(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む流体を受けて調整し、水素の流量、濃度、純度、圧力または温度について改良された水素供給物を提供するように構成された電気化学水素ポンプと、
前記改良された水素供給物を受ける発電機であって、この発電機から熱エネルギを取り除くように前記改良された水素供給物が用いられる発電機と、
を備え、
前記電気化学水素ポンプは、アノード側と、反対のカソード側とを有してなる高分子電解質膜を備え、前記アノード側、前記カソード側またはこれらの双方に対して配置された１つまたは複数のプレートが、少なくとも１つのチャネルを形成し、前記少なくとも１つのチャネルは、前記高分子電解質膜の付近で水流れを通流させるように構成されることを特徴とする、発電機冷却構成。
【請求項２】
前記電気化学水素ポンプは、受けられた前記水素を含む流体に対し、提供された前記改良された水素供給物内の水素濃度を増加させることによって前記流体を調整するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の発電機冷却構成。
【請求項３】
前記改良された水素供給物は、前記流体の流れから浄化された水素を有することを特徴とする請求項２に記載の発電機冷却構成。
【請求項４】
前記電気化学水素ポンプは、前記流体の圧力を変えることによって前記流体を調整するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の発電機冷却構成。
【請求項５】
前記改良された水素供給物は、前記流体の少なくとも一部を備えることを特徴とする請求項１に記載の発電機冷却構成。
【請求項６】
前記発電機は、１５０メガワットよりも高い電力を生成するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の発電機冷却構成。
【請求項７】
前記発電機は、巻線を備え、前記改良された水素供給物は、前記巻線から熱エネルギを取り除くことを特徴とする請求項１に記載の発電機冷却構成。
【請求項８】
前記電気化学水素ポンプは、前記発電機から前記流体を受けるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の発電機冷却構成。
【請求項９】
前記電気化学水素ポンプは、前記改良された水素供給物を前記発電機へと直接に通流させるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の発電機冷却構成。
【請求項１０】
前記電気化学水素ポンプは、水素供給物を貯蔵する水素貯蔵装置へと前記水素供給物を通流させるように構成され、前記発電機は、前記水素貯蔵装置から前記改良水素供給物を受けるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の発電機冷却構成。
【請求項１１】
前記電気化学水素ポンプは、前記アノード側の一部を横切って水素流れを通流させるように構成され、前記水素流れは、第１の圧力を有し、前記水流れは、前記第１の圧力よりも低い第２の圧力を有することを特徴とする請求項１に記載の発電機冷却構成。
【請求項１２】
水素を含む流体を受け、水素の流量、濃度、純度、圧力または温度について改良された水素供給物の冷却流体を提供するように構成された電気化学水素ポンプであって、前記改良された水素供給物の冷却流体は、装置から熱エネルギを取り除くように用いられ、前記電気化学水素ポンプは、アノード側と、反対のカソード側とを有してなる高分子電解質膜を備え、前記アノード側、前記カソード側またはこれらの双方に対して配置された１つまたは複数のプレートが、少なくとも１つのチャネルを形成し、前記少なくとも１つのチャネルは、前記高分子電解質膜の付近で水流れを通流させるように構成されることを特徴とする、電気化学水素ポンプ。
【請求項１３】
前記電気化学水素ポンプは、前記アノード側の一部を横切って水素流れを通流させるように構成され、前記水素流れは、第１の圧力を有し、前記水流れは、前記第１の圧力よりも低い第２の圧力を有することを特徴とする請求項１２に記載の電気化学水素ポンプ。
【請求項１４】
電気化学水素ポンプであって、アノード側と、反対のカソード側とを有してなる高分子電解質膜を備え、前記アノード側、前記カソード側またはこれらの双方に対して配置された１つまたは複数のプレートが、少なくとも１つのチャネルを形成し、前記少なくとも１つのチャネルは、前記高分子電解質膜の付近で水流れを通流させるように構成される、電気化学水素ポンプを用いて、水素の流量、濃度、純度、圧力または温度について改良された水素供給物を供給するステップと、
