JP2003529195A - 燃料電池装置とその動作方法 - Google Patents

燃料電池装置とその動作方法

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JP2003529195A JP2001571496A JP2001571496A JP2003529195A JP 2003529195 A JP2003529195 A JP 2003529195A JP 2001571496 A JP2001571496 A JP 2001571496A JP 2001571496 A JP2001571496 A JP 2001571496A JP 2003529195 A JP2003529195 A JP 2003529195A
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コスチャニィ・ペトラ
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マンハッタン・サイエンティフィックス・インコーポレイテッド
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Abstract

(57)【要約】 単一セル（１）、スタック（１５）または同様の形状であり、アノード層（４）とカソード層（３）との間に挟まれた少なくとも１つの活性膜（２）であって触媒を有するものと、アノード層に出入りできる燃料供給源と、カソード層に出入りできる空気供給源（１７，１８）と、を備えると共に、エネルギー変換、体積、及び重量に関して装置の有効性を好ましいものに保持する燃料電池装置の冷却を簡単にするため、空気供給源によって供給される空気が燃料電池装置に圧力によって導入され、カソード層に沿って通過しさらに燃料電池を離れるようにし、酸化剤及び冷却剤の両方に対して用いられるように燃料電池装置が動作するようになっている。この目的のため、２５〜１４０の範囲の化学量論的な比率となるように燃料電池装置（１，１５）に空気を導入する。

Description

【発明の詳細な説明】
本発明は、アノード（陽極）層とカソード（陰極）層との間に挟まれ且つ触媒
を構成する少なくとも一つの活性膜と、アノード層に出入り（接近）できる燃料
供給源と、カソード層に出入りできる空気供給源と、を備えた燃料電池装置（シ
ステム）であって、該空気供給源によって供給される空気が圧力によって燃料電
池装置に導入され、カソード層を通り、さらに燃料電池装置を離れ、酸化剤（オ
キシダント）及び冷却剤（クーラント）の双方に用いられる燃料電池装置を動作
させる方法に関するものであり、さらにこのような方法によって動作可能な燃料
電池装置であって、アノード層とカソード層との間に挟まれ触媒を構成する少な
くとも一つの活性膜と、アノード層に出入り可能な燃料供給源と、カソード層に
出入り可能な空気供給源と、を含むを備えた燃料電池装置に関するものである。
これは特に、気流（空気流）が通るカソード構造を有する陽子交換膜(PEM)電気
化学燃料電池装置において、反応物供給及び冷却用ガス流の各機能を組み合わせ
たものに関する。
【０００１】
【発明の背景】
米国特許第5,595,834号は、必要な酸素を含む空気流が周辺から中央の中空円
筒領域に向かって移動する円筒状のセルスタックを記載している。この空気流は
、単一の電池セル内における反応のために必要な酸素を燃料電池に与える機能を
有している。電池セル間の分離板を冷却するため、該分離板は、該セルから熱を
除去するために該スタックの周辺から一定の距離だけ周囲空気に延びている。水
素燃料の通路が該セルの中心付近の中央領域内にあり、燃料が、該セルにおける
燃料流フィールドに届くように接続されている。
【０００２】 米国特許第5,470,671号は、電池セル（1列に並べられ直列に接続された単一の
セルまたは2つのセル）の全カソード側がセル配列の周辺に位置している燃料電
池構造を記載している。従って、膜電極構造において発熱した全ての熱を大気に
逃がすことができ、且つ必要な反応気流を同じ流路内の膜に供給することができ
る。反応及び冷却用気流は同じである。従来の形状から生ずる問題は、従来の二
極スタック形状が可能でないので大きな体積が必要になってしまうということで
ある。さらに、複雑なガス供給及び電気的な接続が必要であり、これらは、一般
に、必要な多数の電池セルによっては高電圧を発生させることができない。重量
及び体積のエネルギー密度並びにこの形状の効率は非常に低い。
【０００３】 欧州特許(EP)0 929 112号は、2重のチャネル構造冷却板を有する空冷式水素空
