(57)【要約】【課題】燃料電池の除湿システム及び方法を提供する。【解決手段】本システムには、アノード室及びカソード室を有する燃料電池が含まれる。燃料電池の停止後、アノード室及びカソード室内に水蒸気が残存することがある。本システムは、ナトリウムシリカゲルやナトリウムシリサイドなどの吸湿性加水分解化学物質を含む除湿物質源を含む。除湿物質源は、アノード室に対して選択的な流体連通が可能であるように機能的に接続されている。燃料電池が停止しているときには、空気はアノード室に入ることができず、かつ、吸湿性加水分解化学物質がアノード室内の水蒸気と反応して水素を発生させるように除湿物質源とアノード室との間の流体連通が許容される。水素は、アノード室及びカソード室を加圧するため及び、燃料電池の停止中にアノード室から汚染物質及び水蒸気をパージするために用いられ得る。本発明のシステムは、燃料電池の作動寿命を延ばすことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
アノード室及びカソード室を有する燃料電池と、
前記燃料電池の作動中においては前記燃料電池の前記アノード室に水素を供給しかつ前記燃料電池の停止中においては前記アノード室への水素の供給を遮断する選択的な流体連通が可能であるように、前記アノード室に対して機能的に接続されている水素源と、
吸湿性加水分解化学物質を収容しており、前記燃料電池の停止中において前記吸湿性加水分解化学物質を前記燃料電池の前記アノード室内の水蒸気と反応させるために前記アノード室との間の流体連通を許容する選択的な流体連通が可能であるように、前記アノード室に対して機能的に接続されている除湿物質源とを含むことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記吸湿性加水分解化学物質がナトリウムシリカゲル（Ｎａ［ＳｉＯ２−ｎ（ＯＨ）ｎ］）であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記吸湿性加水分解化学物質がナトリウムシリサイド（ＮａＳｉ）であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記水素源と前記燃料電池の前記アノード室との間において、両室間の選択的な流体連通が可能であるように機能的に配置されている第１のバルブをさらに含み、
前記バルブが、前記水素源と前記燃料電池の前記アノード室との間で流体連通が許容される開位置及び、前記水素源と前記燃料電池の前記アノード室との間の流体連通が遮断される閉位置を含み、
前記燃料電池の作動中においては前記バルブが前記開位置をとり、前記燃料電池の停止中においては前記バルブが前記閉位置をとり得るように構成したことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記除湿物質源と前記燃料電池の前記アノード室との間において、両室間の選択的な流体連通が可能であるように機能的に配置されているバルブをさらに含み、
前記バルブが、前記除湿物質源と前記燃料電池の前記アノード室との間で流体連通が許容される開位置及び、前記除湿物質源と前記燃料電池の前記アノード室との間の流体連通が遮断される閉位置を含み、
前記燃料電池の停止中においては前記バルブが前記開位置をとり、前記燃料電池の作動中においては前記バルブが前記閉位置をとり得るように構成したことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記燃料電池の前記アノード室の出口に対して選択的な流体連通が可能であるように機能的に配置されているバルブをさらに含み、
前記バルブが、前記燃料電池の前記アノード室との流体連通が許容される開位置及び、前記燃料電池の前記アノード室との流体連通が遮断される閉位置を含み、
前記燃料電池の作動中においては前記バルブが前記開位置をとり、前記燃料電池の停止中においては前記バルブが前記閉位置をとり得るように構成したことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記除湿物質源が、前記燃料電池の作動中においては前記吸湿性加水分解化学物質を前記カソード室内の水蒸気と反応させるために前記除湿物質源と前記カソード室との間の流体連通が許容される選択的な流体連通が可能であるように、前記カソード室に対して機能的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記カソード室に対して選択的な流体連通が可能である空気源をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記空気源と前記燃料電池の前記カソード室との間において、両室間の選択的な流体連通が可能であるように機能的に配置されているバルブをさらに含み、
