JP2777287B2 - 酸化剤及び冷却剤として周囲空気を使用する電気化学的燃料電池 - Google Patents

酸化剤及び冷却剤として周囲空気を使用する電気化学的燃料電池

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 この発明は、一般的に言えば電気化学的燃料電池に関
し、より詳しく言えば酸化剤と冷却剤の両方として周囲
空気を使用する燃料電池に関する。
発明の背景 燃料電池は、電池に供給される燃料の酸化による化学
エネルギーを直接電気エネルギーに変換することによっ
て電気エネルギーを発生する装置である。燃料電池は、
どのような中間工程も行う必要なしに、例えば火力発電
所で行われるような炭化水素あるいは炭素質燃料の燃焼
を行う必要なしに、化学エネルギーを直接電気エネルギ
ーに変えるので有利である。
典型的な燃料電池は、アノード、カソード、そして電
解質を含む。燃料と酸化剤はそれぞれアノードとカソー
ドに供給される。アノードでは、燃料が電極材料へ浸透
してアノード触媒層と反応し、カチオン（プロトン）と
電子を生じさせる。これらのカチオンは電解質を通って
カソードへ移動する。カソードでは、酸素を含有してい
る供給ガスがカソード触媒層と反応してアニオンを生じ
させる。アノードで生じた電子は燃料電池のアノードか
ら、外部の負荷を通り、電池のカソードへ戻る。カソー
ドで生じたアニオンはカチオン及び電子と反応して反応
生成物を生成し、そしてそれは電池から取り除かれる。
燃料として水素を使用しそして酸化剤として酸素を含
有している空気（又は純粋な酸素）を使用する電気化学
的燃料電池では、アノードでの触媒反応で供給燃料から
水素カチオンが生成される。このタイプの燃料電池は、
唯一の反応生成物が水であるので有利である。イオン交
換膜が、アノードからカソードへの水素カチオンの移動
を促進する。水素カチオンを案内するほかに、この膜は
酸素含有空気を含む酸化剤流から水素燃料流を隔離す
る。カソードでは、酸素が触媒層で反応してアニオンを
生じさせる。カソードで生成されたアニオンは膜を横切
ってきた水素イオンと反応して、反応生成物として液体
の水を生成する。このような燃料電池でのアノード反応
とカソード反応は次の式で示される。
アノード反応 H2→2H+＋2e- カソード反応 1/2O2＋2H+＋2e-→H2O 固体ポリマー燃料電池（SPFC）として知られるタイプ
の燃料電池は、多孔質の導電性シート材料から作られた
二つの電極の間に配置された固体ポリマー電解質又はイ
オン交換膜からなる膜電極組立体（MEA）を含む。これ
らの電極は典型的に、炭素繊維紙（CFP）から作られ、
そして一般に、疎水性ポリマー、例としてポリテトラフ
ルオロエチレンといったもの、を含浸するかあるいは塗
布される。MEAは、所望の電気化学反応を誘起するため
に各膜／電極界面に触媒の層を含む。微細な白金触媒が
典型的に使用される。MEAは二つの導電性プレート間に
配置され、そしてこれらのおのおのには刻み込まれある
いはフライス削りされた流路が少なくとも一つある。こ
れらの流体流動の場のプレートは、典型的にはグラファ
イトで作られる。これらの流路は燃料と酸化剤をそれそ
れの電極へ、すなわち燃料側ではアノードへそして酸化
剤側ではカソードへ導く。電極は、電極間で電子を伝導
するための進路をもたらすため、電気的に結合される。
単一電池の構成では、流体流動場プレートはアノード
側とカソード側のそれぞれに設けられる。これらのプレ
ートは電流コレクタとして働き、電極を支持し、燃料と
酸化剤がそれぞれアノード表面とカソード表面へ接近す
る通路を提供し、そして電池の運転中に生成される水を
除去するための通路を提供する。
２以上の燃料電池を直列あるいは並列に一緒につない
で、組立体（アセンブリ）の全出力電力を増加させるこ
とができる。そのような構成においては、電池は一般に
直列に接続されて、所定のプレートの片側は一つの電池
のためのアノードプレートとして働き、そしとなる。そ
のような直列につながれた多数の燃料電池の構成は燃料
電池スタックと呼ばれ、通常はタイロッドとエンドプレ
ートにより一緒に保持される。このスタックは典型的
に、燃料（実質的には純粋の水素、メタノール改質物
（methanol reformate）又は天然ガス改質物）及び酸化
剤（実質的には純粋の酸素又は酸素含有空気）をアノー
ド及びカソードの流動場プレートへ導くためのマニホー
ルドと入口を含む。スタックはまた、通常は、冷却剤流
体、典型的には水をスタック内の内部流路に導いて、燃
料電池内で水素と酸素の発熱反応により発生した熱を吸
収するためのマニホールドと入口も含む。スタックはま
た一般に、おのおのが水を同伴している未反応の燃料及
び酸化剤ガスを排出するための排気出口とマニホールド
も、また冷却水がスタックを出てゆくための出口マニホ
ールドも含む。
従来の燃料電池及びスタックの設計にはいくつかの固
有の不都合がある。第一に、従来の設計は典型的に、電
池の運転温度を調節するために液体の冷却系を使用す
る。液体冷却系は、冷却剤を燃料電池と熱的に接触させ
るために追加の構成機器を取り入れることを必要とする
ので不利である。そのような追加の構成機器、例えばポ
ンプや冷却ファンといったものを運転するための動力要
求量は、当該系に対する追加の寄生的な負荷に相当し、
それによりスタックから引き出すことができる正味の電
力を低下させる。そのような追加の構成機器はまた、燃
料電池の設計に対して容積、重量、複雑さ、そして経費
を付加する。
第二に、従来の設計は、昇圧した燃料と酸化剤を燃料
電池に供給するためポンプといったような更に別の寄生
的装置を使用する。これらの寄生的装置はまた、容積、
重量、複雑さ及び経費を付加するほかに、系の全動力効
率を低下させる。
第三に、従来のスタックの構成においては、欠陥のあ
