(57)【要約】      （修正有）【課題】特に陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池用のｅＰＴＦＥ補強膜のためのエッジ設計は、とりわけ、膜の化学的劣化に対する耐性を提供する。【解決手段】ＰＥＭ燃料電池の膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）１０の電極エッジにおいて陽子バリアを提供する。ｅＰＴＦＥ層の一部分には、電極エッジにおいて陽子非透過性ポリマーが吸収される。当該ポリマーは、Ｂ段階のエポキシ、Ｂ段階のフェノール類、分散液からのホットメルト熱可塑性物質、熱硬化性物質又は熱可塑性物質の鋳造物を含むことができるが、これらに限定されるものではない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極アッセンブリであって、
間隔を隔てて対向する第１及び第２の電極部材であって、該第１の電極部材は第１のエッジ部分を備え、前記第２の電極部材は第２のエッジ部分を備える、前記第１及び第２の電極部材と、
前記第１及び第２の電極部材の間に配置された膜層と、
前記膜層内に配置された補強層と、
前記補強層内に配置された陽子非透過性層であって、該陽子非透過性層は前記第１及び第２のエッジ部分に近接した前記補強層の一部分に沿って延在する、前記陽子非透過性層と、
を備える、膜電極アッセンブリ。
【請求項２】
前記膜層は、イオノマー材料を含んでいる、請求項１に記載の膜電極アッセンブリ。
【請求項３】
前記補強層は、発泡性ポリテトラフルオロエチレンを含んでいる、請求項１に記載の膜電極アッセンブリ。
【請求項４】
前記陽子非透過性層は、Ｂ段階のエポキシ、Ｂ段階のフェノール類、分散液からのホットメルト熱可塑性物質、熱硬化性物質又は熱可塑性物質の鋳造物、及び、それらの組み合わせからなる群から選択された材料から構成される、請求項１に記載の膜電極アッセンブリ。
【請求項５】
前記陽子非透過性層は、前記第１及び第２のエッジ部分の始端前の位置から前記第１及び第２のエッジ部分の終端後の位置まで延在する、請求項１に記載の膜電極アッセンブリ。
【請求項６】
前記陽子非透過性層は、前記第１及び第２のエッジ部分から少なくとも前記膜層の厚さの距離まで、前記電極部材の間で延在する、請求項１に記載の膜電極アッセンブリ。
【請求項７】
前記陽子非透過性層は、前記第１及び第２のエッジ部分から前記膜層の厚さの約３倍の距離まで、前記電極部材の間で延在する、請求項６に記載の膜電極アッセンブリ。
【請求項８】
前記膜電極アッセンブリは、燃料電池の一部である、請求項１に記載の膜電極アッセンブリ。
【請求項９】
膜電極アッセンブリであって、
間隔を隔てて対向する第１及び第２の電極部材であって、該第１の電極部材は第１のエッジ部分を備え、前記第２の電極部材は第２のエッジ部分を備える、前記第１及び第２の電極部材と、
前記第１及び第２の電極部材の間に配置されたイオノマー膜層と、
前記膜層内に配置された補強層と、
前記補強層内に配置された陽子非透過性層であって、該陽子非透過性層は前記第１及び第２の電極部材の間に所定距離に亘って前記補強層の一部分に沿って延在する、前記陽子非透過性層と、
を備える、膜電極アッセンブリ。
【請求項１０】
前記陽子非透過性層は、Ｂ段階のエポキシ、Ｂ段階のフェノール類、分散液からのホットメルト熱可塑性物質、熱硬化性物質又は熱可塑性物質の鋳造物、及び、それらの組み合わせからなる群から選択された材料から構成される、請求項９に記載の膜電極アッセンブリ。
【請求項１１】
前記陽子非透過性層は、前記第１及び第２のエッジ部分から少なくとも前記膜層の厚さの距離まで、前記電極部材の間で延在する、請求項９に記載の膜電極アッセンブリ。
【請求項１２】
前記陽子非透過性層は、前記第１及び第２のエッジ部分から前記膜層の厚さの約３倍の距離まで、前記電極部材の間で延在する、請求項１１に記載の膜電極アッセンブリ。
【請求項１３】
