(57)【要約】  発電システムは、燃料電池スタックと、発電システムの運転停止後に存在している水を凝縮させ、かつ、収集することができる少なくとも１つの凝縮部を発電システム内に有している。一実施形態では、凝縮部と運転停止後の発電システム内の少なくとも１つの他のコンポーネントとの間の温度勾配を維持することによって運転停止後の乾燥が改善される。温度勾配は、たとえば燃料電池スタックを熱絶縁コンテナに収納し、かつ、熱絶縁コンテナの外側に凝縮部を配置することによって維持される。他の実施形態では、発電システム内の所望の位置に水吸着材が配置された吸着ユニットを使用して運転停止後の乾燥が達成される。
2007535098.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池をベースとする発電システムであって、
前記発電システムに存在する水を凝縮させるように動作させることができる、前記発電システムの運転が停止した後の温度が第１の温度である第１のコンポーネントと、
前記発電システムの運転が停止した後の温度が前記第１のコンポーネントの前記第１の温度より高い第２の温度である少なくとも１つの他のコンポーネントと、
前記発電システムの運転が停止した後、実質的な期間のあいだ前記第１のコンポーネントと前記少なくとも１つの他のコンポーネントとの間の温度勾配を維持するサブシステムとを備えた発電システム。
【請求項２】
前記第１のコンポーネントが凝縮器である、請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの他のコンポーネントが、少なくとも１つの燃料電池を有する燃料電池スタックである、請求項１に記載の発電システム。
【請求項４】
前記少なくとも１つの他のコンポーネントが、センサ、弁およびファンからなる発電コンポーネントのグループから選択される、請求項１に記載の発電システム。
【請求項５】
前記サブシステムが、前記少なくとも１つの他のコンポーネントを収納するための第１の熱絶縁体を備え、前記第１のコンポーネントが前記第１の熱絶縁体の外側に配置された、請求項１に記載の発電システム。
【請求項６】
前記第１の熱絶縁体を前記発電システムの第２のコンポーネントに結合している熱ブリッジをさらに備え、前記第２のコンポーネントが前記第１の熱絶縁体の外側に配置された、請求項５に記載の発電システム。
【請求項７】
前記第１の熱絶縁体から前記第２のコンポーネントへ熱を選択的に伝達させるように前記熱ブリッジを動作させることができる、請求項６に記載の発電システム。
【請求項８】
前記熱ブリッジが熱伝導材料でできている、請求項６に記載の発電システム。
【請求項９】
前記熱伝導材料が銅である、請求項８に記載の発電システム。
【請求項１０】
前記サブシステムが、前記少なくとも１つの他のコンポーネントを収納するための第１の熱絶縁体および第２のコンポーネントを収納するための第２の熱絶縁体を備えた、請求項１に記載の発電システム。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの他のコンポーネントが、少なくとも１つの燃料電池を有する燃料電池スタックであり、前記第２のコンポーネントが、センサ、弁およびファンからなる発電コンポーネントのグループから選択される、請求項１０に記載の発電システム。
【請求項１２】
前記第１の熱絶縁体を前記第２の熱絶縁体に結合し、それらの間の一定量の熱伝達を可能にする熱ブリッジをさらに備えた、請求項１０に記載の発電システム。
【請求項１３】
前記発電システム内に配置された、前記発電システムの運転停止後に前記発電システムに存在している水の少なくとも一部を引き寄せるための水吸着材をさらに備えた、請求項１に記載の発電システム。
【請求項１４】
前記サブシステムが前記第１のコンポーネントを冷却するためのファンを備えた、請求項１に記載の発電システム。
【請求項１５】
燃料電池をベースとする発電システムであって、
集水装置と、
前記集水コンポーネントに結合され、前記発電システムの運転停止後に前記発電システムに存在している水の少なくとも一部を引き寄せるために前記発電システム内に配置された水吸着材とを備えた発電システム。
【請求項１６】
少なくとも１つの燃料電池を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに酸化剤の流れを供給する圧縮機とをさらに備え、前記燃料電池スタックと前記圧縮機の間に前記集水装置が配置された、請求項１５に記載の発電システム。
【請求項１７】
前記水吸着材がシリカゲルである、請求項１５に記載の発電システム。
【請求項１８】
前記水吸着材がゼオライトである、請求項１５に記載の発電システム。
【請求項１９】
前記水吸着材がイオン交換樹脂である、請求項１５に記載の発電システム。
【請求項２０】
前記水吸着材を再生させるように動作させることができる加熱素子をさらに備えた、請求項１５に記載の発電システム。
