(57)【要約】  カソード圧力、大気圧、又は両方と比較して低減されたアノード圧力を維持することによって、水管理を改善した、燃料電池の動作のための方法を提供する。典型的に、燃料電池は、ナノ構造薄膜カソード触媒を備える、膜電極アセンブリを備える。
2013527571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス状アノード反応物質がアノード圧力で供給されるアノードと、ガス状カソード反応物質がカソード圧力で供給されるカソードとを有する膜電極アセンブリを備える、燃料電池を動作させる方法であって、前記アノード圧力が、前記カソード圧力より少なくとも１０ｋＰａ小さい、方法。
【請求項２】
前記アノード圧力が、前記カソード圧力より少なくとも２０ｋＰａ小さい、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記アノード圧力が、前記カソード圧力より少なくとも４０ｋＰａ小さい、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記アノード圧力が、前記カソード圧力より少なくとも５０ｋＰａ小さい、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記アノード圧力が、前記カソード圧力より少なくとも８０ｋＰａ小さい、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記アノード圧力が、前記カソード圧力より少なくとも１００ｋＰａ小さい、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記アノード圧力が、前記カソード圧力より少なくとも１２０ｋＰａ小さい、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記アノード圧力が、前記カソード圧力より少なくとも１５０ｋＰａ小さい、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記アノード圧力が、前記カソード圧力より少なくとも２００ｋＰａ小さい、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
アノード圧力とカソード圧力との間の差が、少なくとも１０分間の連続使用の間維持される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記アノード圧力が、９０ｋＰａ以下である最大圧力より低い、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記最大圧力が、８０ｋＰａ以下である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記最大圧力が、６０ｋＰａ以下である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記最大圧力が、５０ｋＰａ以下である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記最大圧力が、２５ｋＰａ以下である、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記アノード圧力が、少なくとも１０ｋＰａである、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記アノード圧力が、少なくとも１５ｋＰａである、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記アノード圧力が、少なくとも２０ｋＰａである、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記アノード圧力が、少なくとも１０分間の連続使用の間、前記最大圧力より低く維持される、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記アノード圧力が、＜１分間の連続使用の間、前記最大圧力より低く維持される、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記燃料電池が、ナノ構造薄膜カソード触媒を備える膜電極アセンブリを備える、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記燃料電池が、アノードガス拡散層と、カソードガス拡散層とを備える膜電極アセンブリを備え、前記アノードＧＤＬの微多孔性層が、前記カソードＧＤＬの微多孔性層より薄い、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記燃料電池が、＜９０ｋＰａの反応物質圧力低下を伴うアノード流動場を備え、前記アノード圧力が、前記最大圧力より低く維持される、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記燃料電池が、＜５０ｋＰａの反応物質圧力低下を伴うアノード流動場を備え、前記アノード圧力が、前記最大圧力より低く維持される、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記燃料電池が、＜２５ｋＰａの反応物質圧力低下を伴うアノード流動場を備え、前記アノード圧力が、前記最大圧力より低く維持される、請求項１〜２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記燃料電池が、＜１０ｋＰａの反応物質圧力低下を伴うアノード流動場を備え、前記アノード圧力が、前記最大圧力より低く維持される、請求項１〜２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記燃料電池システムが、アノード反応物質圧力を大気圧未満に維持することができる、アノード反応物質再循環システムを備える、請求項１〜２６のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＯＥ（エネルギー省）に付与されたＣｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ  Ａｇｒｅｅｍｅｎｔ  ＤＥ−ＦＧ３６−０７ＧＯ１７００７の下、政府の支援により行われた。政府は本発明に対し特定の権利を有する。
【０００２】
本開示は、幾つかの条件下で改善された電力出力を示す、低減されたアノードで燃料電池を動作させる方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
米国特許第５，８７９，８２７号（この開示内容は、本明細書に参考として組み込まれる）は、ナノスケールの針状触媒粒子を有するミクロ構造針状担持ウィスカーを含むナノ構造要素を開示している。この触媒粒子は、組成、合金度又は結晶度が異なり得る、異なる触媒材料が交互に並んだ層を含んでいてもよい。
【０００４】
米国特許第６，４８２，７６３号（この開示内容は、本明細書に参考として組み込まれる）は、白金含有層と、ＣＯ酸化を早期に開始する第２金属の亜酸化物を含有する層とを交互に含む燃料電池電極触媒を開示している。
【０００５】
また、米国特許第５，３３８，４３０号、同第５，８７９，８２８号、同第６，０４０，０７７号、及び同第６，３１９，２９３号（これらの開示内容は、本明細書に参考として組み込まれる）も、ナノ構造薄膜触媒に関する。
【０００６】
米国特許第４，８１２，３５２号、同第５，０３９，５６１号、同第５，１７６，７８６号、及び同第５，３３６，５５８号（これらの開示内容は、本明細書に参考として組み込まれる）は、ミクロ構造に関する。
