(57)【要約】燃料電池３８が、通路８３，８４を備え、該通路は、各燃料電池の反応ガス流れ場プレート７５，８１の一方または双方を通して水を供給する。燃料電池は蒸発冷却される。水通路は、多孔質プラグ（図示せず）または小型真空ポンプ８９によって排出され得る。凝縮器５９がリザーバ６４を有し、車両のラジエータとされ得る。高透水性ウィック層９０が個別の燃料電池３８の間の水通路８３，８４の一方および双方に隣接して配置される。寒い環境での停止時にスタックから水を取り除くように用いられるウィック層９０を通した水パージ用空気流を増加させるために、通路は流動形通路８３（図５）または互いに噛み合う通路８３ａ，８３ｂ（図６）とされ得る。入口冷媒通路８３ｃ，８３ｄへと流入するガスが入口冷媒通路の出口端部１０１に集まらないように、入口チャネル８３ｃ，８３ｄは、出口端部で例えば突出部１０４または穴１０６で部分的に塞がれるのみである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両側にカソード触媒およびアノード触媒が配置された電解質と、前記触媒の各々に面したガス拡散層とを有してなる膜電極アッセンブリ（７２）と、
燃料反応ガス流れ場プレート（７５）の第１の面に沿った燃料反応ガス流チャネル（７４）を有した燃料反応ガス流れ場プレート（７５）と、
酸化剤反応ガス流れ場プレート（８１）の第１の面上に酸化剤反応ガス流チャネル（８２）を有した酸化剤反応ガス流れ場プレート（８１）と、
前記流れ場プレートの一方または双方の第１の面とは反対側の第２の面上に配置された水通路（８３，８４）と、
を備え、
前記流れ場プレートの一方または双方は、多孔質かつ親水性であり、
高透水性ウィック層（９０）をさらに備え、該高透水性ウィック層（９０）は、前記流れ場プレートの一方または双方の前記水通路に隣接して配置されることを特徴とする燃料電池（３８）。
【請求項２】
前記水通路（８３，８４）は、１つまたは複数の流動形チャネル（８３）を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池（３８）。
【請求項３】
前記水通路（８３，８４）は、互いに噛み合う流れ場（８３ａ，８３ｂ）を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池（３８）。
【請求項４】
前記互いに噛み合う流れ場（８３ａ，８３ｂ）は、出口端部（１０１）を有した入口流れ場（８３ｃ）を備え、前記出口端部（１０１）は、部分的に塞がれるのみであり、かつガスが逃げることを許容するように構成されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池（３８）。
【請求項５】
前記入口流れ場（８３ｃ）の前記出口端部（１０１）は、部分壁（１０４）を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池（３８）。
【請求項６】
入口流れ場（８３ｄ）の出口端部（１０１）は、ガスを逃がすことを許容するように構成された穴（１０６）を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池（３８）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
水通路を有し、該水通路の間に透水性ウィック層を配置してなる燃料電池が、反応ガス流通路に水を供給し、該反応ガス流通路では、水が、電池内で生じた廃熱に比例して蒸発する。排出された反応ガスから凝縮された水は、水通路へと戻る。任意選択的に、シャットダウン時の水のパージ中にウィックから取り除かれる水を増加させるために、通路は、互いに噛み合う流れ場の形態とされ得る。
【背景技術】
【０００２】
陽子交換膜燃料電池の技術においては、燃料電池を蒸発冷却し、蒸発熱の恩恵を引き出すことが知られており、これは、電池を通して循環する水または冷媒プレートを通流する冷媒に顕熱を運ぶこととは対照的である。一例が、米国特許第７，５０４，１７０号明細書に示されており、これは、本願の参照となる。
【０００３】
