(57)【要約】水輸送プレートを備えた燃料電池が設けられており、この水輸送プレートは、空気流れ場および水流れ場を仕切る。制限部にわたる差圧によって推進力が生じ、水輸送プレートにわたる水を水流れ場へ移動させる。制限部は、カソード水輸送プレートの空気出口と、水流れ場と流体連通する貯蔵器のヘッド部と、の間に配置される。
2009545119.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気入口および空気出口を備えた空気流れ場と、水流れ場と、
制限部を有し、前記空気出口を前記水流れ場に流体連通させるカップリングであって、前記制限部が、前記空気出口によって提供される高圧側と、前記水流れ場に露出されるとともに該高圧側よりも低い圧力である低圧側と、を備える、カップリングと、
を備えた燃料電池構成。
【請求項２】
前記空気流れ場および前記水流れ場は、カソード水輸送プレートによって仕切られることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池構成。
【請求項３】
カソード側の前記空気出口とは反対側にある前記空気入口に空気を提供するブロワを備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池構成。
【請求項４】
水高さを有した前記水流れ場と流体連通し、該水高さよりも上方に充填ラインを有した貯蔵器を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池構成。
【請求項５】
前記貯蔵器は、前記低圧側に露出されたヘッド部を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池構成。
【請求項６】
前記水流れ場は、該水流れ場内のガスを出すように前記水高さにおいて連通するベント部を備えることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池構成。
【請求項７】
前記貯蔵器は、前記充填ラインないしこれより上方に水排出部を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池構成。
【請求項８】
前記ヘッド部と連通するとともに前記低圧側および外気に露出された背圧弁を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池構成。
【請求項９】
前記制限部は、オリフィスであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池構成。
【請求項１０】
燃料電池内の水を管理する方法であって、
少なくとも一部が多孔質であるプレートを用いて空気流れ場および水流れ場を仕切るステップと、
第１の圧力で前記空気流れ場を通して空気を移動させるステップと、
前記第１の圧力よりも小さい第２の圧力を生じさせるように前記空気を制限するステップと、
前記水流れ場を前記第２の圧力に露出させるステップと、
を備えた水管理方法。
【請求項１１】
前記プレートは、カソード水輸送プレートであることを特徴とする請求項１０に記載の水管理方法。
【請求項１２】
前記空気は、前記カソードの前記空気流れ場における空気出口によって提供されることを特徴とする請求項１１に記載の水管理方法。
【請求項１３】
前記第１の圧力よりも小さい第２の圧力を生じさせるように空気を制限するステップは、オリフィスを介して前記空気を通過させることによって実施されることを特徴とする請求項１０に記載の水管理方法。
【請求項１４】
前記水流れ場は、ヘッド部を備えた水貯蔵器と流体連通しており、前記水流れ場を第２の圧力に露出させるステップは、前記ヘッド部を前記第２の圧力に露出させることを含むことを特徴とする請求項１０に記載の水管理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池内の水流管理に関し、特に、水輸送プレートにわたる差圧の管理に関し、これにより、水輸送プレートにわたる望ましい水流を保証するものである。
【背景技術】
【０００２】
水輸送プレートは、燃料電池において電極のカソード側およびアノード側の両方に使用される多孔質セパレータプレートである。多孔質プレートに適切な孔の大きさを選択することによって、液体の移動が生じるが、ガスの移動は妨げられる。液体の移動によって、膜が水和され、燃料電池内において電気化学反応によって生じるカソード側の生成水を除去することが可能となる。ガスの移動が妨げられると、燃料および酸化剤ガスの混合が阻止される。
【０００３】
水輸送プレートは、水流れ場に露出されており、燃料電池の望ましい運転を維持している。燃料電池の局所領域では、反応ガスが低温領域から高温領域へ流れており、水が多孔質プレートから蒸発し、水蒸気を用いてガス流が飽和される。反応ガスが高温領域から低温領域へ移動する領域では、電気化学反応によって生じる生成水および冷却ガス流から凝縮する液体水は、多孔質プレートによって回収されなければならない。どちらの場合でも、水輸送プレートの孔を通してガス流れ場側から水流れ場側へ水を移動させて生成水を除去する推進力がなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
多くの燃料電池システムでは、外部循環水冷却ループが使用されており、これにより、重量が増し、寒い天候条件では凍結しやすくなる。ある構成では、外部水冷却ループは、ダイアフラムに接続されており、水輸送プレートにわたる水を移動させる推進力を与えるように使用される。また、空気入口圧力もダイアフラムに作用する。燃料電池において使用される水の量を制限し、水の排出、吸い上げ、凍結、解凍に関する問題を低減させることが望ましい。結果として、外部水冷却ループを無くすための努力がなされてきた。燃料電池においてポンプや複雑な弁を使用することなく、また外部水冷却ループを使用することなく、水輸送プレートにわたる推進力を得ることが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
