(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．還元剤流体と酸化剤流体から電気エネルギーを発生するための少なくとも１つの燃料電池手段と、
ｂ．炭化水素燃料を前記還元剤流体に処理するための燃料処理構成要素手段であって、前記燃料電池手段からアノード電極からの排出流の流れを受け取り、燃焼させ、燃焼した前記アノード電極からの排出流の流れを電力設備排出通路に導く、補助燃焼器を備える燃料処理構成要素手段と、
ｃ．酸化剤の供給源から前記燃料電池手段の中に処理酸化剤の流れを導く第１の酸化剤通路と、
ｄ．前記燃料電池手段から前記電力設備排出通路にカソード電極からの排出流の流れを導くカソード電極排出通路であって、前記カソード電極からの排出流の流れは燃焼した前記アノード電極からの排出流の流れと混合されて、電力設備からの排出流の流れとなる、カソード電極排出通路と、
ｅ．前記第１の酸化剤通路および前記電力設備排出通路と連通するように取り付けられた物質と熱を直接移動させる装置であって、
ｉ．前記電力設備からの排出流の流れの中の極性分子から成る流体物質を吸着し、かつ極性分子から成る前記流体物質を前記処理酸化剤の流れの中に脱着するための移動媒体手段と、
ｉｉ．前記処理酸化剤を受ける入口室と、前記電力設備からの排出流の流れを受ける排出室を備え、これら両方の流れがセパレータハウジング内の前記移動媒体手段と接触するように前記移動媒体手段を保持するセパレータハウジング手段と、を備える物質と熱を直接移動させる装置と、
を備えることを特徴とする還元剤流体と酸化剤流体から電気エネルギーを発生する燃料電池電力設備のための物質と熱を回収する装置。
【請求項２】
前記移動媒体手段は、液体の水を含むイオノマー膜からなることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記移動媒体手段は、液体の水を含むイオノマー膜の管から成ることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記移動媒体手段は、気体の流れから水分を吸着することができ、かつ、気体の流れの中に水分を脱着することができる乾燥剤から成ることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記セパレータハウジング手段は、エンタルピーホイールを備え、前記エンタルピーホイールは、前記エンタルピーホイールの回転軸に沿って延びる複数の通路に前記乾燥剤を保持し、前記エンタルピーホイールは、前記乾燥剤が前記セパレータハウジングの入口室と排出室との間で移動するように前記入口室と前記排出室の中で回転可能に保持され、吸着された水分を電力設備からの排出流の流れから前記処理酸化剤の流れへ直接移動するように、前記エンタルピーホイールが、前記入口室を通る前記処理酸化剤の流れおよび前記排出室を通る前記電力設備からの排出流の流れと平行した軸の周りに回転することを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記燃料電池手段における電解質が、プロトン交換膜であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】
ａ．少なくとも１つの燃料電池であって、
ｉ．第１の表面と、逆向きの第２の表面とを有する電解質と、
ｉｉ．前記電解質の前記第１の表面に密接に接触するように多孔質のアノード電極保持層により保持されたアノード電極と、前記電解質の前記第２の表面に密接に接触するように多孔質のカソード電極保持層により保持されたカソード電極と、を備え、前記多孔質のアノード電極保持層によって、前記アノード電極と接触するように還元剤流体の流れが導かれ、前記多孔質のカソード電極保持層によって、前記カソード電極と接触するように酸化剤流体の流れが導かれる、燃料電池と、
ｂ．炭化水素燃料を前記還元剤流体に処理するための燃料処理構成要素手段であって、前記燃料電池手段からアノード電極からの排出流の流れを受け取り、燃焼させ、燃焼した前記アノード電極からの排出流の流れを電力設備排出通路に導く、補助燃焼器を備える燃料処理構成要素手段と、
ｃ．酸化剤の供給源から前記多孔質のカソード電極保持層の中に処理酸化剤の流れを導く第１の酸化剤通路と、前記燃料処理構成要素手段のための処理酸化剤として、前記処理酸化剤の流れの一部を、前記燃料処理構成要素手段の中に導く第２の酸化剤通路と、
ｄ．前記多孔質のカソード電極保持層から前記電力設備排出通路にカソード電極からの排出流の流れを導くカソード電極排出通路であって、前記カソード電極からの排出流の流れは燃焼した前記アノード電極からの排出流の流れと混合されて、電力設備からの排出流の流れとなる、カソード電極排出通路と、
ｅ．前記第１の酸化剤通路および前記電力設備排出通路と連通するように取り付けられた物質と熱を直接移動させる装置であって、
ｉ．前記電力設備からの排出流の流れの中の極性分子から成る流体物質を吸着し、かつ極性分子から成る前記流体物質を前記処理酸化剤の流れの中に脱着するための移動媒体手段と、
ｉｉ．前記処理酸化剤を受ける入口室と、前記電力設備からの排出流の流れを受ける排出室を備え、これら両方の流れがセパレータハウジング内の前記移動媒体手段と接触するように前記移動媒体手段を保持するセパレータハウジング手段と、を備える物質と熱を直接移動させる装置と、
を備えることを特徴とする還元剤流体と酸化剤流体から電気エネルギーを発生する燃料電池電力設備のための物質と熱を回収する装置。
【請求項８】
