JP4954375B2 - 液体水の直接的噴射に基づく冷却装置を備える燃料電池 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、燃料電池、より正確には、電解質として重合系膜を使用する燃料電池に関する。
【０００２】
燃料電池は、直流電流の形態による電気エネルギの電気化学的発生器である。換言すれば、これらの燃料電池は、熱エネルギに完全に放散せずに、従って、カルノーサイクルの制限を受けることなく、燃料（例えば、水素を含むガス状混合体、又はメタノール又はエタノールのような軽アルコール）が酸化剤（例えば、空気又は酸素）と反応することによる自由エネルギを変換する。化学的エネルギを電気エネルギに望ましいように変換するため、電子及びＨ⁺イオンを同時に解放して燃料を電池のアノードにて酸化させる一方、酸化剤は、Ｈ⁺イオンが消費されるカソードにて還元させる。発生器の２つの極は、適当な電解質によって分離し、アノードからカソードへの連続的なＨ⁺イオンの流れを許容すると同時に、１つの極から別の極への電子の移動を妨害し、これにより、２つの電極間の電位差が最大となるようにしなければならない。この電位差は、実際上、その過程自体の駆動力を表わす。燃料電池は、従来の発電装置に対する優れた代替例であるとみなされている。特に、その極めて好ましい環境上の影響（汚染排出物及び騒音が生じないこと、唯一の副産物は水が生成させること）に鑑みるとき、これらの燃料電池は、色々な寸法の静止発電の分野（発電所、補助的発電機等）及び可動の適用例の分野（電気車の適用例、宇宙、海中及び航空の適用例に対する自動的エネルギ又は補助エネルギの発生）の双方にて使用される。
【０００３】
重合系の膜燃料電池は、他の燃料電池と比較して、その始動が迅速であり且つ最適な作動状態を迅速に実現すること、高電力密度、可動部品の不存在及び腐蝕現象及び過酷な熱サイクルの不存在に関連して性質上の確実性を有することに起因して更なる有利な点をもたらす。事実上、従来技術の全ての燃料電池の間にて、ポリマー電解質燃料電池は、全体的な作動温度が最低である（通常、７０乃至１００℃）。
【０００４】
この目的に使用される重合系電解質は、イオン交換膜であり、より正確には、電荷を分離することになる酸一塩基の加水分解を受けることのできる基で部分的な官能基として形成された化学的に不活性なポリマーである、陽イオン交換膜である。上記の加水分解は、より正確には、正イオン（陽イオン）を解放することと、膜を構成するポリマー上に一定の負の電荷を形成することとから成る。多孔質の電極を膜の表面上に取り付ける。このことは、反応剤が膜の境界面まで流れることを許容する。燃料の酸化又は酸化剤の還元の相応する半反応にとって有益である、例えば、白金黒のような触媒が、電極及び／又は膜側部の上記境界面に取り付けられる。この配置は、また、膜の２つの面の間に電位勾配が確立され且つ外部の電気回路が同時に閉回路とされたとき、陽イオンが連続的に流れることを許容する。上述したように、この場合、Ｈ⁺イオンは伝達された陽イオンであるため、アノードにおいて種を低電気化学的電位で供給し及びカソードにおいて種をより高い電気化学的電位で供給したときに、電位差が生じ、この電位差によって、外部回路が接続すると直ちに、外部回路に亙る電子の流れを横断する陽子の伝導（すなわち、電流）が生ずる。
【０００５】
この陽子の伝導は、燃料電池の作動にとって必須の状態であり、燃料電池の効率を評価するための決定的なパラメータの１つである。陽子の伝導が非効率的であるならば、発生された電気的出力を利用する外部の抵抗負荷に対して電気回路が一度び接続したとき、電池の極の電位差は顕著に降下することになる（電池の電圧の降下）。一方、この電位差の降下は、反応エネルギが熱エネルギに消散する程度を増大させ、その結果、燃料の交換効率を低下させることになる。
【０００６】
