(57)【要約】本発明は可逆燃料電池電力プラント（１０）に関する。反応物切換えアセンブリー（４８）が還元流体燃料源（３０）、酸素含有酸化物源（２４）、及び燃料電池（１２）の第１と第２の流路（２０）、（２２）の間に固定される。切換えアセンブリー（４８）は先ず、還元流体燃料流が第１の流路（２０）まで流れるように仕向け、一方、同時に酸素含有酸化剤流が第２の流路（２２）まで流れるように仕向ける。次いで、燃料電池（１２）の寿命期間の前半の後かつ寿命期間の最後の４分の１前に切換えアセンブリー（４８）が、還元流体燃料流が第２の流路（２２）まで流れるように仕向け、一方、同時に酸素含有酸化剤流が第１の流路（２０）まで流れるように仕向ける。
2006512733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有還元流体と酸素含有酸化剤反応物流から電流を発生する可逆燃料電池プラント（１０）を動作する方法であり、前記可逆燃料電池プラント（１０）が電解物質（１８）の対向する表面に固定された第１の電極（１４）及び第２の電極（１６）と、反応物流が前記第１の電極（１４）に隣接して通過するように仕向ける第１の流路（２０）と、反応物流が前記第２の電極（１６）に隣接して流れるように仕向ける第２の流路（２２）とを有する少なくとも一つの燃料電池（１２）を含むような方法であって、
ａ．還元流体燃料流が燃料電池（１２）の前記第１の流路（２０）まで流れるように仕向け、一方、それと同時に酸素含有酸化剤流が燃料電池（１２）の前記第２の流路（２２）まで流れるように仕向けるステップと、
ｂ．次いで、還元流体燃料流が燃料電池（１２）の前記第２の流路（２２）まで流れるように仕向け、一方、それと同時に酸素含有酸化剤流が燃料電池（１２）の前記第１の流路（２０）まで流れるように仕向けるステップと
を含む方法。
【請求項２】
冷却剤流が燃料電池（１２）に隣接して固定された冷却剤流路（１２２）の冷却剤入口（１１８）から冷却剤出口（１２０）に流れるように仕向け、それにより冷却剤流の最も冷えた部分のいくらかが前記冷却剤入口（１１８）から第１の流路入口（９８）及び出口（１００）に渡り流れ、冷却剤流の前記最も冷えた部分のいくらかが前記冷却剤入口（１１８）から第２の流路入口（１０８）及び出口（１１０）に渡り流れるステップであって、前記第１の流路入口（９８）及び出口（１００）が反応物流を前記第１の流路（１０６）まで流れ、またそこを通って出るように仕向け、前記第２の流路入口（１０８）及び出口（１１０）が反応物流を前記第２の流路（１１４）まで流れ、またそこを通って出るように仕向けるようなステップを更に含む請求項１に記載の可逆燃料電池電力プラント（１０）を動作する方法。
【請求項３】
還元流体燃料流が前記第１の流路（２０）まで流れるように仕向け、一方、同時に酸素含有酸化剤流が前記第２の流路（２２）まで流れるように仕向ける前記ステップの前に、反応物の切換えなしに燃料電池（１２）の有効寿命期間を測定し、次いで還元流体燃料流が前記第１の流路（２０）まで流れるように仕向け、一方、同時に酸素含有酸化剤流が前記第２の流路（２２）まで流れるように仕向け、次いで前記測定された燃料電池（１２）の有効寿命期間の半分の後かつ燃料電池（１２）の最後の４分の１の前に還元流体燃料流が前記第２の流路（２２）まで流れるように仕向け、一方、同時に酸素含有酸化剤流が前記第１の流路（２０）まで流れるように仕向けるステップを更に含む請求項１に記載の可逆燃料電池電力プラント（１０）を動作する方法。
【請求項４】
水素含有還元流体燃料と酸素含有酸化剤反応物流から電流を発生する可逆燃料電池プラント（１０）であって、
ａ．電解物質（１８）の対向する表面に固定された第１の電極（１４）及び第２の電極（１６）と、反応物流が前記第１の電極（１４）に隣接して通過するように仕向ける第１の流路（２０）と、反応物流が前記第２の電極（１６）に隣接して流れるように仕向ける第２の流路（２２）とを有する少なくとも一つの燃料電池（１２）と、
ｂ．還元流体燃料源（３０）と酸素含有酸化剤源（２４）と第１及び第２の流路（２０）、（２２）を流体連通して固定された切換えアセンブリー手段（４８）であって、前記切換えアセンブリー手段（４８）が、還元流体燃料流が前記第１の流路（２０）まで流れるように仕向け、酸素含有酸化剤流が前記第２の流路（２２）まで流れるように仕向ける第１の位置と、前記切換えアセンブリー手段（４８）が、還元流体燃料流が前記第２の流路（２２）まで流れるように仕向け、酸素含有酸化剤流が前記第１の流路（２０）まで流れるように仕向ける第２の位置との間を交替するように固定された切換えアセンブリー手段（４８）と
