(57)【要約】耐凍結性燃料電池発電装置（１０）が、少なくとも一つの燃料電池（１２）と、水不混和性流体と冷却水を貯蔵し分離する耐凍結性アキュムレータ（２２）を含む冷媒ループ（１８）と、水不混和性流体と冷却水とを混合する混合領域（７２）を備えた直接接触型熱交換器（５６）と、冷媒ループ（１８）を通して冷媒を循環させる冷媒ポンプ（２１）と、熱交換器（５６）を通して水不混和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、直接接触型熱交換器バイパスシステム（２００）と、を含んでなる。発電装置（１０）は、水不混和性流体を、定常状態の運転中においては燃料電池を冷却するために利用し、また発電装置のシャットダウン時においては燃料電池（１２）から耐凍結性アキュムレータ（２２）へと水を移動させるために利用する。
2007517375.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有還元流体燃料と酸素含有酸化反応物との流れから電気エネルギーを発生される耐凍結性燃料電池発電装置であって、
ａ）水不混和性流体と冷却水を通流させる冷媒入口（１４）と冷媒出口（１６）とを含んでなる少なくとも一つの燃料電池（１２）と、
ｂ）燃料電池冷媒出口（１６）に連通するように取り付けられるとともに前記水不混和性流体と冷却水とを貯蔵し分離する耐凍結性アキュムレータ手段（２２）と、前記アキュムレータ手段（２２）と前記燃料電池冷媒入口（１４）とに連通するように取り付けられた直接接触型熱交換器（５６）と、冷媒ループ（１８）の冷媒経路（２０）に連通するように取り付けられてこの冷媒ループ（１８）を通して前記水不混和性流体および前記冷却水を循環させる冷媒循環手段（２１）と、を含んでなる冷媒ループ（１８）と、
ｃ）前記直接接触型熱交換器（５６）の水不混和性流体排出口（９１）と水不混和性流体入口（９０）とに連通するように取り付けられて前記水不混和性流体から熱を除去するラジエータ（８６）と、前記水不混和性流体を前記ラジエータ（８６）と前記直接接触型熱交換器（５６）とを通して循環させるラジエータポンプ（９２）と、を含んでなるラジエータループ（８４）と、
ｄ）冷媒の流れを、前記直接接触型熱交換器（５６）を迂回させて前記冷媒ループ（１８）から前記ラジエータ（８６）を通して前記冷媒ループ（１８）に戻るように案内する直接接触型熱交換器バイパスシステム手段（２００）と、
を備えてなる耐凍結性燃料電池発電装置（１０）。
【請求項２】
前記直接接触型熱交換器バイパスシステム手段（２００）が、前記直接接触型熱交換器（５６）を迂回させて前記冷媒を前記冷媒ループ（１８）からバイパス供給ライン（２０１）を通して前記ラジエータ（８６）へと案内し、そして前記ラジエータ（８６）からバイパス戻りライン（２０２）を通して前記冷媒ループ（１８）へと戻るように導く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３】
前記直接接触型熱交換器バイパスシステム手段（２００）が、このバイパス弁手段が前記直接接触型熱交換器（５６）を迂回させて冷媒の流れを直接冷媒ループ（１８）から前記ラジエータ（８６）へ、そして前記冷媒ループ（１８）へと戻るように案内するときに、前記直接接触型熱交換器（５６）および前記ラジエータループ（８４）から前記冷媒ループ内への前記水不混和性流体の流れを遮断する水不混和性流体遮断弁手段をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の耐凍結性燃料電池発電装置（１０）。
【請求項４】
前記バイパス弁手段が、前記冷媒の流れを前記ループ（１８）から前記バイパス供給ライン（２０１）内へと選択的に導く冷媒ループバイパス供給弁（２０４）と、前記直接接触型熱交換器（５６）への冷媒の流れを選択的に遮断する直接接触型熱交換器供給弁（５４）および直接接触型熱交換器バイパス弁（８３）と、前記ラジエータ（８６）から排出された前記冷媒を前記バイパス戻りライン（２０２）へと選択的に導くラジエータループバイパス弁（２０６）と、を含んでなることを特徴とする請求項２に記載の耐凍結性燃料電池発電装置（１０）。
【請求項５】
前記水不混和性流体遮断弁手段が、前記直接接触型熱交換器（５６）の出口に連通するように取り付けられて前記熱交換器（５６）からの前記冷媒の流れを選択的に遮断する直接接触型熱交換器排出弁（２０８）と、前記バイパス供給ライン（２０１）、前記直接接触型熱交換器（５６）およびラジエータ（８６）に連通するように取り付けられるとともに前記冷媒を前記バイパス供給ライン（２０１）もしくは前記熱交換器（５６）のいずれかから前記ラジエータ（８６）へと選択的に通流させるラジエータ入口弁（２１０）と、を備えてなることを特徴とする請求項３に記載の耐凍結性燃料電池発電装置（１０）。
【請求項６】
前記水不混和性流体が、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、およびこれらの混合物よりなるグループ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】
前記水不混和性流体が、ペルフルオロカーボン、ヒドロフルオロエーテル、およびこれらの混合物よりなるグループ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８】
前記水不混和性流体が、アルカン、アルケン、６個以上の炭素原子を有するアルキン、およびこれらの混合物よりなるグループ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９】
