(57)【要約】  燃料電池システム  一個以上の燃料電池スタックを備えてなる燃料電池システムを開示する。該燃料電池スタックは、第一群のメンブラン電極アセンブリおよび第二群のメンブラン電極アセンブリを備えてなり、該第一および第二群のメンブラン電極アセンブリが、該第一群に供給された原料流が続いて該第二群に供給されるように、直列に接続されている。該第一群のメンブラン電極アセンブリのアノードが、一酸化炭素を電気化学的に酸化するための電気触媒を含んでなり、一酸化炭素を含んでなる原料流中の一酸化炭素濃度を下げてから、その原料流を該第二群のメンブラン電極アセンブリに供給することができる。
2008503852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一個以上の燃料電池スタックを備えてなる燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックが、第一群のメンブラン電極アセンブリおよび第二群のメンブラン電極アセンブリを備えてなり、
前記第一および第二群のメンブラン電極アセンブリが直列に接続され、前記第一群に供給された原料流が連続的に前記第二群に供給されるものであり、
前記第一群のメンブラン電極アセンブリのアノードが、一酸化炭素を電気化学的に酸化するための電気触媒を含んでなり、前記第二群のメンブラン電極アセンブリよりも、一酸化炭素を含んでなる原料流中の一酸化炭素濃度をより効率的に減少させるものである、燃料電池システム。
【請求項２】
唯一の燃料電池スタックを備えてなり、
前記燃料電池スタック中の前記メンブラン電極アセンブリの一部が前記第一群のメンブラン電極アセンブリを付与して成り、及び
前記燃料電池スタック中の前記メンブラン電極アセンブリの一部が前記第二群のメンブラン電極アセンブリを付与してなる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
第一燃料電池スタックおよび第二燃料電池スタックを備えてなり、
前記第一および第二燃料電池スタックが直列に接続され、前記第一燃料電池スタックに供給された原料流が連続的に前記第二燃料電池スタックに供給されるものであり、
前記第一燃料電池スタック中の前記メンブラン電極アセンブリの一部または全部が前記第一群のメンブラン電極アセンブリを付与してなり、及び
前記第二燃料電池スタック中の前記メンブラン電極アセンブリの一部または全部が前記第二群のメンブラン電極アセンブリを付与してなる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第一燃料電池スタック中の前記メンブラン電極アセンブリの全部が前記第一群のメンブラン電極アセンブリを付与してなり、前記第二燃料電池スタック中の前記メンブラン電極アセンブリの全部が前記第二群のメンブラン電極アセンブリを付与してなる、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第一群中のメンブラン電極アセンブリと前記第二群中のメンブラン電極アセンブリの比が１：１〜１：１００である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記一酸化炭素を電気化学的に酸化するための電気触媒が、
式Ｐｔ−ＹまたはＰｔ−Ｙ−Ｘ
（上記式中、
Ｙが青銅形成元素またはその酸化物であるか、またはＳｎであり、
Ｘが、白金と合金化された一種以上の金属である）
を有してなる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
Ｙが、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗまたはそれらの酸化物からなる群から選択される、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
Ｘが、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｖ、Ｇａ、ＺｒおよびＨｆからなる群から選択された一種以上の金属である、請求項６または７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記一酸化炭素を電気化学的に酸化するための電気触媒がＰｔ−Ｍｏである、請求項６または７に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記第一群のメンブラン電極アセンブリの前記アノードが、水素を電気化学的に酸化するための電気触媒をさらに含んでなる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記第一群のメンブラン電極アセンブリの前記アノードが、水素を電気化学的に酸化するための電気触媒を含んでなり、及び
