(57)【要約】【課題】燃料電池システム及び方法を提供する。【解決手段】１以上の界面活性剤を、水素燃料プロトン交換膜燃料電池の水素担体及び／又は冷媒として用いる。界面活性剤は、燃料電池のアノードに供給するための冷却水を伴う  細かな気泡として、水素を捕捉するためのバブラーとして機能する。水は、給湿供給源及び冷媒として作用する。【選択図】図１Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に燃料を供給する方法であって、
アノード側流体流路及びカソード側流体流路を有する少なくとも１つの燃料電池を提供する工程と、
アノード反応物質組成物を、上記アノード側流体流路を通して流す工程と、
を含み、
上記アノード反応物質組成物は、水素ガスを含む複数の泡を含み、当該複数の泡は界面活性剤により形成されている、方法。
【請求項２】
上記界面活性剤は、スルホン酸界面活性剤又はホスホン酸である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記界面活性剤は、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
上記界面活性剤は、アルキルジフェニルオキシドジスルホン酸、オクタンスルホン酸、メタンスルホン酸、１−ドデカンスルホン酸、ペルフルオロクタンスルホン酸（ＰＦＯＳ）、ペルフルオロヘキサンスルホン酸、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
上記界面活性剤は、ｎ−デシルホスホン酸、ｎ−ドデシルホスホン酸、ｎ−ヘキサデシルホスホン酸、ｎ−ヘキシルホスホン酸、ｎ−オクタデシルホスホン酸、ｎ−オクチルホスホン酸、ｎ−テトラデシルホスホン酸、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
上記アノード反応物質組成物はさらに、水を含み、当該水の少なくとも一部は、上記複数の泡の一部である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
上記アノード反応物質組成物はさらに、必要に応じて硫酸又はリン酸を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
上記燃料電池から出る上記アノード反応物質組成物の少なくとも一部を介して、上記燃料電池から熱を取り除く工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
上記燃料電池は、上記アノード側流体流路の他に別個の冷却流路を含まない、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
上記燃料電池から出る上記アノード反応物質組成物の少なくとも一部を介して、上記燃料電池から不純物を取り除く工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
複数の燃料電池を備え、
上記燃料電池のそれぞれは、アノード側流体流路とカソード側流体流路とを分離する膜と、アノード反応物質組成物を受け入れる上記カソード側流体流路と、界面活性剤から形成された複数の泡と、水素ガスを含む上記複数の泡を含む上記アノード反応物質組成物と、を包含する、燃料電池システム。
【請求項１２】
隣接する燃料電池を分離するセパレータープレートをさらに包含し、当該セパレータープレートは、隣接する燃料電池にアノード側流体流路及びカソード側流体流路を形成するためのフロー領域を含む、請求項１１の燃料電池システム。
【請求項１３】
上記アノード側流体流路は、上記アノード反応物質組成物の少なくとも一部が上記燃料電池から熱を取り除くことによって、冷却流路としても機能する、請求項１２の燃料電池システム。
【請求項１４】
上記燃料電池は、上記アノード側流体流路の他に、別個の冷却流路を包含しない、請求項１３の燃料電池システム。
【請求項１５】
上記アノード反応物質組成物の少なくとも一部は、上記燃料電池から不純物を取り除く、請求項１１の燃料電池システム。
【請求項１６】
上記界面活性剤は、スルホン酸界面活性剤又はホスホン酸である、請求項１１の燃料電池システム。
【請求項１７】
上記界面活性剤は、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸である、請求項１１の燃料電池システム。
【請求項１８】
上記界面活性剤は、アルキルジフェニルオキシドジスルホン酸、オクタンスルホン酸、メタンスルホン酸、１−ドデカンスルホン酸、ペルフルオロクタンスルホン酸（ＰＦＯＳ）、ペルフルオロヘキサンスルホン酸、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項１１の燃料電池システム。
