(57)【要約】燃料電池スタック３７における燃料セル３８の冷媒通路７８，８５内の各部でゼロより大きい冷媒速度が、冷媒通路にガス流を与えることによって保証される。この流れは、圧縮ガス供給源９２、酸化剤反応空気ポンプ５２、水素含有燃料供給源７６、燃料出口４７または凝縮器５９の出口からのガス圧力によって形成される。正圧が冷媒入口６６に作用するか、またはエゼクタ９７からの負圧が冷媒通路のガス出口９０に作用するか、もしくはこれらの両方が生じてもよい。冷媒通路内に流れを生じさせるガスによって、気泡を除去する液体ポンプの必要性がなくなり、余分な液体および他の給排水装置を減少させる。これにより、燃料電池発電装置が、凍結に対してより対抗できる。冷媒戻り流が、自動車ラジエータ１２０であってもよい凝縮器からの二相流によって、凍結に対してより対抗できる。個別の冷却プレート１２２が、冷媒管理システム１２５と共に使用されてもよい。
2009522721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料セルの各々が、冷媒入口（６６）と冷媒出口（６８）との間を接続する冷媒通路（７８，８５）を備えた前記燃料セル（３８）から成るスタック（３７）を備えた燃料電池発電装置において、
前記冷媒通路を液体冷媒（６４，６５）で実質的に満たし、（ａ）前記冷媒入口および（ｂ）前記冷媒出口の少なくとも一方に、前記冷媒通路内のゼロより大きい流体速度を保証するガス部（９２，５２，９６，４７，６０，６５）を接続することを特徴とする燃料電池発電装置において使用される方法。
【請求項２】
冷媒入口（６６）と冷媒出口（６８）との間を接続する冷媒通路（７８，８５）をそれぞれ備えた燃料セル（３８）から成るスタック（３７）と、
前記冷媒通路を液体冷媒で実質的に満たすように構成された供給源（６４，６５）と、
を備え、
（ｉ）（ａ）前記冷媒入口および（ｂ）前記冷媒出口の少なくとも一方と、（ｉｉ）前記冷媒通路内のゼロより大きい流体速度を保証するガス部（９２，５２，９６，４７，６０，６５）と、の間に流体連通部を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記流体連通部は、前記冷媒入口（６６）と、前記冷媒出口（６８）の冷媒圧力より大きい圧力を備えたガス部（９２，５２，４７，６０，６５）と、の間に位置することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記冷媒出口（６８）は、ガス出口（９０）を有したガス／液体分離器（９０／９１）を備え、
前記流体連通部は、前記ガス出口と、前記冷媒入口（６６）の冷媒圧力より小さい圧力を備えたガス部（９６）と、の間に位置することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項５】
前記冷媒出口（６８）は、ガス出口（９０）を有したガス／液体分離器（９０／９１）を備え、
前記流体連通部は、（ａ）前記冷媒入口（６６）と、前記冷媒出口の冷媒圧力より大きい圧力を有したガス部（５２，４７）と、の間の連通部および（ｂ）前記ガス出口（９０）と、前記冷媒入口（６６）の冷媒圧力より小さい圧力を有したガス部（９６）と、の間の連通部であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項６】
前記流体連通部は、圧縮ガスの供給源（９２，４７，５２，６０，６５）と前記冷媒入口（６６）との間に位置することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項７】
空気出口（５７）に接続された酸化剤反応ガス流れ場プレート（８１）と、
前記空気出口（５７）に接続された流体入口および流体出口を有した凝縮器（５９）と、
を備え、
前記流体連通部は、前記凝縮器の出口および前記冷媒入口（６６）との間の連通部（６０，６５）であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項８】
冷媒入口（６６）と冷媒出口（６８）との間を接続する冷媒通路（７８，８５）と、燃料入口（４２）と燃料出口（４７）との間を接続する燃料反応ガス流れ場プレート（７５）と、空気入口（５３）と空気出口（５７）とを接続する酸化剤反応ガス流れ場プレートと、アノード触媒およびカソード触媒を備えるとともに前記流れ領域プレート間に配置された膜電極アッセンブリと、を燃料セルがそれぞれ備えており、少なくとも１つの前記プレートが多孔質かつ親水性である前記燃料セル（３８）から成るスタック（３７）と、
