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技術 膜封止アセンブリ

出願人 ジョンソン、マッセイ、フュエル、セルズ、リミテッド
発明者 コールマン,ロバートジェフリーオサリヴァン,ジュリーディッキンソン,アンガス
出願日 2015年11月23日 (6年1ヶ月経過) 出願番号 2017-527698
公開日 2018年1月25日 (3年11ヶ月経過) 公開番号 2018-502422
状態 特許登録済
技術分野 燃料電池(本体)
主要キーワード 内側辺縁 外側辺縁 封止アセンブリ 非腐食性金属 開口部面 パッドプリンティング 部分フィルム 立方最密構造
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図面 (10)

課題・解決手段

強化膜封止アセンブリ及び電気化学デバイス、特にプロトン交換膜燃料電池におけるその使用が開示される。強化膜封止アセンブリは、・(i)平面であり、第1の表面及び第2の表面を含む強化構成部分であって、・(a)強化構成部分の第1の表面から第2の表面へと伸長する複数の開口部を含み、第1の開口部面密度を有する、中心領域、・(b)中心領域を囲み、開口部を欠いている、内側辺縁領域、及び・(c)強化構成部分の第1の表面から強化構成部分の第2の表面へと伸長する複数の開口部を含み、第2の開口部面密度を有し、内側辺縁領域を囲む、外側辺縁領域を含む、強化構成部分、・(ii)イオン伝導性材料、並びに・(iii)封止材料を含み、イオン伝導性材料は、強化構成部分の中心領域において各開口部を少なくとも部分的に充填し、封止材料は、強化構成部分の外側辺縁領域において各開口部を充填する。

概要

背景

燃料電池は、電解質により隔てられた2つの電極を含む電気化学電池である。燃料、たとえば水素アルコール、たとえばメタノール若しくはエタノール、又はギ酸アノードに供給され、酸化剤、たとえば酸素又は空気がカソードに供給される。電気化学反応は電極で生じ、燃料及び酸化剤の化学エネルギー電気エネルギー及び熱に変換される。電解触媒が、アノードでの燃料の電気化学的酸化及びカソードでの酸素の電気化学的還元を促進するために使用される。

燃料電池は、通常、用いられる電解質の性質に従って分類される。多くの場合、電解質は固体ポリマー膜であり、この膜は電気絶縁性であるが、イオン伝導性である。プロトン交換膜燃料電池PEMFC)において、この膜はプロトン伝導性であり、アノードで生じたプロトンは、膜を通過してカソードに輸送され、そこで酸素と結合し、水を形成する。

PEMFCの主要構成部分膜電極アセンブリMEA)であり、これは基本的に5層から構成される。中心層は、ポリマーイオン伝導性膜である。イオン伝導性膜のいずれの側にも、特定の電解反応のために設計された電解触媒を含有する、電解触媒層がある。最後に、各電解触媒層に隣接して、ガス拡散層がある。ガス拡散層は、反応物が電解触媒層に到達することを可能にしなければならず、電気化学反応により生成される電流伝導しなければならない。したがって、ガス拡散層は多孔質及び導電性でなければならない。

燃料酸化及び酸素還元のための電解触媒は、典型的には、白金又は1以上の他の金属と合金された白金をベースとする。白金又は白金合金触媒は、担持されていないナノ粒子(たとえば金属黒又は他の担持されていない粒子金属粉末)の形態でありえ、又は、導電性カーボン基材若しくは他の導電材料担持触媒)上により一層高表面積の粒子として堆積させうる。

PEMFCにおいて使用される従来のイオン伝導性膜は、一般に、パーフルオロスルホン酸(PFSA)イオノマーから形成され、これらのイオノマーから形成される膜は、Nafion(登録商標)(E.I.DuPont de Nemours and Co.)、Aciplex(登録商標)(Asahi Kasei)、Aquivion(登録商標)(Solvay Specialty Polymers)及びFlemion(登録商標)(Asahi Glass KK)の商品名で販売されている。PFSAイオン伝導性膜は、膜の機械的強度の改善、たとえば引裂き抵抗の増加並びに水和及び脱水時の寸法変化の低減を提供し、そしてそれゆえMEAの耐久性及び燃料電池の寿命を増加させるために、膜の厚み内に埋め込まれた強化材、たとえば平面多孔質材(たとえば、USRE37307に記載の延伸ポリテトラフルオロエチレン)を含有していてもよい。強化膜を形成するための他のアプローチには、米国特許第7807063号及び米国特許第7867669号に開示のものが含まれ、これらにおいて、強化材は硬質ポリマーフィルム、たとえばポリイミドであり、それに数多くの細孔が形成され、続いて、PFSAイオノマーが充填される。

従来、MEAは、本明細書において以下で概説される数多くの方法により構築できる。

(i)電解触媒層をガス拡散層に適用して、ガス拡散電極を形成することができる。ガス拡散電極は、イオン伝導性膜の各側面上に配置され、一緒に積層されて5層MEAを形成する。

(ii)電解触媒層をイオン伝導性膜の両面に適用して、触媒被覆イオン伝導性膜を形成することができる。続いて、ガス拡散層を、触媒被覆イオン伝導性膜の各面に適用する。

(iii)MEAは、一方の側が電解触媒層で被覆されたイオン伝導性膜、その電解触媒層と隣接するガス拡散層、及びイオン伝導性膜の他方の側がガス拡散電極から形成できる。

