JPH10511497A - 燃料流体の流れを再循環させるための調節された真空イジェクターを具備した電気化学的燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 発電装置は、流体燃料の流れを再循環させるための調節された真空イジェクターを有する。該装置は、燃料電池スタック（１００）と、燃料供給圧を調節するための圧力制御弁（１２２）を有する加圧された燃料供給部（１２０）と、燃料供給部（１２０）とスタックの燃料流の入口（１１０）との間に挿入された真空イジェクター（１２４）と、イジェクターの排出口（１３０）とスタックの燃料流の入口（１１０）との間に挿入された圧力変換器（１３２）と、圧力変換器（１５６）を具備した加圧された酸化剤供給部（１５０）とを含む。イジェクターの吸入口（１２８）は、燃料電池スタックの燃料流の出口（１１２）と流体が通るように接続されている。燃料流の圧力変換器は、燃料流の検出圧が所定の値から外れた時に信号を圧力制御弁へ伝送して燃料供給圧を調整する。酸化剤流の圧力変換器は、酸化剤流の検出圧が変化した時に信号を圧力制御弁へ伝送して燃料供給圧を調整する。この装置は、負荷追従性を示し、燃料流の圧力及び再循環比を、広範囲の運転条件にわたり一定に維持する。この装置はまた、燃料流の圧力と酸化剤流の圧力とのバランスを維持する。

Description

【発明の詳細な説明】 燃料流体の流れを再循環させるための調節された真空イジェクターを具備した電 気化学的燃料電池装置 発明の分野 本発明は電気化学的燃料電池に関する。より詳細には、本発明は、燃料電池ス タックと、燃料流体の流れを再循環させるための調節された真空イジェクターと を含む電力発生装置に関する。この装置は、燃料の再循環比率を一定に維持し、 燃料流圧と酸化剤流圧との間のバランスを維持する。 発明の背景 電気化学的燃料電池は燃料と酸化剤を電気と反応生成物に変換する。固体ポリ マー電気化学的燃料電池は、イオン交換膜又は固体ポリマー電解質が多孔質導電 性シート材料（典型的には炭素繊維紙）でできた２枚の電極間に配置されて成る 膜電極集成体「ＭＥＡ」を使用するのが一般的である。ＭＥＡは、所望の電気化 学反応を誘発させるため、膜／電極の各界面に、典型的には微粉状白金である触 媒層を含有する。これらの電極は電気的に接続されており、電極間の電子を外部 負荷へと導くための通路が提供される。 アノードでは、燃料が多孔質電極材料を透過し触媒層で反応することでカチオ ンが生成し、これが膜を通してカソードまで移動する。カソードでは、供給され た含酸素ガスが触媒層で反応してアニオンが生成する。このカソードで生成した アニオンがカチオンと反応して反応生成物が得られる。 燃料として水素を、酸化剤として含酸素空気（又は実質的に純粋 な酸素）を使用する電気化学的燃料電池の場合、アノードでは触媒反応により供 給燃料から水素カチオン（プロトン）が生成する。イオン交換膜により、アノー ドからカソードへの水素イオンの移動が促進される。水素イオンの導通の他、該 膜は含水素燃料の流れと含酸素燃料の流れとを分離する。カソードでは、酸素が 触媒層で反応してアニオンが生成する。カソードで生成したアニオンは、該膜を 横断してきた水素イオンと反応し、その反応生成物として液状の水が生成する。 水素／酸素系の燃料電池におけるアノード及びカソードの反応は以下の通りであ る。 アノード反応：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- カソード反応：1/2 Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ 典型的な燃料電池では、それぞれ少なくとも１本の流路が内部に刻み込まれて いる２枚の導電板の間にＭＥＡが配置されている。これらの流体が流れる場とな る導電板は、グラファイトでできている場合が典型的である。これらの流路によ り燃料と酸化剤がそれぞれの電極、すなわち、燃料側ではアノードに、そして酸 化剤側ではカソードに方向付けられる。単一電池式の場合、流体が流れる場とな る導電板がアノード側、カソード側のそれぞれに設けられている。この流体が流 れる場となる導電板は、集電体として作用し、電極のための支持体となり、燃料 及び酸化剤をそれぞれアノード及びカソードの表面へ導くアクセス流路となり、 そして電池運転中に生成する水を除去するための流路になる。 二以上の燃料電池を、一般には直列に、場合によっては並列に、互いに接続し 合い、集成体の全体出力を増大させることができる。直列配置の場合、流体が流 れる場となるある導電板の片側はある電池ではアノード板として作用し、その流 体が流れる場となる導電板の反対側は隣接する電池のカソード板として作用し得 る。このよう な直列に接続された複数の燃料電池の配置を燃料電池スタックと称し、通常は集 成された状態でタイ・ロッド及び端板によって一緒に保持されている。スタック は、燃料流体の流れ（実質的に純粋な水素、メタノール改質物又は天然ガス改質 物）及び燃料酸化剤の流れ（実質的に純粋な酸素又は含酸素空気）をアノード及 びカソードの流れの場となる流路へ方向付けるためのマニホールド及び入口を含 むことが典型的である。