JP2001525596A - 燃料電池のイオン交換膜に水を分配するための方法及び装置 - Google Patents

燃料電池のイオン交換膜に水を分配するための方法及び装置

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Abstract

(57)【要約】 電気化学的反応で生成した水を電気化学的燃料電池内のイオン交換膜に分配するための方法と装置を提供する。燃料電池内での水の分配は、酸化剤流れ入口近くにおける膜の乾燥を低下させるように、また酸化剤流れ出口近くの酸化剤流れの飽和を低下させるように改善し、その結果、電極の充満が低下する。上記方法は、燃料電池の流れ場を通過する酸化剤流れの流れ方向を周期的に反転させる工程を含む。上記装置は、燃料電池の流れ場１３０を通過する酸化剤流れの流れ方向を周期的に切り換えるための酸化剤流れ流れ切換装置１５０を備えている。１つの態様において、この装置は、酸化剤の排出流れから水を捕捉し、その捕捉水を酸化剤の供給流れに、その流れ方向が反転されるときに戻すための水再循環装置を更に備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の分野） 本発明は、固体高分子型電気化学的燃料電池に関する。そのような燃料電池中
のイオン交換膜は、典型的には、それらのイオン伝導度を高め、かつ構造欠陥や
漏れをもたらす物理的劣化を減らすために濡れた状態にしておかなければならな
い。電気化学的反応で生成する水を利用してイオン交換膜を濡れた状態にしてお
く方法と装置が提供される。更に詳しくは、本発明は、酸化剤流れ場を通過する
酸化剤流れの流れ方向を周期的に反転させることによって、燃料電池内での水の
管理を改善する。
【０００２】 （発明の背景） 電気化学的燃料電池は、流体としての燃料と酸化剤の流れを電気と反応生成物
に転化するものである。固体高分子型電気化学的燃料電池では、一般に、２つの
多孔質導電性電極層の間に配置された固体高分子電解質又はイオン交換膜を有す
る膜電極組立て品(membrane electrode assembly：MEA）を用いる。電極触媒は 典型的には、膜／電極の層の各界面に配置して、所望の電気化学的反応を引き起
こす。
【０００３】 典型的な燃料電池のＭＥＡは、２枚の導電性セパレータ板の間に配置される。
流体流れ場は、燃料及び酸化剤を各々の電極触媒層(具体的に言えば、燃料側で はアノードに、また酸化剤側ではカソード)に導く手段となる。単一の流体流れ 場は、隣接する多孔質電極層に開いている１つの室であって、その多孔質電極層
が、流体入口として働く第一のポート(出入り口,port)と、流体出口として働く 第二のポートとを有する上記一つの室を備えていてもよい。この流体流れ場は、
多孔質電極層自体であってもよい。一層複雑な流体流れ場は、流体入口と流体出
口との間に少なくとも１つの流体チャンネルを組み込んで、その流れ場を通過す
る反応物の流路を制御するためのガイドバリヤ(誘導障壁,guide barrier)又は電
極層と接触している流体流れを導く。その流体流れ場は通常、複数の開口面付き
チャンネルを、電極に面しているセパレータ板の面上に配置することによって、
そのセパレータ板と一体化している。単一電池配置では、アノード側とカソード
側の各々にセパレータ板が設けられている。これらセパレータ板は集電装置とし
て働き、また電極の構造上の支持体となっている。
【０００４】 燃料流れ場によりアノードに導かれる燃料流れは多孔質アノードを通って移動
し、そしてアノード電極触媒層において酸化される。酸化剤流れ場によりカソー
ドに導かれる酸化剤流れは多孔質カソードを通って移動し、そしてカソード電極
触媒層において還元される。
【０００５】 固体高分子型燃料電池では一般に、例えば水素、メタノール等の燃料が使用さ
れ、この燃料がアノードで酸化されて水素カチオンを生成する。この水素カチオ
ンはイオン伝導度の電解質膜を通して移動し、そして空気中の酸素等の酸化剤と
カソードで反応して水を反応生成物の１つとして生成する。水素／酸素型燃料電
池でのアノード及びカソード反応の式は、次の通りであると考えられる。
【化１】 アノード反応： H2 → 2H+ + 2e- カソード反応： 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O
【０００６】 イオン交換膜中の水は、プロトンのアノードからカソードへの移動を容易にす
る。このイオン交換膜は電子的に非電導性であり、また水素含有燃料流れを酸素
含有酸化剤流れから分離するバリヤとしての役割も果たす。
【０００７】 アノードで生成した電子は外部回路を通過する電流を誘発する、即ちアノード
からカソードへと負荷をかける。
【０００８】 カソード反応で水が生成するので、酸化剤流れが酸化剤流れ場を通して移動す
ると、それにつれてその酸化剤流れは生成物の水を吸収する。この生成物の水は
、酸化剤流れが飽和状態になるまで水蒸気として吸収される。ここに、追加の生
成物水は酸化剤流れ中に含まれて飛沫同伴水滴として運ばれることがある。生成
物の水が酸化剤流れに吸収され、累積することの影響として、酸化剤流れ場の出
口近くの流れ場領域が、酸化剤流れの入口により近い流れ場領域よりも多くの水
を含むようになる。従って、新鮮な酸化剤供給流れは典型的には、酸化剤流れ場
にその最も乾いている領域において入り込む。酸化剤流れ場に入る酸化剤供給流
れが十分に加湿されていない場合、その酸化剤流れは酸化剤流れ入口に最も近い
領域の膜から水を吸収することができる。
【０００９】 最も普通の燃料電池用イオン交換膜は、十分なイオン伝導度を維持し、かつそ
のイオン交換膜が乾き過ぎ状態にされていると生じ得る構造の損傷を低下させる
ために、濡らしておかなければならないことは一般に周知である。反応物流れ入
口ポートの近くでは、膜の漏れが頻繁に生ずることが知れている。このような漏
れは入口流れによって引き起こされるか又は入口流れにその一因があるもので、
イオン交換膜を乾燥させ、その結果、クラックや穴が生ずることとなる。
【００１０】 従って、従来法では、イオン交換膜を濡れた状態にする手段、及び／又は、反
応物流れが流れ場に入る前に反応物流れを加湿する手段を設けることが知られて
いる。反応物流れを加湿する従来法の１つの欠点は、外部加湿装置を組み込むこ
とはそのシステム(装置)の複雑さを増し、システムの総合効率を低下させること
である。
【００１１】 カソードでの水の生成は、酸化剤流れ場における水の蓄積が多過ぎると他の問
題を引き起こすかも知れない。酸化剤流れが飽和状態になると、２層の流れが起
こるかも知れない。即ち、その酸化剤流れは水蒸気及び液体としての水滴を含む
かも知れない。酸化剤流れ場における液体の水が多孔質電極を「充満し（flood ）」、その酸化剤がカソードの電極触媒に達するのを妨げる可能性がある。飽和
(saturation)及び充満(flooding)は、出口に最も近い酸化剤流れ場の部分であっ
て酸化剤流れが生成物の水を蓄積する最も大きな機会を持ってしまう上記部分に
おいて、一層起こりそうである。
【００１２】 上記で確認した諸問題に関し、その流れ場の過度に濡れた領域又は過度に乾燥
した領域は、燃料電池の性能に悪影響を及ぼし、常時、性能の低下を促進する恐
れがある。燃料電池の性能は、所定の電流密度についての該電池からの電圧出力
と定義され、一層高い性能は所定の電流密度についての一層高い電圧と関連があ
る。従って、反応生成物の水が酸化剤流れの中に吸収され蓄積される効果によっ