従来、MEAは、中心のポリマーイオン伝導性膜がMEAの端部まで伸長し、ガス拡散層及び電解触媒層は膜よりも面積が小さくなるように構築され、結果として、MEAの周縁部を囲んで、イオン伝導性膜のみを含む区域が存在する。電解触媒が存在しない区域は、非電気化学的活性領域である。分離フィルム層は、典型的には非イオン伝導性ポリマーから形成され、一般に、電解触媒が存在しない(がまた、多くの場合電解触媒層の端部上に重なる)イオン伝導性膜の曝露面上のMEAの端部領域の周囲に配置され、反応物及び生成物ガス漏出を防止する封止部を提供し、MEAの端部を補強及び強化して、以降の構成部分、たとえばサブガスケット又はエラストマーガスケットを担持するのに好適な表面を提供する。接着層が、封止フィルム層の一方又は両方の表面上に存在していてもよい。MEAの層又は構成部分は、典型的には、積層プロセスにより結合される。

概要

強化膜封止アセンブリ及び電気化学デバイス、特にプロトン交換膜燃料電池におけるその使用が開示される。強化膜封止アセンブリは、・(i)平面であり、第1の表面及び第2の表面を含む強化構成部分であって、・(a)強化構成部分の第1の表面から第2の表面へと伸長する複数の開口部を含み、第1の開口部面密度を有する、中心領域、・(b)中心領域を囲み、開口部を欠いている、内側辺縁領域、及び・(c)強化構成部分の第1の表面から強化構成部分の第2の表面へと伸長する複数の開口部を含み、第2の開口部面密度を有し、内側辺縁領域を囲む、外側辺縁領域を含む、強化構成部分、・(ii)イオン伝導性材料、並びに・(iii)封止材料を含み、イオン伝導性材料は、強化構成部分の中心領域において各開口部を少なくとも部分的に充填し、封止材料は、強化構成部分の外側辺縁領域において各開口部を充填する。なし

目的

分離フィルム層は、典型的には非イオン伝導性ポリマーから形成され、一般に、電解触媒が存在しない(がまた、多くの場合電解触媒層の端部上に重なる)イオン伝導性膜の曝露面上のMEAの端部領域の周囲に配置され、反応物及び生成物ガスの漏出を防止する封止部を提供し、MEAの端部を補強及び強化して、以降の構成部分、たとえばサブガスケット又はエラストマーガスケットを担持するのに好適な表面を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

(i)平面であり、第1の表面及び第2の表面を含む強化構成部分であって、(a)強化構成部分の第1の表面から第2の表面へと伸長する複数の開口部を含み、第1の開口部面密度を有する、中心領域、(b)中心領域を囲み、開口部を欠いている、内側辺縁領域、及び(c)強化構成部分の第1の表面から強化構成部分の第2の表面へと伸長する複数の開口部を含み、第2の開口部面密度を有し、内側辺縁領域を囲む、外側辺縁領域を含む、強化構成部分、(ii)イオン伝導性材料、並びに(iii)封止材料を含み、イオン伝導性材料が、強化構成部分の中心領域において各開口部を少なくとも部分的に充填し、封止材料が、強化構成部分の外側辺縁領域において各開口部を充填する、強化膜封止アセンブリ

請求項2

第2の開口部面密度が、第1の開口部面密度未満である、請求項1に記載の強化膜封止アセンブリ。

請求項3

イオン伝導性材料が、強化構成部分の第1及び第2の表面のうちの少なくとも1つと同一平面上にある、請求項1又は2に記載の強化膜封止アセンブリ。

請求項4

イオン伝導性材料が、強化構成部分の中心領域において各開口部を本質的に充填する、請求項1から3の何れか一項に記載の強化膜封止アセンブリ。

請求項5

イオン伝導性材料の層が、中心領域において強化構成部分の第1及び第2の表面の一方又は両方上に存在し、そこで、イオン伝導性材料が、強化構成部分の第1及び/又は第2の表面と同一平面上にある、請求項3又は4に記載の強化膜封止アセンブリ。

請求項6

イオン伝導性材料の層が、内側辺縁領域にわたって部分的又は完全に伸長する、請求項5に記載の強化膜封止アセンブリ。

請求項7

封止構成部分が、外側辺縁領域において強化構成部分の第1及び第2の表面の一方又は両方上に存在する、請求項1から6の何れか一項に記載の強化膜封止アセンブリ。

請求項8

触媒成分及び請求項1から7の何れか一項に記載の強化膜封止アセンブリを含む、触媒強化膜封止アセンブリ。

請求項9

請求項1から7の何れか一項に記載の強化膜封止アセンブリを含む、強化膜封止電極アセンブリ

請求項10

請求項1から7の何れか一項に記載の強化膜封止アセンブリを含む、燃料電池

請求項11

プロトン交換膜燃料電池である、請求項10に記載の燃料電池。

技術分野

0001

本発明は、強化膜封止アセンブリ及び電気化学デバイスにおけるその使用、特に、プロトン交換膜燃料電池におけるその使用に関する。

背景技術

0002

燃料電池は、電解質により隔てられた2つの電極を含む電気化学電池である。燃料、たとえば水素アルコール、たとえばメタノール若しくはエタノール、又はギ酸アノードに供給され、酸化剤、たとえば酸素又は空気がカソードに供給される。電気化学反応は電極で生じ、燃料及び酸化剤の化学エネルギー電気エネルギー及び熱に変換される。電解触媒が、アノードでの燃料の電気化学的酸化及びカソードでの酸素の電気化学的還元を促進するために使用される。

0003

燃料電池は、通常、用いられる電解質の性質に従って分類される。多くの場合、電解質は固体ポリマー膜であり、この膜は電気絶縁性であるが、イオン伝導性である。プロトン交換膜燃料電池(PEMFC)において、この膜はプロトン伝導性であり、アノードで生じたプロトンは、膜を通過してカソードに輸送され、そこで酸素と結合し、水を形成する。