前記バルブが、前記空気源と前記カソード室との間で流体連通が許容される開位置及び、前記空気源と前記カソード室との間の流体連通が遮断される閉位置を含み、
前記燃料電池の作動中においては前記バルブが前記開位置をとり、前記燃料電池の停止中においては前記バルブが前記閉位置をとるように構成したことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記空気源から前記カソード室へ空気を送り込むために機能的に配置された空気循環装置をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項１１】
前記アノード室に対して選択的な流体連通が可能であるように、かつ前記燃料電池に対して熱交換可能であるように機能的に配置されている燃焼器をさらに含み、
アノード排気の少なくとも一部を前記燃焼器に供給することにより熱を発生させることができ、該発生させた熱の少なくとも一部を前記燃料電池に戻して該燃料電池の温度を維持することができるように構成したことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
内部に水蒸気を有するアノード室及び、カソード室を有する燃料電池と、該アノード室に対して選択的な流体連通が可能であるように機能的に接続されている水素源と、前記アノード室に対して選択的な流体連通が可能であるように機能的に接続されている除湿物質の供給源とを含む燃料電池システムを除湿する方法であって、
前記燃料電池の停止中に前記アノード室への水素の供給を遮断するステップと、
前記除湿物質を前記アノード室内の前記水蒸気と反応させて前記アノード室を加圧するガスを発生させるように、前記アノード室と前記除湿物質源との間の流体連通を選択的に許容するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記アノード室から前記ガスをパージするために、前記アノード室と該アノード室の外部との間の流体連通を選択的に許容するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記パージされたガスの少なくとも一部を、熱を生成する燃焼器に供給するステップと、
前記熱の少なくとも一部を前記燃料電池に伝達するステップとをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記カソード室が、その内部に水蒸気を有しており、
前記方法が、
空気源と前記カソード室との間の流体連通を選択的に許容するステップと、
前記除湿物質を前記カソード室内の前記水蒸気と反応させ、それによって、前記カソード室を加圧するパージガスを発生させるように、前記カソード室と前記除湿物質源との間の流体連通を選択的に許容するステップとをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記カソード室と前記除湿物質源との間の流体連通を選択的に許容する前記ステップを、前記アノード室と前記除湿物質源との間の流体連通を選択的に許容する前記ステップとは異なる時間に行うことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記カソード室から前記パージガスを排出するために、前記カソード室と該記カソード室の外部との間の流体連通を選択的に許容するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記燃料電池を起動するステップと、
前記アノード室と前記除湿物質源との間の流体連通を選択的に遮断するステップと、
前記高湿度水素源と前記アノード室との間の流体連通を選択的に許容するステップとをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
参照による引用
【０００２】
本願は、２０１０年１２月１３日出願の米国仮特許出願第１２／９６６，５６４号に基づく優先権を主張する。該仮特許出願の明細書は、全文を引用することを以て本明細書の一部となす。
【０００３】
背景分野
【０００４】
本発明は、全体として燃料電池に関し、より詳細には、燃料電池のアノード室及び／またはカソード室内で液体水が形成される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００５】
燃料電池は電力を発電し、該電力は、様々な用途に使用可能である。プロトン交換膜型燃料電池（ＰＥＭ燃料電池）は、部分的に固体電解質からなりかつアノード室とカソード室との間に挟まれているイオン交換膜を有する。電気化学反応により電気を生成するために、アノード（燃料極）に水素が供給され、カソード（空気極）に空気が供給される。水素と空気中の酸素との電気化学反応により、電流が発生する。燃料電池においてエネルギーを生み出す電気化学反応の副生成物の１つは、水蒸気である。
【０００６】
