(57)【要約】耐凍結性燃料電池発電装置（１０）が、少なくとも１つの燃料電池（１２）と、水不溶性流体および水冷媒を貯蓄・分離する耐凍結性アキュムレータ（２２）を含んだ冷媒ループ（１８）と、水不溶性流体と水冷媒とが混合される混合領域（７２）を備えた直接接触熱交換器（５６）と、冷媒ループ（１８）に冷媒を循環させる冷媒ポンプ（２１）と、熱交換器（５６）に水不溶性流体を循環させるラジエータループ（８４）と、冷媒から熱を除去するラジエータ（８６）と、を含む。発電装置（１０）は、定常状態運転時に上記燃料電池（１２）を冷却するのに水不溶性流体を利用し、発電装置のシャットダウン時に燃料電池（１２）から耐凍結性アキュムレータ（２２）へ水を移動させるのに水不溶性流体を利用する。
2007511060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含んだ還元流体燃料流れと酸化反応物流れとから電流を発生する耐凍結性燃料電池発電装置であって、
ａ．  少なくとも１つの燃料電池（１２）であって、水不溶性流体と水冷媒とを該燃料電池（１２）に流入するように案内する冷媒入口（１４）と冷媒出口（１６）とを含んだ燃料電池（１２）と、
ｂ．  冷媒ループ（１８）であって、上記燃料電池冷媒出口（１６）と連通して上記水不溶性流体と上記水冷媒とを貯蓄・分離するように取付けられた耐凍結性アキュムレータ手段（２２）と、上記アキュムレータ手段（２２）と上記燃料電池冷媒入口（１４）とに連通するように取付けられた直接接触熱交換器（５６）と、上記冷媒ループ（１８）の冷媒通路（２０）と連通して上記冷媒ループ（１８）内を上記水不溶性流体と上記水冷媒とを循環するように取付けられた冷媒循環手段（２１）と、を含んだ冷媒ループ（１８）と、
ｃ．  ラジエータループ（８４）であって、上記直接接触熱交換器（５６）の水不溶性流体排出部（９１）と水不溶性流体入口（９０）との間に連通するように取付けられたラジエータ（８６）であって、上記熱交換器においてこのラジエータ（８６）を通過した水不溶性流体から熱が除去されるラジエータ（８６）と、該ラジエータループ（８４）に取付けられて上記ラジエータ（８６）と上記直接接触熱交換器（５６）とを通して上記水不溶性流体を循環するラジエータポンプ（９２）と、を含んだラジエータループ（８４）と、
を含んだ発電装置。
【請求項２】
上記ラジエータ（８６）と上記直接接触熱交換器（５６）とに連通して上記ラジエータループ（８４）と上記冷媒ループ（１８）とに上記水不溶性流体を供給するように取付けられた水不溶性流体貯蔵器（９４）をさらに含んだ請求項１に記載の耐凍結性燃料電池発電装置（１０）。
【請求項３】
上記熱交換器（２２）の水領域（７６）から出て上記冷媒ループ（１８）へ入る上記水冷媒と、上記熱交換器の分離領域（７４）から出て上記ラジエータループ（８４）へ入る上記水不溶性流体と、を選択的に案内する作動制御弁手段をさらに含んだ請求項１に記載の耐凍結性燃料電池発電装置（１０）。
【請求項４】
上記水不溶性流体は、シリコーンと、シリコーン共重合体と、置換シリコーンと、シロキサンと、ポリシロキサンと、置換シロキサンもしくは置換ポリシロキサンと、これらの組合せと、の群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の耐凍結性燃料電池発電装置（１０）。
【請求項５】
上記水不溶性流体は、ペリフルオロカーボンと、ハイドロフルオロエーテルと、これらの組合せと、の群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の耐凍結性燃料電池発電装置（１０）。
【請求項６】
上記水不溶性流体は、アルカンと、アルケンと、６つ以上の炭素原子を有したアルキンと、これらの組合せと、の群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の耐凍結性燃料電池発電装置（１０）。
【請求項７】
上記水不溶性流体は、摂氏マイナス２０度以下の氷点温度を有し、かつ、３５ｄｙｎｅ／ｃｍ以下の表面張力を有し、かつ、０．１パーセント未満の水中溶解度を有することを特徴とする請求項１に記載の耐凍結性燃料電池発電装置（１０）。
【請求項８】
上記水不溶性流体は、摂氏マイナス２０度以下の氷点温度を有し、かつ、２０ｄｙｎｅ／ｃｍ以下の表面張力を有し、かつ、０．１パーセント未満の水中溶解度を有することを特徴とする請求項１に記載の耐凍結性燃料電池発電装置（１０）。
【請求項９】
上記アキュムレータ手段（２２）は、このアキュムレータ（２０）の水不溶性領域（２４）から水領域（２６）を分離する多孔質層を含むことを特徴とする請求項１に記載の耐凍結性燃料電池発電装置（１０）。
【請求項１０】
上記直接接触熱交換器（５６）と上記アキュムレータ（２２）とに連通して上記熱交換器（５６）を迂回するように上記水冷媒もしくは上記水不溶性流体を案内するように取付けられた迂回冷媒通路（５８）をさらに含んだ請求項１に記載の耐凍結性燃料電池発電装置（１０）。
【請求項１１】
