(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理酸化剤流体の流れと還元性流体の流れとから電気エネルギーを生成する燃料電池電力設備であって、
ａ．処理酸化剤流体の流れと還元性流体の流れとから電気エネルギーを生成する少なくとも１つの燃料電池手段と、
ｂ．前記燃料電池手段内へ処理酸化剤流体の流れを導く一次酸化剤入口ラインと流体連通する酸化剤室と、前記燃料電池手段から設備排気流体の流れを導く設備排気通路と流体連通する排気室と、前記酸化剤室と前記排気室との間に配置された、微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁とを含む直接水・熱移動装置と、
ｃ．設備排気流体と処理酸化剤流体との間の圧力差が、０．０１４ｋｇ／ｃｍ2未満となるように、前記障壁の排気表面に隣接して前記排気室を通るように前記設備排気流体の流れを通すとともに、前記排気表面と反対の前記障壁の入口表面に隣接して前記酸化剤室を通るように前記処理酸化剤流体の流れを通す手段と、
を備え、前記障壁は、０．１〜１００μｍの間の範囲の細孔径を有する親水性の細孔を規定しかつ液体移動媒体の存在下、化学的に安定である、保持マトリックス手段を含み、前記障壁は、保持マトリックス手段内の細孔が液体移動媒体で充填されるときに、０．０１４ｋｇ／ｃｍ2より高い気泡圧力を有し、前記障壁は、保持マトリックス手段内の細孔が液体移動媒体で充填されないときは、前記排気室と前記酸化剤室との間の気体の混合が可能であるが、保持マトリックス手段内の細孔が液体移動媒体で充填されるときは、前記排気室と前記酸化剤室との間の気体の混合が抑制されるように、前記酸化剤室と前記排気室との間に配置され、それによって、設備排気流体と処理酸化剤流体との間の圧力差が、０．０１４ｋｇ／ｃｍ2未満で、処理酸化剤流体の流れが、前記障壁の入口表面に隣接して通るとともに、設備排気流体の流れが、前記障壁の反対の排気表面に隣接して通るときに、前記障壁によって処理酸化剤流体と設備排気流体とが直接混合せずに処理酸化剤流体の流れと設備排気流体の流れとの間で水が移動することを特徴とする燃料電池電力設備。
【請求項２】
前記液体移動媒体は、−１８℃未満の凝固点を有する水溶性塩溶液であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池電力設備。
【請求項３】
前記液体移動媒体は、−１８℃未満の凝固点を有する水溶性酸溶液であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池電力設備。
【請求項４】
前記液体移動媒体は、有機不凍液水溶液であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池電力設備。
【請求項５】
前記液体移動媒体は、４５〜８０質量％グリセロール水溶液であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池電力設備。
【請求項６】
前記保持マトリックス手段は、ａ．多孔質の黒鉛層、ｂ．多孔質の黒鉛−高分子層、ｃ．無機繊維熱硬化性高分子層、ｄ．ガラス繊維層、ｅ．親水性に処理された合成繊維濾紙層、ｆ．多孔質の金属層、ｇ．これらの群の複数の異なる層、から成る群より選択される保持マトリックスを備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池電力設備。
【請求項７】
前記保持マトリックス手段は、中央層と、この中央層の両側に取り付けられた第１、第２の外側層とを含む多層保持マトリックスを備え、中央層は、０．１〜２０μｍの範囲の細孔径を規定し、第１、第２の外側層は、１０〜５０μｍの範囲の細孔径を規定し、中央層は、多層保持マトリックスの細孔によって規定される全空孔容積の２５％未満を規定し、多層保持マトリックスは、その全空孔容積の３５％を超えるまで、液体移動媒体で充填され、それによって、中央層内に規定された細孔は、飽和されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池電力設備。
【請求項８】
前記保持マトリックス手段は、複数の貫通孔を規定する穿孔層保持マトリックスを備え、この貫通孔は、その内部に固定された粒子状物質を含み、それによって、この粒子状物質は、０．１〜１００μｍの間の範囲の細孔径を有する細孔を規定し、貫通孔内のこの細孔が、液体移動媒体で充填されたときはいつでも、この細孔は、０．０１４ｋｇ／ｃｍ2より高い気泡圧力を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池電力設備。
【請求項９】
前記穿孔層保持マトリックスは、入口表面と、反対の排気表面とを規定し、前記穿孔層保持マトリックスの表面は、ａ．カーボンブラック、ｂ．炭化ケイ素、ｃ．金属、ｄ．酸化物、ｅ．水酸化物、ｆ．ケイ酸塩、ｇ．濡れ可能な高分子、から成る群より選択される多孔質の濡れ可能な材料で被覆されることを特徴とする請求項８記載の燃料電池電力設備。
【請求項１０】
処理酸化剤流体の流れと還元性流体の流れとから電気エネルギーを生成する燃料電池電力設備であって、
ａ．処理酸化剤流体の流れと還元性流体の流れとから電気エネルギーを生成する少なくとも１つの燃料電池手段と、
ｂ．燃焼器と改質器とを備え、還元性流体へ炭化水素燃料を処理する燃料処理構成要素手段であって、前記燃焼器が、前記燃料電池手段からアノード電極の排気の流れを受け取るとともに、前記燃料電池手段からのカソード電極の排気の流れと混合して設備排気流体の流れとなるように設備排気通路内へ燃焼器からの酸化されたアノード電極の排気の流れを導く、燃料処理構成要素手段と、
ｃ．前記燃料電池手段内へ処理酸化剤流体の流れを導く一次酸化剤入口ラインと流体連通する酸化剤室と、前記燃料電池手段から設備排気流体の流れを導く設備排気通路と流体連通する排気室と、前記酸化剤室と前記排気室との間に配置された、微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁とを含む直接水・熱移動装置と、
ｄ．設備排気流体と処理酸化剤流体との間の圧力差が、０．０１４ｋｇ／ｃｍ2未満となるように、前記障壁の排気表面に隣接して前記排気室を通るように前記設備排気流体の流れを通すとともに、前記排気表面と反対の前記障壁の入口表面に隣接して前記酸化剤室を通るように前記処理酸化剤流体の流れを通す手段と、
を備え、前記障壁は、０．１〜１００μｍの間の範囲の細孔径を有する親水性の細孔を規定しかつ液体移動媒体の存在下、化学的に安定である、保持マトリックス手段を含み、前記障壁は、保持マトリックス手段内の細孔が液体移動媒体で充填されるときに、０．０１４ｋｇ／ｃｍ2より高い気泡圧力を有し、前記障壁は、保持マトリックス手段内の細孔が液体移動媒体で充填されないときは、前記排気室と前記酸化剤室との間の気体の混合が可能であるが、保持マトリックス手段内の細孔が液体移動媒体で充填されるときは、前記排気室と前記酸化剤室との間の気体の混合が抑制されるように、前記酸化剤室と前記排気室との間に配置され、それによって、設備排気流体と処理酸化剤流体との間の圧力差が、０．０１４ｋｇ／ｃｍ2未満で、処理酸化剤流体の流れが、前記障壁の入口表面に隣接して通るとともに、設備排気流体の流れが、前記障壁の反対の排気表面に隣接して通るときに、前記障壁によって処理酸化剤流体と設備排気流体とが直接混合せずに処理酸化剤流体の流れと設備排気流体の流れとの間で水が移動することを特徴とする燃料電池電力設備。
