JP2017103214A - 燃料電池システムのアノード／カソードループにおけるアニオン捕捉剤材料 - Google Patents

燃料電池システムのアノード／カソードループにおけるアニオン捕捉剤材料 Download PDF

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Abstract

【課題】アニオン汚染物を除去するための部品を含む燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックにおける燃料電池アノードと連通している燃料ガス供給サブシステムと、燃料電池スタックにおける燃料電池カソードと連通している酸素含有ガス供給サブシステムと、燃料ガス供給サブシステムおよび／または酸素含有ガス供給サブシステムと連通しているアニオン捕捉サブシステムとを含む。
【選択図】図４

Description

関連出願の相互参照
[0001]本出願は、２０１５年１０月２６日出願の米国仮出願第６２／２４６，２５４号の利益を請求し、その本開示がここで引用によってその全体として本明細書に援用される。
[0002]少なくとも１つの実施形態において、本発明は、アニオン汚染に起因する燃料電池における回復電圧損失のための方法およびシステムに関する。
[0003]燃料電池は多くの用途で電源として使用される。特に、燃料電池は内燃機関に代わって自動車で使用するために提案される。一般に使用される燃料電池設計は、固体高分子電解質（「ＳＰＥ」）膜またはプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）を使用して、アノードとカソードとの間のイオン輸送を提供する。
[0004]プロトン交換膜型燃料電池において、水素が燃料としてアノードに供給され、そして酸素が酸化剤としてカソードに供給される。酸素は純粋形（Ｏ２）かまたは空気（Ｏ２とＮ２の混合物）のいずれかであることができる。ＰＥＭ燃料電池は、固体高分子膜が一方の面にアノード触媒および反対側の面にカソード触媒を有する膜電極接合体（「ＭＥＡ」）を典型的に有する。典型的なＰＥＭ燃料電池のアノードおよびカソード層は、黒鉛織布、黒鉛化シートまたはカーボン紙などの多孔質導電材料で形成されて、燃料および酸化剤が、それぞれ燃料および酸化剤供給電極に面する膜の表面にわたって分散することを可能にする。各電極は、炭素粒子に担持される微細触媒粒子（たとえば、白金粒子）を有して、アノードで水素の酸化およびカソードで酸素の還元を促進する。プロトンはアノードからイオン伝導性高分子膜を通ってカソードに流動し、そこでそれらは酸素と結合して水を形成し、セルから排出される。ＭＥＡは一対の多孔質ガス拡散層（「ＧＤＬ」）間にはさみ込まれ、それらは次いで一対の非多孔質導電要素または板間にはさみ込まれる。板はアノードおよびカソードのための集電体として機能し、かつそれぞれのアノードおよびカソード触媒の表面にわたって燃料電池のガス状反応物を分布させるための、そこに形成される適切な流路および開口を含む。効率的に電気を生成するために、ＰＥＭ燃料電池の高分子電解質膜は、薄く、化学的に安定で、プロトン透過性で、非導電性で、かつガス不透過性でなければならない。典型的な用途において、燃料電池は、高レベルの電力を提供するために多くの個々の燃料電池スタックのアレイで設けられる。
[0005]先行技術の燃料電池システムはかなり十分に機能するとはいえ、ペルフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）型のＰＥＭ膜の化学劣化により硫酸塩が放出される可能性があることが知られている。加えて、空気からのＳＯ２が水に溶解され、そして亜硫酸塩と硫酸塩に変化される可能性がある。セル電圧損失に対して強い相関を示した硫酸塩は、回復サイクルの間に生成水へ放出される。それらの硫酸塩はアノード／カソードループにおけるアニオン交換材料に結合されることになり、したがってセルに戻って再循環されて急速な電圧損失を引き起こすことはないだろう。現在、運転時回復手順が、可逆劣化損失の問題を解決する唯一の有効な方法である。しかしながら、電極汚染を引き起こす硫酸塩および他のアニオンは、回復サイクルの間に完全にはシステムから外へ除去されないことがある。
[0006]したがって、アニオン汚染物からの燃料電池電圧損失を防止するための改善された方法およびシステムの必要がある。
[0007]本発明は、少なくとも１つの実施形態において、アニオン汚染物を除去するための部品を含む燃料電池システムを提供することによって先行技術の１つまたは複数の問題を解決する。燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックにおける燃料電池アノードと連通している燃料ガス供給サブシステムと、燃料電池スタックにおける燃料電池カソードと連通している酸素含有ガス供給サブシステムと、燃料ガス供給サブシステムおよび／または酸素含有ガス供給サブシステムと連通しているアニオン捕捉サブシステムとを含む。燃料ガス供給サブシステムが燃料電池アノードに燃料を提供する一方、酸素含有ガス供給サブシステムは燃料電池アノードに酸素含有ガスを提供する。燃料電池スタックにおける燃料電池は膜劣化を介して硫酸塩を放出し、それはアノード／カソードループへ放出される可能性があり、かつセルに戻って再循環されてそれによってさらなる電圧損失を引き起こすことがある。有利には、アニオン捕捉サブシステムは、アノードまたはカソード再循環ループから硫酸塩および他の汚染物（たとえば塩化物）を除去する。
