(57)【要約】【課題】従来の手法に関連するコスト、複雑性または操作性を回避するために、燃料電池を水和させる統合的手法を提供すること。【解決手段】水分リッチ燃料電池の流路から水を抽出し、水を必要とする燃料電池システムの他の構成要素に供給するための装置および方法。水輸送ユニットが燃料電池内に組み込まれ、その結果、燃料電池のサイズ、重量および複雑性が最小限に抑えられる。一実施形態では、装置は、活性領域および不活性領域を含んでいる多数の流路を含む。水輸送ユニットは、水分供与流体チャネルおよび水分受容流体チャネルを含み、水分受容流体チャネルは、加湿を必要とする燃料電池の一部分と流体接続される。水分供与流体が装置の流路の不活性領域を通過したとき、それに含まれる水の少なくともいくらかが、水輸送ユニットを通過し加湿を必要とする燃料電池の一部分まで移動する。【選択図】図２
2007227377.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの燃料電池と水輸送ユニットとを備える燃料電池アセンブリであって、
前記少なくとも１つの燃料電池が、
水素含有反応物を受け取るように構成されたアノードと、
酸素含有反応物を受け取るように構成されたカソードと、
一部分が前記アノードと流体伝達し一部分が前記カソードと流体伝達する複数の反応物流路とを含み、前記複数の流路の少なくとも一部分が、前記反応物の少なくとも一方に関与する触媒反応が起こる前記アノードおよび前記カソードのそれぞれと、実質的に触媒反応が起こらない不活性領域との間の場所に全体的に対応する活性領域を画定し、
前記水輸送ユニットが、水分を交換し伝達するように前記不活性領域に隣接して配置され、また前記水輸送ユニットが、
前記複数の流路のうちの少なくとも１つの水分リッチ流路と流体伝達する水分供与流体チャネルと、
加湿を必要とする前記燃料電池の一部分と流体伝達する水分受容流体チャネルとを含み、前記水分受容流体チャネルが前記水分供与流体チャネルと協働し、その結果、水分供与流体が前記水分供与流体チャネルを通過したときに、それに含まれた水の少なくともいくらかが、前記水分受容流体チャネルまで移動して、加湿を必要とする前記燃料電池の前記一部分の加湿を可能にする、燃料電池アセンブリ。
【請求項２】
前記活性領域が、前記少なくとも１つの燃料電池の実質的な中心部を画定する、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記アノード流路および前記カソード流路が、互いに実質的な対向流関係にある、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項４】
それぞれが前記複数の流路の向い合う両端に配置され、マニホールドを画定する複数の流れヘッダをさらに含む、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項５】
前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方と熱伝達するように配置された少なくとも１つの冷媒流路をさらに含む、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項６】
前記水輸送ユニットが、前記少なくとも１つの燃料電池のそれぞれの前記アノードと前記カソードの間に配置された薄膜構造を含む、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項７】
前記水分供与流体チャネルおよび水分受容流体チャネルが、水分透過膜によって分離される、請求項６に記載のアセンブリ。
【請求項８】
前記水分透過膜の少なくとも片側が、実質的に親水性拡散媒体で覆われている、請求項７に記載のアセンブリ。
【請求項９】
前記水分供与流体チャネルおよび水分受容流体チャネルが、互いに実質的な対向流関係で配置される、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項１０】
前記水分供与流体チャネルが、前記カソードと流体伝達する前記流路の一部分に流体結合され、その結果、前記電化学反応によって生成された排出流体が、前記排気流体に含まれている水の少なくとも一部を手放すために前記水分供与流体チャネルを通過し前記水分受容流体チャネルまで流れることができる、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項１１】
