(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池の流出物から水を抽出し、水を必要とする燃料電池システムの他の構成要素に水を供給する、燃料電池システムを提供する。【解決手段】水素ガス及び酸化剤から電気を生成するための燃料電池システムの好ましい実施例は、（ａ）  水素含有アノード供給流れのためのアノード入口と、酸化剤含有カソード供給流れのためのカソード入口と、燃料電池により生成された水を含むカソード流出物のためのカソード出口と、を備える燃料電池と、（ｂ）  前記燃料電池に接続され、且つ、前記カソード流出物から前記アノード供給流れに水を輸送する、水輸送装置と、を備える。【選択図】図１
2008135395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池パワープラントであって、
（ａ）  反応器酸化剤の流れ及び反応器炭化水素燃料の流れを含む反応物流れを使用して、水を含む改質物供給流れを生成するための反応器と、
（ｂ）  前記改質物供給流れから前記反応物流れのうちいずれか一方又は両方に水を輸送する、水輸送膜を備える第１の水輸送装置と、
（ｃ）  前記改質物供給流れのためのアノード入口、カソード酸化剤の供給流れのためのカソード入口、アノード流出物流れのためのアノード出口、及び、カソード流出物流れのためのカソード出口を備え、該アノード流出物及び該カソード流出物のうちいずれか一方又は両方は、前記燃料電池により生成された水を含む、燃料電池と、
（ｄ）  前記流出物の流れの一方又は両方から、空気を含む前記反応器酸化剤流れに、及び、オプションで前記改質物供給流れ及び前記カソード酸化剤供給流れのうち１つ以上に水を輸送する、前記燃料電池に接続された第２の水輸送装置と、
を備え、
（ｅ）  前記第２の水輸送装置は、前記反応器酸化剤の流れに水を輸送するため前記第１の水輸送装置を介して前記反応器に接続されている、燃料電池パワープラント。
【請求項２】
燃料電池パワープラントであって、
（ａ）  反応器酸化剤の流れ及び反応器炭化水素燃料の流れを含む反応物流れを使用して、水を含む改質物供給流れを生成するための反応器と、
（ｂ）  前記改質物供給流れから前記反応物流れのうちいずれか一方又は両方に水を輸送する、水輸送膜を備える第１の水輸送装置と、
（ｃ）  前記改質物供給流れのためのアノード入口、カソード酸化剤の供給流れのためのカソード入口、アノード流出物流れのためのアノード出口、及び、カソード流出物流れのためのカソード出口を備え、該アノード流出物及びカソード流出物のうちいずれか一方又は両方は、前記燃料電池により生成された水を含む、燃料電池と、
（ｄ）  前記流出物の流れの一方又は両方から、前記反応器酸化剤流れ、前記改質物供給流れ及び前記カソード酸化剤供給流れのうち１つ以上に水を輸送する、前記燃料電池に接続された第２の水輸送装置と、
を備え、
（ｅ）  前記反応器は、自家熱改質器、水ガスシフト反応器及び優先酸化反応器を備え、前記自家熱改質器は、改質物を生成し、該改質物は前記水ガスシフト反応器及び前記優先酸化反応器へと直列に供給され、前記第１の水輸送装置は、該改質物が前記水ガスシフト反応器から出た後、且つ、該改質物が前記優先酸化反応器に入る前に、前記改質物流れから水を輸送する、燃料電池パワープラント。
【請求項３】
燃料電池パワープラントであって、
（ａ）  反応器酸化剤の流れ及び反応器炭化水素燃料の流れを含む反応物流れを使用して、水を含む改質物供給流れを生成するための反応器と、
（ｂ）  前記改質物供給流れから前記反応物流れのうちいずれか一方又は両方に水を輸送する、水輸送膜を備える第１の水輸送装置と、
（ｃ）  前記改質物供給流れのためのアノード入口、カソード酸化剤の供給流れのためのカソード入口、アノード流出物流れのためのアノード出口、及び、カソード流出物流れのためのカソード出口を備え、該アノード流出物及び該カソード流出物のうちいずれか一方又は両方は、前記燃料電池により生成された水を含む、燃料電池と、
（ｄ）  前記流出物の流れの一方又は両方から、前記反応器酸化剤流れ、前記改質物供給流れ及び前記カソード酸化剤供給流れのうち１つ以上に水を輸送する、前記燃料電池に接続された第２の水輸送装置と、
を備え、
（ｅ）  前記反応器は、自家熱改質器、水ガスシフト反応器及び優先酸化反応器を備え、前記自家熱改質器は、改質物を生成し、該改質物は前記水ガスシフト反応器及び前記優先酸化反応器へと直列に供給され、前記第１の水輸送装置は、該改質物が前記優先酸化反応器から出た後に、前記改質物供給流れから水を輸送する、燃料電池パワープラント。
【請求項４】
前記空気は、約５０℃より低い温度を有する、請求項１に記載の燃料電池パワープラント。
【請求項５】
前記空気は、約周囲環境温度を有する、請求項４に記載の燃料電池パワープラント。
【請求項６】
燃料電池パワープラントであって、
（ａ）  反応器酸化剤の流れのための反応物入口と、該反応器により生成された改質物供給流れのための反応器改質物出口と、を有する、反応器と、
（ｂ）  (i)前記反応器改質物出口に接続された第１の装置改質物入口、(ii)第１の装置
改質物出口、(iii)第１の装置酸化剤ガス入口、(iv)前記反応器の前記反応物入口に接続
された第１の装置酸化剤ガス出口、及び、(v)水輸送膜を備え、前記改質物のガス流れか
ら反応器酸化剤の流れに水を輸送する、第１の水輸送装置と、
（ｃ）  アノード改質物供給流れのためのアノード入口と、カソード酸化剤供給流れのためのカソード入口と、アノード流出物のためのアノード出口と、カソード流出物のためのカソード出口と、を有する燃料電池と、
（ｄ）  (i)前記第１の水輸送装置の前記第１の改質物ガス出口に接続された第２の装置
改質物ガス入口、(ii)前記燃料電池スタックの前記アノード入口に接続された第２の装置改質物ガス出口、(iii)前記燃料電池スタックの前記流出物出口の一方又は両方に接続さ
れた第２の装置流出物入口、(iv) 第２の装置流出物出口、及び、(v)水輸送膜を備え、前記流出物の流れの一方又は両方から前記アノード改質物の供給流れに水を輸送する、第２の水輸送装置と、
を備える、燃料電池パワープラント。
【請求項７】
前記水輸送装置の膜は、ポリ[パーフルオロスルホン]酸を含む、請求項６に記載の燃料電池パワープラント。
【請求項８】
前記反応器酸化剤の流れは、空気を含む、請求項６に記載の燃料電池パワープラント。
【請求項９】
前記反応器酸化剤の流れの温度は、約５０℃より低い、請求項８に記載の燃料電池パワープラント。
【請求項１０】
前記反応器は、自家熱反応器を備える、請求項６に記載の燃料電池パワープラント。
【請求項１１】
前記反応器は、水ガスシフト反応器及び優先酸化反応器を更に備え、前記自家熱反応器は、改質物を生成し、該改質物は前記水ガスシフト反応器及び前記優先酸化反応器へと直列に供給され、前記第１の水輸送装置は、前記改質物が前記水ガスシフト反応器から出た後、且つ、前記改質物が前記優先酸化反応器に入る前に、前記改質物流れから水を輸送する、請求項１０に記載の燃料電池パワープラント。
【請求項１２】
前記反応器は、水ガスシフト反応器及び優先酸化反応器を更に備え、前記自家熱反応器は、改質物を生成し、該改質物は前記水ガスシフト反応器及び前記優先酸化反応器へと直列に供給され、前記第１の水輸送装置は、前記改質物が前記優先酸化反応器から出た後に、前記改質物流れから水を輸送する、請求項１０に記載の燃料電池パワープラント。
【請求項１３】
前記カソード入口に接続された空気移動装置を更に備え、空気供給流れは、前記カソード入口に入る前に該空気移動装置を通って流れ、前記第２の水輸送装置は、前記コンプレッサの入口に接続され、前記空気移動装置への前記流れの流入の前に前記空気供給流れに水を輸送する、請求項６に記載の燃料電池パワープラント。
【請求項１４】
燃料電池パワープラントであって、
（ａ）  反応器酸化剤の流れのための反応物入口と、改質物供給流れのための反応器改質物出口と、を有する、反応器と、
（ｂ）  (i)前記反応器改質物出口に接続された第１の装置改質物入口、(ii)第１の装置
改質物出口、(iii)第１の酸化剤供給流れのための第１の装置酸化剤ガス入口、(iv)前記
反応器の前記反応物入口に接続された第１の装置酸化剤ガス出口、及び、(v)水輸送膜を
備える、第１の水輸送装置と、
（ｃ）  前記改質物供給流れのためのアノード入口と、カソード酸化剤流れのためのカソード入口と、アノード流出物流れのためのアノード出口と、カソード流出物流れのためのカソード出口と、を有する燃料電池と、
（ｄ）  (i)前記燃料電池の前記カソード出口に接続された第２の装置カソード流出物入
口、(ii)第２の装置カソード流出物出口、(iii)第２の酸化剤供給流れのための第２の装
置酸化剤ガス入口、(iv) 前記第１の装置酸化剤ガス入口に接続された第２の装置酸化剤
ガス出口、及び、(v)水輸送膜を備える、第２の水輸送装置と、
を備え、
