JP2002198058A - 燃料電池システム及び方法 - Google Patents
燃料電池システム及び方法Info
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 比較的長い耐用年限を有する燃料電池システ
ム及び方法を提供すること。 【解決手段】 カソード流場プレート２１０と、アノー
ド流場プレート２２０と、触媒材料及びプロトン交換材
からなるプロトン交換薄膜２３０と、触媒材料はプロト
ン交換材に組み込まれることとからなる燃料電池。前記
プロトン交換材は過フッ素化されたスルホン酸材料を含
有し、触媒材料は白金を含む金属及び合金からなる。
ム及び方法を提供すること。 【解決手段】 カソード流場プレート２１０と、アノー
ド流場プレート２２０と、触媒材料及びプロトン交換材
からなるプロトン交換薄膜２３０と、触媒材料はプロト
ン交換材に組み込まれることとからなる燃料電池。前記
プロトン交換材は過フッ素化されたスルホン酸材料を含
有し、触媒材料は白金を含む金属及び合金からなる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、比較的長い耐用年
限を有する燃料電池システム及び方法に関する。
限を有する燃料電池システム及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、２つのガスの間の化学反応
を促進することにより、化学エネルギーを電気エネルギ
ーに変換することが可能である。
を促進することにより、化学エネルギーを電気エネルギ
ーに変換することが可能である。
【０００３】１つの種類の燃料電池は、カソード流場プ
レート、アノード流場プレート、カソード流場プレート
とアノード流場プレートとの間に設けられた薄膜電極ア
センブリ、及び、カソード流場プレートとアノード流場
プレートとの間に設けられた２つのガス拡散層を含む。
燃料電池は、アノード流場プレートの外部及びカソード
流場プレートの外部の少なくとも一方に隣接して設けら
れた１つ以上の冷却液流場プレートをさらに含むことも
ある。
レート、アノード流場プレート、カソード流場プレート
とアノード流場プレートとの間に設けられた薄膜電極ア
センブリ、及び、カソード流場プレートとアノード流場
プレートとの間に設けられた２つのガス拡散層を含む。
燃料電池は、アノード流場プレートの外部及びカソード
流場プレートの外部の少なくとも一方に隣接して設けら
れた１つ以上の冷却液流場プレートをさらに含むことも
ある。
【０００４】各流場プレートは、入口領域、出口領域及
びこの入口領域を出口領域に接続し、薄膜電極アセンブ
リにガスを供給するための流路を提供する開面チャネル
を有する。
びこの入口領域を出口領域に接続し、薄膜電極アセンブ
リにガスを供給するための流路を提供する開面チャネル
を有する。
【０００５】薄膜電極アセンブリは、通常、第１の触媒
及び第２の触媒の間に固体電解質（例えば、ＰＥＭと一
般に省略されるプロトン交換薄膜）を含む。一方のガス
拡散層は、第１の触媒とアノード流場プレートの間にあ
り、もう一方のガス拡散層は第２の触媒とカソード流場
プレートとの間にある。
及び第２の触媒の間に固体電解質（例えば、ＰＥＭと一
般に省略されるプロトン交換薄膜）を含む。一方のガス
拡散層は、第１の触媒とアノード流場プレートの間にあ
り、もう一方のガス拡散層は第２の触媒とカソード流場
プレートとの間にある。
【０００６】燃料電池の作動中に、ガスのうちの１つ
（アノードガス）は、アノード流場プレートの入口領域
からアノード流場プレートに流入し、アノード流場プレ
ートのチャネルを通り、アノード流場プレートの出口領
域へと流れる。もう一方のガス（カソードガス）は、カ
ソード流場プレートの入口領域からカソード流場プレー
トに流入し、カソード流場プレートのチャネルを通って
カソード流場プレート出口領域へと流れる。
（アノードガス）は、アノード流場プレートの入口領域
からアノード流場プレートに流入し、アノード流場プレ
ートのチャネルを通り、アノード流場プレートの出口領
域へと流れる。もう一方のガス（カソードガス）は、カ
ソード流場プレートの入口領域からカソード流場プレー
トに流入し、カソード流場プレートのチャネルを通って
カソード流場プレート出口領域へと流れる。
【０００７】アノードガスがアノード流場プレートのチ
ャネルを貫流することにより、アノードガス拡散層を通
過し、アノード触媒と反応する。同様に、カソードガス
がカソード流場プレートのチャネルを貫流するに連れ
て、カソードガス拡散層を通過し、カソード触媒と反応
する。
ャネルを貫流することにより、アノードガス拡散層を通
過し、アノード触媒と反応する。同様に、カソードガス
がカソード流場プレートのチャネルを貫流するに連れ
て、カソードガス拡散層を通過し、カソード触媒と反応
する。
【０００８】アノード触媒は、アノードガスの反応中間
体への変換に触媒作用を及ぼすようにアノードガスと反
応する。反応中間体にはイオン及び電子が含まれる。カ
ソード触媒は、カソードガス及び反応中間体に作用を及
ぼして、カソードガスの燃料電池反応の化学生成物への
変換に触媒作用を及ぼす。
体への変換に触媒作用を及ぼすようにアノードガスと反
応する。反応中間体にはイオン及び電子が含まれる。カ
ソード触媒は、カソードガス及び反応中間体に作用を及
ぼして、カソードガスの燃料電池反応の化学生成物への
変換に触媒作用を及ぼす。
【０００９】燃料電池反応の化学反応生成物は、ガス拡
散層を通過して、流場プレート（例えばカソード流場プ
レート）のチャネルへと流れる。その後、化学反応生成
物は、流場プレートのチャネルに沿って流場プレートの
出口領域へと流れる。
散層を通過して、流場プレート（例えばカソード流場プ
レート）のチャネルへと流れる。その後、化学反応生成
物は、流場プレートのチャネルに沿って流場プレートの
出口領域へと流れる。
【００１０】電解液は、薄膜電極アッセンブリの片側か
ら薄膜電極アセンブリの反対側への電子及びガスの流れ
にバリアを設ける。しかし、電解液は、薄膜電極アセン
ブリのアノード側からカソード側にイオン反応中間体が
流れることを可能にさせる。
ら薄膜電極アセンブリの反対側への電子及びガスの流れ
にバリアを設ける。しかし、電解液は、薄膜電極アセン
ブリのアノード側からカソード側にイオン反応中間体が
流れることを可能にさせる。
【００１１】このようにして、イオン反応中間体は燃料
電池から排出されることなく、薄膜電極アセンブリのア
ノード側から薄膜電極アセンブリのカソード側に流れる
ことが可能である。対照的に、電子は、アノード流場プ
レートとカソードの間に外部負荷を電気的に接続するこ
とによって、薄膜電極アセンブリのアノード側からカソ
ード側へと流れる。外部負荷は、電子が、薄膜電極アセ
ンブリのアノード側からアノード流場プレートを介し、
負荷を介して、カソード流場プレートに流れることを可
能にする。
電池から排出されることなく、薄膜電極アセンブリのア
ノード側から薄膜電極アセンブリのカソード側に流れる
ことが可能である。対照的に、電子は、アノード流場プ
レートとカソードの間に外部負荷を電気的に接続するこ
とによって、薄膜電極アセンブリのアノード側からカソ
ード側へと流れる。外部負荷は、電子が、薄膜電極アセ
ンブリのアノード側からアノード流場プレートを介し、
負荷を介して、カソード流場プレートに流れることを可
能にする。
【００１２】電子は、薄膜電極アセンブリのアノード側
に形成され、燃料電池反応中にアノードガスが酸化され
ることを示す。電子は薄膜電極アセンブリのカソード側
で消費され、燃料電池反応中にカソードガスが還元され
ることを示す。
に形成され、燃料電池反応中にアノードガスが酸化され
ることを示す。電子は薄膜電極アセンブリのカソード側
で消費され、燃料電池反応中にカソードガスが還元され
ることを示す。
【００１３】例えば、水素と酸素が燃料電池で使用され
るガスである場合、水素はアノード流場プレートを貫流
し、酸化される。酸素はカソード流場プレートを貫流し
て、還元される。燃料電池に生じるこの反応は化学式
（１）〜（３）に示される。
るガスである場合、水素はアノード流場プレートを貫流
し、酸化される。酸素はカソード流場プレートを貫流し
て、還元される。燃料電池に生じるこの反応は化学式
（１）〜（３）に示される。
【００１４】
【化１】 Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- ・・・ （１）
【００１５】
【化２】 １／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ ・・・ （２）
【００１６】
【化３】 Ｈ2＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ ・・・ （３） 化学式（１）に示されるように、水素はプロトン
（Ｈ+）及び電子を形成する。プロトンは薄膜電極アセ
ンブリのカソード側へと電解液を通過して流れ、電子は
薄膜電極アセンブリのアノード側から薄膜電極アセンブ
リのカソード側へと外部負荷を介して流れる。化学式２
