(57)【要約】燃料セル（９）が、一体化した電極アッセンブリ（１２）を備えており、該電極アッセンブリ（１２）は、膜の両面に配置されたアノード触媒およびカソード触媒（２７，２８）を有した非パーフルオロ炭化水素イオノマ交換膜（２６）を備える。隣接する触媒および任意選択的な副層（２９，３０）の各々が、対応するガス拡散層（３１，３２）によって支持されてもよい。水チャネル（１８，１９，２０）が、膜（２６）を水和し、カソード（２８，３０，３２）から生成水を取り除き、過酸化物基を流し、燃料セルを冷却する。（より高い電流密度において、より高い電圧が得られる）改良された性能（１２４）は、パーフルオロ膜の酸素の溶解度から生じる過酸化物の分解生成物による劣化を無くすことによって達成される。白金／ルテニウム合金のアノード触媒は、パーフルオロ膜で生じる劣化を生じることなく性能を向上させる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜の両面に配置されたアノード触媒（２７）およびカソード触媒（２８）を有するとともに前記触媒の各々の付近に配置された多孔質のガス拡散層（３１，３２）を備えた非パーフルオロ炭化水素イオノマ膜（２６）と、
前記ガス拡散層（３１，３２）の一方に隣接する多孔質かつ親水性の第１の水輸送反応ガス流れ場プレート（１３，１４）と、
前記ガス拡散層（３２，３１）の他方に隣接する第２の反応ガス流れ場プレート（１４，１３）と、
を備える燃料セル（８，９）。
【請求項２】
前記ガス拡散層（３１，３２）は、親水性であることを特徴とする請求項１に記載の燃料セル（８，９）。
【請求項３】
前記触媒（２７，２８）の少なくとも一方と前記流れ場プレート（１３，１４）の対応する一方との間に副層（２９，３０）を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料セル（８，９）。
【請求項４】
前記第２の反応ガス流れ場プレート（１４，１３）は、多孔質かつ親水性の水輸送反応ガス流れ場プレートであること特徴とする請求項１に記載の燃料セル（８，９）。
【請求項５】
前記第２の反応ガス流れ場プレート（１４，１３）は、中実の反応ガス流れ場プレートであること特徴とする請求項１に記載の燃料セル（８，９）。
【請求項６】
前記触媒（２７，２８）の少なくとも一方は、白金合金であることを特徴とする請求項１に記載の燃料セル（８，９）。
【請求項７】
前記触媒（２７，２８）の少なくとも一方は、白金／ルテニウム合金であることを特徴とする請求項１に記載の燃料セル（８，９）。
【請求項８】
前記アノード触媒（２７）は、白金／ルテニウム合金であることを特徴とする請求項１に記載の燃料セル（８，９）。
【請求項９】
膜が、液体相として該膜へ供給された水（１３，１４，２０，３１，３２）で完全に水和した非パーフルオロ炭化水素イオノマ膜（２６）であることを特徴とする燃料電池膜（２６）。
【請求項１０】
液体相として前記燃料セルへ供給された水（２０）によって前記膜（２６）を完全に水和するステップ（１３，１４，３１，３２）を含む非パーフルオロ炭化水素イオノマ膜（２６）を備える燃料セル（８，９）を作動する方法。
【請求項１１】
液体相として前記膜へ供給された水（１３，１４，２０，３１，３２）によって前記膜（２６）を完全に水和するステップ（１３，１４，３１，３２）を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
非パーフルオロ炭化水素イオノマ膜（２６）を備え、
前記燃料セルへ液体相として供給された水（２０）によって前記膜を完全に水和する手段（１３，１４，３１，３２）を備える燃料セル（８，９）。
【請求項１３】
液体相として前記膜（２６）へ供給された水（１３，１４，２０，３１，３２）によって前記膜を完全に水和する手段（１３，１４，３１，３２）を備える請求項１２に記載の燃料セル（８，９）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非パーフルオロ炭化水素イオン交換膜からなる燃料電池の利用と、膜と組み合わされる白金および白金合金の燃料電池触媒に関する。ここで、このイオン交換膜は、フラッディングを防止しながら水和を保証する１つまたは複数の多孔質かつ親水性の水輸送反応ガス流れ場プレートの手段によって実質的に１００％水和されるものである。
【背景技術】
【０００２】
