(57)【要約】【課題】反応体ガス通路を各々備えた少なくとも二つの燃料電池セグメントを有する。水素燃料電池スタックを提供する。【解決手段】各セグメントの各燃料電池の反応体ガス通路は、互いに平行に配置されている。燃料電池流体の流れは、重力で補助される下方方向である。重力補助流は、各電池内で発生した水をスタックセグメントの下除去点に差し向ける。隣接したセグメントは、スタックと一体のユニットとして形成されたセパレータセグメントによって分離されているか或いは、これらのセグメントが接合された外部配管システムが流れを様々なスタック領域に差し向けるかのいずれかである。カソード流が第１スタック端に進入し、水素アノード流が反対端でスタックに進入し、カソード流及びアノード流が互いに対して向流をなす。クーラント流は、通常は、カソード流と隣接してカソード流と並列に注入されるが、配管システムによって、任意の又は全てのセグメントに直列に又は並列に差し向けることができる。【選択図】図１
2008510271.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
順次配置された複数の燃料電池セグメントを備えた種類の燃料電池スタックにおいて、  前記複数の燃料電池セグメントの各々は、
（ａ）第１アノードポート及び第１カソードポートが形成された第１端と、
（ｂ）第２アノードポート及び第２カソードポートが形成された第２端と、
（ｃ）少なくとも一つの燃料電池とを備え、前記燃料電池は、
一方向に重力補助流れ方向に配置された、前記第１アノードポートと前記第２アノードポートとの間を流体連通する複数のアノード通路と、
一方向に重力補助流れ方向に配置された、前記第１カソードポートと前記第２カソードポートとの間を流体連通する複数のカソード通路と、
前記複数のアノード通路と前記複数のカソード通路との間に配置された膜電極アッセンブリとを含み、
前記複数の燃料電池セグメントの各々は、また、
（ｄ）前記燃料電池セグメントを通して形成された流れ構成を備え、該流れ構成は、向流構成と並流構成とからなる群から選択的に形成され、
前記向流構成において、前記第１カソードポート及び前記第２アノードポートが、前記燃料電池セグメントへの入口ポートであり、前記第２カソードポート及び前記第１アノードポートが前記燃料電池セグメントからの出口ポートであり、
前記並流構成において、前記第１アノードポート及び前記第１カソードポートが前記燃料電池セグメントへの入口ポートであり、前記第２アノードポート及び前記第２カソードポートが前記燃料電池セグメントからの出口ポートである、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、
各燃料電池セグメントは、更に、
前記アノード入口ポートと流体連通したアノード入口チャンバと、前記アノード出口ポートと流体連通したアノード出口チャンバとを含み、前記複数のアノード通路は、前記アノード入口チャンバと前記アノード出口チャンバとの間を流体連通し、
各燃料電池セグメントは、また、
前記カソード入口ポートと流体連通したカソード入口チャンバと、前記カソード出口ポートと流体連通したカソード出口チャンバとを含み、前記複数のカソード通路は、前記カソード入口チャンバと前記カソード出口チャンバとの間を流体連通する、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、更に、
上流燃料電池セグメントと下流燃料電池セグメントとの間に配置され、これらの間を流体連通するセパレータセグメントを備えている、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、
前記セパレータセグメントは、更に、
前記上流燃料電池セグメントの前記アノード出口チャンバと前記下流燃料電池セグメントの前記アノード入口チャンバとの間を流体連通するほぼ上方に配向されたアノード流チャンネルと、
前記上流燃料電池セグメントの前記カソード出口チャンバと前記下流燃料電池セグメントの前記カソード入口チャンバとの間を流体連通するほぼ上方に配向されたカソード流チャンネルとを備えている、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、
前記セパレータセグメントは、前記上流燃料電池セグメントと前記下流燃料電池セグメントとの間に隣接した構造的連結部を形成する、燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項３に記載の燃料電池スタックにおいて、更に、
前記少なくとも一つの燃料電池と隣接して配置されたクーラント通路を備えており、該クーラント通路は、クーラント入口チャンバ及びクーラント出口チャンバを有し、
前記セパレータセグメントは、前記上流燃料電池セグメントの前記クーラント出口チャンバと前記下流燃料電池セグメントの前記クーラント入口チャンバとの間を流体連通するクーラント流チャンネルを有する、燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記クーラント通路は、前記複数のカソード通路に関して並流構成を形成し、前記複数のアノード通路に対して向流構成を形成する、燃料電池スタック。
【請求項８】
請求項６に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記クーラント通路は、前記複数のカソード通路に関して並流構成を形成し、前記複数のアノード通路に対して並流構成を形成する、燃料電池スタック。
【請求項９】
請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記複数の燃料電池セグメントの各々には、同数の燃料電池が含まれる、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、
前記複数の燃料電池セグメントのうちの少なくとも一方が、残りの燃料電池セグメントよりも多数の燃料電池を有している、燃料電池スタック。
【請求項１１】
燃料電池スタックにおいて、
順次配置された第１燃料電池セグメント及び第２燃料電池セグメントと、
前記第１及び第２の燃料電池セグメントの各々に配置された複数の燃料電池とを備え、これらの燃料電池の各々は、アノード通路と、カソード通路と、これらの通路間に配置された膜電極アッセンブリとを有し、前記アノード通路及び前記カソード通路は、一方向に重力補助流れ配向で方向決めされており、
前記燃料電池スタックは、また、
前記第１燃料電池セグメントと前記第２燃料電池セグメントとの間を流体連通するためのマニホールドアッセンブリを備え、前記マニホールドアッセンブリは、前記第１燃料電池セグメントの前記アノード通路及び前記カソード通路と、前記第２燃料電池セグメントの前記アノード通路及び前記カソード通路との間に、前記燃料電池スタック内の前記燃料電池の向流構成及び前記燃料電池スタック内の前記燃料電池の並流構成のうちの一方を形成するように形成できる、燃料電池スタック。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池セグメントの各々は、更に、
アノード出口チャンバの上方に配置されたアノード入口チャンバを備え、前記アノード入口チャンバ及び前記アノード出口チャンバは、両方とも前記アノード通路と流体連通しており、
前記燃料電池セグメントの各々は、また、
カソード出口チャンバの上方に配置されたカソード入口チャンバを備え、前記カソード入口チャンバ及び前記カソード出口チャンバは、両方とも前記カソード通路と流体連通している、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、
前記マニホールドアッセンブリは、更に、
前記第１セグメント及び前記第２セグメントの両方の前記アノード入口チャンバ間を流体連通する、ほぼ上方に配向されたアノード供給配管と、
前記第１セグメント及び前記第２セグメントの両方の前記アノード出口チャンバ間を流体連通する、ほぼ下方に配向されたアノード排出配管と、
