(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムの制御方法であって、
燃料電池を作動させ、排出流を作り出し、
前記排出流から燃料を抽出するために、前記排出流を電気化学的水素ポンプに流して、精製された水素の第１のフィードバック流を生成し、
前記第１のフィードバック流を前記燃料電池に供給し、
前記排出流から前記第１のフィードバック流以外の第２のフィードバック流を生成し、
前記第２のフィードバック流をベンチュリ管に通して前記燃料電池に流すことからなり、
前記電気化学的水素ポンプはセルである複数のカスケードステージで構成され、前記複数のカスケードステージは前記カスケードステージのアノード排ガス流に対して直列に接続され、
前記複数のカスケードステージは３以上のカスケードステージで構成され、前記３以上のカスケードステージのうち中間のカスケードステージの流路板が他のカスケードステージの流路板よりも厚く形成されることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項２】
前記第２のフィードバック流を前記ベンチュリ管に流すことは、
前記第２のフィードバック流を前記ベンチュリ管の第１の入口に流すことと、燃料を水素源から前記ベンチュリ管の第２の入口に流すこととからなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項３】
燃料流の源により供給される第２の燃料流と、第３の燃料流と、第４の燃料流とから形成される第１の燃料流を受け入れるアノード取入プレナムを備え、前記第１の燃料流に応じてアノード排出プレナムで排出流を生成するために適した燃料電池スタックと、
前記排出流を精製して、精製された水素の前記第３の燃料流を生成するのに適した電気化学的水素ポンプと、
前記第４の燃料流を生成するために、前記第２の燃料流と前記排出流とを組み合わせるベンチュリ管とからなり、
前記第４の燃料流は前記排出流の一部を再循環した燃料流であり、
前記電気化学的水素ポンプはセルである複数のカスケードステージで構成され、前記複数のカスケードステージは前記カスケードステージのアノード排ガス流に対して直列に接続され、
前記複数のカスケードステージは３以上のカスケードステージで構成され、前記３以上のカスケードステージのうち中間のカスケードステージの流路板が他のカスケードステージの流路板よりも厚く形成されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料流の源は、水素源からなることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記電気化学的水素ポンプは、前記燃料電池スタックと別体であることからなる請求項３記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の操作方法及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する電気化学的デバイスである。例えば、一つの型の燃料電池は、プロトンだけが燃料電池のアノードとカソードとの間を通るのを許可するプロトン交換膜（ＰＥＭ）を含む。典型的なＰＥＭ燃料電池は、ナフィオン（登録商標）のようなスルホン酸をベースにしたアイオノマーを用いており、６０℃から７０℃の温度領域で作動する。もう一方のタイプでは、リン酸をベースにしたポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）膜を用いており、１５０℃から２００度の温度領域で作動する。前記アノードにおいて、二原子水素（燃料）は、水素イオンを生成する反応を起こし、水素イオンはＰＥＭを通過する。この反応で生じた電子は、燃料電池の外部回路を移動し、電流を形成する。カソードにおいて、酸素は、水素イオンと反応して水を形成し、減少する。アノードとカソードとの反応は、以下の式で表わされる。
【式１】
【０００３】
0005160774.tif 000002
【０００４】
典型的な燃料電池は、約１ＤＣボルトの末端電圧を有する。より大きな電圧を作り出すために、いくつかの燃料電池は、一緒に組み立てられて燃料電池スタックと呼ばれる燃料電池の配列を形成してもよい。前記配列において、燃料電池は、一列の電気的結合であり、より大きなＤＣ電圧（例えば、約１００ボルトの電圧）を形成し、より大きな出力を提供する。
【０００５】