【０００７】
米国特許第７，４１９，７４１号（この開示内容は、本明細書に参考として組み込まれる）は、白金層と第２層とをミクロ構造担持体上に交互に堆積することにより形成されるナノ構造を含む燃料電池カソード触媒を開示しており、これは、三元触媒を形成し得る。
【０００８】
米国特許第７，６２２，２１７号（この開示内容は、本明細書に参考として組み込まれる）は、白金及びマンガン及び少なくとも１つの他の金属の特定の体積比及びＭｎ含有量で含むナノスケールの触媒粒子を有するミクロ構造担持ウィスカーを含む燃料電池カソード触媒を開示しており、他の金属は典型的にはＮｉ又はＣｏである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
簡潔に、本開示は、ガス状アノード反応物質がアノード圧力で供給されるアノードと、ガス状カソード反応物質がカソード圧力で供給されるカソードとを有する膜電極アセンブリを備える、燃料電池を動作させる方法を提供し、アノード圧力は、カソード圧力より少なくとも１０ｋＰａ、場合によっては少なくとも２０ｋＰａ、場合によっては少なくとも４０ｋＰａ、場合によっては少なくとも５０ｋＰａ、場合によっては少なくとも８０ｋＰａ、場合によっては少なくとも１００ｋＰａ、場合によっては少なくとも１２０ｋＰａ、場合によっては少なくとも２００ｋＰａ小さい。典型的に、アノード圧力とカソード圧力との間の差は、連続使用の間維持される。特定の実施形態では、アノード圧力とカソード圧力との間の差は、１分間未満維持される。他の実施形態では、アノード圧力とカソード圧力との間の差は、典型的に、少なくとも１分間、より典型的には少なくとも１０分間、及びより典型的には少なくとも２０分間の連続使用の間維持される。幾つかの実施形態では、アノード圧力は、９０ｋＰａ以下、幾つかの実施形態では８０ｋＰａ以下、幾つかの実施形態では６０ｋＰａ以下、幾つかの実施形態では５０ｋＰａ以下、幾つかの実施形態では２５ｋＰａ以下である、最大圧力より低い。典型的に、アノード圧力は、連続使用の間、最大圧力より低く維持される。典型的に、アノード圧力は、少なくとも１分間、より典型的には少なくとも１０分間、及びより典型的には少なくとも２０分間の連続使用の間、最大圧力より低く維持される。しかしながら、幾つかの実施形態では、アノード圧力は、１分間未満、最大圧力より低く維持される。典型的に、アノード圧力は、少なくとも１０ｋＰａ、より典型的には少なくとも１５ｋＰａ、及びより典型的には少なくとも２０ｋＰａである。
【００１０】
典型的に、燃料電池は、ナノ構造薄膜カソード触媒を含む、膜電極アセンブリを含む。
【００１１】
本出願では、
「膜電極接合体」は、電解質、典型的にはポリマー電解質と、少なくとも１つであるがより典型的には２つ又はそれ以上の、膜に隣接する電極とを含む、膜を含む構造を意味する。
【００１２】
「ナノ構造要素」は、表面の少なくとも一部に触媒材料を含む、針状で分離性の微細構造を意味する。
【００１３】
「ナノスケールの触媒粒子」は、標準的なｘ線回折スキャンの２θの回折ピーク半値幅から測定した場合に、少なくとも一方向の寸法が約１５ｎｍ以下であるか、又は結晶サイズが約１５ｎｍ以下である触媒材料の粒子を意味する。
【００１４】
「ナノスケールの触媒粒子の薄膜」としては、分離性のナノスケールの触媒粒子の膜、結合したナノスケールの触媒粒子の膜、及び結晶質又は非晶質のナノスケールの触媒グレインの膜が挙げられ、典型的には分離性の又は結合したナノスケールの触媒粒子の膜が挙げられ、最も典型的には分離性のナノスケールの触媒粒子の膜が挙げられる。
【００１５】
「針状」は、平均断面幅に対する長さの比が３以上であることを意味する。
【００１６】
「分離性」は、異なる性質を有する別個の要素を意味するが、要素が互いに接触していることを除外しない。
【００１７】
「微細」は、少なくとも一方向の寸法が約１マイクロメートル以下であることを意味する。
【００１８】
「平面相当厚」は、不均一に分布され得る、また表面が不均一面であり得る、表面に分布された層（例えば、地表全体に分布した雪の層、又は真空蒸着のプロセスで分布した原子の層など）に関して、層の全質量が表面の突き出た面積と同じ面積に及ぶ平面上に均一に広がっていると仮定して計算される厚さを意味する（不均一な特徴及びコンボリューションを無視した場合、表面によって覆われる突き出た面積は表面の全表面積以下であることに注意する）。
【００１９】
「二層平面相当厚」は、（本明細書に記載するような）第１の層及び（本明細書に記載するような）隣接して存在する第２の層の合計平面相当厚を意味する。
【００２０】
燃料電池、特にナノ構造薄膜触媒を含む燃料電池の改善された動作のための方法を提供することが、本開示の利点である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】大気中より低い圧力で燃料電池アノードに燃料ガスを提供するための装置の概略描写であり、実施例で説明される。
【図２】大気中より低い圧力で燃料電池アノードに燃料ガスを提供するための装置の概略描写であり、実施例で説明される。
【図３】実施例で説明されるように動作された燃料電池の電流密度対時間のグラフ。
【図４】実施例に説明されるように、示唆されるアノード圧力で動作された電池の電流密度対電池温度のグラフ。
【図５】実施例に説明されるように、示唆されるアノード圧力で動作された電池の電池電圧対時間のグラフ。
【図６Ａ−６Ｂ】それぞれ、実施例に説明される試験中の電流密度対時間及び電池温度対時間を示すグラフ。
【図７】実施例に説明されるように動作された燃料電池の電流密度対時間のグラフ。
【図８】実施例に説明されるように動作された、３つの異なる燃料電池の電流密度対アノード圧力のグラフ。
【図９Ａ−９Ｂ】それぞれ、実施例に説明されるように動作された、３つの異なる燃料電池の電池電圧対アノード圧力及びカソード排水速度対アノード圧力を示すグラフ。
【図１０】実施例に説明されるように、示唆されるアノード圧力で動作された電池の電池電圧対時間のグラフ。
【図１１Ａ】実施例に説明されるように動作された燃料電池の電流密度対アノード圧力のグラフ。
【図１１Ｂ】実施例に説明されるように動作された燃料電池の電流密度対アノード圧力のグラフ。
【図１２Ａ】実施例に説明されるように動作された燃料電池の電流密度対アノード圧力のグラフ。
【図１２Ｂ】実施例に説明されるように動作された燃料電池の電流密度対アノード圧力のグラフ。
【図１３Ａ】実施例に説明されるように動作された燃料電池の電流密度対アノード圧力のグラフ。
【図１３Ｂ】実施例に説明されるように動作された燃料電池の電流密度対アノード圧力のグラフ。
【図１４Ａ】実施例に説明されるように動作された燃料電池の電流密度対アノード流量のグラフ。
【図１４Ｂ】実施例に説明されるように動作された燃料電池の電流密度対アノード流量のグラフ。
【図１５Ａ−１５Ｂ】実施例に説明されるように、示唆されるアノード圧力で動作された燃料電池の電流密度対時間のグラフ。
【図１６Ａ】実施例に説明されるように、示唆されるアノード圧力で動作された電池の電池電圧対時間のグラフ。
【図１６Ｂ】実施例に説明されるように、示唆されるアノード圧力で動作された電池の電池電圧対時間のグラフ。
【図１７Ａ−１７Ｄ】それぞれ、実施例に説明されるように動作された燃料電池のアノード排水速度対アノード圧力、カソード排水速度対アノード圧力、水回収パーセント効率対アノード圧力、及び電池電圧電流密度対アノード圧力のグラフ。
【図１８】実施例に説明されるように、示唆されるアノード圧力で動作された電池の電池電圧対電流密度のグラフ。
【図１９Ａ】実施例に説明されるように、示唆されるアノード圧力で動作された電池の電池電圧対電流密度のグラフ。
