(57)【要約】燃料電池モジュールのためのカソード再循環システムは、不活性ガスを受け取るように設計された不活性ガス入口通路および酸素を受け取るように設計された酸素ガス入口通路、該不活性ガス入口通路、該酸素ガス入口通路、および少なくとも１つのカソードの入口と流体連通する混合要素、ならびに酸素と不活性ガスとを含有する混合ガス流れを再循環させるように設計された、該少なくとも１つのカソードの出口および該混合要素と流体連通する再循環ラインを包含していてもよい。該少なくとも１つのカソードから放出された該混合ガスの少なくとも一部は、再循環されて該混合要素に戻されてもよく、そこで酸素、不活性ガス、または酸素と不活性ガスの両方は、再循環された混合ガス流れに導入され、次いで該少なくとも１つのカソードの入口に供給される。【選択図】図１
2017513190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池モジュールのためのカソード再循環システムであって、
不活性ガスを受け取るように設計された不活性ガス入口通路および酸素を受け取るように設計された酸素ガス入口通路；
該不活性ガス入口通路、該酸素ガス入口通路、および少なくとも１つのカソードの入口と流体連通する混合要素；ならびに
酸素と不活性ガスとを含有する混合ガス流れを再循環させるように設計された、該少なくとも１つのカソードの出口および該混合要素と流体連通する再循環ライン
を含み、
ここで該少なくとも１つのカソードから放出された該混合ガスの少なくとも一部は、再循環されて該混合要素に戻され、そこで酸素、不活性ガス、または酸素と不活性ガスの両方は、再循環された混合ガス流れに導入され、次いで該少なくとも１つのカソードの入口に供給される、上記システム。
【請求項２】
前記不活性ガスは、窒素である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記少なくとも１つのカソードに入る前記混合ガス流れ中の酸素と不活性ガスとの比率は、約１０：９０から約４０：６０の範囲である、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記少なくとも１つのカソードから放出された前記混合ガス流れから水蒸気を除去するように設計された分離器をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記少なくとも１つのカソードの入口に供給された前記混合ガス流れの圧力を制御するように設計された、複数の弁、機器、および制御器をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記混合要素は、エジェクターを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記再循環ラインとインストリーム（in stream）に、前記混合ガスを圧縮するように設計された圧縮機をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
混合ガスの温度を調節するように設計された少なくとも１つの熱交換器をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記燃料電池モジュールは、少なくとも１つのプロトン交換膜燃料電池を収容している、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記混合要素を介して混合ガスに供給される酸素のモル数は、前記少なくとも１つのカソードで消費された酸素のモル数に実質的に等しい、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
燃料電池のカソードを介して混合ガスを再循環させる方法であって、
該カソードに、酸素および不活性ガスを含む混合ガス流れを供給すること；
該カソードから減損した混合ガス流れを収集すること；および
該減損した混合ガス流れに、酸素、不活性ガス、または酸素と不活性ガスの両方を添加して、該混合ガス流れとして該カソードの入口に再循環させること
を含む、方法。
【請求項１２】
前記不活性ガスは、窒素である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのカソードに入る前記混合ガス流れ中の酸素と不活性ガスとの比率は、約１０：９０から約４０：６０の範囲である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
分離器を使用して、前記減損した混合ガス流れから水蒸気を除去することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのカソードの入口に供給された前記混合ガス流れの圧力を制御することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記減損した混合ガス流れに、エジェクターを介して前記酸素、不活性ガス、または両方を排出することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのカソードから放出された前記減損した混合ガス流れを圧縮することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記減損した混合ガス流れを冷却して、温度の設定値を維持することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
前記減損した混合ガス流れに添加される酸素のモル数が前記カソード中で消費された量に対応するように、酸素添加の量を制御することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
カソードおよびアノードを含有する少なくとも１つの燃料電池を有する燃料電池モジュールのハウジングであって、
