JP2002519817A - 物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備 - Google Patents
物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備Info
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Abstract
(57)【要約】
本発明の物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備は、少なくとも１つの燃料電池と、物質と熱を直接移動させる装置を備える。燃料電池は、電解質と、電解質の両面に密接に接触するように多孔質のアノード電極保持層と多孔質のカソード電極保持層によりそれぞれ保持されたアノード電極とカソード電極とを備える。還元剤流体の流れや酸化剤の入口の流れは、ほぼ周囲圧力で保持層を通って流れる。物質と熱を直接移動させる装置によって、燃料電池の上流の酸化剤の入口の流れが、燃料電池から排出されるカソード電極の排出の流れと、物質が移動するように通じ、それによって、カソード電極の排出の流れによって拾われた水などの物質が、物質と熱を移動させる装置の移動媒体を直接通って、燃料電池に供給される酸化剤の流れの中に移動し、それによって、燃料電池に供給される酸化剤の流れを加湿し、燃料電池に供給される酸化剤の流れに熱を加える。物質と熱を直接移動させる装置は、カソード電極の排出の流れや酸化剤の入口の流れと、物質が移動するように移動媒体を保持するためのセパレータハウジング、を備え、それによって、これらの流れが、移動媒体に接触し、セパレータハウジングによって、これらの流れの体積が混合するのが防止される。移動媒体は、極性分子や無極性分子から成る流体物質を含む流体の流れの中の極性分子から成る流体物質を吸着するさまざまな物質のいずれからも構成することができる。例示的な移動媒体には、ポリフルオロスルホン酸イオノマー膜の液体の水の部分が含まれる。
Description
【０００１】
本発明は、ほぼ周囲圧力で作動し、輸送手段で移動式の動力源として、または
据え付け式の動力源として使用するのに適している、燃料電池電力設備に関し、
本発明は特に、燃料電池電力設備の水のバランスやエネルギー効率を向上させる
ために、水蒸気などの、電力設備から排出されて電力設備に戻る物質と熱を移動
させる燃料電池電力設備に関する。
据え付け式の動力源として使用するのに適している、燃料電池電力設備に関し、
本発明は特に、燃料電池電力設備の水のバランスやエネルギー効率を向上させる
ために、水蒸気などの、電力設備から排出されて電力設備に戻る物質と熱を移動
させる燃料電池電力設備に関する。
【０００２】
燃料電池電力設備は、よく知られており、宇宙船に搭載された電気装置などの
電気装置に電力を供給するように、還元剤流体と酸化剤流体から電気エネルギー
を発生するために通常使用されている。そのような電力設備では、通常、還元剤
流体、酸化剤流体、冷媒流体、生成物流体の流れを方向付けるためのマニホール
ドを規定する電気絶縁体枠により囲まれたスタックの中に、複数の平面状の燃料
電池セルが配置される。それぞれ個々の燃料電池セルは、一般に、電解質により
隔てられたアノード電極とカソード電極を備える。水素などの反応物すなわち還
元剤流体は、アノード電極に供給され、酸素や空気などの酸化剤は、カソード電
極に供給される。電解質としてプロトン交換膜を使用する燃料電池では、水素は
、アノード電極の触媒表面で電気化学的に反応し、水素イオンと電子を生成する
。電子は、外部の負荷回路に伝わり、それから、カソード電極に戻り、同時に、
水素イオンは、電解質を通って、カソード電極に移動し、それらはそこで酸化剤
および電子と反応し、水を生成するとともに、熱エネルギーを放出する。
電気装置に電力を供給するように、還元剤流体と酸化剤流体から電気エネルギー
を発生するために通常使用されている。そのような電力設備では、通常、還元剤
流体、酸化剤流体、冷媒流体、生成物流体の流れを方向付けるためのマニホール
ドを規定する電気絶縁体枠により囲まれたスタックの中に、複数の平面状の燃料
電池セルが配置される。それぞれ個々の燃料電池セルは、一般に、電解質により
隔てられたアノード電極とカソード電極を備える。水素などの反応物すなわち還
元剤流体は、アノード電極に供給され、酸素や空気などの酸化剤は、カソード電
極に供給される。電解質としてプロトン交換膜を使用する燃料電池では、水素は
、アノード電極の触媒表面で電気化学的に反応し、水素イオンと電子を生成する
。電子は、外部の負荷回路に伝わり、それから、カソード電極に戻り、同時に、
水素イオンは、電解質を通って、カソード電極に移動し、それらはそこで酸化剤
および電子と反応し、水を生成するとともに、熱エネルギーを放出する。
【０００３】 このような燃料電池のアノード電極とカソード電極は、燃料電池の作動環境の
制限や作動に必要な条件に従い、さまざまな種類の電解質によって隔てられる。
そのような電解質の１つに、当業技術においてよく知られた固体ポリマーから成
る、プロトン交換膜（「ＰＥＭ」）がある。燃料電池に使用される別の通常の電
解質には、アノード電極とカソード電極の間にある多孔質の非導電性マトリック
ス中に保持されたリン酸や水酸化カリウムが含まれる。ＰＥＭの膜によって、多
孔質マトリックス中に毛管力により保持された液体電解質より圧力差に対して耐
性のある仕切が、還元剤流体と酸化剤の間に形成されるので、ＰＥＭ型燃料電池
は、液体状の酸やアルカリの電解質を備えた燃料電池に対して、特定の運転条件
を満足することにおいてかなり有利であることが知られている。さらに、ＰＥＭ
電解質は、固定されていて、燃料電池から浸出せず、また、膜は比較的安定した
保水力を有する。しかしながら、よく知られるように、ＰＥＭ型燃料電池には、
特に、液体状の水がＰＥＭに移動し、ＰＥＭを通って、さらにＰＥＭから移動す
ることに関し、またガス状の還元剤や酸化剤の流体が、同時に、ＰＥＭの両面に
隣接した電極に移動し、さらにこの電極から移動することに関し、重大な限界が
ある。先行技術には、これらの限界の影響を最小限に抑える多くの努力が含まれ
ている。
制限や作動に必要な条件に従い、さまざまな種類の電解質によって隔てられる。
そのような電解質の１つに、当業技術においてよく知られた固体ポリマーから成
る、プロトン交換膜（「ＰＥＭ」）がある。燃料電池に使用される別の通常の電
解質には、アノード電極とカソード電極の間にある多孔質の非導電性マトリック
ス中に保持されたリン酸や水酸化カリウムが含まれる。ＰＥＭの膜によって、多
孔質マトリックス中に毛管力により保持された液体電解質より圧力差に対して耐
性のある仕切が、還元剤流体と酸化剤の間に形成されるので、ＰＥＭ型燃料電池
は、液体状の酸やアルカリの電解質を備えた燃料電池に対して、特定の運転条件
を満足することにおいてかなり有利であることが知られている。さらに、ＰＥＭ
電解質は、固定されていて、燃料電池から浸出せず、また、膜は比較的安定した
保水力を有する。しかしながら、よく知られるように、ＰＥＭ型燃料電池には、
特に、液体状の水がＰＥＭに移動し、ＰＥＭを通って、さらにＰＥＭから移動す
ることに関し、またガス状の還元剤や酸化剤の流体が、同時に、ＰＥＭの両面に
隣接した電極に移動し、さらにこの電極から移動することに関し、重大な限界が
ある。先行技術には、これらの限界の影響を最小限に抑える多くの努力が含まれ
ている。
【０００４】 ＰＥＭを使用する燃料電池の作動においては、膜は、水により飽和し、膜に隣
接したアノード電極は、湿らせておく必要がある。アノード電極において生成し
た水素イオンは、電解質を通って移動するので、水分子と形成したヒドロニウム
イオンとしてアノード電極からカソード電極に水分子をひきずる（ドラッグする
）ことになる。水は、また、浸透によりカソード電極からアノード電極に移動し
て戻る。カソード電極において生成した生成物である水は、循環する酸化剤の気
流中に蒸発または飛沫同伴することによって、またはカソード電極に隣接した多
孔質の流体移動層の中にまたこの移動層を通って毛管現象によって、除去される
。多孔質の水が移動できるプレートによって、液体状の水は、冷却水の供給装置
からアノード電極へ供給され、またカソード電極から水は除去され、冷却水の供
給装置に戻され、それによって、このプレートは、電解質や電極から熱が取り除
かれるのにも役に立つ。
接したアノード電極は、湿らせておく必要がある。アノード電極において生成し
た水素イオンは、電解質を通って移動するので、水分子と形成したヒドロニウム
イオンとしてアノード電極からカソード電極に水分子をひきずる（ドラッグする
）ことになる。水は、また、浸透によりカソード電極からアノード電極に移動し
て戻る。カソード電極において生成した生成物である水は、循環する酸化剤の気
流中に蒸発または飛沫同伴することによって、またはカソード電極に隣接した多
孔質の流体移動層の中にまたこの移動層を通って毛管現象によって、除去される
。多孔質の水が移動できるプレートによって、液体状の水は、冷却水の供給装置
からアノード電極へ供給され、またカソード電極から水は除去され、冷却水の供
給装置に戻され、それによって、このプレートは、電解質や電極から熱が取り除
かれるのにも役に立つ。
【０００５】 ＰＥＭ型燃料電池の作動では、カソード電極において水が生成する速度と、カ
ソード電極から水が除去される速度およびアノード電極に液体状の水が供給され
る速度との間に適切な水のバランスが維持されることが重要である。燃料電池か
ら外部の負荷回路に流れる電流が変化し、また、燃料電池の作動環境が変化する
ので、燃料電池の性能の作動限界は、水のバランスを維持する燃料電池の能力に
よって規定される。ＰＥＭ型燃料電池では、水がアノード電極に十分には戻らな
い場合、ＰＥＭ電解質の隣接した一部が乾燥してしまい、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、局部的な過熱に繋がる
還元剤流体がクロスオーバすることになる。同様に、水がカソード電極から十分
には除去されない場合、カソード電極には水が非常に溢れてしまい、カソード電
極への酸化剤の供給が制限され、それによって、電流が減少する。さらに、酸化
剤の気流によって、カソード電極から非常に大量の水が除去される場合、カソー
