(57)【要約】  プロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池は、燃料および酸化剤流路（２７，２８；４１，４４）と、水流路とを有する燃料および酸化剤流れ区域板（２６，４０）を含み、対応する反応物気体入口マニホールド（３４，４２）に隣接するこれらの流れ区域板の端部（２９，４８）は、行き止まりになっており、他方の端部（３１，５０）は、対応する反応物気体排出マニホールド（３６，４５）内へ過剰の水を抜き出す。流れ制限器（３９，４７）が、出口マニホールド圧力より上に反応物気体圧力を維持しており、また、交互嵌合流路（６５，６６；７６，７８）を備える。中実反応物気体流れ区域板が、反応物気体流路（２７，２８；４１）と水抜き出し流路（２９，３０；４９；５０）との間に小さな孔（８５、８８）を有する。一実施態様では、スタックの燃料電池は、冷却剤板（５１）または中実板（５５）あるいは両方によって隔離できる。第２の実施態様では、冷却剤板（５１ａ）が、水抜き孔（５７）を有し、水抜き孔（５７）は、入口マニホールド（３４）の領域にある反応物気体水流路の端部（２９）内へ水を注入し、それによって、反応物の加湿を確実にする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード基体（２０）と、カソード基体（２１）と、これらの基体間に配置されたプロトン交換膜（１９）と、
アノード基体に隣接して燃料反応物気体流れ区域（２７，２８）を提供するアノード流れ区域板（２６）と、
カソード基体に隣接して酸化剤反応物気体流れ区域（４９，５０）を提供するカソード流れ区域板（４０）と、
を備える、燃料電池であって、
燃料反応物気体流れ区域は、燃料反応物気体入口マニホールド（３４）から燃料を受け取り、燃料反応物気体出口マニホールド（３６）内へと排出し、
酸化剤反応物気体流れ区域は、酸化剤反応物気体入口マニホールド（４２）から酸化剤を受け取り、酸化剤反応物気体排出マニホールド（４５）内へと排出し、
少なくとも１つの流れ区域板は、多孔質であり、また、少なくとも１つの流れ区域板の側面において、対応する１つの反応物気体流れ区域の反対に、水流れ区域（２９，３０，３１；４８，４９，５０）を有しており、水流れ区域（２９，４８）は、対応する１つの反応物気体入口マニホールドの領域で行き止まりになっており、対応する１つの反応物気体出口マニホールド内へ開いており、１つの流れ反応物気体区域内の反応物気体の圧力を対応する１つの反応物気体出口マニホールド内の反応物気体の圧力より上に維持するように、その排出端部において流れ制限器（３９，４７）を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
複数の請求項１に記載の燃料電池と、
（ａ）内部に冷却剤流れ区域を有する冷却板および（ｂ）中実板から選択されるとともに、燃料電池のそれぞれをその隣接する燃料電池から隔離する、気体不透過性セパレータ板（２６，５１ａ）と、
を有することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
前記流れ制限器は、対応する出口マニホールド内の圧力より０．２から２．０ｐｓｉ上に反応物気体の圧力を維持することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
複数の請求項１に記載の燃料電池と、
複数の冷却板（５１ａ）と、
を有する、燃料電池スタックであって、
各冷却板は、内部に冷却剤流れ区域（５２）を有し、燃料電池のそれぞれは、それに隣接する燃料電池から冷却板の１つによって隔離され、各冷却剤流れ区域の一部分は、反応物気体入口マニホールドの付近において少なくとも１つの反応物流れ区域の一部分と互いに位置合わせされ、少なくとも１つの水抜き孔（５７）が、各冷却剤流れ区域の前記部分と、これと互いに位置合わせされる１つの反応物気体流れ区域との間に存在することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
