(57)【要約】燃料電池発電設備（１０）は、約．０５８ポンド毎平方インチガス（「ｐｓｉｇ」）〜約４．４ｐｓｉｇの圧力で発電設備の燃料電池（１２）に流入するように制御された酸化剤流れを含み、酸化剤流れは、約１２０％〜約１８０％、好ましくは約１５０％〜１７０％の酸化剤化学量論で燃料電池（１２）を通過する。マクロ孔カソード気体拡散層（３６）が、カソード触媒（１６）とカソード流れ場（２８）との間に取り付けられる。多孔質の冷却剤板（４４）が、カソード流れ場（２８）と隣接して流体連通するように取り付けられる。気体拡散層（３６）および冷却剤板（４４）によって、冠水を解消するように、また、低い酸化剤化学量論および高い水平衡温度での作動を可能にして水捕集および熱除去装置の必要性を最小限に抑えるように生成水の除去が促進される。
2011522359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤反応物流れおよび水素に富む反応物流れから電流を生成する燃料電池発電設備（１０）であって、
ａ．  電解質（１８）の両面に取り付けられたアノード触媒（１４）およびカソード触媒（１６）と、アノード流れ場（２０）と、カソード流れ場（２８）と、カソード気体拡散層（３６）と、を有する少なくとも１つの燃料電池（１２）であって、アノード流れ場（２０）が、アノード触媒（１４）と、および水素に富む反応物の供給源（２２）と流体連通するように画成され、水素に富む反応物の流れをアノード触媒（１４）に隣接するように導き、カソード流れ場（２８）が、カソード触媒（１６）と、および酸化剤反応物の供給源（３０）と流体連通するように画成され、酸化剤の流れをカソード触媒（１６）に隣接するように導き、カソード気体拡散層（３６）が、カソード触媒（１６）に隣接してカソード触媒（１６）とカソード流れ場（２８）との間に取り付けられる、少なくとも１つの燃料電池（１２）と、
ｂ．  酸化剤供給源（３０）と、およびカソード流れ場の入口（３２）のカソード入口（３２）と流体連通するように取り付けられ、カソード流れ場（２８）の中へ、それからカソード流れ場（２８）を通る酸化剤の流量を選択的に変える、酸化剤ポンプ（４０）と、
ｃ．  カソード流れ場（２８）と隣接して流体連通するように取り付けられた多孔質の冷却剤板（４４）であって、冷却剤流体を、冷却剤板の入口（４８）から、冷却剤板を通り、それから冷却剤板の出口（５０）を通って冷却剤板から排出されるよう導くように構成された多孔質の冷却剤板（４４）と、
ｄ．  負荷回路（６２）および主要負荷スイッチ（６４）を介してアノード触媒（１４）およびカソード触媒（１６）と電気的に連通して取り付けられ、燃料電池（１２）により生成される電流を選択的に受け取って利用する、主要負荷（６１）と、
を備えており、
ｅ．  燃料電池（１２）および酸化剤ポンプ（４０）は、主要負荷（６１）が燃料電池（１２）から電流を受け取っている時は、酸化剤が約０．５８ｐｓｉｇ〜約４．４ｐｓｉｇの圧力でカソード入口（３２）に供給されるように、また、酸化剤が約１２０％〜約１８０％の酸化剤化学量論で燃料電池（１２）を通過するように構成される、
ことを特徴とする燃料電池発電設備（１０）。
【請求項２】
燃料電池（１２）および酸化剤ポンプ（４０）は、主要負荷（６１）が燃料電池（１２）から電流を受け取っている時は、カソード流れ場の出口（３４、７８）に隣接する酸化剤の温度が、多孔質の冷却剤板（４４）の出口（５０、８７）に隣接する冷却剤の温度より低くなるように、また、カソード流れ場の出口（３４、７８）に隣接する酸化剤の温度が、冷却剤板の入口（４８、８５）に隣接する冷却剤の温度より５℃より高くならないように構成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電設備（１０）。
【請求項３】