ドは乾燥し、水素イオンがＰＥＭを通過する能力が制限され、従って、燃料電池
の性能が低下する。
ソード電極から水が除去される速度およびアノード電極に液体状の水が供給され
る速度との間に適切な水のバランスが維持されることが重要である。燃料電池か
ら外部の負荷回路に流れる電流が変化し、また、燃料電池の作動環境が変化する
ので、燃料電池の性能の作動限界は、水のバランスを維持する燃料電池の能力に
よって規定される。ＰＥＭ型燃料電池では、水がアノード電極に十分には戻らな
い場合、ＰＥＭ電解質の隣接した一部が乾燥してしまい、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、局部的な過熱に繋がる
還元剤流体がクロスオーバすることになる。同様に、水がカソード電極から十分
には除去されない場合、カソード電極には水が非常に溢れてしまい、カソード電
極への酸化剤の供給が制限され、それによって、電流が減少する。さらに、酸化
剤の気流によって、カソード電極から非常に大量の水が除去される場合、カソー
ドは乾燥し、水素イオンがＰＥＭを通過する能力が制限され、従って、燃料電池
の性能が低下する。
【０００６】 自動車、トラック、バスなどの輸送手段に電力を供給するために開発された電
力設備に、燃料電池は組み込まれてきたので、電力設備の中で効率のよい水のバ
ランスを維持することは、さまざまな要因があるため、より大きな課題になって
いる。例えば、据え付け式の燃料電池電力設備では、電力設備から失われる水は
、電力設備以外の供給源から電力設備に供給される水によって、置き換えること
ができる。しかしながら、輸送手段では、燃料電池電力設備に必要な重量や体積
を最低限に抑えるために、電力設備は、存続可能となるように水の自己充足が必
要である。水の自己充足とは、電力設備が効率的に作動するように、反応物流体
の流れから失われた水を相殺するのに十分な水が、電力設備内に保持される必要
があることを意味する。例えば、カソード電極から排出される酸化剤の気流を通
して、または、アノード電極から排出される還元剤流体の気流を通して、電力設
備から排出されるどのような水も、カソード電極で電気化学的に形成され、電力
設備内に保持される水によってバランスを取る必要がある。
力設備に、燃料電池は組み込まれてきたので、電力設備の中で効率のよい水のバ
ランスを維持することは、さまざまな要因があるため、より大きな課題になって
いる。例えば、据え付け式の燃料電池電力設備では、電力設備から失われる水は
、電力設備以外の供給源から電力設備に供給される水によって、置き換えること
ができる。しかしながら、輸送手段では、燃料電池電力設備に必要な重量や体積
を最低限に抑えるために、電力設備は、存続可能となるように水の自己充足が必
要である。水の自己充足とは、電力設備が効率的に作動するように、反応物流体
の流れから失われた水を相殺するのに十分な水が、電力設備内に保持される必要
があることを意味する。例えば、カソード電極から排出される酸化剤の気流を通
して、または、アノード電極から排出される還元剤流体の気流を通して、電力設
備から排出されるどのような水も、カソード電極で電気化学的に形成され、電力
設備内に保持される水によってバランスを取る必要がある。
【０００７】 輸送手段の燃料電池電力設備で水のバランスを向上させる１つの方法は、高圧
の気流中で反応物の濃度を上昇させるために、燃料電池と関連構成要素を加圧し
、それによって、電力設備の排気を通して失われる水を低減することである。し
かしながら、そのような加圧された燃料電池電力設備には、適切な圧力筐体や制
御を実現するうえで、付加的な費用、重量、制御装置が必要であり、さらに、加
圧された電力設備では、加圧ポンプ、バルブ、送風機などを作動させるために電
力設備から余分にエネルギーが供給される必要があり、電力設備を加圧するのは
、移動式の電力設備に対しては実際的ではない。
の気流中で反応物の濃度を上昇させるために、燃料電池と関連構成要素を加圧し
、それによって、電力設備の排気を通して失われる水を低減することである。し
かしながら、そのような加圧された燃料電池電力設備には、適切な圧力筐体や制
御を実現するうえで、付加的な費用、重量、制御装置が必要であり、さらに、加
圧された電力設備では、加圧ポンプ、バルブ、送風機などを作動させるために電
力設備から余分にエネルギーが供給される必要があり、電力設備を加圧するのは
、移動式の電力設備に対しては実際的ではない。
【０００８】 水のバランスを向上させる別の通常の方法は、電力設備の排気の下流側に凝縮
式の熱交換器を使用することであり、排気は、排気から液体を凝結させるために
排気の露点または露点より低い温度まで冷却され、それによって、この液体は、
電力設備に戻すことができる。凝縮式の熱交換器を使用したＰＥＭ型燃料電池電
力設備の例が、ヴァン ダイン（Ｖａｎ Ｄｉｎｅ）等に与えられ、１９９６年
１１月１２日に発行され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，５７３，
８６６号に示されており、この特許は、参照することによってここに組み込むも
のとする。１つまたは複数の凝縮式の熱交換器を使用する、多数の他の燃料電池
電力設備が、当業技術において知られており、それらの電力設備では、通常、電
力設備の排気を冷却するために熱交換器を通す冷却流体として、周囲の空気流が
使用される。ヴァン ダイン（Ｖａｎ Ｄｉｎｅ）等では、カソード電極を収容
するカソード電極室から排出される排気を冷却するために、熱交換器が使用され
る。カソード電極収容室に供給される前に、同一の流れによって、カソード電極
のための酸化剤として空気が供給され、さらに、カソード電極室から排出される
際、気流には、蒸発した生成水や、ＰＥＭを通過したメタノールの一部、すなわ
ち還元剤流体が含まれる。凝縮式の熱交換器によって、冷却用の周囲の空気流と
熱交換するように、カソード電極の排出の流れは通過し、次に、熱交換器によっ
て、凝縮したメタノールや水は、間接的に配管装置を通して燃料電池のアノード
電極側に戻すように導かれる。
式の熱交換器を使用することであり、排気は、排気から液体を凝結させるために
排気の露点または露点より低い温度まで冷却され、それによって、この液体は、
電力設備に戻すことができる。凝縮式の熱交換器を使用したＰＥＭ型燃料電池電
力設備の例が、ヴァン ダイン（Ｖａｎ Ｄｉｎｅ）等に与えられ、１９９６年
１１月１２日に発行され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，５７３，
８６６号に示されており、この特許は、参照することによってここに組み込むも
のとする。１つまたは複数の凝縮式の熱交換器を使用する、多数の他の燃料電池
電力設備が、当業技術において知られており、それらの電力設備では、通常、電
力設備の排気を冷却するために熱交換器を通す冷却流体として、周囲の空気流が
使用される。ヴァン ダイン（Ｖａｎ Ｄｉｎｅ）等では、カソード電極を収容
するカソード電極室から排出される排気を冷却するために、熱交換器が使用され
る。カソード電極収容室に供給される前に、同一の流れによって、カソード電極
のための酸化剤として空気が供給され、さらに、カソード電極室から排出される
際、気流には、蒸発した生成水や、ＰＥＭを通過したメタノールの一部、すなわ
ち還元剤流体が含まれる。凝縮式の熱交換器によって、冷却用の周囲の空気流と
熱交換するように、カソード電極の排出の流れは通過し、次に、熱交換器によっ
て、凝縮したメタノールや水は、間接的に配管装置を通して燃料電池のアノード
電極側に戻すように導かれる。
【０００９】 凝縮式の熱交換器によって、周囲圧力や加圧された圧力による燃料電池電力設
備の水のバランスやエネルギー効率が向上するが、一方、周囲温度が上昇するに
つれて、熱交換器は、水の回収効率が低下することになる。電力設備が自動車な
どの輸送手段に電力を供給する場合、電力設備は、極端に広い範囲の周囲温度に
曝されることになる。例えば、周囲の空気冷媒流が、熱交換器を通過する場合、
周囲の空気温度が上昇するにつれて、電力設備の排気から凝結する液体の量が減
少するので、熱交換器の性能は、周囲の空気温度の直接の関数として変化する。
備の水のバランスやエネルギー効率が向上するが、一方、周囲温度が上昇するに
つれて、熱交換器は、水の回収効率が低下することになる。電力設備が自動車な
どの輸送手段に電力を供給する場合、電力設備は、極端に広い範囲の周囲温度に
曝されることになる。例えば、周囲の空気冷媒流が、熱交換器を通過する場合、
周囲の空気温度が上昇するにつれて、電力設備の排気から凝結する液体の量が減
少するので、熱交換器の性能は、周囲の空気温度の直接の関数として変化する。
【００１０】 輸送手段で使用するために設計された従来の燃料電池電力設備の別の問題は、
さらに、周囲空気条件の変動にある。そのような電力設備の燃料電池では、カソ
ード電極に供給される酸化剤として、通常、周囲空気が利用される。高温の乾燥
した周囲空気によって、カソード電極が乾燥する危険が増加する。その結果とし
て、特にＰＥＭ型燃料電池のカソード電極や隣接する電解質が乾燥するのを防止
するために：熱交換器からの凝縮液体を、燃料電池に供給される気体状の反応物
や酸化剤の流れを加湿するために供給する；隣接する燃料電池を通って冷却水が
移動するように、電極と連通するように多孔質の保持層や水が移動するプレート
を追加する；燃料電池のアノード電極側に圧力差を発生させ、還元剤気体を分配
する通路に隣接した多孔質の保持層を通る冷却水やアノード電極への供給水より
幾分高圧に気体状の酸化剤流体が維持され、その結果、多孔質の保持層やセルを
通って水が移動するのに圧力差が利用される；などの多数の努力が払われてきた
。効率的な水のバランスを維持するそのような努力には、付加的な費用、重量、
体積が含まれ、通常、複雑な制御装置が必要である。
さらに、周囲空気条件の変動にある。そのような電力設備の燃料電池では、カソ
ード電極に供給される酸化剤として、通常、周囲空気が利用される。高温の乾燥
した周囲空気によって、カソード電極が乾燥する危険が増加する。その結果とし
て、特にＰＥＭ型燃料電池のカソード電極や隣接する電解質が乾燥するのを防止
するために：熱交換器からの凝縮液体を、燃料電池に供給される気体状の反応物
や酸化剤の流れを加湿するために供給する；隣接する燃料電池を通って冷却水が
移動するように、電極と連通するように多孔質の保持層や水が移動するプレート
