JP2004503072A

JP2004503072A - 陽子交換薄膜燃料電池の主に陰極側における水の回収

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Publication number: JP2004503072A
Application number: JP2002511407A
Authority: JP
Inventors: フランク、デイビッド; チェン、シェソン
Original assignee: ハイドロジェニクス　コーポレイション
Priority date: 2000-06-13
Filing date: 2001-06-13
Publication date: 2004-01-29
Also published as: CN1443379A; CA2315576A1; KR20030026933A; MXPA02012343A; WO2001097307A2; EP1328988A2; AU2001268864A1; US6436563B1; WO2001097307A3

Abstract

燃料電池又は燃料電池スタックは、陽子交換薄膜又は他の電解質と、燃料電池の陰極側用及び陽極側用の適切な吸入口及び排出口とを有する。陰極吸入口及び陰極排出口には複数の乾燥器が接続されていて、一方の乾燥器が排気される酸化体流から水分を回収し、他方の乾燥器が流入する流れを加湿することが可能になっている。任意に、乾燥機の構成を、燃料電池の陽極又は燃料側の水分回収に備えるようにしてもよい。

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、電気化学燃料電池に関する。詳細には、本発明は、水素を燃料として用い、酸化体を受けとって水素を電気及び熱に変換すると共に、陽子交換薄膜を電解質として用いる電気化学燃料電池に関する。
【０００２】
発明の背景
一般的に、燃料電池（セル）は、化学反応エネルギーを電気に変換する装置である。燃料及び酸化体が供給される限り燃料電池が発電可能なバッテリーとは異なる。
【０００３】
燃料電池は、燃料及び酸化体を２つの適切な電極及び電解質と接触させることによって起電力を生じる。例えば水素ガス等の燃料は第１の電極に導入され、電解質及び触媒の存在下で電気化学的に反応し、第１の電極において電子及びカチオンを生じる。電子は、第１の電極から電極間に接続された電気回路を通って第２の電極へと循環する。カチオンは電解質を通過して第２の電極へと至る。同時に、一般的には空気、酸素を豊富に含む空気、又は酸素である酸化体が第２の電極に導入され、酸化体は電解質及び触媒の存在下で電気化学的に反応してアニオンを生じると共に、電気回路を通って循環する電子を消費し、第２の電極においてカチオンが消費される。第２の電極又は陰極で形成されるアニオンは、カチオンと反応して反応生成物を形成する。第１の電極又は陽極は、燃料又は酸化電極と呼ばれてもよく、第２の電極は、酸化体又は還元電極と呼ばれてもよい。２つの電極における半電池反応は、それぞれ次の通りである。
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
外部の電気回路は電流を引き込み、このようにして電池から電力を受け取る。燃料電池の反応の全体によって、上述した個別の半電池反応の合計である電気エネルギーが生じる。水及び熱は、この反応の典型的な副生成物である。
【０００４】
実用では、燃料電池は単体では作動されない。むしろ、燃料電池は、積み重ねられ又は横に並べられ、一続きに接続される。燃料電池スタックと呼ばれる一続きの燃料電池は、通常、ハウジングで包まれている。燃料及び酸化体はマニホールドを介して電極へと送られ、その間、反応物質又は冷却媒体によって冷却される。スタック内には、集電器と、電池どうしのシールと、絶縁物とがあり、必要な配管及び計器装備は燃料電池スタックの外部に設けられている。スタック、ハウジング及び関連づけられたハードウェアで、燃料電池モジュールが構成される。
【０００５】
