(57)【要約】  実質的な乾燥ガスがカソード流れ場を介して送られる停止シーケンスを導入する電気化学変換アセンブリを動作させる方法が提供される。乾燥ガスは、膜電極アセンブリにおける触媒溶解及び腐食を抑圧するに足るレベルまでプロトン交換膜の含水量を低減するに足る時間量にわたって供給される。追加の実施の形態が開示される。【選択図】図１
2008539550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極アセンブリとアノード流れ場とカソード流れ場とを備える電気化学変換アセンブリを動作させる方法であって、前記膜電極アセンブリが、前記電気化学変換アセンブリのアノードとカソードとを分離するプロトン交換膜を備え、前記膜電極アセンブリが、比較的広い表面積を持つ支持材料によって支持された触媒を備え、前記プロトン交換膜が、湿潤状態の下で増大されたプロトン伝導度によって特徴付けられる材料を備える方法において、
水素含有前線が前記アノード流れ場を介して送られ、前記支持材料及び前記触媒が前記膜電極アセンブリの前記カソードに生じる比較的高い電圧の結果として腐食と触媒溶解を受ける始動シーケンスを開始する工程と、
水素含有ガスを前記アノード流れ場を介して送り、酸素含有ガスを前記カソード流れ場を介して送ることによって、前記電気化学変換アセンブリを湿潤状態の下で動作させる工程と、
前記膜電極アセンブリの前記触媒溶解及び前記腐食を抑圧するに足るレベルまで前記プロトン交換膜の含水量を低減するに足る時間量にわたって、実質的な乾燥ガスを前記カソード流れ場を介して送る停止シーケンスを開始する工程と、
を備える方法。
【請求項２】
前記プロトン交換膜の含水量λを約５よりも小さくするに足る時間量にわたって、前記停止シーケンスに、前記実質的な乾燥ガスを前記カソード流れ場を介して送る、請求項１に記載の方法。ただし、λは前記膜におけるモル比Ｈ２Ｏ／ＳＯ３Ｈに対応する。
【請求項３】
前記プロトン交換膜の含水量λを約５０％等価ＲＨよりも小さくするに足る時間量にわたって、前記停止シーケンスに、前記実質的な乾燥ガスを前記カソード流れ場を介して送る、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記停止シーケンス期間に前記プロトン交換膜の電気的抵抗率を監視し、前記抵抗率が所定の値に達したとき前記乾燥ガスの供給を中断する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記停止シーケンス期間にカソード出口ガスの相対湿度を監視し、前記相対湿度が所定の値に達したとき前記乾燥ガスの供給を中断する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記実質的な乾燥ガスを前記カソード流れ場を介して送り、前記変換アセンブリの相対的高負荷状態からの遷移を開始させる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記相対的高負荷状態からの遷移が、前記アノード流れ場を介しての前記水素含有ガスの供給の実質的な低下によって達成される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記停止シーケンスが、前記膜電極アセンブリの両端間での短絡抵抗の接続と、前記乾燥ガスの供給の中断の後の前記アノード流れ場を介しての前記水素含有ガスの連続的供給とによって更に特徴付けられ、
前記酸素成分の希薄化の後に、実質的な乾燥空気パージを前記アノード流れ場へ導入する、
請求項１に記載の方法。
【請求項９】
希薄化する前記水素含有ガスの供給が、前記カソードの電圧を低減するよう前記膜電極アセンブリの両端間に電気的短絡を適用することによって達成される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記停止シーケンスが、前記膜電極アセンブリの両端間での短絡抵抗の接続と、前記乾燥ガスの供給の中断の後の前記アノード流れ場を介しての前記水素含有ガスの連続的供給とによって更に特徴付けられ、
前記水素含有ガスが前記カソード流れ場の酸素含有量を希薄化するに足る時間量にわたって供給され、