【図１９Ｂ】実施例に説明されるように、示唆されるアノード圧力で動作された電池の電池電圧対電流密度のグラフ。
【図２０Ａ】実施例に説明されるように、示唆されるアノード圧力で動作された電池の電池電圧対電流密度のグラフ。
【図２０Ｂ】実施例に説明されるように、示唆されるアノード圧力で動作された電池の電池電圧対電流密度のグラフ。
【図２１Ａ】実施例に説明されるように、示唆される流動場を使用して動作された燃料電池の電流密度対時間のグラフ。
【図２１Ｂ】実施例に説明されるように、示唆される流動場を使用して動作された燃料電池の電流密度対時間のグラフ。
【図２２Ａ】実施例に説明されるように、示唆される流動場を使用して動作された燃料電池の電流密度対時間のグラフ。
【図２２Ｂ】実施例に説明されるように、示唆される流動場を使用して動作された燃料電池の電流密度対時間のグラフ。
【図２３Ａ】実施例に説明されるように、示唆される流動場を使用して動作された燃料電池の電流密度対アノード圧力のグラフ。
【図２３Ｂ】実施例に説明されるように、示唆される流動場を使用して動作された燃料電池の電流密度対アノード圧力のグラフ。
【図２４Ａ−２４Ｆ】実施例に説明されるように、示唆される温度及びカソード圧力で動作された燃料電池の電流密度対アノード圧力のグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本開示は、大気より低い圧力を含む、アノード反応物質圧力の制御を通して、ポリマー電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）の性能を改善するための動作方法に関する。また、本開示は、大気圧より低い、及びそれより高い圧力を包含する範囲にわたり、アノード反応物質圧力を制御する能力を有する、アノード反応物質ストリームに連結された圧力制御装置を組み込む、燃料電池システムも説明する。本開示は、カソード反応物質圧力より低いアノード反応物質圧力を用いた動作のために最適化された構成要素を伴う、ＰＥＭＦＣを更に説明する。
【００２３】
ナノ構造薄膜触媒（ＮＳＴＦＣ）膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、最新技術の従来の厚い炭素担持触媒に基づくＭＥＡと比較して、より高い比活性度及び耐久性を含む、多くの有意な利点を有する。これらの利点は、極薄電極構造の結果であると思われる。
【００２４】
本開示は、本方法に従う燃料電池動作が、冷温かつ湿潤条件下で、極薄電極ＭＥＡの定常状態性能及び負荷過渡性能の両方を実質的に改善することができることを教示する。測定値は、カソード圧力が固定された状態でアノード圧力を低減することが、アノード反応物質ストリームを介した生成水除去の向上、及び結果として生じる、カソード反応物質ストリームを介した生成水除去の低減をもたらし、これが、カソードでのフラッディング問題、及びフラッディングによる付随する性能損失を低減することを示唆する。本開示の重要側面は、アノード反応物質ストリーム圧力を水飽和蒸気圧に向かって減少させることによって、アノードストリームを介した水除去が大幅に向上されるということであり、これは、関心温度で、アノード反応物質ストリームを大気中より低い圧力に制御することを必要とし得る。
【００２５】
本開示の目的及び利点を、以下の実施例によって更に例示するが、これらの実施例において列挙される特定の材料及びその量並びに他の諸条件及び詳細によって、本開示を不当に制限するものではないと解釈すべきである。
【実施例】
【００２６】
特に断らないかぎり、すべての試薬は、アルドリッチ・ケミカル社（Aldrich Chemical Co.）（ウィスコンシン州ミルウォーキー）より入手したか、又は販売されるものであり、あるいは公知の方法で合成することができるものである。
【００２７】
第１及び第２の実施例は、アノード反応物質圧力の範囲にわたるＮＳＴＦＣ  ＭＥＡの評価を含む。ＭＥＡは、ＮＳＴＦアノード触媒（ＮＳＴＦ上にＰｔ６８Ｃｏ２９Ｍｎ３が０．０５ｍｇＰｔ／ｃｍ２）と、ＮＳＴＦカソード触媒（ＮＳＴＦ上にＰｔ６８Ｃｏ２９Ｍｎ３が０．１０ｍｇＰｔ／ｃｍ２）と、プロトン交換膜（３．５％のＭｎ添加剤を含有する、ＥＰＴＦＥ担持体にアイオノマーが装填された３Ｍ  ８５０ＥＷ）と、カソードＧＤＬ（片側上が炭素＋ＰＴＦＥ＋ＦＥＰ微多孔性層（ＭＰＬ）でコーティングされた、４％のＰＴＦＥで処置されたＭＲＣ  Ｕ１０５）と、アノードＧＤＬ（４％のＰＴＦＥで処置されているが、ＭＰＬを伴わない、ＭＲＣ  Ｕ１０５）と、厚さがそれらのそれぞれのＧＤＬの厚さの９０％である、アノード及びカソードガスケットとで構成された。アノードＧＤＬは、ＧＤＬを室温の０．５Ｍの硫酸浴内に設置することによって更に処置され、１．５Ｖ対ＳＨＥで１０分間保持され、次いで、ＧＤＬは、数回洗浄され、乾燥された。この電気化学処置の目的は、アノードＧＤＬの親水性をわずかに増加させることであり、ＧＤＬ炭素が酸化される際、これはより親水性になる。触媒は、ホットロール積層プロセスを介して膜に転写され、触媒コーティングされた膜（ＣＣＭ）を形成した。ＭＥＡは、４連サーペンタイン流動場を伴う機械加工された黒鉛板で構成された５０ｃｍ２の活性面積試験電池（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）内に設置され、改良されたＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ試験ステーション上で試験された。試験ステーションは、電池のアノード流動場の排気口に接続された圧力調整器に吸引を適用するために、２つの実験用水吸入器が使用される、図１のように改良された。吸入器は、電池を通って流動する８００ＳＣＣＭのＨ２で、圧力調整器の前の真空ゲージで測定される水素圧力を〜１５〜２０ｋＰａと低くに減少させることができた。この装置を用いて得ることができる最小圧力（１５〜２０ｋＰａ）から最大でこの場合は５００ｋＰａと高い供給圧力まで、電池のアノード反応物質ストリームの圧力を調節するために、圧力調整器が使用された。概略図は、現在の開示の特定の一実施例を示し、吸入器の代わりに可燃性ガスに好適な機械ポンプ、及び圧力調整器の代わりに可変面積弁など、アノード反応物質圧力を低減し、大気圧より低く制御することができる他の手段もまた使用することができる。
【００２８】
図２は、本開示の理論上の第２の実現を示す。水素ガスは、加圧タンクなどの加圧供給から、スタックアノードに流動する反応物質の質量流量を調整する、流量調整デバイスを通って流動する。スタックを通過した後、圧力調整サブシステムが、スタック内の反応物質ストリームの圧力を調整する。圧力調整サブシステムの排気口で必要とされる圧力を維持するため、並びに再循環コントローラに送給される圧力を増加させるために、ポンプが使用される。再循環コントローラは、全ストリームのある部分を放出し、残りの部分をスタックアノード吸気口に向け戻す。
【００２９】
（実施例１）
図３は、以下のように動作された燃料電池の電流密度対時間のグラフである。本実験では、ＮＳＴＦＣ  ＭＥＡは、３０℃の固定電池温度、及び０．４０Ｖの固定電池電位で、アノードへの乾燥した水素の８００ＳＣＣＭ、及びカソードへの１５０ｋＰａの乾燥した空気の１８００ＳＣＣＭの固定流量で動作された。実験を通して、アノード反応物質圧力は、図１の吸引デバイス及び圧力調整器を使用することによって、２０〜２００ｋＰａの間で段階的に変更された。電池電流密度は、より低い圧力、特に大気中より低い圧力で、アノード圧力の強力な関数であり、電流密度及び関連して電力出力の大幅な増加をもたらすことが発見された。
【００３０】
（実施例２）