ある用途、例えば、車両では、高い車両性能を維持するために、電流密度が非常に高いことが好ましい。高電流密度は、水の生成を向上させ、この水の生成は、「水輸送プレート」とも呼ばれる親水性多孔質反応ガス流れ場プレートを通した安定した流れを必要とする。さらに、向上した電流密度は、安定した冷却および膜の加湿を必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高性能のためには、水通路と水輸送プレートとの間で水を非常によく通流させることが有利である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の主題によると、燃料電池発電装置の燃料電池が、少なくとも１つの親水性多孔質反応ガス流れ場プレートの第１の面に隣接した、または該第１の面内にある通路の水によって蒸発冷却される。上記親水性多孔質反応ガス流れ場プレートは、第１の面とは反対の流れ場プレートの第２の面に開口した反応ガス流チャネルを備えている。各通路は、水リザーバと連通している。さらに、流れ場プレートによる水の取り込みは、流れ場プレートの間に配置され、かつ水通路の全てと密に接触する透水性ウィック層によって増加する。通路内の水の供給は、１つまたは複数の通路内の水に隣接した透水性ウィック層によって向上する。
【０００６】
水が凍結温度よりも低下し得る環境にある燃料電池発電装置は、シャットダウン時に燃料電池スタックから水の少なくとも大部分を取り除く必要がある。これにより、燃料電池を使用していない期間中に生じ得る突発的な機械的応力や、起動時の反応ガスの（氷による）妨害を有した傾向が減少する。水通路に空気を吹き込むことにより、透水性ウィックを用いた燃料電池スタック内の水を減少することは、透水性ウィックから水を不適切に取り除くものであると知られている。
【０００７】
本発明の主題は、さらに、互いに噛み合う冷媒水流れ場を用いており、該互いに噛み合う冷媒水流れ場は、パージ空気が透水性ウィックへと移動し該透水性ウィックを通して流れ、これにより、透水性ウィックからより多量の水を押しやることを確実にする。一実施例では、通常の従来の互いに噛み合う流れ場が用いられる。他の実施例では、入口流れ場の出口端部に不完全な障害物を有した互いに噛み合う流れ場が、（一般に、反応物流れ場から水通路へと漏れる）ガスが流れ場へと逃げることができ、これにより、水流の妨害や膜の乾燥を防止することを確実にする。
【０００８】
例示的な実施例の以下の詳細な説明に照らして、他の変更がより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の主題を組み込むことができる蒸発冷却型燃料電池発電装置の排気形の実施例の簡素化したブロック図である。
【図２】明確にするために仕切り線を省略した、本発明の主題を用いた燃料電池の部分的な断面側面図である。
【図３】分離プレート（反応物流れ場プレート）の１つのみが水通路を有する、図２の変形の部分的な断面側面図である。
【図４】図２の主題の部分的な断面上面図である。
【図５】通路を通る流れを有する、図４の線５−５で取った部分的な断面図である。
【図６】互いに噛み合う代替的な流れ通路を有する、図４の線５−５で取った部分的な断面図である。
【図７】入口通路の出口端部の部分的な障害物を示す、図４の線５−５で取った断片的な断面図である。
【図８】図７の線８−８で取った断片的な断面図である。
【図９】図７の線８−８で取った断片的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１を参照すると、本発明の主題を実施することができる燃料電池発電装置３６が、燃料電池３８（図２）からなるスタック３７を備えており、燃料電池３８は、水平に配置され得るが、ここでは、垂直に配置されて示されている。
【００１１】
本実施例では、燃料が、燃料入口４２へと供給され、第１の燃料流路において右側へと通流し、そして、下方へと下がり、左側へと燃料出口４７を通して通流する。燃料は、リサイクルポンプ（図示せず）を通して燃料入口へ戻ることができ、バルブ（図示せず）を通して周囲に定期的にパージされることができる。単一の流路、３つの部分からなる流路または他の燃料流構成が使用され得る。
【００１２】