カソード流れ場（６６）は、二経路カソード流れ場（６６）をさらに含み、二経路カソード流れ場（６６）は、二経路カソード流れ場（６６）のカソード出口（７８）が、冷却剤板の入口（８５）に隣接するように、また、二経路カソード流れ場（６６）の第１の経路（７０）および第２の経路（７６）を通る酸化剤流れの流れが、多孔質の水輸送板（６８）を通る冷却剤流体の流れに垂直になるように、多孔質の水輸送板（６８）に隣接して取り付けられることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電設備（１０）。
【請求項４】
カソード気体拡散層（３６）は、約１０μｍ〜約４０μｍの平均直径を有する複数の孔を画成するとともに、０°より大きくかつ約８０°までの接触角と、約５０μｍ〜約２００μｍの厚みとを有するマクロ孔気体拡散層（３６）であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電設備（１０）。
【請求項５】
多孔質冷却板（４４）はまた、冷却剤ループ（５２）と流体連通するように取り付けられており、冷却剤を、冷却剤板の出口（５０）から冷却剤ループ（５２）を通り、冷却剤に冷却剤ループ（５２）および冷却剤板（４４）を循環させる冷却剤ポンプ（５４）を通り、冷却剤ループ（５２）と熱交換関係で取り付けられた熱交換器（５４）を通り、多孔質の冷却剤板（４４）内の冷却剤の圧力を調整する圧力調整弁（５８）を通り、そして冷却剤板（４４）の中へと戻るように導くことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電設備（１０）。
【請求項６】
燃料電池（１２）および酸化剤ポンプ（４０）は、主要負荷（６１）が燃料電池（１２）から電流を受け取っている時は、酸化剤が約０．５８ｐｓｉｇ〜約４．４ｐｓｉｇの圧力でカソード入口（３２）に供給され、酸化剤が約１５０％〜約１７０％の酸化剤化学量論で燃料電池（１２）を通過するように構成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電設備（１０）。
【請求項７】
酸化剤反応物流れおよび水素に富む反応物流れから電流を生成するように燃料電池発電設備（１０）を作動させる方法であって、
ａ．  水素に富む反応物流れの流れを、水素供給源（３０）から燃料電池（１２）のアノード触媒（１４）に隣接して画成されたアノード流れ場（２０）を通るように導き、
ｂ．  酸化剤反応物流れの流れを、酸化剤供給源（３０）から燃料電池（１２）のカソード触媒（１６）に隣接して取り付けられたマクロ孔カソード気体拡散層（３６）に隣接して画成されたカソード流れ場（２８）を通り、それからカソード流れ場の出口（３４）を通ってカソード流れ場（２８）から排出されるように導き、
ｃ．  酸化剤流れが約０．５８ｐｓｉｇ〜約４．４ｐｓｉｇの圧力でカソード流れ場（２８）に流入するように、また、燃料電池（１２）を通る酸化剤反応物流れの流れが約１２０％〜約１８０％の酸化剤化学量論で導かれるように、カソード流れ場（２８）を通って流れる酸化剤反応物流れの流れを制御し、
ｄ．  冷却剤流体の流れを、多孔質の冷却剤板（４４）の冷却剤板の入口（４８）から、多孔質の冷却剤板（４４）を通るように導き、冷却剤の流れを、冷却剤板の出口（５０）を通って冷却剤板から排出されるように導き、
ｅ．  燃料電池（１２）によって生成された電流を負荷回路（６２）を通して主要負荷（６１）へと導く、
ことを含み、
マクロ孔カソード気体拡散層（３６）は、約１０μｍ〜約４０μｍの平均直径を有する複数の孔を画成するとともに、０°より大きくかつ約８０°までの接触角と、約５０μｍ〜約２００μｍの厚みとを有し、
多孔質の冷却剤板（４４）は、燃料電池（１２）から熱を除去するとともに、カソード触媒（１６）で生成された水を多孔質の冷却剤板（４４）内へと除去するように、カソード流れ場（２８）と流体連通するよう取り付けられる、
ことを特徴とする燃料電池発電設備（１０）を作動させる方法。
【請求項８】
