JP2022162988A - 一酸化炭素耐性アノードを備えた水素ポンピングプロトン交換膜電気化学セル及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】一酸化炭素(CO)耐性膜電極接合体(MEA)を提供する。【解決手段】イオン伝導性プロトン交換膜と、膜の第1の側に接触し、疎水性結合剤、アイオノマー結合剤、第1の触媒粒子、第2の触媒粒子、及びアノードガス拡散層(GDL)を含むアノードと、膜の第2の側に接触し、カソードGDLを含むカソードと、を含む一酸化炭素(CO)耐性膜電極接合体(MEA)。第1の触媒粒子は、COの酸化に優先的に触媒作用を及ぼすように構成され、第2の触媒粒子は、水素イオンの生成に優先的に触媒作用を及ぼすように構成される。【選択図】図1
Description
本出願は、その全体が本明細書に組み込まれる2021年4月8日に出願されたインド仮出願第202111016645号の利益を主張する。
本開示は、一般に、電気化学セル、より具体的には、燃料排気からの水素回収に使用される電気化学セルを備えた燃料電池システムに関する。
本開示は、一般に、電気化学セル、より具体的には、燃料排気からの水素回収に使用される電気化学セルを備えた燃料電池システムに関する。
燃料電池は、燃料に蓄えられたエネルギーを高効率で電気エネルギーに変換できる電気化学装置である。高温型の燃料電池には、固体酸化物形燃料電池と溶融炭酸塩形燃料電池が含まれる。これらの燃料電池は、水素及び/又は炭化水素燃料を使用して動作することができる。燃料電池には、固体酸化物形再生燃料電池など、逆の動作も可能な部類があり、電気エネルギーを入力として使用して、酸化された燃料を還元して未酸化燃料に戻すことができる。
本開示の一実施形態によれば、一酸化炭素(CO)耐性膜電極接合体(MEA)は、イオン伝導性プロトン交換膜と、前記膜の第1の側に接触し、疎水性結合剤、アイオノマー結合剤、第1の触媒粒子、第2の触媒粒子、及びアノードガス拡散層(GDL)を含むアノードと、前記膜の第2の側に接触し、カソードGDLを含むカソードとを含む。第1の触媒粒子は、COの酸化に優先的に触媒作用を及ぼすように構成され、第2の触媒粒子は、水素イオンの生成に優先的に触媒作用を及ぼすように構成される。
本開示の一実施形態によれば、膜電極接合体(MEA)を形成する方法は、アノードガス拡散層(GDL)上に第1のアノードインクを堆積させるステップであって、前記アノードインクは第1の触媒粒子及び第1の結合剤を含む、該ステップと、前記第1のアノードインクを熱処理して前記アノードGDLに結合された第1のアノード層を形成するステップと、前記アノードGDLをプロトン交換膜のアノード側にホットプレスするステップとを含む。
要素もしくは層が他の要素もしくは層「の上にある」又は「に接続される」と言及される場合、それは他の要素もしくは層の直接上にあり得る又は他の要素もしくは層に直接接続され得るか、あるいは、介在する要素もしくは層が存在する可能性があることを理解されよう。対照的に、要素が他の要素もしくは層「の直接上にある」又は「に直接接続される」と言及される場合には、介在する要素もしくは層は存在しない。本開示の目的のために、「X、Y、及びZの少なくとも1つ」とは、Xのみ、Yのみ、Zのみ、又は2つ以上の項目X、Y、及びZの任意の組み合わせ(例えば、XYZ、XYY、YZ、ZZ)として解釈され得ることが理解されよう。
値の範囲が与えられる場合、その範囲の上限と下限の間に介在する各値(文脈が明確に別段の指示をしない限りは下限の単位の10分の1まで)、及び、その記載された範囲内にある任意の他の記載された値又は介在する値が本発明に含まれると理解される。これらのより小さい範囲の上限及び下限は、このより小さい範囲内に独立して含まれ得、記載された範囲において具体的に除外された限界値を条件として、同じく本発明に含まれ得る。記載された範囲が限界値の一方又は両方を含む場合、それらの含まれる限界値のいずれか又は両方を除外する範囲も本発明に含まれる。また、「約」という用語は、例えば5~10%のマイナーな測定誤差を指す場合があることも理解されよう。さらに、本明細書で使用される重量パーセント(wt%)及び原子パーセント(at%)は、それぞれ、対応する組成物の総重量のパーセント又は総原子数のパーセントを指す。
「その後」、「それから」、「次」などの単語は、必ずしも工程の順序を限定することを意図したものではなく、これらの単語は、方法の説明を通して読み手をガイドするために使用され得る。さらに、例えば、冠詞「a」、「an」又は「the」を使用した、請求項の単数形の要素への言及は、要素を単数形に限定すると解釈されるべきではない。
本発明の第1及び第2の実施形態は、電気化学式ポンプセパレータが、固体酸化物形燃料電池システムなどの燃料電池システムと一緒に、どのように使用されるかを示す。他の燃料電池システムも使用できることに留意されたい。
第1の実施形態のシステムでは、燃料電池スタックに供給される燃料吸入流を加湿するために、燃料加湿器が用いられる。第2の実施形態のシステムでは、燃料加湿器を省いてもよい。燃料電池スタックの燃料排気流の一部が、燃料吸入水蒸気を加湿するために燃料吸入流へと直接リサイクルされる。燃料電池スタックの燃料排気流の別の部分はセパレータに供給され、その後、分離された水素が燃料吸入流に供給される。
図1は、本開示の第1の実施形態による燃料電池システム100を概略的に示したものである。システム100は、固体酸化物形燃料電池スタックなどの燃料電池スタック101を含む(イットリア安定化ジルコニア(YSZ)などのセラミック電解質、ニッケル-YSZサーメットなどのアノード電極、及びランタンストロンチウムマンガナイトなどのカソード電極を含むスタックの1つの固体酸化物形燃料セルを表すように概略的に示される)。
システム100はまた、燃料排気流から水素を電気化学的に分離する電気化学式ポンプセパレータ150を含む。ポンプセパレータ150は、高分子電解質を含む、任意の適切なプロトン交換膜装置を備えることができる。好ましくは、ポンプセパレータ150は、高温低水和イオン交換膜セルのスタックなど、一酸化炭素耐性電気化学セルのスタックを含む。これらのセルは、一般的には、約100℃から約200℃の温度範囲で動作する。したがって、システム100内の熱交換器は、燃料排気流を、約120℃から約200℃の温度、例えば約160℃から約190℃の温度に維持することが好ましい。
システム100はまた、燃料電池スタック101の燃料排気出口103をポンプセパレータ150のアノード入口151に動作可能に(すなわち、流体的に)接続する燃料排気導管153を含む。システム100はまた、ポンプセパレータ150のカソード出口158を、スタック101の燃料入口105を外部燃料源に動作可能に(すなわち、流体的に)接続する燃料吸入導管111に動作可能に(すなわち、流体的に)接続する生成物導管157を含む。システム100はまた、ポンプセパレータ150のアノード出口152をアノードテールガス酸化器(ATO)140又は大気ベントに動作可能に(すなわち、流体的に)接続するセパレータ排気導管159を含む。
システム100は、燃料吸入導管111とセパレータ排気導管159とに動作可能に接続される燃料加湿器119をさらに含む。作動中、燃料加湿器119は、セパレータ排気導管159に排出されたセパレータ排気に含まれる水蒸気を用いて、リサイクルされた水素を含む燃料吸入導管111内の燃料を加湿する。燃料加湿器119は、例えば、ともにその全体が参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第6,106,964号及び米国特許出願第10/368,425号に記載されるように、Nafion(登録商標)膜加湿器等の高分子膜加湿器、エンタルピーホイール、又は複数の水吸着床を含むことができる。例えば、1つの好適なタイプの加湿器は、Perma Pure LLCから入手可能な、水蒸気及びエンタルピー移動Nafion(登録商標)系透水性膜を含む。燃料加湿器119は、水蒸気及びエンタルピーを燃料排気流から燃料吸入流に受動的に移して、燃料吸入流中の水蒸気の炭素に対する比を2~2.5にする。燃料吸入導管111内の燃料の温度は、燃料加湿器119によって、摂氏約80度から約90度まで上昇させることができる。
システム100はまた、燃料吸入導管111と燃料排気導管153とに動作可能に接続される復熱式熱交換器121(例えば、アノード復熱器)を含む。燃料熱交換器121は、燃料排気出口103(例えば、導管)内の燃料排気から取り出された熱を使用して、燃料吸入導管111内の燃料を加熱する。燃料熱交換器121は、流入する燃料の温度上昇を促進し、燃料排気の温度を下げ、凝縮器内でさらに冷却されて、燃料加湿器119を損傷させないようにする。
