JP2016535398A

JP2016535398A - 空気流路に沿って最適化された動作を備える燃料電池

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Publication number: JP2016535398A
Application number: JP2016526163A
Authority: JP
Inventors: ジェレミーエルリス; ララジャブール; ジャン−セバスチャンロッシュ; レミヴァンサン
Original assignee: コミサリアアレネルジアトミクエオウエネルジアルタナティヴ
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2016-11-10
Anticipated expiration: 2034-10-22
Also published as: US20160248112A1; WO2015063392A1; JP6546917B2; FR3012680A1; FR3012680B1; EP3063817A1; EP3063817B1

Abstract

本発明は、膜に貼り付けられているカソード、空気流入口と水流出口との間の流路を規定する導体プレート（１０２）、及び、カソード（１１２）と導体プレート（１０２）との間に圧縮されているガス拡散浸透層を備える膜電極アセンブリ（１１１、１１２、１１３）を備える燃料電池に関し、ガス拡散浸透層は、互いに接続された第１の部分（２４）及び第２の部分（２５）を備え、第１の部分と第２の部分は、異なる組成を有し、当該圧縮によって同じ厚みを有し、第１の部分は、空気流入口から流路の長さの１５％超過５０％未満の間で延在しており、第２の部分は、水流出口から流路の長さの５０％超過８５％未満の間で延在している。【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池スタックに関し、特に、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池スタックに関する。

燃料電池スタックは、将来に大量生産される自動車に電気を供給するため、及び、多くの他のアプリケーションのためのシステムとして、構想されている。
燃料電池スタックは、化学エネルギーを電力に直接変える電気化学的装置である。ジハイドロゲン（二水素）は、燃料電池スタックの燃料として用いられる。ジハイドロゲンはスタックの電極において酸化されてイオン化され、空気からのジオキシゲン（二酸素）はスタックの他の電極において還元される。この化学反応は、酸素が還元されてプロトンと反応することによって、カソードにおいて水を生成する。燃料電池スタックの大きな長所は、発電サイトで大気の汚染物質の放出を妨げることである。

プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池スタックには、特に小型性の有利な特性を有する。それぞれのセルは、プロトンの通過のみを許し、電子の通過を許さない電解膜から成る。膜は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を作るために、第１の面上のアノード及び第２の面上のカソードから成る。

アノードにおいて、ジハイドロゲンは、膜を通過する陽子を生成するためにイオン化される。この反応によって生成される電子は、フロープレートの方へ移動して、電流を作るために、セルの外へ電気回路を通過する。カソードにおいて、酸素は還元されて、水を生成するために、プロトンと反応する。

燃料電池スタックは、例えば、金属でできていて、お互いの上に積み重なった、いくつかのフロープレートから成ってもよい。膜は、２枚のフロープレートの間に位置する。フロープレートは、膜に出入りする反応物と産物を導くために、流路と開口部から成ってもよい。また、プレートは、アノードで発生する電子のためのコレクタを形成するために、電気伝導性である。ガス拡散浸透層は電極とフロープレートとの間に挿入されて、フロープレートと接触している。

ＭＥＡは、空気及び水素の流路の長さに対して、異質であるか非均一な動作をする。
例えば、カソード側において、流路の入口(乾く状況)と出口(水浸しの状況)との間の気体の相対湿度の変化は、電流密度の異質性に影響を及ぼす。流路の入口における電流密度は、不十分な湿気のため、より低い。流路の出口の電流密度は、ＭＥＡを水浸しにする過度の湿気のため、より低い。電流密度のこの異質性は、例えば、カーボンの局所的な腐食又は触媒の成熟等の劣化現象を促進する。

米国特許出願公開第２００４／０３８８０８号明細書は、膜電極アセンブリ構造を開示している。この構造では、カソードの触媒濃度は、軸に沿った勾配によって変化する。当該文献は、均一なガス拡散浸透層を記載している。