気高分子電解質燃料電池を記載している。この冷却用チャネル構造は、該冷却板
を通ってその第1の側から第2の側に達しており、燃料電池に反応空気を供給する
空気チャネル構造が、カソード流フィールドの表面から冷却板の冷却チャネルに
延びている。冷却空気流及び反応空気流は横断面的に流れる。
【０００４】 ドイツ特許(DE)196 00 200 C1号は、2つの乾燥した反応ガスの一方又は一部分
のみ加湿した反応ガスが、反応ガス吸入口と反応ガス排出口との間の温度勾配に
平行に流れる燃料電池を記載している。加えて、気流を冷却目的のため用いてい
る。
【０００５】 一方、ドイツ特許(DE)40 28 339 A1号は、有り余るほどの水素を、反応ガス及
び冷却剤として同時に用いている燃料電池装置を開示している。これにより、反
応しない水素を回収し、それを燃料電池装置を介して循環させる付加的な手段が
必要となり、複雑度が高く、且つ重量及び体積においてエネルギー密度が低くな
る。
【０００６】
【発明の概要】
本発明によれば、単一の電池セルでよい燃料電池装置の冷却、スタック又は同
様の形状を簡単にすると共に、エネルギー変換のシステム効率、体積及び重量を
好ましいものに保持するようになっている。
【０００７】 本発明は、高い化学量論的な比率(Stoichiometric Rate)を有する気流を用い
ている。この気流は、カソード触媒層において電気化学的な反応のための反応気
体酸素を含み、さらに冷却用ガスとして主にその気流に含有される窒素を用いて
いる。反応気流と冷却用気流は同じであり、そのような高い化学量論的な比率を
有するカソードコンパートメント（区画）に直接供給される。動作条件及び電極
構造により、化学量論的な比率は25〜140の範囲であり、より好ましくは45〜90
の範囲である。そのような大きな気流に因り、燃料電池にはカソードの全表面に
対して最適に且つ等しく酸素が供給される。さらに、無駄な熱（余熱）がカソー
ド電極から直接除去される。気流は好ましくは全活性領域に対してチャネル構造
で広がっている。付加的な冷却用流体及び冷却用コンパートメント又は冷却用フ
ィンは必要ない。
【０００８】 本発明によれば、冷却板のチャネル装置（システム）がずっと簡単になる。2
重のチャネル構造を有する特殊な冷却板は必要ない。さらに、膜の表面にはガス
が非常に均一に分布し且つ効率的である。なぜなら、反応酸素は冷却用気流から
拡散により取り除かれるからである。この均一性は、膜の湿度を一定にするので
、一定で且つ大きな出力が得られる。たった2つの気流しか用いられず、冷却用
気流及び反応気流は同じである。これにより、周辺の集合体を最小にすると共に
燃料電池スタック（積層体）の複雑さを軽減している。本発明の1つの好ましい
態様においては、中央領域から周辺又はこの逆に気流が存在する円筒状のセルが
ある。
【０００９】 反応酸素は、適当な、好ましくは多層化されたカソード拡散構造を介して拡散
により気流から離れる。酸素拡散流をもたらす濃度勾配は、電流が電池セルによ
って生成される場合にはカソード触媒の酸素消費量によって発生する。 これに関連して、化学量論的な比率が或る要因として決められる。この要因と
は、実際に適用された気流における酸素量が、実際の電力を発生させるために化
学反応に必要な酸素量より高いものである。
【００１０】 燃料電池は単一の電池セル又は幾何学的な長方形をしたスタックであればよい
。この長方形は、気流がその長方形の短辺に平行に向けられる場合には、気流内
の圧力低下が比較的小さいという利点を有する。各単一の電池セルは、膜、多層
化された拡散が限られたアノード、多層化された拡散が限られたカソードを備え
ている。反応及び冷却用気流のためのカソード空気伝導層はチャネルを有するこ
とができる。この空気伝導層は多孔性又は非多孔性の材料で作ることができる。
【００１１】 或いは、燃料電池セルスタックの幾何学的な形状は円筒形でもよい。従って個
々の電池セルは円いリング形状を有している。この気流は、1つ又は2つの端板に
位置した1つ又は2つのブロワーによって軸方向に供給される。一方ではこれらの
ブロワーは、そのモーターがスタックの円筒体から突出するように端板に取り付
けることができ、他方、スタック内の中央のチューブスペース（管空間）に完全
に収容することができる。この幾何学的配置を長方形のものと比較してみた場合
の利点は、ブロワーからスタックにおける単一の電池セルまで気流を案内すると
共に個々の電池セルに空気を均等に広げる空気マニフォールド（多岐管）が全く
必要ないことである。このマニフォールドの機能は電池セルの内側の断面によっ
て与えられる。
【００１２】 従って、重量と体積が節約できる。円いリング形状の代わりに楕円状のリング
