ＰＥＭ燃料電池の内部水管理
水輸送手段（８６）により燃料電池スタック５０全体内で（燃料電池スタック（５０）の各燃料電池内に配置される）同一又は異なる燃料電池の空気極水輸送板（３４）から燃料極水輸送板（２３）へ燃料電池生成水を輸送する。水輸送手段は、非常に高い透過性の陽子交換膜（２１ａ）、炭化ケイ素粒子などの水輸送帯（９０）、流量調節部（１０９）のある又は無い多孔質水輸送領域（１０７）、スタック全体にわたって延びる内部水マニホールド（１１２，１１３）、又は固体板（７１）間の電池の組だけを通って延びる内部マニホールド（１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄ，１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄ）であってよい。例として、生成水の９０％を酸化剤排気中に蒸気として移動し、３０％を空気極水輸送板から水輸送手段（８６）により燃料極水輸送板へ移動し、その内の２０％を浸透と陽子の引力の正味の結果として燃料極から空気極へ流し、かつその内の１０％を液体水として燃料極水輸送板から排出できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの外部において外部流路を設けることなく、単一の燃料電池、又は少数の燃料電池群内においてさえ、別の燃料電池からの、あるいは燃料電池スタック全体にわたって、水が混じり合うことなく、ＰＥＭ燃料電池の空気極からＰＥＭ燃料電池の燃料極へ水を移動させることに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１において、従来の燃料電池スタック１４は、約３００個の燃料電池を有するが、燃料電池１６と隣接する燃料電池１８、１９の部分とだけを示している。燃料電池１６は、空気極と燃料極それぞれの触媒と共に陽子交換膜を含む膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）２１を備える。燃料極支持板２２は、燃料流域通路２６と溝２８を有する多孔質の燃料極水輸送板２３に隣接する。溝２８は、隣接する空気極水輸送板３１上の溝３０と整合するときに、冷却水路２９を形成する。同様に、空気極支持板３２は、溝３５を有する多孔質の空気極水輸送板３４に隣接する。溝３５は、隣の燃料電池１９の別の燃料極水輸送板３７の溝３６と整合するときに、水路３８を形成する。多くのＰＥＭ燃料電池において、１つの水輸送板中にのみ水路が存在するため、隣接する電池の連続的な水輸送板は平坦なものである。
【０００３】
燃料電池１８の空気極水輸送板３１は、酸化剤反応物ガス通路４０を有し、空気局水輸送板３４は、酸化剤反応物ガス流域通路４１を有する。燃料電池１８は、部分的にのみ示しているが、膜電極アッセンブリ４２、燃料極支持板４３及び空気極支持板４４を備え、この燃料電池の残部は簡略化のために省略されている。
【０００４】
従来のＰＥＭ燃料電池発電設備において、水管理システムには、一方の側に反応ガスチャネル２６，４０，４１，４７を有し、他方の側に見ずチャネル２９，３８を有する多孔質水輸送板２３、３１、３４、３７を備える。図２を参照すると、従来の燃料電池スタック５０は、図１の電池１６，１８，１９に類似した約３００個の電池を備える場合があり、また、水入口マニホールド５２に水が進入し、チャネル２９，３８（図１）を通り、水出口マニホールド５３から出て、熱交換器５４又は逃し弁５５のいずれかと通って横断するような水管理システムを有し得る。逃し弁５５は、スタック５０からライン６１を介して温度情報を受信可能な制御器６０に応答して、異なる度合いに選択的に開放することができる。水ポンプ６３により、スタックと熱交換器を通って水が循環する。システムがアキュムレータ６２を有する場合もある。この装置はスペースを取り、特に燃料電池で駆動する電気自動車ではそのようなスペースが不足している。さらに、電気ポンプによる寄生的な電力要求により、燃料電池プロセス全体の効率が低下する。
【０００５】
特に自動車用途に対する燃料電池の始動に関する従来の知恵とは、燃料電池が凍結温度にさらされている場合、燃料電池を始動する前にこれを加熱することであり、このことは、自動車を運転できるようになる前に、かなりの遅延があることを意味する。その知恵に付随する目的とは、発電設備内に残留する水量を減少することであり、この水は、燃料電池発電設備を稼働する前に解凍して加熱しなくてはならなかった。２００３年６月１９日出願の、出願人が共通する、共に係属中の米国出願番号第１０／４６５，００６号において、ＰＥＭ燃料電池スタックは、多孔質水輸送板中の反応ガス流域及び水流域と、不凍液である別個の冷却液流域を有する。機械的な水ポンプ、あるいはその他の水移動補助手段を使用することなく、多孔質板を通って水流中に漏れる反応ガスの気泡を、スタックの上端にある少なくとも１つの水出口マニホールドと連通する排気口を介して逃すことによって水管理を達成する。そのような水管理では、反応ガス気泡が存在し、かつその温度がスタック外部の水よりも高いことによって、水チャネル内の水の有効密度が低いため、水の移動は対流にも反応し得る。しかしながらこの装置には、燃料電池の外部に、水出口マニホールドから水入口マニホールドへ戻るように水を循環させる配管を依然として必要である。
【０００６】
上述の問題点のいくつかは、燃料電池スタックの温度の制御、特に通常運転中の熱を除去するのに不凍液を使用することによって解消される。しかしながら、その結果、２〜４個の燃料電池毎に冷却板を使用しなくてはならず、このため、水輸送板２３，３１，３４，３７などの微小な多孔質の板で燃料電池を分離することが妨害される。図１に関連して説明した燃料電池においては、１つの燃料電池の空気極に生成した水、水輸送板を横断して隣接する電池の燃料極まで流すことが可能なため、ＰＥＭの脱水を非常に効果的に防ぐことができるが、固体の冷却剤に隣接した、あるいは（間に冷却剤を有さないそれら電池を分離するのに使用される）固体の分離板で分離される電池においては、このような機構を生起させることができない。
【０００７】
循環する液体の水を有さない、いわゆる受動的な水管理の考え方は、電池スタックの入口で燃料を適切に加湿しないため、水輸送板と陽子交換膜が局部的に乾燥する。水輸送板が乾燥すると、燃料極流域から空気極水流域へガスが漏れる可能性がある。ＰＥＭが乾燥すると、電池内で生成された過酸化物による攻撃（腐食）に起因してＰＥＭが劣化する。１００％相対湿度近くまで電池が加湿されれば、このような乾燥の問題は避けられるが、システムがより複雑化したり容積と重量を増大したりすることが必要となり、さらには寄生的電力損失が増える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的には、燃料電池スタックの外部において、機械式水ポンプ、水アキュムレータ又はその他の水管理装置を必要としないＰＥＭ燃料電池と、より高効率のＰＥＭ燃料電池、燃料電池スタックを水の凍結温度より低い温度に保持しやすい環境で使用するのに適したＰＥＭ燃料電池、寄生的電力が低減されたＰＥＭ燃料電池スタック、及び改良されたＰＥＭ燃料電池スタックの提供を含む。
【発明を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、ＰＥＭ燃料電池中の生成水の一部が、液体の水として空気極水輸送板を介して空気極から除去され、その後燃料電池自体内で、燃料電池スタックから燃料極水輸送板へと内部的に輸送される。
【００１０】
