JP5189500B2 - 燃料電池冷媒の気泡制御 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒通路構成によって、燃料セルにおける低流量でかつ小さい冷媒通路内のガス気泡の妨害を減少させることに関する。

陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池が凍結温度により生じる問題に直面することを減少させるとともに、この燃料電池が該電池の付属品としての水ポンプおよび他の給排水装置に依存することを減少させるために、燃料セル内の冷媒量の合計を少なくすることがある。

しかし、冷媒ポンプやガス抜きマイクロポンプのどちらも使用せず、かつ外部の給排水装置が最小限であるシステムにおいて、セル内の冷媒の流速は非常に低い。ガスのみが冷媒通路から抜かれる場合、水流は、反応ガスへ蒸発する水の量によって制限される。通路が小さくかつ水が低流量の場合、ガス気泡が共に結合する（集まる）とともに、水チャネルの広い領域からの水流を妨害し、これは反応ガス流れ場プレートの「ガス突破（ｇａｓ ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ）」と呼ばれることもあり、これにより、多くの箇所で膜の局所的な過熱および乾燥を生じさせるとともに、構成要素を劣化させ、性能を減少させる。
セル間冷媒プレートを使用し、かつグリコールまたは他の冷媒を含むシステムは、非常に小さいセル内水通路を備えてもよく、この通路によって、水流による冷却をあまり使用せずに水和させるために、燃料セルのアノード側に低流量の水を供給する。

燃料セルの冷媒通路内を低流量で流れる冷媒の気泡による妨害を緩和しながら、冷媒流が、燃料セルの小さい冷媒通路において保証される。これにより、固体高分子形燃料電池の冷媒通路を通してガス気泡が流れることが補助され、固体高分子形燃料電池の冷媒通路内のガス抜きが向上し、固体高分子形燃料電池において、ベント部へ向かうガス流が向上し、固体高分子形燃料電池の水和が向上し、さらに固体高分子形燃料電池内の冷却が向上する。

本明細書における最大の目的は、冷媒流が、燃料セル内の小さい冷媒通路において妨害されないことであるが、冷媒を妨害するガス気泡の除去は、冷媒通路のガス流特性を対策することによって達成される。低冷媒流量である燃料セルの小さい冷媒通路内に存在するガス、一般的にガス気泡が、適切に設計された通路内で推進され得ることを理解されたい。この推進力が、該冷媒通路を通してベント部へ向かう十分な冷媒流を保証し、これにより、ガス気泡による冷媒の妨害ではなくて、動作用の適切な冷媒流を保証する。

冷媒流通路がより小さくなる程、冷媒通路は、内部のガス気泡によって、より妨害され易くなる。従来技術の冷媒通路における所定の断面積に対し、閾冷媒流量が存在し、これ以下では、ガスが冷媒内に存在する場合に気泡が冷媒通路を妨害するが、閾冷媒流量より大きいときには、気泡が冷媒流によって除去されるとともに、冷媒通路を妨害しない。

ここで使用されるように、「燃料電池」という用語は、酸化剤および燃料反応ガスから電気を生成することが可能である完全な作動型燃料電池用の装置を意味し、または場合によっては、この用語が、燃料セルに冷媒をもたらす層を除いた燃料電池の部分を意味する。ここで、この層は、隣接する燃料セルの間に配置されている。

ここで使用されるように、「液体冷媒」という用語は、燃料電池が動作せず、大気温度が冷媒の凝固点未満であるときに、液体冷媒が凍結して固体になるとしても、燃料電池が動作しているときは、液体状態である冷媒を意味する。冷媒は、水または他の液体であってもよい。ここで、「疎液性」とは、冷媒を嫌う、即ち冷媒に対する親和性が欠如したものとして定義され、「親液性」とは、冷媒に対して親和性がある、即ち冷媒を嫌わないものとして定義される。ここで補助された冷媒流は、ある場合では、最小の冷却効果を備えながら、主に水和に使用されてもよい。ここで、冷媒流通路および冷媒通路は、燃料反応ガス流れ場チャネルおよび酸化剤反応ガス流れ場チャネルとは異なる。

ここで使用されるように、「冷媒通路」という用語は、燃料電池スタックの冷媒流通路の部分に対応する。この流路は、燃料セルの平面（平面上の外形）に沿って実質的に延びる。

したがって、燃料セルの耐ガス冷媒通路が、ガスの存在する場合、またはガスが存在しない場合でも、このような通路内の冷媒流を促進させる。耐ガス構成は、冷媒通路の長さの実質的に全体に沿って設けられ、これにより、通路の入口から出口へとガス流をもたらす。

１つの形態では、燃料セルの耐ガス冷媒通路は、その一部がガスと親和性を有するように、つまりガスがこの部分に移動するように構成され、これに対し残りの部分は、冷媒がガスに妨害されずに流れるようになり、これにより、冷媒がガス気泡によって妨害されずに流れる空間があることが保証される。

