(57)【要約】燃料電池システムが、第１の反応剤入口、第１の反応剤出口、第２の反応剤入口、第２の反応剤出口、および必要に応じて冷却剤入口と冷却剤出口を有する燃料電池を有している。第１の反応剤供給サブシステムが、第１の反応剤入来流を燃料電池の第１の反応剤入口に供給する。第２の反応剤供給サブシステムが、第２の反応剤入来流を燃料電池の第２の反応剤入口に供給する。第１の反応剤再循環サブシステムが、第１の反応剤出口からの第１の反応剤排出流の少なくとも一部を再生ドライヤー・サブシステムに再循環させ、その再生ドライヤー・サブシステムでは、第１の反応剤排出流における熱および水分の一部が、第１の反応剤供給サブシステムにおける第１の反応剤入来流および第２の反応剤供給サブシステムにおける第２の反応剤入来流のうちの一方に転移される。その熱および水分の他の一部は、他の流に転移される。燃料電池システムにおける反応剤および水を制御する方法も開示されている。
2006500737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
（ａ）第１の反応剤入口、第１の反応剤出口、第２の反応剤入口、第２の反応剤入口、冷却剤入口および冷却剤出口を有する燃料電池と、
（ｂ）燃料電池の第１の反応剤入口に第１の反応剤入来流を供給する第１の反応供給サブシステムと、
（ｃ）第２の反応剤入来流を燃料電池の第１の反応剤入口に供給する第２の反応剤供給サブシステムと、
（ｄ）第１の反応剤供給サブシステムにおける第１の反応剤入来流と第２の反応剤供給サブシステムにおける第２の反応剤入来流とに熱および水分を転移させるための再生ドライヤー・サブシステムに第１の反応剤出口からの第１の反応剤排出流の少なくとも一部を再循環させる第１の反応剤再循環サブシステムを具備している燃料電池システム。
【請求項２】
再生ドライヤー・サブシステムが、第１の反応剤排出流からの熱および水分の少なくとも一部を第１の反応剤供給サブシステムにおける第１の反応剤入来流に転移させる第１の再生ドライヤー装置と、第１の反応剤排出流からの熱および水分の少なくとも一部を第２の反応剤供給サブシステムにおける第２の反応剤入来流に転移させる第２の再生ドライヤー装置を具備している請求項１で請求された燃料電池システム。
【請求項３】
第２の反応剤出口からの第２の反応剤排出流の少なくとも一部を第２の反応剤供給サブシステムに再循環させる第２の反応剤再循環システムをさらに具備し、第２の反応剤排出流の少なくとも一部が第２の反応剤入来流と混合する、請求項２で請求された燃料電池システム。
【請求項４】
第１および第２の再生ドライヤー装置が再生ドアイヤー・サブシステムで直列に連結されており、第１の反応剤排出流からの熱および水分の少なくとも一部がまず第１および第２の反応剤入来流の一方に転移され、そして次に第１の反応剤排出流からの熱および水分の他の一部が第１および第２の反応剤入来流の他方に転移される、請求項３で請求された燃料電池システム。
【請求項５】
第１の反応剤排出流からの熱および水分がまず第２の再生ドライヤー装置を通じて第２の反応剤入来流に転移され、そして次に第１の再生ドライヤー装置を通じて第１の反応剤入来流に転移される、請求項４で請求された燃料電池システム。
【請求項６】
再生ドライヤー・システムが、第２の再生ドライヤー装置をバイパスするバイパス管路を具備しており、第１の反応剤再循環サブシステムにおける第１の反応剤排出流の一部が第２の再生ドライヤー装置を通らずに第１の再生ドライヤー装置に流れる、請求項５で請求された燃料電池システム。
【請求項７】
第１および第２の再生ドライヤー装置が再生ドライヤー・サブシステムで並列に連結され、第１の反応剤再循環サブシステムにおける第１の反応剤排出流からの熱および水分の少なくとも一部が第１の反応剤入来流と第２の反応剤入来流とに同時に転移される、請求項３で請求された燃料電池システム。
【請求項８】
第２の反応剤供給サブシステムが、燃料電池の第２の反応剤入口に供給される第２の反応剤入来流の流量を調整する流量調整手段を具備する、請求項３で請求された燃料電池システム。
【請求項９】
流量調整手段が少なくとも１つの前方圧力調整器である、請求項８で請求された燃料電池システム。
【請求項１０】
流量調整手段が並列に連結されかつ異なる設定点を有する複数の前方圧力調整器よりなる、請求項９で請求された燃料電池システム。
【請求項１１】
排水手段が第１の反応剤出口に隣接して第１の反応剤再循環サブシステムに配設され、第１の反応剤再循環サブシステムの水の少なくとも一部を排水させる、請求項８で請求された燃料電池システム。
【請求項１２】
排水手段は、水がカソード出口排水管路に沿って自動的にかつ規則的に排水される寸法となされたカソード出口排水管路よりなる、請求項１１で請求された燃料電池システム。
【請求項１３】
第２の反応剤供給サブシステムは、第２の反応剤入来流が第２の再生ドライヤー装置を通った後で第２の反応剤入来流の水の少なくとも一部を分離する第２の反応剤水分離器を具備している、請求項８で請求された燃料電池システム。
【請求項１４】
第２の反応剤水分離器が第２の反応剤供給サブシステムに配置され、第２の反応剤再循環サブシステムからの第２の反応剤排出流の少なくとも一部と第２の反応剤入来流との混合物から水を分離する、請求項１３で請求された燃料電池システム。
【請求項１５】