最適な陽子の伝導特徴を提供する幾つかの陽イオン交換膜は、市場にて入手可能であり、例えば、米国、デュポン・デ・ナミュアー（Ｄｕｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ）からナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標名）という商標名で販売されているもの、米国、ゴア（Ｇｏｒｅ）からゴアセレクト（Ｇｏｒｅ Ｓｅｌｅｃｔ）（登録商標名）という商標名で販売されているもの、及び日本の旭化成（Ａｓａｈｉ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）からアシプレックス（Ａｃｉｐｌｅｘ）（登録商標名）という商標名で販売されているもののように、産業用の燃料電池にて広く使用されている。これらの膜の全ては、その作用機構に関係した本質的な加工方法の制約による悪影響を受ける。すなわち、加水分解メカニズムによって陽子の伝導を開始することを可能にする電荷が分離するため、かかる膜は、液体水の存在下においてのみその導電性を生じさせる。水の形成は、燃料電池の作用の本質的な結果ではあるが、その結果の程度は、特に、十分に高電流密度にて作動するとき、膜の正確な水和状態を保つのにほとんど常に不十分である。
【０００７】
実際には、高電流密度にての作動は、所定の電力出力に対する投資コストを少なくするが、エネルギ効率を低下させ且つより多量の熱を発生させることになる。実用的な電流密度（例えば、１５０乃至１５００ｍＡ／ｃｍ²の範囲）にて作動する燃料電池内で発生された多量の熱は、１００℃以上の作動に通常、不適当である、イオン交換樹脂膜の制限された熱的安定性を考慮するのみならず、発生された水の蒸発を可能な限り少なく、また、それに伴って、不活性物質及び変換されなかった反応剤の流れによって電池から水が除去される量を少なくするため、装置の熱的調節が可能であるように、十分に除去しなければならない。更に、単一の燃料電池の極における電圧が実用的に使用するのに過少であるから、米国特許第３，０１２，０８６号に示されたように、上記の電池は、双極接続部によって通常、直列に接続され、反応剤を供給するフィルタ−プレス装置内で並列に組み立てられる。通常、「組合わせ体（ｓｔａｃｋ）」と称される、かかる燃料電池バッテリの構成において、熱の除去という問題点は、外壁を通しての熱の対流を利用することが可能である単一の電池の場合に増幅される。この理由のため、従来の燃料電池の全ての設計は、循環する流体との熱交換によって熱を除去するための適当な液圧回路を提供する。かかる流体は、電気的接続状態にて単一の電池の間に差し込まれた双極プレート又は適当な部分に形成された折れ曲り部分内で提供することができる。その双方の方策は、組合わせ体の構造を更に複雑化し、重量及び容積を増し、これにより、特に自動車への適用例において、最大値とすることが極めて望ましいパラメータである、電力密度を減少させることになる。
【０００８】
この点に関するより負担の少ない方策は、冷却流体が電池の作用可能な面に隣接する双極プレートの周縁部分内を循環する、ＰＣＴ出願第ＷＯ９８／２８８０９号に記載されている。しかし、このようにして、膜の中央部分が周縁領域の温度よりも高温度にて作動しているとき、直交状の温度プロファイルが得られ、これにより、膜自体の完全さにとって極めて有害となる可能性がある熱勾配を確立する。
【０００９】
最後に、装置の温度を１００℃以下に調節するのに必要な熱の除去程度は、条件は極めて厳しいものの、実現可能であると思われるが、発生された水が単独で膜の十分な水の水和レベルを保つのには、燃料電池組合わせ体からの向流的な排水は、過度に多量なままである。このため、従来技術の組合わせ体の設計は、冷却装置に加えて、第二の補助的な装置を開発し、この装置は、必要とされる追加的な量の水を発生器に噴射することを可能にする。この回路は、全体として、例えば、液体水中で発泡させ、又は水蒸気を補助電池内の適当な膜を通して拡散させることにより、燃料電池のアノード区画室及びカソード区画室の入口にて反応剤を予め加湿することを可能にする。この第二の回路も、重量、容積及び投資コストを明らかに増大させることになる。更に、電池区画室内液体が過剰であるならば、ガス状の反応剤が電極の表面にアクセスすることを妨害するという劇的な結果を招来する可能性があるから、装置に供給すべき水の量を、正確に制御しなければならない。上記の装置により供給される水の較正、特に、間接的な較正を行うための唯一の可能性は、水自体の温度、従って、その蒸気圧力に作用することである。一方、このことは、燃料電池組合わせ体の加湿装置に対しサーモスタット機能を持たせることを必要とするから、構造の設計を更に複雑化する。
【００１０】
