JP2003515895A - 直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置 - Google Patents
直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置Info
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Abstract
(57)【要約】
還元性流体と処理酸化剤反応物の流れから電気エネルギーを発生させる直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置が開示される。作動装置は、還元性流体と酸化剤流体の流れから電気エネルギーを発生させる、少なくとも１つの燃料電池と、還元性流体へ炭化水素を処理する、燃料処理構成要素と、燃料電池のカソード電極触媒に隣接しそれと連通する多孔質の水移動プレートを含み、冷却流体の流れを導き、設備内の熱を制御する、熱管理装置と、燃料電池内へさらにそれを通して処理酸化剤の流れを導く、分割酸化剤通路と、を含む。分割酸化剤通路は、燃料処理構成要素内へ酸化剤の流れの一部を導く、少なくとも１つの改質器供給分岐を含む。さらに、設備は、直接物質・熱移動装置、水処理装置と直接不凍液溶液を統合し、それによって、氷点下の条件で設備が作動することに関連する問題を最小限に抑える。好ましい直接不凍液溶液は、グリセロール、ブタントリオール、ペンタントリオールからなる群より選択されるアルカントリオールである。直接不凍液溶液は、不凍液が、水移動プレートから蒸気としてカソード電極触媒およびアノード電極触媒に接触するように移動するのを最小限に抑えるとともに、他の設備装置から不凍液溶液が損失するのを最小限に抑える。
Description
【０００１】
本発明は、輸送装置や移動式の電力設備に使用するためにまたは据え付け型電
力設備として適している、燃料電池電力設備を形成するように、一体に組み立て
られる燃料電池セルに関し、本発明は、特に、自由水を最小限に抑えるとともに
、さらに、熱を除去するように燃料電池電力設備を通って流れる不凍液溶液を使
用する、燃料電池電力設備用の作動装置に関する。
力設備として適している、燃料電池電力設備を形成するように、一体に組み立て
られる燃料電池セルに関し、本発明は、特に、自由水を最小限に抑えるとともに
、さらに、熱を除去するように燃料電池電力設備を通って流れる不凍液溶液を使
用する、燃料電池電力設備用の作動装置に関する。
【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
電気装置へ電力を供給するように、還元性流体と酸化性流体から電気エネルギー
を発生させ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
性流体、酸化剤流体、冷媒流体、生成物流体の流れを導くためのマニホールドを
規定する電気絶縁体枠構造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
元性流体は、アノード電極へ供給され、酸素や空気などの酸化剤は、カソード電
極へ供給される。電解質としてプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）を使用する電池で
は、水素は、アノード電極の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、外部の負荷回路へ伝わり、それから、カソード電極へ戻り、同
時に、水素イオンは、電解質を通って、カソード電極へ移動し、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。
電気装置へ電力を供給するように、還元性流体と酸化性流体から電気エネルギー
を発生させ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
性流体、酸化剤流体、冷媒流体、生成物流体の流れを導くためのマニホールドを
規定する電気絶縁体枠構造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
元性流体は、アノード電極へ供給され、酸素や空気などの酸化剤は、カソード電
極へ供給される。電解質としてプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）を使用する電池で
は、水素は、アノード電極の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、外部の負荷回路へ伝わり、それから、カソード電極へ戻り、同
時に、水素イオンは、電解質を通って、カソード電極へ移動し、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高分子からなる
、上述したプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）電解質がある。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障壁が、還元性流体と酸化剤との間に形成されるので、Ｐ
ＥＭ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。
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高分子からなる
、上述したプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）電解質がある。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障壁が、還元性流体と酸化剤との間に形成されるので、Ｐ
ＥＭ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。
【０００４】
ＰＥＭ電解質を使用する燃料電池の製造は、通常、ＰＥＭの第１の面に隣接す
るアノード電極を形成するように白金合金などの適切な第１の触媒層をＰＥＭの
第１の面と第１すなわち多孔質アノード電極基体との間に取り付けることと、Ｐ
ＥＭの反対の第２の面にカソード電極を形成するように第２の触媒層を第１の面
とは反対のＰＥＭの第２の面と第２すなわち多孔質カソード電極基体との間に取
り付けることと、を含む。このような方法で取り付けられたアノード電極触媒、
ＰＥＭ、カソード電極触媒は、当業技術においてよく知られており、「膜電極組
立体」または「Ｍ．Ｅ．Ａ．」と呼ばれており、ここでは、膜電極組立体と呼ぶ
。ＰＥＭ型燃料電池の作動において、膜は、水で飽和され、膜に隣接するアノー
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、処理酸化剤または酸化性流体の気
体状の流れの中へ蒸発または飛沫同伴することによって、燃料電池から除去され
る。多孔質の反応物の流れの場を含む燃料電池において、本発明の全ての権利の
譲受人が所有する米国特許第４，７６９，２９７号に記載されているように、あ
るいは、水の一部が、循環する冷却流体に多孔質の反応物の流れの場を通って液
体として除去可能である。
るアノード電極を形成するように白金合金などの適切な第１の触媒層をＰＥＭの
第１の面と第１すなわち多孔質アノード電極基体との間に取り付けることと、Ｐ
ＥＭの反対の第２の面にカソード電極を形成するように第２の触媒層を第１の面
とは反対のＰＥＭの第２の面と第２すなわち多孔質カソード電極基体との間に取
り付けることと、を含む。このような方法で取り付けられたアノード電極触媒、
ＰＥＭ、カソード電極触媒は、当業技術においてよく知られており、「膜電極組
立体」または「Ｍ．Ｅ．Ａ．」と呼ばれており、ここでは、膜電極組立体と呼ぶ
。ＰＥＭ型燃料電池の作動において、膜は、水で飽和され、膜に隣接するアノー
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、処理酸化剤または酸化性流体の気
体状の流れの中へ蒸発または飛沫同伴することによって、燃料電池から除去され
る。多孔質の反応物の流れの場を含む燃料電池において、本発明の全ての権利の
譲受人が所有する米国特許第４，７６９，２９７号に記載されているように、あ
るいは、水の一部が、循環する冷却流体に多孔質の反応物の流れの場を通って液
体として除去可能である。
【０００５】
重要な利点を有する一方で、ＰＥＭ型燃料電池には、特に、液体状の水がＰＥ
Ｍに移動しＰＥＭを通ってさらにＰＥＭから移動することに関し、さらに、同時
に、気体状の還元性流体と処理酸化剤流体とがＰＥＭの両面に隣接する電極に、
さらにこの電極から、移動することに関し、重大な限界があることも、知られて
いる。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。輸送装置に電力を提供するために、燃料電池電力設備を形成するように
、付加的な構成要素とともに、よく知られた燃料電池セルスタック内で一体に組
み立てられる燃料電池セルを使用すると、生成水が凝固するのを防止すること、
燃料電池により電力が供給される輸送装置が氷点下の条件において作動されると
きはいつでも始動時にどのような凝固した水も急速に融解させること、などの、
水の管理に関連するさらなる問題が生じる。既知の燃料電池電力設備は、通常、
燃料電池を最適な温度範囲に維持するように、燃料電池および他の設備構成要素
を通して冷却流体を供給する冷媒または熱管理装置を使用する。冷却流体が水を
含む溶液の場合、冷却流体も凝固しないようにする必要がある。そのような冷却
装置において、冷却流体としてエチレングリコールと水またはプロピレングリコ
ールと水などの不凍液溶液を使用することが知られている。
Ｍに移動しＰＥＭを通ってさらにＰＥＭから移動することに関し、さらに、同時
に、気体状の還元性流体と処理酸化剤流体とがＰＥＭの両面に隣接する電極に、
さらにこの電極から、移動することに関し、重大な限界があることも、知られて
いる。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。輸送装置に電力を提供するために、燃料電池電力設備を形成するように
、付加的な構成要素とともに、よく知られた燃料電池セルスタック内で一体に組
み立てられる燃料電池セルを使用すると、生成水が凝固するのを防止すること、
燃料電池により電力が供給される輸送装置が氷点下の条件において作動されると
きはいつでも始動時にどのような凝固した水も急速に融解させること、などの、
水の管理に関連するさらなる問題が生じる。既知の燃料電池電力設備は、通常、
燃料電池を最適な温度範囲に維持するように、燃料電池および他の設備構成要素
を通して冷却流体を供給する冷媒または熱管理装置を使用する。冷却流体が水を
含む溶液の場合、冷却流体も凝固しないようにする必要がある。そのような冷却
装置において、冷却流体としてエチレングリコールと水またはプロピレングリコ
ールと水などの不凍液溶液を使用することが知られている。
【０００６】
しかしながら、このような不凍液溶液は、電極を形成する触媒によって吸収さ
れ触媒の活性を低下させることが知られている。さらに、これらの不凍液溶液は
、表面張力が小さく、電池触媒に隣接するどのような防水性保持層をも濡らす溶
液となり、それによって、反応物流体が触媒へ拡散するのを妨げ、さらに、電極
の性能を低下させる。さらに、これらの不凍液の蒸気圧は、非常に高いので、燃
料電池の排出の流れを通して、または、燃料電池電力設備の燃料処理構成要素の
ボイラーにおいて発生される水蒸気から、不凍液溶液が過剰な割合で損失するこ
とになる。従って、不凍液溶液を使用する燃料電池の冷却装置は、不凍液溶液が
電極触媒と直接連通しないように、電極からシールされることが知られている。
れ触媒の活性を低下させることが知られている。さらに、これらの不凍液溶液は
、表面張力が小さく、電池触媒に隣接するどのような防水性保持層をも濡らす溶
液となり、それによって、反応物流体が触媒へ拡散するのを妨げ、さらに、電極
の性能を低下させる。さらに、これらの不凍液の蒸気圧は、非常に高いので、燃
料電池の排出の流れを通して、または、燃料電池電力設備の燃料処理構成要素の
ボイラーにおいて発生される水蒸気から、不凍液溶液が過剰な割合で損失するこ
とになる。従って、不凍液溶液を使用する燃料電池の冷却装置は、不凍液溶液が
電極触媒と直接連通しないように、電極からシールされることが知られている。
【０００７】
冷媒装置を、燃料電池と、従って、カソード電極において生成される生成水と
、直接連通するのからシールすると、生成水を除去する効率が低下するので、電
池の性能が低下することになる。シールされた冷媒プレートを使用する燃料電池
電力設備は、通常、飛沫同伴される液体として生成水を除去する。これには、結
果として大きな圧力低下を伴う蛇行し曲がりくねった流路が必要である。そのよ
うな電池の例が、米国特許第５，７７３，１６０号に示される。この種の電池は
、多くの燃料電池装置にとって好ましい作動圧力である周囲反応物圧力付近にお
いて作動するには適していない。冷媒プレートがシールされた燃料電池は性能が
低下するので、設計電力条件を満足するように、付加的な燃料電池を使用する必
要がある。シールされた、より重い冷却器と組み合わされる付加的な燃料電池は
、燃料電池電力設備の重量と体積が増加することになり、輸送装置に電力を供給
するのに好ましくない。
、直接連通するのからシールすると、生成水を除去する効率が低下するので、電
池の性能が低下することになる。シールされた冷媒プレートを使用する燃料電池
電力設備は、通常、飛沫同伴される液体として生成水を除去する。これには、結
果として大きな圧力低下を伴う蛇行し曲がりくねった流路が必要である。そのよ
うな電池の例が、米国特許第５，７７３，１６０号に示される。この種の電池は
、多くの燃料電池装置にとって好ましい作動圧力である周囲反応物圧力付近にお
いて作動するには適していない。冷媒プレートがシールされた燃料電池は性能が
低下するので、設計電力条件を満足するように、付加的な燃料電池を使用する必
要がある。シールされた、より重い冷却器と組み合わされる付加的な燃料電池は
、燃料電池電力設備の重量と体積が増加することになり、輸送装置に電力を供給
するのに好ましくない。
【０００８】
さらに、燃料電池電力設備が輸送装置に電力を供給する場合、カソード電極に
接触するように導かれる処理酸化剤の流れとして役に立つ大気は、湿度が大きく
変化するものである。その結果として、ＰＥＭ電解質から水が損失するのを最小
限に抑えるために処理酸化剤と還元性流体反応物の流れを加湿するように、多大
な努力が試みられていることが知られている。既知の努力には、燃料電池から生
成水の一部を再利用することと、燃料電池に供給される処理酸化剤と還元性流体
の少なくとも一方の中へ気体として冷媒装置の中の冷却流体の一部を導くことと
、の少なくとも一方が含まれる。しかしながら、既知の燃料電池では、不凍液が
触媒の活性を低下させるのを防止するために、湿度を上昇させる流体は、どのよ
うな不凍液溶液からも制限を受けない必要がある。従って、既知の燃料電池は、
加湿装置から隔離されているシールされた冷媒装置を使用する。例えば、既知の
燃料電池加湿装置の１つは、冷却流体の中のまたは冷却流体と混合される生成水
の中のどのような不凍液溶液も電極触媒と接触するのから隔離されるように、触
媒化された電池の上流にある触媒化されていないＰＥＭ電池からなる複雑で重く
大きな膜障壁構成要素を使用する。不凍液溶液を隔離するこのような努力は、燃
料電池の費用、重量、体積を増加させる。
接触するように導かれる処理酸化剤の流れとして役に立つ大気は、湿度が大きく
変化するものである。その結果として、ＰＥＭ電解質から水が損失するのを最小
限に抑えるために処理酸化剤と還元性流体反応物の流れを加湿するように、多大
な努力が試みられていることが知られている。既知の努力には、燃料電池から生
成水の一部を再利用することと、燃料電池に供給される処理酸化剤と還元性流体
の少なくとも一方の中へ気体として冷媒装置の中の冷却流体の一部を導くことと
、の少なくとも一方が含まれる。しかしながら、既知の燃料電池では、不凍液が
触媒の活性を低下させるのを防止するために、湿度を上昇させる流体は、どのよ
うな不凍液溶液からも制限を受けない必要がある。従って、既知の燃料電池は、
加湿装置から隔離されているシールされた冷媒装置を使用する。例えば、既知の
燃料電池加湿装置の１つは、冷却流体の中のまたは冷却流体と混合される生成水
の中のどのような不凍液溶液も電極触媒と接触するのから隔離されるように、触
媒化された電池の上流にある触媒化されていないＰＥＭ電池からなる複雑で重く
大きな膜障壁構成要素を使用する。不凍液溶液を隔離するこのような努力は、燃
料電池の費用、重量、体積を増加させる。
【０００９】
自動車、トラック、バスなどの輸送装置へ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、据え付け型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へ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、輸送装置では、燃料電池電力設備に必要な重量や体積を最小限に
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、電力設備を通る反応物流体の気体状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気体状の酸化剤の流れを通して、または、
アノード電極から排出される気体状の還元性流体の流れを通して、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、据え付け型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へ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、輸送装置では、燃料電池電力設備に必要な重量や体積を最小限に
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、電力設備を通る反応物流体の気体状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気体状の酸化剤の流れを通して、または、
アノード電極から排出される気体状の還元性流体の流れを通して、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。
【００１０】
燃料電池電力設備で水の充足を維持するうえでのさらなる困難は、アノード電
極へ水素に富んだ流体を供給するのに適した還元性流体へ、メタン、天然ガス、
メタノール、ガソリン、ディーゼル燃料などの炭化水素燃料を処理するのに必要
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ボイラーと、炭化水素燃料が注入される水蒸気導管と
、少量の空気などの処理酸化剤とともに水蒸気と燃料の混合物を受け取り、燃料
電池のアノード電極へ供給するのに適した水素に富んだ還元性流体に、この混合
物を変える自熱式改質器と、が含まれる。これらの燃料処理構成要素は、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であ
る、装置に必要な水やエネルギーを含む。ボイラーで蒸気にされた水は、カソー
ド電極の排気の流れおよび関連する配管の中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。
極へ水素に富んだ流体を供給するのに適した還元性流体へ、メタン、天然ガス、
メタノール、ガソリン、ディーゼル燃料などの炭化水素燃料を処理するのに必要
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ボイラーと、炭化水素燃料が注入される水蒸気導管と
、少量の空気などの処理酸化剤とともに水蒸気と燃料の混合物を受け取り、燃料
電池のアノード電極へ供給するのに適した水素に富んだ還元性流体に、この混合
物を変える自熱式改質器と、が含まれる。これらの燃料処理構成要素は、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であ
る、装置に必要な水やエネルギーを含む。ボイラーで蒸気にされた水は、カソー
ド電極の排気の流れおよび関連する配管の中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。
【００１１】
輸送装置に燃料電池電力設備を使用することに伴うさらなる問題は、このよう
な輸送装置は、暖機運転に実質的に時間を全くかけることなく、直ちに作動を開
始できるようにしておく必要がある、ということから生じる。しかしながら、燃
料処理装置において水蒸気を発生させるボイラーを使用するには、暖機運転時間
か、急速に沸騰を開始させるためのかなりのエネルギー消費か、または、燃料処
理構成要素が適切な燃料を発生できるまでの電力設備用の電力源あるいは電池用
の燃料源、のいずれかを必要とする。
な輸送装置は、暖機運転に実質的に時間を全くかけることなく、直ちに作動を開
始できるようにしておく必要がある、ということから生じる。しかしながら、燃
料処理装置において水蒸気を発生させるボイラーを使用するには、暖機運転時間
か、急速に沸騰を開始させるためのかなりのエネルギー消費か、または、燃料処
理構成要素が適切な燃料を発生できるまでの電力設備用の電力源あるいは電池用
の燃料源、のいずれかを必要とする。
【００１２】
燃料改質器を利用するいくつかの先行技術の燃料電池電力設備においては、ブ
ルームフィールド（Ｂｌｏｏｍｆｉｅｌｄ）に１９７６年８月２４日に付与され
た米国特許第３，９７６，５０７号、セデルキスト（Ｓｅｄｅｒｑｕｉｓｔ）に
１９７８年１２月５日に付与された米国特許第４，１２８，７００号などにおけ
るように、燃料改質器内へカソード電極の排気の流れの一部または全てを導き、
それによって凝縮式の熱交換器などの水回収装置を最小化することが知られてい
る。これらの特許の両方とも、本発明の譲受者に譲渡されている。このような比