前記燃料電池スタックは、他の流路板の上に積み重ねられた流路板（例えば、黒鉛複合材または、金属板）を含んでもよい。そして、それぞれの板は、スタックの燃料電池の一つ以上と関係していてもよい。その流路板は、前記燃料電池スタックを介する反応物及び生成物を流すために、例として、各種の表面流路及び口部を含んでもよい。いくつかのＰＥＭ（それぞれは特定の燃料電池と結合して存在する）は、異なる燃料電池のアノードとカソードの間のいたるところに分散されていてもよい。導電性ガス拡散層（ＧＤＬ）は、各燃料電池のアノードとカソードとを形成する各ＰＥＭの各側面に設置されていてもよい。このように、前記ＰＥＭの各側面からの反応ガスは、前記流路から離れ、そして前記ＧＤＬを通過して前記ＰＥＭに届くように拡散してもよい。
【０００６】
前記燃料電池スタックは、様々な他の構成要素及びサブシステム（例えば冷却サブシステム、セル電圧監視サブシステム、制御サブシステム、出力調整サブシステムなどのような）を含む前記燃料電池システムとして、典型的な燃料電池システムの多くの構成要素の一つである。これらのサブシステムのそれぞれの特定設計は、燃料電池が提供する用途の機能である。
【０００７】
典型的に、燃料電池スタックに供給される燃料と空気との流路は、加湿されている。この加湿は、典型的に、燃料電池スタックの内部のガスの前記流路に関連して、２つの課題が提起されている。１）不活性ガスの増加と、２）水の増加とである。純粋な水を燃料とするスタックの場合、時間と共に、窒素と他の不活性ガスとは、前記膜のカソード（空気極）側から前記燃料電池膜のアノード（燃料極）側へと拡散する。もし前記不活性ガスが前記アノードから取り除かれなかったら、その後一つ若しくはより多くの電池又はスタック全体の操作は、次第に遮断されていくであろう。全てのＰＥＭスタックの場合において、水がスタックのアノード若しくはカソード又はその両方の流路で過多となり、時間の経過と共に、そのことにより前記電池又は前記電池のスタックの不安定化を引き起こすかもしれない。この状況は、フラッディングと呼ばれる。前記フラッディング状態を防止するために、十分なアノードガス速度及びカソードガス速度は、前記流路から水を除去することにより、提供されなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、前記システムの燃料電池スタック内における水及び不活性ガスの著しい過多を防ぐという、燃料電池システムのために継続的な必要性の存在に鑑み、前記水及び不活性ガスの著しい過多を防ぐことができる方法及びシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一形態における技術は、燃料電池の操作を含み、排出流を生成する。前記技術は、前記排出流から燃料を抽出するために、前記排出流を電気化学的ポンプに流して、第１のフィードバック流を生成することを含む。前記技術は、前記排出流を用いて、前記第１のフィードバック流とは別の第２のフィードバック流を生成し、前記第２のフィードバック流をベンチュリ管に通して前記燃料電池に流すことを含む。
【００１０】
本発明の利点と他の特徴とは、以下の図及び記述と、特許請求の範囲とにより明らかになるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１を参照して、本発明の実施形態による燃料電池システム１０は、それぞれ、アノード取入口２２及び酸化剤取入口２４で、燃料電池スタック（ここでは「パワースタック」という）２０により受け入れられる燃料流と酸素流とに応じて、負荷（図示せず）のための電気出力を生成するパワースタック２０を含む。前記燃料電池システム１０は、本発明の特定の実施形態において、前記パワースタック２０の前記直流電圧を、規制されたより低い直流電圧又は規制された交流電圧に変換する、スタック端末５１に接続された出力調整回路５０を含むんでもよい。それ故、前記出力調整回路５０は、前記負荷のために調整された直流電圧又は交流電圧を供給する出力端末５６を有する。
【００１２】
パワースタック２０の電池が、燃料の「枯渇」状態でないことを確認することを目的として、スタックへ入ってくる燃料の流れは、上述の式１及び式２で説明された化学量論的比率を超える。そのため、パワースタック２０のアノード排ガス流（アノード排ガス排出口２８でパワースタック２０を出る）は、余剰燃料を含む。燃料電池システム１０の総体的な効率をよくするこの余剰燃料を回収するために、システム１０は、電気化学的水素ポンプ３０を含む。水素ポンプ３０は、１）スタック２０のアノード取入口２２に戻す燃料フィードバック流を作り出すために、パワースタック２０からのアノード排ガスを精製し、そして、２）スタック２０のアノード流領域経路を、水による閉塞を取り除いた状態に保つのに十分な、スタック２０を通る燃料流量を確立する。
【００１３】