前記流れ制限器は、交互嵌合反応物気体流れ区域流路（６５，６６，７６，７８）を備えることを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
【請求項６】
少なくとも１つの前記基体は、多孔質であり、（ａ）親水性基体、（ｂ）防水基体、および（ｃ）部分的に親水性かつ部分的に防水の基体から選択されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項７】
少なくとも１つの流れ区域板（２６ａ）は、中実であり、反応物気体流れ流路（２７，２８）と、この流路から水流れ区域内へ延びる小さな孔（８５）とを有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項８】
前記小さな孔は、粒状物質で充填されており、それによって、多孔質詰め物を形成することを特徴とする請求項７記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔質反応物気体流れ区域板が、その逆の側面に、対応する反応物気体入口近くにおいて行き止まりになっておりかつ対応する反応物気体排出マニホールド内へと抜き出される水流れ区域を有する、プロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＥＭ型燃料電池内の水の管理は、生成物水（燃料電池過程から生じる）およびプロトンドラッグ水（ｐｒｏｔｏｎ  ｄｒａｇ  ｗａｔｅｒ）（アノード側から膜を通して運ばれる）をカソードから運び去り、同時に、特にアノード側において、膜が確実に湿ったままになるようにすることを含む。最近のＰＥＭ型燃料電池の設計は、水管理の機能と燃料電池を冷却する機能の両方を提供するように、一方の側面に反応物気体流れ区域を、他方の側面に水冷却剤流路を有する水輸送板を使用する。これには、両方の反応物を加湿するように水輸送板を通して、さらには、膜が確実に加湿されたままになるようにアノード電極へと、水の流れを促進することと、生成物およびプロトンドラッグ水をカソード電極から流し去り、同時に、各電極への反応物気体の通路を水が閉塞しないようにすることとの間のバランスが必要である。さらに、１つの電池のカソードと、隣接する電池のアノードとの間の水の流れは、気体不透過性のセパレータ板を用いることによってではなく、電池間の気体クロスオーバを防止するのに泡圧力に依拠することによって、提供される。これは、反応物気体と冷却剤水との間の圧力差および細孔径の注意深いバランスによって制御できる。しかしながら、適切な大きさの細孔を有する水輸送板の作成は、極端に費用がかかるものとなる。高い水透過性のためにより大きな細孔を利用することと、同時に、燃料反応物気体の酸化剤反応物気体とのクロスオーバおよび混合を防止する高い泡圧力のためにより小さな細孔を利用することは、ジレンマを与える。すなわち、一方の増大は、他方を害することになり、また逆も同じことになる。この種の燃料電池は、同一出願人が所有する米国特許第５，５０３，９４４号および第５，７００，５９５号に例示されている。
【０００３】
冷却剤として純粋な燃料電池水を利用する水輸送板の問題の一つは、そのような燃料電池が、寒冷気候において、作動していないときに凍結してしまうことである。さらに、解凍および初期始動を向上させるように水流れ区域板内に水以外の物質を使用することによって、燃料電池に混ぜ物をして、性能劣化を引き起こす。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の目的は、冷却剤として不凍液溶液を使用できるＰＥＭ型燃料電池、凍結したときに解凍を手助けする始動溶液を利用できるＰＥＭ型燃料電池、高い公差の微細細孔多孔質反応物流れ区域板を必要としないＰＥＭ型燃料電池、反応物流れ区域と水管理の一方または両方のための容易に製造される低い公差の板を利用するＰＥＭ型燃料電池、ＰＥＭ型燃料電池内の冷却からの水管理の分離を含む。
【０００５】
