(57)【要約】  本発明は、低温陽子交換膜燃料電池（ＬＴ−ＰＥＭＦＣ）における内部加湿のためのウィックベースの技術に関し、この技術は、炭素布又は金属フォームなどの導電性及び親水性のウィッキング材料（２０）であって、アノード及びカソードのいずれか一方又は両方の全活性領域上に配置され、内部加湿のための毛管作用を促進するためにウィック（２０）の底部がトラフ（１４）内に浸漬された、ウィッキング材料（２０）と、ウィッキング材料（２０）を上昇する水輸送のためのトラフ（１４）と、アノード又はカソードのいずれかあるいは両方の電極への乾燥供給及び周囲（２８℃〜３０℃）温度ガス供給と、対向流作動及び並行流作動とを含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温プロトン交換膜燃料電池（ＬＴ−ＰＥＭＦＣ）における内部加湿のための新規なウィックベースの技術であって、
ａ）様々なセル構成において全活性領域上に配置され、内部加湿のための毛管作用を促進するために底部がトラフ内に浸漬された、導電性及び親水性のウィッキング材料と、
ｂ）前記ウィッキング材料を上昇する水輸送のためのトラフと、
ｃ）アノード又はカソードのいずれかあるいは両方の電極への乾燥供給及び周囲（２８℃〜３０℃）温度ガス供給と、
ｄ）様々な構成の下での対向流作動及び並行流作動と、
を含む新規なウィックベースの技術。
【請求項２】
前記ウィッキング材料は１つ又は複数の前記電極の上に配置され、グラファイトプレートと膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）との間に挟まれる、請求項１に記載の新規なウィックベースの技術。
【請求項３】
前記ウィッキング材料は厚さが１ｍｍ未満である、請求項１又は請求項２に記載の新規なウィックベースの技術。
【請求項４】
前記ウィッキング材料の孔径は２５ミクロン〜９４ミクロンの範囲内である、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の新規なウィックベースの技術。
【請求項５】
前記ウィッキング材料の平均接触角は７０度〜９０度である、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の新規なウィックベースの技術。
【請求項６】
前記ウィッキング材料は炭素布である、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の新規なウィックベースの技術。
【請求項７】
前記ウィッキング材料は変化する熱負荷を８％〜１１％除去する、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の新規なウィックベースの技術。
【請求項８】
陽子交換膜燃料電池（ＰＥＦＭＣ）の効率が５〜７％増加される、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の新規なウィックベースの技術。
【請求項９】
最大１００ｃｍ２の面積の効率を増加させる、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の新規なウィックベースの技術。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の内部加湿プロセスを有する陽子交換膜燃料電池（ＰＥＦＭＣ）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温プロトン交換膜燃料電池（ＬＴ−ＰＥＭＦＣ）のための新規な内部加湿技術に関する。より具体的には、本発明は、高い発電効率を有してＰＥＭ燃料電池の加湿及び冷却を同時に提供する、毛管作用によって膜電極アセンブリに水を直接供給するためのウィックベースの受動技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ほとんどのＰＥＭＦＣスタック製造業者によって現在広く使用されているプロトン交換膜は、ポリフルオロエチレンスルホン化ポリマー（ｐｏｌｙｆｌｏｕｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ  ｐｏｌｙｍｅｒ）に基づいており、これはアノードからカソードまでの効果的なプロトン移送のために、十分なレベルの水分含有量を必要とする。従って、膜内の必要な水分含有量を維持するために、及び継続的な電力出力を得るために、ＰＥＭＦＣに供給されるガスは外部又は内部のいずれかで加湿される必要がある。従来のシステムでは、ガスストリームの加湿は、（ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）ベースの）膜加湿器と給水設備とを含む外部加湿ユニットによって達成される。そのような加湿器では、液体の水及び乾燥空気が膜の両側に供給され、その結果、膜を横切る水分活性勾配が作られる。これにより水は膜を横切って水側からガス側に拡散するように強いられ、続いて膜／ガス界面において蒸発し、ガスの加湿がもたらされる。外部加湿システムにより、システムの複雑さが増すことに加えて、寄生電力損失が増加する。加湿されたガスストリームの使用は両方の電極上で非常に重要である。一般に、膜のアノード側においては電気浸透ドラッグによってより多くの脱水がもたらされるため、アノードでより多くの加湿（＞８０％）が必要とされる。カソードでは、プロトンと入ってくる酸素との間の反応により水が生成される。しかしカソードに供給される圧縮空気は、適切な水分レベルを維持するためには乾燥しすぎている。従って、ある程度の加湿（〜５０％）がカソード側ストリームにも必要である。
【０００３】
加湿を達成するより有利な手法は内部加湿である。（超音波霧化を用いた）霧の形態でガスストリームに水を直接供給することによって、又はガス流のためのバイポーラプレートとして水輸送プレートを使用することによって、内部加湿を達成することができる。前者はエネルギー集約的であり、後者の使用は通常、プレートを通した燃料クロスオーバに起因してより低い燃料利用率をもたらす。本方法では、受動的ウィッキング作用によって水がＭＥＡと直接接触させられる。
【０００４】
米国特許第６，９６０，４０４号明細書には、内部加湿のためにセルの内部に水を供給するための、チャネルの形態でのカソード上のウィッキング作用が記載されている。ウィッキング材料は多孔質及び親水性でなければならないが、導電性である必要はない。しかしそのような構成の燃料電池の欠点は、チャネルとしてのウィッキング材料を有するバイポーラプレートは製造が困難であること、また、電気絶縁のウィッキング材料の使用により、燃料電池スタック内のセル間での電荷移送の抵抗が増加することである。
【０００５】