第１の反応剤供給サブシステムが、第１の反応剤入来流が第１の再生ドライヤー装置を通った後で、第１の反応剤入来流の水の一部を分離するための第１の反応剤水分離器を具備している、請求項１４で請求された燃料電池システム。
【請求項１６】
第２の反応剤出口からの第２の反応剤排出流の少なくとも一部を放逐する第２の反応剤放逐サブシステムをさらに具備した、請求項１５で請求された燃料電池システム。
【請求項１７】
第２の反応剤放逐サブシステムが、第２の反応剤排出流の少なくとも一部の放出を制御するための放逐制御手段を具備している、請求項１６で請求された燃料電池システム。
【請求項１８】
放逐制御手段が、ソレノイド弁、比例ソレノイド弁およびベンチュリよりなるグループから選択される、請求項１７で請求された燃料電池システム。
【請求項１９】
再生ドライヤー・サブシステムがは、第１の反応剤排出流が通過した後で第１の反応剤排出流を放出するための出口を有しており、かつ燃料電池システムは、再生ドライヤー・サブシステムの出口からの第１の反応剤排気を第２の反応剤放逐サブシステムからの第２の反応剤排出流と混合させかつその混合物を放出する放出サブシステムを具備する、請求項１８で請求された燃料電池システム。
【請求項２０】
放出サブシステムが、混合物から水を分離する排出水分離器を具備している、請求項１９で請求された燃料電池システム。
【請求項２１】
冷却剤タンクを有する第１の冷却ループをさらに具備し、冷却剤が燃料電池を通って流れかつ冷却剤タンクに戻るように冷却剤タンクから送られる、請求項２０で請求された燃料電池システム。
【請求項２２】
第２の冷却ループをさらに具備し、第１の熱交換器が第１および第２の冷却ループの間に配置されて、第１および第２の冷却ループにおける冷却剤の間で非混合態様で熱交換を行う、請求項２１で請求された燃料電池システム。
【請求項２３】
第２の冷却ループは、冷却剤が冷却剤溜めから引かれかつそれに戻される開ループである、請求項２２で請求された燃料電池システム。
【請求項２４】
第１の反応剤水分離器、第２の反応剤水分離器および排出水分離器から分離された水が冷却剤タンクに送られる、請求項２１または２２で請求された燃料電池システム。
【請求項２５】
第１の反応剤供給サブシステムが、第１の反応剤を圧縮しかつそれを燃料電池の第１の反応剤入口に供給する圧縮手段およびアフタークーラー熱交換器を、第１の再生ドライヤー装置の上流にさらに具備しており、燃料電池システムが、圧縮手段とアフタークーラー熱交換器を通って延在していて圧縮手段と加圧された第１の反応剤流を冷却する第３の冷却ループをさらに具備している、請求項２１で請求された燃料電池システム。
【請求項２６】
第２の反応剤再循環システムが、第２の反応剤出口から第２の反応剤供給サブシステムへと可変流量で第２の反応剤排出流の少なくとも一部を再循環させるための可変速度を有する再循環ポンプを具備する、請求項３、８、１３、１６、１９または２１で請求された燃料電池システム。
【請求項２７】
第１の反応剤供給サブシステムにおける第１の反応剤入来流の圧力と第２の反応剤供給システムにおける第２の反応剤入来流の圧力とを平衡させるようになされた圧力平衡手段をさらに具備している、請求項３で請求された燃料電池システム。
【請求項２８】
圧力平衡手段が、第１の反応剤供給サブシステムおよび第２の反応剤供給サブシステムのうちの一方に、対応する再生ドライヤー装置の上流に配置された平衡圧力調整器と、平衡圧力調整器と第１の反応剤供給サブシステムおよび第２の反応剤供給サブシステムのうちの他方との間に流体的に連結された圧力平衡管路とを具備しており、平衡圧力調整器が、他の反応剤入来流の圧力に応答してかつその圧力と等しくなるように、第１の反応剤入来流および第２の反応剤入来流のうちの１つの圧力を調整する、請求項２７で請求された燃料電池システム。
【請求項２９】
平衡圧力調整器が第２の反応剤供給サブシステムに配置され、かつ圧力平衡管路が平衡圧力調整器と第１の反応剤供給サブシステムの間を流体的に連結する、請求項２８で請求された燃料電池システム。
【請求項３０】
第１の反応剤入口、第１の反応剤出口、第２の反応剤入口、第２の反応剤出口を有する燃料電池における反応剤と水を制御する方法であって、
（ａ）第１の反応剤入来流を第１の反応剤入口に与えること、
（ｂ）第２の反応剤入来流を第２の反応剤入口に与えること、
（ｃ）第１の反応剤出口からの第１の反応剤排出流の少なくとも一部を収集すること、
（ｄ）第１の反応剤排出流の熱および水分の少なくとも一部を第１の反応剤入来流に転移させかつ第１の反応剤排出流の熱および水分の他の一部を第２の反応剤入来流に転移させることを含む方法。
【請求項３１】
（ｅ）第２の反応剤出口からの第２の反応剤排出流の少なくとも一部を収集すること、（ｆ）第２の反応剤排出流の少なくとも一部を第２の反応剤入来流と混合することをさらに含む、請求項３０で請求された方法。
【請求項３２】
工程（ｄ）が、第１の反応剤排出流の熱および水分の前記一部をまず第２の反応剤入来流に転移させ、続いて第１の反応剤排出流の熱および水分の前記他の一部を第１の反応剤入来流に転移させることを含む、請求項３１で請求された方法。
【請求項３３】
工程（ｄ）が、第１の反応剤入来流の前記一部と前記他の一部とを第２の反応剤入来流と第１の反応剤入来流とに実質的に同時に転移させることを含む、請求項３１で請求された方法。
【請求項３４】
工程（ｂ）が、燃料電池からの需要に応答して第２の反応剤入来流の動的供給を提供するように第２の反応剤入来流の流量を調整することを含む、請求項３１で請求された方法。