や中央に正方形の孔が空いた正方形など他の幾何学的なリング形状のものを用い
ることができる。さらに、このリング形状のものは、空気供給マニフォールドを
節約するため便利な方法で、恐らく異なったスタックに属する幾つかの電池セル
を配置することにより実現することができる。
【００１３】 好ましくは、気流は燃料電池スタックの外部表面から内側チューブに向けられ
るものであるが、反対方向の気流も用いることができる。さらに別の可能性とし
て、気流の方向を一定の時間間隔後に交互に反転させてもよい。 本発明のこれらの及び別の目的並びに特徴は、図面を参照することにより本発
明の好ましい実施例の下記の説明において、より一層明らかなものとなるであろ
う。
【００１４】
【発明の実施例の詳細な説明】
図1における電気化学燃料電池1は、膜2と、この膜2の一方の側におけるカソー
ド拡散構造3と、膜2の他方の側のアノード4とで構成されている。アノード4は、
燃料電池スタックの場合バイポーラプレート5である端板によって覆われており
、カソード構造3は、空気伝導層10（この中には空気伝導チャネル11が形成され
ている。）である流れフィールド（場）によって覆われている。この空気伝導層
10を覆っている端板又はバイポーラプレートは図1には示されていない。膜2の両
側においては、その表面上又は隣接する層構造の表面上で、カソード側にH2Oを
発生するH2及びO2との間の望ましい反応を可能にすると共に、各電池セルの電極
を構成するアノード及びカソードから電圧又は電流を集めることを可能にする触
媒がある。カソード拡散構造3により、空気伝導層10からの空気が、触媒及び膜
における前面領域に入り込めるようになっており、さらにH2O蒸気がこの前面領
域から逃げられるようになっている。
【００１５】 この気流は、高い化学量論的な比率でカソード拡散構造3を通り抜ける。この
化学量論的比率とは、全酸素入力と化学酸素消費量との比を意味する。この気流
は、カソード触媒層における電気化学的反応のための反応ガス酸素を含んでおり
、さらに主に、その気流に含まれている窒素が冷却用ガスとして使用される。こ
の反応気流及び冷却用気流は、上述した高い化学量論的比率でカソード構造に直
接送られる等しい1つの流れである。動作条件及び電極構造によって、その化学
量論的比率は25〜140の範囲であり、さらに好ましくは45〜90の範囲である。そ
のような高い空気流のため、燃料電池には、カソードの表面全体に渡って等しく
且つ最適に酸素が供給される。さらに、余熱がカソード電極から直接取り除かれ
る。この気流は、カソード及び膜の全活性領域に渡ってチャネル11によって与え
られるチャネル構造に広がっている。別の冷却用流体及び冷却用コンパートメン
ト、或いは冷却用フィンは必要ない。
【００１６】 反応酸素は、目的の為に適当な寸法にされ且つ好ましくは多層化されたカソー
ド拡散構造を有するカソード拡散構造3を介して拡散により気流から離れる。こ
の酸素拡散流を引き起こす濃度勾配は、電流が電池セルから取り去られるならば
、カソード触媒によって生ずる酸素消費量によって発生される。
【００１７】 もし、高い化学量論的な空気流により、膜2が乾燥する傾向にあり且つ高い動
作温度においてその伝導率を失う傾向にあるならば、そのような結果は、ここで
参照するWO 00/14816号に記載された拡散が限られたカソード及びアノード構造
によって避けることができる。この文献は高分子電解質膜の燃料電池を示してお
り、この燃料電池はそのような膜の積層体と、触媒を含む電極と、多孔性で導電
性のガス拡散層と、ガス分配チャネル構造を含むと共に膜に直交した方向の積層
体においてガス透過率の勾配（この勾配は少なくとも部分的な領域に存在する。
）を有し、膜に近いところで高いガス透過率となり集電子プレートに近くなると
低いガス透過率となる集電子プレートとで構成されており、動作においては、水
素−酸素反応により膜において、水及び熱が生じ、ガス透過率勾配は、触媒を含
む電極に隣接するガス拡散層に存在し、少なくともこのガス拡散層のその部分的
な領域において集電子プレートに近いガス透過率は、膜の表面に渡ってほぼ一定
にガス組成が生ずる程度に膜の近傍において低くなり、他方、動作温度では、水
蒸気状態で発生する水により、伝導率が最適となる膜の湿度含有量が実質的に維
持されるようなガス拡散層を介した水蒸気拡散流を発生させる。今、国際公開WO
00/14816号に開示された方法により厳密に製造された極端な保水性を有するア
ノード構造4及びカソード構造3を適用すると、排出口付近では70℃を超えるセル
動作温度を、カソードを通る空気体積が大きいにも関わらず達成することができ
る。気流は一般にカソードコンパートメントに入る前にさらに加湿されることは
