(57)【要約】燃料電池または電気分解装置に使用される積層物は、不透過性金属構造物と、少なくとも１つの第１の金属繊維層と、少なくとも１つの第２の金属繊維層を含む。不透過性金属構造物は、第１の金属繊維層の一方の側に焼結され、第２の金属繊維層は第１の金属繊維層の他方の側に焼結される。前記積層物は０．０２  ｌ／ｍｉｎ*ｃｍより大きい平面において空気透過性が提供されるが、第２の金属繊維層の多孔度は８０％未満である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
不透過性金属構造物と、少なくとも１つの第１の金属繊維層と、少なくとも１つの第２の金属繊維層を含む積層物であって、前記不透過性金属構造物は、前記第１の金属繊維層の一方の側に焼結され、前記第２の金属繊維層は前記第１の金属繊維層の他方の側に焼結され、前記積層物の平面空気透過性が０．０２  ｌ／ｍｉｎ*ｃｍより大きく、前記第２の金属繊維層の多孔性が８０％未満であることを特徴とする積層物。
【請求項２】
２つの第１の金属繊維層と２つの第２の金属繊維層を含み、前記第１の金属繊維層が各々不透過性金属構造物の一方の側に焼結され、前記第２の金属繊維層が前記第１の金属繊維層の他方の側に焼結されている、請求項１に記載の積層物。
【請求項３】
第１の金属繊維層が８０％より大きい多孔性を有する、請求項１または２に記載の積層物。
【請求項４】
第２の金属繊維層が２００  ｌ／ｍｉｎ*ｄｍ2未満の垂直方向の空気透過性を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の積層物。
【請求項５】
前記第１の金属繊維層が２０μｍより大きい相当径の繊維を含む、請求項１〜４のいずれかに記載の積層物。
【請求項６】
前記第２の金属繊維層が３０μｍより大きい相当径の繊維を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の積層物。
【請求項７】
前記第１の金属繊維層が０．５ｍｍより大きい厚さを有する、請求項１〜６のいずれかに記載の積層物。
【請求項８】
前記第２の金属繊維層が０．２ｍｍより薄い厚さを有する、請求項１〜７のいずれかに記載の積層物。
【請求項９】
前記積層物が３０*１０-3Ｏｈｍ未満の横方向電気抵抗を有する、請求項１〜８のいずれかに記載の積層物。
【請求項１０】
前記不透過性金属構造物が金属板である、請求項１〜９のいずれかに記載の積層物。
【請求項１１】
前記不透過性金属構造物が金属箔である、請求項１〜９のいずれかに記載の積層物。
【請求項１２】
前記金属繊維気体テンレス鋼繊維である、請求項１〜１１のいずれかに記載の積層物。
【請求項１３】
前記金属繊維がＮｉ繊維またはＮｉ合金繊維である、請求項１〜１１のいずれかに記載の積層物。
【請求項１４】
前記金属繊維がＴｉ繊維である、請求項１〜１１のいずれかに記載の積層物。
【請求項１５】
前記金属繊維が前記不透過性金属構造物と同一合金を有する、請求項１〜１４のいずれかに記載の積層物。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれかに記載の積層物を含む、燃料電池。
【請求項１７】
請求項１〜１５のいずれかに記載の積層物を含む、電気分解装置。
【請求項１８】
燃料電池または電気分解装置における請求項１〜１５のいずれかに記載の積層物の用途。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池または電気分解装置において使用される、金属繊維を含む多孔性積層物に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池および電気分解装置は、通常、燃料電池または電気分解装置電気分解装置に電気化学反応の別個のセルを確保するために、プロトン交換膜（ＰＥＭ）と併せて加えられる数多くの積層物を備える。このような積層物は、一般に、当技術分野において公知である。積層物は、通常、互いに密接に関与し合う少なくとも３層を有する。
