(57)【要約】  燃料電池（３８）は、反応物ガス流れ場プレート（７４，８１）を介して燃料電池を冷却するための水を供給する水通路（６８；７８，８５；７８ａ，８５ａ）を有する。水通路は、多孔性プラグ（６９）によって大気（９９）へ排気されるか、または、通路からの水の除去を伴うまたは伴わないポンプ（８９，１４６）の作用を受けるものであってよい。凝縮器（５９，１２４）は、反応物空気排気を受容し、連続する貯留器（６４，１２８）を有するものであってよく、垂直（図２において自動車のラジエータ）であってよく、水平であり、燃料電池スタック（図５の３７）の最上部に近接しているか、または、燃料電池スタック（１２０）の下方（１２４）であってよい。通路は溝（７６，７７；８３，８４）であるか、または、１つまたは両方の反応物ガス流れ場プレートの実質的に全面に近接する平坦な多孔性の親水性材料（７８ａ，８５ａ）有するものであってよい。凝縮器内の空気流は、シャッター（１５５）によって制御可能である。そのコイル（１６１）を通って流れる耐凍結性液を有する凝縮器は熱交換器（５９ａ）であってよく、その液量は弁（１６６）で制御される。脱イオン器（１７５）を使用することができる。
2008525989.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気極触媒と燃料極触媒が両側に配置された電解質を備えた電極アッセンブリ（７２）を有する各々の燃料電池のスタック（３７，１２０）と、第1の面から延在する燃料反応物ガス流チャネルを有する燃料反応物ガス流れ場プレート（７５）と、第１の面から延在する酸化剤反応物ガス流チャネル（８２）を有し、かつ少なくとも１つが多孔性および親水性である酸化剤反応物ガス流れ場プレート（８１）と、前記少なくとも1つの流れ場プレートの前記第１の面の反対側の第２の面の上に、または近接して配設された水通路（６７；７８，８５；７８ａ，８５ａ）と、を含んでなる燃料電池発電装置であって、
前記水通路は（ａ）対応する燃料電池内に排気口がないか、または（ｂ）排気口（６９，８９，９９，１４５）を有し、前記水通路は、（ｃ）前記少なくとも１つのプレートにおける少なくとも１つの流体管路（７８，８５）を含んでなるか、または（ｄ）前記第２の面の全てに実質的に近接する、導電性の親水性かつ水透過性の材料（７８ａ，８５ａ）を含んでなり、
前記燃料電池発電装置はさらに、前記少なくとも１つの燃料電池の反応物ガス出口に接続された凝縮器（５９，１２４）を備えるとともに、該凝縮器の凝縮物が前記燃料電池の水通路と流体的に連通していることにより、水は前記水通路から前記少なくとも１つの親水性および多孔性の反応物ガス流れ場プレートのそれぞれを通って移動し、前記燃料電池を冷却するために蒸発することを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
各燃料電池が、前記燃料反応物ガス流れ場プレート（７５）と前記酸化剤反応物ガス流れ場プレート（８１）の一方または両方の前記第１の面に溝（７６，７７；８３，８４）を有し、燃料電池スタックが組み立てられるときに前記水通路（７８，８５）を形成することを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記凝縮器（５９）が、前記燃料電池スタックから分離して配置される（図２）ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記凝縮器（５９，１２４）内の空気流が垂直であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項５】
前記燃料電池発電装置が自動車に配置され、その場合、前記凝縮器（５９）が自動車のラジエータ（図２）を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項６】
前記凝縮器（５９，１２４）が、その底部に近接して配置された水貯留器（６４，１２８）を有することを特徴とする請求項５記載の燃料電池発電装置。
【請求項７】
前記凝縮物を受容する水貯留器（６４，１２８）をさらに含み、前記水通路（６７；７８，８５；７８ａ，８５ａ）が前記貯留器と流体的に連通していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項８】
