JP5248765B2 - 燃料電池の膜電極アセンブリの電力出力を改良する方法 - Google Patents
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Description
[18] イオン伝導性膜が、電極のイオン伝導性ポリマーと実質的に同一である、イオン伝導性ポリマーを含む[1]に記載の組合わせ。
[20] 膜が約3ミクロン〜約75ミクロンの厚さを有する[1]に記載の組合わせ。
[23] 膜が約30ミクロンより小さい厚さを有する[1]に記載の組合わせ。
[24] 膜がフルオロイオノマーで含浸された多孔質ポリマーを含む[22]に記載の組合わせ。
ここで膜が約30ミクロンより小さい厚さを有しかつフルオロイオノマーで含浸された多孔質ポリマーを含み、そして
[32] 少なくとも1種の第1の触媒的に活性な金属と、少なくとも1種のイオン伝導性ポリマーとを含む少なくとも1つの導電性電極;および
[37] 電極または膜以外の支持体上に第2の触媒的に活性な金属を真空蒸着させ、次いで真空蒸着された第2の触媒的に活性な金属を支持体から膜に移すことによって、真空蒸着ゾーンが真空蒸着されている[32]に記載の組合わせ。
[55] ロッド形構造が約20nm〜約100nmのロッド幅を有する[54]に記載の組合わせ。
ここで膜が約10,000秒より大きいガーレイ数を有し、
ここで真空蒸着ゾーンが電子ビームの物理的真空蒸着により蒸着されており、
ここでゾーンが約3オングストローム〜約475オングストロームのゾーン厚さを有し、
[76] 電極が約0.02mg/cm2〜約0.5mg/cm2の第1の触媒的に活性な金属の添加量を有する[66]に記載の物品。
[78] 膜が約3ミクロン〜約50ミクロンの厚さを有し、電極が約3ミクロン〜約30ミクロンの電極厚さを有し、そして第2の触媒的に活性な金属のゾーンが電子ビームの物理的真空蒸着により蒸着されている[76]に記載の物品。
[82] ゾーン厚さが約3オングストローム〜約475オングストロームである[79]に記載の組合わせ。
[90] 第1の触媒的に活性な金属の添加量が約0.02mg/cm2〜約0.5mg/cm2である[79]に記載の組合わせ。
[93] ゾーンが、化学的真空蒸着、物理的真空蒸着、熱的蒸着、カソードアーク蒸着、イオンスパッタリング、イオンビーム促進蒸着、または噴射真空蒸着により蒸着されている[79]に記載の組合わせ
第1および第2の電極の間に挟まれかつそれらと接触して、それぞれ、第1および第2の膜−電極界面領域を形成する、少なくとも1つのイオン伝導性膜;の組合わせを含み、
[103] R比が20より大きい[95]に記載の膜電極アセンブリ。
[104] 膜が約30ミクロンより小さい厚さを有する[95]に記載の膜電極アセンブリ。
[105] 第2の触媒的に活性な金属が実質的に球形の小塊の構造を包含する形態を有する[95]に記載の膜電極アセンブリ。
第1および第2の電極の間に挟まれかつそれらと接触して、それぞれ、第1および第2の膜−電極界面領域を形成する少なくとも1つのイオン伝導性膜;の組合わせを含み、
[134] 工程:
(i)少なくとも1種のイオン伝導性ポリマーと、電極を通じて分散した少なくとも1種の第1の触媒的に活性な金属とを含む、少なくとも1つの反応物拡散性導電性電極、および(ii)少なくとも1つのイオン伝導性膜、を含むアセンブリ要素を準備し、
少なくとも1つのアセンブリ要素上に、約3オングストローム〜約475オングストロームのゾーン厚さを有する、少なくとも1種の第2の触媒的に活性な金属のゾーンを蒸着させ、ここでゾーン蒸着は(i)アセンブリ要素上への直接的蒸着、または(ii)アセンブリ要素上への間接的蒸着であり、ここで蒸着されたゾーンをまず基材上に蒸着させ、次いで基材からアセンブリ要素上に移送させ、そして
必要に応じてアセンブリ要素から膜電極アセンブリを組み立てる、の組合わせを含む、燃料電池の膜電極アセンブリの電力出力を改良する方法。