る燃料電池を燃料電池スタック全体の運転を中断するこ
となく識別しそして交換することが困難である。
本発明は、上述の不都合の一つ以上を回避しようとす
るものである。本発明のこのほかの目的と利点は、以下
の詳しい説明と請求の範囲を読むことにより、また添付
の図面を参照することにより、明らかになろう。
発明の概要 上記及びそのほかの目的は、次に掲げる（ａ）〜
（ｅ）を含む電気化学的燃料電池組立体により達成され
る。
（ａ）多孔質の導電性のアノードと、表面が周囲空気に
露出された多孔質の導電性のカソードと、当該アノード
及び当該カソードの間に挿入されたイオン交換膜とを含
む膜電極組立体。
（ｂ）上記アノードの周りにガス不透過性のバリヤを形
成するためにシーラント手段。
（ｃ）上記アノードへ気体燃料流を供給するための燃料
供給手段 （ｄ）上記アノードと上記カソードへの電気的接続を行
うための電気接続手段。
（ｅ）熱伝導性のプレートであって、当該プレートの主
表面から延びる複数の第一の熱伝導性部材を有し、これ
らの第一の部材は上記露出されたカソード表面の一部分
と接しており、これらの第一の部材のうちの隣合うもの
が当該プレート及び当該露出されたカソード表面と共働
して少なくとも一つの空気案内流路を形成している熱伝
導性プレート。
動作時には、膜電極組立体での発熱により発生した熱
の少なくとも一部が第一の部材を通して大気へ放散され
る。
熱伝導性プレートは好ましくは、単一の平坦部品とし
て製作されて、これから熱伝導性部材が延びる。あるい
はまた、このプレートは、熱伝導性部材を相互に接続す
る複数の千鳥状（staggered）の棒からなることができ
よう。それらの熱伝導性部材は千鳥状の棒から延びて露
出されたカソード表面に接触する。
プレートと第一の部材は、好ましくはアルミニウムか
ら製作され、第一の部材のカソード表面と接触する部分
はそれに適用された不活性金属を有する。この不活性金
属は好ましくは、電気メッキにより適用された金であ
る。
好ましい電気接続手段は、アノードとイオン交換膜と
の間に配置された電気導体を含み、この電気導体は好ま
しくはシール手段を通って延びる。好ましい電気導体は
金線から形成される。
好ましい組立体（assembly）においては、プレート
は、当該膜電極組立体での発熱により発生した熱を熱伝
導性材料を通して大気へ更に放散させるように当該プレ
ートのもう一つの主表面から延びる熱伝導性材料を有す
る。この材料は好ましくは、複数の熱伝導性部材を含
み、あるいは熱伝導性の発泡体（foam）を含む。好まし
い熱伝導性発泡体はアルミニウム発泡体である。
好ましい組立体においては、燃料供給手段は燃料入口
と燃料出口とを、燃料出口が気体燃料流の未反応成分を
アノードから遠ざけるようにして含む。この組立体は更
に、周囲空気を多孔質の導電性カソードの露出表面へや
るための送風機（ファン）を含むことができる。気体燃
料流が水素を含む場合には、組立体は好ましくは、第一
の熱伝導性部材で凝縮した水を蓄積するための手段を更
に含む。
上記の燃料電池組立体を取り入れた燃料電池スタック
は、次に掲げる１〜４を含む。
1.上記の構成要素（ａ）〜（ｅ）とともに定義された、
複数の燃料電池組立体。
2.最初の組立体と最後の組立体を有する電気的に直列の
複数の燃料電池組立体を電気的に接続させるための連続
的な接続手段。ここにおいて、最後の組立体を除く直列
の各組立体のアノードは、直列の次の隣接組立体のカソ
ードに電気的に接続される。
3.直列の最初の組立体のカソードに電気的に接続された
正の電流導線。
4.直列の最後の組立体のアノードに電気的に接続された
負の電流導線。
この燃料電池スタックは、複数の燃料電池組立体が共
通のイオン交換膜を共有する、多数部分からなる構成と
して製作することができる。
上記及びそのほかの目的はまた、下記の（aa）〜（f
f）を含む電気化学的燃料電池組立体によって達成され
る。
（aa）周囲空気に露出された表面を有する第一の多孔質
の導電性のカソードと、多孔質の導電性のアノードと、
周囲空気に露出された表面を有する第二の多孔質の導電
性のカソードと、上記第一のカソード及び上記アノード
の間に挿入された第一のイオン交換膜と、そして上記第
二のカソード及び上記アノードの間に挿入された第二の
イオン交換膜とを含む複セル式（bicell）の膜電極組立
体。
（bb）上記アノードの周りにガス不透過性のバリヤを形
成するためのシール手段。
（cc）上記アノードに気体燃料を供給するための燃料供
給手段。
（dd）上記アノード、第一のカソード及び第二のカソー
ドに電気的接続を行うための電気接続手段。
（ee）第一の熱伝導性プレートであって、当該プレート
の主表面から延びる複数の第一の熱伝導性部材を有し、
これらの第一の部材は上記第一のカソードの露出表面の
一部分と接しており、これらの第一の部材のうちの隣合
うものが当該第一のプレート及び当該第一のカソードの
露出表面と共働して少なくとも一つの空気案内流路を形
成している第一の熱伝導性プレート。
（ff）第二の熱伝導性プレートであっで、その主表面か
ら延びる複数の第二の熱伝導性部材を有し、これらの第
二の部材は上記第二のカソードの露出表面の一部分と接
しており、これらの第二の部材のうちの隣合うものが当
該第二のプレート及び当該第二のカソードの露出表面と
共働して少なくとも一つの空気案内流路を形成している
第二の熱伝導性プレート。
動作時には、この複セル式膜電極組立体での発熱によ
り発生した熱の少なくとも一部分が、上記第一及び第二
の部材を通して大気へ放散される。
第一及び第二の部材は好ましくはアルミニウムから製
作され、これらの第一及び第二の部材のカソード表面と
接触する部分には不活性金属が適用されている。不活性
金属は好ましくは、電気メッキにより適用される金であ
る。