【請求項３５】
工程（ｆ）が、第２の反応剤排出流の少なくとも一部と第２の反応剤入来流との混合物から水を分離することをさらに含む、請求項３４で請求された方法。
【請求項３６】
工程（ｄ）が、第１の反応剤入来流から水を分離することをさらに含む、請求項３４で請求された方法。
【請求項３７】
工程（ｅ）が、第２の反応剤出口から第２の反応剤排出流の少なくとも一部を放逐することをさらに含む、請求項３６で請求された方法。
【請求項３８】
（ｇ）前記一部と前記他の一部が熱および水分を第１の反応剤入来流と第２の反応剤入来流との両方に転移された後の第１の反応剤排出流を、放逐された第２の反応剤排出流と混合すること、（ｈ）その混合物を放出することをさらに含む、請求項３７で請求された方法。
【請求項３９】
工程（ｇ）が、混合物から水を分離することをさらに含む、請求項３８で請求された方法。
【請求項４０】
冷却ループ中を通る冷却剤で燃料電池スタックを冷却することをさらに含む、請求項３９で請求された方法。
【請求項４１】
工程（ａ）が、第１の反応剤入来流を圧縮することを含む、請求項４０で請求された方法。
【請求項４２】
工程（ａ）が、加圧された第１の反応剤入来流を冷却することをさらに含む、請求項４１で請求された方法。
【請求項４３】
工程（ｅ）が、第２の反応剤排出流の少なくとも一部を第２の反応剤出口から可変流量で再循環させることを含む、請求項３１、３４、３８または４０で請求された方法。
【請求項４４】
工程（ａ）および（ｂ）が、第１および第２の反応剤入来流の圧力を平衡させることを含む、請求項３１で請求された方法。
【請求項４５】
工程（ａ）および（ｂ）が、第１の反応剤入来流の圧力に応答して第２の反応剤入来流の圧力を調整することを含む、請求項４４で請求された方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的には、燃料電池システムに対するプロセス・ガスの管理のための装置および方法に関する。さらに詳細には、本発明は、燃料電池プロセス・ガスの湿度、温度および流量を制御するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、低排出、高効率、および稼動の容易性のために、従来の発電技術に対する有望な代替技術であると考えられている。燃料電池は化学的エネルギーを電気的エネルギーに変換するように動作する。固体高分子型燃料電池（proton exchange membrane fuel cells）は、アノード、カソード、および２つの電極の間に配置された選択的な電解膜を具備する。触媒反応では、水素のような燃料がアノードで酸化されて陽イオン（プロトン）を形成する。イオン交換膜は、アノードからカソードへのプロトンの移動を容易にする。電子はその膜を通過することができず、外部回路に流れさせられて、電流を発生する。アノードでは、酸素が触媒層と反応して、電子を電気回路から戻して、陰イオンを形成する。カソードで形成された陰イオンが、膜を横切ったプロトンと反応し、反応生成物として液体水を形成する。
【０００３】
プロトン交換膜は、アノードからカソードへのプロトンの伝導を容易にするために、およびそうでなければ膜を導電性に維持するために、湿った表面を必要とする。その膜を通過して移動する各プロトンは、それと一緒に少なくとも２つまたは３つの水分子を引き込むことが示唆されている（米国特許第５９９６９７６号）。米国特許第５７８６１０４号には、陽イオン（プロトン）を水分子と一緒に膜を通過して輸送することになる「水ポンピング」（water pumping）と呼ばれている機構について、より定性的に説明されている。電流密度が増加すると、膜を通過して移動される水分子の数も増加する。究極的には、プロトン束によって膜を通過して引っ張られる水の束が、拡散によって補充される度合いを超える。この時点で、少なくともアノード側で、膜が乾燥し始め、そしてそれの内部抵抗が増加する。この機構が、水をカソード側に駆動し、そしてさらに、反応によって生成される水がカード側で形成されることが理解されるであろう。それでもなお、カソード側を通るガスの流れがこの水を除去するのに十分となって、カソード側でも乾燥を生ずる可能性がある。したがって、膜の表面は常に湿気のある状態のままでなければならない。したがって、十分な効率を確保するためには、プロセス・ガスは、燃料電池に入ると、システム要件に基づいた適切な湿度と温度を有していなければならない。
【０００４】
他の考慮すべき事項は、輸送やその他の分野で、例えば自動車、バス、およびさらに大型の車両のための基本的な動力源として燃料電池を使用することへの関心が増加していることである。自動車の適用分野は、多くの静止した適用分野とはまったく異なっている。例えば、静止した適用分野では、電力源として燃料電池スタックが一般に使用されており、長期間のあいだ比較的一定の電力レベルで稼動することを期待されるにすぎない。それに対して、自動車の環境では、燃料電池スタックから必要とされる実際の電力は広く変化しうる。さらに、燃料電池スタック供給ユニットは、増大したまたは減少した電量の需要であるかどうかに関係なく、電力需要の変化に迅速に応答することが期待される。さらに、自動車の適用分野では、燃料電池電力装置は極端な範囲の周囲温度および湿度条件で稼動することを期待される。
【０００５】
