JP2009538511A - 燃料電池の水管理 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の最大寄生負荷を小さくし、電力密度を改善する燃料電池の水管理装置を提供する。
【解決手段】ポリマ電解質膜燃料電池の水管理装置が提供される。前記装置は、燃料電池の内側から燃料電池の外側まで延在し、且つ燃料電池内にてガス拡散層及び電流コレクタ層の間に配置される親水性の水輸送要素を含む。水輸送要素は、燃料電池の外側にある、輸送要素と水力学的に接続される中間ウィックと、燃料電池内部の流れ場の構造体と一体化された輸送要素構造体とを含む。さらに前記装置は、燃料電池の外側に配置され、且つ中間ウィックと水力学的に接続される電気浸透ポンプを含む。水力学的に接続されたポンプは、過剰な水を輸送要素を介して流れ場の構造体及びガス拡散層から能動的に排出させる。本発明の重要な側面は、水の排出がオキシダントの供給とは別個に行われ、寄生負荷を減少させることである。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、一般に、燃料電池に関するものである。より詳しくは、本発明は、ウィッキング要素を備える燃料電池に関するものであり、前記ウィッキング要素は、前記燃料電池の内側から外側まで延在していて、水管理のために電気浸透ポンプと水力学的に接続される外側ウィック部を備えている。

固体高分子型（ＰＥＭ）燃料電池（ポリマ電解質膜燃料電池と呼ばれることもある）は、膜を適切に加湿し続けるために加湿ガスを必要とする。ペルフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）タイプの膜（例えば、Nafion（登録商標））を用いるＰＥＭ燃料電池は、適切なイオン伝導率にするために水を高活性化させる必要があるため、ＰＥＭ燃料電池にとって水管理は継続的な課題となっている。反応ガスの加湿により、膜の適切な加湿がもたらされる。その結果として、カソードにおける酸素還元反応によって生成される水の多くは、液体の形態で生成される。液体の水が触媒層及びガス拡散層（ＧＤＬ）の細孔へ侵入し、触媒での酸素の拡散が制限された場合、いくつかの問題が発生する。主要な問題は、液体の水が毛細管作用によってＧＤＬから出されるときに発生するものである。ガスのチャネル内にたまる水はＧＤＬの表面を覆うため、したがって流れ場のチャネルに沿って圧力差が大きくなり、流れの不均衡配分や不安定な流れが生じる。インサイチュー及びエクスサイチューの可視化により、流れ場のリブの真下のＧＤＬにおいて、かなりのフラッディングが発生することが示された。これらの結果は、サーペンタイン流路型のシステム及び複数の平行なチャネルを備えるシステムにおいて見られた。

現在、フラッディングを緩和するために、システム効率を犠牲にして、過度の流量の空気及びサーペンタイン型のチャネルのデザインが用いられている。空気の流量は、液体の水をシステムから外へ強制的に排出するのに十分に多い量であり、サーペンタイン型のチャネルは、カソードで水をためるためのものである。サーペンタイン型のチャネルは、流れの不安定性を最小限にするものであり、また最も一般的には、少数のサーペンタイン型のチャネルが平行に備えられている。これらのストラテジは協調して振る舞うものであり、サーペンタイン型のデザインの１チャネル当たりの流量が増加するのにつれて、水滴の移流による除去が改善する。空気は、反応のストイキオメトリで必要とされる量よりも数倍多い量が供給されることが多く、排気口における酸素分圧が増加する。圧力降下は、局所的な相対湿度を低くすることから、これらのデザインに必要な圧力差に適合したより大きな圧力差は、フラッディングをさらに緩和し、カソードの排気口近傍で蒸発速度を増加させるのに有利に働く。高流量及び高圧力の使用は、燃料電池の最大の寄生負荷の１つである空気の供給に影響を与える。強制換気を行う燃料電池の小型化は、この寄生負荷の問題を悪化させる。なぜなら、小型化されたポンプ及びブロワの効率は、通常、大型のポンプの効率よりもはるかに低いからである。平行なチャネルは、サーペンタイン型のチャネルと比較して、流れ場にかかる圧力差を数桁小さくすることができる。平行なチャネルのデザインは、流れ場の加工も容易にし、新しい製造方法を実現することができる。しかしながら、全く平行なチャネルのアーキテクチャは、許容できない不均一な空気の流れや壊滅的なフラッディングを生じやすいため、一般的に、全く平行なチャネルのアーキテクチャは実用的なものではない。通常は、平行なチャネルのフラッディングを防止するために、酸素のストイキオメトリは４より大きくなければならない。