前記水不混和性流体が、−２０℃以下の凍結温度を有し、３５ｄｙｎｅ／ｃｍ以下の表面張力を有するとともに、０．１％未満の水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１０】
前記水不混和性流体が、−２０℃以下の凍結温度を有し、２０ｄｙｎｅ／ｃｍ以下の表面張力を有するとともに、０．１％未満の水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１１】
水不混和性流体と冷却水とを通流させる冷媒入口（１４）および冷媒出口（１６）を有する少なくとも一つの燃料電池（１２）と、前記燃料電池冷媒出口（１６）に連通するように取り付けられて前記水不混和性流体と前記冷却水とを貯蔵し分離する耐凍結性アキュムレータ（２２）を含む冷媒ループ（１８）と、この冷媒ループ（１８）の冷媒経路（２０）に連通するように取り付けられるとともに前記冷媒ループ（１８）を通して冷媒を循環させる冷媒ポンプ（２１）と、を含んでなる耐凍結性燃料電池発電装置（１０）の運転方法であって、
ａ）直接接触型熱交換器（５６）を前記アキュムレータ（２２）と前記燃料電池冷媒入口（１４）とに連通するように取り付けるステップと、
ｂ）前記直接接触型熱交換器（５６）の水不混和性流体排出口（９１）と水不混和性流体入口（９０）との間に連通するように取り付けられて通流する前記不混和性流体から熱を除去するラジエータ（８６）と、前記ラジエータ（８６）および直接接触型熱交換器（５６）を通して前記水不混和性流体を循環させるように取り付けられたラジエータポンプ（９２）と、を含んでなるラジエータループ（８４）を提供するステップと、
ｃ）前記冷媒の流れを、前記直接接触型熱交換器（５６）を迂回させて前記冷媒ループ（１８）から前記ラジエータ（８６）を通して前記冷媒ループ（１８）へと戻るように選択的に案内するステップと、
を備えてなる運転方法。
【請求項１２】
前記冷媒が前記直接接触型熱交換器（５６）を迂回して直接前記冷媒ループ（１８）から前記ラジエータ（８６）へ、そして前記冷媒ループ（１８）へと戻るべく流れるように導かれるときに、前記直接接触型熱交換器（５６）および前記ラジエータループ（８４）から前記冷媒ループ（１８）に流入する前記水不混和性流体の流れを遮断するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の運転方法。
【請求項１３】
周囲温度が３０℃を上回るときに前記冷媒の流れを、前記直接接触型熱交換器（５６）を迂回させて前記冷媒ループ（１８）から前記ラジエータ（８６）を通して前記冷媒ループ（１８）へと戻るように案内するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は運搬用車両、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し、特に発電装置の運転中においては冷却水から低凍結温度の水不混和性流体への直接的なエネルギーの伝達を容易にし、発電装置のシャットダウン時においては発電装置の燃料電池および冷媒ループ内の冷却水が水不混和性流体と置き換えられる直接接触型熱交換器を利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のものであり、水素含有還元流体燃料と酸素含有酸化反応物との流れから電気エネルギーを発生させて、定置式発電装置や運搬用車両のような電気装置に電力を供給するように一般的に使用されている。従来技術の燃料電池発電装置では、発電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に水を供給するとともにガス状反応物の流れを加湿するようによく利用されることが知られている。しかしながら、この生成水は、特に氷点下の周囲条件下における発電装置のシャットダウン時や起動時に、発電装置に凍結に関連した深刻な問題をもたらす。
【０００３】
こうした凍結に関連した問題への解決策が、２００３年３月４日にＣｏｎｄｉｔらに付与された米国特許第６，５２８，１９４号や２００３年５月１３日にＧｒａｓｓｏらに付与された米国特許第６，５６２，５０３号に開示されており、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、本発明の出願人が特許権を有する。これらの特許は、発電装置のシャットダウン時や起動時に重要なシステム部品から水を除去するためのパージ用流体として、低凍結温度の水不混和性流体の利用を開示している。
【０００４】
これらの特許に開示された燃料電池発電装置が短時間のシャットダウンで停止するとき、排除弁が、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冷却水の流れを制御し、かつ冷却水を除去するように冷媒ループに入る水不混和性流体の流れを制御するように作動する。長時間のシャットダウンにおいては、冷却水をアキュムレータへ通流し、冷却水を除去すべく冷媒ループに水不混和性流体を通流し、その後この水不混和性流体を排出してアキュムレータに戻すように上記と同様の手順が実行される。
【０００５】
長時間のシャットダウン後にこの発電装置を起動させるには、水不混和性流体が、アキュムレータからヒータを通して、もしくは直接発電装置の作動中の燃料電池を通してまず通流され、そして凍結した冷却水を溶かすようにアキュムレータの開放チューブを通して再循環ラインへ通流される。発電装置の燃料電池が所望の作動温度に達し、耐凍結性アキュムレータ内の冷却水が解凍されたときに、アキュムレータからの水不混和性流体の流出が停止され、解凍された冷却水が冷媒ループ内を流れて燃料電池を冷却して燃料電池生成水を管理するように通流される。その後耐凍結性燃料電池発電装置は定常状態の運転となって、冷却水は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ように循環を続け、水不混和性流体はアキュムレータ内に蓄積され続ける。燃料電池や冷媒ループから出た水不混和性流体による冷却水の置換すなわちパージは、シャットダウン時や起動時に、冷却水が耐凍結性アキュムレータに入るまで、冷却水の凍結を防止することにより発電装置の機械的な破損を防ぐ。また、低凍結温度の水不混和性流体は、起動時にアキュムレータ内の凍結した冷却水を解凍するように燃料電池もしくは外部ヒータから熱を伝える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
