(57)【要約】  改質用の触媒部材は、外部表面の領域を増やして触媒の利用率を高めるために、その外部表面が複数の尾根領域と複数の谷領域を有する細長い基体である。
2009515698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を改質する改質用の触媒部材であって、
外部表面の表面積を増やして触媒の利用率を高めるために、前記外部表面が複数の尾根領域と複数の谷領域とを有する、細長い基体であることを特徴とする改質用の触媒部材。
【請求項２】
前記複数の尾根領域と複数の谷領域とは、前記基体の周囲に連続して続いており、それぞれの領域が前記基体の長さ方向に沿って延びていることを特徴とする請求項１に記載の改質用の触媒部材。
【請求項３】
前記基体は実質的に円柱形状であり、前記複数の尾根領域と複数の谷領域は、前記基体が星状の断面を有するようになっていることを特徴とする請求項２に記載の改質用の触媒部材。
【請求項４】
前記複数の尾根領域と複数の谷領域は、丸くされていることを特徴とする請求項３に記載の改質用の触媒部材。
【請求項５】
前記基体は、赤外線で乾燥されたものと、赤外線で乾燥された押出物とのうちの１つであることを特徴とする請求項４に記載の改質用の触媒部材。
【請求項６】
前記押出物は、触媒粉末と、担体媒体を含むバインダーとを含む生地から成形されることを特徴とする請求項５に記載の改質用の触媒部材。
【請求項７】
前記触媒粉末は、ニッケル、酸化ニッケル、アルミナ、ジルコニア、および、セラミック担体の混合物のうちの１つまたはそれ以上を含むことを特徴とする請求項６に記載の改質用の触媒部材。
【請求項８】
前記基体は、赤外線で乾燥されたものと、赤外線で乾燥された押出物とのうちの１つであることを特徴とする請求項１に記載の改質用の触媒部材。
【請求項９】
外部表面の表面積を増やして触媒の利用率を高めるために、前記外部表面が複数の尾根領域と複数の谷領域とを有する、細長い基体である改質用の触媒部材と、
前記改質用の触媒部材が配置された燃料電池の電流コレクタと、
を有することを特徴とするアセンブリ。
【請求項１０】
前記燃料電池の電流コレクタは、１つまたはそれ以上のうねを有し、前記改質用の触媒部材は前記１つまたはそれ以上のうね中に配置されていることを特徴とする請求項９に記載のアセンブリ。
【請求項１１】
更に、
アノードと、
カソードと、
前記アノードおよび前記カソードの間に配置された電解質マトリクスと、を有し、
前記燃料電池の電流コレクタは、アノード電流コレクタであり、前記アノードに隣接して配置され、前記燃料電池の電流コレクタの複数のうねが燃料ガスを通過するための複数の流路を形成していることを特徴とする請求項１０に記載のアセンブリ。
【請求項１２】
前記基体は、赤外線で乾燥されたものと、赤外線で乾燥された押出物とのうちの１つであることを特徴とする請求項１１に記載のアセンブリ。
【請求項１３】
前記複数の尾根領域と複数の谷領域は、前記基体の周囲に連続して続いており、それぞれの領域が前記基体の長さ方向に沿って延びていることを特徴とする請求項１２に記載のアセンブリ。
【請求項１４】
前記基体は実質的に円柱形状であり、前記複数の尾根領域と複数の谷領域は、前記基体が星状の断面を有するようになっていることを特徴とする請求項１３に記載のアセンブリ。
【請求項１５】
前記改質用の触媒部材を前記電流コレクタに接着する接着剤を更に有することを特徴とする請求項１４に記載のアセンブリ。
【請求項１６】
前記押出物は、触媒粉末と、担体媒体を含むバインダーとを含む生地から成形されていることを特徴とする請求項１５に記載のアセンブリ。
【請求項１７】
前記触媒粉末は、ニッケルと、酸化ニッケルと、アルミナと、ジルコニアと、セラミック担体の混合物とのうちの１つまたはそれ以上を含むことを特徴とする請求項１６に記載のアセンブリ。
【請求項１８】
前記基体は、赤外線で乾燥されたものと、赤外線で乾燥された押出物とのうちの１つであることを特徴とする請求項９に記載のアセンブリ。
【請求項１９】
燃料を改質する改質用の触媒材料を提供する提供工程と、
前記改質用の触媒材料を、細長い基体を有する改質用の触媒部材に成形する成形工程であって、前記細長い基体の外部表面の表面積を増やして触媒の利用率を高めるために、前記細長い基体の外部表面が複数の尾根領域と複数の谷領域とを有する、前記成形工程と、