燃料電池が外部燃料改質タイプの電池である場合、システム100は燃料改質器123を含む。燃料改質器123は、炭化水素燃料吸入流を水素及び一酸化炭素を含む燃料流へと改質し、これがその後1つ又は複数のスタック101に供給される。燃料改質器123は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる2004年12月2日出願の米国特許第7,422,810号に記載されるように、燃料電池スタック101内で生成された熱によって、及び/又は、任意選択のATO140内で生成された熱によって、放射的に、対流によって、及び/又は、伝導的に加熱され得る。あるいは、スタック101が内部改質タイプのセルを含み、改質が主にスタックの燃料電池内で行われる場合、外部燃料改質器123は省略することができる。
システム100はまた、スタック101の空気入口107に流体的に接続される空気吸入導管130を含む。任意選択で、システム100は、空気吸入導管130に動作可能に接続され、且つ、燃料排気導管153の燃料排気から取り出された熱を使用して空気吸入導管130内の空気を予熱するように構成される空気予熱式熱交換器125を含む。必要に応じて、この空気予熱式熱交換器125を省略してもよい。
システム100はまた、スタック101の空気排気出口109をATO140に流体的に接続する空気排気導管132を含む。システム100は、好ましくは、空気吸入導管130と空気排気導管132とに動作可能に接続される空気熱交換器127を含む。この空気熱交換器127は、空気排気導管132内の燃料電池スタック空気排気(すなわち、酸化剤又はカソード排気)から取り出された熱を使用して、空気吸入導管130内の空気をさらに加熱する。空気予熱式熱交換器125が省略される場合には、空気は、ブロワ又は他の空気取り入れ装置によって空気熱交換器127に直接供給される。
システム100はまた、任意選択で、生成物導管157と空気吸入導管130に動作可能に接続される任意選択の水素冷却式熱交換器129を含む。熱交換器129は、空気吸入導管130を通って流れる空気を使用して、ポンプセパレータ150から排出される分離された水素から熱を取り出す。
システム100はまた、燃料排気導管153に動作可能に接続される任意選択の水性ガスシフト(WGS)反応器128を含むことができる。WGS反応器128は、燃料排気中の水の少なくとも一部を遊離水素(H2)へと変換する任意の適切な装置であってよい。例えば、WGS反応器128は、燃料排気流中の一酸化炭素と水蒸気の一部又はすべてを二酸化炭素と水素に変換する触媒を含む管又は導管を備えることができる。したがって、WGS反応器128は、燃料排気中の水素の量を増加させる。触媒は、酸化鉄又はクロム促進酸化鉄触媒などの任意の適切な触媒であってよい。WGS反応器128は、燃料熱交換器121と空気予熱式熱交換器125との間で、燃料排気導管153に動作可能に接続することができる。
システム100は、次のように作動することができる。燃料吸入流(「燃料」又は「燃料流」とも呼ばれる)が、燃料吸入導管111を通って燃料電池スタック101に供給される。燃料は、任意の適切な炭化水素燃料を含むことができ、メタン、水素や他のガスとともにメタンを含む天然ガス、プロパン、又はその他のバイオガス、あるいは、一酸化炭素などの炭素燃料、メタノールなどの酸素化炭素含有ガス、又は、他の炭素含有ガスと、水蒸気、H2ガス又はそれらの混合物等の水素含有ガスとの混合物を含むが、これらに限定されない。例えば、上記混合物は、石炭又は天然ガスの改質に由来する合成ガスを含むことができる。
燃料流が加湿器119を通過するとき、燃料流は加湿される。次に、加湿された燃料は、燃料熱交換器121を通過し、そこで、加湿された燃料が燃料電池スタックの燃料排気によって加熱される。次に、加熱され加湿された燃料は、好ましくは外部改質器である燃料改質器123に供給される。例えば、燃料改質器123は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる2004年12月2日出願の米国特許第7,422,810号に記載された改質器を含み得る。
燃料改質器123は、炭化水素燃料を部分的又は完全に改質して、炭素含有及び遊離水素含有燃料を形成することのできる、任意の適切な装置であってよい。例えば、燃料改質器123は、炭化水素ガスを、遊離水素と炭素含有ガスとのガス混合物に改質することができる任意の適切な装置であってよい。例えば、燃料改質器123は、触媒を被覆した通路を含むことができ、そこで、天然ガスなど、加湿されたバイオガスが水蒸気-メタン改質反応を介して改質されて、遊離水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、及び任意選択で残りの量の未改質のバイオガスを形成する。次に、遊離水素及び一酸化炭素は、燃料電池スタック101の燃料(すなわち、アノード)入口105に供給される。したがって、燃料吸入導管111内の燃料の流れ方向に関して、加湿器119は燃料熱交換器121の上流に位置し、熱交換器121は燃料改質器123の上流に位置し、改質器123はスタック101の上流に位置する。
空気吸入導管130を通してスタック101に供給される、空気又は他の酸素含有ガス(すなわち、酸化剤)(「空気吸入流」又は「空気流」とも呼ばれる)は、空気排気導管132内のカソード排気を使用して、空気熱交換器127によって加熱される。必要に応じて、空気吸入導管130内の空気を、空気をスタック101に供給する前に、水素冷却式熱交換器129に通して、及び/又は、空気予熱式熱交換器125に通して、空気流の温度をさらに上昇させることもできる。
作動中、スタック101は、供給された燃料と空気を使用して電気を生成し、燃料排気と空気排気を生成する。燃料排気には、水素、水蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンなどの未反応の炭化水素燃料、及びその他の反応副生成物や不純物が含まれ得る。燃料排気は、スタック101に供給される燃料の約25%を含み得る。
燃料排気は、燃料排気出口103から排出され、燃料排気導管153によってポンプセパレータ150に供給される。ポンプセパレータ150は、燃料排気に含まれる水素(H2)の少なくとも一部を電気化学的に分離する。分離された水素は、カソード出口158から出され、生成物導管157によって燃料吸入導管111に供給され、そこで水素は、入ってくる新鮮な燃料と混合される。好ましくは、水素は、加湿器119の上流側の燃料吸入導管111に供給される。
燃料排気導管153内の燃料排気流は、まず、熱交換器121に供給され、ここで、入ってくる燃料の温度を上げながら、自身の温度を、好ましくは200℃未満に下げる。WGS反応器128と空気予熱式熱交換器125が存在する場合には、燃料排気はWGS反応器128を通って供給され、少なくとも水蒸気の一部と残留する一酸化炭素の大部分を、二酸化炭素と水素に変換する。その後、燃料排気の温度は、空気予熱式熱交換器125を通過する間に、空気吸入導管130内の空気に熱を移すことによってさらに下げられる。燃料排気の温度は、例えば、約90から110℃に下げることができる。
燃料排気は、その後、燃料排気導管153を介して、ポンプセパレータ150のアノード入口151に供給される。ポンプセパレータ150は、燃料排気から、水素の大部分、例えば燃料排気流中の水素の約85%を分離するように構成することができる。燃料排気中に残っている水蒸気、二酸化炭素、一酸化炭素、及び残りの炭化水素ガスは、セパレータ排気導管159によって加湿器119に供給され得る。
燃料加湿器119では、燃料排気中の水蒸気の一部が燃料吸入導管111内の燃料に移されて燃料を加湿する。燃料は80℃から90℃の露点まで加湿することができる。次に、燃料排気流の残りは、スタック101からの空気(すなわち、カソード)排気と共にATO140に供給され、そこでガスが酸化されて低品質な熱を供給する。ATOからの排気は、ATO排気導管161に供給され得る。ATO140からの熱は、燃料改質器123を加熱するために使用され得るか、システム100の他の部分に供給され得るか、又は、建物暖房システム等の、システム100の外部の装置に供給され得る。
ポンプセパレータ150によって分離された水素は、カソード出口158から出され、生成物導管157によって燃料吸入導管111に供給され、そこで、入ってくる燃料と混合される。必要に応じて、水素は、燃料吸入導管111に供給される前に、熱交換器129で冷却することができ、そこで水素流は空気吸入導管130内の空気と熱を交換する。水素の温度は、燃料吸入導管111に供給される前に、熱交換器129で下げられる。したがって、炭化水素燃料は、周囲温度に近い低露点の、電気化学式(水素)ポンプセパレータ150を用いてアノード排気ガスから回収されたリサイクル水素と混合される。