小型でかつ高い電流密度を提供することができるために注目を集めてきた燃料電池は、固体高分子型燃料電池である。この燃料電池は、「陽子交換膜」（ＰＥＭ）燃料電池と呼ばれることも多い。固体高分子電解質であるイオン交換膜は、デュポン社によって登録商標名ＮＡＦＩＯＮとして販売されているようなパーフルオロ炭化水素イオノマを一般に備える。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、これらの膜は、高価であり、酸素溶解度により生じる過酸化形成物およびこれに付随する分解物のために劣化しやすい。さらに、これらの膜を通して水素の一部がカソードへクロスオーバし、燃料電池の効率に悪影響を及ぼす。水素クロスオーバ速度が燃料流速に伴って変化せずに燃料消費の速度がより大きくなるので、これは、（自動車用途において見られることが多い）低電力運転での低反応流速において特に重大である。
【０００４】
陽子交換膜燃料電池スタックは、約１０〜１００ｐｐｍの一酸化炭素を含んだ水素リッチ改質ガス（合成ガス）を供給され得る。一酸化炭素の一部が、アノード触媒の白金に付着し、水素を酸化する白金触媒の部分における能力を妨害し、この結果、燃料電池の性能を低下させる。アノード触媒としての白金／ルテニウム合金の使用は、通常の陽子交換膜燃料電池の運転温度における一酸化炭素に対する耐性を向上させる。しかし、アノード触媒のルテニウムが、不安定であり、膜を通して移動してカソード上に積層されるので、改良された性能は長続きしない。カソード上のルテニウムが、カソードにおける反応を妨害し、燃料電池の性能を低下させる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の特徴は、コストがより低い燃料電池用の陽子交換膜と、一酸化炭素に対する耐久性および抵抗力が改良された燃料電池用の陽子交換膜と、制御が困難である高価な発電装置構成要素を必要としない燃料電池用の低コストでかつ耐久性がより高い陽子交換膜を備えていることである。
【０００６】
安価でかつ耐久性のある非パーフルオロ炭化水素イオノマ膜を備えた燃料電池の電解質は、膜が完全に水和されていないと陽子伝導性が低いために不十分であり、反応ガスの外部加湿による膜の水和によって、付加的な水容積部および制御が困難である追加の高価な装置が必要となるという認識に、本発明は一部基づいている。また、本発明は、非パーフルオロ炭化水素イオノマ膜が、ガス相の水によって水和される場合よりも液体相の水によって水和される場合の方がより良い燃料電池性能をもたらすという発見に一部基づいている。本発明は、入口の反応ガス流を用いて膜を加湿する水を供給するための通常の水和方法が、高価でかつ制御が困難である複雑なガス加湿システムおよび水管理システムを必要とするという認識に一部基づいている。
【０００７】
本発明では、燃料電池内に形成されるとともに非パーフルオロ膜に悪影響を及ぼす過酸化物基の濃度が、冷媒チャネルを通して水出口へ水が通流するときの多孔質かつ親水性の反応ガス流れ場プレート内の水によって下げられることが理解できる。
【０００８】
また、本発明は、非パーフルオロ炭化水素イオノマ膜が、パーフルオロ炭化水素イオノマ膜よりも小さいルテニウム溶解度を備え、性能の損失を伴うこと無くパーフルオロ膜よりも非常に長持ちし、これにより、白金／ルテニウム合金のアノード触媒の改良された性能の恩恵がある。
【０００９】
本発明では、燃料電池の電解質として使用される非パーフルオロ炭化水素イオノマ膜は、液体相の水によって水和される。
【００１０】
本発明では、燃料電池は、１つまたは複数の多孔質かつ親水性の水輸送反応ガス流れ場プレートと組み合わされた非パーフルオロ炭化水素イオノマ膜を使用している。これらの膜は、膜の両側における電解質のフラッディングを生じることなく、かつ流入する反応ガスの外部加湿を行うことなしに、膜の適切な加湿を保証するように設計されている。
【００１１】
本発明では、非パーフルオロ炭化水素イオノマ膜は、任意選択的に薄い副層を備えたアノード側における親水性のガス拡散層とカソード側における類似のガス拡散層との間に挟まれてもよい。
【００１２】
本発明は、水輸送反応ガス流れ場プレートと組み合わされた炭化水素膜を備えた耐久性のある燃料電池ユニットを実現する。
【００１３】
本発明は、反応物の外部加湿と、これに付随する、適切な運転均衡における維持が困難である高価な発電装置構成要素を利用することと、を必要とせずに、非パーフルオロ炭化水素イオノマ膜の適切な性能（陽子伝導性）をもたらす。
【００１４】
炭化水素膜は、水和の変化によって非パーフルオロイオノマ膜よりも大きく伸縮し、これにより、機機械的応力に起因する故障が生じ得る。多孔質かつ親水性の水輸送反応ガス流れ場プレートおよび多孔質ガス拡散層の改良された湿度制御によって、炭化水素膜全体のより完全かつ安定した水和を保証し、これにより、寸法安定性を向上するとともに機械的応力を減少する。
【００１５】
本発明は、低反応物溶解度の恩恵を利用し、燃料電池の加湿された非パーフルオロ炭化水素イオノマ膜の耐久性を向上し、耐久性がありかつ低コストの陽子交換膜燃料電池を実現する。また、本発明は、水素クロスオーバの割合を減少することによって、特に、低電力運転における燃料電池の効率を向上させる。