燃料電池システムを停止させた後にアノード室及びカソード室内に残っている水蒸気が凝縮すると、燃料電池の作動寿命に悪影響を及ぼすことがある。一般的に、水は、水蒸気の形で燃料電池性能に悪影響を及ぼすことはない。しかし、停止中、燃料電池のアノード室及びカソード室内の反応ガスの残りには、水蒸気が多く含まれている。燃料電池の温度が低下して大気温度に近付くと、燃料電池のアノード室及びカソード室内の水蒸気は、凝結し、フラッディングを生じさせたり膜・電極接合体（ＭＥＡ）に損傷を与えたりする可能性があり、それによって、燃料電池の性能及び耐久性を低下させる場合がある。そのようなフラッディングは、燃料電池システムのための水素源として改質器が用いられるときに特に厄介であり得る。と言うのも、改質によって得られる水素は、水蒸気濃度が比較的高いからである。
【０００７】
停止中の水蒸気除去の１つの解決策は、二酸化炭素や窒素などの乾性不活性ガス、または乾燥燃料で、アノード室及びカソード室をパージすることであった。これらの解決策は、パージガスをシステム内部に貯蔵することを必要とし、そのことがシステムの重量を増加させ、結果的に燃料補給がより頻繁になるという欠点を有する。さらに、ガス燃料が使われる場合、パージは、全体的な作動効率の浪費及び損失をもたらす。その一方で、液体燃料を用いるシステムと併用されるパージ法は、燃料を燃料電池内に導入する前に改質または蒸発させなければならないので、さらに複雑である。どちらのプロセスも、燃料を消費するのでシステム効率低下の一因となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、そのような問題を最小限にすることができるシステム及び方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態は、燃料電池の除湿システム及び除湿方法に関する。本発明の第１の実施形態において、燃料電池システムが提供される。本システムには、アノード室及びカソード室を有する燃料電池が含まれている。本システムには、燃料電池のアノード室に対して選択的な流体連通が可能であるように機能的に接続されている水素源も含まれている。燃料電池の作動中には、水素源からの水素が燃料電池のアノード室に供給され、燃料電池の停止中には、燃料電池のアノード室への水素の供給は遮断される。本システムは、吸湿性加水分解化学物質を含む除湿物質（dehumidifier）源をさらに含み、該除湿物質源は、燃料電池のアノード室に対して選択的な流体連通が可能であるように機能的に接続されている。燃料電池の停止中、吸湿性加水分解化学物質がアノード室内の水蒸気と反応するように、除湿物質源とアノード室との間の流体連通が許容される。
【００１０】
本発明の第２の実施形態においては、燃料電池を含む燃料電池システムを除湿する方法が提供される。ここで、該燃料電池システムは、内部に水蒸気を有するアノード室と、カソード室と、水素源と、除湿物質源とを有し、水素源は、燃料電池のアノード室に対して選択的な流体連通が可能であるように機能的に接続されており、除湿物質源は、燃料電池のアノード室に対して選択的な流体連通が可能であるように機能的に接続されている。本方法は、燃料電池の停止中にアノード室への水素の供給を遮断するステップと、除湿物質をアノード室内の水蒸気と反応させて該アノード室を加圧するガスを発生させるように、アノード室と除湿物質源との間の流体連通を選択的に許容するステップとを含む。
【００１１】
様々な実施形態において、吸湿性加水分解化学物質は、水酸化物、シリサイドまたは、ナトリウムシリカゲル（Ｎａ［ＳｉＯ２−ｎ（ＯＨ）ｎ］）やナトリウムシリサイド（ＮａＳｉ）などのアルカリシリカゲルのうちの１つである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の燃料電池除湿システムの線図。
【図２】第２の燃料電池除湿システムの線図。
【図３】第３の燃料電池除湿システムの線図。
【図４】１０年間の燃料電池の作動に必要なナトリウムシリサイド質量を縦軸に、アノード室及び／またはカソード室の体積を横軸にとったグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態は、燃料電池の除湿システム及び除湿方法に関する。様々な可能なシステム及び関連する作動方法に関していくつかの態様を説明するが、詳細な説明は、例示を目的とするものでしかない。種々の実施形態が図１〜図４に示されているが、これらの実施形態は、図示した構造または用途に限定されるものではない。説明を簡単かつ明確にするために、必要に応じて、対応するかまたは類似の構成要素を示すために、別々の図において符号が繰り返し使われていることを理解されたい。それに加えて、本明細書に記載の実施形態を十分に理解するために、多くの具体的詳細が記載されている。しかし、当業者には当然のことであろうが、これらの具体的詳細なしでも、本明細書に記載の実施形態を実施することができる。
【００１４】
