JPH08507405A

JPH08507405A - アノードでの水分離を含む個体ポリマー燃料電池設備

Info

Publication number: JPH08507405A
Application number: JP6511303A
Authority: JP
Inventors: ピー．ウィルキンソン，デビッド; エイチ．ボス，ヘンリー; エス．ワトキンス，デビッド; ビー．プラター，キース
Original assignee: バラードパワーシステムズインコーポレイティド; ピー．ウィルキンソン，デビッド; エイチ．ボス，ヘンリー; エス．ワトキンス，デビッド; ビー．プラター，キース
Priority date: 1992-11-03
Filing date: 1993-10-28
Publication date: 1996-08-06
Also published as: EP0671057A1; AU5541394A; AU675998B2; CA2146325A1; EP0671057B1; DE69328874D1; DE69328874T2; CA2146325C; EP0671057A4; US5366818A; WO1994010716A1

Abstract

(57)【要約】個体ポリマー燃料電池発電設備（１０）は、カソードに蓄積された水の実質的な部分を出口燃料流（１８）へと取り除く。この設備は、酸化剤供給源（５４）として実質的に純粋な酸素か用いられる行き詰まり方式での、又は希釈された酸化剤源、炭化水素基酸素含有空気が酸化剤の供給源として用いられる低酸素化学量論（ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙ）を用いての、水素／酸素燃料電池（１）の作動を可能にする。この供給方式は、これによって、実質的に純粋な酸素で作動する方式においては、酸素再循環ポンプの必要性を排除し、希釈された酸化剤流で作動する方式において酸化剤流を圧縮する寄生の負荷を実質的に減らす。

Description

【発明の詳細な説明】アノードでの水分離を含む個体ポリマー燃料電池設備発明の分野本発明は電気化学的燃料電池に関する。より詳しくは、本発明は実質的に純粋な及び／又は不純な燃料及び酸化剤流を用いる個体ポリマー燃料電池設備であって、カソードに蓄積される実質的な部分の水をアノードの出口燃料流中に除くものに関する。発明の背景電気化学的燃料電池は燃料と酸化剤を電気及び反応生成物に変換する。燃料として水素を、酸化剤として酸素を用いる電気化学的燃料電池においては、反応生成物は水である。そのような燃料電池は、一般に個体ポリマー電解質又はイオン交換膜が多孔性の導電性のシート材料、典型的には炭素繊維紙から形成された２つの電極の間に配置されてなる、膜電極集成体（「ＭＥＡ」）を用いる。このＭＥＡは、望みの電気化学的反応を引き起こすために、典型的には微細な粉末状の白金の形をした触媒層を、各膜／電極界面に含む。前記電極は電気的に接続されて、両電極の間の外側負荷に電子を導通させる通路を提供する。アノードにおいて、この燃料は多孔性電極材料を透過し、触媒層で反応してカチオンを形成し、このカチオンはこの膜を通ってカソードへ移行する。カソードにおいて、酸素含有ガス供給体は、触媒層で反応しアニオンを形成する。カソードで形成されたアニオンは前記カチオンと反応して反応生成物を形成する。燃料として水素を、酸化剤として酸素含有空気（又は実質的に純粋な酸素）を用いる電気化学的燃料電池においては、アノードにおける触媒反応は、燃料供給物から水素カチオン（プロトン）を生成する。前記イオン交換膜はアノードからカソードへの水素イオンの移動を促進する。水素イオンを導通することに加えて、この膜は水素含有燃料流を酸素含有酸化剤流から隔離する。カソードにおいて、酸素は触媒層において反応してアニオンを形成する。カソードで形成されるアニオンは膜を横切ってきた水素イオンと反応し、反応生成物として液体の水を形成する。ペルフルオロスルフォンイオン交換膜、例えば商品名ＮａｆｉｏｎのもとにＤｕＰｏｎｔ社から販売されているものは、イオン輸送を起こすためには、水和されているか、又は水分子で飽和されていなければならない。カチオンがそのようなペルフルオロスルフォン膜を通って輸送されるときは、これらカチオンに会合している水分子も輸送されることは、一般に認められている。この現象は、ときどき「水ポンピング（ｗａｔｅｒｐｕｍｐｉｎｇ）」と呼ばれ、膜のアノード側からカソード側への正味の水の流れをもたらす。従って、水ポンピング現象を示す膜は、もし水素イオン（プロトン）と共に輸送される水が補給されなければ、アノード側を乾燥させてしまう。そのような補給は、典型的には、燃料流を電池中に導入する前に水素含有燃料流を加湿することによって、提供される。同様に、カソード側で膜が乾燥するのを防ぐために、燃料電池中に酸化剤流を導入するに先立って酸素含有酸化剤流を一般に加湿する。それ故、これらカチオン交換膜を用いる燃料電池は、水ポンピング現象によって膜を横切って輸送される水、及び水素イオンと酸素の反応からカソードで形成される生成水の両方によって蓄積される水をカソード（酸化剤）側から除く必要がある。カソードでの水の蓄積は、いくつかの理由で問題がある。第１に、触媒層の近くに液体の水があると、触媒の反応体への接近が減り、その結果、燃料電池の電力が減る。この現象はときどき「フラッディング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）」と呼ばれている。第２に、カソードでの液体水の蓄積は水がカソードを透過して触媒に行くのを妨げ、やはり燃料電池の電力の損失をもたらす。第３に、カソードで液体水が過剰に蓄積すると、付近の膜に物理的変化を生じ、膜の局部的膨潤及び膨張を引き起こす。これとは反対に、脱水は膜の乾燥と収縮を引き起こし、電極触媒の界面において対応する機械的応力を生じる。従来の水除去法は、一般にカソードに蓄積した水を、カソード触媒層からカソードを出る酸化剤流へ連れ去るものである。従来の水除去法の１つは、カソードに入れた毛細管を用いてカソードから、蓄積された水を吐かせる、即ち送りだすことである。従来の水除去法の他の１つは、カソード内に網を用いて触媒層から水を連れ去ることである。従来の水除去法のさらに他の方法は、組成物水性物質、例えばポリテトラフルオロエチレン（「ＰＴＦＥ」；商品名テフロン）を、カソードシート材料中に入れ、蓄積された水をカソードから去るように強制することである。これらの従来の水除去法は次の理由で不利である：（１）それらは、膜／電極触媒層からカソードの多孔性構造体へ水を追い出す必要がある；（２）液体の水が存在すると、多孔性ガス拡散電極の隙間を通る酸化剤の流れを制限する；（３）酸化剤流通路中に液体水が存在すると、この流路中の酸化剤ガスの流れを制限するおそれがある。アノードでの水除去を含む設備において、水はカソード側から膜を通って引き離されてアノード出口流中へ入り、一方、水は膜／電極触媒の界面で形成され、酸化剤ガスが自由に活性触媒部位に拡散するようになっている。米国特許出願Ｎo.０７／６４１，６０１は（１９９１年１月１５日）には、ＸＵＳ１３２０４．１０なる商品名の下にＤｏｗ社から販売されている新しいタイプの実験用ペルフロオロスルフォンイオン交換膜は、膜を通しての水素イオンの輸送に結びついた水ポンピング現象をさほど示さないようであることが開示された。従って、Ｄｏｗの実験用膜は、Ｎａｆｉｏｎ型の膜のように大きな水素イオンの輸送力を持っていないようである。このＤｏｗの実験用膜における水ポンピングの減少は輸送された水のカソードでの蓄積を減らし、通常はカソードで生じる全ての水の除去を単にアノード側で生じさせる。先の特許出願に示したように、アノード側での水の除去もＮａｆｉｏｎ型膜でも行われる。上に論じたように、イオン交換膜をとおしての水素イオン伝導率は、一般に水分子の存在を必要とする。燃料と酸化剤ガスは、それ故それらを電池に導入する前に加湿してＭＥＡ内の膜の水飽和を維持する。通常、燃料と酸化剤ガスは、各ガスを水交換膜の片側に流し、脱イオン水をこの膜の反対側に流すことによって加湿する。膜が望ましくないイオンによって汚染されるのを防止するために、脱イオン水が好ましい。そのような膜ベースの加湿装置において、水は膜を通って燃料及び酸化剤ガスに移行する。Ｎａｆｉｏｎは、そのような用途において適当で便利な加湿膜材料であるが、他の商業的に入手可能な水交換膜も適当である。他の非膜ベースの加湿法も用いうる。例えば、前記ガスを蒸発室中で直接水に暴露しこのガスに蒸発した水を吸収させることができる。燃料電池の作動温度及び圧力で、又はこれにできるだけ近い温度及び圧力で、燃料及び酸化剤ガスを加湿するのが一般に好ましい。空気のようなガスが水を吸収する能力は温度及び圧力の変化と共に大幅に変化する。燃料電池作動温度より大幅に低い温度での空気（酸化剤）流の加湿は、結局は膜を脱水するであろう。