１つの形態において、本発明によれば、空気極基板、燃料極基板及び陽子交換膜（ＰＥＭ）自体によって水輸送帯が形成される。他の形態において、本発明は、各燃料電池の１箇所以上の端部に沿って配設される多孔質の水輸送ゾーンを利用する。この形態では、空気極と燃料極の間の差圧によって水を輸送することができるか、あるいは、空気極水輸送板から電池端水輸送帯、さらに燃料極水輸送板まで燃料極水輸送板の毛管圧勾配を形成することにより水を輸送することができる。この毛管圧勾配は、水輸送板内で作用する表面張力により自然に形成される。燃料極水輸送板の含水量が不足し、空気極水輸送板の含水量が過剰になると、燃料極水輸送板内の平衡孔径は空気極水輸送板内の平衡孔径に相対して減少する。この機構により、空気極水輸送板に相対して、燃料極水輸送板内の毛管圧が大きくなり、電池の空気極側からその電池の燃料極側へ水が移動する。そのような場合、必要に応じて流れを規制する制限があってもよい。
【００１１】
他の形態において、本発明は、５０容積％〜７０容積％の水和した超微孔性イオノマー相内に形成された、１０容積％を超える微孔性の水充填相を具備し得る高い水透過性ＰＥＭを利用することができる。ＰＥＭは約２０容積％〜約４０容積％の構造的絶縁相を有し、平均長５μｍ〜１０μｍの１μｍ径の炭化ケイ素のウィスカーを備えることができる。約１０μｍ〜２５μｍ台の厚さを有する高い水透過性ＰＥＭを得るために、水和した超微孔性イオノマー相は、過フルオロスフホン酸イオノマーを含んでなるものであってよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図３を参照すると、１組につき２〜４個の燃料電池となるよう燃料電池を組分けする冷却板７１と、それら自体は冷却板７１で分離されない、燃料電池を分離するセパレーター板７２を有する燃料電池スタック５０において本発明の構想概念が概略的に示されている。不凍冷却装置７４によってスタック５０の冷却板７１に不凍冷却液が供給される。
【００１３】
供給源７６から水素などの燃料が空気極の燃料ガス流域に供給され、燃料再循環ループ７７があり得る。酸素や空気８０などの酸化剤を、空気極酸化剤ガス流域４１に供給することができる。水輸送板２３，３４から水を排出するよう、８１，８３を設けてもよい。反応物圧を制御するために、燃料ガス流域２６中と酸化剤ガス流域４１中に弁７２，８７を設けることができる。
【００１４】
本発明の構成により、空気極水輸送板３４から燃料極水輸送板２３へと、燃料電池スタックの水を内部的に流すための、水輸送性能８６が提供される。その最も広義において、本発明は、冷却板間の小さい電池の組、あるいは、燃料電池スタック全体における単一の電池内において、様々な方法で水輸送性能８６を提供することを含むが、本発明はそれらの細部を制限するものではない。
【００１５】
燃料極では、水は燃料ガス中に蒸発し、水分子は、陽子抵抗によって膜電極アッセンブリ２１を通って空気局へ輸送される。乾燥を防止するために、この水（分子）は置き換えられなくてはならず、通常、当業界で既知の外部水管理システムによって水と置き換えられる。
【００１６】
空気極では、生成水を空気極水輸送板で除去しなければ、過剰な生成水が蓄積されやすく、空気極における過剰な生成水によって、酸化剤の触媒への移行が妨げられ、燃料電池が酸化剤欠乏状態となる。典型的な場合、ほとんどの水は酸化剤ガス流中へ蒸発し、酸化剤ガス排出管を通って電池から離脱するが、その水のいく分かは水輸送板によって移動して外部へ排除されるため、燃料極が乾燥しないだけでなく、酸化剤ガス入口近くの空気極の膜電極アッセンブリが適切に加湿されるのを確実にするほどの水だけが戻る。
【００１７】
本発明によれば、適切な作動パラメータ、並びに観ず輸送性能８６により、水を直接燃料極へ、次いで燃料極水輸送板へ輸送することにより、空気極から十分な水を移動させることができる。水輸送の例として、約９０％の生成水が、蒸気として空気極酸化剤ガス流域４１からその排気系を介して移動する。次いで、そのうちの約３０％の生成水は、水輸送性能８６を介して空気極水輸送板３４から燃料極水輸送板２３へと輸送されることによって移動する。さらに、移動したうちの約１０％の水は、弁８７などの燃料極水排気系により電池から排出される。おおよそ２０％の生成水ＭＥＡ２１を横断して、燃料極から空気極へ移動する。これは、陽子の吸引力と浸透の結果としての正味の水輸送を示している。前述の割合（パーセンテージ）は単に例示するものであって、本発明を特定の方法で実施した際に実際に得られるものではない。
【００１８】
図４を参照すると、本発明の構成は、一形態において、不凍冷却液系８９を内部に有する、水及びガス不透過性の導電性セパレーター板７２か、あるいは水及びガス不透過性の導電性冷却板７１によって、隣接する燃料電池から分離されている各燃料電池１６ａを含む。
【００１９】
本発明の一実施態様によれば、燃料電池１６ａのそれぞれにおける膜電極アッセンブリ２１ａは、高い水透過性を有する陽子交換膜であり、米国特許出願第１０／２７４，７４７号（２００２年１０月２１日出願）に例示されているような型のものであってよい。しかしながら、前述の出願における高い水透過性ＰＥＭは、外部水管理システムを具備した装置においては利用されており、燃料電池の生成水はそのＰＥＭを通って伝わり、処理される。本発明は、（停止時に水を除今日するための排水路は除いて）外部水管理設備を不要とするものであるため、細孔質の水充填相の量を、約１０容積％以上、例えば、１５容積％〜２５容積％まで増大する必要がある。これは、前述の出願に開示の方法において容易に達成される。
【００２０】
本発明の第２の実施態様を図５に示す。この実施態様では、水輸送帯９０が、燃料電池１６ｂの一端近くに設けられている。水輸送帯９０は、燃料極触媒９４と空気極触媒９５と陽子交換膜９１とを予め短くすることによって形成される。水輸送帯９０領域（二重斜線部分）において、燃料極支持板２２と空気極支持板３２は、湿潤性で伝導性を有さない粒径５μｍ以下の、電池環境に対応した粒子が充填されている。例えば、炭化ケイ素は適した材料の１つである。膜９１と触媒９４，９５の厚さは、図５においてはかなり強調して示されていることに注意されたい。この粒子材料は又、燃料極水輸送板２３と空気極水輸送板３４の間において、均一な電池厚を維持するのに十分な厚さになるよう、支持板２２，３２の表面上にスクリーン印刷（単斜線部分）することなどによって設けることができる。既存の支持板シール２２ａ，３２ａを、燃料極支持板２２、空気極支持板３２のそれぞれの端部に設けることも可能である。
【００２１】
本発明のこの実施態様は、冷却入口の端部に位置する燃料入口と空気出口を備えた、二路式の空気流路並びに二路式の燃料流路を有する燃料電池スタックに特別良好に適している。そのような構成により、燃料流が進入し、かつ加湿されることを必要とする位置から膜を横断した、大量の水を空気流から凝縮することができる。従って、電池のこの端部に水輸送帯９０を配置することが最も好ましい。図５は、電池の端部に隣接して配置された水輸送帯を示している。水輸送帯は、電池の１つの端部に沿って、１つの端部の一部に沿って、２つの端部に沿って、２つの端部のそれぞれの一部に沿って、あるいは中央部分に配置することも可能である。
【００２２】
空気極輸送板３４の大部分を通って空気極水輸送板３４中の水路３８から水輸送帯９０への水の流量、並びに、燃料極水輸送板２３の大部分を通って燃料水路３８への水の流量が不十分な場合、孔１０３，１０４を有する図６の形態を採用することができる。
【００２３】
図７において、多孔質の水輸送用力１０７を、燃料電池１６ｄの１つ以上の端部に設けて、空気極水輸送板３４から燃料極水輸送板２３へ水を誘導することができる。酸化剤燃料反応物ガスを、燃料反応物ガスの圧力よりも高い７〜１４ｋＰａ（１又は２ｐｓｉ）の圧力まで加圧する必要がある場合、図８に示すように、電池１６ｅの水輸送領域１０７内に流量調節部１０９を採用することができる。流量調節部は、領域１０７に沿った帯域からなるものであってよく、その帯域においては有孔率が低減されており、その場合、ウィッキングを促進しかつ電池１６ｅから漏出する反応物ガスを抑制する気泡圧を提供するよう、輸送領域１０７の残部における孔径と同じかあるいはより小さい孔径を維持しなければならない。あるいは、流量調節部１０９は、減少された孔径を有する領域に沿った帯域からなるものであってよもよい。
