JP2008505462A - セル内加湿を有する燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池を提供する。
【解決手段】電気化学反応を行うための活性流れ場区域と反応物流れを加湿するための少なくとも１つの加湿区域とを統合する燃料電池プレート。加湿場の区域は、異なる容量を有することができる燃料電池システムに対して妥当な湿度と温度を達成することができるように燃料電池活性流れ場に対して比例的に設計され、そうでなければ、その異なる容量の下では、従来技術の設計によって加湿器のサイズ変更が必要になるであろう。
【選択図】図１

Description

本発明は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池に関する。特に、本発明は、湿潤カソード排気と入ってくる乾燥空気及び／又は燃料との間の水分及び熱交換を行うための加湿方法及び装置に関する。

プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、無公害の電気車両に特に有用な一次低温発電装置として最近大きな注目を受けている。典型的なＰＥＭ燃料電池は、白金装着電極の間に挟まれた電解質材料としてプロトン伝導性イオン交換膜を収容している。膜材料は、フッ素化スルホン酸ポリマーであり、これは、デュポンによって開発されて販売されている材料に与えられた商品名「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」と一般的に呼ばれており、又はダウ・ケミカル・カンパニーによる「ＸＵＳ １３２０４．１０」である。この酸の分子は、ポリマーマトリックス内に固定化されている。しかし、これらの酸基に結合するプロトンは、膜を通過してアノードからカソードに自由に移動することができ、そこで水が生成される。ＰＥＭＦＣ内の電極は、Ｐｔと膜との混合物でドープされた多孔質カーボン布で製造される。

ＰＥＭＦＣの性能及び耐用期間は、ポリマー電解質の水分含有量に大きく依存し、そのために膜内の水分管理は、効率的な作動のために重要である。膜の伝導度は、酸サイト当たりの利用可能な水分子数の関数である。膜が完全に乾燥すると、プロトンの流れに対する膜の抵抗が増大し、燃料電池内で発生している電気化学反応が十分な状態にもはや維持することができず、結果として出力電流が減少し、最悪の場合は停止する。更に、膜のドライアウトは、ＰＥＭ表面の亀裂及び電池故障の可能性をもたらす場合がある。これらの理由のために、ＰＥＭ燃料電池は、入ってくる反応物質の流れを加湿する要素を一般的に組み込んでいる。

これに対して、反応物質の流れによって持ち込まれたより多くの水分又は電気化学反応によって発生したが燃料電池から実質的に除去されなかった蓄積水のようないずれかの理由によってもたらされた水分が多すぎる場合には、燃料電池の電極がフラッディング状態になる可能性があり、そのこともまた電池性能を低下させる。更に、低温作動の性質は、副産物の水分が、生成されるよりも速く蒸発しないという状況をもたらす場合がある。その結果、それは、水が実質的に除去できない時は最終的に水の蓄積及び電極フラッディングをもたらす可能性があるであろう。この理由のために、水除去及び管理は、燃料電池の設計において適正に対処されるべきである。

燃料電池のプロセスガスの加湿に関して、多くの方法が既に提案されている。ＰＥＭを水和された状態に保持するために従来技術において設計された多くのシステムは、反応ガスを加湿するために外部の加湿器を使用する。外部加湿器は、多孔質の乾燥剤材料が、回転軸の周囲で回転し、湿った流れから乾いた流れに水分を移動させる、Ｅｉｓｌｅｒ及びＧｕｔｅｎｍａｎｎに付与されたＵＳ２００３／００９１８８１Ａ１に説明されているようなモータ駆動エンタルピーホイールとすることができると考えられる。外部加湿器はまた、水透過膜を使用して一方の側から別の側に水分を移動させる、Ｋａｔａｇｉｒｉ他に付与された米国特許第２００１／００１２５７７５号Ａ１に説明されたような装置とすることができるであろう。一部のシステムにおいては、燃料電池アセンブリの外側で加湿水が燃料電池自体からの排気熱によって加熱され、次に、この加熱された水に反応ガスが露出され、それによってガスが加湿される。

外部加湿器の使用は、付加的なシステム構成要素の要件をもたらし、これは、次に、機器、組立、及び保守に関連するコストの上昇をもたらす。外部加湿器は、配管及び断熱もまた必要とし、かつ漏れの可能性を有する。加湿器によって生じた圧力損失はかなり増大すると考えられ、それは、より高い寄生的電力消費をもたらし、従ってシステム性能を低下させる。更に、特定かつ所定の容量を有する外部加湿器は、システムが拡張又は縮小された時に変更する必要があり、製品有用性が制限されると考えられる。更に、外部加湿器を有する燃料電池システムは、嵩張って重くなることになる。

反応ガスを加湿するための一部の従来技術の設計には、Ｃ．Ｙ．Ｃｈｏｗ及びＢ．Ｍ．Ｗｏｚｎｉｃｚｋａに付与された米国特許第５，３８２，４７８号並びにＸ．Ｃｈｅｎ及びＤ．Ｆｒａｎｋに付与された米国特許第６，６０２，６２５号Ｂ１に説明されたもののような燃料電池スタックアセンブリの一端又は両端のいずれかに配置された１組の加湿プレートを備えた１つ又は２つの加湿区域を用いるものがある。こうした設計においては、入ってくる反応ガスは、加湿プレートの上をこの区域の水透過膜の片側を通過して導かれ、水の流れ又は飽和した燃料電池排出流れのいずれかが、膜の他方の側を通過して流れる。水透過膜は、一般的に導電性ではないので、加湿器プレートは、燃料電池アセンブリの端部に一般的に位置している。その結果、ガスを加湿区域に送り、そこからスタック内の燃料電池セルに送る手段が複雑になる可能性がある。更に、加湿器区域の寸法は、システム容量が変化する時に調節する必要がある。