ａ．  上記冷媒ループ（１８）と連通して、上記水不溶性流体もしくはこの冷媒ループ（１８）内の水冷媒を、上記アキュムレータ（２２）の水入口（３０）もしくは上記アキュムレータ（２２）の水不溶性流体入口（４２）のいずれかに選択的に案内するように取付けられたアキュムレータ給水弁手段（４８）と、
ｂ．  上記冷媒ループ（１８）と連通して、アキュムレータ水出口（３２）を通して上記アキュムレータ（２２）から上記冷媒ループ（１８）へ入る上記水冷媒の流れ、もしくは、アキュムレータ水不溶性流体出口（３４）もしくは上記アキュムレータ手段（２２）の水不溶性流体排出ヘッダ（４０）を通して上記アキュムレータ（２２）から上記冷媒ループ（１８）へ入る上記水不溶性流体の流れ、を選択的に案内するように取付けられたアキュムレータ排出弁手段（５０）と、
ｃ．  上記冷媒ループ（１８）と連通して、上記直接接触熱交換器（５６）の混合入口（７０）へ流入するかもしくは上記直接接触熱交換器（５６）を迂回するように、上記水不溶性流体もしくは上記水冷媒を選択的に案内するように取付けられた直接接触熱交換器給水弁手段（５４）と、
をさらに含んだ請求項１に記載の耐凍結性燃料電池発電装置（１０）。
【請求項１２】
耐凍結燃料電池発電装置（１０）を作動する方法であって、
上記発電装置（１０）は、少なくとも１つの燃料電池（１２）であって該燃料電池（１２）を流れるように水不溶性流体と水冷媒とを案内するための冷媒入口（１４）と冷媒出口（１６）とを含んだ燃料電池（１２）と、冷媒ループ（１８）であって上記燃料電池冷媒出口（１６）と連通して上記水不溶性流体と上記水冷媒とを貯蓄・分離するように取付けられた耐凍結性アキュムレータ（２２）含んだ冷媒ループ（１８）と、上記冷媒ループ（１８）の冷媒通路（２０）と連通して上記冷媒ループ（１８）内に冷媒を循環するように取付けられた冷媒ポンプ（２１）と、を含み、
ａ．  上記アキュムレータ（２２）と上記燃料電池冷媒入口（１４）とに連通するように直接接触熱交換器（５６）を固定するステップと、
ｂ．  ラジエータループ（８４）を提供するステップであって、該ラジエータループ（８４）は、上記直接接触熱交換器（５６）の水不溶性流体排出部（９１）と水不溶性流体入口（９０）との間を連通して、該熱交換器においてラジエータ（８６）を通過した上記水不溶性流体からの熱を除去するように取付けられたラジエータ（８６）と、上記ラジエータ（８６）と上記直接接触熱交換器（５６）を通して上記水不溶性流体を循環させるようにラジエータループ（８４）に取付けられたラジエータポンプ（９２）と、を含んだステップと、
ｃ．  上記直接接触熱交換器（５６）の混合領域（７２）内で上記水冷媒を上記水不溶性流体に混合させるステップと
ｄ．  上記直接接触熱交換器（５６）内で上記水冷媒を分離するステップであって、これにより、上記水冷媒は上記熱交換器（５６）の水領域（７６）から流出して上記冷媒ループ（１８）に流入し、かつ上記水不溶性流体は上記分離領域（７４）を流出して上記ラジエータループ（８４）に流入するステップと、
を含んだ方法。
【請求項１３】
ａ．  上記直接接触熱交換器（５６）を迂回しつつ上記アキュムレータ（２２）から上記燃料電池（１２）の上記冷媒入口（１４）へ流れるように上記水冷媒を案内するステップと、
ｂ．  次いで、上記燃料電池（１２）から上記アキュムレータ（２２）へ入る上記水冷媒を置換しながら上記アキュムレータ（２２）から上記冷媒ループ（１８）と上記燃料電池（１２）とに流れるように水不溶性流体を案内するステップと、
ｃ．  次いで、上記直接接触熱交換器（５６）から上記燃料電池（１２）および上記冷媒ループ（１８）へ水不溶性流体を案内するステップと、
からなる上記発電装置（１０）を停止する複数のステップをさらに含んだ請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
ａ．  熱を発生させるように上記燃料電池（１２）内に反応物流れを通過させるステップと、
ｂ．  次いで、上記流体を加熱するように、上記アキュムレータ（２２）から上記燃料電池（１２）へ上記水不溶性流体の流れを案内するステップと、
ｃ．  上記アキュムレータ（２２）内の凍結した水冷媒を溶かすように上記加熱された水不溶性流体を上記アキュムレータ（２２）へ案内するステップと、
ｄ．  次いで、上記水冷媒が溶けた後に、上記燃料電池（１２）から上記直接接触熱交換器（５６）と上記ラジエータループ（８４）とに上記水不溶性流体を案内するステップと、
ｅ．  上記アキュムレータ（２２）から上記直接接触熱交換器（５６）を通して上記アキュムレータ（２２）へ戻るように上記溶けた水冷媒を循環させるステップと、
ｆ．  上記ラジエータループ（８４）から上記直接接触熱交換器（５６）とラジエータ（８６）とを通過するように上記水不溶性流体を循環させるステップと、
からなる、氷点近く周囲条件下で上記装置（１０）を始動する複数の追加ステップを含んだ請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
