(57)【要約】  燃料電池アセンブリ（２０）は、アセンブリの耐用年数を延長する複数の特徴を有している。一実施例において、流れ場層は、約０．１０ｍｇ／ｋｈｒ−ｃｍ2未満の酸吸着速度を有するように無孔性で且つ疎水性である。電解質保持マトリックスは、約０．０１０ｍｇ／ｋｈｒ−ｃｍ2未満の、リン酸との反応速度を有する。触媒層と結合する親水性基板は、約２５ｍｇ／ｃｍ2未満の移動性リン酸含有量を有する。凝縮領域により、約０．１７ｍｇ／ｋｈｒ−ｃｍ2未満の蒸発性リン酸損失速度となる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータ板と、
このセパレータ板に結合され、それぞれ約０．１０ｍｇ／ｋｈｒ−ｃｍ2未満の酸吸着速度を有する第１の流れ場層および第２の流れ場層と、
約０．０１０ｍｇ／ｋｈｒ−ｃｍ2未満の、リン酸との反応速度を有する電解質保持マトリックスと、
カソード触媒層と、
アノード触媒層と、
前記各々の触媒層に結合され、移動性リン酸初期含有量が約４５ｍｇ／ｃｍ2未満の親水性基板と、
約０．２７ｍｇ／ｋｈｒ−ｃｍ2未満の蒸発性リン酸損失速度となる凝縮領域と、
を備えることを特徴とする燃料電池アセンブリ。
【請求項２】
前記親水性基板は、約０．４６ｍｍの厚さを有するとともに、約７０％の多孔性であり、且つ初期条件において前記移動性リン酸で約４０％充填された空隙容量を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項３】
前記親水性基板の移動性リン酸含有量は、約３５ｍｇ／ｃｍ2未満であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項４】
前記親水性基板は、約０．３７ｍｍの厚さを有するとともに、約７０％の多孔性であり、且つ初期条件において前記移動性リン酸で約４０％充填された空隙容量を備えることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項５】
前記親水性基板の前記移動性リン酸含有量は、約２５ｍｇ／ｃｍ2未満であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項６】
前記親水性基板は、約０．２５ｍｍの厚さを有するとともに、約７０％の多孔性であり、且つ初期条件において前記移動性リン酸で約４０％充填された空隙容量を備えることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項７】
前記電解質保持マトリックスは、平均粒径が約３ミクロンの炭化ケイ素粉末を含み、且つ約０．０５ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項８】
前記凝縮領域は、前記アセンブリの端部近傍にあり、且つある長さを有するとともに、少なくとも前記カソード触媒層は、前記縮合領域の少なくとも前記長さだけ前記端部から間隔を隔てていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項９】
前記凝縮領域の近傍に、前記アセンブリの他の部分の近傍より高い冷却速度の冷却部を備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１０】
前記凝縮領域は、前記アセンブリから移動する蒸気を約１４０℃未満に冷却することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１１】
前記凝縮領域は、約０．１７ｍｇ／ｋｈｒ−ｃｍ2未満の蒸発性リン酸損失速度となることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１２】
前記各々の流れ場層は、疎水性で且つ無孔性であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１３】
前記各々の流れ場層は、片状黒鉛および疎水性樹脂を含むことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１４】
セパレータ板と、
このセパレータ板に結合される無孔性で且つ疎水性の第１の流れ場層と、
前記セパレータ板に結合される無孔性で且つ疎水性の第２の流れ場層と、
平均粒径が約３ミクロンの炭化ケイ素粉末を含み且つ約０．０５ｍｍの厚さを有する電解質保持マトリックスと、
カソード触媒層と、
アノード触媒層と、
前記各々の触媒層に結合され、約７０％の多孔性であり、且つ初期条件において移動性リン酸で約４０％充填された空隙容量を有する親水性基板と、
アセンブリから移動する蒸気を約１４０℃未満に冷却する凝縮領域と、
を備えることを特徴とする燃料電池アセンブリ。
【請求項１５】
前記親水性基板が、約０．４６ｍｍの厚さを有し、２枚の親水性基板における移動性リン酸初期含有量が、約４５ｍｇ／ｃｍ2未満であることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１６】
