(57)【要約】  燃料電池発電システムが、燃料電池スタックのプレートを互いに保持するクランプ機構体と、燃料供給及び排出流と、酸化体供給及び排出流と、燃料電池スタック冷却ループ及びコージェネレーション熱交換器のうち少なくとも一方とを含む少なくとも１つの燃料電池スタック組立体を有する。冷却ループ又はコージェネレーション型熱交換器は、クランプ機構体によって燃料電池スタックのプレートと共に保持された熱交換プレートのスタックを有する。【選択図】図３Ｃ
2008515134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池発電システムであって、燃料電池スタックのプレートを互いに保持するクランプ機構体と、燃料供給流及び排出流と、酸化体供給流及び排出流と、燃料電池スタック冷却ループ及びコージェネレーション熱交換器のうち少なくとも一方とを含む少なくとも１つの燃料電池スタック組立体を有する燃料電池発電システムにおいて、
前記冷却ループ及び前記コージェネレーション熱交換器のうちの一方は、前記クランプ機構体によって前記燃料電池スタックの前記プレートと共に保持された前記熱交換プレートのスタックを有する、燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックの前記プレートは、前記燃料供給及び前記酸化体供給体のうちの少なくとも一方の供給流体流れを加湿する加湿ゾーンを構成する、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記クランプ機構体により前記燃料電池スタックの前記プレート及び前記熱交換プレートの前記スタックと共に保持された加湿プレートスタックを更に有する、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記燃料電池スタック組立体の一端部に取り付けられた冷却剤貯蔵タンク区分を更に有する、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記燃料電池スタック組立体の前記プレートは全て、同一の断面を有する、請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記冷却ループと前記コージェネレーション熱交換器の両方は、前記クランプ機構体によって前記燃料電池スタックの前記プレートと共に保持された燃料交換プレートのスタックを有する、請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記燃料電池スタック組立体にはパイプ又はホースが設けられておらず、前記スタック組立体の前記プレートに設けられた一連の互いにオーバラップした孔により全ての導管が形成されている、請求項１記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学反応又は物理状態の変化により電流を生じさせる装置及び特にかかる装置の包装及び収容体に関する。
【０００２】
なお、本願は、２００４年６月７日に出願された共通譲受人の係属中の米国特許出願第１０／８６１４０９号（発明の名称：Flow Field Plate for Use in Fuel Cells）に関し、この米国特許出願を参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。本願は又、２００４年６月７日に出願された共通譲受人の係属中の米国特許出願第１０／８６１４１６号（発明の名称：Fuel Cell Stack with Even Distributing Gas Manifolds）に関し、この米国特許出願を参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。本願は又、共通譲受人の係属中であるが、出願番号は未付与の米国特許出願（発明の名称：Fuel Cell with In-Cell Humidification）に関し、この米国特許出願を参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。
【背景技術】
【０００３】