を備える可逆燃料電池プラント。
【請求項５】
前記第１の電極（１４）が前記第２の電極（１６）の第２の触媒（６８）と実質的に同一である第１の触媒（６６）を含むことを特徴とする請求項４に記載の可逆燃料電池電力プラント。
【請求項６】
前記第１の流路（２０）が前記第２の流路（２２）と実質的に同一であることを特徴とする請求項５に記載の可逆燃料電池電力プラント。
【請求項７】
燃料電池（９６）に隣接して固定された冷却剤流路（１２２）を更に備える可逆燃料電池電力プラントであって、前記冷却剤流路（１２２）が冷却剤入口（１１８）と、冷却剤出口（１２０）と、冷却剤流の流れを前記冷却剤入口（１１８）と前記冷却剤出口（１２０）の間に向けるための前記冷却剤入口（１１８）と前記冷却剤出口（１２０）の間にある冷却剤分配手段とを含み、前記冷却剤分配手段が、前記冷却剤流路（１２２）内の冷却剤流の最も冷えた部分のいくらかが前記冷却剤入口（１１８）から第１の流路入口（９８）及び出口（１００）に渡り流れるように仕向け、冷却剤流の前記最も冷えた部分のいくらかが前記冷却剤入口（１１８）から第２の流路入口（１０８）及び出口（１１０）に渡り流れるように仕向ける分割進路冷却剤分配溝（１２８）を含み、前記第１の流路入口（９８）及び出口（１００）が、反応物流が前記第１の流路（１０６）まで、またそれを通って出るように仕向け、前記第２の流路入口（１０８）及び出口（１１０）が、反応物流が前記第２の流路（１１４）まで、またそれを通って出るように仕向けることを特徴とする請求項４に記載の可逆燃料電池電力プラント。
【請求項８】
前記第１の流路入口（９８）及び出口（１００）が燃料電池（９６）の第１の縁（１３６）において定められ、前記第２の流路入口（１０８）及び出口（１１０）が燃料電池（９６）の第２の縁（１３８）において定められ、前記第１の縁（１３６）と第２の縁（１３８）が互いに接触して、前記第１の流路（１０６）と第２の流路（１１４）が非円形となるように隅を定めることを特徴とする請求項４に記載の可逆燃料電池電力プラント（１０）。
【請求項９】
第１の流路（１０６）入口（９８）が第２の流路（１１４）入口（１０８）と実質的に同一であり、第１の流路（１０６）出口（１００）が第２の流路（１１４）出口（１１０）と実質的に同一であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池電力プラント（１０）。
【請求項１０】
電解物質（１８）が陽子交換膜電解物質であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池電力プラント（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は運送車両、携帯型電力プラントでの使用に適した燃料電池電力プラント、あるいは定置式電力プラントとしての燃料電池発電プラントに関し、本発明は特に、電力プラントの寿命期間内のある点において燃料電池の異なる流路に反応物流を向けて電力プラントの寿命を延ばすことに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池電力プラントは周知であり、モータ及び運送車両等の電動装置に対して水素含有還元流体流と酸素含有酸化剤反応物流から電気エネルギーを作り出すために広く使用される。先行技術の燃料電池電力プラントにおいて、燃料電池の性能が時間経過により劣化することは周知である。
【０００３】
燃料電池の性能劣化はいくつかの関連する現象による。そのような性能劣化の原因の一つは電極、特にカソード電極に生じる腐食である。カソード電極はカソード周囲にある酸素リッチ酸化剤流体の存在の結果として腐食性酸化環境に曝され、一方、アノード電極はアノード周囲にある水素リッチ還元流体燃料の存在の結果として非腐食性還元環境に曝される。更なる劣化原因は酸化腐食から生じる触媒の組成変化により、あるいは触媒の再結晶化により、カソード又はアノード電極の一部を構成する電解物質の働きの低下から生じる。カソード又はアノード電極構造の物質移動特性は電極の濡れ性を増す電極内の材料の酸化により減少し得る。そのような酸化は水性電解質の電解物質、又は陽子交換膜（「ＰＥＭ」）電解物質の生成水で電極を浸すことになる可能性がある。更に、燃料電池内の電解質は異物の反応、吸収及び吸着により汚染され、それにより電解物質の導電性を低下する可能性がある。これらの性能劣化現象が、カソード電位と酸化剤のこれらの劣化過程に対する影響のために一般的にカソード電極について最も厳しいことが知られている。従って、カソード電極における劣化はカソード電極と燃料電池の著しい性能損失をもたらす。