前記水通路（６７；７８，８５；７８ａ，８５ａ）が、それぞれ排気口（６９，８９，９９，１４５）に接続されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項９】
前記排気口（６９，９９）における圧力が、大気圧であることを特徴とする請求項８記載の燃料電池発電装置。
【請求項１０】
前記排気口（６９，８６，９９，１４５）における水圧が、前記凝縮器（５９，１２４）の出口における水圧より小さいかまたは同じであることを特徴とする請求項８記載の燃料電池発電装置。
【請求項１１】
前記排気口（６９，８６，９９，１４５）における水圧が、前記凝縮器（５９，１２４）の出口における水圧より小さく、かつ、液体の差圧が、水を水通路（６７；７８，８５；７８ａ，８５ａ）内へ押し込む凝縮器排気ガスの圧力によって得られることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池発電装置。
【請求項１２】
前記燃料電池発電装置が、前記凝縮物を受容する水貯留器（６４，１２８）をさらに含んでなり、前記通路が、該通路と流体的に連通しており、かつ、前記凝縮器（５９，１２４）内の水の液圧が水を前記水通路（６７；７８，８５；７８ａ，８５ａ）内へ押し込むことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池発電装置。
【請求項１３】
前記排気口（６９，８９，９９，１４５）における液圧が、該排気口から水流を排出するよう、凝縮器出口（５９，１２４）における水圧よりも十分に小さいことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池発電装置。
【請求項１４】
脱イオン器（１７５）が前記排気口（６９，９９，１４５）から排出する水流を受容し、前記脱イオン器から排出する水流は、前記凝縮物を有する前記通路の近位端へ戻ることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池発電装置。
【請求項１５】
前記排気口から前記脱イオン器にのみ水を流すことを可能にするため、前記通路と前記脱イオン器との間を流体的に連通する逆止弁（１７６）がさらに配置されることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池発電装置。
【請求項１６】
前記排気口に接続され、かつ冷却液の高さ位置が確実に前記水通路（６７；７８，８５；７８ａ，８５ａ）の全ての部分に達するような方法で作動される真空ポンプ（８９，１４６）を含んでなることを特徴とする請求項８記載の燃料電池発電装置。
【請求項１７】
前記排気口に接続され、かつ、前記排気口（６９，８９，９９，１４５）を通る水流を生じさせることなく、冷却液の高さ位置が確実に前記水通路（６７；７８，８５；７８ａ，８５ａ）の全ての部分に達するような方法で作動される真空ポンプ（８９，１４６）を含んでなることを特徴とする請求項８記載の燃料電池発電装置。
【請求項１８】
前記排気口に接続され、かつ冷却液の高さ位置が確実に前記水通路（６７；７８，８５；７８ａ，８５ａ）の全ての部分に達するとともに、前記排気口（６９，８９，９９，１４５）を通る水流を生じさせるような方法で作動される真空ポンプ（８９，１４６）を含んでなることを特徴とする請求項８記載の燃料電池発電装置。
【請求項１９】
脱イオン器が、前記排気口から出る水流を受容し、該脱イオン器から流出する水は前記通路へ戻ることを特徴とする請求項１８記載の燃料電池発電装置。
【請求項２０】
前記凝縮器（５９、図５）が、前記スタック（３７）の最上部に近接しかつその上を覆うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項２１】
前記凝縮器（５９、図５）が、前記スタック（１２０）の下方にあることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項２２】
前記凝縮器（１２４）が、前記スタック（１２０）の底部に近接することを特徴とする請求項２１記載の燃料電池発電装置。
【請求項２３】
燃料電池の前記スタック（３７）が、空気インレットマニホルド（６４）を備え、前記凝縮器（５９）の凝縮物は、前記空気インレットマニホルド（６４）と流体的に連通（６５ａ）しており、それにより、前記空気インレットマニホルドは貯留器として機能し、前記水通路（６７；７８，８５；７８ａ，８５ａ）は前記貯留器内の水と流体的に連通する（６５ｂ）ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項２４】
