(57)【要約】第１のプリセット温度に達するまでプロセスガス流（１２）を蒸気（１８）で過飽和させる（１６）と共に加熱する工程と、第２のプリセット温度に達するまでプロセスガス流を冷却する（２２）工程と、復水した過剰な水（３８）をプロセスガス流から除去する工程と、第３のプリセット温度に達するまでプロセスガス流を加熱する（５８）工程とを含む、プロセスガス流の加湿及び温度制御方法である。この方法を実施するための装置も開示される。
2004505431.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）プロセスガス流に過剰な湿度を与えるよう前記プロセスガス流を第１の温度にて加湿する工程と、
（ｂ）過剰な水分を凝縮させるために前記プロセスガス流を前記第１の温度より低い第２の温度に冷却する工程と、
（ｃ）凝縮した過剰な水分を前記プロセスガス流から除去する工程と、
（ｄ）第５の温度の飽和圧力と既知の温度の飽和圧力との割合から前記プロセスガス流の相対湿度レベルが判定されるよう、前記既知の温度にて前記プロセスガス流を送る工程と、
を含む、プロセスガス流の加湿方法。
【請求項２】
前記加湿されたプロセスガス流を燃料電池に供給し、排出されたプロセスガス用の排出口を前記燃料電池に設けることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記工程（ｄ）が、前記プロセスガス流を前記第２の温度より高い第３の温度に加熱することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記加熱及び加湿されたプロセスガス流を燃料電池に供給することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
供給ラインを介して前記燃料電池に前記プロセスガス流を送り、かつ、前記プロセスガス流を前記第３の温度に保つために加熱要素で前記供給ラインを加熱することを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記プロセスガス流が燃料ガス流から成り、前記方法が、
（ｉ）酸化体ガス流を供給する工程と、
（ｉｉ）前記酸化体ガス流に過剰な湿度を与えるよう前記酸化体ガス流を第４の温度にて加湿する工程と、
（ｉｉｉ）過剰な水分を凝縮させるために前記酸化体ガス流を前記第４の温度より低い第５の温度に冷却する工程と、
（ｉｖ）凝縮した過剰な水分を前記酸化体ガス流から除去する工程と、
（ｖ）前記第５の温度の飽和圧力と既知の温度の飽和圧力との割合から前記酸化体ガス流の相対湿度レベルが判定されるよう、前記既知の温度にて前記酸化体ガス流を送る工程と、
を更に含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記工程（ｖ）が、前記酸化体ガス流を前記第５の温度より高い第６の温度に加熱し、かつ、前記酸化体ガス流を前記第６の温度に保ちつつ第２の供給ラインを介して送ることを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記酸化体ガス流の温度を保つために加熱要素で前記第２の供給ラインを加熱することを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記工程（ａ）において、前記プロセスガス流に蒸気を供給することにより前記プロセスガス流を加湿することを含む、請求項１乃至８のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１０】
前記燃料ガス流及び前記酸化体ガス流を過飽和させるよう加熱及び加湿するために、前記燃料ガス流及び前記酸化体ガス流の両方に蒸気を供給することを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記燃料電池パワーユニットによって生成された前記排出プロセスガスから湿度を回収し、前記回収された水分を前記プロセスガス流の加湿に用いることを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１２】
前記燃料電池が燃料ガス流及び酸化体流を含み、前記プロセスガス流が前記燃料流及び前記酸化体流の一方から成り、前記方法が、前記回収された湿度を前記燃料電池の上流にて前記燃料流及び前記酸化体流の少なくとも一方の加湿に用いることを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記プロセスガス流が燃料ガス流から成り、前記方法が、排出された燃料ガスから湿度を回収し、流入する燃料ガスを前記回収された湿度で加湿することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の温度が１０℃〜１２０℃の範囲内である、請求項１乃至５のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１５】