欧州特許出願公開第１１７６６５４号明細書は、同じ電極が触媒層とガス拡散浸透層とを結合する燃料電池スタック構造を開示している。そして、それの特性は様々な領域で変化する。

米国特許第６９３３０６７号明細書は、空気の出口から空気の入口まで積載しているプラチナが増加されたカソードの作製を提案している。したがって、大量の水は、その電流密度を増やすために、当該流路の入口で発生する。しかし、このようなカソードは、産業のスケールで正しく生産することが比較的難しい。

米国特許出願公開第２００４／０３８８０８号欧州特許出願公開第１１７６６５４号米国特許第６９３３０６７号

本発明は、この問題点を解決し、この技術的問題に対する代わりの解決案を提案することを目的とし、同時に、ガス拡散浸透層の正確な位置決めを容易にすることを目的とする。したがって、本発明は、添付の請求項において規定されるように、燃料電池スタックに関するものである。添付の請求項において規定されるように、本発明も、燃料電池スタックを製造する方法に関するものである。

本発明の他の特徴および効果は、以下に、非限定的な具体例として、添付の図面を参照する以下の説明から明らかになる。
図１は、燃料電池スタックの一例の分解斜視図である。図２は、流路ルートの一例から成っているフロープレートの上面図である。図３は、本発明の実施形態の一の実施例に係るカソードガス拡散浸透層の底面図である。図４は、補強材を備えていて、図３に示すガス拡散浸透層と結合されることを目的とする膜電極アセンブリの底面図である。図５は、発明の実施形態の一の実施例に係る燃料電池スタックの１つのセルの断面図である。図６は、先行技術に係る、及び、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックのそれぞれの性能を示すグラフである。図７は、本発明に係る製造プロセスの一例の一連のステップを示す。

図１は、燃料電池スタック２の多くのセル１の概略分解斜視図である。燃料電池スタック２は、いくつかの重ねられたセル１から成る。セル１は、プロトン交換膜タイプ又はポリマー電解質膜タイプである。

燃料電池スタック２は、各々のセル１の入口にジハイドロゲンを供給している燃料源１２０から成る。燃料電池スタック２も、各々の電池の入口に空気を供給していて、オキシダントとして使われる酸素を含んでいる空気源１２２から成る。各々のセル１も、排気チャンネルから成る。各々のセル１は、冷却回路(図２で例示されている)も備えていてもよい。

各々のセル１は、膜電極アセンブリ１１０から成る。例示された燃料電池スタック２は、特に、いくつかの膜電極アセンブリまたはＭＥＡ１１０から成る。膜電極アセンブリ１１０は、電解質１１３、カソード１１２(図１で例示されていない)とアノード１１１から成り、カソード１１２とアノード１１１は、この電解質の両側に置かれて、この電解質１１３に固定されている。

隣接したＭＥＡの各ペアの間に、一組のフローガイドが置かれている。各ペアのフローガイドは、二極式金属板１０３を形成するために、しっかりと配属されている。例えば、各々のフローガイドは、金属シート(通常ステンレス鋼でできている)から作られる。このように、二極式プレート１０３は、ＭＥＡ１１０のカソードに向けられた金属シート１０２ともう一つのＭＥＡ１１０のアノードに向けられた金属シート１０１(図１で例示されていない)から成る。金属シート１０１と１０２は、レリーフにおいて流路１０６(図１で例示されていない)を定めている表面を有する。金属シート１０１と１０２は、溶接点１０４でしっかりと付けられている。

当然知られている方法では、セル１の動作の間、空気はＭＥＡと金属シート１０２との間で流れ、そして、ジハイドロゲンはＭＥＡと金属との間を流れる。アノード１１１において、ジハイドロゲンは、ＭＥＡを通過するプロトンを産生するためにイオン化される。この反応によって生産される電子は、金属シート１０２によって集められる。それから、電流を作るために燃料電池スタック２に接続している電気的負荷に、産生された電子は、アプライされる。カソード１１２において、酸素は還元されて、水を形成するために、プロトンと反応する。アノード及びカソードの反応は、以下の通りに決定される。
アノードにおいて、

