JP2003505851A - 直接不凍液冷却燃料電池 - Google Patents

直接不凍液冷却燃料電池

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JP2003505851A JP2001512658A JP2001512658A JP2003505851A JP 2003505851 A JP2003505851 A JP 2003505851A JP 2001512658 A JP2001512658 A JP 2001512658A JP 2001512658 A JP2001512658 A JP 2001512658A JP 2003505851 A JP2003505851 A JP 2003505851A
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ディー． ブロルト，リチャード
エイ． コンディット，デイヴィッド
ピー． グラッソ，アルバート
イー． ゴルマン，マイケル
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インターナショナル フュエル セルズ，エルエルシー
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Abstract

(57)【要約】 還元剤と処理酸化剤流体の流れから電気エネルギーを発生させる直接不凍液冷却燃料電池が、開示される。燃料電池は、アノード電極触媒（５４）とカソード電極触媒（５６）との間に取り付けられる電解質（５２）と、アノード電極触媒と直接連通するように取り付けられアノード電極を保持する多孔質アノード電極基体（５８）と、カソード電極触媒と直接連通するように取り付けられカソード電極を保持する多孔質防水性カソード電極基体（６２）と、カソード電極基体と直接連通するように取り付けられる多孔質水移動プレート（６４）と、多孔質水移動プレートを通って流れる直接不凍液と、を含む。燃料電池の作動において、カソード電極触媒において電気化学的に生成される生成水は、触媒からカソード電極基体の中へ、さらに、水移動プレートの中へ流れるとともに、カソード電極基体は、防水性なので、水移動プレートを通って流れる不凍液は、実質的に水移動プレートの中にとどまる。好ましい直接不凍液は、グリセロールである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、輸送装置や移動式の電力設備に使用するためにまたは据え付け型電
力設備として適している、燃料電池に関し、本発明は、特に、燃料電池から熱を
除去するように燃料電池を通って流れる不凍液を使用する燃料電池に関する。
【０００２】
【背景技術】
燃料電池電力設備は、よく知られており、宇宙船に搭載された電気装置などの
電気装置に電力を供給するように、還元剤流体と酸化剤流体から電気エネルギー
を発生させるために通常使用されている。そのような電力設備では、通常、還元
剤流体、酸化剤流体、冷媒流体、生成物流体の流れを方向付けるためのマニホー
ルドを規定する電気絶縁体枠構造により囲まれたスタックの中に、複数の平面状
の燃料電池セルが配置される。それぞれ個々の燃料電池セルは、一般に、電解質
により隔てられたアノード電極とカソード電極を備える。水素などの反応物すな
わち還元剤流体は、アノード電極に供給され、酸素や空気などの酸化剤は、カソ
ード電極に供給される。電解質としてプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）を使用する
燃料電池では、水素は、アノード電極の表面で電気化学的に反応し、水素イオン
と電子を生成する。電子は、外部の負荷回路に伝わり、それから、カソード電極
に戻り、同時に、水素イオンは、電解質を通って、カソード電極に移動し、それ
らはそこで酸化剤および電子と反応し、水を生成するとともに、熱エネルギーを
放出する。
【０００３】 このような燃料電池のアノード電極とカソード電極は、燃料電池の作動環境の
制限や作動に必要な条件に従い、さまざまな種類の電解質によって隔てられる。
そのような電解質の１つに、当業技術においてよく知られた固体ポリマーから成
る、上述したプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）電解質がある。燃料電池に使用され
る別の通常の電解質には、アノード電極とカソード電極の間にある多孔質の非導
電性マトリックス中に保持されたリン酸や水酸化カリウムが含まれる。ＰＥＭの
膜によって、多孔質マトリックス中に毛管力により保持された液体電解質より圧
力差に対して耐性のある仕切が、還元剤流体と酸化剤の間に形成されるので、Ｐ
ＥＭ型燃料電池は、液体状の酸やアルカリの電解質を備えた燃料電池に対して、
特定の運転条件を満足することにおいてかなり有利であることが知られている。
さらに、ＰＥＭ電解質は、固定されていて、燃料電池から浸出せず、また、膜は
比較的安定した保水力を有する。
【０００４】 ＰＥＭ電解質を使用する燃料電池の製造は、通常、ＰＥＭの第１の面に隣接す
るアノード電極を形成するように白金合金などの適切な第１の触媒層をＰＥＭの
第１の面と第１または多孔質アノード電極基体との間に取り付けることと、ＰＥ
Ｍの反対の第２の面にカソード電極を形成するように第２の触媒層を第１の面と
は反対のＰＥＭの第２の面と第２または多孔質カソード電極基体との間に取り付
けることと、を含む。このような方法で取り付けられたアノード電極触媒、ＰＥ
Ｍ、カソード電極触媒は、当業技術においてよく知られており、「膜電極組立体
」または「Ｍ．Ｅ．Ａ．」と呼ばれており、ここでは、膜電極組立体と呼ぶ。Ｐ
ＥＭ型燃料電池の作動において、膜は、水で飽和され、膜に隣接するアノード電
極は、湿らせておく必要がある。アノード電極において生成した水素イオンは、
電解質を通って移動するので、水分子と形成したヒドロニウムイオンとしてアノ
ード電極からカソード電極に水分子をひきずる（ドラッグする）ことになる。水
は、また、浸透によりカソード電極からアノード電極に移動して戻る。カソード
電極において生成した生成物である水は、処理酸化剤または酸化剤流体の気体状
の流れ中へ蒸発または飛沫同伴することによって、燃料電池から除去される。多
孔質の反応物の流れの場を含む燃料電池において、本発明の全ての権利の譲受人
が所有する米国特許第４，７６９，２９７号に記載されているように、あるいは
、水の一部が、循環する冷却流体に多孔質の反応物の流れの場を通って液体とし
て除去可能である。
【０００５】 重要な利点を有する一方で、ＰＥＭ型燃料電池には、特に、液体状の水がＰＥ
Ｍに移動しＰＥＭを通ってさらにＰＥＭから移動することに関し、さらに、同時
に、気体状の還元剤流体と処理酸化剤流体とがＰＥＭの両面に隣接する電極にさ
らにこの電極から移動することに関し、重大な限界があることも、知られている
。先行技術には、これらの限界の影響を最小限に抑える多くの努力が含まれてい
る。輸送装置に電力を提供するそのような燃料電池の使用には、生成水が凝固す
るのを防止すること、燃料電池により電力が供給される輸送装置が凝固点下の条
件において作動されるときはいつでも始動時にどのような凝固した水も急速に融
解させること、などの、燃料電池水の管理に関連するさらなる問題が生じる。既