【０００４】
最もよく知られた燃料電池のカソード電極における酸素還元反応はアノード電極における燃料酸化反応よりずっと遅いので、アノード又は燃料電極に必要な触媒量はカソード又は酸化剤電極に必要な触媒量より少ない。更に、既知の燃料電池は短軸と長軸が定義できる長方形を有するように設計されることが多い。そのような燃料電池の酸化剤反応物流は典型的には短軸に平行な方向に電池を通過し、燃料反応物流は電池の長軸に平行な方向に電池を通過する。そのようなアプローチは反応物流動溝の深さを最小限にし、燃料電池スタック・アセンブリーの単位長さ当たりの燃料電池数を最大限にする傾向にあり、これは重要な設計要素である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
その結果、カソード電極の劣化を最小限にする努力は既知の燃料電池の伝統的な長方形の平面図形状の限定に直面しなければならない。従って、カソード電極の劣化から生じる性能劣化を最小限にする燃料電池電力プラントを開発することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は水素含有還元流体燃料と酸素含有酸化剤反応物流から電流を発生する可逆燃料電池電力プラントである。電力プラントは、電解物質の対向する表面に固定された第１の電極及び第２の電極と、反応物流が第１の電極に隣接して通過するように仕向ける第１の流路と、反応物流を第２の電極に隣接して流れるように仕向ける第２の流路とを有する少なくとも一つの燃料電池を含む。反応物切換えアセンブリーが還元流体燃料源と酸素含有酸化剤源と第１及び第２の流路の間を流体連通して固定される。切換えアセンブリーは第１の位置と第２の位置の間の交替に備える。第１の位置において、切換えアセンブリーは還元流体燃料流が第１の流路まで流れるように仕向け、酸素含有酸化剤流が第２の流路まで流れるように仕向ける。第２の位置において、切換えアセンブリーは還元流体燃料流が第２の流路まで流れ、酸素含有酸化剤流が第１の流路まで流れるように仕向ける。
【０００７】
本発明は、先ず還元流体燃料流が電池の第１の流路まで流れるように仕向け、一方、同時に酸素含有酸化剤流が燃料電池の第２の流路まで流れるように仕向けるステップを含む、可逆燃料電池電力プラントを動作する方法を含む。燃料電池がそのように動作された後に燃料電池電力プラントは、還元流体燃料流が燃料電池の第２の流路まで流れるように仕向けられ、一方、同時に酸素含有酸化剤流が燃料電池の第１の流路まで流れるように仕向けられるように制御される。
【０００８】
反応物を異なる流路に切換えることにより、電力プラント内の電池の有効寿命は著しく延ばされる。上記の反応物を異なる流路への切換えが燃料電池の予想される寿命期間中に一回のみ、あるいは多くとも数回のみ行われることが強調される。例えば、燃料電池が１０時間単位（例えば１０年）の予想有効寿命期間を持っているとすれば、有効寿命期間の最適延長は有効寿命期間の前半の後かつ有効寿命期間の最後の３分の１の前、例えば第６時間ユニット中に反応物流を異なる流路に切換えることにより達成されるであろう。反応物の異なる流路への切換えは周知の燃料電池スタック・アセンブリー内の電池の有効寿命を１００％以上延ばすと予想される。
【０００９】
好ましい実施例において、燃料電池の第１の電極は第２の電極と同一であり、第１の電極が第２の電極と同じ触媒、触媒添加量、同じ支持材料（利用される場合）、同じ質量と体積を含むことを意味する。同様に、第１の流路は第２の流路と同一であり、第１の流路が第２の流路と同じ容積と寸法の孔、溝、通路、又は空洞等を定めることを意味する。第１と第２の電極及び第１と第２の流路が互いに同一であるので、燃料又は酸化剤反応物流がどちらの流路を通ってどちらの電極に隣接して流れるように仕向けられようとも燃料電池は効率的に動作する。
【００１０】
更なる好ましい実施例において、電力プラントは燃料電池に隣接して固定された冷却剤流路を含む。冷却剤流路は冷却剤入口と、冷却剤出口と、冷却剤流を冷却剤入口と冷却剤出口の間に向ける、冷却剤入口と冷却剤出口の間にある分割進路冷却剤分配溝とを含む。分割進路冷却剤分配溝は冷却剤流路内の冷却剤流の最も冷えた部分のいくらかが冷却剤入口から第１の流路入口および出口に渡り流れるように仕向け、前記冷却剤流の最も冷えた部分のいくらかが冷却剤入口から第２の流路入口および出口に渡り流れるように仕向ける。両方の流路の入口及び出口をできるだけ冷たく維持するように冷却剤流路を構成することにより冷却剤流路は、冷却剤流が酸化剤反応物であろうが、燃料反応物であろうが、流路を通って移動する反応物流の中への蒸発による水の損失を最小限にすることにより燃料電池の水収支を保つのを助ける。