本発明に従うと、ＰＥＭ型燃料電池内の受動水管理は、酸化剤反応物気体および燃料反応物気体の流れ区域板を含み、これらの流れ区域板の少なくとも１つは、その逆の側面に水流れ区域を含み、水流れ区域は、対応する反応物気体入口近くにあるその端部において行き止まりになっており、また、関連する反応物気体排出マニホールド内へと流れ込んでいる。いくつかの実施態様においては、スタックの個々の燃料電池は、気体不透過性板により隔離されており、一実施態様においては、セパレータ板の少なくともいくつかは、内部に冷却剤流れ流路を有する冷却板であり、いくつかの実施態様においては、セパレータ板の少なくともいくつかは、中実である。従って、水管理流れ区域は、対応する反応物気体出口マニホールド圧力とほぼ同じ圧力であり、この圧力は、各気体流れ区域の圧力より低い。反応物気体圧力は、反応物流れ区域では、各反応物気体出口マニホールドよりは実質的に高い圧力に維持される。圧力差は、反応物気体流れ区域出口内の流れ制限装置によって達成される。圧力差は、反応物流れ区域から多孔質または貫通孔の反応物流れ区域板を通って水流れ区域内へとさらにそこから反応物気体出口マニホールドへと過剰の水を移動させる駆動力を提供し、反応物気体出口マニホールドで、過剰の水は、電池から除去される。また、圧力差は、濡れ可能な親水性基体が使用されるとき、アノード基体およびカソード基体の飽和レベルを設定する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１を参照すると、燃料電池スタックが、複数の燃料電池を含み、各燃料電池は、ＰＥＭ１９と、アノード基体２０とを含み、アノード触媒（図示せず）が、膜１９と基体２０の間に配置される。カソード触媒（図示せず）が、膜１９とカソード基体２１の間に延びる。多孔質アノード流れ区域板２６が、その一方の側面にアノード基体２０に隣接して燃料反応物気体流れ流路２７、２８を、その逆の側面に水流れ流路２９−３１を含む。例示的な実施態様においては、図２に示すように、燃料流れ流路２７は、燃料入口マニホールド３４から燃料反転マニホールド３５へと水平に走っており、燃料流れ流路２８は、燃料反転マニホールド３５から燃料出口マニホールド３６へと走っている。図３に見られるように、水管理流路の端部２９が、燃料入口マニホールド３４の近くの領域で行き止まりになっており、燃料流れ区域板２６の反対端部において角部３０を形成し、そこで、それらは、板２６の他方の縁部へと向かって曲がり、その後、それらは、再び曲がって、燃料出口マニホールド３６へと走り、燃料出口マニホールド３６の領域において、水管理流路の端部３１は、燃料出口マニホールド３６内へと自由に流れ込む。他の水流れ区域の構成が、可能である。水管理流れ区域は、図示するような流路、または、当業技術内で知られる他の幾何学的形状とすることができる。水管理流れ区域は、反応物流れ区域板と一体にすることができ、あるいは、流れ区域板に隣接することができる。例えば、水管理流れ区域は、反応物流れ区域板の表面上とすることができ、あるいは、隣接するセパレータまたは冷却器板の表面上とすることができる。水管理流れ区域板は、流路を含まないが電池の１つの部分から電池の別の部分へと水を移動させる高い水透過性を有する多孔質の平らなモノリスとすることができる。
【０００７】
反応物流れ区域はそれぞれ、反応物排出マニホールド内の圧力より約０．２から２．０ｐｓｉ（１．４から１４．０ｋＰａ）大きな背圧を反応物流れ区域内で生成するように、反応物排出マニホールドへのその放出の付近に流れ制限器３９（図２）を含む必要がある。流れ制限器の形態の一つは、アノード流れ区域内の流路２８内にあり流れ抵抗を生成する粒状物質である。当業者は、本発明の任意の実施において所望の背圧を生成するために、流れ制限器の細孔径および長さを確定できる。
【０００８】