て引き起こされる、局在化した湿潤領域及び乾燥領域を有する従来の燃料電池に
関しては問題がある。
【００１３】 ２個以上の燃料電池は、一般的には直列に、場合によっては平行に接続して、
燃料電池組立て品の総合電力出力を増大させることが可能である。直列配置では
、所定の板の一方の面が１つの電池のアノード板としての役割を果たし、またそ
の板の他方の面は隣接する電池のカソード板としての役割を果たすことができる
。このような連続接続型多重燃料電池配置が燃料電池スタックと称されるもので
、典型的にはタイロッドとエンド板とにより集成状態で一緒に保持されている。
【００１４】 単一電池の燃料電池組立て品に関する場合のように、反応物の供給と排出に固
定された入口と出口が一般に使用される燃料電池スタックにおいては、生成物で
ある水の酸化剤流れ場における蓄積が、そのスタックの個々の燃料電池各々に同
様の局在化された湿潤及び乾燥状態をもたらす。従って、スタックの酸化剤供給
マニホールドに近い入口では、その膜が過度に乾いた状態になる可能性があり、
一方、酸化剤流れはそのスタックの酸化剤排出マニホールドへの出口付くで飽和
状態になる可能性がある。
【００１５】 よって、本発明の１つの目的は、電気化学的燃料電池において生成物としての
水を管理し、そして同燃料電池中のイオン交換膜に水を分配し、同時に従来の燃
料電池及び燃料電池スタックに見いだされる局在化状態により引き起こされる、
上記で明らかにされた諸問題を軽減する方法と装置を提供することである。
【００１６】 （発明の概要） 本発明の方法においては、固体高分子型電気化学的燃料電池の流れ場の酸化剤
流れ場における酸化剤流れ中に蓄積している水が、そのイオン交換膜に湿りを与
えるのに利用される。この方法は、固体高分子型燃料電池の酸化剤流れ場中にお
ける酸化剤流れの流れ方向を周期的に反転させる工程を含んで成る。その酸化剤
流れ場ポートは機能が周期的に交替して、酸化剤流れの入口と酸化剤流れの出口
として逆に働くようになる。
【００１７】 この方法の１つの好ましい態様では、燃料の流れ場を通過する燃料流れが、燃
料流れの入口から燃料流れの出口へと一定方向に導かれる。燃料流れに一定流れ
方向を保つことで、燃料流れと酸化剤流れの両流れ方向が反転されると大きくな
るだろう電圧出力の変動が低下せしめられる。（このような電圧変動は、希薄な
ものではなく実質的に純粋な反応物流れが用いられるときは、重要性が低い。）
また、燃料流れの流れ方向を反転させるための追加の装置は必要とされない。
【００１８】 燃料流れを一定の流れ方向に保つことに対する上記で明らかにされた利点にも
関わらず、燃料流れの流れ方向を反転させる場合にも利益がある。例えば、燃料
流れの流れ方向を反転させることは、アノードでの局在化状態を減少させるのを
助長し、周期的な酸化剤流れの流れ反転により得られる利益と同様の、本明細書
中で更に詳細に説明される利益が得られる。従って、本発明の方法のもう１つの
態様は、燃料流れの流れ方向を周期的に反転させる工程を更に含む。燃料流れの
流れ方向の反転は、これを酸化剤流れの流れ方向の反転と同期させる必要はない
。燃料及び酸化剤の流れ方向はクロスフロー配置に配置することができる。しか
し、酸化剤及び燃料の流れ場ポートが実質的に整列されているときは、燃料及び
酸化剤の流れ方向は並流を妨げるように制御される。これによって、並流による
場合がそうであるように、初めに同一領域中で膜と接触している両反応物流れに
より引き起こされ得るその膜の促進乾燥が回避される。従って、燃料流れと酸化
剤流れとがそれらそれぞれの入口及び出口流れれ場ポート間で同じ方向に流れし
ないようにするために、制御装置を用いて燃料及び酸化剤の流れ切換装置を作動
させる。
【００１９】 本発明の方法は、酸化剤流れ場の下流に位置する酸化剤流れから水を放出自在
に捕捉し、そしてその捕捉水の少なくとも一部を、その酸化剤流れ場の上流に位
置する酸化剤流れに、その流れ方向が反転されるときに放出する工程を更に含む
ことができる。
【００２０】 本発明の方法は、酸化剤流れの化学量論比を、その酸化剤流れの流れ方向を反
転させる直前に瞬間的に上げる工程を更に含むことができる。酸化剤の化学量論
比とは、燃料電池に供給される酸化剤の、燃料電池中で消費される酸化剤に対す
る比のことである。酸化剤の化学量論比が大きくなると、燃料電池の性能は一般
に向上する。
【００２１】 本発明の方法は、上記の通り、酸化剤流れの、そして場合によっては燃料流れ
の流れ方向を周期的に反転させることのみならず、固体高分子型燃料電池におい
て冷却液流れの流れ方向を周期的に反転させる工程も更に含むことができる。冷
却液流れの流れ方向の周期的反転、及び反応物流れと冷却液流れとの相対的流れ
方向の制御は、燃料電池を横断して所望とされる温度分布を維持するのを助長す
るたのに使用することができる。この温度分布は、米国特許第５，４４１，８１
９号、同第５，５４７，７７６号及び同第５，７７３，１６０号明細書に記載さ
れる通り、水の管理と固体高分子型燃料電池の性能を向上させるに際して重要な
因子となり得る。冷却液流れの流れ方向の反転は、これを酸化剤流れの方向の反
転と必ずしも同期させる必要はない。１つの好ましい態様においては、酸化剤流
れと冷却液流れとは、一般に、作動時間のほとんどを同時に流れるが、冷却液流
れの流れ方向は、酸化剤流れの流れ方向の各反転に僅かに先だって反転せしめら
れる。それらの相対的流れ方向とそれら各種流れの流れ方向反転のタイミングを
制御するために、制御装置を用いて酸化剤流れと、場合に用いられる冷却液流れ
及び／又は燃料流れとの流れ切換装置を作動させることができる。
【００２２】 本発明の方法は、酸化剤流れ場の下流に位置する酸化剤流れから水を放出自在
に捕捉し、そしてその捕捉水の少なくとも一部を、その酸化剤流れ場の上流に位
置する酸化剤流れに、その流れ方向が反転されるときに放出する工程を更に含む
ことができる。
【００２３】 本発明の方法は、酸化剤流れの化学量論比を、その酸化剤流れの流れ方向を反
転させる直前に瞬間的に上げる工程を更に含むことができる。酸化剤の化学量論
比とは、燃料電池に供給される酸化剤の、燃料電池中で消費される酸化剤に対す
る比のことである。酸化剤の化学量論比が大きくなると、燃料電池の性能は一般
に向上する。
【００２４】 本発明の方法は、単一燃料電池に、又は燃料電池スタックに集成された複数の
燃料電池に適用することができる。燃料電池スタックにおいて、そのスタックの
個々の燃料電池を通過する酸化剤流れの流れ方向は、同時に、又は時差若しくは
連続様式で反転させることができる。
【００２５】 酸化剤と燃料の流れの一定流れ方向を維持しつつ、燃料流れの流れ方向を周期
的に反転させると、従来の運転方式を越える幾つかの利点を得ることができる。
しかし、この反転方法は一般的には、酸化剤流れの流れ方向を周期的に反転させ
ることから成る方法に比べて、それより好ましくない。改善された水の管理に由
来する性能上の利益は、生成物の水が生成せしめられ、蓄積する傾向がある場合
、カソードにおいて一般により大きい。しかし、アノードにおける水管理の改善
によって、性能が向上し得ると共に、一層低い燃料の化学量論比における運転が
可能となり得る。また、燃料流れの流れ方向の周期的反転は、燃料流れの予備加
湿の必要を少なくするか又はそれを要らなくすることができる。このことは、水
蒸気改質法に由来する残留水を典型的には含む改質油燃料流れの場合より、水素
