(57)【要約】燃料電池装置（２０）を有する燃料電池電力設備（１０）は、燃料の流れが供給されるアノード（３０）と、酸化剤の流れが供給されるカソード（４０）と、このアノードとこのカソードとの間に配置されたイオン交換膜と、燃料電池装置と連通するように冷媒の流れを循環させる冷媒ループ（６０）と、を含む。酸化剤供給源が、燃料電池装置に酸化剤の流れを所定の圧力で供給するのに使用され、一方、蓄積装置（６４）、冷媒ポンプ（６２）、圧力制御弁（６６）が、冷媒ループに沿って配置され、冷媒の流れが燃料電池装置と連通する前に冷媒の流れを周囲下圧力に低下させる。
2004504701.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料の流れが供給されるアノードと、酸化剤の流れが供給されるカソードと、このアノードとこのカソードとの間に配置されたイオン交換膜と、燃料電池装置と連通するように冷媒の流れを循環させる冷媒ループと、を含む、燃料電池装置を有する燃料電池電力設備であって、
燃料電池装置に酸化剤の流れを所定の圧力で供給するための酸化剤供給源と、
冷媒ループに沿って配置され、冷媒の流れが燃料電池装置と連通する前に冷媒の流れを周囲下圧力に低下させる冷媒調整器と、
を備えることを特徴とする燃料電池電力設備。
【請求項２】
前記所定の圧力は、ほぼ周囲圧力であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池電力設備。
【請求項３】
前記冷媒ループは、カソードと連通する、微細な孔を有する水移動プレートを含み、冷媒の流れは、この水移動プレート内を流れ、
前記冷媒調整器は、水移動プレートに周囲下冷媒の流れを供給する、
ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池電力設備。
【請求項４】
前記冷媒ループは、熱交換器と冷媒清浄器をさらに備え、この熱交換器とこの冷媒清浄器は、水移動プレートから流出する冷媒の流れの第１の部分を処理し、
前記冷媒調整器は、冷媒の流れの処理された部分が供給されるように、熱交換器と冷媒清浄器の下流に配置される、
ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池電力設備。
【請求項５】
前記冷媒ループは、冷媒の流れが水移動プレートから流出する位置の後であって熱交換器と冷媒清浄器の前の位置に冷媒ループに沿って配置された冷媒ループ弁をさらに備え、
この冷媒ループ弁は、水移動プレートから流出する冷媒の流れの第２の部分を冷媒調整器へ選択的に分流させ、この第２の部分は、熱交換器と冷媒清浄器を通って循環しない、
ことを特徴とする請求項４記載の燃料電池電力設備。
【請求項６】
前記冷媒ループ弁は、燃料電池装置の作動温度に依存して、冷媒の流れの第１および第２の部分の一方を増加させることを特徴とする請求項５記載の燃料電池電力設備。
【請求項７】
前記冷媒調整器は、ほぼ周囲圧力に曝された蓄積装置と、冷媒圧力弁とを備え、この冷媒圧力弁は、蓄積装置と水移動プレートとの間に配置され、
蓄積装置は、冷媒圧力弁に冷媒の流れをほぼ周囲圧力で供給し、
冷媒圧力弁は、冷媒圧力弁から流出する冷媒の流れを周囲下圧力に低下させるように作動する、
ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池電力設備。
【請求項８】
前記冷媒調整器は、所定量の冷媒の流れを周囲下圧力で貯蔵するための貯蔵器タンクと、冷媒ポンプとを備え、この冷媒ポンプは、貯蔵器タンクと水移動プレートとの間に配置され、
貯蔵器タンクは、冷媒ポンプに冷媒の流れを周囲下圧力で供給し、
冷媒ポンプは、周囲下冷媒の流れを水移動プレートに供給するように作動する、
ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池電力設備。
【請求項９】
前記冷媒調整器は、貯蔵器タンクを周囲下圧力に低下させるための真空ポンプをさらに備えることを特徴とする請求項８記載の燃料電池電力設備。
【請求項１０】