【請求項１９】
上記界面活性剤は、ｎ−デシルホスホン酸、ｎ−ドデシルホスホン酸、ｎ−ヘキサデシルホスホン酸、ｎ−ヘキシルホスホン酸、ｎ−オクタデシルホスホン酸、ｎ−オクチルホスホン酸、ｎ−テトラデシルホスホン酸、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項１１の燃料電池システム。
【請求項２０】
上記界面活性剤は、スルホン酸界面活性剤又はホスホン酸である、請求項１１の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔技術分野〕
本願は、概して、燃料電池に関し、より具体的には、種々の燃料電池に燃料を供給するための方法及び装置に関する。
【０００２】
〔背景技術〕
従来、プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）が長年開発されている。しかしながら、ＰＥＭＦＣには、未だ多くの問題点及び困難性を有している。例えば、ＰＥＭＦＣの開発及び使用には、冷却及び水管理上の問題点への対処が常に存在している。これに関して、燃料電池は、  適切に冷却しなければならない一方で、燃料電池を過飽和してはならず、そうでなければ、燃料電池中の触媒層への水素ガスの運搬が妨げられてしまう。同様に、水素の安全性に対する懸念も存在する。例えば、燃料電池が適切に冷却されないと、オーバーヒートする可能性があり、特に水素ガスにとっては厄介な問題になり得る。
【０００３】
同様に、燃料電池スタック中の熱点形成が、燃料電池性能の低下の原因となり得る。例えば、燃料電池のある領域が他の領域よりもあたたかく又は冷たくなった場合に、局所的に温度変化の性能が他の領域と比較して低下し得る。このことは、順に全体の燃料電池性能の低下につながり得る。それゆえに、燃料電池のより効果的で効率的な冷却手段が提供される必要がある。
【０００４】
ＰＥＭＦＣのように、多くの燃料電池は、アノード、カソード、冷媒等の流路を提供するために、複数の両極性プレートを備えている。多くの場合、複数のプレートは、燃料電池スタックの各電池のために非常に多くの機能を実行することが要求される。しかしながら、複数のプレートを備えることによって、各電池は余分にコストがかかると共に、重くなる。この問題については、使用する両極性プレートの数を減らすことで解決できるかもしれない。
【０００５】
上述したように、燃料電池のタイプによっては、使用中の膜の湿度を適切に保つために、加湿されなければならない。しかしながら、そのような加湿器は高価で、かつ重くなり得る。同様に、付属するポンプ、並びに加湿、冷媒、水素のような他の気体及び液体のための制御装置は、寿命が制限されており、通常、定期的なメンテナンスが要求される。それゆえに、ポンプ、制御装置等の数を減らすことが、燃料電池に要求されるメンテナンス回数を減らすことにつながり得る。
【０００６】
他の種類において、水素、空気、不純物等が、燃料電池内の触媒層に蓄積し得、これにより性能が低下し得る。しかしながら、このような不純物を効果的かつ効率的に除去することは、特に燃料電池を稼働しながらでは困難である。それゆえに、不純物や他の物質を触媒層や燃料電池から定期的に除去することが有益である。このような不純物の除去は、燃料電池を駆動中に継続して行えれば特に有益である。
【０００７】
さらに、二酸化炭素は、アルカリ型燃料電池のような燃料電池には有害であり得る。それゆえに、二酸化炭素を除去する及び／又は妨げることが有益である。
【０００８】
〔発明の概要〕
一形態において、１以上の界面活性剤が、水素燃料プロトン交換膜燃料電池のための水素担体及び／又は冷媒として用いられる。界面活性剤は、燃料電池アノードに供給するための冷却水を伴う適切なバブルのように、水素を捕捉するバブラーとして機能し得る。水は、給湿供給源及び冷却水として機能する。
【０００９】
一形態によれば、界面活性剤は、鎖状アルキルベンゼンスルホン酸に関連する化学物質であり得、この化学物質は、水素バブルを生成し、プロトン交換膜の伝導性を向上させ、燃料電池を冷却する水担体として機能し、かつ、水素流から不純物を除去する。この冷却技術は、従来の燃料電池で通常みられる冷却プレートの替わりに、冷却が必要とされるもともとの位置である原位置での冷却を提供する。この冷却技術では、アノード水素ガス及びカソード酸素（空気）ガスの両方のための、冷却プレート及び加湿器が不要である。さらに、例えば、アンモニア、塩素のような、水素流からの不純物、他の汚染物質からの微量金属は、界面活性剤により除去され得る。さらに、いくつかの形態においては、冷却水の廃棄／再利用が、洗浄剤のさらなる用途として用いられ得る。
【００１０】
