(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽子透過膜、該膜の一方の面にある触媒アノード層、該膜の他方の面にある触媒カソード層、及び、該カソード及びアノード層の各々に亘ってガス流れ場を画成する、該カソード及びアノード層のガス分配層を含み、前記膜、前記触媒層及び前記ガス分配層は、第１及び第２の両側エッジを有するサンドウィッチ構造を形成する、陽子交換膜の燃料電池であって、
前記ガス分配層の各々は、複数の略平行なセグメントへと分割された伝導多孔性媒体のシートを含み、
前記セグメントの各々は、前記サンドウィッチ構造の第１のエッジから第２の両側エッジまで延在し、これによって、各々の触媒層を横切って延在する複数の略平行な多孔性反応経路を画成し、
更に、各々の前記ガス分配層のセグメントは、各シートの多孔率を空間的に変化させるように該各シートを所定間隔で圧縮することによって、該各シートにより提供されるガス状流れに対する抵抗を空間的に変化させられていることを特徴とする、前記燃料電池。
【請求項２】
陽子透過膜、該膜の一方の面にある触媒アノード層、該膜の他方の面にある触媒カソード層、及び、該カソード及びアノード層の各々に亘ってガス流れ場を画成する、該カソード及びアノード層のガス分配層を含み、前記膜、前記触媒層及び前記ガス分配層は、第１及び第２の両側エッジを有するサンドウィッチ構造を形成する、陽子交換膜の燃料電池であって、
前記ガス分配層の各々は、複数の略平行なセグメントへと分割された伝導多孔性媒体のシートを含み、
前記セグメントの各々は、前記サンドウィッチ構造の第１のエッジから第２の両側エッジまで延在し、これによって、各々の触媒層を横切って延在する複数の略平行な多孔性反応経路を画成し、
更に、各々の前記ガス分配層のセグメントは、各シートの厚さを空間的に変化させることによって、該各シートにより提供されるガス状流れに対する抵抗を空間的に変化させられていることを特徴とする、前記燃料電池。
【請求項３】
陽子透過膜、該膜の一方の面にある触媒アノード層、該膜の他方の面にある触媒カソード層、及び、該カソード及びアノード層の各々に亘ってガス流れ場を画成する、該カソード及びアノード層のガス分配層を含み、前記膜、前記触媒層及び前記ガス分配層は、第１及び第２の両側エッジを有するサンドウィッチ構造を形成する、陽子交換膜の燃料電池であって、
前記ガス分配層の各々は、複数の略平行なセグメントへと分割された伝導多孔性媒体のシートを含み、
前記セグメントの各々は、前記サンドウィッチ構造の第１のエッジから第２の両側エッジまで延在し、これによって、各々の触媒層を横切って延在する複数の略平行な多孔性反応経路を画成し、
更に、各々の前記ガス分配層のセグメントは、各シートの厚さ及び多孔率を空間的に変化させることによって、該各シートにより提供されるガス状流れに対する抵抗を空間的に変化させられていることを特徴とする、前記燃料電池。
【請求項４】
前記多孔性媒体は、発泡媒体である、請求項１乃至３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記発泡媒体は、開気泡の発泡媒体である、請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記発泡媒体は、伝導グラファイト発泡媒体である、請求項４に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記発泡媒体は、伝導金属発泡媒体である、請求項４に記載の燃料電池。
【請求項８】
複数の積み重ねられた燃料電池を含む陽子交換膜の燃料電池スタックであって、
各々の燃料電池は、
陽子透過膜と、
前記膜の一方の面にある触媒アノード層と、
前記膜の他方の面にある触媒カソード層と、
前記触媒層の各々に対面して配置された多孔性材料のシートであって、各シートは、入口及び出口の両長さ方向エッジを有し、各シートにより提供される、ガス状流れに対する抵抗は該シートに沿って長さ方向に変化し、該シートを該入口エッジから該出口エッジまで延在する略平行な複数のセグメントに分割し、これによって、各触媒層を横切って延在する略平行な複数の多孔性反応経路を画成する、前記多孔性材料のシートと、
を含み、
前記燃料電池スタックは、マニホルドストリップを備えるマニホルド構造を更に備え、該マニホルドストリップは、各燃料電池の前記多孔性シートの前記入口エッジ及び出口エッジの各々に沿って配置され、各燃料電池の各シートの各セグメントの入口端部に反応ガスを配給し、各燃料電池の各シートの各セグメントの出口端部から反応ガスを受け取るように作動し、
前記マニホルド構造は、各燃料電池の各シートの前記セグメントの入口端部に沿って配置された入口マニホルドストリップと、各燃料電池の各シートの前記セグメントの出口端部に沿って配置された出口マニホルドストリップと、を備え、
各々の入口マニホルドストリップは、外側エッジと、夫々のセグメントの入口端部の近傍に配置された内側端部とを備え、
前記外側エッジの近傍にある各入口マニホルドストリップの外側部分は、反応ガスを含む各々の流体を夫々のセグメントに配給するための複数の連続して配置された垂直入口通路を画成し、
前記内側エッジの近傍にある各入口マニホルドストリップの内側部分は、各々のシートのセグメントの前記入口端部と連通する水平通路を画成し、
入口マニホルドストリップのうち幾つかは、前記垂直入口通路の１つと前記水平通路との間に通路手段を備え、その一方で残りの垂直入口通路と該水平通路との間の連通を遮蔽し、これによって、第１の反応ガスを、前記１つの入口通路と前記水平通路とを通して各々のシートの前記セグメントの前記入口端部に配給し、
入口マニホルドストリップのうち他方の幾つかは、前記垂直入口通路のうち別の通路と前記水平通路との間に通路手段を備え、その一方で残りの垂直入口通路と該水平通路との間の連通を遮蔽し、これによって、第２の反応ガスを、前記別の入口通路と前記水平通路とを通して各々のシートの前記セグメントの前記入口端部に配給する、燃料電池スタック。
【請求項９】
前記燃料電池スタックは、少なくとも幾つかの燃料電池の間に冷却層を更に備え、
入口マニホルドストリップが、各々の冷却層の入口エッジに沿って配置され、出口マニホルドストリップが、各々の冷却層の出口エッジに沿って配置され、
各々の冷却層の前記入口エッジに沿って配置された前記入口マニホルドストリップは、更なる垂直入口通路と前記水平通路との間に通路手段を備え、その一方で残りの垂直入口通路と該水平通路との間の連通を遮蔽し、これによって、冷却流体を、前記更なる入口通路と前記水平通路とを通して前記冷却層に配給する、請求項８に記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
各々の入口ストリップの各水平通路は、複数の水平副通路に分割され、該副通路の各々が各セグメントの前記入口端部と整列され且つこれと連通する、請求項８に記載の燃料電池スタック。
【請求項１１】
各々の出口マニホルドストリップは、外側エッジと、夫々のセグメントの出口端部の近傍に配置された内側端部とを備え、
前記外側エッジの近傍にある各出口マニホルドストリップの外側部分は、各々のセグメントから、反応ガスを含む各々の流体を受け取るための複数の連続して整列された垂直出口通路を画成し、
前記内側エッジの近傍にある各出口マニホルドストリップの内側部分は、各々のシートのセグメントの前記出口端部と連通する水平通路を画成し、
出口マニホルドストリップのうち幾つかは、前記垂直入口通路の１つと前記水平通路との間に通路手段を備え、その一方で残りの出口通路と該水平通路との間の連通を遮蔽し、これによって、第１の反応ガスを、各々のシートの前記セグメントの前記出口端部から前記水平通路と前記１つの出口通路とを通して排気する、請求項８に記載の燃料電池スタック。
【請求項１２】
陽子透過膜、該膜の一方の面にある触媒アノード層、該膜の他方の面にある触媒カソード層、及び、該カソード及びアノード層の各々に亘ってガス流れ場を画成する、該カソード及びアノード層のガス分配層を含み、前記膜、前記触媒層及び前記ガス分配層は、第１及び第２の両側エッジを有するサンドウィッチ構造を形成する、陽子交換膜の燃料電池であって、
前記ガス分配層の各々は、伝導発泡媒体のシートであり、
各々の前記ガス分配層のセグメントは、各シートの多孔率を空間的に変化させるように該各シートを所定間隔で圧縮することによって、該各シートにより提供される流れに対する抵抗を空間的に変化させられていることを特徴とする、前記燃料電池。