水素と酸素が電気化学反応中に結合して発電を行い、その副産物として水を生じさせる燃料電池が、例えば高清浄度（クリーンネス）、低騒音性、高効率性のような明らかな利点を持って出現した。燃料電池は、携帯型発電プラント、輸送機関用発電プラント及び定置発電プラントを含む多くの分野で利用できる。一般に、燃料電池は、燃料／酸化剤の混合物の化学エネルギーを電気に変換する電気化学的装置である。電気への燃料の直接変換が意味することは、燃料電池が、燃料を熱に変換しこの熱により発電のための機械的仕事を生じさせる従来型の発電システムよりも高い効率（燃料のＬＨＶを基準として約５０％〜６５％）で動作するということである。従来型発電システムは、個別のシステムにおける熱力学的及び機械的制約によりカルノーサイクルの制約を受け、効率を低下させる。効率に関する検討事項とは別に、燃料電池は、従来型発電システムと比べて幾つかの他の利点をもたらす。環境面での意識が次第に高まっている今日の状況では、燃料電池システムは、発電と関連した大気汚染を実質的に減少させる可能性を秘めている。ほとんどの形式の燃料電池に関し、発電の副産物は、水素が燃料として用いられた場合、水だけである。燃料電池に関する高いシステム効率は、燃料利用性の向上につながり、したがって、効率の低いシステムと比べてＣＯ2放出量が減少する。燃料電池発電プラントは、粒子状物質、ＮＯx及びＳＯx放出に関する厳しい現在及び将来における環境条例を上回ることができる。加うるに、燃料電池の機械的システムには可動部品が無いので、従来型発電プラントと関連した騒音が大幅に軽減され、燃料電池発電プラントは、低い保守性で高い信頼性を備えている。とりわけ、燃料電池は、その有利な特性により、信頼性の高いスタンドアロン型電源装置を必要とする分野に特に利用でき、例えば、テレコム及び救急ステーションで必要である。
【０００４】
低温型燃料電池のうちで、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）（高分子型燃料電池と呼ばれることがある）は、主として電気車両にとって重要であると考えられる迅速な始動をもたらす低温という性質により、相当な注目を受けた。電解質がポリマー材料なので、燃料電池内部に自由腐食性液体が存在せず（水が唯一の液体である）、それ故、材料の腐食は、最小限に保たれる。加うるに、ＰＥＭＦＣは、製作するのが簡単であり、寿命の長いことが実証されている。
【０００５】
単一の燃料電池（以下、「セル」又は「単セル」という場合がある）は、電気絶縁性の電解質により分離されたアノードとカソードから成り、電解質は、ＰＥＭ燃料電池の場合、固体高分子膜である。所望の電気化学反応を促進するため、触媒層が、ＰＥＭの表面上に形成されて多孔質電極メンブレン組立体（ＭＥＡ）を形成する。水素富化燃料（又は純水素）が、アノードの多孔質電極材料を透過して触媒層と反応し、それにより水素イオン及び電子を所持させる（Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-）。水素イオンは、ＰＥＭを通って移動してカソード電極に至り、このカソード電極において、酸素含有ガス供給源（通常は空気）も又多孔質材料を透過して水素イオン及び電子（これらは、外部回路を通ってアノードから到着している）と反応して水と熱を生じさせる（1/2 Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ＋熱）。実際の個々の燃料電池は、或る特定の形式のフローチャネルを備えた導電性アノードプレートと、ＭＥＡ及びガス拡散層（ＧＤＬ）（又は、一体化ＭＥＡガス拡散層）と、或る特定の形式のフローチャネルを備えた導電性カソードプレートとから成り、密封材料が、ＭＥＡとプレートとの間に設けられている。単セルは、一般に、数百ｍＡ／ｃｍ2のオーダの電流密度で約０．６〜０．８ボルトを生じさせるので、所望の電力出力を達成するためには多数の燃料電池を互いに積み重ねる必要がある。積み重ね状態の多数の燃料電池は、代表的には取付け手段、例えばタイロッドで２つの端板相互間に包装される。
【０００６】
図１に概略的に示されている燃料電池発電システムが、燃料、酸化体及び冷却剤を受け入れて排出する流体コネクタが設けられた２つの端板（２１，２２）を有する燃料電池スタックを備えた状態で中央に位置している。燃料プロセッサからの水素又は水素富化燃料（１００）が、燃料電池スタック燃料入口に供給され、通常、スタックからのあり得る逆流を阻止するために逆止弁（１０１）が供給ラインに取り付けられている。スタックからの劣化燃料を適当な手段、例えばインジェクタ（１０３）によって再循環させて入口に戻すか、補助バーナに送り戻して熱を生じさせ若しくは燃料プロセッサと一体化されたバーナに送り戻して燃料改質のための熱を供給するかのいずれかを行うことができる。スタックを適当な圧力に維持し又は燃料の流量を制御するための弁（１０２）を燃料排出ライン（１０３）のところに設けるのがよい。