(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、バイポーラプレートによる電解質のウィッキングを防止することに関する実施形態を開示する。【解決手段】一例においては、燃料電池システムは第１の膜・電極接合体と第２の膜・電極接合体とを備える。該燃料電池システムはさらに、前記第１の膜・電極接合体と第２の膜・電極接合体の間に配されたバイポーラプレートを備え、該バイポーラプレートはグラファイト層と表面エネルギー調節層とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の膜・電極接合体及び第２の膜・電極接合体と、
前記第１の膜・電極接合体と、前記第２の膜・電極接合体の間に配されるバイポーラプレートとを備える燃料電池システムであって、
前記バイポーラプレートは、グラファイト層と、該グラファイト層と前記第１、第２膜・電極接合体の一又は複数の間に配された表面エネルギー調節層とを備え、
前記表面エネルギー調節層が、前記グラファイト層の孔に対する電解質のウィッキングを妨げるよう構成された燃料電池システム。
【請求項２】
前記表面エネルギー調節層が封止層を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記封止層が、ダイヤモンドとダイヤモンド状炭素の一又は複数を含んでいることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記表面エネルギー調節層が、前記グラファイト層の孔よりも幅径の大きい孔を有する多孔性媒質層を備えることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記多孔性媒質層の孔が、１０〜３００ミクロンの平均幅を有していることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記表面エネルギー調節層が、ポリマーとドープされたポリマーの一又は複数を備えることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記ドープされたポリマーが導電性粒子でドープされていることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記ポリマーは、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニル、フッ素化メタクリレート、ポリエーテルエーテルケトンのうちの一又は複数を含んでいることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記表面エネルギー調節層が、化学的又は物理的に前記グラファイト層に結合されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
多孔質のグラファイト層と、
前記グラファイト層の少なくとも一方の側に配され、該グラファイト層の孔に対する電解質のウィッキングを妨げるよう構成される表面エネルギー調節層と、
を備える燃料電池システム用のバイポーラプレート。
【請求項１１】
前記表面エネルギー調節層が、ダイヤモンドとダイヤモンド状炭素の一又は複数を含んでいることを特徴とする、請求項１０に記載のバイポーラプレート。
【請求項１２】
前記表面エネルギー調節層が、前記グラファイト層の孔よりも平均径の大きい孔を有することを特徴とする、請求項１０に記載のバイポーラプレート。
【請求項１３】
前記燃料電池システムの第１の膜・電極接合体のカソード電極と、前記燃料電池システムの第２の膜・電極接合体のアノード電極の間に配されることを特徴とする、請求項１０に記載のバイポーラプレート。
【請求項１４】
前記表面エネルギー調節層が、前記グラファイト層の一方の側と前記第１の膜・電極接合体の間及び、前記グラファイト層のもう一方の側と前記第２の膜・電極接合体の間に配されることを特徴とする、請求項１３に記載のバイポーラプレート。
【請求項１５】
前記表面エネルギー調節層が、無機材料、ポリマー、ドープされたポリマーのうちの一又は複数を含んでいることを特徴とする、請求項１０に記載のバイポーラプレート。
【請求項１６】
燃料電池システム用のバイポーラプレートを製造する方法であって、
該バイポーラプレートのグラファイト層の各々の側に表面エネルギー調節層を配し、該表面エネルギー調節層は、前記燃料電池システム内において、前記グラファイト層と膜・電極接合体の間に設けられているようにすることを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記表面エネルギー調節層は炭素系材料を含み、