カソード流れ場の出口（３４）に隣接する酸化剤流れの温度が、冷却剤板の出口（５０）に隣接する冷却剤の温度より低くなるように、また、カソード流れ場の出口（３４）に隣接する酸化剤流れの温度が、冷却剤板の入口（４８）に隣接する冷却剤の温度より５℃より高くならないように、多孔質の冷却剤板（４４）を通る冷却剤流体の流れを制御するとともに、カソード流れ場（２８）を通る酸化剤反応物流れの流れを制御することをさらに含むことを特徴とする請求項７記載の燃料電池発電設備（１０）を作動させる方法。
【請求項９】
酸化剤流れが多孔質の冷却剤板（６８）の冷却剤板の入口（８５）に隣接して二経路カソード流れ場（６６）から排出されるように、酸化剤反応物流れの流れを、多孔質の水輸送板（６８）に隣接して取り付けられた二経路カソード流れ場（６６）の第１の経路（７０）を通り、それから反対の第２の経路（７６）を通るように導くとともに、二経路カソード流れ場（６６）の第１の経路（７０）および第２の経路（７６）を通る酸化剤流れの流れを、多孔質の水輸送板（６８）を通る冷却剤流体の流れに垂直な方向に導くことをさらに含むことを特徴とする請求項７記載の燃料電池発電設備（１０）を作動させる方法。
【請求項１０】
酸化剤反応物流れの流れを制御することは、酸化剤流れが約０．５８ｐｓｉｇ〜約４．４ｐｓｉｇの圧力でカソード流れ場（２８）に流入するように、また、燃料電池（１２）を通る酸化剤反応物流れの流れが約１５０％〜約１７０％の酸化剤化学量論で導かれるように、酸化剤流れをカソード流れ場（２８）に流すことをさらに含むことを特徴とする請求項７記載の燃料電池発電設備（１０）を作動させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、輸送車両、可搬式発電設備での使用、あるいは据え置き型発電設備としての使用に適した燃料電池発電設備に関し、本開示は特に、低い酸化剤化学量論および低い圧力降下で効率的に作動し、それによって、水回収装置、熱除去装置および複雑な圧力制御弁の必要性が最小限に抑えられる燃料電池発電設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池はよく知られており、一般に、輸送車両などの電気装置に電力を供給するために水素含有還元性流体燃料反応物流れおよび酸素含有酸化剤反応物流れから電流を生成するのに使用される。当業技術内でよく知られているように、一般に、複数の燃料電池が一緒に積層されて燃料電池スタックアッセンブリが形成され、この燃料電池スタックアッセンブリが、制御装置、熱管理システム、および他の構成要素と組み合わされて燃料電池発電設備が形成される。
【０００３】
従来技術の燃料電池では、水平衡で燃料電池を作動させるのにかなりの努力が払われている。水平衡で作動させるとは本質的に、燃料電池で生成される生成水が、「プロトン交換膜」（「ＰＥＭ」）電解質などの燃料電池の電解質の十分な水分含有量を維持するのに十分であり、かつ、反応物流れを適切に加湿するのに十分であることを意味する。燃料電池が水平衡で作動する場合は、燃料電池を効率的に維持するのに付加的な水を付加する必要がない。よく知られているように、燃料電池の生成水は、燃料電池のカソード電極に隣接する反応物流れ場内に蓄積することがある。一般に、反応物流れ場を通過する酸化剤流れが、水蒸気または同伴される液滴としてこのような生成水の大部分を除去することになる。しかしながら、このような水の除去速度が不十分な場合、蓄積水によって酸化剤流れの流れが制限され、燃料電池の一部が事実上冠水して、燃料電池の性能が低下してしまう。また、燃料電池の作動中に生成される熱によって、酸化剤流れの温度が上昇して、酸化剤流れが燃料電池を移動する際に除去可能な水分量が増加する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池を効率的に作動させる既知の努力には一般に、十分な燃料電池生成水を除去して、中実の流れ場板に隣接する、曲がりくねったまたは蛇行した流れ流路を冠水させないように、このような流路を通過する酸化剤流れの流量を大きくしまたは圧力降下を大きくすることが含まれる。