JP2005530322A - 膜電気化学発電装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、電気的に直列に相互に接続され且つバイポーラ構成に従って組み立てられた複数の反応セル（２０１）により形成された膜電気化学発電装置（２００）に関する。本発明によると、膜電気化学発電装置（２００）の熱管理および膜（２０４）の水和は、供給される気体状反応物質への冷却流体の注入により保証される。冷却流体は好適には液状の水である。この注入は、反応セル（２０１）の範囲を定める導電バイポーラ・プレート（２０３）に設けられる複数の調整された流体注入孔（２３０）を通じて行われる。冷却流体は、追加のセル（２０２）に配される収集／分配器構造（２０６）を通過することにより、予熱される。

Description

本発明は、気体状反応物質への液状の水の直接注入を行う膜電気化学発電装置に関する。

膜電気化学発電装置に基づいて化学エネルギを電気エネルギに変換するプロセスは、当技術分野において知られている。
一般に、膜電気化学発電装置は、相互に電気的に直列に接続され、バイポーラ構成に従って組み立てられた複数の反応セルによって形成される。

それぞれの反応セルは、燃料と酸化剤との反応の間に生成される化学エネルギを低下させることなく完全に熱エネルギに変換し、従って、カルノー・サイクルの制限を受けることがない。より詳細には、燃料は、反応セルのアノード室へ供給され、それは例えば水素含有量が多い気体状混合物或いはメタノールやエタノールなどの軽いアルコールの溶液からなり、一方、酸化剤は、同じセルのカソード室に供給され、それは例えば空気又は酸素からなる。

燃料は、アノード室内で触媒反応して電気酸化されて陽子Ｈ⁺及び電子ｅ^-を放出し、それらはカソード室で酸化剤電解還元の触媒反応を介して消費されて、水を生成する。アノード室とカソード室とを分離する陽子交換膜は、アノード室からカソード室への陽子Ｈ⁺の連続的な通過を可能にし、同時に電子ｅ^-の通過を妨げ、これは外部電子回路を介して逆に行われる。このようにして、反応セルの極で確立される電気電位の差は最大化される。

膜電気化学発電装置で一般に用いられる陽子交換膜は、化学的に不活性なポリマーからなり、液状の水の存在で酸塩基加水分解を受けることができる基で部分的に官能化され、結果として電荷を分離する。より詳細には、上述の加水分解は、陽イオン（カチオン）の放出と、ポリマーにおける固定された負電荷の形成とからなる。

加水分解を可能とし、従って、陽子の伝導が行われるようにする電荷の分離を可能とするように、陽子交換膜が絶えず水和されることを維持するためには、気体状反応物質（燃料及び酸化剤）は、反応セルの温度に近い温度にあり、水蒸気で飽和された電気化学発電装置へ、電気化学発電装置自体の外側に配された高価で複雑な飽和デバイスによって供給される。

知られている電気化学発電装置は適切な冷却デバイスも備え、冷却デバイスは、循環する流体（例えば脱イオン水）との熱交換を通じて、発電装置自体の機能しているときに生成される熱を取り去る。電気化学発電装置の熱制御を可能にするために、電気化学発電装置から熱を効率的に取り除かねばならないが、それは、通常１００℃より高温での動作に適さない陽子交換膜の熱安定性の制限があるためだけでなく、電解還元反応で生成される水の蒸発と、発電装置を出る不活性の及び変換されない反応物質の流れの結果として水が除去されることとにより、膜の乾燥を可能な限り制限するためである。

しかしながら、これらの冷却デバイスの存在により、知られている電気化学発電装置は複雑で高価になる。
これらの不都合を防ぐための知られている解決方法は、同じ出願人の国際特許出願ＷＯ００／６３９９２に開示されており、この出願では、アノード室及びカソード室の内側に配置された、米国特許第５４８２７９２号に開示されるタイプの網状の材料を有する反応セルからなる膜電気化学発電装置における、液状水の調整された流れを直接に注入する。調整された液状水の流れは、高く作られた表面を利用して網状エレメント内で部分的に蒸発するものであり、調整された液状水の流れにより、２つの個別のデバイスを使用することなしに、従って、発電装置自体の価格及び複雑性が制限されて、気体状反応物質の加湿と膜電気化学発電装置の熱制御とが同時に提供される。

上述の解決方法は、多くの態様では有利であるが、僅かな不都合を呈する。
特に、液状水の調整された流れの直接注入は、それぞれの反応セルの活性領域の周辺で及び気体状反応物質の流れを横切ってなされる。液状水の直接注入のそのようなモードでは、液状水の運動量が低減されること及び密封ガスケットの壁に接着する現象のために、各セルの活性領域内の水の分布が不均一となり、その結果、加湿されていない高温の初期の乾燥領域が形成される。これは、膜のドライアウト（乾燥）を引き起こす作用を有し、従って、水蒸発の機構を妨げることに加えてその動作寿命を低減し、その結果、電気化学発電装置の熱制御に必要な液状水流量を増加させる。

本発明の目的は、上述の欠点の無い膜電気化学発電装置を提供することである。

本発明によれば、膜電気化学発電装置は、請求項１に規定されるように実現される。
本発明をより良く理解するために、その実施形態を、非限定的な単なる例として、添付の図面を参照して以下に説明する。

図１は、本発明による膜電気化学発電装置の第１の実施形態を示す。膜電気化学発電装置１は、相互に直列に接続され且つフィルタプレス・タイプの構成に従って組み立てられた複数の反応セル２を備える。