0004

PEMFCの主要構成部分膜電極アセンブリMEA)であり、これは基本的に5層から構成される。中心層は、ポリマーイオン伝導性膜である。イオン伝導性膜のいずれの側にも、特定の電解反応のために設計された電解触媒を含有する、電解触媒層がある。最後に、各電解触媒層に隣接して、ガス拡散層がある。ガス拡散層は、反応物が電解触媒層に到達することを可能にしなければならず、電気化学反応により生成される電流伝導しなければならない。したがって、ガス拡散層は多孔質及び導電性でなければならない。

0005

燃料酸化及び酸素還元のための電解触媒は、典型的には、白金又は1以上の他の金属と合金された白金をベースとする。白金又は白金合金触媒は、担持されていないナノ粒子(たとえば金属黒又は他の担持されていない粒子金属粉末)の形態でありえ、又は、導電性カーボン基材若しくは他の導電材料担持触媒)上により一層高表面積の粒子として堆積させうる。

0006

PEMFCにおいて使用される従来のイオン伝導性膜は、一般に、パーフルオロスルホン酸(PFSA)イオノマーから形成され、これらのイオノマーから形成される膜は、Nafion(登録商標)(E.I.DuPont de Nemours and Co.)、Aciplex(登録商標)(Asahi Kasei)、Aquivion(登録商標)(Solvay Specialty Polymers)及びFlemion(登録商標)(Asahi Glass KK)の商品名で販売されている。PFSAイオン伝導性膜は、膜の機械的強度の改善、たとえば引裂き抵抗の増加並びに水和及び脱水時の寸法変化の低減を提供し、そしてそれゆえMEAの耐久性及び燃料電池の寿命を増加させるために、膜の厚み内に埋め込まれた強化材、たとえば平面多孔質材(たとえば、USRE37307に記載の延伸ポリテトラフルオロエチレン)を含有していてもよい。強化膜を形成するための他のアプローチには、米国特許第7807063号及び米国特許第7867669号に開示のものが含まれ、これらにおいて、強化材は硬質ポリマーフィルム、たとえばポリイミドであり、それに数多くの細孔が形成され、続いて、PFSAイオノマーが充填される。

0007

従来、MEAは、本明細書において以下で概説される数多くの方法により構築できる。

0008

(i)電解触媒層をガス拡散層に適用して、ガス拡散電極を形成することができる。ガス拡散電極は、イオン伝導性膜の各側面上に配置され、一緒に積層されて5層MEAを形成する。

0009

(ii)電解触媒層をイオン伝導性膜の両面に適用して、触媒被覆イオン伝導性膜を形成することができる。続いて、ガス拡散層を、触媒被覆イオン伝導性膜の各面に適用する。

0010

(iii)MEAは、一方の側が電解触媒層で被覆されたイオン伝導性膜、その電解触媒層と隣接するガス拡散層、及びイオン伝導性膜の他方の側がガス拡散電極から形成できる。

0011

従来、MEAは、中心のポリマーイオン伝導性膜がMEAの端部まで伸長し、ガス拡散層及び電解触媒層は膜よりも面積が小さくなるように構築され、結果として、MEAの周縁部を囲んで、イオン伝導性膜のみを含む区域が存在する。電解触媒が存在しない区域は、非電気化学的活性領域である。分離フィルム層は、典型的には非イオン伝導性ポリマーから形成され、一般に、電解触媒が存在しない(がまた、多くの場合電解触媒層の端部上に重なる)イオン伝導性膜の曝露面上のMEAの端部領域の周囲に配置され、反応物及び生成物ガス漏出を防止する封止部を提供し、MEAの端部を補強及び強化して、以降の構成部分、たとえばサブガスケット又はエラストマーガスケットを担持するのに好適な表面を提供する。接着層が、封止フィルム層の一方又は両方の表面上に存在していてもよい。MEAの層又は構成部分は、典型的には、積層プロセスにより結合される。

0012

分離封止フィルム及びイオン伝導性膜又は触媒被覆イオン伝導性膜の使用及び互いの結合を伴うこれらの従来のMEA構造では、たとえば、燃料電池の作動条件が変化するにつれて水和及び脱水時に従来の強化膜内に依然として生じる寸法変化による、膜及び封止部が膜に重なるMEAの端部において増大する機械的応力により、MEAの耐久性に大きな問題が残る。これらの応力は、これらの点で膜に脆弱性をもたらし、それは、封止層との界面に近接した端部領域における膜の破断並びに引き続く膜、MEA及び燃料電池不良をもたらす。

0013

したがって、最先端の強化膜であっても、燃料電池において使用されるときには、MEAの耐久性及び寿命の改良が依然として必要である。

0014

本発明は、
(i)平面であり、第1の表面及び第2の表面を含む強化構成部分であって、
(a)強化構成部分の第1の表面から第2の表面へと伸長する複数の開口部を含み、第1の開口部面密度を有する、中心領域
(b)中心領域を囲み、開口部を欠いている、内側辺縁領域、及び
(c)強化構成部分の第1の表面から強化構成部分の第2の表面へと伸長する複数の開口部を含み、第2の開口部面密度を有し、内側辺縁領域を囲む、外側辺縁領域
を含む、強化構成部分、
(ii)イオン伝導性材料、並びに
(iii)封止材料
を含み、
イオン伝導性材料が、強化構成部分の中心領域において各開口部を少なくとも部分的に充填し、封止材料が、強化構成部分の外側辺縁領域において各開口部を充填する、
強化膜封止アセンブリを提供する。

図面の簡単な説明

0015

それぞれ、本発明において使用される強化構成部分の平面図及び側面図である。
本発明において使用される強化構成部分の3次元表現の図である。
本発明の強化膜封止アセンブリの側面図である。
本発明の強化膜封止アセンブリの側面図である。
本発明の強化膜封止アセンブリの側面図である。
本発明の強化膜封止アセンブリの側面図である。