【００１１】
従って、本発明の概略の目的は先行技術の欠陥を克服する可逆燃料電池電力プラントを提供することである。
【００１２】
より詳細な目的はプラントのカソード電極の性能劣化の衝撃を最小限にする可逆燃料電池電力プラントを提供することである。
【００１３】
なおもう一つの目的はプラントの燃料電池の有効寿命期間を著しく延ばす可逆燃料電池電力プラントを提供することである。
【００１４】
本可逆燃料電池電力プラントのこれら及び他の目的と利点は以下の説明を添付図面と関連して読めば直ちにより明らかと成るであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図面に詳細に言及すれば、可逆燃料電池電力プラントが図１に示され、参照番号１０で概ね示される。電力プラント１０は第１の電極１４と、第２の電極１６と、第１と第２の電極１４、１６の間に配設された電解物質１８とを含有する燃料電池１２を含む。第１の流路２０が第１の電極１４に隣接して定められ、第２の流路２２が第２の電極１６に隣接して定められる。電解物質１８は米国特許第６，０２４，８４８号に述べられるタイプの陽子交換膜（「ＰＥＭ」）の形式でもよく、あるいは電荷物質は、燐酸又はアルカリ、又は溶融塩電解質又は固体酸化物燃料電池等の酸性水電解質燃料電池に典型的に見られるようなセラミック鋳型内に保持されてもよい。
【００１６】
電力プラント１０はまた酸化剤入口弁２８が固定された酸化剤供給ライン２６と流体連通して固定された酸素含有酸化剤源２４を含む。酸化剤源２４は周知のように酸素含有酸化剤用の容器でもよいし、空気等でもよい。水素還元流体燃料源３０が燃料供給ライン３２と流体連通して固定され、これはライン３２に固定された燃料入口弁３４を有する。第１の流路排出ライン３６が第１の流路と流体連通して固定され、ライン３６に固定された第１の流路口弁３８を含む。第２の流路排出ライン４０が第２の流路２２と流体連通して固定され、ライン４０に固定された第２の流路排出弁４２を含む。外部回路４４が燃料電池１２に電気的に通じて固定され、回路４４は外部回路４４を介して燃料電池１２により発生される電流を受ける電動機等の主負荷４６を含む。
【００１７】
電力プラント１０はまた、例えば酸化剤入口ライン２６を介して酸素含有酸化剤源２４と、例えば燃料入口ライン３２を介して還元流体源３０と、例えば第１の流路入口５０を介して第１の流路２０と、例えば第２の流路入口５２を介して第２の流路２２と流体連通して固定される反応物切換えアセンブリー４８を含む。第１と第２の流路入口５０、５２は当技術分野で知られたパイプライン又はマニホールドの形式でもよいことが特に言及される。切換えアセンブリー４８は切換えアセンブリー手段であって、切換えアセンブリー手段４８が、還元流体燃料反応物流がその源３０から第１の流路入口５０と第１の流路２０まで流れるように仕向け、また酸素含有酸化剤反応物流がその源２４から第２の流路入口５２と第２の流路２２まで流れるように仕向ける図１に示すような第１の位置と、切換えアセンブリー手段４８が、還元流体燃料流が第２の流路入口５２と第２の流路２２まで流れるように仕向け、また酸素含有酸化剤流が第１の流路入口５０と第１の流路２０まで流れるように仕向ける第２の位置の間を交替する切換えアセンブリー手段でもよい。
【００１８】
切換えアセンブリー手段４８は上記のように還元流体流及び酸化剤反応物流の流れを変更できる当技術分野で知られた如何なる装置、システム、又は手順でもよい。例えば、可逆燃料電池電力プラント１２は切換えアセンブリー手段４８を第１の位置にして燃料電池１２の（あるいは当技術分野で周知のように燃料電池スタック・アセンブリー（図示せず）の）有効寿命期間の半分乃至３分の２までの間動作され、次いで切換えアセンブリー手段４８が燃料電池１２の残りの寿命期間の間、反応物流の流れを第２の位置に置いてもよい。
【００１９】