[127] [32]に記載の電極−膜組合わせを含む膜電極アセンブリ。
[128] [57]に記載の電極−膜組合わせを含む膜電極アセンブリ。
[129] [66]に記載の物品を含む膜電極アセンブリ。
[130] 複数の電子的に接続された[95]に記載の膜電極アセンブリを含む燃料電池スタック。
[133] [131]に記載の燃料電池スタックを含む輸送車両。
(i)少なくとも1種のイオン伝導性ポリマーと、電極を通じて分散した少なくとも1種の第1の触媒的に活性な金属とを含む、少なくとも1つの反応物拡散性導電性電極、および(ii)少なくとも1つのイオン伝導性膜、を含むアセンブリ要素を準備し、
少なくとも1つのアセンブリ要素上に、約3オングストローム〜約475オングストロームのゾーン厚さを有する、少なくとも1種の第2の触媒的に活性な金属のゾーンを蒸着させ、ここでゾーン蒸着は(i)アセンブリ要素上への直接的蒸着、または(ii)アセンブリ要素上への間接的蒸着であり、ここで蒸着されたゾーンをまず支持体上に蒸着させ、次いで支持体からアセンブリ要素上に移送させ、そして
必要に応じてアセンブリ要素から膜電極アセンブリを組み立てる、の組合わせを含む、燃料電池の膜電極アセンブリの電力出力を改良する方法。
[136] アセンブリ要素が電極である[134]に記載の方法。
[137] 基材がペルフルオロポリマーである[134]に記載の方法。
[138] ゾーン厚さが約5オングストローム〜約250オングストロームである[134]に記載の方法。
[140] 膜が約3ミクロン〜約75ミクロンの厚さを有する[134]に記載の方法。
[141] 膜が少なくとも1つの多孔質ポリマーの支持体を含み、10,000秒より大きい膜ガーレイ数を与えるように、前記多孔質ポリマーの支持体はイオン伝導性ポリマーで含浸されている[134]に記載の方法。
[141] 膜が少なくとも1つの多孔質ポリマーの支持体を含み、10,000秒より大きい膜ガーレイ数を与えるように、前記多孔質ポリマーの支持体はイオン伝導性ポリマーで含浸されている[134]に記載の方法。
[143] 膜が約30ミクロンより小さい厚さを有する[141]に記載の方法。
[144] ゾーンが実質的に球形の小塊の形態を有する金属を含む[135]に記載の方法。
[145] 小塊が約25nm〜約100nmの幅直径を有する[144]に記載の方法。
[146] 蒸着が、化学的真空蒸着、物理的真空蒸着、熱的蒸着、カソードアーク蒸着、イオンスパッタリング、イオンビーム促進蒸着、または噴射真空蒸着である[134]に記載の方法。
[148] 蒸着が電子ビームの物理的真空蒸着である[134]に記載の方法。
例1は間接的方法を例示し、重量比第2の触媒的に活性な金属のゾーンをまず基材上に蒸着させた後、基材から膜または電極に転移させる。
この例において、電極上へのゾーンの直接的蒸着を2つのゾーン厚さについて実施した。その上に蒸着されたz勾配を有する触媒化電極は、蒸着前に、0.1mgのPt/cm2の添加量を有した。1つの試料について、蒸着速度は0.2〜0.3オングストローム/秒であって50オングストロームのゾーン(0.01mgのPt/cm2)を達成した。第2電極を0.1オングストローム/秒でコーティングして、5オングストロームのゾーン(0.001mgのPt/cm2)を達成した。0.05mg/cm2の白金を含有する電極(アノード)を両方の試料のために使用した。
この例は、EB−PVDに比較したDCマグネトロンスパッタリングを例示する。スカイブドPTFEバッキング上の電極(0.4mgのPt/cm2)をD.C.マグネトロンスパッタリングによりコーティングした。0.127mmの厚さの99.9%の純度の白金箔はターゲットとして働き、そして真空キャンバーの基底圧力を8×10−4トルに維持した。さらに詳しくは、10−4トルより低い真空を確立し、次いで高い純度のアルゴンを放出して、圧力が8×10−4トルに上昇するようにした。白金蒸着速度は約1オングストローム/秒であり、0.01mg/cm2(50オングストローム)の白金添加量を連続的に達成した。このスパッタリングした電極をカソードとして使用した。非スパッタード電極(0.4mgのPt/cm2)はアノードとして働いた。
