(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）膜／電極アッセンブリの対向するカソード側とアノード側に、酸化剤ガス流と燃料反応物質ガス流を供給するステップと、
ｂ）膜／電極アッセンブリのカソード側に、循環水流を供給するステップと、
ｃ）酸化剤ガス流と循環水流の間に微細孔性プレートを提供するステップと、
ｄ）酸化剤ガス流を、所定の第１の圧力まで加圧するステップと、
ｅ）酸化剤ガス流から、所定の第１の圧力を循環水流に与えるステップと、
ｆ）膜／電極アッセンブリのカソード側に生成した生成水を、微細孔性プレートを介して循環水流中へ汲み上げるよう作用可能な、目標とする正の差圧、即ち、ΔＰを、酸化剤ガス流と循環水流の間に生じさせるよう、循環水流に与えられる前記第１の圧力を部分的に相殺するステップ、
を含んでなることを特徴とする、膜／電極アッセンブリを有する固体高分子電解質型燃料電池発電装置を作動させる方法。
【請求項２】
前記酸化剤ガス流が、周囲圧力より高い圧力まで加圧されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記循環水流から、定期的に生成水を放出するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項４】
圧力を移動させる分離体により、酸化剤ガス流チャンバと循環水流チャンバのそれぞれに分割される圧力調整容器を提供するステップをさらに含み、その分離体を利用して酸化剤ガス流チャンバから酸化剤ガス流の圧力を前記循環水流チャンバ内の水に移動させることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記循環水流チャンバから、前記分離体に対して相殺する圧力を与えるステップをさらに含み、それにより前記ΔＰを生じさせることを特徴とする、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記循環水流が又、膜／電極アッセンブリの冷却水流であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項７】
ａ）膜／電極アッセンブリの対向するカソード側とアノード側に、周囲空気の酸化反応物質ガス流と燃料反応物質ガス流を供給するステップと、
ｂ）膜／電極アッセンブリのカソード側に、循環水流を供給するステップと、
ｃ）酸化反応物質ガス流と循環水流の間に微細孔性プレートを提供するステップと、
ｄ）循環水流を周囲環境にさらすことによって、該循環水流に周囲環境の標準圧力を与えるステップと、
ｅ）周囲空気の酸化反応物質ガス流を、周囲空気の酸化反応物質ガス流と循環水流の間に、膜／電極アッセンブリのカソード側に生成した生成水を、微細孔性プレートを介して循環水流中へ汲み上げるよう作用可能な正の差圧、即ち、ΔＰを生じさせるよう、第１の所定の圧力まで加圧するステップ、
を含んでなることを特徴とする、膜／電極アッセンブリを有する固体高分子電解質型燃料電池発電装置を作動させる方法。
【請求項８】
前記周囲空気の酸化反応物質ガス流を加圧するステップが、空気圧縮機又は空気ブロワーによって行われることを特徴とする、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記循環水流から前記生成水を定期的に除去するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項７記載の方法。
【請求項１０】
前記循環水流を収容し、かつ、その循環水流を周囲環境の圧力に関係づけるよう動作可能な、冷却水直立管を提供するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記生成水を除去するステップが、前記直立管を介して生成水を周囲環境中へ放出することによって行われることを特徴とする、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記循環水流が冷却水流であることを特徴とする、請求項７記載の方法。
【請求項１３】