に示されるように、電子及びプロトンは酸素と反応して
水を形成する。化学式３は、燃料電池反応の全体を示
す。
（Ｈ+）及び電子を形成する。プロトンは薄膜電極アセ
ンブリのカソード側へと電解液を通過して流れ、電子は
薄膜電極アセンブリのアノード側から薄膜電極アセンブ
リのカソード側へと外部負荷を介して流れる。化学式２
に示されるように、電子及びプロトンは酸素と反応して
水を形成する。化学式３は、燃料電池反応の全体を示
す。
【００１７】化学反応生成物を形成することに加えて、
燃料電池反応は熱を生成する。燃料電池から熱を放出し
て、燃料電池の過熱を防止するため、典型的には１つ以
上の冷却液流場プレートが使用される。
燃料電池反応は熱を生成する。燃料電池から熱を放出し
て、燃料電池の過熱を防止するため、典型的には１つ以
上の冷却液流場プレートが使用される。
【００１８】各冷却液流場プレートは、入口領域、出口
領域、及び冷却液流場プレート入口領域と冷却液流場プ
レート出口領域の間に液体を連通させるチャネルを有す
る。比較的低温の冷却液（例えば液体の脱イオン水、或
いは他の低伝導率の流体）は、入口領域において冷却液
流場プレートに入り、冷却液流場プレートのチャネルを
通って冷却液流場プレートの出口領域へと流れ、冷却液
流場プレートの出口領域で冷却液流場プレートから流出
する。冷却液が、冷却液流場プレートのチャネルを貫流
するに連れて、冷却液は燃料電池の中で生成された熱を
吸収する。冷却液が冷却液流場プレートから流出すると
き、冷却液に吸収された熱は、燃料電池から除去され
る。
領域、及び冷却液流場プレート入口領域と冷却液流場プ
レート出口領域の間に液体を連通させるチャネルを有す
る。比較的低温の冷却液（例えば液体の脱イオン水、或
いは他の低伝導率の流体）は、入口領域において冷却液
流場プレートに入り、冷却液流場プレートのチャネルを
通って冷却液流場プレートの出口領域へと流れ、冷却液
流場プレートの出口領域で冷却液流場プレートから流出
する。冷却液が、冷却液流場プレートのチャネルを貫流
するに連れて、冷却液は燃料電池の中で生成された熱を
吸収する。冷却液が冷却液流場プレートから流出すると
き、冷却液に吸収された熱は、燃料電池から除去され
る。
【００１９】利用可能な電気エネルギーを増加させるた
めに、複数の燃料電池を直列に配置して燃料電池スタッ
クを形成可能である。燃料電池スタックにおいては、あ
る流場プレートの片側は、１つの燃料電池用のアノード
流場プレートとしての機能し、この流場プレートの反対
側は、別の燃料電池中のカソード流場プレートとして機
能する。この配置は、バイポーラプレートと呼ばれる。
スタックは単極のプレート、例えば、アノード流場プレ
ートの役割を果たす片側と、冷却液流場プレートの役割
を果たすもう片側を有するアノード冷却液流場プレート
を有していてもよい。一例として、アノード冷却液流場
プレート及びカソード冷却液流場プレートの上面が開い
ている冷却液チャネル同士を、燃料電池を形成する隣接
した流場プレートを冷却するように、一体化した冷却液
チャネルを形成するべく対にさせてもよい。
めに、複数の燃料電池を直列に配置して燃料電池スタッ
クを形成可能である。燃料電池スタックにおいては、あ
る流場プレートの片側は、１つの燃料電池用のアノード
流場プレートとしての機能し、この流場プレートの反対
側は、別の燃料電池中のカソード流場プレートとして機
能する。この配置は、バイポーラプレートと呼ばれる。
スタックは単極のプレート、例えば、アノード流場プレ
ートの役割を果たす片側と、冷却液流場プレートの役割
を果たすもう片側を有するアノード冷却液流場プレート
を有していてもよい。一例として、アノード冷却液流場
プレート及びカソード冷却液流場プレートの上面が開い
ている冷却液チャネル同士を、燃料電池を形成する隣接
した流場プレートを冷却するように、一体化した冷却液
チャネルを形成するべく対にさせてもよい。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、比較的長い
耐用年限を有する燃料電池装置及び方法に関する。いく
つかの実施形態においては、比較的長い耐用年限は、水
で飽和されていないの１つ以上の反応ガスストリームを
使用する場合においても達成可能である。
耐用年限を有する燃料電池装置及び方法に関する。いく
つかの実施形態においては、比較的長い耐用年限は、水
で飽和されていないの１つ以上の反応ガスストリームを
使用する場合においても達成可能である。
【００２１】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、請求項１に記載の発明は、カソード流場プレート
と、アノード流場プレートと、触媒材料及びプロトン交
換材からなるプロトン交換薄膜とからなり、前記触媒材
料は、前記プロトン交換材に組み込まれることを要旨と
する。
めに、請求項１に記載の発明は、カソード流場プレート
と、アノード流場プレートと、触媒材料及びプロトン交
換材からなるプロトン交換薄膜とからなり、前記触媒材
料は、前記プロトン交換材に組み込まれることを要旨と
する。
【００２２】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の燃料電池において、前記触媒材料が、水を形成するた
めの水素と酸素の反応に触媒作用を及ぼすことが可能な
材料からなることを要旨とする。
の燃料電池において、前記触媒材料が、水を形成するた
めの水素と酸素の反応に触媒作用を及ぼすことが可能な
材料からなることを要旨とする。
【００２３】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
の燃料電池において、前記触媒材料は、金属及び合金か
らなるグループから選択された材料からなることを要旨
とする。
の燃料電池において、前記触媒材料は、金属及び合金か
らなるグループから選択された材料からなることを要旨
とする。
【００２４】請求項４に記載の発明は、請求項３に記載
の燃料電池において、前記触媒材料は白金を含むことを
要旨とする。請求項５に記載の発明は、請求項１に記載
の燃料電池において、前記触媒材料は個々の粒子の形態
であることを要旨とする。
の燃料電池において、前記触媒材料は白金を含むことを
要旨とする。請求項５に記載の発明は、請求項１に記載
の燃料電池において、前記触媒材料は個々の粒子の形態
であることを要旨とする。
【００２５】請求項６に記載の発明は、請求項１に記載
の燃料電池において、前記触媒材料は、前記プロトン交
換薄膜の電気伝導率が、プロトン交換材の電気伝導率と
ほぼ同じとなるような量であることを要旨とする。
の燃料電池において、前記触媒材料は、前記プロトン交
換薄膜の電気伝導率が、プロトン交換材の電気伝導率と
ほぼ同じとなるような量であることを要旨とする。
【００２６】請求項７に記載の発明は、請求項１に記載
の燃料電池において、前記燃料プロトン交換薄膜は所定
の厚さを有し、該プロトン交換薄膜は、その厚さの１マ
イクロメータ当たり約０．０００１〜０．０１０ミリグ
ラムの前記触媒材料を１平方センチメートル当たりに含
有することを要旨とする。
の燃料電池において、前記燃料プロトン交換薄膜は所定
の厚さを有し、該プロトン交換薄膜は、その厚さの１マ
イクロメータ当たり約０．０００１〜０．０１０ミリグ
ラムの前記触媒材料を１平方センチメートル当たりに含
有することを要旨とする。
【００２７】請求項８に記載の発明は、請求項１の燃料
電池において、前記プロトン交換材は過フッ素化された
スルホン酸材料を含有することを要旨とする。請求項９
に記載の発明は、カソード流場プレートと、アノード流
場プレートと、触媒材料及びプロトン交換材からなるプ
ロトン交換薄膜とからなり、前記触媒材料は、前記プロ
トン交換材に組み込まれる第１の燃料電池と、カソード
流場プレートと、アノード流場プレートと、プロトン交
換薄膜とからなる第２の燃料電池とからなり、前記第１
及び第２の燃料電池のカソード流場プレートは、液体に
より連通し、前記第１及び第２の燃料電池のアノード流
場プレートは、液体により連通していることを要旨とす
る。
電池において、前記プロトン交換材は過フッ素化された
スルホン酸材料を含有することを要旨とする。請求項９
に記載の発明は、カソード流場プレートと、アノード流
場プレートと、触媒材料及びプロトン交換材からなるプ
ロトン交換薄膜とからなり、前記触媒材料は、前記プロ
トン交換材に組み込まれる第１の燃料電池と、カソード
流場プレートと、アノード流場プレートと、プロトン交
換薄膜とからなる第２の燃料電池とからなり、前記第１
及び第２の燃料電池のカソード流場プレートは、液体に
より連通し、前記第１及び第２の燃料電池のアノード流
場プレートは、液体により連通していることを要旨とす
る。
【００２８】請求項１０に記載の発明は、請求項９に記
載の燃料電池システムにおいて、前記触媒材料が、水を
形成するための水素と酸素の反応に触媒作用を及ぼすこ
とが可能な材料からなることを要旨とする。
載の燃料電池システムにおいて、前記触媒材料が、水を
形成するための水素と酸素の反応に触媒作用を及ぼすこ