実施例

0016

本発明の好ましい及び/又は任意選択の特徴をここで記載する。本発明の任意の態様は、無理があると文脈で明らかでない限り、本発明の任意の他の態様と組み合わされてもよい。任意の態様の好ましい又は任意選択の特徴のうちの任意のものは、無理があると文脈で明らかでない限り、本発明の任意の態様と、単独で又は組み合わせて、組み合わされてもよい。

0017

本発明は、強化構成部分、イオン伝導性材料及び封止構成部分を含む強化膜封止アセンブリを提供する。

0018

強化構成部分は、平面であり、第1の表面及び反対側の第2の表面を含む。

0019

強化構成部分は、好適には、5−100μm、好適には5−50μm、好ましくは5−20μmの厚さを有する。

0020

強化構成部分の平面寸法(x/y寸法)は、強化膜封止アセンブリの最終用途に依存すると考えられ、その決定は、当業者能力の範囲内である。x及びy寸法は、必ずしも同じではなく、強化構成部分の平面形状は、必ずしも正方形又は長方形ではなく、やはり、形状は最終用途により決定されるであろう。

0021

強化構成部分は、フィルム材料でできている。フィルム材料は、本発明の膜封止アセンブリにおける使用に好適な任意の材料であってもよく、フィルム材料は、気体及び液体に対して不透過性であり、機械的に強く、燃料電池環境劣化に対して化学的に安定(すなわち、酸性条件及び高温高圧組合せの下で安定)である。

0022

フィルム材料は、たとえば、ポリマー材料、たとえばポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、二フッ化ポリビニリデンPVDF)、ポリイミド(PI)、ポリエーテルイミドポリエーテルスルホン(PES)、ポリプロピレン(PP)、ポリエーテルイミド(PEI)、フッ化エチレンプロピレン(FEP)、エチレンテトラフルオロエチレン(ETFE)、ポリテトラフルオロエチレンPTFE)、Viton(登録商標)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリフェニレンエーテル(PPE)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリ(p−フェニレンスルフィド)(PPS)、ポリエチレンナフタレート(PEN)であってもよい。

0023

代わりに、フィルム材料は、耐食性を提供するよう、非腐食性金属又は金属フィルム、たとえば、ポリマーの保護層で被覆されたステンレス鋼又は金であってもよい。

0024

イオン伝導性材料は、好適には、プロトン伝導性ポリマー又はアニオン伝導性ポリマー、たとえばヒドロキシルアニオン伝導性ポリマーである。好適なプロトン伝導性ポリマーの例には、パーフルオロスルホン酸イオノマー(たとえば、Nafion(登録商標)(E.I.DuPont de Nemours and Co.)、Aciplex(登録商標)(Asahi Kasei)、Aquivion(商標)(Solvay Specialty Polymers SpA)、Flemion(登録商標)(Asahi Glass Co.))、又はスルホン化炭化水素ベースのイオノマー、たとえばFuMA−Tech GmbHからfumapem(登録商標)P、E若しくはKシリーズ製品として入手可能なもの、JSR Corporation、Toyobo Corporation等から入手可能なものが含まれる。好適なアニオン伝導性ポリマーの例には、Tokuyama Corporationにより製造されるA901及びFuMA−Tech GmbH製FumasepFAAが含まれる。

0025

イオン伝導性材料は、1以上の過酸化水素分解触媒を含んでいてもよい。使用に好適な過酸化水素分解触媒の例は当業者に知られており、金属酸化物、たとえば酸化セリウム酸化マンガン酸化チタン酸化ベリリウム酸化ビスマス酸化タンタル酸化ニオブ酸化ハフニウム酸化バナジウム及び酸化ランタン、好適には、酸化セリウム、酸化マンガン又は酸化チタン、好ましくは二酸化セリウムセリア)を含む。

0026

イオン伝導性材料は、再結合触媒、特に、水を生成するため、アノード及びカソードからそれぞれ膜内拡散しうる未反応水素及び酸素の再結合のための触媒を任意選択で含んでいてもよい。好適な再結合触媒は、高表面積酸化物担体材料(たとえばシリカチタニアジルコニア)上の金属(たとえば白金)を含む。再結合触媒のさらに多くの例が、EP0631337及び国際公開第00/24074号に開示されている。

0027

封止材料は、好適には、ポリマー材料であり、フルオロシリコーンポリウレタンコポリアミドエポキシ及びフルオロアクリレートの群から選択される。好適な封止材料の具体的な例には、二フッ化ポリビニリデン(PVDF)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリイミド(PI)、ポリエーテルスルホン(PES)、フッ化エチレンプロピレン(FEP)、エチレンテトラフルオロエチレン(ETFE)、Viton(登録商標)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリフェニレンエーテル(PPE)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリ(p−フェニレンスルフィド)(PPS)、ポリオレフィン及びシリコーンが含まれる。

0028

本発明を、図面を参照して、より詳細に説明する。

0029

図1aは、本発明の強化膜封止アセンブリの強化構成部分の平面図を示し、図1bは、図1aの強化構成部分のA−Aを通る側面図を示し、図1cは、強化構成部分の3次元表現を示す。強化構成部分(1)は、第1の表面(1a)及び反対側の第2の表面(1b)を有する。強化構成部分(1)は、中心領域(2a)、中心領域(2a)を囲む内側辺縁領域(2b)、及び内側辺縁領域(2b)を囲む外側辺縁領域(2c)を有する。

0030

中心領域(2a)は、強化構成部分(1)の第1の表面(1a)から強化構成部分(1)の第2の表面(1b)へと伸長する複数の開口部(3)を含み、中心領域(2a)は第1の開口部面密度を有する。第1の開口部面密度は、好適には、中心領域(2a)の平面面積の70−95%、好適には75−95%、好ましくは80−95%である。

0031

中心領域(2a)の開口部(3)は、任意の形状及びサイズであってよく、中心領域(2a)内で、複数の形状及びサイズがあってもよい。各開口部(3)の断面積は、好適には、1μm2から1mm2である。

