特表 2024-539690 膜－電極－ユニットと、拡散層と、分配器プレートと、を備える電気化学セル、および電気化学セルを製造する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-10-29

(54)【発明の名称】膜－電極－ユニットと、拡散層と、分配器プレートと、を備える電気化学セル、および電気化学セルを製造する方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0273 20160101AFI20241022BHJP

   H01M 8/10 20160101ALI20241022BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0273

H01M8/10 101

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024524673

(86)(22)【出願日】2022-10-13

(85)【翻訳文提出日】2024-06-18

(86)【国際出願番号】 EP2022078476

(87)【国際公開番号】W WO2023078653

(87)【国際公開日】2023-05-11

(31)【優先権主張番号】102021212400.3

(32)【優先日】2021-11-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】591245473

【氏名又は名称】ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100177839

【弁理士】

【氏名又は名称】大場 玲児

(74)【代理人】

【識別番号】100172340

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 始

(74)【代理人】

【識別番号】100182626

【弁理士】

【氏名又は名称】八島 剛

(72)【発明者】

【氏名】リングク，アンドレアス

(72)【発明者】

【氏名】リンゲル，アントン

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA15

5H126BB06

5H126FF04

5H126FF05

5H126FF07

5H126HH01

5H126HH02

(57)【要約】

本発明は、膜－電極－ユニット（１）と、拡散層（５）と、分配器プレート（７，２０）と、を備える電気化学セル（１００）に関する。膜－電極－ユニット（１）は、フレーム構造（１６）を有し、フレーム構造（１６）は、フィルム（１６１）を有し、フィルム（１６１）は、接着手段（１６３）により膜（２）に接着されている。拡散層（５）と、分配器プレート（７，２０）とは、部分的にフィルム（１６１）に当接している。フィルム（１６１）は、少なくとも１つの第１の空所（１６１ａ）と、少なくとも１つの第２の空所（１６１ｂ）と、を有している。接着手段（１６３）は、両空所（１６１ａ，１６１ｂ）内に配置されており、その結果、第１の空所（１６１ａ）を介して、その上に位置する拡散層（５，６）との結合を形成し、かつ第２の空所（１６１ｂ）を介して、その上に位置する分配器プレート（７，８，２０）との結合を形成する。
【選択図】 図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

膜－電極－ユニット（１）と、拡散層（５）と、分配器プレート（７，２０）と、を備える電気化学セル（１００）であって、前記膜－電極－ユニット（１）は、フレーム構造（１６）を有し、前記フレーム構造（１６）は、フィルム（１６１）を有し、前記フィルム（１６１）は、接着手段（１６３）により膜（２）に接着されており、前記拡散層（５）と、前記分配器プレート（７，２０）とは、部分的に前記フィルム（１６１）に当接している、
電気化学セル（１００）において、
前記フィルム（１６１）は、少なくとも１つの第１の空所（１６１ａ）と、少なくとも１つの第２の空所（１６１ｂ）と、を有し、前記接着手段（１６３）は、両前記空所（１６１ａ，１６１ｂ）内に配置されており、その結果、前記第１の空所（１６１ａ）を介して、その上に位置する前記拡散層（５，６）との結合を形成し、かつ前記第２の空所（１６１ｂ）を介して、その上に位置する前記分配器プレート（７，８，２０）との結合を形成する、
ことを特徴とする、膜－電極－ユニット（１）と、拡散層（５）と、分配器プレート（７，２０）と、を備える電気化学セル（１００）。

【請求項2】

前記フレーム構造（１６）は、別のフィルムを有し、前記フィルム（１６１）は、前記別のフィルム（１６２）に前記接着手段（１６３）により結合されていることを特徴とする、請求項１に記載の電気化学セル（１００）。

【請求項3】

前記フレーム構造（１６）は、別のフィルムを有し、前記フィルム（１６１）は、前記別のフィルム（１６２）に前記接着手段（１６３）により結合されており、前記別のフィルム（１６２）は、少なくとも１つの第３の空所（１６２ａ）を有し、前記接着手段（１６３）は、前記第３の空所（１６２ａ）内に配置されており、その結果、前記第３の空所（１６２ａ）を介して、その上に位置する別の拡散層（６）との結合を形成することを特徴とする、請求項１に記載の電気化学セル（１００）。

【請求項4】

積層方向（ｚ）で見て、前記第１の空所（１６１ａ）は、前記第３の空所（１６２ａ）に対して側方のオフセット（ａ）を有することを特徴とする、請求項２に記載の電気化学セル（１００）。