さらに、冷媒通路は、耐ガス断面として、ガスが存在しにくい第２の部分と比べて優先的にガスが存在しやすい第１の部分を備える。

ここで、耐ガス通路は、同じ通路内に第１および第２の部分を備えてもよい。第１の部分は、疎液性の通路の壁に隣接してもよい。第１の部分は、通路の２つの壁の間に９０°より大きいコーナをそれぞれ備えてもよい。第１の部分は、鋭角の領域から離間した三角形、台形または他の多角形の部分を備えてもよく、またはこれらの組み合わせを備えてもよい。

１つの形態では、冷媒チャネル内の気泡が、末広がりの水チャネルによって準安定となる。ここで、末広がりの水チャネルとは、各チャネルの入口から徐々に増加する対応した距離において徐々に増加する断面を備えたものを指す。気泡は、該気泡がより球体に近づくことができるチャネル内の位置を求めることで、その表面エネルギを最小化するように努める。チャネルを末広がりにすることによって、準安定の気泡がチャネルの出口に向かう方向、即ち水流に沿った方向へ移動し、これにより、チャネル内のガスによる水流の妨害が最小化される。

目的は、ガス流ではなくて、冷媒流であるが、ガス流の制御は、ガスに対する冷媒チャネル特性を作用させることによって実現される。即ち、低流量における冷媒流特性は、耐ガス冷媒通路の１つの部分内と、他の部分内とで本質的に同じであるが、耐ガスチャネルの特定の部分では、ガスが親和性を有する。したがって、通路内のガス流に作用し、ガスの有無にかかわらず、通路内の冷媒流が達成される。

他の特徴および利点が、以下の発明を実施するための最良の形態を参照することによってより明らかになるであろう。

蒸発冷却を使用した燃料電池システムは、２００５年９月１９日に米国で出願された米国特許出願公開第１１／２３０，０６６号明細書、（公開公報番号はＵＳ２００６−０１４１３３１）で開示されるとともに、該明細書の図１および図２で説明されている。上述の出願では、空気は、空気ポンプ５２によって空気入口５３を通ってスタック３７内の酸化剤反応ガス（空気）流れ場へ供給される。水は大気へ蒸発し、これにより、燃料セル３８を冷却する（図２）。酸化剤反応ガスチャネルの出口５７は、凝縮器５９と連通している。凝縮器５９では、熱が除去されるとともに、水が回収されて、導管６０を介して貯蔵器として機能する水／ガス分離器６４へ戻される。水から分離されたガスは、排出部６２を通って除去される。水は、導管６５および冷媒入口６６を通してスタック３７内の冷媒通路へ戻るとともに、出口６８へ向かう。

図２では、燃料セル３８は、従来の膜電極アッセンブリ７２をそれぞれ備えており、該アッセンブリは、その両側にアノード触媒およびカソード触媒を有した電解質を備える。アッセンブリは、一方または両方の電極上にガス拡散層を備えてもよい。燃料反応ガスは、燃料反応ガス流れ場プレート７５内のチャネル７４を通流する。該プレートは、溝７６を有し、この溝７６は、隣接する燃料セルの溝７７と組み合わされて、燃料セル３８間の継ぎ目７９における微小な水通路７８を形成する。カソード側では、酸化剤反応ガス流れ場プレート８１は、空気流チャネル８２を備える。該プレートは、溝８３を有し、この溝８３は、隣接する燃料セルの溝８４と組み合わされて、燃料セル間の継ぎ目８６における微小な水通路８５を形成する。

フラッディングを防止するために、通路内の水圧は、空気ポンプおよび圧力調整済燃料によって得られるような反応ガスの圧力よりも１〜１０ＫＰａだけ小さくなっている。

通路は、図示されたように溝を合わせること以外で形成されてもよく、例えば、チャネル７６，８３または７７，８４が、反応ガス流れ場プレート７５，８１の１つのみに設けられる。

反応ガス流れ場プレート７５，８１は、水輸送プレートと同様のものである。該プレートは、米国で出願された米国特許第５，７００，５９５号明細書に開示されているように、外部で水処理を行い、かつ水輸送プレートを通る多量の水流を使用するような燃料電池発電装置において微細孔プレートと呼ばれることもある。しかし、蒸発冷却時における水の体積当たりの冷却効率が約４０倍も向上するので、上述の米国特許第５，７００，５９５号明細書における水流チャネルの断面は、図２の水通路７８，８５の断面より数十倍も大きい。

上述の特許出願における他の実施例では、透過性かつ親水性であるとともに、水に対して浸透性の高い材料が使用される。該材料は、通路７８，８５を形成する溝の代わりに、反応ガス流れ場プレート７５，８１における平面の実質的に全体にわたって延びる。このような材料は、内面の水の浸透性を補助するように繊維が水の移動方向に整列した炭素繊維ペーパであってもよく、または燃料電池の拡散媒介物として従来でも使用されている他の材料であってもよい。

