JP2006517336A - 凍結始動時の冷却剤水の燃料電池スタック溶解 - Google Patents

Abstract

ＰＥＭ型燃料電池システム（１９）は、冷却剤蓄積装置（２８）として機能する、燃料電池スタック（２０）の下に隣接して配置された多機能酸化剤マニホールド（９８）を有する。凍結始動時に電気加熱器（４５）が、燃料電池電気出力（４７、５１）により電力供給される。補助ポンプ（５４）および導管（５５、５７、５８）が、上部冷却剤マニホールド（４１）内の酸化剤圧力を超える水（２８）を、さらなる氷を溶解するよう酸化剤排気から蓄積装置へ流れる前に温められるように酸化剤流れ区域内へと押しやる。代替として、溶解された冷却剤は、加熱のために冷却剤流路内へ酸化剤圧力によって押しやられる。導管（６１）は、冷却剤流れ区域から蓄積装置へ冷却剤を導く。蓄積装置冷却剤内に埋め込まれた凝縮熱交換器（６５）が、酸化剤排気を受け取る。凝縮熱交換器（７０）が、冷たい入口空気（７５）と、反対側の暖かい湿った酸化剤排気（７２）とを有し、液体を蓄積装置内へ凝縮させる。冷却剤の溶解は、蓄電池（８０）により電力供給される加熱器（４５）によるか、または循環する外部的に加熱された（８３）グリコールにより開始され得る。

Description

本発明は、加熱器が始動直後の蓄積装置内の凍結冷却剤水を溶解するのに電池スタック電力を用いることと、負荷に電流を供給するときの燃料電池作動からの廃熱を、直接に、または凝縮熱交換器によって、蓄積装置の氷を溶解するのに利用することの一方または両方を行う燃料電池スタックに関する。

電気的輸送装置の推進システムに電力を供給するのに燃料電池を利用することにともなう困難の一つは、水が凍結する温度より低い（氷点より低い）温度でそのような輸送装置が作動可能であるという必要条件である。凍結は、氷の膨張の結果として機械的な損傷を引き起こすことがあり、水と燃料電池プロセスが不可分であるため問題を生じる。これまで、電気的輸送装置の作動の準備に、燃料電池の作動を開始するさまざまな方法が、燃料の反応または燃焼によって、あるいは蓄電池の電力によって、さまざまな水および他の冷却剤導管および貯蔵器に熱を与えることに集中されてきた。他の努力は、燃料電池それ自体の作動の結果として燃料電池スタックが氷点を超える温度まで暖まる速度を速めるように設計されたプロセスに向けられている。米国特許第５，７９８，１８６号では、化学量論的燃料および酸化剤がスタックに供給される間に、プロトン交換膜（ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）（ＰＥＭ）型燃料電池が、単にその両端に負荷を接続することにより暖められる。一つの実験では、前のスタックの運転停止の際に燃料、酸化剤、および冷却剤水の通路の全てから水がパージされており、室温での水素と空気の適用によって、１０セルスタックのコアの温度が、約１分間で−１１℃から０℃に上昇した。前の運転停止の際に反応物流路だけ（冷却剤流路ではない）がパージされた４セルスタックでは、水素と酸素の循環が開始しかつ５０アンペアの負荷が接続された後で、−１９℃から０℃に増加するのに５分間が必要とされた。冷却剤は、始動後約２３分間まで循環しなかった。前の停止時に流路のいずれもパージされなかった４セルスタックでは、暖かな水素の流れが、４分間後まで生じ始めず、また、４セルスタックのコアでは、−２３℃での始動と０℃への到達の間に１２分間が終了していた。米国特許第６，３２９，０８９号では、室温の水素と空気で開始された−５℃の個々の燃料電池が、５分間で０．５アンペア毎ｃｍ²に到達した。短絡負荷を用いると、−１５℃のコア温度を有する７セルスタックは、スタック出力の延長された短絡形成の後に９分間で０．５アンペア毎ｃｍ²に到達した。他の実験の実績は、さほど満足されるものではなかった。

自動車などの輸送装置での使用において、電気推進システムは、始動開始後に１分間より短い時間で、好ましくは、３０秒間より短い時間で作動される必要がある。２００２年７月１日に出願された同一出願人による同時係属米国特許出願である出願番号第１０／１８７，５４７号では、輸送装置推進システムは、燃料電池スタックの少なくとも一部が水の凝固温度より低く、かつ、輸送装置全体が水の凝固温度より低い周囲環境中にあり得るという条件で始動される。親水性支持板、反応物気体流れ区域、および冷却剤流路の中の実質的に全ての水が除去されており、これは、２００１年４月５日に出願された米国特許出願である出願番号第０９／８２６，７３９号または２００１年４月５日に出願された出願番号第０９／８２６，７３９号に開示されている手順に従って達成され得る。このように、ＰＥＭ、アノード触媒層、およびカソード触媒層内ばかりでなく、水輸送板の細孔内にも氷がたいてい存在し得る。しかしながら、ＰＥＭでの場合のように、水輸送板それ自体は、水輸送板へ損傷を行わずに細孔内に氷を保持できることを心に留めておくべきである。さらに、基体がＰＥＭそれ自体に十分に近接しているので、基体の中へと移動する水の温度は、反応物気体自体の温度にではなくＰＥＭの温度にかなり密接に追随することになる。従って、たとえ水輸送板がその細孔内に氷を有していても、生成水は基体内で凍結することがない。

上述した同時係属出願において、氷点より低い温度のＰＥＭ型燃料電池スタックは、数秒間内で、または、スタックが開回路電圧を与えるとすぐに、輸送装置推進システムに接続される。燃料電池スタックは、氷点より低い温度であり得る化学量論流れを超える燃料と少なくとも３倍から５倍の化学量論流れの酸素とを用いて始動されて、局所的な加熱なしで作動を延長し、それによって、装置と流体が適切な作動温度に加熱されている時間中に輸送装置を使用できる。このシステムは、燃料電池スタックそれ自体と同じ氷点より低い周囲温度にある反応物を利用するが、その理由は、それが、局所的な過熱の開始を延長するからである。水の管理のために多孔質水輸送板が使用されるシステムにおいて、スタックの大部分を加熱することによる水輸送板の細孔内の氷として貯蔵される水の加熱、その水の加熱、氷が溶解する間の融解熱、その水の一部の蒸発冷却これら全ては、燃料電池内で許容されない局所的加熱が存在する前に、循環する冷却剤なしに燃料電池スタックからの電力で輸送装置が作動できる時間の長さを延長する。このような時間は、通常の場合約１５〜２０分間である。

本発明の目的は、水の凝固温度より低い温度のスタックの少なくとも一部とともに始動されるＰＥＭ型燃料電池スタック内の冷却剤水の有効性を増進すること、燃料電池スタックアッセンブリ内の蓄積装置内の凍結冷却剤水を溶解するのに燃料電池プロセスの廃熱を利用すること、燃料電池スタックの蓄積装置内の凍結冷却剤水を溶解するのに燃料電池スタックにより生成された電力を利用すること、少なくとも部分的に凍結した状態から始動される燃料電池スタックの冷却剤水を内部的に提供するのに必要な時間を低減すること、および、燃料電池スタックの局所的過熱なしに、凍結状態から最初に始動されるときに、燃料電池スタックから抽出できる電力量を増加させることを含む。

本発明は一部は、ＰＥＭ型燃料電池スタックアッセンブリが、少なくとも部分的に凍結したときに、許容可能な通常の仕方で電気で駆動される輸送装置を駆動するのに充分な電力を提供するためばかりでなく、セルスタックアッセンブリの冷却剤水蓄積装置内の凍結冷却剤水を解凍するのに十分な電力を提供するために、始動の数秒間内に十分な電力を発生できる、という発見に基づいている。本発明はさらにまた一部は、燃料電池プロセスの廃熱が、容易に抽出され、蓄積装置内の凍結冷却剤水へ伝達されて、電気加熱器の助けありまたはなしで、蓄積装置内の凍結水を溶解する、という発見に基づいている。

本発明に従うと、燃料電池スタックの冷却剤水蓄積装置内の凍結水は、少なくとも一部は、始動後の最初の何分間かで燃料電池スタックそれ自体により生成されるエネルギーによって溶解される。本発明にさらに従うと、燃料電池スタックにより電力供給される電気加熱器は、始動の何秒間か内で始動され、蓄積装置内の凍結水を加熱する。本発明にさらに従うと、ＰＥＭ型燃料電池スタック内の凍結冷却剤水を溶解するための熱は、燃料電池スタックそれ自体内で生成された燃料電池廃熱から抽出される。

本発明の一実施態様において、熱は、凝縮熱交換器によって抽出され、この凝縮熱交換器は、（ａ）蓄積装置内の凍結冷却剤水の中に浸漬されて、凝縮熱交換器の他方の入力が、酸化剤反応物流れ区域の排気とされ得るか、あるいは、（ｂ）酸化剤反応物流れ区域の排気の中に配置されて、その他方の入力が、酸化剤反応物流れ区域の入力（流入する空気など）とされ得る。