不活性ガス流れおよび酸素流れ；
該不活性ガス流れおよび該酸素流れと流体連通する混合要素；ならびに
該混合要素と流体連通する、該少なくとも１つの燃料電池の該カソードから放出された減損した混合ガス流れ
を含み、ここで該カソードの出口から放出された該減損した混合ガス流れの少なくとも一部は、再循環されて該混合要素に戻され、そこで該不活性ガス流れ、該酸素流れ、または両方は、該減損した混合ガス流れに導入されて、該カソードの入口に供給されるように設計される、上記ハウジング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[001]本出願は、それぞれ参照によりそれら全体が開示に組み入れられる２０１４年３月２７日付けで出願された米国仮出願第６１／９７１，１７９号、および２０１４年４月３０日付けで出願された米国仮出願第６１／９８６，７５３号の利益を主張する。
【０００２】
[002]本発明の開示は、燃料電池モジュールのためのカソードガスの再循環システムおよび方法、より具体的には、周囲空気が利用できない場合の燃料電池用途を対象とする。
【背景技術】
【０００３】
[003]多くの燃料電池用途について、周囲環境は、電気化学反応への導入要素として燃料電池（例えば、プロトン交換膜燃料電池）のカソードに供給するための周囲空気中の酸素の豊富な供給をもたらす。しかしながら、特定の適用において、周囲空気によって周囲環境から燃料電池に酸素を供給することは、実用的ではないか、またはいくつかのケースにおいて不可能である。例えば、水中（例えば、潜水艦）での作動または宇宙空間（例えば、宇宙船）での作動は、環境からの周囲空気が利用できない用途である。
【０００４】
[004]そのような用途の場合、一般的に、純酸素が様々な目的のために貯蔵され、周囲空気の代替物として燃料電池のカソードに供給されてもよい。しかしながら、カソードに純酸素を供給することは欠点を有する。例えば、カソードに純酸素を供給するには、燃料電池が酸素使用基準の認証に適合する必要がある場合があり、これは、実質的にコストと燃料電池の複雑さを増大させる可能性がある。加えて、純酸素の使用は、安全性の問題が生じる可能性がある。例えば、燃料電池膜中のピンホールからの漏れ（pihhole leak）または高い割合のクロスオーバー(high rate cross-over)が、爆発性混合物（例えば、酸素および水素）の形成を引き起こしうる。これらの問題の観点から、標準的な燃料電池の設計と技術は不適合であり、したがって、これらの用途には複雑な注文設計が必要になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
[005]したがって、本発明の開示の目的は、純酸素を供給する用途のための標準的なプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池の設計の使用を可能にする、燃料電池モジュールのためのカソードガスの再循環システムおよび操作方法を提供することである。本システムおよび方法は、１つまたはそれより多くの燃料電池が純酸素流れではなく不活性ガスに富むガス流れに曝露されるように、不活性ガス流れ（例えば、Ｎ２）をカソードを介して再循環させて、それを純酸素と混合することを包含する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
[006]一形態において、本発明の開示は、燃料電池モジュールのためのカソード再循環システムを対象とする。カソード再循環システムは、不活性ガスを受け取るように設計された不活性ガス入口通路および酸素を受け取るように設計された酸素ガス入口通路、不活性ガス入口通路、酸素ガス入口通路、および少なくとも１つのカソードの入口と流体連通する混合要素（blending component）、ならびに酸素と不活性ガスとを含有する混合ガス流れを再循環させるように設計された、少なくとも１つのカソードの出口および混合要素と流体連通する再循環ラインを包含していてもよく、ここで少なくとも１つのカソードから放出された混合ガスの少なくとも一部は、再循環されて混合要素に戻され、そこで酸素、不活性ガス、または酸素と不活性ガスの両方は、再循環された混合ガス流れに導入され、次いで少なくとも１つのカソードの入口に供給される。
【０００７】
[007]別の実施態様において、不活性ガスは、窒素であってもよい。別の実施態様において、少なくとも１つのカソードに入る混合ガス流れ中の酸素と不活性ガスとの比率は、約１０：９０から約４０：６０の範囲である。別の実施態様において、カソード再循環システムは、少なくとも１つのカソードから放出された混合ガス流れから水蒸気を除去するように設計された分離器をさらに包含していてもよい。別の実施態様において、カソード再循環システムは、少なくとも１つのカソードの入口に供給された混合ガス流れの圧力を制御するように設計された、複数の弁、機器、および制御器をさらに包含していてもよい。
【０００８】
[008]別の実施態様において、混合要素は、エジェクターを含んでいてもよい。別の実施態様において、カソード再循環システムは、再循環ラインとインストリーム（in stream）に、混合ガスを圧縮するように設計された圧縮機を包含していてもよい。別の実施態様において、カソード再循環システムは、混合ガスの温度を調節するように設計された少なくとも１つの熱交換器を包含していてもよい。別の実施態様において、燃料電池モジュールは、少なくとも１つのプロトン交換膜燃料電池を収容することができる。別の実施態様において、混合要素を介して混合ガスに供給される酸素のモル数は、少なくとも１つのカソードで消費された酸素のモル数に実質的に等しい。
【０００９】