前記水分受容流体チャネルが、前記アノードと流体伝達する前記流路の一部分に流体結合され、その結果、前記水分供与流体チャネルから前記水の一部を受け取ったときに、前記アノードと流体伝達する前記流路の一部分が、前記水素含有流体および前記水の一部を前記アノードまで運ぶことができる、請求項１０に記載のアセンブリ。
【請求項１２】
前記水分リッチ流路がカソード排出部であり、加湿を必要とする前記燃料電池の前記一部分が、アノード入口である、請求項１０に記載のアセンブリ。
【請求項１３】
前記水分リッチ流路がカソード排出部であり、加湿を必要とする前記燃料電池の前記一部分が、前記アノード流れチャネルと前記カソード流れチャネルの間に配置された膜である、請求項１０に記載のアセンブリ。
【請求項１４】
前記アノードに流体結合されたアノード再循環ループをさらに含む、請求項１０に記載のアセンブリ。
【請求項１５】
前記水分供与流体チャネルが、前記少なくとも１つの水分リッチ流路と共通である、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項１６】
前記燃料電池アセンブリが、車両用動力源として働く、請求項１に記載の燃料電池アセンブリを備える車両。
【請求項１７】
燃料電池アセンブリ用の流れ場プレートであって、
前記プレートの表面に形成された反応物流路と、
前記流路を実質的に囲むフレームと、
前記フレームと前記流路の間に配置され、前記不活性領域と流体伝達する少なくとも１つの流れヘッダと、
水分を交換し伝達するように前記不活性領域に隣接して配置された水輸送ユニットとを含み、
前記反応物流路が、
前記反応物流路内にある反応物に関与する電気化学反応が起こる場所に対応する活性領域と、
前記活性領域と流体伝達する不活性領域とを含み、前記不活性領域が、前記反応物流路内にある反応物に関与する電気化学反応が実質的に起こらない場所に対応し、
前記水輸送ユニットが、
前記流路と流体伝達する水分供与流体チャネルと、
加湿を必要とする燃料電池の一部分を流体伝達する水分受容流体チャネルとを含み、前記水分受容流体チャネルが前記水分供与流体チャネルと協働し、その結果、水分供与流体が前記水分供与流体チャネルを通過したときに、それに含まれる水の少なくともいくらかが、前記水分受容流体チャネルまで移動する、流れ場プレート。
【請求項１８】
互いに固定された、アノードプレートおよびカソードプレートを含む複数のプレートを含む、請求項１７に記載のプレート。
【請求項１９】
前記アノードプレートおよび前記カソードプレートが両極性プレートを形成する、請求項１８に記載のプレート。
【請求項２０】
前記両極性プレートの対向する面の間に配置された少なくとも１つの冷却流路をさらに含む、請求項１８に記載のプレート。
【請求項２１】
前記水輸送ユニットが、互いに実質的な積層構造を画定するように前記アノードと前記カソードの間に配置される、請求項１７に記載のプレート。
【請求項２２】
前記水輸送ユニットが、それが前記フレーム内に置かれたときにガスケットとして働くような寸法である、請求項２１に記載のプレート。
【請求項２３】
燃料電池を動作させる方法であって、
アノードと、アノード流路と、カソードと、カソード流路と、前記アノードと前記カソードの間に配置された電解質と、前記アノード流路および前記カソード流路の少なくとも一方と水分交換関係にある水輸送ユニットとを含む少なくとも１つのプレートを備えるように前記燃料電池を構成するステップを含み、前記水輸送ユニットが、
前記アノード流路および前記カソード流路の一方と流体伝達する第１の部分であって、それを通して水分供与流体を輸送するように構成された第１の部分と、
前記アノード流路および前記カソード流路の他方と流体伝達する第２の部分であって、それを通して水分受容流体を輸送するように構成され、その結果、前記流体がそれらのそれぞれの部分を通過したときに、前記水分供与流体内の水の少なくともいくらかが前記水分受容流体へ移送される第２の部分とを含み、
電気化学変換反応において反応物を組み合わせて電流および水を生成するステップを含み、かつ
前記水の少なくともいくらかを前記水輸送ユニットの前記第１の部分を介して運ぶステップを含む方法。
【請求項２４】
前記水輸送ユニットの前記第１の部分と流体伝達する前記アノード流路および前記カソード流路の前記一方が、