なおさらに本発明に従うと、燃料電池スタックの蓄積装置内の凍結水は、相対的に小さな電気加熱器によって部分的に溶解でき、この水は、補助ポンプにより 上部冷却剤マニホールド（通常は、燃料電池スタックの冷却剤出口マニホールド）へと移動され、重力と酸化剤流れとの一方または両方によって推進されながら燃料電池スタックを通過され、そこでそれは、負荷に電流を供給する間の燃料電池作動の廃熱によりかなり加熱されて、次いで下部冷却剤（通常は、入口）マニホールドから、冷却剤蓄積装置へと運び戻されて、そこでそれは、さらなる凍結冷却剤を溶解する。

本発明になおさらに従うと、上述したものの変形例として、ＰＥＭ型燃料電池スタックの上部冷却剤マニホールドへ補助ポンプによって提供される冷却剤液体の圧力が、液体冷却剤水を水輸送板の細孔からそこを通し反応物気体流れ区域内へと押しやり、それによって、膜電極アッセンブリ（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）（ＭＥＡ）へ加湿を与え、液体水は次いで、負荷へ電流を供給する間の燃料電池作動の廃熱により暖められて、酸化剤流れ区域の排気から滴り落ちて冷却剤水蓄積装置内へと戻り、そこで、暖められた冷却剤水は、さらなる氷を溶解する。さらなる変形例として、小量の液体水が、入口酸化剤圧力によって循環するように流路へと施されることができ、その後、冷却剤ポンプと導管が凍結するのから保護されている場合、冷却剤ポンプによって冷却剤流路を通って移動する。これが可能なのは、冷却剤流路が、上述したように水抜きされて空となるからである。

本発明に従うと、多機能マニホールドが、燃料電池スタックのすぐ下にかつそれと隣接して配置されて、冷却剤水蓄積装置として機能し； また、スタック内部冷却剤水の中の熱を、ラジエータを通してポンプ送りされ得る外部冷却剤へと伝達するための熱交換器を含有し； また、必要に応じて、氷点より低い始動時に蓄積装置の氷を溶解するための電気加熱器を蓄積装置内に含み； また、必要に応じて、選択可能な仕方で酸化剤と相互作用する凝縮熱交換器を含む。

本発明は、一部の冷却剤を溶解するのに外部のエネルギー（電気または熱）を使用でき、その後、この冷却剤は、燃料電池廃熱により暖められる。

本発明のさまざまな態様が、一緒に組み合わせて使用でき、または別々に使用できる。

本発明の他の目的、特徴、および利点は、添付の図面に例示されるように、本発明の例示的な実施態様の以下の詳細な説明に照らしていっそう明らかになるであろう。

図１を参照すると、燃料電池スタックアッセンブリ１９が、燃料電池スタックの二つのセクション２０、２１を備えており、各セクションは、複数の隣接する燃料電池を含み、これらの燃料電池は、例えば、既知の種類のプロトン交換膜（ＰＥＭ）を利用する膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を用いることができる。燃料電池スタックアッセンブリ１９は、本発明に直接的には関連せず、従ってこの図示されていない燃料システムを有することになる。燃料システムは一般に、燃料入口マニホールド（図示せず）へ供給する水素または水素に富む燃料の供給源を有することになり、この燃料入口マニホールドは、アノードの燃料流れ区域の半分と相互に接続されており、燃料流れ折り返し部２２からの流出物が、燃料流れ区域の残りを通って燃料出口マニホールド（図示せず）へと流れ、燃料排気は一般に、何らかの既知の種類の燃料再循環システムに施される。

図１において、セクション２０は、ポンプ２１などの供給源からの空気などといった酸化剤反応物気体のための入口マニホールド２３と、空気折り返しマニホールド２４と、空気出口マニホールド２５とを有する。図１に見られるように、空気は、上方へとカソード（酸化剤）流れ区域（図１の右側）を通り、次いで左の方へと折り返しマニホールド２４を通り、下方へと酸化剤流れ区域の残り（図１の左側において）を通り、次いで、冷却剤蓄積装置２８内の冷却剤のレベル２７の上の空間を通り、出口マニホールド２５へと流れる。冷却剤蓄積装置は、燃料電池が完全に始動されて通常作動しているとき、ポンプ３２により送られたグリコール溶液冷却剤を受け取る管３１を有しており、グリコール溶液冷却剤は、ラジエータ３３内で冷却されることができ、必要に応じて、キャビン（ｃａｂｉｎ）加熱器３４内で選択的に使用されることができ、これら全ては、既知のようであり、本発明の部分を構成しない。しかしながら、始動中に、電池スタックアッセンブリ１９の少なくとも一部が、氷点より低い温度になり得るときは、グリコール溶液冷却剤は、熱交換器管３１を通って循環しない。

凝固温度より上で通常作動するとき、蓄積装置２８内の水は、冷却剤導管３６内へと引き込まれることになり、流量絞り弁３７を通り、冷却剤入口マニホールド３８を通り、そして燃料電池内の流路（図示せず）を通って、冷却剤出口マニホールド４１から排出され、冷却剤ポンプ４２の推進力のもとで、導管４３を通って蓄積装置２８へと流れるが、これら全ては従来のようである。しかしながら、燃料電池スタックアッセンブリ１９の始動中に、その少なくとも一部が、凝固温度より低いときは、ポンプ４２は停止され、絞り３７は所望ならば完全に閉にされることができ、それによって、蓄積装置２８から冷却剤入口マニホールド３８内への冷却剤の流れも、冷却剤出口マニホールド４１からポンプ４２および導管４３を通る蓄積装置２８への冷却剤の流れもなくなる（以下の一実施態様で説明するようなものを除く）。一実施態様において、冷却剤流路は、既知のように水流路と反応物流れ区域との間に多孔質障壁を提供する多孔質水輸送板である。制御装置４４が、特に蓄積装置２８内の水の温度を含め電池スタックアッセンブリ１９のさまざまな条件に応答して、弁３７およびポンプ３２、４２を含め電池スタックアッセンブリのさまざまな機能を制御する。

導管３６は蓄積装置２８内に配置でき、この場合、絞り３７は、導管３６の入口近くに配置された堰またはスクリーンの形態を取ることができ、それによって、通常作動中に冷却剤内に真空を生成する。

本発明の第一の態様に従うと、抵抗加熱器４５が、冷却剤（氷と水の一方または両方）のレベル２７より下に蓄積装置内に浸漬される。加熱器４５は、冷却剤中に浸漬される必要はなく、それは、蓄積装置の壁面内または壁面上に配置することもできるであろう。加熱器４５は、スイッチ４６および導体４７を通して燃料電池スタック１９の一つの電気出力４８に接続される。加熱器４５の他端は、導体５１を通して燃料電池スタック１９の他方の電気出力（図示せず）に接続される。燃料電池スタックを始動するときにその一部が凍結しているか凍結している可能性があるときは、制御装置４４は、加熱器４５に電力を提供するようにスイッチ４６を閉じることができ、加熱器４５は、蓄積装置２８内のどのような氷も溶解し始める。

図２に例示するように、９０ｋＷの容量を有し得る、電気的輸送装置に電力供給する典型的な燃料電池システムに対して妥当である５ｋＷで加熱器４５が作動する場合、蓄積装置内の１２キログラム（２６ポンド）の氷は、約１５分間で溶解するであろう。上述した出願である出願番号第１０／１８７，５４７号において、理解されるように、燃料電池スタック１９は、局所的な過熱なしに少なくとも１５分間は冷却剤水なしに作動でき、このような時間において、弁３７は、反応物気体圧力に関して適切な負の圧力差を生成するように適切な制限を提供する位置に配置されることができ、また、ポンプ４２は、蓄積装置２８から導管３６および弁３７を通り冷却剤入口マニホールド３８内へ、電池スタックを通り出口マニホールド４１から、ポンプ４２を通り、それから蓄積装置２８へ戻るよう冷却剤を循環させるように始動され得る。これは、蓄積装置２８内の温度検出器（明確にするためには図示せず）に、または何らかの他の仕方で、応答できる制御装置４４の指示のもとにある。従って、蓄積装置冷却剤は、燃料電池スタックにより生成される電力により完全に溶解され得る。

蓄積装置内の全ての水を溶解するのに加熱器を使用する代わりに、図１に例示する装置を別の仕方で使用できる。加熱器は、１ｋＷ〜２ｋＷ程度の非常に小さなものとすることができ、弁３７は、反応物気体が最初にスタックに施されるときに、完全に開となるように制御装置により調整できる。この条件において、大気圧より上に７〜１５キロパスカル（１〜２ポンド）程度であり得る、スタックから蓄積装置の上の空間内へと排出される空気の圧力は、加熱器により溶解された水を、上方へと弁３７を通して、スタック内の最初は空の冷却剤流れ流路内へと押しやる。加熱器４５は、冷却剤のレベル２７まで氷を溶解するように配置することができ、それによって、酸化剤反応物気体の圧力が、蓄積装置２８の下部にある水に対して作動可能となるのが確実になる。スタックに流入するほぼ凍結している水は、冷却剤流路内を通常の方向に水が流れる間に、スタック内の廃熱によりかなり暖められる。

