JP2007500424A

JP2007500424A - 様々な動作湿度に最適化されたガス拡散層および対応する燃料電池

Info

Publication number: JP2007500424A
Application number: JP2006521842A
Authority: JP
Inventors: オーハラ，ジャネット・イー
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2007-01-11
Also published as: US20050026012A1; DE112004001385T5; WO2005018029A1; CN1830109B; CN1830109A; DE112004001385B4

Abstract

電気化学的電池および拡散媒体を使用する他のデバイスの水分管理に関する問題に対処するために、拡散媒体および拡散媒体のパラメータを調整する方法が提供される。多孔質炭素紙上にメソ多孔質層を提供するために疎水性ポリマー材料と混合されたフィラー材料としての炭素の粒径や表面積など、拡散媒体の様々なパラメータが、燃料電池の特定の動作湿度に合わせて調整される。

Description

本発明は拡散媒体の設計および製造に関し、より詳細には水分管理が重要な設計問題である電気化学的電池に使用する拡散媒体に関する。

本発明によれば、電気化学的電池および拡散媒体を使用する他のデバイスの水分管理に関する問題に対処するために、拡散媒体および拡散媒体のパラメータを調整する方法が提供される。本発明の一実施形態によれば、含水素の燃料源を電気エネルギーに変換するように構成されたデバイスが提供される。

このデバイスは、第１の反応物質入力、第２の反応物質入力、加湿された反応物質出力、デバイス内の多相の反応物質を通過させるように構成された拡散媒体、および高い相対湿度でデバイスを動作させるように構成されたコントローラを備える。コントローラは、加湿された反応物質出力の相対湿度が約１５０％を上回るように構成される。拡散媒体は、拡散媒体基体およびメソ多孔質層を備える。拡散媒体基体は、第１および第２の主要面を画定する炭素質多孔質繊維のマトリックスを含む。メソ多孔質層は、基体の第１および第２の主要面の一方の少なくとも一部に沿って延び、親水性炭素質成分および疎水性成分を含む。親水性炭素質成分は、当該の粒子が実際には粒子の塊りでもよいという理解のもとで、約８５ｍ^２／ｇ未満の表面積および約３５ｎｍ〜約７０ｎｍの平均粒径によって特徴づけられる小さい表面積の炭素を含む。

本発明の他の実施形態によれば、コントローラは、加湿された反応物質出力の相対湿度が約１００％〜約１５０％であるように構成される。親水性炭素質成分は、約２００ｍ^２／ｇ〜約３００ｍ^２／ｇの表面積および約１５ｎｍ〜約４０ｎｍの平均粒径によって特徴づけられる中程度の表面積の炭素を含む。

本発明の他の実施形態によれば、コントローラは加湿された反応物質出力の相対湿度が約１００％未満であるように構成される。親水性炭素質成分は、約７５０ｍ^２／ｇを上回る表面積および約２０ｎｍ未満の平均粒径によって特徴づけられる大きい表面積の炭素を含む。

本発明の他の実施形態によれば、本発明に従って拡散媒体を製作する方法が提供される。この方法では、燃料電池の動作相対湿度が低、中、または高に識別され、拡散媒体が燃料電池の特定の動作湿度に合わせて調整される。

したがって、本発明の一目的は、拡散媒体およびそのような拡散媒体を使用するデバイスにおける水分管理問題に対処する手段を提供することである。本発明の他の目的は、本明細書で実施された本発明の説明に照らせば明らかであろう。

本発明の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、以下の図面と併せ読むことにより最もよく理解され得る。図では同じ構造は同じ参照番号で示されている。
先ず図１に、本発明による多孔質拡散媒体２０を組み込んだ燃料電池１０が示されている。具体的には、燃料電池１０は、燃料電池１０のアノード流路４０とカソード流路５０の間に挿入された膜電極組立体３０を備える。流路４０、５０ならびに膜電極組立体３０は、本発明の範囲から逸脱することなく、従来の、または未開発の、様々な形態をとることができることが企図されている。膜電極組立体３０のこの特定の形態は本発明の範囲外であるが、図示の実施形態では、膜電極組立体３０はそれぞれの触媒電極層３２とイオン交換膜３４を含む。