いわゆる「非フラッディング」曲線は、アノード反応物質圧力及び温度の関数として測定された。本実験の目的は、完全に浸水状態の電池で開始して、ＭＥＡの性能が１Ａ／ｃｍ２を超えて増加する最低温度を判定することである。それぞれのアノード圧力セットで、電池が最初にデータが示される最低温度まで冷却され、電池が液体水で充填され、反応物質が電池に動かされ始め、反応物質圧力が設定され、次いで電流密度が電池温度の関数として測定された。図４は、示唆されるアノード圧力で動作された電池の電流密度対電池温度のグラフである。１Ａ／ｃｍ２の電流密度を超えるために、１００ｋＰａ以上のアノード圧力で、少なくとも４５℃の電池温度が必要とされた。圧力が大気圧より低く減少された際、電池が１Ａ／ｃｍ２を超える電流密度を生成するために必要とされる最低温度は、大幅に減少された。１５ｋＰａで、必要とされる温度は、１００ｋＰａと比較して２０℃の改善である、２５℃に減少された。
【００３１】
（実施例３及び４）
実施例３及び４では、異なるＮＳＴＦＣ  ＭＥＡ、ＦＣ１６５７６が使用され、このＭＥＡは、アノードＧＤＬが０．５Ｍの硫酸浴内で処置されておらず、むしろ、作製されたままの状態で使用されたという点において、ＦＣ１６４０５とは異なった。
【００３２】
第３の実施例では、アノード反応物質圧力の関数として、「負荷過渡」試験が実行され、この試験は、非常に低い電流密度から比較的高い電流密度までの電流出力における段階的増加を持続するＭＥＡの能力を検査する。試験は、３つの工程、平衡化、前処理、及び負荷過渡で構成された。平衡化工程では、電池は、６９６ＳＣＣＭのＨ２、１５０ｋＰａ、１４０％  ＲＨのアノード反応物質、１６５７ＳＣＣＭの空気、１５０ｋＰａ、１４０％  ＲＨのカソード反応物質、及び０．６Ｖの固定電池電位で、６０℃で５分間保持された。前処理工程では、電池は、平衡化工程と同一の条件であるが、０．０２Ａ／ｃｍ２で２５秒間保持され、この時点でアノード反応物質圧力を、２０〜１５０ｋＰａの間で変化させ、電池は、更に５秒間保持された。負荷過渡工程中、すべての条件が前処理工程の最後の５秒間と同一であるが、電流密度は、１．０Ａ／ｃｍ２に段階的に増加される。それぞれのアノード圧力に対して、２回の試行が実施された。
【００３３】
図５は、実施例３の示唆されるアノード圧力で動作された電池の電池電圧対時間のグラフである。図５は、反応物質圧力が１００ｋＰａ以上である際、電池電圧が、３０秒間の負荷過渡試験の継続時間の間、０．０Ｖより低いままであることを示し、０．０Ｖより低いままであることは、試験の失格を示す。アノード反応物質圧力が５０ｋＰａに減少された際、電池電圧は、０．０Ｖより低い電圧で開始したが、次いで７秒後に〜０．６０Ｖに自然発生的に増加した。アノード圧力が２０ｋＰａであった際、初期電池電圧は、正の０．４〜０．５Ｖであり、０．６０Ｖより高い電圧に急速に上昇した。これらの結果は、低減されたアノード反応物質圧力が負荷過渡性能を大幅に改善することを明確に示す。
【００３４】
実施例４では、１５℃の電池温度での「非フラッディング」性能が、アノード圧力及びカソード圧力の関数として評価された。電池は、最初に、８００ＳＣＣＭ、５０℃の結露点、１００ｋＰａのＨ２のアノード反応物質ストリーム、及び１８００ＳＣＣＭ、５０℃の結露点、１００ｋＰａの空気のカソード反応物質ストリームで、７０℃で１時間前処理され、意図は、自動車用トラクション燃料電池システムの動作停止の前に行われ得るように、ＭＥＡから過剰な水分を除去することであった。前処理に続き、ＭＥＡは、アノード又はカソード反応物質流動を伴わず、１５℃に冷却された。次に、ＭＥＡは、様々なアノード及びカソード圧力での８００ＳＣＣＭの乾燥したＨ２のアノード反応物質ストリーム、及び１８００ＳＣＣＭの乾燥した空気で、０．４０Ｖの固定電池電圧で動作された。
【００３５】
図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ、試験中の電流密度対時間及び電池温度対時間を示すグラフである。ガス流動が開始された時点では、反応物質圧力は、７０／１００ｋＰａであった。電池を０．４０Ｖに設定すると、電流は、０．９Ａ／ｃｍ２を超えて急速に上昇したが、０．２５Ａ／ｃｍ２未満に急速に低下した。アノード圧力を２０ｋＰａに減少させると、約０．６Ａ／ｃｍ２への電流密度の急増がもたらされた。次いでカソード圧力を１５０ｋＰａに増加させると、０．８Ａ／ｃｍ２への更なる向上がもたらされた。次いで、電流密度は、電池温度が徐々に増加するのに付随して、徐々に増加し続けた。〜１８℃の電池温度で、電流密度が１Ａ／ｃｍ２を超えた。これらの結果は、実施例３に示される結果（０．８Ｖ、１５℃で〜０．２Ａ／ｃｍ２）より〜４倍高く、これは、乾燥前処理のためであると思われる。
【００３６】
（実施例５）
実施例５では、異なるＮＳＴＦＣ  ＭＥＡ、ＦＣ１６６３０が使用され、このＭＥＡは、アノードＧＤＬが０．５Ｍの硫酸浴内で処置されておらず、また、微多孔性層を含有したという点で、ＦＣ１６４０５及びＦＣ１６５７６とは異なった。ＦＣ１６６３０は、現在の技術の実施例と見なすことができる。
【００３７】
ＦＣ１６６３０は、実施例１（図３）に示されるものと同じように評価され、図７は、この試験の結果を示す。実施例１で観測されたように、性能は、アノード圧力を減少させることによっていくらか改善したが、実施例１に見られるよりは著しく低かった。
【００３８】
図８は、ＦＣ１６６３０（ＭＰＬを伴うＧＤＬ）、ＦＣ１６４０５（電気化学的に処置された、ＭＰＬを伴わないＭＲＣ  Ｕ１０５）、及びＦＣ１６５７６（ＭＰＬを伴わないＭＲＣ  Ｕ１０５）の電流密度対アノード反応物質圧力を集約する。すべての試料で、アノード圧力を減少させることによって、電流密度が改善した。しかしながら、電気化学的に処置された、ＭＰＬを伴わないアノードＧＤＬで、性能向上は最大であり、ＥＣ処置されていない、ＭＰＬを伴わないアノードＧＤＬが続き、向上が最も小さかった試料は、ＭＰＬを伴うＧＤＬを含有した。
【００３９】
図９は、ＦＣ１６６３０（ＭＰＬを伴うアノードＧＤＬ）及びＦＣ１６５７６（ＭＰＬを伴わないアノードＧＤＬ）の定常状態性能並びにカソード排水速度を比較する。ＦＣ１６５７６（ＭＰＬを伴わない）は、ＦＣ１６６３０（ＭＰＬを伴う）より７０ｍＶ高い性能を生じ、この改善された性能は、より低いカソード排水速度と一致する。これらの結果は、異なるＭＥＡ構成要素が、有効な水管理挙動の変化により、性能の劇的な改善をもたらすことができる証拠を提供する。これらの性能改善は、アノードからのより高い水除去速度と一致する。
【００４０】
図８及び図９は、アノードＧＤＬ、特にアノードＧＤＬの水管理特性を修正することが有益であり得ることを示す。利益は、カソードＧＤＬと比較して強化されたアノードＧＤＬの水除去能力によるものである。アノードＧＤＬのＭＰＬの除去、並びに電気化学処置によってなど、アノードＧＤＬ裏材をより親水性に作製することは、アノードＧＤＬの水除去能力を強化させる２つの方法である。ＭＰＬは、微細孔が開けられた、疎水性層であり、それに水を通すためには、非常に高い圧力が必要とされる。ＧＤＬ裏材は、ＭＰＬより大きい孔が開けられているが、依然として、中程度に疎水性であり、したがって、相当の圧力なしには液体水を透過しない。ＭＰＬの除去は、この障壁を除去し、ＧＤＬ裏材をより親水性にし、水がＧＤＬをより容易に通過できるようにする。そのため、本開示における改善されたＭＥＡの一般的な実施例では、アノードＧＤＬは、水の移動に対して、カソードＧＤＬほど制約を有さない。
【００４１】
（実施例６）