これまで、いくつかのパッシブな水管理ストラテジでは、フラッディングを緩和するために追加の構成要素を使用している。或る試みでは、オキシダントのチャネルから液体の水を除去するための薄い吸水層及び排水用チャネルを備える流れ場の複合プレートが作られた。しかしながら、このデザインは、新たな構成要素によってオーミック損失の著しい増加がもたらされたため、電力密度を改善することができなかった。

アクティブな水管理ストラテジが用いられた別の試みには、圧力差を与えて液体の水を燃料電池から外へ又は燃料電池の中へ能動的に輸送するものがある。加圧水を膜と一体化されたウィックへ供給することによって、電解質の含水量を能動的に管理するというＰＥＭ燃料電池が作られた。この場合、水は膜へ直接的に注入された。この手法では、寄生負荷が増加し、燃料電池のサイズがより大きくなるという好ましくない結果がもたらされた。

多孔質のプレートを介して水を排出するという別のデザインでは、多孔質のバイポーラプレートが使用され、そのバイポーラプレートは、内部に、水の冷却及び排出のための水用のチャネルを有していた。ガス及び水の流れの間に圧力差を与えることにより、液体の水は、空気のチャネルから水を輸送するために設けられた内部のチャネルへ移動させられる。この試みは、内部の水用のチャネルのために十分に多孔質な専用のプレートを必要とする。そして、比較的小さい体積あたりの電力密度に対して多孔質の厚いプレートを必要とするため、システムが複雑である。

したがって、燃料電池の最大寄生負荷を小さくするために、過度の流量の空気及び大きな圧力差を用いることの必要性を減少又は排除しつつ、一方で、電力密度の改善を提供する水管理装置を開発することが求められている。強制換気により寄生負荷の問題を悪化させるような低効率の小型のポンプ及びブロワを含む小型化された燃料電池に備えられる、そのような装置の必要性は、ますます高まっている。さらに、流れ場にかかる圧力差を減少するために、平行なチャネルを使用することができる水管理装置が求められている。またこの場合、流れ場の加工も単純化することができる。平行なチャネルにおけるフラッディングの発生がなく、酸素のストイキオメトリを４未満にすることができる水管理装置を提供することは、当該技術分野における進展といえるであろう。

本発明は、ポリマ電解質膜燃料電池の水管理装置を提供する。その装置は、前記燃料電池の内側から前記燃料電池の外側まで延在し、且つ前記燃料電池内にてガス拡散層及び電流コレクタ層の間に配置される親水性の水輸送要素である。前記輸送要素は、前記燃料電池の外側にある中間ウィックと、前記燃料電池の流れ場の構造体と一体化された輸送要素構造体とを含む。前記中間ウィックは、前記輸送要素と水力学的に接続される。その装置は、さらに、電気浸透ポンプを含む。前記ポンプは、前記燃料電池の外側に配置され、且つ前記中間ウィックと水力学的に接続される。水力学的に接続された前記ポンプは、過剰な水を、前記輸送要素を介して前記流れ場の構造体及び前記ガス拡散層から能動的に排出させる。本発明の重要な側面は、水の排出をオキシダントの供給とは別個に行えることである。

本発明によれば、電気浸透ポンプは、第２の多孔質の構造層、多孔質のポンピング要素、少なくとも２つの電極、及びハウジングを含み、前記第２の多孔質の構造層及び前記中間ウィックは、水力学的に接続される。前記ハウジングは、前記多孔質のポンピング要素と接続される前記第２の多孔質の構造体を保持し、また前記中間ウィック及び多孔質の構造体の周囲にて前記電極を保持し、それによって、水が燃料電池から排出されるようにする。

