(57)【要約】【解決手段】水素及び酸素が裸の膜と接触することを防止するための阻止剤を備える燃料電池が開示される。これは、触媒層の外側エッジにおいて空気及び水素ガスの反応を防止する。阻止剤は、燃料電池のアノード側部及びカソード側部の一つ又は両方で拡散媒体層内に沈着される。阻止剤は、触媒層の外側エッジ内に存在するように十分遠くまで拡散媒体層内へと延在している。一実施態様では、阻止剤は、拡散媒体層内へと溶解フォーマットで流れ込み、該層で硬化する例えばＰＶＤＦ等の熱可塑性ポリマーである。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
アノード拡散媒体層及びアノード触媒層を備えるアノード側部と、
カソード拡散媒体層及びカソード触媒層を備えるカソード側部と、
前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の間に配置され、これらの触媒層と接触している膜であって、前記拡散媒体層を通って流れるガスが、前記触媒層を通って最初に流れることなく前記膜へと流れることを防止するか又は制限する阻止剤を前記拡散媒体層の一方又は両方が備える、前記膜と、
を備える燃料電池。
【請求項２】
前記阻止剤が前記触媒層の外側エッジ内へと入り込むような距離で、前記拡散媒体層の一つ又は両方の側部エッジ内で前記阻止剤が形成されている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記阻止剤は、前記拡散媒体層の一つ又は両方の全厚さを通して提供されている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記阻止剤は、前記拡散媒体層の一つ又は両方の厚さの一部分のみを通して提供されている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記阻止剤は、前記拡散媒体層の一つ又は両方を通して均一に分散されている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記阻止剤は、熱可塑性ポリマーである、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記阻止剤は、フッ化ポリビニリデン、ポリアリル及びポリエチレンからなる群から選択される、請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料電池は、燃料電池スタックの一部である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記燃料電池スタックは車両に搭載されている、請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
燃料電池であって、
アノード拡散媒体層とアノード触媒層とを備えるアノード側部であって、該アノード拡散媒体層は阻止剤を含み、該阻止剤は、該阻止剤が前記アノード触媒層の外側エッジ内へと入り込むような距離で前記アノード拡散媒体層の側部エッジ内に形成されている、前記アノード側部と、
カソード拡散媒体層とカソード触媒層とを備えるカソード側部であって、該カソード拡散媒体層は阻止剤を含み、該阻止剤は、該阻止剤が前記カソード触媒層の外側エッジ内へと入り込むような距離で前記カソード拡散媒体層の側部エッジ内に形成されている、前記カソード側部と、
前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に配置され、これらの触媒層と接触する膜と、
を備える、燃料電池。
【請求項１１】
前記アノード拡散媒体層内に形成された前記阻止剤は、前記アノード拡散媒体層の全厚さを通して提供され、前記カソード拡散媒体層内に形成された前記阻止剤は、前記カソード拡散媒体層の全厚さを通して提供される、請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記アノード拡散媒体層内に形成された前記阻止剤は、前記アノード拡散媒体層の厚さの一部分のみを通して提供され、前記カソード拡散媒体層内に形成された前記阻止剤は、前記カソード拡散媒体層の厚さの一部分のみを通して提供される、請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