(57)【要約】水（６６）などの液状媒体を、エネルギー回収装置（ＥＲＤ）（３２）内の１つのガスチャネル（４２）を通って流れる処理酸化剤（空気）ストリーム（５３）中に分配する（５８，７４，６０，６４）ための燃料電池発電設備（１０）に機構を提供する。燃料電池（１２）からの熱と水分を含む排気ガスストリーム（４６）は、ＥＲＤの他のチャネル（４４）を通って流れる。エンタルピー交換障壁（４６）は、一方と他方のチャネルを分離するが、それらの間における物質及び／又は熱の移動を可能にする。発電設備の１つ又はより多くの状態を調整するために、空気ストリーム（５３）中に、検知された処理空気ストリームを含む発電設備のパラメータ（８０，８４，９０）、おそらくは温度（７８）に応答して制御（７０，７４）された量で水が注入される。ＥＲＤの乾燥度を制御すること、ＥＲＤに解凍性能を提供すること、及び／又は、システム内の蓄積水が過剰になるのを防止することが、制御されるいくつかの状態である。
2007512675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理酸化剤ストリーム（５３，４２，２８）と還元流体ストリーム（２６）から電気エネルギーを発生させるための燃料電池発電設備（１０）であって、この設備は、
ａ）処理酸化剤ストリーム（５３，４２，２８）と還元流体ストリーム（２６）から電気エネルギーを生成し、水分と顕熱を含む燃料電池排気ストリーム（４８）を提供する、少なくとも１つの燃料電池（１２）と、
ｂ）それぞれのエンタルピー交換障壁（４６）で分離された第１と第２のガス流チャネル（４４，４２）を有し、燃料電池排気ストリーム（４８）は第１のガス流チャネル（４４）を通過するように連結され、処理酸化剤ストリーム（５３）のための処理酸化剤源（３０）は第２のガス流チャネル（４２）を通過するよう連結され、それにより、第１と第２のガス流チャネルの間でエンタルピー交換障壁を介して物質と熱の移動が可能となるエネルギー回収装置（３２）と、
ｃ）燃料電池排気ストリーム（４８）と処理酸化剤ストリーム（５３，４２）の間での物質と熱の移動を調整するために、処理酸化剤がエネルギー回収装置の第２のガス流チャネル（４２）を通過する前に、処理酸化剤ストリーム（５３）中に液状媒体（６６，６４）を注入するように設けられた注入手段（５８，６０）、
を含んでなることを特徴とする、燃料電池発電設備（１０）。
【請求項２】
前記エネルギー回収装置が、第２のガス流チャネルを通過する処理酸化剤ストリーム（５３）を受容するインレット（５４）を備え、注入される前記液状媒体が水であり、かつ、前記注入手段（５８，６０）が、上記インレット（５４）のすぐ上流で、前記処理酸化剤ストリーム（５３）中に水を注入するよう配置されることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池発電設備（１０）。
【請求項３】
前記燃料電池発電設備（１０）が、前記インレット（５４）のすぐ上流に配置されたプレナム（６２）を備え、前記処理酸化剤ストリーム（５３）は、そのプレナム（６２）を通って流れ、かつ、前記注入手段（５８，６０）は、前記処理酸化剤ストリームと均質に混合してそのストリームを加湿するために、そのプレナム（６２）中に水（６６，６４）を注入するよう操作可能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（１０）。
【請求項４】
前記注入手段が、水の噴霧（６６，６４）を前記プレナム（６２）中に注入するよう配置された１つ又はより多くの噴射ノズル（６０）からなることを特徴とする、請求項２記載の燃料電池発電設備（１０）。
【請求項５】
前記注入手段が、水の噴霧（６６，６４）を前記プレナム（６２）中に注入するよう配置された１つ又はより多くの噴射ノズル（６０）からなることを特徴とする、請求項３記載の燃料電池発電設備（１０）。
【請求項６】
前記発電設備（１０）が、少なくとも注入される前記液状媒体（６６，６４）の量を制御するために、前記注入手段（５８，６０）に連結した制御手段（７０，７４，７８，８０，８４）を備えることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池発電設備（１０）。
【請求項７】
前記制御手段（７０，７４，７８，８０，８４）が、周囲処理酸化剤の温度を検知するための温度センサ（８０）と、周囲処理酸化剤の水分量を検知するための湿度センサ（８４）の少なくともいずれか一方を備えることを特徴とする、請求項６記載の燃料電池発電設備（１０）。
【請求項８】
前記制御手段（７０，７４，７８，８０，８４）が、前記温度センサ（８０）と前記湿度センサ（８４）の両方を備えることを特徴とする、請求項７記載の燃料電池発電設備（１０）。