本発明の或る態様によれば、第２の多孔質の構造層は、ポンプ及び燃料電池の間の電気絶縁体である。前記第２の多孔質の構造層は、前記ポンプに対する粒子フィルタであり、前記第２の多孔質の構造層は、ポリビニルアルコール系スポンジ、極細ガラス繊維、コットン紙、綿布、ウールフェルト、ポリウレタンフォーム、酢酸セルロース、架橋ポリビニルピロリドン、又はポリアクリルアミドであり得る。多孔質のポンピング要素は、ガラス微粒子を充填した石英ガラスキャピラリ、多孔質のホウケイ酸ガラス、インサイチュー重合された多孔質のモノリス、バルク微小加工及び陽極エッチングされた多孔質のシリコン、酸化アルミニウム、多孔質のシリコン、又は多孔質の酸化チタンであり得る。別の態様では、電気浸透ポンプは、さらに、多孔質のポンピング要素にかかる或る電位を含む。前記電位は、前記多孔質のポンピング要素の可動イオンの層にてコロンビック力を誘起するのに十分な電位であり、前記可動イオン及び水の間の粘性相互作用によりバルク流を発生させられる。前記多孔質のポンピング要素にかかる前記電位は、時間的に変化する電位であり得る、したがって、前記燃料電池に対する寄生負荷を減少させる。前記電位は、フラッディング又はドライアウトが検出されたとき或いは今にも起こりそうなときに活性化することができ、それによって、前記燃料電池に対する寄生負荷を減少させる。

本発明の別の態様によれば、燃料電池は、少なくとも２つの燃料電池を含む燃料電池スタックであり得る。或る態様では、前記燃料電池スタックは、ポンプ及び複数の輸送要素の層の間に配置されたウィッキングバスを有する。前記バスは、少なくとも１つのＥＯポンプで作動される。前記バスは、前記燃料電池の外側に配置される誘電性のウィックであり得る。前記誘電性のウィックが水で飽和したとき、前記誘電性のウィックは、水力学的に前記輸送要素と前記ポンプとを接続させ、且つ前記燃料電池の電場を前記ポンプの電場から絶縁させる。さらなる態様では、誘電性のウィックは、ポリビニルアルコール系スポンジ、極細ガラス繊維、コットン紙、綿布、ウールフェルト、ポリウレタンフォーム、酢酸セルロース、架橋ポリビニルピロリドン、又はポリアクリルアミドであり得る。

本発明の或る態様によれば、輸送要素は、導電性のウィックである。前記導電性のウィックは、炭素布、炭素紙、アルミニウム発泡体、ステンレススチールフォーム又はニッケル発泡体を含む材料から作ることができる。

本発明の別の態様では、輸送要素は、燃料電池内にてバイポーラプレート及びガス拡散層の間に配置される多孔質の親水性の水輸送層である。前記水輸送層は、外部の電気浸透ポンプと水力学的に接続される。

本発明のさらなる態様では、輸送要素は、或るパターンをなした孔開け部及び／又は或るパターンをなした疎水性領域を有する多孔質の親水性の水輸送層である。前記或るパターンをなした孔開け部及び／又は或るパターンをなした疎水性領域は、前記輸送層が水力学的に連続性を有するようなパターンをなし、燃料電池の反応ガスが、前記輸送層の水平面に対して垂直な方向に、前記輸送層を自由に通過することができるようにする。ここでは、前記輸送層は、前記燃料電池内にてガス拡散層及び電流コレクタ層の間に配置される。前記輸送層は、外部の電気浸透ポンプと水力学的に接続される。

本発明の別の態様によれば、電気浸透ポンプは、流れ場において乾燥ガス或いは低湿度ガスが用いられるとき、膜電極接合体を加湿するように配置される。

本発明の或る態様では、電気浸透ポンプは、燃料電池のアノードの電流コレクタにて水素を加湿するように配置される。

別の態様では、電気浸透ポンプは、燃料電池内の水を、前記燃料電池のカソード領域及びアノード領域の間で能動的に分配する。

提案した水管理の解決策は、空気流に関する要件を緩和したことによって、燃料電池の大型の加湿システムが不要になり、空気の供給システムのサイズを小型化した。これは、消費電力の減少、及び補助装置の複雑さの軽減につながる。結果として、提案した水管理の解決策は、システムの複雑さを軽減し、コスト効率の良い材料を使用することによって、全体のコストを削減している。

本発明の目的及び利点は、添付の図面とともに以下の詳細な説明を参照することによって理解することができるであろう。

以下の詳細な説明は、例示の目的のために様々な特定事項を含んでいるが、以下の例示の詳細に対する様々な変更及び変形も本発明の範囲内に含まれることは当業者には明らかであろう。したがって、以下の本発明の好適な実施形態は、特許請求の範囲に記載の発明の一般性を何ら喪失することなく、かつ制限を加えることなく説明される。