較的古い特許は、水を回収する努力を最小限に抑えることを示しているが、燃料
処理構成要素内へカソード電極の排気の流れを直接導く、これらと他の知られた
燃料電池電力設備は、圧縮機に機械的に結合された過給タービンを使用する一般
に複雑な加圧された設備である。従って、これらの設備は、広い範囲の環境条件
に亘って水をバランスさせて作動する必要がある燃料電池電力設備を必要とする
輸送装置に利用するのに適していることは、示されていない。
ルームフィールド（Ｂｌｏｏｍｆｉｅｌｄ）に１９７６年８月２４日に付与され
た米国特許第３，９７６，５０７号、セデルキスト（Ｓｅｄｅｒｑｕｉｓｔ）に
１９７８年１２月５日に付与された米国特許第４，１２８，７００号などにおけ
るように、燃料改質器内へカソード電極の排気の流れの一部または全てを導き、
それによって凝縮式の熱交換器などの水回収装置を最小化することが知られてい
る。これらの特許の両方とも、本発明の譲受者に譲渡されている。このような比
較的古い特許は、水を回収する努力を最小限に抑えることを示しているが、燃料
処理構成要素内へカソード電極の排気の流れを直接導く、これらと他の知られた
燃料電池電力設備は、圧縮機に機械的に結合された過給タービンを使用する一般
に複雑な加圧された設備である。従って、これらの設備は、広い範囲の環境条件
に亘って水をバランスさせて作動する必要がある燃料電池電力設備を必要とする
輸送装置に利用するのに適していることは、示されていない。
【００１３】
冷却流体が電池構成要素に接触する燃料電池を冷却するのに伴う別の困難は、
伝導性冷却流体が、電池構成要素間に伝導性橋絡を形成することに起因する分路
電流腐食を防止するように、冷却流体の伝導性を制限することである。冷却流体
が水または類似の溶媒を含む場合、溶解している金属およびその他のイオンは、
本発明の全ての権利の譲受人が所有し、グラッソー（Ｇｒａｓｓｏ）に付与され
た米国特許第４，３４４，８５０号に示されている脱塩装置などに冷却流体を通
すことなどによって、除去する必要がある。しかしながら、そのような脱塩装置
または類似の水処理装置が、輸送装置内の燃料電池電力設備内で使用されるとき
、水処理装置の構成要素内の冷却流体も、凝固から保護する必要がある。冷却流
体が、万一凝固したら、脱塩装置などの水処理装置の構成要素に機械的損傷を引
き起こし得るであろうし、始動処理時に溶解が必要となるであろうし、さらに、
脱塩装置が、イオン交換樹脂ビーズを含む場合、冷却流体が凝固および解凍する
ことによって、ビーズの分解を引き起こし、脱塩装置内で大きな圧力降下と流れ
の障害が生じ得ることになるであろう。従って、冷却流体を処理する水処理装置
は、実質的に燃料電池電力設備にさらなる重量および費用を付加することなく、
凝固が防止される必要がある。
伝導性冷却流体が、電池構成要素間に伝導性橋絡を形成することに起因する分路
電流腐食を防止するように、冷却流体の伝導性を制限することである。冷却流体
が水または類似の溶媒を含む場合、溶解している金属およびその他のイオンは、
本発明の全ての権利の譲受人が所有し、グラッソー（Ｇｒａｓｓｏ）に付与され
た米国特許第４，３４４，８５０号に示されている脱塩装置などに冷却流体を通
すことなどによって、除去する必要がある。しかしながら、そのような脱塩装置
または類似の水処理装置が、輸送装置内の燃料電池電力設備内で使用されるとき
、水処理装置の構成要素内の冷却流体も、凝固から保護する必要がある。冷却流
体が、万一凝固したら、脱塩装置などの水処理装置の構成要素に機械的損傷を引
き起こし得るであろうし、始動処理時に溶解が必要となるであろうし、さらに、
脱塩装置が、イオン交換樹脂ビーズを含む場合、冷却流体が凝固および解凍する
ことによって、ビーズの分解を引き起こし、脱塩装置内で大きな圧力降下と流れ
の障害が生じ得ることになるであろう。従って、冷却流体を処理する水処理装置
は、実質的に燃料電池電力設備にさらなる重量および費用を付加することなく、
凝固が防止される必要がある。
【００１４】
従って、シールされた冷媒装置内でカソード電極触媒およびアノード電極触媒
から不凍液冷却流体を隔離する必要がなく、氷点下の温度にさらされながら燃料
電池が停止され作動していないときは必ず凝固する可能性のある装置内の自由水
を最小限に抑え、作動中に自己充足する水のバランスを維持し、実質的な量の氷
すなわち凝固した水を最初に溶解する必要なく電力を迅速に発生させることがで
き、さらに、電力設備の重量、体積、費用などが実質的に増加する必要のない、
氷点下の条件で作動可能な、燃料処理構成要素を有する燃料電池電力設備が必要
とされている。
から不凍液冷却流体を隔離する必要がなく、氷点下の温度にさらされながら燃料
電池が停止され作動していないときは必ず凝固する可能性のある装置内の自由水
を最小限に抑え、作動中に自己充足する水のバランスを維持し、実質的な量の氷
すなわち凝固した水を最初に溶解する必要なく電力を迅速に発生させることがで
き、さらに、電力設備の重量、体積、費用などが実質的に増加する必要のない、
氷点下の条件で作動可能な、燃料処理構成要素を有する燃料電池電力設備が必要
とされている。
【００１５】
還元性流体と処理酸化剤流体の反応物の流れから電気エネルギーを発生させる
直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置が、開示される。作動装置は、還
元性流体と処理酸化剤流体の反応物の流れから電気エネルギーを発生させる少な
くとも１つの燃料電池と、燃料電池のカソード電極触媒に隣接するとともに連通
する多孔質水移動プレートを含みかつこの水移動プレートを通って流れる直接不
凍液溶液を含む、電力設備内の温度を制御するために冷却流体の流れを導く熱管
理装置と、自熱式改質器および燃焼器を含み還元性流体へ炭化水素を処理する燃
料処理構成要素と、燃料電池を通して処理酸化剤の流れを導く分割酸化剤通路と
、を含み、この分割酸化剤通路は、さらに、その分割酸化剤通路の少なくとも１
つの改質器供給部分を通して、燃料処理構成要素と連通するように、処理酸化剤
の流れの改質器供給部分を導き、さらに、分割酸化剤通路の排気分岐を通して設
備排気通路と連通するように、処理酸化剤の流れの排気部分を導く。分割酸化剤
通路の改質器供給分岐は、処理酸化剤の流れが燃料電池を通って流れる前または
後において、燃料処理構成要素と連通するように、処理酸化剤の流れを導くこと
ができる。
直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置が、開示される。作動装置は、還
元性流体と処理酸化剤流体の反応物の流れから電気エネルギーを発生させる少な
くとも１つの燃料電池と、燃料電池のカソード電極触媒に隣接するとともに連通
する多孔質水移動プレートを含みかつこの水移動プレートを通って流れる直接不
凍液溶液を含む、電力設備内の温度を制御するために冷却流体の流れを導く熱管
理装置と、自熱式改質器および燃焼器を含み還元性流体へ炭化水素を処理する燃
料処理構成要素と、燃料電池を通して処理酸化剤の流れを導く分割酸化剤通路と
、を含み、この分割酸化剤通路は、さらに、その分割酸化剤通路の少なくとも１
つの改質器供給部分を通して、燃料処理構成要素と連通するように、処理酸化剤
の流れの改質器供給部分を導き、さらに、分割酸化剤通路の排気分岐を通して設
備排気通路と連通するように、処理酸化剤の流れの排気部分を導く。分割酸化剤
通路の改質器供給分岐は、処理酸化剤の流れが燃料電池を通って流れる前または
後において、燃料処理構成要素と連通するように、処理酸化剤の流れを導くこと
ができる。
【００１６】
作動装置の第１の選択肢の実施態様において、燃料電池から排出されるアノー
ド電極の排気の流れを受け取り、燃焼器内へこのアノード電極の排気の流れを導
き、次に、燃焼器から、分割酸化剤通路の改質器供給分岐内の処理酸化剤の流れ
の改質器供給部分と熱交換するように、燃焼された燃焼器の排気の流れを導き、
次に、処理酸化剤の流れの排気部分と混合して設備排気の流れとなるように、設
備排気通路内へ、燃焼された燃焼器の排気の流れを導く、アノード電極の排気通
路を含む。別の選択肢の実施態様において、作動装置は、燃料電池の上流の分割
酸化剤通路内へ処理酸化剤の流れを導く酸化剤入口と設備排気通路の両方と連通
するように取り付けられ、それによって、設備排気通路内の設備排気の流れの中
の設備から排出される水蒸気などの物質および熱を、物質移動媒体を通して、直
接移動させて、処理酸化剤の流れの中の電力設備内へ戻す、直接物質・熱移動装
置と、を含み、物質移動媒体は、直接物質・熱移動装置を通って流れるように熱
管理装置から導かれる直接不凍液溶液冷却流体とすることができる。さらなる別
の選択肢の実施態様において、作動装置は、熱管理装置と熱交換するように取り
付けられることもできる燃料処理構成要素から熱を除去する燃料処理熱交換ルー
プを含むことができる。
ド電極の排気の流れを受け取り、燃焼器内へこのアノード電極の排気の流れを導
き、次に、燃焼器から、分割酸化剤通路の改質器供給分岐内の処理酸化剤の流れ
の改質器供給部分と熱交換するように、燃焼された燃焼器の排気の流れを導き、
次に、処理酸化剤の流れの排気部分と混合して設備排気の流れとなるように、設
備排気通路内へ、燃焼された燃焼器の排気の流れを導く、アノード電極の排気通
路を含む。別の選択肢の実施態様において、作動装置は、燃料電池の上流の分割
酸化剤通路内へ処理酸化剤の流れを導く酸化剤入口と設備排気通路の両方と連通
するように取り付けられ、それによって、設備排気通路内の設備排気の流れの中
の設備から排出される水蒸気などの物質および熱を、物質移動媒体を通して、直
接移動させて、処理酸化剤の流れの中の電力設備内へ戻す、直接物質・熱移動装
置と、を含み、物質移動媒体は、直接物質・熱移動装置を通って流れるように熱
管理装置から導かれる直接不凍液溶液冷却流体とすることができる。さらなる別
の選択肢の実施態様において、作動装置は、熱管理装置と熱交換するように取り
付けられることもできる燃料処理構成要素から熱を除去する燃料処理熱交換ルー
プを含むことができる。
【００１７】
さらなる選択肢の実施態様において、直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作
動装置は、冷却流体と連通する脱塩装置を有するとともに冷却流体と連通もする
脱気装置を有する水処理装置を含み、この脱気装置は、処理酸化剤の流れと物質
が移動するように冷却流体を流し、それによって、冷却流体内に溶解している気
体が、冷却流体から処理酸化剤の流れの中へ移動する。
動装置は、冷却流体と連通する脱塩装置を有するとともに冷却流体と連通もする
脱気装置を有する水処理装置を含み、この脱気装置は、処理酸化剤の流れと物質
が移動するように冷却流体を流し、それによって、冷却流体内に溶解している気
体が、冷却流体から処理酸化剤の流れの中へ移動する。
【００１８】
さらなる実施態様において、水移動プレートを通って流れる直接不凍液溶液は
、水移動プレートに隣接して流れる処理反応物の流れの圧力より低い圧力におい
て流れるように、導かれることができる。好ましい燃料電池は、周囲圧力付近で
作動し、処理酸化剤の流れと還元性流体の流れとは、周囲圧力より１〜２ポンド
毎平方インチゲージ（以下、「ＰＳＩＧ」とする）高く加圧され、一方、直接不
凍液溶液は、周囲圧力より約１〜２ＰＳＩＧ低く、水移動プレートを通って流れ
るように導かれる。水移動プレート内の不凍液溶液と処理酸化剤の流れとの間の
このような正の圧力差は、さらに、燃料電池のカソード電極触媒において生成さ
れる生成水が水移動プレート内へ移動するのに、役に立つ。正の圧力差によって
、さらに、水移動プレートの中を流れるどのような液体状の不凍液溶液も、水移
動プレートから、多孔質カソード電極基体に隣接してまたは多孔質カソード電極
基体と連通するようにの少なくとも一方において形成される反応物の流れの場の
中を流れる、より高い圧力の処理反応物の流れの中へ、流れ込んで移動するのが
、制限される。
、水移動プレートに隣接して流れる処理反応物の流れの圧力より低い圧力におい
て流れるように、導かれることができる。好ましい燃料電池は、周囲圧力付近で
作動し、処理酸化剤の流れと還元性流体の流れとは、周囲圧力より１〜２ポンド
毎平方インチゲージ（以下、「ＰＳＩＧ」とする）高く加圧され、一方、直接不
凍液溶液は、周囲圧力より約１〜２ＰＳＩＧ低く、水移動プレートを通って流れ
るように導かれる。水移動プレート内の不凍液溶液と処理酸化剤の流れとの間の
このような正の圧力差は、さらに、燃料電池のカソード電極触媒において生成さ
れる生成水が水移動プレート内へ移動するのに、役に立つ。正の圧力差によって
、さらに、水移動プレートの中を流れるどのような液体状の不凍液溶液も、水移
動プレートから、多孔質カソード電極基体に隣接してまたは多孔質カソード電極
基体と連通するようにの少なくとも一方において形成される反応物の流れの場の
中を流れる、より高い圧力の処理反応物の流れの中へ、流れ込んで移動するのが
、制限される。
【００１９】
本発明の直接不凍液溶液は、電池作動温度において、不揮発性であるとともに
、「テフロン（Ｔｅｆｌｏｎ）」（登録商標）などの疎水性の物質を濡らさない
、どのような有機不凍液溶液も使用することができる。ここでの目的のために、
「不揮発性」は、燃料電池作動温度における燃料電池電力設備の各５００作動時
間ごとに、不凍液溶液がその不要液の１０％未満の損失を維持することを意味す
るように定義される。あるいは、第１の好ましい直接不凍液溶液は、以下の特性
：１． 少なくとも−２９℃（−２０°Ｆ）の凝固点；２． 約６６℃（１５０
°Ｆ）の電池作動温度において、６０ダイン毎センチメートル（以下、「ｄｙｎ
ｅ／ｃｍ」とする）を超える表面張力；３． 約６６℃（１５０°Ｆ）において
、０．００５ｍｍ水銀（以下、「ｍｍＨｇ」とする）未満である、溶液上の不凍
液の分圧；４． 燃料電池電圧において燃料電池の触媒によって酸化可能である
こと、を有する、特別な直接不凍液溶液とすることができる。第２の好ましい不
凍液溶液は、アルカントリオール直接不凍液溶液とすることができ、特に、グリ
セロール、ブタントリオール、ペンタントリオールからなる群より選択されるア
ルカントリオール、とすることができる。直接不凍液溶液、特別な直接不凍液溶
液、アルカントリオール直接不凍液溶液は、水移動プレートからカソード電極触
媒またはアノード電極触媒と接触するように蒸気として不凍液が移動するのを最
小限に抑え、さらに、燃料電池から排出される排気の流れのように、どのような
他の燃料電池構成要素からも、さらに、電力設備の水処理装置、直接物質・熱移
動装置、熱管理装置から、直接不凍液溶液が損失するのを最小限に抑える。
、「テフロン（Ｔｅｆｌｏｎ）」（登録商標）などの疎水性の物質を濡らさない
、どのような有機不凍液溶液も使用することができる。ここでの目的のために、
「不揮発性」は、燃料電池作動温度における燃料電池電力設備の各５００作動時
間ごとに、不凍液溶液がその不要液の１０％未満の損失を維持することを意味す
るように定義される。あるいは、第１の好ましい直接不凍液溶液は、以下の特性
：１． 少なくとも−２９℃（−２０°Ｆ）の凝固点；２． 約６６℃（１５０
°Ｆ）の電池作動温度において、６０ダイン毎センチメートル（以下、「ｄｙｎ
ｅ／ｃｍ」とする）を超える表面張力；３． 約６６℃（１５０°Ｆ）において
、０．００５ｍｍ水銀（以下、「ｍｍＨｇ」とする）未満である、溶液上の不凍
液の分圧；４． 燃料電池電圧において燃料電池の触媒によって酸化可能である
こと、を有する、特別な直接不凍液溶液とすることができる。第２の好ましい不
凍液溶液は、アルカントリオール直接不凍液溶液とすることができ、特に、グリ
セロール、ブタントリオール、ペンタントリオールからなる群より選択されるア
ルカントリオール、とすることができる。直接不凍液溶液、特別な直接不凍液溶
液、アルカントリオール直接不凍液溶液は、水移動プレートからカソード電極触
媒またはアノード電極触媒と接触するように蒸気として不凍液が移動するのを最
小限に抑え、さらに、燃料電池から排出される排気の流れのように、どのような
他の燃料電池構成要素からも、さらに、電力設備の水処理装置、直接物質・熱移
動装置、熱管理装置から、直接不凍液溶液が損失するのを最小限に抑える。
【００２０】
従って、本発明の一般的な目的は、従来技術の不備を克服する、直接不凍液冷
却燃料電池電力設備用の作動装置を提供することである。
却燃料電池電力設備用の作動装置を提供することである。
【００２１】
より具体的な目的は、氷点下の条件における作動用の独立したシールされた熱
管理装置の必要性を解消する、直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置を
提供することである。
管理装置の必要性を解消する、直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置を
提供することである。
【００２２】
別の目的は、自由な液体状の水なしで、かつ、水蒸気を発生させるためのボイ
ラーなしで、水素に富んだ還元性流体を処理する、直接不凍液冷却燃料電池電力
設備用の作動装置を提供することである。
ラーなしで、水素に富んだ還元性流体を処理する、直接不凍液冷却燃料電池電力
設備用の作動装置を提供することである。
【００２３】
さらなる目的は、燃料電池によって利用される炭化水素を処理するための構成
要素に、設備の燃料電池から排出される酸化剤およびアノード電極の排気の流れ
の中の水を伝える、直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置を提供するこ
とである。
要素に、設備の燃料電池から排出される酸化剤およびアノード電極の排気の流れ
の中の水を伝える、直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置を提供するこ
とである。
【００２４】
さらに別の目的は、不凍液冷却流体と燃料電池との間の加湿装置の触媒化され
ていない膜障壁構成要素の必要性を全く解消する、直接不凍液冷却燃料電池電力
設備用の作動装置を提供することである。
ていない膜障壁構成要素の必要性を全く解消する、直接不凍液冷却燃料電池電力
設備用の作動装置を提供することである。
【００２５】
別の目的は、燃料電池が氷点下の条件で作動しないとき、凝固する可能性のあ
る自由な液体状の水を最小限に抑える、直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作
動装置を提供することである。
る自由な液体状の水を最小限に抑える、直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作
動装置を提供することである。
【００２６】
そのうえさらなる目的は、電力設備から排出される物質および熱を、熱管理装
置から供給される物質移動媒体を通して、直接移動させて、電力設備内へ戻す、
直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置を提供することである。
置から供給される物質移動媒体を通して、直接移動させて、電力設備内へ戻す、
直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置を提供することである。
【００２７】
本発明の直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置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、より容易に明らかにな
るであろう。
利点は、添付の図面と併せて、以下の説明を読むことで、より容易に明らかにな
るであろう。
【００２８】
図面を詳細に参照すると、本発明の直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動
装置の第１の実施態様が、図１に示されており、全体が参照番号１０により示さ
れている。設備１０は、燃料電池１２などの、還元性流体の流れと処理酸化剤反
応物の流れとから電気エネルギーを生成する少なくとも１つの燃料電池手段を含
む。燃料電池１２は、アノード電極の流れの場１４を通って流れさらにアノード
電極の排気通路２０を通って燃料電池１２から排出されるように、燃料供給構成
要素１６から燃料通路入口１８を通って導かれる還元性流体を受け取るアノード
電極の流れの場１４を含む。燃料電池は、カソード電極の流れの場２２も含み、
このカソード電極の流れの場２２は、酸化剤供給構成要素２４から、分割酸化剤
通路２８と連通する酸化剤入口２６を通り、分割酸化剤通路２８の入口分岐３０
を通ってカソード電極の流れの場２２内へ導かれる処理酸化剤の流れを受け取る
。処理酸化剤の流れは、カソード電極の流れの場２２および燃料電池１２から分
割酸化剤通路２８の排気分岐３２内へ排出される。
装置の第１の実施態様が、図１に示されており、全体が参照番号１０により示さ
れている。設備１０は、燃料電池１２などの、還元性流体の流れと処理酸化剤反
応物の流れとから電気エネルギーを生成する少なくとも１つの燃料電池手段を含
む。燃料電池１２は、アノード電極の流れの場１４を通って流れさらにアノード
電極の排気通路２０を通って燃料電池１２から排出されるように、燃料供給構成
要素１６から燃料通路入口１８を通って導かれる還元性流体を受け取るアノード
電極の流れの場１４を含む。燃料電池は、カソード電極の流れの場２２も含み、
このカソード電極の流れの場２２は、酸化剤供給構成要素２４から、分割酸化剤
通路２８と連通する酸化剤入口２６を通り、分割酸化剤通路２８の入口分岐３０
を通ってカソード電極の流れの場２２内へ導かれる処理酸化剤の流れを受け取る
。処理酸化剤の流れは、カソード電極の流れの場２２および燃料電池１２から分
割酸化剤通路２８の排気分岐３２内へ排出される。
【００２９】
酸化剤送風機３４が、燃料電池１２内へ気体状酸化剤の流れを可変で流入させ
るように、分割酸化剤通路２８に配置可能である。しかしながら、好ましくは、
このような送風機３４は、大気圧から約０．０７〜０．１４キログラム毎平方セ
ンチメートル（１．０〜２．０ポンド毎平方インチ）大気圧を上まわるまでの範
囲、すなわち約１．０３〜１．１７キログラム毎平方センチメートル（１４．７
〜約１６．７ポンド毎平方インチ大気）の範囲に、処理酸化剤の流れの作動圧力