欧州特許第１，５３０，８１３号明細書には、膜の内部加湿のためにバイポーラプレートチャネルに水を直接供給する技術が記載されている。この技術では、流れ場プレートの活性領域の上部及び下部上に配置するように設計された極めて薄い金属フォイル（〜４０ミクロン）アセンブリを使用する。水は、バイポーラプレートの複雑な設計を通して金属フォイルに直接供給される。水は流れ場に到達するとガスストリーム内に蒸発し、それによりガスストリームを加湿する。反応したガスは膜を加湿し、残りのガスは放出されて冷却を提供する。この方法は効果的であるが、世界中での容易な製造という問題、及び金属プレートと共にのみ動作するという問題が改善されていない。
【０００６】
欧州特許第２，０１６，６４０Ｂ１号明細書には、その先行する特許（欧州特許第１，５３０，８１３Ｂ１号明細書）の拡張として、金属フォイルに水を直接供給するための新規なバイポーラプレート設計が記載されている。このバイポーラプレート設計はセル内への水の容易な輸送を提供するが、バイポーラプレート設計における多くの操作を必要とするため、依然としてかなり複雑であり、それにより製造コストの増加がもたらされる。
【０００７】
ＰＥＭＦＣにおけるその場加湿（Ｉｎ−Ｓｉｔｕ  ｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）のために使用されるウィッキング技術の別の形態は、セル内に水を直接輸送するためのチャネルとして使用可能な多孔質繊維について記載した米国特許出願公開第２００４／０１７０８７８号明細書に示されており、これは本明細書中の図１に簡単に示されている。燃料電池（１１）は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）（１４）内のカソード触媒と密接に接触する拡散層（１３）上に配置されたウィッキング（１２）のストリップを有する。燃料電池（１１）はアノード（１８）を含み、これは対象の公報においては冷却に関与しない。燃料電池は、直列内の次のセル（２０）からセパレータプレート（２１）によって分離される。同様のセパレータプレートが、図示されていないが、図１において見られる燃料電池の最上部上に存在する。ウィッキング（１２）に水を提供するために、ウィッキングヘッダ（２２）が、酸化剤反応ガス流れ場を構成するウィッキング（１２）の間の空間（２４）内への空気の流れとは反対側の端上で、全ての燃料電池の端にわたって延在する。空気が、ポンプ（２６）によってマニホルド（２７）を介して各燃料電池の入口（２８）に供給される。図１において、空気流は出口ヘッダ（３１）を通して凝縮器（３２）に排気され、凝縮器（３２）は空気を排気管に放出し、凝縮物をリザーバ（３３）に送り出す。リザーバ３３内の水はウィッキングヘッダ（２２）に導かれる。
【０００８】
前述の公報に記載されたウィッキング蒸発冷却には、燃料電池発電プラントの外部の源からの外部の水が必要とされると述べられており、その理由は、カソードにおいて生成される水（プロセス水）が、始動時を除き、必要な冷却を達成するためには不十分だからであると述べられている。これは、米国特許第４，８２６，７４１号明細書におけるような、ウィッキングに依存する蒸発冷却燃料電池スタックにも該当する。米国特許第４，８２６，７４１号明細書においては、１００ｃｍ２のセルが１００ｍＡ／ｃｍ２〜１２０ｍＡ／ｃｍ２（１０８Ａ／ｆｔ２〜１３０Ａ／ｆｔ２）において０．７Ｖ〜０．８Ｖの性能しか有さない。
【０００９】
従来技術の前述の問題を考慮して、本願発明者らによって本研究が行われ、ウィックベースの１００ｃｍ２のＰＥＭ燃料電池セットアップのいくつかの構成を使用して、導電性及び多孔質の材料の使用が、直接的な膜の加湿を提供するその能力の故に提案された。この技術の拡張性を調べるために、同じ構成が後で５セルＰＥＭスタックに拡張され、高い効率を有して働くことが見出された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第６，９６０，４０４号明細書
【特許文献２】欧州特許第１，５３０，８１３号明細書
【特許文献３】欧州特許第２，０１６，６４０号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００４／０１７０８７８号明細書
【特許文献５】米国特許第４，８２６，７４１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の主な目的は、スケールアップが容易であり、システムの複雑さを回避する、低温プロトン交換膜燃料電池（ＬＴ−ＰＥＭＦＣ）における費用効率が高い加湿技術を開発することによって、燃料電池の作動中に膜内の水含有量を保持する方法を提供することである
【００１２】
本発明の別の目的は、セル内への水輸送の受動手段を提供し、それにより、従来の燃料電池システムによって通常もたらされる寄生電力損失を低減することである。
【００１３】
本発明の更に別の目的は、アセトン又は酸化スズを用いた処理によってウィッキング材料の親水性の性質を増加することである。
【００１４】
本発明の更に別の目的は、燃料電池／スタックの底部に配置されなければならないトラフの形態の給水プロセスを提供することである。
【００１５】
更に他の目的において、本発明は、作動中の燃料電池スタックの冷却を促進し、それにより従来の冷却システムによってもたらされる寄生電力損失を低減する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、ＰＥＭＦＣにおける水分管理のためのウィッキング材料として使用される１ｍｍ未満の厚さの導電性、多孔質及び親水性の層を取り扱う。従って本発明は、ウィッキング材料内の毛管作用によって水が吸収されることを規定する。ＭＥＡに隣接するウィッキング材料の存在により、アノードからカソードまでの効果的なプロトン輸送のために膜によって必要とされる水分含有が促進される。
【００１７】
従って本発明は、ガス拡散層上に配置されたウィッキング材料を含む燃料電池セットアップを提供する。乾燥ガスは、流れ場を通過する間に多孔質ウィック表面から水を吸収し、加湿される。いくつかの燃料電池構成においては、ウィックを上昇する水輸送を増強するために、ガス流を毛管作用の方向にすること（並行流モード）が更に有利である。本発明において報告された技術は、おおよそ５５℃〜６０℃のセル温度の下で、従来の加湿技術と比較して向上したセル性能を示した。この技術は、５セルスタックについて試験した場合、ウィックがカソード上に配置されたときに従来の燃料電池システムと同じくらい良好に動作した。スタックの場合、熱管理はより義務的（ｉｎｃｕｍｂｅｎｔ）であった。
【００１８】
本発明の技術は、一定の負荷条件下で安定した性能を伴って冷却を促進する。熱管理調査が結果を裏付ける。
【００１９】
本発明によるスタックの効率は、入口ダウン構成を用いて向上し、５００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において１６．５Ｗの冷却がもたらされることが見出された。
【００２０】
本発明により達成される全体的な冷却は、合計２０２．５Ｗの得られる熱のうち８．１５％であった。
【００２１】