【請求項１３】
陽子透過膜、該膜の一方の面にある触媒アノード層、該膜の他方の面にある触媒カソード層、及び、該カソード及びアノード層の各々に亘ってガス流れ場を画成する、該カソード及びアノード層のガス分配層を含み、前記膜、前記触媒層及び前記ガス分配層は、第１及び第２の両側エッジを有するサンドウィッチ構造を形成する、陽子交換膜の燃料電池であって、
前記ガス分配層の各々は、伝導発泡媒体のシートであり、
各々の前記ガス分配層のセグメントは、各シートの厚さを空間的に変化させることによって、該各シートにより提供される流れに対する抵抗を空間的に変化させられていることを特徴とする、前記燃料電池。
【請求項１４】
陽子透過膜、該膜の一方の面にある触媒アノード層、該膜の他方の面にある触媒カソード層、及び、該カソード及びアノード層の各々に亘ってガス流れ場を画成する、該カソード及びアノード層のガス分配層を含み、前記膜、前記触媒層及び前記ガス分配層は、第１及び第２の両側エッジを有するサンドウィッチ構造を形成する、陽子交換膜の燃料電池であって、
前記ガス分配層の各々は、伝導発泡媒体のシートであり、
各々の前記ガス分配層のセグメントは、各シートの厚さ及び多孔率を空間的に変化させることによって、該各シートにより提供される流れに対する抵抗を空間的に変化させられていることを特徴とする、前記燃料電池。
【請求項１５】
前記発泡媒体は、開気泡の発泡媒体である、請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記発泡媒体は、伝導グラファイト発泡媒体である、請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記発泡媒体は、伝導金属発泡媒体である、請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１８】
複数の積み重ねられた燃料電池を含む陽子交換膜の燃料電池スタックであって、
各々の燃料電池は、
陽子透過膜と、
前記膜の一方の面にある触媒アノード層と、
前記膜の他方の面にある触媒カソード層と、
前記触媒層の各々に対面して配置されたガス分配層と、
各燃料電池の各ガス分配層の入口エッジに沿って配置された入口マニホルドストリップと、各燃料電池の各ガス分配層の出口エッジに沿って配置された出口マニホルドストリップと、を備えた、マニホルド構造と、を備え、
各々の入口マニホルドストリップは、外側エッジと、夫々のガス分配層の入口エッジの近傍に配置された内側端部とを備え、
前記外側エッジの近傍にある各入口マニホルドストリップの外側部分は、複数の連続して配置された垂直入口通路を画成し、
前記入口マニホルドストリップは、前記連続して配置された垂直入口通路に対応して連続して配置された垂直入口通路手段を画成するように整列された垂直入口通路と積み重ねられた関係で配列され、
前記内側エッジの近傍にある各入口マニホルドストリップの内側部分は、各々のガス分配層の前記入口エッジと連通する水平通路を画成し、
入口マニホルドストリップのうち幾つかは、前記垂直入口通路の１つと前記水平通路との間に通路手段を備え、その一方で残りの垂直入口通路と該水平通路との間の連通を遮蔽し、これによって、第１の反応ガスを、前記１つの入口通路と前記水平通路とに対応する通路手段を通して各々のガス分配層の前記入口エッジに配給し、
入口マニホルドストリップのうち他方の幾つかは、前記垂直入口通路のうち別の通路と前記水平通路との間に通路手段を備え、その一方で残りの垂直入口通路と該水平通路との間の連通を遮蔽し、これによって、第２の反応ガスを、前記別の入口通路と前記水平通路とに対応する通路手段を通して各々のガス分配層の前記入口エッジに配給することを特徴とする、前記燃料電池スタック。
【請求項１９】
前記燃料電池スタックは、少なくとも幾つかの燃料電池の間に冷却層を更に備え、
入口マニホルドストリップのうち１つが、前記ガス分配層の入口エッジに沿って配置された該入口マニホルドストリップと垂直に整列されて積み重ねられた関係で、各々の冷却層の入口エッジに沿って配置され、
各々の冷却層の前記入口エッジに沿って配置された前記入口マニホルドストリップは、更なる垂直入口通路と前記水平通路との間に通路手段を備え、その一方で残りの入口通路と該水平通路との間の連通を遮蔽し、これによって、冷却流体を、前記更なる入口通路と前記水平通路とに対応する前記通路手段を通して前記冷却層に配給する、請求項１８に記載の燃料電池スタック。
【請求項２０】
複数の積み重ねられた燃料電池を含む陽子交換膜の燃料電池スタックであって、
各々の燃料電池は、
陽子透過膜と、
前記膜の一方の面にある触媒アノード層と、
前記膜の他方の面にある触媒カソード層と、
前記触媒層の各々に対面して配置された発泡材料のシートであって、各シートは、入口及び出口の両長さ方向エッジを有し、各シートにより提供される、ガス状流れに対する抵抗は該シートに沿って長さ方向に変化し、該シートを該入口エッジから該出口エッジまで延在する略平行な複数のセグメントに分割し、これによって、各触媒層を横切って延在する略平行な複数の多孔性反応経路を画成する、前記発泡材料のシートと、
各燃料電池の各シートのセグメントの入口端部に沿って配置された入口マニホルドストリップと、各燃料電池の各シートの各セグメントの出口端部に沿って配置された出口マニホルドストリップと、を備えた、マニホルド構造と、を備え、
各々の入口マニホルドストリップは、外側エッジと、前記セグメントの入口端部の近傍に配置された内側端部とを備え、
前記外側エッジの近傍にある各入口マニホルドストリップの外側部分は、反応ガスを含む各々の流体を前記セグメントに配給するため複数の連続して配置された垂直入口通路を画成し、
前記内側エッジの近傍にある各入口マニホルドストリップの内側部分は、各々のシートのセグメントの前記入口端部と連通する水平通路を画成し、
入口マニホルドストリップのうち幾つかは、前記垂直入口通路の１つと前記水平通路との間に通路手段を備え、その一方で残りの垂直入口通路と該水平通路との間の連通を遮蔽し、これによって、第１の反応ガスを、前記１つの入口通路と前記水平通路とを通して各々の前記シートのセグメントの前記入口端部に配給し、
入口マニホルドストリップのうち他方の幾つかは、前記垂直入口通路のうち別の通路と前記水平通路との間に通路手段を備え、その一方で残りの垂直入口通路と該水平通路との間の連通を遮蔽し、これによって、第２の反応ガスを、前記別の入口通路と前記水平通路を通して各々の前記シートのセグメントの前記入口端部に配給することを特徴とする、前記燃料電池スタック。
【請求項２１】
前記燃料電池スタックは、少なくとも幾つかの燃料電池の間に冷却層を更に備え、
入口マニホルドストリップのうち１つが、前記ガス分配層の入口エッジに沿って配置された該入口マニホルドストリップと垂直に整列されて積み重ねられた関係で、各々の冷却層の入口エッジに沿って配置され、
各々の冷却層の前記入口エッジに沿って配置された前記入口マニホルドストリップは、更なる垂直入口通路と前記水平通路との間に通路手段を備え、その一方で残りの入口通路と該水平通路との間の連通を遮蔽し、これによって、冷却流体を、前記更なる入口通路と前記水平通路とに対応する通路手段を通して前記冷却層に配給する、請求項２０に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、より詳しくは、電力を生成するためＨ2の豊富なガスを消費する、複数の電池を有するシステムに関する。
【０００２】
【従来技術】