0032

中心領域(2a)の開口部(3)は、集合的に、強化構成部分表面において任意のパターンであってよい。円形の開口部について、開口部は、立方最密構造を形成するよう設計でき、又は、強化構成部分表面の残りの固体部分上の任意の位置から開口部の端部までの距離が最小化される、六方最密構造のものであってもよい。

0033

中心領域(2a)の開口部(3)は、レーザードリル加工リソグラフィー微小成形又は機械穿孔を含むが、これに限定されない任意の好適な方法により形成できる。

0034

第1の開口部面密度は、開口部(3)により覆われる、中心領域(2a)における強化構成部分(1)の総表面積であり、中心領域(2a)の総平面面積のパーセンテージとして定義される。第1の開口部面密度は、以下の基本式を使用して算出される。

0035

内側辺縁領域(2b)は、好適には、外側辺縁領域(2c)よりも狭い幅を有し、外側辺縁領域(2c)よりも相当程度狭くてもよい。

0036

内側辺縁領域(2b)は、10mm以下の幅、好ましくは1mm超の幅を有する可能性が高い。

0037

内側辺縁領域は、開口部を欠いている。

0038

外側辺縁領域(2c)は、強化膜封止アセンブリの最終用途及びそれが使用される燃料電池スタック設計に依存すると考えられる幅を有する。かかる決定は、当業者の能力の範囲内である。外側辺縁領域(2c)は、0.5cmの最小幅及び20cmの最大幅を有する可能性が高い。

0039

外側辺縁領域(2c)は、強化構成部分(1)の第1の表面(1a)から強化構成部分(1)の第2の表面(1b)へと伸長する複数の開口部(4)を含み、外側辺縁領域(2c)は第2の開口部面密度を有する。

0040

第2の開口部面密度は、好適には、外側辺縁領域(2c)の平面面積の70%まで、好適には50%まで、好ましくは35%までである。第2の開口部面密度は、好適には、外側辺縁領域(2c)の平面面積の少なくとも5%、好適には少なくとも10%である。

0041

外側辺縁領域(2c)の開口部(4)は、任意の形状及びサイズであってよく、外側辺縁領域(2c)内で、複数の形状及びサイズがあってもよい。各開口部(4)の断面積は、好適には、1μm2から1mm2である。

0042

外側辺縁領域の開口部は、レーザードリル加工、リソグラフィー、微小成形又は機械穿孔を含むが、これに限定されない任意の好適な方法により形成できる。

0043

第2の開口部面密度は、開口部により覆われる、外側辺縁領域(2c)における強化構成部分(1)の総表面積であり、外側辺縁領域(2c)の総平面面積のパーセンテージとして定義される。第2の開口部面密度は、以下の基本式を使用して算出される。

0044

燃料電池反応物の吸入及び生成物の排出を可能にするポーティング又はマニフォルディングホール(porting or manifolding hole)もまた、外側辺縁領域に存在していてもよいが、しかしながら、これらは、開口部とは考えられず、第2の開口部面密度を算出するときに考慮されない。

0045

好ましい一実施態様において、第2の開口部面密度は、第1の開口部面密度未満である。

0046

図2は、本発明の強化膜封止アセンブリの側面図を示し、強化構成部分(1)の中心領域(2a)の各開口部(3)に、イオン伝導性材料(5)が本質的に完全に充填されており、強化構成部分(1)の外側辺縁領域(2c)の各開口部(4)に、封止材料(6)が本質的に完全に充填されている。「本質的に完全に充填されている」によって、開口部が90%充填されている、より好適には95%充填されている、好ましくは99%充填されている、最も好ましくは100%充填されていることが意味されている。

0047

イオン伝導性材料(5)を、強化構成部分(1)の中心領域(2a)の開口部(3)内に、個別のプリンティング法、たとえばスロットダイスクリーンプリンティンググラビアパッドプリンティング及び様々なジェット手法(インクジェットディスペンスジェット)により適用できる。代わりに、開口部は、強化材をイオン伝導性溶液ウェット層上に適用することにより、イオン伝導性材料に含浸させうる。

0048

封止材料(6)を、強化構成部分(1)の外側辺縁領域(2c)の開口部(4)内に、個別のプリンティング法、たとえばスロットダイ、スクリーンプリンティング、グラビア、パッドプリンティング及び様々なジェット手法(インクジェット、ディスペンスジェット)により適用できる。代わりに、開口部(4)は、強化構成部分(1)を封止材料(6)のウェット層上に適用することにより、封止材料(6)に含浸させうる。代わりに、開口部(4)は、溶融加工性材料を片方又は両方の表面(1a)及び(1b)に適用し、封止材料を融解させて開口部(4)を満たす温度及び/又は圧力を適用することにより、封止材料(6)に含浸させうる。

0049

代わりに、開口部(3)は、イオン伝導性材料(5)で本質的に完全には充填されない。図3は、図1の強化構成部分(1)の中心領域(2a)を示し、強化構成部分(1)の中心領域(2a)の各開口部(3)は、イオン伝導性材料(5)で少なくとも部分的に充填される。部分的に充填された各開口部(3)において、イオン伝導性材料(5)は、強化構成部分(1)の第1(1a)及び第2(1b)の表面のうちの一方と同一平面上にあり、他方の内側にあってもよく(図3aは、イオン伝導性材料(5)が強化構成部分(1)の第2の表面(1b)と同一平面上にあるのを示す)、代わりに、部分的に充填された各開口部(3)におけるイオン伝導性材料(5)は、強化構成部分(1)の第1(1a)及び第2(1b)の表面の両方の内側にある(図3b)。

