(57)【要約】燃料電池スタック（７）は、燃料入口（８）から燃料折り返しマニホールド（１２）を通り、燃料出口（１５）まで延びているツーパス方式の燃料流れ場（ＩＩ，１４）を有する。スタックは、空気入口（３２）から空気折り返しマニホールド（３８）を経て、空気出口（４１）まで延びている２つの空気流れ場（３７，４０）を有しており、空気出口（４１）は燃料出口（１５）に隣接している。スタックは、冷却液入口（２１）から冷却液出口（２８）まで延びている冷却液流れ場（２３，２５，２７）を含み、冷却液入口は燃料出口と空気出口の双方に隣接している。流体流れ構造は、より低い温度、より均一な温度プロファイル、より高い冷却液出口温度を提供し、またより高い空気利用率とより少ない冷却液流量の下での運転を可能にする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各燃料電池が、
第１の側縁（３３）と該第１の側縁と対向する第２の側縁（３９）と、
第１の端縁（９）と該第１の端縁と対向する第２の端縁（１３）と、
を有する、燃料電池スタックであって、
前記第１の端縁にあって、前記第２の側縁に隣接している燃料反応ガス入口（８）と、
前記第２の端縁に亘って延びている燃料反応ガス折り返しマニホールド（１２）と、
前記第２の側縁に隣接して、前記燃料反応ガス入口から前記燃料反応ガス折り返しマニホールドまで延びている第１の燃料反応ガス流れ場（１１）と、
前記第１の端縁にあって、前記第１の側縁に隣接している燃料反応ガス出口（１５）と、
前記第１の側縁に隣接して、前記燃料反応ガス折り返しマニホールドから前記燃料反応ガス出口まで延びている第２の燃料反応ガス流れ場（１４）と、
前記第１の側縁にあって、前記第２の端縁に隣接している酸化剤反応ガス入口（３２）と、
前記第２の側縁に亘って延びている酸化剤反応ガス折り返しマニホールド（３８）と、
前記酸化剤反応ガス入口から前記酸化剤反応ガス折り返しマニホールドまで延びている第１の酸化剤反応ガス流れ場（３７）と、
前記第１の側縁にあって、前記第１の端縁に隣接している酸化剤反応ガス出口（４１）と、
前記酸化剤反応ガス折り返しマニホールドから前記酸化剤反応ガス出口まで延びていて、それによって前記燃料反応ガス出口が前記酸化剤反応ガス出口と隣接する第２の酸化剤反応ガス流れ場（４０）と、
前記燃料反応ガス出口および前記酸化剤反応ガス出口に隣接して配置された冷却液入口（２１）と、
前記冷却液入口が隣接している前記燃料電池の側面と対向する前記燃料電池の側面に隣接して配置された冷却液出口（２８）と、
前記冷却液入口から前記冷却液出口まで延びている冷却液流れ場（２３，２５，２７）と、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記冷却液流れ場は、少なくとも第１および第２の冷却液流れ場部分を含み、冷却液折り返し流れ場部分が前記第１および第２の冷却液流れ場部分の間に延びていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記冷却液流れ場は、３つの流れ場部分を含み、冷却液折り返し流れ場部分が前記３つの流れ場部分の間に延びていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
各燃料電池が、
燃料入口（９）と、燃料出口（１５）と、燃料折り返しマニホールド（１２）と、前記入口から前記折り返しマニホールドまで延びている燃料流れ場（１１）と、前記折り返しマニホールドから前記燃料出口まで延びている燃料流れ場（１４）と、
空気入口（３２）と、空気出口（４１）と、空気折り返しマニホールド（３８）と、前記空気入口から前記空気折り返しマニホールドまで延びている空気流れ場（３７）と、前記空気折り返しマニホールドから前記空気出口まで延びている空気流れ場（４０）と、
を有する、燃料電池スタックであって、
前記燃料入口と前記空気入口とは互いに離隔しており、前記燃料出口と前記空気出口とは互いに隣接しており、
前記空気出口および前記燃料出口の双方に隣接している入口（２１）を有する冷却液流れ場（２３，２５，２７）によって改善されたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
さらに全空気利用率が少なくとも７０％であり、各々の燃料電池に亘る温度差が１５°Ｆ以下であることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