【請求項９】
前記エネルギー回収装置（３２）の前記エンタルピー交換障壁（４６）が、微細孔支持基材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（１０）
【請求項１０】
前記微細孔支持基材が、多孔質グラファイト層、多孔質グラファイトポリマー層、無機繊維熱硬化性ポリマー層、グラスファイバー層、可湿性になるよう処理された合成繊維ろ紙、多孔質金属層、孔中に粒子材料を有する穿孔金属層からなる群から選択される１つ又は組み合わせであることを特徴とする、請求項９記載の燃料電池発電設備（１０）。
【請求項１１】
処理酸化剤ストリーム（５３，４２，２８）と還元流体ストリーム（２６）から電気エネルギーを生成し、水分と顕熱を含む燃料電池排気ストリーム（４８）を提供する、少なくとも１つの燃料電池（１２）と、それぞれのエンタルピー交換障壁（４６）で分離された第１と第２のガス流チャネル（４４，４２）を有し、燃料電池排気ストリーム（４８）は第１のガス流チャネル（４４）を通過するように連結され、処理酸化剤ストリーム（５３）のための処理酸化剤源（３０）は第２のガス流チャネル（４２）を通過するよう連結され、それにより、第１と第２のガス流チャネルの間でエンタルピー交換障壁を介して物質と熱の移動が可能となるエネルギー回収装置（３２）とを含む、処理酸化剤ストリーム（５３，４２，２８）と還元流体ストリーム（２６）から電気エネルギーを発生させるための燃料電池発電設備（１０）において、
燃料電池排気ストリーム（４８）と処理酸化剤ストリーム（５３，４２）の間における物質と熱の移動を調整するために、処理酸化剤がエネルギー回収装置の第２のガス流チャネル（４２）を通る前に、水（６６，７０，７４，６０，６４）を処理酸化剤ストリーム（５３）中に分配するステップを含んでなることを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記水（６６，７０，７４，６０，６４）を処理酸化剤ストリーム（５３）中に分配するステップが、前記燃料電池発電設備（１０）の１つ又はより多くのパラメータを監視すること（８０，８４，９０）と、処理酸化剤ストリーム（５３，４２，２８）を含むことと、上記１つ又はより多くの監視されたパラメータに応答して酸化剤流ストリーム（５３）中に水を制御可能に注入することを含むことを特徴とする、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記処理酸化剤ストリーム（５３）の温度を監視すること（８０）と、前記温度がいき値を超えたときに前記処理酸化剤ストリーム（５３）中に水（６６，７０，７４，６０，６４）を注入することとを含むことにより、前記エネルギー回収装置（３２）の前記エンタルピー交換障壁（４６）の乾燥を防止するよう、前記処理酸化剤ストリーム（５３，４２）を冷却して加湿することを特徴とする、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記温度いき値が、約８５°から９０°Ｆの範囲内にあることを特徴とする、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記発電設備（１０）の運転状態を、始動条件を確認するために監視し（７０，８０）、始動の間前記エンタルピー交換障壁（４６）の加湿が十分であることを確実にするため、少なくとも所定時間を超えて停止した後の始動時に前記処理酸化剤ストリーム中に水（６６，７０，７４，６０，６４）を注入することを特徴とする、請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
前記処理酸化剤ストリーム（５３，４２，２８）のインレット温度を含む前記発電設備（１０）の温度を、氷結状態を検知するために監視し（８０）、少なくともエネルギー回収装置（３２）を解凍するために氷結状態の検知に応答して始動の間、加熱した水（６６，７０，７４，６０，６４）を注入することを特徴とする、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記燃料電池発電設備（１０）が冷却システム（３８，８８）を備え、冷却システム（３８，８８）中の冷媒のレベルを監視するステップ（９０）と、前記冷媒のレベルがいき値を超えたときに前記処理酸化剤ストリーム（５３）中に水（６６，７０，７４，６０，６４）を注入することとを含むことにより、前記燃料電池排気ストリーム（４８）からの前記エンタルピー交換障壁（４６）介した前記処理酸化剤ストリーム（４２）への水の回収を妨害するよう、前記処理酸化剤ストリーム（５３，４２）の露点を上昇させ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、特に燃料電池発電設備におけるエネルギー回収装置の使用に関する。より詳細には、本発明は、水の均衡並びに設備のエネルギー効率を向上するための燃料電池発電設備のエネルギー回収装置の物質及び／又は熱の移動特性の制御に関する。