水通路は、一般的に、非常に小さく、蒸発冷却に必要な水を提供することができる。蒸発冷却に必要な水流にさらに水流を追加すると、反応ガスチャネルから漏れるガス気泡を除去することを補助できる。この水流は、システム内で循環している水からイオンを除去する（脱イオン化する）ことも補助し得る。このような水流は、多量の水を保有し、燃料セル外部のポンプおよび給排水装置により供給される場合に適切な水流となり得る。

ここで、燃料セルの概ね平面形状と実質的に共に延びる燃料セルの冷媒通路における部分は、図３および図４の通路７８，８５のような耐ガス冷媒通路を備える。燃料セルの平面形状は、図２〜２２の紙面に垂直であり、図２３および図２４に（特定の形態で）示されている。耐ガス冷媒通路７８，８５は、燃料反応ガス流れ場プレート７５の面９１から内側に延びる長方形チャネル７６，８４と、該チャネル７６，８４の断面より非常に小さい長方形断面を備えたチャネル７７，８３と、を備える。ここで、面９１は、燃料流れ場チャネル７４が延びる面９０の反対側に位置する。チャネル７７，８３は、酸化剤反応ガス流れ場プレート８１の面９３から延びており、該面９３は、酸化剤反応ガスチャネル８２が延びる面９２の反対側に位置する。これは、耐ガス冷媒チャネルの１つの実施例であり、交差した閉じた平面形状、例えば、多角形を備える。

通路７８，８５内のガスは、小さい長方形７７，８３よりも大きい長方形７６，８４に移動するおよび／または維持される。気泡８７で示されるように、小さい長方形７７，８３を備えた通路の第２の部分と比べて、大きい長方形７７，８３によって形成される冷媒通路の第１の部分の方が優先的にガスが存在する。結果として、大きい長方形７６，８４内に気泡が集まって維持されることで、小さい長方形７７，８３内における気泡による妨害が無くなる。これにより、適切な燃料電池の動作に必要な冷媒流が、小さい長方形７７，８３内に生じることを保証する。

小さい長方形７７，８３および気泡によって妨害されない大きい長方形７６，８４において冷媒流が流れる結果、水流がベント部６８（図１）へ気泡を除去する。これにより、気泡が通路７８，８５の全体がガスで満たされる程度までは集まらないことを保証する。したがって、保証された水流は、ガスにより実質的に妨害されずに、ガス気泡をガスベント部へ除去することができる。

図５に示されるように、チャネル７７，８５は、酸化剤反応ガス流れ場プレート８１の面９３から延びるように、このプレート８１内に直接形成されてもよい。チャネル７７，８５は、図４に示されるような２つの長方形を燃料反応ガス流れ場プレート７５および酸化剤反応ガス流れ場プレート８１内に個別に形成するものではない。

図６に示される実施例では、三角形の耐ガス冷媒チャネル８５が示されている。図６の実施例では、二等辺三角形が示されており、その底辺は、面９３の平面と同一平面に位置する。この実施例では、面９３上の鋭角９６，９７は、この面から離間して位置する鈍角９８より小さく、気泡９９で示されるように、気泡は鈍角９８付近に集まる。気泡９９に見られるように、気泡は、冷媒通路８５の鋭角９６，９７と比べて、鈍角９８付近の冷媒通路８５の部分に優先的に集まる。これは、冷媒がチャネル８５の頂角９８を容易に離れて、燃料反応ガス流れ場プレート７５付近を流れることができることを意味する。図６の実施例では、冷媒が、燃料反応ガス流れ場プレート７５付近を流れ、一体化された電極アッセンブリ７２におけるアノード側の加湿が保証される。

耐ガス冷媒通路８５の三角形断面は、正三角形であってもよく、または不等辺三角形もしくは直角二等辺三角形であってもよい。即ち、この断面は、直角三角形以外の不等辺三角形であってもよい。しかし、ガスが、小さい鋭角のコーナより大きい鈍角のコーナへ移動し、および／またはとどまるので、正三角形は、面９３付近の角９６，９７が鋭角で、面９３から離間して位置する頂角９８より小さい三角形（頂角は１８０°／Ｎよりも大きい）に比べておそらく有効ではない。θ＜π／２−α（ここで、α＝コーナの半分の角度、θ＝液体の静的接触角）である場合に、毛管流が、液体通路のコーナで生じる。２α＝６０°即ちα＝３０°の正三角形の場合は、θ＜９０−３０＝６０となり、このとき、例えば接触角が６０°未満の場合は、毛管流がコーナに生じる。高い毛管圧力は、冷媒通路を通るゼロではない冷媒流を保証する圧力として定義される。

一般的に、この形態は、１８０°／Ｎより大きい角度を有する冷媒通路の側面から成る１つの角ばった交点を備える。ここで、Ｎは、（実質的に面９１，９３の１つの平面内にある開いた部分を含む）側面の個数の合計である。したがって、三角形の通路における１つの角度、一般的には頂角は、６０°より大きい。