電気的接続手段は、好ましくは、アノードと第一の膜
との間に配置された第一の電気導体と、アノードと第二
の膜との間に配置された第二の電気導体とを、これらの
第一及び第二の電気導体がシール手段を通って延在する
ようにして含む。第一及び第二の電気導体は、好ましく
は金線から製作される。
好ましい複セル式組立体では、第一のプレートはこの
第一のプレートのもう一方の主表面から延びる第一の熱
伝導性材料を、そして第二のプレートはこの第二のプレ
ートのもう一方の主表面から延びる第二の熱伝導性材料
を、複セル式膜電極組立体において発熱により発生した
熱を当該第一及び第二の材料を通して大気へ更に放散さ
せるようにして有する。第一及び第二の材料はおのお
の、好ましくは、複数の熱伝導性部材か、あるいは熱伝
導性発泡体を含む。好ましい熱伝導性発泡体はアルミニ
ウム発泡体である。
好ましい複セル式組立体では、シール手段は第一及び
第二の膜を、これらの第一及び第二の膜の縁が一緒に結
合されてアノードの周りにガス不透過性のバリヤを形成
するように含む。
好ましい複セル式組立体では、燃料供給手段は燃料入
口と燃料出口とを、燃料出口が気体燃料流の未反応の成
分をアノードから遠ざけるようにして含む。好ましい複
セル式組立体は更に、多孔質の導電性のカソードの露出
表面へ周囲空気を導くための送風機を含む。気体燃料流
が水素を含む場合、複セル式組立体は好ましくは、第一
及び第二の熱伝導性部材で凝縮した水を蓄積するための
手段を更に含む。
上記の複セル式組立体を取り入れた複セル式スタック
は、次に掲げるＩ〜IVを含む。
I.上記の構成要素（aa）〜（ff）とともに定義された、
複数の燃料電池組立体。
II.最初の組立体と最後の組立体を有する電気的に直列
の複数の複セル式組立体を電気的に接続させるための連
続的な接続手段。ここにおいて、最後の組立体を除く直
列の各組立体のアノードは、直列の次の隣接組立体のカ
ソードに電気的に接続される。
III.直列の最初の組立体のカソードに電気的に接続され
た正の電流導線。
IV.直列の最後の組立体のアノードに電気的に接続され
た負の電流導線。
この複セル式スタックは、複数の複セル式組立体が共
通の第一のイオン交換膜と共通の第二のイオン交換膜と
を共有する、多数部分からなる構成として製作すること
ができる。
図面の簡単な説明 第１図は、周囲空気を酸化剤及び冷却剤として使用す
る電気化学的燃料電池組立体の分解斜視図である。
第2A図は、第１図の矢印２−２の方向に見た断面図で
ある。
第2B図は、第１図及び第2A図に図示された電気化学的
燃料電池組立体の別の態様の断面図である。
第３図は、外部負荷にまたがって接続された燃料電池
スタックの斜視図である。
第4A図及び第4B図は、本発明による交互挿入（interl
eaved）膜電極組立体の別の態様を説明する図である。
第５図は、周囲空気を酸化剤及び冷却剤として使用す
る電気化学的燃料電池組立体の別の態様の側断面図であ
る。
第６図は、周囲空気を酸化剤及び冷却剤として使用
し、共通のイオン交換膜を共有する三つの複セル式膜電
極組立体と多数部分からなる構成の断面図である。
第７図は、周囲空気を酸化剤及び冷却剤として使用
し、空気案内流路の形状を調節するために滑動可能なコ
ームを使用する、電気化学的燃料電池組立体のための熱
伝導性の部材又はフィンの副組立体の第一の態様の分解
斜視図である。
第８図は、周囲空気を酸化剤及び冷却剤として使用
し、空気案内流路を通過する流れを調節するために軸の
周りを旋回可能なバッフル（想像線で示される）を使用
する、電気化学的燃料電池組立体のための熱伝導性の部
材又はフィン副組立体の第二の態様の斜視図である。
第９図は、第８図に示したフィン副組立体とともに使
用するための軸の周りを旋回可能なバッフル組立体の斜
視図である。
第10図は、第９図に示した軸の周りを旋回可能なバッ
フル副組立体の側面図である。
第11図は、周囲空気を酸化剤及び冷却剤として使用
し、空気案内流路を通過する流れを調節するために外部
ダンパーを使用する、電気化学的燃料電池組立体の第三
の態様の概要図である。
好ましい態様の詳しい説明 第１図と第2A図を参照すれば、電気化学的燃料電池組
立体10は複セル式膜電極組立体（MEA）14を含む。複セ
ル式MEA14は、第一のカソード16、アノード26、及び第
二のカソード38を含む。第一のイオン交換膜24が第一の
カソード16とアノード26の間に挿入される。第二のイオ
ン交換膜34が第二のカソード38とアノード26の間に挿入
される。燃料供給管路44と燃料入口46が、大気圧よりわ
ずかに高い圧力の燃料をアノード26へ導く。
電極16、26、38は、多孔質の導電性シート材料から、
好ましくは疏水性ポリマー、例としてポリテトラフルオ
ロエチレンといったもの、を含浸しあるいは塗布された
多孔質の炭素繊維紙（carbon fiber paper（CFP））か
ら製作される。電極16、26、38はおのおの、所望の化学
反応を促進するため、イオン交換膜24、34に隣接し且つ
接触する面を触媒、例として白金のようなもの又はその
他の適当な電気的触媒作用のある物質の層で処理され
る。適当なイオン交換膜は、Du Pont社からNafion 117
の商品名で、またDow社からXUS 13204.10の商品名で、
商業的に入手可能である。
電極16、26、38とイオン交換膜24、34は、第１図及び
第2A図に図示したように間に差し挟むあるいはサンドイ
ッチ様の方式で一緒に配列され、そしてイオン交換材料
を軟化させるのに十分な温度で高圧にさらされる。この
圧力と温度が一緒になって、軟化した膜材料を少なくと
も部分的にCFP電極材料にし、個々の層を結合して単一
の単位組立体を形成する。現在のところ、複セル式MEA
14は、材料層を当該材料を軟化させそして緊密な結合を
