(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池（１１）のポリマー電解質膜（１７）を水和する装置であって、当該装置が、
毛管現象により前記ポリマー電解質膜と前記ポリマー電解質膜から離間した場所との間で水を導くためのウィッキングストランド（１９，２７）であって、前記ポリマー電解質膜（１７）に当接するウィッキングストランド（１９，２７）を具備しており、
前記ウィッキングストランドが複数の対称なローブ（３４，３５，３６）を有していて、隣接する対称ローブ（３４，３５，３６）の間に部分的に囲まれた流路（３７，３８，３９）を形成しており、水が前記流路（３７，３８，３９）を通して流れることにより、前記ウィッキングストランド（１９，２７）が水を導く、水和装置。
【請求項２】
前記ウィッキングストランド（１９，２７）が軸方向対称軸を有しており、前記ローブ（３４，３５，３６）が前記対称軸から半径方向に延出していて、各ローブ（３４，３５，３６）がＴ字形に構成されたアーム部とフランジ部とを有する、請求項１記載の水和装置。
【請求項３】
前記流路（３７，３８，３９）の数が前記ローブ（３４，３５，３６）の数と等しい、請求項１又は請求項２記載の水和装置。
【請求項４】
前記ローブ（３４，３５，３６）が少なくとも３つのローブ（３４，３５，３６）から構成されている、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の水和装置。
【請求項５】
前記ウィッキングストランド（１９，２７）が複数のストランドから構成されていて、前記ウィッキングストランド（１９，２７）が前記ポリマー電解質膜（１７）上に反復パターンを形成する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の水和装置。
【請求項６】
前記燃料電池（１１）が触媒層（２１，２９）を含んでおり、前記ウィッキングストランド（１９，２７）が前記触媒層（２１，２９）と前記ポリマー電解質膜（１７）との間に配置されている、請求項５記載の水和装置。
【請求項７】
前記パターンが、前記ウィッキングストランド（１９，２７）が互いに平行に配置されることにより構成される、請求項５又は請求項６記載の水和装置。
【請求項８】
前記流路が、前記場所から前記ポリマー電解質膜（１７）へ水を導く、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の水和装置。
【請求項９】
前記燃料電池（１１）が陽極触媒層（２１）を含んでおり、前記ポリマー電解質膜（１７）が陽極側の面を有しており、前記ウィッキングストランド（１９）が前記陽極触媒層（２１）と前記ポリマー電解質膜（１７）との間に配置されてそれらと当接しており、前記場所が水を収容した水容器（５３）を具備しており、前記ウィッキングストランド（１９）が前記水容器（５３）と流体連通していて、前記水容器（５３）から前記ウィッキングストランド（１９）を通して前記ポリマー電解質膜（１７）の陽極側の面へと水が流れる、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の水和装置。
【請求項１０】
前記燃料電池（１１）が陰極触媒層（２９）を含んでおり、前記ポリマー電解質膜（１７）が陰極側の面を有しており、前記ウィッキングストランド（２７）が、前記陰極触媒層（２９）と前記ポリマー電解質膜（１７）との間に配置されてそれらと当接しており、前記場所が水を回収するための第２の水容器（５９）をさらに具備しており、前記ウィッキングストランド（２７）が前記第２の水容器（５９）と流体連通していて、前記ポリマー電解質膜（１７）の陰極側の面から前記ウィッキングストランド（２７）を通して前記第２の水容器（５９）へと水が流れる、請求項９記載の水和装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池に関し、特に、燃料電池の電極の間で陽子を伝導するために固体ポリマー電解質膜を含み且つ膜を水和するために複数のウィッキングストランドを含む燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料から燃焼プロセスにより仕事が引き出される燃焼プロセスは、膨張する気体の圧力を利用してタービンを回転させるか、又は往復ピストンを移動させ、最終的には、駆動軸にトルクを与える。このトルクは、その後、通常は推進力を得るため又は電力を発生するために使用される。電力を発生させる場合、電力は再び機械的仕事に変換されることが多い。