前記第１セグメント及び前記第２セグメントの両方の前記カソード入口チャンバ間を流体連通する、ほぼ上方に配向されたカソード供給配管と、
前記第１セグメント及び前記第２セグメントの両方の前記カソード出口チャンバ間を流体連通する、ほぼ下方に配向されたカソード排出配管とを備えている、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、更に、
前記第１及び第２のセグメントの各々内で前記複数の燃料電池と隣接して配置された複数のクーラント通路と、
前記第１及び第２の燃料電池セグメントの各々に配置された、前記複数のクーラント通路と流体連通したクーラント入口チャンバと、
前記第１及び第２の燃料電池セグメントの各々に配置された、前記複数のクーラント通路と流体連通したクーラント出口チャンバとを備えている、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、
前記マニホールドアッセンブリは、更に、
前記第１及び第２の燃料電池セグメントの前記クーラント入口チャンバ間を流体連通するクーラント供給配管と、
前記第１及び第２の燃料電池セグメントの前記クーラント出口チャンバ間を流体連通するクーラント排出配管とを備えている、燃料電池スタック。
【請求項１６】
請求項１５に記載の燃料電池スタックにおいて、更に、
前記第１燃料電池セグメントに配置された、前記第１燃料電池セグメントの前記カソード入口チャンバと流体連通したカソード入口と、
前記第１燃料電池セグメントに配置された、前記第１燃料電池セグメントの前記アノード入口チャンバと流体連通したアノード入口とを備えており、
前記第１燃料電池セグメントは、前記カソード入口と隣接したクーラント入口を有し、  前記マニホールドアッセンブリは、前記クーラント入口、前記カソード入口、及び前記アノード入口が、前記燃料電池スタックの前記燃料電池の前記複数のアノード通路及び前記複数のカソード通路の両方に対し、前記クーラント通路の並流構成を形成するように形成できる、燃料電池スタック。
【請求項１７】
請求項１５に記載の燃料電池スタックにおいて、更に、
前記第１燃料電池セグメントに配置された、前記第１燃料電池セグメントの前記カソード入口チャンバと流体連通したカソード入口と、
前記第２燃料電池セグメントに配置された、前記第２燃料電池セグメントの前記アノード入口チャンバと流体連通したアノード入口とを備えており、
前記第１燃料電池セグメントは、前記カソード入口と隣接したクーラント入口を有し、
前記マニホールドアッセンブリは、前記クーラント入口及び前記カソード入口が、前記燃料電池スタックの前記複数のカソード通路に対して前記クーラント通路の並流構成を形成し、前記複数のカソード通路が、前記複数のアノード通路に関して向流構成を形成するように形成できる、燃料電池スタック。
【請求項１８】
請求項１５に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記マニホールドアッセンブリは、更に、
前記第１セグメント及び前記第２セグメントの両方の前記アノード入口チャンバに選択的に供給するため、前記アノード供給配管に配置された多ポートバルブと、
前記第１セグメント及び前記第２セグメントの両方の前記カソード入口チャンバに選択的に供給するため、前記カソード供給配管に配置された多ポートバルブと、
前記第１セグメント及び前記第２セグメントの前記クーラント入口チャンバ及び前記クーラント出口チャンバに選択的に供給するため、前記クーラント供給配管に配置された多ポートバルブとを含む、燃料電池スタック。
【請求項１９】
請求項１５に記載の燃料電池スタックにおいて、更に、
前記第１セグメントに配置された、前記第１セグメントの前記カソード入口チャンバと流体連通したカソード入口と、
前記第２セグメントに配置された、前記第２セグメントの前記アノード入口チャンバと流体連通したアノード入口とを含み、
前記第１セグメントは、前記カソード入口と隣接した第１セグメントクーラント入口を有し、
前記第２セグメントは、前記アノード入口と隣接した第２セグメントクーラント入口を有し、
前記第１セグメントクーラント入口及び前記第２セグメントクーラント入口は、前記燃料電池スタックの前記第１セグメントと前記第２セグメントとの間に並流クーラント経路を形成し、前記カソード通路は、前記アノード通路に関して前記向流構成を形成する、燃料電池スタック。
【請求項２０】
請求項１９に記載の燃料電池において、
前記第２クーラント入口は、前記カソード通路に対して並流クーラント経路を形成する、燃料電池。
【請求項２１】
請求項１９に記載の燃料電池において、
前記第２クーラント入口は、前記アノード通路に対して並流クーラント経路を形成する、燃料電池。
【請求項２２】
請求項１１に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記セグメントの各々内の燃料電池の数は、連続したセグメント間で、前記スタックの入口部分から前記スタックの出口部分まで減少する、燃料電池スタック。
【請求項２３】
陽子交換膜燃料電池スタックにおいて、
複数の燃料電池アッセンブリを備えており、複数の燃料電池アッセンブリは、各々、第１面に設けられたアノード触媒と、第２面に設けられたカソード触媒とを備え、
陽子交換膜燃料電池スタックは、また、
複数のアノードガス通路を備えており、複数のアノードガス通路は、各々、前記複数の燃料電池アッセンブリの夫々一つの前記第一面と隣接して配置されており、
陽子交換膜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、複数のカソードガス通路は、各々、前記複数の燃料電池アッセンブリの夫々一つの前記第二面と隣接して配置されており、
前記複数の燃料電池アッセンブリは、少なくとも二つの隣接した電池セグメントに配置されており、前記アノードガス通路及び前記カソードガス通路は、前記セグメント間で向流構成で設けられており、前記アノードガス通路及び前記カソードガス通路の両方は、前記スタックの各セグメント内で、一方向重力補助流れ方向で配置されており、
前記セグメントのうちの少なくとも一方が、前記スタックの複数の作動パラメータを比較するように作動できる可変制御システムを有する、陽子交換膜燃料電池スタック。
【請求項２４】
請求項２３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アッセンブリの数は、セグメント対間で減少する、燃料電池スタック。
【請求項２５】
請求項２４に記載の燃料電池スタックにおいて、更に、
前記セグメント対の各々は、上流セグメント及び下流セグメントのうちの一方であり、
前記下流セグメントの圧力降下は、前記セグメント対の各々について、前記上流セグメントの圧力降下と等しいか或いはそれよりも低い、燃料電池スタック。
【請求項２６】
請求項２５に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記可変制御システムは、更に、選択可能な複数の流路を持つ複数の配管と、前記選択可能な流路間で前記配管を制御するように作動できる少なくとも一つの制御バルブと、前記少なくとも一つの制御バルブに制御信号を送出するように作動できるスタックフィードバック信号プロセッサとを備えている、燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００２年８月２９日に出願された米国特許出願第１０／２３０，９１６号の一部継続出願である。上記出願に触れたことにより、この出願に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。
【０００２】
本発明は、燃料電池システムに関し、更に詳細には、燃料電池スタックを水素反応体で作動するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
