JP2005501388A

JP2005501388A - 耐凍結性燃料電池発電装置

Info

Publication number: JP2005501388A
Application number: JP2003523048A
Authority: JP
Inventors: グラッソ，アルバート，ピー．; コンディット，デーヴィッド，エー．; ペリー，マイケル，エル．; ブレオールト，リチャード，ディー．
Original assignee: ユーティーシーフューエルセルズ，エルエルシー
Priority date: 2001-08-22
Filing date: 2002-08-14
Publication date: 2005-01-13
Also published as: US20030039872A1; DE10296852T5; US6562503B2; WO2003019709A1

Abstract

本発明は少なくとも一つの燃料電池（１２’）と燃料電池（１２’）に取り付けられた水輸送プレート（５０’）を含む耐凍結性燃料電池発電装置（２００）である。水輸送プレート（５０’）はこれに冷却水を通過させるための冷却液入口（２０２）および冷却液出口（２０４）を有する。吸引式水置換システム（２０６）は冷却液入口（２０２）に取り付けられた耐凍結性アキュムレータ（７８’）および冷却液出口（２０４）に取り付けられた真空分離器（２１０）を含む。吸引力発生用エダクター（２１２）が分離器（２１０）に取り付けられている。制御バルブ（２２２）、（２２４）および冷却液ポンプ（２１４）が選択的に、冷却水、加熱された、または加熱されない水非混和性液体をアキュムレータ（７８’）から、冷却液入口（２０２）、水輸送プレート（５０’）、冷却液出口（２０４）、および真空分離器（２１０）を通してアキュムレータ（７８’）に戻るように循環させ、これによって装置（２００）の氷点下の環境温度での作動および保存を可能にする。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は輸送用車輌、可搬式発電装置、または定置式発電装置に用いるのに適した燃料電池発電装置に関し、特に本発明は燃料電池および装置の冷却液ループ内の冷却水を置換するための低い凍結温度を有する水非混和性液体を用いる燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
（関連出願の相互参照）
本出願は２００１年８月２２日に出願された同じ題名を有する係属中の米国特許出願第０９／９３５，２５４号の一部継続出願である。
【背景技術】
【０００３】
燃料電池発電装置はよく知られており、酸化性および還元性の流体から電気エネルギーを発生して宇宙船搭載機器などの電気機器に電力供給するために一般に用いられている。このような発電装置においては、複数の平たい燃料電池が通常スタック状に配置され、このスタックを電気絶縁性のフレーム構造が取り囲んでおり、該フレームが還元性、酸化性、冷却用、および生成流体の流れを通すマニホールドを画定している。各々の個別の電池は一般に電解質で隔てられたアノード電極およびカソード電極を含む。水素などの反応性ないし還元性の流体がアノード電極に供給され、酸素または空気などの酸化剤がカソード電極に供給される。プロトン交換膜（「ＰＥＭ」）を電解質として利用する電池においては、水素はアノード電極の表面で電気化学的に反応して水素イオンおよび電子を発生する。電子は外部の負荷回路に導かれた後カソード電極に戻され、水素イオンは電解質を通ってカソード電極に移動し、ここで酸化剤および電子と反応して水を発生し、熱エネルギーを解放する。
【０００４】
ＰＥＭ電池は重要な利点を有する一方、重大な限界を有することも知られている。限界は特に液体の水をＰＥＭに輸送してこれを通過させ、さらにはＰＥＭから排出することに関連している。このような燃料電池を輸送用車輌に電力供給するのに用いるときは、水の取り扱いに関連するさらなる問題が生じる。その問題は例えば生成水および／または冷却水流体が凍結するときの機械的な損傷を防ぐこと、あるいは燃料電池で駆動される車輌が氷点下の条件で停止されても、始動時に凍結した水を急速に融解させること、などである。
【０００５】
したがって、氷点下の条件で停止することが可能であり、凍結による機械的な損傷を起こさず、また燃料電池で生成した水が有孔性の水輸送プレート内で除去されるように、冷却用不凍液をカソード電極およびアノード電極から隔離して密封された冷却液システム中で用いる必要がない、燃料電池が求められている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は耐凍結性燃料電池発電装置に関するものであり、該発電装置は還元性流体とプロセス酸化剤流から電流を発生するための少なくとも一つの燃料電池と、冷却水を冷却液通路、燃料電池内の水輸送プレート、および冷却液熱交換器を通して送り、燃料電池へと戻すための冷却液ポンプを有する冷却液ループと、水非混和性液体と冷却水とを収容する開放チューブ型アキュムレータを有し、かつ水非混和性液体をアキュムレータの排出口から水非混和性液体供給配管を通して送り、かくして冷却液ループ内の冷却水を置換するための水非混和性液体ポンプを有する水置換システムと、を有する。水置換システムにはさらに水非混和性液体供給配管に取り付けられて供給配管を通る水非混和性液体を加熱するためのヒーターと、冷却液ループとアキュムレータ入口との間に取り付けられて冷却水および／または水非混和性液体を冷却液ループから液抜きしてアキュムレータに入れるための冷却液ループ液抜き配管を含む。システムはさらに置換バルブを含み、これは選択的に水非混和性液体をアキュムレータから冷却液ループに流入させ、選択的に冷却水をアキュムレータに流入させ、かつ選択的に供給配管からの加熱された水非混和性液体をアキュムレータに戻し、かくしてアキュムレータ内の冷却水を加熱する。水置換システムはさらにヒーターの下流で供給配管とアキュムレータ入口との間に取り付けられて加熱された水非混和性液体をアキュムレータ入口に送る水非混和性液体環流配管を有してもよい。
【０００７】
開放チューブ式アキュムレータは熱交換器として設計された複数の開放されたプラスチックチューブを含む。液相の冷却水が開放されたプラスチックチューブの外面を取り囲んでおり、発電装置の長期間の停止中にアキュムレータ内の冷却水が凍結したときにプラスチックチューブが変型して水の凍結による体積増加を吸収し、かくしてアキュムレータの機械的損傷を防ぐ。長期間停止後の始動に際しては、水非混和性液体環流配管が加熱された水非混和性液体をアキュムレータの排出口およびヒーターからアキュムレータの入口へ送り、かくして加熱された水非混和性液体が開放チューブを流れて冷却水を融解する。
【０００８】
好ましい実施例においは、水非混和性液体はペルフルオロカーボン、ヒドロフルオロエーテル、アルカン、アルケン、およびアルキンからなる群から選ばれる。水非混和性液体の例はオクタン、ノナン、デカン、およびこれらの混合物などの直鎖アルカンを含む。水非混和性液体は水の密度よりも大きい、または小さい密度を有してよい。水非混和性液体の水に対する好ましい密度差はプラスまたはマイナス０．２グラム毎立方センチメートルである。
【０００９】
通常運転時の耐凍結性燃料電池発電装置の使用に際しては、水非混和性液体は開放チューブ型アキュムレータ内に留まってアキュムレータ内の冷却水から隔離されており、冷却水は燃料電池および冷却液熱交換器を通って循環して燃料電池内を最適温度範囲に保つ。燃料電池発電装置が短期間停止のために停止されたときは、置換バルブが作動して冷却水をアキュムレータ中に流入させ、水非混和性液体ポンプが水非混和性液体を冷却液ループ中に送って冷却水を置換する。加熱された水非混和性液体を燃料電池に供給して燃料電池温度を最低レベルより上に保つために、水非混和性ポンプとともにヒーターが用いられてもよい。所望の温度に達したならば、水非混和性液体はアキュムレータに戻される。このような短期間停止の後に燃料電池発電装置を運転状態に復帰させるには、冷却液ポンプを用いて冷却水をアキュムレータから冷却液ループに送る。
【００１０】
長期間停止に際しては、同様な手順が置換バルブによって実施される。すなわち、冷却水をアキュムレータに送り、水非混和性液体を冷却液ループに送って冷却水を置換し、次いで水非混和性液体を液抜きしてアキュムレータに入れる。水非混和性液体による周期的な加熱は行われず、アキュムレータおよび／または燃料電池構成部品の小孔内の冷却水は凍結するにまかされる。長期間停止後に発電装置を始動するには、置換バルブは先ず水非混和性液体をアキュムレータ排出口からヒーターおよび環流配管を通してアキュムレータに送って、アキュムレータの開放チューブを流過させ、かくして凍結した冷却水を融解する。次いで置換バルブは加熱された水非混和性液体を冷却液ループに通過させ、水輸送プレートおよびその他の燃料電池構成部品内の氷を融解する。次いで水非混和性液体はアキュムレータ中に戻され、冷却水が冷却液ループに送られ、かくして燃料電池は電流の発生を開始することができる。
