(57)【要約】燃料電池スタックは、反応物ガス通路を各々備えた燃料電池の少なくとも２つのセグメントを有する。各セグメント内の各電池は、各電池の反応物ガス通路が互いの電池について並列になるように、配列される。各電池のアノード及びカソード側の通常ガス状である燃料電池流体の流れは、重力で補助される下向きの方向である。重力で補助される流れは、各電池内に形成された水をスタックセグメントの下方の除去地点へ導く。各対のセグメントは、セパレータチャンネルを有するセパレータセグメントにより分離され、セパレータセグメントはスタックの一体のユニットを形成する。各セパレータチャンネルは、流体と反応することなく、スタック内の各流体の全体の流れを、上流側のセグメントの底部から次の即ち下流側のセグメントの頂部へ向き直らせ、スタックセグメント間の相対湿度を制御する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックであって、
少なくとも２つの燃料電池セグメントに分離された複数の燃料電池を備えており、２つの燃料電池セグメントの各々は、その中に位置する前記複数の燃料電池の部分を有しており、連続する上流側及び下流側の対のセグメントとして配置されており、
各セグメントの燃料電池の前記部分の各々は、共通の入口反応物ガス通路と共通の出口反応物ガス通路とを具備する複数の反応物ガス通路を有しており、
各対のセグメントが、前記上流側のセグメントと前記下流側のセグメントとの間に位置するセパレータセグメントを有しており、前記セパレータセグメントは、同じ前記セグメント対の当該上流側のセグメントの前記共通の出口反応物ガス通路及び当該下流側のセグメントの前記共通の入口反応物ガス通路に流体連通しており、
前記少なくとも２つの燃料電池セグメントの前記複数の反応物ガス通路の各々が、単一方向の重力で補助される流れ方向に位置する、
ことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
各対の前記少なくとも２つの燃料電池セグメントが、前記セパレータセグメントにより分離された隣接するセグメントとして配列されており、前記セパレータセグメントは、当該少なくとも２つの燃料電池セグメントの各対間の連続的な構造上の接続部を形成しており、
各セパレータチャンネルは、前記上流側のセグメントの前記共通の出口反応物ガス通路と前記下流側のセグメントの前記共通の入口反応物ガス通路との間に流体連通を提供するほぼ上方に方向決めされた流れ通路を有する、
ことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記複数の反応物ガス通路は、アノード通路のグループと、カソード通路のグループとを備えていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池スタックにおいて、さらに、
アノード通路の前記グループは、前記共通の入口反応物ガス通路の選択された１つを介して、スタックアノード入口ポートに流体連通しており、
アノード通路の前記グループは、前記共通の出口反応物ガス通路の選択された１つを介して、スタックアノード出口ポートに流体連通する、
ことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池スタックにおいて、さらに、
カソード通路の前記グループは、前記共通の入口反応物ガス通路の選択された１つを介して、スタックカソード入口ポートに流体連通し、
カソード通路の前記グループは、前記共通の出口反応物ガス通路の選択された１つを介して、スタックカソード出口ポートに流体連通する、
ことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池スタックにおいて、
カソード通路の前記グループの各通路が、アノード通路の前記グループの相手方通路に対して、横断流の関係で位置することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項５に記載の燃料電池スタックにおいて、
カソード通路の前記グループの各通路が、
アノード通路の前記グループの相手方通路に対して、平行流関係で位置することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項８】
請求項３に記載の燃料電池スタックにおいて、
さらに、共通の入口冷却剤通路を介してスタック冷却剤入口ポートに流体連通する冷却剤通路のグループを備えており、
冷却剤通路の前記グループは、スタック冷却剤出口ポートに流体連通することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池スタックにおいて、
冷却材通路の前記グループの各通路が、アノード通路の前記グループ及びカソード通路の前記グループのうちの少なくとも１つの通路の相手方通路に隣接し、また、該相手方通路に対して平行流れ関係で位置することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１０】
請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
各セグメント内の燃料電池の量が、前記少なくとも２つの燃料電池セグメントの各々間で、変化することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１１】
請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
各セグメント内の燃料電池の量が、前記スタックの入口部分から当該スタックの出口部分に向かって、各セグメント間で減少することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１２】
燃料電池スタックであって、
第１の面上のアノード触媒と第２の面上のカソード触媒とを各々有する複数の燃料電池組立体と、
複数のアノードガス通路とを備え、前記複数のアノードガス通路は、各々、前記複数の燃料電池組立体の前記第１の面の対応する１つに隣接して配置されており、
前記燃料電池スタックは、また、