燃料電池は、多くの用途で電源として使用されてきた。陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池の「純水素」型では、水素反応体（即ち水素濃度が約８０容量％又はそれ以上の反応体）を燃料電池のアノード側に供給し、酸素を酸化体としてカソード側に供給する。スタック内の各電池は、電圧増分を提供する膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を含む。ＭＥＡは、アノード触媒が一方の面に設けられており且つカソード触媒が反対側の面に設けられた陽子透過性で非導電性の薄い中実のポリマー電解質膜を含む。「燃料電池」という用語は、代表的には、状況に応じて、単一の電池又は複数の電池のいずれかに関して使用される。複数の個々の電池は、一般的には、互いに結束されて燃料電池スタックを形成する。
【０００４】
実際には、個々の入口マニホールド及びヘッダを通して反応体を燃料電池に供給する。入口ヘッダでは、反応体、例えばアノード流が、個々の電池に供給する多くの流路に分割される。排出流は電池を離れ、出口ヘッダで混合し、出口マニホールドを通ってスタックを出る。更に、反応体の還元によって発生した熱を除去するため、クーラントを各セグメントに提供する。少なくとも一つの既知の設計では、全ての電池のアノード側に並列に供給される。即ち、全ての電池のアノード側は、入口水素濃度が同じである。
【０００５】
単一の電池群に並列に供給することの欠点は、燃料電池スタックは低化学量論で、即ち、所与の電力出力を満たすのに必要な反応体の質量流量近くで安定的に作動するのに使用できないということである。従って、水素又は酸素を効率的に使用することは困難である。その結果、システム効率が最適にされない。
【０００６】
ストラッサーに付与された米国特許第５，４７８，６６２号のスタック設計等の、上述の状況を部分的に補正するスタック設計が既知である。ストラッサーの設計等のスタックでは、並列の電池の個々の群が配置され、各群の各電池内の流れが並列であり、各群からの全ての流れが群間を直列に流れる。個々の燃料電池の数は、通常は、これらのスタック設計では変化し、電池の最初のセグメント即ち上流セグメントに含まれる個々の電池の数が最大であり、各連続したセグメントは、燃料電池の数が減少する。この種の形体では、セグメント組の最後のセグメントは、通常は、個々の燃料電池の数が最少である。
【特許文献１】米国特許第５，４７８，６６２号
【０００７】
上述の直列／並列設計は、通常は、スタックに亘って蛇行型流れパターンを提供する。蛇行型流れパターンにより、アノード側反応体流及びカソード側反応体流の両方は、スタックに亘って水平であり、即ち一つ又はそれ以上の個々のセグメントについて重力を克服しなければならない。スタックの下部分で発生した水により、反応体が燃料電池の触媒材料と接触するのが妨げられ、かくしてスタックの効率が低下する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
既知の燃料電池設計の別の欠点は、クーラント供給及びクーラント供給位置を制御できないということである。一般的な水反応体燃料電池スタックは、クーラントをスタックの特定の位置に差し向けることによるスタックの水分制御を行わない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
燃料電池スタックについての上述の欠点は、本発明のスタック設計及び水素反応体システムの作動方法によって解決される。本発明のスタック設計は、各セグメント内に同数又は異なる数の燃料電池エレメントが配置された、燃料電池エレメントの個々のセグメントを含む。各セグメントは、各燃料電池内に流れを重力補助方向で提供するように構成されている。この構成は、アノード側流れ又はカソード側流れのいずれか、又はこれらの両方の流れの全容積をスタックのセグメントを通して分配できるようにすることによって、燃料電池スタックの作動の安定性を向上する。ここで、電池の総数の一部だけが提供される。
【００１０】
好ましい実施例では、カソード反応体及びクーラントは、好ましくはスタック燃料電池の大きな割合を占める第１セグメントの上部分に進入する。第１セグメントを通る流れは各電池に亘って並列であり、カソード反応体はスタックセグメントの下部から出て集められ、セパレータセグメント内に配置されたセパレータチャンネルを通ってスタックの第２セグメントに送られる。任意のカソード燃料電池が発生した過剰の水は、集められ、各セパレータセグメントの下部で排出される。水素反応体は、カソード反応体の進入点から最も下流のセグメントの上部分に進入し、カソード流及びクーラントの両方に対して「向流」スタックセグメント方向に流れる。下流セグメントは、スタック燃料電池の数が、第１セグメントと同じであってもよいし、これよりも少なくてもよい。第２セグメントを通るアノード流は、このスタックセグメントの下部を出て、集められ、セパレータセグメントに配置されたセパレータチャンネルを通ってスタックの第１セグメントに送られる。
【００１１】
向流流れ構成では、カソード側の水分は、スタックに亘って相対温度が最も低いクーラントと隣接するようにカソード流（ここで水の大部分が発生する）を流すことによって制御される。水素側の水分は、クーラントが最も高温の場所で水素反応体をスタック内に通すことによって制御される。従って、水素側は、ＭＥＡを横切る水を徐々に吸収し、最小水分レベルを維持し、これによりＭＥＡを保護する。
【００１２】
各セグメントは、余分の水がスタック下区分に集められ、ここで排出されるように、各電池を通して下方への流れ即ち重力補助流れ（重力によりアシストされた流れ）を提供するように構成されている。各セグメントは、互いに対してほぼ並列に配置された燃料電池を提供し、これらの燃料電池は、セグメントの各電池を通して重力補助流れを提供するように構成されている。
【００１３】
別の好ましい実施例では、セパレータセグメントが各スタックセグメント間に配置される。この実施例では、前のセグメントを出た全ての流れが、セパレータセグメントを通して流される。セパレータセグメントは、ＭＥＡを備えていない一対のバイポーラプレート間に配置される。セパレータセグメントの目的は、燃料源に作用を及ぼすことなく、及び従って追加の水を発生することなく、一つのセグメントの出口からの全ての流れの方向を変えて、隣接した次のセグメントの入口に差し向けることである。各セパレータセグメントは、燃料電池エレメントの個々のセグメントと隣接した構造部材である。個々の流れ群、即ちアノード流、カソード流、及びクーラント流の間で流れの方向を別々に変えるため、燃料電池の各セグメント間に別体のセパレータセグメントが設けられる。各流れセグメントを出る流れをスタックセグメントの下区分に集め、次の連続したセグメントの上入口まで全体に上方に方向を変える。これにより、個々の燃料電池セグメントを通る流れを、重力補助方向に、即ち垂直方向下方に提供する。電池の各セグメント内の流れは、セグメントの燃料電池の各々に亘って並列である。
【００１４】
本発明に係る燃料電池の重力補助配向及びセパレータセグメントの特徴は、２００２年８月２９日に出願された現在継続中の「カスケード式燃料電池スタック」という表題の米国特許出願第１０／２３０，９１６号に開示された同様の特徴に基づく。同特許出願に触れたことにより、この特許出願に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。
【００１５】
本発明の別の好ましい実施例では、外部配管及びバルブの個々の組を、各セパレータセグメントの代わりに使用する。流れは、好ましくは、セグメント間で直列に差し向けられる。これは、上文中に論じたセパレータセグメントと同様に、流れをセグメント下部分に集め、これを次のセグメントの上部分に差し向けることによって行われる。しかしながら、セパレータセグメントの代わりに外部バルブ及び配管システムを使用することによって、バルブを調節することにより、セグメント間の直列／並列流れの混合を差し向ける選択肢又は従来の全体の並列の流れを各セグメントに差し向ける選択肢が追加に提供される。