本発明のこの態様を作動させる一つのモードにおいて、冷却剤のレベルが徐々にスタック内で上方へと上昇する間に、それは結果として、冷却剤出口マニホールド４１から戻りループ内へと流れ、ポンプ４２に到達することになる。この時点で、ポンプ４２は、始動されることができ、従って、かなりの量の暖かい水を蓄積装置へと戻すようにポンプ送りして、蓄積装置内のより多くの氷を溶解する。このモードは、スタックが水抜きされるとき蓄積装置内に貯蔵される水の量が、冷却剤システムの残りを満たすのに必要とされる水の量よりかなり多い場合、最も効果的である。この手順は、十分な水が溶解されて冷却剤流路が完全に満たされ、水が出口マニホールド４１から流出し、ポンプ４２に到達するまで継続でき、その後、制御装置４４は、ポンプを始動させ、システムを通して通常の冷却剤流れを提供することができる。しかしながら、これには、過大な時間がかかり得る。

本発明のこの態様を用いる別の方法は、反応物気体が燃料電池に施された後に最初の数分間（ｆｅｗ ｍｉｎｕｔｅｓ）の間に周期的に酸化剤反応物気体（空気）の圧力を低減することである。このモードにおいて、水は、上方へと導管３６、弁３７を通り、冷却剤入口マニホールド内へと流れることになり、そこで、それは暖められることになる。これによって、利用可能な溶解された冷却剤が排出されることになる。圧力が低減されるとき（空気送風機を瞬間的に運転停止させることなどにより）、小量の水が、蓄積装置へと戻るように流れることになり、その内部のかなりの顕熱が、よりいっそう多量の冷却剤を溶解することになる。このプロセスは、最初の数分間で数回繰り返すことができ、それによって、スタック内で生成される熱を蓄積装置内の冷却剤へと伝達させることで氷の溶解を増大させる。従って、蓄積装置冷却剤は、燃料電池スタックにより生成される電力によって、またさらには、スタックの冷却剤流路内で暖められた水によって、部分的にのみ溶解され得る。

スタックの冷却剤流路を通して水を上昇させるために、選択的に作動可能な排気口４０を冷却剤出口マニホールド４１の近くに設けることができる。これは、逆止弁の形態を取ることができるが、その理由は、水が冷却剤流路を通ってゆっくりと上昇しているときにだけ上方への圧力が生じることになり、一旦ポンプが始動し、弁３７が絞りとして調整されると、冷却剤が大気圧より低い圧力になり、従って弁が閉のままになるからである。他方では、所望ならば、電気的に駆動可能な弁を制御装置４４により作動させることができる。

知られているように、スタック２０は、通常作動時に大気圧より低い冷却剤を提供するようにポンプ４２と絞り弁３７との間にある必要がある。

所望ならば、そして、ポンプおよび導管を凍結するのから保護する場合は、溶解するどのような水もよりいっそう暖かくなるようにスタック内へと循環させて、それが蓄積装置内へ戻る際にさらなる冷却剤を溶解するようにポンプ４２を使用することで、加熱器４５を用いる冷却剤を溶解するプロセスを向上させることができる。本質は、冷却剤を溶解するのに、最初の数分間で燃料電池により生成された、電気的または熱的、またはこれら両方のエネルギーを用いることである。

図３を参照すると、本発明の第二の態様は、水を導管５５を通して蓄積装置２８の下部から引張り、それを導管５７、５８に亘って燃料電池スタック１９の各セクション２０、２１に施すために、小さな補助ポンプ５４を使用する。導管５７は、逆に貯蔵器から冷却剤出口マニホールド４１へと溶解された水を流す（ポンプ４２は運転停止されていることを心に留めおかれたい）。加熱器４５は、導管５５の内側および外側の水を溶解することができ、それによって、水は、導管を通って流れることができる。その後、ポンプ５４により生成された圧力は、反応物気体（燃料および酸化剤）の圧力より大きくなり、それによって、出口マニホールド４１に施された水は、各燃料電池内の多孔質水輸送板（ｗａｔｅｒ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｐｌａｔｅ）（ＷＴＰ）からそこを通って押し出されることになり、それによって、水は、酸化剤反応物気体流れ区域内へ流入する。この水は、酸化剤反応物気体の流れの中で一緒に運ばれることになり、貯蔵器２８内の氷／水のレベル２７の上の空間６０内へと滴り落ち、それによって、蓄積装置内２８内のさらなる氷を溶解する傾向がある。溶解され、補助ポンプ５４により冷却剤流路へ輸送される水は、かろうじて０℃（３２°Ｆ）を超えているが、しかしながら、燃料電池スタック１９を通過した後は、約１５℃〜６０℃（約１００°Ｆ〜１４０°Ｆ）程度などに、よりいっそう暖まることになる、ことに留意されたい。従って、この暖かい水が酸化剤反応物気体流れ区域から滴り落ちる結果として、蓄積装置の上部においてかなりの溶解があることになる。燃料電池の廃熱は、反応物気体が燃料電池に提供され、輸送装置推進システムなどといった負荷が燃料電池出力５１、４７に亘って接続されるとすぐに生じる。酸化剤流れ区域に流入し、空気の流れによって一緒に運ばれる暖かい水は、約１５分間内で輸送装置内のＰＥＭ型燃料電池のための典型的な蓄積装置内の氷を溶解するのに十分である。以下に説明するように、これは、局所的な加熱からの損傷を避けるために冷却が必要とされるところまで燃料電池スタックが暖まるときまで液体水が利用可能であるのを確実にするのに適している。

図３の装置上の変形例が図４に例示される。そこでは、補助ポンプ５４が、液体水を上部（出口）冷却剤マニホールド４１に施すが、しかしながら、水輸送板輸送板からそこを通る酸化剤流れ区域内への水の流れのみに依拠する代わりに、水は、水流路を通り冷却剤入口マニホールド３８へ流れることもできる。次いで、導管６１が、弁６２が開であるとすれば、氷／水のレベル２７の上の空間６０の上部へと戻すように水を運ぶことになる。従って、水の一部は単に、逆に各燃料電池内の冷却剤流路を通って流れ、導管６１により蓄積装置２８へと戻される。この水は、燃料電池プロセスの廃熱により、幾分より低い程度で、同じ仕方で暖められることになり、それによって、それは、始動の際に蓄積装置２８内の氷を溶解するのに利用される。

水を水輸送板からそこを通して押しやるのに十分にポンプ５４により圧力が維持される場合、水は明らかに、酸化剤反応物流路内と導管６１内の両方を流れることができ、いずれの場合も、水は、以下に説明される温度に実質的に暖められ、それによって、蓄積装置２８内の氷の溶解にかなり寄与することになる。

冷却剤流路が多孔質板内でない場合などといった任意の実施態様において所望ならば、ポンプ５４の圧力は、水を気体流れ区域内へと押しやるのに必要な圧力より低くなることができ、水を加熱するのに冷却剤流路にのみ依拠する。あるいは、通常の冷却剤ポンプは、以下に説明するように全ての導管が凍結するのから保護されているとすれば、以下）、図１３および図１４に関して説明するように、水を加熱するようスタックを通して小量の水をポンプ送りするのに使用され得る。

図５において、本発明の別の態様は、蓄積装置内に配置された複数の管６６を備える凝縮熱交換器６５を利用し、管６６の入口６７は、酸化剤流れ区域の排気と流体連通する。熱交換器は、零度温度近くで氷または水と接触することにより冷却されるので、酸化剤流れ区域の排気の顕熱が、蓄積装置内の媒体の温度を上昇させることになるだけでなく、酸化剤流れ区域の排気中の生成水から導き出されるかなりの水分が凝縮されることになり、その結果、凝縮の潜熱が、熱交換器の壁を通して隣接する氷または水へ移動される。

３００Ｂｔｕ／ｈｒ−°Ｆの容量を有し、電気加熱器（電気加熱器４５など）からの助けのない熱交換器６５では、図６に見られるように、熱交換器に隣接する温度（ＨＸ温度）が、約４．５分間で氷点を超えることになる。この結果は、蓄積装置内の温度が、約１３．５分間で氷点を超えることである。従って、水は、このような凝縮器を用いて１５分間より短い時間で加湿と冷却のために利用可能となる。

図７には、２．５ｋＷなどといった小さな電気加熱器４５が、図６に記録された凝縮熱交換器６５と共に使用されるときの結果が示される。熱交換器温度が、およそほんの３分間で零度を超えることになり、また、蓄積装置温度が、約１３分間で氷点を超えて上昇することになることが見られる。

図８に見られるように、電気加熱器なしで使用される９００Ｂｔｕ／ｈｒ−°Ｆという、より大きな熱交換器６５では、熱交換器は、３分間より短い時間で氷点を超えて上昇することになり、蓄積装置温度は、丁度６分間を超えたところで氷点を超えて上昇することになる。

