(57)【要約】燃料電池（１４）と燃料電池（１４）のカソード側（２０）にカソード入口ガス流（１８）を供給するための圧縮機（１６）とを含む燃料電池システム（１２）におけるカソード入口ガス流（１８）を加湿するための方法及びシステム（１０）が提供される。該方法及びシステム（１０）によれば、熱は、カソード入口ガス流（１８）に対する第１流れ位置でカソード入口ガス流（１８）からカソード排気流（２４）へと移され、また、水蒸気は、カソード入口ガス流（１８）に対して、前記第１流れ位置よりも下流の流れ位置でカソード排気流（２４）からカソード入口ガス流（１８）へと移される。
2006521004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と該燃料電池のカソード側にカソード入口ガス流を供給するための圧縮機とを含む燃料電池システムのためのカソード入口ガス加湿システムであって、
燃焼電池のカソード側からのカソード排気流を誘導する排気流路と、
圧縮機から燃料電池のカソード側へとカソード入口ガス流を誘導する入口流路とを備え、
カソード入口ガス流からカソード排気流へと熱を移すため、入口流路の第１部分が排気流路の第１部分と熱交換関係に配置され、
当該カソード入口ガス加湿システムは、カソード排気流からカソード入口ガス流へと水蒸気を移すため、排気流路の第２部分と入口流路の第２部分との間に配置される水蒸気透過膜を備え、
入口流路の第２部分はカソード入口ガス流に対して第１部分より下流に配置される加湿システム。
【請求項２】
前記排気流路の第１及び第２部分は同じ部分である請求項１の加湿システム。
【請求項３】
前記排気流路の第２部分は第１部分より下流に配置される請求項１の加湿システム。
【請求項４】
前記水蒸気透過膜は、水蒸気透過性材料が孔をふさぐシート金属からなる多孔部材を備える請求項１の加湿システム。
【請求項５】
前記水蒸気透過膜は、シート金属からなる多孔部材と、該シート金属からなる多孔部材によって支持されるフレキシブル水蒸気透過性シートとを備える請求項１の加湿システム。
【請求項６】
前記入口及び排気流路の第２部分は互いに平行に延び、水蒸気透過膜は、入口及び排気流路の該平行部分を横断する波形断面を有する請求項１の加湿システム。
【請求項７】
前記入口及び排気流路の各第１及び第２部分それぞれのための入口及び出口を更に備え、該各入口及び出口は、入口流路の第１部分におけるカソード入口ガス流と排気流路の第１部分におけるカソード排気流との間に向流関係を与えるように配置される請求項１の加湿システム。
【請求項８】
前記入口及び排気流路の各第１及び第２部分それぞれのための入口及び出口を更に備え、該各入口及び出口は、入口流路の第２部分におけるカソード入口ガス流と排気流路の第２部分におけるカソード排気流との間に向流関係を与えるように配置される請求項１の加湿システム。
【請求項９】
前記入口及び排気流路の各第１及び第２部分それぞれのための入口及び出口を更に備え、該各入口及び出口は、入口流路の第１部分におけるカソード入口ガス流と排気流路の第１部分におけるカソード排気流との間に向流関係を与え、かつ、入口流路の第２部分におけるカソード入口ガス流と排気流路の第２部分におけるカソード排気流との間に向流関係を与えるように配置される請求項１の加湿システム。
【請求項１０】
カソード入口ガス流に対して入口流路の第１部分より下流で燃料電池のカソード側より上流の入口流路に設置される圧力調整弁を更に備えた請求項１の加湿システム。
【請求項１１】
前記カソード排気流が排気流路の第１部分を選択的に避けて迂回するため、カソード入口ガス流に対して燃料電池のカソード側より下流で排気流路の第２部分より上流に設置されるバイパス流路を更に備えた請求項１の加湿システム。
【請求項１２】