より詳細には、それぞれの反応セル２は、平坦な面を有する一対の導電バイポーラ・プレート３によって境界を定められ、その一対の導電バイポーラ・プレートの中において、外側へ向かって、陽子交換膜４と、一対の多孔質電極５と、膜４と各多孔質電極５との間の界面にデポジットされた一対の触媒層６と、導電バイポーラ・プレート３を多孔質電極５に電気的に接続し、同時に気体状反応物質を分配する、米国特許第５４８２７９２号に記載されるタイプの網状の金属エレメントによって実現される一対の電流収集／分配器７と、アノード密封ガスケット８ａ及びカソード密封ガスケット８ｂからなる密封ガスケット対８ａ、８ｂとが備えられる。アノード密封ガスケット８ａは、燃料（特には水素）の漏洩を防ぐように反応セル２のアノード室９の周辺を密封するためのものであり、一方、カソード密封ガスケット８ｂは、酸化剤（特には空気）の漏洩を防ぐように反応セル２のカソード室１０の周辺を密封するためのものである。アノード及びカソード密封ガスケット８ａ、８ｂは、また、電流収集／分配器７のための座を実現するためのものでもある。

図２に示されるように、導電バイポーラ・プレート３は、実質的に矩形の形状を有し、それぞれに周辺部分１１があり、周辺部分１１は、それぞれ燃料と酸化剤である気体状反応物質を通過させるための第１及び第２の上方開口１２、１３と、随意の残留反応物質と混合された反応生成物の排出のための第１及び第２の下方開口１４、１５と、特には液状の水である冷却流体を通過させるための側方開口１６とを備える。周辺部分１１は、タイロッドのハウジングのための複数の孔１７も備え、タイロッドによって、電気化学発電装置１の締め付けがなされる。

電気化学発電装置１の組み立ての間において、全ての導電バイポーラ・プレート３の第１及び第２の上方開口１２、１３間の結合は、２つの上方長手方向ダクト１８の形成を決定し、一方、全ての導電バイポーラ・プレート３の第１及び第２の下方開口１４、１５間の結合は、２つの下方長手方向ダクト１９の形成を決定する。２つの上方長手方向ダクト１８は、その１つのみを図１に示しているが、これらのダクトが、気体状反応物質の供給マニホールドを画定し、一方、２つの下方長手方向ダクト１９は、その１つのみを図１に示しているが、これらのダクトが、随意の残留反応物質と混合される反応生成物の排出マニホールドを画定する。代替例としては、下方長手方向ダクト１９を供給マニホールドとして用いることができ、上方長手方向ダクト１８を排出マニホールドとして用いることができる。また、２つの気体状反応物質の一方を、一方の上方長手方向ダクト１８を通じて供給し、対応する下方長手方向ダクト１９を用いて排出し、２つの気体状反応物質の他方を、他方の下方長手方向ダクト１９を通じて供給し、対応する上方長手方向ダクト１８を用いて排出することもできる。

更に、全ての導電バイポーラ・プレート３の側方開口１６間の結合は、液状水を通過させるための、図１に示されていない側方ダクトを形成する。
それぞれの導電バイポーラ・プレート３には複数の調整された液体注入孔２０も備えられ、これらの孔は全て同一の直径（例えば、０．２ｍｍから１ｍｍの間）を有する、液体注入孔２０を介して、電気化学発電装置１の側方ダクトに流れる液状水は反応セル２へ注入される。これについては後に更に説明する。調整された液体注入孔２０は、液状水の均一な分配を確実にするために相互に整列され、且つ第１及び第２の上方開口１２、１３の下に配置される。

図３ａ、３ｂ、３ｃに示されるように、それぞれの反応セル２のアノード及びカソード密封ガスケット８ａ、８ｂは、実質的に矩形の形状を有し、それぞれ気体状反応物質を通過させるためのそれぞれの第１及び第２の上方開口８ａ₁、８ａ₂、８ｂ₁、８ｂ₂と、場合による残留反応物質と混合された反応生成物を排出するためのそれぞれの第１及び第２の下方開口８ａ₃、８ａ₄、８ｂ₃、８ｂ₄と、液状水を通過させるためのそれぞれの側方開口８ａ₅、８ｂ₅とを備える。

より詳細には、アノード・ガスケット８ａの第１の上方開口８ａ₁（それを介して燃料が通過する）及び第２の下方開口８ａ₄は、同じアノード密封ガスケット（図３ａ）の厚み内で得られる分配チャネル２１ａ及び排出チャネル２１ｂそれぞれを介して、アノード室９に接続される。次に、カソード・ガスケット８ｂの第２の上方開口８ｂ₂（それを介して酸化剤が通過する）及び第１の下方開口８ｂ₃は、同じカソード密封ガスケット（図３ｂ）の厚み内で得られる分配チャネル２３ａ及び排出チャネル２３ｂそれぞれを介して、カソード室１０に接続される。分配チャネル及び排出チャネル２１ａ、２１ｂ、２３ａ、２３ｂはコム（comb）状構造を有し、この構造により、それらチャネルが、均一な様式で、それぞれの反応セル２において気体状反応物質及び反応生成物を分配及び収集することを可能にするものであり、反応生成物は随意の残留反応物質と混合される。アノード密封ガスケット８ａは、側方開口８ａ₅に接続される流体収集チャネル２２も備える。オプションとしては、流体収集チャネル２２は、分配チャネル２１ａ（図３ｃ）に接続されることもできる。

フィルタプレス構成において、アノード及びカソード密封ガスケット８ａ、８ｂの第１及び第２の上方開口８ａ₁、８ａ₂、８ｂ₁、８ｂ₂は、導電バイポーラ・プレート３の第１及び第２の上方開口１２、１３とともになって、２つの上方長手方向ダクト１８を形成し、アノード及びカソード密封ガスケット８ａ、８ｂの第１及び第２の下方開口８ａ₃、８ａ₄、８ｂ₃、８ｂ₄は、導電バイポーラ・プレート３の第１及び第２の下方開口１４、１５とともになって、２つの下方長手方向ダクト１９を形成し、アノード及びカソード密封ガスケット８ａ、８ｂの側方開口８ａ₅、８ｂ₅は、導電バイポーラ・プレート３の側方開口１６とともになって、液状水供給のための側方ダクトを形成する。