本明細書に記載の実施形態を用いることにより、燃料電池のアノード室及びカソード室内の湿気を除去するかまたは湿度を下げることができる。図１は、燃料電池除湿システム１０の一例を示している。システム１０は、燃料電池１２、水素源１４及び除湿物質源１６を含むことができる。
【００１５】
燃料電池１２は、アノード室１８及びカソード室２０を含むことができる。燃料電池１２は、単セルを含むこともあるが、複数のセルを含むこともできる。燃料電池１２は、例えば、低温ＰＥＭ燃料電池、高温ＰＥＭ燃料電池、またはリン酸燃料電池などの、任意のタイプの燃料電池であってもよい。アノード室１８は、入口２２及び出口２４を有することができる。同様に、カソード室２０は、入口２６及び出口２８を有することができる。
【００１６】
上記したように、システム１０には水素源１４も含まれる。水素源１４は、任意の適切な形態で水素４８を含むことができる。水素４８は、任意の適切な方法で、例えば、改質、加水分解、電気分解、光分解、光電解、光電気触媒、生分解、熱分解などによって、発生させることができる。水素４８は、任意の適切な方法で水素源１４に供給することができる。
【００１７】
水素４８は、湿気を多く含み得る。すなわち、水素源１４から得られるガスは、少なくとも最小限の水蒸気４９を含むことになる。水素４８の湿気は、１若しくは複数の原因によって生じ得る。例えば、この湿気は、燃料電池１２の水管理要件の結果、または燃料製造の結果、あるいはカソード側からの生成水拡散の結果として、生じたものであり得る。水素源１４は、燃料電池１２のアノード室１８に対して選択的な流体連通が可能であるように接続させることができる。そのような接続は、任意の適切な方法を用いて達成することができる。例えば、水素源１４とアノード室１８の入口２２との間に第１の導管３０を延在させることができる。第１の導管３０は、可能な例をいくつか挙げると、チューブ、配管及び／または１若しくは複数のフィッティングなどであってよい。
【００１８】
水素源１４とアノード室１８との間のガスの流れは、選択的に制御可能である。そのような流れの選択的制御は、任意の適切な方法で達成することができる。例えば、水素源１４とアノード室１８との間に、例えば第１の導管３０に沿って、第１のバルブ３２を機能的に配置することができる。
【００１９】
第１のバルブ３２は、任意の適切なタイプのバルブであってよい。１つの作動モードでは、第１のバルブ３２は、水素源１４とアノード室１８との間の流体連通が遮断される閉位置をとることができる。別の作動モードでは、第１のバルブ３２は、水素源１４とアノード室１８との間の流体連通が許容される１若しくは複数の開位置をとることができる。
【００２０】
第１のバルブ３２には、コントローラ３４を機能的に接続させることができる。コントローラ３４は、第１のバルブ３２の作動モードを選択的に変化させることができる。コントローラ３４は、プログラム可能なものであり得る。それゆえ、所定条件の発生時に、または操作者からの指示に反応して第１のバルブ３２を作動させるように、コントローラ３４をプログラミングすることができる。一実施形態では、コントローラ３４を第１のバルブ３２と一体化することができる。コントローラ３４は、任意の適切な方法でプログラミングを受け取ることができる。
【００２１】
上記したように、システム１０には除湿物質源１６が含まれる。除湿物質源１６は、小型の缶（キャニスタ）、密閉容器、箱形容器、室（チャンバ）または他の適切な構造であって、吸湿性の加水分解化学物質（hydroscopic and hydrolyzing chemical）１７を貯蔵することができるものであり得る。任意の適切な吸湿性／加水分解化学物質１７を用いることができる。例えば、吸湿性／加水分解化学物質１７は、水酸化物、シリサイドまたは他の適切な化学物質であって、加水分解により水素を発生させることができるものであり得る。一実施形態では、吸湿性／加水分解化学物質１７は、吸湿性固体でありかつ水との反応性が高いナトリウムシリサイド（ＮａＳｉ）であってよい。別の実施形態では、吸湿性／加水分解化学物質１７は、例えば、ナトリウムシリカゲル（Ｎａ［ＳｉＯ２−ｎ（ＯＨ）ｎ］）などのアルカリ金属シリカゲルであってよい。
【００２２】
除湿物質源１６は、燃料電池１２のアノード室１８に対して選択的な流体連通が可能であるように機能的に接続させることができる。そのような機能的接続は、任意の適切な方法で達成することができる。例えば、除湿物質源１６とアノード室１８の入口２２との間に第２の導管３６を延在させることができる。第２の導管３６は、可能な例をいくつか挙げると、チューブ、配管及び／または１若しくは複数のフィッティング（継手）などであってよい。いくつかの実施形態では、第１の導管３０及び第２の導管３６は、除湿物質源１６から見てバルブ３８より遠い側にある任意の場所において合流することができる。
【００２３】
