(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＥＭ型燃料電池用の水管理装置であって、前記ＰＥＭ型燃料電池は、
第１の主要な面にアノード電極触媒層と第２の主要な面にカソード電極触媒層とを有するプロトン交換膜と、
前記プロトン交換膜とは反対側で前記アノード電極触媒層に隣接して位置する第１の多孔質プレートと、
前記プロトン交換膜とは反対側で前記カソード電極触媒層に隣接して位置する第２の多孔質プレートと、
燃料入口と燃料出口とを備え、さらに、前記アノード電極触媒層での反応のために、燃料を前記第１の多孔質プレート中へ、さらにそこを通り抜け、そこから出るように導く第１の手段と、
酸化剤の気体入口と酸化剤の気体出口とを備え、さらに、前記カソード電極触媒層での反応のために、酸化剤の気体を前記第２の多孔質プレート中へ、さらにそこを通り抜け、そこから出るように導く第２の手段と、
水の入口と水の出口とを備え、さらに、燃料電池を冷却するために、水を前記第１および第２の多孔質プレート中へ、さらにそこを通り抜け、そこから出るように導く第３の手段と、
を備えており、前記水管理装置は、
前記酸化剤の気体に水分を付加するために前記酸化剤の気体入口で前記酸化剤の気体を加湿する加湿手段と、
前記水を補給するために前記酸化剤の気体から水分を除去するように前記酸化剤の気体出口で前記酸化剤の気体を冷却する冷却手段と、
を備え、
前記第１、第２、第３の手段は、それぞれ燃料通路、酸化剤の気体通路、水通路を含み、
前記加湿手段は、前記酸化剤の気体を加湿するために、前記酸化剤の気体入口を通って供給される前記酸化剤の気体を前記第２の多孔質プレートを介して前記水通路内の水と接触させるように、前記酸化剤の気体入口に隣接して前記水通路を備え、
前記冷却手段は、前記酸化剤の気体から水を凝縮させ、前記凝縮した水が、前記第２の多孔質プレートを介して前記水通路内に移動するように、前記酸化剤の気体出口に隣接して前記水入口を備えることを特徴とするＰＥＭ型燃料電池用の水管理装置。
【請求項２】
前記第２の多孔質プレートは、前記水を補給するために前記水を吸収する手段を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記加湿手段は、前記酸化剤の気体入口に隣接して前記第２の多孔質プレートから延びる酸化剤入口フィンを備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記第２の多孔質プレートは、前記水を前記酸化剤入口フィンに運ぶ手段を備えることを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記装置は、外部酸化剤入口マニホールドをさらに備え、前記酸化剤入口フィンは、前記外部酸化剤入口マニホールドの中へ延びることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記冷却手段は、前記水の入口に隣接して前記第２の多孔質プレートから延びる酸化剤出口フィンを備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記第２の多孔質プレートは、前記水を前記酸化剤出口フィンに運ぶ手段を備えることを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記装置は、外部酸化剤出口マニホールドをさらに備え、前記酸化剤出口フィンは、前記外部酸化剤出口マニホールドの中へ延びることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記装置は、前記燃料に水分を付加するために前記燃料入口で前記燃料を加湿する燃料加湿手段をさらに備え、前記燃料加湿手段は、前記燃料を加湿するために、前記燃料入口を通って供給される前記燃料を前記第１の多孔質プレートを介して前記水通路内の水と接触させるように、前記燃料入口に隣接して前記水通路を備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、燃料電池に関し、特に、燃料電池とともに使用する総合的な水管理装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来技術にはさまざまな型式の燃料電池がある。