(57)【要約】燃料電池発電設備（１１０）における種々の装置又は部分の熱及び／又は熱負荷は、燃料電池（セル）スタックアッセンブリ（ＣＳＡ）（２１）の冷媒ループに含まれる熱除去手段（１５２，１５６）を、所望通りに改修可能な方法で再分布又は再分配される。冷媒ループ（１１４）とインレット酸化剤（空気）ストリーム（１３４’）に加湿器（７０）を追加することにより、ＣＳＡ（１２）に入る前の冷媒から熱を除去する間にインレット空気の加湿を比較的増大させる。総合的な効果とは、ＣＳＡに入っていく冷媒の温度を同様に増大させることなく、ＣＳＡを出る冷媒の温度を比較的増大させること、並びに熱除去手段に入っていく冷媒と熱除去手段（１５２，１５６）の冷却空気の間における温度差（「ひとつまみ））を比較的増大させることである。後者の効果により、必要とされる熱除去手段（１５２，１５６）の寸法／容量の大幅な低減が可能となる。
2007534117.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インレット（２６）とアウトレット（４２）を有する燃料極領域（１６）と、インレット（３６）とアウトレット（４６）を有する空気極領域（１８）と、燃料極領域と空気極領域の中間の電解質領域（２０）と、インレット（４８）とアウトレット（５０）を有する冷媒領域（２２）とを含んでなる燃料電池スタックアッセンブリ（ＣＳＡ）（１２）を有し、インレット燃料ストリーム（２４）は、燃料極領域インレット（２６）に作用可能に接続され、インレット酸化剤ストリーム（１３４’）は、空気極領域インレット（３６）に作用可能に接続され、冷媒ループ（１１４）は、冷媒領域インレット（４８）とアウトレット（５０）に作用可能に接続され、冷媒ループ（１１４）は、源温度のＣＳＡ冷媒から、源温度よりも低いシンク温度のシンク媒体へ移動する熱のための熱除去手段（１５２，１５６）を備え、源温度とシンク温度の間の差は温度差であり、かつ、加湿器（７０）は、冷媒ループ（１１４）とインレット酸化剤ストリーム（１３４’）中に作用可能に接続され、冷媒がＣＳＡ（１２）に戻って導入される前に冷媒を冷却し、インレット酸化剤ストリーム（１３４’）がＣＳＡ酸化剤領域インレット（３６）に導入される前にインレット酸化剤ストリーム（１３４’）の温度と湿度を十分に増大させることにより、少なくともＣＳＡ（１２）と熱除去手段（１５２，１５６）の熱を、ＣＳＡ（１２）から出て熱除去手段（１５２，１５６）に入る冷媒温度を増大するよう分散して、源温度とシンク温度との間における温度差を十分に増大させることを特徴とする、燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項２】
前記加湿器（７０）が、加湿器（７０）のない運転と比較して実質的に一定なＣＳＡ（１２）への冷媒インレット温度を維持するよう十分に冷媒を冷却することを特徴とする、請求項１記載の燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項３】
寸法において比較的低減された熱除去手段（１５２，１５６）を備えることを特徴とする、請求項１（又は２）に記載の燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項４】
前記熱除去手段（１５２，１５６）が、ラジエータ（１５２）とモータ付ファン（１５６）からなることを特徴とする、請求項１（又は３）に記載の燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項５】
前記加湿器（７０）が、前記インレット酸化剤ストリーム（１３４）と、前記熱除去手段（１５２，１５６）から前記ＣＳＡ（１２）へ戻る前記冷媒（１１４’’’）の間における熱と物質の移動のためのエネルギー回収装置（７０）からなることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項６】
前記エネルギー回収装置（７０）が、微細孔エンタルピー交換障壁（７６）で分離されたガス流チャンバ（７２）と、液状の冷媒流チャンバ（７４）とを含んでなることを特徴とする、請求項５記載の燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項７】
前記エネルギー回収装置（７０）が、前記熱除去手段（１５２，１５６）から前記ＣＳＡ（１２）へ戻る前記冷媒（１１４’’’）と直接接触するインレット酸化剤ストリーム（１３４）を有するサチュレータからなることを特徴とする、請求項５記載の燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項８】
前記熱除去手段（１５２，１５６）が、前記加湿器（７０）を欠く第１の容量を有するものと、前記加湿器（７０）が存在する第２の小さい容量を有するものであることを特徴とする、請求項２記載の燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項９】
前記熱除去手段（１５２，１５６）が、ラジエータ（１５２）とモータ付ファン（１５６）からなることを特徴とする、請求項８記載の燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項１０】