【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、燃料極電極に水が供給される速度との間で、適切に水の均衡を維持することは非常に重要である。燃料電池の性能における操作上の限界は、セルから取り出され、外部回路へ流れる電流が変化する時、及び、セルの操作環境が変化する時の水の均衡を維持するセルの性能によって決定される。ＰＥＭ型セルの場合、十分な量の水が燃料極電極に戻らなかった場合、隣接するＰＥＭ電解質の部分が乾燥するため、水素イオンがＰＥＭを介して移動する速度が減少して還元流体のクロスオーバーが生じ、局所的な過熱を引き起こすことになる。同様に、十分な量の水が空気極電極から除去されなかった場合、空気極電極は水で溢れ、事実上空気極電極への酸化剤の供給が制限されて電流の流量が減少することになる。さらには、空気極電極から過剰量の水が除去された場合、ＰＥＭは乾燥してしまい、水素イオンにＰＥＭを通過させる性能が制限されるためセルの性能が低減することになる。
【０００５】
乗り物に電力を供給するために燃料電池をその発電設備に組み込んだとき、発電設備内の水の均衡を維持することは、要因が多種多様なため、非常に難しい課題となった。乗り物における重量と空間の必要条件を最小化するためには、発電設備を、水が自給自足できる実用的なものとしなくてはならない。これは、設備を通過する還元流体の気流から失われる水を補うために、設備内に十分な水が保持されてなければならないことを意味する。例えば、気体状の酸化剤の空気極排気流によるか又は気体状の還元流体の燃料極排気流によって設備に存在する水は、空気極において電気化学的に生じた水と、設備内に保持された水とによってつり合いが取れていなくてはならない。そうでなければ、水の生成が必要な場合、様々な水分回収装置にかかる費用並びにサイズ／重量の増加を招く。
【０００６】
燃料電池発電設備において水の自給自足を維持するためのさらなる要求には、炭化水素燃料を、燃料極のための水素多量な還元流体のストリームに変換するのに必要な装置が関連する。これら装置は、炭化水素を所望の還元流体に変換する蒸気を当てにした改質器を含む場合がある。燃料処理装置又はシステムの水とエネルギーの必要条件は、燃料電池発電装置の水の均衡とエネルギー条件全体の一部である。ボイラー内で蒸気となる水は、空気極排気流におけるコンデンシング熱交換器（Ｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇ  Ｈｅａｔ  Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）や付随する配管などによって設備から回収された水と置き換えられなければならない。
【０００７】
水分回収と保持の強化への共通した取り組みは、発電設備の排気流におけるコンデンシング熱交換器の使用であり、液体の水を生じさせてそれを設備に戻すために、排気流を露点以下の温度まで冷却する。通常、そのようなコンデンシング熱交換器は空気極排気流を冷却するのに使用され、この排気流は空気極チャンバを離れる際に気化した生成水を含む。コンデンシング熱交換器は、冷却周囲空気流のストリームの熱交換のために空気極排気流を通し、次いで凝縮した水を、間接的に配管を介して貯水槽へ戻すよう案内する。
【０００８】
コンデンシング熱交換器は、燃料電池発電設備の水分回収とエネルギー効率を向上させたが、熱交換器は周囲の温度が上昇した際に水分回収率が減少するという事態に直面する。発電設備が自動車などの乗り物へ電力を供給するものである場合、設備は非常に広い周囲温度範囲にさらされることになる。例えば、周囲空気冷却流が熱交換器を通過するとき、周囲空気の温度が上昇すると、発電設備の排気流から析出する液体の量が減少するため、交換機の性能は周囲空気の温度の直接関数（反比例）として変化する。
【０００９】
乗り物に電力を供給する発電設備にそのようなコンデンシング熱交換器を使用するさらなる条件とは、水の氷点を下回る温度での乗り物の動作に関連するものである。そのような交換機からの水が設備のＰＥＭ型燃料電池内へ再導入されることが多いため、水は氷点温度を下げるための従来の不凍液とは、そのような不凍液がセル中の触媒に吸収されて混ざらず、セル効率が低下する。
【００１０】
