には、シールビーズの高さの約半分未満であるが、流動処理可能材料がシール領域に給送される前に湯道内で硬化するほど小さくあるべきではない。例えば、湯道の断面高さは、少なくとも約５０ミクロンであるが、約１．５ミリメートル未満であるべきである。具体的実施形態では、湯道の断面高さは、約５０ミクロン〜約５００ミクロンである。加えて、前述のように、湯道の寸法は、その水力直径がリザーバの水力直径未満となるように構成されるようなものである。さらに、貫通孔も、流動処理可能材料がリザーバ領域の中に注入されるとき、流動分散に影響を及ぼすことを回避するために、湯道が発生させるものと比較して、非常にわずかな流動制限を発生させるように寸法を決定されるべきである。例えば、貫通孔直径は、約２００ミクロン〜４ミリメートルに及び得る。具体的実施形態では、貫通孔直径は、約４００ミクロン〜約２ミリメートルに及び得る。

ＭＥＡおよびマニホールドをシールするために、いくつかの貫通孔が、フレームの非活性部分全体を通して使用され得る。当業者は、ＭＥＡおよびマニホールドの周縁の周囲のシールビーズの経路長ならびに湯道のサイズに依存するであろう、貫通孔の場所および貫通孔の各々におけるリザーバの各々から延びている湯道の数を容易に決定するであろう。２つ以上の湯道が、同一リザーバから延びている場合、湯道は、限定ではないが、シールビーズまでの距離およびシールビーズの体積等、それらが接続されるシールの部分のための所望の流動特性に応じて、互いに異なって寸法を決定され得る。さらに、フレームの両側の湯道は、同一サイズである必要も、整列させられる必要もない。

任意の好適な材料が、フレームおよび流動処理可能シール材料のために使用され得る。例えば、フレームは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリアミド、ポリイミド、ポリウレタン、およびポリエステル等の熱可塑性材料、ならびにフレーム材料として好適であろう当技術分野において公知の他の材料であり得る。フレームは、典型的には、シート、テープ、フィルム、または予備成形物として供給され、厚さ約２５ミクロン〜約３００ミクロンを有し得る。エラストマーシールのための流動処理可能シール材料は、シリコーン、エチレンプロピレンジエンターポリマー（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム、ペルフルオロゴム、クロロプレンゴム、フルオロシリコーンエラストマー、ポリイソブチレン（ＰＩＢ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）、および熱可塑性ゴム（ＴＰＲ）、ならびに流動処理可能シール材料として好適であろう当技術分野において公知の他の材料であり得る。ＭＥＡの周縁を熱可塑性フレームでシールし、次いで、エラストマー材料がＭＥＡから物理的に分離されるように、エラストマーシールビーズをフレーム上に提供することによって、エラストマーシール材料の劣化に関連するＭＥＡ劣化は、実質的に低減させられる。

本明細書で言及され、および／または出願データシートに列挙される、前述の米国特許、米国特許出願公開、米国特許出願、外国特許、外国特許出願、および非特許刊行物は全て、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる。

本発明の特定の要素、実施形態、および用途が、図示および説明されたが、本発明は、修正が、特に、前述の教示に照らして、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、当業者によって成され得るため、それらに限定されないことを理解されたい。

本願はまた、２０１５年２月１２日に出願され、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる、米国仮特許出願第６２／１１５，５４８の利益を主張するものである。

Claims (19)