並行流構成を用いた３００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において、約１１％の最大冷却が達成される。これだけの量の冷却についてさえ、冷却回路から正味の寄生負荷が大幅に低減され得た。
【００２２】
本発明のより良好な理解のために、及びこれがいかにして実施され得るかをより明確に示すために、本発明の好ましい実施形態を示す添付の図面によって以下に説明を行う。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】セル内への直接的な水輸送のためのチャネルとして使用可能な多孔質繊維を示す従来技術。
【図２】ウィック３及び８を有する燃料電池１セットアップの概略断面図。
【図３】４セルスタックの概略断面図が、ＭＥＡの両側上に組み込まれた場合の本発明の説明のために、及び燃料電池スタックの場合に本発明がどのように動作するかの説明のために示されている。
【図４】４セルスタックの概略断面図が、カソード側上に組み込まれた場合の本発明の説明のために示されている。
【図５】４セルスタックの概略断面図が、アノード側上に組み込まれた場合の本発明の説明のために示されている。
【図６】本発明において使用されるトラフの３次元概略図。
【図７】ウィックの特徴付け：（ａ）孔直径対ウィックの両端での空気圧力差、（ｂ）ウィックを通るガス透過率対ウィックの両端での空気圧力差、（ｃ）接触角の測定値、（ｄ）温度に対する、質量％の変化についてのＴＧＡ／ＤＳＣプロット及び熱流量。エラーバーは、平均孔直径及びガス透過率のデータセットについての標準偏差値を表す。
【図８】λＨ２＝１．２及びλＡｉｒ＝３における様々な単一セル構成についての分極曲線：（ａ）対向流モード、及び（ｂ）並行流モード。エラーバーは、各構成について行われた実験の組について得られた標準偏差値を表す。
【図９】対向流モードの下でのナイキストプロット：（ａ）構成Ａ、（ｂ）構成Ｂ、（ｃ）構成Ｃ、及び（ｄ）構成Ｄ。実験データ（○）とシミュレートされた曲線（□）とが、それらのオーム抵抗及び電荷移送抵抗値について比較されており、これらは実験セットアップにおいてもたらされる主要な損失である。
【図１０】並行流モードの下でのナイキストプロット：（ａ）構成Ａ、（ｂ）構成Ｂ、（ｃ）構成Ｃ、及び（ｄ）構成Ｄ。実験データ（○）とシミュレートされた曲線（□）とが、それらのオーム抵抗及び電荷移送抵抗について比較されている。
【図１１】０．５Ａ／ｃｍ２の負荷条件におけるスタックの温度プロファイル。
【図１２】０．５Ａ／ｃｍ２の負荷条件についての電圧プロファイルであり、ここで、電圧変化は端プレート温度が５０℃に達するまで記録された。
【図１３】対向流モード及び並行流モードにおける５セルスタックについての分極曲線。
【図１４】５セルスタックについての効率対電流密度。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の目的を達成するために、本願発明者らは、ＬＴ−ＰＥＭＦＣ内の膜の、費用効率が高いその場加湿のための新規なアプローチを提供した。
【００２５】
本発明によれば、本技術では、１ｍｍ未満のサイズの導電性、多孔質及び親水性の層における蒸発冷却、毛管作用を利用して、内部での膜の加湿のためにセル内に水を直接供給する。
【００２６】
本発明の一実施形態によれば、ウィッキング材料の親水性特性は、アセトンを用いた処理又は酸化スズ分散処理によって更に向上する。
【００２７】
燃料電池の最適性能のためには水分管理が非常に重要であるということが知られている。電気浸透ドラッグ（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｓｍｏｔｉｃ  ｄｒａｇ）に起因して膜が乾燥されるべきではなく、高電流密度における過剰な水の生成に起因してカソードがフラッディングされるべきでもない。フラッディングは、より低い電流密度における作動を除き、通常はアノード上の問題ではない。一般に、反応ガスストリームの必要な湿度を達成するために、加湿器及びポンプなどの補助構成要素が使用され、結果として寄生電力損失の増加、システムのコスト及び複雑の増加がもたらされる。
【００２８】
本発明は、ＬＴ−ＰＥＭＦＣにおける加湿のためのスケールアップが容易な受動技術を、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池の既存の設計に複雑さを導入することを一切回避しながら提供し、同時に、高い総合効率も提供することを目的とする。従来技術において使用されているほとんど全ての技術は、カソードにおける水分管理に、乾燥供給作動あり又はなしで対処し、そのような技法を使用したアノード上の水分管理は考慮していない。その上、本願発明者らは、燃料電池面積を１００ｃｍ２に拡大し、これは既存のウィックベースの技術ではまだ調査されたことがない。従って本調査では、ウィックベースの１００ｃｍ２のＰＥＭ燃料電池セットアップのいくつかの構成を使用して、導電性及び多孔質の材料の使用を、直接的な膜の加湿を提供するその能力の故に取り扱う。本発明によれば、図２におけるように、燃料電池（１）は、アノード（４）とカソード（６）とスルホン化ポリフルオロエチレン膜（ｓｕｌｐｈｏｎａｔｅｄ  ｐｏｌｙｆｌｏｕｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｍｅｍｅｂｒａｎｅ）（ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ））（５）とからなる膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）（７）を含む。ＭＥＡ（７）は、いくつかのガス移送チャネル（２）からなる流れ場プレート（９）の間に挟まれる。ＭＥＡ７と流れ場プレート（９）との間のみに、最小の厚さの炭素布の形態の、高導電性で高い親水性の性質を有するウィッキング材料の層（３）及び（８）が存在する。ウィック（３）及び（８）は、ＭＥＡ（７）の活性領域の様々な部分への水の輸送を支援する。これは全活性領域にわたる水分レベルの均一な維持に役立つ。
【００２９】
本発明によれば、ウィッキング材料は、本発明によれば２５μｍ〜９４μｍの範囲内である孔径と、０．２ｍｍ〜１ｍｍのサイズとを有する。
【００３０】
本発明の別の実施形態によれば、ウィッキング材料は、２Ｗ／ｍ．Ｋより大きな熱伝導率、及び５００ｍＯｈｍ−ｃｍ未満の電気伝導率を有する。
【００３１】
本発明によれば、導電性フィルムとしては炭素布及び金属フォームシートが含まれるが、これらに限定されない。炭素布は、その乾燥形態においてはガス輸送に対してより透過性であり、湿潤形態においてはガス輸送に対して増加した抵抗を提供する。それにもかかわらず、燃料電池の性能の低下は観察されていない。
【００３２】
本発明によれば、ウィッキング材料／炭素布の平均接触角は７７度である。
【００３３】