反応剤の流れに対する適当な水の供給量を保証するより好ましい対策は、例えば、超音波エーロゾル発生器によって噴霧した水を噴射することを通じて上記流れを加湿することが記載されている、欧州特許公告第３１６ ６２６号に開示されている。この解決策は、供給された水の一部が電池内部で蒸発され、これにより、かなりの量の熱を除去するため、負担の大きい補助的な熱交換回路により組合わせ体を冷却するという必要性を部分的に緩和する。しかし、この装置は、高価であることに加えて燃料電池により発生された電気的出力の特定の部分を消費するエーロゾル発生器に関係する構造上の複雑さにより表わされる基本的な欠点による悪影響を受ける。
【００１１】
更に、特に、高電流密度のとき及び極めて多数の電池から成る組合わせ体の場合、補助的な回路を必要とせずに膜を加湿すると同時に、組合わせ体を冷却することを保証するためには、電池内の水の透過時間は短過ぎる。
【００１２】
更に、上記反応剤を入口マニホルドに供給する前に、反応剤を加湿し又は噴霧した水を追加することは、水の一部を凝縮させ又は液滴を形成して、組合わせ体の一部の電池（典型的に、反応剤の入口に近い電池）に過剰な量の水を供給し、また、その他の一部の電池（典型的に、反応剤入口からより離れた電池）に対し不十分な量の水を供給する結果となることがある。
【００１３】
本発明は、また、例えば、米国特許第５，４８２，７９２号に記載されたように、双極プレートと電極表面との間に介在させた網状の導電性で且つ熱伝導性材料から成る燃料電池組合わせ体にて構成され、この場合、反応剤の加湿及び熱的制御は、その大きい表面を利用し、また、電極から熱を効率的に除去することを許容するその熱伝導性を利用する網状材料内で部分的に蒸発する適当な水の流れを単一回路で直接的に噴射することにより実現される。
【００１４】
本発明の１つの実施の形態において、ガス状流れ中での水の噴射点は、反応剤の入口マニホルドから下流の位置に配置されている。
別の実施の形態において、上記噴射点は、反応剤が供給される領域から物理的に分離された領域内で網状材料の周縁に相応して配置されている。
【００１５】
別の実施の形態において、網状材料内部に形成された凹状部分に相応して水が噴射される。
別の実施の形態において、水は、網状材料内に形成され且つ該網状材料の表面の全体に沿って伸びる曲折した形状の凹状部分に相応して噴射される。
【００１６】
別の実施の形態において、水は、網状材料内部に設けられたずらした二重櫛型形状の凹状部分に相応して噴射される。
次に、図面を参照しつつ本発明を説明する。
【００１７】
図１を参照すると、フィルタ−プレス装置のモジュラーアセンブリの反復的ユニットを表わす基本電池（１）の各々は、内側から外側にかけて、イオン交換膜（２）と、一対の多孔質電極（３）と、膜（２）及び電極（３）の各々の間の境界面に形成された一対の触媒層（４）と、一対の導電性網状要素（５）と、周縁を密封する一対のガスケット（６）と、基本電池（１）の境を設定する一対の双極プレート（７）とを備えている。網状要素（５）は、５０％の最小多孔度を有し、双極プレート（７）を電極（３）に接続し、ガス状反応剤及び加湿用水を分配し、該水を網状要素（５）の厚さの全てに亙って分割し、これにより、双極プレート（７）及び電極（３）により境が設定されたチャンバの全容積内での蒸発を好ましいものにするという機能を果たす。双極プレート（７）及びガスケット（６）の周縁領域における適当な穴は、上述した構成要素を並置したとき、反応剤を供給するために使用することのできる、その一方のみを図面に図示した、２つの上方マニホルド（８）と、発生された水、ガス状不活性物質及び反応剤の非変換部分を排出するために使用することのできる、その一方のみを図面に図示した、２つの下方マニホルド（９）とを形成する。
【００１８】
これと代替的に、下方マニホルド（９）を供給管路として使用し、上方マニホルド（８）を排出管路として使用してもよい。相応する下方マニホルド（９）を出口として使用して、２つの反応剤の一方を上方マニホルド（８）の一方を通して供給する一方、相応する上方マニホルド（８）を出口として使用して、他方の反応剤を他方の下方マニホルド（９）を通して供給してもよい。
【００１９】