こうした凍結防止の周知の解決策によるアプローチは有効ではあるが、発電装置の定常状態の運転時にもなお、水不混和性流体が利用されずに、アキュムレータ内に非効率的に蓄積され続ける。また、大量の燃料電池生成水や冷却水が、発電装置の効率的な冷却には必要とされ、氷点下の周囲条件下における長時間のシャットダウン後の発電装置の起動時には、こうした大量の水が解凍されなければならない。したがって、水不混和性パージ流体を効率的に活用し、発電装置の冷却に使用される水の量を最小限に抑える必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、水素含有還元流体燃料と酸素含有酸化反応物との流れから電流を発生する耐凍結性燃料電池発電装置である。この発電装置は、冷媒を通流する冷媒入口と冷媒出口とを含んでなる少なくとも１つの燃料電池を有する。冷媒ループは、開放チューブアキュムレータのような、燃料電池冷媒出口に連通するように取り付けられて水不混和性流体と冷却水とを貯蔵し分離する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型熱交換器と、冷媒ループの冷媒経路に連通するように取り付けられて冷媒をこの冷媒ループを通して循環させる燃料電池ポンプと、を含んでなる。
【０００８】
また発電装置がラジエータループを含むとともに、このラジエータループは、直接接触型熱交換器の水不混和性流体吐出口と水不混和性流体入口との間に連通するように取付けられて通流する水不混和性流体から熱を除去するラジエータと、このラジエータループに取付けられて水不混和性流体をラジエータと直接接触型熱交換器とを通して循環させるラジエータポンプと、ラジエータと直接接触型熱交換器とに連通するように取り付けられて水不混和性流体をラジエータループと冷媒ループとに供給する水不混和性流体貯槽器と、を含んでなる。
【０００９】
またこの発電装置が、直接接触型熱交換器を通流せずに冷媒の流れを冷媒ループから直接ラジエータを通して冷媒ループに戻るように通流する、直接接触型熱交換器バイパスシステムを含む。またバイパスシステムはラジエータや冷媒ループを通しての水不混和性流体の流れを制限する。直接接触型熱交換器バイパスシステムは、発電装置が３０℃を超えるような周囲温度といった高い熱放出需要のある状況に置かれたときに、冷却水の使用を容易にする。水は水不混和性流体に比べて発電装置の冷媒に適した高い放熱能力を持つ。したがって、バイパスシステムは、冷媒ループから水不混和性流体を隔離する一方で、高い熱放出需要のある期間中においては放熱冷媒としての水の使用を提供する。
【００１０】
この発電装置を作動させる作動制御弁は、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混和性流体入口のいずれかに冷媒ループ内の冷媒を選択的に通すアキュムレータ供給弁と、アキュムレータにおけるアキュムレータ水出口、アキュムレータ水不混和性流体出口、もしくはアキュムレータ水不混和性流体排出ヘッダのいずれかから、冷媒ループ内へと流体を選択的に通流させるアキュムレータ排出弁と、直接接触型熱交換器の混合入口に流入する、もしくは直接接触型熱交換器を迂回するように冷媒を選択的に通流させる直接接触型熱交換器供給弁と、を含んでなる。また水不混和性流体貯槽器供給弁は水不混和性流体の流れをラジエータから貯槽器もしくは直接接触型熱交換器へと選択的に通流させるようにラジエータループに取付けられうる。直接接触型熱交換器バイパス弁は冷却水の流れを冷却ループからラジエータへ、そして直接接触型熱交換器を迂回させて冷却ループに戻るように選択的に通す。また、バイパス弁が冷却水の流れを、直接接触型熱交換器を迂回させてラジエータに直接通すように通流させるときに、水不混和性流体遮断弁が直接接触型熱交換器、ラジエータループ、あるいは水不混和性流体貯槽器から冷媒ループへの水不混和性流体冷媒の流れを制限する。
【００１１】
燃料電池生成水の一部が、燃料電池に隣接する多孔質水輸送板を通るなどして、冷媒ループ内に流入する好ましい実施例においては、アキュムレータは過剰な生成水を発電装置の外へ案内する水オーバーフロー排水ラインを含む。
【００１２】
直接接触型熱交換器内で冷却水と水不混和性流体とを直接接触させることにより、本発明の発電装置が、この装置を直接的に冷却することと、この装置の燃料電池から冷却水を除去することの両方により低凍結温度水不混和性流体の効率的な利用を促進するとともに、発電装置の運転に必要な冷却水の量を最小限に抑える。
【００１３】
したがって、本発明の目的は、概ね、従来技術の欠点を克服する直接接触型熱交換器を備えた耐凍結性燃料電池発電装置を提供することである。
【００１４】
