JP2006522438A - 膜型電気化学的発生装置の作動方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、非加湿気体の供給時、特に、周囲圧力付近の非加湿空気の供給時、高電流密度のときでさえ安定的に作動することを特徴とする膜型燃料電池積重ね体を記載する。この効果は、ファン又は小型のコンプレッサと、圧縮した空気を冷却することを目的とする熱交換器と、ファンにより消費されたエネルギの一部を回収しつつ、空気を冷却することを許容する膨張器とを備える空気供給分の調節装置により実現される。

Description

燃料電池は、燃焼−圧縮されたベーパ発生タービン膨張サイクルに基づき又はガスタービンを備えるサイクルに基づく従来の発生器にて生ずるような燃焼ステップを伴うことなく、燃料（炭化水素のスチーム改質により得られた純水素又は水素混合体のような）の化学的エネルギを電気エネルギに直接変換する装置として既知である。かかる燃焼ステップが存在しないことは、燃料電池を既知のカルノー原理の拘束から自由にし且つ、燃料電池に対し従来の発生器よりも本来的に高いエネルギ効率を付与することになる。

燃料電池は、陽子交換膜（ｐｒｏｔｏｎ−ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）型（一般に、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）として認識されている）の場合、６０ないし９０℃、電解質としてリン酸を利用する型式（ＰＡＦＣ）の場合、１８０ないし２５０℃、電解質が溶融炭酸塩の混合体から成る型式（ＭＣＦＣ）の場合、６００ないし７００℃、電解質が固相のイオン伝導酸化物であるもの（ＳＯＦＣ）の場合、８００ないし１０００℃である、作動温度に対応して分類することができる。

各型式の燃料電池は、エネルギ効率の点にてその長所を有するが、電力の需要の変化に順応する素早さ、始動の迅速性、また、発電量「零」状態に保つことは、液体攻撃性電解質（リン酸、溶融炭酸塩）又は高温度（６００ないし１０００℃）が存在するため、特に、顕著な熱機械的要求の課題として、巧緻な構造材料、設計及び作動における特別な措置を講じることを必要とすることは勿論のことである。これら全ての理由のため、ＰＡＦＣ、ＭＣＦＣ及びＳＰＥＣ型燃料電池は、通常、作動が僅かな程度変化し、また、専門家による何らかの形態の監視が利用可能である、例えば、設置された発電施設のような、１メガワット以上の大型の発電装置を建設するのに実用的に適していると考えられる。これと逆に、膜型燃料電池は、実質的に固相装置であり、従って、液体電解質の場合、空気反応剤からの燃料の分離は、電解質を不活性な基質の孔内に保持する毛管力によって保証されるから、リン酸及び溶融炭酸塩の場合におけるような、腐食に関連した安全上の問題が無く、また、最終的に、伝導性の固体酸化物について見られるように、温度に関連した問題も無い。更に、膜型燃料電池は、電極及び膜の容積が極めて減少することを特徴とする装置であるから、急激な電力の需要に順応し且つ、零発電状態から開始したときでも、極めて短時間にて公称発電量に達する特別な能力を有する。かかる特徴は、燃料電池を自動車、及び小型の電力用の定置型の分野にて使用するのに極めて魅力的なものとし、この場合、燃料電池は、家庭、ホテル、病院に設置することを目的とする装置として商業的観点から極めて興味が持たれる。

しかし、上述した有益な特徴と共に、膜型燃料電池は、幾つかの不利益な点もある。その幾つかの内、特に関連することは、その導電率が水分量の関数である陽子−交換膜を完全に水和作用状態に保つことが必要な点である。

膜は、通常、スルホン基（sulphonic groups）である、酸性官能基を有するそのバックボーン基が挿入されるポリマーから成る、通常、２０ないし１００μｍ厚さのフィルムである。ポリマーは、空気の反応の中間生成物として生成された過酸化物及び遊離基系（dadicalic）化合物の極めて攻撃性の作用に対して抵抗性がなければならない。この理由のため、例えば、芳香族構造を有する、非フッ化ポリマーの開発にかなりの研究活動が向けられているが、その長期間の化学的不活性さ及びその大量生産の経済性は依然、実証しなければならず、現在、商業的又は実験的製品（最も良く知られた供給業者：デュポン（ＤｕＰｏｎｔ）／米国、旭硝子（Ａｓａｈｉ Ｇｌａｓｓ）／日本、旭化成（Ａｓａｈｉ Ｋａｓｅｉ）／日本、ゴア（Ｇｏｒｅ）／日本、ソルヴェイ・ソレックス（Ｓｏｌｖａｙ Ｓｏｌｅｘｉｓ）／イタリア）として市場にて入手可能な膜の製造に使用されるポリマーは、相変わらず大きい化学的不活性を特徴とする過フッ化ポリマーである。