前記第２の温度が５℃〜１１５℃の範囲内である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の温度が１０℃〜１２０℃の範囲内であり、前記第２の温度が５℃〜１１５℃の範囲内であり、前記第３の温度が１０℃〜１２０℃の範囲内であり、前記第３の温度における前記プロセスガス流の前記相対湿度が０〜１００％の範囲内である、請求項３、４又は５に記載の方法。
【請求項１７】
前記燃料電池に陽子交換膜を設けることを含む、請求項２、４、５又は１３に記載の方法。
【請求項１８】
第１の温度にてプロセスガス流に必要な湿度レベルを超えた湿度を加えるための、前記プロセスガス流用の吸入口を有する第１加湿ユニットと、
前記プロセスガス流中の過剰な水分が凝縮し、前記凝縮した水分を除去することにより、熱交換器から出る前記プロセスガス流が既知の温度及び既知の相対湿度レベルを有するように、前記プロセスガス流をより低い第２の温度に冷却するための、前記加湿ユニットに接続された第１熱交換器と、
を含む、燃料電池のプロセスガス流を加湿する装置。
【請求項１９】
前記第１熱交換器に接続された第１プロセスガス吸入口及び排出されたプロセスガス用の排出口を有する燃料電池パワーユニットと組み合わされた、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記燃料電池パワーユニットの各燃料電池が陽子交換膜を含む、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記プロセスガス流が既知の相対湿度レベルを有するように、前記プロセスガス流を前記第２の温度より高い第３の温度に加熱するための、前記第１熱交換器に接続された第１加熱器を含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２２】
前記プロセスガスが燃料ガス流から成り、前記燃料電池パワーユニットが酸化体ガス流用の第２吸入口を含み、前記第１加湿ユニット、前記第１熱交換器及び前記第１加熱器が、前記燃料電池パワーユニットの前記第１ガス吸入口に接続された第１の燃料ガスライン内に配置され、前記装置が、第２の酸化体ガスラインを含むと共に、該酸化体ガスライン中に、
前記酸化体ガス流を第４の温度にて加湿するための第２加湿ユニットと、
前記酸化体ガス流から過剰な水分を凝縮して分離するよう、前記酸化体ガス流を前記第４の温度より低い第５の温度に冷却するための、前記第２加湿ユニットに接続された第２熱交換器と、
を含む、請求項１９に記載の装置。
【請求項２３】
前記第２の酸化体ガスラインが、前記酸化体ガス流を前記第５の温度より高い第６の温度に加熱するための、前記第２熱交換器に接続された第２加熱器を含む、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記加湿ユニットが、前記プロセスガス流に蒸気を注入するための蒸気注入器を含む、請求項１９に記載の装置。
【請求項２５】
前記第１加湿ユニット及び第２加湿ユニットのそれぞれが、各ガス流に蒸気を注入する蒸気注入器を含む、請求項２２に記載の装置。
【請求項２６】
前記燃料電池パワーユニットによって生成された排出ガス中の湿度を回収するための、前記燃料電池パワーユニットの前記排出プロセスガス排出口に接続された湿度回収ユニットを含み、前記回収された湿度を前記燃料電池パワーユニットの上流にて前記プロセスガスの加湿に用いる、請求項１９に記載の装置。
【請求項２７】
前記第１加熱器及び前記第２加熱器が存在する場合に、前記排出ラインを第３の温度に保つための細長い加熱手段を前記第１加熱器及び前記第２加熱器が含む、請求項２１又は２５に記載の装置。
【請求項２８】
前記第１熱交換器及び第２熱交換器のそれぞれが、該熱交換器の温度を制御するための第１温度制御回路を含み、該第１温度制御回路が、流体用の導管と、前記流体を送るためのポンプと、前記流体を冷却する手段とを含む、請求項２２に記載の装置。
【請求項２９】
前記第１温度制御回路のそれぞれが、各流体を加熱するための更なる加熱器を更に含む、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記第１加熱器及び第２加熱器のそれぞれが更なる熱交換器を含み、該更なる熱交換器のそれぞれに該熱交換器の温度を制御するための第２温度制御回路が設けられ、該第２温度制御回路のそれぞれが、流体用の導管と、前記流体を循環させるためのポンプと、前記流体を加熱するための第３加熱器とを含む、請求項２８又は２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記第２温度制御回路のそれぞれが、内部の流体を加熱するための更なる加熱器を含む、請求項３０に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、流入する燃料電池プロセスガスを加湿及び温度制御する方法及び装置に関する。詳細には、本発明は、流入する燃料電池プロセスガスの相対湿度及び温度の迅速、正確且つ精密な制御を提供できる加湿システムに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
