(57)【要約】電気化学的電池スタックに送出されるプロセス流体を処理するためのシステムが記載される。このシステムは、プロセス流体を処理し、このプロセス流体に、水の凍結点を含む第１の範囲の温度をプロセス流体に与える能力がある処理ユニットを含む。フィルタは、第１の温度ユニットがプロセス流体に氷の粒を形成させるのに十分に低い温度を与えた際に形成された、特定のサイズより大きい氷の粒を除去する。
2007515045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学的電池スタックに送出されるプロセス流体を処理するためのシステムであって、
プロセス流体を処理し、該プロセス流体に水の凍結点より低い温度を含む第１の範囲の温度を与える能力がある第１の処理ユニットと、
前記第１の処理ユニットが前記プロセス流体に氷の粒を形成させるのに十分に低い温度を与えた際に形成された、特定のサイズより大きい前記氷の粒を除去するためのフィルタと、
濾過された前記プロセス流体を前記電池スタックに送出するための少なくとも１つのプロセス流体導管と、
を含むことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記少なくとも１つのプロセス流体導管を介して前記第１の処理ユニットに接続された電気化学的電池スタックを更に含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の処理ユニットに前記プロセス流体を供給するためのプロセス流体源を更に含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記フィルタの下流に、前記プロセス流体に第２の範囲の温度を与える能力がある第２の処理ユニットを更に含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記第２の処理ユニットが前記プロセス流体の温度を上げることを特徴とする請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記第２の処理ユニットが前記プロセス流体の温度を約摂氏５〜３０度上げることを特徴とする請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記第１の処理ユニットが、
前記プロセス流体を加熱及び冷却するための加熱及び冷却モジュールと、
前記加熱及び冷却モジュールから熱を除去するための第１の熱交換流体が通過する冷却装置と、
前記加熱及び冷却モジュールと前記冷却装置との間にあり、前記加熱及び冷却モジュールと前記冷却装置との間の前記第１の熱交換流体の流れを調節するための流れ制御弁と、
を含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記加熱及び冷却モジュールが、
前記第１の熱交換流体に熱を伝達するための第１の熱交換器と、
前記プロセス流体に接続され、該プロセス流体との間で熱を交換するための第２の熱交換器と、
前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器を通って流れる第２の熱交換流体を加熱するための加熱器と、
前記第２の熱交換流体の温度を感知するための温度センサと、
前記第２の熱交換流体を送るためのポンプと、
前記第２の熱交換流体の温度を制御するための温度制御ユニットと、
を含むことを特徴とする請求項７記載のシステム。
【請求項９】
特定の圧力範囲内の圧力を設定するための圧力ユニットを更に含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
前記圧力ユニットが背圧調節弁を含むことを特徴とする請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
前記圧力ユニットが前記フィルタの下流にあることを特徴とする請求項９記載のシステム。
【請求項１２】
前記圧力ユニットが前記第１の処理ユニットの上流にあることを特徴とする請求項９記載のシステム。
【請求項１３】
複数の電気化学的電池スタックに送出されるプロセス流体を処理するためのシステムであって、
収容しているプロセス流体の温度を各々が独立して設定できる複数の加熱及び冷却モジュールと、
各々が前記加熱及び冷却モジュールの１つと関連付けられた複数のフィルタであって、該関連付けられた加熱及び冷却モジュールが前記プロセス流体に氷の粒を形成させるのに十分に低い温度を与えた際に形成された前記氷の粒を除去するよう各々が機能する複数のフィルタと、
使用時に、濾過された前記プロセス流体を前記フィルタの１つから関連付けられた電気化学的電池スタックへと各々が輸送する複数のプロセス流体導管と、
前記複数の加熱及び冷却モジュールから熱を除去するためのただ１つの冷却装置と、
を含むことを特徴とするシステム。
【請求項１４】
前記システムが複数の燃料電池テストステーションと組み合わされ、各前記燃料電池テストステーションが前記加熱及び冷却モジュールの１つ、前記フィルタの１つ、及び前記プロセス流体導管の１つを含み、前記共通の冷却装置が前記複数の燃料電池テストステーション及びそこに含まれる前記加熱及び冷却モジュールと接続されることを特徴とする請求項１３記載のシステム。