ＰＥＭ燃料電池の作動のための反応ガスを加湿するための更に他の方法及び装置がある。Ｆ．Ｗｏｌｆｒａｍに付与された米国特許第５，４３２，０２０号には、外部供給ラインからの水が、微小噴霧ノズルを通過してプロセスガス内に噴射される、燃料電池の作動のためのプロセスガスを加湿する方法及び装置が説明されている。計量され微小水滴が、ガス供給ライン内に注入され、それによってプロセス空気が加湿される。燃料電池が加圧の下で作動される時、プロセス空気は、一般的にそれが圧縮された後に冷却されるべきである。Ｍ．Ｊ．Ｆｒｅｄｅｒｉｃｋに付与されたＥＰ０，３０１、７５７Ａ２には、水が外部供給ラインを通じてアノード側内に注入され、生成水と供給された液体水の両方の一部分の蒸発によって燃料電池を加湿及び冷却する、イオン伝導性電解質膜を有する燃料電池が説明されている。Ａ．Ｔｏｒｏ他に付与されたＷＯ０３１０７４６５には、好ましくは液体水である冷却流体が、伝導性バイポーラ板上の多数の較正された流体注入孔を通じて反応ガス内に注入される、反応ガスを加湿する方法が説明されている。Ｔ．Ｔｏｓｈｉｈｉｒｏに付与されたＪＰ７，１７６，３１３には、外部供給ラインによって供給された水が、電池の使用済み空気から取り出した熱によって蒸発し、電池に供給される空気を加湿するのに使用される、燃料電池と外部熱交換器から成る構成が説明されている。Ｈ．Ｖｏｓｓ他に付与された米国特許第６，１０６，９６４号には、ＰＥＭ燃料電池と、水透過膜によって分離されたプロセスガス給送チャンバ及びプロセス排ガスチャンバを備えた熱及び水分複合交換器との構成が説明されている。プロセス排ガス流れからの水及び熱は、水透過膜を通過してプロセスガス給送流れに移送される。Ｎ．Ｇ．Ｖｉｔａｌｅ及びＤ．Ｏ．Ｊｏｎｅｓに付与された米国特許第６，０６６，４０８号には、燃料電池スタックアセンブリ内の冷却と加湿の機能を結合した冷却器−加湿器プレートが開示されている。プレートの冷却器側にあるクーラントは、燃料電池アセンブリ内で発生した熱を除去し、一方で熱はまた、加湿水を蒸発させるのに使用するためのプレートの加湿器側によって除去される。プレートの加湿器側では、蒸発水が、湿った芯の上を流れる反応ガスを加湿する。プレートの加湿器側から出た後、加湿された反応ガスは、燃料電池スタックアセンブリに使用されるプロトン交換膜に必要な水分を供給する。

Ｋ．Ｍ．Ｓｐｒｏｕｓｅ及びＤ．Ｊ．Ｎａｔｒａｔｉｌに付与された米国特許第５，５３４，３６３号に説明された別の従来技術のシステムは、燃料電池のアノード膜表面と液体水リザーバとの間の物理的な直接接続を確立する芯の使用を含む。芯の作用は、セルのアノード表面が連続的に水に浸されることを実質的に保証する。この設計は、従来型の燃料電池システムのポンプ及び／又はコンプレッサの一部に対する必要性を実質的に取り除くことができるが、アノード側に対して位置決めされた芯の使用は、水素ガスに接触することができる燃料電池のアノード側の表面積を必然的に低減し、その結果、燃料電池の電気化学的反応の性能を低下させる。Ｔ．Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ及びＭ．Ｌ．Ｐｅｒｒｙに付与された米国特許第２００２０１０６５４６号には、相互嵌合型反応物質流路で形成された流れ場の実質的な部分を有するＰＥＭ燃料電池酸化剤流れ場プレートが、クーラント水の流路及び／又はアノードのような隣接する水からの入口反応ガスの加湿を可能にする電解質ドライアウト障壁と同一の広がりを有する加湿区間を含むことが説明されている。この技術は、相互嵌合型流路とクーラント水を用いる加湿とを提案することに加えて、加湿チャンネルと相互嵌合型チャンネルとを直接かつ開放的に接続し、これは、ガス漏れ及びクロスオーバーの防止に困難をもたらす場合があると考えられる。

外部の高品質水が加湿のために注入される場合、それは、水処理のみならず水それ自体に関連した付加的なコストを追加する。一部の地域では、それは、こうした大量の水の消費のために燃料電池使用者に対して経済的に成立しない場合があるであろう。生成水が燃料電池システムから回収された後にそれが使用される場合、生成水のフィードバック部分を調整することは困難か又は不可能な場合があると考えられる。更に、金属イオンのような生成水内のあらゆる汚染が連続的に循環し、それは、長期の作動中にセル及び水透過膜の機能不全をもたらす可能性がある。
従って、燃料電池を加湿する既存の方法を改善する必要性が存在する。