スタックはまた、燃料電池内部の水素と酸素の発熱反応 により発生する熱を吸収するため、スタック内部の内部流路に冷媒流体（典型的 には水）の流れを方向付けるためのマニホールド及び入口を含むことが普通であ る。さらにスタックは、それぞれ水の連行を伴う未反応燃料及び酸化剤ガスを追 い出すための排出マニホールド及び出口、並びにスタックから出てくる冷媒のた めの排出マニホールド及び出口を含むことが一般的である。 一般に、固体ポリマー燃料電池は、ペルフルオロスルホン酸系イオン交換膜、 例えば、DuPont社よりNAFIONの商品名で市販されているものや、Dow 社よりXUS 13204.10の商品名で市販されているものを使用する。このような膜を使用する場 合、燃料及び酸化剤の反応体の流れをそれぞれ加湿してから固体ポリマー燃料電 池へ導入することにより、カチオン交換を促進すると共に、各電池のアノードと カソードを分離しているイオン交換膜の乾燥、ひいては損傷を防止することが一 般的である。 スタックを構成している各燃料電池には、特定の燃料及び酸化剤が所望の圧力 で多量に流されることが典型的である。この圧力は、一般には反応体の出所にお いて調節器で制御される。電極を接続している回路に電気的負荷がかけられると 、その負荷により引き出される電流に直接比例して燃料と酸化剤が消費される。 燃料電池スタックから出てくる各反応体の流れは、一般に水を含 有する。アノード由来の出口燃料流は、カソードから膜を横断して引き出されて 燃料流中に蒸気として吸収されたすべての生成物の水と燃料流を加湿するために 加えられた水とを含有することが一般的である。カソード由来の出口酸化剤流は 、水滴として連行されるか又は酸化剤流中に蒸気として吸収されるカソードで生 成した生成物の水と酸化剤流を加湿するために加えられた水とを含有することが 一般的である。燃料電池スタックの出力の増大と共に、アノード及びカソードに 蓄積する水分が増加するので、水を除去してスタック内の流路が塞がれないよう 維持するため、再循環流速を高くしなければならない。 燃料電池から出てくる反応体流の一方又は両方から抽出された過剰水分は、分 離器又は突出ドラムに蓄積することができる。このように蓄積された過剰水分は 、その後再循環させて、冷媒流体又は加湿用水分のソースとして使用してもよい し、或いは単に装置から排出してもよい。 燃料電池に供給される反応体の一つが実質的に純粋な水素又は酸素である場合 には、反応体を大気中に排気するから生じる廃棄物を最小限に抑えるため、燃料 電池から排出される未消費反応体を再循環させてもよい。再循環させる反応体流 を、その過剰水分を除去してから、対応する新たな反応体導入流と燃料電池スタ ックへの入口の上流で合流させてもよい。別法として、再循環させる反応体流を 、水蒸気を含有させたまま新たな反応体導入流と直接合流させることにより、そ の新たな反応体導入流を加湿し、独立した加湿器を不要とすることもできる。 同様に、反応体の一方又は両方が、改質物や空気のように希薄な反応体である 場合にも、燃料電池から排出される未消費反応体を、特に燃料流の場合に、再循 環させることができる。しかしながら、 希薄な反応体流は、特にそれが空気の場合に、燃料電池スタックを一度通過した 後に廃棄される場合が多い。希薄な反応体流の出口における過剰な水分は、分離 器又は突出ドラムにおいて除去されることが一般的である。その後、反応体排気 流は大気中に放出されることが一般的である。 反応体流の出口から分離された生成物の水を冷媒流と合体させることにより、 燃料電池スタックにおいて電気化学的に生じた生成物の水を使用してスタックの 温度を調節することが往々にして有利である。この点において、生成物の水を冷 媒として使用すると、冷媒流体源を外部に独立して設ける必要がなくなる。燃料 電池により生成する水はそれ自体が好適な冷媒流体となるからである。 反応体流を再循環させて使用する装置を特徴付ける場合、用語「再循環比」を 定義すると便利である。本明細書中、「再循環比」とは、燃料電池スタックへの 反応体供給量を、燃料電池スタックを１回通過した際の反応体消費量で割り算し て得られる比率をいう。典型的な水素／酸素系燃料電池スタックの場合、水素の 再循環比は１．２〜５．０、より好ましくは１．５〜２．０の範囲にある。 一又は二以上の反応体流を再循環させる燃料電池系発電装置には、再循環を行 うために真空イジェクター(vacuum ejector)が用いられている。Winters の米国 特許第３，４６２，３０８号明細書に、イジェクター２３、２３’によって、燃 料電池から排出された燃料流及び酸化剤流の各々を再循環させ、それぞれの新た に導入される燃料流及び酸化剤流と合流させる燃料電池装置が開示されている。 各イジェクターは、ベンチュリ・スロートを含むものとして記載されている。し かしながら、Winters のイジェクター形状は、各イジェクターの通過に一定の反 応体流の圧力降下が必要である固定点運転用に設計されている。イジェクターの 通過に必要な圧力降下を維持 するため、Winters の装置は、必要に応じガス抜き弁２１、２１’を介して再循 環反応体流を廃棄する。