(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
還元性流体と酸化剤流体から電気エネルギーを生成する燃料電池パワープラント用運転システムであって、該システムは：
ａ．  還元性流体および酸化剤流体から電気エネルギーを生成するための燃料電池手段と、
ｂ．  炭化水素燃料を処理して還元性流体に転化するための、改質器およびバーナーを含む燃料処理装置手段と、
ｃ．  プロセス酸化剤ガス流としての酸化剤流体を燃料電池手段に送る一次酸化剤通路、およびプラント排気ガス流をプラントから送り出すプラント排気通路、の両方と流体的連通関係にあるように取り付けられて、プラント排気ガス流中にあってプラントから出て行く物質および熱を、プロセス酸化剤ガス流に直接移動させてプラント中へ戻すための、直接物質・熱移動手段と、
ｄ．  プロセス酸化剤ガス流を燃料電池手段へ送ってこれを通過させ、プロセス酸化剤ガス流の改質器供給部分を少なくとも一つの改質器供給分岐を通して燃料処理装置手段へ送り、プロセス酸化剤ガス流の排気部分を排気分岐を通してプラント排気通路へ送る、酸化剤分岐通路と、
ｅ．  燃料電池手段を出て行くアノード排気ガス流を受け入れて、アノード排気ガス流をバーナーへ送り、バーナーからの酸化済みアノード排気ガス流を、酸化剤分岐通路の改質器供給分岐中のプロセス酸化剤ガス流の改質器供給部分と熱交換させる、アノード排気通路と、
ｆ．酸化剤入口通路を通って燃料電池へ向かうプロセス酸化剤ガス流を燃料電池手段を通過せずに酸化剤入口通路からバーナーへ、そしてバーナーから改質器供給通路を通して改質器へ送る第２の酸化剤分岐通路と、
ｇ．燃料電池から熱を除去するための冷却プレートを含み、この冷却プレートが、カソード電極で生成された水を冷却プレートを通して隣接したアノード流れ領域へと通流させるように、多孔質冷却プレートとして構成されてなる冷却手段と、
を備えた燃料電池パワープラント用運転システム。
【請求項２】
酸化剤分岐通路は第１の改質器供給分岐を含み、該分岐は燃料電池手段を出て行くプロセス酸化剤ガス流の第１の改質器供給部分をカソード排気通路から改質器へ送る、請求項１記載の燃料電池パワープラント用運転システム。
【請求項３】
酸化剤分岐通路は第２の改質器供給分岐を含み、該分岐は燃料電池を出て行くプロセス酸化剤ガス流の第２の改質器供給部分をカソード排気通路からバーナーへ、そしてバーナーから改質器供給通路を通して改質器へ送る、請求項２記載の燃料電池パワープラント用運転システム。
【請求項４】
システムはさらに、酸化剤分岐通路の第１の改質器供給分岐中のプロセス酸化剤ガス流の第１の改質器供給部分を、酸化済みアノード排気ガス流と熱交換させる、第１の熱交換器手段を含む、請求項２記載の燃料電池パワープラント用運転システム。
【請求項５】
システムはさらに、アノード排気ガス流を、改質器を出ていく改質済み還元性流体と熱交換させる、第２の熱交換器手段を含む、請求項４記載の燃料電池パワープラント用運転システム。
【請求項６】
システムはさらに、改質器に入る還元性流体を、改質器を出ていく改質済み還元性流体と熱交換させる、第３の熱交換器手段を含む、請求項５記載の燃料電池パワープラント用運転システム。
【請求項７】
システムはさらに、プロセス酸化剤ガス流の第２の改質器供給部分を、酸化済みアノード排気ガス流と熱交換させる、第４の熱交換器手段を含む、請求項６記載の燃料電池パワープラント用運転システム。
【請求項８】
システムはさらに酸化済みアノード分岐配管を有し、該配管はバーナーおよび、プロセス酸化剤ガス流を燃料電池手段へ送る酸化剤入口通路と流体的連通関係に取り付けられており、酸化済みアノード分岐配管は酸化済みアノードガス流の一部をバーナーから酸化剤入口通路へ送る、請求項１記載の燃料電池パワープラント用運転システム。
【請求項９】
直接物質・熱移動装置手段は、プラント排気ガス流中の極性分子からなる流体物質を吸着し、極性分子からなる流体物質を酸化剤入口ガス流中へ脱着する移動媒体手段と、移動媒体手段を支持してこれをプラントを出て行くプラント排気ガス流、および燃料電池へ入るプロセス酸化剤ガス流との物質移動関係に置き、かくして両ガス流を物質移動媒体手段に接触させ、かつプロセス酸化剤ガス流と酸化剤入口ガス流のバルク混合を防ぐセパレータハウジング手段とを含む、請求項７記載の燃料電池パワープラント用運転システム。
【請求項１０】
移動媒体手段はイオノマー膜の液相水部分からなり、セパレータハウジング手段はイオノマー膜の液相水を支持する膜からなる、請求項９記載の燃料電池パワープラント用運転システム。
【請求項１１】
システムはさらに燃料電池から熱を除去するための冷却手段を有し、該冷却手段は密封された冷却プレートおよび冷却プレートを流過する不凍液溶液を含む、請求項７記載の燃料電池パワープラント用運転システム。
【請求項１２】
移動媒体手段は、ガス流から水分を吸着し、ガス流中へ水分を脱着することのできる乾燥剤物質からなり、セパレータハウジング手段はエンタルピーホイールからなり、該エンタルピーホイールは乾燥剤をエンタルピーホイールの回転軸とおおよそ平行に走る複数の通路中に支持し、かつエンタルピーホイールはセパレータハウジングの入口室および排気室の内部で回転可能に支持されており、かくしてホイールが入口室を通るプロセス酸化剤ガス流および排気室を通るプラント排気ガス流と平行の軸のまわりを回転し、プラント排気ガス流から吸着した水分をプロセス酸化剤ガス流中へ直接移動させる、請求項９記載の燃料電池パワープラント用運転システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は輸送車両、可搬式パワープラント、または定置式パワープラントに適した燃料電池パワープラントに関し、特に本発明はプラント中の自由液相水を最少化し、かつ凝縮用の熱交換器や蒸気発生用のボイラーの必要性を除外する燃料電池パワープラント用運転システムに関する。
【０００２】
【背景技術】
燃料電池パワープラントはよく知られており、宇宙航行体の搭載機器などの電気機器へのパワー供給や、ビルディングのオンサイト発電において、還元性および酸化剤の流体から電力を発生するのに広く用いられている。このようなパワープラントにおいては通常、平板状の燃料電池が重ねて配置されており、これを電気絶縁性のフレーム構造が取り囲んでおり、該フレーム構造が還元性、酸化剤、冷却用および生成した流体の流れを導くマニホールドを画定している。それぞれの個別の電池は一般に電解質で隔てられたアノード電極とカソード電極を有する。水素などの還元性流体がアノード電極に供給され、酸素や空気などの酸化剤がカソード電極に供給される。水素はアノード電極の表面で電気化学的に反応して水素イオンと電子を発生する。電子は外部の負荷回路へ導通された後にカソード電極へもどされる。一方、水素イオンは電解質中をカソード電極へ移動し、ここで酸化剤および電子と反応して水を発生し、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とは、運転上の要求および燃料電池の作動環境からの制限に依存して、色々な種類の電解質で隔てられている。このような電解質の一例は当業界公知の固体ポリマーからなるプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）電解質である。燃料電池に用いられるその他の一般的な電解質としては、アノード電極とカソード電極の間の有孔性かつ非電導性のマトリックスに保持されたリン酸または水酸化カリウムがある。ＰＥＭ電池は液状の酸性またはアルカリ性の電解質に対して、個別の運転パラメータを満足する上で、実質的な利点を有する。なぜならばＰＥＭ膜は、有孔性マトリックス中に毛細管力で保持された液状電解質に比較して、還元性流体と酸化剤との間に差圧に対してより抵抗性のあるバリヤーを提供するからである。加えて、ＰＥＭ膜は固定されていて電池から浸出することがなく、また比較的安定な保水能を有する。