さらに特定の目的は、発電装置のシャットダウン中に、発電装置の冷却および発電装置の燃料電池からの水の除去に水不混和性流体を利用する直接接触型熱交換器を備えた耐凍結性燃料電池発電装置を提供することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図面を詳しく参照すると、直接接触型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により概ね示されている。発電装置１０は、周知のように水素含有還元流体と酸素含有酸化反応物との流れから電流を発生させる少なくとも一つの燃料電池１２を含む。燃料電池は、冷却水のような冷媒の流れを、燃料電池１２を通して通流させる冷媒入口１４と冷媒出口１６とを含む。冷媒ループ１８は、冷媒出口１６から冷媒入口１４への冷媒の循環を行うものであり、冷媒出口１６と冷媒入口１４との間に連通するように取り付けられた冷媒経路２０と、この冷媒経路２０に取付けられた第１の冷媒ポンプ２１のような冷媒循環手段と、を含んでなる。また冷媒ループ１８は、冷却水の凍結によってアキュムレータ手段がダメージを受けないように、冷却水と水不混和性流体とを貯蔵し分離する耐凍結性アキュムレータ手段を含む。耐凍結性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、これはまた前記の米国特許第６，５６２，５０３号に記載されている。
【００１６】
アキュムレータ２２は、スポンジすなわち膜２８のような多孔質層によって分離された水不混和性流体領域２４と、水領域２６と、を含んでなる。スポンジ２８は、冷却水と水不混和性流体との密度の違いに基づき両者の液体を分離する際、冷却水もしくは水不混和性流体のいずれか一方をこのスポンジ２８を通して移動させるとともに、アキュムレータ２２内で冷却水と水不混和性流体との分離を促進する。またアキュムレータ２２は、アキュムレータ２２の水領域２６に連通するように取り付けられた水入口３０と、同様にしてこの水領域２６に連通するように取り付けられたアキュムレータ水出口３２と、を含んでなる。水出口弁３３が、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に連通するように取り付けられている。アキュムレータ水不混和性流体出口３４および水不混和性流体出口弁３５が、水不混和性流体の流れをアキュムレータ２２から選択的に導くように、アキュムレータ２２の水不混和性流体領域２４に取り付けられている。またアキュムレータ２２は、この水領域２６を通して水不混和性流体入口ヘッダ３８と水不混和性流体排出ヘッダ４０との間に延びる複数のチューブ３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄを含む。水不混和性流体入口４２が、水不混和性流体の流れを入口ヘッダ３８に通し、チューブ３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄを通してアキュムレータ排出ヘッダ４０へと案内するように、アキュムレータ入口ヘッダ３８に連通するように取り付けられている。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および排水弁４６を含みうる。
【００１７】
アキュムレータ供給弁手段４８は、冷媒の流れを冷媒経路２０からアキュムレータ２２の水入口３０もしくは水不混和性流体入口４２のいずれかに流入するように選択的に制御するように、冷媒経路２０と連通するように取り付けられる。アキュムレータ供給弁手段４８や本明細書に記載のあらゆる「弁手段」は、冷媒経路２０に取付けられた図１に示す一般的なアキュムレータ供給三方弁４８のような上記の形態の弁、もしくはアキュムレータ２２の水入口３０と水不混和性流体入口４２とに連通するように取り付けられるとともに、これらに近接する２つの別々の弁（図示せず）のような上記の流れ制御機能を実行できる、その他あらゆる周知の（一つもしくは複数の）構造を含む。
【００１８】
装置１０の特定の運転において、アキュムレータ供給弁手段４８は、水不混和性流体を、水入口３０を通してアキュムレータ２２に流入するように案内させうる。こうした状況では、アキュムレータスポンジ２８は水不混和性流体をアキュムレータ２２の水領域２２からスポンジ２８を通して水不混和性領域２４へと通流させる。
【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り付けられて、アキュムレータ２２から冷媒ループ１８に沿って冷媒経路２０の第１の延長部５２内へと流れるように冷却水や水不混和性流体を案内する。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に取り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に取り付けられた水不混和性流体通流ヘッダライン５１とともに、図１に示すように別個の部品として水不混和性流体出口弁３５、水出口弁３３、および出口ライン３７を含んでもよく、あるいはアキュムレータ排出弁手段５０が上記の部品を組み合わせた一体型ユニットであってもよい。直接接触型熱交換器供給弁手段５４は、冷媒経路２０の第１の延長部５２に取付けられるとともに、アキュムレータ２２から熱交換器５６の混合入口７０（本明細書では「冷却水入口７０」とも呼ぶ）に冷却水を選択的に通流させるように、直接接触型熱交換器５６の混合入口７０と連通している。一方、直接接触型熱交換器供給弁手段５４は、シャットダウン中や起動時のプロセスの際に、冷媒経路２０の第１の延長部５２と燃料電池１２の冷媒入口１４との間に取り付けられたバイパス冷媒経路５８を経由して熱交換器５６を迂回するように冷却水を案内しうる。
【００２０】
直接接触型熱交換器５６は、燃料電池１２から周囲環境へと廃熱を移動させるように利用される。燃料電池１２を通して循環する冷却水は、直接接触型熱交換器５６内で水不混和性流体と混合されて、この冷却水から水不混和性流体へと熱エネルギーを移動させる。その後、この二つの流体は直接接触型熱交換器５６内で分離し、冷却水は燃料電池１２に戻って循環するとともに、水不混和性流体は熱エネルギーを周囲へ放出するラジエータループ８４を通して循環する。