前記補強層は、発泡性ポリテトラフルオロエチレンを含んでいる、請求項９に記載の膜電極アッセンブリ。
【請求項１４】
前記膜電極アッセンブリは、燃料電池の一部である、請求項１１に記載の膜電極アッセンブリ。
【請求項１５】
燃料電池のための膜電極アッセンブリであって、
間隔を隔てて対向する第１及び第２の電極部材であって、該第１の電極部材は第１のエッジ部分を備え、前記第２の電極部材は第２のエッジ部分を備える、前記第１及び第２の電極部材と、
前記第１及び第２の電極部材の間に配置されたイオノマー膜層と、
前記イオノマー膜層内に配置された発泡性ポリテトラフルオロエチレン補強層と、
前記発泡性ポリテトラフルオロエチレン補強層内に配置された陽子非透過性層であって、  該陽子非透過性層は、Ｂ段階のエポキシ、Ｂ段階のフェノール類、分散液からのホットメルト熱可塑性物質、熱硬化性物質又は熱可塑性物質の鋳造物、及び、それらの組み合わせからなる群から選択された材料から構成され、前記陽子非透過性層は、前記第１及び第２の電極部材の間で前記発泡性ポリテトラフルオロエチレン補強層の一部分に沿って延在する、前記陽子非透過性層と、
を備える、膜電極アッセンブリ。
【請求項１６】
前記陽子非透過性層は、前記第１及び第２のエッジ部分から少なくとも前記膜層の厚さの距離まで、前記電極部材の間で延在する、請求項１５に記載の膜電極アッセンブリ。
【請求項１７】
前記陽子非透過性層は、前記第１及び第２のエッジ部分から前記膜層の厚さの約３倍の距離まで、前記電極部材の間で延在する、請求項１６に記載の膜電極アッセンブリ。
【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ＰＥＭ燃料電池用のＥＰＴＦＥ補強膜のための改善されたエッジ設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、多数の用途のための電源として使用されてきた。例えば燃料電池は、内燃エンジンに取って代わるため電気自動車のパワープラントで使用することが提案されてきた。陽子交換膜（ＰＥＭ）型式の燃料電池では、水素が燃料電池のアノードに供給され、酸素が酸化剤としてカソードに供給される。ＰＥＭ燃料電池は、薄い陽子透過性の非導電性の固体ポリマー電解質膜を有する膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を備え、該固体ポリマー電解質膜は、該電解質膜の面のうち一方の面にはアノード触媒を、反対側の面にはカソード触媒を有している。一対の導電性要素の間に挟まれ、ガス拡散媒体構成要素と称されることがある膜電極アッセンブリは、（１）アノード及びカソードのための電流コレクターとして機能し、（２）各々のアノード触媒及びカソード触媒の表面に亘って燃料電池のガス状反応物を分配するための適切な開口を含み、（３）電極から流れ場チャンネルへと生成水蒸気又は液体水を除去し、（４）熱除去のために熱伝導性であり、（５）機械的強度を有する。燃料電池という用語は、典型的には、文脈に応じて単一の電池又は複数の電池（例えば、スタック）のいずれかを指すために使用されている。複数の個々の電池は、一般に、燃料電池スタックを形成するため一緒に束ねられ、直接に配列されている。スタック内の各電池は、前述された膜電極アッセンブリを備え、そのような膜電極アッセンブリの各々は、その電圧増分を提供する。
【０００３】
ＰＥＭ燃料電池では、水素（Ｈ２）がアノード反応物（即ち燃料）であり、酸素がカソード反応物（即ち酸化剤）である。酸素は、純粋な形態（Ｏ２）であっても或いは空気（Ｏ２とＮ２の混合物）であってもよい。固体ポリマー電解質は、典型的には、例えば、ペルフルオロスルホン酸等のイオン交換樹脂から作られている。アノード／カソードは、典型的には、きめ細かく分割された触媒粒子を含み、該粒子は、炭素粒子上に担持され、陽子透過性樹脂と混合される。触媒粒子は、典型的には、コスト高の貴金属粒子である。これらの膜電極アッセンブリは、製造するのに比較的高価であり、有効な作動のため、適切な水管理及び加湿、例えば一酸化炭素（ＣＯ）等の触媒汚染物質の制御を始めとする幾つかの条件を必要としている。