【００１１】
冷却液ループはまた反応剤ガスを冷却液ループから外に出すためのガス分離器を含んでもよく、ガス分離器は発電装置がその利用する水よりも多くの水を発生しているとき、すなわちプラスの水バランスと呼ばれる状態にあるときに、余剰生成水をアキュムレータに送る溢流配管を含んでもよい。発電装置がマイナスの水バランスにある場合は、冷却液ループ内の冷却水を補うために水がアキュムレータから送られてもよい。
【００１２】
耐凍結性燃料電池発電装置の別の実施例は一つだけのポンプを用いており、水輸送プレートに部分真空を加えるための吸引力発生用エダクターを含む。別の実施例は類似の燃料電池と、冷却水を水輸送プレートに通過させるための冷却液入口および冷却液出口を有する水輸送プレートを含む。別の実施例はまた吸引式水置換システムを含む。このシステムにおいて耐凍結性アキュムレータは冷却液入口に取り付けられており、同様に冷却水と水非混和性液体の両方を貯蔵する。真空分離器が冷却液出口に取り付けられ、吸引力発生用エダクターが真空分離器に取り付けられ、かくして分離器、冷却液出口、水輸送プレート、および冷却液入口に部分真空を及ぼす。冷却液ポンプが分離器排出口およびエダクターと流体連通関係に取り付けられており、したがって冷却液ポンプによってエダクターを通して圧送された液体は分離器および水輸送プレート内に部分真空を発生させる。アキュムレータ供給配管がエダクターおよび耐凍結性アキュムレータと流体連通関係に取り付けられ、水非混和性液体排出配管が耐凍結性アキュムレータの水非混和性液体排出口と分離器排出口との間に取り付けられている。水非混和性液体排出口または排出配管にヒーターが取り付けられてもよい。ポンプ制御バルブが分離器排出口、水非混和性液体排出配管、および冷却液ポンプと流体連通関係に取り付けられており、選択的に分離器またはアキュムレータからの液体を冷却液ポンプに流入させる。冷却液入口制御バルブがアキュムレータの水非混和性液体排出口、アキュムレータの冷却水排出口、および冷却液入口と流体連通関係に取り付けられており、選択的に水非混和性液体または冷却水をアキュムレータから冷却液入口に流入させる。
【００１３】
別の実施例の耐凍結性燃料電池発電装置の使用に際しては、開放チューブ型アキュムレータは前述と同様に作用する。アキュムレータ内の冷却水が凍結している長期間停止から発電装置を始動させる場合は、ヒーターが作動され、ポンプ制御バルブが、加熱された水非混和性液体をアキュムレータから水非混和性液体排出配管を通して冷却液ポンプに流入させるように制御される。次いで冷却液ポンプが加熱された水非混和性液体を圧送してエダクターを流過させ、これによって分離器、冷却液出口、水輸送プレート、および冷却液入口に部分真空を発生させる。次いでアキュムレータ供給配管が加熱された水非混和性液体を耐凍結性アキュムレータの入口に送り返し、かくして加熱された液体がアキュムレータ内に貯蔵されている凍結した冷却水を融かし始める。冷却液入口バルブが加熱された水非混和性液体を冷却液入口に流入させるように制御されると、部分真空が水非混和性液体を吸引して水輸送プレートに流入および通過させ、かくして燃料電池および水輸送プレートを暖め始める。水輸送プレートおよび分離器が充満したならばポンプ制御バルブは加熱された水非混和性液体をアキュムレータから冷却液ポンプに送るのを止め、その代わりに分離器内に集められた水非混和性液体を冷却液ポンプを通して流し、水非混和性液体は冷却液ポンプからアキュムレータ、ヒーター、冷却液入口制御バルブ、冷却液入口、水輸送プレート、冷却液出口、および分離器を通って循環し続ける。この期間中に、反応剤流が燃料電池を流過可能であれば、燃料電池は限定的に作動されてもよい。
【００１４】
燃料電池が所望の作動温度に達し、耐凍結性アキュムレータ内の冷却水が融解したならば、冷却液入口制御バルブは水非混和性液体をアキュムレータから送るのを止め、その代わりに融解した冷却水をバルブを通して冷却液入口に流入させるように制御される。このときはヒーターは切られてよい。
【００１５】
かくして耐凍結性燃料電池発電装置は定常運転に入り、冷却水はアキュムレータから冷却液入口、水輸送プレート、冷却液出口、分離器、冷却液ポンプ、およびアキュムレータ供給配管を通ってアキュムレータに戻るように循環を続ける。エダクターが分離器、冷却液出口、および水輸送プレートに定常的に部分真空を発生させるので、水非混和性液体または冷却水はアキュムレータから水輸送プレートおよび分離器中に吸引される。氷点下の環境で燃料電池発電装置を停止するときは、冷却液ポンプは送りを止めるように制御され、アキュムレータは水輸送プレートおよび冷却液入口から重力によって流下する冷却水を受け入れるような位置にあってよい。次いで前述と同様に、ただしヒーターを用いることなく、水非混和性液体がアキュムレータから循環されてよく、かくして耐凍結性の水非混和性液体が水輸送プレート、分離器、冷却液ポンプ、およびアキュムレータ供給配管に残っている冷却水を置換する。この段階で全ての冷却水は耐凍結性アキュムレータ中にあり、凍結温度の低い水非混和性液体のみが水輸送プレートの重力流下に無関係の部分、および分離器、分離器排出配管、および冷却液ポンプ内に残る。次いで冷却液ポンプは停止される。冷却液ポンプもまたアキュムレータに関して、重力によって自動的に呼び水されるような位置にあってよい。このようにして別の実施例は効果的な耐凍結性燃料電池発電装置を提供する。
【００１６】
したがって本発明の一般的な目的は先行技術の欠点を克服する耐凍結性燃料電池発電装置を提供することである。
【００１７】
本発明の特別な目的は、一つだけの冷却液ポンプと二つだけの制御バルブとで作動する耐凍結性燃料電池発電装置を提供することである。
【００１８】
本発明の他の目的は、短期間の停止の後に急速に始動することのできる耐凍結性燃料電池発電装置を提供することである。
【００１９】
本発明の耐凍結性燃料電池発電装置のこれらとその他の目的および利点は付属の図面を参照しつつ以下の説明を読むならばさらに容易に明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図面を詳細に参照すれば、図１に本発明の耐凍結性燃料電池発電装置が示されており、全体的に参照符号１０を付されている。発電装置１０は例えば燃料電池１２のような、還元性流体とプロセス酸化剤流とから電流を発生するための電流発生用燃料電池手段を含む。燃料電池１２はプロトン交換膜などの電解質１４、電解質１４の両側に取り付けられたアノード触媒１６およびカソード触媒１８、アノード触媒１６に隣接して画定されたアノード流れ場２０、およびカソード触媒１８に隣接して画定されたカソード流れ場２２を含む。当業界周知のように、燃料電池１２は他の実質的に同一の燃料電池（図示せず）と組み合わされて電池スタックアッセンブリを形成してもよく、これは反応剤流をスタックを通して流すためのマニホールドを含んでもよい。酸化剤供給源２４（図１では簡単に「酸化剤」と記してある）が空気などの酸化剤を酸化剤入口２６を通してカソード流れ場２２に送っており、かくしてカソード流れ場２２は酸化剤をカソード触媒１８を通して流れさせる。カソード排出口３０が酸化剤を燃料電池１２からのカソード排気流として送り出しており、このカソード排気流は例えば本発明の全権利の譲受人に２０００年４月１１日に与えられた米国特許第６，０４８，３８３号などで当業界周知のように、物質および熱交換のために処理されてもよい。酸化剤をカソード流れ場２２に供給するために、酸化剤ブロワー３２が酸化剤入口２６に置かれてもよい。還元性流体燃料源３４（図１では簡単に「燃料」と記してある）が水素ガスなどの還元性流体を還元性流体入口３６を通してアノード流れ場２０に送っており、アノード流れ場は還元性流体を隣接するアノード触媒１６を通して流れさせて、当業界周知のように電流を発生させる。次いで還元性流体はアノード排気流としてアノード流れ場２０からアノード排気通路３８に流入し、アノード排気通路はアノード排気流をアノード排出口４０から燃料電池１２の外部に送り出す。未使用の還元性流体を利用するため、および／または、アノード排気流中の水蒸気を環流するために、アノード排気環流バルブ４２が、アノード排気の全体または一部をアノード排気通路３８からアノード排気環流配管４４、およびアノード環流ブロワー４６を通して還元性流体入口３６に送り返してもよい。