【０００４】
燃料電池の運転においては、カソード電極での水の生成速度と、カソード電極から水を抜き出し、アノード電極へ水を供給する速度との間に適当な水バランスが保たれることが重要である。燃料電池の性能における運転限界は、電池から外部の負荷回路へ取り出される電流が変動したり、電池の運転環境が変動するのに対して電池が水バランスを保つ能力によって決定される。ＰＥＭ燃料電池においては、もしアノード電極へ戻される水が不足すればＰＥＭ電解質の隣接部分が乾燥し、そのためにＰＥＭを通して水素イオンが移動する速度が低下すると同時に、還元性流体のクロスオーバーが起こって局部的な過熱につながる。同様に、カソードからの水の抜き出しが不十分であればカソード電極が水浸しとなり、カソードへの酸化剤供給が制限されて電流が減少する。さらに、カソードから抜き出される水が多過ぎるとＰＥＭが乾燥して、ＰＥＭが水素イオンを通過させる能力が低下し、そのために電池の性能が低下する。
【０００５】
燃料電池が乗用車、トラック、バスなどのパワー輸送車両向けに開発されたパワープラントに組み込まれるにつれて、パワープラント中の水バランスを保つことが、各種の要因の故に大きな課題となってきた。例えば定置式燃料電池パワープラントにおいては、プラントから失われた水をプラント外の供給源から供給される水で補給することもできる。しかしながら輸送車両においては、燃料電池パワープラントの所要重量および所要スペースを低減するために、水について自己充足性でなければプラントが生き残ることはできない。水に関する自己充足性とは、プラントを流過する反応流体のガス流からの水損失を打ち消すのに十分な水がプラント中に保持されなければならない、ということを意味する。例えば、ガス状酸化剤のカソード排気ガス流を通して、あるいはガス状還元性流体のアノード排気ガス流を通してプラントを出ていく水は、カソードで電気化学的に生成してプラント中に保持される水によって、バランスされなければならない。
【０００６】
燃料電池パワープラントにおいて水の自己充足性を保持することに対するもう一つの要求は、メタン、天然ガス、ガソリン、ディーゼル燃料等の炭化水素燃料を処理して、アノードに水素主成分流体を供給する適当な還元性流体に転化するための装置に関連している。このような燃料電池パワープラントの燃料処理装置は通常、水蒸気を発生するボイラーと、炭化水素燃料がその中へ噴射される水蒸気ダクトと、自熱式改質器を包含する。この改質器は水蒸気と燃料の混合物と、これに加えて少量の、空気などのプロセス酸化剤を受け入れ、この混合物を燃料電池のアノードに供給するのに適した、水素に富む還元性流体に転化するものである。燃料処理装置またはシステムの水およびパワー所要量は、燃料電池パワープラントの総括的な水バランスおよび所要パワーの一部である。ボイラーで水蒸気にされる水は、例えば凝縮用熱交換器および関連する配管によってカソード排気ガス流から回収される水によって補給されなければならない。これに加えて、ボイラーおよび改質器にも供給されるプロセス酸化剤ガス流は、これらの装置の性能変動を防ぐために安定な湿度範囲に保たれなければならない。燃料処理装置向けのプロセス酸化剤ガス流として環境空気が供給される場合は、燃料処理装置の性能を安定させるためにガス流を加湿しなければならず、これが燃料電池パワープラントの水バランス保持をさらに複雑化させる。
【０００７】
水の回収と保持を促進するための通常の解決法は、パワープラントの排気ガス流において凝縮用熱交換器を用いることである。この場合排気ガス流は液体の露点温度またはそれ以下に冷却され、排気ガス流から凝縮した液体がパワープラントに戻される。凝縮用熱交換器を用いる燃料電池パワープラントの例は、１９９６年１１月１２日にヴァンダインおよび他に与えられ、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個または２個以上の凝縮用熱交換器を用いるその他の燃料電池パワープラントは当業界公知であり、それらはプラント排気ガス流を冷却するために環境空気を熱交換器に流している。ヴァンダインおよび他の特許においては、カソード排気ガス流を冷却するのに熱交換器が用いられ、前記排気ガス流はカソード室を出るときに蒸発した生成水および、ＰＥＭを通過した還元性流体であるメタノールの一部を含んでいる。凝縮用熱交換器はカソード排気ガス流を環境空気流との熱交換関係のもとに流し、次いで凝縮したメタノールおよび水を配管システムを通して間接的に電池のアノード側に戻している。
【０００８】
凝縮用熱交換器は燃料電池パワープラントの水回収およびエネルギー効率を増進したが、熱交換器は環境温度が上昇すると水回収効率の低下に直面する。パワープラントが自動車のような輸送車両のパワーである場合は、プラントは極めて広い範囲の環境温度にさらされる。例えば環境空気が冷却用気流として熱交換器に流される場合は、熱交換器の性能は環境空気温度の直接の関数として変動する。なぜならば環境空気の温度が上昇するに従って、パワープラント排気ガス流から凝縮する液の量は減少するからである。
【０００９】
輸送車両のパワーとしての燃料電池パワープラントにこのような凝縮用熱交換器を用いることに対するもう一つの必要条件は、車両を水の氷点以下の温度で運用することに関連する。このような熱交換器からの水はしばしばプラントのＰＥＭ電池に再導入されるから、水の氷点を下げるために在来の不凍液を水に混ぜることはできない。プロピレングリコールおよび類似の不凍液は、電池の触媒に吸収されて電池の効率を低下させることは良く知られている。
【００１０】
燃料電池パワープラントを輸送車両に用いることに関連する他の問題は、このような車両が暖機運転に長い時間をかけることなく、直ちに運転開始できなければならない、ということから生じる。しかしながら燃料処理システムに蒸気発生用のボイラーを用いることは、長い暖機運転時間か、急速に沸騰開始させるための軽視できないエネルギー原価か、燃料処理装置が適当な燃料を発生できるまで電池に他の燃料源を、あるいはプラントに他のパワー源を用いるか、のいずれかを必要とする。
【００１１】