フィルタ−プレス装置内で基本電池（１）アセンブリの外側には、２つの端部プレート（１０）があり、該端部プレートの一方には、マニホルド（８）、（９）への液圧接続用の接続部（図示せず）が設けられ、またその端部プレートの双方には、完全な組合わせ体をクランプ止めすべく使用される連結ロッド用の適当な穴（同様に図示せず）が設けられる。図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、フィルタ−プレス装置のモジュラーアセンブリの反復的ユニットを構成する基本電池（１´）の各々は、内側から外側にかけて、イオン交換膜（２´）と、一対の多孔質電極（３´）と、膜（２´）及び電極（３´）の各々の間の境界面に形成された一対の触媒層（４´）と、液圧密封する一対の平面状ガスケット（６´）と、基本電池（１´）の境を設定する一対の双極プレート（７´）とを備えている。双極プレート（７´）は、リブ付きプロフィール（１１）を有しており、該プロフィールの突出部分は、組合わせ体を通じての電気的導通性を保証する一方、凹状部分は、ガス及び水の循環を許容する。双極プレート（７´）の周縁領域の適当な穴は、上述した構成要素を並置したとき、反応剤を供給するために使用することのできる、その一方のみを図面に図示した、２つの上方マニホルド（８´）と、発生された水、ガス状不活性物質及び反応剤の非変換部分を排出するために使用することのできる、その一方のみを図面に図示した、２つの下方マニホルド（９´）とを形成する。この場合にも、下方マニホルド及び上方マニホルドの機能を逆にすることが可能である。
【００２０】
フィルタ−プレス装置内で基本電池（１´）アセンブリの外側には、２つの端部プレート（１０´）があり、端部プレートの一方には、マニホルド（８´）、（９´）への液圧接続用の接続部（図示せず）が設けられ、またその端部プレートの双方には、完全な組合わせ体をクランプ止めする連結ロッド用の適当な穴（同様に、図示せず）が設けられる。
【００２１】
図３、図４、図５及び図６を参照すると、ガスケット（６）の幾つかの実施の形態が図示されている。このガスケットは、フィルタ−プレス装置内で並置することにより上方マニホルド（８）を形成する上方穴（１２）と、フィルタ−プレス装置内で並置することにより下方マニホルド（９）を形成する下方穴（１３）と、網状要素（５）用のハウジング（１４）と、選択的に、水（１５）を噴射するための１つ以上の通路とを備える。
【００２２】
図７Ａを参照すると、菱形のメッシュを有する平坦化した膨張シートで出来た網状要素（５）の１つの実施の形態が図示されている。図７Ｂには、四角形のメッシュを有する平面状の細かい網が図示されている。
【００２３】
図８、図９及び図１０を参照すると、金属発泡材のような変形可能な金属材料で出来た網状要素（５）の幾つかの実施の形態が図示されている。図９及び図１０の実施の形態において、水を噴射する好ましい通路として作用する凹所（１６）は、例えば、冷間押抜き法によって上記の金属材料内に形成される。
【００２４】
【実施例１】
一方が１５の基本電池から成り、他方が３０の基本電池（１）から成る２つの組合わせ体を図１の方法に従って製造し且つ次の構成要素を装着した。
【００２５】
デュポン・デ・ナミュアーによってナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標名）１１５として市販されているイオン交換膜（２）；
作用面積２００ｃｍ²を有する活性炭素上で支持された白金粒子で出来た触媒層（４）により活性化される、エラット（ＥＬＡＴ）（登録商標名）という商標名にて、Ｅ−テック（Ｅ−Ｔｅｋ）インコーポレーテッドにより市販されている電極（３）；
１乃至３ｍｍの範囲の孔を有する、図８に図示したニッケル発泡材で出来た網状要素（５）；
図３の方法によるガスケット（６）；
厚さ２ｍｍのステンレス鋼薄板で出来た双極プレート（７）；
可変抵抗負荷に接続された集電ソケットが設けられた、外部電池の双極プレート（７）に電気的に接続したアルミニウムの端部プレート（１０）である。
【００２６】
端部プレート（１０）の一方に取り付けられた適当な接続具を介して、組合わせ体はガス状反応剤の供給分及び外部回路に接続され、この外部回路には、熱交換器によって所望の温度にサーモスタット式に調節した脱イオン水を循環させた。これらの接続部を介して、組合わせ体には、フィルタ−プレスの形態にて上方穴（１２）及び双極プレート（７）の相応する穴を並置させることにより、得られた上方マニホルド（８）によって陰極（アノード）にて７０％の水素を含む混合体を供給し、陽極（カソード）にて空気を供給した。当該マニホルド（８）には、相応する回路から脱イオン水の流れを供給した。この脱イオン水の流量は、その装置の動的応答性に従って、必要に応じて調節した。組合わせ体には、マニホルド（８）内に噴射した水の蒸発により供給されるものに加えて、補助的な冷却作用は提供しなかった。