前記電気化学変換反応が起こる前記アノードおよび前記カソードのそれぞれの上の場所全体に対応する活性領域と、前記活性領域と流体伝達する不活性領域とを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記水輸送ユニットの前記第１の部分が、前記燃料電池の動作時に水含有排出流体が前記水輸送ユニットの前記第１の部分を介して運ばれるように、前記カソードおよび前記カソード流路と流体伝達する、請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には燃料電池の反応物の加湿を高める方法に関し、より詳細には、かかる加湿を容易にするために水移送機能をアノードまたはカソードの流れ場プレートに組み入れる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの燃料電池システムでは、水素または水素リッチガスが、流路を通って燃料電池のアノード側に供給され、酸素（大気の酸素の状態などで）が、別個の流路を通って燃料電池のカソード側に供給される。適切な触媒（例えば白金）が、水素をイオン化してアノード側でプロトンおよび電子になり、その結果、続いてプロトンとカソード側の酸素および電子を組み合わせたときに、反応副産物として高温の水蒸気とともに電流が生成される。
【０００３】
プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池と呼ばれる燃料電池の一形態では、膜状の電解質が、アノードおよびカソードを構成する２つの電極板（通常は多孔質拡散媒体の形をとる）の間に挟まれている。この層状構造は、一般に膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と呼ばれ、単一の燃料電池を形成する。多くのそのような単一電池が燃料電池スタックを形成するように組み合わされて、その出力を増大させることができる。本発明は、特にＰＥＭ燃料電池に適用可能であるが、本発明を用いた他の燃料電池の構成の使用もこの開示の範囲内にあることが、当業者によって理解されるであろう。
【０００４】
燃料電池、特にＰＥＭ燃料電池は、適切な動作を保証するためにバランスのとれた水位を必要とする。例えば、燃料電池内の水が多くなりすぎないようにすることが重要であり、水が多すぎると、流れ場チャネルの氾濫または関連する閉塞をもたらし、それによって反応物質の流れを妨げることがある。逆に水和が少なすぎると、膜の導電性を制限し、早期の電池故障をもたらすことがある。水位のバランスを維持するのが困難になると、反応燃料電池内で、局所的および全体的水和レベルを同時に増大させ減少させるという多くの相反する反応が起こる。上述の氾濫に加え、イオン化されたプロトンがアノードから移動することにより、水がアノードからカソードに引き込まれうる。この現象は、電気浸透抗力として知られており、アノードから水分子を除去するのに大きく寄与する。水分子が圧力差により膜を横切ってカソードからアノードへ拡散するなどの他のメカニズムも一般的かもしれない。
【０００５】
さらに、これらの効果の多くは局所的なものであり、したがって、全体の水和レベルが燃料電池内で維持された場合でも局所的水バランスが維持されるという保証はない。燃料電池全体にわたって十分な水和レベルを保証する１つの可能な方法が、それらが燃料電池に入る前に反応物質の一方または両方を加湿することである。例えば、アノードまたは膜の脱水の可能性を低減するために、カソードで生成された水が適当な加湿装置を用いて使用されてもよい。これらの加湿装置は、外部供給手段（例えば、別個の貯水槽）、あるいは湿った燃料電池の排気流路から水分を抽出しそれを反応物質供給路内に入れる水蒸気移送装置などの自給手段を必要とすることがある。
【０００６】
残念ながら、加湿装置（およびそれらの補助制御システム）の使用は、追加的な燃料電池システムの重量、サイズおよび複雑性を伴うとともに、そのような構成要素が動作するための動力源を必要とする状況での燃料電池の出力または効率の低減も伴う。このような欠点は、しばしば冗長な構成要素が、普通なら乗客、快適性または安全機能のために使用された以前の車両スペースを塞ぐことになるので、車両ベースの燃料電池用途では特に厄介である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、従来の手法に関連するコスト、複雑性または操作性を回避するために、燃料電池を水和させる統合的手法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
これらの必要性は、電気化学変換アセンブリ（燃料電池システムなど）と、以下で論じる機能を組み入れたこのアセンブリを動作させる方法とが開示される本発明によって満たされる。この文脈では、「燃料電池」という用語は、酸化体および還元体を電気に電気化学的変換するための単一電池を意味することがあり、あるいは、電池の直列接続および付随する出力電圧の増大を可能にするスタックまたは関連する構成の多数のそのような電池を意味することもある。