前記プロトン交換膜の含水量の前記低減を達成し、前記電気化学変換アセンブリの平衡蓄積状態をシミュレートするよう、前記アノード流れ場と前記カソード流れ場とへ実質的な乾燥空気パージを維持する、
請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記始動シーケンスが、前記停止シーケンスの後、前記アノード流れ場への水素含有前線の導入の前に、前記カソード流れ場を介して実質的な乾燥ガスを通すことによって特徴付けられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記実質的な乾燥ガスが約４０％より低い相対湿度によって特徴付けられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記実質的な乾燥ガスが空気であり、又は空気と実質的に等価の成分によって特徴付けられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記電気化学変換アセンブリが、前記停止シーケンス期間に充分な時間量にわたって比較的低い電流密度で動作して、前記カソード流れ場を介して前記実質的な乾燥ガスを送るに足るエネルギを提供する、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記電気化学変換アセンブリが、前記カソード流れ場を介して前記実質的な乾燥ガスを送るに足るエネルギを提供する外部電源によって動作する、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記停止シーケンスが、前記膜電極アセンブリでの前記触媒溶解及び前記腐食を抑圧するに足る温度までの前記膜電極アセンブリの冷却によって更に特徴付けられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記冷却が、アセンブリ冷却ポンプの動作、一方又は両方の前記流れ場への比較的冷たいガスの導入、又はそれらの組み合わせによって行われる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記冷却が、前記膜電極アセンブリの温度を約５０°Ｃよりも低くするのに充分である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記冷却が、前記膜電極アセンブリの温度を約２５°Ｃまで下げるのに充分である、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記実質的な乾燥ガスが、前記カソード流れ場を介して、比較的大きな蒸気容量によって特徴付けられる第１の温度で最初は送られ、次いで、前記膜電極アセンブリの温度を下げるのに充分な第２の低い温度で送られる、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１の温度が約７５°Ｃと約９０°Ｃとの間であり、前記第２の温度が約５０°Ｃよりも低い、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
膜電極アセンブリとアノード流れ場とカソード流れ場とを備える電気化学変換アセンブリを動作させる方法であって、前記膜電極アセンブリが、前記電気化学変換アセンブリのアノードとカソードとを分離するプロトン交換膜を備え、前記プロトン交換膜が、湿潤状態の下で増大されたプロトン伝導度によって特徴付けられる材料を備える方法において、
水素含有前線が前記アノード流れ場を介して送られる始動シーケンスを開始する工程と、
水素含有ガスを前記アノード流れ場を介して送り、酸素含有ガスを前記カソード流れ場を介して送ることによって、前記電気化学変換アセンブリを湿潤状態の下で動作させる工程と、
前記プロトン交換膜の含水量λを約５より低くするに足る時間量にわたって、実質的な乾燥ガスを前記カソード流れ場を介して送る停止シーケンスを開始する工程と、
を備え、前記λが前記膜におけるモル比Ｈ２Ｏ／ＳＯ３Ｈに対応する方法。
【請求項２３】