【請求項２１】
前記発電システムに存在する水を凝縮させるように動作させることができる、前記発電システムの運転が停止した後の温度が第１の温度である第１のコンポーネントと、
前記発電システムの運転が停止した後の温度が前記第１のコンポーネントの前記第１の温度より高い第２の温度である少なくとも１つの他のコンポーネントと、
前記発電システムの運転が停止した後、実質的な期間のあいだ前記第１のコンポーネントと前記少なくとも１つの他のコンポーネントとの間の温度勾配を維持するサブシステムとをさらに備えた、請求項１５に記載の発電システム。
【請求項２２】
燃料電池をベースとする発電システムを運転する方法であって、
前記発電システムを運転している間に、前記発電システム内の第１のコンポーネントと第２のコンポーネントの間の温度勾配を確立するステップと、ここで前記第１のコンポーネントが前記発電システムに存在する水を凝縮させるように動作可能であり、
前記発電システムの運転を停止するステップと、ここで前記発電システムの運転が停止した後の前記第１のコンポーネントの温度が第１の温度であり、前記第２のコンポーネントの温度が第２の温度であり、前記第１の温度が前記第２の温度より低く、それにより前記第１のコンポーネントと前記第２のコンポーネントの間の温度勾配が得られ、
前記発電システムに存在する水分の少なくとも一部を前記第２のコンポーネントから前記第１のコンポーネントへ引き出すために、前記発電システムの運転を停止した後、少なくとも実質的な期間のあいだ前記温度勾配を維持するステップとを含む方法。
【請求項２３】
前記発電システム内の前記第１のコンポーネントと前記第２のコンポーネントの間の温度勾配を確立するステップが、前記第１のコンポーネントを凝縮器として動作させるステップを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記発電システム内の前記第１のコンポーネントと前記第２のコンポーネントの間の温度勾配を確立するステップが、前記第２のコンポーネントを少なくとも１つの燃料電池を有する燃料電池スタックとして動作させるステップを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記発電システム内の前記第１のコンポーネントと前記第２のコンポーネントの間の温度勾配を確立するステップが、少なくとも１つの燃料電池を有する燃料電池スタックを絶縁コンテナである前記第２のコンポーネントの中に密閉するステップを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記発電システムの運転を停止した後、少なくとも実質的な期間のあいだ前記温度勾配を維持するステップが、冷却ファンを使用して実質的な期間のあいだ前記第１のコンポーネントを冷却するステップを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
前記発電システムの運転を停止した後、少なくとも実質的な期間のあいだ前記温度勾配を維持するステップが、実質的な期間のあいだ冷却ファンを使用して前記第１のコンポーネントを冷却し、かつ、前記第２のコンポーネントを熱絶縁するステップを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２８】
実質的な期間のあいだ前記第２のコンポーネントを連続的に熱絶縁するために、前記第２のコンポーネントを熱絶縁するステップが一定量のエネルギーを供給するステップを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
吸着材を使用して前記発電システム内の所望の位置から余分な水分を抽出するステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項３０】
前記発電システム内の所望の位置から余分な水分を抽出するステップが、前記発電システムの酸化剤の流れを前記吸着材を介して導くステップを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記吸着材によって吸着した水分の少なくとも一部を脱着させるステップをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記吸着材を加熱することによって前記吸着材を再生させるステップをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
熱ブリッジを介して前記第２のコンポーネントと第３のコンポーネントの間で一定量の熱を伝達させるステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項３４】
燃料電池をベースとする発電システムの運転を停止した後に前記発電システムを運転する方法であって、