【０００４】
ＰＥＭ及び他の関連する型式の燃料電池システムに関する技術の例は、共有譲渡された、ウィザースプーンらに付与された米国特許番号３，９８５，５７８号、スワシリヤンらに付与された米国特許番号５，２７２，０１７号、リーらに付与された米国特許番号５，６２４，７６９号、ノィツァーらに付与された米国特許番号５，７７６，６２４号、ディピアーノ・ボスコらに付与された米国特許番号６，１０３，４０９号、スワシリヤンらに付与された米国特許番号６，２７７，５１３号、ウッズIII世らに付与された米国特許番号６，３５０，５３９号、フランクらに付与された米国特許番号６，３７２，３７６号、マチスらに付与された米国特許番号６，３７６，１１１号、ヴィヤスらに付与された米国特許番号６，５２１，３８１号、サムパリらに付与された米国特許番号６，５２４，７３６号、ゼェナーらに付与された米国特許番号６，５２８，１９１号、フライらに付与された米国特許番号６，５６６，００４号、フォルテらに付与された米国特許番号６，６３０，２６０号、フライらに付与された米国特許番号６，６６３，９９４号、ゼェナーらに付与された米国特許番号６，７４０，４３３号、ネルソンらに付与された米国特許番号６，７７７，１２０号、ブラディらに付与された米国特許番号６，７９３，５４４号、ラパポートらに付与された米国特許番号６，７９４，０６８号、ブランクらに付与された米国特許番号６，８１１，９１８号、マチスらに付与された米国特許番号６，８２４，９０９号、ゼェナーらによる米国特許出願公開番号２００４／０２２９０８７号、オハラらによる２００５／００２６５２３号、オハラらによる２００５／００２６０１８号、オハラらによる２００５／００２６５２３号に見出すことができ、それらの内容の全ては、参照により本願に組み込まれる。
【０００５】
陽子バリアは、典型的には、膜の化学的劣化に対する耐性を確保するため、並びに、膜の露出領域へのガス拡散媒体繊維の貫通を防止するため、ＰＥＭ燃料電池の膜電極アッセンブリの電極エッジにおいて、典型的に必要とされている。多数の構造がこの目的のために考慮されてきた。これらの構造の例には、（１）触媒に関して、低粘性率のポリマー（例えばエポキシ、ポリ（ジメチルシロキサン）（ＰＤＭＳ）、フェノール類、ポリウレタン、ポリビニールアセテート、アルキド樹脂等の１００％固体でできているが、これらに限定されるものではない）が吸収された触媒層のエッジ部分、及び／又は、傾斜機能を形成するため（例えば、エッジにおいて触媒からプラチナを取り除く）、触媒毒反応、例えば、選択的に触媒を無効にする工程を使用することと、（２）膜に関して、スルホン酸（例えば、ＢＡ（ＯＨ）２架橋体）を拘束するための選択的な架橋、触媒層のエッジ部分に隣接した膜の一部分の選択的な脱スルホン化、及び／又は、活性領域における選択的スルホン化と、（３）サブガスケット（即ち、触媒層／膜のインターフェースにおけるサブガスケット）に関して、加熱プレスされた３マイクロメートルのポリイミド膜を使用し、エポキシ結合されたポリマー膜（例えば、加熱プレスの間に結合を可能とするため側部におけるｂ段階エポキシ）を使用し、及び／又は、例えば金属間化合物又は金属化層（例えば、膜に直接塗布されるか又はポリマー膜に塗布される）等の無機層を使用し、（４）サブガスケット（即ち、拡散媒体／触媒層のインターフェースにおけるサブガスケット）に関して、拡散媒体（例えば、ポリ（塩化ビニリデン）（ＰＶＤＣ）-ポリ（アクリロニトリル）（ＰＡＮ）コポリマー）上への溶媒スクリーン印刷工程を使用し、拡散媒体と触媒層との間に適用されたホットメルトフィルムを使用し、及び／又は、触媒層を吸収し、（５）サブガスケット（即ち、膜の中央部におけるサブガスケット）に関して、ポリイミド／ペルフルオロカーボンスルホン酸（ＰＦＳＡ）膜のバイラミネートを使用し及び／又はポリイミド補強膜を使用することが含まれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