を追加する；燃料電池のアノード電極側に圧力差を発生させ、還元剤気体を分配
する通路に隣接した多孔質の保持層を通る冷却水やアノード電極への供給水より
幾分高圧に気体状の酸化剤流体が維持され、その結果、多孔質の保持層やセルを
通って水が移動するのに圧力差が利用される；などの多数の努力が払われてきた
。効率的な水のバランスを維持するそのような努力には、付加的な費用、重量、
体積が含まれ、通常、複雑な制御装置が必要である。
【００１１】 従来の燃料電池電力設備で水のバランスを維持するうえでのさらなる問題は、
メタン、天然ガス、ガソリン、ディーゼル燃料などの炭化水素燃料を、水素に富
んだ流体をアノード電極に供給する適切な還元剤流体に処理するのに必要な構成
要素に関連する。通常、燃料電池電力設備のそのような燃料処理構成要素には、
水蒸気を発生させる補助燃焼器；炭化水素燃料が注入される水蒸気導管；水蒸気
、燃料混合物、少量の空気を受け取り、混合物を、燃料電池のアノード電極に供
給するのに適した水素に富んだ還元剤流体に変える自熱式の改質装置；などが含
まれる。これらの燃料処理構成要素には、さらに、燃料電池電力設備に必要とさ
れる全体の水のバランスやエネルギーの一部として、必要な水やエネルギーが含
まれる。補助燃焼器の水蒸気発生装置で蒸気にされた水は、カソード電極の排出
の流れや関連する配管で凝縮式の熱交換器などにより電力設備から回収される水
によって、置き換える必要がある。さらに、補助燃焼器や自熱式の改質装置をも
維持する処理酸化剤の流れは、これらの構成要素の性能の変動を抑えるために、
安定した湿度範囲に維持される必要がある。燃料処理構成要素のための酸化剤処
理流が、周囲空気により供給される場合、これらの燃料処理構成要素の性能を安
定化させるために酸化剤の処理流を加湿することによって、そのような燃料電池
電力設備の自己充足した水のバランスを維持するのは、いっそう複雑になる。
メタン、天然ガス、ガソリン、ディーゼル燃料などの炭化水素燃料を、水素に富
んだ流体をアノード電極に供給する適切な還元剤流体に処理するのに必要な構成
要素に関連する。通常、燃料電池電力設備のそのような燃料処理構成要素には、
水蒸気を発生させる補助燃焼器；炭化水素燃料が注入される水蒸気導管；水蒸気
、燃料混合物、少量の空気を受け取り、混合物を、燃料電池のアノード電極に供
給するのに適した水素に富んだ還元剤流体に変える自熱式の改質装置；などが含
まれる。これらの燃料処理構成要素には、さらに、燃料電池電力設備に必要とさ
れる全体の水のバランスやエネルギーの一部として、必要な水やエネルギーが含
まれる。補助燃焼器の水蒸気発生装置で蒸気にされた水は、カソード電極の排出
の流れや関連する配管で凝縮式の熱交換器などにより電力設備から回収される水
によって、置き換える必要がある。さらに、補助燃焼器や自熱式の改質装置をも
維持する処理酸化剤の流れは、これらの構成要素の性能の変動を抑えるために、
安定した湿度範囲に維持される必要がある。燃料処理構成要素のための酸化剤処
理流が、周囲空気により供給される場合、これらの燃料処理構成要素の性能を安
定化させるために酸化剤の処理流を加湿することによって、そのような燃料電池
電力設備の自己充足した水のバランスを維持するのは、いっそう複雑になる。
【００１２】 従って、従来の加圧された電力設備、カソード電極の酸化剤として周囲の空気
を使用する電力設備、凝縮式の熱交換器や燃料処理構成要素のために周囲の空気
を使用する電力設備は、これらの上述した特徴によって、効率のよい水のバラン
スを最大限に実施することも、必要な作動エネルギーを最小限に抑えることもで
きない。従って、電力設備全体に対して効率的な水のバランスを実現し、電力設
備に必要とされるエネルギーを最小限に抑える、燃料電池電力設備を製造するこ
とが、非常に望まれている。
を使用する電力設備、凝縮式の熱交換器や燃料処理構成要素のために周囲の空気
を使用する電力設備は、これらの上述した特徴によって、効率のよい水のバラン
スを最大限に実施することも、必要な作動エネルギーを最小限に抑えることもで
きない。従って、電力設備全体に対して効率的な水のバランスを実現し、電力設
備に必要とされるエネルギーを最小限に抑える、燃料電池電力設備を製造するこ
とが、非常に望まれている。
【００１３】
本発明は、物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備である。電力設備は、
少なくとも１つの燃料電池と、物質と熱を直接移動させる装置である、２つの主
要な構成要素を備える。燃料電池は、第１、第２の互いに逆向きの主要な表面を
有する電解質と、第１の主要な表面に密接に接触するように多孔質のアノード電
極保持層により保持されたアノード電極と、第２の主要な表面に密接に接触する
ように多孔質のカソード電極保持層により保持されたカソード電極と、ほぼ周囲
圧力でアノード電極保持層を通ってアノード電極と接触するように流れる水素に
富んだ還元剤流体の流れ、ほぼ周囲圧力でカソード電極保持層を通ってカソード
電極と接触するように流れる空気などの酸化剤の流れ、を備え、酸化剤の流れに
よって、酸化剤をカソード電極に供給し、カソード電極で生成した生成水やアノ
ード電極から電解質を通って運ばれた水を、カソード電極の排出の流れの中に蒸
発または飛沫同伴することによって、また酸化剤の流れの中に含まれる湿気によ
る水分などを、除去する。物質と熱を直接移動させる装置によって、燃料電池の
上流の酸化剤の流れが、燃料電池の下流のカソード電極の排出の流れと、物質が
移動するように通じ、それによって、カソード電極の排出の流れによって拾われ
た水などの物質が、物質と熱を移動させる装置の移動媒体を直接通って、燃料電
池に供給される酸化剤の流れの中に移動し、それによって、燃料電池に供給され
る酸化剤の流れを加湿し、燃料電池に供給される酸化剤の流れに熱を加える。物
質と熱を直接移動させる装置は、カソード電極の排出の流れや酸化剤の入口の流
れと、物質が移動するように移動媒体を保持するためのセパレータハウジング、
を備え、それによって、これらの流れが、移動媒体に接触し、セパレータハウジ
ングによって、これらの流れの体積が混合するのが防止される。移動媒体は、極
性分子や無極性分子から成る流体物質を含む流体の流れから水分子などの極性分
子から成る流体物質を吸着するためのさまざまな物質のいずれからも構成するこ
とができる。例示的な移動媒体には、水が飽和したポリフルオロスルホン酸イオ
ノマー膜の液体の水の部分が含まれる。
少なくとも１つの燃料電池と、物質と熱を直接移動させる装置である、２つの主
要な構成要素を備える。燃料電池は、第１、第２の互いに逆向きの主要な表面を
有する電解質と、第１の主要な表面に密接に接触するように多孔質のアノード電
極保持層により保持されたアノード電極と、第２の主要な表面に密接に接触する
ように多孔質のカソード電極保持層により保持されたカソード電極と、ほぼ周囲
圧力でアノード電極保持層を通ってアノード電極と接触するように流れる水素に
富んだ還元剤流体の流れ、ほぼ周囲圧力でカソード電極保持層を通ってカソード
電極と接触するように流れる空気などの酸化剤の流れ、を備え、酸化剤の流れに
よって、酸化剤をカソード電極に供給し、カソード電極で生成した生成水やアノ
ード電極から電解質を通って運ばれた水を、カソード電極の排出の流れの中に蒸
発または飛沫同伴することによって、また酸化剤の流れの中に含まれる湿気によ
る水分などを、除去する。物質と熱を直接移動させる装置によって、燃料電池の
上流の酸化剤の流れが、燃料電池の下流のカソード電極の排出の流れと、物質が
移動するように通じ、それによって、カソード電極の排出の流れによって拾われ
た水などの物質が、物質と熱を移動させる装置の移動媒体を直接通って、燃料電
池に供給される酸化剤の流れの中に移動し、それによって、燃料電池に供給され
る酸化剤の流れを加湿し、燃料電池に供給される酸化剤の流れに熱を加える。物
質と熱を直接移動させる装置は、カソード電極の排出の流れや酸化剤の入口の流
れと、物質が移動するように移動媒体を保持するためのセパレータハウジング、
を備え、それによって、これらの流れが、移動媒体に接触し、セパレータハウジ
ングによって、これらの流れの体積が混合するのが防止される。移動媒体は、極
性分子や無極性分子から成る流体物質を含む流体の流れから水分子などの極性分
子から成る流体物質を吸着するためのさまざまな物質のいずれからも構成するこ
とができる。例示的な移動媒体には、水が飽和したポリフルオロスルホン酸イオ
ノマー膜の液体の水の部分が含まれる。
【００１４】 別の実施態様では、本発明の電力設備は、炭化水素燃料を、アノード電極に燃
料を供給するのに適した水素に富んだ還元剤流体に、処理するための構成要素を
備える。燃料を処理するための構成要素は、従来技術で知られているように、水
蒸気発生装置に熱を供給するための補助燃焼器と、炭化水素および少量の空気と
混合された水蒸気を受け取り、それを、アノード電極に水素を供給するのに適し
た水素に富んだ流れに変える自熱式の改質装置、を備える。また、このような実
施態様では、補助燃焼器と自熱式の改質装置に供給される流れに、水蒸気などの
物質と熱を移動させるために、物質と熱を直接移動させる装置によって、補助燃
焼器と自熱式の改質装置に供給される処理流が、カソード電極の流れと物質が移
動するように通じる。より好ましい実施態様では、燃料電池の電解質は、プロト
ン交換膜（「ＰＥＭ」）である。
料を供給するのに適した水素に富んだ還元剤流体に、処理するための構成要素を
備える。燃料を処理するための構成要素は、従来技術で知られているように、水
蒸気発生装置に熱を供給するための補助燃焼器と、炭化水素および少量の空気と
混合された水蒸気を受け取り、それを、アノード電極に水素を供給するのに適し
た水素に富んだ流れに変える自熱式の改質装置、を備える。また、このような実
施態様では、補助燃焼器と自熱式の改質装置に供給される流れに、水蒸気などの
物質と熱を移動させるために、物質と熱を直接移動させる装置によって、補助燃
焼器と自熱式の改質装置に供給される処理流が、カソード電極の流れと物質が移
動するように通じる。より好ましい実施態様では、燃料電池の電解質は、プロト
ン交換膜（「ＰＥＭ」）である。
【００１５】 物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備を使用する場合、電力設備に供給
