(57)【要約】本発明は、再生電気化学セルシステムおよびその運転方法を提供する。再生電気化学セルシステムの代表的な実施形態は、水貯蔵装置（２８）に流体が通じるように連通している燃料セル酸素取入口と、酸素源および水相分離装置の気体部分の両者に流体が通じるように連通している燃料セル水素取入口と、を有する燃料セルモジュール（１２）を含む。さらに、燃料セル酸素排出口を介して前記水貯蔵装置に流体が通じるように連通している電解水取入口と、燃料セル水素に流体が通じるように連通している電解水排出口と、を有する電解モジュール（１０）を含む。本明細書で開示する再生電気化学セルシステムの運転の一実施形態は、水素貯蔵システム（１４）から燃料セルの水素電極へ供給水素を導入し、酸素／水相分離装置（６６）から燃料セルの酸素電極へ供給酸素を導入するステップと、水素イオンを酸素と反応させて電気および水を生成するステップと、燃料セルが運転条件を達成した時点で酸素／水相分離装置からの前記供給酸素を停止し、周囲大気モジュールから第二の酸素を燃料セル酸素電極へ導入するステップと、前記水を水貯蔵装置へ送出するステップと、電解水電極に水を導入し、電解モジュールに給電することで、補給水素および酸素を生成するステップと、補給水素を水素貯蔵装置へ送出するステップと、を含む。
2004510312.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
再生電気化学セルシステムであって、
水素貯蔵システムに流体が通じるように連通している燃料セル水素取入口と、酸素源および酸素／水相分離装置の気体部分の両者に流体が通じるように連通している燃料セル酸素取入口と、を有する燃料セルモジュールと、
前記燃料セルモジュールを介して水貯蔵装置に流体が通じるように連通している電解水取入口と、第二の水貯蔵装置に流体が通じるように連通している電解水排出口と、を有する電解モジュールと、を含む、再生電気化学セルシステム。
【請求項２】
請求項１に記載の再生電気化学セルシステムであってさらに、
電解水素排出口に流体が通じるように連通している流体取入口と、燃料セル水素取入口に流体が通じるように連通している気体排出口と、を有する水素／水相分離システムを含み、
前記水素／水相分離システムが倒立型水素貯蔵装置を含む、再生電気化学セルシステム。
【請求項３】
請求項１に記載の再生電気化学セルシステムであってさらに、
前記燃料セルモジュールおよび前記電解水取入口に流体が通じるように連通して設けられる熱交換器を有し、前記燃料セルモジュールからの水の少なくとも一部が、前記電解水取入口に流入する前に、当該熱交換器を通過するよう構成される、再生電気化学セルシステム。
【請求項４】
前記熱交換器が、熱負荷との間で熱移動が可能なラジエータを含む、請求項３に記載の再生電気化学セルシステム。
【請求項５】
前記熱負荷が建物を含む、請求項４に記載の再生電気化学セルシステム。
【請求項６】
請求項１に記載の再生電気化学セルシステムであってさらに、
前記電解モジュールに電気的に接続する電源を有し、
前記電源は、太陽光発電、水力発電、波力発電、風力発電、およびそれらの発電の少なくとも一つを含む組み合わせから成るグループから選択された発電を含む、再生電気化学セルシステム。
【請求項７】
さらに、前記電源と前記電解モジュールとの間に電気的に設置され且つそれらに電気的に接続する電力調整器を有する、請求項６に記載の再生電気化学セルシステム。
【請求項８】
さらに、前記電解モジュールに電気的に接続するソーラーパネルを有する、請求項６に記載の再生電気化学セルシステム。
【請求項９】
さらに、前記電解モジュールに電気的に接続する風車を有する、請求項６に記載の再生電気化学セルシステム。
【請求項１０】
請求項１に記載の再生電気化学セルシステムであってさらに、電力負荷と前記燃料モジュールとの間に電気的に設置され且つそれらに電気的に接続する電力調整器を有する、再生電気化学セルシステム。
【請求項１１】
請求項１に記載の再生電気化学セルシステムであってさらに、前記酸素／水相分離装置および周囲大気に流体が通じるように連通している酸素通気口を有する、再生電気化学セルシステム。
【請求項１２】
請求項１に記載の再生電気化学セルシステムであってさらに、前記システムと作動上連携するオペレーション装置を有し、
前記オペレーション装置は、通信装置、制御装置、およびそれらのオペレーション装置の少なくとも一つを含む組み合わせから成るグループから選択される、再生電気化学セルシステム。
【請求項１３】
請求項１に記載の再生電気化学セルシステムであって、
前記水素貯蔵システムは、水素化金属を主材料とした貯蔵手段、カーボンを主材料とした貯蔵手段、およびそれらの貯蔵手段の少なくとも一つを含む組み合わせから成るグループから選択された貯蔵手段を含む、再生電気化学セルシステム。
【請求項１４】
前記貯蔵手段が、粒体、ナノファイバ、ナノチューブ、およびそれらの形態の少なくとも一つを含む組み合わせから成るグループから選択された形態である、請求項１３に記載の再生電気化学セルシステム。
【請求項１５】
再生電気化学セルシステムの運転方法であって、
水素貯蔵システムから燃料セルの水素電極へ供給水素を導入し、酸素／水相分離装置から燃料セルの酸素電極へ供給酸素を導入することで、燃料セルモジュールを始動させ、水素イオンを前記酸素と反応させて電気および燃料セル水を生成するステップと、
前記燃料セルが運転条件を達成した時点で、前記供給酸素の導入を停止し、周囲大気から第二の酸素を前記燃料セル酸素電極へ導入するステップと、
前記燃料セル水を水貯蔵装置へ送出するステップと、
電解水電極に電解水を導入し、電解モジュールに電力を供給することで、補給水素および酸素を生成するステップと、
前記補給水素を前記水素貯蔵システムへ送出するステップと、を含む、運転方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の再生電気化学セルシステム運転方法であってさらに、
前記酸素を前記酸素／水相分離装置へ送出するステップと、
前記酸素／水相分離装置からの酸素の少なくとも一部を、周囲大気へ排気するステップと、を含む、運転方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の再生電気化学セルシステム運転方法であってさらに、冷却水を、水素／水貯蔵装置から前記燃料セルに通過させて前記電解水電極へ送出することで、前記燃料セルを冷却するステップを含む、運転方法。
【請求項１８】
さらに、前記冷却水を前記電解水電極に導入する前に、前記冷却水から熱エネルギを除去するステップを含む、請求項１７に記載の再生電気化学セルシステム運転方法。
【請求項１９】
請求項１５に記載の再生電気化学セルシステム運転方法であって、前記電力は、太陽光発電、水力発電、波力発電、風力発電、およびそれらの電力の少なくとも一つを含む組み合わせから成るグループから選択された電力を含む、運転方法。
【請求項２０】
前記電力が太陽光電力を含む、請求項１９に記載の再生電気化学セルシステム運転方法。
【請求項２１】
請求項１５に記載の再生電気化学セルシステム運転方法であって、
前記水素貯蔵システムにおいて補給水素と補給水とを分離するステップを含み、
前記水素貯蔵システムが倒立型水素貯蔵装置を含む、運転方法。
【請求項２２】
前記水素貯蔵装置がさらに、前記燃料セル水素電極に流体が通じるように連通している液体−気体複合コネクタを有する、請求項２１に記載の再生電気化学セルシステム運転方法。
【請求項２３】
前記水素貯蔵装置がさらに、気体用接続部と液体用重力接続部とを有する、請求項２１に記載の再生電気化学セルシステム運転方法。
【請求項２４】
請求項１５に記載の再生電気化学セルシステム運転方法であってさらに、前記補給水素の少なくとも一部を、前記供給水素として、水素／水相分離装置を通じて前記燃料セルモジュールへ送出するステップを含む、運転方法。
【請求項２５】
請求項１５に記載の再生電気化学セルシステム運転方法であってさらに、前記電気を、電力調整器を通じて電力負荷へ送出するステップを含む、運転方法。
【請求項２６】
前記電力負荷が、電気通信、コンピュータ、個々の会社、オフィス街、ケーブル、およびそれらの商業用負荷の少なくとも一つを含む組み合わせから成るグループから選択された商業用負荷である、請求項２５に記載の再生電気化学セルシステム運転方法。