【請求項5】

前記第２の空所（１６１ｂ）は、残余領域（２４）内に形成されており、前記残余領域（２４）において、前記分配器プレート（７，８，２０）は、前記拡散層（５，６）を越えて突出していることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の電気化学セル（１００）。

【請求項6】

電気化学セル（１００）を製造する方法であって、前記電気化学セル（１００）は、膜－電極－アッセンブリ（１）と、拡散層（５）と、分配器プレート（７，２０）と、を有し、前記膜－電極－ユニット（１）は、フレーム構造（１６）を有し、前記フレーム構造（１６）は、フィルム（１６１）を有し、前記フィルム（１６１）は、接着手段（１６３）により膜（２）に接着されており、前記フィルム（１６１）は、少なくとも１つの第１の空所（１６１ａ）と、少なくとも１つの第２の空所（１６１ｂ）と、を有する、
方法において、次の各ステップ、すなわち、
前記拡散層（５）を前記フレーム構造（１６）上に載置し、その結果、前記第１の空所（１６１ａ）を有する前記フィルム（１６１）は、前記拡散層（５）に当接しているステップと、
前記接着手段（１６３）を前記第１の空所（１６１ａ）の領域においてホットスタンプ（３０）により溶融させ、前記第１の空所（１６１ａ）に押し込むことで、前記フレーム構造（１６）を前記拡散層（５）に結合するステップと、
前記フレーム構造（１６）を前記分配器プレート（７，２０）上に載置し、その結果、前記第２の空所（１６１ｂ）を有する前記フィルム（１６１）は、前記分配器プレート（７，２０）に当接しているステップと、
前記接着手段（１６３）を前記第２の空所（１６１ｂ）の領域においてホットスタンプ（３０）により溶融させ、前記第２の空所（１６１ｂ）に押し込むことで、前記フレーム構造（１６）を前記分配器プレート（７，２０）に結合するステップと、
を備える、電気化学セル（１００）を製造する方法。

【請求項7】

前記接着手段（１６３）は、ＵＶ接着剤であり、その結果、前記ＵＶ接着剤は、ＵＶ源により硬化されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、膜－電極－ユニットと、拡散層と、分配器プレートと、を備える電気化学セル、特に燃料電池に関する。さらに本発明は、このような電気化学セルを製造する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池は、例えば水素および酸素が、水、電気的なエネルギおよび熱に変換される電気化学的なエネルギコンバータである。燃料電池あるいは燃料電池積層体は、複数のパーツからなるセルから構成されており、セルは、交互に重ねて配置される膜－電極－ユニットとバイポーラプレートとを有している。この場合、バイポーラプレートは、電極に反応物を供給し、かつ燃料電池積層体を冷却するために用いられる。バイポーラプレートは、このために分配器構造を有し、分配器構造は、反応物を含む流体を電極に沿って案内する。通常、バイポーラプレートは、この場合、２つの分配器プレートからなっている。さらに分配器構造は、冷却流体を別の分配器構造に沿ってあるいはバイポーラプレート内で案内するために用いられる。分配器構造は、通常、複数の流路として形成されており、これにより、異なる流体を導くことができる。

【0003】

１つの特殊な燃料電池タイプは、高分子電解質膜型燃料電池（ＰＥＭ－ＦＣ）である。ＰＥＭ－ＦＣの活性の領域において、高分子電解質膜（ＰＥＭ）に対して、触媒層を有する２つの多孔質の電極が境界を接している。さらにＰＥＭ－ＦＣは、この活性の領域にガス拡散層（ＧＤＬ）を備え、ガス拡散層（ＧＤＬ）は、高分子電解質膜（ＰＥＭ）と、触媒層を有する２つの多孔質の電極とを両側で画定している。ＰＥＭ、触媒層を有する両電極、および任意選択的には両ＧＤＬも、いわゆる膜－電極－ユニット（ＭＥＡ）をＰＥＭ－ＦＣの活性の領域内に形成し得る。対向する２つのバイポーラプレート（バイポーラプレート半部）は、他方、両側でＭＥＡを画定している。燃料電池積層体は、交互に重ねて配置されるＭＥＡとバイポーラプレートとから構成されている。バイポーラプレートのアノードプレートにより、燃料、特に水素の分配が行われ、バイポーラプレートのカソードプレートにより、酸化剤、特に空気／酸素の分配が行われる。隣接するバイポーラプレートを電気的に絶縁するために、ＭＥＡを形状安定化するために、かつ燃料あるいは酸化剤の意図しない漏出を防止するために、ＭＥＡは、互いに接して配置される２つのフィルムのフレーム状の開口内で囲繞され得る。通常、このフレーム構造の両フィルムは、同じ素材、例えばポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）から形成されている。同じ素材から形成される両フィルムは、冗長で省略可能な特性、例えば、両フィルムの各々の電気的な絶縁能力（電気絶縁性）および／または酸素密封性を有していることがある。

