(57)【要約】膜電極アッセンブリ（４６）を具備する燃料電池であって、該アッセンブリは、その第１又は第２の表面に隣接して固定される、アッセンブリ（４６）の第１の反応物の流れを該第１又は第２の表面に隣接して輸送するための第１の反応物流域（８０）を有する。第１の反応物流域（８０）は、複数の二経路循環路（８２，８４，８６，８８）を画定し、各二経路循環路（８２）は、第１の反応物を燃料電池（１２）内へ案内するための第１の反応物入口（９０）と、第１の反応物を燃料電池（１２）から排出するよう案内するための第１の反応物出口（９２）の両方と流体的に連通している。複数の二経路循環路（８２）により、反応物入口（９０）に向かって水を移動（１１２）するのが容易となるため、燃料電池（１２）の水平衡の受動的保守に役立つ。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）膜電極アッセンブリ（４６）と、
（ｂ）膜電極アッセンブリ（４６）の第１の表面（４８）と第２の表面（５０）からなる群から選択される表面に隣接して固定された、第１の反応物を、アッセンブリ（４６）の上記選択された表面（４８，５０）に隣接して輸送するための、第１の反応物流域（８０）と、
（ｃ）第１の反応物流域（８０）が、複数の二経路循環路（８２，８４，８６，８８）を画定する場合において、各二経路循環路は、第１の反応物を燃料電池（１２）内へ輸送するために第１の反応物入口（９０）と流体的に連通し、かつ、第１の反応物を燃料電池（１２）から排出するために第１の反応物出口（９２）と流体的に連通する、複数の二経路循環路、
とを含んでなることを特徴とする、第１と第２の反応物ストリームから電流を発生させるための燃料電池（１２）。
【請求項２】
０．１より大きく、かつ、０．５未満の、前記第１の反応物流域のクロスフロー長さ（１１４）によって分割されるとき、前記各二経路循環路（８２，８４，８６，８８）が、二経路循環路（８２）の横幅を画定する場合、前記各二経路循環路（８２）の横幅は、前記二経路循環路（８２）を通る第１の反応物の流れに対して垂直な方向において、二経路循環路（８２）を横切る最短距離であり、かつ、前記第１の反応物流域（８０）の前記クロスフロー長さ（１１４）は、前記流域（８０）を通る前記第１の反応物の流れに対して垂直な方向における前記第１の反応物流域（８０）を横切る最短距離であることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池（１２）。
【請求項３】
前記第１の反応物流域（８０）が、前記膜電極アッセンブリの前記選択された表面（４８）に隣接して、酸化剤含有酸素反応物の流れを輸送するための、空気極流域（２０）であることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池（１２）。
【請求項４】
前記第１の反応物流域（８０）が、前記膜電極アッセンブリの前記選択された表面（５０）に隣接して、還元流体含有水素反応物の流れを輸送するための、燃料極流域（２８）であることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池（１２）。
【請求項５】
前記表面の内の選択されていない表面（４８，５０）に隣接して固定される第２の反応物流域（２８）を、該選択されていない表面（４８，５０）に隣接して第２の反応物の流れを輸送するためにさらに含み、前記第２の反応物流域（２８）は、複数の二経路循環路（８２，８４，８６，８８）を画定する場合において、各二経路循環路は、第２の反応物を燃料電池（１２）内へ輸送するために反応物入口（９０）と流体的に連通し、かつ、第２の反応物を燃料電池（１２）から排出するために反応物出口（９２）と流体的に連通することを特徴とする、請求項１記載の燃料電池（１２）。
【請求項６】