従って、加湿機能を燃料電池の積み重ねの活性部分に集中し、燃料と酸化剤流を前記積み重ねの活性区画とほぼ同じ温度及び圧力の条件にすることが好ましい。そのような集中された装置においては、前記電池の作動温度であるかこれに近い温度である、活性区画からの冷却水流が加湿用水流として用いられる。同様に、燃料及び酸化剤流を一般にはマニホルド又はヘッダーを経由して活性区画へ送り、それぞれを電池温度に条件付け、その後それらを加湿区画へ送る。活性区画の冷却水流を加湿区画の加湿水と集積することに加えて、燃料電池生成水流を冷媒流と集積し、これによって燃料電池の積み重ね中で電気化学的に発生する生成水をこの積み重ねの温度を調節するのに用いるのも有利である。これに関して、生成水を冷媒として使用すると別な外からの冷却流体を供給する必要性を回避することができる。それは、前記電池で発生した水はそれ自体適当な冷却流体であるからである。比較的温かい生成水流を用いて活性区画を作動温度に上げることができる始動時には、生成水を冷却流体として用いることは有利である。アノードの出口燃料流において、蓄積された水を除去させるような燃料電池の設計と作動条件を使用すれば、いくつかの利点が得られる。特に、アノード側での水除去は、水素／酸素燃料電池の作動をカソード即ち酸素側において「行き詰まり（ｄｅａｄ−ｅｎｄｅｄ）」状態にさせる。即ち、酸素含有酸化剤流はカソードに供給されて実質的に完全に消費され、本質的にカソードから出口流を生成しない。従って、行き詰まり作動は酸素再循環ポンプの必要性をなくす。酸素の再循環ポンプは高価であり、水素／酸素燃料電池を通って循環する加湿された酸化剤流のような湿った酸素含有流の腐食作用の故に、維持が困難である。燃料電池設備から酸素再循環ポンプを除去することは、この設備の全体のコストを下げ、酸素の漏れ及び燃焼の可能性を減らすので、燃料電池の信頼性を改善する。酸素再循環ポンプを除くことは、この燃料電池設備の寄生の（ホテル（ｈｏｔｅｌ））負荷を減らし、酸素再循環ポンプの作動によって消費される代わりに外部負荷へ送りだすのに役立つ燃料電池設備からの電力の割合を高くする。この燃料電池のアノード側から蓄積された水を除去すると、また、酸化剤として空気を用いるときに設備に利点をもたらす。以下により詳細に説明するように、アノードから水を除去すると、比較的低い空気流速で燃料電池を効率的に作動することができる。用語「化学量論（ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙ）」を、ガス流速を特徴付けるために用いる。ここで用いるように、化学量論は燃料電池に供給された反応体の量対燃料電池で消費された反応体の量の比をいう。Ｈ₂化学量論１．０とは、燃料電池で消費された水素の量が燃料電池に供給された水素の量に等しいことをいう。行き詰まりの酸素で作動される燃料電池においては酸素の化学量論は１．０であり、燃料電池に供給された酸素の量は実質的に完全に消費されている。同様に、Ｈ₂化学量論２．０は燃料電池に供給された水素の量は燃料電池で消費された水素の量の２倍であることを意味する。アノードでの水の除去によって可能になる低い酸素流の化学量論は、酸素流を圧縮するのに必要な寄生の負荷を減らす。薄い酸化剤流、例えば酸素含有空気で作動する設備中において、酸化剤流を圧縮するに必要な電力は実質的で大きな寄生の負荷の代表である。寄生の負荷は酸化剤化学量論に直接比例するので、酸化剤化学量論における減少は寄生の負荷を減らし、これによって外部の電気負荷に対してこの設備から引き出しうる正味の電力を改善する。最近、燃料として不純な水素を用いる電気化学的燃料電池を作動するための方法を識別するための努力が払われてきた。実質的に純粋な水素を用いて作動する燃料電池設備は、純粋な水素ガスを製造し貯蔵するのが高価であるから、一般に不利である。加えて自動車の及び輸送機関への電気化学的燃料電池の使用における純粋で瓶詰された水素にとって、液体燃料を使用するのが好ましい。アノードでの水除去も、不純な水素が燃料源として用いられるとき、設備に利益をもたらす。燃料電池の適正な設計及び作動条件によって、蓄積された水は排出燃料流中に除かれ、これによってそのような燃料電池設備において、上記の設備の利点を維持させたまま行き詰まりの酸素又は低化学量論での作動を可能にする。従って、本発明の１つの目的は、カソードに蓄積された水をアノードの出口燃料流中に除き、これによって酸化剤流の再循環を避ける個体ポリマー燃料電池設備を提供することである。本発明の他の目的は、アノード側での水の除去を含む個体ポリマー燃料電池設備であって、実質的に純粋な燃料流、例えば瓶詰した水素、及び不純な燃料流、例えば炭化水素の水素への転化から生ずるものを用いて作動しうるものを提供することである。本発明の更に他の目的は、アノード側での水の除去を含む個体ポリマー燃料電池設備であって、実質的に純粋な酸化剤流、例えば瓶詰した酸素、及び不純な酸化剤流、例えば酸素含有空気を用いて作動しうるものを提供することである。発明の要約上記及び他の目的は、カソードに蓄積された水がアノードの出口燃料流中に除かれる、個体ポリマー燃料電池発電設備によって達成される。この設備は次のものを含む：（Ａ）水素含有入口燃料流；（Ｂ）酸素含有入口燃料流；（Ｃ）次のものを含む少なくとも１つの燃料電池を含む燃料電池の積み重ね：（１）入口燃料流をアノードの触媒活性部分に送ってこの燃料流からカチオンを生成するための入口及び出口燃料流を有する前記アノード；（２）入口酸化剤流をカソードの触媒活性部分に送ってこの酸化剤流からアニオンを生成するための入口を有するカソード（前記アニオンは前記カチオンと反応してカソードで水を生成する）；（３）前記アノード及びカソードの間に配置されたイオン交換膜であって、アノードからカソードへのカチオンの移動を促進し、入口燃料流を入口酸化剤流から隔離するもの；並びに（４）アノードとカソードの間で電流を導通させる電気流路；並びに（Ｄ）出口燃料流から水を除いて除湿された燃料流及び分離された水流を作るための水分離器。カソードに蓄積された水の実質的な部分は出口燃料流中に吸収される。ここで用いている「除湿された」とは、流体流の相対湿度（与えられた温度及び圧力でガスが水で飽和されているときの同じ割合に対するこのガスのモル当たりの水のモル量）が減ったことを意味する。換言すれば、除湿された流れは未だ流れ中に水を持っているが、存在する水の相対量は除湿される前の流れ中に含まれているものよりも少ない。好ましい設備において、入口酸化剤流の化学量論は約２．０よりも少ない。入口燃料流が実質的に純粋な水素ガスを含む設備においては、除湿された燃料流は、好ましくは入口燃料流へ再循環される。ときどき、再循環水素のいくらかをパージし、これによって、例えばカソードからの膜を横断して拡散した窒素のような蓄積したアノードからの不純物を排出するのが望ましいであろう。入口燃料流が水素ガス及び炭化水素変換過程からの副生物である設備であるときは、除湿された燃料流は好ましくはこの設備からガス抜きをし、これによって蓄積された不純物、例えば二酸化炭素、をアノードから排出する。入口酸化剤流が実質的に純粋な酸素である設備においては、入口酸化剤流の化学量論は好ましくは約１．０であり、従って酸素ガスはカソードで実質的に完全に消費されている。そのような好ましい設備において、カソードは好ましくは更に通常は閉じているパージバルブを有し、これはこの装置から入口酸化剤流を周期的にガス抜きし、これによって蓄積された不純物をカソードから排出するものである。入口酸化剤流が酸素含有空気を含み、カソードが更に出口酸化剤流を生成するときは、この出口酸化剤流は、好ましくはこの設備からガス抜きされる。アノードでの水除去を含む設備において、カソードに蓄積された水のいくらかは、カソード出口流でも除去されるが、同時にカソードに蓄積された水のいくらかは、アノード出口流で除去される。そのような例において、好ましい設備は更に出口酸化剤流からの水を水を除くための水分離器を含み、除湿された酸化剤流及び除去された水流を生成する。他の態様においては、カソードに蓄積した水はアノード出口流中に除かれ、そのように除かれた水は冷却剤及び反応体加湿用水源の両方として用いられる。そのような設備は次のものを含む：（Ａ）水素含有入口燃料流；（Ｂ）酸素含有入口燃料流；（Ｃ）入口冷却水流；（Ｄ）次のものを含む加湿組み立て品：（１）燃料加湿水供給源と、この燃料加湿水供給源から入口燃料流へ水を与えて加湿された燃料流を生成する手段とを含む少なくとも１つの燃料加湿区画；（２）酸化剤加湿水供給源と、この燃料加湿水供給源から入口酸化剤流へ水を与えて加湿された酸化剤流を生成する手段とを含む少なくとも１つの酸化剤加湿区画；（Ｅ）次のものを含む燃料電池の積み重ね：（１）少なくとも１つの燃料電池を含む電気化学的に活性な区画であって、前記燃料電池は次のものを含む：（ａ）加湿された燃料流からカチオンを生成するための、加湿された燃料流をアノードの触媒活性な部分に送る入口と、出口燃料流とを有するアノード；（ｂ）加湿された酸化剤流からアニオンを生成するための、加湿された酸化剤流をカソードの触媒活性な部分に送る入口を有するアノード（このアニオンは前記カチオンと反応してこのカソードで水を形成する）；（ｃ）前記アノード及びカソードの間に介在するイオン交換膜であって、アノードからのカチオンのカソードへの移行を促進し、前記加湿された燃料流を前記加湿された酸化剤流から隔離するもの；並びに（ｄ）前記アノードと前記カソードとの間で電流を導通する電気流路；（２）入口冷却水流を電気化学的に活性な区画に送ってこれと熱接触させて、前記活性区画内で発生した熱を吸収し出口冷却水流を生成する入口を有する少なくとも１つの冷却剤通路；（Ｆ）前記出口冷却水流から熱を除いて冷やされた冷却水流を作りだすための熱交換器；（Ｇ）出口燃料流から水を除き、除湿された燃料及び分離された水流を生成するための水分離器；並びに（Ｈ）前記水分離器からの分離された水流及び前記熱交換器からの冷やされた冷却水流を受け取るための貯蔵器。