【００１６】
本発明の別の好ましい実施例では、個々のセグメントを通る並列のクーラント流が提供される。クーラント流は、ほぼカソード反応体がスタックに進入する位置で、クーラント流の第１部分がスタックに進入するように、スタックに進入する前に分割される。クーラントの第１部分は、全体に、カソード流に従って流れる。クーラント流の第２部分は、ほぼアノード反応体がスタックに進入する位置で、スタックに進入し、クーラントの第２部分は、全体に、アノード流に従って流れる。並列なクーラント流を提供することによって、各反応体ガスは、スタックへの進入点で、最低クーラント温度のクーラントによって冷却される。
【００１７】
本発明のこの他の適用領域は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施例を示すけれども、単に例示を目的としたものであって、本発明の範囲を限定しようとするものではないということは理解されるべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
好ましい実施例の以下の説明は、単なる例示であって、本発明、その用途、又は使用を限定しようとするものではない。
図１を参照すると、この図には本発明の好ましい実施例が示してある。カスケード式燃料電池スタック１０は、第１セグメント１２を有し、このセグメント１２は、第２セグメント１４からセパレータセグメント１６によって分離されている。セパレータセグメント１６の流れチャンネル内の反応体流は、以下に更に詳細に説明するように、「交差流れ（cross flow：クロスフロー）」形体である。第１セグメント１２の外面１８は、カソード入口２０及びアノード出口２２を含む。カソード入口２０は、カソード入口チャンバ２４と流体連通している。カソード入口チャンバ２４は、複数の燃料電池２８のカソード側燃料電池通路２６に連結されている。これらのカソード側燃料電池通路２６の各々は、カソード出口チャンバ３０に連結されており、この出口チャンバ３０は、カソード出口３２で終端する。
【００１９】
アノード入口チャンバ３４が、燃料電池２８の複数のアノード側燃料電池通路３６と流体連通している。これらのアノード側燃料電池通路３６は、各々、アノード出口チャンバ３８に連結されており、この出口チャンバ３８は、アノード流をアノード出口２２のところで排出する。
【００２０】
セパレータセグメント１６は、第１セグメント１２を第２セグメント１４に機械的に且つ流体連通可能に連結する。セパレータセグメント１６は、カソード出口３２を第２セグメント１４のカソード入口チャンバ４２に連結するカソード通路４０を備えている。セパレータセグメント１６は、更に、アノード入口チャンバ３４を第２セグメント１４のアノード出口チャンバ４６に連結するアノード通路４４を備えている。明瞭化を図るため、クーラント通路はセパレータセグメント１６に示してない。
【００２１】
第２セグメント１４は、更に、カソード入口チャンバ４２に対して境界を提供する閉塞ポート４８を備えている。カソード入口チャンバ４２は、複数の第２セグメント燃料電池５２の複数のカソード側燃料電池通路５０と流体連通している。これらのカソード側燃料電池通路５０は、各々、カソード出口チャンバ５４に連結されており、この出口チャンバ５４は、カソード流をカソード出口５６のところで排出する。第２セグメント１４のアノード入口流は、第１セグメント１２について説明したカソード入口流と同様であり、従って、明瞭化を図るため、示してない。クーラント通路もまた、明瞭化を図るため、第２セグメント１４に示してない。
【００２２】
カソードガスの例示の流れが、第１セグメント１２の上部分に、流れ矢印Ａで示すように、カソード入口２０のところで進入する。カソードガスは、カソード入口２０から、カソード入口チャンバ２４内に分配される。カソード入口チャンバ２４の先端は、セパレータセグメント１６によって塞がれており、カソード入口チャンバ２４内の全ての流れを燃料電池２８のカソード側燃料電池通路２６に強制的に入れる。全てのカソード流は、カソード側燃料電池通路２６を下方に横切り、カソード出口チャンバ３０に排出する。流れは、カソード出口チャンバ３０からカソード出口３２を通って第１セグメント１２を出て、セパレータセグメント１６のカソード通路４０に入る。カソード通路４０は、流れの方向を変えて、第２セグメント１４のカソード入口チャンバ４２内に上方に差し向ける。カソード入口チャンバ４２の先端は、閉塞ポート４８又は追加のセパレータセグメント（図示せず）のいずれかによって塞がれ、カソード入口チャンバ４２内の全ての流れを、第２セグメント燃料電池５２のカソード側燃料電池通路５０内に強制的に入れる。カソード入口チャンバ４２からの全ての流れは、カソード側燃料電池通路５０を下方に横切り、カソード出口チャンバ５４内に排出され、流れ矢印Ｂによって示すように、カソード出口５６のところでカスケード式燃料電池スタック１０を出る。アノード流は、アノード入口５８のところで第２セグメント１４に流れ矢印Ｃの方向で入る。第２セグメント１４内のアノード流は、第１セグメント１２内のアノード流と同様であり、従って、明瞭化を図るため、ここには示さない。
【００２３】
図１に最もよく示すように、例示の第１セグメント１２について、カソード入口チャンバ２４及びアノード入口チャンバ３４は、好ましくは、第１セグメント１２の両側に位置決めされる。燃料電池２８を通るカソードガス流は、図示のように斜め方向下方である。アノードガス流もまた、アノード入口チャンバ３４からアノード出口チャンバ３８まで斜め方向下方であり、アノード流及びカソード流は互いに関して「交差流れ」形体をなす。別の好ましい実施例（図示せず）では、カソード入口チャンバ２４及びアノード入口チャンバ３４の両方を、第１セグメント１２に、隣接して、並んで（側部と側部とを向き合わせた配置で）位置決めする。この実施例ではアノード流及びカソード流は、互いに関し、例えば外面１８から見て上左側から下右側まで「平行流れ」形体をなす。アノード流／カソード流の両実施例では、即ち「交差流れ」及び「平行流れ」の両方では、アノード流及びカソード流は、両方とも、各燃料電池内で、第１セグメント１２及び第２セグメント１４に関し、常に一定方向、即ち全体に下方即ち重力によって補助される方向に流れる。
【００２４】
図１のカスケード式燃料電池スタック１０の断面図である図２を参照すると、比較的大きな上流の第１セグメント１２から比較的小さな下流の第２セグメント１４までの例示のカソード反応体流を示す。本明細書中で定義したように、燃料電池スタックの「比較的大きな」セグメントは、「比較的小さな」セグメントよりも多数の燃料電池を含む。上流セグメントは、特定の反応体流に関して第２セグメントよりも前に設けられた第１セグメントに関する。明瞭化を図るため、クーラント流及びアノード反応体（即ち水素）流は図２には示してない。
【００２５】
第１セグメント１２は、燃料電池２８と流体連通したカソード入口チャンバ２４を含む。燃料電池２８の各々は、互いにほぼ平行に配置されており、カソード出口チャンバ３０内に各々排出する。カソード出口チャンバ３０は、セパレータセグメント１６と流体連通している。セパレータセグメント１６は、第１セグメント１２を第２セグメント１４に機械的に、また、流体連通可能に接合する。カソード通路４０は、カソード出口チャンバ３０と第２セグメント１４のカソード入口チャンバ４２との間を流体連通する。更に、アノード通路４４の一部が、図２の断面図にカソード通路４０と隣接して示してある。図１に最もよく示してあるように、アノード通路４４は、セパレータセグメント１６内で上方に連続的に傾斜しており、第２セグメント１４のアノード出口チャンバ４６を第１セグメント１２のアノード入口チャンバ３４に流体連通可能に連結する。
【００２６】