ＵＳ２００３／００９１８８１Ａ１ 米国特許第２００１／００１２５７７５号Ａ１ 米国特許第５，３８２，４７８号 米国特許第６，６０２，６２５号Ｂ１ 米国特許第５，４３２，０２０号 ＥＰ０，３０１、７５７Ａ２ ＷＯ０３１０７４６５ ＪＰ７，１７６，３１３ 米国特許第６，１０６，９６４号 米国特許第６，０６６，４０８号 米国特許第５，５３４，３６３号 米国特許第２００２０１０６５４６号

本発明は、電気化学反応を行うための活性流れ場区域と、反応物流れを加湿するための少なくとも１つの加湿区域とを統合する燃料電池プレートに関する。加湿場の区域は、異なる容量を有することができる燃料電池システムに対して妥当な湿度と温度を達成することができるように燃料電池活性流れ場に対して比例的に設計され、この異なる容量の下では、そうでなければ従来技術の設計によって加湿器のサイズ変更が必要とされるであろう。本発明で提供されるセル内加湿は、燃料電池システムの設計及び製造を簡素化し、コンパクト性を高め、かつ燃料電池信頼性を改善する。それはまた、従来型の外部又は内部加湿器を排除することによってシステムコストを低減し、従来型加湿器よりも減少した圧力低下及び減少した熱損失により、寄生的電力消費を削減することによってシステム効率を高める。

本発明の目的は、反応ガス流れを加湿する方法及び装置を提供することである。また、本発明の目的は、入ってくるガス状反応物質によって膜が完全に乾燥されることにならず、かつ反応ガスが望ましい湿度で燃料電池に送出される燃料電池システムを提供することである。燃料電池作動条件の広い範囲にわたって、膜が望ましくないドライアウトを受けないこともまた本発明の目的である。本発明の更に別の目的は、加湿器が、あらゆる大きさの燃料電池システムの加湿要件に適合するように自動的かつ比例的にスケーリングされる燃料電池システムを提供することである。

より詳細には、本発明の目的は、単一の燃料電池プレート上で活性流れ場を加湿場と統合することである。加湿場は、燃料電池活性場と共存し、加湿場の区域は、妥当な湿度と温度を達成することができるように燃料電池活性流れ場に対して比例的に設計される。本発明で提供されるセル内加湿は、燃料電池システムの設計及び製造を簡素化し、コンパクト性を高め、かつ燃料電池信頼性を改善する。それはまた、従来型の外部又は内部加湿器を排除することによってシステムコストを低減し、従来型加湿器よりも減少した圧力低下及び低減した熱損失により、寄生的電力消費を削減してシステム効率を高める。

上述の目的を達成するために、本発明は、適切な構成でチャンネルが設けられ、かつ膜電極アセンブリで覆われた電気化学反応の活性区域と、同じく流路を有し、かつ触媒なしで水透過膜で覆われた少なくとも１つの加湿の区域とを含む燃料電池プレートを提供する。入ってくる反応ガスのための供給源は、アノード又はカソードプレート上の加湿区域へのマニホルドを通して提供され、又は少なくとも１つの移送マニホルドを通して一方のプレートから他方のプレートに向け直される。加湿された流れは、移送マニホルドを通して活性区域の入口に流れ、そこから反応ガスは、ＭＥＡと接触するようにされて電気化学反応が行われる。

本発明はまた、一般的に飽和しているカソード排気を使用して、入ってくる反応ガスを加湿するための水分供給源をもたらす加湿方法を提供する。カソード排気は、ガス流を一方のプレートから他方のプレートへ向け直す別の移送マニホルドを用いて加湿区域に導かれる。入ってくる流れ又はカソード排気のいずれかは、アノードプレートからカソードプレートへ又はその逆向きに潜る必要がある。活性区域と加湿区域の間の連通は、ガス漏れ及びクロスオーバーの防止を容易にするために移送マニホルドによる連通である。活性区域に対する加湿区域の比率は、単一セルベースで適切な加湿条件が提供されるような大きさにされ、従って、その比率は、比例を保つと考えられ、その性能は、作動条件又はセルの数（すなわち、燃料電池システム容量）のいずれかの変更に関わらず同じままであり、システムが再スケーリングされた時に、加湿器を再選択又は寸法変更する必要性が省かれる。

この設計の結果、カソード排気によって運ばれる熱は、十分に貯留されて回収される。セル内加湿による恩典により、端部配置の内部加湿器で見られるような複雑なマニホルド配列及びガスケットがなく、外部加湿器を用いる場合におけるような配管／継手及びそれらの断熱の必要がない。統合したセル内加湿器を有するプレートは、製造された状態で、あらゆる好ましい電力出力に対して単に望ましい数まで容易に積み重ねることができ、これは、簡素性、柔軟性、及びコスト効率の明白な利点である。

本発明の第１の広範な態様によれば、燃料電池のための流体流れプレートが提供され、このプレートは、第１の入口と、第１の出口と、それらの間の第１の組の流路とを有する電気化学反応を行うための活性区域と、第２の入口と、第２の出口と、それらの間の第２の組の流路とを有する流体流れを加湿するための加湿区域とを含む。
本発明の第２の広範な態様によれば、触媒膜で覆われ、かつ第１の組の流路を有する電気化学反応を行うための活性区域と、水透過膜で覆われ、かつ第２の組の流路を有する流体流れの間で湿度を交換するための加湿区域と、加湿区域及び活性区域の一方に流体連通する少なくとも１つの入口及び１つの出口とを含む、燃料電池のための流体流れプレートが提供される。