発電機へと前記改良された水素供給物を通流させるステップと、
前記改良された水素供給物を用いて前記発電機から熱エネルギを取り除くステップと、
前記電気化学水素ポンプを水和するように前記電気化学水素ポンプ内の膜電極アッセンブリの付近で水を通流させるステップと、
を含むことを特徴とする、発電機冷却方法。
【請求項１５】
前記取り除くステップの前に、水素供給物を貯蔵するステップを含むことを特徴とする請求項１４に記載の発電機冷却方法。
【請求項１６】
水素を含む流体を前記発電機から前記電気化学水素ポンプへと通流させるステップと、前記電気化学水素ポンプを用いて前記流体内の水素を浄化するステップとを含むことを特徴とする請求項１４に記載の発電機冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学電池に関し、特に、冷媒として使用される水素の流れを調整するように電気化学電池を用いることに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、水素が、冷却流体として用いられている。ある発電機が、発電機から熱エネルギを取り除くように、発電機の巻線を通して水素を通流させる。水素は、その熱容量が高く、密度が比較的低いので、上記の用途で特に役立つ。冷却流体として水素を用いることは、大型発電機、例えば、１５０メガワットよりも大きい電力を供給するように構成された発電機において特に一般的である。
【０００３】
冷却流体として水素を用いたある装置が、貯蔵された水素供給源、例えば、貯蔵タンクから直接に水素を受ける。貯蔵された水素供給源は、定期的に補充されなければならず、これは、費用がかさみ、非効率的である。また、現場で貯蔵される水素には、安全についての懸念がある。貯蔵された水素供給源からの水素流れが、特に水素供給源が水素の要求を満たすように最適化されていないときに、発電機へと水分を運ぶこともできる。この水分は、発電機の保持リングおよび他の構成要素に亀裂を生じさせ得る。ある発電機は、水素供給源からではなく、電解槽から直接に水素流れを受ける。電解槽は、要求されるように水素を生成する。周知のように、電解槽は、費用がかさみ、実施するのにかなりの資本費用が必要となる。これらの理由全てのために、発電機を効率的に冷却するのに、適切な圧力、温度および純度を有した水素を供給したまま、要求される水素の量を減少させることが望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
例示的な発電機冷却構成が、水素を含む流体を受けて調整し、改良水素供給物を提供するように構成された電気化学水素ポンプを備えている。発電機が、水素供給物を受ける。改良水素供給物が、発電機から熱エネルギを取り除くように用いられる。
【０００５】
例示的な電気化学水素ポンプは、水素を含む流体を受け、改良水素供給物を提供するように構成されている。改良水素供給物は、装置から熱エネルギを取り除くように用いられる。
【０００６】
例示的な発電機冷却方法が、電気化学電池を用いて改良水素供給物を供給するステップと、発電機へと改良水素供給物を通流させるステップと、を含む。また、この方法は、改良水素供給物を用いて発電機から熱エネルギを取り除く。
【０００７】
本発明の例の上記の特徴や他の特徴については、発明を実施するための形態から最も良く理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】電気化学水素ポンプを有した例示的な冷却構成を非常に概略的に示した図である。
【図２】電気化学電池を有した例示的な発電機冷却構成を概略的に示した図である。
【図３】図２の電気化学電池の詳細な概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１では、例示的な冷却構成１０が、電気化学水素ポンプ１４および水素冷却式装置１８を備えている。流体が、水素冷却式装置１８から通路２２に沿って電気化学水素ポンプ１４へと通流する。電気化学水素ポンプ１４は、通路３４に沿って水素冷却式装置１８へと、改良された水素供給物を供給する。通路３４に沿って供給されるこの改良水素供給物は、電気化学水素ポンプ１４内で浄化された水素を備えている。
【００１０】
通路３４を通過した後に、改良水素供給物は、水素冷却式装置１８を通して移動する。この例では、改良水素供給物は、通路２６に沿って水素冷却式装置１８から熱エネルギを移動させる。この熱エネルギは、符号３０で示される周囲環境へと排出される。代替的に、熱エネルギは、通路２２に沿って移動する流体によって運ばれて水素冷却式装置１８から移動する。
【００１１】