酸性官能基、特に、スルホン基は、解離させなければならない。生成される自由電荷は、事実上、網状通路が形成された、ポリマー鎖の特定の空間配向を決定し、この網状通路に沿って陽子の移行が生じる。このように、通路を形成するため要求される経路であるこの解離は、特定の水量が存在するときにのみ生じ、このため、膜を水和作用状態に保つことが必要となる。水和作用状態は、反応水と、作動中、燃料電池を通って流れる気体から、特に、それぞれ陰極側及び陽極側に供給された空気及び燃料から抽出された水との間の微妙な平衡状態の結果である。燃料電池が周囲圧力近くにて作動しているとき、従って気体の体積流量が特に多量であるとき、膜の水和作用のための水の抽出は、危険な程度に増大する。電池の出口付近にて十分な酸素の分圧を維持するためには、理論的化学量論的値よりも実質的に多量、例えば、２倍の流量にて作動させることが必須であるから、この状況は、空気側にて特に臨界的となる。純水素にて作動しているとき、さもなければ蓄積するであろう不活性物の吸引を保証し得るよう、約１％の余剰分を別にして、流量は、理論値に実際上、相応しなければならないから、水素側における問題の重大性は低い。かかる僅かなパージ流量のとき、抽出される水量は無視し得る程度であることは明らかである。作動状態に依存して、５０ないし７５％の水素を含み、また、例えば、空気の体積流量の４０ないし５０％以内に等しい体積流量を有する、スチーム改質装置から送られる気体が直接、燃料電池の陽極側に供給されるときでさえ、基本的な枠組みは大幅に相違することはない。スチーム改質装置から送られる気体は、通常、水蒸気にて飽和されているから、水を吸引する能力は、更に減少する。

これと反対に、空気の場合、特に、周囲圧力に近い作動の場合のための、かなりの体積流量となる、採用される化学量論過多のため、また、電池の供給のため使用されるファン又はコンプレッサの周囲空気の吸入口に存在する水分量が減少するため、水の回収能力は大きい。この望ましくない状況を補正するため、先行技術において、燃料電池の作動温度に近い温度にて空気供給分を水蒸気にて飽和させることを目的とするいろいろな装置が開示されている。基本的考えは、実際に、燃料電池の全ての交差部分に沿った空気の水抽出作用を解消することであり、その間、空気の温度は、電池の温度近くの値にまで上昇する。電池の温度に近い温度にて空気を飽和させることは、明らかに実現可能であり、例えば、所望の温度に維持された脱イオン水が入った容器から成る十分な外部飽和器内にて燃料電池内を循環する水との熱交換により、空気が泡立つのを許容する。この方法は、熱交換面を減少させるのに必要とされる温度差の結果として、電池よりも感知し得る程に低い平均温度にて作動するという短所がある。燃料電池の温度に近い温度にて飽和を実施するためには、追加的な熱エネルギ源を利用することが必要となり、その結果、装置全体のエネルギ効率は低下することになるであろう。該装置は、液位制御計測器と、水を供給するポンプと、大気中に放出する前に、装置の排気ガス内に含まれた水蒸気の凝縮分から送られる、蒸発すべき水中に不可避的に存在し、特に、微量にて存在する不純物の堆積を防止するためのパージ流量制御装置とを更に必要とし、これらは全て、無視できない程の追加的なコストを招来することになる。同様の方法が米国特許明細書６，３５０，５３５号の特許請求の範囲に記載されており、この方法において、空気供給分には、噴霧した液体水が追加され、そのようにして得られた混合体は、水を蒸発させるのに必要とされる熱エネルギが提供される熱交換器を亙って進む。この装置には、以前の場合について説明したものと同一の不利益な点がある。

米国特許明細書６，０６６，４０８号には、積重ね体の燃料電池に差し込まれた加湿電池を備え、これにより、加湿電池は実際に、冷却電池として作用し、この場合、流入する空気流を飽和させるのに必要な水を蒸発させることにより冷却が保証される、加湿方法が開示されている。加湿温度の結果、何れの場合でも、十分な熱交換量を維持するため、特定の温度差が必要とされるから、上述した外部飽和器に対するよりも高温であるが、燃料電池の温度よりは多少低くなる。この型式の装置の場合、電池の温度と実際上一致する迄、加湿温度を上昇させるべく追加的な熱源を採用することはできない。装置の効率は、積重ね体にて確立される熱レベルと関係付けられ、温度の降下に伴い低下する。このように、この装置は、実際には、積重ね体の始動時及び温度が通常の作動時の温度よりも著しく低い、低電力発生期間の間、機能しない。