また、酸化剤流れが燃料電池を移動する際に、酸化剤流れに隣接して冷却剤流れを同時に流すことなどによって、酸化剤の温度を着実に上昇させることが知られている。これによって結果として、加熱された酸化剤流れが燃料電池を移動する際に除去する水蒸気の量が増加する。このような作動方法によって、燃料電池の電流生成が向上するとはいえ、酸化剤流れの流量が大きく、温度が高いので、その結果、燃料電池から過剰の水が流出して、燃料電池が水平衡から外れてしまう。
【０００５】
このような燃料電池から排出される酸化剤排気流れは、高温で、かなりの水を含んでおり、一般に、燃料電池に水を戻すために、凝縮器またはエンタルピー回収装置などの水捕集装置で処理される。また、このような燃料電池では、酸化剤排気流れおよび循環冷却剤流れの一方または両方を冷却するために、ラジエータなどの比較的大きな熱除去装置が必要とされる。燃料電池は（例えば、内燃機関に比較して）比較的低温で作動するので、このような熱除去装置は比較的大型になる。このような燃料電池でも、燃料電池を通過する反応物流れの圧力や流量を高く維持するために、複雑で費用の掛かる酸化剤圧縮機またはポンプや関連する圧力弁制御装置が必要とされる。
【０００６】
このような燃料電池の一例が、レーマン（Ｌｅｈｍａｎ）らに付与された１９９９年３月９日発行の米国特許第５，８７９，８２６号に開示されている。レーマンらは、彼らの燃料電池の効率的な作動では、２００〜３００％の空気化学量論が必要とされることを開示しており、燃料電池を通過する空気流量が、生成水を除去するには不十分で、燃料電池の冠水が生じるので、２００％を下回る化学量論では燃料電池の性能が大幅に低下することを具体的に述べている。（ここで意図されるところでは、「＿％（例えば２００％）の化学量論という用語は、化合物の必要量に対する当該百分率のことを意味し、ここで、「化合物の必要量」では、反応によって全ての反応物が消費される完全に効率的な反応が生じる。例えば、２００％の酸化剤流れの化学量論とは、２倍量の酸素、すなわち、完全な効率で水素反応物と反応して所定の電流で水を生成するのに必要とされるよりもうあと１００％の酸素が、燃料電池に供給されることを意味する。２００％の酸素化学量論では、結果として酸素の半分が燃料電池内で利用されない。）２００〜３００％の酸化剤流れの化学量論を維持するために、レーマンらは、燃料電池から排出される過剰な空気全ての中の水を冷却するか、ある程度回収する必要がある。この結果、燃料電池を水平衡に維持するためには、複雑で費用の掛かる装置を使用する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示は、酸化剤反応物流れおよび水素に富む反応物流れから電流を生成する燃料電池発電設備を含み、酸化剤流れは、約．０５８ポンド毎平方インチガス（「ｐｓｉｇ」）〜約４．４ｐｓｉｇの圧力で発電設備の燃料電池に流入し、酸化剤流れは、約１２０％〜約１８０％、好ましくは約１５０％〜約１７０％の酸化剤化学量論で燃料電池を通過する（ここで意図されるところでは、「約」という言葉は、±２０％を意味する）。
【０００８】
発電設備は、電解質の両面に取り付けられたアノード触媒およびカソード触媒を有する少なくとも１つの燃料電池を備える。アノード流れ場が、アノード触媒と、および水素に富む反応物の供給源と流体連通するように画成され、水素に富む反応物の流れを、アノード流れ場の入口からアノード触媒に隣接して通り、それからアノード流れ場の出口を通ってアノード流れ場から排出されるように導く。カソード流れ場もまた、カソード触媒と、および酸化剤の供給源と流体連通するように画成され、酸化剤の流れを、カソード流れ場の入口からカソード触媒に隣接して通り、それからカソード流れ場の出口を通ってカソード流れ場から排出されるように導く。マクロ孔カソード気体拡散層が、カソード触媒に隣接してカソード触媒とカソード流れ場との間に取り付けられる。