燃料電池システムは、その低排出、比較的高い効率、及び操作の容易さにより、従来の発電技術に対する有望な代替技術と見られている。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作用する。陽子交換膜型燃料電池は、陽極と、陰極と、２つの電極間に設けられた選択的電解膜とで構成される。触媒反応では、水素等の燃料が陽極で酸化され、カチオン（陽子）及び電子を形成する。イオン交換膜は、陽極から陰極への陽子の移動を容易にする。電子は膜を通過できず、外部回路を通って流れるよう強制され、このようにして電流を与える。陰極では、触媒層において酸素が電気回路から戻った電子と反応し、アニオンを形成する。陰極で形成されたアニオンは、膜を横断した陽子と反応し、反応生成物として液体の水を形成する。
【０００３】
陽子交換膜は、陽極から陰極への陽子の移動を容易にするため、及び別様で膜を導電性に保つために、湿った媒体を必要とする。膜を通って移動する各陽子は、少なくとも２つ又は３つの水分子を引きずっていくことが示されている（米国特許第５，９９６，９７６号）。米国特許第５，７８６，１０４号は、より質的な用語で「ウォータポンピング（ｗａｔｅｒ ｐｕｍｐｉｎｇ）」と呼ばれるメカニズムを説明しており、ウォータポンピングにより、水分子を伴うカチオン（陽子）が膜を通って移動する。電流密度が増加すると、膜を通って移動する水分子の数も増加する。その結果、陽子束に引っ張られて膜を通る水（分子）の束が、拡散による水の補充速度を超える。この時点で膜の少なくとも陽極側が乾燥しはじめ、膜の内部抵抗が増加する。なお、このメカニズムが水を陰極側に移動させると共に、更に、反応によって生じる水も陰極側に形成される。それにも関わらず、陰極側を横断するガス流は、場合によってはこの水を除去するのに十分であり、その結果、陰極側も乾燥する。従って、膜の表面は常に湿っていなければならない。従って、適切な効率を確保するために、プロセスガスは、燃料電池に流入する際に、システム要件に基づく所定又は設定相対湿度と所定又は設定温度とを有していなければならない。
【０００４】
更に考慮される点は、例えば、車、バス及びより大きな乗り物の基本電源として、輸送等の用途における燃料電池の使用に対する興味が高まっていることである。幾つかの据え置き型の用途と比較すると、これは幾つかの固有の要件を示す。具体的には、燃料電池によって供給される電力が、異なる電力レベル間で迅速に変更可能であることが必要であり、これらの電力レベルがかなり異なる場合がある。このように、都会を走行する際には、通常、燃料電池は、最小又は０の電力から最大電力レベルまでと、その逆との間での頻繁な切り替えが必要である。このような厳しい動作条件下で適切な湿度レベルを維持することは、些細なことではない。更に、燃料電池は、広範囲の大気条件下でこの機能性を提供できなければならない。
【０００５】
従って、当該技術分野では、燃料電池システム内の湿度を維持するための多くの提案を見出すことができる。ガス流を加湿する従来の方法の１つは、水にガスを細かい気泡の流れとして通すことである。プロセスガスが水との十分な接触時間を有する限り、水の温度を制御することでガス流中の水の量が制御される。しかし、これらのバブルコラム（気泡柱）型加湿器は、燃料電池の商業的な用途には一般的に適していない。この加湿器は大型でコストがかかりがちである。更に、この加湿器は、燃料電池の負荷に追随する要件を満たすために十分迅速には反応できない。その結果、ガスの流量が高いと、システムが不安定になって信頼性が落ち、反応しなくなる。更に、この加湿システムは、実際に１００％の相対湿度を達成することはなく、このことが、このシステムの柔軟性又は応用性を制限している。
【０００６】
幾つかの従来技術の燃料電池では、流入するプロセスガスは、水蒸気交換膜の片側に各ガスを流し、膜の反対側に脱イオン水を流すことによって、加湿される。この方法では、水が浸透圧によって膜を横断し、燃料ガス及び酸化体（ｏｘｉｄａｎｔ）ガスに至る。しかし、これらのシステムは、燃料電池と共に用いた場合に問題及び非効率を生じる処理パラメータの制約を有する。膜は燃料スタックと同じ温度なので、プロセスガスの相対湿度又は温度の独立制御はなく、従って、このシステムの、異なる状況に合わせる能力は制限される。
【０００７】