一形態においては、界面活性剤の追加によって凍結点が低下し、燃料電池スタックの冷却開始を促進する。原位置冷却では、反応領域を直接冷却し、冷却効果を向上させる。一方で、直接冷却は火の抑制に役立つ。
【００１１】
一形態によれば、電極上の泡は、大量輸送及び水循環に役立つ。カソード側において、界面活性剤は、空気からの粉末状の微粒子の除去に役立ち、ガス拡散電極及び触媒層が保護される。
【００１２】
一形態においては、ここに記載された概念がアルカリ型燃料電池に用いられ得る。界面活性剤は、塩の形態であり得、燃料電池に供給する水素及び酸素の泡を生成する。一方、界面活性剤の塩は、強いスルホン基（−ＳＯ３−）を有しているので、ＣＯ２毒を低減及び／又は除去し得る。
【００１３】
これらの態様及び他の態様は、以下の説明により理解されるだろう。
【００１４】
〔図面の簡単な説明〕
保護を求める対象の理解を容易にする目的で、以下の説明に関連すると思われる場合に、その実施形態に付随する図面を示しており、保護を求める対象、その構成及び操作、並びにその利点の多くは、容易に理解され、かつ認識されるべきである。
【００１５】
図１Ａ及び図１Ｂは、従来のＰＥＭＦＣと、本開示に基づく一実施形態のＰＥＭＦＣとを比較する概略図である。
【００１６】
図２は、バブル供給燃料電池のための両極性プレートの一形態を示す図である。
【００１７】
図３は、水素バブル生成器の例示的な型を示す図である。
【００１８】
図４Ａは、液体冷却ＰＥＭＦＣを示す図であり、図４Ｂは、蒸気冷却ＰＥＭＦＣを示す図であり、図４Ｃは、バブル冷却ＰＥＭＦＣを示す図である。
【００１９】
〔詳細な説明〕
高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池は、現状、燃料電池自動車の用途の研究に集中している。ＰＥＭ燃料電池は、異なる材料のいくつかの層から形成されている。ＰＥＭ燃料電池の主要部分を以下に説明する。
【００２０】
ＰＥＭ燃料電池の主要な構成要素の１つは、膜、触媒層及びガス拡散層（ＧＤＬ）を含む膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）である。
【００２１】
燃料電池にＭＥＡを組み込むために用いられるハードウェア構成要素には、気体の漏れを防ぐためにＭＥＡの周囲を封止するガスケット、並びに、個々のＰＥＭ燃料電池を燃料電池スタックに組み立てるため、及び気体状の燃料及び空気のためのチャネルを提供するために用いられる両極性プレートが含まれる。
【００２２】
＜膜電極アセンブリ＞
膜、触媒層（アノード及びカソード）、及び拡散メディアは共に、ＰＥＭ燃料電池の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を形成する。
【００２３】
高分子電解質膜、又は、プロトン交換膜とも称されるＰＥＭ（通常の台所用プラスチックラップに似た外観の、特に処理された材料）は、正に帯電したイオンのみを導通し、電子は遮断する。ＰＥＭ設計は、燃料電池の全体の機能に対して重要である。これにより、アノードとカソードとの間で必要なイオンのみを通過させることが可能になる。電解質膜を通過する他の物質は、化学反応を妨害し得る。輸送用途のために、膜は非常に薄く、場合によっては２０マイクロメートル以下である。
【００２４】
触媒層は、膜の両側に設けられ、一方がアノード層であり、他方がカソード層である。一形態において、触媒層は、高表面積カーボン支持体上に分散したナノメートルサイズのプラチナ分子及び／又は他の触媒を含む。この指示されたプラチナ触媒をイオン電導性高分子（アイオノマー）と混合し、膜とＧＤＬとの間に挟む。アノード側において、プラチナ触媒は、水素分子をプロトンとエレクトロンとに分割し得る。カソード側において、プラチナ触媒は、アノードにより生成されるプロトンと反応して水を生成し得る。触媒層に混合されたアイオノマーは、プロトンがこれらの層を通過することを可能にする。これは触媒層の一例であり、燃料電池のタイプ、温度、湿度、燃料等を含むがこれらに限定されない種々の因子に基づいて、触媒及び材料の他の形態を用い得ることは理解されるべきである。
【００２５】
ガス拡散層（ＧＤＬ）は触媒層の外側に位置し、生成された水を除去すると共に、触媒層への反応物質の輸送を容易にする。一形態において、各ＧＤＬは、炭素繊維が部分的にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）に被覆されたカーボン紙のシートから構成されていてもよい。他のＧＤＬ材料及びアセンブリを用いてもよい。気体は、ＧＤＬ中の孔を即座に通過して拡散される。これらの孔は、疎水性ＰＴＦＥにより開口したままにすることができる。いくつかの形態において、ＧＤＬの内表面は、マイクロポーラス層と呼ばれる、ＰＴＦＥが混合された高表面領域カーボンの薄層で被覆されている。マイクロポーラス層は、保水性（膜の伝導性を維持するために必要）と放水性（孔の開口を維持し、水素及び酸素を電極に拡散させるために必要）との間のバランスを調整するために役立つ。