前記第１の反応物流域（８０）が空気極流域（２０）であり、各反応物流域中の前記二経路循環路（８２，８４，８６，８８）の数は、２以上かつ１０未満であり、前記二経路循環路（８２）のパラレルフロー長さによって分割される二経路循環路（８２）の横幅は、０．３より大きく、かつ、１．０未満であり、ここで、前記二経路循環路（８２）のパラレルフロー長さは、前記反応物ストリームの前記循環路（８２）内への流入点から、前記反応物ストリームの前記循環路（８２）からの流出点までの、前記循環路（８２）を通る前記ストリームの流れに対して平行な方向における、前記循環路（８２）に沿った最短距離であることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池（１２）。
【請求項７】
（ａ）膜電極アッセンブリ（４６）の第１の表面（４８）と第２の表面（５０）からなる群から選択される、膜電極アッセンブリ（４６）の表面に隣接して、燃料電池（１２）内に第１の反応物流域（８０）を固定するステップと、
（ｂ）前記第１の反応物流域（８０）内に画定された複数の二経路循環路（８２，８４，８６，８８）を介して、第１の反応物を輸送するステップ、
とを含んでなることを特徴とする、燃料電池（１２）内における水管理法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、輸送車両、携帯型発電装置、あるいは据え置き型発電設備での使用に適した燃料電池に関し、特に、水平衡を向上し、水の能動循環の必要性を最小限にする燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は公知であり、通常支持システムと協働して燃料電池スタックに配置して燃料電池発電設備を形成する。そのような設備は、還元流体含有水素燃料ストリームと、酸化剤含有酸素反応物ストリームとから電流を得て、発電設備や輸送車両などの電気装置に電力を供給するのに使用される。水平衡を維持する従来技術の燃料電池に関して、燃料電池から出る水量は、運転中に燃料電池によって生成される水量よりも多くてはならないことが知られている。さらに、乾燥した反応物ストリームを加湿し、陽子交換膜（「ＰＥＭ」）電解質の乾燥を防止し、燃料電池により生じた熱を除去し、かつ、その他関連する作業を実行させるために、安定した割合で燃料電池の多孔質層内へ、そこを介して水を移動させ、拡散及び／又は層から蒸発させなければならない。水の凍結点よりずっと低い温度から摂氏４０度（「４０℃」）を超える温度まで変化する周囲温度で燃料電池が輸送車両に使用される場合に、そのような水平衡の要求を満たすのが特に困難である。
【０００３】
例えば、周囲空気が高温で乾燥しており、かつ、酸化剤含有酸素ストリームである場合、非常に低い相対湿度にある空気が燃料電池に入ると、酸化剤流域を画定する燃料電池多孔質層、その他既知の多孔質層、又はＰＥＭ電解質などから、酸化剤ストリーム中へと水が容易に蒸発する。酸化剤ストリームは燃料電池を通って移動するときに加熱されて、さらなる燃料電池生成水も又、酸化剤ストリームが飽和するまでそのストリーム中に蒸発する。酸化剤ストリームが燃料電池酸化剤出口に近づくとき、水はストリームから凝縮して多孔質な燃料電池支持層内へ戻る。２００１年１１月２７日に発行された米国特許第６，３２２，９１５号明細書並びに２００３年２月１８日に発行された米国特許第６，５２１，３６７号明細書中には、そのような燃料電池内の水平衡を維持するために相当な努力がなされており、「電極乾燥障壁」の使用と共に、冷却水ストリームを反応ストリーム入口と出口の近く及び多孔質な燃料電池支持層内に画定された冷却水チャネル内で能動的に循環させることにより、適当な反応物質ストリームの湿度、熱除去、及び凝縮した燃料電池生成水輸送が向上されることが開示されている（いずれの特許も本願出願人が権利を所有）。
【０００４】