水冷媒から熱を除去する直接接触熱交換器（５６）であって、
ａ．  該直接接触熱交換器の内部に画定された混合領域（７２）に取付けられ、上記混合領域（７２）へ加熱された水冷媒を案内する水冷媒入口（７０）と、
ｂ．  上記直接接触熱交換器の上記混合領域（７２）に取付けられ、上記混合領域（７２）へ水不溶性流体を案内する水不溶性流体入口（９０）と、
ｃ．  上記直接接触熱交換器（５６）の内部に画定され、かつ、該熱交換器（５６）の上記混合領域（７２）と直接連通する分離領域（７４）に取付けられた水不溶性流体排出部（９１）と、
ｄ．  上記熱交換器（５６）の内部に画定された水領域（７６）に取付けられた水冷媒出口（８５）であって、上記水領域（７６）は上記分離領域（７４）と直接連通することによって、上記水不溶性流体が上記混合領域（７２）内で上記加熱された水冷媒と混合されて上記水冷媒から熱を除去し、上記加熱された水不溶性流体は上記水不溶性流体排出部（９１）を通して上記熱交換器（５６）の上記分離領域（７４）を流出し、上記冷却された水冷媒は上記水冷媒出口（８５）を通して上記熱交換器（５６）の上記水領域（７６）を流出することとなる水冷媒出口（８５）と、
を含んだ直接接触熱交換器（５６）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は移動体、携帯用発電装置、定置式発電装置に適用される燃料電池発電装置に関する。本発明は特に、発電装置の運転中には水の冷媒から直接、氷点温度の低い水不溶性流体へエネルギの移動を促し、発電装置の停止中には発電装置の燃料電池と冷媒ループの内部の水冷媒が水不溶性流体に置き換わる直接接触熱交換器を使用する燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置は周知であり、水素を含有した還元流体燃料流れと酸素を含有した酸化反応物流れとから電気エネルギを発生させて定置式発電装置や移動体等の電気装置に電力を供給するのに通常使用されている。従来の燃料電池発電装置においては、装置の燃料電池によって生成された生成水が燃料改質器などの装置システムのための水を供給するとともにガス状の反応物流れを加湿するためによく用いられる。しかしながら、このような生成水は、特に氷点に近い周囲条件下での発電装置の停止（シャットダウン）や開始の際に、発電装置の凍結に関連した重大問題をもたらす。
【０００３】
このような凍結に関連した問題への解決手法が、２００３年３月４日付け発行のＣｏｎｄｉｔらによる米国特許第６，５２８，１９４号や２００３年５月１３日付け発行のＧｒａｓｓｏらによる米国特許第６，５６２，５０３号に開示されている。これらの特許は双方とも「耐凍結性燃料電池発電装置」との名称が与えられており、本発明に係る全ての権利の所有者によって所有されている。これらの特許は、装置の停止や開始の際に重要なシステム部品からの水を置換するためにパージ用流体として低氷点温度の水不溶性流体を使用することを開示している。
【０００４】
上記特許に開示された燃料電池発電装置は短期間のシャットダウン用に停止するときに、変位弁が、燃料電池冷却冷媒ループから耐凍結性の開放チューブアキュムレータに入る水冷媒の流れを制御し、かつ、水冷媒を置換するように冷媒ループ内に入る水不溶性流体の流れを制御するように動作する。長期間のシャットダウンの間では、水冷媒をアキュムレータへ案内するように上記と同様の手順が実施される。すなわち、水冷媒を置換するように冷媒ループへ水不溶性流体を案内し、次いで、この水不溶性流体を排出してアキュムレータに戻す。
【０００５】
長期間のシャットダウンの後に上記発電装置を開始させるには、水不溶性流体が、アキュムレータを出て、ヒータを通過するようにもしくは直接的に発電装置の動作中の燃料電池を通過するようにまず案内され、そして、凍結した水冷媒を溶かすようにアキュムレータの開放チューブに通過させて再循環ラインへ案内される。発電装置の燃料電池が所望の動作温度を獲得し、耐凍結性アキュムレータ内の水冷媒が溶ければいつでも、アキュムレータからの水不溶性流体の流出が停止され、解氷された水冷媒が冷媒ループ内を流れて燃料電池を冷却し、燃料電池生成水を管理するように案内される。すると、耐凍結性燃料電池発電装置は定常状態の運転となり、アキュムレータから燃料電池を通してアキュムレータに戻る水冷媒の循環が継続し、水不溶性流体はアキュムレータ内に蓄積され続ける。燃料電池あるいは冷媒ループから出た水不溶性流体による水冷媒の置換つまりパージは、水冷媒が耐凍結性アキュムレータに入るまで、シャットダウンや始動の際に水冷媒の凍結を防止することによって発電装置への機械的な故障を防止する。また、低氷点温度の水不溶性流体は始動時にアキュムレータ内の凍結した冷媒水を溶かすように燃料電池もしくは外部ヒータから熱を移動させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これら公知の解決手法は凍結防止の点では有効であるけれども、発電装置の定常状態の運転の間にもかかわらず、水不溶性流体が利用されないでアキュムレータ内に非効率的に