を有することを特徴とする方法。
【請求項２０】
前記提供工程は、少なくとも触媒と、担体媒体を含むバインダーとを用いて触媒混合物を調製する調製工程を有し、
前記成形工程は、前記触媒部材を成形するために内部表面を前記基体の前記外部表面に一致させた口径を有するダイヘッドを備えた押出機を使用して前記触媒混合物を押し出す押出工程を有する、ことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記成形工程は、更に、赤外線を使用して前記触媒部材を乾燥する乾燥工程を有することを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記担体媒体は水を含んでいることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記成形工程は、前記乾燥工程の前に、前記触媒部材を燃料電池の電流コレクタの上に充填する充填工程を含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記成形工程は、更に、前記充填工程の前あるいは前記充填工程において、前記触媒部材が存在するまたは充填される前記燃料電池の電流コレクタの領域に接着剤を塗布する塗布工程を含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記燃料電池の電流コレクタは、１つまたはそれ以上のうねを有し、前記うねの１つまたはそれ以上に前記充填されることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記充填工程は、前記燃料電池の電流コレクタを、コンピュータで制御されたＸ−Ｙテーブル上を移動させる移動工程を含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記成形工程は更に、前記充填の後で前記燃料電池の電流コレクタを圧縮する圧縮工程を含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記成形工程は更に、前記燃料電池の電流コレクタの前記圧縮工程の後に焼成する焼成工程を含むことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
電解質マトリクスがアノード電極とカソード電極との間に置かれるように前記アノード電極と前記電解質マトリクスと前記カソード電極とを組み立て、前記アノード電極に隣接して前記燃料電池の電流コレクタを配置し、追加のコンポーネントを加えて燃料電池を形成すために組立工程と、
前記燃料電池を駆動する駆動工程と、
を更に有することを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
燃料を改質する改質用の触媒材料を提供する提供工程と、
前記改質用の触媒材料から改質用の触媒部材を成形する成形工程と、
前記改質用の触媒部材を赤外線を使用して乾燥する乾燥工程と、
を有することを特徴とする方法。
【請求項３１】
前記提供工程は、少なくとも１つの触媒と担体媒体を有するバインダーを混合することによって触媒材料を調製する工程を有することを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記担体媒体は水を含んでいることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
燃料を改質する改質用の触媒材料を提供する供給部と、
前記改質用の触媒材料から細長い基体を有する改質用の触媒部材を成形するユニットであって、前記細長い基体の前記外部表面の表面積を増やして触媒利用率を高めるために、前記細長い基体の外部表面が複数の尾根領域と複数の谷領域とを有する、前記ユニットと、を有することを特徴とするシステム。
【請求項３４】
前記供給部は、前記触媒材料を成形するために触媒と担体媒体を有するバインダを混合するためのミキサーを有し、
前記ユニットは、内部表面が前記細長い基体の外部表面に一致する口径を有するダイヘッドを備えた押出機を含んでおり、前記押出機は、前記触媒材料を受け取って、前記受け取った触媒材料を前記ダイヘッドの前記口径から押し出して前記触媒部材を成形することを特徴とする請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