ここで、記述を単純化することを目的として、前記パワースタック２０及び水素ポンプ３０は、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）を用いると仮定する。しかしながら、本発明の他の実施形態は、特許請求の範囲に記載された範囲内である。例えば、ＰＥＭ燃料電池以外の燃料電池技術の他の様式は、本発明の他の実施形態として想像される。加えて、電気化学的水素ポンプは、ここで記載されているが、本発明の他の実施形態で、電気化学的ポンプの他の様式が用いられてもよいと解される。
【００１４】
本発明のいくつかの形態において、水素ポンプ３０は、パワースタック２０からのアノード排ガス流（水素ポンプ３０のアノード取入口部３２で受け入れられる）に応じて、カソード排ガス口部３６（ポンプ３０の）で比較的純粋な水素流を生成する燃料電池スタックにより形成され、電気出力を受け入れる。一般に、水素ポンプ３０は、パワースタック２０と全体的に同一のトポロジーを備えていてよく、その中で、水素ポンプ３０は、ＰＥＭ、ガス拡散層及び、プレナム及び水素ポンプ３０の燃料電池に反応剤を伝達するための流れの場を確立する流路板を含む。さらに、水素ポンプ３０は、ポンプ３０を介して冷却剤を流す流路板を含んでもよい。しかしながら、パワースタック２０とは違い、水素ポンプ３０の各燃料電池は、電流を受け入れており（且つ、負荷として作用しており）、受け入れる電流に応じて、水素が燃料電池のアノード室から燃料電池の前記カソード室に移動し、該カソード室で水素ガスを生成する。
【００１５】
以下に詳述するように、本発明の特定の形態に従って、水素ポンプ３０を形成する燃料電池スタックは、パワースタック２０と一体でもよく、別体でもよい。さらに、以下に詳述するように、本発明の特定の形態に従って、水素ポンプ３０を形成する燃料電池スタックは、パワースタック２０と電気的に接続されていてもよく、分離されていてもよい。水素ポンプ３０は、送電線５４からその電力を受け取ることが、図１に図示されている。水素ポンプ３０の燃料電池を運転する電力は、パワースタック２０（スタック２０の燃料電池と水素ポンプ３０の燃料電池とが同一のスタックの一部である場合）、出力調整回路５０などのような幅広い異なる種類の電源により、直接提供されてもよいと理解される。
【００１６】
燃料電池システム１０の他の構成要素について、燃料電池システム１０は、圧力調整器１４に接続された排出管（outlet conduit）１２を有する水素供給源１１（例えば、水素貯蔵タンク）を含んでもよい。圧力調整器１４の排出口及び水素ポンプ３０の排出口は、複数の流れを一つに結合するために接続され、入来燃料流を生成する。入来燃料流は、パワースタック２０のアノード取入口部２２によって受け入れられる。本発明のいくつかの形態において、パワースタック２０は、また、酸化剤又はフレア（flare）と接続されてもよいカソード排ガス排出口２６を含む。以下にさらに詳述するように、燃料電池システム１０の制御装置４４は、例えば、排出流が水素ポンプ３０から除去されるときに調整する流れ制御弁４０の制御操作と同様に、出力調整回路５０の操作を調整してもよい。
【００１７】
本発明の特定の実施形態に従って、水素ポンプ３０は、水素がシステム１０に導入される方向に対して、前記パワースタック２０の前又は後に配置されてもよい。起動の問題を軽減するかもしれないので、ポンプ３０が入ってくる水素を初めに受け取るように、水素ポンプ３０を配置することは好都合かもしれない。本発明のいくつかの形態において、水素ポンプ３０は、燃料電池システム１０の起動時に直ちに水素で満たされる。そうすることによって、ポンプ３０は起動することができる。前記起動問題を回避する他の方法は、燃料電池が恒常的に高電圧を保持している間、流れ制御弁又は補助の除去電磁弁を十分に開放するよう制御し、単一セルのカスケードステージ７６（図２と共に以下に詳述される）から水素を放出する。そして、単一のカスケードステージ７６のセルが水素を認識するとき、そのポンプ電圧は減少し、同時にポンプ電流が増加する。この時点で、前記電磁弁又は流れ制御弁は閉じるよう制御される。再構成された流れから汚染物質を洗浄することを目的としてパワースタック２０の前方に水素ポンプ３０を配置することもまた好都合かもしれない。このような配置で、新しく再構成された流れと同様に、パワースタック２０からの廃水素が水素ポンプ３０に入り、純粋な水素のみがパワースタック２０に戻る。このように、水素ポンプ３０は、精製装置と再循環装置との両方として作用する。
【００１８】