記阻止剤は、前記アノード拡散媒体層及び前記カソード拡散媒体層を通して均一に分散されている、請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記阻止剤は、熱可塑性ポリマーである、請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記阻止剤は、フッ化ポリビニリデン、ポリアリル及びポリエチレンからなる群から選択される、請求項１４に記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記燃料電池は、燃料電池スタックの一部である、請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記燃料電池スタックは車両に搭載されている、請求項１６に記載の燃料電池。
【請求項１８】
燃料電池を作る方法であって、
アノード拡散媒体層を提供し、
アノード触媒層を提供し、
カソード拡散媒体層を提供し、
カソード触媒層を提供し、
前記アノード拡散媒体層及び前記カソード拡散媒体層の一方又は両方に阻止剤を沈着させ、該阻止剤が前記アノード触媒層及び／又は前記カソード触媒層の外側エッジ内へと入り込むようにし、前記阻止剤は、前記拡散媒体層を通って流れるガスが、前記触媒層を通って最初に流れることなく、膜へと流れることを防止するか又は制限し、
前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に配置され、これらの触媒層と接触する膜を提供する、各工程を備える方法。
【請求項１９】
阻止剤を沈着させる前記工程は、前記アノード拡散媒体層及び／又は前記カソード拡散媒体層を通して均一に阻止剤を沈着させる工程を備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
阻止剤を沈着させる前記工程は、前記アノード拡散媒体層内の阻止剤を、前記アノード拡散媒体層の全厚さを通して沈着させる工程、及び／又は、前記カソード拡散媒体層内の阻止剤を、前記カソード拡散媒体層の全厚さを通して沈着させる工程を備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
阻止剤を沈着させる前記工程は、前記アノード拡散媒体層内の阻止剤を、前記アノード拡散媒体層の厚さの一部分のみを通して沈着させる工程、及び／又は、前記カソード拡散媒体層内の阻止剤を、前記カソード拡散媒体層の厚さの一部分のみを通して沈着させる工程を備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
阻止剤を沈着させる前記工程は、該阻止剤を溶解し、該阻止剤を前記アノード拡散媒体層及び／又は前記カソード拡散媒体層へと流し込み、前記阻止剤を前記アノード拡散媒体層及び／又は前記カソード拡散媒体層内で硬化させる、各工程を備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
阻止剤を沈着させる前記工程は、熱可塑性ポリマーを沈着させる工程を備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】
阻止剤を沈着させる前記工程は、フッ化ポリビニリデン、ポリアリル及びポリエチレンからなる群から選択された阻止剤を沈着させる工程を備える、請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、燃料電池に係り、より詳しくは、触媒層の外側エッジで水素ガス及び酸素ガスが結合して反応することを防止する選択的に位置決めされた阻止剤を有する拡散媒体層を備え、該阻止剤を用いなければ、膜の破壊を引き起こし得る燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は、非常に魅力的な燃料である。それはクリーンで、燃料電池内で電気を効率的に生成するため使用することができるからである。自動車産業は、車両のための電源として水素燃料電池の開発にかなりの労力を費やしてきた。そのような車両は、より効率的で、内燃エンジンを用いる今日の車両よりも少ない廃棄物しか発生しない。
【０００３】