燃料電池は、多数の用途で電力源として使用されてきた。例えば、燃料電池は内燃機関に取って代わるため電気自動車の電力設備で使用するため提案されてきた。陽子交換膜（ＰＥＭ）型式の燃料電池では、水素が燃料電池のアノードに供給され、空気が酸化剤としてカソードに供給される。ＰＥＭ燃料電池は、薄い陽子透過性で非導電性の固体ポリマー膜電解質からなる「膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）」を備え、固体ポリマー膜電解質は、その一方の面にアノード触媒、反対側の面にカソード触媒を有している。ＭＥＡは、一対の導電性エレメントの間に挟まれ、該一対の導電性エレメントは、（１）アノード及びカソード用の電流コレクターとして役立ち、（２）各々のアノード及びカソードの触媒の表面に亘る燃料電池ガス状反応物の分配のための適切なチャンネル及び／又は開口を含む。典型的なＰＥＭ燃料電池及びその膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、１９９３年１２月２１日及び１９９４年５月３１日に各々付与され、本発明の譲受人であるゼネラル・モータース・コーポレーションに譲渡され、発明者スワセラジアンらが持っている、米国特許番号５，２７２，０１７号及び５，３１６，８７１号に記載されている。一般には、複数の個々の電池は燃料電池スタックを形成するため一緒に束ねられ、直列に配列されている。「燃料電池」という用語は、典型的には、文脈に応じて単一電池及び複数の電池（スタック）のいずれかに言及するため使用される。スタック内部の電池のグループは、クラスターと称される。スタック内における多数の電池の典型的な配列は、ゼネラル・モーターズ・コーポレーションに譲渡された、米国特許番号５，７６３，１１３号で説明されている。
【０００３】
ＰＥＭ燃料電池では、水素（Ｈ2）がアノード反応物（即ち燃料）であり、酸素がカソード反応物（即ち酸化剤）である。酸素は、純粋形態（Ｏ2）及び空気（Ｏ2とＮ2の混合物）のいずれでもよい。固体ポリマー電解質は、典型的には例えばペリフルオロ化スルホン酸（perfluoronated sulfonic acid）などのイオン交換樹脂から作られる。アノード／カソードは、典型的には細かく分割された触媒粒子を含み、これらの粒子は、しばしば炭素粒子に担持され、陽子伝達性樹脂と混合される。触媒粒子は、典型的には、高価な貴金属粒子である。これらの触媒化された電極を含む膜電極アセンブリは、製造する上で比較的高価であり、適切な水管理及び加湿を含む幾つかの条件、並びに、効率的な作動のため、例えば一酸化炭素（ＣＯ）などの触媒汚染成分の制御を必要とする。
【０００４】
車両の用途に対しては、燃料電池の水素源として、アルコール（例えばメタノール又はエタノール）又は炭化水素（例えばガソリン）などの液体燃料を使用することが望ましい。車両用のそのような液体燃料は、車上に搭載するのが容易であり、該液体を供給するための全国的な設備が存在する。しかし、これらの燃料は、燃料電池を燃料供給するため、それらの水素含有成分を解放するように分解されなければならない。この分解反応は、化学燃料プロセッサ即ち改質器内で達成される。燃料凹ロセッサは、１つ又はそれ以上の反応器を含み、該反応器では、燃料は、主要に水素及び二酸化炭素を含む改質ガスを与えるため、蒸気及び時折空気と反応する。例えば、蒸気メタノール改質プロセスでは、メタノール及び水（蒸気として）が理想的に反応され、水素及び二酸化炭素を生成する。実際には、一酸化炭素及び水も生成される。ガソリン改質プロセスでは、蒸気、空気及びガソリンが２つの区分を含む燃料プロセッサ内で反応される。１つの区分は、主要には部分酸化反応器（ＰＯＸ）であり、他方の区分は、主要には蒸気改質器（ＳＲ）である。燃料プロセッサは、水素、二酸化炭素、一酸化炭素及び水を生成する。下流の反応器は、水／ガスシフト（ＷＧＳ）反応器及び優先酸化（ＰＲＯＸ）反応器を備えてもよい。ＰＲＯＸでは、二酸化炭素（ＣＯ2）は、酸化剤として空気からの酸素を使用して一酸化炭素（ＣＯ）から生成される。ここでは、空気の供給の制御が、ＣＯをＣＯ2に選択的に酸化させるため重要である。
【０００５】
ＰＥＭ燃料電池により消費するための水素の豊富な燃料を生成するため炭化水素燃料を処理する燃料電池システムが知られており、本願発明の譲受人であるゼネラル・モータース・コーポレーションに各々譲渡された、１９９７年１１月に各々出願された現在係属中の米国特許出願シリアル番号０８／９７５，４２２号、０８／９８０，０８７号、及び、１９９８年１１月に出願された米国特許出願シリアル番号０９／１８７，１２５号、並びに、１９９８年３月５日に公開された国際特許出願公開番号ＷＯ９８／０８７７１号に説明されている。典型的なＰＥＭ燃料電池及びその膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、ゼネラル・モータース・コーポレーションに各々譲渡された、１９９３年１２月２１日及び１９９４年５月３１日に登録された米国特許番号５，２７２，０１７号及び５，３１６，８７１号に説明されている。
【０００６】
ＭＥＡを挟持する導電性エレメントは、各々のカソード及びアノードの表面に亘って、燃料電池のガス状反応物（即ち、水素及び空気の形態の酸素）を分配させるためその面に一列の溝を含む。燃料電池スタックでは、複数の電池が、ガス不浸透性の導電性両極プレートにより各々が分離されながら、電気的に直列に一緒に積み重ねられる。これまでのところ、両極プレートは、（１）２つの隣接する電池の間で導電性ガス分離エレメントとして、（２）膜のほぼ全表面に亘って反応ガスを分配させるため、（３）１つの電池のアノード及びスタック中で次の隣接する電池のカソードの間で電流を伝達させるため、（４）自動点火を防止するため反応ガスを分離させた状態にしておくため、（５）陽子交換膜を支持するため、及び、（６）ほとんどの場合には、内部熱交換面により画成され、且つ、冷却液がスタックから熱を除去するため流れるところの内部冷却通路を提供するため、という幾つかの機能を奏していた。両極プレートは、改質プロセスと連係されたガス圧力負荷、並びに、プレートにかかる圧縮負荷を受け入れる。例えば、このプレートは、一方の側に複数のチャンネル、他方の側に複数のチャンネルを備え、個々の側のチャンネルがランドにより分離されている。両側におけるランド及びチャンネルの構成は、ランド及びチャンネルが両極プレートの方につぶれ湾曲しないように配置されるため、両極プレートが圧縮負荷に耐えることができるようにしておかなければならない。両極プレートは、水素及び酸素を、両極プレートの上層にある陽子交換膜アセンブリに配給するため蛇行チャンネルを備える。該膜がチャンネル内につぶれてガスの流れを遮蔽することを防止するため、及び、チャンネルの上層にある膜の領域から両極プレートに導電経路を提供するため、グラファイトペーパーの一部品が、蛇行チャンネルに亘って配置される。
【０００７】
両極プレートは、金属から作られ得るが、該プレートは、他の材料から製造してもよい。例えば、両極プレートは、軽量（従来の金属プレートと比較して）、燃料電池環境において、耐腐食性、及び、導電性を持つ、グラファイトからしばしば製作される。しかし、グラファイトは、壊れやすく、機械的に操作することを困難にさせ、金属と比較して低い電気伝導度及び熱伝導度を有する。最終的には、グラファイトは、低重量、低体積、低内部抵抗の燃料電池スタックため望ましい、非常に薄いガス不浸透性のプレートを作ることを事実上不可能にする。
【０００８】
ノイツラーの米国特許番号５，７７６，６２４号は、このチャンネル型式の金属両極プレート及びＰＥＭアセンブリを開示している。これらの従来技術の両極プレート及びＰＥＭアセンブリは重く、かさばり、製造及び組み立てが困難であり、製造する上でコスト高である。
【０００９】
これとは対照的に、燃料電池システムの効率的な作動は、燃料電池の与えられたサイズ、重量及びコストに対する電気エネルギーの有意な量を生成するため燃料電池の能力に依存する。与えられたサイズ、重量及びコストに対する燃料電池の電気エネルギー出力は、全ての自動車部品のサイズ、重量及びコストが効率的な製造及び自動車の作動に特に重要である自動車用途にとって特に重要である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、特に自動車の用途にとって、燃料電池の与えられたサイズ、重量及びコストに対して増加した量の電気エネルギーを生成する燃料電池構成を提供することが望ましい。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、陽子透過膜、該膜の一方の面にある触媒アノード層、該膜の他方の面にある触媒カソード層、及び、該カソード及びアノード層の各々に亘ってガス流れ場を画成する、該カソード及びアノード層のガス分配層を含み、前記膜、前記触媒層及び前記ガス分配層は、第１及び第２の両側エッジを有するサンドウィッチ構造を形成する、陽子交換膜の燃料電池に関する。
【００１２】
本発明によれば、ガス分配層の各々は、複数の略平行なセグメントへと分割された伝導多孔性媒体を含み、該セグメントの各々は、サンドウィッチ構造の第１のエッジから第２の両側エッジまで延在し、これによって、各々の触媒層を横切って延在する複数の略平行な多孔性反応経路を画成する。この構成によれば、平行なセグメントの間に交差移動がほとんどか或いは全く発生せず、これによって、触媒層の表面に亘ってガスの均一な分布を確実にする。