【００２７】
組合わせ体は、電池の温度を７０℃に調節し且つ単一電池の電圧を監視しつつ、３００ｍＡ／ｃｍ²の電流密度にて１２時間作動させた。単一の電池の電圧が最大となるように水量を手操作で調節した。この手操作の調節の終了時、その双方の組合わせ体の各電池にて７１５乃至７４５ｍＶの範囲の電圧が検知された。３０の電池から成る組合わせ体において、最低の電圧値を有する電池を反応剤に接続された端部プレート及び水入口（末端の電池）から更に離れるように統計学的に配分した。最初の１時間の作動後、単一の電池の電圧は、全体として一定状態に留まる傾向であった。次に、２つの組合わせ体から６００ｍＡ／ｃｍ²の電流密度が得られるように端部プレート（１０）に印加した抵抗負荷を変化させた。１５の電池から成る組合わせ体は安定的な作動状態を保ち、単一の電池の電圧は６００乃至６７０ｍＶの範囲にあり、最低値が末端の電池の間で統計学的に配分されるようにした。特に、多分、局部的な過熱の結果として、端部電池により示される電圧が連続的に減少したため、３０の電池から成る組合わせ体は約１時間後に停止させた。
【００２８】
水を上方マニホルド（８）に噴射する前に、該水を超音波エーロゾル発生器で噴霧することにより同一の試験を繰り返した。それら全ての場合、性能の変化は何ら観察されなかった。
【００２９】
【比較実施例１】
図２の方法に従って従来技術による１５の燃料電池から成る組合わせ体を製造した。
【００３０】
該組合わせ体には次の構成要素を装着した。
デュポン・デ・ナミュアーによってナフィオン（登録商標名）１１５として市販されているイオン交換膜（２´）；
作用面積２００ｃｍ²を有する、活性炭素上で支持された白金粒子で出来た触媒層（４´）により活性化される、エラット（登録商標名）という商標名にて、Ｅ−テックインコーポレーテッドにより市販されている電極（３´）；
電極（３´）の厚さと等しい厚さを有する平面状密封ガスケット（６´）；
５ｍｍの厚さを有するリブ付きのグラファイトシートで出来た双極プレート（７´）；
可変抵抗負荷に接続された集電ソケットが設けられた、外部電池の双極プレート（７´）に電気的に接続された銅製の端部プレート（１０´）である。
【００３１】
以前の実施例と同様に、組合わせ体を、端部プレート（１０´）の１つに設けられた適当な接続部によりガス状反応剤の供給回路に接続し且つ熱交換器により所望の温度にサーモスタット式に調節された脱イオン水が循環する外部回路に接続した。これらの接続部を介して、組合わせ体には、上方マニホルド（８´）を通して陰極（アノード）にて７０％の水素を含む混合体を供給し、陽極（カソード）にて空気を供給した。脱イオン水の流れは、相応する回路から同一のマニホルド（８´）に供給した。組合わせ体には、マニホルド（８´）内に噴射した水の蒸発により提供されるものに加えて、補助的な冷却作用は提供しなかった。以前の実施の形態に関して説明したのと同一の方法にて水の流量を調節しようとする全ての試みにも拘らず、不規則的に配分された幾つかの電池の電圧は過熱に起因して時間と共に低下し勝ちであるため、３００ｍＡ／ｃｍ²の電流密度に達することは不可能であった。電流密度を低下させることにより、７０ｍＡ／ｃｍ²にて安定的な作動を得ることが可能であったが、かかる値のとき、各単一の電池の電圧は８００乃至５５０ｍＶの範囲に分配された。以前の実施例の超音波エーロゾル発生器により水を噴霧したとき、電流密度を１００ｍＡ／ｃｍ²まで増大させることが可能であったが、電流の出力を更に増すことは不可能であった。これらの試験結果から、組合わせ体の色々な電池の間で水の噴射状態は殆ど不均一であり、また、各電池の内部にて、リブ付き構造体内にて水の分配状態が不規則となることが分かった。水を上流にて噴霧すればこの問題点は僅かに緩和されるが、以前の実施の形態の網状要素により提供される、電池の全容積の全体に亙って細かく再分化するという同一の効率を得ることはできない。
【００３２】
【実施例２】