複数のカソードガス通路を備えており、前記複数のカソードガス通路は、各々、前記複数の燃料電池組立体の対応する１つの前記第２の面の対応する１つに隣接して配置されており、
前記複数の燃料電池組立体は、電池の少なくとも２対の隣接するセグメントとして配置され、
当該複数の燃料電池組立体の前記複数のアノードガス通路及び前記複数のカソードガス通路が、前記スタックの前記各隣接するセグメント内で単一方向の重力で補助される流れ方向に設けられ、
前記少なくとも２つの隣接するセグメントの各々が、それらの間に位置する少なくとも１つのセパレータセグメントを有し、
前記セパレータセグメントは、当該隣接するセグメントの前記複数のアノードガス通路及び前記複数のカソードガス通路を接続するためのほぼ上に向いた流れ通路を形成する、ことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１３】
請求項１２に記載の燃料電池スタックにおいて、さらに、
前記各対の隣接するセグメント内の前記アノードガス通路に流体連通して当該各対の隣接するセグメント間に位置するアノードガスセパレータチャンネルと、
前記各対の隣接するセグメント内の前記カソードガス通路に流体連通して当該各対の隣接するセグメント間に位置するカソードガスセパレータチャンネルと、を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料電池スタックにおいて、
冷却剤通路が、前記複数の燃料電池組立体の任意の２つの連続する燃料電池の前記第１の面及び第２の面の各々の間に位置することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１５】
請求項１４に記載の燃料電池スタックにおいて、
冷却剤セパレータチャンネルが、
前記各対の隣接するセグメント内で前記燃料電池組立体の前記冷却剤通路に流体連通して当該各対の隣接するセグメント間に位置することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１６】
請求項１２に記載の燃料電池スタックにおいて、
電池の前記各セグメント内で形成された水が、少なくとも１つのスタックドレンへ排出されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１７】
燃料電池スタックであって、
第１の面上のアノード触媒と第２の面上のカソード触媒とを各々有する複数の燃料電池組立体と、
複数のアノードガス通路とを備え、前記複数のアノードガス通路は、各々、前記複数の燃料電池組立体の対応する１つの前記第１の面に接して配置されており、
前記燃料電池スタックは、また、複数のカソードガス通路を備えており、前記複数のカソードガス通路は、各々、前記複数の燃料電池組立体の対応する１つの前記第２の面に隣接して配置されており、
前記複数の燃料電池組立体は、電池の少なくとも２つの隣接するセグメントとして配置されており、
前記アノードガス通路及び前記カソードガス通路の各々の少なくとも１つは、前記セグメント間で直列に設けられており、当該アノードガス通路及び当該カソードガス通路の前記少なくとも１つは、前記スタックの各セグメント内で単一方向の重力で補助される流れ方向に配置されており、
少なくとも１つの予め選択されたセグメント内の前記アノードガス通路及び前記カソードガス通路の各々が、当該アノードガス通路及びカソードガス通路の圧力降下を制御するように変化する形状を有する、ことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１８】
請求項１７に記載の燃料電池スタックにおいて、
各セグメント内の燃料電池組立体の数が、前記スタックの入口部分から当該スタックの出口部分に向かってセグメント対間で減少することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１９】
請求項１８に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記各セグメント対が、上流側のセグメント及び下流側のセグメントの１つであり、
前記各セグメント対の前記各セグメントが、圧力降下を有し、
前記下流側のセグメントの前記圧力降下が、前記スタックの前記入口部分から当該スタックの前記出口部分まで、各セグメント対に対して、前記上流側のセグメントの前記圧力降下に等しいか及びこれよりも小さいかのうちの一方である、ことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２０】
請求項１９に記載の燃料電池スタックにおいて、
少なくとも１つのセグメント対の前記下流側のセグメントの前記圧力降下が、当該下流側のセグメントの各燃料電池組立体のための増大する燃料電池組立体幅及び該下流側のセグメントの各燃料電池組立体のための減少する組立体長さのうちの少なくとも１つを提供することにより、減少することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２１】
燃料電池スタックを作動させる方法であって、
前記燃料電池スタックは、複数の燃料電池を有しており、該複数の燃料電池は、各々、その間を延びる複数の反応物ガス通路を有しており、
前記燃料電池スタックは、また、異なる数の燃料電池を有する個々のセグメントを提供するカスケード形のスタックデザインを有しており、
前記方法は、
隣接する対のセグメントを形成するように前記セグメントを配列する工程を備えており、前記隣接する対のセグメントは、各々、各セグメントの化学量論を変えるために各セグメント内で燃料電池量が変化した状態にある複数の燃料電池を有しており、
前記方法は、また、
前記スタックの前記各セグメント内で、前記複数の燃料電池のすべての前記反応物ガス通路を、単一方向の重力で補助される流れ方向へ方向決めする工程と、
前記各セグメント対間に少なくとも１つのセパレータチャンネルを配置する工程と、
前記少なくとも１つのセパレータチャンネルにより、前記各セグメント対間で該複数の反応物ガス通路を接続する工程とを備えており、前記各セグメント内の前記反応物ガス通路は、並列に接続されており、当該各セグメントの当該反応物ガス通路は、隣接するセグメントに直列に接続されていることを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の方法において、さらに、