互いに電気的に連通する複数の燃料電池装置を有するセルスタックアッセンブリを含む燃料電池電力設備であって、燃料電池装置のそれぞれは、燃料の流れが供給されるアノードと、酸化剤の流れが供給されるカソードと、このアノードとこのカソードとの間に配置されたイオン交換膜と、を含み、燃料電池電力設備は、セルスタックアッセンブリと連通するように冷媒の流れを循環させる冷媒ループをさらに含み、
セルスタックアッセンブリに酸化剤の流れを所定の圧力で供給するための酸化剤供給源と、
冷媒ループに沿って配置され、冷媒の流れがセルスタックアッセンブリと連通する前に冷媒の流れを周囲下圧力に低下させる冷媒調整器と、
を備えることを特徴とする燃料電池電力設備。
【請求項１１】
前記所定の圧力は、ほぼ周囲圧力であることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池電力設備。
【請求項１２】
前記冷媒ループは、セルスタックアッセンブリと連通する、微細な孔を有する水移動プレートを含み、冷媒の流れは、この水移動プレート内を流れ、
前記冷媒調整器は、水移動プレートに周囲下冷媒の流れを供給する、
ことを特徴とする請求項１１記載の燃料電池電力設備。
【請求項１３】
前記冷媒ループは、熱交換器と冷媒清浄器をさらに備え、この熱交換器とこの冷媒清浄器は、水移動プレートから流出する冷媒の流れの第１の部分を処理し、
前記冷媒調整器は、冷媒の流れの処理された部分が供給されるように、熱交換器と冷媒清浄器の下流に配置される、
ことを特徴とする請求項１２記載の燃料電池電力設備。
【請求項１４】
前記冷媒ループは、冷媒の流れが水移動プレートから流出する位置の後であって熱交換器と冷媒清浄器の前の位置に冷媒ループに沿って配置された冷媒ループ弁をさらに備え、
この冷媒ループ弁は、水移動プレートから流出する冷媒の流れの第２の部分を冷媒調整器へ選択的に分流させ、この第２の部分は、熱交換器と冷媒清浄器を通って循環しない、
ことを特徴とする請求項１３記載の燃料電池電力設備。
【請求項１５】
前記冷媒ループ弁は、セルスタックアッセンブリの作動温度に依存して、冷媒の流れの第１および第２の部分の一方を増加させることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池電力設備。
【請求項１６】
前記冷媒調整器は、ほぼ周囲圧力に曝された蓄積装置と、冷媒圧力弁とを備え、この冷媒圧力弁は、蓄積装置と水移動プレートとの間に配置され、
蓄積装置は、冷媒圧力弁に冷媒の流れをほぼ周囲圧力で供給し、
冷媒圧力弁は、冷媒圧力弁から流出する冷媒の流れを周囲下圧力に低下させるように作動する、
ことを特徴とする請求項１２記載の燃料電池電力設備。
【請求項１７】
前記冷媒調整器は、所定量の冷媒の流れを周囲下圧力で貯蔵するための貯蔵器タンクと、冷媒ポンプとを備え、この冷媒ポンプは、貯蔵器タンクと水移動プレートとの間に配置され、
貯蔵器タンクは、冷媒ポンプに冷媒の流れを周囲下圧力で供給し、
冷媒ポンプは、周囲下冷媒の流れを水移動プレートに供給するように作動する、
ことを特徴とする請求項１２記載の燃料電池電力設備。
【請求項１８】
前記冷媒調整器は、貯蔵器タンクを周囲下圧力に低下させるための真空ポンプをさらに備えることを特徴とする請求項１７記載の燃料電池電力設備。
【請求項１９】
互いに電気的に連通する複数の燃料電池装置を有するセルスタックアッセンブリを含む燃料電池電力設備を作動させる方法であって、燃料電池装置のそれぞれは、燃料の流れが供給されるアノードと、酸化剤の流れが供給されるカソードと、このアノードとこのカソードとの間に配置されたイオン交換膜と、を含み、燃料電池電力設備は、セルスタックアッセンブリと連通するように冷媒の流れを循環させる冷媒ループをさらに含み、この方法は、
セルスタックアッセンブリに酸化剤の流れをほぼ周囲圧力で供給し、
冷媒の流れがセルスタックアッセンブリと連通する前に冷媒の流れを周囲下圧力に低下させるように冷媒ループに沿って配置された冷媒調整器を使用する、
ことを含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