等の実質的に純粋な燃料流れの場合に一層重要である。燃料流れの流れ方向を、
酸化剤燃料流れを一定流れ方向に保ちながら周期的に反転させることから成る方
法では、実質的に純粋な燃料流れを用いるのが好ましい。これは、前記のように
、燃料流れの流れ方向の切り換えと関連している電圧変動を小さくする。この方
法は、燃料流れ場の下流に位置する燃料流れから水を放出自在に捕捉し、そして
その捕捉水の少なくとも一部を、その燃料流れ場の上流に位置する燃料流れに、
その流れ方向が反転されるときに放出する工程を更に含むことができる。燃料流
れの流れ方向を、酸化剤燃料流れに一定の流れ方向を保ちながら周期的に反転さ
せる工程を含む方法の１つの好ましい態様において、この方法は固体高分子型燃
料電池において冷却液流れの流れ方向を周期的に反転させる工程を更に含む。
【００２６】 上記態様のいずれにおいても、反応物流れのいずれか又は両方の周期的流れ反
転は、場合によっては、反応物流れのいずれか又は両方の燃料電池を通しての再
循環と組み合わせてもよい。同様に、冷却液の周期的流れ反転も、場合によって
は、冷却液の燃料電池を通しての再循環と組み合わせることができる。
【００２７】 装置の１つの態様において、電気化学的燃料電池組立て品は、カソードとアノ
ードとの間に挟まれたイオン交換膜を有し、この燃料電池組立て品は、 （ａ）酸化剤の供給流れを、第一酸化剤流れ場ポートと第二酸化剤流れ場ポー
トとの間にあるカソードに導くための、そのカソードと連結されている酸化剤流
れ場； （ｂ）燃料の供給流れを、燃料流れ入口ポートと燃料流れ出口ポートとの間に
あるアノードに導くための、そのアノードと連結されている燃料流れ場；及び （ｃ）上記の酸化剤供給流れの流れ方向を、上記の第一酸化剤流れ場ポートと
第二酸化剤流れ場ポートとの間で、上記燃料流れ場を通過する上記燃料供給流れ
の流れ方向を同期には反転させずに、周期的に反転させるための酸化剤流れ流れ
切換装置； を更に備えている。酸化剤流れ場が酸化剤流れをカソードに導く。新鮮な酸化剤
が第一酸化剤流れ場ポートを通して酸化剤流れ場へと導入されると同時に、減損
した酸化剤が第二酸化剤流れ場ポートを通って排出される。酸化剤流れ流れ切換
装置が作動されたとき、第一及び第二酸化剤流れ場ポートの機能が交換される。
【００２８】 酸化剤流れ場は、酸化剤の流路をカソード表面の全面積を横断して導くための
チャンネル又はバリヤを有してもよい。好ましい１つの態様では、酸化剤流れ場
は第一酸化剤流れ場ポートと第二酸化剤流れ場ポートとの間に延在している少な
くとも１つの連続したチャンネルから成る。この酸化剤用流路は酸化剤流れ場ポ
ート間で実質的に対称になっていて、酸化剤流れの流れ方向に関わらず、本質的
に同じ流路特性を与えるようになっているのが好ましい。
【００２９】 酸化剤流れ流れ切換装置(oxidant stream flow switching device)は、２つの
別個のセッティング（即ち、酸化剤供給流れを第一酸化剤流れ場ポートと、第二
酸化剤流れ場ポートを通過する酸化剤の排出流れとに導く第一セッティング、及
び酸化剤の供給流れを第二酸化剤流れ場ポートと、第一酸化剤流れ場ポートを通
過する酸化剤の排出流れとに導く第二セッティング）から成るのが好ましい。複
数の燃料電池スタックが存在し、その全てで単一の酸化剤流れ流れ切換装置によ
りその機能が果される場合、その装置は、１つのスタックにおける酸化剤流れの
流れ方向を他のスタックとは無関係に反転させることができるように、３つ以上
のセッティングを有していることができる。
【００３０】 酸化剤流れ流れ切換装置は、その装置を第一セッティングと第二セッティング
との間で周期的に切り換えて、酸化剤流れの流れ方向を酸化剤流れ場中で反転さ
せるための制御装置を備えている。この制御装置は手動で作動させることができ
るが、自動的に作動させる方が好ましい。例えば、制御装置は、酸化剤流れの流
れ方向を予め選択された規則的な時間間隔で反転させることもできるし、或いは
制御装置は、酸化剤流れの流れ方向を反転させる頻度を、ある種の実測瞬間運転
パラメータ又は同状態、例えば燃料電池の電力出力、又は燃料電池の性能、膜電
極組立て品中の含有水分量、温度、反応物流れの圧力、反応物流れの湿度又は反
応物の質量流量に応答して調節することができる。
【００３１】 例えば、１つの好ましい態様では、制御装置は、燃料電池の電力出力がある一
定の閾値より小さいときは、酸化剤流れ流れ切換装置を優先的に作動させるが、
その流れ切換装置を前もって定められた頻度で頻繁にはとても作動させない。
【００３２】 １つの態様において、本発明の装置は、更に、水再循環装置を、酸化剤流れ流
れ切換装置と、第一及び第二の酸化剤流れ場ポートの各々との間に配置して含ん
でいることができる。この水再循環装置は濡れた酸化剤排出流れから水を放出自
在に捕捉する。酸化剤流れの流れ方向が反転されるとき、その水再循環装置は、
捕捉された水の少なくとも一部を、酸化剤流れ場の上流に位置する一層よく乾い
いている酸化剤流れに放出する。この水再循環装置には、ガス状の流れから水蒸
気及び／又は飛沫同伴水滴を分離し、かつ水蒸気をガス状の流れに付与するいか
なる装置であっても用いることができる。水再循環装置は受動性であって、運転
に外部エネルギーを必要としない。
【００３３】 水再循環装置は１つの好ましい態様では、酸化剤流れ中に配置した吸湿性多孔
質媒体であって、湿った酸化剤排出流れがその多孔質媒体と接触して通過すると
き、水を吸収する上記多孔質媒体を備えている。
【００３４】 水再循環装置は、その水再循環装置が酸化剤の供給流れを加湿するのに十分な
水を含んでいないとき、燃料電池の外部にある貯留槽から水を受け取るための手
段を更に備えることができる。
【００３５】 （好ましい態様の詳細な説明） 図１は、慣用の(従来技術の)固体高分子型電気化学的燃料電池スタック１０を
分解組立図として説明し、一対のエンド板組立て品１５、２０と複数の燃料電池
組立て品２５を含む。タイロッド３０がエンド板組立て品１５及び２０の間に延
在して、締め付けナット３２によりスタック組立て品１０をその集成状態に保持
、固定している。締め付けナット３２とエンド板２０との間に介在する、タイロ
ッド３０にねじ込まれているスプリング３４が、その燃料電池スタックに対して
長手方向に弾性圧縮力を加えている。反応物流れ及び冷却液としての流体流れは
、スタック１０中の内部マニホールドと通路に、エンド板１５中のスタック入口
ポート及び同出口ポート（図示せず）を経由して供給され、そしてそれらから排
出される。図１の分解部分に示す通り、各燃料電池組立て品２５は、アノード流
れ場板３５、カソード流れ場板４０、及び板３５と４０との間に挟まれている膜
電極組立て品４５を含む。膜電極組立て品４５は、アノードとカソードとの間に
挟まれたイオン交換膜を有する。板３５には、膜電極組立て品４５に面している
その主表面に、膜電極組立て品４５の電極の１つと接触している反応物流れを導
くための複数の流体流れチャンネル３５ａが形成されている。冷却液である流体
流れチャンネルは、向きが上記膜電極組立て品から逸れているアノード及び／又
はカソード流れ場板の表面に形成されていてもよいし、或いはスタック１０に組
み込まれている別個の冷却液用流れ場板に形成されていてもよい。
【００３６】 図２ａ及び２ｂは、本発明の態様を概略的に描く。燃料電池スタック１００は
、２つの酸化剤流れポート１１０、１２０と、酸化剤流れをスタック１００中の
個々の燃料電池に供給し、そしてそれら燃料電池から排出させるための、上記ポ