各電池は、図１および図４に見られるように、酸化剤入口マニホールド４２から酸化剤反転マニホールド４３へと延びる酸化剤流れ流路４１と、反転マニホールド４３から酸化剤排出マニホールド４５へと延びる酸化剤流れ流路４４とを有する多孔質酸化剤反応物気体流れ区域板４０を備える。流れ区域４４は、流れ制限器３９に関連して上に記載したように、背圧を維持するための流れ制限器４７を有する。流れ制限器は、単に流路４４を出口マニホールド４５へと全面的に延ばさずに、流れ区域板４０の多孔質基体に通して流れを流すことによって形成できる。酸化剤流れ区域板４０は、図５に見られるように、その逆の側面に水流れ流路を含み、この水流れ流路の端部４８は、酸化剤入口マニホールド４２の近くの領域で行き止まりになっており、板４０の他方の縁部において角部４９を形成し、ついで、板４０の反対側へと向かって走り、再び、流路５０と共に曲がっており、流路５０は、酸化剤排出マニホールド４５へと向かって走る。他の水流れ区域構成が、上述したように使用できる。本発明に従って、カソード水流れ区域の端部５０は、酸化剤排出マニホールド４５内へと抜き出される。
【０００９】
アノード基体２０とカソード基体２１の一方または両方が、従来技術で知られるように、（ａ）濡れ可能かつ親水性の基体、（ｂ）防水かつ疎水性の基体、または、（ｃ）部分的に（ａ）および（ｂ）から成る、のうちのいずれかとすることができる。本発明の任意の実施において所望ならば、濡れ可能なカソード基体は、防水のアノード基体を備えることができ、また逆も同じように可能であり、他の組み合わせも使用できる。
【００１０】
図１において、カソード流れ区域板４０は、気体不透過性セパレータ板によって、アノード流れ区域板２６から隔離することができ、この気体不透過性セパレータ板は、内部に冷却剤流路５２を有する冷却器板５１とすることができるか、あるいは中実板５５とすることができる。いくつかの燃料電池に対して冷却器板５１を１つとし、残りの燃料電池は、中実板５５によって隔離することができ、あるいは、燃料電池スタック全体を、所望により冷却器板５１または中実板５５によって隔離できる。
【００１１】
図１〜図５に関連して説明した実施態様は、反応物気体の一方または両方が、燃料電池スタックに流入する前に加湿されることを必要とし得るものであり、これは、反応物内に水を噴霧すること、充填層接触飽和器に反応物を通して流すこと、エンタルピー交換装置に反応物を通して流すこと、反応物再循環を用いること、または従来技術で知られる他の方法によって、達成できる。
【００１２】
本発明の任意の実施に置いて所望ならば、水流れ区域は、アノード側でなくカソード側にだけ備えることができ、また逆も同じように可能である。
【００１３】
本発明の第二の態様は、反応物気体の一方または両方を外部的に加湿する必要を軽減する。本発明のこの態様の一実施態様においては、図６および図７に例示するように、改良型冷却器板５１ａが、燃料入口３４の領域における燃料反応物気体流路の端部２９とそれに隣接する冷却剤水流路５２との間において水抜き孔５７を有する。これは、ＰＥＭのアノード側に確実に適切に湿気を与えるように、水流路２９、３０、３１内へ一定の水流入を供給する。しかしながら、この場合は、純粋な脱イオン水を、冷却剤として使用する必要がある。この実施態様では、水の圧力は、反応物流れ区域の湛水を防止するように反応物入口圧力より低く、かつ、水流れ区域内へ水を押し込むように反応物排出圧力より高い。水抜き孔５７には、流れに対する抵抗を増加するとともに水と反応物の間の圧力制御を容易にする粒状充填材が充填できる。この考えは、空気入口マニホールド４２の付近においてカソード流れ区域４０に水抜き孔を備えることによって酸化剤を加湿するのにも用いることができる。
【００１４】