別の加湿方法は、流入するプロセスガスを蒸気供給源に晒す、又は或る量の微細な水滴を計量してガス供給ラインに供給することである（米国特許第５，４３２，０２０号）。しかし、従来のこれらのシステムは、大型で複雑であり、動作が遅く、不適切な動的制御能力を有していた。
【０００８】
迅速な動的制御と、流入する燃料電池プロセスガスの精密且つ正確な温度及び相対湿度とを提供できる加湿器の必要性が残っている。具体的には、このような加湿器は、酸化体系及び燃料系の広範囲の流量にわたる相対湿度及び温度の独立制御を可能にすべきである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、プロセスガス流の加湿方法が提供され、この方法は、（ａ）プロセスガス流に過剰な湿度を与えるようプロセスガス流を第１の温度にて加湿する工程と、（ｂ）過剰な水分を凝縮させるためにプロセスガス流を第１の温度より低い第２の温度に冷却する工程と、（ｃ）凝縮した過剰な水分をプロセスガス流から除去する工程と、（ｄ）第２の温度の飽和圧力と第３の温度の飽和圧力との割合からプロセスガス流の相対湿度レベルが判定されるよう、第３の温度にてプロセスガス流を送る工程と、を含む。
【００１０】
この方法は、加湿されたプロセスガス流を燃料電池パワーユニットに供給することを含むのが好ましく、燃料電池パワーユニットは陽子交換膜型燃料電池を含むのがより好ましい。
【００１１】
工程（ｄ）は、プロセスガス流を第２の温度より高い第３の温度に加熱することを含むのが好ましい。この場合には、供給ラインを介して燃料電池パワーユニットにプロセスガス流を送り、プロセスガス流を第３の温度に保つために加熱要素で供給ラインを加熱するのが好ましい。
【００１２】
燃料電池パワーユニットに適用される際には、プロセスガス流は燃料ガス流から成ることが可能である。その場合、この方法は、（ｉ）酸化体ガス流を供給する工程と、（ｉｉ）酸化体ガス流に過剰な湿度を与えるよう酸化体ガス流を第４の温度にて加湿する工程と、（ｉｉｉ）過剰な水分を凝縮させるために酸化体ガス流を第４の温度より低い第５の温度に冷却する工程と、（ｉｖ）凝縮した過剰な水分を酸化体ガス流から除去する工程と、（ｖ）第５の温度の飽和圧力と既知の温度の飽和圧力との割合から酸化体ガス流の相対湿度レベルが判定されるよう、既知の温度にて酸化体ガス流を送る工程と、を更に含むのが好ましい。
【００１３】
工程（ｖ）は、酸化体ガス流を第５の温度より高い第６の温度に加熱することを含むのが好ましく、酸化体ガス流が燃料電池に達するまでこの温度が保たれる。この場合にも、酸化体流用の供給ラインが加熱されるのが好ましい。
【００１４】
本発明の１つの変形例は、燃料ガス流及び酸化体ガス流のそれぞれに蒸気を注入することにより、燃料ガス流及び酸化体ガス流の両方の加湿に備えている。この蒸気は、各ガス流を加熱及び加湿して過飽和させるような温度で供給可能である。
【００１５】
本発明の別の態様は、第１の温度にてプロセスガス流に必要な湿度レベルを超えた湿度を加えるための、プロセスガス流用の吸入口を有する第１加湿ユニットと、プロセスガス流中の過剰な水分が凝縮し、凝縮した水分を除去することにより、熱交換器から出るプロセスガス流が既知の温度及び既知の相対湿度レベルを有するように、プロセスガス流をより低い第２の温度に冷却するための、加湿ユニットに接続された第１熱交換器と、を含む、燃料電池のプロセスガス流を加湿する装置を提供する。
【００１６】
本発明の方法の態様に対応して、この装置は、第１熱交換器に接続された第１プロセスガス吸入口を有する燃料電池パワーユニットと組み合わせて設けられるのが好ましい。ここでも、燃料電池パワーユニットの各燃料電池は陽子交換膜を含むのが更に好ましいが、本発明は他のタイプの燃料電池にも適用可能である。
【００１７】
本発明の装置の態様も、プロセスガス流が既知の相対湿度レベルを有するように、プロセスガス流を第２の温度より高い第３の温度に加熱するための、熱交換器に接続された第１加熱器を含む。
【００１８】
更に、燃料ガス流用及び酸化体ガス流用の吸入口を有する従来の燃料電池用には、この装置は酸化体ガス流用の第２吸入口を含みことが可能であり、第１加湿ユニット、第１熱交換器及び第１加熱器が、燃料電池パワーユニットの第１ガス吸入口に接続された第１の燃料ガスライン内に配置され、装置が、第２の酸化体ガスラインを含むと共に、該酸化体ガスライン中に、酸化体ガス流を第４の温度にて加湿するための第２加湿ユニットと、酸化体ガス流から過剰な水分を凝縮して分離するよう、酸化体ガス流を第４の温度より低い第５の温度に冷却するための、第２加湿ユニットに接続された第２熱交換器と、を含む。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明のよりよい理解のために、及び本発明がどのように実施され得るかをより明確に示すために、以下、本発明の好ましい実施形態を示す添付の図面を例として参照する。