前記冷媒通路を液体冷媒で実質的に満たすように構成された液体冷媒供給源（６４，６５）と、
を備え、
（ａ）前記冷媒入口とガス部（９２，５２，９６，４７，６０，６５）との間、（ｂ）前記冷媒出口と前記ガス部（９２，５２，９６，４７，６０，６５）との間、または（ｃ）（ａ）および（ｂ）の両方で、流体連通部を備え、前記冷媒通路内の各部でゼロより大きい冷媒／ガス混合物の速度を保証するように前記冷媒通路に沿って十分な圧力差を与えることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項９】
前記流体連通部は、前記冷媒入口（６６）と、前記空気入口（５３）を介して酸化剤反応ガス流れ場（８２）に空気を供給するポンプ（５２）と、の間に位置することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池発電装置。
【請求項１０】
前記流体連通部は、前記燃料出口（４７）と前記冷媒入口（６６）との間に位置することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池発電装置。
【請求項１１】
前記冷媒出口（６８）は、ガス出口（９０）を有したガス／液体分離器（９０／９１）を備え、
前記流体連通部は、（ａ）前記冷媒入口（６６）と前記燃料セルへ酸化剤反応ガスを供給する空気ポンプ（５２）との間の連通部および（ｂ）前記ガス出口（９０）とエゼクタ（９７）の二次入口（９６）との間の連通部であり、該エゼクタ（９７）が、前記空気ポンプに接続された一次入口（９８）および前記空気入口（５３）を介して前記酸化剤反応ガス流れ場（８１）に接続されたエゼクタ出口（１００）を備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池発電装置。
【請求項１２】
水素含有ガス供給源（７５）を備え、
前記冷媒出口（６８）は、ガス出口（９０）を有したガス／液体分離器（９０／９１）を備え、
前記流体連通部は、（ａ）前記燃料出口（４７）と前記冷媒入口（６６）との間の連通部および（ｂ）前記ガス出口（９０）とエゼクタ（９７）の二次入口（９６）との間の連通部であり、該エゼクタ（９７）が、前記水素含有ガス供給源に接続された一次入口（９８）および前記燃料入口（４２）に接続されたエゼクタ出口（１００）を備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池発電装置。
【請求項１３】
凝縮器（５９）を備えるとともに、該凝縮器からの凝縮物およびガスの二相流が、前記冷媒入口（６６ａ）と流体連通（６０，６５）することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池発電装置。
【請求項１４】
凝縮器（５９）を備え、
前記冷媒入口（６６）は、液体出口（１０６）およびガス出口（１０７）を有したガス／液体分離器（６６ａ）を備え、
前記流体連通部は、前記空気出口（５７）から前記凝縮器（５９）を介して前記冷媒入口（６６）に向かうことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池発電装置。
【請求項１５】
（削除）
【請求項１６】
冷媒入口（６６）と冷媒出口（６８）との間を接続する冷媒通路（７８，８５）と、燃料入口（４２）と燃料出口（４７）との間を接続する燃料反応ガス流れ場プレート（７５）と、空気入口（５３）と空気出口（５７）との間を接続する酸化剤反応ガス流れ場プレート（８１）と、アノード触媒およびカソード触媒を備えるとともに前記流れ場プレート間に配置された膜電極アッセンブリと、を燃料セルがそれぞれ備えており、少なくとも前記プレートの１つが多孔質かつ親水性である前記燃料セル（３８）から成るスタック（３７）と、
凝縮器（５９）と、
を備え、
前記冷媒入口（６６ａ）は、ガス出口（１０７）を有したガス／液体分離器（１０７／１０８）を備え、
流体連通部が、前記凝縮器を介して前記空気出口（５７）と前記冷媒入口（６６ａ）との間に設けられていることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項１７】