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、燃料電池アセンブリが、アノードと、カソードと、反応物流路と、それらの間で水分の交換を可能にするために、それらの流路のうちの１つの一部分に隣接して配置された水輸送ユニットとを備える少なくとも１つの燃料電池を含む。流路の一部分はアノードと流体伝達し、他の部分はカソードと流体伝達する。流路のうちの少なくとも１つは、活性領域および不活性領域を画定しており、活性領域は、反応物（流体からの酸素や水素など）の一方または両方の電気化学反応が起こるアノードまたはカソード上の場所全体に対応し、不活性領域は、電気化学反応がほとんどまたはまったく起こらない場所である。活性領域と不活性領域を区分する１つの方法では、活性領域に触媒を含有させるが、不活性領域には含有させない。水輸送ユニットは、水分リッチの燃料電池の流路から水を抽出するとともに、その水を（通常は蒸気の状態で）低水分の（または水分のない）燃料電池流路内に再導入するために、不活性領域内で使用される。この装置は、水分受容流体チャネルから分離した水分供与流体チャネルを含む。水分供与流体チャネルは、少なくとも１つの水分リッチ流路と流体伝達し、水分受容流体チャネルは、加湿を必要とする燃料電池の一部分と流体伝達する。この文脈では、水分リッチ流路は、液体、蒸気またはそれらの組合せの形をとる過剰な水分を含むものである。水分受容流体チャネルは、水分供与流体チャネルと協働し、その結果、水分供与流体が水分供与流体チャネルを通過したときに、それに含まれた水の少なくともいくらかが、水分受容流体チャネルまで移動し加湿を必要とする燃料電池の一部分まで移動する。
【００１０】
オプションとして、活性領域は、少なくとも１つの燃料電池の実質的な中心部を画定していてもよい。一形態では、活性領域は、分割された不活性領域で囲まれていてもよく、別の形態では、活性領域は、ステーション線（ｓｔａｔｉｏｎ  ｌｉｎｅ）によって不活性領域から分離されていてもよい。いずれにしても、不活性領域が電解質の代わりに親水性拡散媒体しか含まないことが好ましいので、不活性領域から活性領域を切り離すＭＥＡ内に電解質を使用する。さらに、アノード流路およびカソード流路は、互いに実質的な対向流関係にある。さらに、アセンブリは、複数の流路の向い合う両端に配置された流れヘッダをさらに含む。一形態では、それらのヘッダは、カソード流路、アノード流路および冷媒流路用の入口マニホールドおよび出口マニホールドを画定し、冷媒流路は、冷媒と隣接するアノードとの間の熱交換が行われるように、アノードおよびカソードの少なくとも一方に隣接して配置される。水分供与流体チャネルおよび水分受容流体チャネルは、水分移動を最大にするために互いに実質的な対向流関係で配置される。水分供与流体チャネルおよび水分受容流体チャネルは、それらが燃料電池の厚みをあまり増大させないように、薄膜状であることが好ましい。例えば、薄膜形状は、アノード層とカソード層の間に配置されるガスケット様構造体に似ていてもよい。このように、水輸送ユニットの薄膜形状は、サンドイッチすなわち積層構造に似ている。構成にかかわらず、構成の親水性という性質は、水分供与フィルム層から水分受容フィルム層までの水分の毛管作用を促進する。水分供与流体チャネルおよび水分受容流体チャネルは、少なくとも片側が実質的に親水性拡散媒体で覆われている水分透過膜によって分離されていることが好ましい。これにより、その媒体が芯として作用して適切なアノード流路またはカソード流路から液体水を取り出すことが可能になり、そのことは、流路を液体水の蓄積のない状態に保つのに役立つ。さらに、それは、動作時の過渡現象に関して有益となりうる水緩衝器を作り出す。
【００１１】
他のオプションでは、水分供与流体チャネルは、カソード流路に流体結合される。これにより、カソードに生成された排出流体が、水分供与流体チャネルを流れてその水の少なくとも一部を手放すことが可能になる。この実施形態は、アノード流れ（ａｎｏｄｅ  ｆｌｏｗ）が単一パスの形で生じる（すなわち、アノード再循環を有していない）燃料電池システムにおいて特に有用となりうる。より特定のオプションでは、水分受容流体チャネルは、アノード流路に流体結合される。したがって、水分供与流体チャネルから水を受け取ったときに、水分受容流体チャネルは、その水を水素含有流体まで運ぶことができ、その水素含有流体は、アノードに運ばれることができる。他のオプションでは、車両が、車両用動力源として働く燃料電池アセンブリを備えることができる。そのような車両の例としては、（それらだけに限定されないが）自動車、トラック、バス、航空機、船、宇宙船、オートバイなどがある。