を上昇させるだけであることが強調される。直接不凍液冷却燃料電池電力設備用
の作動装置１０は、ほぼ周囲圧力において好ましく作動するが、作動装置１０は
、数気圧の圧力において有効に作動可能であることも予想される。
るように、分割酸化剤通路２８に配置可能である。しかしながら、好ましくは、
このような送風機３４は、大気圧から約０．０７〜０．１４キログラム毎平方セ
ンチメートル（１．０〜２．０ポンド毎平方インチ）大気圧を上まわるまでの範
囲、すなわち約１．０３〜１．１７キログラム毎平方センチメートル（１４．７
〜約１６．７ポンド毎平方インチ大気）の範囲に、処理酸化剤の流れの作動圧力
を上昇させるだけであることが強調される。直接不凍液冷却燃料電池電力設備用
の作動装置１０は、ほぼ周囲圧力において好ましく作動するが、作動装置１０は
、数気圧の圧力において有効に作動可能であることも予想される。
【００３０】
多孔質水移動プレート３６が、カソード電極の流れの場２２に隣接して取り付
けられており、冷媒供給ライン３８を通して直接不凍液溶液などの冷却流体を受
け取り、冷媒排出ライン４０を通してプレート３６からこの溶液を排出する。水
移動プレート３６は、燃料電池手段１２を冷却するように機能し、ときとして「
冷却プレート」と呼ばれることがある。冷媒供給ライン３８および冷媒排出ライ
ン４０は、冷媒ファン４６を有する冷媒熱交換器４４および冷媒ポンプ４２と連
通し、それによって、冷媒ポンプ４２が、冷媒供給ラインの第１の延長部４８、
冷媒熱交換器４４、冷媒供給ラインの第２の延長部５０および第３の延長部５２
、冷媒供給ライン３８、水移動プレート３６、冷媒排出ライン４０を通して、冷
却流体を供給し、冷媒ポンプ４２に戻す。冷媒ポンプ４２、冷媒熱交換器４４、
冷媒供給ライン３８、４８、５０、５２、水移動プレート３６、冷媒排出ライン
４０は、直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置１０内の温度を制御する
熱管理装置手段５４の一部を形成する。熱管理装置手段５４は、冷却流体直接不
凍液溶液が、水移動プレート３６を通って循環するのを示しているが、一方、熱
管理装置は、水移動プレート３６、冷媒熱交換器４４、冷媒供給ライン３８、４
８、５０、５２の全てを繰り返して循環せずに、水移動プレートを通して冷却流
体を導くこともできる。熱管理装置５４のそのような実施態様において、冷却流
体は、以下に説明する別の実施態様などの、より精巧な装置の一部とすることも
できる。
けられており、冷媒供給ライン３８を通して直接不凍液溶液などの冷却流体を受
け取り、冷媒排出ライン４０を通してプレート３６からこの溶液を排出する。水
移動プレート３６は、燃料電池手段１２を冷却するように機能し、ときとして「
冷却プレート」と呼ばれることがある。冷媒供給ライン３８および冷媒排出ライ
ン４０は、冷媒ファン４６を有する冷媒熱交換器４４および冷媒ポンプ４２と連
通し、それによって、冷媒ポンプ４２が、冷媒供給ラインの第１の延長部４８、
冷媒熱交換器４４、冷媒供給ラインの第２の延長部５０および第３の延長部５２
、冷媒供給ライン３８、水移動プレート３６、冷媒排出ライン４０を通して、冷
却流体を供給し、冷媒ポンプ４２に戻す。冷媒ポンプ４２、冷媒熱交換器４４、
冷媒供給ライン３８、４８、５０、５２、水移動プレート３６、冷媒排出ライン
４０は、直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置１０内の温度を制御する
熱管理装置手段５４の一部を形成する。熱管理装置手段５４は、冷却流体直接不
凍液溶液が、水移動プレート３６を通って循環するのを示しているが、一方、熱
管理装置は、水移動プレート３６、冷媒熱交換器４４、冷媒供給ライン３８、４
８、５０、５２の全てを繰り返して循環せずに、水移動プレートを通して冷却流
体を導くこともできる。熱管理装置５４のそのような実施態様において、冷却流
体は、以下に説明する別の実施態様などの、より精巧な装置の一部とすることも
できる。
【００３１】
さらに、直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置１０は、アノード電極
およびカソード電極の流れの場１４、２２を通って流れる反応物の流れと水移動
プレート３２を通って流れる冷却流体との間に正の圧力差を維持する圧力制御手
段を含むことができる。圧力制御手段は、冷媒供給ライン３８の第２の延長部５
０側などの水移動プレート３６と冷媒ポンプ４２との間に取り付けられた圧力制
御弁５６などの圧力制御弁手段と適切に配置された冷媒ポンプ４２を含むことが
でき、この圧力制御弁手段は、弁手段の下流の冷媒供給ラインの第３の延長部５
２、水移動プレート３６、冷媒排出ライン４０内の冷却流体の特定の圧力を維持
する。よく知られるように、圧力制御弁５６は、手動、自動で設定可能であり、
または、例えば、弁５６を通る流れを制限し、それによって、冷媒熱交換器４４
、冷媒排出ライン４０、水移動プレート３６、冷媒供給ライン３３から冷媒ポン
プ４２内へ引き込まれる冷却流体の流れが、カソード電極の流れの場２２の中の
処理酸化剤の流れの圧力より低い圧力となるように、カソード電極の流れの場２
２の中の処理酸化剤の流れの中の基準圧力に基づいて、電気機械的に調整できる
。ここでの目的のためのさらなる圧力制御手段は、１９９７年１２月２３日に発
行され、ライザー（Ｒｅｉｓｅｒ）に付与され、本発明の譲受人に譲渡されてお
り、参照することによってここに組み込まれる米国特許第５，７００，５９５号
に開示されているものなどのように、気体状の流れの基準圧力より液体状の流れ
の圧力を低下させることができる、よく知られるどのような機構も含むことがで
きる。熱管理装置５４を構成する材料は、自動車技術に一般的な熱交換器などの
当業技術においてよく知られる標準的な材料、化学処理技術などでよく知られる
配管、弁など、から製造できる。
およびカソード電極の流れの場１４、２２を通って流れる反応物の流れと水移動
プレート３２を通って流れる冷却流体との間に正の圧力差を維持する圧力制御手
段を含むことができる。圧力制御手段は、冷媒供給ライン３８の第２の延長部５
０側などの水移動プレート３６と冷媒ポンプ４２との間に取り付けられた圧力制
御弁５６などの圧力制御弁手段と適切に配置された冷媒ポンプ４２を含むことが
でき、この圧力制御弁手段は、弁手段の下流の冷媒供給ラインの第３の延長部５
２、水移動プレート３６、冷媒排出ライン４０内の冷却流体の特定の圧力を維持
する。よく知られるように、圧力制御弁５６は、手動、自動で設定可能であり、
または、例えば、弁５６を通る流れを制限し、それによって、冷媒熱交換器４４
、冷媒排出ライン４０、水移動プレート３６、冷媒供給ライン３３から冷媒ポン
プ４２内へ引き込まれる冷却流体の流れが、カソード電極の流れの場２２の中の
処理酸化剤の流れの圧力より低い圧力となるように、カソード電極の流れの場２
２の中の処理酸化剤の流れの中の基準圧力に基づいて、電気機械的に調整できる
。ここでの目的のためのさらなる圧力制御手段は、１９９７年１２月２３日に発
行され、ライザー（Ｒｅｉｓｅｒ）に付与され、本発明の譲受人に譲渡されてお
り、参照することによってここに組み込まれる米国特許第５，７００，５９５号
に開示されているものなどのように、気体状の流れの基準圧力より液体状の流れ
の圧力を低下させることができる、よく知られるどのような機構も含むことがで
きる。熱管理装置５４を構成する材料は、自動車技術に一般的な熱交換器などの
当業技術においてよく知られる標準的な材料、化学処理技術などでよく知られる
配管、弁など、から製造できる。
【００３２】
燃料電池手段１２は、さらに、アノード電極の流れの場１４とカソード電極の
流れの場２２との間に取り付けられ電気エネルギーを生成するために還元性流体
と酸化剤の流れとを必要とする電気化学反応を促進する膜電極組立体５８（以下
、便宜のために、ときとして、「Ｍ．Ｅ．Ａ．」と呼ぶ）を含み、この電気エネ
ルギーは、例えば、輸送装置（図示せず）などに動力を供給する電気モータ（図
示せず）などのエネルギーを消費する負荷に、標準的な回路（図示せず）を通っ
て伝導する。さらに、複数の類似する燃料電池（図示せず）に隣接して燃料電池
セル１２を取り付け、枠構造により囲まれたセルスタックアッセンブリを形成す
るのはよく知られており、この枠構造によって、当業技術においてよく知られた
方法で、還元性流体、処理酸化剤、冷却流体の流れを、燃料電池１２内へ導き、
さらにそこから導き出すマニホールドが規定される。
流れの場２２との間に取り付けられ電気エネルギーを生成するために還元性流体
と酸化剤の流れとを必要とする電気化学反応を促進する膜電極組立体５８（以下
、便宜のために、ときとして、「Ｍ．Ｅ．Ａ．」と呼ぶ）を含み、この電気エネ
ルギーは、例えば、輸送装置（図示せず）などに動力を供給する電気モータ（図
示せず）などのエネルギーを消費する負荷に、標準的な回路（図示せず）を通っ
て伝導する。さらに、複数の類似する燃料電池（図示せず）に隣接して燃料電池
セル１２を取り付け、枠構造により囲まれたセルスタックアッセンブリを形成す
るのはよく知られており、この枠構造によって、当業技術においてよく知られた
方法で、還元性流体、処理酸化剤、冷却流体の流れを、燃料電池１２内へ導き、
さらにそこから導き出すマニホールドが規定される。
【００３３】
Ｍ．Ｅ．Ａ．６０が、図２において、より大きく詳細に示され、ここでの目的
のために、プロトン交換膜（「ＰＥＭ」）などの電解質６２と、この電解質６２
の両側にアノード電極触媒６４とカソード電極触媒６６とを含むように形成され
る。燃料電池手段１２は、さらに、アノード電極水移動プレート６８とアノード
電極触媒６４との間にアノード電極触媒６４と直接連通するように取り付けられ
、アノード電極触媒６４に隣接して還元性流体を流すアノード電極保持手段を、
備える。アノード電極保持手段は、アノード電極水移動プレート６８とアノード
電極触媒６４との間に互いに隣接して取り付けられる、多孔質アノード電極基体
７０、多孔質アノード電極拡散層７２、または多孔質アノード電極基体７０と多
孔質アノード電極拡散層７２の両方などの、１つまたは複数の多孔質層を（図２
に示すように）含むことができる。多孔質層７０、７２の一方または両方が、燃
料電池１２の性能要求条件に依存して、防水性にできる。好ましい実施態様にお
いて、アノード電極保持手段の多孔質層７０、７２の少なくとも一方は、細孔を
疎水性にするように、防水性にされる。
のために、プロトン交換膜（「ＰＥＭ」）などの電解質６２と、この電解質６２
の両側にアノード電極触媒６４とカソード電極触媒６６とを含むように形成され
る。燃料電池手段１２は、さらに、アノード電極水移動プレート６８とアノード
電極触媒６４との間にアノード電極触媒６４と直接連通するように取り付けられ
、アノード電極触媒６４に隣接して還元性流体を流すアノード電極保持手段を、
備える。アノード電極保持手段は、アノード電極水移動プレート６８とアノード
電極触媒６４との間に互いに隣接して取り付けられる、多孔質アノード電極基体
７０、多孔質アノード電極拡散層７２、または多孔質アノード電極基体７０と多
孔質アノード電極拡散層７２の両方などの、１つまたは複数の多孔質層を（図２
に示すように）含むことができる。多孔質層７０、７２の一方または両方が、燃
料電池１２の性能要求条件に依存して、防水性にできる。好ましい実施態様にお
いて、アノード電極保持手段の多孔質層７０、７２の少なくとも一方は、細孔を
疎水性にするように、防水性にされる。
【００３４】
燃料電池１２は、さらに、カソード電極水移動プレート７４とカソード電極触
媒６６との間にカソード電極触媒６６と直接連通するように取り付けられ、カソ
ード電極触媒６６に隣接して処理酸化剤の流れを流すカソード電極保持手段を、
備える。カソード電極保持手段は、カソード電極水移動プレート７４とカソード
電極触媒６６との間に互いに隣接して取り付けられる、多孔質カソード電極基体
７６、多孔質カソード電極拡散層７８、または多孔質カソード電極基体７６と多
孔質カソード電極拡散層７８の両方などの、１つまたは複数の多孔質層を含むこ
とができる。カソード電極保持手段の多孔質層７６、７８の一方または両方が、
燃料電池１２の性能要求条件に依存して、防水性にできる。好ましい実施態様に
おいて、カソード電極保持手段の多孔質層７６、７８の少なくとも一方は、細孔
を疎水性にするように、防水性にされる。
媒６６との間にカソード電極触媒６６と直接連通するように取り付けられ、カソ
ード電極触媒６６に隣接して処理酸化剤の流れを流すカソード電極保持手段を、
備える。カソード電極保持手段は、カソード電極水移動プレート７４とカソード
電極触媒６６との間に互いに隣接して取り付けられる、多孔質カソード電極基体
７６、多孔質カソード電極拡散層７８、または多孔質カソード電極基体７６と多
孔質カソード電極拡散層７８の両方などの、１つまたは複数の多孔質層を含むこ
とができる。カソード電極保持手段の多孔質層７６、７８の一方または両方が、
燃料電池１２の性能要求条件に依存して、防水性にできる。好ましい実施態様に
おいて、カソード電極保持手段の多孔質層７６、７８の少なくとも一方は、細孔
を疎水性にするように、防水性にされる。
【００３５】
多孔質カソード電極基体７６と多孔質アノード電極基体７０とは、約６５〜約
７５％の多孔度を有する多孔質炭素・炭素繊維複合物とすることができ、１ｃｍ 3 当たり約０．１８ｇの濃度に、「テフロン（Ｔｅｆｌｏｎ）」（登録商標）な
どの疎水性物質により防水することができる。多孔質カソード電極気体拡散層７
８と多孔質アノード電極拡散層７２とは、テフロンなどの約５０％疎水性材料と
約５０％炭素材料とすることができる。多孔質カソード電極水移動プレート７４
は、多孔質カソード電極基体７６、多孔質カソード電極拡散層７８、カソード電
極触媒６６と直接連通する。同様に、多孔質アノード電極水移動プレート６８は
、多孔質アノード電極基体７０、多孔質アノード電極拡散層７２、アノード電極
触媒６４と直接連通する。
７５％の多孔度を有する多孔質炭素・炭素繊維複合物とすることができ、１ｃｍ 3 当たり約０．１８ｇの濃度に、「テフロン（Ｔｅｆｌｏｎ）」（登録商標）な
どの疎水性物質により防水することができる。多孔質カソード電極気体拡散層７
８と多孔質アノード電極拡散層７２とは、テフロンなどの約５０％疎水性材料と
約５０％炭素材料とすることができる。多孔質カソード電極水移動プレート７４
は、多孔質カソード電極基体７６、多孔質カソード電極拡散層７８、カソード電
極触媒６６と直接連通する。同様に、多孔質アノード電極水移動プレート６８は
、多孔質アノード電極基体７０、多孔質アノード電極拡散層７２、アノード電極
触媒６４と直接連通する。
【００３６】
アノード電極の流れの場（図１の実施態様において、参照番号１４で概略示さ
れる）は、図２の概略図において、アノード電極水移動プレート６８内に形成さ
れた複数の還元性流体流路すなわち燃料流路８２、燃料入口８０から構成可能で
あることが、指摘される。同様に、カソード電極の流れの場は、カソード電極水
移動プレート７４内に形成された複数の酸化剤流路８６、酸化剤入口８４から構
成可能である。さらに、アノード電極の流れの場１４とカソード電極の流れの場
２２とは、当業技術においてよく知られるとともにアノード電極触媒６４および
カソード電極触媒６６と接触して燃料電池１２内へ流れそこを通ってさらに排出
されるように燃料と処理酸化剤の流れを導くため燃料電池構成要素、燃料出口、
酸化剤出口内に形成される空隙、異なる流路または溝から構成可能である。図２
において示されるように、多孔質アノード電極水移動プレート６８と多孔質カソ
ード電極水移動プレート７４とは、隣接する水移動プレート（図示せず）と協同
するように構成可能であり、それによって、アノード電極水移動プレート６８内
に形成されるアノード電極側冷媒流路８８Ａ、８８Ｂ、８８Ｃと、カソード電極
水移動プレート７４内に形成されるカソード電極側冷媒流路９０Ａ、９０Ｂ、９
０Ｃとは、冷却流体の流れを水移動プレート６８、７４へ供給する冷媒流路の網
状構造を形成するように、セルスタックアッセンブリ内の隣接する燃料電池セル
（図示せず）の隣接する水移動プレートの冷媒流路と鏡像関係において協同する
ことができる。
れる）は、図２の概略図において、アノード電極水移動プレート６８内に形成さ
れた複数の還元性流体流路すなわち燃料流路８２、燃料入口８０から構成可能で
あることが、指摘される。同様に、カソード電極の流れの場は、カソード電極水
移動プレート７４内に形成された複数の酸化剤流路８６、酸化剤入口８４から構
成可能である。さらに、アノード電極の流れの場１４とカソード電極の流れの場
２２とは、当業技術においてよく知られるとともにアノード電極触媒６４および
カソード電極触媒６６と接触して燃料電池１２内へ流れそこを通ってさらに排出
されるように燃料と処理酸化剤の流れを導くため燃料電池構成要素、燃料出口、
酸化剤出口内に形成される空隙、異なる流路または溝から構成可能である。図２
において示されるように、多孔質アノード電極水移動プレート６８と多孔質カソ
ード電極水移動プレート７４とは、隣接する水移動プレート（図示せず）と協同
するように構成可能であり、それによって、アノード電極水移動プレート６８内
に形成されるアノード電極側冷媒流路８８Ａ、８８Ｂ、８８Ｃと、カソード電極
水移動プレート７４内に形成されるカソード電極側冷媒流路９０Ａ、９０Ｂ、９
０Ｃとは、冷却流体の流れを水移動プレート６８、７４へ供給する冷媒流路の網
状構造を形成するように、セルスタックアッセンブリ内の隣接する燃料電池セル
（図示せず）の隣接する水移動プレートの冷媒流路と鏡像関係において協同する
ことができる。
【００３７】
燃料電池１２の作動において、アノード電極側冷媒流路８８Ａ、８８Ｂ、８８
Ｃおよびカソード電極側冷媒流路９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃは、冷媒供給ライン３
８および冷媒排出ライン４０と連通し、それによって、冷媒供給ライン３８から
の冷却流体の流れが、水移動プレートの細孔容積を飽和するように、アノード電
極およびカソード電極冷媒流路を通って、アノード電極およびカソード電極水移
動プレート６８、７４内へ流入する。冷却流体の流れは、次に、冷媒排出ライン
４０内へ流れる。アノード電極およびカソード電極水移動プレート６８、７４の
通気細孔容積を充填することにより、直接不凍液溶液からなる冷却流体の流れは
、還元性流体燃料流路８２内の気体状の還元性流体が、隣接するセル内の酸化剤
流路内へ流入するのを防止する、気体障壁またはシールを形成する。随意に、多
孔質アノード電極基体７０層と多孔質アノード電極拡散層７２の少なくとも一方
を防水することにより、どのような液体不凍液溶液も、アノード電極水移動プレ
ート６８からアノード電極基体層７０およびアノード電極拡散層７２を通ってア
ノード電極触媒６４と接触するように移動するのが、制限される。
Ｃおよびカソード電極側冷媒流路９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃは、冷媒供給ライン３
８および冷媒排出ライン４０と連通し、それによって、冷媒供給ライン３８から
の冷却流体の流れが、水移動プレートの細孔容積を飽和するように、アノード電
極およびカソード電極冷媒流路を通って、アノード電極およびカソード電極水移
動プレート６８、７４内へ流入する。冷却流体の流れは、次に、冷媒排出ライン
４０内へ流れる。アノード電極およびカソード電極水移動プレート６８、７４の
通気細孔容積を充填することにより、直接不凍液溶液からなる冷却流体の流れは
、還元性流体燃料流路８２内の気体状の還元性流体が、隣接するセル内の酸化剤
流路内へ流入するのを防止する、気体障壁またはシールを形成する。随意に、多
孔質アノード電極基体７０層と多孔質アノード電極拡散層７２の少なくとも一方
を防水することにより、どのような液体不凍液溶液も、アノード電極水移動プレ
ート６８からアノード電極基体層７０およびアノード電極拡散層７２を通ってア
ノード電極触媒６４と接触するように移動するのが、制限される。
【００３８】
同様に、随意にあるいは好ましくは、多孔質カソード電極基体層７６とカソー
ド電極拡散層７８の少なくとも一方を防水することにより、どのような液体状の
直接冷却不凍液溶液も、カソード電極水移動プレート７４からカソード電極基体
７６およびカソード電極拡散層７８を通ってカソード電極触媒６６と接触するよ
うに移動するのが、制限される。さらに、燃料電池１２が作動する間、カソード
電極触媒６６において生成される生成水は、カソード電極水移動プレート７４内
に形成される酸化剤流路８６またはカソード電極の流れの場を通って流れる処理
酸化剤の流れの中へ、水蒸気として、あるいは、カソード電極水移動プレート７
４の中へ、液体として、除去される。従って、特に、圧力制御弁手段５６によっ
て、アノード電極およびカソード電極の流れの場１４、２２すなわち還元性流体
流路８２または酸化剤流路８６内の還元性流体および処理酸化剤の反応物の流れ
と燃料流路および酸化剤流路８２、８６に隣接するカソード電極水移動プレート
７４内の不凍液冷媒の流れとの間に正の圧力差が生じているとき、生成水の大部
分は、カソード電極の流れの場８６から、さらに、多孔質カソード電極水移動プ
レート７４を通って流れる直接不凍液溶液冷媒の流れの中へ、移動する。
ド電極拡散層７８の少なくとも一方を防水することにより、どのような液体状の
直接冷却不凍液溶液も、カソード電極水移動プレート７４からカソード電極基体
７６およびカソード電極拡散層７８を通ってカソード電極触媒６６と接触するよ
うに移動するのが、制限される。さらに、燃料電池１２が作動する間、カソード
電極触媒６６において生成される生成水は、カソード電極水移動プレート７４内
に形成される酸化剤流路８６またはカソード電極の流れの場を通って流れる処理
酸化剤の流れの中へ、水蒸気として、あるいは、カソード電極水移動プレート７
４の中へ、液体として、除去される。従って、特に、圧力制御弁手段５６によっ
て、アノード電極およびカソード電極の流れの場１４、２２すなわち還元性流体
流路８２または酸化剤流路８６内の還元性流体および処理酸化剤の反応物の流れ
と燃料流路および酸化剤流路８２、８６に隣接するカソード電極水移動プレート
７４内の不凍液冷媒の流れとの間に正の圧力差が生じているとき、生成水の大部