【００２１】
耐凍結性燃料電池発電装置１０はまた一次冷却液ループ４８を含み、これは燃料電池１２のカソード流れ場２２に隣接して取り付けられた水輸送プレート５０を有する（ここでは、「一次冷却液ループ４８」は場合により「冷却液ループ４８」と呼ばれる。）。水輸送プレート５０はカソード触媒１８で発生した生成水が有孔性プレート５０を通って燃料電池１２の外部に出る動きを容易にするような、当業界周知の有孔性プレートであってよい。冷却液ループ４８はまた冷却液排出通路５４と冷却液供給通路５６の間に取り付けられた冷却液ポンプ５２を含み、該ポンプは冷却水を冷却液供給通路５６、ガス分離器５８、および冷却液供給通路５６の第一の延長部６２を通して冷却液熱交換器６４へ送り、この際ガス分離器において残りの反応剤ガスがガス配管６０およびガス排出バルブ６１を通して発電装置の外部に出される。次いで冷却水は冷却液供給通路５６の第二の延長部６６および冷却液供給通路５６の第三の延長部６７を通って水輸送プレート５０に戻る。冷却液ポンプ５２は冷却用の液体を冷却液ループ４８を通して循環するための、当業界公知の任意の標準型の圧送または循環機器であってよい。したがって、冷却液ポンプまたは他の任意の循環機器は、ここでは冷却液ループ４８に冷却水を循環するための冷却液循環手段と呼ぶことができる。
【００２２】
冷却液熱交換器６４は冷却水から熱を除去するための、当業界周知の任意の標準型の熱交換手段であってよく、例えば二次冷却液ループ６８の構成部品でもある液−液冷却液熱交換器６４でもよい。二次冷却液ループ６８は冷却水から熱を除去するために、例えばエチレングリコール水、プロピレングリコール水などの従来の不凍液のような二次冷却液を、二次冷却液通路６９、二次冷却液ポンプ７０、二次冷却液ラジェーター７２、および冷却液熱交換器６４を通して循環させる。前記ラジェーターに近接してファン７４があり、従来の自動車ラジェーターのように環境空気をラジェーター７２に通して二次冷却液を冷却する。周知のように従来の不凍液はアノードおよびカソード触媒１６、１８を被毒させるが、このような従来の不凍液を密封された二次冷却液ループ６８の内部で使用することによって、触媒はこれらの従来の不凍液への露出から保護される。有孔性の水輸送プレート５０を含む一次冷却液ループ４８を通って循環する冷却水は基本的に水からなり、これがアノードおよびカソード触媒１６、１８を被毒させることはあり得ない。冷却液ループ４８はまた当業界周知の標準型マニホールド（図示せず）を有し、これによって冷却水を燃料電池１２、および燃料電池１２を含むなんらかの燃料電池スタックアッセンブリに通している。耐凍結性燃料電池発電装置１０はまた、冷却液ループ４８内の冷却水を水非混和性液体で置換するための水置換システム７６を含む。水置換システム７６は開放チューブ型アキュムレータ７８を含んでもよく、これは水非混和性液体８０およびこれとバッフル８４で隔てられた冷却水８２の両方を収容する。水非混和性液体供給配管８６はアキュムレータ７８の水非混和性液体排出口８８に取り付けられていて水非混和性液体ポンプ９０と流体連通関係にあり、該ポンプは水非混和性液体をアキュムレータ７８から排出口８８、供給配管８６、および供給配管８６の延長部９２を通して、例えば図１に示されるように冷却液供給通路５６の第三の延長部６７において、一次冷却液ループ４８に送り込んでいる。水非混和性液体ポンプ９０は水非混和性液体をアキュムレータから水非混和性液体供給配管８６を通して循環することのできる当業界公知の任意のポンプまたは循環機器であってよい。したがって水非混和性液体ポンプ９０または循環機器はここでは水非混和性液体を循環するための水非混和性液体循環手段と呼ぶことができる。アキュムレータ７８の排出口８８は図１に示されるようにアキュムレータ７８内の水非混和性液体８０に隣接してアキュムレータ７８に取り付けられている。ヒーター９４が水置換システム７６内で水非混和性液体８０と熱交換関係に取り付けられており、例えば図１では水非混和性液体供給配管８６に取り付けられている。ヒーターは流体を加熱するための任意の従来のヒーターであってよく、アキュムレータ７６内の電気ヒーターを含む。あるいはヒーター９４のように、燃料を還元性流体燃料貯蔵源３４からヒーター燃料供給配管９６、およびヒーター燃料供給バルブ９８を通して受け入れ、かつ空気などの酸化剤を例えば第二の酸化剤貯蔵源１００および第二の酸化剤ブロワー１０２からヒーター酸化剤供給配管１０４を通して受け入れてもよい。水置換システム７６はまた一次冷却液ループ４８および開放チューブ型アキュムレータ７８の冷却水液抜き入口１０８の間に取り付けられた冷却液ループ液抜き配管１０６を含み、冷却水液抜き入口１０８は図１に示されるようにアキュムレータ７８内の冷却水８２に隣接してアキュムレータ７８に取り付けられている。
【００２３】
水置換システム７６はまたヒーター９４の下流で水非混和性供給配管８６と開放チューブ型アキュムレータ７８の水非混和性液体入口１１２の間に取り付けられた水非混和性液体環流配管１１０を含んでもよく、これは加熱された水非混和性液体を水非混和性液体入口１１２を通してヘッダー１１６の冷却水側１１８の反対側にあるヘッダー１１６の水非混和性液体側１１４に送るためのものである。図１に示されるようにヘッダー１１６の冷却水側１１８はアキュムレータ７８内の冷却水８２と対向かつ隣接しており、これと反対側のヘッダーの水非混和性液体側１１４は水非混和性液体入口１１２に面している。
【００２４】
図１から最もよくわかるように、開放チューブ型アキュムレータ７６はヘッダー１１６に取り付けられた複数の開放チューブ１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄ、１２０Ｅを含んでおり、これらは水非混和性液体入口１１２からアキュムレータ７８の、冷却水８２および水非混和性液体８０を貯蔵する貯蔵領域に向かって伸びている。図２からわかるように追加の開放チューブ１２０Ｆ、１２０Ｇ、１２０Ｈ、１２０Ｉ、１２０Ｊ、１２０Ｋ、１２０Ｌがヘッダー１１６に取り付けられている。開放チューブ１２０Ａ−１２０Ｌは冷却水８２と水非混和性液体８０の間に取り付けられたバッフル８４を通過する。図３に示されるようにバッフル８４は複数の液抜き孔１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄ、１２２Ｅ、１２２Ｆ、１２２Ｇ、１２２Ｈ、１２２Ｉ（図３では開放チューブ１２０Ａ−１２０Ｌとの区別の便のため各液抜き孔に交差線を付してある）。液抜き孔１２２Ａ−１２２Ｉは冷却水８２および水非混和性液体８０がバッフル８４を通して移動できるようにしている。
【００２５】
水非混和性液体環流配管１１０が水非混和性液体の一部をヘッダー１１６の近傍の水非混和性液体入口１１２に流入させると、水非混和性液体は開放チューブ１２０Ａ−１２０Ｌ中を流れ、バッフル８４の上部に貯蔵された冷却水８２と混じることなくアキュムレータ７８に貯蔵された冷却水８２を通過する。したがって水非混和性液体がヒーター９４またはその他の手段で加熱されるならば、開放チューブ１２０Ａ−１２０Ｌを流過する水非混和性液体はアキュムレータ７８内の凍結した冷却水を加熱して融解する。開放チューブ１２０Ａ−１２０Ｌはプラスチックなどの弾性変型可能の材料で構成されるので、冷却水８２が凍っても、プラスチックの開放チューブが変型して凍結した冷却水８２の体積増加を吸収し、したがって氷点下の条件で燃料電池発電装置１０を長期間停止しても、その間にアキュムレータ７８に機械的損傷が生じることがない。アキュムレータ７８内の水非混和性液体８０は冷却水８２より密度が高いので水非混和性液体排出口８８に向かって移動し、冷却水は水非混和性液体８０と分かれて冷却水液抜き入口１０８に向かって移動する。バッフル８４の開放された液抜き孔１２２Ａ−１２２Ｉは水非混和性液体８０および冷却水８２を開放チューブ型アキュムレータ７８内で移動させる役目をする。しかしながら水置換システム７６は、燃料電池１２が正常運転にあり、水非混和性液体８０がアキュムレータ７８内に留まっている状態において、水非混和性液体が水非混和性液体排出口８８からバッフル８４までを占めるように寸法を決められてよい。
【００２６】