【請求項２７】
前記電力負荷が、個々の住宅、地区、村、およびそれらの住居用負荷の少なくとも一つを含む組み合わせから成るグループから選択された住居用負荷である、請求項２５に記載の再生電気化学セルシステム運転方法。
【請求項２８】
前記電力負荷が送電網を含む、請求項２５に記載の再生電気化学セルシステム運転方法。
【請求項２９】
さらに、前記送電網の電力需要に基づいて前記システムを運転するステップを含む、請求項２８に記載の再生電気化学セルシステム運転方法。
【請求項３０】
さらに、前記電気をローカル電力負荷に送出し、前記ローカル電力負荷への送電電力を削減するステップを含む、請求項２９に記載の再生電気化学セルシステム運転方法。
【請求項３１】
さらに、送電電力をリモート電力負荷に転送するステップを含む、請求項３０に記載の再生電気化学セルシステム運転方法。
【請求項３２】
請求項１５に記載の再生電気化学セルシステム運転方法であってさらに、前記供給水素の少なくとも一部を、外部の水素消費デバイスに供給するステップを含む、運転方法。
【請求項３３】
前記外部水素消費デバイスが車両である、請求項３２に記載の再生電気化学セルシステム運転方法。
【請求項３４】
さらに、連続的水源から前記水貯蔵装置に補充水を導入するステップを含む、請求項３３に記載の再生電気化学セルシステム運転方法。
【請求項３５】
前記外部水素消費デバイスが機器である、請求項３２に記載の再生電気化学セルシステム運転方法。
【請求項３６】
請求項１５に記載の再生電気化学セルシステム運転方法であってさらに、連続的水源から前記水貯蔵装置に補充水を導入するステップを含む、運転方法。
【請求項３７】
請求項１５に記載の再生電気化学セルシステム運転方法であってさらに、送電電力の停止を示すセンサ信号に基づいて前記供給水素を導入するステップを含む、運転方法。
【請求項３８】
請求項１５に記載の再生電気化学セルシステム運転方法であってさらに、送電電力フローの停止を示すセンサ信号に基づいて前記供給水素の導入を開始するステップを含む、運転方法。
【請求項３９】
請求項１５に記載の再生電気化学セルシステム運転方法であってさらに、所定量以上に増加した電力需要を示すセンサ信号に基づいて、前記供給水素の導入を開始するステップを含む、運転方法。
【請求項４０】
請求項１５に記載の再生電気化学セルシステム運転方法であってさらに、システム試験のための運転を示すセンサ信号に基づいて、前記供給水素の導入を開始するステップを含む、運転方法。
【請求項４１】
請求項１５に記載の再生電気化学セルシステム運転方法であってさらに、前記供給水素の導入をリモート制御するステップを含む、運転方法。
【請求項４２】
再生電気化学セルシステムの運転方法であって、
燃料セルが約１分以内に運転温度に達する状態に当該燃料セルを維持するステップと、
燃料セル水素電極に水素を導入し、燃料セル酸素電極に酸素を導入するステップと、
前記燃料セル水素電極にて水素イオンおよび電子を生成するステップと、
前記電子が外部負荷を通過し前記燃料セル酸素電極へ至るようにするステップと、
前記燃料セル酸素電極にて前記水素イオンを前記酸素と反応させて水を生成するステップと、を含む、運転方法。
【請求項４３】
前記運転温度が約３０秒以内に達成される、請求項４２に記載の再生電気化学セルシステム運転方法。
【請求項４４】
前記運転温度が約１５秒以内に達成される、請求項４３に記載の再生電気化学セルシステム運転方法。
【請求項４５】
前記運転温度が約１秒以内に達成される、請求項４４に記載の再生電気化学セルシステム運転方法。
【請求項４６】
前記運転温度が約４０ミリ秒以内に達成される、請求項４５に記載の再生電気化学セルシステム運転方法。
【請求項４７】
請求項４５に記載の再生電気化学セルシステム運転方法であって、前記維持するステップはさらに、前記燃料セルを加熱するステップを含む、運転方法。
【請求項４８】
請求項４５に記載の再生電気化学セルシステム運転方法であって、前記維持するステップはさらに、前記燃料セル水素電極に水素を導入するステップと、前記燃料セル酸素電極に酸素を導入するステップとを含む、運転方法。
【請求項４９】
請求項４２に記載の再生電気化学セルシステム運転方法であって、前記維持するステップはさらに、前記燃料セルに外部電圧を印加するステップを含む、運転方法。
【請求項５０】
請求項４２に記載の再生電気化学セルシステム運転方法であって、前記維持するステップはさらに、公称システム電力の約１０％以下の電力を生成するステップを含む、運転方法。
【請求項５１】
請求項４２に記載の再生電気化学セルシステム運転方法であって、前記維持するステップはさらに、
電解モジュールで水素を生成するステップと、
前記電解モジュールから排出される酸素／水ストリームから熱を回収するステップと、
回収した熱を前記燃料セルモジュールに導入するステップと、を含む、運転方法。
【請求項５２】
請求項４２に記載の再生電気化学セルシステム運転方法であってさらに、燃料セル始動時に、つなぎ電力を前記電力負荷に導入するステップを含む、運転方法。
【請求項５３】
前記つなぎ電力が、バッテリ、キャパシタ、フライホイール、およびそれらの装置の少なくとも一つを含む組み合わせから成るグループから選択されたつなぎ装置によって供給される、請求項５２に記載の再生電気化学セルシステム運転方法。
【請求項５４】
さらに、前記燃料セルを用いて電気を生成し、その電気を前記つなぎ装置に送出するステップを含む、請求項５３に記載の再生電気化学セルシステム運転方法。
【請求項５５】
請求項５４に記載の再生電気化学セルシステム運転方法であってさらに、
前記燃料セルモジュールが電力負荷への給電を停止した後に、前記つなぎ装置を再充電するのに十分な期間だけ、前記燃料セルを用いて電気を生成するステップと、
前記燃料セルから電力負荷への給電を停止した後に、前記電気を前記つなぎ装置に送出するステップと、を含む、運転方法。
【請求項５６】
再生電気化学セルシステムの運転方法であって、
水素貯蔵装置から燃料セルの水素電極へ供給水素を導入し、燃料セルの酸素電極へ供給酸素を導入するステップと、
水素イオンを前記酸素と反応させて水を生成するステップと、
前記燃料セル酸素電極からの酸素／水ストリームを、渦管に通過させるように導入することで、低温ストリームと、当該低温ストリームより高い温度の高温ストリームとを生成するステップと、
前記低温ストリームを相分離装置に導入するステップと、を含む、運転方法。
【請求項５７】
さらに、前記高温ストリームを周囲大気に排出するステップを含む、請求項５６に記載の再生電気化学セルシステム運転方法。
【請求項５８】
再生電気化学セルシステムであって、
水素貯蔵装置および乾燥器に流体が通じるように連通している第一の導管と、
前記第一の導管内にて前記水素貯蔵装置と前記乾燥器との間に設けられ、前記水素貯蔵装置から前記乾燥器へ排出されるガスストリームの圧力を低減できる第一の圧力調整器と、
燃料セルモジュールと、前記水素貯蔵装置および前記乾燥器の少なくとも一方とに、流体が通じるように連通している第二の導管と、
前記第二の導管内に設けられた第二の圧力調整器と、を有し、
前記第一の圧力調整器の圧力定格は、前記第二の圧力調整器の圧力定格以上である、再生電気化学セルシステム。
【請求項５９】
再生電気化学セルシステムの運転方法であって、
電解水電極に水を導入し、電解モジュールに給電することで、補給水素および電解酸素を生成するステップと、
水素／水相分離装置および倒立型水素貯蔵装置によって実質的に構成される水素貯蔵システムへ、前記補給水素を送出するステップであって、前記補給水素が、前記電解モジュールから、前記水素／水相分離装置を経て、遮断弁を通過した後、前記倒立型水素貯蔵装置に乾燥水素として到達する、ステップと、
前記乾燥水素と、前記倒立型貯蔵装置内の水とを、前記倒立型水素貯蔵装置から前記水素／水相分離装置を通過させ、燃料セル水素電極へ送出することによって、燃料セルモジュールの水和および燃料補給を実施するステップと、
供給酸素を燃料セル酸素電極に導入するステップと、
水および電気を生成するステップと、を含む、運転方法。
【請求項６０】
