JP6951420B2 - 改良された耐久性を備えた燃料電池 - Google Patents
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Description
発明の分野
本発明は、PEM燃料電池、および耐久性が改善された膜電極アセンブリに関する。
電気化学燃料電池では、反応物質、すなわち燃料およびオキシダント流が転換されて、電力および反応生成物が生成される。電気化学燃料電池には、一般に、2つの電極、すなわちカソードとアノードとの間に配置された電解質が用いられる。電解触媒は、電極において所望の電気化学反応を誘導するために必要である。電解触媒に加えて、電極は、その上に電解触媒が堆積する導電性基板も含んでいてもよい。電解触媒は、メタルブラック(すなわち、実質的に純粋な、担持されていない微細化金属または金属粉末)、合金または担持金属触媒、例えば、カーボン粒子上の白金であり得る。
一実施形態では、固体ポリマー電解質燃料電池は、アノード電極とカソード電極との間に配置されたポリマー電解質を含む膜電極アセンブリであって、アノード電極およびカソード電極各々が、触媒、中心領域および周辺領域を含み、カソード電極の周辺領域がカソード端部バリア層を含む、膜電極アセンブリと、アノード周辺領域およびカソード周辺領域の少なくとも一部分ならびにカソード端部バリア層と接触している流体不透過性シールと、アノード電極に隣接するアノード流れ場プレートと、カソード電極に隣接するカソード流れ場プレートであって、カソード周辺流路および少なくとも1つのカソード中心流路を含む、カソード流れ場セパレータプレートとを含み、カソード端部バリア層の少なくとも一部分が、カソード周辺流路の少なくとも一部分を横切る。
以下の記載において、本発明の種々の実施形態の完全な理解を提供するために、ある特定の詳細を示す。しかし、当業者であれば、本発明をこれらの詳細なしに実施することができることを理解する。他の例において、燃料電池、燃料電池スタック、バッテリーおよび燃料電池システムに関連する周知の構造は、本発明の実施形態の記載を不必要に曖昧にすることを避けるために、詳細に提示または記載していない。
カソード端部バリア層は、カソード周辺流路の少なくとも約5%〜カソード周辺流路の少なくとも約95%を横切る。特定の実施形態では、カソード端部バリア層は、カソード周辺流路の少なくとも約10%〜少なくとも約90%を横切る。さらなる実施形態では、カソード端部バリア層は、カソード周辺流路の少なくとも約25%〜カソード周辺流路の少なくとも約75%を横切る。なおさらなる実施形態では、カソード端部バリア層は、カソード周辺流路の少なくとも約50%を横切る。さらなる実施形態では、カソード端部バリア層18は、図2に示されるように、カソード周辺流路26の全幅を横切る(言い換えると、カソード周辺流路の少なくとも約100%を横切る)。中心および周辺流路は、インレットマニフォールドおよびアウトレットマニフォールド(図示せず)に接続されているべきである。
(項目1)
固体ポリマー電解質燃料電池であって、
アノード電極とカソード電極との間に配置されたポリマー電解質を含む膜電極アセンブリであって、前記アノード電極および前記カソード電極各々が、触媒、中心領域および周辺領域を含み、前記カソード電極の前記周辺領域がカソード端部バリア層を含む、膜電極アセンブリと、
前記アノード周辺領域およびカソード周辺領域の少なくとも一部分ならびに前記カソード端部バリア層と接触している流体不透過性シールと、
前記アノード電極に隣接するアノード流れ場プレートと、
前記カソード電極に隣接するカソード流れ場プレートであって、カソード周辺流路および少なくとも1つのカソード中心流路を含む、カソード流れ場プレートと
を含み、前記カソード端部バリア層の少なくとも一部分が、前記カソード周辺流路の少なくとも一部分を横切る、固体ポリマー電解質燃料電池。
(項目2)
前記カソード端部バリア層が、前記カソードの前記周辺領域を電気化学的に不活性にする、項目1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
(項目3)
前記カソード端部バリア層が、前記カソード電極の少なくとも一部分にある、項目1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
(項目4)
前記カソード端部バリア層が、前記カソード電極と前記ポリマー電解質との間にある、項目1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
(項目5)
前記カソード端部バリア層が、実質的に流体不透過性である、項目1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
(項目6)
前記カソード端部バリア層の材料が、フッ化ポリビニリデン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリオレフィン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアリールエーテル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリイミド、エポキシ、ポリウレタン、ニトリル、ブチルおよび熱可塑性エラストマーからなる群から選択される、項目1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
(項目7)
前記カソードの前記周辺領域が、前記カソードの前記中心領域よりも少ない量の触媒を含有する、項目1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
(項目8)
前記アノード電極およびカソード電極のうちの少なくとも1つの前記周辺領域が、ラジカル捕捉剤、膜クロスリンカー、過酸化水素分解触媒および過酸化水素安定化剤からなる群から選択される少なくとも1種の添加剤を含む、項目1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
(項目9)
前記アノード電極およびカソード電極のうちの少なくとも1つの前記周辺領域が、酸化マンガン、酸化セリウムおよび酸化チタンのうちの少なくとも1種を含む、項目1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
(項目10)
前記カソード周辺流路が、前記少なくとも1つのカソード中心流路と、横断面の幅および高さのうち少なくとも1つが異なる、項目1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
(項目11)
前記シールが、流動処理可能なエラストマーである、項目1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