燃料電池は、液体又は固体の電解質のタイプによって分類される。本発明は、主に、陽子交換薄膜（ＰＥＭ）等といった固体電解質を用いる燃料電池に関する。入手可能な薄膜は乾燥状態では効果的に動作しないので、ＰＥＭは水で湿った状態に保たれなければならない。従って、燃料電池の動作中、一般的に、通常は水素及び空気である反応ガスに水を加えることにより、薄膜が常に加湿される必要がある。
【０００６】
固体ポリマー燃料電池で用いられる陽子交換薄膜は、電解質として作用すると共に、反応ガスの混合防止のためのバリヤとしても作用する。適切な薄膜の例としては、フッ化カーボン鎖の基本単位及びスルホン酸類の基を含有するペルフルオロカーボンのコポリマー材料が挙げられる。この薄膜の分子構造は様々であってよい。燃料電池が完全な水和状態、実質的に水で飽和した状態で動作する場合には、これらの薄膜を用いて優れた性能が得られる。従って、薄膜は連続して加湿されなければならないが、同時に、薄膜を過剰に加湿、即ち、水びたしにすると性能が落ちるので、これはしてはならない。更に、スタックの凍結を防止するために、燃料電池スタックの温度は凍結温度より高く保たれなければならない。
【０００７】
冷却、加湿及び加圧が必要なことは、燃料電池のコスト及び複雑さを増加させ、多くの用途における代替エネルギー源としての燃料電池の商業的な魅力が低下する。従って、燃料電池研究の進歩により、燃料電池が、反応物質によるコンディショニングなしで、吸気型の大気条件下で、有用な電力出力を維持しつつ動作できるようになる。
【０００８】
燃料電池の現在の発達状態は、簡略化された吸気型大気設計に益々焦点があてられているのだが、更に複雑な設計を要する零下の温度における動作には、適切に対処していない。例えば、熱交換器及び断熱材が必要となり、起動、停止、及び反応物質用の加湿器のための制御プロトコルも更に必要となる。
【０００９】
固体ポリマー陽子交換薄膜（ＰＥＭ）を用いる場合には、薄膜は一般的に、多孔質の導電性材料で形成された２つの電極間に設けられる。これらの電極には、一般的に、ポリテトラフルオロエチレン等の疎水性ポリマーが含浸又は塗布されている。各薄膜／電極界面には、望ましい電気化学反応を促進するための触媒が設けられ、一般的には細かく分割された触媒が用いられる。この薄膜電極アセンブリは２つの導電性プレートの間に取り付けられ、各導電性プレートの内部には少なくとも１つの流路が形成されている。この流体の流れる燃料プレートは、一般的にグラファイトで形成される。この流路によって、燃料及び酸化体は、個々の電極、即ち、燃料側の陽極及び酸化体側の陰極に送られる。電極間で電子を伝える経路を設けるために、電極は電気回路内に電気的に接続されている。従来の方法で、電気回路内に電気的な切替装置等を設けることができる。このような燃料電池に一般的に用いられる燃料は、水素、又は他の燃料から生成された水素を豊富に含む改質ガソリン（リフォーメート）である（「改質ガソリン」とは、炭化水素燃料を水素及び他の気体から成る気体燃料に改質することによって誘導された燃料である）。陰極側の酸化体は、様々な供給源から供給できる。幾つかの用途では、流路等のサイズを小さくしてより小型の燃料電池を作るために、純粋な酸素を供給することが望ましい。しかし、酸化体としては、容易に入手可能であり分離型又はボンベ入りガス供給を必要としない、空気を供給するのが一般的である。更に、例えば据え置き型の用途等の、空間的な制約が問題とならない場合には、大気圧の空気を供給するのが都合がよい。このような場合には、単に、酸化体としての空気を流すための、燃料電池スタックを通るチャネルを設けるのが一般的であり、それにより、燃料電池アセンブリの全体的な構造が大いに簡略化される。酸化体用の回路を別に設ける代わりに、単純に１つの通気口と、場合によっては空気の流れを高めるためのファン等を設けるように、燃料電池スタックを構成することも可能である。
【００１０】