このプレートは、カソードプレート又はアノードプレートとすることができる。その設計に基づいて、入口及び出口は、以下の説明で明らかになるように様々に分布している。
活性区域及び加湿区域は、プレートの同じ側又は同じプレートの両側とすることができる。好ましくは、流路は、流れを導く平行溝を有する通路である。
本発明の更に別の特徴及び利点は、添付図面と共に以下の詳細説明から明確になるであろう。
添付図面を通じて同じ特徴が同じ参照番号によって識別されることに注意されたい。

この説明を通じて、用語「膜電極アセンブリ」（ＭＥＡ）は、それに限定されるものではないが、通常繊維紙である多孔質電導性シート材料で形成された２つの電極の間に配置された固体ポリマー電解質又はイオン交換膜から成るものとして理解されるであろう。ＭＥＡは、望ましい電気化学反応を誘起させるための通常白金の形態である触媒の層を各膜／電極インタフェースに収容している。適切なＭＥＡ材料としては、３Ｍ、「Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ ａｎｄ Ａｓｓｃｉａｔｅｓ」、及びＤｕｐｏｎｔなどから市販されているものを含むことができる。本発明に関しては、各プレートに向いた膜の一部分は、カソードプレートの加湿区域とアノードプレートの加湿区域とを通して流れる流体流れの間の湿度交換を可能にするために、非触媒性、水透過性、及びガス不透過性である。好ましくは、水透過膜は、供給流れと排気流れの反応物質部分の相互混合を防ぐために反応ガスに対して不透過性である。適切な膜材料としては、セロファンと、こうした用途において適切かつ便利な水透過性の加湿膜材料である「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」のようなペルフルオロスルホン酸膜とが挙げられる。

本発明の例示的な実施形態は、アノードガスとして水素又は水素豊富改質ガスのいずれかを利用し、カソードガスとして酸素含有空気を利用するＰＥＭ燃料電池の使用目的の状況の下で以下に本明細書で説明する。本発明の例示的な実施形態は、カソード空気の加湿に関して主として説明されるが、しかし、それは、アノード燃料を加湿するため又はカソード空気及びアノード燃料の両方を加湿するために使用することができ、その場合に、２つの加湿区域がプレート上に通常配置され、かつ適切な流体接続部が設けられることになる。従って、本発明は、この例示的な実施形態に限定されると考えるべきではない。

本発明の原理によれば、燃料電池には、反応ガスを燃料電池の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）に分配し、かつ反応ガスをＭＥＡと接触させるために送る前に加湿するように作動可能な適切な流体流れプレートが設けられる。図１に一般的に示すように、本発明の流体流れプレート３０は、少なくとも２つの区域を有し、一方は活性区域４００、他方は加湿区域４１０と呼ぶ。プレートは、３つの区域にも分割でき、その場合、１つは活性区域として機能し、他の２つは、カソード空気とアノード燃料とをそれぞれ加湿する加湿区域として機能する。プレート３０は、アノード、カソード、及びクーラントの流体流れを実質的に分配及び接続するマニホルド開口部１００、１２０、２００、２５０、３００、及び３１０を有する。加湿区域４１０の出口を活性区域４００の入口に接続するために、少なくとも１つの流体移送マニホルド２２０が存在する。活性区域は、触媒を装填した膜に接触し、いずれかの望ましいパターン（例えば、平行、蛇行、又はいずれかの他の種類）の流路を有する。加湿区域もまた、好ましくは加湿区域と同じ膜で装填触媒を持たないものと接触する。加湿区域内にも流路が存在し、これは、活性区域と構造的に類似とすることができる。好ましくは、活性区域の約１０−４０％である加湿区域の大きさは、単一セルベースで入ってくる反応ガスの適切な加湿を提供するように設定される。加湿区域、活性区域、マニホルド、及び移動経路の構造は、ガス漏れ及びクロスオーバーを防ぐガスケットの取付けを容易にするように全てが好ましく設計される。
明らかに、加湿及び活性電気化学反応区域の単一燃料電池プレート上の統合は、外部又は端部配置加湿器の使用を削除し、従って、配管及び断熱の全ての関連する必要性が除かれることになる。その簡素性及びコンパクト性に加えて重要なことは、本発明が燃料電池の拡張又は縮小の機能を著しく改善することである。