前記凝縮器（５９）は、燃料電池により給電される自動車（１２０）のラジエータ（５９ａ）であることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池発電装置。
【請求項１８】
制御部（７９）を備えるとともに、前記分離器は、該制御部によって制御されるガス出口を有することを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池発電装置。
【請求項１９】
前記流体連通部は、前記空気出口と前記冷媒入口との間に凝縮器（５９）を備えるとともに、前記流体連通部は、前記凝縮器から前記冷媒入口への二相のガス／液体流であることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池発電装置。
【請求項２０】
前記凝縮器（５９）は、燃料電池により給電される自動車（１２０）のラジエータ（５９ａ）であることを特徴とする請求項１９に記載の燃料電池発電装置。
【請求項２１】
燃料セル（３８）から成るスタック（３７）を備えた燃料電池発電装置において、前記燃料セルの各々は、入口（６６）と出口（６８）との間を接続する水通路（７８，８５）を有するとともに、前記燃料電池発電装置は、少なくとも数対の燃料セルの間に配置され、かつ冷媒管理システム（１２５）に相互接続（１２３，１２４）された冷却プレート（１２２）を備えており、
（ａ）前記水入口および（ｂ）前記水出口の少なくとも一方に、前記水通路内のゼロより大きい流体速度を保証するガス部（９２，５２，９６，４７，６０，６５）を連通させることを特徴とする燃料電池発電装置において使用される方法。
【請求項２２】
水入口（６６）と水出口（６８）との間を接続する水通路（７８，８５）をそれぞれ備えた燃料セル（３８）から成るスタック（３７）と、
冷媒管理システムと、
少なくとも数対の燃料セルの間に配置され、かつ前記冷媒管理システム（１２５）に相互接続（１２３，１２４）された冷却プレート（１２２）と、
を備え、
（ａ）前記水入口および（ｂ）前記水出口の少なくとも一方と、前記水通路内のゼロより大きい流体速度を保証するガス部（９２，５２，９６，４７，６０，６５）と、の間を連通させることを特徴とする燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料セルにおける低流量の冷媒または水の小さな管理通路内でのガス気泡による妨害を減少させることに関し、空気または使用した反応排出物のような十分なガスを通流させることによって、冷媒通路内の各部でゼロより大きい液体速度を保証するようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池が凍結温度により生じる問題に直面することを減少させるとともに、この燃料電池が該電池の付属品としての水ポンプおよび他の給排水装置に依存することを減少させるために、燃料セル内の冷媒量の合計を少なくすることがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、冷媒ポンプやガス抜きマイクロポンプのどちらも使用せず、かつ外部の給排水装置が最小限であるシステムにおいて、セル内の冷媒即ち水の流速は非常に低い。ガスのみが冷媒通路即ち水通路から抜かれる場合、流れは、反応ガスへ蒸発する水の量によって制限される。通路が小さくかつ水が低流量の場合、ガス気泡が共に結合する（集まる）とともに、冷媒チャネルの広い領域からの水流を妨害し、これにより、多孔質かつ親水性の反応ガス流れ場プレート（水輸送プレート）が乾燥する恐れがある。この乾燥によって、高すぎる速度でガスが冷媒流チャネルに流入し、これは水輸送プレートの「ガス突破（ｇａｓ  ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ）」と呼ばれることもあり、これにより、多くの箇所で膜の局所的な過熱および乾燥を生じさせるとともに、構成要素を劣化させ、性能を減少させる。