【０００３】
燃焼プロセスの副産物は大気を汚染する廃ガスであり、汚染を回避又は少なくとも低減すべきであるならば、廃ガスを触媒と反応させて、害のない化合物を生成する。このプロセスには通常は高いコストがかかり、汚染物質の放出をあらかじめ規定された最大値以下に保持するように保証するために大規模な監視や保守を必要とする作業及び機器が要求される。更に、膨張する気体を利用してタービン又はピストン機関を駆動する場合には、燃焼プロセスの効率の悪さと、可動部品の摩擦が原因となるエネルギー損失が避けられない。
【０００４】
燃料を燃焼させることにより仕事を発生する場合に固有の上記のような欠点を回避する１つの方法が燃料電池である。燃料電池は、触媒を利用して燃料を酸化させる化学反応から直接に電力を発生する。燃焼のような中間工程は不要であり、また、駆動軸のトルクから電力を発生するための機械も不要である。燃料の化学的エネルギーは、はるかに効率良く利用される。大気を汚染する廃ガスが放出されないため、有害な副産物を中和するために必要とされる付随の工程や機器も不要である。
【０００５】
最も単純な燃料電池は、電解質により互いに離間された２つの電極から構成される。電極は外部回路を介して電気的に接続され、それらの間に抵抗負荷が位置している。固体ポリマー電気化学燃料電池は、２つの電極の間に配置された、陽子交換膜としても知られている固体ポリマー電解質膜、略して「ＰＥＭ」から構成される膜電極アセンブリ、略して「ＭＥＡ」を一般に採用している。電極は、気体を拡散させる多孔質の導電性シート材料、通常は炭素繊維から成る紙又は布から形成されている。ＰＥＭは電極間で容易に陽子を移動させるが、相対的に気体を透過しにくい。また、ＰＥＭは導電率に関しては低いので、電池の内部短絡を防止する。
【０００６】
一方の電極である陽極に燃料ガスが供給されると、燃料ガスはそこで酸化されて、陽子及び自由電子を発生する。自由電子の発生によって、陽極に電位、すなわち、電圧が発生する。陽子はＰＥＭを経て他方の電極である正に帯電した陰極へ移動する。陰極に還元剤が供給されると、還元剤はＰＥＭを通り抜けて来た陽子及び外部回路を流れて来た自由電子と反応して、反応生成物を形成する。ＭＥＡは、所望の電気化学反応を誘起するために、ＰＥＭと各々の電極との間の境界面に、それぞれ、通常はプラチナベースである触媒を含む。
【０００７】
燃料電池の一般的な実施例の１つにおいては、燃料が水素ガスであり、酸化剤は酸素である。陽極で水素が酸化されて、以下の化学式に従ってＨ+イオン、すなわち、陽子と、電子とを形成する。
Ｈ2＝２Ｈ+＋２ｅ-
【０００８】
Ｈ+イオンはＰＥＭを横断して陰極に到達し、そこで酸素と、外部回路からの自由電子により還元されて、水を形成する。この反応は次の化学式により表される。
１/２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-＝Ｈ2Ｏ
【０００９】
ある種の燃料電池はポリパーフルオロスルフォン酸などのイオン交換ポリマーから形成される固体ＰＥＭ、例えば、E. I. DuPont de Nemoursにより製造されているNafion(登録商標)膜を使用している。イオンの搬送はポリマー内部に存在する陰イオン（スルフォン酸陰イオン）基により確立されたイオンネットワークの経路に沿って行われる。イオン搬送に利用される導電経路を形成するために、ポリマーのイオンサイトの周囲には水が要求される。
【００１０】
従って、このようなＰＥＭのイオン伝導度はポリマーにおける含水率の関数である。特に、伝導度は含水率が最小閾値レベルを下回ると低下する。伝導度が低下すると、ポリマーが過剰に乾燥して、燃料電池が導通しなくなるまで、燃料電池の効率は低下する。
【００１１】