一般に、空気を濾過（２０９）後にスタックに送り、圧縮し（２００）、加湿する（２０２）。実用的で便利な空気加湿法は、加湿器（例えばエンタルピーホイール又はファイバ−メンブレン）を用いることであり、かかる加湿器は、飽和状態の又は実際には液体としての水を含有したカソード排出空気（２０４）と比較的乾燥して低温の流入空気（２０１）との間で湿度を交換する。劣化空気は、水分を流入空気に与えた後、好ましくは、凝縮器又は水分離器に通され、或いは、単に排気弁（２０６）に送られて逃がされる。燃料電池の反応から放出された熱を除去してスタックを好ましい動作温度に保つため、冷却ループが設計され、この冷却ループは、一般に、冷却剤ポンプ（３１０）と、冷却剤フィルタ（３０１）と、排熱回収熱交換器（コージェネレーション熱交換器と呼ばれる場合がある）（３０４）と、十分なコージェネレーションが行われなかった場合にのみ熱を環境に放出するために用いられるバックアップ熱交換器（放熱器と呼ばれる場合がある）（３０６）と、冷却剤貯蔵タンク（３０８）とを有する。燃料電池システムがコージェネレーションを行わないように設計されている場合、２つの熱交換器（３０４），（３０６）を１つに減少させることができる。
【０００７】
従来型燃料電池システムは、これら多数のコンポーネントが個々に設置され、パイプライン及び継手により互いに連結された状態で構成されている。これらコンポーネントは、この場合、パッケージチャンバ内に収容されている。かかるパッケージは、例えば、２００３年７月２４日に公開された米国特許出願公開第２００３／０１３８６８８号明細書の図４に示されている。当該技術分野において一般に理解されているように、システムのサイズ及び体積を減少させるためには、これら機能的コンポーネントは全て、収容チャンバ内に密に包装され、したがって、その結果として、機械的レイアウトの複雑さが増大すると共に個々のコンポーネント及びパイプラインを絶縁するのが困難になると共にスペースが狭い結果として接近性が限られるために保守サービスを提供するのが困難になる。
【０００８】
当該技術分野における最近における技術的努力として、多数のコンポーネントの一体化又は組込みによりシステムのコンパクトさを向上させている。２００３年８月７日、２００３年８月１２日にそれぞれ公開された米国特許出願公開第２００３／０１４８１５７号明細書、米国特許第６，６０５，３７８号明細書は、燃料電池カソード排出部及びバーナ排出部からの水分及び熱を流入カソード空気に伝達するエンタルピー回収装置と、水リザーバと、脱気装置とを含む一体形組立体を開示している。収容チャンバは、コージェネレーションのための熱交換器、空気をカソードに供給する空気圧縮機／ブロワ、及び図１に記載したような燃料電池発電システムに通常必要な他の付属装置を備えていない。
燃料電池スタック及び関連の熱交換器並びに他の付属装置を有する燃料電池システムの多数のコンポーネントを一体化して重量、体積及び複雑さを減少させることが要望されている。
【０００９】
燃料電池発電プラントが最小限に抑えられた重量、体積及び複雑さで効率的に且つ高信頼度でしかも費用効果がよく動作することができるようにするために、本発明は、多数の別々のコンポーネントが機械的且つ機能的に一体化された燃料電池発電モジュールを提供しようとするものである。
【００１０】
本発明の主目的は、機械的に且つ機能的に一体化されたコンパクトな燃料電池発電モジュールを提供することにある。本発明は、燃料電池システム組立体を単純化し、熱的一体性を向上させ、効率を上げると共にシステムのサイズ及び占有スペースを減少させる。本発明により、多数のコンポーネントを互いに連結するパイプ類及びこれらの個々の断熱材を実質的に無くすことができる。
【００１１】
本発明は、一般に、燃料流、酸化体流及び冷却剤流を備えた固体高分子膜（ＰＥＭ）型燃料電池組立体に関して多数のコンポーネントの機械的且つ機能的一体化に関する。燃料電池組立体は、燃料電池スタック、排熱回収熱交換器、バックアップ空冷熱交換器、冷却剤循環ポンプ、冷却剤貯蔵及びバッフルタンク、空冷熱交換器用の空気ブロワ及びコンパクトで実質的にパイプの無い燃料電池発電モジュールを形成するのに必要な他の付属コンポーネントを機械的に且つ機能的に一体化することができる。機能的に一体化された多数のコンポーネントは、クランプ方法によって更に機械的に一体化され、内面が断熱材料で覆われた一体収容チャンバ内に収容され、かくして単一のコンパクトで十分に断熱された発電用燃料電池組立体が得られる。
【００１２】