前記ユニットが更に、前記触媒部材を乾燥するために赤外線を使用する赤外線乾燥アセンブリを有することを特徴とする請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記担体媒体は水を含んでいることを特徴とする請求項３５に記載のシステム。
【請求項３７】
前記ユニットは、前記燃料電池の電流コレクタを保持する充填アセンブリを含んでおり、前記触媒部材が前記押出機によって成形され、前記成形された触媒部材が前記乾燥アセンブリによって乾燥される前に前記燃料電池の電流コレクタが前記触媒部材を受け取ることを特徴とする請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
前記ユニットは、前記触媒部材が置かれるまたは充填される、前記燃料電池の電流コレクタの領域に、接着剤を供給する接着剤供給部を更に有することを特徴とする請求項３７に記載のシステム。
【請求項３９】
前記燃料電池の電流コレクタには、１つまたはそれ以上のうねを有し、前記充填は、前記うねの１つまたはそれ以上の中になされることを特徴とする請求項３８に記載のシステム。
【請求項４０】
前記充填アセンブリは、前記電流コレクタが配置されているコンピュータで制御されたＸ−Ｙテーブルを含んでいることを特徴とする請求項３９に記載のシステム。
【請求項４１】
前記ユニットは、更に前記燃料電池の電流コレクタの充填後に前記燃料電池の電流コレクタを圧縮する圧縮アセンブリを含むことを特徴とする請求項４０に記載のシステム。
【請求項４２】
燃料を改質する改質用の触媒材料を提供する供給部と、
前記触媒材料を改質用の触媒部材に成形するユニットと、
前記触媒部材を乾燥するために赤外線を使用する赤外線乾燥アセンブリと、
を有することを特徴とするシステム。
【請求項４３】
前記触媒材料は、少なくとも触媒と、担体媒体を有するバインダーとの混合物であることを特徴とする請求項４２に記載のシステム。
【請求項４４】
前記担体媒体は水を含むことを特徴とする請求項４３に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に燃料電池とともに使用する改質触媒に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気化学反応によって直接炭化水素燃料に貯蔵された化学エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。一般に、燃料電池は、電解質によって分離されたアノードとカソードを含み、電解質は、電気的に帯電されたイオンを伝導するために使用される。有用な電力レベルを生成するために、複数の独立した燃料電池が各燃料電池間に電気伝導性分離板を挟んで連続的に積層される。
【０００３】
内部改質燃料電池では、改質触媒は、燃料電池積層体内に配置され、高価で複雑な改質装置を必要とせずに、メタン、石炭ガスなどの炭化水素燃料の直接使用を可能する。改質反応では、燃料電池が生成した水と熱は改質反応によって使用されて、燃料が内部改質されて、燃料電池で使用する水素を製造する。したがって、吸熱の改質反応は、燃料電池積層体を冷却するために有利に使用することができる。
【０００４】
２つの異なるタイプの直接燃料電池アセンブリが開発されている。第１タイプの改質は、間接内部改質であり、改質触媒を積層体中で隔離しているチャンバ内に配置し、改質ガスをチャンバから燃料電池のアノード空間に送ることによって実行される。第２タイプの改質は、直接内部改質である。このタイプの改質は、活動中のアノード空間中に改質触媒を配置することによって実行され、アノード空間では、改質反応によって製造された水素が直接アノードへ提供される。特に、直接内部改質用改質触媒は、通常、アノード空間のアノード電流コレクタのうね（波形状物：corrugation）中に配置される。改質触媒は、通常、錠剤、ペレット、ロッド、リングまたは球形態など様々に圧密された固体形状で利用可能である。うね状（波形の：corrugated）のアノード電流コレクタ中にこのタイプの触媒を組み込む通常の技術は、米国特許第４,７８８,１１０号公報に記載されている。しかしながら、この技術は、自動化するのが難しく、触媒粒子が小さいサイズであるので費用対効果がよくない。そのうえ、これらの技術を使用するアノード電流コレクタに置かれた触媒は、アセンブリ、取り扱い、輸送、操作の間にしばしばずれるまたはこぼれる。