水素燃料電池は、アノードと、カソードと、それらの間に設けられた電解質とを備える電気化学的装置である。アノードは、水素ガスを受け取り、カソードは酸素又は空気を受け取る。水素ガスは、自由水素の陽子及び電子を発生するため、触媒の援助でアノードにおいて分解される。水素の陽子は、電解質を通過してカソードへと至る。水素の陽子は、水を発生するため、触媒の援助でカソードにおいて酸素及び電子と反応する。アノードからの電子は、電解質を通過することはできず、かくして、カソードに到着する前に仕事を実行するため負荷を通して差し向けられる。この仕事は車両を運転するように作用する。
【０００４】
陽子交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、人気の高い車両用燃料電池である。ＰＥＭＦＣは、一般に、ペルフルオロ酸膜等の固体ポリマー電解質陽子伝導性膜を備えている。アノード及びカソードは、典型的には、炭素粒子上に担持され、イオノマーと混合された、通常ではプラチナ（Ｐｔ）の細かく分割された触媒粒子を備えている。アノード、カソード及び膜の組み合わせは、膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を形成する。膜電極アッセンブリは、製造するのが比較的高価で、効果的な作動のため幾つかの条件を要求する。これらの条件には、適切な水管理及び加湿、並びに、例えば一酸化炭素（ＣＯ）等の触媒に有害な構成物質の制御が含まれている。
【０００５】
多数の燃料電池は、典型的には、所望のパワーを発生するため燃料電池スタック内に結合される。例えば、車両用の典型的な燃料電池スタックは、２百個も積み重ねられた燃料電池を持ち得る。燃料電池スタックは、典型的にはコンプレッサによりスタックを通して押し出された、例えば空気等のカソード入力ガスを受け取る。空気中の必ずしも全ての酸素がスタックにより消費されるとは限らず、空気の中には、スタック副産物として水を含み得るカソード排気ガスとして出力されるものがある。燃料電池スタックは、スタックのアノード側部へと流れ込むアノード水素入力ガスを受け取る。
【０００６】
図１は、上述された種類の燃料電池１０の断面図である。燃料電池１０は、電解質膜１６により分離された、カソード側部１２と、アノード側部１４とを備える。カソード拡散媒体層２０は、カソード側部１２に設けられ、カソード触媒層２２は、膜１６と拡散媒体層２０との間に設けられる。同様に、アノード拡散媒体層２４は、アノード側部１４に設けられ、アノード触媒層２６は、拡散媒体層２４と膜１６との間に設けられる。触媒層２２及び２６と、膜１６とは、膜電極アッセンブリを形成する。拡散媒体層２０及び２４は、膜電極アッセンブリへの入力ガス輸送及び膜電極アッセンブリからの水輸送を提供する多孔性層である。拡散媒体層２２及び２４上又は膜１６の適切な側に触媒層２２及び２６を各々沈着させるための様々な技術が当該技術分野において知られている。
【０００７】
流れ場を備える二極式プレート１８がカソード側部１２のための空気流れ３６を提供し、流れ場を備える反対側の二極式プレート３０がカソード側部１４のための水素ガス流れ２８を提供する。二極式プレート１８及び３０は、当該技術分野で周知されているように、燃料電池スタック内で燃料電池を分離する。上述されたように、水素ガスの流れ２８は、水素イオン及び電子を分解するため触媒層２６内の触媒と反応する。水素イオンは、膜１６を通って伝播することができ、該膜では、それらは空気流れ３６及び触媒層２２の戻り電子と電気化学的に反応し、水を発生する。
【０００８】
燃料電池は、自動車用途又は他の用途で実用性を持つためには一定の耐久性を持っていなければならない。膜１６は、触媒層２２及び２６の外側エッジ３２及び３４に隣接したところで各々時期尚早に壊れ、よって燃料電池の耐久性及び寿命を減退させることが観察された。膜１６は、ガス浸透に対して無限の耐性を持っていないことが知られている。水素ガス流れ２８及び／又は空気流れ３６の一つ又は両方が、触媒層エッジ３２及び３４の外側で膜１６と交差し、触媒層エッジ３２及び３４で他の水素ガス流れ２８又は空気流れ３６と反応すると考えられる。触媒層２２及び２６の外側エッジ３２及び３４は、ガスの混合物が触媒と遭遇する最初の位置である。
【０００９】