前記方法はさらに、前記炭素系材料を前記グラファイト層に物理的に結合したのち該炭素系材料に熱処理を施すことを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記表面エネルギー調節層が、前記グラファイト層の孔よりも幅径の大きい孔を有する多孔性媒質層を備えることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記表面エネルギー調節層はポリマーを含み、
前記方法はさらに、スプレーコーティング、浸漬コーティング、はけ塗り、スクリーン印刷のうちの一又は複数を用いて前記ポリマーを配する処理を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記ポリマーを導電性材料でドープする処理をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システム、燃料電池システム用のバイポーラプレート及び燃料電池システム用のバイポーラプレートの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、バックアップ及び／又は主要な電力利用に便利である。燃料電池はその一部として、アノードとカソードの間に配された膜と、その膜内に配された電解質からなる、膜・電極接合体（ＭＥＡ）を有する。ＭＥＡの一例としては、高温プロトン交換膜（ＨＴ−ＰＥＭ）接合体が挙げられる。ＨＴ−ＰＥＭ接合体においては、電解質としてリン酸を用い、電解質を保持するマトリックス／膜として、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）又はＰＢＩポリマー誘導体を用いることができる。ＨＴ−ＰＥＭシステムにおいては、ポリマーマトリックス／膜内に、いくらかの酸が遊離酸の形で存在することがある。
【０００３】
燃料電池システムの中には、バイポーラプレートで仕切られた複数のＭＥＡからなるスタックを備えるものもあり、バイポーラプレートは、隣接するＭＥＡ間における電流担体として機能すると共に、燃料電池用スタックの構造上の統合性を保つ。燃料電池用スタックの両端を覆うのにエンドプレートが用いられる。バイポーラプレート及びエンドプレートは、所望の導電性、耐酸性、構造統合性を持つ好適な材料で形成することができ、グラファイト樹脂を用いてもよいが、それに限定されるものではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＨＴ−ＰＥＭ燃料電池膜からのリン酸の損失が生じると、その結果、プロトン伝導性の低下、オーム抵抗の上昇、電極反応速度の低下、性能の悪化などが起こると考えられる。よって、ＨＴ−ＰＥＭ燃料電池において所望の動作効率を得るためには、リン酸の損失を管理することが望ましい。従来、リン酸の損失は、膜からの蒸発によって生じると考えられている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
酸／電解質の損失は主に蒸発によって起きるという従来の考えに反して、本願の発明者は、ＨＴ−ＰＥＭ燃料電池の動作温度（例えば２００℃未満）における気化によって、微量の酸を損失する場合があり、また、酸／電解質の損失の大半は、グラファイト製のバイポーラプレート及び／又はエンドプレートの多孔性がもたらす電解質の取り込み／ウィッキング（毛細管現象による吸い上げ）によって生じる場合があるという認識に達した。さらに本願の発明者は、グラファイト製バイポーラプレートによる酸のウィッキングを低減することにより、ＨＴ−ＰＥＭ燃料電池の寿命や効率が向上できる場合もあるという認識に達した。本願の実施形態によると、グラファイト製バイポーラプレートの材質の表面エネルギーをコントロールすることにより、酸のウィッキングによって生じる、酸の損失、バイポーラプレートの腐食、燃料電池の性能低下などを緩和できると考えられ、本願の実施形態は、プレートに腐食や気孔形成に対する耐性を与えるものである。以下においては、バイポーラプレートを例に説明するが、開示されている実施形態はエンドプレートにも適用できる。
【０００６】
ウィッキングは、グラファイト樹脂製のバイポーラ材質内での多孔性に起因する毛細管作用によって起こる。グラファイトは、自然状態において主に疎水性を有し、Rame-Hartによる静的接触角測定では１００度超を呈する。しかしながら、グラファイトは酸性の電解質による化学的攻撃を受ける。このため、グラファイトの表面エネルギーが増加し、もしそれを軽減しなければ、水によって表面が完全に濡れることが考えられる（接触角１５度未満）。グラファイトの多孔性は、濡れ性に対する表面エネルギーの効果を誇大する。つまり、表面エネルギーが増加すると、多孔質グラファイトの表面の濡れ性はますます高まる。
