(57)【要約】燃料電池膜を処理する方法が開示されている。その方法は、電流出力を発生していない燃料電池膜を提供する工程と；前記燃料電池膜を、燃料源および酸化剤が供給されるとき、燃料電池膜が維持することのできる最大出力電力の少なくとも約８０％の電力を発生するために、実質的に直ちに作動する燃料電池膜の状態にする効果がある特殊環境下に曝す工程を含む。この発明はまたこの方法により製造される燃料電池および調整された燃料電池膜を含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池膜の処理方法であって：
電流出力を発生していない燃料電池膜を提供する工程と；
燃料源および酸化剤が供給されるとき、燃料電池膜の維持可能な最大出力電力の少なくとも約８０％を発生するために燃料電池膜を実質的に直ちに作動可能な状態にする効果のある特殊環境下に前記燃料電池膜を曝す工程、
とを含むことを特徴とする燃料電池膜の処理方法。
【請求項２】
前記特殊環境が、湿度、温度、圧力において周囲の環境よりも約１０％より大きいことを特徴とする請求項１記載の燃料電池膜の処理方法。
【請求項３】
前記燃料電池膜を提供する工程がさらに、
燃料電池膜を燃料電池コンポーネントに組み立てる工程を更に含み、
前記燃料電池コンポーネントが、湿度、温度、圧力において周囲の環境よりも約１０％より大きい特殊環境に曝される
ことを特徴とする、請求項１記載の処理方法。
【請求項４】
前記燃料電池膜を提供する工程がさらに、
燃料電池膜を燃料電池モジュールに組み立てる工程を更に含み、
前記燃料電池モジュールが、湿度、温度、圧力において周囲の環境よりも約１０％より大きい特殊環境に曝される
ことを特徴とする、請求項１記載の処理方法。
【請求項５】
前記燃料電池膜を提供する工程がさらに、
燃料電池膜を燃料電池積層体に組み立てる工程を更に含み、
前記燃料電池積層体が、湿度、温度、圧力において周囲の環境よりも約１０％より大きい特殊環境に曝される
ことを特徴とする、請求項１記載の処理方法。
【請求項６】
前記燃料電池を前記環境下に曝す工程がさらに、
約６０℃から１２０℃の温度である特殊環境に曝すことを含む
ことを特徴とする、請求項２記載の処理方法。
【請求項７】
前記燃料電池を前記特殊環境下に曝す工程がさらに、
約７０％から約１００％の湿度である特殊環境に曝すことを含む
ことを特徴とする、請求項２記載の処理方法。
【請求項８】
前記燃料電池を前記特殊環境下に曝す工程がさらに、
約３０から約３００分の間、特殊環境に保持することを含む
ことを特徴とする、請求項２記載の処理方法。
【請求項９】
前記燃料電池を前記環境下に曝す工程がさらに、
ほぼ大気圧から約１５０ポンド／平方インチのガス圧力である特殊環境に曝すことを含む
ことを特徴とする、請求項２記載の処理方法。
【請求項１０】
前記燃料電池を前記特殊環境下に曝す工程がさらに、
約６０℃より高い温度、約７０％より高い湿度、約１５０ポンド／平方インチより高い圧力で曝すことを含む
ことを特徴とする、請求項２記載の処理方法。
【請求項１１】
前記特殊環境が、オートクレーブを含むことを特徴とする請求項１記載の処理方法。
【請求項１２】
燃料電池膜の処理方法であって：
電流出力を発生していない通常作動可能な燃料電池膜を提供する工程と；
空間を規定する筺体を提供する工程と；
前記筺体の空間に前記燃料電池膜を存置する工程と；
前記空間内に特殊環境を形成して前記燃料電池膜を処理するために、圧力、温度および湿度を増加する工程と；
燃料ガスおよび酸化剤が実質的に供給されるとき、燃料電池膜の維持可能な最大出力電力の少なくとも約８０％を発生するために燃料電池膜を実質的に直ちに作動可能な状態にする効果のある期間、前記空間内に前記燃料電池膜を保持する工程と；
前記調整処理済みの燃料電池膜を筺体から取り出す工程；
とを含むことを特徴とする燃料電池膜の処理方法。
【請求項１３】
前記通常作動可能な燃料電池膜が、前記調整処理前に燃料源および酸化剤が供給された場合、維持可能な最大出力電力の約８０％より少ない出力電力を発生する燃料電池膜である
ことを特徴とする請求項１２記載の処理方法。
【請求項１４】
前記空間内の温度、圧力および湿度を増加する工程が：
前記筺体の空間内の温度を約６０℃から約１２０℃に保持して、前記通常作動可能な燃料電池膜を処理する工程を含む
ことを特徴とする請求項１２記載の処理方法。
【請求項１５】