更に、フィルタプレス構成において、流体収集チャネル２２は、それと共にアノード密封ガスケット８ａが設けられており、流体収集チャネル２２は、調整された液体注入孔２０と対応して配置され、これらの液体注入孔２０のそれぞれはカソード密封ガスケット８ｂの分配チャネル２３ａに対応して配置される。

アノード及びカソード密封ガスケット８ａ、８ｂは、タイロッドを収容するための複数の孔２４も備え、タイロッドによって電気化学発電装置１の締め付けがなされる。
次に、電気化学発電装置１は、２つの導電端子プレート２５（図１）によって境界が定められ、導電端子プレートの１つに、上方及び下方長手方向ダクト１８及び１９と側方ダクトとの流体接続のための、図１に示されていないノズルが備えられる。更に、両方の導電端子プレート２５は、タイロッドを収容するための適切な孔（同様に図１に示されていない）を備える。

機能的には、電気化学発電装置１の側方ダクトを介して供給される液状水の流れは、アノード密封ガスケット８ａの流体収集チャネル２２を流れ、その流体収集チャネル２２から、調整された流体注入孔２０を介して、隣接する反応セル２に入るカソード反応流へ注入される。

代替例としては、アノード密封ガスケット８ａが、図３ｂに示されるものと同等の構造を有し、且つカソード密封ガスケット８ｂ８ａが、図３ａに示されるものと同等の構造を有するなら、液状水のストリーム（流れ）は、この場合カソード密封ガスケット８ｂ内で得られる流体収集チャネル２２に流れ、その流体収集チャネル２２から、調整された流体注入孔２０を介して、隣接する反応セル２に入るアノード反応物質流へ注入される。

双方の場合において、電気化学発電装置１の熱管理及び膜４の加湿は、電流収集／分配器７を実現する網状の金属エレメントを横切る液状水の流れの蒸発によって行われる。
図４において、本発明による膜電気化学発電装置の第２の実施形態が示されており、図４では、図１、２、及び３を参照して示された部品と同等の部品に同じ参照符号が付されている。膜電気化学発電装置１００は、１：１の比率で反応セル２間に挿入された複数の追加のセル１０１を備えることを除き、電気化学発電装置１と類似する。

図５ａを参照すると、追加セル１０１は、実質的に矩形の形状であり、反応セル２の寸法と同等の寸法を有し、それぞれの追加セル１０１は、２つの気体状反応物質の分離面として作用する周辺部分１０２ａと、電流収集／分配器７の座を実現する中空中央部分１０２ｂとを備える。周辺部分１０２ａは、第１及び第２の上方開口１０３ａ₁、１０３ａ₂と、第１及び第２の下方開口１０３ｂ₁、１０３ｂ₂と、第１及び第２の上方開口１０３ａ₁、１０３ａ₂と対応して配置された側方開口１０４とを備える。

フィルタプレス構成において、追加セル１０１の第１及び第２の上方開口１０３ａ₁、１０３ａ₂は、この場合は図３ｂに示されるものと同等の同じ構造を有する、アノード及びカソード密封ガスケット８ａ、８ｂの第１及び第２の上方開口８ａ₁、８ａ₂、８ｂ₁、８ｂ₂、及び導電バイポーラ・プレート３の第１及び第２の上方開口１２、１３とともに、２つの上方長手方向ダクト１８を形成する。追加セル１０１の第１及び第２の下方開口１０３ｂ₁、１０３ｂ₂は、アノード及びカソード密封ガスケット８ａ、８ｂの第１及び第２の下方開口８ａ₃、８ａ₄、８ｂ₃、８ｂ₄、及び導電バイポーラ・プレート３の第１及び第２の下方開口１４、１５とともに、２つの下方長手方向ダクト１９を形成する。次に、追加セル１０１の側方向開口１０４は、アノード及びカソード密封ガスケット８ａ、８ｂの側方開口８ａ₅、８ｂ₅、及び導電バイポーラ・プレート３の側方開口１６とともに、液状水の側方供給ダクトを形成する。周辺部分１０２ａは、タイロッドを収容するための複数の孔１０５も備える。

更に、周辺部分１０２ａの両面に流体収集チャネル１０６が存在し、側方開口１０４に接続され且つ第１及び第２の上方開口１０３ａ₁、１０３ａ₂の下に配置される。フィルタプレス構成において、流体収集チャネル１０６は、導電バイポーラ・プレート３の調整された流体注入孔２０に対応する。

機能的には、電気化学発電装置１００の側方ダクトを介して供給される液状水のストリームは、流体収集チャネル１０６を流れ、その流体収集チャネル１０６から、調整された流体注入孔２０を介して、隣接する反応セル２に入る反応物質流へ注入される。

代替例としては、流体収集チャネル１０６は、側方開口１０４に接続される２つの側方部分１０７、１０８によって形成されることができ、第１及び第２の下方開口１０３ｂ₁、１０３ｂ₂（図５ｂ）に対応して得られる。

この場合、液状水のストリームは、調整された流体注入孔２０へ到達て反応セル２へ注入される前に、流体収集チャネル１０６の２つの側方部分１０７、１０８に入り、その後、反応セル２へ入る反応物質の流れの少なくとも１つに対して反対方向又は同方向に予熱する、追加セル１０１の電流収集／分配器７の全表面を横切る。このように、追加セル１０１は、電気化学発電装置１００の冷却セルとして作用する。