ＰＥＭの陽極表面からの水の排除を引き起こす原因はいくつかある。酸化反応、並びに自由電子の搬送により発生する熱、すなわち、ＩＲ型損失は蒸発を引き起こす。また、水素水化合物、例えば、「ヒドロニウムイオン」（Ｈ3Ｏ）+による電気浸透搬送によっても水は失われる。これは、陽極から陰極へ移動する水素陽子によりＰＥＭを通して水分子が「引っ張られる」プロセスである。各Ｈ+イオンは電気浸透「引っ張り」のメカニズムを経て１つ又は２つの水分子を共に搬送すると考えられている。
【００１２】
膜の脱水はＰＥＭ燃料電池特有の問題である。Ｈ+イオンの還元により生成されるのに加えて、電気浸透によりＰＥＭを通して搬送されるために、陰極には豊富な水が蓄積し、この水の一部は拡散のメカニズムによって自動的にＰＥＭを通って陽極に戻る。しかし、拡散によって陽極に戻る水の割合は、高電流動作条件の下で過剰なＰＥＭの乾燥を防止するのに常に十分であるとは限らず、従って、燃料電池がさらされると予想される範囲の動作条件の下で乾燥を防止するために、拡散のみに依存することは不可能である。
【００１３】
ＰＥＭの適切な水和を維持する方法の１つは、陽極に流入する水素ガス燃料の流れの中へ蒸気又は微細な霧として水を導入するために燃料電池構造の外で給湿器を使用する方法である。もう１つの方法は、燃料電池が動作される温度より高い温度に保持された水を通して燃料ガスを発泡させる方法である。
【００１４】
しかし、主に凝縮のメカニズムに固有の制約によって引き起こされる、実現可能な解決方法としての給湿の有効性の限界が存在する。特に、陽極において、水は給湿温度での給湿燃料ガスの飽和蒸気圧力と、電池動作温度での飽和蒸気圧力との差に相当する量で凝縮する。通常、給湿温度と電池動作温度との差はごく小さいため、ＰＥＭの過剰脱水を十分に回避できるような凝縮を発生させない。
【００１５】
１つの解決方法は、給湿温度を上昇させることにより温度差を大きくする方法であった。しかし、給湿温度を上昇させると、水蒸気の部分圧力が大きくなり、それは付随して起こる燃料ガスの部分圧力の増加を上回る。このような不均等な部分圧力の増加は燃料電池に入る加湿ガス混合物における単位体積当たりの燃料ガスの量を減少させる。これは燃料電池の性能に悪影響を及ぼす。
【００１６】
更に、ＰＥＭの脱水を防止するのに十分な量で気体状混合物を飽和させたとしても、また、凝縮水の量が同様に適切であると想定しても、陽極の表面に凝縮水が一様に与えられるとは限らない。むしろ、大半の水は陽極の、流入して来る流れに最も近い部分に集中して、ＰＥＭのより離れた部分は乾燥しやすくなる。
【００１７】
飽和ガスの流量を増加させることにより、飽和ガスにより搬送される水分の量、従って、凝縮水の量を増すことは可能であるが、これには、再循環ポンプと、システムを再循環する未使用のガスに蓄積しがちである不純物を濾過する何らかの手段とを含む再循環ガスシステムが必要である。燃料ガスに給湿すること、特に再循環システムの重大な欠点は、ポンプ、弁、ヒータ及びその他の機器が必要であるために、燃料電池の重量が増すのに加えて燃料電池全体のコストが高くなり、且つ信頼性に悪影響が出ることである。
【００１８】
燃料ガスに給湿する方法に代わる方法は、陽極へ水の流れを導く。しかし、液体水がＰＥＭ中に吸収される速度に関してのフィードバックがないため、この方法は、通常、吸収されるべき量よりはるかに多い量の水を陽極の面へ送り出すことになる。この過剰な液体水は燃料ガスが陽極上の反応場所へ接近するのを制限し、その結果、燃料電池の性能に悪影響を及ぼす。
【００１９】
また、水容器から陽極及びＰＥＭの面へ水を導くためにウィックも使用されている。特に、米国特許第5,534,363号は、多孔質の壁を有する中空の管から構成されるウィッキング構造を開示している。管は、カバーの表面から伸びる多数のごく小さな織物又はフォームのフィンガを有する多孔質の織物又はフォームにより完全に被覆されている。
【００２０】
カバーは燃料電池の陽極シートの表面に接着しており、多孔質管及び陽極表面に接合可能な材料から形成されている。従って、陽極シートを形成するために使用される材料を考慮しながらカバーの材料を選択しなければならない。コラム６の３８〜４６行に記載されている通り、適正な陽極ウィック材料を選択するには、陽極の物理的特性及び化学的特性が企業秘密であるために、陽極の被覆を剥がして解析することが必要になるであろう。