このように、Winters の反応体再循環装置は負荷追従能 (load-following capability)を示すが、再循環反応体流の大気中への排気によ る重大な効率上の不利を招く。 真空イジェクターはまた、改質物系燃料電池発電システムの燃料処理二次シス テムにも導入されている。Fanciullo らの米国特許第３，７４５，０４７号明細 書では、イジェクターを用いて流れを燃料流に引き込んでからそれを改質器へ導 入している。しかしながら、Fanciullo らのシステムでは、燃料流（又は酸化剤 流）の再循環にイジェクターを使用することはない。これは、出口の燃料流が、 燃料電池へは再循環されず、その代わりに導管３４を介して改質器のバーナーに 向けられるからである。 イジェクターの主目的は、気体、液体、粉体又は固体粒子を、ある圧力レベル から比較的高い圧力レベルへ移送することにある。イジェクターは一般に推進部 を含まず、それゆえ受動装置と見なされる。イジェクター内では、加圧された推 進流体がノズルを通過し、その際、流体がノズルの口部から出るときに圧力が散 逸され、流体を加速する。このノズルを出ていく高速の流体の流れが、吸入口で イジェクターに導入された比較的低圧の流体を連行する。低圧の吸引流体が推進 流体により連行されることで、吸引流体は推進流体と共に移動する。これら二種 の流れは、イジェクターのディフューザー部内を通過する際に混合する。流れの 速度プロフィールはイジェクターの流路に沿って変化し、そして流れの圧力は、 流体がイジェクターの出口に到達すると上昇する。推進流体の流速が上昇するに つれ、イジェクターのノズルを横切る圧力降下幅が増大するため、排出圧を一定 に維持するためには推進圧も上昇させる必要がある。推進／排出圧力の上昇と共 に、吸引流体の流速も上昇する。 発明の概要 一実施態様において、本発明は、 （ａ）燃料流の入口と、燃料流の出口と、酸化剤流の入口と、該燃料流の入口 から導入された燃料流と該酸化剤流の入口から導入された酸化剤流との電気触媒 反応を促進して電気、反応生成物及び熱を得るための少なくとも一つの燃料電池 とを含んで成る燃料電池スタック； （ｂ）燃料供給圧を調節するための圧力制御弁を有する加圧された燃料供給部 ； （ｃ）該燃料供給部と該燃料流の入口との間に挿入された真空イジェクターで あって、推進用入口と、吸入口と、排出口とを含み、該推進用入口と該燃料供給 部とは流体が通るように接続されており、該吸入口と該燃料流の出口とは流体が 通るように接続されており、そして該排出口と該燃料流の入口とは流体が通るよ うに接続されている真空イジェクター； （ｄ）該燃料流において該排出口と該吸入口との間に挿入された圧力変換器で あって、該燃料流の圧力を検出して対応する信号を該圧力制御弁へ伝送する圧力 変換器；及び （ｅ）該酸化剤流の入口と流体が通るように接続されている加圧された酸化剤 供給部 を含んで成る発電装置を包含する。 運転時、圧力変換器は、負荷が増大し、その結果燃料流のイジェクター通過流 速が上昇すると起こるであろう燃料流の圧力の所定の値を下回る低下を検出した 時に、燃料供給圧を上昇させる信号を圧力制御弁に伝送する。反対に、圧力変換 器は、負荷が減少し、その結果燃料流のイジェクター通過流速が低下すると起こ るであろう燃料流の圧力の所定の値を上回る上昇を検出した時には、燃料供給圧 を低下させる信号を圧力制御弁に伝送する。 好ましい発電装置では、燃料電池スタックはさらに酸化剤流の出口を含む。圧 力変換器は、燃料流において、前記排出口と燃料流の入口との間に挿入されるこ とが好ましい。 圧力変換器によって伝送される信号は、燃料流の検出圧に相当する電気信号、 液圧信号又は空気圧信号が圧力制御弁へ伝送されるよう、電気的又は機械的であ ることができる。 好ましい装置では、加圧された供給燃料は実質的に純粋な水素を含む。加圧さ れた供給酸化剤は酸素を含むことが好ましい。好ましい供給酸化剤は含酸素空気 である。燃料が水素であり且つ酸化剤が酸素である場合、その反応生成物は水と なる。 好ましい装置では、燃料電池の各々はイオン交換膜を含み、そして該装置はさ らに、燃料流に水蒸気を付与するための燃料流加湿器及び酸化剤流に水蒸気を付 与するための酸化剤流加湿器を含む。燃料流出口と吸入口との間に水分離器を挿 入し、燃料流中に含まれる水分の少なくとも一部を除去することが好ましい。 最も好ましい装置では、酸化剤供給部は、酸化剤流の圧力上昇を検出した時に は燃料供給圧を上昇させる信号を圧力制御弁に伝送し、且つ、酸化剤流の圧力低 下を検出した時には燃料供給圧を低下させる信号を圧力制御弁に伝送するように 、酸化剤流の圧力を検出して対応する信号を圧力制御弁へ伝送するための圧力変 換器を有する。 別の実施態様では、本発明は、 （ａ）燃料流の入口と、酸化剤流の入口と、酸化剤流の出口と、該燃料流の入 口から導入された燃料流と該酸化剤流の入口から導入された酸化剤流との電気触 媒反応を促進して電気、反応生成物及び熱を得るための少なくとも一つの燃料電 池とを含んで成る燃料電池スタック； （ｂ）酸化剤供給圧を調節するための圧力制御弁を有する加圧された酸化剤供 給部； （ｃ）該酸化剤供給部と該酸化剤流の入口との間に挿入された真空イジェクタ ーであって、推進用入口と、吸入口と、排出口とを含み、該推進用入口と該酸化 剤供給部とは流体が通るように接続されており、該吸入口と該酸化剤流の出口と は流体が通るように接続されており、そして該排出口と該酸化剤流の入口とは流 体が通るように接続されている真空イジェクター； （ｄ）該酸化剤流において該排出口と該吸入口との間に挿入された圧力変換器 であって、該酸化剤流の圧力を検出して対応する信号を該圧力制御弁へ伝送する 圧力変換器；及び （ｅ）該燃料流の入口と流体が通るように接続されている加圧された燃料供給 部 を含んで成る発電装置を包含する。 