【００１２】
本発明の他の態様によれば、燃料電池アセンブリ用の流れ場プレートが開示される。このプレートは、プレートの表面に形成された反応物流路と、この流路を実質的に囲むフレームと、フレームと流路の間に配置された１つまたは複数の流れヘッダと、水輸送ユニットとを含む。反応物流路は、先の態様で説明されたものと類似の活性領域および不活性領域を含む。流れヘッダは、一方の中の水分が他方に置き換えられうるように、フレームと反応物流路の間に配置され、不活性領域に隣接している。水輸送ユニットは、加湿を必要とする燃料電池の１つまたは複数の部分がそれを受けることができるように、先に説明されたものと同様のものである。
【００１３】
オプションとして、プレートは、互いに固定された少なくともアノードプレートおよびカソードプレートを含む多くのプレートで構成される。好ましい一形態では、アノードプレートおよびカソードプレートは、両極性プレートを形成する。このプレートは、熱をプレートへまたはプレートから伝達する助けとなる少なくとも１つの冷却流路も含む。他のオプションでは、水輸送ユニットは、互いに実質的な積層構造を画定するようにアノードとカソードの間に配置される。この文脈では、「積層」という用語は単に、水輸送ユニットが電極間に配置された全体的にサンドイッチ状の構造を意味し、従来型積層体のボンディングまたは接着手法がかかる構造の連続性を保証するために必要とされることを示すことを意味するものではない。他のオプションとして、水輸送ユニットは、それがフレーム内に置かれたときにガスケットとして働くような寸法でもよい。このように、装置は、様々なアノードまたはカソードの間に挟まれていてもよい薄板状部材である。
【００１４】
本発明の他の態様によれば、燃料電池を動作させる方法が開示される。この方法は、電気化学変換反応において反応物を組み合わせて電流および水を生成するステップと、水が水輸送ユニットと燃料電池の間で交換されうるように、水の少なくともいくらかを燃料電池に結合された水輸送ユニットを介して運ぶステップとを含む。燃料電池は、アノードおよびその関連流路と、カソードおよびその関連流路と、アノードとカソードの間に配置された電解質と、上述の水輸送ユニットとを構成する１つまたは複数のプレート（複数のプレートがスタックを画定する）を含む。水輸送ユニットは、先に説明されたものと同様の第１および第２の部分を含む。
【００１５】
水輸送ユニットの第１の部分と流体伝達する流路は、先の態様のうちの１つまたは複数に記載されたものに両方とも実質的に類似している活性領域および不活性領域を含むことが好ましい。特定のオプションでは、水輸送ユニットの第１の部分は、燃料電池の動作時に水含有排出流体がカソードおよびカソード流路から水輸送ユニットの第１の部分を介して運ばれるように、カソードおよびカソード流路と流体伝達する。
【００１６】
本発明の以下の詳細説明は、同じ構造が同じ参照符号で示されている添付図面に関連して読んだときに最も良く理解されうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
最初に図１および５を参照すると、ブロック図が、本発明による可搬用燃料電池システム１の主要構成要素を強調表示する（図１）とともに、自動車用途の燃料電池システムの代表的配置を示す（図５）。詳細には図１を参照すると、システム１は、（燃料源１００Ａ、酸素源１００Ｂおよび１つまたは複数の圧縮機１００Ｃで構成された）反応物送出しシステム１００と、燃料処理システム２００と、燃料電池３００と、１つまたは複数のエネルギー貯蔵装置４００、ドライブトレイン（ｄｒｉｖｅｔｒａｉｎ）５００と、概念上車輪で示されている１つまたは複数の動力装置６００とを含む。燃料電池３００は、アノード３１０、カソード３３０、およびアノード３１０とカソード３３０の間に配置された電解質層３２０を含む。すべてのシステムが圧縮機を必要としうるとは限らないことが、当業者によって理解されるであろう。たとえば、燃料源１００Ａまたは酸素源１００Ｂの一方または両方が加圧タンクまたは関連する容器によって供給される構成では、そのような圧縮機は省略されうる。このシステム１は、モバイル（車両など）用途として示されているが、燃料電池３００およびその補助装置が固定用途に同等に適用可能であることが、当業者によって理解されるであろう。図１には単一の燃料電池３００しか示されていないが、燃料電池システム１がかかる電池の直列接続されたスタックで製作されうることが当業者によって理解されるであろう。詳細には図５を参照すると、そのようなスタック３０００の使用は、特に車両および関連応用分野に関係する。