冷却液出口温度が１６０°Ｆを上回ることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料反応ガス出口と酸化剤反応ガス出口が共に冷却液入口に隣接していて、その結果燃料電池スタックの各々のセルに亘ってより均一な温度プロファイル、燃料電池スタックの各々のセルのより低い最高温度、より高い冷却液出口温度、より高い水の回収率を提供し、そしてより高い空気の利用率とより少ない冷却液の流量下での運転を可能にする、プロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池などの燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＥＭ型燃料電池においては、高いプロセス効率を維持し、反応ガスクロスオーバーにつながる膜の劣化を防ぐために膜が湿った状態でなければならないことが知られている。アノードで生成される各々のプロトンは膜を通り抜けてカソード側へと向かう際、水の分子を自身と共に引っ張って行き、それによって一般的にプロトンドラッグとして知られる送水効果を奏する。従って効率的に運転させるためには膜のアノード側で水を絶え間無く補給しなければならない。カソード側では、プロセスの副生成物として水が生成され、これは一般に生成水と呼ばれている。水が酸化剤反応ガスのカソード触媒への通過を妨害するのを防ぐためにプロトンドラッグによる水と生成水はカソードから取り除かなければならない。
【０００３】
また、ＰＥＭ型燃料電池の膜の耐用年数は自身の温度と反比例することも知られている。プロセスの副生成物の内の１つは内部で生成される熱であり、ホットスポットが任意のセル中に存在する場合、そのようなスポットで膜は劣化し、燃料電池スタックの効率と寿命は相応に低下する。したがって、内部で生成された熱は、ホットスポットの温度を制限するように、燃料セルスタックの各々のセルの全体に亘って取り除かれなければならない。
【０００４】
代表的なＰＥＭ型燃料電池スタックにおいては、酸化剤反応ガスは空気であり、燃料電池スタックの各々のセルの全体に亘って十分な酸素を確保するために必要な量よりも多く供給される。各々のスタック中の空気の流れ場の流路の断面積のばらつきのため、流れの場の断面積の最も小さいセルの必要量を満たすために十分な空気を供給することが必要である。より高い空気利用率によって、作動電力のより少ないエアーポンプの使用が可能になり、それによって燃料電池スタックの総合的な効率が上昇する。しかしながら、空気の全利用率が非常に高いと燃料電池スタックの任意の領域の効率の低下につながる。従って、バランスをとることが必要であり、標準的な空気利用率はおよそ６０％でよい（酸素の必要量を満たすのに必要な空気の量の約１．７倍多い空気の供給）。未使用の空気はカソードでプロトンドラッグ水と生成水によって供給される水蒸気を自身と共に運ぶ。空気中あるいは燃料排気中へ蒸気または液体として取り除かれる水の量が多過ぎる場合、とりわけアノード側の膜の湿った状態を維持することを確実にするため、水のさらなる供給をしなければならない。
【０００５】
ＰＥＭ型燃料電池においての水の管理には上述の考慮を図らなければならない。好ましい関係は、燃料電池スタックから放出される水分量が生成水とバランスするように、排出される空気および燃料の流れから十分に水分を凝縮することである。これを達成するために１９９９年３月１２日に出願された米国特許出願第０９／２６７，４１６号に開示された最近の技術革新により、排出される空気と流入する冷却液との間の温度差を最小限に留めるため冷却液入口を空気出口と隣接させる技術が提供され、それによって燃料電池スタック内の水の著しい凝縮が達成される。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に基づく特徴を有するＰＥＭ型燃料電池は以下のことを達成することができる：燃料電池スタック内の生成水の回収を最大限可能にすること；空気利用率の向上によって高い性能を達成すること；スタックの各々のセルの最高温度を減少させること；スタックの各々のセルに亘ってさらに均一な温度プロファイルを提供すること；排出される酸化剤反応ガス流および排出される燃料反応ガス流中の凝縮を促進するために十分に低い冷却液入口温度を得ると同時に廃熱の廃棄を高めるためにより高い冷却液出口温度を得ること；および各々の電池内の冷却液の流量を減少させること。
【０００７】