[0008]別の実施形態において、アニオン汚染物を除去する燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックにおける燃料電池アノードと連通している燃料ガス供給サブシステムと、燃料電池スタックにおける燃料電池カソードと連通している酸素含有ガス供給サブシステムと、燃料ガス供給サブシステムと流体連通している第１のアニオン捕捉サブシステムと、酸素含有ガス供給サブシステムと流体連通している第２のアニオン捕捉サブシステムとを含む。燃料ガス供給サブシステムは燃料電池アノードに燃料を提供する。燃料ガス供給サブシステムはまた、燃料ガスが再循環されて燃料再結合ステーションで新しい燃料と統合されるアノードループを含む。同様に、酸素含有ガス供給サブシステムは燃料電池カソードに酸素含有ガスを提供する。酸素含有ガス供給サブシステムはまた、水が出口から加湿器による引込み乾性カソード酸素含有供給ガスに転送されるカソードループを含む。第１のアニオン捕捉サブシステムがアノード排出部と燃料再結合ステーションとの間に位置付けられる一方、第２のアニオン捕捉サブシステムはカソード排出部と燃料再結合ステーションとの間に位置付けられる。
[0009]アノードおよび／またはカソード触媒層へ炭素担持触媒を組み込む燃料電池の概略横断面である。 [0010]回復可能な電圧損失と燃料電池カソード排出水中の硫酸塩濃度の相関を図示するプロットである。 [0011]セル電圧損失とＢＯＰ材料浸出指数の相関のプロットを提供する。 [0012]アニオン汚染物を除去する燃料電池システムの概略図を提供する。
[0013]ここで、発明者が目下知っている本発明を実施する最良の形態を構成する本発明の目下好適な構成、実施形態および方法に詳細に参照がなされることになる。図は必ずしも一定の比率であるわけではない。しかしながら、開示される実施形態は単に、様々なかつ代替の形態で具体化されてもよい本発明の例示であることが理解されるべきである。したがって、本明細書に開示される具体的な詳細は、限定的とではなく、単に本発明の任意の態様のための代表的な基礎と、かつ／または当業者に本発明を様々に利用することを教示するための代表的な基礎と解釈されるべきである。
[0014]例において、または別途明示される場合を除いて、物量または反応および／もしくは使用の条件を示す本記載におけるすべての数量は、本発明の最も広い範囲を記載する際に単語「約」によって修飾されると理解されるべきである。規定される数値限度内での実施が一般に好適である。また、そうでない旨明示されない限り、パーセント、「の部」および比値は重量によっており、本発明に関連した所与の目的で適切または好適であるとの材料の群または種類の記載は、その群または種類の部材の任意の２つ以上の混合が等しく適切または好適であることを意味しており、化学用語での構成成分の記載は、その記載に明記される任意の化合物への追加の時点での構成成分を指すものであり、一旦混合されれば混合物の構成成分間の化学相互作用を必ずしも除外するわけではなく、頭字語または他の略語の最初の定義は、同じ略語の本明細書におけるすべてのその後の使用に適用され、かつ最初に定義した略語の通常の文法的変化に準用しており、さらに、そうでない旨明示されない限り、性質の測定値は、同じ性質に対してその前でまたは後で言及されるのと同じ技法によって求められる。
[0015]具体的な部品および／または条件がもちろん異なってもよいので、本発明は後述される具体的な実施形態および方法に限定されないことも理解されるべきである。さらにまた、本明細書で使用される術語は、本発明の特定の実施形態を記載する目的でのみ使用され、かついかなる形であれ限定的であるとは意図されない。
[0016]用語「備えている」は、「含んでいる」、「有している」、「含有している」または「を特徴とする」と同義である。これらの用語は包括的かつオープンエンドであり、かつ追加の、列挙されていない要素または方法ステップを除外しない。
[0017]句「から成っている」は、請求項に明記されていないいかなる要素、ステップまたは成分も除外する。この句が請求項の前文直後でなく、本体の節に現れるとき、それはその節に記載される要素のみを限定し、他の要素は請求項全体からは除外されない。
[0018]句「本質的に〜から成っている」は、請求項の範囲を明記される材料またはステップに加え、請求される主題の基本的かつ新規な特性に実質的に影響しないものに限定する。
[0019]用語「備えている」、「から成っている」および「本質的に〜から成っている」に関して、これらの３つの用語の１つが本明細書で使用される場合、本開示かつ請求される主題は、その他の２つの用語のいずれの使用も含むことができる。
[0020]本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「ある１つの」および「その」は、文脈が別途明示しない限り、複数の指示物を含むことも留意されなければならない。たとえば、単数での部品への言及は、複数の部品を含むものと意図される。
[0021]略語
[0022]「ＲＴ」は室温を意味する。
[0023]本出願の全体を通じて、公報が参照される場合、これらの公報の開示がそれらの全体としてここで引用によって本出願に援用され、本発明が属する現状技術をより完全に記載する。