【請求項１５】
前記冷却装置が、前記冷却装置及び各前記加熱及び冷却モジュールを通って循環する熱交換流体を含むことを特徴とする請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
前記冷却装置及び前記加熱及び冷却モジュールを通る前記熱交換流体の循環を調節するための複数の流れ制御弁を更に含むことを特徴とする請求項１５記載のシステム。
【請求項１７】
各前記加熱及び冷却モジュールが、
前記冷却装置に輸送される前記第１の熱交換流体に熱を伝達するための第１の熱交換器と、
前記プロセス流体に接続され、該プロセス流体との間で熱を交換するための第２の熱交換器と、
前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器を通って循環する第２の熱交換流体を加熱するための加熱器と、
前記第２の熱交換流体の温度を感知するための温度センサと、
前記第２の熱交換流体を送るためのポンプと、
前記第２の熱交換流体の温度を制御するための温度制御ユニットと、
を含むことを特徴とする請求項１５記載のシステム。
【請求項１８】
使用時に、個々の前記フィルタと前記電気化学的電池スタックとの間に各々が配設される、前記プロセス流体の圧力を設定するための複数の圧力ユニットを更に含むことを特徴とする請求項１４記載のシステム。
【請求項１９】
各前記圧力ユニットが背圧調節弁を含むことを特徴とする請求項１８記載のシステム。
【請求項２０】
各前記圧力ユニットが個々の前記加熱及び冷却モジュールの上流にあることを特徴とする請求項１９記載のシステム。
【請求項２１】
電気化学的電池スタックをテストするためのテストステーションであって、
プロセス流体を処理し、該プロセス流体に水の凍結点より低い温度を含む第１の範囲の温度を与える能力がある第１の処理ユニットと、
前記第１の処理ユニットが前記プロセス流体に氷の粒を形成させるのに十分に低い温度を与えた際に形成された、特定のサイズより大きい前記氷の粒を除去するためのフィルタと、
濾過された前記プロセス流体を前記電池スタックに送出するための少なくとも１つのプロセス流体導管と、
を含むことを特徴とするテストステーション。
【請求項２２】
前記第１の処理ユニットに前記プロセス流体を供給するためのプロセス流体源を更に含むことを特徴とする請求項２１記載のテストステーション。
【請求項２３】
前記フィルタの下流に、前記プロセス流体に第２の範囲の温度を与える能力がある第２の処理ユニットを更に含むことを特徴とする請求項２１記載のテストステーション。
【請求項２４】
前記第２の処理ユニットが前記プロセス流体の温度を上げることを特徴とする請求項２３記載のテストステーション。
【請求項２５】
前記第２の処理ユニットが前記プロセス流体の温度を約摂氏５〜３０度上げることを特徴とする請求項２４記載のテストステーション。
【請求項２６】
前記第１の処理ユニットが、
前記プロセス流体を加熱及び冷却するための加熱及び冷却モジュールと、
前記加熱及び冷却モジュールから熱を除去するための第１の熱交換流体が通過する冷却装置と、
前記加熱及び冷却モジュールと前記冷却装置との間にあり、前記加熱及び冷却モジュールと前記冷却装置との間の前記第１の熱交換流体の流れを調節するための流れ制御弁と、
を含むことを特徴とする請求項２１記載のテストステーション。
【請求項２７】
電気化学的電池スタックに送出されるプロセス流体を処理する方法であって、
前記流体を水の凍結点より低い温度に冷却することと、
前記冷却ステップにより形成された氷の粒があれば濾過して除去することと、
前記プロセス流体を前記電気化学的電池スタックに送出することと、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気化学的電池スタックに関し、具体的には、電気化学的電池スタックに送出されるプロセス流体の処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学的電池スタックは、燃料及び電解質の電池スタックを含む。燃料電池は、燃料（一般的には水素ガス）及び酸化体（一般的には空気又は酸素ガス）を２つの適切な電極及び１つの電解質と接触させることによって電動力を生じる、電気化学的な装置である。燃料は第１の電極に導入され、そこで、燃料は電解質の存在下で電気化学的に反応し、電子及びカチオン（陽イオン）を生じる。電子は、第１の電極から電気回路を介して第２の電極へと循環する。カチオンは、電解質を通過して第２の電極に至る。
【０００３】
同時に、酸化体は第２の電極に導入され、そこで、酸化体は、電解質及び触媒の存在下で電気化学的に反応し、アニオン（陰イオン）を生じると共に、電気回路を通って循環してきた電子を消費する。即ち、カチオンは第２の電極で消費される。第２の電極即ち陰極ではアニオンが形成され、カチオンと反応して反応生成物を形成する。第１の電極即ち陽極は、代わりに燃料電極又は酸化電極と呼ばれる場合もあり、第２の電極は、代わりに酸化体電極又は還元電極と呼ばれる場合もある。
