JP4838729B2 - バッキング層に不規則分散化した炭素繊維を有する燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は運搬用車両、携帯用発電装置、もしくは定置型発電装置といった用途に適した燃料電池に関し、特に流れ場と触媒との間に取り付けられたバッキング層を有する燃料電池に関する。

燃料電池は、宇宙航行体の搭載用装置、運搬用車両、もしくはビルディングのオンサイト用発電機のような電気装置に電力を供給するように反応流体の酸化還元により電気エネルギーを生み出すものとしてよく知られ、一般的に利用されている。個々の燃料電池は、概ね、周知の技術の固体高分子膜（ＰＥＭ）のような電解質で隔てられたアノード触媒とカソード触媒とを含んでなる。しばしば、拡散層が触媒と基板層との間に取り付けられる。基板層は通常、拡散層と流れ場との間に取り付けられる。拡散層がない場合は、基板は触媒と流れ場との間に取り付けられる。流れ場は、反応物の流れを燃料電池の拡散層と基板層を通して触媒に連通させる流路を画定する。周知のように、流れ場は多孔性水透過板もしくは固体分離板でよい。

拡散層は、カーボンブラックおよびポリテトラフルオロエチレンのような疎水性ポリマでつくられる一般的に高い多孔性の電気伝導体である。拡散層は通常疎水性であるが、燃料電池設計によっては、層を通しての液体と気体の同時輸送を容易にするように、部分的な疎水性と、部分的な親水性をもちうる。拡散層は通常、約２５〜１００ミクロンの厚さである。拡散層は、触媒表面の水の被膜の厚さを最小限に抑えることにより、燃料電池を通しての反応物の流れの輸送を促進する。また拡散層は燃料電池からの生成水の除去を容易にする。

拡散層に隣接する基板層は多孔性が高く、高価な炭素繊維と高温黒鉛化を要する周知の製造工程によりつくられる。電池設計により、基板層は疎水性もしくは親水性のいずれかでもよい。基板は通常約１５０〜３００ミクロンの厚さである。基板は、反応物の流れ、水蒸気、水、および電子の輸送を促進する。基板は、この基板の面を横切って、ならびに、この基板の面に沿って、流れ場のリブの間に画定される隣接流路の中心線から流れ場のリブへと電子を伝導する。また基板は、この基板の面を横切って、ならびに、この基板の面に沿って、流れ場のリブ下の流路から前記流路の中心線へ、もしくはその逆へと、反応体の流れや生成水の拡散や流れを促進する。また、基板は、軸方向圧力の負荷を隣接する層の表面全体に比較的均等に分散するために充分な曲げ強さを有していなければならない。例えば、基板が流れ場の流路内に変形するのを防ぐように、圧力負荷は流路にわたって均等に分散されなければならない。実施例の曲げ強さは１平方センチメートルあたり約２００重量キログラム（ｋｇｆ／ｃｍ²）である。一般的な燃料電池基板の特性が、Ｍｉｗａらによる米国特許第４，８５１，３０４号に記載されている。周知のように、平板型の燃料電池は圧力板とタイロッドとの組み合わせにより燃料電池スタックとして圧縮されるように固定される。この軸方向圧力が電池の抵抗を最小限に抑え、そして適切な流体シールを得るために必要とされる。基板は一般的に電池スタックの軸方向の力の少なくとも２倍の耐圧強度を有していなければならない。従来技術の基板の一般的な耐圧強度は１０ｋｇｆ／ｃｍ²以上である。

従来技術の燃料電池では、カーボンあるいはグラファイトの層や紙が、従来、触媒と流れ場との間に、拡散層や基板層として取り付けられることが知られている。しかしながら、周知のカーボンあるいはグラファイトの層や紙の使用により、高い製造コストや、層に画定される空隙を通る水素や酸素の拡散の妨害、あるいはカソード触媒からの燃料電池生成水の排出流の妨害、を含む重大な問題がもたらされる。

カーボンあるいはグラファイト紙の使用の部分的な解決策が、１９９８年１月１３日にＧｒｏｔに付与された「ＰＥＭ／ＳＰＥ燃料電池」という名称の米国特許第５，７０７，７５５号に開示されている。この特許では、カーボンあるいはグラファイトの層や紙に代わって、流れ場の流路もしくは溝に関して特定の向きに取り付けられた複数の電導性フィラメントの使用が開示されている。この特定の向きは、フィラメントが、反応物の流れを、燃料電池を通して案内する流路もしくは溝を横切って延びるとともに、この流路もしくは溝の中に入り込まないように長手方向をとる。