【請求項１１】
前記液体移動媒体は、ａ．−１８℃未満の凝固点を有する水溶性塩溶液、ｂ．−１８℃未満の凝固点を有する水溶性酸溶液、ｃ．−１８℃未満の凝固点を有する有機不凍液溶液、から成る群より選択されることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池電力設備。
【請求項１２】
前記保持マトリックス手段は、ａ．堅い多孔質の黒鉛層、ｂ．多孔質の黒鉛−高分子層、ｃ．無機繊維熱硬化性高分子層、ｄ．ガラス繊維層、ｅ．親水性に処理された合成繊維濾紙層、ｆ．多孔質の金属層、ｇ．これらの群の複数の異なる層、から成る群より選択される保持マトリックスを備えることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池電力設備。
【請求項１３】
前記保持マトリックス手段は、中央層と、この中央層の両側に取り付けられた第１、第２の外側層とを含む多層保持マトリックスを備え、中央層は、０．１〜２０μｍの範囲の細孔径を規定し、第１、第２の外側層は、１０〜５０μｍの範囲の細孔径を規定し、中央層は、多層保持マトリックスの細孔によって規定される全空孔容積の２５％未満を規定し、多層保持マトリックスは、その全空孔容積の３５％を超えるまで、液体移動媒体で充填され、それによって、中央層内に規定された細孔は、飽和されることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池電力設備。
【請求項１４】
前記保持マトリックス手段は、複数の貫通孔を規定する穿孔層保持マトリックスを備え、この貫通孔は、その内部に固定された粒子状物質を含み、それによって、この粒子状物質は、０．１〜１００μｍの間の範囲の細孔径を有する細孔を規定し、貫通孔内のこの細孔が、液体移動媒体で充填されたときはいつでも、この細孔は、０．０１４ｋｇ／ｃｍ2より高い気泡圧力を有することを特徴とする請求項１１記載の燃料電池電力設備。
【請求項１５】
前記穿孔層保持マトリックスは、入口表面と、反対の排気表面とを規定し、前記穿孔層保持マトリックスの表面は、ａ．カーボンブラック、ｂ．炭化ケイ素、ｃ．金属、ｄ．酸化物、ｅ．水酸化物、ｆ．ケイ酸塩、ｇ．濡れ可能な高分子、から成る群より選択される多孔質の濡れ可能な材料で被覆されることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池電力設備。
【請求項１６】
前記設備は、さらに、前記燃料電池手段を冷却する冷媒プレート手段を備え、この冷媒プレート手段は、前記燃料電池手段内の前記冷媒手段の冷媒プレートと前記燃料処理構成要素手段との間に連通するように水供給ラインを含み、この水供給ラインは、前記燃料処理構成要素手段へ前記燃料電池手段によって生成された水を供給することを特徴とする請求項１１記載の燃料電池電力設備。
【請求項１７】
燃料電池電力設備から排出される設備排気流体の流れから、燃料電池電力設備の燃料電池へ供給される処理酸化剤流体の流れの中へ、水および熱を交換する方法であって、
ａ．０．１〜１００μｍの間の範囲の細孔径を有する親水性の細孔を規定しかつ液体移動媒体の存在下、化学的に安定である、保持マトリックスを含む、微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁で、保持マトリックス内に規定された細孔が液体移動媒体で充填されるときに、０．０１４ｋｇ／ｃｍ2より高い気泡圧力を有する、微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁であって、保持マトリックス内に規定された細孔が液体移動媒体で充填されないときは、直接水・熱移動装置の排気室と酸化剤室との間の気体の混合が可能であるが、保持マトリックス内に規定された細孔が液体移動媒体で充填されるときは、直接水・熱移動装置の排気室と酸化剤室との間の流体の気体の混合が抑制されるように、直接水・熱移動装置の排気室と酸化剤室との間に微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁を取り付け、
ｂ．設備排気流体と処理酸化剤流体との間の圧力差が、０．０１４ｋｇ／ｃｍ2未満となるように、前記障壁の排気表面に隣接して前記排気室を通るように前記設備排気流体の流れを通すとともに、前記排気表面と反対の前記障壁の入口表面に隣接して前記酸化剤室を通るように前記処理酸化剤流体の流れを通し、
ｃ．さらに、前記直接水・熱移動装置から前記燃料電池内へ処理酸化剤流体の流れを導く、
ことを含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記方法は、前記燃料電池のための還元性流体へ炭化水素を処理する燃料処理構成要素手段の燃焼器を通るように、前記燃料電池からアノード電極の排気の流れを導き、さらに、カソード電極の排気の流れと混合して前記設備排気流体の流れとなるように、前記燃焼器から設備排気通路内へ、酸化されたアノード電極の排気の流れを導くことをさらに含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、輸送装置や移動式の電力設備に使用するためにまたは据え付け型電力設備として適している、燃料電池電力設備に関し、本発明は、特に、燃料電池電力設備の水のバランスやエネルギー効率を向上させるために、電力設備から排出され電力設備へ戻る熱および水を交換する、燃料電池電力設備のための微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁に関する。
【０００２】
【背景技術】
燃料電池電力設備は、よく知られており、宇宙船に搭載された電気装置または建築物の現場での発電機などの電気装置へ電力を供給するように、還元性流体と酸化性流体から電気エネルギーを発生させるために通常使用されている。そのような電力設備では、通常、還元性流体、酸化剤流体、冷媒流体、生成物流体の流れを導くためのマニホールドを規定する電気絶縁体枠構造により囲まれたスタックの中に、複数の平面状の燃料電池セルが配置される。それぞれ個々の燃料電池セルは、一般に、電解質により隔てられたアノード電極とカソード電極を備える。水素などの還元性流体は、アノード電極へ供給され、酸素や空気などの酸化剤は、カソード電極へ供給される。電解質としてプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）を使用する電池では、水素は、アノード電極の触媒表面で電気化学的に反応し、水素イオンと電子を生成する。電子は、外部の負荷回路へ伝わり、それから、カソード電極へ戻り、同時に、水素イオンは、電解質を通って、カソード電極へ移動し、それらはそこで酸化剤および電子と反応し、水を生成するとともに、熱エネルギーを放出する。