【０００４】
２つの電極における半電池反応は、それぞれ以下の通りである。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
外部の電気回路が電流を引き込み、従って、燃料電池から電力を受け取る。上記の個別の半電池反応の合計によって示されるように、全体的な燃料電池反応は電気エネルギーを生じる。この反応の一般的な副生成物は水及び熱である。
【０００５】
概念的には、電解質電池（セル）、即ち電解装置は、逆に動作する燃料電池であり、燃料スタックとしての、多くの同じ構成要素を共通に有する。具体的には、水を水素及び酸素ガスに電解するために、電解質電池（セル）スタックに電流が供給される。燃料電池では、水素及び酸素が結合されて水を生じると共に熱を放出する。電解質電池（セル）スタックでは、水を水素と酸素とに分解するためにエネルギーが必要である。
【０００６】
実用では、燃料電池は単体では稼働されない。むしろ、燃料電池は直列に接続され、上下に重ねて、又は横に並べてスタックされ、通常は燃料電池スタックと呼ばれるものを構成する。本願明細書で用いる「電池スタック」という用語は、１つの燃料電池のみが存在する特殊なケースを包含するが、一般的には、複数の燃料電池がスタックされて電池スタックを構成する。燃料及び酸化体は、マニホールドを通って電極に向かい、その間、反応物質によって又は冷却媒体によって冷却される。スタック内には、集電器、電池間のシール及び絶縁体もあり、必要な配管及び計器装備は燃料電池スタックの外部に設けられる。
【０００７】
燃料電池スタックは、燃料電池スタックの構成要素を挟持する２つの端部プレートを含む。端部プレートは、端部プレート間に存在する電池スタックの様々な構成要素を圧迫して互いに押しつけるために用いられる棒やボルトの係止部として作用することにより、燃料電池スタックに一体性を与える。更に、端部プレートは接続ポートを含むことができ、そこには、燃料、酸化体、及び冷却剤用のダクトやホースが取り付けられる。これらのプロセス流体は、接続ポートを通って燃料電池スタックに流入又は燃料電池スタックから流出する。更に、端部プレートは、非導電性であるべき部分から導電部を絶縁する構成要素を有する。
【０００８】
このように多くの構成要素を有する電池スタックは、適切に機能することを確実にするために、周期的にテストされる。この目的で、燃料電池テストステーションを用いることができる。燃料電池テストステーションは、テスト中の燃料電池の動作条件のシミュレーションを行うと共に、燃料電池の性能を示す様々なパラメータを監視する。例えば、燃料電池テストステーションは、通常、例えば水素及び空気等の反応物質、及び／又は冷却剤を、様々な温度、圧力、流量及び／又は湿度で燃料電池に供給することができる。燃料電池テストステーションは、燃料電池の負荷を変更してもよく、それに従って燃料電池の電圧出力及び／又は電流を変更してもよい。燃料電池テストステーションは、燃料電池スタック内の個々の電池の電圧、燃料電池を通って流れる電流、燃料電池内の様々なポイントにおける電流密度、温度、圧力又は湿度を監視する。そのような燃料電池テストステーションは、カナダ国オンタリオ州ミシソーガに所在するハイドロジェニックス・コーポレーション（Hydrogenics Corporation）、又は、カナダ国ブリティッシュコロンビア州バーナビーに所在するグリーンライト・パワー・テクノロジーズ社（Greenlight Power Technologies）から市販されている。
【０００９】
燃料電池スタックの性能の強化は、そのような性能をテストする能力に依存する場合がある。従って、電池スタックテストステーションを改良可能ないかなる革新も、電気化学的電池スタック技術の分野では最も歓迎されよう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本願明細書には、電池スタックに接続される燃料電池テストステーションにおいてプロセス流体を処理するための処理システムが記載される。現実的な状況における流体の状態のシミュレーションを行うために、プロセス流体を処理することができる。処理システムによって変更可能なプロセス流体の特性には、温度、圧力、及び湿度が含まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
電気化学的電池スタックに送出されるプロセス流体を処理するための処理システムは、プロセス流体を処理してプロセス流体に第１の範囲の温度を与える能力がある第１の処理ユニットを含む。この第１の範囲は、水蒸気が凍結して氷の粒になる温度を含む。処理システムは、第１の処理ユニットがプロセス流体に氷の粒を形成させるのに十分に低い温度を与えた際に形成された、特定のサイズより大きい氷の粒を除去するためのフィルタも含む。次に、少なくとも１つのプロセス流体導管が、濾過されたプロセス流体を電池スタックに送出する。
【００１２】