流れ制限装置３９、４７は、図８および図９に例示するように、交互嵌合反応物気体流れ流路とすることができる。図８においては、反応物気体流れ流路６０は、まっすぐな流れ流路であるが、流れ流路６０は、反応物気体排出マニホールド６１内へ流入せず、その代わりに、マニホールド流路６２内へ流入する。流路６２から、反応物気体は、入口交互嵌合流れ区域流路６５内へ流入し、ついで、基体を通って出口交互嵌合流れ区域流路６６内へと流れ、流路６６は、流れ区域板の縁部６７に開かれており、それによって、気体は、反応物気体出口マニホールド６１内へ流入できる。矢印６８により示される寸法は、入口流路６５と出口流路６６の間の重複の程度を構成しており、背圧の量を決定することになる。図９は、流れ区域全体が交互嵌合している状態を例示する。図９においては、入口反応物気体流れ流路７１は、流れ区域板の縁部７２から延びており、それによって、気体は、反応物気体入口マニホールド７３から流路７１に流入することになる。交互嵌合出口流れ流路７６は、通常の場合のように、流れ区域板の出口縁部７７に到達しない。その代わりに、出口反応物気体流れ流路は、流路７６と重複する関係で流れ区域板の縁部７７から延びる。従って、反応物気体は、入口流路７１から出口流路７６へ、ついで、出口流路７６から出口流路７８へ、それから、反応物気体出口マニホールド７９内へと流れる必要がある。矢印８２により示される寸法は、出口流路７６と出口流路７８の間の重複を表しており、気体反応物流路７１、７６内の背圧を制御することになる。
【００１５】
いくつかの反応物気体流れ区域は、十分に曲がりくねった経路を提供することができ、それによって、本発明の必要を満足するように流れ区域に亘る反応物気体圧力のかなりの降下が生じる。一例は、少しばかり蛇行した流路から成る流れ区域である。そのような場合、別個の流れ制限装置３９、４７、６８、８２は、不要になり得る。
【００１６】
本発明の利点の一つは、非常に低い圧力作動で、および、負の水流路圧力を有する必要なしで、非多孔質中実流れ区域板が、通常の多孔質流れ区域板の代わりに使用できることである。図１０においては、燃料反応物気体流れ区域板２６ａは、中実であるが、流れ区域の一方の面上の各燃料流れ流路２７、２８と、流れ区域板の逆の面上の水抜き出し流路２９−３１との間に複数の小さな孔または貫通孔８５を有する。孔は、内部に成形することができ、あるいは、流れ区域板を形成した後に、他の方法で提供できる。これは、細孔径に亘る精密な制御および流れ区域形状寸法の精密な制御両方を必要とする多孔質流れ区域板であって今まではそれを機械加工するのとは対照的にそれらの板を成形するのが妨げられていた多孔質流れ区域板を形成する困難を軽減する。特徴は、反応物気体流れ流路２７、２８の一つが水滴で閉塞されるようになるどのような傾向によっても、十分な流路圧力降下が水滴にかけられることになり、それによって、水滴は、孔８５を通って水抜き出し流路２９、３０内へと押し込まれる。同様に、中実の酸化剤反応物気体流れ区域板４０ａは、酸化剤反応物気体流れ流路４１、４４それぞれおよび対応する水流路５０から延びる複数の小さな直径の孔８８を有する。また、孔８５、８８は、気体移動に対する障壁を提供しながら水を伝達することになる多孔質の詰め物を生成する粒状物質で充填できる。孔を通る小さなレベルの反応物気体漏れ（例えば、反応物気体流れの５％〜１０％）は、許容できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図２〜図５のＸ−Ｘ線に沿ってとった本発明を組み込む燃料電池の部分断面端立面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線上で一部切り欠いた燃料反応物気体流れ区域およびマニホールドの簡略様式側立面図。
【図３】図１のＢ−Ｂ線上で一部切り欠いたアノード水管理流れ流路の簡略様式側立面図。
【図４】図１のＣ−Ｃ線上で一部切り欠いた酸化剤流れ区域およびマニホールドの簡略様式側立面図。
【図５】図１のＤ−Ｄ線上で一部切り欠いたカソード水流れ流路の簡略様式側立面図。
【図６】本発明の別の態様を組み込む燃料電池の部分断面端立面図。
【図７】図６の７−７線上で一部切り欠いたアノード水管理流れ流路の簡略様式側立面図。
【図８】自由流れ反応物気体流れ区域板と関連する交互嵌合流れ制限器の簡略概略図。
【図９】交互嵌合流れ区域板と関連する交互嵌合流れ制限器の簡略概略図。