ａ）膜／電極アッセンブリの対向するカソード側とアノード側上の、酸化剤ガス流及び燃料反応物質ガス流と、
ｂ）膜／電極アッセンブリのカソード側上の、循環水流と、
ｃ）酸化剤ガス流と循環水流の間の微細孔性プレートと、
ｄ）酸化剤ガス流を、所定の第１の圧力まで加圧する手段と、
ｅ）酸化剤ガス流から、所定の第１の圧力を循環水流に与える手段と、
ｆ）膜／電極アッセンブリのカソード側に生成した生成水を、微細孔性プレートを介して循環水流中へ汲み上げるよう作用可能な、目標とする正の差圧、即ち、ΔＰを、酸化剤ガス流と循環水流の間に生じさせるよう、循環水流に与えられる前記第１の圧力を部分的に相殺する手段、
を含んでなることを特徴とする、膜／電極アッセンブリを有する固体高分子電解質型燃料電池発電装置。
【請求項１４】
前記酸化剤ガス流を周囲圧力より高い圧力に加圧する手段を含むことを特徴とする、請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
前記水流から前記生成水を放出する手段をさらに含むことを特徴とする、請求項１３記載の装置。
【請求項１６】
圧力を移動させる分離体によって酸化剤ガス流チャンバと循環水流チャンバのそれぞれに分割され、かつ、その分離体を利用して酸化剤ガス流チャンバから酸化剤ガス流の圧力を前記循環水流チャンバ内の水に移動させる圧力調整容器をさらに含むことを特徴とする、請求項１３記載の装置。
【請求項１７】
前記ΔＰを生じさせるように、前記循環水流チャンバから前記分離体に対して対抗する圧力を与える手段を含むことを特徴とする、請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
前記循環水流が又、前記膜／電極アッセンブリの冷却水流であることを特徴とする、請求項１３記載の装置。
【請求項１９】
ａ）膜／電極アッセンブリの対向するカソード側とアノード側上の、周囲空気の酸化反応物質ガス流路及び燃料反応物質ガス流路と、
ｂ）膜／電極アッセンブリのカソード側上の、循環水流路と、
ｃ）酸化反応物質ガス流路と循環水流路の間に介在する微細孔性プレート、
ｄ）循環水流路を周囲環境にさらすことによって、該循環水流に周囲環境の標準圧力を与える手段と、
ｅ）周囲空気の酸化反応物質ガス流路を、周囲空気の酸化反応物質ガス流路と循環水流路の間に、膜／電極アッセンブリのカソード側に生成した生成水を、微細孔性プレートを介して循環水流路中へ汲み上げるよう作用可能な正の差圧、即ち、ΔＰを生じさせるよう、第１の所定の圧力まで加圧する手段、
を含んでなることを特徴とする、膜／電極アッセンブリを有する固体高分子電解質型燃料電池発電装置。
【請求項２０】
前記加圧する手段が、空気圧縮機又は空気ブロワーであることを特徴とする、請求項１９記載の装置。
【請求項２１】
前記循環水流路から前記生成水を定期的に除去する手段をさらに含むことを特徴とする、請求項１９記載の装置。
【請求項２２】
前記循環水流路を周囲圧力に関係づけるよう作動可能な、周囲環境に開放される水の直立管をさらに含むことを特徴とする、請求項２１記載の装置。
【請求項２３】
前記生成水を除去する手段が、前記直立管中にあることを特徴とする、請求項２２記載の装置。
【請求項２４】
前記循環水流路が又、冷却水流路であることを特徴とする、請求項１９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気圧またはそれ以上の圧力のもとで作動でき、また携帯型及び／又は据置型発電装置に使用するのに非常に適した、簡単な構造の固体高分子電解質型燃料電池発電装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、反応物質流路及び水流路の間における正の差圧を利用して発電装置の燃料電池ユニット内の水移動を管理する、据置型又は携帯型の固体高分子電解質型燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池発電装置は先行技術において周知であり、その原型はカナダ国バンクーバーに所在のバラード・パワー・システムズ・インコーポレーテッド社のような販売元から購入することすらできる。