本発明に従うと、凝縮熱交換器は、図９に示す仕方で冷却剤水蓄積装置内の氷を溶解する目的で、凍結始動時に燃料電池廃熱を利用するのに使用され得る。そこでは、凝縮熱交換器７０が、室７２内に懸架された複数の管７１を備えており、室７２は、空気出口ダクト７６内に配置された空気入口ダクト７５と流体連通する。室７２は、凝縮した水分を下方へと冷却水蓄積装置２８内へと流すことができる通路７３を有する。凍結環境において流入する空気は、非常に冷たく、それによって、室７２に流入する酸化剤（空気）流れ区域の排気中の暖かい水分の管７１の外表面上への凝縮を引き起こすことになる。−２０℃〜１０℃（４°Ｆ〜５０°Ｆ）程度であり得る流入する空気と、ほぼ氷点から８０℃（１７５°Ｆ）の近くに急速に上昇するカソード流れ区域から排出される暖かい空気との間の大きな温度差によって、かなりの凝縮が生じることになり、従って、２０℃から６０℃（約６８°Ｆ〜１４０°Ｆ）の範囲の温度のかなりの水を提供し、この水は、凍結始動に続く燃料電池作動の最初の１０分間内かそこらで多量の水を溶解することになる。

本発明のさまざまな態様が、単独にまたは本発明の他の態様と一緒に使用され得る。図１０は、図１の加熱器４５が、導管５５、補助ポンプ５４、導管５７および５８、および熱交換器６５と組み合わせて使用され得ることを示す。加熱器は、小量の水を溶解することになり、この水は、上部冷却剤マニホールド４１へとポンプ送りされることになり、それによって、水は、ポンプ圧力により水輸送板からそこを通って酸化剤流れ区域内へと押しやられ、水はその後、凝縮の潜熱および顕熱の結果として、蓄積装置２８内の冷却剤のレベル２７の上の空間内へと滴り落ち、同時に、酸化剤流れ区域から熱交換器６５を通って流れる暖かい湿った流出物が、それに隣接する氷（またはほぼ凍結している水）を暖めることなる。加熱器４５は、補助ポンプ５４を通る流れを開始するための小量の水だけを溶解するための小さな（１ｋＷ〜２ｋＷなど）ものとすることができ、または、冷却剤のかなりの溶解を提供するために、より大きな（２．５ｋＷ〜５ｋＷなど）ものとすることができる。

同様に、図１１は、溶解された蓄積装置水を上部冷却剤マニホールド４１へ提供する加熱器４５、導管５５、５７、および５８、およびポンプ５４が、図９の凝縮熱交換器７０と組み合わされ得ることを示す。この結果、水分が、酸化剤流れ区域から熱交換器７０の領域内へと滴り落ち、同様に、水分が、熱交換器７０によって暖かい湿ったカソード排気から凝縮し、それによって、かなりの水が提供されて通路７３を通って滴り落ち、それによって、蓄積装置２８内のさらなる氷を溶解する。

図１２は、図１１の組み合わせが、それと組み合わされる導管６１を有し、それによって、冷却剤流路を通り下部冷却剤流路マニホールド３８から蓄積装置２８内へと、その中の冷却剤のレベル２７の上に流れる暖かい水を提供する。

以上の実施態様の全ては、冷却剤水を溶解し、かつ、溶解された水を暖めるのにスタックから導き出されたエネルギーだけを利用する。しかしながら、本発明は、蓄積装置内の冷却剤を暖めるのにスタックのエネルギーを利用することを含み、本発明は、最初の小量の水が、スタックにより提供されないエネルギーで溶解され、その後、上述したように、スタックが、溶解された水を温めるというハイブリッド方式で使用されることができる。従って、蓄積装置内の氷を溶解するのにスタックから直接導き出されるエネルギーを伝達することは、外部エネルギーの助けありまたはなしで行うことができる。

ハイブリッドシステムの一例は、図１３に例示される。そこでは、加熱器４５は、スタックにより生成された電力によっては電力供給されず、しかしながらむしろ、蓄電池８０により電力供給される。勿論、スタックが通常運転に入った後でスタックにより生成された電力で蓄電池８０を充電するための回路が提供され得る。

別の例が、図１４に例示される。そこでは、電気加熱器がなく、水の最初の溶解は、弁８５を開にしかつ弁８６を閉にする制御装置４４により稼動され得る始動加熱器８３によって達成される。始動加熱器は、利用可能なものに従って、水素および改質物を含め、燃料電池燃料などの燃料の火炎または触媒燃焼を利用できる。加熱器８３から、水性グリコール溶液などの加熱された水／不凍液溶液が、ポンプ３２によって、管３１（通常は燃料電池冷却剤を冷却するのに使用される）を通って弁８５、８６へ戻るように流される。

一旦小量の水が溶解されると、それは、先に図１に関して説明したように、酸化剤反応物気体圧力によって、蓄積装置２８の下部から導管３６および弁３７を通り冷却剤入口マニホールド３８内へ、およびスタックの冷却剤流路を通って押し上げられ得る。冷却剤流路は、燃料電池スタックの前の運転停止時に完全に水抜きされているので、氷の閉塞がなく、それによって、水は、冷却剤出口マニホールド４１に到達するまで、それが溶解するのと同じくらい速く上方へと燃料電池冷却剤流路を通って上昇し続けることができる。次いで、それは、制御装置により始動され得るポンプ４２に流れることになる。上述したように、選択的に作動可能な排気口４０（図１）が、システムが冷却剤水で満たされる間にシステムから空気を逃がすように冷却剤出口マニホールド４１の近くに必要となり得る。

あるいは、一旦小量の水が溶融されると、それは、上述したように、ポンプ５４により蓄積装置２８から導管５５を通して引き出され（図３）、そこから、導管５７に亘って上部導管マニホールド４１へ流されることができる。

スタックにおいて一度、ほぼ凍結した水が、かなり暖められることになる。従って、溶解プロセスは、外部のエネルギーで開始され、スタックからの燃料電池プロセス廃熱を用いて終了されることができる。

図１、図３、図４、および図９〜図１４に例示される本発明の別の態様は、図１５および図１６において明らかにされる。図１５においては、従来技術の燃料電池発電装置の一部が、電池スタックアッセンブリ１９を含み、この電池スタックアッセンブリ１９は次いで、隣接する燃料電池のスタック２０と、燃料入口マニホールド９０と、燃料出口マニホールド９１と、入口マニホールド２３と、出口マニホールド２５と、冷却剤入口マニホールド３８と、冷却剤出口マニホールド４１とを備える。電池スタックアッセンブリ１９の外側に、冷却剤ポンプ４２と、蓄積装置９４に至る導管とが存在し、氷点より低い条件にあるとき燃料電池発電装置を運転停止する前に蓄積装置９４の中へ水が移動され得る。電池スタックアッセンブリ１９の外部にはまた、グリコール−水熱交換器が存在し、この熱交換器内で、蓄積装置９４からの水冷却剤は、ポンプ３２によって熱交換器９６とラジエータ３３（ここで廃熱が放り出される）との間に移動されるグリコール含有（または他の不凍液含有）外部冷却剤で交換される熱により熱除去される。冷却剤水は次いで、絞り３７を通ってスタックに戻され、絞り３７は、冷却剤真空を生成し、すなわち、冷却剤圧力を大気圧より低くし、それによって、既知のように、反応物気体と冷却剤との間に適当な圧力差を提供する。

図１６に示すように本発明に従うと、多目的マニホールド９８が、蓄積装置２８として機能し、空気入口または空気出口と流体連通する。図１６において蓄積装置は、空気入口と流体連通する。先の実施態様の大部分では、蓄積装置２８が空気出口と流体連通する。さらに、グリコール／水熱交換器３１が、蓄積装置の一部として作成される。多機能マニホールドは、スタック２０の下にそれと隣接して配置され、それによって、スタックの少なくとも一部と容易に流体連通する。図１６には図示されていないとはいえ、図１４以外の先の実施態様の全てに例示されるように、電気加熱器４５は、多機能マニホールド９８内の蓄積装置内に配置することもできる。

図１６に例示する本発明の態様は勿論、上述した実施態様に記載される本発明の他の態様と共に利益を得るように使用できるとはいえ、他の実施態様において同様に利益を得るように使用できる。