【０００３】
第１の層は水および気体を通さない層で、以降では「コレクタ層」と呼び、当技術分野において「双極板」とも言われる。このコレクタ層は、一方のセルから他方のセルへの気体または水の漏洩を防ぎ、セルへまたはセルから電子（ｅ-）を誘導する。そのため、それは、一般に伝導性の平板、通常黒鉛板を使用する。
【０００４】
第２の層は、コレクタ層の一方の側と密接に関与しており、燃料電池または電気分解装置の表面全体において燃料電池または電気分解装置のプロトン交換膜（ＰＥＭ）における電気化学反応によって使用または提供される気体を分配するために使用される。この層は以降において「分配層」と呼ぶ。
【０００５】
第３の層は、コレクタ層の一方の側と密接に関係しており、拡散層とＰＥＭの間の接触を提供するために使用される。このいわゆる接触層すなわち「電極層」では、接触層またはＰＥＭ自体上に触媒要素が存在することにより電気化学反応が生じる。拡散層を介してこの接触層に提供される気体は、電気化学反応を生じさせるのに十分に保持される。
【０００６】
接触層およびおそらく拡散層も、例えば、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）などの疎水性要素を含浸させるもしくは存在させることにより、疎水性にし、または親水性にすることができる。
【０００７】
燃料電池または電気分解装置に積層物を配置することにより、ｅ-、プロトン（Ｈ+）および気体がＰＥＭ付近で消費され、または電気化学反応が生じる。
【０００８】
Ｈ+は、ＰＥＭを介して電気化学反応に提供される。電気化学反応はＰＥＭの表面に近い触媒層で生じるので、接触層とＰＥＭの接触はできるだけ完璧であるべきである。
【０００９】
ｅ-は、コレクタ層と拡散層と接触層の積層物を介して提供または排出される。従って、関与する全ての層は電気伝導性であるべきで、層の抵抗、特に数層の接触部の接触抵抗はできるだけ低くなけらばならない。
【００１０】
拡散層は、存在する触媒要素をできるだけ完全に使用して、ＰＥＭの表面全体にｅ-およびＨ+を提供するために、接触層の表面全体のできるだけ広くに気体の流動を拡散させるべきである。
【００１１】
積層物の例は国際公開公報第００６９００３号および欧州特許第０１４１２４１号に記載されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、金属繊維を含み、厚さ方向の電気抵抗が低く、使用される予定のＰＥＭの表面に反応気体を分散させる改善された能力を有し、積層物とＰＥＭの接触を改善し、燃料電池または電気分解装置に使用するための改善された積層物を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の積層物は少なくとも３つの層を含む：
−金属箔または金属板などの気体および液体不透過性の少なくとも１つの金属構造物（コレクタ層）、
−金属繊維を含む少なくとも１つの第１の金属繊維層（拡散層）、
−金属繊維を含む少なくとも１つの第２の金属繊維層（接触層）。
【００１４】
本発明によると、不透過性構造物は拡散層の一方の側に焼結され、第２の金属層は拡散層の他方の側に焼結される。「層」という用語は、物体の表面にわたって本質的に等しい厚さを有する本質的に平坦な物体と理解されたい。両金属繊維層の性質は、本発明の積層物の平面空気透過性が０．０２  ｌ／ｍｉｎ*ｃｍより大きいが、接触層の多孔性は８０％未満または７５％未満でもあるように選択される。
【００１５】
本発明の積層物は、
−金属箔または金属板などの気体および液体不透過性金属構造物（コレクタ層）、
−金属繊維を含む、２つの第１の金属繊維層（拡散層）、
−金属繊維を含む、２つの第２の金属繊維層（接触層）
を含むものでもよい。