【００２１】
直接接触型熱交換器５６は、混合領域７２、分離領域７４、および水領域７６の３つの領域を有する。冷却水は熱交換器５６から冷媒経路２０の第２の延長部８１、および冷媒入口１４を通して燃料電池１２内へと流れる。直接接触型熱交換器供給弁手段５４は、バイパス冷媒経路５８に取付けられた追加の二方バイパス弁８３とともに、冷媒経路２０と混合入口７０との間に取付けられた二方弁５４のような形態のものでもよい。あるいは、直接接触型熱交換器供給弁手段５４は、冷媒を直接接触型熱交換器５６の混合領域７２に流入させるか、もしくはバイパス冷媒経路５８に通流させるために選択的に案内するように、冷却経路２０と混合入口７０との間に取付けられる三方弁（図示せず）のような形態のものでもよい。
【００２２】
また、発電装置１０がラジエータループ８４を含むとともに、このラジエータループ８４は、直接接触型熱交換器５６の水不混和性流体排出口９１と水不混和性流体入口９０との間に連通するように取付けられて、通流する水不混和性流体から熱を除去するラジエータ８６と、このラジエータループ８４に取り付けられて水不混和性流体をラジエータ８６と直接接触型熱交換器５６とを通して循環させるラジエータポンプ９２と、ラジエータ８６と直接接触型熱交換器５６との間に連通するように取り付けられてラジエータループ８４と冷媒ループ１８とに水不混和性流体を供給する水不混和性流体貯槽器９４と、ラジエータ８６と熱交換器５６における混合領域７２との間に連通するように取り付けられて水不混和性流体の流れを、ラジエータループ８４内でラジエータ８６から循環させる、もしくは水不混和性流体貯槽器９４へと供給するために選択的に制御する水不混和性流体貯槽器供給弁手段９６と、を含んでなる。ラジエータ８６および貯槽器９４は、水不混和性流体入口９０へと通じる水不混和性流体入口ライン８９に連通するように取り付けられる。このラジエータは、自動車用のラジエータやファンで知られるようなファン８７を含みうる。
【００２３】
上記の耐凍結性アキュムレータ手段２２および直接接触型熱交換器手段５６は、水不混和性流体が冷却水よりも低密度となるように構築されている。したがって、定常状態の運転中に、冷却水はアキュムレータ２２の水領域２６および熱交換器５６の水領域７６へと下降する。一方、水不混和性流体は、主として熱交換器５６の分離領域７４や貯槽器９４の内部に残留する。しかしながら、冷却水に比べて密度の高い水不混和性流体を用いた耐凍結性アキュムレータ手段２２および直接接触型熱交換器手段５６は容易に構築できることが当業者にとっては理解できよう。
【００２４】
また図２に示すように、耐凍結性燃料電池発電装置１０は、冷媒の流れを直接接触型熱交換器５６に通流させることなく冷媒ループ１８からラジエータ８６を通して冷媒ループ１８へと戻るように案内する、直接接触型熱交換器バイパスシステム手段２００を含む。バイパスシステム２００は、冷媒経路２０と、直接接触型熱交換器５６およびラジエータ８６の間に延びる水不混和性流体排出ライン８８と、の間に取り付けられているように、冷媒ループ１８とラジエータ８６との間に連通するように取り付けられたバイパス供給ライン２０１を含む。またバイパスシステム２００は、水不混和性流体入口ライン８９と冷媒経路２０との間に取り付けられているように、ラジエータ８６と冷媒ループ２０との間に連通するように取り付けられたバイパス戻りライン２０２を含む。
【００２５】
またバイパスシステム２００は、冷媒を、直接接触型熱交換器５６を通過させずに冷媒ループ１８からバイパス供給ライン２０１を通してラジエータ８６へと案内させ、このラジエータからバイパス戻りライン２０２を通して冷媒ループ１８へと戻るように導くバイパス弁手段を含む。このバイパス弁手段の上記の機能を達成しうる公知のあらゆる弁もしくは流れ制御装置が本発明に適する。図２に示す実施例のバイパス弁手段は、冷媒がバイパス供給ライン２０１に流入するように冷媒ループの冷媒経路２０を通る冷媒の流れを遮断する冷媒ループバイパス供給弁２０４を含む。またバイパス弁手段は、冷媒経路２０の第１の延長部５２に取り付けられた直接接触型熱交換器供給弁５４および二方バイパス弁すなわち直接接触型熱交換器バイパス弁８３（図１、図２ともに示す）のような、冷媒ループ１８から直接接触型熱交換器５６への冷媒の流れを遮断するあらゆる弁を含む。実施例の追加のバイパス弁は、ラジエータ８６と直接接触型熱交換器５６との間に延びる水不混和性流体入口ライン８９に取り付けられているように、ラジエータ８６から排出された冷媒をバイパス戻りライン２０２へと導くように取り付けられたラジエータループバイパス弁２０６である。ラジエータループバイパス弁２０６は、ラジエータ８６からの冷媒の流れをバイパス戻りライン２０２もしくは水不混和性流体入口ライン８９のいずれかへと選択的に通流させ、かつ選択されていない流れ供給源との間の流入、流出を制限する周知の三方弁でよい。
【００２６】
またバイパスシステム２００は、バイパス弁手段が冷媒の流れを、直接接触型熱交換器５６を迂回させて直接冷媒ループ１８からラジエータ８６へ、そして冷媒ループ１８へと戻るように通流させるときに、直接接触型熱交換器５６、水不混和性流体貯槽器９４、およびラジエータループ８４から冷媒ループ１８への水不混和性流体の流れを制限する、水不混和性流体遮断弁手段を含む。上記の機能を達成しうる公知のあらゆる弁もしくは流れ制御装置が本発明に適する。図２に示す実施例の水不混和性流体遮断弁手段は、直接接触型熱交換器５４の水出口８５のような出口に連通するように取り付けられた直接接触型熱交換器排出弁２０８を含む。図２に示す追加の水不混和性流体遮断弁手段は、図２のバイパス供給ライン２０１と、直接接触型熱交換器５６とラジエータ８６との間に延びる水不混和性流体排出ライン８８、およびラジエータ入口２１２との間に連通するように取り付けられたラジエータ入口弁２１０である。ラジエータ入口弁２１０は公知の三方弁か、あるいは、バイパス供給ライン２０１もしくは直接接触型熱交換器５６のいずれかからラジエータ８６へと流入する流れを選択的に通流させ、かつ選択されていない流れ供給源との間の流入、流出を制限する、その他の流れ制御弁または装置でもよい。