【０００７】
バイポーラプレートの表面エネルギーがインサイチュで増加すると、より多くのリン酸がプレートに引き寄せられると考えられる。しかしながら、バイポーラプレートの表面エネルギーが充分に低いままであれば、酸のウィッキングに利用可能な経路を有意に減らすことができると考えられる。したがって、物理的あるいは化学的処理、又はその組み合わせによって、燃料電池の寿命期間にわたり表面エネルギーが充分低くなるようバイポーラプレートの表面を改質することが、酸の損失、バイポーラプレートの腐食、及び燃料電池の性能低下の緩和に役立つと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、燃料電池システムを含むバックアップ電力供給システムとその燃料電池システムのさまざまな補助的部品の一実施形態を示す概略図である。
【図２】図２は改良バイポーラプレートの第１実施例の概略図である。
【図３】図３は改良バイポーラプレートの第２実施例の概略図である。
【図４】図４は改良バイポーラプレートの第３実施例の概略図である。
【図５】図５は改良バイポーラプレートの第４実施例の概略図である。
【図６】図６は、図２に示した改良バイポーラプレートを用いた燃料電池における負荷時間に対するセル電圧を、改良バイポーラプレートを用いない燃料電池と比べたグラフである。
【図７】図７は、図２に示した改良バイポーラプレートを用いた燃料電池における膜内の酸の残存量を、改良バイポーラプレートを用いない燃料電池と比べた棒グラフである。
【図８】図８は、図３に示した改良バイポーラプレートを用いた燃料電池における負荷時間に対するセル電圧を、改良バイポーラプレートを用いない燃料電池と比べたグラフである。
【図９】図９は、図３に示した改良バイポーラプレートを用いた燃料電池における膜内の酸の残存量を、改良バイポーラプレートを用いない燃料電池と比べた棒グラフである。
【図１０】図１０は、図４に示した改良バイポーラプレートを用いた燃料電池における負荷時間に対するセル電圧を、改良バイポーラプレートを用いない燃料電池と比べたグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１において、１００は燃料電池システムの一例の概略構成を示す。燃料電池システム１００は、所望の電圧を生じるよう直列に接続された複数の燃料電池１０３を含む燃料電池集合体１０２を備える。各燃料電池１０３はカソード電極１０６とアノード電極１０８の間に配されたプロトン交換膜１０４を備える。カソード、アノード、及びプロトン交換膜は膜・電極接合体（ＭＥＡ）１１０を構成する。燃料電池用スタック内で隣接する２つの燃料電池のアノードとカソードの間にはバイポーラプレート１１２が配されている。バイポーラプレートは、燃料とオキシダントを分配するための集積フロー領域を備えることとしてもよい。あるいは、バイポーラプレートとその両側の電極の間に、別々のフロー領域構造（図示せず）を配することとしてもよい。燃料電池の作動中には、バイポーラプレート１１２が、１つのＭＥＡのアノードとそれに隣接するＭＥＡのカソードの間で電流を導く。エンドプレート１１４は燃料電池集合体１０２の終端となる。
【００１０】
プロトン交換膜１０４は、ＰＢＩマトリックス内のリン酸のようなプロトン伝導性材料を含み、アノードで生成されたプロトンを輸送するよう構成される。この他の実施例においては、ＰＢＩ膜は、硫酸やその他の好適な一又は複数の酸でドープされることとしてもよい。
【００１１】
上記のように、プロトン交換膜には電解質／リン酸の損失が生じることが考えられる。電解質／リン酸の損失の大半は、バイポーラプレートの多孔性がもたらすウィッキング作用によって生じると考えられることから、図２〜図５では、そのようなウィッキング作用を制限する改良バイポーラプレートの実施例を示している。この構成は、通常のバイポーラプレートと比べて電解質の損失の低減に役立つと考えられ、その結果、燃料電池の寿命と効率が向上できると考えられる。図２〜図５に示した例は、限定を意図するものではなく、バイポーラプレートへの電解質のウィッキングを低減する構造をあくまで例示するためのものである。例示した実施例は単独で用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。
【００１２】