アノード室１８から除湿物質源１６への水蒸気の流れ及び除湿物質源１６からアノード室１８への水素ガスの流れは、選択的に制御可能である。そのような流れの選択的制御は、任意の適切な方法で達成することができる。例えば、除湿物質源１６とアノード室１８との間に、例えば第２の導管３６に沿って、第２のバルブ３８を機能的に配置することができる。第２のバルブ３８には、コントローラ３４Ｉを機能的に接続させることができる。第１のバルブ３２及びコントローラ３４に関連して行った上記の説明は、第２のバルブ３８及びコントローラ３４Ｉにも同様に当てはまる。第２のバルブ３８に専用の個別コントローラ３４Ｉを設けてもよいし、あるいは、１つのコントローラを、第１のバルブ３２及び第２のバルブ３８の両者に機能的に接続してもよい。
【００２４】
アノード室１８内のガスは、任意の適切な方法でアノード室１８から排出させることができる。例えば、アノード排気４０をアノード排気導管４２（例えば、排気筒４４などであり得る）によってアノード室１８から排出させることができる。一実施形態では、アノード排気４０を大気に放出することができる。その代わりに、またはそれに加えて、アノード排気４０をシステム１０内で他の有益な目的のために用いることができる。
【００２５】
アノード排気導管４２に沿って流れるアノード排気４０の流れは、選択的に制御可能である。そのようなアノード排気４０の流れの選択的制御は、任意の適切な方法で達成することができる。例えば、アノード排気導管４２に沿って第３のバルブ４６を機能的に配置することができる。第３のバルブ４６には、コントローラ３４ＩＩを機能的に接続させることができる。第１のバルブ３２及びコントローラ３４に関連して行った上記の説明を、第３のバルブ４６及びコントローラ３４ＩＩにも同様に当てはめることができる。第３のバルブ４６に専用の個別コントローラ３４ＩＩを設けることができる。あるいは、１つのコントローラを、第３のバルブ４６と、第１のバルブ３２及び／または第２のバルブ３８とに機能的に接続してもよい。
【００２６】
ここまで、システム１０の第１の実施形態の個々の構成要素について説明してきたので、ここからは、システム１０の作動の一例について説明する。燃料電池１２の作動中に、第１のバルブ３２は開位置をとることができる。その結果、水素源１４からの水素（乾燥水素４８、水素４８及び水蒸気４９、または改質物（reformate）を含む）は、アノード室１８に向かって流れることができる。燃料電池１２内において、水素４８は、任意の既知の方法で電気化学的に反応することができる。プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池の場合、アノード室１８内において水素を水素イオン及び電子に解離させることができる。水素イオンは、アノード室１８からプロトン交換膜を通ってカソード室２０へ移動することができる。電子は、外部電気回路を介してカソード室へ導かれることができる。水、熱及び電気を発生させるために、水素イオン、電子及び酸素を混合することによって、カソード室２０において発熱電気化学反応を開始することができる。
【００２７】
上記したように、水素源１４からのガスは一定レベルの湿度を有し得る。結果として、燃料電池１２の作動中において、アノード室１８内に水蒸気４９が存在することになる。燃料電池の作動中に第２のバルブ３８は閉位置にあり、それによって、吸湿性加水分解化学物質とアノード室１８内に含まれる水蒸気４９との反応を防止する。適切な燃料電池の作動のために用いられる水素パージ速度（purge rate）に応じて、第３のバルブ４６は開位置または閉位置をとることができる。
【００２８】
燃料電池１２が停止しているとき、第１のバルブ３２及び第２のバルブ４６は、閉位置をとることができる。その結果、空気は、燃料電池１２のアノード室１８に入ることができない。除湿物質源１６と燃料電池１２のアノード室１８との間の流体連通を許容するために、第３のバルブ３８は開位置をとることができる。
【００２９】
第３のバルブ３８が開いているとき、アノード室１８からのガス（水蒸気４９を含む）は、導管３６内で拡散して除湿物質源１６に到達することができる。その後、吸湿性加水分解化学物質１７は、アノード室１８内に含まれていた水蒸気４９と反応し、それによって水素４９Ｉを発生させることができる。水素４９Ｉは、その後、導管３６を介してアノード室１８に向かって流れることができる。例えば、上記したように、吸湿性加水分解化学物質１７は、ナトリウムシリサイド（ＮａＳｉ）であってよく、ナトリウムシリサイドは、水との反応性が高い吸湿性固体である。この場合、ナトリウムシリサイドは、燃料電池１２のアノード室１８に含まれていた水蒸気と自然に反応することができる。反応生成物は、水素及びケイ酸ナトリウム（Ｎａ２Ｓｉ２Ｏ５）である。結果を以下に示す。
【化１】
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【００３０】