膜電極アセンブリとアノード流れ場とカソード流れ場とを備える電気化学変換アセンブリを動作させる方法であって、前記膜電極アセンブリが、前記電気化学変換アセンブリのアノードとカソードとを分離するプロトン交換膜を備え、前記膜電極アセンブリが、比較的広い表面積を持つ支持材料によって支持された触媒を備え、前記プロトン交換膜が、湿潤状態の下で増大されたプロトン伝導度によって特徴付けられる材料を備える方法において、
水素含有前線が前記アノード流れ場を介して送られ、前記支持材料及び前記触媒が前記膜電極アセンブリの前記カソードに生じる比較的高い電圧の結果として腐食と触媒溶解を受ける始動シーケンスを開始する工程と、
水素含有ガスを前記アノード流れ場を介して送り、酸素含有ガスを前記カソード流れ場を介して送ることによって、前記電気化学変換アセンブリを湿潤状態の下で動作させる工程と、
前記膜電極アセンブリの前記触媒溶解及び前記腐食を抑圧するに足るレベルまで前記プロトン交換膜の含水量を低減するに足る時間量にわたって、実質的な乾燥ガスを前記アノード流れ場を介して送る停止シーケンスを開始する工程と、
を備える方法。
【請求項２４】
膜電極アセンブリとアノード流れ場とカソード流れ場と実質的な乾燥ガスの供給源とアセンブリ・コントローラとを備える電気化学変換アセンブリであって、
前記膜電極アセンブリが、前記電気化学変換アセンブリのアノードとカソードとを分離するプロトン交換膜を備え、
前記膜電極アセンブリが、比較的広い表面積を持つ支持材料によって支持された触媒を備え、
前記プロトン交換膜が、湿潤状態の下で増大されたプロトン伝導度によって特徴付けられる材料を備え、
前記支持材料及び前記触媒が前記膜電極アセンブリの前記カソードに生じる比較的高い電圧の結果として腐食と触媒溶解を受け、
前記電気化学変換アセンブリが、前記アノード流れ場を介して送られる水素含有ガスと、前記カソード流れ場を介して送られる酸素含有ガスとによって、湿潤状態の下で動作を最適化され、
前記アセンブリ・コントローラが、前記膜電極アセンブリの前記触媒溶解及び前記腐食を抑圧するに足るレベルまで前記プロトン交換膜の含水量を低減するに足る時間量にわたって、前記乾燥ガス供給源からの実質的な乾燥ガスを前記カード流れ場を介して送る停止シーケンスを開始するようプログラムされる装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１反応物質と第２反応物質とを処理することによって電気エネルギを生成する、燃料電池と呼ばれる電気化学的変換電池に関係する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、電気エネルギは酸素を含むガスの酸化と水素ガスの還元とによって燃料電池において生成される。例示であって限定ではないが、典型的な電池は、反応物質の一方をそれぞれ収容した一対の流れ場の間に配置された膜電極アセンブリを備えている。更に具体的には、膜電極アセンブリの対向する側に、カソード流れ場プレートとアノード流れ場プレートとを配置することができる。典型的には、単一の電池ユニットによって提供される電圧は有用な応用には低すぎるので、複数の電池を導電結合させた「スタック」に配置して電気化学的変換アセンブリの電気出力を増大させるのが普通である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、湿った膜電極アセンブリを採用する電気化学変換アセンブリにおける始動／停止損失を緩和することを目指したものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一つの実施の形態によると、電気化学変換アセンブリを動作させる方法が提供される。背景技術として、変換アセンブリは、一般に、膜電極アセンブリとアノード流れ場とカソード流れ場とを備える。膜電極アセンブリはアノードとカソードとを分離するプロトン交換膜を備える。一般に、膜電極アセンブリは、なかんずく、大きな表面積の支持材料によって支持された触媒を備え、湿潤状態の下での増大されたプロトン伝導度によって特徴付けられる。
【０００５】