【００２０】
まず図１を参照すると、１つのプロセスガスについての、プロセスガス流の模式的な流れ図が示されている。なお、本発明は両方のガス、即ち、燃料及び酸化体（ｏｘｉｄａｎｔ）の両方に適用可能であり、この目的で、図１の流れ図は２つのプロセスガスラインについて同様である。図２〜図６の実施形態は、両方のプロセスガスラインに適用された本発明を示している。
【００２１】
図１を参照すると、プロセスガス流１２及び蒸気ライン１４は、共に、ガス流の湿度を高めるための飽和器１６に接続されている。蒸気は、１８で模式的に示されている蒸気供給部から供給される。飽和器１６は、プロセスガス流を加熱及び加湿するよう、プロセスガス流に蒸気を注入する注入器を含んでもよい。
【００２２】
ライン２０は飽和器１６から出ており、過飽和したプロセスガスを含んでいる。ライン２０は第１熱交換器２２に入る。第１熱交換器２２は、プレート型熱交換器又は他の適切な熱交換器であってよく、水流用の吸入口２６及び排出口２８を有する。なお、流れは少なくとも１つの流体からなり、少なくとも１つの流体は例えば、水、油、及び／又はエチレングリコールを含むがこれらに限定されない。本明細書で説明する具体的な実施形態には様々な熱交換液を用いてよいが、説明される実施形態における熱交換液は全て水である。吸入口２６及び排出口２８は、露点冷却部とも呼ばれる第１温度制御回路の一部である。第１温度制御回路は、ポンプ３０、補給水用の吸入口３２及び第３熱交換器３４を有する。更に、第１加熱器３６が設けられる。このように、第１温度制御回路では、補給水が流体のレベルの維持を可能とし、この流れを、第３熱交換器３４で所望の温度に冷却、又は第１加熱器３６で所望の温度に加熱できる。
【００２３】
第１熱交換器２２は、ライン２４によって分離器３８に接続された、冷却されたガス用の排出口を有する。分離器３８は、第１熱交換器２２でガスから凝縮（復水）された水を分離するためのものであり、凝縮された水用の吐出口すなわち排出口４０を有する。分離器３８の排出口は、更なるライン４２によって第２熱交換器４４に接続されている。
【００２４】
第２熱交換器４４は、ガスを再加熱するよう意図されており、再加熱されたガス用のライン４６に接続された排出口を有する。第１熱交換器２２と同様に、第２熱交換器４４は、水を加熱する流れ用の吸入口４８及び排出口５０を有する。吸入口４８及び排出口５０は、再加熱部とも呼ばれる第２温度制御回路の一部である。第２温度制御回路は、ポンプ５２、補給用吸入口５４、第４熱交換器５５、及び第２加熱器５６を有する。このように、第１熱交換器２２の構成と同様に、ポンプ５２が補給水を循環させ、この流れを、第４熱交換器５５で所望の温度に冷却、又は第２加熱器５６で所望の温度に加熱できる。
【００２５】
次に、既知の水分含有量を有する再加熱されたガスは、ライン４６を通り、６０で模式的に示される燃料電池スタックに至る。
【００２６】
図１の構成は、燃料電池スタック６０に供給されるガス流の制御された加湿を与えると共に、温度及び湿度の正確な制御を可能にすることが意図される。図１の装置の動作モードの詳細説明により、これを更に説明する。このように、乾燥した流入プロセスガスが飽和器１６に供給され、飽和器１６内の蒸気で、ガスが、最終的にガスに望まれる湿度レベルを超える湿度レベルまで過飽和される。ライン１２を通るガス流及びライン１４を通る蒸気は、制御及び計量される。ガスへの蒸気注入の効果により、ガスが第１プリセット温度まで加熱される。一般的に、飽和器１６から出る際に、ガスは約９０℃の第１プリセット温度にて過飽和しているが、ガスは１０℃〜１２０℃の範囲内の任意の温度で過飽和されてよい。
【００２７】
第１熱交換器２２では、ガスが、例えば８０℃の第２プリセット温度まで冷却される。この温度も、例えば１０℃〜１２０℃の範囲内であってもよい。この効果は、ガス流から過剰な水分を除去し、第１熱交換器２２でガスが冷却される温度において１００％の相対湿度に等しい湿度レベルを与えることである。
【００２８】
最初にガスを過飽和させて、次にガスを冷却して過剰な水分を除去する理由は、確実に正確な絶対湿度レベルを達成するためである。飽和器１６内で相対湿度レベルを達成するのは現実的ではない。このように、過剰な水分を加えてから、凝縮によって過剰な水分を除去する手法をとるのは、ガスが飽和した際のガスの露点温度がわかり、その結果、絶対湿度レベルがわかるからである。
【００２９】
ガス中の過剰な水分は水滴を形成し、凝縮された水滴を有するガスは分離器３８を通過し、そこで、凝縮された水滴がガス流から集められ又は分離され、排出ライン４０を通って排出すなわち吐出される。
【００３０】
次に、飽和したガスはライン４２を通って第２熱交換器４４に至る。ここで、ガスは例えば８５℃の第３プリセット温度まで再加熱される。より一般的には、ガスを１０℃〜１２０℃の温度に再加熱できる。ガスを加熱すると相対湿度レベルが下がるが、絶対湿度レベルは一定のままである。