【0004】

特許文献１において、燃料電池であって、２つのバイポーラプレートを備え、バイポーラプレート間には、膜－電極－ユニットが配置され、膜－電極－ユニットとバイポーラプレートとの間には、それぞれ１つの拡散層が配置されている燃料電池が公知である。膜－電極－ユニットは、この場合、キャリアフレームあるいはフレーム構造に配置されている。膜－電極－ユニットとフレーム構造との間には、超音波溶接結合が形成されており、超音波溶接結合を介して、膜－電極－ユニットは、フレーム構造に結合されている。

【0005】

この従来技術において、フレーム構造が直接、超音波溶接結合を介してバイポーラプレートに結合されていることも、同じく公知である。同じく、超音波溶接結合の代わりに、レーザにより形成される溶接結合が使用されてもよい。この方法は、確かに、付加的な材料が必要とされないという利点を有するものの、粗面の表面が必要である。

【0006】

特許文献２において、燃料電池用の膜－電極－ユニットであって、アノード電極と、カソード電極と、その間に配置される膜と、からなる層アッセンブリを含み、層アッセンブリの上面および下面にポリマー材料が被着される膜－電極－ユニットが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】独国特許出願公開第１０２００５０５８３７０号明細書

【特許文献2】独国特許出願公開第１０１４０６８４号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明の課題は、フレーム構造を省材料に簡単かつ経済的に拡散層と分配器プレートとに結合し得る、フレーム構造を拡散層と分配器プレートあるいはバイポーラプレートとに取り付ける方法を提供することにある。本発明は、相応の電気化学セルも包含すべきである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

このために電気化学セルは、膜－電極－ユニットと、拡散層と、分配器プレートと、を備えている。膜－電極－ユニットは、フレーム構造を有し、フレーム構造は、フィルムを有し、フィルムは、接着手段により膜に接着されている。拡散層と、分配器プレートとは、部分的にフィルムに当接している。フィルムは、少なくとも１つの第１の空所と、少なくとも１つの第２の空所と、を有している。接着手段は、両空所内に配置されており、その結果、第１の空所を介して、その上に位置する拡散層との結合を形成し、かつ第２の空所を介して、その上に位置する分配器プレートとの結合を形成する。

【0010】

膜－電極－ユニットは、好ましくは、面状の膜、特に高分子電解質膜（ＰＥＭ）を有している。膜－電極－ユニットは、さらに、それぞれ１つの触媒ペーストを有する２つの好ましくは多孔質の電極層を有し、電極層は、膜に配置されており、膜を両側で画定している。これを特にＭＥＡ－３と称呼することがある。付加的に膜－電極－ユニットは、２つの拡散層を有していてもよい。これらの拡散層は、特にＭＥＡ－３を両側で画定し得る。これを特にＭＥＡ－５と称呼することがある。

【0011】

本発明は、この種の電気化学セルを製造する方法も包含する。本方法は、この場合、次の方法ステップを備える。すなわち、
拡散層をフレーム構造上に載置し、その結果、第１の空所を有するフィルムは、拡散層に当接している方法ステップと、
接着手段を第１の空所の領域においてホットスタンプにより溶融させ、第１の空所に押し込むことで、フレーム構造を拡散層に結合する方法ステップと、
フレーム構造を分配器プレート上に載置し、その結果、第２の空所を有するフィルムは、分配器プレートに当接している方法ステップと、
接着手段を第２の空所の領域においてホットスタンプにより溶融させ、第２の空所に押し込むことで、フレーム構造を分配器プレートに結合する方法ステップと、
を備えている。