氷点下温度からの起動に耐えなければならない燃料電池システムでは、ｏ  ＭＥＡは、システム再起動時の正常動作のために、システム動作停止の前に高温で乾燥される。ＭＥＡをいくらか乾燥させることによって、氷点下再起動時の燃料電池反応によって生成される水を、触媒層への反応物質移送を妨げることなく、ＰＥＭ及び多孔質ＧＤＬによって吸い上げることができる。この前処理を実行するために必要とされる時間量を最小限にして、寄生損失を最小限にすることが望ましい。
【００４２】
図１０は、アノード圧力の関数としての乾燥前処理の実施例を示す。固定動作条件は、８０℃の電池温度、６９６／１６５７ＳＣＣＭのＨ２／空気反応物質流量、５３℃のアノード及びカソード結露点、０．０５Ａ／ｃｍ２の固定電流密度、並びに１００ｋＰａのカソード圧力であった。固定ＭＥＡ構成変数は、０．０５ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのアノード触媒、０．１０ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのカソード触媒、添加剤を伴わない３Ｍ  ８５０ＥＷ  ２０ｕのＰＥＭ、２９７９のアノード及びカソードＧＤＬ、並びに５０ｃｍ２の４連サーペンタインのアノード及びカソード流動場であった。
【００４３】
上記の条件下で、ＭＥＡの水含有量と反応物質ストリームの水含有量との間の定常状態が到達されるまで、蒸発乾燥によりＭＥＡから水が除去される。電池電圧は、ＰＥＭの増加する抵抗により、ＭＥＡが乾燥するにつれて減少する。したがって、電池電圧は、乾燥度の状態の指標である。図１０は、アノード圧力が低減される際、ＭＥＡの乾燥による電池電圧減少速度が大幅に増加することを示す。特定の電池電圧減少（ＭＥＡ乾燥による）を達成するために必要とされる時間は、アノード圧力が減少するにつれて減少する。したがって、本実施例は、大気中より低いアノード圧力を用いて、改善された前処理を達成することができることを示す。
【００４４】
（実施例７）
図１１Ａ及び図１１Ｂは、アノード圧力の関数としての０．４Ｖ対アノードＧＤＬ裏材での電流密度を示す。図１１Ａ及び図１１Ｂは、６％のＰＴＦＥを伴い、かつＭＰＬを含有する基準ＭＲＣ  Ｕ１０５と比較した際の、すべてがＭＰＬを伴わず、かつ裏材中にＰＴＦＥをわずかに伴う、又は伴わない、異なるアノード裏材を伴う異なるアノードＧＤＬのアノード圧力の関数としての０．４Ｖでの電流密度出力を比較する。アノードＧＤＬは、Ｈｏｌｌｉｎｇｓｗｏｒｔｈ  ａｎｄ  Ｖｏｓｅ「５ミル（０．１３ｍｍ）」（ＭＰＬを伴わないと認められる）、ＭＲＣ  Ｕ１０５（ＭＰＬを伴わない、０．１％のＰＴＦＥで処置された）、Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ  Ｈ２３１５（ＭＰＬを伴わないと認められる）、Ｂａｌｌａｒｄ  １０７１ＨＣＢ（ＭＰＬを伴わないと認められる）、及びＦｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ  Ｘ００９０（ＭＰＬを伴わないと認められる）であった。固定動作条件は、３０℃の電池温度、８００／１８００ＳＣＣＭのＨ２／空気乾燥反応物質流量、及び１５０ｋＰａのカソード圧力であった。固定ＭＥＡ構成変数は、０．０５ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのアノード触媒、０．１０ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのカソード触媒、添加剤を伴わない３Ｍ  ８５０ＥＷ  ２０ｕのＰＥＭ、２９７９のカソードＧＤＬ、並びに５０ｃｍ２の４連サーペンタインのアノード及びカソード流動場であった。
【００４５】
Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ  Ｈ２３１５及びＸ００９０（未処置と認められる）が、大部分のアノード圧力範囲にわたり、基準を含む他のＧＤＬより大幅に高いＪを示すことが観測された。これらの結果は、アノードＧＤＬ裏材構造の側面が、冷温で、性能への強い影響力を有することができ、効果は、大気中より低いアノード圧力で拡大されることを示す。
【００４６】
（実施例８）
図１２Ａ及び図１２Ｂは、アノード圧力の関数としての０．４Ｖ対アノードＧＤＬ  ＭＰＬ、アノードＧＤＬ裏材ＰＴＦＥ含有量での電流密度を示す。図１２Ａ及び図１２Ｂは、ＭＲＣ  Ｕ１０５裏材に基づき、異なるアノードＧＤＬのアノード圧力の関数としての０．４Ｖでの電流密度出力を比較する。変数には、ＭＰＬの存在又はその欠乏、及び裏材中のＰＴＦＥ含有量、並びにアノード圧力が含まれる。固定動作条件は、３０℃の電池温度、８００／１８００ＳＣＣＭのＨ２／空気乾燥反応物質流量、及び１５０ｋＰａのカソード圧力であった。固定ＭＥＡ構成変数は、０．０５ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのアノード触媒、０．１０ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのカソード触媒、添加剤を伴わない３Ｍ  ８５０ＥＷ  ２０ｕのＰＥＭ、２９７９のカソードＧＤＬ、並びに５０ｃｍ２の４連サーペンタインのアノード及びカソード流動場であった。
【００４７】
すべての場合で、Ｊは、アノード圧力が２００ｋＰａから５０ｋＰａに低減されるにつれて増加した。アノードからのＭＰＬの除去は、５０〜７５ｋＰａのアノード圧力領域内で、電流密度出力の大幅な増加をもたらした。これらの結果は、本開示の幾つかの側面のデータを提供する。第１に、大気中より低いアノード圧力を用いた動作は、低温で、大幅な性能改善をもたらすことができる。第２の側面は、アノードからＭＰＬを除去することによって、低温下で改善された性能を得ることができ、アノードの水除去を促進するということである。
【００４８】
（実施例９）
図１３Ａ及び図１３Ｂは、アノード圧力の関数としての０．４Ｖ対アノードＧＤＬ裏材での電流密度を示す。図１３Ａ及び図１３Ｂは、６％のＰＴＦＥを伴い、かつＭＰＬを含有する基準ＭＲＣ  Ｕ１０５と比較した際の、すべてがＭＰＬを伴わず、かつ裏材中にＰＴＦＥをわずかに伴う、又は伴わない、異なるアノード裏材を伴う異なるアノードＧＤＬのアノード圧力の関数としての０．４Ｖでの電流密度出力を比較する。アノードＧＤＬは、Ｈｏｌｌｉｎｇｓｗｏｒｔｈ  ａｎｄ  Ｖｏｓｅ「５ミル（０．１３ｍｍ）」（ＭＰＬを伴わないと認められる）、ＭＲＣ  Ｕ１０５（ＭＰＬを伴わない、０．１％のＰＴＦＥで処置された）、及びＦｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ  Ｈ２３１５（ＭＰＬを伴わないと認められる）であった。固定動作条件は、３０℃の電池温度、８００／１８００ＳＣＣＭのＨ２／空気乾燥反応物質流量、及び１５０ｋＰａのカソード圧力であった。固定ＭＥＡ構成変数は、０．０５ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのアノード触媒、０．１０ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのカソード触媒、添加剤を伴わない３Ｍ  ８５０ＥＷ  ２０ｕのＰＥＭ、２９７９のカソードＧＤＬ、並びに５０ｃｍ２の４連サーペンタインのアノード及びカソード流動場であった。
【００４９】
両方のステーションで、Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ  Ｈ２３１５（未処置と認められる）が、大部分のアノード圧力範囲にわたり、基準を含む他のＧＤＬより大幅に高いＪを示すことが観測された。これらの結果は、アノードＧＤＬ裏材構造の側面が、冷温で、性能への強い影響力を有することができ、効果は、大気中より低いアノード圧力で拡大されることを示す。