前記加湿器（７０９が、前記インレット酸化剤ストリーム（１３４）と、前記ラジエータ（１５２）から前記ＣＳＡ（１２）へ戻る前記冷媒（１１４’’’）の間における熱と物質の移動のためのエネルギー回収装置（７０）からなることを特徴とする、請求項９記載の燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項１１】
前記エネルギー回収装置（７０）が、微細孔エンタルピー交換障壁（７６）で分離されたガス流チャンバ（７２）と、液状の冷媒流チャンバ（７４）とからなることを特徴とする、請求項１０記載の燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項１２】
インレット（２６）とアウトレット（４２）を有する燃料極領域（１６）と、インレット（３６）とアウトレット（４６）を有する空気極領域（１８）と、燃料極領域と空気極領域の中間の電解質領域（２０）と、インレット（４８）とアウトレット（５０）を有する冷媒領域（２２）とを含んでなる燃料電池スタックアッセンブリ（ＣＳＡ）（１２）を有し、インレット燃料ストリーム（２４）は、燃料極領域インレット（２６）に作用可能に接続され、インレット酸化剤ストリーム（１３４’）は空気極領域インレット（３６）に作用可能に接続され、かつ、冷媒ループ（１１４）は、冷媒領域インレット（４８）とアウトレット（５０）に作用可能に接続され、冷媒ループ（１１４）は、源温度のＣＳＡ冷媒から、源温度よりも低いシンク温度のシンク媒体へ移動する熱のための熱除去手段（１５２，１５６）を備え、源温度とシンク温度の間の差は温度差である燃料電池発電設備（１１０）において、前記温度差を十分に増大させる方法が、
前記冷媒ループ（１１４）中の前記冷媒を、冷媒が前記ＣＳＡ（１２）に戻って導入される前に冷却するステップ（７４）と、
前記インレット酸化剤ストリーム（１３４’）がＣＳＡの酸化剤呂行きインレット（３６）へ導入される前に、前記インレット酸化剤ストリーム（１３４’）の温度と湿度を十分に増大するステップ（７２）、
を含むことにより、少なくともＣＳＡ（１２）と熱除去手段（１５２，１５６）の熱を、ＣＳＡ（１２）から出て熱除去手段（１５２，１５６）に入る冷媒温度を増大するよう分散して、源温度とシンク温度との間における温度差を十分に増大させることを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記冷媒ループ（１１４）中の前記冷媒を、冷媒が前記ＣＳＡ（１２）に戻って導入される前に冷却するステップ（７４）と、前記インレット酸化剤ストリーム（１３４’）がＣＳＡの酸化剤呂行きインレット（３６）へ導入される前に、前記インレット酸化剤ストリーム（１３４’）の温度と湿度を十分に増大するステップ（７２）とが、前記冷却ループ（１１４）と前記インレット酸化剤ストリーム（１３４’）中に加湿器（７０）を接続することによって両ステップを実行することを特徴とする、請求項１２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電設備に関し、特に、燃料電池発電設備における熱の管理に関する。より詳細には、本発明は、最適な容量を有するよう設計された燃料電池発電設備における熱負荷を管理するための空気極飽和機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電設備は、還元流体及び酸化流体から電気エネルギーを生成して電気機器に電力を供給するのに通常使用されている。そのような発電設備において、１つ、通常は複数の平坦な燃料電池が燃料電池スタック、即ち、スタックアッセンブリ（ＣＳＡ）に配置されている。各電池（セル）は、概して、電解質で分離された燃料極電極と空気極電極を備える。水素などの還元流体が燃料極電極に供給され、酸素や空気などの酸化剤が空気極電極に供給される。還元流体と酸化剤は、通常それぞれのマニホルドを介してセルスタックへ送られ、かつそこから排出される。電解質として陽子交換膜（ＰＥＭ）を使用するセルでは、燃料極電極の触媒表面で水素が電気化学的に反応して水素イオンと電子が生じる。電子は外部の負荷回路に案内された後、空気極電極に戻される。一方、水素イオンは電解質を介して空気極電極へ移動し、そこで酸化剤と反応して水が生成され、熱エネルギーが放出される。
【０００３】
そのような燃料電池の燃料極と空気極の電極は、燃料電池の稼働の基本要求や作動環境の制限に依存して、様々な種類の電解質によって分離される。そのような電解質の１つがＰＥＭ電解質であり、これは公知の固体高分子からなる。燃料電池で使用されるその他従来の電解質には、燃料極電極と空気極電極の間の多孔質の非導電性基材で保持されたリン酸や水酸化カリウムなどが包含される。ＰＥＭの膜が還元流体と酸化剤との間で、差圧に対してより耐性を有し、固定されているためにセルから浸出することはなく、さらには水を保持する容量が比較的安定した障壁をもたらすため、ＰＥＭ型セルは、液体の酸やアルカリ性の電解質と比較して、特定の運転パラメータを満足させる点において非常に優れていることが見出された。
【０００４】
ＰＥＭ型燃料電池の操作において、ＰＥＭ電解質を介して移動した陽子から生じる水を含む、水が空気極電極で生じる速度と、燃料極から水が除去される速度との間で、適切に水の均衡を維持することは通常望ましい。これは、燃料電池の種々の１つ又はより多くの構成要素の過剰な乾燥あるいは浸水を防ぐことである。燃料電池発電設備における水の均衡に加えて、発電設備の種々の構成要素における適切な温度を維持するための冷却システムがさらに必要である。典型的には、必須ではないが、冷却水（冷媒）は又、水の均衡に必要な水に関する上述の水である場合がある。冷媒は、通常、例えば、燃料電池スタックアッセンブリ（ＣＳＡ）などの燃料電池発電設備のある部分から熱を除去するのに使用される。しかしながら、冷媒は、ときに熱源として作用する場合がある。冷媒は又、燃料電池発電設備内の種々のガスストリームの加湿を制御するための水分源としても作用する。このように、冷媒は、燃料電池発電設備の種々の異なる部分における様々な熱負荷に対処するように作用する。