前記冷媒調整器を、共同して作動する蓄積装置と圧力弁から構成し、この蓄積装置は、所定量の冷媒の流れを蓄積しかつほぼ周囲圧力に開放されており、
冷媒の流れを受け取るように蓄積装置の下流に圧力弁を配置し、かつ、圧力弁から流出する冷媒の流れを周囲下圧力に低下させるように圧力弁を作動させる、
ことを含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、燃料電池電力設備の反応物を作動条件（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ）内に維持するために必要な寄生エネルギーを実質的に低減させる、燃料電池電力設備のための周囲下圧力（ｓｕｂａｍｂｉｅｎｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ）冷媒ループに関する。
【０００２】
【背景技術】
電気化学的燃料電池は、アノード電極に供給された反応物燃料とカソード電極に供給された反応物酸化剤との相互作用を通して、これらの電極間に外部電流の流れを生成することで、電気とそれに伴う反応生成物を生成する。
【０００３】
電気化学的燃料電池装置では、通常、燃料として水素に富んだ気体の流れを、酸化剤として酸素に富んだ気体の流れを使用し、それによって、結果として生じる反応生成物は、水である。燃料電池装置内の温度を制御するために、一般に、水冷媒が、燃料電池装置の周りを循環するように提供される。
【０００４】
高分子交換膜（ＰＥＭ）電解質を有する燃料電池の作動において、カソードにおいて水が生成される速度とカソードから水が除去される速度またはアノードへ水が供給される速度との間の適切な水バランスを維持することが重要である。水がアノード電極に十分に戻らないと、ＰＥＭ電解質の隣接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、還元性流体のクロスオーバが生じて局部的な過熱に繋がる。同様に、水がカソードから十分に除去されないと、カソード電極には水が溢れてしまい、カソードへの酸化剤の供給が実質的に制限され、それによって、電流の流れが減少する。さらに、カソードからあまりに大量の水が除去されると、ＰＥＭは乾燥してしまい、水素イオンがＰＥＭを通過する能力が制限され、従って、電池の性能が低下する。
【０００５】
燃料電池電力設備内で適切な水の平衡（ｗａｔｅｒ　ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ）を維持する通常の方法は、燃料および酸化剤反応物と冷媒の流れとの間の圧力をバランスさせることである。燃料および酸化剤の流れを冷媒の流れの圧力より高い圧力において供給することにより、燃料電池装置内で生成された過剰な水の流れを、除去とそれに伴う再供給のために冷媒の流れの方へ向けることができる。
【０００６】
このような圧力のバランスを用いる燃料電池電力設備の一例が、１９８８年９月６日にライザー（Ｒｅｉｓｅｒ）らに付与された米国特許第４，７６９，２９７号に示されている。ライザー（Ｒｅｉｓｅｒ）の水管理装置は、作動中に燃料電池電力設備を加湿しかつ冷却するのを助ける冷媒として、各燃料電池のアノード電極へ供給される水素燃料気体の流れの中に飛沫同伴される水を使用する。水素燃料および飛沫同伴される水は、アノード電極を加湿することになり、同時に、プロトンドラッグ（ｐｒｏｔｏｎ　ｄｒａｇ）効果によって、過剰の水が、イオン交換膜を横断してカソード電極へ移動し、それによって、イオン交換膜を加湿することにもなる。ライザー（Ｒｅｉｓｅｒ）は、両方とも周囲圧力より高く維持されている、アノードの流れの場とカソードの流れの場との間に圧力差を維持し、それによって、各燃料電池のカソード電極に蓄積する水が、燃料電池電力設備のセルスタックアッセンブリ内のすぐ隣りのアノード電極へ分離プレート（ｓｅｐａｒａｔｏｒ　ｐｌａｔｅ）を横断して移動する。従って、ライザー（Ｒｅｉｓｅｒ）の水管理装置は、単独の冷媒ループを用いていない。
【０００７】