【０００３】
このような燃料電池のアノード電極とカソード電極は、燃料電池の作動環境の制限や作動に必要な条件に従い、さまざまな種類の電解質によって隔てられる。そのような電解質の１つに、当業技術においてよく知られた固体高分子から成る、プロトン交換膜（「ＰＥＭ」）電解質がある。燃料電池に使用される別の通常の電解質には、アノード電極とカソード電極の間にある多孔質の非導電性マトリックス中に保持されたリン酸や水酸化カリウムが含まれる。ＰＥＭの膜によって、多孔質マトリックス中に毛管力により保持された液体電解質より圧力差に対して耐性のある障壁が、還元性流体と酸化剤との間に形成されるので、ＰＥＭ型燃料電池は、液体状の酸やアルカリの電解質を備えた燃料電池に対して、特定の運転条件を満足することにおいてかなり有利であることが知られている。さらに、ＰＥＭ電解質は、固定されていて、燃料電池から浸出せず、また、膜は比較的安定した保水力を有する。
【０００４】
ＰＥＭ型燃料電池の作動では、ＰＥＭ電解質を通るプロトンドラッグから生じる水を含めてカソード電極において水が生成する速度と、カソード電極から水が除去される速度およびアノード電極へ液体状の水が供給される速度との間に適切な水のバランスが維持されることが重要である。燃料電池から外部の負荷回路に流れる電流が変化し、また、燃料電池の作動環境が変化するので、燃料電池の性能の作動限界は、水のバランスを維持する燃料電池の能力によって規定される。ＰＥＭ型燃料電池では、水がアノード電極へ十分には戻らない場合、ＰＥＭ電解質の隣接した部分が乾燥してしまい、それによって、水素イオンがＰＥＭを通って移動できる速度が低下し、さらに、還元性流体がクロスオーバし、局部的な過熱に繋がることになる。同様に、水がカソード電極から十分には除去されない場合、カソード電極には水が非常に溢れてしまい、カソード電極への酸化剤の供給が制限され、それによって、電流が減少する。さらに、カソード電極から非常に大量の水が除去される場合、ＰＥＭは乾燥し、水素イオンがＰＥＭを通過する能力が制限され、従って、燃料電池の性能が低下する。
【０００５】
自動車、トラック、バスなどの輸送装置へ電力を供給するために開発された電力設備に、燃料電池は組み込まれてきたので、電力設備の中で水のバランスを維持することは、さまざまな要因があるため、より大きな課題になっている。例えば、据え付け型の燃料電池電力設備では、電力設備から失われる水は、電力設備以外の供給源から電力設備へ供給される水によって、置き換えることができる。しかしながら、輸送装置では、燃料電池電力設備に必要な重量や体積を最小限に抑えるために、電力設備は、存続可能となるように水の自己充足が必要である。水の自己充足とは、電力設備を通る反応物流体の気体状の流れから失われた水を相殺するのに十分な水が、電力設備内に保持される必要があることを意味する。例えば、カソード電極から排出される気体状の酸化剤の流れを通して、または、アノード電極から排出される気体状の還元性流体の流れを通して、電力設備から排出されるどのような水も、カソード電極で電気化学的に形成され、電力設備内に保持される水によって、バランスを取る必要がある。
【０００６】
燃料電池電力設備で水の充足を維持するうえでのさらなる条件は、アノード電極へ水素に富んだ流体を供給するのに適した還元性流体へ、メタン、天然ガス、ガソリン、メタノール、ディーゼル燃料などの炭化水素燃料を処理するのに必要な構成要素に関連する。通常、燃料電池電力設備のそのような燃料処理構成要素には、水蒸気を発生させるボイラーと、炭化水素燃料が注入される水蒸気導管と、少量の空気などの処理酸化剤とともに水蒸気と燃料の混合物を受け取り、燃料電池のアノード電極へ供給するのに適した水素に富んだ還元性流体に、この混合物を変える自熱式改質装置と、が含まれる。これらの燃料処理構成要素または装置に必要な水やエネルギーは、燃料電池電力設備に必要とされる全体の水のバランスやエネルギーの一部である。ボイラーで蒸気にされた水は、カソード電極の排気の流れおよび関連する配管の中で凝縮式の熱交換器などにより電力設備から回収される水によって、置き換える必要がある。
【０００７】
水の回収および保持を向上させる通常の方法は、電力設備の排気の流れの中で凝縮式の熱交換器を使用することであり、排気の流れは、排気の流れから液体を凝結させるために排気の流れの露点または露点より低い温度まで冷却され、それによって、この液体は、電力設備へ戻すことができる。凝縮式の熱交換器を使用したＰＥＭ型燃料電池電力設備の例が、ヴァン  ダイン（Ｖａｎ  Ｄｉｎｅ）等に与えられ、１９９６年１１月１２日に発行され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，５７３，８６６号に示されている。１つまたは複数の凝縮式の熱交換器を使用する、多数の他の燃料電池電力設備が、当業技術において知られており、それらの電力設備では、通常、電力設備の排気の流れを冷却するために熱交換器に通す冷却流体として、周囲の空気の流れが使用される。ヴァン  ダイン（Ｖａｎ  Ｄｉｎｅ）等では、カソード電極の排気の流れを冷却するために、熱交換器が使用され、カソード電極室から排出される際、この排気の流れには、蒸発した生成水や、ＰＥＭを通過したメタノールの一部、すなわち還元性流体が含まれる。凝縮式の熱交換器は、冷却用の周囲の空気の流れと熱交換するように、カソード電極の排気の流れを通し、さらに、熱交換器は、間接的に配管装置を通して燃料電池のアノード電極側へ戻すように、凝縮したメタノールおよび水を導く。
【０００８】
凝縮式の熱交換器は、燃料電池電力設備の水の回収効率およびエネルギー効率を向上させるが、一方、周囲温度が上昇するにつれて、熱交換器では、水の回収効率が低下することになる。電力設備が自動車などの輸送装置へ電力を供給する場合、電力設備は、極端に広い範囲の周囲温度に曝されることになる。例えば、周囲の空気冷媒の流れが、熱交換器を通る場合、周囲の空気温度が上昇するにつれて、電力設備の排気の流れから凝結する液体の量が減少するので、熱交換器の性能は、周囲の空気温度の直接の関数として変化する。
【０００９】
輸送装置へ電力を供給する燃料電池電力設備においてこのような凝縮式の熱交換器を使用するうえでの別の条件は、水の凝固温度を下まわる温度で輸送装置を作動させることに関する。このような交換器からの水は、通常、電力設備のＰＥＭ型燃料電池の中へ再導入されるので、この水は、その凝固温度を下げるために従来の不凍液と混合できない。プロピレングリコールおよび類似の不凍液は、よく知られるように、燃料電池内で触媒によって吸着され、電池の効率を低下させることになる。
【００１０】
従って、カソード電極の酸化剤として周囲の空気を使用するか、凝縮式の熱交換器を使用するか、の少なくとも一方である従来の燃料電池電力設備は、これらの上述した特徴によって、高い周囲温度で作動するときに自己充足する水のバランスを維持することができない。従って、凝縮式の熱交換器なしで、電力設備を作動するのに必要とされるエネルギーを最小限に抑えながら、自己充足する水のバランスが実現可能な燃料電池電力設備を製造することが、非常に望まれている。
【００１１】
【発明の開示】