前記空間内の温度、圧力および湿度を増加する工程が：
前記空間内の圧力を、ほぼ大気圧から約１５０ポンド／平方インチのガス圧力に保持して、前記通常作動可能な燃料電池膜を処理する工程を含む
ことを特徴とする請求項１２記載の処理方法。
【請求項１６】
前記空間内の温度、圧力および湿度を増加する工程が：
前記空間内の湿度を、約７０％から約１００％の湿度に保持して、前記通常作動可能な燃料電池膜を処理する工程を含む
ことを特徴とする請求項１２記載の処理方法。
【請求項１７】
前記空間内の温度、圧力および湿度を増加する工程が、少なくとも６０分より短い時間であることを特徴とする請求項１２記載の処理方法。
【請求項１８】
前記空間内の温度、圧力および湿度を増加して存置する期間および増加の程度が、前記通常作動可能な燃料電池膜に殆ど損傷を与えないことを特徴とする請求項１２記載の処理方法。
【請求項１９】
前記空間内の温度、圧力および湿度を増加する工程の前に、さらに
前記空間内に与える温度、圧力および湿度を選択する工程を有し、該選択が空間内に前記燃料電池膜を保持する間に該燃料電池膜が水和される効果がある
ことを特徴とする請求項１２記載の処理方法。
【請求項２０】
前記空間内の圧力、温度、湿度が、該空間の外側で測定される圧力、温度、湿度の周囲環境よりも高く；
処理後の燃料電池膜を取り出して、電気を発生させたときに、該処理後の燃料電池膜の作動性に損傷を与える圧力、温度および湿度よりも低い
ことを特徴とする請求項１９記載の処理方法。
【請求項２１】
請求項１２記載の方法により製造された調整処理済みの燃料電池膜。
【請求項２２】
前記通常作動可能な燃料電池膜が手で操作可能な燃料電池モジュールに組み込まれ、該燃料電池モジュールが空間内に存置されて、空間内にある間は燃料ガスの供給はされないことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項２３】
前記通常作動可能な燃料電池膜が燃料電池積層体に組み込まれ、該燃料電池積層体が空間内に存置されて、空間内にある間は燃料ガスの供給はされないことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項２４】
前記燃料電池膜が燃料電池に組み込まれ、該燃料電池の少なくとも一部が前記空間内に存置されることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項２５】
請求項２２記載の方法により製造された燃料電池モジュール。
【請求項２６】
請求項２３記載の方法により製造された燃料電池積層体。
【請求項２７】
請求項２４記載の方法により製造された燃料電池。
【請求項２８】
燃料電池膜の処理方法であって：
燃料源および酸化剤を供給した場合に、直ちに供給できる電力が最適出力電力の約８０％より少ない通常作動可能な燃料電池膜を提供する工程と；
前記燃料電池膜を処理する時間を選択する工程と；
空間を規定する筺体を提供する工程と；
前記燃料電池膜を前記筺体の空間に存置する工程と；
前記空間内で前記燃料電池膜が処理され、該調整処理された前記燃料電池膜が筺体の空間から取り出されて、燃料源および酸化剤を供給されるときに、調整処理された燃料電池膜の維持可能な最適の出力電力の少なくとも約８０％を生成するために、直ちに作動可能な状態にするのに効果的で、実質的に損傷を与えない温度、圧力及び湿度を選択し供給する工程と；
筺体から調整後の燃料電池膜を取り除く工程と；
調整後の燃料電池膜が、その維持可能な最適出力電力の約８０％よりも多い電力を発生する状態にする工程と；
を含むことを特徴とする燃料電池膜の処理方法。
【請求項２９】
前記空間の温度、圧力及び湿度を選択し供給する工程がさらに、
空間の温度、圧力及び湿度が、空間から取り出されて燃料電池として使用された場合に耐用年数が実質的に減少しない程度であって、選択された時間中それが維持される工程を有することを特徴とする請求項２８記載の処理方法。
【請求項３０】
前記燃料電池膜が存置される空間の前記ガス圧力が約１５０ポンド／平方インチより低いことを特徴とする請求項２９記載の処理方法。
【請求項３１】
前記燃料電池膜が存置される空間の前記温度が約６０℃より高いことを特徴とする請求項２９記載の処理方法。
【請求項３２】
前記燃料電池膜が存置される空間の前記湿度が約７０％より高いことを特徴とする請求項２９記載の処理方法。
【請求項３３】