【０００５】
これらの欠点を克服するために、本明細書と同じ譲受人に譲渡された米国特許出願公開第２００４/０１５７１０４号は、連続したコード（ひも）として押出加工で成形された改質触媒と、この触媒を電流コレクタに充填する方法を開示する。この充填はＰＣコントローラと、ノズルまたはヘッドを有する押出機と、Ｘ−Ｙ位置テーブルとを使用して、その場で自動的に行われる。しかしながら、米国特許出願公開第２００４/０１５７１０４号公報の方法を使用して成形された触媒コードは、触媒の所望の利用を提供する活性表面積を有するもののより良い利用を提供するためには活性表面積を更に増加させる必要がある。また、この方法で調製された押出加工触媒は、しばしば、アノードのうねとの接着が強くないので、ゆがんでうねから触媒が外れて落下する場合がある。したがって、触媒とうねとの間に強い結合を提供することが望まれる。
【特許文献１】米国特許第４,７８８,１１０号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００４/０１５７１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の目的は、拡散と触媒活性とが改善された改質触媒の押出品を提供することである。
【０００７】
また、本発明の目的は、材料コストを削減した触媒押出品を提供することである。
【０００８】
更なる本発明の目的は、触媒とアノード電流コレクタのうねとの間の接着特性を改善する触媒押出品の充填方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明の要約
本明細書の以下に記載された本発明の実施例によると、上記および他の目的は、改質用の触媒部材が、外部表面の表面積を増やして触媒の利用率を高めるために、前記外部表面が複数の尾根領域と複数の谷領域とを有する細長い基体であることにより実現される。開示された実施例では、複数の尾根領域と複数の谷領域とは、前記基体の全周囲に連続して続いており、それぞれの領域は丸くされた尾根を有し、前記基体の長さ方向に沿って延びている。開示された実施例では、細長い基体は円柱形状であり、複数の尾根領域と複数の谷領域が連続することにより星状の断面を有する円柱形状の基体がもたらされる。
【００１０】
さらに、改質用の触媒部材を成形するための押出物アセンブリと方法が開示される。押出物アセンブリは、機械プレスとノズルを有するダイヘッドを使用し、このノズルの口径は、所望の触媒部材を実現するように上記説明した断面を有する。この方法は、触媒と担体中のバインダーを使用して触媒混合物を調製する調製工程と、触媒混合物を機械プレスとダイヘッドを使用して押し出して触媒部材を成形する成形工程と、アノード電流コレクタの予め選択された流路に触媒部材に充填する充填工程とを使用する。
【００１１】
触媒部材の充填工程は、触媒部材が機械プレスによって成形されたとき、触媒部材が予め選択された流路中に並べられるように触媒混合物の押し出しを同時に実行し得る。充填工程は、サーボ駆動とソフトウェアで制御されたＸ−Ｙテーブルを使用して実行することができる。
【００１２】
触媒部材を成形し触媒部材を充填する方法は、更に、充填工程に続いて乾燥工程の前にローラプレスを使用してアノード電流コレクタを圧縮する圧縮工程と、乾燥工程に続いて触媒部材を焼成する焼成工程とを含む。焼成工程は、燃料電池中でその場で実行される。
【００１３】
本発明の更なる態様では、触媒部材の乾燥工程は、電流コレクタへの接着剤の塗布が実行される充填工程の前に赤外線を使用して行われる。
【００１４】
この電流コレクタを組み込む直接改質燃料電池もまた開示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の上記および他の特徴と態様は、添付の図面に関連して以下の詳細な記載を読むことによりより明らかとなるであろう。
【００１６】