上記方法によると、始動シーケンスは水素含有前線をアノード流れ場を介して導入することによって開始される。膜電極アセンブリの支持材料及び電極触媒は、アノード流れ場での空気に置き換わる水素前線の影響下で膜電極アセンブリのカソードに生じる比較的高い電圧の結果として、腐食及び溶解を受ける。この劣化を緩和するために、実質的な乾燥ガスがカソード流れ場を介して送られる停止シーケンスが導入される。乾燥ガスは、膜電極アセンブリでの触媒溶解及び腐食を抑圧するに足るレベルまでプロトン交換膜の含水量を低減するに足る時間量にわたって供給される。
【０００６】
本発明の他の実施の形態によると、実質的な乾燥ガスが、プロトン交換膜の含水量λを約５よりも低くするのに充分な時間量にわたってカソード流れ場を介して送られる。なお、λは膜におけるモル比Ｈ２Ｏ／ＳＯ３Ｈに対応する。
【０００７】
本発明の追加の実施の形態によると、実質的な乾燥ガスが、プロトン交換膜の含水量を低減するようアノード流れ場又はカソード流れ場を介して送られる。
本発明の更に他の実施の形態によると、アセンブリ・コントローラを備える電気化学変換アセンブリが提供され、アセンブリ・コントローラは、プロトン交換膜の含水量を適切なレベルまで低減するよう、乾燥ガス供給源からの実質的な乾燥ガスをアセンブリの流れ場を介して送るようにプログラムされている。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、湿った膜電極アセンブリを採用する電気化学変換アセンブリにおける始動／停止損失を緩和することにある。本発明の他の目的は、ここに具体化された実施の形態についての記述に照らして明らかであろう。
【０００９】
本発明の特定の実施の形態についての以下の詳細な記述は、同じ構成を同じ参照数字で指示する図面と結合して読むとき、最も良く理解できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
まず図１を参照すると、電気化学的変換アセンブリ１０が概略的に図示されている。アセンブリ１０は、アノード２４とカソード２６をと分離するプロトン交換膜２２を集合的に含む膜電極アセンブリ２０を備える。また、電気化学的変換アセンブリ１０はアノード流れ場３０とカソード流れ場４０とを備える。本発明の電気化学的変換アセンブリの特定の構造、構成、設計及び動作は、燃料電池の首題に関する現存の広範な教示から収集できるので、ここでは議論しないことに留意されたい。一般に、アセンブリ１０は、それぞれの流れ場３０、４０を通る第１反応物質及び第２反応物質を処理することによって電気エネルギを生成するよう構成されていることに留意すれば十分である。例えば、電気エネルギは、酸素を含むガスの酸化と水素ガスの還元とによってアセンブリにおいて生成されることができる。本発明を記述し定義するために、水素系ガスは、実質的に純粋の水素、Ｈ２を含むガス混合物、又は、水素と１つ以上の追加の成分とから形成されたガス状化合物であり得ることに留意されたい。例えば、水素ガスは水素、メタン、改質燃料及び改質天然ガスを含むが、これに限定されるものではない。
【００１１】
膜電極アセンブリ２０のアノード２４及びカソード２６は、１つ以上の触媒、例えばプラチナや、ＰｔＣｏ、ＰＴＣｒ、ＰｔＶ、ＰｔＴｉ、ＰｔＮｉ、ＰｔＣｏＣｒ、ＰｔＣｏＩｒ、ＰｙＲｈＦｅなどのプラチナ合金などを支持する比較的大きな表面積で構成される。
本発明を定義し記述するために、炭素系物質は、カーボンブラックやグラファイトのような純粋な炭素、炭素を含む混合物、炭素と１つ以上の追加の成分を含む化合物、又は、こうした種類の炭素物質のうちの１つを支持する基質であり得る。具体的には、その上にＰｔ及びＰｙ合金触媒が分散される支持体は、バルカン（商標）（２４０ｍ２／ｇ）、ケトジェンブラック（商標）（８００ｍ２／ｇ）、ブラックパール（商標）（２０００ｍ２／ｇ）、グラファイト化バルカン（商標）（８０ｍ２／ｇ）その他の適宜の有機又は無機の支持体であり得ることに留意されたい。また、「比較的大きな」表面積の触媒支持材料への言及は、アセンブリ一般の構成要素への言及と理解されるべきであることに留意されたい。したがって、比較的大きな表面積の支持材料は、アセンブリの多くの構成要素よりも一般に広い表面積を持つ。例えば、限定ではないが、一般に５ｍ２／ｇ前後から２０００ｍ２／ｇ及びそれ以上の表面積は、「比較的大きな」表面積と解することができる。典型的には、これらの材料は高電位で腐食を受けやすい。