図１の実施例では、空気が、ポンプ５２によって空気入口５３へと供給され、この空気は、燃料電池３８の酸化剤反応ガス流チャネルを通して上方へと通流する。空気は、空気出口５７から導管５８を通して凝縮器５９へと通流し、凝縮器５９は、車両では、従来のラジエータとすることができる。出口空気が、排気部６２を通して移動する。凝縮器５９からの凝縮物はリザーバ６４内に蓄積され、リザーバ６４は、水戻り導管６５によって水入口６６へと接続されている。そして、水は、通路８３，８４（図２）を通して燃料電池３８の各々へと通流する。通路８３，８４は、マニホールド６８で終端することができ、マニホールド６８において、通路からのガスが、数ドルで購入することができる３７リットル（１０ガロン）の水槽として用いられる形式のベント部、例えば、小型真空ポンプ８９を通して取り除かれる。これは、水レベルがスタック３７の通路の最上部分に達することを確実にするように、十分なヘッド（水圧）を供給するという唯一の目的のためになされる。ポンプ８９は、ベントマニホールド６８を通して水流を生じさせない。また、ベントマニホールド６８は、多孔質プラグまたは他のベント部（図示せず）を介して開けられ得る。
【００１３】
水入口６６は存在するが、水出口は存在しておらず、水は、各燃料電池内に単に存在している。図２では、一実施例が、燃料電池３８を有しており、各燃料電池３８は、従来の膜電極アッセンブリ７２を備えており、該膜電極アッセンブリ７２は、アノード触媒およびカソード触媒を有した電解質と、該電解質の両側のガス拡散層とを備えている。図は一定の縮尺で描かれていないが、これに対する重要性が、本明細書の水通路８３，８４の明らかに異なる大きさや上述の特許における異なる大きさに払われるべきではないことを理解されたい。
【００１４】
図２の実施例では、燃料反応ガスは、親水性多孔質基体７５の水平方向チャネル７４を通して通流し、親水性多孔質基体７５は、本実施例では、水通路８３を形成する溝を備えている。カソード側では、親水性多孔質酸化剤反応ガス流れ場プレート８１が、垂直方向空気流チャネル８２と、水通路８４を形成する溝とを備えている。親水性多孔質燃料反応ガス流れ場プレート７５および親水性多孔質酸化剤反応ガス流れ場プレート８１は、「水輸送プレート」とも呼ばれている。
【００１５】
本発明の主題の第１の特徴では、図２の燃料電池３８は、水通路８３と水通路８４との間に透水性ウィック９０を備えている。透水性ウィック９０は、水輸送プレート７５，８１よりも厚くてもよく、または薄くてもよい。
【００１６】
透水性ウィック９０は、望ましい透水性を確実に得るように十分に親水性を与えるために、例えば、スズまたはスズ含有化合物または混合物を用いて適切に処理されてきた、適切にかつ容易に利用可能なカーボンペーパ、例えば、Ｔｏｒａｙ  Ｈ−０６０を備えることができる。
【００１７】
透水性ウィック９０が水輸送プレート７５，８１のランド部またはリブ９２に隣接している状態では、ランド部９０が、水輸送プレートの付加的な表面積を提供し、この表面積は、水を移動させる助けとなる。対照的に、上述の特許では、水は、水通路の面を通してのみ、水通路と水輸送プレートとの間を移動する。
【００１８】
図２の実施例では、ウィック９０の表面積を含む、利用可能な水の間の表面積の増加は、上述の特許のウィックの無いシステムと比較して少なくとも４倍、おそらく１０倍とされ得る。
【００１９】
図３には、本発明のウィック９０が、カソード側で空気流れ場プレート８１のみに水通路８４を有した燃料電池と共に用いられ得ることが示されている。また、これの代わりに、ウィック９０は、燃料流れ場プレートのみに水通路８３を有した燃料電池においても用いられ得る。図３および図４の実施例においてウィック９０が所定の位置にある状態では、面は、ウィック９０が無く水通路８３，８４のみを有した従来のシステムと比較して少なくとも２倍であり、また５倍に増加することもできる。
【００２０】
図４は、図２の断面図を見下ろした図である。この図は、２つの水通路８３，８４を有しており、燃料チャネル７４は、垂直方向に見られ、空気チャネル８２は、水平方向に見られる。
【００２１】
図５を参照すると、本発明の第１の実施例は、水通路８３を通る流れを用いている。燃料電池発電装置の周囲が水の凍結点よりも低下し得る周囲領域においてシャットダウン時に水が取り除かれるので、燃料電池スタックから可能な限り多くの水を取り除くことが望ましい。図２および図３の実施例では、図５に示したような水通路８３を通る流れを用いると、空気流を有した水通路８３，８４をパージしても十分な水が取り除かれない。空気でパージすることにより水通路を非常にきれいにした後には、過剰な量の水が、特に、透水性ウィック９０内に残る。
