特表 2024-546480 シールされたフレームを備えたメンブレイン－電極ユニット

(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】2024-12-24

(54)【発明の名称】シールされたフレームを備えたメンブレイン－電極ユニット

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0271 20160101AFI20241217BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20241217BHJP

   C25B 13/02 20060101ALI20241217BHJP

   C25B 13/04 20210101ALI20241217BHJP

   C25B 13/08 20060101ALI20241217BHJP

   H01M 8/0273 20160101ALI20241217BHJP

   H01M 8/2483 20160101ALI20241217BHJP

   H01M 8/0284 20160101ALI20241217BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0271

C25B9/23

C25B13/02 302

C25B13/04 302

C25B13/08

H01M8/0273

H01M8/2483

H01M8/0284

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024534421

(86)(22)【出願日】2022-12-08

(85)【翻訳文提出日】2024-06-07

(86)【国際出願番号】 EP2022084995

(87)【国際公開番号】W WO2023104970

(87)【国際公開日】2023-06-15

(31)【優先権主張番号】102021132696.6

(32)【優先日】2021-12-10

(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】501479868

【氏名又は名称】カール・フロイデンベルク・カーゲー

【氏名又は名称原語表記】Ｃａｒｌ Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ ＫＧ

【住所又は居所原語表記】Ｈｏｅｈｎｅｒｗｅｇ ２－４， Ｄ－６９４６９ Ｗｅｉｎｈｅｉｍ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100134315

【弁理士】

【氏名又は名称】永島 秀郎

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】クリスティアン クヴィック

(72)【発明者】

【氏名】パスカル ヴァーレ

(72)【発明者】

【氏名】カタリナ ヘンゲ

(72)【発明者】

【氏名】ティルマン ユジンスキ

(72)【発明者】

【氏名】フローリアン マック

(72)【発明者】

【氏名】アシュヴィン ランガラヤン

【テーマコード（参考）】

4K021

5H126

【Ｆターム（参考）】

4K021DB49

4K021DB53

5H126AA13

5H126AA15

5H126AA23

5H126BB06

5H126EE11

5H126GG18

(57)【要約】

２つのガス拡散電極（２，３）から成る装置（１）を備えたユニットであって、２つのガス拡散電極（２，３）間にメンブレイン（４）がサンドイッチ状に配置されており、装置（１）が、第１のシール（５）によって、当該装置（１）をその外周で取り囲むフレーム（６）に密に結合されており、フレーム（６）が相互に対向する２つの端面（７，８）を有している、ユニットに関する。フレーム（６）は、その第１の端面（７）から第２の端面（８）まで延在する導管状のアパーチャ（９）を有しており、アパーチャ（９）は、フレーム（６）の端面の両側で第２のシール（１０．１，１０．２，１０．３，…）によって取り囲まれており、かつユニットの規定通りの使用中、相互にシールされている。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

２つのガス拡散電極（２，３）から成る装置（１）を備えたユニットであって、
前記２つのガス拡散電極（２，３）間にメンブレイン（４）がサンドイッチ状に配置されており、
前記装置（１）が、第１のシール（５）によって、該装置（１）をその外周で取り囲むフレーム（６）に密に結合されており、
前記フレーム（６）が相互に対向する２つの端面（７，８）を有している、
ユニットにおいて、
前記フレーム（６）は、その第１の端面（７）から第２の端面（８）まで延在する導管状のアパーチャ（９）を有しており、
前記アパーチャ（９）は、前記フレーム（６）の端面の両側で第２のシール（１０．１，１０．２，１０．３，…）によって取り囲まれており、かつ前記ユニットの規定通りの使用中、相互にシールされている
ことを特徴とする、ユニット。