前記燃料電池膜が存置される空間の前記ガス圧力が約１５０ポンド／平方インチより低く；
前記燃料電池膜が存置される空間の前記温度が約１２０℃より低く；
前記燃料電池膜が存置される空間の前記湿度が約１００％より低いことを特徴とする請求項２９記載の処理方法。
【請求項３４】
前記燃料電池膜がその後燃料電池モジュール内で作動状態とされることを特徴とする請求項２９記載の処理方法。
【請求項３５】
前記燃料電池膜がその後燃料電池積層体内で作動状態とされることを特徴とする請求項２９記載の処理方法。
【請求項３６】
前記燃料電池が、少なくともその一部が空間内に存置されることを特徴とする請求項２９記載の処理方法。
【請求項３７】
前記燃料電池モジュールが手で操作可能な燃料電池モジュールであり、該燃料電池モジュールが空間内に存置されることを特徴とする請求項３４記載の処理方法。
【請求項３８】
前記燃料電池積層体の少なくともその一部が、空間内に受け入れられることを特徴とする請求項３５記載の処理方法。
【請求項３９】
請求項３８記載の方法により製造される燃料電池積層体。
【請求項４０】
請求項３２記載の方法により製造される手で操作可能な燃料電池モジュール。
【請求項４１】
調整処理された燃料電池膜であって、
調整処理される前に、燃料ガスおよび酸化剤が供給されるときには直ぐに最適な電力を供給できず、
調整処理された後には、燃料電池内で作動して、燃料電池が約１時間より短時間で最適出力電力を提供する
ことを特徴とする前記調整処理された燃料電池膜。
【請求項４２】
前記通常作動可能な燃料電池膜が新規に組み立てられたことを特徴とする請求項４１記載の調整された燃料電池膜。
【請求項４３】
燃料電池の作動後約１時間より短時間で、調整された燃料電池膜の維持可能な最適出力電力の少なくとも約８０％の電力を出力することを特徴とする請求項４１記載の調整された燃料電池膜。
【請求項４４】
手で操作可能な燃料電池モジュールによって作動状態にされることを特徴とする請求項４１記載の調整された燃料電池膜。
【請求項４５】
燃料電池積層体によって作動状態にされることを特徴とする請求項４１記載の調整された燃料電池膜。
【請求項４６】
ガス拡散層が通常作動可能な燃料電池膜に対して取り付けられていることを特徴とする請求項４５記載の燃料電池膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池膜、開示の方法により製造された燃料電池および調整された燃料電池膜の処理方法に関し、特に燃料源および酸化剤が供給されるときの、燃料電池膜の維持可能な最大出力電力の少なくとも８０％を生成するために、燃料電池膜が実質的に作動可能にする効果的な方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、適当な酸化剤供給を伴う燃料ガスの反応によって化学エネルギーを電気エネルギーに変換することができるデバイスである。例えばプロトン交換膜型燃料電池においては、燃料ガスは一般に水素であり、供給酸化剤は酸素（より一般には周囲の空気）を含む。この型の燃料電池は、膜電極拡散層アセンブリが与えられ、固体高分子電解質を含んで両側にカソードとアノードが形成される。適当な電極が、アノードとカソードに供される。作動中、アノード側で燃料が触媒と反応して水素イオンを生成し、固体高分子電解質を通ってカソード側に移動する。そして、カソード側に導入または供給された酸化剤は電極に組み込まれた触媒存在下に水素イオンと反応して水を生成させ、電気を出力する。
【０００３】
プロトン交換膜型燃料電池では、ナフィオン（登録商標）がベース膜に使用され、燃料電池が最大電力を生成する状態で作動する前に、最初の“調整”処理が必要である。この“調整”処理またはフェイズの本質的機能は、膜電極アセンブリが高率で電力を生成するための準備である。またそれが、可能な電力の最大維持量を示している。この処理の重要なポイントは、適切な量の水をプロトン交換膜に導入すること、そして効率的なプロトン伝導を容易にすることである。上記のようにプロトン交換膜型燃料電池の作動により副生成物の一つとして水が生じる。一般的な問題として、燃料電池膜の調整のために、燃料電池自身により生成された水の少なくとも一部を、最初の調整処理に使用することである。この点に関して、新しく作成されたプロトン交換膜を利用した燃料電池は、最初に生産される水を使用するので、最初の出力レベルは非常に低い。そして、作動により燃料電池により多くの水が生成されると、燃料電池膜の伝導性が増加する。燃料電池膜のイオン伝導性が増加すると、より多くの電力が燃料電池によって発電される。このサイクルにおいて、より多くの電流が発生すると、より多くの水が燃料電池によって生成される。この調整サイクルは、燃料電池膜が充分に水和され、維持可能な最大出力電力に到達するまで継続する。