とが可能な材料からなることを要旨とする。
【００２９】請求項１１に記載の発明は、請求項１０に
記載の燃料電池システムにおいて、前記触媒材料は、金
属及び合金からなるグループから選択された材料からな
ることを要旨とする。
記載の燃料電池システムにおいて、前記触媒材料は、金
属及び合金からなるグループから選択された材料からな
ることを要旨とする。
【００３０】請求項１２に記載の発明は、請求項１１に
記載の燃料電池システムにおいて、前記触媒材料は白金
を含むことを要旨とする。請求項１３に記載の発明は、
請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、前記触媒
材料は個々の粒子の形態であることを要旨とする。
記載の燃料電池システムにおいて、前記触媒材料は白金
を含むことを要旨とする。請求項１３に記載の発明は、
請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、前記触媒
材料は個々の粒子の形態であることを要旨とする。
【００３１】請求項１４に記載の発明は、請求項９に記
載の燃料電池システムにおいて、前記触媒材料は、前記
プロトン交換薄膜の電気伝導率が、プロトン交換材の電
気伝導率とほぼ同じとなるような量であることを要旨と
する。
載の燃料電池システムにおいて、前記触媒材料は、前記
プロトン交換薄膜の電気伝導率が、プロトン交換材の電
気伝導率とほぼ同じとなるような量であることを要旨と
する。
【００３２】請求項１５に記載の発明は、請求項９に記
載の燃料電池システムにおいて、前記燃料プロトン交換
薄膜は所定の厚さを有し、該プロトン交換薄膜は、その
厚さの１マイクロメータ当たり約０．０００１〜０．０
１０ミリグラムの前記触媒材料を１平方センチメートル
当たりに含有することを要旨とする。
載の燃料電池システムにおいて、前記燃料プロトン交換
薄膜は所定の厚さを有し、該プロトン交換薄膜は、その
厚さの１マイクロメータ当たり約０．０００１〜０．０
１０ミリグラムの前記触媒材料を１平方センチメートル
当たりに含有することを要旨とする。
【００３３】請求項１６に記載の発明は、請求項９に記
載の燃料電池システムにおいて、前記プロトン交換材は
過フッ素化されたスルホン酸材料を含有することを要旨
とする。
載の燃料電池システムにおいて、前記プロトン交換材は
過フッ素化されたスルホン酸材料を含有することを要旨
とする。
【００３４】請求項１７に記載の発明は、所定の平面領
域を有するカソード触媒と、所定の平面領域を有するア
ノード触媒と、前記カソード触媒及びアノード触媒の間
のプロトン交換薄膜とからなり、前記カソード触媒の平
面領域は、前記アノード触媒の平面領域の約９０〜９
９．９％であることを要旨とする。
域を有するカソード触媒と、所定の平面領域を有するア
ノード触媒と、前記カソード触媒及びアノード触媒の間
のプロトン交換薄膜とからなり、前記カソード触媒の平
面領域は、前記アノード触媒の平面領域の約９０〜９
９．９％であることを要旨とする。
【００３５】請求項１８に記載の発明は、前記カソード
触媒の平面領域は、前記アノード触媒の平面領域の約９
５〜９９．５％であることを要旨とする。請求項１９に
記載の発明は、請求項１７に記載の薄膜電極アセンブリ
において、前記カソード触媒の平面領域は、前記アノー
ド触媒の平面領域の約９７〜９９％であることを要旨と
する。
触媒の平面領域は、前記アノード触媒の平面領域の約９
５〜９９．５％であることを要旨とする。請求項１９に
記載の発明は、請求項１７に記載の薄膜電極アセンブリ
において、前記カソード触媒の平面領域は、前記アノー
ド触媒の平面領域の約９７〜９９％であることを要旨と
する。
【００３６】請求項２０に記載の発明は、請求項１７に
記載の薄膜電極アセンブリにおいて、前記カソード触媒
の平面領域は、前記アノード触媒の平面領域の約９８％
であることを要旨とする。
記載の薄膜電極アセンブリにおいて、前記カソード触媒
の平面領域は、前記アノード触媒の平面領域の約９８％
であることを要旨とする。
【００３７】請求項２１に記載の発明は、請求項１７に
記載の薄膜電極アセンブリにおいて、前記プロトン交換
薄膜は、触媒材料及びプロトン交換材からなり、前記触
媒材料はプロトン交換材に組み込まれていることを要旨
とする。
記載の薄膜電極アセンブリにおいて、前記プロトン交換
薄膜は、触媒材料及びプロトン交換材からなり、前記触
媒材料はプロトン交換材に組み込まれていることを要旨
とする。
【００３８】請求項２２に記載の発明は、請求項２１に
記載の燃料電池において、前記触媒材料が、水を形成す
るための水素と酸素の反応に触媒作用を及ぼすことが可
能な材料からなることを要旨とする。
記載の燃料電池において、前記触媒材料が、水を形成す
るための水素と酸素の反応に触媒作用を及ぼすことが可
能な材料からなることを要旨とする。
【００３９】請求項２３に記載の発明は、入口領域を有
するカソード流場プレートと、入口領域を有するアノー
ド流場プレートと、前記カソード及びアノード流場プレ
ートの間のプロトン交換薄膜と、前記プロトン交換薄膜
及び前記カソード流場プレートの間のカソード触媒と、
前記プロトン交換薄膜及び前記アノード流場プレートの
間のアノード触媒とからなり、前記カソード流場プレー
トの入口領域に隣接する領域及び前記アノード流場プレ
ートの入口領域に隣接する領域からなるグループから選
択された領域は、前記カソード触媒をほとんど含有しな
いことを要旨とする。
するカソード流場プレートと、入口領域を有するアノー
ド流場プレートと、前記カソード及びアノード流場プレ
ートの間のプロトン交換薄膜と、前記プロトン交換薄膜
及び前記カソード流場プレートの間のカソード触媒と、
前記プロトン交換薄膜及び前記アノード流場プレートの
間のアノード触媒とからなり、前記カソード流場プレー
トの入口領域に隣接する領域及び前記アノード流場プレ
ートの入口領域に隣接する領域からなるグループから選
択された領域は、前記カソード触媒をほとんど含有しな
いことを要旨とする。
【００４０】請求項２４に記載の発明は、請求項２３に
記載の燃料電池において、前記カソード流場プレートの
入口領域に隣接する領域は前記カソード触媒をほとんど
含有せず、かつ前記アノード流場プレートの入口領域に
隣接する領域は前記カソード触媒をほとんど含有しない
ことを要旨とする。
記載の燃料電池において、前記カソード流場プレートの
入口領域に隣接する領域は前記カソード触媒をほとんど
含有せず、かつ前記アノード流場プレートの入口領域に
隣接する領域は前記カソード触媒をほとんど含有しない
ことを要旨とする。
【００４１】請求項２５に記載の発明は、請求項２３に
記載の燃料電池において、前記プロトン交換薄膜は、触
媒材料及びプロトン交換材からなり、前記触媒材料はプ
ロトン交換材に組み込まれていることを要旨とする。
記載の燃料電池において、前記プロトン交換薄膜は、触
媒材料及びプロトン交換材からなり、前記触媒材料はプ
ロトン交換材に組み込まれていることを要旨とする。
【００４２】請求項２６に記載の発明は、請求項２３に
記載の燃料電池において、前記触媒材料が、水を形成す
るための水素と酸素の反応に触媒作用を及ぼすことが可
能な材料からなることを要旨とする。
記載の燃料電池において、前記触媒材料が、水を形成す
るための水素と酸素の反応に触媒作用を及ぼすことが可
能な材料からなることを要旨とする。
【００４３】請求項２７に記載の発明は、カソード流場
プレート及びアノード流場プレートを有する燃料電池の
作動方法であって、前記カソード流場プレートに第１の
ガス混合物を貫流させるステップと、前記第１のガス混
合物はカソードガスを含有することと、前記アノード流
場プレートに第２のガス混合物を貫流させて、０を超え
る燃料電池の電力出力を生成するステップと、前記第２
のガス混合物はアノードガスを含有することと、前記第
１のガス混合物及び前記第２のガス混合物からなるグル
ープから選択された少なくとも１つのガス混合物は、水
で飽和されていないことと、前記第１及び第２のガス混
合物を所定の期間流入させた後には、燃料電池の電力出
力は、前記第１及び第２のガス混合物を水で飽和させて
状態で前記方法を行ったときの燃料電池により生成され
た電力出力と、少なくともほぼ同じとなることとからな
ることを要旨とする。
プレート及びアノード流場プレートを有する燃料電池の
作動方法であって、前記カソード流場プレートに第１の
ガス混合物を貫流させるステップと、前記第１のガス混
合物はカソードガスを含有することと、前記アノード流
場プレートに第２のガス混合物を貫流させて、０を超え
る燃料電池の電力出力を生成するステップと、前記第２
のガス混合物はアノードガスを含有することと、前記第
１のガス混合物及び前記第２のガス混合物からなるグル
ープから選択された少なくとも１つのガス混合物は、水
で飽和されていないことと、前記第１及び第２のガス混
合物を所定の期間流入させた後には、燃料電池の電力出
力は、前記第１及び第２のガス混合物を水で飽和させて
状態で前記方法を行ったときの燃料電池により生成され
た電力出力と、少なくともほぼ同じとなることとからな