前記複数の燃料電池及び各セパレータチャンネルの双方から所定容積の水を収集する工程と、
前記所定容積の水を少なくとも１つのスタックドレンへ排出する工程と、
を備えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔０００１〕
本発明は燃料電池装置に関し、特に燃料電池スタック及び燃料電池スタックを作動させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
〔０００２〕
燃料電池は多くの応用において動力源として使用されており、例えば、燃料電池は内燃エンジンと交換するように電気自動車の動力設備に使用するために提案されてきた。陽子交換膜（ＰＥＭ）形式の燃料電池においては、水素が燃料電池のアノードに供給され、酸素はオキシダントとしてカソードに供給される。典型的なＰＥＭ形式の燃料電池及びその膜電極組立体（ＭＥＡ）は、ゼネラルモーター社に普通に譲渡された１９９３年１２月２１日及び１９９４年５月３１日にそれぞれ発行された米国特許第５，２７２，０１７号及び同第５,３１６，８７１号各明細書に記載されている。ＭＥＡは、陽子伝達性で薄い非導電性の中実ポリマー電解膜を有する。この中実ポリマー電解膜は、その一面にアノード触媒を備え他面にカソード触媒を備えている。
【特許文献１】米国特許第５，２７２，０１７号明細書
【特許文献２】米国特許第５，３１６，８７１号明細書
【０００３】
〔０００３〕
「燃料電池」という用語は、典型的には状況に応じて単一のセル（単一の電池）又は複数のセル（スタック）のいずれかを呼ぶために使用する。複数の個々のセル（電池）を一緒に共通に束ねることによって、燃料電池スタックを形成している。燃料電池スタック内の各セル（各電池）は、電圧のその増分を提供する膜電極組立体（ＭＥＡ）すなわち膜電極アッセンブリを備えている。スタック内の多数のセル（電池）の典型的な構成は、ゼネラルモーター社に譲渡された米国特許第５，７６３，１１３号明細書に記載されている。
【特許文献３】米国特許第５，７６３，１１３号明細書
【０００４】
〔０００４〕
ＭＥＡを挟む導電性の素子は、それぞれのカソード及びアノード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、その面内のチャンネル又は溝の列を有することができる。燃料電池スタックにおいては、複数のセル（電池）は、ガス不透過性の導電性双極板により互いに分離された状態で、電気的に直列に一緒に重ねられる。普通の単一の通過型デザインにおいては、反応物は、個々の入口マニホルド及びヘッダを通して、燃料電池へ供給される。入口ヘッダへ流れを提供する入口マニホルドから、反応物例えばアノード流れは、個々のセル（電池）へ供給する多数の流れ経路に分轄される。排気ガスとしてのすべての反応物（この場合はアノード流れ）は、個々のセル（電池）を去り、出口ヘッダ内で混合され、出口マニホルドを通ってスタックから出る。単一の通過型デザインにおいては、すべてのセル（電池）のアノード側は同じ入口水素濃度を有する。
【０００５】
〔０００５〕
反応物ガスを導く単一の通過型デザインの欠点は、燃料電池スタックが、低い化学量論において、即ち一定の動力出力を満足させるのに必要な反応物の質量の流れ（マスフロー）の近傍において、安定して作動できないことである。それ故、有効な水素又は酸素の利用を達成するのが困難である。その結果、装置の効率は最適にならない。
【０００６】
〔０００６〕
上述の状況を部分的に修正するスタックデザインは、米国特許第５，４７８，６６２号明細書のスタックデザインのように、既知である。そのデザインのようなスタックにおいては、個々のグループの平行なセル（電池）は、各グループの各セル（各電池）内の流れが並列となり、各グループからのすべての流れがグループ間で直列に流れるように、配列される。１つの代表的なスタックデザインでは、各スタックグループは、入口及び出口マニホルドを有し、各出口マニホルドは、反応生成物として形成された水を収集するためにドレンを有する。排水されない場合は、後続のセル（電池）グループ内で水が渋滞する。個々の燃料電池の数は、通常これらのスタックデザインにおいて変わり、この場合、セル（電池）の初期の即ち上流側のセグメントは最大数の個々の燃料電池を含み、各連続するセグメントは減少した量の燃料電池を提供する。この形式の形状では、セグメントのセットの最後のセグメントは通常最も少ない数の個々の燃料電池を有する。
【特許文献４】米国特許第５，４７８，６６２号明細書
【０００７】
〔０００７〕
普通にグループ分けされたスタックデザインの欠点は、再構成物としての反応物ガスが、スタックを通って流れる不活性成分を有する場合に生じる。各グループのスタックにわたって保持される再構成物燃料の不活性ガス部分は、各セグメント内の燃料電池の量が減少するにつれて濃縮し、スタックを通しての全体の圧力降下を制御する最終のスタックセグメントになることがある。通常、燃料電池スタックへ入る水素再構成物ストリームは、約４０％の容積の水素を含む。残りの容積は窒素及び他のガスである。水素のみが燃料電池スタックにより（水を形成するために）消費され、それ故、不活性ガスとしてのアノードガスの容積のうち６０％は、各グループのスタックを通って流れる。この容積の不活性ガスは、最小のグループのスタックを横切る圧力降下を決定する。カソードガスとして空気を使用する場合、酸素の濃度は、通常、流れの容積の２０％ないし４０％である。カソード流れの約６０％ないし８０％の残りの容積は、他の不活性ガスを伴った窒素である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
〔０００８〕
上述の直列／並列式のスタックデザインは、通常、スタックにわたって蛇行形式の流れパターンを提供する。蛇行流れ経路は、スタックにわたって水平であるか、または、１又はそれ以上の個々のセグメントに対して重力に打ち勝たねばならないアノード側及びカソード側の両方の反応物流れを生じさせる。燃料電池内での水の渋滞は、燃料電池の触媒材料との反応物の接触を阻止し、従って、スタックの効率を減少させてしまう。重力で補助されないグループ内に発生した水は、スタックから除去するために反応物ガスによりセル（電池）を通して強制送りしなければならないか、又は、反応物ガスに逆らって「逆流」を許容するようにしなければならない。しかしながら、これでは、スタックの効率を減少させてしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
