(57)【要約】  燃料電池（１０）が、第１の反応物を受ける酸素極触媒（２６）と、第２の反応物の予想される量を受ける燃料極触媒（２４）と、を備える。酸素極触媒（２６）および燃料極触媒（２４）は、それぞれ、第１の反応物および第２の反応物に触媒作用を及ぼし、酸素極触媒（２６）と燃料極触媒（２４）との間に電子の流れを発生させる電気化学反応を生じさせる。電気化学反応で消費される第１の反応物の量は、燃料極触媒（２４）から酸素極触媒（２６）へ向かう電子の前進流を発生させるのに必要とされる第２の反応物の閾値の量に対応する。燃料電池の部分（４２）は、第１の反応物の消費を制限する特徴部（５４，６０，８０，Ｗ1，Ｄ1）を備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池内で使用されるデバイスであって、
第１の反応物を受ける酸素極触媒と、
第２の反応物の予想される量を受ける水素極触媒と、
を備え、
前記酸素極触媒および前記燃料極触媒は、それぞれ第１の反応物および第２の反応物に触媒作用を及ぼし、前記燃料極触媒と前記酸素極触媒との間に電子の流れを発生させる電気化学反応を生じさせ、前記電気化学反応で消費される第１の反応物の量が電子の所望の流れを発生させるのに必要とされる前記第２の反応物の閾値の量に対応する構成において、
前記第２の反応物の予想される量の所望の範囲内に閾値の量を維持するように、前記第１の反応物の消費を制限する特徴部を含む第１の燃料電池部分を備えたデバイス。
【請求項２】
前記燃料電池の、前記第１の燃料電池部分および他の部分の各々が、酸素極触媒へ向かう第１の反応物の流れのための開口を有する多孔質層を含み、前記特徴部が、前記開口を部分的に塞ぐ目止め剤を含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記目止め剤が、酸化物材料、高分子材料または炭素材料のうちの少なくとも１つから選択されることを特徴とする請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第１の燃料電池部分が寸法の等しい複数の第１のチャネルを含むとともに、前記特徴部は、前記第１のチャネルとは寸法の異なる少なくとも１つの第２のチャネルを備えることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記特徴部として、前記第１の燃料電池部分は、前記第１の反応物を受ける平行チャネルを有し、前記燃料電池の流れ場の他の部分は、前記第１の反応物を受ける交差指型チャネルを含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
触媒材料をさらに備え、前記特徴部は、前記燃料電池の他の部分の付近の触媒材料の量よりも前記第１の燃料電池部分の付近に多くの量の前記触媒材料を含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記特徴部が、前記燃料電池の他の部分より低温に維持された前記第１の燃料電池部分を備えることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記デバイスが冷却剤入口および冷却剤出口を有する冷却通路を含み、前記第１の燃料電池部分は、前記冷却剤出口よりも前記冷却剤入口の近くに配置されていることを特徴とする請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第１の燃料電池部分は、前記酸素極触媒へ向かう前記第１の反応物の流れのための開口を有する多孔質層を含み、前記特徴部は、前記第１の燃料電池部分において、前記酸素極触媒へ向かう前記第１の反応物の流れを制限するように前記多孔質層に隣接したバリア層を含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記酸素極触媒と前記燃料極触媒との間にイオン膜を含み、前記バリア層は、前記酸素極触媒と前記イオン膜との間に配置されていることを特徴とする請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
燃料極触媒で必要とされる第２の反応物の閾値の量を低減するように、燃料電池の酸素極触媒における第１の反応物の消費を制限することを含む、燃料電池で使用される方法。
【請求項１２】