この例では、電気化学水素ポンプ１４は、通路２２で受けた流体から水素を浄化し、改良水素供給物を供給する。通路２２で受けた流体から水素を浄化するときには、電気化学水素ポンプ１４は、水素冷却式装置１８を既に通過した水素を循環する。つまり、電気化学水素ポンプ１４は、流体中の水素を浄化し、この水素を通路３４に沿って水素冷却式装置１８へと戻す。通路２２からの流体中に存在する不純物は、一部の水素と共に、ベント部３６を通して電気化学水素ポンプ１４から排出される。
【００１２】
流体から水素を浄化することに加えて、例示的な電気化学水素ポンプ１４は、通路３４に沿って水素冷却式装置１８へと供給される水素供給物の圧力を調整するようにも構成されている。例示的な通路３４は、圧力調整装置４０を通過し、該圧力調整装置４０は、一般に、単一の装置の制御バルブおよび圧力ゲージから構成されている。電気化学水素ポンプ１４は、ほとんどのいかなる望ましい圧力で水素を発生させる。より高い圧力を生じさせるためには、より大量の電力を要する。一例では、装置（図示せず）が、望ましい圧力を生じさせるように電気化学水素ポンプ１４に望ましい背圧を提供し、電気化学水素ポンプ１４は、望ましい圧力で動作するように設計された電池を備えている。
【００１３】
流体から水素を浄化すること、および圧力を調整することは、例示的な電気化学水素ポンプ１４がどのように流体を改良するかについての例である。他の例では、電気化学水素ポンプ１４は、改良された流体の温度を制御する。
【００１４】
例示的な水素冷却式装置１８は、水素供給源３２から水素を直接的にかつ選択的に受けるようにも構成されている。必要な場合には、水素が、通路３８に沿って水素供給源３２から水素冷却式装置１８へと通流する。（例えば、システムの起動時に）電気化学水素ポンプ１４が水素冷却式装置１８に十分な水素を供給することができない場合には、水素冷却式装置１８は、水素供給源３２から水素を受ける。また、通路２２に沿って移動する流体中に十分な水素が存在する場合には、例示的な電気化学水素ポンプ１４は、水素冷却式装置１８に十分な水素を供給することができるのみである。水素冷媒ループ中の漏れおよび電気化学水素ポンプ１４から排出される漏れのために、一部の補給用の水素が定期的に必要となり、水素供給源３２によって供給される。
【００１５】
図１を参照しながら図２を参照すると、一例として、冷却構成１０ａの電気化学水素ポンプ１４が、電気化学電池１４ａを備えており、該電気化学電池１４ａは、電解質、例えば、水素イオンまたは陽子を選択的に輸送することができる高分子電解質膜を有している。電気化学電池１４ａは、通路２２ａに沿って電気化学電池１４ａへと供給される流体から水素を浄化するように構成されている。そして、電気化学電池１４ａは、水素冷却式装置１８の形式である発電機１８ａに、流体流れから浄化された改良水素を通路３４ａに沿って通流させる。不純物が、ベント部３６において電気化学電池１４ａから排出される。
【００１６】
発電機１８ａ内では、改良水素が、特に、発電機１８ａの巻線から熱エネルギを吸収する。当業者および本発明から恩恵を受ける者であれば、発電機１８ａから熱エネルギを取り除くために、どのように水素流れを用いるかを理解するであろう。
【００１７】
発電機１８ａを通過した水素は、通路２２ａに沿って発電機１８ａから電気化学電池１４ａへと戻る。理解することができるように、通路２２ａに沿って通流する流体は、例えば、水素および発電機１８ａから持ち込まれる不純物や他の成分、または水素システムへと拡散する空気の成分を備えている。
【００１８】
熱エネルギは、通路２６ａに沿って発電機１８ａから移動され、符号３０ａで示した周囲環境へと排出される。また、熱エネルギは、発電機１８ａから、通路２２ａに沿って通流する流体中にも運ばれる。
【００１９】
例示的な冷却構成１０は、水素制御システム３２ａ、例えば、Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｔａｂｌｅｆｌｏｗ（登録商標）システムと、水素貯蔵タンク３２ｂとを備えている。水素制御システム３２ａおよび水素貯蔵タンク３２ｂは、図１の水素供給源３２の例である。
【００２０】
水素制御システム３２ａおよび水素貯蔵タンク３２ｂは、通路３８ｂに沿って発電機１８ａに水素を直接に供給する。この例では、発電機１８ａが付加的な水素を必要とするときに、バルブ５４が、水素貯蔵タンク３２ｂから水素供給物を選択的に通流させる。水素制御システム３２ａは、発電機１８ａ内の水素流体の特性を監視する。ここで、この水素流体の特性は、純度、温度および圧力を有することができる。水素制御システム３２ａは、バルブ５４を制御する。このように、例えば、電気化学電池１４ａが十分な水素を供給することができない場合に、水素制御システム３２ａおよび水素貯蔵タンク３２ｂは、発電機に水素を選択的に供給する。