前記電気触媒が、式Ｐｔ−Ｍ
（上記式中、Ｍが、白金とＲｕ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｖ、Ｇａ、Ｚｒ、ＨｆおよびＳｎからなる群から選択される金属との合金化された金属である）
を有してなる、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記第一群のメンブラン電極アセンブリの前記アノードが、一酸化炭素を酸化するための電気触媒以外の電気触媒を含まない、請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記第二群のメンブラン電極アセンブリの前記アノードが、水素を電気化学的に酸化するための電気触媒を含んでなる、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記第二群のメンブラン電極アセンブリの前記アノードが、水素を電気化学的に酸化するための電気触媒を含んでなり、及び
前記電気触媒が、式Ｐｔ−Ｍ
（上記式中、Ｍが、白金とＲｕ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｖ、Ｇａ、Ｚｒ、およびＨｆからなる群から選択される金属との合金化された金属である）
を有してなる、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記第一群のメンブラン電極アセンブリの前記アノードが、一種類の電気触媒だけを含んでなり、
前記電気触媒が、式Ｐｔ−ＹまたはＰｔ−Ｙ−Ｘ
（上記式中、Ｙが青銅形成元素またはその酸化物であるか、またはＳｎであり、
Ｘが、白金と合金化された一種以上の金属である）
を有してなり、
前記第二群のメンブラン電極アセンブリの前記アノードが、一種類の電気触媒だけを含んでなり、
前記電気触媒が、式Ｐｔ−Ｍ
（上記式中、Ｍが、白金とＲｕ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｖ、Ｇａ、ＺｒおよびＨｆからなる群から選択される金属との合金化された金属である）を有してなる、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記第一群のメンブラン電極アセンブリの前記アノードが、一種類の電気触媒だけを含んでなり、前記電気触媒がＰｔ−Ｍｏであり、
第二群のメンブラン電極アセンブリの前記アノードが、一種類の電気触媒だけを含んでなり、前記電気触媒がＰｔ−Ｒｕである、請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記一個以上の燃料電池スタックが、第三群のメンブラン電極アセンブリをさらに備えてなり、
前記第二および第三群のメンブラン電極アセンブリが直列に接続され、前記第二群に供給された原料流が連続的に前記第三群に供給されるものであり、
前記第二群のメンブラン電極アセンブリの前記アノードが、水素を電気化学的に酸化するための第一電気触媒を含んでなり、
前記第三群のメンブラン電極アセンブリの前記アノードが、水素を電気化学的に酸化するための第二電気触媒を含んでなり、
前記第一電気触媒が、前記第二電気触媒よりも、一酸化炭素被毒に対する耐性を有してなる、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の燃料電池システムを操作する方法であって、
ａ）一酸化炭素を含んでなる改質ガソリンガス流を前記第一群のメンブラン電極アセンブリに供給し、それによって、一酸化炭素濃度を下げたガス流を付与し、及び
ｂ）前記一酸化炭素濃度を減少させたガス流を前記第二群のメンブラン電極アセンブリに供給することを含んでなる、燃料電池システムを操作する方法。
【請求項１９】
前記第一群のメンブラン電極アセンブリに供給される前記改質ガソリンガス流が、１０〜２０，０００ｐｐｍの一酸化炭素を含んでなる、請求項１８に記載の燃料電池システムを操作する方法。
【請求項２０】
前記第一群のメンブラン電極アセンブリを離れる前記改質ガソリンガス流中の一酸化炭素レベルが少なくとも９５％低減されてなる、請求項１８または１９に記載の燃料電池システムを操作する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一個以上の、メンブラン電極アセンブリ（組立部品、組立構造）のスタック（積み重ね）から製造された燃料電池システム（装置、方式）、および特に、一酸化炭素を含んでなる改質ガソリンガスを燃料とすることができる燃料電池に関する。
【０００２】
燃料電池は、電解質により分離された２個の電極を備えてなる電気化学的電池である。燃料、例えば水素またはメタノール、がアノードに供給され、酸化体、例えば酸素または空気、がカソードに供給される。これらの電極で電気化学的反応が起こり、燃料および酸化体の化学的エネルギーが電気的エネルギーおよび熱に変換される。燃料電池は、清浄で効率的な動力供給源であり、固定型および自動車用動力用途の両方で、伝統的な動力供給源、例えば内燃機関、に置き換えることができる。