燃料電池の加湿が特に問題及び課題を課す様々な用途がある。例えば、自動車内で燃料電池を作動させるということは、通常、流入する酸化体及び燃料の流れを加湿するための容易に入手可能な給水が存在しないことを意味する。この目的のために車輌に水を供給しなければならず、車輌の周囲で水の余計な重量を運ばなければならないことは、通常は望ましくない。一方、据え置き型の用途では、加湿用の給水を設けることは、通常は全く可能である。
【００１１】
しかし、加湿が簡単ではない据え置き型の用途も幾つかある。例えば、水を容易に入手できないような場所にある遠隔の感知設備への電力供給に、燃料電池がしばしば用いられる。更に、このような燃料電池の遠隔使用は、極端な気候条件の場所で生じることが多い。このように、南極地帯等にある科学的な設備に対する供給に、燃料電池スタックを用いることが知られている。給水の凍結防止の問題があるので、加湿用の給水を別個に設けることは単純に現実的ではない。更に、酸化体として用いられる周囲の空気が過度に乾燥しているので、より穏やかな温度で比較的湿った空気を用いる場合よりも、加湿は重要である。なお、同様の極端な条件は、砂漠地帯等でもみられる。
【００１２】
発明の概要
従って、燃料電池は、本質的に、過剰な水分又は水を排出物として生成するので、本発明は、この水を再循環させて燃料電池に流入する流れを加湿するために使用できるという認識に基づく。
【００１３】
詳細には、本発明の発明者は、酸化体及び／又は燃料流の加湿のために別個の水源を設けなくてはならないことを回避するために、燃料電池又は燃料電池スタックからの排出又は流出流から、水を回収することが好ましいことに気づいた。
【００１４】
また、極端な気候条件では、排出される燃料及び／又は酸化体流の湿度が特定のレベルより低いことが望ましく、状況によっては必須であることも認識した。例えば、非常に寒冷な条件では、排気流がかなりの水分レベルを含む場合、この水分が直ちに凍結することがある。実際問題として、これにより、もや、霧、細かい水滴、又は氷の粒が形成され、装置の外側に蓄積する傾向がある。なお、科学的な装置への長期にわたる電力供給を意図する据え置き型の場合には、このような可能性は非常に望ましくなく、通気口が塞がれたり、氷の蓄積によって望ましくない負荷がかかる等の問題が生じ得る。これらの理由から、排気流が含む水分レベルを低減することが望ましい。
【００１５】
本発明の第１の態様によれば、燃料ガス用の陽極吸入口及び陽極排出口のそれぞれを有する陽極と、酸化体ガス用の陰極吸入口及び陰極排出口のそれぞれを有する陰極と、前記陽極と前記陰極との間の電解質と、第１及び第２の乾燥器と、使用において、前記第１の乾燥器が前記陰極吸入口及び前記陰極排出口の一方に接続されると共に前記第２の乾燥器が前記陰極吸入口及び前記陰極排出口の他方に接続されるよう、前記第１及び第２の乾燥器を前記陰極吸入口及び前記陰極排出口に接続する弁手段と、を有する燃料電池であって、前記乾燥器の接続が前記陰極吸入口と前記陰極排出口との間で周期的に切替可能であり、それによって前記一方の乾燥器が流出する酸化体流から水分を回収すると共に前記他方の乾燥器が流入する酸化体流を加湿する、燃料電池が提供される。
【００１６】
好ましくは、この燃料電池は、前記陰極吸入口に接続された共通ポート並びに、前記第１及び第２の乾燥器にそれぞれ接続された第１及び第２分岐ポートを有する吸入側三方向弁と、前記陰極排出口に接続された共通ポート並びに、前記第１及び第２の乾燥器にそれぞれ接続された第１及び第２分岐ポートを有する排出側三方向弁と、を有し、前記吸入側三方向弁及び前記排出側三方向弁のそれぞれが、前記各自の分岐ポートの一方を前記各自の共通ポートに接続すると共に前記各自の分岐ポートの他方を閉止するよう切替可能であり、前記吸入側三方向弁及び前記排出側三方向弁が相互接続され、前記吸入側三方向弁の前記第１分岐ポートと前記共通ポートとが連通する場合には、前記排出側三方向弁の前記第２分岐ポートと前記共通ポートとが連通し、前記第１三方向弁の前記第２分岐ポートと前記共通ポートとが連通する場合には、前記第２三方向弁の前記第１分岐ポートと前記共通ポートとが連通する。
【００１７】