発電設備がコンデンシング熱交換器を使用するものである場合に存在する前述の限界のいくつかを克服するため、現在、広範囲の周囲空気温度並びに条件にわたって、１つのガス流から別のガス流への効率的なエネルギー及び／又は水の伝達に関して、微細孔エンタルピー交換障壁を採用したエネルギー回収装置（ＥＲＤ）を代替として使用することが開発されている。微細孔エンタルピー障壁をインレット酸化剤ガス流路と燃料電池排気ガス流路の間に有するそのようなＥＲＤの例は、２００１年８月１４日に発効された、グラッソ等（Ｇｒａｓｓｏ，  ｅｔ  ａｌ）の米国特許第６，２７４，２５９号に開示されている。尚、この特許は、本発明の出願人に譲渡されており、本開示に参照として組み入れられる。この微細孔エンタルピー交換障壁は、繊維及び／又は粒子材料などの多孔質材料からなる支持基材を有する１つ以上のプレートからなるものを考慮することができ、多孔質グラファイト層が好ましいであろう。支持基材は孔を画定し、それら孔が水性液などの液状の移動媒体で充填されることによりガス障壁が形成される。支持基材の孔は、約０．１〜１００ミクロン（μｍ）の範囲にある寸法を有し、また、基材は液状の移動媒体で加湿されて、通常０．２ｐ．ｓ．ｉ（１．３７９ｋＰａ）より大きい気泡圧を生じさせるよう親水性である。微細孔エンタルピー交換障壁のインレット表面は、燃料電池発電設備に流入する処理酸化剤インレットストリームと接触するよう配置され、障壁の反対側の排気表面は、設備から流出する排気ストリームと接触するように配置されるため、排気ストリームからの水と熱は、処理酸化剤インレットストリームへと直接交換される。低揮発性であってよい液状の移動媒体は、その適量を微細孔エンタルピー交換障壁内に簡単に閉じ込めることができるか、あるいは、必要に応じて、供給溜めから再供給することができる。これにより、２つのガス流ストリームの間のガス障壁が確実なものとなり、かつ、周囲温度が上昇したときに処理酸化剤インレットストリームをある程度加湿することも可能となる。
【００１１】
従来技術のコンデンシング熱交換器の重要な利益をもたらす一方、前述の米国特許第６，２７４，２５９号に開示のＥＲＤは応答性が高すぎて、処理酸化剤インレットストリームの周囲の湿度及び／又は温度レベルを変化させることができない場合がある。非常に高温で乾燥した、「乾ききった」インレット空気のために、凝縮排気ガスストリームで供給できる速度よりも高速で加湿水が蒸発してしまい、その速度は燃料電池で生成された回収可能な排水の全レベルを超える可能性がある。ＥＲＤプレートが、特にプレートのインレット空気導入端に沿って乾燥する結果を招く場合があるため、このような状況は容認できない。
【００１２】
従って、燃料電池発電設備において、特に、そこを流れる処理酸化剤インレットストリームに関連して、エネルギー回収装置中並びのそれ自体の加湿制御の改善された機構（ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）が必要とされている。
【００１３】
さらに、発電設備における水の均衡を調整するために、燃料電池発電設備のエネルギー回復装置の性能を制御するための配置が望まれている。
【００１４】
さらに又、燃料電池発電設備のエネルギー回復装置中の微細孔エンタルピー交換障壁に関連する湿度及び／又は温度状態を迅速にかつ簡単に制御する能力が望まれている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
処理酸化剤インレットストリーム及び還元流体ストリームから電気エネルギーを生成させるための燃料電池発電設備を提供する。この設備は、処理酸化剤インレットストリーム及び還元流体ストリームから電気エネルギーを生成し、水分と顕熱を含む燃料電池排気ストリームを供給する１つ又はより多くの燃料電池と、それぞれのエンタルピー交換障壁で分離された第１と第２のガス流チャネルを有し、燃料電池排気ストリームは第１のガス流チャネルを通過するよう連結され、処理酸化剤ストリームのための処理酸化剤源は第２のガス流チャネルを通過するよう連結されることにより、第１と第２のガス流チャネルの間を物質（ｍａｓｓ）及び／又は熱がエンタルピー交換障壁を介して移動することができるエネルギー回復装置（ＥＲＤ）と、燃料電池排気ストリームと処理酸化剤ストリームとの間における物質及び熱、即ち、エンタルピーの移動速度を調整するために、処理酸化剤がエネルギー回復装置の第２ガスチャネルを通過する前に水などの液状媒体を処理酸化剤ストリーム中に注入するための注入手段とを含んでなる。
【００１６】
ＥＲＤのエンタルピー交換障壁は、多孔質グラファイト層、繊維材料などの支持基材中に微細孔を有する種類のものであることが好ましい。水などの液体は、通常、処理酸化剤ストリームと燃料電池排気ストリームとの間にガスシールを提供し、水などの物質及び／又は顕熱の、一方のガスストリームから他方への移動を促進するよう、支持構造基材の孔を満たす。
【００１７】