本発明は、液体の水の再分配及び排出のために電気浸透（ＥＯ）ポンプを利用するアクティブな水管理システムを提供する。本発明に係るＥＯポンプのポンピングによる水の能動的な排出は、寄生負荷が低く（燃料電池の出力の１０％まで）、フラッディングを発生しないということを過渡データ及び分極データが示している。ＥＯポンプは、固体の表面及び液体の間に形成される電気二重層（ＥＤＬ）を利用する。多孔質ガラスのＥＯポンプ構造体を用いることによって、ガラスの表面上のシラノール基が、自然に脱プロトン化し、負の表面電荷及び凡そ−６０ｍＶの発生電位（脱イオン水の典型的なゼータ電位）を有する正味で正の可動イオンの層がもたらされる。多孔質ガラスの基材にわたって電位を与えることにより、この可動イオンの層にコロンビック力を誘起する。イオン及び水の間の粘性相互作用により、バルク流が生成される。本発明では、ＥＯポンプを通過する動作流量は、ポンプに与えられる圧負荷及び電場の線形関数である。ＥＯポンプの流量は、面積と線形的に対応する。適切なスケーリングの燃料電池は、燃料電池の出力及び水の生成量も面積と線形的に対応する。本発明によれば、ＥＯポンプには、ごくわずかな寄生負荷が存在する。ＥＯポンプは、内部のウィック構造体と水力学的に接続される。

図面を参照すると、図１（ａ）は、燃料電池及びＥＯポンプアセンブリ１００を示す平面状の概略断面図である。親水性の水輸送要素１０４を備える燃料電池１０２及びアセンブリ１００内の水の流れ１０８と共に外部のＥＯポンプ１０６が図示されている。親水性の輸送要素１０４は、カソードの電流コレクタ１１１及びガス拡散層１１２のカソードチャネル１１０（ａ）（流れ場と呼ばれることもある）から、通常は、流れ場１１０（ａ）のリブ１１４の下部にたまる水１０８を含む水滴１０８を吸収する。吸収された水１０８が飽和した場合、圧力勾配を与えて水１０８が親水性の輸送要素１０４を通過するようにしないかぎり、親水性の輸送要素１０４は、それ以上水を除去することができなくなる。この強制的な輸送動作は、外部のＥＯポンプ１０６によって実施される。ＥＯポンプ１０６及び親水性の輸送要素１０４は、第２の多孔質の構造層１１６を介して水力学的に接続される。第２の多孔質の構造層１１６は、親水性の輸送要素１０４及び多孔質のポンピング要素１１８の間で容易に圧縮されるカプラとして、また粒子（例えば、残留炭素）がポンプ１０６を詰まらせることがないようにするものとして、両方の機能を果たす。さらに、非導電性の多孔質のポンピング要素１１８は、ポンプ１０６を燃料電池１０２から電気的に絶縁するのに有用である。本発明によれば、輸送要素１０４から水１０８を排出する際に、カソードの流れ場１１０（ａ）内の空気圧勾配を利用するため、ＥＯポンプ１０６は、空気の排気口（図示なし）に非常に近接して配置される。ＥＯポンプ１０６は、さらに、少なくとも２つの電極１２０、及びハウジング１２４を有している。ハウジング１２４は、中間ウィック１２６の周囲にて、第２の多孔質の構造体１１６、多孔質のポンピング要素１１８、電極１１８を保持し、燃料電池から水が排出されるようにする。中間ウィック１２６は、水力学的に輸送要素１０４と接続される。この場合、中間ウィック１２６は、燃料電池１０２の外側にて、輸送要素１０４の所定の一部をなす。さらに、アノードのフローチャネル１１０（ｂ）を有するアノードの電流コレクタ１３０、ガス拡散層１１２の間に配置された膜電極接合体（ＭＥＡ）１３４、及びガスを密封するためにガス拡散層１１２を取り囲むシール１３６が図示されている。

図１（ｂ）は、輸送要素１０４及び外部のＥＯポンプ１０６を含む燃料電池プレート及びＥＯポンプアセンブリ１２６を示す分解斜視図である。ここでは、輸送要素１０４は、外部のＥＯポンプ１０６と水力学的に接続される中間ウィック１２６が一体化された親水性の多孔質の流れ場プレートとして図示されている。さらに、輸送要素１０４を収容するための堅固なグラファイトのベース１２８が図示されている。