【００２１】
コラム７の１３〜２８行において、代替実施例は、複数の枝を有する木の幹の形状に成形された髪の毛形の管から構成されるウィックを開示している。この管には小さな穴が複数形成されており、陽極材料の湿潤特性及びＰＥＭの水和条件に応じて多孔質の織物又はフォームから成るカバーが必要である場合と、不要な場合がある。この代替実施例のウィック構造を陽極の面に装着するための代替メカニズムは全く開示されていないので、この管も陽極シートに接合する材料から構成されていなければならないことが示される。
【００２２】
更に別の、上記の構成に代わる陽極ウィックは、多孔質織物フィンガ又はフォームフィンガの代わりに、親水性の（すなわち、水を吸収する）糸及び疎水性の（すなわち、水をはじく）糸から織り上げられた布を使用する。ニット布は、全ての液体水をほぼ排除し、水素ガスを陽極へ通過させる複数の反復方形疎水性領域を含む。各々の疎水性領域を取り囲むように、水素ガスを排除し、液体水をウィッキングアクションによって中空管から陽極面へ搬送させる親水性ストライプのゾーンが存在する。
【００２３】
前述のように、上記の特許のウィックは、陽極の面上に位置し、接着により陽極面に装着された中空管を使用する。管又は管カバーを陽極に接合する材料から形成しなければならないため、陽極材料の解析を行う必要がある。そのようなウィックを使用するには、適正な接合を確保するために、様々な燃料電池の外被をそれぞれ剥がし、陽極を解析しなければならない。それぞれ特有の接合特性を有する材料から構成されている陽極を有する燃料電池ごとに、それと組み合わせて使用されるべきウィックを特別に製造しなければならないのである。
【００２４】
米国特許第5,322,744号は、陽極に水を供給し、最終的にはＰＥＭに水を供給するためのウィックを開示している。特に、コラム１０の１〜４行において、この特許は「様々な天然繊維、合成繊維又は金属繊維から選択されるのが好ましい繊維状材料からなり、互いに縒り合わされている糸から製造された」ウィックを開示している。縒り合わされた糸は１つの束を形成する。ウィックを形成する束状の糸などの物体が陽極の面又はＰＥＭの上に存在していると、そのような物体がなければＨ+イオンの搬送のために利用できる表面積が狭くなり、それに比例して燃料電池の電流密度が減少してしまう。従って、個々の糸より太いことは自明である束が太くなるほど、電流密度はますます減少し、燃料電池の性能は劣化する。
【００２５】
束を形成している個々の繊維の間を、直線状の経路とは対照的な螺旋状の曲がりくねった経路に沿って水は導かれる。このような非直線的な流路では、水分子は陽極の表面のある部分に到達するまでに、特にウィッキング束の水供給源から最も遠い距離にある陽極の領域及びそれに隣接するＰＥＭに関して、より長い経路をたどらなければならない。このため、水分子を押出す毛管力からより多くの仕事を引き出さなければならず、また、水がその供給源からＰＥＭまでの距離をたどるのにより多くの時間を費やすことになる。
【００２６】
米国特許第5,358,799号は、水を燃料セルの陽極へ導き、且つ陰極から導くために毛管ウィックを使用することを開示している。コラム５の５９〜６０行で、この特許は毛管ウィックが「多孔質グラファイト又はその他の適切な材料」から構成されると述べている。
【００２７】
従来の技術のいくつかの引例は、繊維又はストランドの長さに沿って軸方向に延出し、ストランドの心で交差する３つのＴ字形区画により形成される３つの中空内部領域を有する繊維又はストランドを開示している。特に、米国特許第5,759,394号の図３は上記のような繊維を示している。繊維は長手方向領域の内部に固体吸収剤を封入している。吸収剤は通過する空気の流れから望ましくない分子を吸収する。液体のウィッキングは開示又は示唆されていない。
【００２８】
米国特許第5,891,221号の図３には、望ましくない臭気の原因となる気相分子に対する親和性を有する液体を搬送し且つ保持することと関連して、上記の繊維構成が示されている。繊維は毛管現象を利用して、内部領域を経て接触した選択された液体を引き出す。液体は、繊維の束の周囲及びその内部を通過する空気から望ましくない気相分子を除去する。