また冷却水溢流配管１２４がガス分離器５８と開放チューブ型アキュムレータ７８の溢流入口１２６との間に伸びていてもよい。溢流入口はヘッダー１１６の冷却水側１１８とバッフル８４との間でアキュムレータ７８に取り付けられており、したがって燃料電池１２で発生して有孔性の水輸送プレート５０を通って冷却液ループ４８に流入する生成水などの余剰水が分離器５８から溢流して、冷却液溢流配管１２４および溢流入口１２６を通ってアキュムレータ７８内の冷却水８２に流入することができる。溢流入口１２６をヘッダー１１６の冷却水側１１８とバッフル８４との間に位置させることによって、余剰の冷却水が開放チューブ１２０Ａ−１２０Ｌに流入することがなく、したがってアキュムレータ７８内の水非混和性液体８０との混合が押さえられる。アキュムレータ７８はまたヘッダーの冷却水側１１８の近傍に取り付けられた排気口１２７を含み、これは冷却水および／または空気の溢流がアキュムレータ７８から出るのを許し、また空気がアキュムレータ７８に流入するのを許している。
【００２７】
上述の、また図１に示されるアキュムレータ７８は、水非混和性液体が冷却水よりも密度が高いものとして説明されている。しかしながら水非混和性液体は冷却水よりも低い密度を有してもよい。水よりも密度が低い水非混和性液体を用いるためには、アキュムレータ７８に、および水非混和性液体排出口８８、冷却水液抜き入口１０８、等の位置に、適当な変更がなされる。水非混和性液体は水の密度よりも高い、または低い密度を有してよく、水非混和性液体の水に対する好ましい密度差はプラスマイナス０．２グラム毎立方センチメートルである。
【００２８】
この耐凍結性燃料電池発電装置１０の範囲は、前述の好ましい実施例において開放チューブ型アキュムレータ７８を包含しているが、別の実施例は冷却水および水非混和性液体を凍結に耐えるように貯蔵できる当業界公知の任意の耐凍結性冷却水および水非混和性液体アキュムレータを包含し得ることは理解されるべきである。本発明の範囲は特に発電装置の停止期間中に冷却液ループ内の冷却水を水非混和性液体で置換することを包含しており、したがって冷却水および水非混和性液体はここでは冷却水および水非混和性液体を貯蔵するための耐凍結性アキュムレータ手段として説明されるものに貯蔵される。好ましい実施例は開放チューブ型アキュムレータ７８を含む。また発明の範囲は前述のヒーター９４を含む実施例、およびまたヒーター９４を含まない実施例を包含することに留意するべきである。ヒーター９４はここで説明した特定の実施例には有用であるが、冷却水を置換して耐凍結性アキュムレータ手段に送ることによって凍結保護を行う水置換システム７６を要するのみであり、発電装置１０の始動のためにヒーター９４を必要としないような、耐凍結性燃料電池発電装置１０の特定の実施例もまた発明の範囲内である。
【００２９】
水置換システム７６はまた液置換制御バルブ手段を含み、これは選択的に水非混和性液体を開放チューブ型アキュムレータ７８から一次冷却液ループ４８に流入させ、選択的に冷却液ループ４８内の冷却水をアキュムレータ７８に流入させ、さらには選択的に、加熱された水非混和性液体を水非混和性液体排出口８８の近傍からアキュムレータ７８の水非混和性液体入口１１２に流入させ、かくしてアキュムレータ７８内の冷却水を加熱する。液置換制御バルブ手段は図１に示されるように、冷却液ポンプ５２と水輸送プレート５０の間で、例えば冷却液供給通路５６の第二の延長部６６に取り付けられた冷却液循環バルブ１２８；アキュムレータ７８内の冷却水８２と水輸送プレート５０の間で、例えば冷却液ループ液抜き配管１０６に取り付けられた冷却水供給バルブ１３０；アキュムレータ７８の冷却水入口１０８と水輸送プレート５０の間で、例えば冷却液供給通路５６の第三の延長部６７に取り付けられた冷却液液抜きバルブ１３２；アキュムレータの水非混和性液体排出口８８と水輸送プレート５０の間で、例えば水非混和性液体供給配管８６の第一の延長部９２に取り付けられた水非混和性液体供給バルブ１３４；およびヒーター手段９４とアキュムレータ７８の水非混和性液体入口１１２の間で、例えば水非混和性液体環流配管１１０に取り付けられた水非混和性液体環流バルブ１３６、を含んでよい。またブローダウン液抜きバルブ１３８がバッフル８４の近傍かつバッフル８４とヘッダー１１６の間でアキュムレータ７８に取り付けられて、例えば燃料電池１２が発電装置１０が必要とするより多くの水を発生しているとき、すなわち燃料電池発電装置１０がプラスの水バランスと呼ばれる状態で作動しているときに、選択的にアキュムレータ７８から冷却水８２の液抜きを行ってもよい。
【００３０】
耐凍結性燃料電池発電装置１０が正常に作動しているときは、冷却液循環バルブ１２８は開いており、冷却水供給バルブ１３０は閉じており、冷却液液抜きバルブ１３２は開いており、水非混和性液体供給バルブ１３４は閉じており、したがって水非混和性液体８０は開放チューブ型アキュムレータ７８内に留まる一方、冷却水は一次冷却液ループ４８を通って循環している。発電装置作動時に、冷却液供給通路５６、すなわち冷却液供給通路５６の第一、第二、または第三の延長部６２、６６、６７を通る冷却水の流通を制限し、かくして水輸送プレート５０内の冷却水をカソード流れ場２２を通るプロセス酸化剤流の圧力より低く保つために、冷却液循環バルブ１２８または冷却液液抜きバルブ１３２もまた制御されてよいことに留意すべきである。装置１０がプラスの水バランスを保って作動しているならば、冷却液ループ４８から冷却液溢流配管１２４を通ってアキュムレータに流入する余剰生成水は、アキュムレータ７８の排気口１２７、またはブローダウン液抜きバルブ１３８および液抜き口１４０を通って装置１０から外部へ溢流することができる。
【００３１】
耐凍結性燃料電池発電装置１０が短期間保存のために停止される場合、例えば装置１０を電力源とし、氷点下の環境温度で運用されている輸送用車両が一晩保存されるような場合は、まず冷却水供給バルブ１３０が開かれ、冷却液ループ４８内の冷却水が液抜きされてアキュムレータ７８に入る。次いで冷却液ポンプ５２が停止され、冷却水供給バルブ１３０が閉じられ、冷却液液抜きバルブ１３２が閉じられ、水非混和性液体バルブ１３４が開かれ、水非混和性液体ポンプ９０が水非混和性液体８０をアキュムレータ排出口８８から水非混和性液体供給配管８６および供給バルブ１３４を通して冷却液ループ４８中に送り始める。冷却液ポンプ５２は水非混和性液体が電池スタックアッセンブリ（図示せず）の全てのマニホールドおよび関連する通路等（図示せず）を含む、冷却液ループ４８の全ての構成部品にいきわたるのを助けるために作動されてよく、この際燃料電池１２は全ての冷却水が水非混和性液体で置換されて、冷却液ループ４８から冷却液溢流配管１２４を通ってアキュムレータ７８に入るのを確実にするような位置にある。次いで冷却液ポンプ５２と水非混和性液体ポンプ９０が停止され、冷却水供給バルブ１３０が開かれ、水非混和性液体が冷却液ループ４８から液抜きされて冷却水液抜き入口１０８を通ってアキュムレータ７８に入る。水非混和性液体はアキュムレータ７８内の冷却水８２より密度が高いので、水非混和性液体は冷却水から分かれてバッフル８４の液抜き孔１２２Ａ−１２２Ｉを通過し、アキュムレータ７８内の水非混和性液体８０と混じる。これによって耐凍結性燃料電池発電装置１０は保存状態となり、この状態において冷却液ループ内のほとんど全ての水は水置換システム７６によって置換されてアキュムレータ７８に入っている。水はＰＥＭ電解質１４および水輸送プレート５０の小孔内に残り、さらにアノードおよびカソード流れ場２０、２２を画定する材料の小孔および通路内に残る可能性がある。
【００３２】
耐凍結性燃料電池発電装置１０を短期間保存状態に保つには、燃料電池発電装置１０が遅滞なく始動できるように、燃料電池１２または冷却液ループ４８内に残っている少量の水、およびアキュムレータ７８内の冷却水が凍結温度より上に保たれなければならない。燃料電池１２、冷却液ループ４８、またはアキュムレータ７８の温度が短期間保存の最低温度より下に下がったことを検知したときに、燃料電池１２、冷却液ループ４８、およびアキュムレータ７８を加熱するために、前述の置換バルブ手段の各バルブ１２８、１３０、１３２、１３４、および１３６を制御する制御装置手段、例えば検知された情報に応じてバルブを作動させる当業界周知の制御装置が用いられてよい。制御装置手段は置換バルブ手段の各バルブ１２８、１３０、１３２、１３４、および１３６を、手動バルブ制御、電気機械式アクチュエータ、電気油圧式アクチュエータ等を含む周知の機構によって作動させることができる。燃料電池発電装置１０を短期間保存状態に保つには、制御装置手段が燃料電池１２、冷却液ループ４８、またはアキュムレータ７８の温度が短期間保存の最低温度より下に下がったことを検知したならば、制御装置手段は先ず冷却水供給バルブ１３０を閉め、次いでヒーター９４および水非混和性液体ポンプを作動させ、水非混和性液体供給バルブ１３４を開いて加熱された水非混和性液体を冷却液ループ４８に送る。さらに冷却液ポンプ５２も動かして、加熱された水非混和性液体が冷却液ループ４８をくまなく循環して燃料電池１２を均一に加熱するのを助けてもよい。加熱された水非混和性液体はさらにガス分離器５８を充満し、かつ溢流して冷却液溢流配管１２４を通ってアキュムレータ７８を加熱する。所望の加熱温度に到達したならば、ヒーター９４、水非混和性液体ポンプ９０、および冷却液ポンプ５２が停止され、冷却水供給バルブ１３０およびガス排気口バルブ６１が開かれ、水非混和性液体は液抜きされてアキュムレータ７８に戻る。耐凍結性燃料電池発電装置１０が長期間保存に入れられる場合は、水非混和性液体供給バルブ１３４は閉じられ、アキュムレータ７８内の冷却水８２は凍結するにまかせられ、水輸送プレート５０の小孔内の水などの燃料電池１２内の水もまた凍結するにまかせられる。前述のように開放型チューブ１２０Ａ−１２０Ｌは変型可能であり、燃料電池１２および冷却液ループ４８内に残る水は少量なので、このような凍結によって装置１０に損傷は起こらない。