図１は、燃料電池アセンブリの一部を示す断面図である。図示されているように、燃料電池アセンブリ１は、電解質マトリクス４によって分離されたアノード電極２とカソード電極３を含む燃料電池１ａを備えている。また、燃料電池１ａは、燃料ガスのガス流路５ａと酸化剤ガスのガス流路６ａをそれぞれ形成するアノード電流コレクタ５とカソード電流コレクタ６とを含んでいる。図１に示される例示の例では、アノード電流コレクタ５とカソード電流コレクタ６は、うね状（波形の：corrugated）の電流コレクタである。また、燃料電池アセンブリ１は、アセンブリの隣接する燃料電池を互いに分離している複数のバイポーラ型分離板１０を含んでいる。図１では、バイポーラ型分離板１０ａは、燃料電池１ａのアノード面に隣接する燃料電池から燃料電池１ａのアノード２とアノード電流コレクタ５を分離し、一方、バイポーラ型分離板１０ｂは燃料電池１ａのカソード側に隣接する燃料電池からカソード３とカソード電流コレクタ６を分離する。
【００１７】
また、図示された場合では、アセンブリ１は、うね状のアノード電流コレクタ５からアノード電極２を分離するアノード支持部材１２を含んでいる。また、図示されたように、うね状のアノード電流コレクタ５は、アノード電流コレクタ５とバイポーラ型分離板１０ａの間でアノード電流コレクタ５のうね（波形状物：corrugation）によって画定された空間あるいは流路５ａ中に直接改質触媒を複数の改質用の触媒部材１４の形態で収容している。
【００１８】
図１では、改質用の触媒部材１４は、それにより触媒の利用率と効率を高めるために増加した表面積を提供する形状を有する。特に、この例示の実施例では、各改質用の触媒部材１４は、多くの尾根領域と谷領域を含む外側表面１４Ｂを有する細長い基体１４Ａを含んでいる。また、本例示の場合では、細長い基体１４Ａもまた実質的に円柱状である。
【００１９】
図２は、細長い基体１４Ａの長さ方向を横に切り取った各改質用の触媒部材１４の断面図を示している。図から分かるように、細長い基体１４Ａの外部表面１４Ｂは、細長い基体の周囲の周りに複数の尾根領域１５と複数の谷領域１６の連続を有する。各領域は、頂点が丸くされており、領域の連続は、結果として細長い基体１４Ａが星状の断面となっている。図示された特別の場合において、６点の星の断面が得られる６つの尾根領域１５と６つの谷領域１６がある。しかしながら、尾根領域と谷領域の数は、例えば、細長い基体１４Ａの断面サイズや厚さおよび製造の便利さなどのさまざまな要素に依存して変わり得る。
【００２０】
理解されるように、複数の尾根領域１５と複数の谷領域１６を有する細長い基体１４Ａの形状は、触媒部材１４の幾何学上の表面積を増加させる。このことは、燃料電池１のアノード電流コレクタ中の流路５ａを通過する燃料ガスが増加した表面積に晒されて、それにより、より多くの燃料ガスが改質される。その結果、燃料改質に必要な触媒量が減少し(約１０％の減少)、燃料電池アセンブリの製造および稼働用の材料コストが低減する。
【００２１】
図３は、改質用の触媒部材１４を製造し、アノード電流コレクタ５の流路またはチャネル５ａ中に成形された改質用の触媒部材を充填するするための押出物アセンブリ２１Ａを含むシステム２１を示している。押出物アセンブリ２１Ａは、ＰＣコントローラ２２と、ノズルまたはヘッド２５を有する押出機２４と、Ｘ−Ｙ位置テーブル２６とを含んでいる。図４に示されるように、その形状が図２に示された触媒基体１４Ａの星状断面形状に対応するノズル２５は、細長い筒状の中央口径（ボア）２５ａを含んでいる。その結果、以下により詳細に記載されるように、触媒混合物はノズル２５の口径２５ａを通して押し出されると、得られる触媒部材１４は、図２に示される断面形状を有する細長い円柱状の触媒基体１４Ａを有する。
【００２２】
図３のアセンブリの操作において、電流コレクタ板５は、押出機のノズル２５に向かって面している流路５ａを画定する、うねあるいは脚を有するＸ−Ｙテーブル２６に最初に配置される。特に、Ｘ−Ｙテーブル２６が電流コレクタ板５の所望の流路５ａ中に押し出された触媒部材１４を導くために所与のスピードとパターンで移動すると、押出機２４は、充填材料からノズル２５を通って触媒部材１４を押し出す。押し出された部材１４は、好ましくは１２インチ以上の長さである。
【００２３】