本発明によれば、図２におけるように、燃料電池（１）は、アノード（４）とカソード（６）とスルホン化ポリフルオロエチレン膜（ｓｕｌｐｈｏｎａｔｅｄ  ｐｏｌｙｆｌｏｕｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｍｅｍｅｂｒａｎｅ）（ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ））（５）とからなる膜電極アセンブリ（７）を含む。ＭＥＡ（７）は、いくつかのガス移送チャネル（２）からなる流れ場プレート（９）の間に挟まれる。ＭＥＡ７と流れ場プレート（９）との間のみに、最小の厚さの炭素布の形態の、高導電性で高い親水性の性質を有するウィッキング材料の層（３）及び８が存在する。ウィック（３）及び（８）は、ＭＥＡ（７）の活性領域の様々な部分への水の輸送を支援する。これは全活性領域にわたる水分レベルの均一な維持に役立つ。本発明によれば、使用されるウィッキング材料を上昇する水の輸送のためにトラフが使用される。短絡を防止するために、２つのウィックが互いに物理的に接触しないことが重要である。本発明によれば、トラフは、燃料電池内の各電極に水輸送のための別個のコンパートメントを提供するように設計されている。
【００３４】
トラフの設計は、一貫し安定した燃料電池性能のために、水要件に適合しなければならない。従ってトラフは、燃料電池電力に応じた最小量の水を常に収容するために設計されていなければならない。高さ及びコンパートメントの寸法は、それに応じて調節されてもよい。より良好なウィッキング作用のために、燃料電池の外にあるウィックの部分はできるだけ多く水に浸漬されている必要があることに留意されたい。トラフの製造のために選択される材料は、電気絶縁であること、及び補充の必要なしにより長い期間にわたって燃料電池を作動させるための十分な量の水を保持できることが重要である。
【００３５】
本発明の実施形態によれば、水輸送のために脱イオン水が使用されており、その理由は、脱イオン水は減少した導電性を提供するからであり、また、ＭＥＡのより優れた耐久性のためにセル内へのイオン性不純物の移送を防止することが重要だからである。使用される反応ガスの流速は、毛管圧力差及びウィッキング速度を考慮に入れたものでなければならない。特定のウィッキング材料についての最大のウィッキング速度を提供するために、ストイキオメトリが考慮されなければならない。
【００３６】
本発明によれば、ウィッキング作用を促進するため又は妨げるために、ガスは対向流モード又は並行流モードのいずれかで供給されてもよい。アノード又はカソードのみが内部加湿される構成では、他方の電極は従来の対向流モードを用いて供給される。
【００３７】
本発明によれば、水素が図３に示すように圧縮水素タンク（９）を通して供給され、これはスタック内のバイポーラ流れ場プレート（１７）を通して流れる。空気がファン／ブロワ（１３）を通してスタックのカソード（１６）に向けて供給される。プレートは、水素をアノード（１５）上に分配し、空気／酸素をカソード（１６）上に分配する。好ましい実施形態では、ガスは湿潤多孔質ウィック表面（２０）を横切らなければならず、湿潤多孔質ウィック表面（２０）は、水リザーバであるトラフ（１４）内にウィックの底部が浸漬されている場合に、毛管作用により継続的に湿潤に保たれる。水輸送のこの受動技術の利点は、寄生電力損失が大幅に低減されることである。
【００３８】
本発明によれば、カソード上又はアノード上又は両方へのウィッキング材料の配置に応じて、ＰＥＭＦＣシステムの４つの異なる構成が存在してもよい。ＰＥＭＦＣにおける加湿は、電気浸透ドラッグのため、アノード上がより重要であることが知られている。しかし、酸素の分圧の大きな減少を回避するために、少量の加湿（〜５０％ＲＨ）がカソード上にやはり必要である。従って、本発明は４つの異なる構成を用いて試された。ウィックなしの構成は、対照として使用された。他の構成では、ウィックがカソード上又はアノード上又は両方に配置され、燃料電池セットアップの底部に配置されたトラフ内に浸漬された。ウィックを有する各電極（１つ又は複数）には、０％ＲＨを有する乾燥ガスが燃料電池作動のために供給され、分極技術を使用して性能が記録された。全ての実験は、蛇行流れ場ベースの燃料電池セットアップに対して、周囲圧力及び５５℃において行われた。
【００３９】
本発明において使用される導電性の親水性層は、水分子との付着相互作用を有する。それらが毛管作用を生成するためには、付着力が、異なる水分子間の凝集力より大きくなければならない。これらの観点において、どちらの力が優勢であるかは接触角によって決定される。接触角がより小さければ湿潤エネルギーはより大きく、従って付着力もより大きく、それにより毛管作用が促進される。水分子は布の空隙を通して吸収され、従って乾燥ガスがそれを通過する際に、膜に必要な水分をそれと一緒に運ぶ。
【００４０】
上記の説明は好ましい実施形態を構成するが、本発明は、添付の請求項の適切な範囲の公正な意味から逸脱することなく修正及び変更が可能であることは注目に値する。例えば、多種多様な導電性及び親水性のファブリック、又は極めて薄い金属フォームメッシュが採用されてもよい。当業者によって理解されるように、加湿の要件は、使用されるウィッキング材料のタイプ、その孔径分布、導電性及び親水性の性質に依存する。
【００４１】
本発明の新規性は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池の加湿及び冷却を同時に提供可能な蒸発冷却の原理に基づいてウィックベースの加湿が導かれるという概念にある。プロセス全体は空気−水系のサイクロメトリーである。本研究では２つのフェーズにおいて、すなわち、１つは単一セルレベルにおいて、そして次に５セルスタックレベルにおいて調査を達成する。単一セルの調査は、この技術のために有し得る全ての可能な構成を用いて行われた。カソードにおいて生成される水は乾燥空気供給の下での安定したフラッディングのない性能のために十分であることが、構成Ｃにおいて見出された。本調査におけるトラフのコンパクトな配置はまた、アノードにおけるウィックベースの加湿（構成Ｂ）を促進でき、それにより並行流モードにおける４０９ｍＷ／ｃｍ２のピーク電力密度が提供され、これは対照の場合における４０８ｍＷ／ｃｍ２のピーク電力密度にほぼ等しい。構成Ｄは、両方の流れモードにおいて、構成Ａに匹敵する性能は示さない。構成Ｃについての５セルスタックにおける温度及び電圧プロファイルが取得され、対照と比較された。得られる熱の合計２０２．５Ｗに対して、達成可能な最大冷却は１６．５Ｗ付近であった。
【００４２】
実施例
以下の実施例は例示のために提供されるものであり、従って本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【００４３】
実施例１
ウィッキング作用及び熱安定性のために有用な材料パラメータの測定