前記入口冷却水流は前記貯蔵器から引き出される。好ましい設備において、前記出口冷却水流は、燃料加湿水供給源及び酸化剤加湿水供給源のうちの少なくとも１つに供給される。前記冷却材流は、最も好ましくは燃料加湿水供給源及び酸化剤加湿水供給源の両方に供給される。好ましい設備において、前記水分離器及び貯蔵器は一体であり、貯蔵器内に含まれる水は出口燃料流からの水の凝縮を促進する。各反応体の加湿水供給源から入口反応体流に水を与える好ましい手段は、反応体加湿水供給源を受け取る室、前記入口反応体流を受け取る室、及び前記両室の間に配置された、反応体の加湿水供給源から入口反応体流に水を輸送して、加湿された反応体流を生成する水輸送膜を含む。更に他の態様においては、カソードに蓄積した水はアノード出口流中に除かれ、そのように除かれた水は加湿水源として用いられる。そのような設備は次のものを含む：（Ａ）水素含有入口燃料流；（Ｂ）酸素含有入口燃料流；（Ｃ）次のものを含む加湿組み立て品：（１）燃料加湿水供給源と、この燃料加湿水供給源から入口燃料流へ水を与えて加湿された燃料流を生成する手段とを含む少なくとも１つの燃料加湿区画；（２）酸化剤加湿水供給源と、この燃料加湿水供給源から入口酸化剤流へ水を与えて加湿された酸化剤流を生成する手段とを含む少なくとも１つの酸化剤加湿区画；（Ｄ）次のものを含む燃料電池の積み重ね：（１）少なくとも１つの燃料電池を含む電気化学的に活性な区画であって、前記燃料電池は次のものを含む：（ａ）加湿された燃料流からカチオンを生成するための、加湿された燃料流をアノードの触媒活性な部分に送る入口と、出口燃料流とを有するアノード；（ｂ）加湿された酸化剤流からアニオンを生成するための、加湿された酸化剤流をカソードの触媒活性な部分に送る入口を有するアノード（このアニオンは前記カチオンと反応してこのカソードで水を形成する）；（ｃ）前記アノード及びカソードの間に介在するイオン交換膜であって、アノードからのカチオンのカソードへの移行を促進し、前記加湿された燃料流を前記加湿された酸化剤流から隔離するもの；並びに（ｄ）前記アノードと前記カソードとの間で電流を導通する電気流路；（Ｅ）出口燃料流から水を除き、除湿された燃料及び分離された水流を生成するための水分離器；並びに（Ｆ）前記水分離器からの分離された水流を受け取るための貯蔵器。燃料加湿水供給源の少なくとも１つ及び酸化剤加湿水供給源の内の少なくとも１つは前記貯蔵器から取り出される。更に他の態様においては、カソードに蓄積した水はアノード出口流中に除かれ、そのように除かれた水は冷却水源として用いられる。そのような設備は次のものを含む：（Ａ）水素含有入口燃料流；（Ｂ）酸素含有入口燃料流；（Ｃ）入口冷却水流；（Ｅ）次のものを含む燃料電池の積み重ね：（１）少なくとも１つの燃料電池を含む電気化学的に活性な区画であって、前記燃料電池は次のものを含む：（ａ）入口燃料流からカチオンを生成するための、入口燃料流をアノードの触媒活性な部分に送る入口と、出口燃料流とを有するアノード；（ｂ）入口酸化剤流からアニオンを生成するための、入口酸化剤流をカソードの触媒活性な部分に送る入口を有するアノード（このアニオンは前記カチオンと反応してこのカソードで水を形成する）；（ｃ）前記アノード及びカソードの間に介在するイオン交換膜であって、アノードからのカチオンのカソードへの移行を促進し、前記入口燃料流を前記入口酸化剤流から隔離するもの；並びに（ｄ）前記アノードと前記カソードとの間で電流を導通する電気流路；（２）入口冷却水流を電気化学的に活性な区画に送りこれと熱接触させて、前記活性区画内で発生した熱を吸収し出口冷却水流を生成する入口を有する少なくとも１つの冷却材通路；（Ｆ）前記出口冷却水流から熱を除いて冷やされた冷却水流を作りだすための熱交換器；（Ｇ）出口燃料流から水を除き、除湿された燃料及び分離された水流を生成するための水分離器；並びに（Ｈ）前記水分離器からの分離された水流及び前記熱交換器からの冷やされた冷却水流を受け取るための貯蔵器。前記入口冷却水流は前記貯蔵器から引き出される。図面の簡単な説明図１は、Ｄｏｗの実験用膜を用いた燃料電池についての時間の関数としての電池電圧のプロットであり、従来の燃料電池におけるカソード出力流（ｏｕｔｐｕｔｓｔｒｅａｍ）をとおる流れ（ｆｌｏｗ）の停止の電池電圧に対する影響を示すものである。図２は、２つの異なったＨ₂化学量論及び圧力低下のもとで作動する、従ってアノードでの水除去の２つの異なった速度で作動する燃料電池についての空気の化学量論の関数としての電池電圧の２つのプロットを示す。図３は、アノードでの水除去を含み、燃料流として実質的に純粋な水素を、そして酸化剤流として実質的に純粋な酸素を用いる燃料電池発電設備の概略流れ図である。図４は、アノードでの水除去を含み、燃料流として実質的に純粋な水素を、そして酸化剤流として酸素含有空気を用いる燃料電池発電設備の概略流れ図である。図５は、アノードでの水除去を含み、燃料流として不純な水素を、そして酸化剤流として実質的に純粋な酸素を用いる燃料電池発電設備の概略流れ図である。図６は、アノードでの水除去を含み、燃料流として不純な水素を、そして酸化剤流として酸素含有空気を用いる燃料電池発電設備の概略流れ図である。図７は、図３〜６に概略的に示された個体ポリマー燃料電池の積み重ねの分解組み立て側面図である。好ましい態様の詳細な説明先ず図１にかえって、Ｄｏｗの実験用膜を用いた燃料電池についての時間の関数としての電池電圧のプロットは、アノード水の除去を伴い又は伴わずに、カソード出力流（ｏｕｔｐｕｔｓｔｒｅａｍ）をとおる流れ（ｆｌｏｗ）の停止の電池電圧に対する影響を示す。図１の燃料電池において、Ｄｏｗの実験用膜はカソードとして働く多孔性ガス拡散電極に６％のＰＴＦＥを含有せしめたものを用いた。加湿した実質的に純粋な酸素及び水素反応体流を用い、一定の２５０ａｍｐｓ（電極触媒面積の平方フィートあたり１０００アンペア）で運転される。実験の最初の部分（点Ａ及びＢの間）において、酸素は行き詰まりとなり、以下の一定の運転条件を維持した：電池温度＝８０℃、３０／３０ｐｓｉｇ（０．２１／０．２１ＭＰａゲージ）Ｏ₂／Ｈ₂（入口圧力）、Ｈ₂化学量論＝約２．０、Ｈ₂ 圧力低下＝３．２ｐｓｉ（２２ｋＰａ）（前記アノードの入口と出口の間で）。この実験の第２の部分では（点Ｂ及びＣの間）、Ｈ₂化学量論を約６．７に調節し、アノードの入口と出口の間での圧力低下が約２８．８ｐｓｉ（０．１９９ＭＰａ）であることを除いて、上記条件を維持した。図１の点Ａ及びＢの間の部分に示すように、行き詰まりの運転は電池電圧の急勾配の低下を示しており、これはおそらくカソード触媒部位のフラッディングによるものであろう。しかしながら、高速度での水素流（Ｈ₂化学量論＝６．７；Ｈ₂圧力低下＝２８．８ｐｓｉ（０．１９９ＭＰａ））の使用によって、点Ｂで大きな圧力低下が開始し、次いで点Ｃを通って維持されるとき、カソードに蓄積された水のアノード出口流中への除去の故に、電池の電圧は回復し安定化する。図２を参照してアノードでの水の分離を含む燃料電池について空気の化学量論の関数としての電池電圧の２つのプロットが示されている。図２の燃料電池において、Ｄｏｗの実験用膜がカソードとして奉仕する多孔性ガス拡散電極中に６％のＰＴＦＥを配合して用いられた。この燃料電池は、加湿された実質的に純粋な水素と酸素含有空気反応体流を用いて、一定の２５０ａｍｐｓ（電極触媒面積平方フィートあたり１０００アンペア）で運転された。この実験において、次の一定の運転条件を維持した：電池温度＝８０℃、３０／３０ｐｓｉｇ（０．２１／０．２１ＭＰａゲージ）空気／Ｈ₂（入口圧力）。プロットＥにおいて、Ｈ₂化学量論は、約６．７に維持され、Ｈ₂圧力低下はアノードの入口及び出口の間で２８．８ｐｓｉ（０．１９９ＭＰａ）であった。プロットＥは、これらの条件下において、水がカソードからアノード排出流中へ効率的に除かれるならば、空気の化学量論が約１．０に下がるまで好ましい燃料流が維持される。空気の化学量論の比較的高いところでの電圧低下は、おそらく、アノード及びカソードの出口流の両方における過剰の水に起因するイオン伝導膜の脱水のためであろう。図２のプロットＦにおいて、Ｈ₂化学量論を約２．