[009]別の形態において、本発明の開示は、燃料電池のカソードを介して混合ガスを再循環させる方法に向けられている。本方法は、カソードに、酸素および不活性ガスを含む混合ガス流れを供給すること、カソードから減損した混合ガス流れを収集すること、および減損した混合ガス流れに、酸素、不活性ガス、または酸素と不活性ガスの両方を添加して、混合ガス流れとしてカソードの入口に再循環させることを包含していてもよい。
【００１０】
[010]別の実施態様において、本方法は、不活性ガスが窒素であることを包含していてもよい。別の実施態様において、本方法は、少なくとも１つのカソードに入る混合ガス流れ中の酸素と不活性ガスとの比率は、約１０：９０から約４０：６０の範囲であることを包含していてもよい。別の実施態様において、本方法は、分離器を使用して、減損した混合ガス流れから水蒸気を除去することをさらに包含していてもよい。別の実施態様において、本方法は、少なくとも１つのカソードの入口に供給された混合ガス流れの圧力を制御することをさらに包含していてもよい。
【００１１】
[011]別の実施態様において、本方法は、減損した（depleted）混合ガス流れに、エジェクターを介して酸素、不活性ガス、または両方を排出することをさらに包含していてもよい。別の実施態様において、本方法は、少なくとも１つのカソードから放出された減損した混合ガス流れを圧縮することをさらに包含していてもよい。別の実施態様において、本方法は、減損した混合ガス流れを冷却して、温度の設定値を維持することをさらに包含していてもよい。別の実施態様において、本方法は、減損した混合ガス流れに添加される酸素のモル数がカソード中で消費された量に対応するように、酸素添加の量を制御することをさらに包含していてもよい。
【００１２】
[012]別の形態において、本発明の開示は、カソードおよびアノードを含有する少なくとも１つの燃料電池を有する燃料電池モジュールのハウジングを対象とする。燃料電池モジュールのハウジングは、不活性ガス流れおよび酸素流れ、不活性ガス流れおよび酸素流れと流体連通する混合要素、ならびに混合要素と流体連通する、少なくとも１つの燃料電池のカソードから放出された減損した混合ガス流れを包含していてもよく、ここでカソードの出口から放出された減損した混合ガス流れの少なくとも一部は、再循環されて混合要素に戻され、そこで不活性ガス流れ、酸素流れ、または両方は、減損した混合ガス流れに導入されて、カソードの入口に供給されるように設計される。
【００１３】
[013]本発明の開示の目的および利点は、以下の説明で部分的に説明されるが、その説明から部分的に明白であるか、または本発明の開示の実施によって理解することができる。本発明の開示の目的および利点は、特に添付の特許請求の範囲で指摘された要素および組合せによって理解され、達成されると予想される。
【００１４】
[014]以下の詳細な説明は単に典型的で説明的なものにすぎず、特許請求された発明の開示を限定しないことが理解されると予想される。
[015]添付の図面は、本明細書に取り入れられ本明細書の一部を構成するが、これらは、本発明の開示の実施態様を例示し、その記載と共に本発明の開示の原理を説明するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】[016]図１は、例示的な実施態様に係る燃料電池モジュールのフローの略図を示す。
【図２】[017]図２は、例示的な実施態様に係る燃料電池モジュールのフローの略図を示す。
【図３】[018]図３は、例示的な実施態様に係る燃料電池モジュールのフローの略図を示す。
【図４】[019]図４は、例示的な実施態様に係るカソードガスが再循環されるように設計された燃料電池モジュールを作動させる方法のフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
[020]以下、本発明の開示の例示的な実施態様について詳細に述べ、添付の図面にその例を例示する。可能な限り、同じまたは類似の部品を指すために図面全体にわたり同じ参照番号が使用される。
【００１７】
[021]例示的な実施態様を参照しながら本発明の開示を本明細書で説明する。本明細書で説明される実施態様はそれらに限定されないことが理解される。当業界において通常の技術を有する者や本明細書で提供される教示の入手が可能な者は、全て本発明の開示の範囲内に含まれる追加の改変、用途、実施態様、および均等物の置換を認識していると予想される。
【００１８】
[022]図１は、例示的な実施態様に係る燃料電池１１０およびカソード再循環システム１２０を含む燃料電池モジュール１００の概略図を示す。カソード再循環システム１２０は、不活性ガス入口通路１０１Ａを介して受け取られるように設計された不活性ガス流れ１０１、酸素入口通路１０２Ａを介して受け取られるように設計された酸素流れ１０２、再循環ライン１０３Ａを介して循環させた混合ガスの再循環流れ１０３、混合要素１０４、および分離器１０５を含んでいてもよい。他の実施態様において、燃料電池モジュール１００は、燃料電池モジュール１００内で燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池１１０を含んでいてもよい。例えば、燃料電池モジュール１００は、燃料電池モジュール１００内に、例えば互いに平行して連結された５個、１０個、２０個、２５個、５０個、１００個、またはそれより多くの燃料電池を含有していてもよい。
【００１９】
[023]例示的な実施態様によれば、燃料電池モジュール１００内に取り付けられた燃料電池１１０は、多種多様の燃料電池の構造であってもよい。例えば、燃料電池１１０は、酸素がカソードでの反応に導入されるプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池、または他の類似の燃料電池であってもよい。図１で示されるように、燃料電池１１０は、電解質膜１１３で分離されたカソード１１１およびアノード１１２を含んでいてもよい。
【００２０】