酸化体を燃料電池内に移すためのポンプを、吸入側三方向弁と陰極吸入口との間に設けるのが好ましい。
【００１８】
本発明は単一の燃料電池に適用可能であるが、通常は、本発明を、燃料電池スタックとして構成された複数の燃料電池に適用することが予期される。この場合には、陰極吸入口及び陰極排出口は、燃料電池の各々に接続された吸入マニホールド及び排出マニホールドにそれぞれ接続される。
【００１９】
ガス流から水滴を分離するための水分分離器を、陰極吸入口と第２の三方向弁との間に設けることもできる。これにより、様々な目的に使用可能な水源を設けることができる。例えば、この水を、ガス流を個別に加湿するために用いることができる。
【００２０】
本出願と同時に出願された、「陽子交換薄膜燃料電池の陽極側における水の回収（ＷａｔｅｒｒｅｃｏｖｅｒｙｉｎｔｈｅＡｎｏｄｅＳｉｄｅｏｆａＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）」という名称の、別個の同時係属出願は、燃料電池の陽極側における水の回収に向けられている。しかし、本発明は、水又は水分の回収を陰極側及び陽極側の両方で行い得ることを意図する。この場合には、水素を燃料として用いるように燃料電池を構成するのが好ましい。
【００２１】
この場合には、燃料電池は再循環導管を有し、再循環導管は、陽極吸入口と陽極排出口との間に接続されたポンプと、陽極排出口とポンプとの間の再循環導管内に設けられた、陽極から出る燃料ガスから水分を分離するための水分分離器と、再循環導管に接続された第１燃料吸入口を有する燃料供給用の主燃料吸入口と、を有する。
【００２２】
乾燥器と、分岐導管と、該分岐導管用の通気排出口とを有する再循環導管に、分岐導管を接続してもよい。分岐導管内に、流れを制御すると共にパージサイクルの実行を可能にするための閉止弁を設けてもよい。或いは、再循環導管内の水分レベルを制御するように、乾燥器を再循環導管内の水分分離器より下流に設けてもよい。
【００２３】
第２の燃料吸入口を、乾燥器と通気排出口との間で分岐導管に接続してもよく、第２の閉止弁を、分岐導管内の第２の燃料吸入口と通気排出口との間に設けてもよい。これにより、燃料流を加湿することによって乾燥器を再チャージすると共に乾燥器から水分を回収するために、乾燥器を通して燃料を逆流させるための、第２の燃料吸入口を介した燃料の供給が可能になる。
【００２４】
本発明の別の態様では、燃料が供給される陽極と、酸化体流が通過する陰極と、前記陽極と前記陰極との間の電解質とを有する燃料電池にて、流出する酸化体流から水分を回収すると共に流入する酸化体流を加湿する方法であって、（ｉ）前記陰極から流出する酸化体流を第１の乾燥器に通して、前記酸化体流から水分を回収する工程と、（ｉｉ）流入する比較的乾燥した酸化体流を第２の乾燥器に通して、前記流入する酸化体流を以前に前記第２の乾燥器に溜められた水分で加湿する工程と、（ｉｉｉ）前記各乾燥器が交互に前記工程（ｉ）及び前記工程（ｉｉ）を行うように、前記流入する酸化体流及び前記流出する酸化体流を前記第１の乾燥器と前記第２の乾燥器との間で周期的に切り替える工程と、を含む方法が提供される。
【００２５】
次に、本発明のより良好な理解と、本発明がどのように実施され得るかをより明確に示すために、本発明の好ましい実施形態を示す添付の図面を例として参照する。
【００２６】
好ましい実施形態の詳細説明
まず図１を参照すると、本装置の第１実施形態が全体を参照番号１０で示されている。装置１０は燃料電池スタック１２を有するが、燃料電池スタック１２は単一の燃料電池のみで構成されてもよいことを認識されたい。公知の態様で、燃料電池スタックは燃料用及び酸化体用の吸入口及び排出口を有する。図１では、酸化体用の吸入口１４及び排出口１６のみが示されている。通常は、酸化体は空気であるが、特定の用途では純粋な酸素であり得る。
【００２７】
第１の又は吸入側三方向弁１８は、ポンプ２０によって吸入口１４に接続された共通ポートを有する。これと対応して、排出口１６は、第２の又は排出側三方向弁２２の共通ポートに接続されている。ポンプ２０及び排出口１６は、第１の三方向弁１８及び第２の三方向弁２２のそれぞれの共通ポートに接続されている。