【００２６】
ＭＥＡは、電力が生成される燃料電池の一部であるが、様々なハードウェア構成要素が効果的なＭＥＡの稼働に要求される。個々のＭＥＡのそれぞれは、一般的な稼働状況において生成する電圧は通常１Ｖより少ないが、多くの用途はより高い電圧を要求する。それゆえに、複数のＭＥＡは、通常、有効な出力電圧を供給するために、それぞれの上に重ねられてスタックされることによって連続して連結されている。スタック中の各電池は、隣接する電池から分離するために、２つの両極性プレートに挟まれている。これらのプレートは、金属、カーボン又は複合材料から形成され得、スタックに物理的強度を付与すると共に、電池間に導電性を付与する。プレートの表面は、通常、フロー領域を含み、ＭＥＡ上に気体を流すために、プレートに一式のチャネルが切削又は型打ちされている。各プレート内の追加のチャネルは、液体冷媒の循環に用いられ得る。
【００２７】
燃料電池スタック中の各ＭＥＡは、２枚の両極性プレートの間に挟まれているが、ガス密閉するために、ＭＥＡの縁の周囲にガスケットが設けられている。これらのガスケットは、通常、ゴム状ポリマー又は同様の材料により形成されている。
【００２８】
従来の燃料電池１０が示された図１Ａに示すように、水素１２はアノード側１４に供給され、酸素（空気）１６はカソード側１８に供給される。冷媒２０（例えば水）は、アノードプレート２２及びカソードプレート２４（例えば両極性プレート）を通過して流れる。アノードプレート２２及びカソードプレート２４の設計は、電池を均一に冷却するために重要である。通常、燃料電池１０は、中央は熱く、端は冷たい。熱拡散は、アノードプレート２２及びカソードプレート２４並びにガス拡散電極２６及び２８の熱伝導性に依存し、特に、熱伝導性の低いガス充填状況に基づく。最も熱い領域は、触媒層３０及び触媒層３２の表面である。最も熱い触媒表面から冷媒２０への経路は、熱運搬において効果的でも効率的でもない。膜３４は、アノード１４をカソード１６から分離する。
【００２９】
ここに記載した方法において、燃料電池の構成及び動作は、これらのいくつかの欠陥を改善するために修正し得る。図１Ｂは、図１Ａに対して修正した一実施形態を示している。概ね図１Ａと同様の特徴については、図１Ｂにおいてその全てを同定していない。
【００３０】
図１Ｂに示すように、ＰＥＭＦＣのような燃料電池５０においては、水素ガスを含む複数の泡５２がアノード５４に供給される。複数の泡５２は、その内部に水素を捕捉し、ＧＤＬ５４及び／又は触媒層５８の表面に水素を出す。
【００３１】
以下により詳細に記載する泡組成物は、１つの形態に疎水性及び親水性尾部を有し、これによりＧＤＬ５６（炭素繊維を含む３０％テフロン（登録商標））及び触媒層５８（ナフィオン、デュポン製プロトン交換アイオノマー）との良好な一時的接触が可能になる。テフロン（登録商標）は疎水性であり、ナフィオンは親水性である。バブル５２は、水もまた含み、生成されたプロトン（Ｈ＋）のアノードからカソードへの輸送を促進する。泡組成物は、水素酸化を支持するための３つの相（気体、触媒及びプロトン交換膜）の領域のための良好な調整剤であり得る。
【００３２】
水素反応の後、水を有する泡組成物は、水素反応から熱を取り除くための液体になり、他の泡によって３つの相領域から離される。この形態において、この技術は、必要な場所で燃料電池を冷却するために用いられ得る。ある形態において、泡の構成及び含水量は、熱の除去、水素運搬、及び水プロトン輸送のために重要である。
【００３３】
多くの構成において、発泡体は、薄い液体フィルムのネットワークに捕捉されたガスポケット及び平坦な境界線からなる特異的な構造を有し、気体及び液体の２つの相のための媒体であり得る。公知のいくつかの発泡体は、バブルバス、食器用洗剤及びビールの泡である。急激な圧力低下の状況下で捕捉された気体が突如放出されたときに、多くのオイルは発泡する。炭化水素の分解のために、高温及び高圧における気体の流れが要求されるいくつかの精製機において、気体−液体混合物は強く発泡する。発泡体は８０％以上の気体画分を有する気体を捕捉する。
【００３４】
ＰＥＭＦＣの触媒表面において、プロトン伝導性物質に付随する液状の水、気体相及び固体状の触媒は、水素酸化及び酸素還元に必要とされる。界面活性剤は、ＵＳ特許９，６９８，４２９Ｂ２において見られるように、燃料電池の触媒及び膜生成のために用いられる。しかしながら、上述した文献において採用されている形態は、ここに記載した形態とは顕著に異なっており、従来の形態では、水素媒体及び／又は冷媒として界面活性剤は使用されていない。ＵＳ特許９，６９８，４２９Ｂ２において、Ｋｉｍらは、触媒調整のために界面活性剤を適用している。他の界面活性剤の使用には、  洗剤及び水処理剤が含まれる。このように、従来の形態には、ここに記載した形態とは顕著な違いがある。