【００２１】
種々の装置が、水素貯蔵装置３２ｂとして用いられ得る。例えば、水素供給物が、高圧シリンダまたは低圧タンク内に貯蔵され得る。このような装置の双方とも、水素貯蔵装置３２ｂとして機能し得る。代替的に、水素供給物は、現場で水から水素を発生させる電解槽または電解槽および水素タンクの双方から構成することができる。
【００２２】
一例では、コントローラ５６が、発電機１８ａ内の水素の純度、例えば、発電機のケース内の水素の純度を監視する。また、コントローラ５６は、発電機１８ａ内の水素の圧力を監視する。コントローラ５６は、電気化学電池１４ａと通信しており、発電機１８ａ内の水素の純度および圧力に応じて、電気化学電池１４ａから移動する水素を調整するように構成されている。コントローラ５６は、水素制御システム３２ａの部分とすることができる。調整には、電気化学電池１４ａへとより多くの流体を供給すること、電気化学電池１４ａにより発生する水素の割合および／または圧力を増加させること、および／または電気化学電池１４ａにより発生する水素の純度を向上させることが含まれ得る。この調整によって、電気化学電池１４ａが、より高い割合の改良水素、より高い水素純度、または異なる圧力での改良水素を提供することができる。
【００２３】
一例では、通路３４ａに沿って通流する水素が、乾燥機（図示せず）を通して移動し、この乾燥機は、水素が発電機１８ａへと流入する前に水素を乾燥させる。水素を乾燥させることにより、例えば、発電機１８ａへと流入する水素が非常に低い露点を有することが確実になる。
【００２４】
図２を参照しながら図３を参照すると、例示的な電気化学電池１４ａは、スタック内に配置された複数の個別のセル５８を備えている。各セル５８は、膜電極アッセンブリ７０の両側にアノードプレート６２およびカソードプレート６６を備えている。電気化学電池１４ａは、電源６８から電気化学電池１４ａの（１つのみが図示された）端部プレート６０へと流れる電力を受ける。
【００２５】
例示的なセル５８の各々では、アノードプレート６２およびカソードプレート６６は、水で満たされた多孔質構造体であり、該多孔質構造体は、プレートを通した水の輸送を許容するが、プレートを通したガスの輸送に対してはバリアとして機能する。膜電極アッセンブリ７０は、触媒層７８と触媒層８２との間に配置された高分子電解質膜７４を備えている。
【００２６】
例示的な個別のセル５８は、アノードプレート６２とカソードプレート６６との間の任意選択的な中実分離プレート８６を備えている。中実プレート８６は、個別の構成要素とするか、またはアノードプレート６２またはカソードプレート６６と一体化した部分とすることができる。個別のセル５８は、冷却プレート（図示せず）を備えることもできる。
【００２７】
カソード側ガス拡散層９０が、カソードプレート６６と膜電極アッセンブリ７０との間に配置されている。アノード側ガス拡散層９４が、アノードプレート６２と膜電極アッセンブリ７０との間に配置されている。
【００２８】
この例では、セル５８のユニット化された電極アッセンブリ９８が、カソード側ガス拡散層９０、アノード側ガス拡散層９４および膜電極アッセンブリ７０を備えている。
【００２９】
流体流れが、電気化学電池１４ａへと供給され、アノードチャネル１０２を通して移動する。ガス拡散層９４が、アノードチャネル１０２から触媒層８２へと流体流れの一部を分配する。この例では、通路２２ａに沿って移動する流体は、触媒層８２へと分配される流体を供給する。
【００３０】
セル５８内では、（通路２２ａからの）水素が、アノードプレート６２に最も近い触媒層８２において陽子へと電気化学的に酸化され、電子が、アノードプレート６２を通流する。陽子は、膜７４を通して輸送され、そして、他の陽子と、カソードプレート６６によって供給された電子とに電気化学的に再び結合され、これにより、水素ガスが、カソードプレート６６に最も近い触媒層７８において生成される。カソードプレート６６からの電子は、すぐ隣のアノードプレートによって、または（カソードの端部セル用の図示していない）電源６８によって供給される。理解することができるように、発生する水素は、通路２２ａに沿って通流する水素よりも凝縮されるとともに改良されている。発生する水素は、複数のチャネル１０６を通して電気化学電池１４ａから出る。
【００３１】
冷媒チャネル１０８が、電池アッセンブリを通して水を通流させるようにプレート６２とプレート６６との間に配置されている。これらの冷媒チャネル１０８は、アノードプレート６２、カソードプレート６６またはこれらの双方の部分とすることができる。また、冷媒チャネル１０８を、任意選択的な中実分離プレート８６に形成することもできる。