【０００５】
ＣＳＡは、通常は、セルスタックアッセンブリを通る、空気極に隣接して冷却チャネルを画定する冷媒プレート手段などを有し、この手段は、ＣＳＡの内部及び外部の両方における冷媒ループの一部を形成する。冷媒ループは、通常、少なくともポンプなどの循環手段と、ラジエータなどの、ある形態の熱除去手段とを備える。ＣＳＡにおける電気化学反応は考慮すべき熱源であり得るため、冷媒は、ＣＳＡから熱を除去する際に重要な役割を果たす。空気極排気アウトレットに隣接してＣＳＡに入る冷媒は、空気極排気に隣接する冷媒チャネルを画定する冷媒プレート手段などの微細孔媒体を使用することにより、排気ストリームを冷却してそのガスストリームから出る水を凝縮させる。除去される熱の量は、冷媒の温度とＣＳＡに入ってくる流速の関数である。
【０００６】
冷媒が冷媒ループ内を循環するため、熱がＣＳＡに再び導入される前に、熱除去手段はＣＳＡを冷媒が通過する間に得た熱のほとんどを除去するという重要な役割を有する。熱除去手段は様々な形態をとり得るが、これまででもっとも一般的な形態は空冷ラジエータである。通常、ラジエータの役割は、冷媒がＣＳＡを通過することによって得られる熱の全てを除去することである。ラジエータを冷却する空気は、通常、燃料電池発電設備の環境に伴う周囲温度であり、ＣＳＡが砂漠などの高温で使用される場合は特に、１２０°Ｆ（４９℃）又はその付近である場合が多い。ＣＳＡを出る冷媒の温度がラジエータ冷却空気の温度より十分に高い、あるいは逆に、ラジエータ冷却空気の温度、ＣＳＡを出る冷媒よりもほんのわずか低い場合があるため、時に、「ひとつまみ（ｐｉｎｃｈ）」と呼ばれる比較的小さな温度差しか得られず、必要な冷却を得るためには比較的大きい容量のラジエータが要求される。一方、比較的大容量のラジエータのそのような大きさは、初期費用、重量、寸法、外観及びその運転や保守に伴う費用を含むいくつかの理由によって、好ましくないものである。
【０００７】
そのため、ラジエータなどの熱除去手段の寸法を相当量低減することが可能な方法で熱を管理できる燃料電池発電設備の提供が望まれている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
燃料電池発電設備における種々の装置又は部分の熱及び／又は熱負荷は、燃料電池（セル）スタックアッセンブリ（ＣＳＡ）の冷媒ループに含まれる熱除去手段を、所望通りに改修可能な方法で再分布又は再分配される。冷媒ループとインレット酸化剤（空気）ストリームに加湿器を追加することにより、ＣＳＡに入る前の冷媒から熱を除去する間にインレット空気の加湿を比較的増大させる。総合的な効果とは、ＣＳＡに入っていく冷媒の温度を同様に増大させることなく、ＣＳＡを出る冷媒の温度を比較的増大させること、並びに熱除去手段に入っていく冷媒と熱除去手段の冷却空気の間における温度差（「ひとつまみ））を比較的増大させることである。後者の効果により、必要とされる熱除去手段の寸法／容量の大幅な低減が可能となる。
【０００９】
燃料電池発電設備には、燃料電池スタックアッセンブリ（ＣＳＡ）と、ＣＳＡに関連して動作可能な熱除去素段を備える冷媒ループと、冷媒ループに動作可能に連結される加湿器とが設けられる。ＣＳＡは、インレットとアウトレットとを有する燃料極領域と、インレットとアウトレットとを有する空気極領域と、燃料極領域と空気極領域の間に位置する電解質領域と、冷媒ループに連結されたインレットとアウトレットとを有する冷媒領域とを備える。インレット燃料ストリームは、燃料極領域のインレットに連結される。インレット酸化剤ストリームは、空気極領域インレットに対して加湿器を介して作用可能に連結される。熱除去手段は、通常、ラジエータであってよく、ＣＳＡからの冷媒の温度よりいく分低い温度を有する空気などの媒体によって積極的に冷却される。インレット酸化剤ストリームはＣＳＡの空気極に入る前に加湿器を通過し、その加湿器中で、やはり加湿器を通過する冷媒に伴って移動する物質と熱によって、少なくとも部分的に、通常は多量に加湿される。加湿器は、エネルギー回収装置（ＥＲＤ）を介する２つの流体ストリームの間で物質と熱を移動させるのに必要である。ＥＲＤは、２つのストリームが微細孔媒体で分離されるが、それらの間でストリームが移動可能であるような型であるか、あるいは、介在する多孔質障壁のない、２つの流体ストリームの間で直接接触が存在するような、気泡（ｂｕｂｂｌｅ）又は接触サチュレータなどであることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１を参照すると、従来技術による燃料電池発電設備１０が簡略化された概略図の形で示されており、設備の選択箇所における代表的温度が例示されており、燃料電池スタックアッセンブリ（ＣＳＡ）１２と冷媒ループ１４を備える。燃料電池発電設備１０は、燃料電池スタックアッセンブリ１２内で既知の方法で配置された多数の燃料電池を有する。図１のＣＳＡ１２の例では複数の燃料電池を包含するものを意図しているが、簡略化して見やすくするため単一のセルのものとして示されている。各燃料電池、即ちＣＳＡ１２は、通常、燃料極領域１６と、空気極領域１８と、燃料極領域１６と空気極領域１８の間の電解質領域２０と、通常、空気極領域１８に隣接した冷媒領域即ち冷媒チャネル２２を有する。電解質は、従来公知の固体高分子を採用した陽子交換膜（ＰＥＭ）型であることが好ましい。