燃料電池電力設備に使用するための微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁が開示される。この障壁は、細孔を規定する保持マトリックスと、この細孔を塞ぎ気体障壁を形成する液体移動媒体と、を含む。微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁の入口表面は、燃料電池電力設備へ供給される処理酸化剤入口の流れと接触するように配置され、障壁の反対の排気表面は、電力設備から排出される排気の流れと接触するように配置され、それによって、水および熱が、排気の流れから直接、処理酸化剤入口の流れの中へ交換する。保持マトリックスは、約０．１〜１００μｍの範囲の細孔径を有する細孔を規定し、このマトリックスは、親水性であるため、液体移動媒体によって濡れ可能で、０．０１４ｋｇ／ｃｍ2（０．２ポンド毎平方インチ）より高い気泡圧力（ｂｕｂｂｌｅ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）が得られ、さらに、このマトリックスは、液体動媒体の存在下、化学的に安定である。
【００１２】
例示的な保持マトリックスは、堅い多孔質の黒鉛層、堅い多孔質の黒鉛−高分子層、堅い無機繊維熱硬化性高分子層、ガラス繊維層、濡れ可能に処理された合成繊維濾紙、多孔質の金属層、許容される微小な細孔径の範囲を規定する貫通孔内に固定された粒子状物質を貫通孔が含むことができる穿孔された金属層、これらの保持マトリックスからなる複数の異なる層、を含む。保持マトリックスは、高熱伝導性であるのが好ましい。これによって、熱が、排気の流れから周囲空気の処理酸化剤入口の流れへ軸方向へ移動するのを促進し、それによって、非常に低い周囲温度で作動するときに、酸化剤入口が凝固するのを最小限に抑える。液体移動媒体は、水、水溶性塩溶液、水溶性酸溶液、有機不凍液水溶液などを含むことができ、この移動媒体は、極性分子と無極性分子とからなる流体の流れから水などの極性分子からなる流体物質を吸着可能である。微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁は、処理酸化剤入口の流れおよび設備排気の流れと連通するように直接物質・熱移動装置の構造内に配置可能であり、それによって、この構造と障壁とは、入口の流れと排気の流れとのバルク混合を抑制するように協同する。この構造は、直接物質・熱移動装置を通って微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁の背中合わせの入口表面と排気表面に接触するように、入口の流れと排気の流れとを導く、マニホールド、通路、シールを規定する。
【００１３】
別の実施態様においては、微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁は、多層二重細孔径構造を有し、中央層は、対向する外側層によって囲まれ、この外側層は、中央層により規定される細孔より大きな細孔径の範囲を有する細孔を規定し、中央層は、保持マトリックスの全空孔容積の２５パーセント（以下「％」とする）未満を規定し、保持マトリックスは、その全空孔容積の３５％を超えるまで、液体移動媒体で充填され、それによって、中央層は、液体移動媒体で飽和される。従って、中央層は、保持マトリックスの入口表面と反対の排気表面との間に気体障壁を形成する。従って、作動条件が変化した場合、液体移動媒体は、微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁から、入口酸化剤の流れまたは排気の流れの中へ移動する必要なく、中央層と外側層の間を移動可能である。この実施態様では、物質・熱移動装置の作動条件において不揮発性化合物と水との混合物である移動媒体を使用することによって、作動条件が変化する間に、保持マトリックスから液体移動媒体が失われずに、排気の流れ内の加熱された水が、直接、入口の流れの中へ移動可能である。
【００１４】
さらなる実施態様は、移動媒体循環ループを含むことができ、移動媒体は、保持マトリックスを通って循環し、必要があれば補充されて、さらに、保持マトリックス内の液体移動媒体による気体障壁を維持し、それによって、排気の流れは、入口の流れと直接、混合しない。
【００１５】
微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁を使用する燃料電池電力設備の作動中、燃料電池内で生成する加熱された水蒸気は、入口の流れを加湿するように、設備排気の流れから直接、微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁を通って移動するので、顕熱および潜熱も、入口の流れと排気の流れとの間で交換し、排気の流れを冷却するとともに、排気の流れ内の水からの熱で直接、入口酸化剤の流れを加熱する。交換水が、微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁の入口表面において、酸化剤入口の流れの中へ蒸発することでも、交換障壁の入口表面は冷却され、それによって、入口表面と排気表面との間の温度差が増大する。これによって、排気の流れから入口の流れの中への熱および物質移動速度も増加することになる。従って、例えば乾燥環境で燃料電池電力設備を作動することに起因する、乾燥した酸化剤入口の流れによって、水は、交換障壁から酸化剤入口の流れの中へ、より急速に蒸発することになる。その結果、酸化剤入口の流れが、より乾燥するほど、微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁は、自動的に、酸化剤入口の流れを、加湿するとともに加熱する。さらに、実質的に凝固温度が低下する塩溶液などの低揮発性液体移動媒体を使用することで、あるいは、不凍液水溶液を使用することで、微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁は、交換障壁を収容する物質・熱移動装置を予熱する必要なく、広い温度範囲に亘って、水および熱が、効率的に設備排気の流れから酸化剤入口の流れの中へ移動するのを促進するとともに、エンタルピー交換装置が、水の凝固によって機械的損傷を受けるのを防止する。
【００１６】
従って、本発明の一般的な目的は、先行技術の燃料電池電力設備の不備を克服する、燃料電池電力設備のための微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁を提供することである。
【００１７】
より具体的な目的は、設備排気の流れから直接、設備入口の流れの中へ、熱および水蒸気を移動させる、燃料電池電力設備のための微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁を提供することである。
【００１８】
さらなる別の目的は、凝縮式の熱交換器を使用せずに、設備の重量と体積を低減するとともに水のバランスを向上させる、燃料電池電力設備のための微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁を提供することである。