【0012】

これらの方法ステップのために、この場合、１つまたは複数のホットスタンプが使用可能である。本発明の意味での空所とは、特に、フィルムを貫く貫通部であって、分配器プレートあるいは拡散層との接着手段の結合を可能にする貫通部と解される。この結合は、好ましくは、簡単に実施可能なホットスタンプステップにより達成される。付加的に空所の領域内にのみ接着手段が設けられれば済む。これにより、フレーム構造を拡散層とバイポーラプレートとに取り付けるために必要とされる接着手段は、僅かである。これに応じて、必要とされる付加的な材料は、僅かにすぎない。加えて、このような方法は、これにより簡単かつ経済的に実施可能である。電気化学セルのこれにより生じた構成群は、最良に、複数の電気化学セルを積層して１つのセル積層体とするプロセスに好適である。

【0013】

電気化学セルの有利な一構成において、電気化学セルのフレーム構造は、別のフィルムを有している。上記フィルムは、上記別のフィルムに接着手段により結合されている。これにより、接着手段は、両フィルムの結合のためにも使用され、つまり、いずれにしても存在しているものである。これにより、接着手段を被着するための付加的なステップは、必要とされず、存在している接着手段が、溶融されるだけで済み、これにより、その後、拡散層および分配器プレートもフレーム構造に結合することが可能である。

【0014】

上記別のフィルムは、有利には、少なくとも１つの第３の空所を有し、接着手段は、第３の空所内に配置されており、その結果、第３の空所を介して、その上に位置する別の拡散層との結合を形成する。

【0015】

両フィルムは、つまり、接着手段により互いに結合される／結合されている。空所を通して、この領域内には、同じ接着手段が配置されている。この接着手段を介して、フレーム構造は、両拡散層と分配器プレートとに結合される。接着手段は、両フィルムを結合するために、いずれにしても被着されるので、フレーム構造を拡散層と分配器プレートとに結合するための付加的な材料は、必要とされない。これにより、このような方法は、簡単かつ経済的に実施され得る。

【0016】

有利な発展形において、第１の空所は、積層方向で見て、第３の空所に対して側方のオフセットを有している。これにより、第１および第３の空所内の接着手段は、重ねてホットスタンプされる必要がない。さらに、これにより十分に接着手段が、第１の空所のためにも、第３の空所のためにも存在している。それというのも、空所に、こうして接着手段が、それぞれ異なる領域から充填されるからである。

【0017】

好ましくは、第２の空所は、残余領域内に形成されており、残余領域において、分配器プレートは、拡散層を越えて突出している。これにより、拡散層と、分配器プレートとは、いわば相並んでフレーム構造に取り付けられ得る。

【0018】

本発明の別の好ましい一構成において、接着手段は、ＵＶ接着剤であり、その結果、ＵＶ接着剤は、ＵＶ源により硬化される。好ましくは、この場合、少なくともフィルムは、ＵＶ光透過性であり、その結果、接着手段は、ＵＶ源により硬化され得る。この方法ステップにより、フレーム構造は、拡散層に、あるいは分配器プレートに、決められた時点で結合されることができ、その結果、引き続き、位置の修正が可能である。加えて、ＵＶ光を介した硬化は、簡単な、かつコントロールされた取り付けを可能にする。

【0019】

好ましくは、接着手段は、ホットメルト接着剤であり、その結果、フィルムは、ラミネートプロセスにより互いに結合される。ホットメルト接着剤は、この場合、熱が作用すると、粘着状態へ移行する接着手段である。このような方法ステップにより、両フィルムを加熱、例えばホットスタンプを介して簡単に互いに結合することが可能である。ラミネートプロセスにおいて、両フィルムは、好ましくは、１００～２００℃の温度および０．５～５ＭＰａの圧力で結合される。同じことは、フレーム構造の、拡散層および分配器プレートとの結合にも当てはまる。

【0020】

電気化学セルは、例えば燃料電池、電解セルまたはバッテリセルであってもよい。燃料電池は、特にＰＥＭ－ＦＣ（高分子電解質膜型燃料電池）である。セル積層体は、特に重ねて配置される多数の電気化学セルを有している。

【0021】

本発明の実施例を図面に示し、以下の説明の中で詳しく説明する。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】主たる領域のみを示してある概略的な電気化学セルの断面図である。

【図2】主たる領域のみを示してある膜－電極－アッセンブリの鉛直断面図である。

【図3】主たる領域のみを示してある別の膜－電極－アッセンブリの鉛直断面図である。

【図4】主たる領域のみを示してある本発明による膜－電極－アッセンブリの鉛直断面図である。

【図5】電気化学セルの製造のための概略的なプロセスフローの斜視分解立体図である。

【図6】１つのフレーム構造を１つのバイポーラプレート上にホットスタンプにより取り付ける例示的な方法ステップを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