図６は、本発明による膜電気化学発電装置の第３の実施形態の断面を示す。電気化学発電装置２００は、図６にその一部のみが示されており、装置２００は、相互に直列に接続され且つフィルタプレス型の構成に従って組み立てられた複数の反応セル２０１及び追加のセル２０２によって形成され、それぞれの追加セル２０２は、一対の反応セル２０１の間に挿入される。

より詳細には、それぞれの反応セル２０１は、一対の平坦な面の導電バイポーラ・プレート２０３によって境界を定められ、その一対の導電バイポーラ・プレート２０３の間には、外側へ向かって、陽子交換膜２０４と、一対の多孔質電極２０５と、導電バイポーラ・プレート２０３を多孔質電極２０５に電気的に接続する一対の電流収集／分配器２０６と、気体状反応物質の漏洩を防ぐように反応セル２０１の周辺を密封するための一対の密封ガスケット２０７とが備えられる。

図７ａ、７ｂに示される導電バイポーラ・プレート２０３は、実質的に矩形の形状と典型的には０．１ｍｍから０．４ｍｍの厚みとを有する。導電バイポーラ・プレート２０３は、周辺部分２０８を有し、周辺部分２０８は、第１及び第２の上方開口２０８ａ₁、２０８ａ₂と、第１及び第２の下方開口２０８ｂ₁、２０８ｂ₂と、側方開口２０９とを備える。周辺部分２０８はタイロッドを収容するための複数の孔２１０も備え、タイロッドによって電気化学発電装置２００の締め付けがなされる。

電気化学発電装置２００の組み立ての間において、全ての導電バイポーラ・プレート２０３の第１及び第２の上方開口２０８ａ₁、２０８ａ₂間の結合は、２つの上方長手方向ダクト２１１の形成を決定し、一方、全ての導電バイポーラ・プレート２０３の第１及び第２の下方開口２０８ｂ₁、２０８ｂ₂間の結合は、２つの下方長手方向ダクト２１２の形成を決定する。図６には１つだけが示されている２つの上方長手方向ダクト２１１は、気体状反応物質（燃料及び酸化剤）の供給マニホールドを画定し、一方、図６には１つだけ示されている２つの下方長手方向ダクト２１２は、随意の残留反応物質と混合される反応生成物の排出マニホールドを画定する。代替例としては、下方長手方向ダクト２１２を供給マニホールドとして用いることができ、上方長手方向ダクト２１１を排出マニホールドとして用いることができる。２つの気体状反応物質の一方を、一方の上方長手方向ダクト２１１を介して供給し、排出のため対応する下方長手方向ダクト２１２を用い、且つ、他方の下方長手方向ダクト２１２を介して他方の気体状反応物質を供給し、排出のため対応する上方長手方向ダクト２１１を用いることもできる。

更に、全ての導電バイポーラ・プレート２０３の側方開口２０９間の結合は、液状水を通過させるための、図６に示されていない側方ダクトの形成を決定する。
図７ｂに示されるように、密封ガスケット２０７は、成形（射出又は圧縮）、機械的な固定、又は接着によって、それぞれの導電バイポーラ・プレート２０３の一面に載置される。密封ガスケット２０７は、反応セル２０１の活性領域の境界を定めることに加えて、電流収集／分配器２０６の座を実現する。

特に、密封ガスケット２０７は、例えば、シリコーン、エラストマなどの柔軟な材料で得られ、十分の数ミリメートルから数ミリメートルの範囲とすることができる最終的な厚みを呈する。

それぞれの導電バイポーラ・プレート２０３は、０．１ｍｍから５ｍｍの間の直径の複数の調整された上方孔２１３ａ及び複数の調整された下方孔２１３ｂも備えられる。複数の調整された上方孔２１３ａを介して、隣接する追加セル２０２から来る気体状反応物質が流れ、一方、複数の調整された下方孔２１３ｂを介して、反応生成物質及び残留反応物質が反応セル２０１を出る。これについては後により詳細に説明する。調整された上方孔２１３ａは、気体状反応物質の均一な分配を確実にするために相互に整列され、第１及び第２の上方開口２０８ａ₁、２０８ａ₂の下に配置される。次に、調整された下方孔２１３ｂは、相互に整列され、第１及び第２の下方開口２０８ｂ₁、２０８ｂ₂の上に配置される。上方孔２１３ａ及び下方孔２１３ｂの両方は、反応セル２０１の活性領域をより良く利用するために、約１ｍｍだけ密封ガスケット２０７から離間される。

更に、それぞれの導電バイポーラ・プレート２０３は、全て同一の直径（例えば、０．２ｍｍから１ｍｍの間）を有する複数の調整された液体注入孔２３０を備え、それらの液体注入孔２３０を介して、隣接する追加セル２０２から来る液状水が反応セル２０１へ注入される。調整された液体注入孔２３０は、液状水の均一な分配を確実にするために相互に整列され、調整された上方開口２１３ａの下に配置される。

図８ａ、８ｂを参照する。それぞれの追加セル２０２は、実質的に矩形の形状及び反応セル２０１の寸法と同等の寸法を有する。それぞれの追加セル２０２は、２つの気体状反応物質の分離面として作用するプラスチック又は金属から作られる剛性の周辺部分２０２ａと、電流収集／分配器２０６の座を実現するための中空中央部分２０２ｂとを備える。剛性の周辺部分２０２ａは、第１及び第２の上方開口２１４ａ₁、２１４ａ₂と、第１及び第２の下方開口２１４ｂ₁、２１４ｂ₂と、側方開口２１５とを備える。フィルタプレス構成において、追加セル２０２の第１及び第２の上方開口２１４ａ₁、２１４ａ₂は、導電バイポーラ・プレート２０３の第１及び第２の上方開口２０８ａ₁、２０８ａ₂とともになって、２つの上方長手方向ダクト２１１を形成する。追加セル２０２の第１及び第２の下方開口２１４ｂ₁、２１４ｂ₂は、導電バイポーラ・プレート２０３の第１及び第２の下方開口２０８ｂ₁、２０８ｂ₂とともになって、２つの下方長手方向ダクト２１２を形成する。次に、追加セル２０２の側方向開口２１５は、導電バイポーラ・プレート２０３の側方開口２０９とともになって、液状水の供給ダクトを形成する。剛性の周辺部分２０２ａは、タイロッドを収容するための複数の孔２１６も備える。