０に調節しアノードの入力及び出口の間のＨ₂圧力低下を約４．５ｐｓｉ（３１ｋＰａ）に調節した他は、プロットＥの条件を維持した。水がカソードに蓄積され、アノード出口流中に除かれないときは、空気の化学量論が小さくなるに連れて、電池電圧は実質的に小さくなることをプロットＦは示している。従って、プロットＦによって特徴付けられるようにアノードでの水除去がないときは、低い空気化学量論での燃料電池の性能はプロットＥに示されたものよりも大幅に劣っている。条件Ｆの下で効率的に燃料電池を作動させるためには、比較的高い空気の化学量論が必要で（約２．０）、望ましくなく高い寄生の負荷をもたらす。図３〜６には、アノードでの水除去を含む燃料電池の発電設備概略流れ図が示されている。図３は、そのような設備１０の１つの態様の概略流れ図で、反応体源として、実質的に純粋な水素供給源１２及び実質的に純粋な酸素供給源５４を用いる。設備１０は、３つの主要なサブシステムを含む：（１）燃料サブシステム、（２）酸化剤サブシステム、及び（３）冷却剤サブシステムである。前記燃料電池サブシステムは、水素供給源１２から始まり、これは、図３に示す圧力調製バルブ１３を通って新しい水素流１４を供給する。新しい水素流１４は、脱イオン化され再循環された水素流３０と結合され、入口燃料流１６を形成し、これは燃料電池の積み重ね４０への供給源である。図３に示すように、燃料電池の積み重ね４０は活性区画４４及び加湿区画４２を含む。活性区画４４は、好ましくは複数の膜電極組み立て品（「ＭＥＡ」）、流体流通領域板、冷却剤流通板、個々の燃料電池の間の電気的接続、及び水素及び酸素の電極反応によって反応生成物として水を形成することにより、電力を発生する制御回路を含む。各ＭＥＡは、好ましくは、個体ポリマーイオン交換膜；前記膜の両側に配置された２枚の多孔質導電性材料；並びに各多孔質導電性シート及び前記膜の間に配置された電気化学的に有効な量の触媒、好ましくは水素／酸素燃料電池の場合には白金、を含む。それに触媒の組み合わされた１つの多孔質導電性シートはアノードであり、他のシートはカソードである。ＭＥＡ構造体の詳細な説明は米国特許出願Ｎｏ．０７／６４１，６０１（１９９１年１月１５日出願）特に図１及び明細書中に伴われたテクストに述べられている。米国特許出願Ｎｏ．０７／６４１，６０１（１９９１年１月１５日出願）を、ここに引用することによりその全部を記載に含める。加湿区画４２は、好ましくは、入口燃料流及び入口酸化剤流のそれぞれに水を与える複数の膜加湿電池を含む。以下により詳しく論じるように、加湿区画における水の好ましい源は、活性区画４４を出た冷却水であり、活性区画４４の好ましい冷却水の源は、燃料電池の積み重ね４０を出た出口燃料流１８である。燃料電池の積み重ね４０に入る入口燃料流１６は、加湿区画４２にて加湿され、次いで活性区画４４中の複数の個々のＭＥＡに送られ、ここで水素は電極触媒反応に参加して水を生成し、電力を可変外部電気負荷４６に送る。燃料電池の積み重ね４０を出た出口燃料流１８は、入口流の加湿からの水に加えて、カソードに蓄積され、濃度勾配によって前記膜を横切ってアノードへ引き移され、活性区画４４を循環する水素流中へ水として吸収された生成水を含む。更に図３に示すように、出口燃料流１８は、水分離器７０に送られ、この分離器は好ましくは凝縮した水７２及びガスを集めるための蒸気空間７３からなる。分離器７０中で水が分離されて得られたガスは、水素再循環流２０を経由して水素再循環圧縮機又はポンプ２２へ送られる。圧縮機２２を出た圧縮された再循環水素流２４は、脱イオンフィルター２６及び逆止め弁２８を通して送られ、脱イオン化された再循環水素流３０を形成する。前述のように、流れ３０は新しい水素ガス流１４と合流して、燃料電池の積み重ね４０に入る入口燃料流１６を形成する。図３中の設備１０の酸化剤サブシステムは、酸素供給源５４から出発し、この供給源は圧力調製弁５５を通って入口酸化剤流５６を供給する。燃料電池の積み重ね４０に入る入口酸化剤流５６は、加湿区画４２で加湿され、次いで活性区画４４中の個々のＭＥＡに送られ、ここで酸素は電極触媒反応に参加して水及び可変外部電気負荷４６への電力を生成する。図３の設備において、入口酸化剤流５６は、実質的に行き詰まりであり、このことは燃料電池の積み重ね４０のカソードに供給される酸素は、活性区画４４で実質的に完全に消費され、それ故に酸素の化学量論は本質的に１．０である。燃料電池の積み重ね４０中のカソードと流体連通関係にある酸素パージ流５８は蓄積された不純物を周期的に排除する手段を提供する。酸素パージ流５８は、通常は流れを止めているパージバルブ６０の作動によって開始される。図３中の設備１０の冷却剤サブシステムは、分離器７０の貯蔵器中の水７２によって開始される。貯蔵器水流７４は、再循環水弁８０が開くことによって、再循環水流８２に送られる。パージ水バルブ７６を開けると、貯蔵器流７４からの水の一部が排水流７８として送られ、これによって過剰の水は外へ抜き出される。再循環水流８２は、水循環ポンプ８４を通して圧縮された再循環水流８６へ送られる。水流８６は、次いで、脱イオンフィルター８８を通って水入口流９０へ送られる。入口流９０中の水は、燃料電池の積み重ね４０の活性区画４４用の好ましい冷却流体である。この冷却水は一旦活性区画４４を通過すると、電池温度に近づき、それ故燃料電池の積み重ね４０の加湿区画４２用の好ましい水源となる。加湿区画４２を通過したのち、水流は出口水流９２を経由して熱交換器９４に送られ、ここで水から熱が除かれて冷えた水流９６になる。冷えた水流９６は、次いで、水分離器７０に送られ、ここで出口燃料流１８から水の凝縮に参加する。図４は、アノードに水分離を含む燃料電池発電設備１１０の第２の具体例である。設備１１０は、反応体源として実質的に純粋な水素供給源１１２及び酸素含有空気供給源１５４を用いる。加湿区画１４２及び１４４を含み、可変の外部負荷１４６に電力を供給する設備１１０の燃料電池の積み重ね１４０は、図３の燃料電池の積み重ね４０と実質的に同じである。図３の設備１０と同様に、設備１１０は燃料、酸化剤及び冷却剤の各サブシステムを含む。図４の設備１１０の燃料サブシステムは、図３の設備１０の燃料サブシステムと同じであり、図４の流れ１１４、１１６、１１８、１２０、１２４及び１３０は、図３の設備１０の流れ１４、１６、１８、２０、２４及び３０とそれぞれ対応し、同様な機能を有する。同様に、図４の燃料電池の積み重ね１４０は活性区画１４４及び加湿区画１４２を有し、電力を可変の外部負荷１４６に供給し、図３の燃料電池の積み重ね４０と実質的に同じである。同様に、図４の圧力調製弁１１３、水分離器１７０、水素再循環圧縮機１２２、脱イオンフィルター１２６及び逆止め弁１２８は、図３中の設備１０のバルブ１３、分離器７０、圧縮機２２、脱イオン用フィルター２６及び逆止め弁２８に、それぞれ対応し同様な機能を有する。図４の設備１１０の酸化剤サブシステムは、酸素含有空気供給源１５４から出発し、この供給源１５４は、圧縮機１５５及び圧力調節器１５７を通って入口酸化剤流１５６に送られる。入口酸化剤流１５６は、約１．１〜２．０という比較的低い酸素化学量論を用いる燃料電池１４０に供給される。燃料電池の積み重ね１４０に入る入口酸化剤流１５６は、加湿区画１４２で加湿され、次いで活性区画１４４中の複数の個々のＭＥＡに送られ、ここで加湿された空気中の酸素は電極触媒反応に参加して、水、及び可変の外部負荷１４６への電力を生産する。出口酸化剤流１５８は、燃料電池の積み重ね１４０中のカソードと流体として連通している。出口酸化剤流１５８を通る流れはバルブ１６０の作動によって流れ１５９を排出する。排出流１５９中の水は、この設備から排出流を放出するに先立って、任意に、分離器１７０におけるように、ガス成分から分離される。図４の設備１１０の冷却サブシステムは、図３の設備１０の冷却サブシステムと実質的に同じであり、図４の設備１１０の流れ１７４、１７８、１８２、１８６及び１９０は、図３の設備１０の流れ７４、７８、８２、８６及び９０と、それぞれ対応し、同様な機能を有する。同様に、図４の設備１１０のバルブ１７６及び１８０、水再循環ポンプ１８４、脱イオンフィルター１８８並びに熱交換器１９４は、図３の設備１０のバルブ７６及び８０、ポンプ８４、脱イオンフィルター８８並びに熱交換器９４に、それぞれ対応し、同様な機能を有する。図５は、アノードに水分離を含む燃料電池発電設備２１０の第３の具体例である。設備２１０は、反応体源として不純な水素供給源２１２及び実質的に純粋な酸素供給源２５４を用いる。加湿区画２４２及び２４４を含み、可変の外部負荷２４６に電力を供給する設備２１０の燃料電池の積み重ね２４０は、図３及び４の燃料電池の積み重ね４０及び１４０とそれぞれ実質的に同じである。それぞれ図３及び４の設備１０及び１１０と同様に、設備２１０は燃料、酸化剤及び冷却剤の各サブシステムを含む。