図示のように、第２の多孔質の構造層１１６は、ポンプのアノード１２０（ａ）（ポンプの吸気口）及び多孔質のポンピング要素１１８の間に配置される１つの水平なタブを有している。第２の多孔質の構造層１１６のもう一方の反対側の水平なタブは、ハウジング１２４及び親水性の輸送要素１０４の中間ウィック１２６（或いは、燃料電池１０２の外側の輸送要素１０４の所定の部分）の間に配置される。第２の多孔質の構造層１１６は、親水性が極めて高いため、低い水圧耐性に対して比較的大きな細孔（１０μｍの小ささ）を有し得る。第２の多孔質の構造層１１６は、さらに、９０％という非圧縮の多孔度を有し得る。ハウジング１２４は、２つのプレートからなり、ポンプ要素と、第２の多孔質の構造層１１６及び多孔質のポンピング要素１１８の接触面とを押し付ける。ポンプのアノードのハウジングプレート１２４（ｂ）は、電気分解によって生成される酸素を逃がすようにするために、小さな開口（〜１×１ｍｍ）を有する。ポンプのカソードのハウジングプレート１２４（ａ）は、ポンプの排水口用に、より大きな開口を有する。

第２の多孔質の構造層１１６は、ＥＯポンプ１０６及び燃料電池１０２の間の電気絶縁体であり得る。第２の多孔質の構造層１１６は、ポンプ１０４に対する粒子フィルタを提供し得る。第２の多孔質の構造層１１６は、ポリビニルアルコール系スポンジ、極細ガラス繊維、コットン紙、綿布、ウールフェルト、ポリウレタンフォーム、酢酸セルロース、架橋ポリビニルピロリドン、又はポリアクリルアミドから作ることができる。また、多孔質のポンピング要素１１８は、ガラス粒子が充填された石英ガラスキャピラリ、多孔質のホウケイ酸ガラス、インサイチュー重合された多孔質のモノリス、バルク微小加工及び陽極エッチングされた多孔質のシリコン、酸化アルミニウム、多孔質のシリコン、又は多孔質の酸化チタンから作ることができる。

ＥＯポンプ１０６は、さらに、多孔質のポンピング要素１１８にかかる電位を含み得る。その電位は、多孔質のポンピング要素１１８の可動イオンの層でコロンビック力を誘起するのに十分なものであり、また可動イオン及び水の間の粘性相互作用により、バルク流を発生させられる（図示なし）。多孔質のポンピング要素１１８にかかる電位は、時間的に変化する電位であり得る、したがって、燃料電池１０２に対する寄生負荷を減少するようにする。その電位は、フラッディング又はドライアウトが検出されたとき或いは今にも起ころうとしているときに活性化することができ、それによって、燃料電池１０２に対する寄生負荷を減少するようにする。

図２ａ〜２ｂは、一体化された水輸送要素１０４を介して能動的に水の除去を行う本発明のＰＥＭ燃料電池１０２の平面状の概略図である。ここでは、液体の流れ１０８は、外部のＥＯポンプ１０６によって移動させられる。図示のように、水１０８は、チャネル１１０（ａ）及びリブ１１４（図１（ａ）を参照されたい）の下方のガス拡散層１１２から出て、輸送要素１０４をＥＯポンプ１０６と水力学的に接続するウィッキングバス２００へ輸送される。燃料電池１０２に流れる電流の流れ２０６が図示されている。図２（ｂ）では、少なくとも２つの燃料電池１０２を有する燃料電池スタック２０４が図示されている。図示のように、燃料電池スタック２０４は、ＥＯポンプ１０６及び複数の輸送要素１０４の層の間に配置されたウィッキングバス２００を有している。バス２００は、少なくとも１つのＥＯポンプ１０６によって作動される。自動車で使用する場合など、大面積の燃料電池１０２を検討するとき、飽和に対して迅速に反応することが重要である。水が移動しなければならない距離を最小限にするために、複数のＥＯポンプ１０６（点線で図示）をバス２００と接続することができる。バス２００は、燃料電池１０２の外側に配置される誘電性のウィックであり得る。誘電性のウィック２００が水で飽和したとき、誘電性のウィック２００は、輸送要素１０４を水力学的にポンプ１０６と接続させる一方で、燃料電池１０４の電場をポンプ１０６の電場から絶縁させる。本発明によれば、誘電性のウィック２００は、ポリビニルアルコール系スポンジ、極細ガラス繊維、コットン紙、綿布、ウールフェルト、ポリウレタンフォーム、酢酸セルロース、架橋ポリビニルピロリドン、又はポリアクリルアミドから作ることができる。