更に、それぞれの追加セル２０２は、剛性の周辺部分２０２ａの両面に載置されるガスケット２１７を備え、それらは、周辺部分自体の各面に、第１及び第２の上方開口２１４ａ₁、２１４ａ₂の下に配置される気体状反応物質の収集チャネル２１８ａと、第１及び第２の下方開口２１４ｂ₁、２１４ｂ₂の上に配置される反応生成物及び残留生成物の収集チャネル２１８ｂと、２つの上方開口２１４ａ₁、２１４ａ₂の１つを気体状反応物質の収集チャネル２１８ａに接続する供給チャネル２１９と、反応生成物及び残留生成物の収集チャネル２１８ｂを下方開口２１４ｂ₁、２１４ｂ₂の１つに接続する排出チャネル２２０と、気体状反応物質の収集チャネル２１８ａの下に配置され且つ側方開口２０９を接続する流体収集チャネル２２１と、を画定する。フィルタプレス構成において、気体状反応物質の収集チャネル２１８ａは、調整された上方孔２１３ａに対応して配置され、反応生成物及び残留生成物の収集チャネル２１８ｂは、調整された下方孔２１３ｂに対応して配置され、流体収集チャネル２２１は、調整された液体注入孔２３０に対応して配置される。ガスケット２１７は、気体状反応物質の収集チャネル２１８ａ、反応生成物及び残留生成物の収集チャネル２１８ｂ、及び流体収集チャネル２２１を密封して、追加セル２０２の内側へ気体状反応物質、反応生成物、残留生成物、及び液状水が通過するのを妨げる。

更に、ガスケット２１７は、反応セル２０１の密封ガスケット２０７によって課される締め付け／組み立ての負荷と適合する柔軟な材料（シリコーン、エラストマなど）で作られ、成形（射出又は圧縮）、機械的な固定、又は接着によって剛性の周辺部分２０２ａに載置される。

電気化学発電装置２００は以下のように動作する。上方長手方向ダクト２１１を介して電気化学発電装置２００へ供給される気体状反応物質（燃料及び酸化剤）は、供給チャネル２１９を介して気体状反応物質の収集チャネル２１８ａへ流れる。そこから、気体状反応物質は、気体状反応物質の収集チャネル２１８がガスケット２１７によって密封されて追加セル２０２内を流れることができないので、隣接する反応セル２０１の導電バイポーラ・プレート２０３に配置された複数の調整された上方開口２１３ａを通過する。このように、気体状反応物質は、有効な反応が生じる反応セル２０１の活性領域に到達する。

次に、反応セル２０１で生成された反応生成物及び残留生成物は、同じ反応セルの導電バイポーラ・プレート２０３に配置された複数の調整された下方開口２１３ｂを通過し、隣接する追加セル２０２の排出生成物の収集チャネル２１８ｂに到達する。そこから、それらは、排出チャネル２２０を介して電気化学発電装置２００を出る。

更に、本発明によれば、電気化学発電装置２００の側方ダクトを介して供給される液状水のストリームは、流体収集チャネル２２１へ流れ、流体収集チャネル２２１から、調整された液体注入孔２３０を介して、膜２０４の加湿及び電気化学発電装置２００の熱管理のために、隣接する追加の反応セル２０１に入る反応物質ストリームへ注入される。

流体収集チャネル２２１の代わりとして、追加セル２０２は、側方開口２１５に接続され且つ排出生成物の収集チャネル２１８ｂ（図９ａ、９ｂ）の下に配置される２つの横の流体収集チャネル（２２２、２２３）を備えることができる。

この場合、液状水の流れは、調整された流体注入孔２３０に到達し且つ反応セル２０１へ注入される前に、２つの横の流体収集チャネル２２２、２２３を介して入り、その後、追加セル２０２の電流収集／分配器２０６の全面を横切り、反応セル２０１に入る反応物質の流れの少なくとも１つに対して反対方向又は同方向に予熱される。このように、追加セル２０２は、電気化学発電装置２００の冷却セルとして作用する。

更に、図１０ａ、１０ｂに示されるように、それぞれの導電バイポーラ・プレート２０３の調整された流体注入孔２３０は、調整された上方開口２１３ａの上（下ではなくむしろ上）に配置されることができる。この場合、流体収集チャネル２２１は、気体状反応物質の収集チャネル２１８ａの上に配置される（図１１ａ、１１ｂ）。

代替例としては、流体収集チャネル２２１に加えて、追加セル２０２は、排出生成物の収集チャネル２１８ｂの上に配置される第１及び第２の横のチャネル２２４、２２５と、気体状反応物質の収集チャネル２１８ａの下に配置される第３及び第４の横のチャネル２２６、２２７とを備えることができる（図１２ａ、１２ｂ）。

この場合、液状水の流れは、調整された流体注入孔２３０に到達し且つ反応セル２０１へ注入される前に、第１及び第２の横のチャネル２２４、２２５に入り、第３及び第４の横のチャネル２２６、２２７を出て、追加セル２０２の電流収集／分配器２０６を横切り、それにより、液状水は、反応セル２０１に供給される反応物質ストリームの少なくとも１つに対して反対方向又は同方向に予熱される。