【００１２】
プロトン交換膜２２はアセンブリ２０を介してのプロトン交換を促進し、典型的には、湿った状態の下での強められたプロトン伝導性によって特徴付けられる。本発明の範囲内において任意の適宜のプロトン交換膜を利用することができる。例えば、限定ではないが、ポリマ電解質膜が電気化学的変換電池に広く使用されている。これは、ポリマ電解質膜がプロトンを効率よく伝導し、反応物質供給部間の適切な分離を定義する、低い燃料クロスオーバー特性を有するからである。また、ポリマ電解質膜は十分に頑丈なので、燃料電池スタックに組み立てることができ且つ比較的長寿命である。最も一般的な種類のポリマ電解質膜の一つはＮＡＦＩＯＮ（登録商標）である。これは、デュポンから入手可能なペルフルオロスルホン酸イオノマー材料であり、第１反応物質Ｒ１が水素燃料源、第２反応物質Ｒ２が酸素又は空気である電気化学的変換電池に広く用いられている。
【００１３】
図２を参照すると、始動前に、電気化学的変換アセンブリ１０のアノード流れ場３０は、意図的に導入された空気又はカソード流れ場４０からプロトン交換膜２２を横切って拡散された空気で満たされる。留意されるように、多くの空気拡散源が存在する。例えば、空気はアノード流れ場３０へカソード流れ場４０から直接に、出口弁又は他のシステム配管から、或いは、流れ場シールを介して大気から拡散し得る。いずれにしても、図３において、本発明に係る始動シーケンスが開始され、水素を含む前線（front）３２をアノード流れ場３０を介して送り込んで、流れ場３０において空気との界面を形成し、膜電極アセンブリ２０のカソードに比較的高い電圧を生成する。膜電極アセンブリ２０の支持材料及び触媒は、この比較的高い電圧の結果、腐食と触媒溶解を受ける傾向にある。図３には、膜電極アセンブリ２０を横切って概略的に、短絡抵抗５０が図示されている。短絡抵抗は、漏れ電流を低電位の電極へ流すため、又は電池のカソード側で酸素を消費するために用いられる。更に、短絡抵抗５０は、始動／停止サイクル期間に電池電位を比較的低いレベル、例えば約０．２ボルトへ低減させ、始動期間及び長い不活動期間にアセンブリ１０を安定化する。
【００１４】
例示として、限定ではないが、最適条件下で部分的負荷又は全負荷で動作する典型的なプロトン交換膜は、相当な程度まで、典型的には約５０％ＲＨを越して加湿される。膜を加湿するための多くの機構を利用することができる。例えば、カソード流れ場４０へ導入される酸素含有ガスは、プロトン交換膜２２の最適加湿を促進するよう、約８０％を越す相対湿度まで加湿される。図４を参照すると、湿潤状態でアノード流れ場３０を介して水素ガスを送り、カソード流れ場４０を介して酸素含有ガスを送ることによって電気化学的変換アセンブリ１０の動作を最適化できるけれども、プロトン交換膜２２から水を除去することによって或る種の利点が達成されることを本発明は認識した。
【００１５】
具体的には、図５を参照すると、プロトン交換膜２２の支持材料及び触媒の前記した劣化は、実質的に乾燥したガスをカソード流れ場４０を介して送って、比較的大きな負荷の動作状態からの変換アセンブリ１０の遷移を開始させる停止シーケンスを開始することによって緩和されることができる。典型的には、図５に概略的に示すように、比較的大きな負荷の状態からの遷移は、アノード流れ場を介しての水素含有ガス供給の実質的な低減を伴うことになる。
【００１６】
本発明の一つの実施の形態によると、アノード流れ場３０への水素含有ガスの供給はほぼ完全に遮断され、プロトン交換膜２２の含水量を、膜電極アセンブリ２０での前記の触媒溶解及び腐食を抑圧するに足るレベルまで低減するのに十分な時間量にわたって、乾燥したガスがカソード流れ場４０を介して送られる。例えば、限定ではないが、比較的低湿度の空気流（約４０％より低いＲＨ）が本発明で使用するための適切な乾燥ガスを構成することに留意されたい。
【００１７】
本発明の他の実施の形態によると、膜電極アセンブリ２０における前記の触媒溶解及び腐食は、プロトン交換膜の含水量λを約５よりも低く低減するに足る時間量にわたって、実質的に乾燥したガスをカソード流れ場４０を介して送ることによって緩和されることができる。なお、λは膜のモル比Ｈ２Ｏ／ＳＯ３Ｈに対応する。別の代替として、本発明を実施する者は、プロトン交換膜２２の含水量を約５０％等価ＲＨより低く低減させるに足る時間量にわたって、停止シーケンス期間に、実質的に乾燥したガスをカソード流れ場４０を介して送るよう選択することができる。ただし、等価ＲＨは膜２２と平衡するガス相対湿度に対応する。