燃料改質器を用いるいくつかの先行技術においては、カソード排気ガス流の一部又は全部を燃料改質器に導入し、これによって凝縮用熱交換器などの水回収用機器を最少化することが知られている。例としては１９７６年８月２４日にブルームフィールドに与えられた米国特許第３，９７６，５０７号、および１９７８年１２月５日にセデルキストに与えられた米国特許第４，１２８，７００号がある。この両特許とも、本発明の譲受者に譲渡されている。これらのやや古い特許が水回収の努力を最少化している一方、カソード排気ガス流を直接に燃料改質器に導入するこれらの、およびその他の公知の燃料電池パワープラントは通常、圧縮機に機械的に結合された過給タービンの使用を包含する複雑な与圧プラントであり、自己充足的な水バランスを有しない。したがってこれらのプラントは、広い範囲の環境条件下で水バランスを保ちつつ作動しなければならない燃料電池パワープラントを必要とする輸送車両への利用に対して、適性を示すことはできなかった。
【００１２】
このように、環境空気をカソード酸化剤として用い、凝縮用熱交換器を用い、および／または燃料処理装置に蒸気発生用ボイラーを用いる公知の燃料電池パワープラントは、それらの有する上述の特性の故に、自己充足的な水バランスを保ち、かつ急速なパワー発生を提供することはできなかった。したがって、自己充足的な水バランスを達成し、凝縮用熱交換器およびボイラーがなく直ちにパワーを発生することができ、かつ運転エネルギーを最少化できる燃料電池パワープラントを提供することが大いに望ましい。
【００１３】
【発明の開示】
本発明は燃料電池パワープラントの運転システムである。該システムは還元性および酸化剤流体から電気エネルギーを発生する少なくとも一つの燃料電池と、自熱式改質器およびバーナーを有する、炭化水素を処理して還元性流体に転化させるための燃料処理装置と、プロセス酸化剤ガス流中の酸化剤流体を燃料電池に導入する酸化剤入口配管およびプラント排気通路の両方と流体的連通関係に取り付けられて、排気通路のプラント排気ガス流中にあってプラントを出て行く水などの物質および熱をプロセス酸化剤ガス流に移行させて直接プラントに戻すことのできる、直接物質・熱移動装置と、プロセス酸化剤ガス流を送って燃料電池手段を通過させ、またプロセス酸化剤ガス流の改質器供給部分を酸化剤分岐通路の少なくとも一つの改質器供給分岐を通して燃料処理装置との流体的連通関係に置き、かつプロセス酸化剤ガス流の排気部分を酸化剤分岐通路の排気分岐を通して燃料電池からプラント排気通路へ送る、酸化剤分岐通路と、燃料電池を出て行くアノード排気ガス流を受け入れ、アノード排気をバーナーへ送り、次いでバーナーからの酸化済みアノード排気ガス流を酸化剤分岐通路の改質器供給分岐中のプロセス酸化剤ガス流の改質器供給部分との熱交換関係に置き、次いで酸化済みアノード排気ガス流をプラント排気通路へ送ってプロセス酸化剤ガス流の排気部分と混合してプラント排気ガス流とする、アノード排気通路と、を有する。酸化剤分岐通路の改質器供給分岐はプロセス酸化剤ガス流を、プロセス酸化剤ガス流が燃料電池を通過する前、または通過した後に燃料処理装置に送ってもよい。
【００１４】
別法の実施例においては、システムは冷却ループを含み、該ループは冷却用流体を燃料電池近傍の少なくとも一つの密封されたまたは有孔性の冷却プレートを通して流して燃料電池から熱を除去し、かつ燃料電池の電解質はプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）である。
【００１５】
運転システムを燃料電池パワープラントに用いる場合、酸化剤分岐通路はプロセス酸化剤ガス流の改質器供給部分を燃料処理装置に供給し、かくして燃料電池内部で生成した水から、適量の水が優先的に燃料処理自熱式改質装置に供給されるようにする。したがって燃料処理装置を運転するのに液相水を別に供給する必要がない。また、酸化剤分岐通路が燃料電池を出て行くプロセス酸化剤ガス流の排気部分をプラント排気通路に、さらに直接物質・熱移動装置に送るので、この部分のプロセス排気ガス流中の水は、燃料電池に入る前に直接物質・熱移動装置を通過するプロセス酸化剤ガス流とともに燃料電池に戻される。かくしてプラントは自由液相水がなくとも水バランスが保たれる。燃料電池を冷却するには、冷却ループ中の冷却液は不凍液であってもよく、この場合電池近傍の冷却プレートは電池構成成分から密封されており、したがって電池の触媒を汚染することがなく、また公知の輸送車両の通常の運行条件においては凍ることもない。
【００１６】
直接物質・熱移動装置は燃料電池の上流で、入って来るプロセス酸化剤ガス流をプラント排気ガス流との物質移動関係のもとに流す。このプラント排気ガス流は燃料電池内のカソード流れ領域から燃料電池を出て行く酸化剤ガス流の排気部分と、酸化済みアノード排気ガス流の両方を含んでいる。このようにしてプラント排気ガス流中の水蒸気などの物質および熱は、物質移動装置の物質移動媒体を通って直接、入って来るプロセス酸化剤ガス流中に、該ガス流が燃料電池に入る前に移動する。直接物質・熱移動装置はセパレータハウジングを含み、これは移動媒体を、入って来るプロセス酸化剤ガス流およびパワープラント排気ガス流との物質移動関係のもとに支持する。このようにしてガス流は移動媒体と接触し、セパレータハウジングがガス流のバルク混合を防ぐ。移動媒体は極性および非極性分子からなる流体物質を含むガス流から水分子のような極性分子からなる流体物質を吸着するための各種材料のうち任意のものからなってよい。一例として移動媒体は水で飽和されたポリフロロスルフォン酸イオノマー膜の液相水部分を含む。移動媒体手段の他の例は微細孔有孔性媒体を含み、この場合はセパレータハウジングは有孔性媒体の空孔を画定する材料からなる。
【００１７】
パワープラントの燃料処理装置または冷却ループに自由液相水が必要とされないので、プラントは水バランスを保って運転されることができる一方、大きく重い凝縮用熱交換器およびこのような熱交換器を運転するのに必要な制御機器が除外される。したがってまた運転システムはアキュームレータおよびボイラーをも除外しており、このような容器中に解けにくい大きな氷塊が形成されることもない。加えて運転開始時に、プラントは輸送機器のパワーとなる電気エネルギーを即座に発生開始でき、燃料処理装置の改質器に供給する蒸気を発生するために長い暖機運転時間を必要とすることもない。
【００１８】
したがって本発明の一般的な目的は、先行技術の燃料電池パワープラントの欠点を克服する、燃料電池パワープラント用運転システムを提供することである。
【００１９】
より具体的な目的は、広範囲の運転条件にわたって水について自己充足的な、燃料電池パワープラント用運転システムを提供することである。
【００２０】
他の目的は、凝縮用熱交換器を用いることなく、プラントを出て行く水をプラントへ環流するような、燃料電池パワープラント用運転システムを提供することである。
【００２１】
さらに他の目的は、自由液相水および蒸気発生用ボイラーなしに、水素に富む還元性流体を処理するような、燃料電池パワープラント用運転システムを提供することである。
【００２２】
さらに他の目的は、パワープラントを出て行く物質を直接、プラントのプロセス酸化剤ガス流に移動させてこれを加湿加温するような、燃料電池パワープラント用運転システムを提供することである。
【００２３】