【００１８】
燃料処理システム２００は、燃料電池３００に使用するメタノールなどの原燃料を水素または水素リッチ燃料に変換するために組み込まれてもよく、そうではなく、燃料源１００Ａが実質的に純粋な水素を既に供給している構成では、燃料処理システム２００は必要ないかもしれない。エネルギー貯蔵装置４００は、１つまたは複数のバッテリ、コンデンサ、または電気コンバータの形をとることができ、あるいは、燃料電池３００によってもたらされた電流を、ドライブトレイン５００および１つまたは複数の動力装置６００を操作するために使用されうる回転軸動力などの機械力に変換する電動機の形をとることもできる。
【００１９】
詳細には図２を参照すると、両極性プレート（簡単に「プレート」とも称される）３０１のカソード側の様々な特徴が、その中に形成された流路３０５を構成する様々な流れチャネルの部分図とともに示されている。この図は、カソード３３０（図示せず）と向き合う両極性プレート３０１の面を示すが、プレート３０１の反対側が、本発明がどのように機能するのかを検討するのに同様に適用可能であることが理解されるであろう。この文脈では、「流れチャネル」という用語は、アノード流れチャネル３０５Ａ、カソード流れチャネル３０５Ｂおよびオプションの冷媒流れチャネル３０５Ｃを含む流路３０５を構成する様々な形態の流れチャネルを全体的に包含するために使用される。例として、カソード流れチャネル３０５Ｂの部分図が示されている。組立燃料電池では、プレート３０１とそれぞれのアノードまたはカソードの拡散媒体との間に形成された流れチャネルが対応する反応物の流れを容易にするように、個々のＭＢＡ（図示せず）が両極性プレート３０１上に重ね合わされる。プレート３０１の流路の詳細は、他の従来型燃料電池のカソード側に対するものであるが、そのような構成が、アノード（図示せず）にも同様に適用可能となることが、当業者によって理解されるであろう。当業者によって理解されるように、カソード３３０の拡散媒体は、プレート３０１の一方の面と対合し、アノード３１０の拡散媒体は、他方の反対面と対合する。フレーム３０２が、プレート３０１の外側境界を画定するために使用され、プレートの封止、剛性などを向上させるために直立するリップまたはフランジを含んでいてもよい。フレーム３０２内に形成された流れヘッダ３０３、３０４は、向い合う側縁部にそれらの間に配設された流路３０５を取り囲む。ヘッダ３０３、３０４は、それらの中に流れ開口部を画定して、適切な反応物を、それらの対応する両極性プレート内の電極に、互いに積層されている場合は積層プレート全体に供給できるようにする。プレート３０１のアノード流路およびカソード流路における流体移動の好ましい方向が対向流であるので、ヘッダ３０３は、カソード入口マニホールド３０３Ｂとアノード出口マニホールド３０３Ａとを含む。オプションの冷媒マニホールド３０３Ｃも示されている。同様に、ヘッダ３０４は、カソード出口マニホールド３０４Ｂとアノード入口マニホールド３０４Ａとを含む。冷媒マニホールド３０４Ｃは、一方のヘッダから他方のヘッダまで延びる冷媒流路（図示せず）を介して冷媒マニホールド３０３Ｃと流体結合される。同様に、アノード流路（図示されていないが、当業者に知られているような並列配置された多数の個々の流れチャネルで構成され、カソード流れチャネル３０５Ｂとして示されているものに類似していてもよい）が、水素含有流体の流路を構築するために２つのアノードマニホールド３０３Ａ、３０４Ａの間に延びる。
【００２０】
流路３０５は、酸素含有反応物が通過する流体連続導管、配管または関連流れチャネルを互いに画定する活性領域３０６および不活性領域（加湿器領域とも呼ばれる）３０７を含む。活性領域３０６が、流路長および関連接触面積を増大させるための方法として、当技術分野で知られているように個々の流れチャネルによって形成された様々な屈曲部、湾曲部または関連蛇行パターンを含んでいてもよいことが理解されるであろう。この文脈では、活性領域３０６は、反応物の電気化学的組合せが電子流、熱および水蒸気を発生させるように、拡散媒体で覆われる（好ましくは触媒で覆われる）ことになる流路３０５の一部分である。対照的に、不活性領域３０７は、触媒を含まないが、代わりに水分リッチ流路と水分不足流路の間に水輸送能力を提供する流路３０５の一部分である。したがって、不活性領域３０７は、活性領域３０６とヘッダ３０３、３０４との間の反応物の連続的な流れを保証するが、電気化学反応による電気の発生にはまったく寄与しない。カソード３３０における水素と酸素の反応の副産物として水が形成されることにより、カソード３３０は燃料電池３００の「ウェット」エンドと呼ばれ、アノード３１０は「ドライ」エンドと呼ばれる。したがって、ウェットエンドを流れた流体は、酸素に加えて水分含有量（例えば湿度の形をとる）が増加して、水分リッチ流体になる。