実施例１の２つの組合わせ体に対し、排出のため上方マニホルド（８）を使用して、下方マニホルド（９）を介してガス状反応剤及び水を供給した。これら状態下にて、５つの末端電池の電圧は６００ｍＶ以下のままであったが、３０の電池から成る積層体を６００ｍＡ／ｃｍ²にて作動させることも可能であった。同一の電流密度にて、１５の電池から成る組合わせ体の電圧を６５０乃至６７０ｍＶの範囲にて分配した。最大値は、上方マニホルドを通じて噴射を行った以前の試験の場合の値に近かったが、電池の電圧値の分配状態は遥かに均一であった。その理由は、複数の電池に対しより高い位置に配置されたマニホルドを介して並列に供給するとき、マニホルド自体の底部に集められる水の部分がその後に、水噴霧点に近い電池の群の入口を通じて落下することが可能であるからである。底部から噴射する場合、水は電池内に落下せず、入口ガスにより吸引され、各単一の電池内部により均一な流れを提供する。
【００３３】
【実施例３】
燃料として純粋な水素を供給し、アノード側の出口マニホルドを閉じ且つ水を空気入口マニホルドに対してのみ噴射することで実施例１、２の試験を繰り返した。その双方の場合、組合わせ体の性能は、以前の場合と実質的に同一であり、燃料のモル成分が増大することに起因して電池の電圧が僅かに増大することが分かった。更に、純粋な燃料の全部がアノードにて消費される場合（デッド・エンドオペレーション）、酸化剤の流れのみを加湿すれば十分であることが分かった。この場合、超音波エーロゾル発生器により水を上流にて噴霧しても何ら有益な効果が得られなかった。
【００３４】
【実施例４】
ガスケット（６）の各々に対し空気が供給されるように、以前の実施例の３０の電池から成る組合わせ体をその主要軸線に対して３５゜回転させ、下方の穴（１３）をその最初の位置に対してより下方の位置に配置し、その結果、空気側の下方のマニホルド（９）の全体がその最初の位置に比してより下方の位置となるようにした。次に、組合わせ体には相応する下方マニホルド（９）からの空気を供給し、以前の実施例と同様に水を噴射した。デッドエンドモードの作動に従って、何ら加湿を行わず、また、関連する上方マニホルド（８）を閉じることなく、相応する下方マニホルド（９）から純粋な水素の消費量の全部を供給した。
【００３５】
【実施例５】
図１の方法に従って従来技術の教示による、４５の燃料電池から成る組合わせ体を製造し、次の構成要素を装着した。
【００３６】
米国、ゴアがゴアセレクト（登録商標名）という商標名で市販しているイオン交換膜（２）；
活性表面積９００ｃｍ²を有する、活性炭素に支持された白金粒子で出来た触媒層（４）により活性化される、米国Ｅ−テックインコーポレーテッドがエラット（登録商標名）という商標名で市販している電極（３）；
側辺長さ３ｍｍの菱形メッシュを有する、双極プレート（７）に対して図７Ａに図示するように平坦化した膨張シートを積層し且つ側辺長さ１ｍｍの四角形のメッシュを有する、図７Ｂに図示するような電極（７）に対して平面状の細かい網を積層することにより形成された網状要素（５）；その膨張シート及び平面状メッシュの双方はステンレスＡＩＳＩ ３１６Ｌで出来たものとした；
図４に示した方法によるガスケット（６）；
厚さ２ｍｍのステンレス鋼薄板で出来た双極プレート（７）；
組合わせ体の各端部にて双極プレート（７）に電気的に接続されて、可変抵抗負荷に接続された集電ソケットが設けられた、アルミニウム（１０）で出来た端部プレートである。
【００３７】
組合わせ体を、端部プレート（１０）の一方に設けられた適当な接続部を介して、ガス状反応剤の供給回路に接続し且つ熱交換器により所望の温度にサーモスタット式に調節された脱イオン水が循環する外部回路に接続した。これら接続部を介して、組合わせ体には、下方穴（１３）及び双極プレート（７）の相応する穴をフィルタ−プレス形態にて並置することにより得られた下方マニホルド（９）によって陰極（アノード）にて純水な水素を供給し、陽極（カソード）にて空気を供給した。装置の動的応答性に従って、必要に応じてその流量を調節した脱イオン水の流れを、関連する回路から噴射通路（１５）に供給した。組合わせ体には、噴射通路（１５）に供給された水の蒸発により提供されるものに加えて、補助的な冷却作用は提供しなかった。
【００３８】
電池温度を７５℃に調節し且つ単一の電池の電圧を監視しつつ、７００ｍＡ／ｃｍ²の電流密度にて１２時間、組合わせ体を作動させた。この水の流量は、単一の電池の電圧を最大にし得るように手操作で調節した。この手操作の調節の終了時、組合わせ体の全ての電池は、時間と共に安定的に維持された、６８０乃至７００ｍＶの範囲の電圧を示した。この試験によって、入力マニホルド内でのガス及び水の混合状態を決定した、それ以前の実施例にて使用した型式のガスケットと比較して、２つの流体の混合が入口マニホルドよりも下流にてより小さい管路内にて行われる場合、図４に図示したガスケットを使用することがより好ましいことを確認することができた。