さらに他の具体的な目的は、酸化剤ガス流およびアノード排気ガス流中にあってプラントを出て行く水を、プラントに用いられる炭化水素燃料を処理する装置に移動させるような、燃料電池パワープラント用運転システムを提供することである。
【００２４】
本発明のこれらの、およびその他の目的及び利点は、以下の説明および添付の図面によってより容易に理解されるであろう。
【００２５】
【発明を実施するための最良の形態】
図面を詳細に参照すれば、本発明の燃料電池パワープラント用運転システムが示され、一般的に参照符号１０で表示されている。システム１０は燃料電池１２のような、還元性流体と酸化剤ガス流から電気エネルギーを発生する少なくとも一つの燃料電池手段を有する。燃料電池１２はプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）などの電解質１４と、電解質１４の両側のアノード電極１６およびカソード電極１８を有する。燃料電池１２は公知の方法で他の、実質的に同一な燃料電池（図示せず）と組み合わされてスタックアッセンブリを形成し、図１および図２に概念的に示されるフレーム構造２０で囲まれていてもよい。前記フレーム構造は還元性流体およびプロセス酸化剤ガス流を当業界公知の方法で燃料電池１２に導入し、またそれから導出するためのマニホールドを画定している。還元性流体入口２２が燃料供給源２４（図１および図２では理解の便のために「燃料」と表示されている）中に貯蔵された水素に富む還元性流体を、フレーム２０に画定されたマニホールドを通して電池に導入し、かくして還元性流体はアノード電極１６の近傍に画定されたアノード流れ領域２６を通って流れる。同様に、酸化剤入口配管２８が、酸化剤供給源３０（図１および図２では「酸化剤」と表示されている）からの空気などの酸化剤ガス流を、フレーム２０に画定されたマニホールドを通して電池１２に導入し、かくして酸化剤ガス流はカソード電極１８の近傍に画定されたカソード流れ領域３２を通って流れる。
【００２６】
燃料電池１２はまた燃料電池１２から熱を除去するための冷却プレート手段を有してもよく、この場合冷却プレート手段はカソード流れ領域３２の近傍の有孔性のまたは密封された冷却プレート３４であってもよい。冷却プレートが密封されていると表現されるならば、それは密封された冷却プレート３４中の、またはそれを流過する冷却用流体が、カソード流れ領域３２または隣接する第２の燃料電池（図示せず）のアノード流れ領域に流れ込むことがあり得ないことを意味する。これに対して冷却プレート３４が有孔性と表現されるならば、それは冷却プレート３４中の、またはそれを流過する冷却用流体がカソード流れ領域３２および／またはアノード流れ領域２６に流れ込んでもよく、またアノードまたはカソード流れ領域２６、３２中の水が有孔性の冷却プレート３４に移行してもよいことを意味する。アノードおよびカソード流れ領域２６、３２はアノード電極およびカソード電極１６、１８の近傍にフレーム構造２０によって画定された空所であってもよく、また当業界に一般的であるように有孔性または溝付きの黒鉛、カーボン、または金属板中に画定された複数の小さな通路、溝、または空孔であってもよい。フレーム構造２０はまた燃料電池が発生した電流を電池１２から、例えば標準的な外部負荷回路３８を通して電力使用機器３６へ流すための共通の電気伝導手段を有する。
【００２７】
運転システム１０はまた炭化水素燃料を処理して、燃料を燃料電池のアノード電極に供給するのに適した還元性流体に転化させるための燃料処理装置手段を有する。このようなプラント１０を動かすための燃料の例としてはガソリン、ディーゼル燃料、ブタン、プロパン、天然ガス、メタノール、エタノールなどが挙げられる。燃料処理装置手段は次のものを含んでもよい：バーナー４０は在来式または好ましくは触媒式バーナー（図１および図２に便宜上「触媒式バーナー」と表示してある）であってよく、これはアノード流れ領域２６と流体的連通関係にあるアノード排気通路４２を通して、前記アノード流れ領域を通過したアノード排気ガス流としてバーナー４０に供給された水素などの還元性流体の余剰分を酸化する；第１の熱交換器４４（図１にのみ図示）はアノード排気通路４２中の酸化済みアノード排気ガス流をバーナー４０から受け入れ、酸化済みアノード排気を、酸化剤入口２８と流体的連通関係にある酸化剤分岐通路４８の第１の改質器供給分岐４６中の、酸化剤ガス流の第１の改質器供給部分との熱交換関係のもとに流す；燃料供給配管５０は貯蔵された炭化水素燃料を燃料供給源２４から供給する；改質器５２は自熱式改質器（図１と図２で「Ａ・Ｔ・Ｒ」と表示）であり、これは燃料供給配管５０から燃料を受け入れ、かつ酸化剤分岐通路４８の第１の改質器供給分岐４６中の第１の熱交換器４４からの加熱された酸化剤ガス流の第１の改質器供給部分を受け入れる；改質燃料排出配管５４は改質済み燃料を改質器５２から還元性流体入口２２へ送る。
【００２８】
アノード排気ガス流中の、使われなかった水素はバーナー４０で酸化され、これによってバーナー４０を出て行くアノード排気通路４２中のアノード排気ガス流が加熱されるとともに、バーナー４０からのアノード排気ガス流が不燃性になる。燃料処理装置手段は、種々の炭化水素燃料を処理する在来の蒸気改質、自熱式改質、および部分酸化処理において良く知られている装置を含んでもよい。燃料処理装置は比較的に在来の設計であり、普通の炭化水素源から水素主成分流体を発生する必要がある場合の化学処理技術として一般によく知られているものである。例えば自熱式改質器はこのような処理工程において、受け入れた燃料の一部を燃やして約９２７℃（１，７００°Ｆ）の温度に到達する。付加的な燃料処理装置手段は次のものを含んでもよい：脱硫器５６は燃料供給配管５０に取り付けられて、炭化水素燃料から硫黄を除去する；水シフト反応器５８および選択的酸化器６０は当業界でよく知られているように、アノード流れ領域２６に入る還元性流体ガス流中の一酸化炭素レベルを低減するために、改質済み燃料排出配管５４の第２の延長部６１と流体的連通関係のもとに直列に取り付けられて、改質済み燃料を還元性流体入口２２へ送る。燃料処理装置手段はさらに次のものを含んでもよい：第２の熱交換器６２は改質済み燃料排出配管５４とアノード排気通路４２との間に熱交換関係に取り付けられて、アノード排気通路４２中のアノード排気ガス流を加熱する；第３の熱交換器６４は改質済み燃料排出配管５４の第１の延長部６３と燃料供給配管５０の入口配管６５との間に熱交換関係に取り付けられて、供給配管５０中の燃料を加熱する。
【００２９】