知の燃料電池は、通常、燃料電池を最適な温度範囲に維持するように、燃料電池
を通して冷却流体を供給する冷媒装置を使用する。冷却流体が水を含む溶液の場
合、冷却流体も凝固しないようにする必要がある。そのような冷却装置において
、冷却流体としてエチレングリコールと水またはプロピレングリコールと水など
の不凍液を使用することが知られている。しかしながら、このような不凍液は、
電極を形成する触媒によって吸収され触媒の活性を低下させることが知られてい
る。さらに、これらの不凍液は、表面張力が小さく、電池触媒に隣接するどのよ
うな防水性保持層をも濡らす溶液となり、それによって、反応物流体が触媒へ拡
散するのを妨げ、さらに、電極の性能を低下させる。さらに、これらの不凍液の
蒸気圧は、非常に高いので、燃料電池の排出の流れを通して、または、燃料電池
電力設備の燃料処理構成要素のボイラーにおいて発生される水蒸気から、不凍液
が過剰な割合で損失することになる。従って、不凍液を使用する燃料電池の冷却
装置は、不凍液が電極と直接連通しないように、電極からシールされることが知
られている。冷媒装置を、燃料電池と、従って、カソード電極において生成され
る生成水と、直接連通するのからシールすると、生成水を除去する効率が低下す
るので、電池の性能が低下することになる。冷媒プレートがシールされた燃料電
池は、通常、飛沫同伴される液体として生成水を除去する。これには、結果とし
て大きな圧力低下を伴う蛇行し曲がりくねった流路が必要である。そのような電
池の例が、米国特許第５，７７３，１６０号に示される。この種の電池は、多く
の燃料電池装置にとって好ましい作動圧力である周囲反応物圧力付近において作
動するには適していない。冷媒プレートがシールされた燃料電池は性能が低下す
るので、設計電力条件を満足するように、付加的な燃料電池を使用する必要があ
る。シールされた冷却器と関連するより重い冷却器と組み合わされる付加的な燃
料電池は、燃料電池電力設備の重量と体積が増加することになり、輸送装置に電
力を供給するのに使用される燃料電池にとって好ましくない。
【０００６】 さらに、燃料電池が輸送装置に電力を供給する場合、カソード電極に接触する
ように導かれる処理酸化剤の流れとして役に立つ大気は、湿度が大きく変化する
ものである。その結果として、ＰＥＭ電解質から水が損失するのを最小限に抑え
るために処理酸化剤と還元剤流体の流れを加湿するように、多大な努力が試みら
れていることが知られている。既知の努力には、燃料電池から生成水の一部を再
利用することと、燃料電池に供給される処理酸化剤と還元剤流体の少なくとも一
方の中へ気体として冷媒装置の中の冷却流体の一部を導くことと、の少なくとも
一方が含まれる。しかしながら、既知の燃料電池では、不凍液が触媒の活性を低
下させるのを防止するために、湿度を上昇させる流体は、どのような不凍液から
も制限を受けない必要がある。従って、既知の燃料電池は、加湿装置から隔離さ
れているシールされた冷媒装置を使用するか、あるいは、既知の加湿装置は、冷
却流体の中のまたは冷却流体と混合される生成水の中のどのような不凍液と電極
触媒が接触するのも隔離するように、複雑で重く大きな精製または膜障壁構成要
素を使用する。不凍液を隔離するこのような努力は、燃料電池の費用、重量、体
積を増加させる。従って、シールされた冷却装置内でカソード電極またはアノー
ド電極から不凍液冷却流体を隔離する必要がなく、さらに、燃料電池が作動しな
いときに凝固する可能性のある装置内の自由水を最小限に抑える、凝固点下の条
件において作動することができる燃料電池が必要とされている。
【０００７】
【発明の開示】
還元剤と処理酸化剤流体の流れから電気エネルギーを発生させる直接不凍液冷
却燃料電池が、開示される。燃料電池は、アノード電極触媒とカソード電極触媒
との間に取り付けられる電解質と、アノード電極触媒と直接連通するように取り
付けられアノード電極を保持する多孔質アノード電極基体と、カソード電極触媒
と直接連通するように取り付けられカソード電極を保持する多孔質防水性カソー
ド電極基体と、多孔質カソード電極基体と直接連通するように取り付けられる多
孔質水移動プレートと、多孔質水移動プレートを通って流れる直接不凍液と、を
含む。燃料電池の作動において、カソード電極触媒において電気化学的に生成さ
れる生成水は、カソード電極触媒から多孔質カソード電極基体の中へ、さらに、
多孔質水移動プレートの中へ流れるとともに、多孔質カソード電極基体は、防水
性なので、多孔質水移動プレートを通って流れる直接不凍液は、実質的に水移動
プレートの中にとどまり、カソード電極触媒と液体を接触させない。
【０００８】 直接不凍液は、防水性カソード電極基体を濡らさずかつ電池作動温度において
不揮発性であるどのような有機不凍液も使用することができる。ここでの目的の
ために、「不揮発性」は、燃料電池作動温度における燃料電池の各５００作動時
間ごとに、不凍液がその１０％未満の損失を維持することを意味するように定義
される。あるいは、第１の好ましい直接不凍液は、以下の特性：１． 少なくと
も−２８．８度摂氏（以下、「℃」とする）［−２０度華氏（以下、「°Ｆ」と
する）］の凝固点；２． 約６６℃（１５０°Ｆ）の電池作動温度において、６
０ダイン毎センチメートル（以下、「ｄｙｎｅ／ｃｍ」とする）を超える表面張
力；３． 約６６℃（１５０°Ｆ）において、０．００５ｍｍ水銀（以下、「ｍ
ｍＨｇ」とする）未満である、溶液上の不凍液の分圧；４． 燃料電池電圧にお
いて燃料電池の触媒によって酸化可能であること、を有する、特別な直接不凍液
とすることができる。第２の好ましい不凍液は、アルカントリオール直接不凍液
とすることができ、特に、グリセロール、ブタントリオール、ペンタントリオー
ルからなる群より選択されるアルカントリオール、とすることができる。直接の
特別なアルカントリオール直接不凍液は、水移動プレートからカソード電極触媒
またはアノード電極触媒と接触するように気体として不凍液が移動するのを最小
限に抑え、さらに、燃料電池から排出される排出の流れのように、どのような他
の燃料電池構成要素からも不凍液が損失するのを最小限に抑える。
【０００９】 直接不凍液冷却燃料電池の好ましい実施態様において、アノード電極基体は、
疎水性にすることで、さらに、水移動プレートからカソード電極触媒およびアノ
ード電極触媒と接触するように液体状の不凍液が移動するのを最小限に抑えるよ
うに、さらに、防水性とすることができる。
【００１０】 別の実施態様において、水移動プレートを通って流れる直接不凍液は、水移動
プレートに隣接して流れる処理反応物の流れの圧力より低い圧力において流れる
ように、導かれることができる。好ましい燃料電池は、周囲圧力付近で作動し、
処理酸化剤の流れと還元剤流体の流れとは、周囲圧力より上の１〜２ポンド毎平
方インチゲージ（以下、「ＰＳＩＧ」とする）に加圧され、直接不凍液は、周囲
圧力より下の約１〜２ＰＳＩＧにおいて、水移動プレートを通って流れるように
導かれる。水移動プレートの中の不凍液と処理酸化剤の流れとのこのような正の
圧力差は、さらに、カソード電極触媒において生成される生成水がカソード電極
基体を通って水移動プレートの中へ移動するのに、役に立つ。正の圧力差によっ
て、さらに、水移動プレートの中を流れるどのような液体状の不凍液も、水移動