【００１６】
不透過性金属構造物の両側に第１の金属繊維層が焼結されること、および第２の金属繊維層が第１の金属繊維層の両側の各々に焼結され、不透過性金属構造物に接続されないことを理解されたい。本発明の積層物の不透過性金属構造物の両側の平面空気透過性は０．０２  ｌ／ｍｉｎ*ｃｍより大きいが、接触層の多孔性は８０％未満または７５％未満である。
【００１７】
平面空気透過性は、積層物の金属繊維層を層の平面に平行な方向に通過する気体の量を意味する。この平面空気透過性は、高さ２．５ｃｍの積層物の長方形の部分を取ることによって測定される。この辺を以降では短辺と呼ぶ、長方形の他方の辺を長辺という。試料の辺とシールの辺が一致するように、この長方形を寸法が等しい２枚のシールの間に固定する。長方形試料の長さ５ｃｍの長辺に２００Ｐａの加圧（ｕｎｄｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ）を使用して空気を吸引する。吸引している長辺の使用していない範囲を密封する。吸引した空気の容量を測定し、透過性をｌ／ｍｉｎ*ｃｍ単位で示し、ｃｍは試料の長さの単位である。好ましくは、長辺は５ｃｍの長さを使用する。
【００１８】
層の「多孔性」は、
多孔性＝１００−密度
として表される。
「密度」は、層の容量あたりの質量を、金属繊維によって提供された１００％の金属合金の代わりに存在する同一容量の重量で割った比の１００倍を意味する。密度は割合で表される。
【００１９】
不透過性の金属構造物は、好ましくは金属箔または金属板であり、最も好ましくはステンレス鋼、Ｎｉ、Ｎｉ−合金例えば、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、またはＴｉから提供される。ステンレス鋼の場合には、好ましくはＡＩＳＩ−３００シリーズの合金、好ましくはＡＩＳＩ３１６ＬなどのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金またはＡＩＳＩ−４００シリーズの合金などのＦｅ−Ｃｒ合金が使用される。
【００２０】
金属繊維層を提供するために使用される金属繊維は、好ましくは、ステンレス鋼繊維、Ｎｉ−またはＮｉ合金繊維またはＴｉ−繊維である。ステンレス鋼繊維の場合には、好ましくはＡＩＳＩ−３００シリーズの合金、好ましくはＡＩＳＩ３１６ＬなどのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金またはＡＩＳＩ−４００シリーズの合金などのＦｅ−Ｃｒ合金が使用される。金属繊維は、集束伸線法、コイル材切削法または任意の他の製造技法などの現在既知の技法によって得ることができる。
【００２１】
積層物の全ての層は、好ましくは同一金属または金属合金から提供される。
【００２２】
コレクタ層、１つ以上の拡散層および１つ以上の接触層を含む積層物が集成され、層が互いに焼結される前に、接触層および拡散層を別個に焼結してもよい。または、共に金属繊維を含む拡散層および接触層並びにコレクタ層は、バッチ式または連続焼結どちらかの１回の焼結操作中に一度に互いに焼結されてもよい。
【００２３】
第１の金属繊維層、いわゆる拡散層を提供するために使用される金属繊維の相当径は２０μmより大きく、最も好ましくは５０μmより大きい。できれば、第１の金属繊維層を提供するために２枚以上の金属繊維シートが使用される。
【００２４】
「金属繊維の相当径」は、金属繊維の断面と同じ面を有する想像上の円の半径を意味する。
【００２５】
好ましくは、拡散層の多孔性は接触層の多孔性より１０％以上大きい。最も好ましくは、拡散層の多孔性は８０％より大きく、または８２％より大きく、例えば、８５％より大きく、または９０％より大きい。本発明の好ましい積層物を得るために、拡散層の厚さは０．５ｍｍより大きく、最も好ましくは１ｍｍより大きい。