これらの装置は実用に供し得るが、比較的複雑である。バラード・パワー・システムズ社の高分子膜による発電装置の一例が１９９４年１１月１日付けで付与された米国特許第５３６０６７９号に示されている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池に生じる問題の一つは、発電装置のセル内における冷却水および生成水（ｐｒｏｄｕｃｔ  ｗａｔｅｒ）の両方の水管理に関するものである。固体高分子膜燃料電池の発電装置においては、セルのカソード（酸素極）側における電気化学反応によって水素イオンおよび酸素イオンが結合して膜において生成水が形成される。生成水はセルのカソード側から排出されねばならず、かつ、電解質膜のアノード側のドライアウトを防止する一方でフラッディングを回避する量の補充水をセルのアノード（水素極）側に与えなければならない。
【０００４】
オーストリア国特許第３８９０２０号は、水素イオン交換膜の燃料電池スタックを記載しており、このスタックは、受動的な冷却液並びに水の管理並びに制御を行うために微細孔性水冷却プレートアッセンブリを使用している。このオーストリア国特許の装置は、飽水された微細孔プレートアッセンブリを、１つのセルのカソード側と隣接するセルのアノード側の間に使用して、両セルを冷却すると共に、隣接したセル間の反応物質のクロスオーバーを防止している。微細孔性プレートアッセンブリは又、生成水をイオン交換膜のカソード側から冷却水流中へ移動させること、及び、アノードのドライアウトを防止するためにイオン交換膜のアノード側へ向けて冷却水を移動させることにも使用される。生成水および冷却水の好ましい指向性運動は、水冷却プレートアッセンブリを２つの部分で形成することによって得られる。一方の部分は、カソード側で生成された生成水が、微細孔性プレート内へ（毛管作用で）運ばれ、冷却プレートアッセンブリ内部である冷却水通路ネットワークへ向かって、毛管作用によって移動されるのを確実にする孔径を有する。この冷却プレートアッセンブリはまた、第２のプレートを含み、第２のプレートは第１のプレートよりも微細孔構造を有しており、また第２のプレートは冷却水通路から水を運び、その水を毛管作用によってアノードへ向けて移動させるように作用可能である。各アセンブリにおける微細孔と、より微細な微細孔は、冷却水通路ネットワークを形成するように溝加工されており、隣接するセル間で面と面の間を整合させて配置される。より微細な微細孔性プレートは微細孔性プレートよりも薄くすることで、冷却水通路をカソードよりもアノードにより接近して配置する。イオン交換膜の燃料電池による発電装置における水管理並びにセルの冷却に対する前述の解決法は、微細孔性プレート及びより微細な微細孔性プレートの品質管理の条件が厳しいために達成するのが困難であり、またプレート構成要素を一様に製造できないので高価となる。
【０００５】
国際特許出願第ＷＯ９４／１５３７７号は、水移動分離プレートを備えた陽子交換膜燃料電池装置を開示している。この水移動プレートは有孔性の親水性プレートであり、電池のカソード側から水を吸収し、移動プレートを介して１つのセルのカソードと隣接するセルのアノードの間に介在する水分配チャネルへ水を移動させる。水移動プレートは常に水で満たされており、そのため、１つのセルのカソードと隣接するセルのアノードの間における反応物質のクロスオーバーを防止する。この国際特許出願は又、酸化剤ガス流の圧力が、水移動プレートと水分配チャネルの圧力よりわずかに高くなければならないことを示唆している。酸化剤ガス流と水分配チャネルの間における差圧を得るために、この特許出願では、圧力制御可能なポンプ、圧力調整器、及び弁の使用を示唆しており、これらは酸化剤ガスと水の供給源及び／又は排出導管、即ちパルプに配置される。水は、集水孔からポンプおよび再循環ラインにより水入口ポートへ再循環される。水入口ポートは、水分配ポートへ誘導する。
【０００６】
例えば自動車、公共の輸送機関などのような、様々な圧力及び大気圧における用途のための電源として使用することができ、また据置型の発電装置としても使用できる、簡単な固体高分子型燃料電池式発電装置を提供することが望まれている。
