JP2007517365A - 燃料電池直接水注入 - Google Patents

Abstract

【課題】陽極と、イオン交換膜と、陰極とを有する電気化学的燃料電池は、陰極内の流体フローチャネルに液相水を配送し、流体フローチャネルの全体を通して相対湿度１００％を維持する。
【解決手段】さまざまな動作条件における、陰極流体フローチャネルへ配送される液相水の最適量又は最適量の範囲を決定するための較正方法と較正装置を説明する。さまざまな動作条件における、陰極流体フローチャネルへ配送される液相水の最適量を確保するための動作方法と動作装置を説明する。
【選択図】図１４

Description

本発明は、例えば固体重合体電解質燃料電池のような電気化学的燃料電池に関する。このような燃料電池は、燃料及び酸化剤を、電気エネルギー及び反応生成物に変換する。

従来の燃料電池１０の典型的な層構造は図１に示されており、図１では、明瞭化のため、様々な層を分解拡散の状態で図示している。固体重合体イオン交換膜１１は陽極１２及び陰極１３の間に挟まれている。陽極１２及び陰極１３は、典型的には、両者ともに、多孔質炭素等の電気的伝導性のある多孔質物質で形成され、この多孔質物質には、プラチナ及び／又は他の貴金属触媒の微粒子が接着されている。陽極１２及び陰極１３は、しばしば、膜１１の隣接面にそれぞれ直接接着される。この組み合わせは、一般に、膜−電極アセンブリ（membrane−electrode assembly)、即ち、ＭＥＡと称される。

重合体膜と多孔質電極層とを挟んでいるのは、陽極流体フローフィールドプレート１４及び陰極流体フローフィールドプレート１５である。また中間裏張り層１２ａ及び１３ａは陽極流体フローフィールドプレート１４と陽極１２との間、及び、陰極流体フローフィールドプレート１５と陰極１３の間で、用い得る。裏張り層は、多孔質であり、陽極面及び陰極面への又はそれらからのガスを効果的に拡散させ、同時に気相水及び液相水の管理を補助すべく作製されている。

流体フローフィールドプレート１４，１５は電気的伝導性の非多孔質物質から形成されており、それらによって陽極１２又は陰極１３のそれぞれに対して電気的接触がなされ得る。同時に、上記２つの流体フローフィールドプレートは、流体燃料、酸化剤、及び／又は、反応生成物の多孔質電極への搬送、及び／又は、前記多孔質電極からの排出を容易化しなければならない。これは、一般的には、多孔質電極１２，１３の表面に存在する溝、即ち、チャネル１６等のように、流体フローフィールドプレートの表面内に流体流通路を形成することにより行われる。

図２（ａ）を参照すると、流体フローフィールド・チャネルの１つの従来の形態は、図２（ａ）に示されるようなインレット・マニホルド２１及びアウトレット・マニホルド２２を有する陽極１４（又は陰極１５）の前面に、蛇行構造２０を備える。従来設計に従えば、蛇行構造２０は、プレート１４（又は１５）の表面内にチャネル１６を含んでおり、他方、マニホルド２１及び２２の各々は、プレートを貫通する孔を含み、それによって、チャネル１６へ配送され、又は、チャネル１６からの排出される流体が、図２（ｂ）におけるＡ−Ａ上の断面における矢印によって特定されるプレートと直交する方向に、複数のプレートから成るスタックの深さ分を貫通して、連通され得る。

他のマニホルド孔２３，２５は、燃料、酸化剤、他の流体、又は、排気物の複数プレート（図示されていない）における他のチャネルへの連通用に備えられる。

流体フローフィールドプレート１４，１５におけるチャネル１６は、両端で開口していてもよい。即ち、図示されているように、インレット・マニホルド２１及びアウトレット・マニホルド２２の間で延びるチャネルは、典型的には、酸化剤供給及び反応物排出の組み合わせに使用される流体の連続的な処理を可能としている。これとは異なって、チャネル１６は一方で閉鎖されていてもよい。つまり各チャネルは、ＭＥＡの多孔質電極の内外へガス状物質を１００％転送し、入力マニホルド２１とだけ連通して流体を供給する。閉鎖チャネルは、典型的には、櫛形構造をとり、ＭＥＡ１１−１３に水素燃料を配送すべく使用され得る。

図３を参照すると、従来の燃料電池アセンブリ３０を形成する複数のプレートから成るスタックの一部断面図が示されている。この構成において、隣接する陽極及び陰極の流体フローフィールドプレートは従来方式で組み合わせられて、単一バイポーラ・プレート３１を形成している。単一バイポーラ・プレート３１は、その一方の面上に陽極チャネル３２を有し、反対の面上に陰極チャネル３３を有する。陽極チャネル３２及び陰極チャネル３３は、それぞれ、各膜-電極アセンブリ（ＭＥＡ）３４と隣接している。インレット・マニホルド孔２１及びアウトレット・マニホルド孔２２は、全て重ね合わされてスタック全体にインレット・マニホルド及びアウトレット・マニホルドを提供している。このスタックの様々な要素は、明瞭化のために、僅かに分離されて示されているが、必要に応じて、封止ガスケットを用いて一体的に圧縮されていることを理解されたい。

燃料電池から、高い持続的な電力配送能力を得るために、一般的には、膜−電極アセンブリ内、特に膜内において、高含水率を維持する必要性がある。

先行技術においては、高い持続的な電力配送能力は、一般に、マニホルド２１，２２，２３及びチャネル１６を介して供給される燃料、空気、又はそれら双方である供給ガスを湿潤することによって達成される。換言すれば、気相状態にある水（以下、気相水と称する）がチャネル１６に導入される。これは、ある限度は、燃料電池アッセンブリ内における熱管理に寄与することができる。