【請求項2】

２つのガス拡散層（２，３）から成る装置（１）を備えたユニットであって、
前記２つのガス拡散層（２，３）間に触媒コーティングされたメンブレイン（４）がサンドイッチ状に配置されており、
前記装置（１）が、第１のシール（５）によって、該装置（１）をその外周で取り囲むフレーム（６）に密に結合されており、
前記フレーム（６）が相互に対向する２つの端面（７，８）を有しており、
前記フレーム（６）は、その第１の端面（７）から第２の端面（８）まで延在する導管状のアパーチャ（９）を有しており、
前記アパーチャ（９）は、前記フレーム（６）の端面の両側で第２のシール（１０．１，１０．２，１０．３，…）によって取り囲まれており、かつ前記ユニットの規定通りの使用中、相互にシールされている、
ユニット。

【請求項3】

前記第２のシール（１０．１，１０．２，１０．３，…）はエラストマーシール材料から成る、請求項１または２記載のユニット。

【請求項4】

前記第２のシール（１０．１，１０．２，１０．３，…）のうちの少なくとも２つのシール（１０．１，１０．２）は、相互に混じり合って一体となるように一様な材料で形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のユニット。

【請求項5】

前記第２のシール（１０．１，１０．２，１０．３，…）の全てが、相互に混じり合って一体となるように一様な材料で形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のユニット。

【請求項6】

前記フレーム（６）がサンドイッチ状に形成されている、請求項１または２記載のユニット。

【請求項7】

前記フレーム（６）は２つの外側フレーム部分（１１，１２）を有しており、該２つの外側フレーム部分（１１，１２）間に内側フレーム部分（１３）が配置されている、請求項６記載のユニット。

【請求項8】

前記アパーチャ（９）は前記内側フレーム部分（１３）にのみ配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のユニット。

【請求項9】

前記第２のシール（１０．１，１０．２，１０．３，…）は、前記内側フレーム部分（１３）に密に結合されており、かつ前記アパーチャ（９）を密に取り囲んでいる、請求項１から８までのいずれか１項記載のユニット。

【請求項10】

前記第２のシール（１０．１，１０．２，１０．３，…）と前記内側フレーム部分（１３）とは、材料接続によってかつ／または形状接続によって結合されている、請求項９記載のユニット。

【請求項11】

前記内側フレーム部分（１３）は、前記第２のシール（１０．１，１０．２，１０．３，…）のシール材料によって貫通される固定用アパーチャ（１４）を有している、請求項７から１０までのいずれか１項記載のユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、２つのガス拡散電極から成る装置を備えたユニットであって、この２つのガス拡散電極間にメンブレインがサンドイッチ状に配置されており、装置が、第１のシールによって、当該装置をその外周で取り囲むフレームに密に結合されており、フレームが相互に対向する２つの端面を有している、ユニットに関する。

【0002】

従来技術
このようなユニットは、独国特許出願公開第１０２０１３０１４０８３号明細書から公知である。当該ユニットはメンブレイン－電極ユニットである。装置はその外周をフレームによって間隔をおいて取り囲まれており、この間隔によって形成されたギャップ内にシールが配置されており、このシールが装置とフレームとを密に結合している。メンブレイン－電極ユニットは、燃料電池用として設けられている。

【0003】

フレームも装置と同様にサンドイッチ状に形成されており、２つの外側フレーム部分を有しており、この２つの外側フレーム部分間に内側フレーム部分が配置されている。

【0004】

装置とフレームとの結合は、高温下でのプレス過程を適用して行われる。シールのシール材料は、プレス過程が実行される前にプレス方向で外側フレーム部分間に配置され、これにより、装置に対する間隔が画定される。プレス過程中、外側フレーム部分は内側フレーム部分にそれぞれ当接するまで連続して運動される。このとき、流動性のシール材料は、上記の間隔によって形成されたギャップがシールされてシール材料が接する装置の境界内に侵入するまで、このギャップ内へ押し込まれる。これにより、メンブレイン－電極ユニットは、装置とシールを用いたフレームとから成る複合体として形成される。