本願明細書には、複数の電気化学的電池スタックに送出されるプロセス流体を処理するための処理システムも記載される。この処理システムの実施形態は、ただ１つの冷却装置を設ければよいという長所を有する。このシステムは、収容しているプロセス流体の温度を各々が独立して設定できる複数の加熱及び冷却モジュールも含む。各処理システムにはフィルタが設けられている。各フィルタは、１つの加熱及び冷却モジュールと関連付けられており、関連付けられた加熱及び冷却モジュールプロセスが流体に氷の粒を形成させるのに十分に低い温度を与えた際に形成された氷の粒を、各々が除去するように機能する。複数のプロセス流体導管が、濾過されたプロセス流体を、個々のフィルタから関連付けられた電気化学的電池スタックへと輸送する。冷却装置が、複数の加熱及び冷却モジュールから熱を除去する。
【００１３】
本発明のこの実施形態は、特に、複数のテストステーションに対する適用可能性を有することが期待される。この場合、１つの共通の冷却装置が、テストされる燃料電池スタック又は発電モジュール（即ち、燃料電池スタック及び関連付けられたバランスオブプラント（ＢＯＰ）構成要素）のためのプロセスガス又は流体を各々が冷却する複数のテストステーションに、冷却能力を提供する役割をする。
【００１４】
本発明は、電気化学的電池スタックに送出されるプロセス流体を処理する方法も提供する。この方法は、流体を水の凍結点より低い温度に冷却することと、冷却ステップによって形成された氷の粒があれば濾過して除去することと、プロセス流体を電気化学的電池スタックに送出することとを含む。
【００１５】
この方法は、テストステーションで実行され得る。複数のテストステーションが設けられる場合には、この方法は、各テストステーションに冷却された熱交換流体を供給する共通の冷却装置を設けることを含むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明をよりよく理解するため、並びに、本発明がどのように実行され得るかをより明確に示すために、本発明の好ましい実施形態を示す添付の図面を例として参照する。
【００１７】
図１は、電気化学的電池スタック１００の分解斜視図を示す。参照に便利なように、スタック方向、縦方向、及び横方向が印されている座標系１０１が提供されている。燃料電池ユニット１００は陽極流れ場プレート１２０及び陰極流れ場プレート１３０を含み、これらは膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）１２４を挟んでいる。プレート１２０及び１３０には様々なサイズが可能である。一実施形態では、例えば、流れ場プレート１２０、１３０の短辺は約１２センチメートルである。各プレート１２０及び１３０は、入口領域、出口領域、及びオープンフェース型チャネル（図示せず）を有する。チャネルは、入口領域と出口領域とを連通させ、反応ガスをＭＥＡ１２４の外面に配分するための経路を提供する。
【００１８】
ＭＥＡ１２４は、陽極触媒層（図示せず）と陰極触媒層（図示せず）との間に配設された固形電解質（即ち、陽子交換膜（ＰＥＭ））１２５を含む。陽極触媒層と陽極流れ場プレート１２０との間には第１のガス拡散層（ＧＤＬ）１２２が配設され、陰極触媒層と陰極流れ場プレート１３０との間には第２のＧＤＬ１２６が配設される。ＧＤＬ１２２、１２６は、ＭＥＡ１２４の触媒面への反応ガス（燃料又は酸化体）の拡散を容易にする。更に、ＧＤＬは、陽極流れ場プレート１２０及び陰極流れ場プレート１３０の各々と膜１２５との間の導電性を高める。
【００１９】
第１の集電プレート１１６は、陽極流れ場プレート１２０の後面に当接する。ここで、「後」という用語は、ＭＥＡ１２４から離れる方向に向いた側を示す。同様に、「前」という用語は、ＭＥＡの方を向いた側を示す。第２の集電プレート１１８は、陰極流れ場プレート１３０の後面に当接する。第１の集電プレート１１６及び第２の集電プレート１１８の各々は、燃料電池スタックの側方から突出するタブ１４６及び１４８をそれぞれ有する。第１の絶縁プレート１１２及び第２の絶縁プレート１１４は、それぞれ、第１及び第２の集電プレート１１６、１１８に直接隣接して配置されている。第１の端部プレート１０２及び第２の端部プレート１０４は、それぞれ、第１及び第２の絶縁プレート１１２、１１４に直接隣接して配置されている。ユニット１００を一体に押圧するために、端部プレート１０２、１０４に圧力が加えられてもよい。更に、通常は、各対の隣接するプレート間にシール手段が設けられる。好ましくは、複数の連結棒１３１が設けられてもよい。連結棒１３１は、陽極端部プレート１０２のねじ穴にねじ込まれ、陰極端部プレート１０４の対応する円筒孔（プレーンボア）を貫通する。燃料電池ユニット１００を一体に締め付けるために、ナット、ボルト、ワッシャー等の締結手段が設けられる。
【００２０】