【００３５】
バブルを形成するための界面活性剤の選択は、望まれる／使用される全体の状況、燃料電池のタイプ等に大きく依存し得る。一形態において、界面活性剤は、アルキルジフェニルオキシドジスルホン酸のような鎖状アルキルベンゼンスルホン酸（ＬＡＢＳＡ）に置き換え得る。酸化防止界面活性剤としては、例えば、ＤＯＷＦＡＸ（登録商標）、アルキルジフェニルオキシドジスルホン酸塩等も使用でき、これらは安定性に優れ、酸、アルカリ、ブリーチ及び他の酸化システムに対する溶解性に優れている。これらは、さらに、分散剤、乳化剤、及び安定剤としての機能もあり、また表面を容易にすすぐ機能もある。燃料電池システムにおいて、安定性及び溶解性は重要であり得る。しかしながら、いくつかの形態において、燃料電池のタイプに依存して、界面活性剤は塩の形態でなくてもよい。塩の形態はいずれも、プロトン交換膜の伝導性に影響し得る。ＬＡＢＳＡ及びＤＯＷＦＡＸ（登録商標）の酸型は、冷媒としての水と共に水素を運搬する水素バブラーとしての用途に適している。水が必要であるため、界面活性剤は、通常、可溶性であるか、又は水に混合し得る。さらに、一形態において、界面活性剤は毒性でなく、可燃性ではない。
【００３６】
他の組成物及び構成要素は、バブルを形成するために用いられ得る。例えば、他の材料には、オクタンスルホン酸、メタンスルホン酸、１−ドデカンスルホン酸、ペルフルオロクタンスルホン酸（ＰＦＯＳ）、ペルフルオロヘキサンスルホン酸等と同様に、これらの組み合わせも含まれるが、これに限定されない。一形態において、バブルを形成するために用いられる界面活性剤は、高プロトン導通性、両極性プレートの腐食低減、及び／又は、熱を取り除くための冷媒としての機能を提供するために用いられ得る。
【００３７】
他の組成物及び構成要素はまた、泡を生成するために用いられる。例えば、長鎖ｎ−アルキルホスホン酸であり、ｎ−デシルホスホン酸、ｎ−ドデシルホスホン酸、ｎ−ヘキサデシルホスホン酸、ｎ−ヘキシルホスホン酸、ｎ−オクタデシルホスホン酸、ｎ−オクチルホスホン酸、ｎ−テトラデシルホスホン酸、及び他の同様の形態といったものが挙げられる。直鎖アルキルホスホン酸の水中における溶解性は、直鎖アルキルスルホン酸と同程度に高くはない。水素バブルは、水と界面活性剤との間の境界において形成され得る。
【００３８】
以下の表は、室温における硫酸濃度に対する伝導度を表している。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
商業的に入手可能なナフィオンは、０．１Ｓ／ｃｍであり、１．５６％又は０．１６Ｍの硫酸と同等である。ｐＨは０．４９である。ナフィオンのｐＨは、異なるデータが報告されており、これは膜が湿度の影響を受けやすいためである。ナフィオンよりも優れた性能を得るために、プロトン濃度を０．１６Ｍよりも高くする必要がある。極端な例において、ナフィオンは１．４Ｍであり（Ｓｐｒｙ  ａｎｄ  Ｆａｙｅｒ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ２００９，１１３，１０２１０−１０２２１）、以下の表は、低プロトン濃度（０．１６Ｍ）及び高プロトン濃度（１．５Ｍ）における燃料電池のための界面活性剤のいくつかの例の比率を示している。界面活性剤の濃度を上げることで、泡の量が増加する結果が得られる。
【００４１】
【表２】
2019114537.tif 000004
【００４２】
一形態において、界面活性剤の濃度範囲は、３％（ｗ／ｗ）から７５％（ｗ／ｗ）である。
【００４３】
燃料電池の例示的な形態は、以下の表に示すような大気圧における流速及び性能を有している。加圧システムの場合において、水素バブラータンク気体注入口の圧力は８０ｐｓｉであり、かつ、燃料電池スタックの圧力は４５ｐｓｉ以下である。燃料電池及び燃料電池スタックの他の形態が好ましくは考慮されるべきである。
【００４４】
【表３】
2019114537.tif 000005
【００４５】
一形態において、イオン性界面活性剤は、非イオン性界面活性剤よりも速く移動し、さらに速く熱を運搬する。それゆえに、いくつかの形態において、イオン性界面活性剤を選択することができる。
【００４６】
泡の半径は、一般に、表面張力及びバブラーの孔の半径に直接比例しており、液体と気体との密度差に反比例している。一形態において、バブラーは、孔サイズが約０．５マイクロメートルから約３００マイクロメートルの多孔性金属又は多孔性プラスチックを用いている。他の形態において、上述した孔サイズは、約１００マイクロメートル未満である。かしながら、他の孔サイズのものを用いてもよい。泡の大きさは可変であり得るが、好ましくは０．０１ｃｍ未満である。界面活性剤濃度範囲は、３％（ｗ／ｗ）から７５％（ｗ／ｗ）である。