前記酸化剤反応物ガスチャネル内の空気流中へ水が蒸発して、前記チャネル内の空気流は、全ての電力レベルにおいて一定（１０１，５２）に保たれることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項２５】
前記酸化剤反応物ガスチャネル内の空気流中へ水が蒸発して、前記チャネル内の空気流は、セル温度（１０２）の関数として制御される（１０１，５２）ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項２６】
前記凝縮器が、（ｅ）制御されてない周囲空気の流れによって冷却される熱交換器（５９）、（ｆ）周囲空気の制御された流れ（１５５，１５７）によって冷却される熱交換器（５９）、および（ｇ）周囲空気以外の流体によって冷却（１６１）される熱交換器（５９ａ）から選択されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項２７】
前記凝縮器が、周囲空気によって冷却され、該空気流を制御するための空気流制御器（１５５，１５７）を備えた熱交換器（５９）であることを特徴とする請求項２６記載の燃料電池発電装置。
【請求項２８】
前記空気流制御器（１５５，１５７）が、シャッターからなるものであることを特徴とする請求項２７記載の燃料電池発電装置。
【請求項２９】
前記凝縮器が、耐凍結性の冷却液によって冷却される（１６１）熱交換器（５９ａ）であることを特徴とする請求項２６記載の燃料電池発電装置。
【請求項３０】
前記凝縮器を通って流れる前記冷却液の量が、制御器（１６７）によって制御される（１６６）ことを特徴とする請求項２９記載の燃料電池発電装置。
【請求項３１】
前記冷却液が、別の熱交換器（１６５）内の周囲空気によって冷却されることを特徴とする請求項２９記載の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セル中で発生する廃熱に比例して水が蒸発するように、反応物ガス流通路に水を供給する水通路を備えた燃料電池に関し、排気された反応物ガスから凝縮された水は、水通路に戻り、これらの水通路は、排出口がなくても（ｄｅａｄ−ｅｎｄｅｄ）、排出口を有するもの（ｖｅｎｔｅｄ）でもあってよく、セルから排出された空気から水を取り除く凝縮器から凝縮物を受ける。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池技術において、燃料電池を蒸発冷却することにより、セルを通過する循環水または冷却液プレートを通過する冷却液に顕熱を伝える場合とは反対に、蒸発熱の利点を得ることができる。通常、従来における蒸発冷却への取り組みは、２つの形態のうちの一方を採用したものであった。一方の形態では、水は、一方または両方の反応物ガスのガスストリーム中に十分に噴霧化または雲霧化される。
【０００３】
従来の取り組みの他方の形態は、水をセル内へ導くのにウィック（ｗｉｃｋｉｎｇ）を利用するものである。最近の一例は、本明細書の図１で簡単に例示している米国特許出願公開第２００４／０１７０８７８号明細書に示されている。燃料電池１１は、膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）１４において空気極触媒と密接に接触している拡散層１３全体にわたって配置されるウィック１２のストリップを有する。燃料電池１１は燃料極１８を備えており、前記明細書中においては冷却に関連していない。燃料電池は、直列２０に隣接するセルからセパレータプレート２１によって分離されている。同様のセパレータプレートは、図示されていないが、図１に示される燃料電池１１の最上部に存在する。
【０００４】
ウィック１２に水を供給するために、ウィックのヘッダー２２は、全ての燃料電池の縁部に亘り延在し、ウィック１２の間の空間２４内に入る空気の流れとは反対側の縁部にあり、該空間は酸化剤反応物ガス流れ場を構成する。空気は、ポンプ２６によって、マニホルド２７を介して各燃料電池のインレット２８へ供給される。
【０００５】
図１においては、空気流は、アウトレットヘッダー３１を介して、空気を排気する凝縮器３２へ排出され、貯留器３３に凝縮物を排出する。貯留器３３中の水はウィックヘッダー２２へ導かれる。