される酸化剤の流れに、カソード電極の排出の流れから直接物質が移動するので
、物質の取り込み速度、従って、酸化剤の流れによる熱は、周囲の空気温度や湿
度の関数になるだけでなく、その代わりに、電力設備に供給される酸化剤の流れ
の中の物質と、電力設備から排出されるカソード電極の排出の流れの中の物質と
の分圧差の関数になる。従って、水の回収速度が主として周囲温度の関数になる
、周囲空気によって冷却する凝縮式の熱交換器より、本発明によって、大量の水
が回収される。本発明では、周囲の空気温度が上昇する場合、電力設備の効率を
最適化するために必要となる、供給される酸化剤の流れへのカソード電極の排出
の流れからの熱移動は、減少するが、直接移動させる装置の物質を移動させる能
力は、一定のままである。さらに、複雑で大型の経費の掛かる凝縮式の熱交換器
や燃料電池を加圧する装置は、不要であり、それによって、重量、体積、費用が
低減する一方、電力設備の水のバランスやエネルギー効率が増加する。
される酸化剤の流れに、カソード電極の排出の流れから直接物質が移動するので
、物質の取り込み速度、従って、酸化剤の流れによる熱は、周囲の空気温度や湿
度の関数になるだけでなく、その代わりに、電力設備に供給される酸化剤の流れ
の中の物質と、電力設備から排出されるカソード電極の排出の流れの中の物質と
の分圧差の関数になる。従って、水の回収速度が主として周囲温度の関数になる
、周囲空気によって冷却する凝縮式の熱交換器より、本発明によって、大量の水
が回収される。本発明では、周囲の空気温度が上昇する場合、電力設備の効率を
最適化するために必要となる、供給される酸化剤の流れへのカソード電極の排出
の流れからの熱移動は、減少するが、直接移動させる装置の物質を移動させる能
力は、一定のままである。さらに、複雑で大型の経費の掛かる凝縮式の熱交換器
や燃料電池を加圧する装置は、不要であり、それによって、重量、体積、費用が
低減する一方、電力設備の水のバランスやエネルギー効率が増加する。
【００１６】 従って、本発明の一般的な目的は、従来技術の燃料電池電力設備の欠点を克服
する、物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備を提供することである。
する、物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備を提供することである。
【００１７】 より具体的な目的は、作動条件の広い範囲に亘って、水を自己充足する、物質
と熱を直接移動させる燃料電池電力設備を提供することである。
と熱を直接移動させる燃料電池電力設備を提供することである。
【００１８】 さらに別の目的は、物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備であって、電
力設備内の流体の流れを加圧せずに、かつ凝縮式の熱交換器を使用せずに、電力
設備から排出される水と熱を電力設備に戻す、物質と熱を直接移動させる燃料電
池電力設備を提供することである。
力設備内の流体の流れを加圧せずに、かつ凝縮式の熱交換器を使用せずに、電力
設備から排出される水と熱を電力設備に戻す、物質と熱を直接移動させる燃料電
池電力設備を提供することである。
【００１９】 さらなる別の目的は、物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備であって、
電力設備の燃料電池に供給される酸化剤の流れを加湿しかつ加熱するために、電
力設備から排出される物質と熱を、電力設備の燃料電池に供給される酸化剤の流
れの中に直接移動させて戻す、物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備を提
供することである。
電力設備の燃料電池に供給される酸化剤の流れを加湿しかつ加熱するために、電
力設備から排出される物質と熱を、電力設備の燃料電池に供給される酸化剤の流
れの中に直接移動させて戻す、物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備を提
供することである。
【００２０】 さらに別の具体的な目的は、物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備であ
って、電力設備によって利用される炭化水素燃料を処理するための構成要素に、
反応物として水を供給するために、電力設備から排出されるカソード電極の排出
の流れの中の水を回収する、物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備を提供
することである。
って、電力設備によって利用される炭化水素燃料を処理するための構成要素に、
反応物として水を供給するために、電力設備から排出されるカソード電極の排出
の流れの中の水を回収する、物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備を提供
することである。
【００２１】 本発明のこれらと他の目的、利点は、添付の図面と併せて以下の説明を読むこ
とで、容易に明らかになるであろう。
とで、容易に明らかになるであろう。
【００２２】
図面を詳細に参照すると、本発明の物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設
備が示されており、その全体は参照番号１０で示されている。図１に最もよく例
示されるように、電力設備１０は、少なくとも１つの燃料電池１２と、物質と熱
を直接移動させる装置１４を備える。燃料電池１２は、第１の主要な表面１８と
、逆向きの第２の主要な表面２０を有する、プロトン交換膜（「ＰＥＭ」）や、
酸や塩基の電解質などの電解質１６と；電解質１６の第１の主要な表面１８に密
接に接触するように多孔質のアノード電極保持層２４により保持されたアノード
電極２２と；電解質１６の第２の主要な表面２０に密接に接触するように多孔質
のカソード電極保持層２８により保持されたカソード電極２６と；を備える。多
孔質のアノード電極保持層２４、多孔質のカソード電極保持層２８は、多孔質ま
たは溝のあるグラファイト製、炭素製、金属製のシートから作成される。燃料電
池１２は、よく知られた方法でスタックを形成するために、他の実質的に同一の
燃料電池と組み合わされてもよい。従来技術で一般的なように、燃料電池１２は
、燃料電池の中へまた燃料電池から還元剤や酸化剤の流れを方向付けるためのマ
ニホールドを規定する構造３０内に囲まれてもよく、さらに構造３０は、燃料電
池１２により発生した電流を燃料電池１２から、標準の外部の負荷回路３４など
を通して、電気を使用する装置３２に導くための導電手段を備える。
備が示されており、その全体は参照番号１０で示されている。図１に最もよく例
示されるように、電力設備１０は、少なくとも１つの燃料電池１２と、物質と熱
を直接移動させる装置１４を備える。燃料電池１２は、第１の主要な表面１８と
、逆向きの第２の主要な表面２０を有する、プロトン交換膜（「ＰＥＭ」）や、
酸や塩基の電解質などの電解質１６と；電解質１６の第１の主要な表面１８に密
接に接触するように多孔質のアノード電極保持層２４により保持されたアノード
電極２２と；電解質１６の第２の主要な表面２０に密接に接触するように多孔質
のカソード電極保持層２８により保持されたカソード電極２６と；を備える。多
孔質のアノード電極保持層２４、多孔質のカソード電極保持層２８は、多孔質ま
たは溝のあるグラファイト製、炭素製、金属製のシートから作成される。燃料電
池１２は、よく知られた方法でスタックを形成するために、他の実質的に同一の
燃料電池と組み合わされてもよい。従来技術で一般的なように、燃料電池１２は
、燃料電池の中へまた燃料電池から還元剤や酸化剤の流れを方向付けるためのマ
ニホールドを規定する構造３０内に囲まれてもよく、さらに構造３０は、燃料電
池１２により発生した電流を燃料電池１２から、標準の外部の負荷回路３４など
を通して、電気を使用する装置３２に導くための導電手段を備える。
【００２３】 酸化剤の流れを多孔質のカソード電極保持層２８の中に通す第１の酸化剤通路
３８を通して、空気などの酸化剤の流れは、酸化剤供給源３６から燃料電池１２
に供給され、それによって、酸化剤は、カソード電極２６と接触するように通り
、カソード電極２６で電気化学反応を促進するために、かつ、カソード電極２６
で生成した水やアノード電極２２から電解質１６を通って運ばれた水を、蒸発ま
たは飛沫同伴することによって、また酸化剤の流れの中に含まれる湿気による水
分などを、カソード電極の排出の流れの中に運び去るために、酸化剤をカソード
電極２６に供給する。酸化剤の流れは、次に、カソード保持層２８からカソード
電極排出通路４０の中をカソード電極の排出の流れとして通過する。還元剤流体
の流れは、還元剤流体供給源４２から還元剤流体入口４４を通って多孔質のアノ
ード電極保持層２４の中に導入され、それによって、水素などの還元剤流体は、
アノード電極２２と接触する。よく知られた方法で、還元剤流体は、アノード電
極で電気化学的に反応し、プロトンと電子を生成し、電子は、輸送手段に動力を
供給する電気モータなどの電気を使用する装置３２に電力を供給するために、外
部の負荷回路３４を流れ、同時に、プロトンは、電解質１６を通って、カソード
電極２６に移動する。それから、電子は、引き続き外部の負荷回路３４を通って
、カソード電極２６に伝わり、それらはそこで酸化剤と反応し、水と熱を生成す
る。
３８を通して、空気などの酸化剤の流れは、酸化剤供給源３６から燃料電池１２
に供給され、それによって、酸化剤は、カソード電極２６と接触するように通り
、カソード電極２６で電気化学反応を促進するために、かつ、カソード電極２６
で生成した水やアノード電極２２から電解質１６を通って運ばれた水を、蒸発ま
たは飛沫同伴することによって、また酸化剤の流れの中に含まれる湿気による水
分などを、カソード電極の排出の流れの中に運び去るために、酸化剤をカソード
電極２６に供給する。酸化剤の流れは、次に、カソード保持層２８からカソード
電極排出通路４０の中をカソード電極の排出の流れとして通過する。還元剤流体
の流れは、還元剤流体供給源４２から還元剤流体入口４４を通って多孔質のアノ
ード電極保持層２４の中に導入され、それによって、水素などの還元剤流体は、
アノード電極２２と接触する。よく知られた方法で、還元剤流体は、アノード電