【０００４】
この“調整”処理がある程度成功して作動しても、有用性の面で欠点がある。その欠点の主たるものは、調整処理がかなりの時間を必要とすることである。燃料電池膜の調整は典型的な周囲環境においては８時間もの長さを必要とする可能性がある。従って、この調整処理に関する時間の遅れは燃料電池の効率的な製造にとって本質的に障害となる。この問題に取り組む研究者達はこの燃料電池膜の調整時間を減少するために様々な計画を試みた。例えば一つの方法では、調整処理の間に燃料電池膜に加湿燃料ガスを供給した。しかし、これらの先の試みは、実質的に乾燥した水素燃料供給と対比して加湿燃料ガスを使用することにより実質的に調整時間が減少されたとは思われないため、充分に成功したものではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これまでに利用された従来技術における欠点である燃料電池膜の処理方法を提供することが、本発明の主な目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
従って、本発明の第一の目的は、電流出力を生成していない状態の燃料電池膜を提供する工程と；燃料源および酸化剤が供給されるときの、燃料電池膜の維持可能な最大出力電力の少なくとも８０％を生成するために速やかに作動可能な状態にする効果がある、前記燃料電池膜を特殊な環境（nonambient environment）に曝す工程とを含む、燃料電池膜の処理方法に関する。
【０００７】
本発明の別の目的は、素早く起動可能で、電流出力を生成していない状態の燃料電池膜を提供する工程と；空間を規定する筺体を提供する工程と；該空間の筺体の中に前記燃料電池膜を配置する工程と；空間内に特殊な環境を形成して、前記燃料電池膜に対して、圧力、温度および湿度を増加する工程と；燃料源および酸化剤が供給されるときの、燃料電池膜の維持可能な最大出力電力の少なくとも８０％を生成するために速やかに作動可能な状態にする効果がある時間、空間内に前記燃料電池膜を保持する工程と；筺体内から処理された燃料電池膜を取り出す工程とを含む、燃料電池膜の処理方法に関する。
【０００８】
また別の目的は、本発明の方法により生成された燃料電池積層体および燃料電池モジュールを含む燃料電池に関する。
【０００９】
さらに別の目的は、燃料源および酸化剤が供給されれば、最適出力電力の約８０％未満の出力電力を即座に供給する、素早い起動が可能な燃料電池膜を提供する工程と；前記燃料電池膜の処理のための時間を選択する工程と；空間を規定する筺体を提供する工程と；該空間の筺体の中に前記燃料電池膜を配置する工程と；調整処理済みの燃料電池膜を空間の筺体内から取り出して燃料源と酸化剤を供給するとき、該調整処理済みの燃料電池膜が有する最適な出力電力の少なくとも８０％を直ぐに供給できるようにする効果を有する、特別であって損傷を与えない温度、圧力および湿度を選択し提供する工程と；前記筺体内から処理された燃料電池膜を取り出す工程と；調整処理済みの燃料電池膜の最適な出力電力の８０％より以上の出力電力を維持させる工程とを含む、燃料電池膜の処理方法に関する。
【００１０】
さらにまた別の目的は、調整前は燃料源および酸化剤を供給しても最適出力電力を直ぐには供給できないものであり、調整により、燃料電池の作動が１時間未満において最適な電力を出力することができる、素早い起動が可能な燃料電池膜を含む調整処理済みの燃料電池膜に関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
さらなる目的は、以下により詳細に説明する。
【００１２】
