JP2002184426A - 入り組んだｍｅａを備えた燃料電池 - Google Patents

入り組んだｍｅａを備えた燃料電池

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池の与えられたサイズ、重量及びコス
トに対して電気エネルギーの量を増大させる。 【解決手段】 陽子交換膜燃料電池は、陽子透過膜と、
該膜の一方の面に形成された触媒アノード層９０と、該
膜の他方の面に形成された触媒カソード層９２と、を含
む膜電極アセンブリ７８を備える。燃料電池７６は、該
触媒アノード及びカソード層の各々に亘って延在してガ
ス流れ場を画成する、該層上に形成された伝導分配層を
更に備える。膜電極アセンブリは、入り組んだ形態を有
し、燃料電池の有効平坦面積に対する膜面積の比率を増
加させ、これによって与えられた有効平坦燃料電池面積
に対する燃料電池の電気的出力を増大させる。膜電極ア
センブリの入り組んだ形態は、ガス分配層を分離した平
行チャンネル９６、９８に分割し、これによって、発泡
材料の多孔率のばらつきにも拘らず、ガス分配層に対し
て安価な発泡材料の使用を可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
に係り、より詳しくは、電力を生成するためＨ2の豊富
なガスを消費する複数の燃料電池を有するシステムに関
する。
【０００２】
【従来技術】燃料電池は、多数の用途で電力源として使
用されてきた。例えば、燃料電池は内燃機関に取って代
わるため電気自動車の電力設備で使用するため提案され
てきた。陽子交換膜（ＰＥＭ）型式の燃料電池では、水
素が燃料電池のアノードに供給され、空気が酸化剤とし
てカソードに供給される。ＰＥＭ燃料電池は、薄い陽子
透過性で非導電性の固体ポリマー膜電解質からなる「膜
電極アセンブリ（ＭＥＡ）」を備え、固体ポリマー膜電
解質は、その一方の面にアノード触媒、反対側の面にカ
ソード触媒を有している。ＭＥＡは、一対の導電性エレ
メントの間に挟まれ、該一対の導電性エレメントは、
（１）アノード及びカソード用の電流コレクターとして
役立ち、（２）各々のアノード及びカソードの触媒の表
面に亘る燃料電池ガス状反応物の分配のための適切なチ
ャンネル及び／又は開口を含む。「燃料電池」という用
語は、典型的には、文脈に応じて単一電池及び複数の電
池（スタック）のいずれかに言及するため使用される。
複数の個々の電池は、一般には、燃料電池スタックを形
成するため一緒に束ねられ、一般に、直列に配列されて
いる。スタック内部の各々の電池は、前述した膜電極ア
センブリ（ＭＥＡ）を含み、そのような膜電極アセンブ
リの各々は、その電圧の増分を提供する。スタック内部
で隣接する電池のグループは、クラスターと称される。
スタック内における多数の電池の典型的な配列は、ゼネ
ラル・モーターズ・コーポレーションに譲渡された、米
国特許番号５，７６３，１１３号で説明されている。
【０００３】ＰＥＭ燃料電池では、水素（Ｈ2）がアノ
ード反応物（即ち燃料）であり、酸素がカソード反応物
（即ち酸化剤）である。酸素は、純粋形態（Ｏ2）、空
気（Ｏ2とＮ2の混合物）及び他のガスと組み合わされた
Ｏ2のいずれでもよい。固体ポリマー電解質は、典型的
には例えばペリフルオロ化スルホン酸（perfluoronated
sulfonic acid）などのイオン交換樹脂から作られる。
アノード／カソードは、典型的には細かく分割された触
媒粒子を含み、これらの粒子は、しばしば炭素粒子に担
持され、陽子伝導性樹脂と混合される。触媒粒子は、典
型的には、高価な貴金属粒子である。これらの膜電極ア
センブリは、製造する上で比較的高価であり、効率的な
作動のため、適切な水管理、加湿及び一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）などの触媒汚染要素の制御を含む幾つかの条件を必
要とする。
【０００４】車両の用途に対しては、燃料電池用の水素
源として例えばアルコール（例えばメタノール又はエタ
ノール）或いは炭化水素（例えばガソリン）などの液体
燃料を使用するのが望ましい。車両用のそのような液体
燃料は、車内に蓄えるのが容易であり、液体燃料を供給
するための全国的なインフラストラクチャーが存在す
る。しかしながら、そのような燃料は、燃料電池に燃料
供給するためには、その水素含有成分を解放するように
解離されなければならない。解離反応は、化学燃料プロ
セッサ即ち改質器内部で達成される。燃料プロセッサ
は、１つ又は複数の反応器を含み、該反応器では、燃料
は、主要には水素及び二酸化炭素を含む改質ガスを与え
るため、蒸気と反応し、場合によっては空気とも反応す
ることがある。例えば、蒸気メタノール改質プロセスで
は、理想的には、メタノール及び（蒸気としての）水が
水素及び二酸化炭素を生成するように反応される。実際
には、一酸化炭素及び水も生成される。ガソリンの改質
プロセスでは、蒸気、空気及びガソリンが、２つの区分
を含む燃料プロセッサ内で反応される。そのうちの１つ
の区分は、主として部分酸化反応器（ＰＯＸ）であり、
他方の区分は、主として蒸気改質器（ＳＲ）である。燃
料プロセッサは、水素、二酸化炭素、一酸化炭素及び水
を生成する。下流の反応器は、水／ガスシフト反応器
（ＷＧＳ）及び優先酸化反応器（ＰＲＯＸ）などを含み
得る。優先酸化反応器では、二酸化炭素（ＣＯ2）が、
空気から得られる酸素を酸化剤として使用して、一酸化
炭素（ＣＯ）から生成される。ここで、空気供給の制御
は、ＣＯをＣＯ2に選択的に酸化させるために重要であ
る。
【０００５】ＰＥＭ燃料電池によって消費するための水
素の豊富な改質物を生成するため炭化水素燃料を処理す
る燃料電池システムが知られている。このシステムは、
本発明の代理人であるゼネラル・モーターズ・コーポレ
ーションに各々譲渡されている、１９９７年１１月に出
願された現在係属中の米国特許出願シリアル番号０８／
９７５，４４２号及び０８／９８０，０８７号、並び
に、１９９８年１１月に出願された米国特許シリアル番
号０９／１８７，１２５号で説明されており、更に、１
９９８年３月５日に公開された、国際特許出願番号ＷＯ
９８／０８７７１号で説明されている。典型的なＰＥＭ
燃料電池及びその膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、各々
１９９３年１２月２１日に登録された米国特許５，２７
２，０１７号及び１９９４年５月３１日に登録された米
国特許５，３１６，８７１号で説明されている。それら
の特許はゼネラル・モーターズ・コーポレーションに譲
渡されている。
【０００６】ＭＥＡを挟む導電性エレメントは、燃料電
池ガス状反応物（即ち、水素及び空気の形態の酸素）
を、各々のカソード及びアノードに亘って分配するため
その面に溝列を含んでいてもよい。燃料電池スタックで
は、複数の電池が、ガス不浸透性の電動両極性プレート
により隣接する電池から分離された状態で、電気的に直
列に一緒に積み重ねられている。これまでのところ、両
極性プレートは、（１）２つの隣接する電池の間の電導
性ガスセパレータエレメントとして、（２）膜のほぼ全
表面に亘って反応ガスを分配するため、（３）１つの電
池のアノード及びスタック内の次に隣接する電池のカソ