【発明の開示】
【０００７】
本発明は、概して、イオン交換膜型燃料電池の発電装置における受動的な水管理およびセルの冷却に関する。本発明による受動的な水の抑制並びに冷却水システムは、反応ガスがいずれも、例えば約２．１０９〜約３．５１５ｋｇｆ／ｃｍ2（３０〜５０ｐｓｉ）程度の圧力に加圧される、加圧膜型燃料電池式発電装置に使用することができ、さらには、反応物質が本質的に大気圧で作用する発電装置にも使用可能である。本発明の装置は微細孔性プレート構成要素、及び冷却水ループと反応ガス間の差圧（ΔＰ）を利用して、発電装置におけるセルのカソード側に形成された生成水と、膜のアノード側からカソード側へと、陽子抵抗（ｐｒｏｔｏｎ  ｄｒａｇ）によって移動された水が、カソード流路から冷却水ループへ移動するのを確実とし、かつ、冷却水ループからの水が膜のアノード側へ移動して、膜のアノード面の乾燥（ドライアウト）を防止する一方で、アノード流路をフラッディングさせないことを確実とする。本発明の一実施例において、この装置に使用される微細孔性プレートは、１つのセルにおけるカソード反応物質流路と、隣接するセルにおけるアノード反応物質流路の間に、ガス不浸透性バリヤを形成するようにフラッディングさせることにより、一方のセルから隣接するセルへの反応ガスのクロスオーバーを防止する。あるいは又、本発明の装置は、発電装置における隣接するセル間に、固体不透過性分離プレートを採用して、反応物質のクロスオーバーを防止することができる。
【０００８】
装置における所望の水移動を得るために、カソード反応物質のガス圧は、冷却水ループ及び微細孔性プレート内の主流の圧力と比較して、約０．０３５２〜約０．７０３ｋｇｆ／ｃｍ2（０．５〜１０ｐｓｉ）高い範囲内に維持される。この差圧が維持される場合、微細孔性プレートは、膜のカソード面から水を除去するよう移動させる一方、それと同時に微細孔性プレート内の水の気泡圧力が、飽和されたプレートの孔中へ反応ガスが侵入するのを防止する。「気泡圧力」という用語は、微細孔性プレートにおける水の正圧を意味し、これはプレートの孔径に逆比例する。そのため、プレートの孔径が小さいほど、プレート中に保持された水によって及ぼされる圧力は大きくなる。「気泡圧力」は、それより高い圧力においては、反応物質のガス気泡が、水で飽和された微細孔性プレートを強制的に通過させられるため、燃料と酸化剤が混合する望ましくない可能性が生じ、かつ、冷却水ループ内に反応物質が侵入するのが妨害される。微孔径がより小さい場合、気泡圧力のいき値は増大されるが、同時に、微細孔性プレートを通る生成水のいく分かの移動が妨げられることが理解されよう。そのため、装置の最適な動作を得るために、適当なプレート孔径を維持しなければならない。本明細書で用いる「微細孔性」プレートの孔径は、通常、１〜２μｍの平均孔径範囲内にある。
【０００９】
反応ガス圧と冷却水圧の間に適当な差圧ΔＰを保持する好ましい方法は、反応物質ガス圧に冷却水圧力を関係づけることである。加圧系では、加圧された反応ガスは、所定の圧力を冷却水に与えるのに使用でき、この所定の圧力は、次いで部分的に低下されることにより、反応ガス圧と冷却水圧の間に差圧ΔＰを生じさせることができる。空気酸化剤大気圧系においては、冷却水ループを大気圧にさらすことができ、また、空気酸化剤の圧力を、ブロワー又は圧縮機によって大気圧より高くすることができる。いずれの場合も、膜のカソード側から冷却水循環ループ内へと水が移動するのを促進するために、酸化剤ガスと冷却水の正の差圧ΔＰを系内に生じさせる。
【００１０】
燃料反応物質は加圧容器から供給され、そのアノード流路の圧力は、弁、即ち圧力調整器によって適当なレベルにまで低減することにより、膜のアノード側のフラッディングを防止する一方、冷却水を冷却水ループから膜のアノード側へ移動させることができる。
【００１１】
