燃料電池アセンブリに使用するための膜のマイクロ波アニール
フィルムを製造する方法が、イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質のコーティングを提供する工程と、マイクロ波放射線を用いてコーティングをアニールしてフィルムを形成する工程とを含む。燃料電池の膜電極アセンブリに使用するためのイオン含有膜を製造する方法が、イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質の溶液をコートして膜電極アセンブリのキャスト膜を形成する工程と、マイクロ波放射線を用いてキャスト膜をアニールする工程とを含む。キャスト膜は、例えば、ＰＥＭを含んでもよく、それは燃料電池アセンブリに組み込まれてもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質の溶液または懸濁液のコーティングをマイクロ波アニールすることに関し、さらに、イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質の溶液または懸濁液のコーティングをマイクロ波アニールして膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の膜を形成することに関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的な燃料電池システムは、１つまたは複数の燃料電池が電力を発生する出力部を備える。燃料電池は、水素および酸素を水に変換し、そのプロセスにおいて電気および熱を生じるエネルギー変換装置である。各燃料電池ユニットは中心にプロトン交換膜（ＰＥＭ）を備えてもよく、ガス拡散層がＰＥＭの両側にある。アノードおよびカソード触媒層がそれぞれ、ガス拡散層の内側に配置される。このユニットは膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と称される。セパレータプレートまたはフローフィールドプレートがそれぞれ、膜電極アセンブリのガス拡散層の外側に配置される。このタイプの燃料電池はしばしば、ＰＥＭ燃料電池と称される。
【０００３】
燃料電池内の単一ＭＥＡにおいての反応は典型的に、１ボルト未満を生じる。複数のＭＥＡを積層し、直列に電気接続して所望の電圧を達成してもよい。電流を燃料電池積層体から集め、負荷を駆動するために用いる。燃料電池は、自動車からラップトップコンピュータまで、様々な用途のために電力を提供するために用いられてもよい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、マイクロ波アニールを実施されたイオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質を含むコーティング、フィルム、および膜を製造するための方法および装置に関する。また、本発明は、マイクロ波アニールを実施されたイオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質を含むコーティング、フィルム、および膜を用いて製造された物品に関する。
【０００５】
本明細書において「マイクロ波アニール」は、材料のコーティングをマイクロ波放射線に曝すプロセスとして定義される。このプロセスの間、分散体中ではっきり識別することができると共にキャストまたはコートされた膜中ではっきり識別することができる状態のままであり、かつ融合して低減されたまたは好ましくは消失された境界を有する連続した固相を形成する、コーティングまたはポリマー粒子の液体成分の蒸発などの物理的変化が材料中に起こる場合がある。コーティングのポリマー成分中の結晶相のサイズおよび数の変化またはコーティングのイオン含有ポリマー成分のイオン性基の集合体の再配置などの他の変化が起こる場合がある。
【０００６】
本明細書において「熱アニール」は、材料のコーティングを（例えば、炉内で）熱に曝すプロセスとして定義される。マイクロ波アニールまたは熱アニールのどちらも典型的にコーティングの物理的性質を改良する。
【０００７】
本明細書において「コーティング」は、ポリマー成分を含む基材上の乾燥または液体含有層として定義される。用語「コーティング」は、用語「キャスチング」と同義である。
【０００８】
本発明の実施態様によると、フィルムの製造方法は、イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質のコーティングを提供する工程と、前記コーティングをマイクロ波アニールしてフィルムを形成する工程とを含む。前記コーティングをマイクロ波アニールする工程は、前記コーティングがフィルム形成温度に達するかまたはそれを超えるために十分な時間の間、前記コーティングをマイクロ波放射線に曝す工程を含む場合がある。また、前記コーティングをマイクロ波アニールする工程は、前記コーティングの溶剤を優先的に励起するかまたはコーティング中の水を優先的に励起するマイクロ波放射線に前記コーティングを曝す工程を含む場合がある。前記コーティングをマイクロ波アニールする工程は、前記コーティングのポリマー官能基を優先的に励起するマイクロ波放射線に前記コーティングを曝す工程を含む場合がある。
【０００９】
本発明の方法は、コーティングをライナー上に提供する工程と、前記ライナー上にある間に前記コーティングをマイクロ波アニールしてフィルムを前記ライナー上に形成する工程とを含む場合がある。前記イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質は、例えば、芳香族ポリマー、フルオロポリマー、スルホネート官能基を有するフルオロポリマー、またはフルオロポリマーラテックスから誘導されたフルオロポリマーを含んでもよい。
【００１０】
別の実施態様によると、燃料電池の膜電極アセンブリに使用するためのイオン含有膜を製造する方法は、イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質の溶液をコートして前記膜電極アセンブリの膜を形成する工程と、前記膜をマイクロ波アニールする工程とを含む。膜は、例えば、ＰＥＭを含んでもよく、それは燃料電池アセンブリに組み込まれてもよい。
【００１１】
さらに別の実施態様によると、燃料電池のＭＥＡの製造に使用するためのサブアセンブリは、イオン含有ポリマーを含む膜と、前記膜と接触しているライナーとを備えてもよい。ライナーは、膜に対応するフィルム形成温度にほぼ等しいかそれより低い上限使用温度を有してもよい。膜はＰＥＭを含んでもよい。ライナーは、例えば、ポリオレフィンを含んでもよい。さらに別の例として、ライナーは、ポリエステル、ポリエチレンナフタレート、ポリイミド、またはフルオロポリマーから形成されてもよい。ライナーの上限使用温度は典型的に約８０℃〜約３００℃の範囲である。
【００１２】
本発明の上記の概要は、本発明の各々の実施態様または全ての実施について記載することを意図しない。本発明をより完全に理解することによって、利点および達成は明らかになり、添付した図面と併せて以下の詳細な説明および特許請求の範囲を参照することによって理解される。
【００１３】
本発明は様々な改良および別の形態をとることが可能であるが、その詳細は図面において例示され、詳細に記載される。しかしながら、本発明を記載された特定の実施態様に限定するものではないことを理解されたい。反対に、添付された特許請求の範囲によって定義された本発明の範囲内にある全ての改良、等価物、および代替物を包含することが意図される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
具体的な実施態様の以下の説明において、その一部を成す、本発明を実施することができる様々な実施態様が実例として示される添付した図面が参照される。実施態様を利用してもよく、本発明の範囲から逸脱せずに構造の変更を行なってもよいことを理解されたい。
【００１５】
本発明の態様は一般に、燃料電池アセンブリのための膜に関連して説明される。本発明による製造方法は燃料電池アセンブリのための膜製造の場合に特に有利であるが、本発明の原理は、イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質のコーティング、フィルム、またはキャストが所望の性質を達成するためにマイクロ波アニールから利点を得ることができる多種多様な用途において実施されてもよいことは理解されよう。したがって、以下に説明された特定の実例となる実施態様は説明を意図するものであり、限定を意図するものではない。
【００１６】
ポリマー電解質またはポリマー電解質前駆物質は最初に、懸濁液または溶液から適した形状に、好ましくは薄い層にキャスト、コートあるいは他の方法で形成される。バーコーティング、吹付けコーティング、スリットコーティング、ブラシコーティング、溶剤キャスチングまたは他の形成物、溶剤をライナーまたはキャリア上に押し出すことにより得られる形成物、噴霧あるいは他の方法で溶剤をライナーまたはキャリア上に堆積することにより得られる形成物などがあるがそれらに限定されないコーティングまたはキャスチングのいかなる適した方法を用いてもよい。
【００１７】
膜電極アセンブリに使用するために製造された膜は、例えば、比較的高い温度において熱アニールを実施されてもよいことは公知である。膜製造のこのような方法の例は、本願と同一の所有者によって所有された米国特許第６，６４９，２９５号明細書に記載されている。熱アニール方法は優れた機械的性質を有する膜を製造するが、膜の熱アニールは複雑な方法であり、他の理由のなかでも、使用される高温のために規模を拡大するのが難しいことが確認されている。