運転時、圧力変換器は、酸化剤流の圧力の所定の値を下回る低下を検出した時 に、酸化剤供給圧を上昇させる信号を圧力制御弁に伝送する。反対に、圧力変換 器は、酸化剤流の圧力の所定の値を上回る上昇を検出した時には、酸化剤供給圧 を低下させる信号を圧力制御弁に伝送する。 好ましい発電装置では、燃料電池スタックはさらに燃料流の出口を含む。圧力 変換器は、酸化剤流において、前記排出口と酸化剤流の入口との間に挿入される ことが好ましい。加圧された供給酸化剤は実質的に純粋な酸素を含むことが好ま しい。 最も好ましい装置では、燃料供給部は、燃料流の圧力上昇を検出した時には酸 化剤供給圧を上昇させる信号を圧力制御弁に伝送し、且つ、燃料流の圧力低下を 検出した時には酸化剤供給圧を低下させる信号を圧力制御弁に伝送するように、 燃料流の圧力を検出して対 応する信号を圧力制御弁へ伝送するための圧力変換器を有する。 別の実施態様では、本発明は、燃料電池スタックと、加圧された第一の反応体 供給部であって、該反応体供給部の圧力を調節するための圧力制御弁を有するも のと、加圧された第二の反応体供給部とを含む発電装置において、第一の反応体 流を再循環させる方法を包含する。この方法は、以下の工程を含む。 （ａ）推進用入口と、吸入口と、排出口とを含む真空イジェクターを、第一の 反応体供給部とスタックの第一の反応体流の入口との間に挿入する工程； （ｂ）該推進用入口を該第一の反応体供給部と流体が通るように接続する工程 ； （ｃ）該吸入口を該スタックの第一の反応体流の出口と流体が通るように接続 する工程； （ｄ）該排出口を第一の反応体流の入口と流体が通るように接続する工程； （ｅ）該第一の反応体流の圧力を検出して対応する信号を該圧力制御弁に伝送 することができる圧力変換器を、該排出口と該第一の反応体流の入口との間に挿 入する工程； （ｆ）該第一の反応体流の圧力の所定の値を下回る低下を検出した時に、圧力 変換器から該第一の反応体の供給圧を上昇させる信号を圧力制御弁に伝送する工 程；及び （ｇ）該第一の反応体流の圧力の所定の値を上回る上昇を検出した時に、圧力 変換器から該第一の反応体の供給圧を低下させる信号を圧力制御弁に伝送する工 程。 好ましい方法では、該第一の反応体流は水素を含み、且つ、該第二の反応体流 は酸素を含む。 最も好ましい方法は、さらに以下の工程を含む。 （ｈ）該第二の反応体流の圧力を検出して対応する信号を該圧力制御弁に伝送 することができる第二反応体圧力変換器を、該スタックの第二の反応体流の入口 と第二の反応体供給部との間に挿入する工程； （ｉ）該第二の反応体流の圧力の上昇を検出した時に、圧力変換器から該第一 の反応体の供給圧を上昇させる信号を圧力制御弁に伝送する工程；及び （ｊ）該第二の反応体流の圧力の低下を検出した時に、該第一の反応体の供給 圧を低下させる信号を圧力制御弁に伝送する工程。 図面の簡単な説明 第１図は、流体燃料流れの再循環のための調節された真空イジェクターを具備 した燃料電池系発電装置の一実施態様の概略図である。 第２図は、第１図で概略的に図示した真空イジェクターの横断面図である。 好ましい実施態様の詳細な説明 まず、第１図を参照するが、燃料電池系発電装置１０は燃料電池スタック１０ ０、好ましくは複数の燃料電池を含むもの、を含む。この燃料電池スタック１０ ０については、Watkins らの米国特許第５，２００，２７８号明細書（図１〜６ 及び添付のテキスト）により詳細に記載されており、本明細書ではこれを参照す ることによりその全体を援用する。スタック１００を構成するタイプの燃料電池 のための好ましい反応体の供給及び制御システムについては、Merritt らの米国 特許第５，３６６，８２１号明細書に記載されており、本明細書ではこれも参照 することによりその全体を援用する。 スタック１００の燃料電池は、以下詳細に説明するように、それ ぞれがアノード、カソード、電解質（好ましくは固体ポリマーイオン交換膜）及 び冷却／加湿単位装置を有する。第１図に概略的に図示したように、燃料電池ス タック１００は、燃料流の入口１１０、燃料流の出口１１２、酸化剤流の入口１ １４、酸化剤流の出口１１６、冷媒／加湿流体の入口１１８及び冷媒／加湿流体 の出口１１９を含む。 燃料電池スタック１００は、負及び正の母線プレート（それぞれ１０２、１０ ４）を含み、これらに可変負荷１０６及び接触スイッチ１０８を含む回路が電気 的に接続されている。装置１０は、スタック１００の他にも、燃料循環路、酸化 剤循環路及び冷却／加湿循環路を含む。 第１図の装置１０の燃料循環路は、燃料供給ライン１３６を有する加圧された 実質的に純粋な水素供給部１２０を含む。図示し以下詳細に説明するように、信 号を受信しこれに応答することができる圧力制御弁１２２が、供給ライン１３６ からの燃料流の圧力を調節する。