それにもかかわらず、従来技術には限界がある。この特定の向きの電導性フィラメントを有する燃料電池の製造は、実質的なコストと製造負担が課される。さらに、従来技術は燃料電池の量産に関連する大幅な基材の製造コストを是正することができない。基材は高価な炭素繊維を含み、また周知の技術のコストの高い高温黒鉛化を通して製造されるため、基材は高価である。したがって、従来技術の基材を費用効果の高い材料に置き換えることにより、基材のコストを最小限に抑える燃料電池が必要とされる。

本発明はバッキング層に不規則分散化した炭素繊維を有する燃料電池に関する。燃料電池は、還元流体と酸素含有酸化反応物の流れから電気を発生するとともに、周知の技術の固体高分子膜（ＰＥＭ）のような、電解質の各面に取り付けられた第１の触媒と第２の触媒と、を備えてなる。第１の流れ場が第１の触媒と連通するように取り付けられており、この第１の流れ場の複数のリブの間に複数の流路を画定する。バッキング層が、少なくとも第１の流れ場や第１の触媒と同じ広がりを持つように、第１の流れ場と第１の触媒との間にこれらと連通するように取り付けられている。バッキング層は、５〜２５（重量％）のカーボンブラックと、５０〜９０（重量％）の炭素繊維と、５〜２５（重量％)の疎水性ポリマから作られる。本明細書では「疎水性ポリマ」は４０ダイン／ｃｍ²未満の界面エネルギーを有するポリマとして定義される。周知の疎水性ポリマの例は、ポリテトラフルオロエチレンやポリフッ化ビニリデンである。第１の触媒層に接合され、第１の触媒と第１の流れ場との間に取り付けられたバッキング層が、この第１の触媒と第１の流れ場との間に約２５〜約２５０ミクロンの厚さを持ち、かつ５ｋｇｆ／ｃｍ²以上の耐圧強度を持つように、炭素繊維がカーボンブラックや疎水性ポリマとともに不規則に分散される。バッキング層が高価な基材や拡散層と置き換えられるため、燃料電池の製造コストや必要条件が最小限に抑えられる。

好ましい実施例では、第１の触媒がアノード触媒であり、燃料電池は、第２の触媒と第２の流れ場との間に拡散層と、基板すなわち基板層とを含んでなる。本発明が、（ａ）水の懸濁液中にカーボンブラックと、炭素繊維と、疎水性ポリマと、を分散させるステップと、（ｂ）ろ過によりこの水を除去するステップと、（ｃ）バッキング層の構成成分を熱処理して疎水性ポリマを溶解もしくは硬化させるステップと、を含んでなるバッキング層の製造方法を備えてなる。その後、層は周知の手段によりアノード触媒に接合される。

したがって、本発明の目的は、概ね、従来技術の欠陥を克服する、バッキング層に不規則分散化した炭素繊維を有する燃料電池を提供することである。

さらにバッキング層に不規則分散化した炭素繊維を有する燃料電池を提供する目的は、基材や拡散層の代わりにアノードバッキング層を用いることにより費用効果の高い燃料電池を提供することである。

図面を詳しく参照すると、図１に一般的な従来技術の燃料電池が図示されており、参照番号１０によって示される。周知のように、燃料電池１０は、固体高分子膜（ＰＥＭ）のような電解質１６の対向する両面に取り付けられた、アノード触媒のような第１の触媒１２と、カソード触媒のような第２の触媒１４と、を含んでなる。また燃料電池１０は、第１の触媒１２に取り付けられたアノード拡散層１８と、第２の触媒１４に取り付けられたカソード拡散層２０と、を含むとともに、アノード拡散層１８に取り付けられたアノード基板２２すなわち基板層と、カソード拡散層２０に取り付けられたカソード基板２４と、第１の触媒１２と連通するように取り付けられた第１の流れ場２６と、第２の触媒１４と連通するように取り付けられた第２の流れ場２８と、を含んでなる。