蓄積され続けてしまう。また、発電装置の効率的な冷却には大量の燃料電池生成水や水冷媒を必要とするとともに、氷点に近い周囲条件下で長時間シャットダウンした後で発電装置の始動した時には上記のような大量の水を溶かさなければならない。従って、水不溶性のパージ流体を効率的に利用しかつ発電装置の冷却に使用される水量を最小限にする要求がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、水素を含んだ還元流体燃料流れと酸化反応物流れとから電流を発生する耐凍結性燃料電池発電装置である。上記装置は、冷媒を案内する冷媒入口と冷媒出口とを含んだ少なくとも１つの燃料電池を含む。冷媒ループは、燃料電池冷媒出口と連通して水不溶性流体と水冷媒とを貯蓄・分離するように取付けられた開放型チューブアキュムレータ等の耐凍結性アキュムレータと、アキュムレータと燃料電池冷媒入口とに連通するように取付けられた直接接触熱交換器と、冷媒ループの冷媒通路と連通して冷媒ループに水不溶性流体と水冷媒とを循環するように取付けられた燃料電池ポンプと、を含む。
【０００８】
また、上記装置はラジエータループを含み、このラジエータループは直接接触熱交換器の水不溶性流体排出部と水不溶性流体入口との間に連通するように取付けられたラジエータであって熱交換器においてこのラジエータを通過した水不溶性流体から熱が除去されるラジエータと、該ラジエータループに取付けられてラジエータと直接接触熱交換器とを通して水不溶性流体を循環するラジエータポンプと、ラジエータと直接接触熱交換器とに連通してラジエータループと冷媒ループとに水不溶性流体を供給するように取付けられた水不溶性流体貯蔵器と、を含む。
【０００９】
上記装置を作動するための作動制御弁は、アキュムレータに連通するように取付けられてアキュムレータの水入口もしくはアキュムレータの水不溶性流体入口のいずれかに冷媒ループ内の水冷媒を選択的に案内するアキュムレータ給水弁と、アキュムレータ水出口、アキュムレータ水不溶性流体出口、もしくはアキュムレータ水不溶性流体排出ヘッダを通して、アキュムレータから冷媒ループ内へ流れを選択的に案内するアキュムレータ排出弁と、直接接触熱交換器の混合入口に流入するかもしくは直接接触熱交換器を迂回するように冷媒を選択的に案内する直接接触熱交換器給水弁と、を含む。また、水不溶性流体貯蔵器給水弁はラジエータループに取付けられてラジエータから貯蔵器もしくは直接接触熱交換器へ水不溶性流体の流れを案内する。
【００１０】
燃料電池生成水の一部が、例えば燃料電池近くの水輸送多孔質プレートを通して、冷媒ループ内を流れるような好適な態様においては、アキュムレータは超過した生成水を装置の外へ案内する水オーバーフロー排出ラインを含む。
【００１１】
直接接触熱交換器内の水冷媒と水不溶性流体とを直接接触させることで、本発明の発電装置は、装置の直接的に冷却することと装置の燃料電池から水冷媒をパージすることの双方の点において低氷点温度水不溶性流体の効率的な利用を促す一方、装置の運転に必要な水冷媒の量も最小限にする。
【００１２】
従って、本発明の目的は、一般に、従来技術の欠点を克服する直接接触熱交換器付き耐凍結性燃料電池発電装置を提供することである。
【００１３】
より具体的な目的は、装置のシャットダウンの間、装置の冷却および装置の燃料電池からの水のパージにおいて水不溶性流体を利用する直接接触熱交換器付き耐凍結性燃料電池発電装置を提供することである。
【００１４】
燃料電池発電装置に対する本発明のパッシブ水管理システムにおける上記もしくは他の目的や長所は、以下の詳細な説明を添付の図面とあわせて参照すれば、直ぐに明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図面を詳細に参照すると、直接接触熱交換器を備えた耐凍結性燃料電池発電装置が図１に示されており、参照符号１０によって概略指示されている。装置１０は、当該技術分野で知られているように水素を含有した還元流体流れと酸素を含んだ酸化反応物流れとから電流を発生させる少なくとも１つの燃料電池１２を含む。燃料電池は、水冷媒等の冷媒の流れが燃料電池を通過するように案内するための冷媒入口１４および冷媒出口１６を含む。冷媒ループ１８が冷媒出口１６から冷媒入口１４への冷媒の循環を行い、冷媒出口１６と冷媒入口１４との間で流体を連通しながら取付けられた冷媒通路２０と、この冷媒通路２０に取付けられた冷媒循環手段（例えば第１冷媒ポンプ２１）と、を含む。また、冷媒ループ１８は耐凍結性アキュムレータ手段を含み、この手段は水冷媒の凍結によってアキュムレータ手段が故障しないような方法で水冷媒と水不溶性流体とを貯蓄・分離する。耐凍結性のアキュムレータ手段２２の一例は図１に概略的に示された開放チューブアキュムレータであり、これはまた前述の米国特許第６，５６２，５０３号に記載されている。
【００１６】