前記燃料処理構成要素手段は、前記補助燃焼器から熱を受け取り、水蒸気を発生させる水蒸気発生装置と、前記水蒸気発生装置との間の水蒸気ラインを通して前記水蒸気発生装置から前記炭化水素燃料と混合された水蒸気を受け取る改質装置と、前記炭化水素燃料を前記水蒸気ラインに供給する前記炭化水素燃料の供給源と、改質燃料を前記アノード電極保持層の中に導く改質燃料排出ラインと、をさらに備え、前記第２の酸化剤通路によって、前記水蒸気ラインに前記処理酸化剤の流れの一部が導かれることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記装置は、前記物質と熱を直接移動させる装置と連通した、前記処理酸化剤の流れの一部を前記補助燃焼器に導く第３の酸化剤の通路を備えることを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記移動媒体手段は、液体の水を含むイオノマー膜から成ることを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記移動媒体手段は、液体の水を含むイオノマー膜の管から成ることを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１２】
前記移動媒体手段は、気体の流れから水分を吸着することができ、かつ、気体の流れの中に水分を脱着することができる乾燥剤から成ることを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１３】
前記セパレータハウジング手段は、エンタルピーホイールを備え、前記エンタルピーホイールは、前記エンタルピーホイールの回転軸に沿って延びる複数の通路に前記乾燥剤を保持し、前記エンタルピーホイールは、前記乾燥剤が前記セパレータハウジングの入口室と排出室との間で移動するように前記入口室と前記排出室の中で回転可能に保持され、吸着された水分を電力設備からの排出流の流れから前記処理酸化剤の流れへ直接移動するように、前記エンタルピーホイールが、前記入口室を通る前記処理酸化剤の流れおよび前記排出室を通る前記電力設備からの排出流の流れと平行した軸の周りに回転することを特徴とする請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
前記電解質は、プロトン交換膜であることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項１５】
ａ．少なくとも１つの燃料電池を設け、前記燃料電池は、
ｉ．第１の表面と、逆向きの第２の表面とを有する電解質と、
ｉｉ．前記電解質の前記第１の表面に密接に接触するように多孔質のアノード電極保持層により保持されたアノード電極と、前記電解質の前記第２の表面に密接に接触するように多孔質のカソード電極保持層により保持されたカソード電極と、を備え、前記多孔質のアノード電極保持層によって、前記アノード電極と接触するように還元剤流体の流れが導かれ、前記多孔質のカソード電極保持層によって、前記カソード電極と接触するように酸化剤流体の流れが導かれ、
ｂ．酸化剤の供給源から第１の酸化剤通路を通して前記多孔質のカソード電極保持層の中に処理酸化剤の流れを導き、
ｃ．前記多孔質のアノード電極保持層から燃料処理構成要素の補助燃焼器にアノード電極からの排出流の流れを導き、前記アノード電極からの排出流の流れを燃焼させ、燃焼した前記アノード電極からの排出流の流れを電力設備排出通路に導き、
ｄ．前記多孔質のカソード電極保持層からカソード電極排出通路を通してカソード電極からの排出流の流れを電力設備排出通路に導き、燃焼した前記アノード電極からの排出流の流れを前記カソード電極からの排出流の流れと混合し、電力設備からの排出流の流れとし、
ｅ．前記電力設備からの排出流の流れの中の極性分子から成る流体物質を吸着し、かつ極性分子から成る前記流体物質を前記処理酸化剤の流れの中に脱着する移動媒体がセパレータハウジング内に保持されてなる物質と熱を直接移動させる装置に、両方の流れが前記移動媒体と接触するように、前記処理酸化剤の流れと、前記電力設備からの排出流の流れを導く
ことを特徴とする燃料電池電力設備から排出される物質と熱を回収するための燃料電池電力設備の作動方法。
【請求項１６】
前記燃料処理構成要素のための処理酸化剤として、前記処理酸化剤の流れの一部を、第２の酸化剤通路を通して、前記燃料電池電力設備の前記燃料処理構成要素に導くことを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記処理酸化剤の流れの一部を、前記第２の酸化剤通路を通して、前記燃料電池電力設備の改質装置に水蒸気と炭化水素燃料を供給する水蒸気ラインの中に導き、前記処理酸化剤の流れの一部を、第３の酸化剤通路を通して、前記燃料電池電力設備の水蒸気発生装置に熱を供給する補助燃焼器に導くことを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記処理酸化剤の流れと前記電力設備からの排出流の流れを、液体の水を含むイオノマー膜と接触するように導くことにより、前記処理酸化剤の流れと前記電力設備からの排出流の流れを流体が移動するように導くことを特徴とする請求項１５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、輸送手段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、水蒸気などの電力設備から排出される物質と熱を回収し、その物質と熱を電力設備に戻るように移動させる燃料電池電力設備に関する。