図２には、本発明の一実施形態による拡散媒体２０が概略的に示されている。拡散媒体２０は拡散媒体基体２２およびメソ多孔質層２４を備える。拡散媒体基体２２は、第１および第２の主要面２１および２３を画定する多孔質繊維のマトリックス、例えば炭素繊維紙、および基体２２を導電性にするのに十分な量の炭素質の物質を含む。図示の実施形態では、拡散媒体基体２２は、基体２２の第１の主要面２１に沿ってメソ多孔質層２４を延ばす。本発明を定義し説明するために、メソ多孔質構造が、数ナノメートルから数百ナノメートルもの範囲におよび得る孔径によって特徴づけられることに留意されたい。

メソ多孔質層２４は親水性炭素質成分２８および疎水性成分２６を含む。親水性炭素質成分２８は小さい表面積の炭素を含む。適切な炭素粒子は、例えばカーボンブラック、グラファイト、炭素繊維、フラーレン、およびナノチューブを含む。入手可能な市販のカーボンブラックには、ＶｕｌｃａｎＸＣ７２ＲＴ（商標）（マサチューセッツ州ビレリカ（Ｂｉｌｅｒｉｃａ）のＣａｂｏｔＣｏｒｐ．製）、ＳｈａｗｉｎｉｇａｎＣ−５５（商標）５０％圧縮されたアセチレンブラック（テキサス州ヒューストンのＣｈｅｖｒｏｎＣｈｅｍｉｃａｌＣｏ．製）、ＮｏｒｉｔｔｙｐｅＳＸ１（商標）（ジョージア州アトランタのＮｏｒｉｔＡｍｅｒｉｃａｓＩｎｃ．製）、ＣｏｒａｘＬ（商標）およびＣｏｒａｘＰ（商標）（ニュージャージー州リッジフィールドパークのＤｅｇｕｓｓａＣｏｒｐ．製）、Ｃｏｎｄｕｃｔｅｘ９７５（商標）（ジョージア州アトランタのＣｏｌｏｍｂｉａｎＣｈｅｍｉｃａｌＣｏ．製）、ＳｕｐｅｒＳＴ（商標）およびＳｕｐｅｒＰ（商標）（ベルギーのブリュッセルのＭＭＭｎｖのＭＭＭＣａｒｂｏｎＤｉｖ．製）、ＫｅｔＪｅｎＢｌａｃｋＥＣ６００ＪＤ（商標）（ＫｅｔｊｅｎＢｌａｃｋＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏ．製。イリノイ州シカゴのＡｋｚｏＮｏｂｅｌＣｈｅｍｉｃａｌｓＩｎｃ．から入手可能）、ＢｌａｃｋＰｅａｒｌｓ（商標）（マサチューセッツ州ビレリカのＣａｂｏｔＣｏｒｐ．製）があるが、これらだけには限定されない。本発明の特定の実施形態では、約６０ｍ^２／ｇ〜約７０ｍ^２／ｇの表面積を有するアセチレンブラック、約２５０ｍ^２／ｇの表面積を有するＶｕｌｃａｎＸＣ７２（商標）、約８００〜１３００ｍ^２／ｇの表面積を有するＫｅｔＪｅｎＢｌａｃｋ（商標）、および１３００ｍ^２／ｇを上回る表面積を有するＢｌａｃｋＰｅａｒｌｓ（商標）を使用する。親水性炭素質成分は、導電性を向上させるために、大きい表面積の炭素に加えて小さい比率のカーボングラファイトを含んでよい。

疎水性成分２６はフッ化重合体（例えばポリ四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、フッ化重合体の組合せ、あるいは他の適切な疎水性物質または疎水性物質の組合せ）を含んでよい。

親水性および疎水性のそれぞれの成分の重量％に関して、メソ多孔質層は約８０重量％〜約９５重量％の炭素質成分を含んでよく、すなわち、より詳細には、高い動作湿度向けでは約８０重量％の炭素質成分を、低い動作湿度向けでは約９０重量％〜約９５重量％の炭素質成分を含んでよい。