プレートから、多孔質カソード電極基体に隣接してまたは多孔質カソード電極基
体の中においての少なくとも一方において形成される反応物の流れの場の中を流
れる、より高い圧力の処理反応物の流れの中へ、流れ込んで移動するのが、制限
される。
【００１１】 従って、本発明の一般的な目的は、先行技術の不備を克服する、直接不凍液冷
却燃料電池を提供することである。
【００１２】 より具体的な目的は、凝固点下の条件における作動用のシールされた冷媒装置
の必要性を解消する直接不凍液冷却燃料電池を提供することである。
【００１３】 さらなる別の目的は、不凍液冷却流体と燃料電池との間の加湿装置の精製また
は膜障壁構成要素の必要性を解消する直接不凍液冷却燃料電池を提供することで
ある。
【００１４】 本発明の直接不凍液冷却燃料電池のこれらと他の目的、利点は、添付の図面と
併せて、以下の説明を読むことで、より容易に明らかになるであろう。
【００１５】
【発明を実施するための最良の形態】
図面を詳細に参照すると、本発明の直接不凍液冷却燃料電池が、図１に示され
ており、全体が参照番号１０により示されている。燃料電池１０は、アノード電
極の流れの場１２を含み、このアノード電極の流れの場１２は、アノード電極の
流れの場１２を通って流れ、還元剤流体排出口１８を通って燃料電池１０から排
出されるように、燃料供給構成要素１４から燃料通路１６を通って導かれる還元
剤流体を受け取る。燃料電池１０は、さらに、カソード電極の流れの場２０を含
み、このカソード電極の流れの場２０は、カソード電極の流れの場２０を通って
流れ、酸化剤排出口２６を通って燃料電池１０から排出されるように、酸化剤供
給構成要素２２から酸化剤通路２４を通って導かれる処理酸化剤の流れを受け取
る。燃料電池１０の中へ気体状酸化剤の流れを可変的に流すように、酸化剤送風
機２８が、酸化剤通路２４に配置可能である。しかしながら、そのような送風機
は、大気圧から約７０．３〜１４０．６ｇ／ｃｍ2（１．０〜２．０ポンド毎平
方インチ）大気圧を上まわるまでの範囲、すなわち約１０１．５ＫＰａ〜約１０
８．４ＫＰａ［１４．７〜約１６．７ポンド毎平方インチ大気（以下、ＰＳＩＡ
とする）］の範囲に、処理酸化剤の流れの作動圧力を、好ましくは、いくぶん上
昇させるだけであることが、強調される。
【００１６】 直接不凍液などの冷却流体が、冷媒供給ライン３０を通ってカソード電極の流
れの場２０に隣接する燃料電池１０の多孔質水移動プレート３２の中へ、さらに
燃料電池１０から冷媒排出ライン３４の中へ導かれる。水移動プレート３２は、
さらに、燃料電池を冷却するように役に立ち、ときとして冷却プレートとして呼
ばれることがある。冷媒供給ライン３０と冷媒排出ライン３４とは、冷却流体を
冷却するように、自動車に一般的なラジエータ型の熱交換器などの冷媒熱交換器
３６と連通できる。冷却流体を水移動プレート３２、冷媒排出ライン３４、冷媒
熱交換器３６の中へ供給するために、冷媒ポンプ３８を、冷媒供給ライン３０に
取り付け可能である。冷媒供給ライン３０、水移動プレート３２、冷媒排出ライ
ン３４、冷媒熱交換器が、図１に概略示されるように連通するとき、これらの構
成要素は、冷媒ループ４０として特徴付けることができ、冷却流体は、水移動プ
レート３２を循環するとともに冷媒ループ４０を循環するような冷却流体として
記載される。あるいは、冷媒供給ライン３０は、冷媒ループ４０を循環せずに水
移動プレートを通って流れるように、冷却流体を導くことができる。そのような
実施態様において、冷却流体は、精巧な燃料電池水管理装置（図示せず）の一部
とすることができる。液体状の冷却流体を蓄積する冷却流体蓄積手段４２が、冷
却流体の一部と、燃料電池１０の中で生成され水移動プレート３２、冷媒排出ラ
イン３４、蓄積装置供給ライン４４を通って流れるどのような水も、受け取るこ
とができる。冷却流体蓄積手段４２は、蓄積された冷却流体と燃料電池生成水と
を、蓄積装置排出ライン４６を通して導き、それによって、冷却流体と生成水と
を、電池加湿装置（図示せず）、燃料処理構成要素（図示せず）、当業技術にお
いてよく知られる燃料電池電力設備に関連するその他の構成要素に導くことがで
きる、よく知られる蓄積装置とすることができる。蓄積装置は、さらに、作動条
件が変化することによる冷却流体の体積の変化を吸収する。
【００１７】 燃料電池１０は、カソード電極の流れの場２０の中の燃料電池１０を通って流
れる処理酸化剤の流れと水移動プレート３２の中の燃料電池１０を通って流れる
冷却流体との間に正の圧力差を維持する圧力制御手段を、含むことができる。圧
力制御手段は、冷媒ポンプ３８と水移動プレート３２との間の冷媒供給ライン３
０に取り付けられた圧力制御弁４８などの圧力制御弁手段と適切に配置された冷
媒ポンプ３８を含むことができ、この圧力制御弁手段は、弁手段の下流の冷媒供
給ライン３０、水移動プレート３２、冷媒排出ライン３４の中の冷却流体の特定
の圧力を維持する。よく知られるように、圧力制御弁４８は、手動、自動で設定
可能であり、または、例えば、弁４８を通る流れを制限し、それによって、冷媒
供給ライン３０から、冷媒ポンプ３８、水移動プレート３２、冷媒排出ライン３
４、冷媒熱交換器３６の中へ引き込まれる冷却流体の流れが、カソード電極の流
れの場２０の中の処理酸化剤の流れの圧力より低い圧力となるように、カソード
電極の流れの場２０内の処理酸化剤の流れの中の基準圧力に基づいて、電気機械
的に調整できる。ここでの目的のためのさらなる圧力制御手段は、１９９７年１
２月２３日に発行され、ライザー（Ｒｅｉｓｅｒ）に付与され、本発明の譲受人
に譲渡された米国特許第５，７００，５９５号に開示されているものなどのよう
に、気体状の流れの基準圧力より液体状の流れの圧力を低下させることができる
、よく知られるどのような機構も含むことができる。冷媒ループ４０を構成する
材料は、自動車技術に一般的な熱交換器などの当業技術においてよく知られる標
準材料、航空機製造技術などでよく知られる配管、弁など、から製造できる。
【００１８】 燃料電池１０は、さらに、アノード電極の流れの場１２とカソード電極の流れ
の場２０との間に取り付けられ電気エネルギーを生成するために還元剤流体と酸
化剤の流れとを必要とする電気化学反応を促進する膜電極組立体５０（以下、便
宜のために、ときとして、「Ｍ．Ｅ．Ａ．」と呼ぶ）を含み、この電気エネルギ
ーは、例えば、輸送装置（図示せず）などに動力を供給する電気モータ（図示せ
ず）などのエネルギーを消費する負荷に、標準回路（図示せず）を通って伝導す
る。さらに、複数の類似する燃料電池（図示せず）に隣接して燃料電池セル１０
を取り付け、枠構造により囲まれたセルスタックを形成するのはよく知られてお
り、この枠構造によって、当業技術においてよく知られた方法で、還元剤流体、
処理酸化剤、冷却流体の流れを、燃料電池１０の中へ導き、さらにそこから導き
出すマニホールドが規定される。
【００１９】 Ｍ．Ｅ．Ａ．５１は、図２において、より大きく詳細に示され、ここでの目的
のために、プロトン交換膜（「ＰＥＭ」）などの電解質５２と、この電解質５２
の両側にアノード電極触媒５４とカソード電極触媒５６とを含むように形成され
る。燃料電池１０は、さらに、アノード電極水移動プレート６０とアノード電極
触媒５４との間にアノード電極触媒５４と直接連通するように取り付けられ、ア