【００１８】
プロトン交換膜２２の高周波（約１ｋＨｚ）電気抵抗率は、本発明の停止シーケンス期間に監視されることができることに留意されたい。電気抵抗率は膜２２の含水量との直接の相関を提供するので、カソード流れ場４０への乾燥ガスの供給は、抵抗率が所定の値に達したとき、すなわち、膜の十分な乾燥が達成されたとみなされるときに中断される。代わりに、カソード出口ガスの相対湿度を停止シーケンス期間に監視して膜の乾燥度の示度を提供することができることに留意されたい。乾燥浄化の持続期間は、所与のスタック構成に対して決定され、個々のシステムに対する独立の測定又は進行中の測定の必要無しに当該構成に対して適用されることができると考えられる。本発明を実施する者は、電力消費を最小にするよう、乾燥時間を数分に制限することを望むものと予想される。乾燥時間に影響する重要なファクタは、温度及び乾燥浄化流量を含み、設計と当面の動作要件とにしたがって特定の応用に対して調整されることができる。
【００１９】
図６〜図１０は、本発明の更なる態様に従う停止シーケンスを示している。具体的には、図６及び図７を参照すると、前記の乾燥工程の完了時に、カソード流れ場４０へのガスの供給が中断されることに留意されたい。それに続いて又は同時に、短絡抵抗５０が膜電極アセンブリ２０の両端間に設けられ、水素含有ガスがアノード流れ場３０を介して送られてカソード流れ場４０でのガスの酸素含有量を希薄にし、アセンブリ１０によって生成される電圧を低減する。この文脈において、水素の大気への放出を最小にするよう、比較的小さい流れの水素含有ガスが維持されることに留意されたい。
【００２０】
図８を参照すると、カソード流れ場４０におけるガスから酸素が適切なレベルまで失われると、酸素含有ガス、例えば空気をアノード流れ場３０へ導入することによって停止が更に促進される。また、カソード流れ場４０からアノード流れ場３０へ空気が拡散できるようにすることによって、膜電極アセンブリ２０を横切って、結果としての空気／空気界面が受動的に達成されることに留意されたい。しかし、停止期間での電気化学的変換アセンブリ１０の空気／空気界面への制御された遷移は、図９に示す空気／空気状態への一層確実で反復的な遷移を提供する可能性があると考えられる。また、図８に示すような、アノード流れ場への空気の制御された導入も、停止期間に電気化学的変換アセンブリ１０に乾燥ガスを導入するための追加の代替手段を提供することに留意されたい。実際、触媒溶解及び腐食の前記した緩和は、図８に示す動作シーケンスの期間に乾燥ガスを導入することによって単独で又は図５の乾燥工程と組み合わさって達成されることができると考えられる。約０．２ボルト又はそれ以下の電池電圧は十分な酸素消費を生じるのに十分であると考えられる。
【００２１】
同様に、図１０を参照すると、空気のような酸素含有ガスがアノード流れ場３０及びカソード流れ場４０へ導入されて電気化学的変換アセンブリをスタック平衡蓄積状態にすると、プロトン交換膜２２の更なる乾燥が行われる。図１０に示すように、スタック平衡状態は、アノード流れ場３０とカソード流れ場４０とに共通のガス、例えば空気が存在することによって特徴付けられる。
【００２２】
図２の動作シーケンスはプロトン交換膜２２から水分を除去するための更なる機会を提供する。具体的には、図２に示す始動シーケンスは、停止シーケンスの後、アノード流れ場３０における水素含有前線の導入の前に、実質的に乾燥したガスをカソード流れ場４０を介して通過させることによって特徴付けられる。図２及び図１０の動作シーケンス期間に行われる乾燥は、単独で又は前記の任意の乾燥工程と組み合わさって膜電極アセンブリの劣化を緩和するのに十分であると考えられる。
【００２３】
