(57)【要約】  燃料電池膜電極接合体内のガス透過性層が提供され、該ガス透過性層は、比較的親水性及び比較的疎水性の経路を提供することができる第１の種類の炭素粒子と第２の種類の炭素粒子との混合物を含む。いくつかの実施形態において、第１の種類の炭素粒子は、第２の種類の炭素粒子よりも遅い速度で酸化する。いくつかの実施形態において、第１の種類の炭素粒子は黒鉛化され、第２の種類の炭素粒子は黒鉛化されない。【特許請求の範囲】
【請求項１】
９９：１〜５：９５の重量比の第１の種類の炭素粒子と第２の種類の炭素粒子との混合物を含む少なくとも１つのガス透過性層を含む燃料電池膜電極接合体であって、前記第１の種類の炭素粒子が、前記第２の種類の炭素粒子よりも遅い速度で酸化する、燃料電池膜電極接合体。
【請求項２】
前記１の種類の炭素粒子が黒鉛化炭素粒子である、請求項１に記載の燃料電池膜電極接合体。
【請求項３】
前記第２の種類の炭素粒子が黒鉛化炭素粒子ではない、請求項２に記載の燃料電池膜電極接合体。
【請求項４】
前記第１及び第２の種類の炭素粒子を、９５：５以下の重量比で含む、請求項１に記載の燃料電池膜電極接合体。
【請求項５】
前記第１及び第２の種類の炭素粒子を、少なくとも５０：５０の重量比で含む、請求項１に記載の燃料電池膜電極接合体。
【請求項６】
前記第１の種類の炭素粒子が、１０〜２００ｍ２／ｇの表面積を有する、請求項１に記載の燃料電池膜電極接合体。
【請求項７】
前記第２の種類の炭素粒子が、２００〜１０００ｍ２／ｇの表面積を有する、請求項１に記載の燃料電池膜電極接合体。
【請求項８】
前記少なくとも１つのガス透過性層が、触媒を含有するカソード層である、請求項１に記載の燃料電池膜電極接合体。
【請求項９】
前記少なくとも１つのガス透過性層が、触媒を含有するアノード層である、請求項１に記載の燃料電池膜電極接合体。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのガス透過性層がガス拡散層（ＧＤＬ）である、請求項１に記載の燃料電池膜電極接合体。
【請求項１１】
前記少なくとも１つのガス透過性層がガスフローフィールドプレートである、請求項１に記載の燃料電池膜電極接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＯＥ（《米》エネルギー省）に付与されたＣｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ  Ａｇｒｅｅｍｅｎｔ  ＤＥ−ＦＧ３６−０７ＧＯ１７００７の下、政府の支援により行われた。政府は本発明に対し特定の権利を有する。
【０００２】
（関連出願の相互参照）
本願は、２００９年１２月２２日に出願された米国仮特許出願第６１／２８８９５０号に関する利益を請求する。
【０００３】
（発明の分野）
本開示は、比較的親水性及び比較的疎水性の経路を提供することができる第１の種類の炭素粒子と第２の種類の炭素粒子との混合物を含む燃料電池膜電極接合体のガス透過性層に関する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
要約すると、本開示は、９９：１〜５：９５の重量比の第１種類の炭素粒子と第２の種類の炭素粒子との混合物を含む少なくとも１つのガス透過性層を含む燃料電池膜電極接合体（ＭＥＡ）を提供し、該第１の種類の炭素粒子は、該第２の種類の炭素粒子よりも遅い速度で酸化する。いくつかの実施形態において、第１の種類の炭素粒子は、黒鉛化炭素粒子である。いくつかの実施形態において、第２の種類の炭素粒子は、黒鉛化炭素粒子ではない。いくつかの実施形態において、ＭＥＡは、第１及び第２の種類の炭素粒子を、９５：５以下の重量比で含む。いくつかの実施形態において、ＭＥＡは、第１及び第２の種類の炭素粒子を、少なくとも５０：５０の重量比で含む。いくつかの実施形態において、第１の種類の炭素粒子は、１０〜２００ｍ２／ｇの表面積を有する。いくつかの実施形態において、第２の種類の炭素粒子は、２００〜１０００ｍ２／ｇの表面積を有する。いくつかの実施形態において、ガス透過性層は、触媒を含有するカソード層、触媒を含有するアノード層、ガス拡散層（ＧＤＬ）、又はガスフローフィールドプレートである。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