【００５０】
（実施例１０）
図１３Ａ及び図１３Ｂは、様々なアノード流量での０．４Ｖ対アノードＧＤＬ裏材での電流密度を示す。図１４Ａ及び図１４Ｂは、６％のＰＴＦＥを伴い、かつＭＰＬを含有する基準ＭＲＣ  Ｕ１０５と比較した際の、すべてがＭＰＬを伴わず、かつ裏材中にＰＴＦＥをわずかに伴う、又は伴わない、異なるアノード裏材を伴う異なるアノードＧＤＬのアノード流量の関数としての０．４Ｖでの電流密度出力を比較する。アノードＧＤＬは、基準及びＦｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ  Ｈ２３１５（ＭＰＬを伴わないと認められる）であった。固定動作条件は、３０℃の電池温度、１８００ＳＣＣＭの空気乾燥反応物質流量、及び７５／１５０ｋＰａのアノード／カソード圧力であった。固定ＭＥＡ構成変数は、０．０５ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのアノード触媒、０．１０ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのカソード触媒、添加剤を伴わない３Ｍ  ８５０ＥＷ  ２０ｕのＰＥＭ、２９７９のカソードＧＤＬ、並びに５０ｃｍ２の４連サーペンタインのアノード及びカソード流動場であった。
【００５１】
すべての場合で、電流密度は、アノード流量が８００ＳＣＣＭから１４００ＳＣＣＭに増加されるにつれて増加し、大部分の場合で、流量が２０００ＳＣＣＭに増加された際に、更なる増加が観測された。両方のステーションで、Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ  Ｈ２３１５（未処置と認められる）が、すべてのアノード流量で、基準ＧＤＬより大幅に高いＪを示すことが観測された。
【００５２】
これらの結果は、アノードＧＤＬタイプが、大気中より低いアノード圧力で、性能への強い影響力を有することができることを示す。
【００５３】
（実施例１１）
図１５Ａ及び図１５Ｂは、アノード圧力及び電池温度の関数としての起動時過渡を示す。図１５Ａは、１０℃のデータを表し、図１５Ｂは、３０℃のデータを表す。図１５Ａ及び図１５Ｂは、アノード圧力及び電池温度の関数としての起動時過渡性能を比較する。起動時過渡は、ＭＥＡが仮定的なシステム動作停止の後に定格性能を達成することができる速度の推定方法である。この試験では、ＭＥＡは、最初に、８０℃、３０／３０％  ＲＨ、０／０ｐｓｉｇ（０ｋＰａ）Ｈ２／空気、６９６／１６５７ＳＣＣＭ、及び０．０５Ａ／ｃｍ２の固定Ｊで、５分間前処理され、この工程は、ＭＥＡの初期加湿レベルを設定する。次に、すべての反応物質が停止され、電池が動作停止され、任意の温度、上記の場合では１０℃又は３０℃のいずれかに冷却された。上記のグラフは、幾つかの工程がｔ＝０で同時に実施される、次の工程を示し、反応物質流量は、６９６／１６５７ＳＣＣＭに設定され、圧力は、ｘ／１５０ｋＰａ（グラフに注記されるｘ）に設定され、電池電位は、０．６０Ｖに固定して保持される。電流の経時的な漸進的変化が記録される。「より優れた」起動時過渡とは、急速に高Ｊを達成し、かつ初期の１０秒間にわたって、そのＪを可能な限り維持することができるものである。
【００５４】
固定ＭＥＡ構成変数は、０．０５ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのアノード触媒、０．１０ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのカソード触媒、添加剤を伴わない３Ｍ  ８５０ＥＷ  ２０ｕのＰＥＭ、Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ  Ｈ２３１５のアノードＧＤＬ、及び２９７９のカソードＧＤＬ、並びに５０ｃｍ２の４連サーペンタインのアノード及びカソード流動場であった。
【００５５】
すべての場合で、電流は、ｔ＝０での０Ａ／ｃｍ２から〜６〜７秒でピークＪまで急速に増加し、そのＪの後、経時的にいくらか減少することが発見された。ピークＪは、アノード圧力に対して比較的鈍感であることが発見されたが、長期にわたり高Ｊを維持する能力は、アノード圧力の強い関数であることが発見された。アノード圧力を２００ｋＰａから２０ｋＰａに減少させることによって、１０℃及び３０℃の両方の場合で、ｔ＝３０秒でＪの２倍の増加がもたらされ、これは、少なくとも〜２倍高速なシステム起動をもたらし得る。これらの結果は、本開示の一側面、大気中より低いアノード圧力で、起動時過渡性能の大幅な改善をもたらすことを示す。
【００５６】
（実施例１２）
図１６Ａ及び図１６Ｂは、アノード圧力及び電池温度の関数としての湿潤負荷過渡を示す。図１６Ａは、５０℃のデータを表し、図１６Ｂは、６０℃のデータを表す。図１６Ａ及び図１６Ｂは、アノード圧力及び電池温度の関数としての湿潤負荷過渡性能を比較する。負荷過渡試験は、ＭＥＡが待機／低電力から高電力への仮定的な遷移にどれくらい良好に耐えることができるかを評価する方法である。この試験では、ＭＥＡは、最初に、５０℃又は６０℃のいずれか、１４０／１４０％  ＲＨ、１５０／１５０ｋＰａのＨ２／空気、６９６／１６５７ＳＣＣＭ、及び０．６Ｖの固定Ｖで、５分間前処理され、この工程は、ＭＥＡの初期加湿レベルを、最悪の場合の想定を表す、高度に浸水したレベルに設定する。次に、電池は、待機状態を模擬するために、０．０５Ａ／ｃｍ２の固定電流密度で２０秒間保持される。次に、アノード圧力が上記のグラフに掲示される値に調節され、１０秒間保持された。上記のグラフは、電流密度が１Ａ／ｃｍ２に段階的に増加される、次の工程を示す。電池電圧の経時的な漸進的変化が記録される。「より優れた」負荷過渡とは、高Ｖを急速に達成し、かつ３０秒間の試験の継続時間にわたり、高Ｖを維持することができるものである。「失格した」負荷過渡とは、試験の継続時間、電池電圧が＜〜０Ｖであるものである。
【００５７】
固定ＭＥＡ構成変数は、０．０５ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのアノード触媒、０．１０ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのカソード触媒、添加剤を伴わない３Ｍ  ８５０ＥＷ  ２０ｕのＰＥＭ、Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ  Ｈ２３１５のアノードＧＤＬ、及び２９７９のカソードＧＤＬ、並びに５０ｃｍ２の４連サーペンタインのアノード及びカソード流動場であった。
【００５８】
５０℃及び６０℃の両方の試行で、アノード圧力を減少させることによって、負荷過渡性能が改善することが発見された。５０℃で、すべての場合で、ｔ＝０秒での電池電圧は低かったが、正電圧を達成するために必要とされる時間は、アノード圧力が１５０ｋＰａから５０ｋＰａ、２０〜２５ｋＰａに減少するにつれて減少し、ＭＥＡは、１５０ｋＰａの場合の過渡に失格した。６０℃で、この場合も同様に、電池電圧増加及び安定化速度は、アノード圧力が減少するにつれて改善することが発見された。
【００５９】
これらの結果は、本開示の一側面、大気中より低いアノード圧力を用いた動作が、ＭＥＡの負荷過渡性能を大幅に改善することができることを示す。
【００６０】
（実施例１３）