【００２４】
前述の本発明の実施態様の全ては、単一の燃料電池の空気極から燃料極への水の伝達に関する。本発明は、固体セパレーター板又は固体冷却板に連続した電池を除き、燃料電池のほとんどが、燃料極流域が、隣接する燃料電池の空気極流域に連続している場合をさらに包含し得る。
【００２５】
図９には、明瞭にするために反応物流チャネルが省略された、冷却板７１，７２間に配置された複数の燃料電池１６ｆ，１６ｇが示されている。また、全ての固体セパレーター板も省かれている。内部水マニホールド１１２，１１３が、それぞれ板７１の上方左隅部と燃料電池１６ｆ，１６ｇ、板７１の下方右隅部と燃料電池１６ｆ，１６ｇを通って延びている。これらのマニホールド１１２，１１３は、水流チャネル３８と流体的に連通しており、電池１６ｆに関しては、燃料極水輸送板においてのみ存在し、空気極側の水輸送板３４ａは水流チャネルを有さず、板３４ａの孔は、隣接する燃料極水輸送板２３に連続する水流チャネル３８と完全に流体的に連通している。しかしながら、電池１６ｇにおいては、空気極側の水輸送板３４は、水流チャネル３８を有する。水流チャネル３８の全ては、内部水マニホールド１１２，１１３と液体的に連通している。
【００２６】
図９の実施態様では、図１０に示すように、内部水マニホールド１１２，１１３は、４つの燃料電池かつ水輸送板を通って延びているだけでなく、燃料電池スタック全体を通って延在している。このようにして、冷却空気客板７１に連続する燃料極のそれぞれは、内部水マニホールド１１２，１１３から必要な水を受容する。同様に、冷却板７１と連続する燃料電池１６ｇのそれぞれからの過剰な生成水には、その燃料電池自体の水チャネル３８（図９）を通って内部水マニホールド１１２，１１３中に移動する生成水を含む。
【００２７】
しかしながら、本発明は又、図１１に示すような冷却板間の電池組への水の流量を制限することを包含する。従って、内部水マニホールド１１２ｂ，１１３ｂ及び１１２ｃ，１１３ｃは、それぞれ、４つの燃料電池１６ｆ及び１６ｇだけを通過する。冷却板間の電池組への流量を制限するか、あるいは燃料電池スタック全体に流れるようにするか、いずれか一方を選択することは、実施する態様の特定の設計条件に依存するであろう。
【００２８】
例示目的でのみであり、開示の代表的な割合（パーセンテージ）に関係なく、図１２は、本発明の実用可能な構成全体を示している。他の電池の水と混じり合うことなく、水が電池内部でのみ移動する（図３〜図８）か、あるいは、相互に隣接する連続的な電池の間、及び固体冷却板の間に位置する電池の小さい組の電池の端部の間を水が移動するか（図１）、さらには又、スタックの燃料電池全てが相互に液体的に連通している（図９及び図１０）。典型的な燃料電池の組において、燃料極から空気極への正味の水の流れは、生成水１モル当たり０．２モル台であり、１００ｋＰａにおいて、初期故障を引き起こし得る、燃料極ポンプ自体の乾燥を防ぐのに水素流中、約２０％のモル比率である水が必要である。これは、６５℃である露点と同じである。
【００２９】
図１２において、図示するように、陽子の引力並びに適切に水和された燃料極により、かつ部分的に浸透により、生成水の２０％が燃料極流域から膜電極アッセンブリを通って空気極流域まで流れると想定した場合、生成水の９０％が蒸気として空気極流域から出ると仮定することによって水平衡を達成することができる。これは、燃料電池に存在する反応物流の温度が既知の方法で制御されている限り、過剰な酸化剤反応物ガス圧を要することなく容易に達成される。生成水の３０％が、ある水輸送性能８６ａによって（前述の、図４〜図１１に関して説明したように）、燃料極水輸送板へ輸送される場合、その生成水の３分の２は、燃料極の燃料反応物ガス流域中に移動して空気極流域を流れ、又、残りの３分の１は液体として燃料極水輸送板から流出する。一定の液体の水を燃料極水輸送板から排出するのを確実にすることにより、燃料極流域の加湿、並びに膜電極アッセンブリを通って移動する水の補充が保証される。
【００３０】
本発明は、このようにして（排出系を除く）外部水設備を必要とすることなく、また、固体セパレーター板及び／又は固体冷却板で燃料電池の領域を分離するかしないに関わらず、燃料極の加湿と空気極の過剰な水の除去を達成する。固体冷却板は、２〜６個の燃料電池ごとに使用することができるため、水管理と統合することなく、不凍冷却剤が冷却機能を引き継ぐことができるため、外部設備を要することなく、水管理を簡単なものとして、内部的に行えるものとすることができ、
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】明確化のために区分線を省略した、従来の燃料電池であり、隣接する燃料電池の部分を示す定型化された簡略的な側面断面図である。
【図２】従来の燃料電池発電設備の一部を示す、簡略的なブロック図である。
【図３】本発明を組込んだ燃料電池の一形態を示す簡略的な概念図である。
【図４】明確化のために区分線を省略した、空気極水輸送板から燃料極水輸送板への水の移動を容易にする、水和された超微細な多孔質イオノマー内に微細な開孔を備える陽子交換膜を有する、本発明による燃料電池を示す定型化された簡略的な側面断面図である。
【図５】明確化のために区分線を省略した、空気極水輸送板と燃料極輸送板の間に水輸送帯を有する、本発明による燃料電池を示す、定型化した簡略的な側面断面図である。
【図６】水移動孔を有する、図５の変更態様を示す図である。
【図７】明確化のために区分線を省略した、隣接する端部に多孔質水輸送板を有する本発明による燃料電池の定型化した簡略的な側面断面図である。
【図８】本発明による流れレストリクターを備える、図７の変更態様を示す図である。
【図９】本発明による、固体板の間にあり、それら固体板を貫通する内部水マニホｓールドを有する複数の電池の透視図である。
【図１０】図９の内部水マニホールドを示す、定型化した簡略的な側面図である。
【図１１】本発明による、固体板間にある燃料電池間の水を案内する内部水マニホールドを示す、燃料電池の１つの組を示す簡略的な側面図である。
【図１２】本発明による、水の流れを示す概略図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの外部において外部流路を設けることなく、単一の燃料電池、又は少数の燃料電池群内においてさえ、別の燃料電池からの、あるいは燃料電池スタック全体にわたって、水が混じり合うことなく、ＰＥＭ燃料電池の空気極からＰＥＭ燃料電池の燃料極へ水を移動させることに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１において、従来の燃料電池スタック１４は、約３００個の燃料電池を有するが、燃料電池１６と隣接する燃料電池１８、１９の部分とだけを示している。燃料電池１６は、空気極と燃料極それぞれの触媒と共に陽子交換膜を含む膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）２１を備える。燃料極支持板２２は、燃料流域通路２６と溝２８を有する多孔質の燃料極水輸送板２３に隣接する。溝２８は、隣接する空気極水輸送板３１上の溝３０と整合するときに、冷却水路２９を形成する。同様に、空気極支持板３２は、溝３５を有する多孔質の空気極水輸送板３４に隣接する。溝３５は、隣の燃料電池１９の別の燃料極水輸送板３７の溝３６と整合するときに、水路３８を形成する。多くのＰＥＭ燃料電池において、１つの水輸送板中にのみ水路が存在するため、隣接する電池の連続的な水輸送板は平坦なものである。
【０００３】
燃料電池１８の空気極水輸送板３１は、酸化剤反応物ガス通路４０を有し、空気局水輸送板３４は、酸化剤反応物ガス流域通路４１を有する。燃料電池１８は、部分的にのみ示しているが、膜電極アッセンブリ４２、燃料極支持板４３及び空気極支持板４４を備え、この燃料電池の残部は簡略化のために省略されている。