本開示は、２つの異なる種類の炭素粒子の混合物を含む少なくとも１つのガス透過性層を含む燃料電池膜電極接合体を提供する。
【０００６】
膜電極接合体
本開示による膜電極接合体（ＭＥＡ）又はポリマー電解質膜（ＰＥＭ）は、燃料電池のような電気化学電池において有用であり得る。ＭＥＡは、プロトン交換膜燃料電池（例えば水素燃料電池）の中心要素である。燃料電池は、水素などの燃料と酸素などの酸化剤との触媒的化合によって、使用可能な電気を発生する電気化学電池である。典型的なＭＥＡは、固体電解質として機能するポリマー電解質膜（ＰＥＭ）（イオン伝導性膜（ＩＣＭ）としても知られている）を含む。ＰＥＭの１つの面はアノード電極層と接触しており、反対側の面はカソード電極層と接触している。典型的な用途では、プロトンが、水素酸化によってアノードで形成され、ＰＥＭを通ってカソードに輸送されて酸素と反応し、電流が電極を接続する外部回路内に流れる。各電極層は、白金金属を典型的に含む電気化学触媒を含む。ＰＥＭは、反応ガス間に、耐久性のある無孔の非導電性機械的障壁を形成するが、それでもやはりＨ＋イオンを容易に通過させる。ガス拡散層（ＧＤＬ）は、アノード電極材料からカソード電極材料への、並びにカソード電極材料からアノード電極材料へのガス輸送を容易にし、電流を伝導する。ＧＤＬは多孔質であり、導電性でもあり、典型的には炭素繊維で構成される。ＧＤＬは、流体輸送層（ＦＴＬ）又はディフューザ／集電体（ＤＣＣ）と呼ばれることもある。いくつかの実施形態では、アノード及びカソードの電極層がＧＤＬに適用され、得られた触媒コーティングされたＧＤＬがＰＥＭで挟まれて、５層構造のＭＥＡが形成される。５層ＭＥＡの５層は、アノードＧＤＬ、アノード電極層、ＰＥＭ、カソード電極層、及びカソードＧＤＬの順である。他の実施形態では、アノード及びカソード電極層はＰＥＭの両側に適用され、得られた触媒コーティングされた膜（ＣＣＭ）が２つのＧＤＬ間に挟まれて、５層構造のＭＥＡが形成される。用語「電極層」及び「触媒層」は、本明細書で交換可能に使用される。
【０００７】
本開示によるＰＥＭは、任意の好適なポリマー電解質を含み得る。本開示において有用なポリマー電解質は、典型的には、通常の主鎖に結合したアニオン性官能基を担持し、このアニオン性官能基は、典型的にはスルホネート基（プロトンにより中和された際、スルホン酸基を形成する）であるが、カルボキシレート基（プロトンにより中和された際、カルボン酸基を形成する）、脱プロトン化イミド基、脱プロトン化スルホンアミド基、及び脱プロトン化アミド基、又はプロトン化により酸を形成する他の官能基を含むこともできる。本開示において有用なポリマー電解質は、典型的には高フッ素化しており、最も典型的には全フッ素化している。本開示において有用なポリマー電解質は、典型的にはテトラフルオロエチレン及び１つ以上のフッ素化された酸官能性コモノマーのコポリマーである。典型的なポリマー電解質としては、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）（ＤｕＰｏｎｔ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ  ＤＥ）及びＦｌｅｍｉｏｎ（商標）（Ａｓａｈｉ  Ｇｌａｓｓ  Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ）が挙げられる。