再生電気化学セルシステムの運転方法であって、
電解水電極に供給水を導入し、電解モジュールに給電することで、補給水素および電解酸素を生成するステップと、
前記補給水素を加圧状態で、水素／水相分離装置および乾燥器を通過させ水素貯蔵装置へ送出するステップであって、前記乾燥器が、前記補給水素から乾燥水を除去して乾燥水素を生成する、ステップと、
前記乾燥水素の気圧を減圧に低下させ、前記乾燥水素を乾燥器に通過させて乾燥水を前記乾燥器から除去し水和水素を生成することを通じて、燃料セルモジュールの水和および燃料補給を実施するステップと、
前記燃料セルモジュールの燃料セル水素電極へ前記水和水素を送出するステップと、
供給酸素を燃料セル酸素電極に導入するステップと、
水および電気を生成するステップと、を含む、運転方法。
【請求項６１】
前記乾燥水素の前記減圧が、前記燃料セルモジュールの運転気圧より約２ｐｓｉから約１０ｐｓｉだけ高い、請求項６０に記載の再生電気化学セルシステム運転方法。
【請求項６２】
前記乾燥水素の前記減圧が、前記燃料セルモジュールの運転気圧より約３ｐｓｉから約７ｐｓｉだけ高い、請求項６１に記載の再生電気化学セルシステム運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本願は、２０００年９月２８日に出願された米国特許仮出願第６０／２３６，２７８号の出願日に基づく優先権を主張し、その仮出願の全体を本願に引用し援用する。
【０００２】
（技術分野）
本発明は電気化学セルシステムに関し、特に再生電気化学セルシステムに関する。
【０００３】
（背景技術）
電気化学セルは、エネルギ変換デバイスであり、通常は電解セルまたは燃料セルのどちらかに分類される。プロトン交換膜電解セルは、水を電気分解し水素および酸素ガスを発生させることで、水素生成器として機能できる。プロトン交換膜電解セルはさらに、水素を酸素と電気化学的に反応させて電気を生成することで、燃料セルとして機能できる。図１に、典型的なアノードフィード電解セル１００の一部分を示す。反応水１０２が、酸素電極（アノード）１１６側からセル１００内へ供給され、酸素ガス１０４、電子、および水素イオン（プロトン）１０６が生成される。電源１２０のプラス端子をアノード１１６に接続し、電源１２０のマイナス端子を水素電極（カソード）１１４に接続することで、この化学反応が促進される。酸素ガス１０４および反応水の一部１０８が、セル１００から排出され、プロトン１０６および水１１０が、プロトン交換膜１１８を通過してカソード１１４に至る。カソード１１４では、水素ガス１１２が生成される。水素ガス１１２および移動した水１１０は、セル１００のカソード側から排出される。
【０００４】
図１に示すものと同様の構成を用いる典型的な水電解セルの他の例は、カソードフィードセルである。カソードフィードセルでは、反応水が水素電極側から供給される。水の一部が、カソードから膜を通過してアノードに至る。アノードとカソードとの間に電源を接続することで促進される化学反応により、アノードにて水素イオンおよび酸素ガスが生成される。反応水の一部は、膜を通過せずにセルのカソード側から排出され、いくらかの余分な水が、酸素ガスと共にセルのアノード側から排出される。
【０００５】
典型的な燃料セルは、図１に示すものと同様の全体的構成を用いる。水素ガスが水素電極（燃料セルのアノード）に導入され、酸素あるいは酸素を含む空気などのガスが酸素電極（燃料セルのカソード）に導入される。水素ガスは、アノードにて電気化学的に反応し、プロトンと電子を生成する。電子は、アノードから、電気的に接続された外部負荷へ流れ、プロトンは、膜を通過してカソードに至る。カソードでは、プロトンと電子が酸素と反応して水を生成する。その水にはさらに、膜を通過してカソードへ引き込まれた供給水が含まれる。アノードとカソードとの間の電位を用いて、外部負荷に給電できる。
【０００６】
他の形態では、一つ以上の電気化学セルを一つのシステム内で用いて、水の電解による水素および酸素の生成と、水素および酸素の水への再変換による電気の生成との両方を、必要に応じて実施することが可能である。そのようなシステムは通常、再生燃料セルシステムと呼ばれる。単一の電気化学的スタックを使用する場合、それを燃料セルモードあるいは電解モードのどちらかで運転できる。燃料セルモードは、電力が必要な場合に用いられ、電解モードは、水素の備蓄を再生させるために必要時に用いられる。発電時には通常、再生燃料セルシステムにおいて水素がアノードに、そして酸素がカソードに供給され、セルのカソードにおける水素の酸化によって水が生成される。逆に、充電運転時には通常、水が酸素電極（アノード）に供給され、アノードから酸素が、そして水素電極（カソード）から水素が得られる。
【０００７】
当業界において、再生電気化学セルシステムおよびその運転方法が必要とされている。
【０００８】
（発明の開示）
本発明は、再生電気化学セルシステムおよびその運転方法を提供する。再生電気化学セルシステムの代表的な実施形態は、水貯蔵装置に流体が通じるように連通している（ｉｎ ｆｌｕｉｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）燃料セル酸素取入口と、酸素源および水相分離装置の気体部分の両者に流体が通じるように連通している燃料セル水素取入口と、を有する燃料セルモジュールと、燃料セル酸素排出口を介して前記水貯蔵装置に流体が通じるように連通している電解水取入口と、燃料セル水素に流体が通じるように連通している電解水排出口と、を有する電解モジュールと、を含む。
【０００９】
電気化学再生セルシステムの他の実施形態は、水素貯蔵装置および乾燥器に流体が通じるように連通している第一の導管と、第一の導管内にて水素貯蔵装置と乾燥器との間に設けられ、乾燥器から水分を除去するためのパージ工程において水素貯蔵装置から乾燥器へ排出されるガスストリームの圧力を低減するのに有効な第一の圧力調整器と、燃料セルモジュール、ならびに前記水素貯蔵装置および前記乾燥器の少なくとも一方に流体が通じるように連通している第二の導管と、第二の導管内に設けられた第二の圧力調整器と、を有する。その電気化学再生セルシステムにおいて、第一の圧力調整器の圧力定格は、第二の圧力調整器の圧力定格以上である。
【００１０】
再生電気化学セルシステムの運転の一実施形態は、水素貯蔵システムから燃料セルの水素電極へ供給水素を導入し、酸素／水相分離装置から燃料セルの酸素電極へ供給酸素を導入するステップと、水素イオンを酸素と反応させて電気および水を生成するステップと、燃料セルが運転条件を達成した時点で酸素／水相分離装置からの前記供給酸素を停止し、周囲大気モジュールから第二の酸素を燃料セル酸素電極へ導入するステップと、前記水を水貯蔵装置へ送出するステップと、電解水電極に水を導入し、電解モジュールに給電することで、補給水素および酸素を生成するステップと、補給水素を水素貯蔵装置へ送出するステップと、を含む。
【００１１】
再生電気化学セルシステムの運転方法の別の実施形態は、単独または他の方法と組み合わせて使用可能であって、燃料セルが約１分以内に運転温度に達するよう燃料セルを運転可能状態に維持するステップと、燃料セルの水素電極に水素を導入し、燃料セルの酸素電極に酸素を導入するステップと、燃料セル水素電極にて水素イオンおよび電子を生成するステップと、電子が負荷を通過し燃料セル酸素電極へ至るようにするステップと、燃料セル酸素電極にて水素イオンを酸素と反応させて水を生成するステップと、を含む。
【００１２】
再生電気化学セルシステムの運転方法のさらに別の実施形態は、単独または他の方法と組み合わせて使用可能であって、水素貯蔵装置から燃料セルの水素電極へ供給水素を導入し、燃料セルの酸素電極へ供給酸素を導入するステップと、水素イオンを酸素と反応させて電気および水を生成するステップと、渦管を通過するよう燃料セル酸素電極からの酸素／水ストリームを導入することで、高温ストリームおよび低温ストリームを生成するステップと、低温ストリームを相分離装置に導入するステップと、を含む。
【００１３】