ードの間に電流を伝導するため、（４）自動点火を防止
するため、反応ガスを分離した状態に維持するため、
（５）陽子交換膜のための支持を提供するため、（６）
ほとんどの場合で、内部熱交換面により画成され、且
つ、冷却液がスタックから熱を除去するため流れるとこ
ろの内部冷却通路を提供するため、幾つかの機能をもた
らしてきた。両極性プレートは、更に、ガス圧力負荷、
並びに、プレート上の圧縮負荷を吸収する。例えば、該
プレートは、一方の端部で複数のチャンネルを備え、他
方の端部で複数のチャンネルを備えており、これらのチ
ャンネルは、ランドにより分離された個々の側部に形成
される。両方の側部にランド及びチャンネルを構成する
ことは、両極性プレートが圧縮負荷に耐えることがで
き、ランド及びチャンネルが両極性プレートをつぶした
り、歪めたりしないように配列されなければならない。
両極性プレートは、水素及び酸素を、両極性プレート上
に横たわる陽子交換膜アセンブリに配給するためチャン
ネルを備える。膜がチャンネル内へとつぶれてガスの流
れを遮蔽することを防止するため、並びに、チャンネル
上に横たわる膜の領域から両極性プレートへの導電経路
を提供するため、グラファイトペーパーのシートが蛇行
チャンネル上に配置される。
【０００７】両極性プレートは、金属から作られてもよ
いが、これらのプレートは、他の材料から製造すること
もできる。例えば、両極性プレートは、（従来の金属プ
レートと比べて）軽量で、ＰＥＭ燃料電池環境下で耐腐
食性及び導電性を持つ、グラファイトからしばしば製作
される。しかし、グラファイトは非常にもろく、機械的
に取り扱うのが困難であり、また、金属と比較して電導
性及び熱伝導性が相対的に低い。最終的に、グラファイ
トは、非常に多孔性であり、これは、軽量、小容積、低
い内部抵抗の燃料電池スタックに対して望ましい非常に
薄いガス不浸透性プレートを作るのを事実上不可能にさ
せる。
【０００８】ノイツラーに付与された米国特許番号５，
７７６，６２４号は、金属両極性プレート及び上記チャ
ンネル型式のＰＥＭアセンブリを開示している。これら
の従来技術の両極性プレート及びＰＥＭアセンブリは、
重く、嵩張り、組み立てるのが困難であり、更に、製造
する上で高コストである。
【０００９】これとは対照的に、燃料電池システムの効
率的な作動は、燃料電池の与えられたサイズ、重量及び
コストに対して、かなりの量の電気エネルギーを生成す
る能力に依拠している。与えられたサイズ、重量及びコ
ストに対する、燃料電池の電気エネルギー出力は、全て
の車両構成部品のサイズ、重量、及びコストが、車両の
効率的な製造及び作動にとって特に重要となる自動車の
用途において、特に重要となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従って、自動車の用途
に対して、燃料電池の与えられたサイズ、重量及びコス
トに対して電気エネルギーの量を増大させた燃料電池構
成を提供することが望ましい。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、陽子交換膜燃
料電池に関する。この陽子交換膜燃料電池は、陽子透過
膜と、該膜の一方の面に形成された触媒アノード層と、
該膜の他方の面に形成された触媒カソード層と、該触媒
アノード及びカソード層の各々に亘って延在してガス流
れ場を画成する、該層上に形成された伝導分配層と、を
含む膜電極アセンブリを備える。
【００１２】本発明によれば、該膜電極アセンブリは、
入り組んだ形態を有する。この構成は、燃料電池の有効
平坦面積に対する膜面積の比率を増加させる効果を有
し、これによって与えられた有効平坦燃料電池面積に対
する燃料電池の電気的出力を増大させる。
【００１３】本発明の更なる特徴によれば、各々のガス
分配層は、夫々の触媒層に並列配置された入り組んだ表
面を画成する。この構成は、ＭＥＡ及びガス分配層の間
の接触界面を増大させ、これによって平坦面積の単位当
たりの電池の電気的出力を更に増大させる。
【００１４】本発明の更なる特徴によれば、入り組んだ
表面と反対側の各々のガス分配層の表面は、略平坦であ
る。この構成は、燃料電池スタックを形成するため個々
の電池の積み重ね工程を容易にする。
【００１５】本発明の更なる特徴によれば、各々のガス
分配層は、伝導多孔性媒体から形成される。この構成
は、各々の触媒層への夫々のガスの分配を容易にする。
本発明の更なる特徴によれば、多孔性媒体は、発泡媒体
である。この構成は、多孔性媒体を提供するため容易に
利用可能な比較的安価な発泡材料の使用を可能にする。
本発明の開示された実施形態では、発泡媒体は、伝導グ
ラファイト発泡媒体又は伝導金属発泡媒体のいずれかで
ある。
【００１６】本発明の更なる特徴によれば、ＭＥＡ及び
ガス分配層は、第１及び第２の対向するエッジを有す
る、サンドウィッチ構造を形成し、該ガス分配層の各々
は、ＭＥＡの入り組んだ形態によって、複数の略平行セ
グメントへと分割され、各セグメントは、第１のサンド
ウィッチ構造の第１のエッジから第２のエッジまで延在
し、これによって、各触媒層に亘って延在する、複数の
分離した略平行多孔性反応物経路を画成する。この構成
によれば、ガスは、平行経路間で交差移動がほとんどか
或いは全く起こらないよう、夫々の経路内で移動するべ
く該平行経路により拘束される。これによって、多孔性
媒体の発泡材料の多孔率における不可避の相当なばらつ
きにも拘らず、夫々の下面にある触媒層の表面に亘るガ
スのほぼ均一な分配が確実になり、水素及びアノード電
極間の相互作用のおかげで発生する電気エネルギーの生
成を最大にする。
【００１７】本発明の更なる特徴によれば、燃料電池
は、上側及び下側の略平坦なガスセパレータを更に備
え、該セパレータの間に空間を画成し、ＭＥＡ及びガス
分配層は、ＭＥＡの頂上部が上側ガスセパレータの近傍
に配置され、該ＭＥＡの谷部が下側セパレータの近傍に
配置された状態で該空間内に配置される。この構成は、
各触媒層に亘って延在する、多孔性反応物経路の分離を
強化する。
【００１８】本発明の更なる特徴によれば、ガス分配層
の各々は、ＭＥＡの入り組んだ形態に対応して全体に亘
る入り組んだ形態を有し、夫々の触媒層に対して係合す
る態様に配置される。この構成が、燃料電池に亘って遮
蔽されないガス流れ領域を提供し、受け入れ可能な圧力
降下の仕様内に残る一方で、燃料電池の全体サイズの減
少を可能にする。
【００１９】本発明の更なる特徴によれば、燃料電池
は、略平坦な伝導性の下側ガスセパレータと、該下側ガ
スセパレータの上方に配置された略平坦な伝導性の上側
ガスセパレータと、を更に備え、これらのセパレータの
間に空間を画成し、ＭＥＡは、一方のガス分配層の順次
連続する頂上部が上側ガスセパレータ上の順次連続する
ポイントと電気的に接触し、他方のガス分配層の順次連
続する谷部が下側ガスセパレータ上の順次連続するポイ
ントと電気的に接触した状態で、該空間内に配置され
る。この構成は、触媒層に渡るガスの遮蔽されない流れ
を維持して燃料電池の全体サイズの結果的な減少をもた
らす一方で、燃料電池を通して要求された電気的伝導度
を提供する。
【００２０】本発明の更なる特徴によれば、ＭＥＡの入
り組んだ形態は、上側チャンネル及び下側チャンネルの