【０００９】
発電設備はまた、酸化剤供給源と、およびカソード流れ場の入口と流体連通する酸化剤入口ラインに取り付けられ、カソード流れ場の中へ、それからカソード流れ場を通る酸化剤流れの流量を選択的に変える酸化剤ポンプを備える。熱管理システムが、燃料電池の温度を制御し、熱管理システムは、カソード流れ場と隣接して流体連通するように取り付けられた多孔質の冷却剤板を備えており、冷却剤板は、冷却剤流体を、冷却剤板の入口から、冷却剤板を通り、それから冷却剤板の出口を通って冷却剤板から排出されるよう導くように構成される。冷却剤板はまた、冷却剤ループと流体連通するように取り付けられ、冷却剤流体を冷却剤板の出口から冷却剤ループを通り、冷却剤流体を冷却剤ループおよび冷却剤板を循環させる冷却剤ポンプを通り、冷却剤ループと熱交換関係で取り付けられた熱交換器を通り、多孔質の冷却剤板内の冷却剤流体の圧力を調整する圧力調整弁を通り、そして冷却剤板の入口へと戻るように導く。
【００１０】
主要負荷が、負荷回路および主要負荷スイッチを介してアノード触媒およびカソード触媒と電気的に連通して取り付けられ、燃料電池により生成される電流を選択的に受け取って利用する。
【００１１】
本開示は、主要負荷が燃料電池から電流を受け取っている時は、酸化剤が約０．５８ｐｓｉｇ〜約４．４ｐｓｉｇの圧力でカソード流れ場の入口に供給されるように、また、酸化剤流れが、約１２０％〜約１８０％、好ましくは約１５０％〜約１７０％の化学量論で燃料電池を通過するように構成された、燃料電池、酸化剤ポンプ、および熱管理システムを含む。また、発電設備は、カソード流れ場の出口に隣接する酸化剤流れの温度が、冷却剤板の出口に隣接する冷却剤流体の温度より低くなるように、また、カソード流れ場の出口に隣接する酸化剤流れの温度が、冷却剤板の入口に隣接する冷却剤流体の温度より５摂氏度（「℃」）より高くならないように構成されることができる。
【００１２】
多孔質の冷却剤板は、燃料電池の生成水が酸化剤流れの中へではなく冷却剤板内の冷却剤流体の中へとカソード流れ場から直接流入する経路を提供し、それによって、このような低い酸化剤化学量論の使用が可能となる。また、マクロ孔カソード気体拡散層は、ミクロ孔またはミクロ孔／マクロ孔二重層に比較してカソード触媒から燃料電池の生成水の迅速な輸送を行う。マクロ孔カソード気体拡散層は、約１５μｍ〜約４０μｍの平均直径を有する孔を画成している。このように効率的にカソード触媒から生成水を除去することで、本開示は、非常に高い空気または酸素利用率とも言われる非常に低い酸化剤化学量論を実現する。（空気または酸素利用率は、酸化剤化学量論の逆数である。）低い酸化剤化学量論を実現することで、従ってカソード流れ場を通過する酸化剤流れの流量が非常に低くなることで、カソード流れ場から除去される水の量が最小になる。これは、燃料電池を水平衡に維持するのに役立つ。これはまた、非常に高い水平衡温度を実現する。水平衡温度は、燃料電池が水平衡に留まる場合に超えることができない空気または酸化剤排気温度のことを意味する。従って、本燃料電池発電設備によって、酸化剤流れの圧縮機およびポンプおよび関連する圧力制御弁、水回収装置、および／または熱除去装置の必要条件が最小限に抑えられ、それによって、燃料電池発電設備の作動効率が劇的に向上する。
【００１３】
燃料電池発電設備の好ましい実施例では、酸化剤化学量論は、約１２０％〜１５０％である。さらなる実施例では、カソード流れ場は、冷却剤板の入口に隣接するカソード出口を画成する。これによって結果として、カソード流れ場で多量の水が凝縮することになる。しかしながら、このことは、凝縮した液体水を除去できる多孔質の冷却剤板を有する本燃料電池発電設備では問題とならない。
【００１４】