[024]この説明の目的のために、燃料電池１１０はＰＥＭ燃料電池であると仮定される。しかしながら、本明細書で説明されるように、本開示はＰＥＭ燃料電池に限定されない。当業界において公知のように、ＰＥＭ燃料電池の場合、水素原子は、アノード１１２で電気化学的に電子とプロトン（水素イオン）に分けることができる。反応によって生成された電子は、電気負荷回路を介してカソード１１１に流れ（図１に示されていない）、直流電気が生成される。電気化学反応によって生成されたプロトンは、電解質膜１１３を介してカソード１１１に拡散する。電解質１１３は、負電荷を有する電子の通路を防ぐが、同時に正電荷を有するイオンの通路を許容するように設計されていてもよい。プロトンが電解質１１３を介して通過した後、カソード１１１におけるプロトンは、電気負荷回路を介して通過した電子およびカソード１１１に供給された酸素と反応して、熱および水を生成することができる。
【００２１】
[025]例示的な実施態様によれば、燃料電池モジュール１００は、混合要素１０４からカソード１１１に混合ガス流れ１０６を供給するように設計されていてもよい。例示的な実施態様によれば、混合ガス流れ１０６は、不活性ガスおよび酸素の混合物を含んでいてもよい。加えて、いくつかの実施態様によれば、燃料電池モジュール１００は、カソード１１１に水蒸気流れ１０７を供給して、カソード１１１および燃料電池１１０内の湿度を調節するように設計されていてもよい。
【００２２】
[026]例示的な実施態様によれば、不活性ガス流れ１０１の不活性ガスは、例えば、窒素または他の類似のガスであってもよい。例示的な実施態様によれば、混合ガス流れ１０６中の酸素の割合は、約２１％であってもよく、不活性ガスの割合は、約７９％であってもよい。他の実施態様において、混合ガス流れ１０６を構成する酸素および不活性ガスの割合（パーセント）は、様々であってもよい。例えば、不活性ガスは、混合ガス流れ１０６の約９０％、８０％、７０％、６０％、５０％、４０％、３０％、２０％、または１０％未満を構成していてもよい。同様に、酸素ガスは、例えば、混合ガス流れ１０６の約９０％、８０％、７０％、６０％、５０％、４０％、３０％、２０％、または１０％未満を構成していてもよい。他の実施態様によれば、混合ガス流れ１０６中の酸素と不活性ガスとの比率は、独立して、例えば約１０：９０、２０：８０、３０：７０、４０：６０、５０：５０、６０：４０、７０：３０、８０：２０、または９０：１０であってもよい。加えて、混合ガス流れ１０６中の酸素と不活性ガスとの比率は、独立して、様々であってもよく、例えば比率は、約１０：９０から９０：１０、１０：９０から８０：２０、１０：９０から７０：３０、１０：９０から６０：４０、１０：９０から５０：５０、１０：９０から４０：６０、１０：９０から３０：７０、１０：９０から２０：８０、２０：８０から９０：１０、２０：８０から８０：２０、２０：８０から７０：３０、２０：８０から６０：４０、２０：８０から５０：５０、２０：８０から４０：６０、および２０：８０から３０：７０の範囲であってもよい。また、混合ガス流れ１０６は、微量の（例えば、１％未満の）他のガス、例えば、アルゴン、二酸化炭素、ネオン、メタン、ヘリウム、クリプトン、水素、キセノン、オゾン、二酸化窒素、ヨウ素、一酸化炭素、およびアンモニアを含み得ることも予期される。
【００２３】
[027]本明細書で説明されるように、混合ガス流れ１０６からの酸素を、カソード１１１で起こる電気化学反応によって消費することができる。結果として、カソード１１１から減損した混合ガス流れ１０８を排出することができる。減損した混合ガス流れ１０８は、カソード１１１での電気化学反応によって生成された水蒸気、いくつかの実施態様ではカソード１１１に供給された水蒸気を含有していてもよい。減損した混合ガス流れ１０８中の酸素の濃度は、電気化学反応によって消費された酸素の損失のために、混合ガス流れ１０６より低い可能性がある。例えば、混合ガス流れ１０６中の酸素の約１％、５％、１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、または１００％は、カソード１１１で起こる電気化学反応によって消費される可能性がある。
【００２４】
[028]例示的な実施態様によれば、カソード１１１において消費されるかまたは漏れにより失われる不活性ガスは、実質的にゼロであり得る。例えば、カソード１１１に入る混合ガス流れ１０６中の不活性ガスのモル数は、カソード１１１から放出されたモル数に実質的に等しい可能性がある。しかしながら、混合ガス流れ１０６からの酸素の消費のために、減損した混合ガス流れ１０８中の不活性ガスの濃度は、混合ガス流れ１０６内の濃度より高い可能性がある。例えば、不活性ガスは、減損したガス流れの約９０％、８０％、７０％、６０％、５０％、４０％、３０％、２０％、または１０％より多くを構成していてもよい。
【００２５】
[029]減損した混合ガス流れ１０８は、分離器１０５と流体連通していてもよい。分離器１０５は、減損した混合ガス流れ１０８から水蒸気の少なくとも一部を除去するように設計されていてもよい。分離器１０５によって除去された水蒸気は、水再循環流れ１０５Ａとして放出させることができる。水再循環流れ１０５Ａは、再利用することができる。減損した混合ガス流れ１０８は、水分分離器１０５から、混合ガスの再循環流れ１０３とも称される再循環ライン１０３Ａに排出させることができる。図１で示されるように、混合ガスの再循環流れ１０３を不活性ガス流れ１０１、酸素流れ１０２、または両方と組み合わせて混合ガス流れ１０６を形成できるように、再循環ライン１０３Ａは、混合要素１０４と流体連通していてもよい。
【００２６】
[030]本明細書で説明されるように、再循環システム１２０は、再循環システム１２０内で消費されるかまたは失われる不活性ガスを実質的にゼロにできるように設計されていてもよい。それゆえに、再循環システム１２０は、不活性ガスの定常状態における基準体積が循環中に確立できれば、不活性ガス流れ１０１から混合要素１０４を介して最小体積の追加の不活性ガスだけを添加すればよいように設計することが可能である。添加される追加の不活性ガスの最小体積は、様々な理由による再循環システム１２０における不活性ガスのあらゆる損失に実質的に等しくてもよい。例えば、体積の低減は、温度、配管の漏れ、およびガスケットの漏れなどによる。