このような拡散層は、積層物に平面空気透過性をかなり提供し、従って隣接する接触層の表面全体に反応気体のすぐれた分布を提供する。
または、本発明によっても、金属メッシュまたは伸縮性の金属箔もしくは板または泡状の金属層を、この第１の金属層に含まれる２枚の金属繊維の間に挿入してもよい。
【００２６】
第２の金属繊維層、いわゆる接触層を提供するために使用される金属繊維の相当径は３０μｍより小さく、最も好ましくは１０μｍより小さい。できれば、第２の金属繊維層を提供するために２枚以上の金属繊維が提供される。
好ましくは、接触層の厚さは０．２ｍｍより薄い。
拡散層を介して表面全体に反応気体を獲得するこのような接触層は、隣接するＰＥＭに接触する接触層の面である、反応面に電気化学反応を広げるのに十分に気体を保持する。第２の金属繊維層の垂直方向の空気透過性は比較的低いので、積層物の気体流入部における反応気体のあまりにも迅速な消費が抑制され、接続層の表面全体に反応気体が存在することになる。できれば、ＰＥＭに接触する接触層の面に、適当な触媒が提供される。または、触媒はＰＥＭの表面に存在する。接触層を提供するために使用される金属繊維の相当径が小さいことおよびこの層の密度により、接触層とＰＥＭの間には非常に高い程度の接触を得ることができるが、ＰＥＭに接触する層の側は比較的柔らかい。接触層の本質的に平坦な面から突出する金属繊維は、使用時にはＰＥＭを貫通しないが、燃料電池または電気分解装置を集成し、使用する際には接触層表面の方に曲がる。
【００２７】
接触層の垂直方向の空気透過性は、好ましくは２００  ｌ／ｍｉｎ*ｄｍ2未満であり、最も好ましくは、１５０  ｌ／ｍｉｎ*ｄｍ2未満である。垂直方向の空気透過性は、２００Ｐａの加圧（ｕｎｄｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ）を使用して測定し、Ｔｅｓｔｅｓｔ  ＦＸ３３００などの当技術分野において既知の方法を使用して測定した、層の面に垂直な方向に金属繊維層を通過する気体の量を意味する。垂直方向の空気の透過性はｌ／ｍｉｎ＊ｄｍ2単位で表される。
【００２８】
さらに、本発明の積層物は、横方向の電気抵抗が３０*１０-3Ｏｈｍより小さく、または不透過性金属構造物、拡散層および接触層からなる積層物が提供される場合には、１５*１０-3Ｏｈｍより小さい。横方向の抵抗は、不透過性金属構造物の表面上の一点と、不透過性金属構造物の一点に最も近い、ＰＥＭに対して使用される接続層の面の一点との間で測定される電気抵抗を意味する。この低い抵抗は、互いに焼結されるまたはコレクタ層に焼結されるいくつかの繊維の間の多数の接触点により得られる。または、不透過性金属構造物の各面において、拡散層および接続層が提供される場合には、横方向の電気抵抗は、好ましくは、３０*１０-3Ｏｈｍ未満である。
【００２９】
焼結後、できれば、金属繊維層に、疎水性剤または親水性剤、例えば、疎水性剤としてのＴｅｆｌｏｎ（登録商標）などのポリテトラフルオロエチレン（ｐｏｌｙｔｅｒｔｒａｆｌｕｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）を含浸することができるが、必ずしもではない。
【００３０】
このような積層物は、本発明の少なくとも２つの積層物が使用されている、燃料電池に使用することができる。第１の積層物の接触層と第２の積層物の接触層の間にＰＥＭが配置される。ＰＥＭの両面に、望ましい電気化学反応を広げるのに必要な触媒が存在する。第１の積層物の拡散層にＨ2が提供され、（積層物の比較的高い平面空気透過性により）拡散層全体に流動する。ＰＥＭでは、以下のような反応が広がる：
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
【００３１】
燃料電池のこの面はアノードといわれる。
Ｈ+は、ＰＥＭを通過してＰＥＭの反対側に伝導されるが、ｅ-は電気伝導性接続および拡散層を通過して不透過性金属構造物に排出される。