【００２７】
発電装置１０の定常状態の運転中、冷媒ポンプ２１は燃料電池１２から、冷媒出口１６、冷媒経路２０、耐凍結性アキュムレータ供給弁４８、耐凍結性アキュムレータ水入口３０，アキュムレータ水出口３２、そしてアキュムレータ排出弁５０へと冷却水を循環させる。ここから冷却水が冷却経路２０の第１の延長部５２、直接接触型熱交換器供給弁５４、そして直接接触型熱交換器５６の混合入口７０を通過して、熱交換器５６の混合領域７２へと流入する。同時に直接接触型熱交換器５６の水不混和性流体入口９０は、冷却水からの熱エネルギーが水不混和性流体に伝達されるようにラジエータループ８４から直接接触型熱交換器５６の混合領域７２へと水不混和性流体を案内して、これを冷却水と直接混合させる。密度の違いにより、熱交換器５６内の冷却水と水不混和性流体が分離する。冷却水は熱交換器５６の水領域７６へと下降し、水不混和性流体は熱交換器５６の混合領域７２から分離領域７４へと移動する。その後熱交換器５６における水領域７６内の冷却水は、熱交換器５６の冷却水出口８５を通して冷媒経路２０の第２の延長部８１に流入し、それから冷媒ループ１８へと戻って、冷媒入口１４を通して燃料電池１２に流入する。一方、加熱された水不混和性流体は、ラジエータループ８６における分離領域７４に画定された水不混和性流体排出口９１からラジエータループ８４の水不混和性流体排出ライン８８へと流れ、ラジエータ８６を通過し、その後ラジエータ８６を通して熱を除去するように熱交換器５６へと戻る。
【００２８】
発電装置１０が、周囲温度が３０℃を超えるような場合の、高い率の熱除去を必要とする場合、直接接触型熱交換器バイパスシステム２００は発電装置１０により熱除去を向上させるように働く。システムの機能は、冷媒ループバイパス弁２０４を制御して冷媒の流れを冷媒ループ１８からバイパス供給ライン２０１へと案内し、ラジエータ入口弁２１０を制御して冷媒の流れをバイパス供給ライン２０１からラジエータ入口２１２へと案内し、ラジエータループバイパス弁２０６を制御して冷媒の流れをラジエータ８６からバイパス戻りライン２０２を通して冷媒ループ１８へと案内するとともに、貯槽器９４からバイパス戻りライン２０２への水不混和性流体の流れを遮断することを含んでなる。さらに、ラジエータ入口弁２１０は直接接触型熱交換器５６からラジエータ８６へ流入する水不混和性流体の流れを遮断するように制御されるとともに、直接接触型熱交換器弁２０８は直接接触型熱交換器５６から冷媒ループ１８における冷媒経路２０の第２の延長部８１へと流出する冷媒の流れを遮断するように制御される。また、直接接触型熱交換器供給弁５４は直接接触型熱交換器５６に流入する冷媒の流れを遮断するように制御され、二方バイパス弁すなわち直接接触型熱交換器バイパス弁８３は冷媒の流れを燃料電池１２へと通流するように制御される。直接接触型熱交換器バイパスシステム２００の使用中、ラジエータポンプ９２は停止される。
【００２９】
これにより直接接触型熱交換器バイパスシステム２００は冷媒の流れを冷媒経路２０からバイパス供給ライン２０１、ラジエータ８６、バイパス戻りライン２０２を通して、アキュムレータ２２に流入するように案内し、ここで水不混和性流体がアキュムレータの水不混和性流体領域２４に分離される。その後冷却水は、水出口弁３３を通してアキュムレータ２２から冷却経路２０の第１の延長部５２へと流入し、直接接触型熱交換器バイパス弁８３、冷媒経路２０の第２の延長部８１を通して冷媒入口１４に流入し、そして燃料電池１２および冷媒出口１６、冷媒ポンプ２１を通してバイパス供給ライン２０１に戻るように導かれる。
【００３０】
これにより直接交換型熱交換器バイパスシステム２００は、水不混和性流体冷媒の代わりに冷却水を、燃料電池１２から熱を除去するために利用する。冷却水は水不混和性流体に比べて高い熱除去能力を有するため、より効果的な熱除去を提供する。さらに、バイパスシステム２００の利用により冷却ポンプ２１のみの使用しか必要とされず、ラジエータポンプ９２の使用は必要とされないため、発電装置１０の運転においてさらなる効率化を提供する。
【００３１】
直接接触型熱交換器バイパスシステム２００の使用を停止するには、冷媒ループバイパス供給弁２０４が冷媒の流れをバイパス供給ライン２０１に流入させる代わりに冷媒経路に導くように制御され、ラジエータ入口弁２１０がバイパス供給ライン２０１からラジエータへの冷媒の流れを遮断し、代わって熱交換器５６からラジエータ８６へ水不混和性流体の流れを導くように制御され、ラジエータループバイパス弁２０６がラジエータ８６から流出する冷媒の流れをバイパス戻りライン２０２へと導く代わりに水不混和性流体入口ライン８９へと導くように制御され、直接接触型熱交換器供給弁５４が冷媒を熱交換器５６に流入させるように制御され、直接接触型熱交換器バイパス弁８３が直接接触型熱交換器５６からの冷媒の迂回を遮断するように制御され、直接接触型熱交換器排出弁２０８が冷媒の流れを熱交換器５６から冷媒経路の第２の延長部８１へと導くように制御され、ラジエータポンプ９２がオンとなって、発電装置を定常状態の運転に戻す。
【００３２】