酸化剤分岐通路４８は、燃料電池１２に流入し、流出する酸化剤ガス流を改質器供給部分と排気部分に選択的に分割して、酸化剤分岐通路手段の改質器供給分岐と排気分岐に送り込み、かくして酸化剤ガス流の改質器供給部分および排気部分をシステム１０のいろいろな装置へ送るための酸化剤分岐通路手段であってもよい。酸化剤分岐通路手段４８はシステム１０の各装置に分配する酸化剤ガス流の割合を制御するために、流体の導通および制御技術において良く知られる制御手段を包含してもよく、該手段は例えば温度および／または湿度センサーと連結された標準的な電気機械的バルブ等であってもよい。酸化剤分岐通路手段４８は第１の改質器供給分岐４６を含み、これはカソード排気通路４９を通って燃料電池１２を出て行く酸化剤ガス流の第１の改質器供給部分を燃料電池１２から燃料処理装置手段へ送る。酸化剤分岐通路はまた排気分岐６６を含み、これは燃料電池１２のカソード排気通路４９からの酸化剤ガス流の排気部分をプラント排気通路８０へ送る。酸化剤分岐通路４８はまた第２の改質器供給分岐６７すなわち燃料電池１２からバーナー４０への供給分岐６７を含んでもよく、これは燃料電池１２からのプロセス酸化剤ガス流の第２の改質器供給部分を燃料処理装置の触媒式バーナー４０へ送る。燃料処理装置の第４の熱交換器６８が酸化剤分岐通路４８の第２の改質器供給分岐６７とアノード排気通路４２の第３の延長部７０との間に熱交換関係に取り付けられて、酸化済みアノード排気ガス流の熱を第２の改質器供給分岐６７中の酸化剤ガス流へ転移させてもよい。酸化剤分岐通路の第２の改質器供給分岐６７の第１の延長部６９は、第４の熱交換器６８からの酸化剤ガス流の加熱された第２の改質器供給部分を触媒式バーナー４０へ送る。酸化剤分岐通路４８はまた第３の改質器供給分岐７２すなわち酸化剤入口配管２８から燃料処理装置への供給分岐７２（図２にのみ図示）を含んでもよく、これは酸化剤入口配管２８からのプロセス酸化剤ガス流の第３の改質器供給部分を燃料処理装置手段へ直接に送るか、あるいは必要に応じて図２に示されるように、酸化剤分岐通路４８の第２の改質器供給分岐６７、第４の熱交換器６８、および第２の改質器供給分岐６７の第１の延長部６９を通して送る。
【００３０】
図１および図２から分かるように、アノード排気通路４２は燃料電池１２からのアノード排気ガス流を第２の熱交換器６２へ送る；アノード排気通路４２の第１の延長部７３は加熱されたアノード排気ガス流を触媒式バーナーへ送る；アノード排気通路４２の第２の延長部７４は酸化済みアノード排気ガス流を第１の熱交換器４４へ送って酸化剤分岐通路の第１の改質器供給分岐４６中のプロセス酸化剤ガス流の第１の改質器供給部分を加熱する；そしてアノード排気通路４２の第３の延長部７０はガス流を第４の熱交換器６８へ送る。
【００３１】
図１には酸化剤分岐通路手段４８の第１の実施例が示されており、ここでは第１の改質器供給バルブ７６がバーナー４０と、改質器５２および第１の熱交換器４４との間に置かれて、バーナー４０からの酸化済みアノード排気ガス流の配分を選択的に制御している。このようにして酸化されたアノード排気ガス流の一部または全部が第１の改質器供給バルブ７６によって、バーナー４０から改質器５２へ、またはアノード排気通路４２の第３の延長部７０中の第１の熱交換器４４へ送られてもよい。酸化剤分岐通路４８の第１の実施例において、プロセス酸化剤ガス流の第１の改質器供給部分の全部または一部が、酸化剤分岐通路４８の第１の改質器供給分岐４６を通して改質器５２へ送られるように制御されてもよく、またプロセス酸化剤ガス流の全部又は一部が、第２の改質器供給バルブ７７によって第２の改質器供給分岐６７を通して、バーナー４０へ送られるように制御されてもよい。図１に示される酸化剤分岐通路の第１の実施例において、酸化剤ガス流の改質器供給部分およびアノード排気ガス流の圧力を僅かに上げるために、第１の改質器供給ブロワ７８が必要に応じて酸化剤分岐通路の第１の改質器供給分岐４６の途中に置かれてもよく、またアノード排気ブロワ８１がアノード排気通路４２の途中に置かれてもよい。
【００３２】
図２に酸化剤分岐通路４８の第２の実施例が示されており、ここでは第１の熱交換器４４が省略されてもよく、プロセス酸化剤ガス流の第３の改質器供給部分は酸化剤分岐通路の第３の改質器供給分岐７２を通して直接に、あるいは必要に応じて第２の改質器供給分岐６７を通して、バーナー４０へ送られてもよい。第２の実施例において、酸化剤ガス流の第３の改質器供給部分の圧力をわずかに高めるために、第３の改質器供給ブロワ８２が必要に応じて第３の改質器供給分岐７２上に置かれてもよい。図２に示される酸化剤分岐通路４８の実施例において、第３の改質器供給バルブ８４が置かれてもよく、該バルブはカソード排気通路４９を通って燃料電池１２を出て行くプロセス酸化剤ガス流の全部または一部を、酸化剤ガス流の第３の改質器供給部分とともに、第３の改質器供給ブロワ８２および第２の改質器供給分岐６７を通してバーナー４０へ選択的に送ってもよく、また第３の改質器供給バルブ８４は酸化剤ガス流の全部又は一部をカソード排気通路４９から酸化剤分岐通路４８の排気分岐６６へ送り、プラント排気通路８０に入れてもよい。酸化剤ガス流の第３の改質器供給部分は酸化剤入口配管２８上に置かれた第４の改質器供給バルブ８６によって酸化剤入口配管２８から第３の改質器供給通路７２へ送られてもよい。また酸化剤ブロワ８８が酸化剤入口配管２８上に置かれて、燃料電池１２へのガス状酸化剤の流れを可変的に加速してもよい。必要に応じて、酸化剤ブロワ８８は一次酸化剤通路９０上で酸化剤供給源３０と物質・熱移動装置９２の間に置かれて、同じ目的を果たしてもよい。図１および図２に示されるように、酸化剤入口配管２８は選択的酸化器６０に取り付けられた酸化剤分岐配管９４を含んでもよく、該分岐配管はプロセス酸化剤ガス流の一部を選択的酸化器６０へ送る。
【００３３】
図２に示されるように、運転システム１０は酸化済みアノード排気分岐配管９６を含んでもよく、該配管はアノード排気通路４２の第４の延長部９８と酸化剤入口配管２８との間に取り付けられて、酸化済みアノード排気ガス流の全部または一部を、燃料電池１２に入るプロセス酸化剤入口配管２８へ送る。酸化済みアノード排気ガス流を酸化済みアノード排気分岐配管９６へ分岐させるために、酸化済みアノード排気分岐バルブ９９がアノード排気通路の第４の延長部９８上に置かれてもよい。
【００３４】
図１および図２は燃料電池パワープラント１０の別法の実施例を示しているとはいえ、このような実施例は排他的なものと解釈されるべきではなく、基本的に説明の便のために別々の図面で説明されたものであり、これらすべての実施例またはその任意の部分は、運転システム１０の性能要求次第で燃料電池パワープラント用の単一の運転システム１０に用いられてもよい、ということに留意されたい。
【００３５】
図１および図２に示されるように、酸化剤分岐通路４８は酸化剤分岐通路４８の第１の改質器供給分岐４６に取り付けられた改質器供給配管１００（図１に図示）、およびバーナー４０を出て行くアノード排気通路４２の第２の延長部７４（図１および図２に図示）を含む。図１および図２に示されるように、改質器供給配管１００はプロセス酸化剤ガス流の改質器供給部分を改質器５２へ直接送るか、または改質器５２に入る前に燃料供給配管５０を通して送る。
【００３６】
プラント排気通路８０はプラント排気ガス流を直接物質・熱移動装置手段へ送り、直接物質・熱移動装置９２のような装置を通過する第１の流体流から、装置を通過する第２の流体流へ直接に物質を移動させる。直接物質・熱移動装置９２は一次酸化剤通路９０およびプラント排気通路８０の両方と流体的連通関係に取り付けられている。プラント排気熱交換器１０１を直接物質・熱移動装置９２の上流のプラント排気通路８０の途中に取り付けて、通路８０中のプラント排気ガス流の温度を移動装置９２に入る前に低下させてもよい。物質・熱移動装置９２は移動装置９２中におけるプラント排気ガス流中の極性分子の分圧と、プロセス酸化剤ガス流中の極性分子の分圧との差、および両ガス流間の温度差によって駆動される。