極で電気化学的に反応し、プロトンと電子を生成し、電子は、輸送手段に動力を
供給する電気モータなどの電気を使用する装置３２に電力を供給するために、外
部の負荷回路３４を流れ、同時に、プロトンは、電解質１６を通って、カソード
電極２６に移動する。それから、電子は、引き続き外部の負荷回路３４を通って
、カソード電極２６に伝わり、それらはそこで酸化剤と反応し、水と熱を生成す
る。
【００２４】 物質と熱を直接移動させる装置１４は、第１の酸化剤通路３８およびカソード
電極排出通路４０と連通するように固定される。水蒸気や飛沫同伴された液体の
水分（極性分子から成る流体）や空気（無極性分子から成る流体）を含む流れな
どの、極性分子や無極性分子から成る流体物質を含む第１の流体の流れの中の極
性分子から成る流体物質を吸着し、かつ、極性分子から成る流体物質の割合が第
１の流体の流れより低い第２の流体の流れの中に吸着した流体を脱着するための
、移動媒体手段４６を、物質と熱を直接移動させる装置１４は、備える。例示的
な移動媒体手段４６には、デュポン社（Ｅ．Ｉ． ＤｕＰｏｎｔ Ｃｏｍｐａｎ
ｙ）（ウィルミントン、デラウェア、アメリカ）により商標名「ナフィオン（Ｎ
ＡＦＩＯＮ）」で販売されている水が飽和したポリフルオロスルホン酸イオノマ
ー膜などのイオノマー膜やイオン交換樹脂の液体の水の部分や、パーマピュア社
（Ｐｅｒｍａ Ｐｕｒｅ，Ｉｎｃ．）（トムズ リバー（Ｔｏｍｓ Ｒｉｖｅｒ
）、ニュージャージー、アメリカ）により商標名「ＭＥ−シリーズ 水分交換体
（ＭＥ−ＳＥＲＩＥＳ ＭＯＩＳＴＵＲＥ ＥＸＣＨＡＮＧＥＲＳ）」で販売さ
れている、上述した「ナフィオン」膜により作成された管の液体の水の部分、が
含まれる。さらに、付加的な移動媒体には、気体の流れから水分を吸着すること
ができ、かつ、気体の流れの中に水分を脱着することができる、活性炭、シリカ
ゲル、活性アルミナ、活性ゼオライトなどを含む微粉固体結晶状のアルカリ金属
化合物やアルカリ土類金属化合物などの乾燥物質が含まれ、より詳細には、ベル
ディング（Ｂｅｌｄｉｎｇ）等に与えられ、１９９６年８月６日に発行された米
国特許第５，５４２，９６８号の第５欄第９行から第６欄第１７行に記載されて
おり、参照することによってここに組み込まれる。
電極排出通路４０と連通するように固定される。水蒸気や飛沫同伴された液体の
水分（極性分子から成る流体）や空気（無極性分子から成る流体）を含む流れな
どの、極性分子や無極性分子から成る流体物質を含む第１の流体の流れの中の極
性分子から成る流体物質を吸着し、かつ、極性分子から成る流体物質の割合が第
１の流体の流れより低い第２の流体の流れの中に吸着した流体を脱着するための
、移動媒体手段４６を、物質と熱を直接移動させる装置１４は、備える。例示的
な移動媒体手段４６には、デュポン社（Ｅ．Ｉ． ＤｕＰｏｎｔ Ｃｏｍｐａｎ
ｙ）（ウィルミントン、デラウェア、アメリカ）により商標名「ナフィオン（Ｎ
ＡＦＩＯＮ）」で販売されている水が飽和したポリフルオロスルホン酸イオノマ
ー膜などのイオノマー膜やイオン交換樹脂の液体の水の部分や、パーマピュア社
（Ｐｅｒｍａ Ｐｕｒｅ，Ｉｎｃ．）（トムズ リバー（Ｔｏｍｓ Ｒｉｖｅｒ
）、ニュージャージー、アメリカ）により商標名「ＭＥ−シリーズ 水分交換体
（ＭＥ−ＳＥＲＩＥＳ ＭＯＩＳＴＵＲＥ ＥＸＣＨＡＮＧＥＲＳ）」で販売さ
れている、上述した「ナフィオン」膜により作成された管の液体の水の部分、が
含まれる。さらに、付加的な移動媒体には、気体の流れから水分を吸着すること
ができ、かつ、気体の流れの中に水分を脱着することができる、活性炭、シリカ
ゲル、活性アルミナ、活性ゼオライトなどを含む微粉固体結晶状のアルカリ金属
化合物やアルカリ土類金属化合物などの乾燥物質が含まれ、より詳細には、ベル
ディング（Ｂｅｌｄｉｎｇ）等に与えられ、１９９６年８月６日に発行された米
国特許第５，５４２，９６８号の第５欄第９行から第６欄第１７行に記載されて
おり、参照することによってここに組み込まれる。
【００２５】 物質と熱を直接移動させる装置１４は、さらに、カソード電極の排出の流れや
酸化剤の入口の流れと、物質が移動するように移動媒体手段４６を保持するため
のセパレータハウジング手段４８を備え、それによって、これら両方の流れが、
物質の移動媒体手段４６に接触し、セパレータハウジング手段４８によって、こ
れらカソード電極の排出の流れと酸化剤の入口の流れの体積が混合するのが防止
される。例示的なセパレータハウジング手段４８は、移動媒体手段４６を入口室
５０と排出室５２の間に保持する囲い（これは図１、図２で参照番号４８によっ
て図式的に示される）を備えることができる。酸化剤の入口の流れは、酸化剤供
給源３６から酸化剤供給ライン５４を通って入口室５０に入り、入口室５０を通
って、第１の酸化剤通路３８に通り、同時に、カソード電極の排出の流れは、カ
ソード電極は排出通路４０から、排出室５２に入り、排出室５２を通って、排出
室５２と連通する設備排出ライン５６を通って電力設備１０から排出される。付
加的なセパレータハウジング手段４８は、従来の流体と流体の熱交換技術では一
般的な酸化剤の入口の流れとカソード電極の排出の流れの体積が混合するのを防
止しながら、これらの流れを物質の移動媒体手段にいっそう曝すように構成され
た、より複雑な囲いを備えることができる。セパレータハウジング手段４８の付
加的で協同の特徴には、上述した「ナフィオン」膜材料中の液体の水の部分を保
持する膜の部分や、パーマピュア社（Ｐｅｒｍａ Ｐｕｒｅ，Ｉｎｃ．）により
商標名「ＭＥ−シリーズ 水分交換体（ＭＥ−ＳＥＲＩＥＳ ＭＯＩＳＴＵＲＥ
ＥＸＣＨＡＮＧＥＲＳ）」で販売されている上述した「ナフィオン」に基づく
管の中の液体の水の部分を保持する管の部分が、含まれる。このようなセパレー
タハウジング手段４８では、「ナフィオン」に基づく物質の移動媒体手段によっ
て、従来技術でよく知られるように、極性分子から成る流体物質の濃度が最も高
い膜の側から、より低い濃度の側に、水蒸気や飛沫同伴された液体の水分などの
極性分子から成る流体物質が、選択的に移動するであろう。
酸化剤の入口の流れと、物質が移動するように移動媒体手段４６を保持するため
のセパレータハウジング手段４８を備え、それによって、これら両方の流れが、
物質の移動媒体手段４６に接触し、セパレータハウジング手段４８によって、こ
れらカソード電極の排出の流れと酸化剤の入口の流れの体積が混合するのが防止
される。例示的なセパレータハウジング手段４８は、移動媒体手段４６を入口室
５０と排出室５２の間に保持する囲い（これは図１、図２で参照番号４８によっ
て図式的に示される）を備えることができる。酸化剤の入口の流れは、酸化剤供
給源３６から酸化剤供給ライン５４を通って入口室５０に入り、入口室５０を通
って、第１の酸化剤通路３８に通り、同時に、カソード電極の排出の流れは、カ
ソード電極は排出通路４０から、排出室５２に入り、排出室５２を通って、排出
室５２と連通する設備排出ライン５６を通って電力設備１０から排出される。付
加的なセパレータハウジング手段４８は、従来の流体と流体の熱交換技術では一
般的な酸化剤の入口の流れとカソード電極の排出の流れの体積が混合するのを防
止しながら、これらの流れを物質の移動媒体手段にいっそう曝すように構成され
た、より複雑な囲いを備えることができる。セパレータハウジング手段４８の付
加的で協同の特徴には、上述した「ナフィオン」膜材料中の液体の水の部分を保
持する膜の部分や、パーマピュア社（Ｐｅｒｍａ Ｐｕｒｅ，Ｉｎｃ．）により
商標名「ＭＥ−シリーズ 水分交換体（ＭＥ−ＳＥＲＩＥＳ ＭＯＩＳＴＵＲＥ
ＥＸＣＨＡＮＧＥＲＳ）」で販売されている上述した「ナフィオン」に基づく
管の中の液体の水の部分を保持する管の部分が、含まれる。このようなセパレー
タハウジング手段４８では、「ナフィオン」に基づく物質の移動媒体手段によっ
て、従来技術でよく知られるように、極性分子から成る流体物質の濃度が最も高
い膜の側から、より低い濃度の側に、水蒸気や飛沫同伴された液体の水分などの
極性分子から成る流体物質が、選択的に移動するであろう。
【００２６】 さらなる例示的なセパレータハウジング手段は、水分を含有する排出の流れと
乾燥した入口の流れとの間で配置が回転するように、上述した乾燥物質による物
質の移動媒体手段を保持するエンタルピーホイールを備え、より詳細には、ベル
ディング（Ｂｅｌｄｉｎｇ）等に与えられ、上述した米国特許第５，５４２，９
６８号の第４欄第３５行から第５欄第４行と、概略全体を通して記載されている
。エンタルピーホイールは、エンタルピーホイールの回転軸と概略平行に延びる
、複数の端部が開口する通路を備え、これらの通路は、通常、エンタルピーホイ
ールを保持するカセットの外側のハウジングに延びる複数層の媒体が作成される
まで、物質の移動媒体である乾燥物質を含む平らなシート状の段ボール紙板をエ
ンタルピーホイールの中心のハブの周りに巻き付けることによって作成する。そ
のようなエンタルピーホイールは、建造物の空気調和技術でよく知られており、
ベディング（Ｂｅｄｄｉｎｇ）等に与えられ、１９９７年８月２６日に発行され
た米国特許第５，６６０，０４８号にさらに記載されており、参照することによ
ってここに組み込まれる。セパレータハウジング手段として、エンタルピーホイ
ールは、入口室５０と排出室５２を通る流れと平行した軸の周りに回転するよう
に保持され、それによって、カソード電極の排出の流れは、エンタルピーホイー
ルの約２分の１を通り、同時に、酸化剤入口の流れは、エンタルピーホイールの
他の２分の１を通る。排出室５２内のエンタルピーホイールの第１の部分にある
移動媒体手段の乾燥物質は、それによって、カソード電極の排出の流れから水蒸
気や飛沫同伴された液体の水分などの極性分子から成る流体物質を吸着し、さら
に、入口室５０の中にエンタルピーホイールの第１の部分が配置されるようにエ
ンタルピーホイールが回転した際、入口の酸化剤の流れの中の極性分子から成る
流体物質の濃度が、カソード電極の排出の流れの中の流体分子から成る流体物質
の濃度より低い場合、乾燥物質に保持された吸着された極性分子から成る流体物
質は、酸化剤の入口の流れの中に脱着されて、酸化剤の流れを加湿し、加熱する
。
乾燥した入口の流れとの間で配置が回転するように、上述した乾燥物質による物
質の移動媒体手段を保持するエンタルピーホイールを備え、より詳細には、ベル
ディング（Ｂｅｌｄｉｎｇ）等に与えられ、上述した米国特許第５，５４２，９