【０００６】
前述の明細書に開示されたウィックによる蒸発的冷却は、始動時を除き、必要な冷却を得るのに、空気極で生成された水（生成水）が十分でないとされるため、燃料電池発電装置の外部源からの外部の水が必要であるとされている。このことは、米国特許第４，８２６，７４１号明細書のウィックに依存した蒸発により冷却された燃料電池スタックにおいてもまた該当する。その点において、１００ｃｍ2のセルは、１００〜１２０ｍＡ／ｃｍ2（１０８〜１３０Ａ／ｆｔ2）において０．７〜０．８Ｖの性能しか有さない。さらに、それぞれのウィックの長さに沿った毛管圧の差圧は、正のウィック速度が存在するように、隣接する空気流れ場チャネルに沿った圧力降下よりも大きくなければならない。但し、ウィック手段において水の流れと同じ方向に空気流を有する場合にそのような問題は解決されることが述べられている。
【０００７】
そのため、ウィックに依存した蒸発により冷却された燃料電池には、外部の水が必要であり、燃料電池の平面図における寸法および性能が制限され、小さい電流密度に制限される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
セルの全周に配置されたウィックヘッダー２２から、冷却を要するセルの全領域まで、必要な蒸発冷却を行うのに十分な水を輸送するために、必要なウィックは相当量であり、自動車用途の使用に義務づけられる制限された容量内において、各燃料電池が許容可能な厚さより厚いものとなってしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の態様は、従来既知の燃料電池より厚さの薄い燃料電池と、燃料電池への給水が空気の供給における圧力とは独立して制御可能な燃料電池における蒸発冷却の使用と、セルへの給水が、燃料電池の蒸発冷却が燃料電池の膜電極アッセンブリへの反応物ガスの供給とは独立していることと、大きい面積の平面を有することが可能であり、かつ高い電流密度で作動可能な蒸発冷却される燃料電池と、氷点下において非負荷時または低負荷時に構成部品の凍結を防ぐ蒸発冷却される燃料電池と、自動車およびその他の用途のための改善された燃料電池と、を包含する。
【００１０】
本発明によれば、燃料電池発電装置の燃料電池は、平面を有する（すなわち、ガス流に対して平行な）水透過性材料からなるものであってよく、親水性の多孔性反応物ガス流れ場プレートであって、ガス流れ場の面とは反対側で開口する反応物ガス流チャネルを有するプレートの第１の面に隣接またはその中にある、微小な通路内で水を供給することによって蒸発冷却される。それぞれの微小な通路は、水貯留器と流体的に連絡しており、空気極排気からの凝縮物を受容する。
【００１１】
本発明の好ましい実施態様によれば、微細な通路への給水は、真空ポンプによってさらに増強され得る。ポンプは、水の高さ位置がスタック内の通路の全ての部分に到達するのを確実にするために、スタックの通路に比例した正確な圧力を簡単に供給する。いくつかの実施態様において、泡の除去を強化するようおよび／または脱イオン器などの水除去システムを通る流れを提供するよう通路を通って水を流す場合がある。しかしながら、本発明はまた、排出口のない水通路とともに実施することも可能である。
【００１２】
本発明の別の任意の実施態様によれば、親水性の多孔性反応物ガスチャネルプレートの表面に供給される水で蒸発冷却することを利用する燃料電池スタックは、一定の空気の利用とは対照的に、固定された空気流で作動可能であり、空気流は、適度に高い電流密度における最大スタックを制御するのに十分である。さらに、本発明のこの任意の実施態様によれば、空気流速度は燃料電池内の温度に依存して段階的に制御可能である。
【００１３】
本発明では、従来技術のウィックとは対照的に、水は前述の微細な通路すなわち透過性材料から、流れ場プレートをその水平面に対して垂直に通り、それにより水を燃料電池の平面と平行に導く。したがって、水は、微細な通路すなわち透過性材料から多孔性材料を通って反応物チャネルの表面までの通常０．５ｍｍ未満の非常に短い距離だけを移動し、蒸発する。
【００１４】
本発明により、水が移動して入っていく反応物ガス流経路にわたる圧力低下とは別に、蒸発冷却のための水を管理することが可能となる。本発明によれば、個々の燃料電池を、従来既知の同等の性能を有する燃料電池よりも薄くすることが可能となる。
【００１５】