【００２１】
次に図３、３Ａおよび３Ｂを参照すると、両極性プレート３０１の代替構成では、流路３０５の不活性領域３０７が、それが流れヘッダ３０３、３０４の両方ではなく一方に隣接するために、どのように電池の一方の面に位置付けられうるのかを示す。詳細には図３を参照すると、図面は、カソード３３０を通過する酸素含有流体用の個別のカソード流れチャネル３０５Ｂを示すとともに、流れヘッダ３０４内のアノード入口３０４Ａで始まり流れヘッダ３０３内のアノード出口３０３Ａまで延びる、水素含有流体の個別のアノード流れチャネル３０５Ａ上の流れを（プレート３０１の他方の面における）破線で示す。詳細には図３の各種ステーション線に沿った図３Ａおよび３Ｂを参照すると、両極性プレート３０１およびアノード３１０とカソード３３０と電解質（すなわち膜）３２０との積層状態を示す断面図が、種々の流路３０５Ａ、３０５Ｂおよび３０５Ｃの協働を示す。活性領域３０６を画定する両極性プレート３０１の一部に対応する図３Ａでは、当技術分野でよく知られているように、アノード３１０、カソード３３０と電解質３２０との間に電気化学反応物が生じる。図３Ｂは、この図が不活性領域３０７を画定する両極性プレート３０１の一部に対応すること、ならびに電解質３２０が水輸送ユニット９００で置き換えられていることに基づくことを除けば、図３Ａと全体的に類似している（以下により詳細に論じる）。この場合、アノードの拡散媒体全体にわたって加湿が行われる。この媒体は、親水性層、ウィッキングを促進するためのコーティングまたは構造、あるいはアノード排気（以下に水分供与流体チャネル９１０として概略的に説明される）を使用したカソード入口流れ（以下に水分受容流体チャネル９２０として概略的に説明される）に対する他の加湿促進挙動を含んでいてもよい。１つの特に好ましい構成はアノード流路にリサイクルループを使用し、したがって、再循環ループがアノードを流れる流体の湿度を上昇させる。
【００２２】
次に図４Ａを参照すると、水輸送ユニット９００を燃料電池３００およびその両極性プレート３０１に形成したものを示す簡略ブロック図が示されている。加湿装置が個々の電池または個別ＭＥＡ間の両極性プレートから離れて置かれることになる従来の手法とは異なり、水輸送ユニット９００と各燃料電池３００およびそのコンパニオンの両極性プレート３０１との並置は、高度な一体化および付随するスペース節減を意味する。この図は、燃料電池スタック３０００におけるカソード流れ３３００の加湿を示す。この実施形態は、アノード流れ３１００がポンプ１０００または関連装置を使用してリサイクルされるときに好ましい。リサイクルにより流速が増加すると、プレート３０１の不活性（加湿器）領域３０７のアノード側により多くの水を運び、その結果カソード流れ３３００の加湿を増加させる。さらに、液体水のアノード流れ３１００からの除去は、プレート３０１のアノード側の活性領域３０６における閉塞および付随する水素欠乏の可能性を低減する。これは、ＭＥＡの劣化を抑えるのに有利である。再循環アノード流れ３１００からの水の除去を促進するために、水が蒸発してカソード流れ３３００になるときに、プレート３０１の加湿領域３０７のアノード側にある親水性拡散媒体が芯および水緩衝器として働くはずである。
【００２３】
次に図４Ｂを参照すると、水蒸気を水分リッチ・フローストリーム（ｆｌｏｗ  ｓｔｒｅａｍ）から低水分フローストリームまで移送するための水輸送ユニット（水蒸気移送ユニットとも呼ばれる）９００が示されている。装置９００は、水分供与流体チャネル９１０と、水分受容流体チャネル９２０と、第１および第２の表面９３０Ａおよび９３０Ｂを有する水輸送膜９３０と、拡散媒９４０とを含む。第１の表面９３０Ａは水分供与流体にさらされ、第２の表面９３０Ｂは水分受容流体にさらされる。このようにして、第１の表面９３０Ａは、材料の特性または処理によりその厚み全体にわたって本質的に親水性の親水性拡散媒体になる。好ましい一実施形態では（必ずではないが）、それは、第１の表面９３０Ａに隣接する水分供与流体チャネル９１０であるアノード流路である。水分受容流体チャネル９２０上の拡散媒体９４０の一部は、親水性である必要はない。