従って、切換えアセンブリー手段４８は反応物流の流れを切換えアセンブリー手段４８の第１から第２の位置に変更するための、オペレータ（図示せず）により手動で簡単に位置決めし直される配管、マニホールド又は他の反応物流導管を含んでもよい。切換えアセンブリー手段４８はまた、図１に参照数字５４で模式的に示すように、反応物流の流れを第１から第２の位置に自動的に切換える機構５４を含んでもよい。そのような機構５４は図１に模式的に示される整合配置から機構５４を選択的に調節する制御手段５６を含んでもよく、その場合、反応物流は第１の位置にある切換えアセンブリー手段４８に従って整合された機構５４に流れて反応物流が上記の第２の位置にある切換えアセンブリー手段４８に従って流れるように仕向ける。
【００２０】
制御手段５６は、双方向矢印６０により示唆されるように、機構５４の位置を制御するための制御手段５６と機構５４の間に固定されたアクチュエータ５８を含んでもよく、その場合、制御装置はアクチュエータ５８を移動し、それが今度は機構５４を移動して位置１又は位置２にある切換えアセンブリー４８の間の反応物流の流れを調節する。制御手段５６は位置１または位置２にある切換えアセンブリー４８に従って反応物流の流れを調節することができる当技術分野で知られた如何なる制御装置でもよい。そのような制御手段は切換えアセンブリー手段４８の動作を制御するために、手動制御、機械的アクチュエータ、電気的アクチュエータ、電磁アクチュエータ、油圧アクチュエータ、あるいはタイマー機構や、電圧、電流、電力、効率、開時間等の燃料電池パラメータを検出するセンサシステムと一体化されたそのようなアクチュエータを含んでもよい。
【００２１】
第１と第２の流路排出ライン３６、４０が流路排出物流を、当技術分野で知られた燃料処理又は反応物流加湿システム（図示せず）等の下流電力プラント１０システムに向ける場合、排出物流切換え手段（図示せず）は排出物流をそれらの下流電力プラントシステムの該当する状況に切換える必要があることが指摘される。当業者ならそのような目的で切換えアセンブリー４８を直ちに変形することができるであろう。同様に、切換えアセンブリー４８が燃料電池１２の流路３０、２２を通る反応物流の流れを切換えるときはいつも主負荷４６への外部回路４４の接続は逆転されなければならない。当業者なら当技術分野で知られた切換え手段によりそのような外部回路４４の変更を直ちに実施できるであろう。
【００２２】
図２に示すように、好ましい燃料電池６２は第１の好ましい触媒６６と好ましい電解物質７０の両側に固定された第２の好ましい触媒６８から成る膜電極アセンブリー６４を含んでもよい。好ましい燃料電池６２はまた第１の触媒６６を支持し、流体流が第１の支持手段を通るようにする一つ以上の多孔質層からなる第１の触媒支持手段を含んでもよい。第１の電極支持手段の一つ以上の多孔質層は第１の好ましい触媒６６に隣接して固定された第１の拡散層７２と第１の拡散層７２に隣接して固定された第１の基板層７４を含んでもよい。第１の好ましい触媒６６、第１の拡散層７２及び第１の基板層７４は協同して固定されて第１の好ましい電極７５を定めてもよい。第１の水搬送又は冷却板７６もまた、第１の電極支持手段に隣接して（例えば第１の基板層７４に隣接して）固定される。第１の水搬送板７６は、冷却剤流が第１の水搬送板を流れるように仕向ける既知の熱管理システム（図示せず）と流体連通して固定されて燃料電池６２から熱を除去し、またできれば２００２年８月１３日に発行され、本発明の全権利の被譲渡人により所有される米国特許第６，４３２，５６６号に示されるような当技術分野で周知の方式で、燃料電池６２から生成水を除去し、燃料電池６２から熱管理システムを通るように仕向けられて冷却及び再生されて第１の水搬送板７６を通って戻される。
【００２３】
第１の水搬送板７６はまた第１の反応物入口８０から入った反応物が第１の基板層７４に隣接して流れるように仕向ける複数の第１の反応物流動溝７８を定めてもよい。第１の反応流動溝７８と、第１のアノード基板７４及び第１の拡散層７２内の孔空間とは協同して図１に参照数字２０で模式的に示されるような第１の流路を定める。しかしながら、可逆燃料電池電力プラント１０は当技術分野で知られた空洞、異なる通路又は溝等から構成される流路を含んでもよい。第１の水搬送板７６はまた冷却剤流が多孔質の第１の水搬送板７６Ａまで通過するように仕向ける複数の第１の冷却剤供給溝８２Ａ、８２Ｂ、８２Ｃを定めてもよい。 
【００２４】