【００１１】
燃料電池発電設備１０において、水素高濃度燃料ストリーム２４の形態の還元剤が燃料極インレット２６において燃料極領域１６に供給される。以下で説明する様々な燃料極、空気極、冷媒領域のインレット並びにアウトレットは、典型的にはそれぞれの領域の機能を果たすマニホルドの形態である。水素高濃度燃料ストリーム２４は、通常、既知の設計を有する燃料処理システム（ＦＰＳ）３０によって炭化水素燃料源２８から送られる。空気などの酸化剤源３２は、空気極領域１８に、空気極インレット３８を介して酸化剤ストリーム３４を供給し、このストリームの流れは、ファン、コンプレッサ、又はブロワ３８などの原動装置などの公知手段で補助される。
【００１２】
燃料極領域１６を通過後、部分的に使い尽くされた燃料が、燃料排気ストリーム４０として、燃料極アウトレット４２から排出又は排気される。空気極領域１８を通過後、部分的に使い尽くされた酸化剤が、酸化剤排気ストリーム４４として、空気極アウトレット４６から排出又は排気される。
【００１３】
冷媒チャネル２２は、冷媒ループ１４の一部に含まれており、別々に示してはいないが、封入あるいは多孔質冷媒プレートで画定されるものであってよい。封入プレートとしての特徴を有する場合、冷媒は通常水であり、冷媒チャネル２２と空気極及び／又は燃料極領域１８，１６の間を流れない。一方、微細孔を有する多孔質プレートとしての特徴を有する場合、冷却水及び生成水は孔を介して冷媒チャネル２２と空気極及び／又は燃料極領域１８，１６の間を通る。いずれの場合においても、冷媒ループ１４中の水は、インレット４８よりＣＳＡ１２の冷媒チャネル２２に入り、アウトレット５０を介してループに戻る。冷媒ループ１４は、この図においてラジエータ５２などの熱除去手段とポンプ５４などの循環補助手段を含む形態として簡単に示されている。冷媒ループ部分１４’は、冷媒チャネルアウトレット５０をポンプ５４に連結し、部分１４’’はポンプ５４をラジエータ５２へのインレットに連結し、別の部分１４’’’はラジエータ５２のアウトレットを冷媒チャネルインレット４８に連結する。ラジエータ５２は、空気をラジエータに通させる又は横切らせて、ラジエータと冷媒ループ１４を通過する空気と液状の冷媒の間において熱を移動させるためのモータ付ファン５６を備える。冷媒ループ１４は、冷媒を清浄、排ガス、添加及び／排出、及び／又はその他の処理のための従来公知の図示しない様々な手段をさらに備えてもよい。
【００１４】
図１に示す従来の発電設備形態において、ラジエータ５２は、冷媒がＣＳＡ１２を通過する間に得た熱を除去するのに必要な冷却量を提供するためには、比較的大型である必要がある。冷媒がＣＳＡ１２を通過する際の冷媒の機能は、燃料電池の反応によって生じる熱を除去することである。
【００１５】
ラジエータ５２の寸法は、主としてＣＳＡ１２、即ちラジエータに入ってくる冷媒の、１４’と１４’’における温度と、ファン５６によってラジエータの冷媒から熱を除去するよう輸送される空気における温度との間の差によって決定する。このことに関して、ＣＳＡ１２の冷媒アウトレット５０は、熱「源」及び空冷ラジエータ５２の「シンク」と見なすことができる。これら２つの温度の間の差が小さい、即ち、相互に近い場合、必要とされるラジエータの寸法とファンの能力は、温度差動におけるわずかな減少によって、その寸法のラジエータ５２において比較的大きな変化（増大）が得られるよう、非直線的に大きくなる。逆に、その温度差をわずかに増大させることにより、その他を一定に保ったまま、ラジエータ５２の寸法を著しく低減することができる。この効果は、作動箇所即ちシステムにおける様々な箇所におけるエネルギー又は温度の集中を調整することによって達成できる。従来技術を代表するものとして、図１における初期の運転状態と温度を参照する。図１〜図４に関して説明する温度は任意であり、限定的ではない例示に過ぎず、主として比較的に示す目的で挙げられているものであることは理解すべきである。燃料電池発電設備１０の、又はその内部の周囲空気が、最悪の運転状態の場合として約１２０°Ｆ（４９℃）であると想定した場合、空気極１８に入ってくる空気（酸化剤）ストリーム３４と、ラジエータを冷却するのに使用されるファン５６の空気の両方における温度は１２０°Ｆ（４９℃）となる。図１のこの例に関して、冷媒インレット４８において冷媒チャネル２２に入ってくる冷媒が、約１３５°Ｆ（５７℃）の温度を有すると想定した場合、アウトレット５０において冷媒チャネル２２から出て行く冷媒は約１６０°Ｆ（７１℃）の温度を有することになる。従って、源からシンクへの温度差が４０°Ｆ（２２℃）でしかないラジエータ５２にわたって２５°Ｆ（１４℃）の冷媒の温度降下を得ることが必要であるため、比較的大型のラジエータとファンが必要となるのである。
【００１６】
この重大な点において、図２に見られるように、第１に、空気極空気ストリームがそれ程加湿されず、図３に見られるように、第２に空気極空気ストリームが極めて、又は少なくとも比較的高度に加湿又は飽和される場合の、通常の燃料電池の蒸発／凝縮プロファイルを検討することは有用である。図２と図３を参照する時に、燃料電池の内部、特に空気極空気ストリームと冷媒流路を示す際に、ある図形処理の符号（ライセンス）が使用されており、配置は図１とは異なるが、同様の符号が使用されていることを理解すべきである。