【００３２】
また、この例では、アノードプレート６２およびカソードプレート６６の双方は、多孔質構造体である水輸送プレートとして機能し、この多孔質構造体は、プレートを通した水の輸送を許容するが、冷媒チャネル１０８内を通流する水でプレートが満たされたままとされているので、ガスに対してはバリアとして作用する。この例では、冷媒チャネル１０８内を通流する水は、アノードチャネル１０２およびカソードチャネル１０６内のガスの圧力よりも僅かに低い圧力に維持されている。これにより、これらのチャネルのガス中のいかなる過度の液体水が、多孔質プレートへと排出される。同時に、このガスが水蒸気により十分に飽和されていない場合には、多孔質プレートは、拡散によって水蒸気をガスへと輸送することによりこのガスを飽和する手段を提供する。チャネル１０２，１０６内の飽和されたガスにより、膜７４の乾燥が防止され、これにより、膜の寿命を最大化しつつ、膜が、陽子の輸送に対し、可能な最も低い抵抗を有するようになる。
【００３３】
この例では、チャネル１０８を通流する水が、電池アッセンブリ１４ａの外部にある冷媒ループ１１２によって提供される。この例示的な冷媒ループ１１２は、望ましい流れおよび圧力の双方を提供するポンプ１１６を備えている。また、いくらかの熱が電池によって生成されるので、冷媒ループ１１２は、望ましい電池温度を維持することを補助する熱交換器１２０を備えることもできる。また、望ましい場合には、流入する流体２２ａからの熱エネルギも取り除くために、この冷媒熱交換器をより大型のものとしてもよい。（つまり、電気化学水素ポンプは、電池および発電機の双方の熱エネルギを取り除く手段として、上記冷媒ループを用いることによって、要求される望ましい純度、圧力および温度を有した水素を供給するように用いられ得る。）
他の例（図示せず）が、多孔質水輸送プレートとして機能するアノードプレート６２またはカソードプレート６６のみを備えることができ、他方のプレートが中実プレートとされている。例えば、好ましい構成では、アノードプレート６２のみが多孔質であり、カソードプレート６６が中実である。この例では、冷媒チャネル１０８は、（図示した）アノードプレート６２の部分とすることによって、またはアノードプレート６２の背部にあるようにすることによって、もしくは多孔質アノードプレート６２に隣接した側にチャネルがある状態で中実プレート（符号６６または８６）内に包含されるようにすることによって、アノードプレート６２と連通するべきである。この構成により、アノード側のガスが適切に飽和されたままになり、これは、アノード８２で生成された陽子が、膜７４を通して輸送される際に水を引きずり、膜を適切に水和させたままにするので、特に重要である。水素が生成される電池のカソード側に水供給源を有することは重要ではない。この構成の付加的な利点は、アノードチャネル１０２とカソードチャネル１０６との間に中実バリアがあり、この中実バリアは、２つのガス流れの間により高い圧力差を与え、水輸送プレート全てを有した電池よりも高い圧力で水素ガスを生成することができる。
【００３４】
別の例（図示せず）が、個別の冷媒チャネル１０８を有しておらず、代わりに、水がカソードプレートチャネル１０６を通して循環する。この場合には、水素が、循環する液体水へと発生することになる。この場合には、アノードプレート６２およびカソードプレート６６は、多孔質水輸送プレートまたは中実プレートとすることができる。この電池構成は、簡素なものであり、膜７４を適切に水和したままにすべきである。しかし、液体水の流れから純水素を分離するために、液体・ガス分離器が、電池アッセンブリ１４ａの下流側（図２の通路３４ａ上）に要求される。また、発電機１８ａへと運ばれる水素が十分に乾燥することを確実にするために、乾燥機（図示せず）も要求されることになる。
【００３５】
本発明の例の特徴部は、発電機または他の水素冷却式装置を有しており、発電機または他の水素冷却式装置は、適切な圧力および純度を有した水素を用いた冷却のために、以前の設計よりも高い効率を備えている。過度の水素が供給されないので、要求される水素の量は減少し、発電機からの放出も減少する。
【００３６】
上記の説明は、例示的なものであって、限定的なものではない。本発明の真意を逸脱することなく、本発明に変更および修正が加えられ得ることが当業者に明らかになるであろう。したがって、本発明に与えられる法的保護の範囲は、付記の特許請求の範囲を検討することによって決定されるのみである。
【図１】
0005781169.tif 000002
【図２】
0005781169.tif 000003
【図３】
0005781169.tif 000004