しかしながら、そのような解決手段には、能動的に冷却水ストリームを循環させるための相当量の無給電動力を含み、冷却水ストリームの凍結に関連した問題を最小限にする際の注意が必要であり、燃料電池発電設備の重量及び容積要求が増大し、緻密な製造作業並びに費用が必要である。その結果、能動的冷却水循環及び関連する水管理システムを最小限にする、あるいは排除する受動的水平衡を提供する燃料電池が必要とされている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、還元流体燃料ストリームと酸化剤含有酸素反応物ストリームなどの第１と第２の反応物ストリームから電流を発生させるための燃料電池である。燃料電池は膜電極アッセンブリを備え、この膜電極アッセンブリは、その第１の表面に隣接して固定された、アッセンブリの第１の表面に隣接して第１の反応物流を輸送するための第１の反応物流域を有する。第２の反応物流域は、電極膜アッセンブリの第２の表面に隣接して固定され、アッセンブリの第２の表面に隣接して第２の反応物流を輸送する。第１の反応物流域は、複数の二経路循環路を画定し、その二経路循環路のそれぞれは、第１の反応物を燃料電池内に案内するための第１の反応物入口と流体的に連通しており、かつ、第１の反応物を燃料電池から排出させるための第１の反応物出口とも流体的に連通している。
【０００６】
好ましい実施態様においては、第１の反応物流域の、０．１より大きく、かつ、０．５未満のクロスフロー長さによって分割される場合に、二経路循環路のそれぞれが、二経路循環路全体にわたる幅を画定する。「二経路循環路全体にわたる幅」は、その二経路循環路を通る第１の反応物の流れに対して垂直な方向にある二経路循環路を横切る最短距離であり、「第１の反応物流域のクロスフロー長さ」とは、第１の反応物流域を通る第１の反応物の流れに垂直な方向における第１の反応物流域を横切る最短距離である。
【０００７】
さらなる実施態様において、第１の反応物流域は、膜電極アッセンブリの第１の表面に隣接して燃料電池を通る酸化剤含有酸素反応物ストリームを輸送するための空気極流域である。あるいは又別の実施態様では、第１の反応物流域は、燃料電池を通る還元流体反応物ストリームの流れを輸送するための燃料極流域である。最適な実施態様では、各反応物流域における二経路循環路の数は、２以上かつ１０未満である。また、二経路循環路のパラレルフローの長さによって分割されるその二経路循環路全体にわたる横幅は、０．３超１．０未満である。「二経路循環路全体のパラレルフロー長さ」は、循環路を通るストリームの流れに平行な方向における、循環路への反応物ストリームの流入点から、循環路からの反応物ストリームの流出点までの距離の２分の１である。
【０００８】
第１の反応物流域が複数の二経路循環路を画定するため、有効距離が、反応物出口と反応物入口との間で著しく低減される。その結果、その出口付近の飽和反応物ストリームから隣接する多孔質支持層へ移動する凝縮水は、容易に「ウィックする」即ち、毛管作用によって開放気孔を通って、反応物ストリーム入口に隣接した多孔質支持層の近くへ容易に流れることができる。反応物出口に隣接した凝縮ゾーンから、反応物入口に隣接した蒸発ゾーンへの水の受動的輸送がそのように促進されるため、本発明の好ましい実施態様中では、凝縮ゾーンから蒸発ゾーンへ水を能動的に循環させるための水路を画定する必要がない。即ち、反応物流域の改善された設計により、燃料電池は受動的な水平衡を得ることができる。水ストリーム及び／又は燃料電池水の能動的循環の必要性を最小限にすることにより、運転中の燃料電池水の全量を低減することができ、それにより、水の氷結温度より低い周囲温度における燃料電池の運転を容易にすることができる。
【０００９】
従って、本発明の目的は概して、従来技術における欠点を克服する、受動的な水平衡を有する燃料電池を提供することである。
【００１０】
より具体的な目的とは、燃料電池水の能動的循環の必要性を最小限にし、燃料電池内の燃料電池水の量を最小限にする、受動的水平衡を有する燃料電池を提供することである。
【００１１】