端部プレート１０４には、様々な流体を供給するための複数の接続ポートが設けられる。具体的には、第２の端部プレート１０４は、第１及び第２の空気接続ポート１０６、１０７と、第１及び第２の冷却剤接続ポート１０８、１０９と、第１及び第２の水素接続ポート１１０、１１１とを有する。ＭＥＡ１２４、陽極及び陰極流れ場プレート１２０、１３０、第１及び第２の集電プレート１１６、１１８、第１及び第２の絶縁プレート１１２、１１４、並びに第１及び／又は第２の端部プレート１０２、１０４は、一方の端部近傍に３つの入口と、反対側の端部近傍に３つの出口とを有し、これらは整合して配置され、酸化体としての空気、燃料としての水素、及び冷却剤のための流体ダクトを構成する。また、全ての出口が１つの側面に位置していることは必須ではない。即ち、対の流れが同じ方向に流れるのではなく逆流であってもよい。各プレートの入口領域及び出口領域は、マニホールド領域とも呼ばれる。図示しないが、様々なポート１０６〜１１１は、燃料電池ユニット１００のスタック方向に沿って延びるダクトと連通することが理解されよう。
【００２１】
図１に示される燃料電池スタックでは、燃料電池スタックは、プロセス流体及び冷却剤が燃料電池スタックの同じ側の端部から供給及び排出されることを意味する「クローズド・エンド」モードで運転する。別のバージョンでは、燃料電池は、プロセス流体及び冷却剤が燃料電池スタックの一方の端部から入り、スタックの反対側の端部から出る「フロースルー」モードで運転してもよいことを理解されたい。これには、第１の端部プレート１０２に、プロセス流体用の対応する接続ポートを設けることが必要である。また、実用においては、より大きい電流出力を生じるために、複数のプレート１３０、１２０、及びＭＥＡ１２４をスタックして、燃料電池スタックを構成することが有用であることを理解されたい。電池スタックは、１００個を超えるＭＥＡ１２４を有し得る。
【００２２】
本願明細書では、電気化学的電池スタックに接続される燃料電池テストステーションで用いられ得る処理システムが説明される。そのようなステーションは、少なくとも２つの機能を実行する。第１に、このステーションは、電池スタックの性能を測定するために用いられる。第２に、このステーションは、電池スタックが実際の用途で遭遇し得る条件のシミュレーションを行うために用いられる。
【００２３】
例えば、燃料電池スタックは、冷たく乾燥した気候で動作する場合がある。そのような気候では、プロセス流体の湿度は、ＭＥＡ１２４が動作する最適な湿度よりかなり低くなり得る。燃料電池テストステーションは、最適な湿度及び温度レベルより低い環境におけるスタックの性能をテストするために、湿度が低いプロセス流体を燃料電池スタックに提供できる。
【００２４】
この処理システムでは、源は、システムの加熱及び冷却モジュール内の上流で遭遇する温度よりかなり高い露点温度を有し得るプロセス流体を提供する。湿度を低減するために、処理システムは、プロセス流体から水を氷の形態で除去し、その除去を効果的に管理して、テストステーション及び／又はテスト中の燃料電池スタック内での過剰な（氷の）蓄積を防止する。
【００２５】
図２は、零下の温度及び露点条件で電気化学的電池スタックに送出されるプロセス流体を処理するための、処理システム２００のブロック図を示す。システム２００は、第１の処理ユニット２０２と、フィルタ２０４と、少なくとも１つのプロセス流体導管２０６とを含む。システム２００は、加湿器２１０を有するプロセス流体源２０８を含む。システム２００は、圧力ユニット２１２を更に含む。
【００２６】
第１の処理ユニット２０２は、その内部に収容しているプロセス流体を処理できる。例えば、プロセス流体の露点及び温度を変更できる。具体的には、処理ユニット２０２は、プロセス流体に第１の範囲の温度を与えることができる。この第１の範囲は、遭遇しそうな様々な圧力下における水の凍結温度の全範囲を含む、水の凍結点より低い温度を含む。第１の温度ユニット２０２は、プロセス流体に、氷の粒を形成させるのに十分に低い温度を与えることができる。
【００２７】
フィルタ２０４は、フィルタ２０４の孔径に従った特定のサイズより大きい氷の粒を除去する。プロセス流体は、温度ユニット２０２におけるプロセス流体の温度及び露点の設定中に形成される氷の粒の少なくとも大半を除去するために、フィルタ２０４を通るように導かれる。氷の結晶は、一般的に、空気中でエアロゾルを形成して凍結する液滴と同様に、プロセス流体の流れに混入する。従って、プロセス流体の圧力低下を許容可能レベルに保ちつつ、氷の粒を濾過して除去するために、微細孔を有する表面積が大きいフィルタ２０４を用いる。孔径は約０．１ミクロンであってもよく、又は、許容可能な圧力低下に適したどのようなサイズであってもよい。氷の形態の水を除去することにより、最終的に電気化学的電池スタックに送出されるプロセス流体の露点を、零下レベルまで下げることができる。
【００２８】
陽極プロセス流体（燃料）と陰極プロセス燃料（酸化体）とには、別個のシステム２００が用いられる。各システム２００は、濾過されたプロセス流体を電池スタックに送出するための、少なくとも１つのプロセス流体導管２０６を含む。例えば、図１の電池スタック１００に関しては、一方のシステム２００は、接続ポート１０６に酸化体を送出する１つのプロセス流体導管２０６を含み、他方のシステム２００は、接続ポート１１０に燃料を送出するもう１つのプロセス流体導管２０６を含む。図１に示されるオープンエンド・モードの代わりに、燃料電池は、燃料が燃料電池に供給され、燃料電池を出ずにその内部で反応する、デッドエンド・モードで運転してもよい。同じシステム２００を、オープン・モードの用途及びデッドエンド・モードの用途で用いることができる。