カソード入口チャンバ２４は、第２セグメント燃料電池５２のカソード側燃料電池通路５０と流体連結している。第２セグメント燃料電池５２の各々は、互いにほぼ平行に配置されており、各々が、カソード出口チャンバ５４内に排出する。図示の例示の実施例では、カソード出口チャンバ５４は、全てのカソード流をカスケード式燃料電池スタック１０から集め、そして排出する。
【００２７】
本発明の各燃料電池スタックのセグメントは、連続した複数対のセグメントをなして配置される。図１及び図２に示す簡略化した実施例では、第１セグメント１２は、第２セグメント１４とともに第１セグメント対を形成する。第３のセグメント又はそれ以上のセグメントが追加された場合には、第２セグメント１４は、第３セグメント（図示せず）とともに第２セグメント対を形成し、次々にセグメント対を形成する。
【００２８】
カソード反応体流（図示した）は、カスケード式燃料電池スタック１０にカソード入口流方向Ａで進入する。カソード反応体流は、カソード入口チャンバ２４から方向を変え、図示のように、重力補助流れ方向Ｆで第１セグメントの燃料電池２８のカソード側燃料電池通路２６の各々に入る。カスケード式燃料電池スタック１０への全てのカソード反応体入口流が、燃料電池２８を横切る。燃料電池２８から排出された反応体は、第１セグメントのカソード出口チャンバ３０内で流れ方向Ｇに方向を変える。
【００２９】
第１セグメント１２を出る全てのカソード反応体流は、セパレータセグメント１６のカソード通路４０に入り、全体に上方への流れ方向Ｈに方向を変える。カソード通路４０から、全てのカソード反応体流が、第２セグメント入口流れ方向Ｊに再び方向を変え、第２セグメント１４のカソード入口チャンバ４２に流入する。カソード反応体流は、カソード入口チャンバ４２から、第２セグメント入口流れ方向Ｊから重力補助第２セグメント流れ方向Ｋに方向を変える。第２セグメント１４内での全てのカソード反応体流が、第２セグメント燃料電池５２のカソード側燃料電池通路５０内に流れる。カソード側燃料電池通路５０は各々排出し、カソード出口チャンバ５４内で組み合わせ流れを形成する。カソード出口チャンバ５４内の組み合わせ流れは、スタック出口流れ方向Ｌでカスケード式燃料電池スタック１０を出る。
【００３０】
カスケード式燃料電池スタック１０は、全ての燃料電池を通る各反応体ガス流が、夫々、下方に、即ち例示の第１セグメント重力補助流れ方向Ｆによって示す重力補助方向に、及び例示の第２セグメント重力補助流れ方向Ｋに流れるという利点を提供する。作動状態にある燃料電池だけを重力補助方向に通過する流れを提供することにより、例示の燃料電池２８及び５２内の反応プロセスで発生した水は、燃料電池を通るカソード反応体ガスの流れ速度及び重力の両方によって、第１及び第２のセグメントのカソード出口チャンバ３０及び５４の夫々に強制的に入れる。図示のようにセパレータセグメント１６を第１セグメント１２と第２セグメント１４との間に配置することにより、セパレータセグメント１６は、スタックのセグメント及びクーラントからの、伝導による熱伝達（伝導熱伝達）及び対流による熱伝達（対流熱伝達）の両方によって、スタックの平均作動温度に達する。
【００３１】
使用にあたっては、図２の例示の２セグメントカスケード式燃料電池スタック１０は、スタック上部分６０を提供するように形成されている。カソード入口２０は、この上部分隣接して配置される。スタック下部分６２もまた設けられており、この下部分と隣接したカソード出口５６が配置される。カソード反応体ガス流は、スタック上部分６０のカソード入口２０に進入するように差し向けられ、各セパレータセグメント（例えばセパレータセグメント１６）によって上方に方向を変え、カスケード式燃料電池スタック１０の各燃料電池を通って重力補助下方流れ方向に流れ、スタック下部分６２のカソード出口５６からを出る。カスケード式燃料電池スタック１０を通るアノード流は、同様である。
【００３２】
燃料電池の反応プロセスで発生した水をスタック下部分に差し向けることにより、水は有利に排出される。本発明の図２の実施例では、水はカスケード式燃料電池スタック１０から排水路すなわちドレン（図示せず）によって排出される。排水路すなわちドレンは、下セパレータセグメント６４のセパレータドレン領域Ｍに連結されている。一つ以上のセパレータセグメントを使用した場合（例えばセグメントを３つ又はそれ以上含むスタック）、各セパレータセグメントは、下セパレータセグメント６４のセパレータドレン領域Ｍと同様のドレン領域を備えている。水排水路すなわち水ドレンを、セパレータドレン領域Ｍに配置することにより、第１セグメント１２の燃料電池２８が発生した水の大部分が排出される。相対湿度は、セグメント間で約１００％の相対湿度に制御される。これは、クーラント水の温度以上の露点の全ての水又は大部分の水を、次のセグメントに進入する前に除去することにより行われる。
【００３３】
図３を参照すると、本発明の別の好ましい実施例が示してある。この実施例は、一対の隣接したスタックセグメント間に、図１に示すセパレータセグメント１６の代わりに、アノード流、カソード流、及びクーラント流を差し向けるための一組の配管を備えている。燃料電池スタック１００では、第１セグメント１０２は、第２セグメント１０４から配管組１０６によって分離されている。第１セグメント１０２は、第１セグメント外面１０８と、第１セグメント内面１１０とを含む。同様に、第２セグメント１０４は、第２セグメント外面１１２と、第２セグメント内面１１４とを含む。第１セグメント外面１０８は、第１セグメントカソード入口１１６と、第１セグメントクーラント入口１１８と、第１セグメントアノード出口１２０とを提供する。第１セグメント内面１１０は、第１セグメントカソード出口１２２と、第１セグメントクーラント出口１２４と、第１セグメントアノード入口１２６とを提供する。
【００３４】
第１セグメントカソード出口１２２は、カソード配管１３０を介して第２セグメントカソード入口１２８と流体連通可能に接続している。第１セグメントクーラント出口１２４は、クーラント配管１３４を介して第２セグメントクーラント入口１３２と流体連通可能に接続している。第１セグメントアノード入口１２６は、第２セグメントアノード出口１３６からアノード配管１３８を介してアノード反応体流を受け取る。カソード反応体及びアノード反応体の両方に同伴された余分な水は、第１セグメント１０２と第２セグメント１０４との間で、カソード配管ドレン（カソード配管排水路）１４０及びアノード配管ドレン（アノード配管排水路）１４２の各々によって夫々排出される。第２セグメントカソード入口１２８、第２セグメントクーラント入口１３２、及び第２セグメントアノード出口１３６の各々は、第２セグメント内面１１４に配置される。第２セグメント外面１１２は、第２セグメントカソード出口１４４と、第２セグメントクーラント出口１４６と、第２セグメントアノード入口１４８とを備えている。
【００３５】
カソード流は、第１セグメントカソード入口１１６のところで第１セグメント１０２の上部分に進入し、複数の第１セグメント燃料電池（図示せず）を通って全体に重力によって補助される方向に流れ、第１セグメント１０２の下部分に配置された第１セグメントカソード出口１２２に集められてここから出る。カソード配管１３０は、カソード流を全体に上方に第２カソード入口１２８まで搬送する。第２セグメントカソード入口１２８は、第２セグメント１０４の第２セグメント内面１１４の上部分に配置されている。カソード流は、第２セグメントカソード入口１２８から複数の第２セグメント燃料電池（図示せず）に差し向けられ、第２セグメントカソード出口１４４のところで第２セグメント１０４の下部分に集められてここから出る。
【００３６】
クーラント流は、第１セグメントクーラント入口１１８のところで第１セグメント１０２に進入し、複数のクーラント流チャンネル（図示せず）を通って流れ、第１セグメントクーラント出口１２４のところで第１セグメント１０２を出る。クーラント配管１３４は、クーラントを第２セグメントクーラント入口１３２に搬送する。クーラント流は第２セグメント１０４に進入し、複数のクーラント流チャンネル（図示せず）を通って流れ、第２セグメントクーラント出口１４６のところで第２セグメント１０４を出る。