各セルは、それら自体が専用の水源を有しており、そのため、冷却水と膜を加湿する水は要求に応じて各セルに与えられ、これにより進行中のセルの動作状態に整合されるように水流管理の調整が可能となる。給水は、固定容量式または可変速度式ポンプによって発電装置を通って循環される。また、水循環系により、各セルのカソード側から水が取り出され、循環冷却水流中に流入される。定期的に過剰となる水は、冷却水ループから除去される。循環冷却水流は、系で発生した熱を排除して水流温度を下げる熱交換器を通過することで、水流が個々のセルの冷却並びに加湿に再利用できる。
【００１２】
本発明の、携帯型又は可搬型の大気圧用の実施態様において、冷却水流を、水流中に含まれる過剰な水を移動させることのできる直立管へ誘導する、分岐コンジットを通って流すことができる。直立管は周囲の大気へ開放されており、定期的に過剰となる水を、系から大気へ流出させることができる。直立管は又、冷却水循環系に付与される所定の背圧を提供し、それにより冷却水系と酸化剤反応物質流路の間に必要な差圧ΔＰが確保される。
【００１３】
従って、本発明の目的は、イオン交換膜型燃料電池の発電装置に使用される、受動的な自己調整型の、水と冷却水の管理システムを提供することである。
【００１４】
本発明の他の目的は、大気圧及び加圧系の両方において水の移動が抑制される、上述の特徴を有するシステムを提供することである。
【００１５】
本発明のさらなる目的は、進行中の動作状態にあるセルに必要な際に、発電装置の各セルが適切に冷却されかつ加湿される、上述の特徴を有する燃料電池発電装置を提供することである。
【００１６】
本発明のさらに別の目的は、系内の電気化学反応によって発生した生成水が、系から放出される、上述の特徴を有する燃料電池発電装置を提供することである。
【００１７】
本発明のこれら及びその他の目的並びに利点は、図面と以下の本発明の実施態様の詳細な説明から容易に明白となろう。
【発明を実施する最良の形態】
【００１８】
図１を参照すると、燃料電池発電装置中の膜型燃料電池システムを概略的に示しており、イオン交換膜電解質／電極アッセンブリ（ＭＥＡ）は、符号５０で示されている。このＭＥＡは、通常、膜及びその両側上にある電極触媒層と電極基体層を備えるが、ある場合においては、基体層はＭＥＡ（イオン交換膜電解質／電極アッセンブリ）から省いてよい。図１に示すシステムは、燃料電池発電装置のスタックにおいて所定の数だけ反復されるセルの内、１つのセルシステムユニットからなることは理解されよう。図１には、酸化反応物質流路と冷却水循環ループの間に所定の差圧ΔＰが生じるように動作可能なアッセンブリが示されている。純粋な酸素又は大気である酸化反応物質は、ステーション５２で加圧され、次いでライン５４を通って酸化反応物質流路５６へ流入し、ＭＥＡ５０を通る。ステーション５２は、純粋な酸素を使用する場合は加圧された酸化剤容器であり、酸化反応物質として空気を使用する場合には圧縮機またはブロワーである。加圧された酸化剤ガスは、分岐ライン５８内にも流入し、次いで、分離帯６２によって２つの内部チャンバ６４，６６に分割される基準容器６０内に流入する。この分離体６２は、ピストン、ダイヤフラムなどの形態であってよい。そのため、チャンバ６４は、酸化反応物質の圧力と等しい圧力を有し、この圧力は図中の矢印Ａで示されるように分離体６２に与えられる。
【００１９】
冷却水ループは、概して、符号６８で示されている。冷却水ループ６８は、発電装置の活動領域内にある冷却水流路７２へ、又はそこから冷却水を運ぶライン７０を備える。従って、冷却水は発電装置の活動領域から熱を抽出する。高温となった水は熱交換器７４を通って流れ、熱交換器で適当な高さまでその温度が低減される。ポンプ７６は、ループ６８を通って適当な流量で冷却水を移動させる。分岐ライン７８は、ライン７０からチャンバ６６まで延在し、チャンバ６６は冷却水で満たされる。分離体６２は、ばね８０などのバイアスデバイスで、チャンバ６４へ向かってバイアスされる。ばね８０は、矢印Ｂで示すように、酸化剤ガス圧に対抗するよう、所定の程度まで作動可能である。ばね８０によって生じるこの対抗圧は、チャンバ６６内、さらにはループ６８全体における冷却水に作用する圧力を所定のΔＰだけ低下させるため、酸化反応物質流路５６内の酸化反応物質の圧力が、冷却水流れの場７２中の冷却水圧よりも、その差圧（増加分）（ΔＰ）だけ大きくなる。必要に応じて、系のΔＰを一時的に変更するのに、圧力制御弁８２を冷却水ループ６８中に組み入れてもよい。本発明の好ましい実施態様では、冷却液として水を使用しているため、循環する水ループと冷却水ループが同じで１つとされているが、いくつかの用途では、別個の循環水ループと循環冷却液ループを備えることが所望される場合がある。これは、発電装置の作動条件が、エチレングリコールなどの冷却液の使用を必要とする場合である。