ポリマー電解質は、米国特許出願第１０／３２２，２５４号、同第１０／３２２，２２６号及び同第１０／３２５，２７８号に記載されているテトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）とＦＳＯ２−ＣＦ２ＣＦ２ＣＦ２ＣＦ２−Ｏ−ＣＦ＝ＣＦ２とのコポリマーであり得る。ポリマーは、典型的には１２００以下、及びより典型的には１１００以下の当量（ＥＷ）を有する。いくつかの実施形態では、典型的には１０００以下、より典型的には９００以下、及びより典型的には８００以下の非常に低いＥＷのポリマーを使用することができ、多くの場合、より高いＥＷポリマーを使用した場合と比較して性能が改善される。
【０００８】
このポリマーから任意の適切な方法で膜を形成することができる。ポリマーは、典型的には、懸濁液から成型される。バーコーティング、スプレーコーティング、スリットコーティング、はけ塗りなどを含む任意の適切な成型法を使用することができる。あるいは、溶融プロセス（例えば押出成形）においてニートポリマーから膜を形成してもよい。形成後、膜を典型的には１２０℃以上、より典型的には１３０℃以上、最も典型的には１５０℃以上の温度でアニールしてもよい。本開示による方法のいくつかの実施形態においては、膜に添加物を、アニール後にのみ添加してアニール前には添加しないため、アニール条件はそれらの存在に影響されない。添加物が存在すると、例えば膜Ｔｇが上がるために、より高いアニール温度が必要となる場合がある。ＰＥＭの厚さは、典型的には５０マイクロメートル未満、より典型的には４０マイクロメートル未満、より典型的には３０マイクロメートル未満、及び最も典型的には約２５マイクロメートル未満である。
【０００９】
本開示によるＰＥＭは、多孔質支持体、例えば膨張したＰＴＦＥの層又は同様なものを更に含んでもよく、ここで多孔質支持体の孔はポリマー電解質を含有する。本開示によるＰＥＭは、多孔質支持体を含まなくてもよい。本開示によるＰＥＭは、架橋ポリマーを含んでもよい。
【００１０】
ＭＥＡ又はＣＣＭを作製するために、任意の好適な手段によって触媒をＰＥＭに適用してよく、これには手動方法及び機械方法の両方が含まれ、例えばハンドブラッシング、ノッチバーコーティング、流体ベアリングダイコーティング、巻線ロッドコーティング、流体ベアリングコーティング、スロット供給ナイフコーティング、３ロールコーティング、又はデカール転写が含まれる。コーティングは、１回の付着作業又は複数回の付着作業で行うことができる。
【００１１】
任意の好適な触媒を本開示の実施に使用してよい。典型的には、炭素担持触媒粒子が使用される。典型的な炭素担持触媒粒子は、５０〜９０重量％の炭素及び１０〜７０重量％の触媒金属であり、触媒金属は、典型的にはカソード及びアノード用にＰｔを含む。いくつかの実施形態において、触媒金属は、アノードに関してＰｔ及びＲｕを１：２〜４：１の重量比で含む。典型的には、触媒は、触媒インクの形態でＰＥＭ又はＦＴＬに適用される。あるいは、触媒インクを転写基材に適用し、乾燥させ、その後にＰＥＭに又はＦＴＬに、デカールとして適用してもよい。触媒インクは、典型的には、ＰＥＭを構成するポリマー電解質材料と同じであっても同じでなくてもよいポリマー電解質材料を含む。触媒インクは、典型的には、ポリマー電解質の分散液中に触媒粒子の分散液を含む。このインクは、典型的には３〜４０％の固体（すなわちポリマー及び触媒）、より典型的には１０〜２５％の固体を含有する。電解質分散液は、典型的には水性分散液であり、これは、アルコール、並びにグリセリン及びエチレングリコールのような多価アルコールを更に含有してもよい。水、アルコール、及び多価アルコールの含有量は、インクのレオロジー特性を変えるように調整してよい。インクは、典型的には、０〜７５％のアルコール及び０〜２０％の多価アルコールを含有する。加えて、インクは０〜２％の好適な分散剤を含有してよい。インクは、典型的には、加熱しながら撹拌し、その後、コーティング可能な稠度に希釈して作られる。