本発明の機能的且つ機械的に一体化された燃料電池発電システムは、有利には、多数の有益な技術上及び動作上の属性を備え、かかる属性としては、以下のものが挙げられるが、以下のものには限定されない。
【００１３】
コンパクトさ：コンパクトさは、燃料電池発電システムの関連の多数のコンポーネントが単一パッケージ内に機械的且つ機能的に一体化されていることから明らかである。
【００１４】
単純さ：燃料電池発電システムの多数のコンポーネントの特徴的な機械的一体化により、従来型システムで見受けられるパイプライン及び継手は、実質的に省かれている。単一パッケージは又、多数のコンポーネントが大形の収容チャンバ内に位置決めされて種々のパイプライン及び継手で互いに連結されている従来型システムと比較して単純さを向上させることができる。
【００１５】
軽量：パイプライン及び継手が省かれているので、システム重量を減少させることができる。
【００１６】
小型化（減容）：これは、本発明のシステム一体化の直接的な結果である。パイプライン及び継手を位置決めするのに必要なスペースが不要である。加うるに、機能的に一体化された熱交換器の結果として、小型化が得られる。
【００１７】
製造及び据付けの容易さ：本発明の燃料電池発電システムの製造及び組立ては、従来型システムと比べて非常に容易になる。燃料電池発電システムは、設計されたプレートが従来型燃料電池スタックの組立てとちょうど同様に積み重ねられてクランプされると実現される。かかるコンポーネント、例えば加湿器、コージェネレーション熱交換器及び空冷熱交換器を設置する余分な仕事が不要であり、しかも、これらコンポーネントを接続するためにパイプライン及び継手を設置する必要はない。
【００１８】
断熱の容易さ：熱エネルギーを保持するのに必要な全てのコンポーネント並びにパイプライン及び継手を個々に断熱しなければならない（これは、スペース接近性が限られているので一般に骨の折れる仕事となる）従来型燃料電池発電システムとは異なり、本発明の燃料電池発電システムは、収容チャンバを断熱する必要があるだけであり、これは、スペース接近性の制約無しに容易に行える。
【００１９】
費用効果：パイプライン及び継手が省かれていると共に効率が増大しているので資本及び労働費の節約を期待することができる。
【００２０】
信頼性の向上：燃料電池発電システムの信頼性をパイプライン及び継手からの漏れの恐れが無くなると共にコンポーネントの機能的一体性が向上し、しかも熱管理及び加湿が促進されるので向上させることができる。
【００２１】
高い効率：本発明により熱的一体化の向上及び熱損失の減少並びに水管理及び物質／熱移動の向上によりセル性能の向上を期待することができる。
【００２２】
本発明の第１の広義の特徴によれば、燃料電池発電システムであって、燃料電池スタックのプレートを互いに保持するクランプ機構体と、燃料供給流及び排出流と、酸化体供給流及び排出流と、燃料電池スタック冷却ループ及びコージェネレーション熱交換器のうち少なくとも一方とを含む少なくとも１つの燃料電池スタック組立体を有する燃料電池発電システムにおいて、冷却ループ及びコージェネレーション熱交換器のうちの一方は、クランプ機構体によって燃料電池スタックのプレートと共に保持された熱交換プレートのスタックを有することを特徴とする燃料電池発電システムが提供される。
【００２３】
本発明の別の特徴及び利点は、添付の図面と関連して以下の詳細な説明を読むと明らかになろう。
【００２４】
添付の図面全体を通じ、同一の特徴は、同一の参照符号で示されていることは注目されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明は、先ず最初に、燃料電池スタック、加湿器、コージェネレーション用の熱交換器及びバックアップ空冷冷却ループ熱交換器、冷却剤貯蔵タンク、冷却剤循環ポンプ、カソード空気供給のための空気圧縮機又はブロワ及び空冷熱交換器用の空気ブロワ並びに関連の他の付属装置を含む燃料電池発電システムの多数のコンポーネントの機能的一体化を可能にする。これらコンポーネントは、更に、当該技術分野における従来型システムとは異なり、実質的にパイプ類及び継手が無いような仕方で機械的に一体化される。したがって、本発明は、重量、体積、複雑さ及びコストを実質的に減少させた燃料電池発電システムを提供することができる。
【００２６】