セル間冷媒プレートを使用し、かつグリコールまたは他の冷媒を含むシステムは、米国特許出願公開第２００５／０１４２４０８において開示されているように、能動的水管理（ＡＷＭ）燃料電池と呼ばれることがある。また、能動的水管理燃料電池は、非常に小さいセル内水通路を備えてもよく、この通路によって、水流による冷却をあまり使用しない水管理を行うために、燃料セルのアノード側および／またはカソード側に低流量の水を供給する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、燃料電池の冷媒即ち水の小さい管理通路内の冷媒流を保証すること、低流量の燃料電池冷媒即ち水の管理通路内の気泡による妨害を緩和すること、ガス気泡が固体高分子形燃料電池の冷媒即ち水管理通路を通流することを補助すること、固体高分子形燃料電池の冷媒即ち水管理通路におけるガス抜きを改善すること、燃料電池の冷媒即ち水管理通路への過剰なガスの取込を減少させること、固体高分子形燃料電池のベント部へのガス流を増加させること、固体高分子形燃料電池の水和作用を改善すること、固体高分子形燃料電池の蒸発冷却を改善することおよび燃料電池発電装置内の回転部を備えた構成要素の個数を減少させることを含む。
【０００５】
ここで使用されるように、「燃料電池」という用語は、酸化剤および燃料反応ガスから電気を生成することが可能である完全な作動型燃料電池用の装置を意味し、または場合によっては、この用語が、燃料セルに冷媒および／または水管理をもたらす層を除いた燃料電池の部分を意味する。ここで、この層は、隣接する燃料セル間に配置されている。
【０００６】
ここで使用されるように、「冷媒通路」という用語は、水管理通路を含むとともに、燃料電池スタックの冷媒および／または水管理流路の部分に対応する。この流路は、燃料セルの平面（平面上の外形）に沿って実質的に延びる。
【０００７】
本発明によると、燃料セルの冷媒即ち水管理通路は、通路内を通るゼロではない流速を保証する。
【０００８】
本発明によると、燃料セルの冷媒／水通路を通るガス流（または該通路に沿った圧力降下）によって、このような通路内に冷媒／水およびガス気泡を含む流体流を促進する。
【０００９】
本発明は、通路の入口に正のガス圧力を作用させることによって実施されてもよく、または、通路の出口に負のガス圧力を作用させることによって実施されてもよく、もしくはこれらの両方が実施されてもよい。
【００１０】
本発明によると、圧縮ガス供給源は、燃料電池スタックの冷媒即ち水管理用入口に接続されてもよい。圧縮ガス供給源は、燃料セルに対応する他の装置に関係したポンプなどの本発明における個々の実施例に適合したものであってもよい。さらに、本発明によると、圧縮ガス供給源は、カソード空気ポンプによって供給された空気成分を備えてもよい。即ち、圧縮ガス供給源は、燃料セルの燃料または空気排出物、もしくはこのような排出物の成分を備えてもよい。
【００１１】
さらに、本発明によると、負圧を生じさせることによって、冷媒／水通路の出口に圧力を作用させてもよい。ある実施例では、負圧が、エゼクタ（エジェクタ）によって形成される。このエゼクタにおいて、一次入口は、燃料電池スタックのアノードに供給される燃料ガスへ接続されており、エゼクタの二次入口は、燃料電池スタックの冷媒／水出口におけるガス／液体分離器のガス出口へ接続されており、エゼクタの出口は、スタックの燃料流れ場へ接続される。他の実施例では、圧力を生じさせるエゼクタは、カソード空気ポンプに接続された一次入口と、燃料電池スタックの冷媒／水出口におけるガス／液体分離器のガス排出部に接続された二次入口と、カソードの空気流れ場に接続されたエゼクタ出口と、を備える。
【００１２】
本発明は、冷媒／水流通路の入口または出口における他の手段を用いて実行されてもよい。この手段によって、通路内の各部で液体／ガス混合物のゼロ（即ち無い）より大きい速度を保証するような十分なガス圧力差を形成し、液体流を妨害する即ち妨げる恐れのあるガスが通路内に集まることを防止する。
【００１３】
ガス／液体分離器から回収された水は、例えば、蒸発冷却を使用する燃料セル内の凝縮器の出口から供給されることによって、スタックへ再循環されてもよい。他の実施例では、水は燃料電池スタックの冷媒／水入口と接続することによって戻される。
【００１４】
燃料排出物が冷媒／水通路へ吹き込まれる本発明の実施例では、燃料排出物の全てを、バイパスさせることなく、通路に吹き込むことができる。これは、ガス流速の合計が、冷媒／水通路に対して適切であるためである。代替的に、燃料排出物の一部が使用されてもよい。さらに、通路に流入するのに適切な圧力のガスが、燃料排出物出口制御バルブによってもたらされる。本発明のこの形態による恩恵としては、排出された燃料の一部が、多孔質の反応ガス流れ場プレートを通って冷媒即ち水通路から拡散するとともに、燃料電池スタックのカソード内で消費されることにより、燃料電池発電装置からの水素の放出を有利に減少させることである。