６８号の第４欄第３５行から第５欄第４行と、概略全体を通して記載されている
。エンタルピーホイールは、エンタルピーホイールの回転軸と概略平行に延びる
、複数の端部が開口する通路を備え、これらの通路は、通常、エンタルピーホイ
ールを保持するカセットの外側のハウジングに延びる複数層の媒体が作成される
まで、物質の移動媒体である乾燥物質を含む平らなシート状の段ボール紙板をエ
ンタルピーホイールの中心のハブの周りに巻き付けることによって作成する。そ
のようなエンタルピーホイールは、建造物の空気調和技術でよく知られており、
ベディング（Ｂｅｄｄｉｎｇ）等に与えられ、１９９７年８月２６日に発行され
た米国特許第５，６６０，０４８号にさらに記載されており、参照することによ
ってここに組み込まれる。セパレータハウジング手段として、エンタルピーホイ
ールは、入口室５０と排出室５２を通る流れと平行した軸の周りに回転するよう
に保持され、それによって、カソード電極の排出の流れは、エンタルピーホイー
ルの約２分の１を通り、同時に、酸化剤入口の流れは、エンタルピーホイールの
他の２分の１を通る。排出室５２内のエンタルピーホイールの第１の部分にある
移動媒体手段の乾燥物質は、それによって、カソード電極の排出の流れから水蒸
気や飛沫同伴された液体の水分などの極性分子から成る流体物質を吸着し、さら
に、入口室５０の中にエンタルピーホイールの第１の部分が配置されるようにエ
ンタルピーホイールが回転した際、入口の酸化剤の流れの中の極性分子から成る
流体物質の濃度が、カソード電極の排出の流れの中の流体分子から成る流体物質
の濃度より低い場合、乾燥物質に保持された吸着された極性分子から成る流体物
質は、酸化剤の入口の流れの中に脱着されて、酸化剤の流れを加湿し、加熱する
。
【００２７】 図１に示されるように、物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備１０は、
さらに、電力設備１０の中への気体状の酸化剤の流れを可変で加速するように、
送風機５８を酸化剤供給ライン５４に備えることができる。任意に、送風機５８
は、同一の目的で、第１の酸化剤通路３８に沿って配置することができる。しか
しながら、送風機３８は、大気圧から約１．０ Ｐ．Ｓ．Ｉ．Ａ．（約６８９５
Ｐａ絶対圧力）大気圧を上回る範囲、すなわち約１４．７ Ｐ．Ｓ．Ｉ．Ａ．（
約０．１０１ＭＰａ絶対圧力）から約１５．７ Ｐ．Ｓ．Ｉ．Ａ．（約０．１０
８ＭＰａ絶対圧力）の範囲に、酸化剤の作動圧力を幾分わずかに増加させる能力
であることが、強調される。
さらに、電力設備１０の中への気体状の酸化剤の流れを可変で加速するように、
送風機５８を酸化剤供給ライン５４に備えることができる。任意に、送風機５８
は、同一の目的で、第１の酸化剤通路３８に沿って配置することができる。しか
しながら、送風機３８は、大気圧から約１．０ Ｐ．Ｓ．Ｉ．Ａ．（約６８９５
Ｐａ絶対圧力）大気圧を上回る範囲、すなわち約１４．７ Ｐ．Ｓ．Ｉ．Ａ．（
約０．１０１ＭＰａ絶対圧力）から約１５．７ Ｐ．Ｓ．Ｉ．Ａ．（約０．１０
８ＭＰａ絶対圧力）の範囲に、酸化剤の作動圧力を幾分わずかに増加させる能力
であることが、強調される。
【００２８】 図２に示されるように、物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備１０は、
炭化水素燃料を、燃料電池１２のアノード電極２２に燃料を供給するのに適した
還元剤流体に、処理するための燃料処理構成要素手段を備えることができる。そ
のような電力設備１０を作動させるための例示的な炭化水素燃料には、ガソリン
、ディーゼル燃料、ブタン、プロパン、天然ガス、メタノール、エタノールなど
が含まれる。
炭化水素燃料を、燃料電池１２のアノード電極２２に燃料を供給するのに適した
還元剤流体に、処理するための燃料処理構成要素手段を備えることができる。そ
のような電力設備１０を作動させるための例示的な炭化水素燃料には、ガソリン
、ディーゼル燃料、ブタン、プロパン、天然ガス、メタノール、エタノールなど
が含まれる。
【００２９】 図２では、図１の概略図の電力設備１０と同一の電力設備１０の構成要素は、
同一の参照番号が付与されている。図２に示されるように、燃料処理構成要素手
段は：アノード電極保持層２４とセルの構造３０からライン６２を通して供給さ
れる水素などの過剰の還元剤燃料を含む燃料を燃焼させる補助燃焼器６０（便宜
上、図２では「補助燃焼器」と標記する）；熱導管６６を通して補助燃焼器６０
から直接熱を受け取り、水の供給源から水蒸気を発生させる水蒸気発生装置６４
（図２では「水蒸気」と標記する）；水蒸気発生装置６４から水蒸気ライン７０
を通して炭化水素燃料と混合された水蒸気を受け取る自熱式の改質装置である改
質装置６８（図２では「Ａ．Ｔ．Ｒ．」と標記する）；燃料ライン７４を通して
水蒸気ライン７０に燃料を供給する炭化水素燃料供給源７２（図２では「燃料」
と標記する）；改質装置６８から還元剤流体入口４４に改質燃料を導く改質燃料
排出ライン７５；を備える。燃料処理構成要素手段は、改質装置６８を含む、通
常の水蒸気改質、さまざまな化学物質の自熱式の改質、部分的酸化改質などでよ
く知られた構成要素を備えていてもよい。
同一の参照番号が付与されている。図２に示されるように、燃料処理構成要素手
段は：アノード電極保持層２４とセルの構造３０からライン６２を通して供給さ
れる水素などの過剰の還元剤燃料を含む燃料を燃焼させる補助燃焼器６０（便宜
上、図２では「補助燃焼器」と標記する）；熱導管６６を通して補助燃焼器６０
から直接熱を受け取り、水の供給源から水蒸気を発生させる水蒸気発生装置６４
（図２では「水蒸気」と標記する）；水蒸気発生装置６４から水蒸気ライン７０
を通して炭化水素燃料と混合された水蒸気を受け取る自熱式の改質装置である改
質装置６８（図２では「Ａ．Ｔ．Ｒ．」と標記する）；燃料ライン７４を通して
水蒸気ライン７０に燃料を供給する炭化水素燃料供給源７２（図２では「燃料」
と標記する）；改質装置６８から還元剤流体入口４４に改質燃料を導く改質燃料
排出ライン７５；を備える。燃料処理構成要素手段は、改質装置６８を含む、通
常の水蒸気改質、さまざまな化学物質の自熱式の改質、部分的酸化改質などでよ
く知られた構成要素を備えていてもよい。
【００３０】 電力設備１０がこのような燃料処理構成要素手段を備える図２に示されるよう
に、酸化剤の流れを多孔質のカソード電極保持層２８に供給する第１の酸化剤通
路３８は、自熱式の改質装置６８のための処理酸化剤となるように、酸化剤の入
口の流れの一部を、水蒸気ライン７０などの燃料処理構成要素手段の中に導く第
２の酸化剤通路７６を備えるように、分岐することもでき、それによって、物質
と熱を直接移動させる装置１４によりカソード電極の排出の流れから酸化剤の流
れの中に回収された水蒸気などの物質と熱の一部が、自熱式の改質装置６８に供
給される水蒸気と燃料の混合物の中に導かれる。このようにして、補助燃焼器６
０や水蒸気発生装置６４に必要となる全体の熱と流れが、低減される。
に、酸化剤の流れを多孔質のカソード電極保持層２８に供給する第１の酸化剤通
路３８は、自熱式の改質装置６８のための処理酸化剤となるように、酸化剤の入
口の流れの一部を、水蒸気ライン７０などの燃料処理構成要素手段の中に導く第
２の酸化剤通路７６を備えるように、分岐することもでき、それによって、物質
と熱を直接移動させる装置１４によりカソード電極の排出の流れから酸化剤の流
れの中に回収された水蒸気などの物質と熱の一部が、自熱式の改質装置６８に供
給される水蒸気と燃料の混合物の中に導かれる。このようにして、補助燃焼器６
０や水蒸気発生装置６４に必要となる全体の熱と流れが、低減される。
【００３１】 燃料処理構成要素手段をさらに支えるために、第１の酸化剤通路３８は、さら
に、補助燃焼器６０のための処理酸化剤となるように、酸化剤の入口の流れの一
部を、補助燃焼器６０の中に導く第３の酸化剤通路７８を備えるように、分岐す
ることもでき、それによって、物質と熱を直接移動させる装置１４によりカソー
ド電極の排出の流れから運ばれた水蒸気などの物質と熱の一部が、補助燃焼器６
０に必要なエネルギーを効果的に低減するように、補助燃焼器６０の中に導かれ
、さらに、電力設備１０のカソード電極の排出の流れから回収される水が、効果
的に水蒸気発生装置６４の中に水を補い、電力設備１０の水の自己充足を向上さ
せるように、電力設備１０の中に戻るように導かれる。燃料処理構成要素手段は
、通常の炭化水素源から水素に富んだ流体を発生するのに必要とされる化学処理
技術の中で一般的によく知られた比較的通常の設計である。例えば、そのような
処理では、自熱式の改質装置６８は、通常、燃料の流れの混交物の中に受け取っ
た燃料の一部を燃焼させ、華氏約１７００度（以下「°Ｆ」とする）（約９２７
℃）の温度に到達する。さらに、還元剤流体入口４４の中の還元剤の流体の流れ
に、水素、二酸化炭素、極少量の一酸化炭素が含まれるように、そのような改質
処理では、自熱式の改質による生成気体を、水シフト反応装置７９に、次に、選
択的酸化装置８１に、さらに、還元剤流体入口４４の中に通すことが、よく知ら
れている。
に、補助燃焼器６０のための処理酸化剤となるように、酸化剤の入口の流れの一
部を、補助燃焼器６０の中に導く第３の酸化剤通路７８を備えるように、分岐す
ることもでき、それによって、物質と熱を直接移動させる装置１４によりカソー
ド電極の排出の流れから運ばれた水蒸気などの物質と熱の一部が、補助燃焼器６
０に必要なエネルギーを効果的に低減するように、補助燃焼器６０の中に導かれ
、さらに、電力設備１０のカソード電極の排出の流れから回収される水が、効果
的に水蒸気発生装置６４の中に水を補い、電力設備１０の水の自己充足を向上さ
せるように、電力設備１０の中に戻るように導かれる。燃料処理構成要素手段は
、通常の炭化水素源から水素に富んだ流体を発生するのに必要とされる化学処理
技術の中で一般的によく知られた比較的通常の設計である。例えば、そのような
処理では、自熱式の改質装置６８は、通常、燃料の流れの混交物の中に受け取っ
た燃料の一部を燃焼させ、華氏約１７００度（以下「°Ｆ」とする）（約９２７
℃）の温度に到達する。さらに、還元剤流体入口４４の中の還元剤の流体の流れ
に、水素、二酸化炭素、極少量の一酸化炭素が含まれるように、そのような改質
処理では、自熱式の改質による生成気体を、水シフト反応装置７９に、次に、選
択的酸化装置８１に、さらに、還元剤流体入口４４の中に通すことが、よく知ら