燃料電池に取り入れるのに適した純度を有する水などの液体は、処理酸化剤インレットストリームがＥＲＤを通過する際、又はその前にそのストリーム中に注入してよい。注入水の流速と注入時間、即ち量及び／又は温度を制御することにより、発電設備、特にＥＲＤの１つ又はより多くの運転条件を比較的簡単に調整することができる。ＥＲＤを通る処理酸化剤チャネルのインレット端又はその付近に配置された１つ又はより多くの噴射ノズル又は同様の分配器、例えば、ＥＲＤへのインレットに隣接したプレナムなど、で水を注入することができる。
【００１８】
一態様によれば、ＥＲＤに供給される処理酸化剤の温度を監視する。その酸化剤温度がエンタルピー交換障壁からの水を、燃料電池排気が凝縮水に供給し得るよりも早く蒸発させることができる温度になる、例えば、空気温度が約８５°Ｆ（３０２．５９４Ｋ）を超えるとき、処理酸化剤インレットストリームがＥＲＤに入る前にその中に水を注入することができる。この水は処理酸化剤インレットストリームを冷却して加湿し、それにより、エンタルピー交換障壁中に含まれる水に接触するそのストリームの乾燥作用が低減される。このインレット空気を加湿するのに必要な水の添加量は比較的少量であり、通常、回収可能な水量の５％である。
【００１９】
別の実施態様によれば、特に、長時間の停止後の発電設備の始動時に処理酸化剤インレットストリーム中に水を注入することにより、燃料電池排気から適量の凝縮水が生成される前にエンタルピー交換障壁を加湿するのを容易にすることができる。この概略的態様の特定の用途は、氷結条件下で設備を始動し、ＥＲＤを解凍する必要がある場合に、比較的温かい水を処理酸化剤インレットストリーム中に注入することにある。
【００２０】
さらに別の実施態様によれば、ＥＲＤの性能を、処理酸化剤インレットストリームに温かい水を注入することによって制御可能に低下させることができるため、その露点を上昇させ、燃料電池排気ストリームからの水の移動を低減させることができる。この機能は、燃料電池発電設備が水均衡状態以下に落とす必要がある場合に有用である。そのような場合、排気を介したシステム水の純損失があり、これは、システムから液体の水がオーバーフローする（即ち、こぼれる）ことを防ぐために一時的に望ましい状態である。
【００２１】
本発明の前述の特徴並びに利点は、関連する図面を参照しながら以下の例示的な実施態様の詳細な説明を検討することによってより明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図を詳細に参照すると、燃料電池発電設備が図１に概略的に示されており、本発明の動作環境として符号１０で示されている。燃料電池発電設備１０は、還元流体と酸化剤ストリームから電気エネルギーを生成するための少なくとも１つの燃料電池手段、例えば、燃料電池１２を備える。燃料電池１２は、陽子交換膜（ＰＥＭ）などの電解質１４と、その対向する両側にある燃料極電極領域１６及び空気極電極領域１８を有する。燃料電池１２は、通常、既知の方法で他の実質的に同一の燃料電池（図示せず）と組み合わせて、燃料電池スタックアッセンブリを形成する。燃料電池スタックアッセンブリは、従来既知の方法で還元流体と処理酸化剤ストリームを燃料電池１２中へ、又はそこから輸送するためのマニホルドを有する。燃料電池１２は又、熱と過剰な生成水を燃料電池から除去するための冷媒流チャネル、即ち経路２０を有するものであってよい。
【００２３】
水素濃度の高い還元流体は、燃料処理システム（ＦＰＳ）２４によって処理かつ精製された後、コンジット、即ちストリーム２６を介して燃料電池１２の燃料極１６に送られる、特に水素含量の高い所望の還元流体を調製する準備として燃料供給源２２内に蓄積されている。ここで使用する場合、「コンジット」と「ストリーム」は互いに交換して使用することができ、前者は流体（流れ）の導管を示し、後者は流体（流れ）そのものを示す。ＦＰＳ２４は、還元流体を供給するためのものであれば既存のいずれかでよく、通常、（図示しない）改質器と、蒸気発生器と、移行反応器と、選択的酸化剤など又はそれらの一部を有する。
【００２４】
燃料供給２２とＦＰＳ２４からの還元流体は、ストリーム２６を介して燃料極１６へ送られる。同様に、酸化剤インレットコンジット２８は、酸化剤供給３０からの空気などの酸化剤ストリームを、酸化剤マニホルド（図示せず）を介して燃料電池１２内の空気極電極領域１８へ送る。酸化剤ストリームは、酸化剤供給３０における供給とストリーム２８を介した燃料電池１２への送出との間で、湿度及び／又は温度において変化し、主として、以下でより詳細に説明するように、本発明によるエネルギー回復装置（ＥＲＤ）３２を通って酸化剤ストリームが流れる結果となる。
【００２５】