図２に示される好ましい燃料電池６２はまた第２の好ましい触媒６８に隣接して固定された第２の拡散層８４のような一つ以上の多孔質層と、第２の拡散層８４に隣接して固定された第２の基板層８６から構成される第２の触媒支持手段を含む。第２の好ましい触媒６８、第２の拡散層８４及び第２の基板層８６は協同して第２の好ましい電極８７を定めるように固定されてもよい。第２の水搬送又は冷却板８８は第２の電極支持手段に隣接して固定されてもよく、この第２の水搬送板８８は、第２の反応物流が第２の基板層８６に隣接して流れるように仕向けるための第２の反応物入口９２と流体連通する複数の第２の反応物流動溝９０を定めてもよい。第２の水搬送板８８はまた、冷却剤流が第２の水搬送板８８まで、またそこを通って流れるように仕向けるための複数の第２の冷却剤供給溝９４Ａ、９４Ｂ、９４Ｃを定めてもよい。第１の水搬送板７６と同様に、第２の反応物流動溝９０と、第２の基板層８６及び第２の拡散層８４内の孔は図１に参照数字２２で模式的に示されるように第２の流路を定める働きをしてもよく、その流路２２はまた当技術分野で知られた代わりの空洞、溝等により定められてもよい。膜電極アセンブリー６４、第１の拡散層７２、第１の基板層７４、第１の水搬送板７６、第２の拡散層８４、第２の基板層８６、第２の水搬送板は前記の米国特許第６，４３２，５６６号に述べられるような当技術分野で知られた材料で作られてもよい。
【００２５】
好ましい燃料電池６２において可逆燃料電池電力プラント１０内の効率的利用のために、第１の好ましい触媒６６は第２の好ましい触媒６８と実質的に同一である。本願の目的では、それは第１の好ましい触媒６６と第２の好ましい触媒６８が実質的に同一の組成と実質的に同一の単位面積当たりの触媒添加量を有し、触媒が支持される場合（例えば知られているようにカーボンブラック材料上に）、実質的に同一の支持材料を有し、実質的に同一の体積を有し、実質的に同一の親水性対親水性比を有することを意味し、第１の触媒６６と第２の触媒６８内の固体体積、液体体積及び気体体積が実質的に同じであることを意味する。
【００２６】
同様に、好ましい燃料電池６２において、第１の拡散層７４、第１の基板層７４及び第１の水搬送板７６は第２の拡散層８４、第２の基板層８６及び第２の水搬送板８８と実質的に同一であり、それによりそれらの構成要素により定められる流路が互いに同一となる。本願では明確化するために、それらの構成要素を上記のように実質的に同一にすることは第１の流路２０が第２の流路２２と実質的に同一であると呼ばれる。実質的に同一の第１と第２の好ましい触媒６６、６８と実質的に同一の第１と第２の流路２０、２２を有することにより第１と第２の反応物流の異なる流路２０、２２への切換えは可逆燃料電池電力プラント１０の一貫した性能を助長する。本願では明確化するために、「実質的に同一」という表現は「実質的に同一」として特徴付けられる構成要素間の如何なる差も±１０％より大きくない差であることを意味する。上記のように、既知の燃料電池において、酸化物触媒と、関連する酸化物側構成要素を燃料触媒及び燃料側構成要素とは異なる質量及び／又は体積にすることが一般的である。従って、本発明の可逆燃料電池電力プラント１０は好ましい触媒６６、６８及び反応物流路２０、２２の設計での折衷案を表し、その場合、電力プラント１２に対するライフサイクル・コストを低減するために燃料電池電力プラント１２の体積と初期コストが増加し得る。
【００２７】
図３ａは可逆燃料電池電力プラント１０に適した第２の好ましい燃料電池９６の断面図を示す。第２の好ましい燃料電池９６は好ましい第１の流路入口９８、好ましい第１の流路出口１００、及び第１の反応物流動パターン１０２を含み、この第１の反応物流動パターンは第１の流路入口９８から第１の好ましい流路１０６と第１の折り返し１０４を通って第１の流路出口１００まで実線で示される。第２の好ましい燃料電池９６はまた好ましい第２の流路入口１０８、好ましい第２の流路出口１１０、及び第２の反応物流動パターン１１２を含み、この第２の反応物流動パターンは第２の入口１０８から第２の好ましい流路１１４（第１の好ましい流路１０６の下に模式的に示され、参照数字１１４から破線で示される）と第２の折り返し１１６を通って第２の出口１１０まで破線で示される。図３ａには冷却剤入口１１８、及び冷却剤出口１２０も示される。
【００２８】
図３ｂは同じ好ましい燃料電池９６が示されるが、第１の反応物流動パターン１０２は好ましい第２の流路入口１０８から第２の好ましい流路１１４を通って好ましい第２の流路出口１１０まで通過し、第２の反応物流動パターン１１２は好ましい第１の流路入口９８から第１の好ましい流路１０６を通って好ましい第１の流路出口１００まで通過する。従って、図３ａは第１の位置に設定された切換えアセンブリー手段４８を表すように第１と第２の流路１０６、１１４を通って移動する第１と第２の反応物流動パターン１０２、１１２を示す。図３ｂは対照的に、第２の位置に設定された切換えアセンブリー手段４８を表すように第１と第２の流路１０６、１１４を通って移動する第１と第２の反応物流動パターン１０２、１１２を示す。