前記発電システム内の少なくとも１つの燃料電池が酸化剤の流れを受け取る前に、前記酸化剤の流れを吸着材を介して受け取るステップと、
前記吸着材を使用して前記酸化剤の流れから水分の少なくとも一部を吸着させるステップとを含む方法。
【請求項３５】
前記吸着材によって吸着した水分の少なくとも一部を脱着させるステップをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記吸着材を加熱することによって前記吸着材を再生させるステップをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
前記発電システムに存在する水分の少なくとも一部を第２のコンポーネントから第１のコンポーネントへ引き出すために、前記発電システムの運転を停止した後、少なくとも実質的な期間のあいだ温度勾配を維持するステップをさらに含み、前記第１のコンポーネントが受け取った水分を凝縮させるように動作可能である、請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
燃料電池をベースとする発電システムであって、
前記発電システムに存在する水の少なくとも一部を凝縮させるための、前記発電システムの運転が停止した後の温度が第１の温度である凝縮手段と、
前記凝縮手段と流体連絡している、前記発電システムの運転が停止した後の温度が第１のコンポーネントの前記第１の温度より高い第２の温度である、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するための電気化学変換手段と、
前記発電システムの運転が停止した後、少なくとも実質的な期間のあいだ前記凝縮手段と少なくとも前記電気化学変換手段との間の温度勾配を維持する温度勾配維持手段とを備えた発電システム。
【請求項３９】
前記凝縮手段が凝縮器である、請求項３８に記載の発電システム。
【請求項４０】
前記電気化学変換手段が、前記発電システム内に配置された少なくとも１つの燃料電池である、請求項３８に記載の発電システム。
【請求項４１】
前記温度勾配維持手段が、少なくとも前記電気化学変換手段を収納するための熱絶縁コンテナを含む、請求項３８に記載の発電システム。
【請求項４２】
前記温度勾配維持手段が、前記発電システムの運転が停止した後の前記凝縮手段を冷却するための冷却ファンをさらに含む、請求項４１に記載の発電システム。
【請求項４３】
前記温度勾配維持手段が、前記発電システムの運転が停止した後の前記凝縮手段を冷却するための冷却ファンを含む、請求項３８に記載の発電システム。
【請求項４４】
前記温度勾配維持手段が、少なくとも前記電気化学変換手段を収納するための熱絶縁コンテナをさらに含む、請求項４３に記載の発電システム。
【請求項４５】
前記発電システムに存在している余分な水分の少なくとも一部を吸着させるための吸着手段をさらに備え、前記吸着手段が酸化剤の流れから流体を受け取るために配置される、請求項３８に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本システムおよび方法は、燃料電池をベースとする電気エネルギーを生成するための発電システムに関し、詳細にはこのようなシステムの凍結始動能力を改善することである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する電気化学エネルギー変換器である。そのために、反応物として燃料および空気などの酸化剤が燃料電池に供給される。これらの反応物は、電解質によって空間的に分離されており、この電解質を介してイオン交換が生じる。水素またはメタンは、このような燃料の一例である。重合体電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、リン酸燃料電池（ＰＡＦＣ）および固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を始めとするいくつかのタイプの燃料電池が知られている。上に挙げた燃料電池以外にも多くのタイプの燃料電池が存在しており、本システムおよび方法は、特定のタイプの燃料電池、特定の燃料および特定のアプリケーションに限定されない。たとえば、自動車両における本発明のシステムおよび方法のアプリケーションは、可能実施形態の１つにすぎない。
【０００３】
燃料電池には水が存在している。この水は、場合によっては水素と酸素の反応生成物として燃料電池内で生成され、あるいは場合によっては冷却または加湿を目的として燃料電池に供給される。たとえば、ＰＥＭ燃料電池内で電解質として作用している膜は、有効な陽イオン交換を可能にするためには加湿しなければならない。そのために、通常、燃料システムの加湿ならびに酸化剤の流れに対する加湿が使用されている。多くの場合、燃料電池の上流側の加湿器の水を使用して両方の反応物の流れが加湿されている。また、燃料電池を冷却するために、燃料電池内の専用の冷却通路を介して水が導かれる場合もある。