本発明の多くの実施形態では、水分管理問題に対処する上で、メソ多孔質層２４は、燃料電池の流路に面して位置するのでなく、燃料電池１０の膜電極組立体３０に向かって位置するとより効果的である。しかし、拡散媒体基体２２は、どちらの面が膜電極組立体３０に向かって位置するかにかかわらず、メソ多孔質層２４が基体２２の主要面２１および２３のどちらに沿って延びてもよいことが企図されている。さらに、メソ多孔質層２４は、それ自体が沿って延びる面のすべてまたは一部を覆ってもよい。図２に示されるように、メソ多孔質層２４は少なくとも部分的に拡散媒体基体２２に浸透する。図２中の想像線で示される第１の面２１により概略的に図示された浸透の範囲は、メソ多孔質層２４および拡散媒体基体２２の特性に依存して広範囲に変化することになる。本発明のいくつかの実施形態には、メソ多孔質層を拡散媒体基体の繊維状マトリックスより多孔性であるように構成すると有利であると思われるものがある。

本発明は、燃料電池１０で含水素の燃料源を電気エネルギーに変換するための特定の機構を対象とするものではない。したがって、本発明の説明では、燃料電池１０が特に、第１の反応物質入力Ｒ_１、第２の反応物質入力Ｒ_２および加湿された反応物質出力Ｒ_ＯＵＴを含むことに言及すれば十分である。拡散媒体２０は、膜電極組立体３０と燃料電池１０のそれぞれの流路４０、５０との間で多相の反応物質、すなわち反応性ガス、液体、および蒸気を通過させるので、拡散媒体２０の水分管理特性を最適化すべきであると本発明者は認識した。

燃料電池コントローラは、一般にブロック要素として示されるため、また、その個々の構成が本発明の理解に密接な関係がないため、図示されていないが、動作湿度を含めて燃料電池の多くの動作条件を制御する。例えば、コントローラは温度、圧力、湿度、第１および第２の反応物質入力の流量、またはそれらの組合せを調整するように構成され得る。いずれにしても、コントローラは、高い相対湿度（燃料電池の加湿された反応物質出力において約１５０％の相対湿度を上回る）、中程度の相対湿度（約１００％〜約１５０％の相対湿度）、または低い相対湿度（約１００％未満の相対湿度）で燃料電池１０が動作するように構成され得る。本発明によれば、拡散媒体２０の様々なパラメータが、燃料電池の特定の動作湿度に合わせて調整される。もちろん、燃料電池デバイス内の拡散媒体の下流で、加湿された反応物質出力の前に、湿度調整要素が用いられる場合も、そのような湿度調整要素がデバイス内に存在しない場合と同様に、本明細書に示された相対湿度対策が与えられる。

下表は、拡散媒体基体２２および拡散媒体のメソ多孔質層２４の選択されたパラメータの適切な近似値を、燃料電池１０の動作湿度の関数として表す。

表に示されるように、比較的小さい表面積の炭素質成分２８の方が高い動作湿度での動作により適する。比較的小さい表面積の炭素を含む拡散媒体２０は、より大きな表面積の炭素より、燃料電池１０の膜電極組立体３０から水分を逃がすのに適することになる。炭素の表面積が大きくミクロ細孔の割合が高いと、膜電極組立体から水分を逃がすのがより困難になるが、この拡散媒体は低湿度での動作により適するようになる。同様の理由により、比較的大きな粒径の炭素質成分２８は小さな粒径のものより高い動作湿度に適する。メソ多孔質層２４中の炭素質成分２８の体積基準重量百分比も、燃料電池１０の動作湿度に関連した必要に対処するために増減され得る。動作湿度の各範囲におけるこれらのパラメータの近似値は、上の表に与えられている。

湿度増加に伴って基体の孔径の値がおおむね増加しているのは、水分を移す必要性がより顕著になるのに従って、低い動作湿度では基体の多孔度をより低く、高い動作湿度では多孔度をより高くすべきであることを表す。同様に、比較的低い動作湿度では、拡散媒体２０の貯水容量を増加させるために、基体２２の厚さｂをより大きくすべきである。メソ多孔質層２４に関して、その厚さａおよび基体２２中への浸透度は、比較的高い動作湿度では一般により制限される。これらのパラメータの近似値も、動作湿度の各範囲で、上の表に与えられている。