【００１８】
本発明の原理によるコートされた膜のマイクロ波アニールは、通常の熱アニール方法を用いて製造された膜と少なくとも同等である、優れた耐破壊性などの優れた機械的性質を有する膜を良好に製造することが示されている。本発明の原理によるコートされた膜のマイクロ波アニールは、例えば、熱アニールに比べたときに複雑さの低減された膜製造方法を提供する。さらに、本発明によるコートされた膜のマイクロ波アニールは、このような膜の大量生産を容易にすることができる。さらに、（特定の温度において大きな容積を加熱しなければならない）比較的非効率的な通常の熱アニール炉を高効率的マイクロ波放射線源と取り換えることによってかなりの省エネルギーが達成可能である。本発明の他の実施態様は、コーティングのマイクロ波および熱アニールならびに乾燥の組合せをさらに含んでもよい。
【００１９】
図１に戻ると、本発明の実施態様によってフィルムの製造方法を説明する一般化された工程系統図が示される。図１に示された方法によるフィルムの製造方法は、イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質のコーティングを提供する１０工程を含む。コーティングは、マイクロ波放射線を用いてアニールを実施される１２。イオン含有ポリマー前駆物質は、イオン性基に変換されうる基を含むポリマーを指すことが意図される。用語コーティングは、バーコーティング、吹付けコーティング、スリットコーティング、ブラシコーティング、溶剤キャスチングまたは他の形成物、溶剤をライナーまたはキャリア上に押し出すことにより得られる形成物、噴霧あるいは他の方法で溶剤をライナーまたはキャリア上に堆積することにより得られる形成物などを指すことが意図される。
【００２０】
図１によるフィルムの製造方法は、イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質を熱アニールする工程をさらに含んでもよい。また、図１によるフィルムの製造方法は、コーティングを乾燥させる工程をさらに有してもよい。
【００２１】
図２は、本発明の実施態様によってフィルムの製造方法を説明する一般化された工程系統図である。図２に説明された方法によって、ライナーが提供され２０、イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質のコーティングがライナー上に提供される２２。コーティングにマイクロ波アニールを実施して２４ライナー上にフィルムを形成する。ライナー上のコーティングのマイクロ波アニールを使用するフィルム製造方法は、連続フィルム製造プロセスまたは、代わりに、バッチ製造プロセスの一部として実施可能である。
【００２２】
本発明によってコーティング、フィルム、および膜を製造するためにマイクロ波アニールを実施してもよい適したイオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質には、芳香族ポリマー、フルオロポリマー、スルホネート官能基を有するフルオロポリマー、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標）（デラウェア州、ウィルミントンのデュポン・ケミカルズ（ＤｕＰｏｎｔ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，Ｄｅｌ．））、およびフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標）（日本、東京の旭硝子株式社）などがある。これらには、次式の側基：ＹＯＳＯ2−ＣＦ2−ＣＦ2−Ｏ−ＣＦ（ＣＦ3）ＣＦ2−Ｏ−［ポリマー主鎖］（Ｙはカチオンである）、次式の側基：ＹＯＳＯ2−ＣＦ2−ＣＦ2−ＣＦ2−ＣＦ2−Ｏ−［ポリマー主鎖］（Ｙはカチオンである）、または次式の側基：ＹＯＳＯ2−（ＣＦ2）n−Ｏ−［ポリマー主鎖］（各ｎが独立に２〜５である）を含んでもよいイオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質がある。適したイオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質はフルオロポリマーラテックスから誘導されたフルオロポリマーを含んでもよい。
【００２３】
適したイオン含有ポリマー前駆物質は、スルホニルフルオリドまたはクロリド基を含んでもよい。スルホニルフルオリド基を含むこのようなイオン含有ポリマー前駆物質の特定の例は、ＦＳＯ2−ＣＦ2−ＣＦ2−ＣＦ2−ＣＦ2−Ｏ−［ポリマー主鎖］である。適したイオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質は、約１２００より小さい当量および約８０℃〜約１５５℃のガラス転移温度（Ｔｇ）を有するポリマーまたはポリマーのブレンドを含んでもよい。適したイオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質は、約７００〜約１２００の当量を有してもよい。
【００２４】
適したイオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質の詳細およびさらなる説明は、本願と同一の所有者によって所有された米国特許第６，６４９，２９５号明細書および米国特許第６，６２４，３２８号明細書、米国特許出願公開第２００４０１２１２１０号明細書、２００３年１０月３０日に出願された米国特許出願第１０／６９７，７６８号明細書、および２００３年１０月３０日に出願された米国特許出願第１０／６９７，８３１号明細書に開示されている。
【００２５】
本発明によるコートされた膜をマイクロ波アニールする著しい利点は、熱アニール方法に必要とされるもっと高価なライナーとは対照的に、比較的高価でないライナーの使用を含む。通常の熱アニール方法において用いられるライナーまたはキャリアは、比較的高価な高温材料から製造されなければならず、例えば、２００℃までの炉温度に耐えなければならない。
【００２６】
本発明のマイクロ波アニールと共に用いられたライナーまたはキャリアは、対照的に、ずっと低い上限使用温度を有するそれほど高価でない材料から形成することができる。例えば、ライナーは、膜に対応するフィルム形成温度にほぼ等しいかそれより低い上限使用温度を有してもよい。このようなライナーを熱アニール方法において使用することはできない。このようなフィルム形成温度（またはガラス転移温度）は約８０℃程度であってもよく、典型的に約８０℃〜２００℃の範囲である。特定のプロセスにおいて、フィルム形成温度は約３００℃の上限の範囲を有することができることが指摘される。適したライナーまたはキャリアには、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリエチレンナフタレート、ポリイミド、およびフルオロポリマーなどがあるがそれらに限定されないポリマー材料から製造されたライナーまたはキャリアがある。
【００２７】
図３に戻ると、本発明の実施態様によって燃料電池の膜電極アセンブリに使用するためのイオン含有膜を製造するための装置が示される。図３の簡略図は、膜電極アセンブリに使用するための膜を大量生産することができる連続膜製造プロセスを示す。装置５０は、駆動装置５８によって駆動される連続ロール製品ライナー５２を備える。また、装置５０は、バーコーター、吹付けコーター、スリットコーター、ブラシコーター、または他の溶液キャスチングデバイス５６を備える。溶液または懸濁液をライナー５２上に分配する前に剥離剤をライナー５２に適用してもよい。溶液または懸濁液は、前に記載されたタイプのイオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質を含む。膜５４は、マイクロ波放射線源５５下でライナー５２のコントローラー移動によって輸送される。膜５４は、マイクロ波放射線源５５下で輸送され、マイクロ波アニールを実施される。マイクロ波放射線源は膜に対して他の方向付け（例えば、膜の下）でありうることは理解されるはずである。マイクロ波アニールされた膜５４は、さらに別の取扱または加工のために次の位置（図示せず）に輸送される。
【００２８】
膜５４の効率的および有効なマイクロ波アニールを容易にする様々な方法においてマイクロ波放射線源５５を調整してもよい。例えば、マイクロ波放射線源５５を調整して、イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質を含む溶液または懸濁液の液体成分を優先的に励起してもよい。さらに別の例として、マイクロ波放射線源５５を調整して、溶液または懸濁液中の水を優先的に励起してもよい。別の例において、マイクロ波放射線源５５を調整して、溶液または懸濁液のポリマーの官能基を優先的に励起してもよい。さらに別の例において、マイクロ波放射線源５５を調整して、キャスト膜５４が上で輸送されるライナーまたはキャリアの或る特徴を励起してもよい。
【００２９】
上に簡潔に示されたように、本発明の原理によるキャスト膜のマイクロ波アニールは、以下の実施例および図４に示されるように、通常の熱アニール方法を用いて製造された膜と少なくとも同等である、優れた耐破壊性などの優れた機械的性質を有する膜を良好に製造することが示されている。