Ｘ−Ｙテーブル２６の移動速度は、触媒基体１４Ａの押出速度と必要な直径に基づいて決定される。続いてＸ−Ｙテーブル２６の移動速度は、所望の充填パターンに基づいて設計される。理解されるように、充填プロセスの最適化のためにコンピュータソフトウェアにより各種の充填パターンを作ることができる。
【００２４】
充填材料の生地５０Ａは触媒粉末と高分子バインダからなる触媒材料５０から形成される。これらの材料は、触媒充填材料の生地５０Ａとして均一に押出可能な混合物を成形するためにミキサー２８で混ぜられるまたは混合される。ミキサー２８は、衛星ミキサーあるいはシグマミキサーなどの高速せん断ブレードミキサーであり得る。押出可能な混合物について以下に詳細に議論される。
【００２５】
混合手順により充填材料の生地５０Ａが形成された後で、生地は押出物の押出機２４に移される。上記説明されたように、生地が押出機２４の作動により押出機ノズル２５を通して押し出されると、触媒部材１４が成形される。押出機２４はピストン形式あるいはスクリュ式の押出機であり得る。また、上記説明されたように、押出物は、Ｘ−Ｙテーブル２６の移動により、電流コレクタ板５の流路５ａに導かれる。
【００２６】
各押し出された基体１４Ａのピークからピークまでの直径は、電流コレクタの幾何学形状に依存するが、ノズルサイズ、押出し速度、および生地の粘性によって制御し得る。好ましくは、直径は、電流コレクタ５の流路５ａを形成する隣接する脚またはうねの間で基体を捕えるように選択される。
【００２７】
図５のシステムは、また、改質用の触媒部材１４は、燃料電池の予め決められた領域で冷却を実現するように、アノード電流コレクタの領域に依存して、異なる密度でアノード電流コレクタ５に充填される等級別の触媒充填を実現するように操作することができる。そのような等級別の触媒充填の例は、共通に譲渡された米国特許出願第１０/２６９,４８１号に記載されており、その全体の開示は参照によりここに合体される。例えば、等級別の触媒充填は、流路５ａを選択的に充填することにより実現することができる。特に、異なる密度の充填を実現するために触媒は、電流コレクタの異なる領域の１つおきの流路中にあるいは２つおきの流路中に充填され得る。
【００２８】
上記は、システム２１を使用して改質用の触媒部材１４の成形の一般的な記載を提示した。システム２１の操作のより詳細な記載と得られる電流コレクタに充填された改質触媒の追加の処理は、以下に続いて記載される。図５は方法のフローチャートを示している。
【００２９】
ステップＳ１において、触媒充填材料または生地の混合物５０Ａは、触媒の予め決められた量と担体媒体を含むバインダーの予め決められた量を使用することで調製される。通常の触媒粉末は、ニッケル、アルミナあるいはジルコニアまたはこれらの粉末混合物上に担持された酸化ニッケルまたはセラミック担体を含んでいる。触媒が２種以上の触媒粉末を含む場合、これらの触媒粉末は、最初に少なくとも３分間混合されて、均一な乾燥した混合触媒粉末を形成する。バインダーは、好ましくは、ＰＶＡ５２３を２.９６wt％とＰＶＡ２０３を５.９０wt％とグリセリンを８.７８wt％と防腐剤を０.１３wt％と担体媒体として水を８２.２wt％とを含むカムガー（Camger）１３２-０４材料を含む。触媒混合物中の触媒粉末とバインダーの重量比は、約１.４５:１またはそれより大きい。さらに、酢酸などの溶媒の予め決められた量は、触媒混合物を調製するために使用され得る。
【００３０】
この例示の例では、触媒混合物は、触媒粉末(予め定められた粒度分布を有する)１０００ｇ、バインダー６８９ｇ、および酢酸１０グラムをミキサー２８を使用して混合することにより調製される。特に、最初に、触媒粉末は、ミキサーの混合ボウル中に置かれ、酢酸が流量ポンプあるいはディスペンサボトルを使用して混合ボウル中の触媒粉末に添加される。触媒粉末を酢酸と混合するために、ミキサーを約３０秒間、２０Hzの速度で稼働する。その後、ミキサーを停止し、バインダーがミキシングボール中の触媒と酢酸の混合物に加えられる。次に、バインダーは、最初に２０Hzで約３０秒間ミキサーで混合し、その後、約４分間または２４０秒、１００Hzまでミキサー速度を上げて混合する。混合プロセスの間、ミキサーは、ミキサー１８と統合されているミキサーチラー１８Ａを用いて、華氏５０〜６５度の温度に維持される。バインダーが触媒と酢酸の混合物と混合されると、得られる触媒調合物は、約３０ｃｐｓの粘性を有する生地形態５０Ａとなる。