【００３３】
アキュムレータ７８内の冷却水８２が凍結していない、短期間保存の後で発電装置１０を始動するには、冷却水供給バルブ１３０および冷却液液抜きバルブ１３２が開かれ、冷却液循環バルブ１２８が閉じられ、冷却液ポンプ５２が作動されて冷却水をアキュムレータ７８から吸って冷却液ループ４８へ送る。冷却水がガス分離器５８から冷却液溢流配管１２４を通ってアキュムレータ７８に入ると、冷却液循環バルブ１２８が開かれ、冷却水供給バルブ１３０が閉じられる。この段階で発電装置１０は作動準備がなる。
【００３４】
アキュムレータ７８内の冷却水８２が凍結している、長期間保存の後で発電装置１０を始動するには、まず水非混和性液体供給１３４バルブが閉じられ、水非混和性液体循環バルブ１３６が開かれる。次いでヒーター９４および水非混和性液体ポンプ９０が作動され、加熱された水非混和性液体が水非混和性液体循環配管１１０、水非混和性液体入口１１２、およびアキュムレータ７８の開放チューブ１２０Ａ−１２０Ｌを通って循環し始め、かくしてアキュムレータ７８内の凍結した冷却水８２を融かす。アキュムレータ７８内の冷却水８２が融け終わったならば、水非混和性液体循環バルブ１３６が閉じられ、水非混和性液体供給バルブ１３４が開かれ、冷却液ポンプ５２が作動されて加熱された水非混和性液体を冷却液ループ４８を通して送り、かくして燃料電池１２および冷却液ループ４８を均一に加熱する。所望の始動温度に到達したならば冷却液ポンプ５２、水非混和性液体ポンプ９０、およびヒーター９４は作動停止され、冷却水供給バルブ１３０が開かれて水非混和性液体を冷却液ループ４８から液抜きしてアキュムレータ７８に戻す。次いで上述の、短期間保存から装置１０を始動するための手順が用いられて、耐凍結性燃料電池発電装置１０が始動される。
【００３５】
わかりやすくするために、本発明をさらに、耐凍結性燃料電池発電装置１０を氷点下の環境条件で保存および作動させる方法として説明する。水置換システム７６を用いることによって発電装置１０を短期間保存状態に置く方法は、水非混和性液体をアキュムレータ７８から冷却液ループ４８に圧送して冷却水を置換してこれを冷却液ループ４８からアキュムレータ７８に入れるステップと、水非混和性液体を冷却液ループから液抜きしてアキュムレータ７８に戻すステップと、燃料電池１２、冷却液ループ４８、またはアキュムレータ７８の温度が短期間保存の最低温度に降下したことが検知されたならば、水非混和性液体を加熱してアキュムレータ７８から冷却液ループ４８およびアキュムレータ７８の開放チューブ１２０Ａ−１２０Ｌを通して圧送するステップと、加熱された水非混和性液体を液抜きしてアキュムレータ７８に戻すステップと、からなる。同様に発電装置１０において水置換システム７６を用いることによって発電装置１０を長期間保存状態に置く方法は、水非混和性液体をアキュムレータ７８から冷却液ループ４８に圧送して冷却水を置換してこれを冷却液ループ４８からアキュムレータ７８に入れるステップと、水非混和性液体を冷却液ループから液抜きしてアキュムレータ７８に戻すステップと、からなり、この際冷却水はアキュムレータ７８内で変型可能の開放チューブ１２０Ａ−１２０Ｌの近傍にあり、したがって冷却水の凍結の際の膨張は１２０Ａ−１２０Ｌの変型によって吸収される。
【００３６】
耐凍結性発電装置１０において、水置換システム７６を用いることによって発電装置１０を短期間保存の後に始動する方法は、冷却水をアキュムレータ７８から圧送して冷却液ループ４８にくまなく通し、かつ冷却液ループ４８からアキュムレータ７８への冷却水の液抜きを防止することからなる。発電装置１０を長期間保存の後に始動する方法は、水非混和性液体を加熱してアキュムレータ７８内の開放チューブ１２０Ａ−１２０Ｌを通して循環させ、かくして凍結した冷却水を融かし；次いで加熱された水非混和性液体を冷却液ループ４８を通して圧送し、かくして冷却液ループ４８内の氷を融かし；次いで水非混和性液体を冷却液ループ４８から液抜きしてアキュムレータ７８に戻し；冷却水をアキュムレータ７８から冷却液ループ４８に圧送し；アキュムレータ７８への冷却水の液抜きを防止する、ことからなる。
【００３７】
第一の好ましい水非混和性液体は少なくとも摂氏マイナス４０度（℃）の凍結温度を有し、水と混和しないペルフルオロカーボン、ヒドロフルオロエーテル、およびこれらの混合物からなる群から選択される。適当なペルフルオロカーボンはペルフルオロアルカン、ペルフルオロトリアルキルアミン、およびペルフルオロトリブチルアミンであり、これらは米国ミネソタ州セントポールの３Ｍスペシャルティミネラルスカンパニーから入手可能であり、それぞれ「グレードＦＣ−７７、ＦＣ−３２８３、およびＦＣ−４０」という名称で販売されている。適当なヒドロフルオロエーテルは「グレードＨＦＥ−７５００」という名称で販売されている。上述のペルフルオロカーボンは３Ｍスペシャルティミネラルスカンパニーから「フルオリナート（ＦＬＵＯＲＩＮＥＲＴ）ＰＦＣ」という商標で入手可能であり、適当なヒドロフルオロエーテルは前述の３Ｍ社から「ノヴェック（ＮＯＶＥＣ）ＨＦＥ」という商標で入手可能である。
【００３８】
第二の好ましい水非混和性液体は少なくとも−４０℃の凍結温度を有し、水と混和しないアルカン、アルケン、アルキンおよびこれらの混合物からなる群から選択される。適当なアルカンにはヘプタン（Ｃ₇Ｈ₁₆、融点−９１℃）、オクタン（Ｃ₈Ｈ₁₈、融点−５７℃）、ノナン（Ｃ₉Ｈ₂₀、融点−５４℃）、およびデカン（Ｃ₁₀Ｈ₂₂、融点−３０℃）がある。適当なアルケンにはシクロヘキセン（Ｃ₆Ｈ₁₀、融点−１０３℃）、ヘプテン（Ｃ₇Ｈ₁₄、融点−１１９℃）、シクロヘプテン（Ｃ₇Ｈ₁₂、融点−５６℃）、オクテン（Ｃ₈Ｈ₁₂、融点−１０２℃）、シクロオクテン（シス）（Ｃ₈Ｈ₁₄、融点−１２℃）およびシクロオクテン（トランス）（Ｃ₈Ｈ₁₄、融点−５９℃）がある。適当なアルキンには２−オクチン（Ｃ₈Ｈ₁₄、融点−６２℃）、および１−デセン（Ｃ₁₀Ｈ₁₈、融点−３６℃）がある。少なくとも−４０℃の凍結温度を有し、水と混和しない、多くの他の炭素数６個またはそれを超えるアルカン、アルケン、アルキン、およびこれらの混合物もまた適当な水非混和性液体となり、例えば複数の二重結合および／または三重結合を有するものが挙げられる。これら全てのアルカン、アルケン、およびアルキン、およびそれらの混合物は大きな化学品供給会社、例えば米国ウィスコンシン州ミルウォーキーのアルドリッチカンパニーなどから入手可能である。
【００３９】
図４に耐凍結性燃料電池発電装置の別の実施例２００が示されている。労を省くために、別の実施例２００中の、図１に図示し、かつ上述した実施例の対応する要素と同様の要素は、図４中では図１に示すのと同じ参照符号に’を付して示されている。例えば図１に示される燃料電池１２は図４では参照符号１２’で示され、図１に示される開放チューブ型アキュムレータ７８は図４では参照符号７８’で示される。また、図１に図示し、かつ上述した同じ構成部品が図４でも同じ機能を有する場合は、これらの構成部品およびその機能の詳細な説明は以下においては繰り返されない。
【００４０】
耐凍結性燃料電池発電装置の別の実施例２００は燃料電池１２’および燃料電池１２’内に取り付けられた水輸送プレート５０’を含み、水輸送プレートは冷却水を燃料電池１２’に通して燃料電池１２’の温度を調節し、併せて水輸送プレート５０’内を移動できる、燃料電池１２’が発生した生成水をできるだけ除去する。冷却液入口２０２が水輸送プレート５０’と流体連通関係に取り付けられており、冷却液出口２０４もまた水輸送プレート５０’と流体連通関係に取り付けられているので、冷却液入口２０２と冷却液出口２０４とは共働して冷却水８２’、または低凍結温度の水非混和性液体８０’を、水輸送プレート５０’を通して送る。