【００２９】
プロセス流体源２０８は、処理ユニット２０２にプロセス流体を供給する。その中に含まれる加湿器２１０は、処理ユニット２０２への送出前にプロセス流体を加湿できる。
【００３０】
背圧調節弁を含み得る圧力ユニット２１２は、プロセス流体源２０８の所々に特定の圧力範囲内の圧力を設定することにより、プロセス流体源２０８から処理ユニット２０２に送出されるプロセス流体の含水量を低減する。圧力ユニットの位置を変えた２つの実施形態が可能である。
【００３１】
図２には示されていない第１の実施形態では、圧力ユニット２１２は、フィルタ２０４と、電池スタック１００へと導く流体導管２０６との間に配設される。圧力ユニット２１２は、プロセス流体の水の取り込みを低減するために、上流の圧力を高く保持するために用いられる。従って、水を含むプロセス流体が、圧力が高い領域から圧力が低い領域へと圧力ユニット２１２を横断する際には、水蒸気の圧力も低下し、これにより露点が低下する。しかし、圧力ユニット２１２の上流の圧力が高いと、プロセス流体の応答時間が低下するという短所もあり、これは本発明の全てのモデルで必要なことではない。
【００３２】
図２に示される第２の実施形態では、処理ユニット２０２の上流に圧力ユニット２１２が配置される。本発明の様々なモデルで用いられ得るこの構成は、処理ユニット２０２に送出される流体の湿度を下げるという長所を有する。従って、処理ユニット２０２の水蒸気を除去する必要性が減少する。更に、圧力ユニット２１２が図２のように配設されると、ユニット２１２の下流の圧力が低下し、流体速度が増加するので、処理ユニット２０２の有効性が向上する。
【００３３】
図３は、電気化学的電池スタックに送出されるプロセス流体を処理するためのシステム３００の別の実施形態のブロック図を示す。図２に示されるシステムと同様に、システム３００は、第１の処理ユニット２０２と、フィルタ２０４と、少なくとも１つのプロセス流体導管２０６と、加湿器２１０を有するプロセス流体源２０８と、圧力ユニット２１２とを含む。更に、システム３００は、燃料電池スタック１００（図３では図示せず）へと導く導管２０６とフィルタ２０４との間に配設された第２の処理ユニット３０２を含む。
【００３４】
第２の処理ユニット３０２は、フィルタ２０４から出るプロセス流体の温度を上げることができる。この温度の上昇は一般的に小さく（摂氏５度〜３０度の範囲内）、プロセス流体内での更なる氷の結晶の形成を防止する。
【００３５】
数時間程度の運転の後には、処理ユニット２０２及び３０２並びにフィルタ２０４には氷が詰まる。処理ユニット２０２及び３０２並びにフィルタ２０４が水の凍結点より高い温度に温められると、蓄積された氷が溶けて水になり、処理性能に影響を与えることなく排水される。この氷の蓄積を防止する方法は、スタックが一般的に、一度に数時間の間のみ、零下条件で動作する場合に、許容可能である。
【００３６】
氷の蓄積が問題となる場合には、蓄積した氷を溶かすために、補助的な熱源でフィルタを加熱できる。別の実施形態では、各フィルタ内での氷の蓄積を制限するための、氷の除去の負荷を分けるために、２つ以上のフィルタを用いることができる。
【００３７】
ＭＥＡ１２４における触媒反応には、電極内に湿り気が存在する必要があるが、その湿り気が凍結した場合には、電極膜に小さい損傷が生じ得る。０．１ミクロンの粒子に対するフィルタ効率は９５％である。圧力装置２１２と処理装置２０２との間のプロセス流体の圧力を監視して、導管２０６の後にあるスタック入口における圧力と比較することができる。処理ユニット２０２の前の圧力が、導管２０６の後の圧力よりかなり高くなる場合には、処理ユニット２０２又はフィルタ２０４に、氷によってかなりの負荷がかかっていることが推測できる。
【００３８】
燃料電池の動作条件が、水の凍結点より高い露点を必要とする場合には、処理ユニット２０２及びフィルタ２０４は、その動作ガス温度に制御される。これにより、水の凝結又は熱の損失の可能性が低減され、従って、プロセス流体の状態に対する感知可能なほどの影響はない。
【００３９】
一般的な動作では、流体源２０８内の加湿器２１０は、４００ｋＰａのゲージ圧力における露点が摂氏３０度の範囲で動作する。従って、ガス流の水蒸気含有量は、ガス１キログラム当たりの水が０．０７５９キログラムである。一般的に要求されるスタック動作条件は、１００ｋＰａゲージにおいて摂氏−３０度の露点を有する。従って、ガス流の必要な水蒸気含有量は、ガス１キログラム当たりの水が０．００２２キログラムである。この実施形態では、処理ユニット２０２及び２０４は、ガス１キログラム当たり０．０７３７キログラムの水を除去する必要がある。
【００４０】