【００１６】
本発明では、陽子交換膜燃料電池の非パーフルオロ炭化水素イオノマ膜によって、白金だけの場合よりも良い性能を備えてかつ耐久性が下がることのない白金／ルテニウム触媒を使用できる。
【００１７】
本発明の他の特徴および利点は、以下の発明を実施するための最良の形態と照らし合わせることにより、より明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】簡潔にするために断面線を省略した、本発明を用いた燃料セルの断面図である。
【図２】より詳細な図１の燃料セルの図である。
【図３】（ａ）非パーフルオロ炭化水素イオノマ膜および外部の加湿された反応物を消費する中実の反応物流れ場プレートを備えた燃料電池と、（ｂ）非パーフルオロ炭化水素イオノマ膜および本発明による液体水輸送構成要素を備えた燃料電池と、を比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１を参照すると、燃料セル８，９の部分が示されている。各燃料セルは、一体化した電極アッセンブリ１２、多孔質かつ親水性の燃料反応ガス流れ場プレート１３および多孔質かつ親水性の酸化剤反応ガス流れ場プレート１４を備える。燃料反応ガス流れ場プレート１３は、燃料流チャネル１７および溝１８を備えており、該溝１８は、酸化剤反応ガス流れ場プレート１４内の溝１９と組み合わされてチャネル２０を形成する。ここで、チャネル２０は、膜を水和する液体の水用に使用されるとともにカソードから生成水を取り除くために使用される。酸化剤反応ガス流れ場プレート１４は、酸化剤反応ガス流れ場チャネル２３を備える。
【００２０】
チャネル２０は、大きい断面から構成されてもよい。ここで、この大きい断面は、顕熱が水へ移動することによって燃料セルを対流冷却する水を輸送するのに十分な大きさである。これは、冷媒ポンプ、熱交換器および制御部を用いて達成される、もしくは水ポンプを備えずかつ対流循環または他の受動的な水循環に基づいた受動システムで達成される。一方、チャネルは、小さい断面から構成されてもよい。ここで、この小さい断面は、燃料セル間に挿入された個別の冷却プレートを有した燃料電池スタック内の膜を水和する水だけを輸送するのに十分な大きさである。このとき、冷却プレートでは、一般に、グリコールのような凍結点降下混合剤が使用される。この小さいチャネルは、カソードのフラッディングを防止し、膜を水和し、蒸発した水を交換する水だけを輸送する蒸発冷却システムで使用されてもよい。本発明は、上述の形式のシステム全てにおいて使用され得る。
【００２１】
図２を参照すると、一体化した電極アッセンブリ１２が、非パーフルオロ炭化水素イオノマ膜２６を備えており、該非パーフルオロ炭化水素イオノマ膜２６は、その面上にアノード触媒２７およびカソード触媒２８を有する。アノード触媒２７およびカソード触媒２８は、一対の副層２９と副層３０との間に挟まれており、該副層２９および該副層３０は、対応するガス拡散層３１，３２によって支持されている。膜２６は、過フッ素処理されてないので安価であり、潜在的により耐性があり、アノード触媒として様々な白金および白金合金を使用することを補助する。
【００２２】
本発明によると、チャネル２０内を通流する液体の水は、アノード反応ガス流れ場プレート１３およびカソード反応ガス流れ場プレート１４の両方を通して膜を水和する。流れ場プレート１３，１４の多孔性と、孔の大きさと、チャネル２０内の反応ガスと水との間の圧力差は、反応ガスおよび水の両方が一体化した電極アッセンブリ１２内の膜２６に達することを保証するように全てが選択され得る。ガス拡散層３１，３２および副層２９，３０を通る液体の水流は、米国特許出願公開第２００４／０１０６０３４号明細書で説明されている方法で制御され得る。冷媒と水との間の圧力差は、米国特許第５，７００，５９５号明細書で説明されている。
【００２３】
図３を参照すると、非パーフルオロ炭化水素イオノマ膜および中実の反応ガス流れ場プレートを用いた燃料電池の性能プロット１２３が描かれている。性能プロット１２３が得られた運転では、実質的に純水素および空気であった反応物が、６５℃かつ相対湿度が１００％の水によって最終的に飽和された。電圧が、１，０００ｍＡ／ｃｍ2の電流密度において約０．５６Ｖに低下したことがわかる。しかし、本発明による多孔質かつ親水性の水輸送反応ガス流れ場プレート１３，１４および多孔質ガス拡散層３１，３２を備えた非パーフルオロ炭化水素イオノマ膜を用いるとともに性能プロット１２４が得られた燃料電池の運転では、反応物は６５℃の加湿されていないガスで飽和された。本発明を用いた燃料電池の電圧が、約０．６７Ｖより大きい値に留まったことが明らかである。
【００２４】