【００１３】
本発明の更なる特徴によれば、多孔性媒体は発泡媒体である。発泡媒体の使用は、本発明の構成の安価で軽量な態様に寄与する。本発明の開示された実施形態では、発泡媒体は、開気泡の発泡媒体である。
【００１４】
本発明の更なる特徴によれば、各ガス分配層は、多孔性媒体のシートであり、各分配層のセグメントは、各シートにより提供される、ガス状流れに対する抵抗を空間的に変化させることによって画成される。この構成は、多孔性媒体の個々の平行セグメントを与える簡単で安価な手段を提供する。本発明の一実施形態では、流れに対する抵抗は、各シートの多孔率を空間的に変化させることにより空間的に変化させられる。別の実施形態では、流れに対する抵抗は、各シートの厚さを空間的に変化させることにより空間的に変化させられる。更なる実施形態では、流れに対する抵抗は、各シートの厚さ及び多孔率を空間的に変化させることにより空間的に変化させられる。
【００１５】
本発明の更なる特徴によれば、発泡媒体は、伝導グラファイト発泡媒体又は伝導金属発泡媒体のいずれかである。これら比較的安価な伝導発泡媒体の使用は、性能に犠牲を払うことなく、燃料電池のコストの減少に更に寄与する。
【００１６】
複数の積み重ねられた燃料電池を備える燃料電池スタックに応用可能な、本発明の更なる特徴によれば、燃料電池スタックは、マニホルドストリップを備えるマニホルド構造を更に備え、該マニホルドストリップは、各燃料電池の多孔性シートの入口エッジ及び出口エッジの各々に沿って配置され、各燃料電池の各シートの各セグメントの入口端部に反応ガスを配給し、各燃料電池の各シートの各セグメントの出口端部から反応ガスを受け取るように作動する。このマニホルド構造は、燃料電池構成の重量、コスト又はサイズに有意に追加することなく、区分化されたガス分配層の効率的な作動に寄与する。
【００１７】
本発明の更なる特徴によれば、マニホルド構造は、各燃料電池の各シートのセグメントの入口端部に沿って配置された入口マニホルドストリップと、各燃料電池の各シートのセグメントの出口端部に沿って配置された出口マニホルドストリップと、を備える。各々の入口マニホルドストリップは、外側エッジと、夫々のセグメントの入口端部の近傍に配置された内側端部とを備える。外側エッジの近傍にある各入口マニホルドストリップの外側部分は、反応ガスを含む各々の流体を夫々のセグメントに配給するための複数の連続して配置された垂直入口通路を画成する。内側エッジの近傍にある各入口マニホルドストリップの内側部分は、各々のシートのセグメントの入口端部と連通する水平通路を画成する。入口マニホルドストリップのうち幾つかは、垂直入口通路の１つと水平通路との間に通路手段を備え、その一方で残りの垂直入口通路と該水平通路との間の連通を遮蔽し、これによって、第１の反応ガスを、１つの入口通路と水平通路とを通して各々のシートのセグメントの入口端部に配給する。入口マニホルドストリップのうち他方の幾つかは、垂直入口通路のうち別の通路と水平通路との間に通路手段を備え、その一方で残りの垂直入口通路と該水平通路との間の連通を遮蔽し、これによって、第２の反応ガスを、別の入口通路と水平通路とを通して各々のシートのセグメントの入口端部に配給する。この特定のマニホルド構造は、様々な反応ガスを燃料電池スタックの様々な層に選択的且つ効率的に配給し、並びに、燃料電池スタックから選択的且つ効率的に取り除くことを可能にする。
【００１８】
本発明の更なる特徴によれば、燃料電池スタックは、少なくとも幾つかの燃料電池の間に冷却層を更に備え、入口マニホルドストリップが、各々の冷却層の入口エッジに沿って配置され、出口マニホルドストリップが、各々の冷却層の出口エッジに沿って配置され、各々の冷却層の前記入口エッジに沿って配置された前記入口マニホルドストリップは、更なる垂直入口通路と前記水平通路との間に通路手段を備え、その一方で残りの垂直入口通路と該水平通路との間の連通を遮蔽し、これによって、冷却流体を、更なる垂直入口通路と水平通路とを通して冷却層に配給する。この特定のマニホルド構造は、冷却流体を、選択的に、燃料電池間に介設された冷却層に配給し、並びに、該冷却層から取り除くことを更に可能とする。
【００１９】
本発明の様々な特徴、利点及び他の使用法は、以下の詳細な説明及び添付図面を参照することによって、更に明らかとなろう。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照して説明する。
本発明は、一例としてのみ図１に示された燃料電池システムを参照して更に理解することができる。このため、本発明を更に説明する前に、本発明の改善された燃料電池が作動するところのシステムを理解することが役立つ。
【００２１】
図１は、燃料電池システムの一例を示している。当該システムは、車両推進用のエネルギー源として（図示しない）車両中で使用することができる。本システムでは、炭化水素が、例えば、改質プロセス及び優先酸化プロセスによって、単位体積即ちモル単位で比較的高い水素含有量を有する改質ガスを生成するため燃料プロセッサ内で処理される。このため、水素が豊富な、即ち比較的高い水素含有量が参照される。
【００２２】
本発明は、改質物が作られる方法とは無関係に、Ｈ2の豊富な改質物により燃料供給される燃料電池の文脈で以下に説明される。本文中で具体化された原理は、例えばメタノール、エタノール、ガソリン、アルケン、又は、他の脂肪族若しくは芳香族の炭化水素などの、改質か能な炭化水素及び水素含有燃料を含む、任意の源から得られたＨ2により燃料供給される燃料電池に適用可能であることが理解されるべきである。
【００２３】
図１に示されるように、燃料電池装置は、改質可能な炭化水素燃料の流れ６、及び、水の流れ８からの蒸気形態の水を触媒反応させるための燃料プロセッサ２を備える。燃料プロセッサの中には、空気が、優先酸化／蒸気改質反応の組み合わせでも使用されるものがある。この場合には、燃料プロセッサ２は、空気の流れ９も受け取る。燃料プロセッサは、１つ又はそれ以上の反応器を含み、該反応器では、流れ６内の改質可能な炭化水素燃料６が、水／蒸気８及び時折、空気（流れ９内）の存在下で分離反応を受け、水素の豊富な改質物を生成する。更には、各反応器１２は、１つ又はそれ以上のベッドを含んでいてもよい。反応器１２は、１つ又はそれ以上の区分即ちベッドを持ち、様々な設計が知られており、利用可能である。このため、反応器１２の選択及び配置は、変更可能であり、一例としての燃料改質反応器（１４）及びその下流の反応器１６が、次に説明される。
【００２４】
一例として、例示の蒸気／メタノール改質プロセスでは、メタノール及び水（蒸気として）が反応器１４内で理想的に反応され、従来技術の欄で前述したように、水素及び二酸化炭素を生成する。実際には、一酸化炭素及び水も生成される。更なる例によれば、例示のガソリン改質プロセスでは、蒸気、空気及びガソリンが、２つの区分を有する反応器１４を含む燃料プロセッサ内で反応される。反応器１４の１つの区分は、主要には、部分酸化反応器（ＰＯＸ）であり、当該反応器の他の区分は、主要には、蒸気改質器（ＳＲ）である。メタノール改質の場合におけるように、ガソリン改質は、所望の水素を生成するが、加えて、二酸化炭素、水及び一酸化炭素を生成する。このため、各形式の改質の後、生成物の流れの一酸化炭素含有量を減少させることが望ましい。
【００２５】
従って、燃料プロセッサは、従来技術の欄で前述したように、一酸化炭素から二酸化炭素を生成するため使用される、例えば、水／ガスシフト（ＷＧＳ）反応器および優先酸化（ＰＲＯＸ）反応器などの１つ又はそれ以上の下流側の反応器も典型的に備えている。好ましくは、水素、二酸化炭素、一酸化炭素及び水を含む最初の改質出力ガスの流れは、その中のＣＯレベルを、許容可能なレベル、例えば２０ｐｐｍ以下にまで減少させるため、優先酸化（ＰＲＯＸ）反応器１６内で更に処理される。次に、運転モードの間、Ｈ2の豊富な改質物２０は、バルブ３１を介して、燃料電池スタック２２のアノードチャンバー内に供給される。これと同時に、オキシダントの流れ２４からの酸素（例えば空気）は、燃料電池２２のカソードチャンバー内に供給される。改質物の流れ２０からの水素及びオキシダントの流れ２４からの酸素は、燃料電池２２内で反応し、電流を生成する。
【００２６】