【００４１】
耐凍結性燃料電池発電装置の別の実施例２００はまた吸引式水置換システム２０６を含む。吸引式水置換システム２０６は前述した耐凍結性アキュムレータ手段を含み、該手段は冷却水８２’および水非混和性液体８０’を貯蔵し、その際、前述した耐凍結性開放チューブ型アキュムレータ７８’と同様に、冷却水が凍結してもアキュムレータ７８’を損傷することがなく、かつ冷却水中に水非混和性液体８０’を流過させて冷却水を融かすことができるようになっている。耐凍結性アキュムレータ７８’は冷却水排出口２０８および水非混和性液体排出口８８’を通じて冷却液入口２０２と流体連通関係に取り付けられている。冷却水排出口２０８はアキュムレータ７８’に取り付けられており、アキュムレータ７８’内に貯蔵された冷却水８２’と流体連通関係にある。同様に水非混和性液体排出口８８’はアキュムレータ７８’に取り付けられており、アキュムレータ７８’内に貯蔵された水非混和性液体８０’と流体連通関係にある。前述したように、水非混和性液体を加熱するためにヒーター９４’が水非混和性液体排出口８８’に取り付けられてよく、あるいはアキュムレータ７８’の内部に取り付けられてもよい。ヒーター９４’は水非混和性液体８０’を加熱するのに適した任意の種類のヒーターであってよく、また前述したように貯蔵された燃料３４’の一部がヒーター供給配管９６’を通して供給されてもよく、酸化剤１００’が第二の酸化剤ブロワー１０２’およびヒーター酸化剤供給配管１０４’を通して供給されてもよい。
【００４２】
吸引式水置換システム２０６はまた冷却液出口２０４と流体連通関係に取り付けられた真空分離器２１０を含む。吸引力発生用エダクター２１２が真空分離器２１０に取り付けられている。これは分離器２１０、冷却液出口２０４、水輸送プレート５０’、および冷却液入口２０２の内部に部分真空を発生させるための任意の吸引力発生用エダクター手段であってよい。ここに言う「エダクター」という用語は、「エダクター」を通過する流体流の流動に応じて吸引力を発生する任意の公知の構造を言う。「エダクター」は「エジェクター」としても当業界に知られている。このような公知のエダクターまたはエジェクターのあるものは、先細のノズルとこれに隣接する膨張室を含み、これを通して流体流が圧送され、またはポンプ送りされ、かくして「ベンチュリ効果」を生じて、エダクターを通過する流体流の流動に応じてエダクターにより発生する吸引力をさらに増加する。当業界公知のエダクターは「エジェクター」と呼ばれ、１９７６年９月２８日に発行された米国特許第３，９８２，９６１号に記載されている。例示したエダクター２１２は本発明者によって設計され、耐凍結性燃料電池発電装置の別の実施例２００に用いられるのに適したものである。
【００４３】
第二の冷却液ポンプ２１４が分離器排出口２１６およびエダクター２１２と流体連通関係に取り付けられており、アキュムレータ供給配管２１８がエダクター２１２および開放チューブ型アキュムレータ７８’の水非混和性液体入口１１２’と流体連通関係に取り付けられている。冷却液ポンプ２１４は水非混和性液体または冷却水を真空分離器２１０からエダクター２１２へ循環するための、任意の冷却液循環手段であってよい。水非混和性液体排出配管２２０がアキュムレータ７８’の水非混和性液体排出口８８’および分離器排出口２１６と流体連通関係に取り付けられている。図４に示されるように、水非混和性液体排出配管２２０は実施例によってはヒーター９４’を通過してもよい。ポンプ制御バルブ手段２２２が分離器排出口２１６、水非混和性液体排出配管２２０、および第二の冷却液ポンプ２１４と流体連通関係に取り付けられており、液体を選択的に真空分離器２１０またはアキュムレータ７８’のどちらかから第二の冷却液ポンプ２１４に送る。冷却液入口制御バルブ手段２２４がアキュムレータ７８’の水非混和性液体排出口８８’、アキュムレータ７８’の冷却水排出口２０８、および冷却液入口２０２と流体連通関係に取り付けられており、選択的に水非混和性液体８０’または冷却水８２’のどちらかをアキュムレータ７８’から冷却液入口２０２および水輸送プレート５０’に送る。
【００４４】
強調されるのは、耐凍結性燃料電池発電装置の別の実施例２００の作動において「第二の冷却液ポンプ２１４」が第一の冷却液ポンプである、ということである。これは上述において耐凍結性燃料電池発電装置の図１の実施例１０に関連して特定された「冷却液ポンプ５２」と区別するために「第二の冷却液ポンプ２１４」と呼ばれるに過ぎない。別の実施例２００においては第二の冷却液ポンプ２１４は、装置２００の正常な、あるいは定常的な作動の際は分離器２１０から冷却水を送り、装置２００の始動および停止の際は水非混和性液体８０’を送る。冷却液入口制御バルブ２２４は、装置２００の始動および停止のために水非混和性液体８０’に切り替わり、かくしてエダクター２１２に駆動力を与え、また装置２００の停止に際してポンプが不凍性の水非混和性液体８０’で満たされることを確実にする。
【００４５】
耐凍結性燃料電池発電装置の別の実施例２００はまた燃料電池１２’の作動中に最適温度を保つために、冷却液出口２０４と流体連通関係に取り付けられた熱除去用熱交換器２２５を含んでもよい。熱除去用熱交換器２２５は冷却液バイパス配管２２６上に、分離器排出口２１６の第一の延長部２２８およびアキュムレータ７８’の入口１１２’と流体連通関係に取り付けられている。熱交換器バルブ２２９が冷却液バイパス配管２２６上に、あるいは冷却液バイパス配管２２６と分離器排出口２１６の第一の延長部２２８との間に取り付けられてもよい。熱交換器バルブ２２９は燃料電池１２が、例えば定常作動におけるように、すでに最適作動温度に到達して余剰熱を発生しているときは、冷却水のみを熱除去用熱交換器２２５を通して流すように制御される。熱除去用熱交換器２２５は当業界公知の任意の標準型熱交換器であってよい。
【００４６】
熱除去用熱交換器２２５からの熱除去を助けるために、不凍液ループ２３０が含まれてよい。二次冷却液ループ６８（図１に図示）におけると同様に、不凍液ループ２３０は例えばエチレングリコール水またはプロピレングリコール水などの従来の不凍液などの二次冷却液を、不凍液通路２３２、不凍液ポンプ２３４、不凍液ラジェーター２３６、および熱除去用熱交換器２２５を通して循環させ、冷却液バイパス配管２２６を通過する冷却水から熱を除去する。不凍液ラジェーターに近接して第二のファン２３８があり、従来の自動車用ラジェーターと同様に、環境空気を不凍液ラジェーター２３６に通して二次冷却液を冷却する。よく知られるように従来の不凍液はアノードおよびカソード触媒１６’、１８’を被毒させるが、このように従来の不凍液を密封された不凍液ループ２３０内で使用することによって、触媒は従来の不凍液への暴露から守られている。これに加えて、水非混和性液体およびそれが通過する構成部品は、一般に自動車のラジェーターに影響や損傷を与えるような、有害なごみを含むことがある高速の環境空気に暴露されないので、液の損失が起こることがない。
【００４７】
耐凍結性燃料電池発電装置の別の実施例２００はまた脱ガス装置２４０を含んでもよい。これはカソード排出口３０’からのカソード排気流の一部をカソード排気分岐バルブ２４２に通し、該分岐バルブは、カソード排気流の一部を脱ガス供給配管２４４に送り、該配管はこのカソード排気流の一部を耐凍結性アキュムレータ７８’の入口１１２’に送る。入口１１２’内でガス性のカソード排気流はアキュムレータ供給配管２１８または冷却液バイパス配管２２６から入る冷却水と混合され、かくして冷却水中に濃縮されて溶解している炭酸（Ｈ₂ＣＯ₃）は二酸化炭素として、アキュムレータ７８’に取り付けられたアキュムレータ通気口２４６を通ってシステムから出る。
【００４８】
耐凍結性燃料電池発電装置２００はまた冷却液入口２０２に取り付けられた液抜き通気口２４８を含んでもよく、これによって発電装置２００が停止され、第二の冷却液ポンプ２１４が送りを止めたときに液抜き通気口２４８が開かれて空気を冷却液入口２１２に入れ、かくして水輸送プレート５０’、冷却液入口２０２および出口２０４内の水が重力によってアキュムレータ７８’中に液抜きされる。発電装置２００はまた圧力調節バルブ２５０を含んでもよく、これは水輸送プレート５０’を流過する冷却水８２の圧力が隣接するカソード流れ場２２’またはアノード流れ場２０’を流過する反応剤流の圧力よりも低くなるように調節する。圧力調節バルブ２５０は、例えば２００１年１１月１３日に発行され、本発明の全権利の譲受人によって所有される米国特許第６，３１６，１３５Ｂ１号に開示されるような、当業界周知の方法で制御されてよい。図４の別の実施例２００に使用される水非混和性液体８０’は、図１−３に関連して前述された水非混和性液体８０と同様である。