【００２９】
米国特許第5,704,966号も、上述のような３ローブ構成を有するウィッキング繊維を示す。この特許に開示されている繊維の束は、空気の流れから気体状汚染物質を濾過するために使用される。各々の繊維は、気体状汚染物質を捕獲する液体を含む。繊維は捕獲した汚染物質を含有する液体を別の空気の流れへ搬送し、この空気の流れは繊維から汚染物質を引き剥がして、運び去る。
【００３０】
上述の３ローブ構成を有する繊維は米国特許第5,057,368号の図１に示されている。コラム５の２０〜２１行には、その適用用途の１つとして液体のウィッキングが記載されている。米国特許第5,713,971号の図５も、上述のような構成を有する３ローブ繊維を示す。コラム４の５８〜６２行で、この引例は、毛管力を利用して繊維の内部から液体を吸い上げることを開示している。液体は空気の流れから除去すべき望ましくない物質に対する親和性を有する。
【００３１】
後の４つの引例は、それぞれ、長さに沿って軸方向に延出する３つの中空内部領域を有する繊維又はストランドを有する３ローブ繊維を開示している。これらの引例は、それぞれ、開示されている繊維が液体をウィッキングできると述べている。しかし、それらはいずれも、そのような繊維を使用して、ガス燃料電池のＰＥＭを適切に水和するという以前からの問題を解決することを開示又は示唆していないのである。
【００３２】
【発明が解決しようとする課題】
以上の説明からわかるように、現在、当該技術分野においては、従来の技術の欠陥、欠点及び限界を克服する一方で、燃料電池のＰＥＭを十分な水和状態に保持する水和装置が必要とされている。本発明は当該技術においてこの必要を満たす。
【００３３】
【課題を解決するための手段】
簡単に言えば、燃料電池において、ＰＥＭは、サンドイッチ状アセンブリが形成されるように触媒材料から構成される２つの層の間に配置される。燃料電池は更に２つの電極を含み、各電極は液体及び気体を透過する多孔質材料から成る薄いシートから構成されている。２つの電極は、各電極の一方の面が触媒層に当接するようにサンドイッチ状アセンブリの両側に配置される。
【００３４】
各電極の他方の面はそれぞれ非多孔質の双極極板に当接している。双極極板は気体を流通させるための複数の溝を有し、燃料ガスを当接している電極に分配するためのマニホルドとして作用する。２つの双極極板は導電性であり、電気回路により電気的に接続されている。
【００３５】
各触媒層と、隣接するＰＥＭとの間に複数のウィッキングストランドが配置されている。各ストランドは１本の３ローブ繊維から構成されている。ストランドは互いに交差又は重複しないように反復パターンを描いて配列されている。
【００３６】
水素燃料ガスは陽極双極極板の溝を通って流れ、陽極電極を介して拡散し、触媒と反応して自由電子と、Ｈ+イオンとを生成する。電子は外部回路によって陰極電極へ流れ、Ｈ+イオンはＰＥＭを通って陰極電極へ移動する。陽極電極に面するＰＥＭの面に当接しているウィッキングストランドは水容器からそのＰＥＭ面へ液体水を流通させて、ＰＥＭの適切な水和を維持する。
【００３７】
酸素ガスは陰極双極極板の溝を通って流れ、Ｈ+イオン及び自由電子と反応して、液体水を形成する。陰極電極に面するＰＥＭの面に当接しているウィッキングストランドはそのＰＥＭ面から排水容器へ液体水を流通させる。
【００３８】
本発明の上記の特徴、面及び利点、並びにその他の特徴、面及び利点は、添付の図面、以下の説明及び特許請求の範囲を参照することにより更に良く理解されるであろう。
【００３９】
【発明の実施の形態】
図１に、燃料電池１１の展開図を示す。燃料電池１１は陽極側１３と、陰極側１５とから構成されており、ポリパーフルオロスルフォン酸などの固体イオン交換ポリマー、例えば、E. I. DuPont de Nemoursにより製造されているNafion(登録商標)膜から形成されたＰＥＭを更に含む。ＰＥＭ１７は陽極側と陰極側を電子的に分離するが、それらの間の陽子の導通を行わせる。その重要性については後に説明する。陽極側１３はウィッキングストランド１９と、陽極触媒層２１と、陽極電極２３と、陽極双極極板２５とから構成されている。陰極側１５はウィッキングストランド２７と、陰極触媒層２９と、陰極電極３１と、陰極双極極板３３とから構成されている。