【００１７】
図２を参照すると、冷媒は、ＣＳＡ１２の端部に沿った、又は端部領域内の冷媒インレット４８からＣＳＡ１２に入り、一方、空気極空気は空気極アウトレット４６から出て行く。そこで冷媒は、空気極排気ストリームを冷却して、空気極排気から水を凝縮させるよう作用する。凝縮した水は、細かい斜線５８で量的及び位置的に示されている。これに相応して、空気ガスストリームから熱が除去されて冷媒に入って行く。除去される熱の量は、冷却空気倍インレット４８の温度とＣＳＡへの流速の関数である。同じ流速の場合、冷媒温度の低下により、より多くの水が凝縮する結果となる。例示の燃料電池発電設備においては、冷媒の流量が、例えば４５ｐｐｈ／セルほど十分であり、かつ冷媒の温度が、例えば１３５°Ｆ（５７℃）と十分低い場合に、ＦＰＳ３０と冷媒ループ１４を含む発電設備１０内における水の均衡を維持するために相当量の水が凝縮される。そのため、図１の冷媒ループ１４の残部における機能に関係なく、冷媒インレット４８が前述条件を満たす場合には発電設備は水が均衡した状態にあるであろう。
【００１８】
図２をさらに参照すると、冷媒が、ＣＳＡ１２の端部に沿った、又は端部領域における冷媒アウトレット５０においてＣＳＡ１２から出て行き、一方、空気は空気極インレット３６において空気極１８に入る。加熱された冷却水は、この場合、ＣＳＡ１２がエネルギー回収装置に類似の方法で作動するため、ある限界までこの空気極ストリームを加熱して加湿するよう作用する。その加湿は、量的及び位置的に普通の斜線６０で示された燃料電池の蒸発領域で生じる。この蒸発領域６０において、熱が冷媒から除去されて、空気極ガスストリームに入る。冷媒の温度は、前述の例におけるように、冷媒アウトレットにおける冷媒の温度が約１６０°Ｆ（７１℃）であるように、対応して降下する。これら温度は、図１のシステムで示した温度と一致する。
【００１９】
次に図３を参照すると、ほとんどの点で図２と同様であるが、空気極インレットにおいて空気極に入っていく空気ストリームが、すでにＣＳＡ１２のインレット温度に近い露点になるよう加湿されており、そのため、ＣＳＡ１２を局所的に操作する条件まで完全に加湿するのに要する水の加熱が比較的少ない。この差違は、図２における場合と比較して図３の蒸発領域６０が小さいことによって示されており、その結果、冷媒アウトレット５０において燃料電池（又はＣＳＡ１２）を出る冷媒の熱が高レベル（高温）となる。上述の例に関して、空気極インレット３６に入っていく空気の露点が、その時点の前において加湿が増加された結果、１３０°Ｆ（５４．５℃）であった場合、冷媒アウトレット５０における冷媒の温度は、約１６５°Ｆ（７４℃）まで増大するであろう。
【００２０】
冷媒アウトレット５０において燃料電池／ＣＳＡ１２から出て行く冷媒の温度を単純に上昇させることによって、ラジエータの寸法を低減できるという目的は達成されない。これは、主として、冷媒インレット４８に入っていく冷媒の温度も又相対的に上昇するためであり、これは、温度を約１３５°Ｆ（５７℃）に維持する必要があるという上記と相容れない。しかしながら、空気極インレット３６に輸送される空気ストリームを部分的に加湿する工程により、そのような障害は克服される。上述の例に基づいて、空気ストリームを露点が１３５°Ｆ（５７℃）になるまで加湿することにより、冷媒から５°Ｆ（３℃）以上の熱が除去されるよう、熱平衡が移動する。これは本発明により加湿装置を追加することによって達成される。
【００２１】
図４を参照すると、本発明による燃料電池発電設備１１０が示されている。図４では、同じ又は実質的に同じ構成要素に対して図１と同様の符号が使用されている。しかしながら、本発明によって機能的、構成要素的、又は構造的な差違はある程度生じるが、それにも関わらず、図４の構成要素は図１の構成要素と類似しているため、「１」を前に付してはいるが、同じ符号で示されている。以下の説明は、本発明の汚染物質除去に関する、新たな特徴、構造及び／又は機能を強調し、図１ですでに与えられた説明と重複することを最小限に繰り返すものである。
【００２２】
図４の燃料電池発電設備１１０は、ほとんどの点で、図１で説明した発電設備１０と同様であるが、少なくとも、加湿装置７０を追加することによって、比較的小型なラジエータ１５２とモータ付ファン１５６の形態の、比較的小型で簡単な熱除去装置の使用が可能となった重要な面において相違する。加湿装置７０は、比較的簡単で小型、かつ安価な装置であり、通常、エンタルピー交換障壁７６でそれらの間が分離されたガス流チャンバ７２と、液体又は冷媒流チャンバ７４を有するエネルギー回収装置（ＥＲＤ）の形態であってよく、以下では「ＥＲＤ７０」とも称する。この加湿装置（又はＥＲＤ）７０は、概して既知の構成のものであってよく、酸化剤（空気）ストリームと冷媒（水）ストリームが、ＣＳＡ１２の空気極１８に入っていく空気の露点／湿度を相対的に増大させるために、熱と物質の移動に相対してそこを通る一方、ＣＳＡの冷媒チャネル２２に入ってくることになる冷媒から熱を除去もする。ＥＲＤ７０は、従来のラジエータ５２及び／又はモータ付ファン５６と置き換えられるラジエータ１５２及び／又はモータ付ファン１５６に対して、従来のそのような面を十分に埋め合わせるよう、十分に小型で、簡素でかつ安価であることが好ましい。