図７によると、三角形チャネル８４が、燃料反応ガス流れ場プレート７５の面９１から延びるとともに、酸化剤反応ガス流れ場プレート８１の面９３から延びる長方形８３と交わる。この場合、気泡は三角形チャネル８４に集まる。これにより、冷媒が、長方形チャネル８３内を自由に流れ、この流れは、ベント部６８（図１）へ気泡を除去する。

図８では、長方形８３に交わる三角形８４が、燃料反応ガス流れ場プレート７５のエッジ部９１から延びている。図３〜８の実施例は、交差する多角形を備えているが、一般的に、耐ガス冷媒通路は、（少なくとも数本の曲線の境界線を有した）直線以外によって囲まれる閉じた２つの平面形状や直線によって囲まれた閉じた平面形状（多角形）が交わった断面領域を備えてもよい。

図９では、耐ガス冷媒通路８５は、台形断面を備える。このような場合では、ガスが、酸化剤反応ガス流れ場プレート８１の面９３の反対側にある鋭角９６，９７から離間して移動し、とどまる。冷媒は、台形断面の鋭角部分付近を自由に流れ、この冷媒流は、ベント部６８（図１）へガス気泡を除去する。鈍角９８，９９は、１８０°／Ｎより大きい。

図４〜９では、耐ガス冷媒通路の第１の部分、例えば、図４の大きい長方形８３または図６における三角形通路８５の鋭角部が示されており、ガスが、第２の部分より優先的に、第１の部分に、または該第１の部分内に移動するおよび／または流れる。ここで、第２の部分とは、例えば、図４の小さい長方形、図６における三角形の耐ガス冷媒通路８５における鋭角部または図９の台形である。ガスは、第１の部分に対して親和性があり、これにより、冷媒が、気泡に拘束されることなく第２の部分内を流れる。この形態では、水または他の冷媒は、大きいチャネルまたは小さいチャネル内および通路のコーナまたは他の部分を低流量で流れる。しかし、この流れを保証するために、ガスは第１の部分へ分離される必要があり、通路の第２の部分内では、気泡の移動または維持が優先的に行われずに、水または他の冷媒が気泡に妨害されることなく流れる。これにより、要求されるような生成水の除去、水和および／または蒸発冷却が達成されるとともに、ベント部へ気泡を除去する。

一般的に、ガスは、燃料セルの燃料反応ガス流れ場プレートから冷媒通路へ漏れる。このために、ガスとの親和性を備えた耐ガス冷媒通路の部分が、燃料反応ガス流れ場プレートへ配置されることが好ましく、ガス気泡に対して有効でない耐ガス冷媒通路の部分が酸化剤反応ガス流れ場プレートへ配置される。蒸発冷却式燃料セル内で使用される耐ガス水通路の場合では、これにより、水が、酸化剤反応ガス流れ場チャネル８２に容易に達するとともに、蒸発することが保証される。

図１０〜１５の各々は、図４〜９の１つにそれぞれ対応するとともに、図４〜９に示された構成と左右が逆転した構成を示している。これは、第１の部分に向かってまたは該第１の部分内において優先的に移動もしくはとどまるガスが、酸化剤反応ガス流れ場チャネル付近にあるように、第１の部分を設けるためである。ここで、ガスが優先的に流れない第２の部分は、水の存在および流れを保証し、燃料反応ガス流れ場チャネルに位置する。図１０〜１５に示される実施例は、陽子交換膜のアノード側における加湿が最大の問題である燃料電池スタックにおいて有効である。例えば、水およびグリコールの混合物のような不凍冷媒を備えた冷媒プレートの手段によってスタックが冷却されるが、水が陽子交換膜を加湿するように、燃料反応ガス流れ場プレート付近で循環する燃料電池発電装置において、これらの実施例は有効である。

図１６によると、一対の燃料セル３８ａが、水に対する浸透性が高い多孔質透過性層１００を有した耐ガス冷媒通路を備えており、該通路は、燃料反応ガス流れ場プレートの平面における作動領域全体に隣接して配置されている。また、冷媒通路は、長方形チャネル１０２のようなチャネルであり、該チャネルは、酸化剤反応ガス流れ場プレート８１の面９３から延びることが好ましい。この面９３は、酸化剤反応ガス流れ場チャネル８２が延びる起点となる面９２の反対側に位置する。しかし、所定の場合で望ましければ、チャネルは、燃料反応ガス流れ場プレートの面から延びてもよい。透過性層１００は、一般的に使用されるＴＯＲＡＹ（登録商標）ペーパのような濡らすことができる炭素繊維ペーパであってもよく、該ペーパは、従来の方法でスズを用いて処理される。ある燃料電池スタックでは、燃料反応ガスチャネルへのガスの取込が多く、多孔質層がガス取込の妨害を補助している。