【０００４】
従来のＰＥＭ燃料電池発電設備において、水管理システムには、一方の側に反応ガスチャネル２６，４０，４１，４７を有し、他方の側に見ずチャネル２９，３８を有する多孔質水輸送板２３、３１、３４、３７を備える。図２を参照すると、従来の燃料電池スタック５０は、図１の電池１６，１８，１９に類似した約３００個の電池を備える場合があり、また、水入口マニホールド５２に水が進入し、チャネル２９，３８（図１）を通り、水出口マニホールド５３から出て、熱交換器５４又は逃し弁５５のいずれかと通って横断するような水管理システムを有し得る。逃し弁５５は、スタック５０からライン６１を介して温度情報を受信可能な制御器６０に応答して、異なる度合いに選択的に開放することができる。水ポンプ６３により、スタックと熱交換器を通って水が循環する。システムがアキュムレータ６２を有する場合もある。この装置はスペースを取り、特に燃料電池で駆動する電気自動車ではそのようなスペースが不足している。さらに、電気ポンプによる寄生的な電力要求により、燃料電池プロセス全体の効率が低下する。
【０００５】
特に自動車用途に対する燃料電池の始動に関する従来の知恵とは、燃料電池が凍結温度にさらされている場合、燃料電池を始動する前にこれを加熱することであり、このことは、自動車を運転できるようになる前に、かなりの遅延があることを意味する。その知恵に付随する目的とは、発電設備内に残留する水量を減少することであり、この水は、燃料電池発電設備を稼働する前に解凍して加熱しなくてはならなかった。２００３年６月１９日出願の、出願人が共通する、共に係属中の米国出願番号第１０／４６５，００６号において、ＰＥＭ燃料電池スタックは、多孔質水輸送板中の反応ガス流域及び水流域と、不凍液である別個の冷却液流域を有する。機械的な水ポンプ、あるいはその他の水移動補助手段を使用することなく、多孔質板を通って水流中に漏れる反応ガスの気泡を、スタックの上端にある少なくとも１つの水出口マニホールドと連通する排気口を介して逃すことによって水管理を達成する。そのような水管理では、反応ガス気泡が存在し、かつその温度がスタック外部の水よりも高いことによって、水チャネル内の水の有効密度が低いため、水の移動は対流にも反応し得る。しかしながらこの装置には、燃料電池の外部に、水出口マニホールドから水入口マニホールドへ戻るように水を循環させる配管を依然として必要である。
【０００６】
上述の問題点のいくつかは、燃料電池スタックの温度の制御、特に通常運転中の熱を除去するのに不凍液を使用することによって解消される。しかしながら、その結果、２〜４個の燃料電池毎に冷却板を使用しなくてはならず、このため、水輸送板２３，３１，３４，３７などの微小な多孔質の板で燃料電池を分離することが妨害される。図１に関連して説明した燃料電池においては、１つの燃料電池の空気極に生成した水、水輸送板を横断して隣接する電池の燃料極まで流すことが可能なため、ＰＥＭの脱水を非常に効果的に防ぐことができるが、固体の冷却剤に隣接した、あるいは（間に冷却剤を有さないそれら電池を分離するのに使用される）固体の分離板で分離される電池においては、このような機構を生起させることができない。
【０００７】
循環する液体の水を有さない、いわゆる受動的な水管理の考え方は、電池スタックの入口で燃料を適切に加湿しないため、水輸送板と陽子交換膜が局部的に乾燥する。水輸送板が乾燥すると、燃料極流域から空気極水流域へガスが漏れる可能性がある。ＰＥＭが乾燥すると、電池内で生成された過酸化物による攻撃（腐食）に起因してＰＥＭが劣化する。１００％相対湿度近くまで電池が加湿されれば、このような乾燥の問題は避けられるが、システムがより複雑化したり容積と重量を増大したりすることが必要となり、さらには寄生的電力損失が増える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的には、燃料電池スタックの外部において、機械式水ポンプ、水アキュムレータ又はその他の水管理装置を必要としないＰＥＭ燃料電池と、より高効率のＰＥＭ燃料電池、燃料電池スタックを水の凍結温度より低い温度に保持しやすい環境で使用するのに適したＰＥＭ燃料電池、寄生的電力が低減されたＰＥＭ燃料電池スタック、及び改良されたＰＥＭ燃料電池スタックの提供を含む。
【発明を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、ＰＥＭ燃料電池中の生成水の一部が、液体の水として空気極水輸送板を介して空気極から除去され、その後燃料電池自体内で、燃料電池スタックから燃料極水輸送板へと内部的に輸送される。
【００１０】
１つの形態において、本発明によれば、空気極基板、燃料極基板及び陽子交換膜（ＰＥＭ）自体によって水輸送帯が形成される。他の形態において、本発明は、各燃料電池の１箇所以上の端部に沿って配設される多孔質の水輸送ゾーンを利用する。この形態では、空気極と燃料極の間の差圧によって水を輸送することができるか、あるいは、空気極水輸送板から電池端水輸送帯、さらに燃料極水輸送板まで燃料極水輸送板の毛管圧勾配を形成することにより水を輸送することができる。この毛管圧勾配は、水輸送板内で作用する表面張力により自然に形成される。燃料極水輸送板の含水量が不足し、空気極水輸送板の含水量が過剰になると、燃料極水輸送板内の平衡孔径は空気極水輸送板内の平衡孔径に相対して減少する。この機構により、空気極水輸送板に相対して、燃料極水輸送板内の毛管圧が大きくなり、電池の空気極側からその電池の燃料極側へ水が移動する。そのような場合、必要に応じて流れを規制する制限があってもよい。
【００１１】
他の形態において、本発明は、５０容積％〜７０容積％の水和した超微孔性イオノマー相内に形成された、１０容積％を超える微孔性の水充填相を具備し得る高い水透過性ＰＥＭを利用することができる。ＰＥＭは約２０容積％〜約４０容積％の構造的絶縁相を有し、平均長５μｍ〜１０μｍの１μｍ径の炭化ケイ素のウィスカーを備えることができる。約１０μｍ〜２５μｍ台の厚さを有する高い水透過性ＰＥＭを得るために、水和した超微孔性イオノマー相は、過フルオロスフホン酸イオノマーを含んでなるものであってよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図３を参照すると、１組につき２〜４個の燃料電池となるよう燃料電池を組分けする冷却板７１と、それら自体は冷却板７１で分離されない、燃料電池を分離するセパレーター板７２を有する燃料電池スタック５０において本発明の構想概念が概略的に示されている。不凍冷却装置７４によってスタック５０の冷却板７１に不凍冷却液が供給される。
【００１３】
供給源７６から水素などの燃料が空気極の燃料ガス流域に供給され、燃料再循環ループ７７があり得る。酸素や空気８０などの酸化剤を、空気極酸化剤ガス流域４１に供給することができる。水輸送板２３，３４から水を排出するよう、８１，８３を設けてもよい。反応物圧を制御するために、燃料ガス流域２６中と酸化剤ガス流域４１中に弁７２，８７を設けることができる。
【００１４】
本発明の構成により、空気極水輸送板３４から燃料極水輸送板２３へと、燃料電池スタックの水を内部的に流すための、水輸送性能８６が提供される。その最も広義において、本発明は、冷却板間の小さい電池の組、あるいは、燃料電池スタック全体における単一の電池内において、様々な方法で水輸送性能８６を提供することを含むが、本発明はそれらの細部を制限するものではない。
【００１５】
燃料極では、水は燃料ガス中に蒸発し、水分子は、陽子抵抗によって膜電極アッセンブリ２１を通って空気局へ輸送される。乾燥を防止するために、この水（分子）は置き換えられなくてはならず、通常、当業界で既知の外部水管理システムによって水と置き換えられる。
【００１６】