【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などの電気装置に電力を供給するように、還元剤流体と酸化剤流体から電気エネルギーを発生す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、還元剤流体、酸化剤流体、冷媒流体、生成物流体の流れを方向付けるためのマニホールドを規定する電気絶縁体枠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。水素などの反応物すなわち還元剤流体は、アノード電極に供給され、酸素や空気などの酸化剤は、カソード電極に供給される。電解質としてプロトン交換膜を使用する燃料電池では、水素は、アノード電極の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、外部の負荷回路に伝わり、それから、カソード電極に戻り、同時に、水素イオンは、電解質を通って、カソード電極に移動し、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」）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仕切が、還元剤流体と酸化剤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。しかしながら、よく知られるように、ＰＥＭ型燃料電池には、特に、液体状の水がＰＥＭに移動し、ＰＥＭを通って、さらにＰＥＭから移動することに関し、またガス状の還元剤や酸化剤の流体が、同時に、ＰＥＭの両面に隣接した電極に移動し、さらにこの電極から移動することに関し、重大な限界がある。先行技術には、これらの限界の影響を最小限に抑える多くの努力が含まれている。
【０００４】
ＰＥＭを使用する燃料電池の作動においては、膜は、水により飽和し、膜に隣接したアノード電極は、湿らせておく必要がある。アノード電極において生成した水素イオンは、電解質を通って移動するので、水分子と形成したヒドロニウムイオンとしてアノード電極からカソード電極に水分子をひきずる（ドラッグする）ことになる。水は、また、浸透によりカソード電極からアノード電極に移動して戻る。カソード電極において生成した生成物である水は、循環する酸化剤の気体の流れの中に蒸発または飛沫同伴することによって、またはカソード電極に隣接した多孔質の流体移動層の中にまたこの移動層を通って毛管現象によって、除去される。多孔質の水が移動できるプレートによって、液体状の水は、冷却水の供給装置からアノード電極へ供給され、またカソード電極から水は除去され、冷却水の供給装置に戻され、それによって、このプレートは、電解質や電極から熱が取り除かれるのにも役に立つ。
【０００５】
ＰＥＭ型燃料電池の作動では、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に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、水がアノード電極に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、還元剤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、酸化剤の気体の流れによって、カソード電極から非常に大量の水が除去される場合、カソードは乾燥し、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。
【０００６】
自動車、トラック、バスなどの輸送手段に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、電力設備の中で効率のよい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に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、輸送手段では、燃料電池電力設備に必要な重量や体積を最低限に抑えるために、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、電力設備が効率的に作動するように、電力設備を通る反応物の気体の流れや酸化剤流体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酸化剤の気体の流れを通して、または、アノード電極から排出される還元剤流体の気体の流れを通して、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。
【０００７】
水のバランスを向上させる通常の方法は、電力設備の排出の流れの下流側に凝縮式の熱交換器を使用することであり、排出の流れは、排出の流れから液体を凝結させるために排出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、電力設備に戻すことができる。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号に示されており、この特許は、参照することによってここに組み込むものとする。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、電力設備の排出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、カソード電極を収容するカソード電極室から排出される排出の流れを冷却するために、熱交換器が使用される。カソード電極室に供給される前に、同一の流れによって、カソード電極のための酸化剤として空気が供給され、さらに、カソード電極室から排出される際、排出の流れには、蒸発した生成水や、ＰＥＭを通過したメタノールの一部、すなわち還元剤流体が含まれる。凝縮式の熱交換器によって、冷却用の周囲の空気の流れと熱交換するように、カソード電極の排出の流れは通過し、次に、熱交換器によって、凝縮したメタノールや水は、間接的に配管装置を通して燃料電池のアノード電極側に戻すように導かれる。