好ましいＥＲＤ７０は、通常はグラファイトなどのエンタルピー交換障壁７６を形成する、微細孔サチュレータ媒体で分離された、隣り合うガスチャンバ７２と液体チャンバ７４を有する型のものである。そのような配置の１つが、本発明の出願人に譲渡された、グラッソ等（Ｇｒａｓｓｏ  ｅｔ  ａｌ）の米国特許第６，２７４，２５９号明細書中で詳細に説明されているが、本発明では、エンタルピー交換障壁７６を加湿するための上記特許のそのような輸送媒体ループを設ける必要はない。その他の許容可能な障壁は、ＣＳＡ１２内の冷媒チャネル中／用に使用されるような微細孔な、水輸送板と同様の型のものであってよい。加湿装置、又はエネルギー回収装置７０の代替的な形態は、酸化剤（空気）ストリームが、タンク、溜め、コンジット等中で、冷媒（水）と直接接触して、２つの流体の間で、中間のエンタルピー交換障壁を介した間接的な移動を必要とすることなく、物質とエネルギーの必要な移動を有効にする、気泡又は接触サチュレータ（別途示してはいない）であってよい。
【００２３】
加湿装置７０は、ラジエータ１５２の下流、かつＣＳＡ１２の冷媒チャネル２２への冷媒インレット４８の上流における冷媒ループ１１４中へ組み込まれる。同様に、加湿装置７０は、酸化剤源３２と、ＣＳＡ１２の空気極１８への空気極インレット３６の間のインレット酸化剤ストリーム中にある。冷媒ループ部分１１４’’’は、ラジエータ１５２のアウトレット又は排出端と、ＥＲＤ７０の冷媒流チャンバ７４のインレット端とを連結し、冷媒ループ部分１１４’’’’は、冷媒流チャンバのアウトレット端と、ＣＳＡ１２の冷媒インレット４８とを連結する。酸化剤コンジット部１３４は、ブロワ３８からの酸化剤をＥＲＤ７０のガス流チャンバ７２のインレット端に接続し、別の酸化剤コンジット部１３４’は、そのガス流チャンバのアウトレット端を、ＣＳＡ１２の空気極インレット３６に接続する。ブロワ３８は、ガス流チャンバ７２のインレットの前又はアウトレットの後ろのいずれに配置してもよいことは理解されるであろう。通常、ガス流チャンバ７２中の空気と、冷媒流チャンバ７４中の水とは、ＥＲＤの効率を最大化するために相互に対向して流れることが望ましいが、その他の形態も本発明の範囲内である。
【００２４】
加湿装置７０を備える発電設備１１０の作動をさらに参照すると、空気極１８に入る前の酸化剤の露点／湿度を比較的増大することと、冷媒チャネル２２内に入る前の、ラジエータ１５２から出て行く冷媒をさらに冷却することの両方が可能となる。これにより、発電設備、特にＣＳＡ１２、冷媒ループ１１４及び冷媒ループ内のファン１５６とラジエータ１５２において熱を再分散させることができる。この熱の再分散は、図４の発電設備１１０の様々な箇所における温度を、図１の発電設備における同様の箇所における温度と比較することによって明らかとなる。空気極１８に導入されるまえに酸化剤を加湿することによって、空気極インレット３６のコンジット１３４’における温度が約１３０°Ｆ（５４．５℃）になり、ＣＳＡ１２における加湿処理を完全にするために冷媒からの熱が少なくて済むため、冷媒アウトレット５０においてＣＳＡ１２から出て行く冷媒温度が非常に高く、即ち、１６５°Ｆ（７４℃）となる。冷媒のこの高いレベルの熱は、ラジエータ１５２へのインレットにおける冷媒ループ部分１４’’においても同様に生じるが、これは、ファン１５６からの周囲空気が１２０°Ｆ（４９℃）のままであり、これらの間の温度差が比較的大きくなるためである。このことにより、図１のラジエータ５２にわたって同じ温度降下に必要とされる容量と比べて比較的小さい容量を有するラジエータ１５２で、ループ部分１１４’’’におけるそのアウトレットにおいて同程度の冷却効果、即ち、約２５°Ｆ（１４℃）〜１４０°Ｆ（６０℃）の降下が可能になる。これは、ラジエータ１５２から出て行く冷媒の温度が、インレット４８において冷媒チャネル２２に入って行く冷媒に望ましい温度１３５°Ｆ（５７℃）よりも５°Ｆ（３℃）高い場合でさえ、冷媒ループ部分１１５’’’から加湿装置７０の冷媒流チャンバ７７４を通過して出て行き、冷媒ループ部分１１４’’’’へ入っていくときに所望の温度（１３５°Ｆ（５７℃））が得られるため、達成される。冷媒のさらなる冷却は、前述したように、ＥＲＤ７０における酸化剤の加湿工程の間にそこから熱が除去されるときに起こる。
【００２５】
前述の説明を考慮して、燃料電池発電設備１１０は、発電設備１０における場合よりも比較的小さくて簡素なラジエータ１５２／モータ付ファン１５６を有し、かつ、追加の「費用」は、十分に単純で、コンパクトな、安価なＥＲＤ／加湿装置７０にかかるのみであるにもかかわらず、発電設備１０と同様に十分に作動することが理解されるであろう。その結果、ラジエータ１５２／ファン１５６の寸法と費用の低減が、加湿装置７０を追加したことによる費用と寸法の増大を上回るため、典型的な正味利益となる。
【００２６】
本発明を、例示的な実施態様を参照することによって説明並びに図示してきたが、本発明の趣旨と範囲を逸脱することなく、前述及び多様なその他の変更、省略、並びに追加が可能であることは、当業者等であれば理解すべきであろう。例えば、熱除去手段であるラジエータ５２は、例えば、液体から液体、液体からガスなどの多くの種類の熱交換器のいずれかであってよい。さらには、加湿装置７０は、ＥＲＤの微細孔サチュレータ媒体、ＣＳＡにおけるような水輸送板、気泡サチュレータなどを含む様々な形態をとってよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】燃料電池スタック（ＣＳＡ）と冷媒ループを有する発電設備の選択箇所における温度を例示する、従来技術による燃料電池発電設備の簡略的な概略図。