前記第１の水輸送装置は、前記改質物流れから前記反応器酸化剤流れまで水を輸送し、前記第２の水輸送装置は、前記カソード流出物から前記第１のカソード供給流れ及び前記カソード酸化剤流れに水を輸送する、燃料電池パワープラント。
【請求項１５】
前記水輸送装置の膜は、ポリ[パーフルオロスルホン]酸を含む、請求項１４に記載の燃料電池パワープラント。
【請求項１６】
前記反応器酸化剤の流れは、空気を含む、請求項１４に記載の燃料電池パワープラント。
【請求項１７】
前記反応器は、自家熱反応器を備える、請求項１４に記載の燃料電池パワープラント。
【請求項１８】
前記反応器は、水ガスシフト反応器及び優先酸化反応器を更に備え、前記自家熱反応器は、改質物を生成し、該改質物は前記水ガスシフト反応器及び前記優先酸化反応器へと直列に供給され、前記第１の水輸送装置は、該改質物が前記水ガスシフト反応器から出た後、且つ、該改質物が前記優先酸化反応器に入る前に、前記改質物流れから水を輸送する、請求項１７に記載の燃料電池パワープラント。
【請求項１９】
前記反応器は、水ガスシフト反応器及び優先酸化反応器を更に備え、前記自家熱反応器は、改質物を生成し、該改質物は前記水ガスシフト反応器及び前記優先酸化反応器へと直列に供給され、前記第１の水輸送装置は、前記改質物が前記優先酸化反応器から出た後に、前記改質物流れから水を輸送する、請求項１７に記載の燃料電池パワープラント。
【請求項２０】
前記第２の装置酸化剤ガス入口に接続された空気移動装置を更に備え、前記第２の酸化剤供給流れは、前記第２の装置酸化剤ガス入口に流入する前に前記空気移動装置を通って流れる、請求項１４に記載の燃料電池パワープラント。
【請求項２１】
燃料電池パワープラントを作動させる方法であって、
前記燃料電池パワープラントは、
反応器酸化剤流れ及び反応器炭化水素燃料流れを含む反応物流れを使用して水を含む改質物供給流れを生成するための反応器と、
燃料電池であって、該燃料電池は、前記改質物供給流れのためのアノード入口、カソード酸化剤の供給流れのためのカソード入口、アノード流出物流れのためのアノード出口、及び、カソード流出物流れのためのカソード出口を備え、該アノード流出物及び該カソード流出物のうちいずれか一方又は両方が前記燃料電池により生成された水を含む、前記燃料電池と、
を備えており、
前記方法は、
（ａ）  高圧側部及び低圧側部を有する第１の水輸送装置において、前記反応物流れのいずれか一方又は両方を前記低圧側部を通して輸送すると共に前記改質物供給流れを前記高圧側部を通して輸送することによって、前記改質物供給流れからの水を前記反応物流れの前記いずれか一方又は両方へと輸送し、
（ｂ）  高圧側部及び低圧側部を有する第２の水輸送装置において、前記反応器酸化剤流れ、前記改質物供給流れ及び前記カソード酸化剤供給流れのうち１つ以上を前記低圧側部を通して輸送すると共に、前記アノード流出物及び前記カソード流出物のいずれか一方又は両方を前記高圧側部を通して輸送することによって、前記アノード流出物及び前記カソード流出物の前記いずれか一方又は両方から、前記反応器酸化剤流れ、前記改質物供給流れ及び前記カソード酸化剤供給流れのうち前記１つ以上へと水を輸送する、各工程を備える、方法。
【請求項２２】
前記第１及び第２の水輸送装置の各々は、ポリ酸を含む膜を備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第２の水輸送装置は、前記カソード流出物から前記空気供給流れへと水を輸送する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記第２の水輸送装置は、更に前記第１の水輸送装置に接続され、前記反応器酸化剤流れに水を輸送する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記反応物流れは、空気を含む前記反応器酸化剤流れである、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記空気の温度は、約５０℃より低い、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記空気の温度は、ほぼ周囲温度である、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記反応器は、自家熱反応器を備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
前記反応器は、水ガスシフト反応器と優先酸化反応器とを更に備え、前記自家熱反応器は改質物を生成し、該改質物は前記水ガスシフト反応器及び前記優先酸化反応器へと直列に供給され、前記第１の水輸送装置は、前記改質物が前記水ガスシフト反応器から出た後、且つ、前記改質物が前記優先酸化反応器に入る前に、前記改質物流れから水を輸送する、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記反応器は、水ガスシフト反応器と優先酸化反応器とを更に備え、前記自家熱反応器は改質物を生成し、該改質物は前記水ガスシフト反応器及び前記優先酸化反応器へと直列に供給され、前記第１の水輸送装置は、前記改質物が前記優先酸化反応器から出た後に、前記改質物流れから水を輸送する、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記燃料電池パワープラントは、前記カソード入口に接続された空気移動装置を更に備え、空気供給流れは、前記カソード入口に入る前に前記空気移動装置を通って流れ、前記第２の水輸送装置は、コンプレッサの入口に接続され、前記空気移動装置への前記流れの流入の前に前記空気供給流れに水を輸送する、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素及び酸化剤の電気化学的反応から電気を生成するための燃料電池パワープラントに関する。好ましいプラントは、炭化水素燃料電池から水素を生成する。特に、本発明は、燃料電池の流出物からの水蒸気を、水を必要とするパワープラントの構成部品に輸送する装置を有する、燃料電池パワープラント及び該燃料電池パワープラントを作動させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、化学物質を還元及び酸化させる反応から電気化学的エネルギーを電気に転化させる装置である。燃料電池は、多数の用途で電源として使用されてきており、例えば、改善された効率、信頼性、耐久性、コスト及び環境上の利点等、電気的エネルギーの他の源を有意に越える利点を提供することができる。特に、燃料電池により電力供給される電動モータは、内燃エンジンに取って代わるため自動車及び他の車両に使用するため提案されてきた。
【０００３】
燃料電池は、電気的エネルギー及び水を生成するため、還元及び酸化材料として、水素及び空気を典型的に使用している。燃料電池は、一般に、電解質により分離された、アノード電極及びカソード電極を備えている。水素は、アノード電極に供給され、酸素（又は空気）は、カソード電極に供給される。水素ガスは、アノードで電子及び水素イオン（陽子）へと分離される。水素イオンは、電解質を通ってカソードへと至る。電子は、電力回路を通って（例えば、モータに）カソードに移動する。カソードでは、水素イオン、電子及び酸素が結合して水を形成する。アノード及びカソードにおける反応は、典型的には、白金である触媒により促進される。
【０００４】
燃料電池のアノード及びカソードは、電解質により分離されている。幾つかの型式の燃料電池が存在し、各々の燃料電池は、それらを与えられた商業的用途に特に適したされるという利点を持っている。一つの型式は、陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池であり、これは、陽子は浸透可能であるが、電子は浸透することができない、薄いポリマー膜を用いている。ＰＥＭ燃料電池は、特に、車両で使用する上で適したものである。それらは、高出力を提供することができ、他の燃料電池システムよりも重量が軽いからである。
【０００５】
ＰＥＭ燃料電池内の膜は、膜電解質アッセンブリ（ＭＥＡ）の一部分であり、該アッセンブリは、膜の一方の面にアノードを、その反対側の面にカソードを有する。当該膜は、典型的には、例えばパーフルオロスルホン酸等のイオン交換膜から作られている。ＭＥＡは、一対の導電要素の間に挟まれており、これらの導電要素は、アノード及びカソードのための電流コレクターとして機能し、夫々のアノード及びカソード触媒の表面に亘って燃料電池のガス状反応物を分配するため適切なチャンネル及び／又は開口部を備えている。
【０００６】
アノード及びカソードは、典型的には、炭素粒子上に担持され且つ陽子伝達樹脂と混合された、微細に分割された触媒粒子を備えている。従って、これらの触媒粒子は、典型的には、例えば白金等の貴金属粒子である。そのようなＭＥＡは、製造する上で比較的高価であり、膜及び触媒の劣化を防止するため、制御された作動条件を要求する。これらの条件には、適切な水管理及び加湿、並びに、例えば一酸化炭素等の触媒汚染成分の制御が含まれている。典型的なＰＥＭ燃料電池及びＭＥＡは、１９９３年１２月２１日に発行された、スワティラヤンらによる米国特許番号５，２７２，０１７号、１９９４年５月３１日に発行された、スワティラヤンらによる米国特許番号５，３１６，８７１号に記載されている。