【００４０】
触媒層２１及び２９はＰＥＭ１７の２つのほぼ平坦な面と向かい合ってそれぞれ配置され、サンドイッチ状アセンブリを形成している。触媒層２１及び２９は多孔質であり、Ｈ+イオン及び自由電子を形成するための水素ガスの解離を促進する、当業者には良く知られたいくつかのプラチナベース化合物のいずれか１つから構成されている。電極２３及び３１は、それぞれ、液体及び気体を透過させる多孔質材料の薄いシートから構成されている。この目的では一般に炭素繊維から成る紙又は布が使用されている。
【００４１】
ストランド１９は、各ストランドがその長さの大部分でＰＥＭ１７と接触するように触媒層２１とＰＥＭ１７との間に配置されている。ストランド２７は、各ストランドがその長さの大部分でＰＥＭ１７と接触するように触媒層２９とＰＥＭ１７との間に配置されている。ウィッキングストランド１９及び２７はそれぞれ全く同じである。１本のストランド１９の斜視図を図２に示す。
【００４２】
図２に示すように、ストランド１９は軸方向対称軸を有していて、該対称軸から半径方向に突出する対称なローブ３４、３５及び３６を含んでおり、各ローブはＴ字形に構成されたアーム部とフランジ部とを有する。各対のローブはその間に水を流通させるための流路を形成している。特に、ローブ３４とローブ３５との間に流路３７が形成され、ローブ３５とローブ３６との間に流路３８が形成され、ローブ３４とローブ３６との間に流路３９が形成されている。
【００４３】
水は流路３７、３８及び３９を通ってストランド１９の軸方向軸４０に沿って流通される。例えば、流路３７を流れる水の分子はローブ３４及び３５により横方向へ移動するのを抑止される。その代わりに、最も抵抗の小さい経路は流路３７に沿った軸方向の流れとなる。流動する水に作用する毛管力は、水が局所的に存在しないことによって、ローブ３４とローブ３５との間にある水面の表面張力に十分勝るほどの毛管力が発生するようなＰＥＭ１７の１つの領域に突き当たるまで水を流路３７内で強制的に軸方向に流れさせる。表面張力に勝るこの毛管力は流路３７の水を強制的に軸４０に対して横方向に流動させ、ＰＥＭ１７の当接面に到達させる。
【００４４】
流路３７からＰＥＭ１７の当接面に至る水の横方向流れは、当接面が十分に水和されて、等価化学ポテンシャルに達するまで続く。この等価化学ポテンシャルはローブ３４及び３５と組み合わされて、水の横方向への移動を抑止し、流路３７が再びＰＥＭ１７の乾燥した表面領域に突き当たるまで水の軸方向の動きを継続させる。流路３８及び３９を流れる水に関しても同じメカニズムが機能する。ストランド１９はＰＥＭ１７の面を横切るにつれてねじれているため、３つの平行な軸方向流路が存在することによって、それらの流路のうち少なくとも１つはほぼ常時確実にＰＥＭ１７に当接し、水を先に説明したようにＰＥＭ１７の様々な領域へ導く。
【００４５】
各々のストランド２７も同じように機能して、水をＰＥＭ１７の表面から遠ざけるように導く。Honeywell International, Inc.製造のTriad(商標)繊維は図２に示す好ましい３ローブ構造の横断面を有しており、従って、ストランド１９及び２７として使用するのに適している。
【００４６】
ストランド１９は反復パターンを描いて配列されているのが好ましい。これにより、ＰＥＭ１７の表面は必要最小限の長さのストランド１９のみを使用して適切に水和される。不必要な長さのストランド１９の使用を回避することで、ストランド１９により覆われ、それにより妨げられて、Ｈ+イオンの伝達に利用不可能な状態にされるＰＥＭ１７の表面積は最小となる。
【００４７】
ＰＥＭ１７に当接するストランド１９の重複部分のみが所期の通りにＰＥＭ１７の当接面へ水を導くように機能すると考えられるため、ストランドは互いに交差したり、あるいは重なり合わないのが好ましい。水を導けるか否かは乾燥した表面領域との接触の有無によって決まるので、ＰＥＭ１７に当接しない、すなわち、下方に位置するストランドと触媒層２１との間に位置するストランド１９の重複部分はその場所でＰＥＭ１７へ水を導くことができず、下方に位置するストランドが水和されるであろう。従って、上方に位置するストランドはＰＥＭ１７を適切に水和するために必要なストランドの長さを更に増すだけになるであろう。