別の燃料電池電力設備の作動装置が、１９９７年１２月２３日にライザー（Ｒｅｉｓｅｒ）に付与された米国特許第５，７００，５９５号に開示されている。この作動装置も、燃料電池電力設備全体に亘る水の適切な移動を助けるように、反応物気体と冷媒との間の圧力差を利用する。この圧力差によって、微細な孔を有する分離プレートを、燃料電池電力設備全体に亘って使用できる。
【０００８】
上述した装置のそれぞれは、反応物気体の流れと冷媒の流れとの間に相対的な圧力差を維持することで、燃料電池電力設備全体に亘って効率的な水の移動を確実するけれども、これらの装置に必要な寄生電力は、広範に亘って変化し、全体として燃料電池電力設備の効率に影響を及ぼす。
【０００９】
従って、本発明は、空気を供給するための寄生電力を結果として低減させる周囲下圧力において冷媒の流れを作動させることにより、燃料電池電力設備の作動装置全体での上述したこの寄生電力消耗を低減しようと努める。気体状の流れに比較して、水の流れを加圧するのに必要な電力は少ないので、本発明は、燃料電池電力設備の作動中により大幅なエネルギーの節約を促進するために、この関係を利用することを試みる。
【００１０】
【発明の開示】
本発明は、燃料電池電力設備の反応物を作動条件内に維持するのに必要な寄生エネルギーを低減できる、燃料電池電力設備のための周囲下圧力冷媒ループを利用できる。本発明は、構成要素の数を低減することにより、燃料電池電力設備の複雑さを低減できる。本発明は、ほぼ周囲圧力において反応物気体を使用することを可能にする。
【００１１】
一実施態様によれば、燃料電池装置を有する燃料電池電力設備は、燃料の流れが供給されるアノードと、酸化剤の流れが供給されるカソードと、このアノードとこのカソードとの間に配置されたイオン交換膜と、燃料電池装置と連通するように冷媒の流れを循環させる冷媒ループと、を含む。酸化剤供給源が、燃料電池装置に酸化剤の流れを所定の圧力で供給するのに使用され、一方、冷媒ループに沿って配置された冷媒調整器が、冷媒の流れが燃料電池装置と連通する前に冷媒の流れを周囲下圧力に低下させる。
【００１２】
【発明を実施するための最良の形態】
本発明による周囲下圧力冷媒ループを使用する燃料電池電力設備が、図１に概略例示されており、全体が参照番号１０により示されている。以下に使用されるように、「周囲下（ｓｕｂａｍｂｉｅｎｔ）」という用語は、大気より、すなわち、約１４．７ｌｂｓ／ｉｎ２（１０１．４Ｋｐａ）絶対より、下の圧力を参照するものと定め、一方、「周囲（ａｍｂｉｅｎｔ）」という用語は、大気圧とほぼ等しい圧力を参照する。燃料電池電力設備１０は、図示されていないイオン交換膜の両側に配置されたアノード電極３０とカソード電極４０を有する少なくとも１つの燃料電池装置２０を含む。アノード電極３０に水素に富んだ燃料を、カソード電極４０に酸素に富んだ酸化剤を供給することにより、燃料電池装置２０は、当業技術内でよく知られた仕方で電気エネルギーを生成することになる。本発明の好ましい実施態様においては、図１の燃料電池装置２０は、図示されていないイオン交換膜としてプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）を使用し、その両側は、既知のように、燃料電池装置２０内で電気化学反応を促進するために使用される触媒層で、図示していないが、被覆される。
【００１３】
図１は、単一の燃料電池装置２０を示しているが、燃料電池電力設備１０は、電気的に接続されそれによってセルスタックアッセンブリを形成する複数の平らな燃料電池装置と関連して代替として作動されることができ、このセルスタックアッセンブリは、図示されていないハウジング内に収容されており、全体として、水素に富んだ燃料の流れおよび酸素に富んだ酸化剤の流れをセルスタックアッセンブリへ導き、さらにそこから導き出すさまざまな反応物のマニホールドを規定している。
【００１４】
微細な孔を有する水移動プレート５０が、カソード電極４０に隣接して配置され、燃料電池装置２０と連通する。水移動プレート５０は、燃料電池電力設備１０内で適切な水バランスを維持するのに加えて、燃料電池電力設備１０の温度を管理する、のを助ける統合された冷媒ループ６０の一部である。