【実施例】
【００３０】
９８０の当量を有する、テトラフルオロエチレンおよびＦＳＯ2−（ＣＦ2）4−Ｏ−ＣＦ＝ＣＦ2モノマー（ＭＶ−４Ｓ）から製造されたペルフルオロイオノマーコポリマーを用いて膜試料を作製した。ＭＶ−４Ｓモノマーの調製は、本願と同一の所有者によって所有されたおよび前に援用された米国特許第６，６２４，３２８号明細書に記載されている。ポリマーの調製は、本願と同一の所有者によって所有された米国特許出願公開第２００４０１２１２１０号明細書に記載されている。膜試料の調製は、本願と同一の所有者によって所有された米国特許出願公開第２００４０１２１２１０号明細書に記載されているように、コーター装置上でコーティングし、１６０℃において熱アニールすることを必要とした。
【００３１】
（ＡＧＬデータポイントとして図４に示された）一組の膜試料を２００℃の油加熱されたラミネーター上でライナーから熱アニールした。同じ膜の多数のパスは異なったアニール時間を生じた。別の組の膜試料を様々な時間、アマナ（Ａｍａｎａ）モデル♯ＲＦＳ９Ｂマイクロ波炉（アイオワ州、ニュートンのメイタグ・コーポレーションのアマナ事業部（Ａｍａｎａ，ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｏｆ Ｍａｙｔａｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｎｅｗｔｏｎ，Ｉｏｗａ））内でライナーからマイクロ波アニールした。
【００３２】
耐破壊性の値は、５ポンドのロードセルおよび１０ミクロンの先端を用いて測定された。データを図４にプロットし、それは、ラミネーターで熱アニールされた膜（図４のＡＬＧデータ）とマイクロ波アニールされた膜（図４のマイクロ波データ）とについて時間の関数として耐破壊性を示す。図４のデータは、ラミネーター（すなわち、「ホットカン」）で熱アニールを実施された膜に比較してマイクロ波アニールを実施された膜の同様なまたは優れた耐破壊性を示す。
【００３３】
本発明によってマイクロ波アニールを用いて製造された膜を様々なタイプ、構成、および技術の燃料電池アセンブリおよび積層体に組み込んでもよい。典型的な燃料電池が図５に示される。燃料電池は、水素燃料と空気からの酸素とを組み合わせて電気、熱、および水を生じる電気化学デバイスである。燃料電池は燃焼を利用せず、それ故に、燃料電池は危険な流出物をもしあるとしてもほとんど生じない。燃料電池は水素燃料および酸素を直接に電気に変換し、例えば内燃機関よりもずっと高い効率において作動されうる。
【００３４】
図５に示された燃料電池１１０は、アノード１１４に隣接した第１の拡散体／集電体（ＤＣＣ）１１２を備える。電解質膜１１６はアノード１１４に隣接している。カソード１１８は電解質膜１１６に隣接して配置され、第２の拡散体／集電体１１９はカソード１１８に隣接して配置される。作動時に、水素燃料が燃料電池１１０のアノード部分に導入され、第１の拡散体／集電体１１２を通過し、アノード１１４の上を通る。アノード１１４において、水素燃料は水素イオン（Ｈ+）と電子（ｅ-）とに分離される。
【００３５】
電解質膜１１６は、水素イオンまたはプロトンだけを電解質膜１１６を通過させ、燃料電池１１０のカソード部分に到達させる。電子は、電解質膜１６を通過することができず、代わりに、電流の形で外部電気回路を通って流れる。この電流は電気モーターなどの電気負荷１１７に電力供給することができ、または再充電可能なバッテリーなどのエネルギー蓄積デバイスに誘導されてもよい。
【００３６】
ＰＥＭ燃料電池において用いられたＰＥＭは典型的に、水素イオンがそれを通過することを可能にするが気体反応体を分離する薄い固体ポリマー電解質シートである。膜は典型的に、活性触媒である高分散された金属または金属合金粒子（例えば、白金または白金／ルテニウム）を両面にコートされる。ＰＥＭの膜は好ましくは、本発明の原理によってマイクロ波アニールを使用して製造されたイオン含有ポリマーから形成される。ＭＥＡは、水素燃料電池などのＰＥＭ燃料電池の中心要素である。上に記載したように、典型的なＭＥＡは、固体電解質として作用する、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）（イオン導電性膜（ＩＣＭ）としても公知である）を含む。
【００３７】
酸素は、第２の拡散体／集電体１１９経由で燃料電池１１０のカソード側に流入する。酸素がカソード１１８の上を通るとき、酸素、プロトン、および電子が組み合わさって水および熱を生じる。
【００３８】
また、ＤＣＣはガス拡散層（ＧＤＬ）と呼ばれてもよい。アノードおよびカソード電極層は、それらが完成ＭＥＡにおいてＰＥＭとＤＣＣとの間に配置される限り、製造する間にＰＥＭにまたはＤＣＣに適用されてもよい。有用なＰＥＭ厚さは約２００μｍ〜約１５μｍの範囲である。ＰＥＭは好ましくは、上に記載されたタイプのイオン含有ポリマー膜を組み込む。
【００３９】
いかなる適したＤＣＣを本発明の実施において用いてもよい。典型的に、ＤＣＣは、炭素繊維を含むシート材料からなる。ＤＣＣは典型的に、織および不織炭素繊維構造物から選択された炭素繊維構造物である。本発明の実施において有用である場合がある炭素繊維構造物には、東レ（Ｔｏｒａｙ）カーボン紙、スペクトラカーブ（ＳｐｅｃｔｒａＣａｒｂ）カーボン紙、ＡＦＮ不織炭素布、ゾルテック（Ｚｏｌｔｅｋ）炭素布等が挙げられる。炭素粒子コーティング、親水化処理、および疎水化処理、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）によるコーティングなど、様々な材料でＤＣＣをコートまたは含浸してもよい。
【００４０】
白金黒または微粉、（米国特許出願公開第２００４０１０７８６９号明細書に記載されているような）炭素担持触媒粒子を含有するインク、または（米国特許第６４８２７６３号明細書および米国特許第５８７９８２７号明細書に記載されているような）ナノ構造化薄フィルム触媒など、いかなる適した触媒を本発明の実施において用いてもよい。ハンドブラッシング、ノッチバーコーティング、流体支持ダイコーティング、ワイヤー捲回ロッドコーティング、流体支持コーティング、スロット供給ナイフコーティング、三本ロールコーティング、またはデカルコマニア転写など、手および機械による方法の両方を含めて、いかなる適した手段によって触媒をＰＥＭまたはＤＣＣに適用してもよい。コーティングは１回の適用においてまたは多数の適用において達成されてもよい。
【００４１】
図５に示されるような個々の燃料電池をユニット化された燃料電池アセンブリとしてパッケージ化することができる。本明細書においてユニット化された電池アセンブリ（ＵＣＡ）と称されるユニット化された燃料電池アセンブリを多数の他のＵＣＡと組み合わせて燃料電池積層体を形成することができる。ＵＣＡは、積層体の全電圧を決定する積層体内のＵＣＡの数と直列に電気接続されてもよく、電池の各々の活性表面積が全電流を決定する。所与の燃料電池積層体によって発生された全電力は、全積層体電圧を全電流で乗じることによって求められる。
【００４２】
本発明のＵＣＡパッケージング手順を用いてＰＥＭ燃料電池アセンブリを構成することができる。ＰＥＭ燃料電池は、高電力密度を有し、それらの出力を急速に変化させて電力需要のシフトを達成することができ、自動車など、急速な始動が必要とされる用途に適している。
【００４３】
図６を参照して、上に記載されたタイプのイオン含有ポリマー膜を組み込む、ＰＥＭ燃料電池技術によって実施されたＵＣＡの実施態様が示される。図６に示されるように、ＵＣＡ１２０のＭＥＡ１２５は５つの構成層を備える。ＰＥＭ層１２２はＤＣＣ層１２４と１２６、または例えばガス拡散層（ＧＤＬ）との間に挟まれる。アノード触媒１３０は第１のＤＣＣ１２４とイオン含有ポリマー膜１２２との間に配置され、カソード触媒１３２は膜１２２と第２のＤＣＣ１２６との間に配置される。
【００４４】
１つの構成において、ＰＥＭ層１２２は、アノード触媒コーティング１３０を一方の表面上におよびカソード触媒コーティング１３２を他方の表面上に備えるように製造される。この構造体はしばしば、触媒被覆膜またはＣＣＭと称される。別の構成によると、第１および第２のＤＣＣ１２４、１２６は、それぞれ、アノードおよびカソード触媒コーティング１３０、１３２を備えるように製造される。
【００４５】
ＤＣＣ１２４、１２６は典型的に、炭素繊維紙または不織材料または織布から製造される。製品の構造に応じて、ＤＣＣ１２４、１２６は炭素粒子コーティングを一方の面に有することができる。ＤＣＣ１２４、１２６は、上に記載したように、触媒コーティングを備えるかまたは取り除くように製造することができる。
【００４６】
図６に示された特定の実施態様において、ＭＥＡ１２５は第１のエッジシールシステム１３４と第２のエッジシールシステム１３６との間に挟まれて示される。エッジシールシステム１３４、１３６はＵＣＡパッケージ内の必要なシーリングを提供して様々な流体（ガス／液体）輸送および反応領域を互いに汚染することからおよびＵＣＡ１２０を不適当に出ることから切り離し、フローフィールドプレート１４０、１４２の間の電気的絶縁およびハードストップ圧縮制御をさらに提供することができる。
【００４７】