燃料電池システムの燃料電池のカソード側へのカソード入口ガスの加湿のための熱／物質交換器であり、該熱／物質交換器にカソード入口ガス流を供給するための圧縮機を含む当該熱／物質交換器であって、
ハウジングと、
ハウジングを通るようにカソード排気流を誘導する、ハウジング内のカソード排気流路と、
圧縮機から、カソード排気流路におけるカソード排気流と熱交換関係にてハウジングを通るようにカソード入口ガス流を誘導する、カソード排気流路と熱交換関係にある上流入口ガス流路と、
ハウジングを通って上流入口ガス流路から受け入れたカソード入口ガス流を誘導する、ハウジング内の下流入口ガス流路と、
カソード排気流路におけるカソード排気流から下流入口流路におけるカソード入口ガス流へと水蒸気を移すため、カソード排気流路の少なくとも一部を形成する第１面と、下流入口ガス流路の少なくとも一部を形成する第２面とを含む、ハウジング内の水蒸気透過膜とを備えた熱／物質交換器。
【請求項１３】
前記上流及び下流入口ガス流路はカソード排気流路の両側に設置される請求項１２の熱／物質交換器。
【請求項１４】
前記水蒸気透過膜は、水蒸気透過性材料が孔をふさぐシート金属からなる多孔部材である請求項１２の熱／物質交換器。
【請求項１５】
前記下流入口ガス流路はカソード排気流路と平行に延び、水蒸気透過膜は、該平行流路部分を横断する波形断面を有する請求項１２の熱／物質交換器。
【請求項１６】
前記カソード排気流路並びに上流及び下流入口ガス流路それぞれのための入口及び出口を更に備え、該各入口及び出口は、上流入口ガス流路におけるカソード入口ガス流とカソード排気流路におけるカソード排気流との間に向流関係を与えるように配置される請求項１２の熱／物質交換器。
【請求項１７】
前記カソード排気流路並びに上流及び下流入口ガス流路それぞれのための入口及び出口を更に備え、該各入口及び出口は、下流入口ガス流路におけるカソード入口ガス流とカソード排気流路におけるカソード排気流との間に向流関係を与えるように配置される請求項１２の熱／物質交換器。
【請求項１８】
前記カソード排気流路並びに上流及び下流入口ガス流路それぞれのための入口及び出口を更に備え、該各入口及び出口は、上流入口ガス流路におけるカソード入口ガス流とカソード排気流路におけるカソード排気流との間に向流関係を与え、かつ、下流入口ガス流路におけるカソード入口ガス流とカソード排気流路におけるカソード排気流との間に向流関係を与えるように配置される請求項１２の熱／物質交換器。
【請求項１９】
前記水蒸気透過膜は、シート金属からなる多孔部材と、該シート金属からなる多孔部材によって支持されるフレキシブル水蒸気透過性シートとを備える請求項１２の熱／物質交換器。
【請求項２０】
燃料電池と該燃料電池のカソード側にカソード入口ガス流を供給するための圧縮機とを含む燃料電池システムのための該カソード入口ガス流を加湿する方法であって、
ａ）カソード入口ガス流に対する第１流れ位置でカソード入口ガス流からカソード排気流へと熱を移す工程と、
ｂ）カソード入口ガス流に対して前記第１流れ位置より下流の流れ位置でカソード排気流から入口ガス流へと水蒸気を移す工程とを含む方法。
【請求項２１】
前記工程ａ）及びｂ）は、排気ガス流に対して同じ流れ位置で起こる請求項２０の方法。
【請求項２２】
前記工程ａ）は、排気ガス流に対して、工程ｂ）のためのカソード排気流位置よりも上流のカソード排気流位置で起こる請求項２０の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のカソード側へのカソード入口ガス流に加湿するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池と一般に呼ばれる高分子電解質膜燃料電池等の固体電解質膜型燃料電池における電解質膜は、該膜を損傷から保護し、燃料電池を性能劣化から守るため、比較的高いレベルの水飽和率を必要とする。