【００２０】
燃料反応物質は、加圧された供給源８６からライン８８を介して燃料反応物質流路８４に供給される。必要に応じて、圧力調整器９０をライン８８内に備えることができる。燃料ガス及び酸化剤ガスの反応物質流路８４，５６は、それぞれ微細孔性プレート９４，９２内に形成され、これらのプレートは、冷却水流路７２から水を毛管作用によって吸い出して満たすことができる。微細孔性プレート９４’は、隣接するセルのための燃料ガス反応物質流路用プレートであり、このプレート９４’は、プレート９２と共に冷却水流路７２を形成する。冷却水圧と微孔の毛細管作用の組み合わせによって、プレート９２，９４及び９４’は冷却水で満たされるため、発電装置の活性領域が十分に冷却され、その温度は適切に制御される。発電装置の作動中、ＭＥＡ５０で発生する電気化学反応により、酸化反応物質流路に面したＭＥＡ５０の表面において、水素イオンと酸素イオンから形成される純粋な水が生成される。ＭＥＡのカソード側に生じたこの水は「生成水」と呼ばれ、カソードのフラッディングを避けるよう対処されなければならない。流れの場５６と７２の間に存在する差圧ΔＰは、微細孔性プレート９２を介してＭＥＡ５０から、生成水を循環冷却水の流れに取り込ませる冷却水流路７２へ生成水を移動させる正の汲み上げ力を提供する。排出ライン９８は、チャンバ６６、あるいは冷却水ループの別の位置から延在し、冷却水ループ６８から過剰な生成水を定期的に除去する。システムが加圧される場合、弁１００をライン９８に設ける。弁８２，１００は、手動又は自動で作動する。微細孔性プレート９４は、発電装置の作動時に乾燥する傾向にあるセルのアノード側の燃料反応物質流路８４に面するＭＥＡ５０の表面へ、毛管作用によって水を運ぶように作動可能であることが理解されよう。従って、微細孔性プレート９４，９４’中の水は、ＭＥＡ５０の各々のアノード側の乾燥を防止する。圧力調整器９０は、流れの場８４における燃料ガス反応物質の圧力が、ＭＥＡのアノード触媒のフラッディングを防止するのに十分であるが、微細孔性プレート９４，９４’の気泡圧力を超えないことを確実にするよう作動可能である。
【００２１】
一旦、酸化剤流路と冷却水流路の間に、適当な作動差圧ΔＰが確立されると、自動的に、適当な水管理が生じて、複雑な弁や調整器を必要とせずに受動的に維持される。発電装置のある作動状態中に要求されるΔＰの変更、例えば、反応物質の利用、発電装置の電力出力、セル性能、温度や圧力の設定における変更などは、弁８２を調整することで達成される。このようなΔＰの変更は又、冷却水の汲み上げ速度や、分離体６２に作用する相殺圧力の調整によって達成できる。図示するシステムユニットは、反応物質のクロスオーバーを防ぐよう、隣接するセル間の飽和された微細孔性プレート利用しているが、隣接するセル間に適当に配置される不透過性分離プレートを利用することも可能であることに留意されたい。
【００２２】
図２を参照すると、反応物質と水の循環流の場を形成するのに使用可能な、流れの場プレートの構造形態の例が示されている。各プレート２，２’は、約１〜２μｍの平均径を有する微孔を提供する、成形された黒鉛粉末から形成されるのが好ましい。この程度の有孔率により、最初のセル間の冷却水流路から、ＭＥＡのアノード側への、かつ、ＭＥＡのカソード側から隣接する冷却水流路への水の移動を促進する。従って、プレート２，２’は、ＭＥＡのアノード側が後に乾燥するのを防止し、流入する燃料ガスと酸化剤ガスを加湿し、かつカソード側がフラッディングするのを防ぐよう、ＭＥＡのカソード側から水を除去するよう、要求に応じてＭＥＡのアノード側に冷却水を提供する。スタック中の各セルは、それら専用の冷却水流路を備えるため、スタックの作動中の特定の時間において、セルによって異なる場合のある、進行中のセル状態によって要求されると、必要量の水を供給する。プレート２の対向する両面は、それら面上に溝６，１６からなるネットワークを形成する突起４，１４を備える。溝６はスタックの冷却水流路の一部を形成し、溝１６はスタック中の各セルに対するカソード反応物質流路を形成する。プレート２’もまた対向する画面上に、突起４’，１４’及び溝６’，１６’のネットワークが形成されている。溝６’は冷却水流路の一部を形成し、溝１６’はスタック中の各セルに対するアノード側流路を形成する。