本発明は図１乃至５を参照することにより、最も理解される。図１を参照すると、本発明の方法（１０）は、最初に、電流出力を生成していないイオン交換膜型燃料電池（１１）を提供する工程を有する。このアセンブリ（１１）は拡散電極膜アセンブリ（membrane electrode diffusion assembly (ＭＥＤＡ) ）で、以下において詳述する図２、３および４で示すように積層され、燃料電池モジュール、装置、積層体を形成する。下記に示す燃料電池膜またはＭＥＤＡは約３００℃未満の温度で作動する有用な燃料電池である。従って、これらのアセンブリは、固体酸化物型あるいは３００℃より高温で作動する他の燃料電池には有用ではない。図１を見ると分かるように、ＭＥＤＡ１１は一般的に（ナフィオン（登録商標）などの）イオン交換膜１２を使用している。このイオン交換膜は、薄く、柔軟でフルオロポリマーより形成されたシート状物である。このイオン交換膜は、デュポン（登録商標）社から市販されている。イオン交換膜１２にはアノード側１３とカソード側１４を有する。
【００１３】
図１にはさらに、電極層２０がそれぞれのアノード側１３およびカソード側１４と関連してイオン交換できるように並列に形成されている。電極層２０は一般的な設計であり、燃料電池の作動中にイオン交換膜１２を通してイオンの生成および移動を促進する。各電極層１２は外側に表面２１を有する。図１には電極層２０の外側表面２１に並列に、多孔性のミクロ拡散層あるいは第一部材３０が示されている。ミクロ拡散層３０は、炭素をベースとする材料で形成され、場合によって修飾されて、アノード側１３およびカソード側１４に対して異なる多孔率を与える。
【００１４】
さらに、ミクロ拡散層３０の多孔率は、後に詳述する燃料電池の効果的な水和のために必要な特性、パラメータになるように様々な方法により制御される。また、ミクロ拡散層３０は単一層として示されているが、それぞれ異なる多孔率を有する個別の層を含んで構成されても良い。さらにまた、ミクロ拡散層３０の多孔率はその厚さ方向に変化する多孔率を有していてもよく、外側の表面３１に沿ってＸ、Ｙ方向に変化する多孔率を有していても良い。
【００１５】
図１には、マクロ拡散層あるいは第二部材である４０があり、ミクロ拡散層３０の外側表面３１に並列に存在する。マクロ拡散層は、一例として多孔性を有するカーボンファイバベースのシートで、一般的に、ミクロ拡散層３０の多孔率よりも大きい。このマクロ拡散層は、東レコンポジットアメリカ社などからの市販品を使用することができる。ミクロ拡散層３０およびマクロ拡散層４０は共同して、ガス拡散層５０（gas diffusion layer ：ＧＤＬ）を形成する。ガス拡散層５０は外側に表面５１を有し、該表面は織成（テクスチャ）または幾何位相（トポロジィ）を有する。ガス拡散層は、ここではマクロ拡散層４０とミクロ拡散層３０を含むが、これらの拡散層は一つの層であっても良い。図１にはＭＥＤＡの好ましい型が示されている。マクロ拡散層４０の多孔率は従来公知の何れを使用することもできる。同様に、ミクロ拡散層について上記したように、マクロ拡散層もまたＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に各種の多孔性を有する。ＭＥＤＡは多様な構造を有し、ガス拡散層５０の外側表面５１の少なくとも一部を、周期表の原子番号１３乃至７５から選択された１または２以上の金属の多孔性被覆（図示せず）で覆うこともできる。この金属被覆または素材は、気体透過性の金属製ガス拡散層を形成する。これらの構造については、米国特許６７１６５４９により詳細に述べられており、ここに参照として引用する。
【００１６】
広い意味において、燃料電池膜１１の処理方法１０は、電流出力を発生していない燃料電池膜を提供する工程；燃料源および酸化剤が供給されるときの、燃料電池膜の維持可能な最大出力電力の少なくとも８０％を生成するために速やかに作動可能な状態にする効果がある時間、該燃料電池膜を特殊な環境に曝す工程とを含む処理方法である。燃料電池膜を曝す調整処理は、後に該環境から取り出して電気を発生するために実質的に作動する際に、処理済みの燃料電池膜１１の作動性を殆ど損なわないものである。
【００１７】
図１に示すような燃料電池膜（ＭＥＤＡ）１１は、従来技術で示される図２、３および４のような多種の燃料電池が組み立てられる。
【００１８】