【図２】高度には加湿されない空気ストリームに関する、標準的な燃料電池中における蒸発／凝縮プロファイルを簡略的に示す図。
【図３】高度に加湿される空気ストリームに関する、標準的な燃料電池中における蒸発／凝縮プロファイルを簡略的に示す図。
【図４】インレット酸化剤を加湿し、かつ冷媒をさらに冷却するための加湿器を含むことと、設備の選択箇所における温度を例示する、図１と同様の、本発明による燃料電池発電設備の簡略的な概略図。
【図１】
2007534117.tif 000003
【図２】
2007534117.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年10月13日(2005.10.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インレット（２６）とアウトレット（４２）を有する燃料極領域（１６）と、インレット（３６）とアウトレット（４６）を有する空気極領域（１８）と、燃料極領域と空気極領域の中間の電解質領域（２０）と、インレット（４８）とアウトレット（５０）を有する冷媒領域（２２）とを含んでなる燃料電池スタックアッセンブリ（ＣＳＡ）（１２）を有し、インレット燃料ストリーム（２４）は、燃料極領域インレット（２６）に作用可能に接続され、インレット酸化剤ストリーム（１３４’）は、空気極領域インレット（３６）に作用可能に接続され、冷媒ループ（１１４）は、冷媒領域インレット（４８）とアウトレット（５０）に作用可能に接続され、冷媒ループ（１１４）は、源温度のＣＳＡ冷媒から、源温度よりも低いシンク温度のシンク媒体へ移動する熱のための熱除去手段（１５２，１５６）を備え、源温度とシンク温度の間の差は温度差であり、かつ、加湿器（７０）は、冷媒ループ（１１４）とインレット酸化剤ストリーム（１３４’）中に作用可能に接続され、冷媒がＣＳＡ（１２）に戻って導入される前に冷媒を冷却し、インレット酸化剤ストリーム（１３４’）がＣＳＡ酸化剤領域インレット（３６）に導入される前にインレット酸化剤ストリーム（１３４’）の温度と湿度を十分に増大させることにより、少なくともＣＳＡ（１２）と熱除去手段（１５２，１５６）の熱を、ＣＳＡ（１２）から出て熱除去手段（１５２，１５６）に入る冷媒温度を増大するよう分散して、源温度とシンク温度との間における温度差を十分に増大させることを特徴とする、燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項２】
前記加湿器（７０）が、加湿器（７０）のない運転と比較して実質的に一定なＣＳＡ（１２）への冷媒インレット温度を維持するよう十分に冷媒を冷却することを特徴とする、請求項１記載の燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項３】
寸法において比較的低減された熱除去手段（１５２，１５６）を備えることを特徴とする、請求項１（又は２）に記載の燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項４】
前記熱除去手段（１５２，１５６）が、ラジエータ（１５２）とモータ付ファン（１５６）からなることを特徴とする、請求項１（又は３）に記載の燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項５】
前記加湿器（７０）が、前記インレット酸化剤ストリーム（１３４）と、前記熱除去手段（１５２，１５６）から前記ＣＳＡ（１２）へ戻る前記冷媒（１１４’’’）の間における熱と物質の移動のためのエネルギー回収装置（７０）からなることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項６】
前記エネルギー回収装置（７０）が、微細孔エンタルピー交換障壁（７６）で分離されたガス流チャンバ（７２）と、液状の冷媒流チャンバ（７４）とを含んでなることを特徴とする、請求項５記載の燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項７】
前記エネルギー回収装置（７０）が、前記熱除去手段（１５２，１５６）から前記ＣＳＡ（１２）へ戻る前記冷媒（１１４’’’）と直接接触するインレット酸化剤ストリーム（１３４）を有するサチュレータからなることを特徴とする、請求項５記載の燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項８】
前記熱除去手段（１５２，１５６）が、前記加湿器（７０）を欠く第１の容量を有するものと、前記加湿器（７０）が存在する第２の小さい容量を有するものであることを特徴とする、請求項２記載の燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項９】
前記熱除去手段（１５２，１５６）が、ラジエータ（１５２）とモータ付ファン（１５６）からなることを特徴とする、請求項８記載の燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項１０】
前記加湿器（７０９が、前記インレット酸化剤ストリーム（１３４）と、前記ラジエータ（１５２）から前記ＣＳＡ（１２）へ戻る前記冷媒（１１４’’’）の間における熱と物質の移動のためのエネルギー回収装置（７０）からなることを特徴とする、請求項９記載の燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項１１】