〔０００９〕
燃料電池スタックについての上述の欠点は、本発明のスタックデザインにより克服される。本発明のスタックデザインは、各セグメント内で等価の又は異なる量の燃料電池素子となって配列された燃料電池素子の個々のセグメントを組み込んでいる。各セグメントは、重力で補助される方向において各燃料電池内に流れを提供するように配列される。この配列は、アノード側若しくはカソード側のいずれかの流れの全体の容積が、又はその両側の流れの全体の容積が、全体数のセル（電池）の一部のみが存在するスタックのセグメントを通って、分配されるのを許容することにより、燃料電池スタックの作動の安定性を増大させる。
【００１０】
〔００１０〕
好ましい実施の形態においては、最大の割合のスタック燃料電池を通常有する第１のセグメントは、そのセグメントへ入る最大の割合の反応物を使い果たす。第１のセグメントは、各電池を通る下向きの即ち重力で補助される流れを提供するように配置される。第１のセグメントを出る反応物は、第２のセグメントへ導かれる。第２のセグメントは、その中に配置された一層少量の燃料電池を有し、また、重力で補助される流れを提供するように配置されている。この第２のセグメントは、反応物流れからの残りの燃料の大半と反応する。必要なら、セル（電池）の第３又はその他のセグメントを使用して、反応物流れからの水素及び酸素の利用度を最大化することができる。各セグメントは、並列に燃料電池を提供し、反応物流れが、重力で補助されて、セグメントの各電池を通ることができるように配置される。
【００１１】
〔００１１〕
セパレータセグメントは、各スタックセグメント間に位置し、先行するセグメントを出るすべての流れが、セパレータセグメントを通って送られるようにする。好ましい実施の形態においては、セパレータセグメントは、膜電極組立体（ＭＥＡ）の無い一対の双極板間に位置する。セパレータセグメントの目的は、燃料流れ内でいかなる反応をも伴わずにそれ故付加的な水を発生させずに、そのセグメントの出口即ち下方部分からのすべての流れを、次の後続のセグメントの入口即ち上方部分内へ導くことである。各セパレータセグメントは、燃料電池素子の個々のセグメントに隣接する構造上の部材である。別個のセパレータセグメントが、個々の流れグループ（即ち、アノード、カソード、及び冷却剤）間で流れを個別に導くために、燃料電池の各２つのセグメント間に設けられる。各流れセグメントを出る流れは、そのスタックセグメントの下方部分において収集され、「カスケード形（縦つなぎ）の」スタックデザインを形成するように、次の後続のセグメントの頂部の入口へほぼ上方に向き直らせる。これは、重力で補助される方向即ち下方向においてのみ、個々の燃料電池セグメントを通る流れを提供する。
【００１２】
〔００１２〕
各個々のセグメント内で反応生成物として形成される水は、各次のセパレータセグメントの基部において集中的に又はひとまとめにして排水される。この量の水は、ドレンラインを通してスタック内の排出地点へ排出される。これは、スタックの各セグメント内に形成された水が、重力で補助される方向において各セパレータセグメントの基部で重力ドレン地点の方へ排出され、スタック内に発生する液体水のための有効な除去方法を提供することを保証する。
【００１３】
〔００１３〕
本発明の更なる態様は、また、各燃料電池セグメント内での燃料電池素子のための修正された流れストリーム幾何学形状の選択された使用を提供する。流れ経路の幾何学形状を修正することにより（即ち、少なくとも１つの選択されたセグメント内の燃料電池の流れ通路の寸法又は長さを増大させることにより）、不活性ガス（単数又は複数）の異なる容積割合を有する反応物の異なる改質ストリームを使用することができる。改質燃料ストリームは、通常、反応物ガス即ち水素の容積に比べて、一層大きな不活性ガス容積を備えている。例として、望ましい改質燃料ストリームは、最初、約４０％の容積の水素と、約６０％の容積の不活性ガスとを備えている。前記ストリームがスタックを横断し、水素が水を形成するように反応すると、水は、ストリーム内に増大する容積の不活性ガスを残して排水される。それ故、減少する水素容積に基づいて、連続するセグメント内の燃料電池の数を減少させるのが望ましい。燃料電池の寸法を維持しながら燃料電池の量を減少させると、下流側のセグメント内の圧力降下が増大し、従って、スタックを通る燃料ストリーム流れを制御又は制限する。選択された下流側のセグメント（単数又は複数）における燃料電池の横断面を増大させることにより、圧力降下は、セル（電池）の数が減少するにつれて、増大しない。その結果は、減少したコストで効率が増大する。その理由は、正味の流量が保持される間、一層少数の燃料電池が使用されるからである。それ故、燃料電池スタックにより反応しない不活性ガスは、スタックを横切る全体の圧力降下を制御しない。
【００１４】
〔００１４〕
本発明の別の態様においては、個々のセグメントを通る冷却剤の直列の流れまたは連続した流れが提供される。冷却剤は、反応物がスタックに入るスタックの端部へ入り、燃料ストリーム流れに続く。直列の流れまたは連続した流れの利点は、最も乾いた反応物ガスがスタックへ入る地点において、最も低い温度での冷却剤がスタックに入り、これによって、最大の反応物ガス温度降下を提供し、それ故、入口ガスのための最も高い相対湿度を提供することである。入来する反応物ガスのために最も低い温度を提供すると、その露点が減少し、スタックを通る燃料ストリーム流れのための所望の１００％の相対湿度を達成するためにほんの少量の水蒸気生産で済む。通常、スタックの各セグメントにおいて約１００％の相対湿度（ＲＨ）を提供するのが望ましい。その理由は、水が連続的に発生し、過剰の液体水が、流れ及び水素の燃料電池への接触を妨げるからである。
【００１５】
〔００１５〕