【００３９】
この場合にも、通路（１５）に供給された空気の流れ中に噴射した水を噴霧しても何ら有利な効果が得られないことが確認された。
【００４０】
【実施例６】
ガスケットが図５に図示したものに相応する点のみを除いて、４５の電池から成る組合わせ体がそれ以前の実施の形態に示すものと同様に組み立てられた。この型式の設計は、網状要素（５）内に噴射した後にのみ混合されるガス及び水の流れを互いに平行な方向に別個の流れとして提供し、単一の電池内の水の分配状態がより一層均一になることを保証する。実施例５と同一の作動状態下にて７００ｍＡ／ｃｍ²で作動させた組合わせ体は、７００乃至７１５ｍＶの範囲の電池の電圧値を示した。
【００４１】
【実施例７】
ガスケットが図６のものに相応し、また、網状要素（５）が実施例１と同様のニッケル発泡材にて形成した点のみを除いて、４５の電池から成る組合わせ体をそれ以前の実施の形態のものと同様に組み立てた。反応剤を上方マニホルド（８）から供給し且つ反応剤を下方マニホルド（９）から排出し得るように、組合わせ体を接続した。このガスケットの設計により、噴射したガス及び水の流れは、網状構成要素（５）内に挿入される迄、分離することに加えて、相互に直交する方向に混合する。この場合、網状要素の上方領域の十分な加湿を保証するため、大部分が通路（１５）内に入り且つより小量の部分が電池への供給のために使用される上方マニホルド（８）内に入るように、水の流れを分割した。通路（１５）内に噴射した水の部分は、全体の約９０％に設定し、何れの場合でも、８０％以下とならないように設定した。実施例５及び６と同一の作動状態下にて７００ｍＡ／ｃｍ²にて作動させた組合わせ体は、７１０乃至７３０ｍＶの範囲の電池の電圧値を示した。
【００４２】
【実施例８】
網状要素（５）を図９に図示するように、ニッケル発泡材で製造した点のみを除いて、４５の燃料電池から成る組合わせ体を実施例６に示すものと同様に組み立てた。この場合、水をガスの流れに対して実質的に平行な方向に好ましいように優先的に分配する２つの小さい通路又は凹所（１６）を形成し得るように金属発泡材の変形可能性を利用した。上記通路は、発泡材の全表面を横断する折れ曲り体の形態とした。凹所（１６）を形成するためには、金属線を所望の厚さにて金属発泡材に冷間プレスすれば十分である。この場合、同一の厚さを有する鋼線を冷間プレスすることにより幅３ｍｍの折れ曲り体を得た。単一の通路（１５）から供給すべき単一の折れ曲り体（１６）を形成し、又は２つ以上の折れ曲り体を形成することは勿論可能である。実施例５、６、７と同一の作動状態下にて７００ｍＡ／ｃｍ²にて作動させたこの組合わせ体は、７１５乃至７３０ｍＶの範囲の電池電圧値を示した。
【００４３】
【実施例９】
ガスケット（６）が図６のものと相応し、網状要素（５）を図１０に図示したニッケル発泡材にて形成した点のみを除いて、４５の燃料電池から成る組合わせ体を図７に示したものと同様に組み立てた。この場合にも、水を好ましい状態で分配する２つの細い通路を形成すべく金属発泡材の恒久的な変形可能性を利用したが、この場合、ガスの流れ方向に対して実質的に直交状態で水を供給した一連の平行な管路を形成し得るように、ずらした二重櫛状の幾何学的形態を選んだ。このことは、網状要素（５）内の全体的な圧力降下を増し且つガス状の反応剤を強制的により曲がりくねった経路を流れるようにし、その反応剤を電池の作用可能な面の全体に沿って分配し且つ溜流領域又は枯渇領域が生じないようにする。図５、図６及び図７と同一の作動状態下にて７００ｍＡ／ｃｍ²で作動した組合わせ体は、７３０乃至７４０ｍＶの範囲の電池の電圧値を示した。
【００４４】
本発明は、特定の実施の形態に関して説明したが、これら実施の形態は本発明を限定することを意図するものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲の記載により画定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 フィルタ−プレス装置内で組み立てられた、本発明の膜燃料電池組合わせ体の全体的構造を示す図である。
【図２】 ２Ａは、フィルタ−プレス装置内で組み立てられた従来技術の膜燃料電池組合わせ体の全体的構造を示す図である。