凝縮器は、空気極排気を冷却するために制御できない周囲空気を利用可能か、あるいは、空気量は、スタックからの空気の排気温度に関連して制御可能である場合があり、他の実施態様においては、空気極排気は予期される運転環境内で耐凍結性の液体などの別の流体により熱交換器で冷却することができ、この場合、熱交換器を通過する液体の量は制御可能である。
【００１６】
本発明のその他の態様、特徴ならびに利点は、以下の、関連図面に図示されている例示的な実施態様の詳細な説明を考慮することにより、より明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図２を参照すると、本発明による燃料電池発電装置３６は、垂直に配置されているように示されているが、水平に配置されてもよい燃料電池３８のスタック３７を備える。
【００１８】
この実施態様において、供給源４１からの燃料は、燃料インレット４２に供給され、太い矢印４３で示されるように燃料方向転換マニホルド４４に向かう最初の燃料経路の右側へ流れる。燃料ガスは、次いで、従来技術において全て知られているように、下方に流れて燃料流れ場の次の燃料経路に入り、太い矢印４５で示されるように左側に向かって燃料ガスが流れる。燃料アウトレット４７からは、燃料は（図示しないが、通常、弁を有する）再循環ポンプ４８を通って、燃料インレット４２へ戻り、定期的に弁４９を介して周囲へ排除され得る。単一の経路、３つの経路あるいはその他の燃料流構成を使用することができる。
【００１９】
図２の実施態様においては、空気はポンプ５２によって空気インレット５３に供給され、その空気は、中抜きの矢印５４で示すように燃料電池３８の酸化剤反応物ガス流チャネルを通って上方に向かって流れる。空気アウトレット５７から、空気は管路５８を超えて凝縮器５９へ流れ、この凝縮器は自動車においては通常ラジエータである。排出空気は、排気口６２を通過する。凝縮器５９からの凝縮物は、水戻り管路６５によって水インレット６６に接続された貯留器６４中でのアキュムレーションのために（直接、または図４に示す管路６３中に）誘導することができる。水は次いで、通常微細通路６７である流体管路を通って、各燃料電池３８内へ流れ、ここで、通路６７は、排気マニホルド６８内で終端しており、その排気マニホルドから通路からのガスが多孔性の疎水性プラグ排気口６９などの排気口を通って除去が行われるか、または、所定の条件に適している場合、通路は排気口がなくてもよい。
【００２０】
水インレット６６はあるが水アウトレットはなく、水は、図３に関連してより十分に説明するように、各燃料電池内に単に存在する。図３において、本発明の一実施態様は、各々が従来の膜電極アッセンブリ７２から構成される燃料電池３８を備え、従来の膜電極アッセンブリ７２は、燃料極触媒と空気極触媒を両側に有する電解質を備え、かつ一方または両方の電極上にあるガス拡散層を備え得る。
【００２１】
図３の実施態様において、燃料反応物ガスが、燃料反応物ガス流れ場プレート７５内のチャネル７４を通って流れ、この実施態様においては、溝７６は、隣接する燃料電池の溝７７とともに、微細な水通路７８を形成する。空気極側において、酸化剤反応物ガス流れ場プレート８１は、空気流チャネル８２を備え、溝８３は、隣接する燃料電池の溝８４とともに、微細な通路８５を形成する。
【００２２】
フラッディング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）を防止するために、反応物ガスが通路内の水圧よりも少なくとも数キロパスカル高いことが好ましい。これは、概して、空気を大気圧よりも十分に高いものとする空気ポンプ５２の結果として自然に生じ、既知のように燃料の圧力は容易に管理される。図２の実施態様において、管路６５内の水は大気圧にある。しかしながら、その水は、種々の従来の手段によって大気圧以外の圧力で提供することができ、反応ガスは所望通りに若干より高い圧力にすることができる。いずれかの環境中で適当であれば、アキュムレーター６４を排除することができ、かつ、凝縮器の凝縮物は直接水インレット６６に供給される。
【００２３】
その他の実施態様において、通路は図示するように溝を整合させることによる以外の方法で形成することができる。水通路６７は、反応ガス流れ場プレート７５，８１のいずれか一方にのみ設けてよい。本発明は、固体分離プレート、あるいは、必要と思われる場合には、冷却プレートを有する燃料電池スタックに使用することができ、この場合には、冷却流は本発明の蒸発冷却からは完全に独立している。