設備２１０の酸化剤サブシステムは、図３の設備１０のそれと実質的に同じであり、図５の設備２１０の流れ２５６及び２５８は、図３の設備１０の流れ５６及び５８とそれぞれ対応し、図５の設備２１０の実質的に純粋な酸素供給源２５４は、図３の設備１０の酸素供給源５４に対応し、そして図５の設備２１０のバルブ２５５及び２６０は、図３の設備１０のバルブ５５及び６０に対応し、同様な機能を有する。図５の設備２１０の冷却サブシステムは、図３の設備１０の冷却サブシステムと実質的に同じであり、図５の設備２１０の流れ２７４、２７８、２８２、２８６及び２９０は、図３の設備１０の流れ７４、７８、８２、８６及び９０と、それぞれ対応し、同様な機能を有する。同様に、図５の設備２１０のバルブ２７６及び２８０、水再循環ポンプ２８４、脱イオンフィルター２８８並びに熱交換器２９４は、図３の設備１０のバルブ７６及び８０、ポンプ８４、脱イオンフィルター８８並びに熱交換器９４に、それぞれ対応し、同様な機能を有する。前記図５の設備２１０の燃料サブシステムは、不純な水素の供給源２１２から始まる。この不純な水素は、例えば炭化水素の水素並びに二酸化炭素及び痕跡量の一酸化炭素のような他の副生物への変換から得られるものである。不純な水素供給源２１２は、図５に示すような圧力調製弁２１３を通して入口燃料流２１６を供給する。入口燃料流２１６は、燃料電池２４０への入口燃料流２１６と出口燃料流２１８の間の比較的大きな圧力低下を用いて燃料電池の積み重ね２４０に供給される。燃料電池の積み重ね２４０に入る入口燃料流２１６は、加湿部２４２で加湿され、次いで活性区画２４４の複数の個々のＭＥＡに送られ、ここで不純で加湿された流れ中の電極触媒反応に酸化して水及び可変の外部負荷２４６への電力を生産する。燃料電池の積み重ね２４０から出る出口燃料流２１８は、口燃料流２１６の加湿からの水に加えてカソードに蓄積され濃度勾配により膜を横切ってアノードへ引き寄せられ、活性区画２４４を循環する水素流中へ水として吸収された生成水を含む。図５に更に示されているように、出口燃料流２１８は水分離器２７０に送られ、この分離器は好ましくは、凝縮した水２７２を集めるための貯蔵容器及びガスを集めるための蒸気空間２７３からなる。分離器２７０中に水を除いて得られたガスは、設備２１０から排出される。図６は、アノードに水分離を含む燃料電池発電設備３１０の第４の具体例である。設備３１０は、反応体源として不純な水素供給源２１２及び酸素含有空気供給源２５４を用いる。加湿区画３４２及び３４４を含み、可変の外部負荷３４６に電力を供給する設備３１０の燃料電池の積み重ね３４０は、図３、４及び５の燃料電池の積み重ね４０、１４０及び２４０とそれぞれ実質的に同じである。それぞれ図３、４及び５の設備１０、１１０及び２１０と同様に、設備３１０は燃料、酸化剤及び冷却剤の各サブシステムを含む。図６の設備３１０の燃料サブシステムは、図５の設備２１０の燃料サブシステムと実質的に同じであり、図６の設備３１０の流れ３１６、３１８及び３２０は、図６の設備３１０の流れ２１６、２１８及び２２０とそれぞれ対応する。図６の設備３１０の不純な水素源３１２、圧力調節器３１３、及び水分離器３７０は、図５の設備２１０の不純な水素源２１２、圧力調節器２１３、及び水分離器２７０に対応し、同様な機能を有する。図６の設備３１０の酸化剤サブシステムは、図４の設備１１０の酸化剤サブシステムと実質的に同じであり、図６の設備３１０の流れ３５６、３５８及び３５９は、図４の設備１１０の流れ１５６、１５８及び１５９とそれぞれ対応する。同様に、図６の設備３１０の空気供給３５４、圧縮機３５５、圧力調節器３５７及びバルブ３６０は、図４の設備１１０の空気供給１５４、圧縮機１５５、圧力調節器１５７及びバルブ１６０に対応し、同様な機能を有する。図６の設備３１０の冷却サブシステムは、図３の設備１０の冷却サブシステムと実質的に同じであり、図６の設備３１０の流れ３７４、３７８、３８２、３８６及び３９０は、図３の設備１０の流れ７４、７８、８２、８６及び９０と、それぞれ対応し、同様な機能を有する。同様に、図６の設備３１０のバルブ３７６及び３８０、水再循環ポンプ３８４、脱イオンフィルター３８８並びに熱交換器３９４は、図３の設備１０のバルブ７６及び８０、ポンプ８４、脱イオンフィルター８８並びに熱交換器９４に、それぞれ対応し、同様な機能を有する。図７を参照して、ここに図３〜６にそれぞれ燃料電池の積み重ね４０、１４０、２４０及び３４０として参照したタイプの燃料電池の積立の組み立て部品を一般的に分解組み立て図として示す。燃料電池の積み重ね組み立て品４１０は、一対の末端プレート４１１、４１２を有し、これらはそれぞれ都合よく流体末端プレートへ４１１及び圧縮末端プレート４１２である。プレート４１１及び４１２は積み重ねの組み立て体４１０の末端部をなす。末端プレート４１１及び４１２の間に貫通した連結棒４１５が伸びている。連結棒４１５は連結棒ナット４４５で締めつけられて積み重ね組み立て品４１０を組み立てられた状態に保持する。電気的絶縁プレート４１４が末端プレート４１１の内側に配置されている。末端プレート４１２内にピストン４１７が配置されている。図７に示すように、積み重ね組み立て体４１０の活性区画の相対する端部に、バスプレート（ｂｕｓｐｌａｔｅ）４２０、４２１が配置されており、積み重ね組み立て体４１０で発生した電流を外部電気負荷（図示せず）に配電する。冷却水ジャケット４２２、４２３がバスプレート４２０、４２１のすぐ内側に配置されている。この積み重ね組み立て体４１０は、一般に４２４で示された活性区画、及び一般に４３０で示された加湿区画を含む。前記活性区画４２４は、バスプレート４２０、４２１及び冷却水ジャケット４２２、４２３に加えて、４３１で一般に示された複数の同じ組み立て体を含み、各組み立て体は３つの流体流れ領域プレート４３２、４３３、４３４及び２つの膜電極組み立て体（ＭＥＡ）４４０からなり、この膜電極組み立て体は流れ領域プレート４３２、４３３、４３４の間に介在する。各組み立て体４３１において、最も左の流れ領域プレート４３２は一つの側に実質的に純粋な水素ガスの形をした燃料を輸送し、任意にプレート４３２の反対側の導管内に冷却流体を輸送する。ＭＥＡ４４０はプレート４３２及び４３３の間に介在させる。中央の流れプレート４３３は実質的に純粋な酸素ガス又は酸素含有空気を一の側に、水素を反対側に輸送する。最も右のプレート４３４は、ＭＥＡ４４０に隣接する側に酸化剤を、任意にプレート４３４の反対側に冷却流体（好ましくは水）を輸送する。この組み立て体４３１の形状は、各ＭＥＡ４４０の反対側に水素及び酸化剤を配置し、望むならば、各ＭＥＡに隣接して冷却流体プレートを配置する。この形状は、燃料電池の積み重ね４１０の活性区画４２４を通して伸びている。燃料電池の積み重ね４１０の加湿区画４３０は、図７に示された加湿区画４３０の左側に一般に位置している複数の酸化剤加湿流領域プレート４４１、及びこの加湿区画４３０の右側に一般に位置している複数の燃料加湿流領域プレート４４２を含む。加湿区画４３０は、それぞれ燃料加湿流領域プレート４４２及び酸化剤加湿流領域プレート４４１の間に、複数の燃料加湿膜４３７及び複数の酸化剤加湿膜４３６有する。本発明の特別の要素、具体例及び応用を示し、説明したが、勿論、当業者は変更をすることができ、特に上述の開示内容から変更をすることができるのであるから、本発明はこれらに限定されるものではないことが理解されよう。添付の特許請求の範囲は本発明の精神及び範囲に属する態様を含むものと考えられる。

【手続補正書】特許法第１８４条の７第１項【提出日】１９９４年３月１日【補正内容】請求の範囲１．次のものを含む発電設備：（Ａ）水素含有入口燃料流；（Ｂ）酸素含有入口燃料流；（Ｃ）次のものを含む少なくとも１つの燃料電池を含む燃料電池の積み重ね：（１）前記入口燃料流を前記アノードの触媒活性部分に送るための入口を有するアノードであって、前記燃料流からカチオンを及び出口燃料流を生成するもの；（２）前記入口酸化剤流を前記カソードの触媒活性部分に送ってこの酸化剤流からアニオンを生成するための入口を有するカソード（前記アニオンは前記カチオンと反応して前記カソードで水を生成する）；（３）前記アノード及び前記カソードの間に配置されたカチオン交換膜であって、前記アノードから前記カソードへのカチオンの移動を促進し、前記入口燃料流を前記入口酸化剤流から隔離するもの；（４）前記アノードと前記カソードの間で電流を導通させる電気流路；並びに（５）前記出口燃料流中の水蒸気の分圧を、その中に含まれる水蒸気の飽和蒸気圧未満に維持する手段；（Ｄ）前記出口燃料流から水を除いて除湿された燃料流及び分離された水流を作るための水分離器；ここに、前記カソードに蓄積された水の実質的な部分は前記出口燃料流中に吸収される。２．前記入口酸化剤流の化学量論か約２．０未満である請求の範囲１の設備。３．前記入口燃料流が実質的に純粋な水素ガスからなり、前記除湿された燃料流が前記入口燃料流に再循環される請求の範囲１の設備。４．前記入口燃料流が水素ガス及び炭化水素の変換過程からの副生物であり、前記除湿された燃料流がこの設備からガス抜きされる請求の範囲１の設備。５．前記入口酸化剤流が実質的に純粋な酸素ガスであり、前記入口酸化剤流の化学量論が約１．