燃料電池スタックのアノード排ガスのフィードバックループにおける電気化学的水素ポンプの使用は、以下の利点の一つ又はそれ以上を含んでもよい。水管理のための排ガス再循環は、窒素の積み重ねという不利益なしで達成されてもよい。水素ポンプ３０は、本来、アノードループにおいて循環するガスの濾過作用を提供する。排出ガスの機械的再循環により、もし供給ガス（水素）が希釈剤又は汚染種により汚染されているならば、前記混入物は直接除去されないので、電力生成スタックの性能を損なう結果となる。しかしながら、水素ポンプ３０により、前記希釈剤は、恒常的に除去され、結果として精製されたアノード水素のループをもたらす。さらに、水素ポンプ３０は、固体状態の装置である。これは、ブロワー及びコンプレッサーのような装置を含む従来の排ガス再循環方法を超えるいくつかの重要な利点を有する。可動部が無いので、信頼性はより高い（例えば、ブロワー及びコンプレッサーを超える利点）。水素のポンピングは、機械的圧縮に比べて、より等温過程であるので、高性能を達成することができ、これはシステム補助のためのより低い出力消費を意味する。これは、特に低い負荷で真実であり得て、そこでは、水素ポンプ３０は、ポンピング電圧においてほぼ線形の応答により、効率的に少ない流量に低下してもよい（一方で、ブロワー又はコンプレッサーは、かなりの出力を出し続ける）。水素ポンプ３０は、可動部を有さないので、ブロワー又はコンプレッサーの密封におけるガス漏れに関連する問題は、解消する。水素ポンプ３０は、窒素を超えて水素を優先的に選択し、再循環させる。これは、機械的システムではできない。パワースタック２０（以下で更に詳述する）と統合された装置として構築される時、この配置は、配管又はホース接続部を除外することにより、コストをより低くすることができる。
【００１９】
他の利点及び異なる利点は、本発明の様々な形態で可能である。
【００２０】
本発明のいくつかの実施形態によると、１．２の化学量論的量の水素流が、パワースタック２０に供給され、スタック２０の燃料電池が水素を「渇望」ではないということを確保する。これは、前記水素ポンプ３０は、約０．２の化学量論的量の水素流を、パワースタック２０のアノード取入口２２に戻すように循環することを意味する。
【００２１】
より特定の実施例として、本発明のいくつかの実施形態に従って、パワースタック２０及び水素ポンプ３０は、双極流路板の同一スタックの一部である。従って、同一の電流が、パワースタック２０の電池及び前記水素ポンプ３０の電池を通って流れる。この実施例のために、パワースタック２０は、７０のセルを有し、前記水素ポンプ３０は、１４のセルを有すると仮定する。０．６Ａ／ｃｍ２の電流密度で水素ポンプ３０を通る０．２の化学量論的量の水素流に対して、水素ポンプ３０の個々のセル電圧は、約０．０６ボルトである。従って、水素ポンプ３０に要求される出力は、約１３２ワットである（活性領域２６２ｃｍ２に対して）となる。もし、個々のセルが、水素ポンプ以外のアノード排ガス流を制限することにより、０．６Ａ／ｃｍ２、０．０９ボルトで作動するよう制御されているならば、水素ポンプ３０に要求される出力は、約１９８ワットに増加する。
【００２２】
図２を参照して、水素ポンプに提供するために直列に接続されたセルが用いられる上述の方法に代えて、本発明のいくつかの形態に従って、以下に詳述するように、水素ポンプ３０は、電気的に直列に連結され、反応物もまた直列に受け入れるカスケードステージ６０、６８、７６の相互接続から形成されている。各カスケードステージ６０、６８、７６は、電気化学的水素ポンプとして機能している。従って、カスケードステージ６０は、パワースタック２０からのアノード排ガス流から水素流を生成し、第２のアノード排ガス流を残す。カスケードステージ６８は、第２のアノード排ガス流から水素流を生成し、第３のアノード排ガス流を残す。カスケードステージ７６は、第３のアノード排ガス流から水素流を生成する。前記カスケードステージ６０、６８及び７６からの前記水素の流れは結合され、水素ポンプ３０のカソード排ガス排出口３６に現れる。
【００２３】
前記カスケード配列は、平行なガスの流れと、直列電流との構造により生じるセルとセルとの間のアノード流の流通問題を克服する。今、接続のより詳細な細部に言及すると、前記カスケード配列では、アノード取入口３２は、アノード排ガスを、パワースタック２０からカスケードステージ６０のアノードプレナムに運ぶ。パワースタック２０からのアノード排ガス流に対応して、カスケードステージ６０は、カスケードステージ６０のカソードプレナムで水素ガス流を創成し、この流れはカスケード６０のカソード排ガス排出口６４を通って、水素ポンプ３０のカソード排ガス排出口３６へ流される。カスケードステージ６０からのアノード排ガスは、アノード排ガス排出口６２を通過して、次のカスケードステージ６８の前記アノードプレナムに送られる。
【００２４】
カスケードステージ６８は、入来アノード排ガス流から水素を回収し、カスケードステージ６８のカソードプレナムで水素ガス流を形成する。前記水素ガス流は、カスケードステージ６８のカソード排ガス排出口７２を通って、水素ポンプ３０のカソード排ガス排出口３６に流される。カスケードステージ６８からのアノード排ガスは、カスケードステージ６８のアノード排ガス排出口７０を通過して、最後のカスケードステージ７６のアノードプレナムに送られる。