性能プロット１２３，１２４の両方は、白金アノード触媒を用いて達成された。
【００２５】
副層２９，３０、特に、アノードの副層２９は、水が膜を通過して非パーフルオロ膜２６のアノード側を水和するように、可湿性（親水性）または部分的に可湿性に形成されてもよい。もしくは、副層は、部分的に疎水性（非可湿性）または親水性であるとともに水分の膜への蒸気相輸送に依存してもよい。しかし、このような場合でも、水は多孔質かつ親水性の水輸送反応ガス流れ場プレートを通して液体相として各燃料セルへ供給される。副層における可湿性の調整は、従来技術の分野で知られている様々な方法で達成され得る。これらの方法の１つが、上述の特許出願の段落００５３，００５５（ここでは、拡散層と呼ばれている）において説明されている。所望であれば、副層２９は、アノード側から省略されてもよく、副層３０は、カソード側から省略されてもよい。
【００２６】
所望であれば、本発明は、好ましくはカソード側に１つの中実の反応ガス流れ場プレートを用いて、好ましくはアノード側に１つの多孔質かつ親水性の水輸送反応ガス流れ場プレートを用いて実施されてもよい。
【００２７】
通常の脱イオン装置（脱塩装置と呼ばれることもある）が、冷媒水から過酸化物基を除去するために使用されてもよい。
【図１】
2009539223.tif 000002
【図２】
2009539223.tif 000003
【図３】
2009539223.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成21年1月29日(2009.1.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電解質の両面に配置されたアノード触媒（２７）およびカソード触媒（２８）を有するとともに前記触媒の各々の付近に配置された多孔質のガス拡散層（３１，３２）を備えた非パーフルオロ炭化水素イオノマ膜電解質（２６）と、
前記ガス拡散層（３１，３２）の一方に隣接する多孔質かつ親水性の第１の水輸送反応ガス流れ場プレート（１３，１４）と、
前記ガス拡散層（３２，３１）の他方に隣接する第２の反応ガス流れ場プレート（１４，１３）と、
を備える燃料セル（８，９）。
【請求項２】
前記ガス拡散層（３１，３２）は、親水性であることを特徴とする請求項１に記載の燃料セル（８，９）。
【請求項３】
前記触媒（２７，２８）の少なくとも一方と前記流れ場プレート（１３，１４）の対応する一方との間に副層（２９，３０）を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料セル（８，９）。
【請求項４】
前記第２の反応ガス流れ場プレート（１４，１３）は、多孔質かつ親水性の水輸送反応ガス流れ場プレートであること特徴とする請求項１に記載の燃料セル（８，９）。
【請求項５】
前記第２の反応ガス流れ場プレート（１４，１３）は、中実の反応ガス流れ場プレートであること特徴とする請求項１に記載の燃料セル（８，９）。
【請求項６】
前記触媒（２７，２８）の少なくとも一方は、白金合金であることを特徴とする請求項１に記載の燃料セル（８，９）。
【請求項７】
前記触媒（２７，２８）の少なくとも一方は、白金／ルテニウム合金であることを特徴とする請求項１に記載の燃料セル（８，９）。
【請求項８】
前記アノード触媒（２７）は、白金／ルテニウム合金であることを特徴とする請求項１に記載の燃料セル（８，９）。
【請求項９】
膜電解質が、液体相として該膜電解質へ供給された水（１３，１４，２０，３１，３２）で完全に水和した非パーフルオロ炭化水素イオノマ膜電解質（２６）であることを特徴とする燃料電池膜電解質（２６）。
【請求項１０】
液体相として前記燃料セルへ供給された水（２０）によって前記膜電解質（２６）を完全に水和するステップ（１３，１４，３１，３２）を含む非パーフルオロ炭化水素イオノマ膜電解質（２６）を備える燃料セル（８，９）を作動する方法。
【請求項１１】
液体相として前記膜電解質へ供給された水（１３，１４，２０，３１，３２）によって前記膜電解質（２６）を完全に水和するステップ（１３，１４，３１，３２）を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
非パーフルオロ炭化水素イオノマ膜電解質（２６）を備え、
前記燃料セルへ液体相として供給された水（２０）によって前記膜電解質を完全に水和する手段（１３，１４，３１，３２）を備える燃料セル（８，９）。
【請求項１３】
液体相として前記膜電解質（２６）へ供給された水（１３，１４，２０，３１，３２）によって前記膜電解質を完全に水和する手段（１３，１４，３１，３２）を備える請求項１２に記載の燃料セル（８，９）。
【国際調査報告】
2009539223.tif 000005