【００３２】
ｅ-は、電気回路を介して第２の積層物の他の不透過性金属構造物に誘導される。ｅ-はこの第２の積層物の拡散および接続層を介して、カソード側であるＰＥＭの側の電気化学反応に提供される。
【００３３】
Ｏ2はこの第２の積層物の拡散層に提供され、接続層を通過してＰＥＭの表面に伝導される。ここでは、Ｏ2、ｅ-およびＨ+（ＰＥＭを介して提供される）を使用する反応が生じる：
Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ
【００３４】
積層物の最適な平面の空気透過性および接触層の低い垂直方向の空気透過性により、気体は最適な方法でＰＥＭ面全体に拡散する。さらに、積層物の低い横方向の電気抵抗により、ｅ-は、強さがあまり損失することなく、電気回路に伝導される。
【００３５】
積層物が電気分解装置に使用される場合も同様の利点が得られる。少なくとも２つの積層物の同じ組み合わせが提供される。２つの不透過性金属構造物の間には所定の電気的緊張が提供される。不透過性金属構造物に正の電気的緊張がある積層物には、Ｈ2Ｏが提供され、以下のようにＰＥＭ面で反応する：
２Ｈ2Ｏ→Ｏ２＋４Ｈ+＋４ｅ-
【００３６】
Ｈ+は、ＰＥＭを通過してＰＥＭの他方の側に伝導されるが、ｅ-は金属繊維層を通過して不透過性金属構造物に伝導される。Ｏ2は、拡散層の高い平面空気透過性により容易に排出される。
【００３７】
他方の側では、以下の反応が生じる：
２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ２
ここで、Ｈ+はＰＥＭを介して提供され、ｅ-は不透過性金属構造物（陰極である）および金属繊維層を介して提供される。Ｈ2は、拡散層の高い平面空気透過性により容易に排出される。
【００３８】
本発明を、添付の図面を参照してさらに詳細に記載する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
本発明の多孔性積層物の実施態様を図１に示す。
【００４０】
積層物１０は、気体および液体不透過性金属構造物、いわゆるコレクタ層１１を含む。図１に示す実施態様では、金属板は、合金ＡＩＳＩ３１６Ｌを含有するステンレス鋼から提供されるものを使する。コレクタ層１１の厚さは０．４ｍｍである。
【００４１】
このコレクタ層１１の一方の側に、２２μｍの相当径を有するステンレス鋼繊維（合金ＡＩＳＩ３１６Ｌ）からなる焼結した金属繊維層である拡散層１２を備える。この拡散層１２は厚さが１．７ｍｍで、多孔性（多孔率）が９０％である。
【００４２】
繊維は、好ましくは、実質的に長方形の断面を形成するコイル材切削法によって提供される、例えば約２５μｍの長辺と約１５μｍの短辺を有する。
【００４３】
コレクタ層１１に接触していない拡散層１２の面には、接触層である第２の金属繊維層１３を設ける。
【００４４】
この接触層１３は、８μｍの相当径を有する本質的に円形の断面を有する焼結された集束伸線ステンレス鋼繊維（合金ＡＩＳＩ  １３６Ｌ）からなる。この接触層１３は厚さが約０．２ｍｍで、多孔度は、好ましくは７０％である。
【００４５】
本発明の別の積層物２０を図２に示す。この実施態様は、図１のコレクタ層１１と同じコレクタ層２１を備える。
【００４６】
コレクタ層２１の両側に拡散層２２ａおよび２２ｂが形成され、各拡散層２２ａおよび２２ｂは図１の拡散層１２と同じである。
【００４７】
図１と同様に、接触層２３ａおよび２３ｂが拡散層２２ａおよび２２ｂの外面に形成される。これらの接触層２３ａおよび２３ｂは図１の接触層１３と同じである。
【００４８】
積層物１０並びに積層物２０の面２４ａおよび２４ｂの平面の空気透過性は、図３ａ、図３ｂおよび図３ｃに示すようにして測定する。