幾分詳細に上述したように、機能的に一体化された燃料電池発電システムが、図１に概略的に示されており、この燃料電池発電システムは、全体が参照符号１０で示されている。燃料電池発電システム１０は、少なくとも、燃料電池スタック組立体と、燃料供給及び排出流と、酸化体（空気）供給及び排出流と、燃料電池スタック冷却ループと、コージェネレーションを可能にする手段とを有する。このシステムは、一体形パッケージとして、これら流れのための入口及び出口のみを有し、かかるシステムをスタンドアロンで（例えば純水素を供給することにより）動作させることができ又は水素富化リフォーメート流が燃料入口１００に結合された燃料プロセッサに連結することができる。
【００２７】
図１の燃料電池システム１０を機能的且つ機械的に一体化する本発明の一実施形態が、図２に詳細に示されている。以下に更に説明するように、図１の燃料電池発電システムのコンポーネントは全て、コンパクトなパッケージ１０を形成するよう一体化されており、このパッケージ１０は、個々のコンポーネントが互いに連結されて収容チャンバ内に収容された従来型燃料電池システムよりも有利である。図２を参照すると、純水素化燃料プロセッサからの水素富化リフォーメートかのいずれかとしての水素源に連結された燃料入口１００が設けられている。一体形パッケージ１０は、連結パイプ及び継手を実質的に不要にする仕方で互いに連結された数個の区分から成る。さらに、かかる構造により、考えられる限り最大の熱回収を達成する断熱を容易且つ簡単にすることができると共にシステムが極寒冷天候状態でも凍結するのが阻止される。図３は、図２の燃料電池発電システムの構造の細部を更に示しており、特に、流体の流れを本発明に従ってどのように配すればよいかを示している。
【００２８】
依然として図２を参照すると、一体形燃料電池発電システム１０は、冷却剤貯蔵タンク区分１１と、ハウジング区分１２と、空冷熱交換器区分１３と、コージェネレーション熱交換器区分１４と、一体形燃料電池スタック及び内部加湿器区分１５と、第２のハウジング区分１６とを有している。冷却剤タンク３００が設けられるのがよく、この冷却剤タンクの一端又は頂部には、冷却剤を補充するための開口部３０１が設けられている。図示していないが、冷却剤レベルをモニタして制御するためのレベルセンサ、例えばレベルスイッチを冷却剤貯蔵タンク３００に取り付けるのがよい。区分１２に向いた側では、冷却剤の流れをフィルタ３０２、冷却剤循環分布３０３及び冷却剤循環ループ３１５からの流れに結合することができる開口部が冷却剤タンクに設けられている。区分１２は又、空気を空冷熱交換器１３に送る空気ブロワ４００並びに流入するコージェネレーション水のためのパイプライン５００、コージェネレーション水還流のためのパイプライン５０５及び空気排出のためのパイプライン４０４を収容している。多数のルーバ６６０を区分１２に設けて空気取入れのための開口部を形成するのがよい。区分１２にすぐ隣接して、バックアップ空冷熱交換器区分１３が設けられ、このバックアップ空冷熱交換器区分は、好ましくは、波形構造を有する熱交換プレートで構成されている。上述したように、熱交換器１３は、十分なコージェネレーションが得られない場合にのみ働く。ハウジング１２からの流体を結合するため、熱交換器１３の端板６４０は、冷却剤入口６４１、冷却剤出口６４２、空気入口６４３、空気出口６４４、コージェネレーション水入口６４５及びコージェネレーション水出口６４６のための開口部を備えている。理解されるべきこととして、図３に示されたこれら開口部の位置は、例示目的であるに過ぎず、これら開口部を本発明に従って実際の設計では流れ配列に従って任意の仕方で配列することができる。熱伝達プレート上には、熱交換流れ場６４７が設けられ、プレートの一方の側部には、加熱された冷却剤及び空気の流れが交互に且つ隣接して配置されている。プレートには、空気流を熱交換面に結合すると共にこれらを分布される任意所望の形状の開口入口穴６４３が設けられると共に熱交換面からの空気流に結合してこれを受け入れる任意所望の形状の出口穴６４４が設けられており、入口穴６４３及び出口穴６４４は、プレートを互いに積み重ねると、空気入口マニホルド４０１及び空気出口マニホルド４０３を形成する。同様に、冷却剤流を熱交換面に結合すると共にこれらを分布される任意所望の形状の開口入口穴６４８が設けられると共に熱交換面からの冷却剤流に結合してこれを受け入れる任意所望の形状の出口穴６４２が設けられており、入口穴６４８及び出口穴６４２は、プレートを互いに積み重ねると、冷却剤入口マニホルド３１２及び冷却剤出口マニホルド３１４を形成する。さらに、熱交換面には結合されておらず、この区分１３において冷却剤運搬ダクト３０４としてのみ用いられる任意所望の形状の開口穴６４１が設けられている。排熱回収システム（ＨＲＳ、図示せず）に出し入れするコージェネレーション水のための流体運搬ダクト５０１，５０５として役立つに過ぎない任意所望の形状の２つの他の穴６４５，６４６が設けられている。空気４０２と冷却剤３１３との間の熱交換を、任意所望のパターンで、例えば、並流方式が向流方式で排気することができる。