図１は、概略的に、従来技術において公知の、燃料電池の形態の電気化学セル１００を示しており、本図には、主たる領域のみを示してある。燃料電池１００は、膜２、特に高分子電解質膜を備えている。膜２の一方の側には、カソード室１００ａが形成されており、他方の側には、アノード室１００ｂが形成されている。

【0024】

カソード室１００ａ内には、膜２から外側に向かって、つまり、法線方向あるいは積層方向ｚで、電極層３と、拡散層５と、分配器プレート７と、が配置されている。同様に、アノード室１００ｂ内には、膜２から外側に向かって、電極層４と、拡散層６と、分配器プレート８と、が配置されている。膜２と、両電極層３，４とは、膜－電極－アッセンブリ１を形成している。さらに両拡散層５，６も、膜－電極－アッセンブリ１の構成部分である。

【0025】

分配器プレート７，８は、ガス供給用の、例えば、カソード室１００ａ内では、空気の、そしてアノード室１００ｂ内では、水素の、拡散層５，６への供給用の流路１１を有している。拡散層５，６は、典型的には、流路側で、つまり、分配器プレート７，８に向かって、炭素繊維不織布からなり、電極側で、つまり、電極層３，４に向かって、微細多孔質の粒子層からなっている。

【0026】

分配器プレート７，８は、流路１１を有し、これにより暗に、流路１１に対して境界を接している土手１２も有していることを示唆している。これらの土手１２の下面は、したがって、それぞれの分配器プレート７，８の、その下に位置する拡散層５，６に対する接触面１３を形成している。

【0027】

通常、カソード側の分配器プレート７と、アノード側の分配器プレート８とは、互いに区別される。有利には、１つの電気化学セル１００の、カソード側の分配器プレート７と、この電気化学セル１００に隣接する電気化学セルの、アノード側の分配器プレート８とは、堅固に結合、例えば溶接結合により結合され、ひいては、１つのバイポーラプレートにまとめられている。

【0028】

図２は、電気化学セル１００、特に燃料電池の膜－電極－アッセンブリ１の縁部領域における鉛直断面図を示しており、本図には、主たる領域のみを示してある。膜－電極－アッセンブリ１は、面状の膜２、例示的には高分子電解質膜（ＰＥＭ）と、それぞれ１つの触媒層を有する２つの多孔質の電極層３あるいは４と、を有し、電極層３あるいは４は、膜２のそれぞれ一方の側あるいは面に配置されている。さらに電気化学セル１００は、両拡散層５あるいは６を備え、両拡散層５あるいは６は、構成によっては、膜－電極－アッセンブリ１に属していてもよい。

【0029】

膜－電極－アッセンブリ１は、膜－電極－アッセンブリ１の周囲において、フレーム構造１６（ここではサブガスケットとも称呼される）により包囲されている。フレーム構造１６は、膜－電極－アッセンブリ１の剛性および密封性に寄与し、電気化学セル１００の非活性の領域である。

【0030】

フレーム構造１６は、特に断面Ｕ字形あるいは断面Ｙ字形に形成されており、このとき、Ｕ字形のフレームセクションの第１の脚片は、第１の素材Ｗ１からなるフィルム１６１により形成されており、かつＵ字形のフレームセクションの第２の脚片は、第２の素材Ｗ２からなる別のフィルム１６２により形成されている。付加的に、フィルム１６１と、別のフィルム１６２とは、第３の素材Ｗ３からなる接着手段１６３により貼り合わされている。多くの場合、第１の素材Ｗ１と、第２の素材Ｗ２とは、同一であり、熱可塑性のポリマー、例えばＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）から構成されている。

【0031】

両拡散層５あるいは６は、いわばフレーム構造１６内に、通常は、両拡散層５あるいは６が、膜－電極－アッセンブリ１の活性の面２１を介して、それぞれ１つの電極層３，４に接触しているように収容されている。電極層３，４は、それぞれ１つの触媒ペースト３１，４１を有し、触媒ペースト３１，４１内には、触媒、通常は触媒粒子が埋め込まれている。

【0032】

電極層３，４は、フレーム構造１６により覆われているとき、膜－電極－アッセンブリ１の非活性の縁部領域２２である。この非活性の縁部領域２２において、反応流体は、電極層３，４あるいは触媒ペースト３１，４１内に埋め込まれた触媒に到達しない。これにより、縁部領域２２において、化学反応は、行われず、電気化学セル１００の電流密度は、ここでは、つまり、活性の面２１に対して相対的に極めて強く降下する、あるいはそれどころかゼロである。