再生電気化学セルシステムの運転方法のさらなる実施形態は、単独または他の方法と組み合わせて使用可能であって、電解水電極に水を導入し、電解モジュールに給電することで、補給水素および酸素を生成するステップと、水素／水相分離装置および倒立型水素貯蔵装置によって実質的に構成される水素貯蔵システムへ補給水素を送出するステップであって、補給水素は、電解モジュールから、水素／水相分離装置を経て、遮断弁を通過し、倒立型水素貯蔵装置へ至るステップと、補給水素および水を、倒立型水素貯蔵装置から水素／水相分離装置を通過させ燃料セル水素電極へ送出することによって、燃料セルモジュールの水和および燃料補給を実施するステップと、酸素を燃料セル酸素電極に導入するステップと、水および電気を生成するステップと、を含む。
【００１４】
再生電気化学セルシステムの運転方法の別の実施形態は、単独または他の方法と組み合わせて使用可能であって、電解水電極に水を導入し、電解モジュールに給電することで、補給水素および酸素を生成するステップと、補給水素を加圧状態で、水素／水相分離装置および乾燥器を通過させ水素貯蔵装置へ送出するステップであって、乾燥器は、補給水素から乾燥水を除去して乾燥水素を生成するステップと、乾燥水素の気圧を減圧に低下させることによって燃料セルモジュールの水和および燃料補給を実施するステップと、乾燥水素を乾燥器に通過させるステップと、乾燥水を乾燥器から除去し水和水素を生成するステップと、燃料セルモジュールの燃料セル水素電極へ水和水素を送出するステップと、酸素を燃料セル酸素電極に導入するステップと、水および電気を生成するステップと、を含む。
【００１５】
再生電気化学セルシステムの運転方法の別の実施形態は、単独または他の方法と組み合わせて使用可能であって、燃料セルが約１分以内に運転温度に達する状態に維持するステップと、燃料セルの水素電極に水素を導入し、燃料セルの酸素電極に酸素を導入するステップと、燃料セル水素電極にて水素イオンおよび電子を生成するステップと、電子が負荷を通過し燃料セル酸素電極へ至るようにするステップと、燃料セル酸素電極にて水素イオンを酸素と反応させて水および電気を生成するステップと、を含む。
【００１６】
以下の詳細な説明および図面から、上述および他の特徴が当業者によって認識および理解される。
【００１７】
（発明を実施するための最良の形態）
図面は、例示的であって限定を課すものではなく、それらの図面において、同一の要素には同一の符号を付す。
【００１８】
電解モジュールと燃料セルモジュールとを有する再生電気化学セルシステム（以下、「再生システム」とも呼ぶ）を、以下に説明する。この再生システムは、住居用や商業用などの多くの用途において、無停電電力供給を提供できる。商業的用途は、たとえば電気通信産業（屋外プラント、セルタワーなど）、コンピュータ（個々のコンピュータ、ネットワークコンピュータなど）、個々の会社、オフィス街、ケーブル（電話、インターネットなど）、送電網などを含む。住居用用途は、たとえば個々の住宅、地区、村などを含む。再生システムはさらに、ピーク削減の実現にも利用できる。すなわち、ピーク電力消費時に、様々なユニットを作動させて所定エリア（住宅、共同体、商業的法人／グループなど）に給電することで、追加電力を必要とする他のエリアに送電電力を転送することができる。たとえば、電気通信会社が自社のセルタワーによるバックアップ再生システムからの電力を電力会社に売却し、そのセルタワーの近隣地区に給電することが可能である。セルタワーバックアップ再生システムは通常はアイドリング状態である（たとえば、再生システムがセルタワーの現場に存在する９８％以上の期間において、再生システムはアイドリング状態である）ため、電力会社はローカルな電力補助を受けられ、消費者は停電や電圧低下を回避でき、電気通信会社はアイドリング状態であったシステムから収益を得ることができる。
【００１９】
ピーク削減モードでの再生システムの利用においては、再生システム（たとえば、再生システムの所有者／操作者、および／または再生システム直接）と送電網との間の作動上の連携、送電網の操作者と再生システムとの間の作動上の連携、ならびに他の様々な集中型または分散型のユーティリティ制御および監視システムが必要である。さらに、収益の照査のために、再生システムを、計量供給機能および課金機能を果たすユーティリティシステムに接続してもよい。ピーク削減は、需要が多い時の主電力源の補助手段として実施してもよいし、もしくはより頻繁に、ピーク対ピーク削減エネルギコストが再生システム所有者にとって正味でプラス収益源を生じさせる時にいつでも使用すれば好ましい。運転時に操作者は、再生システムをリモートまたは手動で作動させて（オンにして）、所望の期間だけ、あるいは再生システムにおいて様々な反応物（たとえば水素）を補充するための再生作業が必要となるまで、電気を再生システムから所望のエリアへ供給する。なお、電気生成と同時に再生を実施することも可能である。
【００２０】
再生システムの運転時において、すなわち電力が要求される場合に、水素ガス（水素貯蔵手段などからの）および酸素ガス（周囲大気、酸素／水貯蔵装置、または酸素貯蔵手段、またはそれらの酸素源の少なくとも一つを含む組み合わせからの）を、燃料セルモジュールに供給する。燃料セル内では、アノードで生成された水素イオンが、電解液中を移動してカソードへ至り、酸素と反応して水を生成する。一方、水素イオン生成時に放出された電子が、外部負荷を通過して電気（すなわちパワー）を生成する。カソードで生成された水は、大気中に排出してもよいし、あるいは相分離器に通過させて水を回収して、その後に酸素、窒素、およびいずれかの他のガスを排出してもよい。回収した水は、水貯蔵装置に送出できる。発電は、水素源が使い尽くされるまで、あるいは電力が必要とされなくなるまで継続される。発電の停止の理由としては、たとえば送電電力の復帰、再生可能エネルギ源（太陽光、風力、および波力発電など）の復帰などが含まれ、さらに、ピーク削減の費用効果が低くなった、またはピーク削減が不要になったと判断された場合が考えられる。
【００２１】
発電を継続するかにかかわらず、水素貯蔵システム内の水素量が所定レベルより低下した時点で、電解モジュールを作動させて水素の備蓄を補充することが好ましい。好ましくは、水素貯蔵レベルがフル未満であって、電解セルの運転に使用可能な電力がある場合にいつでも、水素を補充する。水素生成工程ではまず、電解セルに水を導入する。アノードにて水は、水素イオンおよび酸素に変換される。酸素および余分な水は、電解セルから排出されるが、水素イオンは一部の水と共に、電解液中を移動してカソードへ至る。カソードでは、水素イオンが水素ガスを生成する。水素ガスは、電解セルから水素貯蔵装置へ送出される。オプションとして、水素ガスの全体または一部を、貯蔵せずに直接燃料セルで使用することもできる。
【００２２】
電解セルから排出される酸素は、様々な方法で処理できる。それらの方法は、直接大気に排出すること、相分離器に通過させること、酸素の一部分または全体を貯蔵すること、あるいはそれらの選択肢の少なくとも一つを含む組み合わせなどを含む。酸素ストリームから少なくとも水を回収してから、大気に排出させることが好ましい。燃料セルが運転温度に達する早さは、酸素ストリーム中の酸素濃度に正比例するため、オプションとして、少量の酸素を貯蔵し、燃料セルの常温（周囲温度、または少なくとも運転温度より低い温度など）からの迅速な始動（たとえば約５秒以内の運転温度の達成）を実現にするために使用してもよい。もしくは、水貯蔵装置の気体中に存在する酸素を、始動時に燃料セルへ送出することもできる。システムの簡素化のためには、電解槽からの酸素を周辺環境へ排出する前に相分離器に通過させ、さらにその相分離器からの水を、燃料セル始動時に、燃料セルに流体が通じるように連通している水貯蔵装置に送出することが、特に好ましい。
【００２３】