【０００４】
燃料電池の運転が停止すると、燃料電池に含まれている流体の温度および発電システムのコンポーネントの温度が周囲温度まで徐々に低下する。この期間の間、発電システムの流体通路に依然として存在している水蒸気が液体水として凝縮し、凝結する。周囲温度が０℃未満に低下すると、場合によっては発電システムに存在しているあらゆる水が凍結する。このような水は、燃料電池内に存在している場合もあるが、反応物のための循環装置（たとえばポンプ、圧縮機、ファン、送風機）、弁などの発電システムの他の領域、あるいは反応物の流れまたは冷却水を発電システムを介して導く流体通路に存在している場合もある。これらの流体通路は、センサが配置されているデッド・エンドの隅あるいは末端部などに、水を蓄積することができる領域を有していることがしばしばである。
【０００５】
凝縮した水滴あるいは氷が発電システム内に依然として存在している場合、発電を再開する場合に問題が生じることがある。氷あるいは凝縮した水の存在は、反応物の流れを妨害し、また、とりわけ氷の存在は、弁、センサあるいは循環装置などのシステム・コンポーネントの適切な機能に影響することがある。状況によっては、そのためにコンポーネントが損傷することがある。
【０００６】
水滴および氷の蓄積を防止し、燃料電池システムの凍結始動能力を改善するための従来の手法は、運転が停止した直後に燃料電池システムの流体通路をパージする（即ち、乾燥したガスを吹きつける）ことである。しかしながらこの方法にはいくつかの欠点がある。パージを使用するためにはかなりの期間およびエネルギーが必要である。また、燃料電池システムに存在している水の量が未知であるため、十分に乾燥させるために適したパージ・ガスの量およびパージの継続期間を予測することが困難である。さらに、流体通路システムのアクセスが困難なスポット、たとえば流体通路の末端部および隅に付着した水にパージ・ガスを到達させることが困難である。また、通常、ＰＥＭ燃料電池の膜を完全に乾燥させることはできない。若干の水が蓄積した部分が必ず残留しており、そこから他の部分、とりわけ発電システム内の重要な部分へ水が拡散することになる。
【０００７】
特許文献１には、発電運転の間冷却される、燃料電池スタックの内部流体通路を乾燥させるための凝縮器の準備が提案されている。車両用燃料電池スタックの場合、特許文献１によれば、エア・ドラフトによって冷却されるよう、ラジエータ・グリルの直ぐ後ろへの凝縮器の配置が提案されている。特許文献１による解決法の目的は、運転が停止した後、燃料電池スタックの流体通路に依然として存在している水蒸気を開放経路を介して凝縮器へ移動させ、そこで凝結させることである。したがって凝縮器は所定の凝縮部を形成している。
【０００８】
燃料電池スタック内の水の凍結に関連する問題を最小化し、あるいは回避するための代替手法は、燃料電池スタックを熱絶縁コンテナに収納することである。この手法は、特許文献２に記載されている。熱絶縁コンテナを使用して燃料電池スタックのみを収納する場合の欠点の１つは、発電システムの他のコンポーネントがアクセス不可能な場所に水を保持する可能性があることである。特許文献２に記載されているシステムによれば、熱絶縁コンテナ内に配置された加熱システムを使用して熱絶縁コンテナ内の温度を凍結温度より十分に高い温度に維持することにより、燃料電池スタックに残留している水の凍結が防止される。しかしながら、運転が停止した後、発電システムの反応物通路に水滴が残留する可能性がある。
【特許文献１】特開２００３−１４２１３６号公報
【特許文献２】米国公開２００３／０１６２０６３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本システムおよび方法は、１つまたは複数の燃料電池から構成された燃料電池スタックを有する発電システムと、運転停止後の発電システムに存在している水が凝縮する少なくとも１つの所定の凝縮部とを備えている。所定の凝縮部と発電システムの運転が停止した後の発電システムの少なくとも他の部分との間の温度勾配の等化（縮小）を禁止するべく意図され、かつ、設計された方法および装置が提供される。したがって運転停止後の温度勾配を強制的に維持することができ、あるいは少なくとも温度勾配の減衰を抑制することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
温度の等化を禁止するべく実施することができる様々な手段が存在している。一実施形態では、そのために使用される装置は、たとえば、この絶縁コンテナの外側に所定の凝縮部が配置された、少なくとも燃料電池スタックを収納する絶縁コンテナの形態の少なくとも熱絶縁ジャケットを備えることができる。同一の絶縁コンテナまたは他の絶縁コンテナに、反応物供給循環装置などの発電システムの他のコンポーネントを配置することができる。同様に、場合によっては発電システムのセンサおよび弁の一部あるいはそれらのすべてを絶縁コンテナ内に配置することが有利である。一実施形態では、所定の凝縮部のみが反応物および／または冷却水が輸送されるパイプ・システムの隣接するあらゆる部分と共に絶縁コンテナの外側に配置されている。