前記親水性基板が、約０．３７ｍｍの厚さを有し、２枚の親水性基板における移動性リン酸初期含有量が、約３５ｍｇ／ｃｍ2未満であることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１７】
前記親水性基板が、約０．２５ｍｍの厚さを有し、２枚の親水性基板における移動性リン酸初期含有量が、約２５ｍｇ／ｃｍ2未満であることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１８】
前記電解質保持マトリックスが、約０．０１０ｍｇ／ｋｈｒ−ｃｍ2未満の、リン酸との反応速度を有することを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１９】
前記凝縮領域が、約０．２７ｍｇ／ｋｈｒ−ｃｍ2未満の蒸発性リン酸損失速度となることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項２０】
前記凝縮領域が、約０．１７ｍｇ／ｋｈｒ−ｃｍ2未満の蒸発性リン酸損失速度とな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】
前記各々の流れ場層が、約０．１０ｍｇ／ｋｈｒ−ｃｍ2未満の酸吸着速度となることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項２２】
約０．１０ｍｇ／ｋｈｒ−ｃｍ2未満の酸吸着速度を保持するステップと、
約０．０１０ｍｇ／ｋｈｒ−ｃｍ2未満の、電解質マトリックスにおけるリン酸との反応速度を保持するステップと、
約４５ｍｇ／ｃｍ2未満の移動性リン酸初期含有量を有する親水性基板を形成するステップと、
約０．２７ｍｇ／ｋｈｒ−ｃｍ2未満の蒸発性リン酸損失速度を保持するステップと、
を含むことを特徴とするリン酸型燃料電池の運転方法。
【請求項２３】
約０．１７ｍｇ／ｋｈｒ−ｃｍ2未満の蒸発性リン酸損失速度を保持するステップを含むことを特徴とする請求項２２に記載のリン酸型燃料電池の運転方法。
【請求項２４】
前記アセンブリを出る蒸気を約１４０℃未満の温度に冷却するステップを含むことを特徴とする請求項２３に記載のリン酸型燃料電池の運転方法。
【請求項２５】
前記親水性基板を約３５ｍｇ／ｃｍ2未満のリン酸で形成するステップを含むことを特徴とする請求項２２に記載のリン酸型燃料電池の運転方法。
【請求項２６】
前記親水性基板を約２５ｍｇ／ｃｍ2未満のリン酸で形成するステップを含むことを特徴とする請求項２５に記載のリン酸型燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池アセンブリに関する。更に詳細には、本発明は、動作寿命を延長するための燃料電池アセンブリの特性に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、更に受け入れられ、そして益々利用されている。燃料電池および燃料電池アセンブリの設計者が直面している難題の１つが、電力装置の十分な作動期間を達成することである。所定のコストおよび体積の電力装置に対して利用可能な出力を増大させること、および電力装置の耐用年数を増大させること、を含む燃料電池の性能を改善するための努力がなされている。
【０００３】
特許文献１に示されている有効な装置は、酸吸着速度の質を高める無孔性で且つ疎水性カソード流れ場を含む。特許文献１の教示により作製される燃料電池アセンブリの一実施例において、アセンブリの耐用年数は、約５年である。より長持ちする燃料電池アセンブリを提供することは有効であろう。
【０００４】
電解質の損失を低減することによって燃料電池アセンブリの耐用年数を延長する傾向にある燃料電池の運転における他の改良が、特許文献２および特許文献３に示されている。これらの特許文献には、凝縮領域が示されており、凝縮領域は、電解質がアセンブリから出る前に、ガス流から電解質を凝縮するのに有用である。電解質の損失を低減することにより、より長期の燃料電池寿命を支持する能力を増大させる。
【０００５】
他の有用な特徴が、特許文献４に示されており、電解質貯蔵層として機能する親水性の電極基板を提供する。かかる装置により、電解質保持能力を高める。
【特許文献１】米国特許第５，５５８，９５５号
【特許文献２】米国特許第４，３４５，００８号
【特許文献３】米国特許第４，４１４，２９１号
【特許文献４】米国特許第４，０３５，５５１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池の運転における個々の改善および利点が示されたものの、燃料電池アセンブリの耐用年数を最大にしつつ、電解質貯蔵板等のコンポーネントの寸法およびコストを最小限にする統合的アプローチはなされてこなかった。
【０００７】
従って、本発明は、かかる課題に取り組み、燃料電池に生じる性能損失および酸損失の速度を最小限にする独自の手法を含む。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