0050

強化構成部分(1)の中心領域(2a)の各開口部(3)が、イオン伝導性材料(5)で部分的に充填されており、イオン伝導性材料(5)が強化構成部分(1)の第1(1a)及び第2(1b)の表面のうちの一方と同一平面上にある(たとえば、図3aに示す)か、又は、強化構成部分(1)の中心領域(2a)の各開口部(3)がイオン伝導性材料(5)で本質的に完全に充填されているとき(たとえば、図2に示す)かのいずれかのとき、追加のイオン伝導性材料が、中心領域(2a)における強化構成部分(1)の第1(1a)及び第2(1b)の表面の一方又は両方上に層(7)として存在していてもよく、そこで、イオン伝導性材料(5)は、強化構成部分の第1(1a)及び/又は第2(1b)の表面と同一平面上にある。図4aは、強化構成部分(1)の第1(1a)及び第2(1b)の表面の両方上のイオン伝導性材料(5)の層(7)を示す。イオン伝導性材料(5)の層(7)は、内側辺縁領域(2b)にわたって部分的(図4b)又は完全(図示せず)に伸長していてもよい。イオン伝導性材料(5)の層(7)は、好適には、厚さが1から5μmである。

0051

イオン伝導性材料(5)の層(7)は、中心領域(2a)における強化構成部分(1)の第1(1a)及び第2(1b)の表面の一方又は両方に、個別のプリンティング法、たとえばスロットダイ、スクリーンプリンティング、グラビア、パッドプリンティング及び様々なジェット手法(インクジェット、ディスペンスジェット)により適用できる。イオン伝導性材料のより低い層を、イオン伝導性材料を溶液として被覆し、この溶液中に強化材を入れることにより、又は、これらのプリンティング方法を使用して、イオン伝導性材料を溶液として強化材の上面に適用することにより、開口部を充填するのと同時に適用できる。

0052

強化構成部分(1)の外側辺縁領域(2c)において開口部(4)を充填する封止材料(6)に加えて、封止材料(6)はまた、強化構成部分(1)の第1(1a)及び第2(1b)の表面の一方又は両方上に存在し、層(8)を形成してもよい(図5)。層(8)は、内側辺縁領域(2b)にわたって部分的又は完全に伸長していてもよい(図示せず)。封止材料(6)の層(8)は、好適には、厚さが1から5μmである。層(8)を、材料を溶液として被覆し、この溶液中に強化構成部分を入れることにより、又は、これらのプリンティング方法を使用して、封止材料を強化構成部分の上面に堆積させることにより、開口部(4)を充填するのと同時に適用できる。

0053

代わりに、さらなる封止構成部分を、強化構成部分(1)の第1(1a)及び第2(1b)の表面の一方又は両方に適用し、層(8)を形成できる。さらなる封止構成部分のために使用できる好適な材料の例は、強化構成部分のために使用されるものと同じであってもよく、又は、異なっていて、ポリマー材料、たとえばフルオロシリコーン、ポリウレタン、コポリアミド、エポキシ及びフルオロアクリレートを含んでいてもよい。好適な封止材料の具体的な例には、二フッ化ポリビニリデン(PVDF)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリイミド(PI)、ポリエーテルスルホン(PES)、フッ化エチレンプロピレン(FEP)、エチレンテトラフルオロエチレン(ETFE)、Viton(登録商標)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリフェニレンエーテル(PPE)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリ(p−フェニレンスルフィド)(PPS)、ポリオレフィン及びシリコーンが含まれる。

0054

さらなる封止構成部分を、事前形成されたフィルム(封止構成部分フィルムシートからカットされた適切な寸法の、ストリップとして、又は、窓枠構造としてのいずれか)として適用でき、外側辺縁領域の一方又は両方の表面に、加圧若しくは加熱又は両方の組合せを使用して直接適用し、適用及び結合を実行できる。

0055

疑問を避けるために述べておくと、イオン伝導性材料(5)は、強化構成部分(1)の外側辺縁領域(2c)に存在せず、封止材料(6)は、中心領域(2a)に存在しない。

0056

内側辺縁領域は、開口部を欠いている。この領域において開口部を欠くことは、反応性ガスが透過しうる平面を通過する経路がないことを保証する。

0057

本発明の強化膜封止アセンブリが、個別のアセンブリについて説明されてきたとはいえ、複数の強化膜封止アセンブリの連続ウェブ(ストリップ)も等しく提供でき、本発明の範囲内である。かかるウェブは、ダウンウェブ方向(down-web direction)、任意選択でまたクロスウェブ方向(cross-web direction)に配置された複数の中心領域、内側辺縁領域及び外側辺縁領域を有する強化構成部分のウェブから始めることにより製造されると考えられる。

0058

本発明はまた、触媒成分及び本発明の強化膜封止アセンブリを含む触媒強化膜封止アセンブリを提供する。

0059

強化膜封止アセンブリの強化構成部分の中心領域における各開口部が、イオン伝導性材料で部分的に充填されている場合、触媒成分が、開口部が本質的に完全に充填されるよう、残りの開口部を充填する。したがって、触媒成分は、強化膜封止アセンブリの強化構成部分の第1及び第2の表面のうちの一方のみ又は第1及び第2の表面の両方に存在していてもよい。触媒成分は、触媒成分の層が、中心領域において強化構成部分の第1及び第2の表面の一方又は両方上に層として存在するように、強化構成部分の表面を越えてさらに伸長していてもよい。触媒成分の層は、内側辺縁領域にわたって部分的又は完全に伸長していてもよい。

0060

強化膜封止アセンブリの強化構成部分の中心領域における各開口部が、イオン伝導性材料で本質的に完全に充填されている場合、触媒成分は、中心領域において強化構成部分の第1及び第2の表面の一方又は両方上に層として存在する。触媒成分の層は、内側辺縁領域にわたって部分的又は完全に伸長していてもよい。