上述の電気化学発電装置で得られることができる利点は以下の通りである。
第１に、調整された流体注入孔２０、２３０は、反応セル２、２０１内の液状水の調整された流れの均一な分配を得ることを可能にする。このように、陽子交換膜４、２０４の水和作用としての電気化学発電装置１、１００、２００の冷却は、より均一なものとなり、液状水の蒸発機構を強化することに加えて、膜の動作寿命を増加する効果を有し、発電装置の熱管理のために必要な流量を低減する。

更に、図５ｂ、９ａ、９ｂ、及び１２ａ、１２ｂに示される追加のセルの使用によって達成される液状水の流れの予熱は、上述の利点を拡大する。何故なら、液状水の蒸発機構を更に強化して、電気化学発電装置１、１００、２００の始動時に定常状態に到達する時間を更に低減することを可能にするからである。

本発明の範囲から逸脱することなく、記載された電気化学発電装置の変更及び変形が可能であることは結果として明らかである。

図１は、本発明による膜電気化学発電装置の第１の実施形態の分解側面図である。 図２は、図１の膜電気化学発電装置のコンポーネントの正面図である。 図３ａは、図１の膜電気化学発電装置の更なるコンポーネントの実施形態の正面図である。 図３ｂは、図１の膜電気化学発電装置の更なるコンポーネントの実施形態の正面図である。 図３ｃは、図１の膜電気化学発電装置の更なるコンポーネントの実施形態の正面図である。 図４は、本発明による膜電気化学発電装置の第２の実施形態の分解側面図である。 図５ａは、図４の膜電気化学発電装置のコンポーネントの実施形態の正面図である。 図５ｂは、図４の膜電気化学発電装置のコンポーネントの異なる実施形態の正面図である。 図６は、本発明による膜電気化学発電装置の第３の実施形態の一部の側面図である。 図７ａは、図６の膜電気化学発電装置のコンポーネントの正面図である。 図７ｂは、図６の膜電気化学発電装置のコンポーネントの正面図である。 図８ａは、図６の膜電気化学発電装置の更なるコンポーネントの正面図である。 図８ｂは、図６の膜電気化学発電装置の更なるコンポーネントの正面図である。 図９ａは、図８ａに示されるコンポーネントの異なる実施形態の正面図である。 図９ｂは、図８ｂに示されるコンポーネントの異なる実施形態の正面図である。 図１０ａは、図７ａに示されるコンポーネントの異なる実施形態の正面図である。 図１０ｂは、図７ｂに示されるコンポーネントの異なる実施形態の正面図である。 図１１ａは、図８ａに示されるコンポーネントの異なる実施形態の正面図である。 図１１ｂは、図８ｂに示されるコンポーネントの異なる実施形態の正面図である。 図１２ａは、図９ａに示されるコンポーネントの異なる実施形態の正面図である。 図１２ｂは、図９ｂに示されるコンポーネントの異なる実施形態の正面図である。

Claims (28)