本発明の受動的水平衡を有する燃料電池のこれら並びにその他の目的及び利点は、以下の詳細な説明を関連する図面と共に読むことにより、より容易に明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図を詳細に参照すると、簡略化された燃料電池発電設備１０が図１に示されており、設備１０は本発明に従って構成された少なくとも１つの燃料電池１２を備え、符号１２を付されている。燃料電池１２は、酸化剤含有酸素反応物ストリームと還元流体含有水素反応物ストリームなど周知の、第１と第２の反応物ストリームから電力を生成する。酸化剤などの第１の反応物は、ブロワ１８を備え得る酸化剤供給ライン１６を介して酸化剤供給源１４から、燃料電池１２の第１の反応物、即ち、空気極流域２０内へ輸送され、酸化剤排気２２を介して燃料電池（セル）から排出される。同様に、還元流体などの第２の反応物は、燃料供給ライン２６を介して燃料供給源２４から燃料電池１２の第２の反応物、即ち燃料極流域２８へ輸送され、燃料排気３０を介してセルから排出される。
【００１３】
発電設備１０は又、液体の水、従来の不凍液や米国特許第６，３１６，１３５号明細書に開示の「直接不凍溶液」（本出願人が特許権を所有）などの冷却水ストリームを、冷却水供給ライン３２と、既知の方法で空気極流域２０に隣接して固定された冷却水流プレート３４を介して輸送し、冷却水排出ライン３６において燃料電池１２から排出する。冷却水排出ライン３６と冷却水供給ライン３２は、自動ラジエータ型熱交換機などの冷却水熱交換機３８と流体的に連通させて冷却流体を冷却してもよい。冷却水ポンプ４０を、冷却水供給ライン３２に固定し、冷却水流域を介して冷却水ストリームを汲み出すことができる。冷却水供給ライン３２、フロー（流）プレート３４、排出ライン３６、冷却水熱交換機３８及び冷却水ポンプ４０は、冷却水ループ４２として特徴づけることができ、また、冷却水ループ４２は、圧力制御弁４４を備えることにより、冷却水流プレート３４内の冷却水ストリームの圧力を、従来周知の方法や前述の米国特許第６，３２２，９１５号明細書に記載の方法で、反応物ストリームの圧力を下回るよう制御することができる。
【００１４】
周知のように、燃料電池１２は又、空気極流域２０が、アッセンブリ４６の第１の表面４８、即ち、空気極電極４８に隣接されるように、空気極流域と燃料極流域２０，２８の間に固定された膜電極アッセンブリ４６を備える。燃料極流域２８は、アッセンブリ４６の対向する第２の表面５０、即ち燃料極電極５０に隣接して固定される。膜電極アッセンブリは、対向する空気極電極と燃料極電極４８，５０に固定される従来周知の陽子交換膜（「ＰＥＭ」）電解質を備え得る。
【００１５】
図２は、第１又は第２の反応物ストリームを従来の燃料電池を介して輸送するのに適した従来の反応物流域５２を示している。反応物流域５２は、反応物入口５４、反応物方向転回部５６と反応物出口５８、及び反応物入口と出口５４，５８と、反応物反転器５６の間で延在し、流域５２を通る反応物の流れのための二経路を画定する反応物二経路分割器６０を備える。反応物流域５２を介する反応物流ライン６１Ａ，６１Ｂに沿った上述の反応物ストリームの流れは、従来技術の反応物流域５２内で二経路循環路６２を画定する。反応物流域５２に隣接する従来技術の冷却水流域６３は図２において線影線で示され、冷却水入口６４、冷却水流路６６、冷却水流分割器６８Ａ，６８Ｂ、及び冷却水出口７０を備えることにより、冷却水入口と出口６４，７０の間で冷却水流路６６に沿って冷却水ストリームを輸送する。
【００１６】