アキュムレータ２２は、スポンジつまり膜２８等の多孔質層によって分離された水不溶性流体領域２４と水領域２６とを含む。スポンジ２８は、両液体の異なる密度に基づいて両液体を分離する際に水冷媒および水不溶性冷媒のいずれかがスポンジ２８を通過する移動を許容しつつ、アキュムレータ２２内で水冷媒と水不溶性流体との分離を促す。また、アキュムレータ２２は、アキュムレータ２２の水領域２６と連通するように取付けられた水入口３０と、同様にこの水領域２６に連通するように取付けられたアキュムレータ水出口３２と、を含む。このアキュムレータ水出口３２とアキュムレータ出口ライン３７とを連通するように、水出口弁３３が取付けられている。アキュムレータ水不溶性流体出口３４および水不溶性流体出口弁３５が、アキュムレータ２２の水不溶性流体領域２４に取付けられ、水不溶性流体の流れをアキュムレータ２２から排出するように選択的に案内する。また、アキュムレータ２２は、アキュムレータの水領域２６を通して水不溶性流体入口ヘッダ３８と水不溶性流体排出ヘッダ４０との間に延びた複数のチューブ３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ、および３６Ｄを含む。水不溶性流体入口４２が、アキュムレータ入口ヘッダ３８と連通するように取付けられ、水不溶性流体の流れを入口ヘッダ３８に流入させ、チューブ３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ、および３６Ｄを通過し、アキュムレータ排出ヘッダ４０に向かうように案内する。また、アキュムレータ２２は、水オーバーフロー排出ライン４４および水排出通気弁４６を含む。
【００１７】
アキュムレータ給水弁手段４８が冷媒通路２０と連通するように取付けられ、冷媒通路２０からアキュムレータ２２の水入口３０もしくは水不溶性流体入口２２のいずれかに流入するように冷媒の流れを選択的に制御する。アキュムレータ給水弁手段４８や本明細書に記載のいずれの「弁手段」は、上記形式の弁、例えば冷媒通路２０に取付けられた図１に示す一般的なアキュムレータ給水三方弁４８を含んでもよく、あるいは、上記流れ制御機能を実行可能な当該技術分野で公知のその他のいかなる構造、例えば、アキュムレータ２２の水入口３０と水不溶性流体入口４２とに隣接しかつこれらに連通するように取付けられた２つの別個の弁（図示せず）、を含んでもよい。
【００１８】
装置１０の特定の運転においては、アキュムレータ給水弁手段４８は水入口３０を通してアキュムレータ２２に流入するように水不溶性流体を案内してもよい。このような状況では、アキュムレータスポンジ２８によって、水不溶性流体は水領域２６からスポンジ２８を通して水不溶性領域２４へ流れることが可能となる。
【００１９】
アキュムレータ排出弁手段５０がアキュムレータ水出口３２とアキュムレータ出口ライン３７とに連通するように取付けられ、アキュムレータ２２から冷却ループ１８に沿って冷媒通路２０の第１延長部分５２内へ流れるように水冷媒や水不溶性流体を案内する。このアキュムレータ排出弁手段は、アキュムレータ出口ライン３７に取付けられたアキュムレータ排出三方弁５０と排出ヘッダ４０に取付けられた水不溶性流体通過ヘッダライン５１と共に図１に示す別個の部品として、水不溶性流体出口弁３５、水出口弁３３、および出口ライン３７を含んでもよい。あるいは、アキュムレータ排出弁手段５０は上記部品を組み合わせた一体ユニットであってもよい。直接接触熱交換器給水弁手段５４が冷媒通路２０の第１延長部５２に取付けられ、直接接触熱交換器５６の混合入口７０と連通して、アキュムレータ２２から上記入口７０（本明細書では「水冷媒入口７０」とも呼ばれる。）に流入させるように上記冷媒を選択的に案内する。あるいは、直接接触熱交換器給水弁５４は、シャットダウンや始動のプロセスの際に、冷媒通路２０の第１延長部分５６と燃料電池１２の冷媒入口１４との間に取付けられた迂回冷媒通路５８を通して熱交換器５６を迂回するように水冷媒を案内してもよい。
【００２０】
直接接触熱交換器５６は、燃料電池１２から周囲環境へ廃熱を移動させるために使用される。燃料電池１２内を循環する水冷媒は直接接触熱交換器５６内で水不溶性流体と混合され、水冷媒から水不溶性流体へ熱エネルギを移動する。その後、これらの二流体は直接接触熱交換器５６内で分離する。すなわち、水冷媒は燃料電池１２内に戻され、水不溶性流体はラジエータループ８４内に循環され、そこで熱エネルギが周囲環境へ放出される。
【００２１】
直接接触熱交換器５６は、３つの領域、すなわち混合領域７２、分離領域７４、および水領域７６を有する。水冷媒は熱交換器５６から冷媒通路２０の第２延長部分８１を流れ、冷媒入口１４を通過して燃料電池１２内へ流入する。迂回冷却通路５８に取付けられた追加の二方迂回弁８３と並んで、直接接触熱交換器給水弁手段５４は冷却通路２０と混合入口７０との間に取付けられた二方弁５４の構成であってもよい。あるいは、直接接触熱交換器給水弁手段５４は、冷却通路２０と混合入口７０との間に取付けられた三方弁（図示せず）の構成であってもよく、この場合、直接接触熱交換器５６の混合領域７２に流入させるかもしくは迂回冷媒通路５８を通過させるように、冷媒を選択的に案内する。