【００４９】
耐凍結性燃料電池発電装置の別の実施例２００は、氷点下の環境条件において装置２００を停止する際の冷却水８２’のアキュムレータ７８’中への液抜きを促進するように構成されてよく、その場合アキュムレータ７８’は燃料電池１２’、水輸送プレート５０’、真空分離器２１０、およびその他の装置２００の構成部品に対して重力方向に関して低い位置に取り付けられる。これに加えて第二の冷却液ポンプ２１４は重力方向に関してアキュムレータ７８’より更に低い位置に取り付けられてよく、これによってポンプは水非混和性液体８０’によって自動的に呼び水されるので発電装置停止時期の後の始動が容易になる。ポンプ制御バルブ２２２、冷却液入口制御バルブ２２４、冷却液ポンプ２１４、液抜き通気口２４８、カソード排気分岐バルブ２４２はすべて耐凍結性燃料電池発電装置の別の実施例の作動中に、図１−３の装置１０の実施例に関して前述したような当業界公知の制御装置手段によって制御されてよい。自明であるように、エダクター２１２を用いて吸引分離器２１０、冷却液出口２０４、水輸送プレート５０’、および冷却液入口２０２内に部分真空を発生させることによって、耐凍結性燃料電池発電装置の別の実施例は、図１に示されるような別個の冷却液ポンプ５２および水非混和性液体ポンプ９０を用いる必要性を除去している。耐凍結性燃料電池発電装置の別の実施例２００の使用に際して、耐凍結性アキュムレータ７８’は図１−３に関連する前述の説明と同様に作動し、液状の加熱された低凍結温度の水非混和性液体がアキュムレータ７８’の水非混和性液体入口１１２’から、アキュムレータ７８’内の凍結した冷却水８２’を通って流れることができるような構造（例えば開放チューブ１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄ、１２０Ｅ）を提供する。アキュムレータ７８’内の冷却水が凍結している、氷点下の環境条件での長期間停止の後に装置２００を始動させるには、ヒーター９４’が始動され；ポンプ制御バルブ２２２が加熱された水非混和性液体を水非混和性液体排出配管２２０を通して冷却液ポンプ２１４に流入させるように制御される。次いで冷却液ポンプ２１４が水非混和性液体をエダクター２１２を通して送り、これによって分離器２１０、冷却液出口２０４、水輸送プレート５０’、および冷却液入口２０２内に部分真空を発生させる。次いでアキュムレータ供給配管２１８が加熱された水非混和性液体をアキュムレータ７８’に送り返し、かくして加熱された水非混和性液体が凍結した冷却水８２’に隣接する開放チューブを通って流れて、冷却水８２’を融かし始める。冷却液入口制御バルブ２２４が制御されて加熱された水非混和性液体を冷却液入口２０２に流入させると、この場所の部分真空が水非混和性液体８０’を吸引して水輸送プレート５０’、冷却液出口２０４、および真空分離器２１０に送り込み、これによって燃料電池１２を加温し、燃料電池１２の各構成部品内の氷を融かし始める。
【００５０】
水輸送プレート５０’および真空分離器２１０が満杯になると、ポンプ制御バルブが水非混和性液体をアキュムレータ７８’からポンプへ送るのを止め、その代わりに真空分離器２１０内に集められた水非混和性液体を第二の冷却液ポンプ２１４に送るように制御される。水非混和性液体は冷却液ポンプからエダクター２１２、アキュムレータ７８’、ヒーター９４’、冷却液入口制御バルブ２２４、冷却液入口２０２、水輸送プレート５０’、冷却液出口２０４、および真空分離器２１０を通って冷却液ポンプ２１４に戻る循環を続ける。この循環が燃料電池１２の引き続く加温、およびアキュムレータ７８’内の冷却水の融解を起こさせる。このように水非混和性液体が水輸送プレート５０’を通して循環されている期間中に、反応剤流がカソード流れ場２２’およびアノード流れ場２０’を通って流れることが可能であれば、燃料電池の限定的な作動が開始されてよい。
【００５１】
燃料電池が所望の作動温度に到達し、耐凍結性アキュムレータ７８’内の冷却水が融け終わったならば、ヒーター９４’は切られ、冷却液入口制御バルブ２２４がアキュムレータ７８’からの水非混和性液体の流出を止めるように制御される。これに代わってバルブ２２４は融解した冷却水８２’をバルブ２２４を通して冷却液入口２０２および水輸送プレート５０’に送り、さらに真空分離器２１０、冷却液ポンプ２１４、およびエダクター２１２を通してアキュムレータ７８’へ環流させる。燃料電池の作動温度が最適温度を超えたならば、熱交換器バルブ２２９が循環中の冷却水の一部を熱除去用熱交換器２２５に通すように制御される。さらに不凍液ループ２３０も作動されて冷却水の温度を最適温度まで下げてもよい。
【００５２】
この段階で耐凍結性燃料電池発電装置の別の実施例２００は定常作動となり、冷却水はアキュムレータ７８’から冷却液入口２０２、水輸送プレート５０’、冷却液出口２０４、および真空分離器２１０を通ってアキュムレータ７８’に戻る循環を続ける。エダクター２１２が定常的に分離器２１０、冷却液出口２０４、水輸送プレート５０’、および冷却液入口２０２内に部分真空を発生させるので、たとえアキュムレータ７８’が液体で満たされていなくても、水非混和性液体８０’または冷却水８２’はアキュムレータ７８’から冷却液入口２０２に吸引される。
【００５３】
耐凍結性燃料電池発電装置の別の実施例２００が停止される際は、冷却液ポンプ２１４が送りを止めるように制御され、冷却液入口上の液抜き通気口２４８が開かれて空気を冷却液入口２０２に入れる。アキュムレータ７８’は水輸送プレート５０’、およびその他の装置２００の構成部品からの冷却水を重力液抜きによってアキュムレータ７８’に受けるように位置されてよい。水輸送プレート５０’およびその他の装置２００の構成部品がアキュムレータ７８’中に液抜きされない場合は、あるいは装置２００内に残っている冷却水を置換してアキュムレータ７８’に入れるために、ヒーター９４’の作動なしに水非混和性液体が循環されてよく、この場合水非混和性液体はアキュムレータ７８’から水非混和性液体排出配管２２０、ポンプ制御バルブ２２２、冷却液ポンプ２１４、エダクター２１２、冷却液バイパス配管２２６、熱除去用熱交換器２２５、アキュムレータ供給配管２１８、アキュムレータ７８’の入口１１２’、冷却液入口制御バルブ２２４、冷却液入口２０２、水輸送プレート５０’および真空分離器２１０を循環する。次いで冷却液ポンプ２１４が停止される。このように水非混和性液体を装置２００の構成部品を通して循環することによって、冷却水が置換されて耐凍結性アキュムレータ７８’に入れられて氷点下の環境条件の状態での長期間停止の準備ができ、装置２００の、重力による液抜きができない構成部品内に低凍結温度の水非混和性液体が残るのみとなる。これに加えて、図４に概略示されるように、冷却液ポンプ２１４は重力の方向に関してアキュムレータ７８’より低い位置に置かれてよく、これによって前述のようにポンプが水非混和性液体によって呼び水されるので、氷点下の環境条件での始動が準備される。
【００５４】
耐凍結性燃料電池発電装置の別の実施例２００の使用法を、耐凍結性燃料電池発電装置の別の実施例２００を氷点下の環境条件で作動および保存する方法として説明するならば、該方法は冷却水８２’および水非混和性液体８０’を、冷却液入口２０２を介して燃料電池１２’の水輸送プレート５０’と流体連通関係に取り付けられた耐凍結性アキュムレータ７８’に貯蔵するステップと、真空分離器２１０を冷却液出口２０４を介して水輸送プレート５０’と流体連通関係に取り付けるステップと、水非混和性液体をアキュムレータ７８’から分離器２１０に取り付けられたエダクター２１２を通して圧送することによって真空分離器２１０内に吸引力を発生させるステップと、水非混和性液体をエダクター２１２からアキュムレータ７８’に送り返すステップと、水非混和性液体をアキュムレータ７８’から冷却液入口２０２、水輸送プレート５０’、冷却液出口２０４、および真空分離器２１０を通してアキュムレータ７８’に戻すステップと、次いで真空分離器２１０が水非混和性液体で満たされたならば水非混和性液体を真空分離器２１０からエダクター２１２を通してアキュムレータ７８’に圧送するステップと、次いで燃料電池１２’が所望の作動温度に到達したならば、冷却水８２’をアキュムレータ７８’から冷却液入口２０２、水輸送プレート５０’、冷却液出口２０４、および真空分離器２１０を通してアキュムレータ７８’に戻すように循環させるステップと、からなる。
【００５５】