フローフィールドプレート１４０および１４２は、それぞれ、第１および第２のエッジシールシステム１３４および１３６に隣接して配置される。フローフィールドプレート１４０、１４２の各々は、ガスフローチャネル１４３のフィールドと水素および酸素供給燃料が通過する孔とを備える。フローフィールドプレート１４０、１４２はまた、冷却材チャネルおよび孔を組み込んでもよい。冷却材チャネルは、ガスフローチャネル１４３を組み込む表面の反対側のフローフィールドプレート１４０、１４２の表面上に組み込まれる。
【００４８】
図６に示された構成において、フローフィールドプレート１４０、１４２は単極フローフィールドプレートとして構成され、そこで単一ＭＥＡ１２５はその間に挟まれる。このおよび他の実施態様においてフローフィールドは、本願と同一の所有者によって所有された米国特許出願公開第２００３００５９６６２号明細書に開示されているように低い横フラックスフローフィールドであってもよい。１つまたは複数の二極フローフィールドプレートを使用して多数のＭＥＡ１２５を組み込むようにＵＣＡまたは多電池アセンブリ（ＭＣＡ）を実施してもよいことは理解される。このようなＵＣＡまたはＭＣＡは、一体冷却チャネルを組み込む二極フローフィールドプレートを組み込んでもよい。
【００４９】
図５および６に示された構成は、本発明によってマイクロ波アニールを用いて製造されたイオン含有ポリマー膜を組み込む燃料電池アセンブリに関して使用するために実施可能な２つの特定の配列を表す。これらの２つの配列はあくまで説明目的のために提供され、本発明の範囲内にある全ての可能な構成を示すことを意図しない。
【００５０】
本発明の実施態様の前述の説明は例示および説明の目的のために示されている。それは完全であることまたは開示された正確な形態に本発明を限定することを意図しない。上述の教示を考慮に入れて多くの改良および変型が可能である。本発明の範囲はこの詳細な説明によってではなく、これに添付された特許請求の範囲によって限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施態様によってイオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質のコーティングをマイクロ波アニールする工程を含むフィルムの製造方法を説明する工程系統図である。
【図２】本発明の実施態様によってイオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質のコーティングをマイクロ波アニールする工程を含む、ライナー上にフィルムを製造する方法を説明する工程系統図である。
【図３】本発明の実施態様によってイオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質のキャスト溶液のマイクロ波アニールを使用してキャスト膜をライナー上に形成する、燃料電池の膜電極アセンブリに使用するためのイオン含有膜を製造するための装置を示す。
【図４】通常の熱アニール方法を用いて製造された膜の試験試料と本発明によってマイクロ波アニールを用いて製造された膜の試料とで行われた比較破壊試験データのグラフ図である。
【図５】本発明の実施態様によってマイクロ波アニールを用いて製造されたイオン含有膜を組み込んでもよい燃料電池およびその成分層の図である。
【図６】本発明の実施態様によってマイクロ波アニールを用いて製造されたイオン含有膜を組み込んでもよい単極フローフィールドプレートを有するユニット化された電池アセンブリを示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質の溶液または懸濁液のコーティングをマイクロ波アニールすることに関し、さらに、イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質の溶液または懸濁液のコーティングをマイクロ波アニールして膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の膜を形成することに関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的な燃料電池システムは、１つまたは複数の燃料電池が電力を発生する出力部を備える。燃料電池は、水素および酸素を水に変換し、そのプロセスにおいて電気および熱を生じるエネルギー変換装置である。各燃料電池ユニットは中心にプロトン交換膜（ＰＥＭ）を備えてもよく、ガス拡散層がＰＥＭの両側にある。アノードおよびカソード触媒層がそれぞれ、ガス拡散層の内側に配置される。このユニットは膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と称される。セパレータプレートまたはフローフィールドプレートがそれぞれ、膜電極アセンブリのガス拡散層の外側に配置される。このタイプの燃料電池はしばしば、ＰＥＭ燃料電池と称される。
【０００３】
燃料電池内の単一ＭＥＡにおいての反応は典型的に、１ボルト未満を生じる。複数のＭＥＡを積層し、直列に電気接続して所望の電圧を達成してもよい。電流を燃料電池積層体から集め、負荷を駆動するために用いる。燃料電池は、自動車からラップトップコンピュータまで、様々な用途のために電力を提供するために用いられてもよい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、マイクロ波アニールを実施されたイオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質を含むコーティング、フィルム、および膜を製造するための方法および装置に関する。また、本発明は、マイクロ波アニールを実施されたイオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質を含むコーティング、フィルム、および膜を用いて製造された物品に関する。
【０００５】
本明細書において「マイクロ波アニール」は、材料のコーティングをマイクロ波放射線に曝すプロセスとして定義される。このプロセスの間、分散体中ではっきり識別することができると共にキャストまたはコートされた膜中ではっきり識別することができる状態のままであり、かつ融合して低減されたまたは好ましくは消失された境界を有する連続した固相を形成する、コーティングまたはポリマー粒子の液体成分の蒸発などの物理的変化が材料中に起こる場合がある。コーティングのポリマー成分中の結晶相のサイズおよび数の変化またはコーティングのイオン含有ポリマー成分のイオン性基の集合体の再配置などの他の変化が起こる場合がある。
【０００６】
本明細書において「熱アニール」は、材料のコーティングを（例えば、炉内で）熱に曝すプロセスとして定義される。マイクロ波アニールまたは熱アニールのどちらも典型的にコーティングの物理的性質を改良する。
【０００７】
本明細書において「コーティング」は、ポリマー成分を含む基材上の乾燥または液体含有層として定義される。用語「コーティング」は、用語「キャスチング」と同義である。
【０００８】
本発明の実施態様によると、フィルムの製造方法は、イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質のコーティングを提供する工程と、前記コーティングをマイクロ波アニールしてフィルムを形成する工程とを含む。前記コーティングをマイクロ波アニールする工程は、前記コーティングがフィルム形成温度に達するかまたはそれを超えるために十分な時間の間、前記コーティングをマイクロ波放射線に曝す工程を含む場合がある。また、前記コーティングをマイクロ波アニールする工程は、前記コーティングの溶剤を優先的に励起するかまたはコーティング中の水を優先的に励起するマイクロ波放射線に前記コーティングを曝す工程を含む場合がある。前記コーティングをマイクロ波アニールする工程は、前記コーティングのポリマー官能基を優先的に励起するマイクロ波放射線に前記コーティングを曝す工程を含む場合がある。
【０００９】
本発明の方法は、コーティングをライナー上に提供する工程と、前記ライナー上にある間に前記コーティングをマイクロ波アニールしてフィルムを前記ライナー上に形成する工程とを含む場合がある。前記イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質は、例えば、芳香族ポリマー、フルオロポリマー、スルホネート官能基を有するフルオロポリマー、またはフルオロポリマーラテックスから誘導されたフルオロポリマーを含んでもよい。
【００１０】
別の実施態様によると、燃料電池の膜電極アセンブリに使用するためのイオン含有膜を製造する方法は、イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質の溶液をコートして前記膜電極アセンブリの膜を形成する工程と、前記膜をマイクロ波アニールする工程とを含む。膜は、例えば、ＰＥＭを含んでもよく、それは燃料電池アセンブリに組み込まれてもよい。
【００１１】
さらに別の実施態様によると、燃料電池のＭＥＡの製造に使用するためのサブアセンブリは、イオン含有ポリマーを含む膜と、前記膜と接触しているライナーとを備えてもよい。ライナーは、膜に対応するフィルム形成温度にほぼ等しいかそれより低い上限使用温度を有してもよい。膜はＰＥＭを含んでもよい。ライナーは、例えば、ポリオレフィンを含んでもよい。さらに別の例として、ライナーは、ポリエステル、ポリエチレンナフタレート、ポリイミド、またはフルオロポリマーから形成されてもよい。ライナーの上限使用温度は典型的に約８０℃〜約３００℃の範囲である。
【００１２】