０であり、前記酸素ガスが前記カソードで実質的に完全に消費される請求の範囲１の設備。６．前記カソードが更に通常は閉じたパージバルブを有し、前記パージバルブは周期的に開いて前記入口酸化剤流を前記設備からガス抜きし、これによって蓄積した不純物を前記カソードから排出する請求の範囲５の設備。７．前記入口酸化剤流が酸素含有空気を含み前記カソードか更に出口酸化剤流を生成し、前記酸化剤流が前記装置からガス抜きされる請求の範囲１の設備。８．更に前記出口酸化剤流から水を除いて除湿された酸化剤流及び除去された水流を生成するための水分離器を含む請求の範囲７の設備。９．次のものを含む発電設備：（Ａ）水素含有入口燃料流；（Ｂ）酸素含有入口燃料流；（Ｃ）入口冷却水流；（Ｄ）次のものを含む加湿組み立て品：（１）燃料加湿水供給源と、この燃料加湿水供給源から入口燃料流へ水を与えて加湿された燃料流を生成する手段とを含む少なくとも１つの燃料加湿区画；（２）酸化剤加湿水供給源と、この燃料加湿水供給源から入口酸化剤流へ水を与えて加湿された酸化剤流を生成する手段とを含む少なくとも１つの酸化剤加湿区画；（Ｅ）次のものを含む燃料電池の積み重ね：（１）少なくとも１つの燃料電池を含む電気化学的に活性な区画であって、前記燃料電池は次のものを含む：（ａ）加湿された燃料流からカチオンを生成するための、加湿された燃料流をアノードの触媒活性な部分に送る入口と、出口燃料流とを有するアノード；（ｂ）加湿された酸化剤流からアニオンを生成するための、加湿された酸化剤流をカソードの触媒活性な部分に送る入口を有するアノード（このアニオンは前記カチオンと反応してこのカソードで水を形成する）；（ｃ）前記アノード及びカソードの間に介在するカチオン交換膜であって、アノードからのカチオンのカソードへの移行を促進し、前記加湿された燃料流を前記加湿された酸化剤流から隔離するもの；並びに（ｄ）前記アノードと前記カソードとの間で電流を導通する電気流路；並びに（ｅ）前記出口燃料流中の水蒸気の分圧を、その中に含まれる水蒸気の飽和蒸気圧未満に維持する手段；（２）入日冷却水流を電気化学的に活性な区画に送ってこれと熱接触させて、前記活性区画内て発生した熱を吸収し出口冷却水流を生成する入口を有する少なくとも１つの冷却剤通路；（Ｆ）前記出口冷却水流から熱を除いて冷やされた冷却水流を作りだすための熱交換器；（Ｇ）出口燃料流から水を除き、除湿された燃料及び分離された水流を生成するための水分離器；並びに（Ｈ）前記水分離器からの分離された水流及び前記熱交換器からの冷やされた冷却水流を受け取るための貯蔵器；ここに、前記入口冷却水流は前記貯蔵器から引き出され、前記カソードに蓄積された水の実質的部分は前記出口燃料流中に吸収される。１０．前記出口冷却水流が、前記燃料加湿供給源及び前記酸化剤加湿水供給源の内の少なくとも１つに供給される請求の範囲９の設備。１１．前記冷却水流が、前記燃料加湿供給源及び前記酸化剤加湿水供給源の両方に供給される請求の範囲９の設備。１２．前記水分離器及び前記貯蔵器が一体であり、前記貯蔵器内に含まれる水か前記出口燃料流からの水の凝縮を促進する請求の範囲９の設備。１３．前記燃料加湿水供給源から前記入口燃料流へ水蒸気を与える手段が、前記燃料加湿水供給源をうけとるための室、前記入口燃料流を受け取るための室、及び前記燃料加湿水供給源から前記入口燃料流へ水蒸気を輸送して加湿された燃料流を生成するための前記両室の間に介在する水蒸気輸送膜を含む請求の範囲９の設備。１４．前記酸化剤加湿水供給源から前記入口酸化剤流へ水蒸気を与える手段が、前記酸化剤加湿水供給源をうけとるための室、前記入口酸化剤流を受け取るための室、及び前記酸化剤加湿水供給源から前記入口酸化剤流へ水蒸気を輸送して加湿された酸化剤流を生成するための前記両室の間に介在する水蒸気輸送膜を含む請求の範囲９の設備。１５．前記入口燃料流が実質的に純粋な水素ガスからなり、前記除湿された燃料流が前記入口燃料流に再循環される請求の範囲９の設備。１６．前記入口燃料流が水素ガス及び炭化水素の変換からの副生物であり、前記除湿された燃料流が前記設備からガス抜きされる請求の範囲９の設備。１７．前記入口酸化剤流が実質的に純粋な酸素であり、前記酸素ガスが前記カソードで実質的に完全に消費される請求の範囲９の装置。１８．前記カソードが更に通常は閉じたパージバルブを有し、前記パージバルブは周期的に開いて前記入口酸化剤流を前記設備からガス抜きし、これによって蓄積した不純物を前記カソードから排出する請求の範囲１７の設備。１９．前記入口酸化剤流が酸素含有空気を含み前記カソードが更に出口酸化剤流を生成し、前記酸化剤流が前記装置からガス抜きされる請求の範囲９の設備。２０．更に前記出口酸化剤流から水を除いて除湿された酸化剤流及び除去された水流を生成するための水分離器を含み、前記貯蔵器か前記除去された水流を前記水分離器から受け取る請求の範囲９の設備。２１．次のものを含む発電設備：（Ａ）水素含有入口燃料流；（Ｂ）酸素含有入口燃料流；（Ｃ）次のものを含む加湿組み立て品：（１）燃料加湿水供給源と、この燃料加湿水供給源から入口燃料流へ水を与えて加湿された燃料流を生成する手段とを含む少なくとも１つの燃料加湿区画；（２）酸化剤加湿水供給源と、この燃料加湿水供給源から入口酸化剤流へ水を与えて加湿された酸化剤流を生成する手段とを含む少なくとも１つの酸化剤加湿区画；（Ｄ）次のものを含む燃料電池の積み重ね：（１）少なくとも１つの燃料電池を含む電気化学的に活性な区画であって、前記燃料電池は次のものを含む：（ａ）加湿された燃料流からカチオンを生成するための、加湿された燃料流をアノードの触媒活性な部分に送る入口と、出口燃料流とを有するアノード；（ｂ）加湿された酸化剤流からアニオンを生成するための、加湿された酸化剤流をカソードの触媒活性な部分に送る入口を有するアノード（このアニオンは前記カチオンと反応してこのカソードで水を形成する）；（ｃ）前記アノード及びカソードの間に介在するカチオン交換膜であって、アノードからのカチオンのカソードへの移行を促進し、前記加湿された燃料流を前記加湿された酸化剤流から隔離するもの；（ｄ）前記アノードと前記カソードとの間で電流を導通する電気流路；並びに（ｅ）前記出口燃料流中の水蒸気の分圧を、その中に含まれる水蒸気の飽和蒸気圧未満に維持する手段；（Ｅ）出口燃料流から水を除き、除湿された燃料及び分離された水流を生成するための水分離器；並びに（Ｆ）前記水分離器からの分離された水流を受け取るための貯蔵器；ここに、燃料加湿水供給源の少なくとも１つ及び酸化剤加湿水供給源の内の少なくとも１つは前記貯蔵器から取り出され、前記カソードに蓄積された水の実質的部分は前記出口燃料流中に吸収される。２２．前記燃料加湿水供給源から前記入口燃料流へ水蒸気を与える手段が、前記燃料加湿水供給源をうけとるための室、前記入口燃料流を受け取るための室、及び前記燃料加湿水供給源から前記入口燃料流へ水蒸気を輸送して加湿された燃料流を生成するための前記両室の間に介在する水蒸気輸送膜を含む請求の範囲２１の設備。２３．前記酸化剤加湿水供給源から前記入口酸化剤流へ水蒸気を与える手段が、前記酸化剤加湿水供給源をうけとるための室、前記入口酸化剤流を受け取るための室、及び前記酸化剤加湿水供給源から前記入口酸化剤流へ水蒸気を輸送して加湿された酸化剤流を生成するための前記両室の間に介在する水蒸気輸送膜を含む請求の範囲２１の設備。２４．前記入口燃料流か実質的に純粋な水素ガスからなり、前記除湿された燃料流が前記入口燃料流に再循環される請求の範囲２１の設備。２５．前記入口燃料流か水素ガス及び炭化水素の変換からの副生物であり、前記除湿された燃料流が前記設備からガス抜きされる請求の範囲２１の設備。２６．前記入口酸化剤流が実質的に純粋な酸素であり、前記酸素ガスが前記カソードで実質的に完全に消費される請求の範囲２１の装置。２７．前記カソードが更に通常は閉じたパージバルブを有し、前記パージバルブは周期的に開いて前記入口酸化剤流を前記設備からガス抜きし、これによって蓄積した不純物を前記カソードから排出する請求の範囲２６の設備。２８．前記入口酸化剤流か酸素含有空気を含み前記カソードが更に出口酸化剤流を生成し、前記酸化剤流が前記装置からガス抜きされる請求の範囲２１の設備。２９．次のものを含む発電設備：（Ａ）水素含有入口燃料流；（Ｂ）酸素含有入口燃料流；（Ｃ）入口冷却水流；（Ｅ）次のものを含む燃料電池の積み重ね：（１）少なくとも１つの燃料電池を含む電気化学的に活性な区画であって、前記燃料電池は次のものを含む：（ａ）入口燃料流からカチオンを生成するための、入口燃料流をアノードの触媒活性な部分に送る入口と、出口燃料流とを有するアノード；（ｂ）入口酸化剤流からアニオンを生成するための、入口酸化剤流をカソードの触媒活性な部分に送る入口を有するアノード（このアニオンは前記カチオンと反応してこのカソードで水を形成する）；（ｃ）前記アノード及びカソードの間に介在するイオン交換膜であって、アノードからのカチオンのカソードへの移行を促進し、前記入口燃料流を前記入口酸化剤流から隔離するもの；並びに（ｄ）前記アノードと前記カソードとの間で電流を導通する電気流路；並びに（ｅ）前記出口燃料流中の水蒸気の分圧を、その中に含まれる水蒸気の飽和蒸気圧未満に維持する手段；（２）入口冷却水流を電気化学的に活性な区画に送りこれと熱接触させて、前記活性区画内で発生した熱を吸収し出口冷却水流を生成する入口を有する少なくとも１つの冷却材通路；（Ｆ）前記出口冷却水流から熱を除いて冷やされた冷却水流を作りだすための熱交換器；（Ｇ）出口燃料流から水を除き、除湿された燃料及び分離された水流を生成するための水分離器；並びに（Ｈ）前記水分離器からの分離された水流及び前記熱交換器からの冷やされた冷却水流を受け取るための貯蔵器；ここに、前記入口冷却水流は前記貯蔵器から引き出され、前記カソードに蓄積された水の実質的部分は前記出口燃料流中に吸収される。