【００１５】
本発明は、反応物気体の流れを周囲圧力より十分に高くまで加圧する結果として一般に招かれる寄生電力消耗を低減させることにより、燃料電池電力設備２０の効率を向上させようと努める。この目的のために、本発明は、反応物気体の流れと冷媒の流れとの間の正の圧力差を維持しながら、周囲下冷媒ループを利用しようと努める。そのような構成では、ほぼ周囲圧力で酸化剤の気体状の流れを使用できるが、これは、電動式の輸送装置などの移動式の燃料電池の用途において好ましいであろう。気体状の１つの流れまたは複数の流れを供給するのに必要とされるより、冷媒水を供給するのに必要な電力は少ないので、酸化剤の気体状の流れの作動圧力の低減は、燃料電池電力設備２０の全体の電力消費の実質的な低減となることが見出された。
【００１６】
図１に示すように、燃料電池装置２０のアノード電極３０には、当業技術内で一般に知られるように、燃料処理装置３２などから反応物燃料、通常、水素に富んだ気体の流れが供給される。燃料圧力弁３４または他の手段が、アノード電極３０へ供給される燃料の圧力を、手動または自動のいずれかで、制御するのに使用できる。同様に、燃料電池装置２０のカソード電極４０には、反応物酸化剤、通常、酸素に富んだ気体の流れが供給される。酸化剤は、燃料電池電力設備１０と大気環境との間の相対的な移動によりカソード電極４０に向かって導かれる酸素を含む大気とすることができる。図１に詳細に示すように、酸化剤の流れが、カソード電極４０へ可変速酸化剤送風機４２を介して供給され、その体積は、酸化剤流量制御弁４４によって手動または自動のいずれかで制御され、それによって、酸化剤の流れは、ほぼ周囲圧力で燃料電池装置２０に確実に供給される。代替として、流量制御弁４４は、除去することができ、流量は、もっぱら可変速送風機４２を用いて制御される。本発明の好ましい実施態様においては、燃料の流れは、酸化剤の作動圧力よりわずかに低くなるように制御される。
【００１７】
先に示したように、冷媒の流れは、酸化剤の気体状の流れの周囲圧力より低い圧力で水移動プレート５０内を流れるように設計される。冷媒ポンプ６２が、冷媒ループ６０内を通って冷媒の流れを循環させる推進力を与える。冷媒ポンプ６２は、周囲圧力に開放されるように適合された蓄積装置６４へ冷媒の流れを進ませ、それによって、冷媒ポンプ６２から流出する冷媒の流れは、ほぼ周囲圧力に確実に維持される。蓄積装置６４は、冷媒ポンプ６２の吸入側または（図１に示すように）吐出側に配置できる。続いて、圧力制御弁６６が、冷媒の流れの圧力を所望の入口周囲下圧力に低下させるのに使用される。次に、周囲下冷媒の流れは、燃料電池装置２０から流出する前に、水移動プレート５０に供給される。
【００１８】
従って、共同して作動する蓄積装置６４、冷媒ポンプ６２、圧力制御弁６６は、燃料電池装置２０に周囲下冷媒の連続的に循環する流れを供給するための効果的な冷媒調整器として作用する。圧力制御弁６６は、固定オリフィス、手動制御弁、自動制御弁などのどのような既知の圧力制御装置とすることもできる。弁は、よく知られるように、電気、液圧、空気圧などにより作動できる。
【００１９】
燃料電池装置２０から流出した後、周囲下冷媒の流れは、冷媒ループ６０内を循環し続け、それによって、冷媒の流れの一部が、熱交換器６８と脱塩装置７０に、それぞれ熱放散と冷媒浄化のために導かれる。代替として、脱塩装置７０は、既知のように、冷媒のほんの一部が脱塩装置７０を通って流れるように構成することができる。温度制御弁７２が、燃料電池装置２０から排出される冷媒の流れの出口温度を監視するために、出口導管７４に沿って配置される。流出する冷媒の流れ、または全体としての燃料電池装置２０、の温度が、変動するにつれ、温度制御弁７２は、より多くの量またはより少ない量の冷媒の流れを熱交換器６８へ適切に分流させて、燃料電池装置２０の温度を作動条件内に維持する。
【００２０】