再生システムがバックアップする電力負荷（または装置）に対して実質的に無停電の電力供給を提供するなどの目的において、燃料セルモジュールの始動期間を短縮するために、様々な手法が使用可能である。それらの手法はたとえば：１）酸素／水相分離装置および／または水貯蔵装置から、濃縮酸素（空気などの周囲大気の酸素濃度より高い濃度など）を燃料セルモジュールに導入する；２）燃料セルモジュールを加熱する；３）「運転停止」中に燃料セルモジュールに反応物を導入する；およびそれらの手法の少なくとも一つを含む組み合わせなどを含む。燃料セルが電力負荷のための電気を生成しない運転停止中には、燃料セルを運転可能な条件下に維持することが可能である。その条件のために、反応物（水素および酸素）を燃料セルモジュールに導入してもよく、またオプションとして、燃料セルモジュールに外部電圧を印加することで、電解液中の反応物の移動を抑制してもよい。あるいは、反応物を燃料セルモジュールに導入し、燃料セルモジュールが近運転状態に維持されるよう電力を十分に低いレベルで生成する（たとえば、公称システム電力の約１０％以下を生成する、すなわち、公称電力が約１ｋＷのシステムにおいて約１００Ｗ以下を生成する）ことで、燃料セルモジュールを「アイドリング状態」に維持することも可能である。始動期間は、約１分以内であることが好ましく、より好ましくは約３０秒以内、さらに好ましくは約１５秒以内、またさらに好ましくは約１秒以内であり、再生システム１がバックアップ電源である場合に実質的に「無停電」電力を実現するためには、約４０ミリ秒以内であることが特に好ましい。
【００２４】
「無停電」電力を実現するために、つなぎ電力装置を再生システムに組み込み、燃料セル始動時にエネルギフローを提供できるようにしてもよい。つなぎ装置はたとえば、バッテリ、キャパシタ、フライホイール、他のエネルギ蓄積装置、またはそれらの装置の少なくとも一つを含む組み合わせである。つなぎ装置は所望期間だけ作動できるが、作動期間が燃料セル始動期間に一致することが好ましい。たとえば燃料セル始動期間が約１秒の場合、つなぎ装置は、燃料セルが始動中のその１秒間だけ作動する。オプションとして、電力負荷からの電力要求の停止後に、つなぎ電力装置の再充電に必要な期間だけ燃料セルモジュールを作動させて、燃料セルモジュールで生成される電気をつなぎ装置に供給することもできる。
【００２５】
運転（すなわち始動）前における燃料セルへの反応物（水素および酸素など）の導入は、反応物の細流（たとえば、燃料セルモジュールの始動期間を約１分以内に短縮するのに十分な量）によって実施してもよいし、あるいは、燃料セルの始動が迅速になるよう燃料セルを周囲大気温度より高温に維持するのに十分な量によって実施してもよい。そのような実施形態においては、外部電源（送電電力、つなぎ装置電力など）を用いてセルに電荷を印加し、反応物の電解液中の移動を制御することが好ましい。
【００２６】
所望の始動期間を達成するための燃料セルモジュールの加熱は、電解モジュールが水素貯蔵装置に水素を補充する際に発生する廃熱を利用して実施する。たとえば、電解モジュールから排出された酸素／水に含まれる廃熱を、ヒータ内で回収し、燃料セルモジュールへ送出する。その代わりに、またはそれと組み合わせて、渦管やヒータなどの様々な熱源を利用することができる。燃料セルモジュールを加熱する場合、要求される始動期間しだいで、燃料セルの運転温度までのいずれの温度に加熱してもよい。
【００２７】
図２は、オープンインタフェース再生電気化学セルシステム（再生システム）１の一実施形態を示すブロック図である。再生システム１は電解モジュール１０を含み、その電解モジュール１０は、周囲大気３４に連通する酸素通気口２６に流体が通じるように連通している。電解モジュール１０と酸素通気口２６との間には任意で、水貯蔵装置２８が設けられる。水貯蔵装置２８は、水貯蔵手段１６に流体が通じるように連通しており、水貯蔵手段１６は、電解モジュール１０のカソードチャンバに流体が通じるように連通している。電解モジュール１０のアノード側において、水素貯蔵装置（単数または複数）１４が電解モジュール１０に流体が通じるように連通しており、その間に相分離装置３６が任意で設けられる。水素貯蔵装置１４はさらに、燃料セルモジュール１２に流体が通じるように連通しており、その際に乾燥器３８を介することが好ましい。燃料セルモジュール１２は、酸素／水相分離装置６６、水貯蔵装置２８、および酸素通気口２６を介して、周囲大気３４に流体が通じるように連通している。さらに燃料セルモジュール１２は、オプションの電力調整器２０を介して、電力負荷４０に電気的に接続される。また電力負荷４０には任意で、電力つなぎ装置７８が電気的に接続されている。一方、電解モジュール１０は、オプションの電力調整器４４を介して、電源４２に電気的に接続される。オプションとして、電源４２とつなぎ電源７８とが同一装置であってもよい。
【００２８】
電解モジュール１０は、要求される水素生成レートしだいで、いくつの所望数の電解セルを含んでもよい。各電解セルは、電極間に位置する電解液を含み、電解液は電極とのイオン交換を実施する（ｉｎ ｉｏｎｉｃ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）。一方の電極は、水源（たとえば１６、２８、３２、または連続供給水源など）に流体が通じるように連通している。他方の電極は、好ましくは相分離装置３６および水素貯蔵装置（単数または複数）１４を介して、燃料セルモジュール１２に流体が通じるように連通している。
【００２９】
水貯蔵装置１６などの水源は、取水口および排水口を有する。取水口は、燃料セルモジュール１２に流体が通じるように連通し、排水口は、電解モジュール１０に流体連通する水ポンプ３０に流体が通じるように連通している。水貯蔵装置の設計によっては、水素排出口および酸素排出口から得られる水の回収のために単一のタンク１６を使用してもよいし、あるいは複数の水貯蔵装置（１６、２８）を使用してもよい。さらに、システムの補充水の入手可能性のいかんによって、バックアップ水貯蔵手段３２を設けてもよい。その代わりに、もしくはそれに加えて、水貯蔵装置を任意で、連続的水源（たとえば湖、川、都市用水など、またはそれらの水源の少なくとも一つを含む組み合わせ）に流体が通じるように連通させてもよい。
【００３０】
さらにその水システム（すなわち水貯蔵装置および流体連通管）は、水の温度を上昇させて燃料セル始動期間を短縮するための加熱システムを有することが考えられる。この加熱システムは、配管システムおよび／または水貯蔵装置１６の内部および／または周辺に設けられる抵抗性ヒータ（たとえばヒータ４６）で構成されてもよい。あるいは加熱システムは、加熱システム構成品と配水管システム構成品との両者を含むことも可能であり、たとえば配管接続の提供という第二の機能をも有するチューブヒータを含んでもよい。もしくはヒータが、燃料セルモジュール１２または電解モジュール１０の構成品の一体的部分として組み込まれ、その加熱要素がモジュールの端板または流体連通部の一部を形成することも可能である。また当該加熱方法では、システム内または外部に設けられた赤外線源などの放射加熱手段を使用できる。それらのヒータは、マット、チューブ、コイル、またはロッド型のヒータ、もしくはそれらのヒータの少なくとも一つを含む組み合わせの形態であってもよい。あるいはヒータは、水以外が主材料である流体を用いた熱管理または水和サブシステムの一部であることも可能である。
【００３１】
加熱システムはさらに、上記システムの一部または追加構成品として、凍結防止手段を有してもよい。凍結防止は、熱損失を低減させる様々な防熱処置や、再生システム１の非耐凍性部分からの排水を可能にする隔離弁や水ポンプなどを用いることによって達成できる。また、加熱システムと共に連続的水フローを用い、ならびに／あるいは加熱システムの寄生負荷（水ポンプや制御システム電子部などから発生する熱）を用いて、熱エネルギを生じさせることで、周囲低温時（たとえば３０°Ｆ）に水の凍結を防止できる。寄生熱の利用は、温度センサなどによる様々な制御と組み合わせることで、ポンプを連続的に作動させたり、実際の水温度などの要因に基づき断続的に作動させて、実施され得る。
【００３２】
水貯蔵装置１６と電解モジュール１０との両者に流体が通じるように連通している水ポンプ３０は、オプションとして、双方向の水フローが可能であってもよい。それにより水ポンプ３０は、電解モジュール１０による充電運転時には、再生システム１に蓄積する余分な水を水貯蔵装置１６へ流すことができる。燃料セルモジュール１２を介して電解モジュール１０に流体が通じるように連通することが可能であるこのポンプ３０は、再生システムの運転が効率的になるよう、要求される水を圧力下にて電解モジュール１０に送出可能であることが好ましい。たとえば水ポンプ３０は好ましくは、燃料セルモジュール１２運転時に、約２．１メガパスカル（ＭＰａ）（３００ポンド／平方インチ（ｐｓｉ））以上の圧力下で、水を電解モジュール１０に送出可能である。