【図１０】反応物気体流路と水抜き出し流路の間に水流れ孔または貫通孔を有するが、多孔質ではなく中実の流れ区域板を組み込む本発明に従う燃料電池の部分断面端立面図。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年2月6日(2004.2.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード基体（２０）と、カソード基体（２１）と、これらの基体間に配置されたプロトン交換膜（１９）と、
アノード基体に隣接して燃料反応物気体流れ区域（２７，２８）を提供するアノード流れ区域板（２６）と、
カソード基体に隣接して酸化剤反応物気体流れ区域（４９，５０）を提供するカソード流れ区域板（４０）と、
を備える、燃料電池であって、
燃料反応物気体流れ区域は、燃料反応物気体入口マニホールド（３４）から燃料を受け取り、燃料反応物気体出口マニホールド（３６）内へと排出し、
酸化剤反応物気体流れ区域は、酸化剤反応物気体入口マニホールド（４２）から酸化剤を受け取り、酸化剤反応物気体排出マニホールド（４５）内へと排出し、
少なくとも１つの流れ区域板は、多孔質であり、また、少なくとも１つの流れ区域板の側面において、対応する１つの反応物気体流れ区域の反対に、水流れ区域（２９，３０，３１；４８，４９，５０）を有しており、水流れ区域（２９，４８）は、対応する１つの反応物気体入口マニホールドの領域で行き止まりになっており、対応する１つの反応物気体出口マニホールド内へ開いており、１つの流れ反応物気体区域内の反応物気体の圧力を対応する１つの反応物気体出口マニホールド内の反応物気体の圧力より上に維持するように、その排出端部において流れ制限器（３９，４７）を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
複数の請求項１に記載の燃料電池と、
（ａ）内部に冷却剤流れ区域を有する冷却板および（ｂ）中実板から選択されるとともに、燃料電池のそれぞれをその隣接する燃料電池から隔離する、気体不透過性セパレータ板（２６，５１ａ）と、
を有することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
前記流れ制限器は、対応する出口マニホールド内の圧力より０．２から２．０ｐｓｉ上に反応物気体の圧力を維持することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
複数の請求項１に記載の燃料電池と、
複数の冷却板（５１ａ）と、
を有する、燃料電池スタックであって、
各冷却板は、内部に冷却剤流れ区域（５２）を有し、燃料電池のそれぞれは、それに隣接する燃料電池から冷却板の１つによって隔離され、各冷却剤流れ区域の一部分は、反応物気体入口マニホールドの付近において少なくとも１つの反応物流れ区域の一部分と互いに位置合わせされ、少なくとも１つの水抜き孔（５７）が、各冷却剤流れ区域の前記部分と、これと互いに位置合わせされる１つの反応物気体流れ区域との間に存在することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
前記流れ制限器は、交互嵌合反応物気体流れ区域流路（６５，６６，７６，７８）を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項６】
少なくとも１つの前記基体は、多孔質であり、（ａ）親水性基体、（ｂ）防水基体、および（ｃ）部分的に親水性かつ部分的に防水の基体から選択されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項７】
少なくとも１つの流れ区域板（２６ａ）は、中実であり、反応物気体流れ流路（２７，２８）と、この流路から水流れ区域内へ延びる小さな孔（８５）とを有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項８】
前記小さな孔は、粒状物質で充填されており、それによって、多孔質詰め物を形成することを特徴とする請求項７記載の燃料電池。
【国際調査報告】
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