【００２２】
また、装置１０はラジエータループ８４を含む。このラジエータループ８４は、直接接触熱交換器５６の水不溶性流体排出部９１と水不溶性流体入口９０との間を流体が連通するように取付けられ、通過する水不溶性流体から熱を除去するラジエータ８６と、ラジエータ８６と直接接触熱交換器５６とを通過するように水不溶性流体を循環するためにこのラジエータループ８４に取付けられたラジエータポンプ９２と、ラジエータ８６と直接接触熱交換器５６とを流体が連通するように取付けられ、ラジエータループ８４と冷却ループ１８へ水不溶性流体を供給する水不溶性流体貯蔵器９４と、ラジエータ８６と熱交換器５６の混合領域７２との間を流体が連通するように取付けられ、ラジエータループ８４内でラジエータ８６から循環させるかもしくは水不溶性流体貯蔵器９４に供給するように、水不溶性流体の流れを選択的に制御する水不溶性流体貯蔵器給水弁手段９６と、を含む。ラジエータ８６と貯蔵器９４とは、水不溶性流体入口９０につながった水不溶性流体入口ライン８９と連通するように取付けられる。上記ラジエータは、自動車用のラジエータやファンにおいて知られているようなファン８７を含んでもよい。
【００２３】
上述の耐凍結性アキュムレータ手段２２と直接接触熱交換器手段５６とは、水不溶性流体が水冷媒よりも密度が低くなるように構成されている。従って、定常状態の運転の間、水冷媒はアキュムレータ２２の水領域２６や熱交換器５６の水領域７６へ降下する。一方、水不溶性流体は、熱交換器５６の分離領域７４や貯蔵器９４の内部に本質的に残留する。しかしながら、当業者であれば、水冷媒より密度が高い水不溶性流体を用いた、耐凍結性アキュムレータ手段２２および直接接触熱交換器手段５６を容易に構成できよう。
【００２４】
装置１０の定常状態運転の間、冷却ポンプ２１は、燃料電池１２から、冷媒出口１６、冷媒通路２０、耐凍結性アキュムレータ給水弁４８、耐凍結性アキュムレータ水入口３０，アキュムレータ出口３２、およびアキュムレータ排出弁５０へと通過するように水冷媒を循環する。そこから、水冷媒が冷却通路２０の第１延長部分５２、直接接触熱交換器給水弁５４、および直接接触熱交換器５６の混合入口７０へと通過し、熱交換器５６の混合領域７２に流入する。同時に、直接接触熱交換器５６の水不溶性流体入口９０は水冷媒からの熱エネルギが水不溶性流体に移動するようにラジエータループ８４から直接接触熱交換器５６の混合領域７２へ水不溶性流体を案内し、水冷媒と直に混合させる。密度が異なっているとの前提で、熱交換器５６内の水冷媒と水不溶性流体とは分離する。水冷媒は熱交換器５６の水領域７６へ降下し、水不溶性流体は熱交換器５６の混合領域７２から分離領域７４へと移動する。熱交換器５６の水領域７６内の水冷媒は、その後、熱交換器５６の水冷媒出口８５を通過し、冷媒通路２０の第２延長部分８１に流入して冷媒ループ１８に戻り、冷媒入口１４を通過して燃料電池１２に流入する。一方、加熱された水不溶性流体は、ラジエータループ８６の分離領域７４に画定された水不溶性流体排出部９１からラジエータループ８４の水不溶性流体排出ライン８８へ流れ、ラジエータ８６を通過し、その後、熱交換器５６に戻されてラジエータ８６を介して熱を除去する。
【００２５】
氷点に近い周囲条件下で装置をシャットダウンする間、電気的な負荷（図示せず）が燃料電池１２との接続を断たれ、アキュムレータ水不溶性流体出口３４に流体が連通するように取付けられた水不溶性流体出口弁３５とアキュムレータ排出弁手段５０とは、アキュムレータ２２内に蓄えられた水不溶性流体を冷媒ループ１８へ案内するように制御される一方、直接接触熱交換器給水弁５４は水冷媒および水不溶性流体の流れを案内して迂回冷媒通路５８を通して直接接触熱交換器５６を迂回するように制御される。また、アキュムレータ水冷媒出口弁３３はアキュムレータ２２から出て行く水の流れを止める。超過した燃料電池１２の生成水がアキュムレータ２２からアキュムレータの水排出通気弁４６を通して装置の他のシステム（図示せず）へ流れている場合には、上記弁４６は流れを止めるように制御される。
【００２６】
次いで、冷媒ポンプ２１は水冷媒の全てをアキュムレータ２２へ案内し、そこで、燃料電池１２および冷却通路２０を流出してアキュムレータに流入する水冷媒を水不溶性流体がパージするまで、異なる密度に基づいて水冷媒と水不溶性流体との分離が行われる。直接接触熱交換器給水弁５４は次に水不溶性流体を案内して熱交換器５６に戻すように制御され、これにより、アキュムレータ２２および水不溶性流体貯蔵器９４からの水不溶性流体は燃料電池１２や、直接接触熱交換器５６とアキュムレータ２２とを含んだ冷媒ループ１８を流れてこれらを充填し、従って、直接接触熱交換器５６の水冷媒を置換する。その後、第１冷媒ポンプ２１やラジエータポンプ９２は停止する。
【００２７】