作るのに十分な温度と圧力のプレス機に入れて製作され
る。
アノード26での化学反応は燃料を消費してそしてそれ
をアノード26へ引き寄せるので、気体燃料を供給するの
に低圧を使用することができる。アノード26を形成する
のに使用されるCFPの多孔質構造は、気体燃料をアノー
ド26の全体にわたり配給をするのを促進する。気体燃料
はアノード26で反応して、カチオン（プロトン）と電子
を生成させる。燃料として水素を使用する場合、アノー
ドでの反応からは次に示す式に従って水素カチオンと電
子が生成される。
H2→2H+＋2e- カソード16、38での反応からは、次に示す式に従って
水が生成される。
1/2O2＋2H+＋2e-→H2O イオン交換膜は、カチオンがアノード26からカソード1
6、38へ移動するのを促進する。水素カチオンを伝わら
せるほかに、イオン交換膜24、34は気体燃料流を酸化剤
流から隔離する。これは、水素と酸素を混合しそして点
火するか又は触媒と接触させると起こる反応のために、
燃料源として水素を使用する場合に特に重要である。
シール50が、アノード26内から気体燃料が漏れるのを
防ぐためアノード26の縁にガス不透過性のバリヤを提供
する。第2A図においては、シール50はイオン交換膜24、
34をアノード26の縁を越えて延ばすことによって形成さ
れる。組立処理の際に、イオン交換膜24、34のアノード
26を越えて延びる部分を熱と圧力を利用して付着させ
て、アノード26の周りにガス不透過性のシールを形成す
ることができる。あるいはまた、第2B図に図示したよう
に、アノード26のそれぞれ上下の縁部分に沿って、イオ
ン交換膜24、34の間に延在するシーラント52a、52b、例
えばケイ素系のシーラント、の層を配置して、シール50
を形成してもよい。
第１、2A、2B図に示したように、アノード26とイオン
交換膜24、34との間に端部の電流コレクタ56a、56bを配
置する。第一の端部電流コレクタ56aはアノード26と第
一のイオン交換膜24との間に配置され、第二の電流コレ
クタ56bはアノード26と第二のイオン交換膜34との間に
配置される。端部電流コレクタ56a、56bは、下記により
詳しく記載されるアノード26から外部負荷への電流の流
れ（すなわち電子の流れ）を容易にする。第2A図に最も
よく示されたように、端部電流コレクタ56a、56bはシー
ル50を貫通して複セル式MEA 14から出て、それによりア
ノード26への電気的接続をもたらす。
端部電流コレクタ56a、56bはおのおの好ましくは、複
数の導電性の線（ワイヤ）（図示せず）から作られる。
端部電流コレクタ56a、56bを形成する線は好ましくは、
金、ニオブ、白金、チタン又はグラファイトといったよ
うな高伝導性の材料から作られる。単一の線で十分な端
部での電流捕集を行うことができるとは言え、複数の線
の方が好ましい。第１図には、複セル式MEA 14の上部と
下部の両方から出てゆく導電性56a、56bが示されてお
り、それに対して第2A、2B図では導電線は複セル式MEA
14の上部のみから出てゆく。
第１、2A、2B図に示したように、燃料電池組立体10は
更に、複セル式MEA 14の相対する側に配置された第一及
び第二の熱伝導性プレート62a、62bを含む。プレート62
a、62bは好ましくは、図示された形状を形成するため圧
延するかあるいは押出されたアルミニウムから製作され
る。アルミニウムが好ましいのは、それが比較的安価で
あり、軽量であるからであり、またそれが都合のよい熱
伝導性と電気伝導性を持つからである。
第１図に示したように、各プレート62a、62bは、複セ
ル式MEA 14に向かって延びてカソードの一方（第１図と
第2A図ではカソード38）と接触する、第１図ではフィン
66a、66bとして示された熱伝導性部材の第一の組と、そ
して複セル式MEA 14から離れて延びる、第１図ではフィ
ン64a、64bとして示された熱伝導性部材の第二の組を含
む。各フィン66a、66bのカソードの表面と接触する部分
は好ましくは、アルミニウムの酸化を防止しそしてカソ
ード38と各フィン66a、66bとの良好な電気的接触を保証
するために、金でメッキされる。
第一の組の熱伝導性部材66a、66bは、構造上の剛性を
もたらして複セル式MEA 14を支持し、MEA 14を安定化
し、そしてMEA 14が膜の過度の含浸による膨潤のためゆ
がむのを防止する。
第１図にフィン64a、64bとして示された、第二の組の
熱伝導性部材のおのおのは、フィンに代えて熱伝導性の
発泡体として形成することもできよう。熱伝導性の発泡
体は不規則な三次元組織を持ち、間にある空間が、当該
発泡体が形成されている熱伝導性材料の不規則な格子状
構造を空気及びそのほかの冷却剤流体が通り抜けるのを
可能にする。好ましい熱伝導性発泡体はアルミニウム発
泡体である。
第１図に示したように、締結機構がプレート62a、62b
とMEA 14を集成した形態でもって固定し、そしてフィン
66a、66bとカソード16、38の露出面との接触を維持す
る。この締結機構は好ましくは、プレート62a、62bの上
方部分を貫通して延在する第一のねじ込み締結具72と、
プレート62a、62bの下方部分の間に延在する第二のねじ
込み締結具74を含む。ねじ込み締結具72、74はプレート
62a、62bを接続し、そしてプレート62a、62bが複セル式
MEA 14対して締めつけられてそれによりカソード16、38
とプレート62a、62bとの電気的及び物理的な接触を維持
するのを可能にする。
フィン64a、64bの組も66a、66bの組も、上部と下部が
あいていて、空気がフィンを通って流れるのを可能にす
る。複セル式MEA 14内で燃料（水素）及び酸化剤（酸
素）の発熱化学反応によって生じた熱は、フィン64a、6
4bと66a、66bを通して大気へ拡散される。このような熱