充分な水を供給して電解質膜の充分な水飽和を保つため、一般にアノード及びカソード入口流と呼ばれる反応体流を加湿することが知られている。反応体流を加湿する慣用の一アプローチは、水槽及び移送システムを利用することである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このアプローチは、追加の設備を必要とし、また、低温気候での稼動中に凍結し得る。そのようなアプローチのための水の少なくとも一部の既知の一つの源は燃料電池排気流であり、該排気流は、燃料電池での電気化学的反応水によって生じた水及び熱を運ぶ。従来から、一又は複数の凝縮器が、上記排気流から水を除去するために使用されており、該水は、凝縮器から水槽及び移送システムへと誘導され、移送システムは、その後、反応体流のための一又は複数の加湿器に水を供給する。この種の凝縮器／加湿器アプローチの更なる一つの重要な問題は、凝縮及び再蒸発する水に含まれる潜熱が、該システムの最も効率的な稼動のために凝縮器から加湿器へと移されるべきであるという点である。しかし、移送中、特に凝縮及び再蒸発エネルギーを移動させるために中間移送媒体が用いられる際、熱損失を受ける。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一形態によれば、燃料電池と燃料電池のカソード側にカソード入口ガス流を供給するための圧縮機とを含む燃料電池システムのためのカソード入口ガス加湿システムが提供される。加湿システムは、燃料電池のカソード側からのカソード排気流を誘導する排気流路と、圧縮機からのカソード入口ガス流を燃料電池のカソード側へと誘導する入口流路とを含む。入口流路の第１部分は、カソード入口ガス流からカソード排気流へと熱を移すため、排気流路の第１部分と熱交換関係に置かれる。加湿システムは、カソード排気流からカソード入口ガス流へと水蒸気を移すため、排気流路の第２部分と入口流路の第２部分との間に設置される水蒸気透過（浸透）膜を更に含む。入口流路の第２部分は、カソード入口ガス流に対して第１部分より下流に置かれる。
【０００５】
一形態において、排気流路の第１及び第２部分は同じ位置である。
【０００６】
一形態によれば、排気流路の第２部分は第１部分より下流に置かれる。
【０００７】
一形態によれば、水蒸気透過膜はシート金属からなる多孔（有孔）部材であり、水蒸気透過性（浸透性）材料が該多孔部材の穿孔群をふさぐ（満たす）。
【０００８】
一形態によれば、入口及び排気流路の第２部分は互いに平行に延び、また、水蒸気透過膜は、該流路平行部分を横断する方向（横方向）の波形断面を有する。
【０００９】
一形態によれば、加湿システムは、上記各流路それぞれのための入口及び出口を更に含む。各入口及び出口は、入口流路の第１部分におけるカソード入口ガス流と、排気流路の第１部分におけるカソード排気流との間に向流関係を与えるように配置され、また、入口流路の第２部分におけるカソード入口ガス流と、排気流路の第２部分におけるカソード排気流との間に向流関係を与えるように配置される。
【００１０】
本発明の一形態によれば、燃料電池システムにおける燃料電池のカソード側へのカソード入口ガス流を加湿するための熱／物質（質量）交換器が提供される。燃料電池システムは、熱／物質交換器にカソード入口ガス流を供給するための圧縮機を含む。熱／物質交換器は、ハウジングと、カソード排気流をハウジングを通るように誘導する、ハウジング内のカソード排気流路と、圧縮機からのカソード入口ガス流を、カソード排気流路のカソード排気流と熱交換関係にてハウジングを通るように誘導する、カソード排気流路に対し熱交換関係の上流入口ガス流路と、上流入口ガス流路から受け入れたカソード入口ガス流をハウジングを通るように誘導する、ハウジング内の下流入口ガス流路と、ハウジング内の水蒸気透過膜とを含む。該水蒸気透過膜は、カソード排気流路の少なくとも一部を形成する第１面と、下流入口ガス流路の少なくとも一部を形成する第２面とを含み、カソード排気流路におけるカソード排気流から下流入口流路におけるカソード入口ガス流へと水蒸気を移す。