したがって、燃料排気の流れ方向に関して、燃料熱交換器121はWGS反応器128の上流に位置し、反応器128は空気予熱式熱交換器125の上流に位置し、熱交換器125はポンプセパレータ150の上流に位置し、ポンプセパレータ150は加湿器119と燃料吸入導管111との上流に位置する。
図2は、本開示の第2の実施形態による燃料電池システム200を概略的に示したものである。システム200は、システム100に類似しており、いくつかの構成要素を共通に含む。システム100及び200の両方に共通であるそれらの構成要素には、図1及び図2において同じ番号を付けてあり、さらには説明しない。
システム100と200との間の1つの違いは、システム200には、好ましくは、加湿器119がないことであるが、必ずしもそうでなくてもよい。その代わりに、水蒸気を含むスタック燃料排気流の一部が、スタック燃料吸入流へと直接リサイクルされる。燃料排気流中の水蒸気は、燃料吸入流を加湿するのに十分である。
システム200は、燃料排気スプリッタ201、リサイクル導管203、ブロワ又はコンプレッサ205、及び混合器207を含むことができる。スプリッタ201は、コンピュータ又はオペレータ制御の多方向弁、例えば三方弁、又は他の流体分割装置であってよい。スプリッタ201は、燃料排気導管153及びリサイクル導管203に動作可能に接続することができる。特に、スプリッタ201は、燃料排気導管153内の燃料排気の全部又は一部をリサイクル導管203に選択的に迂回させるように構成することができる。
混合器207は、燃料吸入導管111、リサイクル導管203、及び生成物導管157に動作可能に接続することができる。リサイクル導管203は、スプリッタ201を混合器207に流体的に接続することができる。混合器207は、新鮮な燃料を、リサイクル導管203によって供給される燃料排気及び/又は生成物導管157によって供給される水素と混合するように構成することができる。
ブロワ又はコンプレッサ205は、リサイクル導管203に動作可能に接続することができる。ブロワ又はコンプレッサ205は、燃料排気をリサイクル導管203を通って混合器207へと移動させるように構成することができる。作動中、ブロワ又はコンプレッサ205は、混合器207を介して、所望の量の燃料排気を燃料吸入導管111に制御可能に供給する。
システム200を作動する方法は、システム100を作動する方法と同様である。1つの違いは、燃料排気がスプリッタ201によって少なくとも2つの流れに分離されることである。第1の燃料排気流は燃料吸入流にリサイクルされる一方で、第2の燃料排気流はポンプセパレータ150へと向けられ、そこで第2の燃料排気流に含まれる水素の少なくとも一部を第2の燃料排気流から電気化学的に分離する。次に、第2の燃料排気流から分離された水素は、生成物導管157によって燃料吸入導管111へと供給される。例えば、燃料排気の50%から70%の間、例えば約60%を、ブロワ又はコンプレッサ205に供給することができ、残りをポンプセパレータ150の方へと供給することができる。
好ましくは、燃料排気は、スプリッタ201に供給される前に、まず、熱交換器121及び125、及びWGS反応器128を通って流れる。燃料排気は、2つの流れに分割されるスプリッタ201に供給される前に、空気予熱式熱交換器125において、約200℃以下に、例えば約120℃から約180℃に冷却することができる。これにより、所望の量の燃料排気流を燃料吸入導管111に制御可能にリサイクルするために、低温度ブロワ205を用いることが可能となる。なぜなら、こうしたブロワは、約200℃以下の温度を有するガス流を移動させるのに適合できるからである。
ブロワ又はコンプレッサ205は、コンピュータ又はオペレータ制御することができ、以下に記載する状況に応じて燃料吸入流に供給される燃料排気流の量を変えることができる。いくつかの実施形態において、システム200は、任意選択で、生成物導管157に動作可能に接続されるセレクタバルブ210を含むことができる。セレクタバルブ210は、補助装置212、例えば、水素貯蔵装置、車両内のPEM(すなわち、プロトン交換膜、ポリマー電解質膜としても知られる)燃料電池等の水素使用装置又は別の水素使用装置、又は水素貯蔵容器に、流体的に接続され得る。セレクタバルブ210は、生成物導管157内の選択された量の水素を補助装置212に迂回させるように構成され得る。例えば、水素の全部又は一部を、補助装置212又は混合器207のいずれかに供給することができるか、あるいは、水素を、混合器207と補助装置212に交互に供給することができる。
ブロワ又はコンプレッサ205及び任意選択のセレクタバルブ210は、以下の状況の1つ又は複数に基づいてガス流を制御可能に変えるようにコンピュータ又はオペレータによって操作することができる:i)システム100の検出又は観測された状況(すなわち、燃料吸入流中の水素の量の変更を必要とする、システム作動状況の変化);ii)燃料吸入流中の水素の一時的な調整を必要とする、コンピュータに提供された以前の計算又はオペレータに知らされた状況;iii)スタックによって生成された電力の使用者による電力需要の変化、水素の価格と比較した電気又は炭化水素燃料の価格の変化など、スタック101の動作パラメーターの、望まれる将来の変化、現在起こっている変化又は最近の過去の変化;及び/又はiv)水素使用装置などの水素使用者による水素需要の変化、電気の価格と比較した水素又は炭化水素燃料の価格の変化など。
燃料排気(すなわちテール)ガスから分離された水素の少なくとも一部を燃料吸入導管111へとリサイクルすることによって、燃料電池システムを高効率で稼働できると考えられる。さらに、全体的な燃料利用が増加する。パス当たりの燃料利用率が約75%である(すなわち、スタックを通り抜ける各パスの間に、燃料の約75%が使用される)場合、電力効率(すなわち、AC電力効率)は、第1及び第2の実施形態の方法では、約50%と約60%の間、例えば約54%と約60%の間の範囲とすることができる。パス当たりの利用が約75%である場合、約94%から約95%の有効な燃料利用が得られ、燃料排気ガス水素の約85%がポンプセパレータ150によって燃料電池スタックにリサイクルされて戻される。パス当たりの燃料利用率を約76~80%など、75%より上に上昇させることにより、さらに高い効率を得ることができる。定常状態では、第1及び第2の実施形態の方法は、水蒸気メタン改質が燃料電池への供給ガスを生成するために用いられる場合、水蒸気の生成を不要とする。燃料排気流は、水蒸気の炭素に対する比2~2.5でスタックへの燃料吸入流を加湿するのに十分な水蒸気を含む。正味の燃料利用の増加と、水蒸気の生成に熱が必要でなくなることが、全体的な電力効率を上げる。対照的に、水素をリサイクルしない場合、AC電力効率は、スタック内の燃料利用率約75%から80%に対して約45%である。
図3Aは、本開示の第3の実施形態による燃料電池システム300の概略図である。システム300は、第1及び第2の実施形態のシステム100及び200に関して前述した構成要素と同様のいくつかの構成要素を含むことができ、これらには、図1及び図2と同じ番号を付し、詳細には説明しない。
図3Bは、本開示の第3の実施形態による、燃料電池システム300の中央カラム301の断面斜視図である。あるいは、中央カラム301は、第1及び第2の実施形態のシステム100、200のいずれかに含まれ得る。したがって、中央カラム301は、システム100、200に関して前述した構成要素と同様のいくつかの構成要素を含むことができ、これらには、図1及び図2と同じ番号を付し、詳細には説明しない。
第1及び第2の実施形態に関して説明した構成要素に加えて、システム300では、カラム301はホットボックス302の内側に配置され、接触部分酸化(CPOx)反応器170、CPOxブロワ180(例えば、空気ブロワ)、システムブロワ182(例えば、メイン空気ブロワ)、アノードリサイクルブロワ205、及び混合器207は、ホットボックス302の外側に配置することができる。しかしながら、本開示は、ホットボックス302に対する構成要素それぞれについての特定の配置に限定されない。
図3Aを参照すると、CPOx反応器170は、燃料入口から燃料吸入流を受け入れる。燃料入口は、CPOx反応器170に供給される燃料の量を制御するための弁を含む、ユーティリティガス管であってもよい。CPOxブロワ180は、システム300の起動時、CPOx反応器170に空気を供給し、その後、燃料電池スタック101が、例えば750から900℃の、700℃を超える定常状態動作温度に達すると、定常状態動作モード中は止めることができる。定常状態での燃料及び/又は起動時の燃料及び空気の混合物は、燃料吸入導管111によって混合器207に供給することができる。