の放散は、周囲空気をフィン64a、64bと66a、66bを通し
て上向きに吸い込ませる自然対流の流れを生じさせるこ
とが分かった。フィン64aの組はMEA 14から離れた方向
に伸び、そして主として、複セル式MEA 14の所望の運転
温度が維持されるように廃熱を大気へ排出するための伝
熱表面として機能する。フィン66a、66bの組は、伝熱表
面として機能するほかに、プレート62a、62b及び隣接す
るカソードと共働して、酸素を含有する周囲空気をカソ
ードの露出面に向けて吸い込む複数の空気案内流路を形
成する。例えば、フィン66aはプレート62a及びカソード
16と共働して空気案内流路78を形成する（第１図参
照）。同様の複数の空気案内流路が酸素含有の周囲空気
をカソード38の露出表面に向けて吸い込む。空気供給路
78が垂直に向いていることは、カソード16において生成
された水か燃料電池組立体10の底に向かって下向きに流
れるのを可能にし、そしてそれをそこで組立体から排出
してイオン交換膜24が過度に含浸するのを防ぐことがで
きる。
燃料電池組立体10のための酸化剤及び冷却剤として周
囲空気を使用する際には、下記の運転条件が存在すべき
である。
（１）反応剤の酸素を膜電極組立体での反応を維持する
のに化学量論的に十分供給するように空気案内流路を通
る周囲空気流。
（２）周囲空気の流れと運転温度は、イオン交換膜の脱
水を防ぐため周囲空気の流れの水分除去容量が反応物の
水の生成速度未満となるようなものであるべきである。
（３）電池の運転温度は、合理的な燃料電池性能を提供
するのに十分高いものであるべきである。
（４）燃料電池の運転温度は、電池が自然対流による大
気への廃熱を無効とするのを可能にするのに十分高いも
のであるべきである。
これらの事項を考慮に入れて、膜又はフィンの大き
さ、間隔及び数を広い範囲の負荷にわたり温度安定性と
性能安定性をもたらすように実験的に最適化する。
第３に移ると、第３図において組立体10a、10b、10
c、10d、10e及び10fとして六つが示されている複数の燃
料電池組立体を組み合わせて、燃料電池スタック100を
形成することができる。一つが第３図において146とし
て指示されている燃料入口は、おのおの、燃料流をそれ
ぞれの燃料電池組立体10a〜10fの一つに導く。これらの
燃料入口は主燃料供給管路104につながれ、そしてそれ
はスタック100に大気圧によりわずかに高い圧力の気体
燃料を供給するための燃料供給源（図示せず）につなが
れる。
第３図において、燃料電池組立体10a〜ｆは、燃料電
池スタック100が個々の燃料電池組立体10a〜ｆの電圧の
合計に等しい電位を生じるように、電気的に直列に接続
される。もっとも具体的に言えば、端部電流コレクタ15
6を使用して、スタック100の一つの複セル式MEAのアノ
ードを隣接する次の複セル式MEAのカソードに電気的に
結合させる。例えば、第３図において第一の燃料電池組
立体10aのアノードを第二の燃料電池組立体10bのカソー
ドに電気的に接続させる。この電気的接続は好ましく
は、スタック100の一つの燃料電池組立体からの端部電
流コレクタ156を隣接する次の燃料電気組立体のプレー
ト162に接続することでなされる。
正の導線108と負の導線110との間に、スタック100の
最高の電位が課される。正の導線108は、電気導体112を
スタック100の第一の電池10aの正に帯電した部分につな
いで形成される。具体的に言うと、正の導線108はエン
ドプレート、フィン、ねじ込まれた締結具、あるいは第
一の電池10aのカソードのうちのどれかにつなぐことが
できる。負の導線110は、最後の燃料電池組立体10fの端
部電流コレクタを合わせて単一の導体114を形成するこ
とで作られる。
第３図に模式的に例示したように、スタック100を電
気回路に取り付ける場合には、正及び負の導線108、110
の間に負荷118とコンタクトスイッチ120を接続すること
ができる。コンタクタスイッチ120は、スタック100から
の電力を負荷118に供給するため選択的に開閉すること
ができる。
第4A図と第4B図は、個々の複セル式MEAを連続につな
いでスタックの構成を形成するための別の態様を図示し
ている。第4A図と第4B図の両方において、連続する複セ
ル式MEAの電極が介在して直列の電気的接続を形成して
いる。各複セル式MEA 114は、二つのカソード120、122
の間に挿入された中央のアノード116を含む。２枚の固
体ポリマーイオン交換膜126、128が、アノード116とカ
ソード120、122の間に挿入される。第4A図において、シ
ーラント材料132はアノード116の両端に配置されて、ア
ノード116に供給された気体燃料の漏れを防止する。第4
B図においては、単一シートの材料を使ってイオン交換
膜126、128を形成している。この膜材料はアノード116
の一端に巻きつけられ、そしてシーラント材料132を使
ってアノード116の他端をシールする。
第4A図と第4B図に例示された両方の態様において、カ
ソード120、122はそれぞれアノード116の一端を越えて
延びて、電気導電体136を取り囲んで接合される。この
電気導体136は、シーラント132を通りスタックの次の複
セル式MEA 114bのアノード116へと延びる。
第５図は、周囲空気を酸化剤及び冷却剤として使用す
る燃料電池組立体の別の態様を例示している。第５図に
おいては、第１、2A及び2B図の複セル式MEAの構成と対
照的に、単セル式（unicell）のMEA 214を使用する。ME
A 214は、アノード226とカソード216の間に挿入される
イオン交換膜224を含む。第５図には、アノード226の外
面に沿って配置されたシーラント材料から形成されたシ
ール250も示されている。シール250は、ガス不透過性の