３０．前記水分離器及び前記貯蔵器か一体であり、前記貯蔵器に含まれる水が前記出口燃料流からの水の凝縮を促進する請求の範囲２９の設備。３１．前記アノードか、更に前記出口燃料流を前記アノードから送り出す出口を含み、ここに、前記水蒸気分圧維持手段が前記アノード入口及び前記アノード出口の間の前記燃料電池の中で圧力低下を与えるための手段を含む、請求の範囲１の設備。３２．前記圧力低下付与手段が前記アノードの入口の少なくとも１つの付形されたオリフィスを含む請求の範囲３１の設備。３３．前記圧力低下付与手段が、前記入口燃料流を前記アノード内に送る長く伸びた流体流通路を含む請求の範囲３１の設備。３４．前記圧力低下付与手段が、前記入口燃料流を前記アノード内に送る変化する断面積を有する流体流通路を含む請求の範囲３１の設備。３５．前記アノードが更に前記出口燃料流を前記アノードから送り出すための出口を含み、前記水蒸気分圧維持手段が前記アノード入口及び前記アノード出口の間の前記入口燃料流の温度を制御して前記温度をその中に含まれる水蒸気の凝縮温度より高く維持する手段を含む請求の範囲１の設備。３６．前記水蒸気分圧維持手段が、前記アノード入口及び前記アノード出口の間の前記入口燃料流の圧力を制御して、前記温度をその中に含まれる水蒸気の凝縮温度より高く維持する手段を更に含む請求の範囲３５の設備。３７．前記アノードが更に前記出口燃料流を前記アノードから送り出す出口を含み、前記水蒸気分圧維持手段が前記アノード入口及び前記アノード出口の間の前記燃料電池内に圧力低下を付与する手段を含む請求の範囲９の設備。３８．前記圧力低下付与手段が、少なくとも１つの付形されたオリフィスを前記アノード入口に有する請求の範囲３７の設備。３９．前記圧力低下付与手段が、前記入口燃料流を前記アノード内に送るための長く伸びた流体流路を含む請求の範囲３７の設備。４０．前記圧力低下付与手段が、前記入口燃料流を前記アノード内に送る流体流路を含む変化する断面積を有する流体流路を含む請求の範囲３７の設備。４１．前記アノードが更に前記出口燃料流を前記アノードから送り出すための出口を含み、前記水蒸気分圧維持手段が前記アノード入口及び前記アノード出口の間の前記入口燃料流の温度を制御して前記温度をその中に含まれる水蒸気の凝縮温度より高く維持する手段を含む請求の範囲９の設備。４２．前記水蒸気分圧維持手段が、前記アノード入口及び前記アノード出口の間の前記入口燃料流の圧力を制御して、前記温度をその中に含まれる水蒸気の凝縮温度より高く維持する手段を更に含む請求の範囲４１の設備。４３．前記アノードが更に前記出口燃料流を前記アノードから送り出す出口を含み、前記水蒸気分圧維持手段が前記アノード入口及び前記アノード出口の間の前記燃料電池内に圧力低下を付与する手段を含む請求の範囲２１の設備。４４．前記圧力低下付与手段が、少なくとも１つの付形されたオリフィスを前記アノード入口に有する請求の範囲４３の設備。４５．前記圧力低下付与手段が、前記入口燃料流を前記アノード内に送るための長く伸びた流体流路を含む請求の範囲４３の設備。４６．前記圧力低下付与手段が、前記入口燃料流を前記アノード内に送る流体流路を含む変化する断面積を有する流体流路を含む請求の範囲４３の設備。４７．前記アノードが更に前記出口燃料流を前記アノードから送り出すための出口を含み、前記水蒸気分圧維持手段が前記アノード入口及び前記アノード出口の間の前記入口燃料流の温度を制御して前記温度をその中に含まれる水蒸気の凝縮温度より高く維持する手段を含む請求の範囲２１の設備。４８．前記水蒸気分圧維持手段が、前記アノード入口及び前記アノード出口の間の前記入口燃料流の圧力を制御して、前記温度をその中に含まれる水蒸気の凝縮温度より高く維持する手段を更に含む請求の範囲４７の設備。４９．前記アノードが更に前記出口燃料流を前記アノードから送り出す出口を含み、前記水蒸気分圧維持手段が前記アノード入口及び前記アノード出口の間の前記燃料電池内に圧力低下を付与する手段を含む請求の範囲２９の設備。５０．前記圧力低下付与手段が、少なくとも１つの付形されたオリフィスを前記アノード入口に有する請求の範囲４９の設備。５１．前記圧力低下付与手段が、前記入口燃料流を前記アノード内に送るための長く伸びた流体流路を含む請求の範囲４９の設備。５２．前記圧力低下付与手段が、前記入口燃料流を前記アノード内に送る流体流路を含む変化する断面積を有する流体流路を含む請求の範囲４９の設備。５３．前記アノードが更に前記出口燃料流を前記アノードから送り出すための出口を含み、前記水蒸気分圧維持手段か前記アノード入口及び前記アノード出口の間の前記入口燃料流の温度を制御して前記温度をその中に含まれる水蒸気の凝縮温度より高く維持する手段を含む請求の範囲２９の設備。５４．前記水蒸気分圧維持手段が、前記アノード入口及び前記アノード出口の間の前記入口燃料流の圧力を制御して、前記温度をその中に含まれる水蒸気の凝縮温度より高く維持する手段を更に含む請求の範囲５３の設備。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＵ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＫ，ＵＡ (71)出願人ボス，ヘンリーエイチ. カナダ国，ブリティッシュコロンビアブイ７ティー１エイチ１，ウエストバンクーバー，ダッチェスアベニュ 1163 (71)出願人ワトキンス，デビッドエス. カナダ国，ブリティッシュコロンビアブイ３ジェイ２エヌ３，コキトラム，フォスターアベニュ 1581 (71)出願人プラター，キースビー. カナダ国，ブリティッシュコロンビアブイ６エヌ１エヌ２，バンクーバー，プレスコットストリート 7049 (72)発明者ウィルキンソン，デビッドピー. カナダ国，ブリティッシュコロンビアブイ７ケー１ダブリュ４，ノースバンクーバー，コールマンストリート 1391 (72)発明者ボス，ヘンリーエイチ. カナダ国，ブリティッシュコロンビアブイ７ティー１エイチ１，ウエストバンクーバー，ダッチェスアベニュ 1163 (72)発明者ワトキンス，デビッドエス. カナダ国，ブリティッシュコロンビアブイ３ジェイ２エヌ３，コキトラム，フォスターアベニュ 1581 (72)発明者プラター，キースビー. カナダ国，ブリティッシュコロンビアブイ６エヌ１エヌ２，バンクーバー，プレスコットストリート 7049

Claims

【特許請求の範囲】１．次のものを含む発電設備：（Ａ）水素含有入口燃料流；（Ｂ）酸素含有入口燃料流；（Ｃ）次のものを含む少なくとも１つの燃料電池を含む燃料電池の積み重ね：（１）前記入口燃料流を前記アノードの触媒活性部分に送るための入口を有するアノードであって、前記燃料流からカチオンを及び出口燃料流を生成するもの；（２）前記入口酸化剤流を前記カソードの触媒活性部分に送ってこの酸化剤流からアニオンを生成するための入口を有するカソード（前記アニオンは前記カチオンと反応して前記カソードで水を生成する）；（３）前記アノード及び前記カソードの間に配置されたイオン交換膜であって、前記アノードから前記カソードへのカチオンの移動を促進し、前記入口燃料流を前記入口酸化剤流から隔離するもの；並びに（４）前記アノードと前記カソードの間で電流を導通させる電気流路；（Ｄ）前記出口燃料流から水を除いて除湿された燃料流及び分離された水流を作るための水分離器；ここに、前記カソードに蓄積された水の実質的な部分は前記出口燃料流中に吸収される。２．前記入口酸化剤流の化学量論が約２．０未満である請求の範囲１の設備。３．前記入口燃料流が実質的に純粋な水素ガスからなり、前記除湿された燃料流が前記入口燃料流に再循環される請求の範囲１の設備。４．前記入口燃料流が水素ガス及び炭化水素の変換過程からの副生物であり、前記除湿された燃料流がこの設備からガス抜きされる請求の範囲１の設備。５．前記入口酸化剤流が実質的に純粋な酸素ガスであり、前記入口酸化剤流の化学量論が約１．０であり、前記酸素ガスが前記カソードで実質的に完全に消費される請求の範囲１の設備。６．前記カソードが更に通常は閉じたパージバルブを有し、前記パージバルブは周期的に開いて前記入口酸化剤流を前記設備からガス抜きし、これによって蓄積した不純物を前記カソードから排出する請求の範囲５の設備。