カソードにおいて、

当該動作の間、その優れた触媒性能のために、燃料電池スタックの１つのセルは、通常、アノードとカソードとの間で１Ｖオーダーの直流電圧を発生させる。アノード１１１及びカソード１１２において用いられる触媒材はプラチナであことが、その優れた触媒特性のため、好ましい。

図２は、燃料電池スタック２の金属シート１０２の一例を示す上面図である。金属シート１０２は、流路１０６を区切っている。流路１０６は、空気流入ダクト１２５と水流出ダクト１２６との間で延在している。金属シート１０２は、さらに、冷却液流ダクト１２４によって貫通されている。

図３は、金属シート１０２と接触して置かれて、流路１０６をカバーしているガス拡散浸透層２２の一例を示す底面図である。ガス拡散浸透層２２は、第１の部分２４と第２の部分２５とから成る。第１の部分２４は、流路１０６の一部を空気流入口１２５からカバーする。第２の部分は、流路１０６の一部を水流出口１２６からカバーする。ガス拡散浸透層２２の部分２４及び２５は、隣接している。ここで、部分２４及び２５は、２つの分けられた構成要素であり、インターフェース２６において過度に厚みを作ることを避けるために、重複することなく隣接していることが好ましい。

部分２４と２５とは、異なる組成を有している。このように、部分２４の組成の乾燥状況下における電流密度は、部分２５の組成の乾燥状況下における電流密度より大きい。したがって、ごく少しの水が流路１０６で発生した、乾燥状況下で、部分２４は、流路１０６の始まりである空気流入口の近くにおいて、より大きな電流密度を得ることができる。例えば、部分２４は、空気流入口から流路１０６の長さの１５％超過５０％未満の間で延在している。部分２５の組成の湿った状況下における電流密度は、部分２４の組成の湿った状況下における電流密度より大きい。例えば、部分２５は、水流出口から流路１０６の長さの５０％超過８５％未満の間で延在している。従って、流路１０６の中央部分（湿気レベルは中間である）は、部分２５の組成から、このような利益を得る。

均一なガス拡散浸透層２１についての事前のテストにより、当業者は、セル１のスタックに位置する局所的な電流を得るための取得カードを有する流路１０６の長さに亘って部分２４及び２５の分布をより正確に決定できる。そのようなカードは、特に、部分２５がどこまで延在しなければならないかについて決定するために、電流密度がより低い領域を決定することを可能にする。

テストは、特に、２０×２４のマトリックスを有する電流取得カードを用いて行われた。マトリックスの各々の要素は、０．４５ｃｍ^２の表面積を有する。

部分２４は、フロイデンベルクＦＣＣＴ社製の製品番号Ｈ_２４１５−Ｉ_２−Ｃ_３のガス拡散浸透層から形成されてもよい。部分２５は、ＳＧＬグループ社製の製品番号２４ＢＣのガス拡散浸透層から形成されてもよい。図６は、燃料電池スタックＲ及びＩのそれぞれの分極化カーブを比較するグラフである。燃料電池スタックＲは、ＳＧＬグループ社製の製品番号２４ＢＣの、単独の及び１つの部分としての層から成るガス拡散浸透層を含む。燃料電池スタックＩは、フロイデンベルクＨ_２４１５−Ｉ_２−Ｃ_３タイプの部分２４とＳＧＬグループ２４ＢＣタイプの部分２５とを有するガス拡散浸透層を含む。動作状況に関わりなく、平均電流密度の相当な増大、及び、当該密度の均質化が、示されている。