【０００７】
個々の電池からの電圧は、ほんの約１Ｖ程度である。従って、車両や他の商業的用途のより高いパワー要求に合致させるため、幾つかの電池が直列に結合される。この結合は、典型的には、水素及び酸素（空気）の反応物並びに水流出物の流れを方向付けるための通路を有する電気絶縁フレームにより取り囲まれた、「スタック」内に配列されている。酸素及び水素の反応が熱を生成するので、燃料電池スタックも冷却されなければならない。スタック中の多数電池の配列は、１９９８年６月９日に発行された、メルツァーらによる米国特許番号５，７６３，１１３号、並びに、２０００年８月８日に発行された、ロックによる米国特許番号６，０９９，４８４号に記載されている。
【０００８】
多数の用途に対して、燃料電池のための水素源として、メタン（天然ガス）、メタノール、ガソリン、又は、ディーゼル燃料等の、容易に利用可能な炭化水素燃料を使用することが望ましい。例えばガソリン等の液体燃料は、車両用途にとって特に適している。液体燃料は、貯蔵が比較的容易であり、それらを供給するための現存する商業的設備が存在する。しかし、炭化水素燃料は、燃料電池を燃料供給するための水素ガスを解放するため分解されなければならない。水素を提供するためのパワープラント燃料処理装置は、１つ以上の反応器又は改質器を備え、燃料が蒸気と反応し、時折、空気と反応し、主要には水素及び二酸化炭素を含む反応生産物を与える。
【０００９】
一般には、２種類の改質システムが存在する。即ち、蒸気改質器と、自家熱改質器と、である。各々のシステムは、特別の種類の燃料の使用、及び特定の用途において多かれ少なかれ適したものにする作動特性を有している。蒸気改質では、炭化水素燃料（典型的には、メタン又はメタノール）及び水（蒸気として）が、水素及び二酸化炭素を発生させるため反応される。この反応は、吸熱性であり、熱の追加を必要としている。好ましいシステムでは、この熱は、改質物が燃料電池スタックを通過した後、未反応のままである水素を燃焼させる燃焼器により提供される。
【００１０】
自家熱反応プロセスでは、炭化水素燃料（典型的にはガソリン）、蒸気及び空気が、２つの反応を実行する１次反応器に供給される。一つの反応は、空気が燃料と発熱反応する部分酸化反応であり、他方の反応は、吸熱蒸気改質反応（蒸気改質におけるように）である。発熱反応からの熱は、吸熱反応で使用され、外部熱源の必要性を最小にする。
【００１１】
蒸気及び自家熱改質の両方における反応の副産物は、一酸化炭素である。残念ながら、一酸化炭素は、燃料電池、特にＰＥＭ燃料電池の作動を劣化させる。かくして、１次反応器の下流にある反応器は、燃料電池スタック中で許容範囲となるレベルにまで、水素の豊富な改質物中の一酸化炭素濃度を低下させる必要がある。下流側の反応器は、水／ガスシフト（ＷＧＳ）反応器と、優先酸化（ＰｒＯｘ）反応器と、を備えていてもよい。ＷＧＳ反応は、二酸化炭素及び水を、水素及び二酸化炭素へと触媒作用で転換させる。優先酸化反応器は、酸化剤として空気からの酸素を使用して、一酸化炭素を選択的に酸化させ、二酸化炭素を生成する。優先酸化反応器への空気供給の制御は、水素の水への酸化を最小にしつつ一酸化炭素を選択的に酸化させるためには重要である。
【００１２】
ＰＥＭ燃料電池による消費のため水素の豊富な改質物を生成するため炭化水素燃料を分解する燃料電池システムは、当該技術分野で周知されている。そのようなシステムは、２０００年６月２０日に発行された、ペティットによる米国特許番号６，０７７，６２０号、２０００年２月２日に公開された、スクラらによるヨーロッパ特許出願公開９７７，２９３号、及び、１９８７年３月１７日に発行された、ヴァンデルボルグらによる米国特許番号４，６５０，７２２号に記載されている。
【００１３】
自動車及び他の車両において燃料電池システムで炭化水素改質物を使用することは、特別の関心事を与えている。上述した容易に利用可能な液体燃料の使用が望ましいことに加
えて、改質器及び燃料電池システムは、比較的軽量でなければならず、幅広い範囲の周囲環境条件の下で効率的に作動することができなければならない（温度及び湿度の条件の範囲の下で）。それらは、車両の始動後に短時間のインターバル以内でパワーを生成するように、迅速に始動可能であるようにもするべきである。かくして、改質器の反応物の構成要素の加熱量を最小にすることが望ましい。特に、システム内で水を補充する必要性を回避するため、システム内で取り扱わなければならない液体水の量を最小にすることが望ましい。
【００１４】
上記したように、水を必要とする改質物燃料電池システム内には、特に、反応物として蒸気を必要とする改質器、ＷＧＳ反応器、及び、適切に機能するためＭＥＡの加湿を必要とする燃料電池を始めとして、幾つかの構成要素が存在する。燃料電池システム内で水の平衡を強化する上での共通のアプローチは、システム内の様々なポイントで凝結式熱交換器を使用することである。例えば、熱交換器は、水を凝結させるように、その露点以下の温度にまで、改質物のハイキブツを冷却するため、改質物の下流で使用される。水は、ガス状改質物から分離され、リザーバー内に蓄えられる。次に、その水は、改質器に戻らされ、そこで、蒸気を形成するため加熱される。熱交換器は、ＭＥＡを加湿する際に使用される水を凝結するように燃料電池のカソードから出た排気物の流れを冷却するためにも使用される。しかし、熱交換器の使用は、問題を与える。例えば、熱交換器の水回復効率は、周囲環境温度が上昇するとき減少する。大型のラジエータが、凝結の熱を散逸させるため必要とされる。その上、熱交換器により生成された液体の凝結物は、システム内の再利用のため蒸発させなければならず、追加のエネルギー負荷及びシステムの非効率を生じさせる。
【００１５】
燃料電池システム内の水バランスの必要性を取り組むための試みは、当該技術分野で説明された。例えば、１９９３年７月２９日に公開された、ストラッサーらによる、ドイツ特許公開番号４２０１６３２号、１９９９年１２月２８日に発行された、フーラーらによる、米国特許番号６，００７，９３１号、及び、２０００年１月１１日に発行された、ドゥボーゼらによる米国特許番号６，０１３，３８５号を参照せよ。しかし、当該技術分野のこれらの既知の技術の中における水管理システムは、作動条件の幅広い範囲に亘って真の水バランスを維持することが不可能であること、機械的複雑さ及び信頼性の点、増大したシステムエネルギーの要求、並びに、可能な安全性等の問題に起因して、これらの必要性に適切に取り組んでいない。
【特許文献１】米国特許番号５，２７２，０１７号
【特許文献２】米国特許番号５，３１６，８７１号
【特許文献３】米国特許番号５，７６３，１１３号
【特許文献４】米国特許番号６，０９９，４８４号
【特許文献５】米国特許番号６，０７７，６２０号
【特許文献６】ヨーロッパ特許出願公開９７７，２９３号
【特許文献７】米国特許番号４，６５０，７２２号
【特許文献８】ドイツ特許公開番号４２０１６３２号
【特許文献９】米国特許番号６，００７，９３１号
【特許文献１０】米国特許番号６，０１３，３８５号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するため、本発明は、燃料電池の流出物から水を抽出し、水を必要とする燃料電池システムの他の構成要素に水を供給する、燃料電池システムのための燃料電池パワープラントを提供する。
【００１７】
本発明の燃料電池パワープラントは、（ａ）  反応器酸化剤の流れ及び反応器炭化水素燃料の流れを含む反応物流れを使用して、水を含む改質物供給流れを生成するための反応器と、（ｂ）  前記改質物供給流れから前記反応物流れのうちいずれか一方又は両方に水を輸送する、水輸送膜を備える第１の水輸送装置と、（ｃ）  前記改質物供給流れのためのアノード入口、カソード酸化剤の供給流れのためのカソード入口、アノード流出物流れのためのアノード出口、及び、カソード流出物流れのためのカソード出口を備え、該アノード流出物及び該カソード流出物のうちいずれか一方又は両方は、前記燃料電池により生成された水を含む、燃料電池と、（ｄ）  前記流出物の流れの一方又は両方から、空気を含む前記反応器酸化剤流れに、及び、オプションで前記改質物供給流れ及び前記カソード酸化剤供給流れのうち１つ以上に水を輸送する、前記燃料電池に接続された第２の水輸送装置と、を備え、（ｅ）  前記第２の水輸送装置は、前記反応器酸化剤の流れに水を輸送するため前記第１の水輸送装置を介して前記反応器に接続されるように構成したものである。
【００１８】