バリヤを形成してアノード226に供給された気体燃料の
漏れを防止する。燃料供給機構244が、気体燃料（好ま
しくは実質的に純粋な水素）を単セル式MEA 214のアノ
ード226へ供給する。この燃料供給手段244は、アノード
226中へ部分的に延びる燃料入口246を少なくとも一つ含
む。燃料入口246は、気体燃料を低圧であるいは大気圧
よりわずかに高い圧力でアノード226へ供給する。
第５図に例示した態様では、締めつけ機構218がプレ
ート262をそのフィン264、266と一緒に、単セル式MEA 2
14のカソード216に対して固定する。この締めつけ機構2
18は、一対のねじ込み締結具272、274及びエンドプレー
ト220として第５図に図示されている。
第６図は、周囲空気を酸化剤及び冷却剤として使用す
る三つの複セル式組立体の多数部分からなる構成302を
示している。この多数部分からなる構成は、第一のカソ
ード304a、304b、304c、アノード306a、306b、306c、そ
して第二のカソード314a、314b、314cを含む。第６図に
示したように、第一のカソード304a、アノード306a及び
第二のカソード314aは第一の複セル式MEA 310aに配置さ
れ、第一のイオン交換膜316が第一のカソード304aとア
ノード304aの間に挿入され、そして第二のイオン交換膜
326がアノード306aと第二のカソード413aの間に挿入さ
れる。同様に、第一のカソード304b、アノード306b及び
第二のカソード314bは第二の複セル式MEAアノード310b
に配置され、第一のイオン交換膜316が脱一のカソード3
04bとアノード306bの間に挿入され、そして第二のイオ
ン交換膜326がアノード306bと第二のカソード314bの間
に挿入される。最後に、第一のカソード304c、アノード
306c及び第二のカソード314cは第三の複セル式MEA 310c
に配置され、第一のイオン交換膜316が第一のカソード3
04cとアノード306cの間に挿入され、そして第二のイオ
ン交換膜326がアノード306cと第二のカソード314cの間
に挿入される。第６図に示したように、第一、第二及び
第三の複セル式組立体310a、310b、310cは、共通の第一
のイオン交換膜316と共通の第二のイオン交換膜326を共
有する。第６図はまた、熱伝導性部材又はフィンの副組
立体360のうちの一つのものの位置を示している。フィ
ン副組立体360は、熱伝導性プレート362、複セル式MEA
310bへ向かって延びてカソード304bと接触する第一の組
の熱伝導性部材又はフィン366、そして複セル式MEA 310
bから離れて延びる第二の組の熱伝導性部材又はフィン3
64を含む。第６図に示した多数部分からなる構成302に
おいてアノードを相互につなぐ流路332a及び332bは、燃
料流路である。多数部分からなる構成302は、好ましく
は第一及び第二のイオン交換膜316、326を一緒に融着さ
せることで形成される、シール320a、320bによって両端
をシールされる。
第７図は、空気案内流路の形状を調節するために活動
可能なコーム462を使用する熱伝導性の部材又はフィン
の副組立体460を示している。この空気案内流路は、一
つのものが第７図に466aとして指示されているフィンの
間の空間により形成される。第７図に示したように、活
動可能なコーム462は、フィンの間の空間により形成さ
れた流路内へ延びる複数の歯462aを含む。
第８図は、軸の周りを回るバッフル（そのうちの一つ
が第８図では想像線でもってバッフル574aとして示され
ている）を使用するもう一つのフィン副組立体560を示
している。フィン副組立体560は熱伝導性のプレート562
を含む。複数の熱伝導性フィン566a、566b、566c、566d
がプレート562の一方の表面から延びている。フィン副
組立体560を取り入れた完成した燃料電池組立体におい
て、フィン566a〜ｄは隣接したカソード（第８図に図示
せず）の外側を向いた表面と接触する。複数の熱伝導性
フィン564a、564b、564c、564d、564e、564fがプレート
562の他方の主表面から延びている。フィン564a〜ｆの
おのおのにはスロット付きの開口が形成してあり、その
一つが第８図にスロット570として示されている。旋回
できるバッフルの副組立体は、軸ピン572によりスロッ
トに懸架されており、そのうちの一つのバッフルが第８
図にバッフル574aとして示されている。軸ピン572の周
りのバッフル574aの回転が、空気案内流路を通る空気流
の量を調節する。
第８図の矢印Ａは、フィン566a〜ｄの間に形成された
流路を通る空気流の方向を示しており、隣合うカソード
（図示せず）での電気化学的反応のための空気の供給を
表している。第８図の矢印Ｂは、フィン564a〜ｆの間に
形成された流路を通る空気流の方向を示しており、隣合
う燃料電池構造体（図示せず）からの熱を伝導し、それ
により隣合う燃料電池構造体の熱の管理を行うための空
気の供給を表している。
第９図は、第８図のフィン副組立体560とともに使用
するための旋回可能なバッフルの副組立体574を示して
いる。副組立体574は、中央の軸ピン572に取り付けられ
らた複数のバッフル574a、574b、574cを含む。第10図
は、旋回可能なバッフル副組立体574の側面図を示して
いる。
第11図は、周囲空気を酸化剤及び冷却剤として使用
し、空気案内流路664、666を通る流れを調節するために
回転可能なバッフル674、684をそれぞれ有する外ダンパ
ー676、678を使用する、電気化学的燃料電池組立体を模
式的に示している。第11図においては、アノード626、
イオン交換膜624、及びカソード616が、膜電極組立体を
形成している。フィン（図示せず）がプレート662の各
主表面から延びている。これらの延在するフィンの間に