氷点下の周囲条件においての発電装置のシャットダウン時には、電気的負荷（図示せず）が燃料電池１２から切り離され、アキュムレータ水不混和性流体出口３４に連通するように取り付けられた水不混和性流体出口弁３５およびアキュムレータ排出弁手段５０が、アキュムレータ２２内に蓄積された水不混和性流体を冷媒ループ１８へと通流させるように制御されるとともに、直接接触型熱交換器供給弁５４が冷却水および水不混和性流体の流れを、直接接触型熱交換器５６を迂回させてバイパス冷媒経路５８を通流させるように制御される。またバイパス供給弁２０４、ラジエータ入口弁２１０、およびラジエータループバイパス弁２０６は、水不混和性流体の流れをバイパス供給ライン２０１およびバイパス戻りライン２０２に短時間通流させて、水をバイパス供給ライン２０１およびバイパス戻りライン２０２から水不混和性流体で除去するように制御される。またアキュムレータ水出口弁３３はアキュムレータ２２から流出する水の流れを遮断するように制御される。燃料電池１２の過剰な生成水がアキュムレータ２２から他のシステム（図示せず）へとアキュムレータの排水口弁４６を通して流れている場合には、この弁４６が流れを止めるように制御される。
【００３３】
その後冷媒ポンプ２１は全ての冷却水をアキュムレータ２２へと導き、ここで冷却水と水不混和性流体とが密度の違いにより分離されるが、これは水不混和性流体がこの冷却水を燃料電池１２および冷却経路２０からアキュムレータ２２へと除去するまで行われる。その後、直接接触型熱交換器供給弁５４が、水不混和性流体を熱交換器５６内に戻すように制御されるとともに、アキュムレータ２２および水不混和性流体貯槽器９４からの水不混和性流体が、燃料電池１２と、直接接触型熱交換器５６およびアキュムレータ２２を含む冷媒ループ１８と、を通流してこれらを満たし、これにより直接接触型熱交換器５６の冷却水と置き換えられる。その後第１の冷媒ポンプ２１とラジエータポンプ９２は停止する。
【００３４】
アキュムレータ２２内の冷却水が凍結した状況下での氷点下のシャットダウンからの発電装置１０の起動時には、まず電気的負荷（図示せず）が燃料電池１２に接続されると反応物の流れが燃料電池１２に通流される。この燃料電池１２の運転により熱および電力が生み出される。燃料電池１２によって生み出された熱は、燃料電池１２を通る水不混和性流体の循環により吸収される。加熱された水不混和性流体はアキュムレータ２２内の氷を解凍するために使用されうる。また、氷点下の状況からの起動時に水不混和性流体をさらに加熱するように、電気ヒータ（図示せず）が冷媒ループ１８もしくはアキュムレータ２２の内部に配置されうる。こうした起動時には、冷媒ポンプ２１のみが作動してアキュムレータ排出弁手段５０は水不混和性流体の流れをアキュムレータ２２から燃料電池１２を通して流体を加熱するように制御されるとともに、直接接触型熱交換器供給弁５４は熱交換器５６を迂回して加熱された水不混和性流体を導くように制御される。アキュムレータ供給弁４８は加熱された水不混和性流体を案内してアキュムレータ２２の水不混和性流体入口４２および入口ヘッダ３８に流入するように制御される。その後加熱された水不混和性流体は、凍結した冷却水を貫通するアキュムレータ２２のチューブ３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄを通流してこの凍結した冷却水を解凍する。
【００３５】
冷却水が解凍されたときに、ラジエータポンプ９２は運転を開始し、直接接触型熱交換器供給弁５４は水不混和性流体の流れを熱交換器５６へ導くように制御され、水不混和性流体貯槽器供給弁手段９６は水不混和性流体の流れを貯槽器９４へと導くように制御される。これにより水不混和性流体は燃料電池１２から流れ出るように導かれる。アキュムレータ２２内に残る水不混和性流体の量が所定の貯蔵量まで減少すると、アキュムレータ排出弁５０は解凍された冷却水の流れをアキュムレータ２２から直接接触型熱交換器５６へと導くように制御され、アキュムレータ供給弁４８は冷却水の流れをアキュムレータ２２の水入口３０へと導くように制御される。またアキュムレータ排出弁手段５０におけるアキュムレータ水出口弁３３は冷却水の流れをアキュムレータ２２から冷媒ループへと導くように制御される。冷却水が燃料電池１２から水不混和性流体を移動させるにしたがい、水不混和性流体貯槽器供給弁手段９６は水不混和性流体がラジエータループ８４のラジエータ８６から直接接触型熱交換器５６へと流れるように導くべく制御される。そして、アキュムレータの排水口弁４６が開放される。発電装置１０は定常状態の運転に戻る。
【００３６】
直接接触型熱交換器を備えた対凍結性燃料電池発電装置１０の運転において、上記の弁はこれらの弁を制御する周知の技術の制御装置手段によって制御される。この制御装置手段は検出した情報に応答して弁を作動させる。特に制御装置手段は、アキュムレータ供給弁手段４８を制御して冷媒ループ１８内の冷媒をアキュムレータ２２の水入口３０もしくはアキュムレータ２２の水不混和性流体入口４２のいずれかに流入するように選択的に導き、アキュムレータ排出弁手段５０を制御して冷媒の流れをアキュムレータ水出口３２、アキュムレータ水不混和性流体出口３４、もしくはアキュムレータ水不混和性流体排出ヘッダ４０を通じて、このアキュムレータ２２から冷媒ループ１８へと選択的に導き、直接接触型熱交換器供給弁手段５４を制御して冷媒を直接接触型熱交換器５６の混合入口７０へと流す、もしくはバイパス冷媒経路５８を経由させて直接接触型熱交換器５６を迂回するように選択的に導き、水不混和性流体貯槽器供給弁手段９６を制御して冷媒を貯槽器９４もしくは熱交換器５６の混合領域７２へと選択的に導く。