【００１１】
本システムおよび方法による絶縁コンテナは、絶縁コンテナ内に設置されるコンポーネントと外側に配置される凝縮器との間の温度勾配を維持するように作用する。
【００１２】
所定の凝縮部に対して絶縁すべき発電システムの必ずしもすべてのコンポーネントを同じ絶縁コンテナ内に収納する必要はない。代替実施形態では、２つ（さらにはそれ以上）の個別の絶縁コンテナを提供して発電システムの様々なコンポーネントを収納することができる。また、いくつかの実施形態では、異なる絶縁コンテナと絶縁コンテナの間に提供される良好な熱導体（たとえば銅）である材料の熱ブリッジを存在させることも可能である。さらに他の実施形態では、絶縁コンテナと絶縁コンテナの外側に配置される１つまたは複数の個別コンポーネントとの間に熱ブリッジを施すことができる。
【００１３】
温度等化の禁止は、絶縁コンテナの代わりに、あるいは絶縁コンテナの他に、所定の凝縮部を冷却する冷却ファンからなっていてもよい。代替実施形態では、絶縁コンテナに加熱器を提供することができる。
【００１４】
本システムおよび方法の他の実施形態では、発電システムは、１つまたは複数の燃料電池を有する燃料電池スタックと、発電システムの運転が停止した後の発電システムに依然として存在している水を引き寄せるべく意図され、かつ、設計された受動集水コンポーネントとを備えている。受動集水コンポーネントは水吸着材を含有している。
【００１５】
また、吸着材を使用して水が発電システム内の望ましくない部分に残留するのを防止することにより、運転停止後に発電システムの所定の部分に依然として存在している（蒸気あるいは水滴の形で）あらゆる水を収集する目的の達成が促進される。吸着材は、たとえばポンプとは対照的に受動的に作用し、水を引き寄せるための余計なエネルギーは不要である。これは、発電システムの総合的なエネルギー平衡に対して有利な効果を有している。吸着材として適した有望な材料には、原理上は、イオン交換樹脂、シリカゲルあるいはゼオライトなどの水吸着特性を有するあらゆる材料が含まれている。吸着材の量は、とりわけ発電システムを運転している間に使用される水の量、および運転停止後の発電システムにおける期待残留水量に基づいて決定することができる。
【００１６】
一実施形態では、燃料電池スタックと該燃料電池スタックの上流側に接続された、該燃料電池スタックに反応物の流れを供給する圧縮機との間に、吸着材を含有した集水コンポーネントが配置されている。圧縮によって反応物の流れが加熱され、それにより、通常、反応物の流れから水分が抽出される。つまり反応物の流れがドライヤになる。圧縮機の出口で利用することができる暖かく、かつ、乾燥した反応物の流れを吸着材を介して導くことにより、吸着材は、運転を再開する際に極めて効果的に脱着（再生）することができる。別法としては、個別の加熱素子を提供して吸着材を再生することも可能である。
【００１７】
上で説明した２つの態様を組み合わせることができることは当業者には理解されよう。たとえば、発電システム内のはるかに距離を隔てた位置に所定の凝縮部および吸着材を配置することができ、あるいは別法として、吸着材を含有した集水コンポーネントを所定の凝縮部を形成している冷スポットの直ぐ近くに配置することも可能である。さらに他の代替実施形態では、発電システム内の最も冷たい冷点に集水コンポーネントを配置することができる。
【００１８】
また、本システムおよび方法には、さらに、１つまたは複数の燃料電池の燃料電池スタックを備えた発電システムの凍結始動能力を改善する方法が含まれており、所望の少なくとも１つの凝縮部によって運転停止後の発電システムから水分が抽出される。本システムおよび方法によれば、所望の少なくとも１つの凝縮部と、運転停止後の発電システムの他のコンポーネント（すなわち乾燥させるべきコンポーネント）との間の温度勾配の等化が禁止される。温度の等化は、少なくとも燃料電池スタックが配置される、所望の少なくとも１つの凝縮部が外側に配置された熱絶縁コンテナによって禁止することができる。
【００１９】
この方法の代替実施形態では、運転停止後の発電システムから受動集水コンポーネントによって水分を抽出することによって発電システムの凍結始動能力を改善することができ、ここでは水分を除去するための水吸着材が使用されている。
【００２０】
これらおよび他の態様については、添付の図面および以下の詳細な説明を参照することによって明らかにされる。
【００２１】