【００４７】
スルホン酸の解離は、低ｐＨ溶液において低減し得る。ｐＨが低いとき、プロトン濃度は高く、酸解離定数が高い（Ｋａ〜１０−２）にも関わらず、界面活性剤からのスルホン酸の解離は低減され得る。いくつかの場合において、界面活性剤は強酸のバッファとして機能する。例えば、有機スルホン酸は、界面活性剤の効果を向上させるために、７Ｍの硫酸と同程度に高く含み得る。これに関して、水素バブルシステムにおいては、必要に応じて、いくつかの酸がプロトン伝導性を向上させるために加えられ得る。
【００４８】
液体電解質型燃料電池もまた、ここに記載された形態に適している。そのような液体電解質型燃料電池には、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）及びリン酸燃料電池（ＰＡＦＣ）が含まれる。ＡＦＣは、アルカリ型電解質（例えば６Ｍ  ＫＯＨ溶液）を使用しており、これをガラス繊維セパレーターを有する燃料電池内で循環させている。ＡＦＣは、たいてい、アルカリ型電解質の伝導性を低下させる二酸化炭素による害が問題となる。ＡＦＣにおいて、界面活性剤が塩の形態である場合、燃料電池に供給するための水素及び酸素バブルもまた生成され得る。一方、界面活性剤の塩は強いスルホン基（−ＳＯ３−）を有しているので、ＣＯ２による害は低減及び／又は除去され得る。
【００４９】
ＰＡＦＣは、リン酸を約２００℃において電解質として使用する。そのような高温において、リン酸は循環せず、その結果、燃料電池が生成した水がリン酸に浸出する。さらに、ＰＡＦＣは強い腐食性の環境下で稼働し、特別な両極性プレートを必要とする。
【００５０】
一形態において、ここに記載した界面活性剤及び態様は、水素及び水を有する発泡組成物の形態で用いられ得る。例えば、一形態において、ＰＥＭＦＣのようなシステムは、水素の担体として複数のバブルを用い、燃料電池システムを簡略化するために発泡した水を冷媒として用い、そして燃料電池の性能を向上させる。例えば、この形態において、燃料電池スタックにおいて用いられるプレートは、もはや水のプレートが必要とされないので、省略され得る。その代わりに、水素、水及び界面活性剤を含む発泡組成物は十分に熱を取り除き、それゆえに、別個の冷却流及び水のプレートの必要性を排除する。一形態において、界面活性剤を有する水は、純水よりも６０％以上早く熱を除去し得る。一形態において、この方法は、燃料電池中に循環させるバブルを押し出すために、水素タンクからの高圧エネルギー及びバブル形成も利用し、これにより水ポンプ、水素加湿器、及び酸素加湿器の必要性も排除し得る。加圧システムの場合には、水素バブラータンクの気体注入口は約８０ｐｓｉであり、燃料電池スタックの圧力は４５ｐｓｉ以下であり得る。
【００５１】
＜従来のプロトン交換膜の使用＞
ＰＥＭＦＣにおいて、プロトン交換膜は、膜が良く湿っている限り、効果的にプロトンを伝導する。水は燃料電池に必須である。加湿器は、一般に、アノード及びカソードの両方に必要である。しかしながら、もし水が過剰に存在する場合、触媒表面に水が溢れ、反応物質の気体が触媒表面に到達することができない。
【００５２】
一形態において、界面活性剤は、親水性及び疎水性の性質を有しており、毒性がなく、非可燃性である。界面活性剤は触媒に達するが、その疎水性の尾部により気体が侵入するためのスペースを残す。気体の水素及び酸素が疎水性の性質を示すためである。界面活性剤の泡は水を運搬し、プロトンの伝導性も向上させる一方で、プロトン交換膜を湿らせることも可能である。いくつかの形態において、燃料電池の性能は倍増し得る。
【００５３】
＜多孔性膜セパレーターの使用＞
一形態において、界面活性剤は強酸になり得、プロトンを伝導する。ＬＡＢＳＡ及び他のベンゼンスルホン酸界面活性剤には、ナフィオン（登録商標）、フレミオン（登録商標）、及び他のプロトン交換膜に見られる酸性基に類似するスルホン酸が含まれる。一形態において、界面活性剤は水への可溶性に優れており、界面活性剤の濃度は、所望により調整し得る。
【００５４】
セパレーターは、ポリエチレン、ポリプロピレン、又は他のポリマーの多孔体であり得る。商業的に入手可能な銘柄には、セルガード膜、ダラミック膜が含まれるが、これらに限定されない。セルガードセパレーター及びダラミックセパレーターは、リチウムイオン電池及び鉛酸電池において用いられている。
【００５５】
水素を有する界面活性剤バブラーは高プロトン伝導性であり、水の沸点を、１００℃を超えるように上昇させる。これに関して、燃料電池は、膜の寿命を脅かすことなく沸点を超える温度で稼働し得る。高温稼働は、効率を上げ、かつ、いずれの触媒による害にも耐え得るという利点がある。