【００２９】
区分１４は、この場合も又、好ましくは、プレート形であって、空冷熱交換器１２に直接取り付けられたコージェネレーション熱交換器を備えている。区分１２，１４相互間には分離プレート６３０が設けられており、この分離プレートには、冷却剤を通す穴６４１、コージェネレーション水を通す穴６４５及び穴６４６、２つの熱交換器相互間で冷却剤を流通させる穴６４８が設けられている。熱交換器１４のプレートには、冷却剤入口マニホルド３０９が穴６５０によって形成されており、これらの穴は、高温冷却剤を熱交換面６４９（図２の流体５０４）を熱交換面６０９に結合してこれを分布させこれに対応して、冷却剤出口マニホルド３１１が、熱交換面６４９からの冷却剤を受け入れる出口穴６４８によって形成されている。プレートの他方の側には、コージェネレーション水を流通させる流れ場が設けられ、この流れ場は、入口穴６４５及び出口穴６４６と連絡している。入口穴６４５及び出口穴６４６は、それぞれ、コージェネレーション水入口マニホルド５０２及びコージェネレーション水出口マニホルド５０４を形成している。穴６４１は、区分１４にのみ流体連絡ダクトを形成している。
【００３０】
区分１４のコージェネレーション熱交換器にすぐ隣接して、端板６２０により分離された燃料電池スタック組立体が設けられ、この端板に設けられた２つの穴６４１，６５０が、流入する冷却剤の流れ及び流出する冷却剤の流れのための通路となっている。燃料電池組立体１５は、当該技術分野においては周知であるように、必要なスタック電圧を提供するシングルセル組立体とマルチセル組立体の両方を意味する場合がある。熱の除去及び温度制御のための冷却剤流路を形成するよう別個の冷却剤プレートを更に設けるのがよく、又は、これをカソードプレートのちょうど裏側に設けてもよい。セルは全て、実質的に同様に、適当な流れチャネルがアノード流れ場を構成するアノードプレート、適当な流れチャネルがカソード流れ場を構成するカソードプレート、メンブレン（膜）−電極−組立体（ＭＥＡ）、ガス拡散層（ＧＤＬ）及び密封手段、例えばガスケットを備えた状態で形成される。後に述べた３つは又、一体形組立体、例えば３Ｍの７層ＭＥＡ及び９層ＭＥＡとして売られており、これら組立体は、例示目的でのみ、図３に符号６５６で示されている。動作にあたり、水素又は水素富化リフォーメート１００は、端板６１０に設けられた穴６５２を通ってスタック入口に供給される。インジェクタ１０１が水素供給ラインに設けられているのがよく、このインジェクタは、スタック出口からの劣化水素燃料の再生利用を助けるために用いられる。端板６１０には、燃料排出接続手段となる別の穴６５１、酸化体（通常は空気）の入口及び出口を構成する穴６５３及び穴６５４が設けられている。組み立てられると、穴６５２は、燃料供給マニホルド１０２を構成し、穴６５１は、燃料出口マニホルド１０４を構成する。同様に、穴６５３は、酸化体供給マニホルド２０１を構成し、穴６５４は、酸化体出口マニホルド２０３を構成する。各セルには、穴６４１，６５０も設けられており、これら穴は、それぞれ、セルを組み立てたときに冷却剤入口マニホルド３０６及び冷却剤出口マニホルド３０８を構成する。燃料の流れ１０３及び酸化体の流れ２０２並びに冷却剤の流れ３０７は、最適性能が得られるよう任意所望の仕方で配列されるのがよい。
【００３１】
本発明のこの実施形態で採用された燃料電池スタックは、別の出願で開示された別の革新的な特徴を基礎としている。本明細書の燃料電池スタックは、カソード流入空気の加湿が同一の燃料電池プレート上で熱及び水分と飽和又は過剰飽和カソード排出空気を交換することにより実施される内部加湿機構を備えた一体形燃料電池スタックである。詳細に関しては、読者は、関連の米国特許出願（発明の名称：Fuel Cell with In-Cell Humidification）（代理人事件番号：１６９６１−３ＵＳ）を参照されたい。
【００３２】
燃料電池発電システムの開示したコンパクトな設計は又、制御弁１０５、酸化体圧縮機又はブロワ２００、凝縮水コレクタ又は排水弁２０４を備えた燃料水素再生利用ライン、制御弁１０６を備えた燃料水素排出ライン及び他の必要な付属装置を更に有するのがよい。これらコンポーネントは全て、区分１６内に収容されるのがよく、かかる区分には、空気取入れ及び換気のための多数のルーバ６５０を設けるのがよい。