【００２５】
カスケードステージ７６は、入来アノード排ガス流から水素を回収し、カスケードステージ７６のカソードプレナムで水素ガス流を形成する。カスケードステージ７６は、前記水素ガス流を、カスケードステージ７６のカソード排ガス排出口７８を通って、水素ポンプ３０のカソード排ガス排出口３６に流す。カスケードステージ７６からのアノード排ガスは、水素ポンプ３０のアノード排ガス排出口３４に流される。
【００２６】
図２は、３つのカスケードステージを表わしているが、本発明の特定の形態によれば、水素ポンプ３０は、より少ない又はより多いカスケードステージを有してもよい。さらに、本発明のいくつかの形態に従って、各カスケードステージは、異なる数のセルを有していてもよい。前記電流密度または活性領域も、カスケードステージ間で等しくなる必要はない。流路板の集積スタックとして前記カスケードステージを構築するのに便利であるが、本発明のいくつかの形態において、前記アノード排ガス流からくる水素の付加的な浄化は、おそらく５０ｃｍ２の活性領域の小さな単一セルを通して前記流れをポンピングすることにより達成されてもよい。
【００２７】
より詳細な実施例として、本発明のいくつかの形態に従って、カスケードステージ６０は１０の燃料電池を含み、カスケードステージ６８は３つの燃料電池を含み、カスケードステージ７６は１つの燃料電池を含む。最初の二つのカスケードステージ６０及びカスケードステージ６８は、例えば、１．２を超える化学量論的量の水素流を有していてもよく、単一セルのカスケードステージ７６の流れは、流れ制御弁４０（図１参照）により制御されている。この配列において、毎分約１５．３リットルの全循環流が、カスケードステージ６０のアノード室を通過する。０．６Ａ／ｃｍ２（本実施例では約１５７アンペア）で、カスケードステージ６０は、毎分約１０．９リットルの水素を、パワースタック２０のアノード取入口２２（図１参照）に還流する。カスケードステージ６８の個々のセルは、カスケードステージ６０への約９４ワットの総入力のため、それぞれ約０．０６ボルトのセル電圧を有する。
【００２８】
カスケードステージ６８のため、毎分約４．５リットルのアノード排ガスが、カスケードステージ６８のアノード室に導かれる。０．６Ａ／ｃｍ２（本実施例では約１５７アンペア）で、カスケードステージ６８は、毎分約３．３リットル水素を、パワースタック２０のアノード取入口２２に還流する。カスケードステージ６８の個々のセルは、約２８ワットの入力のため、それぞれ約０．０６ボルトのセル電圧を有する。
【００２９】
単一セルのカスケードステージ７６のため、カスケードステージ６８からのアノード排ガス（毎分約１．２リットル）は、カスケードステージ７６のアノード取入口に導かれる。０．６Ａ／ｃｍ２（本実施例では約１５７アンペア）の電流密度で、カスケードステージ７６は、毎分約１．１リットルの水素を、前記燃料電池のアノード取入口２２に還流する。カスケードステージ７６のセルは、約１７ワットの入力のため、約０．１１ボルトのセル電圧を有する。このセルの電圧は、流れ制御弁４０を経由して約０．１１ボルトになるように、制御装置４４（図１参照）によって調整されている。従って、セル電圧が０．１１ボルト近傍のある限界電圧以下に減少することに対応して、制御装置４４は、流れ制御弁４０を開放し、セルからガスを除去して、前記電圧が０．１１ボルトに上昇するようにする。本発明の他の形態において、この配列は、適当な大きさの流出口（bleed olifice）によって置換されてもよい。この場合、流出は、毎分約１％又は毎分１ｃｍ３の水素含量で、毎分約０．１リットルの水準である。本発明のいくつかの形態において、この流出流は、パワースタック２０のカソード取入口２４に還流される。
【００３０】
上述のカスケード配列を用いることにより、非カスケード式セルスタック水素ポンプで生じる前記アノード流の流通問題は回避され、そして前記水素ポンプ３０を作動するために必要とされる出力は、約１９８ワットから約１３９ワット（上述の実施例において）に低減される。
【００３１】
図３を参照して、本発明のいくつかの形態に従って、サブシステム８０が、カスケードステージ７６から排ガスを放出するために、もう一つの方法として用いられてもよい。従って、前記サブシステムは、流れ制御弁４０（図１参照）の代わりに水素ポンプ３０の排ガス排出口３４に接続されてもよい。サブシステム８０は、排ガスから水を取り除くため、排ガス排出口３４に接続される水トラップ８２を含む。水トラップ８２の排水口８４は、流れ制限口８６に接続され、流れ制限口８６の排出口８８は浄化電磁弁９０に接続されている。浄化電磁弁９０は、制御装置４４（図１参照）によって制御されていてもよい。本発明のいくつかの形態において、電磁弁９０の排水口９４は、周囲の環境と通じている。