ることを要旨とする。
【００４４】請求項２８に記載の発明は、請求項２７に
記載の方法において、前記カソードガス混合物及び前記
アノードガス混合物の両方が水により飽和されていない
請求項２７に記載の方法。ことを要旨とする。
記載の方法において、前記カソードガス混合物及び前記
アノードガス混合物の両方が水により飽和されていない
請求項２７に記載の方法。ことを要旨とする。
【００４５】請求項２９に記載の発明は、請求項２７に
記載の方法において、前記期間が約２０，０００時間で
あることを要旨とする。請求項３０に記載の発明は、請
求項２７に記載の方法において、前記期間が約５０，０
００時間であることを要旨とする。
記載の方法において、前記期間が約２０，０００時間で
あることを要旨とする。請求項３０に記載の発明は、請
求項２７に記載の方法において、前記期間が約５０，０
００時間であることを要旨とする。
【００４６】請求項３１に記載の発明は、請求項２７に
記載の方法において、前記期間が約１００，０００時間
であることを要旨とする。請求項３２に記載の発明は、
請求項２７に記載の方法において、前記燃料電池は、前
記カソード流場プレート及び前記アノード流場プレート
の間のプロトン交換薄膜を有し、前記プロトン交換薄膜
は、プロトン交換材と、触媒材料と、前記触媒材料は、
前記プロトン交換材に組み込まれることとを有すること
を要旨とする。
記載の方法において、前記期間が約１００，０００時間
であることを要旨とする。請求項３２に記載の発明は、
請求項２７に記載の方法において、前記燃料電池は、前
記カソード流場プレート及び前記アノード流場プレート
の間のプロトン交換薄膜を有し、前記プロトン交換薄膜
は、プロトン交換材と、触媒材料と、前記触媒材料は、
前記プロトン交換材に組み込まれることとを有すること
を要旨とする。
【００４７】請求項３３に記載の発明は、請求項２７に
記載の方法において、前記燃料電池は前記カソード流場
プレート及び前記アノード流場プレートの間の薄膜電極
アセンブリを有し、前記薄膜電極アセンブリは、所定の
平面領域を有するカソード触媒と、所定の平面領域を有
するアノード触媒と、前記カソード触媒及びアノード触
媒の間のプロトン交換薄膜とからなり、前記カソード触
媒の平面領域は、前記アノード触媒の平面領域の約９０
〜９９．９％であることを要旨とする。
記載の方法において、前記燃料電池は前記カソード流場
プレート及び前記アノード流場プレートの間の薄膜電極
アセンブリを有し、前記薄膜電極アセンブリは、所定の
平面領域を有するカソード触媒と、所定の平面領域を有
するアノード触媒と、前記カソード触媒及びアノード触
媒の間のプロトン交換薄膜とからなり、前記カソード触
媒の平面領域は、前記アノード触媒の平面領域の約９０
〜９９．９％であることを要旨とする。
【００４８】請求項３４に記載の発明は、カソード流場
プレート及びアノード流場プレートを有する燃料電池の
作動方法であって、前記カソード流場プレートに第１の
ガス混合物を貫流させるステップと、前記第１のガス混
合物はカソードガスを含有することと、前記アノード流
場プレートに第２のガス混合物を貫流させて、所定のフ
ッ素濃度を有する水生成物を生成するステップと、前記
第２のガス混合物はアノードガスを含有することと、前
記第１のガス混合物及び前記第２のガス混合物からなる
グループから選択された少なくとも１つのガス混合物
は、水で飽和されていないことと、前記第１及び第２の
ガス混合物を所定の期間流入させた後には、前記燃料電
池の水生成物のフッ素濃度は、前記第１及び第２のガス
混合物を水で飽和させて状態で前記方法を行ったときの
燃料電池により生成された水生成物フッ素濃度と、最大
でほぼ同じとなることとからなることを要旨とする。
プレート及びアノード流場プレートを有する燃料電池の
作動方法であって、前記カソード流場プレートに第１の
ガス混合物を貫流させるステップと、前記第１のガス混
合物はカソードガスを含有することと、前記アノード流
場プレートに第２のガス混合物を貫流させて、所定のフ
ッ素濃度を有する水生成物を生成するステップと、前記
第２のガス混合物はアノードガスを含有することと、前
記第１のガス混合物及び前記第２のガス混合物からなる
グループから選択された少なくとも１つのガス混合物
は、水で飽和されていないことと、前記第１及び第２の
ガス混合物を所定の期間流入させた後には、前記燃料電
池の水生成物のフッ素濃度は、前記第１及び第２のガス
混合物を水で飽和させて状態で前記方法を行ったときの
燃料電池により生成された水生成物フッ素濃度と、最大
でほぼ同じとなることとからなることを要旨とする。
【００４９】請求項３５に記載の発明は、請求項３４に
記載の方法において、前記カソードガス混合物及び前記
アノードガス混合物の両方が水により飽和されていない
ことを要旨とする。
記載の方法において、前記カソードガス混合物及び前記
アノードガス混合物の両方が水により飽和されていない
ことを要旨とする。
【００５０】請求項３６に記載の発明は、請求項３４に
記載の方法において、前記期間が約２０，０００時間で
あることを要旨とする。請求項３７に記載の発明は、請
求項３４に記載の方法において、前記期間が約５０，０
００時間であることを要旨とする。
記載の方法において、前記期間が約２０，０００時間で
あることを要旨とする。請求項３７に記載の発明は、請
求項３４に記載の方法において、前記期間が約５０，０
００時間であることを要旨とする。
【００５１】請求項３８に記載の発明は、請求項３４に
記載の方法において、前記期間が約１００，０００時間
であることを要旨とする。請求項３９に記載の発明は、
請求項３４に記載の方法において、前記燃料電池は、前
記カソード流場プレート及び前記アノード流場プレート
の間のプロトン交換薄膜を有し、前記プロトン交換薄膜
は、プロトン交換材及び触媒材料からなり、前記触媒材
料は、前記プロトン交換材に組み込まれることを要旨と
する。
記載の方法において、前記期間が約１００，０００時間
であることを要旨とする。請求項３９に記載の発明は、
請求項３４に記載の方法において、前記燃料電池は、前
記カソード流場プレート及び前記アノード流場プレート
の間のプロトン交換薄膜を有し、前記プロトン交換薄膜
は、プロトン交換材及び触媒材料からなり、前記触媒材
料は、前記プロトン交換材に組み込まれることを要旨と
する。
【００５２】請求項４０に記載の発明は、請求項３４に
記載の方法において、前記燃料電池は前記カソード流場
プレート及び前記アノード流場プレートの間の薄膜電極
アセンブリを有し、前記薄膜電極アセンブリは、所定の
平面領域を有するカソード触媒と、所定の平面領域を有
するアノード触媒と、前記カソード触媒及びアノード触
媒の間のプロトン交換薄膜と、前記カソード触媒の平面
領域は、前記アノード触媒の平面領域の約９０〜９９．
９％であることとを有することを要旨とする。
記載の方法において、前記燃料電池は前記カソード流場
プレート及び前記アノード流場プレートの間の薄膜電極
アセンブリを有し、前記薄膜電極アセンブリは、所定の
平面領域を有するカソード触媒と、所定の平面領域を有
するアノード触媒と、前記カソード触媒及びアノード触
媒の間のプロトン交換薄膜と、前記カソード触媒の平面
領域は、前記アノード触媒の平面領域の約９０〜９９．
９％であることとを有することを要旨とする。
【００５３】１つの態様においては、本発明は、カソー
ド流場プレート、アノード流場プレート及びプロトン交
換薄膜を有する燃料電池一般を特徴とする。プロトン交
換薄膜は触媒材料及びプロトン交換材を含んでいる。触
媒材料はプロトン交換材に組み込まれている。ある実施
形態においては、燃料電池は、燃料電池スタックのよう
な１つ以上の追加の燃料電池を有する装置である。
ド流場プレート、アノード流場プレート及びプロトン交
換薄膜を有する燃料電池一般を特徴とする。プロトン交
換薄膜は触媒材料及びプロトン交換材を含んでいる。触
媒材料はプロトン交換材に組み込まれている。ある実施
形態においては、燃料電池は、燃料電池スタックのよう
な１つ以上の追加の燃料電池を有する装置である。
【００５４】触媒材料は、水を形成するための水素と酸
素の反応に触媒作用を及ぼすことが可能な材料から形成
可能である。触媒材料は、金属又は合金、例えば白金、
或いは白金を含有する合金から形成可能である。触媒材
料は、個々の粒子の形態であることが可能である。触媒
材料は、プロトン交換薄膜の電気伝導率が、プロトン交
換材の電気伝導率とほぼ同じであるような量で存在する
ことが可能である。プロトン交換薄膜は、その厚さの１
マイクロメータ当たり約０．０００１〜０．０１０ミリ
グラムの触媒材料を１平方センチメートル当たりに含有
することが可能である。プロトン交換材は、ナフィオン
（ＮＡＦＩＯＮ、登録商標）のような過フッ素化された
スルホン酸材料より形成可能である。
素の反応に触媒作用を及ぼすことが可能な材料から形成
可能である。触媒材料は、金属又は合金、例えば白金、
或いは白金を含有する合金から形成可能である。触媒材
料は、個々の粒子の形態であることが可能である。触媒
材料は、プロトン交換薄膜の電気伝導率が、プロトン交