本発明による好ましい実施形態の１つに関する図２をここで参照する。図２ａは、燃料（水素又は水素豊富改質ガス）が、図１の活性区域４００上の流路１１０に流体接続するマニホルド開口部１００を通して導入されるアノードプレート１０を表している。ここで示された流路は蛇行型であるが、それは説明目的に過ぎず、その理由は、上述のように現実にはそれらはあらゆる望ましいパターンとすることができるからである。燃料流れは、マニホルド開口部１２０に向って活性区域から流出する。アノードプレート１０上で、カソード空気は、マニホルド２００を通して取り込まれ、図１の加湿区域４１０に対応する区域上の流路２１０に流体接続する。カソード空気は、次に移送マニホルド２２０に達し、これは、スタックを通して延びるがエンドプレートによって塞がれることになる。これは、図２ｃに概略的に示されている。移送マニホルドは２つの機能を有し、一方は、加湿区域の出口からのガスを活性区域の入口に移送する連通手段としてのものであり、他方の機能は、ガス流をアノードプレート（ガスケットの一方の側）からカソードプレート（ガスケットの反対側）に向け直す機構としてのものであり、それによってガスケットの取付けが容易になり、潜在的ガスクロスオーバーが回避される。移送マニホルドの使用は、プレート面積の有効利用の増大と反応流れの均一な再分配の潜在的な利点を有する。図２ｂのカソードプレート２０上で、移送マニホルド２２０を通してアノードプレート１０から向け直される加湿された空気は、図１の活性区域４００の流路２３０に入り、図１の加湿区域４１０の流体チャンネル２４０に流体接続される。そのような方式で、加湿区域４１０の上を入ってくる空気は、水透過膜の一方の側に接触してアノードプレート１０の上を流れ、飽和したカソード排出空気は、その膜の反対側に接触してカソードプレート２０の上を流れ、それは、図２ｃに概略で示されている。こうした構成で、入ってくる空気は、カソード排気と向流的に流れ、高温で飽和したカソード排気から低温で乾燥した入口空気への水分と熱の移動が達成される。

図３は、図２に示す好ましい実施形態の変形を表している。図３に示すように、アノードプレート１０及びカソードプレート２０上には、２つの移送マニホルド２２０及び２６０が存在する。移送マニホルド２２０は、この場合も同じく加湿区域からの加湿された空気流れを移送して活性区域に向け直し、一方で移送マニホルド２６０は、活性区域からのカソード排気を移送して加湿区域に向け直す。移送マニホルド２６０の追加は、図２に示す実施形態に比べて、ガス漏れ及びクロスオーバーを防ぐためのガスケットの取付けを更に容易にする。

図４ａ及び図４ｂに略示される本発明の別の好ましい実施形態に対しては、以下で詳細に参照する。図２ａは、燃料（水素又は水素豊富改質ガス）が、流体接続経路１４０を通して第２の燃料分配マニホルド１００に流体接続する第１の燃料マニホルド開口部１３０を通して導入されるアノードプレート１０を表している。燃料は、第２のマニホルド１００から流体流路１１０の第１の経路内に再分配され、残りの燃料は、活性区域から出口マニホルド１２０に流出する。第１及び第２のマニホルドを使用することの利点は、複数のセルを含む燃料電池スタック内の各々の個別セル内への均一なガス分配が達成されることであり、それは、図８を参照して以下で更に詳述する。

アノードプレート１０の上は、この場合もまた少なくとも２つの区域、すなわち、活性区域と加湿区域に分割されている。入ってくるカソード空気は、経路２８０を通して第２のマニホルド２００に流体接続する第１のマニホルド開口部２７０内に最初に入る。次に、カソード空気は、加湿区域の上に分散している流路２１０内に再分配される。流路２１０の数は、ガス圧縮及び送出に伴う寄生的電力消費を低減するのに十分な低い圧力低下が達成されるように決めることができる。入ってくる空気は、第２のマニホルド２００に流体接続して、カソードプレート２０上の加湿区域に対して反対側にある加湿区域の上の流路２１０内に分配される。加湿された空気は、加湿区域から移送マニホルド２２０内に流出し、このマニホルドは、燃料電池活性区域に延びて空気をカソードプレート２０上の活性流れ場の入口内に向け直す。

カソードプレート２０上で、図４ｂに示すように加湿された空気は、移送マニホルド２２０から第１の流路２３０に入る。アノードプレートについては、流路の数は、１つの経路から次の経路にかけて徐々に減少し、最初の経路の流路の最後の経路に対する比率は、酸素又は空気消費率に対応する。減損したカソード空気は、活性流れ場から第２の移送マニホルド２６０内に流出し、このマニホルドによってカソード排気は、加湿流路２４０内に再分配される。この場合には、排気は、水透過膜の反対側に接した、入ってくる空気に対して並流的に流れる。流路２４０の数は、図４ａのアノードプレート上の流路２１０と同じか又は異なることが可能であるが、同じ流れ区域を覆うことになる。流路２４０の数は、流路２３０の最後の経路のものよりも多いことになるが、それは、加湿区域の上のカソード排気の流速を低下させることになり、十分な水分移動を可能にするので好ましい。
例示のために、アノードプレート１０及びカソードプレート２０の上に、第１及び第２のクーラント入口マニホルド開口部３２０、３１０、並びにクーラント出口マニホルド開口部３００もまた示されている。

本発明による更に別の好ましい実施形態について、ここで図５を参照すると、そこでは空気流れを加湿するための第１の加湿区域２１０、２４０に加えて、燃料流れを加湿するための第２の加湿区域１５０、２９０が付加されている。燃料流れを加湿することは、燃料として乾燥水素が使用される時には、アノード側で水が生成されず、従って膜が容易に完全に乾燥する可能性がある事実を考えると特に不可欠である。

