JP2008509522A - 陰イオン交換樹脂を有する多孔質拡散媒体と両極性板集成体およびこれらを組み込んだ装置 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図2
Description
本発明は、多孔質拡散媒体、両極性板(bipolar plate)集成体、本発明に従う多孔質拡散媒体と両極性板集成体を用いる燃料電池、およびそのような燃料電池を組み込んだ燃料電池稼動装置に関する。特に本発明は、多孔質拡散媒体および陰イオン交換樹脂を有する両極性板集成体およびこれらを組み込んだ装置に関する。
固体酸の膜-電極-集成体(MEA)材料は、プロトン交換膜(PEM)燃料電池の内部で熱的にも化学的にも分解し、フッ化物イオンを放出し、このことにより、ひいては金属の両極性板材料(例えば、不銹性合金(stainless alloys))が腐食することが知られている。フッ化水素は、この酸が弱酸であるとみなされるにもかかわらず、金属材料を激しく侵蝕する。次いで、板の腐食による副生物(金属の陽イオン)はポリマー膜と触媒イオノマー層における交換部位と交換し、これが次の結果をもたらす:a)酸基が放出されることによるMEAの伝導性の低下、b)電池のカソード側での酸素の還元速度の著しい低下、およびc)燃料電池の性能の全体的な低下。燃料電池の環境中でフッ化物イオンの濃度を最小にすることにより、両極性板および排出水を運ぶ燃料電池装置における他の金属要素の耐久性が向上するだろう。従って、燃料電池の構造の改良に対する必要性が認識されている。
電気化学的な転換用の集成体(例えばPEM燃料電池)における膜材料の熱的または化学的分解によってフッ化水素(HF)が形成され、フッ化水素はこの酸が典型的に弱酸であるとみなされるにもかかわらず、金属材料を激しく侵蝕する。フッ化物イオンの攻撃的な性質は、ステンレス鋼、チタン、アルミニウムおよびその他の不銹性合金などの耐食性の高い材料を保護することで知られている不動態膜を侵蝕する能力の結果として生じる。例えば、フッ化物イオンはステンレス鋼の上の不動態酸化物を不安定にすることがあり、従ってそれを腐食しやすくする。これと同じ現象はチタンについても認めることができ、フッ化物イオンは酸化チタン(これは酸化物のうちで最も安定なものの一つである)を侵蝕し、そしてチタンをかなり腐食させる。フッ化物イオンの攻撃的な性質は、表面の調製のためや表面から残留汚染物を除去するための不銹性合金やチタンのエッチングなど、幾つかの適用においては有益である場合がある。しかし、燃料電池の環境の中でフッ化物イオンの濃度を最少限度にすることにより、両極性板や排出水を運ぶ燃料電池装置内の他の金属要素の耐久性が向上する。本発明の幾つかの態様によれば、そのような陰イオンを脱離させるために陰イオン交換樹脂を用いることができる。
R-N(CH3)2 +OH− + HF → R-N(CH3)2 +F− + H2O
このタイプの樹脂は、限定された熱安定性を有することで知られている(例えば、約60℃以下で安定)。第二のタイプの陰イオン交換樹脂は弱塩基陰イオン交換樹脂であり、これは次に示すようにして第四アンモニウム塩の形成によって陰イオンを脱離させる:
R-N(CH3)3 + HF → R-NH(CH3)2 +F−
このタイプの陰イオン交換樹脂は約7年間まで約100℃以下で安定である。
Claims (25)
- 拡散媒体の基板と陰イオン交換樹脂の層を有する多孔質拡散媒体であって、
前記拡散媒体の基板は、対向している第一の主面と第二の主面を画定している繊維質の基材を有し、前記基板は、前記基板を導電性にするのに十分な量の炭素質材料を含み;
前記陰イオン交換樹脂の層は、前記拡散媒体の基板の前記第一の主面と第二の主面のうちの少なくとも一つの少なくとも一部に係合していて;そして
前記陰イオン交換樹脂は、ヒドロキシル基との交換によって、または第四アンモニウム塩の形成によって陰イオンを脱離させるように構成されている、前記多孔質拡散媒体。 - 前記陰イオン交換樹脂の層は、前記拡散媒体の基板の前記第一の主面の少なくとも一部に係合されている、請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記陰イオン交換樹脂の層は、前記拡散媒体の基板の前記第二の主面の少なくとも一部に係合されている、請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記陰イオン交換樹脂の層は、前記拡散媒体の基板の前記第一の主面と前記第二の主面の両方の少なくとも一部に係合されている、請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記陰イオン交換樹脂は、強塩基陰イオン交換樹脂、弱塩基陰イオン交換樹脂、およびこれらの組合せのうちの少なくとも一つを含む、請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記陰イオンは、フッ化物、塩化物、硫酸塩、亜硫酸塩、およびこれらの組合せのうちの少なくとも一つを含む、請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記陰イオン交換樹脂の層は、溶液中の遊離した鉱酸と有機酸を中和するのに十分な厚さを有する、請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記の酸は、HCl、HBr、HF、HI、H2SO4、H3PO4、酢酸、ギ酸、プロピオン酸、および安