ノード電極触媒５４に隣接して還元剤流体を流す防水性アノード電極保持手段を
、備える。防水性アノード電極保持手段は、アノード電極水移動プレート６０と
アノード電極触媒５４との間に互いに隣接して取り付けられる、多孔質アノード
電極基体５８、多孔質アノード電極拡散層６６、または多孔質アノード電極基体
５８と多孔質アノード電極拡散層６６の両方などの、１つまたは複数の多孔質層
を含むことができ、少なくとも１つの多孔質層は、防水性である。
【００２０】 燃料電池１０は、さらに、カソード電極水移動プレート６４とカソード電極触
媒５６との間にカソード電極触媒５６と直接連通するように取り付けられ、カソ
ード電極触媒５６に隣接して処理酸化剤の流れを流す防水性カソード電極保持手
段を、備える。防水性カソード電極保持手段は、カソード電極水移動プレート６
４とカソード電極触媒５６との間に互いに隣接して取り付けられる、多孔質カソ
ード電極基体６２、多孔質カソード電極拡散層６８、または多孔質カソード電極
基体６２と多孔質カソード電極拡散層６８の両方などの、１つまたは複数の多孔
質層を含むことができ、少なくとも１つの多孔質層は、防水性である。多孔質カ
ソード電極基体６２と多孔質アノード電極基体５８とは、約６５〜約７５％の多
孔度を有する多孔質炭素・炭素繊維複合物とすることができ、１ｃｍ3当たり約
０．１８ｇの濃度に、「テフロン（Ｔｅｆｌｏｎ）（登録商標）」（以下に、よ
り詳細に説明するように）などの疎水性物質により防水することができる。多孔
質アノード電極拡散層６６と多孔質カソード電極基体拡散層６８とは、テフロン
（以下に、より詳細に説明するように）などの約５０％疎水性材料と約５０％炭
素材料とすることができる。
【００２１】 多孔質カソード電極水移動プレート６４は、多孔質カソード電極基体６２、多
孔質カソード電極拡散層６８、カソード電極触媒５６と直接連通する。同様に、
多孔質アノード電極水移動プレート６０は、多孔質アノード電極基体５８、多孔
質アノード電極拡散層６６、アノード電極触媒５４と直接連通する。
【００２２】 アノード電極の流れの場（図１の実施態様において、参照番号１２で概略示さ
れる）は、図２の概略図において、アノード電極水移動プレート６０の中に形成
された複数の燃料流路７２、燃料入口７０から構成可能であることが、指摘され
る。同様に、カソード電極の流れの場は、カソード電極水移動プレート６４の中
に形成された複数の酸化剤流路７６、酸化剤入口７４から構成可能である。さら
に、アノード電極の流れの場１２とカソード電極の流れの場２０とは、当業技術
においてよく知られるとともにアノード電極触媒５４およびカソード電極触媒５
６と接触して流れるように燃料と処理酸化剤の流れを導くため燃料電池構成要素
の中に形成される空隙、異なる流路または溝から構成可能である。図２において
示されるように、多孔質アノード電極水移動プレート６０と多孔質カソード電極
水移動プレート６４とは、隣接する水移動プレート（図示せず）と協同するよう
に構成可能であり、それによって、アノード電極水移動プレート６０の中に形成
されるアノード電極側冷媒流路７８Ａ、７８Ｂ、７８Ｃと、カソード電極水移動
プレート６４の中に形成されるカソード電極側冷媒流路８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃ
とは、冷却流体の流れを水移動プレート６０、６４に供給する冷媒流路の網状構
造を形成するように、セルスタック装置内の隣接する燃料電池（図示せず）の隣
接する水移動プレートの冷媒流路と鏡像関係において協同することができる。
【００２３】 燃料電池１０の作動において、アノード電極側冷媒流路７８Ａ、７８Ｂ、７８
Ｃおよびカソード電極側冷媒流路８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃは、冷媒供給ライン３
０および冷媒排出ライン３４と連通し、それによって、冷媒供給ライン３０から
の冷却流体の流れが、水移動プレートの細孔容積を飽和するように、アノード電
極およびカソード電極冷媒流路を通って、アノード電極およびカソード電極水移
動プレート６０、６４の中へ流れる。冷却流体の流れは、次に、冷媒排出ライン
３４の中へ流れる。アノード電極およびカソード電極水移動プレートの通気細孔
容積を充填することにより、冷却流体または直接不凍液の流れは、還元剤流体燃
料流路７２の中の気体状の還元剤流体が隣接する電池の酸化剤流路の中へ流れる
のを防止する気体障壁またはシールを形成する。多孔質アノード電極基体５８層
と多孔質アノード電極拡散層６６の少なくとも一方を防水することにより、液体
不凍液は、アノード電極水移動プレート６０から移動するのが、さらに、アノー
ド電極触媒５４と接触するようにアノード電極基体５８と拡散層６６を通って流
れるのが、制限される。
【００２４】 同様に、多孔質カソード電極基体層６２とカソード電極拡散層６８の少なくと
も一方を防水することにより、液体状の直接冷却不凍液冷媒の流れは、カソード
電極水移動プレート６４から移動するのが、さらに、カソード電極触媒５６と接
触するようにカソード電極基体とカソード電極拡散層を通って流れるのが、防止
される。さらに、燃料電池１０が作動する間、カソード電極水移動プレート６４
の中に形成される酸化剤流路７６またはカソード電極の流れの場を通って流れる
処理処理酸化剤の流れの中へ、カソード電極触媒５６において形成される生成水
は、水蒸気または液体として、除去される。従って、特に、圧力制御弁４８によ
って、カソード電極の流れの場の中の処理酸化剤の流れとカソード電極水移動プ
レート６４の中の不凍液の流れとの間に正の圧力差が生じているとき、生成水の
大部分は、カソード電極の流れの場７６から、さらに、多孔質カソード電極水移
動プレート６４を通って流れる不凍液冷媒の流れの中へ、移動する。
【００２５】 直接不凍液は、防水性カソード電極基体を濡らさずかつ電池作動温度において
実質的に不揮発性であるどのような有機不凍液も使用することができる。ここで
の目的のために、「不揮発性」は、燃料電池作動温度における燃料電池の各５０
０作動時間ごとに、不凍液がその１０％未満の損失を維持することを意味するよ
うに定義される。あるいは、第１の好ましい直接不凍液は、以下の特性：１．
少なくとも−２８．８℃（−２０°Ｆ）の凝固点；２． 約６６℃（１５０°Ｆ
）において、６０ダイン毎センチメートル（以下、「ｄｙｎｅ／ｃｍ」とする）
を超える表面張力；３． 約６６℃（１５０°Ｆ）において、０．００５ｍｍ水
銀（以下、「ｍｍＨｇ」とする）未満である、溶液上の不凍液の分圧；４． 燃
料電池電圧において燃料電池の触媒によって酸化可能であること、を有する、特
別な直接不凍液とすることができる。第２の好ましい不凍液は、アルカントリオ
ール直接不凍液とすることができ、特に、グリセロール、ブタントリオール、ペ
ンタントリオールからなる群より選択されるアルカントリオール、とすることが
できる。アルカントリオール直接不凍液は、どのようなアルカントリオールを含
む不凍液とすることもできる。
【００２６】 ＰＥＭ電解質、防水性アノード電極およびカソード電極基体５８、６２、アノ
ード電極およびカソード電極拡散層６６、６８を含む例示的燃料電池は、アノー