空気極では、生成水を空気極水輸送板で除去しなければ、過剰な生成水が蓄積されやすく、空気極における過剰な生成水によって、酸化剤の触媒への移行が妨げられ、燃料電池が酸化剤欠乏状態となる。典型的な場合、ほとんどの水は酸化剤ガス流中へ蒸発し、酸化剤ガス排出管を通って電池から離脱するが、その水のいく分かは水輸送板によって移動して外部へ排除されるため、燃料極が乾燥しないだけでなく、酸化剤ガス入口近くの空気極の膜電極アッセンブリが適切に加湿されるのを確実にするほどの水だけが戻る。
【００１７】
本発明によれば、適切な作動パラメータ、並びに観ず輸送性能８６により、水を直接燃料極へ、次いで燃料極水輸送板へ輸送することにより、空気極から十分な水を移動させることができる。水輸送の例として、約９０％の生成水が、蒸気として空気極酸化剤ガス流域４１からその排気系を介して移動する。次いで、そのうちの約３０％の生成水は、水輸送性能８６を介して空気極水輸送板３４から燃料極水輸送板２３へと輸送されることによって移動する。さらに、移動したうちの約１０％の水は、弁８７などの燃料極水排気系により電池から排出される。おおよそ２０％の生成水ＭＥＡ２１を横断して、燃料極から空気極へ移動する。これは、陽子の吸引力と浸透の結果としての正味の水輸送を示している。前述の割合（パーセンテージ）は単に例示するものであって、本発明を特定の方法で実施した際に実際に得られるものではない。
【００１８】
図４を参照すると、本発明の構成は、一形態において、不凍冷却液系８９を内部に有する、水及びガス不透過性の導電性セパレーター板７２か、あるいは水及びガス不透過性の導電性冷却板７１によって、隣接する燃料電池から分離されている各燃料電池１６ａを含む。
【００１９】
本発明の一実施態様によれば、燃料電池１６ａのそれぞれにおける膜電極アッセンブリ２１ａは、高い水透過性を有する陽子交換膜であり、米国特許出願第１０／２７４，７４７号（２００２年１０月２１日出願）に例示されているような型のものであってよい。しかしながら、前述の出願における高い水透過性ＰＥＭは、外部水管理システムを具備した装置においては利用されており、燃料電池の生成水はそのＰＥＭを通って伝わり、処理される。本発明は、（停止時に水を除今日するための排水路は除いて）外部水管理設備を不要とするものであるため、細孔質の水充填相の量を、約１０容積％以上、例えば、１５容積％〜２５容積％まで増大する必要がある。これは、前述の出願に開示の方法において容易に達成される。
【００２０】
本発明の第２の実施態様を図５に示す。この実施態様では、水輸送帯９０が、燃料電池１６ｂの一端近くに設けられている。水輸送帯９０は、燃料極触媒９４と空気極触媒９５と陽子交換膜９１とを予め短くすることによって形成される。水輸送帯９０領域（二重斜線部分）において、燃料極支持板２２と空気極支持板３２は、湿潤性で伝導性を有さない粒径５μｍ以下の、電池環境に対応した粒子が充填されている。例えば、炭化ケイ素は適した材料の１つである。膜９１と触媒９４，９５の厚さは、図５においてはかなり強調して示されていることに注意されたい。この粒子材料は又、燃料極水輸送板２３と空気極水輸送板３４の間において、均一な電池厚を維持するのに十分な厚さになるよう、支持板２２，３２の表面上にスクリーン印刷（単斜線部分）することなどによって設けることができる。既存の支持板シール２２ａ，３２ａを、燃料極支持板２２、空気極支持板３２のそれぞれの端部に設けることも可能である。
【００２１】
本発明のこの実施態様は、冷却入口の端部に位置する燃料入口と空気出口を備えた、二路式の空気流路並びに二路式の燃料流路を有する燃料電池スタックに特別良好に適している。そのような構成により、燃料流が進入し、かつ加湿されることを必要とする位置から膜を横断した、大量の水を空気流から凝縮することができる。従って、電池のこの端部に水輸送帯９０を配置することが最も好ましい。図５は、電池の端部に隣接して配置された水輸送帯を示している。水輸送帯は、電池の１つの端部に沿って、１つの端部の一部に沿って、２つの端部に沿って、２つの端部のそれぞれの一部に沿って、あるいは中央部分に配置することも可能である。
【００２２】
空気極輸送板３４の大部分を通って空気極水輸送板３４中の水路３８から水輸送帯９０への水の流量、並びに、燃料極水輸送板２３の大部分を通って燃料水路３８への水の流量が不十分な場合、孔１０３，１０４を有する図６の形態を採用することができる。
【００２３】
図７において、多孔質の水輸送用力１０７を、燃料電池１６ｄの１つ以上の端部に設けて、空気極水輸送板３４から燃料極水輸送板２３へ水を誘導することができる。酸化剤燃料反応物ガスを、燃料反応物ガスの圧力よりも高い７〜１４ｋＰａ（１又は２ｐｓｉ）の圧力まで加圧する必要がある場合、図８に示すように、電池１６ｅの水輸送領域１０７内に流量調節部１０９を採用することができる。流量調節部は、領域１０７に沿った帯域からなるものであってよく、その帯域においては有孔率が低減されており、その場合、ウィッキングを促進しかつ電池１６ｅから漏出する反応物ガスを抑制する気泡圧を提供するよう、輸送領域１０７の残部における孔径と同じかあるいはより小さい孔径を維持しなければならない。あるいは、流量調節部１０９は、減少された孔径を有する領域に沿った帯域からなるものであってよもよい。
【００２４】
前述の本発明の実施態様の全ては、単一の燃料電池の空気極から燃料極への水の伝達に関する。本発明は、固体セパレーター板又は固体冷却板に連続した電池を除き、燃料電池のほとんどが、燃料極流域が、隣接する燃料電池の空気極流域に連続している場合をさらに包含し得る。
【００２５】
図９には、明瞭にするために反応物流チャネルが省略された、冷却板７１，７２間に配置された複数の燃料電池１６ｆ，１６ｇが示されている。また、全ての固体セパレーター板も省かれている。内部水マニホールド１１２，１１３が、それぞれ板７１の上方左隅部と燃料電池１６ｆ，１６ｇ、板７１の下方右隅部と燃料電池１６ｆ，１６ｇを通って延びている。これらのマニホールド１１２，１１３は、水流チャネル３８と流体的に連通しており、電池１６ｆに関しては、燃料極水輸送板においてのみ存在し、空気極側の水輸送板３４ａは水流チャネルを有さず、板３４ａの孔は、隣接する燃料極水輸送板２３に連続する水流チャネル３８と完全に流体的に連通している。しかしながら、電池１６ｇにおいては、空気極側の水輸送板３４は、水流チャネル３８を有する。水流チャネル３８の全ては、内部水マニホールド１１２，１１３と液体的に連通している。
【００２６】
図９の実施態様では、図１０に示すように、内部水マニホールド１１２，１１３は、４つの燃料電池かつ水輸送板を通って延びているだけでなく、燃料電池スタック全体を通って延在している。このようにして、冷却空気客板７１に連続する燃料極のそれぞれは、内部水マニホールド１１２，１１３から必要な水を受容する。同様に、冷却板７１と連続する燃料電池１６ｇのそれぞれからの過剰な生成水には、その燃料電池自体の水チャネル３８（図９）を通って内部水マニホールド１１２，１１３中に移動する生成水を含む。
【００２７】
しかしながら、本発明は又、図１１に示すような冷却板間の電池組への水の流量を制限することを包含する。従って、内部水マニホールド１１２ｂ，１１３ｂ及び１１２ｃ，１１３ｃは、それぞれ、４つの燃料電池１６ｆ及び１６ｇだけを通過する。冷却板間の電池組への流量を制限するか、あるいは燃料電池スタック全体に流れるようにするか、いずれか一方を選択することは、実施する態様の特定の設計条件に依存するであろう。
【００２８】
例示目的でのみであり、開示の代表的な割合（パーセンテージ）に関係なく、図１２は、本発明の実用可能な構成全体を示している。他の電池の水と混じり合うことなく、水が電池内部でのみ移動する（図３〜図８）か、あるいは、相互に隣接する連続的な電池の間、及び固体冷却板の間に位置する電池の小さい組の電池の端部の間を水が移動するか（図１）、さらには又、スタックの燃料電池全てが相互に液体的に連通している（図９及び図１０）。典型的な燃料電池の組において、燃料極から空気極への正味の水の流れは、生成水１モル当たり０．２モル台であり、１００ｋＰａにおいて、初期故障を引き起こし得る、燃料極ポンプ自体の乾燥を防ぐのに水素流中、約２０％のモル比率である水が必要である。これは、６５℃である露点と同じである。