電解質によって規定されるそれぞれの型式の燃料電池には、特定の設計が必要である。プロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池では、効果的な水の管理装置を備えることが必要である。ＰＥＭ型燃料電池は、それぞれの多孔質のカソード電極とアノード電極の間に閉じ込められた膜を備える。これらの電極は、保持プレート部材上に相対的に薄い触媒層を備え、この触媒層は、プロトン交換膜のそれぞれの主要な表面の上に直接に、または多孔質の保持プレートの上に、被覆されており、基体としても知られている多孔質の保持部レートは、プロトン交換膜の主要な表面と接触している。これらのそれぞれのカソード電極触媒層とアノード電極触媒層とは、それぞれの電極プレートとプロトン交換膜との間の界面に存在する。通常、燃料電池は、気体状の燃料と酸化剤を、供給手段を通してアノード電極とカソード電極にそれぞれ供給することにより、作動する。これらの供給手段は、燃料と酸化剤の気体を、それぞれの電極の触媒化された層の表面に亘ってできるだけ均一に供給する。ＰＥＭ型燃料電池が作動する際に、触媒化されたアノード電極で生じる電気化学反応によって、アノード電極において電子と水素イオンが生成する。電子は、外部の負荷回路を通って触媒化されたカソード電極へ流れ、水素イオンは、膜を通って触媒化されたカソード電極へ流れ、それらはそこで酸素と反応し、水を生成するとともに、熱エネルギーを放出する。
【０００３】
一般に、燃料電池装置は、上述したようにスタック内に電気的に直列接続で配置された複数の燃料電池セルを含む。分離プレートが、個々の燃料電池セルを隣接する燃料電池セルから分離する。通常、これらのプレートは、多孔質でなく、導電性で非透水性の分離装置である。しかしながら、本発明は、水を移動させることができる微細な多孔質の構造を有する分離プレートを使用する。
【０００４】
ＰＥＭ型燃料電池装置では、カソード電極触媒層において水が形成される。水素イオンがプロトン交換膜を通って移動する間に、このイオンは、アノード電極側の水をひきずり、それをカソード電極側へ運ぶ。この作用によって、結果として、いくつかの問題が生じる。カソード電極触媒層に水が蓄積し、カソード電極の反応表面へ気体状の酸化剤が接近するのを妨げるので、それを防止するためにこの水は除去する必要がある。第２に、水が枯渇することによってアノード電極側が乾燥してしまうので、水を補給する手段が必要となる。
【０００５】
装置が発生させた圧力差とともに分離プレートの多孔度を用いても、十分には、カソード電極側からの水の除去とアノード電極側への水の補給は達成されないことが知られている。マッケルロイ（ＭｃＥｌｒｏｙ）に付与された米国特許第４，７２９，９３２号、マイヤー（Ｍｅｙｅｒ）に付与された米国特許第５，５０３，９４４号、クンツ（Ｋｕｎｚ）に付与された米国特許第４，８２４，７４１号には、これらの原理を十分には実現していない燃料電池の設計が開示されている。
【０００６】
ＰＥＭ型燃料電池装置の別の問題には、特に酸化剤の入口で、酸化剤の流れの中へ水が蒸発することによってばかりでなく、入口からの乾燥した酸化剤の気体によって、カソード電極において過剰に水が失われることを挙げることができる。即ち、これらの問題は、改善策を施さないと、膜の乾燥や水の不足になり得るので、水の補給が必要となる。いくつかの従来の燃料電池スタックの構成では、スタックの外部の凝縮器を使用することで、この乾燥の問題を回避することが試みられている。凝縮器は、周囲空気などの冷却媒体との熱交換によって、排出される空気の流れから水を凝縮させ、外部ループを経由してセルスタックに水を戻す。このような方法では、燃料電池電力設備装置は、複雑になり、さらに、電力設備の重量、体積が増加してしまう。セルの乾燥を防止するために、カソード電極領域に供給される酸化剤の気体を加湿する同様の構成が、チョウ（Ｃｈｏｗ）らに付与された米国特許第５，３８２，４７８号に知られており、この米国特許では、セルスタックの外部で、または電気反応に使用されていないスタックの前方部分で、加湿器が使用されている。外部の飽和器を使用するこのような加湿方法では、酸化剤の気体を平均温度に飽和させることができるだけで、燃料電池スタックの個々の燃料電池セル内で生じる温度変化は考慮できない。