例示的な燃料電池アセンブリは、セパレータ板と、このセパレータ板に結合される流れ場層（ｆｌｏｗ  ｆｉｅｌｄ  ｌａｙｅｒ）と、を含む。この流れ場層は、約０．１０ｍｇ／ｋｈｒ−ｃｍ2未満の酸吸着速度となる。電解質保持マトリックスは、約０．０１０ｍｇ／ｋｈｒ−ｃｍ2未満の、リン酸との反応速度を有する。触媒層は、約４５ｍｇ／ｃｍ2未満の移動性リン酸初期含有量を有する親水性基板と結合される。更に、例示のアセンブリは、約０．２７ｍｇ／ｋｈｒ−ｃｍ2未満の蒸発性リン酸損失速度（ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ  ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ  ａｃｉｄ  ｌｏｓｓ  ｒａｔｅ）となる凝縮領域を含む。
【０００９】
一実施例において、親水性基板の移動性リン酸含有量は、約２５ｍｇ／ｃｍ2未満である。一実施例において、親水性基板は、約７０％の多孔性であり、且つ初期条件において約４０％充填された空隙容量を有する。このような実施例において、親水性基板は、約０．２５ｍｍの厚さを有する。
【００１０】
一実施例において、凝縮領域は、約０．１７ｍｇ／ｋｈｒ−ｃｍ2未満の蒸発性リン酸損失速度となる。
【００１１】
他の実施例において、燃料電池アセンブリは、セパレータ板を含む。このセパレータ板に対して、無孔性で且つ疎水性の流れ場層が結合されている。電解質保持マトリックスは、平均粒径が約３ミクロンの炭化ケイ素粉末を含み、約０．０５ｍｍの厚さを有する。親水性基板は、触媒層に結合されている。親水性基板は、約７０％の多孔性であり、且つ初期条件において移動性リン酸で約４０％充填された空隙容量を有する。凝縮領域は、アセンブリから移動する蒸気を約１４０℃未満に冷却する。
【００１２】
例示の燃料電池アセンブリにおける特性を組み合わせることにより、アセンブリの耐用年数を十分に高める。開示された一実施例では、公知の装置と比較して、２倍の耐用年数を有している。
【００１３】
本発明の種々の特徴および利点は、一般に好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】
【００１４】
図１および図２は、燃料電池アセンブリ２の選択された部分を示している。一実施例は、アセンブリ２においてリン酸型燃料電池を含む。
【００１５】
セパレータ板層１６は、流れ場層１２および１２’に結合されている。一実施例において、各々の流れ場層は、無孔性で且つ疎水性である。一実施例において、無孔性で且つ疎水性の流れ場層は、米国特許第５，５５８，９５５号（特許文献１）の教示に従って作製されている。かかる文献の教示を参照することによって本願明細書に取り込む。この例示的な装置と、従前の特許に開示されている装置との有意な差は、両方の流れ場層が本願の例示において無孔性で且つ疎水性であることである。一実施例において、流れ場層は両方共に、天然の片状黒鉛およびデュポン（Ｄｕｐｏｎｔ）社製の疎水性樹脂を含む。
【００１６】
無孔性で且つ疎水性の流れ場層１２，１２’を使用する利点の１つは、これらによって所望の酸吸着速度を得て、これにより電池の寿命の延長を促進する。一実施例において、流れ場層により、約０．１０ｍｇ／ｋｈｒ−ｃｍ2未満の酸吸着速度となる。
【００１７】
電解質保持マトリックス６，６’は、図面から明らかなように、対応する触媒層８，８’間に在る。一実施例において、電解質保持マトリックス６，６’は、約０．０１０ｍｇ／ｋｈｒ−ｃｍ2未満の、リン酸との反応速度を有する。一実施例においては、電解質保持マトリックスは炭化ケイ素を含んでいることに部分的に起因して、電解質保持マトリックス６，６’は、有利には、リン酸を消耗する速度が遅い。一実施例において、電解質保持マトリックス６，６’は、平均粒径が３ミクロンの炭化ケイ素粉末を含み、このマトリックスは、０．０５ｍｍの厚さを有する。例えば、かかる装置により、リン酸と炭化ケイ素とがゆっくり反応しリン酸ケイ素を形成することに起因して、約０．０１０ｍｇ／ｋｈｒ−ｃｍ2未満の速度でリン酸を消耗するであろう。
【００１８】
触媒層８，８’は、電解質保持マトリックス６，６’の両側に在る。図示の例示においては、触媒層８がカソード触媒層であり、一方、触媒層８’がアノード触媒層である。
【００１９】
各々の触媒層は、電解質貯蔵器として働く結合した親水性基板を有する。図１の例において、親水性基板１０，１０’は、各々の触媒層８，８’にそれぞれ結合されている。
【００２０】
例示の実施の形態における親水性基板は、米国特許第４，０３５，５５１号（特許文献４）の教示に従って設計されるのが好ましく、かかる教示を参照することによって本願明細書に取り込む。
【００２１】
一実施例における親水性基板１０，１０’は、約４５ｍｇ／ｃｍ2未満の移動性リン酸初期含有量を有する。一実施例において、約７０％の多孔性であり、且つ初期条件において移動性リン酸で約４０％充填された空隙容量を有する、厚さ約０．４６ｍｍの親水性基板を用いることによって達成される。