(項目12)
前記カソード電極が、カソードガス拡散層およびカソード触媒層をさらに含み、前記カソード端部バリア層が、前記カソードガス拡散層の周辺領域および前記カソード触媒層の周辺領域のうちの少なくとも1つの少なくとも一部分の中にある、項目1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
(項目13)
前記カソード電極が、カソードガス拡散層およびカソード触媒層をさらに含み、前記カソード端部バリア層が、前記カソードガス拡散層の周辺領域および前記カソード触媒層の周辺領域の間にある、項目1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
(項目14)
前記アノード流れ場プレートが、アノード周辺流路および少なくとも1つのアノード中心流路を含み、前記アノード端部バリア層の少なくとも一部分が、前記アノード周辺流路の少なくとも一部分を横切る、項目1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
(項目15)
前記アノード周辺流路が、前記少なくとも1つのアノード中心流路と、横断面の幅および高さのうち少なくとも1つが異なる、項目14に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
Claims (15)
- 固体ポリマー電解質燃料電池であって、
アノード電極とカソード電極との間に配置されたポリマー電解質を含む膜電極アセンブリであって、前記アノード電極および前記カソード電極各々が、触媒、中心領域および周辺領域を含み、前記カソード電極の前記周辺領域がカソード端部バリア層を含む、膜電極アセンブリと、
前記アノード周辺領域およびカソード周辺領域の少なくとも一部分ならびに前記カソード端部バリア層と接触している流体不透過性シールと、
前記アノード電極に隣接するアノード流れ場プレートと、
前記カソード電極に隣接するカソード流れ場プレートであって、カソード周辺流路および少なくとも1つのカソード中心流路を含む、カソード流れ場プレートと
を含み、
ここで、前記カソード端部バリア層の少なくとも一部分が、前記カソード周辺流路の少なくとも一部分を横切り、そして
ここで、前記カソード周辺流路が前記少なくとも1つのカソード中心流路から物理的に離れている、
固体ポリマー電解質燃料電池。 - 前記カソード端部バリア層が、前記カソードの前記周辺領域を電気化学的に不活性にする、請求項1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
- 前記カソード端部バリア層が、前記カソード電極の少なくとも一部分にある、請求項1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
- 前記カソード端部バリア層が、前記カソード電極と前記ポリマー電解質との間にある、請求項1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
- 前記カソード端部バリア層が、実質的に流体不透過性である、請求項1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
- 前記カソード端部バリア層の材料が、フッ化ポリビニリデン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリオレフィン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアリールエーテル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリイミド、エポキシ、ポリウレタン、ニトリル、ブチルおよび熱可塑性エラストマーからなる群から選択される、請求項1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
- 前記カソードの前記周辺領域が、前記カソードの前記中心領域よりも少ない量の触媒を含有する、請求項1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
- 前記アノード電極およびカソード電極のうちの少なくとも1つの前記周辺領域が、ラジカル捕捉剤、膜クロスリンカー、過酸化水素分解触媒および過酸化水素安定化剤からなる群から選択される少なくとも1種の添加剤を含む、請求項1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
- 前記アノード電極およびカソード電極のうちの少なくとも1つの前記周辺領域が、酸化マンガン、酸化セリウムおよび酸化チタンのうちの少なくとも1種を含む、請求項1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
- 前記カソード周辺流路が、前記少なくとも1つのカソード中心流路と、横断面の幅および高さのうち少なくとも1つが異なる、請求項1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
- 前記シールが、流動処理可能なエラストマーである、請求項1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
- 前記カソード電極が、カソードガス拡散層およびカソード触媒層をさらに含み、前記カソード端部バリア層が、前記カソードガス拡散層の周辺領域および前記カソード触媒層の周辺領域のうちの少なくとも1つの少なくとも一部分の中にある、請求項1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
- 前記カソード電極が、カソードガス拡散層およびカソード触媒層をさらに含み、前記カソード端部バリア層が、前記カソードガス拡散層の周辺領域および前記カソード触媒層の周辺領域の間にある、請求項1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
- 前記アノード電極の周辺領域が、アノード端部バリア層を含み、前記アノード流れ場プレートが、アノード周辺流路および少なくとも1つのアノード中心流路を含み、前記アノード端部バリア層の少なくとも一部分が、前記アノード周辺流路の少なくとも一部分を横切る、請求項1に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
- 前記アノード周辺流路が、前記少なくとも1つのアノード中心流路と、横断面の幅および高さのうち少なくとも1つが異なる、請求項14に記載の固体ポリマー電解質燃料電池。
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