本発明の適用の更なる領域は、以下に提供される詳細な説明から明らかとなろう。詳細な説明及び具体的な例は、本発明の好ましい実施の形態を示すが、説明のみを目的とすることを意図し、本発明の範囲を限定する意図ではないことを理解すべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
〔００２１〕
好ましい実施の形態（単数又は複数）の次の説明は本質的に単なる例示であって、本発明、その応用又は使用を限定する意図のものではない。
【００１７】
〔００２２〕
図１を参照すると、スタックハウジング４を有する蛇行式の燃料電池スタック２の単一の反応物部分が示されている。第１のセル（電池）グループ６は、入口ヘッダ８を有する。入口ヘッダ８は、入口流れを、複数の平行な第１の燃料電池（フューエルセル）の各々へ提供する。各第１の燃料電池１０を通る流れは、第１の組み合わせたヘッダ１２内へ放出される。第１の組み合わせたヘッダ１２は、更に、第２のセル（電池）グループ１６の複数の平行な第２の燃料電池１４の各々へ入口流れを提供する。各第２の燃料電池１４を通る流れは、第２の組み合わせたヘッダ１８内へ放出される。第２の組み合わせたヘッダ１８は、第３のセル（電池）グループ２２の複数の平行な第３の燃料電池２０の各々へ入口流れを提供する。第３の燃料電池２０を通る流れは、出口ヘッダ２４へ放出される。出口ヘッダ２４は、燃料電池スタック２のスタックハウジング４からのこの反応物流れを排出する。
【００１８】
〔００２３〕
アノード流れ又はカソード流れのいずれかは、図示のように、下方の流れ方向Ａにおいて燃料電池スタック２へ入る。入口ヘッダ８から、入口流れは、複数の第１の燃料電池１０の間で分割され、第１のセル（電池）グループ６内の流れは、図示のように、上向きの流れ方向Ｂに従う。第１の組み合わせたヘッダ１２においては、第１のセル（電池）グループ６のすべての流れは、図示のように流れ方向Ｃへ向け直される。第２のセル（電池）グループ１６の第２の燃料電池１４内の流れは、下向きの流れ方向Ｄとなる。第２の組み合わせたヘッダ１８においては、第２のセル（電池）グループ１６のすべての流れは、図示のように、下方の流れ方向Ａへ再度向け直される。第３のセル（電池）グループ２２の第３の燃料電池２０内の流れ方向は、第１のセル（電池）グループ６内の流れ方向と同様であるか又は図示のような上向きの流れ方向Ｂである。第３の燃料電池２０は出口ヘッダ２４内へ放出し、出口ヘッダ２４内の組み合わせた流れは、図示のように出口流れ方向Ｅにおいてスタックを出る。
【００１９】
〔００２４〕
図１に示すように、各隣接するセル（電池）グループ内の流れは、反対方向である。各セル（各電池）グループの各セル（各電池）が重力で補助される方向即ち下向きの流れ方向Ｄに流れるように、燃料電池スタック２を方位決めすることはできない。図１の代表的な構成においては、第２のセル（電池）グループ１６内の流れのみが下向きの重力で補助される流れ方向である。第１のセル（電池）グループ６及び第３のセル（電池）グループ２２の双方の各セル（電池）内の流れは、重力に抗し、それ故これらのセル（電池）内に形成された水は、反応物ガスの流れに逆らって排水するか又は反応物ガスの流れにより各セル（各電池）を通して押し出されなければならない。これは、燃料電池スタック２内で水の処理にとってあまり望ましくない構成を提供し、それ故、燃料スタック２内での湿度制御が比較的により困難になる。
【００２０】
〔００２５〕
ここで図２を参照すると、本発明の原理に従った代表的な燃料電池スタックを示す。図２は、カスケード形（縦つなぎ）のスタック本体３２を有する、カスケード形（縦つなぎ）デザインの燃料電池スタック３０を提供する。カスケード形のスタック本体３２は、更に、第１のセグメント３４と第２のセグメント３６とを有する。アノード反応物のための代表的な流れが、示されている。
【００２１】
〔００２６〕
第１のセグメント３４は、更に複数の第１のセグメント燃料電池４０に流体連通する第１のセグメント入口ヘッダ３８を有する。第１のセグメント燃料電池４０の各々は、互いに並列に配置されている。第１のセグメント燃料電池４０の各々は、反応物流れを有する。前記反応物流れは、第１のセグメント入口ヘッダ３８から入り、第１のセグメント出口ヘッダ４２内へ放出される。第１のセグメント出口ヘッダ４２は、セパレータセグメント４４に流体連通する。
【００２２】
〔００２７〕
セパレータセグメント４４は、第１のセグメント３４を第２のセグメント３６に機械的に且つ流体連通可能に結合する。セパレータチャンネル４６が、第１のセグメント出口ヘッダ４２と第２のセグメント入口ヘッダ４８との間を流体連通している。
【００２３】
〔００２８〕
第２のセグメント３６は、更に、複数の第２のセグメント燃料電池５０に流体連通する第２のセグメント入口ヘッダ４８を備えている。第２のセグメント燃料電池５０の各々は、互いに並列に配置されている。第２のセグメント燃料電池５０の各々は、反応物流れを有する。この反応物流れは、第２のセグメント入口ヘッダ４８から入り、第２のセグメント出口ヘッダ５２内へ放出される。この実施の形態においては、第２のセグメント出口ヘッダ５２は、燃料電池スタック３０からのすべての流れを収集し、排出する。
【００２４】
〔００２９〕
本発明の燃料電池スタック３０のセグメントは、連続する対のセグメントとして配列される。第１のセグメント３４は、上流側のセグメントとして作用している。この場合、流れは、第１のセグメント３４から第２のセグメント３６へ下流側に、燃料電池スタック３０を横断する。第３（又はそれ以上の）セグメントを使用する場合、第２のセグメント３６は第３のセグメント（図示せず）等に関して上流側のセグメントとなる。
【００２５】
〔００３０〕
（図示の）アノード流れは、第１のセグメント入口流れ方向Ｆにおいて、カスケード形の燃料電池スタック３０へ入る。カソード流れ（図示せず）は、図２に示すものと同様である。第１のセグメント入口ヘッダ３８から、アノード流れは、図示のように、第１のセグメント流れ方向Ｇとなるように第１のセグメント燃料電池４０内へ向け直される。燃料電池スタック３０へのすべての入口流れは、第１のセグメント燃料電池４０を横断する。第１のセグメント燃料電池４０からの排出物は、第１のセグメント出口方向Ｈとなるように第１のセグメント出口ヘッダ４２へ入る。
【００２６】
〔００３１〕