燃料電池１２の燃料極電極領域１６に入った還元流体と、空気極電極領域１８に入った化剤ストリームは、触媒とＰＥＭ電解質１４の存在下で公知の方法で電気化学的に反応し、電気エネルギーと生成水を生じる。さらに、通常、未使用の還元流体をある程度含む燃料極排気ストリームは、燃料極電極領域１６から排出されて、ストリーム３４を介してＦＰＳ２４のバーナー／蒸気発生器（図示せず）に送られて蒸気となる。空気極排気ストリームは、空気極電極領域１８からストリーム３６を介して排出され、通常、燃料電池での反応によって加熱された酸化剤（空気）を含み、さらには反応による水分（水）も含有する。
【００２６】
燃料電池１２を通る冷媒流路２０は、燃料電池を冷却し、かつ、過剰な生成水を、冷媒排気ストリーム３７を介して除去するよう機能する。その冷媒流路２０と冷媒排気３７は、典型的には、少なくとも冷媒の一部を冷却し、清浄化し、かつ再循環させる冷媒ループ３８の一部である。図１では循環ポンプ４０のみが示されているが、その他の（図示しない）構成要素が存在し、又、公知であることは理解されるであろう。冷媒は、低温運転のために設計された水又は水性溶液のいずれかであるため、他の用途に使用される水であってよい。例えば、冷媒排気ストリーム３７’は、液体又は蒸気として使用されるための水を再生工程で生成するためにＦＰＳ２４に連結される。冷媒ループ３８中の水は、既知の方法でシステム内の水の均衡を維持するのに使用することができ、さらには、本発明による水源として使用することもできる。またさらに、過剰の生成水がある場合に限り、発電設備のシステムからいく分かを排出するための措置をとってもよいが、本発明の態様では、そのような必要性を排除又は緩和することを試みる。
【００２７】
本発明を詳細に検討すると、ＥＲＤ３２は、コンデンシング熱交換器を必要とすることなく、水の回収と燃料電池発電設備１０の熱効率を改善するという目的のために存在する。しかしながら、携帯用車両の用途において起こり得るような、周囲酸化剤又は燃料電池排気中のいずれかにおける過剰な周囲熱及び／又は高いあるいは低い湿度条件下では、ＥＲＤに対して別の要求が生じる。概して、ＥＲＤ３２は、入ってくる処理酸化剤用の処理酸化剤流ストリーム４２と、燃料電池１２から排気されるガスストリーム（又は複数のストリーム）の燃料電池排気ストリーム４４を画定するよう構成される。処理酸化剤流ストリーム４２と燃料電池排気流ストリーム４４は、２つのストリームを常に分離する一方で、それらの間で物質（水など）と顕熱を移動させるよう機能するエンタルピー交換障壁４６の両側に沿って延びている。通常、必要ではないが、処理酸化剤流ストリーム４２と燃料電池排気流ストリーム４４は、エンタルピー交換障壁４６に対して、相互に反対方向に流れる。
【００２８】
本発明の最も広い意味において、ＥＲＤ３２のエンタルピー交換障壁４６はある種のイオノマー膜の形態でもよいが、本発明の実施態様では、微細孔支持構造基材を使用することが好ましい。典型例としては、米国特許第２７４，２５９号に開示される型のものがある。その場合、エンタルピー交換障壁４６は、多孔質グラファイト層、多孔質グラファイトポリマー層、無機繊維熱硬化性ポリマー層、グラスファイバー層、可湿性になるよう処理された合成繊維ろ紙、多孔質金属層、孔中に粒子材料を有する穿孔金属層、及び／又はそれら層の複数の組み合わせ、あるいは微細孔構造を作製するのに適したその他の材料である、微細孔支持構造基材であってよい。層はときに「プレート」と称される場合がある。層の材料は親水性であるか、又は親水性にしたものである。孔径は、親水性の孔が液状の移動媒体で加湿されると、０．２ｐ．ｓ．ｉ（０．３７９ｋＰａ）より大きい気泡圧を有するガス障壁を作るために、０．１〜１００ミクロン（μｍ）の範囲内であることが好ましい。その液状の移動媒体は、好ましい実施態様においてはＥＲＤ３２を通って流れるガスストリームに含まれる水分、通常は水である。
【００２９】
燃料電池１２からの温かい又は高温の排気ガスは、燃料電池排気ストリーム４８としてＥＲＤ３２に供給され、これは空気極排気３６又はＦＰＳ２４中のバーナーに燃料を供給した後の燃料極排気３４由来の酸化された燃料極排気ストリーム３４’のいずれか由来か、あるいは、多方向弁５０の記号で示される両方の燃料電池排気ストリームの組み合わせ由来であり、多方向弁５０は、排気ガスの一部である排気ストリーム６９として排気するという選択を提供する。燃料電池排気ガスは、燃料電池排気流ストリーム４４を介してＥＲＤ３２を通って流れ、排気ストリーム５２を介してＥＲＤと発電設備１０から流出する。
【００３０】