この全体的反応は、触媒層２２及び２６で生じる半反応の総和と同じ反応であるが、ガス交差からのこの反応のエネルギーは、外部回路を通して電子を移動させるようには働かない。この余剰のエネルギーは、熱生成の形態でそれ自身を顕在化させる。換言すれば、酸素及び水素のイオンの代わりに触媒層２２及び２６の外側エッジ３２及び３４において自発的に反応するのは空気及び水素ガスであるので、反応により生成されたエネルギーは外部回路によって捕捉されない。ガス反応により発生されたエネルギーの全ては、熱に変換され、触媒層エッジ３２及び３４に隣接したところで膜１６の時期尚早の破壊を引き起こす。空気流れ３６が膜１６と交差する場合、Ｈ２Ｏ２が形成され、これは、膜１６を化学的に劣化させ得る。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の教えによれば、水素及び酸素が裸の膜と接触することを防止するための阻止剤を備える燃料電池が開示される。これは、触媒層の外側エッジにおいて空気及び水素ガスの反応を防止する。阻止剤は、燃料電池のアノード側部及びカソード側部の一つ又は両方で拡散媒体層内に沈着される。阻止剤は、触媒層の外側エッジ内まで延びるように十分遠くまで拡散媒体層内へと延在している。一実施態様では、阻止剤は、拡散媒体層内へと溶解フォーマットで流れ込み、該層で硬化する例えばＰＶＤＦ等の熱可塑性ポリマーである。
【００１１】
本発明の追加の利点及び特徴は、添付図面を参照して次の説明及び添付した請求の範囲から明らかとなる。
【実施例】
【００１２】
水素及び空気の阻止剤を用いる燃料電池に関する本発明の実施例についての次の説明は、本質上単なる例示にしか過ぎず、本発明又はその用途若しくは使用法を制限するものではない。
【００１３】
図２は、燃料電池１０に類似した燃料電池４０の断面図であり、同様の参照番号は同様の構成要素を同定している。本発明の一実施例によれば、拡散媒体層２０及び２４は、拡散媒体層２０及び２４の端部から、触媒層２２及び２６のエッジ３２及び３４内への適切な距離の位置まで各々延在する阻止剤４２を備えている。阻止剤４２は、拡散媒体層２０及び２４内に形成された任意の適切な材料であってもよく、該材料は、空気流れ３６及び水素ガス流れ２８の一つ又は両方が触媒層２２及び２６の外部で膜１６を通って伝播することを遮断又は制限するように機能する。換言すれば、阻止剤４２は、空気流れ３６及び水素ガス流れ２８を、膜１６の手前で、各々触媒層２２及び２６に流入するようにしむける。従って、阻止剤４２は、空気流れ３６及び水素ガス流れ２８が、触媒層２２及び２６を最初に通過すること無く、膜１６に至ることを防止する。
【００１４】
触媒層２２及び２６に到達するガスが反応するので、ガスは膜１６には到達せず、ガスは膜１６を通過しない。これは、外側エッジ３２及び３４において水素及び酸素のガスの未制御反応を防止し、ひいては膜１６が、触媒層２２及び２６の外側エッジ３２及び３４に隣接したところで壊れることを防止する。
【００１５】
本実施例では、阻止剤４２は、拡散媒体層２０及び２４の全厚さを通して提供される。一例によれば、阻止剤４２が拡散媒体層２０及び２４の厚さの一部分を通して、好ましくは膜１６に最も近いところに至るように、阻止剤４２を拡散媒体層２０及び２４内で選択的に形成することができる。しかし、本発明は、この例に限定されるものではない。
【００１６】
本実施例では、阻止剤４２は、拡散媒体層２０及び２４の両方において提供される。膜１６を通って伝播する、空気流れ３６又は水素ガスの流れ２８の一つ又は両方により時期尚早の破壊が引き起こされるか否かは特に明らかではない。従って、阻止剤４２は、例えばアノード拡散媒体層２４等の、拡散媒体層２０及び２４の一つだけに必要となるだけであり得る。
【００１７】
阻止剤４２は、必ずしも流れ３６及び２８の拡散に耐性を持つ必要はない。たとえ阻止剤４２のガス拡散が無視できなかったとしても、拡散媒体層２０及び２４の厚さは、流れ３６及び２８を、触媒層２２及び２６に隣接した拡散媒体層２０及び２４の領域に向って押し出すのに十分であるべきである。これは、流れ３６及び２８のガス拡散長さを増加させるため拡散媒体層２０及び２４の孔を充填するだけでよいからである。
【００１８】