図５ａは、プレートが３つの区域、すなわち、電気化学反応を行うための活性区域、空気流れを加湿するための第１の加湿区域、及び燃料流れを加湿するための第２の加湿区域に分割されているアノードプレート１０の例示的な実施形態を示している。図４ａと同様に、入ってくるカソード空気は、経路２８０を通して第２のマニホルド２００に流体接続された第１のマニホルド開口部２７０内に入る。次に、カソード空気は、第１の加湿区域の上に分散している流路２１０内に再分配される。第１の加湿区域を出て、加湿された入ってくるカソード空気は、第１の移送マニホルド２２０に流入し、それを通して空気は、カソードプレート２０上のカソード活性流れ場２３０の入口内に再分配され、そのことが図５ｂに示されている。水素燃料は、流体接続経路１４０を通して第２の燃料分配マニホルド１００に流体接続した第１の燃料マニホルド開口部１３０を通して導入される。水素燃料は、第２のマニホルド１００から第２の加湿区域の流路１５０内に再分配される。水素燃料は、カソードプレート上で水透過膜の反対側を流れる飽和したカソード空気から水分を受け取ることになる。加湿された水素燃料は、第２の加湿区域を出て、連通経路１７０によって接続した移送マニホルド１６０及び１８０を通してアノード活性流路１１０の第１の経路内に入る。残りの水素燃料は、活性区域から出口マニホルド１２０に流出する。

図５ｂに示すカソードプレート２０上で、加湿された空気は、移送マニホルド２２０から第１の流路２３０に入る。減損したカソード空気は、活性流れ場から第２のガス移送マニホルド２６０内に流出し、このマニホルドによってカソード排気は、第１の加湿流路２４０内に再分配され、その上で水分及び熱は、アノードプレート１０上で水透過膜の反対側上を流れる入ってくる空気に移送される。最後の流路２３０の流れ区域に比較して増大した流路２４０の流れ区域は、加湿区域の上のカソード排気流速を低下させて十分な水分移動を可能にする。第１の加湿区域の後、排気空気は、移送マニホルド２５０を通して第２の加湿区域に送られ、その排気空気は、流路２９０に再分配される。この区域の上で、アノードプレート１０上の流路１５０の上を流れる水素燃料への水分及び熱の移動が行われる。カソード排気空気は、出力マニホルド２９５を通して燃料電池スタックから最終的に出る。

図６Ａ及び図６Ｂは、燃料電池のアノードプレートとカソードプレートの間に挟まれた膜に関する可能な実施形態の説明図である。水透過膜５１０は、プレートの加湿区域４１０を覆い、一方で触媒膜５００は、プレートの活性区域４００を覆う。水透過膜５１０は、熱伝導性及び水透過性であるが実質的にガス不透過性である材料で製造される。適切な膜材料には、セロファン又は「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」のようなペルプルオロスルホン酸膜が含まれ、それらは、水蒸気の通過は可能であるが酸素及び水素に対しては実質的に不透過性である。図６Ａでは、共通膜が使用され、活性反応区域に対応する部分は、触媒で被覆される。図６Ｂでは、ＭＥＡと水透過膜は、プレートの間に別々に置かれ、この２つは、サブガスケットによって連結される。このために、ＭＥＡ（触媒層を有する）と膜とは、別々に使用することができ、それに対応して組み立てられる適切な寸法に切断される。

本発明の代替的な実施形態では、カソード側とアノード側とは入れ替えることができる。この状況において、入ってくる空気は、カソードプレート上の加湿区域内に入ることができ、カソード排気は、アノードプレート上の加湿区域内に向け直すことができる。マニホルドと流路の間の流体接続部は、図１から図６に示すようにプレートの同じ側に配列することができ、又はプレートの異なる側に配列することができる。後者の場合、反応物は、マニホルドからプレートの裏側のスロットに最初に導かれることになり、そこにはスタッククーラント流路を配列することができる。スロットは、プレートを貫通して反応物をプレートの前面に導き、最終的には流路内に反応物を向け直す。こうした流れの配列は、図７に示すように、Оリング型ガスケットが使用される時に特にガス漏れ防止に関して有利である。

図７ａ及び図７ｂにおいて、アノードプレート１０及びカソードプレート２０上の流路は、活性区域４００に対応する区域（６０６及び６１８）及び加湿区域４１０に対応する区域（６１２及び６２１）の上にある。ガスの漏れ及び相互混合を防ぐＯリング型ガスケットの取付けを容易にするためのガスケットネットワーク６１５が設けられる。ガスケットネットワークは、活性区域及び加湿区域、並びにマニホルド孔を取り囲む。水素又は水素豊富改質ガスは、プレート１０の裏側の接続経路６０３’を通過する第２のマニホルド６０４に流体接続する第１の燃料分配マニホルド６０３を最初に通過して入り、それは図７ｃに示されている。次に、燃料は、経路６０５’を通してスロット６０５に流れ、そこから燃料は、プレート１０を通して前側（図７ａ）まで貫通し、それは、引き続いて複数の流路６０６に接続される。減損したアノードガスは、第２のスロット６０７で活性区域から流出し、このスロットを通してガスは、プレート１０の裏側に導かれる。図７ｃに示すように、プレート１０の裏側で、減損したアノードガスは、流体接続経路６０７’を通して出口マニホルド孔６０８を出る。プレートの裏側には、第２のガスケットネットワーク６１５’もまた設けることができる。入ってくるカソード空気は、流体接続経路６１０’を通して第１のマニホルド６０９に入り、アノードプレート１０の裏側の第２のマニホルド６１０に導かれる。プレート貫通スロット６１１から導かれて、入ってくるカソード空気は、加湿区域４１０の上のアノードプレート１０の前側上の複数の流路６１２内に流れる。加湿された空気は、別のプレート貫通スロット６１３を通して移送マニホルド６１２内に流れる。カソードプレート２０の前側上に流体接続されて、加湿されたカソード空気は、プレート貫通スロット６１７を通してカソードプレート２０上の複数の流路６１８に導かれる。減損したカソード空気は、スロット６１９内に流出して裏側に潜る。カソードプレート２０の裏側上で、スロット６１９は、スロット６２０（図示せず）に流体接続し、減損した空気は、引き続き複数の加湿流路６２１を通して流れ、スロット６２２を通してカソードプレート２０の裏側に潜った後に出口マニホルド６２３に最終的に導かれる。