酸化剤供給３０は、通常空気源であり、燃料電池１２の酸化剤を提供する。その酸化剤は、ＥＲＤ３２を介して燃料電池１２に導入され、ＥＲＤ３２では、酸化剤がエンタルピー交換障壁によって燃料電池排気ガスストリーム４４からの水分及び／又は潜熱と顕熱を得たり失ったりする。処理酸化剤インレットストリームは供給３０からコンジット、即ちストリーム５３を介して、ＥＲＤ３２への酸化剤インレット５４へ延びており、処理酸化剤流ストリーム４２になっている。酸化剤ブロア５６が、ストリーム５３かストリーム２８のいずれかの酸化剤流路内に配置され、酸化剤を効率よく輸送する。
【００３１】
さらには、処理酸化剤インレットストリーム５３中に水を注入するための手段を、通常、ＥＲＤ３２のインレット５４かその直前に設ける。この水の注入は、図１において矢印５８で概略的に示されており、図２に関連してより詳細に図示されている。図２では、プレナム６２中に取り付けられた１つ又はより多くの噴射ノズル６０により、水源又は供給６６からノズルに輸送された水５８の噴霧６４が送られる。水供給６６は、発電設備１０のその他の水源とは独立した別個の溜めであってよいが、図１において破線６８で示されるように、冷媒ループ３８からの供給によって輸送されることが好ましい。ノズル６０で供給される水噴霧６４は、十分に微小で分散されているため、ストリーム５３からプレナム６２へ運ばれる酸化剤のストリームと十分に混合される。このように、プレナム６２内の処理酸化剤ストリーム４２の加湿が、エンタルピー交換障壁４６を通る水の通常移動を介して生じる水分を補うよう達成される。
【００３２】
入ってくる処理酸化剤ストリームに水噴霧を簡単に送り込むのに加えて、別の態様により、その酸化剤ストリームに注入される水の流速及び量及び／又は温度を制御することが提供される。それに関し、図２のコントローラ７０は、既知の方法で、制御信号を、リード７２を介して水供給６６からの水輸送ライン５８の一部に連結された制御弁７４へ送るように作動可能である。これにより、水の噴射ノズル６０への輸送が、流量及び／又は時間を制御することで、少なくとも量に関して調整可能となる。また、コントローラ７０は、ノズル６０に送られる水の温度を制御するために、リード７６を介して制御信号を、加熱要素７８などの加熱器に供給するように図示されている。温度センサ８０により、ストリーム５３を介して輸送される周囲の処理酸化剤の温度が監視され、リード８２を介してコントローラ７０に指示が与えられる。同様に、ストリーム５３を介して輸送される周囲の処理酸化剤の水分量を監視し、リード８２を介してコントローラ７０に指示を与えるのに、湿度センサ８４を使用することができる。湿度センサ８４の代替として、入ってくる空気の水分量を、乾球温度測定と湿球温度測定並びに比較などのように、体感温度の測定によって決定してもよい。
【００３３】
さらには、冷媒ループ３８内に留まる水のパラメータを制御する。冷媒ループ３８内のアキュムレータ８８は、システム内の水量の判断基準として、アキュムレータ内の水のレベルを指示するためのレベルセンサ９０を備える。センサ９０からコントローラ７０に水量信号が送られることにより、噴射ノズル６０へ送られる水の量と温度を、ＥＲＤ３２の性能を低下させるようにさらに制御し、それにより、水レベルが過剰になったときに発電設備１０から除去する水の量を増大することができる。
【００３４】
インレット空気の主要な冷却が水の蒸発によるものであるため、ある程度の過剰な水の注入は許容することができる。一旦飽和状態になると、インレット空気温度は十分には変化しない。一般的に、
ａ）乾燥を防ぐために空気が高温、即ち、８５°Ｆ（３０２．５４９Ｋ）を超えるとき、又は、
ｂ）暖められた水をシステムの「十分に加湿する」及び／又は解答するよう機能する場合の始動時、
のいずれかの場合に低量の水が注入される。反対に、アキュムレータ８８８内の水レベルが満水に近い場合、水分の回収を低減するために比較的多量の水が注入される。
【００３５】
ＥＲＤに入る直前に水噴霧６４を処理酸化剤インレットストリーム５３に注入する設備を有するＥＲＤ３２で可能な様々な運転モードを説明する。注入される水噴霧の流速及び／又は時間、即ち量を、手動制御で、又はより好ましくは、適切にプログラムされたコントローラ７０並びに付随する１つ又はより多くのセンサ８０，８４，９０などで決定される弁７４を介して制御することができる。注入される噴霧６４の温度も、センサ８０からの入力に応答して加熱器７８の制御することなどにより、同様に制御することができるが、加熱を要しないため、通常冷却水温度が適切である。
【００３６】
