(57)【要約】  燃料電池アセンブリ（２０）は、燃料電池アセンブリ（２０）の予想されるライフサイクルに基づいて選択される温度範囲内の平均運転温度で運転する電気化学的活性部分（４０）を含む。開示された例示において、電気化学的活性部分の平均運転温度範囲は、約３４０°Ｆ（１７１℃）〜約３６０°Ｆ（１８２℃）である。電気化学的活性部分の最高及び最低運転温度は、平均運転温度範囲から外れていても良い。一例において、電気化学的活性部分は、３００°Ｆ（１４９℃）以上で且つ４００°Ｆ（２０４℃）未満の温度に保持される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池アセンブリの運転方法において、
時間に亘る前記アセンブリの電気化学的活性部分の温度と性能との関係を決定するステップと、
少なくとも所望の最小量の時間に対して少なくとも所望の最低の性能を達成するように前記決定された関係に基づき平均運転温度範囲を選択するステップと、
を含むことを特徴とする燃料電池アセンブリの運転方法。
【請求項２】
前記平均運転温度範囲が約３４０°Ｆ（１７１℃）〜約３６０°Ｆ（１８２℃）の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記平均運転温度範囲の下限温度を下回る最低運転温度と、前記平均運転温度範囲の上限温度を超過する最高運転温度と、を選択するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記平均運転温度範囲が約３４０°Ｆ（１７１℃）〜約３６０°Ｆ（１８２℃）の範囲であり、前記最低運転温度が約３００°Ｆ（１４９℃）であり、そして前記最高運転温度が約４００°Ｆ（２０４℃）未満であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記最大運転温度が約３９０°Ｆ（１９９℃）であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記燃料電池アセンブリを、ほぼ周囲の圧力条件下で運転するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記燃料電池がリン酸型燃料電池であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記燃料電池が高温固体高分子形燃料電池であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
燃料電池アセンブリの運転方法において、
前記燃料電池アセンブリの電気化学的活性部分を、前記アセンブリの全耐用年数に関して約３４０°Ｆ（１７１℃）〜約３６０°Ｆ（１８２℃）の平均運転温度範囲内で運転することを特徴とする燃料電池アセンブリの運転方法。
【請求項１０】
前記電気化学的活性部分の最低温度を、少なくとも約３００°Ｆ（１４９℃）の温度で保持することを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記電気化学的に活性な部分の最高温度を、少なくとも約４００°Ｆ（２０４℃）の温度で保持することを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
約３９０°Ｆ（１９９℃）の前記電気化学的活性部分の最高温度を使用することを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記燃料電池アセンブリを、ほぼ周囲の圧力条件下で運転することを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記燃料電池がリン酸型燃料電池であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記燃料電池が高温固体高分子形燃料電池であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
燃料電池アセンブリにおいて、
前記アセンブリの全耐用年数に関して約３４０°Ｆ（１７１℃）〜約３６０°Ｆ（１８２℃）の範囲内の平均温度で運転される電気化学的活性部分を含むことを特徴とする燃料電池アセンブリ。
【請求項１７】
前記アセンブリがほぼ周囲の圧力条件下で運転されることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１８】
電気化学的活性部分が約３００°Ｆ（１４９℃）を超過する最低温度を有することを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１９】
電気化学的活性部分が約４００°Ｆ（２０４℃）未満の最高温度を有することを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項２０】
前記最高温度が約３９０°Ｆ（１９９℃）であることを特徴とする請求項１９に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項２１】
約２７０°Ｆ（１３２℃）の対応する温度を有する冷却液入口と、約３３７°Ｆ（１６９℃）の対応する温度を有する冷却液出口と、を含むことを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項２２】
リン酸型燃料電池を含むことを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項２３】