蓄積装置内の冷却剤水を溶解するのにスタックにより電力供給される電気加熱器を組み込んだ二つのセクションのＰＥＭ型燃料電池スタックの一部断面、一部切欠概略斜視図。 ５ｋＷ加熱器を利用する図１の発明におけるスタック温度、蓄積装置温度、およびスタック電力を例示するグラフ。 溶解された冷却剤水を蓄積装置から上部冷却剤水マニホールドへ提供するための補助ポンプを組み込んだ二つのセクションのＰＥＭ型燃料電池スタックの一部断面、一部切欠概略斜視図。 溶解された冷却剤水を蓄積装置から上部冷却剤水マニホールドへ提供するための補助ポンプを組み込み、かつ、冷却剤水をスタックから蓄積装置へ戻すための導管を有する、二つのセクションのＰＥＭ型燃料電池スタックの一部断面、一部切欠概略斜視図。 冷却剤水蓄積装置内の氷を溶解するのに酸化剤流れ区域の排気が使用される凝縮熱交換器を組み込んだ二つのセクションのＰＥＭ型燃料電池スタックの一部断面、一部切欠概略斜視図。 ３，０００Ｂｔｕ／ｈｒ−°Ｆ熱交換器を有するが電気加熱器を用いない図６の実施態様に対する、時間の関数としてのスタック電力を含めたスタック、カソード排気、熱交換器、および蓄積装置の温度のグラフ。 ２．５ｋＷの電気加熱を有しているが、図７の条件に対する、時間の関数としてのスタック電力を含めたスタック、カソード排気、熱交換器、および蓄積装置の温度のグラフ。 ９００Ｂｔｕ／ｈｒ−°Ｆ熱交換器を有するが電気加熱器を用いない図６の実施態様に対する、時間の関数としてのスタック電力を含めたスタック、カソード排気、熱交換器、および蓄積装置の温度のグラフ。 酸化剤流れ区域の排気中の水分を凝縮させるのに冷たい流入空気が使用される凝縮熱交換器を組み込こんだ二つのセクションのＰＥＭ型燃料電池スタックの一部断面、一部切欠概略斜視図。 図１、図３、および図５の特徴部を組み込こんだ二つのセクションのＰＥＭ型燃料電池スタックの一部断面、一部切欠概略斜視図。 図１、図３、および図９の特徴部を組み込こんだ二つのセクションのＰＥＭ型燃料電池スタックの一部断面、一部切欠概略斜視図。 図１、図４、および図９の特徴部を組み込こんだ二つのセクションのＰＥＭ型燃料電池スタックの一部断面、一部切欠概略斜視図。 蓄電池により電力供給される加熱器に応答して蓄積装置内の水が最初に溶解される二つのセクションのＰＥＭ型燃料電池スタックの一部断面、一部切欠概略斜視図。 加熱されたグリコール溶液により蓄積装置内の水が最初に溶解される二つのセクションのＰＥＭ型燃料電池スタックの一部断面、一部切欠概略斜視図。 従来技術で知られる燃料電池発電装置の一部の概略ブロック線図。 本発明に従う燃料電池発電装置の一部の簡略ブロック線図。

Claims (61)