【００２７】
[031]例示的な実施態様によれば、再循環システム１２０は、混合要素１０４が、混合ガス流れ１０６を形成するために酸素流れ１０２から混合ガスの再循環流れ１０３への酸素のフローを制御するように設計されていてもよい。混合ガスの再循環流れ１０３に添加される酸素の流量は、カソード１１１で消費された酸素の量に対応していてもよい（例えば、実質的に等しくてもよい）。
【００２８】
[032]再循環システム１２０は、酸素流れ１０２から酸素を連続的または定期的に添加するように設計されていてもよい。例えば、定常状態で、再循環システム１２０は、カソード１１１内における酸素の消費速度に等しい速度で連続的に酸素流れ１０２を混合ガスの再循環流れ１０３に添加できるように設計されていてもよい。あるいは、再循環システム１２０は、混合ガスの再循環流れ１０３に酸素が定期的に添加されるように設計されていてもよい。例えば、酸素濃度の低いレベルの設定値と酸素濃度の設定値とを選択することができ、再循環システム１２０は、低いレベルの設定値に達したときに酸素が添加され、酸素濃度の設定値に達するまで酸素が添加され続けるように設計されていてもよい。酸素流れ１０２からの酸素の添加は、１つまたはそれより多くの流量制御デバイス（例えば、弁）によって制御することができる。
【００２９】
[033]図１で示されるように、燃料電池モジュール１００は、アノード１１２に水素流れ１３０を供給して、アノード１１２から減損した水素流れ１３１を放出するように設計されていてもよい。図１には示されていないが、燃料電池モジュール１００は、消費されていない水素を再利用するために、減損した水素流れ１３１を再循環させて、それを水素流れ１３０と組み合わせるように設計されていてもよい。このような実施態様は、本明細書の下記で説明される。
【００３０】
[034]本明細書で説明されるような燃料電池１１０は、標準的なモジュール式の設計および構造であってもよい。例えば、本明細書で説明されるような燃料電池１１０は、燃料電池モジュール中に取り付けることができ、ここで燃料電池モジュールは、不活性ガスおよび酸素の混合物よりも周囲環境からの周囲空気をカソード１１１に供給するように設計される。周囲環境から周囲空気を引き出すことが実用的ではないかまたは不可能かのいずれかである用途の場合であっても、本明細書で説明されるような再循環システム１２０は、それが標準的な燃料電池の技術および設計の利用を可能にする燃料電池モジュール１００（例えば、燃料電池１１０）内に一体化することができるように設計されていてもよい。
【００３１】
[035]他の実施態様において、再循環システム１２０は、燃料電池モジュール１００に一体化されるのではなく、燃料電池１１０に直接的に一体化することができる。他の実施態様において、再循環システム１２０は、一体化された構成要素というより、燃料電池モジュール１００または燃料電池１１０にカップリングされるように設計された外部のモジュール式の構成要素になるように設計されていてもよい。
【００３２】
[036]本明細書で説明されるように、燃料電池モジュール１００および再循環システム１２０は、燃料電池１１０のカソード１１１に、その一部が酸素である不活性ガスに富む流れ（すなわち、混合ガス流れ１０６）を供給するように設計されていてもよい。カソード１１１および燃料電池１１０に、純酸素流れよりも不活性ガスに富む流れ（すなわち、混合ガス流れ１０６）を供給することによって、燃料電池モジュール１００の流体を取り扱う構成要素の大部分が、標準的な構成要素（例えば、酸素使用の認証がない構成要素）であってもよく、一方で燃料電池１１０の流体を取り扱う構成要素の全てが、標準的な構成要素であってもよい。言い換えれば、燃料電池モジュール１００および再循環システム１２０は、酸素流れ１０２（すなわち、純酸素）を取り扱う流体構成要素のみが酸素使用の認証を受けた構成要素であればよいように設計されていてもよく、これはなぜなら、純酸素への曝露をそのような構成要素に限定することができるためである。
【００３３】
[037]さらに、カソード１１１および燃料電池１１０に、純酸素流れよりも不活性ガスに富む流れ（すなわち、混合ガス流れ１０６）を供給することによって、燃料電池１１０中で爆発性混合物が形成される可能性を低減することができる。この低減は、電解質１１３中のピンホール漏れが生じた場合において、膜を介した純酸素の漏れと水素との混合というよりも、その代わりに、多少の酸素を含有する窒素に富むガス流れ（すなわち、混合ガス流れ１０６）が電解質を通過して漏れ、水素と混合されて、爆発性混合物が形成される見込みが低減することの結果であり得る。
【００３４】
[038]例示的な実施態様によれば、不活性ガスおよび消費されていない酸素を再循環させることによって、本明細書で説明されるように、燃料電池の作動に利用された酸素および不活性ガスの量を、再循環なしまたはシングルパスの作動と比較して実質的に少なくすることができる。例えば、減損したガスを再循環させない混合ガスを受け取るカソードは、同じ燃料電池を同じ期間作動させるのに、より有意に大きい体積を必要とすると予想される。
【００３５】