【００３３】
水貯蔵装置１６および水ポンプ３０と同様に、水素貯蔵装置１４も、電解モジュール１０に流体が通じるように連通している。水素貯蔵装置１４は、水素ガス取入口と、水素ガス排出口とを有する。水素取入口は、電解モジュール１０に流体連通する水ポンプ３０に流体が通じるように連通し、水素排出口は、燃料セルモジュール１２に流体が通じるように連通している。
【００３４】
水素貯蔵装置１４の設計、および再生システム１の貯蔵要件に基づき、水素貯蔵装置１４内で水素は様々な気圧で貯蔵され得る。水素貯蔵装置１４は好ましくは、水素ガスを約２，０００ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）以上の気圧で貯蔵するのに適した加圧デバイスであり、約１０，０００ｐｓｉ以上の気圧で水素を貯蔵可能であればさらに好ましい。
【００３５】
要求される水素貯蔵気圧は、再生システム１内で電解槽のみ、あるいはそれと共に気圧上昇システム（コンプレッサ６５など）を用いることで達成できる。その代わりに、またはそれに加えて、水素化金属ポンプシステムまたはプロトン交換膜（ＰＥＭ）式ポンプシステムなどの機械的または他の気圧上昇手段を、貯蔵装置１４に設けてもよい。いずれのポンプシステムにおいても、一つの段階または複数の段階を経て、最終的圧縮レベルを達成することが考えられる。圧縮技術を様々な組み合わせおよび数量で用いることで、システムに必要な圧縮を実施すればよい。
【００３６】
加圧式水素貯蔵装置１４を用いる代わりに、貯蔵装置１４において他の水素貯蔵技術を採用することも可能である。たとえば水素を、ガス、固体、または液体の形態で貯蔵できる。加圧デバイスを用いる場合は、水素は圧縮ガスとして貯蔵される。非加圧デバイスを用いる場合は、カーボンを主材料とした貯蔵デバイス（粒体、ナノファイバ、ナノチューブなど）などの中に、水素を水素化金属などの固体として貯蔵できる。あるいは、その他の方法、および上述の貯蔵形態の少なくとも一つを含む組み合わせを用いて貯蔵してもよい。
【００３７】
水素貯蔵装置１４は、要求される気圧に耐えられるいずれかの材料で構成される。使用可能な材料としては、鉄含有材料（ステンレス鋼などの鋼など）、チタン、カーボン（織物状カーボンファイバ材料など）、プラスチック、同等に強度の高い他の材料、およびそれらの材料の少なくとも一つを含む複合材料、合金、ならびに混合物が挙げられる。さらに装置１４の内側を、シーラント、表面仕上げ材、コーティングなどで被覆することで、腐食や、タンク材料に関連した他の汚染物質が、当該装置内の水素または他の凝縮液に連通することを防止でき、さらに再生システム構成品の汚染を阻止できる。
【００３８】
水素貯蔵システムの一部において、水素ガス乾燥技術を用いることができる。乾燥システムはたとえば、乾燥剤に基づく乾燥手段（スイングベッドアブソーバや、他の乾燥剤式アブゾーバなど）、相分離器、膜式乾燥システム（パラジウムディフューザなど）、コアレッサフィルタ、凝縮システム（たとえば熱電冷却器、渦管冷却器、蒸気または気体循環冷却システムなどを使用するもの）など、およびそれらの乾燥システムの少なくとも一つを含む組み合わせである。
【００３９】
オプションとして、水素貯蔵システムに、倒立型水素貯蔵装置（すなわち、双方向開口部（吸入および送出口）を有する水素貯蔵装置、および／または、容器の上部接続部から水素を排出でき、重力排出口から水を排出できる水素貯蔵装置（図３の符号４参照のこと））を含んでもよい。倒立型水素貯蔵装置は、凝縮した水分を回収し、その凝縮液を水貯蔵装置１６または他の水サブシステム構成品に返却できるようになっている。あるいは、倒立型水素貯蔵装置を二次的な水分離器として、水素／水相分離装置３６などの一次的な水分離器（水の抽出および回収を向上させるために複数段の分離器を含むことも可能）と共に使用してもよい。倒立型水素貯蔵装置４を使用することで、乾燥器および関連のハードウェアを設ける必要がなくなる。さらに、要求される貯蔵気圧にて水素を生成するよう電解モジュール１０を運転できれば、コンプレッサ６５を設ける必要もなくなる。
【００４０】
オプションの乾燥器３８と、燃料セルモジュール１２とが、水素貯蔵装置１４に流体が通じるように連通している。乾燥器３８は、水素ストリームから水蒸気を除去できるいずれのデバイスで構成されてもよい。相分離器３６において、いくらかの水が、飽和水素ストリームから除去される。相分離器からの飽和水素ガスは、乾燥器３８に流入する（そのフローは、分離器３６へ供給されるストリームより低い水分飽和度を有する）。乾燥器３８は、乾燥剤などの水分吸収（および／または吸着）材のベッドを含む。飽和水素ガスが乾燥器３８に流入すると、水およびそれに連行される微量の水素は、除去された後、低圧水素分離器７４を通じて水源に返却される。低圧水素分離器７４は、減圧によって水ストリームから水素を逃し、さらに、相分離器３６から送出される水より低圧にて水を水源へ循環させる。もしくは、乾燥器３８に加えてディフューザを設けてもよい。その場合、貯蔵装置１４と乾燥器３８との間に一方向性逆止弁７２を設け、水素ガスの高圧逆流を防止することが好ましい。
【００４１】
乾燥器３８は、水素貯蔵システムのサイズに基づき、電解時に生成される全ての水分を保持できる寸法に構成されることが好ましいが、乾燥器３８の水除去容量には限界がある。したがって、乾燥器３８を定期的にパージし、蓄積した水分を除去することが好ましい。乾燥器３８のパージは、水素貯蔵装置１４からの貯蔵水素ガスを流して乾燥ベッドを通過させることで実施できる。水素貯蔵装置１４からの水素ガスが乾燥器３８を通過するにつれて、乾燥ベッドから水分が一掃される。第一の圧力調整器５６は、水素貯蔵装置１４と乾燥器３８との間に、流体が通じるように接続されている。圧力調整器５６は、水素貯蔵装置１４からの気圧を低減することにより、乾燥器３８のパージを効率的かつ低コストにて実現している。第一圧力調整器５６を使用することで、大気中に排気される（散逸される）水素ガスの量を最小限にでき、ベッドの脱着をより効率的な手法によって実施できる。また、第一圧力調整器５６の使用により、水素貯蔵装置１４からの高圧ガスに相分離器３６がさらされることを防止できる。より詳細に後述するとおり、圧力調整器５６は、燃料セルモジュール１２の運転気圧またはそれ周辺の気圧に設定されることが好ましい。より好ましくは当該気圧は、燃料セルモジュール１２の運転気圧より１０ｐｓｉ以内の気圧だけ高い気圧に設定され、７ｐｓｉ以内の気圧だけ高い気圧であればさらに好ましい。また、燃料セル運転気圧より約２ｐｓｉ以上高い気圧が好ましく、約３ｐｓｉ以上高い気圧であればさらに好ましい。
【００４２】
パージ工程は、減圧した水素を乾燥器に通過させて、吸収された（および吸着された）水を脱着するステップを含む。水和された水素は、大気中に排気してもよく、さらに／あるいは、水和水素の一部または全体を燃料セルへ送出し、それが消費された後に可能であれば水を回収することが好ましい。望ましくは、乾燥器３８が水素加湿装置として機能し、燃料セルの電解液の乾燥を防ぐ。排出された水和水素は、燃焼または触媒バーナーなどで消費してもよい。燃料セルスタック１２は、発電モードにおいてエネルギを生成するために使用される。発電モードでは、制御弁（図示せず）が作動され（アイドリングモード中に開けたままにすることが好ましい）、水素ガスが貯蔵装置１４から燃料セルスタック１２へ流入する。燃料セルモジュール１２内で水素ガスは、Ｏ２と電気化学的に反応することで、エネルギを放出するとともに、副生成物の水を生成する。この水は、システム内に保持されることが好ましい。酸素ガスは、加圧ガスとして貯蔵されたものでもよいし、あるいは周囲大気から供給されてもよい。第二の圧力調整器６８は、燃料セル取入口に流体が通じるように接続している。当該圧力調整器は、燃料セルの最適運転気圧に設定される。好ましくは、第二圧力調整器６８は約４０ｐｓｉに設定される。圧力調整器６８は、水素ガス生成時に得られた高圧（約４，０００ｐｓｉ以上の気圧）から燃料セルを保護し、二次的減圧器として機能する。調整器６８はまた、逆止弁の故障またはリークの際に、バックアップ機構として機能する。