燃料電池セルスタックの選択された部分において、前記第１の反応物の消費を制限することを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記燃料電池の他の部分よりも前記選択された部分において少ない量の触媒材料を使用することを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記燃料電池の他の部分におけるチャネル寸法よりも前記選択された部分において小さなチャネル寸法を使用することを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記選択された部分において平行流れ場チャネルを使用し、かつ前記燃料電池の他の部分において交差指型流れ場チャネルを使用すること、を含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記燃料電池の他の部分よりも前記選択された部分を低温に維持することを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記酸素極触媒へ向かう前記第１の反応物の流れを制限することを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記酸素極触媒へ向かう前記第１の反応物の流れを部分的に塞ぐことを含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記酸素極触媒に隣接し、多孔質層内の開口を通過する流れを目止め剤で部分的に塞ぐことを含む請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
バリア層およびクロス層で流れを部分的に塞ぐことを含む請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して燃料電池に関し、詳しくは、燃料電池の流れ場に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、周知の技術であり、様々な用途において電気を発生させるために使用される。典型的な燃料電池は、電流を発生させるために、水素および（例えば空気からの）酸素などの反応ガスを利用する。燃料電池は、典型的には、それぞれの反応ガスを受ける流れチャネルを有する互いに隣接した流れ場を含む。各流れ場は、ガス分配層を介して、イオン伝導性高分子交換膜（ＰＥＭ）に隣接したそれぞれの燃料極触媒または酸素極触媒に反応ガスを分配し、電流を発生させる。典型的には、炭素粒子の網状組織が、酸素極触媒および燃料極触媒の各々を保持するとともに、電流を流す外部回路の一部を形成する。
【０００３】
典型的な燃料電池は、酸素（典型的には、空気からの酸素）と燃料（典型的には水素）とが結合して副生成物の水を生成する電気化学反応によって電気を発生させる。酸素は、継続的に酸素極触媒に運ばれ、水素は継続的に燃料極触媒に運ばれる。燃料極触媒は、水素を水素イオンと電子とに分離する。水素イオンがＰＥＭを通過する間に、電子は、外部の電気回路内を流れる。酸素極触媒において、水素イオンと電子とが再結合して酸素とも反応し、副生成物の水を生成する。
【０００４】
燃料極触媒の局所的な領域において水素分圧が低くなるような条件では、その領域において電気化学反応を持続させるのに水素の量が不十分なことがある。これにより、通常の燃料電池の動作モードから局所的な逆電流が生じて、酸素極触媒、炭素保持体またはこれらの両方を劣化する反応条件を導いてしまう恐れがある。例えば、正極において水が電気分解して、酸素、水素および自由電子が生成される。水素イオンはＰＥＭを通過し、負極の燃料リッチの領域で放出された電子は、負極の燃料不足の領域へ流れる。燃料不足の領域において水素イオン源および電子源が低電位に存在しないことにより、燃料極触媒において電位が高くなり、これが、水と炭素保持体との間で劣化反応を生じさせ、二酸化炭素を生成させる。劣化によって、最終的には触媒機能および電気的性能が損失し、燃料電池の効率が低下してしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、燃料電池触媒の劣化を低減または除去する必要性に対処し、安定した燃料電池の動作を維持する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
燃料電池内で使用されるデバイスの一例が、第１の反応物を受ける酸素極触媒と、第２の反応物の予想される量を受ける燃料極触媒と、を備える。酸素極触媒および燃料極触媒は、それぞれ、第１の反応物および第２の反応物に触媒作用を及ぼし、燃料極触媒と酸素極触媒との間に電子の流れを発生させる電気化学反応を生じさせる。水素の酸化における反応速度はとても簡単であって、燃料電池の反応速度は、概して、酸素極触媒へ向かう第１の反応物の流量と、燃料電池の伝導層を通過するオームの法則に従う導電性と、に束縛される。電気化学反応で消費される第１の反応物の量は、燃料極触媒から酸素極触媒へ向かう電子の前進流を発生させるのに必要とされる第２の反応物の閾値の量に対応する。燃料電池の流れ場の一部分が、第２の反応物の閾値の量を予想される量よりも小さい量に維持するように第１の反応物の消費を制限する特徴部を含む。