【００１１】
一形態において、上流及び下流入口流路は、カソード排気流路の両側に配置される。
【００１２】
一形態によれば、水蒸気透過膜はシート金属からなる多孔部材であり、水蒸気透過性材料が多孔部材の穿孔をふさぐ。
【００１３】
一形態において、下流入口ガス流路はカソード排気流路に対し平行に延び、また、水蒸気透過膜は、該平行流路を横断する波形断面を有する。
【００１４】
一形態によれば、熱／物質交換器は、上記各流路それぞれのための入口及び出口を含む。該各入口及び出口は、上流入口ガス流路におけるカソード入口ガス流とカソード排気流路におけるカソード排気流との間に向流関係を与えるよう配置され、また、下流入口ガス流路におけるカソード入口ガス流とカソード排気流路におけるカソード排気流との間に向流関係を与えるように配置される。
【００１５】
本発明の一形態によれば、燃料電池システムのための、カソード入口ガス流を加湿する方法が提供され、燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池のカソード側にカソード入口ガス流を供給するための圧縮機とを含む。上記方法は、
ａ）カソード入口ガス流に対する第１流れ位置でカソード入口ガス流からカソード排気流へと熱を移す工程と、
ｂ）カソード入口ガス流に対して第１流れ位置よりも下流の流れ位置でカソード排気流から入口ガス流へと水蒸気を移す工程とを含む。
【００１６】
一形態において、工程ａ）及びｂ）は、カソード排気流に対して同じ流れ位置で起こる。
【００１７】
一形態によれば、工程ａ）は、排気流に対して工程ｂ）のカソード排気流位置よりも上流のカソード排気流位置で起こる。
【００１８】
本発明の他の目的、利点及び特徴は、付随する特許請求の範囲及び図面を含む本明細書をすべて検討することにより明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１を参照して、燃料電池システム１２で使用するためのカソード入口ガス加湿方法及びシステム１０が示される。燃料電池システム１２は、固体電解質膜型燃料電池１４と、加圧されたカソード入口ガス流１８を燃料電池１４のカソード側２０に供給するための圧縮機１６とを含む。カソード入口ガスは、一般に、燃料電池１４用の酸化剤と呼ばれ、しばしば、圧縮機１６で加圧された空気の形態で供給される。圧縮機１６による加圧の結果、カソード入口ガス流１８は、一般に比較的高温である。加湿方法及びシステム１０が固体電解質膜型燃料電池１４と関連して示されるが、当然のことながら、加湿方法及びシステム１０は、そのカソード入口ガス流への加湿を必要とするどのようなタイプの燃料電池でも使用を見出し得る。これも当然のことながら、燃料電池システム１２は、一般に、ここに例示されるよりも多くの構成要素及びサブシステム、例えば、燃料処理サブシステム、アノード排出ガス燃焼器、及び、追加の再生熱交換ユニットもしくは復熱式熱交換ユニット等を含む。しかしながら、そのような構成要素の細部は知られており、本発明の理解に重要ではない。
【００２０】
加湿システム１０は、湿ったカソード排気流２４をカソード側２０の排気出口２６からシステム１０を通るように誘導する排気流路２２と、カソード入口ガス流１８を圧縮機１６からシステム１０を通ってカソード側２０の入口２８へと誘導する入口流路２５とを含む。
【００２１】