分は、カソード電極の流れの場８６から、さらに、多孔質カソード電極水移動プ
レート７４を通って流れる直接不凍液溶液冷媒の流れの中へ、移動する。
【００３９】
直接不凍液溶液は、防水性カソード電極基体を濡らさずかつ電池作動温度にお
いて実質的に不揮発性であるどのような有機不凍液溶液も使用することができる
。ここでの目的のために、「不揮発性」は、燃料電池作動温度における燃料電池
の各５００作動時間ごとに、不凍液溶液がその不凍液の１０％未満の損失を維持
することを意味するように定義される。あるいは、第１の好ましい直接不凍液溶
液は、以下の特性：１． 少なくとも−２９℃（−２０°Ｆ）の凝固点；２．
約６６℃（１５０°Ｆ）において、６０ダイン毎センチメートル（以下、「ｄｙ
ｎｅ／ｃｍ」とする）を超える表面張力；３． 約６６℃（１５０°Ｆ）におい
て、０．００５ｍｍ水銀（以下、「ｍｍＨｇ」とする）未満である、溶液上の不
凍液の分圧；４． 燃料電池電圧において燃料電池の触媒によって酸化可能であ
ること、を有する、特別な直接不凍液溶液とすることができる。第２の好ましい
不凍液溶液は、アルカントリオール直接不凍液溶液とすることができ、特に、グ
リセロール、ブタントリオール、ペンタントリオールからなる群より選択される
アルカントリオール、とすることができる。アルカントリオール直接不凍液は、
どのようなアルカントリオールを含む不凍液溶液とすることもできる。
いて実質的に不揮発性であるどのような有機不凍液溶液も使用することができる
。ここでの目的のために、「不揮発性」は、燃料電池作動温度における燃料電池
の各５００作動時間ごとに、不凍液溶液がその不凍液の１０％未満の損失を維持
することを意味するように定義される。あるいは、第１の好ましい直接不凍液溶
液は、以下の特性：１． 少なくとも−２９℃（−２０°Ｆ）の凝固点；２．
約６６℃（１５０°Ｆ）において、６０ダイン毎センチメートル（以下、「ｄｙ
ｎｅ／ｃｍ」とする）を超える表面張力；３． 約６６℃（１５０°Ｆ）におい
て、０．００５ｍｍ水銀（以下、「ｍｍＨｇ」とする）未満である、溶液上の不
凍液の分圧；４． 燃料電池電圧において燃料電池の触媒によって酸化可能であ
ること、を有する、特別な直接不凍液溶液とすることができる。第２の好ましい
不凍液溶液は、アルカントリオール直接不凍液溶液とすることができ、特に、グ
リセロール、ブタントリオール、ペンタントリオールからなる群より選択される
アルカントリオール、とすることができる。アルカントリオール直接不凍液は、
どのようなアルカントリオールを含む不凍液溶液とすることもできる。
【００４０】
図１に示されるように、直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置１０の
第１の実施態様は、電力設備１０の水の自己充足を促進するのに加えて、ＰＥＭ
電解質６２の適切な水分含有量を維持するために、還元性流体と処理酸化剤の流
れの湿度を上昇させるように機能するいくつかの別個の構成要素を含む。水の自
己充足とは、効率的に電力設備を作動させるために、設備排気の流れからの損失
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、気体状酸化剤のカソード電極の排気の流れと気体状還元性流体のアノ
ード電極の排気の流れの少なくとも一方から構成される設備排気の流れを通して
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る水によって
、バランスを取る必要がある。ＰＥＭ電解質６２の適切な湿度を上昇させるその
ような構成要素の１つは、アノード電極の流れの場１４から排出されるアノード
電極の排気通路２０内のアノード電極の排気の流れの一部を選択的に再循環させ
て燃料入口通路１８内へ戻すアノード電極排気再循環ライン９２であり、アノー
ド電極再循環ライン９２と、随意に、このライン９２に取り付けられアノード電
極の排気通路２０から燃料入口通路１８へとアノード電極の排気の流れの一部を
選択的に導くアノード電極再循環弁および送風機手段（図示せず）と、を含む。
付加的な同様の構成要素は、図１に示されるように、カソード電極の流れの場２
２から排出される分割酸化剤通路２８の排気分岐３２内のカソード電極の排気の
流れの一部を選択的に再循環させて分割酸化剤通路２８の入口分岐３０内へ戻す
カソード電極再循環ライン手段９４であり、カソード電極再循環ライン９４と、
排気分岐３２から分割酸化剤通路２８の入口分岐３０へとカソード電極の排気の
流れの一部を選択的に再循環させるカソード電極再循環弁および送風機手段（図
示せず）と、を含む。
第１の実施態様は、電力設備１０の水の自己充足を促進するのに加えて、ＰＥＭ
電解質６２の適切な水分含有量を維持するために、還元性流体と処理酸化剤の流
れの湿度を上昇させるように機能するいくつかの別個の構成要素を含む。水の自
己充足とは、効率的に電力設備を作動させるために、設備排気の流れからの損失
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、気体状酸化剤のカソード電極の排気の流れと気体状還元性流体のアノ
ード電極の排気の流れの少なくとも一方から構成される設備排気の流れを通して
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る水によって
、バランスを取る必要がある。ＰＥＭ電解質６２の適切な湿度を上昇させるその
ような構成要素の１つは、アノード電極の流れの場１４から排出されるアノード
電極の排気通路２０内のアノード電極の排気の流れの一部を選択的に再循環させ
て燃料入口通路１８内へ戻すアノード電極排気再循環ライン９２であり、アノー
ド電極再循環ライン９２と、随意に、このライン９２に取り付けられアノード電
極の排気通路２０から燃料入口通路１８へとアノード電極の排気の流れの一部を
選択的に導くアノード電極再循環弁および送風機手段（図示せず）と、を含む。
付加的な同様の構成要素は、図１に示されるように、カソード電極の流れの場２
２から排出される分割酸化剤通路２８の排気分岐３２内のカソード電極の排気の
流れの一部を選択的に再循環させて分割酸化剤通路２８の入口分岐３０内へ戻す
カソード電極再循環ライン手段９４であり、カソード電極再循環ライン９４と、
排気分岐３２から分割酸化剤通路２８の入口分岐３０へとカソード電極の排気の
流れの一部を選択的に再循環させるカソード電極再循環弁および送風機手段（図
示せず）と、を含む。
【００４１】
作動装置１０の水の自己充足を維持するのに使用されるさらなる構成要素は、
分割酸化剤通路２８の排気分岐３２からカソード電極の排気の流れを受け取る設
備排気通路９８と酸化剤入口２６の両方と連通するように取り付けられる直接物
質・熱移動装置９６などの、装置を通る第１の流体の流れから装置を通る第２の
流体の流れへ直接、物質を移動させる直接物質・熱移動装置手段である。設備排
気通路９８は、物質・熱移動装置９６内へ設備排気の流れを導き、設備排気口１
００が、装置９６から、さらに、直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置
１０から、設備排気の流れを導き出す。酸化剤入口２６は、酸化剤供給源２４か
ら物質・熱移動装置９６内へ処理酸化剤の流れを導き、分割酸化剤通路２８は、
直接物質・熱移動装置手段９６から、燃料電池１２へ、さらに燃料電池１２を通
ってそこから、設備排気通路９８内へ、処理酸化剤の流れを導く。
分割酸化剤通路２８の排気分岐３２からカソード電極の排気の流れを受け取る設
備排気通路９８と酸化剤入口２６の両方と連通するように取り付けられる直接物
質・熱移動装置９６などの、装置を通る第１の流体の流れから装置を通る第２の
流体の流れへ直接、物質を移動させる直接物質・熱移動装置手段である。設備排
気通路９８は、物質・熱移動装置９６内へ設備排気の流れを導き、設備排気口１
００が、装置９６から、さらに、直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置
１０から、設備排気の流れを導き出す。酸化剤入口２６は、酸化剤供給源２４か
ら物質・熱移動装置９６内へ処理酸化剤の流れを導き、分割酸化剤通路２８は、
直接物質・熱移動装置手段９６から、燃料電池１２へ、さらに燃料電池１２を通
ってそこから、設備排気通路９８内へ、処理酸化剤の流れを導く。
【００４２】
物質・熱移動装置９６は、処理酸化剤の流れが通る酸化剤室１０４と、排気の
流れが通る排気室１０６とを規定するハウジングまたは構造１０２を含む。さら
に、構造１０２は、設備排気の流れの中の極性分子からなる流体物質を吸着する
とともに処理酸化剤の流れの中へ極性分子からなる流体物質を脱着する物質・熱
移動媒体手段を取り付ける。構造１０２は、設備排気の流れおよび処理酸化剤の
流れと物質が移動するように物質移動媒体手段を保持し、それによって、両方の
流れが物質移動媒体手段の両面に接触するとともに、設備排気の流れと処理酸化
剤の流れとのバルク混合を防止するセパレータハウジング手段とすることもでき
る。例示的な物質移動媒体手段は、酸化剤室１０４と排気室１０６との間で物質
が移動するように取り付けられた微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１０
８を含み、それによって、酸化剤室１０４内の処理酸化剤の流れは、交換障壁の
入口表面１１０に隣接して通り、排気室１０６内の設備排気の流れは、排気表面
１１２に隣接して通り、さらに、構造１０２は、酸化剤の流れと排気の流れとの
バルク混合を防止するように、酸化剤の流れと排気の流れとの間の障壁として（
図１に概略示されるように）微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１０８を
取り付ける。
流れが通る排気室１０６とを規定するハウジングまたは構造１０２を含む。さら
に、構造１０２は、設備排気の流れの中の極性分子からなる流体物質を吸着する
とともに処理酸化剤の流れの中へ極性分子からなる流体物質を脱着する物質・熱
移動媒体手段を取り付ける。構造１０２は、設備排気の流れおよび処理酸化剤の
流れと物質が移動するように物質移動媒体手段を保持し、それによって、両方の
流れが物質移動媒体手段の両面に接触するとともに、設備排気の流れと処理酸化
剤の流れとのバルク混合を防止するセパレータハウジング手段とすることもでき
る。例示的な物質移動媒体手段は、酸化剤室１０４と排気室１０６との間で物質
が移動するように取り付けられた微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１０
８を含み、それによって、酸化剤室１０４内の処理酸化剤の流れは、交換障壁の
入口表面１１０に隣接して通り、排気室１０６内の設備排気の流れは、排気表面
１１２に隣接して通り、さらに、構造１０２は、酸化剤の流れと排気の流れとの
バルク混合を防止するように、酸化剤の流れと排気の流れとの間の障壁として（
図１に概略示されるように）微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１０８を
取り付ける。
【００４３】
物質・熱移動装置手段は、微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１０８へ
直接不凍液溶液の一部を供給する移動媒体循環ループ１１４などの、微小な細孔
を有するエンタルピー交換障壁１０８へ液体移動媒体を供給する液体移動媒体供
給手段を含むこともできる。移動媒体ループ１１４は、冷媒入口ライン３８の第
２の延長部５０に取り付けられた第１の冷媒弁手段１１８などにおける冷媒供給
ラインと交換障壁１０８との間に取り付けられるとともに、微小な細孔を有する
エンタルピー交換障壁１０８へ直接不凍液溶液の一部を選択的に供給する液体移
動媒体供給ライン１１６、を含むことができる。さらに、移動媒体ループは、交
換障壁１０８と冷媒供給ラインの第１の延長部４８との間に取り付けられた液体
移動媒体戻りライン１２０を含み、それによって、直接不凍液溶液は、以下に、
より詳細に説明するように、置換と処理のために、移動媒体手段交換障壁１０８
を通って循環させることができる。
直接不凍液溶液の一部を供給する移動媒体循環ループ１１４などの、微小な細孔
を有するエンタルピー交換障壁１０８へ液体移動媒体を供給する液体移動媒体供
給手段を含むこともできる。移動媒体ループ１１４は、冷媒入口ライン３８の第
２の延長部５０に取り付けられた第１の冷媒弁手段１１８などにおける冷媒供給
ラインと交換障壁１０８との間に取り付けられるとともに、微小な細孔を有する
エンタルピー交換障壁１０８へ直接不凍液溶液の一部を選択的に供給する液体移
動媒体供給ライン１１６、を含むことができる。さらに、移動媒体ループは、交
換障壁１０８と冷媒供給ラインの第１の延長部４８との間に取り付けられた液体
移動媒体戻りライン１２０を含み、それによって、直接不凍液溶液は、以下に、
より詳細に説明するように、置換と処理のために、移動媒体手段交換障壁１０８
を通って循環させることができる。
【００４４】
好ましい微小な細孔を有するエンタルピー交換障壁１０８は、０．１〜１００
μｍの間の範囲の細孔径を有する親水性の細孔を規定する保持マトリックス手段
を含み、それによって、交換障壁は、親水性の細孔が直接不凍液溶液などの液体
移動媒体によって濡れたときに、０．０１４キログラム毎平方センチメートル（
０．２ポンド毎平方インチ（「ｐ．ｓ．ｉ．」））より高い気泡圧力を有するこ
とになり、さらに、保持マトリックス手段は、液体移動媒体の存在下、化学的に
安定である。保持マトリックスの気泡圧力の条件は、排気通路１０６内の設備排
気の流れと酸化剤入口ライン２６内の処理酸化剤の流れとの間の最大圧力差を設
定する燃料電池１２および物質・熱移動装置９６の特定の設計によって要求され
ている。直接物質・熱移動装置９６の作動中、設備排気の流れが排気室１０６を
通って流れるとき、燃料電池１２からの水蒸気は、微小な細孔を有するエンタル
ピー交換障壁１０８内の液体移動媒体直接不凍液溶液に吸着されるとともに、液
体移動媒体から酸化剤室１０４内の処理酸化剤の流れの中へ脱着され、それによ
って、処理酸化剤の流れがカソード電極の流れの場２２へ流入する前に、処理酸
化剤の流れに熱を付加するとともに処理酸化剤の流れを加湿する。
μｍの間の範囲の細孔径を有する親水性の細孔を規定する保持マトリックス手段
を含み、それによって、交換障壁は、親水性の細孔が直接不凍液溶液などの液体
移動媒体によって濡れたときに、０．０１４キログラム毎平方センチメートル（
０．２ポンド毎平方インチ（「ｐ．ｓ．ｉ．」））より高い気泡圧力を有するこ
とになり、さらに、保持マトリックス手段は、液体移動媒体の存在下、化学的に
安定である。保持マトリックスの気泡圧力の条件は、排気通路１０６内の設備排
気の流れと酸化剤入口ライン２６内の処理酸化剤の流れとの間の最大圧力差を設
定する燃料電池１２および物質・熱移動装置９６の特定の設計によって要求され
ている。直接物質・熱移動装置９６の作動中、設備排気の流れが排気室１０６を
通って流れるとき、燃料電池１２からの水蒸気は、微小な細孔を有するエンタル
ピー交換障壁１０８内の液体移動媒体直接不凍液溶液に吸着されるとともに、液
体移動媒体から酸化剤室１０４内の処理酸化剤の流れの中へ脱着され、それによ
って、処理酸化剤の流れがカソード電極の流れの場２２へ流入する前に、処理酸
化剤の流れに熱を付加するとともに処理酸化剤の流れを加湿する。
【００４５】
さらに、作動装置１０は、燃料電池１２のアノード電極へ燃料を供給するのに
適した還元性流体へ炭化水素燃料を処理する燃料処理構成要素手段を含む。その
ような燃料電池１２を作動させるための例示的な炭化水素は、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、エタノールなどを含む。
燃料処理構成要素手段は：従来式または好ましくは触媒式の燃焼器とすることが
できる燃焼器１２２であって、アノード電極の流れの場２６を通った後に、アノ
ード電極の排気の流れとして、アノード電極の排気通路２０を通して燃焼器１２
２へ供給される水素などのどのような過剰な還元性流体をも酸化する、燃焼器１
２２（便宜のために、図１、図３において、「燃焼器」と標示する）と；分割酸
化剤通路２８の入口分岐３０および燃焼器１２２と連通するように取り付けられ
、燃焼器内へ処理酸化剤の流れの一部を導く、分割酸化剤通路２８の第１の改質
器供給分岐１２４と；自熱式改質器または他のよく知られた改質器手段とするこ
とができる改質器１２６であって、燃料供給源１６と改質器１２６との間に取り
付けられた燃料供給ライン１２８から燃料を受け取るとともに、燃焼器１２２か
ら、燃焼器１２２と改質器１２６との間の改質器供給ライン１３０内の燃焼され
た燃焼器の排気の流れを受け取る、改質器１２６（図１、図３において、「改質
器」と標示する）と；改質器１２６から還元性流体入口１８内へ改質された燃料
を導く改質済燃料排出ライン１３２と；を含むことができる。場合によっては、
以下に説明するように、還元性流体へ燃料を改質する改質器手段１２６は、付加
的な酸化剤を必要とし得る。従って、改質器供給ライン１３０内の燃焼された燃
焼器の排気の流れは、燃焼器１２２の上流の第１の改質器供給分岐１２４と改質
器供給ライン１３０との間に取り付けられた燃焼器バイパスライン１３３を通っ
て改質器供給ライン１３０へ導かれる処理酸化剤の流れの一部によって、追加あ
るいは置き換え可能である。
適した還元性流体へ炭化水素燃料を処理する燃料処理構成要素手段を含む。その
ような燃料電池１２を作動させるための例示的な炭化水素は、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、エタノールなどを含む。
燃料処理構成要素手段は：従来式または好ましくは触媒式の燃焼器とすることが
できる燃焼器１２２であって、アノード電極の流れの場２６を通った後に、アノ
ード電極の排気の流れとして、アノード電極の排気通路２０を通して燃焼器１２
２へ供給される水素などのどのような過剰な還元性流体をも酸化する、燃焼器１
２２（便宜のために、図１、図３において、「燃焼器」と標示する）と；分割酸
化剤通路２８の入口分岐３０および燃焼器１２２と連通するように取り付けられ
、燃焼器内へ処理酸化剤の流れの一部を導く、分割酸化剤通路２８の第１の改質
器供給分岐１２４と；自熱式改質器または他のよく知られた改質器手段とするこ
とができる改質器１２６であって、燃料供給源１６と改質器１２６との間に取り
付けられた燃料供給ライン１２８から燃料を受け取るとともに、燃焼器１２２か
ら、燃焼器１２２と改質器１２６との間の改質器供給ライン１３０内の燃焼され
た燃焼器の排気の流れを受け取る、改質器１２６（図１、図３において、「改質
器」と標示する）と；改質器１２６から還元性流体入口１８内へ改質された燃料
を導く改質済燃料排出ライン１３２と；を含むことができる。場合によっては、
以下に説明するように、還元性流体へ燃料を改質する改質器手段１２６は、付加
的な酸化剤を必要とし得る。従って、改質器供給ライン１３０内の燃焼された燃
焼器の排気の流れは、燃焼器１２２の上流の第１の改質器供給分岐１２４と改質
器供給ライン１３０との間に取り付けられた燃焼器バイパスライン１３３を通っ
て改質器供給ライン１３０へ導かれる処理酸化剤の流れの一部によって、追加あ
るいは置き換え可能である。
【００４６】
燃料処理構成要素手段は、アノード電極の排気通路２０の第１の延長部１３６
内のアノード電極の排気の流れを受け取るとともに、改質済燃料排出ライン１３
２内の改質された燃料と熱交換するように、アノード電極の排気の流れを通す第
１の熱交換器１３４を、さらに含むことができ、それによって、アノード電極の
排気の流れは、改質された燃料によって加熱され、次に、第１の熱交換器１３４
からアノード電極の排気通路２０の第２の延長部１３８内を燃焼器１２２へと導
かれる。燃料処理構成要素手段は、燃焼器１２２と設備排気通路９８との間に取
り付けられた燃焼器排出ライン１４２内の燃焼された燃焼器の排気の流れの一部
と熱交換するように、分割酸化剤通路２８の第１の改質器供給分岐１２４内の処
理酸化剤の流れの第１の改質器供給部分を通する第２の熱交換器１４０を、さら
に含むことができ、それによって、燃焼された燃焼器の排気の流れは、燃焼器１
２２の上流の第１の改質器供給分岐１２４内の処理酸化剤の流れの第１の改質器
供給部分を加熱する。アノード電極の排気の流れ中のどのような未使用の水素も
、燃焼器１２２内で酸化されて水を生成し、それによって、燃焼された燃焼器の
排気の流れとして燃焼器１２２から排出されるアノード電極の排気の流れを加熱
し、燃焼器１２２から排出される燃焼器の排気の流れを、不燃性にする。
内のアノード電極の排気の流れを受け取るとともに、改質済燃料排出ライン１３
２内の改質された燃料と熱交換するように、アノード電極の排気の流れを通す第
１の熱交換器１３４を、さらに含むことができ、それによって、アノード電極の
排気の流れは、改質された燃料によって加熱され、次に、第１の熱交換器１３４
からアノード電極の排気通路２０の第２の延長部１３８内を燃焼器１２２へと導
かれる。燃料処理構成要素手段は、燃焼器１２２と設備排気通路９８との間に取
り付けられた燃焼器排出ライン１４２内の燃焼された燃焼器の排気の流れの一部
と熱交換するように、分割酸化剤通路２８の第１の改質器供給分岐１２４内の処
理酸化剤の流れの第１の改質器供給部分を通する第２の熱交換器１４０を、さら
に含むことができ、それによって、燃焼された燃焼器の排気の流れは、燃焼器１
２２の上流の第１の改質器供給分岐１２４内の処理酸化剤の流れの第１の改質器
供給部分を加熱する。アノード電極の排気の流れ中のどのような未使用の水素も
、燃焼器１２２内で酸化されて水を生成し、それによって、燃焼された燃焼器の
排気の流れとして燃焼器１２２から排出されるアノード電極の排気の流れを加熱
し、燃焼器１２２から排出される燃焼器の排気の流れを、不燃性にする。
【００４７】
燃料処理構成要素手段は、さまざまな炭化水素燃料を改質する他の燃料処理構
成要素手段とともに作動する部分酸化改質器、水蒸気改質器、自熱式改質器など
の炭化水素燃料を改質するためのさまざまな改質器手段を有する従来の水蒸気改
質においてよく知られた構成要素を含むことができる。燃料処理構成要素は、通