この反応は、約４００℃より低い温度で、十分に安定して起こることが明らかにされている。ガス状反応生成物としての水素は、アノード室１８を加圧するため及び、燃料電池１２の停止中に第３のバルブ４６を制御することによってアノード室１８から汚染物質及び水蒸気４９をパージするために用いることができる。そのような動作は、燃料電池１２を保護しかつその作動寿命を延ばすのに役立ち得る。吸湿性加水分解化学物質１７の反応に伴うケイ酸ナトリウムまたは他の反応生成物も、アノード室１８内の水を吸収して水量を減らすことができる。
【００３１】
アノード室内の水の分圧が低下するにつれて、吸湿性加水分解化学物質１７と水蒸気４９との反応速度が低下する。この効果は、燃料電池１２の温度が大気温度に近付くにつれて相殺されるので、アノード室１８内の水蒸気４９の分圧を上昇させることができる。この条件のおかげで、停止期間中ずっと燃料電池１２のアノード室１８内の水分凝縮を減少させるために適切な反応速度に確実に到達することができる。
【００３２】
前述の説明は、燃料電池１２のアノード室１８の除湿に関するものであったが、当然のことながら、燃料電池１２のアノード室１８及びカソード室２０の両室を除湿することができる。図２は、燃料電池１２のアノード室１８及びカソード室２０の両室を除湿しかつパージするシステム１０Ｉの或る実施形態を示している。図１に示されているシステム１０に関連して行った上記の説明は、図２に示されているシステム１０Ｉにも同様に当てはまる。それゆえ、以下では、構造及び／または作動の相違点について説明する。
【００３３】
除湿物質源１６を、燃料電池１２のアノード室１８に加えて、カソード室２０に対しても流体連通が可能であるように機能的に接続させることができる。そのような機能的接続は、任意の適切な方法を用いて達成することができる。例えば、第３の導管５０を提供することができる。一実施形態では、図２に示されているように、第３の導管５０を、第２の導管３６と分岐関係にある導管として提供することができる。第３の導管５０を、その一端において第２の導管３６と流体連通させ、他端において燃料電池１２のカソード室２０と流体連通させることができる。燃料電池の作動中にアノード室１８及びカソード室２０からのガスが混合することを防止するために、前の実施形態における第２のバルブ３８が、この実施形態では第６のバルブ３８Ｉ及び第７のバルブ３８ＩＩに置き換えられている。任意の他の適切な手段により、アノード室１８とカソード室２０とを互いから遮断することができる。
【００３４】
バルブ３８Ｉ及び３８ＩＩにコントローラ３４Ｖ及び３４ＶＩをそれぞれ機能的に結合させることができる。第１のバルブ３２及びコントローラ３４に関連して行った上記の説明は、バルブ３８Ｉ及び３８ＩＩ並びにコントローラ３４Ｖ及び３４ＶＩにも同様に当てはまる。これらのバルブの各々に結合させるコントローラは、専用コントローラであってもよいし、他のバルブに機能的に接続された中央コントローラであってもよい。
【００３５】
あるいは、第２の導管３６及び第３の導管５０は、互いから完全に分離しているものであってよい。例えば、除湿物質源１６とアノード室１８との間を第２の導管３６で機能的に接続させることができ、除湿物質源１６とカソード室２０との間を第３の導管５０で機能的に接続させることができる。そのような場合、各導管３６、５０を介して吸湿性加水分解化学物質１７に出入りするガス及び水蒸気の流れを制御するために、各導管３６、５０に沿ってバルブを配置することができる。
【００３６】
吸湿性加水分解化学物質１７が除湿物質源１６から流出せず、代わりに除湿物質源１６内に留まることは、注目に値する。対照的に、アノード室１８及びカソード室２０内に残っているガスは、吸湿性加水分解化学物質１７に向かって流れかつそこを通過することができる。そのような構成では、この流れは、主に拡散を通じて生じることになるであろう。しかし、いくつかの実施形態では、ポンプ、ブロワまたはコンプレッサ（図示せず）を用いることによって、強制対流を引き起こすことができる。
【００３７】
さらに、システム１０Ｉは、酸素源または空気源５２を含むことができる。空気源５２は、カソード室２０に対して流体連通させることができる。一実施形態では、空気源５２は周囲空気であってよい。カソード室２０に対して任意の適切な方法で空気５３を供給することができる。例えば、カソード室２０への空気の送り込みを促進するために、コンプレッサやブロワなどの空気循環装置５４を用いることができる。
【００３８】
空気源５２を、燃料電池１２のカソード室２０の入口２６に対して流体連通が可能であるように機能的に接続させることができる。そのような機能的接続は、任意の適切な方法で達成することができる。例えば、空気源５２と燃料電池１２のカソード室２０の入口２６との間に、第４の導管５６を延在させることができる。第４の導管５６は、可能な例をいくつか挙げると、チューブ、配管及び／または１若しくは複数のフィッティングなどであってよい。