無い。
【００１８】 この気流により第1の温度差、即ち吸入口と排出口間の空気の温度差（ΔTair
）、及び第2の温度差、即ち空気吸入口と排出口間の電極構造内の温度差（ΔTel ）が生ずる。温度差ΔTelはできるだけ小さくしなければならない。さもないと
膜の均一な湿度が保てなくなる。このΔTelが高くなると、膜を異なった形で湿
らせることになる。燃料電池における気流の入口においては、製品水が膜内に比
較的良好に保たれる。何故なら、この場所における電極材料並びに冷却用気流及
び反応気流の温度が低いためである。むしろ、電極孔が氾濫の危険性がある。気
流の出口においては、その温度が高い場合には、膜の湿り気は全般的に小さく、
膜は乾燥する危険性がある。これが、WO 00/14816号に示されているようにカソ
ード拡散構造を設計する理由であり、（小さな）温度勾配にも関わらず、最適な
膜湿度を保つ理由である。温度勾配を下げる方法は実施例3で説明する。従って
、ΔTelは好ましくは25℃を下回るものであり、最も好ましくは8℃より低いもの
である。実施例3では並列熱伝導層、即ちバイポーラプレート45によってΔTelを
減少させる方法が示されている。
【００１９】 一方、ΔTairはできるだけ高くなければならない。さもないと、気流の化学量
論的な比率が、空気流を発生させるブロワーの電力需要により無理な方法で全体
のシステムの効率を下げてしまうレベルまで上げなければならないからである。
このΔTairは好ましくは15℃より大きく、最も好ましくは30℃を越えるものであ
る。気流に与えられるカソード拡散構造の表面、及び拡散構造と気流との間に生
ずる熱伝導率は、空気排出口及びこの排出口付近のカソード拡散構造との間が12
℃を下回る温度差で終わるように設計することが好ましい。この温度差として最
も好ましいのは7℃未満に保たれることである。高い熱伝導率を達成するための
方法は、空気と拡散構造との間の共通表面を大きくし且つ流速を高めることであ
る。この両者とも、後述する実施例においては、カソード空気流プレートとして
働き、多数の狭いチャネル11を有する空気伝導層10によって実現される。さらに
、熱伝達率は、長方形のチャネル断面と多孔質のチャネル壁材料を用いることに
より高められる。
【００２０】 熱伝達率を上げるための上記の方法は、該チャネル構造を介して空気を強制す
るのにも必要な圧力降下を増大させる傾向がある。ブロワーのエネルギー消費量
はこれにより高められる。しかしながら、本発明では、これ以上の熱除去装置は
必要無いということが特徴である。 実施例1： 図1において、燃料電池1は、この実施例において断面が長方形である平行六面
体の幾何学的形状を有するスタック構成又は図示のような単一セルの何れでもよ
い。この長方形の利点は、気流がその長方形の短い辺に平行に向けられている場
合には、その気流内の圧力降下が比較的小さいということである。図1に示すよ
うに、各単一セルは、膜2と、多層化され且つ拡散が限られた陰極であるカソー
ド拡散構造3と、多層化され且つ拡散が限られた陽極であるアノード4とで構成さ
れている。アノード2及びカソード3はWO 00/14816号により製造される。カソー
ド空気伝導層10は多孔質又は非多孔質の材料で作られている。反応気流及び冷却
用気流のため、カソード空気伝導層10はチャネル構造11を有している。もし非多
孔質材料を空気伝導層10に用いる場合には、チャネル構造11が必要である。もし
、多孔質材料を用いる場合には、チャネル構造11を用いてもよいし用いなくても
よい。層10の反対側の表面は、膜2に面した非チャネル構造の側面12である。
【００２１】 1つの好ましい実施例としては、空気伝導層10の多孔質材料はグラファイト紙
、即ちTGPH-1.5t（日本・東レ社製）である。チャネル構造（チャネル間には深
さが1.1mmで幅が1.0mmで距離が1.2mm）がグラファイト紙に加工されている。空
気伝導層10はカソード拡散構造3の表面上に酸素を等しく分散させる。何故なら
、この実施例で採用する空気伝導層が高い多孔質構造と高い化学量論的な気流で
あるからである。市販されているPTFE分散を用いることにより、空気伝導層10を
濡らさないことが有利となり得る。カソード拡散構造3及び空気伝導層10は膜2が
乾燥するのを防ぐ。採用したアノード4はアノード4のコンパートメントに向かっ
て膜2で大量の水が蒸発するのを防ぐと共に、冷却されるバイポーラプレート5に
おいて次のセルの気流が凝縮するのを防ぐために用いられる拡散が限られたアノ
ードである。この水蒸気は通常、膜を湿らせるために失われる。何故なら再生メ
カニズムがやや複雑であるからである。 実施例2： 図2に示す他の好ましい実施例おいては、燃料電池スタック15が、中空の円形