【００３２】
操作において、電磁弁９０は、カスケードステージ７６の燃料電池の電圧に対応して開放され、該電圧が所定の限界電圧以下に下落する。そうでなければ、電磁弁９０は、閉じたままである。本発明の他の形態において、電磁弁９０は、ある負荷サイクルで、開放状態と閉鎖状態との間を移動してもよく、本発明のいくつかの実施形態において、前記負荷サイクルは、セルの電圧を調整するよう制御されてもよい。従って、多くの実施形態が可能であり、記載された特許請求の範囲内にある。
【００３３】
図４を参照して、本発明のいくつかの形態に従って、カスケードステージ６０、６８、７６は、同一の燃料電池スタック３１で形成されてもよい。図４は、スタック３１内部の前記内部アノード流路を表す。カスケードステージ６０のために、前記流路板は、プレナム１０２を集合的に形成するために一列に並ぶ開口部を有し、入来燃料流１５０（例えば、パワースタック２０からのアノード排ガス流）をカスケードステージ６０に送る。カスケードステージ６０の前記流路板もまた、プレナム１０８を形成するために一列に並ぶ開口部を有し、カスケードステージ６０からのアノード排ガス流１５８を送る。
【００３４】
アノード排ガスプレナム１０８は、カスケードステージ６８のアノード取入プレナム１０９と共に一列に並べられる。従って、カスケードステージ６０からのアノード排ガス流１５８は、カスケードステージ６８のための入来アノード流として作用する。アノード排ガス流１５８は、カスケードステージ６８のアノード流路を通して送られ、カスケードステージ６８は、結果として生じるアノード排ガス流１５４を、カスケードステージ６８から送るアノード排ガスプレナム１２２を含む。
【００３５】
アノード排ガスプレナム１５４は、カスケードステージ７６のアノード取入プレナム１２３と共に一列に並べられる。従って、カスケード６８からのアノード排ガス流１５４は、カスケードステージ７６のための入来アノード流としての作用する。アノード排ガス流１５４は、カスケードステージ７６のアノード流路を通して送られ、カスケードステージ７６は、結果として生じるアノード排ガス流１６０をカスケードステージ７６から、且つ水素ポンプ３０のアノード排ガス排出口３４（図１参照）に送るアノード排ガスプレナム１３４を含む。
【００３６】
前記カスケード配列の使用は、カスケードステージ６８のような中間カスケードステージにおいてアノード排ガスプレナムに、水を集積する原因となるかもしれない。従って、水は、前記プレナム１２２に集まるかもしれず、カスケードステージのセルで、不安定性を生じるかもしれず、同様に、カスケードステージ６８の操作を中断させるかもしれない。水の集積を管理する一つの方法は、水素ポンプ３０の他の流路板と比較して、カスケードステージの流路板を比較的厚くすることである。比較的大きな板厚は、カスケードステージ６８のアノード流路のためにより大きな断面積を可能にし、それにより水に対応する能力が増加する。
【００３７】
図５を参照して、一般に水素ポンプ３０で水を管理する方法１８０は、第１の厚さでカスケードステージ６０、７６の流路板を形成し（ステップ１８２）、第２の増大した厚さで中間のカスケードステージ６８の流路板を形成すること（ステップ１８４）を含む。
【００３８】
もう一つの方法として、又は前記厚い流路板と組み合わせて、液体の水を吐かせるが、ガスの流れから分離されている膜は、上位のカスケードに集積された液体の水を、除去のために下位のカスケードまで下げて輸送するために使われてもよい。例えば、スポール（Ｓｕｐｏｒ、商標）の膜は、この用途に用いられてもよい。しかしながら、本発明の他の形態において、他の膜が用いられてもよい。
【００３９】
図６を参照して、本発明のいくつかの形態に従って、カスケード分離板２００は、カスケードステージ６０、６８の間で、水管理の目的のために用いられてもよい。カスケード分離板２００は、カスケード６８のアノード排ガスプレナム１２２（図４参照）及びカスケード６０のアノード取入プレナム１０２と、一列に並べられた開口部２０１を含む。アノードプレナム１０２、１２２を分離する膜２０２は、開口部２０１に備えられているが、プレナム１０２、１２２で前記ガス流と分離されている。前記膜２０２は、アノード排ガスプレナム１２２から水を集める芯としての役割を果たし、水をアノード取入プレナム１０２に流す。図６に示すように、凹部２０４は、水滴のノックアウトを促進する低流速の局所領域を創成することを目的として膜２０２の上部に存在してもよい。
【００４０】