【００１９】
さらに別の目的は、液体障壁の背中合わせの入口表面と排気表面とを通過する酸化剤入口の流れと設備排気の流れとの間の気体移動に対する液体障壁を提供する、燃料電池電力設備の物質・熱移動装置内で使用するための微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁を提供することである。
【００２０】
本発明のこれらと他の目的、利点は、添付の図面と併せて、以下の説明を読むことで、より容易に明らかになるであろう。
【００２１】
【発明を実施するための最良の形態】
図面を詳細に参照すると、燃料電池電力設備が、図１に概略示されており、本発明の微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１２のための適切な作動環境として、全体が参照番号１０により示されている。燃料電池電力設備１０は、燃料電池１４などの、還元性流体と酸化剤の流れとから電気エネルギーを生成する少なくとも１つの燃料電池手段を含む。燃料電池１４は、プロトン交換膜（「ＰＥＭ」）などの電解質１６と、電解質１６の両側のアノード電極１８およびカソード電極２０を有する。燃料電池１４は、よく知られた方法で、他の実質的に同一な燃料電池（図示せず）と組み合わされて枠（図示せず）内に囲まれたセルスタックアッセンブリを形成可能であり、この枠は、当業技術でよく知られた方法で、還元性流体の流れおよび処理酸化剤の流れを、燃料電池１４内へ導きかつそれから導き出すためのマニホールドを規定している。還元性流体入口２２が、電池１４内へ燃料供給源２４内に貯蔵された水素に富んだ還元性流体を導き、それによって、還元性流体は、アノード電極１８に隣接して規定されたアノード電極の流れの場２６を通る。同様に、酸化剤入口ライン２８が、酸化剤マニホールド（図示しないが、当業技術でよく知られている）を通して酸化剤供給源３０から電池１４内へ空気などの酸化剤の流れを導き、それによって、酸化剤は、カソード電極２０に隣接して規定されたカソード電極の流れの場３２を通る。
【００２２】
燃料電池１４は、燃料電池１２から熱を除去する冷媒プレート手段を含むこともでき、この冷媒プレート手段は、カソード電極の流れの場３２に隣接する多孔質またはシールされた冷媒プレート３４とすることができる。冷媒プレートがシールされたとして記載されるときはいつでも、シールされた冷媒プレート３４内に存在しあるいはそこを通る冷媒流体は、カソード電極の流れの場３２内へ、または隣接する第２の燃料電池（図示せず）のアノード電極の流れの場内へ、流入することができないこと、を意味する。これとは対照的に、多孔質として冷媒プレート３４を記載することによって、冷媒プレート内に存在しあるいはそこを通る冷媒流体は、カソード電極の流れの場３２とアノード電極の流れの場の少なくとも一方の中へ、流入することができること、さらに、アノード電極またはカソード電極の流れの場２６、３２内の水が、多孔質の冷媒プレート３４内へ移動できること、を意味する。アノード電極およびカソード電極の流れの場２６、３２は、枠によってアノード電極１８およびカソード電極２０に隣接して規定された空洞とすることができ、あるいは、当業技術内では一般的な、多孔質または溝が切られた黒鉛、炭素、金属などのシート内に規定された複数の小さな通路、流路、細孔などから成ることができる。燃料電池１４は、電池１４から電気を使用する装置３６へ標準の外部負荷回路３８などを通して燃料電池によって生成された電流を導く一般的な電気伝導性手段を含むこともできる。
【００２３】
さらに、燃料電池電力設備１０は、燃料電池のアノード電極へ燃料を供給するのに適した還元性流体へ炭化水素燃料を処理する燃料処理構成要素手段を含む。そのような設備１０へ電力を供給するための例示的な炭化水素は、ガソリン、ディーゼル燃料、ブタン、プロパン、天然ガス、メタノール、エタノールなどを含む。燃料処理構成要素手段は：従来式または好ましくは触媒式の燃焼器とすることができる燃焼器４０であって、アノード電極の流れの場２６を通った後に、アノード電極の排気の流れとして、アノード電極の流れの場２６と連通するアノード電極の排気通路４２を通して燃焼器４０へ供給される水素などのどのような過剰な還元性流体をも酸化する、燃焼器４０と；アノード電極通路４２からアノード電極の排気の流れを受け取り、燃焼器４０を通った後にアノード電極の排気通路４２の第３の延長部４６内を通った酸化されたアノード電極の排気の流れと熱交換するように、この受け取ったアノード電極の排気の流れを通すアノード電極排気熱交換器４４であって、加熱されたアノード電極の排気の流れが、熱交換器からアノード電極の排気通路４２の第１の延長部内へ通る、アノード電極排気熱交換器４４と；燃焼器４０からアノード電極の排気通路４２の第２の延長部５２内の酸化されたアノード電極の排気の流れを受け取り、この加熱されかつ酸化されたアノード電極の排気の流れを使用して水蒸気を発生させる水蒸気発生器５０であって、酸化されたアノード電極の排気の流れが、水蒸気発生器５０から排出されて、アノード電極の排気通路４２の第３の延長部４６内を通り、アノード電極排気熱交換器４４へ流入する、水蒸気発生器５０と；水蒸気発生器５０からの水蒸気を導く水蒸気供給ライン５４と；燃料供給源２４から水蒸気供給ライン５４へ貯蔵された炭化水素燃料を供給する燃料供給ライン５６と；自熱式改質器とすることができる改質器５８であって、燃料供給ライン５６から燃料および水蒸気を受け取る、改質器５８と；改質器５８から還元性流体入口２２内へ改質された燃料を導く改質済燃料排出ライン６０と；を含むことができる。特定の環境では、水蒸気発生器５０は不要であり、適切な水が燃料電池手段から改質器５８へ供給される。
【００２４】
アノード電極の排気の流れ内のどのような未使用の水素も、燃焼器４０内で酸化されて、それによって、燃焼器４０から排出されるアノード電極の排気通路４２の第２の延長部５２内のアノード電極の排気の流れを加熱し、燃焼器４０から排出されるアノード電極の排気の流れを、不燃性にする。燃料処理構成要素手段は、従来のさまざまな炭化水素燃料の水蒸気改質、自熱式改質、部分酸化処理でよく知られた構成要素を含むことができる。燃料処理構成要素は、通常の炭化水素供給源から水素に富んだ流体を生成することが必要とされる化学処理技術で一般によく知られた相対的に従来の設計である。例えば、そのような処理における自熱式改質器は、通常、受け取った燃料の一部を燃焼し、約９２５℃（１，７００°Ｆ）の温度に到達する。付加的な燃料処理構成要素手段は、燃料供給ライン５６に沿って取り付けられ、炭化水素燃料からどのような硫黄をも除去する脱硫器６２と；改質済燃料排出ライン６０に沿って連通するように直列に取り付けられ、当業技術でよく知られるように、アノード電極の流れの場２６内へ供給される還元性流体の流れの中の一酸化炭素濃度を最小限に抑えるために、還元性流体入口２２内へ改質された燃料を導く、水シフト反応器６４および選択的酸化器６６と、を含むことができる。図１に示されるように、酸化剤入口ラインは、選択的酸化器６６に取り付けられ、選択的酸化器６６内へ処理酸化剤の流れの一部を導く第１の酸化剤分岐ライン６８含むことができ、さらに、改質器５８内へ処理酸化剤の流れの一部を導く第２の酸化剤分岐ライン６９を含むことができる。