【００２８】
第１の乾燥器２４及び第２の乾燥器２６が設けられており、個々に外部ポート２５、２７を有する。
【００２９】
乾燥器２４、２６は、第１の吸入口ダクト２８及び第２の吸入口ダクト２９によって、第１の三方向弁１８の第１及び第２分岐ポートにも接続されている。第１の排出口ダクト３０及び第２の排出口ダクト３１は、第２の三方向弁２２の第１及び第２分岐ポートを、乾燥機２４、２６のそれぞれに同様に接続している。
【００３０】
三方向弁１８、２２は、以下に詳述する態様で共に動作するように、同時に操作される。一般的に、これにより、ポンプ２０を通る吸気流が乾燥器２４、２６の一方を通過する間に、排出口１６からの排気流が乾燥器２４、２６の他方を通ることが確実になる。
【００３１】
詳細には、第１の動作モードでは、第１の三方向弁１８は、その第１分岐ポートを第１の乾燥器２４に接続するように切り替えられる。その結果、ポンプが周囲の空気を外部ポート２５を通して乾燥器２４へと引き込む。乾燥器２４には、実際上、前回のサイクルから水分がチャージ（補給）されているので、流入した空気は乾燥器２４を通過する間に水分を帯びて加湿される。次に、加湿された空気は弁１８の第１分岐ポートを通過してポンプ２０を通り、スタックの酸化体吸入口１４に至る。同時に、第２の三方向弁２２は、その共通ポートを第２分岐ポートに接続するように切り替えられ、第２の乾燥器２６へと通じる。その結果、酸化体排出口１６から排出された温かく湿った空気が第２の乾燥器２６を通過する。これによって空気が乾燥及び除湿されると同時に、第２の乾燥器２６に水分がチャージされる。
【００３２】
乾燥器２４、２６の処理能力によって決定される所定時間の後、三方向弁１８、２２は切り替えられる。従って、次のサイクル又は第２のモードでは、流入する空気は第２の乾燥器２６を通過して水分を帯びる。同時に、前回のサイクルで保持していた水分を渡した第１の乾燥器２４を、排出口１６から流出する湿った空気が通過し、第１の乾燥器２４に水分が再チャージされる。
【００３３】
乾燥器２４、２６の処理能力に従って、これらのサイクルが交互に行われ、２つの主要な効果を生じる。まず、流入する空気流が確実に適度な一定レベルに加湿される。それに対応して排気流が除湿される。これは、寒冷な気候においては特に好ましい。これにより、乾燥器の外部ポート２５、２７から排出された空気中の水分が直ちに霜や氷を形成して、時間の経過とともに蓄積し、場合によっては装置のポートを塞ぐようなことにならないことが、確実になる。
【００３４】
図２を参照すると、本装置の第２実施形態が示されている。この第２実施形態では、構成要素の多くは第１実施形態と同様であるので、簡潔にするためにこれらの構成要素の説明は繰り返さない。これらの構成要素には同一の参照番号を付与し、これらは第１実施形態と同様に機能することを理解されたい。
【００３５】
この第２実施形態における唯一の追加要素は、水分分離器３２を設けたことである。水分分離器３２は、酸化体排出口１６と第２の三方向弁２２との間の排気流の途中に設けられている。この効果は、各乾燥器２４、２６の乾燥時間を延長することである。分離器３２は、公知の技術を用いて水滴等を分離する。この回収された水を、別に、燃料電池スタックに向かって流入する酸化体及び／又は燃料の流れの加湿に用いることができる。
【００３６】
上述したように、別の長所は、乾燥器にかかる水分の負荷が低減されることにより、より長いサイクルの使用が可能となることである。
【００３７】
次に、図３、図４及び図５を参照すると、燃料電池スタック内の燃料流の乾燥を行う装置の３つの個別の実施形態が示されている。具体的には、この技術は、特に水素から成る燃料流を意図したものであるが、当業者には、この技術を他の広範囲の燃料に適用できることが認識されよう。他の燃料の例としては、水素を豊富に含む改質ガソリン燃料、即ち、炭化水素燃料を改質して水素を豊富に含む混合ガスを生成することによって生成された燃料が挙げられる。