【００２２】
他の実施例において、親水性基板は、約３５ｍｇ／ｃｍ2未満の移動性リン酸初期含有量を有する。一実施例において、約７０％の多孔性である、約４０％の空隙容量を充填した厚さ０．３７ｍｍの親水性基板によって達成される。
【００２３】
親水性基板は、約２５ｍｇ／ｃｍ2未満の移動性リン酸初期含有量を有するのが最も好ましい。一実施例において、約７０％の多孔性であり、且つ初期条件において移動性リン酸で約４０％充填された空隙容量を有する、厚さ約０．２５ｍｍの親水性基板を用いることによって達成される。
【００２４】
公知のように、一般的なリン酸型燃料電池において２種類の電解質が存在する。いわゆる非移動性酸（ｎｏｎ−ｔｒａｎｓｆｅｒａｂｌｅ  ａｃｉｄ）は、電解質保持マトリックス６，６’の細孔および湿潤シール２０，２２の細孔に保持される酸の体積である。電解質保持マトリックス６，６’又は端部シール２０，２２からの酸の損失によって、気体のクロスオーバが生じ、燃料と酸化剤が混合し、セルが故障することとなる。電解質の他の種類は、いわゆる移動性酸（ｔｒａｎｓｆｅｒａｂｌｅ  ａｃｉｄ）である。過剰の酸を、アッセンブリにおけるセルに加えるのが一般的であるが、酸は、セルの性能又は信頼性を妨げることなくセルの寿命に亘ってゆっくり消費することができる。かかる酸は、移動性酸と称される。移動性酸を損失する３種類の機構があり、セルを出る反応流への蒸発と、セルコンポーネントによる吸着と、セルコンポーネントとの反応と、である。セルコンポーネントの孔の寸法分布は、非移動性酸を含むコンポーネントの孔の寸法が移動性酸を含むコンポーネントの孔の寸法より小さくなるように公知の方法で設計される。かかる構成により、より小さな細孔に対して、毛管力の作用に起因して電解質がいつでも充填されることを保証する。
【００２５】
図１および図２に示されている例示では、反応流内に蒸発した電解質を凝縮して、親水性基板１０−１０’に戻す凝縮領域２４を含む。一実施例において、凝縮領域２４は、米国特許第４，３４５，００８号の教示に従って設計され、かかる文献の教示を参照することによって本願明細書に取り込む。図示の例示において、冷却部分２６は、冷却液が公知の手法で流れる複数の管２８を含む。両方の触媒層８および８’は凝縮領域２４に延在していないので、これらの部分は、セルアセンブリの非反応性部分と称される。
【００２６】
一実施例において、凝縮領域は、セルを出る反応物が約３００°Ｆ（１５０℃）未満、好ましくは２８０°Ｆ（１４０℃）未満の温度を有することを保証する。一実施例において、凝縮領域は、アセンブリから移動する蒸気を１４０℃未満の温度に冷却する。かかる温度を保持することにより、酸の損失を低減し、そして燃料電池の寿命を延長する。
【００２７】
開示された例示の一実施例において、燃料電池アセンブリ２０は、以前から知られている燃料電池アセンブリから得られる温度より約４５°Ｆ低い反応物出口温度を有する。一実施例において、かかる差異により、開示された例示の場合、公知の燃料電池アセンブリのおよそ五分の一の酸損失速度となる。
【００２８】
開示された例示の一実施例において、本発明における約２５ｍｇ／ｃｍ2未満の移動性酸初期含有量は、公知の燃料電池アセンブリにおける約６５ｍｇ／ｃｍ2未満と比較して、十分に低い。しかしながら、これと同時に、図示の例示は、９００００時間の推定寿命を有し、これは、公知の燃料電池に対して、およそ二倍となる。かかる延長された寿命に対する重要な一因は、開示された例示の場合、酸損失速度の低減である。一実施例において、図示の例示における酸損失速度は、以前から知られている燃料電池アセンブリにおける１．３６ｍｇ／ｋｈｒ−ｃｍ2の損失速度と比較して、０．２７ｍｇ／ｋｈｒ−ｃｍ2である。従って、例示的な実施例において、公知の燃料電池アセンブリの場合に一般的な５年の寿命に対して、燃料電池の耐用年数は約１０年となる。
【００２９】
図示の例示における各々の特徴は、寿命の延長におそらくプラスである程度であるが、これらの特徴を組み合わせることにより、燃料電池アセンブリの耐用年数を効果的に倍増させる能力を得る。かかる特徴の組み合わせによる相乗効果により、予期し得ないほど燃料電池の寿命が延びる。
【００３０】
上記の記載は、具体例であって、限定するものではない。開示された例示に対する変更および変形は、本発明の本質から逸脱するものではないことが当業者等に明らかとなるだろう。本発明に付与される法的保護の範囲は、特許請求の範囲における各請求項を研究することによってのみ決定され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】例示の燃料電池アセンブリにおいて選択された部分の概略断面図である。
【図２】図１に示されている特徴を示す例示の燃料電池アセンブリにおける選択された部分の概略断面図である。
【図１】
2008525979.tif 000002
【図２】
2008525979.tif 000003
【国際調査報告】
2008525979.tif 000004