れている。
【００３２】 物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備１０のさらなる実施態様では、電
力設備１０の水の自己充足をさらに向上させるように、燃料電池１２から燃料処
理構成要素手段に回収される水を循環させるために、冷却水ループ手段を備える
こともできる。冷却水ループ手段は、カソード電極保持層２８に隣接して、カソ
ード電極２６で生成した水や電解質１６を通る水を吸着する、多孔質の水が移動
できるプレート８０と；水蒸気発生装置６４の水の供給をさらに補うために、多
孔質の水が移動できるプレート８０の中の水を、水蒸気発生装置６４などの燃料
処理構成要素手段の中に導く冷却水ライン８２と；を備える。図２に示されるよ
うに、水の一部は、次に、水蒸気ライン７０を通って自熱式の改質装置６８の中
に通り、さらにそこから改質燃料排出ライン７５と還元剤流体入口４４を通って
、アノード電極保持層２４の中に戻り、さらに、電解質１６を通って多孔質の水
が移動できるプレート８０の中に戻ることで、冷却水ループ手段を完成する。冷
却水ループ手段は、アノード電極保持層２４に隣接して、また、スタックのそれ
ぞれのセルの間で連続して、多孔質の水が移動できるプレートを備えることもで
き、より詳細には、マイヤー（Ｍｅｙｅｒ）等に与えられ、１９９６年４月２６
日に発行された米国特許第５，５０５，９４４号に示されており、この特許は、
本発明の譲受人により所有されており、参照することによってここに組み込まれ
る。
力設備１０の水の自己充足をさらに向上させるように、燃料電池１２から燃料処
理構成要素手段に回収される水を循環させるために、冷却水ループ手段を備える
こともできる。冷却水ループ手段は、カソード電極保持層２８に隣接して、カソ
ード電極２６で生成した水や電解質１６を通る水を吸着する、多孔質の水が移動
できるプレート８０と；水蒸気発生装置６４の水の供給をさらに補うために、多
孔質の水が移動できるプレート８０の中の水を、水蒸気発生装置６４などの燃料
処理構成要素手段の中に導く冷却水ライン８２と；を備える。図２に示されるよ
うに、水の一部は、次に、水蒸気ライン７０を通って自熱式の改質装置６８の中
に通り、さらにそこから改質燃料排出ライン７５と還元剤流体入口４４を通って
、アノード電極保持層２４の中に戻り、さらに、電解質１６を通って多孔質の水
が移動できるプレート８０の中に戻ることで、冷却水ループ手段を完成する。冷
却水ループ手段は、アノード電極保持層２４に隣接して、また、スタックのそれ
ぞれのセルの間で連続して、多孔質の水が移動できるプレートを備えることもで
き、より詳細には、マイヤー（Ｍｅｙｅｒ）等に与えられ、１９９６年４月２６
日に発行された米国特許第５，５０５，９４４号に示されており、この特許は、
本発明の譲受人により所有されており、参照することによってここに組み込まれ
る。
【００３３】 図１に示される物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備１０の性能の設計
評価によって、物質と熱を直接移動させる装置１４を使用していない比較できる
燃料電池電力設備に対して、実質的な利点を示すデータが得られる。酸化剤の入
口の流れが、カソード電極の排出の流れと、物質が移動するように通じる、セパ
レータハウジング手段４８の中の移動媒体手段４６として、水の移動速度が１時
間に水約１６０ポンド（約７２．６ｋｇ）である「ナフィオン」に基づく膜を使
用して、設計評価する。設計評価のために、燃料電池は、５０ｋＷの電力容量を
備える。酸化剤の入口の流れは、１５．４ Ｐ．Ｓ．Ｉ．Ａ．（０．１０６ＭＰ
ａ絶対圧力）の圧力、一分間に１９０ＣＦ（５．３８ｍ3）の流量、７７°Ｆ（
２５℃）の温度、３２°Ｆ（０℃）を下回る露点で、送風機５８から排出される
。物質と熱を直接移動させる装置１４から排出された後、第１の酸化剤通路３８
の中の酸化剤の流れは、１４７°Ｆ（６３．９℃）で飽和している。カソード電
極排出通路４０の中のカソード電極の排出の流れは、燃料電池１２から排出され
、１９０°Ｆ（８７．８℃）の温度、１５２°Ｆ（６６．７℃）の露点で、物質
と熱を直接移動させる装置１４に供給され；カソード電極の排出の流れは、次に
、１５２°Ｆ（６６．７℃）の温度、９５°Ｆ（３５℃）の露点、一分間に２１
６ＣＦ（６．１２ｍ3）の流量で、設備排出ライン５６を通って物質と熱を直接
移動させる装置１４から排出される。
評価によって、物質と熱を直接移動させる装置１４を使用していない比較できる
燃料電池電力設備に対して、実質的な利点を示すデータが得られる。酸化剤の入
口の流れが、カソード電極の排出の流れと、物質が移動するように通じる、セパ
レータハウジング手段４８の中の移動媒体手段４６として、水の移動速度が１時
間に水約１６０ポンド（約７２．６ｋｇ）である「ナフィオン」に基づく膜を使
用して、設計評価する。設計評価のために、燃料電池は、５０ｋＷの電力容量を
備える。酸化剤の入口の流れは、１５．４ Ｐ．Ｓ．Ｉ．Ａ．（０．１０６ＭＰ
ａ絶対圧力）の圧力、一分間に１９０ＣＦ（５．３８ｍ3）の流量、７７°Ｆ（
２５℃）の温度、３２°Ｆ（０℃）を下回る露点で、送風機５８から排出される
。物質と熱を直接移動させる装置１４から排出された後、第１の酸化剤通路３８
の中の酸化剤の流れは、１４７°Ｆ（６３．９℃）で飽和している。カソード電
極排出通路４０の中のカソード電極の排出の流れは、燃料電池１２から排出され
、１９０°Ｆ（８７．８℃）の温度、１５２°Ｆ（６６．７℃）の露点で、物質
と熱を直接移動させる装置１４に供給され；カソード電極の排出の流れは、次に
、１５２°Ｆ（６６．７℃）の温度、９５°Ｆ（３５℃）の露点、一分間に２１
６ＣＦ（６．１２ｍ3）の流量で、設備排出ライン５６を通って物質と熱を直接
移動させる装置１４から排出される。
【００３４】 第１の酸化剤通路３８と送風機５８の間の酸化剤の流れの特性を対比すること
によって明らかなように、実質的に電力設備１０のエネルギー消費なしに、また
、液体の凝縮液をカソード電極の入口の流れに戻すように導くための補助的な配
管や制御装置なしに、物質と熱を直接移動させる装置１４によって、実質的に、
カソード電極保持層２８に供給される酸化剤の流れの中の水分含量と熱容量が増
加する。物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備１０を形成する構成要素は
、移動媒体手段４６など、ここで詳細に説明した材料を除いて、当業技術におい
てよく知られた通常の材料から成る。
によって明らかなように、実質的に電力設備１０のエネルギー消費なしに、また
、液体の凝縮液をカソード電極の入口の流れに戻すように導くための補助的な配
管や制御装置なしに、物質と熱を直接移動させる装置１４によって、実質的に、
カソード電極保持層２８に供給される酸化剤の流れの中の水分含量と熱容量が増
加する。物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備１０を形成する構成要素は
、移動媒体手段４６など、ここで詳細に説明した材料を除いて、当業技術におい
てよく知られた通常の材料から成る。
【００３５】 本発明は、物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備の特定の構成および使
用方法について説明、例示したが、本発明は、説明、例示された実施態様に限定
されないことは、理解されるであろう。例えば、電解質としてＰＥＭを使用した
燃料電池に必要な水について参照したが、従来の燃料電池に共通の電解質のいず
れも電力設備に使用されることは、理解されるであろう。従って、本発明の範囲
を決定するためには、上述した説明より、主として特許請求の範囲を参照すべき
である。
用方法について説明、例示したが、本発明は、説明、例示された実施態様に限定
されないことは、理解されるであろう。例えば、電解質としてＰＥＭを使用した
燃料電池に必要な水について参照したが、従来の燃料電池に共通の電解質のいず
れも電力設備に使用されることは、理解されるであろう。従って、本発明の範囲
を決定するためには、上述した説明より、主として特許請求の範囲を参照すべき
である。
【図１】 本発明に従って構成された、物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備の概
略図。
略図。
【図２】 炭化水素燃料を燃料電池に適した燃料に処理するための構成要素を使用した、
図１の物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備の概略図。
図１の物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備の概略図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＬ，ＡＭ，Ａ Ｔ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ， ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ヴァン ダイン，レズリー エル． アメリカ合衆国，コネチカット，マンチェ スター，プリマウス レーン 117 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA05 【要約の続き】 て、これらの流れが、移動媒体に接触し、セパレータハ ウジングによって、これらの流れの体積が混合するのが 防止される。移動媒体は、極性分子や無極性分子から成 る流体物質を含む流体の流れの中の極性分子から成る流 体物質を吸着するさまざまな物質のいずれからも構成す ることができる。例示的な移動媒体には、ポリフルオロ スルホン酸イオノマー膜の液体の水の部分が含まれる。
Claims (21)
- 【請求項１】 ａ．少なくとも１つの燃料電池であって、 ｉ．第１の主要な表面と、逆向きの第２の主要な表面とを有する電解質
と、 ｉｉ．前記電解質の前記第１の主要な表面に密接に接触するように多孔
質のアノード電極保持層により保持されたアノード電極と、前記電解質の前記第
２の主要な表面に密接に接触するように多孔質のカソード電極保持層により保持
されたカソード電極と、を備え、前記多孔質のアノード電極保持層によって、前