他の変形例は、本発明の他の形態で、カスケードステージ６８から水を集めるために用いられてもよい。例えば、本発明の他の形態において、フロート弁又はＵ字トラップは、アノード排ガスプレナム１２０から水を集めるために用いられてもよい。他の実施例として、水位検出電磁弁は、カスケードステージ６８から水を除去するために用いられてもよい。
【００４１】
測定器具もまた、カスケードステージ６８で水の生成を防ぐために用いられてもよい。更に詳細には、本発明のいくつかの形態に従って、精密な熱調整が、水素ポンプ３０での水の蓄積を防止するために用いられてもよい。電気的負荷であるので、水素ポンプ３０は、技術的に熱を生成するが、ポンプ３０を形成するスタックは、周囲の環境に充分以上の熱を放出し、それ自体を冷却状態に保持する。従って、水素ポンプ３０への「冷却剤」の流れは、実際に、スタックが周囲の環境に充分以上の熱を放出し、それ自体を冷却状態に保持するように、前記スタックに熱を供給する。そこで、本発明のいくつかの形態に従って、熱エネルギーが水素ポンプ３０に供給され、ポンプの作動温度を水素の露点に上昇させ、水の凝結が妨げられないことを最小限に抑える。
【００４２】
図７を参照して、これを達成するため、ヒーターパッド２６２は、水素ポンプ３０が形成されるスタック２５０に分配されてもよい。図７に示すように、本発明のいくつかの形態で、ヒーターパッド２６２は、カスケードステージの境界に位置している。しかしながら、本発明の他の形態で、ヒーターパッド２６２は、前記スタックを通して一組のセルの間隔で（例えば、４セル毎に）、スタックの全セルの間に位置してもよい。従って、多くの変形例が可能であり、記載された特許請求の範囲内にある。
【００４３】
水素ポンプ３０は、多くの方法で加熱されてよいが、ヒーターパッド２６２、スタック２５０を取り囲むパッドヒーター、完全な包囲状態を加熱するパッドヒーターなどのような、間に配置されるパッドヒーターに限定されない。パッドヒーターはまた、非絶縁抵抗ヒーターとしてセル間に配置されてもよく、前記スタックは、前記抵抗ヒーターを通過する電流を用いて加熱されてもよい。受動的ヒーターもまた、例えば、パワースタック２０の余熱を用いることにより実現されてもよい。さらに、注入口より約５℃以上高い、パワースタック２０から排出された冷却剤の全ては、水素ポンプ３０のスタックに供給されてもよく、それによってポンプスタックの作動温度を、その注入口の水素流の露点近くまで上昇させる。
【００４４】
本発明のいくつかの形態に従って、水素ポンプ３０及びパワースタック２０は、同一のスタックに統合されてもよい。従って、図１では、パワースタック２０と水素ポンプ３０との間で、排ガス流及び燃料入力流を送る明確な導管２９、３７を表わしているが、これらの「導管」は、本発明のいくつかの形態に従って、同一のスタック内部のプレナムであってもよい。
【００４５】
より詳細な実施例として、図８は、本発明のいくつかの形態に従って、パワースタック２０及び水素ポンプ３０を形成するスタック３００の内部アノード流路を示す。図４との結合における図８を参照して、カスケードステージ６０のアノード取入プレナム１０２は、パワースタック２０のアノード排ガスプレナム３１０と一列に並べられ、パワースタック２０のアノード排ガスプレナム３１０と流動的に連絡した状態にある。入来アノード流３０４は、パワースタック２０のアノード取入プレナム３０８に入り、電気化学的反応により消費されなかった入来アノード流３０４の一部は、水素ポンプ３０により処理されるアノード排ガス流１５０を形成する。
【００４６】
図９は、本発明の一形態に従って、スタック３００の内部カソード流路を示す。図示のように、パワースタック２０は、酸化剤取入流３７２を受け入れるカソード取入プレナム３７４を含んでいる。酸化剤取入流３７２は、パワースタック２０の酸化剤流路を通って流され、カソード排ガスプレナム３７９で酸化剤排出流３７８を生成する。水素ポンプ３０のアノード排ガスからの流出流は、カソード取入プレナム３７４内の口部３８０を経由して流される。もう一つの方法として、流出流は、水素ポンプ３０のアノード排ガスからカソード排ガスプレナム３７９に流される。
【００４７】
図１０及び１１は、それぞれ本発明のいくつかの形態に従って、パワースタック２０及び水素ポンプ３０の典型的な流路板４００、４２０の平面図を示す。図１０を参照して、流路板４００に開口するアノード入口部４０２及びアノード排出口部４１２は、互いに対角線上で対向している。さらに、流路板４００に開口するカソード入口部４０６およびカソード出口部４０８もまた、互いに対角線上で対向している。流路板４００は、冷却剤入口孔４０４及び冷却剤出口孔４１０を含む。
【００４８】