ド電極またはカソード電極触媒５４、５６へグリセロール−水不凍液が許容でき
ないほどは吸収されずに、有効な試験特性を示した。例示的な燃料電池は、メリ
ーランド州エルクトン（Ｅｌｋｔｏｎ）のＷ．Ｌ．ゴア・アンド・アソシエイツ
社（Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ ａｎｄ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，Ｉｎｃ．）から、製品
識別番号「ＰＲＩＭＥＡ−５５６０」として、入手された膜電極組立体の中の１
５ミクロンＰＥＭ電解質を含んでいた。アノード電極触媒は、０．４ｍｇ／ｃｍ 2 の白金と０．２ｍｇ／ｃｍ2のルテニウムを含む白金−ルテニウム合金から構成
された。カソード電極触媒は、０．４ｍｇ／ｃｍ2の白金であった。
【００２７】 多孔質アノード電極およびカソード電極基体層は、約０．０１５３〜０．０１
７８ｃｍ（０．００６〜０．００７インチ）の厚みと、約６５〜７５％の多孔度
とを有する多孔質炭素・炭素繊維複合物であり、ニューヨーク州ニューヨーク市
のトレイ社（Ｔｏｒａｙ Ｃｏｍｐａｎｙ）から、等級ＴＧＰ−Ｈ−０６０とし
て、入手された。アノード電極およびカソード電極基体層は、デラウェア州ウィ
ルミントンのデュポン社（Ｅ．Ｉ． ＤｕＰｏｎｔ Ｃｏｍｐａｎｙ）により販
売されたテフロン等級「ＦＥＰ−１２１」を用いて、当業技術においてよく知ら
れる防水方法によって、約０．１８ｇ／ｃｍ3の濃度に、均一に防水された。
【００２８】 多孔質アノード電極およびカソード電極気体拡散層は、本発明の全ての権利の
譲受人により所有されている米国特許第４，２３３，１８１号に記載されており
当業技術においてよく知られている方法によって、アノード電極およびカソード
電極基体の両方に、被覆された。アノード電極およびカソード電極拡散層は、約
０．００７６〜０．０１０２ｃｍ（０．００３〜０．００４インチ）の厚みであ
り、約５．４ｍｇ／ｃｍ2の質量を有していた。アノード電極およびカソード電
極気体拡散層は、マサチューセッツ州ビルリカ（Ｂｉｌｌｅｒｉｃａ）のキャボ
ット社（Ｃａｂｏｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から入手されたＶｕｌｃａｎ
ＸＣ−７２ 約５０％と、上述したデュポン社（Ｅ．Ｉ． ＤｕＰｏｎｔ Ｃｏ
ｍｐａｎｙ）から入手されたテフロン、等級「ＴＦＥ−３０」 約５０％とから
構成された。アノード電極およびカソード電極気体拡散層は、防水性または疎水
性にするために、約３４９°（６６０°Ｆ）で、約５分間、加熱された。
【００２９】 電池のアノード電極およびカソード電極の流れの場は、多孔質であり、アノー
ド電極およびカソード電極水移動プレートの中に形成された。水移動プレートは
、約２〜３μｍの平均細孔径と３５〜４０％の多孔度とを有する多孔質黒鉛であ
った。これらのプレートは、本発明の全ての権利の譲受人により所有されている
米国特許第５，８４０，４１４号に記載されている方法によって、酸化スズで処
理することにより、濡らすことができるようにした。電池は、約０．０３７ｍ2
（０．４平方フィート）の活性領域を有し、全体の大きさは、約１５．２４ｃｍ
（６．０インチ）の高さ×３０．４８ｃｍ（１２インチ）の幅×０．３５６ｃｍ
（０．１４０インチ）の厚みであった。
【００３０】 電池を通って流れる処理酸化剤の流れは、電池を通って流れる還元剤流体と不
凍液冷媒の流れの流れパターンと比較する目的で、酸化剤入口と酸化剤出口との
間の酸化剤の流れ軸としてここでは便宜上特徴付けられる単一通路酸化剤の流れ
パターンとして形成した。酸化剤の流れ軸に実質的に垂直に流れ、酸化剤の流れ
軸を２回横断し、さらに、一般に酸化剤入口から酸化剤出口の方向に流れる、２
つの通路の還元剤流体パターンを、還元剤流体は、形成した。酸化剤の流れ軸に
実質的に垂直で、酸化剤の流れ軸を約３回横断し、一般に酸化剤出口から酸化剤
入口の方向に流れる、３つの通路の流れパターンを、不凍液冷媒の流れは、形成
した。便宜上、上述した還元剤流体の流れパターンは、酸化剤の流れ軸に並行に
横断すると呼ばれることになり、上述した不凍液冷媒の流れの流れパターンは、
酸化剤の流れ軸に対向して横断すると呼ばれることになる。この試験は、酸化剤
の流れ軸に対向して横断する不凍液冷媒の流れの流れパターンとともに、行われ
たが、並行して横断する方が、酸化剤入口において電池温度を最小限に抑えて、
局所的な相対湿度が最大になり、それによって、必要な加湿が最小限に抑えられ
るとともに電解質の乾燥も最小限に抑えられるので、好ましい構成は、並行して
横断する方である。
【００３１】 電池は、６５度摂氏（以下、「℃」とする）の公称温度において作動され、約
プラスまたはマイナス５℃内で、概略等温であった。例示的な電池の試験特性の
ために使用された燃料は、純水素ガスであった。燃料は、６５℃における約１０
０％の相対湿度に加湿された。燃料の流れは、８０パーセント（「％」）の水素
利用率を維持するように、電池の電流密度に比例して変化させた。燃料圧力は、
約１０１．５２ＫＰａ（１４．７ＰＳＩＡ）であった。試験に使用された酸化剤
は、空気であった。酸化剤は、処理酸化剤の流れを標準飽和器に通すことによっ
て、６５℃における約０〜１００％の相対湿度の範囲に亘って加湿された。酸化
剤の流れは、３０パーセントの酸素利用率を維持するように、電池の電流密度に
比例して変化させた。酸化剤圧力は、約１０１．５２ＫＰａ（１４．７ＰＳＩＡ
）であった。
【００３２】 試験に使用された冷媒の流れは、純水から６５％グリセロールと３５％水まで
の範囲に亘った。使用されたグリセロールは、認証ＡＣＳ等級９９．９％グリセ
ロールであった。不凍液冷却流体の形態として「グリセロール」という語をここ
で使用するのには、「グリセリン」を含むことも意図されており、「グリセリン
」は、ここにおいて、さらに一般的了解として、グリセロールと水の水溶液すな
わち混合物を含むと理解される、ということが指摘される。不凍液（グリセロー
ルと水、例えば、「グリセリン」）中のグリセロールの濃度は、２０℃における
グリセロールと水の溶液の比重を測定することにより決定された。アノード電極
およびカソード電極の流れの場の流路を形成するアノード電極およびカソード電
極の水移動プレートの両方における冷媒流路を、不凍液冷媒の流れは、約６．８
Ｋｇ／ｈ（１５ポンド／時）の合計流量で、循環した。電池に供給されかつ電池
から排出される冷媒の流れの入口および出口温度は、６５±５℃であった。
【００３３】 電池は、最初、冷却流体として純水を用いて試験された。電流密度は、２３．
２２５Ａ／ｍ2（２５０アンペア毎平方フィート）（以下、「ＡＳＦ」とする）
に設定され、電池電圧は、約４時間に亘ってモニタされた。燃料および酸化剤の
両方とも、６５℃において約１００％相対湿度に飽和された。次に、冷媒組成は
、約１５、３０、５０、６５重量％グリセロールに変更された。特性は、グリセ
ロール濃度の各変更の後、４時間、モニタされた。結果は、表１に挙げられる。
【００３４】
【表１】
【００３５】 表１に挙げられた結果を生じる試験は、５日間に亘って実施されたものであり
、試験と結果は、ここでは便宜上、直接不凍液冷却燃料電池の「第１の試験」と
呼ばれる。電池は、１００％相対湿度に飽和された窒素をアノード電極およびカ