孔径分布、ガス透過率、及び接触角は、多孔質親水性材料においてウィッキング作用が発生するために重要な役割を果たす。これはまた、過剰なウィッキングに起因する電極のフラッディングの可能性に関する概念も提供する。ウィックによって燃料ストリームに水が内部で供給されるためには、正のウィッキング速度が継続して維持されることが不可欠である。従って、最適な孔径分布及び透過率は、フラッディングのないセル性能のために重要である。ウィッキング作用は更には、２つの重要なファクタすなわち毛管圧力差とウィッキング速度とによって決定される。毛管圧力差（ｄＰｃａｐ）は、水の表面張力、接触角、及び孔直径の関数であり、ウィッキング速度は、ｄＰｃａｐと流れ場圧力差（ｄＰｆｌｏｗｆｉｅｌｄ）との間の差、透過率、流体の粘度、及びチャネル長さに依存する。平均孔径、空気流速、及びウィックを通る透過率が、変化する空気圧力差に関連して測定された。ウィック表面上の接触角を測定するために液滴法が使用された。ウィッキング材料の熱安定性が、熱重量分析計（ＴＧＡ）を使用して、３０℃〜２５０℃の温度範囲について調査された。
【００４４】
図７（ａ及びｃ）は、ウィックの平均孔直径及びガス透過率を、空気圧力差に関連してそれぞれ示す。より小さな孔直径及びより高いガス透過率が、ウィックの両端でのより高い空気圧力差において、流体の毛管変位の増加により測定された。６１μｍの平均孔直径を有するウィックについての、変化する圧力差に関連した平均孔径は２５．７μｍ〜９４．５μｍの範囲内であることが見出され、平均透過率の値は２５ダルシーであることが見出された。図７（ｂ）は、５つの異なる位置における、５×５ｃｍ２の面積のウィックについての接触角データを示す。このパターンは、孔径分布の変化に起因して、位置に応じて接触角が変化することを示す。平均接触角は７７度であることが見出された。
【００４５】
水輸送のために使用されるウィッキング材料は、ＰＥＭＦＣ温度作動範囲にわたって熱安定性であることが重要である。一般に、綿などのウィッキング材料は３０℃〜２５０℃の温度範囲内でそれらの質量の約５％〜７％を失う。従って、そのようなウィッキング材料を用いた長期間の作動では、安定した性能が提供されない可能性がある。ＴＧＡ／ＤＳＣ（示差走査熱量計）の図７（ｄ）から、全温度範囲にわたって質量百分率における損失は観察されなかった。熱流量パターンは温度の増加と整合的であることが見出され、ピークがないため、この温度範囲内でいかなる種類の相転移もないことが示された。従って、燃料電池温度の全範囲にわたって材料は安定性であることが見出された。
【００４６】
実施例２
実験構成（Ａ〜Ｄ）の説明
【表１】
2017525102.tif 000003
【００４７】
実施例３
燃料電池性能についての対照実験（構成Ａ）
ガスの外部加湿を有する対照単一セルセットアップに対応する構成Ａが、内部加湿のためにウィックを利用する他の構成との比較のためのベースライン性能として採用された。セルにはアノードにおいて８０％ＲＨ、カソードにおいて５０％ＲＨが供給された。加湿レベルは、加湿器温度及びガスライン温度を制御することによって維持された。ガスライン温度は、アノード及びカソードの両方について６０℃に維持された。加湿器温度は、アノードについては５０℃に、カソードについては４５℃に維持された。６時間〜８時間にわたるセル安定化の後、定電流分極曲線が記録された。全ての試験に使用されたストイキオメトリは、アノードについて１．２、及びカソードについて３であった。
【００４８】
実施例４
カソード側外部加湿を伴うアノード側内部加湿実験（構成Ｂ）
構成Ｂは、ＭＥＡのアノード上にウィッキング材料を有する単一セルセットアップに対応する。ウィッキングファブリックは、セルの底部から外に延在し、水を含むトラフの内部に浸漬される。ファブリックは毛管作用によってその空隙を通して水の分配を開始する。アノードは燃料電池内の対向流モード及び並行流モードを用いて作動される。カソードは対向流モードのみでガスを供給される。この構成では、燃料電池はカソードにおいて５０％の湿度を供給され、アノードは水素ガスの乾燥ストリーム（０％ＲＨ）を供給された。６時間〜８時間にわたるセル安定化の後、定電流分極曲線が記録された。全ての試験に使用されたストイキオメトリは、アノードについて１．２、及びカソードについて３であった。
【００４９】
実施例５
アノード側外部加湿を伴うカソード側内部加湿実験（構成Ｃ）
構成Ｃは、ＭＥＡのカソード上にウィッキング材料を有する単一セルセットアップに対応する。ウィッキングファブリックは、セルの底部から外に延在し、水を含むトラフの内部に浸漬される。ファブリックは毛管作用によってその空隙を通して水の分配を開始する。この場合、カソードは対向流モード及び並行流モードを用いて作動され、アノードは対向流モードのみを用いて作動される。この構成では、燃料電池はアノードにおいて８０％を超える湿度を供給され、カソードは空気の乾燥ストリーム（０％ＲＨ）を供給された。６時間〜８時間にわたるセル安定化の後、定電流分極曲線が記録された。全ての試験に使用されたストイキオメトリは、アノードについて１．２、及びカソードについて３であった。
【００５０】
実施例６
アノード及びカソードの両方の内部加湿実験（構成Ｄ）
構成Ｄは、ＭＥＡの両方の側上にウィッキング材料を有する単一セルセットアップに対応する。この構成では、セルはアノード及びカソードガスストリームを乾燥供給され、ウィッキング作用を介した内部加湿の提供を許可された。６時間〜８時間にわたるセル安定化の後、定電流分極曲線が記録された。全ての試験に使用されたストイキオメトリは、アノードについて１．２、及びカソードについて３であった。
【００５１】
実施例７
構成Ｃが５セルスタックにおいて使用された熱管理実験
この技術の機能の拡張として、構成Ｃについての５セルスタックを使用した性能を調査するために熱管理の調査が行われた。スタックは、５セル全てについてカソード上にウィックが配置されて構築された。スタックは、カソードにおいて乾燥空気（０％ＲＨ）を供給され、アノード上で８５％ＲＨを超えて供給された。全ての試験についてストイキオメトリは、水素について１．２、及び空気について３において一定に保たれた。２つの端プレートにおいて熱電対を使用して温度が測定された。温度及び電圧プロファイルが時間の経過に伴って測定された。５０℃を超える端プレート温度で試験は終了された。２００ｍＡ／ｃｍ２〜５００ｍＡ／ｃｍ２の複数の負荷条件について試験は繰り返された。最後に、分極曲線が１Ｖのカットオフ電圧を用いて取得された。最後に、構成Ｃについて並行流及び対向流モードにおいて取得された結果が、対照セットアップ（冷却なし）と比較された。
【００５２】
実施例８
燃料電池試験セットアップ