【００５６】
＜両極性プレートの使用＞
上述したように、両極性プレートは、アノード流路とカソード流路とを分離する電子伝導体である。いくつかの形態において、両極性プレート材料には、グラファイト、グラファイト／樹脂又は高分子の複合材料、射出成型金属複合材料、独立気泡金属発泡体、及び純板金が含まれる。材料は、一般に、耐食性であり、水素脆化及び酸素に関連する問題がないものであるべきである。しかしながら、両極性プレートは、多くの問題により損害を受けるものであり、例えば、グラファイトパウダーに達する熱水、グラファイト及び金属の両方のプレートの腐食、気体のクロスオーバーに起因する機械的強度の低下、ガスケットのクリープ及びガス漏れの原因となるプレートとガスケットとの間の熱膨張率の違い、のような他の問題が挙げられる。時間の経過に伴うプレート性能の変化により火災の原因となる熱点が形成され、これによりプロトン交換膜が燃焼し得るが、これと同様に、時間の経過及びプレート性能の非均一性によって表面伝導性も低下し得る。さらに、熱伝導性の変化は、水及び気体からの粒子が原因で生じ得、冷却水がプレート間を流れることにより２以上のプレートの接続部分が分離する原因となる。
【００５７】
一形態において、ここに記載されたシステム及び方法において、両極性プレートは２以上のプレートよりもむしろ単一のプレートとすることで簡略化され得る。言い換えると、水素の泡及び水は冷媒としても機能し得るので、別個の冷媒流の経路及び別個のプレートは必要とされない。
【００５８】
燃料電池において、内部抵抗には、電解質膜抵抗、ＧＤＬバルク抵抗、及び両極性バルク抵抗が含まれ、これらは、材料抵抗であり、かつ低減するのが困難である。両極性プレート／両極性プレート、両極性プレート／ＧＤＬ、ＧＤＬ／膜、電流コネクタ／両極性プレート、電流コレクタ／コンセントケーブルコネクタのような界面の接続抵抗又は接触抵抗は、圧縮力及び材料表面の性質に関連する。全ての抵抗は、燃料電池が荷重を受けたときに熱を生成する。水冷却プレートを有する両極性プレートは、少なくとも２つの重複するプレートを含む。水流チャネルを有する接続領域が限られていること、及び非均一なプレート平坦性の理由から、内部の接続抵抗は大きい。例えば、１ｋＷの燃料電池スタックは、使用電圧に対する電流に関して、１ｋＷの熱を生成し得る。高電圧低電流は、あまり熱を生成しない。接触抵抗は３０％までのより多くの熱を生成し得る。より効率よい燃料電池のために、接触抵抗の低減により熱の生成を低減し得る。バブラー冷却により、両極性プレートはＧＤＬ及び電流コレクタにのみ接触する。この形態において、冷媒流にはプレート／プレート間の内部接続は存在しない。
【００５９】
さらに、一形態において、界面活性剤は耐食性材料であり、これにより化学的及び電気化学的腐食が低減する。両極性プレート表面における界面活性剤の吸着により、良好な電気的接続が維持される一方で、直接的な化学孔食及び電気化学的酸化のためのバリアが生成される。界面活性剤は、一般に触媒の目減り（例えばカーボンブラックの減少）から生じる表面の欠陥又は可能性のあるいずれかの残留物が原因となるショートを避けるための、均一な電荷分配器としても機能し得る。
【００６０】
例えば、図２に示すように金属両極性プレートを使用することを選択することができる。図２に示すように、両極性プレート８０は、２つの側面（アノード及びカソード）を有しており、アノード及びカソードの側面は、通常、互いの鏡像である。波型金属シート８２は、ガス供給のための窪み部を有する射出成型プラスチック又はゴム材料８４により囲まれた中央にある。波型金属シート８２は、金属の厚みを均一とし、ガス供給電極との良好な接続のために、縁の上部を可能な限り平坦にすることができる（図１Ｂ）。縁の上部を、切削したグラファイトで完全に平坦な構造を形成するのは、圧縮又は穿孔した金属シートで形成するのと比較して非常に困難である。圧延した波型金属シートは、圧縮又は穿孔した金属シートよりも大量生産に対する利点を有している。圧縮金属が通常均一な厚みを維持しない一方で、波型金属は、特にフローチャネルの領域において均一な厚みを維持しており、縁は金属の伸長のために非常に薄くなっている。明らかに、縁領域にはより圧縮力が付加され、薄い縁は長期間の稼働に耐えることができない。界面活性剤発泡システムでは、冷却水は必要なく、また、冷却プレートも必要ない。プレートの両側面は、他の曲がりくねったフローよりも低い、真っ直ぐなフローチャネルを伴って、均一な供給及び圧力低下を有している。
【００６１】