ソード電極の流れの場の両方を通して流しながら、６５℃において夜通し保持し
た。冷媒流量は、試験の間は常時、６５±５℃において１５ポンド／時に維持さ
れた。表１のデータは、６５％グリセロールまで含む不凍液と、冷媒としての水
を置き換える場合、特性に不利な影響はないことを示している。
【００３６】 第２の一連の試験は、グリセロール濃度が、約６０％に維持されるとともに、
酸化剤の流れの相対湿度が、燃料電池の酸化剤入口において、０〜１００％に変
更された。第１の試験の試験条件の全ては、上述したように、第２の試験にも該
当する。処理酸化剤の流れの相対湿度は、約１００％から、５７％、３１％、１
６％、０％に、変更された。電池の特性は、酸化剤相対湿度の各変更の後、４時
間、モニタされた。第２の試験の結果は、表２に挙げられる。
【００３７】
【表２】
【００３８】 第２の試験の表２のデータは、燃料電池の酸化剤入口における処理酸化剤の相
対湿度が、約３０％を下まわる場合、燃料電池特性に不利な影響があることを示
している。カソード電極の流れの場の中において３０％を下まわる処理酸化剤の
相対湿度では、不凍液が、処理酸化剤の流れからカソード電極水移動プレートの
中へ、水分を引き込む。従って、水分は、効果的にＰＥＭを脱水する速度で、プ
ロトン交換膜（ＰＥＭ）から処理酸化剤の流れの中へ移動し、それによって、電
池の特性が低下することになる。
【００３９】 さらに別の、すなわち第３の試験において、上述したＷ．Ｌ．ゴア・アンド・
アソシエイツ社（Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ ａｎｄ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，Ｉｎｃ．
）から入手された型番「ＰＲＩＭＥＡ−５５１０」、膜電極組立体を含む５．０
８ｃｍ×５．０８ｃｍ（２インチ×２インチ）ＰＥＭ型電池が試験された。電池
構成は、アノード電極触媒が０．４ｍｇ／ｃｍ2の白金であり、冷媒がないこを
除いて、先に説明された試験と同一であった。
【００４０】 電池は、約１００％の相対湿度に飽和された空気と水素を、４６．５Ａ／ｍ2
（５００アンペア毎平方フィート）（「ＡＳＦ」）においてそれぞれ３０％と８
０％の利用率で用い、１０１．５２ＫＰａ（１４．７ＰＳＩＡ）、６５℃で、作
動された。乾燥酸化剤の一部が、グリセロールで満たされた飽和器を通って流さ
れ、次に、電池に導入する前に、加湿された空気と混合された。酸化剤入口７４
における蒸気中のグリセロール濃度は、６５℃における５５重量％グリセロール
溶液上のグリセロールの平衡濃度である約４ｐｐｍになるように設定された。目
的は、どのくらい速くグリセロールが電池の性能を低下させるかを評価すること
であった。試験は、１６時間行われた。この間に、電池電圧は、０．６８３Ｖの
初期値から０．６３８Ｖの最終値に減少した。両方の電極の電位は、空気開回路
電位に上昇された。この処理の後、電池の特性では、電池は、０．６８１Ｖに回
復した。
【００４１】 別の、すなわち第４の試験において、この電池のサイクリックボルタンメトリ
ーは、グリセロールが徐々にアノード電極触媒上に吸着したことと、しかしなが
ら、水素基準に対して約０．５Ｖの電位において、きれいに酸化されたこととを
、示した。
【００４２】 これらの試験は、グリセロールが、通常のＰＥＭ型電池の電位範囲においてＰ
ＥＭ型電池内で酸化されることを示す。輸送装置用に使用される燃料電池の始動
および停止時の電極の標準電位の変移（ｅｘｃｕｒｓｉｏｎｓ）は、アノード電
極とカソード電極の少なくとも一方に接触する可能性のある微量の不凍液を酸化
するのに、十分であろう。
【００４３】 第１、第２の試験によって、さらに、直接不凍液冷却燃料電池１０が、効率的
な特性レベルを維持可能であること、カソード電極触媒による不凍液のどのよう
な吸着の結果としても、さらにそれに起因する電池の性能低下の結果としても、
カソード電極触媒と直接連通する不凍液を有することが、実質的に電池特性を低
下させないこと、が確認される。これらの試験に使用された電池は、何ら不利な
特性低下を示さずに、１２５時間の負荷時間の間と、６５℃における約５００時
間の作動時間の間、グリセロール−水の溶液に曝された。
【００４４】 さらに、第１、第２の試験の結果は、防水性または疎水性カソード電極および
アノード電極基体層と、防水性または疎水性カソード電極およびアノード電極気
体拡散層とによって、どのような実質的な量の不凍液も、水移動プレートから、
不凍液が電池の触媒の活性を低下させることになる膜電極組立体の中へ、移動す
るのが効果的に制限されることを、示している。さらに、電池内の水管理力学が
、反応物流体と水移動プレートとの間の界面において、水に富んだ不凍液を生成
する。これは、効果的に、この界面における不凍液の濃度を低下させ、さらに、
拡散により膜電極組立体に移動するのに利用可能な不凍液の量を制限する。アノ
ード電極触媒において、水は、飽和された還元剤流体の流れから凝縮し、それに
よって、水に富んだ反応物流体−水移動プレート界面が生成される。カソード電
極触媒において、水が生成し、次に、カソード電極触媒からカソード電極水移動
プレートに、液体として流れ、あるいは、蒸気として拡散するので、同様に、水
に富んだ反応物流体−水移動プレート界面が生じる。
【００４５】 「直接連通する」という句によって、それぞれの構成要素の間に物理的障壁が
ないことが意味される、ということが強調される。例えば、直接不凍液冷却燃料
電池１０において、多孔質カソード電極基体６２は、カソード電極触媒５６と連
通して取り付けられており、カソード電極水移動プレート６４は、多孔質カソー
ド電極基体６２と連通して取り付けられている。その結果として、カソード電極
水移動プレートとカソード電極触媒との間の気体状と液体状の少なくとも一方の
流れに対する中実の障壁は存在しない。例えば、気体状の流れを制限するが、気
体状の流れなどを加湿する目的で膜の両側の構成要素の間に選択的に液体を連通
させる、半透膜を使用することが知られている。直接不凍液冷却燃料電池１０で
は、そのような物理的障壁は、カソード電極水移動プレート６４とカソード電極
触媒５６との間に配置されておらず、そのような物理的障壁は、アノード電極水
移動プレート６２とアノード電極触媒５４との間に配置されていない。
【００４６】 直接不凍液冷却燃料電池１０の作動時に、カソード電極触媒５６において生成
される生成水は、多孔質カソード電極水移動プレート６４、カソード電極側冷媒
流路８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃの中へ流れ、カソード電極側流路８０Ａ、８０Ｂ、
８０Ｃと連通する冷媒排出ライン３４で電池から排出される。カソード電極触媒
５６において生成される大部分の生成水は、処理酸化剤の流れとともに酸化剤排
出口２６を通って、同様に、燃料電池１０から排出されることになることが、留
意される。不凍液冷却流体と混合される冷媒排出ライン３４の中の生成水の一部
が、蓄積装置供給ライン４４を通って蓄積装置４２の中へ移動することになり、
生成水は、還元剤流体と処理酸化剤の流れの少なくとも一方を加湿するために燃
料電池によって使用されるように、または、当業技術においてよく知られる燃料