阻止剤４２は、本願明細書で説明した目的に適した任意の阻止剤であってもよい。例えば、阻止剤４２は、例えばポリアリル（エーテルケトン）又はポリエチレン等の熱可塑性ポリマーとすることができる。一実施例では、阻止剤４２は、フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）である。ＰＶＤＦは、その融解温度が燃料電池４０の作動温度を超えるが、それでも、標準的なプロセスによって溶解して拡散媒体層２０及び２４へと押し出されることが困難となるようにあまり高温とならない約１７０℃であるので、良好な阻止剤を提供する。ＰＶＤＦは、例えば燃料電池等の酸性環境においても化学的に安定している。
【００１９】
次の説明は、ＰＶＤＦを拡散媒体層２０及び２４に導入するための一つの技術を提供する。一実施例では、７３ｍｍ２の寸法を備えた標準的なトーレ製０６０拡散媒体（７％のＰＴＦＥ添加）が使用された。０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）厚のＫｙｎａｒ（Ｒ）ＰＶＤＦの２つの片が、７４ｍｍ２の外側寸法で６６ｍｍ乃至６７ｍｍの内側寸法を有するフレームへと切断された。これらのフレームは、全ての側部にＰＶＤＦフレームの等しい重なり合いが存在するように拡散媒体層２０及び２４の両側に中心が配置されている。ＰＶＤＦ−ＤＭ−ＰＶＤＦのサンドウィッチ構造が、キャプトン（Ｒ）の商標名のポリイミドフィルムの２つの片及びジャイロン（Ｒ）の商標名のＰＴＦＥの２つの片との間に配置された。全層構造は、２つのアルミニウムプレートの間に配置され、４５５Ｋ（３６０°Ｆ）で１０分間に亘って０．１トンで加熱圧縮され、次に４５０Ｋ（３５０°Ｆ）で１０分間に亘って０．５トンで加熱圧縮された。加熱圧縮の後、当該材料は除去され、調査された。ＰＶＤＦは、完全に吸収されており、このことは拡散媒体層を通して一貫していた。
【００２０】
阻止剤４２を備えた修正拡散媒体層２０及び２４は、それらの有効性をテストするため５０ｃｍ２の燃料電池内に配置された。図３は、水平軸上に運転時間、垂直軸上に燃料電池電圧を表した、テスト結果を示すグラフである。阻止剤４２を備えた修正拡散媒体層２０及び２４を含む基準燃料電池は、グラフ線５０及び５２により表されている。同じ種類の膜電極アッセンブリ及び非修正標準拡散媒体層を含む基準燃料電池がグラフ線５４及び５６によって表されている。グラフ線５０及び５４は、燃料電池から電流が引き出されていない状態で取られたデータを表し、グラフ線５２及び５６は、燃料電池から正規化電流０．８Ａ／ｃｍ２が引き出された状態で取られたデータを表している。燃料電池の両方は、アノード入口で７５％の相対湿度、及び、カソード入口で相対湿度５０％の状態で、９５℃及び２００ｋＰａで運転された。グラフ線５４及び５６は、約１００時間後に、電圧が急激に減少し、破壊が基準燃料電池で発生したことを示している。燃料電池が分解されたとき、有意なエッジ破壊が観察された。
【００２１】
ＰＶＤＦを吸収した拡散媒体層を使用した燃料電池は、劇的な電池電圧損失が遥かに少ない状態で約１７５時間まで運転された。加えて、移動点で短絡電流及びガスのクロスオーバー電流が測定され、その結果が以下の表１に与えられている。クロスオーバー電流は、燃料電池の運転時間の間に有意には増大しなかった。膜電極アッセンブリが非常に劣化した場合、クロスオーバー電流の増大が予想される。燃料電池が分解されたとき、触媒層のエッジ破壊の兆候は存在しなかった。破壊の大部分は膜電極アッセンブリの活性領域において発生した。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
前記した説明は、本発明の単なる一例としての実施例を開示し、記述している。当業者は上記のような説明並びに添付図面及び請求の範囲から、様々な変更、変形及び改良を、請求の範囲で定義された本発明の精神及び範囲から逸脱すること無くなし得ることが容易に認められよう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、既知の燃料電池の断面図である。
【図２】図２は、本発明の一実施例に係る、拡散媒体層内に阻止剤を用いる燃料電池の断面図である。
【図３】図３は、既知の燃料電池と、本発明の阻止剤を用いる燃料電池とに関する、電池電圧と運転時間との間の関係を示す、水平軸上で運転時間、垂直軸上で電池電圧を表したグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
2007534130.tif 000007
2007534130.tif 000008
2007534130.tif 000009