燃料供給部１２０とスタック１００の燃料流の 入口１１０との間には、真空イジェクター１２４が挿入されている。 イジェクター１２４は、推進用入口１２６、吸入口１２８及び排出口１３０を 含む。推進用入口１２６は、図示したように、圧力制御弁１２２の出口に流体が 通るように接続されており、そして加圧された燃料流１３６を受ける。吸入口１ ２８は、スタック１００の燃料流の出口１１２に流体が通るように接続されてお り、排出燃料流１４２が再循環される。スタック１００の燃料流の出口１１２と イジェクター１２４の吸入口１２８との間には、水分離器又は突出ドラム１４４ が挿入されている。水分離器１４４は、イジェクター１２４の吸入口１２８へ流 れ１４６を向ける前に、排出燃料流１４２に含まれる水分の少なくとも一部を除 去する。このように、再循 環された燃料流１４６と新たな加圧燃料流１３８との合体により、導入燃料流１ ４０が形成される。 イジェクター１２４の排出口１３０は、スタック１００の燃料流の入口１１０ に流体が通るように接続されている。排出口１３０と燃料流の入口１１０との間 には、圧力変換器１３２が挿入されている。圧力変換器１３２は導入燃料流１４ ０の圧力を検出し、そして導入燃料流１４０において検出された圧力に対応する 信号を伝送することができる。圧力変換器１３２から圧力制御弁１２２への信号 は、第１図において破線で示したが、電気的信号であっても、機械的信号であっ てもよい。この点では、導入燃料流の検出圧に対応する電気信号、液圧信号又は 空気圧信号が、圧力変換器１３２から圧力制御弁１２２へ伝送される。運転中は 、導入燃料流１４０の検出圧が所定の値、典型的には約１．３８×１０⁵〜３． ４５×１０⁵Pa（２０〜５０ psi）のゲージ圧、公称では約２．０７×１０⁵Pa（ ３０ psi）のゲージ圧、を下回った時に、燃料流１３８の圧力を高めるように圧 力変換器１３２が信号を圧力制御弁１２２へ伝送する。負荷が増大し、その結果 燃料流のイジェクター通過流速が上昇した場合には、導入燃料流１４０の検出圧 は所定の値を下回るであろう。反対に、導入燃料流１４０の検出圧が所定の値を 上回った時には、燃料流１３８の圧力を低めるように圧力変換器１３２が信号を 圧力制御弁１２２へ伝送する。負荷が減少し、その結果燃料流のイジェクター通 過流速が低下した場合には、導入燃料流１４０の検出圧は所定の値を上回るであ ろう。圧力変換器１３２と圧力制御弁１２２の相互作用により、イジェクター１ ２４を負荷追従性にすることができ、従って、燃料電池スタックへの導入燃料流 の圧力を一連の潜在的な運転条件にわたり比較的一定に維持することができると 共に、排出燃料流の再循環比を比較的一定に維持することができ る。 第１図における装置１０の酸化剤循環路は、導入酸化剤流１５２の源として、 加圧された含酸素空気供給部１５０を含む。酸化剤供給部１５０と酸化剤流の入 口１１４との間に、圧力変換器１５６が挿入されている。圧力変換器１５６は導 入酸化剤流１５２の圧力を検出し、そして導入酸化剤流１５２において検出され た圧力に対応する信号を伝送することができる。圧力変換器１５６から圧力制御 弁１２２への信号は、第１図において破線で示したが、電気的信号であっても、 機械的信号であってもよい。この点では、導入燃料流の検出圧に対応する電気信 号、液圧信号又は空気圧信号が、圧力変換器１５６から圧力制御弁１２２へ伝送 される。運転中は、導入酸化剤流１５２の検出圧が上昇した時に、燃料流１３８ の圧力を高めるように圧力変換器１５６が信号を圧力制御弁１２２へ伝送する。 反対に、導入酸化剤流１５２の検出圧が低下した時には、燃料流１３８の圧力を 低めるように圧力変換器１５６が信号を圧力制御弁１２２へ伝送する。このよう に、圧力変換器１５６は、導入燃料流１４０の圧力と導入酸化剤流１５２の圧力 との間のバランスを維持するように、圧力制御弁１２２に対してバイアスとして 作用する。 排出酸化剤流１５４は、酸化剤流の出口１１６を介してスタック１００から排 出される。水分離器又は突出ドラム１５６が、排出酸化剤流１５４に含まれる水 分の少なくとも一部を除去する。第１図に図示したように、水分離器１５６から の排出酸化剤流１５８は、装置１０から大気へ排出される。 第１図中の装置１０の冷却／加湿循環路は、溜１６２を含む。溜１６２は、水 分離器１４４、１５６から、排出燃料流及び排出酸化剤流から除去された水を受 けることができる。溜１６２からの冷媒／加湿流体の流れ１６４は、ポンプ１６ ６により、加圧された流れ １６８として、スタック１００の冷媒／加湿流体の入口１１８へ送り込まれる。 排出冷媒／加湿流体の流れ１７０は、冷媒／加湿流体の出口１１９を介してスタ ック１００から排出される。その後、第１図に図示したように、排出冷媒／加湿 流体の流れ１７０は溜１６２に戻される。 第２図は、第１図で概略的に図示した真空イジェクター１２４の横断面図であ る。真空イジェクター１２４は推進用入口１２６、吸入口１２８及び排出口１３ ０を含む。イジェクター１２４は、さらに推進ノズル２０２、推進チェスト２０ ４、ディフューザー部２０６、導入ディフューザー２０８、ディフューザー・ス ロート２１０及び排出ディフューザー２１２を含む。 