【００３１】
このように、第２熱交換器４４からの再加熱されたプロセスガスはライン４６を通り、このとき、プロセスガスは既知の第３プリセット温度及び既知の湿度レベルを有している。燃料電池スタック６０へと通過中にガスが冷えない、又は別様で温度が変化しないことを確実にするために、ライン４６を一定温度に保つための、５８で模式的に示される加熱器が設けられている。実際には、ライン４６の周囲に電気加熱ワイヤで構成されるヒートトレースを巻き付けると、必要な加熱機能が与えられることがわかった。これにより、燃料電池スタック６０に供給されるガスが、所望の温度において所望の湿度を確実に有する。
【００３２】
上述したように、燃料電池スタックへの変化する要求は、ライン１２を通るガスの流量を変更することによって達成される。ガス流の温度及び／又は湿度を変更することが望ましい場合には、これは、第１熱交換器２２及び第２熱交換器２４の動作条件を制御することで達成される。
【００３３】
従って、熱交換器２２から出るガスの温度、及びこのガスの絶対湿度レベルを制御するために、吸入口２６及び排出口２８を通る第１熱交換器２２の第１温度制御ループすなわち回路内の冷却液の温度が制御される。
【００３４】
通常、ガスは第１熱交換器２２で冷却されることが期待され、第２熱交換器４４は、冷却ループを通る冷却水を確実に所望の温度にする。第３熱交換器３４は、望まれる場合に冷却ループの温度を迅速に下げるのを可能にする。
【００３５】
動作要件が、第１熱交換器２２から出るガスの温度を上昇させることである場合には、冷却ループ内の水を加熱する必要がある。この目的で、水の迅速な加熱を可能にするために、第１加熱器３６が設けられている。実際には、１２ｋＷの燃料電池に対して１分以内の反応時間を与えることが可能であるとわかった。
【００３６】
それに対応して、第２熱交換器４４では、第２加熱器５６が、吸入口４８及び排出口５０を通る冷却ループ内の水を、所望の温度まで加熱するよう調節される。第４熱交換器５５は、望まれる場合に冷却ループ内の温度を迅速に下げるのを可能にする。
【００３７】
なお、ガス流の加湿に用いられる蒸気は、燃料電池スタックの外部の水源を用いた蒸気供給装置を介して生成できる。しかし、水は燃料電池の反応生成物なので、燃料電池の陰極側で生成された水を回収するのがより効率的である。陰極側から水及び場合によっては熱を回収し、ガス流を加湿するためにガス流中に熱及び水を蒸気の状態で移すには、エンタルピーホイール又は他の任意のエンタルピーシフト装置を用いるのがより効率的である。図１に示されるように、この目的で、燃料電池スタック６０の排出ガス用の排出口及び第１熱交換器２２の両方に、エンタルピーホイール６２が接続されている。エンタルピーホイール６２は、公知の方法で、ベアリングによって軸上に支持され、その軸の周りを回転する。エンタルピーホイールは、乾燥剤を含む紙等の適切な材料で作られる。燃料電池スタックからの湿った排出ガスは、軸方向に沿ってエンタルピーホイール６２の片側に入り、そこで乾燥剤によって湿気が吸収及び保持される。エンタルピーホイールの軸に関して反対側には、乾燥したプロセスガスが軸方向の反対側からエンタルピーホイールに入る。エンタルピーホイールの回転によって、エンタルピーホイールの各部分が排出ガス流と流入する乾燥したプロセスガス流とを交互に通り、その結果、エンタルピーホイール内に保持された湿気によって、乾燥した流入プロセスガス流が加湿される。排出ガス及び流入する乾燥したプロセスガスの圧力及び温度を適切に選択することにより、プロセスガスを、必要レベルを超えて加湿できる。特定の圧力又は特定の温度が望まれる場合には、各ガスがエンタルピーホイールに入る前に、圧力又は温度制御手段を設けることもできる。次に、加湿されたプロセスガスは、第１熱交換器２２へと運ばれる。この方法では、蒸気供給部１８及び飽和器１６を省略でき、燃料電池スタックから生じる水が回収される。従って、加湿装置の設計は簡単になり、その効率は顕著に向上する。なお、類似のエンタルピーシフト装置又は他の湿度回収装置を用いてもよい。また、エンタルピーシフト装置すなわちホイール６２を陰極側のみに設けることが考えられているが、このような装置を陽極側にも、又は陰極側のエンタルピーホイールの代わりに陽極側に設けてもよい。燃料電池の陰極側に水が形成されるので、排出陰極流から水を回収するのが好ましいと予想され、この水を、流入する陽極流及び陰極流の両方の加湿に用いることができよう。
【００３８】
図２〜図７を参照すると、本発明の実施の一態様が示されている。
【００３９】