【００１５】
本発明が、燃料供給源によって駆動され、かつ冷媒／水通路の出口に負圧を作用させるエゼクタを使用して実施される場合は、冷媒／水通路を通ってエゼクタの二次入口に吸い込まれる少量の空気が、燃料流に流入するとともに、燃料中の空気ブリード源として機能する。これにより、セル内の一酸化炭素および／または他の汚染物に対する燃料電池スタックの耐性が向上する。
【００１６】
本発明の有利な実施例では、アノード排出部が、冷媒／水通路の入口に接続される。通路出口は、エゼクタの二次入口に接続される。エゼクタの制御（一次）入口は、燃料供給源に接続されるとともに、出口は、燃料電池スタックの燃料入口に接続される。前述された他の利点に加えて、ほとんどの燃料排出物が、この構成において、エゼクタを通って燃料入口に戻るようにリサイクルされる。
【００１７】
さらに、本発明によると、カソード空気排出部が、ガス液体分離器を備えた冷媒／水通路の入口に凝縮器を介して接続される。これにより、凍結耐性を有した液体およびガスの二相混合物を冷媒入口へ供給する。分離器のガス出口からのガス排出物は、通路を通流するガスの範囲が、極めて低い気泡除去流速から非常に高いものに拡張するように制御可能である。本発明のこの形態によって、凝縮物用のアキュムレータ即ち貯蔵器を排除するとともに、二相の流体流を凝縮器から冷媒／水通路入口へ通流させ、これにより、凝縮器から燃料電池スタックへの戻り流を、凍結に対してより対抗できるようにする。この形態において、凝縮器は、本発明を使用した燃料電池スタックによって給電される自動車用ラジエータであってもよい。
【００１８】
本発明は、ポンプを排除するとともに、液体必要量を一桁以上減少させることができる。これにより、燃料電池は、より堅固になるとともに、凍結に対する耐性がより向上する。
【００１９】
本発明の他の面、特徴および利点は、発明を実施するための最良の形態を参照することによってより明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
蒸発冷却を使用した燃料電池システムは、２００５年９月１９日に米国で出願された米国特許出願公開第１１／２３０，０６６号明細書で開示されるとともに、該明細書の図１および図２で説明されている。上述の出願では、燃料電池スタック３７は、入口４２から燃料を受ける。燃料は、燃料流れ場の第１の半部を通って左に移動し、この後、燃料折り返しマニホールド４３によって折り返され、スタックの他方の半部および燃料出口４７を通って右に移動する。空気は、空気ポンプ５２によって空気入口５３を通ってスタック３７内の酸化剤反応ガス（空気）流れ場へ供給される。水は大気へ蒸発し、これにより、燃料セル３８を冷却する（図２）。酸化剤反応ガスチャネルの出口５７は、凝縮器５９と連通している。凝縮器５９では、熱が除去されるとともに、水が回収されて、導管６０を介して貯蔵器６４として機能する水／ガス分離器へ戻される。水中のガスは、排出部６２を通って除去される。水は、導管６５を介して冷媒入口６６を通してスタック３７内の冷媒通路へ戻される。水のような冷媒は、水入口６６からスタック３７内の冷媒通路７８，８５（図２）を通って出口６８へ向かう。
【００２１】
図２では、燃料セル３８は、従来の膜電極アッセンブリ７２をそれぞれ備えており、該アッセンブリは、その両側にアノード触媒およびカソード触媒を有する電解質を備える。アッセンブリは、一方または両方の電極上にガス拡散層を備えてもよい。燃料反応ガスは、燃料反応ガス流れ場プレート７５内のチャネル７４を通流する。該プレートは、溝７６を有し、この溝７６は、隣接する燃料セルの溝７７と組み合わされて、燃料セル３８間の継ぎ目７９ａにおける微小な水通路７８を形成する。カソード側では、酸化剤反応ガス流れ場プレート８１は、空気流チャネル８２を備える。該プレートは、溝８３を有し、この溝８３は、隣接する燃料セルの溝８４と組み合わされて、燃料セル間の継ぎ目８６における微小な水通路８５を形成する。
【００２２】
フラッディングを防止するために、通路内の水圧は、空気ポンプおよび圧力調整済燃料によって得られるような反応ガスの圧力よりも１〜１０ＫＰａだけ小さくなっている。