息香酸、およびこれらの組合せのうちの少なくとも一つを含む、請求項7に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記陰イオン交換樹脂の層は少なくとも約10μmの厚さを有する、請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記陰イオン交換樹脂の層は約10μmと約30μmの間の厚さを有する、請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記陰イオン交換樹脂の層は前記拡散媒体の基板に少なくとも部分的に浸透している、請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記陰イオン交換樹脂の層は、前記拡散媒体の基板の前記繊維質基材の多孔度よりも大きい多孔度によって特徴づけられる、請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記拡散媒体の基板は炭素繊維の紙を含む、請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 前記拡散媒体の基板は約0.17mmの厚さを有する、請求項1に記載の多孔質拡散媒体。
- 膜電極集成体、多孔質拡散媒体、および少なくとも一対の両極性板集成体を有する装置であって:
前記多孔質拡散媒体は、拡散媒体の基板と陰イオン交換樹脂の層を有し;
前記拡散媒体の基板は、対向している第一の主面と第二の主面を画定している繊維質の基材を有し;
前記拡散媒体の基板は、前記基板を導電性にするのに十分な量の炭素質材料を含み;
前記陰イオン交換樹脂の層は、前記拡散媒体の基板の前記第一の主面と第二の主面のうちの少なくとも一つの少なくとも一部に係合していて;
前記陰イオン交換樹脂は、ヒドロキシル基との交換によって、または第四アンモニウム塩の形成によって陰イオンを脱離させるように構成されていて;
前記膜電極集成体は一対の前記拡散媒体の基板の間に置かれていて;そして
前記両極性板集成体は前記陰イオン交換樹脂の層に係合している、前記装置。 - 各々の前記両極性板集成体はカソード流れ領域とアノード流れ領域を有し、前記膜電極集成体は前記アノード流れ領域と前記カソード流れ領域の間に置かれている、請求項15に記載の装置。
- 前記陰イオン交換樹脂の層は前記拡散媒体の基板の前記第一の主面に係合していて、そして前記両極性板集成体は前記陰イオン交換樹脂の層に係合している、請求項15に記載の装置。
- 前記陰イオン交換樹脂の層はさらに前記拡散媒体の基板の前記第二の主面に係合していて、そして前記膜電極集成体は、前記拡散媒体の基板の前記第二の主面に係合している前記陰イオン交換樹脂の層に係合している、請求項17に記載の装置。
- 前記膜電極集成体は、一対の触媒電極層の間に置かれていてそしてこれらに係合されるイオン交換膜をさらに含んでいてもよく、このとき前記触媒電極層は、前記拡散媒体の基板の前記第二の主面に係合される前記陰イオン交換樹脂の層に係合される、請求項18に記載の装置。
- 前記膜電極集成体は、一対の触媒電極層の間に置かれていてそしてこれらに係合されるイオン交換膜をさらに含んでいてもよく、このとき前記触媒電極層は前記多孔質拡散媒体に係合される、請求項15に記載の装置。
- 前記両極性板集成体は流れ領域を有し、このとき陰イオン交換樹脂が前記流れ領域に係合している、請求項15に記載の装置。
- 前記装置は燃料電池を含む、請求項15に記載の装置。
- 前記装置は前記燃料電池によって動力を与えられる車両を定義づける構造をさらに含む、請求項22に記載の装置。
- 膜電極集成体、多孔質拡散媒体、および少なくとも一対の両極性板集成体を有する装置であって、
前記膜電極集成体は一対の拡散媒体の基板の間に置かれていて;
前記両極性板集成体は少なくとも一つの流れ領域通路を有し、前記流れ領域通路は陰イオン交換樹脂の層を含み、このとき前記陰イオン交換樹脂の層は、ヒドロキシル基との交換によって、または第四アンモニウム塩の形成によって陰イオンを脱離させるように構成されていて;そして
前記両極性板集成体は前記拡散媒体の基板に係合している、前記装置。 - 拡散媒体の基板と陰イオン交換樹脂の層を有する多孔質拡散媒体であって、
前記拡散媒体の基板は、対向している第一の主面と第二の主面を画定している繊維質の基材を有していて、このとき前記基板は、前記基板を導電性にするのに十分な量の炭素質材料を含み、そして約0.17mmの厚さを有し;
前記陰イオン交換樹脂の層は、前記拡散媒体の基板の前記第一の主面と第二の主面のうちの少なくとも一つの少なくとも一部に係合していて;
前記陰イオン交換樹脂は、ヒドロキシル基との交換によって、または第四アンモニウム塩の形成によって陰イオンを脱離させるように構成されていて、また前記陰イオン交換樹脂は、強塩基陰イオン交換樹脂、弱塩基陰イオン交換樹脂、およびこれらの組合せのうちの少なくとも一つを含み;
前記陰イオン交換樹脂の層は、溶液から遊離した鉱酸と有機酸を除去するのに十分な厚さを有し、前記陰イオン交換樹脂の層の前記厚さは約10μmと約30μmの間であり;
前記陰イオン交換樹脂の層は前記拡散媒体の基板に少なくとも部分的に浸透していて;そして
前記陰イオン交換樹脂の層は、前記拡散媒体の基板の前記繊維質基材の多孔度よりも大きい多孔度によって特徴づけられる、前記多孔質拡散媒体。
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