[0024]図１は、アニオン汚染物が除去される燃料電池システムに組み込まれることができる燃料電池の横断面図を提供する。ＰＥＭ燃料電池１０は、カソード電気触媒層１４とアノード電気触媒層１６との間に設置される高分子イオン伝導膜１２を含む。燃料電池１０は、ガス流路２４および２６を含む導電流場板２０、２２も含む。流場板２０、２２は双極板（例示される）か、または単極板（すなわち、端板）かである。改良において、流場板２０、２２は、金または白金などの貴金属で任意選択で被覆される金属板（たとえば、ステンレス鋼）から形成される。別の改良において、流場板２０、２２は、やはり貴金属で任意選択で被覆される伝導性高分子から形成される。ガス拡散層３２および３４がまた、流場板と触媒層との間に介在される。動作の間、水素が燃料としてアノード触媒層１６に供給され、そして酸素が酸化剤としてカソード触媒層１４に供給され、それによってそこでの電気化学工程の結果として電気を生成する。しかしながら、燃料電池動作の１つの複雑化は、硫酸塩を放出することがある高分子イオン伝導膜の劣化である。加えて、空気からのＳＯ２が水に溶解され、そして亜硫酸塩と硫酸塩に変化される可能性がある。例として、表１は、最初の時間での燃料電池電圧（Ｖ１）および空気中のｐｐｂレベルのＳＯ２への曝露後の後の時間での燃料電池電圧（Ｖ２）を図示する。この表は、０．２Ａ／ｃｍ２で動作されているセルに対する周囲空気からのＳＯ２の影響を図示する。
Figure 2017103214
図２は、回復可能な電圧損失と燃料電池カソード排出水中の硫酸塩濃度の相関を図示するプロットを提供する。同様に、図３は、セル電圧損失とＢＯＰ材料浸出指数の相関のプロットを提供する。燃料電池性能に対する硫酸塩の有害な影響は明確には否定できない。
[0025]図４を参照して、アニオン汚染物を除去する燃料電池システムの概略図が提供される。燃料電池システム４０は、１つまたは複数の個々の燃料電池４４を含む燃料電池スタック４２を含む。改良において、燃料電池４４は、図１に描かれる全般的な設計およびその関連した記載によるものである。１つの改良において、燃料電池スタック４２は５から４００の燃料電池を含む。燃料電池システム４０は、燃料電池スタック４２における燃料電池アノードと連通している燃料ガス供給サブシステム４６、および燃料電池スタック４２における燃料電池カソードと連通している酸素含有ガス供給サブシステム４８も含む。
[0026]さらに図４を参照すると、燃料ガス供給サブシステム４６は、燃料電池スタック４２に、特に燃料電池アノードに燃料含有ガスを提供する燃料源５０を含む。典型的に、燃料は分子水素を含む。燃料は燃料電池スタックに入り、そして燃料電池アノード、特に燃料電池のアノード触媒層に接触する。いくつかの変形において、燃料ガス供給サブシステム４６は、燃料がアノード排出部５３から再循環されて燃料再結合ステーション５４で新しい燃料と統合されるアノードループ５２を含む。この状況において、アノードループ５２は、再結合ステーション５４から燃料電池スタックを通って、そして燃料再結合ステーション５４に戻る全流動経路を含む。
[0027]さらに図４を参照すると、酸素含有ガス供給サブシステム４８は、燃料電池スタック４２に酸素含有ガスを提供する酸素含有ガス源６０を含む。典型的に、酸素含有ガスは分子酸素（たとえば、空気）を含む。酸素含有ガスは燃料電池スタックに入り、そして燃料電池カソード、特に燃料電池のカソード触媒層に接触する。いくつかの変形において、酸素含有ガス供給サブシステム４８は、水が燃料電池カソードのカソード排出部６３から加湿器６４を介する引込み乾性カソード酸素含有供給ガス（たとえば、空気）に転送されるカソードループ６２を含む。この状況において、カソードループ６２は、加湿器６４から燃料電池スタックを通って、そして加湿器６４に戻る全流動経路を含む。
[0028]さらに図４を参照すると、燃料電池システム４０は、燃料ガス供給サブシステム４６および／または酸素含有ガス供給サブシステム４８と連通しているアニオン捕捉サブシステム６６および／または６８を含む。いくつかの変形において、燃料電池システム４０は、アニオン捕捉サブシステム６６および／または６８の一方または両方を含む。アニオン捕捉サブシステム６６および６８は、アノードまたはカソード再循環ループから硫酸塩および任意選択で他の汚染物を除去する。アニオン捕捉サブシステム６６は、アノード排出部５３と再結合ステーション５４との間でアノード再循環ループ５２に位置付けられる。同様に、アニオン捕捉サブシステム６８は、カソード排出部６３と加湿器６４との間でカソードループ６２に位置付けられる。加湿器６４は、乾性引込み酸素含有ガスを加湿するために、そのガスに燃料電池の湿性出力カソードガスに形成される水を転送する。したがって、加湿器は、アニオン汚染物が燃料電池スタックのカソード出口から通じてカソード入口に戻るための経路を提供する。改良において、アニオン捕捉サブシステム６６は、カソード出口と加湿器６４との間に位置付けられ、それによって酸素含有ガスに戻って通じるアニオン汚染物の量を低減させる。改良において、アニオン捕捉サブシステム６６および６８は、それぞれ燃料ガスおよび酸素含有ガス中のアニオン汚染物の少なくとも８０重量パーセントを各々独立して除去する。別の改良において、アニオン捕捉サブシステム６６および６８は、それぞれ燃料ガスおよび酸素含有ガス中のアニオン汚染物の少なくとも９０重量パーセントを各々独立して除去する。さらに別の改良において、アニオン捕捉サブシステム６６および６８は、それぞれ燃料ガスおよび酸素含有ガス中のアニオン汚染物の８０〜１００重量パーセントを各々独立して除去する。さらに別の改良において、アニオン捕捉サブシステム６６および６８は、それぞれ燃料ガスおよび酸素含有ガス中のアニオン汚染物の９０〜９８重量パーセントを各々独立して除去する。これらの重量百分率に関して、重量パーセントは、捕捉サブシステムへ流動するガスの重量である。
[0029]変形において、アニオン捕捉サブシステム６６および６８は、水酸化物（ＯＨ−）形態でアニオン交換樹脂またはアイオノマー（共通の官能基：四級アンモニウム）を含む。樹脂は使用前にいかなる汚染も除去するために洗浄されることができることが認識されるべきである。その上、樹脂は稼働中に再生または交換されることができる。