【0005】

メンブレイン－電極ユニットは、シールによってフレーム内に保持されている。

【0006】

発明の開示
本発明の基礎をなす課題は、冒頭に言及した形式のユニットを改善して、当該ユニットと共に駆動される電気化学セル、特に燃料電池が、より簡単な構造を有し、さらにいっそう簡単にかつより低コストに製造可能となるようにすることである。

【0007】

上記の課題は、本発明の請求項１記載の特徴によって解決される。有利な構成に関しては、請求項１を直接にまたは間接的に引用する各請求項が参照される。

【0008】

上記の課題を解決するために、２つのガス拡散電極から成る装置を備えたユニットであって、２つのガス拡散電極間にメンブレインがサンドイッチ状に配置されており、装置が、第１のシールによって、当該装置をその外周で取り囲むフレームに密に結合されており、フレームが相互に対向する２つの端面を有しており、フレームがその第１の端面から第２の端面まで延在する導管状のアパーチャを有しており、アパーチャは、フレームの端面の両側で第２のシールによって取り囲まれており、かつユニットの規定通りの使用中、相互にシールされている、ユニットが設けられる。

【0009】

この場合、ユニットが多機能的に構成され、これにより、電気化学セル、例えば燃料電池の部品点数の少ない低コストの構造を可能にする別の機能が得られることが有利である。

【0010】

ユニットは、メンブレイン－電極ユニットとして構成されている。

【0011】

通常、メンブレイン－電極ユニットは、従来技術から公知のものとして冒頭で言及したように、電気化学セル内、例えば燃料電池内では、付加的にかつ別個に形成されたシールによってシールされていなければならない。シールの製造および取り付けによって、セルの製造は煩雑かつ高価となる。さらに、さらなるシールの取り付けエラーによってセルの機能が損なわれることもある。

【0012】

本発明によるユニットではこれらの欠点が回避される。このために、フレームは、その第１の端面から第２の端面まで延在する導管状のアパーチャを有しており、当該アパーチャはフレームの端面の両側で第２のシールによって取り囲まれている。

【0013】

装置と第２のシールとは、予め組み立てられたユニットを形成する。

【0014】

フレームにおけるアパーチャは、燃料電池においてユニットが使用される際に、端面の両側で接しているバイポーラプレートにおける開口に合同に重なるように形成されており、ここで、バイポーラプレートにおける開口は、冷媒の流入部および流出部ならびにガスの流入部および流出部によって形成されている。

【0015】

アパーチャとこれをシールする第２のシールとがユニットの統合部材を形成することにより、電気化学セルの製造および取り付けが低コストとなり、簡単化される。

【0016】

代替的に、２つのガス拡散層から成る装置を備えたユニットであって、２つのガス拡散層間に触媒コーティングされたメンブレインがサンドイッチ状に配置されており、装置が、第１のシールによって、当該装置を外周で取り囲むフレームに密に結合されており、フレームが相互に対向する２つの端面を有しており、フレームは、その第１の端面から第２の端面まで延在する導管状のアパーチャを有しており、アパーチャは、フレームの端面の両側で第２のシールによって取り囲まれており、かつユニットの規定通りの使用中、相互にシールされている、ユニットを適用することもできる。

【0017】

有利な一構成によれば、第２のシールはエラストマーシール材料から成るように構成可能である。エラストマーシール材料は、多くの仕様において多くの場合に低コストで使用可能である。

【0018】

第２のシールのうちの少なくとも２つのシール、さらに好ましくは全てのシールを、相互に混じり合って一体となるように一様な材料で形成することができる。この場合、第２のシールのうちの少なくとも２つのシール、さらに好ましくは全てのシールを唯一の方法ステップで製造することができ、一体性によって、相互に隣り合う第２のシール間の移行部、およびこれに伴う、第２のシール間がシールされない危険が回避されるので有利である。

【0019】

第２のシールは成形可能である。

【0020】

フレームは、好ましくはサンドイッチ状に形成され、２つの外側フレーム部分を有しており、この２つの外側フレーム部分間に内側フレーム部分が配置されている。このようなフレーム構造は、冒頭で言及したように、第１のシールが外側フレーム部分間の圧縮によってユニットの装置とフレームとの間の密な結合を形成するという利点を有している。