７．前記入口酸化剤流が酸素含有空気を含み前記カソードが更に出口酸化剤流を生成し、前記酸化剤流が前記装置からガス抜きされる請求の範囲１の設備。８．更に前記出口酸化剤流から水を除いて除湿された酸化剤流及び除去された水流を生成するための水分離器を含む請求の範囲７の設備。９．次のものを含む発電設備：（Ａ）水素含有入口燃料流；（Ｂ）酸素含有入口燃料流；（Ｃ）入口冷却水流；（Ｄ）次のものを含む加湿組み立て品：（１）燃料加湿水供給源と、この燃料加湿水供給源から入口燃料流へ水を与えて加湿された燃料流を生成する手段とを含む少なくとも１つの燃料加湿区画；（２）酸化剤加湿水供給源と、この燃料加湿水供給源から入口酸化剤流へ水を与えて加湿された酸化剤流を生成する手段とを含む少なくとも１つの酸化剤加湿区画；（Ｅ）次のものを含む燃料電池の積み重ね：（１）少なくとも１つの燃料電池を含む電気化学的に活性な区画であって、前記燃料電池は次のものを含む：（ａ）加湿された燃料流からカチオンを生成するための、加湿された燃料流をアノードの触媒活性な部分に送る入口と、出口燃料流とを有するアノード；（ｂ）加湿された酸化剤流からアニオンを生成するための、加湿された酸化剤流をカソードの触媒活性な部分に送る入口を有するアノード（このアニオンは前記カチオンと反応してこのカソードで水を形成する）；（ｃ）前記アノード及びカソードの間に介在するイオン交換膜であって、アノードからのカチオンのカソードへの移行を促進し、前記加湿された燃料流を前記加湿された酸化剤流から隔離するもの；並びに（ｄ）前記アノードと前記カソードとの間で電流を導通する電気流路；（２）入口冷却水流を電気化学的に活性な区画に送ってこれと熱接触させて、前記活性区画内で発生した熱を吸収し出口冷却水流を生成する入口を有する少なくとも１つの冷却剤通路；（Ｆ）前記出口冷却水流から熱を除いて冷やされた冷却水流を作りだすための熱交換器；（Ｇ）出口燃料流から水を除き、除湿された燃料及び分離された水流を生成するための水分離器；並びに（Ｈ）前記水分離器からの分離された水流及び前記熱交換器からの冷やされた冷却水流を受け取るための貯蔵器；ここに、前記入口冷却水流は前記貯蔵器から引き出される。１０．前記出口冷却水流が、前記燃料加湿供給源及び前記酸化剤加湿水供給源の内の少なくとも１つに供給される請求の範囲９の設備。１１．前記冷却水流が、前記燃料加湿供給源及び前記酸化剤加湿水供給源の両方に供給される請求の範囲１０の設備。１２．前記水分離器及び前記貯蔵器が一体であり、前記貯蔵器内に含まれる水が前記出口燃料流からの水の凝縮を促進する請求の範囲９の設備。１３．前記燃料加湿水供給源から前記入口燃料流へ水を与える手段が、前記燃料加湿水供給源をうけとるための室、前記入口燃料流を受け取るための室、及び前記燃料加湿水供給源から前記入口燃料流へ水を輸送して加湿された燃料流を生成するための前記両室の間に介在する水輸送膜を含む請求の範囲９の設備。１４．前記酸化剤加湿水供給源から前記入口酸化剤流へ水を与える手段が、前記酸化剤加湿水供給源をうけとるための室、前記入口酸化剤流を受け取るための室、及び前記酸化剤加湿水供給源から前記入口酸化剤流へ水を輸送して加湿された酸化剤流を生成するための前記両室の間に介在する水輸送膜を含む請求の範囲９の設備。１５．前記入口燃料流が実質的に純粋な水素ガスからなり、前記除湿された燃料流が前記入口燃料流に再循環される請求の範囲９の設備。１６．前記入口燃料流が水素ガス及び炭化水素の変換からの副生物であり、前記除湿された燃料流が前記設備からガス抜きされる請求の範囲９の設備。１７．前記入口酸化剤流が実質的に純粋な酸素であり、前記酸素ガスが前記カソードで実質的に完全に消費される請求の範囲９の装置。１８．前記カソードが更に通常は閉じたパージバルブを有し、前記パージバルブは周期的に開いて前記入口酸化剤流を前記設備からガス抜きし、これによって蓄積した不純物を前記カソードから排出する請求の範囲１７の設備。１９．前記入口酸化剤流が酸素含有空気を含み前記カソードが更に出口酸化剤流を生成し、前記酸化剤流が前記装置からガス抜きされる請求の範囲９の設備。２０．更に前記出口酸化剤流から水を除いて除湿された酸化剤流及び除去された水流を生成するための水分離器を含み、前記貯蔵器が前記除去された水流を前記水分離器から受け取る請求の範囲９の設備。２１．次のものを含む発電設備：（Ａ）水素含有入口燃料流；（Ｂ）酸素含有入口燃料流；（Ｃ）次のものを含む加湿組み立て品：（１）燃料加湿水供給源と、この燃料加湿水供給源から入口燃料流へ水を与えて加湿された燃料流を生成する手段とを含む少なくとも１つの燃料加湿区画；（２）酸化剤加湿水供給源と、この燃料加湿水供給源から入口酸化剤流へ水を与えて加湿された酸化剤流を生成する手段とを含む少なくとも１つの酸化剤加湿区画；（Ｄ）次のものを含む燃料電池の積み重ね：（１）少なくとも１つの燃料電池を含む電気化学的に活性な区画であって、前記燃料電池は次のものを含む：（ａ）加湿された燃料流からカチオンを生成するための、加湿された燃料流をアノードの触媒活性な部分に送る入口と、出口燃料流とを有するアノード；（ｂ）加湿された酸化剤流からアニオンを生成するための、加湿された酸化剤流をカソードの触媒活性な部分に送る入口を有するアノード（このアニオンは前記カチオンと反応してこのカソードで水を形成する）；（ｃ）前記アノード及びカソードの間に介在するイオン交換膜であって、アノードからのカチオンのカソードへの移行を促進し、前記加湿された燃料流を前記加湿された酸化剤流から隔離するもの；並びに（ｄ）前記アノードと前記カソードとの間で電流を導通する電気流路；（Ｅ）出口燃料流から水を除き、除湿された燃料及び分離された水流を生成するための水分離器；並びに（Ｆ）前記水分離器からの分離された水流を受け取るための貯蔵器；ここに、燃料加湿水供給源の少なくとも１つ及び酸化剤加湿水供給源の内の少なくとも１つは前記貯蔵器から取り出される。２２．前記燃料加湿水供給源から前記入口燃料流へ水を与える手段が、前記燃料加湿水供給源をうけとるための室、前記入口燃料流を受け取るための室、及び前記燃料加湿水供給源から前記入口燃料流へ水を輸送して加湿された燃料流を生成するための前記両室の間に介在する水輸送膜を含む請求の範囲２１の設備。２３．前記酸化剤加湿水供給源から前記入口酸化剤流へ水を与える手段が、前記酸化剤加湿水供給源をうけとるための室、前記入口酸化剤流を受け取るための室、及び前記酸化剤加湿水供給源から前記入口酸化剤流へ水を輸送して加湿された酸化剤流を生成するための前記両室の間に介在する水輸送膜を含む請求の範囲２１の設備。２４．前記入口燃料流が実質的に純粋な水素ガスからなり、前記除湿された燃料流が前記入口燃料流に再循環される請求の範囲２１の設備。２５．前記入口燃料流が水素ガス及び炭化水素の変換からの副生物であり、前記除湿された燃料流が前記設備からガス抜きされる請求の範囲２１の設備。２６．前記入口酸化剤流が実質的に純粋な酸素であり、前記酸素ガスが前記カソードで実質的に完全に消費される請求の範囲２１の装置。２７．前記カソードが更に通常は閉じたパージバルブを有し、前記パージバルブは周期的に開いて前記入口酸化剤流を前記設備からガス抜きし、これによって蓄積した不純物を前記カソードから排出する請求の範囲２６の設備。２８．前記入口酸化剤流が酸素含有空気を含み前記カソードが更に出口酸化剤流を生成し、前記酸化剤流が前記装置からガス抜きされる請求の範囲２１の設備。２９．次のものを含む発電設備：（Ａ）水素含有入口燃料流；（Ｂ）酸素含有入口燃料流；（Ｃ）入口冷却水流；（Ｅ）次のものを含む燃料電池の積み重ね：（１）少なくとも１つの燃料電池を含む電気化学的に活性な区画であって、前記燃料電池は次のものを含む：（ａ）入口燃料流からカチオンを生成するための、入口燃料流をアノードの触媒活性な部分に送る入口と、出口燃料流とを有するアノード；（ｂ）入口酸化剤流からアニオンを生成するための、入口酸化剤流をカソードの触媒活性な部分に送る入口を有するアノード（このアニオンは前記カチオンと反応してこのカソードで水を形成する）；（ｃ）前記アノード及びカソードの間に介在するイオン交換膜であって、アノードからのカチオンのカソードへの移行を促進し、前記入口燃料流を前記入口酸化剤流から隔離するもの；並びに（ｄ）前記アノードと前記カソードとの間で電流を導通する電気流路；（２）入口冷却水流を電気化学的に活性な区画に送りこれと熱接触させて、前記活性区画内で発生した熱を吸収し出口冷却水流を生成する入口を有する少なくとも１つの冷却材通路；（Ｆ）前記出口冷却水流から熱を除いて冷やされた冷却水流を作りだすための熱交換器；（Ｇ）出口燃料流から水を除き、除湿された燃料及び分離された水流を生成するための水分離器；並びに（Ｈ）前記水分離器からの分離された水流及び前記熱交換器からの冷やされた冷却水流を受け取るための貯蔵器；ここに、前記入口冷却水流は前記貯蔵器から引き出される。３０．前記水分離器及び前記貯蔵器が一体であり、前記貯蔵器に含まれる水が前記出口燃料流からの水の凝縮を促進する請求の範囲２９の設備。