１００ｃｍ２の単一セルセットアップについてのその場加湿実験が実施された。水素スクリーナ膜電極アセンブリ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｓｃｒｅｅｎｅｒ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）（ＭＥＡ−５層）、活性領域１００ｃｍ２が、インドのアルファ・エイサー、ジョンソン・マッセイ・プライベート・リミテッド（Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ，Ｊｏｈｎｓａｎ  Ｍａｔｔｅｙ  Ｐｖｔ．Ｌｔｄ．）から調達された。ニクンジ・エクシム・プライベート・リミテッド（Ｎｉｋｕｎｊ  Ｅｘｉｍ  Ｐｖｔ．Ｌｔｄ．）から調達されたアブカーブ（ＡｖＣａｒｂ）炭素布が全ての試験に使用された。全ての試験は、１４０Ａの負荷容量及び０Ｖ〜５Ｖの電圧範囲を有するバイオロジック（ＢｉｏＬｏｇｉｃ）燃料電池試験ステーション上で行われた。
【００５３】
単一セル実験のための機器は以下を含む。
・負荷容量を有するバイオロジック（ＢｉｏＬｏｇｉｃ）燃料電池試験ステーション。
・アノード及びカソードのための２本のガスライン。
・（バイオロジック（ＢｉｏＬｏｇｉｃ）の器具と共に提供された）温度測定のための熱電対
・バイオロジック（ＢｉｏＬｏｇｉｃ）燃料電池試験ステーション内の組み込み加湿ユニット。
・水素及び空気のガスシリンダ。
・接続管
・閉塞器（Ｃｌｏｓｅｒｓ）
・２つの端プレートと、２つの電流コレクタプレートと、１つのＭＥＡと、ガスケットと、蛇行流れ場（７チャネル、７パス）を有する２つのモノポーラグラファイトプレートとを含む１００ｃｍ２の単一セルセットアップ。
・水を保持するための単一セル及び５セルセットアップ用トラフ。
・木製スタンド（ｗｏｏｄｅｎ  ｓｔａｎｄ）
【００５４】
上述の全ての構成要素が一緒に単一セル実験のための完全なセットアップを構成する。
【００５５】
この構成に基づいて、１００ｃｍ２の単一セルに対する実験が、ウィッキング材料の配置と並行流又は対向流シナリオにおけるガスの流れとを除く全てのパラメータを一定に保って実施された。調査は体系的に行われ、最初に対照（構成Ａ）セットアップが全て従来のユニットを用いて試験され、他の構成（Ｂ、Ｃ、及びＤ）との比較のためのベンチマークとして採用された。従って、対照実験において得られた性能からのいかなる逸脱も、（ｉ）ＭＥＡ上の布の存在、（ｉｉ）ガスの乾燥及び周囲供給、（ｉｉｉ）周囲温度においてウィッキングされた水、及び（ｉｖ）ガスの流れモードにおける変更、に帰せられた。性能はいずれの場合も分極曲線を用いて定量化され、布を追加したことの効果は、電気化学的インピーダンス分光法を用いて試験された。
【００５６】
分極調査
単一セルについての分極データは、０．８Ａ／ｃｍ２の電流密度に対して設定された水素ストイキオメトリ１．２及び空気ストイキオメトリ３を用いて、５５℃において、変化する負荷電流密度において取得された。試験は対向流モード及び並行流モードを使用して実施された。
【００５７】
対向流モード：
図８ａは、全ての構成（Ｂ、Ｃ、及びＤ）についての対向流モードの下でのセル分極曲線を、デフォルトで対向流モードにおいて作動される構成Ａと比較して示す。曲線は、各構成について行われた実験の組から取得されたそれらの標準偏差（ＳＤ）エラーバーと共に表されている。バーは、記録された各データ点について１ＳＤを表す。比較は、様々な構成において回路電圧（ＯＣＶ）が影響を受けないままであり、約０．９Ｖにおいて安定化することを示す。対向流モードの実験の場合、理論計算によって予測されるようにウィッキング作用は対向するガス流によって抵抗される。この抵抗は、構成Ｃの場合のようにガス流速が高い場合は更により支配的であり、従って、毛管作用を完全に停止させる可能性さえある。平衡化の後の対照セットアップ（構成Ａ）は、４０７ｍＷ／ｃｍ２の最大電流密度を提供し得る。９００ｍＡ／ｃｍ２を超える高電流密度における電位低下は、流速が０．８Ａ／ｃｍ２の負荷について設定されたことによる質量移送制限に起因する。
【００５８】
構成Ｂの場合、対向流モードの下でさえ少量の水がウィッキングで上昇され、ここで、最大電力密度はわずか３４４ｍＷ／ｃｍ２に制限された。これは主として、湿潤したウィックによって提供される増加したガス拡散抵抗に起因し、また、対向流モードにおけるウィッキング作用にもかかわらず膜抵抗の増加をもたらし得る水素の乾燥供給にも帰せられ得る。構成Ｃの場合、最大電力密度は４６５ｍＷ／ｃｍ２において測定された。これは予期されたものであり、なぜなら、空気ストイキオメトリが十分に高く保たれたため、それにより大きなガス拡散抵抗が防止され、カソードで生成された水は空気流によってウィック上により均一に分散され、その結果、カソード上のいかなるフラッディング事象も防止されるからである。
【００５９】
並行流モード：
図８ｂでは、構成Ｂ、構成Ｃ、及び構成Ｄについての並行流モードの下で取得された分極曲線及びそれらの標準偏差エラーバーを示し、構成Ａと比較している。このモードでは、ウィックを有する全ての構成が、対向流モードに比較して増大した毛管作用を受ける。ここで、構成Ｂは対照構成Ａの性能と一致し、４０９ｍＷ／ｃｍ２の最大電力密度を提供でき、これは、並行流モードにおける増大した毛管作用により、良好なプロトン伝導性のための十分な水が膜に提供されたことに帰せられる。カソードからの逆拡散が支配的である低い電流密度（＜３００ｍＡ／ｃｍ２）において、アノードにおけるフラッディングの可能性がある。構成Ｃは、対向流モードにおいて観察された性能よりはるかに低いおおよそ２８４ｍＷ／ｃｍ２の最大電力密度を提供することが見出された。これは、過剰な水輸送に起因するフラッディングの可能性、及び／又は、カソードに供給された周囲空気温度に起因する遅いＯＲＲ反応速度にのみ帰せられ得る。構成Ｂ及び構成Ｃの組み合わせである構成Ｄでは、対向流モードからの大幅な性能における変化は観察されず、２８５ｍＷ／ｃｍ２の最大電力密度が提供された。構成Ｄのより低い性能の最も決定的な理由は、ＭＥＡの両側上の湿潤したウィックによって提供される高いガス拡散抵抗と、ガスの乾燥及び周囲温度供給とにより、電極において、特にカソードにおいて、より遅い反応速度がもたらされるということである。
【００６０】
電気化学的インピーダンス分光法調査：
全ての分極調査の後、電気化学的インピーダンス測定調査が行われた。全てのパラメータが、分極調査について使用されたのと同様に一定に保たれた。バイオロジック（ＢｉｏＬｏｇｉｃ）燃料電池試験ステーション内のプログラムのみが、セルについてのインピーダンス分光分析を実行するために変更された。周波数範囲は０．１Ｈｚ〜１０ｋＨｚに設定され、電圧は、燃料電池の正常な動作電圧範囲内にある０．６Ｖに保たれた。次に、各構成について周波数範囲内のナイキストプロットが記録された。
【００６１】
対向流モード：