これらの要件はすべて、非常に厳しいものであり、燃料電池スタックが可能なすべての範囲の稼動条件で効率良く稼動するようにすることを困難にする。重要な問題は、燃料電池電源装置が高い効率で高い電力レベルを常に供給できるようにし、かつ同時に、これらの要件に適合するのに必要な燃料電池電源装置内の湿度レベルを正確に制御して、それが長い寿命を有するようにすることである。さらに詳細には、酸化剤流および燃料ガス流の両方における湿度レベルを制御することが必要である。公知の加湿技術はほとんが、急激に変動する条件や温度等に応答するのには不適合な設計である。多くの公知システムは不十分な加湿レベルしか提供できず、高い熱慣性および／または大きい死容積（dead volumes）を有していて、変化する状態に対する迅速な応答を不可能にするおそれがある。
【０００６】
燃料電池システムの温度と湿度を制御するための装置および方法が、本出願人の同時係属米国特許出願第09/801,916号に開示されている。その方法は、第１の温度の燃料電池プロセス・ガス流を加湿して過剰湿度を有するプロセス・ガス流を提供し、第１の温度より低い第２の温度にプロセス・ガス流を冷却して過剰水分の凝結を生じさせ、プロセス・ガス流から凝結された過剰水分を除去し、プロセス・ガス流を既知の温度で輸送することよりなり、プロセス・ガス流における相対湿度レベルが第２のの飽和圧力と前記既知温度との比から決定されるようにする。特に、この方法は、燃料電池から生成された排気プロセス・ガスから湿度を回収し、そして燃料流と酸化剤流のうちの入来する少なくとも一方を加湿するために回収された水分を利用することを含む。しかし、この方法は、多数の構成要素を必要とし、したがって燃料電池システムの全体の効率を低減させる。
【０００７】
他の方法が米国特許第６０１３３８５号に開示されている。この特許には、燃料電池ガス管理システムが開示されている。このシステムは、燃料電池の第１の反応剤入口に第１の反応剤取り入れ流に供給し、そして燃料電池の第１の反応剤出口から第１の反応剤排出流を受け取るための第１の反応剤加湿サブシステムであって、第１の反応剤（酸化剤）排出流から水分を収集しかつ収集された水分の一部を転移させるエンタルピー・ホイールを具備する第１の反応剤加湿サブシステムと；燃料電池の第２の反応剤出口からの過剰の第２の反応剤を収集するための再循環ループと、反応剤供給源からの第２の反応剤を燃料電池の第２の反応剤出口から収集された第２の反応剤と混合するための第２の反応剤混合手段の供給源と、前記再循環ループ内で第２の反応剤を循環させかつ燃料電池の第２の反応剤入口に第２の反応剤を導入するための動力手段を具備した第２の反応剤（燃料）湿度保持サブシステムを具備している。しかし、この特許も燃料電池からの排熱と湿度をまだ十分に活用していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
入来燃料電池プロセス・ガスに対する温度および相対湿度の迅速な動的制御を提供できる燃料電池ガス管理システムの必要性は残存している。さらに詳細には、このようなシステムは高性能でかつ、酸化剤システムと燃料システムの両方に対して種々の流量にわたって十分な十分な湿度を提供することができなければならない。
【０００９】
本発明の１つの態様によれば、第１の反応剤入口、第１の反応剤出口、第２の反応剤入口第２の反応剤入口、冷却剤入口および冷却剤出口を有する燃料電池と、燃料電池の第１の反応剤入口に第１の反応剤入来流を供給する第１の反応剤供給サブシステムと、
第２の反応剤入来流を燃料電池の第１の反応剤入口に供給する第２の反応剤供給サブシステムと、
第１の反応剤排出流の少なくとも一部が第１の反応剤供給サブシステムにおける第１の反応剤入来流と第２の反応剤供給サブシステムにおける第２の反応剤入来流との少なくとも一方に転移される再生ドライヤー・サブシステムに第１の反応剤出口からの第１の反応剤排出流の少なくとも一部を再循環させる第１の反応剤再循環サブシステムとを具備する燃料電池システムが提供される。
【００１０】
好ましくは、再生ドライヤー・サブシステムは、第１の反応剤再循環サブシステムにおける第１の反応剤排出流からの熱と水分の少なくとも一部を第１の反応剤供給サブシステムにおける第１の反応剤入来流に転移させる第１の再生ドライヤー装置と、第１の反応剤再循環サブシステムにおける第１の反応剤排出流からの熱および水分の少なくとも一部を第２の反応剤供給サブシステムにおける第２の反応剤入来流に転移させる第２の再生ドライヤー装置を具備する。
【００１１】
より好ましくは、この燃料電池システムは、第２の反応剤出口からの第２の反応剤排出流の少なくとも一部を第２の反応剤供給サブシステムに再循環させて、第２の反応剤排出流の少なくとも一部が第２の反応剤入来流と混合するようにする第２の反応剤再循環システムをさらに具備する。
【００１２】
本発明の他の態様によれば、燃料電池が第１の反応剤入口、第１の反応剤出口、第２の反応剤入口、第２の反応剤出口、冷却剤入口、および冷却剤出口を有しており、燃料電池システム内の反応剤と水を制御する方法であって、（ａ）第１の反応剤入口に供給されるべき第１の反応剤入来流を提供し、（ｂ）第２の反応剤入口に供給されるべき第２の反応剤入来流を提供し、（ｃ）第１の反応剤出口からの第１の反応剤排出流の少なくとも一部を収集し、（ｄ）第１の反応剤入来流の少なくとも一部における熱および水分の少なくとも一部を第１の反応剤入来流および第２の反応剤入来流のうちの少なくとも一方に転移させることを含む方法が提供される。