うち１つが、該上側チャンネル及び下側チャンネルのう
ち他方よりも大きくなるように不均等である。この構成
は、各々の触媒層に異なる量の第１及び第２のガスを配
給することを容易にする。本発明の開示された実施形態
では、１つ置きの入り組んだ部分は比較的広く、これに
よってより大きいチャンネルを画成し、残りの入り組ん
だ部分は比較的狭く、これによってより小さいチャンネ
ルを画成する。
【００２１】本発明の様々な特徴、利点及び他の使用方
法は、次の説明及び添付した図面を参照することによっ
てより明らかとなろう。
【００２２】
【発明の実施の形態】本発明は、一例としてのみ図１に
示された燃料電池システムを参照して更に理解すること
ができる。従って、本発明を更に説明する前に、本発明
の改善された燃料電池が内部で機能するところのシステ
ムを理解することが有用である。
【００２３】図１は、燃料電池システムの一例を示して
いる。このシステムは、車両推進用のエネルギー源とし
て車両（図示せず）で使用することができる。本システ
ムでは、炭化水素は、例えば、体積又はモル単位で比較
的高い水素含有量を有する改質ガスを生成するため改質
及び優先酸化プロセスによって燃料プロセッサ内で処理
される。従って、水素の豊富な、比較的高い水素含有量
の改質物即ち供給流れが基準とされる。
【００２４】以下、本発明は、改質物が作られる方法に
係りなく、Ｈ2の豊富な当該改質物により燃料供給され
る燃料電池の文脈で説明される。本文中で具体化された
原理は、改質可能な炭化水素及び水素含有燃料、例えば
メタノール、エタノール、ガソリン、アルケン、又は、
他の脂肪族若しくは芳香族の炭化水素などを含む任意の
源から得られるＨ2、又は、車内に蓄えられたＨ2により
燃料供給される燃料電池に適用可能であることが理解さ
れるべきである。
【００２５】図１に示すように、燃料電池装置は、改質
可能な炭化水素の燃料の流れ６と、水の流れ８からの蒸
気の形態にある水とを触媒的に反応させるための燃料プ
ロセッサ２を備えている。幾つかの燃料プロセッサで
は、空気は、優先酸化／蒸気改質反応の組み合わせにお
いても使用される。この場合には、燃料プロセッサ２
は、空気の流れ９も受け入れる。燃料プロセッサは、１
つ又はそれ以上の反応器１２を含み、該反応器では、流
れ６内の改質可能な炭化水素燃料が、水素の豊富な改質
物を生成するため、水／流れ８及び場合によっては（流
れ９内の）空気の存在下で解離を経験する。更には、各
々の反応器１２は、１つ又はそれ以上の反応器ベッドを
持ち得る。反応器１２は、１つ又はそれ以上の区分即ち
ベッドを持ち、様々な設計が知られ且つ利用可能であ
る。従って、反応器１２の選択及び配置は、変更するこ
とができる。以下、例として掲げた燃料改質反応器１４
及び下流側の反応器１６を説明する。
【００２６】例示によれば、一例としての蒸気／メタノ
ール改質プロセスでは、メタノール及び（蒸気として
の）水は、従来技術の欄で前述したように、水素及び二
酸化炭素を生成するため、反応器１４内で理想的に反応
される。実際には、一酸化炭素及び水も生成される。更
なる例によれば、一例としてのガソリン改質プロセスに
おいて、蒸気、空気及びガソリンが２つの区分を有する
反応器１４を含む燃料プロセッサ内で反応される。反応
器１４の一方の区分は、主要には、部分酸化反応器（Ｐ
ＯＸ）であり、当該反応器の他方の区分は、主要には、
蒸気改質器（ＳＲ）である。メタノール改質の場合のよ
うに、ガソリン改質は、所望の水素を生成するが、加え
て、二酸化炭素、水及び一酸化炭素を生成する。従っ
て、各々の型式の改質の後、生成物の流れの一酸化炭素
含有量を減少させることが望ましい。
【００２７】従って、燃料プロセッサは、例えば水／ガ
スシフト（ＷＧＳ）反応器及び優先酸化反応器（ＰＲＯ
Ｘ）などの１つ又はそれ以上の下流反応器１６も典型的
に備えており、これらは、従来技術の欄で前述したよう
に、一酸化炭素から二酸化炭素への生成に使用される。
好ましくは、水素、二酸化炭素、一酸化炭素及び水を含
む最初の改質ガスの流れは、許容可能なレベル、例えば
２０ｐｐｍ以下にＣＯレベルを減少させるため、優先酸
化（ＰＲＯＸ）反応器１６で更に処理される。次に、駆
動モードの間、Ｈ2の豊富な改質物２０は、バルブ３１
を通して燃料電池２２のアノードチャンバーに供給され
る。これと同時に、酸化剤の流れ２４からの酸素（例え
ば空気）は、燃料電池２２のカソードチャンバーに供給
される。改質物の流れ２０からの水素及び酸化剤の流れ
２４からの酸素は、電気を生成するため燃料電池２２内
で反応する。
【００２８】燃料電池スタック２２のアノード側からの
排出物即ち流出物２６は、未反応の水素を幾らか含む。
燃料電池スタック２２のカソード側からの排出物即ち流
出物２８は未反応の酸素を幾らか含む。酸化剤の流れ２
４用の空気は、空気供給源、好ましくは、コンプレッサ
３０により供給される。空気供給源（コンプレッサ３
０）からの空気は、通常の作動条件下ではバルブ３２に
よって燃料電池２２に向けられる。しかしながら、始動
の間では、バルブ３２は、燃焼器３４の入力通路に直接
空気を提供するために付勢される。空気は、ライン４６
を介して供給された燃料と反応するため、燃焼器３４で
使用される。燃焼器の熱は、燃料プロセッサ２の様々な
部分を加熱するため使用される。
【００２９】燃料プロセッサ２内で発生する反応の幾つ
かは、吸熱性であり、その結果、熱を必要とし、他の反
応は発熱性であり、熱の除去を必要とすることに着目さ
れたい。典型的には、ＰＲＯＸ反応器１６は、熱の除去
を必要とする。反応器１４内の改質反応の１つ又はそれ
以上は、典型的には、吸熱性であり、熱が追加されるこ
とを必要とする。これは、典型的には、反応物、燃料
６、流れ８及び空気９を予め加熱することによって、及
び／又は選択された反応物を加熱することによって達成
される。
【００３０】燃焼器３４からの熱は、始動の間、燃料プ
ロセッサ２内の選択された反応器及び反応器ベッドを加
熱する。燃焼器３４は、必要に応じて、間接的な熱輸送
によって、燃料プロセッサ内の選択された反応器及びベ
ッドの加熱を達成する。典型的には、そのような間接的
に加熱される反応器は、入口及び出口を備えた反応チャ
ンバーである。反応チャンバーの内部では、これらのベ
ッドは、キャリア部材基体の形態にあり、各々は、所望
の化学反応を達成するための触媒的な活性材料を担持す
る第１の表面を有する。第１の表面と反対側にある第２
の表面は、熱いガスからキャリア部材基体への熱輸送の
ため形成されている。更に加えて、燃焼器３４は、燃料
プロセッサ２への反応物質として供給される、燃料６、
水８及び空気９を予備加熱するため使用可能である。
【００３１】燃料プロセッサ２に供給される空気９は、
１つ又はそれ以上の反応器１２において使用され得るこ
とに着目されたい。反応器１４がガソリン改質反応器で
ある場合、ライン９からの空気は反応器１４に供給され
る。ＰＲＯＸ反応器１６もＣＯをＣＯ2に酸化させるた
め空気を利用し、ライン９を介して空気供給源（コンプ
レッサ３０）から空気を受け取る。
【００３２】燃焼器３４は、入口端部４２、排出端部４
４及び両端部の間の触媒区分４８を備えるチャンバー４
１を画成する。炭化水素燃料は、燃焼器の中に注入され
る。炭化水素燃料は、液体形態にある場合、燃焼器へ注