図面において、同一の参照番号は、類似した構成要素または類似した作用を表している。図面に示す構成要素のサイズおよび相対位置は、必ずしもスケール通りには描かれていない。たとえば、様々な構成要素の形状および角度は、スケール通りではなく、また、これらの構成要素のいくつかは、図面を分かり易くするために恣意的に拡大され、かつ、配置されている。また、描かれている構成要素の特定の形状は、特定の構成要素の実際の形状に関する何らかの情報の伝達を意図したものではなく、単に図面を見易くするために選択されたものにすぎない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下の説明においては、本発明の様々な実施形態を完全に理解するために、ある特定の詳細が示されている。しかしながら、これらの詳細を必要とすることなく本発明を実践することができることは当業者には理解されよう。したがって、本発明による実施形態についての説明を明確にするために、燃料電池および発電システムに関連する良く知られている構造については、本明細書においては図示および詳細な説明は省略されている。
【００２３】
文脈が特に要求しない場合、「備えた」という用語およびそれに関連する「備えている」などの用語は、本明細書および特許請求の範囲を通して、「含んでいるが、それには限定されない」という意味を含めて広義に解釈されたい。
【００２４】
本明細書の中で示されている項目は、単に便宜上のものにすぎず、請求項の発明の範囲または効力を示すものとして解釈してはならない。
【００２５】
運転中に確立される、凝縮部と発電システムの他のコンポーネントとの間の温度勾配のみを乾燥手段として利用している場合、燃料電池スタックおよび発電システムの他のコンポーネント、たとえば循環装置、弁およびセンサなどを適切に乾燥させるだけでは場合によっては不十分であることが分かっている。運転停止後に極めて急激な非制御温度等化が生じ、そのために十分な量の残留水が発電システムの様々な領域で捕獲されない状況がしばしば生じている。
【００２６】
図１は、燃料電池スタック１２を有する発電システム１０を示したものである。燃料電池スタック１２は、通常、スタック１２に組み合わせた多数の個別燃料電池を備えているが、分かり易くするために図１には単一の燃料電池１４のみが示されている。燃料電池１４は、電解質２０によって分離されたアノード１６およびカソード１８を有している。図１には詳細に示されていないが、燃料の流れがアノード１６に供給され、また、空気などの酸化剤の流れがカソード１８に供給されている。一実施形態では、燃料電池１４は、自動車両に使用するための重合体電解質膜燃料電池である。また、燃料電池１４は、水などの冷却用の冷媒が流れる冷却領域２２を備えている。
【００２７】
発電システム１０を運転している間、一定の量の残留燃料（つまり燃料電池１４内で未消費の燃料）がアノード再循環ループ２４内を再循環し、アノードの入口側で一定の量の新しい燃料とこの残留燃料が混合される。これについての詳細な説明は省略するが、当分野で知られている通りである。アノード再循環ループ２４は、残留燃料をアノード１６の入口に導く再循環ファン２６などの再循環装置を備えている。発電システム１０は、残留燃料の様々な特性、たとえば圧力、温度、濃度および／または相対湿度などを測定するべく機能することができるセンサ２８および３０を備えることができる。
【００２８】
圧縮機３２は、カソード１８の入口側に空気の流れを引き渡している。１つまたは複数のセンサ３４は、空気の流れの様々な特性、たとえば圧力、温度、濃度および／または相対湿度などを測定することができる。
【００２９】
発電システム１０を運転している間、加湿器の水を使用して、アノード１６およびカソード１８に供給される反応物ガスが加湿され、それにより電解質２０の水分が維持される。反応物ガスに加えられる加湿水を使用して再循環ファン２６および／または圧縮機３２が冷却される。
【００３０】
発電システム１０の運転を停止すると、通常、反応流が流れる通路および冷却水が流れる通路に蒸気または水滴のいずれかの形態の水が残留する。発電システム１０の様々なコンポーネントの温度が時間と共に低下すると、場合によっては水蒸気が凝縮する。さらには、温度が水の凝固点未満に低下すると、発電システム１０内に氷が形成される場合もある。氷が形成されている場合はその結晶が発電システム１０の運転を再開する場合に問題になり、あるいは燃料電池１４内または再循環ファン２６あるいは圧縮機３２などの発電システム１０の他のコンポーネントに水滴が残留している場合はその水滴が発電システム１０の運転を再開する場合に問題になることがある。氷および／または水滴は、反応物および冷媒の流れを妨害することがあり、とりわけ氷は、可動部品を備えたいくつかのシステム・コンポーネント、たとえば発電システム１０内の再循環ファン２６、圧縮機３２および／または弁などに有害な影響を及ぼすことがある。（弁は図１には示されていないが、本明細書において説明するタイプの発電システムは、通常、流体の流れを制御するための多数の弁を備えていることは理解されよう。）
【００３１】