【００１３】
好ましくは、工程（ｄ）において、第１の反応剤出口からの第１の反応剤排出流の少なくとも一部を収集し、（ｄ）第１の反応剤入来流の少なくとも一部における熱および水分の少なくとも一部を第１の反応剤入来流および第２の反応剤入来流の両方に転移させる。
【００１４】
より好ましくは、この方法は、第２の反応剤出口からの第２の反応剤排出流の少なくとも一部を収集し、かつ第２の反応剤排出流の少なくとも一部を第２の反応剤入来流と混合させることを含む。
【００１５】
本発明は先行技術に対比して多くの利点を有する。本発明ではオンボード流体だけが冷却剤である。燃料と酸化剤を湿らすために使用される水はすべて燃料電池１２自体によって生成される。これによって、システム内の構成要素の重量と個数を減少させ、システム全体をコンパクトにかつ高性能にする。このシステムは、電力需要の迅速な応答が可能である。これらの特徴はすべて車両用に対して特に望ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１を参照すると、本発明による燃料電池ガス管理システム１０の第１の実施形態の概略流れ図が示されている。この燃料電池ガス管理システム１０は、燃料供給管路２０、酸化剤供給管路３０、カソード排気再循環管路４０、およびアノード排気再循環管路６０を具備しており、それらはすべて燃料電池１２に接続されている。燃料電池１２は複数の燃料電池よりなるものでも、あるいは１つのみの燃料電池よりなるものでもよいことを理解すべきである。簡単にするために、この明細書で説明される燃料電池は、燃料としての水素と酸化剤としての空気で動作するものであり、固体高分子型（ＰＥＭ）燃料電池でありうる。しかし、本発明はこのタイプの燃料電池に限定されるものではなく、他のタイプの燃料電池にも適用可能である。
【００１７】
燃料供給管路２０は、燃料電池１２のアノードに水素を供給するために燃料供給源２１に連結されている。燃料電池１２の上流において燃料供給管路２０に水素加湿器９０が配置されており、かつ水素加湿器９０と燃料電池１２との間にはアノード水分離器９５が配置されている。燃料電池１２のカソードに空気を供給するために、酸化剤供給管路３０は、酸化剤供給源３１、例えば周囲空気に連結されている。燃料電池１２の上流において酸化剤供給管路３０とカソード再循環管路４０に再生ドライヤー８０が配置されている。再生ドライヤー８０と燃料電池１２の間にはカソード水分離器８５が配置されている。再生ドライヤー８０は乾燥剤とともに多孔質材料を具備していてもよく、本明細書に引用して援用する本譲受人の同時係属米国特許出願第10/223,706号に記載されているような燃料電池システムに適した市販されている任意のドライヤーであってもよい。再生ドライヤー８０は、酸化剤供給流れ３０とカソード再循環管路４０で再循環される酸化剤との同時逆流の流れを生ずるようになされており、各流れはドライヤー８０の別個の部分を流れる。さらに、再生ドライヤー８０は、酸化剤供給管路３０および酸化剤再循環管路４０からのガスを再生ドライヤー８０の異なる部分に交互に通させかつそれによって熱と湿気を交換させるためのスイッチ手段を有している。周囲空気が酸化剤供給管路３０に入り、そしてまず不純物粒子をろ過するエアフィルタ３２を通る。エアフィルタ３２から空気を引きそしてその空気を再生ドライヤー８０に通すようにするためのブロワ３５が再生ドライヤー８０の上流に配置されている。
【００１８】
燃料電池カソード排出流は、余剰空気、生成水、およびアノード側から輸送される水を含んでおり、燃料電池１２内の酸素の少なくとも一部が消費されることにより、その空気は窒素リッチである。カソード排出流は、燃料電池１２のカソード出口に連結されたカソード排気再循環管路４０中を再循環される。湿ったカソード排出流がまず水素加湿器９０を通り、そこで熱と湿気が燃料供給管路２０内の入来乾燥水素に転移される。水素加湿器９０は、ニュージャージー州トムズ  リバーのパーマ  ピュア  インコーポレイテッドから市販されているもののような任意適当な加湿器であってもよい。それは、膜加湿器や高いまたは低い飽和効率を有する他のタイプの加湿器であってもよい。つまり、水素加湿器９０は、再生ドライヤーであってもよいが、アノード流とカソード流とではガスが異なることを考えると、再生ドライヤーまたはそれら２つのガス流の間で顕著な質量交換を許容する他の装置は使用できない。
【００１９】
水素加湿器９０から、燃料電池カソード排出流が再循環管路４０に沿って流れ続け、そして上述のように、再生ドライヤー８０を通る。湿ったカソード排気が再生ドライヤー８０を通ると、熱と湿気が再生ドライヤー８０の多孔質ペーパまたはファイバ物質に保持され、そして再生ドライヤー８０のスイッチ手段が再生ドライヤー８０の連結をカソード排出流から入来空気流に切り替えると、その熱と湿気は、酸化剤供給管路３０内で再生ドライヤーを通る入来乾燥空気流に転移される。さらに、カソード排出流が再循環管路４０に沿って排気・水分離器へと流れ続け、その分離器で、入来水素流と空気流に転移されなかった、この場合にも液体である過剰水が排出流から分離される。そして、排出流が排出管路５０を通じて周囲に排出される。
【００２０】