入される前、又は、燃焼器の一区分に注入される前のい
ずれかで蒸発されて燃焼用の燃料として分散させるのが
好ましい。蒸発は、電気ヒーターによりなすことができ
る。一旦、システムが作動し、燃焼器が加熱された場
合、蒸発は、入ってくる燃料を蒸発させるため燃焼器の
排出物からの熱を使用して熱交換により発生させること
ができる。好ましくは、燃料計量装置４３は、炭化水素
の燃料が燃焼器に提供される率を制御するため提供され
る。
【００３３】炭化水素燃料４６及びアノード流出物２６
は、燃焼器３４の触媒区分４８内で反応され、この区分
は、燃焼器３４の入口端部４２及び出口端部４４の間に
存在する。酸素は、バルブ３２を介して空気供給源（即
ち、コンプレッサ３０）、又は、例えばカソード流出物
の流れ２８などの第２の空気の流れのいずれかから、シ
ステム作動状態に応じて、燃焼器３４に提供される。バ
ルブ５０は、燃焼器の排出物３６が燃料プロセッサ２内
の反応物を加熱するため必要とされないとき、それを大
気に捨て去ることを可能にする。
【００３４】理解できるように、炭化水素の燃料の流れ
４６は、燃料電池装置の遷移状態及び定常状態の必要性
に合致させるため、必要とされるとき、燃焼器３４のた
めの燃料であるアノード流出物２６を増補する。幾つか
の状況では、排気ガスは、大気に解放される前に、レギ
ュレータ３８、停止バルブ１４０及びマフラー１４２を
通過する。図１のシンボルは、以下の通りである。
「Ｖ」はバルブ、「ＭＦＭ」は流量計、「Ｔ」は温度モ
ニター、「Ｒ」はレギュレータ、「Ｃ」は燃料電池のカ
ソード側、「Ａ」は燃料電池のアノード側、「ＩＮＪ」
はインジェクタ及び「ＣＯＭＰ」はコンプレッサであ
る。
【００３５】燃料プロセッサ２内の選択された反応器に
より要求される熱量は、燃焼器３４により供給されるべ
きであり、燃料の量、水入力及び究極的には燃料プロセ
ッサ２内の所望の反応温度に依存する。前述したよう
に、空気も燃料プロセッサで使用されることがあり、燃
料及び水の導入と共に考慮されなければならない。燃料
プロセッサ２の熱要求量を供給するため、燃焼器３４は
全てのアノード排気物即ち流出物及び可能ならば幾らか
の炭化水素燃料を利用する。エンタルピーの方程式が、
燃焼器３４の所望の熱必要量に合致させるように燃焼器
３４に供給されるべきカソード排気物即ち空気の量を決
定するために使用され、究極的には燃料プロセッサ２の
要求を満足させる。燃焼器３４に提供される酸素又は空
気は、典型的に燃料電池２２のカソードに供給される全
酸素のうちある一定の割合でカソード流出排気物２８、
及び、コンプレッサ３０からの空気流れのうち１方又は
両方を含んでいる。これは、当該装置がコンプレッサ空
気流れが排他的に用いられる始動モードで作動している
か或いはカソード流出物２８及び／又はコンプレッサ空
気を使用した駆動モードのいずれかで作動しているかに
応じて定まる。駆動モードでは、カソード流出物２８に
よっては合致されない燃焼器３４により必要とされる空
気全体、酸素又は希釈剤は、燃焼器３４及び燃料プロセ
ッサ２により各々要求される熱及び温度を満足させるた
めのある一定量が、コンプレッサ３０によって供給され
る。空気の制御は、空気希釈バルブ４７を介して実行さ
れる。このバルブは、燃焼器３４に供給されるカソード
排出物２８の抜き取り量を制御するため可変のオリフィ
スを有する、ステッパーモータ駆動型のバルブである。
【００３６】燃料電池装置の上記例では、その作動は、
次の通りとなる。燃料電池装置が低温で始動するときの
作動の開始時において、（１）システムに必要となる空
気を提供するためコンプレッサ３０が外部電源（例えば
バッテリー）から付勢される電気モータによって駆動さ
れる。（２）空気が燃焼器３４に導入される。炭化水素
燃料４６（例えばＭｅＯＨ又はガソリン）が燃焼器３４
に注入される。（３）空気及び燃料が、燃焼器３４内で
反応し、そこで、ほぼ完全な燃料の燃焼がもたらされ
る。（４）燃焼器３４から出た高温排気ガスは、燃料プ
ロセッサ２と連係した選択された反応器１２に輸送され
る。
【００３７】一旦、燃料プロセッサ２内の反応器が適切
な温度を達成した場合、改質プロセスが開始する。この
プロセスは次の工程を含む。（１）バルブ３２が、空気
を燃料電池２２のカソード側に差し向けるため作動され
る。（２）燃料及び水が、改質反応を開始するため燃料
プロセッサ２に供給される。（３）燃料プロセッサ２か
ら出た改質物が燃料電池２２のアノード側に供給され
る。（４）燃料電池２２からのアノード流出物２６が燃
焼器３４に向けられる。（５）燃料電池２２からのカソ
ード流出物２８が燃焼器３４に向けられる。（６）燃
料、空気、カソード流出物２８及びアノード流出物２６
が燃焼器３４内で燃焼される。好ましいシーケンスで
は、燃焼器に直接空気を供給すると共に、工程（２）が
最初に実行される。好ましいシーケンスでは、空気が燃
焼器へ直接供給されると共に、工程（２）が最初に実行
される。次に、水素の豊富な流れが適切に低いＣＯレベ
ルを有する場合、工程（１）及び（３）が実行され、続
いて工程（４）、（５）及び（６）が実行される。
【００３８】幾つかの条件の下では、燃焼器３４は、追
加の炭化水素燃料４６の必要無しに、アノード及びカソ
ード流出物単独で作動することができる。そのような条
件の下では、燃焼器３４への燃料の注入は中断される。
他の条件、例えば電力の要求を増加させる条件の下で
は、増補の燃料４６が燃焼器３４に提供される。燃焼器
３４は、例えば、炭化水素燃料、並びに、燃料電池２２
のアノードからのアノード流出物２６などの多数の燃料
を受け取ることを理解することができる。燃料電池２２
のカソードからの酸素を使い果たした排出空気２８及び
コンプレッサ３０からの空気も、燃焼器３４に供給され
る。
【００３９】本燃料電池システムの一例によれば、図１
に示されたコントローラ５２は、図１に示されたシステ
ムの様々な態様の作動を制御する。コントローラ５２
は、任意の適切なマイクロプロセッサ、マイクロコント
ローラ、パーソナルコンピュータなどから構成すること
ができ、これは制御プログラム及びメモリ中に格納され
たデータを実行することが可能な中央処理ユニットを有
する。コントローラ５２は、図１の任意の構成要素に特
化した専用コントローラであってもよく、或いは、主要
な車両用電子制御モジュールに格納されたソフトウェア
で実行されてもよい。更に、ソフトウェアベースの制御
プログラムが上述したように様々な作動モードにおける
システム構成要素を制御するため利用可能であるが、こ
のような制御は専用の電子回路によって部分的又は全て
実行されてもよいことが理解されよう。
【００４０】好ましい実施形態では、燃料電池システム
は、車両推進システム６０（図２を見よ）の一部分とし
て燃料電池２２を含む。ここでは、燃料電池システムの
外部回路６０の一部分は、バッテリー６２、電気モータ
６４、及び、これらの連係する駆動用電子機器を含む。
この駆動用電子機器はインバータ６５を含み、燃料電池
システム、特に燃料電池２２と連係された直流から直流
への（ＤＣ／ＤＣ）コンバータ６１から電気エネルギー
を受け取り、それをモータ６４により生成される機械的
エネルギーに変換するように構成及び配置されている。
バッテリー６２は、燃料電池２２により供給された電気