燃料電池２２のアノード側からの排気物即ち流出物２６は、未反応の水素を含む。燃料電池２２のカソード側からの排気物即ち流出物２８は、未反応の酸素を含む。オキシダントの流れ２４のための空気は、空気供給部、好ましくは、コンプレッサ３０により提供される。空気供給部（コンプレッサ３０）からの空気は、通常の作動条件の下で、バルブ３２により燃料電池２２に指し向けられる。しかし、始動の間、バルブ３２は、燃焼器３４の入力部に直接空気を提供するように作動される。この空気は、ライン４６を通って供給された燃料と反応するため燃焼器３４内で使用される。燃焼熱は、燃料プロセッサ２の様々な部分を加熱するため使用される。
【００２７】
燃料プロセッサ２内で生じる反応の中には、吸熱性反応、かくして熱を必要とするものがあり、他の反応は発熱性反応、かくして熱の除去を必要とするものがある。典型的には、ＰＲＯＸ反応器１６は、熱の除去を必要とする。反応器１４内の改質反応のうち１つ又はそれ以上は、典型的に吸熱性であり、熱が追加されることを要する。これは、典型的には、反応物、燃料５、流れ８、及び、空気９を予備加熱することによって、及び／又は選択された反応器を過熱することによって達成される。
【００２８】
燃焼器３４からの熱は、選択された反応器、及び、始動の間に燃料プロセッサ２内の反応器ベッドを加熱する。燃焼器３４は、該燃焼器への間接的な熱輸送によって、必要時に、選択された反応器及び燃焼プロセッサ内のベッドの加熱を達成する。典型的には、そのような間接的に加熱された反応器は、入口及び出口を備えた反応チャンバーである。反応チャンバー内では、ベッドがキャリア部材基板の形態にあり、各々が、所望の化学反応を達成するための触媒的活性化材料を担持する第１の表面を有する。第１の表面と反対側の第２の表面は、高温ガスからキャリア部材基板に熱輸送するため形成される。加えて、燃焼器３４は、燃料プロセッサ２への反応物として供給される、燃料６、水８及び空気９を予備加熱するため使用可能である。
【００２９】
燃料プロセッサ２に供給される空気９は、反応器１２のうち１つ又はそれ以上で使用することができることに着目されるべきである。反応器１４がガソリン改質反応器である場合、ライン９からの空気は、反応器１４に供給される。ＰＲＯＸ反応器１６は、ＣＯをＣＯ2に酸化させるため空気も利用し、ライン９を介して空気供給源（コンプレッサ３０）から空気を受け取る。
【００３０】
燃焼器３４は、入口端部４２、排気端部４４及び、両端部の間の触媒区分４８を備えたチャンバー４１を画成する。炭化水素燃料は、液体形態にある場合、燃焼用の燃料を拡散させるため、燃焼器に注入される前又は燃焼器の区分内にあるいずれかの場合に、蒸発される。蒸発は、電気ヒーターによりなすことができる。一旦、システムが作動し、燃焼器が加熱された場合、蒸発は、入ってきた燃料を蒸発させるため燃焼器の排気物からの熱を使用した熱交換により発生させることができる。好ましくは、燃料軽量装置４３が、炭化水素燃料が燃焼器に提供される率で制御するため設けられる。
【００３１】
炭化水素燃料４６及びアノード流出物２６は、燃焼器３４の触媒区分４８で反応され、該区分は、燃焼器３４の入口端部４２及び出口端部４４の間にある。酸素は、例えば、バルブ３２を介して空気供給部（即ち、コンプレッサ３０）、或いは、システム作動条件に応じて、例えばカソード流出物流れ２８などの第２の空気流れのいずれかから燃焼器３４に提供される。バルブ５０は、燃料プロセッサ２内の反応器を加熱することが必要とされない場合、燃焼器排気物３６の大気中への解放を可能にする。
【００３２】
理解できるように、炭化水素燃料の流れ４６は、燃料電池装置の遷移状態及び定常状態の必要性を合致させるため、燃焼器３４用の燃料としてアノード流出物２６を必要時に増補する。幾つかの情況では、排気ガスは、大気中に解放される前に、レギュレータ３８、遮断バルブ３９及びマフラー４８を通過する。図１では、シンボルは次を意味している。Ｖはバルブ、ＭＦＭは流量計、Ｔは温度モニター、Ｒはレギュレータ、Ｃは燃料電池のカソード側、Ａは燃料電池のアノード側、ＩＮＪはインジェクタ、ＣＯＭＰはコンプレッサである。
【００３３】
燃料プロセッサ２内の選択された反応器により要求される熱量は、燃焼器３４により供給されるべきであり、導入される燃料及び水の量、究極的には、燃料プロセッサ２内の所望の反応温度に依存する。前述したように、時折、空気も燃料プロセッサの反応器内で使用され、導入される燃料及び水と共に考慮に入れなければならない。燃料プロセッサ２の熱的要求量を供給するため、燃焼器３４は、全てのアノード排気物即ち流出物、及び、可能ならば炭化水素燃料を利用する。エンタルピーの式が、燃焼器３４の所望の温度要求を合致させるため燃焼器３４に供給されるべきカソード排気空気の量を決定するため使用され、究極的には、燃焼器３４が燃料プロセッサ２により要求された熱量を満足させる。燃焼器３４に提供された酸素即ち空気は、当該装置が、コンプレッサの空気流れが独占的に用いられる始動モード、又は、カソード流出物２８及び／又はコンプレッサ空気を使用した運転モードのいずれにあるかに応じて、典型的に燃料電池２２のカソードに供給された全酸素のうちのあるパーセンテージを占めるカソード流出排気物２８、並びに、コンプレッサ出力空気流れのうち１つ又は両方を含む。運転モードでは、カソード流出物２８によっては合致されない、燃焼器３４により要求された任意のトータルの空気、酸素又は希釈剤の要求は、燃焼器３４及び燃料プロセッサ２により要求される温度及び熱を各々満足させるための量でコンプレッサ３０により供給される。空気制御は、空気稀釈バルブ４７により実行される。この稀釈バルブは、燃焼器３４に供給されるカソード排気物２８の抜き取り量を制御するため可変オリフィスを有するステッパーモータ駆動型バルブであるのが好ましい。
【００３４】
燃料電池装置のこの例示の表現では、作動は以下のようになされる。燃料電池装置が低温で始動するときの作動の開始時では、（１）コンプレッサ３０が、必要なシステム空気を提供するため外部電源（例えばバッテリー）から付勢された電動モータにより駆動される。（２）空気が燃焼器３４に導入され、炭化水素燃料４６（例えば、ＭｅＯＨ又はガソリン）が燃焼器３４内に注入される。（３）空気及び燃料が燃焼器３４内で反応し、そこで、燃料のほぼ完全な燃焼が実行される。（４）燃焼器３４から出た高温排気ガスが、燃料プロセッサ２と連係された選択された反応器１２に運ばれる。
【００３５】
一旦、燃料プロセッサ２内の反応器が適切な温度を達成すると、次の工程を含む改質プロセスが開始する。（１）バルブ３２が燃料電池２２のカソード側に空気を差し向けるように作動される。（２）燃料及び水が改質反応を開始するため燃料プロセッサ２に供給される。（３）燃料プロセッサ２から出た改質物が燃料電池２２のアノード側に供給される。（４）燃料電池２２からのアノード流出物２８は燃焼器３４に差し向けられる。（５）燃料電池２２からのカソード流出物２８が燃焼器３４に差し向けられる。（６）燃料、空気、カソード流出物２８及びアノード流出物２６が燃焼器３４内で燃焼される。好ましいシーケンスでは、工程（２）は、燃焼器への空気の直接的供給と共に最初に実施される。次に、水素の豊富な流れが適切に低いＣＯレベルを有する場合、工程（１）及び（３）が、実施され、工程（４）、（５）及び（６）がこれに続いて実行される。
【００３６】
幾つかの条件の下では、燃焼器３４は、追加の炭化水素燃料４６の必要性無しに、アノード及びカソード流出物でのみ作動することができる。そのような条件の下では、燃焼器３４への燃料注入が中断される。他の条件、例えばパワーの要求が増大する条件下では、燃焼器３４へのＡｏｕｔ（２６）を増補するため増補の燃料４６が提供される。燃焼器３４が多数の燃料、例えば炭化水素燃料、並びに、燃料電池２２のアノードからのアノード流出物２６などの多数の燃料を受け取ることを理解することができる。燃料電池２２のカソードからの酸素を使い果たした排気空気２７及びコンプレッサ３０からの空気も燃焼器３４に供給される。
【００３７】
本発明の燃料電池システムによれば、例えば、図１に示されたコントローラ５２は、図１に示されたシステムの作動の様々な態様を制御する。コントローラ５２は、任意の適切なマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、制御プログラム及びメモリ内に記憶されたデータを実行することができる中央処理ユニットを有するパーソナルコンピュータなどを備えることができる。コントローラ５２は、図１の任意の構成部品に特有な専用コントローラであってもよく、或いは、主要自動車制御モジュール内に記憶されたソフトウェアで実行されてもよい。更には、ソフトウェアベースの制御プログラムが、上述したように様々なモードの作動でシステムの構成要素を制御するため使用可能であるが、当該制御は、専用の電子回路によって部分的又は全体的に実行することもできることが理解されよう。