【０００３】
重合体電解質メンブラン（ＰＥＭ）燃料電池では、電解質は、電気的には絶縁性であるが、イオン的には伝導性である固体重合体メンブランである。典型的には、ペルフルオロスルホン酸材料を基材とするプロトン伝導性メンブランが使用され、アノードで発生するプロトンがメンブランを横切ってカソードに送られ、そこで酸素と結合して水を形成する。
【０００４】
重合体電解質燃料電池の主要構成要素は、メンブラン電極アセンブリ（ＭＥＡ）と呼ばれ、実質的に５つの層から構成されている。中央層は重合体メンブランである。このメンブランの両側に、典型的には白金系電気触媒を含んでなる電気触媒層がある。電気触媒は、電気化学的反応の速度を速める触媒である。最後に、各電気触媒層に隣接してガス拡散基材がある。ガス拡散基材は、反応物を電気触媒層に到達させる必要があり、電気化学的反応により発生した電流を通す必要がある。従って、この基材は多孔質で、導電性でなければならない。
【０００５】
典型的には、ほとんどの用途に十分な電力を供給するために、数十〜数百個のＭＥＡが必要なので、多数のＭＥＡを組み立て、燃料電池スタックを形成する。ＭＥＡの分離には、フィールドフロープレートが使用される。これらのプレートは、幾つかの機能を果たす、すなわち反応物をＭＥＡに供給し、生成物を除去し、電気的接続を与え、物理的な支持を与える。積重構造中のフィールドフロープレートおよびＭＥＡを、例えば空気袋あるいはピストン装置、または積重構造の末端板に配置された一連のボルトを使用し、典型的には５０〜２００ｐｓｉの絶対圧力で一つに圧縮する。典型的には、積重構造末端板の一方は、積重構造に到達するための、および積重構造から反応物、生成物および関連するすべての増湿水を除去するための、必要なポートを含む。燃料電池システムは、典型的には並列に接続された幾つかの積重構造を備えてなることができる（燃料は、各積重構造に個別に供給される）。
【０００６】
多くの実用的な燃料電池システムでは、水素燃料を、炭化水素燃料（例えばメタンまたはガソリン）を転化するか、または酸素化された炭化水素燃料（例えばメタノール）を、改質と呼ばれる方法で、改質ガソリンと呼ばれるガス流に変換することにより、製造される。改質ガソリンガスは、水素、二酸化炭素約２０〜２５％、および少量の一酸化炭素（典型的には約１％のレベルで）を含む。改質ガソリンガスは、希釈剤、例えば窒素、を含むか、または他の汚染物を含むことがある。２００℃未満の温度で作動する燃料電池、および特に１００℃近辺の温度で作動するＰＥＭでは、一酸化炭素が、１〜１０ｐｐｍのレベルでも、ＭＥＡのアノード中の白金電気触媒にとって深刻な毒である。この毒により、燃料電池性能が大きく低下する（すなわち、特定電流密度における電池電圧が低下する）。
【０００７】
アノードの一酸化炭素被毒を緩和するために、ほとんどの改質装置は、優先的または選択的酸化反応器と呼ばれる触媒作用反応器をさらに包含する。空気または酸素を改質ガソリンガス流中に注入し、次いでこの流れを選択的酸化触媒上に通し、この触媒が一酸化炭素を二酸化炭素に酸化する。これによって、ＣＯレベルを約１％から１００ｐｐｍ未満にまで下げることができるが、これらのレベルでも、アノード電気触媒は被毒する。
【０００８】
国際特許第ＷＯ００／３５０３７号明細書は、式Ｐｔ−Ｙを有し、Ｙが青銅形成元素である第一電気触媒、および式Ｐｔ−Ｍを有し、Ｍが白金と合金化した金属である第二電気触媒を含んでなり、第一および第二電気触媒がイオン的に接触している、一酸化炭素に耐えられるアノードを開示している。これらのアノードを備えてなるメンブラン電極アセンブリは、ＣＯが１００ｐｐｍレベルでも、良好な性能を示す。
【０００９】
本発明の目的は、改質装置におけるＣＯ浄化装置を簡素化できるように、さらに高いレベルの一酸化炭素でも耐えられる燃料電池システムを提供することである。
【００１０】
そこで、本発明は、一個以上の燃料電池スタックを備えてなる燃料電池システムであって、
該燃料電池スタックが、第一群のメンブラン電極アセンブリおよび第二群のメンブラン電極アセンブリを備えてなり、
該第一および第二群のメンブラン電極アセンブリが、該第一群に供給された原料流が続いて該第二群に供給されるように、直列に接続されており、
該第一群のメンブラン電極アセンブリのアノードが、一酸化炭素を電気化学的に酸化するための電気触媒を含んでなり、該第二群のメンブラン電極アセンブリよりも、一酸化炭素を含んでなる原料流中の一酸化炭素濃度をより効率的に下げる、燃料電池システムを提供する。
【００１１】