低い相対湿度を有する周囲空気の酸化剤ストリームなどの反応物ストリームは、反応物入口５４に入り、既知のように、反応物流域５２を画定する多孔質層から隣接する反応物ストリーム内へと水が蒸発する。反応物ストリームが反応物流域５２を通過すると、反応物出口５８に近づいて、ストリームから水が凝縮して多孔質層へ戻るまで、その相対湿度は増大し、該ストリームは温められる。凝縮した水は、次いで、水の動きを示す矢印７２Ａ，７２Ｂ，７２Ｃで示すように、毛管作用、即ち「ウィッキング」によって、反応物出口に隣接した飽和凝結ゾーンから反応物入口に向かって移動することができる。水の動きを示す矢印７２Ａは、反応物出口４８に最も近くにあるため、矢印７２Ａの付近でより多くの水が利用可能であることを示すよう、７２Ｂ又は７２Ｃよりも大きい。反応物出口から離れる程、水の動きを示す矢印７２Ｃで示すように、反応物ストリームから凝縮する水が少なくなる。反応物出口５８の近くでより多くの水が利用可能であるため、毛管作用によって、より多くの水が反応物入口５４に向かって移動する。しかしながら、反応物入口５４の近くでは適量の水が利用できない場合があり、それにより多孔質層付近が乾燥する結果となるため、ＰＥＭ電解質が乾燥し、さらには従来技術の反応物流域５２を利用した燃料電池の性能が劣化する結果となる場合がある。これは、反応物流ライン６１Ａと６１Ｂとの間の平均距離が、適切な速度で隣接する反応物流ライン６１Ｂと隣接する反応物出口５８から、隣接する反応物流ライン６１Ａと隣接する反応物入口５４へ、水を毛管作用で輸送するには長すぎるために生じるのであろう。
【００１７】
２００３年７月３日に公開された米国特許出願公開第２００３／０１２４４１０Ａ１の、米国特許出願第１０／０３６，１８１号明細書は、受動的な水管理を有する燃料電池を教示している（該出願は本出願人が出願人である）。そのような燃料電池は、水管理チャネルと冷却水チャネルの両方を含む。水流域は、反応物出口５８に隣接する水を、隣接する反応物入口５４の領域に輸送することが必要であろう。
【００１８】
図３は、本発明の燃料電池１２で使用するのに適した、第１の反応物流域８０を示している。第１の反応物流域８０は、第１の二経路循環路８２、第２の二経路循環路８４、第３の二経路循環路８６、及び第４の二経路循環路８８を備える複数の二経路循環路を画定する。（利便性と効率のため、複数の二経路循環路の内の第１の循環路８２を以下で詳述するが、その他の二経路循環路８４，８６，８８も実質的に同一の構成要素を備える。）第１の二経路循環路８２などの二経路循環路のそれぞれは、第１の反応物入口９０、隣接する第１の反応物出口９２、及び第１の反応物流分割器９４を備える。反応物流分割器９４は、空気極電極４８と燃料極電極５０の一部である多孔質支持体の内部に形成されたウェットシールからなるものであってよい。そのようなウェットシールは、本出願人が所有する米国特許第４，６５２，５０２号明細書中に開示されている。ウェットシールは、第１の反応物流路１０２と第２の反応物流路１０６の間で短く循環させる一方で、水の動きを示す矢印１１２の方向で水を輸送可能にするための障壁を形成するという利点を有する。
【００１９】
全ての二経路循環路は、共通する方向転換部９６を分担することができる。第１の二経路分離器９８は、第１の二経路循環路８２を、第２の二経路循環路８４などの隣接する循環路から分離し、かつ、第１の二経路循環路の反応物入口９０を、隣接する第２の二経路循環路８４の出口１００などの、隣接する出口又は入口から分離する。反応物流分割器９４は、第１の二経路循環路内の反応物ストリームの流れを分離するだけではなく、反応物出口９２から反応物入口９０も分離する。その結果、二経路循環路８２，８４，８６，８８のそれぞれは、第１の二経路循環路８２の入口９０と出口９２のように、分離反応物入口と出口と流体的に連通している。従って、反応物ストリームの流れは、連続して順次複数の二経路循環路８２，８４，８６，８８を通るのではなく、各循環路を並行して流れる。
【００２０】