【００２３】
通路は、図示されたように溝を合わせること以外で形成されてもよく、例えば、チャネル７６，８３または７７，８４が、反応ガス流れ場プレート７５，８１の１つのみに設けられる。
【００２４】
反応ガス流れ場プレート７５，８１は、水輸送プレートと同様のものである。該プレートは、米国で出願された米国特許第５，７００，５９５号明細書に開示されているように、外部で水処理を行い、かつ水輸送プレートを通る多量の水流を使用するような燃料電池発電装置において微細孔プレートと呼ばれることもある。しかし、蒸発冷却を利用すると、水の体積当たりの冷却効率が約４０倍も向上するので、上述の米国特許第５，７００，５９５号明細書における水流チャネルの断面は、図２の水通路７８，８５の断面より数十倍も大きい。
【００２５】
上述の特許出願における他の実施例では、透過性かつ親水性であるとともに、水に対して浸透性の高い材料の層が使用される。該層は、通路７８，８５を形成する溝の代わりに、反応ガス流れ場プレート７５，８１における平面の実質的に全体にわたって延びる。このような材料は、内面の水の浸透性を補助するように繊維が水の移動方向に整列した炭素繊維ペーパであってもよく、または燃料電池の拡散媒介物として従来でも使用されている他の材料であってもよい。
【００２６】
水通路は、一般的に、非常に小さく、蒸発冷却に必要な水を提供することができるものである。また、蒸発冷却に必要な水流にさらに水流を追加すると、反応ガスチャネルから漏れるガス気泡を除去することを補助できる。この水流は、システム内で循環している水からイオンを除去する（脱イオン化する）ことも補助し得る。このような水流は、多量の水を保有し、燃料セル外部のポンプおよび給排水機構により供給される場合のみ適切な水流となり得るが、このような多量の水は、凍結する環境では不利となる。
【００２７】
図３によると、実質的に図１で前述されたような燃料電池発電装置における本発明の一般化された実施例が示されているが、詳細部および要素が付加されている。図３には、バルブ７７を通って燃料入口４２へ流入する水素含有ガスの供給源７６が示されている。バルブ７７は、制御部７９によって調節される。燃料出口４７は、燃料リサイクルポンプ８１に接続されており、従来のように燃料排出物を燃料入口４２へ戻している。また、燃料出口は、制御部７９によって調節されるブリードバルブ８４に接続されており、排出される燃料の一部を定期的に、または低い吹出速度で排出し、これにより、リサイクルされた燃料中に蓄積した不純物、特に窒素を排除する。ブリードバルブ８４を通って排出された燃料は、米国特許出願第６，１２４，０５４号明細書で開示されているように、触媒コンバータにおいて反応してもよく、または酸化剤反応ガス流へ供給されてもよい。
【００２８】
また、制御部は、空気ポンプ５２と空気入口５３との間のバルブ８７を制御する。
【００２９】
本実施例において水出口６８として存在する冷媒出口は、疎水性の多孔質プラグのようなガス／液体分離器である。ここで、ガスが、ガスベント部９０から排出されるとともに、（水のような）冷媒が、液体出口９１および導管８８を通して、さらに導管６０および貯蔵器６４を通して水入口６６に戻される。ガスは、（上述された）選択された圧縮ガス供給源９２によって供給されるとともに、制御部７９によって調整されるバルブ９３を通って冷媒入口６６へ供給される。要求されるガスの量は非常に少なく、圧力は低い。即ち、圧縮ガスは、ガスおよび冷媒（この実施例では、水）の混合物が冷媒通路を通流するとともに、冷媒速度が冷媒通路の各部でゼロより大きくなることを保証する程度となっている。このような流れは、ガスが溜まって冷媒流および／または加湿された流体流を遮断する気泡にならないことを保証する。この実施例では、これらの流れは、冷媒通路を通る水流である。
【００３０】
図４によると、本発明の簡単な実施例は、酸化剤ポンプ５２からの空気の一部分を使用しており、その流れは、水入口６６に流入する前にバルブ９３によって著しく減少している。
【００３１】
図５には、水通路に正圧および負圧の両方がかかる本発明の実施例が示されている。図５では、冷媒出口６８のガスベント部９０が、エゼクタ９７の二次入口９６に接続されており、エゼクタの制御入口９８は、カソード側の空気ポンプ５２に接続されている。エゼクタ出口１００は、バルブ８７を介して空気入口５３へ接続されるとともに、バルブ９３を介して冷媒入口６６へ接続される。この実施例では、冷媒流れ場からのガスは、エゼクタ、空気流れ場および凝縮器を通過後に、最終的に貯蔵器からガス抜きされる。