換材の電気伝導率とほぼ同じであるような量で存在する
ことが可能である。プロトン交換薄膜は、その厚さの１
マイクロメータ当たり約０．０００１〜０．０１０ミリ
グラムの触媒材料を１平方センチメートル当たりに含有
することが可能である。プロトン交換材は、ナフィオン
（ＮＡＦＩＯＮ、登録商標）のような過フッ素化された
スルホン酸材料より形成可能である。
【００５５】他の態様においては、本発明は、カソード
触媒、アノード触媒、及びカソード触媒とアノード触媒
との間のプロトン交換薄膜からなる薄膜電極アセンブリ
一般を特徴とする。カソード触媒の平面の面積は、アノ
ード触媒の平面の面積の約９０〜９９．９％（例えば、
約９５〜９９．５％、約９７〜９９％、約９８％）であ
る。
触媒、アノード触媒、及びカソード触媒とアノード触媒
との間のプロトン交換薄膜からなる薄膜電極アセンブリ
一般を特徴とする。カソード触媒の平面の面積は、アノ
ード触媒の平面の面積の約９０〜９９．９％（例えば、
約９５〜９９．５％、約９７〜９９％、約９８％）であ
る。
【００５６】プロトン交換薄膜は、触媒材料を組み入れ
たプロトン交換材から形成可能である。さらなる態様に
おいては、本発明は、カソード流場プレートと、アノー
ド流場プレートと、カソード及びアノード流場プレート
の間のプロトン交換薄膜と、プロトン交換薄膜及びカソ
ード流場プレートの間のカソード触媒と、プロトン交換
薄膜及びアノード流場プレートの間のアノード触媒とか
らなる燃料電池一般を特徴とする。カソード流場プレー
トの入口領域に隣接する領域、及びアノード流場プレー
トの入口領域に隣接する領域の少なくとも一方は、カソ
ード触媒をほとんど含有しない。
たプロトン交換材から形成可能である。さらなる態様に
おいては、本発明は、カソード流場プレートと、アノー
ド流場プレートと、カソード及びアノード流場プレート
の間のプロトン交換薄膜と、プロトン交換薄膜及びカソ
ード流場プレートの間のカソード触媒と、プロトン交換
薄膜及びアノード流場プレートの間のアノード触媒とか
らなる燃料電池一般を特徴とする。カソード流場プレー
トの入口領域に隣接する領域、及びアノード流場プレー
トの入口領域に隣接する領域の少なくとも一方は、カソ
ード触媒をほとんど含有しない。
【００５７】プロトン交換薄膜は、触媒材料を組み入れ
たプロトン交換材から形成可能である。他の態様におい
ては、本発明は、触媒材料を浸透させた多孔性補強材を
有するプロトン交換薄膜一般を特徴とする。
たプロトン交換材から形成可能である。他の態様におい
ては、本発明は、触媒材料を浸透させた多孔性補強材を
有するプロトン交換薄膜一般を特徴とする。
【００５８】プロトン交換薄膜は、他のプロトン交換薄
膜の多孔性補強材内に設けられたさらなる触媒材料を含
むことも可能である。さらなる態様においては、本発明
は、燃料電池の作動方法一般を特徴とする。燃料電池は
カソード流場プレート及びアノード流場プレートを有す
る。この方法は、カソード流場プレートにカソードガス
を含有するガス混合物を貫流させるステップと、アノー
ド流場プレートにアノードガスを含有するガス混合物を
貫流させて、０を超える燃料電池の電力出力を生成する
ステップとからなる。カソード流場プレートを通って流
れるガス混合物は水で飽和されず、及び／又はアノード
流場プレートを通って流れるガス混合物は水で飽和され
ていない。これらのガス混合物を所定の期間（例えば、
少なくとも約２０，０００時間、少なくとも約５０，０
００時間、少なくとも約１００，０００時間）流入させ
た後には、燃料電池の電力出力は、第１及び第２のガス
混合物を水で飽和させて状態でこの方法を行ったときの
燃料電池により生成された電力出力と、少なくともほぼ
同じとなる。
膜の多孔性補強材内に設けられたさらなる触媒材料を含
むことも可能である。さらなる態様においては、本発明
は、燃料電池の作動方法一般を特徴とする。燃料電池は
カソード流場プレート及びアノード流場プレートを有す
る。この方法は、カソード流場プレートにカソードガス
を含有するガス混合物を貫流させるステップと、アノー
ド流場プレートにアノードガスを含有するガス混合物を
貫流させて、０を超える燃料電池の電力出力を生成する
ステップとからなる。カソード流場プレートを通って流
れるガス混合物は水で飽和されず、及び／又はアノード
流場プレートを通って流れるガス混合物は水で飽和され
ていない。これらのガス混合物を所定の期間（例えば、
少なくとも約２０，０００時間、少なくとも約５０，０
００時間、少なくとも約１００，０００時間）流入させ
た後には、燃料電池の電力出力は、第１及び第２のガス
混合物を水で飽和させて状態でこの方法を行ったときの
燃料電池により生成された電力出力と、少なくともほぼ
同じとなる。
【００５９】他の態様においては、本発明は、燃料電池
の作動方法一般を特徴とする。燃料電池はカソード流場
プレート及びアノード流場プレートを有する。この方法
は、カソード流場プレートを通じてカソードガスを含有
するガス混合物を流入させるステップと、アノード流場
プレートを通じてアノードガスを含有するガス混合物を
流入させて、０を超える燃料電池の電力出力を生成する
ステップとからなる。カソード流場プレートを通って流
れるガス混合物は水で飽和されず、及び／又はアノード
流場プレートを通って流れるガス混合物は水で飽和され
ていない。これらのガス混合物を所定の期間（例えば、
少なくとも約２０，０００時間、少なくとも約５０，０
００時間、少なくとも約１００，０００時間）流入させ
た後には、燃料電池の水生成物のフッ素濃度は、第１及
び第２のガス混合物を水で飽和させて状態でこの方法を
行ったときの燃料電池により生成された水生成物フッ素
濃度よりも低いか、又は同程度となる。
の作動方法一般を特徴とする。燃料電池はカソード流場
プレート及びアノード流場プレートを有する。この方法
は、カソード流場プレートを通じてカソードガスを含有
するガス混合物を流入させるステップと、アノード流場
プレートを通じてアノードガスを含有するガス混合物を
流入させて、０を超える燃料電池の電力出力を生成する
ステップとからなる。カソード流場プレートを通って流
れるガス混合物は水で飽和されず、及び／又はアノード
流場プレートを通って流れるガス混合物は水で飽和され
ていない。これらのガス混合物を所定の期間（例えば、
少なくとも約２０，０００時間、少なくとも約５０，０
００時間、少なくとも約１００，０００時間）流入させ
た後には、燃料電池の水生成物のフッ素濃度は、第１及
び第２のガス混合物を水で飽和させて状態でこの方法を
行ったときの燃料電池により生成された水生成物フッ素
濃度よりも低いか、又は同程度となる。
【００６０】
【発明の実施の形態】本発明は、比較的長い耐用年限を
有する燃料電池装置及び方法に関する。図１は、カソー
ド流場プレート２１０、アノード流場プレート２２０、
及び薄膜電極アセンブリ２２５を有するＰＥＭ燃料電池
１５０の断面図である。薄膜電極アセンブリ２２５は、
ＰＥＭ２３０、アノード触媒２４０、カソード触媒２５
０、アノードガス拡散層２６０、及びカソードガス拡散
層２７０を有する。カソード流場プレート２１０は複数
のチャネル２１６を有し、アノード流場プレート２２０
は複数のチャネル２２６を有する。
有する燃料電池装置及び方法に関する。図１は、カソー
ド流場プレート２１０、アノード流場プレート２２０、
及び薄膜電極アセンブリ２２５を有するＰＥＭ燃料電池
１５０の断面図である。薄膜電極アセンブリ２２５は、
ＰＥＭ２３０、アノード触媒２４０、カソード触媒２５
０、アノードガス拡散層２６０、及びカソードガス拡散
層２７０を有する。カソード流場プレート２１０は複数
のチャネル２１６を有し、アノード流場プレート２２０
は複数のチャネル２２６を有する。
【００６１】ＰＥＭ２３０は、触媒材料が組み込まれた
（例えば、触媒材料は、プロトン交換材内に少なくとも
部分的に或いは全体的に配置される）プロトン交換材か
ら形成される。
（例えば、触媒材料は、プロトン交換材内に少なくとも
部分的に或いは全体的に配置される）プロトン交換材か
ら形成される。
【００６２】プロトン交換材の例には、過フッ素化され
たスルホン酸材料（例えば、デラウェア州ウィルミント
ンのイーアイデュポンヌムールアンドカンパニー社から
入手可能なナフィオン（登録商標））、及びペルフルオ
ロカーボン材料（例えば、東京にあるアサヒガラスコー
ポレーションから入手可能なフレミオン（登録商標））
が含まれる。
たスルホン酸材料（例えば、デラウェア州ウィルミント
ンのイーアイデュポンヌムールアンドカンパニー社から
入手可能なナフィオン（登録商標））、及びペルフルオ
ロカーボン材料（例えば、東京にあるアサヒガラスコー
ポレーションから入手可能なフレミオン（登録商標））
が含まれる。
【００６３】一般に、ＰＥＭ２３０中の触媒材料は、過
酸化水素及び／又はヒドロキシルラジカルのような水形
成中間体から水への反応に触媒作用を及ぼすことが可能
である。いくつかの実施例においては、触媒材料は、白
金や白金を含有する合金のような、金属、或いは合金で
ある。
酸化水素及び／又はヒドロキシルラジカルのような水形