【００３７】
直接物質・熱移動装置９２は移動媒体手段１０２を含み、該手段は極性分子および非極性分子からなる流体物質を含む第１の流体流から極性分子からなる流体物質を吸着し、かつ吸着した流体を第２の、第１の流体流よりも極性分子からなる流体物質の割合が少ない流体流中に脱着する。第１の流体流の例は水蒸気および／または同伴する液体の蒸気（極性分子からなる流体物質にあたる）および空気（非極性分子からなる流体物質にあたる）を含むガス流である。直接物質・熱移動装置９２はまたセパレータハウジング手段１０４を含み、該手段は移動媒体手段１０２を支持して、これをプラント排気ガス流およびプロセス酸化剤ガス流と物質移動関係に置く。かくして両方のガス流が物質移動媒体手段１０２と接触するが、セパレータハウジング手段によってプラント排気ガス流とプロセス酸化剤ガス流とのバルク混合が防止される。
【００３８】
移動媒体手段１０２の例はイオン交換樹脂またはイオノマー膜の液相水部分が挙げられる。後者は例えば米国デラウェア州ウィルミントンのＥ・Ｉ・デュポン社が「ナフィオン」の商品名で販売する水飽和ポリフルオロスルフォン酸イオノマー膜、あるいは米国ニュージャージー州トムズリバーのパーマピュア社が「ＭＥシリーズ・モイスチャーエクスチェンジャー」の商品名で販売する前述の「ナフィオン」膜でできたチューブの液相水部分がある。他の移動媒体手段１０２としては微細孔有孔性媒体の液相水部分がある。この場合有孔性媒体中の空孔を画定する媒体または材料がセパレーターハウジング１０４にあたる。もう一つの移動媒体１０２としては、ガス流から水分を吸着し、ガス流中へ水分を脱着することのできる乾燥剤物質があり、その例は微粉砕された固形物、活性炭を含む結晶性のアルカリ金属またはアルカリ土類金属化合物、シリカゲル、活性アルミナ、およびゼオライトなどである。詳しくは１９９６年８月６日にベルディングおよび他に与えられた米国特許第５，５４２，９６８号の第５欄第９行から第６欄第１７行までに記載されている。
【００３９】
セパレータハウジング手段１０４の例は、移動媒体手段１０２を酸化剤入口室１０６とプラント排気室１０８との間で支持する外殻（図１に概念的に参照符号１０４で示される）であってもよい。プロセス酸化剤ガス流は酸化剤供給源３０から一次酸化剤入口通路９０を通り、酸化剤入口室１０６に入ってこれを通過し、酸化剤入口配管２８に入る。一方、プラント排気ガス流はプラント排気通路８０からプラント排気室１０８に入ってこれを通過し、プラント排出口１１０を通ってプラント１０から出て行く。その他のセパレータハウジング手段１０４は流体対流体熱交換器の技術で一般に知られている外殻のような、プロセス酸化剤およびプラント排気ガス流の物質移動媒体手段への曝露を促進する一方で両ガス流のバルク混合を防ぐ、より複雑な外殻構造を含んでもよい。セパレータハウジング手段１０４のその他の協働的な態様は前述の「ナフィオン」膜材料において液相水部分を支持する膜部分であり、またパーマピュア社が「ＭＥシリーズ・モイスチャーエクスチェンジャー」の商品名で販売する前述の「ナフィオン」を素材とするチューブにおいて液相水を支持するチューブ部分である。このようなセパレータハウジング手段１０４において、「ナフィオン」を素材とする物質移動媒体手段は当業界でよく知られるように、水蒸気または同伴する液体の蒸気などの極性分子からなる流体物質を選択的に、極性分子からなる流体物質の濃度が高い膜の一方の側から、濃度がより低い膜の他方の側へ移動させる。
【００４０】
セパレータハウジング手段１０４のもう一つの例は前述の乾燥剤からなる移動媒体手段を、水分を含むプラント排気ガス流と乾燥したプロセス酸化剤ガス流との間で回転的な位置関係に支持するエンタルピーホイールであり、詳しくは前述の米国特許第５，５４２，９６８号の第欄段第３５行から第５欄第４行まで、および全般に記載されている。ホイールは複数の、一般にホイールの回転軸と平行に走る、端部が開口した通路を有し、該通路は通常、物質移動媒体である乾燥剤を含む段ボール紙の平たいシートをホイールの中心ハブの周りに巻き付けて、ホイールを支持するカセットの外部ハウジングに至る多層媒体を形成させてなる。このようなエンタルピーホイールはビルディング空調技術でよく知られており、詳しくは１９９７年８月２６日にベッディングおよび他に与えられた米国特許第５，６６０，０４８号に記載されている。セパレータハウジング手段としてのエンタルピーホイールは、入口室および排気室１０６、１０８を通過する流れに対して平行な軸のまわりを回転するように支持されており、したがってプラント排気ガス流はホイールの約二分の一の部分を通過し、同時にプロセス酸化剤ガス流はホイールの他の約二分の一の部分を通過する。この際例えばプラント排気室１０８内にあるホイールの第１の部分の移動媒体手段すなわち乾燥剤は、プラント排気ガス流から水蒸気または同伴液体の蒸気などの極性分子からなる流体物質を吸着し、そしてホイールが回転してホイールの上記第１の部分が酸化剤入口室１０６の位置に来たときに、入口酸化剤ガス流中の極性分子からなる流体物質の濃度がプラント排気ガス流中の流体分子からなる流体物質の濃度より低いならば、乾燥剤に吸着保持された極性分子流体物質はプロセス酸化剤ガス流中へ脱着され、酸化剤ガス流を加湿および加温する。
【００４１】
燃料電池パワープラント用運転システム１０はまた、冷却プレート３４によって燃料電池１２から熱を除去するための冷却手段を有する。該手段は冷却プレート３４に冷却用流体を送る各種の公知の方法のいずれでもよい。適当な冷却手段の一例は単に環境空気又は他の冷却用流体を冷却プレート３４に送り、あるいは押し込んでこれを通過させることを含み、前記冷却プレートは密封されていて、プレート内の各種の奪熱表面を利用して熱伝達を促進しており、この際冷却用流体は前述したようにこの密封された冷却プレート３４を出て隣接するカソードおよびアノード流れ領域２６、３２に入ることはない。好ましい実施例においては、図１および図２に示されるように、冷却手段は次のものを含んでもよい：冷却ループ手段１１２は冷却用流体を密封された、または密封されない冷却プレート３４を通して循環し、この場合冷却ループは自動車などの在来の輸送車両に用いられるファンおよび放熱器と類似の、パワーファン１１６によって冷却される放熱器１１４を有する；冷却液出口通路１１８は冷却用流体を冷却プレート３４から、標準的な冷却液ポンプ１２０で放熱器１１４へ送る；冷却液入口通路１２２は冷却用流体を冷却液放熱器１１４から冷却プレート３４へ環流する。運転システム１０が密封された冷却プレート３４を用いる場合は、冷却用流体は好ましくはよく知られるメタノール−水、エチレングリコール−水、またはプロピレングリコール−水からなる溶液のような不凍液である。
【００４２】