更に、流体酸化剤の流れを再循環させるために酸化剤流として実質的に純粋な 酸素を使用する燃料電池系発電装置に、真空イジェクターを導入することも可能 である。この点では、流体燃料の流れの真空イジェクターによる再循環について 上述した原理と本質的に同じ原理が、流体酸化剤の流れの真空イジェクターによ る再循環に当てはまるであろう。 本発明の特定の要素、実施態様及び応用について示し説明してきたが、本発明 はこれらに限定はされず、当業者であれば、特に上記の教示により変更が可能で あることは理解されよう。従って、このような変更を本発明の精神及び範囲内に 包含される特徴を含むものとして、添付の請求の範囲は意図するものである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９６年１２月１０日 【補正内容】 請求の範囲 １．（ａ）第一反応体流の入口と、第一反応体流の出口と、第二反応体流の入 口と、前記第一反応体流の入口で導入された第一反応体流と前記第二反応体流の 入口で導入された第二反応体流との電気触媒反応を促進して電気、反応生成物及 び熱を得るための少なくとも一つの燃料電池とを含んで成る燃料電池スタック； （ｂ）第一反応体供給圧を調節するための圧力制御弁を有する加圧された第一 反応体供給部； （ｃ）前記第一反応体供給部と前記第一反応体流の入口との間に挿入された真 空イジェクターであって、推進用入口と、吸入口と、排出口とを含み、前記推進 用入口と前記第一反応体供給部とは流体が通るように接続されており、前記吸入 口と前記第一反応体流の出口とは流体が通るように接続されており、そして前記 排出口と前記第一反応体流の入口とは流体が通るように接続されている真空イジ ェクター； （ｄ）前記第一反応体流において前記排出口と前記吸入口との間に挿入された 第一圧力変換器であって、前記第一反応体流の圧力を検出して対応する信号を前 記圧力制御弁へ伝送する第一圧力変換器； （ｅ）前記第二反応体流の入口と流体が通るように接続されている加圧された 第二反応体供給部；及び （ｆ）前記第二反応体供給部と前記第二反応体流の入口との間に挿入された第 二圧力変換器であって、前記第二反応体流の圧力を検出して対応する信号を前記 圧力制御弁へ伝送する第二圧力変換器 を含んで成る発電装置であって、 前記第一圧力変換器は、前記第一反応体流の検出圧が所定の値を下回った時に は信号を前記圧力制御弁に伝送して前記第一反応体供給圧を上昇させ、且つ、前 記第一圧力変換器は、前記第一反応体流の検出圧が所定の値を上回った時には信 号を前記圧力制御弁に伝送して前記第一反応体供給圧を低下させ、且つ、 前記第二圧力変換器は、前記第二反応体流の検出圧が上昇した時には信号を前 記圧力制御弁に伝送して前記第一反応体供給圧を上昇させ、且つ、前記第二圧力 変換器は、前記第二反応体流の検出圧が低下した時には信号を前記圧力制御弁に 伝送して前記第一反応体供給圧を低下させる発電装置。 ２．前記燃料電池スタックがさらに第二反応体流の出口を含む、請求項１に記 載の発電装置。 ３．前記第一圧力変換器が、前記第一反応体流において、前記排出口と前記第 一反応体流の入口との間に挿入されている、請求項１に記載の発電装置。 ４．前記第一圧力変換器が、前記第一反応体流の検出圧に相当する電気信号を 前記圧力制御弁へ伝送する、請求項１に記載の発電装置。 ５．前記第一圧力変換器が、前記第一反応体流の検出圧に相当する液圧信号を 前記圧力制御弁へ伝送する、請求項１に記載の発電装置。 ６．前記第一圧力変換器が、前記第一反応体流の検出圧に相当する空気圧信号 を前記圧力制御弁へ伝送する、請求項１に記載の発電装置。 ７．前記第一反応体が燃料であり且つ前記第二反応体が酸化剤である、請求項 １に記載の発電装置。 ８．前記加圧された第一反応体供給部が実質的に純粋な水素を含む、請求項７ に記載の発電装置。 ９．前記加圧された第二反応体供給部が酸素を含み且つ前記反応生成物が水で ある、請求項８に記載の発電装置。 10．前記第二反応体供給部が含酸素空気である、請求項９に記載の発電装置。 11．前記燃料電池の少なくとも一つがイオン交換膜を含み、そして前記装置は さらに、前記第一反応体流に水蒸気を付与するための第一反応体流加湿器及び前 記第二反応体流に水蒸気を付与するための第二反応体流加湿器を含む、請求項１ に記載の発電装置。 12．前記第一反応体流の出口と前記吸入口との間に水分離器を挿入し、よって 前記第一反応体流中に含まれる水分の少なくとも一部を除去する、請求項11に記 載の発電装置。 13．