プロセス流体源２０８と処理ユニット２０２との間に圧力ユニット２１２がない実施形態では、プロセス流体源２０８は、より含水量が高い流体を生じる。加湿器２１０が、１００ｋＰａのゲージ圧力における露点が摂氏３０度の範囲で動作すると、ガス流の水蒸気含有量は、ガス１キログラム当たりの水が０．１９１５キログラムである。従って、スタック内で、１００ｋＰａゲージにおける摂氏−３０度の状態を達成するには、処理ユニット２０２及び２０４は、ガス１キログラム当たり０．１８９３キログラムの水を除去する必要がある。水の除去率が２倍になるので、テストステーションは、処理ユニット２０２及びフィルタ２０４に氷が詰まるまでの半分の時間を動作できるようになる。
【００４１】
図４Ａは、図２の処理ユニット２０２を示す。図３の処理ユニット３０２も同様である。処理ユニット２０２は、加熱及び冷却循環モジュール３４８と、冷却装置３６０と、流れ制御弁３６２とを含む。加熱及び冷却循環モジュール３４８は、第１の熱交換器３５０と、第２の熱交換器３５２と、加熱器３５４と、温度センサ３５６と、ポンプ３５８と、温度制御ユニット３６４とを含む。
【００４２】
冷却装置３６０は、第１の熱交換器３５０に、そこから熱を取り出すための、オイル等といった第１の熱交換流体（図示せず）を供給する。具体的には、第１の熱交換流体は、第１のループ３６６を循環し、第１の交換器３５０から冷却装置３６０に熱を伝達する。
【００４３】
第２のループ３６８は、例えば同じくオイルであってもよい第２の熱交換流体（図示せず）の動きを示す。第２のループ３６８を通って流れる第２の熱交換流体の温度は、冷却装置３６０から第１の熱交換器３５０を通る第１の熱交換流体の流量を、流れ制御弁３６２を用いて調節することによって調節される。流れ制御弁３６２及び温度センサ３５６は、制御装置３６４による熱交換の調節を可能にする。
【００４４】
ポンプ３５８は、遠心式であってもよく、又は容積式であってもよい。ポンプ３５８は、意図される動作温度範囲内（下は摂氏−４０度から上は１２０度まで）で一般的な熱交換流体が示し得る粘度の大きな変動に対応するのに十分なポンプ能力を有する。
【００４５】
温度制御ユニット３６４は、加熱器３５４で加熱されるか又は第１の熱交換器３５０で冷却され、次に第２の熱交換器３５２で用いられる、第２の熱交換流体の温度を調節する。一部のみが示されている第３のループ３７０は、プロセス流体源２０８（図２及び図３に示されており、図４Ａ又は図４Ｂには示されていない）から導管２０６（図２及び図３に示されており、図４Ａ又は図４Ｂには示されていない）へのプロセス流体（図示せず）の流れを示す。プロセス流体は、第２の熱交換器３５２の第２の熱交換流体との熱交換を行う。
【００４６】
第１の熱交換流体は、冷却装置３６０の加熱装置又は冷却装置（図示せず）への効率的な熱の伝達のために最適化され、一方、第２の熱交換流体は、プロセス流体からの効率的な熱の伝達のために最適化される。熱交換器３５２を通る流れは、逆流に設定される。従って、熱交換器３５２から出る流体の温度は、センサ３５６によって測定される、流入する流体の温度と近い。ループ３６８内の伝導流体の熱容量は、プロセス流体の熱容量よりかなり高く、熱交換器は、流出するプロセス流体の温度が伝導流体の温度と一致するように、乱流を保つよう設計される。
【００４７】
図４Ｂには、図４Ａの処理ユニットの実施形態の変形がブロック図として示されている。構成要素は同じであるが、相対配置が異なる。具体的には、図４Ｂの実施形態では、加熱器３５４は、第１の熱交換器３５０の上流に配設される。図４Ａに示される実施形態と図４Ｂに示される実施形態との間の選択は、使用可能な空間に最も適したレイアウトによって影響され得る。
【００４８】
特に便利な実施形態では、１つの冷却装置が、複数の加熱及び冷却モジュールのために働くことができる。図５には、そのような実施形態に対応するシステム４００のブロック図が示されている。システム４００は、対応する流れ制御弁３６２を介して複数の加熱及び冷却モジュール３４８に接続される冷却装置３６０を含む。各加熱及び冷却循環モジュール３４８は、プロセス流体導管２０６を介して電池スタック１００に接続される。フィルタ２０４は、加熱及び冷却モジュール３４８の下流に配設される。
【００４９】
各加熱及び冷却モジュール３４８は、各々が収容するプロセス流体の温度を独立して設定できる。各加熱及び冷却循環モジュール３４８には、フィルタ２０４が関連付けられている。各フィルタ２０４は、関連付けられた加熱及び冷却循環モジュール３４８がプロセス流体に氷の粒を形成させるのに十分に低い温度を与えた際に形成された氷の粒を除去する。プロセス流体導管２０６は、濾過されたプロセス流体を、フィルタ２０４から関連付けられた電気化学的電池スタック１００に送出する。この電池スタック１００は図１により詳細に示されている。冷却装置３６０は、加熱及び冷却モジュール３４８から熱を除去する。
【００５０】
具体的には、冷却装置３６０は、遠隔の加熱及び冷却モジュール３４８から熱を除去するために、加熱及び冷却モジュール３４８に、オイル等の熱交換流体を供給する。上述したように、圧力ユニット（図５では図示せず）を用いることができる。加熱及び冷却モジュール３４８については、先に図４Ａ及び図４Ｂを参照して説明した通りであり、説明は繰り返さない。
【００５１】