本発明の別の態様に係る燃料電池パワープラントは、（ａ）  反応器酸化剤の流れ及び反応器炭化水素燃料の流れを含む反応物流れを使用して、水を含む改質物供給流れを生成するための反応器と、（ｂ）  前記改質物供給流れから前記反応物流れのうちいずれか一方又は両方に水を輸送する、水輸送膜を備える第１の水輸送装置と、（ｃ）  前記改質物供給流れのためのアノード入口、カソード酸化剤の供給流れのためのカソード入口、アノード流出物流れのためのアノード出口、及び、カソード流出物流れのためのカソード出口を備え、該アノード流出物及びカソード流出物のうちいずれか一方又は両方は、前記燃料電池により生成された水を含む、燃料電池と、（ｄ）  前記流出物の流れの一方又は両方から、前記反応器酸化剤流れ、前記改質物供給流れ及び前記カソード酸化剤供給流れのうち１つ以上に水を輸送する、前記燃料電池に接続された第２の水輸送装置と、を備え、
（ｅ）  前記反応器は、自家熱改質器、水ガスシフト反応器及び優先酸化反応器を備え、前記自家熱改質器は、改質物を生成し、該改質物は前記水ガスシフト反応器及び前記優先酸化反応器へと直列に供給され、前記第１の水輸送装置は、該改質物が前記水ガスシフト反応器から出た後、且つ、該改質物が前記優先酸化反応器に入る前に、前記改質物流れから水を輸送するように構成したものである。
【００１９】
本発明の更に別の態様に係る燃料電池パワープラントは、（ａ）  反応器酸化剤の流れ及び反応器炭化水素燃料の流れを含む反応物流れを使用して、水を含む改質物供給流れを生成するための反応器と、（ｂ）  前記改質物供給流れから前記反応物流れのうちいずれか一方又は両方に水を輸送する、水輸送膜を備える第１の水輸送装置と、（ｃ）  前記改質物供給流れのためのアノード入口、カソード酸化剤の供給流れのためのカソード入口、アノード流出物流れのためのアノード出口、及び、カソード流出物流れのためのカソード出口を備え、該アノード流出物及び該カソード流出物のうちいずれか一方又は両方は、前記燃料電池により生成された水を含む、燃料電池と、（ｄ）  前記流出物の流れの一方又は両方から、前記反応器酸化剤流れ、前記改質物供給流れ及び前記カソード酸化剤供給流れのうち１つ以上に水を輸送する、前記燃料電池に接続された第２の水輸送装置と、を備え、（ｅ）  前記反応器は、自家熱改質器、水ガスシフト反応器及び優先酸化反応器を備え、前記自家熱改質器は、改質物を生成し、該改質物は前記水ガスシフト反応器及び前記優先酸化反応器へと直列に供給され、前記第１の水輸送装置は、該改質物が前記優先酸化反応器から出た後に、前記改質物供給流れから水を輸送する。
【００２０】
本発明の更に別の態様に係る燃料電池パワープラントは、（ａ）  反応器酸化剤の流れのための反応物入口と、該反応器により生成された改質物供給流れのための反応器改質物出口と、を有する、反応器と、（ｂ）  (i)前記反応器改質物出口に接続された第１の装置改質物入口、(ii)第１の装置改質物出口、(iii)第１の装置酸化剤ガス入口、(iv)前記反応器の前記反応物入口に接続された第１の装置酸化剤ガス出口、及び、(v)水輸送膜を備え、前記改質物のガス流れから反応器酸化剤の流れに水を輸送する、第１の水輸送装置と、
（ｃ）  アノード改質物供給流れのためのアノード入口と、カソード酸化剤供給流れのためのカソード入口と、アノード流出物のためのアノード出口と、カソード流出物のためのカソード出口と、を有する燃料電池と、（ｄ）  (i)前記第１の水輸送装置の前記第１の改質物ガス出口に接続された第２の装置改質物ガス入口、(ii)前記燃料電池スタックの前記アノード入口に接続された第２の装置改質物ガス出口、(iii)前記燃料電池スタックの前記流出物出口の一方又は両方に接続された第２の装置流出物入口、(iv) 第２の装置流出物出口、及び、(v)水輸送膜を備え、前記流出物の流れの一方又は両方から前記アノード改質物の供給流れに水を輸送する、第２の水輸送装置と、を備えて構成したものである。
【００２１】
本発明の更に別の態様に係る燃料電池パワープラントは、（ａ）  反応器酸化剤の流れのための反応物入口と、改質物供給流れのための反応器改質物出口と、を有する、反応器と、（ｂ）  (i)前記反応器改質物出口に接続された第１の装置改質物入口、(ii)第１の装置改質物出口、(iii)第１の酸化剤供給流れのための第１の装置酸化剤ガス入口、(iv)前記
反応器の前記反応物入口に接続された第１の装置酸化剤ガス出口、及び、(v)水輸送膜を
備える、第１の水輸送装置と、（ｃ）  前記改質物供給流れのためのアノード入口と、カソード酸化剤流れのためのカソード入口と、アノード流出物流れのためのアノード出口と、カソード流出物流れのためのカソード出口と、を有する燃料電池と、（ｄ）  (i)前記燃料電池の前記カソード出口に接続された第２の装置カソード流出物入口、(ii)第２の装置カソード流出物出口、(iii)第２の酸化剤供給流れのための第２の装置酸化剤ガス入口、(iv) 前記第１の装置酸化剤ガス入口に接続された第２の装置酸化剤ガス出口、及び、(v)水輸送膜を備える、第２の水輸送装置と、を備え、前記第１の水輸送装置は、前記改質物流れから前記反応器酸化剤流れまで水を輸送し、前記第２の水輸送装置は、前記カソード流出物から前記第１のカソード供給流れ及び前記カソード酸化剤流れに水を輸送するように構成したものである。
【００２２】
本発明の更に別の態様に係る燃料電池パワープラントを作動させる方法は、前記燃料電池パワープラントは、反応器酸化剤流れ及び反応器炭化水素燃料流れを含む反応物流れを使用して水を含む改質物供給流れを生成するための反応器と、燃料電池であって、該燃料電池は、前記改質物供給流れのためのアノード入口、カソード酸化剤の供給流れのためのカソード入口、アノード流出物流れのためのアノード出口、及び、カソード流出物流れのためのカソード出口を備え、該アノード流出物及び該カソード流出物のうちいずれか一方又は両方が前記燃料電池により生成された水を含む、前記燃料電池と、を備えており、前記方法は、（ａ）  高圧側部及び低圧側部を有する第１の水輸送装置において、前記反応物流れのいずれか一方又は両方を前記低圧側部を通して輸送すると共に前記改質物供給流れを前記高圧側部を通して輸送することによって、前記改質物供給流れからの水を前記反応物流れの前記いずれか一方又は両方へと輸送し、（ｂ）  高圧側部及び低圧側部を有する第２の水輸送装置において、前記反応器酸化剤流れ、前記改質物供給流れ及び前記カソード酸化剤供給流れのうち１つ以上を前記低圧側部を通して輸送すると共に、前記アノード流出物及び前記カソード流出物のいずれか一方又は両方を前記高圧側部を通して輸送することによって、前記アノード流出物及び前記カソード流出物の前記いずれか一方又は両方から、前記反応器酸化剤流れ、前記改質物供給流れ及び前記カソード酸化剤供給流れのうち前記１つ以上へと水を輸送する、各工程を備えて構成したものである。
【００２３】
上記のような水輸送装置は、当該技術分野で知られている水管理システムを超える有意な利点を提供する。特に、そのようなシステムは、幅広い作動条件の下においてシステムにおいて全体的な水バランスを維持し、減少したエネルギー要求量、減少した構成部品の複雑さ及び高い信頼性、並びに、作動安全性の向上といった利点を奏する。
【実施例】
【００２４】
本発明は、燃料電池システムを提供する。「燃料電池システム」は、本明細書で言及されるとき、燃料電池と、水輸送装置と、を備える装置を意味する。水蒸気輸送装置は、燃料電池の流出物から燃料電池システムの別の構成部品に水蒸気を輸送する。特定の実施例では、図１に表されたように、水輸送装置（１０）は、酸素及び水を含む燃料電池（１１）流出物流れ（１２）から燃料電池の入力流れ（１３）へと水蒸気を輸送する。好ましくは、水蒸気は、燃料電池のカソード流出物から輸送される。燃料電池システムの好ましい実施例は、アノード燃料電池流出物を燃焼させるため、燃焼器（１４）も備えている。また、好ましくは、燃料電池システムは、炭化水素の燃料電池プラントであり、その実施例は、図２、３及び４に表されている。
【００２５】
「燃料電池」は、本明細書で言及されるとき、水素及び酸化剤を使用した、電気の電気化学的生成のための単一の電池、好ましくはＰＥＭ燃料電池、又は、電池の直列接続が電圧を増大させることを可能にする、スタック又は他の形態の複数の電池となり得る。「炭化水素燃料電池プラント」は、本明細書で言及されるとき、燃料電池と、該燃料電池のための水素を提供するための炭化水素燃料処理装置と、を備える装置となる。「炭化水素燃料処理装置」は、本明細書で言及されるとき、炭化水素燃料を水素へと転換する任意の装置を備える。好ましい実施例では、炭化水素燃料電池プラントは、自動車で使用するため適している。別の好ましい実施例では、炭化水素燃料電池プラントは、家庭又は商業的使用のための、緊急又は増補の発電機等、据え付けの装置で使用するために適している。
【００２６】
好ましくは、炭化水素燃料処理装置は、炭化水素燃料を、酸化剤及び水を使用して転換させ、水素ガスの流れを形成する。好ましくは、炭化水素燃料は、ガソリン、ディーゼル