EB−PVDおよびDCマグネトロンスパッタリングを使用する、膜を白金でコーティングした。異なる試料の添加量は0.001、0.01、0.05、および0.1mgのPt/cm2であった。膜の1つの側をコーティングした。MEAをコーティングされた膜から製造した。
第2の触媒的に活性な金属のゾーン(50オングストローム)を間接的転移法により膜上へ蒸着させた。pt/スカイブドPTFEを膜に対してホットプレスして、pt蒸発層を膜に転写法により結合した。スカイブドPTFE層を剥がし、こうして膜に結合した50オングストロームのpt層のゾーンを残した。次いで触媒化電極(0.3mgのPt/cm2)をホットプレスにより取付けて、第1MEAを形成した。
ゾーンが存在しない電極の1つの比較試料(図15)および電極上に蒸着された異なるゾーン厚さを有する3つの試料(図16〜図18)について、FE−SEM分析を実施した。図15〜図18について、倍率は20kXでありそして電子ビームエネルギーは2keVであった。分析は比較的均一なゾーンの蒸着を示し、図15〜図18は代表的なものであった。一般に、微小構造は球形の小塊およびホイスカーの形態の組合わせにより表され、後者は約0.1mg/cm2(500オングストローム)の添加量において証明された(図18)。
これらの例からのデータを以下に要約する:
Claims (14)
- 少なくとも1種のイオン伝導性ポリマーと、分散した少なくとも1種の第1の触媒的に活性な金属とを含む、少なくとも1つの反応物拡散性導電性電極(1又は3)、および、1つの多孔質ポリマーを含み、10,000秒より大きい膜ガーレイ数を与えるように、前記多孔質ポリマーがイオン伝導性ポリマーで含浸されている、少なくとも1つのイオン伝導性膜(2)からなるアセンブリ要素を準備する工程、
いずれか1つのアセンブリ要素上に、3オングストローム〜250オングストロームのゾーン厚さを有する、少なくとも1種の第2の触媒的に活性な金属のゾーン(6)を、(i)直接的蒸着、または(ii)基材上に蒸着させ、次いで基材からアセンブリ要素上に転移させる間接的蒸着により、蒸着させる工程、
そして、ゾーンを導電性電極とイオン伝導性膜との間の界面として、アセンブリ要素から膜電極アセンブリを組み立てる工程を含む、燃料電池の膜電極アセンブリの電力出力を改良する方法。 - ゾーンを蒸着させるアセンブリ要素がイオン伝導性膜である、請求項1に記載の方法。
- ゾーンを蒸着させるアセンブリ要素が電極である、請求項1に記載の方法。
- 基材がペルフルオロポリマーである、請求項1に記載の方法。
- ゾーン厚さが5オングストローム〜250オングストロームである、請求項1に記載の方法。
- ゾーン厚さが5オングストローム〜50オングストロームである、請求項1に記載の方法。
- 膜が3ミクロン〜75ミクロンの厚さを有する、請求項1に記載の方法。
- 膜が50ミクロンより小さい厚さを有する、請求項7に記載の方法。
- 膜が30ミクロンより小さい厚さを有する、請求項7に記載の方法。
- ゾーンが球形の小塊の形態を有する金属を含む、請求項2に記載の方法。
- 小塊が25nm〜100nmの幅直径を有する、請求項10に記載の方法。
- 蒸着が、化学的真空蒸着、物理的真空蒸着、熱的蒸着、カソードアーク蒸着、イオンスパッタリング、イオンビーム促進蒸着、または噴射真空蒸着である、請求項1に記載の方法。
- 蒸着が物理的真空蒸着またはスパッタリングである、請求項1に記載の方法。
- 蒸着が電子ビームの物理的真空蒸着である、請求項1に記載の方法。
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