たとえば発電システム１０を備えた車両が駐車され、発電システム１０の運転が停止すると、所望の１つまたは複数の収集点に残留している水を収集することによって様々なシステム・コンポーネントが可能な限り完全に乾燥される。収集点には、凝縮器３６および吸着ユニット３８が設けられている。図に示す実施形態によれば、吸着ユニット３８には水吸着材４０が含まれている。凝縮器３６は、アノード再循環ループ２４に統合されており、再循環ファン２６の下流側に接続されている。吸着ユニット３８は、空気供給／案内システムに統合されている。詳細には、吸着ユニット３８は、圧縮機３２の出口からの暖かい圧縮空気が吸着材４０を通過するよう、圧縮機３２とカソード１８の入口の間に配置されている。
【００３２】
凝縮器３６は、アノード再循環ループ２４内の最も冷たい部分に位置しているため、凝縮部として作用している。温度勾配のため、発電システム１０の運転が停止した後にアノード再循環ループ２４内に依然として存在している残留水はすべて凝縮器３６に引き寄せられ、そこで水が凝縮する。凝縮器３６と燃料電池スタック１２との間、ならびに再循環ファン２６などのアノード再循環ループ２４の他のコンポーネントとの間の温度勾配は、発電システム１０を運転している間に確立することができる。たとえば発電システム１０を車両に搭載する場合、エア・ドラフトを使用して凝縮器３６を冷却することができる。他の実施形態では、凝縮器３６と冷却ファン４２を連結して凝縮器３６を選択的に冷却することができる。
【００３３】
発電システム１０の運転が停止した後、十分に長い時間のあいだ凝縮器３６とアノード再循環ループ２４の他のコンポーネント（燃料電池スタック１２を含む）との間の温度勾配を維持するために、絶縁コンテナ４４を提供することができる。一実施形態では、絶縁コンテナ４４は、少なくとも燃料電池スタック１２、再循環ファン２６およびセンサ２８、３０を収納している。絶縁コンテナ４４は、熱絶縁効果を有しており、絶縁コンテナ４４の外部の周囲温度に対する絶縁コンテナに収納されているコンポーネントの温度の等化を禁止している。一方、凝縮器３６は絶縁コンテナ４４の外側に配置されており、したがって絶縁コンテナ４４内に配置されているコンポーネントより速く周囲温度に冷却される。
【００３４】
凝縮器３６の構成は、様々な形態を取ることができる。一実施形態では、凝縮器３６はポット形コンテナであり、引き寄せられた水がその中に収集される。他の実施形態では、凝縮器３６は、湾曲したパープ片から形成されている。さらに他の実施形態では、凝縮器３６は排水弁（図示せず）であり、図１に矢印４６で概略的に示すように、この排水弁を開けることによって集まった水が放出される。凝縮器３６の特定の構成は、発電システム１０に残留する水、とりわけアノード再循環ループ２４に残留する水の期待量によって決まり、また、凝縮中に生成されるエネルギーによって決まる。そのため、凝縮器３６は、通常、凝縮中に生成される熱を速やかに放散させるための十分な広さの表面積を備えるように構成されている。
【００３５】
少なくとも１つの実施形態によれば、絶縁コンテナ４４内のコンポーネントと凝縮器３６の間の温度勾配をさらに維持するために、発電システム１０の運転が停止した後、冷却ファン４２を連続して運転することができる。詳細には、冷却ファン４２によって凝縮器３６の温度を周囲温度未満に冷却することができる。
【００３６】
追加あるいは別法として、吸着ユニット３８によって、発電システム１０から残留水を抽出し、かつ、所定の部分で水を選択的に収集するためのもう１つのオプションが提供される。本明細書において説明する実施形態は、吸着材４０のタイプおよび量の選択に際して特定のタイプの吸着材に限定されないが、発電システム１０に残留する水の総期待量を考慮しなければならない。
【００３７】
発電システム１０の冷却段階で残留水が吸着すると、正規の運転の間、吸着材４０を再生する必要がある。一実施形態では、圧縮機３２の出口で利用することができる加熱圧縮空気を使用して、吸着した水を極めて効果的に脱着させることができる。この実施形態では、より高い温度の圧縮空気をより有効に利用するために、吸着ユニット３８は、空間的に圧縮機３２の直ぐ近くに配置されている。
【００３８】
代替実施形態では、所定の凝縮部がアノード再循環ループ２４に含まれていることに留意されたい。また、発電システム１０の他の領域も同様に備えることができる。たとえば、別法あるいは追加として、発電システム１０の酸化剤供給システムに凝縮器を備えることも可能である。同様に、冷却材ループに凝縮器を備えることも可能である。同様に、発電システム１０は、複数の吸着部を備えることができる。図１に示す実施形態の場合、吸着部は空気供給システム内に配置されているが、別法あるいは追加としてアノード再循環ループ２４および／または冷媒ループに吸着部を配置することも可能である。
【００３９】