システム182は、空気吸入導管130を通して、空気予熱式熱交換器125に空気流(例えば、空気吸入流)を供給するように構成することができる。ATO排気流は、ATO140からATO排気導管161を通って空気熱交換器127(例えば、カソード復熱器)に流れる。排気は、空気熱交換器127からATO排気導管161を通って蒸気発生器160へと流れる。排気は、蒸気発生器160から、ATO排気導管161を通ってホットボックス302の外へと流れる。
水は、水タンク又は水道管等の水源190から、導水管163を通って蒸気発生器160へと流れる。蒸気発生器160は、ATO排気導管161によって供給されるATO排気からの熱を使用して、水を水蒸気に変える。水蒸気は、蒸気発生器160から導水管163を通って混合器207に供給される。あるいは、必要に応じて、水蒸気を、燃料吸入流に直接供給することができる、及び/又は、アノード排気流を直接燃料吸入流に供給し、続けて、組み合わされた燃料流を加湿することができる。
システム300は、システム300の様々な要素(例えば、ブロワ182、184、205及び燃料制御弁)を制御するように構成されるシステム制御器225をさらに含むことができる。制御器225は、格納された命令を実行するように構成される中央処理ユニットを含むことができる。例えば、制御器225は、燃料組成データに従って、システム300を通る燃料及び/又は空気の流れを制御するように構成することができる。
図3Bを参照すると、中央カラムは、1つ又は複数の燃料電池スタック101を上に配置することのできるベース310から延びることができる。燃料吸入導管111と燃料排気導管153は、スタック101から、ベース310を通ってカラム301へと延びることができる。
カラム301は、円筒形の外壁及び内壁を含むことができ、これらは、ATO140を少なくとも部分的に画定する。燃料熱交換器121は燃料改質器123の周囲に配置することができる。燃料熱交換器121及び/又は燃料改質器123にWGS触媒を設けることにより、燃料熱交換器121及び/又は燃料改質器123に、任意選択の第1の追加のWGS反応器128Aを組み込むことができる。ATO140は、燃料熱交換器121を取り囲むことができる。燃料電池スタック101はATO140を取り囲むことができ、空気熱交換器127(図3Aに示される)は、ホットボックス302内で燃料電池スタック101を取り囲むことができる。
WGS反応器128は、燃料熱交換器121の上方に配置される。空気予熱式熱交換器125は、WGS反応器128の上方に配置される。任意選択の第2の追加のWGS反応器128Bは、空気予熱式熱交換器125にWGS触媒を設けることによって、空気予熱式熱交換器125に組み込むことができる。
燃料排気導管153は、燃料電池スタック101、燃料熱交換器121、WGS反応器128、及び空気予熱式熱交換器125を流体的に接続することができる。したがって、スタック101から排出される燃料排気流は、カラム301の底部に流れ込み、燃料熱交換器121の外面に沿って流れ、その後、カラム301の頂部を出ていくまで、WGS反応器128及び空気予熱式熱交換器125の内部を流れることができる。
燃料吸入導管111は、スタック101、燃料熱交換器121、及び燃料改質器123を燃料入口に流体的に接続することができる。したがって、燃料吸入流は、カラム301の頂部に流れ込み、次いで、燃料熱交換器121及び燃料改質器123に供給されてから、カラム301の底部を出てスタック101に供給される。
例えば、燃料熱交換器121は、燃料吸入流を燃料排気流から分離するように構成された波形セパレータを含むことができる。いくつかの実施形態では、燃料排気に接触する、燃料熱交換器121の表面をWGS触媒で被覆して、燃料熱交換器121が、組み合わされた燃料熱交換器121とWGS反応器128Aとして動作できるようにすることもできる。言い換えれば、燃料熱交換器121は、燃料吸入流と燃料排気流との間で熱を移動させること、並びに、燃料排気中の水及び一酸化炭素を遊離水素及び二酸化炭素へ変換することの両方のために動作し得る。したがって、WGSの反応性を高めるために、カラム301の追加の容量をWGS反応専用にしてもよい。
いくつかの実施形態では、カラム301は、燃料排気流の一部をATO140へと迂回させるように構成されるスプリッタ201を含むことができる。燃料排気流の残りは、任意のさらなる処理に適合できる温度まで、空気予熱式熱交換器125内で冷却することができる。さらなる一酸化炭素含有量の削減及び水の水素への変換が望まれる場合、燃料排気流を運ぶ空気予熱式熱交換器125の導管は、空気予熱式熱交換器125が任意選択の第2の追加のWGS反応器128Bとして働けるように、任意選択で、WGS触媒で被覆されてもよい。
図3Aに示される別の任意選択の実施形態は、第3の追加のWGS反応器触媒を組み込んだ、電気化学式ポンプセパレータ150を含む。この任意選択の実施形態の1つの態様では、上述したアノード触媒もまたWGS触媒である。この任意選択の実施形態の別の態様では、WGS触媒は、電気化学式ポンプセパレータ150のアノード全体に、又は、電気化学式ポンプセパレータ150のアノードの一部分に被覆されてもよい。この任意選択の別の実施形態の別の態様では、WGS触媒は、電気化学式ポンプセパレータ150と同じハウジング内に配置されるので、電気化学式ポンプセパレータ150とWGS触媒との間に空気予熱式熱交換器125が配置されない。例えば、燃料排気流が、電気化学式ポンプセパレータ150のアノードに到達する前に、WGS反応器触媒のそばを通るように、WGS触媒を、電気化学式ポンプセパレータ150を含むハウジングのアノード室の表面に被覆することができる。WGS反応器触媒は、PtRu、Cu、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Pt、Pt-Ni、Ni、Fe-Cr、又はFe-Cr-Cuを含むことができる。WGS反応器触媒は、約200~450℃、例えば200~250℃の動作温度を有することができ、この温度は、一酸化炭素及び水の、利用可能な水素(プラス廃物の二酸化炭素)への変換を最大にするために望ましい場合がある。
プロトン交換膜(PEM)セル
一酸化炭素(「CO」)は、多くの水素ポンプ材料にとって毒であり、ポンピング電圧(パワー)を大幅に増加させる。従来、Pt-Ruなどの二元系触媒は、プロトン交換膜(「PEM」、高分子電解質膜としても知られる)燃料電池のCO耐性のために使用され、100ppm未満のCO濃度で適切な性能を示す。しかしながら、このような触媒の性能は、CO濃度が高くなると大幅に低下する恐れがある。さらに、安定した性能を確保するためには、通常、エアブリードが必要である。
一酸化炭素(「CO」)は、多くの水素ポンプ材料にとって毒であり、ポンピング電圧(パワー)を大幅に増加させる。従来、Pt-Ruなどの二元系触媒は、プロトン交換膜(「PEM」、高分子電解質膜としても知られる)燃料電池のCO耐性のために使用され、100ppm未満のCO濃度で適切な性能を示す。しかしながら、このような触媒の性能は、CO濃度が高くなると大幅に低下する恐れがある。さらに、安定した性能を確保するためには、通常、エアブリードが必要である。
図1,2,3A,3Bのシステムなどの燃料電池システムは、燃料として使用される天然ガスの水蒸気改質からの改質物など、かなりの割合のCOを含む燃料電池燃料排気流を生成する可能性がある。例えば、燃料排気のCO濃度は、150から900ppmなど、100ppmを超える場合がある。
従って、本開示の様々な実施形態は、100ppmを超えるCO濃度を有する水素含有ガスが供給される場合に、水素ポンプとして安定して動作することができる膜電極接合体(MEA)を含むPEMセルを提供する。
図4は、本開示の様々な実施形態による、PEM電気化学セル400の断面図である。PEMセル400の1つ又は複数が、図1,2,及び3Aのポンプセパレータ150に含まれ得る。
図4を参照すると、PEMセル400は膜電極接合体(MEA)410を含むことができ、これはフローフィールドプレート402(例えば、バイポーラプレート)の間に配置することができる。MEA410は、アノード420とカソード430との間に配置される高分子電解質膜440を含み得る。いくつかの実施形態では、アノード420は、アノードガス拡散層(GDL)426を含むことができ、カソード430は、カソードGDL436を含むことができる。アノードGDL426は、水素含有ガス、例えば、図3Aに示されるSOFCスタック101からの燃料電池燃料排気流を、アノード420に分布させるように構成することができる。カソードGDL436は、アノード420から電解質膜440を通ってカソード430に拡散した水素を収集するように構成することができる。