他の方法は、液相状態にある水（以下、液相水と称する）を、膜１１、１４に直接的に配送することである。例えば、電極表面又はバイポーラプレート３１のチャネル１６に直接に配送する。この技術は、水を供給して、高い膜水分量を保持できるばかりではなく、気化潜熱の蒸発、及び、抽出を通して、燃料電池をかなりの程度で冷却することができるという利点を持つ。電極面又はチャネル１６に対して液相水を直接に導入するための技術についての詳細は、国際出願Ｎｏ．ＰＣＴ／ＧＢ０３／０２９７３（本件出願時未公開）に記載されている。そこで、その書類の関係する部分の記載を、本件明細書中で、適宜、再現する。

この直接的熱排出プロセスは、排出ガス流を経由して熱エネルギーを抽出するものであって、燃料電池スタックアッセンブリ内における中間冷却プレートを省略することと組み合わされて、顕著な利点を奏する。

本発明の目的の一つは、過剰水を陰極のチャネル１６に導入することにより、蒸発冷却燃料電池スタックの動作を改善する方法及び装置を提供することである。

本発明の１つの態様によると、本発明は、一つの陽極と、イオン交換膜と、１つの陰極とを有する電気化学的燃料電池を動作させる方法を提供するものであって、この方法は、
前記陽極内の流体フローチャネルに流体燃料を配送し、
前記陰極内の流体フローチャネルに流体酸化剤を配送し、
前記陰極内の前記流体フローチャネルから，反応副産物及び利用されずに残った酸化剤を排出し、
前記流体フローチャネルの全体を通して、実質的に相対湿度１００％が維持されるように、前記陰極内の流体フローチャネルに充分な量の液相水を配送する、ステップを含む。

他の態様として、本発明は、電気化学的燃料電池アセンブリを提供する。この電気化学的燃料電池アセンブリは、少なくとも一つの流体フローチャネルを有する陽極流体フローフィールドプレートと、少なくとも１つの流体フローチャネルを有する陰極流体フローフィールドプレートとを含んでいる。陽極流体フローフィールドプレートは、少なくとも一つのイオン交換膜を有している。

前記陰極流体フローフィールドプレートは、少なくとも一つのイオン交換膜を有し、
前記陽極流体フローチャネルに流体燃料を配送する手段と、
前記陰極流体フローチャネルに流体酸化剤を配送する手段と、
前記陰極内において、前記流体フローチャネルに充分な量の液相水を配送し、それによって、燃料電池が通常の動作状態にある間は、前記流体フローチャネルの全体をとおして、相対湿度１００％を維持するための水注入機構とを含む。

以下、本発明の実施例について、例及び添付図面を参照して説明する。

燃料電池スタックアセンブリ３０の動作中は、電気化学及び電気的損失の結果として、燃料電池スタック中に熱が発生する。スタックアセンブリ内において蒸発冷却された燃料電池１０の例では、図１０に概念的に示すように、この熱は、反応物１０２、１０３の入口側温度を超過する排出生成物１００、１０１の温度上昇、及び、陰極１３に供給され、かつ、陰極空気流１０３中へ蒸発する液相水１０４の気化によって、奪われる。
蒸発冷却は、最小パワーレベルでなければ、熱除去のための優れたメカニズムであることがわかる。

液相水１０４の蒸発が起こる条件は、陰極空気流中の気相水の分圧が充分に低いこと、即ち、相対湿度＜１００％で、かつ液相水を蒸発させる熱供給があることである。水の相対湿度が１００％、即ち、空気が水蒸気によって飽和したような局部的条件が一旦存在すると、次に述べる３つの条件が起こらない限り、もはや、更なる蒸発は生じない。
（i）空気流率が増大し、気相水の分圧が反比例的に低下すること、
（ii）トータル圧力が低くなり、気相水の分圧が比例的に低下すること、及び、
（iii）局部的に温度が上昇して、均衡点が移動し、それによって空気が充分に飽和するまで、更に蒸発が起こること。

従って、燃料電池１０が、燃料電池スタック３０内の各位置にある陰極１３において、一定の圧力、過剰水及び一定の陰極空気流率で動作するとき、局所的に均衡状態となり、空気は充分に飽和し、かつ、蒸発による更なる熱除去は局部的温度上昇によってのみ引き起こされる。

蒸発、従って冷却を生じさせる実際の温度上昇は、有効な状態での蒸発均衡点の感度、及び、必要な冷却の程度にかかっている。図１１は、完全飽和条件温度（即ち、相対湿度１００％で全圧が一定である場合の温度）を有する単位空気質量当たりの気相水質量の変化を、概念的に示している。この手法では、前記スタックの動作温度は、冷却を行うために必要な蒸発量と、全圧と、陰極空気流の質量流量率とによって概ね設定される。

図１１に図示されているように、温度が高くなると、わずかな温度上昇ΔＴで、空気流中に保持される気相水量の増加Δｍが著しく大きくなり、これにより、前記スタック内で発生する熱の結果として生じる蒸発量の増加を引き起こす。従って、前記スタックの温度は、全体的（全スタック電力が変化するにつれて）にも、局部的（所定の全スタック電力について、当該スタック内での不均一性の結果として生じる局部的発熱率の変化に起因して）にも広い熱負荷範囲でほぼ一定になる。これにより、前記スタックの動作温度に対し高度の間接制御（implicit control）が可能になり、前記スタックの全域にわたって良好な熱バランスが保持されることになる。

更に、個々のチャネル１６内または燃料電池スタックアセンブリ３０の通路内に過剰水が存在することにより、各チャネル内における空気流率に対し、次に述べるような暗黙制御を生じさせる。例えば、ある通路が平均空気流率よりも高い空気流率を持つなら、水が追加されると空気流中に蒸発し、更なる冷却をもたらす。これにより、流路出口における体積流量率は、平均体積流量率よりも高くなる。流路出口は、全流路にわたり圧力が均一に低下する場合に、燃料電池流路内に流れ込む空気流率を制限し、空気流の暗黙制御によってスタック内の熱バランスを改善させ、スタック内のセル電圧バランスを改善させる。マニホルド２１、２２とチャネル１６との相対寸法によって、全チャネル１６にわたり圧力を均一に低下させることができる。