エネルギーを受け取ってこれを蓄え、再生成の空白期間
の間にモータ６４により供給された電気エネルギーを受
け取ってこれを蓄え、及び該電気エネルギーをモータ６
４に提供するため構成及び配置されている。モータ６４
は、車両（図示せず）の車輪を回転させるため駆動車軸
６６に連結されている。電気化学的エンジン制御モジュ
ール（ＥＥＣＭ）７０及びバッテリーパックモジュール
（ＢＰＭ）７１は、例えばスタックの電圧及び電流を含
む様々な作動パラメータを監視するが、これらのパラメ
ータに限定されるものではない。この監視は、例えば、
バッテリーパックモジュール（ＢＰＭ）７１によって又
はＢＰＭ７１及びＥＥＣＭ７０の両方によって、ＢＭＰ
７１により監視される状態に基づいて車両コントローラ
７４に出力信号（メッセージ）を送るため、なされる。
車両コントローラ７４は、電気モータ６４、インバータ
６５を含む駆動用電子機器、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１
を制御し、ＥＥＣＭ７０からの電力レベルを要求する。
【００４１】本発明は、燃料電池スタック２２に関し、
特に、燃料電池スタックを、性能に犠牲を払うことな
く、より軽量、より小型、及びより安価に作る、燃料電
池スタックの構成、換言すれば、与えられた燃料電池サ
イズに対してより大きな電気出力を提供する燃料電池ス
タックの構成に関する。本発明に係る燃料電池スタック
は、図３に概略的に且つ斜視的に示されている。幅広く
考察すると、改質物２０及び空気２４は、前述した態様
で燃料電池スタックに配給され、酸素を使い果たした空
気２８及び水素流出物２６は、スタックから排気され
る。
【００４２】概観すると、スタックは、積み重ねられた
形態で配列された複数の燃料電池７６を備える。燃料電
池スタックは、個々の電池に改質物２０及び酸化剤の流
れ２４を配給し、電池から酸素を使い果たした空気２８
及び水素の流出物２６を排気するための適切なマニホル
ド構造（図示せず）を更に備えることが理解されよう。
燃料電池スタック２２で使用するため適した一般型式の
マニホルドが、例えば、本発明の代理人に譲渡された、
現在係属中の米国特許出願シリアル番号０９／６５１，
９３４号に示されている。
【００４３】各々の燃料電池７６（図５及び図６）は、
ＭＥＡ７８、上側ガス分配層８０、下側ガス分配層８
２、上側ガスセパレータプレート８４、及び、下側ガス
セパレータプレート８６を備える。
【００４４】各々のＭＥＡ７８は、薄い陽子透過性で非
導電性の固体ポリマー電解質（ＳＰＥ）の形態にあるイ
オノマー膜８８、該膜の上側面のアノード電極触媒層９
０、及び、該膜の下側面のカソード電極触媒層９２を備
える。
【００４５】良く理解されているように、ＳＰＥ膜８８
は、燃料電池スタック２２内の反応を容易にするための
イオン輸送を提供する。燃料電池の電極は、そのような
陽子輸送のための事実上連続的なポリマー接触を提供す
るため電極及びイオノマー膜の間の緊密な接触による陽
子輸送を提供する。この固体ポリマー電極（ＳＰＥ）膜
８８は当該技術分野でイオン伝導材料として周知されて
いる。典型的なＳＰＥ膜は、米国特許番号４，２７２，
３５３号及び３，１３４，６９７号、並びに、「電源誌
（Journal of Power Sources）」第２９巻（１９９０
年）３６７〜３８７頁に説明されている。
【００４６】ＳＰＥ膜即ちシートはイオン交換樹脂膜で
ある。これらの樹脂は、イオングループ及びそれらのポ
リマー構造を備え、そのうちの１つのイオン構成要素
は、ポリマーマトリックスにより固定即ち保持され、少
なくとも１つの他のイオン構成要素は、固定された構成
要素と静電的に連係された置換可能な可動性イオン（mo
bile replaceable ion）である。適切な条件下で他のイ
オンと代替されるべき可動性イオンの能力は、これらの
材料にイオン交換特性を分与する。
【００４７】電極９０、９２の各々は、対応するグルー
プの細かく分割された炭素粒子及び非常に細かく分割さ
れた触媒粒子、並びに、これらの粒子と混合された陽子
伝導材料から形成される。アノード電極を形成する炭素
粒子は、カソード電極を形成する炭素粒子とは異なるこ
とに着目されたい。更に加えて、アノード電極における
触媒ローディングは、カソード電極における触媒ローデ
ィングとは異なり得る。炭素粒子及び触媒ローディング
の特性が、アノード電極及びカソード電極の間で異なっ
ているが、２つの電極の基本的構成は、他の点では略類
似している。
【００４８】反応触媒にＨ+イオンを伝導させるための
連続経路を提供するため、陽子伝導材料が、各々の電極
を通して分散され、炭素及び触媒の粒子と混合され、触
媒粒子により画成された複数の孔内に配置される。
【００４９】ＭＥＡ７８は、入り組んだ形態を有し、特
に、図４の好ましい実施形態に示されるように、比較的
狭いコンボルーション（convolusion）７８ａが比較的
広いコンボルーション７８ｂと交互に形成された、非一
様の非対称台形形態を有する。
【００５０】各々のガス分配層８０／８２は、伝導多孔
性媒体、特に伝導発泡媒体のシートから形成される。好
ましい発泡形態は、開セル（open cell）型であり、伝
導グラファイト発泡媒体及び伝導金属媒体のいずれかで
ある。伝導グラファイト発泡媒体は、例えば、黒鉛化さ
れたプリロリティック（pryrolytic）材料であり、金属
伝導発泡媒体は、例えばインコネル（Inconel）６０
１、ステンレス鋼３１０などの低接触抵抗の、ハイグレ
ードのステンレス鋼又は金属合金である。
【００５１】各々のガス分配層８０／８２は、層８０、
ＭＥＡ７８及び層８２がジグザグパズル態様で一緒に適
合するようにＭＥＡ７８の台形形状に適合した台形形態
を有する。特に、上側ガス分配層８０は、ＭＥＡ７８の
台形形状に相当する台形下側表面８０ａ及び略平面の上
側表面８０ｂを持ち、下側ガス分配層８２は、ＭＥＡ７
８の台形形状に相当する台形上側表面８２ａ及び略平面
の下側表面８２ｂを持つ。
【００５２】各々のガスセパレータプレート８４／８６
は、平坦形状を有し、例えばステンレス鋼又はチタニウ
ムなどの金属伝導材料から形成されるのが好ましい。図
５に示された燃料電池２２の組み立てられた関係では、
上側ガス分配層８０の下側台形面８０ａは、ＭＥＡ７８
の上側台形面に対して配置され、下側ガス分配層８２の
上側台形面８２ａは、ＭＥＡ７８の下側台形面に対して
配置され、上側ガス分配層８０の平坦上側面８０ｂは上
側ガスセパレータ８４の平坦上側面に対して配置され、
下側ガス分配層８２の平坦下側面８２ｂは下側ガスセパ
レータ８６の平坦上側面に対して配置される。上側ガス
セパレータ８４は、焼結、ブレイズ溶接又は伝導接着プ
ロセスで層８０の上側面に結合され、同様に、下側ガス
セパレータ８６は、層８２の下側面に結合される。
【００５３】ＭＥＡ７８の頂上部７８ｃは、スタックの
入口長さ方向側部エッジ２２ａから、スタックの出口長
さ方向側部エッジ２２ｂまで燃料電池スタックに亘って
延在する一連の間隔を隔てた平行チャンネル９６を画成
するため、上側ガスセパレータプレート８４の近傍に配
置され、ＭＥＡの谷部７８ｄは、入口側部エッジ２２ａ
から出口側部エッジ２２ｂまで燃料電池スタックに亘っ
て延在する、一連の平行に間隔を隔てたチャンネル９８