乾燥条件は、例えば、相対湿度２０％に対して決定される。湿った条件は、例えば、相対湿度１００％に対して決定される。

第一の部分２４と第二の部分２５との間で十分に位置決めを容易にするために、図３の一例で例示されるように、第一の部分２４及び第二の部分２５は、相補的で非直線形の縁部で隣接することが好ましい。

図４は、発明の内容において特に有利な点を与える補強材１３２の一例の底面図である。補強材１３２は、膜電極アセンブリ１１０に固定されている。補強材１３２は、第１の中央開口１３４と第２の中央開口１３５から成る。これらの中央開口１３４及び中央開口１３５は、片状部材１３３によって切り離されている。中央開口１３４及び中央開口１３５は、一部のカソード１１２をあらわにする。補強材１３２は、吸気ダクト１２５、水流出口ダクト１２６、及び、冷却液流ダクトによって貫通されている。

図５は、組み立てられた燃料電池スタック２の１つのセル１の断面図である。

補強材１３１は、膜電極アセンブリに固定されている。補強材１３１は、アノード１１１の周辺を覆う内部の端から成る。内部の端は、アノード１１１にしっかりと貼り付けられている。補強材１３１はアノード１１１の周辺を超えて広がって、膜１１３の上に重複部分を形成する。補強材１３１は、膜１１３にしっかりと貼り付けられている。何れの好適な手段によって、例えば、熱プレスによって、又は、補強材１３１の上にアノード１１を印刷することによって、アノード１１１への補強材１３１のしっかりとした貼り付け、及び、膜１１３への補強材１３１のしっかりとした貼り付けを達成することができる。補強材１３１は、中央開口から成る。この中央開口は、アノード１１１の中央部分をあらわにする。

ガス拡散浸透層２１は、アノード１１１と金属シート１０１の間で圧縮されている。ガス拡散浸透層２１は、このように補強材１３１の中央開口を横切って、アノード１１１と接触している。

補強材１３２は、膜電極アセンブリと補強材１３１とに固定されている。補強材１３２は、カソード１１２の周辺をおおう内部の端から成る。内部の端は、カソード１１２にしっかりと貼り付けられている。補強材１３２は、カソード１１２の周辺を超えて広がって、膜１１３の上に重複部分を形成する。補強材１３２は、膜１１３にしっかりと貼り付けられている。補強材１３１及び補強材１３２は、彼らの周辺にお互いに固定されている。

ガス拡散浸透層２２の部分２４は、カソード１１２と金属シート１０２との間で圧縮されている。部分２４は、このように補強材１３２の中央開口１３４を横切って、カソード１１２と接触している。ガス拡散浸透層２２の部分２５は、カソード１１２と金属シート１０２との間で圧縮されている。部分２５は、このように補強材１３２の中央開口１３５を横切って、カソード１１２と接触している。部分２４と部分２５との間のインターフェース２６は、開口１３４と開口１３５とを切り離している片状部材１３３の上に重なっている。潜在的にカソード１１２または膜１１３を損なっているか、突き通してさえいる部分２４及び部分２５の端に存在する凹凸の危険性は、このように避けられる。既に使用されている補強材１３２と共に、１つの部分として形成される片状部材１３３を用いて、セル１へのさらなる構成要素を避けることができる。

補強材１３１と金属シート１０１との間のシーリング又は補強材１３２と金属シート１０２との間のシーリングを保証するために、シール２３はガス拡散浸透層２１及びガス拡散浸透層２２のまわりに置かれるかもしれない。

ガス拡散浸透層２２は、カソード１１２と金属シート１０２との間で圧縮されている。この圧縮のもとで、ガス拡散浸透層２２の第一の部分２４及び第二の部分２５は、同じ（セル１のスタックの変形と異質性を制限して、スタックの周辺で可能性がある密封問題を防ぐために適切な）厚みを有する。第一の部分２４及び第二の部分２５は、圧縮がない場合、異なる厚みを有していてもよく、第一の部分２４及び第二の部分２５がセル１の圧縮を受けるとき同じ厚みを有するように、第一の部分２４及び第二の部分２５の弾性率の関数として大きさが設定されてもよい。