以下でより詳細に論じられるように、アノード420はアノードGDL426上に堆積される(例えば、積載される及び/又は被覆される)触媒粒子の1つ又は複数の層を含むことができ、カソード430はカソードGDL436上に堆積される(例えば、積載される及び/又は被覆される)触媒粒子の1つ又は複数の層を含むことができ、それぞれのガス拡散電極(GDE)を形成する。従って、アノード420は、ガス拡散アノード420と呼ばれることがあり、カソード430は、ガス拡散カソード430と呼ばれることがある。あるいは、アノード及び/又はカソード触媒粒子層は、アノードGDL426及びカソードGDL436の代わりに、膜440上に堆積され得、及び/又は、膜440と、アノードGDL426及びカソードGDL436の少なくとも1つとの両方の上に堆積され得る。
フローフィールドプレート402は、水素含有ガスをアノードGDL426に供給するように構成された入口フローフィールド404、及び、カソードGDL436から水素ガスを受け入れるように構成された出口フローフィールド406を含み得る。特に、入口フローフィールド404及び/又は出口フローフィールド406は、アノード及びカソードGDL426、436と共に、膜440での圧力及び/又は反応物質濃度を制御するように構成されたフローチャネルを含み得る。
アノード及びカソードGDL426、436は、物質移動損失を低減し、高い電気伝導率を提供し、そして水輸送を効果的に管理するように構成された材料で形成され得る。例えば、アノード及びカソードGDL426、436は、電気伝導性及び効果的な物質移動を提供するために、多孔質カーボン材料、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト、又はそれらの組み合わせなどの多孔質のベース材料を含み得る。アノード及び/又はカソードGDL426、436はまた、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの疎水性材料を含み得る。例えば、アノードGDL426のベース材料に、約5重量パーセント(「wt%」)から約50wt%、例えば、約10wt%から約30wt%のPTFEを充填することができる。
いくつかの実施形態では、アノード及びカソードGDL426、436は、任意選択で、微多孔質層の形態であるか、又はそれを含み得る。様々な実施形態において、アノード及びカソードGDL426、436は、アノード420及びカソード430の機能に合うように、複数の積み重ねられた層を含み得る。アノード及びカソードGDL426、436は、製造プロセスの要件に従って、シート、ロール、ホイルなどから形成することができる。
いくつかの実施形態では、アノード420は、膜440の方に向くアノードGDL426の表面上に堆積された微多孔質層428を含み得る。微多孔質層428は、PTFEなどの疎水性材料、又は疎水性材料とカーボンブラックなどの導電性材料との混合物を含み得る。微多孔質層428は、アノード水分管理を改善するように構成され得る。いくつかの実施形態では、アノード420は、アノードGDL426、微多孔質層428、及び単一のアノード層(例えば、単一のアノード触媒層)422又は424を含み得る。別の実施形態では、カソード430は、アノードの微多孔質層428に加えて、又はアノードの微多孔質層428の代わりに、微多孔質層を含むことができる。
膜440は、プロトン交換膜などの任意の適切なプロトン伝導膜を含み得る。膜440は、Nafion(登録商標)のブランド名で販売されている化学式:C7HF13O5S.C2F4を有するスルホン化テトラフルオロエチレンベースのフルオロポリマー共重合体などのアイオノマーを含み得る。あるいは、膜440は、ポリリン酸及びポリベンゾイミダゾールポリマーを含むポリベンゾイミダゾール(PBI)系リン酸膜などのリン酸膜を含むことができ、プロトン伝導性酸化物は、LaPO4などのリン酸塩、固体酸(リン酸二水素セシウム、CsH2PO4など)、及び、BaCeYO(BCO)、BaZrYO(BZO)、LaSrPO、BaCaNbO(BCN)、LaCaNbO、又はLaBaGaO(LBGO)のような、ペロブスカイト型のセレート、ニオブ酸塩、リン酸塩、没食子酸塩又はジルコン酸塩などの特定のペロブスカイト(ABO3)材料、その全体が参照により本明細書に組み込まれるChem.Soc.Rev.,2010,39,4370-4387に記載のものを含む。
PEMセル400は、水素ポンピングモードで(すなわち、電解槽として)動作させることができ、この場合、外部電圧ポテンシャルがアノード420とカソード430との間に印加され、一方、燃料排気がアノード側に供給されて、プロトンと電子に解離することができる。電子は、外部からカソード430に送られ、プロトンは、膜440を通ってカソード430に輸送(すなわち、ポンプ輸送)され得、そこで、水素イオンが電子と再結合し、水素が発生する。
セル400に供給される燃料電池排気は、100ppmを超えるCO濃度を有する可能性がある。従って、MEA410は、そのようなCO濃度に耐えるように構成され得る。特に、アノード420は、エアブリードを利用する必要なしに、100ppmを超えるCO濃度への長期間の曝露に耐えるように構成され得る。しかしながら、必要に応じて、アノード420に供給される燃料排気にエアブリードを追加することができる。
様々な実施形態によれば、アノード420及び/又はカソード430は、1つ又は複数の触媒金属、例えば、Pt、Ru、Ni、Rh、Mo、Co、Ir、Fe、及び/又は、3d軌道が部分的に満たされた他のdブロック金属を含む触媒粒子を含み得る。例えば、触媒粒子は、Ag、Al、Au、Co、Cr、Cu、Fe、Ir、Mo、Ni、Pd、Pt、Ru、Rh、W、Zn、又はそれらの任意の組み合わせを含む元素金属又は合金を含み得る。例えば、アノード触媒粒子は、Pt-Ru、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Pt-Ni、Fe-Cr、又はFe-Cr-Cuなどの合金触媒を含み得る。
触媒粒子はそれぞれ、単一の触媒金属、又は触媒金属の合金を含むことができる。いくつかの実施形態では、アノードは、異なる触媒金属及び異なる粒子サイズを含み得る触媒粒子を含むことができる。例えば、触媒粒子は、平均粒子サイズが数ナノメートルからミクロン未満の範囲であってよい。いくつかの実施形態では、触媒粒子は、触媒効率を改善し、コストを削減するために、触媒金属シェルと、コアとして異なる(例えば、より安価な)金属又は材料を備えたコア-シェル構造を含み得る。
いくつかの実施形態では、アノード420は、水素ポンピング(例えば、プロトン生成)のための一次触媒としてPtを含むことができ、COの酸化及びCO2の逆水性ガスシフト反応の抑制を促進するための二次触媒としてRu、Ni、Rhなどを含むことができる。
アノード420及び/又はカソード430は、触媒粒子を担持し得る1つ又は複数の担体材料を含むことができる。触媒担体材料は、触媒担持量の低減、電気伝導率の増加、及び電極印刷特性の向上を提供するように選択することができる。一般的な担体材料は、カーボンブラック(例えば、Vulcan XC 72R炭素粉末、又はケッチェンブラック粉末)、黒鉛粉末、グラフェン、カーボンナノチューブ(CNT)、ナノホーン、カーボンファイバー、カーボンウィスカーなどの炭素系材料を含み得る。他の実施形態では、触媒担体材料は、W、Ti、Moなどの金属の炭化物、酸化物、及び窒化物などの非炭素系材料を含み得る。
いくつかの実施形態では、アノード及びカソード420、430は、約0.05mg/cm2から約3mg/cm2、例えば、約0.1mg/cm2から約2mg/cm2の範囲の触媒粒子担持量を有し得る。特に、アノード420は、約0.1mg/cm2から約3mg/cm2、例えば、約0.1mg/cm2から約2mg/cm2の触媒粒子担持量を有し得る。カソード430は、約0.05mg/cm2から約1mg/cm2、例えば、約0.05mg/cm2から約0.5mg/cm2の範囲の触媒粒子担持量を有し得る。
様々な実施形態において、アノード420及び/又はカソード430は、結合剤を含み得る。例えば、結合剤は、PTFEなどの疎水性結合剤及び/又はNafion(登録商標)などのアイオノマー結合剤を含み得る。アノード420及び/又はカソード430は、約5wt%から約50wt%、例えば、約10wt%から約40wt%、又は約10wt%から約30wt%の結合剤又は結合剤の組み合わせを含み得る。
様々な実施形態によれば、アノード420は、単層を含み得るか、又は2、3、又はそれより多い層を含む多層アノードであり得る。例えば、図4に示されるように、アノード420は、アノードGDL426に接触し、COの電気化学的酸化に優先的に触媒作用を及ぼしてCO2を形成するように構成された第1の触媒粒子を含む第1のアノード層422(例えば、第1のアノード触媒副層)と、膜440に接触し、H2からの水素イオン(すなわち、プロトン)の生成に優先的に触媒作用を及ぼすように構成された第2の触媒粒子を含む第2のアノード層424(例えば、第2のアノード触媒副層)とを含む二層構成を有し得る。