【０００７】
方法の一例は、燃料極触媒から酸素極触媒へ向かう電子の前進流を発生させるのに燃料極触媒で必要とされる第２の反応物の閾値の量を低減するように、燃料電池の酸素極触媒における第１の反応物の消費を制限することを含む。
【０００８】
上記の例は、限定することを意図するものではない。他の例を以下に記載する。当業者であれば、以下の詳細な説明から本発明に様々な修正および変更がなされ得ることを理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、電気を発生させる燃料電池１０の一例の選択された部分を概略的に示す。この例においては、酸素極側１２が反応ガスＲ1を受け、燃料極側１４が反応ガスＲ2を受けて、周知の反応によって電流を発生させる。酸素極１２および燃料極１４の各々は、成型プレート、多孔質プレート、または他の種類のプレートなどの流れ場プレート１６を含む。流れ場プレートは、それぞれの酸素極側１２および燃料極側１４の全体に反応ガスＲ1，Ｒ2を分配するための、チャネル壁１７と、これらのチャネル壁１７の間に延びるチャネル１８と、を有する。
【００１０】
図示した例においては、流れ場プレート１６の各々に隣接した位置に、ガス交換層２０が配置されている。これらのガス交換層２０の間において、高分子交換膜（ＰＥＭ）２２によって、酸素極触媒２４と燃料極触媒２６とが離間されている。いくつかの例においては、酸素極触媒２４および燃料極触媒２６の各々は、炭素クロスなどの保持体に堆積された触媒材料を含む。
【００１１】
図２は、燃料電池１０の動作の特徴の１つを示すために、図１に示される断面線２−２に沿って切り取られた燃料極側１４の流れ場１６の断面図である。反応ガスＲ2は、入口３８を介してチャネル１８内へ供給され、チャネル１８内を通流して、出口４０へ向かう。このチャネル１８内の反応ガスＲ2は、少なくとも一部がガス交換層２０（図１）に拡散して、燃料極触媒２６へ向かう。同様に、反応ガスＲ1は、酸素極側１２のチャネル１８を通流し、酸素極触媒２４へ向かって拡散する。酸素極触媒２４および燃料極触媒２６は、それぞれの反応ガスＲ1，Ｒ2に触媒作用を及ぼし、酸素極触媒２４と燃料極触媒２６との間に電流（すなわち、電子の流れ）を発生させる電気化学反応を生じさせる。
【００１２】
一般に、酸素極触媒２４および燃料極触媒２６がそれぞれ電気化学反応で反応ガスＲ1，Ｒ2を消費することに伴って、反応ガスＲ1，Ｒ2の分圧（または、例えばその濃度）は、チャネル１８に沿って入口３８から出口４０へ進むにつれて減少する。チャネル１８に沿った反応ガスＲ1，Ｒ2の分圧、濃度、または他の指標は、周知の方法で測定することができる。
【００１３】
入口３８付近などの燃料電池１０のいくつかの部分においては、分圧は、比較的高く、燃料極触媒２６から酸素極触媒２４へ向かう電子の所望の前進流を発生させる電気化学反応を生じさせる。酸素極触媒２４によって消費される反応ガスＲ1の量は、電子の前進流を発生させるために燃料極２６で必要とされる反応ガスＲ2の閾値の量に対応する。出口４０付近や反応ガスが局所的に偏在した場所付近などの、燃料電池１０の他の部分においては、少なくとも反応ガスＲ2の分圧は、比較的低い。反応ガスＲ2の分圧が（燃料不足などにより）閾値よりも低い場合、電気化学反応は、酸素極触媒２４から燃料極触媒２６へ向かう望ましくない電子の逆流を発生させてしまう。
【００１４】
図示した例においては、燃料電池セル１０の部分４２は、入口３８付近の分圧よりも一般に低いと予想される反応ガスＲ2の分圧または濃度を受ける。この例においては、部分４２は、反応ガスＲ2の閾値の量を予想される反応ガスＲ2の分圧よりも低く維持するように、酸素極触媒２４において電気化学反応で消費される反応ガスＲ1の量を制限する。これにより、燃料極触媒２６から酸素極触媒２４へ向かう望ましい電子の流れを維持するという利点をもたらす。
【００１５】
図３は、反応ガスＲ1の消費を制御する特徴部の一例を示す。この例においては、酸素極側１２は、ＰＥＭ２２と酸素極２４との間にバリア層５４を含む。一例においては、バリア層５４は、炭素イオノマ材料からなる。
【００１６】