【0021】

フレーム構造は、例えばポリエステルのような熱可塑性のフィルム材料から形成することができる。

【0022】

内側フレーム部分は、外周で外側フレーム部分を越えて突出しており、これにより、フレームにおける突出部を形成している。当該突出部にアパーチャが配置されている。

【0023】

第２のシールは、内側フレーム部分に密に結合されており、内部でユニットを使用する電気化学セルが規定通りに使用されている間、アパーチャを密に取り囲む。

【0024】

第２のシールと内側フレーム部分との間の耐久性のある密な結合を達成するために、第２のシールは、好ましくは、材料接続によってかつ／または形状接続によって内側フレーム部分に結合されている。このために、第２のシールが内側フレーム部分に一体に射出成形されているように構成可能である。これにより、材料接続による結合が生じる。

【0025】

第２のシールと内側フレームとの間の形状接続は、製造の際に第２のシールのシール材料によって貫通される固定用アパーチャを内側フレーム部分が有していることにより達成可能である。これにより、内側フレーム部分の端面の両側に配置される第２のシールを簡単に製造することができる。

【0026】

上述したコンセプトは、燃料電池にも電解槽またはレドックスフローバッテリにも有意に適用可能である。

【0027】

燃料電池には水素および酸素が供給され、これにより水およびエネルギが発生する。

【0028】

これに対して、電解槽には水およびエネルギが供給され、これにより水素および酸素が発生する。

【0029】

レドックスフローバッテリは化学反応（レドックス反応）において電解質液体を処理し、これにより、利用可能な電気エネルギが供給される。

【0030】

以下に、本発明によるユニットの実施例を、概略的に示した図１および図２に即して詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】図２のメンブレイン－電極ユニットをＡ－Ｂ線に沿って切断して示す概略的な断面図である。

【図2】図１のユニットを示す平面図である。

【0032】

発明の実施形態
図１および図２には、本発明によるユニットの一実施例が示されている。

【0033】

図１には、図２のＡ－Ｂ線に沿って切断した断面図が示されている。

【0034】

ユニットは、２つのガス拡散電極２，３とメンブレイン４とから形成された装置１を備えており、メンブレイン４はガス拡散電極２，３間にサンドイッチ状に配置されている。装置１はその外周をフレーム６によって取り囲まれており、ここで、装置１は、第１のシール５によって、フレーム６内に密閉された状態で保持されている。

【0035】

フレーム６は複数の部分から形成されており、端面７，８を形成する２つの外側フレーム部分１１，１２を有している。外側フレーム部分１１，１２間に、内側フレーム部分１３がサンドイッチ状に配置されている。

【0036】

内側フレーム部分１３には導管状のアパーチャ９が配置されており、各アパーチャ９は、電気化学セル、ここでは燃料電池スタックの図１に示されていないバイポーラプレートの流入部および流出部に合同に重なるように形成されている。アパーチャ９の周には第２のシール１０．１，１０．２，１０．３，…が配置されており、当該第２のシール１０．１，１０．２，１０．３，…は相互に混じり合って一体となるように一様な材料で形成されている。第２のシール１０．１，１０．２，１０．３，…はフレーム６の端面の両側に配置されており、ユニットが規定通りに使用されている間、すなわちユニットが組み付けられた状態において、アパーチャ９を相互にシールする。

【0037】

内側フレーム部分１３には、第２のシール１０．１，１０．２，１０．３，…のシール材料によって貫通される固定用アパーチャ１４が設けられている。これにより、一方では、第２のシール１０．１，１０．２，１０．３，…をフレーム６の端面の両側に簡単に取り付けることができる。他方では、長い使用期間にわたって、内側フレーム部分１３での第２のシール１０．１，１０．２，１０．３，…の耐久性のある密な結合が得られる。