従って、本開示の一般的な目的は、従来技術の欠点を克服する作動効率の改善された燃料電池発電設備を提供することである。
【００１５】
より具体的な目的は、酸化剤ポンプ、圧力制御弁、水回収装置、熱除去装置、および関連する構成要素の必要条件を最小限に抑える作動効率の向上した燃料電池発電設備を提供することである。
【００１６】
改善された作動効率を有する本燃料電池発電設備のこれらと他の目的および利点は、添付の図面と共に以下の説明を読むことでより容易に明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本開示により構成された作動効率の改善された燃料電池発電設備の簡略化した概略図。
【図２】酸化剤流れおよび冷却剤流体の流れ経路を示す二経路カソード流れ場の簡略化した概略図。
【図３】従来技術の燃料電池発電設備に比較した本開示の燃料電池発電設備の空気利用率（化学量論の逆数）を示すグラフ。
【図４】従来技術の燃料電池発電設備に比較した本開示の燃料電池発電設備の最大水平衡温度および酸化剤化学量論を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図面を詳細に参照すると、図１には、全体が参照符号１０で示された作動効率の改善された燃料電池発電設備が示されている。発電設備１０は、プロトン交換膜電解質１８などの電解質１８の両面に取り付けられたアノード触媒１４およびカソード触媒１６を有する少なくとも１つの燃料電池１２を備える。アノード流れ場２０が、アノード触媒１４と、および水素に富む反応物の供給源２２と流体連通するように画成され、水素に富む反応物の流れを、アノード流れ場の入口２４からアノード触媒１４に隣接して通り、それからアノード流れ場の出口２６を通ってアノード流れ場２０から排出されるように導く。カソード流れ場２８もまた、カソード触媒１６と、および酸化剤の供給源３０と流体連通するように画成され、酸化剤の流れを、カソード流れ場の入口３２からカソード触媒１６に隣接して通り、それからカソード流れ場の出口３４を通ってカソード流れ場２８から排出されるように導く。マクロ孔カソード気体拡散層３６が、カソード触媒１６に隣接してカソード触媒１６とカソード流れ場２８との間に取り付けられる。マクロ孔アノード気体拡散層３８が、アノード触媒１４とアノード流れ場２０との間に取り付けられることもできる。カソードおよびアノードマクロ孔気体拡散層３６、３８は、約１０μｍ〜約４０の平均細孔直径と、０°より大きくかつ約８０°未満の接触角と、約５０μｍ〜約２００μｍの厚みとを有する。
【００１９】
発電設備１０はまた、酸化剤供給源３０と、およびカソード流れ場の入口３２と流体連通する酸化剤入口ライン４２に取り付けられ、カソード流れ場２８の中へ、それからカソード流れ場２８を通る酸化剤流れの流量を選択的に変える酸化剤ポンプ４０を備える。「酸化剤ポンプ４０」は、例えば、圧力調整器を備えた圧縮酸化剤タンク（図示せず）、送風機（図示せず）、圧縮機（図示せず）、ポンプ４０などを含め、ここに説明する圧力で酸化剤反応物流れの流れを燃料電池１２に供給することができる任意の装置とすることができる。
【００２０】
熱管理システム４２が、燃料電池１２の温度を制御し、熱管理システム４２は、カソード流れ場２８と隣接して流体連通するように取り付けられた多孔質の冷却剤板４４を備えており、冷却剤板４４は、冷却剤流体４６を、冷却剤板の入口４８から、冷却剤板４４を通り、それから冷却剤板の出口５０を通って冷却剤板４４から排出されるよう導くように構成される。冷却剤板４４はまた、冷却剤ループ５２と流体連通するように取り付けられており、冷却剤流体を、冷却剤板の出口５０から冷却剤ループ５２を通り、冷却剤流体に冷却剤ループ５２および冷却剤板４４を循環させる冷却剤ポンプ５４を通り、冷却剤ループ５２と熱交換関係で取り付けられた熱交換器５６を通り、多孔質の冷却剤板４４内の冷却剤流体の圧力を調整する圧力調整弁５８を通り、そして冷却剤板の入口４８へと戻るように導く。熱管理システム４２は、蓄積装置供給ライン６０を介して冷却剤ループ５２と流体連通するように取り付けられ、過剰の冷却剤流体４６を貯蔵する蓄積装置５９を備えることもできる。