スタック内の温度は、陰極空気流率を適度にするか、及び／又は陰極空気流の全圧を変更することにより、直接制御（explicit control）することができる。換言すれば、水を気化させる気体の体積が増加することにより、空気流率が増加するために、水蒸気分圧が低下する。従って、水を追加すると飽和状態に至る前に気化し、更なる冷却を引き起こし、結果としてスタック動作温度が低下する。

別の方法としては、出口における圧力を減少することもできる。この方法では、全圧を低下させて、水蒸気の分圧を低下させる。この方法により均衡点が移動して、追加される水は飽和状態に達する前に気化し、更なる冷却とスタック動作温度の低下を引き起こす。

その他のファクター、例えば陽極フロー率、燃料および酸化剤注入温度、表面損失などは、重要性が低い。

加圧されていない機構の好ましい実施例では、典型的な燃料スタックの動作温度は７０〜８０℃の範囲である。しかしながら原則として、この値は、空気流率及び／又は陰極空気流の全圧を調整することにより６５〜９５℃の範囲で変化することができる。電力レベルが低い場合は、すなわち蒸発冷却が優勢でない場合は、スタックの動作温度はきわめて低い。高圧力または低圧力でシステムを作動すると、上記の温度範囲は有意に変化する。

実際には、反応物と燃料電池スタックに供給される液相水との平均温度は、スタック動作温度よりも低くすることができる。従って、インプットフロー（input flows）を加熱しスタック動作温度にすることで、かなりの冷却を行える。一旦インプットフローがスタック動作温度に達すると、以降の冷却は、水蒸気が陰極空気流れへ蒸発することにより行われる。蒸発冷却の割合は、陰極空気流率と、水フロー率と、燃料電池スタックの電力と、インレットフローの温度と等を含む多数のファクターに依存する。多くの場合、蒸発冷却は、上述のように高度の直接温度制御（implicit temperature control）を行うことができる優れた冷却メカニズムである。しかしながら、インレットフローの平均温度がスタック動作温度より低い場合には、スタック内で反応物と液相水が注入される領域に、温度勾配が起こる。

蒸発冷却を行うために、燃料電池スタックの各部分に液相水が十分に存在しなければならない。もし水が十分に存在しなければ、スタックの能力は低くなり重大な問題を引き起こす可能性がある。

考えられる問題としては、以下のものが挙げられる。（ｉ）膜の乾燥と、関連するセルの電圧低下、（ｉｉ）液相水が存在しないことによるホットスポットと蒸発冷却の欠如、それらによる膜の劣化と寿命の減少。

蒸発による冷却を行うための液相水が十分に存在するように、別の方法を採用することができる。例えば、（ｉ）液相水を正確に計量して陰極に供給し、陰極の全表面にわたって、かつ燃料電池スタックの各セル内で、相対湿度１００％を維持するために十分な水を存在させる。または、（ｉｉ）スタック全体に液相水を過剰供給して、過剰水を常に陰極の全表面にわたって、かつ燃料電池スタックの各セル内に存在させる。液相水の陰極への提供を適切に行うために、後に説明するように、水注入ポイントを陰極チャネル１６のそれぞれに設置してもよい。

実際の燃料電池では、液相水を正確に計量して燃料セルスタックのそれぞれに供給することは困難である。さらに、製造上の公差と不均一な動作条件のために、燃料電池スタック内の位置によって冷却条件は異なり、よって正確な計量に関連する困難性が高くなる。

したがって、スタック内の陰極のそれぞれの位置に、常に過剰水が存在するほどに液相水を過剰供給する方法は、膜の乾燥とホットスポットを避けることができて、スタックの性能と寿命を改善することができるため、好ましい。

したがって、一般的な態様の一つとして、陰極に対する液相水の過剰供給により、陰極の流体フローチャネル全体を通して相対湿度が実質的に１００％に維持される。

他の態様の一つとして、燃料電池は動作され、規則的なセル電力配送のために、陰極への液相水の注入率及び／又は陰極を通る気体フローを制御し、陰極表面の全域における液相水の量は主な温度及び圧力条件で蒸発する液相水の量よりも確実に多くなる。

他の態様の一つとして、上述の条件は、共通の酸化剤供給マニホルドと共通の水注入マニホルドとを有する燃料電池スタック内の複数のセルに適用され、規則的なスタック電力配送のために、水注入マニホルドへの液相水の注入率及び／又は酸化剤供給マニホルド内の気体フロー率を制御し、その制御によって、セル全体の陰極表面の全域における液相水の量は主な温度及び圧力条件で蒸発する液相水の量よりも確実に多くなる。

現実の不均一性を前提として、水ファクターの不均一という通常の動作条件の下にある実際のスタックでは、スタックの一部において受け取る液相水の量が、陰極の流体フローチャネル全体を通して相対湿度１００％を実質的に維持するために必要な水の量よりも少ないことがある。従って、スタックの一部では、受け取る液相水の量が、陰極の流体フローチャネル全体を通して相対湿度１００％を実質的に維持するために必要な水の量よりも多いことがある。従って、本発明の別の態様として、過剰液相水のスタックへの供給は、スタックの全部分が受け取る液相水の最小量が、少なくとも、陰極の流体フローチャネル全体を通して相対湿度１００％を実質的に維持するために必要な液相水の量となるように、従ってスタックの均一性よりも水のファクターが大きくなるように選択される。