ガス気泡は、１つのチャネル１０２内に生じて内部の水を妨害するが、高透過性層１００は、気泡により妨害されたチャネルの周囲で、他のチャネル１０２から燃料反応ガス流れ場プレート７５の平面全体へ水を自由に通流させる。水は、チャネル１０２内よりも透過性層１００内で速く流れるとともに、冷媒入口からベント部６８（図１）へ圧力降下を生じさせる。これにより、ベント部６８に向かってチャネル１０２内の気泡を促進させる。

したがって、高透過性層１００は、各燃料セルの酸化剤反応ガス流れ場プレートと、スタック内で隣接する燃料セルの燃料反応ガス流れ場プレートと、の間に配置される。もちろん、スタックのカソード端部に位置する燃料セルでは、その酸化剤反応ガス流れ場プレートに隣接する高透過性層は、通常の場合では、燃料反応ガス流れ場プレートに隣接しない。ここで使用されるように、「各燃料セル」という用語は、スタックのカソード端部における最後の燃料セルを除外しており、このセルでは、酸化剤反応ガス流れ場プレートの隣に位置する高透過性層を備えるが、この層は、一般的に、燃料反応ガス流れ場プレートに隣接しておらず、このスタックのカソード端部における最後の燃料セルより先には、何も存在しない。

さらに、水は、高透過性層１００によって、隣接する水チャネルを妨害する気泡の周囲を迅速に移動できる。これにより、燃料ガス流れ場プレートの局所的な乾燥を防止するとともに、ガスが流れ場プレートを自由に通過する「突破」を防ぐ。このように、層１００は、燃料反応ガス流れ場チャネル７４および酸化剤反応ガス流れ場チャネル８２から水通路１０２への反応ガス流を実質的に「遮蔽」する。したがって、冷媒水通路１０２内のガス気泡の形成は減少するとともに、燃料セルの平面における様々な部分から水を妨害する際のこのような気泡の影響が低下する。

図１６では、水通路１０２は、図１７に拡大して示されるように長方形である。これは、長方形断面から成る通路１０２は、高透過性層１００が通路１０２に隣接して使用される場合に、ガス気泡の問題が生じることなく容易に利用されるからである。

しかし、例えば、極端に小さい断面から成る水通路１０２を備えることが望ましい場合に、所定の利用において高透過性層１００が必要であれば、水通路１０２の断面は、追加のガス耐性を提供してもよい。例えば、図１８に示されるチャネル構成は、第１の長方形溝１０７および第２の長方形溝１０８を備える。ここで、第１の長方形溝１０７は、酸化剤反応ガス流れ場プレート８１の第２の面９３から延びており、第２の長方形溝１０８は、第１の溝よりも小さい溝であるとともに、第１の長方形溝１０７から酸化剤反応ガス流れ場プレート８１の第１の面９２に向かって延びる。この構成によって、ガス気泡が生じ、他の気泡と一緒になってチャネル１０７内により大きい気泡を形成する。ガスを移動および維持させない溝１０８は、図３および図４で前述したように、各燃料セルの平面にわたって連続した水路をもたらす。

図１９の通路１０２ｂで示されるように、通路は三角形であってもよい。三角形の底辺は、酸化剤反応ガス流れ場プレート８１の第２の面９３と共に延びる平面に位置する。図６において前述されたように、２つの鋭角および１つの鈍角を備えたこの構成によって、水が鈍角から離れた領域で自由に流れるようにし、鋭角部分のガスを流す。
高透過性層１００の使用によって、水が非常に低流量の際に空気の気泡が水通路を妨害するという問題を防止するので、水通路は他の構成から成ってもよい。

図２０に示される他の構成では、点刻で示すように、疎水性になるように処理された１つの壁１１１から成る耐ガス冷媒チャネルが利用されている。図２０では、処理された壁は、燃料反応ガス流れ場プレート７５の第２の面９１における平面に対して平行に位置する。しかし、疎水性は、耐ガス冷媒流路の実施例に適合するように、所望であれば、チャネル１１０の他の壁に利用されてもよい。図２０では、チャネル１１０は長方形であるが、例えば、耐ガス冷媒流路の実施例における製造を容易にするように、所望であれば、他の形であってもよい。

他の構成では、透過性でかつ水に対して浸透性の高い複数の層が使用されており、該層は親水性および疎水性を備える。図２１に示される１つの実施例では、疎水性層１１４が、２つの親水性層１１５，１１６間に配置されている。また、これらの層は、１つの燃料セルの酸化剤反応ガス流れ場プレート８１と、隣接した燃料セルの燃料反応ガス流れ場プレート７５と、の間に配置されている。親水性層１１５，１１６によって、内面の水分配をもたらすとともに、疎水性層１１４によって、ガスが集まり、ベント部６８（図１）を通して流出する通路を提供する。所望であれば、２つの親水性層の代わりに、１つの親水性層１１５または１１６を使用してもよい。一般的な場合または主な目的が蒸発冷却である場合は、１つの親水性層１１５が酸化剤反応ガス流れ場プレート８１に隣接して配置されるべきである。主な目的が、一体化した電極アッセンブリ７２における陽子交換膜の水和を保証することである場合は、親水性層１１６が、燃料反応ガス流れ場プレート７５の付近に配置されるべきである。