【００２５】
燃料電池１４は、冷媒ループ７０などの、作動中に電池を冷却するとともに、電池へ冷媒液体を供給するか電池から生成水を除去するかの少なくとも一方のための冷媒手段を含むことができる。冷媒ループ７０は、カソード電極の流れの場３２に隣接して取り付けられ、電池１４を通して冷媒流体を通す冷媒プレート手段３４と；冷媒ループ７０を通して冷媒流体を供給する冷媒ポンプ７４へ冷媒プレート３４から冷媒流体を導く冷媒出口ライン７２と；冷媒ポンプから冷媒出口ライン７２の第１の延長部７８内の冷媒流体を受け取り、ほぼ自動車のラジエーターと同様に、送風機８０によって強制的に冷媒熱交換器に通される空気などの冷却流体の通路によって冷媒流体を冷却する冷媒熱交換器７６と；冷媒熱交換器７６から燃料電池１４内の冷媒プレート３４へ戻すように冷媒流体を導く冷媒供給ライン８２と、を含む。多孔質の冷媒プレート手段３４を使用する燃料電池１４の通常の作動では、生成水が、カソード電極において生成し、燃料電池から冷媒出口ライン７２内へ除去可能である。図１に示されるように、水供給ライン８４が、燃料処理構成要素へ付加的な水を供給するように、冷媒出口ライン７２と水蒸気発生器５０などの燃料処理構成要素との間に取り付け可能である。随意に、例えば、水供給ラインは、直接、燃焼器４０または改質器５８へ付加的な水を導くことができる。
【００２６】
図１に示されるように、酸化剤は、酸化剤供給源３０から酸化剤入口ライン２８を通ってカソード電極の流れの場３２へ供給される。カソード電極の流れの場を通った後、酸化剤と、カソード電極において水蒸気の形態および飛沫同伴される液体の小滴の形態で生成された生成水とは、カソード電極の排気通路８６内のカソード電極の排気の流れとして、燃料電池１４から全て排出され、カソード電極の排気通路は、設備排気通路８８内へカソード電極の排気の流れを導く。また、アノード電極排気熱交換器４４と通った後、酸化されたアノード電極の排気の流れは、アノード電極の排気通路４２の第４の延長部９０を通って設備排気通路８８へ流入する。設備排気通路８８は、直接物質・熱移動装置９２などの、装置を通る第１の流体の流れから装置を通る第２の流体の流れへ直接、物質を移動させる直接物質・熱移動装置手段へ、設備排気の流れとして、混合されたカソード電極の流れとアノード電極の排気の流れとを導く。直接物質・熱移動装置９２は、設備排気通路８８および酸化剤入口ライン２８の両方と連通するように取り付けられる。設備排気通路８８は、物質・熱移動装置９２内へ設備排気の流れを導き、設備排気口９４が、装置９２から、さらに、燃料電池電力設備１０から、設備排気の流れを導き出す。一次酸化剤入口９６は、酸化剤供給源３０から物質・熱移動装置９２内へ酸化剤を導き、酸化剤入口ライン２８は、装置９２から燃料電池１４のカソード電極の流れの場２８へ酸化剤を導く。図１に示されるように、酸化剤送風機９８は、燃料電池１４内への気体状酸化剤の流れを可変で加速するように、一次酸化剤入口９６に配置することもできる。随意に、酸化剤送風機９８は、同じ目的で、酸化剤入口ライン２８に沿って配置することができる。
【００２７】
物質・熱移動装置９２は、処理酸化剤の流れが通る酸化剤室１０２と、排気の流れが通る排気室１０４とを規定するハウジングまたは構造１００を含む。さらに、構造１００は、酸化剤室１０２と排気室１０４との間で物質が移動するように微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１２を取り付け、それによって、酸化剤室１０２内の処理酸化剤の流れは、交換障壁の入口表面１０６に隣接して通り、排気室１０４内の設備排気の流れは、排気表面１０８に隣接して通り、さらに、構造１００は、入口の流れと排気の流れとのバルク混合を防止するように、入口の流れと排気の流れとの間の障壁として（図１に概略示されるように）微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１２を取り付ける。物質・熱移動装置手段は、移動媒体循環ループ１１０などの、微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁へ液体移動媒体を供給する液体移動媒体供給手段を含むこともできる。移動媒体ループ１１０は、液体移動媒体１１３を収容する貯蔵器１１２と、貯蔵器１１２と障壁１２との間に連通するように移動媒体供給ライン１１６に取り付けられた移動媒体ポンプ１１４と、障壁１２と貯蔵器１１２との間に連通するように取り付けられた移動媒体戻りライン１１８と、を含むことができる。液体移動媒体供給手段は、媒体を再循環させるのではなく単に液体移動媒体１１３を取り替えるために、貯蔵器１１２、供給ライン１１６、ポンプ１１４（または重力供給手段においてポンプなし）を単に含むこともできる。液体移動媒体１１３は、再供給が利用できないかまたはその必要がなく、微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１２内に単に閉じ込めることができるのが好ましい。
【００２８】
微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１２は、０．１〜１００μｍの間の範囲の細孔径を有する親水性の細孔を規定する保持マトリックス手段を含み、それによって、交換障壁は、親水性の細孔が液体移動媒体によって濡れたときに、０．０１４ｋｇ／ｃｍ2（０．２ポンド毎平方インチ）より高い気泡圧力を有することになり、さらに、保持マトリックス手段は、液体移動媒体の存在下、化学的に安定である。保持マトリックスの気泡圧力の条件は、排気通路８８内の排気の流れと酸化剤入口ライン２８内の処理酸化剤の流れとの間の最大圧力差を設定する燃料電池１４および物質・熱移動装置９２の特定の設計によって要求されている。気泡圧力と液体透過性との間には二律背反の関係があり、最大液体透過性を可能とするのに必要とされる最低気泡圧力が、使用される。図２には、微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１２の第１の実施態様が示されており、入口表面１０６と排気表面１０８との間に複数の細孔１２２を規定する保持マトリックス１２０が、概略示されている。図２〜図４の理解を容易にするために、「Ａ」と記した矢印は、入口表面１０６（図３では、１０６’、図４では１０６’’）に隣接する処理酸化剤入口の流れの可能な流れ方向を示し、「Ｂ」と記した矢印は、排気表面１０８（図３では、１０８’、図４では１０８’’）に隣接する排気の流れの可能な流れ方向を示し、「Ｃ」と記した矢印は、図２〜図４に示される３つの実施態様において、排気表面１０８、１０８’、１０８’’から入口表面１０６、１０６’、１０６’’への水および熱の移動方向を示している。燃料電池電力設備が、作動しており、それによって、カソード電極２０において生成された生成水が、カソード電極の排気の流れの中へ移動し、さらに、酸化されたアノード電極の排気の流れ内の燃料処理構成要素手段からの水が、設備排気の流れとして、物質・熱移動装置９２の排気室１０４内へ流入するとき、図２〜図４の矢印Ａ、Ｂ、Ｃは、微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１２（図３では、１２’、図４では１２’’）に隣接しかつそれを通る熱および水の移動を示している。設備排気の流れから処理酸化剤入口の流れの中への水および熱の移動は、設備排気の流れ内の水分子の分圧と処理酸化剤入口の流れ内の水分子の分圧との差、および、移動装置９２内の２つの流れの間の温度差によって、推進される。