[039]図２および３は、燃料電池モジュール２００の例示的な実施態様の概略図を示す。燃料電池モジュール２００は、本明細書で説明されるような燃料電池モジュール１００に類似していてもよい。燃料電池モジュール２００は、燃料電池２１０およびカソード再循環システム２２０を含んでいてもよい。図２で示されるように、燃料電池２１０は、燃料電池モジュール２００内に含有されていてもよいし、カソード再循環システム２２０は、燃料電池モジュール２００と流体連通していてもよい。燃料電池２１０は、電解質膜２１３で分離されたカソード２１１、アノード２１２、および冷却要素２１４を含んでいてもよい。燃料電池モジュール１００と類似して、いくつかの実施態様によれば、燃料電池モジュール２００は、燃料電池モジュール２００内で燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池２１０を含有していてもよい。例えば、燃料電池モジュール２００は、燃料電池モジュール２００内に、互いに平行して含有された５個、１０個、２０個、２５個、５０個、１００個、またはそれより多くの燃料電池２１０を含有していてもよい。
【００３６】
[040]例示的な実施態様によれば、カソード再循環システム２２０は、不活性ガス入口通路２０１Ａを介して受け取られるように設計された不活性ガス流れ２０１を含んでいてもよい。カソード再循環システム２２０は、酸素入口通路２０２Ａを介して受け取られるように設計された酸素流れ２０２をさらに含んでいてもよい。図２で示されるように、不活性ガス入口通路２０１Ａおよび酸素入口通路２０２Ａは、組み合わされて、混合要素２０４と流体連通していてもよい。図２に示される実施態様によれば、混合要素２０４は、エジェクター２０４Ａを含んでいてもよい。エジェクター２０４Ａは、不活性ガス流れ２０１、酸素流れ２０２、または両方を受け取り、それが混合ガスの再循環流れ２０３と混合されるように設計されていてもよい。不活性ガス流れ２０１、酸素流れ２０２、または両方は、混合ガスの再循環流れ２０３の圧力を増加させる作動流体（motive fluid）として作用することができる。不活性ガス流れ２０１および酸素流れ２０２の圧力は、様々であってもよい。例えば、不活性ガス流れ２０１および酸素流れ２０２は、例えば、約０ｐｓｉ〜１００ｐｓｉ、１００ｐｓｉ〜２００ｐｓｉ、２００ｐｓｉ〜３００ｐｓｉ、３００ｐｓｉ〜４００ｐｓｉ、４００ｐｓｉ〜４２５ｐｓｉ、４２５ｐｓｉ〜４５０ｐｓｉ、４５０ｐｓｉ〜４７５ｐｓｉ、４７５ｐｓｉ〜５００ｐｓｉの範囲、または５００ｐｓｉより高いｐｓｉで、入口通路２０１Ａおよび２０２Ａに供給されてもよい。
【００３７】
[041]エジェクター２０４Ａは、混合ガス流れ２０６を放出して、それをカソード２１１に供給するように設計されていてもよい。混合ガス流れ２０６は、本明細書で説明される混合ガス流れ１０６と同じ不活性ガスおよび酸素の混合物を含んでいてもよい。混合ガス流れ２０６の場合の不活性ガスおよび酸素の濃度および比率は、混合ガス流れ１０６と同じく様々であってもよい。
【００３８】
[042]カソード２１１で起こる電気化学反応は、混合ガス流れ２０６内の酸素の少なくとも一部を消費する可能性がある。結果として、カソード２１１から放出されるのは、減損した混合ガス流れ２０８であり得る。減損した混合ガス流れ２０８は、カソード２１１における電気化学反応の結果として生成された水蒸気を含有していてもよい。カソード２１１における電気化学反応の別の生成物は、熱であり得る。それゆえに、減損した混合ガス流れ２０８は、燃料電池２１０から放出されて、燃料電池モジュール２００内に含有される熱交換器２０９に供給されてもよい。
【００３９】
[043]熱交換器２０９は、チューブアンドシェル、プレートアンドフレーム、または他の類似の熱交換器の構造であってもよい。熱交換器２０９は、その熱エネルギーの少なくとも一部を、熱交換器２０９を介して循環させた冷却流体２０９Ａに移動することによって、減損した混合ガス流れ２０８を冷却することができる。冷却速度は、冷却流体２０９Ａの流量を制御することによって制御することができる。熱交換器２０９を出る減損した混合ガス流れ２０８の温度は、温度伝送器によってモニターすることができ、この温度伝送器は、減損した混合ガス流れ２０８に関して予め決められた温度の設定値を達成するために冷却流体２０９Ａの流量を調整するように設計された制御器と連通していてもよい。
【００４０】
[044]熱交換器２０９を出る減損した混合ガス流れ２０８は、分離器２０５を通過させることができる。分離器２０５は、減損した混合ガス流れ２０８から水蒸気を除去し、それを再循環またはベントライン２０５Ａを介して放出するように設計されていてもよい。減損した混合ガス流れ２０８は、混合ガスの再循環流れ２０３として分離器２０５を出ることができる。図２で示されるように、混合ガスの再循環流れ２０３を不活性ガス流れ２０１、酸素流れ２０２、または両方と組み合わせて混合ガス流れ２０６を形成できるように、混合ガスの再循環流れ２０３は、エジェクター２０４Ａと流体連通していてもよい。
【００４１】
[045]カソード１１１、熱交換器２０９、分離器２０５、および全てを相互連結させる配管を介して生じる圧力下降の結果として、混合ガスの再循環流れ２０３は、カソード１１１に供給された混合ガス流れ２０６の圧力より低い圧力となる可能性がある。したがって、エジェクター２０４Ａは、エジェクター２０４Ａにおいて作動ガス（motive gas）流れとして作用する不活性ガス流れ２０１、酸素流れ２０２、または両方と組み合わされることによって、混合ガスの再循環流れ２０３がエジェクター２０４Ａを通過するときに、混合ガスの再循環流れ２０３の圧力を押し上げるように設計されていてもよい。
【００４２】
[046]例示的な実施態様によれば、図２で示されるように、燃料電池モジュール２００は、水素流れ２３０および第二の不活性ガス流れ２３１およびいずれかの流れを受け取るように設計されていてもよいし、または両方の流れの組合せが、燃料電池２１０に供給されてもよい。水素流れ２３０、第二の不活性ガス流れ２３１、または両方は、燃料電池２１０内の第二のエジェクター２３３に供給されてもよい。第二のエジェクター２３３は、水素流れ２３０、第二の不活性ガス流れ２３１または両方を受け取り、それを水素再循環流れ２３２と組み合わせるように設計されていてもよい。第二のエジェクター２３３は、第二の混合ガス流れ２３４を放出して、それをアノード２１２に供給するように設計されていてもよい。