図１２は、一定電力で一定陰極気体フロー率の下に動作する典型的な蒸発冷却された燃料電池スタックにおいて、スタック電圧の変化を、陰極に供給された液相水のフロー率の関数として、概念的に示す。水フロー率が低い場合には、全体のスタック電圧は減少しており、このことはスタックの一部が、適当な冷却及び／又は適当な膜水化を確実に行うために十分な液相水を受け取っていない可能性があることを示す。水フロー率が増加すると、最大スタック電圧（１２０で示す）に達し、従って燃料電池スタックの全部分に過剰量の水が供給される。水フロー率が高い場合は、スタック電圧は徐々に減少する。その理由はことによると、結果として生じる陰極空気流（水で置換されている）の酸化剤の分圧低下によるものか、及び／又は、液相水の存在による膜への又は膜からの気体交換の阻止によるもの、という可能性がある。

フロー率が高い場合でも、セルのバランス（セル電圧の観測によって示される）は、劣化する可能性があり、スタックに使用できる最大の水ファクターの上限を示す。最大の水フロー率は、適した水ポンプを利用して得た最大値によって設定することができる。

こういった限定的な効果にかかわらず、きわめて多量の過剰水を陰極に供給して、適切な水化と燃料電池スタックの各部分の冷却を確実に行うことにより、大きな動作窓を画定することができると決定づけられている。

陰極に供給される水の量を、蒸発冷却に必要な最小量の理論値の倍数として記述することは有益である、すなわち、「水ファクター」ＷＦは以下のように定義される。
ＷＦ＝ｍ_ｗ／ｍ_ｗ（minimum）
ここでｍ_ｗは供給された液相水の質量流量率であり、ｍ_ｗ（minimum）は下記に従い計算された液相水の質量流量率の理論的最小値である。

蒸発冷却に必要な水の最小量の理論値は、燃料電池に熱バランスを行って、かつ以下のように推定して計算する。
（ｉ）反応剤のエンタルピーは燃料の低位発熱量と等しい。というのは、気相水が生成されるからである（過剰水が無い場合）。
（ii）燃料電池の熱負荷は、スタック電流の関数として燃料電池スタック効率の実験値から導出される。
（iii）熱負荷は、陰極に供給される液相水の完全な蒸発を含む反応物からの、生成物の熱エンタルピーの上昇に等しい。

所定の動作ポイントに向けた実際の水ファクターは、従ってこの値の倍数として定義される。

当然の事ながら水ファクターは上述の定義以外でも定義することができるが、使用する定義にしたがって、好ましい水ファクターの価の範囲はわずかに異なる。

図１３は、スタック電流の関数として求められる液相水フロー率の最小量の理論値を、即ち、ＷＦ＝１とラベルされた単位水ファクターの軌跡を、概念的に示す図である。スタックの効率は高電流のときに減少し、発生する熱量が非直線的に増加するため、スタック電流が増加するに従って、必要とされる水の量は非直線的に増加する。

既述の通り、スタックの不均一性と、最適パフォーマンスを得るための水フロー率にスタック不均一性が及ぼす影響（図１２の直線１２１と１２２で示す）により決定される通り、実際の燃料電池スタックは、スタック内のそれぞれの位置に、個々に計量しながら水を配送することは不可能であるので、均一性の許される余裕を残した最小水ファクターで動作しなければならない。言い換えれば、使用する水ファクターは、スタック内の全てのセルと、スタック内の各セルの全ての部分とが、相対湿度１００％となるような単位よりも有意に大きくなければならない。使用する最大水ファクターは、使用中の最大許容減少価によって決定される。スタック電流の関数である水ファクターＷＦの好ましい上限および下限を、図１３の鎖線１３０と１３１で概略的に示す。

水ファクターの上限および下限１３０と１３１は、関連する燃料電池スタック３０の検査または較正によって決定してもよい。スタックの較正は、一定電流で一定の空気化学量論で動作する陰極に対する水フロー率の変化によって行うことができ、線１２１で示す最小水フロー率と、線１２２で示す最大水フロー率とを決定する。この較正は可能なスタック電流の範囲で繰り返され、（また、許容空気化学量論の範囲でも）スタックの動作条件の正常範囲と対応する。このようにして、較正によって、スタック電流の関数として水ファクターの上限と下限を定義する。

ここで使用する「空気化学量論」という表現は、インレット１０３で供給される酸素の量を、電気化学反応において消費される酸素の量で標準化した量である。したがって、空気化学量論１の場合は、空気中の全ての酸素が水素と結合して水となる。空気化学量論２の場合は、５０％の酸素がセル１０内で消費され、５０％が陰極排出１０１に存在する。反応に必要な酸素の量はスタック電流と、スタック効率と、反応に伴うエネルギー変化の一次関数で求められる。

大量生産する場合は、所定の構成のスタック全てに許容可能な許容誤差を含めた単一の範囲を決定するために、多くの代表的なスタックを検査することができる。

好ましい実施例では、陰極空気流１０３は、スタック電流と比例して調節され、電気化学的に必要とされる約２の空気化学量論で、スタックが動作する。しかしながら実際は、陰極空気流は様々な価をとり、空気化学量論は１．１〜１０の範囲内に、より好ましくは、燃料電池スタックの要求の細かさに依存して１．４〜４の範囲内にある。低電流では、したがってセル内の反応物の消費が少ない場合は、空気化学量論は、この価よりも有意に大きくなりえる。というのは、最小空気フロー率は、空気圧縮機の最小フロー率の配送により制限されるからである。

好ましい実施例では、図１３に示すように水フロー率はスタック電流の一次関数で表される。この制御方法のための水ファクターは一般的に１．５〜４０の範囲で、好ましくは３〜６の範囲で変化する。

実際には、スタックの動作条件と、過剰水の結果であるスタック性能の減少の最大許容量とに依存して、水ファクターは０〜４０の範囲に設定できる（図１２参照）。例えば、スタックが低電力アウトプットで動作したり、低温度条件で開始されて最大動作温度に達していない場合は、水フロー率は０か低い水ファクターに設定されて、一時的にスタック加熱率を増加する。