システム１０の熱交換器区域３０は、熱をカソード入口ガス流１８から排気流２４へと移すため、排気流路２２の第１部分３４と熱交換関係に置かれた入口流路２５の第１部分３２を含む。システム１０の第２熱交換器区域３６は、水蒸気をカソード排気流２４からカソード入口ガス流１８へと移し、これにより、カソード入口ガス流１８をこれが燃料電池１４のカソード側２０に入る前に加湿するため、入口流路２５の第２部分４０と排気流路２２の第２部分４２との間に設置された水蒸気透過膜３８を含む。本質的に、水蒸気の潜熱も入口ガス流１８へと移される。従って、第２熱交換器区域３６は、熱／物質（もしくは質量（mass））交換器としての役割を果たす。適切な流体導管、例えば、ホース、管、又は、システム１０の他の構造内に組み込まれた流体通路等が、熱交換器区域３０及び３６間の流路２２及び２５を形成する。熱交換器区域３０及び３６は、分離した別個の熱交換器ユニットとして、又は、図１の破線枠４３で概略的に示すような一体型熱交換器ユニットとして設けられ得る。図１に見られるように、入口流路２５の第２部分４０は、入口流路２５の第１部分３２からカソード入口流１８に対して下流に位置付けられる。
【００２２】
好ましくは、これも図１に見られるように、入口及び排気流路２２、２５のそれぞれの部分３２、３４及び４０、４２は、各熱交換器区域３０及び３６において向流関係を有する。この点に関し、各部分３２、３４、４０及び４２に対するそれぞれの入口４４、４６、４８、５０及び出口５２、５４、５６及び５８は、所望の向流関係を提供するように配置される。しかしながら、ある用途においては、両熱交換器区域３０及び３６に向流関係が必要とされないかもしれない。
【００２３】
排気流路２２の第２部分４２が第１部分３４の下流に位置付けられることも図１から理解することができる。しかしながら、図２に見られるように、ある用途において、第１及び第２部分３４及び４２は、排気流２４に対して同じ流れ位置にあり、従って、第１及び第２部分３４及び４２は排気流路２２の同一部分６０である。この構成において、熱は、入口流路２５の第１部分３２における入口ガス流１８から排気流路２２の上記部分６０における排気流２４へと移される。また、水蒸気は、部分６０の排気流から入口流路２５の第２部分４０における入口ガス流１８へと移される。
【００２４】
稼働中、図１及び２の両方では、入口流路２５の第１部分３２におけるカソード入口ガス流１８から部分４２、６０における排気流２４への熱の移動は、部分４２、６０の排気流２４における水蒸気量を増やしかつ凝縮水量を減らす。この水蒸気の増加した濃度勾配は、水透過膜３８を通る物質（水蒸気）の移動のための推進（駆動）ポテンシャルを高めるように作用する。入口ガス流１８へと移される水蒸気量が移される凝縮水量に比べて増やされるで、水透過膜３８の入口ガス流側において水を蒸発させるのに必要な潜熱がより少なくなる。当然のことながら、部分４２、６０における排気流２４に対する入口流路２５の第２部分４０における入口ガス流１８の温度は、システムごとに及び各システム内の稼働条件ごとに変わり得る。従って、あるシステムもしくはある稼働条件において、顕熱は、部分４０における入口ガス流１８から部分４２、６０における排気流２４へと移され得る。その一方、他のシステムもしくは稼働条件において、顕熱は、部分４２、６０における排気流２４から部分４０における入口ガス流１８へと移され得る。しかしながら、すべてのシステムにおいて、及び、理想的には該システムのためのすべての稼働条件下において、潜熱は、本質的に、部分４２、６０におけるカソード排気流２４から第２部分４０における入口ガス流１８へと水蒸気の移動と共に移される。
【００２５】
システム１０の別の重要な側面は、第１熱交換器区域３０が、部分３２における入口ガス流１８から部分３４における排気流２４への熱の移動により、燃料電池１４のカソード側２０にとっての適切な入口温度まで入口ガス流を冷却するのに充分な効率を有する点である。例えば、ある一般的な燃料電池システムにおいて、入口ガス流１８は、約３バールまで圧縮された約２１０℃の空気であり、かかる空気は、本発明者の分析によれば、熱をカソード排気流２４に移すことによって圧縮空気を約９０℃の適正温度まで冷却する少なくとも０．８５の熱交換器効率を必要とする。そのような効率が実現できない場合、入口ガス流１８の温度を下げるために追加の熱交換器が設けられるであろう。