常の炭化水素供給源から水素に富んだ流体を生成することが必要とされる化学処
理技術で一般によく知られた相対的に従来の設計である。例えば、そのような処
理における自熱式改質器は、通常、受け取った燃料の一部を燃焼し、約１，７０
０度華氏（以下、「°Ｆ」とする）の温度に到達する。自熱式改質器における化
学工程は、よく知られるように、燃料、酸素、水の存在が必要とされる。そのよ
うな自熱式改質器のための上に説明し図１に示された実施態様において、燃料は
、燃料供給源１６から改質器１２６へ供給され、酸素は、酸化剤供給源２４、分
割酸化剤通路２８の入口分岐および第１の改質器供給分岐２４、改質器供給ライ
ン１３０内の燃焼器の排気の流れを通じて、さらに、分割酸化剤通路２８の第２
の改質器供給分岐１５４および排気分岐３２内のカソード電極の排気の流れから
、供給され、水は、改質器供給ライン１３０内の燃焼器の排気の流れから改質器
１２６へ蒸気として供給される。水は、燃焼器１２２内の燃焼工程において生成
された水、アノード電極の排気通路２０内のアノード電極の排気の流れの中に含
まれる水蒸気、分割酸化剤通路２８の排気分岐３２内のカソード電極の排気の流
れの中に含まれる水蒸気、から成る。説明したように燃焼器１２２へ水を供給す
ることによって、従来の水蒸気発生ボイラーの必要性が、上述した凝固および加
熱に関連した付随する問題とともに、解消される。
成要素手段とともに作動する部分酸化改質器、水蒸気改質器、自熱式改質器など
の炭化水素燃料を改質するためのさまざまな改質器手段を有する従来の水蒸気改
質においてよく知られた構成要素を含むことができる。燃料処理構成要素は、通
常の炭化水素供給源から水素に富んだ流体を生成することが必要とされる化学処
理技術で一般によく知られた相対的に従来の設計である。例えば、そのような処
理における自熱式改質器は、通常、受け取った燃料の一部を燃焼し、約１，７０
０度華氏（以下、「°Ｆ」とする）の温度に到達する。自熱式改質器における化
学工程は、よく知られるように、燃料、酸素、水の存在が必要とされる。そのよ
うな自熱式改質器のための上に説明し図１に示された実施態様において、燃料は
、燃料供給源１６から改質器１２６へ供給され、酸素は、酸化剤供給源２４、分
割酸化剤通路２８の入口分岐および第１の改質器供給分岐２４、改質器供給ライ
ン１３０内の燃焼器の排気の流れを通じて、さらに、分割酸化剤通路２８の第２
の改質器供給分岐１５４および排気分岐３２内のカソード電極の排気の流れから
、供給され、水は、改質器供給ライン１３０内の燃焼器の排気の流れから改質器
１２６へ蒸気として供給される。水は、燃焼器１２２内の燃焼工程において生成
された水、アノード電極の排気通路２０内のアノード電極の排気の流れの中に含
まれる水蒸気、分割酸化剤通路２８の排気分岐３２内のカソード電極の排気の流
れの中に含まれる水蒸気、から成る。説明したように燃焼器１２２へ水を供給す
ることによって、従来の水蒸気発生ボイラーの必要性が、上述した凝固および加
熱に関連した付随する問題とともに、解消される。
【００４８】
本発明の作動装置１０は、例として自熱式改質器を使用する燃料処理構成要素
とともに説明したが、作動装置１０は、当業技術内で知られる他の改質器を含む
、還元性流体へ炭化水素燃料を改質する改質器手段を使用可能であり、図１の特
定の構成は、一実施態様に過ぎない。例えば、水蒸気改質器と部分酸化改質器の
少なくとも一方を、使用することもできる。水蒸気改質器では、反応物は、炭化
水素燃料と水蒸気である。改質器供給ライン１３０内の燃焼器の排気の流れは、
既知の制御装置によって、アノード電極の排気の流れの中の過剰な水素を燃焼す
るのに十分な酸素を含むように調整可能であり、それによって、改質器供給ライ
ン１３０内の燃焼された排気の流れの中には、水蒸気だけしか残らないことにな
って、水蒸気改質器は、効果的に維持される。部分酸化改質器が、使用されると
すると、反応物は、炭化水素燃料と酸素になるであろう。そのような改質器を作
動するには、改質器１２６へ酸素を供給するように、燃焼器バイパスライン１３
３が制御されるであろうし、よく知られた制御装置によって、燃焼器排出ライン
１４２を通って設備排気通路９８内へ燃焼器の排気の流れの全てを導くように、
燃焼器の排気の流れが制御されるであろう。「還元性流体へ炭化水素燃料を改質
する改質器手段」という句を使用することによって、説明した作動環境において
機能が達成できる、上に説明した既知の改質器を含むことを意味する。
とともに説明したが、作動装置１０は、当業技術内で知られる他の改質器を含む
、還元性流体へ炭化水素燃料を改質する改質器手段を使用可能であり、図１の特
定の構成は、一実施態様に過ぎない。例えば、水蒸気改質器と部分酸化改質器の
少なくとも一方を、使用することもできる。水蒸気改質器では、反応物は、炭化
水素燃料と水蒸気である。改質器供給ライン１３０内の燃焼器の排気の流れは、
既知の制御装置によって、アノード電極の排気の流れの中の過剰な水素を燃焼す
るのに十分な酸素を含むように調整可能であり、それによって、改質器供給ライ
ン１３０内の燃焼された排気の流れの中には、水蒸気だけしか残らないことにな
って、水蒸気改質器は、効果的に維持される。部分酸化改質器が、使用されると
すると、反応物は、炭化水素燃料と酸素になるであろう。そのような改質器を作
動するには、改質器１２６へ酸素を供給するように、燃焼器バイパスライン１３
３が制御されるであろうし、よく知られた制御装置によって、燃焼器排出ライン
１４２を通って設備排気通路９８内へ燃焼器の排気の流れの全てを導くように、
燃焼器の排気の流れが制御されるであろう。「還元性流体へ炭化水素燃料を改質
する改質器手段」という句を使用することによって、説明した作動環境において
機能が達成できる、上に説明した既知の改質器を含むことを意味する。
【００４９】
付加的な燃料処理構成要素手段は、燃料供給ライン１２８上に取り付けられ、
炭化水素燃料からどのような硫黄をも除去する脱硫器１４４と；改質済燃料排出
ライン１３２の延長部１５０に沿って連通するように直列に取り付けられ、当業
技術でよく知られるように、アノード電極の流れの場２２内へ供給される還元性
流体の流れの中の一酸化炭素濃度を最小限に抑えるために、還元性流体入口１８
内へ改質された燃料を導く、水シフト反応器１４６および選択的酸化器１４８と
、を含むことができる。作動装置１０は、燃料貯蔵構成要素１６から燃料処理構
成要素手段を通して選択的に燃料を供給する燃料ポンプ１５２を含むこともでき
る。
炭化水素燃料からどのような硫黄をも除去する脱硫器１４４と；改質済燃料排出
ライン１３２の延長部１５０に沿って連通するように直列に取り付けられ、当業
技術でよく知られるように、アノード電極の流れの場２２内へ供給される還元性
流体の流れの中の一酸化炭素濃度を最小限に抑えるために、還元性流体入口１８
内へ改質された燃料を導く、水シフト反応器１４６および選択的酸化器１４８と
、を含むことができる。作動装置１０は、燃料貯蔵構成要素１６から燃料処理構
成要素手段を通して選択的に燃料を供給する燃料ポンプ１５２を含むこともでき
る。
【００５０】
選択的酸化器１４８内の主要な反応が、一酸化炭素の二酸化炭素への酸化であ
ることは、よく知られている。この反応は、発熱的であり、反応熱は、（図１に
示されるように）選択的酸化器に組み込むことができる、あるいは、改質された
燃料が燃料電池１２に供給される前に冷却するように、選択的酸化器の下流に取
り付けることができる、第３の熱交換器１５８などの、熱交換によって、一般に
除去される。このような選択的酸化器は、一般に、選択的酸化器入口濃度の約１
０，０００ｐｐｍから、選択的酸化器の出口における約１０ｐｐｍに、一酸化炭
素含有量を低減する。選択的酸化器の作動温度は、通常、９３℃〜１４９℃（２
００°Ｆ〜３００°Ｆ）の範囲である。米国特許第５，３３０，７２７号には、
燃料の流れから一酸化炭素を除去する通常の選択的酸化器装置が開示されており
、この特許は、本発明の全ての権利の譲受人により所有されるとともに参照する
ことによってここに組み込まれる。
ることは、よく知られている。この反応は、発熱的であり、反応熱は、（図１に
示されるように）選択的酸化器に組み込むことができる、あるいは、改質された
燃料が燃料電池１２に供給される前に冷却するように、選択的酸化器の下流に取
り付けることができる、第３の熱交換器１５８などの、熱交換によって、一般に
除去される。このような選択的酸化器は、一般に、選択的酸化器入口濃度の約１
０，０００ｐｐｍから、選択的酸化器の出口における約１０ｐｐｍに、一酸化炭
素含有量を低減する。選択的酸化器の作動温度は、通常、９３℃〜１４９℃（２
００°Ｆ〜３００°Ｆ）の範囲である。米国特許第５，３３０，７２７号には、
燃料の流れから一酸化炭素を除去する通常の選択的酸化器装置が開示されており
、この特許は、本発明の全ての権利の譲受人により所有されるとともに参照する
ことによってここに組み込まれる。
【００５１】
分割酸化剤通路２８は、作動装置１０のさまざまな構成要素へ酸化剤の流れの
改質器供給および排気部分を供給するために、分割酸化剤通路手段の改質器供給
および排気分岐内へ、燃料電池１２内へ供給されそこから排出される酸化剤の流
れの改質器供給および排気部分を、選択的に分割する、分割酸化剤通路手段とす
ることができる。分割酸化剤通路手段２８は、流体伝導および制御技術において
よく知られた、一般的な電気機械式弁などと接続された湿度検出器、温度検出器
の少なくとも一方などの、作動装置１０の構成要素に供給される酸化剤の流れの
割合を調節する制御手段を含むことができる。分割酸化剤通路手段２８は、分割
酸化剤通路の入口分岐３０から、燃料処理構成要素手段の燃焼器１２２へ、酸化
剤の流れの第１の改質器供給部分を導く第１の改質器供給分岐１２４を含む。分
割酸化剤通路は、さらに、燃料電池１２のカソード電極の流れの場２２から、設
備排気通路９８へ、酸化剤の流れの排気部分を供給する排気分岐３２を含む。
改質器供給および排気部分を供給するために、分割酸化剤通路手段の改質器供給
および排気分岐内へ、燃料電池１２内へ供給されそこから排出される酸化剤の流
れの改質器供給および排気部分を、選択的に分割する、分割酸化剤通路手段とす
ることができる。分割酸化剤通路手段２８は、流体伝導および制御技術において
よく知られた、一般的な電気機械式弁などと接続された湿度検出器、温度検出器
の少なくとも一方などの、作動装置１０の構成要素に供給される酸化剤の流れの
割合を調節する制御手段を含むことができる。分割酸化剤通路手段２８は、分割
酸化剤通路の入口分岐３０から、燃料処理構成要素手段の燃焼器１２２へ、酸化
剤の流れの第１の改質器供給部分を導く第１の改質器供給分岐１２４を含む。分
割酸化剤通路は、さらに、燃料電池１２のカソード電極の流れの場２２から、設
備排気通路９８へ、酸化剤の流れの排気部分を供給する排気分岐３２を含む。
【００５２】
分割酸化剤通路２８は、分割酸化剤通路２８の排気分岐３２から、燃焼器１２
２へ、処理酸化剤の流れの第２の改質器供給部分を供給する第２の改質器供給分
岐１５４を、さらに含むことができ、それによって、カソード電極触媒６６（図
２に示される）において生成される生成水などの、燃料電池１２からの水は、図
１に示されるように、燃焼器１２２などの、燃料処理構成要素手段内へ導かれる
。さらに、燃焼器排出ライン１４２を通して、設備排気通路９８内へ、燃焼され
た燃焼器の排気の流れの一部を流すことによって、燃料電池１２から排出される
水の付加的な部分が、直接物質・熱移動装置９６内へ導かれ、アノード電極の排
気の流れおよび燃焼された燃焼器の排気の流れの中の付加的な水分が、設備に供
給される分割酸化剤通路２８の入口分岐３０内の処理酸化剤の流れの中へ、作動
装置１０の水バランスをさらに維持するために、直接、移動される。
２へ、処理酸化剤の流れの第２の改質器供給部分を供給する第２の改質器供給分
岐１５４を、さらに含むことができ、それによって、カソード電極触媒６６（図
２に示される）において生成される生成水などの、燃料電池１２からの水は、図
１に示されるように、燃焼器１２２などの、燃料処理構成要素手段内へ導かれる
。さらに、燃焼器排出ライン１４２を通して、設備排気通路９８内へ、燃焼され
た燃焼器の排気の流れの一部を流すことによって、燃料電池１２から排出される
水の付加的な部分が、直接物質・熱移動装置９６内へ導かれ、アノード電極の排
気の流れおよび燃焼された燃焼器の排気の流れの中の付加的な水分が、設備に供
給される分割酸化剤通路２８の入口分岐３０内の処理酸化剤の流れの中へ、作動
装置１０の水バランスをさらに維持するために、直接、移動される。
【００５３】
燃料処理構成要素手段は、さらに、選択的酸化器１４８を通って流れる改質さ
れた燃料と熱交換するように（図１、図３に示されるように）取り付けられるか
、または、選択的酸化器１４８と燃料電池１２との間の還元性流体入口１８上に
取り付けられる、第３の熱交換器１５８を有する燃料処理熱交換ループ手段１５
６を含むことができ、この燃料処理熱交換ループ手段１５６は、選択的酸化器１
４８内の反応の結果として燃料が受け取る熱をこの改質された燃料から除去する
ために、第３の熱交換器１５８を通って流れる第２の冷却流体と熱交換するよう
に改質された燃料を流す。燃料処理熱交換ループ１５６は、さらに、第３の熱交
換器へ第２の冷却流体を導く第２の冷媒供給ライン１６０と、第３の熱交換器１
５８から第２の冷媒を伝える第２の冷媒戻りライン１６２と、第２の冷媒供給ラ
イン１６０上に（図１、図３に示されるように）、または、第２の冷媒戻りライ
ン１６２上に取り付けられ、第２の冷却流体を供給する第２の冷媒ポンプ１６４
と、第２の冷媒戻りライン１６２と第２の冷媒供給ライン１６０との間に取り付
けられ、第２の冷却流体から熱を除去する第２の冷媒熱交換器１６６と、第２の
冷媒熱交換器１６６を通して空気を流し、第２の冷媒熱交換器１６６内の第２の
冷却流体から熱を除去する第２の冷媒ファン１６８と、を含むことができる。第
２の冷却流体は、従来の不凍液とすることができ、上に説明した直接不凍液溶液
、特別な直接不凍液溶液、アルカントリオール直接不凍液溶液のいずれか１つを
使用することができる。
れた燃料と熱交換するように（図１、図３に示されるように）取り付けられるか
、または、選択的酸化器１４８と燃料電池１２との間の還元性流体入口１８上に
取り付けられる、第３の熱交換器１５８を有する燃料処理熱交換ループ手段１５
６を含むことができ、この燃料処理熱交換ループ手段１５６は、選択的酸化器１
４８内の反応の結果として燃料が受け取る熱をこの改質された燃料から除去する
ために、第３の熱交換器１５８を通って流れる第２の冷却流体と熱交換するよう
に改質された燃料を流す。燃料処理熱交換ループ１５６は、さらに、第３の熱交
換器へ第２の冷却流体を導く第２の冷媒供給ライン１６０と、第３の熱交換器１
５８から第２の冷媒を伝える第２の冷媒戻りライン１６２と、第２の冷媒供給ラ
イン１６０上に（図１、図３に示されるように）、または、第２の冷媒戻りライ
ン１６２上に取り付けられ、第２の冷却流体を供給する第２の冷媒ポンプ１６４
と、第２の冷媒戻りライン１６２と第２の冷媒供給ライン１６０との間に取り付
けられ、第２の冷却流体から熱を除去する第２の冷媒熱交換器１６６と、第２の
冷媒熱交換器１６６を通して空気を流し、第２の冷媒熱交換器１６６内の第２の
冷却流体から熱を除去する第２の冷媒ファン１６８と、を含むことができる。第
２の冷却流体は、従来の不凍液とすることができ、上に説明した直接不凍液溶液
、特別な直接不凍液溶液、アルカントリオール直接不凍液溶液のいずれか１つを
使用することができる。
【００５４】
直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置１０は、さらに、燃料電池１２
のアノード電極の流れの場１４へ流入する還元性流体および処理酸化剤の反応物
の流れを加湿するように機能する付加的な構成要素を含む。そのような構成要素
の１つは、還元性流体すなわち燃料入口１８と冷媒供給ライン３８の第３の延長
部５２とに取り付けられた燃料飽和器１７０である。同様の構成要素は、分割酸
化剤通路２８の入口分岐３０と冷媒供給ライン３８の第３の延長部５２とに取り
付けられた酸化剤飽和器１７２である。燃料および酸化剤飽和器１７０、１７２
は、よく知られた充填層、濡れ膜（ｗｅｔｔｅｄ ｆｉｌｍｓ）、噴霧塔などの
、液体の流れと気体の流れとの間に物質移動を生じさせる既知の物質移動装置な
どの、どのような燃料または酸化剤飽和器手段とすることもできる。充填層など
によって、直接不凍液溶液冷却流体内の液体の水が、蒸発し、気体状の還元性流
体および処理の流れの中へ流入し、還元性流体の流れと処理酸化剤の反応物の流
れの湿度を上昇させることになることが、よく知られている。
のアノード電極の流れの場１４へ流入する還元性流体および処理酸化剤の反応物
の流れを加湿するように機能する付加的な構成要素を含む。そのような構成要素
の１つは、還元性流体すなわち燃料入口１８と冷媒供給ライン３８の第３の延長
部５２とに取り付けられた燃料飽和器１７０である。同様の構成要素は、分割酸
化剤通路２８の入口分岐３０と冷媒供給ライン３８の第３の延長部５２とに取り
付けられた酸化剤飽和器１７２である。燃料および酸化剤飽和器１７０、１７２
は、よく知られた充填層、濡れ膜（ｗｅｔｔｅｄ ｆｉｌｍｓ）、噴霧塔などの
、液体の流れと気体の流れとの間に物質移動を生じさせる既知の物質移動装置な
どの、どのような燃料または酸化剤飽和器手段とすることもできる。充填層など
によって、直接不凍液溶液冷却流体内の液体の水が、蒸発し、気体状の還元性流
体および処理の流れの中へ流入し、還元性流体の流れと処理酸化剤の反応物の流
れの湿度を上昇させることになることが、よく知られている。
【００５５】
図１、図３に示されるように、直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置
１０は、直接不凍液溶液を処理する構成要素も含む。この構成要素は、冷媒ポン
プ４２と冷媒熱交換器４４の下流で、冷媒供給ラインの第２の延長部５０と脱塩
装置１７４とに取り付けられた脱塩装置供給ライン１７６を通して、熱管理装置
５４と連通するように取り付けられた脱塩装置１７４を含む。脱塩装置１７４は
、冷却流体中に溶解しているイオンを吸収するイオン交換樹脂を含む標準的な脱
塩装置である。従って、脱塩装置１７４は、冷媒の低い伝導性を維持し、それに
よって、燃料電池冷媒マニホールド内の分路電流腐食を最小限に抑える。脱塩装
置戻りライン１７８は、冷媒供給ラインの第２の延長部５０から、さらに、脱塩
装置１７４を通って流れる冷却流体の部分を導いて、例えば、冷媒排出ライン４
０において、熱管理装置５４内へ戻す。第２の冷媒調整弁手段１８０が、図１に
示されるように、脱塩装置１７４から熱管理装置５４内へさらには脱塩装置１７
４内へ戻って循環する冷却流体の割合を調整するように、脱塩装置供給ライン１
７６に取り付け可能である。脱塩装置１７４は、本発明の全ての権利の譲受人が
所有し、グラッソー（Ｇｒａｓｓｏ）に付与された上述した米国特許第４，３４
４，８５０号に示されている脱塩装置などの、冷却流体溶液中に溶解している金
属を取り除くどのような既知の脱塩装置手段とすることも可能である。
１０は、直接不凍液溶液を処理する構成要素も含む。この構成要素は、冷媒ポン
プ４２と冷媒熱交換器４４の下流で、冷媒供給ラインの第２の延長部５０と脱塩
装置１７４とに取り付けられた脱塩装置供給ライン１７６を通して、熱管理装置
５４と連通するように取り付けられた脱塩装置１７４を含む。脱塩装置１７４は
、冷却流体中に溶解しているイオンを吸収するイオン交換樹脂を含む標準的な脱
塩装置である。従って、脱塩装置１７４は、冷媒の低い伝導性を維持し、それに
よって、燃料電池冷媒マニホールド内の分路電流腐食を最小限に抑える。脱塩装
置戻りライン１７８は、冷媒供給ラインの第２の延長部５０から、さらに、脱塩
装置１７４を通って流れる冷却流体の部分を導いて、例えば、冷媒排出ライン４
０において、熱管理装置５４内へ戻す。第２の冷媒調整弁手段１８０が、図１に
示されるように、脱塩装置１７４から熱管理装置５４内へさらには脱塩装置１７
４内へ戻って循環する冷却流体の割合を調整するように、脱塩装置供給ライン１
７６に取り付け可能である。脱塩装置１７４は、本発明の全ての権利の譲受人が
所有し、グラッソー（Ｇｒａｓｓｏ）に付与された上述した米国特許第４，３４
４，８５０号に示されている脱塩装置などの、冷却流体溶液中に溶解している金
属を取り除くどのような既知の脱塩装置手段とすることも可能である。
【００５６】
直接不凍液溶液冷却流体を処理する付加的な構成要素は、脱気装置１８２であ
る。脱気装置は、冷却流体から二酸化炭素などの溶解している気体を除去する。
二酸化炭素は炭酸に解離するので、これによって、脱塩装置１７４に対する要求
が低減される。脱気装置１８２は、燃料電池１２の上流において、冷媒供給ライ
ン３８の第３の延長部５２に取り付けられ、さらに、燃料電池１２の上流で、分
割酸化剤通路２８の入口分岐３０にも取り付けられている。脱気装置１８２は、
溶解しているＣＯ2、ＮＨ3などの直接不凍液溶液中に溶解している汚染物質を除
去する脱気装置手段とすることもでき、さらに、図１の概略図の燃料飽和器１７
０および酸化剤飽和器１７２と同様に、分割酸化剤通路手段２８の入口分岐３０
と冷媒供給ラインの第３の延長部５２のためのラインが、脱気装置１８２の代わ
りの模式的な四角形を通っており、脱気装置１８２手段が、液体冷却流体直接不
凍液溶液の流れから気体状の処理酸化剤の流れの中へ、溶解している汚染物質の
物質移動を行えること、を示している。従って、脱気装置１８２は、よく知られ
た充填層、濡れ膜（ｗｅｔｔｅｄ ｆｉｌｍｓ）、噴霧塔などの、液体の流れと
気体状の流れとの間に物質移動を生じさせることができるどのような既知の物質
移動装置とすることもできる。冷却流体を処理するために直接不凍液溶液と酸化
剤の流れを導く説明された冷媒供給ラインと酸化剤入口分岐３０、脱塩装置１７
４と脱気装置１８２は、水処理装置１８４を構成している。
る。脱気装置は、冷却流体から二酸化炭素などの溶解している気体を除去する。
二酸化炭素は炭酸に解離するので、これによって、脱塩装置１７４に対する要求
が低減される。脱気装置１８２は、燃料電池１２の上流において、冷媒供給ライ
ン３８の第３の延長部５２に取り付けられ、さらに、燃料電池１２の上流で、分