図２は、第１の実施例における改良バイポーラプレート２００の概略図である。改良バイポーラプレート２００は、孔２０４を持つマトリックスを備えた内側グラファイト樹脂層２０２を含んでいる。さらに、内側グラファイト樹脂層２０２の上には外側封止層２０６が設けられ、それにより孔２０４を封止するので、電解質の孔２０４へのウィッキングの低減に役立つ。外側封止層２０６の材料としては、好適な材料なら何でもよく、例えばダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）、あるいは内側グラファイト層２０２と同一あるいは類似した材料を用いることができるが、これらの例に限定するものではない。
【００１３】
外側封止層２０６を内側グラファイト樹脂層２０２に対して物理的又は化学的に結合してもよい。封止材が炭素系の材料（例：グラファイト樹脂）を含む実施形態においては、封止材をより化学的に不活性な状態の炭素に変換するため、外側封止層２０６をまず物理的に配し、続いて、例えば９００℃を超えるオーブンあるいは炉（例えば、ChristnerとFarooqueによる１９８４年NASA Document ID: 19840066957を参照）を用いて、不活性環境で熱処理を行うこととしてもよい。この構成は、封止していないバイポーラプレートと比べ、バイポーラプレートの表面エネルギーを低減するのに役立つと考えられる。
【００１４】
図３は、第２の実施例における改良バイポーラプレート３００の概略図である。改良バイポーラプレート３００は、上述のように、露出孔３０４を持つマトリックスを備えたグラファイト層３０２内にグラファイト樹脂材料を含んでいる。さらに、付加的多孔性媒質層３０６がグラファイト層３０２とＭＥＡ１８０・電解質１０４の間に設けられている。付加的多孔性媒質層３０６は、露出孔３０４よりも幅径の大きい露出孔３０８を持つマトリックスを備える。孔３０８の幅は適宜設定でき、例としては１０〜３００ミクロンの範囲で幅を設定できるが、この例に限定するものではない。
【００１５】
付加的多孔性媒質層３０６の材料としては、好適な材料なら何でもよい。好適な材料の例としては、所望の孔幅を持ち、充分な導電性があり、及び／又は、燃料電池の化学的環境における腐食への充分な耐性を備える材料が考えられる。材料の例としては、カーボンファイバー系ペーパーが挙げられるが、この例に限定するものではない。付加的多孔性媒質層３０６は、毛細管作用の起きる可能性を低減することにより、酸のウィッキングの経路を妨げると考えられる。さらに、バイポーラプレート３０２の表面エネルギーは、層３０６の表面エネルギーに相対して低減されると考えられる。
【００１６】
図４は、第３の実施例における改良バイポーラプレート４００の概略図である。改良バイポーラプレート４００は、上述のように、露出孔４０４を持つマトリックスを備えたグラファイト層４０２内にグラファイト樹脂材料を含んでいる。さらに、外側ポリマー層又は外側無機層４０６に、化学的ロバスト性のある、低表面エネルギー材料を含んでいる。この材料には、酸化や温度劣化に対する耐性があり、本質的に表面エネルギーの低い材料が選定される。外側層４０６に好適な材料の例としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）と誘導体、ポリフッ化ビニル、フッ素化メタクリレート、その他のフッ素化ポリマー、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、その他の非フッ素化ポリマー、炭化ケイ素などの無機マトリックスなどが挙げられるが、これらの例に限定するものではない。
【００１７】
ポリマー層４０６は、化学的及び／又は物理的にグラファイト層４０２に配することとしてもよい。物理的に配する方法の例としては、スプレーコーティング、浸漬コーティング、スピンコーティング、はけ塗り、スクリーン印刷などが挙げられるが、これらの例に限定するものではない。化学的に配する方法の例としては、グラフティング・トゥ(Grafting-to)法やグラフティング・フロム(Grafting-from)法が挙げられるが、これらの例に限定するものではない。グラフティング・トゥ法の技術としては、リビングラジカル重合、原子移動ラジカル重合（ＡＴＲＰ）、メタセシス重合、開環メタセシス重合（ＲＯＭＰ）、可逆的付加開裂連鎖移動重合（ＲＡＦＴ）などの重合方法が挙げられるが、これらの例に限定するものではない。グラフティング・フロム法の技術では、上記の各重合方法の表面開始型が用いられる。化学的に結合されたポリマー膜は、物理的に配されたポリマー層に比べると、グラファイト樹脂材料に対してより強く結合すると考えられる。
【００１８】