ートと連結されているマニホールド１１５、１２５を有する。ライン１３０は個
々の燃料電池酸化剤流れ場を表し、酸化剤流れはその流れ場を通ってカソードに
導かれる。この例示態様においては、そのスタックの個々の燃料電池の酸化剤流
れ場は平行に分岐される。しかし、それら流れ場はその一部又は全部が直列に分
岐されていてもよい。スタック１００は、また、燃料流れをスタック１００の燃
料流れ場に供給し、そしてそれら流れ場から排出するためのポート及びマニホー
ルド（図示せず）を有する。更に、スタック１００は、また、冷却液流れをスタ
ック１００の冷却液用流れ場に供給し、そしてそれら流れ場から排出するための
ポート及びマニホールド（図示せず）を有する。
【００３７】 図２ａにおいて、ポート１１０は酸化剤流れ入口として働き、そしてマニホー
ルド１１５が酸化剤流れを流れ場１３０に供給する。ポート１２０は酸化剤流れ
を流れ場１３０及びマニホールド１２５から排出させるための出口として働く。
【００３８】 コンプレッサ１４０が、（空気等の）酸化剤流れを、酸化剤流れ流れ切換装置
１５０を経由してスタック１００に供給する。酸化剤流れ流れ切換装置１５０が
、ポート１１０、１２０のどちらのポートが流れ場１３０の酸化剤流れ入口とし
て働くかを制御することによって、スタック１００を通過する酸化剤流れの指向
性流れを制御する。
【００３９】 図２ａにおいて、酸化剤流れ流れ切換装置１５０は、酸化剤の供給流れをポー
ト１１０経由で導き、そしてその酸化剤流れを燃料電池からポート１２０を通し
て排出させるように設定されている。図２ｂにおいては、酸化剤流れ流れ切換装
置１５０は、ポート１２０が酸化剤流れの入口として働き、またポート１１０が
酸化剤流れの出口として働くように設定されている。線１３０の矢印は、個々の
燃料電池酸化剤流れ場を通過する酸化剤流れの流れ方向を表している。従って、
線１３０の矢印は、燃料電池の酸化剤流れ場を通過する酸化剤流れの流れ方向が
図２ａから図２ｂに反転されることを示す。
【００４０】 図２ａ及び２ｂにおいて、酸化剤流れ流れ切換装置１５０は単一部材によって
表されている。しかし、当業者であれば認められるであろうように、酸化剤流れ
流れ切換装置１５０は、酸化剤流れ場１３０を通過する流体流れ方向を反転させ
ることができる部材のいかなる装置又は組み合わせ又は組立て品であってもよい
。例えば、酸化剤流れ流れ切換装置１５０は協同して作動せしめられる様々なバ
ルブを備えることができる。
【００４１】 図２ａ、２ｂ及び３において、酸化剤流れ流れ切換装置１５０は、酸化剤流れ
の流れ方向を制御するためのセッティングを選択するための滑走運動を用いる装
置として概略的に描かれている。既知のいかなるタイプの流れ切換装置又は同器
機も、例えば回転運動又は旋回運動を用いるものが使用することができる。
【００４２】 図２ａ、２ｂ及び３において、酸化剤流れ流れ切換装置１５０を作動させる機
構１６０は、図２ａ及び図３では圧縮されたコイルスプリングとして、また図２
ｂでは開放されたコイルスプリングとして概略的に描かれている。機構１６０は
、機械式アクチュエータ、電気式アクチュエータ、電磁式アクチュエータ、空気
圧式アクチュエータ、油圧式アクチュエータ、又は色々な方向への運動のために
色々なタイプのアクチュエータを組み合わせている混成アクチュエータのような
、この従来技術で既知のいかなるタイプのアクチュエータであってもよい。例示
された態様においては、機構１６０は、その機構をして、酸化剤流れ流れ切換装
置１５０のセッティングを周期的に変える制御装置１７０の一部となっている。
アクチュエータを作動させることにより流れを反転させる好ましい頻度又は時間
間隔は、特定の燃料電池の特性及びその運転条件に従って変わる。例えば、好ま
しい頻度に影響を及ぼし得る特性に、燃料電池酸化剤流れ場及び膜の大きさと構
成、イオン交換膜の性状、電極の構造、使用される燃料流れと酸化剤流れのタイ
プ及び酸化剤供給流れの湿度がある。
【００４３】 制御装置１７０は、膜が各流れ場の酸化剤流れ入口部近くで乾燥状態になる前
に、かつ酸化剤流れの飽和と電極の充満が燃料電池の性能を有意に落とす前に、
酸化剤流れの流れ方向を反転させるのが好ましい。
【００４４】 図３に示す１つの態様においては、制御装置１７０は、酸化剤流れの流れ方向
を、例えば所定の燃料電池について観察により定められる規則的な時間間隔で反
転させるように設定されているタイマ１７５を用いる。タイマ１７５は燃料電池
が電力を産生している間の、又はコンプレッサ１４０が運転されているときの経
過時間を単に考慮するように設定することができる。
【００４５】 更に複雑な態様では、制御装置１７０と共にコンピュータ３００を用いる（図
２ａ及び２ｂを参照）。このコンピュータは、酸化剤流れ流れ切換装置を作動さ
せる時間を選択するのに用いられる幾つかの因子に関するデータを受け取る。例
えば、コンピュータ３００を、酸化剤流れの流れ方向を、前もって定められた特
定の間隔で、又はある種の実測運転パラメータ又は同条件、例えば燃料電池の電
力出力又は性能、膜電極組立て品中の含有水分量、温度、反応物流れの圧力、反
応物流れの湿度又は反応物の質量流量に応答して反転させるようにプログラムす
ることができる。
【００４６】 図３は、排出酸化剤流れから水を可逆的に捕捉し、そして供給酸化剤流れをそ
れがスタック１００に入る前に加湿するための水再循環装置(water recyclers) １８０、１９０を更に含む１つの態様の概略図である。水再循環装置１８０、１
９０は、水蒸気及び／又は飛沫同伴水滴をガス状の流れから分離し、かつ水蒸気
をガス状の流れに与えるどのような装置であってもよい。水再循環装置１８０、
１９０は、ポート１１０、１２０のそれぞれと酸化剤流れ流れ切換装置１５０と
の間に配置され、そのため水はポート１１０、１２０の一方が流れ場の出口と連
結されているときに酸化剤の排出流れから除去される。ポート１１０、１２０の
一方が酸化剤流れの入口と連結されているときは、それぞれの水再循環装置１８
０、１９０は捕捉された水を放出して酸化剤の供給流れを加湿する。
【００４７】 １つの態様において、水再循環装置１８０、１９０は多孔質の吸湿性媒体を含
んで成る。その多孔質の吸湿性媒体は、酸化剤の排出流れがその媒体を通って導
かれるように配置される。この媒体は湿った排出酸化剤流れから水を捕捉する。
酸化剤流れの流れ方向の反転と反転との間における時間間隔の長さに依存するが
、その媒体は一部又は完全に飽和状態になる。媒体が飽和状態になると、生成物
である水の一部は燃料電池から酸化剤排出流れと共に排出される。酸化剤流れの
流れ方向が反転すると、酸化剤の供給流れは、その酸化剤供給流れがその媒体を
通過するときに、その媒体から水を吸収することによって加湿される。
【００４８】 水に対する親和性が大きい媒体を使用して、水再循環装置１８０、１９０の大
きさを小さくすることが好ましい。多くの吸湿性材料が知られており、これら材
料の中には、空気から水を除去するのに有効であるとして広く知られている物も
ある。このような材料の例は、シリカゲル、ゼオライト、活性炭、分子篩等の吸
着性材料であって、それらは水を集めるための表面積が大きい。
【００４９】 当業者には明らかなように、多種多様の他の装置も水再循環装置１８０、１９
０として用いることができる。例えば、水再循環装置１８０、１９０は、排出流
れから水蒸気を凝縮させる冷却器と凝縮されたその水を酸化剤の供給流れへと再
導入する気化器を組み込むことができる。