割酸化剤通路２８の入口分岐３０にも取り付けられている。脱気装置１８２は、
溶解しているＣＯ2、ＮＨ3などの直接不凍液溶液中に溶解している汚染物質を除
去する脱気装置手段とすることもでき、さらに、図１の概略図の燃料飽和器１７
０および酸化剤飽和器１７２と同様に、分割酸化剤通路手段２８の入口分岐３０
と冷媒供給ラインの第３の延長部５２のためのラインが、脱気装置１８２の代わ
りの模式的な四角形を通っており、脱気装置１８２手段が、液体冷却流体直接不
凍液溶液の流れから気体状の処理酸化剤の流れの中へ、溶解している汚染物質の
物質移動を行えること、を示している。従って、脱気装置１８２は、よく知られ
た充填層、濡れ膜（ｗｅｔｔｅｄ ｆｉｌｍｓ）、噴霧塔などの、液体の流れと
気体状の流れとの間に物質移動を生じさせることができるどのような既知の物質
移動装置とすることもできる。冷却流体を処理するために直接不凍液溶液と酸化
剤の流れを導く説明された冷媒供給ラインと酸化剤入口分岐３０、脱塩装置１７
４と脱気装置１８２は、水処理装置１８４を構成している。
【００５７】
直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置１０内で冷却流体として使用さ
れる直接不凍液溶液、特別な直接不凍液溶液、アルカントリオール直接不凍液溶
液の上述した低揮発性、その他の特徴のために、冷却流体は、受け入れられない
レベルでは、脱気装置１８２（あるいは、同じ理由で、燃料飽和器１７０、酸化
剤飽和器１７２）から蒸発しない。その代わりに、冷却流体は、冷媒流路８２、
８６内で、または、燃料電池１２のマニホールド内で、分路電流腐食が生じて作
動装置１０の性能を低下させ得るであろう冷却流体の伝導性を増加させることに
より冷却流体を劣化させ得るであろう汚染物質を除去するように、脱塩装置１７
４と脱気装置１８２によって、効果的に処理される。
れる直接不凍液溶液、特別な直接不凍液溶液、アルカントリオール直接不凍液溶
液の上述した低揮発性、その他の特徴のために、冷却流体は、受け入れられない
レベルでは、脱気装置１８２（あるいは、同じ理由で、燃料飽和器１７０、酸化
剤飽和器１７２）から蒸発しない。その代わりに、冷却流体は、冷媒流路８２、
８６内で、または、燃料電池１２のマニホールド内で、分路電流腐食が生じて作
動装置１０の性能を低下させ得るであろう冷却流体の伝導性を増加させることに
より冷却流体を劣化させ得るであろう汚染物質を除去するように、脱塩装置１７
４と脱気装置１８２によって、効果的に処理される。
【００５８】
直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置の第２の実施態様１８６が、図
３に概略示されており、図１に示される上述した構成要素と実質的に同一の多く
の構成要素を含む。図３で実質的に同一の構成要素は、効率のために、図３およ
びここでは、図１の同一または類似の構成要素に使用される参照番号にプライム
を付けて示される。例えば、図１において、アノード電極の流れの場は、参照番
号１４によって示されるが、図３において、作動装置１４２の第２の実施態様の
アノード電極の流れの場は、参照番号１４’によって示される。
３に概略示されており、図１に示される上述した構成要素と実質的に同一の多く
の構成要素を含む。図３で実質的に同一の構成要素は、効率のために、図３およ
びここでは、図１の同一または類似の構成要素に使用される参照番号にプライム
を付けて示される。例えば、図１において、アノード電極の流れの場は、参照番
号１４によって示されるが、図３において、作動装置１４２の第２の実施態様の
アノード電極の流れの場は、参照番号１４’によって示される。
【００５９】
直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置１４２の第２の実施態様は、第
２の冷媒供給ライン１６０’を、冷媒−冷媒熱交換器１８８に通すことで、図１
の実施態様とは異なり、この冷媒−冷媒熱交換器１８８は、さらに、冷媒ポンプ
４２’の下流にある供給ライン３８’の第１の延長部４８’などにおいて、冷媒
供給ライン３８’に取り付けられている。第２の冷媒供給ラインの延長部１９０
が、冷媒−冷媒熱交換器１８８と第３の熱交換器１５８’との間に取り付けられ
、それによって、第２の冷却流体は、熱管理装置５４’内の直接不凍液溶液冷却
流体から熱を取り除くように機能し、さらに、第２の冷媒熱交換器１６６’を通
して作動装置１８６から除去するように、この熱を移動させる。
２の冷媒供給ライン１６０’を、冷媒−冷媒熱交換器１８８に通すことで、図１
の実施態様とは異なり、この冷媒−冷媒熱交換器１８８は、さらに、冷媒ポンプ
４２’の下流にある供給ライン３８’の第１の延長部４８’などにおいて、冷媒
供給ライン３８’に取り付けられている。第２の冷媒供給ラインの延長部１９０
が、冷媒−冷媒熱交換器１８８と第３の熱交換器１５８’との間に取り付けられ
、それによって、第２の冷却流体は、熱管理装置５４’内の直接不凍液溶液冷却
流体から熱を取り除くように機能し、さらに、第２の冷媒熱交換器１６６’を通
して作動装置１８６から除去するように、この熱を移動させる。
【００６０】
図３に示されるように、第２の冷媒熱交換器１６６’と上述したように協同し
て冷媒−冷媒熱交換器１８８を使用することによって、冷媒ファン４６は、除去
することができる。２つの不凍液溶液を使用することの実質的な利点は、燃料電
池１２、燃料飽和器１７０、酸化剤飽和器１７２、脱気装置１８２、直接物質・
熱移動装置９６などの、不凍液の表面張力および蒸気圧の条件が重要である作動
装置１０の部分に、直接不凍液溶液が、使用可能であることである。従来の不凍
液は、電力設備の全体を冷却するためのラジエータまたは第２の冷媒熱交換器１
６６、選択的酸化器１４８を冷却するための第３の熱交換器１５８などの、作動
装置１０の、より重要でない部分に使用することができる。従来の不凍液は、従
来の冷却装置に使用される材料の腐食を防止するのによく知られた防止剤を含む
ことができ、それによって、より低費用の材料の使用を可能にすることができる
。さらに、作動装置１８６の第２の実施態様において、第２の冷却流体が、従来
の不凍液の場合、第２の冷媒熱交換器１６６’は、（第２の冷却ファン１６８’
によって、または、作動装置１８６により動力が供給される輸送装置（図示せず
）が周囲の空気を通って移動することによって、あるいは、これらの両方などに
よって）移動する周囲の空気に曝されることができ、さらに、それを通って従来
の不凍液だけを流すようにすることができる。従って、熱管理装置５４’を通っ
て流れる特別な直接不凍液は、例えば、第２の冷媒熱交換器１６６’に接触しか
つ損傷を与える周囲の空気中の異物による損傷を与える衝突によって、作動装置
１８６から損失するのが、さらに防止され得るであろう。
て冷媒−冷媒熱交換器１８８を使用することによって、冷媒ファン４６は、除去
することができる。２つの不凍液溶液を使用することの実質的な利点は、燃料電
池１２、燃料飽和器１７０、酸化剤飽和器１７２、脱気装置１８２、直接物質・
熱移動装置９６などの、不凍液の表面張力および蒸気圧の条件が重要である作動
装置１０の部分に、直接不凍液溶液が、使用可能であることである。従来の不凍
液は、電力設備の全体を冷却するためのラジエータまたは第２の冷媒熱交換器１
６６、選択的酸化器１４８を冷却するための第３の熱交換器１５８などの、作動
装置１０の、より重要でない部分に使用することができる。従来の不凍液は、従
来の冷却装置に使用される材料の腐食を防止するのによく知られた防止剤を含む
ことができ、それによって、より低費用の材料の使用を可能にすることができる
。さらに、作動装置１８６の第２の実施態様において、第２の冷却流体が、従来
の不凍液の場合、第２の冷媒熱交換器１６６’は、（第２の冷却ファン１６８’
によって、または、作動装置１８６により動力が供給される輸送装置（図示せず
）が周囲の空気を通って移動することによって、あるいは、これらの両方などに
よって）移動する周囲の空気に曝されることができ、さらに、それを通って従来
の不凍液だけを流すようにすることができる。従って、熱管理装置５４’を通っ
て流れる特別な直接不凍液は、例えば、第２の冷媒熱交換器１６６’に接触しか
つ損傷を与える周囲の空気中の異物による損傷を与える衝突によって、作動装置
１８６から損失するのが、さらに防止され得るであろう。
【００６１】
輸送装置に動力を供給するのに、直接不凍液冷却燃料電池用の作動装置１８６
の第２の実施態様を使用する際、第２の冷媒熱交換器１６６’は、周囲空気の流
れを利用するように、従来の自動車のラジエータとほぼ同様に、構成することが
できるであろう。従って、それは、通常の摩耗および破れ、異物による損傷を受
ける可能性があるであろう。冷媒−冷媒熱交換器１８８を使用することによって
、より費用の掛かる直接不凍液溶液は、そのようなラジエータの損傷に起因する
どのような損失からも、保護されるであろう。
の第２の実施態様を使用する際、第２の冷媒熱交換器１６６’は、周囲空気の流
れを利用するように、従来の自動車のラジエータとほぼ同様に、構成することが
できるであろう。従って、それは、通常の摩耗および破れ、異物による損傷を受
ける可能性があるであろう。冷媒−冷媒熱交換器１８８を使用することによって
、より費用の掛かる直接不凍液溶液は、そのようなラジエータの損傷に起因する
どのような損失からも、保護されるであろう。
【００６２】
上述した熱管理装置５４、水処理装置１８４、直接物質・熱移動手段９６と直
接不凍液溶液を統合することによって、直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作
動装置１０は、氷点下の周囲条件において装置１０が作動されるかあるいは作動
時と作動時の間にあるとき、凝固する可能性のある電力設備１０内の自由水の量
を最小限に抑えることができると同時に、氷点下の条件で輸送装置を作動可能で
あり得る既知の燃料電池電力設備作動装置に比較して、そのような作動装置１０
を製造するのに必要な重量、費用、体積を最小限に抑えられる。
接不凍液溶液を統合することによって、直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作
動装置１０は、氷点下の周囲条件において装置１０が作動されるかあるいは作動
時と作動時の間にあるとき、凝固する可能性のある電力設備１０内の自由水の量
を最小限に抑えることができると同時に、氷点下の条件で輸送装置を作動可能で
あり得る既知の燃料電池電力設備作動装置に比較して、そのような作動装置１０
を製造するのに必要な重量、費用、体積を最小限に抑えられる。
【００６３】
ＰＥＭ電解質、防水性アノード電極およびカソード電極基体７０、７６、アノ
ード電極およびカソード電極拡散層７２、７８を含む例示的な燃料電池は、アノ
ード電極またはカソード電極触媒６４、６６へグリセロール−水直接不凍液溶液
が許容できないほどは吸収されずに、有効な試験特性を示した。例示的な燃料電
池は、メリーランド州エルクトン（Ｅｌｋｔｏｎ）のＷ．Ｌ．ゴア・アンド・ア
ソシエイツ社（Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ ａｎｄ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，Ｉｎｃ．）
から、製品識別番号「ＰＲＩＭＥＡ−５５６０」として、入手された膜電極組立
体内のＰＥＭ電解質を含んでいた。
ード電極およびカソード電極拡散層７２、７８を含む例示的な燃料電池は、アノ
ード電極またはカソード電極触媒６４、６６へグリセロール−水直接不凍液溶液
が許容できないほどは吸収されずに、有効な試験特性を示した。例示的な燃料電
池は、メリーランド州エルクトン（Ｅｌｋｔｏｎ）のＷ．Ｌ．ゴア・アンド・ア
ソシエイツ社（Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ ａｎｄ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，Ｉｎｃ．）
から、製品識別番号「ＰＲＩＭＥＡ−５５６０」として、入手された膜電極組立
体内のＰＥＭ電解質を含んでいた。
【００６４】
多孔質アノード電極およびカソード電極基体層は、多孔質炭素−炭素繊維複合
物であり、ニューヨーク州ニューヨーク市のトレイ社（Ｔｏｒａｙ Ｃｏｍｐａ
ｎｙ）から、等級ＴＧＰ−Ｈ−０６０として、入手された。アノード電極および
カソード電極基体層は、デラウェア州ウィルミントンのデュポン社（Ｅ．Ｉ．
ＤｕＰｏｎｔ Ｃｏｍｐａｎｙ）により販売されたテフロン（登録商標）等級「
ＦＥＰ−１２１」を用いて、当業技術においてよく知られる防水方法によって、
均一に防水された、好ましい実施態様のものであった。
物であり、ニューヨーク州ニューヨーク市のトレイ社（Ｔｏｒａｙ Ｃｏｍｐａ
ｎｙ）から、等級ＴＧＰ−Ｈ−０６０として、入手された。アノード電極および
カソード電極基体層は、デラウェア州ウィルミントンのデュポン社（Ｅ．Ｉ．
ＤｕＰｏｎｔ Ｃｏｍｐａｎｙ）により販売されたテフロン（登録商標）等級「
ＦＥＰ−１２１」を用いて、当業技術においてよく知られる防水方法によって、
均一に防水された、好ましい実施態様のものであった。
【００６５】
多孔質アノード電極およびカソード電極気体拡散層は、本発明の全ての権利の
譲受人により所有されるとともに参照することによってここに組み込まれる米国
特許第４，２３３，１８１号に記載されており当業技術においてよく知られてい
る方法によって、アノード電極およびカソード電極基体の両方に、被覆された。
アノード電極およびカソード電極拡散層は、マサチューセッツ州ビルリカ（Ｂｉ
ｌｌｅｒｉｃａ）のキャボット社（Ｃａｂｏｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から
入手されたＶｕｌｃａｎ ＸＣ−７２ 約５０％と、上述したデュポン社（Ｅ．
Ｉ． ＤｕＰｏｎｔ Ｃｏｍｐａｎｙ）から入手されたテフロン（登録商標）、
等級「ＴＦＥ−３０」 約５０％とから構成された。
譲受人により所有されるとともに参照することによってここに組み込まれる米国
特許第４，２３３，１８１号に記載されており当業技術においてよく知られてい
る方法によって、アノード電極およびカソード電極基体の両方に、被覆された。
アノード電極およびカソード電極拡散層は、マサチューセッツ州ビルリカ（Ｂｉ
ｌｌｅｒｉｃａ）のキャボット社（Ｃａｂｏｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から
入手されたＶｕｌｃａｎ ＸＣ−７２ 約５０％と、上述したデュポン社（Ｅ．
Ｉ． ＤｕＰｏｎｔ Ｃｏｍｐａｎｙ）から入手されたテフロン（登録商標）、
等級「ＴＦＥ−３０」 約５０％とから構成された。
【００６６】
電池のアノード電極およびカソード電極の流れの場は、多孔質であり、アノー
ド電極およびカソード電極水移動プレート内に形成された。水移動プレートは、
約２〜３μｍの平均細孔径を有する多孔質黒鉛であった。これらのプレートは、
本発明の全ての権利の譲受人により所有される米国特許第５，８４０，４１４号
に記載されている方法によって、酸化スズで処理することにより、濡らすことが
できるようにした。
ド電極およびカソード電極水移動プレート内に形成された。水移動プレートは、
約２〜３μｍの平均細孔径を有する多孔質黒鉛であった。これらのプレートは、
本発明の全ての権利の譲受人により所有される米国特許第５，８４０，４１４号
に記載されている方法によって、酸化スズで処理することにより、濡らすことが
できるようにした。
【００６７】
単一通過の酸化剤流れパターンとして形成される電池を通って流れる処理酸化
剤の流れは、電池を通って流れる還元性流体と不凍液溶液冷媒の流れの流れパタ
ーンと比較する目的で、酸化剤入口と酸化剤出口との間の酸化剤の流れ軸として
ここでは便宜上特徴付けられる。還元性流体は、酸化剤の流れ軸に実質的に垂直
に流れ、酸化剤の流れ軸を２回横断し、さらに、一般に酸化剤入口から酸化剤出
口の方向へ流れる、２回通過の還元性流体パターンを形成した。不凍液溶液冷媒
の流れは、酸化剤の流れ軸に実質的に垂直で、酸化剤の流れ軸を約３回横断し、
一般に酸化剤出口から酸化剤入口の方向へ流れる、３回通過の流れパターンを形
成した。便宜上、上述した還元性流体の流れパターンは、酸化剤の流れ軸に並流
横断と呼ばれることになり、上述した不凍液溶液冷媒の流れの流れパターンは、
酸化剤の流れ軸に向流横断と呼ばれることになる。この試験は、酸化剤の流れ軸
に向流横断する不凍液溶液冷媒の流れの流れパターンを用いて行われたが、並流
横断する方が、酸化剤入口において電池温度を最小限に抑えて、局所的な相対湿
度が最大になり、それによって、必要な加湿が最小限に抑えられるとともに電解
質の乾燥も最小限に抑えられるので、好ましい構成は、並流横断の方である。
剤の流れは、電池を通って流れる還元性流体と不凍液溶液冷媒の流れの流れパタ
ーンと比較する目的で、酸化剤入口と酸化剤出口との間の酸化剤の流れ軸として
ここでは便宜上特徴付けられる。還元性流体は、酸化剤の流れ軸に実質的に垂直
に流れ、酸化剤の流れ軸を２回横断し、さらに、一般に酸化剤入口から酸化剤出
口の方向へ流れる、２回通過の還元性流体パターンを形成した。不凍液溶液冷媒
の流れは、酸化剤の流れ軸に実質的に垂直で、酸化剤の流れ軸を約３回横断し、
一般に酸化剤出口から酸化剤入口の方向へ流れる、３回通過の流れパターンを形
成した。便宜上、上述した還元性流体の流れパターンは、酸化剤の流れ軸に並流
横断と呼ばれることになり、上述した不凍液溶液冷媒の流れの流れパターンは、
酸化剤の流れ軸に向流横断と呼ばれることになる。この試験は、酸化剤の流れ軸
に向流横断する不凍液溶液冷媒の流れの流れパターンを用いて行われたが、並流
横断する方が、酸化剤入口において電池温度を最小限に抑えて、局所的な相対湿
度が最大になり、それによって、必要な加湿が最小限に抑えられるとともに電解
質の乾燥も最小限に抑えられるので、好ましい構成は、並流横断の方である。
【００６８】
電池は、６５℃の公称温度において作動され、ほぼプラスまたはマイナス５℃
内で、概略等温であった。例示的な電池の試験特性のために使用された燃料は、
純水素であった。燃料は、６５℃における約１００％の相対湿度に加湿された。
燃料の流れは、８０パーセント（「％」）の水素利用率を維持するように、電池
の電流密度に比例して変化させた。燃料圧力は、約１．０３Ｋｇ／ｃｍ2（１４
．７ＰＳＩＡ）であった。試験に使用された酸化剤は、空気であった。酸化剤は
、処理酸化剤の流れを標準的な飽和器に通すことによって、６５℃における約０
〜１００％の相対湿度の範囲に亘って加湿された。酸化剤の流れは、３０パーセ
ントの酸素利用率を維持するように、電池の電流密度に比例して変化させた。酸
化剤圧力は、約１．０３Ｋｇ／ｃｍ2（１４．７ＰＳＩＡ）であった。
内で、概略等温であった。例示的な電池の試験特性のために使用された燃料は、
純水素であった。燃料は、６５℃における約１００％の相対湿度に加湿された。
燃料の流れは、８０パーセント（「％」）の水素利用率を維持するように、電池
の電流密度に比例して変化させた。燃料圧力は、約１．０３Ｋｇ／ｃｍ2（１４
．７ＰＳＩＡ）であった。試験に使用された酸化剤は、空気であった。酸化剤は
、処理酸化剤の流れを標準的な飽和器に通すことによって、６５℃における約０
〜１００％の相対湿度の範囲に亘って加湿された。酸化剤の流れは、３０パーセ
ントの酸素利用率を維持するように、電池の電流密度に比例して変化させた。酸
化剤圧力は、約１．０３Ｋｇ／ｃｍ2（１４．７ＰＳＩＡ）であった。
【００６９】
試験に使用された冷媒の流れは、純水から６５％グリセロールと３５％水まで
の範囲に亘った。使用されたグリセロールは、認証されたＡＣＳ等級９９．９％
グリセロールであった。不凍液溶液冷却流体の形態として「グリセロール」とい
う用語をここで使用するのには、「グリセリン」を含むことも意図されており、
「グリセリン」は、ここにおいて、さらに一般的了解として、グリセロールと水
の溶液すなわち混合物を含むと理解される、ということが指摘される。不凍液溶
液（グリセロールと水、例えば、「グリセリン」）中のグリセロールの濃度は、
２０℃におけるグリセロールと水の溶液の比重を測定することにより決定された
。不凍液溶液冷媒の流れは、アノード電極およびカソード電極の流れの場の流路
を形成するアノード電極およびカソード電極の水移動プレートの両方における冷
媒流路を循環した。電池に供給されかつ電池から排出される冷媒の流れの入口お
よび出口温度は、６５±５℃であった。
の範囲に亘った。使用されたグリセロールは、認証されたＡＣＳ等級９９．９％
グリセロールであった。不凍液溶液冷却流体の形態として「グリセロール」とい
う用語をここで使用するのには、「グリセリン」を含むことも意図されており、
「グリセリン」は、ここにおいて、さらに一般的了解として、グリセロールと水
の溶液すなわち混合物を含むと理解される、ということが指摘される。不凍液溶
液（グリセロールと水、例えば、「グリセリン」）中のグリセロールの濃度は、
２０℃におけるグリセロールと水の溶液の比重を測定することにより決定された
。不凍液溶液冷媒の流れは、アノード電極およびカソード電極の流れの場の流路
を形成するアノード電極およびカソード電極の水移動プレートの両方における冷
媒流路を循環した。電池に供給されかつ電池から排出される冷媒の流れの入口お
よび出口温度は、６５±５℃であった。
【００７０】
電池は、最初、冷却流体として純水を用いて試験された。電流密度は、２５０
アンペア毎平方フィート（以下、「ＡＳＦ」とする）に設定され、電池電圧は、
約４時間に亘ってモニタされた。燃料および酸化剤の両方とも、６５℃における
約１００％相対湿度に飽和された。次に、冷媒組成は、約１５、３０、５０、６
５重量％グリセロールに変更された。特性は、グリセロール濃度の各変更の後、
４時間、モニタされた。結果は、表１に挙げられる。
アンペア毎平方フィート（以下、「ＡＳＦ」とする）に設定され、電池電圧は、
約４時間に亘ってモニタされた。燃料および酸化剤の両方とも、６５℃における
約１００％相対湿度に飽和された。次に、冷媒組成は、約１５、３０、５０、６
５重量％グリセロールに変更された。特性は、グリセロール濃度の各変更の後、