【００２６】
図３は、図２の部分６０を組み込んだ一体型の熱交換器ユニット４３の可能性のある一実施形態の横断面を示す。図３の熱交換器ユニット４３は、バー−板型構成であり、細長い平面板６２及びスペーサバー６４が該紙（頁）面内外に延びて、一組の最も外側の流体チャネル６６と、一組の挟まれた流体チャネル６８とを囲む。流体チャネル６６は、該紙面内外に縦方向に延びて、入口流路２５の第１部分３２を形成する。流体チャネル６８は、該紙面内外に縦方向に延びて、排気流路２２の部分６０を形成する。すべての用途に要求はされないが、カソード入口ガス流１８からの熱の移動を高めるため、適切な熱交換フィンもしくは撹拌器６９が各流体チャネル６６内に設けられ得る。水透過膜３８は、側板７６及び７８それぞれに封止接合された両端部を有する二つの波形部材７０の形態で設けられる。好ましくは、図３に示すように、部材７０は、入口流及び排気流１８及び２４の流れ方向に対し横方向（横断方向）となる波形が付けられる。入口流及び排気流１８及び２４は、該紙面内外に互いに平行に流れる。部材７０は内側流体チャネル８０を囲み、内側流体チャネル８０は、該紙面内外に縦方向に延び、また、流体チャネル６８間に挟まれる。流体チャネル８０は、入口ガス流路２５の第２部分４０を形成する。更に詳しくは、水透過膜３８の各部材７０の一側部すなわち面８２は、排気流路２２の部分６０の一部を形成し、また、水透過膜３８の各部材７０の反対側側部すなわち面８４は、カソード入口ガス流路２５の第２部分４０の一部を形成する。
【００２７】
好ましくは、水蒸気透過膜３８は次のような材料から作製される。すなわち、優れた水蒸気物質（質量）移動特性を有し、液体水に対する膜浸透性（浸透度）よりも水蒸気に対する膜浸透性が優勢で、かつ、酸素を上回る水蒸気の良好な選択性を有する材料である。水蒸気透過膜３８に対する上記パラメータは望ましいものである。その理由は、部分４０における入口ガス流１８の総圧（全圧）が、部分４２、６０におけるカソード排気流２４の総圧よりも高いからであり、これは、水蒸気が移される必要がある方向とは逆方向の膜３８を通じての総圧勾配をもたらす。この点から、総圧推進粘性流は、膜３８を通じて最小にされなければならず、他方、濃度勾配推進拡散流は、水蒸気の濃度（分圧）勾配が膜３８のカソード排気流側でより高いため、優位に立つ必要がある。同様に、膜３８は、水蒸気よりも酸素に対して透過性（浸透性）がずっと小さいべきである。その理由は、酸素分圧が、膜３８の入口ガス流側において排気流側よりもより高く、また、入口ガス流１８から排気流２４への酸素の通過が、燃料電池のカソード側に供給される酸素量を減らして、燃料電池性能の低下をもたらすであろうからである。この点に関し、膜３８にとっての酸素を超える水蒸気の選択性は、入口ガス流１８の湿度を高めることに対して入口ガス流１８中の酸素濃度を希釈することによって、燃料電池性能がどの程度引き起こされるかに依存して最適化され得る。理想的には、システム１０の寸法が重要な問題であり、所望の水蒸気量を移送するために必要な膜３８の寸法を最小にするため、膜３８の水蒸気に対する浸透性ができるだけ高いべきである。例えば、自動車型用途に対する発明者による分析に基づき、水蒸気に対する膜浸透性は、システム１０のための熱交換器区域３６の合理的寸法に対し、少なくとも０．４ｃｍ／ｓであるべきである。膜３８の材料がフレキシブルシート９０である場合、透過膜３８は、図３に９２で概略的に示しかつ図４に斜視的に示すような多孔シート金属フィンをも含み得る。該フィンは、フレキシブルシート９０に対する構造的支持を与える。フィン９２は、排気流及び入口ガス流の流れ方向に対し横方向の波形断面を有して示されるが、ある用途においてはフィン９２が、例えば、板６２に類似した平面形状等のいくつかの他の形状を有することが望ましいかもしれない。フィン９２の穿孔９４は、小さいスロット、スリット、ルーバーもしくは丸穴の形態であり得る。