本発明の上記の概要は、本発明の各々の実施態様または全ての実施について記載することを意図しない。本発明をより完全に理解することによって、利点および達成は明らかになり、添付した図面と併せて以下の詳細な説明および特許請求の範囲を参照することによって理解される。
【００１３】
本発明は様々な改良および別の形態をとることが可能であるが、その詳細は図面において例示され、詳細に記載される。しかしながら、本発明を記載された特定の実施態様に限定するものではないことを理解されたい。反対に、添付された特許請求の範囲によって定義された本発明の範囲内にある全ての改良、等価物、および代替物を包含することが意図される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
具体的な実施態様の以下の説明において、その一部を成す、本発明を実施することができる様々な実施態様が実例として示される添付した図面が参照される。実施態様を利用してもよく、本発明の範囲から逸脱せずに構造の変更を行なってもよいことを理解されたい。
【００１５】
本発明の態様は一般に、燃料電池アセンブリのための膜に関連して説明される。本発明による製造方法は燃料電池アセンブリのための膜製造の場合に特に有利であるが、本発明の原理は、イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質のコーティング、フィルム、またはキャストが所望の性質を達成するためにマイクロ波アニールから利点を得ることができる多種多様な用途において実施されてもよいことは理解されよう。したがって、以下に説明された特定の実例となる実施態様は説明を意図するものであり、限定を意図するものではない。
【００１６】
ポリマー電解質またはポリマー電解質前駆物質は最初に、懸濁液または溶液から適した形状に、好ましくは薄い層にキャスト、コートあるいは他の方法で形成される。バーコーティング、吹付けコーティング、スリットコーティング、ブラシコーティング、溶剤キャスチングまたは他の形成物、溶剤をライナーまたはキャリア上に押し出すことにより得られる形成物、噴霧あるいは他の方法で溶剤をライナーまたはキャリア上に堆積することにより得られる形成物などがあるがそれらに限定されないコーティングまたはキャスチングのいかなる適した方法を用いてもよい。
【００１７】
膜電極アセンブリに使用するために製造された膜は、例えば、比較的高い温度において熱アニールを実施されてもよいことは公知である。膜製造のこのような方法の例は、本願と同一の所有者によって所有された米国特許第６，６４９，２９５号明細書に記載されている。熱アニール方法は優れた機械的性質を有する膜を製造するが、膜の熱アニールは複雑な方法であり、他の理由のなかでも、使用される高温のために規模を拡大するのが難しいことが確認されている。
【００１８】
本発明の原理によるコートされた膜のマイクロ波アニールは、通常の熱アニール方法を用いて製造された膜と少なくとも同等である、優れた耐破壊性などの優れた機械的性質を有する膜を良好に製造することが示されている。本発明の原理によるコートされた膜のマイクロ波アニールは、例えば、熱アニールに比べたときに複雑さの低減された膜製造方法を提供する。さらに、本発明によるコートされた膜のマイクロ波アニールは、このような膜の大量生産を容易にすることができる。さらに、（特定の温度において大きな容積を加熱しなければならない）比較的非効率的な通常の熱アニール炉を高効率的マイクロ波放射線源と取り換えることによってかなりの省エネルギーが達成可能である。本発明の他の実施態様は、コーティングのマイクロ波および熱アニールならびに乾燥の組合せをさらに含んでもよい。
【００１９】
図１に戻ると、本発明の実施態様によってフィルムの製造方法を説明する一般化された工程系統図が示される。図１に示された方法によるフィルムの製造方法は、イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質のコーティングを提供する１０工程を含む。コーティングは、マイクロ波放射線を用いてアニールを実施される１２。イオン含有ポリマー前駆物質は、イオン性基に変換されうる基を含むポリマーを指すことが意図される。用語コーティングは、バーコーティング、吹付けコーティング、スリットコーティング、ブラシコーティング、溶剤キャスチングまたは他の形成物、溶剤をライナーまたはキャリア上に押し出すことにより得られる形成物、噴霧あるいは他の方法で溶剤をライナーまたはキャリア上に堆積することにより得られる形成物などを指すことが意図される。
【００２０】
図１によるフィルムの製造方法は、イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質を熱アニールする工程をさらに含んでもよい。また、図１によるフィルムの製造方法は、コーティングを乾燥させる工程をさらに有してもよい。
【００２１】
図２は、本発明の実施態様によってフィルムの製造方法を説明する一般化された工程系統図である。図２に説明された方法によって、ライナーが提供され２０、イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質のコーティングがライナー上に提供される２２。コーティングにマイクロ波アニールを実施して２４ライナー上にフィルムを形成する。ライナー上のコーティングのマイクロ波アニールを使用するフィルム製造方法は、連続フィルム製造プロセスまたは、代わりに、バッチ製造プロセスの一部として実施可能である。
【００２２】
本発明によってコーティング、フィルム、および膜を製造するためにマイクロ波アニールを実施してもよい適したイオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質には、芳香族ポリマー、フルオロポリマー、スルホネート官能基を有するフルオロポリマー、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標）（デラウェア州、ウィルミントンのデュポン・ケミカルズ（ＤｕＰｏｎｔ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，Ｄｅｌ．））、およびフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標）（日本、東京の旭硝子株式社）などがある。これらには、次式の側基：ＹＯＳＯ2−ＣＦ2−ＣＦ2−Ｏ−ＣＦ（ＣＦ3）ＣＦ2−Ｏ−［ポリマー主鎖］（Ｙはカチオンである）、次式の側基：ＹＯＳＯ2−ＣＦ2−ＣＦ2−ＣＦ2−ＣＦ2−Ｏ−［ポリマー主鎖］（Ｙはカチオンである）、または次式の側基：ＹＯＳＯ2−（ＣＦ2）n−Ｏ−［ポリマー主鎖］（各ｎが独立に２〜５である）を含んでもよいイオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質がある。適したイオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質はフルオロポリマーラテックスから誘導されたフルオロポリマーを含んでもよい。
【００２３】
適したイオン含有ポリマー前駆物質は、スルホニルフルオリドまたはクロリド基を含んでもよい。スルホニルフルオリド基を含むこのようなイオン含有ポリマー前駆物質の特定の例は、ＦＳＯ2−ＣＦ2−ＣＦ2−ＣＦ2−ＣＦ2−Ｏ−［ポリマー主鎖］である。適したイオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質は、約１２００より小さい当量および約８０℃〜約１５５℃のガラス転移温度（Ｔｇ）を有するポリマーまたはポリマーのブレンドを含んでもよい。適したイオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質は、約７００〜約１２００の当量を有してもよい。
【００２４】
適したイオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質の詳細およびさらなる説明は、本願と同一の所有者によって所有された米国特許第６，６４９，２９５号明細書および米国特許第６，６２４，３２８号明細書、米国特許出願公開第２００４０１２１２１０号明細書、２００３年１０月３０日に出願された米国特許出願第１０／６９７，７６８号明細書、および２００３年１０月３０日に出願された米国特許出願第１０／６９７，８３１号明細書に開示されている。
【００２５】
本発明によるコートされた膜をマイクロ波アニールする著しい利点は、熱アニール方法に必要とされるもっと高価なライナーとは対照的に、比較的高価でないライナーの使用を含む。通常の熱アニール方法において用いられるライナーまたはキャリアは、比較的高価な高温材料から製造されなければならず、例えば、２００℃までの炉温度に耐えなければならない。
【００２６】
本発明のマイクロ波アニールと共に用いられたライナーまたはキャリアは、対照的に、ずっと低い上限使用温度を有するそれほど高価でない材料から形成することができる。例えば、ライナーは、膜に対応するフィルム形成温度にほぼ等しいかそれより低い上限使用温度を有してもよい。このようなライナーを熱アニール方法において使用することはできない。このようなフィルム形成温度（またはガラス転移温度）は約８０℃程度であってもよく、典型的に約８０℃〜２００℃の範囲である。特定のプロセスにおいて、フィルム形成温度は約３００℃の上限の範囲を有することができることが指摘される。適したライナーまたはキャリアには、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリエチレンナフタレート、ポリイミド、およびフルオロポリマーなどがあるがそれらに限定されないポリマー材料から製造されたライナーまたはキャリアがある。