成中間体から水への反応に触媒作用を及ぼすことが可能
である。いくつかの実施例においては、触媒材料は、白
金や白金を含有する合金のような、金属、或いは合金で
ある。
【００６４】理論によって拘束されることなく、過酸化
水素及び／又はヒドロキシルラジカルのような水形成中
間体の中には、材料を酸化させることによりプロトン交
換材の耐用年限を減少させることがあると考えられてい
る。さらに、プロトン交換材酸化反応以外の反応を起こ
させることによって、これらの中間体がＰＥＭ２３０中
のプロトン交換材を酸化させる傾向を減少させるべく、
これらの水形成中間体の反応に触媒作用を及ぼすことに
より、ＰＥＭ２３０中にある触媒材料がＰＥＭ２３０の
耐用年限を延長することが可能であると考えられてい
る。
水素及び／又はヒドロキシルラジカルのような水形成中
間体の中には、材料を酸化させることによりプロトン交
換材の耐用年限を減少させることがあると考えられてい
る。さらに、プロトン交換材酸化反応以外の反応を起こ
させることによって、これらの中間体がＰＥＭ２３０中
のプロトン交換材を酸化させる傾向を減少させるべく、
これらの水形成中間体の反応に触媒作用を及ぼすことに
より、ＰＥＭ２３０中にある触媒材料がＰＥＭ２３０の
耐用年限を延長することが可能であると考えられてい
る。
【００６５】一般に、ＰＥＭ２３０がカソード流場プレ
ート２１０とアノード流場プレート２２０との間に低電
気抵抗のパスを生成しないように、プロトン交換材の電
気伝導率に対して、ＰＥＭ２３０の電気伝導率に実質的
な増加を生じるにはＰＥＭ２３０に組み込まれた触媒材
料の量が不足している（例えば、ＰＥＭ２３０の電気伝
導率は、プロトン交換材の電気伝導率とほぼ同じであ
る）必要がある。
ート２１０とアノード流場プレート２２０との間に低電
気抵抗のパスを生成しないように、プロトン交換材の電
気伝導率に対して、ＰＥＭ２３０の電気伝導率に実質的
な増加を生じるにはＰＥＭ２３０に組み込まれた触媒材
料の量が不足している（例えば、ＰＥＭ２３０の電気伝
導率は、プロトン交換材の電気伝導率とほぼ同じであ
る）必要がある。
【００６６】いくつかの実施形態においては、ＰＥＭ２
３０は、１マイクロメータの厚さに、１平方センチメー
トル当たり約０．０００１〜０．０１０ミリグラムの触
媒材料を含有する（例えば、ＰＥＭ２３０の１マイクロ
メータの厚さに対して１平方センチメートル当たり約
０．００１〜０．０３ミリグラムの触媒材料、ＰＥＭ２
３０の１マイクロメータの厚さに対して１平方センチメ
ートル当たり約０．００５ミリグラムの触媒材料）。
３０は、１マイクロメータの厚さに、１平方センチメー
トル当たり約０．０００１〜０．０１０ミリグラムの触
媒材料を含有する（例えば、ＰＥＭ２３０の１マイクロ
メータの厚さに対して１平方センチメートル当たり約
０．００１〜０．０３ミリグラムの触媒材料、ＰＥＭ２
３０の１マイクロメータの厚さに対して１平方センチメ
ートル当たり約０．００５ミリグラムの触媒材料）。
【００６７】いくつかの実施例においては、触媒材料
は、個々の粒子の形態においてＰＥＭ２３０中に存在し
ている。あらゆる理論によって拘束されることなく、プ
ロトン交換材中に個々の粒子の触媒材料を使用すること
により、ＰＥＭ２３０内に比較的低電気抵抗のパスの形
成を阻害することが可能であり、これにより、ＰＥＭ２
３０中にある触媒材料に水生成中間体から水への特定の
反応に触媒作用を及ぼしながら、ＰＥＭ２３０がカソー
ド流場プレート２１０とアノード流場プレート２２０と
の間に比較的低電気抵抗のパスを形成する可能性を減少
させるものと考えられている。
は、個々の粒子の形態においてＰＥＭ２３０中に存在し
ている。あらゆる理論によって拘束されることなく、プ
ロトン交換材中に個々の粒子の触媒材料を使用すること
により、ＰＥＭ２３０内に比較的低電気抵抗のパスの形
成を阻害することが可能であり、これにより、ＰＥＭ２
３０中にある触媒材料に水生成中間体から水への特定の
反応に触媒作用を及ぼしながら、ＰＥＭ２３０がカソー
ド流場プレート２１０とアノード流場プレート２２０と
の間に比較的低電気抵抗のパスを形成する可能性を減少
させるものと考えられている。
【００６８】ある実施形態においては、ＰＥＭ２３０
は、ＰＥＭ２３０の１マイクロメータ厚さについて１平
方センチメートル当たり個々の白金粒子を約０．００５
ミリグラム組込んだ、ナフィオンから形成される。
は、ＰＥＭ２３０の１マイクロメータ厚さについて１平
方センチメートル当たり個々の白金粒子を約０．００５
ミリグラム組込んだ、ナフィオンから形成される。
【００６９】図２はＰＥＭ２３０の平面領域上にカソー
ド触媒２５０の平面領域を示すＰＥＭ２３０の平面図で
ある。図２は、ＰＥＭ２３０の平面領域上に対するカソ
ード流場プレート２１０の入口２１５及びアノード流場
の入口２２３の平面領域の投射も示す。
ド触媒２５０の平面領域を示すＰＥＭ２３０の平面図で
ある。図２は、ＰＥＭ２３０の平面領域上に対するカソ
ード流場プレート２１０の入口２１５及びアノード流場
の入口２２３の平面領域の投射も示す。
【００７０】図２に示されるように、入口２１５及び２
２３に隣接した領域にはカソード触媒２５０がない。理
論によって拘束されることなく、入口２１５及び２２３
に隣接した領域からほぼ全てのカソード触媒を除去する
ことは、燃料電池１５０が入口２１５及び２２３に隣接
した領域において過酸化水素及び／又はヒドロキシラジ
カルのような特定の水生成中間体を形成する傾向を減少
させるものと考えられている。これらのラジカルが、Ｐ
ＥＭ２３０の酸化に関与するものと考えられている。従
って、入口２１５及び２２３に隣接した領域においてこ
れらの中間体が形成される傾向を減少させることによ
り、入口２１５及び２２３に隣接した領域においてＰＥ
Ｍ２３０が酸化される傾向も減少されるものと考えられ
ている。燃料電池１５０を、１つ以上の反応ガスストリ
ームが水により飽和されていない場合のような所定の条
件下において作動する場合には、これらの条件では入口
２１５及び２２３に隣接するＰＥＭ２３０の部分が水生
成中間体による酸化に対して比較的高い感受性を有する
ため、このことが特に望ましいと考えられている。
２３に隣接した領域にはカソード触媒２５０がない。理
論によって拘束されることなく、入口２１５及び２２３
に隣接した領域からほぼ全てのカソード触媒を除去する
ことは、燃料電池１５０が入口２１５及び２２３に隣接
した領域において過酸化水素及び／又はヒドロキシラジ
カルのような特定の水生成中間体を形成する傾向を減少
させるものと考えられている。これらのラジカルが、Ｐ
ＥＭ２３０の酸化に関与するものと考えられている。従
って、入口２１５及び２２３に隣接した領域においてこ
れらの中間体が形成される傾向を減少させることによ
り、入口２１５及び２２３に隣接した領域においてＰＥ
Ｍ２３０が酸化される傾向も減少されるものと考えられ
ている。燃料電池１５０を、１つ以上の反応ガスストリ
ームが水により飽和されていない場合のような所定の条
件下において作動する場合には、これらの条件では入口
２１５及び２２３に隣接するＰＥＭ２３０の部分が水生
成中間体による酸化に対して比較的高い感受性を有する
ため、このことが特に望ましいと考えられている。
【００７１】燃料電池１５０が入口２１５及び２２３に
隣接した領域ではカソード触媒２５０をほとんど有しな
いため、カソード触媒２５０の平面領域はアノード触媒
２４０の平面領域よりも少ない。いくつかの実施形態に
おいては、カソード触媒２５０の平面領域が、アノード
触媒２４０の平面領域の約９０〜９９．９％（例えば約
９５〜９９．５％、約９７〜９９％、約９８％）であ
る。
隣接した領域ではカソード触媒２５０をほとんど有しな
いため、カソード触媒２５０の平面領域はアノード触媒
２４０の平面領域よりも少ない。いくつかの実施形態に
おいては、カソード触媒２５０の平面領域が、アノード
触媒２４０の平面領域の約９０〜９９．９％（例えば約
９５〜９９．５％、約９７〜９９％、約９８％）であ
る。
【００７２】図３は、ＰＥＭ燃料電池１５０を有する燃
料電池スタック１６０を含む燃料電池システム１００を
示す。燃料電池システム１００は、入口カソードガスス
トリーム１１０、出口カソードガスストリーム１２０、
入口アノードガスストリーム１３０、及び出口アノード
ガスストリーム１４０も含んでいる。入口カソードガス
ストリーム１１０は、カソードガスを含むガス混合物を
含み、ガスストリーム１３０は、アノードガスを含むガ
ス混合物を含んでいる。入口カソードガスストリーム１
１０に含まれたガス混合物は、入口１７０において燃料
電池スタック１６０に流入し、ガスストリーム１３０に
含まれていたガス混合物は、入口１８０において燃料電
池スタック１６０に流入する。燃料電池スタック１６０
に流入した後、カソード及びアノードガスは、燃料電池
１５０を貫流し、動力（例えば電気）や水を生じるべく
反応する。未反応ガス及び生成物の化学種は、それぞれ
出口１９０及び１９５において燃料電池スタック１６０
からガスストリーム１２０及び１４０に流出する。
料電池スタック１６０を含む燃料電池システム１００を