形成された空間が空気案内流路664、666を形成してい
る。ダンパー676、678はバッフル674、684を含み、そし
てそれらはそれぞれ軸ピン672、682に取り付けられてい
る。それぞれの軸ピン672、682の周りのバッフル674、6
84の回転が、空気案内流路664、666を通る空気の流れの
量を調節する。
本発明の特定の構成要素、態様及び応用を示して説明
してきたが、もちろんながら、特に上述の教示に照らし
て、当業者が改変を行い得ることから、本発明はそれら
に限定されないことが理解されよう。従って、本発明の
精神と範囲の内に入る特徴を取り入れるような改変は請
求の範囲に包含されるものと考えられる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラモン，ゴードン ジェイ. カナダ国，ブリティッシュ コロンビア ブイ５ワイ ２ジェイ５，バンクーバ ー，ウェスト トゥエンティーシックス ス アベニュ 37 (72)発明者 バスーラ，ベスナ カナダ国，ブリティッシュ コロンビア ブイ５ジー ４ケー５，バーナビー, ウォルター プレイス 5435 (72)発明者 ボス，ヘンリー エイチ. カナダ国，ブリティッシュ コロンビア ブイ７ティー １エイチ１，ウェスト バンクーバー，ダッチェス アベニュ 1163 (72)発明者 ウィルキンソン デビッド ピー. カナダ国，ブリティッシュ コロンビア ブイ７アール １ダブリュ４ ノース バンクーバー，コールマン ストリー ト 1391 (56)参考文献 特開 昭61−260551（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−86270（ＪＰ，Ａ) 特公 昭51−37414（ＪＰ，Ｂ１) 米国特許3743544（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24

Claims (30)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】多孔質の導電性のアノードと、周囲空気に
    露出された表面を有する多孔質の導電性のカソードと、
    当該アノード及び当該カソードの間に挿入されたイオン
    交換膜とを含む膜電極組立体、 上記アノードの周りにガス不透過性のバリヤを形成する
    ためのシーラント手段、 上記アノードへ気体燃料流を供給するための燃料供給手
    段、 上記アノード及び上記カソードへの電気的接続を行うた
    めの電気的接続手段、 大気と接する主表面を有する熱伝導性のプレートであっ
    て、その主表面から延びる複数の第一の熱伝導性部材を
    有し、これらの第一の部材は上記露出されたカソード表
    面の一部分と接しており、これらの第一の部材のうちの
    隣合うものが当該プレート及び当該露出されたカソード
    表面と共働して少なくとも一つの空気案内流路を形成し
    ている熱伝導性プレート、 を含む電気化学的燃料電池組立体。
  2. 【請求項２】前記プレートが単一の平坦部品として制作
    されている、請求の範囲第１項記載の電気化学的燃料電
    池組立体。
  3. 【請求項３】前記プレート及び前記第一の部材がアルミ
    ニウム製であり、前記第一の部材の前記カソード表面と
    接する部分がそれに適用された不活性金属を有する、請
    求の範囲第１項記載の電気化学的燃料電池組立体。
  4. 【請求項４】前記不活性金属が金である、請求の範囲第
    ３項記載の電気化学的燃料電池組立体。
  5. 【請求項５】前記電気的接続手段が前記アノードと前記
    イオン交換膜との間に配置された電気導体を含み、当該
    電気導体が前記シール手段を通って延びている、請求の
    範囲第１項記載の電気化学的燃料電池組立体。
  6. 【請求項６】前記電気導体が金線から作られている、請
    求の範囲第５項記載の電気化学的燃料電池組立体。
  7. 【請求項７】前記プレートがそのもう一方の主表面から
    延びる熱伝導性材料を有し、それにより前記膜電極組立
    体において蒸発により発生した熱を当該材料を通して大
    気へ更に放散させる、請求の範囲第１項記載の電気化学
    的燃料電池組立体。
  8. 【請求項８】前記材料が複数の熱伝導性部材を含む、請
    求の範囲第７項記載の電気化学的燃料電池組立体。
  9. 【請求項９】前記材料が熱伝導性発泡体を含む、請求の
    範囲第７項記載の電気化学的燃料電池組立体。
  10. 【請求項１０】前記熱伝導性発泡体がアルミニウム発泡
    体である、請求の範囲第９項記載の電気化学的燃料電池
    組立体。
  11. 【請求項１１】前記燃料供給手段が燃料入口と燃料出口
    を含み、この燃料出口が前記アノードから遠ざかる前記
    気体燃料流の未反応の成分を案内する、請求の範囲第１
    項記載の電気化学的燃料電池組立体。
  12. 【請求項１２】前記多孔質の導電性のカソードの露出表
    面へ前記周囲空気を導くための送風機を更に含む、請求
    の範囲第１項記載の電気化学的燃料電池組立体。
  13. 【請求項１３】当該組立体が前記第一の部材で凝縮した
    水を蓄積するための手段を更に含む、請求の範囲第１項
    記載の電気化学的燃料電池組立体。
  14. 【請求項１４】複数の、請求の範囲第１項に記載された
    燃料電池組立体、 最初の組立体と最後の組立体を有する電気的に直列の上
    記複数の燃料電池組立体を電気的に接続させるための連
    続的な接続手段であって、最後の組立体を除く直列の各
    組立体のアノードを直列の次の隣接組立体のカソードに
    電気的に接続する接続手段、 直列の上記最初の組立体のカソードに電気的に接続され