【０００７】
燃料電池におけるこれらの水管理の問題に対処する装置が、さまざまな特許に開示されている。例えば、ブレオー（Ｂｒｅａｕｌｔ）に付与された米国特許第４，３４５，００８号には、電気化学反応を促進するために、電解質としてリン酸を使用している電気化学的電池から電解質が喪失するのを抑制する装置が開示されている。この電池は、酸化剤の気体の出口に凝縮ゾーンを備える。この濃縮ゾーンには、触媒がないので、この濃縮ゾーンは、電池の電気化学的に不活性な部分である。従って、凝縮ゾーンは、電池の活性な触媒を含む部分より低い温度で作動する。さらに温度の低下を促進するために、凝縮ゾーンの領域で冷媒管の密度を高めている。従って、酸化剤の気体が、凝縮ゾーンを通過し、それによって、酸化剤の気体は冷却されて、この気体から電解質が凝縮する。電極基体は、凝縮した電解質を吸収し、電池の活性部分に戻す。この燃料電池の設計には、セルの乾燥を防止するための同様の加湿領域は含まれていない。この燃料電池は、ＰＥＭ型膜を使用していないので、入口の反応物の気体を水和する必要はない。さらに、凝縮ゾーンで使用する冷媒管を形成する、より複雑な製造工程が必要である。
【０００８】
さらに、ライザー（Ｒｅｉｓｅｒ）らに付与された米国特許第４，７６９，２９７号には、固体高分子電解質型燃料電池スタックのための水管理装置が開示されている。米国特許第４，７６９，２９７号では、水素反応物の流れを通して、水が燃料電池スタックに供給され、この流れの中では、冷却するために蒸発する水もあれば、スタックを通してセルからセルへ移動する水もある。電解質膜を通してアノード電極からカソード電極へひきずられる結果として、さらに、スタック内の隣接する２つのセル間に介在する多孔質の分離プレートを介して、水が移動する。カソード電極とアノード電極との間に維持される反応物圧力の差圧によって、多孔質の分離プレートを通って水が移動する。水が蒸発するアノード電極保持プレートは、セルを冷却する作用を達成するのに十分大きな表面積を有する。この装置では、燃料電池の作動中に水素の排出物から水を除去するために凝縮器が使用されているが、酸素反応物の気体に水を供給または回収することは示されていない。
【０００９】
膜が乾燥するのを防止し、燃料電池の水の自己充足を維持するために、外部の加湿器を使用せずに、入口で酸化剤の気体と燃料の気体とを加湿し、出口で酸化剤の気体を凝縮させる、ＰＥＭ型燃料電池スタックに使用する水管理装置の必要がある。
【００１０】
【発明の開示】
本発明は、電池のアノード電極とカソード電極のための水管理装置を提供し、この機能を燃料電池冷媒装置に組み入れるものである。この装置は、それぞれの電池セルごとに異なることもある速度で必要に応じて、効率的に水を、複数の電池セル全体に亘ってさらに冷媒装置におよび冷媒装置から移動させるので、この組み込みによって、周囲の圧力さらに始動および停止の条件で高電流密度作動を取り扱うことのできる装置の運転、制御が実現される。
【００１１】
本発明のアノード電極とカソード電極の構成要素は、３つの要素からなる装置：１）水移動プレート（ＷＴＰ）、２）二層膜、３）触媒層／膜表面からなる。アノード電極では触媒／膜界面において、プロトンドラッグ（ｐｒｏｔｏｎ  ｄｒａｇ）により膜を通してまたは気体の流れへの蒸発によって失われた水に置き換わるのに、さらには、アノード電極での反応に必要な燃料を供給するのに、十分な量の水と燃料が必要である。本発明では、ＷＴＰが、全体が平面状の表面を二層プレートに提供し、ＷＴＰは、相対湿度約１００％まで飽和している入口の流れの水によって増加される水源として作用する。触媒／膜表面に供給される水は、蒸気または液体の形態をとり得る。冷媒装置に依存する水管理装置の能力は、本質的にセル全体の要求を超えるので、供給速度は、常にセルの要求を満たすものである。さらに、それぞれのセルのＷＴＰと触媒／膜表面の温度は、ほぼ等しいので、この装置は、部分的に自己制御している。