【００２８】
透過膜３８に対する別の可能性のある選択肢は、フィン９２によって支持されるフレキシブルシート９０を使用する代わりに、フィン９２の穿孔９４を適切な水蒸気透過性材料で塞ぐことである。この種の構成は、充分小さい寸法で、粉末、鑞付け合金粉末に分類される一般に球形の粒子と、液体結合剤との湿った混合物を、フィン９２の一面又は両面８２、８４へと適用（塗布）し、次いで、フィン９２を熱処理して、穿孔９４内に上記球形粒子粉末を機械的に溶かすことにより、設けられ得る。この点に関し、穿孔９４は、次の点に従って寸法が決められるべきである。すなわち、上記湿った混合物と基体との接着力が該湿った混合物の凝集力（結合力）を上回り、これにより、湿った混合物が穿孔９４の縁に付着することを可能にし、また、毛細管引力によって「橋かけ（bridging）」メニスカスフィルムを形成する点である。これは、フィン９２の穿孔９４の数に等しい多くの水蒸気透過性フィルムがフィン９２に形成されることを可能にする。湿った混合物は、適当な手段、例えば、吹付け、ロール塗りもしくは浸し塗り等によってフィン９２に塗られ得る。湿った混合物が穿孔９４に詰められた後、タオルもしくはふき取り用の布により、フィン９２の表面８２、８４から湿った混合物を除去することが望ましいであろう。これは、管理された量の混合物が使用されることを可能にし、また、表面８２及び８４において外側に出過ぎた該混合物を最小にする。出過ぎた混合物は、表面８２及び８４上に過剰な湿った材料が残る場合、熱処理中、別途生じるかもしれない。上記湿った混合物の除去は、熱処理後にフィン９２の表面積が定量化されることを可能にし、また、フィン９２を横切る流体流における圧力低下を最小にする。そのような湿った混合物に対するいくつかの好ましい系統的論述、応用手順及び熱処理の詳細な記述は、２００２年５月７日付け出願で、タイトルが「Evaporative Hydrophilic Surface For A Heat Exchanger, Method Of Making The Same And Composition Therefor（熱交換器のための蒸発親水性面、該蒸発親水性面の製造方法及び該蒸発親水性面用組成物）」で、発明者がAlan P. Meissner及びRichard Park Hillである、同一出願人による米国出願通し番号第１０／１４０，３４９号において提供される。この文献全体は参照により本明細書中に組み込まれる。
【００２９】
図５は、図１のシステムの変形を示し、該変形において、適切な背圧調整弁１００が出口５２の下流で入口４８の上流に加えられている。ある用途、例えば、システム運転圧力が低い用途（大気燃料電池システム、もしくは移動（輸送／交通）システムに対する低電力（低出力）設定中）か、及び／又は、低温周囲温度状況中等のような用途では、背圧調整弁１００は、圧縮機１６の出力圧力を高めるために使用され得、これにより、入口ガス流１８における追加の熱及びより高い温度を発生させ、これらは、その後、排気流路２２の第１部分３４を通過する排気流２４に移され得る。これは、排気流２４において運ばれるいかなる液体水をも蒸発させること、及び、熱／物質変換器区域３６における分圧勾配を高めることに役立つであろう。当然のことながら、選択された特定の背圧調整弁１００は、各用途の特定のパラメータに大いに依存し、また、システム１０に使用可能な既知の多くの適切な背圧調整弁１００が存在する。
【００３０】