【００３２】
図６に示される本発明の実施例では、燃料出口４７が、バルブ１０３を介して冷媒入口６６に接続される。燃料使用率が約９０％以上の燃料セルは、冷媒通路を通流するのに適切な量の燃料排出物を提供し、冷媒入口６６へ流入する前に燃料排出物流を分割する必要性、または他の調節の必要性がない。燃料排出物の出口圧力は、制御部７９で制御バルブ１０３を調節することによって、冷媒通路に適用するために容易に最適化される。この実施例の利点は、排出された燃料の一部が、冷媒通路から多孔質の酸化剤反応ガス流れ場プレートを通して拡散し、スタックのカソードで消費されることである。付加的な利益としては、付加的な排出燃料を消費することによって、システムからの水素の放出を減少させることである。
【００３３】
図６では、エゼクタ９７は、燃料入口のライン上に位置する。この場合、制御入口９８は、バルブ７７を介して水素含有ガスの供給源７６に接続される。二次入口は、冷媒出口６８のガスベント部９０に接続される。エゼクタ９７の出口１００は、バルブ１０５を介して燃料入口４２に接続される。バルブ７７，１０５は、エゼクタ９７を通して所望の圧力関係をもたらすように制御部によって調節される。この実施例の１つの利点は、カソードの空気から冷媒に取り込まれる少量の空気が、エゼクタ９７を通して燃料流へ吸い込まれ、燃料の空気ブリード源として機能し、燃料中の汚染物に対する燃料電池スタックの耐性を向上させることである。ここで、汚染物とは、特に、二酸化炭素にほとんどが変換される一酸化炭素を指す。
【００３４】
空気の取込が過剰でないことを保証するために、エゼクタが低圧側のガス取込の最大値を制限するように設計される、および／または水素検知セルが燃料入口に流入する過剰な空気が存在するかを検知するように、所定の位置に使用されてもよい。この組み合わせの付加的な利点は、ほとんどの燃料排出物が、燃料入口にリサイクルされることである。他の実施例における場合のように、燃料ブリードバルブ８４が、触媒バーナまたはスタックのカソード入口へと燃料を排出してもよい。
【００３５】
本発明の有利な実施例では、図５および図６に示される特徴を組み合わせたものが含まれる。即ち、空気入口または燃料出口を冷媒入口に接続すること、および入口空気または燃料によって駆動されるとともに、冷媒ガスベント部に接続された二次入口を備えたエゼクタを設けることである。
【００３６】
図７に示される本発明の他の実施例は、図６の実施例に類似している。しかし、図７では、燃料のリサイクルが、例えば、燃料リサイクルポンプ８１によってなされる。場合によって必要であれば、ポンプ８１に沿って燃料リサイクルループに制限バルブがあってもよい。
【００３７】
また、図７によって、ガス／液体分離器６８の液体出口９１が、水を貯蔵器６４へ戻すように導管６０に接続される必要がないことを示している。代わりに、導管１０９が水を排出部へ案内する。また、この特徴（出口９１から水を排出すること）は、図３〜６に示される実施例で使用されてもよい。
【００３８】
図８の実施例では、貯蔵器６４がガスベント部を備えておらず、凝縮器５９からの凝縮物および残りのカソード排出空気は、導管６０，６５を通して、本実施例では冷媒入口を備えたガス／液体分離器６６ａへ二相混合物として供給される。水出口１０６は、冷媒通路と連通しており、ガス出口１０７は、制御バルブ１０８を介して排出部に接続される。ガス出口の背圧を制御することによって、一定量のガスが液体で満たされた冷媒通路を通過するとともに、速度ゼロの流れから気泡を除去する流れになる。
【００３９】
図８の実施例は、燃料電池により給電された電気自動車１２０（図９）における本実施例の燃料電池スタック３７を使用する発電装置で非常に有効である。このような場合では、凝縮器５９は、従来の自動車ラジエータ５９ａであり、貯蔵器６４は、一般的にラジエータの基部において該ラジエータに接続される。本実施例は、冷媒通路を通る気泡を除去する流れをもたらすことに加えて、所望であれば、凝縮物およびカソード排出空気を二相の流体として導管６０，６５を通して輸送するという付加的な利点を備える。これにより、二相流体の水部分における凝固温度を低下させる。また、貯蔵器を省略することによって、スタックの排熱と熱的に接触していないために凍結の危険性がより高くなるスタック外における水の容積を最小化できる。本実施例を使用することにより、リターン導管６０，６５における凍結の危険性を最小化する。