【００３３】
注目されることとして、本発明の冷却剤循環ループは、熱交換器及び燃料電池プレートの設計に組み込まれている。本発明のこの特徴により、先行技術の冷却ループとは異なり、外部の及び余分のパイプライン及び継手が実質的に無い冷却ループが得られる。この特徴により、パイプ類及び継手を省くことができるだけでなく、システムが単純化され、使用床面積（使用空間費）が減少し、コンパクトさが向上し、しかも、重要なこととして、種々の寸法形状を有する場合のあるパイプ類及び継手に関する絶縁の課題が無くなる。また、この特徴により、熱損失を減少させることができ、かくして、パイプ類及び継手を省くことにより熱放出面が減少するので排熱回収効率が向上する。この特徴の結果として、非常にコンパクトな設計が得られ、燃料電池発電システムの多数のコンポーネントを単一の絶縁された収容チャンバ内に収容することができる。
【００３４】
図４は、図２及び図３と関連して上述した本発明の組立て状態の燃料電池発電システムの斜視図である。この組立体は、図示していないチャンバ内に収容され、このチャンバの内面には、断熱材料が施されている。個々のコンポーネントに対する断熱処理は不要である。このチャンバは、空気取入れ及び換気を行う区分１２，１６及び電線、燃料供給及び排出並びに凝縮水排出のための接近手段となる開口部に相当する位置に設けられた多数のルーバを有する。また、燃料電池電圧測定のための接近手段となる燃料電池スタックの位置に対応してスロット領域を更に設けるのがよい。チャンバは、容易に設置できたり取り外しできる。
【００３５】
幾つかの実施形態では、加湿を一体形燃料電池スタックと加湿器の組立体によって行うことができ、この組立体は、燃料電池の一区分と一般に水透過性中空ファイバメンブレンを用いる加湿プレートの隣接の区分とから成っている。かかる燃料電池組立体は、当該技術分野において先に開示されており、例えば１９９５年１月１７日にクラレンス・ワイ・チョウ（Clarence Y. Chow）及びボグスラフ・エム・ウォツニクツカ（Boguslav M. Wozniczka）に付与された米国特許第５，３８２，４７８号明細書及び２００３年８月５日にスエソン・チェン（Xuesong Chen）及びデービッド・フランク（David Frank）に付与された米国特許第６，６０２，６２５号明細書に開示されている。この種の加湿機構に対応して、本発明の第２の実施形態が、図５及び図６に示されている。図５及び図６では、区分１３，１４，１５，１６は、図２及び図３の区分と本質的に同一である。図５及び図６では、燃料電池スタックは、燃料電池スタック１５のアクティブな電気化学区分から見て上流側に配置された加湿区分１７を有している。入口燃料（水素又はリフォーメート）が穴６５２を通って端板６６０内に導入され、かかる入口燃料は、区分１７を完全に貫通し、穴６５２により形成されたマニホルド１０８を通ってアクティブな燃料電池区分に至る。区分１７のプレートにも又、燃料出口穴６５１及び形成されたマニホルド１０９が設けられている。酸化体（空気）が、入口６６１内に差し向けられ、この入口は、流れ場６５８に通じており、熱及び水分が、この流れ場上で、水透過性メンブレン（図示せず）の他方の側上でこれに沿って流れているカソード排出流から、穴６５４により形成されたマニホルド２０８に結合されている流れ場６５９上に伝達される。加湿された空気は、この流れ場から出て、穴６５３を通ってマニホルド２０３に流入する。マニホルド２０３は、アクティブな燃料電池区分１５に直接連結されている。区分１５，１７は、分離プレート６１０により互いに分離されている。カソード空気は、熱及び水分を流入カソード空気に与えた後、穴６５９を通って形成されているマニホルド２０９に差し向けられ、このカソード空気は、更に、凝縮水コレクタ又は排水弁２０４に導入される。凝縮水２１７は、凝縮水コレクタ又は排水弁から放出され、空気は、ライン２０５を通って逃がされる。
【００３６】
さらに図５及び図６を参照すると、達成された組立体を図４に先に示したのとほぼ同じ仕方で単一でコンパクトな且つ絶縁されたチャンバ内に容易に収容することができる。この実施形態の特徴は、明らかであり、即ち、コンパクトであり、単純であり、パイプ類及び継手が実質的に不要であり、容易に断熱され、製造に関して費用効果がよく、効率が非常に高い。
【００３７】