1. アノードとカソードとの間に配置されているイオノマー電解質を備えている膜電極アセンブリをシールする方法であって、前記方法は、
   フレームを前記膜電極アセンブリの周縁の周囲に提供することによって、フレーム付き膜電極アセンブリを形成することであって、前記フレームは、第１の側と、反対の第２の側とを備えている、ことと、
   貫通孔を前記フレーム内に提供することであって、前記貫通孔は、前記膜電極アセンブリから間隔を置かれている、ことと、
   前記フレーム付き膜電極アセンブリをシール金型の中に設置することであって、前記シール金型は、リザーバ領域と、シールビーズ領域と、前記リザーバ領域を前記シールビーズ領域に流動的に接続する少なくとも１つの湯道領域とを備えている、ことと、
   射出成形用のシール材料を前記シール金型における前記リザーバ領域の中に給送することであって、前記リザーバ領域は、前記フレーム内の貫通孔と整列させられている、ことと、
   前記シール材料を前記フレームの前記第１の側および前記第２の側と相互作用するように前記貫通孔を通して給送することと、
   前記シール材料を前記リザーバ領域から前記少なくとも１つの湯道領域を介して前記シールビーズ領域に給送することによって、リザーバと少なくとも１つの湯道とシールビーズとを前記フレームの前記第１の側に形成することと
   を含み、
   前記リザーバおよび前記少なくとも１つの湯道および前記シールビーズは、前記膜電極アセンブリとは接触しておらず、
   前記少なくとも１つの湯道領域および前記リザーバ領域のそれぞれは、前記膜電極アセンブリを含む平面に垂直な流れ方向における水力直径を有し、前記少なくとも１つの湯道領域の水力直径は、前記リザーバ領域の水力直径より小さく、
   前記リザーバは、前記シール材料の硬化生成物であり、
   前記フレームは、前記膜電極アセンブリの周縁をシールし、前記シールビーズは、前記シールビーズが前記膜電極アセンブリとは接触しないように前記フレーム上に提供される、方法。
2. 前記フレームは、熱可塑性材料を備えている、請求項１に記載の方法。
3. 前記フレームを前記膜電極アセンブリの周縁の周囲に提供することは、複数のフレーム部材を前記膜電極アセンブリの周縁に接合することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 少なくとも１つのマニホールドを前記フレーム付き膜電極アセンブリの周縁上に形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記貫通孔を前記膜電極アセンブリおよび前記少なくとも１つのマニホールドからオフセットさせることをさらに含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記シールビーズは、前記少なくとも１つのマニホールドを包囲する、請求項４に記載の方法。
7. 前記少なくとも１つの湯道および前記リザーバは、前記シールビーズより断面高さにおいて低く、前記断面高さは、前記シール材料の流れ方向に垂直な平面からの高さとして定義されている、請求項１に記載の方法。
8. 前記少なくとも１つの湯道の断面高さは、前記シールビーズの断面高さの半分未満であり、前記断面高さは、前記シール材料の流れ方向に垂直な平面からの高さとして定義されている、請求項１に記載の方法。
9. 少なくとも１つの湯道およびシールビーズを前記フレームの前記反対の第２の側に形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記フレームの前記反対の第２の側の前記少なくとも１つの湯道および前記シールビーズは、前記フレームの前記第１の側の前記少なくとも１つの湯道および前記シールビーズと同時に形成される、請求項９に記載の方法。
11. 前記シール材料を硬化させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
12. 請求項１に記載の方法によって作製される燃料電池のためのシールされた膜電極アセンブリ。
13. 燃料電池のためのシールされた膜電極アセンブリであって、前記シールされた膜電極アセンブリは、
    フレーム付き膜電極アセンブリを形成するために膜電極アセンブリの周縁の周囲に提供されているフレームであって、前記フレームは、第１の側と、反対の第２の側とを備えている、フレームと、
    前記フレーム内の貫通孔であって、前記貫通孔は、前記膜電極アセンブリから間隔を置かれている、貫通孔と、
    前記貫通孔におけるリザーバであって、前記リザーバは、前記フレームの前記第１の側から前記反対の第２の側まで延びている、リザーバと、
    前記フレームの前記第１の側の少なくとも１つの湯道およびシールビーズであって、前記少なくとも１つの湯道および前記シールビーズは、射出成形用のシール材料から作製されている、少なくとも１つの湯道およびシールビーズと
    を備え、
    前記リザーバおよび前記少なくとも１つの湯道および前記シールビーズは、前記膜電極アセンブリとは接触しておらず、
    前記少なくとも１つの湯道および前記リザーバのそれぞれは、前記膜電極アセンブリを含む平面に垂直な流れ方向における水力直径を有し、前記少なくとも１つの湯道の水力直径は、前記リザーバの水力直径より小さく、
    前記リザーバは、前記シール材料の硬化生成物であり、
    前記フレームは、前記膜電極アセンブリの周縁をシールし、前記シールビーズは、前記シールビーズが前記膜電極アセンブリとは接触しないように前記フレーム上に提供される、シールされた膜電極アセンブリ。
14. 前記フレームは、熱可塑性材料を備えている、請求項１３に記載のシールされた膜電極アセンブリ。
15. 前記少なくとも１つの湯道および前記リザーバは、前記シールビーズより断面高さにおいて低く、前記断面高さは、前記シール材料の流れ方向に垂直な平面からの高さとして定義されている、請求項１３に記載のシールされた膜電極アセンブリ。
16. 前記少なくとも１つの湯道の断面高さは、前記シールビーズの断面高さの半分未満であり、前記断面高さは、前記シール材料の流れ方向に垂直な平面からの高さとして定義されている、請求項１３に記載のシールされた膜電極アセンブリ。
17. 少なくとも１つのマニホールドを前記膜電極アセンブリの周縁上のフレーム内にさらに備え、前記シールビーズは、前記少なくとも１つのマニホールドを包囲する、請求項１３に記載のシールされた膜電極アセンブリ。
18. 前記貫通孔は、膜電極アセンブリおよび前記少なくとも１つのマニホールドからオフセットされている、請求項１７に記載のシールされた膜電極アセンブリ。
19. 少なくとも１つの湯道およびシールビーズを前記フレームの前記反対の第２の側にさらに備えている、請求項１３に記載のシールされた膜電極アセンブリ。

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