熱交換器６８は、ラジエータ要素とファンの組み合わせとして示されているけれども、他の知られた熱交換器が、本発明のより広い態様から逸脱することなく代替として使用できるので、本発明は、この点に関して制限されない。同様に、脱塩装置７０は、燃料電池装置２０に再供給する前に冷媒の流れから溶解している気体および懸濁している固体が効果的にストリッピング（ｓｔｒｉｐｐｉｎｇ）されるならば、既知の物質移動装置を含む、脱気装置と脱塩装置の両方から実際、構成できる。同様に、温度制御弁およびバイパスラインは、随意であるかまたは本発明のより広い態様から逸脱することなくさまざまな代替の方法で実施できる。
【００２１】
作動においては、燃料電池装置２０内で起こる電気化学反応により、生成物水が、カソード電極４０において生成される。付加的な水も、アノード電極３０をカソード電極４０から分離する図示されていないＰＥＭを横断するプロトンドラッグ、すなわち、ＰＥＭとアノード電極３０の両方からカソード電極４０へ水をともに持ち運ぶイオンの移動、の結果として、カソード電極４０へ供給される。一般に、液体の水または水蒸気が、ＰＥＭを加湿するようにアノード電極３０に供給される。
【００２２】
カソード電極４０内の酸化剤の流れと周囲下冷媒の流れとの間の圧力差は、多孔質カソード電極４０を通りかつ微細な孔を有する水移動プレート５０内の周囲下冷媒の流れの中への、水分子の移動に影響を及ぼすように正の供給力を与える。結果として、カソード電極４０の溢流は、効果的に防止される。さらに、複数の燃料電池装置が、セルスタックアッセンブリのように互いに積層される関係になるように構成される用途においては、多孔質アノード電極３０の微細な孔は、微細な孔を有する水移動プレート５０内を循環する冷媒に毛管効果を及ぼす。このようにして、水は、微細な孔の中へ移動（ｗｉｃｋ）し、アノード電極３０の乾燥を防止するような仕方でアノード電極３０に供給される。
【００２３】
燃料圧力弁３４などを介して反応物燃料の圧力を操作することが、対応して、アノード電極３０の微細な孔の中へ水が移動する速度に影響を及ぼすことによりアノード電極３０の濡れを増加させることになることは、容易に理解されるであろう。すなわち、反応物燃料の流れの圧力を上昇または低下させることにより、アノード電極３０は、それぞれ、より少ないまたはより多い水の流入を経験することになる。従って、アノード電極３０に水が確実に溢れないようにしながら、アノード電極３０を加湿することができる。
【００２４】
カソード電極４０から排気される酸化剤が、燃料処理装置３２へ、または、既知のように、図示していないが燃料電池電力設備１０がそのように備え付けていれば水回収装置へ、供給することができ、あるいは、逆に、排気される酸化剤が、周囲の環境へ単に排出できることは、留意する必要がある。同様に、アノード電極３０から排気される燃料の流れが、燃料処理装置３２へ、または、既知のように、図示していないが飛沫同伴される水または水蒸気が後での使用のために凝縮されかつ回収できる水回収装置へ、導入することができる。
【００２５】
従って、本発明の重要な態様は、燃料電池電力設備１０の効率的な水管理が、反応物の気体状の流れと冷媒の流れとの間の圧力差を用いる受動的な方法で実現されることである。
【００２６】
本発明の別の重要な態様は、反応物の気体状の流れを加圧するより、液体冷媒の圧力を上昇させることにより、燃料電池電力設備１０の寄生電力消費を低減することである。
【００２７】
電動式の輸送装置と関連する使用などの移動式の独立型の用途において、酸化剤送風機４２が、燃料電池電力設備１０と大気環境との相互作用がほぼ周囲圧力において燃料電池電力装置２０を通して酸化剤気体を流すのに十分でない時はその間に限り、作動するように自動的に制御されることは、容易に明らかになるであろう。従って、本発明の別の重要な態様は、全体としての燃料電池電力設備１０の寄生電力消耗の対応する節約とともに、酸化剤送風機４２の間欠的な作動にある。
【００２８】
本発明による周囲下圧力冷媒ループを用いる燃料電池電力設備の別の実施態様は、図２に概略例示されており、全体が参照番号１００により示されている。燃料電池電力設備１００は、図示されていない電解質の両側に配置されたアノード電極１３０とカソード電極１４０を有する少なくとも１つの燃料電池装置１２０を含む。アノード電極１３０に水素に富んだ燃料を、カソード電極１４０に酸素に富んだ酸化剤を供給することにより、燃料電池装置１２０は、当業技術内でよく知られた仕方で電気エネルギーを生成することになる。図２の燃料電池装置１２０は、ＰＥＭも使用し、その両側は、燃料電池装置１２０内で電気化学反応を促進するために使用される触媒層で、図示していないが、被覆される。