４時間、モニタされた。結果は、表１に挙げられる。
【００７１】
【表１】
【００７２】
表１に挙げられた結果を生じる試験は、５日間に亘って実施されたものであり
、試験と結果は、ここでは便宜上、直接不凍液冷却燃料電池用の作動装置の「第
１の試験」と呼ばれる。冷媒流量は、試験の間は常時、６５±５℃に維持された
。表１のデータは、６５％グリセロールまで含む不凍液溶液と、冷媒としての水
を置き換える場合、特性に不利な影響はないことを示している。
、試験と結果は、ここでは便宜上、直接不凍液冷却燃料電池用の作動装置の「第
１の試験」と呼ばれる。冷媒流量は、試験の間は常時、６５±５℃に維持された
。表１のデータは、６５％グリセロールまで含む不凍液溶液と、冷媒としての水
を置き換える場合、特性に不利な影響はないことを示している。
【００７３】
第２の一連の試験において、グリセロール濃度は、約６０％に維持されるとと
もに、処理酸化剤の流れの相対湿度は、燃料電池の酸化剤入口において、０〜１
００％で変更された。第１の試験の試験条件の全ては、上述したように、第２の
試験にも該当した。処理酸化剤の流れの相対湿度は、約１００％から、５７％、
３１％、１６％、０％に、変更された。電池の特性は、酸化剤相対湿度の各変更
の後、４時間、モニタされた。第２の試験の結果は、表２に挙げられる。
もに、処理酸化剤の流れの相対湿度は、燃料電池の酸化剤入口において、０〜１
００％で変更された。第１の試験の試験条件の全ては、上述したように、第２の
試験にも該当した。処理酸化剤の流れの相対湿度は、約１００％から、５７％、
３１％、１６％、０％に、変更された。電池の特性は、酸化剤相対湿度の各変更
の後、４時間、モニタされた。第２の試験の結果は、表２に挙げられる。
【００７４】
【表２】
【００７５】
第２の試験の表２のデータは、燃料電池の酸化剤入口における処理酸化剤の相
対湿度が、約３０％を下まわる場合、燃料電池特性に不利な影響があることを示
している。カソード電極の流れの場の中において３０％を下まわる処理酸化剤の
相対湿度では、不凍液溶液が、処理酸化剤の流れからカソード電極水移動プレー
トの中へ、水分を引き込む。従って、水分は、効果的にＰＥＭを脱水する速度で
、プロトン交換膜（ＰＥＭ）から処理酸化剤の流れの中へ移動し、それによって
、電池の特性が低下することになる。
対湿度が、約３０％を下まわる場合、燃料電池特性に不利な影響があることを示
している。カソード電極の流れの場の中において３０％を下まわる処理酸化剤の
相対湿度では、不凍液溶液が、処理酸化剤の流れからカソード電極水移動プレー
トの中へ、水分を引き込む。従って、水分は、効果的にＰＥＭを脱水する速度で
、プロトン交換膜（ＰＥＭ）から処理酸化剤の流れの中へ移動し、それによって
、電池の特性が低下することになる。
【００７６】
さらに別の、すなわち第３の試験において、上述したＷ．Ｌ．ゴアアソシエイ
ツ社（Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ Ｃｏｍｐａｎｙ）から入手さ
れた型番「ＰＲＩＭＥＡ−５５１０」、膜電極組立体を含む５．０８ｃｍ×５．
０８ｃｍ（２インチ×２インチ）ＰＥＭ型電池が試験された。電池構成は、アノ
ード電極触媒が０．４ｍｇ／ｃｍ2の白金であり、冷媒がないことを除いて、先
に説明された試験と同一であった。
ツ社（Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ Ｃｏｍｐａｎｙ）から入手さ
れた型番「ＰＲＩＭＥＡ−５５１０」、膜電極組立体を含む５．０８ｃｍ×５．
０８ｃｍ（２インチ×２インチ）ＰＥＭ型電池が試験された。電池構成は、アノ
ード電極触媒が０．４ｍｇ／ｃｍ2の白金であり、冷媒がないことを除いて、先
に説明された試験と同一であった。
【００７７】
電池は、約１００％の相対湿度に飽和された空気と水素を、５００アンペア毎
平方フィート（「ＡＳＦ」）においてそれぞれ３０％と８０％の利用率で用い、
１気圧（１４．７ＰＳＩＡ）、６５℃で、作動された。乾燥酸化剤の一部が、グ
リセロールで満たされた飽和器を通って流され、次に、電池に導入する前に、加
湿された空気と混合された。酸化剤入口７４における蒸気中のグリセロール濃度
は、６５℃における５５重量％グリセロール溶液上のグリセロールの平衡濃度で
ある約４ｐｐｍになるように設定された。目的は、どのくらい速くグリセロール
が電池の性能を低下させるかを評価することであった。この試験は、１６時間行
われた。この間に、電池電圧は、０．６８３Ｖの初期値から０．６３８Ｖの最終
値に減少した。両方の電極の電位は、空気開回路電位に上昇された。この処理の
後、電池の特性では、電池は、０．６８１Ｖに回復した。
平方フィート（「ＡＳＦ」）においてそれぞれ３０％と８０％の利用率で用い、
１気圧（１４．７ＰＳＩＡ）、６５℃で、作動された。乾燥酸化剤の一部が、グ
リセロールで満たされた飽和器を通って流され、次に、電池に導入する前に、加
湿された空気と混合された。酸化剤入口７４における蒸気中のグリセロール濃度
は、６５℃における５５重量％グリセロール溶液上のグリセロールの平衡濃度で
ある約４ｐｐｍになるように設定された。目的は、どのくらい速くグリセロール
が電池の性能を低下させるかを評価することであった。この試験は、１６時間行
われた。この間に、電池電圧は、０．６８３Ｖの初期値から０．６３８Ｖの最終
値に減少した。両方の電極の電位は、空気開回路電位に上昇された。この処理の
後、電池の特性では、電池は、０．６８１Ｖに回復した。
【００７８】
別の、すなわち第４の試験において、この電池のサイクリックボルタンメトリ
ーは、グリセロールが徐々にアノード電極触媒上に吸着したことと、しかしなが
ら、水素基準電極に対して約０．５Ｖの電位において、きれいに酸化されたこと
とを、示した。
ーは、グリセロールが徐々にアノード電極触媒上に吸着したことと、しかしなが
ら、水素基準電極に対して約０．５Ｖの電位において、きれいに酸化されたこと
とを、示した。
【００７９】
これらの試験は、グリセロールが、通常のＰＥＭ型電池の電位範囲においてＰ
ＥＭ型電池内で酸化されることを示す。輸送装置用に使用される燃料電池の始動
および停止時の電極の標準電位の変移（ｅｘｃｕｒｓｉｏｎｓ）は、アノード電
極触媒とカソード電極触媒の少なくとも一方に接触する可能性のある微量の不凍
液溶液を酸化するのに、十分であろう。
ＥＭ型電池内で酸化されることを示す。輸送装置用に使用される燃料電池の始動
および停止時の電極の標準電位の変移（ｅｘｃｕｒｓｉｏｎｓ）は、アノード電
極触媒とカソード電極触媒の少なくとも一方に接触する可能性のある微量の不凍
液溶液を酸化するのに、十分であろう。
【００８０】
第１、第２の試験によって、さらに、直接不凍液冷却燃料電池１２が、効率的
な特性レベルを維持可能であること、カソード電極触媒による不凍液溶液のどの
ような吸着の結果としても、さらにそれに起因する電池の性能低下の結果として
も、カソード電極触媒と直接連通する直接不凍液溶液を有することが、実質的に
電池特性を低下させないこと、が確認される。これらの試験に使用された電池は
、何ら不利な特性低下を示さずに、１２５時間の負荷時間の間と、６５℃におけ
る約５００時間の作動時間の間、グリセロール−水の溶液に曝された。
な特性レベルを維持可能であること、カソード電極触媒による不凍液溶液のどの
ような吸着の結果としても、さらにそれに起因する電池の性能低下の結果として
も、カソード電極触媒と直接連通する直接不凍液溶液を有することが、実質的に
電池特性を低下させないこと、が確認される。これらの試験に使用された電池は
、何ら不利な特性低下を示さずに、１２５時間の負荷時間の間と、６５℃におけ
る約５００時間の作動時間の間、グリセロール−水の溶液に曝された。
【００８１】
さらに、第１、第２の試験の結果は、随意の防水性または疎水性カソード電極
およびアノード電極基体層と、防水性または疎水性カソード電極およびアノード
電極気体拡散層とによって、どのような実質的な量の不凍液溶液も、水移動プレ
ートから、不凍液溶液が電池の触媒の活性を低下させることになるであろう膜電
極組立体の中へ、移動するのが効果的に制限されることを、示している。さらに
、電池内の水管理力学が、反応物流体と水移動プレートとの間の界面において、
水に富んだ不凍液溶液を生成する。これは、効果的に、この界面における不凍液
の濃度を低下させ、さらに、拡散により膜電極組立体へ移動するのに利用可能な
不凍液の量を制限する。アノード電極触媒において、水は、飽和された還元性流
体の流れから凝縮し、それによって、水に富んだ反応物流体−水移動プレート界
面が生成される。カソード電極触媒において、水が生成し、次に、カソード電極
触媒からカソード電極水移動プレートへ、液体として流れ、あるいは、蒸気とし
て拡散するので、同様に、水に富んだ反応物流体−水移動プレート界面が生じる
。
およびアノード電極基体層と、防水性または疎水性カソード電極およびアノード
電極気体拡散層とによって、どのような実質的な量の不凍液溶液も、水移動プレ
ートから、不凍液溶液が電池の触媒の活性を低下させることになるであろう膜電
極組立体の中へ、移動するのが効果的に制限されることを、示している。さらに
、電池内の水管理力学が、反応物流体と水移動プレートとの間の界面において、
水に富んだ不凍液溶液を生成する。これは、効果的に、この界面における不凍液
の濃度を低下させ、さらに、拡散により膜電極組立体へ移動するのに利用可能な
不凍液の量を制限する。アノード電極触媒において、水は、飽和された還元性流
体の流れから凝縮し、それによって、水に富んだ反応物流体−水移動プレート界
面が生成される。カソード電極触媒において、水が生成し、次に、カソード電極
触媒からカソード電極水移動プレートへ、液体として流れ、あるいは、蒸気とし
て拡散するので、同様に、水に富んだ反応物流体−水移動プレート界面が生じる
。
【００８２】
図４は、処理酸化剤の流れの相対湿度が変わるとともに直接不凍液溶液が異な
る濃度で使用される、ガソリンを燃料とする燃料電池１２用の作動装置の排気の
流れの温度の関数として、ほぼ周囲圧力で作動される直接不凍液冷却燃料電池電
力設備用の作動装置１０内で水バランスを維持するために許容可能な燃料電池１
２による空気すなわち酸化剤利用率のプロットを示すグラフである。図４のグラ
フの左から右へ、第１のプロット線１９２は、カソード電極水移動プレート７４
を通って流れる冷却流体が、０％グリセロールで、０℃（３２°Ｆ）の凝固温度
であり、酸化剤が、１００％の相対湿度である、水バランスにおける装置の空気
利用率および排気温度を示す。第２のプロット線１９４では、直接不凍液溶液は
、３３％グリセロールで、−１１℃（１２°Ｆ）の凝固温度であり、酸化剤は、
９０％の相対湿度である。第３のプロット線１９６では、直接不凍液溶液は、５
２％グリセロールで、−２５℃（−１３°Ｆ）の凝固温度であり、処理酸化剤の
流れは、８０％の相対湿度である。第４のプロット線１９８では、直接不凍液溶
液は、６５％グリセロールで、−４５℃（−４９°Ｆ）の凝固温度であり、処理
酸化剤の流れは、７０％の相対湿度である。
る濃度で使用される、ガソリンを燃料とする燃料電池１２用の作動装置の排気の
流れの温度の関数として、ほぼ周囲圧力で作動される直接不凍液冷却燃料電池電
力設備用の作動装置１０内で水バランスを維持するために許容可能な燃料電池１
２による空気すなわち酸化剤利用率のプロットを示すグラフである。図４のグラ
フの左から右へ、第１のプロット線１９２は、カソード電極水移動プレート７４
を通って流れる冷却流体が、０％グリセロールで、０℃（３２°Ｆ）の凝固温度
であり、酸化剤が、１００％の相対湿度である、水バランスにおける装置の空気
利用率および排気温度を示す。第２のプロット線１９４では、直接不凍液溶液は
、３３％グリセロールで、−１１℃（１２°Ｆ）の凝固温度であり、酸化剤は、
９０％の相対湿度である。第３のプロット線１９６では、直接不凍液溶液は、５
２％グリセロールで、−２５℃（−１３°Ｆ）の凝固温度であり、処理酸化剤の
流れは、８０％の相対湿度である。第４のプロット線１９８では、直接不凍液溶
液は、６５％グリセロールで、−４５℃（−４９°Ｆ）の凝固温度であり、処理
酸化剤の流れは、７０％の相対湿度である。
【００８３】
図４の４つのプロット線１９２、１９４、１９６、１９８は、直接不凍液冷却
燃料電池電力設備用の作動装置１０が、水がバランスすることになる範囲を示す
。例えば、第４のプロット線１９８について、空気利用率が４５％の場合、作動
装置は、例えば設備排気口１００において測定された装置の排気温度が、４４℃
（１１０°Ｆ）以下であるならば、水がバランスすることになる。装置の排気温
度が、例えば、周囲空気の酸化剤供給源２４の温度上昇に起因して、万一、突然
１１０°Ｆを超えて上昇した場合は、装置の制御装置は、燃料電池１２による空
気利用率を増加させるように、簡単に送風機３４を制御することができるであろ
う。最適な作動装置１０は、６５％グリセロールである直接不凍液溶液を使用し
、装置の空気利用率が、４５％を超え、装置の排気温度が、４４℃（１１０°Ｆ
）未満となることが決定された。
燃料電池電力設備用の作動装置１０が、水がバランスすることになる範囲を示す
。例えば、第４のプロット線１９８について、空気利用率が４５％の場合、作動
装置は、例えば設備排気口１００において測定された装置の排気温度が、４４℃
（１１０°Ｆ）以下であるならば、水がバランスすることになる。装置の排気温
度が、例えば、周囲空気の酸化剤供給源２４の温度上昇に起因して、万一、突然
１１０°Ｆを超えて上昇した場合は、装置の制御装置は、燃料電池１２による空
気利用率を増加させるように、簡単に送風機３４を制御することができるであろ
う。最適な作動装置１０は、６５％グリセロールである直接不凍液溶液を使用し
、装置の空気利用率が、４５％を超え、装置の排気温度が、４４℃（１１０°Ｆ
）未満となることが決定された。
【００８４】
図４のグラフのデータを使用して、装置空気利用率のさまざまなデータに対し
、かつ、直接不凍液溶液内の直接不凍液のさまざまな濃度に対する、作動装置１
０の排気の最大温度を決定する式が開発された。直接不凍液溶液内の直接不凍液
の濃度は、直接不凍液溶液内の「水のモル分率」すなわち「ＭＦＷ」として示さ
れる。例えば、０．７３０のＭＦＷは、直接不凍液溶液としての重量で６５％の
グリセロールに相当し、ここで、グリセロールは、重量で３５％の水を有し、式
では、ＭＦＷ＝０．７となる。図４のグラフの縦軸にプロットされた装置空気利
用率は、下記の式において、「ＵＯ2」として識別される。所定の空気利用率と
直接不凍液溶液内の直悦不凍液の濃度に対し、ほぼ周囲圧力で作動される、ガソ
リンを燃料とする作動装置１０について、水をバランスさせて作動装置１０を作
動させることになる最大装置排気温度「ＴＥＸ」を算出するための数式は、次の
通りである。
、かつ、直接不凍液溶液内の直接不凍液のさまざまな濃度に対する、作動装置１
０の排気の最大温度を決定する式が開発された。直接不凍液溶液内の直接不凍液
の濃度は、直接不凍液溶液内の「水のモル分率」すなわち「ＭＦＷ」として示さ
れる。例えば、０．７３０のＭＦＷは、直接不凍液溶液としての重量で６５％の
グリセロールに相当し、ここで、グリセロールは、重量で３５％の水を有し、式
では、ＭＦＷ＝０．７となる。図４のグラフの縦軸にプロットされた装置空気利
用率は、下記の式において、「ＵＯ2」として識別される。所定の空気利用率と
直接不凍液溶液内の直悦不凍液の濃度に対し、ほぼ周囲圧力で作動される、ガソ
リンを燃料とする作動装置１０について、水をバランスさせて作動装置１０を作
動させることになる最大装置排気温度「ＴＥＸ」を算出するための数式は、次の
通りである。
【００８５】
【数１】
【００８６】
明らかなように、直接不凍液溶液を使用すると、所定の空気利用率に対して装
置の排気温度を上昇させることができ、あるいは、逆に言えば、所定の排気温度
に対して空気利用率を増加させることができる。空気利用率を増加させると、酸
化剤送風機３４で周囲空気を送風するのに必要とされる寄生電力が低下し、一方
、許容可能な装置の排気温度を上昇させると、高温の周囲条件において水バラン
スを得ることが容易になり、それによって、直接不凍液冷却燃料電池電力設備用
の作動装置１０のさらなる利益が証明される。
置の排気温度を上昇させることができ、あるいは、逆に言えば、所定の排気温度
に対して空気利用率を増加させることができる。空気利用率を増加させると、酸
化剤送風機３４で周囲空気を送風するのに必要とされる寄生電力が低下し、一方
、許容可能な装置の排気温度を上昇させると、高温の周囲条件において水バラン
スを得ることが容易になり、それによって、直接不凍液冷却燃料電池電力設備用
の作動装置１０のさらなる利益が証明される。
【００８７】
ここで使用される「直接連通する」という句によって、それぞれの構成要素の
間に物理的障壁がないことが意味される、ということが強調される。例えば、直
接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置１０の燃料電池１２において、多孔
質カソード電極基体７６は、カソード電極触媒６６と連通して取り付けられてお
り、カソード電極水移動プレート７４は、多孔質カソード電極基体７６と直接連
通して取り付けられている。その結果として、カソード電極水移動プレート７４
とカソード電極触媒６６との間の気体状と液体状の少なくとも一方の流れに対す
る中実の障壁は存在しない。例えば、気体状の流れを制限するが、気体状の反応
物の流れなどを加湿する目的で膜の両側の構成要素の間に選択的に液体を連通さ
せる、半透膜を使用することが知られている。直接不凍液冷却燃料電池用の作動
装置１０では、そのような物理的障壁は、カソード電極水移動プレート７４とカ
ソード電極触媒６６との間に配置されておらず、さらに、そのような障壁は、ア
ノード電極水移動プレート６８とアノード電極触媒６４との間に配置されていな
い。
間に物理的障壁がないことが意味される、ということが強調される。例えば、直
接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置１０の燃料電池１２において、多孔
質カソード電極基体７６は、カソード電極触媒６６と連通して取り付けられてお
り、カソード電極水移動プレート７４は、多孔質カソード電極基体７６と直接連
通して取り付けられている。その結果として、カソード電極水移動プレート７４
とカソード電極触媒６６との間の気体状と液体状の少なくとも一方の流れに対す
る中実の障壁は存在しない。例えば、気体状の流れを制限するが、気体状の反応
物の流れなどを加湿する目的で膜の両側の構成要素の間に選択的に液体を連通さ
せる、半透膜を使用することが知られている。直接不凍液冷却燃料電池用の作動
装置１０では、そのような物理的障壁は、カソード電極水移動プレート７４とカ
ソード電極触媒６６との間に配置されておらず、さらに、そのような障壁は、ア
ノード電極水移動プレート６８とアノード電極触媒６４との間に配置されていな
い。
【００８８】
直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置１０において、ほとんど全ての
液体状の水は、燃料電池１２の構成要素、熱管理装置５４、水処理装置１８４、
直接物質・熱移動手段９６のいずれであろうと、直接不凍液溶液に曝され、それ
によって、電池１２の作動時および電池の停止時に凝固することがないというこ
とが、理解できる。ＰＥＭ電解質内の水は、直接不凍液溶液に曝されない。しか
しながら、電池１２の作動時に、よく知られる電気化学反応によって熱が生成さ
れ、電解質内の水にとってどのような凝固の問題も防止される。直接不凍液冷却
燃料電池電力設備用の作動装置１０の停止時に、電解質内の相対的に小さな量の
水の一部が、蒸発し、蒸気として隣接する多孔質アノード電極およびカソード電
極拡散および基体層を通って、カソード電極およびアノード電極水移動プレート
７４、６８内へ流入することになり、同時に、不凍液溶液の一部が、蒸発し、電
解質内に残っている溶液の凝固温度を低下させるように、電解質内へ移動するこ
とになり、それによって、さらに、凝固と、後に続く燃料電池１２の始動に必要
な融解とを、最小限に抑える。始動時に、電池のアノード電極およびカソード電
極触媒６４、６６によって吸着される、あるいは、電解質６２に含まれる、どの
ような不凍液溶液も、始動進行時に電池電位によりアノード電極およびカソード
電極触媒において酸化されることになる。
液体状の水は、燃料電池１２の構成要素、熱管理装置５４、水処理装置１８４、
直接物質・熱移動手段９６のいずれであろうと、直接不凍液溶液に曝され、それ
によって、電池１２の作動時および電池の停止時に凝固することがないというこ
とが、理解できる。ＰＥＭ電解質内の水は、直接不凍液溶液に曝されない。しか
しながら、電池１２の作動時に、よく知られる電気化学反応によって熱が生成さ
れ、電解質内の水にとってどのような凝固の問題も防止される。直接不凍液冷却
燃料電池電力設備用の作動装置１０の停止時に、電解質内の相対的に小さな量の
水の一部が、蒸発し、蒸気として隣接する多孔質アノード電極およびカソード電
極拡散および基体層を通って、カソード電極およびアノード電極水移動プレート
７４、６８内へ流入することになり、同時に、不凍液溶液の一部が、蒸発し、電
解質内に残っている溶液の凝固温度を低下させるように、電解質内へ移動するこ
とになり、それによって、さらに、凝固と、後に続く燃料電池１２の始動に必要
な融解とを、最小限に抑える。始動時に、電池のアノード電極およびカソード電
極触媒６４、６６によって吸着される、あるいは、電解質６２に含まれる、どの
ような不凍液溶液も、始動進行時に電池電位によりアノード電極およびカソード
電極触媒において酸化されることになる。
【００８９】
従って、電池のアノード電極およびカソード電極触媒６４、６６と直接連通す
る冷却流体として直接不凍液溶液を使用しても実質的に電池特性を低下させない
という意外な結果を生じるように、直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装
置１０の独特な物理的および化学的特性が、協同するということ、さらに、熱管
理装置５４、水処理装置１８４、直接物質・熱移動装置９６と直接不凍液溶液を
統合することによって、これらの装置の構成要素は、氷点下の温度で電力設備を