本発明によって、燃料電池スタックの各々のセル内の流体流れ場のパターンが整えられ、酸化剤反応ガス出口と燃料反応ガス出口とが双方共に冷却液入口に隣接され、冷却液は各々の燃料電池の冷却液入口に隣接する縁とは対向する燃料電池の縁に隣接する各々の燃料電池から排出され、燃料反応ガス入口は酸化剤反応ガス入口から離隔される。一実施例では反応ガス流の流路は「ツーパス方式」であり、入口マニホールドから各セルの半分を流れて折り返しマニホールドに達し、スタックの各セルのもう半分に達する前に折り返しマニホールド内部でガスが再分配されてから出口マニホールドへと流れる。その実施例では、燃料反応ガス流の流路は酸化剤反応ガス流の流路と直交し、また燃料反応ガスの出口は酸化剤反応ガスの出口と隣接している。その実施例ではさらに冷却液は各々のセルの反応ガス出口に隣接する位置から流れ込み、それから冷却液の入口と正反対に対向する位置から排出させるために各々３つの区間と２つの折り返しを持っている流路を通過して流れる。
【０００８】
本発明は燃料反応流れ場が行き止まりになっていない場合、燃料反応ガスの排気の際に相当量の水が燃料電池の外に運び出されるという認識に幾分基づき、また豊富で部分的に消耗された酸化剤反応ガスと部分的に消耗された豊富な燃料反応ガスと冷却液の温度との間で保持されるバランスにより、各燃料電池の最高温度は著しく減少し、同等に、より均一な温度プロファイルが各々の燃料電池に亘って提供されるという概念に幾分基づいている。
【０００９】
本発明は、燃料電池スタックの最高温度を１５°Ｆ（約１８℃）を上回って減少させ、さらに同時に冷却液の流量を約半分減少させて全酸化剤利用率を８０％付近まで増加させることを示した。本発明は、酸化剤反応ガスのためおよび冷却液のためにより小さなポンプを可能とすることによって、寄生電力の損失を低減する。本発明は実質上、燃料電池の最も暖かい部分を冷却液出口の近くに位置づけ、外部熱廃棄型熱交換器（燃料電池により電力供給される電気輸送装置の従来のラジエーター等）のサイズの大幅な削減を許容することによって廃熱の廃棄を助ける。排出される燃料中の水分の凝縮もまた、入って来る冷却液を加熱し、燃料電池スタックのその部分の温度を幾分上昇させ、今度はスタックの隣接部分に入って来る空気の温度、従って蒸気圧を上昇させ、その結果入って来る空気の加湿が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１〜図３を参照すると、燃料電池スタック９の各々の燃料電池は、燃料入口マニホールド１０によって供給される、燃料電池の第１の端縁９の燃料入口８、第１パス燃料流れ場１１、第２の端縁１３の燃料折り返しマニホールド１２、第２パス燃料流れ場１４、および燃料出口マニホールド１６へ供給する、第１の端縁９の燃料出口１５を含む。第１パス流れ場１１と第２パス流れ場１４との間の輪郭は図１では線１９により実線で図示されていて、図２および図３では二点鎖線で図示されている。燃料電池スタック９の各々の燃料電池は、内部冷却液入口マニホールド２２によって供給される冷却液入口２１、第１の直線状流れ場部分２３、第１の折り返し流れ場部分２４、第２の直線状流れ場部分２５、第２の折り返し流れ場部分２６、第３の直線状流れ場部分２７、および内部冷却液出口マニホールド２９へ供給する冷却液出口２８も含む。図２において、冷却液流の方向の間の境界は実線３２、３３で示し、図１および図３においては一点鎖線で示す。燃料電池９は内部冷却液マニホールド２１、２９を含んでいるように図示されているものの、外付け冷却液マニホールド等の他の冷却液マニホールド構成が用いられてもよい。この実施例において、酸化反応ガスは空気であると仮定されているが、本発明は空気よりも酸素濃度の高い、または低い酸化ガスを用いて実施されてもよい。図３において、空気流れ場は、空気入口マニホールド３６によって供給される、第１の側縁３３の入口３２、第１の流れ場３７、第２の側縁３９の折り返しマニホールド３８、第２の流れ場４０、および空気出口マニホールド４２へと供給する第１の側縁３３の空気出口４１を有する。図３において、空気流の方向の間の境界は実線４３で示し、図１および図２おいては一点鎖線で示す。
【００１１】
図１〜図３の実施例では、燃料出口１５と空気出口４１とは共に冷却液入口２１に隣接していて、空気および燃料双方の流れの中に含まれている水蒸気の凝縮量を最大にする。さらに、冷却液出口２８は実質的に、燃料流れ場１２に沿った燃料の流れおよび空気流れ場３７に沿った空気の流れの両方ともその中ほどに位置している。この配置により冷却液はセルの最大温度に近い状態でセルを出ることが可能となり、また同時に、同位置で供給される比較的新しい反応剤の比較的高い反応剤の分圧によって、セル性能はこの高温によっても低下しない。反応剤の分圧は流れ場の出口近辺で減少するが、しかしながら、出口近辺の温度がより低い結果、水の蒸気圧が減少することによって、セル性能は維持される。