【００３８】
図３を参照すると、陽極流を乾燥する装置の第１実施形態が、全体を参照番号４０で示されている。装置４０は、全体を４２で示される燃料電池スタックを有し、スタックの陰極に対応して燃料吸入口４４及び燃料排出口４６が設けられている。主水素又は燃料吸入口４８が、スタックの燃料吸入口４４のすぐ上流に配設されている。
【００３９】
排出口４６は、水分分離器５０と、その先のＴ型コネクタ５２とに接続されている。Ｔ型コネクタ５２の分岐の一方は、ポンプ５４を通って燃料吸入口４４に戻るように接続されている。
【００４０】
Ｔ型コネクタ５２の分岐の他方は、閉止弁５６を通り、更に乾燥器５８を通って、通気口６０に接続されている。
【００４１】
通常動作モードでは閉止弁５６は閉じていて、ポンプ５４が作動されると水素はスタック４２を通って循環する。
【００４２】
公知のように、燃料電池によくある問題は、窒素が陰極側から陽極側へと薄膜を横断して拡散する傾向があり、その結果、ある時間が経つと、窒素がスタックの陽極又は水素側に蓄積しがちなことである。更に、薄膜上の蓄積及び水分の問題も生じ得る。
【００４３】
これらの２つの理由により、周期的に、例えば５分毎に陽極側をパージしてもよい。この目的で、閉止弁５６を短時間、例えば５秒間開放し、乾燥器５８を通って通気口６０へとガスを通気させる。一般的に、陽極側は僅かに正圧で作動される。弁５６を開くと、圧力パルスがスタックを通過し、これによって、水を電極及びガス拡散媒体の微細孔から“飛び出させる”効果を持つことが可能である。いずれにしても、正確な機構がいかなるものであれ、急激且つシャープなパージサイクルは、蓄積及び望ましくないガスに加えて、過剰な水分の排出を促進する傾向があることがわかった。
【００４４】
５秒間のパージサイクルが終わると、弁５６は再び閉じられる。
【００４５】
乾燥器５８は、通気口６０を通って排出されるガスの湿度を確実に低レベルにする働きをする。これは、ある状況においては望ましいことがあり得る。特に、寒冷な気候では、これにより、水分の問題及び排出されたガスが霜及び氷の粒子を形成して装置の上や周囲に蓄積する傾向が確実になくなる。
【００４６】
乾燥器５８を適切な間隔で、例えば、水素がボンベから供給される場合には水素を供給する燃料を交換する際に、交換してもよい。或いは、流入する燃料が乾燥器５８を通過して、そこに溜まっている水分を帯びるような、変形構成を設けることも可能であろう。
【００４７】
図４及び図５では、図３と共通の構成要素には同一参照番号が付与されている。上述した理由により、簡潔にするためにこれらの構成要素の説明は繰り返さない。
【００４８】
このように、図４では、分離器５０とＴ型コネクタ５２との間に乾燥器６２が設けられている。先の実施形態のように、Ｔ型コネクタ５２の直上には閉止弁５６が設けられているが、ここでは通気口６０に直接接続されている。
【００４９】
図４は、使用の際には、実効上、燃料電池スタック４２の陽極側内の所望の湿度レベルを保つように機能する。従って、分離器５０で過剰な水分を分離できるが、乾燥器６２は、湿度を所望のレベルに保つよう実質的に飽和状態で動作することが期待される。
【００５０】
図４でも、閉止弁５６を周期的に、例えば５分毎に、例えば５秒間のパージサイクルで開放してもよい。これによって、スタックの陽極側での窒素の蓄積が防止される。パージサイクルによって燃料電池から水分が除去される程度まで、この水分は、水滴の場合には分離器５０によって分離され、又は別様で乾燥器６２によって吸収される。
【００５１】
乾燥器６２が一定の湿度レベルを保つように用いられる範囲では、乾燥機を任意の時に交換する必要はないはずである。しかし、乾燥器６２内に汚染物質が蓄積するかもしれないので、乾燥機を時々交換することが望ましい場合もある。
【００５２】
最後に、図５を参照すると、本発明の陽極の態様の第３実施形態は、図４の全要素を含む。第３実施形態は、更に、第２の水素吸入口７２と、水素制御弁７４と、第２の閉止弁７６とを有する。
【００５３】