【０００８】
凝縮式の熱交換器によって、燃料電池電力設備の水のバランスやエネルギー効率が向上するが、一方、周囲温度が上昇するにつれて、熱交換器は、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手段に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、熱交換器を通過する場合、周囲の空気温度が上昇するにつれて、電力設備の排出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】
輸送手段で使用するために設計された従来の燃料電池電力設備の別の問題は、さらに、周囲空気条件の変動にある。そのような電力設備の燃料電池では、カソード電極に供給される酸化剤として、通常、周囲空気が利用される。高温の乾燥した周囲空気によって、カソード電極が乾燥する危険が増加する。その結果として、特にＰＥＭ型燃料電池のカソード電極や隣接する電解質が乾燥するのを防止するために、
熱交換器からの凝縮液体を、セルに供給される気体状の反応物や酸化剤の流れを加湿するために供給する、
隣接するセルを通って冷却水が移動するように、電極と連通するように多孔質の保持層や水が移動するプレートを追加する、
セルのアノード電極側に圧力差を発生させ、還元剤気体を分配する通路に隣接した多孔質の保持層を通る冷却水やアノード電極への供給水より幾分高圧に気体状の酸化剤流体が維持され、その結果、多孔質の保持層やセルを通って水が移動するのに圧力差が利用される、
などの多数の努力が払われてきた。効率的な水のバランスを維持するそのような努力には、付加的な費用、重量、体積が含まれ、通常、複雑な制御装置が必要である。
【００１０】
従来の燃料電池電力設備で水のバランスを維持するうえでのさらなる問題は、メタン、天然ガス、ガソリン、ディーゼル燃料などの炭化水素燃料を、水素に富んだ流体をアノード電極に供給する適切な還元剤流体に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補助燃焼器と、
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、この混合物を、燃料電池のアノード電極に供給するのに適した水素に富んだ還元剤流体に変える改質装置と、
が含まれる。これらの燃料処理構成要素には、さらに、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として、必要な水やエネルギーが含まれる。補助燃焼器の水蒸気発生装置で蒸気にされた水は、カソード電極の排出の流れや関連する配管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。さらに、補助燃焼器や改質装置をも維持する処理酸化剤の流れは、これらの構成要素の性能の変動を抑えるために、安定した湿度範囲に維持される必要がある。燃料処理構成要素のための処理酸化剤の流れが、周囲空気により供給される場合、これらの燃料処理構成要素の性能を安定化させるために処理酸化剤の流れを加湿することによって、そのような燃料電池電力設備の自己充足した水のバランスを維持するのは、いっそう複雑になる。
【００１１】
従って、従来の燃料電池電力設備、カソード電極の酸化剤として周囲の空気を使用する電力設備、凝縮式の熱交換器や燃料処理構成要素のために周囲の空気を使用する電力設備は、これらの上述した特徴によって、効率のよい水のバランスを最大限に実施することも、必要な作動エネルギーを最小限に抑えることもできない。従って、電力設備全体に対して効率的な水のバランスを実現し、電力設備に必要とされるエネルギーを最小限に抑える、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。
【００１２】
【発明の開示】
本発明は、燃料電池電力設備のための物質と熱を回収する装置である。回収装置は、少なくとも１つの燃料電池と、燃料電池のための水素に富んだ還元剤流体を製造する炭化水素の燃料を処理するための構成要素と、水蒸気などの電力設備から排出される物質と熱を回収し、回収された物質と熱を電力設備に戻るように移動させる、物質と熱を直接移動させる装置と、を備える。燃料電池は、第１、第２の互いに逆向きの主要な表面を有する電解質と、第１の主要な表面に密接に接触するように多孔質のアノード電極保持層により保持されたアノード電極と、第２の主要な表面に密接に接触するように多孔質のカソード電極保持層により保持されたカソード電極と、を備える。多孔質のアノード電極保持層によって、アノード電極と接触するように水素に富んだ還元剤流体の流れが導かれ、カソード電極保持層によって、カソード電極と接触するように空気などの処理酸化剤の流れが導かれ、それによって、酸化剤をカソード電極に供給し、また、カソード電極で生成した生成水やアノード電極から電解質を通って運ばれた水を、カソード電極の排出の流れの中に蒸発または飛沫同伴することによって、また酸化剤の流れの中に含まれる湿気による水分などを、除去する。燃料を処理するための構成要素は、水蒸気を発生するために熱を供給する補助燃焼器と、炭化水素燃料および少量の空気と混合された水蒸気を受け取り、この混合物を、アノード電極に水素を供給するのに適した水素に富んだ流れに変える改質装置と、を備える。