再度強調すれば、本発明の燃料電池パワープラント用運転システム１０の基本的な特性は、燃料電池１２からバーナー４０および／または改質器５２などの燃料処理装置に適量の水を供給することによって、システム中の自由水の必要性を低減あるいは除外することである。したがって、酸化剤分岐通路４８の第３の改質器供給分岐７２が重用される場合は、有孔性の冷却プレート３４が同時に用いられ、第１の改質器供給バルブ７６は酸化済みアノード排気ガス流の一部をバーナー４０から自熱式改質器５２へ送るように制御される。その理由は、燃料電池１２を通過して燃料電池の作動中にカソード電極１８で生成した水を奪ったプロセス酸化剤ガス流の一部を、カソード排気通路４９から受け取る第１および第２の改質器供給分岐４６、４７と異なって、第３の改質器供給分岐は燃料電池１２からなんらの水を受け取らないからである。このような有孔性冷却プレート３４は、カソード電極１８で生成した水が有孔性冷却プレート３４中へ、さらにこれを通過して隣接するアノード流れ領域へ移動する条件を提供する。次いで水はアノード排気通路４２へ、さらに燃料処理装置のバーナー４０および改質器５２へ流れることができる。運転システム１０はまた燃料ポンプ１２４を有してもよく、これは燃料供給源２４から燃料供給配管５０の入口配管６５へ行く反応流体の流量を制御する役目をする。
【００４３】
「燃料電池パワープラント」という言葉を用いるとき、その意味は輸送車両、可搬式および／または定置式のパワープラントなどに燃料処理装置と組み合わせて用いられる当業界公知の燃料電池スタックを意味し、したがってこのような「燃料電池パワープラント」は図１および図２に具体的に示されてはいない、ということが指摘される。図１および図２はシステム１０の説明に必要な単一の燃料電池１２と燃料処理装置を示したものであり、したがって図１および図２は燃料電池パワープラントを概念的に表現したものと見なされる。
【００４４】
燃料電池パワープラント用運転システム１０の最適の運転は、第１、第２、第３、第４の熱交換器４４、６２、６４、６８およびバーナー４０がアノード排気ガス流およびプロセス酸化剤ガス流の改質器供給部分、およびさらに還元性流体流の内部に好ましい範囲内の温度変化を生じさせるときに達成される。本発明の運転システム１０の一つの推定例は、効率的な水バランスを有するガソリン／空気燃料電池パワープラントを与えるプロセスパラメータを有しており、その場合システム１０の各構成部分は次のように、作動するよう構成され、大きさを決められる。
【００４５】
１．  第１の熱交換器４４は、プロセス酸化剤ガス流の第１の改質器供給部分を、酸化済みアノード排気ガス流との熱交換関係のもとに流し、かくしてプロセス酸化剤ガス流の第１の改質器供給部分が適当な温度となって、還元性流体燃料と混合された後に改質器５２に入り、追加の水供給源を要しないような水バランスのもとに還元性流体を改質するようにするための第１の熱交換器手段である。第１の熱交換器手段は、第１の熱交換器４４が次の二つの役目を果たすように大きさが決められていることを含む：すなわち第１の熱交換器４４は酸化剤分岐通路４８の第１の改質器供給分岐４６中のプロセス酸化剤ガス流の第１の改質器供給部分を約１１５℃（２４０°Ｆ）の温度で受け入れて、該ガス流がプロセス酸化剤分岐通路４８の第１の改質器供給分岐４６の第１の延長部１００中で約６２１℃（１，１５０°Ｆ）の温度になるようにこれを加熱し、またアノード排気通路４２の第２の延長部７４中の酸化済みアノード排気ガス流を約６９３℃（１，２８０°Ｆ）の温度で受け入れて、該ガス流がアノード排気通路４２の第３の延長部７０中で約４６０℃（８６０°Ｆ）の温度になるようにこれから奪熱する。
【００４６】
２．  第２の熱交換器６２は、アノード排気ガス流を改質済み還元性流体との熱交換関係のもとに流し、かくしてアノード排気ガス流がバーナー４０中で効率的に燃やされるのに適した熱量を受け取り、次いで別個の燃料または熱量を追加することなく適当な熱量を第１の熱交換器手段４４に渡すようにするための第２の熱交換器手段である。第２の熱交換器手段は第２の熱交換器６２が次の二つの役目を果たすように大きさが決められていることを含む：すなわち第２の熱交換器６２はアノード排気通路４２中のアノード排気ガス流を約８２℃（１８０°Ｆ）の温度で受け入れて、該ガス流がアノード排気通路４２の第１の延長部７３中で約３９９℃（７５０°Ｆ）の温度になるようにこれを加熱し、また改質器５２を出て行く改質済み燃料排出配管５４中の改質済み還元性流体を約７１０℃（１，３１０°Ｆ）の温度で受け入れて、該流体が改質済み燃料排出配管５４の第１の延長部６３中で約３６０℃（６８０°Ｆ）の温度になるようにこれから奪熱する。
【００４７】
３．  第３の熱交換器６４は、入って来る還元性流体燃料を改質済み還元性流体との熱交換関係のもとに流し、かくして入って来る燃料が適当な温度となって改質器５２に流入してプロセス酸化剤ガス流の改質器供給部分と混合され、追加の水供給源を要しないような水バランスのもとに改質されるようにするための第３の熱交換器手段である。第３の熱交換器手段は第３の熱交換器６４が次の二つの役目を果たすように大きさが決められていることを含む：すなわち第３の熱交換器６４は燃料供給配管５０の入口配管６５中の燃料を約２５℃（７７°Ｆ）の温度で受け入れ、該燃料が燃料供給配管５０中で約３１５℃（６００°Ｆ）の温度になるようにこれを加熱し、また改質済み燃料排出配管５４の第１の延長部６３中の改質済み燃料を約３６０℃（６８０°Ｆ）の温度で受け入れて、該改質済み燃料が改質済み燃料供給配管５４の第２の延長部６１中で約３０４℃（５８０°Ｆ）の温度になるようにこれから奪熱する。
【００４８】
４．  第４の熱交換器６８はプロセス酸化剤ガス流の第２の改質器供給部分を酸化済みアノード排気ガス流との熱交換関係のもとに流し、かくしてプロセス酸化剤ガス流の第２の改質器供給部分が適当な熱量を受け取ってバーナー４０に入り、アノード排気ガス流の効率的な燃焼を助け、かくして酸化済みアノード排気ガス流が別個の燃料、水または熱量を追加することなく適当な熱量を第１の熱交換器手段に提供するようにするための第４の熱交換器手段である。第４の熱交換器手段は第４の熱交換器が次の二つの役目を果たすように大きさが決められていることを含む：すなわち第４の熱交換器は酸化剤分岐通路４８の第２の改質器供給分岐６７中のプロセス酸化剤ガス流の第２の部分を約８２℃（１８０°Ｆ）の温度で受け入れて、該ガス流が酸化剤分岐通路４８の第２の改質器供給分岐６７の第１の延長部６９中で約３９９℃（７５０°Ｆ）の温度になるようにこれを加熱し、またアノード排気通路４２の第３の延長部７０中の酸化済みアノード排気ガス流を約４６０℃（８６０°Ｆ）の温度で受け入れて、該ガス流がアノード排気通路４２の第４の延長部９８中で約３８８℃（７３０°Ｆ）の温度になるようにこれから奪熱する。
【００４９】
５．  バーナー４０は、アノード排気ガス流を酸化し、酸化済みアノード排気ガス流を適当な熱量とともに第１の熱交換器手段に流して、プロセス酸化剤ガス流の第１の改質器供給部分を加熱するためのバーナー手段である。バーナー手段はバーナー４０が次の役目を果たすように大きさが決められていることを含む：すなわちバーナー４０はアノード排気通路４２の第１の延長部７３中のアノード排気ガス流を約３９９℃（７５０°Ｆ）の温度で受け入れて燃焼し、該ガス流はアノード排気通路４２の第２の延長部７４中で約６９３℃（１，２８０°Ｆ）の温度に達する。