第一群のメンブラン電極アセンブリは、一酸化炭素浄化反応器として作用し、一酸化炭素レベルが大きく低下した改質ガソリンを第二群のメンブラン電極アセンブリに供給する。第二群のメンブラン電極アセンブリは、一酸化炭素に対する耐性が低くてよく、水素酸化に対して最適化することができる。該燃料電池システムは、高レベルの一酸化炭素（２０，０００ｐｐｍまで）に耐えることができ、改質装置中のＣＯ浄化装置を簡素化することができる。
【００１２】
本発明の第一実施態様では、燃料電池システムがただ１個の燃料電池スタックを備えてなり、その燃料電池スタック中のメンブラン電極アセンブリの幾つかが第一群のメンブラン電極アセンブリを与え、その燃料電池スタック中のメンブラン電極アセンブリの幾つかが第二群のメンブラン電極アセンブリを与える。
【００１３】
本発明の第二実施態様では、燃料電池システムが第一燃料電池スタックおよび第二燃料電池スタックを備えてなり、該第一および第二燃料電池スタックが、第一燃料電池スタックに供給された原料流が続いて第二燃料電池スタックに供給されるように直列に接続されており、第一燃料電池スタック中のメンブラン電極アセンブリの一部または全部が第一群のメンブラン電極アセンブリを与え、第二燃料電池スタック中のメンブラン電極アセンブリの一部または全部が第二群のメンブラン電極アセンブリを与える。この燃料電池システムは、第一燃料電池スタックの下流に適宜接続された別の燃料電池スタックをさらに備えてなることができる。
【００１４】
好ましくは、第一燃料電池スタック中のメンブラン電極アセンブリの全部が第一群のメンブラン電極アセンブリを与え、第二燃料電池スタック中のメンブラン電極アセンブリの全部が第二群のメンブラン電極アセンブリを与える。これは、第一組立構造がＣＯ浄化に使用され、ＣＯ浄化に関して最適化することができるので有利である。第二積重構造はＣＯ浄化に使用されず、水素酸化に関して最適化することができる。例えば、第一積重構造および第二積重構造は、異なった電流−電位条件で操作することができ、第一積重構造におけるＣＯ浄化を最適化し、第二積重構造における水素酸化を最適化することができる。
【００１５】
本発明の全ての実施態様で、第一群中のメンブラン電極アセンブリと第二群中のメンブラン電極アセンブリの比は、１：１〜１：１００が好適であり、好ましくは１：３〜１：５０である。
【００１６】
第一群のメンブラン電極アセンブリのアノードでＣＯを電気化学的に酸化させるための電気触媒は、下記の反応に触媒作用する。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−
この電気触媒は、水素が第一群のメンブラン電極アセンブリを通過し、第二群のメンブラン電極アセンブリにより消費されるようにするために、水素の電気化学的酸化に効果的に触媒作用しないように、最適化するのが好適である。
【００１７】
好ましくは、一酸化炭素を電気化学的に酸化するための電気触媒は、式Ｐｔ−ＹまたはＰｔ−Ｙ−Ｘを有し、Ｙは青銅形成元素またはその酸化物であるか、またはＹはＳｎであり、Ｘは白金と合金化された一種以上の金属である。成分Ｙは、ＰｔまたはＰｔ−Ｘ合金と合金化できるか、または合金化されないが、その合金と物理的に接触することができる。「青銅」材料は、WoldおよびDwightにより「Solid State Chemistry-Synthesis, Structure and Properties of Selected Oxides and Sulfides」中で、「濃い色（または黒色）を有し、金属性の光沢を有し、半導体性または金属性挙動を示す酸化物。青銅の基準特徴は、それらの、様々な正式原子価を示す遷移金属を生じる組成の範囲である。」と定義されている。Ｙは、好適には、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｅまたはそれらの酸化物からなる群から、好ましくはＳｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗまたはそれらの酸化物から、最も好ましくはＳｎ、ＭｏまたはＷまたはそれらの酸化物から選択する。Ｘは、好適には、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｖ、Ｇａ、ＺｒおよびＨｆからなる群から選択された一種以上の金属であり、好ましくはＲｕ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｏ、ＮｉおよびＲｈの一種以上である。一酸化炭素の電気化学的酸化に好ましい電気触媒はＰｔ−Ｍｏである。
【００１８】
本発明の特別な実施態様では、第一群のメンブラン電極アセンブリのアノードは、水素を電気化学的に酸化するための電気触媒をさらに含んでなり、この電気触媒は、好ましくは式Ｐｔ−Ｍを有し、ここでＭは、白金と合金化された金属であり、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｖ、Ｇａ、Ｚｒ、ＨｆおよびＳｎからなる群から選択される。