【００３１】
第２ステップＳ２では、触媒混合物は、押出機２４、この場合、機械プレス押出機を用いて押し出され、触媒部材１４を成形する。２５０００ポンドまたはそれ以上の範囲を有する機械プレス押出機は、触媒混合物の押し出しに適している。特に、触媒混合物は、最初に、その中にあるエアポケットを取り除くために混練され、次に、押出機の押出シリンダ中に置かれる。シリンダが機械プレス押出機中に設置され、上記説明されたように、図４に示されるような構造物を有する押出は、触媒混合物がノズル２５を通過できるようにシリンダ中の力を１５０００ポンドまで増加させることによって実行される。
【００３２】
触媒部材１４が第２ステップで成形されると、次のステップＳ３では、触媒部材１４は、同時に、ＰＣで制御されたＸ−Ｙテーブル２６を通して触媒部材１４を電流コレクタの流路５ａ中に配置することによって、アノード電流コレクタ５中に充填される。本例示の場合には、ジェミニサーボ駆動機構およびデルタ・タウ（登録商標）Ｐmac−Ｖ２.３６ソフトウェアは、この自動化されたプロセスに適している。
【００３３】
この点まで、図４の方法は、システムアセンブリ２１の操作に関して上記説明したようなステップを記載している。続く説明は、電流コレクタ５に充填された改質触媒を処理するための追加のステップとステップＳ３の修正とを含んでいる。
【００３４】
特に、接着剤は、押し出された触媒を堆積する前あるいは堆積するのと同時に電流コレクタ５の流路５ａに塗布され得る。図５のシステムでは、接着剤供給３１は、改質触媒を受け入れる流路５ａのすぐ前方で流路５ａに接着剤を塗布するために配置されている。このように、Ｘ−Ｙテーブル２６が触媒押出品を受け取るためにライン中の次の流路に移動するようにシフトすると、この流路は接着剤が既に塗布またはコーティングされている。次に、接着剤は、得られる触媒部材１４を電流コレクタチャンネルにより良く接着するように作用するだろう。
【００３５】
カムジャー（Camger）社製１３２-０１材料からなる接着剤は、供給部３１用の接着剤として使用するのに適している。カムジャー社製１３２-０１接着剤は、ＰＶＡ５２３を５wt％、ＰＶＡ２０３を１１wt％、グリセリンを１６.３wt％、防腐剤を０.２１wt％、および６７.４９wt％の水を含む。
【００３６】
改質用の触媒部材が、アノード電流コレクタ５によって形成された、予め選択された流路中に充填された後で、アノード電流コレクタ５は、第４のステップＳ４でローラプレスを使用して圧縮される。これは、図６に例示され、電流コレクタ５に充填された触媒が触媒の星状断面を変更すること無しにローラプレスによって圧縮されることが示される。図６では、ローラプレスのローラ６１と６２だけが実際に示されている。特に、ローラ６１と６２は、電流コレクタの流路５ａの表面に対する触媒部材１４の必要な圧縮を提供するために、その間で電流コレクタ５とともに水平方向の移動を受ける。また、この処理の間、コレクタを保護するために、コレクタ５の上方に適用されたプラスチックのさや６３が示されている。理解されるように、このやり方で電流コレクタ５を圧縮すると、触媒部材１４が流路中に接着剤を押し込み、部材が、より良く流路に接着して流路に保持される。
【００３７】
次のステップＳ５では、電流コレクタ５に充填された触媒は、触媒部材１４を乾燥する加熱プロセスに晒される。これは、図７で加熱および乾燥アセンブリ７１により示される。図示さるように、乾燥アセンブリ７１は、棚７３を有するラック７２を含んでいる。ラックの代替の棚の上に、触媒が充填された電流コレクタ５と間隔をあけて配置された赤外線(ＩＲ)加熱ユニット７４のアセンブリが配置される。加熱ユニットは電力供給部７５から電流を供給される。これにより、ユニットが赤外線エネルギーの照射を受け、次に、電流コレクタ５中の改質用の触媒部材を加熱して触媒部材を乾燥する。
【００３８】
加熱時間は、通常、約１２分である。また、加熱ユニットはカラー温度タイプの赤外線ヒーターであり得る。特に、フォストリア（Fostoria）製ＦＨＫ１６００度カラー温度赤外線ヒーターが適切である。
【００３９】