のシリンダー又はこれに非常に近いものの幾何学的な形状を有し、ある種の軸チ
ューブスペース16を形成している。その個々のセル1は図4に示すように、円形の
リング形状を有している。空気流17は1つ又は2つのエンドプレート19のそれぞれ
に配置した1つ又は2つのブロワー18により、軸方向においてチューブスペース16
に供給される。空気流17は燃料電池スタック15の軸方向に外側の表面24から内側
のチューブスペース16に向けられており、周辺外側表面25に向かって個々のセル
を貫いている。
【００２２】 このような幾何学的な配置を長方形による配置と比較したときの利点は、空気
流17をブロワー18からセル1に案内すると共に、空気を均等に各セルに分散する
ために必要な空気マニフォールドは全く必要ないということである。このマニフ
ォールドの機能は、セル1の内側断面によって形成されるチューブスペース9によ
って与えられる。従って、重量及び体積が節約できる。円形リングの代わりに、
楕円形のリング又は中央に正方形の孔が空いた正方形のような他の幾何学的なリ
ング形状を用いることができる。このようなリング状形状は、空気供給マニフォ
ールドを節約するために便利な方法で色々なスタックに恐らく属する幾つかのセ
ルを配置することにより達成することもできる。
【００２３】 各セルのアノード4は内部チューブスペース16と円形配置の外側表面25に向か
ってリング状封止体26によって封止されている。封止体26とアノード4とカソー
ド拡散構造3とバイポーラプレート5と水素供給・機械的圧縮装置は、ここにおい
て参照されるWO 00/02279号、WO 00/14816号、DE 199 17 722.8号及びWO 00/101
74号にそれぞれ示すように設計される。後者の文献には、前形成され、導電性を
有し多孔質層材料を含み、導電素子として非金属粒子を含む導電性を有し、フレ
キシブルで機械的に安定した層材料が示されている。またここでは、前形成され
た層材料の孔が硬化樹脂で部分的又は完全に充填されており、導電性粒子はこの
樹脂で大きくはコーティングされていない。
【００２４】 空気伝導層10はカソードの一部として図5に示すように組み立てられている。 個々のセル1によって形成される内部チューブスペース16に対する妥当な直径
を決定するため、そのチューブに沿った静圧は、空気伝導層10内に生ずる圧力降
下と比較してほんの僅か（10％未満）しか変化すべきではない。これは結果とし
て個々のセル1間において等しい流量分配をもたらすことになる。このような理
由から、摩擦による内部チューブスペース16における静圧の減少並びにブロワー
18からの距離による動圧（流速）の低下に基づく静圧の上昇を考慮する必要があ
る。一般には、図2に示すように、2つのブロワー18を用い、各シリンダー端板19
に1つずつ配置することにより、1つのブロワーを配置する場合に比べてより小さ
な内径を見込むことができる。 実施例3： 冷却用気流及び反応気流の高い化学量論的比率及び結果として生じる温度勾配
、特にΔTelにより、特に乾燥した反応ガスを用いる場合には、膜2の内において
異なった湿度状態を生じ、以って出力を低下させることになる。
【００２５】 勿論、WO 00/14816号に示されている電極拡散構造を用いれば電極自体の不均
一性による温度勾配を補償することができる。高温領域においては、電極構造は
、水蒸気に対する有効な拡散係数を低下させるため、より密にし、以って膜2に
おける水分を保たなければならない。しかしながら、そのような不均一な電極を
製造する工程は、特に不均一性の度合いが高い場合、より複雑なものになること
が分かった。
【００２６】 本発明の冷却方法により生ずる温度勾配を実質的に軽減する幾つかの方法があ
る。 最も簡単な方法は、或る時間間隔の後、気流の方向を反転させることである。
図3及び5は、電池セル1の一部である空気吸入口30と排出口31を示している。こ
れらの吸入口及び排出口は交互に機能する。方向を反転させた後、前の排出口31
の温度は低下するが前の吸入口30の温度は上昇する。平均的に、これにより、ほ
ぼ等しい温度分布となる。
【００２７】 別の方法は、プレートと平行に高い熱伝導率を有するバイポーラプレート5を
用いることである。これにより、熱い空気排出口領域から比較的冷たい空気吸入
口領域までバイポーラプレートを経由して熱を送ることができる。バイポーラプ
レート5が不必要に大きくなってしまうのを避けるため、高い比熱伝導率を有す
る材料を選べばよい。アルミニウム、マグネシウム、ベリリウム、及びそれらの
合金のような金属；グラファイト；及び最も好ましくは押圧されて広げられたグ