残念ながら、上記型式の陽子バリア構造は、構成するのが困難且つ高価であり、また満足のいく結果をもたらすことはなかった。従って、特に、ＰＥＭ燃料電池のためのｅＰＴＦＥ補強膜にための新しい改善されたエッジ設計のための必要性が存在している。これらの設計は、膜の化学的劣化への耐性を提供するためＰＥＭ燃料電池膜電極アッセンブリの電極エッジに陽子バリアを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、膜電極アッセンブリが提供され、該膜電極アッセンブリは、（１）間隔を隔てて対向する第１及び第２の電極部材であって、該第１の電極部材は第１のエッジ部分を備え、前記第２の電極部材は第２のエッジ部分を備える、前記第１及び第２の電極部材と、（２）前記第１及び第２の電極部材の間に配置された膜層と、（３）前記膜層内に配置された補強層と、（４）前記補強層内に配置された陽子非透過性層であって、該陽子非透過性層は前記第１及び第２のエッジ部分に並行に前記補強層の一部分に沿って延在する、前記陽子非透過性層と、を備える。
【０００８】
第１の代替態様によれば、膜電極アッセンブリが提供され、該膜電極アッセンブリは、（１）間隔を隔てて対向する第１及び第２の電極部材であって、該第１の電極部材は第１のエッジ部分を備え、前記第２の電極部材は第２のエッジ部分を備える、前記第１及び第２の電極部材と、（２）前記第１及び第２の電極部材の間に配置されたイオノマー膜層と、（３）前記膜層内に配置された発泡性ポリテトラフルオロエチレン補強層と、（４）前記補強層内に配置された陽子非透過性層であって、該陽子非透過性層は前記第１及び第２のエッジ部分に並行に前記発泡性ポリテトラフルオロエチレン補強層の一部分に沿って延在する、前記陽子非透過性層と、を備える。
【０００９】
第２の代替態様によれば、膜電極アッセンブリが提供され、該膜電極アッセンブリは、（１）間隔を隔てて対向する第１及び第２の電極部材であって、該第１の電極部材は第１のエッジ部分を備え、前記第２の電極部材は第２のエッジ部分を備える、前記第１及び第２の電極部材と、（２）前記第１及び第２の電極部材の間に配置されたイオノマー膜層であって、該イオノマー膜層は前記第１及び第２のエッジッ分に並行に延在する、前記イオノマー膜層と、（３）前記イオノマー膜層内に配置された発泡性ポリテトラフルオロエチレン補強層と、（４）前記発泡性ポリテトラフルオロエチレン補強層内に配置された陽子非透過性層であって、該陽子非透過性層は、Ｂ段階のエポキシ、Ｂ段階のフェノール類、分散液からのホットメルト熱可塑性物質、熱硬化性物質又は熱可塑性物質の鋳造物、及び、それらの組み合わせからなる群から選択された材料から構成され、前記陽子非透過性層は、前記第１及び第２のエッジ部分の始端前の位置から、該第１及び第２のエッジ部分の終端後の位置まで該第１及び第２のエッジ部分に並行に前記発泡性ポリテトラフルオロエチレン補強層の一部分に沿って延在する、前記陽子非透過性層と、を備える。
【００１０】
本発明の更なる用途の分野は、以下に与えられた詳細な説明から明らかとなろう。詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施例を示しているが、あくまでも開示の目的であることが意図されており、本発明の範囲を制限するものではない。
【００１１】
本発明は、詳細な説明及び添付図面からより完全に理解されるようになる。
【実施例】
【００１２】
本発明の実施例についての次の説明は、その本質上単なる例示にしか過ぎず、本発明、その用途又は使用法を制限するものではない。
図１を参照すると、本発明の概略的な教えに係る、膜電極アッセンブリ１０の概略図が示されている。膜電極アッセンブリ１０は、例えばカソード層及び／又はアノード層等の２つの間隔を隔てて対向する電極層１２及び１４を備えている。電極層１２及び１４には、各々、エッジ部分１２ａ及び１４ａが形成されている。
【００１３】