【００３８】
好ましい実施形態では、燃料電池システムは、車両推進システム６０（図２を見よ）の一部分として燃料電池２２を含む。ここで、システム６０の一部分は、バッテリー６２と、電動モータ６４と、燃料電池システム及び特に燃料電池２２と連係されたＤＣ／ＤＣコンバータ６１から電気エネルギーを受け入れ、且つ、それをモータ６４により生成された機械的エネルギーに転換するよう構成及び配置されたインバータ６５を含む関連する駆動電子回路と、を含む。バッテリー６２は、燃料電池２２により供給された電気エネルギーを受け入れ及び蓄えるため構成及び配置され、再生成ブレーキングの間にモータ６４により供給される電気エネルギーを受け入れ且つ蓄え、そしてモータ６４に電気エネルギーを提供するよう構成及び配置される。モータ６４は、車両（図示せず）の車輪を回転させるため駆動車軸６６に連結される。電気化学エンジン制御モジュール（ＥＥＣＭ）７０及びバッテリーパックモジュール（ＢＰＭ）７１は、スタックの電圧及び電流（これらに限定されない）を含む様々な作動パラメータを監視する。例えば、これは、ＢＰＭ７１により監視される条件に基づいて、車両コントローラ７４に出力信号（メッセージ）を送るため、バッテリーパックモジュール（ＢＰＭ）７１によって、又は、ＢＰＭ７１とＥＥＣＭ７０とによって、なされる。車両コントローラ７４は、電動モータ６４、インバータ６５を含む駆動電子回路、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１を制御し、ＥＥＣＭ７０からのパワーレベルを要求する。
【００３９】
本発明は、燃料電池２２に関し、特に、燃料電池をより軽量、より小型に、及び、より安価にすることのできる燃料電池の構成に関する。本発明に係る燃料電池は、図３に概略的且つ斜視的に示され、図４には概略的な断面で示される。幅広く考察すると、改質物２０及び空気２４は、前述した態様で燃料電池スタックに配給され、酸素を使い果たした空気２８及び水素流出物２６が、スタックから排気される。
【００４０】
概括すると、スタックは、複数のＭＥＡ７６、複数のガス分配層７８、複数のアノードマニホルド８０、複数のカソードマニホルド８２、複数の冷却マニホルド８４、複数のシム即ちセパレータプレート８６、複数の冷却層８８、上側及び下側コレクタープレート９０、上側及び下側絶縁プレート９１、上側及び下側端部プレート９２を備える、これらは、図４で示されるように、全て積み重ねられた関係で配置される。
【００４１】
詳細には、端部プレート９２は、スタックのベース即ち底部を形成する。絶縁プレート９１が端部プレート９２の上方に配置される。コレクタープレート９０が絶縁プレート９１の上方に配置される。シム８６がコレクタープレート８８の上方に配置される。ガス分配層７８を取り囲むカソードマニホルド８２がシム８６の上方に配置される。ＭＥＡ７６がカソードマニホルド／ガス分配層の上方に配置される。ガス分配層７８を取り囲むアノードマニホルド８０がＭＥＡの上方に配置される。シム８６がアノードマニホルドの上方に配置される。冷却層８８を取り囲む冷却マニホルド８４がシム８６の上方に配置される。更なるシム８６が冷却マニホルドの上方に配置されており、頂部コレクタープレート９０、コレクター９０の上方に配置された絶縁プレート９１及び絶縁プレート９１の上方に配置された頂端部プレート９２を用いて頂部を覆うスタックで所望された数の電池を提供するようシーケンスが繰り返される。全ての部材は、略矩形形状を持ち、スタック内の電池数は、燃料電池用の所望の電圧出力により決定される。
【００４２】
各々のＭＥＡ７６（図５）は、薄い陽子伝達性の非導電固体ポリマー電極の形態の膜９４と、該膜の下側面に対抗して配置されたシール部即ちガスケットフレーム部材９６と、該膜の上側面に対抗して配置された更なるシール部即ちガスケット９６と、上側ガスケット９６内の膜の上側面のアノード触媒層９８と、下側ガスケット９６内の膜の下側面のカソード触媒層と、を備える。複数の繰り返された組の通路ｈ、ｉ及びｊ（図６）が、ＭＥＡの各々の長さ方向エッジに沿って設けられる。
【００４３】
各々のガス分配層７８は、伝導多孔性媒体のシート、より詳しくは、伝導発泡媒体から形成される。好ましい発泡材料は、開気泡（open cell）であり、伝導グラファイト発泡媒体又は伝導金属発泡媒体のいずれであってもよい。導電性グラファイト発泡媒体は、例えば、黒鉛化熱分解グラファイトであってもよく、伝導金属発泡媒体は、高いグレードのステンレス鋼、又は、インコネル（Inconel）６０１又はステンレス鋼３１０などの低い接触抵抗を備えた金属合金であってもよい。
【００４４】
各々のガス分配層即ちシート７８は、各々が層の第１のエッジ７８ｂから層の第２のエッジ７８ｃまで延在する複数の略平行セグメント７８ａに分割され、これによって、各触媒層を横切って延在する複数の略平行多孔反応経路を画成する。各分配層のセグメントは、各々のシートにより提供されるガス状流れへの抵抗を空間的に変化させることによって画定される。流れに対する抵抗は、夫々のシートの多孔率を空間的に変化させ、夫々のシートの厚さを空間的に変化させ、或いは、シートの厚さ及び多孔率の両方を空間的に変化させることによって空間的に変化させることができる。
【００４５】
図７、８及び９で示されるガス分配層の好ましい構成では、多孔率は、シートの多孔率を空間的に変化させることによって空間的に変化させられ、当該シートは、比較的高い多孔率発泡材料の比較的広いストリップ７８ｄ及び比較的低い多孔率発泡材料の狭いストリップ７８ｅが交互に形成された複合発泡体で作り上げられる。ガス分配層７８は、高い多孔率の発泡層及び低い多孔率の発泡層を交互に積み上げ、次に、ブロックのセクションを薄く切り取ること（図９の破線で示されたように）により、個々のガス分配層のシートを形成するように（図９に示されるように）編み出すことができる。
【００４６】
その代わりに、図１０に示されるように、シートにより提供されるガス流れに対する抵抗の空間的変化は、各々のシートの厚さを空間的に変化させることによって、詳しくは、厚い区分１７８ａ及び薄い区分１７８ｂを交互に形成することによって、達成することができる。更なる代替例として、図１１に示されるように、シートの空間的変動は、厚い多孔率の非圧縮区分２７８ａ及び薄い圧縮低多孔率区分２７８ｂを交互に形成するようにシートに沿って間隔を隔てたストリップを圧縮することにより提供することができる。図１０及び図１１の代替構成のいずれにおいても、エポキシストリップ又はビード９３は、層の厚い区分及び薄い区分の間の溝内に配置することができる。
【００４７】
更なる代替として、区分化されたガス分配層は、単一の区分化発泡シートにより構成されるというより、複数の別々の発泡ストリップ即ちセグメントにより構成することができる。これらの別々の発泡ストリップは、分離したストリップの間に適切な伸縮自在型紙を備えた直列に並んだ関係で配列されている。
【００４８】
各々のアノードマニホルド８０（図６及び１３）は、好ましくは、成形プラスティック材料から形成され、開いたフレーム矩形構成を有する。各々のマニホルド８０は、入口マニホルドストリップ部分８０ａ、出口マニホルドストリップ部分８０ｂ、並びに、端部ストリップ部分８０ｃ及び８０ｄを備える。
【００４９】
各々の入口マニホルドストリップ部分８０ａは、外側エッジ８０ｅ及び内側エッジ８０ｆを備え、各入口ストリップ部分の外側エッジに非常に近い外側部分８０ｇは、反応ガスを含む各々の流体を、ガス分配層の各々のセグメントに分配するため、複数の直列に配置された垂直入口通路８０ｈ、８０ｉ、及び８０ｊを画成する。各入口ストリップの内側エッジに非常に近い内側部分８０ｋは、ガス分配層のセグメントの入口端部と連通するため水平通路８０ｌを画成する。通路８０ｌは、各々間隔を隔てたランド８０ｎにより、複数の水平副通路８０ｍへと分割され、各副通路はガス分配層の各々のセグメントの入口端部と整列し且つこれと連通するように配置されている。垂直入口通路８０ｊ及び通路８０ｌの間の連通は、壁８０ｐにより遮蔽され、垂直入口通路８０ｉ及び通路８０ｌの間の連通は、入口壁８０ｑにより遮蔽されるが、入口通路８０ｈは、通路８０ｈを上向きに通過する流体が、水平通路８０ｌに沿って、及び、ガス分配層の各々のセグメントとの協働作用のため個々の副通路８０ｍを通って、移動自在であるように、水平通路８０ｌに対して開いている。水平通路８０ｌと協働する垂直入口通路８０ｈ、８０ｉ及び８０ｊの部分集合は、入口マニホルド部分の長さ全体に応じた繰り返し数で、入口マニホルドストリップ部分の長さに沿って繰り返される。