【００５０】 図３を参照して説明すると、電気化学的反応で生成する水が十分でない場合、
水再循環装置１８０、１９０にはバルブ２００、２１０経由で水を与えることが
できる。例えば、燃料電池が始動されるときは、水再循環装置１８０、１９０に
はいかなる捕捉された生成物としての水も存在しないだろう。水再循環装置１８
０、１９０が乾燥した吸湿性媒体を含む場合、その媒体は酸化剤供給流れから、
酸化剤流れ入口近くの膜に対して有害な影響がある水を吸着することができる。
【００５１】 図２ａ、２ｂ及び３には燃料流れの流路は示されないが、それら流路は、酸化
剤流れの流路を、燃料流れ流れ切換装置を設けて、又は、好ましい態様ではその
流れ切換装置を設けずに描くのと同じようにして概略的に説明することができる
。燃料流れ流れ切換装置を使用する場合、本発明の装置は、排出燃料流れから水
を可逆的に捕捉し、そして供給燃料流れをそれがスタックに入る前に加湿するた
めの１つ以上の水再循環装置を更に備えているのが好ましい。同様に、冷却液流
れの流路が、図２ａ及び２ｂの酸化剤についての場合と同じようにして、この場
合も冷却液流れの流れ方向を周期的に反転させるべきかどうかに依存して、冷却
液流れ流れ切換装置を設け又は設けずに、概略的に説明することができる。
【００５２】 図４は、バラード・マーク（Ballard Mark）７００燃料電池１０個のスタック
を使用し、燃料としての実質的に純粋な水素に対して、次の運転条件： 燃料流れの入口圧力：３０ｐｓｉｇ； 酸化剤流れの入口圧力：３０ｐｓｉｇ； 運転温度：７０〜８０℃； 燃料流れの入口相対湿度：７０℃で１００％； 燃料の化学量論比：１．５ を用いて運転して得られた分極プロットの形をした比較データを示す。
【００５３】 燃料流れ場における燃料流れの流れ方向は、燃料流れの入口ポートと燃料流れ
の出口ポートとの間で一定に保たれていた。 プロットＡ〜Ｃは、平均燃料電池電圧（左側のｙ軸）対電流密度（ｘ軸）のプ
ロットである。
【００５４】 プロットＡは酸化剤流れとして空気を使用して得られたデータを示すもので、
空気は前もって加湿されていなかった。酸化剤流れの流れ方向は３０秒毎に反転
された。酸化剤の化学量論比は１．５に保持されていた。 プロットＢは酸化剤流れとして空気を使用して得られたデータを示すもので、
空気は入口温度において１００％相対湿度に前もって加湿されていた。酸化剤の
流れ方向は周期的に反転されておらず、また酸化剤の化学量論比は１．５に保持
されていた。
【００５５】 プロットＣは酸化剤流れとして空気を使用して得られたデータを示すもので、
空気は入口温度において１００％相対湿度に前もって加湿されていた。酸化剤流
れの流れ方向は周期的に反転されておらず、また酸化剤の化学量論比は２．０に
保持されていた。
【００５６】 図４におけるプロットＡとＢとの比較は、前もって加湿されていななかった空
気を用い、そして酸化剤流れの流れ切換を行う方法は、前もって加湿された空気
を用い、流れ切換を行わずに普通に運転される燃料電池スタックと（同じ化学量
論比１．５で）比較して、優れた性能を示したことを示す。実際、化学量論比１
．５で得られたプロットＡは、前もって加湿された空気を上記より高い２．０の
化学量論比で用い、流れ切換を行わずに普通に得られたプロットＣに匹敵してい
る。これらのデータは、酸化剤流れの周期的流れ方向反転で、前もって加湿され
ていない酸化剤流れの使用が可能となり、しかも燃料電池内における生成物の水
の管理が改善されて、酸化剤に関してより小さい化学量論比の使用が可能となり
、この両方には燃料電池システムの総合運転効率及びシステムの単純化に関して
有意の利益があることを示す。
【００５７】 図４のプロットＤは、酸化剤流れの流れ方向が（プロットＡを取っている間に
）反転されるときに生じた瞬間的な電圧降下（右側のｙ軸）の大きさを示すもの
である。この電圧降下は高い方の電流密度（ｘ軸）でより大きい。このことは、
燃料電池の電力出力、従って電流密度が変動しているシステムでは電力出力がよ
り低い期間中に流れ方向を反転させるのが有利であろうことを例証している。
【００５８】 図５及び６は、バラード・マーク８００燃料電池５個のスタックを使用し、燃
料としての実質的に純粋な水素に対して、次の運転条件： 燃料流れの入口圧力：３０ｐｓｉｇ； 酸化剤流れの入口圧力：３０ｐｓｉｇ； 運転温度：７０〜８０℃； 燃料流れの入口相対湿度：７０℃において１００％； 燃料の化学量論比：１．５ を用いて作動させて得たデータを示す。
【００５９】 燃料の流れ場における燃料流れの流れ方向は、燃料流れの入口ポートと燃料流
れの出口ポートとの間で一定に保たれていた。
【００６０】 図５は、２０００時間の寿命試験に関する比較データを示す。１ｃｍ2当り０ ．６４６Ａの電流密度（A／cm2）での平均燃料電池電圧は、運転開始時と運転１
０００時間後及び２０００時間後に測定した。プロットＥは、空気を酸化剤流れ
として用いて得られたデータを示すもので、空気は前もって加湿されていなかっ
た。酸化剤流れの流れ方向は３０秒毎に反転され、また酸化剤の化学量論比は１
．５であった。プロットＦは、酸化剤流れとして、入口温度において湿度８０％
に前もって加湿されていた空気を用いて得られたデータを示す。酸化剤流れの流
れ方向は周期的に反転されていなかった。酸化剤の化学量論比は上記より高い２
．０が用いられた。
【００６１】 酸化剤流れの流れ方向を周期的に反転させ、かつ酸化剤空気を予備加湿しない
で燃焼電池スタックを運転すれば、流れを周期的に反転させない、高い化学量論
比で加湿した空気での従来の運転と比較して、燃料電池性能の経時的低下が一層
小さいことを、このデータは示す。
【００６２】 図６は、酸化剤流れとしての前もって加湿されなかった空気に対して運転して
いるスタックについての、電流密度０．６４６A／cm2での平均燃料電池電圧を示
す。酸化剤流れの流れ方向は３０秒毎に反転された。１つの試験では、酸化剤の
化学量論比は１．５に保たれていた―棒グラフのプロットＧは平均電池電圧を示
し、プロットＨはこの試験中の流れ反転の瞬間に瞬間的に生じた平均最低電圧を
示す。第二の試験では、酸化剤流れの化学量論比が、酸化剤流れの各流れ方向反
転の約０．２秒前に始めてそれより約１秒間の間に渡って１．５から２．５まで
上げられた―棒グラフのプロットＩは平均電池電圧を示し、またプロットＪはこ
の試験中の流れ反転中に瞬間的に生じた平均最低電圧を示す。プロットＪは、化
学量論比の１．５から２．５への瞬間的上昇が酸化剤流れの流れ方向反転の瞬間
に起こる電圧の減少量を低下させる際に有効であったことを示す。
【００６３】 よって、本発明の装置は、酸化剤の流れ方向を反転させる前にその酸化剤流れ
の化学量論比を瞬間的に上昇させるための装置を含んでいることができる。この
瞬間的圧力上昇は、もしそれがなければ酸化剤流れの流れ方向が反転されるとき
に起こり得るだろう燃料電池の電力出力における短時間の低下を軽減することが
できる。例えば、燃料電池が、その酸化剤流れの流れ方向が反転されるときに空
気のような希薄酸化剤流れを用いて運転される場合、その燃料電池には反応物（
空気の場合は酸素）の濃度が低下されている酸化剤流れが瞬間的に供給される。
この濃度低下酸化剤流れは酸化剤流れ場と酸化剤流れ流れ切換装置１５０との間
の容積を占める。これは電力出力の瞬間的低下をもたらし得る。圧力上昇は、酸
化剤の流れ反転中に燃料電池のカソードに十分な酸化剤を供給できるようにする
のを助長すると考えられる。このような化学量論比の瞬間的増加の好ましい精密