【００２７】
図３に戻ると、本発明の実施態様によって燃料電池の膜電極アセンブリに使用するためのイオン含有膜を製造するための装置が示される。図３の簡略図は、膜電極アセンブリに使用するための膜を大量生産することができる連続膜製造プロセスを示す。装置５０は、駆動装置５８によって駆動される連続ロール製品ライナー５２を備える。また、装置５０は、バーコーター、吹付けコーター、スリットコーター、ブラシコーター、または他の溶液キャスチングデバイス５６を備える。溶液または懸濁液をライナー５２上に分配する前に剥離剤をライナー５２に適用してもよい。溶液または懸濁液は、前に記載されたタイプのイオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質を含む。膜５４は、マイクロ波放射線源５５下でライナー５２のコントローラー移動によって輸送される。膜５４は、マイクロ波放射線源５５下で輸送され、マイクロ波アニールを実施される。マイクロ波放射線源は膜に対して他の方向付け（例えば、膜の下）でありうることは理解されるはずである。マイクロ波アニールされた膜５４は、さらに別の取扱または加工のために次の位置（図示せず）に輸送される。
【００２８】
膜５４の効率的および有効なマイクロ波アニールを容易にする様々な方法においてマイクロ波放射線源５５を調整してもよい。例えば、マイクロ波放射線源５５を調整して、イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質を含む溶液または懸濁液の液体成分を優先的に励起してもよい。さらに別の例として、マイクロ波放射線源５５を調整して、溶液または懸濁液中の水を優先的に励起してもよい。別の例において、マイクロ波放射線源５５を調整して、溶液または懸濁液のポリマーの官能基を優先的に励起してもよい。さらに別の例において、マイクロ波放射線源５５を調整して、キャスト膜５４が上で輸送されるライナーまたはキャリアの或る特徴を励起してもよい。
【００２９】
上に簡潔に示されたように、本発明の原理によるキャスト膜のマイクロ波アニールは、以下の実施例および図４に示されるように、通常の熱アニール方法を用いて製造された膜と少なくとも同等である、優れた耐破壊性などの優れた機械的性質を有する膜を良好に製造することが示されている。
【実施例】
【００３０】
９８０の当量を有する、テトラフルオロエチレンおよびＦＳＯ2−（ＣＦ2）4−Ｏ−ＣＦ＝ＣＦ2モノマー（ＭＶ−４Ｓ）から製造されたペルフルオロイオノマーコポリマーを用いて膜試料を作製した。ＭＶ−４Ｓモノマーの調製は、本願と同一の所有者によって所有されたおよび前に援用された米国特許第６，６２４，３２８号明細書に記載されている。ポリマーの調製は、本願と同一の所有者によって所有された米国特許出願公開第２００４０１２１２１０号明細書に記載されている。膜試料の調製は、本願と同一の所有者によって所有された米国特許出願公開第２００４０１２１２１０号明細書に記載されているように、コーター装置上でコーティングし、１６０℃において熱アニールすることを必要とした。
【００３１】
（ＡＧＬデータポイントとして図４に示された）一組の膜試料を２００℃の油加熱されたラミネーター上でライナーから熱アニールした。同じ膜の多数のパスは異なったアニール時間を生じた。別の組の膜試料を様々な時間、アマナ（Ａｍａｎａ）モデル♯ＲＦＳ９Ｂマイクロ波炉（アイオワ州、ニュートンのメイタグ・コーポレーションのアマナ事業部（Ａｍａｎａ，ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｏｆ Ｍａｙｔａｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｎｅｗｔｏｎ，Ｉｏｗａ））内でライナーからマイクロ波アニールした。
【００３２】
耐破壊性の値は、５ポンドのロードセルおよび１０ミクロンの先端を用いて測定された。データを図４にプロットし、それは、ラミネーターで熱アニールされた膜（図４のＡＬＧデータ）とマイクロ波アニールされた膜（図４のマイクロ波データ）とについて時間の関数として耐破壊性を示す。図４のデータは、ラミネーター（すなわち、「ホットカン」）で熱アニールを実施された膜に比較してマイクロ波アニールを実施された膜の同様なまたは優れた耐破壊性を示す。
【００３３】
本発明によってマイクロ波アニールを用いて製造された膜を様々なタイプ、構成、および技術の燃料電池アセンブリおよび積層体に組み込んでもよい。典型的な燃料電池が図５に示される。燃料電池は、水素燃料と空気からの酸素とを組み合わせて電気、熱、および水を生じる電気化学デバイスである。燃料電池は燃焼を利用せず、それ故に、燃料電池は危険な流出物をもしあるとしてもほとんど生じない。燃料電池は水素燃料および酸素を直接に電気に変換し、例えば内燃機関よりもずっと高い効率において作動されうる。
【００３４】
図５に示された燃料電池１１０は、アノード１１４に隣接した第１の拡散体／集電体（ＤＣＣ）１１２を備える。電解質膜１１６はアノード１１４に隣接している。カソード１１８は電解質膜１１６に隣接して配置され、第２の拡散体／集電体１１９はカソード１１８に隣接して配置される。作動時に、水素燃料が燃料電池１１０のアノード部分に導入され、第１の拡散体／集電体１１２を通過し、アノード１１４の上を通る。アノード１１４において、水素燃料は水素イオン（Ｈ+）と電子（ｅ-）とに分離される。
【００３５】
電解質膜１１６は、水素イオンまたはプロトンだけを電解質膜１１６を通過させ、燃料電池１１０のカソード部分に到達させる。電子は、電解質膜１６を通過することができず、代わりに、電流の形で外部電気回路を通って流れる。この電流は電気モーターなどの電気負荷１１７に電力供給することができ、または再充電可能なバッテリーなどのエネルギー蓄積デバイスに誘導されてもよい。
【００３６】
ＰＥＭ燃料電池において用いられたＰＥＭは典型的に、水素イオンがそれを通過することを可能にするが気体反応体を分離する薄い固体ポリマー電解質シートである。膜は典型的に、活性触媒である高分散された金属または金属合金粒子（例えば、白金または白金／ルテニウム）を両面にコートされる。ＰＥＭの膜は好ましくは、本発明の原理によってマイクロ波アニールを使用して製造されたイオン含有ポリマーから形成される。ＭＥＡは、水素燃料電池などのＰＥＭ燃料電池の中心要素である。上に記載したように、典型的なＭＥＡは、固体電解質として作用する、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）（イオン導電性膜（ＩＣＭ）としても公知である）を含む。
【００３７】
酸素は、第２の拡散体／集電体１１９経由で燃料電池１１０のカソード側に流入する。酸素がカソード１１８の上を通るとき、酸素、プロトン、および電子が組み合わさって水および熱を生じる。
【００３８】
また、ＤＣＣはガス拡散層（ＧＤＬ）と呼ばれてもよい。アノードおよびカソード電極層は、それらが完成ＭＥＡにおいてＰＥＭとＤＣＣとの間に配置される限り、製造する間にＰＥＭにまたはＤＣＣに適用されてもよい。有用なＰＥＭ厚さは約２００μｍ〜約１５μｍの範囲である。ＰＥＭは好ましくは、上に記載されたタイプのイオン含有ポリマー膜を組み込む。
【００３９】
いかなる適したＤＣＣを本発明の実施において用いてもよい。典型的に、ＤＣＣは、炭素繊維を含むシート材料からなる。ＤＣＣは典型的に、織および不織炭素繊維構造物から選択された炭素繊維構造物である。本発明の実施において有用である場合がある炭素繊維構造物には、東レ（Ｔｏｒａｙ）カーボン紙、スペクトラカーブ（ＳｐｅｃｔｒａＣａｒｂ）カーボン紙、ＡＦＮ不織炭素布、ゾルテック（Ｚｏｌｔｅｋ）炭素布等が挙げられる。炭素粒子コーティング、親水化処理、および疎水化処理、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）によるコーティングなど、様々な材料でＤＣＣをコートまたは含浸してもよい。
【００４０】
白金黒または微粉、（米国特許出願公開第２００４０１０７８６９号明細書に記載されているような）炭素担持触媒粒子を含有するインク、または（米国特許第６４８２７６３号明細書および米国特許第５８７９８２７号明細書に記載されているような）ナノ構造化薄フィルム触媒など、いかなる適した触媒を本発明の実施において用いてもよい。ハンドブラッシング、ノッチバーコーティング、流体支持ダイコーティング、ワイヤー捲回ロッドコーティング、流体支持コーティング、スロット供給ナイフコーティング、三本ロールコーティング、またはデカルコマニア転写など、手および機械による方法の両方を含めて、いかなる適した手段によって触媒をＰＥＭまたはＤＣＣに適用してもよい。コーティングは１回の適用においてまたは多数の適用において達成されてもよい。
【００４１】
図５に示されるような個々の燃料電池をユニット化された燃料電池アセンブリとしてパッケージ化することができる。本明細書においてユニット化された電池アセンブリ（ＵＣＡ）と称されるユニット化された燃料電池アセンブリを多数の他のＵＣＡと組み合わせて燃料電池積層体を形成することができる。ＵＣＡは、積層体の全電圧を決定する積層体内のＵＣＡの数と直列に電気接続されてもよく、電池の各々の活性表面積が全電流を決定する。所与の燃料電池積層体によって発生された全電力は、全積層体電圧を全電流で乗じることによって求められる。