バリア層５４は、触媒作用を受けた反応ガスＲ1が酸素極触媒２４からＰＥＭ２２へ向かって質量輸送されることを阻害する（すなわち、ＰＥＭ２２を通過する酸素を制限する）。これにより、電気化学反応で利用可能な触媒作用を受けた反応ガスＲ1の量を減らし、電子の前進流を発生させるために必要とされる反応ガスＲ2の閾値の量を低減させる。これにより、望ましくない電子の逆流が起きないように、部分４２において予想される反応ガスＲ2の分圧よりも反応ガスＲ2の閾値を低く保ち、触媒および炭素保持体の劣化を遅らせるという利点が得られる。
【００１７】
図４は、反応ガスＲ1の消費を制御する他の特徴部を示す。この例においては、酸素極側１２のガス交換層２０は、繊維５８を含むカーボン不織布などの多孔質クロス層５６である。これらの繊維５８の間の孔は、これらの繊維５８の間に、チャネル１８から酸素極触媒２４へ反応ガスＲ1が拡散することを可能にする流路５９をもたらす。目止め剤６０は、これらの孔を通過する反応ガスＲ1の拡散を少なくとも部分的に阻害する。図示した例においては、目止め剤６０は、目止め剤６０を迂回する長い経路に沿って反応ガスＲ1が拡散するようにすることによって、反応ガスＲ1の拡散を妨げる。
【００１８】
一例においては、目止め剤６０は、反応ガスＲ1の流れを制限するのに適した比較的不活性な材料を含む。他の例においては、目止め剤６０は、錫酸化物または他の金属酸化物などの酸化物材料を含む。他の例においては、目止め剤６０は、ポリテトラフルオロエチレンなどの高分子材料を含む。他の例においては、目止め剤６０は、炭素グラファイト材料を含む。
【００１９】
一例においては、目止め剤６０は、雲台プロセスやスクリーンプリンティングプロセスなどの周知の方法で、クロス層５６上に堆積される。
【００２０】
他の例においては、クロス層５６は、部分４２と、燃料電池１０の少なくとも１つの他の部分と、を覆う。クロス層５６の部分４２のみに目止め剤６０が選択的に堆積されるように、他の部分は、目止め剤６０を堆積させる前にマスキングされている。
【００２１】
図５に示す他の例においては、酸素極触媒２４は、燃料電池１０内の酸素極触媒２４の他の部分６２と比較して、触媒の一部６１に、より少ない量の白金などの触媒材料を含む。これによって、電気化学反応で利用可能な触媒作用を受けた反応ガスＲ1の量を減らし、上記の電子の前進流を発生させるために必要とされる反応ガスＲ2の閾値の量を低減させる。
【００２２】
一例においては、触媒材料は、炭素保持体上に周知のように堆積される。一例においては、堆積速度は、炭素保持体上に所望の量の触媒材料が堆積されるように制御される。いくつかの例においては、炭素保持体の選択された部分は、炭素保持体の異なる領域に異なる量の触媒材料が含まれるようにマスキングされている。
【００２３】
図６は、流れ場の修正された部分４２の一例を示す。この例においては、部分４２のチャネル１８’が第１の幅Ｗ1を含む。部分４２より上流の流れ場の他の部分６６においては、チャネル１８は、第１の幅Ｗ1よりも小さい第２の幅Ｗ2を有する。一例においては、部分４２と部分６６とは、ピッチ（すなわち、チャネル１８の幅とチャネル壁１７の幅とを足し合わせた幅Ｐ）が同じであるが、チャネル幅が異なる。
【００２４】
図示した例においては、部分４２における比較的幅の広いチャネル１８’と比較的幅の狭いチャネル壁１７’とによって、電気化学反応に利用可能な触媒作用を受ける反応ガスＲ1の量を減らし、これによって、電子の前進流を発生させるために必要とされる反応ガスＲ2の閾値の量を低減させる。
【００２５】
周知のように、電気化学反応によって副生成物の水が生成される。この水は、多孔質流れ場プレート１６においては、周知のように、チャネル壁１７の領域に亘って除去され（水の除去率は、チャネル壁１７の面積に対応する）、反応ガスＲ1が酸素極触媒へ拡散することを可能にする。従って、過剰な水は、反応ガスＲ1が酸素極触媒２４へ拡散することを制限してしまう。図示した例においては、部分４２における比較的幅の狭いチャネル壁１７’は、部分６６における比較的幅の広いチャネル壁１７よりも、水が除去されないように抵抗し、反応ガスＲ1が酸素極触媒２４へ拡散することを阻止して反応ガスＲ1の消費を制限し、部分４２における反応ガスＲ2の予想される分圧よりも低い値に反応ガスＲ2の閾値を保つ。
【００２６】
図７Ａは、他の例における部分４２を示す。この例においては、部分４２のチャネル１８’は、平行である。周知のように、平行チャネル構成内で反応ガスＲ1の酸素極触媒２４への質量輸送を行う主な手段は、拡散である。部分４２より上流の流れ場の他の部分７０においては、チャネル１８は、交差指型に構成されている。周知のように、交差指型チャネルの構成においては、反応ガスＲ1の酸素極触媒２４への質量輸送を行う主な手段は、強制対流である。
【００２７】