【００２９】
図２は、単一の燃料電池装置１２０を示しているが、燃料電池電力設備１００は、電気的に接続されそれによってセルスタックアッセンブリを形成する複数の平らな燃料電池装置と関連して代替として作動されることができ、このセルスタックアッセンブリは、図示されていないハウジング内に収容されており、全体として、水素に富んだ燃料の流れおよび酸素に富んだ酸化剤の流れをセルスタックアッセンブリへ導き、さらにそこから導き出すさまざまな反応物のマニホールドを規定している。
【００３０】
微細な孔を有する水移動プレート１５０が、カソード電極１４０に隣接して配置され、燃料電池装置１２０と連通する。水移動プレート１５０は、燃料電池電力設備１００内で適切な水バランスを維持するのに加えて、燃料電池電力設備１００の温度を管理する、のを助ける統合された冷媒ループ１６０の一部である。
【００３１】
図２に示される燃料電池電力設備１００は、周囲下冷媒ループ１６０を統合するための別の実施態様を例示する。図１に示される実施態様と同様に、燃料電池装置１２０のアノード電極１３０には、当業技術内で一般に知られるように、燃料処理装置１３２などから反応物燃料、通常、水素に富んだ気体の流れが供給される。燃料圧力弁１３４または他の手段が、アノード電極１３０へ供給される燃料の圧力を、手動または自動のいずれかで、制御するのに使用できる。同様に、燃料電池装置１２０のカソード電極１４０には、反応物酸化剤、通常、酸素に富んだ気体の流れが供給される。酸化剤は、燃料電池電力設備１００と環境との間の相対的な移動によりカソード電極１４０に向かって導かれる酸素を含む大気とすることができる。図２にも示すように、酸化剤の流れが、カソード電極１４０へ酸化剤送風機１４２を介して供給され、その体積は、酸化剤流量制御弁１４４によって手動または自動のいずれかで制御され、それによって、酸化剤の流れは、ほぼ周囲圧力で燃料電池装置１２０に確実に供給される。燃料の流れは、酸化剤の作動圧力よりわずかに低くなるように制御される。
【００３２】
先に示したように、冷媒の流れは、酸化剤の気体状の流れの周囲圧力より低い圧力で水移動プレート１５０内を流れるように設計される。この目的のために、真空ポンプ１６２が、冷媒貯蔵器タンク１６４内の圧力を周囲より下（ｂｅｌｏｗ−ａｍｂｉｅｎｔ）の圧力に低下させるように冷媒ループ１６０に沿って配置される。この構成において、冷媒ポンプ１６６が、貯蔵器タンク１６４から引き出される冷媒の流れを循環させる推進力を与え、それによって、本来の冷媒ループの圧力降下に打ち勝つ。冷媒ポンプ１６６は、燃料電池装置１２０から流出する前に、周囲下冷媒の流れを水移動プレート１５０へ進ませる。従って、貯蔵器タンク１６４、真空ポンプ１６２は、共同して、燃料電池装置１２０に周囲下圧力冷媒の連続的に循環する流れを供給するための効果的な冷媒調整器として作用する。
【００３３】
燃料電池装置１２０から流出した後、周囲下冷媒の流れは、冷媒ループ１６０内を循環し続け、それによって、冷媒の流れの一部が、熱交換器１６８と脱塩装置１７０に、それぞれ熱放散と冷媒浄化のために導かれる。温度制御弁１７２が、燃料電池装置１２０から排出される冷媒の流れの出口温度を監視するために、出口導管１７４に沿って配置される。流出する冷媒の流れ、または全体としての燃料電池装置１２０、の温度が、変動するにつれ、温度制御弁１７２は、より多くの量またはより少ない量の冷媒の流れを熱交換器１６８へ適切に分流させて、燃料電池装置１２０の温度を作動条件内に維持する。
【００３４】