示す。燃料電池システム１００は、入口カソードガスス
トリーム１１０、出口カソードガスストリーム１２０、
入口アノードガスストリーム１３０、及び出口アノード
ガスストリーム１４０も含んでいる。入口カソードガス
ストリーム１１０は、カソードガスを含むガス混合物を
含み、ガスストリーム１３０は、アノードガスを含むガ
ス混合物を含んでいる。入口カソードガスストリーム１
１０に含まれたガス混合物は、入口１７０において燃料
電池スタック１６０に流入し、ガスストリーム１３０に
含まれていたガス混合物は、入口１８０において燃料電
池スタック１６０に流入する。燃料電池スタック１６０
に流入した後、カソード及びアノードガスは、燃料電池
１５０を貫流し、動力（例えば電気）や水を生じるべく
反応する。未反応ガス及び生成物の化学種は、それぞれ
出口１９０及び１９５において燃料電池スタック１６０
からガスストリーム１２０及び１４０に流出する。
【００７３】燃料電池１５０はＰＥＭ２３０が水生成プ
ロセスの間に酸化に対して比較的高い耐性を有するよう
に設計されているため、入口カソードガスストリーム１
１０に使用されるガス混合物が水により飽和されていな
いことも、及び／又はアノード入口ストリーム１３０の
ガス混合物が水により飽和されていないことも可能であ
り、それでも燃料電池１５０は比較的長い使用可能な寿
命を示すことが可能である。
ロセスの間に酸化に対して比較的高い耐性を有するよう
に設計されているため、入口カソードガスストリーム１
１０に使用されるガス混合物が水により飽和されていな
いことも、及び／又はアノード入口ストリーム１３０の
ガス混合物が水により飽和されていないことも可能であ
り、それでも燃料電池１５０は比較的長い使用可能な寿
命を示すことが可能である。
【００７４】燃料電池１５０の比較的長い使用可能な寿
命は、例えば、ガスストリーム１１０、及び／又は１３
０中のガス混合物が含有されたフッ素量に対して水によ
り飽和されていない場合に、燃料電池システム１００が
作動されるときにガスストリーム１４０のガス混合物中
の生成された水に含有されるフッ素量により測定可能で
ある。ガスストリーム１４０のガス混合物に含まれてい
た水の相対的な量は、燃料電池システム１００が長期間
の間作動した後（例えば、約２０，０００時間、約５
０，０００時間、約１００，０００時間）よりも少ない
か、ほぼ同じであることが望ましい。
命は、例えば、ガスストリーム１１０、及び／又は１３
０中のガス混合物が含有されたフッ素量に対して水によ
り飽和されていない場合に、燃料電池システム１００が
作動されるときにガスストリーム１４０のガス混合物中
の生成された水に含有されるフッ素量により測定可能で
ある。ガスストリーム１４０のガス混合物に含まれてい
た水の相対的な量は、燃料電池システム１００が長期間
の間作動した後（例えば、約２０，０００時間、約５
０，０００時間、約１００，０００時間）よりも少ない
か、ほぼ同じであることが望ましい。
【００７５】代替手段として、又はこれに加えて、燃料
電池１５０の比較的長い使用可能な寿命は、例えば、ガ
スストリーム１１０及び１３０のガス混合物が水により
飽和された場合において燃料電池システム１００が作動
されたときに燃料電池システム１００により生成された
動力（例えば電気）の量に対する、ガスストリーム１１
０及び／又は１３０のガス混合物が水により飽和されて
いない場合において燃料電池システム１００が作動され
たときに燃料電池システム１００により生成された動力
（例えば電気）の量より測定可能である。燃料電池シス
テム１００により生成された動力（例えば電気）の相対
量は、燃料電池システム１００が長期間の間作動した後
（例えば、約２０，０００時間、約５０，０００時間、
約１００，０００時間）よりも多いか、ほぼ同じである
ことが望ましい。
電池１５０の比較的長い使用可能な寿命は、例えば、ガ
スストリーム１１０及び１３０のガス混合物が水により
飽和された場合において燃料電池システム１００が作動
されたときに燃料電池システム１００により生成された
動力（例えば電気）の量に対する、ガスストリーム１１
０及び／又は１３０のガス混合物が水により飽和されて
いない場合において燃料電池システム１００が作動され
たときに燃料電池システム１００により生成された動力
（例えば電気）の量より測定可能である。燃料電池シス
テム１００により生成された動力（例えば電気）の相対
量は、燃料電池システム１００が長期間の間作動した後
（例えば、約２０，０００時間、約５０，０００時間、
約１００，０００時間）よりも多いか、ほぼ同じである
ことが望ましい。
【００７６】燃料電池１５０において使用可能なＰＥＭ
の実施形態が本明細書に記載されてきたが、ＰＥＭの他
の実施形態も可能である。図４は、燃料電池１５０に使
用可能なＰＥＭ３００の代替の実施形態の断面図であ
る。ＰＥＭ３００は、補強剤（例えばＰＴＦＥ）の多孔
層３１０、触媒材料３２０、及びプロトン交換薄膜材３
４０を有する。プロトン交換薄膜材３４０は上記された
プロトン交換材の１つ以上からなり、触媒材料３２０は
上記された触媒材料の１つ以上であることが可能であ
る。
の実施形態が本明細書に記載されてきたが、ＰＥＭの他
の実施形態も可能である。図４は、燃料電池１５０に使
用可能なＰＥＭ３００の代替の実施形態の断面図であ
る。ＰＥＭ３００は、補強剤（例えばＰＴＦＥ）の多孔
層３１０、触媒材料３２０、及びプロトン交換薄膜材３
４０を有する。プロトン交換薄膜材３４０は上記された
プロトン交換材の１つ以上からなり、触媒材料３２０は
上記された触媒材料の１つ以上であることが可能であ
る。
【００７７】本明細書において本発明の特定の実施形態
が記載されてきたが、本発明はこれらの実施形態に制限
されない。例えば、いくつかの実施形態においては、カ
ソード及びアノード流場プレートの入口に隣接する領域
にカソード触媒をほとんど有しないのではなく、燃料電
池は、これらの領域においてアノード触媒をほとんど有
しなくてもよい。特定の実施形態においては、１つ以上
の燃料電池が、カソード及びアノード流場プレートの入
口に隣接する領域にカソード及びアノード触媒の両方を
ほとんど有しないこともある。さらに、いくつかの実施
形態においては、燃料電池がカソード触媒及び／又はア
ノード触媒を有しないのは、入口のうちの１つの領域に
限られている。
が記載されてきたが、本発明はこれらの実施形態に制限
されない。例えば、いくつかの実施形態においては、カ
ソード及びアノード流場プレートの入口に隣接する領域
にカソード触媒をほとんど有しないのではなく、燃料電
池は、これらの領域においてアノード触媒をほとんど有
しなくてもよい。特定の実施形態においては、１つ以上
の燃料電池が、カソード及びアノード流場プレートの入
口に隣接する領域にカソード及びアノード触媒の両方を
ほとんど有しないこともある。さらに、いくつかの実施
形態においては、燃料電池がカソード触媒及び／又はア
ノード触媒を有しないのは、入口のうちの１つの領域に
限られている。
【００７８】
【発明の効果】本発明によると、プロトン交換材の酸化
反応以外の反応を生じたことによる中間体によるプロト
ン交換薄膜中のプロトン交換材の酸化を減少させるべ
く、これらの水形成中間体の反応に触媒作用を及ぼすこ
とにより、プロトン交換薄膜中にある触媒材料がプロト
ン交換薄膜の耐用年限を延長する。
反応以外の反応を生じたことによる中間体によるプロト
ン交換薄膜中のプロトン交換材の酸化を減少させるべ
く、これらの水形成中間体の反応に触媒作用を及ぼすこ
とにより、プロトン交換薄膜中にある触媒材料がプロト
ン交換薄膜の耐用年限を延長する。
【図１】 燃料電池の断面図。
【図２】 プロトン交換薄膜の平面図。
【図３】 燃料電池装置を概略的に示す構造図。
【図４】 プロトン交換薄膜の断面図。
１５０…燃料電池、２１０…カソード流場プレート、２
２０…アノード流場プレート、２２５…薄膜電極アセン
ブリ、２３０…プロトン交換薄膜、２４０…アノード触
媒、２５０…カソード触媒、３２０…触媒材料、３４０
…プロトン交換薄膜材。
２０…アノード流場プレート、２２５…薄膜電極アセン
ブリ、２３０…プロトン交換薄膜、２４０…アノード触
媒、２５０…カソード触媒、３２０…触媒材料、３４０
…プロトン交換薄膜材。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H018 AS02 AS03 DD08 EE02 EE03 HH05 HH06 5H026 AA02 CC01 EE02 EE08 HH05 HH06
Claims (40)
- 【請求項１】 カソード流場プレートと、 アノード流場プレートと、 触媒材料及びプロトン交換材からなり、前記触媒材料
は、前記プロトン交換材に組み込まれているプロトン交
換薄膜とからなる燃料電池。 - 【請求項２】 前記触媒材料は、水を形成するための水
素と酸素の反応に触媒作用を及ぼすことが可能な材料か
らなる請求項１に記載の燃料電池。 - 【請求項３】 前記触媒材料は、金属及び合金からなる
グループから選択された材料からなる請求項２に記載の