カソード出口ドレイン管路４２が、残留したまたは凝結した液体水を除去するために、燃料電池のカソード出口に隣接して再循環管路４０に必要に応じて設けられうる。このカソード出口ドレイン管路４２は、ドレイン管路内のガス泡がカソード出口ドレイン管路内の水を実際に保持しかつ自動的に実施的に定期的に水を排出し、それによって、ガス流から水を除去するために現場で一般に用いられるドレイン弁を必要としなくするのに適当なサイズとなされうる。このようなドレイン管路は、液体水がガス流から除去される必要のあるシステム内の任意の場所で使用できる。通常、圧力はガス流量と常時生成または凝結される水とともに上昇するが、少量のガス流量はカソード排水ノックアウト・分離器やカソード出口ドレイン管路４２のように有害ではない。
【００２１】
水素加湿器９０からの加湿された水素が燃料供給管路２０に沿ってアノード水分離器９５に流れ、そこでその水素が燃料電池１２に入る前に過剰水が分離される。同様に、再生ドライヤーからの加湿された空気が酸化剤供給管路３０に沿ってカソード水分離器８５に流れ、そこで、その空気が燃料電池１２に入る前に、過剰液体水が分離される。
【００２２】
過剰水素と水からなる燃料電池アノード排気は、燃料電池１２のアノード出口に連結されたアノード視亜循環管路６０に沿って、再循環ポンプ６４により再循環される。アノード再循環管路６０は、アノード水分離器９５から上流の第１の接合部６２において燃料供給管路２０に連結している。水蒸気と一緒に過剰水素を再循環させることによって、水素を可能な限り最大限活用して、反応場所への水素反応物輸送を液体水が阻止するのを防止するだけでなく、再循環される水素からの水蒸気が水素加湿器９０からの入来水素を加湿するので、燃料流の自己加湿も達成される。このことは、加湿器９０は本発明のシステムでは効率の高いものである必要はないから、この構成が水素加湿器９０の選択におけるより多くの柔軟性を提供するので、非常に望ましい。水素再循環流量を適切に選択することによって、水素加湿器９０の所要効率を最小限に抑えることができる。例えば、燃料電池が１単位の水素を必要とすると仮定すると、水素は３単位の量で水素供給源から供給することができ、その場合、２単位の過剰水素が水蒸気と一緒に再循環される。再循環ポンプ６４の速度は、第１の接合部６２から下流の水素の混合物における再循環水素の部分を調整するように変化させることができる。化学量論と再循環ポンプ６４の速度を選定することによって、最終的には水素加湿器９０を省略できるようになる。
【００２３】
実際には、空気は酸化剤であるから、燃料電池のカソード側からアノード側への窒素の交差（crossover）が、例えばＰＥＭ燃料電池の膜を通じて生ずることが判明した。したがって、アノード排気は、ある程度の窒素と多分他の不純物とを実際に含んでいる。アノード排気の再循環は窒素の増量を来たし、燃料電池を汚染する。水素放逐管路７０は燃料電池カソード出口に隣接した分岐点７４で燃料再循環管路６０から分岐することが好ましい。再循環管路６０からアノード排気の一部を放逐するために、水素放逐管路７０に放逐制御装置７２が配置されている。放逐動作の頻度および流量は、燃料電池１２が稼動する電力に依存する。燃料電池１２が大電力で稼動している場合には、アノード排気のより多くの部分を放逐することが望ましい。放逐制御装置７２は、ソレノイド弁または他の適当な装置でありうる。
【００２４】
水素放逐管路７０は分岐点７４から第２の接合部９２に達しており、そこでカソード排気再循環管路４０に接合している。そのようにして、放逐された水素と再生ドライヤー８０からのカソード排気との混合物が排気・水分離器１００を通る。水が水分離器１００で凝結され、そして残存ガス混合物が放出管路５０に沿って周囲に放出される。あるいは、カソード排気再循環管路４０または放逐管路７０が水分離器１００に直接連結されてもよい。放逐された水素または再生ドライヤー８０からのカソード排気は、それからの水を凝結させないで、別々に放出させてもよいことも当業者には知られている。
【００２５】
アノード水分離器９５および排気・水分離器によって分離された水は放出されずに、むしろそれらの水は、種々の処理のために、アノード入口ドレイン管路９６、カソード入口ドレイン管路８４および放出ドレイン管路９４に沿ってそれぞれ生成水タンク９７に回収されることが好ましい。この目的のために、タンク９７は、他の処理に連結するための管路９８と、ドレイン９９を有している。
【００２６】
当業者には知られているように、第１の冷却ループ１４が燃料電池１２を通っている。第１の冷却剤ポンプ１３が、冷却剤を循環させるために第１の冷却ループ１４に配設されている。冷却剤は、非導電性水、グリコール等のようなこの分野で一般に使用されている任意の冷却剤でよい。第１の膨張タンク１１が公知の態様で配設されうる。第１の冷却ループ１４には、冷却剤を適切な温度範囲に維持するために燃料電池１２中を流れる冷却剤を冷却するために、第１の熱交換器１５が配設されている。
【００２７】
図１は、１つの変形を示しており、そこでは、第２の冷却ループ１６が、第２の冷却剤を循環させるために、第２の冷却剤ポンプ１７を含んでいる。第２の冷却ループ内の冷却剤の温度を維持するために、第２の熱交換器１８、例えばラジエータが配設されており、ここでも、必要な場合には、第２のタンク１９が配設される。第２の冷却ループ１６内の冷却剤は、第１の冷却ループ１４と第２の冷却ループ１６とは混合しないから、任意の種類の冷却剤であってもよい。
【００２８】