陰極排出温度を観測して、スタック動作温度を示したり、水ポンプに水フィードバック制御を与えることができる。したがって、ある態様においては、機構は一時的に液相水を陰極内の流体フローチャネルに配送させることができる。その結果、陰極排出温度が、予め決められた次善動作温度に対応した、または低温における燃料電池の始動後に続く予め決められた期間に対応した、所定の閾（いき）値以下であるとき、相対湿度１００％未満（水ファクター＜１）が維持される。

定量ポンプ、流量調節器、または圧力制御方法を使って水フィード率を一定にすることができる。低電力では、水の所要量は、水ポンプで得られる最小フロー率よりも低いかもしれない。したがって、低電力では、最小水フロー率を、水ポンプの失速を避けるために最低電圧の設定点に対応させることもできる。このことを概念的に図１３に、電流値が
Ｉ_ｃｒｉｔ未満の場合について示す。

当然の事ながら、燃料電池に配送される水は、原則的に、電流のいかなる関数にもなり得るが、ただし、フロー率は、関連する燃料電池スタックの較正によって、または代表的な燃料電池スタックの数によって決定される、水ファクターの最小〜最大の範囲をとることを条件とする。

一旦、水ファクター制御方法が規定されると、陰極空気フロー率及び／又は陰極空気全圧の調節によって、冷却に関係する条件を柔軟にすることができる。

さらに、スタックはセル電圧観測能力を備え、動作電圧によって、過剰水が不十分であることを示したり、動作電圧を即時の調整手段として用いることができる。

燃料電池スタック内の水分管理のための装置の例を、図１４を参照して説明する。

燃料電池機構１４０は、燃料電池スタック３０を有し、燃料電池スタック３０は燃料インプットライン１０２と、陽極排出ライン１００と、空気フィードライン１０３と、水注入ライン１０４と、陰極排出ライン１０１とを含む。燃料インプットラインは燃料源１４１により燃料を受け、場合によっては既知の方法を利用して加湿機１４２を経由して燃料を受ける。陽極排出ライン１００は周囲１４３に直接に排出物を出すか、再利用制御ループ１４４を利用した既知の方法に基づいて、少なくとも部分的に再利用する。空気フィードライン１０３は空気圧縮機１４５により空気を受ける。水注入ライン１０４は水ポンプ１４６によって水を供給される。水は適切な浄水供給器から供給されるか、適切な液化装置（図示せず）により陰極排出物を再利用する。陰極排出ライン１０１は周囲に直接に排出物を出してもよいが、好ましくは、少なくとも排出温度を検知する排出センサー１４７を有する。

陰極排出は、陰極排出圧を減少させ、及び／又は、制御するためのポンプ１４８を有してもよい。ポンプ１４８は、圧縮機１４５からの空気供給に追加するか、又はその代わり、すなわち空気供給を環境気圧で行うときに、使うことができる。

他に燃料電池機構１４０内に含まれるものには、好ましくは、スタック電圧１５１と、スタック電流１５２と、排出温度１５３とに相当するセンサー入力値を受容する制御装置１５０がある。制御装置１５０は、空気圧縮機１４５と、水注入ポンプ１４６とに、適切な制御ラインにより連結している。

制御装置１５０は２種類の態様で動作するよう構成することができる。

第１の態様では、燃料電池スタック３０の次の動作を行うための較正データを得るように、制御装置１５０を適合させることができる。較正モードでは、一定インプット空気圧で燃料電池スタックからの電流が一定の条件で、制御装置１５０によって、水注入ポンプ１４６により供給される水フローを変化させることができる。また、制御装置１５０によって、検知されたスタックの電圧レベルを受容することができ、結果として適切な水ファクター１２１、１２２の最小値と最大値を決定することができる（図１２）。これらの値は較正テーブル１５４に蓄積される。較正は１つまたは複数の電流負荷と、または異なるインプット空気圧と、異なる空気化学量論とに対し、繰り返し行うことができ、その結果、様々な燃料電池動作条件による水注入率を適切に制御する、広範囲にわたる制御データを蓄積する。

第２の態様では、制御装置１５０によって、較正テーブル１５４に蓄積された較正データを利用して、燃料電池の最適動作条件を維持する。例えば、制御装置１５０はスタック電圧と電流を観測し、水注入ポンプ１４６（場合によってはインレット空気圧縮機）を制御して、燃料電池の最適性能を得るための最適水ファクターを維持する。好ましい装置においては、この水ファクターは１．５〜４０の範囲で変化し、さらに好ましくは３〜６の範囲で変化する。

前述のように、制御装置は、陰極排出温度をセンサー１４７によって監視してもよく、陰極排出温度が次善動作温度に対応する所定の閾（いき）値よりも低い場合は、例えば燃料電池の始動の間などは、配送する水の量を少なくしてもよい。別の例では、この「ウォーミングアップ」の段階を、排出物の温度よりもタイマーで制御することができる。

図１４の例では、制御装置は燃料電池スタックの初期較正と最適動作条件の維持とを行う。しかしながら、既知の燃料電池では、すなわちあらかじめ較正された機構では、較正テーブル１５４に、先行して水分制御装置１５０によって使用条件の動作データを与えておいてもよい。

図１４の例では、制御装置１５０による燃料電池スタック３０の「全体的な」制御を示すが、異なるセル、または異なるセル集団に水分を配送する場合は、制御の精度を高めることも可能である。例えば、燃料電池スタックへの水分配送点が多数、独立して存在する場合は、個別の電圧及び電流検知を行うことができ、燃料電池スタックの各部分に送る水分を局地的に変化させることができる。

液相水の量を精確に制御して、陰極流体フローフィールドプレート内の流体フローチャネルに配送するには、数多くのメカニズムを利用できる。メカニズムの例が、ＰＣＴ／ＧＢ０３／０２９７３（出願時には未公開）に記載されおり、以下に図４〜９を参照して詳細を説明する。