【００５０】
また本発明の運転システム１０が、約５０キロワットの発電能力を有する燃料電池パワープラントを効率的に水バランスのもとに保つ場合、燃料電池１２、改質器５２、および直接物質・熱移動装置９２は以下のパラメータによって作動するよう構成され、大きさを決められることが推定される。
【００５１】
１．  燃料電池１２は次の条件で作動する：ａ）圧力約１．２４ｋｇ／ｃｍ2（絶対）（１７．６ｐ．ｓ．ｉ．ａ）、ｂ）温度約８２．２℃（１８０°Ｆ）、ｃ）水素利用率８０％、ｄ）供給された水素の消費量１．４５ｋｇ−モル／時（３．２ポンド−モル／時）、ｅ）酸素利用率５４％、ｆ）供給された酸素の消費量０．７２６ｋｇ−モル／時（１．６ポンド−モル／時）、ｇ）燃料電池１２に供給される水の総量約１２．３ｋｇ−モル／時（２７．１ポンド−モル／時）、ｈ）燃料電池から除去される水の総量１２．３ｋｇ−モル／時（２７．１ポンド−モル／時）。
【００５２】
２．  改質器５２は次の条件で作動する：ａ）温度約７０４℃（１，３００°Ｆ）、ｂ）転化率９９％超、ｃ）炭素に対する酸素原子の比約３．２５、ｄ）総炭素原子に対する気相酸素原子の比約０．３５００、ｅ）ガソリン供給速度０．８３ｋｇ−モル／時（１．８２ポンド−モル／時）。
【００５３】
３．  直接物質・熱移動装置９２は９２％の効率で水をプラント排気ガス流からプロセス酸化剤ガス流へ移動させる。
【００５４】
本発明の燃料電池パワープラント用運転システム１０はプロセス酸化剤ガス流及びアノード排気ガス流の流れ制御において実質的な柔軟性を提供し、様々な運転要求のもとで最適の性能を達成する。このような性能向上は基本的に、酸素分岐通路４８の第１、第２、および第３の改質器供給分岐４６、６７、７２および排気分岐６６を、他のシステム構成部分と一体化することによって達成される。例えばシステム１０は、燃料電池１２を通過するプロセス酸化剤ガス流の第１の改質器供給部分が、カソード排気通路４９から酸化剤分岐通路４８の第１の改質器供給分岐４６を通り、第１の熱交換器４４を通って改質器５２へ流れるように制御することができ、また同時に必要に応じてバーナー４０を出て行く酸化済みアノード排気ガス流の一部も改質器５２へ流れるように制御することができるようになっている。さもなければ、システム１０は燃料電池１２を通過するプロセス酸化剤ガス流の第２の改質器供給部分がカソード排気通路４９から酸化剤分岐通路４８の第２の改質器供給分岐を通り、第４の熱交換器６８を通ってバーナー４０へ、次いで改質器５２へ流れるように制御することができ、また同時にバーナー４０を出て行く酸化済みアノード排気ガス流の一部が改質器５２へ、次いで第４の熱交換器４４へも流れるように制御することができるようになっている。
【００５５】
これに加えてシステム１０は、燃料電池１２へ流入するプロセス酸化剤ガス流の第３の改質器供給部分が、酸化剤入口配管２８から第３の改質器供給分岐７２を通り、第４の熱交換器６８を通ってバーナー４０へ、次いで改質器へ流れるように制御することができ、また同時にバーナー４０を出て行く酸化済みアノード排気ガス流の一部が改質器５２へ、次いで第４の熱交換器４４へも流れるように制御することができるようになっている。さらにまた、システムはプラント排気通路８０から直接物質・熱移動装置９２を直接通過するプラント排気ガス流から、酸化剤入口配管２８へ、熱および水分を直接移動させることによって、燃料電池へ流入する酸化剤入口配管２８中のプロセス酸化剤ガス流の熱、湿度及び水分含量を制御することを可能にする。この場合、プラント排気通路は酸化剤分岐通路６６の排気分岐を通ってプラント排気通路８０へ送られるプロセス酸化剤ガス流の排気部分を含む。必要に応じて運転システム１０は、酸化済みアノード排気ガス流の一部を、アノード排気通路の第４の延長部９８から酸化済みアノード排気分岐配管９６を通して酸化剤入口配管２８へ直接に送るように制御することによって、燃料電池に入るプロセス酸化剤ガス流の熱、湿度および水分含量をさらに上げることもできるようになっている。
【００５６】
本発明の運転システム１０は燃料電池パワープラントが水バランスのもとに作動することを可能にするので、プラントから出て行く還元性および酸化剤流体のガス流から失われる水を補償するに十分な水が、プラント内に保持される。したがってプラントは凝縮用熱交換器や、自由液相水や、自熱式改質器５２のために蒸気を発生するためのボイラーを用いることなく、水の自己充足性を維持する。これに加えて、酸化剤分岐通路４８の第１および／または第２の改質器供給分岐４６、６７を用いる制御システムの実施例においては、冷却プレート３４は密封され、プレートから燃料電池１２の他の部品への冷却用流体の移行は制約される。したがって在来の液状の不凍液化合物を用いて冷却を促進することができる。したがって、運転システム１０は氷点下の気候条件においても燃料電池および燃料処理装置が効率的に運転される条件を与える。これに加えて、直接物質・熱移動装置９２はプラント排気ガス流中の水が、プラント排気ガス流とプロセス酸化剤ガス流との間の分圧差の関数として効果的に伝達される条件を与えるから、プラント排気ガス流中の水の回収は、環境の温度および湿度の如何にかかわらず効果的に維持される。これは環境空気で冷却される凝縮用熱交換器を用いる先行技術との相違点である。結果的に、本発明の燃料電池パワープラント用運転システム１０は、輸送車両が運行され、あるいは定置式パワープラントが使用されるすべての気候条件において、プラントの運転効率を向上しながらプラントの重量および容積を実質的に低減する。
【００５７】
本発明を、燃料電池パワープラント用運転システム１０の特定の構成および用法に関連して説明したが、本発明は説明および図示された実施例に限定されるものではないことが理解されるべきである。例えば、第１、第２、第３、および第４の熱交換器４４、６２、６４、６８およびプラント排気用熱交換器１０１、および冷却液放熱器１１４を、理解の便のため互いに切り離されたものとして概念的に示した。しかしながら効率の上から、これらの構成部分を互いに積み重ねて、共通の通路を利用したり、流体流れおよび熱交換の効率を上げたりすることも可能である。つけ加えれば、本発明の運転システム１０を「ＰＥＭ」燃料電池と関連して説明したが、この運転システムは他の固体ポリマーまたは水性の電解質を用いる他の燃料電池にも適用可能である。したがって本発明の範囲を決定するには、前述の説明によるよりは特許請求の範囲を参照するべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は本発明によって構成される燃料電池パワープラント用運転システムの概念図であり、システムの酸化剤分岐通路の第１の実施例を示している。
【図２】  図２は燃料電池パワープラント用運転システムの概念図であり、システムの酸化剤分岐通路の第２の実施例を示している。
【図１】
0004782331.tif 000002
【図２】
0004782331.tif 000003