[0030]表２および３は、水酸化物形態のＡｍｂｅｒｌｙｓｔ（登録商標）Ａ２６であった試験アニオン交換樹脂に対する平衡状態での測定されたアニオン除去百分率を提供する。
Figure 2017103214
Figure 2017103214
溶液中のアニオンの過当競争があると、アニオン交換樹脂が硫酸塩に対する高い選択性を有することが観察される。その上、３日にわたる異なる温度条件下でアニオン除去能力に有意差は観察されなかった。
[0031]例示的な実施形態が上記記載されるが、これらの実施形態が本発明のすべての可能な形態を記載するとは意図されない。むしろ、本明細書で使用される文言は限定よりむしろ説明の文言であり、そして本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく様々な変更がなされてもよいことが理解される。追加的に、様々な実装実施形態の特徴が組み合わされて本発明のさらなる実施形態を形成してもよい。
１０ ＰＥＭ燃料電池
１２ 高分子イオン伝導膜
１４ カソード電気触媒層
１６ アノード電気触媒層
２０ 導電流場板
２２ 導電流場板
２４ ガス流路
２６ ガス流路
３２ ガス拡散層
３４ ガス拡散層
４０ 燃料電池システム
４２ 燃料電池スタック
４４ 燃料電池
４６ 燃料ガス供給サブシステム
４８ 酸素含有ガス供給サブシステム
５０ 燃料源
５２ アノードループ、アノード再循環ループ
５３ アノード排出部
５４ 燃料再結合ステーション
６０ 酸素含有ガス源
６２ カソードループ
６３ カソード排出部
６４ 加湿器
６６ アニオン捕捉サブシステム
６８ アニオン捕捉サブシステム
関連出願の相互参照
[0001]本出願は、２０１５年１０月２６日出願の米国仮出願第６２／２４６，２５４号の利益を請求し、その本開示がここで引用によってその全体として本明細書に援用される。
[0002]少なくとも１つの実施形態において、本発明は、アニオン汚染に起因する燃料電池における回復電圧損失のための方法およびシステムに関する。
[0003]燃料電池は多くの用途で電源として使用される。特に、燃料電池は内燃機関に代わって自動車で使用するために提案される。一般に使用される燃料電池設計は、固体高分子電解質（「ＳＰＥ」）膜またはプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）を使用して、アノードとカソードとの間のイオン輸送を提供する。
[0004]プロトン交換膜型燃料電池において、水素が燃料としてアノードに供給され、そして酸素が酸化剤としてカソードに供給される。酸素は純粋形（Ｏ２）かまたは空気（Ｏ２とＮ２の混合物）のいずれかであることができる。ＰＥＭ燃料電池は、固体高分子膜が一方の面にアノード触媒および反対側の面にカソード触媒を有する膜電極接合体（「ＭＥＡ」）を典型的に有する。典型的なＰＥＭ燃料電池のアノードおよびカソード層は、黒鉛織布、黒鉛化シートまたはカーボン紙などの多孔質導電材料で形成されて、燃料および酸化剤が、それぞれ燃料および酸化剤供給電極に面する膜の表面にわたって分散することを可能にする。各電極は、炭素粒子に担持される微細触媒粒子（たとえば、白金粒子）を有して、アノードで水素の酸化およびカソードで酸素の還元を促進する。プロトンはアノードからイオン伝導性高分子膜を通ってカソードに流動し、そこでそれらは酸素と結合して水を形成し、セルから排出される。ＭＥＡは一対の多孔質ガス拡散層（「ＧＤＬ」）間にはさみ込まれ、それらは次いで一対の非多孔質導電要素または板間にはさみ込まれる。板はアノードおよびカソードのための集電体として機能し、かつそれぞれのアノードおよびカソード触媒の表面にわたって燃料電池のガス状反応物を分布させるための、そこに形成される適切な流路および開口を含む。効率的に電気を生成するために、ＰＥＭ燃料電池の高分子電解質膜は、薄く、化学的に安定で、プロトン透過性で、非導電性で、かつガス不透過性でなければならない。典型的な用途において、燃料電池は、高レベルの電力を提供するために多くの個々の燃料電池スタックのアレイで設けられる。
[0005]先行技術の燃料電池システムはかなり十分に機能するとはいえ、ペルフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）型のＰＥＭ膜の化学劣化により硫酸塩が放出される可能性があることが知られている。加えて、空気からのＳＯ２が水に溶解され、そして亜硫酸塩と硫酸塩に変化される可能性がある。セル電圧損失に対して強い相関を示した硫酸塩は、回復サイクルの間に生成水へ放出される。それらの硫酸塩はアノード／カソードループにおけるアニオン交換材料に結合されることになり、したがってセルに戻って再循環されて急速な電圧損失を引き起こすことはないだろう。現在、運転時回復手順が、可逆劣化損失の問題を解決する唯一の有効な方法である。しかしながら、電極汚染を引き起こす硫酸塩および他のアニオンは、回復サイクルの間に完全にはシステムから外へ除去されないことがある。
[0006]したがって、アニオン汚染物からの燃料電池電圧損失を防止するための改善された方法およびシステムの必要がある。
[0007]本発明は、少なくとも１つの実施形態において、アニオン汚染物を除去するための部品を含む燃料電池システムを提供することによって先行技術の１つまたは複数の問題を解決する。燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックにおける燃料電池アノードと連通している燃料ガス供給サブシステムと、燃料電池スタックにおける燃料電池カソードと連通している酸素含有ガス供給サブシステムと、燃料ガス供給サブシステムおよび／または酸素含有ガス供給サブシステムと連通しているアニオン捕捉サブシステムとを含む。燃料ガス供給サブシステムが燃料電池アノードに燃料を提供する一方、酸素含有ガス供給サブシステムは燃料電池カソードに酸素含有ガスを提供する。燃料電池スタックにおける燃料電池は膜劣化を介して硫酸塩を放出し、それはアノード／カソードループへ放出される可能性があり、かつセルに戻って再循環されてそれによってさらなる電圧損失を引き起こすことがある。有利には、アニオン捕捉サブシステムは、アノードまたはカソード再循環ループから硫酸塩および他の汚染物（たとえば塩化物）を除去する。