第1のアノード層422は、アノードGDL426に結合され得、一方、第2のアノード層424(例えば、第2の副層)は、二層アノード420においては膜440に結合され得る。追加のアノード層がアノード420内に存在する場合には、第1のアノード層422は、一般に、第2のアノード層424とアノードGDL426との間に配置され、一方、第2のアノード層424は、一般に、第1のアノード層422と電解質膜440との間に配置される。
いくつかの実施形態では、第1のアノード層422は、第2のアノード層424よりも多い触媒粒子担持量を有し得る。いくつかの実施形態では、第1及び第2のアノード層422、424における触媒粒子担持量は、膜440に垂直な厚さ方向において変化し得る。
様々な実施形態において、第1のアノード層422は、第1の触媒粒子及びPTFEなどの疎水性結合剤を含み得る。疎水性結合剤は、第1のアノード層422の含水量を制御するように構成され得る。例えば、第1のアノード層422は、約5wt%から約50wt%、例えば、約10wt%から約40wt%、又は約10wt%から約30wt%の、PTFEなどの疎水性結合剤を含み得る。
第1の触媒粒子は、上述の触媒金属又は金属合金を含み得る。例えば、第1の触媒粒子は、約60:40から約40:60の範囲、又は約50:50のPt:Ru原子比を有するPt-Ru合金粒子を含み得る。いくつかの実施形態では、第1のアノード層422は、約0.3mg/cm2から約1.2mg/cm2、例えば約0.8mg/cm2から約1.2mg/cm2、約0.9mg/cm2から約1.1mg/cm2の範囲、又は約1mg/cm2の担持量で、Pt-Ru合金粒子などの第1の触媒粒子を含み得る。
第1のアノード層422は、例えば、水性ガスシフト反応を介して一酸化炭素を優先的に酸化するように構成され得る。従って、第1のアノード層は、第2のアノード層424のCO被毒を低減するように構成され得る。
第2のアノード層424は、第1の触媒粒子とは異なる組成を有する第2の触媒粒子及びアイオノマー結合剤を含み得る。第2の触媒粒子は、上述の触媒金属又は金属合金を含み得る。例えば、第2の触媒粒子は、約55:45から約70:30の範囲、又は約66:33のPt:Ru原子比を有するPt-Ru合金粒子を含み得る。一実施形態において、第1及び第2のアノード層の両方がPt-Ru合金触媒粒子を含む場合には、第2のアノード層424内のPt-Ru触媒粒子は、第1のアノード層422内のPt-Ru触媒粒子よりも高いPt:Ru原子比を有し得る。第2のアノード層424は、Nafion(登録商標)などのアイオノマー結合剤を含み得る。しかしながら、本開示は、特定のアイオノマー結合剤に限定されない。様々な実施形態において、第2のアノード層424は、約0.3mg/cm2から約1.2mg/cm2、例えば約0.5mg/cm2から約0.9mg/cm2、約0.6mg/cm2から約0.8mg/cm2の範囲、又は約0.7mg/cm2の担持量で、Pt-Ru合金粒子などの第2の触媒粒子を含み得る。
いくつかの代替の実施形態では、第1及び第2のアノード層422、424は、同様のPt:Ru原子比又は同じPt:Ru原子比を有する触媒粒子を含み得る。例えば、第1及び第2のアノード層422、424は、約80:20から約20:80、又は約70:30から約30:70などの、約90:10から約10:90の範囲のPt:Ru原子比を有する触媒粒子を含み得る。
カソード430は、カソードGDL436と膜440との間に配置された第3の触媒層432を含み得る。第3の触媒層432は、第3の触媒粒子及びアイオノマー結合剤を含み得る。第3の触媒粒子は、上述の触媒金属又は金属合金を含み得る。例えば、第3の触媒粒子は、Pt又はPt合金を含み得る。第3の触媒層432はまた、上述の、炭素系材料又は金属酸化物、窒化物、又は炭化物材料を含む触媒担体を含み得る。いくつかの実施形態では、第3の触媒層432は、炭素系材料によって担持され、Nafion(登録商標)などのアイオノマー結合剤で結合されたPt触媒粒子を含み得る。第3の触媒層432は、Pt粒子などの第3の触媒粒子を、約0.025mg/cm2から約0.75mg/cm2、例えば約0.05mg/cm2から約0.5mg/cm2の範囲の担持量で含み得る。
カソード430とアノード420との間に電圧ポテンシャルが印加されると、第2のアノード層424、膜440、及びカソード430は、水素ポンプとして動作するように構成され得る。特に、第2のアノード層424で生成された水素イオンは、アノード420とカソード430との間に印加された電位差によって膜440を通って輸送され得、次いで、水素イオンは、カソード430で再結合されて水素ガス(H2)を生成し得る。
他の実施形態では、アノード420は、第1の触媒粒子、第2の触媒粒子、アイオノマー、及びPTFEを含む単層構造を含み得る。例えば、アノード420は、微多孔質層428と、微多孔質層428と膜440との間に配置された単一の触媒層(422又は424)とを含み得る。第1の触媒粒子と第2の触媒粒子の相対量は、膜440の平面に垂直な方向にとったアノード420の厚さ方向において、0:1から1:0まで変化する。例えば、アノード420は、アノードGDL426に近接して第1の触媒粒子の相対的に高い濃度を、膜440に近接して第1の触媒粒子の相対的に低い濃度を有し得、アノード420は、膜440に近接して第2の触媒粒子の相対的に高い濃度を、アノードGDL426に近接して第2の触媒粒子の相対的に低い濃度を有し得る。換言すれば、アノード420内のPt及びRuの相対量は、アノード420がアノードGDL426に近接してより低いPt:Ru比を、膜440に近接してより高いPt:Ru比を有するように、アノード420の厚さ方向において変化し得る。例えば、いくつかの実施形態では、Pt:Ru比は、厚さ方向において90:10から10:90の範囲であり得る。
いくつかの実施形態では、アイオノマーとPTFEの相対量は、膜440の平面に垂直な方向にとったアノード420の厚さ方向において、0:1から1:0まで変化し得る。いくつかの実施形態では、アノード420は50:50の重量比のアイオノマー及びPTFEを含み得る。アイオノマーとPTFEは、二重結合剤として一緒に結合され得る。アノード420は、任意選択で、PTFE及び/又はアイオノマーを含む微多孔質層を含み得る。
様々な実施形態では、アノード420及び/又はカソード430の触媒層422、424及び432の少なくとも1つは、それぞれ、対応するアノード及び/又はカソードインクをそれぞれのアノード及びカソードGDL426、436上に堆積させて形成され、それぞれのGDEを形成することができる。微多孔質層428が存在する場合には、アノード触媒層422及び/又は424は、微多孔質層428上に堆積され得る。あるいは、インクは、膜440上に堆積され得、及び/又は、インクは、膜440及びそれぞれのGDL426、436(又は、アノードGDL426上に存在する場合、微多孔質層428)の両方の上に堆積され得る。インクはそれぞれ、触媒粒子、結合剤、及び溶媒を含み得る。アノード及びカソードインクは、例えば、対応するアノード又はカソードGDL426、436、微多孔質層428及び/又は膜440などの基材上にインクをロールコーティング、印刷、又は噴霧することによって堆積され得る。
様々な実施形態において、アノード及びカソードインクは熱処理されて、触媒粒子及び/又はその結合剤を結合し、触媒粒子を焼結し、及び/又は対応するアノード及びカソードインクに含まれる溶媒を除去して、それにより、アノード420及びカソード430の触媒層422、424、及び432をそれぞれ形成することができる。熱処理は、所望の電極構造を形成するために、約60℃から約400℃の間、例えば、約250℃から約400℃の間の範囲の温度で実施することができる。
例えば、カソード430触媒層432及び第2のアノード層424を形成するために使用されるインクなどの、アイオノマーを含む結合剤を含む電極インクは、約60℃から約70℃など、約50℃から約80℃の範囲の温度で熱処理することができる。第1のアノード層422を形成するために使用されるインクなどの、PTFEを含む結合剤を含む電極インクは、約300℃から約400℃など、約280℃から約420℃の範囲の温度で熱処理することができる。アイオノマーとPTFEなどの二重結合剤を含む電極インクでは、熱処理は、約250℃から約400℃など、約230℃から約420℃の範囲の温度で実施することができる。
例えば、PTFE結合剤を含む第1のアノード層422は、アノードGDL426(又は存在する場合は微多孔質層428)上に堆積され、次いで、約300℃から約400℃など、約280℃から約420℃の相対的に高い第1の温度で熱処理され得る。熱処理後、第2のアノード層424は、第1のアノード層422上に堆積され得、次いで、第1の温度よりも低い、相対的に低い第2の温度で熱処理され得る。第2の温度は、約60℃から約70℃など、約50℃から約80℃であってよい。その後、2つのアノード層(422及び424)を含むアノードGDL426は、第2のアノード層424が電解質膜440に面する(例えば、接触する)ように、電解質膜440に結合される(例えば、ホットプレスされる)。