第１の流れ場２６は、複数のリブ３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄ、３２Ｅの間に複数の流路３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄを画定する。第２の流れ場２８は、複数のリブ３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄ、３３Ｅの間に複数の流路３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄを画定する。この従来技術の燃料電池１０の動作は、２００１年１１月２７日にＣｏｌｌｉｎｓらに付与され、本発明の出願人が特許権を有する「燃料電池発電装置の加湿システム」という名称の米国特許第６，３２２，９１５号に開示されているように、周知である。

図２には本発明のバッキング層に不規則分散化した炭素繊維を有する燃料電池が示され、参照番号４０により全体が示されている。効率化のため、上記の図１に示した従来技術の燃料電池１０の構成要素に対応する本発明の部品は、図２においては図１と同じ参照番号にプライム符号を付記して示す。例えば、図１の固体分子膜１６は図２において参照番号１６´によって示される。

本発明のバッキング層に不規則分散化した炭素繊維を有する燃料電池は、固体高分子膜（ＰＥＭ）のような電解質１６´の対向する両面に取り付けられた、アノード触媒のような第１の触媒１２´と、カソード触媒のような第２の触媒１４´と、を含んでなる。また燃料電池４０は第２の触媒１４´に取り付けられたカソード拡散層２０´と、カソード拡散層２０´に取り付けられたカソード基板２４´と、第２の触媒１４´に連通するように取り付けられた第２の流れ場２８´と、第１の触媒１２´に連通するように取り付けられた第１の流れ場２６´と、を含んでなる。第１の流れ場２６´は、複数のリブ３２Ａ´、３２Ｂ´、３２Ｃ´、３２Ｄ´、３２Ｅ´の間に複数の流路３０Ａ´、３０Ｂ´、３０Ｃ´、３０Ｄ´を画定する。

また燃料電池４０は、第１の触媒１２´と第１の流れ場２６´との間にこれらと連通するように取り付けられたバッキング層４２を含む。バッキング層４２は、図１に示される従来技術の燃料電池１０のアノード拡散層１８およびアノード基板２２と置き換えられている。バッキング層４２は、５〜２５（重量％）のカーボンブラックと、５０〜９０（重量％）の炭素繊維と、５〜２５（重量％)の疎水性ポリマからつくられる。炭素繊維４４は最も幅の広い流路３０Ｄ´の幅４６の少なくとも２倍の長さを有する。ここで、この最も幅の広い流路３０Ｄ´の幅４６とは、第１の流路２６´において最も幅の広い流路３０Ｄ´を画定する流れ場のリブ３２Ｄ´と３２Ｅ´との間の最短距離である。炭素繊維４４はバッキング層４２内でカーボンブラックや疎水性ポリマとともに不規則に分散し、その結果、バッキング層４２の厚さが約２５〜２５０ミクロンの厚さを有する。ここで、バッキング層の厚さとは、バッキング層を通しての第１の触媒１２´と第１の流れ場２６´の層との最短距離である。また層４２は５ｋｇ／ｃｍ²以上の耐圧強度を持つ。

バッキング層４２の用途に適した実施例のカーボンブラックは、米国マサチューセッツ州ビレリカのキャボット社から“ＶＵＬＣＡＮ ＸＣ−７２”という製品名で入手可能なカーボンブラックを含む。適切な疎水性ポリマはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で、米国デラウェア州ウィルミントンのＥ．Ｉ．デュポン ド・ヌムール社から“ＰＴＦＥ Ｇｒａｃｅ ３０”という製品名で入手可能である。その他の条件に合った疎水性ポリマが知られている。適切な炭素繊維は米国ペンシルバニア州セントメリーズのＳＧＬカーボングループ社から“ＳＩＧＲＡＦＩＬ Ｃ”という製品名で入手可能である。また高強度の炭素繊維の製品系列が米国オハイオ州ウォレンスビルハイツのＢＰアモコ パフォーマンスプロダクツ社より入手が可能である。