を画成するため下側ガスセパレータ８６の近傍に配置さ
れる。ＭＥＡの不均等即ち非対称の台形形態のおかげ
で、平行に間隔を隔てたチャンネル９８は、平行に間隔
を隔てたチャンネル９６より幅広く、これによってより
大きいガス流れ容量を提供する。ＭＥＡの非対称形態
は、ＭＥＡのアノードに配給されるＨ2又は改質物の量
よりＭＥＡのカソードに配給される空気の量を大きくさ
せることを可能にし、空気が２１％のＯ2だけしか含ま
ないという事実を補償する。
【００５４】図４に示された燃料電池構成は、下側燃料
電池の上側ガスセパレータプレート８４と上側燃料電池
の下側ガスセパレータプレート８６との間に配置された
冷却層１０４により分離された、２つの積み重ねられた
燃料電池７６を含んでいることが理解されよう。冷却層
１０４は、ガス分配層８０及び８２のため用いられる型
式と類似した開セル発泡構造からなり、該冷却層に沿っ
て間隔を隔てたポイントで位置決めされた比較的密度の
濃い発泡部材１０６によって、燃料電池の入口側部エッ
ジから出口側部エッジまで燃料電池に亘って延在する平
行セグメントへと分割される、使用中において、水素の
豊富な改質物２０は、ＭＥＡのアノード電極９０と反応
するため小さいチャンネル９６を通して適切に多分岐す
ることによって回送されると同時に、空気は、ＭＥＡの
カソード電極９２と反応するため、比較的大きいチャン
ネル９８を、適切に多分岐しながら通過する。水素の豊
富な改質物がチャンネルを通過するとき、ＭＥＡの入り
組んだ形態によって、平行チャンネル間で交差移動がほ
とんどか或いは全く発生しないように、夫々のチャンネ
ルに事実上拘束される。これによって、発泡媒体の発泡
材料の多孔率における不可避の相当なばらつきにも拘ら
ず、アノード電極の表面に亘る水素のほぼ均一な分配が
確実になり、水素及びアノード電極間の相互作用のおか
げで発生する電気エネルギーの生成を最大にする。アノ
ード電極に亘るガス流れ分配は、流れ抵抗が各チャンネ
ルに沿って全体的制限を加えるため、ほぼ均一となり、
かくして、多孔率の変化は、全体的な流れ場に影響を及
ぼす局所的な揺らぎを可能にするというよりも、チャン
ネルの長さに亘って平均化される。
【００５５】同様にして、幅広いチャンネル９８を通過
する空気は、ＭＥＡの入り組んだ形態によって、平行チ
ャンネル間で交差移動がほとんどか或いは全く発生しな
いように、夫々のチャンネルに事実上拘束される。これ
によって、発泡媒体の発泡材料の多孔率における不可避
の相当なばらつきにも拘らず、カソード電極の表面に亘
る酸素のほぼ均一な分配が確実になり、酸素及びカソー
ド電極間の相互作用のおかげで発生する電気エネルギー
の生成を最大にする。
【００５６】更に、本発明の重要な態様によれば、ＭＥ
Ａの入り組んだ形態は、燃料電池の有効平面面積に対す
る膜面積の比率を最大にし、与えられた有効な平面燃料
電池面積に対する燃料電池の電気的出力を増加させる。
【００５７】燃料電池スタックの入口側部エッジから出
口側部エッジまで冷却層１０４を通って移動する水等の
冷却流体は、密度の濃い発泡ストリップ１０６により冷
却層の夫々の平行セグメントに制限され、これによっ
て、冷却層の発泡材料の多孔率における不可避の相当な
ばらつきにも拘らず、燃料電池の表面に亘る冷却流体の
ほぼ均一な分配を確実にする。
【００５８】図７に示された代替の燃料電池構成は、ほ
ぼ均一な体積の改質物及び空気がアノード及びカソード
電極に各々分配されるようにＭＥＡにより画成されたチ
ャンネル１９６及び１９８が体積においてほぼ等しくな
るように、ＭＥＡ１７８が同一即ち均等な台形形状を有
するという点を除いて、図４に示された構成と概略一致
している。
【００５９】図８に示された燃料電池構成は、燃料電池
に亘って空気及び改質物の輸送用の類似したサイズのチ
ャンネルを再び作り出す均一な正弦曲線形状をＭＥＡ２
７８が有するという点を除いて、図４に示された構成と
概略一致している。
【００６０】図９に示された燃料電池構成は、ほぼ等し
いサイズの燃料電池に亘って空気及び改質物の流れのた
めの通路を再び提供するように、ＭＥＡ３７８が均一な
三角形形状を有するという点を除いて、図４に示された
構成と概略一致している。
【００６１】図１０に示された燃料電池構成は、発泡ガ
ス分配層４８０及び４８２が、ガス分配層４８２の密度
がＭＥＡ４７８の頂上部４７８ａの近傍の最小密度から
ＭＥＡ４７８の谷部４７８ｂの近傍の最大密度まで変化
し、ガス分配層４８０の密度が谷部４７８ｂの近傍の最
小密度から頂上部４７８ａの近傍の最大密度まで変化す
るように均一な厚さの発泡ブロックから圧縮即ち押しつ
ぶしプロセスで形成されるという点を除いて、図８に示
された構成と概略一致している。その結果、最大密度ガ
ス分配層の領域は、ＭＥＡの頂上部及び谷部の近傍に置
かれ、これによって、連続的な平行水素改質物チャンネ
ル４９６の間、並びに、連続的な平行酸素チャンネル４
９８の間の分離を更に強調し、これによって、平行チャ
ンネル間の交差移動を更に最小にし、各々の電極の表面
に亘る改質物及び酸素のほぼ均一な分配を確実にする。
【００６２】図１１に示された燃料電池構成では、ＭＥ
Ａ５７８が、均一な正弦波形状を有し、ガス分配層は、
ＭＥＡの入り組んだ形態に相当する全体的に入り組んだ
構成を有する、伝導開セル発泡材料（グラファイト又は
金属含有材料）からなる薄い層１００によって形成され
る。ＭＥＡがガス分離プレート８４及び８６の間の空間
内に配置された状態の正弦波サンドウィッチ構成を形成
するように、層１００はＭＥＡの各面に対して配置され
る。層１００及びプレート８４／８６の間の導電性接続
を達成する態様で、上側層１００の頂上部１００ａは、
上側分離プレート８４の下面に結合され、及び、下側層
１００の谷部１００ｂは、下側分離プレート８６の上面
に結合される。金属発泡材料が層１００に対して利用さ
れる場合、ポイント１００ａ及び１００ｂにおける結合
工程は、焼結、ブレイズ溶接、又は、拡散結合の使用に
よってなすことができる。発泡グラファイトが層１００
の材料として利用される場合、結合工程は、伝導エポキ
シを用いて達成される。層１００は、それらの間に挟持
された膜５７８を支持するのに十分な剛性を持つ。層１
００と上側プレート８４、８６との間の接触ポイント
は、平行改質物チャンネル５９６及び平行酸素チャンネ
ル５９８を正確且つ積極的に分離するため役立ち、これ
によって、平行チャンネル間の交差移動を最小にし、各
々の電極の表面に亘って水素及び酸素のほぼ均一な分配
を確実にする。図１１の構成は、チャンネルを通るガス
流れ体積の与えられた要求に対して、チャンネルサイズ
を燃料電池サイズ全体の結果的な減少を伴って最小化す
ることができるようにチャンネル５９６及び５９８が全
体として遮蔽されないという更なる利点を有する。
【００６３】図１１の構成に対する代替例として、図１
２に示されるように、発泡層１００を、ＭＥＡ６７８の
両側に形成された金属薄膜層１０２に置き換えてもよ
い。薄膜層１０２には、各々のＭＥＡ電極への夫々のチ
ャンネルを通って流れる各ガスへのアクセスを可能にす
るため穿孔即ち穴１０２ａが形成される。
【００６４】更なる代替として、図１３に示されるよう
に、発泡層１００は、ＭＥＡ７７８の両側に配置された