前記エネルギー回収装置（７０）が、微細孔エンタルピー交換障壁（７６）で分離されたガス流チャンバ（７２）と、液状の冷媒流チャンバ（７４）とからなることを特徴とする、請求項１０記載の燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項１２】
インレット（２６）とアウトレット（４２）を有する燃料極領域（１６）と、インレット（３６）とアウトレット（４６）を有する空気極領域（１８）と、燃料極領域と空気極領域の中間の電解質領域（２０）と、インレット（４８）とアウトレット（５０）を有する冷媒領域（２２）とを含んでなる燃料電池スタックアッセンブリ（ＣＳＡ）（１２）を有し、インレット燃料ストリーム（２４）は、燃料極領域インレット（２６）に作用可能に接続され、インレット酸化剤ストリーム（１３４’）は空気極領域インレット（３６）に作用可能に接続され、かつ、冷媒ループ（１１４）は、冷媒領域インレット（４８）とアウトレット（５０）に作用可能に接続され、冷媒ループ（１１４）は、源温度のＣＳＡ冷媒から、源温度よりも低いシンク温度のシンク媒体へ移動する熱のための熱除去手段（１５２，１５６）を備え、源温度とシンク温度の間の差は温度差である燃料電池発電設備（１１０）において、前記温度差を十分に増大させる方法が、
前記冷媒ループ（１１４）中の前記冷媒を、冷媒が前記ＣＳＡ（１２）に戻って導入される前に冷却するステップ（７４）と、
前記インレット酸化剤ストリーム（１３４’）がＣＳＡの酸化剤呂行きインレット（３６）へ導入される前に、前記インレット酸化剤ストリーム（１３４’）の温度と湿度を十分に増大するステップ（７２）、
を含むことにより、少なくともＣＳＡ（１２）と熱除去手段（１５２，１５６）の熱を、ＣＳＡ（１２）から出て熱除去手段（１５２，１５６）に入る冷媒温度を増大するよう分散して、源温度とシンク温度との間における温度差を十分に増大させることを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記冷媒ループ（１１４）中の前記冷媒を、冷媒が前記ＣＳＡ（１２）に戻って導入される前に冷却するステップ（７４）と、前記インレット酸化剤ストリーム（１３４’）がＣＳＡの酸化剤呂行きインレット（３６）へ導入される前に、前記インレット酸化剤ストリーム（１３４’）の温度と湿度を十分に増大するステップ（７２）とが、前記冷却ループ（１１４）と前記インレット酸化剤ストリーム（１３４’）中に加湿器（７０）を接続することによって両ステップを実行することを特徴とする、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
燃料電池スタックアッセンブリ（１２）と、燃料電池スタックアッセンブリの酸化剤領域インレット（３６）に作用可能に接続されるインレット酸化剤ストリーム（１３４，１３４’）と、燃料電池スタックアッセンブリの冷媒領域インレット（４８）とアウトレット（５０）に作用可能に接続され、燃料電池スタックアッセンブリの冷媒から熱を移動させるよう構成された熱除去手段（１５２，１５６）を備える冷媒ループ（１１４）と、熱除去手段（１５２，１５６）と燃料電池スタックアッセンブリの冷媒領域インレット（４８）の間において冷媒ループ（１１４）中に作用可能に接続されかつインレット酸化剤ストリーム（１３４，１３４’）に作用可能に接続される加湿器（７０）とを含み、該加湿器（７０）は、冷媒が燃料電池スタックアッセンブリ（１２）に戻って導入される前に冷媒を冷却することと、インレット酸化剤ストリーム（１３４，１３４’）が燃料電池スタックアッセンブリの酸化剤領域インレット（３６）に戻って導入される前に、インレット酸化剤ストリーム（１３４，１３４’）の温度と湿度を十分に増大させることの両方のために構成されていることを特徴とする、燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項１５】
前記熱除去手段（７０）が、ラジエータ（１５２）とモータ付ファン（１５６）とからなることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項１６】
前記加湿器（７０）が、前記インレット酸化剤ストリーム（１３４）と、前記熱除去手段（１５２，１５６）から前記燃料電池セルスタックアッセンブリ（１２）へ戻る冷媒（１１４’’’）の間の熱と物質を移動させるためのエネルギー回収装置（７０）からなることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項１７】
前記エネルギー回収装置（７０）が、微細孔エンタルピー交換障壁（７６）で分離されたガス流チャンバ（７２）と、液状の冷媒流チャンバ（７４）とを含んでなることを特徴とする、請求項１６記載の燃料電池発電設備（１１０）。
【請求項１８】
前記エネルギー回収装置（７０）が、前記熱除去手段（１５２，１５６）から前記燃料電池スタックアッセンブリ（１２）へ戻る前記冷媒（１１４’’’）と直接接触するインレット酸化剤ストリーム（１３４）を有するサチュレータからなることを特徴とする、請求項１６記載の燃料電池発電設備（１１０）。
【国際調査報告】
2007534117.tif 000007
2007534117.tif 000008