第１のセグメント３４を出るすべての流れは、セパレータセグメント４４のセパレータチャンネル４６へ入り、向き直し流れ方向Ｊへ向き直される。セパレータチャンネル４６から、すべての流れは、第２のセグメント３６の第２のセグメント入口ヘッダ４８へ向き直される。第２のセグメント入口ヘッダ４８から、流れは、第２のセグメント入口流れ方向Ｋから第２のセグメント流れ方向Ｌへ向き直される。第２のセグメント３６内のすべての流れは、第２のセグメント燃料電池５０内を流れる。第２のセグメント燃料電池５０の排出物は、第２のセグメント出口ヘッダ５２内へ至る。第２のセグメント出口ヘッダ５２内の組み合わさった流れは、スタック出口方向Ｍに向けて、燃料電池スタック３０を出る。
【００２７】
〔００３２〕
カスケード形（縦つなぎ）の燃料電池スタック３０は、以下に示す利点を提供する。すなわち、すべての燃料電池が、重力で補助されるほぼ下向きの流れ方向（第１のセグメント流れ方向Ｇ及び第２のセグメント流れ方向Ｌとして示されている方向）としてここでは定義される「単一方向の」流れとして流れを提供するように、配列される。重力で補助される方向においてのみ、単一方向の流れが、活動中の燃料電池を通るようにすることにより、反応工程で発生する水は、それぞれ燃料電池を通るガスの流速と、個々のセグメント出口ヘッダ４２、５２内への重力との双方により、強制的に送り出される。図示のように第１のセグメント３４と第２のセグメント３６との間にセパレータセグメント４４を配置することにより、セパレータセグメント４４は、隣接するスタックセグメントからの伝導性熱伝達と、スタック反応物及び冷却剤流れからの対流的な熱伝達とにより、燃料電池スタック３０の平均作動温度に達する。
【００２８】
〔００３３〕
使用において、燃料電池スタックは、スタック上方部分５４を構成するように形成されている。スタック入口オリフィス５６が、スタック上方部分５４に隣接して配置されている。同時に、本発明の燃料電池スタックは、スタック出口オリフィス６０が位置するスタック下方部分５８を構成するように形成されている。アノード流れ又はカソード流れは、スタック上方部分５４内に位置するオリフィスを通って入り、スタック下方部分５８を通って出る。冷却剤流れは、好ましくは、スタック上方部分５４を通って入り、スタック下方部分５８を通って出るように同様に構成される。
【００２９】
〔００３４〕
燃料電池の反応工程により発生する水を、スタック下方部分へ導くことにより、水は、効果的に排出される。本発明の図２の実施例において、水は、ドレン（図示せず）により、燃料電池スタックから排出される。ドレンは、下方のセパレータセグメント６２のセパレータドレン領域Ｎに接続されている。各セパレータセグメントは、下方のセパレータセグメント６２のドレン領域Ｎと同様のドレン領域を有する。セパレータドレン領域Ｎ内の水ドレンの位置によって、各スタックセグメントにより発生する水の主力部分が排出される。相対湿度は、次のセグメントへ入る前に、すべて又は大半の液体を除去することにより、ほぼ１００％の相対湿度にセグメント間で制御される。
【００３０】
〔００３５〕
ここで図３を参照すると、本発明の燃料電池スタックの２つの分離されたセグメントを示す簡単化した図が提供されている。複数の燃料電池からなるより大きな第１のセグメント７０を有する好ましい実施の形態が、より少数の燃料電池を有する第２のセグメント７２に隣接して示してある。簡略化のため、セパレータセグメントはこの図に示さない。第１のセグメント７０は、その入口面７９上に、カソード入口７４、冷却剤入口７６、及びアノード入口７８をそれぞれ有する。また、第１のセグメント７０上に示すものは、それぞれ出口面８５上の、アノード出口８０、冷却剤出口８２及びカソード出口８４である。
【００３１】
〔００３６〕
同様に、第２のセグメント７２は、入口面９１上に、カソード入口８６、冷却剤入口８８、及びアノード入口９０をそれぞれ有する。第２のセグメント７２は、また、出口面９７上に、アノード出口９２、冷却剤出口９４、及びカソード出口９６をそれぞれ有する。図３に示される凡例は、それぞれ、アノード、冷却剤、及びカソード流れストリームのための、寸法の大きい順に示した代表的なオリフィスである。
【００３２】
〔００３７〕
ここで図４、５を参照すると、図３に示した２つのセグメント燃料電池スタックを更に詳細にする。改質燃料（reformate fuel：リフォーメートフューエル）のための好ましい実施の形態の流れ経路が、示されている。改質燃料の使用について、好ましい実施の形態では、カソード流れ入口及びアノード流れ入口の双方が、燃料電池スタックの各セグメントの上方部分内に設けられている。これによって、スタックの頂部からスタックの底部に向けて、アノード反応物及びカソード反応物が流れる。即ち、各スタックセグメント内で下向きの単一方向流れが生じる。
【００３３】
〔００３８〕
図４を参照すると、カソード流れは、入口面７９のカソード入口７４に入り、アノード流れは、入口面７９のアノード入口７８に入る。第１のセグメント７０のアノード側及びカソード側のための流れは、第１のセグメント７０の上方部分から第１のセグメント７０の下方部分への一方を向いた方向すなわち重力で補助される方向となる。カソード流れは、出口面８５上のカソード出口８４を介して流出し、アノード流れは、出口面８５上のアノード出口８０を介して流出する。
【００３４】
〔００３９〕
第１のセグメント７０を出るカソード流れ及びアノード流れの双方は、セパレータチャンネル（図示せず）により、第２のセグメント７２の上方部分へ導かれて、第２のセグメント７２の入口面９１上のカソード入口８６及びアノード入口９０へそれぞれ入る。アノード流れ及びカソード流れの双方は、第２のセグメントの上方部分から第２のセグメントの下方部分へ第２のセグメント７２を横断する。アノード流れは、アノード出口９２を介して第２のセグメント７２から流出し、カソード流れは、カソード出口９６を介して第２のセグメント７２から流出し、これら両方の出口は、出口面９７上に位置する。冷却剤は、図４の燃料電池スタックの両方のセグメントを横断する。すなわち、入口面７９上の冷却剤入口７６から、第１のセグメント７０の出口面８５上の冷却剤出口８２へ流れ、次いで、セパレータチャンネル（図示せず）により入口面９１上の冷却剤入口８８へ導かれ、第２のセグメント７２の出口面９７上の冷却剤出口９４を通して排出される。