【００４３】
[047]第二の混合ガス流れ２３４は、不活性ガスおよび水素の混合物を含んでいてもよい。不活性ガスと水素の濃度および比率は、様々であってもよい。他の実施態様において、第二の混合ガス流れ２３４は、ほぼ全てが水素であってもよく、例えば、約５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、９８％、または９９％より多くが水素であってもよい。水素流れ２３０および第二の不活性ガス流れ２３１は、例えば約５０ｐｓｉ〜２００ｐｓｉ、１００ｐｓｉ〜１５０ｐｓｉ、１００ｐｓｉ〜１２５ｐｓｉ、または１２５ｐｓｉ〜１５０ｐｓｉの範囲の圧力で燃料電池モジュール２００に供給されてもよい。
【００４４】
[048]アノード２１２で起こる電気化学反応は、第二の混合ガス流れ２３４内の水素の少なくとも一部を消費する可能性がある。結果として、アノード２１２からの放出は、減損した第二の混合ガス流れ２３５であり得る。減損した第二の混合ガス流れ２３５は、アノード２１２から収集された水蒸気の一部を含有していてもよい。それゆえに、減損した第二の混合ガス流れ２３５は、アノード２１２から放出され、第二の分離器２３６に供給される可能性がある。
【００４５】
[049]第二の分離器２３６は、第二の混合ガス流れ２３５から水蒸気を除去し、それを再循環またはベントライン２３７を介して放出するように設計されていてもよい。減損した第二の混合ガス流れ２３５は、水素再循環流れ２３２として第二の分離器２３６から放出される可能性がある。図２で示されるように、水素再循環流れ２３２を第二の不活性ガス流れ２３１、水素流れ２３０、または両方と組み合わせて第二の混合ガス流れ２３４を形成できるように、水素再循環流れ２３２は、第二のエジェクター２３３と流体連通していてもよい。
【００４６】
[050]図２で示されるように、燃料電池２１０は、カソード２１１と接触した状態の冷却要素２１４をさらに含んでいてもよい。冷却要素２１４は、カソード２１１の温度を制御するために、冷却流体２４０を循環させるように設計されていてもよい。加えて、図２で示されるように、燃料電池２１０は、冷却流体２４０と同一ラインに、冷却流体２４０の温度を調節するように設計された加熱要素２５０をさらに含んでいてもよい。
【００４７】
[051]図２で示されるように、燃料電池モジュール２００および燃料電池２１０は、複数の弁、複数の機器、複数のオリフィスプレート、および様々な構成要素を連結する流体連通ラインをさらに含んでいてもよい。複数の弁は、様々な弁のスタイル、例えば、二方弁、三方弁、ボール弁、バタフライ弁、仕切り弁、逆止弁、流量制御弁を含んでいてもよい。複数の弁は、様々な手段、例えば、ばね駆動、電気駆動、空気圧駆動、またはそれらの組み合わせによって作動させることができる。複数の機器は、様々なパラメーター、例えば、温度、圧力、流量、レベル、湿度などを測定するための様々な機器のタイプを含んでいてもよい。複数のオリフィスは、様々な直径を有していてもよく、対応するオリフィスを通るガスフローの流量を低減させるように設計されていてもよい。
【００４８】
[052]図３は、エジェクター２０４Ａが除去され圧縮機２６０がカソード再循環システム２２０に追加されたことを除いて図２と同じ燃料電池モジュール２００の概略図を示す。圧縮機２６０は、混合要素２０４で混合ガスの再循環流れ２０３を不活性ガス流れ２０１、酸素流れ２０２、または両方と混合する前に、混合ガスの再循環流れ２０３を圧縮し、結果として混合ガスの再循環流れ２０３の圧力を増加させるように設計されていてもよい。図３に示される例示的な実施態様によれば、不活性ガス流れ２０１および酸素流れ２０２は、より低い圧力となる可能性があり、これはなぜなら、エジェクター２０４Ａを通る作動ガスとして作用するというより（図２を参照）、図３の混合ガスの再循環流れ２０３は、圧縮されて、不活性ガス流れ２０１、酸素流れ２０２、または両方の組合せと組み合わされると作動ガスとして作用するためである。例えば、図３に示される不活性ガス流れ２０１および酸素流れ２０２は、例えば、約０ｐｓｉ〜５ｐｓｉ、５ｐｓｉ〜１０ｐｓｉ、１０ｐｓｉ〜１５ｐｓｉ、１５ｐｓｉ〜２０ｐｓｉ、２０ｐｓｉ〜２５ｐｓｉ、２５ｐｓｉ〜３０ｐｓｉ、３０ｐｓｉ〜４０ｐｓｉ、４０ｐｓｉ〜５０ｐｓｉの範囲、または５０ｐｓｉより高いｐｓｉで入口通路２０１Ａおよび２０２Ａに供給されてもよい。
【００４９】
[053]圧縮機２６０は、圧縮の結果としての混合ガスの再循環流れ２０３への圧力増加が、カソード１１１、熱交換器２０９、分離器２０５、および相互連結させる配管によって生じた圧力降下に対応できるように設計されていてもよい。例えば、圧縮機２６０は、混合ガスの再循環流れ２０３の圧力を、例えば、約１ｂａｒ〜１０ｂａｒ、１ｂａｒ〜２０ｂａｒ、１ｂａｒ〜３０ｂａｒ、１ｂａｒ〜４０ｂａｒ、１０ｂａｒ〜２０ｂａｒ、１０ｂａｒ〜３０ｂａｒ、１０ｂａｒ〜４０ｂａｒ、２０ｂａｒ〜３０ｂａｒ、または２０ｂａｒ〜４０ｂａｒの範囲に増加させるように設計されていてもよい。圧縮機２６０は、例えば回転、往復、遠心、軸流など多種多様の圧縮機のタイプの１つであってもよい。他の実施態様において（示されていない）、圧縮機２６０は、図３で示されるようにモジュールに統合されているのではなく、燃料電池モジュール２００の外部になるように設計されていてもよい。
【００５０】
[054]さらに別の実施態様において（示されていない）、燃料電池モジュール２００は、本明細書で説明されるような圧縮機２６０およびエジェクター２０４Ａの両方を含んでいてもよい。
【００５１】