第一反応体流の入口と、第一反応体流の出口と、第二反応体流の入口と、 前記第一反応体流の入口で導入された前記第一反応体流と前記第二反応体流の入 口で導入された前記第二反応体流との電気触媒反応を促進して電気、反応生成物 及び熱を得るための少なくとも一つの燃料電池とを含む燃料電池スタックを含ん で成り、さらに、加圧された第一反応体供給部であって、前記第一反応体供給部 の圧力を調節するための圧力制御弁を有するものと、加圧された第二反応体供給 部とを含んで成る発電装置において、第一反応体流を再循環させる方法であって 、 （ａ）推進用入口と、吸入口と、排出口とを含む真空イジェクターを、前記第 一反応体供給部と前記第一反応体流の入口との間に挿入する工程； （ｂ）前記推進用入口を前記第一反応体供給部と流体が通るように接続する工 程； （ｃ）前記吸入口を前記第一反応体流の出口と流体が通るように接続する工程 ； （ｄ）前記排出口を前記第一反応体流の入口と流体が通るように接続する工程 ； （ｅ）前記第一反応体流の圧力を検出して対応する信号を前記圧力制御弁に伝 送することができる第一圧力変換器を、前記排出口と前記吸入口との間に挿入す る工程； （ｆ）前記第一反応体流の検出圧が所定の値を下回った時に、信号を前記圧力 制御弁に伝送して前記第一反応体の供給圧を上昇させる工程； （ｇ）前記第一反応体流の検出圧が所定の値を上回った時に、信号を前記圧力 制御弁に伝送して前記第一反応体の供給圧を低下させる工程 （ｈ）前記第二反応体流の圧力を検出して対応する信号を前記圧力制御弁に伝 送することができる第二圧力変換器を、前記第二反応体流の入口と前記第二反応 体供給部との間に挿入する工程； （ｉ）前記第二反応体流の検出圧が上昇した時に、信号を前記圧力制御弁に伝 送して前記第一反応体の供給圧を上昇させる工程；及び （ｊ）前記第二反応体流の検出圧が低下した時に、信号を前記圧力制御弁に伝 送して前記第一反応体の供給圧を低下させる工程 を含む前記方法。 14．前記第一反応体流が水素を含み、且つ、前記第二反応体流が酸素を含む、 請求項13に記載の方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゴーベル，ブライアン エヌ. カナダ国，ブリティッシュ コロンビア ブイ７エイチ １ケー２，ノース バンク ーバー，ハーディー クレセント 2628 【要約の続き】 力とのバランスを維持する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（ａ）燃料流の入口と、燃料流の出口と、酸化剤流の入口と、前記燃料流 の入口で導入された燃料流と前記酸化剤流の入口で導入された酸化剤流との電気 触媒反応を促進して電気、反応生成物及び熱を得るための少なくとも一つの燃料 電池とを含んで成る燃料電池スタック； （ｂ）燃料供給圧を調節するための圧力制御弁を有する加圧された燃料供給部 ； （ｃ）前記燃料供給部と前記燃料流の入口との間に挿入された真空イジェクタ ーであって、推進用入口と、吸入口と、排出口とを含み、前記推進用入口と前記 燃料供給部とは流体が通るように接続されており、前記吸入口と前記燃料流の出 口とは流体が通るように接続されており、そして前記排出口と前記燃料流の入口 とは流体が通るように接続されている真空イジェクター； （ｄ）前記燃料流において前記排出口と前記吸入口との間に挿入された圧力変 換器であって、前記燃料流の圧力を検出して対応する信号を前記圧力制御弁へ伝 送する圧力変換器；及び （ｅ）前記酸化剤流の入口と流体が通るように接続されている加圧された酸化 剤供給部 を含んで成る発電装置であって、 前記圧力変換器は、前記燃料流の検出圧が所定の値を下回った時には信号を前 記圧力制御弁に伝送して前記燃料供給圧を上昇させ、且つ、前記圧力変換器は、 前記燃料流の検出圧が所定の値を上回った時には信号を前記圧力制御弁に伝送し て前記燃料供給圧を低下させる発電装置。 ２．前記燃料電池スタックがさらに酸化剤流の出口を含む、請求 項１に記載の発電装置。 ３．前記圧力変換器が、前記燃料流において、前記排出口と前記燃料流の入口 との間に挿入されている、請求項１に記載の発電装置。 ４．前記圧力変換器が、前記燃料流の検出圧に相当する電気信号を前記圧力制 御弁へ伝送する、請求項１に記載の発電装置。 ５．前記圧力変換器が、前記燃料流の検出圧に相当する液圧信号を前記圧力制 御弁へ伝送する、請求項１に記載の発電装置。 ６．前記圧力変換器が、前記燃料流の検出圧に相当する空気圧信号を前記圧力 制御弁へ伝送する、請求項１に記載の発電装置。 ７．前記加圧された燃料供給部が実質的に純粋な水素を含む、請求項１に記載 の発電装置。 ８．前記加圧された酸化剤供給部が酸素を含み且つ前記反応生成物が水である 、請求項７に記載の発電装置。 ９．前記酸化剤供給部が含酸素空気である、請求項８に記載の発電装置。 １０．前記燃料電池の少なくとも一つがイオン交換膜を含み、そして前記装置 はさらに、前記燃料流に水蒸気を付与するための燃料流加湿器及び前記酸化剤流 に水蒸気を付与するための酸化剤流加湿器を含む、請求項１に記載の発電装置。 １１．前記燃料流の出口と前記吸入口との間に水分離器を挿入し、よって前記 燃料流中に含まれる水分の少なくとも一部を除去する、請求項１０に記載の発電 装置。 １２．前記酸化剤供給部が、前記酸化剤流の圧力を検出して対応する信号を前 記圧力制御弁へ伝送するための圧力変換器を有し、よって前記酸化剤流の検出圧 が上昇した時には前記酸化剤流の圧力変換器が信号を前記圧力制御弁に伝送して 前記燃料供給圧を上昇させ、且つ、前記酸化剤流の検出圧が低下した時には前記 酸化剤流の圧力 変換器が信号を前記圧力制御弁に伝送して前記燃料供給圧を低下させる、請求項 １に記載の発電装置。 １３．