図１７Ａ〜図１７Ｄは、アノード圧力の関数としての定常状態定電流性能及びＭＥＡ水平衡を示す。図１７Ａ〜図１７Ｄは、アノード圧力の関数としての定常状態定電流性能及びＭＥＡ水平衡を比較する。これらの試験は、本開示の性能改善の機構に関する識見を与える。この試験では、電池は、〜６０分間の期間、固定電流密度で保持され、この間、電池電圧が監視され、水がカソードから回収され、場合によっては、アノード電池排出ストリームも回収され、それぞれの排出速度が計算される。水は、どこでＭＥＡによって生成される水が電池を出るかを判定するために、回収される。この試験では、ＭＥＡは、１Ａ／ｃｍ２の固定電流密度を伴って、５０℃、０／０％  ＲＨ、ｘ／１５０ｋＰａ、６９６／１６５７ＳＣＣＭのＨ２／空気で保持される。
【００６１】
固定ＭＥＡ構成変数は、０．０５ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのアノード触媒、０．１０ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのカソード触媒、添加剤を伴わない３Ｍ  ８５０ＥＷ  ２０ｕのＰＥＭ、Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ  Ｈ２３１５のアノードＧＤＬ、及び２９７９のカソードＧＤＬ、並びに５０ｃｍ２の４連サーペンタインのアノード及びカソード流動場であった。
【００６２】
概して、アノード圧力が減少するにつれて、カソード排出ストリームを介して電池から出る水の量が減少し、アノード排出ストリームを介して出る水の量が増加することが観測された。これらの結果は、改善された性能のために、アノードを介した水除去を促すのに有益であることを明確に示す。
【００６３】
（実施例１４）
図１８は、アノード圧力の関数としての動電流、一定化学量論性能を比較する。この試験では、電池のＪは、０．０５Ａ／ｃｍ２からその最大Ｊ又は２．０Ａ／ｃｍ２（どちらかより小さい方）に段階的に増加され、次いでＪは、再び減少され、電池電圧が監視される。この試験では、ＭＥＡは、０．０５Ａ／ｃｍ２、６０秒／刻みのＪ刻みで、３０℃、０／０％  ＲＨ、ＣＳ２／２のＨ２／空気で保持される。グラフは、明確化のために、走査の低−＞高Ｊ部分のみを示す。
【００６４】
固定ＭＥＡ構成変数は、０．０５ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのアノード触媒、０．１０ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのカソード触媒、添加剤を伴わない３Ｍ  ８５０ＥＷ  ２０ｕのＰＥＭ、Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ  Ｈ２３１５のアノードＧＤＬ、及び２９７９のカソードＧＤＬ、並びに５０ｃｍ２の４連サーペンタインのアノード及びカソード流動場であった。
【００６５】
アノード圧力が１５０ｋＰａ〜２００ｋＰａから１００ｋＰａ以下に低減されるにつれて、達成可能な最大電流密度は、〜０．５Ａ／ｃｍ２から２．０Ａ／ｃｍ２に増加した。中程度のＪ、例えば１Ａ／ｃｍ２での電池Ｖは、アノード圧力が１００ｋＰａから３０ｋＰａに減少するにつれて、概して増加した。この結果は、本開示、即ち、特にアノード圧力が大気中より低い際、アノード圧力がカソードと比較して減少されるにつれて改善される性能と一致する。
【００６６】
（実施例１５）
図１９Ａ及び図１９Ｂは、２つのＭＥＡタイプの動電流、一定流量性能対アノード圧力を示す。図１９Ａは、ＮＳＴＦを表し、図１９Ｂは、従来のＰｔ／Ｃ触媒を表す。この試験では、電池のＪは、０．０２〜０．１Ａ／ｃｍ２からその最大Ｊ又は２．０Ａ／ｃｍ２（どちらかより小さい方）に段階的に増加され、次いでＪは、再び減少され、電池電圧が監視される。この試験では、ＭＥＡは、１５刻み／１０進数、３０秒／刻みの対数Ｊ刻みで、３０℃、０／０％  ＲＨ、ＣＦ８００／１８００ＳＣＣＭのＨ２／空気で保持され、アノード／カソード圧力は、ｘ／１５０ｋＰａである。
【００６７】
図１９Ａは、ＮＳＴＦ  ＭＥＡでの結果を示し、ＭＥＡ構成変数は、０．０５ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのアノード触媒、０．１０ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのカソード触媒、添加剤を伴わない３Ｍ  ８５０ＥＷ  ２０ｕのＰＥＭ、Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ  Ｈ２３１５のアノードＧＤＬ、及び２９７９のカソードＧＤＬ、並びに５０ｃｍ２の４連サーペンタインのアノード及びカソード流動場であった。図１９Ｂは、Ｐｔ／Ｃ  ＭＥＡでの結果を示し、ＭＥＡ構成変数は、０．１０Ｐｔ／Ｃのアノード触媒、０．３０Ｐｔ／Ｃのカソード触媒、添加剤を伴う３Ｍ  ８５０ＥＷ  ２０ｕのＰＥＭ、並びに２９７９のアノード及びカソードＧＤＬであった。
【００６８】
ＮＳＴＦ  ＭＥＡでは、アノード圧力が１５０ｋＰａから５０ｋＰａに減少される際、限界電流密度の大幅な増加が観測され、圧力が２５ｋＰａに低減される際、更なる向上は観測されなかった。Ｐｔ／Ｃ  ＭＥＡでは、限界電流密度の大幅な変化は観測されなかった。５０ｋＰａで、ＮＳＴＦ  ＭＥＡは、Ｐｔ／Ｃ  ＭＥＡと同様の限界電流を達成した。
【００６９】
（実施例１６）
図２０Ａ及び図２０Ｂは、ＮＳＴＦ  ＭＥＡを伴う２つのアノードＧＤＬタイプの動電流、一定流量性能対アノード圧力を示す。図２０Ａは、Ｆｒｕｅｄｅｎｂｅｒｇ  Ｈ２３１５を表し、図２０Ｂは、４％のＰＴＦＥを伴うＭＲＣ  Ｕ１０５を表す。この試験では、電池のＪは、０．０２〜０．１Ａ／ｃｍ２からその最大Ｊ又は２．０Ａ／ｃｍ２（どちらかより小さい方）に段階的に増加され、次いでＪは、再び減少され、電池電圧が監視される。この試験では、ＭＥＡは、１５刻み／１０進数、３０秒／刻みの対数Ｊ刻みで、３０℃、０／０％  ＲＨ、ＣＦ８００／１８００ＳＣＣＭのＨ２／空気で保持され、アノード／カソード圧力は、ｘ／１５０ｋＰａである。
【００７０】
図２０Ａは、Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ  Ｈ２３１５  ＧＤＬを有するＮＳＴＦ  ＭＥＡでの結果を示し、図２０Ｂは、４％のＰＴＦＥを伴うＭＲＣ  Ｕ１０５  ＧＤＬを有するＮＳＴＦ  ＭＥＡでの結果を示す。共通ＭＥＡ構成変数は、０．０５ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのアノード触媒、０．１０ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのカソード触媒、添加剤を伴わない３Ｍ  ８５０ＥＷ  ２０ｕのＰＥＭ、２９７９のカソードＧＤＬ、及び５０ｃｍ２の４連サーペンタインのカソード流動場であった。図２０Ａのアノード流動場は、４連サーペンタインであり、図２０Ｂでは、アノード流動場は、２連サーペンタインであった。
【００７１】
両方のＭＥＡは、アノード圧力が１５０ｋＰａから２５ｋＰａに減少される際、改善された性能を示した。図２０Ａに示されるＭＥＡは、すべてのアノード圧力で、より優れた性能を有した。これらの結果は、本開示、即ち、減少したアノード圧力が性能を改善し、アノードＧＤＬが低Ｔ性能に影響を及ぼすことができるということと一致する。
【００７２】
（実施例１７）