図２には、米国特許６０３０７１８で詳述されている従来技術のイオン交換膜型燃料電池モジュール６０が示されている。この特許で開示されていることは、ここに参考として引用する。図２には、図１に示されるようなＭＥＤＡ１１を組み込んだイオン交換膜型燃料電池モジュール６０が示され、燃料の取り入れまたは送出ポート６２の境界を定める主体６１を有している。燃料取り入れまたは送出ポートは、燃料ガス（図示せず）を図１で示したように拡散電極アセンブリ１１のアノード側１３に供給する。また、主体６１は、中に設けられた拡散電極アセンブリ１１のアノード側１３およびカソード側１４から消費された水、未反応の燃料ガス及び他の副生成物を除く副生成物排出ポート６３の境界を定める。燃料取り入れポート６２は、燃料ガス出口に対して流出可能に接続され、燃料電池ハウジング（図示せず）内に積層されている。さらに、燃料電池モジュール６０は、以下に述べる隣接する電流収集器に作用する、主体５１に組み立てられたカソードカバー６４を含む。カソードカバー６４は、中に設けられた拡散電極アセンブリ１１のカソード側１４に接触するように空気を導入するアセンブリ（図示せず）により空気（酸素）流を提供するカソード空気導入路６５を有している。カソードカバー６４は、中に設けられた個々の拡散電極アセンブリ１１と比較して電気的に抵抗を有して設置または方向付けられる隣接する電気収集器６６に作用している。電流収集器は外側方向に延出する電気的タブを有し、米国特許６０３０７１８に詳述されるような燃料電池ハウジングとして積層されている電気バスと電気的に接続することができる。
【００１９】
図３には、空冷式燃料電池積層体７０が示されている。燃料電池積層体７０は、複数のプロトン交換膜７１とその間に配置されている絶縁基板７２を含む。燃料電池積層体７０は正極集電器７３と負極集電器７４を有する。燃料電池積層体７０はさらに、プロトン交換膜を挟着する、終端に向かい合うプレート７５を有する。終端プレート７５のうち少なくとも一方は複数の流体カプラー８０を有する。流体カプラーは、終端プレート７５の間に配置されるプロトン交換膜あるいは膜集合体に、燃料ガスを配送し、燃料電池積層体７０から副反応物、水その他の汚染物を除去する。終端プレート７５は複数の貫通ロッドまたは固定具８１により結合され、前記積層体を電気的抵抗を保持しつつ圧着している。積層体７０への電気的接続は集電器７３および７４の対に対して確立され、電流が負荷に対して流される（図示せず）。この装置には、隣接する集電器の間に複数の熱交換要素（図示せず）が含まれている。この燃料電池積層体の構造については米国特許６７０３７２２に詳述されており、ここに参照として引用する。
【００２０】
図４には、第二の燃料電池モジュールが示されており、米国特許６４６８６８２に詳述されているので、ここに参照として引用する。本発明の方法１０は図２および３で示したように燃料電池モジュール９０にも有用であり、燃料ガスおよび酸化剤が一旦供給されると電気を発生することができる。第二の燃料電池モジュール９０は、所定の間隔を持って対向するアノードヒートシンク９２を備えた主体９１を有する。アノードヒートシンクは、作動中の燃料電池モジュールにより発生する熱エネルギーを放出するように、この燃料電池モジュールにおいて機能する。米国特許６４６８６８２に詳述されているように、燃料電池出力システムに接続されたとき、分岐した空気流が供せられる。第一は、作動中の燃料電池モジュールによって発生する圧倒的多量の熱エネルギーを除去する為にアノードヒートシンク９２を通す流れ。第二は、燃料電気モジュールの作動に必要な酸素を燃料電池モジュールの間に通す流れである。作動中に、燃料電池モジュール９０が発生する電流は、該モジュール９０の頂部に位置する電流導体アセンブリ９３に流される。電流導体アセンブリ９３は、燃料電池モジュール９０が発生する電流を直接電気バス（図示せず）に流し、負荷に供される。前記に加えて、燃料電池モジュール９０は、水素などの燃料を導入するために結合される燃料配送路９４を有する。また、燃料電池での反応副生成物や水、未反応の燃料などを除去するための排出路９５を有する。第二の燃料電池モジュール９０は、前記したように図１に示されるような拡散電極アセンブリ１１を有している。
【００２１】