【００４３】
前述のとおり、圧力調整器５６は、圧力調整器６８の圧力定格より高い（たとえば、調整器６８の圧力定格より数ｐｓｉ高い）定格に設定されることが好ましい。このような条件下で圧力調整器５６は、圧力調整器６８が「全開」になるような故障の際に、調整器６８のバックアップとして機能できる。さらに、圧力調整器５６が調整器６８より高い値に設定されるため、電解時にも、燃料セルモジュール１２への気圧が連続的に維持される。水素貯蔵装置１４と燃料セルモジュール１２との間に、作動させる必要のある遮断弁またはマルチウェイ弁を全く設けないことが好ましく、それにより燃料セルは常に運転可能状態に維持される。通常は水素貯蔵装置４，１４と乾燥器３８との間に設けられる遮断弁５７は、再生システム１の運転時には開いており、閉じられるのはシステム故障またはシステム停止時のみである。したがって、再生システム１が充電／貯蔵モード（水素生成など）および発電モードを循環して実施する際に、弁の作動によって発生する切換遅延が排除させる。発電モードにおいて、圧力調整器５６を使用することにより、低圧パージガスが乾燥器３８に流入し、ベッドから蓄積水分を脱着する。そのため、再生システム１ではより低コストの相分離器３８が利用可能になり、分離器排出口に設けられる逆止弁を任意でなくすことが可能になる。システムにおいて水素気圧上昇システム（コンプレッサなど）を用いる場合、低圧相分離器の使用は、低コストであるため特に好適である。
【００４４】
乾燥器３８から、水素が燃料セルモジュール１２に流入する。燃料セルモジュール１２は、再生システム１に要求される給電能力しだいで、いくつの燃料セルを含んでもよい。各燃料セルは、二つの電極間に位置する電解液を含み、電解液は電極とのイオン交換を実施する。一方の電極は、水素源（たとえば水素貯蔵装置４，１４および／または電解モジュール１０）に流体が通じるように連通している。他方の電極は、酸素源（たとえば周囲大気３４、水貯蔵装置２８のガス相、酸素／水相分離装置６６のガス相、および／または酸素貯蔵装置（図示せず））に流体が通じるように連通している。
【００４５】
燃料セルモジュールが周囲大気に流体が通じるように連通している場合、燃料セルモジュール１２と周囲大気３４との間の気圧差の低減、周囲大気３４からの空気の取込み、および空気の濾過は、たとえばエアコンプレッサ、ファン２４、フィルタ、およびそれらの少なくとも一つを含む組み合わせなどの様々な手段によって実施できる。エアコンプレッサ２４は、吸気口および排気口を含む。排気口は、燃料セルモジュール１２に流体が通じるように連通し、吸気口は、周囲大気３４に流体が通じるように連通している。エアコンプレッサ２４は、周囲大気３４から空気を吸引し、圧縮し、圧縮空気として燃料セルモジュール１２へ供給する。エアコンプレッサ２４による圧縮空気の生成によって、燃料セルモジュール１２による空気の取込みが容易になる。
【００４６】
電力負荷４０が、燃料セルモジュール１２に電気的に接続している。電力負荷４０は、直流（ＤＣ）負荷または交流（ＡＣ）負荷であり、たとえば住居用や商業用用途などの上述のもの（それらの電力負荷に給電するバッテリをも含む）を含むことが可能である。燃料セルモジュール１２からの電気は、電力調整器２０によって適切に調整される。さらにシステム１は、負荷に直接に接続することも可能である。その場合、様々な条件下で電力を引き出すことができるセンサが設けられる。その条件とはたとえば、送電電力フローの停止、所定量を超える電源需要の増加、システム試験のための運転、集中型または分散型制御システム（たとえば、無線または有線（モデムなど）を含む様々な方法で接続されるもの）からのコマンド、赤外線および無線周波コマンド、および上記コマンドシステムの少なくとも一つを含む組み合わせからのコマンドなどが挙げられる。それらのコマンドシステムはさらに、再生システムと作動上連携する通信装置や制御装置などのオペレーションズ装置を含んでもよい。オペレーションズ装置はたとえば、処理ユニット（コンピュータなど）および類似の装備などである。
【００４７】
燃料セルモジュール１２とは対照的に、電解モジュール１０は電源４２に接続されている。電源は、電解モジュール１０が所望の水素生成レートを達成するに十分な電力を供給できるものであればいずれのデバイスでもよい。電源４２はたとえば、送電網、太陽光発電、水力発電、潮力発電、風力発電など、およびそれらの電源の少なくとも一つを含む組み合わせである（たとえば、ソーラーパネル、風車、タービンを伴うダムなどを用いる）。
【００４８】
電源は、好ましくは電力調整器４４を通じて、ＡＣまたはＤＣ電力をシステム１に導入する。電力調整器は、たとえば電流制御、電圧制御、切換制御、およびそれらの制御の少なくとも一つを含む組み合わせなどの、エネルギ源の制御を実施する。電力調整器４４および／または制御システム（図示せず）は、電力調整器４４から得られる電力を制御するために、電圧、電流、またはその両者を監視することが考えられる。
【００４９】
再生システム１から電力負荷４０を通じて出力される電力のほかに、熱エネルギを、熱交換器５０および／またはラジエータ５２を用いて再生システム１から回収することが可能である。熱交換器は、燃料セルモジュール１２および電解モジュール１０の両者に流体が通じるように連通させて設けることで、電解モジュール１０で発生した熱を燃料セルモジュール１２で利用可能にできる。その代わりに、またはそれに加えて、当該熱を、周囲環境に連通するようにしてもよく、あるいは建物（オフィスビル、家、ショッピングセンターなど）などの熱負荷に送出してもよい。
【００５０】
上述の装備のほかに、システムは他の様々な装備を有することが考えられる。その装備とはたとえば、弁（たとえば逃し弁、逆止弁、手動弁、作動弁、ニードル弁など、およびそれらの弁の少なくとも一つを含む組み合わせ）、フィルタ（たとえば脱イオン化ベッドカートリッジ、フィルタカートリッジなど、およびそれらのフィルタの少なくとも一つを含む組み合わせ）、センサ（たとえば圧力、温度、フロー、湿度、導電率、ガス混合率、水位などのセンサ、およびそれらのセンサの少なくとも一つを含む組み合わせ）、制御装置（たとえばヒータ、熱交換器、冷却器、乾燥器などの温度制御装置、コンプレッサなどの圧力制御装置、ポンプ、ファン、ブローワなどのフロー制御装置、パワー制御装置など、およびそれらの制御装置の少なくとも一つを含む組み合わせ）、導管（流体導管、電線管など）など、およびそれらの装備の少なくとも一つを含む組み合わせである。再生システムの設置場所（遠隔地、都市圏、工業地など）、そのシステムの役割（たとえば第一線の発電、またはバックアップ発電）、およびその再生システムがバックアップする電源の重要性のいかんによっては、水貯蔵装置、乾燥器、熱交換器、ラジエータ、脱イオン化ベッド、フィルタ、および相分離装置などを、並列運転用に二重に設けることも可能であり、あるいは直列運転用に単に追加構成品として設けることも可能であるということに、留意すべきである。
【００５１】
次に、再生電気化学セルシステムの運転工程を説明する。水素貯蔵装置１４から燃料セルモジュール１２へ、好ましくは圧力調節器５６および乾燥器３８を通じて、貯蔵水素を供給する。フィルタ５８およびファン２４を通じて、周囲大気からの空気を燃料セルモジュール１２へ送る。オプションとして、所望の気圧を達成するために、燃料セルモジュール１２に進入する前に当該空気を圧縮してもよい。燃料セルモジュール１２内で水素と空気とが反応し、電気および副生成物の水が生成される。電気は、再生システム１から電力調整器２０を通じて電力負荷４０へ送出する。カソード排出物、すなわち余分な空気および生成水は、相分離装置６６を通じて水貯蔵装置２８へ送出する。オプションとして、水／空気ストリームから分離した酸素を、燃料セルモジュール１２での使用のため（たとえば始動期間の短縮のため）に保持してもよいし、あるいは通気口２６を通じて周囲大気３４に排出することもできる。同様に、燃料セルアノード排出物からの水素および水は、燃料セルから水貯蔵装置１６へ送出される。その際に任意で、余分な水素と、電解液中を移動した窒素とを、通気口６０を通じて排気する。
【００５２】