本発明の基本的特徴を反映する流れ場を設計するために、本発明の実施形態を呈示する前にガス利用係数を定義することが必要である。
燃料電池スタックに最初に導入される（燃料又は酸化剤）容積流量をＦ₀、活性反応物容積濃度をｙ₀、及び反応物利用効率（すなわち、ストイキオメトリの逆数）をη₀とする。また、セル電気化学反応の反応次数は、０．５次から２次の範囲とすることができ、かつアノードにおける水素に関する次数とカソードにおける酸素に関する次数とは異なる可能性があるが、本発明を説明するために、本発明者は、セル電気化学反応の見かけの反応速度を活性成分（水素又は酸素）について１次であると仮定する。この仮定に基づくと、従って、反応物流量での変化は、指数関数の様式、すなわち、Ｆ_C＝Ｆ₀ｙ₀ｅｘｐ（−βｘ）に従い、式中Ｆ_Cは、入口からの距離ｘでの局所反応物流量であり、βは減衰係数である。従って、入口からの距離ｘでの全体のガス流量は、以下のように表現することができる：

次式の定義を適用する：
η₀＝反応物利用効率＝（初期流量−出口流量）／初期流量＝１−ｅｘｐ（−βＬ）
α＝ガス利用係数＝（初期ガス流量−出口ガス流量）／初期ガス流量＝ｙ₀η₀
次に、ガス流量は、以下のように表現される：

座標ｘに通路の数ｎを代入すると、上式は、以下のようになる（式中のＮは、入口から出口までの通路の合計数である）：

ここで、本発明者は、入口から出口に至る流路の数において徐々に減少することになる流路の設計の以下の２つの手法を有する：
一定ガス流量：
ｕ＝ガス流量／流れ面積＝ガス流量／（流路数×チャンネル当たりの流れ面積）
これは、ｉ番目の通路の溝の数について次式をもたらすと考えられる：

活性区域当たりの一定反応物分子：
ｃ＝反応物流量／流れ面積＝反応物流量／（流路数×チャンネル当たりの流れ面積）
これは、ｉ番目の通路の溝の数について次式をもたらすと考えられる：

流路の数は、最初の経路について最大であり、次に、下流に向って徐々に減少する。流路の数での減少率は、漸進的電気化学反応に基づく反応ガス消費率に従って判断される。最初の経路の流路の数の最後の経路のものに対する比率は、水素又は燃料ガスのいずれかの消費率に対応する。上流経路と下流経路の間には、ガスを再結合して再分配するために設けられた機構が存在する。図８に関してかつ本発明によれば、より多数のチャンネルを有する上流通路からの流路３８は、より少数のチャンネルを有する次の下流通路にヘッダ３７を通じて流体接続し、そのヘッダは、流路に平行、垂直とすることができ、かつ好ましくは流路３８に対して傾斜することができる。こうした傾斜設計は、屈曲区域にわたって上流及び下流流路と同じ均一なチャンネル分布（同一のチャンネルピッチ）を提供するであろう。均一なチャンネルピッチは、ランドエリアからＭＥＡへの均一な機械的支持を作り出し、従って、最小の機械的及び熱的応力がプレートによってＭＥＡに印加されることが保証される。図１５に示すもののような傾斜ヘッダ３７について、傾斜角φは、以下のように判断することができる：

上式において、ｎは流路３８の数、ｗ_C及びｗ_Sは、それぞれ流路３８及びランドの幅であり、一方、ｉは流れ通路の数である。
流体接続ヘッダ３７は、オープンフェース型であり、それによって上流チャンネル３８から下流チャンネル３８への流体再分配が可能になる。

上述の説明は、オープンフェースの傾斜ヘッダ３７に関して示されているが、当業者がそれに対する多くの修正及び変更を認めることになることを理解すべきである。例えば、ヘッダ３７は、０°から９０°のいずれかの角度とすることができる。また、ヘッダ３７は、相互嵌合型、不連続型、半閉型、又は全閉型のような他の構造的特徴も有することができる。
以上の説明は、特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲を限定するのではなく、例示する意図であることを理解すべきである。