図５には、本発明の燃料電池膜１０の処理方法が示されている。広義には、燃料電池膜１１の処理方法は、図１に示す燃料電池膜１１を提供する工程、そして番号１００で示す燃料電池コンポーネント内にそれを組み込む工程を含む。燃料電池コンポーネントは、燃料電池モジュール６０、燃料電池積層体７０、または第二の燃料電池モジュール９０、或いは他の従来公知の燃料電池装置である。当業者において、燃料電池積層体７０だけでなく燃料電池モジュール６０や９０は、本発明の開示する効果を有する燃料電池コンポーネントの一例に過ぎないと理解すべきである。前記したようにイオン交換膜１２を組み込んだ燃料電池は、本発明による利益が享受できるのである。前記した個々の或いは燃料電池コンポーネント１００の内にある燃料電池膜１１は、電流出力を発生していない。本発明の方法では、前記電流出力を発生していない燃料電池膜１１を特殊環境に曝すという第二の工程を含んでいる。それは筺体１０１として示す容器内で処理期間経過後、燃料源および酸化剤が供給されるときの、燃料電池膜の維持可能な最大出力電力の少なくとも８０％を生成する程度の、速やかな燃料電池膜の作動が可能であるという効果を有する。そのような特殊環境の例として、オートクレーブがある。この場合、特殊環境は、空間１０２を規定する筺体１０１を含む。ドア１０３は空間内へのアクセスを可能とし、周囲の環境から空間を封止するものである。さらに、筺体、より特定すれば前記空間は、燃料電池膜１１の通常の作動に損傷を与えない程度の変化速度で、燃料電池コンポーネント１００に組み込まれた燃料電池膜１１を湿度、圧力及び温度が周囲の環境よりも１０％より大きい状態である特殊環境に曝すための、圧力１０４、湿度１０５、熱１０６の供給源と接続されている。空間１０２に提供される圧力１０４、湿度１０５、熱１０６の供給源は、燃料電池膜が空間１０２内に保持される間に通常の燃料電池膜１１が水和されるという効果を有する。空間に与えられるこの温度、圧力および湿度は、空間から取り出された燃料電池膜１１の有効耐用年数を実質的に減少させることなく、前記した燃料電池モジュール６０や９０或いは燃料電池積層体７０に限定されない燃料電池コンポーネント１００を作動状態にする。
【００２２】
前記方法の特殊環境に燃料電池膜を曝すという工程は、熱１０６の供給源より約６０℃から約１２０℃の温度が提供された特殊環境に曝すという追加の工程を含む。さらに、特殊環境での燃料電池膜は、約７０％〜約１００％の湿度に曝される。上述の方法において、燃料電池膜１１は、空間１０２内で約３０〜約３００分の間、大気圧から１５０ポンド／平方インチの圧力下で特殊環境に保持される。上述の方法においては、筺体１０１の空間１０２内に保持される前に、通常の燃料電池膜１１は、燃料電池コンポーネント１００に組み込まれる。もし本発明の方法を用いて前もって処理される前に、燃料源および酸化剤が供給された場合、維持可能な最大出力電力の約８０％未満の出力電力を提供できるだけである。従って、本発明の方法は、個々の拡散電極アセンブリまたはイオン交換膜１２が空間１０２内に入れられ、または燃料電池コンポーネント１００に組み込まれて、燃料電池モジュール、燃料電池積層体を形成してその一部または全部が空間１０２内に入れられて、前記したように本発明の方法によって、そこで調整処理されることを意味する。燃料電池膜１１がこの方法により処理されると、空間１０２内から一旦該燃料電池膜がとり出される。そして、燃料電池モジュール６０または９０或いは燃料電池積層体７０として作動する。本発明の方法は、現在の方法により生産することができる手で操作可能な燃料電池モジュール６０、９０または燃料電池積層体のようなものを処理する有利な手段である。開示されているように、調整された燃料電池膜１１は、調整前にあっては燃料ガスおよび酸化剤が供給されたときに素早く最適な出力電力が達成できなかったが、調整処理によって、燃料電池１００は実質的に作動状態となり、１時間未満で最適な出力電力を供給することができるものである。この方法によって検討されているように、別の方法が以前利用されたが、現在は適切に水和されていないような通常作動可能な燃料電池膜１１を新しく組み立てることもできる。
【００２３】
本発明の既述の具体例の手順は、非常に明白であり、この点で簡潔に要約される。
【００２４】
燃料電池膜１１の処理方法、同方法によって提供された燃料電池および本発明の調整された燃料電池膜については、関連する図１乃至５によって充分に理解されたと思う。図に示されるように、本発明の燃料電池膜１１の処理方法１０は、電力を出力していない通常の燃料電池膜１１を提供する工程と；空間１０２を規定する筺体１０１を提供する工程と；筺体の空間に前記燃料電池膜を置く工程と；空間に特殊環境を形成して前記燃料電池膜を処理するために圧力１０４、温度１０６、湿度１０５を増加する工程と；実質的に燃料ガスおよび酸化剤が供給されるとき、燃料電池膜の維持可能な最大出力電力の少なくとも８０％を生成するように直ぐに作動可能な燃料電池膜に調整するための効果的な時間の間、空間内に前記燃料電池膜を保持する工程と；調整された燃料電池膜を筺体から取り出す工程とを含む。