燃料、天然ガス、メタン、ブタン、プロパン、メタノール、エタノール、又は、それらの混合物を含む、水素を生成するため改質されることができる任意の燃料である。（用語「含む」及びその変形語は、本明細書で使用されるとき、リストの項目の記載が、本発明の、当該装置、デバイス、構成部品、材料、成分及び方法で有用となり得る他の類似の項目を排除することがないように、当該リスト項目に限定するものではないことを意味している。）
特に、図２、３及び４に表されるとき、本発明の好ましい実施例は、反応器２０、３０又は４０を備えるパワープラント燃料処理装置と、反応器により生成された改質物から反応器の入口に水蒸気を輸送する、水輸送装置（２１）と、を提供する。「改質物」は、本明細書で言及されるとき、炭化水素燃料から反応器により生成された、水素を含むガス状生産物即ち流出者を意味する。一実施例では、反応器からの改質物は、水輸送装置を通過した後、燃料電池（１１）へと流れる。表された実施例においても、水蒸気は、酸化剤の流れの一部分として反応器に輸送される。輸送は、反応器の入口、又は、該反応器の入口に接続される空気移動装置等の装置に直接的になされる。水輸送装置は、水輸送膜を備えるのが好ましい。
（反応器）
本発明の燃料電池システムは、炭化水素燃料を、燃料電池で使用するための水素に転換することができる反応器を備えるのが好ましい。好ましい反応器は、上記本発明の従来技術欄で概略説明されたように、蒸気改質反応器と、自家熱反応器と、を備える。そのような反応器の間で、本発明で有用なものは、次の文書で説明されたような当該技術分野で知られている反応器である。即ち、１９８７年３月１７日に発行された、ヴァンデンボルグらによる米国特許番号４，６５０，７２２号、２０００年６月２０日に発行された、ペティットによる米国特許番号６，０７７，６２０号、１９９８年９月２２日に発行された、スカラらによる、米国特許番号６，１３２，６８９号、１９９９年７月６日に発行されたケスクラらによる米国特許番号６，１５９，６２６号、２０００年２月２日に公開されたスカラらによるヨーロッパ特許公開番号１，０６６，８７６号、及び、２００１年１月１０日に公開された、ケスクラらによる、ヨーロッパ特許公開番号１，０６６，８７６号の文書が挙げられ、それらの開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【００２７】
反応器は、炭化水素燃料（流れ７）が水／蒸気の存在下で分解を受けて改質物を形成するような１つ以上の反応器であるのが好ましい。そのような一つの特定の実施例では、空気は、組み合わせ部分酸化／蒸気改質反応において使用される。この場合には、１つ以上の反応器が、空気流れを受け取る。各々の反応器は、１つ以上の区分又は反応器ベッドを備えていてもよい。様々な設計が知られており、利用可能となっている。このため、反応器の選択及び配列は、様々に変わり得る。例示的な燃料改質反応器及び下流側の反応器が更に後述される。
【００２８】
例示的な自家熱改質プロセスでは、ガソリン、（蒸気としての）水、及び、酸素（空気）は、従来技術の欄で前述されたように、水素及び二酸化炭素を発生させるため１次反応器内で反応される。反応器は、２つの区分を備える。反応器の一つの区分は、主要には、部分酸化反応器（ＰＯＸ）であり、該反応器の他の区分は、主要には、蒸気改質器（ＳＲ）である。しかし、ＰＯＸ区分及びＳＲ区分で生じる反応器の種類に重なり合いが存在している。ＰＯＸ反応は、燃料及び空気の間で優勢となり、次の一般的な反応の枠組みを有する。
【００２９】
Ｃ8Ｈ18  ＋  ４Ｏ2  →  ８ＣＯ  ＋  ９Ｈ2
この反応は、触媒の使用により促進され、発熱反応である。好ましいＰＯＸ触媒は、１つ以上の貴金属、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ａｕ及びＲｕを含んでいる。他の非貴金属、又は、例えばＮｉ及びＣｏ等の金属の組み合わせも利用可能である。ＰＯＸ区分内の反応は、燃料リッチであるのが好ましい。高温ＰＯＸ反応生成物は、燃料と一緒に導入
された蒸気と共に、ＳＲ区分に至り、該区分で、炭化水素は、次の一般的な反応の枠組みに従って蒸気と反応する。
【００３０】
Ｃ8Ｈ18＋８Ｈ2Ｏ  →  ８ＣＯ＋１７Ｈ2
該蒸気改質反応は、吸熱的である。この吸熱反応のために必要とされる熱は、発熱性ＰＯＸ反応により発生された熱から提供され、ＰＯＸ区分流出物によりＳＲ区分へと前方に運ばれる（このようにして、自家熱反応器と命名される）。
【００３１】
１次反応器からの主要改質物の生成物は、一実施例では、１次反応器を出て、改質物から、１次反応器に供給された空気へと、熱を輸送する熱交換器により冷却される。別の好ましい実施例では、この熱輸送は、別個の熱交換器を使用すること無く、水輸送装置によりもたらされる。水素が生成されるが、ガソリンの改質は、二酸化炭素、水及び一酸化炭素も生成する。一酸化炭素は、特に、燃料電池スタックで使用される触媒に有害な影響を及ぼし得る。従って、生成流れの一酸化炭素含有量を減少させるのが好ましい。
【００３２】
好ましくは、燃料処理装置は、一酸化炭素を二酸化炭素に転換するため使用される、例えば水／ガスシフト（ＷＧＳ）反応器及び優先酸化（ＰｒＯｘ）反応器等の１つ以上の下流側反応器を更に備える。一酸化炭素は、受容可能なレベル、好ましくは約２０ｐｐｍより少ないレベルにまで減少されるのが好ましい。
【００３３】
シフト反応器は、一酸化炭素及び水が次の一般的な枠組みに従って反応されるところの１つ以上の区分を備えるのが好ましい。
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋Ｈ2
一実施例では、高温シフト区分と、低温シフト区分とが設けられる。そのような特定の実施例の一つでは、高温シフト反応器は、Ｆｅ3Ｏ4／Ｃｒ2Ｏ3触媒を備え、約４００℃（７５２°Ｆ）から約５５０℃（１０２２°Ｆ）までの温度で作動する。当該実施例では、低温シフト反応器は、ＣｕＯ／ＺｎＯ／Ａｌ2Ｏ3触媒を備え、約２００℃（３９２°Ｆ）から約３００℃（５７２°Ｆ）までの温度で作動する。好ましくは、改質物の流れの冷却は、高温区分及び低温区分の間で発生する。他の実施例では、ＷＧＳ反応器は、高温及び低温反応器の代わりに、或いは、それらに加えて、約３００℃（５７２°Ｆ）から約４００℃（７５２°Ｆ）までの温度で駆動する中間温度シフト反応器を備えている。
【００３４】
シフト反応器から出た改質物は、優先酸化ＰｒＯｘ反応器に入り、該反応器で、該改質物は、次の一般的な反応の枠組みに従って、空気供給部を介して供給された酸素と触媒反応する。
【００３５】
ＣＯ＋１／２Ｏ2→ＣＯ2
この反応は、余剰量の水素を消費すること無く、残余の一酸化炭素の事実上全て、又は、少なくともそのほとんどを消費するように実行される。
【００３６】
燃料処理装置に供給された空気の流れは、１つ以上の反応器で使用することができる。自家熱反応器を備えたシステムのため、空気は反応器に供給される。ＰｒＯｘ反応器は、貴金属触媒を使用して、一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させるため空気も利用する。１つ以上の熱交換器を使用して、１次反応器のため空気を所望の温度にまで加熱することができる。当該空気は、好ましくはコンプレッサである空気移動装置から供給されるのが好ましい。そのような実施例では、１次反応器のための空気は、作動条件に応じて、少なくとも約７００℃（１２９２°Ｆ）の温度で供給されるのが好ましい。
【００３７】
一実施例では、ＰｒＯｘ水素の流れは、ＰｒＯｘ反応器から出て、燃料電池で使用するため適した温度にまで熱交換器により冷却される。この水素の流れは、約１００℃（２１
２°Ｆ）より低い温度にまで冷却されるのが好ましい。次に、水素の流れは、後述されるように、水輸送装置を介して燃料電池のアノードチャンバーへと供給される。これと同時に、酸化剤の流れからの酸素（例えば、空気）は、燃料処理装置のカソードチャンバーへと供給される。空気は、コンプレッサを使用して圧縮されているのが好ましい。改質物の流れからの水素及び酸化剤の流れからの酸素は、燃料電池内で反応し、触媒の存在下の電気化学的反応において、電流を生成する。水が反応の副産物として生成される。燃料電池のアノード側からの排気物即ち流出物は、未反応の水素を含んでいる。燃料電池のカソード側からの排気物即ち流出物は、未反応の酸素を含んでいる。
【００３８】
反応器内で発生した反応の幾つかは、吸熱的であり、その結果、熱を必要とする。他の反応は、発熱的であり、熱の除去を必要としている。改質物の型式に応じて、１次反応器内の１つ以上の反応は、吸熱的であり、追加されるべき熱を必要としている。これは、燃料、水及び空気反応物のうち１つ以上を予備加熱することによって、及び／又は、蒸気改質反応器に関して、選択された反応器を加熱することによって、典型的に達成される。当該システムは、熱を発生するシステムのそれらの部分からを、熱を必要とする部分へと熱エネルギーを輸送するため熱交換器を備えている。
【００３９】