1. 気体状反応物質が供給されるものであり、導電バイポーラ・プレート（３、２０３）によって境界が定められる複数の反応セル（２、２０１）を備え、その中に陽子交換膜（４、２０４）を備える膜電気化学発電装置（１、１００、２００）であって、前記導電バイポーラ・プレート（３、２０３）が、前記反応セル（２、２０１）の内部へ冷却流体の調整された流れを注入するための複数の調整された流体注入孔（２０、２３０）を備える、ことを特徴とする発電装置。
2. 請求項１に記載の発電装置であって、それぞれの前記反応セル（２、２０１）は、前記膜（４、２０４）によって分離されたアノード室（９）及びカソード室（１０）によって形成され、前記アノード室（９）及び前記カソード室（１０）のそれぞれは、電気導電性の網状のエレメント（７、２０６）を備え、前記網状のエレメント（７、２０６）の内側で、前記冷却流体の前記調整された流れは部分的に蒸発し、前記気体状反応物質の加湿及び前記膜電気化学発電装置（１、１００、２００）の熱管理を同時に提供する、ことを特徴とする、発電装置。
3. 請求項１又は２に記載の発電装置であって、前記調整された流体注入孔（２０、２３０）は、相互に整列され、且つ前記気体状反応物質を供給するための供給開口（１２、１３、２０８ａ₁、２０８ａ₂）及び前記冷却流体（１２、１３、２０８ａ₁、２０８ａ₂）を供給するための側方開口（１６、２０９）に対応して配置され、前記側方開口（１６、２０９）は前記導電バイポーラ・プレート（３、２０３）の周辺部分（１１、２０８）に得られる、ことを特徴とする発電装置。
4. 請求項１ないし３の何れかに記載の発電装置であって、前記調整された流体注入孔（２０、２３０）は、０．２ｍｍから１ｍｍの間の同一の直径を有する、ことを特徴とする発電装置。
5. 請求項１ないし４の何れかに記載の発電装置であって、前記導電バイポーラ・プレート（３）は、２つの隣接する反応セル（２）の１対の密封ガスケット（８ａ、８ｂ）間に挿入され、それぞれの前記密封ガスケット（８ａ、８ｂ）は、それぞれの電気導電性の網状のエレメント（７）のための座を具現し、且つ
   前記気体状反応物質の通過のためのそれぞれの供給開口（８ａ₁、８ａ₂、８ｂ₁、８ｂ₂）と、
   前記冷却流体が通過するためのそれぞれの側方開口（８ａ₅、８ｂ₅）と、
   それぞれの供給開口（８ａ₁、８ａ₂、８ｂ₁、８ｂ₂）を前記それぞれの電気導電性の網状のエレメント（７）に接続するためのそれぞれの分配チャネル（２１ａ、２３ａ）と
   を備える、
   ことを特徴とする発電装置。
6. 請求項５に記載の発電装置であって、少なくとも１つの前記密封ガスケット（８ａ、８ｂ）は、前記それぞれの側方開口（８ａ₅、８ｂ₅）に接続されたそれぞれの流体収集チャネル（２２）を備え、前記流体収集チャネル（２２）は、前記それぞれの供給開口（８ａ₁、８ａ₂、８ｂ₁、８ｂ₂）と前記それぞれの分配チャネル（２１ａ、２３ａ）との間に挿入され、前記冷却流体を収集するように適合する、ことを特徴とする発電装置。
7. 請求項５に記載の発電装置であって、少なくとも１つの前記密封ガスケット（８ａ、８ｂ）は、前記それぞれの側方開口（８ａ₅、８ｂ₅）及び前記それぞれの分配チャネル（２１ａ、２３ａ）に接続されたそれぞれの流体収集チャネル（２２）を備え、前記それぞれの流体収集チャネル（２２）は、前記それぞれの供給開口（８ａ₁、８ａ₂、８ｂ₁、８ｂ₂）と前記それぞれの分配チャネル（２１ａ、２３ａ）との間に挿入され、前記冷却流体を収集するように適合する、ことを特徴とする発電装置。
8. 請求項６又は７に記載の発電装置であって、フィルタプレス構成において、少なくとも１つの前記密封ガスケット（８ａ、８ｂ）に存在する前記流体収集チャネル（２２）は、前記調整された流体注入孔（２０）に重ねられ、それぞれの前記調整された流体注入孔（２０）は、他方の前記密封ガスケット（８ａ、８ｂ）において得られる分配チャネル（２１ａ、２３ａ）に対応する、ことを特徴とする発電装置。
9. 請求項１ないし４の何れかに記載の発電装置であって、複数の追加のセル（１０１）を備え、それぞれの前記追加のセル（１０１）は、一対の反応セル（２）間に挿入され、それぞれの電気導電性の網状のエレメント（７）のための座を具現し、周辺部分（１０２ａ）を備え、該周辺部分において、
   前記冷却流体が通過するための側方開口（１０４）と、
   前記側方開口（１０４）に接続され、前記冷却流体を収集するように適合した少なくとも１つの流体収集チャネル（１０６）と、
   前記気体状反応物質が通過するための供給開口（１０３ａ₁、１０３ａ₂）と、
   反応生成物及び残留生成物を排出するための排出開口（１０３ｂ₁、１０３ｂ₂）と
   が得られる、
   ことを特徴とする発電装置。
10. 請求項９に記載の発電装置であって、前記流体収集チャネル（１０６）は前記供給開口（１０３ａ₁、１０３ａ₂）の下に配置される、ことを特徴とする発電装置。
11. 請求項９又は１０に記載の発電装置であって、フィルタプレス構成において、前記流体収集チャネル（１０６）は、前記導電バイポーラ・プレート（３）の前記調整された流体注入孔（２０）に重ねられる、ことを特徴とする発電装置。
12. 請求項９に記載の発電装置であって、前記流体収集チャネル（１０６）は、前記排出開口（１０３ｂ₁、１０３ｂ₂）の上に配された第１及び第２の側方部分（１０７、１０８）によって形成される、ことを特徴とする発電装置。
13. 請求項１２に記載の発電装置であって、前記冷却流体は、前記流体注入孔（２０）に到達する前に、前記それぞれの電気導電性の網状のエレメント（７）の全面を横切り、前記反応セル（２）に入る少なくとも１つの気体流に対して反対方向又は同方向に予熱する、ことを特徴とする発電装置。
14. 請求項１ないし４の何れかに記載の発電装置であって、前記導電バイポーラ・プレート（２０３）は、前記気体状反応物質が通過するための複数の第１の調整された孔（２１３ａ）と、反応生成物及び随意の残留生成物を排出するための複数の第２の調整された孔（２１３ｂ）とを備え、前記複数の調整された流体注入孔（２３０）は、前記複数の第１の調整された孔（２１３ａ）に対応して配される、ことを特徴とする発電装置。
15. 請求項１４に記載の発電装置であって、前記第１の調整された孔（２１３ａ）は、相互に整列され、前記導電バイポーラ・プレート（２０３）の前記供給開口（２０８ａ₁、２０８ａ₂）に対応して配され、前記第２の調整された孔（２１３ｂ）は、相互に整列され、前記導電バイポーラ・プレート（２０３）の前記周辺部分（２０８）に得られた排出開口（２０８ｂ₁、２０８ｂ₂）に対応して配される、ことを特徴とする発電装置。