【００１２】
図４および図５において、同じような燃料電池の温度プロファイルが図示されている。図４では本発明の構成を持たない燃料電池、一方、図５では本発明の構成を有する燃料電池のものである。図４および図５において示されている温度は空気の温度である。しかしながら、空気の温度はＰＥＭ型燃料電池中の冷却液の温度と２°Ｆ−３°Ｆ（１．１℃−１．７℃）しか違わないことが知られている。両方の燃料電池の大きさは同じで、各々のセルの作用面積はおおよそ１２．９インチ×６．３インチ（３２．８ｃｍ×１６ｃｍ）である。各々のセルは８０％の燃料反応ガス利用率、および６０％の空気利用率で運転された。両方の燃料電池は１つのセル当たり冷却水２０ポンド毎時（９．１Ｋｇ毎時）で冷却され、冷却水は１３５°Ｆ（５７．２℃）で入れられた。図４における燃料電池は６００アンペア毎平方フィート（６，４５６アンペア毎平方メートル）で運転され、一方、図５における本発明を組み入れた燃料電池はより高い電流密度７００アンペア毎平方フィート（７，５３２アンペア毎平方メートル）で運転された。図４および図５で示されている温度は華氏温度である。各図面においていくつかの領域には注釈が付けられているが、死一連の領域はそれぞれ前の領域の境界より５°Ｆ（２．８℃）低い境界を持っている。図４および図５双方で最も低い温度の領域は左上と左下の領域で１３０°Ｆ−１３５°Ｆ（５４．４℃−５７．２℃）である。本発明を用いた燃料電池（図５）における最高温度は本発明を用いていない燃料電池の最高温度よりも１５°（８．３℃）低いこと、図５は図４と比べて最も温度の高い２つの領域が図中で上方および右へ動いていることは明らかであり、従って二番目に暖かい領域は冷却液出口２８（図２）の付近に存在するということになる。冷却液出口温度をセル中の最高温度と非常に近づかせることにより、より小さな熱交換器（ラジエーター）で冷却液から熱を引き出す能力が強化される。燃料出口１５（図１）および空気出口４０（図３）が共に各々の燃料電池の最も温度の低い部分（左下）に位置するため、空気と燃料の両方に含まれる水蒸気の著しい凝縮が行われ、それによって十分な水の回収が確保され、燃料電池スタックが内部で水収支を保つことにつながる。完全に理解されているわけではないが、空気入口３５と燃料入口１０を可能な限り距離を離すことが改善された図５の温度プロファイルを得られる理由の内の１つだと信じられている。図４に示されているホットスポットを阻むために、本発明を用いない燃料電池スタックはホットスポットの温度を１０あるいは１５度（５．６℃あるいは８．３℃）減少させるために通常１つの燃料電池当たり４５ポンド毎時（２０．４Ｋｇ毎時）の冷却液を必要とする。本発明では、図５に示されるように１つの燃料電池当たり２０ポンド毎時（９．１Ｋｇ毎時）で十分である。
【００１３】
本発明の構成を用いた結果、図５で示された改善された温度分布が得られるとともに、図６で示されるように本発明の構成を用いない同じような燃料電池に比べて燃料電池の性能が改善される。図から分かるように、どのような電流密度においても、本発明を用いた燃料電池はより高い空気利用率（８０％）であるにも関わらず、本発明を用いずにより低い空気利用率（７４％）で運転される燃料電池よりも高いセル電圧を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明を実施している燃料電池における燃料反応ガス流の概略図。
【図２】本発明を実施している燃料電池における冷却液流の概略図。
【図３】本発明を実施している燃料電池における酸化剤反応ガス流の概略図。
【図４】本発明を用いていない燃料電池スタックにおける温度分布のプロット。
【図５】本発明を用いている燃料電池スタックにおける温度分布のプロット。
【図６】本発明を用いずに７４％の空気利用率において運転させた燃料電池と、本発明を用いて８０％の空気利用率において運転させた燃料電池との比較における燃料電池の性能、電流密度の関数としての電池電圧、のプロット。
【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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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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