また、膜電極アセンブリ２０の温度は、膜電極アセンブリ２０での触媒溶解と腐食とを緩和するよう試みるとき考慮され得る。具体的には、膜電極アセンブリ２０での触媒溶解と腐食は停止シーケンス期間に膜電極アセンブリ２０を適切に冷却することによって抑圧することができるということを発明者等は認識した。冷却は種々の方法で行い得る。例えば、限定ではないが、冷却はアセンブリ冷却ポンプの作動、一方又は両方の流れ場への比較的冷たいガスの導入、又は、これらの及び同様の手法の組み合わせによって行うことができる。本発明の特定の実施の形態においては、冷却は、膜電極アセンブリ２０の温度を約５０°Ｃより低く、場合によっては約２５°Ｃより低くするのに十分であるように調整される。
【００２４】
図１１は、約２００燃料電池停止／始動サイクル後の、カソード流れ場４０における特定の温度及びＲＨ値での比較劣化率を示している。具体的には、劣化率はマイクロボルト／サイクルの単位で表され、図５に示す乾燥工程に対する４つの異なる温度／ＲＨ動作温度について図示されている。それぞれの劣化率の相違は、図５の乾燥工程の実施が膜電極アセンブリ２０における触媒溶解と腐食とを劇的に緩和することを明白に示している。上記のとおり、いずれかで乾燥工程が実施されるならば、同様の結果を期待することができる。図１２は、低ＲＨ乾燥工程の利点についての同様の例を与えるばかりでなく、比較的低い温度での動作に関連する特定の利点をも強調している。具体的には、約５０°Ｃでの燃料電池の動作は、同様のＲＨでの８０°Ｃでの動作よりも相当良好な結果を与える。言うまでもなく、図１１及び図１２の例示は特定の動作状態及び燃料電池パラメータに適用されるものであり、特許請求の範囲で定義されているところを越えて発明の範囲を限定するよう解釈されるべきではない。
【００２５】
図１３及び図１４は、各電極アセンブリの電極表面積と直接に関連する触媒溶解及び腐食の緩和を図示している。具体的には、図１３及び図１４において、表面積データは特定の電圧循環状態の下で停止／始動サイクル数の関数として示され、一般に、小さな表面積値は膜電極アセンブリにおける大きな触媒溶解及び腐食に対応する。図１３及び図１４から分かるように、表面積劣化は、低いＲＨ値が前記図５に示す乾燥工程の期間に維持されるならば、大きなサイクル数にわたって比較的安定である。前記の通り、乾燥工程がどこかで実行されるならば、同様の結果を期待できる。図１３及び図１４に示すものは特定の動作状態及び燃料電池パラメータに適用されるものであり、特許請求の範囲で定義されているところを越えて発明の範囲を限定するよう解釈されるべきではないことを理解すべきである。具体的には、図１３は短絡抵抗５０（図３）がない場合の始動／停止サイクルをシミュレートし、カソード上の電圧は１．０ボルトと１．４ボルトとの間で循環する。これに対して、図１４は短絡抵抗５０（図３）がない場合の始動／停止サイクルをシミュレートし、カソード上の電圧は０．６ボルトと１．０ボルトとの間で循環する。
【００２６】
また、膜電極アセンブリを冷却することの前記の利点にもかかわらず、比較的高温でカソード流れ場を介して送られる乾燥ガスは、その固有の大きな蒸気容量の故に、膜電極アセンブリ２０から高速で水分を除去することに留意すべきである。したがって、本発明の追加の実施の形態では、比較的大きな蒸気容量によって特徴付けられる第１の温度において最初に乾燥ガスを導入し、それに続いて膜電極アセンブリの温度を適宜のレベルへ低減するに足る第２の低い温度で乾燥ガスを導入する。例えば、限定ではないが、比較的高い第１の温度は約７５°Ｃと約９０°Ｃとの間であり、比較的低い第２の温度は約５０°Ｃより低くてよい。
【００２７】
本発明の電気化学変換アセンブリの始動及び停止の期間にアノード流れ場及びカソード流れ場を介して色々なガスを送るのに必要なエネルギは、種々の発生源から発生される。例えば、限定ではないが、電気化学変換アセンブリ１０は、停止シーケンス期間に充分な時間量にわたって比較的低い電流密度で動作して、カソード流れ場４０を介して実質的に乾燥したガスを送るのに充分なエネルギを提供することができる。代わりに、ハイブリッド車両又は車両用充電電池を維持する他の形式の車両に変換アセンブリ１０が用いられる場合には特に、外部電池が所要の電力を提供する。
【００２８】