1. 燃料電池システムの少なくとも一部が氷点より低い温度にあるときに燃料電池システムを始動する方法であって、燃料電池システムは、冷却剤蓄積装置と、隣接するＰＥＭ型燃料電池のスタック（１９）とを有し、スタック（１９）は、（ａ）前記蓄積装置と流体連通する冷却剤流れ流路と、（ｂ）燃料気体流れ区域および酸化剤反応物気体流れ区域とを有しており、この方法は、
   燃料電池から直接導き出されるエネルギーを蓄積装置内の冷却剤へ伝達し、それによって、蓄積装置内の氷を溶解する、
   ことを含み、前記のエネルギーを伝達するステップは、
   （ｃ） 電力（４７、５１）が燃料電池により生成される間に、電力（４７、５１）を蓄積装置（２８）内の冷却剤（２７）と熱的に連通する電気加熱器（４５）に施す（４４、４６）こと、および、
   （ｄ） 廃熱が燃料電池により生成される間に、廃熱を蓄積装置内の冷却剤へ伝達すること、
   のうちの一つまたは複数から選択されることを特徴とする、燃料電池システムを始動する方法。
2. 前記の伝達ステップは、
   燃料電池システムにより生成される電力（４７、５１）を、蓄積装置（２８）内の冷却剤（２７）と熱的に連通するように配置された抵抗加熱器（４５）に施す（４４、４６）、
   ことを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記の伝達ステップは、
   燃料電池システムにより生成される電力（４７、５１）を、蓄積装置（２８）内の冷却剤（２７）内に配置された抵抗加熱器（４５）に施す（４４、４６）、
   ことを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記の伝達ステップは、
   酸化剤流れ区域内の熱を蓄積装置（２８）内の冷却剤（２７）へ伝達する、
   ことを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記の熱を伝達するステップは、
   水（５４、５５、５７）を冷却剤流れ流路（４１）から酸化剤反応物気体流れ区域内へ、それから蓄積装置（２８）内へと流し、それによって、燃料電池の廃熱を、この熱を蓄積装置へ運ぶ水へ伝達する、
   ことを含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 前記の水を流すステップは、
   蓄積装置（２８）内の冷却剤（２７）の一部を加熱（４５）して水を提供し、
   この水を、酸化剤反応物気体流れ区域内の圧力より高い圧力下で、冷却剤流れ流路内（４１）へポンプ送り（５４、５５、５７）する、
   ことを含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 前記のポンプ送りステップは、
   前記水を、冷却剤流れ流路に接続されかつ蓄積装置（２８）より高い冷却剤マニホールド（４１）内へポンプ送りし（５４、５５、５７）、それによって、重力の力により前記水を蓄積装置の方へと流すことを可能とする、
   ことを含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 燃料電池システムにおいて、冷却剤流れ流路は、上部冷却剤マニホールド（４１）とこの上部冷却剤マニホールドより低い下部冷却剤マニホールド（３８）との間に延在し、前記のポンプ送りステップは、
   水を蓄積装置内へ冷却剤流れ流路から下部冷却剤マニホールドを通して流す（３６、３７）、
   ことをさらに含むことを特徴とする請求項７記載の燃料電池システムを始動する方法。
9. 前記の熱を施すステップは、
   酸化剤反応物気体流れ区域の排気を蓄積装置（２８）内に冷却剤レベル（２７）より下に配置された熱交換器（６５）を通して流す（２５）、
   ことを含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
10. 前記の熱を施すステップは、
    入口酸化剤反応物気体（７５）を供給源から、蓄積装置（２８）の上にある空間（７２）であって蓄積装置（２８）と流体連通（７３）する空間（７２）内に配置された熱交換器（７０）内の通路を通して流し、
    酸化剤反応物気体流れ区域の排気を、前記空間を通して流す、
    ことを含み、それによって、入口酸化剤反応物気体は、熱交換器を冷却し、酸化剤反応物気体排気から水を凝縮させ、それからこの凝縮した水が蓄積装置内へと流れて、その内部の冷却剤を溶解することを特徴とする請求項４記載の方法。
11. 燃料電池システムにおいて、冷却剤流れ流路は、上部冷却剤マニホールド（４１）とこの上部冷却剤マニホールドより低い下部冷却剤マニホールド（３８）との間に延在し、前記の伝達ステップは、
    蓄積装置（２８）内の冷却剤（２７）の一部を加熱（４５）して水を提供し、
    この水を上部冷却剤マニホールドへポンプ送りし（５４、５５、５７）、
    水を蓄積装置（２８）内へ冷却剤流れ流路から下部冷却剤マニホールドを通して流す（３６、３７）、
    ことを含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムを始動する方法。
12. 前記の加熱ステップは、
    燃料電池システムにより生成される電力（４７、５１）を、蓄積装置（２８）内の冷却剤（２７）と熱的に連通するように配置された抵抗加熱器（４５）に施す（４６）、
    ことを含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 前記の加熱ステップは、
    電力を蓄電池（８０）から、蓄積装置（２８）内の冷却剤（２７）と熱的に連通するように配置された抵抗加熱器（４５）に施す（４６）、
    ことを含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
14. 前記の加熱ステップは、
    加熱された不凍液および水の溶液（８３）を、冷却剤（２７）と熱的に連通する熱交換器（３１）を通して流す（３２）、
    ことを含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
15. 燃料電池システムにおいて、冷却剤流れ流路は、下部入口マニホールド（３８）から上部出口マニホールド（４１）へ延在し、酸化剤反応物気体流れ流路は、大気圧より上の圧力にありかつ蓄積装置（２８）と流体連通しており、前記の伝達ステップは、
    蓄積装置（２８）内の冷却剤（２７）の一部を加熱（４５）して小量の水を溶解し、
    冷却剤出口マニホールド（４１）に大気への排気口（４０）を設ける、
    ことを含み、それによって、酸化剤反応物気体流れ区域の圧力が、前記溶解した水を冷却剤流路内（３６、３７）へと押しやり、それによって、前記溶解した水は、スタック内で暖められることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムを始動する方法。
16. 前記暖められた溶解した水が、蓄積装置（２８）内へと戻るよう流れる（３６、３７、３８）ように、酸化剤反応物気体流れ区域内の圧力を低減し、それによって、蓄積装置内のさらなる水を溶解する、
    ことをさらに含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
17. より多くの溶解した水が、冷却剤流れ流路内へと押しやられて（３６、３７、３８）暖められるように、酸化剤反応物気体流れ区域内の圧力を回復させ、
    前記暖められた水が、蓄積装置内へと戻るよう流れる（３６、３７、３８）ように、酸化剤反応物気体流れ区域内の圧力を低減し、それによって、蓄積装置内のより多くの水を溶解する、
    ことをさらに含むことを特徴とする請求項１６記載の方法。
18. 冷却剤を冷却剤出口マニホールド（４１）から蓄積装置（２８）へポンプ（４２）によって循環させる、
    ことをさらに含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
19. 前記の加熱ステップは、
    燃料電池システムにより生成される電力（４７、５１）を、蓄積装置（２８）内の冷却剤（２７）と熱的に連通するように配置された抵抗加熱器（４５）に施す（４６）、
    ことを含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
20. 前記の加熱ステップは、
    電力を蓄電池（８０）から、蓄積装置（２８）内の冷却剤（２７）と熱的に連通するように配置された抵抗加熱器（４５）に施す（４６）、
    ことを含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
21. 前記の加熱ステップは、
    加熱された（８３）不凍液および水の溶液を、冷却剤（２７）と熱的に連通する熱交換器（３１）を通して流す（３２）、
    ことを含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
22. 燃料電池システムにおいて、冷却剤流れ流路は、冷却剤入口マニホールド（３８）と冷却剤出口マニホールド（４１）との間に延在し、前記の伝達ステップは、
    蓄積装置（２８）内の加熱器（４５）で冷却剤（２７）を溶解し、
    この溶解した冷却剤を冷却剤流れ流路内へ流す（４２；５５）、
    ことを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
23. 前記の流すステップは、
    水を冷却剤出口マニホールド（４１）から逆に冷却剤流路を通して冷却剤入口マニホールド（３８）へ流す（５４、５５、５７）、
    ことを含むことを特徴とする請求項２２記載の燃料電池システムを始動する方法。
24. 前記の流すステップは、
    水を冷却剤入口マニホールド（３８）から通常に冷却剤流路を通して冷却剤出口マニホールド（４１）へ流す（４２）、
    ことを含むことを特徴とする請求項２２記載の方法。
25. 複数の連続する燃料電池を有する燃料電池スタック（１９）であって、各燃料電池が、アノードと、カソードと、これらのアノードとカソードとの間に配置されたＰＥＭ膜電極アッセンブリとを含み、さらに各電池が、反応物気体流れ流路と冷却剤流路とを有する、燃料電池スタック（１９）と、
    電力出力接続部（４７、５１）と、
    冷却剤流路と流体連通する冷却剤蓄積装置（２８）と、
    この蓄積装置内の冷却剤と熱連通するように配置された電気加熱器（４５）と、
    燃料電池アッセンブリの少なくとも一部が、氷点より低い温度にあるときに、燃料電池アッセンブリの始動の最初の数分間内に前記加熱器を前記電力出力接続部に選択的に接続し、それによって、蓄積装置内の冷却剤を溶解する手段（４４、４６）と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
26. 複数の連続する燃料電池を有する燃料電池スタック（１９）であって、各燃料電池が、少なくとも一つの燃料流れ区域を有するアノードと、少なくとも一つの酸化剤流れ区域を有するカソードと、これらのアノードとカソードとの間に配置されたＰＥＭ膜電極アッセンブリとを含み、これらの電池の酸化剤気体流れ区域が、多孔質媒体によって前記冷却剤流路から隔離されている、燃料電池スタック（１９）と、
    酸化剤気体を第一の圧力において燃料気体流れ区域へ施す手段と、
    燃料気体を第二の圧力において酸化剤気体流れ区域へ施す手段（２１、２３）と、
    冷却剤流路と流体連通する冷却剤蓄積装置（２８）と、
    を備えており、前記酸化剤流れ区域は、前記蓄積装置と流体連通して排気され、さらに燃料電池システムは、
    蓄積装置内に配置された加熱器（４５）と、