処理（図示せず）のボイラー（図示せず）に水蒸気を供給するように、蓄積装置
排出ライン４６を通して分配可能である。この場合、不凍液の一部は、燃料流路
７２の中のアノード電極の流れの場に供給されることになる。さらに、アノード
電極側冷媒流路７８Ａ、７８Ｂ、７８Ｃを通って流れる不凍液も、アノード電極
触媒５４と直接連通するアノード電極水移動プレート６０の中へ流れる。例示的
な試験の中において上述した方法で多孔質アノード電極基体５８と多孔質アノー
ド電極拡散層６６の少なくとも一方を防水することにより、多孔質アノード電極
水移動プレートと燃料流路７２の中の不凍液は、アノード電極触媒５４と接触す
るように移動するのが制限される。その結果として、直接不凍液冷却燃料電池１
０において、ほとんど全ての水が、直接不凍液に曝され、それによって、電池の
作動時または電池停止時に、凝固することがない、ということが理解できる。電
解質内の水は、直接不凍液に曝されないが、電池１０の作動時に、よく知られる
電気化学反応によって熱が生成され、電解質内の水にとってどのような凝固の問
題も防止される。直接不凍液燃料電池１０の停止時に、電解質内の相対的に小さ
な量の水の一部が、蒸発し、蒸気として隣接する多孔質アノード電極およびカソ
ード電極拡散および基体層を通って、カソード電極およびアノード電極水移動プ
レート６４、６０の中へ流れることになり、同時に、不凍液の一部が、蒸発し、
電解質内に残っている溶液の凝固温度を低下させるように、電解質の中へ移動す
ることになり、それによって、さらに、凝固と、後に続く燃料電池１０の始動に
必要な融解条件とを、最小限に抑える。始動時に、アノード電極およびカソード
電極触媒５４、５６によって吸着される、あるいは、電解質５２に含まれる、ど
のような不凍液も、始動進行時に電池電位によりアノード電極およびカソード電
極触媒によって酸化されることになる。
【００４７】 従って、アノード電極およびカソード電極触媒５４、５６と直接連通する冷却
流体として直接不凍液を使用しても実質的に電池特性を低下させないという意外
な結果を生じるように、直接不凍液冷却燃料電池１０の独特な物理的および化学
的特性が、協同するということが、理解できる。さらに、アノード電極およびカ
ソード電極触媒５４、５６から不凍液を隔離するために精製または膜障壁構成要
素を必要とする複雑で費用がかかり重く大きな、シールされた冷媒装置構成要素
と還元剤および処理酸化剤の流れの加湿装置の少なくとも一方、を必要とせずに
、凝固点下の条件において燃料電池１０を作動可能にすることにより、直接不凍
液冷却燃料電池１０は、燃料電池の全体の効率を劇的に向上させる。
【００４８】 本発明は、直接不凍液冷却燃料電池１０の特定の構成について、説明、例示し
たが、燃料電池は、説明、例示された実施態様に限定されないことは、理解され
るであろう。例えば、上述した例示的燃料電池の試験結果は、ＰＥＭ電解質を使
用する電池のためのものであるが、燃料電池１０は、当業技術において知られる
別の電解質を使用できる。さらに、例示された実施態様は、アノード電極基体５
８とアノード電極触媒５４との間のアノード電極拡散層６６を示すとともに、カ
ソード電極基体６２とカソード電極触媒５６との間のカソード電極拡散層６８を
示しているが、燃料電池１０の別の実施態様において、拡散層６６、６８は、削
除可能であり、カソード電極基体６２とアノード電極基体５８とは、カソード電
極触媒５６とアノード電極触媒５４とに隣接して、カソード電極触媒５６とアノ
ード電極触媒５４とをそれぞれ保持するように取り付け可能であるということが
、理解されるであろう。基体５８、６２と拡散６６、６８層の両方を使用する場
合、少なくとも１つの多孔質防水性層が、水移動プレートの中に含まれる不凍液
と、アノード電極触媒とカソード電極触媒の少なくとも一方と、の間に残るなら
ば、電解質の片側の１つのそのような層を防水するのを除くことができる。さら
に、直接不凍液に必要とされる性質は、約６６℃（１５０°Ｆ）において作動す
る燃料電池に関して説明されたが、必要とされる性質は、燃料電池１０の作動温
度とは無関係であるということが、理解されるであろう。さらなる例として、上
述した説明は、周囲圧力付近においてまたは周囲圧力よりわずか上で作動される
燃料電池に言及するが、本発明の範囲は、より高く加圧される燃料電池への適用
を含む。従って、本発明の範囲を決定するためには、上述した説明よりも、主と
して特許請求の範囲を参照すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に従って構成された直接不凍液冷却燃料電池の概略斜視図。
【図２】 膜電極組立体、アノード電極基体、カソード電極基体、アノード電極水移動プ
レート、カソード電極水移動プレートを示す、本発明の直接不凍液冷却燃料電池
の燃料電池構成要素の概略部分斜視図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＥ，ＡＧ，Ａ Ｌ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，Ｇ Ｄ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ， ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，Ｍ Ｇ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ， ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，Ｕ Ｚ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 グラッソ，アルバート ピー． アメリカ合衆国，コネチカット，ヴェルノ ン，ヘイエス ドライヴ 25 (72)発明者 ゴルマン，マイケル イー． アメリカ合衆国，コネチカット，グラスト ンベリー，ニードルトゥリー レーン 27 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CX01 EE17

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 還元剤流体と処理酸化剤の流れから電気エネルギーを発生させ
    る直接不凍液冷却燃料電池であって、 ａ．アノード電極触媒とカソード電極触媒との間に取り付けられる電解質と
    、 ｂ．アノード電極触媒と直接連通するように取り付けられアノード電極触媒
    に隣接して還元剤流体の流れを流す多孔質アノード電極基体と、カソード電極触
    媒と直接連通するように取り付けられカソード電極触媒に隣接して処理酸化剤の
    流れを流す防水性カソード電極保持手段と、 ｃ．防水性カソード電極保持手段と直接連通するように取り付けられる多孔
    質水移動プレートと、 ｄ．多孔質水移動プレートを通って流れ燃料電池を冷却する直接不凍液と、 を備え、この直接不凍液は、防水性カソード電極保持手段を濡らさずかつ電池
    作動温度において不揮発性である、有機不凍液であることを特徴とする直接不凍
    液冷却燃料電池。
  2. 【請求項２】 不凍液は、アルカントリオール直接不凍液であることを特徴と