【００１９】
本発明の別の実施態様では、第一群のメンブラン電極アセンブリのアノードは、一酸化炭素を酸化するための電気触媒以外の電気触媒を含まない。これは、メンブラン電極アセンブリを、一酸化炭素の酸化に関して最適化できるので、好ましい。さらに、一酸化炭素を電気化学的に酸化するための電気触媒は腐食を受けることがあるので、これらの電気触媒だけを含むメンブラン電極アセンブリを備える方が簡単であり、電気触媒が腐食した場合には、メンブラン電極アセンブリを交換することができる。
【００２０】
第二群のメンブラン電極アセンブリのアノードは、水素を電気化学的に酸化するための電気触媒を含んでなるのが好適であり、好ましくは、この電気触媒はＰｔであるか、または式Ｐｔ−Ｍを有し、ここでＭは、白金と合金化された金属であり、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｖ、Ｇａ、ＺｒおよびＨｆからなる群から選択される。
【００２１】
本発明の好ましい実施態様では、第一群のメンブラン電極アセンブリのアノードは、一種類の電気触媒だけを含んでなり、この電気触媒は、式Ｐｔ−ＹまたはＰｔ−Ｙ−Ｘを有し、Ｙは青銅形成元素またはその酸化物であるか、またはＹはＳｎであり、Ｘは白金と合金化された一種以上の金属であり、第二群のメンブラン電極アセンブリのアノードは、一種類の電気触媒だけを含んでなり、この電気触媒は、式Ｐｔ−Ｍを有し、ここでＭは、白金と合金化された金属であり、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｖ、Ｇａ、Ｚｒ、ＨｆおよびＳｎからなる群から選択される。本発明の最も好ましい実施態様では、第一群のメンブラン電極アセンブリのアノードは、一種類の電気触媒だけを含んでなり、この電気触媒はＰｔ−Ｍｏであり、第二群のメンブラン電極アセンブリのアノードは、一種類の電気触媒だけを含んでなり、この電気触媒は、Ｐｔ−Ｒｕである。
【００２２】
本発明の特別な実施態様では、燃料電池スタックが、第三群のメンブラン電極アセンブリをさらに備えてなり、その際、第二および第三群のメンブラン電極アセンブリが、該第二群に供給された原料流が続いて該第三群に供給されるように、直列に接続されており、該第二群のメンブラン電極アセンブリのアノードが、水素を電気化学的に酸化するための第一電気触媒を含んでなり、該第三群のメンブラン電極アセンブリのアノードが、水素を電気化学的に酸化するための第二電気触媒を含んでなり、第一電気触媒は、第二電気触媒よりも、一酸化炭素被毒に対して耐性が高い。
【００２３】
当業者は、良く知られている方法を使用し、第一、第二および所望により第三群のメンブラン電極アセンブリとして使用するメンブラン電極アセンブリを製造することができ、それらを一個以上の燃料電池スタックに組み立てることができる。メンブラン電極アセンブリは、幾つかの方法により構築することができる。電気触媒層をガス拡散基材に塗布し、ガス拡散電極を形成することができる。２個のガス拡散電極をメンブランの両側に配置し、一つに張り合わせ、５層ＭＥＡを形成することができる。あるいは、電気触媒層をメンブランの両面に塗布し、触媒被覆されたメンブラン（ＣＣＭ）を形成することができる。続いて、ガス拡散基材を触媒被覆されたメンブランの両面に取り付ける。最後に、片側に電気触媒層を施したメンブラン、その電気触媒層に隣接したガス拡散基材、およびメンブランの反対側にあるガス拡散電極からＭＥＡを形成することができる。
【００２４】
メンブランは、当業者には公知のあらゆる種類のプロトン伝導性メンブランでよい。現状技術水準のメンブラン電極アセンブリでは、メンブランは、過フッ化スルホン酸材料、例えばNafion（商品名）(DuPont)、Flemion（商品名）(Asahi Glass)およびAciplex（商品名）(Asahi Kasei)、を基材とすることが多い。メンブランは、プロトン伝導性材料および他の、機械的強度のような特性を与える材料を含む複合材料メンブランでよい。例えば、メンブランは、ヨーロッパ特許第８７５５２４号明細書に記載されているように、プロトン伝導性メンブランおよびシリカ繊維のマトリックスを含んでなることができる。メンブランの厚さは、２００μｍ未満が好適であり、好ましくは厚さ５０μｍ未満である。
【００２５】
ガス拡散基材は、当業者には公知のすべての好適なガス拡散基材でよい。典型的な基材には、炭素紙（例えばToray Industries、日本国、から市販のToray（商品名）紙）、織った炭素布地（例えばZoltek Corporation、米国、から市販のZoltek（商品名）PWB-3）または不織炭素繊維ウェブ（例えばTechnical Fibre Products、英国、から市販のOptimat 203）系の基材が挙げられる。炭素基材は、典型的には、基材中に埋め込まれた、または平らな面上に被覆された粒子状材料、もしくは両方の組合せ、で変性される。粒子状材料は、典型的にはカーボンブラックと重合体、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、の混合物である。