図７Ｂは、図７Ａに示す断面線７Ｂ−７Ｂに沿って切り取った部分４２のチャネル１８’のチャネル深さＤ1を示し、図７Ｃは、図７Ａに示す断面線７Ｃ−７Ｃに沿って切り取った部分７０のチャネル深さＤ2を示す。図示した例においては、チャネル深さＤ1は、チャネル深さＤ2よりも浅い。
【００２８】
図示した例においては、部分４２に沿って選択されたチャネルにおける平行構成および浅いチャネル深さＤ1は、部分７０よりも少ない量の反応ガスＲ1を部分４２に流入させ、これにより、電気化学反応で利用可能な反応ガスＲ1の量を減らし、電子の前進流を生じさせるのに必要とされる反応ガスＲ2の閾値の量を低減させる。
【００２９】
いくつかの例においては、部分４２における平行構成および浅いチャネル深さＤ1は、低い電流密度における燃料電池１０の性能にわずかな影響を及ぼすが、部分４２における電流密度を比較的高い電流レベルで制限する。
【００３０】
図８は、修正した燃料電池１０の一例を示す。この例においては、燃料電池１０は、周知の冷却剤を運ぶための冷却通路８０を備える。冷却剤は、入口８２を介して冷却通路８０に流入し、出口８４を介して流出する。図示した例においては、冷却通路８０は、蛇行構成として概略的に示されている。いくつかの例においては、冷却通路８０は、流れ場プレート１６内に、図１の点線で示すように形成されている。
【００３１】
図示した例においては、冷却剤が冷却通路８０を通流し、電気化学反応によって発生した熱を除去する。一般に、燃料電池１０の温度は、入口３８から出口４０へ向かって上昇する。温度の上昇は、電気化学反応の反応速度を高め、電子の前進流を発生させるのに必要とされる反応ガスＲ2の閾値の量を高めてしまう。この例において、部分４２は、入口８２の付近に配置され、第２の部分８６は、入口８２からさらに離れて位置する。一般に、冷却剤の温度は、入口８２から出口８４へ進むにつれて、冷却剤が周囲から熱を吸収することに伴って上昇する。入口８２付近に部分４２を有することによって、部分４２は、燃料電池１０の他の部分によって既に加熱された冷却剤ではなく、比較的低い温度の冷却剤を受ける。一例においては、冷却通路８０は、部分４２の温度を、部分４２から反応ガスＲ2の流れ方向で上流に存在する部分８６よりも低温に保つ。これは、典型的な構成とは反対の温度変化をもたらす。さらに、この例は、部分４２における電気化学反応を遅くし、電子の前進流を維持するのに必要とされる反応ガスＲ2の閾値の量を低減させる。
【００３２】
開示例は、反応ガスＲ2の分圧が比較的低くなると予想される燃料電池１０の部分において、反応ガスＲ1の消費を制限し、燃料極触媒２６から酸素極触媒２４へ向かう電子の所望の前進流を維持する。いくつかの開示例においては、上記の特徴部は、燃料不足の状況での閾値を低くすることによって、比較的高い燃料利用率での燃料電池１０の動作の安定性を高めることができ、低〜中程度の電流密度における性能に大きな悪影響を与えることがない。
【００３３】
図示した例に特徴の組合せが示されているが、本発明の様々な利点を実現するために、これらの特徴のすべてを組合わせる必要はない。言い換えれば、本発明の実施例に従って設計されたシステムは、いずれか１つの図に示される特徴のすべて、または各図に概略的に示される部分のすべてを含む必要はない。さらに、一実施例の選択された特徴を他の実施例の選択された特徴と組合わせることができる。
【００３４】
前述の説明は、例示するためのものであり、本質を限定するものではない。当業者であれば、本発明の本質を逸脱することなく、いくつかの修正および変更がなされ得ることを理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】燃料電池セルスタックの選択された部分を概略的に示す図。
【図２】消費される反応ガスの量を制限する特徴部を有する実施例を示す図１の線５−５に沿って切り取った断面図。
【図３】他の実施例を図１と同様に示す断面図。
【図４】目止め剤を有するガス交換層の実施例を示す断面図。
【図５】少ない量の触媒材料とした触媒の実施例を示す断面図。
【図６】幅が変化するチャネルを有する実施例を示す断面図。
【図７Ａ】交差指型チャネルおよび平行チャネルを有する実施例を示す断面図。
【図７Ｂ】平行チャネルのチャネル深さを示すように図７Ａに示す線７Ｂ−７Ｂに沿って切り取った断面図。
【図７Ｃ】平行チャネルのチャネル深さを示すようにず図７Ａに示す線７Ｃ−７Ｃに沿って切り取った断面図。
【図８】冷却通路を有する実施例を示す断面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【国際調査報告】
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