本発明の一実施形態によるセル内加湿燃料電池プレートの一般的な概略図である。 本発明の一実施形態による１つの移送マニホルド及び１つの加湿区域を有するアノードプレートを示す概略図である。 本発明の一実施形態による１つの移送マニホルド及び１つの加湿区域を有するカソードプレートを示す概略図である。 本発明の一実施形態による燃料電池の断面図である。 本発明の第２の実施形態による２つの移送マニホルド及び１つの加湿区域を有するアノードプレートを示す概略図である。 本発明の第２の実施形態による２つの移送マニホルド及び１つの加湿区域を有するカソードプレートを示す概略図である。 本発明の第３の実施形態による第１及び第２の燃料分配マニホルド及び１つの加湿区域を有するアノードプレートを示す図である。 本発明の第３の実施形態による第１及び第２の燃料分配マニホルド及び１つの加湿区域を有するカソードプレートを示す図である。 本発明の第４の実施形態による２つの加湿区域を有するアノードプレートを示す概略図である。 本発明の第４の実施形態による２つの加湿区域を有するカソードプレートを示す概略図である。 プレートの２つの区域のための膜を示す概略図である。 各区域につき１つの２つの膜を示す概略図である。 ガスケットネットワークを有するアノードプレートを示す概略図である。 ガスケットネットワークを有するカソードプレートを示す概略図である。 図７Ａのアノードプレートの区域Ａの裏面の断面図である。 傾斜ヘッダを有する流れ場プレートの部分拡大図である。

符号の説明

３０ 流体流れプレート
１００、１２０、２００、２５０、３００、３１０ マニホルド開口部
４００ 活性区域
４１０ 加湿区域

Claims (25)

1. 燃料電池のための流体流れプレートであって、
   第１の入口と、第１の出口と、それらの間の第１の組の流路とを有する電気化学反応を行うための活性区域と、
   第２の入口と、第２の出口と、それらの間の第２の組の流路とを有する流体流れを加湿するための加湿区域と、
   を含むことを特徴とするプレート。
2. 前記第１の組の流路は、平行溝を有する一連の通路を含むことを特徴とする請求項１に記載の流体流れプレート。
3. 前記第２の組の流路は、平行溝を有する一連の通路を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の流体流れプレート。
4. 前記一連の通路は、蛇行パターンであることを特徴とする請求項２から請求項３のいずれか１項に記載の流体流れプレート。
5. 前記溝の数は、前記活性区域の各連続通路に対して下流に向って段階的に減少することを特徴とする請求項４に記載の流体流れプレート。
6. 前記通路は、１つの通路の溝から受け取った流体流れの次の通路の溝への実質的に均等な再分配を提供するヘッダによって相互接続されていることを特徴とする請求項５に記載の流体流れプレート。
7. 前記第１の組の流路は、少なくとも３つの通路を含むことを特徴とする請求項２に記載の流体流れプレート。
8. 前記第２の組の流路は、２つの通路を含むことを特徴とする請求項３に記載の流体流れプレート。
9. 前記加湿区域は、前記活性区域の約１０％から４０％であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の流体流れプレート。
10. 第３の入口を有し、かつ前記活性区域に流体接続した第２の加湿区域を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の流体流れプレート。
11. 前記活性区域及び前記加湿区域は、流体流れプレートの同じ側にあることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の流体流れプレート。
12. 燃料電池のための流体流れプレートであって、
    触媒膜で覆われ、かつ第１の組の流路を有する電気化学反応を行うための活性区域と、
    水透過膜で覆われ、かつ第２の組の流路を有する流体流れの間で湿度を交換するための加湿区域と、
    前記加湿区域及び前記活性区域の一方と連通した少なくとも１つの入口及び１つの出口と、
    を含むことを特徴とするプレート。
13. 前記触媒膜及び前記水透過膜は、サブガスケットによって接合されていることを特徴とする請求項１２に記載の流体流れプレート。
14. 前記触媒膜及び前記水透過膜は、共通膜であり、
    前記活性区域を覆う部分は、触媒で被覆されている、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の流体流れプレート。
15. 前記少なくとも１つの出口は、前記加湿区域に接続されていることを特徴とする請求項１２に記載の流体流れプレート。
16. 前記少なくとも１つの出口は、前記活性区域に接続されていることを特徴とする請求項１２に記載の流体流れプレート。
17. 前記第２の組の流路は、平行溝を有する一連の通路を含むことを特徴とする請求項１２から請求項１６のいずれか１項に記載の流体流れプレート。
18. 前記第１の組の流路は、平行溝を有する一連の通路を含むことを特徴とする請求項１２から請求項１７のいずれか１項に記載の流体流れプレート。
19. 前記一連の通路は、蛇行パターンであることを特徴とする請求項１７又は請求項１８に記載の流体流れプレート。
20. 前記溝の数は、前記活性区域の各連続通路に対して下流に向って段階的に減少することを特徴とする請求項１７から請求項１９のいずれか１項に記載の流体流れプレート。
21. 前記通路は、１つの通路の溝から受け取った流体流れの次の通路の溝への実質的に均等な再分配を提供するヘッダによって相互接続されていることを特徴とする請求項２０に記載の流体流れプレート。
22. 前記第１の流路は、少なくとも３つの通路を含むことを特徴とする請求項１８に記載の流体流れプレート。
23. 前記加湿区域は、前記活性区域の約１０％から４０％であることを特徴とする請求項１２から請求項２２のいずれか１項に記載の流体流れプレート。
24. 第３の入口を有し、かつ前記活性区域に流体接続した第２の加湿区域を更に含むことを特徴とする請求項１２から請求項２２のいずれか１項に記載の流体流れプレート。
25. 前記活性区域及び前記加湿区域は、流体流れプレートの同じ側にあることを特徴とする請求項１２から請求項２４のいずれか１項に記載の流体流れプレート。

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