【００４８】
ストランド２７も、同じ理由により、重なり合わずに反復パターンを描いて配列されるのが好ましい。図１に示すように、ストランド１９及び２７は互いに平行に配置されており、各対の隣接するストランドの間の間隔はそれぞれほぼ等しい。
【００４９】
双極極板２５及び３３は、気体及び液体を透過しない導電性非多孔質材料から形成されている。電気回路４１は双極極板２５及び３３を電気的に接続している。陽極双極極板２５は面４２と、平行な溝４３と、入口４４と、出口４５とを含む。溝４３はその他の部分は平坦である面４２に形成されている。溝４３は互いに流体連通していると共に、入口４４及び出口４５とも流体連通している。陽極双極極板２５は、陽極電極２３が溝４３に対して露出され、そこを気体が流通できるように陽極電極２３に当接している。
【００５０】
陰極双極極板３３は面４６と、平行な溝４７と、入口４８と、出口４９とを含む。溝４７はその他の部分は平坦である面４６に形成されている。溝４７は互いに流体連通していると共に、入口４８及び出口４９とも流体連通している。陰極双極極板３３は、陰極電極３１が溝４７に対して露出され、そこを気体が流通できるように陰極電極３１に当接している。
【００５１】
図３は、燃料電池１１の概略横断面図である。図４は、燃料電池１１の部分拡大横断面図である。図３に特に示されている通り、ストランド１９は水容器５３内の水５１と連通し、入口４４は水素ガス供給源（図示せず）からの水素燃料ガス５５と流体連通し、出口４５は排気ガス容器（図示せず）との間で排気ガス５７を流体連通させている。水素ガス供給源からのガスが溝４３（図３には図示せず）を通って確実に排気ガス容器に流入するように、水素ガス供給源の圧力は排気ガス容器の圧力より十分高い値に維持されている。水素燃料ガス５５の水容器５３内への漏れを防止する又は減少させるために、水容器５３の圧力は溝４３における圧力よりわずかに高いレベルに維持されている。
【００５２】
燃料電池１１の陰極側１５に関しては、ストランド２７は水容器５９と連通し、入口４８は酸素ガス供給源（図示せず）からの酸素ガス６１と流体連通し、出口４９は排気ガス容器（図示せず）との間で排気ガス６３を流体連通させている。酸素ガス６１が溝４７を通って確実に流れるようにするために、酸素ガス供給源の圧力は排気ガス容器内の圧力より高い圧力に維持されている。
【００５３】
溝４３に流入した水素燃料ガス５５は陽極電極２３を通って流れ、触媒層２１と接触し、その後に解離して、下記の化学式に従ってＨ+イオンと、自由電子とを形成する。
Ｈ2＝２Ｈ+＋２ｅ-
自由電子の発生により、陽極双極極板２５と陰極双極極板３３との間に電圧が発生する。回路４１は負荷６５を含む。負荷６５がこの電圧を供給されると、回路４１は閉成し、陰極双極極板３３に電流が流れる。
【００５４】
ＰＥＭ１７が蒸発及び電気浸透搬送によって水和するにつれて、水５１は水容器５３からストランド１９を通って、毛管現象によりＰＥＭ１７の陽極側の面へ引き込まれる。ストランド１９とＰＥＭ１７との間の平衡は毛管現象により維持されて、ＰＥＭ１７を水和状態に保持する。逆に、ＰＥＭ１７が水分によって飽和されたときには、毛管現象の駆動力は消滅し、水５１のＰＥＭ１７への誘導を抑制する。
【００５５】
Ｈ+陽子はＰＥＭ１７を横断して陰極電極３１に達し、そこで、触媒層２９により促進されて、酸素ガス６１と、陽極双極極板２５から回路４１により誘導された自由電子とにより還元され、水を形成する。上記の反応は次の化学式により表される。
１/２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-＝Ｈ2Ｏ
【００５６】
余分な水はＰＥＭ１７からストランド２７を通って毛管現象により除去されて、水容器５９に入る。
【００５７】
陽極双極極板２５の他方の面は隣接する燃料電池の陰極に当接していることもある。そのような構成においては、この面は先に陰極双極極板３３に関連して説明した溝と、酸素ガス入り口と、排気口とを有し、全く同じように機能すると考えられる。そのような極板は１つの燃料電池の陽極電極と、隣接する燃料電池の陰極電極とに当接しているために、双極極板と呼ばれる。互いに隣接する燃料電池は電気的に直列に接続されている。これは「積み重ね」燃料電池構成として知られている。