【００２４】
反応ガス流れ場プレート７５，８１は、外部の水を処理することにより、相当量の水流を利用する燃料電池発電装置内における水輸送プレート（微細な多孔性プレートと称される場合もある）と同じであるように示されており、このことは米国特許第５，７００，５９５号明細書に開示される。しかしながら、蒸発冷却が用いられた場合に、前述の‘５９５号明細書の顕熱水流冷却とは対照的に、水の容量に対する冷却効率にける改善がほぼ確実に得られるが、従来技術における水流チャネルは、本発明の水通路７８，８５の断面積よりも数十倍大きい断面積を有する。さらに、（図３の実施態様における燃料電池の各接合部に見られる）水通路７８，８５の横方向の間隔と、別の実施態様における同様の流路は、前述の特許におけるような、顕熱の水流冷却システムにおける水流チャネルの横方向の間隔よりも数倍大きい所定距離隔てられていてもよい。水通路７８，８５の断面積が小さく、連続する水通路７８，８５の横方向間の距離が大きいと、反応物ガス流れ場プレート７５，８１の厚さを約３分の１低減することができる。
【００２５】
本発明のその他の実施態様を図４に例示する。凝縮器５９は、ライン６３によって貯留器６４に接続されている。図４では、排気マニホルド６８は、水の高さ位置がスタック３７内の通路の最上部分に達するのを確実にするために十分に真空にする目的で、例えば、水槽に用いられるマイクロバキューム型などの真空ポンプ８９に接続されている。いくつかの実施態様において、ポンプ８９は排気マニホルド６８を通る水流を生じさせない場合がある。しかしながら、実施態様のいくつかにおいては、気泡を排気口に押し出し、スタック内の水通路を清浄化するのに少量の水流が必要となる場合がある。その流量は、例えば、反応物チャネル内へ蒸発する水の質量流量の約３％〜３０％である。
【００２６】
図５において、燃料電池スタックは、該スタックの最上部にわたって近接して配置された凝縮器５９を有し、その凝縮器５９は、スタックの排気を冷却するための反応物空気アウトレットマニホルドを含んでなる。混入した水を凝縮するために、複数の冷却管９６を介してブロワ９５により空気は送り出され、管路９７を介して空気極排気口へ排気される。凝縮物はライン６５ａを介して、管路６５ｂによって水供給インレット６６に接続された組み合わされたアキュムレータ／空気インレットマニホルドからなる貯留器６４に供給される。貯留器６４内の水が、通路６７の最も高い部分（図２）が内部に水を有するよう適切な圧力で供給されない場合には、水圧が大気圧に関連づけることできるよう通路６７を排気口９９に接続するか、あるいは前記において図４に関して説明したように、マイクロバキュームポンプ８９に排気口９９を介して接続することができる。図５においては、燃料用構成部品は明瞭化のために省かれている。その他の構成および冷却流体を凝縮器に用いることができることは留意すべきである。
【００２７】
図６において、制御器１０１は、スタックの１つまたは複数のセルの温度１０２に依存して空気の流量を管理する。制御は連続的であるか、または段階的であってよい。あるいはまた、必要に応じて、制御は、（一定の空気利用率を維持するのではなく）単に一定の空気流量を維持することにより、スタックの高い電流密度において十分な蒸発冷却を確実に得て、所望の温度のセットポイントを維持する。このように、セルの平均温度は低減させ、スタックの寿命を延長することができる。
【００２８】
図７は、本発明の別の実施態様を例示しており、通路を形成する溝の位置には材料７８ａ，８５ａがあり、それらは反応物ガス流れ場プレート７１，８５の平面全体にわたって十分に延在する導電性かつ親水性であり、高い水透過性を有する。そのような材料は、平面における水の透過性を促進するよう、線維が水の移動方向に整列した炭素繊維紙であるか、あるいは、燃料電池拡散媒体に通常用いられるその他の材料であってよい。これは上述の特許明細書における従来技術とは対照的であり、この従来技術においては、反応物ガス流れ場プレートは不透性であり、離間したストリップ間に空気流チャネルを画定する水透過性のストリップを有する。この場合、いずれの水圧でもフラッディングを引き起こすことになる。本発明においては、水の圧力（ヘッド）は、スタック全体にわたって水を確実に満たすのに相応に必要なだけの程度であってよいが、一方で、反応物ガス圧は、フラッディングを防止するため、水圧より高いものであってよい。