前記のように、通常作動可能な燃料電池膜は、調整処理前に燃料ガスおよび酸化剤が供給されると、維持可能な最大出力電力の平均して約８０％未満の出力電力しか生成できない。本発明の方法１０は、燃料電池膜１１が空間内に保持される間に充分に水和される効果のあるように、空間１０２内に所定の圧力、温度および湿度を提供して、温度１０６、圧力１０４および湿度１０５を増加させる工程を含む。この保持時間は基本的には６０分未満であるが、燃料電池の設計によっては３００分未満である。空間１０２内で保持される通常の作動可能な燃料電池膜１１が期間内に与えられる温度、圧力および湿度は、処理中に維持される。また、その温度、圧力および湿度が増加する速度、変化率は、筺体１０１の中で維持されるが、これは通常作動可能な燃料電池膜１１が損傷を受けない程度のものである。前記した方法において、本発明によって検討されているように燃料電池膜１１は燃料電池コンポーネント１００に組み込まれ、燃料電池コンポーネントは筺体１０１の空間１０２内に存置されて、前記の特殊環境に曝される。
【００２５】
従って、燃料電池膜１１を処理する本発明の方法１０は、仮に燃料及び酸化剤が提供されても、直ぐに出力できるのは最適な出力電力の約８０％未満の出力である通常の作動可能な燃料電池膜１１を提供する工程と；該燃料電池膜を処理するための適当な時間を選択する工程とを含む。この方法は、さらに空間１０２を規定する筺体１０１を提供する工程と；筺体の空間内に前記燃料電池膜を存置する工程を含む。同方法はまた、空間１０２内で前記燃料電池膜が実質的に損傷を受けず、温度、圧力および湿度の特殊環境を選択し提供される工程を含む。選択された温度、圧力および湿度は空間内に供され、燃料電池膜を効果的に調整処理した後は、筺体の空間から前記燃料電池膜を取り出して燃料及び酸化剤が提供されるとき、最適の出力電力の少なくとも約８０％の電力を直ぐに出力することができる。この方法は、筺体１０１から調整された燃料電池膜１１を取り出す工程をさらに有し、調整された燃料電池膜１１の最適な出力電力の約８０％より大きい出力電力を、提供する動作が可能な状態にする工程を有する。本発明の方法では、熱の供給源１０６によって温度が与えられ、約６０℃より高温で空間１０２内の前記燃料電池膜を処理する。また、湿度の供給源１０５によって湿度が与えられ、約７０％より高湿度で空間内の前記燃料電池膜を処理する。さらに、圧力の供給源１０４によってガス圧力が与えられ、約１５０ポンド／平方インチより少ない圧力が空間内の前記燃料電池膜を処理する。通常作動可能な前記燃料電池膜は、燃料電池モジュール６０または９０あるいは燃料電池積層体７０内で一旦調整処理される。前記の通り、燃料電池コンポーネント１００は空間１０１内に、その全部または一部が収容可能である。
【００２６】
以上のように本発明によれば、簡単な手段によって多様な燃料電池コンポーネント１００を処理して出力電力の可動時間を短縮して電力を供給するために実質的に素早く作動することができ、より効率的に費用を抑えて市場に製品を提供することができる。また本発明は、この方法により製造された燃料電池、あるいは調整済みの燃料電池膜を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
本発明の好ましい具体例とともに以下の図面が参照される。
【図１】図１は、本発明の方法の一部により処理される拡散電極膜の層アセンブリの断面図を、拡大して示す図である。
【図２】図２は、図１に示す拡散電極膜を組み込んだ、米国特許６０３０７１８により詳述されている燃料電池モジュールである。
【図３】図３は、図１に示す拡散電極膜を組み込んだ、米国特許６７０３１５５により詳述されている燃料電池積層体である。
【図４】図４は、図１に示す拡散電極膜を組み込んだ、米国特許６４６８６８２により詳述されている燃料電池モジュールである。
【図５】図５は、本発明の方法の実施を単純に示す概略図である。
【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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【国際調査報告】
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