本発明の或る実施形態では、ＥＯポンプ１０６は、流れ場１１０内で乾燥ガス或いは低湿度ガスを使用するとき、膜電極接合体（ＭＥＡ）１３４を加湿するように配置される。ＥＯポンプ１０６は、さらに、燃料電池１０２のアノードの電流コレクタ１１０（ｂ）内の水素を加湿するように配置される、及び／又は燃料電池１０２内の水１０８を、燃料電池１０２のカソードの電流コレクタ１１１領域及びアノードの電流コレクタ１３０領域の間で能動的に分配するように配置される（図示なし）。本発明によれば、輸送要素１０４は、導電性のウィックであり得る。導電性のウィック１０４は、炭素布、炭素紙、アルミニウム発泡体、ステンレススチールフォーム又はニッケル発泡体を含む材料から作ることができる。図３は、本発明のカソード１１１／輸送要素１０４が一体化された実施形態３００の部分断面斜視図である。ここでは、輸送要素１０４は、燃料電池１０２のバイポーラプレート３０２及びガス拡散層１１２の間に配置される多孔質の親水性の水輸送層である。水輸送層１０４は、水力学的に外部の電気浸透ポンプ１０６（図示なし）と接続される。多孔質の親水性の水輸送層１０４は、或るパターンをなしたガス透過性領域３０４を有することが図示されている。ここでは、領域３０４は、親水性の輸送層１０４の孔開け部又は局所的な疎水性領域として形成されるが、輸送層は水力学的に連続性を有する。ガス透過性領域３０４は、輸送層１０４が水で十分に飽和していたとしても、酸素をガス拡散層１１２からチャネル１１０（ａ）内へ迅速に拡散することができる。輸送層１０４が、ＥＯポンプ１０６と水力学的に接続されているとき、輸送層１０４は、バイポーラプレート３０２のカソード１１１部へ電流３０８を流しながら、同時に燃料電池１０２の水１０８を輸送する。一体化された実施形態３００は、薄型で、バイポーラプレート３０２のデザインに依存するものではなく、オーミック抵抗が低いという利点を提供する。

図４は、２つのガス拡散層１１２の間に配置されたＭＥＡ１３４を有するＰＥＭ燃料電池１０２内の水の輸送に関連する輸送現象４００を示す平面状の概略図である。本発明によれば、ＭＥＡ１３４は、カソードの触媒層４０１及びアノードの触媒層４０３からなる２つの触媒層を備える膜４０２である。図示のように、燃料電池１０２の異なる領域のそれぞれにおいて液体及び蒸気を輸送するための並列及び結合メカニズムがあり、それぞれが固有の輸送に関する物理的な特性を有する。カソード１１１で生成された水は、蒸気の拡散４０４及び（液体の）毛細管輸送４０６によって、ガスチャネル１１０（ａ）へ移動する。その蒸気及び液体は、相変化現象４０８を介して結合される。いったんチャネル１１０（ａ）内に入ると、水１０８は蒸気の移流４１０及び水滴の移流４１２によって、燃料電池１０２から排出される。アノード１３０からカソード１１１へ（図１を参照されたい）、或いはその逆に、拡散／水力学的な浸透の組み合わせ４１４、及び電気浸透抗力４１６によって、さらに水１０８が移動することがある。これらのメカニズムにより、液体の水１０８が十分に排出されない場合、フラッディングが発生し、パフォーマンスが悪化する、したがって、酸素がカソードの触媒層４０１へ到達することが制限される。ＥＯポンプ１０６及びウィッキング構造体１０４をＰＥＭ燃料電池１０２と一体化することによって、水の排出の制限に対処する包括的な水管理装置が提供される。