記アノード電極と接触するように還元剤流体の流れが通り、前記多孔質のカソー
ド電極保持層によって、前記カソード電極と接触するように酸化剤の流れが通る
、燃料電池と、 ｂ．ほぼ周囲圧力で酸化剤の供給源から前記多孔質のカソード電極保持層の
中に酸化剤の入口の流れを通す第１の酸化剤通路と、 ｃ．前記多孔質のカソード電極保持層からカソード電極の排出の流れを通す
カソード電極排出通路と、 ｄ．前記第１の酸化剤通路および前記カソード電極排出通路と連通するよう
に固定された物質と熱を直接移動させる装置であって、 ｉ．前記カソード電極の排出の流れの中の極性分子から成る流体物質を
吸着し、かつ極性分子から成る前記流体物質を前記酸化剤の入口の流れの中に脱
着するための移動媒体手段と、 ｉｉ．前記カソード電極の排出の流れや前記酸化剤の入口の流れが前記
移動媒体手段に接触するように、これら両方の流れと物質が移動するように前記
移動媒体手段を保持するためのセパレータハウジング手段であって、前記カソー
ド電極の排出の流れと前記酸化剤の入口の流れの体積が混合するのを防止するた
めのセパレータハウジング手段と、を備える物質と熱を直接移動させる装置と、
を備える、 ことを特徴とする還元剤流体と酸化剤流体から電気エネルギーを発生する物質
と熱を直接移動させる燃料電池電力設備。 - 【請求項２】 前記移動媒体手段は、イオノマー膜の液体の水の部分から成る
ことを特徴とする請求項１記載の設備。 - 【請求項３】 前記セパレータハウジング手段は、前記イオノマー膜の前記液
体の水を保持する膜の部分から成ることを特徴とする請求項２記載の設備。 - 【請求項４】 前記移動媒体手段は、イオノマー膜により作成された管の液体
の水の部分から成ることを特徴とする請求項１記載の設備。 - 【請求項５】 前記セパレータハウジング手段は、前記イオノマー膜により作
成された管の中に前記液体の水を保持する管の部分から成ることを特徴とする請
求項４記載の設備。 - 【請求項６】 前記移動媒体手段は、気体の流れから水分を吸着することがで
き、かつ、気体の流れの中に水分を脱着することができる乾燥物質から成ること
を特徴とする請求項１記載の設備。 - 【請求項７】 前記セパレータハウジング手段は、エンタルピーホイールを備
え、前記エンタルピーホイールは、前記エンタルピーホイールの回転軸と概略平
行に延びる複数の通路に前記乾燥物質を保持し、前記エンタルピーホイールは、
前記セパレータハウジングの入口室と排出室の中で回転するように保持され、そ
れによって、吸着された水分を前記カソード電極の排出の流れから前記酸化剤の
入口の流れへ直接移動するように、前記エンタルピーホイールが、前記入口室を
通る前記酸化剤の入口の流れおよび前記排出室を通る前記カソード電極の排出の
流れと平行した軸の周りに回転することを特徴とする請求項６記載の設備。 - 【請求項８】 前記電解質は、プロトン交換膜であることを特徴とする請求項
１記載の設備。 - 【請求項９】 ａ．少なくとも１つの燃料電池であって、 ｉ．第１の主要な表面と、逆向きの第２の主要な表面とを有する電解質
と、 ｉｉ．前記電解質の前記第１の主要な表面に密接に接触するように多孔
質のアノード電極保持層により保持されたアノード電極と、前記電解質の前記第
２の主要な表面に密接に接触するように多孔質のカソード電極保持層により保持
されたカソード電極と、を備え、前記多孔質のアノード電極保持層によって、前
記アノード電極と接触するように還元剤流体の流れが通り、前記多孔質のカソー
ド電極保持層によって、前記カソード電極と接触するように酸化剤の流れが通る
、燃料電池と、 ｂ．炭化水素燃料を、前記アノード電極に燃料を供給するのに適した水素に
富んだ還元剤流体に処理するための燃料処理構成要素手段と、 ｃ．酸化剤の供給源から前記多孔質のカソード電極保持層の中に酸化剤の入
口の流れを通す第１の酸化剤通路と、 ｄ．前記燃料処理構成要素手段のための処理酸化剤として、前記酸化剤の入
口の流れの一部を、前記燃料処理構成要素手段の中に通す第２の酸化剤通路と、 ｅ．前記多孔質のカソード電極保持層からカソード電極の排出の流れを通す
カソード電極排出通路と、 ｆ．前記第１の酸化剤通路、前記第２の酸化剤通路および前記カソード電極
排出通路と連通するように固定された物質と熱を直接移動させる装置であって、 ｉ．前記カソード電極の排出の流れの中の極性分子から成る流体物質を
吸着し、かつ極性分子から成る前記流体物質を前記酸化剤の入口の流れの中に脱
着するための移動媒体手段と、 ｉｉ．前記カソード電極の排出の流れや前記酸化剤の入口の流れが前記
移動媒体手段に接触するように、これら両方の流れと物質が移動するように前記
移動媒体手段を保持するためのセパレータハウジング手段であって、前記カソー
ド電極の排出の流れと前記酸化剤の入口の流れの体積が混合するのを防止するた
めのセパレータハウジング手段と、を備える物質と熱を直接移動させる装置と、
を備える、 ことを特徴とする還元剤流体と酸化剤流体から電気エネルギーを発生する物質
と熱を直接移動させる燃料電池電力設備。 - 【請求項１０】 前記燃料処理構成要素手段は、水蒸気発生装置に熱を供給す
る補助燃焼器と、前記水蒸気発生装置との間の水蒸気ラインを通して前記水蒸気
発生装置から前記炭化水素燃料と混合された水蒸気を受け取る改質装置と、前記
炭化水素燃料を前記水蒸気ラインに供給する前記炭化水素燃料の供給源と、前記
改質燃料を前記アノード電極保持層の中に導く改質燃料排出ラインと、を備え、
前記第２の酸化剤通路によって、前記水蒸気ラインに前記酸化剤の入口の流れの
一部が導かれることを特徴とする請求項９記載の設備。 - 【請求項１１】 前記燃料電池電力設備は、前記物質と熱を直接移動させる装
置と連通した、前記酸化剤の入口の流れの一部を前記補助燃焼器に通す第３の酸
化剤の通路を備えることを特徴とする請求項１０記載の設備。 - 【請求項１２】 前記移動媒体手段は、イオノマー膜の液体の水の部分から成
り、前記セパレータハウジング手段は、前記イオノマー膜の前記液体の水を保持
する膜の部分から成ることを特徴とする請求項１１記載の設備。 - 【請求項１３】 前記移動媒体手段は、イオノマー膜により作成された管の液
体の水の部分から成り、前記セパレータハウジング手段は、前記イオノマー膜に
より作成された管の中に前記液体の水を保持する管の部分から成ることを特徴と
する請求項１１記載の設備。 - 【請求項１４】 前記移動媒体手段は、気体の流れから水分を吸着することが
でき、かつ、気体の流れの中に水分を脱着することができる乾燥物質から成るこ
とを特徴とする請求項１１記載の設備。 - 【請求項１５】 前記セパレータハウジング手段は、エンタルピーホイールを
備え、前記エンタルピーホイールは、前記エンタルピーホイールの回転軸と概略
平行に延びる複数の通路に前記乾燥物質を保持し、前記エンタルピーホイールは
、前記セパレータハウジングの入口室と排出室の中で回転するように保持され、
それによって、吸着された水分を前記カソード電極の排出の流れから前記酸化剤
の入口の流れへ直接移動するように、前記エンタルピーホイールが、前記入口室
を通る前記酸化剤の入口の流れおよび前記排出室を通る前記カソード電極の排出
の流れと平行した軸の周りに回転することを特徴とする請求項１５記載の設備。 - 【請求項１６】 前記電解質は、プロトン交換膜であることを特徴とする請求
項９記載の設備。 - 【請求項１７】 ａ．少なくとも１つの燃料電池を設け、前記燃料電池は、 ｉ．第１の主要な表面と、逆向きの第２の主要な表面とを有する電解質
と、 ｉｉ．前記電解質の前記第１の主要な表面に密接に接触するように多孔
質のアノード電極保持層により保持されたアノード電極と、前記電解質の前記第
２の主要な表面に密接に接触するように多孔質のカソード電極保持層により保持
されたカソード電極と、を備え、前記多孔質のアノード電極保持層によって、前
記アノード電極と接触するように還元剤流体の流れが通り、前記多孔質のカソー
ド電極保持層によって、前記カソード電極と接触するように酸化剤の流れが通り
、 ｂ．ほぼ周囲圧力で酸化剤の供給源から第１の酸化剤通路を通して前記多孔
質のカソード電極保持層の中に酸化剤の入口の流れを通し、 ｃ．前記多孔質のカソード電極保持層からカソード電極排出通路を通してカ
ソード電極の排出の流れを通し、 ｄ．前記カソード電極の排出の流れの中の極性分子から成る流体物質を吸着
し、かつ極性分子から成る前記流体物質を前記酸化剤の入口の流れの中に脱着す
るための移動媒体と接触するように、前記酸化剤の入口の流れと前記カソード電
極の排出の流れを通すことにより、かつ、前記移動媒体をセパレータハウジング
の中にさらに保持し、それによって、前記酸化剤の入口の流れと前記カソード電
極の排出の流れが前記移動媒体と接触し、かつこれらの流れの体積が互いに混合
するのが防止されることにより、物質と熱を直接移動させる装置の中で、前記酸
化剤の入口の流れと前記カソード電極の排出の流れを流体が移動するように導く
、 ことを特徴とする物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備の作動方法。 - 【請求項１８】 前記燃料電池電力設備の燃料処理構成要素のための処理酸化
剤として、前記酸化剤の入口の流れの一部を、第２の酸化剤通路を通して、前記
燃料処理構成要素の中に通すことを特徴とする請求項１７記載の方法。 - 【請求項１９】 前記酸化剤の入口の流れの一部を、前記第２の酸化剤通路を
通して、前記燃料電池電力設備の改質装置に水蒸気と炭化水素燃料を供給する水
蒸気ラインの中に通し、前記酸化剤の入口の流れの一部を、第３の酸化剤通路を
通して、前記燃料電池電力設備の蒸気発生装置に熱を供給する補助燃焼器に通す
ことを特徴とする請求項１８記載の方法。 - 【請求項２０】 前記酸化剤の入口の流れと前記カソード電極の排出の流れを
、イオノマー膜の液体の水の部分と接触するように通すことにより、前記酸化剤
の入口の流れと前記カソード電極の排出の流れを流体が移動するように導くこと
を特徴とする請求項１７記載の方法。 - 【請求項２１】 前記酸化剤の入口の流れと前記カソード電極の排出の流れを
、イオノマー交換管の液体の水の部分と接触するように通すことにより、前記酸
化剤の入口の流れと前記カソード電極の排出の流れを流体が移動するように導く
ことを特徴とする請求項１７記載の方法。
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