【００５８】
陰極双極極板３３に当接するように別の隣接燃料電池を追加することによっても、更に積み重ねを得ることができるであろう。図５は、積み重ね構成６７の本発明による３つの燃料電池１１を示す。
【００５９】
本発明は、ＰＥＭの陽極側の水和レベルが低すぎて、完全乾燥の危険があるときに水を供給するために毛管ウィッキングストランドを使用し、且つＰＥＭの陰極側から余分な水を除去する燃料電池である。本発明は、燃料電池の性能を制限したり、あるいは性能に悪影響を及ぼしたりすることなくそれを実現する。本発明は水素燃料ガスを湿潤させるため、又は湿潤水素燃料ガスを再循環させるために必要とされる大規模な機器を使用せずに適正な水和を保証するので、従来の装置と比較して信頼性の向上、保守作業の軽減、軽量化及び費用の節約を実現する。
【００６０】
更に、本発明のウィッキングストランドは陽極又は陰極、あるいはＰＥＭに接合する必要がなく、従って、ウィッキングストランドをそれらの燃料電池構成要素に接合可能な材料から構成する必要がないため、それらの構成要素の組成の解析が不要である。本発明のウィッキングストランドは、実質的にどのような材料で構成された燃料電池の電極及びＰＥＭと共に使用されても良い。
【００６１】
加えて、本発明の各ウィッキングストランドはウィッキング材料から成る１本の繊維から構成されている。導かれるべき水は、繊維の束から構成されていた従来のウィックで必要とされていた曲がりくねった経路より短いほぼ直線状の経路に沿って流れる。このほぼ直線状の経路を通って水を移動させるために必要な毛管力は従来の曲がりくねった経路の場合より小さい。ＰＥＭの陽極側では、これにより、本発明のウィッキングストランドはＰＥＭの乾燥により急速に応答でき、従来の繊維束ウィックと比較してより低い水和レベルに対して応答できる。また、ＰＥＭの陰極側では、本発明のウィッキングストランドはＰＥＭの湿潤により急速に応答でき、従来の繊維束ウィックと比較してより高い水和レベルに対して応答できる。
【００６２】
本発明の各々のウィッキングストランドを構成している１本の繊維は従来の束状の繊維ウィックよりかなり幅が狭いが、より大きな流量で水を導く。更に、本発明のウィッキングストランドは多孔質織物又はフォームによって被覆されていない。従って、本発明のウィッキングストランドは従来のウィックと比較してＰＥＭの表面積を遮断することが少なく、それにより、Ｈ+イオンの伝達に利用できる面積が従来より広くなっている。その結果、電流密度が増加すると共に、燃料電池の性能が向上する。
【００６３】
言うまでもなく、以上の説明は本発明の好ましい実施例に関し、特許請求の範囲に記載されている本発明の趣旨から逸脱せずに変形を実施できることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  固体ＰＥＭを有し、本発明の平行ウィッキングストランドを複数含む燃料電池の概略展開図。
【図２】  本発明の３ローブウィッキングストランドの斜視図。
【図３】  ＰＥＭを有し、本発明のウィッキングストランドを複数含む燃料電池の側断面図を示す概略図。
【図４】  ＰＥＭを有し、本発明のウィッキングストランドを複数含む燃料電池の部分拡大側断面図を示す概略図。
【図５】  各々がＰＥＭを有し、本発明のウィッキングストランドを複数含むいくつかの燃料電池の積み重ね構造の側断面図を示す概略図。
【符号の説明】
１１…燃料電池、１３…両極側、１５…陰極側、１７…ＰＥＭ、１９…ウィッキングストランド、２１…陽極触媒層、２３…陽極電極、２５…陽極双極極板、２７…ウィッキングストランド、２９…陰極触媒層、３１…陰極電極、３３…陰極双極極板、３４、３５、３６…ローブ、３７、３８、３９…流路、４１…電気回路、４３…溝、４４…入口、４５…出口、４７…溝、４８…入口、４９…出口
【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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