【００３５】
〔００４０〕
図４は、本発明の代表的な２つのセグメント燃料電池スタックを通る反応物及び冷却剤のための好ましい流れ経路を示す。空気及び改質ガスが、燃料ストリームとして使用される。アノードガス及びカソードガスの双方は、通常、その全体の容積のかなりの（容積で２０％以上の）部分として不活性ガスを含む。アノード燃料ストリーム及びカソード燃料ストリームの双方は、好ましくは、最初に、最大量の燃料電池を有するセグメントを通って流れ、水素を酸素と反応させて水を形成し、電流を発生させる。それ故、第１のセグメント７０は、最大割合の燃料を消費する。それ故、第１のセグメント７０は、最大の電圧を発生させる。低減した量の燃料電池を有する第２のセグメント７２は、アノード流体及びカソード流体の双方と更に反応し、残りの水素の大半を抽出する。それ故、第２のセグメント７２は、第１のセグメント７０よりも低い電圧を発生させる。第１のセグメント７０及び第２のセグメント７２からの全体の平均電圧は、単一のセットの燃料電池を通る平行流れを有する燃料電池スタックよりも大きい。
【００３６】
〔００４１〕
図４に更に示すように、カソードガスは、カソード出口８４を通って第１のセグメント７０から退出する。ここで、随伴された水は、水セパレータ９８により分離され、その後、カソードガスは、カソード入口８６で第２のセグメント７２内へ進入する。アノードガスは、アノード出口８０を通って第１のセグメント７０を出る。第１のセグメント７０と第２のセグメント７２との間で、アノードストリーム内の随伴された水は、同様に、水セパレータ１００を介して除去される。水セパレータ９８及び水セパレータ１００は、第１のセグメント７０のそれぞれカソード出口及びアノード出口上で個々のセパレータセグメント（図示せず）内に設けられる。
【００３７】
〔００４２〕
図５を参照すると、燃料電池スタックの別の実施の形態の斜視図を示す。図５の燃料電池スタックは、セパレータセグメントの流れチャンネル内の反応物流れが、図４に示すようなほぼ垂直な上向き流れ形状ではなく、後に定義するような「横断流（cross  flow：クロスフロー）」形状となるように、図４に示すものから、流れチャンネル内の反応物流れの方向を修正する。アノードガスの代表的な流れは、アノード入口７８において流れ矢印Ｏで概ね示されている第１のセグメント７０の上方部分で流入する。アノード入口７８から、アノードガスは、第１のセグメント入口ヘッダ１０４へ入る。第１のセグメント入口ヘッダ１０４の末端は、セパレータセグメント１０６により遮断されており、これにより、第１のセグメント入口ヘッダ１０４内のすべての流れは、複数の第１のセグメントセル（セグメント電池）１０８内へ強制的に圧送される。すべての入口流れは、第１のセグメントセル１０８を下方に横断し、第１のセグメント出口ヘッダ１１０内へ放出される。第１のセグメント出口ヘッダ１１０から、前記流れは、セグメント出口オリフィス１１２で第１のセグメント７０から退出し、セパレータセグメント１０６のセパレータ流れチャンネル１１４へ入る。セパレータ流れチャンネル１１４は、第２のセグメント７２の第２のセグメント入口ヘッダ１１６へ上方に向けて、前記流れの方向を変える。第２のセグメント入口ヘッダ１１６の末端は、付加的なセパレータセグメント１０６又は遮断部材（図示せず）により遮断されており、これによって、第２のセグメント入口ヘッダ１１６内のすべての流れが、複数の第２のセグメントセル（セグメント電池）１１８内へ強制的に圧送される。第２のセグメント入口ヘッダ１１６からのすべての流れは、第２のセグメントセル１１８を下方に横断し、第２のセグメント出口ヘッダ１２０内へ放出される。流れは、流れ矢印Ｐで示すように、第２のセグメント出口ヘッダ１２０から第２のセグメント７２を出る。
【００３８】
〔００４３〕
図５に最も良く示されているように、代表的な第１のセグメント７０に関して、アノード入口７８及び第１のセグメント入口ヘッダ１０４は、好ましくは、入口面７９のうち、カソード入口７４及びそのカソード入口ヘッダ１２２（明瞭のために一点鎖線で示す）からは反対の側に位置する。第１のセグメントセル１０８を通るアノードガス流れは、図示のように、斜めの方向又は対角線方向で下方に向く。カソードガス流れ（図示せず）は、また、カソード及びアノード流れが互いに関して「横断流（cross  flow：クロスフロー）」形状となるように、カソード入口ヘッダ１２２からカソード出口ヘッダ１２４へ斜め方向又は対角線方向で下方に向く。別の好ましい実施の形態（図示せず）においては、アノード入口７８及びカソード入口７４の双方は、入口面７９の同じ側に位置決めされている。この実施の形態においては、アノード流れ及びカソード流れの双方は、互いに関して「平行流（parallel flow：パラレルフロー）」、例えば入口面７９から見て左上から右下への流れ形状となる。アノード／カソード流れ、即ち「横断流」及び「平行流」の双方の両方の実施の形態においては、アノード流れ及びカソード流れの双方は、第１のセグメント７０及び第２のセグメント７２に関して各燃料電池内で常に一方向即ちほぼ下向きの流れ方向である。
【００３９】
〔００４４〕
冷却剤通路は、好ましくは、カソード流れ通路に対して平行流れ関係で配置される。それ故、各スタックセグメント内のアノード通路に関して、冷却剤通路は、また、上述した平行流又は横断流形状のいずれかで配置することができる。冷却材通路は、また、スタックの各セグメントに関して、一方向の流れ方向、即ちほぼ下向きの流れ方向をたどることが好ましい。しかしながら、冷却剤通路は、図２のセパレータドレン領域Ｎのような低地点ドレン領域を必要としない。それゆえ、冷却剤通路は、複数の形状として配置することができる。
【００４０】
〔００４５〕
各セグメント内の燃料電池の量は、調整でき、反応物の形式により予め決定される。各反応物流れは、一方向即ち重力で補助される方向に各セグメントのセル（電池）を通過し、反応物は、各セグメントを通して徐々に使い果たされる。任意の一定の合計入口及び出口流れに関して、複数又は多数セグメントスタックの各セグメントの化学量論は、すべてのセル（電池）が１ユニットのセル（電池）として供給されるような単一の貫通式のスタックのものよりも大きい。本発明のカスケード形の燃料電池スタックの全体の化学量論は、カスケード形でないスタックのものと同様である。しかしながら、本発明のカスケード形のスタックの各セグメント内の化学量論は、一層大きい。燃料電池デザインは、普通、水素燃料の約１０％ないし１１％が消費されないものと仮定している。従って、１１０単位の水素がスタックへ入った場合、約１００単位が電流を発生させるために反応し、約１０単位は未消費水素としてスタックを出る。それ故、化学量論は１１０／１００＝１．１である。