【００２６】
電気触媒は、標準的な技術、例えば国際特許第ＷＯ００／３５０３７号明細書に開示されている技術、を使用して製造することができる。この電気触媒は、細かく分割した金属粉末（メタルブラック）でよいか、または小さな金属粒子が導電性粒子状炭素担体上に分散している、担持された触媒でよい。好ましくは、電気触媒は担持された触媒である。電気触媒層を形成するための標準的な技術、例えばヨーロッパ特許第７３１５２０号明細書に開示されているような技術を使用することができる。電気触媒層は、電気触媒層のイオン伝導性を改良するために、イオン伝導性材料を含んでなるのが好適である。
【００２７】
メンブラン電極アセンブリは、現状技術水準のフィールドフロープレートおよび積重構造組立技術を使用して燃料電池スタックに組み立てることができる。例えば第一のメンブラン電極アセンブリを第二群のメンブラン電極アセンブリよりも高い温度または流量で使用することを意図する場合、第一および第二群のメンブラン電極アセンブリには異なったフィールドフロープレートを使用するのが好ましい。
【００２８】
別の態様で、本発明は、本発明の燃料電池システムを操作する方法であって、
ａ）一酸化炭素を含んでなる改質ガソリンガス流を第一群のメンブラン電極アセンブリに供給し、それによって、一酸化炭素濃度を下げたガス流を与える工程、および
ｂ）該一酸化炭素濃度を下げたガス流を第二群のメンブラン電極アセンブリに供給する工程
を含んでなる、方法を提供する。
【００２９】
改質ガソリンガス流は、標準的な改質装置を使用して形成することができ、水素、二酸化炭素、一酸化炭素および他の不純物を含んでなることが多い。一酸化炭素の濃度は、１０〜２０，０００ｐｐｍが好適であり、好ましくは２０〜１０，０００ｐｐｍである。本発明の方法は、公知の燃料電池システムに供給できる典型的な濃度よりも高い濃度の一酸化炭素を使用して行うことができる。
【００３０】
第一群のメンブラン電極アセンブリは、改質ガソリンガス流中の一酸化炭素濃度を下げるので、第二群のメンブラン電極アセンブリに供給されるガス流は、一酸化炭素濃度が低くなっている。好ましくは、一酸化炭素濃度は９５％、好ましくは９９％低減している。
【００３１】
本発明の燃料電池システムを操作する場合、第一群のメンブラン電極アセンブリを、第二群のメンブラン電極アセンブリとは異なった様式で操作するのが好ましい。例えば、第一群のＭＥＡを低電流および高ガス流量で作動させ、水素の消費を最少に抑えることができよう。あるいは、第一群のＭＥＡを、第二群のＭＥＡよりも高い温度で作動させ、一酸化炭素の酸化を強化することができよう。第一および第二群のＭＥＡは、単一の制御手段により制御することができる。
【００３２】
本発明をより深く理解するために、図面を参照する。
【００３３】
図１は、第一群のメンブラン電極アセンブリ（２）および第二群のメンブラン電極アセンブリ（３）を備えてなる燃料電池スタック（１）を示す。一酸化炭素を含んでなる改質ガソリンガスを第一群のメンブラン電極アセンブリ（２）に供給する（４）。一酸化炭素は第一群のメンブラン電極アセンブリ（２）により消費されるので、第二群のメンブラン電極アセンブリ（３）に供給されるガスは一酸化炭素濃度が低い。
【００３４】
図２は、第一群のメンブラン電極アセンブリ（２）を備えてなる第一燃料電池スタック（１）および第二群のメンブラン電極アセンブリ（３）を備えてなる第二燃料電池スタック（５）を示す。一酸化炭素を含んでなる改質ガソリンガスを第一群のメンブラン電極アセンブリ（２）に供給する（４）。ガスは、第一の燃料電池スタック（１）から第二の燃料電池スタック（５）に供給され、含まれる一酸化炭素濃度が下がっているので、第二群のメンブラン電極アセンブリ（３）に供給されるガスは一酸化炭素濃度が低い。
【００３５】
図３は、第一群のメンブラン電極アセンブリ（２）を備えてなる第一燃料電池スタック（１）、第二群のメンブラン電極アセンブリ（３）を備えてなる第二燃料電池スタック（５）、第三燃料電池スタック（７）および第四燃料電池スタック（８）を示す。第一燃料電池スタック（１）中の全てのメンブラン電極アセンブリが第一群のメンブラン電極アセンブリ（２）を形成する。第二燃料電池スタック（５）中の全てのメンブラン電極アセンブリが第二群のメンブラン電極アセンブリ（３）を形成する。一酸化炭素を含んでなる改質ガソリンガスを第一群のメンブラン電極アセンブリ（２）に供給する（４）。ガスは、第一の燃料電池スタック（１）から第二燃料電池スタック（５）、第三燃料電池スタック（７）および第四燃料電池スタック（８）に供給され（６）、含まれる一酸化炭素濃度が下がっているので、第二群のメンブラン電極アセンブリ（３）に供給されるガスは一酸化炭素濃度が低い。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、本発明の第一の実施態様による燃料電池システムを図式的に示す図である。