アセンブリ後の１ＭＰａの圧縮により、部分２４及び部分２５は、約１９０μｍ±４０μｍの厚みを有することが好ましい。

図７は、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタック２の１つのセル１を製造する方法の一例の一連のいくつかのステップを例示する。

補強材１３２は、ステップ３０１において提供される。補強材１３２は、平らであることが好ましい。例えば、補強材１３２は、形成される開口１３４と開口１３５と一致する輪郭を有するように前もってカットされる。また、当該輪郭が片状部材１３３によって切り離されている。

ステップ３０２において、電子触媒インクは液相にデポジットされ、乾燥されてカソード１１２が形成される。カソード１１２を硬化する手段はどんな適当な手段であってもよい。形成されるカソード１１２は、前もってカットされた輪郭を越えて伸びている。このように、補強材１３２の内部の端とカソード１１２の周辺との間に重ね合せが形成される。その中央開口と一致するように前もってカットされた輪郭がある補強材１３１に関して、アノード１１１は同様の方法で作られてもよい。

電子触媒材料は、実行される触媒反応にふさわしい触媒特性を有する。電子触媒材料は、金属原子を含んでいる粒子またはナノ粒子の形であってもよい。触媒材料は、特に、金属酸化物から成ってもよい。電子触媒材料は、金属(例えば、プラチナ、金、銀、コバルト又はルテニウム)であってもよい。

ステップ３０３において、一方、補強材１３２とカソード１１２とを膜１１３の一方の面にしっかりと貼り付けることによって、及び、他の補強材１３１とアノード１１１を膜１１３の他方の面にしっかりと貼り付けることによって、膜電極アセンブリは生産される。補強材と電極は、同じ熱圧縮のステップにおいて、膜１１３にこのようにしっかりと貼り付けられてもよい。

熱圧縮のステップの間、膜１１３への電極の粘着力を促進するために、膜１１３と電極は、同じポリマー材から成ることが好ましい。当該ポリマー材は、熱圧縮の温度以下のガラス転移温度を持つことが好ましい。このポリマー材を形成するのに用いられる重合性材料は、製品番号ＮａｆｉｏｎＤＥ２０２０の販売されているイオノマーであってもよい。

ステップ３０４において、補強材１３１及び補強材１３２の前もってカットされた輪郭の内側の部分は、取り出される。アノード１１１の中央部分及びカソード１１２の中央部分それぞれがあらわになるように、補強材１３１及び補強材１３２の中央開口は、このように形成される。補強材は、電子触媒インクのデポジットの支持部材からこのように形成された。

ステップ３０５において、形成された層のスタックの周辺を貫通するようにカットすることによってダクト１２４、１２５及び１２６を作ることができる。

ステップ３０６において、ガス拡散浸透層２１及びガス拡散浸透層２２が提供される。補強材１３１の開口を通って、ガス拡散浸透層２１は、アノード１１１のあらわになっている部分と接触して、このように位置する。ガス拡散浸透層２１の周辺は、補強材１３１の内部の端を覆う。開口１３４及び開口１３５を通って、ガス拡散浸透層２２の部分２４及び部分２５は、カソード１１２のあらわになっている部分と接触して位置する。ガス拡散浸透層２２の周辺は、補強材１３２の内部の端を覆う。

ステップ３０７において、次いで、図５において例示される燃料電池スタックセル１を得るために、ガス拡散浸透層２１とガス拡散浸透層２２とを備えている膜電極アセンブリは、２枚の金属フロー・ガイド・シート１０１、１０２の間で含まれてもよい。