しかし、別個の第２の冷却ループは必要不可欠ではないことを理解すべきである。代わりに、図２に示されているように、第１の冷却ループ１４内の冷却剤の温度を維持するために、第１の冷却ループ１４にラジエータが配設される。この場合には、第２の冷却ループ１６は省略される。図１の熱交換器１５も、ある種の用途で望まれるように、「開」冷却ループに配置された隔離ろう付け板熱交換器でありうる。すなわち、第２の冷却ループ１６は、冷却剤が大気、海等のような冷却剤溜から引かれそしてそれに戻される開冷却ループでありうる。
【００２９】
上記の変形のいずれかで水が冷却剤として使用される場合には、分離器９５、８５、１００からの水は燃料電池からの生成水であるから純粋で非導電性であるから、その水が燃料電池の動作時に冷却剤として収集され、膨張タンク１１または１９、すなわち冷却剤溜めに送られる。
【００３０】
水素加湿器９０の上流において燃料供給管路２０に流量調整装置２２が配置されることが好ましい。流量調整装置または弁２２は、燃料供給管路２０内の圧力低下に応答して水素供給源２１から燃料電池への水素の流れを許容する。流量調整装置２２は、設定点を有する前方圧力調整器であり、燃料電池１２内の水素消費により燃料供給管路２０内の圧力が設定点より低くなった場合に水素を燃料電池１２に供給できるようにする。この前方圧力調整器は、高価な質量流量制御器の必要性を回避し、かつより迅速な応答と正確な流量制御を提供する。図４を参照すると、より一層の制御柔軟性を提供するための、流量調整手段２２は、異なる設定点を有する各前方圧力調整器と並列に配列された複数の予め設定された前方圧力調整器を具備するものでよい。例えば、第１の前方圧力調整器２２ａは１０Psigの設定点を有するものであってもよく、第２の前方圧力調整器２２ｂは２０Psigの設定点を有するものであってもよく、第３の前方圧力調整器２２ｃは３０Psigの設定点を有するものであってもよい等である。これにより、前方圧力調整器の動作を中断したり設定点を変更したりする必要なしに、異なる圧力でかつ各圧力において異なる流量で供給される燃料で燃料電池１２を動作させることができる。
【００３１】
この実施形態では、まず入来水素を、次に入来空気を加湿するためにカソード排気が用いられるが、この順序は必須要件ではないことを理解すべきである。それに代えて、まず入来空気を、そして次に入来水素を加湿するためにカソード排気を用いてもよい。あるいは、図５ａに示されているように、水素加湿器９０と再生ドライヤー８０とをカソード排気再循環管路６０に直列ではなくて並列に配置して、水素と空気の両方の加湿が同時生ずるようにしてもよい。必要に応じて、燃料電池１２の動作状態に基づき、直列加湿が用いられる場合には、カソード排出流の一部が水素加湿器を通らないで再生ドライヤー８０に流れるように水素加湿器９０をバイパスするために、図５ｂに示されているように、バイパス管路８２がさらに配設されうる。
【００３２】
しかし、実際には、水が燃料電池１２のアノードからカソードに自然と転送されるからアノード露点温度がカソード露点温度より高いことが望ましいので、水素流を最初に加湿することが望ましいであろう。水素の望ましい相対湿度も、燃料電池１２が溢れないように、燃料電池１２内の空気の相対湿度より高いことが多い。したがって、熱と湿度をまず入来水素流と交換するためにカソード排出流を用いることが好ましい。
【００３３】
公知の態様で、燃料電池１２に供給される燃料、酸化剤、および冷却剤の流れのパラメータを測定するために、種々のセンサーが配設されうる。本発明の他の態様は、反応剤の温度だけを測定し、湿度は既知の温度・湿度特性から、すなわち湿度を直接測定しないで、決定ることによるものである。
【００３４】
本発明では、本出願人の同時係属米国特許出願第09/801,916号のように、プロセス・ガスを過飽和させ、１００％相対湿度を得るために水を凝結させ、そしてプロセス・ガスが燃料電池１２に入る前に、所望の相対湿度を得るために所定の温度でプロセス・ガスを輸送することは必要でないことが理解されるであろう。本発明のシステムは、燃料および酸化剤の流れが１００％相対湿度を有しているか有していない場合に、燃料電池システムに適用可能である。燃料電池１２が１００％相対湿度を有する燃料または酸化剤で動作できない場合に燃料および酸化剤の湿度を制御するために、アノード露点熱交換器とカソード露点熱交換器を配設することができる。しかし、これは、プロトン交換膜の動作条件のような燃料電池１２の特性に完全に依存する。
【００３５】
本発明による燃料電池システムのこの第１の実施形態は周囲圧力またはそれに近い圧力で動作することも理解されるべきである。さて、図３を参照すると、高圧で、すなわち大気圧より高い圧力で動作する本発明の第２の実施形態で使用するための冷却ループを示している。
【００３６】
第２の実施形態では、同様の構成要素は同じ参照番号で示されており、簡単かつ簡潔のために、これらの構成要素についての説明は反復しない。
【００３７】