高温固体高分子形燃料電池を含むことを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、燃料電池に関する。更に詳細には、本発明は、延長された燃料電池寿命を実現するための温度条件下で燃料電池を運転する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、周知であり、種々の用途での使用が益々増大している。燃料電池の１種が、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）として知られており、例えば、定置発電に用いられている。公知のＰＡＦＣにおける課題の１つが、電池スタックアセンブリを、通常、ほぼ５年毎に交換する必要があることである。これを過ぎると、アセンブリの性能は、殆どの用途の場合、有用な又は受容可能な水準未満の水準まで劣化する。性能の損失は、電解質で満たされている触媒層の部分から生じるのが一般的である。電池スタックアセンブリにおける電極電位と運転温度との時間に亘る複合効果により炭素質の触媒担体の表面において酸化がもたらされ、これにより性能劣化が充満する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
公知の構成を用いたときのような電池スタックアセンブリの交換を必要としない改良された燃料電池の構成を提供するのが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の実施の形態に従って運転する燃料電池アセンブリは、例えば、アセンブリの全耐用年数に関して約３４０°Ｆ（１７１℃）〜約３６０°Ｆ（１８２℃）の範囲内の平均温度で運転する電気化学的活性部分を含む。一例においては、かかる範囲内の平均運転温度を利用することにより、従来の運転温度範囲を利用する構成と比較して、燃料電池アセンブリの耐用年数を実質的に２倍にする。
【０００５】
燃料電池アセンブリを運転する方法は、例えば、時間に亘る、アセンブリの電気化学的活性部分の温度と性能との関係を決定するステップを含む。決定された関係に基づき、所望の最小量の時間に対して所望の最低の性能を達成するように平均運転温度を選択する。
【０００６】
一例においては、平均運転温度範囲は、約３４０°Ｆ（１７１℃）〜約３６０°Ｆ（１８２℃）の範囲である。
【０００７】
一例として、平均運転温度範囲の下限温度を下回る最低運転温度を選択するステップを含む。一例として、最低運転温度は、約３００°Ｆ（１４９℃）である。他の例において、平均運転温度範囲の上限温度を超過する、燃料電池アセンブリの電気化学的活性部分の最高運転温度を選択するステップを含む。一例として、最高温度は、約３９０°Ｆ（１９９℃）である。
【０００８】
本発明の種々の特徴及び利点は、一般に望ましい実施の形態における以下の詳細な説明から当業者等に明らかとなるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、燃料電池アセンブリ２０を概略的に示している。電池スタックアセンブリは、複数のアノード２２及びカソード２４を電解質部分２６の両側に含む。アノード２２及びカソード２４は、公知の方法で作用する。一例として、電解質部分２６は、リン酸を含み、アセンブリは、リン酸型燃料電池アセンブリとして知られている。
【００１０】
更に、図示の例では、公知のように入口３２から入り、そして出口３４から出る冷却液を有することによって公知の手法で作用する冷却器３０を含む。
【００１１】
燃料電池アセンブリは、そのアッセンブリ内の種々の位置で種々の温度を有することが知られている。説明の都合上、カソード２４及びアノード２２の触媒が重なり合う電気化学的活性領域を、燃料電池アセンブリ２０の電気化学的活性部分４０と呼ぶことにする。また、温度は、局所電流密度の変化及び冷却器３０の構成を理由として、前記電気化学的活性部分内で変化し得ることが知られている。例えば、各冷却器の間における電池の一般的な数及び電池から冷却器への熱の流れの方向により、電池スタック内における冷却液流の方向と、軸方向とに温度勾配が存在する。さらに、電池の電力需要が変化すると、アッセンブリ内の温度も変化する。
【００１２】
燃料電池アセンブリの特徴の１つは、前記電気化学的活性部分の運転温度がアッセンブリの耐用年数に対して直接に影響する点にある。例えば、図２は、４００°Ｆ（２０４℃）に対する劣化係数と、運転温度との関係のプロット５０を示している。曲線５２は、電池性能の劣化と温度との関係の一例を示している。図２から認め得るように、高温は、劣化速度の増大に相当し、ひいては燃料電池の耐用年数の期間の短縮に相当する。本発明における例示の手段によると、時間に亘る温度と性能との関係は、燃料電池アセンブリの運転温度範囲を選択する場合の決定要因として用いられる。
【００１３】
従来の手法を用いると、リン酸型燃料電池の発電装置における運転条件は、最大の初期性能及び初期発電装置効率に到達するように選択された。かかる手法を用いると、燃料スタックアセンブリ内で材料の制限に基づいて設定される運転温度が要求される。かかる手法では、電気化学的活性部分４０の運転温度を選択する場合の決定要因として性能劣化を考慮に入れていない。従って、本願明細書で最初に開示された例の手法は、従来の手法では用いられない決定要因に基づいている。
【００１４】