図１０、１１の両方を参照して、流路板４００のアノード入口部４０２は、流路板４２０のカソード出口部４２４と一列に並んでいる。流路板４００のカソード入口部４０６は、流路板４２０のアノード出口部４２８と一列に並んでいる。流路板４００のアノード出口部４１２は、流路板４２０のアノード入口部４３６と一列に並んでいる。本発明のこれらの形態で、水素ポンプ３０は、パワースタック２０のカソード出口部４０８の上部に直接配管を用いず接続されており、それでこのプレナムは、カスケード間を移動するための中間交換ポートとしての役割を果たしている。
【００４９】
図１２を参照して、本発明のいくつかの形態に従って、燃料電池システム５００は、図１の燃料電池システム１０の代わりに用いられてもよい。燃料電池システム５００は、燃料電池システム１０と共通の構成要素を有し、同様の参照符号と、以下に指摘する相違点とにより記載されている。
【００５０】
相違点について、燃料電池システム５００は、付加的なアノード排ガス再循環流を含む。より詳細には、燃料電池システム５００は、パワースタック２０のアノード排ガス排出口２８と、スタック２０のアノード取入口２２との間に、他の再循環流路を構築するために、ベンチュリ管５２０を用いる。この点で、ベンチュリ管５２０の入口部５０８は、水素供給源１１によって供給される燃料流のような、入来燃料流を受け入れるために接続される。ベンチュリ管５２０の出口部５１０は、アノード取入口２２と接続され、流路又は導管５０４は、アノード排ガス排出口２８をベンチュリ管５２０のフィード入口部５０９に接続する。アノード取入口２２で圧力を遠隔検知する圧力調整器５２２は、入口部５０８への入来燃料流を調整する。
【００５１】
この配列によって、比較的一定のフィードバック流が、水素ポンプ３０のカソード排ガス排出口３６から流路又は導管３７を通じて形成される。この流れは、一般に、図１３で破線６０２によって表され、破線は、システム出力又はパワースタック２０に対する新たな水素燃料の流れを意味する「原動力となる（motive）」流れに対して、水素ポンプ流を示す。図１３と併せて図１２を参照して、前記システム出力が低いときで、燃料電池システム５００の最初の起動の間、ベンチュリ管５２０を通る前記フィードバック流は、一般に、曲線６００により示されるように、パワースタック２０のアノード取入口２２に戻るアノード排ガスの再循環全体を構築し、アノード取入口２２にフィードバックされるアノード排ガスを再循環する全てである。
【００５２】
図１３から明らかなように、燃料電池システム５００の最初の起動の間、水素ポンプ３０からの流れは、（ベンチュリ管５２０を通るフィードバックに比較して）比較的少ない。しかしながら、燃料電池システム５００の最初の起動段階の後、水素ポンプ３０からのフィードバック流は、燃料電池システム５００の全体の効率を著しく増加するよう支配する。
【００５３】
本発明は、限られた数の形態に関してだけ開示されているが、この開示の恩恵を受ける当業者は、そこからの多くの修正や変形例を理解するだろう。添付した請求項は、本発明の真実の思想と範囲に収まるような、修正や変形例を全て保護することを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一形態に従う燃料電池システムの概略図。
【図２】本発明の一形態に従う図１における水素ポンプの概略図。
【図３】本発明の一形態に従う水素ポンプのアノード排ガスサブシステムの概略図。
【図４】本発明の一形態に従うスタックを通るアノード流を示す水素ポンプの燃料電池スタックの概略図。
【図５】本発明の一形態に従う水素ポンプのカスケード内部の水を管理する技術を示すフローチャート。
【図６】本発明の一形態に従う水素ポンプの流路板の説明図。
【図７】本発明の一形態に従う水素ポンプの燃料電池スタック及びスタックの加熱機構の概略図。
【図８】本発明の一形態に従う出力と、スタックのアノード流を示す水素ポンプの燃料電池スタックとの結合の概略図。
【図９】本発明の一形態に従う出力と、スタックのカソード流を示す水素ポンプの燃料電池スタックとの結合の概略図。
【図１０】本発明の一形態に従う出力と水素ポンプの燃料電池スタックとの結合であるパワースタックの一部の典型的流路板の平面図。
【図１１】本発明の一形態に従う出力と水素ポンプの燃料電池スタックとの結合である水素ポンプの一部の典型的流路板の平面図。
【図１２】本発明の他の形態に従う燃料電池システムの概略図。
【図１３】本発明の一形態に従う図１２の燃料電池システムのアノードフィードバック流の曲線を表す図。
【符号の説明】
【００５５】
１０，５００…燃料電池システム、  ２０…パワースタック、  ３０…電気化学的ポンプ、  ５２０…ベンチュリ管。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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