この第２の実施例では、エアフィルター３２からの入来空気を加圧するために再生ドライヤー８０の上流で酸化剤供給管路３０に高圧コンプレッサー１０５が配設されている。高い温度を有する圧縮空気を冷却するために、コンプレッサー１０５と再生ドライヤー８０との間にアフタークーラー熱交換器（after cooler heat exchanger）１１０が配設されている。したがって、燃料電池１２に対する第１の冷却ループ１４に加えて、水‐水熱交換器の形態のアフタークーラー熱交換器１１０を含む第３の冷却ループ１１４が配設されている。第３の冷却ループ１１４は、コンプレッサー・モーター１０６、コンプレッサー・モーター・コントローラー１０７、および配電盤１０８を冷却するために、これらの構成要素を通っていてもよい。第１および第３の両冷却ループ１４および１１４は第１の冷却剤ポンプ１３によって駆動される。第２の冷却ループのラジエーター１８に対するように、電動ファンを有するラジエーター１１６が第３の冷却ループ１１４に配設されており、この場合にも、熱交換器１５に対するのと同じ代替案がラジエーター１１６にも適用される。
【００３８】
この燃料電池システムが動作する圧力に関係なく、燃料電池１２に供給される燃料流と酸化剤流との両方の圧力を平衡させるのが好ましいことが多い。これにより、燃料電池内に大きな勾配圧力が存在しないようにし、したがって、燃料電池の損傷を防止するとともに、勾配圧力によって惹起される望ましくない方向における反応剤と冷却剤の流れを防止する。さらに、これにより、適切な化学量の燃料と酸化剤が燃料電池に供給されて反応するようにもする。
【００３９】
本発明では、図６に示されているように、燃料供給管路１０と酸化剤供給管路３０との間に平衡圧力調整器２２´と圧力平衡管路２５を設けることによって、これが行われる。圧力平衡管路２５は、水素加湿器９０の上流で燃料供給管路２０に配置された平衡圧力調整器２２´と、再生ドライヤー８０の上流における酸化剤供給管路３０の第３の接合部１０２を流体的に連結する。平衡圧力調整器２２´は前方圧力調整器であってもよい。しかし、それは、２つの流体流れに作用するようになされていなければならず、それら２つの流れの間で圧力を平衡させるように機能する。この平衡圧力調整器２２´の一例が、本明細書に引用して援用する本出願人の同時係属米国特許出願第09/961,092号に開示されている。一般に、このような平衡圧力調整器２２´は、圧力平衡管路２５によって導入された空気流の圧力に応答して水素流を調整し、かつ水素流れの圧力が調整されて空気流の圧力に等しくなるまで機械的平衡を得る。
【００４０】
この圧力平衡器を酸化剤供給管路３０に配置して、空気流の圧力が水素流の圧力に応答して調整されうるようにしてもよいことが理解されうる。しかし、実際には、ブロワーまたはコンプレッサーの適当な速度または容量を選定することによって空気流の圧力を設定し、そしてそれに対応して水素流の圧力を変更するのが好都合である。したがって、水素流の圧力を空気流の圧力に追従させることが好ましい。ある種のシステムでは、２つの反応剤入来流の間の圧力平衡が手動でまたはコントローラーによって設定される。しかし、本発明の構成は、この圧力平衡を自動的に確保する。
【００４１】
本発明は、先行技術と対比して多くの利点を有する。燃料と酸化剤を加湿するために使用される水がすべて、燃料電池１２それ自体によって生成される。これにより、システム内の構成要素の重量と個数を減少させ、システム全体をコンパクトにかつ高性能にする。このシステムは、電力需要に対する迅速な応答が可能である。これらの特徴はすべて、車両用として特に望ましい。
【００４２】
上記の説明は好ましい実施形態を構成するが、本発明は、添付請求項の適切な範囲の適正な意味から逸脱することなしに修正および変更をなされることが理解されるであろう。例えば、本発明は、固体酸化物、アルカリ性の溶融炭酸塩、およびリン酸を含むがそれに限定されない種々のタイプの燃料電池に適用できる。特に、本発明は、非常に高い温度で動作する燃料電池に適用できる。加湿の要件は、使用される電解質と燃料電池の動作温度および圧力に対する依存度が高いことが当業者には理解されるであろう。したがって、本発明は多くのタイプの燃料電池には適用可能ではないであろうことが理解されるであろう。
【００４３】
本発明についてのさらに良好な理解のため、および本発明がどのように実施されるのかをさらに明瞭に示すために、本発明の好ましい実施形態を示す添付図面を例示として参照することにしよう。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明による燃料電池ガスおよび水管理システムの第１の実施形態の概略流れ図を示す。
【図２】本発明による燃料電池ガスおよび水管理システムの第１の実施形態の変更を示しており、１つだけの冷却ループが示されている。
【図３】本発明による燃料電池ガスおよび水管理システムの第２の実施形態の部分的な概略流れ図を示す。
【図４】本発明による燃料電池ガスおよび水管理システムの部分的な概略流れ図を示し、複数の前方圧力調整器を示している。
【図５ａ】本発明による燃料電池ガスおよび水管理システムの部分的な概略流れ図を示し、２つの再生ドライヤー装置の間の接続を示している。
【図５ｂ】本発明による燃料電池ガスおよび水管理システムの部分的な概略流れ図を示し、２つの再生ドライヤー装置の間の接続を示している。
【図６】本発明による燃料電池ガスおよび水管理システムの部分的な概略流れ図を示し、圧力平衡機構を示している。
【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５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【国際調査報告】
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