本発明により設計される例示の燃料電池アセンブリは、少なくとも選択された長さの時間に対し少なくとも最低限の性能（すなわち、利用可能な出力）を達成するように選択される電気化学的活性部分４０の平均運転温度範囲を含む。一例として、約３４０°Ｆ（１７１℃）〜約３６０°Ｆ（１８２℃）の範囲である電気化学的活性部分４０の平均運転温度を含む。かかる平均運転温度範囲は、燃料電池アセンブリの耐用年数に亘る平均と考えられる。勿論、公知の理由により、運転温度は多少変化するであろう。
【００１５】
一例として、平均運転温度範囲から外れる電気化学的活性部分４０の最高運転温度は、約３８０°Ｆ（１９３℃）〜約４００°Ｆ（２０４℃）に保持される。かかる範囲内の温度又は温度未満に最大温度を保持することにより、燃料電池アセンブリでの高温に直接関連する性能劣化を抑制する。一つの好ましい実施の形態において、電気化学的活性部分４０の最高運転温度は、３９０°Ｆ（１９９℃）である。かかる最高運転温度は、殆どの場合、冷却器間における電池のスタックの中央付近にある電池内で生じるであろう。
【００１６】
一例として、運転条件下における電気化学的活性部分の絶対最低温度は、少なくとも３００°Ｆ（１４９℃）の温度で保持される。少なくとも３００°Ｆ（１４９℃）の最低温度を保持するのは、改質燃料に含まれる一酸化炭素でのアノード触媒の汚染を最小限にするため望ましい。
【００１７】
電気化学的活性部分４０の一部ではない、燃料電池アセンブリの非電気化学的活性部分、例えば公知の方法で作用する酸凝縮領域は、より低温で作動しても良い。燃料電池アセンブリの非電気化学的活性部分に受容可能な範囲は、電気化学的活性部分に用いられる範囲と異なっていても良く、特定の状況における要求を満足するように選択され得る。
【００１８】
例えば、冷却液入口３２は、約２７０°Ｆ（１３２℃）の対応する温度を有し、冷却液出口３４は、約３３７°Ｆ（１６９℃）の対応する温度を有する。これらの例示の温度は、３５０°Ｆ（１７７℃）の電気化学的活性部分の平均運転温度と、３９０°Ｆ（１９９℃）の電気化学的活性部分４０の最大温度に相当する。
【００１９】
公知のリン酸型燃料電池は、ほぼ周囲圧力〜約１０気圧の反応圧力で動作する。圧力が上昇すると、劣化速度が上昇することが知られている。これは、高圧条件下で更に湿潤性が高くなる炭素質（carboneaous）の触媒担体における酸化の結果である。本発明により設計される燃料電池アセンブリの一例において、望ましい運転圧力は、ほぼ周囲の圧力（すなわち、約１４．７〜２０ｐｓｉａの範囲）である。
【００２０】
いくつかの例においては、性能と時間との間の関係に基づき電気化学的活性部分の平均運転温度範囲を選択することにより、従来の運転温度選択手法を利用する燃料電池と比較して、燃料電池の寿命の初期時に、幾分低い電圧出力及び低い効率となるだろう。しかしながら、本発明の手法を用いると、平均電圧及び効率は、より高温の条件下で運転する電池を超過する。更に、本発明の手法を用いると、燃料電池は、寿命が延長された間、かかる改善された出力を供給可能である。一例において、燃料電池アセンブリの耐用年数は、従来の温度範囲を用いる同様の構成のアセンブリと比較して２倍となる。
【００２１】
図３は、時間に対する電池毎の電圧のプロット６０を含む。第１の曲線６２は、上述の例に対応する平均運転温度範囲を利用する燃料電池アセンブリに関する関係の一例を示している。曲線６４は、従来の高温運転範囲を用いる対応の構成の燃料電池アセンブリを示している。曲線６４は、燃料電池寿命の開始時に高い電圧出力を含むものの、劣化速度が高く、すぐに、本発明の運転温度範囲を用いる燃料電池がより高い効率にてより高い出力を生成し、そしてより長い耐用年数に亘って動作することが示されている。図示の例においては、初期性能及び効率を幾分犠牲にしているものの、穏やかな性能劣化速度及び出力の全平均上昇の方が重要であると考えられ、これによりライフサイクルコストが低くなり、燃料電池アセンブリによって生成される電力のコストが低くなる。ＰＡＦＣに関して記載されたものの、本発明は、他の燃料電池、例えば高温固体高分子形燃料電池に利用可能である。
【００２２】
上述の説明により、当業者であれば、特定の状況における要求を最も良好に満たす適当な温度数値を選択可能であろう。
【００２３】
上記の記載は、実際の限定というよりむしろ例示である。開示された例示に対する変形及び修正は、本発明の本質から必ず逸脱することなく当業者等に明らかとなるだろう。本発明に対して与えられる法的保護の範囲は、特許請求の範囲を熟考することによってのみ決定され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】燃料電池アセンブリを概略的に示している。
【図２】時間に亘る温度と燃料電池の性能との関係をグラフで示している。
【図３】燃料電池の動作と時間との関係例をグラフで示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年3月30日(2006.3.30)
【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】
燃料電池アセンブリの運転方法において、
時間に亘る前記アセンブリの電気化学的活性部分の温度と性能との関係を決定するステップと、
少なくとも所望の最小量の時間に対して少なくとも所望の最低の性能を達成するように前記決定された関係に基づき平均運転温度範囲を選択するステップと、
を含むことを特徴とする燃料電池アセンブリの運転方法。
【請求項２】