層１１４〜１１６は、燃料セルのガス拡散層用に一般的に使用される形式の多孔質の炭素繊維層であってもよい。ここで、これらの層は、親水性または疎水性となるように適切な処理が施されている。

図２２および図２３に示される他の実施例では、透過性かつ多孔質の親水性層１１９が、酸化剤反応ガス流れ場プレート８１に隣接しており、親水性および疎水性の両方を備えた層１２０が、燃料反応ガス流れ場プレート７５に隣接している。

疎水性／親水性プレート１２０は、材料１２１内に複数の非疎水性領域１２２を備えた多孔質かつ透過性の疎水性材料１２１を備えてもよい。非疎水性領域１２２は、残りのプレート１２０と同じ材料であってもよいが、例えば、スズのコーティングを用いて親水性にするように処理される。一方、非疎水性領域１２２は、単に、水が層１２０を通流するように（例えば、材料１２１を通して穴あけされた）通路であってもよい。したがって、非疎水性領域１２２は、親水性であってもよく、または単に通路であってもよい。

冷媒が実質的に純水を意味する水冷媒を使用する燃料セルについての概念が説明されてきた。図２０の実施例は、各チャネル１１０の１つの壁１１１が、水冷媒に対して疎水性となるように処理された冷媒チャネルを備えるものとして説明されてきた。水以外の冷媒が使用される場合、図２０に示されるチャネル１１０の壁１１１は、疎液性としてより正確に説明される。ここで、疎液性とは液体冷媒を嫌う、即ち液体冷媒に対する親和性が欠如したものとして定義される。

図２１および図２２では、バイポーラプレートが、少なくとも１つの親水性層と、親水性および／または疎水性領域を有した少なくとも１つの付加的な層と、を備える。一般的に、バイポーラプレートは、親液性層と、親液性および疎液性の領域を有した少なくとも１つの付加的な層と、を備えてもよい。ここで、「親液性」という用語は、液体冷媒が実質的に純粋または他のものであるかに関わらず、液体冷媒に対して親和性があるものとして定義される。

耐ガス冷媒通路は、大きさまたは形状によりチャネルを二者択一にした対またはより大きい系列のような組み分けで構成されてもよい。図２４に示される１つの実施例では、燃料反応ガス流れ場プレート７５は、狭いチャネル１２８の間に挿入された広いチャネル１２７を備える。気泡１３１，１３２で示されるように、ガスは、流れ領域を通る最小の抵抗で済む通路を進む。したがって、ガスは、狭いチャネル１２８ではなくて、広いチャネルを優先的に進む。所望であれば、チャネルは、酸化剤反応ガス流れ場プレートに形成されてもよい。

図２５に示される他の実施例では、チャネルの深さを変化させることによって、燃料反応ガス流れ場プレート７５の第２の面９１から延びるとともに、チャネル１３６よりも深いチャネル１３５へガスが向かう。

図２６に示される他の実施例では、長方形のチャネル１３９が、三角形のチャネル１４０の間に挿入されている。ガスは、三角形チャネルへ向かい、これにより、チャネル１３９内の水流を保証する。

図２４〜２６の実施例では、チャネル内の水流において、ガスが流れ場プレートにわたって圧力降下を生じさせず、これにより、ガス気泡が流れ場プレート７５の出口１４０へ移動する（図２４）。図２４〜２６の実施例では、ガスが１つおきのチャネルで捕らえられるという見込みによって、反応ガス流れ場プレート内における水の内面移動に要する距離を最小化することができる。様々な他の組み合わせが使用されてもよい。例えば、図２５の深い／浅いの組み合わせが、長方形ではなく三角形であってもよく、またはいくつかが円形であってもよい。

図２７および図２８では、末広冷媒チャネル１５２が、酸化剤反応ガス流れ場プレート８１の面９３から内側に延びるとともに、燃料反応ガス流れ場プレート７５の第１の面９１と合わせることによって閉じられている。チャネル１５２は、図２７に示されるように、長方形の断面を備えてもよく、または他の断面を備えてもよい。これは、チャネルが、図２８に示すように、チャネル１５２の入口端部１５６から出口端部１５７にかけて広がりながら、流れ方向に末広がりになる場合に限る。チャネル１５２が円形の断面以外であれば、気泡１５４の断面は円形にはならない。気泡内におけるガスの量および任意の箇所におけるチャネルの断面積によって、図２８に示されるように、気泡は、流れ方向に豆形状の断面を備える。