【００４０】
水／ガス分離器６６ａは、冷媒入口マニホールドに接続されてもよく、またはこの付近に位置してもよい。様々な実施例では、バルブ１０８は、分離器６６ａを出るガスが水出口１０６を全く通過しない、またはこのガスの一部、もしくは全てが水出口１０６を通過するように制御されてもよい。
【００４１】
図１０の能動的水管理燃料電池システムでは、冷媒出口６８から冷媒入口６６へのガスの連通は、図６で前述したものと同様である。図１０では、冷媒入口６６と冷媒出口６８との間の液体通路は、本明細書の参考となる前述の米国特許出願公開で説明されたような水管理通路である。冷却は、冷媒を循環させる冷却プレート１２２によって行われるとともに、該冷媒は、一般的に、グリコールのような耐凍結成分を含む。冷媒は、冷却プレートと冷媒管理システム１２５との間の導管１２３，１２４を通して案内される。冷媒管理システムは、前述の米国特許出願公開で説明されたように、温度および組成（例えば、耐希釈）の制御機能を備える。
【００４２】
冷却プレートは、隣接する燃料セルの各対の間に配置されてもよいが、一般的に、２〜４つの燃料セル毎に１つ配置される。
【００４３】
図１０の実施例では、水は、セル内の通路において速度がゼロではない。セル間に冷却部を備えた燃料電池システムは、入口６６と出口６８との間における水管理通路内の水流をゼロにならないようにするために、本明細書で説明された他の技術を使用してもよい。
【００４４】
本発明は、２００５年１２月１日に出願された米国特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０５／４３９４２に開示されているように、不凍混合物を使用した蒸発冷却燃料電池に使用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明を使用するように修正された蒸発冷却された燃料電池システムの簡素化され、かつ様式化された構成図である。
【図２】簡潔にするために断面線が省略された、微小な水通路を使用した一対の燃料セルの部分的な断面図である。
【図３】本発明の実施例による冷媒通路にわたってガス圧力がかかる、蒸発冷却された燃料電池システムの簡素化され、かつ様式化された構成図である。
【図４】本発明の実施例による冷媒通路にわたってガス圧力がかかる、蒸発冷却された燃料電池システムの簡素化され、かつ様式化された構成図である。
【図５】本発明の実施例による冷媒通路にわたってガス圧力がかかる、蒸発冷却された燃料電池システムの簡素化され、かつ様式化された構成図である。
【図６】本発明の実施例による冷媒通路にわたってガス圧力がかかる、蒸発冷却された燃料電池システムの簡素化され、かつ様式化された構成図である。
【図７】本発明の実施例による冷媒通路にわたってガス圧力がかかる、蒸発冷却された燃料電池システムの簡素化され、かつ様式化された構成図である。
【図８】カソード排出凝縮器から冷媒通路の入口へ直接的にかかる耐凍結用二相凝縮物を使用する蒸発冷却された燃料電池システムの簡素化され、かつ様式化された構成図である。
【図９】カソード側の排出用凝縮器としてラジエータを利用する本発明を使用した燃料電池によって給電された自動車の簡素化された図である。
【図１０】燃料セル間の冷却プレートにおいて直接的な冷媒不凍液を利用する能動的な冷媒管理部を備えた図６の実施例に修正を加えた、簡素化され、かつ様式化された構成図である。
【図１】
2009522721.tif 000003
【図２】
2009522721.tif 000004
【図３】
2009522721.tif 000005
【図４】
2009522721.tif 000006
【図５】
2009522721.tif 000007
【図６】
2009522721.tif 000008
【図７】
2009522721.tif 000009
【図８】
2009522721.tif 000010
【図９】
2009522721.tif 000011
【図１０】
2009522721.tif 000012
【国際調査報告】
2009522721.tif 000013