0061

触媒成分は、1以上の電解触媒を含む。1以上の電解触媒は、独立に、微粉化された担持されていない金属粉末、又は、小さな触媒ナノ粒子が導電性高表面積担体、たとえば粒子カーボンブラック材料上に分散された、担持触媒である。電解触媒金属は、好適には、
(i)白金族金属(白金、パラジウムロジウムルテニウムイリジウム及びオスミウム)、
(ii)金又は銀、
(iii)卑金属
又はこれらの金属若しくはそれらの酸化物のうちの1以上を含む合金若しくは混合物から選択される。好ましい電解触媒金属は白金であり、これは、他の貴金属又は卑金属と合金できる。電解触媒が担持触媒である場合、担体材料上の金属粒子ローディングは、好適には、得られる電解触媒の質量の10〜90質量%、好ましくは15〜75質量%の範囲である。

0062

使用される正確な電解触媒は、それが触媒することが意図される反応に依存すると考えられ、その選択は、当業者の能力の範囲内である。

0063

触媒成分は、好適には、開口部内並びに/又は中心領域における強化構成部分の第1及び/若しくは第2の表面上に、有機又は水性(好ましくは水性)のインクとして適用される。インクは、好適には、他の成分、たとえばEP0731520に記載のイオン伝導性ポリマーを含んでいてもよく、これは、層内のイオン伝導性を改善するために含まれる。代わりに、触媒成分が中心領域において強化構成部分の第1及び/又は第2の表面上の層として存在する場合、触媒成分は、予め調製された触媒層転写することにより適用でき、たとえば、触媒層は、デカール転写基材フィルム(たとえばPTFE)上に適用され、次に触媒層が、当業者によく知られている圧力及び温度を伴う手法により、本発明の強化膜封止アセンブリに転写される。

0064

触媒成分は、追加成分をさらに含んでいてもよい。かかる追加成分には、酸素発生を促進し、それゆえにセル転極の状況において、及び、反復される起動及び停止動作に起因する劣化に対する耐性を提供するために有益であると考えられる触媒、又は過酸化水素分解触媒が含まれるが、これに限定されない。かかる触媒の例及び触媒層に含めるのに好適な任意の他の添加剤は、当業者に知られていると考えられる。

0065

本発明は、本発明の強化膜封止アセンブリ及び強化膜封止アセンブリの少なくとも1つの表面上に存在するガス拡散電極を含む強化膜封止電極アセンブリをさらに提供する。

0066

本発明は、触媒強化膜封止アセンブリ及び強化膜封止アセンブリの少なくとも1つの表面上に存在するガス拡散層を含む強化膜封止電極アセンブリをさらに提供する。

0067

強化膜封止電極アセンブリは、以下を含むが、これに限定されない数多くの形で構成できる。
(i)本発明の強化膜封止アセンブリは、2つのガス拡散電極(1つのアノード及び1つのカソード)の間に挟まれていてもよい。
(ii)一方の側面に触媒成分を有する本発明の触媒被覆強化膜封止アセンブリは、ガス拡散層とガス拡散電極との間に挟まれていてもよく、ガス拡散層は、触媒成分を有する触媒被覆強化膜封止アセンブリの側面と接触する。又は、
(iii)両方の側面に触媒成分を有する本発明の触媒被覆強化膜封止アセンブリは、2つのガス拡散層の間に挟まれていてもよい。

0068

アノード及びカソードガス拡散層は、好適には、従来のガス拡散基材をベースとする。典型的な基材には、炭素繊維網目及び熱硬化樹脂バインダーを含む不織紙又はウェブ(たとえば、Toray Industries Inc.,Japanから入手可能なTGP−Hシリーズの炭素繊維紙又はFreudenbergFCCT KG,Germanyから入手可能なH2315シリーズ、又はSGL Technologies GmbH,Germanyから入手可能なSigracet(登録商標)シリーズ又はBallard Power Systems Inc.製AvCarb(登録商標)シリーズ)、又は炭素織布が含まれる。炭素紙、ウェブ又は布は、MEA内に組み込まれる前に、より湿りやすい(親水性)又はより湿りにくい(疎水性)ように、さらなる処理をして提供できる。任意の処理の性質が、燃料電池のタイプ及び使用される動作条件に依存すると考えられる。基材は、懸濁液からの含浸を介したアモルファスカーボンブラック等の材料の組込みにより、より湿りやすくでき、又は、基材の細孔構造をポリマー、たとえばPTFE若しくはポリフルオロエチレンプロピレン(FEP)のコロイド懸濁液に含浸させ、続いて乾燥させてポリマーの融点を超えて加熱することにより、より疎水性にできる。PEMFC等の用途のため、微孔層もまた、電解触媒層と接触する表面上のガス拡散基材に適用できる。微孔層は、典型的には、カーボンブラックとポリマー、たとえばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)との混合物を含む。

0069

強化膜封止アセンブリ、触媒被覆強化膜封止アセンブリ又は強化膜封止電極アセンブリは、添加剤をさらに含んでいてもよい。添加剤は、強化膜封止アセンブリ、触媒被覆強化膜封止アセンブリ若しくは強化膜封止電極アセンブリのイオン伝導性材料(本明細書においてさらに前述のもの)内に存在していてもよく、又は、触媒被覆強化膜封止アセンブリ若しくは強化膜封止電極アセンブリの場合には、様々な層間の界面のうちの1以上において、及び/若しくは、層のうちの1以上内に存在していてもよい。

0070

添加剤は、過酸化水素分解触媒、ラジカルスカベンジャーフリーラジカル分解触媒自己再生酸化防止剤水素供与体(H供与体一次酸化防止剤フリーラジカルスカベンジャー二次酸化防止剤酸素吸収剤酸素スカベンジャー)からなる群から選択される1以上であってもよい。これらの異なる添加剤の例は、国際公開第2009/040571号及び国際公開第2009/109780号に見出すことができる。好ましい添加剤は、二酸化セリウム(セリア)である。