なタイミングと期間は、燃料電池の流れ場の容積、及び酸化剤流れで占められる
、酸化剤流れ場と酸化剤流れ流れ切換装置との間の容積のような諸因子に依存し
て変わる。燃料流れの流れ方向が周期的に反転されている場合も、燃料の化学量
論比を瞬間的に上昇させることにより、同様の利点を実現することができる。
【００６４】 酸化剤流れの流れ方向反転中（特に希薄酸化剤流れを使用しているとき）の過
渡的な状態の影響を低下させるには、酸化剤流れによって占められる、酸化剤流
れ流れ切換装置１５０と流れ場ポートとの間の容積を減少させることが有益であ
る。酸化剤流れ流れ切換装置１５０を（例えば、燃料電池スタックのエンド板中
の）流れ場ポートにより近づけて配置することによって、酸化剤流れの流れ方向
が反転するときに、より少ない排出酸化剤が酸化剤流れ場に再循環され、これが
電力出力の変動を少なくするのを助長する。
【００６５】 以上説明した方法は、個々の燃料電池、燃料電池スタック又は複数の燃料電池
スタックに適用することができる。燃料電池スタックにおいては、そのスタック
の個々の燃料電池を通過する酸化剤流れの流れ方向は、同時に、又は時差若しく
は連続様式で反転させることができる。同様に、複数の燃料電池スタックを含ん
で成る発電装置では、各スタックを通じての酸化剤流れの流れ反転は、これを同
時に起こしてもよいし、或いはずらして行ってもよい。例えば、各スタックの酸
化剤流れの流れ反転が順々に行われ、２つのスタックが同時には酸化剤流れの流
れ反転を受けることがないようになっていれば、有利であろう。酸化剤流れの流
れ反転を順々に行うことにより、酸化剤流れの流れ方向を反転させることと関連
がある電力出力の変動を小さくすることが助長される。
【００６６】 本発明の方法及び／又は装置を実施することによって、次の利点を含めて幾つ
かの利点を実現することができる。 - 燃料電池内における生成物の水の管理が改善されるために、所定の性能レベ
ルでの酸化剤及び／又は燃料の化学量論比を低下させる能力； - 反応物流れれの必要条件が少ないために、寄生負荷が少なくなること； - この装置は、一方又は両方の反応物流れを加湿する加湿装置、並びに凝縮器
、水分離器、生成物としての水の貯留槽、ポンプ、フィルタ、及びそれら全てと
連結されている配管システム及び付属設備を含めて、生成物である水の管理部材
の必要を低減するか又は要らなくすことによって、複雑な燃料電池システムを単
純化することができること； - 加湿装置及び生成物である水の管理部材を要らなくすることによって、シス
テムコストと重量を下げることができること； - 凝縮器を要らなくすることで、低温冷却液の必要も少なくなるが、これは冷
却システムをより高い温度で運転することが可能であることを意味する； - 加湿装置又は同等の装置を運転するのに必要とされる電力がより小さいので
、作動効率が改善されること；及び - この方法を実施する装置は、そのスタックの分解又は改造を必要とすること
なしに、従来の燃料電池及び同スタックに追加することができること。
【００６７】 以上、本発明の特定の構成要素、態様及び応用例を示し、かつ説明したが、特
に以上の教示に照らして、当業者であれば色々な修正をなし得るものであるから
、本発明は以上説明したものに限定されないことは、勿論、理解されるであろう
。従って、本発明の特許請求の範囲は、本発明の精神と範囲に入るそれらの特長
を含むそのような修正もカバーするものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は従来の固体高分子型電気化学的燃料電池スタックの分解組立図である。
【図２ａ】 燃料電池スタックを通る酸化剤流れの流れ方向を反転させるための、酸化剤流
れ流れ切換装置を含む電気化学的燃料電池組立て品の一態様の概略図である。
【図２ｂ】 燃料電池スタックを通る酸化剤流れの流れ方向を反転させるための、酸化剤流
れ流れ切換装置を含む電気化学的燃料電池組立て品の一態様の概略図である。
【図３】 図３は、酸化剤流れから水を可逆的に取り出すための手段を更に含む図２ａ及
び図２ｂの態様の概略図である。
【図４】 図４は、それぞれ酸化剤流れの予備加湿を行い、また行わずに、酸化剤流れの
流れ方向を周期的に反転させ、また反転させずに運転されている燃料電池スタッ
クの比較燃料電池性能データを示す複合グラフである。
【図５】 図５は、それぞれ酸化剤流れの予備加湿を行い、また行わずに、酸化剤流れの
流れ方向を周期的に反転させ、また反転させずに運転されている燃料電池スタッ
クについて行った、２０００時間の寿命試験の比較燃料電池性能データを示す。
【図６】 図６は、酸化剤流れの予備加湿を行わずに、酸化剤流れの流れ方向を周期的に
反転させて運転されている燃料電池スタックについて得たデータを示す棒グラフ
である。酸化剤流れの各流れ反転中に瞬間的に生じた、酸化剤の化学量論比の上
昇がない場合とある場合の平均燃料電池電圧及び平均最低電圧を示す。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１１年１１月１９日（１９９９．１１．１９）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１８】 燃料流れを一定の流れ方向に保つことに対する上記で明らかにされた利点にも
関わらず、燃料流れの流れ方向を反転させる場合にも利益がある。例えば、燃料
流れの流れ方向を反転させることは、アノードでの局在化状態を減少させるのを
助長し、周期的な酸化剤流れの流れ反転により得られる利益と同様の、本明細書
中で更に詳細に説明される利益が得られる。従って、本発明の方法のもう１つの
態様は、燃料流れの流れ方向を周期的に反転させる工程を更に含む。燃料流れの
流れ方向の反転は、これを酸化剤流れの流れ方向の反転と同期させる必要はない
。燃料及び酸化剤の流れ方向はクロスフロー配置に配置することができる。しか
し、酸化剤及び燃料の流れ場ポートが実質的に整列されているときは、燃料及び
酸化剤の流れ方向は並流を妨げるように制御される。即ち、燃料流れは、酸化剤
流れの流れ方向と実質的に反対の方向に流れるように導くことができる。これに
よって、並流による場合がそうであるように、初めに同一領域中で膜と接触して
いる両反応物流れにより引き起こされ得るその膜の促進乾燥が回避される。従っ
て、燃料流れと酸化剤流れとがそれらそれぞれの入口及び出口流れれ場ポート間
で同じ方向に流れしないようにするために、制御装置を用いて燃料及び酸化剤の
流れ切換装置を作動させる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正内容】
【００５２】 図４は、バラード・マーク（Ballard Mark）７００燃料電池１０個のスタック
を使用し、燃料としての実質的に純粋な水素に対して、次の運転条件： 燃料流れの入口圧力：３０ｐｓｉｇ（２０７ｋＰａｇ）； 酸化剤流れの入口圧力：３０ｐｓｉｇ（２０７ｋＰａｇ）； 運転温度：７０〜８０℃； 燃料流れの入口相対湿度：７０℃で１００％； 燃料の化学量論比：１．５ を用いて運転して得られた分極プロットの形をした比較データを示す。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５８
【補正方法】変更
【補正内容】
【００５８】 図５及び６は、バラード・マーク８００燃料電池５個のスタックを使用し、燃