図３で、本発明によって拡散媒体を組み込んだ燃料電池システムは、車両１００用の動力源として動作するように構成され得る。具体的には、燃料貯蔵ユニット１２０からの燃料は、燃料、例えばＨ２を電気に変換するように構成された燃料電池組立体１１０に送られ得る。生成された電気は、その後車両１００で原動力電源として使用され、電気がトルクおよび車両の並進運動に変換される。

本明細書では、「好ましくは」、「普通」、および「一般に」のような用語は、請求された発明の範囲を限定したり、あるいはある特徴が、請求された発明の構造または機能にとって決定的、不可欠、または重要であることを示唆したりするためには使用されないことに留意されたい。むしろ、これらの用語は、本発明の特定の実施形態で利用されることもされないこともある代わりのまたは追加の機能を強調するためのものであるにすぎない。

本発明を説明し定義するために、本明細書では、用語「デバイス」は、ある構成要素が他の構成要素と組み合わされるかどうかにかかわらず、構成要素の組合せおよび個々の構成要素を表すために使用されることに留意されたい。本発明では、例えば「デバイス」は、拡散媒体、本発明による拡散媒体を組み込んだ燃料電池、本発明による燃料電池を組み込んだ車両などを含んでよい。

本発明を説明し定義するために、用語「実質的に」は、何らかの量的比較、値、測定、または他の表現に帰され得る固有の不確定性の度合を表すために本明細書で使用されることに留意されたい。本明細書では、用語「かなり」は、ある量的表現が、問題となる対象の基本機能を変化させずに、記載された基準から変化し得る度合を表すためにも使用される。

本発明を、その特定の実施形態に即して詳細に述べてきたが、添付の特許請求の範囲に定義する本発明の範囲から逸脱することなしに、変更および改変が可能であることは、明らかであろう。より具体的には、本発明のいくつかの態様をここでは好ましいものとして、または特に有利なものとして特定したが、本発明は、必ずしもこれらの本発明の好ましい態様に限定されるものではないことが企図されている。

本発明による多孔質拡散媒体を組み込んだ燃料電池の概略図である。本発明の一実施形態による多孔質拡散媒体の概略図である。本発明による燃料電池を組み込んだ車両の概略図である。