図５は、第４の実施例における改良バイポーラプレート５００を示す。改良バイポーラプレート５００は、露出孔５０４を持つマトリックスを備えたグラファイト層５０２内にグラファイト樹脂材料を含み、さらに外側層５０６も含んでいる。外側層５０６は、化学的ロバスト性のある、低表面エネルギー材料を含み、その材料としては、第３実施例で述べたポリマーや無機材料のような、酸化や温度劣化に対する耐性があり、本質的に表面エネルギーの低い材料が用いられる。それに加えて、ポリマー層や無機物層の導電性を増すため、外側層５０６は、カーボンブラック、合成あるいは天然のグラファイト、カーボンファイバー、あるいは金粒子などで構成した導電性粒子５０８を含む。これらの具体的な材料は例として挙げたものであり、決して限定を意図するものではない。外側層５０６をグラファイト層５０２に付加するには、いかなる好適な方法を使用してもよく、それには第３実施例で述べたような方法も含まれる。導電性粒子５０８は、外側層５０６の導電性向上に役立ち、それによって、燃料電池用スタックの内部抵抗の低減に役立つと考えられる。
【００１９】
図６は、時間関数（単位は任意）におけるセル電圧を表したグラフ６００であり、未改良のバイポーラプレートを備えた燃料電池と、図２で示した上述の改良バイポーラプレートを備えた燃料電池とを比較したものである。図６において、第１線（燃料電池１）は改良バイポーラプレートを備えた第１燃料電池の動作を示すものであり、第２線（燃料電池２）は未改良のバイポーラプレートを備えた第２燃料電池の動作を示すものである。第２燃料電池は第１燃料電池よりも減衰速度が速いことがわかる。
【００２０】
図７は、図６の各燃料電池を所定期間作動させたあとの、酸の残存量を表す棒グラフ７００である。これらの結果から、第１燃料電池の膜が、第２燃料電池の膜に比べて、より多くの酸残存量を呈していることが観察できる。この具体例では、第１燃料電池の膜の酸残存量は９５％を超えるが、その一方で、第２燃料電池の膜の酸残存量は５０％未満である。したがってこの例では、改良バイポーラプレートを備えた燃料電池は、未改良バイポーラプレートを備えた燃料電池に比して、時間経過に伴う性能低下と酸損失が低減されていることがわかる。
【００２１】
図８は、時間関数（単位は任意）におけるセル電圧を表したグラフ８００であり、未改良のバイポーラプレートを備えた燃料電池システムと、図３で示した上述の、平均孔サイズがより大きい材料を用いた改良バイポーラプレートを備えた燃料電池システムとを比較したものである。第１線（燃料電池１）は改良バイポーラプレートを備えた第１燃料電池の動作を示すものであり、第２線（燃料電池２）は未改良のバイポーラプレートを備えた第２燃料電池の動作を示すものである。これらの結果から、第２燃料電池は第１燃料電池よりも減衰速度が速いことがわかる。
【００２２】
図９は、図８の各燃料電池システムを所定期間作動させたあとの、酸の残存量を表す棒グラフ９００である。改良バイポーラプレートを備えた第１燃料電池システムの膜が、未改良バイポーラプレートを備えた第２燃料電池システムの膜に比べて、より多くの酸残存量を呈していることが観察できる。この具体例では、第１燃料電池の膜の酸残存量は７５％を超えるが、その一方で、第２燃料電池の膜の酸残存量は５０％未満である。したがってこの例では、改良バイポーラプレートを備えた燃料電池システムにおいて、時間経過に伴う酸損失と性能減衰が低減されていることがわかる。
【００２３】
図１０は、時間関数（単位は任意）におけるセル電圧を表したグラフ１０００であり、未改良のバイポーラプレートを備えた燃料電池システムと、図４で示した上述の、ＰＴＦＥによる封止を施した改良バイポーラプレートを備えた燃料電池システムとを比較したものである。第１線（燃料電池１）は改良バイポーラプレートを備えた燃料電池システムの動作を示すものであり、第２線（燃料電池２）は未改良のバイポーラプレートを備えた燃料電池システムの動作を示すものである。この例からも、未改良のバイポーラプレートを備えた燃料電池システムは、改良バイポーラプレートを備えた燃料電池システムよりも減衰速度が速いことがわかる。
【００２４】
上記のとおり、酸のウィッキングを低減するよう改良したバイポーラプレート及び／又はエンドプレートを使用することにより、酸の損失、バイポーラプレートの腐食、及び燃料電池の性能低下の緩和に役立ち、それによって燃料電池の寿命を延ばすことができると考えられる。なお、本願は具体的な実施形態を開示しているが、これらの具体的実施形態は、様々な変形が可能であるため、限定的な意味に解釈されるべきものではない。本開示の主題は、ここで開示した各種要素、特徴、機能、及び／又は性質の、新規かつ非自明なコンビネーション、サブコンビネーションをすべて含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【外国語明細書】
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