料としての実質的に純粋な水素に対して、次の運転条件： 燃料流れの入口圧力：３０ｐｓｉｇ（２０７ｋＰａｇ）； 酸化剤流れの入口圧力：３０ｐｓｉｇ（２０７ｋＰａｇ）； 運転温度：７０〜８０℃； 燃料流れの入口相対湿度：７０℃において１００％； 燃料の化学量論比：１．５ を用いて作動させて得たデータを示す。
【手続補正書】
【提出日】平成１２年６月６日（２０００．６．６）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【請求項２９】 複数の電気化学的燃料電池スタックを備えているアレイに おいて使用される請求項１記載の方法であって、複数の該燃料電池スタックはそ れぞれ、カソードとアノードとの間に挿入したイオン交換膜を備えた少なくとも １個の電気化学的燃料電池を備えており；しかも、複数の該燃料電池スタックの 各スタック内の酸化剤流れ場内で酸化剤流れの流れ方向を周期的に反転させるこ とによって、複数の該燃料電池スタックを通過する酸化剤流れ中に蓄積する水を 利用する工程を含む；上記請求項１記載の方法。
【請求項３０】 複数のスタックの全てのスタック内における酸化剤流れの 流れ方向を同時には反転させない、請求項２９記載の方法。
【請求項３１】 複数のスタックの各々における酸化剤流れの流れ方向を、 時間間隔をずらして、順々に、周期的に反転させる工程を含む、請求項２９記載 の方法。
【請求項３２】 酸化剤流れの流れ方向は、複数の燃料電池スタックのいか なるペアにおいても同時には反転させない、請求項２９記載の方法。
【請求項３３】 酸化剤流れの流れ方向の周期的反転は、アレイの電力出力 がある一定の閾値より低いときに行う、請求項２９記載の方法。
【請求項３４】 複数の燃料電池スタックを通過する燃料流れの流れ方向が 酸化剤流れの流れ方向と実質的に一致しないように、該燃料流れの流れ方向を周 期的に反転させる工程を更に含む、請求項２９記載の方法。
【請求項３５】 複数の燃料電池スタックの少なくとも１つのスタックの下 流に位置する酸化剤流れから水を放出自在に捕捉し；次いで、該捕捉水の少なく とも一部を複数の該燃料電池スタックの少なくとも１つのスタックの上流に位置 する酸化剤流れに放出する；諸工程を更に含む、請求項２９記載の方法。
【請求項３６】 複数の電気化学的燃料電池スタックを備えているアレイに おいて使用される請求項１１記載の方法であって、複数の該燃料電池スタックは それぞれ、カソードとアノードとの間に挿入されたイオン交換膜を有する少なく とも１個の電気化学的燃料電池を備えており；複数の該燃料電池スタックの各ス タック内の燃料流れ場内で燃料流れの流れ方向を周期的に反転させることによっ て、複数の該燃料電池スタックを通過する燃料流れ中の水を利用する工程を含む ；上記請求項１１記載の方法。
【請求項３７】 複数のスタックの全スタック内の燃料流れの流れ方向を同 時には反転させない、請求項３６記載の方法。
【請求項３８】 複数の燃料電池スタックの各々スタック内の燃料流れの流 れ方向を、時間間隔をずらして、順々に、周期的に反転させる工程を含む、請求 項３６記載の方法。
【請求項３９】 燃料流れの流れ方向は、複数の燃料電池スタックのいかな るペアにおいても同時には反転させない、請求項３６記載の方法。
【請求項４０】 燃料流れの流れ方向における周期的反転は、アレイの電力 出力がある一定の閾値より低いときに行う、請求項３６記載の方法。
【請求項４１】 複数の電気化学的燃料電池スタックを備えている燃料電池 アレイであって、複数の該燃料電池スタックの各々のスタックが、少なくとも１ 個の固体高分子型燃料電池組立て品を備えており；その装置が、複数の該燃料電 池スタックの少なくとも１個のスタック内の反応物流れの流れ方向を、該反応物 流れの流れ方向を複数の該燃料電池スタックの全てにおいて同時には反転させず に、周期的に反転させるための反応物流れ流れ切換装置を更に備えている、上記 燃料電池アレイ。
【請求項４２】 反応物流れが酸化剤流れであり、反応物流れ流れ切換装置 が複数の燃料電池スタックのカソードと連結されている、請求項４１の燃料電池 アレイ。
【請求項４３】 反応物流れが燃料流れであり、反応物流れ流れ切換装置が 複数の燃料電池スタックのアノードと連結されている、請求項４１記載の燃料電 池アレイ。
【請求項４４】 反応物流れの流れ方向が複数の燃料電池スタックのいずれ のペアにおいても同時には反転されないように、反応物流れ流れ切換装置は、該 反応物流れの流れ方向を、順序をずらして反転させる、請求項４１記載の燃料電 池アレイ。
【請求項４５】 反応物流れ流れ切換装置を作動させ；且つ、複数の燃料電 池スタックの各々において反応物流れの流れ方向を周期的に反転させるタイミン グを制御する；ための制御装置を更に備えている、請求項４１記載の燃料電池ア レイ。
【請求項４６】 制御装置が、アレイの実測運転パラメータに応答して、反 応物流れの流れ方向を周期的に反転させるタイミングを調整する、請求項４５記 載の燃料電池アレイ。
【請求項４７】 制御装置が燃料電池アレイの電気出力に応答する、請求項 ４６記載の燃料電池アレイ。
【請求項４８】 制御装置が反応物流れ流れ切換装置を作動させて、燃料電 池アレイの電力出力がある一定の閾値より下にあるときに、複数の燃料電池スタ ックの少なくとも１個において反応物流れの流れ方向を反転させる、請求項４７ 記載の燃料電池アレイ。
【請求項４９】 水の再循環装置を更に備えており；しかも、該水再循環装 置は、排出反応物流れから水を放出自在に捕捉し、次いで、その反応物流れの流 れ方向が反転されたときに、複数の燃料電池スタックの少なくとも１個のスタッ クの上流に位置する反応物流れの中に、該捕捉水の少なくとも一部を放出する； 請求項４１記載の燃料電池アレイ。
【請求項５０】 平行に並んだ複数の燃料電池スタックの各々に、反応物流 れを供給するための反応物用マニホールドを更に備えている、請求項４１記載の 燃料電池アレイ。
【請求項５１】 複数の燃料電池スタック内に配置されている冷却流体の通 路と、該冷却流体用通路内で該冷却流体の流れ方向を周期的に反転させるための 冷却流体流れ切換装置とを有する冷却装置を更に備えている、請求項４１記載の 燃料電池アレイ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チャン、ジョン、カ、キ カナダ国 ブリティッシュ コロンビア、 バンクーバー、イースト フィフティセカ ンド アベニュー 1488 (72)発明者 コアレス、アドリアン、ジェームズ カナダ国 ブリティッシュ コロンビア、 バンクーバー、フレムリン ストリート 8572 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CC08 5H027 AA06 MM03 MM08 MM16 【要約の続き】

Claims (28)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電気化学的燃料電池のカソードと連結されている酸化剤流れ
    場内の酸化剤流れ中に蓄積している水を利用して、該燃料電池中のイオン交換膜
    に水を分配する方法であって、該酸化剤流れ場を通過する該酸化剤流れの流れ方
    向を周期的に反転させる工程を含む上記方法。
  2. 【請求項２】 燃料流れ入口から燃料流れ出口までの、燃料電池のアノード
    と連結されている燃料流れ場に、燃料流れの一定の流れ方向を維持する工程を更
    に含む、請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 燃料電池のアノードと連結されている燃料流れ場を通過する