【００２３】
図３を参照すると、本発明により形成されたセルユニット、即ち、発電装置の構成要素が示されている。それぞれのセル構成要素は、膜８と、アノード基体１０と、アノード触媒１２と、カソード基体１８と、カソード触媒２０と、アノード流れの場プレート２’と、カソード流れの場プレート２とを備える。流れの場プレート２，２’は、面同士が接触するよう設けられた突起４，４’によって、背中合わせに配置される。溝６，６’は、電解質膜８のアノード側とカソード側上に冷却水流路をそれぞれ形成するよう組み合わされる。突起１４’は、アノード基体１０に接し、突起１４はカソード基体１８に接している。溝１６’はこのようにしてアノード反応物質流路を形成しており、かつ、溝１６はカソード反応物質流路を形成している。
【００２４】
図３は又、燃料電池スタック発電装置のシステムの構成要素を概略的に示している。発電装置の全てのアノード反応物質流路１６’は、供給タンク２２から水素ガス反応物質を供給される。水素ガス反応物質は、供給タンク２２から供給ライン２４を通ってアノード流れの場１６’へ流れる。供給ライン２４を流れる水素の量と圧力は、手動又は自動で作動可能な供給弁２６と供給調整器２８で制御される。アノード流れの場１６’は、発電装置の内部で終端している。カソード流れの場１６の全ては、空気ブロワー又は圧縮機３０と、空気ライン３２を介して大気を供給される。電気化学反応に使用される酵素はこのようにして大気から導かれる。
【００２５】
冷却水はライン３４を介して発電装置のセルユニットを通って循環する。冷却水は、プレート２，２’の間の冷却水通路を通過する。冷却水の循環は、ポンプ３８により促進される。ポンプ３８は、固定容量式か可変速度式ポンプであってよい。冷却水循環ループは、冷却水通路３６から排出される水の温度を低下させる熱交換器４０を備える。分岐ライン４２は、ライン３４から、周囲環境中に開放された直立管４４へ導かれている。直立管４４は、系の水を周囲環境中へ放出するための排水出口４６を備える。電気化学反応によって生じた過剰な水、即ち生成水は、ライン４２を介して直立管４４内へ流れ出る。従って、直立管４４は、系の生成水の受容器を提供し、かつ、冷却水ループにおける系の圧力を確立するのに必要な背圧を提供する。
【００２６】
発電装置は以下のように作動する。始動前に、冷却水ループ３４，３６及び直立管４４は、冷却水で充填させる。直立管の初期の充填レベルは、排水出口４６の直ぐ下方であってよい。当然ながら、排水出口４６を省略して、直立管４４を、その最上部の開放端から周囲環境中へ排水することで空にできることは理解されよう。水ポンプ３８は、冷却水の循環流が生じるように始動され、次いで、反応物質が、発電装置中の各セルのアノード側とカソード側に導入される。循環冷却水の一部は、微細孔性プレート２’を介して、膜８のアノード側に対向する突起１４’へ引き込まれる。ヘリウム、酸素、二酸化炭素などの、水素燃料中に見られる不活性な不純物は、水素流れの場１６’が、発電装置の内部で終端しているため、膜８によって拡散される。これらの不純物は、その後周囲環境へ排気される酸素流れの場１６の空気流によって発電装置から排出される。膜８を介してアノード側から移動する水、並びに電気化学反応によって膜８のカソード側に生成した生成水は、カソードプレート突起１４中に引き込まれ、プレート２を通過して冷却水流れの場３６へ入る。水のいく分かは、酸素気流中へ蒸発し、また、系から排気される空気流中に排出される。電気化学反応によって生じた過剰の生成水は、冷却水と共にライン３４中へ汲み出される。