【００４２】
本発明のＵＣＡパッケージング手順を用いてＰＥＭ燃料電池アセンブリを構成することができる。ＰＥＭ燃料電池は、高電力密度を有し、それらの出力を急速に変化させて電力需要のシフトを達成することができ、自動車など、急速な始動が必要とされる用途に適している。
【００４３】
図６を参照して、上に記載されたタイプのイオン含有ポリマー膜を組み込む、ＰＥＭ燃料電池技術によって実施されたＵＣＡの実施態様が示される。図６に示されるように、ＵＣＡ１２０のＭＥＡ１２５は５つの構成層を備える。ＰＥＭ層１２２はＤＣＣ層１２４と１２６、または例えばガス拡散層（ＧＤＬ）との間に挟まれる。アノード触媒１３０は第１のＤＣＣ１２４とイオン含有ポリマー膜１２２との間に配置され、カソード触媒１３２は膜１２２と第２のＤＣＣ１２６との間に配置される。
【００４４】
１つの構成において、ＰＥＭ層１２２は、アノード触媒コーティング１３０を一方の表面上におよびカソード触媒コーティング１３２を他方の表面上に備えるように製造される。この構造体はしばしば、触媒被覆膜またはＣＣＭと称される。別の構成によると、第１および第２のＤＣＣ１２４、１２６は、それぞれ、アノードおよびカソード触媒コーティング１３０、１３２を備えるように製造される。
【００４５】
ＤＣＣ１２４、１２６は典型的に、炭素繊維紙または不織材料または織布から製造される。製品の構造に応じて、ＤＣＣ１２４、１２６は炭素粒子コーティングを一方の面に有することができる。ＤＣＣ１２４、１２６は、上に記載したように、触媒コーティングを備えるかまたは取り除くように製造することができる。
【００４６】
図６に示された特定の実施態様において、ＭＥＡ１２５は第１のエッジシールシステム１３４と第２のエッジシールシステム１３６との間に挟まれて示される。エッジシールシステム１３４、１３６はＵＣＡパッケージ内の必要なシーリングを提供して様々な流体（ガス／液体）輸送および反応領域を互いに汚染することからおよびＵＣＡ１２０を不適当に出ることから切り離し、フローフィールドプレート１４０、１４２の間の電気的絶縁およびハードストップ圧縮制御をさらに提供することができる。
【００４７】
フローフィールドプレート１４０および１４２は、それぞれ、第１および第２のエッジシールシステム１３４および１３６に隣接して配置される。フローフィールドプレート１４０、１４２の各々は、ガスフローチャネル１４３のフィールドと水素および酸素供給燃料が通過する孔とを備える。フローフィールドプレート１４０、１４２はまた、冷却材チャネルおよび孔を組み込んでもよい。冷却材チャネルは、ガスフローチャネル１４３を組み込む表面の反対側のフローフィールドプレート１４０、１４２の表面上に組み込まれる。
【００４８】
図６に示された構成において、フローフィールドプレート１４０、１４２は単極フローフィールドプレートとして構成され、そこで単一ＭＥＡ１２５はその間に挟まれる。このおよび他の実施態様においてフローフィールドは、本願と同一の所有者によって所有された米国特許出願公開第２００３００５９６６２号明細書に開示されているように低い横フラックスフローフィールドであってもよい。１つまたは複数の二極フローフィールドプレートを使用して多数のＭＥＡ１２５を組み込むようにＵＣＡまたは多電池アセンブリ（ＭＣＡ）を実施してもよいことは理解される。このようなＵＣＡまたはＭＣＡは、一体冷却チャネルを組み込む二極フローフィールドプレートを組み込んでもよい。
【００４９】
図５および６に示された構成は、本発明によってマイクロ波アニールを用いて製造されたイオン含有ポリマー膜を組み込む燃料電池アセンブリに関して使用するために実施可能な２つの特定の配列を表す。これらの２つの配列はあくまで説明目的のために提供され、本発明の範囲内にある全ての可能な構成を示すことを意図しない。
【００５０】
本発明の実施態様の前述の説明は例示および説明の目的のために示されている。それは完全であることまたは開示された正確な形態に本発明を限定することを意図しない。上述の教示を考慮に入れて多くの改良および変型が可能である。本発明の範囲はこの詳細な説明によってではなく、これに添付された特許請求の範囲によって限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施態様によってイオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質のコーティングをマイクロ波アニールする工程を含むフィルムの製造方法を説明する工程系統図である。
【図２】本発明の実施態様によってイオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質のコーティングをマイクロ波アニールする工程を含む、ライナー上にフィルムを製造する方法を説明する工程系統図である。
【図３】本発明の実施態様によってイオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質のキャスト溶液のマイクロ波アニールを使用してキャスト膜をライナー上に形成する、燃料電池の膜電極アセンブリに使用するためのイオン含有膜を製造するための装置を示す。
【図４】通常の熱アニール方法を用いて製造された膜の試験試料と本発明によってマイクロ波アニールを用いて製造された膜の試料とで行われた比較破壊試験データのグラフ図である。
【図５】本発明の実施態様によってマイクロ波アニールを用いて製造されたイオン含有膜を組み込んでもよい燃料電池およびその成分層の図である。
【図６】本発明の実施態様によってマイクロ波アニールを用いて製造されたイオン含有膜を組み込んでもよい単極フローフィールドプレートを有するユニット化された電池アセンブリを示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質を含むコーティングを提供する工程と、
前記コーティングをマイクロ波アニールする工程とを含む、フィルムの製造方法。
【請求項２】
前記コーティングをアニールする工程が、前記コーティングがフィルム形成温度に達するかまたはそれを超えるために十分な時間の間、前記コーティングをマイクロ波放射線に曝す工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記コーティングをマイクロ波アニールする工程が、前記コーティングの液体成分を優先的に励起するマイクロ波放射線に前記コーティングを曝す工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記コーティングをマイクロ波アニールする工程が、前記コーティング中の水を優先的に励起するマイクロ波放射線に前記コーティングを曝す工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記コーティングをマイクロ波アニールする工程が、前記コーティングのポリマーの官能基を優先的に励起するマイクロ波放射線に前記コーティングを曝す工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記コーティングをライナー上に提供する工程と、前記コーティングをマイクロ波アニールしてフィルムを前記ライナー上に形成する工程とをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質が芳香族ポリマーを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質がフルオロポリマーを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質が、スルホネート官能基を有するフルオロポリマーを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質が、フルオロポリマーラテックスから誘導されたフルオロポリマーを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質を熱アニールする工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記コーティングを乾燥させる工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質の溶液または懸濁液をコートして膜電極アセンブリの膜を形成する工程と、
前記膜をマイクロ波アニールする工程とを含む、燃料電池の膜電極アセンブリに使用するためのイオン含有膜を製造する方法。
【請求項１４】
前記膜がプロトン交換膜を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記膜をマイクロ波アニールする工程が、前記コーティングがフィルム形成温度に達するかまたはそれを超えるために十分な時間の間、前記膜を前記マイクロ波放射線に曝す工程を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記膜をマイクロ波アニールする工程が、前記溶液の液体成分を優先的に励起するマイクロ波放射線に前記キャスト膜を曝す工程を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記キャスト膜をマイクロ波アニールする工程が、前記溶液中の水を優先的に励起するマイクロ波放射線に前記キャスト膜を曝す工程を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記キャスト膜をマイクロ波アニールする工程が、前記溶液の前記ポリマーの官能基を優先的に励起するマイクロ波放射線に前記キャスト膜を曝す工程を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記キャスト膜をマイクロ波アニールする工程が、連続製造方法によって前記キャスト膜をマイクロ波アニールする工程を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記溶液または懸濁液をコートする工程が、前記溶液をライナー上にコートする工程を含み、