図４（ａ）及び図４（ｂ）で参照されるように、本発明は水インレット・マニホルド２５と流体フローフィールドプレート４０ａ及び４０ｂの個々別々のチャネル１６との間に延在している一連の水注入管路を提供するものである。一般的に云えば、水注入管路は流体フローフィールドプレート４０の表面上に横たわる膜又は薄層状構造によって提供される。これら水注入管路は水インレット・マニホルド２５と連通するインレットと、流体フローフィールドプレート内におけるチャネル１６にわたる複数の所定の水注入点を画成するアウトレットとが具備されている。

好適実施例において、薄層状構造はプレート４０に重ね合わされている２つのフォイル層４１，４２の形態で提供され、それらフォイルの位置は図４（ａ）及び図４（ｂ）における破線で示されている。

図４（ａ）は、流体フローフィールドプレート４０ａの平面図を、蛇行チャネル１６と、水インレット・マニホルド２５と合致する第１縁４３ａ，４４ａ及びチャネル１６の複数の所定水注入点４９に位置決めされた又はそれらにそれぞれ隣接する第２縁４５ａ，４６ａとを有するフォイル４１ａ，４２ａと共に図示している。

図４（ｂ）は、流体フローフィールドプレート４０ｂの平面図を、各々がそれぞれのマニホルド２１，２２とそれぞれ連通する２つの相互噛み合い櫛形チャネル４７，４８と、水インレット・マニホルド２５と合致する第１縁４３ｂ，４４ｂ及びチャネル４７の複数の所定水注入点に位置決めされた又はそれらにそれぞれ隣接する第２縁４５ｂ，４６ｂとを有するフォイル４１ｂ，４２ｂと共に図示している。これらフォイルがプレート４０ｂの反対側縁部における第２の水インレット・マニホルド２５とチャネル４８に対する複数の所定水注入点との間に繰り返され得ることに留意されたい。

図５は、水分配フォイル４１の配置の詳細な平面図を示し、水注入管路５０の好適な経路を図示している。管路５０は、水インレット・マニホルド２５に位置決めされたフォイル４１の第１縁４３から、水注入フォイル４１の長さ方向に沿って延在する圧力分配ギャラリー又はプレナム５２まで延在する第１の一連のチャネル５１によって形成されている。圧力分配ギャラリー５２は、流体フローフィールドプレート内におけるチャネル１６との連通のためにフォイルの第２縁４５まで延在する第２の一連のチャネル５３と連通している。この目的のため、第２の一連のチャネル５３はグループ化されて、水注入フォイル４１の第２縁４５における各収束構造５４で終了する。

図示された好適実施例において収束構造５４は、この図面上における輪郭図に示されるように、各チャネル１６における所定位置と合致することができる水注入点４９でフォイル４１の第２縁４５内に切り込まれた弧状凹部５５を含む。

圧力分配ギャラリー５２は、好ましくは、第１の一連のチャネル５１から入ってくる水の流れをそらせて、フォイル４１の全長に沿ってその水を効果的に分配する複数の相互連通チャネル５６から成るアレイを含み、第２の一連のチャネル５３をなす各グループは実質的に同様な圧力の水を受け取る。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に戻って参照すると、カバー・フォイル４２は下方フォイルと同様な周辺形状の非パターン化フォイル（チャネル無し）を含む。カバー・フォイル４２は少なくとも第２の一連のチャネルの末端で分配フォイル４１の縁を越えて延在して、水が所望のフローフィールドプレート・チャネル１６内に下方へ向かうことを確保する。最も適切には、この重なりはカバー・フォイル４２内ではなく、分配フォイル４１内に形成されている凹部５５によって達成される。こうして、図６の断面図に明示されているように誇張された形態で、カバー・フォイル４２はチャネル５１，５２，５３に対する上部閉鎖部を形成して、水注入管路５０を形成し、チャネル５１及び５３の末端を開口させたまま残している。図示された実施例において、カバー・フォイル４２は分配フォイル４１よりも僅かに大きく形成され得て、それが第２縁４５（及び可能であれば第１縁４３）に重なって同様な効果を達成している。

留意されることは、これらフォイル層がプレート４０の厚みと比較して非常に薄く、それらフォイル層の厚みはＭＥＡ３４やプレート間に差し込まれた任意のガスケットによって容易に吸収される。図６における各種構成要素は、相互に一体的に圧縮されているが、明瞭化のために僅かに分離されて示されている。

図７はフローフィールドプレート４０上方の位置にある水分配フォイル４１の斜視図を示し、特に様々なチャネル及びマニホルドのアライメントを示している。

水分配チャネル５１，５２，５３は下方フォイル４１内に形成される必要性はないことに注意されたい。図８に示される別の実施例において、水分配チャネル８０は上方フォイル８２の下方表面内に形成されている一方で、下方フォイル８１はそれらのチャネル８０の閉鎖部を形成する役割を果たして水注入管路を形成している。言い換えれば、分配フォイル８２及びカバー・フォイル８１は図６の構成と比較して逆転されている。

図８の構成において、（図５におけるチャネル５３と比較して）少なくとも第２の一連のチャネルは上方フォイルの第２縁８３まで完全に延在しておらず、その第２縁に近接した位置で終了している。下方（カバー）フォイル８１はチャネル８０の殆ど末端にまで延在しているが、好ましくはそれに僅かに足りないところで停止して、複数の水注入点４９でプレート・チャネル１６内へチャネル８０の末端から流体を連通させている。

先に示唆されたように、下方（カバー）フォイル８１はチャネル８０に対する閉鎖部を提供して、例えば水注入管路が（例えば、箇所８５で）燃料及び／又は酸化剤チャネル１６を横切っているような間違った場所で、水が流体フローフィールドプレート４０内における下側に横たわるチャネル１６内への逸脱を防止する障壁を形成している。