冷却水ループ中の水は、全て熱交換器４０で冷却され、ループ中の過剰な生成水はライン４２を通って直立管４４内に流入し、そこから定期的に周囲環境中へ流出される。発電装置の各セルに対して循環冷却水供給源を設けることによって、各セルは「オンデマンド」で冷却水を供給されるため、各セルは、好ましくは約８２．２℃から１００℃より多少低い温度までの範囲内（１８０°Ｆ〜２１２°Ｆより多少低い温度までの範囲内）である最適温度で作動可能であり、これにより冷却水は周囲の作動圧力付近で液相状態に維持される。さらに、微細孔性プレートを介する局部的な水の移動により、セル内の全ての箇所における完全な飽和状態を維持するよう、反応物質通路に水を追加したりそこから除去したりすることが可能である。液体の冷却水を一定に供給することで、所望の作動温度範囲の上限近くに達するセルのいずれもが、セルの処理時に十分な水を受容することにより、セルの作動温度を所望作動温度範囲の下限にまで低下させることができる。発電装置のセルが、８２．２℃〜１００℃（１８０°Ｆ〜２１２°Ｆ）の温度範囲内で作動するとき、それぞれが０．０９平方メートル（１平方フィート）の面積のセルを１００個有する、本発明により形成された代表的な固体高分子電解質型の発電装置は、約２２ｋＷ、即ち、１つのセル当たり約０．２２５ｋＷの出力電力を発生できる。所望のセル作動温度範囲を保持するために、かつ、それによって出力電力を維持するために、熱交換器４０は、放出される水の温度を約４８．９℃〜約６５．６℃（１２０°Ｆ〜１５０°Ｆ）の範囲内に維持する。その結果、熱交換器４０はそこから出る水流の温度を検出するサーモスタット４８で制御されるのが好ましい。
【００２７】
本発明の電気化学的発電装置は、従来の構成要素を用いることができ、さらに周囲環境圧あるいはそれよりも高い圧力で、かつほとんどの場合に十分に低い温度で作動するため、発電装置中のセルの冷却水として、液体の水を使用可能な、水素と酵素の効率的な変換を提供することが容易に理解されよう。発電装置の各セルはそれ自体の冷却水供給源を有し、冷却水は個々の進行中の作動状態に応答して、要求に応じて（オンデマンドで）受け取ることができる。本発明によって構成された発電装置によって可能となった比較的高い作動温度範囲により、自動車、バスなどの乗物の運転に使用される形式の蓄電池の出力要求に適合した、比較的小型のユニットを構成することが可能となる。さらに大型の据置型発電装置を構成することも可能である。冷却水の圧力を酸化剤反応物質ガスの圧力に関係付けることで、酸化剤反応物質流路と、発電装置における各セルに隣接する冷却水流路の間に一定の差圧ΔＰを提供し、このΔＰにより、発電装置の各セルのカソード側に発生する水を、微細孔性プレート中の流路を介して冷却水流へと汲み出させる。従って、発電装置における水管理は、受動的で、かつ、複雑な弁や調整器の回路（ネットワーク）を必要とせず、さらに、凝縮器や蒸発器を必要とせずに達成される。本発明により形成された水管理装置の受動的な特質により、発電装置の各セルが個別に作動し、従来の装置におけるように、発電装置の一端から他端へ向かって各セルを通って流れるガス流を移動させることによって水を除去する必要がないので、大型で、高電力密度の固体高分子電解質型発電装置を構成することが可能となる。
【００２８】
発明の概念から逸脱することなく、説明した本発明の実施態様に対して、様々な修正並びに変更をなし得ることから、これらは、請求の範囲に記載の内容を除き、本発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】イオン交換膜を使用した燃料電池システムの概略図であり、このシステムは本発明により形成された燃料電池による発電装置の一部を形成する。
【図２】本発明の発電装置において、反応物質の流路及び冷却水流路を形成するのに使用される、二つのチャンネルを有する導体プレートの分解透視図である。
【図３】本発明により形成された大気圧用発電装置中の１つのセルの概略的な正面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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