作動するのにともなう問題からも保護されるということ、が理解できる。さらに
、入口分岐３０、排気分岐３２、第１および第２の改質器供給分岐１２４、１５
４、を備える分割酸化剤通路２８は、第１および第２の改質器供給分岐１２４、
１５４を通って、燃焼器１２２を通り、さらに改質器１２６内へ、入口分岐３０
および排気分岐３２内の水を導くことによって、適切な還元性流体へ炭化水素燃
料を改質する際に、最少量の自由水で水がバランスして、直接不凍液冷却燃料電
池電力設備用の作動装置１０が作動できるようにする。直接物質・熱移動装置９
６は、装置１０からの水の損失を制限するように作動するとともに、燃料電池１
２から排出される水を、分割酸化剤通路２８を通して装置１０の構成要素内へ戻
すことによって、作動装置１０をさらに維持する。従って、作動装置は、燃料処
理構成要素へ供給するのに必要とされる最少量の自由水で水のバランスをとる電
力設備によって電気エネルギーを発生させるのを維持するようにも、機能する。
る冷却流体として直接不凍液溶液を使用しても実質的に電池特性を低下させない
という意外な結果を生じるように、直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装
置１０の独特な物理的および化学的特性が、協同するということ、さらに、熱管
理装置５４、水処理装置１８４、直接物質・熱移動装置９６と直接不凍液溶液を
統合することによって、これらの装置の構成要素は、氷点下の温度で電力設備を
作動するのにともなう問題からも保護されるということ、が理解できる。さらに
、入口分岐３０、排気分岐３２、第１および第２の改質器供給分岐１２４、１５
４、を備える分割酸化剤通路２８は、第１および第２の改質器供給分岐１２４、
１５４を通って、燃焼器１２２を通り、さらに改質器１２６内へ、入口分岐３０
および排気分岐３２内の水を導くことによって、適切な還元性流体へ炭化水素燃
料を改質する際に、最少量の自由水で水がバランスして、直接不凍液冷却燃料電
池電力設備用の作動装置１０が作動できるようにする。直接物質・熱移動装置９
６は、装置１０からの水の損失を制限するように作動するとともに、燃料電池１
２から排出される水を、分割酸化剤通路２８を通して装置１０の構成要素内へ戻
すことによって、作動装置１０をさらに維持する。従って、作動装置は、燃料処
理構成要素へ供給するのに必要とされる最少量の自由水で水のバランスをとる電
力設備によって電気エネルギーを発生させるのを維持するようにも、機能する。
【００９０】
本発明は、直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置１０の特定の構成に
ついて、説明、例示したが、作動装置は、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、上述した例示的な燃料電池の試験結
果は、ＰＥＭ電解質を使用する電池のためのものであるが、燃料電池１２は、当
業技術において知られる別の電解質を使用できる。さらに、例示的な燃料電池の
図２において例示された実施態様は、アノード電極基体７０とアノード電極触媒
６４との間にアノード電極拡散層７２を示すとともに、カソード電極基体７６と
カソード電極触媒６６との間にカソード電極拡散層７８を示しているが、燃料電
池１２の別の実施態様において、拡散層７２、７８は、削除可能であり、カソー
ド電極基体７６とアノード電極基体７０とは、カソード電極触媒６６とアノード
電極触媒６４とに隣接して、カソード電極触媒６６とアノード電極触媒６４とを
それぞれ保持するように取り付け可能であるということが、理解されるであろう
。また、上述した性能結果を与えるのに使用された試験燃料電池とは異なり、カ
ソード電極拡散層７８とカソード電極基体７６のどちらも防水性にされない可能
性がある。さらに、直接不凍液溶液に必要とされる性質は、約１５０°Ｆにおい
て作動する燃料電池に関して説明されたが、必要とされる性質は、燃料電池１２
の作動温度とは独立していることが、理解されるであろう。さらなる例として、
上述した説明は、周囲圧力付近においてまたは周囲圧力よりわずか上で作動され
る燃料電池に言及するが、本発明の範囲は、より高く加圧される燃料電池への適
用を含む。従って、本発明の範囲を決定するためには、上述した説明よりも、主
として特許請求の範囲を参照すべきである。
ついて、説明、例示したが、作動装置は、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、上述した例示的な燃料電池の試験結
果は、ＰＥＭ電解質を使用する電池のためのものであるが、燃料電池１２は、当
業技術において知られる別の電解質を使用できる。さらに、例示的な燃料電池の
図２において例示された実施態様は、アノード電極基体７０とアノード電極触媒
６４との間にアノード電極拡散層７２を示すとともに、カソード電極基体７６と
カソード電極触媒６６との間にカソード電極拡散層７８を示しているが、燃料電
池１２の別の実施態様において、拡散層７２、７８は、削除可能であり、カソー
ド電極基体７６とアノード電極基体７０とは、カソード電極触媒６６とアノード
電極触媒６４とに隣接して、カソード電極触媒６６とアノード電極触媒６４とを
それぞれ保持するように取り付け可能であるということが、理解されるであろう
。また、上述した性能結果を与えるのに使用された試験燃料電池とは異なり、カ
ソード電極拡散層７８とカソード電極基体７６のどちらも防水性にされない可能
性がある。さらに、直接不凍液溶液に必要とされる性質は、約１５０°Ｆにおい
て作動する燃料電池に関して説明されたが、必要とされる性質は、燃料電池１２
の作動温度とは独立していることが、理解されるであろう。さらなる例として、
上述した説明は、周囲圧力付近においてまたは周囲圧力よりわずか上で作動され
る燃料電池に言及するが、本発明の範囲は、より高く加圧される燃料電池への適
用を含む。従って、本発明の範囲を決定するためには、上述した説明よりも、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る直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置の第
１の実施態様の概略図。
１の実施態様の概略図。
【図２】
本発明の直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置の燃料電池の燃料電池
構成要素の概略部分断面図。
構成要素の概略部分断面図。
【図３】
本発明に従って構成される直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置の第
２の実施態様の概略図。
２の実施態様の概略図。
【図４】
本発明の直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置によるさまざまな酸素
利用率に対してプロットした排気の流れの温度を示すグラフ。
利用率に対してプロットした排気の流れの温度を示すグラフ。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０１Ｍ 8/10 Ｈ０１Ｍ 8/10
(81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，
ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ
Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＡＥ，Ａ
Ｇ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ
，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，
ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ
Ｂ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ
，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，
ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，Ｍ
Ｄ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ
，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，
ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，Ｕ
Ｇ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ
(72)発明者 ヴァンディン，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
(72)発明者 ステインバグラー，マーガレット エム．
アメリカ合衆国，コネチカット，イースト
ウィンザー，グリーンウッド レーン
141
Ｆターム(参考） 5H026 AA06
5H027 AA06 BA01 BA09 BA16 BA17
BA19 BC19 CC06
【要約の続き】
よびアノード電極触媒に接触するように移動するのを最
小限に抑えるとともに、他の設備装置から不凍液溶液が
損失するのを最小限に抑える。
Claims (28)
- 【請求項１】 還元性流体と処理酸化剤の反応物の流れから電気エネルギーを
発生させる直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置であって、 ａ．アノード電極触媒とカソード電極触媒との間に取り付けられた電解質を
含み、還元性流体と処理酸化剤の流れから電気エネルギーを発生させる、少なく
とも１つの燃料電池手段と、 ｂ．燃焼器と改質器手段とを含み、燃焼器は、アノード電極触媒に隣接する
アノード電極の流れの場と燃焼器との間に取り付けられたアノード電極の排気通
路からアノード電極の排気の流れを受け取り、改質器手段は、燃料電池手段と連
通するとともに、還元性流体へ炭化水素燃料を処理および改質する、燃料処理構
成要素手段と、 ｃ．カソード電極触媒と連通するように取り付けられた多孔質水移動プレー
トを含み、電力設備内の温度を制御する熱管理装置手段と、 ｄ．カソード電極触媒を濡らさずかつ電池作動温度において揮発性である、
有機不凍液溶液であって、燃料電池手段を冷却するように熱管理装置を通って流
れる直接不凍液溶液と、 ｅ．燃料電池手段内へさらにそれを通して処理酸化剤の流れを導く分割酸化
剤通路手段であって、燃料処理構成要素手段へ分割酸化剤通路の改質器供給分岐
を導くとともに、分割酸化剤通路の排気分岐を通して設備排気通路内へ処理排気
の流れの排気部分を導く、分割酸化剤通路と、 を含むことを特徴とする作動装置。 - 【請求項２】 直接不凍液溶液は、アルカントリオール直接不凍液溶液である
ことを特徴とする請求項１記載の作動装置。 - 【請求項３】 直接不凍液溶液は、グリセロール、ブタントリオール、ペンタ
ントリオールからなる群より選択されるアルカントリオール直接不凍液溶液であ
ることを特徴とする請求項１記載の作動装置。 - 【請求項４】 直接不凍液溶液は、 ａ． 少なくとも−２９℃の凝固点と、 ｂ． 燃料電池の作動温度において、６０ｄｙｎｅ／ｃｍを超える表面張力
と、 ｃ． 電池作動温度において、０．００５ｍｍＨｇ未満である、溶液上の不
凍液の分圧と、 ｄ． 燃料電池電圧においてアノード電極触媒およびカソード電極触媒によ
り酸化される能力と、 を有する特別な直接不凍液溶液であることを特徴とする請求項１記載の作動装
置。 - 【請求項５】 燃料電池内の反応物の流れが、水移動プレート内の直接不凍液
溶液より、高い圧力となるように、設備は、燃料電池手段を通って流れる反応物
の流れと、多孔質水移動プレートを通って流れる直接不凍液溶液との間に、正の
圧力差を維持する圧力制御手段を含むことを特徴とする請求項１記載の作動装置
。 - 【請求項６】 分割酸化剤通路は、酸化剤入口と燃料電池手段との間の分割酸
化剤通路の入口分岐から燃焼器へ処理酸化剤の流れの第１の改質器供給部分を導
く第１の改質器供給分岐を含むことを特徴とする請求項１記載の作動装置。 - 【請求項７】 分割酸化剤通路は、燃料電池手段と設備排気通路との間の分割
酸化剤通路の排気分岐から燃焼器へ第２の改質器供給部分を導く第２の改質器供
給分岐を含むことを特徴とする請求項６記載の作動装置。 - 【請求項８】 還元性流体と処理酸化剤の反応物の流れから電気エネルギーを
発生させる直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置であって、 ａ．アノード電極触媒とカソード電極触媒との間に取り付けられた電解質を
含み、還元性流体と処理酸化剤の流れから電気エネルギーを発生させる、少なく
とも１つの燃料電池手段と、 ｂ．燃焼器と改質器手段とを含み、燃焼器は、アノード電極触媒に隣接する
アノード電極の流れの場と燃焼器との間に取り付けられたアノード電極の排気通
路からアノード電極の排気の流れを受け取り、改質器手段は、燃料電池手段と連
通するとともに、還元性流体へ炭化水素燃料を処理および改質する、燃料処理構
成要素手段と、 ｃ．カソード電極触媒と連通するように取り付けられた多孔質水移動プレー
トを含み、電力設備内の温度を制御する熱管理装置手段と、 ｄ．カソード電極触媒を濡らさずかつ電池作動温度において揮発性である、
有機不凍液溶液であって、燃料電池手段を冷却するように熱管理装置を通って流
れる直接不凍液溶液と、 ｅ．燃料電池手段内へさらにそれを通して処理酸化剤の流れを導く分割酸化
剤通路手段であって、分割酸化剤通路の改質器供給分岐を通して燃料処理構成要
素手段へ処理酸化剤の流れの改質器供給部分を導くとともに、分割酸化剤通路の
排気分岐を通して設備排気通路内へ処理排気の流れの排気部分を導く、分割酸化
剤通路と、 ｆ．燃料電池手段内へ処理酸化剤の流れを導く酸化剤入口と燃料電池手段か
ら設備排気の流れを導き出す設備排気通路の両方と連通するように取り付けられ
、設備排気の流れから処理酸化剤の流れの中の設備内へ、設備から排出される物
質および熱を直接移動させる直接物質・熱移動装置手段と、を含み、この直接物
質・熱移動装置は、設備排気の流れの中の極性分子からなる極性流体物質を吸着
するとともに処理酸化剤の流れの中へ極性物質を脱着する物質移動媒体手段を含
み、この物質移動媒体手段は、セパレータハウジングによって、酸化剤の流れと
排気の流れとの間で物質が移動するように保持されることを特徴とする作動装置
。 - 【請求項９】 物質移動媒体手段は、熱管理装置手段から液体移動媒体供給ラ
インを通って供給される液体移動媒体として、直接不凍液溶液を含むことを特徴
とする請求項８記載の作動装置。 - 【請求項１０】 水をバランスさせて作動装置を作動させるための最大装置排
気温度は、下記の数式： 【数１】 により決定され、ここで、「ＴＥＸ」は、最大装置排気温度°Ｆであり、「Ｕ
Ｏ2」は、装置空気利用率であり、「ＭＦＷ」は、直接不凍液溶液についての水
のモル分率であることを特徴とする請求項９記載の作動装置。 - 【請求項１１】 直接不凍液溶液は、アルカントリオール直接不凍液溶液であ
ることを特徴とする請求項９記載の作動装置。 - 【請求項１２】 直接不凍液溶液は、グリセロール、ブタントリオール、ペン
タントリオールからなる群より選択されるアルカントリオール直接不凍液溶液で
あることを特徴とする請求項９記載の作動装置。 - 【請求項１３】 直接不凍液溶液は、 ａ． 少なくとも−２９℃の凝固点と、 ｂ． 燃料電池の作動温度において、６０ｄｙｎｅ／ｃｍを超える表面張力
と、 ｃ． 電池作動温度において、０．００５ｍｍＨｇ未満である、溶液上の不
凍液の分圧と、 ｄ． 燃料電池電圧においてアノード電極触媒およびカソード電極触媒によ
り酸化される能力と、 を有する特別な直接不凍液溶液であることを特徴とする請求項９記載の作動装
置。 - 【請求項１４】 燃料電池内の反応物の流れが、水移動プレート内の直接不凍
液溶液より、高い圧力となるように、設備は、燃料電池手段を通って流れる反応
物の流れと、多孔質水移動プレートを通って流れる直接不凍液溶液との間に、正
の圧力差を維持する圧力制御手段を含むことを特徴とする請求項８記載の作動装
置。 - 【請求項１５】 分割酸化剤通路は、酸化剤入口と燃料電池手段との間の分割
酸化剤通路の入口分岐から燃焼器へ処理酸化剤の流れの第１の改質器供給部分を
導く第１の改質器供給分岐を含むことを特徴とする請求項８記載の作動装置。 - 【請求項１６】 分割酸化剤通路は、燃料電池手段と設備排気通路との間の分
割酸化剤通路の排気分岐から燃焼器へ第２の改質器供給部分を導く第２の改質器
供給分岐を含むことを特徴とする請求項１５記載の作動装置。 - 【請求項１７】 還元性流体と処理酸化剤の反応物の流れから電気エネルギー
を発生させる直接不凍液冷却燃料電池電力設備用の作動装置であって、 ａ．アノード電極触媒とカソード電極触媒との間に取り付けられた電解質を
含み、還元性流体と処理酸化剤の流れから電気エネルギーを発生させる、少なく
とも１つの燃料電池手段と、 ｂ．燃焼器と改質器手段とを含み、燃焼器は、アノード電極触媒に隣接する
アノード電極の流れの場と燃焼器との間に取り付けられたアノード電極の排気通
路からアノード電極の排気の流れを受け取り、改質器手段は、燃料電池手段と連
通するとともに、還元性流体へ炭化水素燃料を処理および改質する、燃料処理構
成要素手段と、 ｃ．カソード電極触媒と連通するように取り付けられた多孔質水移動プレー
トを含み、電力設備内の温度を制御する熱管理装置手段と、 ｄ．カソード電極触媒を濡らさずかつ電池作動温度において揮発性である、
有機不凍液溶液であって、燃料電池手段を冷却するように熱管理装置を通って流
れる直接不凍液溶液冷却流体と、 ｅ．燃料電池手段内へさらにそれを通して処理酸化剤の流れを導く分割酸化
剤通路手段であって、分割酸化剤通路の改質器供給分岐を通して燃料処理構成要
素手段へ処理酸化剤の流れの改質器供給部分を導くとともに、分割酸化剤通路の
排気分岐を通して設備排気通路内へ処理排気の流れの排気部分を導く、分割酸化
剤通路と、 ｆ．燃料処理構成要素手段の選択的酸化器により加熱された改質された燃料
と熱交換するように取り付けられた熱交換器を含み、改質された燃料から熱を除
去するように熱交換器を通して第２の冷却流体を流す、燃料処理熱交換ループ手
段と、 を含むことを特徴とする作動装置。 - 【請求項１８】 燃料処理熱交換ループ手段は、直接不凍液溶液冷却流体と熱
交換するように第２の冷却流体を導く熱管理装置手段と熱交換するように取り付
けられた冷媒−冷媒熱交換器を、さらに含むことを特徴とする請求項１７記載の
作動装置。 - 【請求項１９】 直接不凍液溶液は、アルカントリオール直接不凍液溶液であ
ることを特徴とする請求項１７記載の作動装置。 - 【請求項２０】 直接不凍液溶液は、グリセロール、ブタントリオール、ペン
タントリオールからなる群より選択されるアルカントリオール直接不凍液溶液で
あることを特徴とする請求項１７記載の作動装置。 - 【請求項２１】 直接不凍液溶液は、 ａ． 少なくとも−２９℃の凝固点と、 ｂ． 燃料電池の作動温度において、６０ｄｙｎｅ／ｃｍを超える表面張力
と、 ｃ． 電池作動温度において、０．００５ｍｍＨｇ未満である、溶液上の不
凍液の分圧と、 ｄ． 燃料電池電圧においてアノード電極触媒およびカソード電極触媒によ
り酸化される能力と、 を有する特別な直接不凍液溶液であることを特徴とする請求項１７記載の作動
装置。 - 【請求項２２】 燃料電池内の反応物の流れが、水移動プレート内の直接不凍
液溶液より、高い圧力となるように、設備は、燃料電池手段を通って流れる反応
物の流れと、多孔質水移動プレートを通って流れる直接不凍液溶液との間に、正
の圧力差を維持する圧力制御手段を含むことを特徴とする請求項１７記載の作動
装置。 - 【請求項２３】 分割酸化剤通路は、酸化剤入口と燃料電池手段との間の分割
酸化剤通路の入口分岐から燃焼器へ処理酸化剤の流れの第１の改質器供給部分を
導く第１の改質器供給分岐を含むことを特徴とする請求項１７記載の作動装置。 - 【請求項２４】 分割酸化剤通路は、燃料電池手段と設備排気通路との間の分
割酸化剤通路の排気分岐から燃焼器へ第２の改質器供給部分を導く第２の改質器
供給分岐を含むことを特徴とする請求項２３記載の作動装置。 - 【請求項２５】 作動装置は、燃料電池手段内へ処理酸化剤の流れを導く酸化
剤入口と燃料電池手段から設備排気の流れを導き出す設備排気通路の両方と連通
するように取り付けられ、設備排気の流れから処理酸化剤の流れの中の設備内へ
、設備から排出される物質および熱を直接移動させる直接物質・熱移動装置手段
を、さらに含み、この直接物質・熱移動装置は、設備排気の流れの中の極性分子
からなる極性流体物質を吸着するとともに処理酸化剤の流れの中へ極性物質を脱
着する物質移動媒体手段を含み、この物質移動媒体手段は、セパレータハウジン
グによって、酸化剤の流れと排気の流れとの間で物質が移動するように保持され
ることを特徴とする請求項１７記載の作動装置。 - 【請求項２６】 物質移動媒体手段は、熱管理装置手段から液体移動媒体供給
ラインを通って供給される液体移動媒体として、直接不凍液溶液を含むことを特
徴とする請求項２５記載の作動装置。 - 【請求項２７】 物質移動媒体手段は、液体移動媒体を保持するように０．１
〜１００μｍの間の範囲の細孔径を有する親水性の細孔を規定する保持マトリッ
クス手段を含むことを特徴とする請求項２５記載の作動装置。 - 【請求項２８】 作動装置は、脱塩装置を通して直接不凍液溶液を流すように
熱管理装置に取り付けられた脱塩装置供給ラインおよび戻りラインを通して熱管
理装置と連通するように取り付けられた脱塩装置を有するとともに直接不凍液溶
液を処理する水処理装置手段を、さらに含み、この水処理装置手段は、燃料電池
内へ処理酸化剤を導く酸化剤入口と熱管理装置との間で物質が移動するように取
り付けられるとともに直接不凍液溶液に溶解している汚染物質を除去する脱気装
置手段を、さらに含むことを特徴とする請求項１７記載の作動装置。
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