アキュムレータ２２内の水冷媒が凍結するような氷点に近いシャットダウン状態から発電装置１０を始動する際には、まず、電気負荷（図示せず）が燃料電池１２に接続されたときに反応物流れが燃料電池１２内に流れる。燃料電池１２の上記運転は熱と電力を発生する。燃料電池１２によって発生された熱は燃料電池１２を通る水不溶性流体を循環させることで吸収される。加熱された水不溶性流体はアキュムレータ２２内の氷を溶かすのに使用されてもよい。また、電気ヒータ（図示せず）を冷媒ループ１８もしくはアキュムレータ２２内に配置して氷点に近い状態からの始動の際に水不溶性流体をさらに加熱してもよい。このような始動の間、冷媒ポンプ２１だけが動作し、アキュムレータ排出弁手段５０がアキュムレータ２２から燃料電池１２内へ水不溶性流体の流れを案内してこの流体を加熱するように制御される一方、直接接触熱交換器給水弁５４が加熱された水不溶性流体を案内して熱交換器５６を迂回するように制御される。加熱された水不溶性流体を案内してアキュムレータ２２の水不溶性流体入口４２や入口ヘッダ３８に流入するようにアキュムレータ給水弁４８が制御される。次いで、加熱された水不溶性流体はアキュムレータ２２のチューブ３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ、および３６Ｄ内を流れ、通過する凍結した水冷媒は溶かされる。
【００２８】
水冷媒が溶けるたびに、ラジエータポンプ９２は始動し、直接接触熱交換器給水弁５４は熱交換器５６内へ水不溶性流体の流れを案内するように制御され、水不溶性流体貯蔵器給水弁手段９６は貯蔵器９４内へ水不溶性流体の流れを案内するように制御される。従って、水不溶性流体は燃料電池１２を流出するように案内される。アキュムレータ２２内に残留する水不溶性流体の量が所定の貯蔵量よりも低下するときには、溶けた水冷媒の流れをアキュムレータ２２から直接接触熱交換器５６へ案内するようにアキュムレータ排出弁５０が制御され、この水冷媒の流れをアキュムレータ２２の水入口３０へ案内するようにアキュムレータ給水弁４８が制御される。また、アキュムレータ排出弁手段５０のアキュムレータ水出口弁３３は、アキュムレータ２２から冷媒ループへ水冷媒の流れを案内するように制御される。水冷媒が燃料電池１２からの水不溶性流体を置換するときに、水不溶性流体貯蔵器給水弁手段９６が、ラジエータループ８４のラジエータ８６から直接接触熱交換器５６へ水不溶性流体の流れを案内するように制御される。その後、アキュムレータの水排出通気弁４６が開放される。発電装置１０は定常状態運転に戻る。
【００２９】
直接接触熱交換器を備えた耐凍結性燃料電池発電装置１０の運転においては、上述した弁が、これらの弁を制御するにあたり公知の制御手段でもって制御される。制御手段は、検出情報に応答して弁を駆動する。具体的には、制御手段は、アキュムレータ給水弁手段４８を制御してアキュムレータ２２の水入口３０もしくはアキュムレータ２２の水不溶性流体入口４２のいずれかに流入するように冷媒ループ１８内の冷媒を選択的に案内し、アキュムレータ排出弁手段５０を制御して、アキュムレータ水出口３２、アキュムレータ水不溶性流体出口３４、もしくはアキュムレータ水不溶性流体排出ヘッダ４０を介して、アキュムレータ２２から冷媒ループ１８へ冷媒の流れを選択的に案内し、直接接触熱交換器給水弁手段５４を制御して直接接触熱交換器５６の混合入口７０内に流入するかもしくは迂回冷媒通路５８を経由して直接接触熱交換器５６を迂回するように冷媒を選択的に案内し、水不溶性流体貯蔵器給水弁手段９６を制御して貯蔵器９４もしくは熱交換器５６の混合領域７２へ冷媒を選択的に案内する。制御手段は、手動弁制御、電気機械的アクチュエータ、電気油圧アクチュエータ等を含んだ周知の機構によって、アキュムレータ給水弁手段４８、アキュムレータ排出弁手段５０、直接接触熱交換器給水弁手段５４、および水不溶性流体貯蔵器給水弁手段９６を制御する。上記弁手段４８、５０、５４、および９６は、本発明の上述した機能を発揮するための一体型動作制御弁手段として、結合されあるいは協働されるようにしてもよい。
【００３０】
第１の好適な水不溶性流体が、少なくとも摂氏マイナス２０度（“−２０℃”）より低い氷点を有しかつ水と混和しないシリコーン含有流体、例えば、シリコーン、シリコーン共重合体、置換シリコーン、シロキサン、ポリシロキサン、置換シロキサンもしくは置換ポリシロキサン、およびこれらの組合せ、からなる群から選択される。適当なシリコーン含有流体はジメチル流体であり、これらはアメリカ合衆国ニューヨーク州ウォータフォードにあるＧＥシリコーン社から入手可能であって「ＳＦ９６シリーズ」の商品番号の下で販売され、あるいは、アメリカ合衆国ミシガン州ミッドランドにあるダウケミカルからも入手可能であって「Ｓｙｌｔｈｅｒｍ  ＨＦ」や「Ｓｙｌｔｈｅｒｍ  ＸＬＴ」の商品番号の下で販売されている。適当なポリシロキサン流体は上記ＧＥシリコーン社から入手可能であって「ＳＦ１４８８シリーズ」や「ＳＦｘｘ８８シリーズ」の商品番号の下で半谷されている。これらの流体はポリジメチルシロキサンとポリエチレン酸化物との共重合体である。
【００３１】