さらに他の実施形態では、凝縮器３６の近傍のアノード再循環ループ２４に吸着ユニットを配置することができる。たとえば凝縮器３６の直ぐ近くに吸着ユニットを配置することができる。同様に、発電システム１０の酸化剤システムは、吸着ユニット３８の他に凝縮器を備えることができる。
【００４０】
図２ないし図５では、類似したコンポーネントあるいは類似した機能を備えたコンポーネントは、図１に示す参照記号と同じ参照記号を使用して示されており、小文字のアルファベットが追加されている。以下の説明においては、コンポーネントの機能／構成は、特に指示がない限り上で説明した機能／構成と概ね同じである。
【００４１】
図２に示す実施形態では、燃料電池スタック１２ａのみが絶縁コンテナ４４ａ内に収納され、アノード再循環ループ２４ａの再循環ファン２６ａは、絶縁コンテナ４４ａの外側に配置されている。２つの凝縮器３６ａがアノード再循環ループ２４ａ内に配置されており、再循環ファン２６ａの上流側に一方の凝縮器が配置され、また、再循環ファン２６ａの下流側にもう一方の凝縮器が配置されている。
【００４２】
弁４８ａは、発電システム１０ａに供給される加湿水の量を制御するように機能しており、弁５０ａは、発電システム１０ａからの一定の量の燃料の放出またはパージを可能にしている。図２に示す実施形態では、弁４８ａ、５０ａおよびセンサ２８ａ、３０ａは、絶縁コンテナ４４ａの外側に配置されている。
【００４３】
図３に示す実施形態では、再循環ファン２６ｂ、センサ２８ｂ、３０ｂおよび弁４８ｂ、５０ｂを収納している第２の絶縁コンテナ５２ｂが提供されている。絶縁コンテナ４４ｂおよび５２ｂの外側に配置されているのは、２つの凝縮器３６ｂのみである。図３には示されていないが、発電システム１０ｂの他のコンポーネント、たとえば燃料電池スタック１２ｂの空気供給システムあるいは冷却ループに関連するコンポーネントなども、これらの２つの絶縁コンテナ４４ｂおよび５２ｂのうちのいずれかに収納することができることは理解されよう。
【００４４】
図４に示す実施形態は、２つの絶縁コンテナ４４ｃと５２ｃの間を展開している熱ブリッジ５４ｃを備えている。この熱ブリッジは、良好な熱導体である材料（たとえば銅）から形成されており、２つの絶縁コンテナ４４ｃと５２ｃの間の熱等化、詳細にはコンテナ４４ｃの内部と５２ｃの内部の間の熱等化を提供している。この熱ブリッジ５４ｃを使用することにより、運転中の燃料電池スタック１２ｃによって生成される熱を使用して絶縁コンテナ５２ｃに収納されているコンポーネントを加熱することができる。発電システム１０ｃを運転している間、絶縁コンテナ５２ｃに収納されているコンポーネントが熱を発生しない場合、あるいは発生する熱がごく微量である場合、この熱ブリッジ５４ｃによる加熱は、場合によっては有利である。
【００４５】
図５は、燃料電池スタック１２ｄを収納している１つの絶縁コンテナ４４ｄを示したものである。再循環ファン２６ｄは、熱ブリッジ５４ｄを使用して絶縁コンテナ４４ｄに接続されている。この熱ブリッジ５４ｄによって、絶縁コンテナ４４ｄの外側に配置されている個々のコンポーネントに選択的に熱を伝達することができ、たとえばこの実施形態で示すように絶縁コンテナ４４ｄから再循環ファン２６へ熱を伝達することができる。また、この熱ブリッジ５４ｄを他の「緊要な」コンポーネントに接続して熱を伝達させることにより、発電システム１０ｄが運転を停止した場合にその残留水を除去することも可能である。当業者には理解されるように、他の実施形態では、熱ブリッジを追加して絶縁コンテナ４４ｄを他のコンポーネント、たとえば発電システム１０ｄの他の循環装置（ファン、ポンプ、圧縮機、送風機等）に接続し、あるいは弁に接続することができる。
【００４６】
以上、実例を示すために、本発明の特定の実施形態について本明細書において説明したが、本発明の精神および範囲を逸脱することなく様々な改変を加えることができることは以上の説明から理解されよう。したがって本発明は、特許請求の範囲の各請求項以外には一切制限されない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】一実例実施形態による、絶縁コンテナに収納された発電システムを示す略図である。
【図２】一実例実施形態による、燃料電池スタックのみが絶縁コンテナに収納された発電システムを示す略図である。
【図３】一実例実施形態による、第１の絶縁コンテナに燃料電池スタックが収納され、第２の絶縁コンテナにファン、センサおよび弁が収納された発電システムを示す略図である。
【図４】一実例実施形態による、第１の絶縁コンテナと第２の絶縁コンテナの間に熱ブリッジが接続された図３の発電システムを示す略図である。
【図５】一実例実施形態による、熱ブリッジが絶縁コンテナを再循環ファンに接続している図２の発電システムを示す略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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