0071

本発明のさらなる一態様は、強化膜封止アセンブリ及び外側辺縁領域において強化構成部分の一方又は両方の表面上に適用されたサブガスケットを含む、サブガスケット強化膜封止アセンブリを提供する。また、本発明の触媒強化膜封止アセンブリ及び外側辺縁領域において強化構成部分の一方又は両方の表面上に適用されたサブガスケットを含む、サブガスケット触媒強化膜封止アセンブリを提供する。サブガスケットは、触媒強化膜封止アセンブリの端部にさらなる強度及び強靭さを提供するよう設計される。サブガスケットは、典型的には、ポリマー材料であり、封止材料と同じ材料から選択できるか、又は、サブガスケットとしてのその用途のために特に選択された異なるタイプのポリマーであってもよい。サブガスケットは、溶液若しくは懸濁液からのコーティングとして適用できるか、又は、粘性混合物からのビーズとして、外側辺縁領域における強化構成部分(又は存在する場合には、封止構成部分)上に、当業者に知られている被覆法を使用して適用できるか、又は、外側辺縁領域を覆う事前形成された額縁フィルムとして適用できる。

0072

接着層は、触媒強化膜封止アセンブリに対するサブガスケットの接着を補助するために使用できる。接着層は、サブガスケット及び接着層が単一の工程で適用されるように、サブガスケットの一体部分であってもよく、又は、接着層がまず触媒強化膜封止アセンブリの外側辺縁領域に適用され、サブガスケットが続いて接着層に適用されてもよい。

0073

本発明のさらなる一態様は、サブガスケット強化膜封止アセンブリ及びサブガスケット強化膜封止アセンブリの一方又は両方の表面上に適用されたガス拡散電極を含む、サブガスケット強化膜封止電極アセンブリを提供する。また、サブガスケット触媒強化膜封止アセンブリ及びサブガスケット触媒強化膜封止アセンブリの一方又は両方の表面上に適用されたガス拡散層を含む、サブガスケット強化膜封止電極アセンブリを提供する。

0074

本発明は、本明細書に上記した、強化膜封止アセンブリ、触媒強化膜封止アセンブリ又は強化膜封止電極アセンブリを含む燃料電池をさらに提供する。一実施態様において、燃料電池はPEMFCである。

0075

本発明が主にPEMFCに関して説明されるとはいえ、膜封止アセンブリを他の電気化学システム、たとえば電解槽において使用できることが認められると考えられる。

0076

本発明は、以下の例に関してさらに説明されるが、これらの例は例示的であり、本発明を限定するものではない。

0077

本発明の強化膜封止アセンブリは、図2に図示するとおり製造される。厚さ12μmのポリエチレンナフタレート(PEN)フィルムを、レーザードリル加工システムを使用して穿孔し、強化構成部分の中心領域を定義する開口部を創出する。PENフィルム切り込まれた開口部は、円形であり、250から300μmの範囲のサイズである。開口部は、80%の第1の開口部面密度を有する六方最密パターンに配置される。

0078

追加の開口部がレーザードリル加工システムを使用して形成され、強化構成部分の外側辺縁領域を定義する開口部を創出する。これらの開口部もまた、250から300μmの範囲のサイズの円形であり、10%の第2の開口部面密度を付与する。

0079

PFSAイオン伝導性イオノマーの分散液を、薄い層として離型フィルム上に被覆させ、乾燥させ、結果として乾燥後に得られたイオノマー層は厚さ1μmである。被覆された区域のサイズは、結果として、イオノマー層の端部が、中心領域を越えて、強化構成部分の内側辺縁領域全体の幅6mmのうち、内側辺縁領域内に3mm伸長するものである。次に、PFSAイオノマー分散液の第2のコーティングが、第1の層の上部に被覆され、第2の層がまだ湿っているうちに、上で調製した強化構成部分を第2の層の上部に配置し、強化構成部分を張力下で保持する。強化構成部分は、湿ったイオノマー溶液内へと下に引かれ、結果として強化構成部分の開口部のすべてが、乾燥されると第2のコーティングからのイオノマーで完全に充填される。乾燥後に、PFSAイオノマー分散液の最終コーティングを、強化構成部分の上面に適用して乾燥させ、強化構成部分の中心領域がイオノマー材料により完全に封入されること、すなわち、イオノマーにより覆われないままの強化構成部分の中心領域の部分がないことを保証する。

0080

イオノマーが乾燥したら、強化膜封止アセンブリを以下の2つの方法のうちの1つにより完成させる。

0081

(i)封止材料の窓枠を強化構成部分の外側辺縁領域に取り付ける一方で、内側辺縁領域内へと伸長するイオノマー材料には一切被覆させない。これは、溶融加工性材料(たとえば、エチレンビニルアセテート/ポリエチレンテレフタレート/エチレンビニルアセテートの3層フィルム)の窓枠を、外側辺縁領域において強化構成部分の各表面に適用し、加温及び加圧下で強化構成部分に積層させることにより達成される。これは、溶融加工性材料により含浸されている外側辺縁領域において強化構成部分の細孔をもたらし、強化構成部分の各表面上の窓枠は、外側辺縁領域における開口部を通じて互いに直接結合する。

0082

(ii)封止溶液を窓枠形状に堆積させ、結果として、中央の空いた区域は、上述の強化構成部分に含浸されたイオノマーの区域よりも1−2mm大きい。イオノマー含浸強化構成部分を封止溶液上に降ろし、結果として、封止溶液は外側辺縁領域を覆い、外側辺縁領域の開口部を含浸させる。この層が乾燥すると、このプロセスを反復し、開口部が完全に含浸され、封止材料の層が強化構成部分の外側辺縁領域の両方の表面上に存在することを保証する。

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