金属ワイヤスクリーン１０４で代替することもできる。
図１２の薄膜層構成及び図１３のワイヤスクリーン構成
のいずれにおいても、層１０２／１０４は、燒結、ブレ
イズ溶接、拡散結合、或いは、接着エポキシ結合を利用
して、セパレータプレート８４及び８６に結合される。
【００６５】本発明は、ＭＥＡの入り組んだ形態が、平
坦な燃料電池面積に対する膜面積の比率を増加させ、こ
れによって与えられた燃料電池の平坦面積サイズに対し
て、燃料電池の電気的出力を増加させる。入り組んだＭ
ＥＡの形態は、ガス分配層を分離した平行チャンネル即
ちセグメントに分割することを容易にし、これによっ
て、発泡材料の多孔率の固有のばらつきに拘らず、ガス
分配層に対して安価な発泡材料に使用を可能にする。
【００６６】本発明は、現在のところ最も実用的で好ま
しい実施形態であると考えられるものと関連して説明さ
れたが、本発明は開示された実施形態に限定されるもの
ではなく、それどころか、本発明は、請求の範囲の精神
及び範囲内に含まれる様々な変形及び均等な構成を網羅
することが意図されており、その範囲は、特許法の下で
可能とされる全ての変形及び均等構成を包含するように
最も広く解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る、燃料電池スタックを組
み込んだ燃料電池システムの概略図である。
【図２】図２は、自動車の用途の模式表現で接続され
た、図１に示された燃料電池スタックの概略表現図であ
る。
【図３】図３は、本発明に係る燃料電池スタックの斜視
図である。
【図４】図４は、図３の４−４線に沿って取られた断面
図である。
【図５】図５は、図４に示す円５の内部の詳細図であ
る。
【図６】図６は、本発明に係る燃料電池の分解斜視図で
ある。
【図７】図７は、本発明に係る燃料電池の代替形態の断
面図である。
【図８】図８は、本発明に係る燃料電池の代替形態の断
面図である。
【図９】図９は、本発明に係る燃料電池の代替形態の断
面図である。
【図１０】図１０は、本発明に係る燃料電池の代替形態
の断面図である。
【図１１】図１１は、本発明に係る燃料電池の代替形態
の断面図である。
【図１２】図１２は、図１１に示された燃料電池の実施
形態への修正を示す図である。
【図１３】図１３は、図１１に示された燃料電池の実施
形態への修正を示す図である。
【符号の説明】
２ 燃料プロセッサ ６ 燃料の流れ ８ Ｈ2Ｏの流れ ９ 空気の流れ １２、１４ 燃料改質反応器 １６ シフト反応器、優先酸化反応器 ２０ Ｈ2の豊富な改質物 ２２ 燃料電池 ２２ａ スタックの入口長さ方向側部エッジ ２２ｂ スタックの出口長さ方向側部エッジ ２４ 酸化剤（空気；酸素）の流れ ２６ アノード流出物 ２８ カソード流出物 ３０ コンプレッサ ３１ バルブ ３２ バルブ ３４ 燃焼器 ３６ 燃焼器の排出物 ３８ レギュレータ ４１ チャンバー ４２ 入口端部 ４３ インジェクタ ４４ 出口端部 ４６ 炭化水素燃料 ４７ 空気希釈バルブ ４８ 触媒区分 ５０ バルブ ６０ 車両推進システム ６１ ＤＣ／ＤＣコンバータ ６２ バッテリー ６４ モータ ６５ インバータ ６６ 駆動車軸 ７０ 電気化学的エンジン制御モジュール ７１ バッテリーパックモジュール ７４ 車両コントローラ ７６ 複数の燃料電池 ７８、１７８、２７８、３７８、４７８、５７８、６７
８、７７８ 膜電極アセンブリ（ＭＥＡ） ７８ａ 比較的狭いコンボルーション ７８ｂ 比較的広いコンボルーション ８０ 上側ガス分配層 ８２ 下側ガス分配層 ８２ａ 台形上側表面 ８２ｂ 略平面の下側表面 ８４ 上側ガスセパレータプレート ８６ 下側ガスセパレータプレート ８８ イオノマー膜 ９０ アノード電極触媒層 ９２ カソード電極触媒層 ９６、９８ 平行チャンネル １００ 薄い層 １００ａ 頂上部 １００ｂ 谷部 １０２ 金属薄膜層 １０２ａ 穿孔 １０４ 金属ワイヤスクリーン １０６ 比較的密度の濃い発泡部材 １９６、１９８ チャンネル ４７８ａ 頂上部 ４７８ｂ 谷部 ４８０、４８２ 発泡ガス分配層 ４９６ 平行水素改質物チャンネル ４９８ 平行酸素チャンネル ５９６、５９８ チャンネル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブライアン・ケイ・ブレイディ アメリカ合衆国ニューヨーク州14514，ノ ース・チリ，キース・テラス 28 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CC05 CX01 CX05 EE06

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 陽子交換膜燃料電池であって、 陽子透過膜と、該膜の一方の面に形成された触媒アノー
    ド層と、該膜の他方の面に形成された触媒カソード層
    と、該触媒アノード及びカソード層の各々に亘って延在
    してガス流れ場を画成する、該層上に形成された伝導分
    配層と、を含む膜電極アセンブリを備え、 前記膜電極アセンブリは、入り組んだ形態を有すること
    を特徴とする、陽子交換膜燃料電池。
  2. 【請求項２】 各々のガス分配層は、夫々の触媒層に並
    列配置された入り組んだ表面を画成する、請求項１に記
    載の陽子交換膜燃料電池。
  3. 【請求項３】 前記入り組んだ表面と反対側の各々のガ
    ス分配層の表面は、略平坦である、請求項２に記載の陽
    子交換膜燃料電池。
  4. 【請求項４】 各々のガス分配層は、伝導多孔性媒体か
    ら形成される、請求項２に記載の陽子交換膜燃料電池。
  5. 【請求項５】 前記多孔性媒体は、発泡媒体である、請
    求項４に記載の陽子交換膜燃料電池。
  6. 【請求項６】 前記膜電極アセンブリ及び前記ガス分配
    層は、第１及び第２の対向するエッジを有する、サンド
    ウィッチ構造を形成し、 前記ガス分配層の各々は、ＭＥＡの入り組んだ形態によ
    って、複数の略平行セグメントへと分割され、各セグメ
    ントは、前記第１のサンドウィッチ構造の第１のエッジ
    から第２のエッジまで延在し、これによって、各触媒層
    に亘って延在する、複数の分離した略平行多孔性反応物
    経路を画成する、請求項４に記載の陽子交換膜燃料電
    池。
  7. 【請求項７】 前記燃料電池は、上側及び下側の略平坦
    なガスセパレータを更に備え、該セパレータの間に空間
    を画成し、 前記ＭＥＡの入り組んだ形態は、頂上部及び谷部を画成
    し、 各々結合されたＭＥＡ及びガス分配層は、ＭＥＡの前記
    頂上部が前記上側ガスセパレータの近傍に配置され、該
    ＭＥＡの前記谷部が前記下側セパレータの近傍に配置さ
    れた状態で前記空間内に配置され、これによって、各触
    媒層に亘って延在する、多孔性反応物経路の分離を強化
    する、請求項６に記載の陽子交換膜燃料電池。
  8. 【請求項８】 前記経路の間の分離は、前記ＭＥＡの前
    記頂上部及び谷部の近傍で各々のガス分配層の多孔率を
    減少させることによって更に強化される、請求項７に記
    載の陽子交換膜燃料電池。
  9. 【請求項９】 前記発泡媒体は、伝導グラファイト発泡