気体バブラーの一形態を図３に示す。より具体的には、バブラータンク９０は、９２で示される水素注入口を有している。タンク内に入るとすぐに、水素は、タンク９０の底に均一に水素を供給するために、タンク９０内の多孔性チューブ９４を介して排気されてもよい。一形態によれば、金属の多孔性チューブ９４は、タンクの中央に設けられ、小さい泡を生成する。制御された多孔率は、約１００マイクロメートルから約０．５マイクロメートルの範囲であり得、泡の大きさは約１００マイクロメートルよりも小さい。水素バブル９６は、放出口９８からタンク９０外に排気されて燃料電池に供給され、１００で示される部分からタンクに排気が戻される。戻された排気には、水及び他の構成要素が含まれ得る。逆止弁、他の弁、ゲージ等もまた使用してもよいが、図示していない。泡を有する冷却水は、また、燃料電池中にも供給される。水ポンプは必要ない。
【００６２】
図４Ｃは、泡を用いて構成される燃料電池スタックシステムを示している。図４Ａは、従来の加湿システム及び液体冷媒を用いた、同様の燃料電池スタックシステムを示している。図４Ｂは、蒸気冷却を用いた燃料電池スタックシステムを示している。蒸気冷却を使用すると、燃料電池スタックの均一な冷却を達成することが困難であることは理解されるべきである。同様に、液体冷却では、燃料電池スタックの設計が非常に複雑であるという結果を招く。さらに、図４Ａ〜４Ｂに示すように、液体冷却及び蒸気冷却には水ポンプが必要である。バブル冷却システムを用いる場合、水ポンプの必要性を回避することが可能である。
【００６３】
泡状の水素流を用いる場合、これに水も含まれるので、システムの構造に依存して多くの利点が得られる。例えば、そのようなシステムは、必要とされる位置で触媒表面を冷却するために用いられる。従来の燃料電池において、別個の冷却流路に熱を移動させるために熱伝導及び／又は対流に依存する代わりに、この形態において、泡は、触媒の表面を直接冷却することを可能にするために、触媒の表面に水を運ぶ。同様に、界面活性剤／泡は、水素を触媒表面に運ぶための水素担体として機能し得る。
【００６４】
他の形態において、上述したように、別個の冷却流路、セパレータープレート、ポンプ等を排除することが可能である。その代わりに、泡及び／又は水が、１以上の反応物質流路における冷媒として機能し得る。
【００６５】
一形態において、泡状の水素及び水は、触媒表面において、水経路、気体経路、及び生成物経路を管理する役割を果たし得る。言い換えると、この形態において、燃料電池スタックは、水を好適に管理することができる。泡が気体拡散電極及び触媒表面に達するとすぐに、泡は高表面触媒表面において壊れる。それゆえに、水素は２つの形態を有し、１つは水素ガスであり、もう１つは水素ガスバブルである。水素ガス及び水素バブルの両方は、触媒表面に影響を及ぼす。界面活性剤は、その親水性及び疎水性の二機能性の性質により、気体、水／プロトン及び固体触媒を橋渡しする。
【００６６】
さらに、一形態において、アンモニア及び塩素のような水素からの不純物、及び空気からの不純物は、触媒層に蓄積し得る。本明細書に記載された界面活性剤及び泡状の水素の概念を用いることによって、これらの不純物は、界面活性剤により溶解される、及び／又は、洗い流される。アンモニアは、酸性の泡と反応し、塩素は、利用可能であれば長鎖炭化水素又はベンゼン環と反応する。この特徴点は、非常に少量の界面活性剤を犠牲にする一方で、不純物が燃料電池の構成要素に悪影響を与えるのを防ぐことに役立つ。
【００６７】
いくつかの形態において、ここに記載した特徴点は、ＰＥＭＦＣに加えて、他のタイプの燃料電池においても使用することができる。例えば、塩ベースの界面活性剤は、アルカリ型燃料電池において気体を均一に分散させ、二酸化炭素による毒を取り除くために用いられ得る。
【００６８】
上述した説明及び付随する図面に示された事柄は、説明の目的でのみ提供されており、  これに限定されない。特定の実施形態が示され、さらに説明されている一方で、当業者は、出願人が貢献する広い局面から離れることなく変更や修正を加えられ得ることは  明らかである。保護を求める実際の範囲は、従来技術に基づくその適切な観点において考慮される場合、請求項において規定されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１Ａ】従来のＰＥＭＦＣと、本開示に基づく一実施形態のＰＥＭＦＣとを比較する概略図である。
【図１Ｂ】従来のＰＥＭＦＣと、本開示に基づく一実施形態のＰＥＭＦＣとを比較する概略図である。
【図２】バブル供給燃料電池のための両極性プレートの一形態を示す図である。
【図３】水素バブル生成器の例示的な型を示す図である。
【図４Ａ】液体冷却ＰＥＭＦＣを示す図である。
【図４Ｂ】蒸気冷却ＰＥＭＦＣを示す図である。
【図４Ｃ】バブル冷却ＰＥＭＦＣを示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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