空気は赤外線に対して実際に透明であるので、乾燥アセンブリ７１によって提供された赤外線は、触媒部材の表面に達する前に反射されないし、吸収もされない。その結果、実質的に、すべての赤外線は、触媒部材によって吸収されて熱に変わる。これは、触媒部材を乾燥して、電流コレクタ５の表面への触媒部材の接着を促進する。次に、これは、触媒部材の硬化あるいは電流コレクタからの剥がれを防ぎ、したがって、燃料電池アセンブリの稼働時間の間にわたって改質用の触媒部材の性能を延ばす。
【００４０】
最終工程ステップＳ６では、上記説明されたように、成形されて充填され、アノード電流コレクタ５中で乾燥され、燃料電池１ａに組み込まれた改質用の触媒部材は、燃料電池の稼働間に燃料電池アセンブリ１中でその場で焼成される。この過程で、触媒部材中に存在する有機バインダは除去され、それにより、所望の細孔径と表面積とを有する改質用の触媒部材が得られる。上の方法を使用して調製された改質用の触媒部材と従来の改質触媒の物理的特性を表１にまとめる。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
さらに、図５の方法を用いて成形されてアノード電流コレクタ流路中に充填され、燃料電池アセンブリ中で焼成された改質用の触媒部材の細孔径分布が測定された。細孔径分布は、カムジャー（Camger）社製１３２-０４バインダーを使用することでかなり向上し、高い拡散率と触媒の経時劣化が低い、より小さい細孔を提供した。押し出され焼成された触媒の細孔径分布が図８に示される。図８はこの細孔分布を示す図である。図８では、Ｘ軸は細孔径直径をμｍ単位で示し、Ｙ軸がｍｌ/ｇ単位でｌｏｇ微分侵入を示している。図８に示されるように、平均細孔直径は０.１μｍ未満であり、ピークの細孔径は０.０５〜０.００５μｍの間のサイズである。このような細孔径分布は、触媒部材の定められた細孔構造と安定した改質活性をもたらす。
【００４３】
本発明の改質用の触媒部材１４の性能は、従来の改質触媒の性能と比較された。図９は、図５の方法を使用して調製された改質触媒の相対的な性能を従来の改質触媒の性能と比較された図を示している。図９では、Ｙ軸は、触媒の相対的な性能に直接的に関連する、相対的な触媒の安定性を示している。図から分かるように、本発明に基づいて調製された改質用の触媒部材の相対的な安定性は、従来の触媒の安定性よりも約４〜５倍大きい。本発明の改質触媒の安定性の増加、およびその結果の改善された性能は、上記説明されたように、触媒部材の改良された構造と処理の結果である。
【００４４】
すべての場合において、上記説明された配置構成物は、本発明の応用を示す多くの可能な特定の実施例を単に例示していることが理解される。多くの変形された他の配置構成物は、本発明の趣旨と範囲から逸脱せずに、付随の特許請求範囲に定められるように、本発明の原理に基づいて容易に誘導され得る。例えば、触媒部材１４の尾根領域と谷領域は、星形状以外の断面形状を提供するように変更することができ、尾根と谷によって提供される増加した表面積によって、高められた性能を実現することができる。また、星形状の断面と環状の空隙を有する触媒部材は追加の高められた性能を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の原理に基づいて改質用の触媒部材を有する溶融炭酸塩燃料電池を示す図である。
【図２】図１の改質用の触媒部材の断面を示す図である。
【図３】図１と図２の改質用の触媒部材を成形し、電流コレクタの流路（チャンネル）中に配置するための押出品アセンブリを含むシステムを示す図である。
【図４】図３の押出品アセンブリ中で使用される押出加工ノズルを示す図である。
【図５】図３のシステムを操作し、電流コレクタを充填して得られる改質触媒を更に処理する方法を示す流れ図である。
【図６】図５の方法に基づき、図３のシステムで成形された電流コレクタを加圧する装置を示す図である。
【図７】図５の方法に基づき、改質触媒が充填された電流コレクタを乾燥する乾燥アセンブリを示す図である。
【図８】図５の方法に基づいて成形された改質用の触媒部材の細孔径分布のグラフを示す図である。
【図９】図５の方法に基づいて成形された改質用の触媒部材と従来の改質用の触媒部材の相対的な性能を示す図である。
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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