【００２９】
図８は、本発明を具体化できる燃料電池発電装置１１９の一部を示しており、燃料電池スタック１２０を備えたダウンフロー形態を有する。空気は、空気インレットマニホルド１２２に供給され、酸化物流チャネルを介して空気排出マニホルド１２３、そこから凝縮器１２４内へと進む。凝縮器１２４からのアウトフローは、貯留器１２８の水ライン１２７の上方にある。冷却された空気は、水オーバーフィル（ｏｖｅｒｆｉｌｌ）１３２を含むか、あるいはこれに隣接する空気アウトレット１３１から排出される。凝縮器１２４の冷却液は、矢印１３４で図示するように周囲空気を含んでいてよい。
【００３０】
燃料インレットマニホルド１３６に供給される燃料は左側に流れ、次いで燃料方向転換マニホルド１３７を通り、その後、右側に流れて燃料排出マニホルド１３８を通って排出される。
【００３１】
貯留器１２８からの水は、水管路１４１を通って下方の水マニホルド１４２へ流れる。水は、（図２に関して上述したような）水チャネル６７内へ移動して燃料電池スタックの最上部へ流れて、さらに上方の水マニホルド１４３内へ移動する可能性がある。
【００３２】
図８の実施態様は蒸発冷却を採用するものであり、水はより上方の水マニホルド１４３から流出しない。下方の水マニホルド１４２を通って入るのは、図２および図３に関して説明したように、空気チャネル内へ蒸発する分を置き換える水のみである。管路１４５は、マイクロバキュームポンプ１４６と流体的に連通しており、該ポンプはマニホルド１４３からの液体を誘導しないが、水が確実にスタック中の全ての水チャネルを通って上昇するよう、十分に真空圧にするのみである。ミクロバキュームポンプ１４６は、例えば、費用がほんの数米ドルである小型の水槽で使用されるタイプのシングルポンプからなるものであってよい。
【００３３】
フラッディングを防止するために、反応物ガスは、通路内の水圧よりも少なくとも数キロパスカル高いものである。これは、燃料電池発電装置の運転中に、（図示しない）従来の空気ポンプによって空気が大気圧よりずっと高くなった結果として自然に起こり、既知のように燃料の圧力は容易に調整される。図８の実施態様において、チャネル内の水はほぼ大気圧にある。しかしながら、種々の通常手段により、水は大気圧以外の圧力で供給可能であるが、反応物ガスは上述したように若干比較的高い圧力を有する。
【００３４】
図９に図示される本発明のその他の態様によれば、貯留器６４内の凝縮物ならびに管路６５内の水が凍結する可能性は、燃料電池によって電気自動車が電力を供給され、かつ、凝縮器が本質的にその自動車のラジエータである場合に低減される。周囲温度が凍結温度を下回り、かつ、急勾配の丘を下るように負荷が著しく下がるとき、生成されかつ蒸発する水がほとんどなく、また、水が蒸発する場合は、凝縮器５９内、および／または燃料電池スタックへ戻る管路６５内で事実上凍結するため、排気の廃熱が非常に低くなる場合がある。この状態を避けるために、空気流制御器、例えば複数のシャッターやその他の空気流制御手段１５５を、凝縮器５９の周囲空気インレット側に配置して、低温かつ低負荷条件下において凝縮器を通る空気流を減少させるよう制御器１５７によって制御する。負荷が高いとき、管路５８内の空気極排気は温められるため、外部空気温度が低い場合でさえ、制御器１５７はシャッター１５５を開く。また、外部空気温度が高いときには、負荷が低く、管路５８内の排気空気は低温であっても、制御器１５７はシャッターを開いたままにする。
【００３５】
凝縮物の凍結を防ぐその他の手段を図１０に示す。この場合、凝縮器５９ａは、そこを空気極排出空気が流れる１つのコイル（またはその他の管路）と、その中を流れる水／凍結しないグリコール混合物などの流体を有する別のコイル（あるいは管路）１６１とを有する熱交換器１６０からなり、この例示的実施態様では、グリコール混合物がポンプ１６３によってコイル１６１に供給され、このポンプにより、グリコール混合物は管路１６４を通り、コイル（または管路）１６５を有する外部空気熱交換器５９ｂへと流れる。コイル（または管路）１６５からの流れは、制御器１６７によって制御可能な弁１６６を通り、そのため、低温において低負荷の場合に弁１６６を十分にあるいは完全に閉じることができ、それにより、コイル１６０を通って管路５８から空気極排気を流すことができる。温暖な気候または高い負荷において、冷却液をコイル（または管路）１６１に供給するよう、制御器１６７は弁１６６を開くことができるため、コイル（または管路）１６０を通って流れる空気極排気を冷却することができる。