図７を参照すると、第２実施形態による加湿回路の概略図が示されている。ここでは、蒸気吸入口７０は蒸気供給部に接続されており、蒸気吸入口７０には、蒸気供給圧力が低すぎる場合に燃料電池システムをトリップ（ｔｒｉｐ）させるための圧力スイッチ（図示せず）に接続された圧力センサ７２が設けられている。次に、ライン７０は主閉止弁７４を通り、形成され得るあらゆる凝縮物（復水）を排出するためのトラップ７６が設けられている。
【００４０】
次に、蒸気ライン７０はＴ型接続部を通り、蒸気を燃料ガス用及び酸化体ガス用の別個のガスラインに供給するための２つの別個のライン９０及び９２に至る。２つのライン９０及び９２の多くの要素は共通しており、簡潔のために、ライン９０の要素のみ説明する。ライン９２の対応する要素には、添字“ａ”を伴う同一参照番号が付与され、これらは本質的に同じ機能を有するものと理解される。
【００４１】
従って、ライン９０は、更なる調製弁９６に接続された蒸気調整器又は閉止弁９４を含む。弁９６は、ガスラインに入る蒸気の流れを制御する絞り弁である。
【００４２】
ライン１１２を通して燃料ガスが供給される。注入口１１４において、燃料ガスに蒸気が注入される。逆止弁１１６を介して、注入口１１４に蒸気が供給される。これに対応して、酸化体側には、供給ライン１１２ａ及び蒸気注入口１１４ａがある。
【００４３】
このときには過飽和状態の蒸気を含む燃料ガスは、第１熱交換器１１８を通り、過剰な水分の凝縮を促すために冷却される。
【００４４】
次に、液滴も分離するために、冷却された燃料ガスは、トラップ及びドレイン構成１２２を有する分離器１２０へと通過する。次に、１００％の相対湿度を有する燃料ガスは、燃料ガスの温度及び湿度レベルを保つよう断熱されたライン１２４を通って流れ、第２熱交換器１２６に至る。分離器１２０の下流には、燃料ガス流の温度を検出する温度センサ１２８が設けられている。燃料ガス流の相対湿度が１００％であることがわかっているので、ガス流の絶対湿度を判定することができる。
【００４５】
燃料ガスは、第２熱交換器１２６から、１３０で示されている燃料電池スタックに流れる。ここでも、燃料電池への吸入口の直前に、１３２で示される標準的なセンサを設けることができる。
【００４６】
第１熱交換器１１８及び第２熱交換器１２６のそれぞれは、各自の温度制御回路を有し、次にこれらを個別に説明する。
【００４７】
まず、第１熱交換器１１８を参照すると、全体を１３２で示される温度制御回路は、第１の二次熱交換器１３４と、ポンプ１３６と、加熱器１３８とを含む。
【００４８】
回路の補助的要素には、補給水用の接続部１４０及び圧力逃がし弁１４２が含まれる。二次熱交換器１３４には、１４８に設けられた制御弁を有する供給ライン１４４及び戻りライン１４６を介して冷えた冷却水が供給される。冷却回路には、第１熱交換器１１８内の温度を所望の設定にするのを可能にするための温度センサ１５０が設けられている。必要に応じて他の標準的な制御要素を設けてもよい。例えば、温度センサ１５０及び加熱器１３８、並びに制御弁１４８には、温度コントローラ１５２が接続される。従って、温度コントローラ１５２は、必要に応じて、回路内の温度を下げるために冷却水の流れを増加させるように弁１４８を開放することができ、又は、回路内の温度を上げるために加熱器１３８を作動させることができる。
【００４９】
第２熱交換器１２６の温度制御回路も概ねこれと対応している。従って、回路は１６２で示され、第２の二次熱交換器１６４と、ポンプ１６６と、加熱器１６８とを含む。補給水吸入口１７０が圧力逃がし弁１７２と共に設けられている。
【００５０】
冷えた水の供給ライン１４４及び戻りライン１４６は、第２の二次熱交換器１６４を介し、制御弁１７８を介して接続されている。
【００５１】
第２温度制御回路１６２には温度センサ１８０が接続され、温度センサ１８０、制御弁１７８及び加熱器１６８には、第１温度制御回路１３２と同様に制御のための温度コントローラ１８２が接続される。
【００５２】
続けて図７を参照すると、改良例として、陰極流用のプロセスガスの加湿及び第１の温度への加熱を、６８で模式的に示されるエンタルピーホイール又は他の任意の湿度回収装置を用いて行うことができる。第１実施形態で説明したのと同様に、燃料電池１３０によって生成された湿度を含む排出酸化体ガスが、エンタルピーホイール６８に供給される。エンタルピーホイール６８では、軸方向の排出ガスとは反対側からエンタルピーホイール６８に入る流入プロセスガスを加熱及び加湿するために、排出ガス中の熱及び湿度が回収されて移される。次に、加湿されたプロセスガスは吸入口１１２ａへと運ばれる。湿度ユニットの原理は第１実施形態の説明と同じなので、簡潔のために、ここでは更なる詳細は説明しない。幾つかの用途では、陽極流用のエンタルピーホイールも設けるのが望ましいことがある。このように適切な加湿が与えられる場合には、蒸気供給部及びそれと関連づけられた要素を省略できる。
【００５３】