【００３７】
アノード流は、第２セグメント外面１１２の上部分で燃料電池スタック１００に進入し、カソード流とは反対側の下流位置で第２セグメント１０４に進入する。本発明の好ましい実施例では、アノード流は、好ましくは、カソード流入口セグメントと同数の燃料電池を含む燃料電池セグメント内に差し向けられるか、或いは、カソード流が燃料電池スタック１００に進入する場合と比較して少数の燃料電池を含む比較的小型の燃料電池セグメントに差し向けられる。図３の例示の実施例では、アノード流は、第２セグメントアノード入口１４８で第２セグメント１０４の上部分に入り、複数の第２セグメント燃料電池（図示せず）を通って全体に重力補助方向に流れ、第２セグメント１０４の下部分に配置された第２セグメントアノード出口１３６のところに集められ、ここから出る。アノード配管１３８は、アノード流を全体に上方に第１セグメントアノード入口１２６まで搬送する。第１セグメントアノード入口１２６は、第１セグメント内面１１０の上部分に配置されている。アノード流は、第１セグメントアノード入口１２６から複数の第１セグメント燃料電池（図示せず）に差し向けられ、第１セグメントアノード出口１２０のところで第１セグメント１０２の下部分に集められ、ここから出る。
【００３８】
次に、図４を参照すると、燃料電池スタック２００は、図３の燃料電池スタックと同様であり、従って、相違点のみを論じる。燃料電池スタック２００は、第１セグメント２０２及び第２セグメント２０４を含む。配管組２０６が、第１セグメント２０２を第２セグメント２０４に流体連通可能に接合する。カソード流がカソード入口２０８のところで第１セグメントに進入し、クーラント流がクーラント入口２１０に進入し、アノード流が第１セグメント（及び燃料電池スタック２００）をアノード出口２１２のところで出る。クーラントは、第１セグメントクーラント供給配管２１４によって、クーラント入口２１０に供給される。カソード流は、カソード出口２１６のところで第１セグメント２０２を出る。クーラント入口２１０に提供されたクーラント流は、クーラント出口２１８のところで第１セグメント２０２を出る。アノード流は、アノード入口２２０のところで第１セグメント２０２に提供される。
【００３９】
第１セグメント２０２と第２セグメント２０４との間の流れは、配管組２０６を通して提供される。カソード流配管２２２が、カソード流を第１セグメント２０２から第２セグメント２０４まで全体に上方に差し向ける。クーラント流配管２２４が、クーラント流を、燃料電池スタック２００の第１セグメント２０２から排出する。アノード流配管２２６が、第２セグメント２０４から排出されたアノード流を、全体に上方に第１セグメント２０２のアノード入口２２０に差し向ける。排出組２０６は、更に、クーラント出口２３０で第２セグメントから排出されたクーラントを集めるクーラント排出配管２２８を提供している。クーラント制御バルブ２３２が、供給ライン２３４によって供給されたクーラントを、第１セグメントクーラント供給配管２１４及び第２セグメントクーラント供給配管２３６に差し向ける。クーラント流れ配管２２４及びクーラント排出配管２２８の両方が、クーラントをクーラント源（図示せず）に戻す組み合わせクーラント戻し配管２３８に排出する。
【００４０】
第２セグメント２０４では、カソード流配管２２２がカソード入口２４０に排出し、アノード流配管２２６がアノード流をアノード出口２４２から受け取る。カソード流は、燃料電池スタック２００からカソード出口２４４のところで排出される。第２セグメントクーラント供給配管２３６は、スタックのクーラント流の総量の一部をクーラント入口２４６に供給する。アノード入口２４８は、燃料電池スタック２００へのアノード流を受け取る。
【００４１】
配管組２０６は、カソード流及びアノード流が燃料電池スタック２００に進入する位置の各々に、最も温度が低いクーラントを提供する。これにより、進入するカソード流及びアノード流の両方について、露点を最も低くし、これにより燃料電池スタック２００についての相対湿度の制御を改良する。燃料電池スタック２００のセグメントへのクーラント流の比例配分を補助するため、第１セグメントクーラント供給配管２１４及び第２セグメントクーラント供給配管２３６の各々で、クーラント制御バルブ２３２の代わりに、個々のスロットルバルブ又は他の流れ制御装置（例えばオリフィス）を用いてもよい。
【００４２】
次に図５、図６、及び図７を参照すると、これらの図には、本発明の燃料電池スタックの更に別の実施例が示してある。図５は、例示の２セグメント燃料電池スタック３００のセグメント間にカソード配管及びバルブを設けたものを示す。図６は、燃料電池スタック３００のセグメント間にアノード配管及びバルブを設けたものを示す。図７は、燃料電池スタック３００のセグメント間にクーラント配管を設けたものを示す。図５、図６、及び図７の配管及びバルブは、明瞭化を図るために別々に示してあるが、使用にあたっては、これらの配管及びバルブは、燃料電池スタック３００の２つのセグメント間に組み込まれる。
【００４３】
図５に示すように、燃料電池スタック３００は、２セグメントスタックを通る直列の又は並列のカソード流を提供するように形成できる配管及びバルブを含む。カソード供給配管３０２は、カソード流を第１セグメント入口配管３０４に供給する。この入口配管３０４は、第１セグメント３０８のカソード入口３０６に連結できる。カソード供給配管は、更に、カソード流を第１セグメントバイパス配管３１０に供給する。このバイパス配管３１０は、第１セグメント３０８を迂回した部分バイパスカソード流を提供できる。第１セグメントバイパス配管３１０は、三方流れバルブ３１２に連結できる。三方流れバルブ３１２は、Ｍ−ポート、Ｎ−ポート、及びＯ−ポートの３つのポートを有する。第１セグメントバイパス配管３１０は、Ｏ−ポートに連結できる。Ｎ−ポートは、カソード流をカソード入口３１６に提供する第２セグメント供給配管３１４に連結できる。Ｍ−ポートは、第１セグメントカソード排出配管３２０と流体連通した枝分かれ流れ配管３１８に連結できる。第１セグメントカソード排出配管３２０は、第１端が第１セグメント３０８のカソード出口と流体連通しており、第２端が遮断バルブ３２４の上流端と流体連通している。遮断バルブ３２４の下流端は、カソード排出配管３２６に連結でき、このカソード排出配管３２６は、第２セグメントカソード排出配管３２８と流体連通している。第２セグメントカソード排出配管３２８は、第２セグメント３３２のカソード出口３３０に連結できる。
【００４４】
直列のカソード流を第１セグメント３０８及び第２セグメント３３２に提供するため、遮断バルブ３２４を遮断し、流れポートＭからＮへの流れを提供する（Ｏ−ポートからの流れを遮断する）ように三方流れバルブ３１２を位置決めする。カソード流は、第１セグメント入口配管３０４を通って第１セグメント３０８に入り、図２を参照して上文中に説明したように第１セグメントを横切り、第１セグメントカソード排出配管３２０で第１セグメント３０８を出る。第１セグメントカソード排出配管３２０からの流れは、遮断バルブ３２４によって遮断され、これにより、流れを、強制的に、枝分かれ流れ配管３１８を通して、三方流れバルブ３１２のポートＭ及びＮを通して第２セグメント供給配管３１４及び第２セグメント３３２のカソード入口３１６に流入させる。カソード流は第２セグメント３３２を横切り、第２セグメントカソード排出配管３２８内に排出される。
【００４５】