第２の好適な水不溶性流体が、少なくとも摂氏マイナス２０度（“−２０℃”）より低い氷点を有しかつ水と混和しない、ペリフルオロカーボンとハイドロフルオロエーテルとこれらの組合せからなる群から選択される。適当なペリフルオロカーボンは、ペリフロオロアルカン、ペリフルオロトリアルキラミン、およびペリフルオロトリブチラミンであり、これらは、アメリカ合衆国ミネソタ州セントポールにある３Ｍ社から入手可能であって、それぞれ、「グレード  ＦＣ−７７、ＦＣ−３２８３、ＦＣ−４０」の商品番号の下で販売されている。適当なハイドロフルオロエーテルは「グレード  ＨＦＥ−７５００」の商品番号の下で販売されている。上記ペリフルオロカーボンは、商標「ＦＬＵＯＲＩＮＥＲＴ  ＰＦＣ」の下で３Ｍ社から入手可能であり、また、適当なハイドロフルオロエーテルは商標「ＮＯＶＥＣ  ＨＦＥ」の下で３Ｍ社から入手可能である。
【００３２】
第３の好適な水不溶性流体は、少なくとも−２０℃より低い氷点を有しかつ水と混和しない、アルカンとアルケンとアルキンとこれらの組合せからなる群から選択される。適当なアルカンは、ヘプタン（Ｃ7Ｈ16、融点−９１℃）、オクタン（Ｃ8Ｈ18、融点−５７℃）、ノナン（Ｃ9Ｈ20、融点−５４℃）、およびデカン（Ｃ10Ｈ22、融点−３０℃）を含む。適当なアルケンは、シクロヘキサン（Ｃ6Ｈ10、融点−１０３℃）、ヘプテン（Ｃ7Ｈ14、融点−１１９℃）、シクロヘプテン（Ｃ7Ｈ12、融点−５６℃）、オクテン（Ｃ8Ｈ12、融点−１０２℃）、シクロオクテン（シス形）（Ｃ8Ｈ14、融点−１２℃）、およびシクロオクテン（トランス形）（Ｃ8Ｈ14、融点−５９℃）を含む。適当なアルキンは、２−オクチン（Ｃ8Ｈ14、融点−６２℃）および１−デシン（Ｃ10Ｈ18、融点−３６℃）を含む。少なくとも−２０℃より低い氷点を有しかつ水と混和しない、他の多くのアルカン、アルケン、６以上炭素原子を有したアルキン、およびこれらの組合せもまた、複数の二重結合や三重結合を有するような適当な水不溶性流体を生成する。上記全てのアルカン、アルケン、アルキン、およびこれらの組合せはアメリカ合衆国ウィスコンシン州ミルウォーキにあるＡｌｄｒｉｃｈ社などの大手化学薬品サプライヤから入手可能である。
【００３３】
これらの好適な水不溶性流体は、また、１平方センチメートル当たり３５ダイン「ｄｙｎｅｓ／ｃｍ」以下であり、最も好適には１平方センチメートル当たり２０ダイン以下である表面張力を有してもよい。また、これらの好適な水不溶性流体は０．１パーセント未満の水中溶解度を有してもよい。
【００３４】
燃料電池生成水が、例えば燃料電池１２に隣接した多孔質水輸送プレート（図示せず）を通して、冷媒ループ１８内に流れるような好適な態様においては、燃料電池１２生成水はアキュムレータ２２から水オーバーフロー排出ライン４４と排出通気弁４６とを通過するように案内され、この超過した生成水を装置の他のシステム（図示せず）へもしくは装置１０の外へ案内する。
【００３５】
本発明に係る直接接触熱交換器を備えた耐凍結性燃料電池発電装置１０は、装置１０の冷却に使用される水量を最小にしつつ、燃料電池１２を出て耐凍結性アキュムレータ２２に入る水冷媒を置換するために低氷点温度の水不溶性パージ流体を効果的に利用することが分かるだろう。その上、定常状態運転の間、大部分の水不溶性流体が、アキュムレータ２２内に蓄えられることなく、発電装置１０内で利用される。従って、定常状態運転の間に用いられる水不溶性流体は装置１０の冷却を促進し、装置１０の冷却に必要な水冷媒の全量を減少させる。
【００３６】
また、直接接触熱交換器５６を、公知の熱発生源（図示せず）によって加熱された水冷媒と、この加熱された水冷媒と混合しこれを冷却する水不溶性流体と、に関連させて使用することは、非常に有益で公知ではないと発明者は確信している。例えば、内燃エンジンに必要な水冷媒の量を最小にし、かつ、上記エンジンの冷媒システムを不凍液に晒すことを最小にするためには、エンジンを冷却する冷媒と熱交換器５６を通過する水不溶性流体とを熱交換器の混合領域７２内で混合して水冷媒から熱を除去するように直接接触熱交換器５６を接続してもよい。図１に示すように、その後、加熱された水不溶性流体は、水不溶性流体排出部９１を通して直接接触熱交換器５６の分離領域７４から出るように案内される一方、冷却された水冷媒はその後、冷媒出口８５を通して熱交換器５６の水領域７６から出るように案内される。
【００３７】
直接接触熱交換器を備えた耐凍結性燃料電池発電装置１０の特定の構成に関して本発明を説明してきたが、本発明は記載もしくは図示された態様に限定されないことを理解すべきであろう。従って、本発明の範囲を判断するにあたっては上記詳細な説明ではなく、添付の特許請求の範囲を参照すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明により構成された直接接触熱交換器を備えた耐凍結性燃料電池発電装置の好適な態様を示す概略図である。
【図１】
2007511060.tif 000003
【国際調査報告】
2007511060.tif 000004