本発明の別の実施形態が、図７に概略的に示されている。この実施形態では、燃料電池加湿は、従来方式で、即ち、エンタルピーホイールかメンブレン又は膜装置かのいずれかである外部加湿器によって実施される。加湿器２１０は、空気圧縮機又はブロワ２００からの流入カソード空気及びマニホルド２０３のコネクタからのカソード排出空気を受け入れる区分１６の空間内に配置されている。加湿された空気は、燃料電池スタック１５に送られ、排出空気２０５は、凝縮水排水弁２０４を通った後逃がされる。図７の残りの区分１１，１５は、図３及び図４を参照して上述した区分と本質的に同一である。
【００３８】
多数のセルを有する燃料電池スタックは、図８Ａ及び図８Ｂに概略的に示すようにタイロッドを用いることにより従来通り組み立てられる。従来設計では、燃料電池端板６４０は、燃料電池プレート７１０と同一又はこれとは異なるサイズを有してよい。前者の場合、タイロッドは、プレートにあらかじめ設計された穴を挿通し（図８Ａ）、後者の場合、タイロッドは、プレートの外部に位置することになる（図８Ｂ）。ばね７１１が通常端板に直接取り付けられ、このばねは、燃料電池を圧縮してボルト７１３を締め付けている間及びその後に力の調節を行うために設けられている。
【００３９】
図８Ａ及び図８Ｂに示す従来型クランプ方法は、燃料スタック及び本発明の燃料電池スタック、コージェネレーション熱交換器及び空冷熱交換器を含む燃料電池発電モジュールに適用できるが、図８Ｃに概略的に示されている好ましいクランプ方法が更に提供される。図８Ｃでは、端板６４０及び複数枚のプレート（燃料電池及び（又は）熱交換器）７１０を含む燃料電池発電モジュールの一部が示されている。本発明によれば、端板６４０は、端板７１０と同一の断面寸法を有するが、厚さはこれよりも大きい。組立体の各角（かど）のところには、山形支持体７１４が設けられており、この山形支持体には、端板６４０の穴に対応した位置で穴７１５があらかじめ設計されて形成されている。圧縮後、アレン型ボルトを適当な締まり具合でねじ込む。明らかなこととして、この方法に従って組み立てられた燃料電池スタック及び（又は）燃料電池発電モジュールは、特に輸送及び取り扱い中における型崩れ、緩みを阻止することができる。
【００４０】
燃料電池発電モジュールを上述のクランプ方法に従って組み立てた後、断熱材、好ましくは、組立体の外面にマッチした寸法形状に切断されたセラミック繊維又は微孔質セラミック断熱材料の層を組立体の周りに被着させる。次に、断熱状態の組立体を燃料流、空気流及び冷却剤流のための入口ポート、出口ポート又はコネクタが設けられている収容チャンバ（図示せず）内に収容する。また、スタック電流及びセル電圧のためのコネクタも又、収容チャンバに設けられている。
【００４１】
本発明を好ましい実施形態と関連して説明したが、当業者であれば、本発明の本質的な範囲から逸脱しないで、種々の変更を行うことができると共に実施形態の構成要素に代えて均等手段を用いることができることは理解されよう。したがって、本発明は、開示した特定の実施形態には限定されず、本発明は、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲に属する全ての実施形態を含むものである。本発明は、定置用途と輸送機関用途の両方に適している。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】先行技術による燃料電池システムの略図である。
【図２】本発明の実施形態による燃料電池システムの断面図である。
【図３Ａ】図２のシステムの分解組立て図である。
【図３Ｂ】図２のシステムの分解組立て図である。
【図３Ｃ】図２のシステムの分解組立て図である。
【図４】図２及び図３の燃料電池システムの斜視図である。
【図５】本発明の第２の実施形態による加湿システムを備えた燃料電池システムの断面図である。
【図６Ａ】図５のシステムの分解組立て図である。
【図６Ｂ】図５のシステムの分解組立て図である。
【図６Ｃ】図５のシステムの分解組立て図である。
【図６Ｄ】図５のシステムの分解組立て図である。
【図７】本発明の第３の実施形態による外部加湿器が第２の収容区分内に位置する燃料電池システムの断面図である。
【図８Ａ】先行技術による燃料電池スタッククランプ方法の略図である。
【図８Ｂ】先行技術による燃料電池スタッククランプ方法の別の略図である。
【図８Ｃ】本発明による燃料電池スタック及び燃料電池発電システムのクランプ方法の略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【国際調査報告】
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