16. 請求項１４又は１５に記載の発電装置であって、前記反応セル（２０１）は、前記導電バイポーラ・プレート（２０３）の前記周辺部分（２０８）の一面のみを覆う密封ガスケット（２０７）を備え、前記密封ガスケット（２０７）は、それぞれの電気導電性の網状のエレメント（２０６）のための座を具現する、ことを特徴とする発電装置。
17. 請求項１４ないし１６の何れかに記載の発電装置であって、複数の追加のセル（２０２）を備え、それぞれの前記追加のセル（２０２）は、一対の反応セル（２０１）間に挿入され、剛性の周辺部分（２０２ａ）及び中空の中央部分（２０２ｂ）を備え、前記剛性の周辺部分（２０２ａ）は、前記気体状反応物質のための分離面として作用し、前記中空の中央部分（２０２ｂ）は、それぞれの電気導電性の網状のエレメント（２０６）のための座を具現する、ことを特徴とする発電装置。
18. 請求項１７に記載の発電装置であって、前記剛性の周辺部分（２０２ａ）は、前記気体状反応物質の供給のための供給開口（２１４ａ₁、２１４ａ₂）と、反応生成物及び残留生成物を排出するための排出開口（２１４ｂ₁、２１４ｂ₂）と、前記冷却流体の通過のための側方開口（２１５）とを備える、ことを特徴とする発電装置。
19. 請求項１７又は１８に記載の発電装置であって、前記剛性の周辺部分（２０２ａ）は、各面においてガスケット（２１７）によって覆われ、前記ガスケット（２１７）は、前記剛性の周辺部分（２０２ａ）の各面において、前記剛性の周辺部分（２０２ａ）の前記供給開口（２１４ａ₁、２１４ａ₂）に対応して配される前記気体状反応物質の収集領域（２１８ａ）と、前記剛性の周辺部分（２０２ａ）の前記排出開口（２１４ｂ₁、２１４ｂ₂）に対応して配される前記反応生成物及び前記残留生成物の収集領域（２１８ｂ）と、１つの前記供給開口（２１４ａ₁、２１４ａ₂）を前記気体状反応物質の収集領域（２１８ａ）に接続する供給チャネル（２１９）と、前記反応生成物及び前記残留生成物の収集領域（２１８ｂ）を１つの前記排出開口（２１４ｂ₁、２１４ｂ₂）に接続する排出チャネル（２２０）とを画定する、ことを特徴とする発電装置。
20. 請求項１９に記載の発電装置であって、前記ガスケット（１１７）は、前記追加のセル（２０２）内への前記気体状反応物質及び前記反応生成物ならびに随意の残留生成物の通過を妨げるように、前記気体状反応物質の前記収集領域（２１８ａ）ならびに前記反応生成物及び前記残留生成物の前記収集領域（２１８ｂ）を密封する、ことを特徴とする発電装置。
21. 請求項１９又は２０に記載の発電装置であって、フィルタプレス構成において、前記気体状反応物質の前記収集領域（２１８ａ）は、前記第１の調整された孔（２１３ａ）に重ねられ、前記反応生成物及び前記残留生成物の前記収集領域（２１８ｂ）は、前記第２の調整された孔（２１３ｂ）に重ねられる、ことを特徴とする発電装置。
22. 請求項１９ないし２１の何れかに記載の発電装置であって、前記調整された流体注入孔（２３０）は、前記第１の調整された孔（２１３ａ）の下に配され、前記ガスケット（２１７）は、前記剛性の周辺部分（２０２ａ）の各面において、前記追加のセル（２０２）の前記供給開口（２１４ａ₁、２１４ａ₂）の下に配される流体収集チャネル（２２１）を画定する、ことを特徴とする発電装置。
23. 請求項１９ないし２１の何れかに記載の発電装置であって、前記調整された流体注入孔（２３０）は、前記バイポーラ・プレート（２０３）の前記供給開口（２０８ａ₁、２０８ａ₂）と前記第１の調整された孔（１１３ａ、１１３ｂ）との間に挿入され、前記ガスケット（２１７）は、前記剛性の周辺部分（２０２ａ）の各面において、前記追加のセル（２０２）の前記供給開口（２１４ａ₁、２１４ａ₂）と前記気体状反応物質の前記収集領域（１１８ａ）との間に挿入される流体収集チャネル（２２１）を画定する、ことを特徴とする発電装置。
24. 請求項２２又は２３に記載の発電装置であって、フィルタプレス構成において、前記流体収集チャネル（２２１）は前記調整された流体注入孔（２３０）に重ねられる、ことを特徴とする発電装置。
25. 請求項１９ないし２１の何れかに記載の発電装置であって、前記追加のセル（２０２）は、前記追加のセル（２０２）の前記側方開口（２１５）に接続され且つ前記追加のセル（２０２）の前記排出開口（２１４ｂ₁、２１４ｂ₂）の上に配される、第１及び第２の流体収集横チャネル（２２２、２２３）を備え、前記冷却流体は、前記流体注入孔（２３０）に到達する前に、第１及び第２の流体収集横チャネル（２２２、２２３）を通過し、その後、前記それぞれの電気導電性の網状のエレメント（２０６）の全面を横切り、前記反応セル（２０１）に入る少なくとも１つの気体流に対して反対方向又は同方向に予熱する、ことを特徴とする発電装置。
26. 請求項１９ないし２１の何れかに記載の発電装置であって、前記追加のセル（２０２）は、
    前記追加のセル（２０２）の前記側方開口（２１５）に接続され、前記追加のセル（２０２）の前記排出開口（２１４ｂ₁、２１４ｂ₂）の上に配される、第１及び第２の流体収集横チャネル（２２４、２２５）と、
    前記追加のセル（２０２）の前記側方開口（２１５）に接続され、前記追加のセル（２０２）の前記供給開口（２１４ａ₁、２１４ａ₂）の下に配される、第３及び第４の流体収集横チャネル（２２６、２２７）と、
    前記追加のセル（２０２）の前記供給開口（２１４ａ₁、２１４ａ₂）と前記気体状反応物質の前記収集領域（２１８ａ）との間に挿入され、前記追加のセル（２０２）の前記側方開口（２１５）に接続される流体収集チャネル（２２１）と
    を備え、
    前記冷却流体は、前記流体注入孔（２３０）に到達する前に、前記第１及び第２の流体収集横チャネル（２２４、２２５）を通って入り、その後、前記それぞれの電気導電性の網状のエレメント（２０６）の全面を横切り、前記反応セル（２０１）に入る少なくとも１つの気体流に対して反対方向又は同方向に予熱し、前記冷却流体は、その後、前記第３及び第４の流体収集横チャネル（２２６、２２７）から出るように構成され、
    フィルタプレス構成において、前記流体収集チャネル（２２１）は、前記調整された流体注入孔（２３０）に重ねられる、
    ことを特徴とする発電装置。
27. 請求項１ないし２６の何れかに記載の発電装置であって、前記冷却流体は液状の水である、ことを特徴とする発電装置。
28. 実質的に添付の図面を参照して説明された膜電気化学発電装置。
    
    
    
    

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