図３ａに示すように、長辺３０２および短辺３０３を有する積層物の長方形の試料（３０１）を、２つのクランプ３０５によって２枚のシール３０４の間に固定する。シール３０４のシーラント物質は、好ましくは、非圧縮時に約１０ｍｍの厚さを有するＨＤ  ＰＥ−泡沫である。クランプ３０５は、好ましくは、金属製である。全ての部品は、閉め具手段３０６、例えば、クリップによって一体として保持される。
この集成物は、長辺３０２の下側に配置された、径３１０の穴（図３ｂおよび３ｃを参照）を備えたシーラント３０７に配置される。集成物の径３０８および３０９は、穴の径３１０より少なくとも２ｃｍ長い。
短辺３０３の高さ３１５は２．５ｃｍとする。
図３のＡ−Ａ’による断面およびＢ−Ｂ’による断面、すなわち、図３ｂ、図３ｃにおいて、集成物は、シーラント３０７の開口部の径に少なくとも等しいが、径３０８および３０９より短い径３１１を有する吸引開口部をもつ吸引装置３１２、例えば、ＴｅｘｔｅｄｔＦＸ３３００の開口部に配置されている。
空気は、矢印３１４で示すように、積層物試料３０１を通って２００Ｐのアンダープレッシャーを用いて方向３１３に吸引される。吸引される空気の容量は１分あたり測定され、空気透過性は、１分あたりおよび開口部３１０の径の単位長さあたりとして表される。
【００４９】
上記のように、また図１および２に示すように、積層物１０並びに積層物の両面２４ａおよび２４ｂの平面空気透過性は５ｃｍの長さ３１０について１分あたり０．１６リッターである。従って、平面空気透過性は０．０３２  ｌ／ｍｉｎ*ｃｍである。
【００５０】
接触層１３、２３ａおよび２３ｂの多孔性は、この平面空気透過性に有意な変化を与えないことがわかった。
【００５１】
接触層１３、２３ａおよび２３ｂの垂直方向の空気の透過性は、多孔度７０％の接触層について１２３  ｌ／ｍｉｎ*ｄｍ2であると測定される。
【００５２】
電気抵抗は、積層物１０または積層物２０の両面において測定することができ、９．２*１０-3Ｏｈｍである。
【００５３】
本発明の積層物１０または２０は、図４および図５に示すように、電気分解装置または燃料電池に使用することができる。
【００５４】
図４は、プロトン交換膜４１を使用して互いに分離されているいくつかの積層物１０および２０を含み、積層物１０または２０の接触層とＰＥＭ４１の間に適当な触媒が配置されている燃料電池４０を示す。
【００５５】
ＰＥＭ４１の両側において電気化学反応が生じるように、Ｏ2またはＨ2が提供される。ｅ-は、接触層および拡散層を介して、コレクタ層によって回収される。
【００５６】
コレクタ層は、適当な電気的接続器４２を介して互いに接続され、使用される電流を提供する電気的装置または電池４３に接続される。
【００５７】
図５において、２つの積層物は、触媒がコーティングされたＰＥＭ５１によって互いに分離されている。
【００５８】
電気的緊張は、緊張源５２によって、電気分解装置のコレクタ層に提供される。電気分解装置に提供されたＨ2Ｏは電気化学的に反応して、Ｏ2およびＨ2を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の積層物を略図で示す。
【図２】本発明の別の積層物を略図で示す。
【図３】積層物の平面空気透過性を測定するために設定した試験方法を略図で示す。
【図４】本発明の燃料電池を略図で示す。
【図５】本発明の電気分解装置を略図で示す。
【図１】
2005533173.tif 000003
【図２】
2005533173.tif 000004
【図３ａ】
2005533173.tif 000005
【図３ｂ】
2005533173.tif 000006
【図３ｃ】
2005533173.tif 000007
【図４】
2005533173.tif 000008
【図５】
2005533173.tif 000009
【国際調査報告】
2005533173.tif 000010
2005533173.tif 000011
2005533173.tif 000012