本発明は、従来技術を凌駕する多くの長所を有する。露点冷却部及び再加熱部を組み合わせることにより、一般的に１分未満の反応時間で、動作条件の迅速な変更が可能になる。更に、広範囲の電流密度にわたる陽子交換膜型燃料電池の効率的な動作に共に必須である、流入する燃料プロセスガス流の精密且つ正確な温度及び相対湿度を与えるために、システムをダイナミックに制御できる。
【００５４】
なお、上記の説明は好ましい実施形態で構成されているが、本発明は、添付の特許請求の真の範囲の正当な意味を逸脱することなく変形及び変更可能である。例えば、温度制御装置は、上記実施形態で説明した温度センサ、加熱器及び冷却器に加え、様々な形態であってよい。蒸気供給部は、必ずしも実施形態で説明した通りでなくてもよい。或いは、蒸気供給部は任意のエンタルピーシフト装置又は湿度回収ユニットであってもよい。更に、本発明は、固体酸化体、アルカリ、モルトンカルボネート（ｍｏｌｔｏｎ−ｃａｒｂｏｎａｔｅ）及び燐酸を含むがこれらに限定されない他のタイプの燃料電池にも適用できよう。特に、本発明は、遙かに高い温度で動作する燃料電池に適用されてもよい。当業者にはわかるように、加湿の要件は、用いられる電解質並びに、燃料電池が動作する温度及び圧力によって異なる。従って、本発明は、他のあらゆるタイプの燃料電池に適用可能というわけではない場合もあることを理解されたい。
【００５５】
本発明は、任意の用途の燃料電池、燃料電池スタック及び燃料電池パワーユニットに対する汎用性を有するが、現在、自動車及びバス等を含む様々な自動車用の用途の燃料電池スタック又はパワーユニットが提案されているので、本発明は、特に、車輌用の燃料電池パワーユニットに対する適用性を有することが期待される。
【００５６】
自動車用の用途は、多くの据え置き型の用途とはかなり異なる。例えば、据え置き型の用途では、通常、燃料電池スタックは電源として用いられ、単純に、長期にわたって比較的一定の電力レベルで運転することが期待される。一方、自動車の環境では、燃料電池スタックから実際に必要な電力は、広範囲に変動し得る。更に、燃料電池スタック供給ユニットは、電力の増加又は減少のいずれが要求されても、高い効率を維持しつつ、電力要求の変化に迅速に反応することが期待される。更に、自動車用の用途では、燃料電池パワーユニットは、周囲温度及び湿度条件の極端な範囲で動作することが期待される。
【００５７】
これらの要件の全ては非常に厳しいものであり、生じ得る動作条件のあらゆる範囲で燃料電池スタックが効率的に動作することの保証を困難にしている。主要な問題は、燃料電池パワーユニットが、確実に、常に高効率で高電力レベルの供給を行えるようにすることであるが、これらの要件を満たすためには、燃料電池パワーユニット内の湿度レベルの正確な制御が必要である。特に、酸化体流及び燃料ガス流の両方の湿度レベルの制御が必要である。最も知られている加湿技術は、急激に変化する温度等の条件に反応するには適していない。多くの公知のシステムは、不適切な湿度レベルを与え得ると共に、条件の変化に対する迅速な反応を不可能にするような高い熱慣性及び／又は大きな死空間を有し得る。
【００５８】
一方、本発明の技術は、湿度レベルの正確な制御と、例えば数十秒という非常に短時間の迅速な変更とを可能にすることが意図される。本発明の方法及び装置の背景にある基本概念は、当該ガス流を過剰に加湿すること、ガス流を冷却して過剰な水を復水除去し、完全に飽和したガス流の任意の温度における湿度レベルがわかることを認識すること、及び、必要に応じて、ガス流をより高い最終的な温度に再加熱して、所望の温度及び所望の相対湿度を有するガス流を与えることを含む、３段階の工程である。
【００５９】
自動車用の用途では、良好なエネルギー効率を与えるよう技術が応用されることが期待される。例えば、ガス流を再加熱するための最終的な加熱器が、過剰な水蒸気を復水除去するためにガス流を冷却する冷却器の一部を構成してもよい。即ち、熱交換器を通って水分離器に至るガスが、分離器を通って出てくるガスに熱を移し、そのガス流を再加熱する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
燃料電池用加湿システムの一実施形態の模式的な流れ図である。
【図２】
燃料電池用加湿システムの第２実施形態の斜視図である。
【図３】
図２に対応して詳細を拡大して示す斜視図である。
【図４】
図３に対応してＤ部を拡大して示す斜視図である。
【図５】
流れラインの要素の詳細を示す図である。
【図６】
図５の一部を拡大して示す図である。
【図７】
第２実施形態の加湿システムの概略図である。
【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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2004505431.tif 000031
【国際調査報告】
2004505431.tif 000032
2004505431.tif 000033