図３から明らかなように、図２とは対照的に、第１の二経路循環路８２の方向を示す矢印１０４に隣接した第１の経路１０２内を通る反応物ストリームと、方向を示す矢印１０８に隣接した第２の経路１０６内の反応物ストリームとの間は比較的短距離である。第１と第２の経路１０２，１０６間の低減された距離により、水の動きを示す矢印１１２で示すように、第１と第２の経路１０２，１０６に隣接した多孔質層内の水の移動が容易なものとなる。従って、多数の二経路循環路８２，８４，８６，８８は、第１の反応流域８０を画定する多孔質層内の水を、反応物が第１の反応物流域８０内に流入するときに、適量の水が、第１の反応物入口９０と他の二経路循環路８４，８６，８８の反応物入口内に残存するように移動させることが容易となる。従来技術において周知の通り、第１の反応物流域８０を画定するのに利用可能なチャネル、分割器及び分離器は、通常、燃料電池１２の構成要素の共通する多孔質層内、例えば、前述の米国特許明細書中に開示されるような冷却水流プレート３４と隣接する空気極流域２０内などに画定される。
【００２１】
好ましい実施態様において、０．１より大きく、０．５より小さい第１の反応物流域のクロスフロー長さ１１４で分割されるときに、複数の二経路循環路８２，８４，８６，８８のそれぞれは、各二経路循環路を横切る幅を画定する。本発明におけるこれら並びに上述の目的に関し、第１の二経路循環路８２を横切る横幅は、図３において流れの方向を示す矢印１０４，１０８に垂直であるなど、第１の二経路循環路８２を通る反応物の流れに垂直な第１の二経路循環路を横切る最短距離である。また、本発明の目的に関し、「第１の反応物流域８０のクロスフロー長さ」という用語は、第１の反応物流域８０を通る反応物の流れに対して垂直な方向において、第１の反応物流域８０を横切る最短距離を意味する。第１の反応物流域８０のクロスフロー長さは、符号１１４で示される距離線で、図３において説明されている。
【００２２】
さらなる実施態様において、第１の反応物流域は、（図１で示す）空気極流域２０であり、空気極電極４８に隣接して燃料電池を介して酸化剤ストリームを輸送するための流域である。代替的な実施態様において、燃料極流域５８も又、上述において第１の二経路循環路８２に関して説明した寸法形状を有する複数の二経路循環路を画定することができ、利便性のため、第１の反応物流域８０を、燃料極電極５０に隣接して燃料電池１２を介して還元流体反応物ストリームの流れを案内するための、燃料極流域であるとする。さらなる実施態様において、第１の反応物流域２０と第２の反応物流域２８の両方は、上述の第１の二経路循環路８２に関して説明した寸法形状を有する複数の二経路循環路をそれぞれが画定してよい。
【００２３】
最適な実施態様では、第１の反応物流域８０は空気極流域２０である。そのような実施態様においては、各反応物流域における二経路循環路８２，８４，８６，８８の数は、２以上かつ１０未満である。また、二経路循環路８２のパラレルフロー長さで分割されるその循環路の横幅は、０．３より大きく、かつ１．０未満である。「二経路循環路のパラレルフロー長さ」は、二経路循環路８２に沿った、循環路８２内へ反応物ストリームが流入する点から、反応物ストリームが循環路８２から流出する点までの、循環路８２を通るストリームの流れに対して平行な方向、例えば、流れの方向を示す矢印１０４，１０８などにおける最短距離の２分の１である。
【００２４】
明らかなように、複数の二経路循環路８２，８４，８６，８８を備える第１の反応物流域８０により、燃料電池１２は向上した水平衡を得る一方で、燃料電池１２を通る水ストリームの能動的循環の必要性を最小限、あるいは排除することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の燃料電池を備える、簡略化した燃料電池発電設備の概略図。
【図２】従来技術の燃料電池の反応物流域を示す、簡略化した断面図。
【図３】本発明によって構成された燃料電池の第１の反応物流域を示す、簡略化した断面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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