【００２２】
燃料電池スタックと水との間の隙間、特に、透水性ウィック９０と水との間の隙間を改善するために、通路は、図６に示したように互いに噛み合う様式で形成され得る。この図では、互いに噛み合う水通路は、互いに噛み合う流れ場の分野では慣例的なように、入口水通路８３ａの出口端部１０１で塞がれた入口水通路８３ａと、出口通路８３ｂの入口端部１０２で塞がれた出口通路８３ｂとを備えている。これにより、透水性ウィック９０および親水性多孔質水輸送プレート７５ａを通して通路８３ａに供給された空気を移動させるのに十分な程度に圧力が上昇し、したがって、本発明の主題の第２の特徴に従った水の除去が向上する。
【００２３】
図７および図８には、図６と同様の発明の他の実施例が示されている。入口通路８３ｃの出口端部１０１が、完全に塞がれておらず、部分エンクロージャ１０４を備えており、部分エンクロージャ１０４は、一定の比率に描かれていない。これの目的は、入口水通路８３ｃへと流入し得るいかなるガス気泡が、入口水通路８３ｃ内に捕らわれないようにし、これにより、水輸送プレート７５ｂの（図２および図３に示した）隣接したリブおよび隣接した透水性ウィック９０への水流を妨害しないようにすることを確実にすることである。
【００２４】
ブロック１０４の代わりに、図９に示したように、入口水通路８３ｄの出口端部１０１は、出口端部１０１に小型の穴１０６を単に備えることができる。入口水通路８３ｄの水圧を重大な程度に低下させることなく、容易にガスを取り除くために、穴１０６は、水輸送プレート７５ｃの孔の大きさよりも大きく形成される。
【００２５】
本発明の概念の意図を逸脱することなく、本発明の実施例を変更および修正することができるので、付記の特許請求の範囲によって必要とされた発明以外に本発明を限定することは意図していない。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成25年6月7日(2013.6.7)
【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】
両側にカソード触媒およびアノード触媒が配置された電解質と、前記触媒の各々に面したガス拡散層とを有してなる膜電極アッセンブリ（７２）と、
燃料反応ガス流れ場プレート（７５）の第１の面に沿った燃料反応ガス流チャネル（７４）を有した燃料反応ガス流れ場プレート（７５）と、
酸化剤反応ガス流れ場プレート（８１）の第１の面上に酸化剤反応ガス流チャネル（８２）を有した酸化剤反応ガス流れ場プレート（８１）と、
前記流れ場プレートの一方または双方の第１の面とは反対側の第２の面上に配置された水通路（８３，８４）と、
を備え、
前記流れ場プレートの一方または双方は、多孔質かつ親水性であり、
高透水性ウィック層（９０）をさらに備え、該高透水性ウィック層（９０）は、前記流れ場プレートの一方または双方の前記水通路に隣接して配置され、
前記水通路（８３，８４）は、互いに噛み合う流れ場（８３ａ，８３ｂ）を備えることを特徴とする燃料電池（３８）。
【請求項２】
前記互いに噛み合う流れ場（８３ａ，８３ｂ）は、出口端部（１０１）を有した入口流れ場（８３ｃ）を備え、前記出口端部（１０１）は、部分的に塞がれるのみであり、かつガスが逃げることを許容するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池（３８）。
【請求項３】
前記入口流れ場（８３ｃ）の前記出口端部（１０１）は、部分壁（１０４）を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池（３８）。
【請求項４】
入口流れ場（８３ｄ）の出口端部（１０１）は、ガスを逃がすことを許容するように構成された穴（１０６）を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池（３８）。
【国際調査報告】
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