【００１３】
物質と熱を直接移動させる装置によって、電力設備の上流の処理酸化剤の流れが、カソード電極の排出の流れとアノード電極の排出の流れの両方の流れを含む電力設備の排出の流れと、物質が移動するように通り、アノード電極の排出の流れは、補助燃焼器に供給され、それによって、電力設備の排出の流れの中の水蒸気などの物質と熱が、物質を移動させる装置の物質移動媒体を直接通って、電力設備に供給される処理酸化剤の流れの中に移動する。物質と熱を直接移動させる装置は、処理酸化剤の流れや電力設備の排出の流れと、物質が移動するように移動媒体を保持するためのセパレータハウジング、を備え、それによって、これらの流れが、移動媒体に接触し、セパレータハウジングによって、これらの流れの大部分が混合するのが防止される。移動媒体は、極性分子や無極性分子から成る流体物質を含む流体の流れから水分子などの極性分子から成る流体物質を吸着するためのさまざまな物質のいずれからも構成することができる。例示的な移動媒体には、水が飽和したポリフルオロスルホン酸イオノマー膜の液体の水の部分が含まれる。好ましい実施態様では、物質と熱を直接移動させる装置によって、カソード電極の排出の流れとアノード電極の排出の流れから物質と熱が、回収され、カソード電極のための、また燃料を処理するための構成要素のための、処理酸化剤の流れの中に移動する。より好ましい実施態様では、燃料電池の電解質は、プロトン交換膜（「ＰＥＭ」）である。
【００１４】
燃料電池電力設備のための物質と熱を直接回収する装置を使用する場合、電力設備に供給される処理酸化剤の流れに、カソード電極の排出の流れとアノード電極の排出の流れから直接物質が移動するので、酸化剤の流れによる物質従って熱の取り込み速度は、周囲の空気温度や湿度の関数になるだけでなく、その代わりに、電力設備に供給される酸化剤の流れの中の物質と、電力設備から排出される電力設備の排出の流れの中の物質との分圧差の関数になる。従って、水の回収速度が主として周囲温度の関数になる、周囲空気によって冷却する凝縮式の熱交換器を使用する電力設備より、本発明によって、大量の水が回収される。本発明では、周囲の空気温度が上昇する場合、電力設備の効率を最適化するために必要となる、供給される酸化剤の流れへのカソード電極の排出の流れとアノード電極の排出の流れからの熱移動は、減少するが、直接移動させる装置の物質を移動させる能力は、一定のままである。さらに、複雑で大型の経費の掛かる凝縮式の熱交換器や関連する制御装置は、不要であり、それによって、重量、体積、費用が低減する一方、電力設備の水のバランスやエネルギー効率が増加する。
【００１５】
従って、本発明の一般的な目的は、従来技術の燃料電池電力設備の欠点を克服する、燃料電池電力設備のための物質と熱を回収する装置を提供することである。
【００１６】
より具体的な目的は、作動条件の広い範囲に亘って、水を自己充足する、燃料電池電力設備のための物質と熱を回収する装置を提供することである。
【００１７】
さらに別の目的は、燃料電池電力設備のための物質と熱を回収する装置であって、凝縮式の熱交換器を使用せずに、電力設備から排出される水と熱を電力設備に戻す、燃料電池電力設備のための物質と熱を回収する装置を提供することである。
【００１８】
さらなる別の目的は、燃料電池電力設備のための物質と熱を回収する装置であって、電力設備の処理酸化剤の流れを加湿しかつ加熱するために、電力設備から排出される物質と熱を、処理酸化剤の流れの中に直接戻すように移動させる、燃料電池電力設備のための物質と熱を回収する装置を提供することである。
【００１９】
さらに別の具体的な目的は、燃料電池電力設備のための物質と熱を回収する装置であって、電力設備によって利用される炭化水素の燃料を処理するための構成要素に、水を供給するために、カソード電極の排出の流れとアノード電極の排出の流れの中の電力設備から排出される水を回収する、燃料電池電力設備のための物質と熱を回収する装置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、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、本発明の燃料電池電力設備のための物質と熱を回収する装置が示されており、その全体は参照番号１０で示されている。装置１０は、
少なくとも１つの燃料電池１２と、物質と熱を直接移動させる装置１４を備える。燃料電池１２は、第１の主要な表面１８と、逆向きの第２の主要な表面２０とを有する、プロトン交換膜（「ＰＥＭ」）または酸や塩基の電解質などの電解質１６と、
電解質１６の第１の主要な表面１８に密接に接触するように多孔質のアノード電極保持層２４により保持されたアノード電極２２と、
電解質１６の第２の主要な表面２０に密接に接触するように多孔質のカソード電極保持層２８により保持されたカソード電極２６と、
を備える。多孔質のアノード電極保持層２４、多孔質のカソード電極保持層２８は、多孔質または溝のあるグラファイト製、炭素製、または金属製のシートから作成される。燃料電池１２は、よく知られた方法でスタックを形成するために、他の実質的に同一の燃料電池と組み合わされてもよい。従来技術で一般的なように、燃料電池１２は、燃料電池の中へまた燃料電池から還元剤流体や酸化剤の流れを方向付けるためのマニホールドを規定する枠すなわち構造３０内に囲まれてもよく、さらに構造３０は、燃料電池１２により発生した電流を燃料電池１２から、標準の外部の負荷回路３４などを通して、電気を使用する装置３２に導くための導電手段を備える。
【００２２】