【００１２】
アノード電極では、冷媒供給源からＷＴＰを通して触媒／膜表面へ水を移動させると同時に、加湿されたＨ2反応物を触媒に到達させる手段は、二層構成要素である。通常の二層構成要素は、米国特許第５，５６１，０００号に記載されている。
【００１３】
カソード電極では、水の除去が、主要な関心事であるが、セル入口の湿度も重要である。カソード電極触媒／膜表面の水は、２つの供給源、即ち、アノード電極からのプロトンドラッグと、電気化学的なカソード電極での反応からの生成水とに由来する。電流密度が増加するにつれ、触媒／膜表面での水量も比例して増加する。この水が除去されなければ、触媒層で溢れるので、反応物の気体が、触媒表面に到達するのが妨げられるため、セルの性能は低下する。反応物として純Ｏ2の代わりに空気が使用される場合、問題はいっそう重大になる。現在の二層構造では、二層のうちの微細な孔を有する層は、平均細孔径が約０．１．０μｍで、多孔度が５０％で、疎水性なので、触媒／膜表面の水は、膜も液滴も形成することができない。微細な孔は、表面から水を、より疎水性でなく、平均細孔径が約２０〜４０μｍで、多孔度が６５〜７５％である粗い孔を有する層の中へ押しやる。粗い層は、親水性ですらあり得る。一旦、粗い孔を有する層の中に入ると、水は、蒸気または液体としてＷＴＰへ移動する。アノード電極の背面では、水は、ＷＴＰの中へ移動し、そこでは、ＷＴＰ全体の平面状の表面が、水を吸収するのに利用できる。これによって、二層を横切って水が移動する距離が最小限に抑えられるが、これは、高電流密度では決定的になり得る。さらに、それによって、セルの活性領域内での反応の均一性が向上する。
【００１４】
ＷＴＰは、分離プレート、導電体、反応物加湿装置・分配装置、セル冷却装置、水移動装置、などとして機能する。二層・膜装置と組み合わせると、ＷＴＰによって、水管理能力と冷却能力とが、スタック内のそれぞれのセルに組み込まれて、それによって、個々のセルについて冷却と水移動のための変形物が得られる。二層プレートは、燃料電池を通して反応物、水、電流の移動を促進する手段として作用する。微細な孔を有する層が触媒層に直接隣接するとともに、粗い孔を有する層がＷＴＰに直接隣接するように、二層は、構成される。カソード電極側では、微細な孔によって、水は、触媒層を水浸しにすることで反応物の気体の流れを妨げ得るであろう液体膜を、確実に形成しなくなる。アノード電極側では、蒸発／再凝縮過程により、主に蒸気相として防水層を通って水を移動させることで、触媒へのＨ2の流れを妨げることなく、ＷＴＰから粗い孔を通して膜に水を供給する手段が、微細な孔によって、得られる。粗い孔を有する層は、微細な孔と関連して、より多くの液体または蒸気の水を移動させることができる開孔構造として機能する一方、反応物の気体を微細な孔へ移動させるのに十分な開孔容積を与える。上述した作動方法に加えて、作動の不調または異常さらには始動または停止の条件によって発生し得る水を気体分配溝から除去する手段が、３つの要素からなる構成によって、さらに与えられる。
【００１５】
従って、本発明の目的は、供給される反応物の気体を加湿するのに十分な水を反応物の気体に与えるものであり、アノード電極に必要とされる水を供給し、カソード電極触媒から水を除去するとともにアノード電極またはカソード電極のどのような気体通路をも水が塞ぐのを防止する、ＰＥＭ型燃料電池スタック用の改良された水管理装置を提供することである。
【００１６】
本発明のさらなる別の目的は、ＰＥＭ型燃料電池における水の管理のための改善された方法を提供することである。
【００１７】
【発明を実施するための最良の形態】