前記平均運転温度範囲が約３４０°Ｆ（１７１℃）〜約３６０°Ｆ（１８２℃）の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記平均運転温度範囲の下限温度を下回る最低運転温度と、前記平均運転温度範囲の上限温度を超過する最高運転温度と、を選択するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記平均運転温度範囲が約３４０°Ｆ（１７１℃）〜約３６０°Ｆ（１８２℃）の範囲であり、前記最低運転温度が約３００°Ｆ（１４９℃）であり、そして前記最高運転温度が約４００°Ｆ（２０４℃）未満であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記最大運転温度が約３９０°Ｆ（１９９℃）であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記燃料電池アセンブリを、ほぼ周囲の圧力条件下で運転するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記燃料電池がリン酸型燃料電池であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記燃料電池が高温固体高分子形燃料電池であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
燃料電池アセンブリの運転方法において、
前記燃料電池アセンブリの電気化学的活性部分を、前記アセンブリの全耐用年数に関して約３４０°Ｆ（１７１℃）〜約３６０°Ｆ（１８２℃）の平均運転温度範囲内で運転することを特徴とする燃料電池アセンブリの運転方法。
【請求項１０】
前記電気化学的活性部分の最低温度を、少なくとも約３００°Ｆ（１４９℃）の温度で保持することを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記電気化学的に活性な部分の最高温度を、少なくとも約４００°Ｆ（２０４℃）の温度で保持することを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
約３９０°Ｆ（１９９℃）の前記電気化学的活性部分の最高温度を使用することを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記燃料電池アセンブリを、ほぼ周囲の圧力条件下で運転することを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記燃料電池がリン酸型燃料電池であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記燃料電池が高温固体高分子形燃料電池であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
燃料電池アセンブリにおいて、
前記アセンブリの全耐用年数に関して約３４０°Ｆ（１７１℃）〜約３６０°Ｆ（１８２℃）の範囲内の平均温度で運転される電気化学的活性部分を含むことを特徴とする燃料電池アセンブリ。
【請求項１７】
前記アセンブリがほぼ周囲の圧力条件下で運転されることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１８】
電気化学的活性部分が約３００°Ｆ（１４９℃）を超過する最低温度を有することを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１９】
電気化学的活性部分が約４００°Ｆ（２０４℃）未満の最高温度を有することを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項２０】
前記最高温度が約３９０°Ｆ（１９９℃）であることを特徴とする請求項１９に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項２１】
約２７０°Ｆ（１３２℃）の対応する温度を有する冷却液入口と、約３３７°Ｆ（１６９℃）の対応する温度を有する冷却液出口と、を含むことを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項２２】
リン酸型燃料電池を含むことを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項２３】
高温固体高分子形燃料電池を含むことを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項２４】
前記平均運転温度範囲は、前記燃料電池アセンブリの通常運転で使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記決定された関係は、少なくとも前記燃料電池アセンブリの予想される耐用年数と同じ長さの期間を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項２６】
前記燃料電池アセンブリの全耐用年数に亘る通常の燃料電池アセンブリ運転で前記選択された平均運転温度範囲を使用するステップを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項２７】
通常の燃料電池アセンブリ運転で前記平均運転温度範囲を使用するステップを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項２８】
前記電気化学的活性部分が、通常の条件において前記平均温度で運転されることを特徴とする請求項１６記載の燃料電池アセンブリ。
【国際調査報告】
2008525983.tif 000006