様々な実施形態において、熱処理は、不活性雰囲気中で実行され得る。他の実施形態において、熱処理は、触媒粒子を活性化するために、活性雰囲気(例えば、還元性又は酸化性雰囲気)中で実施され得る。
いくつかの実施形態において、アイオノマー及び/又はPTFEなどの結合剤は、結合剤が触媒粒子を通って浸透し、三相界面を増加させるように、触媒粒子層の上面に噴霧され得る。結合剤の一部は、触媒粒子層の上面に残り、その後に堆積されるアノード副層との適合性を高める適合性層を形成し得る。例えば、第2のアノード層424は、アイオノマーを触媒層上に堆積させることによって形成することができ、その結果、アイオノマーの一部は、適合性層を形成して、その後その上に形成又は配置され得る第1のアノード層422との接着を高める。
いくつかの実施形態において、カソード430及び第2のアノード層424などの、結合剤としてアイオノマーを含む電極層は、別個の支持体上に製造され得る。第2のアノード層424は、第1のアノード層422がアノードGDL426(又は、もし存在すればアノードGDL426上の微多孔質層428)に結合された後、支持体から除去され、デカール積層法によって第1のアノード層422に張りつけ/結合され得る。他の実施形態では、第2のアノード層424は、支持体から除去され、デカール積層法によって膜440に張りつけ/結合され得る。いくつかの実施形態では、カソード430は、支持体から除去され、デカール積層法によってカソードGDL436に張りつけ/結合され得る。
他の実施形態では、第2のアノード層424及び/又はカソード430触媒層432は、それらのそれぞれの支持体から除去され、膜440の対向する両側に結合され得る。第1のアノード層422は、アノードGDL426に結合され、次いで、アノードGDL426を膜440上に配置することによって第2のアノード層424上に配置され得、カソードGDL436は、カソード430触媒層432上に配置され得る。
他の実施形態では、アノード420は、第2のアノードインクを膜440上に堆積させ、次に第2のアノードインクを乾燥及び焼結して第2のアノード層424(これは膜440に結合され得る)を形成することによって形成され得る。第1のアノードインクは、第2のアノード層424上又はアノードGDL426のアノード側(又は存在する場合は微多孔質層428)に堆積され得、次いで乾燥及び焼結されて第1の触媒層422を形成し得、これは第2のアノード層424又はアノードGDL426に結合され得る。カソード430触媒層432は、カソードGDL436上又は膜440のカソード側にカソードインクを堆積させることによって形成され得る。
様々な実施形態において、セル400は、MEA410の対向する両側に配置されたガスケット450を含み得る。例えば、ガスケット450は、フローフィールドプレート402に形成された溝に配置され得る。ガスケット450は、PTFE、エチレンプロピレンジエンモノマー(EPDM)ゴム、シリコン、フッ素化シリコン、フッ素ゴム、フッ素化炭素系合成ゴムなどで形成することができる。ガスケット450は、フラットガスケットであり得るか、又は液体射出成形プロセスなどを使用してガスケット材料を投与することによって形成され得る。
様々な実施形態において、MEA410は、1つ又は複数の任意選択のサブガスケット452を含み得る。サブガスケット452は、膜440上に配置され得、膜440の活性領域を少なくとも部分的に画定するように構成され得る。サブガスケット452は、膜440に結合された単層又は多層構造であってよい。例えば、サブガスケット452は、膜440及び/又はアノード及びカソード420、430に機械的に結合、熱的に結合、又は接着結合され得る。サブガスケット452は、動作条件下でガスケット450及び膜440と適合性のある材料で形成されるべきである。例えば、サブガスケット452は、PTFE、ポリアミド、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンナフタレート、ポリスルホン、ポリスーパースルホン、ポリエチレンテレフタレートなどで形成され得る。サブガスケット452の厚さは、膜440、アノード及びカソードGDL426、436、アノード420、カソード430、及びガスケット450の厚さなど、MEA410の他の要素の厚さと併せて決定することができる。
様々な実施形態において、MEA410は、組み立てられ、次いでホットプレスされて、膜440、アノード420、カソード430、アノード及びカソードGDL層426、436、及び/又はサブガスケット452を結合することができる。ホットプレスは、膜440ならびにアノード及びカソードGDL426、436の特性を損なうことなく、MEA410の層を結合するのに十分な温度及び圧力で実施することができる。例えば、MEA410は、約40℃から約160℃、例えば、約60℃から約140℃の範囲の温度、及び約15kg/cm2から約75kg/cm2、例えば、約25kg/cm2から約60kg/cm2の範囲の圧力でホットプレスされ得る。ホットプレスは、約30秒から約15分、例えば、約1分から約10分の範囲の持続時間で実施することができる。いくつかの実施形態において、ホットプレスは、膜の安定性を改良するために、膜440をナトリウム形態に変換するように構成され得る。
図5は、本開示の様々な実施形態による、電気化学セルスタック500を含むポンプセパレータ150の断面図である。図5を参照すると、スタック500は、ポンプセパレータ150のハウジングの内側に配置され得、図4に示されるように、フローフィールドプレート402によって分離されたMEA410を含み得る。さらに、スタック500は、スタック500の対向する両端に配置されたMEA410上に配置されるエンドプレート408を含むことができる。エンドプレート408は、エンドプレート408がそれぞれ、入口フローフィールド404又は出口フローフィールド406のみを含むことを除いて、フローフィールドプレート402と同様であってよい。
電圧源又は電流源502は、スタック500に電気的に接続され得る。特に、電圧源又は電流源502は、エンドプレート408に電気的に接続することができ、MEA410に電圧ポテンシャル又は電流を印加するように構成することができる。
図6は本開示の様々な実施形態による、膜電極接合体(MEA)を形成する方法600を示す。610で、方法600は、アノードガス拡散層(GDL)上に第1のアノードインクを堆積させる。このアノードインクは第1の触媒粒子及び第1の結合剤を含む。次に、620で、方法600は、第1のアノードインクを熱処理して、アノードGDLに結合された第1のアノード層を形成する。最後に、方法600は、630で、アノードGDLをプロトン交換膜のアノード側にホットプレスする。
方法630は、さらに、カソードGDL上又はプロトン交換膜のカソード側にカソードインクを堆積させ、カソードインクはカソード触媒粒子及びカソード結合剤を含み、カソードインクを熱処理して、カソードGDL又はプロトン交換膜のカソード側に結合されるカソード層を形成し、カソードGDLをプロトン交換膜のカソード側にホットプレスする。
方法600は、さらに、ホットプレスするステップの前に、第1のアノード層上又はプロトン交換膜のアノード側に第2のアノードインクを堆積させる。第2のアノードインクは第2の触媒粒子及び第2の結合剤を含み、第2のアノードインクを熱処理して、第1のアノード層又はプロトン交換膜のアノード側に結合された第2のアノード層を形成することができる。ここで、第1の触媒粒子は、一酸化炭素の酸化に優先的に触媒作用を及ぼすように構成され、第2の触媒粒子は、水素イオンの生成に優先的に触媒作用を及ぼすように構成される。
いくつかの例において、第2のアノード層は第1のアノード層と膜との間に位置し、第1の触媒粒子は第1のPt-Ru合金を含み、第2の触媒粒子は第1のPt-Ru合金より高いPt:Ru比を有する第2のPt-Ru合金を含み、第1の結合剤はポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を含み、第2の結合剤はアイオノマーを含み、第1のアノード層は、第1の触媒粒子を約0.8mg/cm2から約1.2mg/cm2の範囲の担持量で含み、第2のアノード層は、第2の触媒粒子を約0.5mg/cm2から約0.9mg/cm2の範囲の担持量で含み、第1の触媒粒子の担持量は、第2の触媒粒子の担持量よりも多い。