通常の使用では、この第３実施形態は、図３の第１実施形態とほぼ同様に機能する。従って、水素は通常、主燃料吸入口４８を通って供給される。ポンプ５４が作動すると、水素は連続して分離器５０を通って循環する。
【００５４】
理論的には、ここでも例えば５分間毎に、閉止弁５６を開放することによって、短いパージサイクル（例えば５秒間）を実行することができる。同時に、第２の閉止弁７６を開放する。これにより、ガスがスタックの陽極側から乾燥器５８を通って通気口６０へと抜けることが可能となる。
【００５５】
ここで、乾燥器５８に水分が蓄積される場合には、周期的に、供給される水素を主燃料吸入口４８から第２の水素吸入口７２へと切り替える。この目的で、主燃料吸入口４８を閉鎖するために弁（図示せず）が閉止される。これと同時に、水素制御弁７４が開放される。第２の閉止弁７６は閉じられたままであり、第１の閉止弁５６は開放される。これにより、第２の水素吸入口７２から乾燥器５８を通ってスタック４２の陽極側に向かう水素の供給が可能となる。
【００５６】
ポンプ５４は上述したように動作する。その結果、水素はスタック及び水分分離器５０を通って循環する。水素が消費されると、吸入口７２から新たな水素が供給され、この水素は乾燥器５８で加湿され、それによって乾燥器５８から水分が除去されると共に、乾燥器が再チャージされる。
【００５７】
適切な時間の後、水素制御弁７４が閉じられ、主水素又は燃料吸入口４８からの水素の供給が再開される。このとき、乾燥器５８は乾燥又は再チャージ状態にあり、パージサイクル中にガスからの水分を回収する準備ができている。
【００５８】
図４の実施形態と比較すると、この実施形態の長所は、水分を回収し、流入する水素に湿度を与えるために、その水分を用いることである。同時に、乾燥器の再チャージを行うために乾燥器を交換する必要がない。
【００５９】
本発明を、陰極側の加湿及び陽極側の加湿の両方との関係において説明したが、本発明は、主に陰極側の加湿に関するものである。しかし、加湿を陽極側にも同時に行い得ることが意図される。
【００６０】
加湿を陰極側のみで行う場合には、使用においては、薄膜を通る陽子の移動により、水が主に陰極側で生成されることを認識されたい。この理由により、陰極側から水を回収するのが最適であり得る。しかし、動作条件によっては、陽極側にかなりの水分が生成される又は生じることがある。例えば、酸化体側が、陽極又は燃料側よりもかなり高い圧力に保たれる場合には、反応中に生成される水が薄膜を通って逆流し、かなりの量の水が陽極側に出現すると共に、排出された陽極燃料流がかなり加湿される。このような場合には、排出燃料流中の水分を回収又は制御することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
燃料電池スタックの陰極側の水を回収して再循環させる装置の第１実施形態の略図である。
【図２】
燃料電池スタックの陰極側の水を回収して再循環させる装置の第２実施形態を示す図である。
【図３】
燃料電池スタックの陽極側の水を回収して再循環させる装置の第１実施形態を示す図である。
【図４】
燃料電池スタックの陽極側の水を回収して再循環させる装置の第２実施形態を示す図である。
【図５】
燃料電池スタックの陽極側の水を回収して再循環させる装置の第３実施形態を示す図である。

Claims

燃料ガス用の陽極吸入口及び陽極排出口のそれぞれを有する陽極と、
酸化体ガス用の陰極吸入口及び陰極排出口のそれぞれを有する陰極と、
前記陽極と前記陰極との間の電解質と、
第１及び第２の乾燥器と、
使用において、前記第１の乾燥器が前記陰極吸入口及び前記陰極排出口の一方に接続されると共に前記第２の乾燥器が前記陰極吸入口及び前記陰極排出口の他方に接続されるよう、前記第１及び第２の乾燥器を前記陰極吸入口及び前記陰極排出口に接続する弁手段と、
を有する燃料電池であって、
前記乾燥器の接続が前記陰極吸入口と前記陰極排出口との間で周期的に切替可能であり、それによって前記一方の乾燥器が流出する酸化体流から水分を回収すると共に前記他方の乾燥器が流入する酸化体流を加湿する、