【図２】図２は、本発明の第二の実施態様による燃料電池システムを図式的に示す図である。
【図３】図３は、本発明の第三の実施態様による燃料電池システムを図式的に示す図である。
【図１】
2008503852.tif 000003
【図２】
2008503852.tif 000004
【図３】
2008503852.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成18年3月25日(2006.3.25)
【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】
一個以上の燃料電池スタックを備えてなる燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックが、第一群のメンブラン電極アセンブリおよび第二群のメンブラン電極アセンブリを備えてなり、
前記第一および第二群のメンブラン電極アセンブリが直列に接続され、前記第一群に供給された原料流が連続的に前記第二群に供給されるものであり、
前記第一群のメンブラン電極アセンブリのアノードが、一酸化炭素を電気化学的に酸化するための電気触媒を含んでなり、前記第二群のメンブラン電極アセンブリよりも、一酸化炭素を含んでなる原料流中の一酸化炭素濃度をより効率的に減少させるものである、燃料電池システム。
前記原料流を第一群のメンブラン電極アセンブリに接触させて達成しうる一酸化炭素を含んでなる原料流中の一酸化炭素濃度の減少が、前記原料流を第二群のメンブラン電極アセンブリに接触させて達成しうる一酸化炭素を含んでなる原料流中の一酸化炭素濃度の減少よりも大きいものである、
【請求項２】
唯一の燃料電池スタックを備えてなり、
前記燃料電池スタック中の前記メンブラン電極アセンブリの一部が前記第一群のメンブラン電極アセンブリを付与して成り、及び
前記燃料電池スタック中の前記メンブラン電極アセンブリの一部が前記第二群のメンブラン電極アセンブリを付与してなる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
第一燃料電池スタックおよび第二燃料電池スタックを備えてなり、
前記第一および第二燃料電池スタックが直列に接続され、前記第一燃料電池スタックに供給された原料流が連続的に前記第二燃料電池スタックに供給されるものであり、
前記第一燃料電池スタック中の前記メンブラン電極アセンブリの一部または全部が前記第一群のメンブラン電極アセンブリを付与してなり、及び
前記第二燃料電池スタック中の前記メンブラン電極アセンブリの一部または全部が前記第二群のメンブラン電極アセンブリを付与してなる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第一燃料電池スタック中の前記メンブラン電極アセンブリの全部が前記第一群のメンブラン電極アセンブリを付与してなり、前記第二燃料電池スタック中の前記メンブラン電極アセンブリの全部が前記第二群のメンブラン電極アセンブリを付与してなる、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第一群中のメンブラン電極アセンブリと前記第二群中のメンブラン電極アセンブリの比が１：１〜１：１００である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記一酸化炭素を電気化学的に酸化するための電気触媒が、
式Ｐｔ−ＹまたはＰｔ−Ｙ−Ｘ
（上記式中、
Ｙが青銅形成元素またはその酸化物であるか、またはＳｎであり、
Ｘが、白金と合金化された一種以上の金属である）
を有してなる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
Ｙが、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗまたはそれらの酸化物からなる群から選択される、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