【００３９】
空気源５２とカソード室２０との間の空気の流れは、選択的に制御可能である。そのような流れの選択的制御は、任意の適切な方法で達成することができる。例えば、空気源５２とカソード室２０との間に、例えば第４の導管５６に沿って、第４のバルブ５８を機能的に配置することができる。第４のバルブ５８には、コントローラ３４を機能的に結合させることができる。第１のバルブ３２及びコントローラ３４に関連して行った上記の説明は、第４のバルブ５８及びコントローラ３４ＩＩＩにも同様に当てはまる。第４のバルブ５８に結合させるコントローラは、第４のバルブ５８専用の個別コントローラ３４ＩＩＩであってもよいし、第４のバルブ５８のみならず、第１のバルブ３２、第６のバルブ３８Ｉ、第７のバルブ３８ＩＩ及び／または第３のバルブ４６にも機能的に接続された中央コントローラであってもよい。
【００４０】
カソード室２０から任意の適切な方法でカソード排気６０を排出させることができる。例えば、カソード排気６０をカソード排気導管６２（例えば、排気筒６４などであり得る）によってカソード室２０から排出させることができる。カソード排気６０を大気に放出しかつ／またはシステム１０Ｉにおいて他の目的に用いることができる。
【００４１】
カソード排気導管６２に沿って流れるカソード排気６０の流れは、選択的に制御可能である。そのような流れの選択的制御は、任意の適切な方法で達成することができる。例えば、カソード排気導管６２に沿って第５のバルブ６６を機能的に配置することができる。第５のバルブ６６には、コントローラ３４ＩＶを機能的に結合させることができる。第１のバルブ３２及びコントローラ３４に関連して行った上記の説明は、第５のバルブ６６及びコントローラ３４にも同様に当てはまる。第５のバルブ６６に専用コントローラ３４ＩＶを機能的に接続することができる。あるいは、第５のバルブ６６のみならず、第１のバルブ３２、第６のバルブ３８Ｉ、第７のバルブ３８ＩＩ、第３のバルブ４６及び／または第４のバルブ５８にも機能的に接続された中央コントローラを設けることができる。
【００４２】
図２に示されている燃料電池システム１０Ｉの作動中には、第１のバルブ３２、第４のバルブ５８及び第５のバルブ６６は、開位置をとることができる。第３のバルブ４６は、適切な燃料電池の作動を維持するのに必要なアノード室１８内のガスのパージの速度に応じて、開位置または閉位置をとることができる。結果として、空気源５２からの酸素（酸化体）及び水素源１４からの水素（燃料）は、電気化学的酸化が起こっている燃料電池１２に流入することができる。燃料電池が作動しているとき、第６のバルブ３８Ｉ及び第７のバルブ３８ＩＩは閉じたままである。
【００４３】
燃料電池システム１０Ｉの停止中には、第１のバルブ３２及び第４のバルブ５８は閉位置にある。第６のバルブ３８Ｉ及び第７のバルブ３８ＩＩは開位置にあるが、それは、アノード室１８内に含まれる水蒸気４９及びカソード室２０内に含まれる水蒸気４９ＩＩと吸湿性加水分解化学物質とが反応するような形で、吸湿性加水分解化学物質１７とアノード室１８及びカソード室２０との間の機能的な流体連通を許容するためである。アノード室１８及びカソード室２０のガス圧を調節する必要がある場合、または吸湿性加水分解化学物質１７とアノード室１８内に含まれる水蒸気４９及びカソード室２０内に含まれる生成水蒸気４９ＩＩとの加水分解反応から生じるガスでアノード室１８及びカソード室２０をパージする必要がある場合には、第３のバルブ４６及び第５のバルブ６６は、開位置または閉位置をとるか、または開位置と閉位置との間を行き来することができる。この構成においては、アノード室１８及びカソード室２０内の水蒸気４９、４９ＩＩが反応して水素４９Ｉが発生し、水素４９Ｉはその後アノード室１８及びカソード室２０内に残っているガスの濃度を下げ、両室は水素４９Ｉで満たされることに留意されたい。第６のバルブ３８Ｉ及び第７のバルブ３８ＩＩが開くと、燃料電池２４のカソード室２０及びアノード室１８が効果的に流体接続した状態になり、その結果、アノード室１８とカソード室２０の圧力が等しくなる。
【００４４】
バルブ３２、３８Ｉ、３８ＩＩ、４６、５８及び６６の開閉位置の選択的な切り替えは、燃料電池１２の停止を最適化するように変更することができる。例えば、アノード室１８の除湿、パージ及び遮断を、カソード室２０の除湿、パージ及び遮断と少なくとも部分的に同時に行うことができる。あるいは、アノード室１８の除湿、パージ及び遮断を、カソード室２０の除湿、パージ及び遮断と異なる時間に行うことができる。例えば、アノード室１８の除湿、パージ及び遮断を、カソード室２０の除湿、パージ及び遮断の前後いずれかに行うことができる。燃料電池１２を最終的に停止させることができるのは、アノード室１８及びカソード室２０から全ての水が除去されたとき並びに、アノード室１８及びカソード室２０が両室ともに除湿物質源１６内で加水分解反応によって生じた水素で満たされたときである。このことは、燃料電池１２が停止している間に燃料電池の電気化学反応を完全に停止させることができるので、望ましいであろう。この時点で、燃料電池１２の電圧は約０であるはずである。