【００３６】
コイル（または管路）１６０のアウトフローは、管路１７０によって空気／水セパレータ１７１へ運ばれ、空気は排気口６２を介して周囲へ送られ、水は管路６５を介して燃料電池スタックへ戻される。従って、凝縮器は、制御されてない周囲空気、空気極排気を冷却するための制御された周囲空気または耐凍結性液（ｆｒｅｅｚｅ‐ｐｒｏｏｆ  ｌｉｑｕｉｄ）などの流体を有することができる。
【００３７】
本発明のまた別の実施態様を図１１に示す。この場合、（「脱鉱物器（ｄｅｍｉｎｅｒａｌｉｚｅｒ）」と呼ばれる）脱イオン器１７５と、逆止弁１７６とが、前述の実施態様に追加されており、スタック３７，１２０の最上部に排気口６８，１４３を有する。これらの実施態様において、ライン６９ａ，１４５ａは逆止弁１７６へと至り、ライン６９ｂ，１４５ｂは逆止弁から関連するポンプ８９，１４６へと至る。脱イオン器１７５は、ポンプ８９，１４６と貯留器６４，１２８との間で流体的に連通している。そのため、蒸発した水の質量流量の約３％〜３０％程度である水の一部は、スタック３７，１２０から引き抜かれて脱イオン器１７５を通り、さらに貯留器６４，１２８を介してスタック３７，１２０に戻される。水流の一部は、従来既知のように、脱イオン器１７５の周囲にあるバイパス弁を制御することによって脱イオン器１７５を迂回し得る。あるいは、脱イオン器は、いくつかの実施態様において、迂回流制御器によって凝縮器のアウトレットに普通に接続されていてもよい。ガス除去などのその他の目的のために少量の水の循環が望ましい場合には、脱イオン器を用いることなく水流のコンセプトを維持することもまた可能である。
【００３８】
逆止弁１７６は任意であり、燃料電池発電装置が停止されるときに、スタック内部のチャネル内に蓄積する水が、内部に水通路と反応物ガス流れ場チャネルを形成する（通常、「水輸送プレート」と称する）親水性の多孔性プレートを介して、反応物ガス流れ場チャネル内へ「垂れ落ちる」のを防止するよう設けられる。
【００３９】
水は、所望であれば、低温地域における停止時に、通路と凝縮器とから汲み出すことができる。脱イオン器１７５の温度がスタック３７，１２０よりも低いため、ポンプ８９，１４６を用いる代わりに、脱イオン器１７５を通る流れを対流によって流すことができる。対流は、所望であれば、脱イオン器１７５と近接する熱交換器で増強することができる。
【００４０】
前述の特許出願および特許は、参照によって本明細書に組み入れられる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】従来技術既知のウィックを採用した、蒸発冷却された燃料電池の部分的な透視図である。
【図２】本発明を採用した燃料電池発電装置の簡略化された透視図である。
【図３】本発明を採用した燃料電池発電装置の部分的な断面正面図であり、明瞭化のために断面線が省かれている。
【図４】本発明の排気口を設けた実施態様の簡略化されたブロック図である。
【図５】図２の燃料電池発電装置３６の実施態様の部分図であり、燃料電池スタックの最上部に連続して配置された空気アウトレットマニホルドが凝縮器を含んでなる。
【図６】温度の関数としての空気流の制御を示す図。
【図７】本発明の水透過性面を採用した一対の燃料電池の部分的な断面正面図であり、明瞭化のために断面線が省かれている。
【図８】下方へ酸化剤反応物ガスが流れる本発明の別の実施態様を採用した燃料電池発電装置の簡略化された透視図である。
【図９】本発明で用いる外部凝縮器の代替的な形態の部分的な簡略化された透視図である。
【図１０】凝縮器を有する二次的熱交換ループを採用した本発明の実施態様の、様式化、簡略化されたブロック図である。
【図１１】脱イオン器を採用した本発明の実施態様の簡略化された概略図である。
【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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【図１１】
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【国際調査報告】
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