インピーダンス分光法は、電気化学系の挙動を理解するための強力なツールである。一般に、ナイキストプロット及びボードプロットが、任意のインピーダンス分光法測定についての完全な情報を提供するために使用される。ナイキストプロットは全体的なインピーダンスの実部及び虚部の詳細を提供し、ボードプロットはシステムの周波数応答を提供する。図９（ａ〜ｄ）は、様々な構成についての対向流モードの下でのナイキストプロットを、それらのシミュレートされた曲線と共に示す。オーム抵抗は、実軸の高周波数インターセプトにおける曲線の交点において測定され、電荷移送抵抗は、低周波数端及び高周波数端における実軸インターセプトの差として測定される。理解できるように、オーム抵抗は膜抵抗が支配的であり、各構成において膜に供給される水の量の差に起因して、異なる構成の間で変化することが見出された。また、燃料電池内の活性領域上へのウィックの追加は、セル内の電子移送に内部抵抗を追加し、その結果、オーム抵抗の増加に反映することは明らかである。例えば、１０ｃｍの長さの炭素布及び１．１ｍＯｈｍ−ｃｍの電気抵抗率の場合、面積比抵抗は１１ｍＯｈｍ−ｃｍ２に等しく、これは燃料電池の全体的なオーム抵抗に比較して非常に小さな値である。従ってこの研究では、オーム抵抗の増加は大部分が、膜の水分含有量に依存する膜抵抗の変化に帰せられる。予期されるように、構成Ａが最小のオーム抵抗を提供し、構成Ｂ、構成Ｃ、及び構成Ｄがそれに続く。構成Ｂの場合のオーム抵抗の小さな増加は、ウィックの存在に、及び、対向流モードにおけるウィック内での小さな毛管上昇により、ウィックを通して膜に十分な水が提供され得ないことに帰せられる。しかしこの傾向は、Ａの性能が最大であり、０．６Ｖにおいて３００ｍＷ／ｃｍ２付近を提供するＢ及びＣがそれに続く、分極データと良く一致する。オーム抵抗及び電荷移送抵抗の両方が、観察されたものと見積もられたものとで良く一致していることに留意されたい。電荷移送抵抗において見られる変化は電極反応速度に帰せられ、電極反応速度は温度依存性であり、膜の水和レベルにも影響される可能性がある。加えて、カソードにおいて蓄積された水がウィックの孔を塞ぎ、それによりフラッディング事象がもたらされる可能性があり、これも電荷移送抵抗における変化を引き起こし得る。従って、周囲温度における空気がカソードに供給され、（高周波数インターセプトにおけるシフトによって特徴付けられる）脱水効果も観察される、構成Ｃ及び構成Ｄにおいて、電荷移送抵抗ははるかに高いことが見出されることがわかる。同じことが構成Ｂの場合には見られず、これは、水素酸化反応（ＨＯＲ）の反応速度が、低い温度においてさえ、酸素還元反応（ＯＲＲ）に比較してはるかに速いからである。
【００６２】
並行流モード：
並行流モードについては、図１０（ａ〜ｄ）に、様々な構成についてのナイキストプロットを、それらのシミュレートされた曲線と共に示す。並行流モードにおいては増大したウィッキング作用が期待されるため、構成Ｃ及び構成Ｄの場合はオーム抵抗の減少が見出され、構成Ｂでは対向流モードからのオーム抵抗における大きな変化は反映されない。オーム抵抗の増加の順序は、構成Ａに続いて構成Ｂ、構成Ｃ、及び構成Ｄという順序のままであり、これは分極データに一致している。電荷移送抵抗の場合、構成Ｂ及び構成Ｄで、対向流モードにおいて観察されたものからの大幅な増加が経験された。これは再び電極反応速度に帰せられ、電極反応速度は、燃料電池に供給される燃料又は酸化剤の周囲温度によって影響され、場合によっては周囲温度においてウィッキング材料を上昇する水に起因する。
【００６３】
１００ｃｍ２の５セルスタックについての熱管理：
熱管理はこの調査の重要な側面である。単一セル加湿実験から、本技術は、全ての構成においてその場加湿を提供可能であること、及び更には、構成Ｂ及び構成Ｃを用いて従来のセルセットアップに比較してより良好な性能を提供可能であることが確認された。従って、５セルスタックを用いて行われた熱管理調査については、非冷却スタック（構成Ａ）とカソードにおいてウィックを有するスタック（構成Ｃ）との間の有効な比較を確立するために、構成Ａ及び構成Ｃのみが試験された。試験は、対向流モード及び並行流モードの両方について行われた。その結果、ウィックを有するスタックが非冷却スタックに比較してより良好な熱管理機能を有することが、温度及び電圧プロファイルを用いて立証された。
【００６４】
スタックの構築：
構成Ｃに基づくスタックは、５セルアセンブリ内のＭＥＡの各カソードと流れ場プレートとの間に炭素布を慎重に配置することによって構築された。スタックは、蛇行流れ場を有する４つのバイポーラプレート及び２つのモノポーラプレートを使用して構築された。５つの新しい１００ｃｍ２のＭＥＡが熱管理実験のために使用された。全てのグラファイトプレートはドイツのＭ／ｓシュンク・コーレンストッフテヒニーク・ゲーエムベーハー（Ｍ／ｓ  Ｓｃｈｕｎｋ  Ｋｏｈｌｅｎｓｔｏｆｆｔｅｃｈｎｉｋ  ＧｍｂＨ，Ｇｅｒｍａｎｙ）から調達された。冷却プレートはスタック内に追加されなかった。全ての残りの構成要素は、単一セル実験の場合と同じに保たれた。
【００６５】
温度プロファイルの比較：
提案された技術を使用して冷却が発生したことを判定するために、所与の負荷条件下での経時的なスタックの温度プロファイルを判定することが重要である。実時間の実際条件をシミュレートするために、試験は３０℃付近の室温を有する周囲条件下で行われた。スタックの周囲から雰囲気への主要な強制対流熱伝達を回避するために、試験室内の全ての天井ファンは実験の間オフにされた。試験は構成Ａ及び構成Ｃのみについて行われた。スタックは、両方の流れモードについて、アノード側の加湿を常に８０％を超えるように保って、２０Ａ、３０Ａ、４０Ａ、及び５０Ａのそれぞれの一定の負荷条件下で作動された。負荷は負荷ボックス（ビトロード（Ｂｉｔｒｏｄｅ）ＬＣＮ電力モジュール）を用いて提供された。カソードには、構成Ｃについては乾燥空気（０％  ＲＨ）が供給され、構成Ａについては５０％ＲＨが供給された。スタックのための加湿セットアップは、２つの水槽と、２つのポンプと、２つのパーマピュア（ＰｅｒｍａＰｕｒｅ）加湿器（モデルＦＣ  ３００−１６６０−１０ＬＰ）とを含む。対照について、水槽温度は、アノード加湿のために５５℃に設定され、カソード加湿のために４５℃に設定された。槽からの水は蠕動ポンプを用いて加湿器内に環流された。加湿器にはガス及び水の対向流が供給された。加湿器のガス出口は燃料電池スタックの入口ガスポートに接続された。ガスラインは雰囲気に対して開放されていたため、凝縮プロセスにおける水蒸気のいかなる損失も防止するために、加湿器のガス出口はスタックの入口の近くに保たれた。構成Ｃの場合、流れ場を通過した後の乾燥ガスの相対湿度及び温度を定量化するために、カソード出口に湿度センサが取り付けられた。２つの熱電対を用いて両方の端プレートにおいて温度が測定され、２０秒間隔ごとに手動で記録された。スタック温度は２つの温度の平均と解釈された。端プレートの温度が５０℃に達したら試験は終了された。しかし、ＭＥＡの活性領域上の実際のセル温度は、端プレートにおいて測定された温度より５℃〜７℃高い可能性があることが理解されなければならない。
【００６６】