ラファイト片のフォイル（箔）が良好な特性を有している。広げられたグラファ
イトでできたフォイルは極端に異方性の熱伝導率特性を持っている。面と平行な
導電率は、材料のやや低い密度と比べて極めて高い。満足の行く結果は、1.1g/c
m3〜1.9g/cm3の密度、最も好ましくは1.25g/cm3〜1.45g/cm3の密度が得られるま
でそのフォイルを圧縮することにより達成できることが分かった。そのフォイル
に耐ガス性を与えるため、製造工程の前後で樹脂により含浸させればよい。好ま
しくはフェノール、フラン、又はエポキシ樹脂が用いられる。
【００２８】 所定の化学量論的比率で空気吸入口30と空気排出口31の領域間のΔTelを減少
させる他の方法は、空気排出口に向かって単位活性領域毎に熱伝達率を高めるこ
とである。この場合、電極温度は出口領域に向かって空気温度よりゆっくり上昇
する。図5に示すように実施例2の円筒状スタックのチャネル構造はこの特性を示
している。気流が外側表面25から内側チューブスペース16に導かれるとすると、
熱を空気流に伝達する単位作用面積当りのチャネル表面は至る所で殆ど一定であ
る。明らかに、流速は内部の比較的熱いスペース16に向かって加速される。従っ
て、チャネル表面当りの熱伝達率が高められる。熱い領域はより有効に冷却され
、ΔTelは、均一なチャネル分布を有する長方形の配置に比べて減少する。 実施例4： 空気中の埃として通常存在しているNaCL又はCaCO3のような溶け易い不純物に
対する燃料電池膜2の感度により、空気は、セルに送られる前にフィルタによっ
て清浄することができる。さもなければ、そのような物質が溶けて膜2の中に移
動し、H+イオン伝導率メカニズムを妨げる。あいにく、このようなフィルタによ
り、空気流中に圧力低下を生じさせ、特に高い化学量論的な気流を用いた本発明
により設計する場合には、燃料電池装置に対して重量と体積と費用とを付加する
ことになる。このような全ての問題を克服するため、カソード拡散構造3に一体
化した空気フィルタを用いればよい。
【００２９】 溶けたイオンがチャネル構造の空気伝導層10から膜2に移動するのを避けるた
め、カソード拡散構造3内では小さい孔サイズを備えた強い疎水性の層を適用す
ることで十分である。このような疎水性及び狭い孔サイズにより、液体水は、結
果として起こる高い表面エネルギーのために、そのような孔内に存在しそうにな
い。水蒸気及びガスは、燃料電池のカソードに用いるのに十分な比率でそのよう
な層を貫通することができる。空気からの埃がチャネル11に近い製品水に溶けた
としても、生成されたイオンは、フィルタリング層において液体水が不足してい
るので膜2に移動することが防止される。
【００３０】 このような上記の性質を有する層は、膜の蒸留施設の分野でよく知られている
。通常、それらは多孔質の伸ばされたPTFEフォイルから成る。あいにく、燃料電
池の用途においては、さらに高い導電率が勧められる。フィルタリング障壁層と
して用いることができる1つのシート材料は“Carbel CL”(Gore社製)である。こ
れを空気伝導層10と別の電極構造、即ち3及び4の間に付加する前に、そのシート
材料を好ましくは100〜800バール(bar)、より好ましくは200〜350バールの範囲
で高温で機械的な圧力を加えることによって圧縮されなければならない。多孔性
を有する“Carbel CL”フォイルをPTFE/洗浄剤の懸濁液で含浸し、さらに上記の
ようにシート材料を圧縮する前にPTFE焼結工程を行うことにより改良を達成する
ことができる。
【００３１】 フィルタリング層に対する他の可能性としては、フィルタリング層としてWO 0
0/14816号の実施例4に示す電極構造を直接用いることである。含浸材料としては
4μm未満の粒子サイズ及び50％を越えるPTFE含有量を有するグラファイト粉を使
用する必要がある。高度なフィルタリング特性は、セルを組み立てる前にこの層
を圧縮することによって得られる。 実施例5： 燃料電池スタックにおける空気流の2つの可能な制御及びステアリング関数に
ついて以下に説明する。： まず最初に、気流の速度制御とステアリングは、ここで参照されるWO 00/1481
6号に記載されているように温度を通して行うことができた。均一な水分のバラ
ンスを得るため、燃料電池スタックの動作温度を、気流の変動によって最適に選
ぶことができた。そして、気流はそれを発生するブロワーの速度によって変えら
れる。
【００３２】 気流速度を制御しステアリングする別の方法は電子制御されるマイクロプロセ
ッサによるものである。再び、ブロワーの回転速度により気流が変化する。以下
のデータを、必要な回転速度を定義するために測定しまたは計算する必要がある