燃料処理装置は、反応器に流入する、燃料、空気及び／又は水の反応物を加熱することができる燃焼器をオプションで備えている。蒸気改質反応器を有する燃料処理装置のために、燃焼器は、直接的又は間接的に、改質器を加熱するのが好ましい。好ましい蒸気改質システムでは、反応器のベッドは、燃焼器の高温排気物により加熱される。自家熱改質器を備える好ましい実施例は、燃焼器を持っていない。
【００４０】
燃焼器は、入口を備えたチャンバー、排気物及び触媒を備えるのが好ましい。好ましくは、燃焼器内の燃料源は、アノード流出物内の未反応の水素である。追加の燃料が、燃料電池装置の遷移的及び定常状態の必要性に合致させることが要求されるとき、燃焼器に直接的に提供されてもよい。
【００４１】
炭化水素燃料及び／又はアノード流出物が、燃焼器の触媒区分内で反応される。システム作動条件に応じて、空気供給源、及び／又は、好ましくは、カソード流出物の流れのいずれかから、酸素が燃焼器に提供される。好ましくは、燃焼器からの排気物は、レギュレータ、及び、大気へと解放されるマフラーを通過する。反応器が燃焼器により加熱されるシステムでは、反応器により必要とされる熱を提供するように、燃焼器に供給されるべきカソード排気物の空気の量を決定するためエンタルピー方程式が使用される。カソード流出物によっては一致しない、燃焼器により要求される酸素要求量は、燃焼器により要求される熱及び温度を満足させるための量でコンプレッサにより供給されるのが好ましい。
【００４２】
反応器のための水は、後述されるように、水輸送装置により提供されるのが好ましい。しかし、一定状況下（例えば、システムの始動時）では、追加の水が必要とされ得る。この水は、例えば凝縮器及び水の分離器を使用するなどして、アノード流出物及びカソード流出物から得られるのが好ましい。次に、液体水は、リザーバー内に蓄えられる。水は、外部源からリザーバーに追加されてもよい。
【００４３】
好ましくは、本システムの作動の様々な態様は、適切なマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、制御プログラム及びメモリに格納されたデータを実施することができる中央処理ユニットを有するパーソナルコンピュータ等々を使用して制御される。コントローラは、各構成部品の任意の要素に特有な専用コントローラであってもよく、又は、主要車両電子制御モジュール内に格納されたソフトウェアで実施されてもよい。更には、上述されたような様々な作動モードでシステムの構成部品を制御するためソフトウェアベースの制御プログラムが使用可能であるが、その制御は、専用の電子回路により、部分的又は全
てにおいて実施されてもよいことも理解されるべきである。
（燃料電池）
本発明の装置は、電気化学的エネルギーを化学物質の還元及び酸化反応から電気へと転換させる燃料電池を備えている。好ましくは、本発明で使用される燃料電池は、電気エネルギー及び水を生成するため、還元材料及び酸化材料として、水素及び空気を使用する。本電池は、概して、電解質により各々分離された、アノード電極及びカソード電極を備える。水素がアノード電極に供給され、酸素（又は空気）がカソード電極に供給される。水素ガスは、アノードにおいて、電子及び水素イオン（陽子）へと分離される。水素イオンは、電解質を通ってカソードへと至り、電子は、（例えばモータへの）電源回路を通ってカソードへと移動する。カソードでは、水素イオン、電子及び酸素が結合して水を形成する。アノード及びカソードにおける反応は、触媒、典型的には白金により促進される。
【００４４】
好ましい電解質は、電子ではなく陽子にとって浸透可能である薄いポリマー膜を備える、陽子交換膜（ＰＥＭ）である。好ましい膜材料は、パーフルオロスルホン酸等のイオン交換樹脂である。特に好ましい膜材料は、Ｅ．ｌ．デュポン・ダ・ネメアウアース＆Ｃｏにより、ＮＡＦＩＯＮ３として販売されているパーフルオロスルホン酸ポリマーである。ＰＥＭ燃料電池の膜は、膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）の一部分であり、該膜の一方の面にアノード、反対側の面にカソードを有する。ＭＥＡは、アノード及びカソードのための電流コレクターとして機能する一対の導電要素の間に挟まれており、該一対の導電要素は、夫々のアノード及びカソード触媒の表面に亘って燃料電池のガス状反応物を分配するため適切なチャンネル及び／又は開口部を備える。
【００４５】
一実施例では、アノード及びカソードは、炭素粒子上に担持され、微細に分割され且つ好ましくは例えばＮＡＦＩＯＮ３等のパーフルオロスルホン酸ポリマー等の陽子伝達樹脂で混合された触媒粒子から作られた、フィルムを備えている。別の実施例では、アノード及びカソードは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の結合剤を通して分散され、微細に分割された触媒粒子から作られたフィルムを備える。これらの触媒粒子は、典型的には、白金等の貴金属である。そのようなＭＥＡは、効率的なエネルギー発生を促進し、膜及び触媒の劣化を防止するため、加湿を始めとする制御された作動条件を要求する。燃料電池の中でも、本発明で有用となる燃料電池が、次の文書に記載されている。即ち、１９６４年５月２６日に発行された、ニードラッヒによる米国特許番号３，１３４，６９７号、１９９３年１２月２１日に発行された、スワシラヤンらによる米国特許番号５，２７２，０１７号、１９９４年５月３１日に発行されたスラシラヤンらによる米国特許番号５，３１６，８７１号、並びに、電源誌、第２９巻、３６７〜３８７頁である。それらの開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【００４６】
好ましくは、本発明で使用される燃料電池は、電圧を増加させるため直列に電気接続された、複数の燃料電池を備える。この結合は、電気的に絶縁されたフレームにより取り囲まれたスタック内に配列されるのが好ましい。好ましい実施例では、個々のＭＥＡは、ＭＥＡのアノード及びカソード面に対して押圧すると共に、（ａ）アノード及びカソード用の１次電流コレクターと、（ｂ）ＭＥＡのための機械的支持と、として機能する、多孔性のガス透過性導電材料のシートの間に挟まれている。二極式プレートは、例えば水素を含む改質物及び酸素（空気）等の燃料及び酸化剤ガスをＭＥＡの夫々の面に分配するためプレートの面に形成された複数の流れチャンネルを有する流れ場を各々備える。非伝導性ガスケット即ちシール部は、燃料電池スタックの幾つかのプレートの間でシール部及び電気的絶縁を提供する。好ましい１次電流コレクターシートは、カーボン又はグラファイトの、ペーパー若しくは布、微細メッシュ貴金属スクリーン、開セル貴金属発泡体、及び、ガスが通過するのを可能にしつつ電極からの電流を導通させる類似の材料から形成される。このアッセンブリは、ＭＥＡ／１次電流コレクターアッセンブリとして本文中で言及される。
【００４７】
ＭＥＡ／１次電流コレクターアッセンブリは、一対の非多孔性導電プレート又は金属プレートの間で押圧される。該プレートは、１次電流コレクターからの電流のための２次コレクターとして機能し、スタック内部で隣接した電池の間（即ち、二極式プレートの場合）、及び、スタックの外側の電池の端部（即ち、単極式プレートの場合）で電流を電通させる。２次電流収集プレートは、ガス状反応物、例えば水素を含む改質物及び酸素を、アノード及びカソードの表面に亘って分配させる流れ場を備える。これらの流れ場は、概して、１次電流コレクターと係合し、それらの間で複数の流れチャンネルを形成する複数のランドを備える。ガス状反応物は、該複数の流れチャンネルを通って、チャンネルの一方の端部の供給ヘッダー及びチャンネルの他方の端部の排気ヘッダーの間を流れる。水及び水素の反応が熱を生成するので、燃料電池スタックは、冷却されなければならない。
【００４８】
例えば酸素又は空気等の酸化剤ガスは、適切な供給配管を介して貯蔵タンクから燃料電池スタックのカソード側に供給される。同様に、水素（例えば本質上純粋形態又は改質物）は、適切な供給配管を介して燃料電池のアノード側に供給される。ＭＥＡの燃料及び酸化剤両方のための排気配管が、アノード流れ場から、水素が抜き取られたアノードガス（ここでは、「アノード流出物」と称する）を取り出すため、並びに、カソード流れ場から、酸素が抜き取られ、水を含むカソードガス（ここでは、「カソード流出物」と称する）を取り出すため、設けられている。冷却剤の配管が、液体冷却剤を二極式プレートに供給及び排出するため、必要に応じて、設けられる。スタック内多電池構成のうち本発明で有用となる該構成が、１９９８年６月９日に発行された、メルツァーらによる米国特許番号５，７６３，１１３号、並びに、２０００年８月８日に発行された、ロックによる米国特許番号６，０９９，４８４号に記載されている。
（水輸送装置）
本発明は、湿ったガス流れから乾燥ガス流れに水蒸気を輸送する、水輸送装置も提供する。本発明の水輸送装置は、１次ガスのための流れ経路と、２次ガスのための流れ経路と、第１及び第２の表面を有する水輸送膜と、を備え、該膜の第１の表面は、１次ガスのための流れ経路と実質的に接触し、第２の表面は、第２の流れ経路と実質的に接触している構成を備えている。一つの流れ経路（例えば、第１の流れ経路）内を移動するガス内の水蒸気は、他の流れ経路（例えば、第２の流れ経路）へと膜を通して輸送される。例えば図５で表されたような好ましい水輸送装置は、燃料電池システム内の１次ガス及び２次ガスの間の水蒸気の輸送のため、次の構成要素を備える。即ち、