【００２９】
例示的な保持構造マトリックス手段１２０（図３では、１２０’、図４では１２０’’）は、多孔質の黒鉛層、多孔質の黒鉛−高分子層、無機繊維熱硬化性高分子層、ガラス繊維層、濡れ可能に処理された合成繊維濾紙、多孔質の金属層、許容される微小な細孔径の範囲を規定する貫通孔内に固定された粒子状物質を貫通孔が含む穿孔された金属層、これらの保持マトリックスからなる複数の異なる層、などを含む。本発明の保持マトリックスを形成することができる材料は、本発明の全ての権利の譲受人によって所有される米国特許第５，８４０，４１４号に開示、記載されているような、親水性化合物による当業技術でよく知られた標準的な処理によって、親水性とすることができる。当業技術で知られた多孔質の気体シールを形成可能な他の材料は、０．１〜１００μｍの間の範囲の細孔径を有する親水性の細孔を規定することができ、それによって、親水性の細孔が液体移動媒体によって濡れたときに、０．０１４ｋｇ／ｃｍ2（０．２ｐ．ｓ．ｉ．）より高い気泡圧力を有することになり、さらに、この材料が、液体移動媒体１１３の存在下、化学的に安定であるならば、保持マトリックス手段として機能することもできる。液体移動媒体１１３は、水、水溶性塩溶液、水溶性酸溶液、有機不凍液水溶液などを含むことができ、この移動媒体は、極性分子と無極性分子とからなる流体の流れから水などの極性分子からなる流体物質を吸着可能である。好ましい液体移動媒体は、ａ．２０〜３５重量％塩化カルシウム溶液、ｂ．２５〜３５重量％硫酸溶液、ｃ．４５〜８５重量％エチレングリコール水溶液、ｃ．４５〜８５重量％プロピレングリコール溶液、ｄ．４５〜８０重量％グリセロール水溶液、などを含み、それによって、液体移動媒体は、−１８℃（０°Ｆ）未満の凝固点を有する。グリセロールは、作動濃度において十分な凝固点降下と低い蒸気圧の特性の両方の特性を有するので、液体移動媒体として特に好ましい。これによって、燃料電池電力設備１０の作動中に微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１２から液体移動媒体が失われる速度が小さくなり、従って、いずれの設備排気中でも移動媒体の量が低下する。さらに、処理酸化剤入口の流れ空気とともに燃料電池内へ運び込まれる不凍液の量が、非常に少なく、燃料電池への触媒毒作用が和らげられる。
【００３０】
液体移動媒体１１３の存在下、化学的に安定であるとして保持マトリックス１２０を特徴づけることによって、さまざまな液体移動媒体が上述した濃度範囲で親密に長期に亘って接触しても、微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１２の入口表面１０６と排気表面１０８との間に気体障壁を形成するように液体移動媒体を保持する保持マトリックスの役割が実現できなくなるほどには、保持マトリックスを劣化させることにならないこと、が意味される。保持マトリックス１２０が、０．１〜１００μｍの間の範囲の細孔径を有し、それによって、障壁１２が、親水性の細孔が液体移動媒体１１３によって濡れたときに、０．０１４ｋｇ／ｃｍ2（０．２ｐ．ｓ．ｉ．）より高い気泡圧力を有することになるとして、保持マトリックス１２０を特徴づけることによって、保持マトリックスにより規定された細孔が、約０．１〜約１００μｍの間の範囲の直径を有すること、さらに、細孔が液体移動媒体によって濡れたときはいつでも、背中合わせの入口表面１０６と排気表面１０８との間の圧力差が０．０１４ｋｇ／ｃｍ2（０．２ｐ．ｓ．ｉ．）以下である限り、微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１２を通って気体が移動することにはならないこと、が意味される。
【００３１】
図２の部分断面図に示される微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１２の第１の実施態様は、水および熱が排気の流れから処理酸化剤入口の流れへと効率的に移動するのに適した障壁１２の一体構造単一層の実施態様を示している。微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１２は、約０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）〜約２．５４ｍｍ（０．１００インチ）の間にある入口表面１０６と排気表面１０８との間の最短距離である、最適な厚み範囲を有する。さらに、物質・熱移動装置９２の構造１００は、熱交換技術では一般的なように、設備１０の性能特性および水の回収条件に依存して装置９２の効率を向上させるために、複数の積層された微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１２に隣接する複数の入口室および排気室（図示せず）を通して、処理酸化剤入口の流れおよび設備排気の流れを分配する、マニホールドと通路（図示せず）を含むように構成することができる。
【００３２】
微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１２’の第２の実施態様は、図３に示されており、保持マトリックス手段は、中央層１２４、中央層と入口表面１０６’との間の第１の外側層１２６、中央層と排気表面１０８’との間の第２の外側層１２８、からなる二重細孔径構造を有する多層保持マトリックス１２０’を含む。中央層１２４は、０．１〜２０μｍの間の範囲の細孔径を有する細孔を規定し、外側層１２６、１２８は、１０〜５０μｍの間の範囲の細孔径を規定する。さらに、中央層１２４は、多層二重細孔径保持マトリックス１２０’の全空孔容積の２５％未満を規定し、多層保持マトリックス１２０’は、その全空孔容積の３５％を超えるまで、液体移動媒体１１３で充填され、それによって、中央層１２４内に規定された細孔は、多層保持マトリックス１２０’の入口表面１０６’と排気表面１０８’との間に気体障壁を形成するように、飽和される。多層保持マトリックス１２０’を有する微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１２’を使用する際、燃料電池電力設備１０の作動条件が変化する場合、液体移動媒体は、中央層１２４の中へ、またはその中から、第１の外側層１２６と第２の外側層１２８のいずれかまたは両方の中へ移動することができ、それによって、液体移動媒体ば、微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１２’から処理酸化剤入口の流れまたは排気の流れの中へ移動する可能性を最小限に抑え、さらに、気体が、障壁１２’を横断して移動する可能性を最小限に抑える。多層保持マトリックスの中央層１２４、外側層１２６、１２８は、同一または異なる保持マトリックス材料とすることができる。