[0008]別の実施形態において、アニオン汚染物を除去する燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックにおける燃料電池アノードと連通している燃料ガス供給サブシステムと、燃料電池スタックにおける燃料電池カソードと連通している酸素含有ガス供給サブシステムと、燃料ガス供給サブシステムと流体連通している第１のアニオン捕捉サブシステムと、酸素含有ガス供給サブシステムと流体連通している第２のアニオン捕捉サブシステムとを含む。燃料ガス供給サブシステムは燃料電池アノードに燃料を提供する。燃料ガス供給サブシステムはまた、燃料ガスが再循環されて燃料再結合ステーションで新しい燃料と統合されるアノードループを含む。同様に、酸素含有ガス供給サブシステムは燃料電池カソードに酸素含有ガスを提供する。酸素含有ガス供給サブシステムはまた、水が出口から加湿器による引込み乾性カソード酸素含有供給ガスに転送されるカソードループを含む。第１のアニオン捕捉サブシステムがアノード排出部と燃料再結合ステーションとの間に位置付けられる一方、第２のアニオン捕捉サブシステムはカソード排出部と加湿器との間に位置付けられる。
なお、本明細書には、少なくとも以下の態様が記載されている。
（態様１）
アニオン汚染物を除去する燃料電池システムであって、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックにおける燃料電池アノードと連通している燃料ガス供給サブシステムであって、前記燃料電池アノードに燃料ガスを提供する燃料ガス供給サブシステムと、
前記燃料電池スタックにおける燃料電池カソードと連通している酸素含有ガス供給サブシステムであって、前記燃料電池カソードに酸素含有ガスを提供する酸素含有ガス供給サブシステムと、
前記燃料ガス供給サブシステムおよび／または前記酸素含有ガス供給サブシステムと連通しているアニオン捕捉サブシステムとを備える、燃料電池システム。
（態様２）
前記アニオン捕捉サブシステムがアニオン交換樹脂またはアイオノマーを含む、態様１に記載の燃料電池システム。
（態様３）
前記アニオン交換樹脂またはアイオノマーが水酸化物形態である、態様２に記載の燃料電池システム。
（態様４）
前記アニオン交換樹脂またはアイオノマーが四級アンモニウム基を含む、態様２に記載の燃料電池システム。
（態様５）
前記燃料ガスが再循環されて燃料再結合ステーションで新しい燃料と統合されるアノードループをさらに備える、態様１に記載の燃料電池システム。
（態様６）
前記アニオン捕捉サブシステムがアノード排出部と前記燃料再結合ステーションとの間に位置付けられる、態様５に記載の燃料電池システム。
（態様７）
前記酸素含有ガス供給サブシステムが、水がカソード排出部から加湿器による引込み乾性カソード酸素含有供給ガスに転送されるカソードループを含む、態様１に記載の燃料電池システム。
（態様８）
アニオン捕捉サブシステムがカソード排出部と前記加湿器との間に位置付けられる、態様７に記載の燃料電池システム。
（態様９）
前記燃料ガスが分子水素である、態様１に記載の燃料電池システム。
（態様１０）
前記酸素含有ガスが分子酸素である、態様１に記載の燃料電池システム。
（態様１１）
前記アニオン捕捉サブシステムが、前記燃料ガスおよび／または酸素含有ガス中の前記アニオン汚染物の少なくとも８０重量パーセントを除去する、態様１に記載の燃料電池システム。
（態様１２）
アニオン汚染物を除去する燃料電池システムであって、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックにおける燃料電池アノードと連通している燃料ガス供給サブシステムであって、前記燃料電池アノードに燃料ガスを提供し、前記燃料ガス供給サブシステムが、前記燃料ガスが再循環されて燃料再結合ステーションで新しい燃料と統合されるアノードループを含む、燃料ガス供給サブシステムと、
前記燃料電池スタックにおける燃料電池カソードと連通している酸素含有ガス供給サブシステムであって、前記燃料電池カソードに酸素含有ガスを提供し、前記酸素含有ガス供給サブシステムが、水がカソード排出部から加湿器による引込み乾性カソード酸素含有供給ガスに転送されるカソードループを含む、酸素含有ガス供給サブシステムと、
アノード排出部と前記燃料再結合ステーションとの間に位置付けられる第１のアニオン捕捉サブシステムと、
カソード排出部と前記加湿器との間に位置付けられる第２のアニオン捕捉サブシステムとを備える、燃料電池システム。
（態様１３）
前記第１のアニオン捕捉サブシステムおよび前記第２のアニオン捕捉サブシステムがアニオン交換樹脂またはアイオノマーを各々独立して含む、態様１２に記載の燃料電池システム。
（態様１４）
前記アニオン交換樹脂またはアイオノマーが水酸化物形態である、態様１３に記載の燃料電池システム。
（態様１５）
前記アニオン交換樹脂またはアイオノマーが四級アンモニウム基を含む、態様１３に記載の燃料電池システム。
（態様１６）
前記燃料ガスが分子水素である、態様１３に記載の燃料電池システム。
（態様１７）
前記酸素含有ガスが分子酸素である、態様１３に記載の燃料電池システム。