Claims

プロトン交換膜に固定されたカソードを備える膜電極アセンブリ（１１１、１１２、１１３）と、
空気流入口（１２５）と水流出口（１２６）との間に流路（１０６）を区切る導体プレート（１０２）と、
カソード（１１２）と前記導体プレート（１０２）との間に挿入され圧縮されて、前記流路をカバーするガス拡散浸透層（２２）と、
を備え、
前記ガス拡散浸透層（２２）は、第１の部分（２４）及び第２の部分（２５）を備え、
前記第１の部分と前記第２の部分とは、
２つの分けられた構成要素であり、インターフェースにおいて隣り合っており、相補的で非直線形な隣り合う縁部を有し、
異なる組成を有し、
前記圧縮の元で同じ厚さを有し、
前記第１の部分の前記組成の乾燥条件下における電流密度は、前記第２の部分の前記組成の乾燥条件下における電流密度より大きく、
前記第２の部分の前記組成の湿った条件下における電流密度は、前記第１の部分の前記組成の湿った条件下における電流密度より大きく、
前記第１の部分は、前記空気流入口から前記流路の長さの１５％超過５０％未満の間で延在しており、前記第２の部分は、前記水流出口から前記流路の長さの５０％超過８５％未満の間で延在していることを特徴とする、燃料電池スタック（２）。
前記膜電極アセンブリに固定された補強材（１３２）を備え、
前記補強材（１３２）は、
前記ガス拡散浸透層の第１の部分（２４）によって横切られる第１の中央開口（１３４）と、
前記ガス拡散浸透層の第２の部分（２５）によって横切られる第２の中央開口（１３５）と、
前記第１の中央開口と前記第２の中央開口とを切り離し、前記ガス拡散浸透層（２２）の前記第１の部分と前記第２の部分との間でインターフェースの上に重ねられる片状部材（１３３）と、を備える、請求項１に記載の燃料電池スタック（２）。
前記片状部材（１３３）は、１ｍｍ超過２ｍｍ未満の幅を有する、請求項２に記載の燃料電池スタック（２）。
ガス拡散浸透層（２２）の異なる組成を有する第１の部分（２４）と第２の部分（２５）とを隣接させるステップと、
前記ガス拡散浸透層（２２）で導体プレート（１０２）の流路（１０６）を覆うステップと、
膜電極アセンブリのカソードに対する前記第１の部分及び前記第２の部分のその後の処理の前に、補強材（１３２）を前記膜電極アセンブリに固定するステップと、
インターフェース（２６）を片状部材（１３３）の上に重ねるステップと、
前記第１の部分（２４）、前記第２の部分（２５）を、それぞれ、第１の中央開口（１３４）、第２の中央開口（１３５）を横切るように、前記カソード（１１２）に対して処理するステップと、
前記第１の部分と前記第２の部分とが同じ厚さを有するように、前記ガス拡散浸透層の前記第１の部分（２４）及び前記第２の部分（２５）を前記導体プレート（１０２）と前記カソード（１１２）との間で圧縮するステップと、
を備え、
前記第１の部分と前記第２の部分とは、２つの分けられた構成要素であり、インターフェースにおいて隣り合っており、相補的で非直線形な隣り合う縁部を有し、前記第１の部分の前記組成の乾燥条件下における電流密度は、前記第２の部分の前記組成の乾燥条件下における電流密度より大きく、前記第２の部分の前記組成の湿った条件下における電流密度は、前記第１の部分の前記組成の湿った条件下における電流密度より大きく、
前記流路は、空気流入口（１２５）と水流出口（１２６）との間に延在しており、前記第１の部分は、前記空気流入口から前記流路の長さの１５％超過５０％未満の間で延在しており、前記第２の部分は、前記水流出口から前記流路の長さの５０％超過８５％未満の間で延在しており、
前記補強材（１３２）は、前記第１の中央開口（１３４）、前記第２の中央開口（１３５）、及び、前記第１の中央開口と前記第２の中央開口とを切り離す前記片状部材（１３３）を備える燃料電池スタック（２）を製造するプロセス。