【００２９】
図４は第１の好ましい流路１０６と第２の好ましい流路１１４の上にある第２の好ましい燃料電池９６の冷却剤流路１２２を示す。（図４において、第１と第２の好ましい流路１０６、１１４が、あたかも流路１０６、１１４が冷却剤流路１２２の下にあるようにそれらの参照数字から出ている破線により示される。当技術分野で知られるように、第２の好ましい燃料電池９６は実質的にあらゆる環境において周知の燃料電池スタック・アセンブリーに積層された複数の燃料電池の一つであり、従って、別の燃料電池の流路が冷却剤流路１２２の上部にあることになる。）冷却剤流は冷却剤入口１１８から冷却剤流路１２２まで通過し、冷却剤流路１２２を通って第２の燃料電池９６の冷却剤出口１２０まで通過する。冷却剤流路１２２は冷却剤流の流れを冷却剤入口１１８から冷却剤出口１２０に向ける冷却剤分配手段を含む。冷却剤分配手段は、当技術分野で知られるように、冷却剤流路１２２内に冷却剤流の流れを方向付ける個別の通路、又は冷却剤流の流れを方向付ける流路内の壁、障壁等の形を呈してもよい。
【００３０】
好ましい冷却剤分配手段は冷却剤流路１２２内に定められる分割進路冷却剤分配溝１２８であり、これは冷却剤流路１２２内の冷却剤留流の最も冷えた部分のいくらかが冷却剤入口１１８から第１の好ましい反応物流路出口１００と第１の好ましい反応物流路入口９８に渡り流れるように仕向け、やはり冷却剤流路１２２内の冷却剤流の最も冷えた部分のいくらかが冷却剤入口１１８から第２の好ましい反応物流路入口１０８と第２の好ましい反応物出口１１０に渡り流れるように仕向ける。
【００３１】
２００１年１１月２７日に発行され、本発明の全権利の被譲渡人により所有される米国特許第６，３２２，９１５号に述べられるように、冷却剤流路１２２内又はそれを通過する「冷却剤流の最も冷えた部分」という表現は冷却剤入口１１８に最も近い冷却剤流動進路１３０の３分の１内にある冷却剤流の部分と同一のものと見なすことを意味する。「冷却剤流動進路」１３０は冷却剤流が冷却剤流路１２２を通って移動しながら取る進路である。冷却剤流動進路１３０は図４では複数の矢印を付けた線として示されるが、そのいくつかは参照数字１３０により識別され、冷却剤入口１１８から冷却剤出口１２０への冷却剤流動進路１３０に沿う冷却剤流の流動方向を示す。更に、冷却剤流の最も冷えた部分が前記の反応物入口及び出口「に渡り」流れていると述べたことは、冷却剤流の最も冷えた部分が冷却剤流路１２２内に留まりながら上記の反応物入口及び出口にできるだけ接近して流れていることを意味する。
【００３２】
冷却剤流の最も冷えた部分の上記の流れを達成する分割進路分配溝１２８はＬ字状障壁１３２であって、Ｌ字状障壁１３２の二つの枝の接合点が図４に示されるように冷却剤入口１１８に隣接するように配置されたＬ字状障壁を使用して形成されてもよい。第１と第２の好ましい流路１０６、１１４からの熱除去効率を向上するために更なる複数の冷却剤流動障壁１３４Ａ、１３４Ｂ、１３４Ｃ、１３４Ｄ、１３４Ｅが図４に示されるように冷却剤分配手段の一部として利用されてもよい。上記の反応物入口及び出口に渡り流れるように上記の冷却剤流の最も冷えた部分を分配したり、効率的な熱除去を達成するために、障壁１３２、１３４Ａ、１３４Ｂ、１３４Ｃ、１３４Ｄ、１３４Ｅ又は当技術分野で知られた他の障壁又は溝の更なる構成が利用されてもよい。当技術分野で知られるように、上記の障壁１３２、１３４Ａ、１３４Ｂ、１３４Ｃ、１３４Ｄ、１３４Ｅにより定められる上記の分割進路分配溝１２８が図２に示される第１と第２の水搬送板７６、７８内の水供給溝の構造により、あるいは図１の第１又は第２の流路２０、２２に隣接して固定された別個の多孔質又は密封板（図示せず）内に定められる冷却剤流路１２２により、あるいは当技術分野で知られた何れかの冷却剤流路構造により形成されてもよい。
【００３３】
分割進路分配溝１２８を、冷却剤流の最も冷えた部分が第１の好ましい反応物流路入口９８及び出口１００と第２の好ましい反応物流路入口１０８及び出口１１０に渡り流れるように仕向けさせることにより、第２の好ましい燃料電池９６は水収支を向上する。冷却剤流の最も冷えた部分はそれらの反応剤流路入口と特に出口を流れる反応物流の露点を効率的に最低にし、それにより水の反応物流への蒸発が最小限になる。第２の好ましい燃料電池９６の流路１０６、１１４を通ってそれから出る反応物流への蒸発による水損失を最小限にすることにより、燃料電池９８はカソード電極で発生される以上の水を失わず、従って燃料電池９６は水収支の均衡を維持する。