    この加熱器に隣接する水を受け取り、この水（５７、４１）を第一の圧力より高い圧力において冷却剤流路へ施し、それによって、水を多孔質媒体を通して前記流れ区域内へ押しやるポンプ（５４）と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
27. 複数の連続する燃料電池を有する燃料電池スタック（１９）であって、各燃料電池が、少なくとも一つの燃料流れ区域を有するアノードと、少なくとも一つの酸化剤流れ区域を有するカソードと、これらのアノードとカソードとの間に配置されたＰＥＭ膜電極アッセンブリとを含み、さらに各電池が、冷却剤流路を有する、燃料電池スタック（１９）と、
    冷却剤（２７）を冷却剤流路から受け取る冷却剤蓄積装置（２８）と、
    この蓄積装置内の冷却剤と流体連通（７３）する凝縮熱交換器（６５；７０）と、
    酸化剤を供給源から酸化剤流れ区域を通し、前記熱交換器へと流し、それによって、この熱交換器へ排気される（ａ）酸化剤流れ（６７）の中のプロセス廃熱を、冷却剤中の任意の氷を溶解するように、（ｂ）冷却剤中へ伝達する手段（２３；７５）と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
28. 前記熱交換器（６５）は、冷却剤（２７）内に埋め込まれており、
    前記手段（２３）は、酸化剤を前記供給源から酸化剤流れ区域へ流し、さらに、酸化剤排気をこの流れ区域から熱交換器を通して流す（６７）、
    ことを特徴とする請求項２７記載のシステム。
29. 前記手段（７５）は、酸化剤を前記供給源から熱交換器の第一の側を（７１）を通し、それから酸化剤流れ区域内へと提供し、
    前記酸化剤流れ区域は、熱交換器の第二の側（７２）に排気され、熱交換器のこの第二の側は、蓄積装置（２８）内の冷却剤（２７）と流体連通し、それによって、酸化剤流れ区域の排気中の水分を熱交換器において凝縮させ、蓄積装置内へ流して、その内部の氷を溶解する、
    ことを特徴とする請求項２７記載のシステム。
30. 複数の連続する燃料電池を有する燃料電池スタック（１９）であって、各燃料電池が、少なくとも一つの燃料流れ区域を有するアノードと、少なくとも一つの酸化剤流れ区域を有するカソードと、これらのアノードとカソードとの間に配置されたＰＥＭ膜電極アッセンブリとを含み、さらに各電池が、多孔質媒体によって前記流れ区域から隔離されている冷却剤流路を有する、燃料電池スタック（１９）と、
    酸化剤気体を第一の圧力において酸化剤気体流れ区域へ施す手段（２１、２３）と、
    燃料気体を第二の圧力において燃料気体流れ区域へ施す手段と、
    電力出力接続部（４７、５１）と、
    冷却剤（２７）を冷却剤流路から受け取る冷却剤蓄積装置（２８）と、
    を備えており、前記酸化剤流れ区域は、前記蓄積装置と流体連通して排気され、さらに燃料電池システムは、
    前記蓄積装置内の冷却剤と熱連通するように配置された電気加熱器（４５）と、
    燃料電池アッセンブリの少なくとも一部が、氷点より低い温度にあるときに、燃料電池アッセンブリの始動の最初の数分間内に前記加熱器を前記電力出力接続部に選択的に接続し、それによって、蓄積装置内の冷却剤を溶解する手段（４４、４６）と、
    前記加熱器に隣接する水を受け取り、この水を第一の圧力より高い圧力において冷却剤流路へ施し（５７、４１）、それによって、水を多孔質媒体を通して前記流れ区域内へ押しやるポンプ（５４）と、
    前記蓄積装置内の冷却剤と流体連通する凝縮熱交換器（６５；７０）と、
    酸化剤を供給源から酸化剤流れ区域を通し、前記熱交換器へと流し、それによって、この熱交換器へ排気される（ａ）酸化剤流れの中のプロセス廃熱を、冷却剤中の任意の氷を溶解するように、（ｂ）冷却剤中へ伝達する手段（２３；７５）と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
31. 燃料電池システムの少なくとも一部が氷点より低い温度にあるときに燃料電池システムを始動する方法であって、燃料電池システムは、複数の隣接する燃料電池を有する燃料電池スタック（１９）であって、各燃料電池が、少なくとも一つの燃料流れ区域を有するアノードと、少なくとも一つの酸化剤流れ区域を有するカソードと、これらのアノードとカソードとの間に配置されたＰＥＭ膜電極アッセンブリとを含み、さらに各電池が、多孔質媒体によって前記流れ区域から隔離されている冷却剤流路を有する、燃料電池スタック（１９）と、電力出力接続部（４７、５１）と、冷却剤を冷却剤流路から受け取る冷却剤蓄積装置（２８）と、この蓄積装置内の冷却剤（２７）と熱流通するように配置された電気加熱器（４５）と、を備えており、前記酸化剤流れ区域は、前記蓄積装置と流体連通して排気されており、この方法は、
    （ａ） 酸化剤気体を第一の圧力において燃料酸化剤気体流れ区域へ施し、
    （ｂ） 燃料気体を第二の圧力において燃料気体流れ区域へ施し、
    （ｃ） 燃料電池アッセンブリの少なくとも一部が、氷点より低い温度にあるときに、燃料電池アッセンブリの始動の最初の数分間内に前記加熱器を前記電力出力接続部に選択的に接続し（４４、４６）、それによって、蓄積装置内の冷却剤を溶解し、
    （ｄ） ポンプ（５４）で加熱器に隣接する水を第一の圧力より高い圧力において冷却剤流路（４１）へポンプ送りし、それによって、水を多孔質媒体を通して前記流れ区域内へ押しやり、
    酸化剤を供給源から酸化剤流れ区域を通し、蓄積装置内の冷却剤と流体連通する凝縮熱交換器（６５）へと流し、それによって、この熱交換器へ排気される（ａ）酸化剤流れの中のプロセス廃熱を、冷却剤中の氷を溶解するように、（ｂ）冷却剤中へ伝達する、
    ことを含むことを特徴とする、燃料電池システムを始動する方法。
32. 燃料電池システムの少なくとも一部が氷点より低い温度にあるときに始動される能力を有する燃料電池システムであって、
    冷却剤蓄積装置（２８）と、
    隣接するＰＥＭ型燃料電池のスタック（１９）であって、（ａ）前記蓄積装置と流体連通する冷却剤流れ流路と、（ｂ）燃料気体流れ区域および酸化剤反応物気体流れ区域とを有する、スタック（１９）と、
    燃料電池から直接導き出されるエネルギーを蓄積装置内の冷却剤へ伝達し、それによって、蓄積装置内の任意の氷を溶解する手段と、
    を備えており、前記のエネルギーを伝達する手段は、
    （ｃ） 蓄積装置内の冷却剤（２７）と熱的に連通する電気加熱器（４５）、および、電力（４７、５１）が燃料電池により生成される間に、電力（４７、５１）をこの電気加熱器に施す手段（４４、４６）と、
    （ｄ） 廃熱が燃料電池により生成される間に、廃熱を蓄積装置内の冷却剤へ伝達する手段と、
    のうちの一つまたは複数から選択されることを特徴とする燃料電池システム。
33. 前記のエネルギーを伝達する手段は、
    蓄積装置（２８）内の冷却剤（２７）と熱的に連通するように配置された抵抗加熱器（４５）と、
    燃料電池システムにより生成される電力（４７、５１）を前記加熱器に施す手段（４４、４６）と、
    を備えることを特徴とする請求項３２記載のシステム。
34. 前記のエネルギーを伝達する手段は、
    蓄積装置（２８）内の冷却剤（２７）内に配置された抵抗加熱器（４５）と、
    燃料電池システムにより生成される電力（４７、５１）を前記加熱器に施す手段（４４、４６）と、
    を備えることを特徴とする請求項３２記載のシステム。
35. 前記のエネルギーを伝達する手段は、
    酸化剤流れ区域内の熱を蓄積装置（２８）内の冷却剤（２７）へ伝達する手段、
    を備えることを特徴とする請求項３２記載のシステム。
36. 前記の熱を伝達する手段は、
    水を冷却剤流れ流路（４１）から酸化剤反応物気体流れ区域内へ、それから蓄積装置（２８）内へと流し、それによって、燃料処理の廃熱を、この熱を蓄積装置へ運ぶ水へ伝達する手段（５４、５５、５７）、
    を備えることを特徴とする請求項３５記載のシステム。
37. 前記の水を流す手段は、
    蓄積装置（２８）内の冷却剤（２７）の一部を加熱して水を提供する手段（４５）と、
    この水を、酸化剤反応物気体流れ区域内の圧力より高い圧力下で、冷却剤流れ流路内（４１）へポンプ送りする手段（５４、５５、５７）と、
    を備えることを特徴とする請求項３６記載のシステム。
38. 前記のポンプ送り手段は、
    冷却剤流れ流路に接続され、蓄積装置（２８）より高い冷却剤マニホールド（４１）と、
    前記水を、冷却剤マニホールド内へポンプ送りし、それによって、重力の力により前記水を蓄積装置の方へと流すことを可能とする手段（５４、５５、５７）と、
    を備えることを特徴とする請求項３７記載のシステム。
39. 前記冷却剤流れ流路は、上部冷却剤マニホールド（４１）と下部冷却剤マニホールド（３８）との間に延在し、
    前記のポンプ送り手段は、
    水を蓄積装置内へ冷却剤流れ流路から上部冷却剤マニホールドより低い下部冷却剤マニホールドを通して流す手段（３６、３７）、
    をさらに備えることを特徴とする請求項３８記載のシステム。
40. 前記の熱を伝達する手段は、
    蓄積装置（２８）内に冷却剤レベル（２７）より下に配置された熱交換器（６５）と、
    酸化剤反応物気体流れ区域の排気を熱交換器を通して流す手段（２５）と、
    を備えることを特徴とする請求項３５記載のシステム。
41. 前記の熱を伝達する手段は、
    反応物気体の供給源と、
    蓄積装置（２８）の上にある空間（７２）であって蓄積装置（２８）と流体連通（７３）する空間（７２）内に配置された熱交換器（７０）と、
    入口酸化剤反応物気体を前記供給源から前記熱交換器内の通路を通して流す手段（７５）と、
    を備えており、前記酸化剤反応物気体流れ区域の排気は、前記空間を通って流れ、それによって、入口酸化剤反応物気体は、熱交換器を冷却し、酸化剤反応物気体流れの中の水蒸気から水を凝縮させ、それからこの凝縮した水が蓄積装置内へと流れて、その内部の冷却剤を溶解する、
    ことを特徴とする請求項３５記載のシステム。
42. 前記冷却剤流れ流路は、上部冷却剤マニホールド（４１）と下部冷却剤マニホールド（３８）との間に延在し、
    前記の伝達手段は、
    蓄積装置内の冷却剤の一部を加熱して水を提供する手段（４５）と、
    この水を上部冷却剤マニホールドへポンプ送りする手段（５４、５５、５７）と、
    水を蓄積装置内へ冷却剤流れ流路から上部冷却剤マニホールドより低い下部冷却剤マニホールドを通して流す手段（３６、３７）と、
    を備えることを特徴とする請求項３５記載のシステム。
43. 前記の加熱手段は、
    蓄積装置（２８）内の冷却剤（２７）と熱的に連通するとともに、燃料電池スタックにより生成される電力（４７、５１）により電力供給される抵抗加熱器（４５）、
    を備えることを特徴とする請求項４２記載のシステム。
44. 前記の加熱手段は、
    蓄積装置（２８）内の冷却剤（２７）と熱的に連通するとともに、蓄電池（８０）により電力供給される抵抗加熱器（４５）、
    を備えることを特徴とする請求項４２記載のシステム。
45. 前記の加熱手段は、
    蓄積装置（２８）内の冷却剤（２７）と熱的に連通するとともに、加熱された不凍液および水の溶液（８３）を受け取る熱交換器（３１）、
    を備えることを特徴とする請求項４２記載のシステム。
46. 前記の伝達手段は、
    蓄積装置（２８）内の加熱器（４５）で溶解された冷却剤をスタック内へポンプ送りする手段（４２；５５）、
    を備えることを特徴とする請求項３２記載のシステム。
47. 前記のポンプ送り手段は、