図２には同様のもしくは同一の幅をもつ複数の平行した流路を有する燃料電池４０が示されており、この炭素繊維は流路３０Ｄ´の幅４６の少なくとも２倍の長さを持つ。図２では平行した第１の流路３０Ａ´、３０Ｂ´、３０Ｃ´、３０Ｄ´を有する燃料電池４０が示されているが、蛇行経路、様々な大きさの空隙、もしくは正方形の流路リブ周辺の「チェッカー盤」配列の空隙、といった他の実施例の流路が周知のように用いられうる。上記の「チェッカー盤」配列の流路をもつ燃料電池の作用は、１９９６年４月２日にＭｅｙｅｒらに付与され、本発明の出願人が特許権を持つ米国特許第５，５０３，９４４号に開示されているようによく知られている。本発明は、それぞれ異なる幅の流路（図示せず）をもつ場合においては、炭素繊維４４の長さは異なる幅の流路のうち最も幅の広い流路（図示せず）の少なくとも２倍の幅となる。

炭素繊維４４は、燃料電池４０内部の電気伝導性を高めるとともに、バッキング層４２が軸方向圧力の負荷に耐え、この層４２が流路３０Ａ´、３０Ｂ´、３０Ｃ´、３０Ｄ´内に変形するのを防ぐために、バッキング層４２に充分な曲げ強度と耐圧強度を備えた最小厚さを持たせる一因となるのに役立つ。

周知のように、従来技術の燃料電池はカソード触媒において燃料電池生成水として水を生成する。生成水がカソード触媒から効率よく除去されない場合は、生成水はカソード触媒に隣接して蓄積されて実質上触媒を「フラッディング」させる。触媒を「フラッディング」させることは、気体の酸化反応物の流れが効果的に流れ、もしくは拡散してカソード触媒と連通することができなくなることを意味する。酸化剤はフラッディングしたカソード触媒と接触できないため、燃料電池の性能は低下する。したがって、燃料電池生成水を効率よく除去するため、周知のカソード拡散層２０とカソード基板層２４は、空孔の大きさや空隙率すなわち空孔の体積百分率が特定の範囲内となるように寸法がとられる。しかしながら、この燃料電池生成水の効率の良い移動は従来技術の燃料電池１０におけるアノード拡散層１８もしくはアノード基板層２２の必要条件ではない。

したがって、本発明の好ましい実施例では、図２に示すようにバッキング層４２は単にアノード触媒１２´に隣接して取り付けられているだけである。したがってアノード触媒１２´に隣接して取り付けられたバッキング層４２は、従来技術の燃料電池１０のアノード触媒１２´に近接して取り付けられた従来技術の基板２２よりも薄くかつより親水性となりうる。したがって、本発明の好ましい実施例はアノード触媒１２´に隣接して取り付けられたバッキング層４２を有する燃料電池４０である。しかしながら、本発明の代替例はバッキング層４２がアノード触媒１２´とカソード触媒１４´との両方に隣接して取り付けられるか、もしくはカソード触媒１４´のみに隣接して取り付けられた燃料電池４０を含む。

本発明は、（ａ）水の懸濁液中にカーボンブラックと、炭素繊維４４と、疎水性ポリマと、を不規則に分散させるステップと、（ｂ）この水の懸濁液から、ろ過もしくはその他の周知の技術による水の除去方法により、水を除去するステップと、（ｃ）層の構成成分となるカーボンブラック、炭素繊維４４、および疎水性ポリマを熱処理して前記疎水性ポリマを溶解させるステップと、を含んでなるバッキング層４２の製造方法を有する。通常熱処理は、空気中で５〜１５分間、疎水性ポリマの融点すなわち硬化点と同じか、もしくは±１５℃以内の温度で行われる。その後結果として生じるバッキング層は周知の手段によりアノード触媒に接合される。

第２の触媒１２´のみに隣接して取り付けられたバッキング層４２を有する図２の実施例においては、燃料電池４０は次のように製造されうる。第１にカソード拡散層２０´がカソード基板２４´に周知の手段により取り付けられる。第２にアノード触媒１２´とカソード触媒１４´が固体高分子膜（ＰＥＭ）のような電解質１６´に取り付けられて膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を形成する。その後膜電極アセンブリがカソード拡散層２０´に接合される。最後に前記の方法によって作られたバッキング層４２がアノード触媒１２´に周知の手段により接合される。

従来技術の燃料電池の概略図。 本発明により構築されたバッキング層に不規則分散化した炭素繊維を有する燃料電池の好ましい実施例の概略図。

Claims (7)