【００５０】
出口マニホルド部分８０ｂは、レイアウトにおいて入口部分８０ａと類似しており、詳しくは、入口通路８０ｈ’、８０ｉ’及び８０ｊ’の部分集合、水平通路８０ｌ’、及び、水平副通路８０ｍ’を備える。
【００５１】
各々のカソードマニホルド８２は、（図１４に示されるように）垂直通路８０ｊ／８０ｊ’及び水平通路８０ｌ／８０ｌ’の間で連通が確立され、その一方で、垂直通路８０ｈ／８０ｈ’及び水平通路８０ｌ／８０ｌ’の間、並びに、垂直通路８０ｉ／８０ｉ’及び水平通路８０ｌ／８０ｌ’の間では連通が遮断されるということを除いて、アノードマニホルド８０と同一である。
【００５２】
各々の冷却マニホルド８４は、（図１５に示されるように）垂直入口通路８４ｊ／８４ｊ’及び水平通路８４ｌ／８４ｌ’の間で連通が確立され、その一方で、垂直入口通路８４ｊ／８４ｊ’及び通路８４ｌ／８４ｌ’の間、並びに、垂直入口通路８４ｈ／８４ｈ’及び水平通路８４ｌ／８４ｌ’の間では連通が遮断されるということを除いて、カソード及びアノードマニホルド８０及び８２と同一である。
【００５３】
冷却マニホルドは、マニホルドの頂部及び底部の両方の分離プレートに直接結合される。アノード及びカソードマニホルドは、通路を備えたマニホルドの側で分離プレートに結合される。反対側は、それに結合されたシール部を有し、該シール部は、ＭＥＡ又は反対側のマニホルドに対抗して押圧する。
【００５４】
マニホルドの各々では、図１８で最も良く示されるように、垂直通路ｈ、ｉ及びｊ（及び、ｈ’、ｉ’及びｊ’）が各々のマニホルド区分を完全に通過し、これに対し、通路ｉ／ｉ’及び副通路ｍ／ｍ’は、各々のマニホルド区分の厚さの上側半分を除去することにより形成される。
【００５５】
各々のシム又は分離プレート８６は、矩形形状を有し、好ましくは、例えばステンレス鋼又はチタンなどの金属を含有した材料から形成される。各々のシム８６は、カソード、アノード及び冷却マニホルド、並びに、ＭＥＡにおける垂直通路の部分集合へのサイズ及び間隔配置に対応する各々反対側の長さ方向エッジに沿って、複数の垂直通路８６ｈ、ｉ及びｊ（８６ｈ’、ｉ’及びｊ’）の部分集合を備える。
【００５６】
マニホルドの各々、ＭＥＡ及びシムにおける複数の垂直通路ｈ、ｉ及びｊ（並びに、ｈ’、ｉ’及びｊ’）及びシムの部分集合は、サイズ、形状及び間隔配置において対応しており、燃料電池スタックの両エッジを通って垂直に延在する複数の通路Ｈ、Ｉ、Ｊ（及びＨ’、Ｉ’及びＪ’）を画成するように垂直に整列されていることが理解されよう。更に、通路ｈ、ｉ及びｊ（及びｈ’、ｉ’及びｊ’）は、これらの通路を通って処理される様々な流体の容量の要求に従って変更されることが理解されよう。詳しくは、カソード空気を処理することが意図された通路ｊ／ｊ’は、比較的広く、冷却液体を処理することが意図された通路Ｉ／Ｉ’は比較的狭く、アノード水素を処理することが意図された通路ｈ／ｈ’は、中間の幅を有する。
【００５７】
各々の冷却層８８は、ガス分配層７８と同一であり、複数の略平行なセグメント８８ａを備え、各々が、該層の第１のエッジ８８ｂから延在し、これによって、燃料電池スタックを横切って延在する複数の略平行な多孔性冷却液の通路を画成する。
【００５８】
コレクタープレート９０は、既知の形状及び構成を持ち、図２の自動車６４などの適切な負荷に分配するための燃料電池スタック内の電池により生成された累積的な電気エネルギーを収集するために役立つ。
【００５９】
絶縁プレート９１は、端部プレートが導電性材料から作られている場合、コレクタープレートから端部プレートを電気的に分離させるため役立つ。端部プレートが導電性でない場合、絶縁プレートを省略することができる。
【００６０】
端部プレート９２は、燃料電池スタックのため上側及び下側プレートを提供し、これによって、（例えば、締めボルト又はクランプなどのような）圧縮性負荷がスタックに適切に印加され、スタックの層の全ての間で適切なインターフェースが維持されることを確実とし、スタック内での適切な分布の流体を確保し、及び、スタック内の適切な導電性を確保する。
【００６１】
図４及び６に最も良く示されるように、スタックの様々な構成部品の組み立てられた関係では、ガス分配層７８は、各々のアノードマニホルド８０内に配置され、ガス分配層７８は各カソードマニホルド８２内に配置され、冷却層８８は各冷却マニホルド内に配置され、シム８６が、スタックを通って導電率を維持する一方で反応性ガス及び冷却流体の混合を妨害しないため冷却層の側面に位置する。各層における垂直通路の部分集合ｈ、ｉ及びｊ（及びｈ’、ｉ’及びｊ’）は、スタックのいずれかの側に該スタックを通って上方（Ｈ、Ｉ及びＪ）並びに下方（Ｈ’、Ｉ’及びＪ’）に延在する垂直通路の部分集合を画成するように整列される。各ガス分配層の各セグメント７８ａは、夫々のマニホルドの各々の副通路８０ｍ／８２ｍと整列した関係で入口端部７８ｆ、並びに、夫々のマニホルドの各々の副通路８０ｍ’／８２ｍ’と整列した関係で出口端部７８ｇに関して配置される。各々の冷却層８８の各セグメント８８ａは、その入口端部で、夫々の冷却マニホルドの副通路８４ｍと整列され、その出口端部で、夫々の冷却マニホルドの副通路８０ｍ’と整列され、隣接するＭＥＡから離れた各ガス分配層の面は、隣接するシム８６の直面する面に結合することができる。結合工程は、焼結、高温ろう付けによって、又は、導電性接着剤を使用することによって、達成することができる。
【００６２】
作動中には、水素が、垂直通路Ｈを通って上方に通過され、空気が、垂直通路Ｊを通って上方に通過され、グリコール／水混合物、フロン、又はメタノールなどの冷却流体が、垂直通路Ｉを通って上方に通過される。
【００６３】
通路Ｈを上方に通過した水素は、水平通路８０ｌ及び副通路８０ｍを通過し、その後、夫々のセグメント７８aを通過して、出口マニホルドストリップに至るため、各アノードマニホルド層で逸らされ、そこで、水素の豊富な流れが、副通路８０ｍ’、水平通路８０ｌ’を通って、燃焼器４２へのライン２６を介して配給されるため通路H’を下方に通過する。水素がセグメント７８ａの入口端部から出口端部まで移動するとき、水素は、事実上夫々のセグメント７８ａに低い多孔性ストリップ７８ｅにより制限され、その結果、平行セグメントの間に交差移動（cross migration）がほとんど無いか又は全く無く、これによって、発泡媒体の発泡材料の多孔率に不可避で且つかなりの変動があるにも拘わらず、下層のアノード電極９８の表面を横切って水素の事実上の均一分布を確実にし、水素及びアノード電極の間の相互作用のおかげで生じる電気エネルギーの生成を最大にする。夫々の触媒層に亘るガス流れ分布は、事実上均一である。流れに対する抵抗が、各セグメントに沿ったトータルの制限であり、かくして、多孔率の変動が、流れ場全体に影響を及ぼすため局所的な揺らぎを可能にするというより、セグメントの長さに亘って平均化される。
【００６４】
これと同時に、カソード空気は、通路Ｊを上向きに通過され、この上方に移動するカソード空気は、通路８２ｊ及び水平通路８２ｌの間の開いた連通のおかげで各カソードマニホルド層で配給され、これによって、空気は、個々の発泡セグメント７８ａを通過し、次に、吐出通路Ｊ’から出るため、水平通路８２ｌ及び副通路８２ｍを通って移動し、その後、酸素を使い果たした空気が、前述した態様で適切な分布のため導管２８を介して収集される。再び、高い多孔率のストリップ７８ｄの間にある低い多孔率のストリップ７８ｅは、隣接するストリップ間の空気の交差移動を妨げるため役立ち、これによって、空気及び酸素の均一な供給が、下層にあるカソード電極１００の全領域に分配され、これによって、ガス分配層の発泡材料において固有の且つかなりの多孔率変動があるにも拘わらず、電極１００と空気の反応により形成される電気エネルギーの生成を最大にする。
【００６５】