Claims

含水素の燃料源を電気エネルギーに変換するように構成されたデバイスであって、第１の反応物質入力と、第２の反応物質入力と、加湿された反応物質出力と、前記デバイス内の多相の反応物質を通過させるように構成された拡散媒体と、前記デバイスを高い相対湿度で動作させるように構成されたコントローラとを備え、
前記コントローラが、前記加湿された反応物質出力の相対湿度が約１５０％を上回るように構成され、
前記拡散媒体が、拡散媒体基体およびメソ多孔質層を備え、
前記拡散媒体基体が、第１および第２の主要面を画定する炭素質多孔質繊維のマトリックスを含み、
前記メソ多孔質層が、前記基体の前記第１および第２の主要面のうち１つの少なくとも一部に沿って延び、親水性炭素質成分および疎水性成分を含み、
前記親水性炭素質成分が、約８５ｍ^２／ｇ未満の表面積および約３５ｎｍ〜約７０ｎｍの平均粒径によって特徴づけられる小さい表面積の炭素を含むデバイス。
前記親水性炭素質成分が、約６０ｍ^２／ｇ〜約８０ｍ^２／ｇの表面積によって特徴づけられる小さい表面積の炭素を含む請求項１に記載のデバイス。
前記親水性炭素質成分が、前記小さい表面積の炭素を大きい比率で含み、前記小さい表面積の炭素に加えて小さい比率のカーボングラファイトを含む請求項２に記載のデバイス。
前記親水性炭素質成分が、約４２ｎｍの平均粒径によって特徴づけられる小さい表面積の炭素を含む請求項１に記載のデバイス。
前記親水性炭素質成分が、カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維、炭素フラーレン、カーボンナノチューブ、およびこれらの組合せから選択される請求項１に記載のデバイス。
前記親水性炭素質成分が、アセチレンブラックを含む請求項１に記載のデバイス。
前記メソ多孔質層が、前記炭素質成分約９０重量％〜約９５重量％を含む請求項１に記載のデバイス。
前記メソ多孔質層が、約８０重量％を上回る前記炭素質成分を含む請求項１に記載のデバイス。
前記疎水性成分が、フッ化重合体を含む請求項１に記載のデバイス。
前記メソ多孔質層が、約１５μｍ未満の厚さを画定する請求項１に記載のデバイス。
前記メソ多孔質層が、約１０μｍ〜約１２μｍの厚さを画定する請求項１に記載のデバイス。
前記メソ多孔質層が、少なくとも部分的に前記拡散媒体基体に浸透する請求項１に記載のデバイス。
前記メソ多孔質層が、前記拡散媒体基体に５μｍ未満の深さまで浸透する請求項１に記載のデバイス。
前記メソ多孔質層が、前記拡散媒体基体の前記繊維状マトリックスの多孔度より大きな多孔度によって特徴づけられる請求項１に記載のデバイス。
前記基体が、炭素繊維紙を含む請求項１に記載のデバイス。
前記炭素繊維紙が、約８０％を上回る多孔度によって特徴づけられる請求項１５に記載のデバイス。
前記炭素繊維紙が、約１００μｍ〜約３００μｍの厚さを画定する請求項１５に記載のデバイス。
前記基体が、約２５μｍを上回る平均孔径によって特徴づけられる請求項１に記載のデバイス。
前記基体が、約２５μｍ〜約３５μｍの平均孔径によって特徴づけられる請求項１に記載のデバイス。
前記デバイス内の前記拡散媒体の下流に湿度調整要素がない場合、前記加湿された反応物質出力より以前における前記相対湿度が約１５０％を上回るように前記コントローラが構成される請求項１に記載のデバイス。
前記コントローラが、前記加湿された反応物質出力の前記相対湿度が約１５０％を上回るように、前記第１および第２の反応物質入力の少なくとも一方の相対湿度を調整するように構成される請求項１に記載のデバイス。
前記コントローラが、前記加湿された反応物質出力の前記相対湿度が約１５０％を上回るように、前記第１および第２の反応物質入力の温度、圧力、湿度および流量を調整するように構成される請求項１に記載のデバイス。
前記コントローラが、前記加湿された反応物質出力の相対湿度が約３００％であるように構成される請求項１に記載のデバイス。
前記デバイスが燃料電池を備える請求項１に記載のデバイス。
前記デバイスが、前記燃料電池で動く車両を定義する構造をさらに備える請求項２４に記載のデバイス。
前記親水性炭素質成分が、約６０ｍ^２／ｇ〜約８０ｍ^２／ｇの表面積によって特徴づけられるアセチレンブラックを含み、
前記メソ多孔質層が、約８０重量％未満の前記炭素質成分を含み、
前記疎水性成分が、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ＰＶＦおよびこれらの組合せから選択されたフッ化重合体を含み、