熱交換器１６８は、ラジエータ要素とファンの組み合わせとして示されているけれども、他の知られた熱交換器が、本発明のより広い態様から逸脱することなく代替として使用できるので、本発明は、この点に関して制限されない。同様に、脱塩装置１７０は、燃料電池装置１２０に再供給する前に冷媒の流れから溶解している気体および懸濁している固体が効果的にストリッピングされるならば、既知の物質移動装置を含む、脱気装置と脱塩装置の両方から実際、構成できる。同様に、温度制御弁およびバイパスラインは、随意であるかまたはさまざまな方法で実施できる。
【００３５】
作動においては、燃料電池装置１２０内で起こる電気化学反応により、生成物水が、カソード電極１４０において生成される。付加的な水も、アノード電極１３０をカソード電極１４０から分離する図示されていないＰＥＭを横断するプロトンドラッグ、すなわち、ＰＥＭとアノード電極１３０の両方からカソード電極１４０へ水をともに持ち運ぶイオンの移動、の結果として、カソード電極１４０へ供給される。一般に、液体の水または水蒸気が、ＰＥＭを加湿するようにアノード電極３０に供給される。
【００３６】
カソード電極１４０内の酸化剤の流れと周囲下冷媒の流れとの間の圧力差は、多孔質カソード電極１４０を通りかつ微細な孔を有する水移動プレート１５０内の周囲下冷媒の流れの中への、水分子の移動に影響を及ぼすように正の供給力を与える。結果として、カソード電極１４０の溢流は、効果的に防止される。さらに、複数の燃料電池装置が、セルスタックアッセンブリのように互いに積層される関係になるように構成される用途においては、多孔質アノード電極１３０の微細な孔は、微細な孔を有する水移動プレート１５０内を循環する冷媒に毛管効果を及ぼす。このようにして、水は、アノード電極１３０の乾燥を防止するような仕方でアノード電極１３０に供給される。
【００３７】
上述したように、燃料圧力弁１３４などを介して反応物燃料の圧力を操作することが、対応して、アノード電極１３０の微細な孔の中へ水が移動する速度に影響を及ぼすことによりアノード電極１３０の濡れを増加させることになる。すなわち、反応物燃料の流れの圧力を上昇または低下させることにより、アノード電極１３０は、それぞれ、より少ないまたはより多い水の流入を経験することになる。従って、アノード電極１３０に水が確実に溢れないようにしながら、アノード電極１３０を加湿することができる。
【００３８】
一旦、反応物気体の流れと冷媒の流れとの間に適切な圧力差が確立されると、図１、図２それぞれの燃料電池電力設備１０、１００の適切な水管理が、結果的に自動的に起こり、複雑な機械的な配置を必要とせずに受動的に維持される。電力出力、電池性能、温度などの変化を含む、燃料電池電力設備の作動条件のどのような変更も、燃料電池電力設備に供給される燃料および酸化剤の圧力、冷媒の流れの流量、冷媒の流れの圧力などへの調整、あるいは、これらの条件のどのような組み合わせに行われる調整によっても、対応できる。
【００３９】
従って、本発明は、燃料電池電力設備の受動的な水管理を行うのを助けながら、燃料電池電力設備の寄生電力消耗を低減させるのに、これまでは知られていなかった周囲下冷媒の流れを用いる。
【００４０】
上述した開示および組み合わされた構成から理解できるように、有利なことには、周囲下冷媒の流れとともに使用するために構成された燃料電池電力設備は、限定されるものではないが、燃料電池電力設備の寄生電力消費を低減させかつＰＥＭばかりでなくアノード電極およびカソード電極が局部的に水で溢れるのを防止しながら、これらの要素を加湿することを含む燃料電池電力設備の受動的な水管理を含む、複数の有益な作動特性を備える。これらの特性の全ては、燃料電池電力設備の効率的な作動に寄与し、高い性能、信頼性、エネルギー効率を必要とする、電動式の輸送装置の製造などの用途に特に有益である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の一実施態様による、周囲下圧力冷媒ループを使用する燃料電池電力設備の概略図。
【図２】
本発明の別の実施態様による、周囲下圧力冷媒ループを使用する燃料電池電力設備の概略図。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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