図１には、本発明の水管理装置を含み、全体が参照番号１０により示された燃料電池装置の概略断面図を示す。装置１０は、冷媒入口１６と冷媒出口１８とを有する冷媒マニホールド１４を備える燃料電池セル１２を含む。冷媒１５は、点線で示される通路１９を、冷媒入口１６から冷媒出口１８へ流れる。装置１０は、さらに、燃料入口２２と燃料出口２４とを有する燃料マニホールド２０を備える。セル１２を流れる燃料３７は、冷媒用の通路１９の流路と同様であるが、実質的に反対方向に、通路３９内の流路をたどる。マニホールド（図示せず）によって、通常空気である酸化剤の気体３４が燃料電池セル１２に供給されさらに排出される通路が提供される。従って、燃料電池セル１２は、間の通路２９に空気が流れる空気入口２６と空気出口２８とを備える。さらに、燃料電池セル１２は、加湿ゾーン３０と凝縮ゾーン３２とを備える。加湿ゾーン３０と凝縮ゾーン３２の両方とも、以下に、より詳細に説明するように、多孔質の分離プレートに位置する。加湿ゾーン３０は、燃料電池セル１２に供給される燃料３７と空気３４とを飽和させ、凝縮ゾーン３２は、燃料電池セル１２から排出される前に空気３４から水を凝縮させる。
【００１８】
次に、図２を参照すると、この図には、燃料電池セル１２の隣接するセル３６ａとセル３６ｂの断面図を示す。この説明のために、個別のセル３６ａを詳細に説明するものとし、この説明が個別のセル３６ｂにも同様に適用されることは理解されるであろう。さらに、個別のセル３６ａは、主要な表面上にカソード電極触媒層４０ａとアノード電極触媒層４２ａとを有するプロトン交換膜３８ａを含む。さらに、セル３６ａは、アノード電極側に多孔質の二層保持プレート４４ａを、カソード電極側に多孔質の二層保持プレート４６ａを備える。最後に、多孔質の水移動プレート４８ａ、５０ａが、これらの間に上述した構成要素を含むセル３６ａの表面を形成する。図１に示すのと同様に、空気３４は、多孔質の水移動プレート５０ａのカソード電極側の入口２６に供給され、出口２８から排出される。同様に、燃料３７は、入口２２に供給され、通路３９を通って、出口２４から排出される。好ましくは水の形態である冷媒１５は、分離プレート５０ａを通って流れ、出口２８付近または近くでプレート５０ａに供給され、空気入口２６付近を流れる。水素燃料と酸化剤（空気）との間の電気化学的反応の副生成物として生成する水は、カソード電極から離れて多孔質の二層プレート４６ａを通ってカソード電極水移動プレート５０へ、さらに、隣接するセルのアノード電極水移動プレート４８ｂへ、そして、冷媒１５の中へと移動する。
【００１９】
従って、加湿ゾーン３０は、空気入口２６と燃料入口２２の付近に存在する冷媒によって形成され、それによって、水移動プレート４８、５０から燃料の流れ、空気の流れの中へ水が移動する。同様に、水は空気出口２８付近で水移動プレート５０に供給されるので、このプレートは、この領域が最も低温であり、それによって、凝縮ゾーン３２において排出される空気と熱交換が起こり、続いて、排出される空気の流れから水が凝縮する。排出される空気の流れから凝縮した水は、水移動プレート５０の細孔構造に吸収され、冷媒の流れに再供給される。
【００２０】
図３は、全体が参照番号１００により示された燃料電池における、本発明の別の実施態様の図である。加湿ゾーン３０と凝縮ゾーン３２の代わりに、燃料電池１００は、加湿フィン１５０と凝縮フィン１５２とを備える。図３に示すように、空気入口１２６と空気出口１２８の領域のフィン１５０、１５２は、燃料入口ゾーンに沿う燃料のための補助加湿ゾーン１５１を備える。フィン１５０、１５２は、２つのスタックからなる燃料電池装置の隣接するスタック間に位置する周囲空気マニホールドの中へ延びている。
【００２１】
このように、本発明は、その例示的な実施態様について例示し説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、それに、さまざまな変更を行い得ることは、当業者には理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の原理に従ったＰＥＭ型燃料電池の、空気、冷媒、燃料の流れ、関連する加湿ゾーン、凝縮ゾーンの概略図。
【図２】  本発明の水管理装置に従った隣接するＰＥＭ型セルの、図１の２−２線に沿った、より詳細な断面図。
【図３】  本発明の別の実施態様の図１と同様の概略図。
【図１】
0004726301.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004726301.tif 000004