    媒体である、請求項５に記載の陽子交換膜燃料電池。
  10. 【請求項１０】 前記発泡媒体は、伝導金属発泡媒体で
    ある、請求項５に記載の陽子交換膜燃料電池。
  11. 【請求項１１】 前記ガス分配層の各々は、前記膜電極
    アセンブリの入り組んだ形態に対応して全体に亘る入り
    組んだ形態を有し、夫々の触媒層に対して係合する態様
    に配置される、請求項１に記載の陽子交換膜燃料電池。
  12. 【請求項１２】 前記燃料電池は、略平坦な伝導性の下
    側ガスセパレータと、該下側ガスセパレータの上方に配
    置された略平坦な伝導性の上側ガスセパレータと、を更
    に備え、これらのセパレータの間に空間を画成し、 前記膜電極アセンブリは、一方のガス分配層の順次連続
    する頂上部が前記上側ガスセパレータ上の順次連続する
    ポイントと電気的に接触し、他方のガス分配層の順次連
    続する谷部が前記下側ガスセパレータ上の順次連続する
    ポイントと電気的に接触した状態で、前記空間内に配置
    される、請求項１１に記載の陽子交換膜燃料電池。
  13. 【請求項１３】 複数の積み重ねられた燃料電池を含
    む、陽子交換膜の燃料電池スタックであって、 各々の燃料電池は、 入り組んだ形態を有する陽子透過性膜を含む膜電極アセ
    ンブリと、 前記膜の一方の面に形成された触媒アノード層、及び、
    該膜の他方の面に形成された触媒カソード層と、 前記触媒層の各々の近傍に配置された導電多孔性材料の
    シートであって、各々のシートは、前記膜の入り組んだ
    形態に対応する入り組んだ表面を有し、各シートの入り
    組んだ表面は、各々の触媒層に並列され、各シートは、
    長さ方向の両エッジに入口及び出口を有し、該ＭＥＡの
    入り組んだ形態は、各シートを、該シートの入口エッジ
    から出口エッジまで延在する複数の略平行なセグメント
    に分割し、これによって、複数の分離した略平行多孔性
    反応物経路が各触媒層に亘って延在する、前記導電多孔
    性材料と、 を含む、陽子交換膜燃料電池スタック。
  14. 【請求項１４】 前記多孔性材料は発泡材料である、請
    求項１３に記載の陽子交換膜燃料電池スタック。
  15. 【請求項１５】 各々の燃料電池は、上側及び下側の略
    平坦なガスセパレータを更に備え、該セパレータの間に
    空間を画成し、 前記ＭＥＡ及び前記多孔性材料のシートは、該ＭＥＡの
    頂上部が前記上側ガスセパレータの近傍に配置され、該
    ＭＥＡの谷部が前記下側セパレータの近傍に配置された
    状態で前記空間内に配置され、これによって、各触媒層
    に亘って延在する、多孔性反応物経路の分離を強化す
    る、請求項１４に記載の陽子交換膜燃料電池スタック。
  16. 【請求項１６】 前記反応物経路の間の分離は、前記Ｍ
    ＥＡの前記頂上部及び谷部の近傍で各々のシートの多孔
    率を減少させることによって更に強化される、請求項１
    ５に記載の陽子交換膜燃料電池スタック。
  17. 【請求項１７】 前記発泡材料は、伝導グラファイト発
    泡媒体である、請求項１４に記載の陽子交換膜燃料電池
    スタック。
  18. 【請求項１８】 前記発泡材料は、伝導金属発泡媒体で
    ある、請求項１４に記載の陽子交換膜燃料電池スタッ
    ク。
  19. 【請求項１９】 陽子交換膜燃料電池であって、 略平坦な伝導性の下側ガスセパレータと、 前記下側ガスセパレータの上方に配置され、且つ、セパ
    レータ間に空間を画成する、略平坦な伝導性の上側ガス
    セパレータと、 陽子透過膜、該膜の一方の面に形成された触媒アノード
    層、及び、該膜の他方の面に形成された触媒カソード層
    を含む膜電極アセンブリであって、該膜電極アセンブリ
    は、入り組んだ形態を有して前記空間に配置され、前記
    上側ガスセパレータ上で間隔を隔てて順次連続するポイ
    ントの近傍に配置された順次連続する頂上部と、前記下
    側ガスセパレータ上で間隔を隔てて順次連続するポイン
    トの近傍に配置された順次連続する谷部とを備え、これ
    によって、該膜電極アセンブリと、一方の前記触媒層に
    第１のガスを配給するための前記上側ガスセパレータ
    と、の間に一連の略平行な上側チャンネルを画成し、該
    膜電極アセンブリと、他方の前記触媒層に第２のガスを
    配給するための前記下側ガスセパレータと、の間に一連
    の略平行な下側チャンネルを画成する、前記膜電極アセ
    ンブリと、を含む、陽子交換膜燃料電池。
  20. 【請求項２０】 前記上側チャンネル及び下側チャンネ
    ルは、導電性多孔性媒体で充填され、これによって上側
    及び下側ガス分配層を画成する、請求項１９に記載の陽
    子交換膜燃料電池。
  21. 【請求項２１】 前記多孔性媒体は、伝導発泡媒体であ
    る、請求項２０に記載の陽子交換膜燃料電池。
  22. 【請求項２２】 前記発泡媒体は、伝導金属発泡媒体で
    ある、請求項２１に記載の陽子交換膜燃料電池。
  23. 【請求項２３】 前記発泡媒体は、伝導グラファイト発
    泡媒体である、請求項２１に記載の陽子交換膜燃料電
    池。
  24. 【請求項２４】 前記膜電極アセンブリの入り組んだ形
    態は、前記上側チャンネル及び下側チャンネルのうち１
    つが、該上側チャンネル及び下側チャンネルのうち他方
    よりも大きくなるように不均等であり、これによって、
    各々の触媒層に異なる量の第１及び第２のガスを配給す
    ることを容易にする、請求項１９に記載の陽子交換膜燃
    料電池。
  25. 【請求項２５】 １つ置きの入り組んだ部分は比較的広
    く、これによってより大きいチャンネルを画成し、残り
    の入り組んだ部分は比較的狭く、これによってより小さ
    いチャンネルを画成する、請求項２４に記載の陽子交換
    膜燃料電池。
  26. 【請求項２６】 入り組んだ上側伝導ガス分配層は、前
    記膜電極アセンブリ及び該膜電極アセンブリの触媒層の
    一方に対面する上側ガスセパレータの間に配置され、入
    り組んだ下側伝導ガス分配層は、該膜電極アセンブリ及
    び該膜電極アセンブリの触媒層の他方に対面する下側ガ
    スセパレータの間に配置され、これらのガス分配層は、
    それらの間に挟持された前記膜電極アセンブリを支持す
    るのに十分な剛性を有し、上側ガス分配層の順次連続す
    る頂上部が前記上側ガスセパレータ上の順次連続するポ
    イントと電気的に接触し、下側ガス分配層の順次連続す
    る谷部が前記下側ガスセパレータ上の順次連続するポイ
    ントと電気的に接触し、前記上側チャンネルが、上側ガ
    ス分配層及び上側ガスセパレータの間で画成され、前記
    下側チャンネルが、下側ガス分配層及び下側ガスセパレ
    ータの間で画成される、請求項１９に記載の陽子交換膜
    燃料電池。
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