図５は、燃料電池の水管理５００の平面状の概略図であり、燃料電池１０２がごくわずかな寄生負荷を伴って動作しながら、ＭＥＡ１３４の水和及びフラッディングの緩和が同時に生じることを示している。輸送要素１０４が飽和していないとき、導電性の輸送要素１０４は、毛細管作用４０４（図示なし）によって迅速に水１０８を吸収する。前記概略図は、輸送要素１０４のエアハイドレーション領域５０２、水再分配領域５０４、及び水排出領域５０６を図示している。吸気口５０８へ供給される空気が、１００％より低い相対湿度である場合、排気口５１０近傍で輸送要素１０４に吸収される水１０８は、毛細管力４０４によって上流の乾燥領域へ再分配される。この間に、水１０８は、空気の流れを加湿するべく蒸発し、膜１３４の伝導度を改善させる。蒸発が生じる領域では、相変化の潜熱により、燃料電池１０２で生じた熱が除去される。誘電性のウィック２００及びＥＯポンプ１０６を含むシステムが、水１０８で十分に飽和したとき、ＥＯポンプの回路１３２（図１を参照されたい）は閉じられ、ポンプ１０６が自動的に作動する。次に、ポンプ１０６は圧力勾配を生成し、過剰な水１０８を排出するようにする。本実施形態では、ＥＯポンプ１０６が、燃料電池１０２内の水１０８をカソード１１１領域及びアノード１３０領域の間で能動的に分配するように、ＥＯポンプ１０６は、燃料電池１０２のアノードの電流コレクタ１３０にて水素を加湿するように配置される。またＥＯポンプ１０６によって排出された水１０８は、水素の吸気口５１２で水素（図示なし）を加湿するために、流れを変えられてアノード１３０へ流入される。

いくつかの例示的な実施態様に基づいて本発明について説明してきたが、これらは本発明のあらゆる側面を説明しようとするものであり、本発明がこれらのものに限定されるわけではない。したがって、本発明は、詳細の実施において本明細書に記載された内容から当業者によって導かれ得る多数の変更を行うことができる。例えば、燃料電池を空気呼吸型の平面状のデザインに拡張することができる。そのようなあらゆる変更は、特許請求の範囲及びそれらの法的な均等物によって規定される本発明の範囲及び精神の中に含まれるものとする。

本発明に係る燃料電池及びＥＯポンプアセンブリの平面状の概略断面図である。 本発明に係る燃料電池プレート及びＥＯポンプアセンブリの分解斜視図である。 本発明の平面状の概略図である。 本発明の平面状の概略図である。 本発明に係るカソード／輸送要素が一体化された実施形態の部分断面斜視図である。 ＰＥＭ燃料電池における水の輸送に関連する輸送現象の平面状の概略図である。 本発明に係る燃料電池の水管理の平面状の概略図である。

Claims (20)