前記キャスト膜をマイクロ波アニールする工程が、前記ライナー上にあるキャスト膜をマイクロ波アニールする工程を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
請求項１３に記載の方法によって製造された膜を含む膜電極アセンブリ。
【請求項２２】
膜が請求項１３に記載の方法によって製造された膜電極アセンブリを含む燃料電池。
【請求項２３】
イオン含有ポリマーを含む膜と、
前記膜と接触している、前記膜に対応するフィルム形成温度にほぼ等しいかそれより低い上限使用温度を有するライナーとを含む、燃料電池の膜電極アセンブリを製造するときに使用するためのサブアセンブリ。
【請求項２４】
前記膜がプロトン交換膜を含む、請求項２３に記載のサブアセンブリ。
【請求項２５】
前記ライナーがポリオレフィンを含む、請求項２３に記載のサブアセンブリ。
【請求項２６】
前記ライナーが、ポリエステル、ポリエチレンナフタレート、ポリイミド、およびフルオロポリマーからなる群から選択された材料から形成される、請求項２３に記載のサブアセンブリ。
【請求項２７】
前記フィルム形成温度が約８０℃〜約３００℃の範囲である、請求項２３に記載のサブアセンブリ。
【請求項１】
イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質を含むコーティングを提供する工程と、
前記コーティングをマイクロ波アニールする工程とを含む、フィルムの製造方法。
【請求項２】
前記コーティングをアニールする工程が、前記コーティングがフィルム形成温度に達するかまたはそれを超えるために十分な時間の間、前記コーティングをマイクロ波放射線に曝す工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記コーティングをマイクロ波アニールする工程が、前記コーティングの液体成分を優先的に励起するマイクロ波放射線に前記コーティングを曝す工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記コーティングをマイクロ波アニールする工程が、前記コーティング中の水を優先的に励起するマイクロ波放射線に前記コーティングを曝す工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記コーティングをマイクロ波アニールする工程が、前記コーティングのポリマーの官能基を優先的に励起するマイクロ波放射線に前記コーティングを曝す工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記コーティングをライナー上に提供する工程と、前記コーティングをマイクロ波アニールしてフィルムを前記ライナー上に形成する工程とをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質が芳香族ポリマーを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質がフルオロポリマーを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質が、スルホネート官能基を有するフルオロポリマーを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質が、フルオロポリマーラテックスから誘導されたフルオロポリマーを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質を熱アニールする工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記コーティングを乾燥させる工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
イオン含有ポリマーまたはイオン含有ポリマー前駆物質の溶液または懸濁液をコートして膜電極アセンブリの膜を形成する工程と、
前記膜をマイクロ波アニールする工程とを含む、燃料電池の膜電極アセンブリに使用するためのイオン含有膜を製造する方法。
【請求項１４】
前記膜がプロトン交換膜を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記膜をマイクロ波アニールする工程が、前記コーティングがフィルム形成温度に達するかまたはそれを超えるために十分な時間の間、前記膜を前記マイクロ波放射線に曝す工程を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記膜をマイクロ波アニールする工程が、前記溶液の液体成分を優先的に励起するマイクロ波放射線に前記キャスト膜を曝す工程を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記キャスト膜をマイクロ波アニールする工程が、前記溶液中の水を優先的に励起するマイクロ波放射線に前記キャスト膜を曝す工程を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記キャスト膜をマイクロ波アニールする工程が、前記溶液の前記ポリマーの官能基を優先的に励起するマイクロ波放射線に前記キャスト膜を曝す工程を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記キャスト膜をマイクロ波アニールする工程が、連続製造方法によって前記キャスト膜をマイクロ波アニールする工程を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記溶液または懸濁液をコートする工程が、前記溶液をライナー上にコートする工程を含み、
前記キャスト膜をマイクロ波アニールする工程が、前記ライナー上にあるキャスト膜をマイクロ波アニールする工程を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
請求項１３に記載の方法によって製造された膜を含む膜電極アセンブリ。
【請求項２２】
膜が請求項１３に記載の方法によって製造された膜電極アセンブリを含む燃料電池。
【請求項２３】
イオン含有ポリマーを含む膜と、
前記膜と接触している、前記膜に対応するフィルム形成温度にほぼ等しいかそれより低い上限使用温度を有するライナーとを含む、燃料電池の膜電極アセンブリを製造するときに使用するためのサブアセンブリ。
【請求項２４】
前記膜がプロトン交換膜を含む、請求項２３に記載のサブアセンブリ。
【請求項２５】
前記ライナーがポリオレフィンを含む、請求項２３に記載のサブアセンブリ。
【請求項２６】
前記ライナーが、ポリエステル、ポリエチレンナフタレート、ポリイミド、およびフルオロポリマーからなる群から選択された材料から形成される、請求項２３に記載のサブアセンブリ。
【請求項２７】
前記フィルム形成温度が約８０℃〜約３００℃の範囲である、請求項２３に記載のサブアセンブリ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２００８−５２５９９０（Ｐ２００８−５２５９９０Ａ）
【公表日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５４９４４７（Ｐ２００７−５４９４４７）
【出願日】平成１７年１２月１６日（２００５．１２．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０４５７５９
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０７１５８９
【国際公開日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【出願人】（５９９０５６４３７）スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー (1,802)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月１６日（２００５．１２．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０４５７５９
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０７１５８９
【国際公開日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【出願人】（５９９０５６４３７）スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー (1,802)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]