本発明を耐凍結性燃料電池発電装置１０の特定の構成に関連して説明および図示したが、本発明は説明および図示された実施例に限定されないことは理解されるべきである。例えば「分離器排出口２１６」、「水非混和性液体排出口８８’」、「水非混和性液体排出配管２２０」などの参照は「パイプ状の」構成部品に限定されない。その代わりにこのような構成部品は説明された構成部品の間に流体の通路を提供し得るような任意の構造であってよい。「分離器排出口２１６」はマニホールド化、冷却液ポンプ２１４への直付け等によって真空分離器２１０”に一体化されてもよい。また、水置換システム７６は水非混和性液体循環配管１１０および循環バルブ１３６を含み、加熱された水非混和性液体をアキュムレータ７８の開放チューブ１２０Ａ−１２０Ｌを通して循環してアキュムレータ７８内の凍結した冷却水を融かすように説明されている。しかしながら、アキュムレータ７８内の凍結した水を融かすためのより直接的な加熱手段、例えばアキュムレータ７８内に置かれた電気抵抗ヒーターやその他のヒーター手段を用いることによって、加熱された水非混和性液体の循環を必要としないようにすることもまた、本発明の範囲内である。さらにまた、上述の耐凍結性燃料電池発電装置１０、２００はプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）電解質１４を含む燃料電池１２を用いるものとして説明されている。しかしながら、水置換システム７６、２０６は別の電解質を含む燃料電池に応用されてもよい。したがって本発明の範囲を判断するには以上の説明よりもまず添付の特許請求の範囲が参照されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明によって構成された耐凍結性燃料電池発電装置の概略図。
【図２】図１の耐凍結性燃料電池発電装置の開放チューブ型アキュムレータのヘッダーを図１の線２−２で切った概略的な部分断面図。
【図３】図１の耐凍結性燃料電池発電装置の開放チューブ型アキュムレータのバッフルを図１の線３−３で切った概略的な部分断面図。
【図４】本発明によって構成された耐凍結性燃料電池発電装置の別の実施例の概略図。

Claims

還元性流体とプロセス酸化剤流から電流を発生するための、耐凍結性燃料電池発電装置２００であって、該発電装置は、
ａ．少なくとも一つの燃料電池１２’と、
ｂ．燃料電池１２’内に取り付けられて冷却水を燃料電池１２’に通過させる水輸送プレート５０’、および水輸送プレート５０’と流体連通関係にあって冷却水を水輸送プレート５０’に流入および流出させる冷却液入口２０２および冷却液出口２０４と、
ｃ．吸引式水置換システム２０６であって、
ｉ．冷却液入口２０２と流体連通関係に取り付けられた、冷却水および水非混和性液体を貯蔵するための耐凍結性アキュムレータ手段７８’と、
ｉｉ．冷却液出口２０４と流体連通関係に取り付けられた真空分離器２１０と、
ｉｉｉ．分離器２１０、冷却液出口２０４、水輸送プレート５０’、および冷却液入口２０２に部分真空を発生させるために真空分離器２１０に取り付けられ、かつアキュムレータ２１０の入口と流体連通関係にある吸引力発生用エダクター手段２１２と、
ｉｖ．分離器排出口２１６、アキュムレータ２２０の水非混和性液体排出口８８’、およびエダクター２１２と流体連通関係に取り付けられて、冷却水または水非混和性液体をエダクター２１２に圧送するための冷却液循環手段２１４と、
ｖ．分離器排出口２１６およびアキュムレータ７８’の水非混和性液体排出口２２０と流体連通関係に取り付けられて、選択的に分離器２１６またはアキュムレータ７８’からの液体を冷却液循環手段２１４に流入させるポンプ制御バルブ２２２と、
ｖｉ．アキュムレータ７８’の水非混和性液体排出口２２０、アキュムレータの冷却水排出口２０８、および冷却液入口２０２と流体連通関係に取り付けられて、選択的に水非混和性液体または冷却水をアキュムレータ７８’から冷却液入口２０２に流入させる冷却液入口制御バルブ２２４と、
を含む吸引式水置換システム２０６と、
を有することを特徴とする耐凍結性燃料電池発電装置２００。
前記水非混和性液体は、ペルフルオロカーボン、ヒドロフルオロエーテル、およびこれらの混合物からなる群から選ばれることを特徴とする請求項１記載の耐凍結性燃料電池発電装置２００。
前記水非混和性液体は、６個またはそれを超える炭素原子を有するアルカン、アルケン、アルキン，およびこれらの混合物からなる群から選ばれることを特徴とする請求項１記載の耐凍結性燃料電池発電装置２００。
前記水非混和性液体は、摂氏マイナス４０度に等しいかまたはそれより低い凍結温度を有し、かつ水と混和しないペルフルオロカーボン、ヒドロフルオロエーテル、およびこれらの混合物からなる群から選ばれることを特徴とする請求項１記載の耐凍結性燃料電池発電装置２００。
前記水非混和性液体は、摂氏マイナス４０度に等しいかまたはそれより低い凍結温度を有し、かつ水と混和しない６個またはそれを超える炭素原子を有するアルカン、アルケン、アルキン，およびこれらの混合物からなる群から選ばれることを特徴とする請求項１記載の耐凍結性燃料電池発電装置２００。
耐凍結性アキュムレータ手段７８’は、複数の塑性的に変型可能な開放チューブ１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄ、１２０Ｅを有する開放チューブ型アキュムレータからなることを特徴とする請求項１記載の耐凍結性燃料電池発電装置２００。
前記吸引式水置換システム２０６はさらに、アキュムレータ７８’の水非混和性液体排出口８８’の近傍に水非混和性液体と熱交換関係に取り付けられた、水非混和性液体を加熱するための水非混和性液体ヒーター手段９４’を有することを特徴とする請求項１記載の耐凍結性燃料電池発電装置２００。
空気を選択的に冷却液入口２０２に入れるために、液抜き通気口２４８が冷却液入口２０２と流体連通関係に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の耐凍結性燃料電池発電装置２００。
熱除去用熱交換器２２５が冷却液出口２０４と流体連通関係に取り付けられており、密封された不凍液ループ２３０が熱除去用熱交換器２２５と熱交換関係に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の耐凍結性燃料電池発電装置２００。
耐凍結性燃料電池発電装置２００を氷点下の環境条件で作動および保存する方法であって、発電装置２００は、燃料電池１２’と、燃料電池１２’内に取り付けられて冷却水を燃料電池１２’に通過させる水輸送プレート５０’と、水輸送プレート５０’と流体連通関係にあって冷却水を水輸送プレート５０’に流入および流出させる冷却液入口２０２および冷却液出口２０４を有し、前記方法は、
ａ．冷却液入口２０２を介して水輸送プレート５０’と流体連通関係にある耐凍結性アキュムレータ７８’内に冷却水および水非混和性液体を貯蔵するステップと、
ｂ．水非混和性液体をアキュムレータ７８’から分離器２１０に取り付けられたエダクター２１２を通して圧送することによって、冷却液出口２０４と流体連通関係に取り付けられた真空分離器２１０、水輸送プレート５０’、および冷却液入口２０２内に吸引力を発生させるステップと、
ｃ．選択的に水非混和性液体または冷却水を、アキュムレータ７８’から冷却液入口２０２、水輸送プレート５０’、冷却液出口２０４、および真空分離器２１０を通ってアキュムレータ７８’に戻るように循環させるステップと、
を有することを特徴とする方法。
ａ．加熱された水非混和性液体をアキュムレータ７８’からエダクター２１２を通して圧送するステップと、
ｂ．次いで加熱された水非混和性液体をエダクター２１２からアキュムレータ７８’に戻すステップと、
ｃ．次いで加熱された水非混和性液体をアキュムレータ７８’から冷却液入口２０２、水輸送プレート５０’、冷却液出口２０４、および真空分離器２１０を通ってアキュムレータ７８’に戻るように循環させて、燃料電池１２’の温度を上げるステップと、
ｄ．次いで真空分離器２１０が水非混和性液体で満たされたならば、加熱された水非混和性液体のみを真空分離器２１０からエダクター２１２、アキュムレータ７８’、冷却液入口２０２、水輸送プレート５０’、および冷却液出口２０４を通って分離器２１０に戻るように循環させるステップと、
ｅ．次いで燃料電池１２’が所望の作動温度に到達したならば、冷却水のみをアキュムレータ７８’から冷却液入口２０２、水輸送プレート５０’、冷却液出口２０４、および真空分離器２１０を通ってアキュムレータ７８’に戻るように循環させるステップと、
をさらに有することを特徴とする請求項１０記載の方法。