燃料電池構成は、空気流れ場および水流れ場を仕切る水輸送プレートを備える。空気流れ場は、空気入口および空気出口を備える。カップリングが、空気出口を水流れ場に流体連通させている。燃料電池は、ヘッド部を有した貯蔵器を備えてもよい。１つの例では、カップリングは、空気出口をヘッド部に流体連通させている。制限部が、空気出口とヘッド部との間に配置される。制限部は、空気出口によって提供される高圧側と、ヘッド部に露出された低圧側と、を備える。低圧側は、高圧側より低い圧力となっている。結果として、カソード水輸送プレートにわたって差圧が生じ、水輸送プレートの空気流れ場側から水流れ場側へ水を移動させる推進力が与えられる。１つの例では、制限部は、オリフィスとして設けられる。このように、カソード水輸送プレートから生成水を除去する推進力を生じさせるために、簡単な構成が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】外部冷却ループおよび水貯蔵器を備えた燃料電池構成の概略図である。
【図２】ベント部を備えた水流れ場の概略図である。
【図３】貯蔵器のヘッド部に接続された空気流れ場の空気出口を備えた燃料電池の概略図である。
【図４】図３に示された燃料電池用カソード水輸送プレートの概略図である。
【図５】水貯蔵器に対応したベント部および排出部の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１には、アノード水輸送プレート１２およびカソード水輸送プレート１４を備えた燃料電池１０が概略的に示されている。電極アッセンブリ１６が、アノード水輸送プレート１２およびカソード水輸送プレート１４を仕切る。水流れ場１８が、アノード水輸送プレート１２およびカソード水輸送プレート１４の後側に配置される。水流れ場１８は、望ましい性能を提供するためにアノード水輸送プレート１２およびカソード水輸送プレート１４を水和する。カソード水輸送プレート１４は、推進力に応じて、空気流れ場から水流れ場１８へ生成水を移動させ、フラッディングを防止する。
【０００８】
図２には、例示の水流れ場１８が示されている。水流れ場１８は、アノード水輸送プレート１２およびカソード水輸送プレート１４の背面に掘られたチャネルによって設けられてもよい。水流れ場１８は、水流れ場マニホールド１９のベント部２２へ案内する傾斜壁２４によって画定されてもよく、これにより、水とともに運ばれるガスがベント部２２を通って燃料電池から出される。
【０００９】
例示の燃料電池１０は、中実であるとともにグリコールのような冷媒を輸送する冷媒通路を有した冷却プレート３０を備える。冷却プレート３０は、ポンプ３４を備えた冷却ループ３２と流体連通しており、このポンプ３４は、熱交換器３６へ冷媒を循環させ、燃料電池１０から熱を除去する。この例では、冷却ループ３２は、水を輸送しない。しかし、本発明は、水冷却ループを使用する燃料電池にも適用できる。
【００１０】
再び図１を参照すると、燃料電池１０は、該燃料電池１０において水高さ２５よりも上方に水充填ライン４８を有した水貯蔵器２０を備えており、これにより、アノード水輸送プレート１２およびカソード水輸送プレート１４が十分な水高さに確実にさらされる。
【００１１】
図１および図３を参照すると、燃料電池１０は、ブロワ４６から空気を受ける空気入口マニホールド２６を備える。空気入口マニホールド２６は、空気流れ場５２におけるカソード水輸送プレート１４の入口側に空気を提供する。空気は、空気出口マニホールド２８を通って空気流れ場５２から出る。燃料電池１０は、ポンプ４２から燃料を受ける燃料入口マニホールド３８を備える。燃料は、アノード水輸送プレート１２の燃料流れ場およびマニホールド４４を通過して燃料出口マニホールド４０に戻される。
【００１２】
空気流れ場５２において生じる生成水を水流れ場１８へ除去する推進力を与えるために、空気流れ場５２の空気出口側が、カップリング４９を用いて水貯蔵器２０のヘッド部に接続される。例えば、オリフィスである制限部５０が、カソード水輸送プレート１４の空気出口と水貯蔵器２０のヘッド部との間に配置される。制限部５０によって、空気出口側に高圧側Ｈが形成され、水貯蔵器２０のヘッド部に低圧側Ｌが形成される。図４には、制限部５０によるカソード水輸送プレート１４への効果が示されている。高圧側Ｈは、空気流れ場５２に対応し、低圧側Ｌは、水流れ場１８に対応しており、これらが差圧を形成し、カソード水輸送プレート１４にわたる生成水を水流れ場１８へ移動させる推進力を与える。
【００１３】
図５には、水貯蔵器２０と連通している水排出部５１が示されており、該水排出部５１により、生成水が燃料電池１０内に溜まったときに水が水貯蔵器２０から排出される。水排出部５１は、逆止弁５４を備えてもよい。カップリング４９は、制限部５０の上流に背圧弁５６を備えてもよく、これにより、差圧が望ましい圧力よりも大きくなることを防止する。示されている例では、背圧弁５６は、外気に露出されている。
【００１４】
また、空気出口は、循環水冷却ループを使用する燃料電池用の加湿ループに接続されてもよい。水ループの蒸気接触部は、図３に示された構成と同様に水貯蔵器２０に接続されてもよい。
【００１５】
本発明は、例示的に説明されており、使用されている用語が限定ではなく説明用語の性質をおびていることが意図されることを理解されたい。本発明の多くの修正および変更が教示に照らし合わせて可能であることが明らかである。したがって、添付の請求項の範囲内において、本発明は、詳細に説明されていること以外にも実施されてもよいことを理解されたい。
【図１】
2009545119.tif 000003
【図２】
2009545119.tif 000004
【図３】
2009545119.tif 000005
【図４】
2009545119.tif 000006
【図５】
2009545119.tif 000007
【国際調査報告】
2009545119.tif 000008