また制御装置手段は、直接接触型熱交換器バイパス弁手段２０４、５４、８３、２０６を制御して冷媒の流れを、直接接触型熱交換器５６を迂回させて冷媒ループ１８からラジエータ８６、そして再び冷媒ループ１８へと戻るように選択的に導く、もしくは冷媒の流れを、冷媒ループ１８を通して直接接触型熱交換器に案内するように導くとともに、バイパス弁手段２０４、５４、２０６が冷媒の流れを直接冷媒ループ１８からラジエータ８６を通して再び冷媒ループ１８へと戻るように導くたびに、水不混和性流体遮断弁手段２０８、２１０を制御して直接接触型熱交換器５６、水不混和性流体貯槽器９４、およびラジエータループ８４から冷媒ループ１８内への水不混和性流体の流入を選択的に遮断する。制御装置手段は、アキュムレータ供給弁手段４８、アキュムレータ排出弁手段５０、直接接触型熱交換器供給弁手段５４、および水不混和性流体貯槽器供給弁手段９６を、手動弁制御、電気機械式アクチュエータ、電気油圧式アクチュエータなどを含む周知の機構により作動させうる。また前記の弁手段４８、５０、５４、９６は本発明に記載の機能を実行する一体型作動制御弁手段として連結もしくは調整されうる。
【００３７】
第１の好ましい水不混和性流体は、少なくとも−２０℃以下の凍結温度を有し、水と混和しないシリコーン、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、およびこれらの混合物のようなケイ素含有流体からなるグループから選択される。適当なケイ素含有流体はジメチル流体で、これらは米国ニューヨーク州ウォーターフォードのＧＥシリコーン社より入手が可能で、“ＳＦ９６  ｓｅｒｉｅｓ”の商品名で販売されており、あるいは米国ミシガン州ミッドランドのダウ・ケミカルより入手可能で、“Ｓｙｌｔｈｅｒｍ  ＨＦ”もしくは“Ｓｙｌｔｈｅｒｍ  ＸＬＴ”の商品名で販売されている。適当なポリシロキサン流体は前記ＧＥシリコーン社より入手可能であり“ＳＦ１４８８  ｓｅｒｉｅｓ”もしくは“ＳＦｘｘ８８  ｓｅｒｉｅｓ”の商品名で販売されている。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オキシドの共重合体である。
【００３８】
第２の好ましい水不混和性流体は、少なくとも−２０℃以下の凍結温度を有し、水と混和しないペルフルオロカーボン、ヒドロフルオロエーテル、およびこれらの混合物からなるグループから選択される。適当なペルフルオロカーボンは、ペルフルオロアルカン、ペルフルオロトリアルキルアミン、およびペルフルオロトリブチルアミンで、米国ミネソタ州セントポールの３Ｍ社より入手可能で、それぞれ“Ｇｒａｄｅ  ＦＣ−７７”、“Ｇｒａｄｅ  ＦＣ−３２８３”、および“Ｇｒａｄｅ  ＦＣ−４０”の商品名で販売されている。適当なヒドロフルオロエーテルは“Ｇｒａｄｅ  ＨＦＥ−７５００”の商品名で販売されている。前記のペルフルオロカーボンは３Ｍ社より“ＦＬＵＯＲＩＮＥＲＴ  ＰＦＣ”の商標で入手可能であり、また適当なヒドロフルオロエーテルが前記３Ｍ社より“ＮＯＶＥＣ  ＨＦＥ”の商標で入手可能である。
【００３９】
第３の好ましい水不混和性流体は、少なくとも−２０℃以下の凍結温度を有し、水と混和しないアルカン、アルケン、アルキン、およびこれらの混合物からなるグループから選択される。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、シクロヘキセン（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（シス型）（Ｃ8Ｈ14、融点−１２℃）、およびシクロオクテン（トランス型）（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。また、少なくとも−２０℃以下の凍結温度を有し、水と混和しないその他多くのアルカン、アルケン、６個以上の炭素原子を有するアルキン、もしくはこれらの混合物により、例えば複数の二重結合や三重結合を持つような、適切な水不混和性流体を生成しうる。こうしたすべてのアルカン、アルケン、アルキン、およびこれらの混合物は米国ウィスコンシン州ミルウォーキーのオールドリッチ社のような大手化学薬品製造業者より入手可能である。
【００４０】
また好ましい水不混和性流体は１平方センチメートルあたり３５ダイン（ｄｙｎｅ／ｃｍ）以下の表面張力を有し、最も好ましくは１平方センチメートルあたり２０ダイン以下である。また好ましい水不混和性流体は水に対して０．１％未満の溶解度を有する。
【００４１】
燃料電池生成水が、燃料電池１２に隣接する多孔質水輸送板（図示せず）を通るなどして、冷媒ループ１８に流入する好ましい実施例では、燃料電池１２の生成水はアキュムレータ２２から水オーバーフロー排水ライン４４および排水口弁４６を通して過剰な生成水を他の発電装置システム（図示せず）もしくは発電装置１０の外へ導く。
【００４２】
本発明の直接接触型熱交換器を備えた耐凍結性燃料電池発電装置１０は、この発電装置１０の冷却に用いられる水の量を最小限に抑えつつ、低凍結温度水不混和性パージ流体を効果的に利用して冷却水を燃料電池１２の外の耐凍結性アキュムレータ２２へと除去することが理解できる。さらに、定常状態の運転中、水不混和性流体の大部分はアキュムレータ２２内に蓄積される代わりに発電装置１０内で利用される。したがって、定常状態の運転中に使用される水不混和性流体は発電装置１０の冷却に役立つとともに、この発電装置１０の冷却に必要な冷却水の総量を減少させる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明により構築された直接接触型熱交換器を備えた耐凍結性燃料電池発電装置の好ましい実施例を示す概略図。
【図２】直接接触型熱交換器バイパスシステムを示した耐凍結性燃料電池発電装置の図１の実施例の概略図。
【図１】
2007517375.tif 000003
【図２】
2007517375.tif 000004
【国際調査報告】
2007517375.tif 000005