【0033】

図３は、電気化学セル１００の別の膜－電極－アッセンブリ１の鉛直断面図を示しており、本図には、主たる領域のみを示してある。図３の構成は、図２の構成に類似しているが、今回は、両拡散層５，６は、フレーム構造１６にオーバラップしている。これにより拡散層５，６は、縁部領域２２に突入し、こうしてオーバラップ領域２３を規定している。オーバラップ領域２３内には、内側から外側に、膜－電極－アッセンブリ１の以下のコンポーネントが配置されている：
－膜２、
－触媒ペースト３１，４１を有する電極層３，４、
－接着手段１６３、
－フィルム１６１あるいは別のフィルム１６２、
－拡散層５，６。

【0034】

図４は、本発明による膜－電極－ユニット１の鉛直断面図を示しており、本図には、主たる領域のみを示してある。図３の実施例におけるように、図４の実施例においても、拡散層５，６は、フレーム構造１６にオーバラップしており、その結果、オーバラップ領域２３が生じる。

【0035】

オーバラップ領域２３において、さて、フィルム１６１は、第１の空所１６１ａを有し、かつ別のフィルム１６２は、第３の空所１６２ａを有し、接着手段１６３は、第１の空所１６１ａおよび第３の空所１６２ａを通過し、こうして、その上に位置する拡散層５，６との接着結合を行う。

【0036】

縁部領域２３において、分配器プレート７，８は、それぞれ、その下に位置する拡散層５，６を越えて突出している。分配器プレート７，８は、つまり、オーバラップ領域２３を越えて突出している。こうして生じる残余領域２４において、少なくとも、組み立てられたセル積層体の締め付け力の下、分配器プレート７，８は、その下に位置するフレーム構造１６と接触し得る。残余領域２４において、さて、フィルム１６１は、第２の空所１６１ｂを有し、かつ別のフィルム１６２は、第４の空所１６２ｂを有し、接着手段１６３は、第２の空所１６１ｂおよび第４の空所１６２ｂを通過し、こうして、その上に位置する分配器プレート７，８との接着結合を行う。

【0037】

好ましくは、カソード側の分配器プレート７と、隣接する電気化学セル１００のアノード側の分配器プレート８とは、結合されて、特に好ましくは、溶接結合により結合されて、１つのバイポーラプレートを形成している。

【0038】

接着手段１６３は、つまり、膜２および両電極層３，４をフレーム構造１６に結合するだけではなく、これにより生じた膜－電極－ユニット１を拡散層５，６と分配器プレート７，８とに、あるいは１つまたは２つのバイポーラプレート２０にも結合する。

【0039】

有利な構成において、第１の空所１６１ａと、第３の空所１６２ａとは、積層方向ｚで見てオフセットａを有している。このことは、特に、接着がホットスタンプにより実施される場合、有利である。それというのも、こうして、個々の空所１６１ａ，１６２ａに十分に接着手段１６３が存在し、接着手段１６３が、液状化した状態で空所１６１ａ，１６２ａを通して流れ、その上に位置する拡散層５，６との結合を行い得るからである。

【0040】

図５は、斜視分解立体図で概略的に、１つの膜－電極－ユニット１と、１つのバイポーラプレート２０と、を備える１つの電気化学セル１００を製造するためのプロセスフローを示している。

【0041】

図５ａは、膜２と、両電極層３，４と、フレーム構造１６と、を有する膜－電極－ユニット１の構造を示しており、フレーム構造１６は、他方、フィルム１６１と、別のフィルム１６２と、その間に配置される接着手段１６３と、を有している。接着手段１６３は、この場合、初期状態で例えばまず両フィルム１６１，１６２上に被着されていてもよい。

【0042】

図５ａの構成では、フィルム１６１は、４つの第１の空所１６１ａと、４つの第２の空所１６１ｂと、を有している。別のフィルム１６２は、４つの第３の空所１６２ａのみを有している。それというのも、１つの膜－電極－アッセンブリ１と、１つのバイポーラプレート２０と、を備える１つの電気化学セル１００が製造されるべきであるからである。

【0043】

図５ｂは、この膜－電極－アッセンブリ１の、両拡散層５，６との結合を示している。この結合は、この場合、好ましくは、ホットスタンプにより実施され、接着手段１６３は、第１の空所１６１ａおよび第３の空所１６２ａの領域において溶融され、これらの空所１６１ａ，１６２ａを通して流れ、あるいは押され、その後、その上に位置する拡散層５，６に接着される。