気泡１５４がチャネル内に配置される位置において、気泡は自身を完全な球体に復元しようとする。このため、チャネルの出口により近い気泡の要素は、チャネルに沿って気泡のテール部を引っ張りながら拡張するとともに、気泡は、その表面エネルギを最小化しようとしながら、完全な球体となるようにチャネル出口へゆっくりと移動する。完全な球体の気泡は、冷媒チャネル内を流れる液体によって潤滑されるとともに、このチャネル内を出口に向かって容易に流れる。

末広チャネルは、流れプレートのエッジ部に直交する１つのエッジ部と、流れプレートのエッジ部に対する第２の壁の角度によって形成される末広部と、を備えてそれぞれ形成される。通路は、流れプレートのエッジ部に対してある角度をなす第１の壁と、流れプレートのエッジ部に対してある角度をなし、かつ第１の壁の角度より大きい第２の壁を備えて形成される。通路は、蛇行していてもよいが、流れが末広通路の部分において少なくともある程度は重力に対抗していることが好ましい。

気泡の移動は、（ａ）表面エネルギの最小化によって、気泡の形状が最小の表面エネルギ（例えば、球体）を備える方向へ気泡が移動すること、（ｂ）気泡の低い密度と周囲にある冷媒の高い密度との間の密度差によって、気泡が重力と反対方向へ移動する浮力および（ｃ）チャネル内の冷媒流による気泡の圧力に起因する流れ、の（ａ）〜（ｃ）の要因によって左右される。上記の力のいずれか１つが支配的となるため、異なるスタック配置で稼働することも可能である。ある実施例では、気泡の出口が冷媒チャネルの出口と一致しなくてもよい。即ち、気泡は、冷媒流と同じ方向に移動しなくてもよい。好ましい実施例は、重力に対抗して上方に流れる冷媒および冷媒出口と一致した気泡出口を備える。冷媒が垂直方向に上方に流れるとともに、気泡出口が冷媒出口と一致することは、好ましい実施例である。

上述の実施例は、本明細書の図１で説明された形式の蒸発冷却式の燃料電池発電装置とともに使用されるように説明されてきたが、様々な燃料電池システムで使用されてもよい。複数の例が、上述の米国出願で説明されたシステムを含んでいる。例えば、本明細書の実施例は、多孔質の水輸送プレートを通して反応流に流入する冷媒からのガス気泡流に依存しながら、冷媒通路端部がチャネル出口を備えず、かつ端部が閉じている燃料電池スタックで使用されてもよい。

耐ガス冷媒流を使用するように修正された蒸発冷却式燃料電池システムの簡素化され、かつ様式化された構成図である。 簡潔にするために断面線が省略された、微小な水通路を使用した一対の燃料セルの部分的な断面図である。 簡潔にするために断面線が省略された、耐ガス冷媒チャネルを使用した一対の燃料セルの部分的な断面図である。 隣接するプレートに形成された交差する長方形を有し、ガスが燃料反応ガス流れ場へ向かう部分を備えた耐ガス冷媒チャネルの部分的な断面図である。 酸化剤反応ガス流れ場プレートに形成された交差する長方形を有し、ガスが燃料反応ガス流れ場へ向かう部分を備えた耐ガス冷媒チャネルの部分的な断面図である。 酸化剤反応ガス流れ場プレートに形成された三角形を有し、ガスが燃料反応ガス流れ場へ向かう部分を備えた耐ガス冷媒チャネルの部分的な断面図である。 隣接するプレートに形成された交差する長方形および三角形を有し、ガスが燃料反応ガス流れ場へ向かう部分を備えた耐ガス冷媒チャネルの部分的な断面図である。 燃料反応ガス流れ場プレートに形成された交差する三角形および長方形を有し、ガスが燃料反応ガス流れ場へ向かう部分を備えた耐ガス冷媒チャネルの部分的な断面図である。 酸化剤反応ガス流れ場プレートに形成された台形を有し、ガスが燃料反応ガス流れ場へ向かう部分を備えた耐ガス冷媒チャネルの部分的な断面図である。 ガスが酸化剤反応ガス流れ場へ向かう冷媒通路の部分を備えた図４の別の形を示した図である。 ガスが酸化剤反応ガス流れ場へ向かう冷媒通路の部分を備えた図５の別の形を示した図である。 ガスが酸化剤反応ガス流れ場へ向かう冷媒通路の部分を備えた図６の別の形を示した図である。 ガスが酸化剤反応ガス流れ場へ向かう冷媒通路の部分を備えた図７の別の形を示した図である。 ガスが酸化剤反応ガス流れ場へ向かう冷媒通路の部分を備えた図８の別の形を示した図である。 ガスが酸化剤反応ガス流れ場へ向かう冷媒通路の部分を備えた図９の別の形を示した図である。 冷媒に対して浸透性が高く、かつ隣接する冷媒チャネルを備えた層を使用した一対の燃料セルの部分的な断面図である。 図１６のチャネルおよび層を部分的に拡大した図である。 図１６の浸透性の高い層に対応する長方形を備えた部分的な図である。 図１６の浸透性の高い層に対応する三角形を備えた部分的な図である。 １つの疎水性壁を備えた冷媒チャネルの断面図である。 隣接する反応ガス流れ場プレート間の親水性および疎水性の層を使用した一対の燃料セルの部分的な断面図である。 隣接する反応ガス流れ場プレート間に配置された親水性／疎水性層の付近にある親水性層を使用した一対の燃料セルの部分的な断面図である。 図２２の親水性／疎水性層の平面図である。 狭いおよび広い冷媒チャネルが隣接している平面図である。 図２４に示される形態における別の形を使用した一対の燃料セルの部分的な断面図である。 図２４に示される形態における別の形を使用した一対の燃料セルの部分的な断面図である。 末広冷媒チャネルを使用した一対の燃料セルの部分的な断面図である。 図２７の末広冷媒チャネルの側面図である。