燃料電池。 - 【請求項４】 前記触媒材料は白金を含む請求項３に記
載の燃料電池。 - 【請求項５】 前記触媒材料は個々の粒子の形態である
請求項１に記載の燃料電池。 - 【請求項６】 前記触媒材料は、前記プロトン交換薄膜
の電気伝導率が、プロトン交換材の電気伝導率とほぼ同
じとなるような量である請求項１に記載の燃料電池。 - 【請求項７】 前記燃料プロトン交換薄膜は所定の厚さ
を有し、該プロトン交換薄膜は、その厚さの１マイクロ
メータ当たり約０．０００１〜０．０１０ミリグラムの
前記触媒材料を１平方センチメートル当たりに含有する
請求項１に記載の燃料電池。 - 【請求項８】 前記プロトン交換材は過フッ素化された
スルホン酸材料を含有する請求項１の燃料電池。 - 【請求項９】 カソード流場プレートと、アノード流場
プレートと、触媒材料及びプロトン交換材からなるプロ
トン交換薄膜と、前記触媒材料は、前記プロトン交換材
に組み込まれることとからなる第１の燃料電池と、 カソード流場プレートと、アノード流場プレートと、プ
ロトン交換薄膜とからなる第２の燃料電池と、 前記第１及び第２の燃料電池のカソード流場プレート
は、液体により連通し、前記第１及び第２の燃料電池の
アノード流場プレートは、液体により連通している燃料
電池システム。 - 【請求項１０】 前記触媒材料が、水を形成するための
水素と酸素の反応に触媒作用を及ぼすことが可能な材料
からなる請求項９に記載の燃料電池システム。 - 【請求項１１】 前記触媒材料は、金属及び合金からな
るグループから選択された材料からなる請求項１０に記
載の燃料電池システム。 - 【請求項１２】 前記触媒材料は白金を含む請求項１１
に記載の燃料電池システム。 - 【請求項１３】 前記触媒材料は個々の粒子の形態であ
る請求項９に記載の燃料電池システム。 - 【請求項１４】 前記触媒材料は、前記プロトン交換薄
膜の電気伝導率が、前記プロトン交換材の電気伝導率と
ほぼ同じとなるような量である請求項９に記載の燃料電
池システム。 - 【請求項１５】 前記燃料プロトン交換薄膜は所定の厚
さを有し、該プロトン交換薄膜は、その厚さの１マイク
ロメータ当たり約０．０００１〜０．０１０ミリグラム
の前記触媒材料を１平方センチメートル当たりに含有す
る請求項９に記載の燃料電池システム。 - 【請求項１６】 前記プロトン交換材は過フッ素化され
たスルホン酸材料を含有する請求項９に記載の燃料電池
システム。 - 【請求項１７】 所定の平面領域を有するカソード触媒
と、 所定の平面領域を有するアノード触媒と、 前記カソード触媒及びアノード触媒の間のプロトン交換
薄膜とからなり、 前記カソード触媒の平面領域は、前記アノード触媒の平
面領域の約９０〜９９．９％である薄膜電極アセンブ
リ。 - 【請求項１８】 前記カソード触媒の平面領域は、前記
アノード触媒の平面領域の約９５〜９９．５％である請
求項１７に記載の薄膜電極アセンブリ。 - 【請求項１９】 前記カソード触媒の平面領域は、前記
アノード触媒の平面領域の約９７〜９９％である請求項
１７に記載の薄膜電極アセンブリ。 - 【請求項２０】 前記カソード触媒の平面領域は、前記
アノード触媒の平面領域の約９８％である請求項１７に
記載の薄膜電極アセンブリ。 - 【請求項２１】 前記プロトン交換薄膜は、触媒材料及
びプロトン交換材からなり、前記触媒材料はプロトン交
換材に組み込まれている請求項１７に記載の薄膜電極ア
センブリ。 - 【請求項２２】 前記触媒材料が、水を形成するための
水素と酸素の反応に触媒作用を及ぼすことが可能な材料
からなる請求項２１に記載の燃料電池。 - 【請求項２３】 入口領域を有するカソード流場プレー
トと、 入口領域を有するアノード流場プレートと、 前記カソード及びアノード流場プレートの間のプロトン
交換薄膜と、 前記プロトン交換薄膜及び前記カソード流場プレートの
間のカソード触媒と、 前記プロトン交換薄膜及び前記アノード流場プレートの
間のアノード触媒とからなり、 前記カソード流場プレートの入口領域に隣接する領域、
及び前記アノード流場プレートの入口領域に隣接する領
域からなるグループから選択された領域は、前記カソー
ド触媒をほとんど含有しない燃料電池。 - 【請求項２４】 前記カソード流場プレートの入口領域
に隣接する領域は前記カソード触媒をほとんど含有せ
ず、かつ前記アノード流場プレートの入口領域に隣接す
る領域は前記カソード触媒をほとんど含有しない請求項
２３に記載の燃料電池。 - 【請求項２５】 前記プロトン交換薄膜は、触媒材料及
びプロトン交換材からなり、前記触媒材料はプロトン交
換材に組み込まれている請求項２３に記載の燃料電池。 - 【請求項２６】 前記触媒材料が、水を形成するための
水素と酸素の反応に触媒作用を及ぼすことが可能な材料
からなる請求項２３に記載の燃料電池。 - 【請求項２７】 カソード流場プレート及びアノード流
場プレートを有する燃料電池の作動方法であって、 前記カソード流場プレートに第１のガス混合物を貫流さ
せるステップと、前記第１のガス混合物はカソードガス
を含有することと、 前記アノード流場プレートに第２のガス混合物を貫流さ
せて、ゼロを超える燃料電池の電力出力を生成するステ
ップと、前記第２のガス混合物はアノードガスを含有す
ることと、 前記第１のガス混合物及び前記第２のガス混合物からな
るグループから選択された少なくとも１つのガス混合物
は、水により飽和されていないことと、 前記第１及び第２のガス混合物を所定期間流入させた後
には、燃料電池の電力出力は、前記第１及び第２のガス
混合物を水で飽和させた状態で前記方法が実施されたと
きの燃料電池により生成された電力出力と、少なくとも
ほぼ同じとなることとからなる燃料電池の作動方法。 - 【請求項２８】 前記カソードガス混合物及び前記アノ
ードガス混合物の両方が水により飽和されていない請求
項２７に記載の方法。 - 【請求項２９】 前記期間が約２０，０００時間である
請求項２７に記載の方法。 - 【請求項３０】 前記期間が約５０，０００時間である
請求項２７に記載の方法。 - 【請求項３１】 前記期間が約１００，０００時間であ
る請求項２７に記載の方法。 - 【請求項３２】 前記燃料電池は、前記カソード流場プ
レート及び前記アノード流場プレートの間のプロトン交
換薄膜を有し、前記プロトン交換薄膜は、 プロトン交換材と、 触媒材料とからなり、 前記触媒材料は、前記プロトン交換材に組み込まれる請
求項２７に記載の方法。 - 【請求項３３】 前記燃料電池は前記カソード流場プレ
ート及び前記アノード流場プレートの間の薄膜電極アセ
ンブリを有し、前記薄膜電極アセンブリは、 所定の平面領域を有するカソード触媒と、 所定の平面領域を有するアノード触媒と、 前記カソード触媒及びアノード触媒の間のプロトン交換
薄膜と、 前記カソード触媒の平面領域は、前記アノード触媒の平
面領域の約９０〜９９．９％であることとを有する請求
項２７に記載の方法。 - 【請求項３４】 カソード流場プレート及びアノード流
場プレートを有する燃料電池の作動方法であって、 前記カソード流場プレートに第１のガス混合物を貫流さ
せるステップと、前記第１のガス混合物はカソードガス
を含有することと、 前記アノード流場プレートに第２のガス混合物を貫流さ
せて、所定のフッ素濃度を有する水生成物を生成するス
テップと、前記第２のガス混合物はアノードガスを含有
することと、 前記第１のガス混合物及び前記第２のガス混合物からな
るグループから選択された少なくとも１つのガス混合物
は、水で飽和されていないことと、 前記第１及び第２のガス混合物を所定期間流入させた後
には、前記燃料電池の水生成物のフッ素濃度は、前記第
１及び第２のガス混合物を水で飽和させて状態で前記方
法を行ったときの燃料電池により生成された水生成物フ
ッ素濃度と、最大でほぼ同じとなることとからなる燃料
電池の作動方法。 - 【請求項３５】 前記カソードガス混合物及び前記アノ
ードガス混合物の両方が水により飽和されていない請求
項３４に記載の方法。 - 【請求項３６】 前記期間が約２０，０００時間である
請求項３４に記載の方法。 - 【請求項３７】 前記期間が約５０，０００時間である
請求項３４に記載の方法。 - 【請求項３８】 前記期間が約１００，０００時間であ
る請求項３４に記載の方法。 - 【請求項３９】 前記燃料電池は、前記カソード流場プ
レート及び前記アノード流場プレートの間のプロトン交
換薄膜を有し、前記プロトン交換薄膜は、 プロトン交換材と、 触媒材料とからなり、 前記触媒材料は、前記プロトン交換材に組み込まれる請
求項３４に記載の方法。 - 【請求項４０】 前記燃料電池は前記カソード流場プレ
ート及び前記アノード流場プレートの間の薄膜電極アセ
ンブリをさらに有し、前記薄膜電極アセンブリは、 所定の平面領域を有するカソード触媒と、 所定の平面領域を有するアノード触媒と、 前記カソード触媒及びアノード触媒の間のプロトン交換
薄膜と、 前記カソード触媒の平面領域は、前記アノード触媒の平
面領域の約９０〜９９．９％であることとを有する請求
項３４に記載の方法。
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