【００２１】
主要負荷６１が、負荷回路６２および主要負荷スイッチ６４を介してアノード触媒１４およびカソード触媒１６と電気的に連通して取り付けられ、燃料電池１２により生成される電流を選択的に受け取って利用する。
【００２２】
図２は、二経路カソード流れ場６６および隣接する多孔質の冷却剤板６８（陰影線で示す）の概略図を示す。二経路カソード流れ場６６は、第１の経路７０を備えており、第１の経路７０は、酸化剤流れを、カソード流れ場の入口７２から第１の経路７０に沿って折り返しヘッダ７４まで導く。二経路カソード流れ場６６はまた、第２の経路７６を備えており、第２の経路７６は、酸化剤流れを、折り返しヘッダ７４から第１の経路７０とは反対の方向へ、それからカソード出口７８を通ってカソード流れ場６６から排出されるように導く。第１の経路７０と第２の経路７６とは、経路セパレータ８０によって二経路カソード流れ場６６内で分離することができ、二経路カソード流れ場６６を通る酸化剤流れの流れは、酸化剤流れ方向矢印８２で示される。
【００２３】
図２の多孔質の冷却剤板６８は、板６８内に画成された孔などによって、二経路カソード流れ場６６と隣接して流体連通するように取り付けられる。この板はまた、冷却剤流れ方向矢印８６で示されるように冷却剤流体４６の流れを、冷却剤入口８５から、二経路カソード流れ場６６を通って流れる酸化剤流れの流れ方向８２に垂直な方向に導く冷却剤流れ経路８４を含む。図２から明らかにように好ましい実施例では、カソード出口７８は、冷却剤入口８５に隣接するかまたは重なる。（図１の多孔質の冷却剤板４４および図２の多孔質の冷却剤板６８は、本開示の全ての権利の譲受人が所有する、２００５年６月２８日にマイケルズ（Ｍｉｃｈｅｌｓ）らに付与された米国特許第６，９１１，２７５号に開示されている「水輸送板」に類似するように構成され、作動する。）冷却剤流体４６は、カソード出口７８に隣接する冷却剤板の入口８５から多孔質の冷却剤板６８に流入し、冷却剤板の出口８７を通って冷却剤板６８から排出される。
【００２４】
図３は、プロット線８８によって、５２％の空気利用率における約０．６５８Ｖから約７８％の空気利用率における０．５６８Ｖまでの電池電圧の急激な低下を示すデータをプロットする空気利用率（酸化剤化学量論の逆数を）のグラフを示す。プロット線８８は、ミクロ孔層を必要とする別のマクロ孔気体拡散層を有する従来技術の燃料電池（図示せず）の性能を示す。このミクロ孔によって、カソード触媒への酸素輸送が妨げられ、その結果、燃料電池の性能が低下する。これとは対照的に、プロット線９０は、本開示により構成された燃料電池１２の劇的に改善された性能を示す。特にプロット線９０は、約６０％の空気利用率において電池電圧が約０．６６５であり、電池電圧が、約１１０％の酸化剤化学量論に相当する約９０％もの高さの空気利用率において約０．６２２に低下するだけであることを示している。
【００２５】
図４にはプロット線９２、９４で、本発明により構成された燃料電池１２の性能を比較するさらなるデータが示されている。実線のプロット線９２は、グラフの左側の縦軸すなわち摂氏温度での水平衡温度（ｗａｔｅｒ  ｂａｌａｎｃｅ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）に関連するデータを示し、点線のプロット線９４は、グラフの右側の縦軸すなわち酸化剤化学量論（ｏｘｉｄａｎｔ  ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙ）に関連するデータを示すことに留意されたい。実線のプロット線９６および対応する点線のプロット線９８は、第１の従来技術の燃料電池（図示せず）の試験から得られたデータを示す。