    水を逆方向に冷却剤流路を通してポンプ送りする手段（５５）、
    を備えることを特徴とする請求項４３記載のシステム。
48. 前記のポンプ送り手段は、
    水を通常の方向に冷却剤流路を通してポンプ送りする手段（４２）、
    を備えることを特徴とする請求項４３記載のシステム。
49. 連続するＰＥＭ型燃料電池のスタックであって、冷却剤入口マニホールド（３１）と冷却剤出口マニホールド（３８）との間に延在する（ａ）冷却剤流れ流路を有し、かつ、燃料入口と燃料出口との間および酸化剤入口と酸化剤出口との間にそれぞれ延在する（ｂ）燃料気体流れ区域および酸化剤反応物気体流れ区域を有するスタックを含む燃料電池スタックアッセンブリ（１９）を備える、燃料電池発電装置であって、
    燃料電池スタックアッセンブリは、前記スタックのすぐ下にかつそれと隣接して配置された冷却剤蓄積装置（２８）を含み、この蓄積装置は、冷却剤出口マニホールドと、また、（ｃ）酸化剤入口（２３；７５）および（ｄ）酸化剤出口（２５；７６）の一つと流体連通（４２、４３）することを特徴とする燃料電池発電装置。
50. 燃料電池スタックアッセンブリの外部にあるラジエータ（３３）と、
    燃料電池スタックアッセンブリの外部にありかつラジエータと液体連通する冷却剤ポンプ（３２）と、
    蓄積装置（２８）内に配置されかつラジエータおよび冷却剤ポンプと液体連通する冷却剤管（３１）と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項４９記載の発電装置。
51. 前記蓄積装置内に配置された電気加熱器（４５）をさらに備えることを特徴とする請求項４９記載の発電装置。
52. 前記冷却剤入口マニホールドの入口において蓄積装置内に配置された絞り（３７）をさらに備えることを特徴とする請求項４９記載の発電装置。
53. 連続する燃料電池のスタックであって、冷却剤入口マニホールド（３８）と冷却剤出口マニホールド（４１）との間に延在する（ａ）冷却剤流れ流路を有し、かつ、燃料入口と燃料出口との間および酸化剤入口（２３；７５）と酸化剤出口（２５；７６）との間にそれぞれ延在する（ｂ）燃料気体流れ区域および酸化剤反応物気体流れ区域を有するスタックを含む燃料電池スタックアッセンブリ（１９）を備える、燃料電池発電装置であって、
    燃料電池スタックアッセンブリは、前記スタックのすぐ下にかつそれと隣接して配置された冷却剤蓄積装置（２８）を含み、この蓄積装置は、冷却剤出口マニホールドと、また、（ｃ）酸化剤入口および（ｄ）酸化剤出口の一つと流体連通し（４２、４３）、
    さらに、燃料電池発電装置は、
    燃料電池から直接導き出されるエネルギーを蓄積装置内の冷却剤へ伝達し、それによって、蓄積装置内の任意の氷を溶解する手段、
    を備えており、前記のエネルギーを伝達する手段は、
    （ｃ） 蓄積装置と熱的に連通（４２、４３）するように配置された電気加熱器（４５）、および、電力（４７、５１）が燃料電池により生成される間に、電力（４７、５１）をこの電気加熱器に施す手段（４４、４６）と、
    （ｄ） 廃熱が燃料電池により生成される間に、廃熱を蓄積装置内の冷却剤へ伝達する手段と、
    のうちの一つまたは複数から選択されることを特徴とする燃料電池発電装置。
54. 連続するＰＥＭ型燃料電池のスタックであって、冷却剤入口マニホールド（３８）と冷却剤出口マニホールド（４１）との間に延在する（ａ）冷却剤流れ流路を有し、かつ、燃料入口と燃料出口との間および酸化剤入口（２３；７５）と酸化剤出口（２５；７６）との間にそれぞれ延在する（ｂ）燃料気体流れ区域および酸化剤反応物気体流れ区域を有するスタックを含みかつ電力出力接続部（４７、５１）を有する燃料電池スタックアッセンブリ（１９）を備える、燃料電池発電装置であって、
    燃料電池スタックアッセンブリは、冷却剤蓄積装置（２８）を含み、
    さらに、燃料電池発電装置は、
    前記蓄積装置内に配置された電気加熱器（４５）、
    を備えており、
    冷却剤蓄積装置は、前記スタックのすぐ下にかつそれと隣接して配置され、さらにこの蓄積装置は、冷却剤出口マニホールドと、また、（ｃ）酸化剤入口および（ｄ）酸化剤出口の一つと流体連通（４２、４３）しており、
    さらに、燃料電池発電装置は、
    燃料電池アッセンブリの少なくとも一部が、氷点より低い温度にあるときに、燃料電池アッセンブリの始動の最初の数分間内に前記加熱器を前記電力出力接続部に選択的に接続し、それによって、蓄積装置内の冷却剤を溶解する手段（４４、４６）、
    を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
55. 連続する燃料電池のスタックであって、冷却剤入口マニホールド（３８）と冷却剤出口マニホールド（４１）との間に延在する（ａ）冷却剤流れ流路を有し、かつ、燃料入口と燃料出口との間および酸化剤入口（２３；７５）と酸化剤出口（２５；７６）との間にそれぞれ延在する（ｂ）燃料気体流れ区域および酸化剤反応物気体流れ区域を有するスタックを含む燃料電池スタックアッセンブリ（１９）を備える、燃料電池発電装置であって、
    燃料電池スタックアッセンブリは、冷却剤蓄積装置（２８）を含み、
    前記電池の酸化剤気体流れ区域は、多孔質媒体によって前記冷却剤流路から隔離されており、
    さらに、燃料電池発電装置は、
    酸化剤気体を第一の圧力において酸化剤気体流れ区域へ施す手段と、
    燃料気体を第二の圧力において燃料気体流れ区域へ施す手段と、
    蓄積装置内に配置された加熱器（４５）と、
    を備えており、
    冷却剤蓄積装置は、前記スタックのすぐ下にかつそれと隣接して配置され、さらにこの蓄積装置は、冷却剤出口マニホールドと、また、酸化剤出口と流体連通（４２、４３）しており、
    さらに、燃料電池発電装置は、
    前記加熱器に隣接する水を受け取り、この水を第一の圧力より高い圧力において冷却剤流路へ施し（５７、４１）、それによって、水を多孔質媒体を通して前記流れ区域内へ押しやるポンプ（５４）、
    を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
56. 連続する燃料電池のスタックであって、冷却剤入口マニホールド（３８）と冷却剤出口マニホールド（４１）との間に延在する（ａ）冷却剤流れ流路を有し、かつ、燃料入口と燃料出口との間および酸化剤入口（２３；７５）と酸化剤出口（２５；７６）との間にそれぞれ延在する（ｂ）燃料気体流れ区域および酸化剤反応物気体流れ区域を有するスタックを含む燃料電池スタックアッセンブリ（１９）を備える、燃料電池発電装置であって、
    燃料電池スタックアッセンブリは、前記スタックのすぐ下にかつそれと隣接して配置された冷却剤蓄積装置（２８）を含み、この蓄積装置は、冷却剤出口マニホールドと、また、（ｃ）酸化剤入口および（ｄ）酸化剤出口の一つと流体連通し（４２、４３）、
    さらに、燃料電池発電装置は、
    前記蓄積装置内の冷却剤と流体連通（７３）する凝縮熱交換器（６５；７０）と、
    酸化剤を供給源から酸化剤流れ区域を通し、前記熱交換器へと流し、それによって、この熱交換器へ排気される（ａ）酸化剤流れの中のプロセス廃熱を、冷却剤中の任意の氷を溶解するように、（ｂ）冷却剤中へ伝達する手段（２３；７５）と、
    を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
57. 連続する燃料電池のスタックであって、冷却剤入口マニホールド（３８）と冷却剤出口マニホールド（４１）との間に延在する（ａ）冷却剤流れ流路を有し、かつ、燃料入口と燃料出口との間および酸化剤入口（２３；７５）と酸化剤出口（２５；７６）との間にそれぞれ延在する（ｂ）燃料気体流れ区域および酸化剤反応物気体流れ区域を有するスタックを含む燃料電池スタックアッセンブリ（１９）を備える、燃料電池発電装置であって、
    燃料電池スタックアッセンブリは、冷却剤蓄積装置（２８）を含み、
    前記電池の酸化剤気体流れ区域は、多孔質媒体によって前記冷却剤流路から隔離されており、
    さらに、燃料電池発電装置は、
    酸化剤気体を第一の圧力において酸化剤気体流れ区域へ施す手段と、
    燃料気体を第二の圧力において燃料気体流れ区域へ施す手段と、
    電力出力接続部（４７、５１）と、
    前記蓄積装置内に配置された電気加熱器（４５）と、
    を備えており、
    前記蓄積装置は、前記スタックのすぐ下にかつそれと隣接して配置され、さらにこの蓄積装置は、冷却剤出口マニホールドと、また、（ｃ）酸化剤入口および（ｄ）酸化剤出口の一つと流体連通（４２、４３）しており、
    さらに、燃料電池発電装置は、
    燃料電池アッセンブリの少なくとも一部が、氷点より低い温度にあるときに、燃料電池アッセンブリの始動の最初の数分間内に前記加熱器を前記電力出力接続部に選択的に接続し、それによって、蓄積装置内の冷却剤（２７）を溶解する手段（４４、４６）と、
    前記加熱器に隣接する水を受け取り、この水を第一の圧力より高い圧力において冷却剤流路へ施し（５７、４１）、それによって、水を多孔質媒体を通して前記流れ区域内へ押しやるポンプ（５４）と、
    前記蓄積装置内の冷却剤と流体連通（７３）する凝縮熱交換器（６５；７０）と、
    酸化剤を供給源から酸化剤流れ区域を通し、前記熱交換器へと流し、それによって、この熱交換器へ排気される（ａ）酸化剤流れの中のプロセス廃熱を、冷却剤中の任意の氷を溶解するように、（ｂ）冷却剤中へ伝達する手段（２３；７５）と、
    を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
58. 連続する燃料電池のスタックであって、冷却剤入口マニホールド（３８）と冷却剤出口マニホールド（４１）との間に延在する（ａ）冷却剤流れ流路を有し、かつ、燃料入口と燃料出口との間および酸化剤入口（２３；７５）と酸化剤出口（２５；７６）との間にそれぞれ延在する（ｂ）燃料気体流れ区域および酸化剤反応物気体流れ区域を有するスタックを含む燃料電池スタックアッセンブリ（１９）を備える、燃料電池発電装置であって、
    酸化剤反応物気体流れ区域と流体連通するとともに、（ａ）酸化剤入口マニホールド（図９）または（ｂ）酸化剤出口マニホールド（７２）の一つとして機能する多機能酸化剤反応物気体マニホールド（２８）、
    を備えており、
    前記酸化剤マニホールドは、前記スタックの下にかつそれと隣接しており、さらにこの酸化剤マニホールドは、冷却剤出口マニホールドと流体連通するとともに、冷却剤蓄積装置として機能することを特徴とする燃料電池発電装置。
59. ラジエータ（３３）と、
    このラジエータと液体連通する冷却剤ポンプ（３２）と、
    このポンプによりラジエータと冷却剤管（３１）との間を循環される外部の冷却剤と蓄積装置内の冷却剤との間の熱交換器として機能するように、酸化剤マニホールド（２８）内に配置されかつラジエータおよび冷却剤ポンプと液体連通する冷却剤管（３１）と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項５８記載の発電装置。
60. 前記蓄積装置内の冷却剤を加熱するように、酸化剤マニホールド（２８）内に配置された電気加熱器（４５）をさらに備えることを特徴とする請求項５８記載の発電装置。
61. 冷却剤入口マニホールド（３８）の入口において酸化剤マニホールド（２８）内に配置された流量絞り（３７）（図１６）をさらに備えることを特徴とする請求項５８記載の発電装置。

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