水の回収を向上させるために、すなわち水損失を最小限にするために、一つ以上の脱湿器を再生システム１に追加してもよい。脱湿器は、排気前に、水蒸気を再凝縮して回収するよう機能する。一つの実施形態では、乾燥器３８に加えて乾燥器６４を使用する。乾燥器３８が、水素貯蔵装置、電解モジュール１０、および水貯蔵装置１６に流体が通じるように連通して設けられるのにたいして、乾燥器６４は、水貯蔵装置２８に流体が通じるように連通している。このオプションの乾燥器６４によって、他の気体成分（窒素、二酸化炭素など）をも含み得る酸素パージストリームから水蒸気を除去することが可能になる。
【００５３】
燃料セルモジュール１２のカソード側からの気体／水ストリームにおいても、排出水分の脱湿を実施してもよく、それによりシステム総水量を維持できる。この脱湿は、燃料セルの排出口側の排気口にて実施する。一つの実施形態では、別個の相分離器（たとえば気体／水相分離器６６）を用いて、回収水を集めることができる。続いてその水を、ポンプまたは重力で、電解モジュール１０へ供給できる。あるいは、回収水の全体または一部を、水貯蔵装置１６に送出してもよい。
【００５４】
水再利用システムでは、周囲大気３４（たとえば周囲空気）との熱交換を部分的または全体的に利用してもよい。水再利用システムではさらに、再生システム１で利用可能な他の流体の使用、積極的冷却（熱電冷却器、空気循環冷却、蒸気循環冷却など）による低温凝縮表面の生成、および上記の伝熱技術の少なくとも一つを含む組み合わせを実施してもよい。たとえば熱交換において、燃料セルから排出される加圧空気を、渦管冷却器に通過させることが考えられる。冷却器を通過すると空気は冷却され、低温空気ストリームおよび高温空気ストリームが生成される。高温空気ストリームは周囲大気へ排気し、低温空気ストリームは、空気ストリーム中の水分を凝縮するために使用する。冷却器から送出される凝縮水および空気を、水／空気相分離器で分離し、その空気を渦管に供給する。渦管は、高温および低温空気源の両者を生成する。低温空気源は、凝縮制御および回収に使用し、高温空気源は通常は排気する。渦管の一例としては、エクスエア社（Ｅｘａｉｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）の渦管モデル３２０２が挙げられ、その渦管は、低温マフラーモデル３９０５および高温マフラー３９０３を取り付けて使用される。必要な低温空気源が得られるものであれば、他のオプションまたは組み合わせを使用することも可能である。また渦管は、要求に応じて、水の回収に使用してもよいし、燃料セルの加熱または冷却などの熱交換のみに使用することもできる。可動部品を用いないことから、渦管は、高い流体フローレート（たとえば約１５０立方フィート／分（ＣＦＭ）以上）を伴わない用途において好適な技術である。
【００５５】
渦管や相分離装置などから回収された水は、水貯蔵装置１６，２８の一つに送出されることが好ましい。水貯蔵装置１６，２８は、水の貯蔵に加え、好ましくは、水の液相からさらなる水素または酸素を分離する相分離を実施する。水貯蔵装置１６は、水素／水相分離装置３６、酸素／水相分離装置６６、および水素導管（導管８０など）から凝縮水を受けることが好ましく、水貯蔵装置２８は、電解モジュール１０の水電極から排出される水／酸素ストリームを受けることが好ましい。
【００５６】
燃料セルモジュール１２は、水素備蓄が消耗されるまで、あるいは他の制御システム入力がもはや電力４０の生成を必要としないことを示す時点まで、運転を続ける。電力４２が利用可能である場合、または電力４０の生成が要求される場合（たとえばピーク削減型用途において）、電解モジュール１０を運転することで、燃料セルモジュール１２に直接に水素を供給でき、あるいは水素貯蔵装置４，１４を補充できる。電解モジュールの運転時には、電解モジュール１０に水を供給する。水は、水貯蔵装置１６から電解モジュール１０へ直接に導入してもよいし、燃料セルモジュール１２を通じて電解モジュール１０へ導入してもよい。好ましくは、水貯蔵装置１６からの水を、冷却材として燃料セルモジュール１２に通過させ、熱交換器／ラジエータ５０／５２へ送る。その水は、熱交換器／ラジエータ５０／５２から、オプションの脱イオン化ベッド６２を通過し、電解モジュール１０の水電極へ至る。電解モジュール１０では、電源４２およびオプションの電力調整器４４を通じて電解セルに供給される電力によって、水が水素イオンと酸素ガスとに解離される。酸素ガスは余分な水と共に、酸素／水相分離装置６６へ送出される。水素イオンはいくらかの水と共に、電解液中を移動して水素電極へ至る。そこで、水素イオンは水素ガスを生成する。水素ガスおよび水を、電解モジュール１０からオプションの水素／水相分離装置３６へ送出できる。その水素を、燃料セルモジュール１２へ、あるいはオプションの乾燥器（脱湿器、乾燥剤など）３８を通じて水素貯蔵装置４，１４へ送出できる。要求される水素貯蔵気圧および電解モジュール１０の水素側の気圧のいかんによって、任意でコンプレッサ６５を用いて、水素貯蔵装置への導入前に水素の気圧を上昇させてもよい。さらに、減圧装置および関連の蓄積装置を用いて、コンプレッサの吸取入口気圧の安定化および調節を実施することもできる。
【００５７】
本明細書で説明する再生電気化学セルシステムは、バルク酸素貯蔵を必要としない電力バックアップユニットとして機能できるため、システムを簡素化でき、システムの全体サイズを縮小できる。容量制限がないため、システムを、大規模エネルギ生成などの実用的用途に利用できる。さらに、説明したシステムは、運転に要する水素ガスが当該システムによって供給されるという意味で再生可能であり、水素生成用の反応物の添加という高コストで時間のかかる作業を必要としない。本システムは、効率的、実用的、かつ長期間の使用が効果的に可能である。
【００５８】
再生システムの順応性および環境適応性により、再生システムは、都市圏から遠隔地（たとえば第三世界の立地）までのどのような場所においても利用可能である。本システムは、いずれの電源（ＡＣ、ＤＣ、２４Ｖ、４８Ｖ、１２０Ｖ、２４０Ｖなど）をも使用でき、いずれの電源負荷（ＡＣ、ＤＣ、２４Ｖ、４８Ｖ、１２０Ｖ、２４０Ｖなど）をもバックアップできる。また、燃料セルモジュールが電解モジュールから直接に燃料補給を受ける構成でもよいし、あるいは、燃料セルモジュールが燃料（水素）を水素貯蔵装置から得るとともに、電解モジュールが水素を水素貯蔵装置に供給する構成でもよい。さらに、水の追加が実際的な用途において、またはより大きな水貯蔵手段が経済的に適している場合には、本再生システムの第一義的機能を電力システムとしたまま、当該バックアップ電力システムを用いて、水素を直接的な燃料源として様々な用途のために供給することも可能である。その用途とは、機器燃料補給（クロマトグラフなどの研究室用設備など）、車両燃料補給（自動車や他の交通車両など）、もしくは水素を反応ガス、供給材料、または燃料として利用する他の用途などである。
【００５９】
再生システムは、サイズおよび貯蔵要件の削減に加え、様々な構成品の有用性の最大化を実現する。たとえば、乾燥器および／または水素／水相分離装置は、貯蔵の簡素化、貯蔵容量の向上、および乾燥器／貯蔵装置の腐食防止のために、貯蔵前に水素ストリームから水を除去する目的と、電解液の乾燥防止のために燃料セルモジュールへの導入前に水素ストリームに加湿する目的とを達成するために使用される。
【００６０】
好適な実施形態を図示し説明したが、本発明の精神および範囲から逸れることなく、数々の修正および置換を実施することができる。したがって、本発明の説明は、限定するためでなく例示のために為されたと理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の電気化学セルを示す略図である。
【図２】再生電気化学セルシステムを表す略図である。
【図３】別の再生電気化学セルシステムを表す略図である。
【図２】
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【図３】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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