    する請求項１記載の直接不凍液冷却燃料電池。
  3. 【請求項３】 不凍液は、グリセロール、ブタントリオール、ペンタントリオ
    ールからなる群より選択されるアルカントリオール直接不凍液であることを特徴
    とする請求項１記載の直接不凍液冷却燃料電池。
  4. 【請求項４】 燃料電池は、燃料電池を通って流れる処理酸化剤の流れと多孔
    質水移動プレートを通って流れる不凍液との間に正の圧力差を維持する圧力制御
    手段を含み、それによって、燃料電池の中の処理酸化剤の流れが、水移動プレー
    トの中の不凍液より高い圧力となることを特徴とする請求項１記載の直接不凍液
    冷却燃料電池。
  5. 【請求項５】 処理酸化剤の流れは、酸化剤入口における温度において、約３
    ０％を超える相対湿度で、燃料電池の酸化剤入口に供給されることを特徴とする
    請求項１記載の直接不凍液冷却燃料電池。
  6. 【請求項６】 防水性カソード電極保持手段は、防水性カソード電極基体とカ
    ソード電極触媒との間に取り付けられる防水性カソード電極拡散層を含むことを
    特徴とする請求項１記載の直接不凍液冷却燃料電池。
  7. 【請求項７】 防水性カソード電極保持手段は、カソード電極基体とカソード
    電極触媒との間に取り付けられる防水性カソード電極拡散層を含むことを特徴と
    する請求項１記載の直接不凍液冷却燃料電池。
  8. 【請求項８】 電解質はプロトン交換膜であることを特徴とする請求項１記載
    の直接不凍液冷却燃料電池。
  9. 【請求項９】 還元剤流体と処理酸化剤の流れから電気エネルギーを発生させ
    る直接不凍液冷却燃料電池であって、 ａ．アノード電極触媒とカソード電極触媒との間に取り付けられる電解質と
    、 ｂ．アノード電極触媒と直接連通するように取り付けられアノード電極触媒
    に隣接して還元剤流体の流れを流す防水性アノード電極保持手段と、カソード電
    極触媒と直接連通するように取り付けられカソード電極触媒に隣接して処理酸化
    剤の流れを流す防水性カソード電極保持手段と、 ｃ．防水性アノード電極基体手段と直接連通するように取り付けられる多孔
    質アノード電極水移動プレートと、防水性カソード電極保持手段と直接連通する
    ように取り付けられる多孔質カソード電極水移動プレートと、 ｄ．多孔質アノード電極およびカソード電極水移動プレートを通って流れ燃
    料電池を冷却する直接不凍液と、 を備え、この不凍液は、 ｉ．少なくとも−２０°Ｆの凝固点と、 ｉｉ．燃料電池の作動温度において、６０ｄｙｎｅ／ｃｍを超える表面張力
    と、 ｉｉｉ．電池作動温度において、０．００５ｍｍＨｇ未満である、溶液上の
    不凍液の分圧と、 ｉｖ．燃料電池電圧においてアノード電極およびカソード電極触媒によって
    酸化される能力と、 を有する直接不凍液であることを特徴とする直接不凍液冷却燃料電池。
  10. 【請求項１０】 不凍液は、アルカントリオール直接不凍液であることを特徴
    とする請求項９記載の直接不凍液冷却燃料電池。
  11. 【請求項１１】 不凍液は、グリセロール、ブタントリオール、ペンタントリ
    オールからなる群より選択されるアルカントリオール直接不凍液であることを特
    徴とする請求項９記載の直接不凍液冷却燃料電池。
  12. 【請求項１２】 燃料電池は、燃料電池を通って流れる処理酸化剤の流れと多
    孔質アノード電極およびカソード電極水移動プレートを通って流れる不凍液との
    間に正の圧力差を維持する圧力制御手段を含み、それによって、燃料電池の中の
    処理酸化剤の流れが、水移動プレートの中の不凍液より高い圧力となることを特
    徴とする請求項９記載の直接不凍液冷却燃料電池。
  13. 【請求項１３】 処理酸化剤の流れは、酸化剤入口における温度において、約
    ３０％を超える相対湿度で、燃料電池の酸化剤入口に供給されることを特徴とす
    る請求項９記載の直接不凍液冷却燃料電池。
  14. 【請求項１４】 防水性カソード電極保持手段は、カソード電極基体とカソー
    ド電極触媒との間に取り付けられる防水性カソード電極拡散層を含み、防水性ア
    ノード電極保持手段は、アノード電極基体とアノード電極触媒との間に取り付け
    られる防水性アノード電極拡散層を含むことを特徴とする請求項９記載の直接不
    凍液冷却燃料電池。
  15. 【請求項１５】 電解質はプロトン交換膜であることを特徴とする請求項９記
    載の直接不凍液冷却燃料電池。
  16. 【請求項１６】 還元剤流体と処理酸化剤の流れから電気エネルギーを発生さ
    せる直接不凍液冷却燃料電池であって、 ａ．アノード電極触媒とカソード電極触媒との間に取り付けられるプロトン
    交換膜電解質と、 ｂ．アノード電極触媒と直接連通するように取り付けられアノード電極触媒
    に隣接して還元剤流体の流れを流す防水性アノード電極保持手段と、カソード電
    極触媒と直接連通するように取り付けられカソード電極触媒に隣接して処理酸化
    剤の流れを流す防水性カソード電極保持手段と、 ｃ．防水性アノード電極保持手段と直接連通するように取り付けられる多孔
    質アノード電極水移動プレートと、防水性カソード電極保持手段と直接連通する
    ように取り付けられる多孔質カソード電極水移動プレートと、 ｄ．多孔質アノード電極およびカソード電極水移動プレートを通って流れ燃
    料電池を冷却するアルカントリオール直接不凍液と、 を備えることを特徴とする直接不凍液冷却燃料電池。
  17. 【請求項１７】 燃料電池は、燃料電池を通って流れる処理酸化剤の流れと多
    孔質アノード電極およびカソード電極水移動プレートを通って流れる不凍液との
    間に正の圧力差を維持する圧力制御手段を含み、それによって、燃料電池の中の
    処理酸化剤の流れが、水移動プレートの中の不凍液より高い圧力となることを特
    徴とする請求項１６記載の直接不凍液冷却燃料電池。
  18. 【請求項１８】 処理酸化剤の流れは、酸化剤入口における温度において、約
    ３０％を超える相対湿度で、燃料電池の酸化剤入口に供給されることを特徴とす
    る請求項１７記載の直接不凍液冷却燃料電池。
  19. 【請求項１９】 防水性カソード電極保持手段は、カソード電極基体とカソー
    ド電極触媒との間に取り付けられる防水性カソード電極拡散層を含み、防水性ア
    ノード電極保持手段は、アノード電極基体とアノード電極触媒との間に取り付け
    られる防水性アノード電極拡散層を含むことを特徴とする請求項１８記載の直接
    不凍液冷却燃料電池。
  20. 【請求項２０】 直接不凍液は、燃料電池を通って流れる処理酸化剤の流れに
    より形成される酸化剤の流れ軸に並行に横断する、燃料電池を通る不凍液冷媒の
    流れの流れパターンを形成し、還元剤流体の流れは、酸化剤の流れ軸に並行に横
    断する、燃料電池を通る還元剤流体の流れパターンを形成することを特徴とする
    請求項１９記載の直接不凍液冷却燃料電池。
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