酸化剤の流れを多孔質のカソード電極保持層２８の中に導く第１の酸化剤通路３８を通して、空気などの処理酸化剤すなわち酸化剤の入口の流れは、酸化剤供給源３６から燃料電池１２に供給され、それによって、酸化剤は、カソード電極２６と接触するように通り、カソード電極２６で電気化学反応を促進するために、かつ、カソード電極２６で生成した水やアノード電極２２から電解質１６を通って運ばれた水を、蒸発または飛沫同伴することによって、また酸化剤の流れの中に含まれる湿気による水分などを、酸化剤の流れの中に運び去るために、酸化剤はカソード電極２６に供給される。処理酸化剤の流れは、次に、カソード保持層２８からカソード電極排出通路４０の中をカソード電極の排出の流れとして通過する。還元剤流体の流れは、還元剤流体入口４４を通って多孔質のアノード電極保持層２４の中に導入され、それによって、水素などの還元剤流体は、アノード電極２２と接触する。よく知られた方法で、還元剤流体は、アノード電極で電気化学的に反応し、プロトンと電子を生成し、電子は、輸送手段に動力を供給する電気モータなどの電気装置３２に電力を供給するために、外部の負荷回路３４を流れ、同時に、プロトンは、電解質１６を通って、カソード電極２６に移動する。それから、電子は、引き続き外部の負荷回路３４を通って、カソード電極２６に伝わり、それらはそこで酸化剤と反応し、水と熱を生成する。
【００２３】
燃料電池電力設備のための物質と熱を回収する装置１０は、炭化水素燃料を、燃料電池１２のアノード電極２２に燃料を供給するのに適した還元剤流体に、処理するための燃料処理構成要素手段を備える。そのような電力設備１０を作動させるための例示的な炭化水素燃料には、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、エタノールなどが含まれる。燃料処理構成要素手段は、
アノード電極保持層２４からアノード電極排出通路４８を通してアノード電極の排出の流れとして供給される水素などの過剰の還元剤流体を含む燃料を燃焼させる補助燃焼器４６（便宜上、図１では「補助燃焼器」と標記する）と、
熱導管５２を通して補助燃焼器４６から直接熱を受け取り、水の供給源から水蒸気を発生させる水蒸気発生装置５０（図１では「水蒸気」と標記する）と、
水蒸気発生装置５０から水蒸気ライン５６を通して炭化水素燃料と混合された水蒸気を受け取る、自熱式の改質装置にすることもできる改質装置５４（図１では「Ａ．Ｔ．Ｒ．」と標記する）と、
燃料ライン６０を通して水蒸気ライン５６に燃料を供給する炭化水素燃料供給源５８（図１では「燃料」と標記する）と、
改質装置５４から還元剤流体入口４４に改質燃料を導く改質燃料排出ライン６２と、
補助燃焼器４６から電力設備排出通路４２にアノード電極の排出の流れを導く燃焼器排出通路６４と、
を備えることができる。
【００２４】
アノード電極の排出の流れの中の使用されていない水素に富んだ還元剤流体は、補助燃焼器４６で燃焼し、補助燃焼器４６により発生する熱を増加させ、それによって、補助燃焼器４６から排出されるアノード電極の排出の流れは、補助燃焼器４６と電力設備排出通路６４、４２で不燃性になり、同時に、水が最大限に生成することになる。燃焼したアノード電極の排出の流れは、電力設備排出通路４２でカソード電極の排出の流れと混合され、電力設備の排出の流れとなる。燃料処理構成要素手段は、改質構成要素を含む、通常の水蒸気改質、さまざまな化合物の自熱式の改質、部分的酸化改質などでよく知られた構成要素を備えていてもよい。燃料処理構成要素手段は、通常の炭化水素源から水素に富んだ流体を発生するのに必要とされる化学処理技術の中で一般的によく知られた比較的通常の設計である。例えば、そのような処理では、自熱式の改質装置は、通常、燃料の流れの混合物として受け取った燃料の一部を燃焼させ、華氏約１７００度（以下「°Ｆ」とする）（約９２７℃）の温度に到達する。さらに、燃料処理構成要素手段には、当業技術でよく知られているように、アノード電極保持層２４に供給される還元剤流体の流れの中の一酸化炭素のレベルを最低限に抑えるために、ライン６７によって選択的酸化装置６８に結合されている水シフト反応装置６６が含まれ、ライン６７と選択的酸化装置６８の両方は、改質燃料排出ライン６２と還元剤流体入口４４の間に連通するように取り付けられる。
【００２５】
物質と熱を直接移動させる装置１４は、第１の酸化剤通路３８および電力設備排出通路４２と連通するように取り付けられる。水蒸気や飛沫同伴された液体の水分（極性分子から成る流体）や空気（無極性分子から成る流体）を含む流れなどの、極性分子や無極性分子から成る流体物質を含む第１の流体の流れの中の極性分子から成る流体物質を吸着し、かつ、極性分子から成る流体物質の割合が第１の流体の流れより低い第２の流体の流れの中に吸着した流体を脱着するための、移動媒体手段７２を、物質と熱を直接移動させる装置１４は、備える。例示的な移動媒体手段７２には、デュポン社（Ｅ．Ｉ．  ＤｕＰｏｎｔ  Ｃｏｍｐａｎｙ）（ウィルミントン、デラウェア、アメリカ）により商標名「ナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ）」で販売されている水が飽和したポリフルオロスルホン酸イオノマー膜などのイオノマー膜やイオン交換樹脂の液体の水の部分や、パーマピュア社（Ｐｅｒｍａ  Ｐｕｒｅ，Ｉｎｃ．）（トムズ  リバー（Ｔｏｍｓ  Ｒｉｖｅｒ）、ニュージャージー、アメリカ）により商標名「ＭＥ−シリーズ  水分交換体（ＭＥ−ＳＥＲＩＥＳ  ＭＯＩＳＴＵＲＥ  ＥＸＣＨＡＮＧＥＲＳ）」で販売されている、上述した「ナフィオン」膜により作成された管の液体の水の部分、が含まれる。さらに、付加的な移動媒体には、気体の流れから水分を吸着することができ、かつ、気体の流れの中に水分を脱着することができる、活性炭、シリカゲル、活性アルミナ、活性ゼオライトなどを含む微粉固体結晶状のアルカリ金属化合物やアルカリ土類金属化合物などの乾燥物質が含まれ、より詳細には、ベルディング（Ｂｅｌｄｉｎｇ）等に与えられ、１９９６年８月６日に発行された米国特許第５，５４２，９６８号の第５欄第９行から第６欄第１７行に記載されており、参照することによってここに組み込まれる。