本発明を実施する者には理解されるように、本発明の概念は、任意の特定の性質を持つ流れ場部分又は膜電極アセンブリを含む電気構造に限定されるものではない。実際、本発明と共に使用するのに適切な流れ場部分は、その関連の電極アセンブリに対する反応物質の分配を強化するよう構成されることが必要なだけであり、本発明の共に使用するのに適切な電極アセンブリは、それぞれの流れ場において提供される反応物質との接触時に電流を生成するよう構成されることが必要なだけである。
【００２９】
本発明の概念を、少なくとも部分的に車両に駆動電力を提供するよう構成された電気化学変換アセンブリの動作構想に組み込むことが考えられる。典型的には、こうした車両は電気化学変換アセンブリに燃料を供給するよう構成された燃料処理システム又は燃料源を有する。
【００３０】
本発明は特定の反応物質組成に限定されるものではないが、本発明を実施し且つ一般に燃料電池技術に精通する者には理解されるとおり、典型的には第１反応物質Ｒ１は酸素及び窒素を含み、第２反応物質Ｒ２は水素、メタン、改質燃料等のような水素含有ガスを含む。
【００３１】
本発明の緩和法を、水素前線がアノード流れ場を取って進むときに生じる循環に関連する損失を緩和する他の方法と組み合わせて採用することが考えられる。こうした緩和法の例は、限定ではないが、米国特許第６５１４６３５号明細書、米国特許公開第２００２−０１０２４４３号及び米国特許公開第２００２−００７６５８３号に記載されているのと同様のアノード・カソード再循環方法を含み、これらの開示は援用によって本明細書に組み込まれる。
【００３２】
「好ましくは、」「共通に」及び「典型的には」等の用語は、特許請求された発明の範囲を限定するものでも、特許請求された発明にとって或る特徴が肝要、必須又は重要であることを意味するものでもないことに留意すべきである。むしろ、これらの用語は、本発明の特定の実施の形態に用いられる又は用いられない代替物又は追加の特徴を強調することを意図しているだけである。
【００３３】
本発明を記述し定義するために、用語「装置」は、構成要素の組み合わせ及び個別の構成要素を表すために用いられており、構成要素が他の構成要素と結合されるかどうかには関係がないことに留意すべきである。
【００３４】
本発明を記述し定義するために、用語「実質的」は、何らかの量的比較、値、測定その他の表示に起因する不確定性の固有の度合いを表すために用いられることに留意すべきである。また、用語「実質的」は、当該主題の基本機能の変化を生じることなく、量的表示が基準から変動する度合いを表すのに用いられる。
【００３５】
本発明を詳細に且つ特定の実施の形態を参照して説明してきたが、特許請求の範囲で定義される発明の範囲から逸脱することなく、修正及び変更が可能であることは明らかである。更に具体的には、本発明の或る特徴が好ましい又は特に有利であるとして識別されるとしても、本発明は必ずしも本発明のこうした好ましい特徴に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る電気化学変換アセンブリ動作シーケンスを示す図である。
【図２】本発明に係る電気化学変換アセンブリ動作シーケンスを示す図である。
【図３】本発明に係る電気化学変換アセンブリ動作シーケンスを示す図である。
【図４】本発明に係る電気化学変換アセンブリ動作シーケンスを示す図である。
【図５】本発明に係る電気化学変換アセンブリ動作シーケンスを示す図である。
【図６】本発明に係る電気化学変換アセンブリ動作シーケンスを示す図である。
【図７】本発明に係る電気化学変換アセンブリ動作シーケンスを示す図である。
【図８】本発明に係る電気化学変換アセンブリ動作シーケンスを示す図である。
【図９】本発明に係る電気化学変換アセンブリ動作シーケンスを示す図である。
【図１０】本発明に係る電気化学変換アセンブリ動作シーケンスを示す図である。
【図１１】特定の温度及びＲＨ値の下での比較劣化率を示す図である。
【図１２】特定の温度及びＲＨ値の下での比較劣化率を示す図である。
【図１３】電極表面積に対する溶解及び腐食の緩和を示す図である。
【図１４】電極表面積に対する溶解及び腐食の緩和を示す図である。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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