本明細書に記載の燃料電池システム及び構成要素は、必要に応じて、他の実施形態及び構成を有することができる。必要に応じて、他の構成要素を追加することができる。さらに、任意の実施形態で説明され、及び/又は本明細書の任意の図で示される任意のシステム構成要素又は方法ステップは、そのような使用が明示的に説明されていない場合でも、上記の他の適切な実施形態のシステム及び/又は方法でも使用できることを理解されたい。
本発明の前述の説明は、例示及び説明の目的で提示された。網羅的であること、又は本発明を開示された正確な形態に限定することを意図するものではなく、上記の教示に照らして修正及び変形が可能であるか、又は本発明の実施から取得することができる。説明は、本発明の原理及びその実際の適用を説明するために選択された。本発明の範囲は、本明細書に添付された特許請求の範囲及びそれらの同等物によって定義されることが意図される。
Claims (23)
- イオン伝導性プロトン交換膜;
前記膜の第1の側に接触し、アノードガス拡散層(GDL)、疎水性結合剤、アイオノマー結合剤、第1の触媒粒子、及び第2の触媒粒子を含むアノード;及び
前記膜の第2の側に接触し、第3の触媒粒子及びカソードGDLを含むカソード、を含む一酸化炭素(CO)耐性膜電極接合体(MEA)であって、
前記第1の触媒粒子は、COの酸化に優先的に触媒作用を及ぼすように構成され、
前記第2の触媒粒子は、水素イオンの生成に優先的に触媒作用を及ぼすように構成される、一酸化炭素(CO)耐性膜電極接合体(MEA)。 - 前記アノードは、
前記第1の触媒粒子及び前記疎水性結合剤を含む第1のアノード層;及び
前記第2の触媒粒子及び前記アイオノマー結合剤を含む第2のアノード層を含み、
前記第2のアノード層は、前記第1のアノード層と前記膜との間に配置される、請求項1に記載のMEA。 - 前記第1の触媒粒子は、第1のPt-Ru合金を含み、
前記第2の触媒粒子は、前記第1のPt-Ru合金よりも高いPt:Ru比を有する第2のPt-Ru合金を含む、請求項2に記載のMEA。 - 前記第1のアノード層は前記アノードGDLに結合され、
前記第2のアノード層は、前記第1のアノード層及び前記膜に結合され、
前記第1のPt-Ru合金は、約60:40から約40:60の範囲のPt:Ru比を有し、
前記第2のPt-Ru合金は、約55:45から約70:30の範囲のPt:Ru比を有する、請求項3に記載のMEA。 - 前記第1のPt-Ru合金は、約50:50のPt:Ru比を有し、
前記第2のPt-Ru合金は、約66:33のPt:Ru比を有する、請求項3に記載のMEA。 - 前記疎水性結合剤は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を含み、
前記第1のアノード層は、前記第1の触媒粒子を約0.8mg/cm2から約1.2mg/cm2の範囲の担持量で含み、
前記第2のアノード層は、前記第2の触媒粒子を約0.5mg/cm2から約0.9mg/cm2の範囲の担持量で含み、
前記第1の触媒粒子の前記担持量は、前記第2の触媒粒子の前記担持量より多い、請求項2に記載のMEA。 - 前記カソードは、前記第3の触媒粒子を約0.025mg/cm2から約0.75mg/cm2の範囲の担持量で含む、請求項6に記載のMEA。
- 前記アノードは 、前記膜の方に向く前記アノードGDLの表面上に配置された微多孔質層をさらに含み、前記微多孔質層は、炭素材料及び疎水性材料を含む、請求項1に記載のMEA。
- 前記微多孔質層はカーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン(PTFE)との混合物を含む、請求項8に記載のMEA。
- 前記アノードは単層構造を有し、
前記アノードは、前記アノードGDLに近接して前記第1の触媒粒子の相対的に高い濃度を、前記膜に近接して前記第1の触媒粒子の相対的に低い濃度を有し、
前記アノードは、前記膜に近接して前記第2の触媒粒子の相対的に高い濃度を、前記アノードGDLに近接して前記第2の触媒粒子の相対的に低い濃度を有する、請求項1に記載のMEA。 - 前記第1の触媒粒子は、第1のPt-Ru合金を含み、
前記第2の触媒粒子は、前記第1のPt-Ru合金よりも高いPt:Ru比を有する第2のPt-Ru合金を含む、請求項10に記載のMEA。 - 前記疎水性結合剤は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を含み、
前記アノードは、前記アノードGDLに近接して相対的に高いPTFE濃度を、前記膜に近接して前記PTFEの相対的に低いPTFE濃度を有し、
前記アノードは、前記膜に近接して前記アイオノマー結合剤の相対的に高い濃度を、前記アノードGDLに近接して前記アイオノマー結合剤の相対的に低い濃度を有する、請求項10に記載のMEA。 - 前記カソードは、
前記第3の触媒粒子;
アイオノマー結合剤;及び
触媒担体を含む、請求項1に記載のMEA。 - 前記触媒担体は、炭素材料、金属酸化物、金属窒化物、又は金属炭化物を含み、
前記第3の触媒粒子は、Ptを含む、請求項13に記載のMEA。 - スタックに配置された複数の請求項1に記載のMEA;
前記複数のMEAの間に配置されたフローフィールドプレート;
前記スタックの対向する両端に配置されたエンドプレート;及び
前記エンドプレートに電気的に接続された電圧又は電流源を含む、電気化学式ポンプセパレータ。 - 請求項15に記載の電気化学式ポンプセパレータ;
固体酸化物形燃料電池スタック;
前記固体酸化物形燃料電池スタックの燃料入口に燃料を供給するように構成された燃料吸入導管;
前記固体酸化物形燃料電池スタックの燃料排気出口を前記電気化学式ポンプセパレータのアノード入口に動作可能に接続する燃料排気導管;及び
前記電気化学式ポンプセパレータのカソード出口を前記燃料吸入導管に動作可能に接続する生成物導管を含む、固体酸化物形燃料電池システム。 - アノードガス拡散層(GDL)上に第1のアノードインクを堆積させるステップであって、前記アノードインクは第1の触媒粒子及び第1の結合剤を含む、該ステップ;
前記第1のアノードインクを熱処理して前記アノードGDLに結合された第1のアノード層を形成するステップ;及び
前記アノードGDLをプロトン交換膜のアノード側にホットプレスするステップを含む、膜電極接合体(MEA)を形成する方法。 - カソードGDL上又は前記プロトン交換膜のカソード側にカソードインクを堆積させるステップであって、前記カソードインクはカソード触媒粒子及びカソード結合剤を含む、該ステップ;
前記カソードインクを熱処理して、前記カソードGDL又は前記プロトン交換膜の前記カソード側に結合されたカソード層を形成するステップ;及び
前記カソードGDLを前記プロトン交換膜の前記カソード側にホットプレスするステップをさらに含む、請求項17に記載の方法。 - 前記ホットプレスするステップの前に、
前記第1のアノード層上又は前記プロトン交換膜の前記アノード側に第2のアノードインクを堆積させるステップであって、前記第2のアノードインクは第2の触媒粒子及び第2の結合剤を含む、該ステップ;及び
前記第2のアノードインクを熱処理して、前記第1のアノード層又は前記プロトン交換膜の前記アノード側に結合された第2のアノード層を形成するステップをさらに含み、
前記第1の触媒粒子は、一酸化炭素の酸化に優先的に触媒作用を及ぼすように構成され、
前記第2の触媒粒子は、水素イオンの生成に優先的に触媒作用を及ぼすように構成される、請求項17に記載の方法。 - 前記第2のアノード層は、前記第1のアノード層と前記膜との間に位置し
前記第1の触媒粒子は、第1のPt-Ru合金を含み、
前記第2の触媒粒子は、前記第1のPt-Ru合金よりも高いPt:Ru比を有する第2のPt-Ru合金を含み、
前記第1の結合剤は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を含み、
前記第2の結合剤はアイオノマーを含み、
前記第1のアノード層は、前記第1の触媒粒子を約0.8mg/cm2から約1.2mg/cm2の範囲の担持量で含み、
前記第2のアノード層は、前記第2の触媒粒子を約0.5mg/cm2から約0.9mg/cm2の範囲の担持量で含み、
前記第1の触媒粒子の担持量は、前記第2の触媒粒子の担持量よりも多い、請求項19に記載の方法。 - 前記第1及び第2の触媒粒子は、約90:10から約10:90の範囲のPt:Ru比を有するPt-Ru合金を含む、請求項2に記載のMEA。
- 前記第1のアノード層は、前記第1の触媒粒子を約0.3mg/cm2から約1.2mg/cm2の範囲の担持量で含み;及び
前記第2のアノード層は、前記第2の触媒粒子を約0.3mg/cm2から約1.2mg/cm2の範囲の担持量で含む、請求項2に記載のMEA。 - 前記第1の触媒粒子の前記担持量は、前記第2の触媒粒子の前記担持量と同じである、請求項22に記載のMEA。
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