1. 還元流体と酸素含有酸化反応物の流れから電気を発生する燃料電池（４０）であって、
   （ａ）電解質（１６´）の各面に取り付けられた第１の触媒（１２´）および第２の触媒（１４´）と、
   （ｂ）前記第１の触媒（１２´）に連通するように取り付けられるとともに、複数のリブ（３２Ａ´、３２Ｂ´、３２Ｃ´、３２Ｄ´、３２Ｅ´）の間に複数の流路（３０Ａ´、３０Ｂ´、３０Ｃ´、３０Ｄ´）を画定する第１の流れ場（２６´）と、
   （ｃ）前記第１の流れ場（２６´）と前記第１の触媒（１２´）との間に連通するように取り付けられたバッキング層（４２）と、
   を備え、さらに
   （ｄ）前記バッキング層（４２）は、
   i）５〜２５（質量％）のカーボンブラックと、
   ii）最も幅の広い流路（３０Ｄ´）の幅（４６）の少なくとも２倍の長さを有する５０〜９０（質量％）の炭素繊維（４４）と、（但し、最も幅の広い流路（３０Ｄ´）の幅（４６）は、前記第１の流路（２６´）において前記最も幅の広い流路（３０Ｄ´）を画定する流れ場のリブ（３２Ｄ´と３２Ｅ´）との間の最短距離により定義する）
   iii）５〜２５（質量％）の疎水性ポリマと、
   を含み、さらに
   iv）前記炭素繊維（４４）が、前記カーボンブラックと疎水性ポリマとともに不規則に分散されて、前記第１の触媒（１２´）と前記第１の流れ場（２６´）との間に２５〜２５０ミクロンの厚さを有するとともに、５ｋｇｆ／ｃｍ²以上の耐圧強度を持つ前記バッキング層（４２）を形成することを特徴とする燃料電池（４０）。
2. 前記第１の触媒（１２´）がアノード触媒であり、前記第２の触媒（１４´）がカソード基板（２４´）に取り付けられたカソード拡散層（２０´）に、さらに取り付けられたカソード触媒であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池（４０）。
3. 前記第２の触媒（１４´）と、該第２の触媒（１４´）に連通するように取り付けられるとともに、複数のリブ（３３Ａ´、３３Ｂ´、３３Ｃ´、３３Ｄ´、３３Ｅ´）の間に複数の流路（３１Ａ´、３１Ｂ´、３１Ｃ´、３１Ｄ´）を画定する第２の流れ場（２８´）と、の間にさらに第２のバッキング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（４０）。
4. 前記第１の触媒（１２´）がカソード触媒であり、前記第２の触媒（１４´）がアノード基板（２４´）に取り付けられたアノード拡散層（２０´）に、さらに取り付けられたアノード触媒であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池（４０）。
5. 前記電解質（１６´）が固体高分子膜であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池（４０）。
6. 燃料電池（４０）の隣接する触媒（１２´、１４´）用のバッキング層（４２）の製造方法であって、
   （ａ）カーボンブラックと、炭素繊維（４４）と、疎水性ポリマと、を水の懸濁液中で不規則に分散させるステップであって、前記炭素繊維（４４）が前記触媒（１２´、１４´）に連通するように取り付けられた流れ場（２６´）における最も幅の広い流路（３０Ｄ´）の幅（４６）の、少なくとも２倍の長さを有するステップと、
   （ｂ）前記水の懸濁液から水を除去するステップと、
   （ｃ）前記バッキング層（４２）のカーボンブラックと、炭素繊維（４４）と、疎水性ポリマとを熱処理して前記疎水性ポリマを融解させるステップと、
   を備えてなる燃料電池（４０）の隣接する触媒（１２´、１４´）用のバッキング層（４２）の製造方法。
7. （ａ）カソード拡散層（２０´）をカソード基板（２４´）に取り付けるステップと、
   （ｂ）アノード触媒（１２´）とカソード触媒（１４´）とを電解質（１６´）の各面に取り付けて膜電極アセンブリを形成するステップと、
   （ｃ）前記カソード触媒（１４´）を前記カソード拡散層（２０´）に接合するステップと、
   （ｄ）請求項１に記載の前記バッキング層（４２）を前記アノード触媒（１２´）に接合するステップと、
   を備えてなる燃料電池（４０）の製造方法。

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