（ａ）燃料流の入口と、酸化剤流の入口と、酸化剤流の出口と、前記燃 料流の入口で導入された燃料流と前記酸化剤流の入口で導入された酸化剤流との 電気触媒反応を促進して電気、反応生成物及び熱を得るための少なくとも一つの 燃料電池とを含んで成る燃料電池スタック； （ｂ）酸化剤供給圧を調節するための圧力制御弁を有する加圧された酸化剤供 給部； （ｃ）前記酸化剤供給部と前記酸化剤流の入口との間に挿入された真空イジェ クターであって、推進用入口と、吸入口と、排出口とを含み、前記推進用入口と 前記酸化剤供給部とは流体が通るように接続されており、前記吸入口と前記酸化 剤流の出口とは流体が通るように接続されており、そして前記排出口と前記酸化 剤流の入口とは流体が通るように接続されている真空イジェクター； （ｄ）前記酸化剤流において前記排出口と前記吸入口との間に挿入された圧力 変換器であって、前記酸化剤流の圧力を検出して対応する信号を前記圧力制御弁 へ伝送する圧力変換器；及び （ｅ）前記燃料流の入口と流体が通るように接続されている加圧された燃料供 給部 を含んで成る発電装置であって、 前記圧力変換器は、前記酸化剤流の検出圧が所定の値を下回った時には信号を 前記圧力制御弁に伝送して前記酸化剤供給圧を上昇させ、且つ、前記圧力変換器 は、前記酸化剤流の検出圧が所定の値を上回った時には信号を前記圧力制御弁に 伝送して前記酸化剤供給圧を低下させる発電装置。 １４．前記燃料電池スタックがさらに燃料流の出口を含む、請求 項１３に記載の発電装置。 １５．前記圧力変換器が、前記酸化剤流において、前記排出口と前記酸化剤流 の入口との間に挿入されている、請求項１３に記載の発電装置。 １６．前記圧力変換器が、前記酸化剤流の検出圧に相当する電気信号を前記圧 力制御弁へ伝送する、請求項１３に記載の発電装置。 １７．前記圧力変換器が、前記酸化剤流の検出圧に相当する液圧信号を前記圧 力制御弁へ伝送する、請求項１３に記載の発電装置。 １８．前記圧力変換器が、前記酸化剤流の検出圧に相当する空気圧信号を前記 圧力制御弁へ伝送する、請求項１３に記載の発電装置。 １９．前記加圧された酸化剤供給部が実質的に純粋な酸素を含む、請求項１３ に記載の発電装置。 ２０．前記加圧された燃料供給部が水素を含み且つ前記反応生成物が水である 、請求項１９に記載の発電装置。 ２１．前記燃料電池の少なくとも一つがイオン交換膜を含み、そして前記装置 はさらに、前記燃料流に水蒸気を付与するための燃料流加湿器及び前記酸化剤流 に水蒸気を付与するための酸化剤流加湿器を含む、請求項１３に記載の発電装置 。 ２２．前記酸化剤流の出口と前記吸入口との間に水分離器を挿入し、よって前 記酸化剤流中に含まれる水分の少なくとも一部を除去する、請求項２１に記載の 発電装置。 ２３．前記燃料供給部が、前記燃料流の圧力を検出して対応する信号を前記圧 力制御弁へ伝送するための圧力変換器を有し、よって前記燃料流の検出圧が上昇 した時には前記燃料流の圧力変換器が信号を前記圧力制御弁に伝送して前記酸化 剤供給圧を上昇させ、且つ、前記燃料流の検出圧が低下した時には前記燃料流の 圧力変換器が信号を前記圧力制御弁に伝送して前記酸化剤供給圧を低下させる、 請 求項１３に記載の発電装置。 ２４．第一反応体流の入口と、第一反応体流の出口と、第二反応体流の入口と 、前記第一反応体流の入口で導入された前記第一反応体流と前記第二反応体流の 入口で導入された前記第二反応体流との電気触媒反応を促進して電気、反応生成 物及び熱を得るための少なくとも一つの燃料電池とを含む燃料電池スタックを含 んで成り、さらに、加圧された第一反応体供給部であって、前記第一反応体供給 部の圧力を調節するための圧力制御弁を有するものと、加圧された第二反応体供 給部とを含んで成る発電装置において、第一反応体流を再循環させる方法であっ て、 （ａ）推進用入口と、吸入口と、排出口とを含む真空イジェクターを、前記第 一反応体供給部と前記第一反応体流の入口との間に挿入する工程； （ｂ）前記推進用入口を前記第一反応体供給部と流体が通るように接続する工 程； （ｃ）前記吸入口を前記第一反応体流の出口と流体が通るように接続する工程 ； （ｄ）前記排出口を前記第一反応体流の入口と流体が通るように接続する工程 ； （ｅ）前記第一反応体流の圧力を検出して対応する信号を前記圧力制御弁に伝 送することができる圧力変換器を、前記排出口と前記吸入口との間に挿入する工 程； （ｆ）前記第一反応体流の検出圧が所定の値を下回った時に、信号を前記圧力 制御弁に伝送して前記第一反応体の供給圧を上昇させる工程；及び （ｇ）前記第一反応体流の検出圧が所定の値を上回った時に、信号を前記圧力 制御弁に伝送して前記第一反応体の供給圧を低下させ る工程 を含む前記方法。 ２５．前記第一反応体流が水素を含み、且つ、前記第二反応体流が酸素を含む 、請求項２４に記載の方法。 ２６．（ｈ）前記第二反応体流の圧力を検出して対応する信号を前記圧力制御 弁に伝送することができる第二反応体圧力変換器を、前記第二反応体流の入口と 前記第二反応体供給部との間に挿入する工程； （ｉ）前記第二反応体流の検出圧が上昇した時に、信号を前記圧力制御弁に伝 送して前記第一反応体の供給圧を上昇させる工程；及び （ｊ）前記第二反応体流の検出圧が低下した時に、信号を前記圧力制御弁に伝 送して前記第一反応体の供給圧を低下させる工程 をさらに含む、請求項２４に記載の方法。