図２１Ａ及び図２１Ｂは、アノード流量及びアノード流動場の関数としての圧力過渡性能を比較する。図２１Ａは、〜２０ｋＰａのデータを表し、図２１Ｂは、１００ｋＰａのデータを表す。圧力過渡は、ＭＥＡがフラッディング条件で動作された後に定格性能を達成することができる速度の推定方法である。この試験では、ＭＥＡは、最初に、３０℃、０／０％  ＲＨ、１５０／１５０ｋＰａのＨ２／空気、８００／１８００ＳＣＣＭ、及び０．７Ｖの固定電池Ｖで、５分間前処理され、この工程は、ＭＥＡの初期加湿レベルを、高度に浸水したレベルに設定する。次に、電池電位は、０．４Ｖに〜１分間設定され、次いでアノード圧力が、１５０ｋＰａから２０ｋＰａ（左）又は１００ｋＰａ（右）のいずれかに低減される。電流の経時的な漸進的変化が記録される。「より優れた」圧力過渡とは、急速に高Ｊを達成するものである。
【００７３】
固定ＭＥＡ構成変数は、０．０５ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのアノード触媒、０．１０ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのカソード触媒、添加剤を伴わない３Ｍ  ８５０ＥＷ  ２０ｕのＰＥＭ、４％のＰＴＦＥのＵ１０５のアノードＧＤＬ、及び２９７９のカソードＧＤＬ、並びに５０ｃｍ２の４連サーペンタインのカソード流動場であった。アノード流動場は、４連サーペンタイン、２連サーペンタイン、又は単一チャネルジグザグアノード流動場であった。
【００７４】
流動場タイプに関わらず、アノード圧力が２０ｋＰａに低下される際、１００ｋＰａと比較してより大きいＪ増加が観測されるということが概して観測され、大気中より低い圧力を含む、低減されたアノード圧力を用いて、改善された冷温及び湿潤性能が達成されるという本開示の一側面と一致する。また、この結果は、アノード流動場に対する感度が比較的より低いアノード圧力で向上されるということも示す。
【００７５】
（実施例１８）
図２２Ａ及び図２２Ｂは、アノード流量及びアノード流動場の関数としての圧力過渡性能を比較する。図２２Ａは、８００ＳＣＣＭのＨ２データを表し、図２２Ｂは、２０００ＳＣＣＭのＨ２データを表す。圧力過渡は、ＭＥＡがフラッディング条件で動作された後に定格性能を達成することができる速度の推定方法である。この試験では、ＭＥＡは、最初に、３０℃、０／０％  ＲＨ、１５０／１５０ｋＰａのＨ２／空気、８００／１８００ＳＣＣＭ、及び０．７Ｖの固定電池Ｖで、５分間前処理され、この工程は、ＭＥＡの初期加湿レベルを、高度に浸水したレベルに設定する。次に、電池電位は、０．４Ｖに〜１分間設定され、次いでアノード圧力が、２０〜３０ｋＰａに低減され、アノード流量は、８００ＳＣＣＭに保たれる（左）か、又は２０００ＳＣＣＭに増加される（右）。電流の経時的な漸進的変化が記録される。「より優れた」圧力過渡とは、急速に高Ｊを達成するものである。
【００７６】
固定ＭＥＡ構成変数は、０．０５ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのアノード触媒、０．１０ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのカソード触媒、添加剤を伴わない３Ｍ  ８５０ＥＷ  ２０ｕのＰＥＭ、４％のＰＴＦＥのＵ１０５のアノードＧＤＬ、及び２９７９のカソードＧＤＬ、並びに５０ｃｍ２の４連サーペンタインのカソード流動場であった。アノード流動場は、４連サーペンタイン、２連サーペンタイン、又は単一チャネルジグザグアノード流動場のいずれかであった。
【００７７】
幾つかの効果が明らかである。すべての場合において、アノード圧力の１５０ｋＰａから２０〜３０ｋＰａへの減少は、電流密度の大幅かつ比較的急速な増加をもたらした。第２に、アノード流量は、有意な効果を有した、即ち、より高いアノード流量は、より高い性能をもたらした。第３に、流動場タイプは、電流増加速度、及び到達される最大電流密度に強い効果を有し、この依存はまた、アノード流量にも依存した。例えば、８００ＳＣＣＭ（左パネル）で、４連サーペンタイン電池は、最大Ｊへの最も遅い到達及び最低の最大Ｊを有し、２連及びジグザグ流動場は両方とも、４連より優れた、ほぼ同等の改善を有した。２０００ＳＣＣＭでは、４連サーペンタインで最善圧力過渡性能が得られ、２連、次いでジグザグ流動場が続いたという点において、依存は異なった。
【００７８】
（実施例１９）
図２３Ａ及び図２３Ｂは、ｔ＝２０秒対アノード反応物質流量及びアノード流動場での圧力過渡性能を示す。図２３Ａは、８００ＳＣＣＭのＨ２データを表し、図２３Ｂは、２０００ＳＣＣＭのＨ２データを表す。流動場の間での１つの有意差は、流動場チャネルの数が減少するにつれて、圧力低下が大幅に増加したということであった。また、圧力低下は、予想され得るように、アノード流量が増加するにつれて増加した。
【００７９】
図２３Ａ及び図２３Ｂは、平均（吸気口から排気口までの）アノード圧力の関数としてのｔ＝２０秒での電流密度が抽出され、プロットされた、図１０からの結果の概要を示す。このデータから、流動場の間での性能差の大部分は、圧力低下の差、及び結果として生じる平均アノード圧力の差によって説明することができると判断することができる。唯一の矛盾は、ジグザグが最高であり、２連サーペンタインが中程度範囲であり、４連サーペンタインが最低であった、２５〜４０ｋＰａの平均アノード圧力での８００ＳＣＣＭであると思われ、原因は分かっていない。
【００８０】
（実施例２０）
図２４Ａ〜図２４Ｆは、異なる電池温度及びカソード圧力のアノード圧力の関数としての０．４Ｖでの電流密度出力を比較する。固定動作条件は、８００／１８００ＳＣＣＭのＨ２／空気乾燥反応物質流量であった。アノード圧力は、カソードより５０ｋＰａ高い圧力から２５〜１００ｋＰａまでに及んだ。固定ＭＥＡ構成変数は、０．０５ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのアノード触媒、０．１０ＰｔＣｏＭｎ／ＮＳＴＦのカソード触媒、添加剤を伴わない３Ｍ  ８５０ＥＷ  ２０ｕのＰＥＭ、Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ  Ｈ２３１５のアノードＧＤＬ、２９７９のカソードＧＤＬ、並びに５０ｃｍ２の４連サーペンタインのアノード及びカソード流動場であった。
【００８１】
すべての場合で、アノード圧力が最大値から減少される際、いくらかの性能改善が観測された。低減された圧力を用いて大幅な性能改善を達成するために必要とされる圧力は、電池温度が減少するにつれて減少し、例えば、３０℃では〜１００ｋＰａで、２０℃では５０ｋＰａで、及び１０℃では２５ｋＰａで、改善された性能が本格的に現れ始めた。この結果は、Ｔが減少するにつれて、高電流密度を達成するために、実質的により低いアノード圧力、恐らく当社設備で達成可能な２５ｋＰａの最小Ｐより低い圧力が必要とされ得るということを示す。
【００８２】
本開示の様々な修正及び変更は、本開示の範囲及び原理から逸脱することなく当業者には明白であり、また、本開示は、本明細書に記載した例示的な実施形態に不当に制限されるものではないと理解すべきである。
【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６Ａ−６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ−９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ−１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ−１７Ｄ】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４Ａ−２４Ｆ】
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【国際調査報告】
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