【００４５】
図２の燃料電池システム１０Ｉを始動するために、制御された量の空気がカソード室２０内に流入するように、第４のバルブ５８及び第５のバルブ６６を開放することができる。ほとんどの燃料電池は、膜・電極接合体（ＭＥＡ）においてアノード及びカソード電極の一部として白金ベースの触媒を用いる。これらの触媒は、一般的に高効率であり、カソード室２０内で少量の酸素の存在下で水素酸化反応を引き起こすことになるであろう。酸化反応は、燃料電池１２のカソード室２０の内部で起こり得る。この反応は、極度に発熱性であるので、燃料電池１２の温度を燃料電池１２の作動温度に到達するまで制御された形で上昇させるために用いることができる。触媒表面積を大きくすることで、燃料電池１２の昇温速度を速くすることができる。
【００４６】
加水分解反応によって生じた水素を、燃料電池１２の温度低下速度を遅くするために用いることもできる。このことは、起動時間及びエネルギー必要量を減少させ得るので、高温ＰＥＭ燃料電池やリン酸燃料電池などの高温で作動する燃料電池１２に特に重要である。そのようなシステム１０ＩＩの一例が図３に示されている。図１及び図２に示されているシステム１０、１０Ｉに関連して行った上記の説明は、図３に示されているシステム１０ＩＩにも同様に当てはまる。以下では、構造及び／または作動の相違点について説明する。
【００４７】
システム１０ＩＩは、燃焼器６８を含むことができる。任意の適切な燃焼器６８を用いることができる。一実施形態では、燃焼器６８は触媒燃焼器であってよい。別の実施形態では、燃焼器６８は非触媒燃焼器であってよい。アノード排気４０の少なくとも一部を燃焼器６８に供給することができるように、燃焼器６８をアノード室１８に対して選択的な流体連通が可能であるように機能的に接続させることができる。燃焼器６８は、アノード排気４０を酸化させることができる。
【００４８】
加水分解反応を生じさせて水素を発生させることによって、停止中の燃料電池１２の温度降下を減少させることができ、発生した水素は、第２のバルブ３８、アノード室１８及び第３のバルブ４６を通って燃焼器６８内へ排出される。燃焼器６８が発生させる熱を燃料電池１２に戻すことにより燃料電池１２の温度を維持することができる。それゆえ、燃焼器６８を燃料電池１２に対して熱交換可能な関係で機能的に接続させることができる。そのような熱伝達は、任意の適切な方法で達成することができる。アノード室１８内の水が消費されるにつれて、水素発生速度は低下することになり、燃焼器６８からの熱産生量も減少することになる。
【００４９】
燃料電池除湿システム１０、１０Ｉ、１０ＩＩの実施形態のうちの任意の実施形態において、システム１０、１０Ｉ、１０ＩＩのための除湿物質の量は、システムの設計の際に重視すべき事柄であり得る。除湿物質の量は、用いられる停止方式並びにアノード室１８及びカソード室２０の物理的体積によって異なる。図４は、およそ１０年間の燃料電池の作動中に消費されるナトリウムシリサイド（ＮａＳｉ）の量を縦軸に、カソード室またはアノード室またはカソード室及びアノード室を合わせた体積を横軸にとったグラフを表している。このグラフの根底にある分析は、スタック内に導入された水素が１８％ｖ／ｖ水蒸気によって希釈されること（改質水素に対して通常行われる）及び、システムが、停止１回当たり５倍の体積をパージするのに十分な水蒸気を消費することを前提としている。さらに、システムが１日に４回停止及び起動することも前提としている。結果として、ほとんど全ての可能な燃料電池システムに対して、必要なナトリウムシリサイドの量は比較的少なく、２ポンド（９０７．２グラム）未満であることが分かった。
【００５０】
燃料電池のための除湿システムは、数多くの利点を与えることができる。例えば、除湿システムは、非常に低い水分圧であっても水蒸気を効率良く除去することができる。停止中に除去する必要がある水の標準的な量は少ないので、燃料電池の停止１回当たり加水分解によって消費される水酸化物、シリサイドまたは他の化学物質の量も少ない。従って、吸湿性加水分解化学物質のシステム内部に貯蔵される重量及び置換率は小さい。
【００５１】
ここまで、燃料電池除湿システム及び方法に関するいくつかの例について説明してきた。当然のことながら、例として与えられているにすぎない本明細書に記載の具体的詳細に本発明が限定されるものではないこと及び、以下の特許請求の範囲内において様々な変更形態及び代替形態が可能であることが理解されるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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