複数の加熱及び冷却モジュール３４８のために働く中央冷却装置３６０の使用には、複数の長所がある。第１に、各電池スタックにつき１つの冷却装置を用いる代わりに、１つの冷却装置３６０のみを用いるので、コストの節約になる。第２に、適切な絶縁（断熱）を施せば、冷却装置３６０を加熱及び冷却モジュール装置３４８から離すことができる（装置３６０とモジュール３４８とは５メートル以上離すことができる）ため、加熱及び冷却モジュール３４８の多くの場所で装置にアクセスする代わりに、冷却装置を１つの場所で補修できるので、都合が良い。また、冷却装置３６０の管理を加熱及び冷却モジュール３４８の管理から分離することが、より容易にできる。従って、冷却装置３６０の管理及び保守を、第三者サービス提供者に任せることができる。そのような構成は、複数のグループで稼働する電気化学的電池スタック又はテストステーションの個々の冷却装置の購入及び補修を行うための、オペレータが必要なくなるので、コストを低減できる。代わりに、冷却装置の補修を、第三者サービス提供者にアウトソーシングすることもできよう。
【００５２】
当業者は、本発明の教示を知った後に、本願明細書に開示された実施形態に対して様々な変形を行い得ることが予想される。例えば、上記では、電池スタックを零下条件でテストする状況で用いられる処理システムに重きを置いたが、より一般的には、この処理システムは、通常動作中に電池に流入するプロセス流体の特性をより良好に最適化するために、プロセス流体を処理できる。従って、上述の処理システムは、電池スタックの性能を改善するために、温度、圧力、及び湿度の少なくとも１つを上昇又は下降させる等というように、プロセス流体の特性を変更するために用いることができる。
【００５３】
なお、本発明は、主に、燃料電池スタック又は発電モジュールのテストステーションにおけるプロセスガスの処理に関するものであることを理解されたい。そのような燃料電池スタックの低温始動能力をテストする際には、スタック内で氷が形成して流路等を遮断し得る条件下での燃料電池スタックの挙動をテストするために、プロセスガスを零下温度で供給することが必要である。しかし、燃料電池スタックは、一旦始動されて運転していれば、通常は、摂氏０度より十分に高い温度に温められるので、氷が蓄積する可能性の問題は回避されることも認識される。従って、テストステーションは、フィルタ内での氷の粒の蓄積が許容できる比較的短時間の間に、プロセスガスを零下温度で供給できれば十分である場合が多い。
【００５４】
本発明は、低温始動能力を提供するための、燃料電池発電システムの「バランスオブプラント（ＢＯＰ）」の一部としての適用可能性を有することが期待されることも理解されたい。従って、本発明は、ＰＥＭ（陽子交換膜）燃料電池に加えて、水分が凝縮されて氷の粒を形成するような方法でのガス又はプロセス流体のコンディショニングを必要とする他の任意の燃料電池を含む、広範囲の燃料電池に対する適用可能性を有する。
【００５５】
燃料電池テストステーションは、燃料電池スタック又は発電モジュールの運転に必要なＢＯＰを提供する装置であり、通常は、燃料及び酸化体ガスを所望の流量及び圧力で供給するための手段と、プロセスガスをコンディショニングして所望の温度及び湿度レベルを与えるための手段と、プロセスガス用の、及び／又は、これらのガスを必要に応じて再循環させるための通気口又は排気口と、燃料電池スタックによって発電された電力を吸収するための負荷と、冷却剤を所望の流量及び温度で供給するための供給接続と、例えば、燃料電池スタックによって発電される全体的な電流及び電圧の測定、個々の電池の電圧の監視、電池スタックの入口及び／又は出口におけるプロセスガスの状態の監視、冷却剤の流量及び温度の監視を含む、様々な監視装置及びセンサと、燃料電池スタック又は発電モジュールを収容するための筺体とを含む。発電モジュールは、通常は、運転に必要なＢＯＰ構成要素が関連付けられた燃料電池スタックであるので、テストステーションに要求される機能は減る。
【００５６】
更に、システム内の構成要素の数及び配置は異なっていてもよく、同じ特定の機能を達成するために、異なる要素が用いられてもよい。しかし、これらの変形は、添付の特許請求の範囲で定められる本発明の範囲に包含されるものと見なされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】電気化学的電池スタックの分解斜視図である。
【図２】電気化学的電池スタックに送出されるプロセス流体を処理するシステムのブロック図である。
【図３】電気化学的電池スタックに送出されるプロセス流体を処理するシステムの別の実施形態のブロック図である。
【図４Ａ】図２の処理ユニットのブロック図である。
【図４Ｂ】図２の処理ユニットの別の実施形態のブロック図である。
【図５】１つの冷却装置及び複数の加熱及び冷却ユニットを含む、電気化学的電池に送出されるプロセス流体を処理するシステムのブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【国際調査報告】
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