【００３４】
図３ａ、図３ｂ及び図４に示されるように、第２の好ましい燃料電池９６の更なる動作効率のために、第１の反応物流路入口９８及び出口１００は燃料電池９６の第１の縁１３６において定められてもよく、第２の反応物流路入口１０８と出口１１０は燃料電池９６の第２の縁１３８において定められてもよく、その場合、第１と第２の縁１３６、１３８は、第１と第２の好ましい流路１０６、１１４が非円形となるように互いに接触して隅１４０を形成する。流路１０６、１１４が非円形であるので、燃料電池９６は、円形流路が第１と第２の好ましい流路１０６、１１４の間で反応物流の流れを切換えるよりも効率的に反応物切換えアセンブリー４８の利用に備える。更に、可逆燃料電池電力プラントの効率的動作のために、燃料電池９６を通る還元流体燃料反応物流の流し方と酸素含有反応物流の流し方は実質的に互いに同一でなければならない。例えば、図３ａ、３ｂ及び４に模式的に示されるように、流路入口９８、１０８及び出口１００、１１０を通る還元流体燃料流又は酸素含有酸化剤流の実質的に同一の流れに備えるために第１の好ましい反応物流路入口９８と出口１００は第２の反応物流路入口１０８と出口１１０と同一である。
【００３５】
従って、可逆燃料電池電力プラント１０は二つの電極７５、８７の一方の劣化から生じるプラント１０の性能劣化の最小化に備える。電力プラント１０の推定される有効寿命の前半の後かつプラント１０の有効寿命の最後の３分の１の前に反応物流を異なる流路２０、２２に切換えることにより、切換え前により急速に劣化していた電極はより緩やかに劣化する電極に置き換えられ、こうして燃料電池１２の性能を改良し、それにより燃料電池電力プラント１２の寿命期間を延長する。上記の反応物流の切換を実行する適切な時点を有効寿命期間の前半の後かつ最後の３分の１の前、あるいはいくつかの状況においては有効寿命の最後の４分の１の前と決定することにおいて、「有効寿命期間」測定が反応物流切換を実行しない燃料電池電力プラント１０に対する測定であることが強調される。従って、可逆燃料電池プラント１０の動作方法はまた、反応物の切換えなしに燃料電池１２の有効寿命期間を測定し、次いで反応物切換えアセンブリー４８を第１の位置にしてプラント１０を動作し、次いで有効寿命の前半の後かつ有効寿命の最後の４分の１前に切換えアセンブリー４８を第２の位置にしてプラント１０を動作するステップを含んでもよい。
【００３６】
プラント１０のある一定の劣化要素が実際に逆転されるので、可逆燃料電池電力プラント１０がプラント１０の有効寿命を１００％以上増加し得ることが予測される。詳細には、燃料電池電力プラント１０による反応物流の切換えにより逆転し得る当技術分野で知られた二つの劣化要素は燃料電池１２内の電極触媒のマイグレーションと、図１の燃料電池１２の要素の濡れ性及び非濡れ性である。
【００３７】
本発明は記述及び図解された実施例に関して開示されたが、本発明をそれらの実施例に限定すべきでないことは言うまでもない。例えば、燃料電池１２は陽子交換膜電解物質１８を含むとして述べられたが、燃料電池１２は当技術分野で知られた他の電解物質を含んでもよい。更に、本発明は多孔質で、また水搬送板として使用される流路に関して述べられた。しかしながら、本発明は固体の二極セパレータ板又は他の既知の設計を利用する燃料電池にも同等に応用可能である。従って本発明の範囲を決定するためには以上の説明ではなく主として上記の特許請求の範囲を参照すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に従って作られた可逆燃料電池電力プラントの模式図である。
【図２】可逆燃料電池電力プラントに適した好ましい燃料電池の模式的部分断面図である。
【図３ａ】燃料電池の第１と第２の流路を通って移動する第１と第２の反応物流の第１の流動パターンを示す可逆燃料電池電力プラントの燃料電池の模式的部分断面図である。
【図３ｂ】第１と第２の流路を通って移動する第１と第２の反応物流の第２の流動パターンを示す可逆燃料電池電力プラントの図３ａの燃料電池の模式的部分断面図である。
【図４】冷却剤流路の分割進路冷却剤分配溝を通って移動する冷却剤流の流動パターンを示す冷却剤流路の模式的断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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