【００４１】
〔００４６〕
１００個のセル（電池）からなる１つのスタックが、６７個のセル（電池）からなる第１のセグメントと３３個のセル（電池）からなる第２のセグメントとを有するように、カスケード形のスタックがさらに分割された場合、双方のセグメントは、スタックの合計とは異なり、これよりも大きな化学量論を有する。代表的な構成において、上述と同じ水素の流れと仮定すれば、１．１の包括的なスタック化学量論が依然として存在する。第１のセグメント内には、１１０単位の水素が入るが、６７単位のみが消費され、それ故、第１のセグメントの化学量論は１１０／６７＝１．６４となる。水素の残りの４３単位は第２のセグメントへ入り、ここでは、３３単位が消費され、そのため、第２のセグメントの化学量論は４３／３３＝１．３０となる。最適なデザインは、約１．４ないし１．５の化学量論で生じる、１セグメント当り同じ化学量論を提供する。代表的な第１のセグメント内のセル（電池）の数は、両方のセグメントにおいて１．４ないし１．５の化学量論を生じさせるように増大させることができる。
【００４２】
〔００４７〕
カスケード形のスタックデザインを使用することにより、包括的なスタック化学量論を維持したまま、スタックの全体の電圧が増大する。例えば、上述の例においては、６７個のセル（電池）を有する第１のセグメントは、第２のセグメントよりも大きな電圧を発生させる。その理由は、反応物の全容積が、第１のセグメントを横断するからであり、また、第１のセグメント内の流速が、より少ない数のセル（電池）のために、より高くなるからである。増大した流速及び改善された水の除去は、単一の貫通型スタックデザインを備えた複数のセルからなる同様のグループの電池に比べて、水素及び酸素の反応を改善する。第２の又はその後のスタックセグメントの電圧は、一般に、平均で一層小さくなる。その理由は、第１のスタックセグメントが、利用できる水素の最大量と反応してしまっているからである。しかし、本発明の改善では、各セグメントの効率が改善される。
【００４３】
〔００４８〕
改質燃料のための好ましい実施の形態においては、アノード流れ及びカソード流れは、第１のスタックセグメントの上方部分においてスタックへ入る。各セグメントを通る流れは、各流体に対して、単一方向即ち重力で補助されるほぼ下向き方向である。任意のアノード素子又はカソード素子内で発生する水は、収集され、上述のように各セパレータチャンネルの底部で排出される。セパレータチャンネルが、スタックセグメント間に位置するので、チャンネルの温度は、冷却剤の温度により自動的に制御される。それ故、セパレータチャンネル内の水蒸気が、チャンネル／冷却剤の露点に達し、任意の過剰な液体水がセパレータドレンへ落ちるまで、任意のセパレータチャンネル内のガスの温度は、冷却剤の温度に調整される。この「自動」温度制御の利点は、各セグメントへ入る反応物ガスが約１００％ＲＨになることである。
【００４４】
〔００４９〕
連続するセグメントへの入口に達するアノードガス及びカソードガスの各々は、ほぼ１００％の相対湿度であり、各セグメントに飽和した流れを提供する。これは、各セグメントのための付加的な外部の温度制御を提供する必要性を排除する。燃料が各個々のセグメント内で反応すると、前記流れの平均温度は、１つのセグメントから次のセグメントにかけて上昇し、相対湿度は約１００％ＲＨに維持される。その理由は、液体水が、セグメントの重力で補助される流れ経路及びセパレータチャンネルの使用により、セグメント間で有効に除去されるからである。
【００４５】
〔００５０〕
本発明の燃料電池スタックはいくつかの利点を提供する。本発明の燃料電池スタックの各セグメントは、重力で補助される流れを提供し、各セグメント間に位置するセパレータセグメントは、スタックから水を有効に除去すると共に、スタック内の湿度を制御する。各セグメント内に重力で補助される流れを提供することにより及び異なる量の燃料電池素子の個々のセグメントを提供することにより、本発明は、燃料電池スタックが、個々のセグメント間で変化する化学量論で作動し、一層大きな作動効率を提供するのを許容する。本発明の燃料電池スタックの平均電圧出力は、素子の１つのセグメントのみを通る全体の流れを有する燃料電池スタックにわたって増大する。全体の平均スタック電圧も、また、カスケード形でないスタックよりも一層大きくなる。
【００４６】
〔００５１〕
本発明の説明は本質的に単なる例示であり、従って、本発明の要旨から逸脱しない変形は本発明の範囲に入るものとする。このような変形は本発明の精神及び範囲から逸脱するものとみなすべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】〔００１６〕  図１は、スタックを通る蛇行流れを有する代表的な３つのグループの燃料電池スタックを通る単一の燃料ストリームの図である。
【図２】〔００１７〕  図２は、本発明の原理に従った代表的な２つのセグメント燃料電池スタックを通る単一の流れストリームの断面立面図である。
【図３】〔００１８〕  図３は、明瞭にするためにセパレータセグメントを取り除いた状態での、燃料電池の一層大きな第１のセグメント及び燃料電池の一層小さな第２のセグメントを有する本発明の好ましい実施の形態を提供するブロック斜視図である。
【図４】〔００１９〕  図４は、本発明の再構成物燃料電池スタックのための流れ経路を更に示す図３に基づく斜視図である。
【図５】〔００２０〕  図５は、本発明の原理に従った代表的な２つのセグメント燃料電池スタックを通る単一の流れストリームの部分断面斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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