【００２６】
物質と熱を直接移動させる装置１４は、さらに、電力設備の排出の流れや処理酸化剤の流れと、物質が移動するように移動媒体手段７２を保持するためのセパレータハウジング手段７４を備え、それによって、これら両方の流れが、物質の移動媒体手段７２に接触し、セパレータハウジング手段７４によって、これら電力設備の排出の流れと処理酸化剤の流れの大部分が混合するのが防止される。例示的なセパレータハウジング手段７４は、移動媒体手段７２を入口室７６と排出室７８の間に保持する囲い（これは図１で参照番号７４によって図式的に示される）を備えることができる。処理酸化剤の流れは、酸化剤供給源３６から酸化剤供給ライン８０を通って入口室７６に入り、入口室７６を通って、第１の酸化剤通路３８に導かれ、同時に、電力設備の排出の流れは、電力設備排出通路４２から、排出室７８に入り、排出室７８を通って、排出室７８と連通する電力設備排出ライン８２を通って電力設備１０から排出される。付加的なセパレータハウジング手段７４は、従来の流体と流体の熱交換技術では一般的な囲いなどの、処理酸化剤の流れと電力設備の排出の流れの大部分が混合するのを防止しながら、これらの流れを物質の移動媒体手段にいっそう曝すように構成された、より複雑な囲いを備えることができる。セパレータハウジング手段７４の付加的で協同の特徴には、上述した「ナフィオン」膜材料中の液体の水の部分を保持する膜の部分や、パーマピュア社（Ｐｅｒｍａ  Ｐｕｒｅ，Ｉｎｃ．）により商標名「ＭＥ−シリーズ  水分交換体（ＭＥ−ＳＥＲＩＥＳ  ＭＯＩＳＴＵＲＥ  ＥＸＣＨＡＮＧＥＲＳ）」で販売されている上述した「ナフィオン」に基づく管の中の液体の水の部分を保持する管の部分が、含まれる。このようなセパレータハウジング手段７４では、「ナフィオン」に基づく物質の移動媒体手段によって、従来技術でよく知られるように、極性分子から成る流体物質の濃度が最も高い膜の側から、より低い濃度の側に、水蒸気や飛沫同伴された液体の水分などの極性分子から成る流体物質が、選択的に移動するであろう。
【００２７】
さらなる例示的なセパレータハウジング手段は、水分を含有する電力設備の排出の流れと乾燥した処理酸化剤の流れとの間で配置が回転するように、上述した乾燥物質による物質の移動媒体手段を保持するエンタルピーホイールを備え、より詳細には、上述した米国特許第５，５４２，９６８号の第４欄第３５行から第５欄第４行と、概略全体を通して記載されている。エンタルピーホイールは、エンタルピーホイールの回転軸と概略平行に延びる、複数の端部が開口する通路を備え、これらの通路は、通常、エンタルピーホイールを保持するカセットの外側のハウジングに延びる複数層の媒体が作成されるまで、物質の移動媒体である乾燥物質を含む平らなシート状の段ボール紙板をエンタルピーホイールの中心のハブの周りに巻き付けることによって作成する。そのようなエンタルピーホイールは、建造物の空気調和技術でよく知られており、ベディング（Ｂｅｄｄｉｎｇ）等に与えられ、１９９７年８月２６日に発行された米国特許第５，６６０，０４８号にさらに記載されており、参照することによってここに組み込まれる。セパレータハウジング手段として、エンタルピーホイールは、入口室７６と排出室７８を通る流れと平行した軸の周りに回転するように保持され、それによって、電力設備の排出の流れは、エンタルピーホイールの約２分の１を通り、同時に、処理酸化剤の流れは、エンタルピーホイールの他の２分の１を通る。排出室７８内のエンタルピーホイールの第１の部分にある移動媒体手段の乾燥物質は、それによって、電力設備の排出の流れから水蒸気や飛沫同伴された液体の水分などの極性分子から成る流体物質を吸着し、さらに、入口室７６の中にエンタルピーホイールの第１の部分が配置されるようにエンタルピーホイールが回転した際、処理酸化剤の流れの中の極性分子から成る流体物質の濃度が、電力設備の排出の流れの中の極性分子から成る流体物質の濃度より低い場合、乾燥物質に保持された吸着された極性分子から成る流体物質は、処理酸化剤の流れの中に脱着されて、処理酸化剤の流れを加湿し、加熱する。
【００２８】
図１に示されるように、燃料電池電力設備１０のための物質と熱を直接移動させる装置は、さらに、電力設備１０の中への気体状の酸化剤の流れを可変で加速するように、酸化剤供給ライン８０に配置された送風機８４を備えることができる。随意に、送風機８４は、同一の目的で、第１の酸化剤通路３８に沿って配置することができる。
【００２９】
電力設備１０が上述した燃料処理構成要素手段を備える図１に示されるように、酸化剤の流れを多孔質のカソード電極保持層２８に供給する第１の酸化剤通路３８は、自熱式の改質装置５４のための処理酸化剤となるように、処理酸化剤の流れの一部を、水蒸気ライン５６などの燃料処理構成要素手段の中に導く第２の酸化剤通路８６を備えるように、分岐することもでき、それによって、物質と熱を直接移動させる装置１４により電力設備の排出の流れから処理酸化剤の流れの中に回収された水蒸気などの物質と熱の一部が、自熱式の改質装置５４に供給される水蒸気と燃料の混合物の中に導かれる。このようにして、補助燃焼器４６や水蒸気発生装置５０に必要となる全体の熱と水蒸気が、低減される。
【００３０】