（態様１８）
前記第１のアニオン捕捉サブシステムおよび前記第２のアニオン捕捉サブシステムが、前記燃料ガスおよび／または酸素含有ガス中の前記アニオン汚染物の少なくとも８０重量パーセントを各々独立して除去する、態様１３に記載の燃料電池システム。
[0009]アノードおよび／またはカソード触媒層へ炭素担持触媒を組み込む燃料電池の概略横断面である。 [0010]回復可能な電圧損失と燃料電池カソード排出水中の硫酸塩濃度の相関を図示するプロットである。 [0011]セル電圧損失とＢＯＰ材料浸出指数の相関のプロットを提供する。 [0012]アニオン汚染物を除去する燃料電池システムの概略図を提供する。
[0013]ここで、発明者が目下知っている本発明を実施する最良の形態を構成する本発明の目下好適な構成、実施形態および方法に詳細に参照がなされることになる。図は必ずしも一定の比率であるわけではない。しかしながら、開示される実施形態は単に、様々なかつ代替の形態で具体化されてもよい本発明の例示であることが理解されるべきである。したがって、本明細書に開示される具体的な詳細は、限定的とではなく、単に本発明の任意の態様のための代表的な基礎と、かつ／または当業者に本発明を様々に利用することを教示するための代表的な基礎と解釈されるべきである。
[0014]例において、または別途明示される場合を除いて、物量または反応および／もしくは使用の条件を示す本記載におけるすべての数量は、本発明の最も広い範囲を記載する際に単語「約」によって修飾されると理解されるべきである。規定される数値限度内での実施が一般に好適である。また、そうでない旨明示されない限り、パーセント、「の部」および比値は重量によっており、本発明に関連した所与の目的で適切または好適であるとの材料の群または種類の記載は、その群または種類の部材の任意の２つ以上の混合が等しく適切または好適であることを意味しており、化学用語での構成成分の記載は、その記載に明記される任意の化合物への追加の時点での構成成分を指すものであり、一旦混合されれば混合物の構成成分間の化学相互作用を必ずしも除外するわけではなく、頭字語または他の略語の最初の定義は、同じ略語の本明細書におけるすべてのその後の使用に適用され、かつ最初に定義した略語の通常の文法的変化に準用しており、さらに、そうでない旨明示されない限り、性質の測定値は、同じ性質に対してその前でまたは後で言及されるのと同じ技法によって求められる。
[0015]具体的な部品および／または条件がもちろん異なってもよいので、本発明は後述される具体的な実施形態および方法に限定されないことも理解されるべきである。さらにまた、本明細書で使用される術語は、本発明の特定の実施形態を記載する目的でのみ使用され、かついかなる形であれ限定的であるとは意図されない。
[0016]用語「備えている」は、「含んでいる」、「有している」、「含有している」または「を特徴とする」と同義である。これらの用語は包括的かつオープンエンドであり、かつ追加の、列挙されていない要素または方法ステップを除外しない。
[0017]句「から成っている」は、請求項に明記されていないいかなる要素、ステップまたは成分も除外する。この句が請求項の前文直後でなく、本体の節に現れるとき、それはその節に記載される要素のみを限定し、他の要素は請求項全体からは除外されない。
[0018]句「本質的に〜から成っている」は、請求項の範囲を明記される材料またはステップに加え、請求される主題の基本的かつ新規な特性に実質的に影響しないものに限定する。
[0019]用語「備えている」、「から成っている」および「本質的に〜から成っている」に関して、これらの３つの用語の１つが本明細書で使用される場合、本開示かつ請求される主題は、その他の２つの用語のいずれの使用も含むことができる。
[0020]本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「ある１つの」および「その」は、文脈が別途明示しない限り、複数の指示物を含むことも留意されなければならない。たとえば、単数での部品への言及は、複数の部品を含むものと意図される。
[0021]略語
[0022]「ＲＴ」は室温を意味する。
[0023]本出願の全体を通じて、公報が参照される場合、これらの公報の開示がそれらの全体としてここで引用によって本出願に援用され、本発明が属する現状技術をより完全に記載する。
[0024]図１は、アニオン汚染物が除去される燃料電池システムに組み込まれることができる燃料電池の横断面図を提供する。ＰＥＭ燃料電池１０は、カソード電気触媒層１４とアノード電気触媒層１６との間に設置される高分子イオン伝導膜１２を含む。燃料電池１０は、ガス流路２４および２６を含む導電流場板２０、２２も含む。流場板２０、２２は双極板（例示される）か、または単極板（すなわち、端板）かである。改良において、流場板２０、２２は、金または白金などの貴金属で任意選択で被覆される金属板（たとえば、ステンレス鋼）から形成される。別の改良において、流場板２０、２２は、やはり貴金属で任意選択で被覆される伝導性高分子から形成される。ガス拡散層３２および３４がまた、流場板と触媒層との間に介在される。動作の間、水素が燃料としてアノード触媒層１６に供給され、そして酸素が酸化剤としてカソード触媒層１４に供給され、それによってそこでの電気化学工程の結果として電気を生成する。しかしながら、燃料電池動作の１つの複雑化は、硫酸塩を放出することがある高分子イオン伝導膜の劣化である。加えて、空気からのＳＯ２が水に溶解され、そして亜硫酸塩と硫酸塩に変化される可能性がある。例として、表１は、最初の時間での燃料電池電圧（Ｖ１）および空気中のｐｐｂレベルのＳＯ２への曝露後の後の時間での燃料電池電圧（Ｖ２）を図示する。この表は、０．２Ａ／ｃｍ２で動作されているセルに対する周囲空気からのＳＯ２の影響を図示する。