水素及び酸素の分配の両方に関して、セグメント７８ｄと比較したときのストリップ７８ｅの狭い幅は、夫々のＭＥＡ電極の事実上全ての領域が夫々の反応ガスに曝され、電気エネルギー生成が最大化されるという結果を確実にもたらす。そして、反応ガスは、狭い分割ストリップ７８ｅ内にそれらが多孔性であるが故に拡散するので、ストリップの下方の小さい電極領域でさえ電気エネルギーを生成し、これによって電池内の電気エネルギーの生成を更に最大にする。
【００６６】
これと同時に、冷却流体が、通路Ｉを上方に移動し、通路８４ｉ及び水平通路８４ｌの間の連通のおかげで各冷却マニホルド層で逸らされ、これによって、冷却液は、冷却マニホルドの出口ストリップで収集するため副通路８４ｍ及び冷却層の個々のセグメント８８ａを通って流れ、適切な吐出又は再生のため通路Ｉ’を通って下方に吐出する。再び、高い多孔率ストリップ８８ｄの間にある低い多孔率のストリップ８８ｅは、上層及び下層にあるシムの隣接表面に亘る冷却流体の均一分布を確実にし、これによって隣接する電池のトータルの面積を均一に冷却することを確実にする。
【００６７】
図１６に示される代替のガス分配層の構成では、発泡層３７８は、高い多孔率の領域３７８ｂを分離する高い密度で低い多孔率の領域３７８ａを提供するため間隔を隔てたインターバルで選択的に圧縮される。導電材料のプレート３８０は、プレートの個々の間隔を隔てた湾曲部３８０ａが圧縮低多孔率領域３７８ａの各々上方にある状態で発泡体３７８の上方に配置され、シム即ち分離プレート３８２は、発泡層の圧縮領域の上方に、交差して延在する冷却経路チャンネル３８４を画成するためプレート３８０の上方に配置される。この構成は、ガス分配層と同じ高さで冷却通路を提供し、スタック用冷却工程を提供するため分離層及び分離マニホルドを提供する必要性を無くすという利点を奏する。
【００６８】
本発明は、燃料電池により出力される電気エネルギーに何らの犠牲を払うことなく、比較可能な従来の燃料電池より、軽量、小型及び安価な燃料電池を提供することが理解されよう。詳しくは、従来技術における、その蛇行性のランド及びチャンネルを備えた金属両極性プレート発泡ガス分配層の代わりに、発泡ガス分配層を代替したことは、燃料電池の重量及び体積の両方を減少させる。従来技術の両極性プレートにおける蛇行チャンネルの溝に曝された領域のみとは反対に、膜の事実上全面積に亘ってガスを分配させる発泡ガス分配層の能力は、従来技術の両極性プレート及び膜の間にグラファイトペーパー又は布を置く必要を無くすことを可能にするこの布のガス分配機能は今や発泡層により満たされるからである。そして、発泡体と膜との間の個々の接触ポイント７８の間のスパン（図１７で最も良く示されるように）が従来技術の蛇行チャンネルの個々の溝区分を分離するランド領域の間のスパンより事実上小さくなるので、膜をチャンネル内につぶしてガスの流れを遮蔽することを防止する、この布の機能は、今や発泡体により満足されるからである。この布の省略は、燃料電池の体積及び重量を更に減少させ、燃料電池のコストを更に減少させる。発泡層の一方の面に沿って隣接するシムに結合することは、発泡層の他の面及びＭＥＡの間の多数ポイント及びトータルの電気的接触と組み合わせられて、電池を横切った接触抵抗を低下させ、その結果、電池を通る電気導電率を維持するため必要とされる圧縮負荷が最小にされ、端部プレートのサイズ及び強度を最小にして、コスト、重量及び体積を結果的に節約することを可能にする。必要とされる圧縮負荷の量の減少は、端部プレートの材料に対して、例えば適切なプラスチックなどのより軽量且つ安価な材料を使用することも可能にする。実際に、本発明の技術を使用すると、燃料電池スタックは、燃料電池の単位面積当たりの電気エネルギー出力レベルを減少させることなく、従来技術の燃料電池よりも、かなり小型、軽量、及び安価であるように構成され、試験された。
【００６９】
本発明は、現在のところ最も実用的で好ましい実施形態と考えられるものと関連して説明されたが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲の精神及び範囲内に含まれる、様々な変更及び均等な構成を網羅することが意図されている。本発明の範囲は、特許法の下で許されるような全ての変更及び均等の構造を包含するように最も広く解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る燃料電池を組み込んだ燃料電池システムの概略図である。
【図２】図２は、自動車用途の模式的表現で接続された図１に示された燃料電池の概略図である。
【図３】図３は、本発明に係る燃料電池スタックの概略斜視図である。
【図４】図４は、図３のライン４−４に沿って取られた断面図である。
【図５】図５は、燃料電池内で利用されるＭＥＡの断面図である。
【図６】図６は、燃料電池の破断図である。
【図７】図７は、燃料電池内で利用されるガス分配層の斜視図である。
【図８】図８は、図７のライン８−８に沿って取られた断面図である。
【図９】図９は、図７のガス分配層を形成するための方法論を示す図である。
【図１０】図１０は、ガス分配層の代替形態を示す図である。
【図１１】図１１は、ガス分配層の代替形態を示す図である。
【図１２】図１２は、マニホルドフレームと結合されたガス分配層を示す斜視図である。
【図１３】図１３は、燃料電池で利用されるマニホルドの部分斜視図である。
【図１４】図１４は、燃料電池で利用されるマニホルドの部分斜視図である。
【図１５】図１５は、燃料電池で利用されるマニホルドの部分斜視図である。
【図１６】図１６は、冷却立ち上げ状態のガス分配層の代替形態を示す断面図である。
【図１７】図１７は、ＭＥＡ及び燃料電池スタックで用いられる分離プレートとのガス分配層の界面を示す部分断面図である。
【図１８】図１８は、図１３のライン１８−１８に沿って取られた断面図である。
【符号の説明】
２    燃料プロセッサ
６    改質可能な炭化水素燃料の流れ
８    水の流れ
９    空気の流れ
１２、１４    反応器
２２    燃料電池
２６    アノード排気物の流れ
２８    カソード排気物の流れ
３０    コンプレッサ
４２    燃焼器
６０    車両推進システム
６１    ＤＣ／ＤＣコンバータ
６２    バッテリー
６４    電動モータ
６５    インバータ
７０    電気化学エンジン制御モジュール（ＥＥＣＭ）
７１    バッテリーパックモジュール（ＢＰＭ）
７４    車両コントローラ
７８    複数のガス分配層
７８ａ  略平行なセグメント
７８ｂ  第１のエッジ
７８ｃ  第２のエッジ
７８ｄ  比較的広いストリップ
７８ｅ  比較的狭いストリップ
７８ｆ  入口端部
８０    複数のアノードマニホルド
８０ａ  入口マニホルドストリップ部分
８０ｂ  出口マニホルドストリップ部分
８０ｃ、８０ｄ    端部ストリップ部分
８０ｅ  外側エッジ
８０ｆ  内側エッジ
８０ｇ  各入口ストリップ部分の外側エッジに非常に近い外側部分
８０ｈ、８０ｉ、８０ｊ  垂直入口通路
８０ｋ  各入口ストリップの内側エッジに非常に近い内側部分
８０ｌ  ガス分配層のセグメントの入口端部と連通するための水平通路
８０ｍ  複数の水平副通路
８０ｎ  各々間隔を隔てたランド
８０ｍ’   冷却マニホルドの副通路
８２    複数のカソードマニホルド
８２ｍ’   冷却マニホルドの副通路
８４    複数の冷却マニホルド
８４ｍ  冷却マニホルドの副通路
８６    複数のシム即ちセパレータプレート
８６ｈ、ｉ、ｊ（８６ｈ’、ｉ’、ｊ’）  垂直通路
８８    冷却層
９０    コレクタープレート
８８ａ  冷却層ｊの複数の略平行なセグメント
８８ｂ  第１のエッジ
８８ｃ  第２のエッジ
９１    絶縁プレート
９２    端部プレート
９３    エポキシストリップ又はビード
９４    薄い陽子伝達性の非導電固体ポリマー電極の形態の膜
９６    ガスケット
９８    アノード触媒層
１００    下層にあるカソード電極
１７８ａ  厚い区分
１７８ｂ  薄い区分
２７８ａ  厚い多孔率の非圧縮区分
２７８ｂ  薄い圧縮低多孔率区分
３７８    発泡層
３７８ａ  高い密度で低い多孔率の領域
３７８ｂ  高い多孔率の領域
３８０    導電材料のプレート
３８０ａ  湾曲部
３８２    シム即ち分離プレート
３８４    冷却経路チャンネル
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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