    燃料流れの流れ方向を周期的に反転させて、該燃料流れの流れ方向が酸化剤流れ
    の流れ方向と一致しないようにする工程を更に含む、請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 燃料流れを、酸化剤流れの流れ方向とは実質的に反対の方向
    に流れるように導く、請求項３記載の方法。
  5. 【請求項５】 酸化剤流れ場を通過する酸化剤流れの流れ方向を、規則的な
    間隔で反転させる、請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 酸化剤流れの流れ方向を反転させる直前に、該酸化剤流れの
    化学量論比を瞬間的に大きくする工程を更に含む、請求項１記載の方法。
  7. 【請求項７】 酸化剤流れ場の下流に位置する酸化剤流れから水を放出自在
    に捕捉し；次いで 該捕捉水の少なくとも一部を、該酸化剤流れ場の上流に位置する該酸化剤流れ
    の中に、その流れ方向が反転されるときに放出する； 諸工程を更に含む、請求項１記載の方法。
  8. 【請求項８】 電気化学的燃料電池が、燃料電池スタック中の複数の電気化
    学的燃料電池の１つであり、それら複数の燃料電池の各々を通過する酸化剤流れ
    の流れ方向を周期的に反転させる、請求項１記載の方法。
  9. 【請求項９】 燃料電池と連結されている冷却液流れ場を通過する冷却液流
    れの流れ方向を周期的に反転させる工程を更に含む、請求項１記載の方法。
  10. 【請求項１０】 冷却液流れを酸化剤流れの流れ方向と実質的に並行に流れ
    るように導く、請求項９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 電気化学的燃料電池のアノードと連結されている燃料流れ
    場内の実質的に純粋な燃料の流れ中に蓄積している水を利用して、該燃料電池中
    のイオン交換膜に水を分配する方法であって、該燃料流れ場を通過する該燃料流
    れの流れ方向を周期的に反転させる工程を含む、上記方法。
  12. 【請求項１２】 燃料流れ場を通過する燃料流れの流れ方向を、規則的な間
    隔で反転させる、請求項１１記載の方法。
  13. 【請求項１３】 燃料流れ場の下流に位置する燃料流れから水を放出自在に
    捕捉し；次いで 該捕捉水の少なくとも一部を、該燃料流れ場の上流に位置する該燃料流れの中
    に、その流れ方向が反転されるときに放出する、 諸工程を更に含む、請求項１１記載の方法。
  14. 【請求項１４】 燃料電池と連結されている冷却液流れ場を通過する冷却液
    流れの流れ方向を周期的に反転させる工程を更に含む、請求項１１記載の方法。
  15. 【請求項１５】 カソードとアノードの間に挿入したイオン交換膜を有する
    電気化学的燃料電池の組立て品において、 酸化剤の供給流れを、第一の酸化剤流れ場ポートと第二の酸化剤流れ場ポート
    との間にある該カソードに導くための、該カソードと連結されている酸化剤流れ
    場； 燃料の供給流れを、燃料流れ入口ポートと燃料流れ出口ポートとの間にある該
    アノードに導くための、該アノードと連結されている燃料流れ場；及び 該酸化剤供給流れの流れ方向を、第一酸化剤流れ場ポート及び第二酸化剤流れ
    場ポートの間で、該燃料供給流れの流れ方向を同期には反転させずに、周期的に
    反転させるための酸化剤流れ流れ切換装置； を更に備えている、上記組立て品。
  16. 【請求項１６】 酸化剤流れ場の流れが、第一及び第二の酸化剤流れ場ポー
    トの間で実質的に対称になっている、請求項１５記載の組立て品。
  17. 【請求項１７】 酸化剤流れ流れ切換装置は第一及び第二のセッティング間
    で作動可能であり；しかも、第一セッティングは酸化剤の供給流れを第一酸化剤
    流れ場ポートと、第二酸化剤流れ場ポートを通過する酸化剤排出流れとに導くセ
    ッティングであり、第二セッティングは該酸化剤供給流れを第二酸化剤流れ場ポ
    ートと、第一酸化剤流れ場ポートを通過する該酸化剤排出流れとに導くセッティ
    ングである；請求項１５記載の組立て品。
  18. 【請求項１８】 酸化剤流れ場を通過する指向性流れが周期的に反転するよ
    うに、第一及び第二のセッティングの間で、酸化剤流れ流れ切換装置を周期的に
    切り換えるための制御装置を更に備えている、請求項１７記載の組立て品。
  19. 【請求項１９】 制御装置が手動で作動させられる、請求項１８記載の組立
    て品。
  20. 【請求項２０】 制御装置が自動的に作動させられる、請求項１８記載の組
    立て品。
  21. 【請求項２１】 制御装置が酸化剤流れの流れ方向を反転させる頻度を変更
    するように調整することができる、請求項２０記載の組立て品。
  22. 【請求項２２】 制御装置が燃料電池の実測運転パラメータに応答して頻度
    を調整する、請求項２１記載の組立て品。
  23. 【請求項２３】 制御装置が頻度を燃料電池の電気出力に応答して調整する
    、請求項２２記載の組立て品。
  24. 【請求項２４】 燃料電池の電力出力が閾値より低いとき、制御装置が酸化
    剤流れ流れ切換装置を作動させる、請求項２３記載の組立て品。
  25. 【請求項２５】 酸化剤流れ流れ切換装置と第一及び第二の酸化剤流れ場の
    各々との間に配置された、酸化剤排出流れから水を放出自在に捕捉し、そして該
    捕捉水の少なくとも一部を前記酸化剤流れ場の上流に位置する前記酸化剤供給流
    れの中に、その流れ方向が反転されるときに放出するための水再循環装置を更に
    備えている、請求項１５記載の組立て品。
  26. 【請求項２６】 水再循環装置が吸湿性媒体を備えている、請求項２５記載
    の組立て品。
  27. 【請求項２７】 冷却液流れ入口ポートと冷却液流れ出口ポートとの間に冷
    却液供給流れを導くための、燃料電池組立て品と連結されている冷却液用流れ場
    ；及び 該冷却液供給流れの流れ方向を第一及び第二の冷却液流れ場ポートの間で周期
    的に反転させるための冷却液流れ流れ切換装置； を更に備えている、請求項１５記載の組立て品。
  28. 【請求項２８】 カソードとアノードとの間に挿入されたイオン交換膜を有
    する電気化学的燃料電池組立て品において、 第一酸化剤流れ場ポートと第二酸化剤流れ場ポートとの間にある該カソードに
    酸化剤供給流れを導くための、該カソードと連結されている酸化剤流れ場； 第一燃料流れ場ポートと第二燃料流れ場ポートとの間にある該アノードに燃料
    供給流れを導くための、該アノードと連結されている燃料流れ場； 該第一及び第二の酸化剤流れ場ポートの間で該酸化剤供給流れの流れ方向を反
    転させるための酸化剤流れ流れ切換装置； 第一及び第二の燃料流れ場ポートの間で該燃料供給流れの流れ方向を反転させ
    るための燃料流れ流れ切換装置；並びに 該酸化剤供給流れが該燃料供給流れと、それら各々の第一及び第二の流れ場ポ
    ートの間で実質的に並流では流れないように、該酸化剤流れ流れ切換装置及び該
    燃料流れ流れ切換装置を周期的に作動させるための制御装置； を更に備えている、上記組立て品。
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