[055]本明細書で説明されるような燃料電池モジュールは、燃料電池モジュール内の燃料電池の１つまたはそれより多くのカソードを介して混合ガス流れが再循環されるように、１つまたはそれより多くの燃料電池が作動できるようにすることが可能である。図４は、例示的な実施態様に従って燃料電池モジュールを作動させるための方法４００のフローチャートを示す。方法４００は、工程４０２、４０４、および４０６を含んでいてもよい。工程４０２は、カソードに混合ガス流れを供給することを含んでいてもよく、ここで混合ガス流れは、酸素および不活性ガスを含む。工程４０４は、カソードから減損した混合ガス流れを収集することを含んでいてもよい。工程４０６は、減損したガス流れに酸素、不活性ガス、または酸素および不活性ガスを添加して、混合ガス流れを生成することを含んでいてもよい。
【００５２】
[056]本明細書で説明されるような方法４００は、様々な不活性ガス、例えば、窒素、アルゴンなどを利用して行うことができる。例示的な実施態様によれば、方法４００について、混合ガス中の酸素の割合は、約２１％であってもよく、不活性ガスの割合は、約７９％であってもよい。他の実施態様において、混合ガス流れ１０６を構成する酸素および不活性ガスの割合（パーセント）は、様々であってもよい。例えば、不活性ガスは、混合ガス流れ１０６の約９０％、８０％、７０％、６０％、５０％、４０％、３０％、２０％、または１０％未満を構成していてもよい。同様に、酸素ガスは、例えば、混合ガス流れ１０６の約９０％、８０％、７０％、６０％、５０％、４０％、３０％、２０％、または１０％未満を構成していてもよい。他の実施態様によれば、混合ガス流れ中の酸素と不活性ガスとの比率は、独立して、例えば、約１０：９０、２０：８０、３０：７０、４０：６０、５０：５０、６０：４０、７０：３０、８０：２０、または９０：１０であってもよい。
【００５３】
[057]例示的な実施態様によれば、方法４００は、減損した混合ガス流れから水蒸気を除去することをさらに含んでいてもよい。水蒸気は、水蒸気分離器を通過させることによって、減損した混合ガス流れから除去することができる。減損した混合ガス流れから分離された水は、再利用してもよいし、または燃料電池モジュールから放出させてもよい。
【００５４】
[058]方法４００は、燃料電池モジュールおよび燃料電池内の様々なガス流れの圧力を制御するための、複数の弁、複数の伝送器、および他の様々な流量制御要素を利用することをさらに含んでいてもよい。例えば、弁および伝送器は、不活性ガス流れ、酸素流れ、混合ガス流れ、減損した混合ガス流れ、再循環流れ、第二の混合ガス流れ、減損した第二の混合ガス流れ、水素流れ、第二の不活性ガス流れ、および水素再循環流れの圧力および流量を制御するのに使用することができる。燃料電池に供給された電気化学反応のために導入される物質（例えば、水素および酸素）のフローを制御することによって、燃料電池の作動（例えば、電気的な排出）を制御することができる。
【００５５】
[059]減損したガス流れに酸素、不活性ガスまたは酸素と不活性ガスの両方を添加することを含む工程４０６は、ガス流れをエジェクター（例えば、２０４Ａ）に通過させる方法によって行うことができ、ここで酸素、不活性ガスまたは酸素と不活性ガスの両方流れは、作動ガス流れとして作用し、減損したガス流れに混合されるようになり、混合ガス流れを形成する。
【００５６】
[060]別の実施態様において、方法４００は、再循環流れを圧縮すること、および次いで酸素流れ、不活性ガス流れ、または両方と、酸素および不活性ガス流れを組み合わせることをさらに含んでいてもよい。減損したガス流れは、例えば、本明細書に記載されているような圧縮機２６０を用いて圧縮されてもよい。
【００５７】
[061]本明細書で説明されるような燃料電池モジュールおよび方法は、空気の操作のために使用される漏れの試験および承認基準のために設計することができる。
[061]本発明の開示の他の実施態様は、ここに開示された本発明の開示の詳細と実施の考察から当業者には明らかであると予想される。明細書および実施例は単なる例示とみなされ、本発明の開示の真の範囲および本質は、以下の特許請求の範囲により示されることが意図される。
【符号の説明】
【００５８】
１００  燃料電池モジュール
１１０  燃料電池
１０１Ａ  不活性ガス入口通路
１０１  不活性ガス流れ
１０２  酸素流れ
１０２Ａ  酸素入口通路
１０３  再循環流れ
１０３Ａ  再循環ライン
１０４  混合要素（blending component）
１０５  分離器
１１３  電解質膜、電解質
１１１  カソード
１１２  アノード
１２０  カソード再循環システム
１０５  水分分離器
１０５Ａ  水再循環流れ
１０６  混合ガス流れ
１０７  水蒸気流れ
１０８  混合ガス流れ
１３０  水素流れ
１３１  水素流れ
２００  燃料電池モジュール
２０１  不活性ガス流れ
２０１Ａ、２０２Ａ  不活性ガス入口通路
２０２  酸素流れ
２０２Ａ  酸素入口通路
２０３  再循環流れ
２０４  混合要素
２０４Ａ  エジェクター
２０５  分離器
２０５Ａ  ベントライン
２０６  混合ガス流れ
２０８  減損した混合ガス流れ
２０９  熱交換器
２０９Ａ  冷却流体
２１０  燃料電池
２１１  カソード
２１２  アノード
２１３  電解質膜
２１４  冷却要素
２２０  カソード再循環システム
２３０  水素流れ
２３１  第二の不活性ガス流れ
２３２  水素再循環流れ
２３３  第二のエジェクター
２３４  第二の混合ガス流れ
２３５  減損した第二の混合ガス流れ
２３６  第二の分離器
２３７  ベントライン
２４０  冷却流体
２５０  加熱要素
２６０  圧縮機
４００  方法
４０２、４０４、４０６  工程
【図１】
2017513190.tif 000003
【図２】
2017513190.tif 000004
【図３】
2017513190.tif 000005
【図４】
2017513190.tif 000006
【国際調査報告】
2017513190.tif 000007
2017513190.tif 000008
2017513190.tif 000009