1. ポリマ電解質膜燃料電池の水管理装置であって、
   （ａ）前記燃料電池の内側から外側まで延在し、且つ前記燃料電池内にてガス拡散層及び電流コレクタ層の間に配置される、親水性の水輸送要素と、
   （ｂ）電気浸透ポンプとを含み、
   前記輸送要素は、
   （ｉ）前記燃料電池の外側にある、該輸送要素と水力学的に接続される中間ウィックと、
   （ｉｉ）前記燃料電池の流れ場の構造体と一体化された輸送要素構造体とを含み、
   前記電気浸透ポンプは、前記燃料電池の外側に配置され、且つ前記中間ウィックに接続され、
   また前記ポンプは、過剰な水を前記輸送要素を介して前記流れ場の構造体及び前記ガス拡散層から能動的に排出するように、前記中間ウィックと水力学的に接続され、それによって、前記水の排出がオキシダントの供給とは別個に行われるようにすることを特徴とする水管理装置。
2. 前記電気浸透ポンプは、
   （ａ）前記中間ウィックと水力学的に接続される第２の多孔質の構造層と、
   （ｂ）多孔質のポンピング要素と、
   （ｃ）少なくとも２つの電極と、
   （ｄ）ハウジングとを含み、
   前記ハウジングは、前記中間ウィックの周囲にて前記第２の多孔質の構造層、前記多孔質のポンピング要素、及び前記電極を保持し、それによって、前記水が前記燃料電池から排出されるようにすることを特徴とする請求項１に記載の水管理装置。
3. 前記第２の多孔質の構造層は、前記ポンプ及び前記燃料電池の間の電気絶縁体であることを特徴とする請求項２に記載の水管理装置。
4. 前記第２の多孔質の構造層は、前記ポンプに対する粒子フィルタであることを特徴とする請求項２に記載の水管理装置。
5. 前記第２の多孔質の構造層は、ポリビニルアルコール系スポンジ、極細ガラス繊維、コットン紙、綿布、ウールフェルト、ポリウレタンフォーム、酢酸セルロース、架橋ポリビニルピロリドン、及びポリアクリルアミドからなる群から選択されることを特徴とする請求項２に記載の水管理装置。
6. 前記多孔質のポンピング要素は、ガラス微粒子を充填した石英ガラスキャピラリ、多孔質のホウケイ酸ガラス、インサイチュー重合された多孔質のモノリス、バルク微小加工及び陽極エッチングされた多孔質のシリコン、酸化アルミニウム、多孔質のシリコン、及び多孔質の酸化チタンからなる群から選択されることを特徴とする請求項２に記載の水管理装置。
7. 前記電気浸透ポンプは、前記多孔質のポンピング要素にかかる或る電位をさらに含み、
   前記電位は、前記多孔質のポンピング要素の可動イオンの層にてコロンビック力を誘起するのに十分な電位であり、また前記可動イオン及び前記水の間の粘性相互作用によりバルク流が生成されるようにすることを特徴とする請求項２に記載の水管理装置。
8. 前記多孔質のポンピング要素にかかる前記電位は、時間的に変化する電位であり、それによって、前記燃料電池に対する寄生負荷を減少するようにすることを特徴とする請求項７に記載の水管理装置。
9. フラッディング又はドライアウトが検出されたとき或いは今にも起こりそうなとき、前記電位が活性化され、それによって、前記燃料電池に対する寄生負荷を減少するようにすることを特徴とする請求項７に記載の水管理装置。
10. 前記燃料電池は、燃料電池スタックであり、
    前記スタックは、少なくとも２つの前記燃料電池を含むことを特徴とする請求項１に記載の水管理装置。
11. 前記燃料電池スタックは、前記ポンプ及び複数の前記輸送要素の層の間に配置されるウィッキングバスを含み、
    前記バスは、少なくとも１つの前記ポンプで作動されることを特徴とする請求項１０に記載の水管理装置。
12. 前記バスは、前記燃料電池の外側に配置される誘電性のウィックであり、
    前記誘電性のウィックが水で飽和したとき、前記誘電性のウィックは、水力学的に前記輸送要素を前記ポンプと接続させ、且つ前記燃料電池の電場を前記ポンプの電場から絶縁させることを特徴とする請求項１１に記載の水管理装置。
13. 前記誘電性のウィックは、ポリビニルアルコール系スポンジ、極細ガラス繊維、コットン紙、綿布、ウールフェルト、ポリウレタンフォーム、酢酸セルロース、架橋ポリビニルピロリドン、及びポリアクリルアミドからなる群から選択されることを特徴とする請求項１２に記載の水管理装置。
14. 前記輸送要素は、導電性のウィックであることを特徴とする請求項１に記載の水管理装置。
15. 前記導電性のウィックは、炭素布、炭素紙、アルミニウム発泡体、ステンレススチールフォーム及びニッケル発泡体からなる群から選択される材料で作られることを特徴とする請求項１４に記載の水管理装置。
16. 前記輸送要素は、前記燃料電池内にてバイポーラプレート及びガス拡散層の間に配置される多孔質の親水性の水輸送層であり、
    前記水輸送層は、前記外部の電気浸透ポンプと水力学的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の水管理装置。
17. 前記輸送要素は、或るパターンをなした孔開け部及び／又は或るパターンをなした疎水性領域を含む多孔質の親水性の水輸送層であり、前記水輸送層は、水力学的に連続性を有するようなパターンをなし、
    前記輸送層は、前記燃料電池内にてガス拡散層及び電流コレクタ層の間に配置され、また前記輸送層は、前記外部の電気浸透ポンプと水力学的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の水管理装置。
18. 前記電気浸透ポンプは、前記流れ場において乾燥ガス或いは低湿度ガスが用いられるとき、膜電極接合体を加湿するように配置されることを特徴とする請求項１に記載の水管理装置。
19. 前記電気浸透ポンプは、前記燃料電池のアノードの電流コレクタにて水素を加湿するように配置されることを特徴とする請求項１に記載の水管理装置。
20. 前記電気浸透ポンプは、前記燃料電池内の水を、前記燃料電池のカソード領域及びアノード領域の間で能動的に分配することを特徴とする請求項１に記載の水管理装置。

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