【００２９】
図１２において、図示するように、陽子の引力並びに適切に水和された燃料極により、かつ部分的に浸透により、生成水の２０％が燃料極流域から膜電極アッセンブリを通って空気極流域まで流れると想定した場合、生成水の９０％が蒸気として空気極流域から出ると仮定することによって水平衡を達成することができる。これは、燃料電池に存在する反応物流の温度が既知の方法で制御されている限り、過剰な酸化剤反応物ガス圧を要することなく容易に達成される。生成水の３０％が、ある水輸送性能８６ａによって（前述の、図４〜図１１に関して説明したように）、燃料極水輸送板へ輸送される場合、その生成水の３分の２は、燃料極の燃料反応物ガス流域中に移動して空気極流域を流れ、又、残りの３分の１は液体として燃料極水輸送板から流出する。一定の液体の水を燃料極水輸送板から排出するのを確実にすることにより、燃料極流域の加湿、並びに膜電極アッセンブリを通って移動する水の補充が保証される。
【００３０】
本発明は、このようにして（排出系を除く）外部水設備を必要とすることなく、また、固体セパレーター板及び／又は固体冷却板で燃料電池の領域を分離するかしないに関わらず、燃料極の加湿と空気極の過剰な水の除去を達成する。固体冷却板は、２〜６個の燃料電池ごとに使用することができるため、水管理と統合することなく、不凍冷却剤が冷却機能を引き継ぐことができるため、外部設備を要することなく、水管理を簡単なものとして、内部的に行えるものとすることができ、
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】明確化のために区分線を省略した、従来の燃料電池であり、隣接する燃料電池の部分を示す定型化された簡略的な側面断面図である。
【図２】従来の燃料電池発電設備の一部を示す、簡略的なブロック図である。
【図３】本発明を組込んだ燃料電池の一形態を示す簡略的な概念図である。
【図４】明確化のために区分線を省略した、空気極水輸送板から燃料極水輸送板への水の移動を容易にする、水和された超微細な多孔質イオノマー内に微細な開孔を備える陽子交換膜を有する、本発明による燃料電池を示す定型化された簡略的な側面断面図である。
【図５】明確化のために区分線を省略した、空気極水輸送板と燃料極輸送板の間に水輸送帯を有する、本発明による燃料電池を示す、定型化した簡略的な側面断面図である。
【図６】水移動孔を有する、図５の変更態様を示す図である。
【図７】明確化のために区分線を省略した、隣接する端部に多孔質水輸送板を有する本発明による燃料電池の定型化した簡略的な側面断面図である。
【図８】本発明による流れレストリクターを備える、図７の変更態様を示す図である。
【図９】本発明による、固体板の間にあり、それら固体板を貫通する内部水マニホｓールドを有する複数の電池の透視図である。
【図１０】図９の内部水マニホールドを示す、定型化した簡略的な側面図である。
【図１１】本発明による、固体板間にある燃料電池間の水を案内する内部水マニホールドを示す、燃料電池の１つの組を示す簡略的な側面図である。
【図１２】本発明による、水の流れを示す概略図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタック中に設けられ、それぞれが空気極触媒と燃料極触媒の間の陽子交換膜（２１，４２）、燃料極触媒に隣接する燃料極支持板（２２）、空気極触媒に隣接する空気極支持板（３２）、燃料極支持板に隣接する燃料反応物ガス流域（２６）を有する多孔質燃料極水輸送板（２３）、及び空気極支持板に隣接する酸化剤反応物ガス流域（４０，４１）を有する多孔質空気極水輸送板（３１，３４）を有する膜電極アッセンブリを備える複数の燃料電池（１６，１８，１９）と、
スタック中の少なくともいくつかの電池の間に配置される、１つ又はより多くの固体冷却板（７２）と固体セパレーター板（７２）から選択される複数の固体板、
を含んでなる燃料電池スタックであって、スタック内で、内部的にのみ少なくとも１つの燃料電池の空気極水輸送板から、その１つの電池、又は別の電池の燃料極水輸送板の少なくとも１つへ水を移動させるために、水輸送手段（２１ａ，９０，１０３，１０４，１０７，１１２，１１３）を燃料電池のそれぞれに配置することを特徴とする、燃料電池発電設備のための燃料電池スタック（５０）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの燃料極水輸送板（２３，３４）（図１１）が、別の燃料電池（１６ｇ）中にあり、かつ、１つの電池（１６ｆ）と別の電池（１６ｇ）は、それぞれ前記固体板（７１）の１つに隣接して配置されることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記固体板（７１，７２）の１つと連続する前記水輸送板（３１，３４）のそれぞれが、前記連続する固体板に隣接した水流域（３８）を有することを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
固体冷却板（７１，７２）の連続する対の間に、２から５個の前記燃料電池（１６ｆ，１６ｇ）があることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記固体板（７１）の連続する対の間に、１から４個の固体セパレーター板（７２）があることを特徴とする、請求項４記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記水輸送手段が、前記燃料電池（１６）のそれぞれ及び前記固体セパレーター板（７１，７２）のそれぞれを完全に通って延び、前記多孔質水輸送板（３１，３４）と液体的に連通する、少なくとも１つの内部水マニホールド（１１２，１１３）（図５）からなることを特徴とする、請求項５記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記水輸送手段が、前記燃料電池のそれぞれと、前記固体板のそれぞれを完全に通って延びる少なくとも１つの内部水マニホールド（１１２，１１３）からなり、その少なくとも１つの内部水マニホールドは、前記多孔質水輸送板（３１，３４）と液体的に連通していることを特徴とする、請求項４記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記水輸送手段が、前記スタックの一端における第１の固体板と、前記スタックの反対側の端部にある最後の固体板を除いて、前記燃料電池スタック全体にわたって延在する、少なくとも１つの内部水マニホールド（１１２，１１３）（図１０）からなり、その少なくとも１つの内部水マニホールドは、前記多孔質水輸送板と液体的に連通していることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
前記水輸送手段が、高い水透過性を有する陽子交換膜（２１ａ）からなることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記膜が、１０容積％を超える微孔性の水充填相を有することを特徴とする、請求項９記載の燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記膜が、１５容積％から２５容積％の微孔性の水充填相を有することを特徴とする、請求項９記載の燃料電池スタック。
【請求項１２】