スタックの温度プロファイルが２つの端プレートにおいて測定された。室温と５０℃との間で測定されたスタックの温度プロファイルは、スタックの冷却能力に関する明確な視野を提供する。様々な負荷条件における温度の上昇のパターンは、カソードにおけるウィックの組み込みによって達成される冷却の量の明確な概念を提供する。図１１は、高電流密度作動とみなされ得る０．５Ａ／ｃｍ２におけるスタックの温度プロファイルを表す。図は、非冷却スタックの場合、入口ダウン構成に比較して温度上昇がはるかに急峻であることを明確に示す。対向流構成では、ウィッキング作用が抵抗されることに起因して、スタック温度の管理における大きな向上はもたらされなかった。同様のパターンが、０．３Ａ／ｃｍ２、０．４Ａ／ｃｍ２、及び０．５Ａ／ｃｍ２という他の負荷条件の場合に観察された。並行流モードについてのスタックの温度プロファイルにおけるはるかに急峻でない上昇はウィッキング作用に起因し、このウィッキング作用においては、室温の水がスタックに入り、炭素布上を流れる空気の高温乾燥ストリーム内に蒸発し、それにより冷却効果が生成される。対向流の場合、ウィッキング作用は非支援的である。従って、この構成における温度プロファイルは非冷却スタックにある程度類似している。
【００６７】
電圧プロファイルの比較：
実験セットアップ及び様々なパラメータは温度プロファイルの調査について保たれたものと同様に保たれた。これらの実験において、スタック電圧が、室温から５０℃までのスタック温度上昇について記録された。電圧は、温度プロファイル実験と同様の負荷条件（２０Ａ、３０Ａ、４０Ａ、及び５０Ａ）について記録された。この実験の目的は、燃料電池スタックの温度の上昇に伴う電圧の安定性を立証することである。
【００６８】
スタックがその作動温度に到達する間、性能が維持されることが重要である。スタックは周囲圧力において作動されたため、スタック温度は６０℃未満に保たれた。電圧プロファイルは、温度の増加に伴うスタック性能の明確な描写を提供する。より長い作動期間にわたる安定した電圧は、より良好な性能を示す。
【００６９】
図１２は０．５Ａ／ｃｍ２の負荷条件についての電圧プロファイルを示し、ここで、電圧変化は端プレート温度が５０℃に達するまで記録された。図から、入口ダウン構成についての電圧プロファイルは他の構成よりはるかに良好なままであったことが理解できる。
【００７０】
分極曲線：
スタック構成についての分極曲線が、増加する電流密度についてスタック電圧を記録することによって取得された。電流密度は、１０秒刻みで、それぞれ５ｍＡ／ｃｍ２から開始して６００ｍＡ／ｃｍ２まで増加された。この範囲は４０ステップに分割され、電圧は各ステップにおいて１０秒間記録された。試験の終了のためのカットオフ電圧は１Ｖに設定された。温度及び電圧プロファイルの調査の間にスタックは数時間にわたって作動されてきたため、スタックが５０℃の温度近くに達したら直ちに分極曲線が取得された。全ての試験は周囲圧力条件において行われた。分極曲線は、５０℃〜５５℃のスタック温度範囲について、水素及び空気ストイキオメトリがそれぞれ１．２及び３の状態で取得された。図１３は、５セルスタックを用いて試験された、異なる流れモードについての分極曲線の比較を示す。並行流モードは、ほとんどの作動電圧範囲について、対照と等しい性能を示した。入口アップ構成は、カソードのみにおいて生成される水のより高い蒸発率に起因して、減少した性能を示した。
【００７１】
効率計算：
スタックの効率は、水素−酸素反応についてのエンタルピーにおける変化の、より低い発熱量から取得された理論的電位に基づいて計算された。従って、燃料電池スタックの効率は、次の単純な式によって得ることができる。
η＝出力電力／理論的電力
【００７２】
燃料電池の出力電力は、次の関係によって得られる。
Ｐｏ（ワット）＝電流密度（Ａ／ｃｍ２）×電圧（Ｖ）×活性領域（ｃｍ２）
【００７３】
次に、廃熱が次の関係によって計算され得る。
ＰＨ（ワット）＝Ｊ（Ａ／ｃｍ２）×（Ｖｔｈ−Ｖ）×セルの数×活性領域（ｃｍ２）
【００７４】
理論的出力電力は、実際には廃熱と燃料電池電力出力との合計である。これは次に示す単純な式によって計算することも可能である。
Ｐｔｈ（ワット）＝Ｖｔｈ×Ｊ（Ａ／ｃｍ２）×セルの数×活性領域（ｃｍ２）
【００７５】
表２は、熱管理実験の間に調査された様々な構成の効率を記録したものである。電流密度の増加に伴って熱発生率が増加することを明確に観察することができる。しかし効率は、より低い電力出力に起因して低下する。図１４は、効率対電流密度のプロットを表す。予期されるように、全ての構成について、効率は電流密度の増加に伴って減少する。しかし、並行流モードについての効率は対照セットアップにほぼ等しいことに留意されたい。４００ｍＡ／ｃｍ２を超える電流密度の場合に効率が急速に低下することは興味深い。これは、より高い電流密度における発熱の増加に加えて、増加したガス流速におけるカソード側での膜の急速な乾燥に帰せられる。従って最後に、並行流モードでは、空気流で支援された毛管作用によって室温の水がウィックを上昇して輸送されることに起因して、ある程度まで冷却を達成できることがわかる。これは更に、この構成を有する燃料電池スタックの効率の向上に関して反映される。
【表２】
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【００７６】
本発明の利点：
１．本発明は、ＬＴ−ＰＥＭＦＣの入口ガスストリームの内部加湿のための経済的かつ容易なスケールアップ技術を提供する。
２．本発明において使用される技術は、外部加湿を利用する他の従来の加湿技術に比較して、最小の寄生電力損失を提供する。
３．使用される技術は、大部分が平行である流れ場を使用した内部加湿のための水輸送のためのウィックベースの技術を利用する他の従来技術とは異なり、ガス流を下から上に提供するための手段を有する任意の流れ場と共に良好に動作する。
４．アセトン処理によって調整された導電性及び親水性の炭素布の使用は、セル内への水輸送に非常に適している。金属フォームメッシュ、導電性ファブリックなどのその他の材料も使用されてもよいが、漏洩の問題が調べられなければならない。通常、１ｍｍ未満の厚さの材料がそのような技術に向いている。
５．本システムは、燃料電池の冷却を提供するように更にインプロバイズされること（ｉｍｐｒｏｖｉｓｅｄ）が可能である。多孔質ウィック表面からの水が高温乾燥ガスに遭遇した場合、水は蒸発して冷却効果が生成される。
６．そのような技術によりシステムの複雑さ及びサイズは大幅に低減され、全体的なコストの削減がもたらされる。
７．本システムでは、ウィックがその空隙内に水を保持して膜に水を継続的に供給するため、広い電流密度範囲にわたって膜の乾燥が防止される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【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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【国際調査報告】
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