燃料処理構成要素手段をさらに支えるために、第１の酸化剤通路３８は、さらに、補助燃焼器４６のための処理酸化剤となるように、処理酸化剤の流れの一部を、補助燃焼器４６の中に導く第３の酸化剤通路８８を備えるように、分岐することもでき、それによって、物質と熱を直接移動させる装置１４により電力設備の排出の流れから運ばれた水蒸気などの物質と熱の一部が、物質と熱を直接移動させる装置１４の効率を向上させるように、補助燃焼器４６の中に導かれ、さらに、電力設備の排出の流れから回収される水が、効果的に水蒸気発生装置５０の中に水を補い、電力設備１０の水の自己充足を向上させるように、電力設備１０の中に戻るように導かれる。
【００３１】
燃料電池電力設備１０のための物質と熱を直接移動させる装置は、電力設備１０の水の自己充足をさらに向上させるように、燃料電池１２から燃料処理構成要素手段に回収される水を循環させるために、冷却水ループ手段を備えることもできる。冷却水ループ手段は、
カソード電極保持層２８に隣接して、カソード電極２６で生成した水や電解質１６を通る水を吸着する、多孔質の水が移動できるプレート９０と、
水蒸気発生装置５０の水の供給をさらに補うために、多孔質の水が移動できるプレート９０の中の水を、水蒸気発生装置５０などの燃料処理構成要素手段の中に導く冷却水ライン９２と、
を備える。図１に示されるように、水の一部は、次に、水蒸気ライン５６を通って自熱式の改質装置５４の中に導かれ、さらにそこから改質燃料排出ライン６２と還元剤流体入口４４を通って、アノード電極保持層２４の中に戻り、さらに、電解質１６を通って多孔質の水が移動できるプレート９０の中に戻ることで、冷却水ループ手段を完成する。冷却水ループ手段は、アノード電極保持層２４に隣接して、また、スタックのそれぞれのセルの間で連続して、多孔質の水が移動できるプレートを備えることもでき、より詳細には、マイヤー（Ｍｅｙｅｒ）等に与えられ、１９９６年４月２６日に発行された米国特許第５，５０５，９４４号に示されており、この特許は、本発明の譲受人により所有されており、参照することによってここに組み込まれる。燃料電池電力設備１０のための物質と熱を直接移動させる装置は、さらに、燃焼器排出通路６４と熱交換するようにアノード電極排出通路４８を導くように配置された熱交換器９４を備えることができ、それによって、燃焼器排出通路６４を通るアノード電極の排出の流れから、アノード電極排出通路４８を通るアノード電極の排出の流れへ、熱を移動させ、それによって、さらに、電力設備１０から失われる熱を最小限に抑える。電力設備からの熱の損失を最小限に抑えるために当業技術でよく知られた方法で、付加的な熱交換器を電力設備に使用することができる。
【００３２】
本発明の燃料電池電力設備のための物質と熱を回収する装置の性能の設計評価によって、本発明の物質と熱を回収する装置を使用していない比較できる燃料電池電力設備に対して、実質的な利点を示すデータが得られる。設計評価には、上述した乾燥物質による移動手段を備える、セパレータハウジングとしてのエンタルピーホイールを、物質と熱を直接移動させる装置として使用する。処理酸化剤の流れをエンタルピーホイールを通るように導く入口室７６と、電力設備の排出の流れをエンタルピーホイールを通るように導く排出室７６との間で、エンタルピーホイールが回転する間に、電力設備の排出の流れが、エンタルピーホイールの２分の１を、エンタルピーホイールの他の２分の１を通る処理酸化剤の流れと、物質が移動するように通るように、エンタルピーホイールは取り付けられる。エンタルピーホイールは、１時間に１６０ポンド（７２．６ｋｇ）の水が移動するような大きさである。処理酸化剤の流れは、約７７°Ｆ（２５℃）の温度で、物質と熱を直接移動させる装置１４の入口室７６に供給され、次に、約１４７°Ｆ（約６３．９℃）の温度、１時間に約１，０５０ポンド（約４７６ｋｇ）の流量で、物質と熱を直接移動させる装置１４から排出される。燃焼器排出通路６４の中の燃焼器の排出の流れは、約５１５°Ｆ（約２６８℃）であり、冷却されて、電力設備排出通路４２の中で、約１９４°Ｆ（約９０℃）になり、そこで、カソード電極の排出の流れと混合されて、１時間に約１，２６０ポンド（約５７２ｋｇ）の流量の電力設備の排出の流れとなる。電力設備の排出の流れは、次に、物質と熱を直接移動させる装置１４の排出室７８に供給され、処理酸化剤の流れと物質が移動するように導かれ、次に、約１５１°Ｆ（約６６℃）で物質と熱を直接移動させる装置１４から排出され、さらに、電力設備排出ライン８２を通って電力設備から排出される。この設計評価によって、回収装置を使用していない従来の電力設備や、物質と熱を回収するために凝縮式の熱交換器を使用する従来の電力設備と比較して、燃料電池電力設備のための物質と熱を回収する装置は、実質的に改良された性能を示す。
【００３３】
本発明は、燃料電池電力設備のための物質と熱を回収する装置の特定の構成および使用方法について説明、例示したが、本発明は、説明、例示され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、電解質としてＰＥＭを使用した燃料電池について参照したが、燃料電池に使用することができる電解質はいずれも、本発明の燃料電池電力設備に使用され得ることは、理解されるであろう。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、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】  本発明に従って構成された、燃料電池電力設備のための物質と熱を回収する装置の概略図。
【図１】
0004590098.tif 000002