前記水輸送手段が、湿潤性の、非導電性の５μｍ以下の孔径を有する粒子から構成される水輸送帯（９０）を有し、その帯は、前記空気極水輸送板から前記燃料極水輸送板まで延在することを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記水輸送帯が、炭化ケイ素からなることを特徴とする、請求項１２記載の燃料電池スタック。
【請求項１４】
前記炭化ケイ素を、前記燃料電池の支持板上に、前記支持板及び前記触媒の厚さに適応させるよう十分な厚さでスクリーン印刷することを特徴とする、請求項１３記載の燃料電池スタック。
【請求項１５】
前記水流域（３８）から前記水輸送帯（９０）へと水を伝達するために、前記水輸送板に孔（１０３，１０４）が設けられていることを特徴とする、請求項１３記載の燃料電池スタック。
【請求項１６】
多孔質水輸送領域（１０７）（図７）が、少なくとも１つの燃料電池の少なくとも１つの端部に隣接しており、前記水輸送領域は、前記空気極水輸送板の少なくとも１つの端部と前記燃料極水輸送板の少なくとも１つの端部に連続し、かつ水連通することを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項１７】
前記輸送領域（１０７）（図８）が、前記空気極水輸送板と前記燃料極水輸送板の間に流量調節部（１０９）を備えることを特徴とする、請求項１６記載の燃料電池スタック。
【請求項１８】
前記燃料電池の空気極で生成した生成水の約９０％が、前記燃料スタックから蒸気として移動して、前記酸化剤反応物ガス流域（４１）中の排気中に放出され、前記燃料電池の空気極で生成した生成水の約３０％全てが、前記スタック内で、前記スタックの前記空気極水輸送板（３４）から前記スタックの前記燃料極水輸送板（２３）へ移動し、かつ、前記燃料電池の前記空気極で生成した生成水の約１０％が、前記燃料極水輸送板の排気系を通って液体の水として排出される（図１２）ことを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項１９】
スタックの燃料電池の空気極で生成した生成水の８０％から９５％を蒸気として酸化剤反応物ガス流域（４１）中の排気中に放出することと、
前記スタック内の少なくとも１つの水輸送路（２１ａ，９０，１０７，１１２，１１３）により、燃料電池の空気極で生成した生成水の２５から４０％を燃料電池の空気極水輸送板（３４）から燃料電池の燃料極水輸送板（２３）へ移動させることと、
燃料電池の空気極で生成した生成水の５％から１５％を燃料極水輸送板からの排気中に移動させること、
を含んでなることを特徴とする、外部水管理装置を有さない燃料電池スタックを操作する方法。
【請求項２０】
それぞれの燃料電池が、空気極触媒と燃料極触媒の間に陽子交換膜（２１，２１ａ）を有する膜電極アッセンブリと、空気極触媒に隣接する燃料極支持板（２２）と、空気極触媒に隣接する空気極支持板（３２）と、燃料電池支持板に隣接する燃料反応物ガス流域（２６）を有する多孔質燃料水輸送板（２３）と、空気極支持板に隣接する酸化剤反応物ガス流域（４０，４１）を有する多孔質空気極水輸送板（３１，３４）を備え、各電池の前記水輸送板の少なくとも１つは水流チャネル（３８）と、固体冷却板（７１）と固体セパレート板（７２）のいずれか１つ以上から選択され、少なくともいくつかの電池の間に配置される複数の固体板を有する、燃料電池のスタックを有する燃料電池発電設備を操作する方法であって、
前記燃料電池スタック内において、内部的にのみ、少なくとも１つの前記燃料電池の前記空気極水輸送板から、同じ１つの燃料電池内（図４から図８）か又は、別燃料電池内（図１０，図１１）の少なくとも１つの燃料極水輸送板へ水を輸送することを特徴とする、燃料電池のスタックを有する燃料電池発電設備を操作する方法。
【請求項２１】
それぞれの燃料電池が、空気極触媒と燃料極触媒の間に陽子交換膜（２１，２１ａ）を有する膜電極アッセンブリと、空気極触媒に隣接する燃料極支持板（２２）と、空気極触媒に隣接する空気極支持板（３２）と、燃料電池支持板に隣接する燃料反応物ガス流域（２６）を有する多孔質燃料水輸送板（２３）と、空気極支持板に隣接する酸化剤反応物ガス流域（４０，４１）を有する多孔質空気極水輸送板（３１，３４）を備え、各電池の燃料極水輸送板は、水流チャネル（３８）と、前記燃料電池を、１つの組につき２から６個の燃料電池の組になるよう分離する複数の固体冷却板（７１）を有し、その固体冷却板の１つに隣接する各燃料極水輸送板も又水流チャネル（３８）を有する、燃料電池のスタックを有する燃料電池発電設備を操作する方法であって、
前記燃料電池スタック内において、内部的にのみ、前記燃料電池スタックの第１の端部の空気極水輸送板から、その第１の端部と反対側にある、前記燃料電池スタックの第２の端部の燃料極水輸送板へと、前記水輸送板の全てと液体的に連通する少なくとも１つの内部水マニホールド（１１２，１１３）を通って水を案内することを特徴とする、燃料電池のスタックを有する燃料電池発電設備を操作する方法。
【請求項１】
スタック中に設けられ、それぞれが空気極触媒と燃料極触媒の間の陽子交換膜（２１，４２）、燃料極触媒に隣接する燃料極支持板（２２）、空気極触媒に隣接する空気極支持板（３２）、燃料極支持板に隣接する燃料反応物ガス流域（２６）を有する多孔質燃料極水輸送板（２３）、及び空気極支持板に隣接する酸化剤反応物ガス流域（４０，４１）を有する多孔質空気極水輸送板（３１，３４）を有する膜電極アッセンブリを備える複数の燃料電池（１６，１８，１９）と、
スタック中の少なくともいくつかの電池の間に配置される、１つ又はより多くの固体冷却板（７２）と固体セパレーター板（７２）から選択される複数の固体板、
を含んでなる燃料電池スタックであって、スタック内で、内部的にのみ少なくとも１つの燃料電池の空気極水輸送板から、その１つの電池、又は別の電池の燃料極水輸送板の少なくとも１つへ水を移動させるために、水輸送手段（２１ａ，９０，１０３，１０４，１０７，１１２，１１３）を燃料電池のそれぞれに配置することを特徴とする、燃料電池発電設備のための燃料電池スタック（５０）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの燃料極水輸送板（２３，３４）（図１１）が、別の燃料電池（１６ｇ）中にあり、かつ、１つの電池（１６ｆ）と別の電池（１６ｇ）は、それぞれ前記固体板（７１）の１つに隣接して配置されることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記固体板（７１，７２）の１つと連続する前記水輸送板（３１，３４）のそれぞれが、前記連続する固体板に隣接した水流域（３８）を有することを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
固体冷却板（７１，７２）の連続する対の間に、２から５個の前記燃料電池（１６ｆ，１６ｇ）があることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記固体板（７１）の連続する対の間に、１から４個の固体セパレーター板（７２）があることを特徴とする、請求項４記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記水輸送手段が、前記燃料電池（１６）のそれぞれ及び前記固体セパレーター板（７１，７２）のそれぞれを完全に通って延び、前記多孔質水輸送板（３１，３４）と液体的に連通する、少なくとも１つの内部水マニホールド（１１２，１１３）（図５）からなることを特徴とする、請求項５記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記水輸送手段が、前記燃料電池のそれぞれと、前記固体板のそれぞれを完全に通って延びる少なくとも１つの内部水マニホールド（１１２，１１３）からなり、その少なくとも１つの内部水マニホールドは、前記多孔質水輸送板（３１，３４）と液体的に連通していることを特徴とする、請求項４記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記水輸送手段が、前記スタックの一端における第１の固体板と、前記スタックの反対側の端部にある最後の固体板を除いて、前記燃料電池スタック全体にわたって延在する、少なくとも１つの内部水マニホールド（１１２，１１３）（図１０）からなり、その少なくとも１つの内部水マニホールドは、前記多孔質水輸送板と液体的に連通していることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