。： a) 電圧及び電流 b) 膜を介して水素が移動するときの拡散損失が（前テストの結果として）一定
であるという仮定での余熱の計算 c) 吸入口の空気温度(Tin)及び排出口の空気温度(Tout) d) 吸入口及び排出口の空気のdT/dt 熱容量が既に知られており且つ一定であるというさらに別の条件の下で、この
ような全てのデータにより不安定な方法でさえマイクロプロセッサが気流の化学
量論的な比率を決めることができる。この制御は、気流が化学量論的な比率の25
〜140倍の間隔に留まるように、比例及び/又は積分及び/又は微分ステアリング
方法において電子分野で普通の方法を用いることによりブロワーのモーターの供
給電圧を介して実行される。
【００３３】 40個の単位セル1と670Wの最大出力を有する燃料電池スタックの場合には、ス
タックの燃料電池における化学反応により酸素及び水素を変換するために必要な
気流は、最大出力の場合19.5l（リットル）/分である。これは、通常の条件下で
O2の0.058cm3が水に変換されて1クーロンの電荷を得る必要があるという事実に
基づいている。このスタックのためには、27.9Aの最大電流が実現される。これ
は結果として(0.058cc/As*27.9 A*40)=64.7cc/秒=3.9l/分という酸素流になる。
周囲の空気中にはおよそ20%のO2が存在するので、必要な空気流は上記の値を有
する。-10℃〜+46℃の周囲空気温度及び最大範囲の出力レベルのための燃料電池
スタックから余熱を取り除くため、ブロワーは、約490l/分と2720l/分（これら
は25〜140の化学量論的比率を意味する。）との間の気流を発生する必要がある
。 60℃近傍におけるスタック内のセル動作温度では、-10℃及び46℃の周囲温度
に対してそれぞれ約70ケルビン(Kelvin)及び14ケルビンの冷却用気流の温度が最
大に上昇する可能性がある。約50%の燃料電池スタックの効率と仮定すると、670
ジュール/秒の余熱を最大出力に対して取り除く必要がある。この気流の最大の
可能な温度上昇では、上述した最小の気流速度になる。この余熱を取り除くため
に必要な気流は、生成される気流に関連したブロワーの回転速度を測定すること
により、与えられた周囲温度及び出力レベルで実験的に求めることができる。ブ
ロワーの回転速度は、例えばスタックから取り去られる電流に依存している或る
セル動作温度がスタック内で維持されるように規制される。実験的に求められた
気流速度は理論的に予想した値と非常に合致したものである。本発明の範囲内に
おいては、上記の化学量論的比率は、異なったサイズ及び出力を有する燃料電池
スタックのための上述した計算法により調整される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、長方形の構成を有する燃料電池の正面線図である。
【図２】 図２は、２つのブロワーを有する円形の燃料電池スタックを切った時の断面図
である。
【図３】 図３は、１つのブロワーを有する円形の燃料電池スタックを切った時の断面図
である。
【図４】 図４は、図３の円形の燃料電池の平面図である。
【図５】 図５は、燃料電池の空気伝導層の平面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/24 Ｈ０１Ｍ 8/24 Ｒ // Ｈ０１Ｍ 8/10 8/10 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＯ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ， ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ， ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，Ｐ Ｔ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ， ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS03 BB03 BB05 DD08 EE19 5H026 AA06 BB02 BB03 CV01 CX04 EE06 EE19 HH00 5H027 AA06 MM03

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 アノード層（４）とカソード層（３）との間に挟まれた少なくとも１つの活性
    膜（２）であって触媒を含むものと、該アノード層に出入りできる燃料供給源と
    、該カソード層に出入りできる空気供給源（１７，１８）と、を備えた燃料電池