【0038】

図２には、図１のユニットの平面図が示されている。外側フレーム部分１１，１２は装置１の外周を取り囲んでおり、この場合、図平面において外側フレーム部分１１，１２間に配置された内側フレーム部分１３は、周において、外側フレーム部分１１，１２を越えて突出している。内側フレーム部分１３のここでの突出部にアパーチャ９が配置されており、アパーチャ９は、相互に一体に形成された第２のシール１０．１，１０．２，１０．３，…により、内側フレーム部分の端面の両側において図１に示されているように取り囲まれている。

【図1】

【図2】

【手続補正書】

【提出日】2024-06-07

【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】

２つのガス拡散電極（２，３）から成る装置（１）を備えたユニットであって、
前記２つのガス拡散電極（２，３）間にメンブレイン（４）がサンドイッチ状に配置されており、
前記装置（１）が、第１のシール（５）によって、該装置（１）をその外周で取り囲むフレーム（６）に密に結合されており、
前記フレーム（６）が相互に対向する２つの端面（７，８）を有している、
ユニットにおいて、
前記フレーム（６）は、その第１の端面（７）から第２の端面（８）まで延在する導管状のアパーチャ（９）を有しており、
前記アパーチャ（９）は、前記フレーム（６）の端面の両側で第２のシール（１０．１，１０．２，１０．３，…）によって取り囲まれており、かつ前記ユニットの規定通りの使用中、相互にシールされている
ことを特徴とする、ユニット。

【請求項2】

２つのガス拡散層（２，３）から成る装置（１）を備えたユニットであって、
前記２つのガス拡散層（２，３）間に触媒コーティングされたメンブレイン（４）がサンドイッチ状に配置されており、
前記装置（１）が、第１のシール（５）によって、該装置（１）をその外周で取り囲むフレーム（６）に密に結合されており、
前記フレーム（６）が相互に対向する２つの端面（７，８）を有しており、
前記フレーム（６）は、その第１の端面（７）から第２の端面（８）まで延在する導管状のアパーチャ（９）を有しており、
前記アパーチャ（９）は、前記フレーム（６）の端面の両側で第２のシール（１０．１，１０．２，１０．３，…）によって取り囲まれており、かつ前記ユニットの規定通りの使用中、相互にシールされている、
ユニット。

【請求項3】

前記第２のシール（１０．１，１０．２，１０．３，…）はエラストマーシール材料から成る、請求項１または２記載のユニット。

【請求項4】

前記第２のシール（１０．１，１０．２，１０．３，…）のうちの少なくとも２つのシール（１０．１，１０．２）は、相互に混じり合って一体となるように一様な材料で形成されている、請求項１または２記載のユニット。

【請求項5】

前記第２のシール（１０．１，１０．２，１０．３，…）の全てが、相互に混じり合って一体となるように一様な材料で形成されている、請求項１または２記載のユニット。

【請求項6】

前記フレーム（６）がサンドイッチ状に形成されている、請求項１または２記載のユニット。

【請求項7】

前記フレーム（６）は２つの外側フレーム部分（１１，１２）を有しており、該２つの外側フレーム部分（１１，１２）間に内側フレーム部分（１３）が配置されている、請求項６記載のユニット。

【請求項8】

前記アパーチャ（９）は前記内側フレーム部分（１３）にのみ配置されている、請求項７記載のユニット。

【請求項9】

前記第２のシール（１０．１，１０．２，１０．３，…）は、前記内側フレーム部分（１３）に密に結合されており、かつ前記アパーチャ（９）を密に取り囲んでいる、請求項７記載のユニット。

【請求項10】

前記第２のシール（１０．１，１０．２，１０．３，…）と前記内側フレーム部分（１３）とは、材料接続によってかつ／または形状接続によって結合されている、請求項９記載のユニット。

【請求項11】

前記内側フレーム部分（１３）は、前記第２のシール（１０．１，１０．２，１０．３，…）のシール材料によって貫通される固定用アパーチャ（１４）を有している、請求項７記載のユニット。

【国際調査報告】