    た正の電流導線、 直列の上記最後の組立体のアノードに電気的に接続され
    た負の電流導線、 を含む燃料電池スタック。
  15. 【請求項１５】前記複数の燃料電池組立体が共通のイオ
    ン交換膜を共有する、請求の範囲第14項記載の燃料電池
    スタック。
  16. 【請求項１６】周囲空気に露出された表面を有する第一
    の多孔質の導電性のカソードと、多孔質の導電性のアノ
    ードと、周囲空気に露出された表面を有する第二の多孔
    質の導電性のカソードと、上記第一のカソード及び上記
    アノードの間に挿入された第一のイオン交換膜と、そし
    て上記第二のカソード及び上記アノードの間に挿入され
    た第二のイオン交換膜とを含む複セル式の膜電極組立
    体、 上記アノードの周りにガス不透過性のバリヤを形成する
    ためのシール手段、 上記アノードへ気体燃料を供給するための燃料供給手
    段、 上記アノード、上記第一のカソード及び上記第二のカソ
    ードに電気的に接続するための電気接続手段、 第一の熱伝導性プレートであって、その主表面から延び
    る複数の第一の熱伝導性部材を有し、これらの第一の部
    材は上記第一のカソードの露出表面の一部分と接してお
    り、これらの第一の部材のうちの隣合うものが当該第一
    のプレート及び当該第一のカソードの露出表面と共働し
    て少なくとも一つの空気案内流路を形成している第一の
    熱伝導性プレート、 第二の熱伝導性プレートであって、その主表面から延び
    る複数の第二の熱伝導性部材を有し、これらの第二の部
    材は上記第二のカソードの露出表面の一部分と接してお
    り、これらの第二の部材のうちの隣合うものが当該第二
    のプレート及び当該第二のカソードの露出表面と共働し
    て少なくとも一つの空気案内流路を形成している第二の
    熱伝導性プレート、 を含む電気化学的燃料電池組立体。
  17. 【請求項１７】前記プレートと前記第一及び第二の部材
    とがアルミニウム製であり、当該第一及び第二の部材の
    前記カソード表面と接する部分がそれに適用された不活
    性金属を有する、請求の範囲第16項記載の電気化学的燃
    料電池組立体。
  18. 【請求項１８】前記不活性金属が金である、請求の範囲
    第17項記載の電気化学的燃料電池組立体。
  19. 【請求項１９】前記電気的接続手段が前記アノードと前
    記第一の膜との間に配置された第一の電気導体と、前記
    アノードと前記第二の膜との間に配置された第二の電気
    導体を含み、当該第一及び第二の電気導体が前記シール
    手段を通って延びている、請求の範囲第16項記載の電気
    化学的燃料電池組立体。
  20. 【請求項２０】前記第一及び第二の電気導体が金線から
    作られている、請求の範囲第19項記載の電気化学的燃料
    電池組立体。
  21. 【請求項２１】前記第一のプレートがそのもう一方の主
    表面から延びる第一の熱伝導製材料を有し、且つ前記第
    二のプレートがそのもう一方の主表面から延びる第二の
    熱伝導製材料を有し、それにより前記膜電極組立体にお
    いて発熱により発生した熱を上記第一及び第二の材料を
    通して大気へ更に放散させる、請求の範囲第16項記載の
    電気化学的燃料電池組立体。
  22. 【請求項２２】前記第一及び第二の材料が複数の熱伝導
    性部材をおのおの含む、請求の範囲第21項記載の電気化
    学的燃料電池組立体。
  23. 【請求項２３】前記材料が熱伝導性の発泡体を含む、請
    求の範囲第21項記載の電気化学的燃料電池組立体。
  24. 【請求項２４】前記熱伝導性の発泡体がアルミニウム発
    泡体であり、請求の範囲第23項記載の電気化学的燃料電
    池組立体。
  25. 【請求項２５】前記シール手段が前記第一及び第二の膜
    を含み、当該第一及び第二の膜の縁が一緒に結合されて
    前記アノードを取り囲むガス不透過性のバリヤを形成し
    ている、請求の範囲第16項記載の燃料電池組立体。
  26. 【請求項２６】前記燃料供給手段が燃料入口と燃料出口
    を含み、当該燃料出口が前記アノードから遠ざかる前記
    気体燃料流の未反応の成分を案内する、請求の範囲第16
    項記載の電気化学的燃料電池組立体。
  27. 【請求項２７】前記多孔質の導電性のカソードの露出表
    面へ前記周囲空気を導くための送風機を更に含む、請求
    の範囲第16項記載の電気化学的燃料電池組立体。
  28. 【請求項２８】当該組立体が前記第一の部材で凝縮した
    水を蓄積するための手段を更に含む、請求の範囲第16項
    記載の電気化学的燃料電池組立体。
  29. 【請求項２９】複数の、請求の範囲第16項記載の燃料電
    池組立体、 最初の組立体と最後の組立体を有する電気的に直列の上
    記複数の燃料電池組立体を電気的に接続させるための連
    続的な接続手段であり、最後の組立体を除く直列の各組
    立体のアノードが直列の次の隣接組立体のカソードに電
    気的に接続されている接続手段、 直列の上記最初の組立体のカソードに電気的に接続され
    た正の電流導線、 直列の上記最後の組立体のアノードに電気的に接続され
    た負の電流導線、 を含む燃料電池スタック。
  30. 【請求項３０】前記複数の燃料電池組立体が共通の第一
    のイオン交換膜と共通の第二のイオン交換膜を共有して
    いる、請求の範囲第29項記載の燃料電池スタック。
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