２Ｂは、従来技術の双極プレートを示す図である。
【図３】 燃料電池に対する１つの型式のガスケットを示す図である。
【図４】 燃料電池に対する別型式のガスケットを示す図である。
【図５】 燃料電池に対する別型式のガスケットを示す図である。
【図６】 燃料電池に対する別型式のガスケットを示す図である。
【図７】 流体を分配する網状要素及び燃料電池組合わせ体内部で双極プレートと電極との接続部の１つの型式を示す図である。
【図８】 別型式の網状要素を示す図である。
【図９】 別型式の網状要素を示す図である。
【図１０】 別型式の網状要素を示す図である。

Claims (20)

1. ガス状反応剤が供給される重合系膜燃料電池の組合わせ体であって、前記膜が、カソード作用区画室からアノード作用区画室を分離し、組合わせ体が、双極プレートと、流体を供給し且つ排出する通路が選択的に設けられたガスケットと、多孔質電極と、膜と電極との間に介在された触媒層と、反応剤の流れを供給するマニホルドと、反応剤の変化していない部分、不活性物質及び発生された水を排出するマニホルドと、電池の少なくとも１つの区画室内にて水の流れを噴射する液圧回路を接続する少なくとも１つの噴射点とを備える、組合わせ体において、前記水の流れが膜を加湿することと、発生された熱を除去することとを同時に可能にし、反応剤及び噴射点から来る水が供給される少なくとも１つの電池の区画室が、電極と双極プレートとの間に介在され、前記水の流れをガス状反応剤が占める容積の全体を通じて分配する、導電性で且つ熱伝導性の網状要素を備えることを特徴とする重合系膜燃料電池から成る組合わせ体。
2. 請求項１の組合わせ体において、水の噴射点が前記少なくとも１つの区画室の外側に配置されることを特徴とする組合わせ体。
3. 請求項２の組合わせ体において、前記水の噴射点が反応剤の流れを供給し得るようマニホルドの入口に配置されることを特徴とする組合わせ体。
4. 請求項３の組合わせ体において、反応剤の流れを供給する前記マニホルドが下方マニホルドであることを特徴とする組合わせ体。
5. 請求項４の組合わせ体において、主要軸線に対して回転され、前記マニホルドが最下方位置にあることを特徴とする組合わせ体。
6. 請求項１乃至５の組合わせ体において、電池の１つの区画室のみに水が供給されることを特徴とする組合わせ体。
7. 請求項６の組合わせ体において、水が供給される前記唯一の区画室がカソード作用区画室であることを特徴とする組合わせ体。
8. 請求項２の組合わせ体において、前記水の噴射点が、反応剤の流れを供給すべく、マニホルドの下流にてガスケットに形成された通路内に配置されることを特徴とする組合わせ体。
9. 請求項１の組合わせ体において、前記水の噴射点が電池の内部に配置されることを特徴とする組合わせ体。
10. 請求項８の組合わせ体において、水の噴射方向が反応剤の流れ方向に対して実質的に平行であることを特徴とする組合わせ体。
11. 請求項８の組合わせ体において、水の噴射方向が反応剤の流れる方向に対して実質的に直交することを特徴とする組合わせ体。
12. 請求項１の組合わせ体において前記網状要素が冷間プレスにより変形可能であることを特徴とする組合わせ体。
13. 請求項１２の組合わせ体において、冷間プレスにより変形可能な前記網状要素が金属発泡体であることを特徴とする組合わせ体。
14. 請求項１３の組合わせ体において、前記金属発泡体がニッケルを含むことを特徴とする組合わせ体。
15. 請求項１２の組合わせ体において、前記網状要素が水を分配する少なくとも１つの凹所を備えることを特徴とする組合わせ体。
16. 請求項１５の組合わせ体において、前記少なくとも１つの凹所は冷間プレスにより形成されることを特徴とする組合わせ体。
17. 請求項１５の組合わせ体において、前記少なくとも１つの凹所の方向が反応剤の流れ方向に対して実質的に平行であることを特徴とする組合わせ体。
18. 請求項１７の組合わせ体において、前記凹所が折れ曲り体の形態を有することを特徴とする組合わせ体。
19. 請求項１５の組合わせ体において、前記少なくとも１つの凹所の方向が反応剤の流れ方向に対して実質的に直交することを特徴とする組合わせ体。
20. 請求項１９の組合わせ体において、前記凹所がずらした二重櫛形の幾何学的形態に従って配置されることを特徴とする組合わせ体。

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