【００１２】
ＭＥＡを作製するために、任意の好適な手段により、ＧＤＬをＣＣＭの両側に適用してもよい。任意の適切なＧＤＬを本開示の実施に使用することができる。典型的には、ＧＤＬは、炭素繊維を含むシート材料から構成される。典型的には、ＧＤＬは、織布炭素繊維構造及び不織布炭素繊維構造から選択される炭素繊維構造である。本開示の実施に有用であり得る炭素繊維構造としては、Ｔｏｒａｙ（商標）Ｃａｒｂｏｎ  Ｐａｐｅｒ、ＳｐｅｃｔｒａＣａｒｂ（商標）Ｃａｒｂｏｎ  Ｐａｐｅｒ、ＡＦＮ（商標）不織カーボンクロス、Ｚｏｌｔｅｋ（商標）Ｃａｒｂｏｎ  Ｃｌｏｔｈなどを挙げることができる。ＧＤＬを、種々の材料でコーティング又は含浸してよい（炭素粒子コーティング、親水性化処理及び疎水化処理（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を用いたコーティングなど）を含む）。
【００１３】
使用する際、本開示によるＭＥＡは、典型的に、分配プレートとして知られ、バイポーラプレート（ＢＰＰ）又はモノポーラプレートとしても知られる、２つの剛性プレートの間に挟まれる。ＧＤＬと同様に、分配プレートは導電性でなければならない。分配プレートは、典型的には、炭素複合材料、金属、又はめっきした金属材料から作製される。分配プレートは、反応物質又は製品流体を、典型的には、ＭＥＡに面する表面に刻まれたか、フライス処理されたか、成型されたか、又は型打ちされた１つ以上の流体伝達チャネルを介してＭＥＡ電極表面に、又はＭＥＡ電極表面から分配する。これらのチャネルは、流れ場と呼ばれることがある。分配プレートは、スタック中の２つの連続的なＭＥＡに及びそれから流体を分配することができ、１つの面は燃料を第１のＭＥＡのアノードに導き、もう１つの面は酸化剤を次のＭＥＡのカソードに導き（及び生成水を取り除き）、そのため「バイポーラプレート」と称される。あるいは、分配プレートは１つの側面上にのみチャネルを有して、その側面上においてのみ流体をＭＥＡに又はそれから分配することができ、これは「モノポーラプレート」と称されることがある。当該技術分野において使用されるとき、用語バイポーラプレートは、典型的にはモノポーラプレートも包含する。典型的な燃料電池スタックは、バイポーラプレートと交互に積み重ねられた多くのＭＥＡを含んでいる。
【００１４】
混合炭素粒子
本開示は、２つの異なる種類の炭素粒子の混合物を含む少なくとも１つのガス透過性層を含む燃料電池膜電極接合体を提供する。いくつかの実施形態において、２種類の炭素粒子は、異なる速度で酸化して、別個の親水性及び疎水性領域を混合する構造を生じさせる。こうした構造は、良好なガス輸送能力及び電気的能力を維持した状態で、良好かつ調整可能な水輸送能力の利益を提供すると考えられている。いくつかの実施形態において、第１の種類の炭素粒子は黒鉛化され、第２の種類の炭素は黒鉛化されない。燃料電池の運転中、黒鉛化されていない炭素を酸化させてそれらを親水性にするのに十分な高電位（典型的には、水素基準に対して約１．２Ｖ超）が印加されてもよい。黒鉛化炭素は、黒鉛化されていない炭素よりもはるかに遅い酸化速度を有するので、疎水性を維持することが予想される。
【００１５】
いくつかの実施形態において、第１の種類の炭素粒子は、２００ｍ２／ｇ未満、典型的には１０〜２００ｍ２／ｇ、より典型的には３０〜１５０ｍ２／ｇ、及びより典型的には５０〜１００ｍ２／ｇの表面積を有する。いくつかの実施形態において、第２の種類の炭素粒子は、２００ｍ２／ｇ超、典型的には２００〜１０００ｍ２／ｇ、より典型的には３００〜１０００ｍ２／ｇ、及びより典型的には４００〜１０００ｍ２／ｇの表面積を有する。表面積は、典型的には、ＢＥＴ法（Ｂｒｕｎａｕｅｒ、Ｅｍｍｅｔｔ、Ｔｅｌｌｅｒ法）によって測定される。種々の実施形態において、第１の種類の炭素粒子は、表面的に黒鉛化されてもよく、全体に黒鉛化されてもよく、又は中程度に黒鉛化されてもよい。