（ａ）１次ガス入口（５１）、
（ｂ）１次ガス出口（５２）、
（ｃ）内部空洞部（５４）及び外側表面（５５）を有する導管（５３）であって、該導管の壁は、水輸送膜材料を備え、１次ガスの流れが内部空洞部を通って流れることを可能にするように、該導管の一方の端部は１次ガス入口（５１）に接続され、該導管の他方の端部は１次ガス出口（５２）に接続されている、導管（５３）、及び、
（ｄ）  導管（５３）の外側表面の少なくとも一部分の回りを覆って空洞空間（５７）を提供するハウジング（５６）であって、該ハウジングは、２次ガス入口（５８）と、２次ガス出口（５９）とを有して上記空洞空間（５７）を２次ガスが通って流れることを可能にし、該ハウジングの該空洞空間を通って流れる２次ガスは、上記導管（５３）の外側表面に亘って通過するが、該導管の内部空洞部（５４）を通って流れる１次ガスと事実上混合しない、ハウジング（５６）を備える。
【００４９】
導管（５３）は、略円柱チューブ、及び、３次元矩形（ブロック）通路を始めとした、任意の様々な形状とすることができる。好ましくは、水輸送装置は、複数の導管（５０）を備え、該導管は、該導管の全てを通過する１次ガスの流れを可能にするように、１次ガス出口でプレナム室（６１）に、１次ガス出口でプレナム室（６２）に接続されている。用語「接続される」は、本明細書で使用されるとき、好ましくは流体の事実上の損失無し
に、一方のポイントから別のポイントまで流体の通過を可能にする任意の機構に言及している。当該装置は、ハウジング内の導管を支持するための機構も備えるのが好ましい。１次ガスの流れの方向は、２次ガスの流れとは、実質的に異なる方向、好ましくは反対方向になるのが好ましい。
【００５０】
本明細書で有用となる水輸送膜材料は、一方のガスから別のガスに水蒸気の輸送を可能にする任意材料である。そのような材料は、他のガスの輸送も可能にすること無しに、水蒸気の輸送を選択的に可能にする。好ましい水輸送膜は、１次ガスの流れから２次ガスの流れまで他の構成要素の有意な通過（漏れ）無しに、１次ガスの流れから２次ガスの流れまでの水蒸気の輸送を選択的に可能にする。好ましくは、図５に表されているように、１次ガスは、湿ったガス流れであり、該ガス流れから、水蒸気が、乾燥したガス流れである２次ガスへと輸送される。好ましくは、水蒸気を改質物から反応器の入口まで輸送する水輸送装置のために、１次ガスは改質物であり、２次ガスは好ましくは空気である。好ましくは、水蒸気を燃料電池流出物から燃料電池システムの別の部分に水蒸気を輸送する水輸送装置のために、１次ガスはカソード流出物であり、２次ガスは好ましくは空気である。
【００５１】
本明細書で有用となる好ましい水輸送膜は、ポリ[パーフルオロスルホン]酸、スルホン化ポリスチレン、ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルケトン、ポリカーボネート、他のスルホン化材料、及び、それらの混合物から作られた材料を含んでいる。好ましい膜材料は、ポリ[パーフルオロスルホン]酸から構成される。特に好ましい膜材料は、Ｅ．ｌ．デュポン・ダ・ニューモウス社により、ブランド名「ＮＡＦＩＯＮ」の下で販売されている。ＮＡＦＩＯＮ膜から作られた本明細書で有用であるチューブは、「ＰＤシリーズ湿気交換器」であり、パールマピュア社により、そのブランド名で販売されている。
【００５２】
好ましくは、導管内の１次ガスの圧力は、ハウジング内の２次ガスの圧力の、約５０％から約５００％までであるのが好ましく、約１００％から約３００％であるのが更に好ましく、約１７０％から約２７０％であるのが更に好ましい。乾燥ガスの流れの温度が、湿ったガス流れの温度以下であるのも好ましい。好ましい実施例では、乾燥ガス流れは、空気であり、８５℃（１８５°Ｆ）より低い温度が好ましく、約５０℃（１２２°Ｆ）より低いのが更に好ましく、更には約３０℃（８６°Ｆ）より低いのが好ましい。好ましくは、乾燥ガスの流れは、周囲環境温度付近及び周囲環境圧力付近にある空気である。
【００５３】
好ましくは、水輸送装置の入口における湿ったガス流れの温度は、水が水輸送装置内で凝縮しないように、ガスの露点より高い温度に維持される。水輸送装置の入口における湿ったガス流れの温度は、その露点温度より約１℃（１．８°Ｆ）から１０℃（１８°Ｆ）の範囲で高いのが好ましく、約１℃（１．８°Ｆ）から約５℃（９°Ｆ）までがより好ましい。
【００５４】
好ましくは、本発明の水輸送装置の水輸送効率は、少なくとも約３０％であり、好ましくは、少なくとも１つの約５０％であり、より好ましくは、少なくとも約８０％であり、更に好ましくは、少なくとも約９０％である。「水輸送効率」は、本明細書で言及されるとき、ｄＷact／ｄＷmaxの比率であり、ここでｄＷactは、乾燥ガス流れから湿ったガス
流れに実際に輸送された水の量であり、ｄＷmaxは、理論的に輸送することのできる水の
最大量である。輸送される水の量は、当該技術分野で知られている、ガス状流れの水含有量の従来測定法を使用して決定することができる。水の最大量ｄＷmaxは、乾燥ガス流れ
により吸収することができる水の最大量と、導入された湿りガスの流れ内の水の実際の量とのうち少ない方である。
【００５５】
好ましい燃料処理装置の実施例は、反応器（例えば、１次及びＰｒＯｘ反応器）への空気の供給用のコンプレッサ又はブロワー等の空気移動装置も備える。水輸送装置が反応器
用の空気を加湿する実施例では、水輸送装置は、空気が圧縮された後に該空気を加湿することができる（即ち、当該装置はコンプレッサの出口に接続されている）。又は、好ましくは、当該装置は、空気が圧縮される前に該空気を加湿してもよい（即ち、当該装置はコンプレッサの入口に接続されている）。
【００５６】
図２に表されているように、本発明の好ましい実施例では、第１の水輸送装置（２１）は、改質物反応の副産物として水を含む、反応器（２０）により作られた水素改質物（２２、水輸送装置を通って流れる１次ガス）から水蒸気を輸送する。水蒸気は、空気入口流れ（２３）に輸送され、２次ガスが、反応器のための水輸送装置を通って流れる。反応器（２０）は、好ましくは水／ガスシフト（ＷＧＳ）反応器及び優先酸化（ＰｒＯｘ）反応器と組み合わされた、１次反応器（例えば、自家熱改質器）を備える。反応器への燃料は、燃料タンク（２４）から提供される。改質物（２２）は、ＷＧＳ又はＰｒＯｘ反応器のいずれかから出た直後、水輸送装置（２１）を通過される。好ましくは、水輸送装置に供給された空気流れ（２３）は、周囲環境圧力の周囲環境空気である。空気は、空気を要求する反応器（例えば、１次反応器及びＰｒＯｘ反応器）の構成部品への導入前に、好ましくはコンプレッサ（２５）である空気移動装置を通過する。水輸送装置を通過した後、改質物（２２）は、燃料電池（１１）、好ましくは燃料電池スタックのアノード入口に供給される。
【００５７】
図２に表された実施例の燃料電池は、第２の水輸送装置（１０）を備える。第２の水輸送装置（１０）は、燃料電池（１１）のカソード出口に接続されており、カソード流出物（１２、水輸送装置内の１次ガス）から空気流れ（２６、水輸送装置内の２次ガス）へ水蒸気を輸送する。空気の流れ（２６）は、周囲環境温度及び圧力で水輸送装置（１０）に供給される。加湿後に、空気流れは、コンプレッサ（２７）を用いて圧縮され、燃料電池（１１）のカソード入口に供給される。水輸送装置（１０）を通過した後、カソード流出物（１２）は、アノード流出物（２８）と共に、燃焼器（１４）に供給される。
【００５８】
従って、好ましい燃料電池システムは、
（ａ）  好ましくは改質物である水素含有アノード供給流れのためのアノード入口と、好ましくは空気である酸化剤を含むカソード供給流れのためのカソード入口と、燃料電池により生成された水を含むカソード流出物のためのカソード出口と、を備える燃料電池と、（ｂ）  燃料電池入口のいずれか又は両方に接続された水輸送装置であって、カソード流出物から、アノード供給流れ又はカソード供給流れのいずれか又は両方に水を輸送する、水輸送装置と、
を備える。
【００５９】
より詳しくは、好ましい燃料電池システムは、
（ａ）  アノード供給流れのためのアノード入口と、カソード供給流れのためのカソード入口と、燃料電池により生成された水を含むカソード流出物のためのカソード出口と、を有する燃料電池と、
（ｂ）  (i)  燃料電池のカソード出口に接続された装置カソード流出物入口と、(ii)  
燃料電池の入口の一方又は両方に接続された装置供給流れ出口と、(iii)  水輸送膜とを
有する水輸送装置と、
を備える。
【００６０】