第１セグメント３０８及び第２セグメント３３２に並列なカソード流体を提供するため、遮断バルブ３２４を開放し、流れポートＯからＮまでの流れを提供する（Ｍ−ポートからの流れを遮断する）ように三方流れバルブ３１２を位置決めする。カソード流は、第１セグメント入口配管３０４と第１セグメントバイパス配管３１０との間で分かれる。カソード流の第１部分は、第１セグメント入口配管３０４を通って第１セグメント３０８に入り、図２を参照して上文中に説明したように第１セグメントを横切り、第１セグメントカソード排出配管３２０で第１セグメント３０８を出る。カソード流の第１部分は、第１セグメントカソード排出配管３２０から、遮断バルブ３２４を横切り、カソード排出配管３２６を通って流れ、燃料電池スタック３００から排出される。カソード流の第２部分は、第１セグメントバイパス配管３１０と、三方流れバルブ３１２の流れポートＯ及びＮを横切り、第２セグメント供給配管３１４を通り、第２セグメント３３２に入る。次いで、カソード流の第２部分は、第２セグメント３３２を横切り、第２セグメント３３２から第２セグメントカソード排出配管３２８に排出され、ここでカソード排出配管３２６のカソード流の第１部分と合流し、燃料電池スタック３００から排出される。
【００４６】
図６に最もよく詳細に示すように、燃料電池スタック３００は、２セグメントスタックを通る直列又は並列のいずれかのアノード流を提供するように形成できる配管及びバルブを更に含む。アノード供給配管４０２は、第１セグメント３０８のアノード入口４０６に連結できる第１セグメント入口配管４０４にアノード流れを供給する。アノード供給配管４０２は、更に、アノード流を第１セグメントバイパス配管４１０に供給する。このバイパス配管４１０は、第１セグメント３０８を迂回する部分バイパスアノード流を提供できる。第１セグメントバイパス配管４１０は、三方流れバルブ４１２に連結できる。この三方流れバルブ４１２は、Ｐ−ポート、Ｑ−ポート、及びＲ−ポートの三つのポートを有する。第一セグメントバイパス配管４１０は、Ｒ−ポートに連結できる。Ｑ−ポートは、アノード流をアノード入口４１６に提供する第２セグメント供給配管４１４に連結できる。Ｐ−ポートは、枝分かれ流れ配管４１８に連結できる。この枝分かれ流れ配管４１８は、第１セグメントアノード排出配管４２０と流体連通している。第１セグメントアノード排出配管４２０は、第１端が第１セグメント３０８のアノード出口４２２と流体連通しており、第２端が遮断バルブ４２４の上流端と流体連通している。遮断バルブ４２４の下流端は、アノード排出配管４２６に連結できる。このアノード排出配管４２６は、第２セグメントアノード排出配管４２８と流体連通している。第２セグメントアノード排出配管４２８は、第２セグメント３３２のアノード出口４３０に連結できる。
【００４７】
第１セグメント３０８及び第２セグメント３３２に直列のアノード流を提供するため、遮断バルブ４２４を遮断し、ポートＰとＱとの間に流れを提供する（Ｒポートを通る流れを遮断する）ように三方流れバルブ４１２を位置決めする。アノード流は、第１セグメント入口配管４０４を通って第１セグメント３０８に進入し、図２を参照して本明細書中に説明したように第１セグメント３０８を横切り、第１セグメント３０８を第１セグメントアノード排出配管４２０で出る。第１セグメントアノード排出配管４２０からの流れは遮断バルブ４２４によって遮断され、これにより流れを枝分かれ流れ配管４１８を通して、三方流れバルブ４１２の流れポートＰ及びＱを通して、第２セグメント供給配管４１４及び第２セグメント３３２のアノード入口４１６に強制的に流入させる。アノード流は、第２セグメント３３２を横切り、第２セグメントアノード排出配管４２８内に、そして、アノード排出配管４２６内に排出され、燃料電池スタック３００から排出される。
【００４８】
並列のアノード流を第１セグメント３０８及び第２セグメント３３２に提供するため、遮断バルブ４２４を開放し、流れポートＲとＱとの間に流れを提供する（Ｐ−ポートからの流れを遮断する）ように三方流れバルブ４１２を位置決めする。アノード流は、第１セグメント入口配管４０４と第１セグメントバイパス配管４１０との間で分かれる。アノード流の第１部分が、第１セグメント入口配管４０４を通って第１セグメント３０８に入り、図２を参照して本明細書中に説明したように第１セグメント３０８を横切り、第１セグメント３０８を第１セグメントアノード排出配管４２０で出る。アノード流の第１部分は、第１セグメントアノード排出配管４２０から遮断バルブ４２４を横切り、アノード排出配管４２６を通って流れ、燃料電池スタック３００から排出される。アノード流の第２部分は、第１セグメントバイパス配管４１０及び三方流れバルブ４１２の流れポートＲ及びＱを横切り、第２セグメント供給配管４１４を通り、第２セグメント３３２に入る。次いで、アノード流の第２部分は、第２セグメント３３２を横切り、第２セグメント３３２から第２セグメントアノード排出配管４２８内に排出され、ここでアノード排出配管４２６内のアノード流の第１部分と合流し、燃料電池スタック３００から排出される。
【００４９】
図７に最もよく示すように、図５の燃料電池スタック３００は、更に、２セグメントスタックを通る並列のクーラント流を提供するように形成できる配管を含む。クーラント供給配管５００は、第１セグメント供給配管５０２及び第２セグメント供給配管５０４の両方に供給するように分かれる。第１セグメント供給配管５０２は、第１セグメント３０８にクーラント入口５０６のところで連結できる。クーラント出口５０８は、第１セグメントクーラント排出配管５１０に連結できる。第１セグメントクーラント排出配管５１０はクーラント排出配管５１２に接続する。第２セグメント供給配管５０４は、第２セグメント３３２にクーラント入口５１４のところで連結できる。クーラント出口５１６は、第２セグメントクーラント排出配管５１８に連結できる。第１セグメントクーラント排出配管５１８は、クーラント排出配管５１２のところで、第１セグメントクーラント排出配管５１０に接続する。
【００５０】
クーラント供給源からのクーラントの第１部分は、クーラント供給配管５００から分かれて第１セグメント供給配管５０２内に流れ、第１セグメント３０８を横切り、第１セグメントクーラント排出配管５１０内に出る。クーラントの第１部分は、第１セグメントクーラント排出配管５１０から、クーラント排出配管５１２に流入し、燃料電池スタック３００を出る。クーラント供給源からのクーラントの第２部分は、クーラント供給配管５００から分かれて第２セグメント供給配管５０４内に流れ、第２セグメント３３２を横切り、第２セグメントクーラント排出配管５１８内に出る。クーラントの第２部分は、第２セグメントクーラント排出配管５１８から、クーラントの第１部分とクーラント排出配管５１２で合流し、燃料電池スタック３００を出る。
【００５１】
図８を参照すると、図６の燃料電池スタック３００をベースとした、追加の第３セグメント６０２を含む燃料電池スタック６００が示してある。
第３セグメント６０２に設けられた配管及びバルブは、図６の配管及びバルブをベースとしたものであり、第２セグメント３３２を第３セグメント６０２に接続する新たな配管及びバルブを示すため、プライム即ち「’」が付してある。図８は、更に、アノード供給配管４０２の上流のアノード制御バルブ６０４と、アノード供給配管４０２’の上流のアノード制御バルブ６０６とを示す。アノード制御バルブ６０４及びアノード制御バルブ６０６の両方が、スタックフィードバック信号プロセッサ６０８から制御信号を受け取る。アノード制御バルブ６０４、６０６、関連した配管、及びスタックフィードバック信号プロセッサ６０８が一緒になって、可変制御システム６１０を形成する。スタックフィードバック信号プロセッサ６０８は、可変制御システム６１０に提供される、スタック又はセグメントの圧力降下、スタックの電圧（例えば全電圧、電圧範囲、標準的な電圧偏差）、及び反応体の出口濃度を含む例示のスタックフィードバックデータに基づいて、バルブ位置信号を提供する。スタック反応体及び／又はクーラント流は、アノード制御バルブ６０４及び６０６の位置を変えることによって、又は同様のカソード制御バルブ（図示せず）及びクーラント制御バルブ（図示せず）によって、方向を変えることができる。スタックフィードバックシステム６０８及び可変制御システム６１０では、一般的に入手可能なプロセッサ及び素子が使用される。アノード制御バルブ６０４、６０６は、一般的に入手可能な任意の制御バルブであってもよい。こうしたバルブには、スタックフィードバックシステム６０８から電気信号を受け取ることができるソレノイド作動式バルブやモータ制御式スロットルバルブ等が含まれる。