【００３３】
微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１２’’の第３の実施態様が、図４に示されており、保持マトリックス手段は、複数の貫通孔１３０Ａ、１３０Ｂを規定する穿孔された金属、プラスチック、繊維強化プラスチックなどの層状保持マトリックス１２０’’であり、粒子状物質１３２Ａ、１３２Ｂが、当業技術でよく知られた標準的な化学結合によって、貫通孔内に固定されている。便宜上、穿孔された金属、プラスチック、繊維強化プラスチックなどの層状保持マトリックス１２０’’は、「穿孔層保持マトリックス」と呼ぶことにする。粒子状物質は、０．１〜約１００μｍの間の疎水性の細孔を規定し、それによって、細孔は、液体移動媒体によって濡れたときに、０．０１４ｋｇ／ｃｍ2（０．２ｐ．ｓ．ｉ．）より高い気泡圧力（ｇａｓ  ｂｕｂｂｌｅ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を示す気体障壁となる。複数の貫通孔１３０Ａ、１３０Ｂと粒子状物質１３２Ａ、１３４Ｂは、穿孔層保持マトリックス１２０’’を通る細孔を規定するので、保持マトリックス１２０’’の排気表面１０８’’に隣接して通る排気の流れ内の水などの極性分子は、入口表面１０６’’に隣接して通る処理酸化剤入口の流れへ、保持マトリックス１２０’’を通って、流入することになる。穿孔層保持マトリックス１２０’’を形成する例示的な材料は、ステンレス鋼、熱交換技術で構造構成要素としてよく知られたその他の金属、繊維ガラスエポキシ複合材などを含む。穿孔層保持マトリックス１２０’’の入口表面１０６’’、排気表面１０８’’は、水が排気表面１０８’’に凝縮しかつ凝縮した水が複数の貫通孔１３０Ａ、１３０Ｂへ移動するのを促進するために、さらに、水が入口表面１０６’’上で急速に分配されかつ蒸発するのを促進するために、カーボンブラック、炭化ケイ素、金属、酸化物、水酸化物、ケイ酸塩、濡れ可能な高分子などの多孔質の濡れ材料で被覆することもできる。
【００３４】
イオノマーまたは高分子薄膜などの潜在的な代替の多孔質の気体シール構造も、水および熱を移動させることができるであろうが、これらは、非常に高価であることが知られており、しかも、最新の輸送装置によって経験されているような、氷点下から高温の乾燥周囲条件まで変化する環境において、燃料電池電力設備の効率的な作動を促進するのに必要とされる広範ないろいろな液体移動媒体の存在下、化学的に安定でないことが、指摘される。
【００３５】
微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１２を使用する燃料電池電力設備１０の作動中、燃料電池１４内で生成された水蒸気は、処理酸化剤入口の流れを加湿するように、設備排気の流れから障壁１２を通り、潜熱および顕熱も、入口の流れと排気の流れとの間で交換し、排気の流れから水蒸気を移動させることで排気の流れを冷却し、水蒸気で直接、入口の流れを加熱する。交換水が、微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１２の入口表面１０６において、酸化剤入口の流れの中へ蒸発することでも、入口表面１０６は冷却され、それによって、入口表面１０６と排気表面１０８との間の温度差が増大する。このように温度差が増大することによって、入口の流れの中への熱および水移動速度が増加することになる。入口の流れの中への加熱された水の蒸発速度も、周囲空気の湿度の関数となり、ここで、周囲空気は、設備１０のための酸化剤である。従って、燃料電池電力設備１０が、輸送装置が乾燥した環境へ移動するなどして、より乾燥した空気中で作動されるとき、入口の流れを加湿するように排気の流れから入口の流れへ水が移動する速度は、自動的に増加することになる。実質的な凝固点降下特性を有する低揮発性液体移動媒体１１３の存在下、化学的に安定な保持マトリックス１２０を使用することによっても、物質・熱移動装置９２を予熱する必要なく、液体移動媒体１１３が、微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１２から排出される可能性を最小限に抑えながら、広い温度範囲に亘って、燃料電池電力設備１０を作動させることができる。
【００３６】
本発明は、燃料電池電力設備のための微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁の特定の実施態様および使用方法について、説明、例示したが、本発明は、説明、例示した実施態様に限定されないことは、理解されるであろう。例えば、アノード電極排気熱交換器４４と冷媒熱交換器７６とは、理解を容易にするために、互いに別々のものとして概略示されている。しかしながら、効率を目的として、これらの構成要素は、共通の導管を利用するように、あるいは、流体の流れ、熱交換の効率を目的として、互いに積層可能である。また、本発明の燃料電池電力設備１０のための微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１２は、「ＰＥＭ」型燃料電池の文脈で主に説明されているが、障壁１２は、他の固体高分子または水溶性電解質を使用する他の燃料電池に適用可能である。さらに、図２には、処理酸化剤入口の流れと設備排気の流れとの間に取り付けられた１つの微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１２を備える直接物質・熱移動装置９２が、概略示されている。しかしながら、本発明は、設備１０の作動条件に依存して排気の流れから入口の流れへ効率的に水および熱を移動させるのに適した方法で取り付けられた複数の障壁１２も含む。従って、本発明の範囲を決定するためには、上述した説明よりも、主として特許請求の範囲を参照すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  電力設備の物質・熱移動装置内で微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁を使用する燃料電池電力設備の概略図。
【図２】  燃料電池電力設備のための微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁の第１の実施態様の部分断面図。
【図３】  燃料電池電力設備のための微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁の第２の実施態様の部分断面図。
【図４】  燃料電池電力設備のための微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁の第３の実施態様の部分断面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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