燃料電池。
前記陰極吸入口に接続された共通ポート並びに、前記第１及び第２の乾燥器にそれぞれ接続された第１及び第２分岐ポートを有する吸入側三方向弁と、
前記陰極排出口に接続された共通ポート並びに、前記第１及び第２の乾燥器にそれぞれ接続された第１及び第２分岐ポートを有する排出側三方向弁と、
を有し、
前記吸入側三方向弁及び前記排出側三方向弁のそれぞれが、前記各自の分岐ポートの一方を前記各自の共通ポートに接続すると共に前記各自の分岐ポートの他方を閉止するよう切替可能であり、前記吸入側三方向弁及び前記排出側三方向弁が相互接続され、前記吸入側三方向弁の前記第１分岐ポートと前記共通ポートとが連通する場合には、前記排出側三方向弁の前記第２分岐ポートと前記共通ポートとが連通し、前記第１三方向弁の前記第２分岐ポートと前記共通ポートとが連通する場合には、前記第２三方向弁の前記第１分岐ポートと前記共通ポートとが連通する、請求項１に記載の燃料電池。
酸化体を前記燃料電池内に移すためのポンプを前記吸入側三方向弁と前記陰極吸入口との間に設けた、請求項２に記載の燃料電池。
燃料電池スタックとして構成された複数の燃料電池を有し、前記陰極吸入口及び前記陰極排出口が、前記燃料電池の各々に接続された吸入マニホールド及び排出マニホールドにそれぞれ接続された、請求項３に記載の燃料電池。
前記ガス流から水滴を分離するための水分分離器を前記陰極吸入口と前記第２の三方向弁との間に設けた、請求項１、２、３又は４に記載の燃料電池。
前記電解質が陽子交換薄膜を有する、請求項１、２又は３に記載の燃料電池。
前記電解質が陽子交換薄膜を有する、請求項４に記載の燃料電池。
燃料ガスと共に用いられるよう構成されると共に再循環導管を有し、該再循環導管が、前記陽極吸入口と前記陽極排出口との間に接続されたポンプと、前記陽極排出口と前記ポンプとの間の前記再循環導管内に設けられた、前記陽極から出る燃料ガスから水分を分離するための水分分離器と、前記再循環導管に接続された第１燃料吸入口を有する燃料供給用の主燃料吸入口と、を有する、請求項１に記載の燃料電池。
前記再循環導管に接続された分岐導管と、該分岐導管内の乾燥器とを有し、前記分岐導管が通気排出口を有する、請求項８に記載の燃料電池。
前記分岐導管内の前記乾燥器より上流に該乾燥器への燃料ガスの流れを制御するための閉止弁を有し、該閉止弁が、蓄積された望ましくないガスを陽極からパージするためのパージサイクルを使用中に行うよう動作可能である、請求項９に記載の燃料電池。
前記再循環導管内の前記水分分離器より下流に乾燥器を有する、請求項８に記載の燃料電池。
前記乾燥器より下流で前記再循環導管に接続され且つ閉止弁を有する分岐導管を有する、請求項１１に記載の燃料電池。
前記分岐導管が前記ポンプより上流で前記再循環導管に接続された、請求項９又は１２に記載の燃料電池。
前記乾燥器と前記通気排出口との間で前記分岐導管に接続された第２の燃料吸入口と、前記乾燥器を再チャージすると共に前記乾燥器から水分を回収するために前記乾燥器を通して燃料を逆流させるための、前記分岐導管内の前記第２の燃料吸入口と前記通気排出口との間の第２の閉止弁とを有する、請求項１０に記載の燃料電池。
前記第２の燃料吸入口内に、該燃料吸入口を制御するための燃料制御弁を有する、請求項１４に記載の燃料電池。
燃料が供給される陽極と、酸化体流が通過する陰極と、前記陽極と前記陰極との間の電解質とを有する燃料電池にて、流出する酸化体流から水分を回収すると共に流入する酸化体流を加湿する方法であって、
（ｉ）前記陰極から流出する酸化体流を第１の乾燥器に通して、前記酸化体流から水分を回収する工程と、
（ｉｉ）流入する比較的乾燥した酸化体流を第２の乾燥器に通して、前記流入する酸化体流を以前に前記第２の乾燥器に溜められた水分で加湿する工程と、
（ｉｉｉ）前記各乾燥器が交互に前記工程（ｉ）及び前記工程（ｉｉ）を行うように、前記流入する酸化体流及び前記流出する酸化体流を前記第１の乾燥器と前記第２の乾燥器との間で周期的に切り替える工程と、
を含む方法。