好ましくは、先に記載されたフォイルはステンレス鋼等の金属から形成されている。しかしながら適切な加圧水封じ込め特性を有する任意の適切な材料が使用され得て、この明細書を通じて使用されている表現「フォイル」はそれに対応したように解釈されるべきである。好ましくは、それらフォイルは電気的に伝導性であるが、そうである必要性もなく、それはそれらフォイルがＭＥＡの活性領域に影響しないからである。

好適な実施例において、陽極プレート又は陰極プレート４０における流体フロー・チャネル１６は、典型的には、幅及び深さが０．４ｍｍと１．２ｍｍとの間である。水分配フォイル内に化学的にエッチングされた１０ミクロンの幅及び深さのチャネルが水注入の必要とされる度合いを提供する役割を果たすことが判明している。

使用中、マニホルド２５を介して配送される水の圧力は流体フロー・チャネル１６内における水供給及びガス圧の間の著しい圧力差を確保すべく制御されて、数千に及ぶフロー経路間における水の同等な分配を達成している。好適実施例において、水は０．５〜３バールＨ_２Ｏ範囲内の圧力でマニホルドに配送されている。

このアプローチの長所は、水分配膜が極端に薄く、バイポーラ・プレート内の有効スペース内又はガスケット領域内に容易に位置決めされ得ることである。

容量性水分配精度も、水注入管路パターンの適切な設計とチャネル寸法とによって非常に精密に制御され得る。

図９に図示されているように、フローフィールドプレート４０内における相互噛み合いチャネル９０内に分配される水は、供給チャネル９２後のチャネルへの入口点９１に導入され得るか、又は代替的に、フィード・マニホルドとしてのバイポーラ・プレートの同一末端での注入点９４で流出トラック９３内へ導入され得る。

流出トラック内への水注入の長所は、反応ガスフローに関する圧力降下の低減である。これは、水が拡散媒体を通過せず、ガス通路用の空隙のマスキングを引き起こさないからである。同様に、拡散媒体を通る水フローの削減も媒体の消耗、その漸次崩壊、並びに、構造的劣化を低減する。

蒸発性冷却プロセスは流出トラックにおいて効果的であり、膜の水含有量は空気の水蒸気による飽和で維持される。

他の実施例が添付の特許請求の範囲に記載されている。

従来の燃料電池の一部を通る概略断面図である。 図１の燃料電池の流体フローフィールドプレートの簡略化された平面図である。 図１の燃料電池の流体フローフィールドプレートの簡略化された断面図である。 バイポーラ・プレートを具備する従来の燃料電池スタックを通る断面図である。 蛇行流体管路を伴う燃料電池流体フローフィールドプレートの平面図であり、本発明に従った水分配フォイルとカバー・フォイルの重ね合わせ位置の輪郭図である。 相互噛み合い櫛形流体管路を伴う燃料電池流体フローフィールドプレートの平面図であり、本発明に従った水分配フォイルとカバー・フォイルの重ね合わせ位置の輪郭図である。 本発明に従った水分配フォイルの平面図である。 図４及び図５の流体フローフィールドプレート、水分配フォイル、並びに、カバー・フォイルの断面図である。 図６のアセンブリの一部の斜視図である。 水分配フォイル及びカバー・フォイルの相対的位置が逆転している、流体フローフィールドプレート、水分配フォイル、並びに、カバー・フォイルの断面図である。 相互噛み合い櫛形チャネル構造のための複数の水注入点の概略平面図である。 燃料電池の陰極における水分冷却の方式の概略図である。 完全飽和条件温度（即ち、相対湿度１００％である温度）の関数である空気単位質量当たりの気相水質量の変化のグラフである。 陰極に供給される液相水のフロー率の関数として、スタック電圧の変化をグラフである。 燃料電池スタック電流の関数として求められる水フロー率の最小量の理論値をグラフである。 水分配送管理機構を有する燃料電池スタック機構の構成要素の概略図である。

Claims (29)