水分供与側にある親水性拡散媒体９４０は、２つの有益な機能を果たす。第１の機能は、流れチャネルから液体水を取り出して、その流れチャネルが氾濫しないようにする。第２の機能は、水輸送膜９３０に液体水を保持させることにより、水輸送膜９３０は、水分受容流体チャネル９２０へのより安定した水の供給をもたらし、それによって水緩衝器として作用する。言い換えれば、この緩衝作用は、親水性拡散媒体９４０の液体水を蓄える性向により水和した膜９３０が、周期的な水の放出が起こりうる燃料電池３００の動作状態に保たれるので、燃料電池３００のより安定した加湿を保証することができる。さらに、いくつかの膜材料は、液体水が水分供与流体チャネル９１０に面する（すなわち隣接する）膜９３０の表面と接触したときにより高い性能を示す。水輸送ユニット９００は、液体または蒸気の形の水分供与流体とともに機能し、膜９３０は一般に、流体に含まれる水が液体であるときにより良く機能する。さらに、親水性拡散媒体９４０の可撓性多孔質構造により、水輸送ユニット９００の水分供与流体チャネル９１０内に捕捉された水は、凍結融解サイクルに耐えるようにする凍結条件の間に層に吸い取られる。図示のように、２つのチャネルは互いに対向流の関係にあり、したがって、水分受容流体チャネル９２０内の流体は、湿度がほとんどないまたはまったくない状態で示されている左側に入り、水分供与流体チャネル９１０内の右から左へ流れる流体から水を受け取った後、湿度レベルが上昇した状態の右側から去る。水輸送ユニット９００は、膜９３０および拡散媒体９４０とともに１対の全体的に長方形のフィルム状チャネル９１０および９２０として示されているが、チャネル、膜および拡散媒体が様々な形状のうちのいずれでもよいことが理解されるであろう。図４Ｂに示された図が原寸に比例して描かれていないこと、ならびに、その中の様々な要素の間のスペースが表示されているよりもかなり小さいことも理解されるであろう。
【００２４】
本発明を説明する目的で特定の代表的な実施形態および詳細を示してきたが、添付の特許請求の範囲に定義されている本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更がなされうることが当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】車両用に構成された燃料電池システムのブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による内蔵水蒸気伝達ユニットを有する燃料電池の両極性プレートのカソード側の上面図である。
【図３】図２の両極性プレートの代替実施形態を示す図である。
【図３Ａ】図３の両極性プレートの活性領域内の断面図である。
【図３Ｂ】図３の両極性プレートの不活性領域内の断面図である。
【図４Ａ】水蒸気移送ユニットと図２の燃料電池内の反応物質用流路のうちの少なくとも１つとの間の協働の流れ図である。
【図４Ｂ】図４Ａの水蒸気伝達ユニットをより詳細に示す図である。
【図５】本発明の燃料電池システムを用いた車両を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  可搬用燃料電池システム
１００  反応物送出しシステム
１００Ａ  燃料源
１００Ｂ  酸素源
１００Ｃ  圧縮機
２００  燃料処理システム
３００  燃料電池
３０１  両極性プレート
３０２  フレーム
３０３  流れヘッダ
３０３Ａ  アノード出口マニホールド
３０３Ｂ  カソード入口マニホールド
３０３Ｃ  冷媒マニホールド
３０４  流れヘッダ
３０４Ａ  アノード入口マニホールド
３０４Ｂ  カソード出口マニホールド
３０４Ｃ  冷媒マニホールド
３０５  流路
３０５Ａ  アノード流れチャネル
３０５Ｂ  カソード流れチャネル
３０５Ｃ  冷媒流れチャネル
３０６  活性領域
３０７  不活性領域、加湿器領域
３１０  アノード
３２０  電解質層
３３０  カソード
４００  エネルギー貯蔵システム
５００  ドライブトレイン
６００  動力装置
９００  水輸送ユニット
９１０  水分供与流体チャネル
９２０  水分受容流体チャネル
９３０  水移送膜
９３０Ａ  第１の表面
９３０Ｂ  第２の表面
９４０  拡散媒体
３０００  燃料電池スタック
３１００  アノード流れ
３３００  カソード流れ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【外国語明細書】
2007227377000001.pdf