前記水輸送手段が、高い水透過性を有する陽子交換膜（２１ａ）からなることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記膜が、１０容積％を超える微孔性の水充填相を有することを特徴とする、請求項９記載の燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記膜が、１５容積％から２５容積％の微孔性の水充填相を有することを特徴とする、請求項９記載の燃料電池スタック。
【請求項１２】
前記水輸送手段が、湿潤性の、非導電性の５μｍ以下の孔径を有する粒子から構成される水輸送帯（９０）を有し、その帯は、前記空気極水輸送板から前記燃料極水輸送板まで延在することを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記水輸送帯が、炭化ケイ素からなることを特徴とする、請求項１２記載の燃料電池スタック。
【請求項１４】
前記炭化ケイ素を、前記燃料電池の支持板上に、前記支持板及び前記触媒の厚さに適応させるよう十分な厚さでスクリーン印刷することを特徴とする、請求項１３記載の燃料電池スタック。
【請求項１５】
前記水流域（３８）から前記水輸送帯（９０）へと水を伝達するために、前記水輸送板に孔（１０３，１０４）が設けられていることを特徴とする、請求項１３記載の燃料電池スタック。
【請求項１６】
多孔質水輸送領域（１０７）（図７）が、少なくとも１つの燃料電池の少なくとも１つの端部に隣接しており、前記水輸送領域は、前記空気極水輸送板の少なくとも１つの端部と前記燃料極水輸送板の少なくとも１つの端部に連続し、かつ水連通することを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項１７】
前記輸送領域（１０７）（図８）が、前記空気極水輸送板と前記燃料極水輸送板の間に流量調節部（１０９）を備えることを特徴とする、請求項１６記載の燃料電池スタック。
【請求項１８】
前記燃料電池の空気極で生成した生成水の約９０％が、前記燃料スタックから蒸気として移動して、前記酸化剤反応物ガス流域（４１）中の排気中に放出され、前記燃料電池の空気極で生成した生成水の約３０％全てが、前記スタック内で、前記スタックの前記空気極水輸送板（３４）から前記スタックの前記燃料極水輸送板（２３）へ移動し、かつ、前記燃料電池の前記空気極で生成した生成水の約１０％が、前記燃料極水輸送板の排気系を通って液体の水として排出される（図１２）ことを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項１９】
スタックの燃料電池の空気極で生成した生成水の８０％から９５％を蒸気として酸化剤反応物ガス流域（４１）中の排気中に放出することと、
前記スタック内の少なくとも１つの水輸送路（２１ａ，９０，１０７，１１２，１１３）により、燃料電池の空気極で生成した生成水の２５から４０％を燃料電池の空気極水輸送板（３４）から燃料電池の燃料極水輸送板（２３）へ移動させることと、
燃料電池の空気極で生成した生成水の５％から１５％を燃料極水輸送板からの排気中に移動させること、
を含んでなることを特徴とする、外部水管理装置を有さない燃料電池スタックを操作する方法。
【請求項２０】
それぞれの燃料電池が、空気極触媒と燃料極触媒の間に陽子交換膜（２１，２１ａ）を有する膜電極アッセンブリと、空気極触媒に隣接する燃料極支持板（２２）と、空気極触媒に隣接する空気極支持板（３２）と、燃料電池支持板に隣接する燃料反応物ガス流域（２６）を有する多孔質燃料水輸送板（２３）と、空気極支持板に隣接する酸化剤反応物ガス流域（４０，４１）を有する多孔質空気極水輸送板（３１，３４）を備え、各電池の前記水輸送板の少なくとも１つは水流チャネル（３８）と、固体冷却板（７１）と固体セパレート板（７２）のいずれか１つ以上から選択され、少なくともいくつかの電池の間に配置される複数の固体板を有する、燃料電池のスタックを有する燃料電池発電設備を操作する方法であって、
前記燃料電池スタック内において、内部的にのみ、少なくとも１つの前記燃料電池の前記空気極水輸送板から、同じ１つの燃料電池内（図４から図８）か又は、別燃料電池内（図１０，図１１）の少なくとも１つの燃料極水輸送板へ水を輸送することを特徴とする、燃料電池のスタックを有する燃料電池発電設備を操作する方法。
【請求項２１】
それぞれの燃料電池が、空気極触媒と燃料極触媒の間に陽子交換膜（２１，２１ａ）を有する膜電極アッセンブリと、空気極触媒に隣接する燃料極支持板（２２）と、空気極触媒に隣接する空気極支持板（３２）と、燃料電池支持板に隣接する燃料反応物ガス流域（２６）を有する多孔質燃料水輸送板（２３）と、空気極支持板に隣接する酸化剤反応物ガス流域（４０，４１）を有する多孔質空気極水輸送板（３１，３４）を備え、各電池の燃料極水輸送板は、水流チャネル（３８）と、前記燃料電池を、１つの組につき２から６個の燃料電池の組になるよう分離する複数の固体冷却板（７１）を有し、その固体冷却板の１つに隣接する各燃料極水輸送板も又水流チャネル（３８）を有する、燃料電池のスタックを有する燃料電池発電設備を操作する方法であって、
前記燃料電池スタック内において、内部的にのみ、前記燃料電池スタックの第１の端部の空気極水輸送板から、その第１の端部と反対側にある、前記燃料電池スタックの第２の端部の燃料極水輸送板へと、前記水輸送板の全てと液体的に連通する少なくとも１つの内部水マニホールド（１１２，１１３）を通って水を案内することを特徴とする、燃料電池のスタックを有する燃料電池発電設備を操作する方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公表番号】特表２００７−５０９４６１（Ｐ２００７−５０９４６１Ａ）
【公表日】平成１９年４月１２日（２００７．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５２７１６１（Ｐ２００６−５２７１６１）
【出願日】平成１６年９月２２日（２００４．９．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０３１２３８
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０３１８９６
【国際公開日】平成１７年４月７日（２００５．４．７）
【出願人】（５００４７７４４７）ユーティーシー フューエル セルズ，エルエルシー (138)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年４月１２日（２００７．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月２２日（２００４．９．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０３１２３８
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０３１８９６
【国際公開日】平成１７年４月７日（２００５．４．７）
【出願人】（５００４７７４４７）ユーティーシー フューエル セルズ，エルエルシー (138)
【Ｆターム（参考）】
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