【００１６】
本開示による調整された２種類の炭素からなる材料は、良好な水輸送特性とガス輸送特性とを同時に達成することができる。酸化後、この２つの部分からなる炭素材料は、液体水及びガス輸送の別々の領域を作り出して、良好なガス輸送及び液体水輸送の両方を実現する。酸化すると、二重層からなる炭素材料は、黒鉛化されていない材料が酸化され、その結果親水性領域が形成されて容易な水輸送が可能となる状態に達することができる。しかしながら、ガスはやはり材料の他の領域を通って容易に輸送されることができる。
【００１７】
いくつかの実施形態において、第１及び第２の種類の炭素粒子は混合されて、ＭＥＡ層に含まれる前に緊密なブレンドを形成する。いくつかの実施形態において、各種類は、例えば、成型及び乾燥によって別々に塊に形成された後、所望の寸法の粒子に粉砕され、その後この粒子は混合されて、ＭＥＡ層に含まれる前にブレンドを形成する。
【００１８】
いくつかの実施形態において、第１の種類の炭素粒子と第２の種類の炭素粒子との重量比は９９：１以下であり、いくつかの実施形態では、９５：５以下であり、また、いくつかの実施形態では、９０：１０以下である。いくつかの実施形態において、第１の種類の炭素粒子と第２の種類の炭素粒子との重量比は少なくとも５：９５であり、いくつかの実施形態では、少なくとも２５：７５であり、いくつかの実施形態では、少なくとも５０：５０であり、いくつかの実施形態では、少なくとも７５：２５である。
【００１９】
いくつかの実施形態において、第２の種類の炭素は、燃料電池内での使用中に酸化される。いくつかの実施形態において、第２の種類の炭素は、燃料電池スタックに組み込まれた後の特別な工程で、例えば、外部電源から燃料電池に電位を印加するなどして酸化される。いくつかの実施形態において、第２の種類の炭素は、ＭＥＡに組み込まれた後で燃料電池スタックに組み込まれる前に、例えば、酸洗浄、高電位の印加、又は表面改質といった方法のうちの１つ以上によって酸化される。いくつかの実施形態において、第２の種類の炭素は、ＭＥＡに組み込まれる前に、例えば、酸洗浄、高電位の印加、又は表面改質といった方法のうちの１つ以上によって酸化される。
【００２０】
混合炭素粒子を含むＭＥＡ層
本開示は、２つの異なる種類の炭素粒子の混合物を含む少なくとも１つのガス透過性層を含む燃料電池膜電極接合体を提供する。ガス透過性層は、触媒を含有するカソード層、触媒を含有するアノード層、カソード側ＧＤＬ、アノード側ＧＤＬ、カソード側ガスフローフィールドプレート、アノード側ガスフローフィールドプレート、あるいは、触媒を含有するカソード層とＰＥＭとの間の副層、触媒を含有するアノード層とＰＥＭとの間の副層、触媒を含有するカソード層とＧＤＬとの間の中間層、触媒を含有するアノード層とＧＤＬとの間の中間層、カソード側ＧＤＬの微多孔層又はその他の表面層、アノード側ＧＤＬの微多孔層又はその他の表面層などの追加層、のうちの１つ以上であり得る。
【００２１】
２つの異なる種類の炭素粒子の混合物を含むガス透過性層は、必要に応じて、白金含有触媒などの触媒材料を更に含んでもよい。２つの異なる種類の炭素粒子の混合物を含むガス透過性層は、必要に応じて、フルオロポリマーなど、例えばＰＴＦＥ、ＦＥＰ、又はＴｅｆｌｏｎ（登録商標）ＡＦなどの追加の疎水性材料を更に含んでもよい。
【００２２】
本開示の様々な修正及び変更は、本開示の範囲及び原理から逸脱することなく当業者には明白であり、また、本発明は、上記で説明した例示的な実施形態に不当に限定して理解すべきではない。
【国際調査報告】
2013515351.tif 000002
2013515351.tif 000003