電極層１２及び１４の間に配置されているものは、膜層１６であり、該膜層は例えばイオノマー膜であるが、これに限定されるものではない。例えば、ｅＰＴＦＥ等の補強層１８は、膜層１６のイオノマー材料内に配置され、該イオノマー材料により吸収される。補強層１８は、ｅＰＴＦＥには限定されない。補強層１８は、吸収部分１８ａを備え、補強層１８には、各々、電極層１２及び１４のエッジ部分１２ａ及び１４ａの各近傍で陽子非透過性ポリマーが吸収されている。本発明の一態様によれば、図１に詳細に示されているように、吸収部分１８ａは、エッジ部分１２ａ及び１４ａの始端前の位置から各々延在し、エッジ部分１２ａ及び１４ａの終端位置を越えて補強層１８に沿って各々延在している。
【００１４】
これに限定されない一実施例では、吸収部分１８ａは、電極層１２及び１４の間にエッジ部分１２ａ及び１４ａから少なくとも膜１６のほぼ厚さ分の距離、好ましくは膜層１６の厚さの約３倍の距離に亘って延在している。エッジ部分１２ａ及び１４ａから一定の距離だけ電極層１２及び１４の間に吸収部分１８ａを提供することによって、電気化学反応により発生されたヒドロキシル基からの膜層１６内のポリマーの劣化を減少させることができる。ヒドロキシル緩和添加剤を含むこれらの膜のために、電極層１２及び１４の間の吸収部分１８ａの延長を制限することができる。
【００１５】
陽子非透過性ポリマーは、Ｂ段階のエポキシ、Ｂ段階のフェノール類、分散液からのホットメルト熱可塑性物質、熱硬化性物質又は熱可塑性物質の鋳造物、それらの組み合わせから構成することができる。
【００１６】
本発明は、従来技術を超える多くの利点を提供する。即ち、それらの利点には、（１）インターフェースにおける機械的な特異性の減少、（２）コスト低減（材料及び製造）、（３）製造の容易さ、（４）エッジにおける厚さのばらつきの減少、並びに、（５）剥離のおそれの減少などが挙げられるが、これらの例に限定されるものではない。
【００１７】
図２を参照すると、本発明の概略的な教えに係る、ｅＰＴＦＥイオノマー膜に陽子透過性ポリマー分散液を塗布するための装置１００の斜視図が示されている。
プラズマ処理されたｅＰＴＦＥ膜１０２が、前駆体として提供される。おそらくは接着促進剤、結合剤又は表面活性剤と関連した、コロナ処理、ナトリウムナフタレートエッチング等、膜１０２のための他の表面活性方法も、プラズマ処理の代わりに使用することができるが、これらの例に限定されるものではない。また、任意の適切な融和性のある補強膜を、ｅＰＴＦＥの代わりに使用することができる。膜１０２は、典型的には６マイクロメートル厚であるが、本発明の実施において他の厚さを使用することもできる。膜１０２は、各々、上述したように膜１０２の表面に陽子非透過性ポリマーを塗布するように作動可能な一対のローラー１０４、１０６を通過して供給される。陽子非透過性ポリマーを、グラバチャー、スクリーン印刷、分配、パッド印刷及び／又はその他を始めとする幾つかのプロセスによって塗布することができるが、これらの例に限定されるものではない。
【００１８】
上記態様では、膜１０２の境界部分１０８に、陽子非透過性ポリマーが注入されている。このようにして処理され、注入されたｅＰＴＦＥ補強膜１０２は、従来のＰＦＳＡ膜又は他の任意の炭化水素を基にした膜を作るために使用することができる。
【００１９】
本発明の上記説明は、その本質上、単なる例示にしか過ぎず、かくして、本発明の要旨から逸脱しない変更は、本発明の範囲内にあることが意図されている。そのような変更は、本発明の精神及び範囲からの逸脱としてみなすべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の概略的な教えに係る、膜電極アッセンブリの概略図である。
【図２】図２は、本発明の一般的な教えに係る、ｅＰＴＦＥイオノマー膜に陽子非透過性ポリマー分散液を塗布するための装置の概略図である。
【図１】
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【図２】
2008117775.tif 000004
【外国語明細書】
2008117775000001.pdf