【0044】

図５ｃは、この膜－電極－アッセンブリ１と、バイポーラプレート２０と、からなる電気化学セル１００の接合を示している。膜－電極－アッセンブリ１は、このために、膜２の両側に、それぞれ１つの拡散層５，６を有している。このバイポーラプレート２０の、膜－電極－アッセンブリ１との結合は、この場合、好ましくは、ホットスタンプにより実施され、接着手段１６３は、第２の空所１６１ｂの領域において溶融され、これらの空所１６１ｂを通して流れ、あるいは押され、その後、その上に位置するバイポーラプレート２０あるいは分配器プレートに接着される。

【0045】

図６は、例示的に、フレーム構造１６をバイポーラプレート２０上にホットスタンプ３０により取り付ける方法ステップを示している。本構成では、フレーム構造１６は、バイポーラプレート２０に、膜２および電極層３，４がもはや存在していない領域において結合される。本図には、第４の空所１６２ｂの領域を通る断面図を示してある。接着手段１６３は、膜－電極－ユニット１をバイポーラプレート２０に、つまり第２のフィルム１６２において結合することが望ましい。このことは、膜－電極－ユニット１をバイポーラプレート２０に第１のフィルム１６１において結合するのといわば同一の構成である。

【0046】

部分図６ａは、この場合、第１および第２のフィルム１６１，１６２間に接着手段１６３が配置されており、接着手段１６３を介して両フィルム１６１，１６２が互いに結合されることを示している。本実施例において、接着手段１６３は、ホットメルト接着剤であり、ホットメルト接着剤を介して、両フィルム１６１，１６２は、ラミネートプロセスにより互いに結合される。空所１６２ｂに基づき、この領域では、両フィルム１６１，１６２の結合は生じない。部分図６ａは、膜－電極－ユニット１がバイポーラプレート２０上に載置される前のステップを示している。

【0047】

部分図６ｂには、ホットスタンプ３０によりスタンピングステップが実施されるステップを示してある。このステップにおいて、別のフィルム１６２は、直接、バイポーラプレート２０に当接している。ホットスタンプ３０は、その際、空所１６２ｂの領域に位置決めされており、スタンピング力をフィルム１６１に印加し、熱エネルギをこの領域において接着手段１６３に導入する。加熱された接着手段１６３は、こうしてバイポーラプレート２０と接触させられる。ホットスタンプ３０は、つまり昇温されており、その結果、フィルム１６１は、ホットメルト接着剤として形成される接着手段１６３を介して、バイポーラプレート２０に結合される。

【0048】

スタンピングステップにより、これにより、スタンピングされた接着点１６４が形成され、接着点１６４は、実質的に、空所１６２ｂの形状と、ホットスタンプ３０の形状とにより決定されている。部分図６ｃは、ホットスタンプ３０が除去された後の、膜－電極－アッセンブリ１の対応する部分を示している。ここには、スタンピングを行うホットスタンプ３０により、凹部２８が、第１のフィルム１６１内に形成されたことが看取可能である。この凹部２８は、第２のフィルム１６２の空所１６２ｂ内まで到達している。これにより、両フィルム１６１，１６２間の機械的な結合が、さらに改善される。

【符号の説明】

【0049】

１ 膜－電極－アッセンブリ、膜－電極－ユニット
２ 膜
３ 電極層
４ 電極層
５ 拡散層
６ 拡散層
７ 分配器プレート
８ 分配器プレート
１１ 流路
１２ 土手
１３ 接触面
１６ フレーム構造、サブガスケット
２０ バイポーラプレート
２１ 活性の面
２２ 非活性の縁部領域
２３ オーバラップ領域
２４ 残余領域
２８ 凹部
３０ ホットスタンプ
３１ 触媒ペースト
４１ 触媒ペースト
１００ 電気化学セル
１００ａ カソード室
１００ｂ アノード室
１６１ フィルム
１６１ａ 第１の空所
１６１ｂ 第２の空所
１６２ 別のフィルム
１６２ａ 第３の空所
１６２ｂ 第４の空所
１６３ 接着手段
１６４ 接着点
ａ オフセット
Ｗ１ 第１の素材
Ｗ２ 第２の素材
Ｗ３ 第３の素材
ｚ 法線方向、積層方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【手続補正書】