【００５２】
各セグメント内の燃料電池の数は調節自在である。反応体流は、各セグメントの各電池を通過し、反応体は各セグメントを通して徐々に消耗され、任意の所与の全入口流及び出口流について、多セグメントスタックの各セグメントの化学量論は、全ての電池が並列に供給される単一のスタックにおけるよりも高い。
【００５３】
個々の反応体セグメントの各々で反応生成物として形成された水は、その関連したセパレータセグメントのベースで、又はセグメント間に配置された個々の流れ配管のドレン収集点によって、集められて排出（ドレン）される。この水の容積は、ドレンライン（図示せず）を通してスタックの排出点に排出される。これにより、スタックの各セグメントで形成された水は、重力によって補助される方向で、各セパレータセグメントのベースのところにある、又は各流れ配管と関連した重力ドレン点に向かって排出（ドレン）され、及び従って、スタック内で発生した水に対する効率的除去方法を提供する。
【００５４】
好ましい実施例では、並列のクーラント流を使用することによって、カソード入口流及びアノード入口流がセグメント間で離間されるという別の利点が提供される。クーラントは、スタックを通過するにつれて温度が上昇し、カソード及びアノードのスタック入口位置を分けるのが望ましい場合、改善された相対湿度制御を提供する。並列のクーラント流の利点は、最低温度のクーラントが、各反応体ガスがスタックに進入する点でスタックに進入し、反応体ガス温度を最大に低下し、及び従って入口ガスについての湿度を最低にするということである。進入する反応体ガスの温度を最も低くすると、その露点が低下し、スタックを通る反応体ガス流について、所望の１００％の相対湿度を達成するのに水蒸気を発生する必要がほとんどない。通常は、スタックの各セグメントの相対湿度（ＲＨ）を１００％にするのが望ましい。これは、水が連続的に発生し、余分の水（蒸気）により、燃料電池との流れ及び水素の接触が妨げられるためである。
【００５５】
スタックセグメント間のセパレータセグメントにセパレータチャンネルが配置されている場合には、チャンネルの温度は、クーラントの温度によって自動的に制御される。従って、任意のセパレータチャンネル内のガスの温度は、セパレータチャンネル内の水蒸気がチャンネル／クーラント露点温度に達するまで、クーラントの温度に合わせて調節され、クーラントの露点温度以上の任意の水蒸気は、セパレータドレンから出る。この「自動」温度制御の利点は、連続したセグメントの各々に進入する反応体ガスの相対湿度が約１００％であり、各セグメントに飽和流を提供するということである。これにより、各セグメントに対して追加の外部温度制御を提供する必要がなくなる。燃料が個々のセグメントの各々で反応するとき、流れの平均温度は、一つのセグメントから次のセグメントまで上昇し、相対湿度は約１００％ＲＨに保持される。
【００５６】
本発明の「実質的に純水素」システムを使用することによって、消費されない不活性ガスがスタックの全圧力降下に及ぼす効果が大幅に低下する。本明細書中に定義されているように、「実質的に純水素」というのは、水素を約８０容量％又はそれ以上含有し、不活性ガスを約２０容量％又はそれ以下含有するアノード反応体である。燃料電池は水素しか消費（水を形成し且つ電流を発生する）せず、従って、約２０容量％又はそれ以下の消費されない不活性ガスが、スタックを通って流れる。純水素アノード反応体を使用することによって、２０容量％又はそれ以下の不活性ガスは、一般的には、スタックの連続したセグメントに亘る圧力降下を制御しない。従って、スタックのセグメントを通る流れを変化させてスタックの化学量論を最適にできる。
【００５７】
本発明の燃料電池スタックは、幾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、重力で補助された反応体及び水ドレン流を提供する。セパレータセグメントが各セグメント対間に配置されている場合には、セパレータセグメントは、水をスタックから効率的に除去すると同時にスタック内の湿度又は水分を制御する。各セグメント内に並列な流れを提供することによって、及び燃料電池エレメントの個々のセグメントの数を変えることによって、本発明は、燃料電池スタックを個々のセグメント間で様々な化学量論で作動でき、高い作動効率を提供する。本発明の燃料電池スタックの平均電圧出力は、エレメントの一つのセグメントだけを通る全体として並列の流れを持つ燃料電池スタック以上に上昇する。スタックセグメント内の電池から電池までの、及び燃料電池プレート内のチャンネルからチャンネルまでの反応体の分布が改善される。（燃料電池内の重力補助流を使用することにより）水を更に効率的に除去することによって反応体の分布を改善し、水素濃度が最大の場合にセグメントの電圧を上昇する。
【００５８】
本発明の説明は単なる例示であり、及びかくして本発明の要旨の範疇の変更は本発明の範囲内に含まれる。このような変更は、本発明の精神及び範囲からの逸脱であるとは見なされない。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】図１は、第１セグメントで反応体及びクーラントがスタックに進入し、第２セグメントで水素反応体がスタックに進入する、反応体が交差流れする本発明の好ましい実施例の斜視図である。
【図２】図２は、２セグメント燃料電池スタックを通るカソード流を示す、図１の断面２を通る断面図である。
【図３】図３は、図１のセパレータセグメントの代わりに外部配管装置を備えた２セグメント燃料電池スタックを通るカソード流、クーラント流、及びアノード流を示す、本発明の別の好ましい実施例の斜視図である。
【図４】図４は、スタックセグメントを通る向流アノード−カソード流を支持する並列クーラント流を持つ、本発明の２セグメント燃料電池スタックの図３と同様のブロックダイヤグラムである。
【図５】図５は、スタックセグメント間に直列又は並列のいずれかのカソード流を提供する、バルブ及び配管の構成を示す、セパレータセグメントの代わりに配管及びバルブの構成を備えた、図３と同様の２セグメント燃料電池スタックのブロックダイヤグラムである。
【図６】図６は、スタックセグメント間に直列又は並列のいずれかのアノード流を提供する、配管及びバルブの構成を示す、図５の燃料電池スタックである。
【図７】図７は、スタックセグメント間に並列のクーラント流を提供する配管を示す、図５の燃料電池スタックである。
【図８】図８は、一対のアノード流制御バルブに信号を提供するスタックフィードバックシステムを示す、本発明の別の好ましい実施例による３セグメント燃料電池スタックの斜視図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０  カスケード式燃料電池スタック
１２  第１セグメント
１４  第２セグメント
１６  セパレータセグメント
１８  外面
２０  カソード入口
２２  アノード出口
２４  カソード入口チャンバ
２６  カソード側燃料電池通路
２８  燃料電池
３０  カソード出口チャンバ
３２  カソード出口
３４  アノード入口チャンバ
３６  アノード側燃料電池通路
３８  アノード出口チャンバ
４０  カソード通路
４２  カソード入口チャンバ
４４  アノード通路
４６  アノード出口チャンバ
４８  閉塞ポート
５０  カソード側燃料電池通路
５２  第２セグメント燃料電池
５４  カソード出口チャンバ
５６  カソード出口
５８  アノード
【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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【国際調査報告】
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