Claims (11)

1. 閾流量以下では、冷媒流通路（７７，８５）内の冷媒流において気泡（８７，９９）による妨害が生じ得る燃料セルにおいて前記閾流量未満の流量の冷媒を通流させる方法であって、
   前記燃料セルの平面形状の実質的に全面に亘って延びる冷媒通路を設け、該冷媒通路の長さの実質的に全長に沿って、（ａ）ガスが前記通路内に存在する場合、および（ｂ）ガスが該通路内に存在しない場合、の両方で前記燃料セルの前記冷媒通路内を流れる液体冷媒を気泡が妨害することを防止するように冷媒通路を構成することを特徴とする燃料セルにおいて使用される前記方法。
2. 前記燃料セルの反応ガス流れ場プレート（７５，８１）の（ａ）内部および／または（ｂ）これに隣接して、前記燃料セルの平面形状の実質的に全面に亘って延びる前記冷媒流通路内の冷媒通路（７７，８５）を設け、前記冷媒通路は、該通路内におけるガスの有無にかかわらず、該通路内の冷媒が流れるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記冷媒通路（７７，８５）に、ガスが移動し流れ易い性質を有する第１の部分を設け、前記第１の部分は、ガスが前記性質を備えていない前記通路の第２の部分よりも優先的にガスが移動し流れることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. ガスを冷媒から分離するという十分な傾向を備えた第１の部分を設けることで、前記通路内に存在するガスが、このような傾向を有していない前記通路の第２の部分よりも優先的に前記第１の部分へ移動して流れ、これにより、ガス気泡による前記冷媒通路の妨害を緩和するように、前記冷媒通路（７７，８５）を構成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 燃料セル（３８）の冷媒流通路（７７，８５）内の冷媒流においてガス気泡（８７，９９，１３１，１３２）による冷媒の妨害が生じ得る気泡妨害閾流量以下の流量で冷媒を通流させる方法であって、
   前記燃料セルの平面形状の実質的に全面に亘って延びる液体冷媒流通路を設け、前記液体冷媒流通路を、前記液体冷媒流通路の長さに沿って、前記燃料セルの前記液体冷媒流通路内を流れる液体冷媒を気泡が妨害することを防止するように構成する配設ステップを含むことを特徴とする燃料セルで使用される前記方法。
6. 前記配設ステップは、前記気泡妨害閾流量未満のガスを含む液体冷媒を流すように構成された前記液体冷媒流通路を設けることを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記配設ステップは、（ａ）ガスが前記通路内に存在する場合、および（ｂ）ガスが該通路内に存在しない場合、の両方で前記気泡妨害閾流量未満の冷媒を流すように構成された前記液体冷媒流通路を設けることを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
8. 前記配設ステップは、前記気泡妨害閾流量未満の冷媒を流すように、前記液体冷媒流通路の長さの実質的に全体に沿って構成された前記液体冷媒流通路を設けることを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
9. 気泡による冷媒の妨害が生じ得る気泡妨害閾流量未満の液体冷媒を流す燃料電池装置（３７）であって、
   平面形状をそれぞれ有した複数の燃料セル（３８）を備え、
   前記複数の燃料セルの前記平面形状の実質的に全面に亘って延びる液体冷媒流通路（７７，８５）を備え、前記液体冷媒流通路は、該液体冷媒流通路の長さに沿って、液体冷媒が該閾流量以下で流れる状態で、前記燃料セルの前記液体冷媒流通路内を流れる液体冷媒を気泡が妨害することを防止するように構成されていることを特徴とする燃料電池装置（３７）。
10. 前記液体冷媒流通路（７７，８５）は、（ａ）ガスが前記通路内に存在する場合、および（ｂ）ガスが該通路内に存在しない場合、の両方で前記気泡妨害閾流量未満の液体冷媒を流すように構成されることを特徴とする請求項９に記載の装置（３７）。
11. 前記液体冷媒流通路（７７，８５）は、前記気泡妨害閾流量未満の液体冷媒を流すように、前記液体冷媒流通路の長さの実質的に全長に沿って構成されることを特徴とする請求項９に記載の装置（３７）。

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