【提出日】2024-06-18

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

膜－電極－ユニット（１）と、拡散層（５）と、分配器プレート（７，２０）と、を備える電気化学セル（１００）であって、前記膜－電極－ユニット（１）は、フレーム構造（１６）を有し、前記フレーム構造（１６）は、フィルム（１６１）を有し、前記フィルム（１６１）は、接着手段（１６３）により膜（２）に接着されており、前記拡散層（５）と、前記分配器プレート（７，２０）とは、部分的に前記フィルム（１６１）に当接している、
電気化学セル（１００）において、
前記フィルム（１６１）は、少なくとも１つの第１の空所（１６１ａ）と、少なくとも１つの第２の空所（１６１ｂ）と、を有し、前記接着手段（１６３）は、両前記空所（１６１ａ，１６１ｂ）内に配置されており、その結果、前記第１の空所（１６１ａ）を介して、その上に位置する前記拡散層（５，６）との結合を形成し、かつ前記第２の空所（１６１ｂ）を介して、その上に位置する前記分配器プレート（７，８，２０）との結合を形成する、
ことを特徴とする、膜－電極－ユニット（１）と、拡散層（５）と、分配器プレート（７，２０）と、を備える電気化学セル（１００）。

【請求項2】

前記フレーム構造（１６）は、別のフィルムを有し、前記フィルム（１６１）は、前記別のフィルム（１６２）に前記接着手段（１６３）により結合されていることを特徴とする、請求項１に記載の電気化学セル（１００）。

【請求項3】

前記フレーム構造（１６）は、別のフィルムを有し、前記フィルム（１６１）は、前記別のフィルム（１６２）に前記接着手段（１６３）により結合されており、前記別のフィルム（１６２）は、少なくとも１つの第３の空所（１６２ａ）を有し、前記接着手段（１６３）は、前記第３の空所（１６２ａ）内に配置されており、その結果、前記第３の空所（１６２ａ）を介して、その上に位置する別の拡散層（６）との結合を形成することを特徴とする、請求項１に記載の電気化学セル（１００）。

【請求項4】

積層方向（ｚ）で見て、前記第１の空所（１６１ａ）は、前記第３の空所（１６２ａ）に対して側方のオフセット（ａ）を有することを特徴とする、請求項３に記載の電気化学セル（１００）。

【請求項5】

前記第２の空所（１６１ｂ）は、残余領域（２４）内に形成されており、前記残余領域（２４）において、前記分配器プレート（７，８，２０）は、前記拡散層（５，６）を越えて突出していることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の電気化学セル（１００）。

【請求項6】

電気化学セル（１００）を製造する方法であって、前記電気化学セル（１００）は、膜－電極－アッセンブリ（１）と、拡散層（５）と、分配器プレート（７，２０）と、を有し、前記膜－電極－ユニット（１）は、フレーム構造（１６）を有し、前記フレーム構造（１６）は、フィルム（１６１）を有し、前記フィルム（１６１）は、接着手段（１６３）により膜（２）に接着されており、前記フィルム（１６１）は、少なくとも１つの第１の空所（１６１ａ）と、少なくとも１つの第２の空所（１６１ｂ）と、を有する、
方法において、次の各ステップ、すなわち、
前記拡散層（５）を前記フレーム構造（１６）上に載置し、その結果、前記第１の空所（１６１ａ）を有する前記フィルム（１６１）は、前記拡散層（５）に当接しているステップと、
前記接着手段（１６３）を前記第１の空所（１６１ａ）の領域においてホットスタンプ（３０）により溶融させ、前記第１の空所（１６１ａ）に押し込むことで、前記フレーム構造（１６）を前記拡散層（５）に結合するステップと、
前記フレーム構造（１６）を前記分配器プレート（７，２０）上に載置し、その結果、前記第２の空所（１６１ｂ）を有する前記フィルム（１６１）は、前記分配器プレート（７，２０）に当接しているステップと、
前記接着手段（１６３）を前記第２の空所（１６１ｂ）の領域においてホットスタンプ（３０）により溶融させ、前記第２の空所（１６１ｂ）に押し込むことで、前記フレーム構造（１６）を前記分配器プレート（７，２０）に結合するステップと、
を備える、電気化学セル（１００）を製造する方法。

【請求項7】

前記接着手段（１６３）は、ＵＶ接着剤であり、その結果、前記ＵＶ接着剤は、ＵＶ源により硬化されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。

【国際調査報告】