前記メソ多孔質層が、約１５μｍ未満の厚さを画定し、
前記拡散媒体基体が、約８０％を上回る多孔度によって特徴づけられ、約１００μｍ〜約３００μｍの厚さを画定する炭素繊維紙を含み、
前記コントローラが、前記加湿された反応物質出力の前記相対湿度が約１５０％を上回るように、前記第１および第２の反応物質入力の温度、圧力、湿度および流量を調整するように構成される請求項１に記載のデバイス。
含水素の燃料源を電気エネルギーに変換するように構成されたデバイスであって、第１の反応物質入力と、第２の反応物質入力と、加湿された反応物質出力と、前記デバイス内の多相の反応物質を通過させるように構成された拡散媒体と、前記デバイスを中程度の相対湿度で動作させるように構成されたコントローラとを備え、
前記コントローラが、前記加湿された反応物質出力の相対湿度が約１００％〜約１５０％であるように構成され、
前記拡散媒体が、拡散媒体基体およびメソ多孔質層を備え、
前記拡散媒体基体が、第１および第２の主要面を画定する炭素質多孔質繊維のマトリックスを含み、
前記メソ多孔質層が、前記基体の前記第１および第２の主要面の一方の少なくとも一部に沿って延び、親水性炭素質成分および疎水性成分を含み、
前記親水性炭素質成分が、約２００ｍ^２／ｇ〜約３００ｍ^２／ｇの表面積および約１５ｎｍ〜約４０ｎｍの平均粒径によって特徴づけられる中程度の表面積の炭素を含むデバイス。
前記親水性炭素質成分が、約２５０ｍ^２／ｇの表面積によって特徴づけられる中程度の表面積の炭素を含む請求項２７に記載のデバイス。
前記親水性炭素質成分が、約３０ｎｍの平均粒径によって特徴づけられる小さい表面積の炭素を含む請求項２７に記載のデバイス。
前記メソ多孔質層が、約１０μｍ〜約２０μｍの厚さを画定する請求項２７に記載のデバイス。
前記メソ多孔質層が、前記拡散媒体基体に１０μｍ未満の深さまで浸透する請求項２７に記載のデバイス。
前記基体が、約７０％〜約８０％の多孔度によって特徴づけられる炭素繊維紙を含む請求項２７に記載のデバイス。
前記炭素繊維紙が、約１５０μｍ〜約３００μｍの厚さを画定する請求項３２に記載のデバイス。
前記基体が、約２０μｍ〜約３０μｍの平均孔径によって特徴づけられる請求項２７に記載のデバイス。
前記メソ多孔質層が、約８０重量％を上回る前記炭素質成分を含む請求項２７に記載のデバイス。
含水素の燃料源を電気エネルギーに変換するように構成されたデバイスであって、第１の反応物質入力と、第２の反応物質入力と、加湿された反応物質出力と、前記デバイス内の多相の反応物質を通過さえるように構成された拡散媒体と、前記デバイスを低い相対湿度で動作させるように構成されたコントローラとを備え、
前記コントローラが、前記加湿された反応物質出力の相対湿度が約１００％未満であるように構成され、
前記拡散媒体が、拡散媒体基体およびメソ多孔質層を備え、
前記拡散媒体基体が、第１および第２の主要面を画定する炭素質多孔質繊維のマトリックスを含み、
前記メソ多孔質層が、前記基体の前記第１および第２の主要面のうち１つの少なくとも一部に沿って延び、親水性炭素質成分および疎水性成分を含み、
前記親水性炭素質成分が、約７５０ｍ^２／ｇを上回る表面積および平均粒径が約２０ｎｍ未満の平均粒径によって特徴づけられる大きい表面積の炭素を含むデバイス。
前記親水性炭素質成分が、約８００ｍ^２／ｇ〜約１３００ｍ^２／ｇの表面積によって特徴づけられる中程度の表面積の炭素を含む請求項３６に記載のデバイス。
前記メソ多孔質層が、約１０μｍ〜約４０μｍの厚さを画定する請求項３６に記載のデバイス。
前記メソ多孔質層が、前記拡散媒体基体に２５μｍ未満の深さまで浸透する請求項３６に記載のデバイス。
前記メソ多孔質層が、前記拡散媒体基体に約２０μｍ〜約２５μｍの深さまで浸透する請求項３６に記載のデバイス。
前記基体が、約７０％〜約７５％の多孔度によって特徴づけられる炭素繊維紙を含む請求項３６に記載のデバイス。
前記炭素繊維紙が、約１９０μｍ〜約３００μｍの厚さを画定する請求項４１に記載のデバイス。
前記基体が、約２５μｍ未満の平均孔径によって特徴づけられる請求項３６に記載のデバイス。
前記メソ多孔質層が、約８０重量％を上回る前記炭素質成分を含む請求項３６に記載のデバイス。
前記メソ多孔質層が、約９０重量％〜約９５重量％の前記炭素質成分を含む請求項３６に記載のデバイス。