Ｘが、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｖ、Ｇａ、ＺｒおよびＨｆからなる群から選択された一種以上の金属である、請求項６または７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記一酸化炭素を電気化学的に酸化するための電気触媒がＰｔ−Ｍｏである、請求項６または７に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記第一群のメンブラン電極アセンブリの前記アノードが、水素を電気化学的に酸化するための電気触媒をさらに含んでなる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記第一群のメンブラン電極アセンブリの前記アノードが、水素を電気化学的に酸化するための電気触媒を含んでなり、及び
前記電気触媒が、式Ｐｔ−Ｍ
（上記式中、Ｍが、白金とＲｕ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｖ、Ｇａ、Ｚｒ、ＨｆおよびＳｎからなる群から選択される金属との合金化された金属である）
を有してなる、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記第一群のメンブラン電極アセンブリの前記アノードが、一酸化炭素を酸化するための電気触媒以外の電気触媒を含まない、請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記第二群のメンブラン電極アセンブリの前記アノードが、水素を電気化学的に酸化するための電気触媒を含んでなる、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記第二群のメンブラン電極アセンブリの前記アノードが、水素を電気化学的に酸化するための電気触媒を含んでなり、及び
前記電気触媒が、式Ｐｔ−Ｍ
（上記式中、Ｍが、白金とＲｕ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｖ、Ｇａ、Ｚｒ、およびＨｆからなる群から選択される金属との合金化された金属である）
を有してなる、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記第一群のメンブラン電極アセンブリの前記アノードが、一種類の電気触媒だけを含んでなり、
前記電気触媒が、式Ｐｔ−ＹまたはＰｔ−Ｙ−Ｘ
（上記式中、Ｙが青銅形成元素またはその酸化物であるか、またはＳｎであり、
Ｘが、白金と合金化された一種以上の金属である）
を有してなり、
前記第二群のメンブラン電極アセンブリの前記アノードが、一種類の電気触媒だけを含んでなり、
前記電気触媒が、式Ｐｔ−Ｍ
（上記式中、Ｍが、白金とＲｕ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｖ、Ｇａ、ＺｒおよびＨｆからなる群から選択される金属との合金化された金属である）を有してなる、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記第一群のメンブラン電極アセンブリの前記アノードが、一種類の電気触媒だけを含んでなり、前記電気触媒がＰｔ−Ｍｏであり、
第二群のメンブラン電極アセンブリの前記アノードが、一種類の電気触媒だけを含んでなり、前記電気触媒がＰｔ−Ｒｕである、請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記一個以上の燃料電池スタックが、第三群のメンブラン電極アセンブリをさらに備えてなり、
前記第二および第三群のメンブラン電極アセンブリが直列に接続され、前記第二群に供給された原料流が連続的に前記第三群に供給されるものであり、
前記第二群のメンブラン電極アセンブリの前記アノードが、水素を電気化学的に酸化するための第一電気触媒を含んでなり、
前記第三群のメンブラン電極アセンブリの前記アノードが、水素を電気化学的に酸化するための第二電気触媒を含んでなり、
前記第一電気触媒が、前記第二電気触媒よりも、一酸化炭素被毒に対する耐性を有してなる、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の燃料電池システムを操作する方法であって、
ａ）一酸化炭素を含んでなる改質ガソリンガス流を前記第一群のメンブラン電極アセンブリに供給し、それによって、一酸化炭素濃度を下げたガス流を付与し、及び
ｂ）前記一酸化炭素濃度を減少させたガス流を前記第二群のメンブラン電極アセンブリに供給することを含んでなる、燃料電池システムを操作する方法。
【請求項１９】
前記第一群のメンブラン電極アセンブリに供給される前記改質ガソリンガス流が、１０〜２０，０００ｐｐｍの一酸化炭素を含んでなる、請求項１８に記載の燃料電池システムを操作する方法。
【請求項２０】
前記第一群のメンブラン電極アセンブリを離れる前記改質ガソリンガス流中の一酸化炭素レベルが少なくとも９５％低減されてなる、請求項１８または１９に記載の燃料電池システムを操作する方法。
【国際調査報告】
2008503852.tif 000006
2008503852.tif 000007
2008503852.tif 000008