高い周囲温度におけるインレット空気流がエンタルピー交換障壁４６を乾燥させて、燃料電池排気流ストリーム４４を処理酸化剤流ストリーム４２へとある程度クロスフローさせる望ましくない傾向を有するため、水噴霧６４をインレット処理酸化剤ストリーム５３，４２内へ供給して、そのような障壁４６の乾燥を防ぐのに十分な水蒸気を冷却して加える。これは、障壁４６の乾燥の始まりを直接的又は間接的に示すパラメータを監視することによって達成される。一方、インレット処理酸化剤ストリーム５３の乾燥度を監視する湿度センサ８４は、そのような指示を提供するよう機能する。しかしながら、比較的簡単で効果的な機構において、周囲処理酸化剤の温度のいき値を、噴霧６４を注入するか否かを決定する主要な又は唯一の決定因子として使用することができる。約８５°〜９０°Ｆを超える周囲空気温度は、望ましくないエンタルピー交換障壁４６の乾燥をもたらすということが、概ね判明している。そのため、センサ８０で検知された約８５°〜９０°Ｆという制御いき値を、水噴霧６４が注入される温度を超える、あるいは逆に下回る値又は範囲として設定する。
【００３７】
インレット処理酸化剤流ストリーム５３，４２の湿度及び／又は温度の制御に関する別の曲面では、特に、障壁が乾燥して長時間停止後、かつ排気流ストリーム４４が適切な水分を障壁に供給できる前の発電設備の始動時に、エンタルピー交換障壁４６を適切に加湿するのを確実にすることが重要である場合がある。従って、コントローラ７０を、そのような長時間の停止を認識し、かつ、始動時にインレット処理酸化剤流ストリーム５３，４２に水噴霧６４が供給されるよう適切にプログラムしてよい。噴霧は、障壁４６の加湿する、即ち「十分に湿らせる」のを確実にするよう所定時間、あるいは、ＥＲＤ３２にわたる作動流圧の低下などの検知されたパラメータ（図示せず）が、噴霧はもう不要であると示すまで、噴霧を適用してよい。
【００３８】
始動と始動の間の時間、エンタルピー交換障壁４６が適切に加湿されることを確実にするための上述の機構の特定のサブセットとして、氷結状態の間、発電設備１０が停止モードにあるときに、障壁４６及び／又はインレット処理酸化剤流ストリーム５３，４２に関してＥＲＤ３２の下流にあるその他の構成要素が氷結する場合がある。そのような状態は、通常、酸化剤周囲温度センサ８０（又はその他の図示しない温度センサ）によって測定又は推量され、噴霧６４を供給するだけではなく、噴霧６４の水分を加熱するよう加熱器７８を作動させるようコントローラ７０に入力するのにセンサを使用することは、ＥＲＤ及び／又はそれらの下流の要素における氷を融解するのに役立つ。加熱された噴霧の注入時間は、処理酸化剤流ストリームを供給する周囲空気の温度の関数としての一定の又は可変の所定の間隔か、あるいは、着氷がすでに存在しない状態であることを示す、その下流の検知されたパラメータに応答して自動的に変更されるものであってよい。
【００３９】
さらなる態様において、燃料電池発電設備１０における水の均衡は、ＥＲＤ３２中の処理酸化剤流ストリーム４２の露点を、ＥＲＤの物質移動性能が一時的に劣化して、ＥＲＤ３２中の燃料電池排気流ストリーム４４とそこから流出する排気ストリーム５２を介して発電設備１０から除去される水の量を増大させるように制御することによって調整することができる。この作用は、システムからの水のオーバーフローを引き起こし得る過剰な水の回収を防ぐのに利用することができる。そのような水のオーバーフローは、排液費用等を含む設備の排水システムに必要な、土壌への流出に対する規則のために一般的に好ましくない。
【００４０】
ＥＲＤ３２による水の移動の減少は、加熱された噴霧６４を処理酸化剤ストリーム５３中に注入して処理酸化剤インレットストリーム４２を比較的高くすることによって達成される。ＥＲＤ３２中の処理酸化剤流ストリーム４４の露点が増大すると、それに対応して酸化剤流が排気流から得られる水の量が減少する。このように、発電設備１０内、特に、冷媒ループ３８中の水の均衡を、処理酸化剤流ストリーム４４における露点を上昇させるよう温かい水を比較的少量添加したことに応じて、排気流ストリーム４４中の水を比較的多量に排出することによってある程度低減することができる。典型的には、冷媒ループ３８内のアキュムレータ８８に連結したレベルセンサ９０が、水量などの水均衡のパラメータを監視してコントローラ７０に入力し、コントローラ７０によって適切な間隔で加熱した水噴霧６４を供給するよう、弁７４と加熱器７８が制御される。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】処理酸化剤インレットストリームが連続的に流れるエネルギー回収装置（ＥＲＤ）における水及び／又は熱移動条件を制御するために、処理酸化剤インレットストリーム中への水の注入を利用した燃料電池を示す、簡略した概略図。
【図２】水の注入とその制御をより詳細に示す図１の発電設備の断片的な概略図。
【図１】
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【図２】
2007512675.tif 000004
【国際調査報告】
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