    装置を動作させる方法であって、該空気供給源によって供給される空気が該燃料
    電池装置に圧力によって導入され、該カソード層に沿って通過し、該燃料電池装
    置を離れ、そして酸化剤及び冷却剤双方のために用いられるようになっている方
    法において、 該空気が、２５〜１４０の範囲で化学量論的比率になるように該燃料電池装置
    （１，１５）に導入されることを特徴とした方法。
  2. 【請求項２】請求項１において、 該化学量論的比率が４５〜９０の範囲にあることを特徴とした方法。
  3. 【請求項３】請求項１または２において、 該燃料電池装置（１５）内の気流方向が、一定の時間間隔後に交互に反転され
    ることを特徴とした方法。
  4. 【請求項４】 請求項１から３のいずれか１つの方法によって動作するようになっている燃料
    電池装置であって、アノード層（４）とカソード層（３）の間に挟まれた少なく
    とも１つの活性膜（２）であって触媒を含むものと、該アノード層に出入りでき
    る燃料供給源と、該カソード層に出入りできる空気供給源（１７，１８）と、を
    備えた燃料電池装置において、 該カソード層（３）または該カソード層の一部に、２５〜１４０の範囲の化学
    量論的な比率になる流速で該膜（２）に平行に気流を生じさせる空気貫通ダクト
    を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
  5. 【請求項５】請求項４において、 該カソード層（３）に隣接し且つ接触している空気伝導層（１０）において、
    該空気貫通ダクトが形成されており、該カソード層が拡散特性を有することを特
    徴とした燃料電池装置。
  6. 【請求項６】請求項４または５において、 該空気貫通ダクトが、該カソード層（３）または該空気伝導層（１０）に形成
    され、さらに気流路に沿って伸びるチャネル（１１）から成ることを特徴とした
    燃料電池装置。
  7. 【請求項７】請求項６において、 該気流方向において、該チャネル（１１）の断面の全体が減少することを特徴
    とした燃料電池装置。
  8. 【請求項８】請求項４から７のいずれか１つにおいて、 長方形横断面を有する平行六面体の幾何学的形状を有し、各単一セル（１）の
    該空気貫通ダクト（１０）が該長方形の短辺に平行に向けられている燃料電池ス
    タックを備えたことを特徴とする燃料電池装置。
  9. 【請求項９】請求項４から７のいずれか１つにおいて、 シリンダに近い幾何学的形状を有し、各々が円形リング状の活性領域を有する
    個々のセル（１）を備えた燃料電池スタック（１５）であって、該スタックの円
    形リングが、該スタック内の中央のチューブ（１６）を定めており、該チューブ
    から、該空気貫通ダクト（１０）が広がり且つ個々のセルを介して放射状に空気
    流を向かわせることを特徴とした燃料電池装置。
  10. 【請求項１０】請求項９において、 該気流が、該燃料電池スタック（１５）の１つまたは２つの端板（１９）に配
    置された１つまたは２つのブロワー（１８）によって発生されることを特徴とし
    た燃料電池装置。
  11. 【請求項１１】請求項４から１０のいずれか１つにおいて、 単一の燃料電池（１）の間にガス分離板（５）を備えた燃料電池スタック（１
    ５）であって、該ガス分離板の材料が０．０４ Ｗ ｍ２／（ｋｇ・Ｋ）を越え
    る濃度に対する該膜に平行な熱伝導率を有することを特徴とした燃料電池装置。
  12. 【請求項１２】請求項１１において、 該ガス分離板（５）の材料は、広げられたグラファイトでできたフォイルであ
    ることを特徴とした燃料電池装置。
  13. 【請求項１３】請求項４から１２のいずれか１つにおいて、 カソード側において単一の燃料電池（１）が、空気フィルタを含む拡散構造を
    備えたことを特徴とした燃料電池装置。
  14. 【請求項１４】請求項１３において、 該空気フィルタは、強い疎水性を有し且つ小さな孔サイズを備えた層シート材
    料でできていることを特徴とした燃料電池装置。
  15. 【請求項１５】請求項１４において、 該空気フィルタの材料は、導電材料を備えた他のものの中から充填された多孔
    質の伸ばされたＰＴＦＥフォイルであることを特徴とした燃料電池装置。
  16. 【請求項１６】請求項１５において、 該ＰＴＦＥフォイルはさらに、ＰＴＦＥ洗浄剤の懸濁液で圧縮され且つ含浸さ
    れていることを特徴とした燃料電池装置。
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