Figure 2017103214
図２は、回復可能な電圧損失と燃料電池カソード排出水中の硫酸塩濃度の相関を図示するプロットを提供する。同様に、図３は、セル電圧損失とＢＯＰ材料浸出指数の相関のプロットを提供する。燃料電池性能に対する硫酸塩の有害な影響は明確には否定できない。
[0025]図４を参照して、アニオン汚染物を除去する燃料電池システムの概略図が提供される。燃料電池システム４０は、１つまたは複数の個々の燃料電池４４を含む燃料電池スタック４２を含む。改良において、燃料電池４４は、図１に描かれる全般的な設計およびその関連した記載によるものである。１つの改良において、燃料電池スタック４２は５から４００の燃料電池を含む。燃料電池システム４０は、燃料電池スタック４２における燃料電池アノードと連通している燃料ガス供給サブシステム４６、および燃料電池スタック４２における燃料電池カソードと連通している酸素含有ガス供給サブシステム４８も含む。
[0026]さらに図４を参照すると、燃料ガス供給サブシステム４６は、燃料電池スタック４２に、特に燃料電池アノードに燃料含有ガスを提供する燃料源５０を含む。典型的に、燃料は分子水素を含む。燃料は燃料電池スタックに入り、そして燃料電池アノード、特に燃料電池のアノード触媒層に接触する。いくつかの変形において、燃料ガス供給サブシステム４６は、燃料がアノード排出部５３から再循環されて燃料再結合ステーション５４で新しい燃料と統合されるアノードループ５２を含む。この状況において、アノードループ５２は、再結合ステーション５４から燃料電池スタックを通って、そして燃料再結合ステーション５４に戻る全流動経路を含む。
[0027]さらに図４を参照すると、酸素含有ガス供給サブシステム４８は、燃料電池スタック４２に酸素含有ガスを提供する酸素含有ガス源６０を含む。典型的に、酸素含有ガスは分子酸素（たとえば、空気）を含む。酸素含有ガスは燃料電池スタックに入り、そして燃料電池カソード、特に燃料電池のカソード触媒層に接触する。いくつかの変形において、酸素含有ガス供給サブシステム４８は、水が燃料電池カソードのカソード排出部６３から加湿器６４を介する引込み乾性カソード酸素含有供給ガス（たとえば、空気）に転送されるカソードループ６２を含む。この状況において、カソードループ６２は、加湿器６４から燃料電池スタックを通って、そして加湿器６４に戻る全流動経路を含む。
[0028]さらに図４を参照すると、燃料電池システム４０は、燃料ガス供給サブシステム４６および／または酸素含有ガス供給サブシステム４８と連通しているアニオン捕捉サブシステム６６および／または６８を含む。いくつかの変形において、燃料電池システム４０は、アニオン捕捉サブシステム６６および／または６８の一方または両方を含む。アニオン捕捉サブシステム６６および６８は、アノードまたはカソード再循環ループから硫酸塩および任意選択で他の汚染物を除去する。アニオン捕捉サブシステム６６は、アノード排出部５３と再結合ステーション５４との間でアノード再循環ループ５２に位置付けられる。同様に、アニオン捕捉サブシステム６８は、カソード排出部６３と加湿器６４との間でカソードループ６２に位置付けられる。加湿器６４は、乾性引込み酸素含有ガスを加湿するために、そのガスに燃料電池の湿性出力カソードガスに形成される水を転送する。したがって、加湿器は、アニオン汚染物が燃料電池スタックのカソード出口から通じてカソード入口に戻るための経路を提供する。改良において、アニオン捕捉サブシステム６６は、カソード出口と加湿器６４との間に位置付けられ、それによって酸素含有ガスに戻って通じるアニオン汚染物の量を低減させる。改良において、アニオン捕捉サブシステム６６および６８は、それぞれ燃料ガスおよび酸素含有ガス中のアニオン汚染物の少なくとも８０重量パーセントを各々独立して除去する。別の改良において、アニオン捕捉サブシステム６６および６８は、それぞれ燃料ガスおよび酸素含有ガス中のアニオン汚染物の少なくとも９０重量パーセントを各々独立して除去する。さらに別の改良において、アニオン捕捉サブシステム６６および６８は、それぞれ燃料ガスおよび酸素含有ガス中のアニオン汚染物の８０〜１００重量パーセントを各々独立して除去する。さらに別の改良において、アニオン捕捉サブシステム６６および６８は、それぞれ燃料ガスおよび酸素含有ガス中のアニオン汚染物の９０〜９８重量パーセントを各々独立して除去する。これらの重量百分率に関して、重量パーセントは、捕捉サブシステムへ流動するガスの重量である。
[0029]変形において、アニオン捕捉サブシステム６６および６８は、水酸化物（ＯＨ−）形態でアニオン交換樹脂またはアイオノマー（共通の官能基：四級アンモニウム）を含む。樹脂は使用前にいかなる汚染も除去するために洗浄されることができることが認識されるべきである。その上、樹脂は稼働中に再生または交換されることができる。
[0030]表２および３は、水酸化物形態のＡｍｂｅｒｌｙｓｔ（登録商標）Ａ２６であった試験アニオン交換樹脂に対する平衡状態での測定されたアニオン除去百分率を提供する。
Figure 2017103214
Figure 2017103214
溶液中のアニオンの過当競争があると、アニオン交換樹脂が硫酸塩に対する高い選択性を有することが観察される。その上、３日にわたる異なる温度条件下でアニオン除去能力に有意差は観察されなかった。
[0031]例示的な実施形態が上記記載されるが、これらの実施形態が本発明のすべての可能な形態を記載するとは意図されない。むしろ、本明細書で使用される文言は限定よりむしろ説明の文言であり、そして本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく様々な変更がなされてもよいことが理解される。追加的に、様々な実装実施形態の特徴が組み合わされて本発明のさらなる実施形態を形成してもよい。