1. 一つの陽極と、イオン交換膜と、１つの陰極とを有する電気化学的燃料電池を動作させる方法であって、この方法は、
   前記陽極内の流体フローチャネルに流体燃料を配送し、
   前記陰極内の流体フローチャネルに流体酸化剤を配送し、
   前記陰極内の前記流体フローチャネルから，反応副産物及び利用されずに残った酸化剤を排出し、
   前記流体フローチャネルの全体を通して、実質的に相対湿度１００％が維持されるように、前記陰極内の流体フローチャネルに充分な量の液相水を配送する、
   ステップを含む、方法。
2. 請求項１に記載された方法であって、充分な量の液相水を配送するステップは、
   液相水フロー率の関数として最大セル電圧を決定し、少なくとも前記最大セル電圧に対応する最小水フロー率を配送するステップを含む、方法。
3. 請求項１に記載された方法であって、燃料電池スタック内の複数のセルに適用される方法であって、充分な量の液相水を配送するステップは、液相水フロー率の関数として最大スタック電圧を決定し、少なくとも前記最大スタック電圧に対応する最小水フロー率を配送するステップを含む、方法。
4. 請求項１又は請求項２又は請求項３に記載された方法であって、セルまたはスタック電流の関数として配送される液相水の量を増加させて、セル又はスタックの通常動作範囲内の全電流に対して水ファクターＷＦ＞１．０を維持する、方法。
5. 請求項２に記載された方法であって、
   充分な量の液相水を配送するステップは、
   前記セルの通常動作範囲内と対応する複数のセル電流のそれぞれに対する液相水フロー率の関数として最大セル電圧を決定し、
   最小液相水フロー率を表現する較正機能を、電流及び／又は空気化学量論の関数として決定し、
   前記セルからの前記電流及び／又は、前記較正機能によって決定された前記空気化学量論に対する前記電流に、少なくとも前記最小水フロー率を配送する、
   ステップを含む、方法。
6. 請求項３に記載された方法であって、
   充分な量の液相水を配送するステップは、
   前記スタックの通常動作範囲内と対応する複数のスタック電圧のそれぞれに対する液相水フロー率の関数として最大スタック電圧を決定し、
   最小液相水フロー率を表現する較正機能を、電流及び／又は空気化学量論の関数として決定し、
   前記スタックからの前記電流及び／又は、前記較正機能によって決定された前記空気化学量論に対する前記電流に、少なくとも前記最小水フロー率を配送する、
   ステップを含む、方法。
7. 請求項５または請求項６に記載された方法であって、前記較正機能は、空気化学量論１．１〜１０の範囲で決定される、方法。
8. 請求項７に記載された方法であって、前記較正機能は、空気化学量論１．４〜４．０の範囲で決定される、方法。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載された方法であって、充分な量の液相水を配送するステップは、少なくとも１．５の水ファクターを配送する、方法。
10. 請求項９に記載された方法であって、充分な量の液相水を配送するステップは、少なくとも３の水ファクターを配送する、方法。
11. 請求項９または請求項１０に記載された方法であって、充分な量の液相水を配送するステップは、４０未満の水ファクターを配送する、方法。
12. 請求項１１に記載された方法であって、充分な量の液相水を配送するステップは、３〜６の範囲の水ファクターを配送する、方法。
13. 請求項１乃至１２のいずれかに記載された方法であって、
    前記陰極排出温度が次善動作温度に対応する所定の閾（いき）値よりも低い場合に、
    実質的に相対湿度１００％未満が維持されるように、前記陰極内の流体フローチャネルに対する一定量の液相水の配送を一時的に許容する、ステップを含む、方法。
14. 請求項１３に記載された方法であって、前記燃料電池又は燃料電池スタックに適用される、方法。
15. 請求項１に記載された方法であって、前記燃料電池が動作される方法であって、
    規則的なセル電力配送のために、前記陰極への液相水の注入率及び／又は前記陰極を通る気体フローを制御し、前記陰極表面の全域における液相水の量は、主な温度及び圧力条件で蒸発する液相水の量よりも確実に多くなる、方法。
16. 請求項１５に記載され、共通の酸化剤供給マニホルドと、共通の水注入マニホルドとを有する燃料電池スタック内の複数のセルに適用される方法であって、
    規則的なスタック電力配送のために、前記水注入マニホルドへの液相水の注入率及び／又は前記酸化剤供給マニホルド内の気体フロー率を制御し、セル全体の前記陰極表面の全域における液相水の量は、主な温度及び圧力条件で蒸発する液相水の量よりも確実に多くなる、
    方法。
17. 電気化学的燃料電池アセンブリであって、
    少なくとも一つの流体フローチャネルを有する陽極流体フローフィールドプレートと、
    少なくとも１つの流体フローチャネルを有する陰極流体フローフィールドプレートとを含み、
    前記陽極流体フローフィールドプレートは、少なくとも一つのイオン交換膜を有し、
    前記陰極流体フローフィールドプレートは、少なくとも一つのイオン交換膜を有し、
    前記陽極流体フローチャネルに流体燃料を配送する手段と、
    前記陰極流体フローチャネルに流体酸化剤を配送する手段と、
    前記陰極内において、前記流体フローチャネルに充分な量の液相水を配送し、それによって、燃料電池が通常の動作状態にある間は、前記流体フローチャネルの全体をとおして、相対湿度１００％を維持するための水注入機構とを含む、
    電気化学的燃料電池アセンブリ。
18. 請求項１７に記載されたアセンブリであって、前記水注入機構はポンプと調整器とを有する、アセンブリ。
19. 請求項１８に記載されたアセンブリであって、前記調整器は燃料電池セル電圧又は燃料電池スタック電圧を検知する電圧センサーを有する、アセンブリ。
20. 請求項１９に記載されたアセンブリであって、前記調整器は較正モードで動作し、前記較正モードは、複数の通常セル動作電流又はセルスタック動作電流のそれぞれに対する液相水フロー率の関数として最大セル電圧を決定する、アセンブリ
21. 請求項２０に記載されたアセンブリであって、前記較正モードは更に、最小液相水フロー率を表現する較正機能を、電流及び空気化学量論の関数として決定する、アセンブリ。
22. 請求項１８に記載されたアセンブリであって、
    前記燃料電池又は燃料電池スタックを通る電流を検知する電流センサを有し、
    前記アセンブリにおいて、前記調整器は水注入率を制御し、
    通常動作範囲内の全燃料電池または燃料電池スタック電流に対する水ファクターＷＦ＞１．０の配送を維持する、
    アセンブリ。
23. 請求項２２に記載されたアセンブリであって、前記調整器は水注入率を制御し、少なくとも１．５の水ファクターの配送を維持する、アセンブリ。
24. 請求項２３に記載されたアセンブリであって、前記調整器は水注入率を制御し、４０未満の水ファクターの配送を維持する、アセンブリ。
25. 請求項２４に記載されたアセンブリであって、前記調整器は水注入率を制御し、少なくとも３の水ファクターの配送を維持する、アセンブリ。
26. 請求項１８に記載されたアセンブリであって、前記調整器は水注入率を制御し、３〜６の範囲の水ファクターの配送を維持する、アセンブリ。
27. 請求項１７乃至２６のいずれかに記載されたアセンブリであって、
    前記陰極排出温度が次善動作温度に対応する所定の閾（いき）値よりも低い場合に、
    実質的に相対湿度１００％未満が維持されるように、前記陰極内の流体フローチャネルに対する一定量の液相水の配送を一時的に許容する、手段を含むアセンブリ。
28. 実質的に添付図面を参照してここに記載された装置。
29. 実質的に添付図面を参照してここに記載された方法。
    

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