ここで、上記水輸送装置は、カソード流出物から、燃料電池供給流れの一方又は両方に水を輸送する。本発明の好ましい実施例は、カソード流出物からカソード供給流れへの水蒸気の輸送工程を含んでいる。別の好ましい実施例は、カソード流出物からカソード供給流れへの水蒸気の輸送工程を含んでいる。好ましくは、装置入口におけるカソード流出物の温度は、燃料電池のカソード出口における流出物の温度よりも有意には高くない。従っ
て、カソード流出物は、水輸送装置に入る前に燃焼器を通過しない。また、別の好ましい実施例では、水輸送装置の空気流出物は、燃料電池のカソード入口に入る前に、好ましくはコンプレッサである空気移動装置を通過する。
【００６１】
図３に表されたような本発明の別の好ましい実施例では、第１の水輸送装置（２１）は、改質物（２２）から、１次反応器（３０）のための空気供給部（２３）に水を輸送する。該１次反応器は、自家熱反応器及び水ガスシフト反応器（ＷＧＳ）反応器を備える。次に、改質物（２２）は、水輸送装置（２１）に供給される。好ましくは、水輸送装置に供給された空気の流れ（２３）は、周囲環境圧力の周囲環境空気である。水輸送装置内の加湿後には、空気は、１次反応器（３０）及び優先酸化（ＰｒＯｘ）反応器（３３）への導入前に、好ましくはコンプレッサ（２５）である空気移動装置内で圧縮される。水輸送装置を通過した後、改質物（２２）は、ＰｒＯｘ反応器を通過し、次に、好ましくは燃料電池スタックである燃料電池（１１）のアノード入口に供給される。
【００６２】
この実施例では、燃料電池システムは、第２の水輸送装置（１０）を備える。第２の水輸送装置（１０）は、燃料電池（１１）のカソード出口に接続され、改質物がＰｒＯｘ反応器（３３）から出た後、カソード流出物（１２）から該改質物（２２）へ水蒸気を輸送する。酸化剤を含むガスとしての空気（３４）は、コンプレッサ（３５）から燃料電池に供給される。加湿後には、改質物（２２）は、燃料電池（１１）のアノード入口に供給される。水輸送装置（１０）を通過した後、カソード流出物（１２）は、大気中に排気される。アノード流出物（２８）は、水素リザーバー（３６）に供給される。該水素リザーバーは、アノード流出物内の未反応の水素を蓄え、又は、他の仕方で処置する。オプションで、カソード流出物及びアノード流出物は、燃焼器に供給される。
【００６３】
従って、本発明の好ましい実施例は、燃料電池パワープラントであり、
（ａ）  反応器に供給された反応器酸化剤の流れのための反応物入口と、該反応器により生成された改質物流れのための反応器改質物出口と、を有する、該反応器と、
（ｂ）  (i)上記反応器改質物出口に接続された第１の装置改質物入口、(ii)第１の装置
改質物出口、(iii)第１の装置酸化剤入口、(iv)上記反応器の上記反応物入口に接続され
た第１の装置酸化剤出口、及び、(v)水輸送膜を備え、改質物の流れから反応器酸化剤の
流れに水を輸送する、第１の水輸送装置と、
（ｃ）  アノード改質物供給流れのためのアノード入口と、カソード酸化剤供給流れのためのカソード入口と、アノード流出物のためのアノード出口と、カソード流出物のためのカソード出口と、を有する燃料電池と、
（ｄ）  (i)上記第１の装置改質物入口に接続された第２の装置改質物入口、(ii)燃料電
池スタックのアノード入口に接続された第２の装置改質物出口、(iii)燃料電池の流出物
出口の一方又は両方に接続された第２の装置流出物入口、(iv) 第２の装置流出物出口、
及び、(v)水輸送膜を備え、上記流出物の流れの一方又は両方から上記アノード改質物の
供給流れに水輸送する、第２の水輸送装置と、
を備える。好ましくは、この実施例では、第２の水輸送装置は、カソード流出物の流れから改質物の供給流れに水を輸送する。
【００６４】
図４に表されたような本発明の別の好ましい実施例では、第１の水輸送装置（２１）は、改質物（２２）から反応器（４０）のための空気供給部（２３）に水を輸送する。反応器（４０）は、１次反応器及び水ガスシフト（ＷＧＳ）反応器を備え、１次反応器により生成された改質物がＷＧＳ反応器を通って流れるのが好ましい。１次反応器は自家熱反応器であるのが好ましい。ＷＧＳ反応器を出た後、改質物（２２）は、優先酸化（ＰｒＯｘ）反応器（３３）を通過し、第１の水輸送装置（２１）に入る。第１の水輸送装置（２１）を出た後、改質物（２２）は、好ましくは燃料電池スタックである燃料電池（１１）のアノードに供給される。
【００６５】
第１の水輸送装置（２１）に供給された空気の流れ（４１）は、スプリッター（４２）を通って第２の水輸送装置（１０）から流れる。第１の水輸送装置による加湿後、空気は、１次反応器及びＷＧＳ反応器（４０）に供給される。
【００６６】
第２の水輸送装置（１０）は、燃料電池（１１）のカソード流出物（１２）から、スプリッター（４２）に供給される空気流れ（４１）に水を輸送する。第２の水輸送装置（１０）に供給された空気は、好ましくはコンプレッサ（４３）である空気移動装置により提供されるのが好ましい。スプリッター（４２）は、空気流れ（４１）の一部分を燃料電池（１１）のカソード入口へと逸らし、他の一部分を第１の水輸送装置（２１）へと逸らす。オプションで、水も、スプリッター（４２）により燃料電池（２２）のアノード入口に提供され得る。従って、第２の水輸送装置（１０）は、加湿された空気をスタックに提供し、第１の水輸送装置（２１）を通って１次反応器及びＷＧＳ反応器（４０）に供給された空気の加湿を促進させる。
【００６７】
また、この実施例では、アノード及びカソードの流出物は、該アノード及びカソードの流出物から液体水（４６）を抽出するため、凝縮器（４４）／分離器（４５）を通過する。液体水（４６）は、反応器（４０）の始動中に使用するため、水タンク（４７）内に蓄えられる。オプションで、カソード流出物（１２）は、第２の水輸送装置（１０）を通過した後、アノード流出物（２８）と共に、燃焼器（１４）に供給される。
【００６８】
従って、本発明の好ましい実施例は、燃料電池パワープラントであり、
（ａ）  反応器に供給された反応器酸化剤の流れのための反応物入口と、該反応器により生成された改質物流れのための反応器改質物出口と、を有する、該反応器と、
（ｂ）  (i)上記反応器改質物出口に接続された第１の装置改質物入口、(ii)第１の装置
改質物出口、(iii)第１の酸化剤供給流れのための第１の装置酸化剤入口、(iv)上記反応
器の上記反応物入口に接続された第１の装置酸化剤出口、及び、(v)水輸送膜を備える、
第１の水輸送装置と、
（ｃ）  改質物供給流れのためのアノード入口と、カソード酸化剤流れのためのカソード入口と、アノード流出物流れのためのアノード出口と、カソード流出物流れのためのカソード出口と、を有する燃料電池と、
（ｄ）  (i)燃料電池のカソード出口に接続された第２の装置カソード流出物入口、(ii)
第２の装置カソード流出物出口、(iii)第２の酸化剤供給流れのための第２の装置酸化剤
入口、(iv) 上記第１の装置酸化剤ガス入口に接続された第２の装置酸化剤出口、及び、(v)水輸送膜を備える、第２の水輸送装置と、
を備え、第１の水輸送装置は、改質物の流れから反応器酸化剤の流れに水を輸送し、第２の水輸送装置は、カソード流出物から第１の酸化剤供給流れ及びカソード酸化剤流れに水を輸送する。
【００６９】
本明細書に記載された上記例及び他の実施例は、あくまでも一例であり、本発明の装置、デバイス、構成部品、材料、組成及び方法の全範囲を記載する上で限定を加えるものではない。特定の実施例、材料、組成及び方法の等価な変更、修正、及び、変形は、事実上類似の結果をもたらすように、なすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】燃料電池及び水輸送装置の内部及び外部への材料の流れを示す、本発明の燃料システムを表した図である。
【図２】図２は、反応器と、該反応器の改質物出口から該反応器の空気入口まで水蒸気を輸送するための水輸送装置と、燃料電池と、該燃料電池のカソード流出物から燃料電池のカソード入口まで水蒸気を輸送するための水輸送装置と、を備える、本発明の好ましい実施例の図である。
【図３】図３は、反応器と、該反応器の改質物出口から該反応器の空気入口まで水蒸気を輸送するための水輸送装置と、燃料電池と、該燃料電池のカソード流出物から燃料電池のアノード入口まで水蒸気を輸送するための水輸送装置と、を備える、本発明の別の好ましい実施例の図である。
【図４】図４は、反応器と、該反応器の改質物出口から該反応器の空気入口まで水蒸気を輸送するための水輸送装置と、燃料電池と、該燃料電池のカソード流出物からスプリッターまで水蒸気を輸送するための水輸送装置と、を備え、該スプリッターでは、水蒸気は、該反応器の空気入口に（第１の水輸送装置を介して）、及び、燃料電池のカソード入り口及び（オプションで）燃料電池のアノード入口まで、更に輸送される、本発明の別の好ましい実施例の図である。
【図５】図５は、本発明において有用な実施例中の水輸送装置の断面図を表している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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