実線のプロット線１００および対応する点線のプロット線１０２は、第２の従来技術の燃料電池（図示せず）の試験から得られたデータを示す。図４のプロット線９２、９４に示される本開示の燃料電池発電設備１０の試験結果は、電力密度が０．０ワット毎平方センチメートル（Ｗ／ｃｍ2）から０．６Ｗ／ｃｍ2に増加する間、０．６ボルトにおける最大水平衡温度が約７０℃より高く維持可能であったこと、また、酸化剤化学量論が約１２０％より低く維持されたことを示している。電力密度を０．８Ｗ／ｃｍ2に増加させると、水平衡温度は約６８℃に低下するだけであり、また、酸化剤化学量論は約１３０％に増加するだけであった。電力密度を約０．８６Ｗ／ｃｍ2に増加させると、水平衡温度は約６１℃に低下するだけであり、また、酸化剤化学量論は約１７５％に増加するだけであった。これとは対照的に、２つの異なる従来技術の燃料電池に対するプロット線９６、９８および１００、１０２は、性能が劇的に低下したことを示している。これらの従来技術の燃料電池（図示せず）は、カソードに隣接してミクロ孔層（図示せず）を使用する必要のあるマクロ孔気体拡散層を備えていた。
【００２６】
本開示はまた、酸化剤反応物流れおよび水素に富む反応物流れから電流を生成するように燃料電池発電設備１２を作動させる方法を含む。方法は、水素に富む反応物流れの流れを、水素供給源２２から燃料電池１２のアノード触媒１４に隣接して画成されたアノード流れのアノード流れ場２０を通り、それからアノード流れ場の出口２６を通ってアノード流れ場２０から排出されるように導き；  酸化剤反応物流れの流れを、酸化剤供給源３０から燃料電池１２のカソード触媒１６に隣接して画成されたカソード流れ２８場を通り、それからカソード流れ場の出口３４を通ってカソード流れ場２８から排出されるように導く、各ステップを含み、酸化剤反応物流れは、約０．５８ｐｓｉｇ〜約４．４ｐｓｉｇの圧力でカソード流れ場２８に流入し、カソード流れ場２８を通る酸化剤反応物流れの流れは、約１２０％〜約１８０％、好ましくは約１５０％〜約１７０％の化学量論で導かれる。
【００２７】
方法はまた、冷却剤流体４６の流れを、多孔質の冷却剤板４４の冷却剤板の入口４８から、冷却剤板４４を通るように導き、冷却剤流体の流れを、冷却剤板の出口５０を通って冷却剤板４４から排出されるように導く、各ステップを含み、多孔質の冷却剤板は、燃料電池１２から熱を除去するとともに、カソード触媒１６で生成された水を多孔質の冷却剤板４４内へと除去するように、カソード流れ場２８と流体連通するよう取り付けられる。方法はまた、カソード流れ場の出口５０に隣接する酸化剤流れの温度が、冷却剤板の出口５０に隣接する冷却剤流体の温度より低くなるように、また、カソード流れ場の出口３４に隣接する酸化剤流れの温度が、冷却剤板の入口４８に隣接する冷却剤流体の温度より５℃より高くならないように、多孔質の冷却剤板４４を通る冷却剤流体の流れと、多孔質冷却剤板４４を通したカソード流れ場２８からの水の除去とを制御するステップを含むこともできる。方法はまた、燃料電池１２によって生成された電流を負荷回路６２を通して主要負荷６１へと導くステップを含む。方法はまた、酸化剤流れの流れを二経路カソード流れ場６６を通して導き、マクロ孔カソード気体拡散層３６をカソード流れ場２８とカソード触媒１６との間に取り付け、酸化剤流れをマクロ孔カソード気体拡散層３６に隣接して流れるように導く、各ステップを含むこともできる。
【００２８】
本開示は、説明し、例示した、作動効率の改善した燃料電池発電設備１０に関して提示してきたが、本開示は、これらの代替物や説明された実施例に限定すべきではないことは理解されるであろう。従って、本開示の範囲を決定するためには、上述の説明よりむしろ下記の特許請求の範囲を主に参照すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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