１０ ＰＥＭ燃料電池
１２ 高分子イオン伝導膜
１４ カソード電気触媒層
１６ アノード電気触媒層
２０ 導電流場板
２２ 導電流場板
２４ ガス流路
２６ ガス流路
３２ ガス拡散層
３４ ガス拡散層
４０ 燃料電池システム
４２ 燃料電池スタック
４４ 燃料電池
４６ 燃料ガス供給サブシステム
４８ 酸素含有ガス供給サブシステム
５０ 燃料源
５２ アノードループ、アノード再循環ループ
５３ アノード排出部
５４ 燃料再結合ステーション
６０ 酸素含有ガス源
６２ カソードループ
６３ カソード排出部
６４ 加湿器
６６ アニオン捕捉サブシステム
６８ アニオン捕捉サブシステム

Claims (18)

  1. アニオン汚染物を除去する燃料電池システムであって、
    燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックにおける燃料電池アノードと連通している燃料ガス供給サブシステムであって、前記燃料電池アノードに燃料ガスを提供する燃料ガス供給サブシステムと、
    前記燃料電池スタックにおける燃料電池カソードと連通している酸素含有ガス供給サブシステムであって、前記燃料電池アノードに酸素含有ガスを提供する酸素含有ガス供給サブシステムと、
    前記燃料ガス供給サブシステムおよび／または前記酸素含有ガス供給サブシステムと連通しているアニオン捕捉サブシステムとを備える、燃料電池システム。
  2. 前記アニオン捕捉サブシステムがアニオン交換樹脂またはアイオノマーを含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記アニオン交換樹脂またはアイオノマーが水酸化物形態である、請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記アニオン交換樹脂またはアイオノマーが四級アンモニウム基を含む、請求項２に記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料ガスが再循環されて燃料再結合ステーションで新しい燃料と統合されるアノードループをさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
  6. 前記アニオン捕捉サブシステムがアノード排出部と前記燃料再結合ステーションとの間に位置付けられる、請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 前記酸素含有ガス供給サブシステムが、水がカソード排出部から加湿器による引込み乾性カソード酸素含有供給ガスに転送されるカソードループを含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
  8. アニオン捕捉サブシステムがカソード排出部と前記加湿器との間に位置付けられる、請求項７に記載の燃料電池システム。
  9. 前記燃料ガスが分子水素である、請求項１に記載の燃料電池システム。
  10. 前記酸素含有ガスが分子酸素である、請求項１に記載の燃料電池システム。
  11. 前記アニオン捕捉サブシステムが、前記燃料ガスおよび／または酸素含有ガス中の前記アニオン汚染物の少なくとも８０重量パーセントを除去する、請求項１に記載の燃料電池システム。
  12. アニオン汚染物を除去する燃料電池システムであって、
    燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックにおける燃料電池アノードと連通している燃料ガス供給サブシステムであって、前記燃料電池アノードに燃料ガスを提供し、前記燃料ガス供給サブシステムが、前記燃料ガスが再循環されて燃料再結合ステーションで新しい燃料と統合されるアノードループを含む、燃料ガス供給サブシステムと、
    前記燃料電池スタックにおける燃料電池カソードと連通している酸素含有ガス供給サブシステムであって、前記燃料電池アノードに酸素含有ガスを提供し、前記酸素含有ガス供給サブシステムが、水がカソード排出部から加湿器による引込み乾性カソード酸素含有供給ガスに転送されるカソードループを含む、酸素含有ガス供給サブシステムと、
    アノード排出部と前記燃料再結合ステーションとの間に位置付けられる第１のアニオン捕捉サブシステムと、
    カソード排出部と前記燃料再結合ステーションとの間に位置付けられる第２のアニオン捕捉サブシステムとを備える、燃料電池システム。
  13. 前記第１のアニオン捕捉サブシステムおよび前記第２のアニオン捕捉サブシステムがアニオン交換樹脂またはアイオノマーを各々独立して含む、請求項１２に記載の燃料電池システム。
  14. 前記アニオン交換樹脂またはアイオノマーが水酸化物形態である、請求項１３に記載の燃料電池システム。
  15. 前記アニオン交換樹脂またはアイオノマーが四級アンモニウム基を含む、請求項１３に記載の燃料電池システム。
  16. 前記燃料ガスが分子水素である、請求項１３に記載の燃料電池システム。
  17. 前記酸素含有ガスが分子酸素である、請求項１３に記載の燃料電池システム。
  18. 前記第１のアニオン捕捉サブシステムおよび前記第２のアニオン捕捉サブシステムが、前記燃料ガスおよび／または酸素含有ガス中の前記アニオン汚染物の少なくとも８０重量パーセントを各々独立して除去する、請求項１３に記載の燃料電池システム。
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