図６は、図１のシステム１０の別の変形を示し、該変形において、バイパス流路１０１が、出口２６から入口５０へと延びて、排気流路２２の第１部分３４を迂回するため、排気流路２２に挿入されている。バイパス流路１０１は、適切なバイパス弁１０２を含み、該弁１０２は、圧縮機を出たか及び／又は第１部分３２に入る入口ガス流１８の温度が、排気流路２２の第１部分３４における排気流２４の温度よりも低い状況下、例えば、システム運転圧力が低い移送システムに対する低出力設定中、又は低温周囲温度状況中において、通常の閉位置から選択的に開放され得る。この点に関し、バイパス弁１０２は、適当な制御機構（制御スキーム）によって動的に制御され得る。上記制御機構には、圧縮機１６を出るか及び／又は入口流路２５の第１部分３２に入る入口ガス流１８の温度を検出する１０４で概略的に示す温度センサを含む。上記状況中における排気流路２２の第１部分３４を避ける排気流２４の迂回は、排気流２４が第１熱交換器区域３０の入口ガス流１８によって冷却されることを防ぐ。かかる冷却は、排気流２４における水の望ましい蒸発というよりはむしろ水の凝縮をもたらし得る。当然のことながら、バイパス弁１０２及び制御機構の特定のタイプ及び細部は、各特定システム１０のパラメータ及び要求に大いに依存し、また、適切な多くの既知のバイパス弁１０２及び該弁のための制御機構が存在する。
【００３１】
熱交換器ユニット４３及び透過膜３８に対する特定の実施形態が上述されたが、熱交換ユニット、熱交換区域３０及び３６及び膜３８の細部及び構成は、各用途の特定のパラメータ、例えば、入口ガス流及び排気流１８及び２４の流量、温度及び圧力、カソード側２０に入る入口ガス流１８に対する必要な加湿量、及び、カソード側２０を出る排気流２４の湿度等に大いに依存することが認識されるであろう。この点に関し、どのような適当な熱交換器構成も、熱交換器ユニット４３及び／又は熱交換器区域３０及び３６に対して使用可能である。更に、いくつかの燃料電池システム１２は、入口ガス流１８及び／又は排気流２４がカソード側２０へと向かう途中及びカソード側２０から送られる途中に通過する他の構成要素を利用し得ることが理解されるであろう。該他の構成要素は、例えば、それぞれ区域３２、４０と区域３４、４２との間、及び／又は区域３４及び４０とカソード側２０との間における入口ガス流１８及び／又は排気流２４へともしくはこれらから熱を移すための追加の熱交換器等である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】燃料電池システムに使用する本発明を具現する加湿システム及び方法の概略図である。
【図２】図１の加湿システム及び方法の別バージョンの概略図である。
【図３】図２のシステム及び方法に使用する熱／物質変換器の一実施形態のいくぶん概略的な断面図である。
【図４】本発明のシステム及び方法に使用可能な水透過膜のフィン部分の一実施形態の斜視図である。
【図５】図１の加湿システム及び方法の変形の概略図である。
【図６】図１の加湿システム及び方法の別の変形の概略図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  カソード入口ガス加湿システム
１２  燃料電池システム
１４  固体電解質膜型燃料電池
１６  圧縮機
１８  カソード入口ガス流
２０  カソード側
２２  排気流路
２４  カソード排気流
２５  入口流路
３０  熱交換器区域
３２  （入口流路の）第１部分
３４  （排気流路の）第１部分
３６  第２熱交換区域
３８  水蒸気透過膜
４０  （入口流路の）第２部分
４２  （排気流路の）第２部分
【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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【国際調査報告】
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