米国特許明細書２００１／００１５５０１号において、エンタルピー装置として一般に定義される装置を使用することが開示されている。この装置は、選択可能な水透過性膜により２つの室に仕切られた容器から成っている。これら２つの室には、それぞれ積重ね体に供給される周囲温度の空気及び積重ね体の出口からの水蒸気にて飽和された高温の排気空気が供給される。積重ね体に供給され、これにより積重ね体が加熱され且つ加湿される空気に対する排気空気からの熱及び水の交換は、膜を通じて行われる。しかし、この場合にも、積重ね体に供給すべき空気の最終温度は、燃料電池の作用温度よりも確実に低い。この型式の空気供給調節は、空気の体積流量が実質的に減少し且つ、圧縮の影響の下で、周囲温度よりも高い温度となる加圧作動の場合に許容可能であるが、周囲圧力近くの圧力作動の場合、議論の余地があり且つ、信頼性は相対的に低い。同様の仕方にて機能する装置は、ドイツ国特許明細書１９９ １８ ８４９号に開示されており、この場合、水及び熱の移送は、選択可能な膜を通して行われず、回転ドラムを採用して行われ、該回転ドラムは、その内壁に、例えばリチウム塩のような吸湿性材料のフィルムが設けられた区域に仕切られている。ドラムの回転によって区域の各々はその後排気空気と最初に連通状態にされ、この排気空気は、その含有水分を吸湿性材料に移送し且つ熱を支持構造体に移送し、次に、低湿度の空気供給分と連通し、この空気供給分は、水を加熱し且つ、水を吸湿性材料から抽出する。この装置にも、米国特許明細書２００１／００１５５０１号について説明したのと同様の難点がある。

米国特許明細書５，４４１，８２１号において、排気空気を空気供給ファン又はコンプレッサに再循環することを通じて特定の加湿程度及び温度レベルを保証することが提案されている。この場合、排気空気は、水蒸気にて飽和されるものと想定して、全体的な空気流から生じる湿度は、再循環を周囲空気の吸気（「新鮮」空気）の流量との比の関数である。この比は、ファン又はコンプレッサの寸法及び関連するエネルギ消費量を妥当な制限値以内に維持するため過大にすることができないから、全体的な空気の湿度値は、その他の型式の装置に関して上記に説明したように、完全に満足し得るものではない。更に、酸素が減少した排気空気を再循環することは、燃料電池内の酸素の平均分圧が再循環しない場合の作動の特徴よりも低いことを意味する。このことは、性能がかなり劣化する可能性がある。

上述した短所を緩和し且つ、安全且つ完全な膜の水和作用を保証するという目的を達成するため、米国特許明細書６，４０６，８０７号には、燃料電池内に水を直接噴射することが開示されている。蒸発は、作動中に発生された熱を効果的に吸引し且つ、これと同時に、膜の正確な水和作用を維持するのに必要な蒸気の分圧を発生させる。この方法は、水量を電力発生量に対して慎重に調整し、水和作用損失（不十分な量の水の噴射）及び多孔質電極の溢れ（過剰な量の水の噴射）という２つの相反する危険を防止しなければならないから、顕著な臨界点を呈する。このことは、全て、噴射ポンプ、燃料電池内の水分配装置、及び関連する制御装置を必要とし、このことは、追加的なコストを招来することに加えて、機能上の信頼性の問題を惹起することにもなる。

膜の水和作用という問題点に対処する更なる方法は、米国特許明細書２００２／００６８２１４号に記載されている。この場合、上述した方法の１つにて実施される加湿に加えて、膜と接触した電極の多孔率は、経験上、過剰な水蒸発の危険に最も曝されることが判明している空気入口領域にて減少されている。このようにして、水蒸気中における又は液相においてさえも水拡散は、残留多孔率が低ければ低い程、妨害され、その結果、水から空気への移送は遅れる結果ともなり、膜の水和作用は一層良く保持されることになる。この方法は、２つの重大な難点を伴い、その１つは、酸素の拡散速度が抑制され、これと同時に、性能が低下することであり、もう一方は、より複雑な電極構造に関連し、低コストの大量生産の要求に殆んど対応できないことである。

本発明の１つの目的は、先行技術に対する難点を解決することである。

本発明の第一の特徴において、単一体として又は積重ね体として配置された膜型燃料電池の安定的な作動は、非加湿の空気供給分を十分な温度まで冷却させることにより実現される。

本発明の第二の特徴において、ファン又はコンプレッサと、冷却剤として周囲空気を利用することで熱が抽出される後続の熱交換器と、所望の熱的レベルを実現するのに必要なレベル迄、空気圧力が降下する順にその後の膨張器とから成る適宜な装置によって、非加湿の空気供給分の冷却が行われる。

本発明の第三の特徴において、膨張器は、エネルギの部分的回収を実現し得るようファン又はコンプレッサに接続される。
本発明の装置及びその機能のその他の特徴と共に、上記の特徴について関連する図面と共に以下の本明細書にて詳細に説明する。

単一体として又は積重ね体としての多数の電池として配置された燃料電池が作動する間、脱水の危険性に最も曝される膜の領域は、気体入口、特に、以下に更に説明するであろう空気入口に近接した領域である。この領域は、実際上、空気自体と膜を横断して移行する陽子と外部回路を通って流れる電子との間の反応により発生された生成水の急速な蒸発に曝される。蒸発率が水の生成率よりも高いならば、膜は、次第に脱水され、陽子の移行を妨害し、その結果、導電率及び性能は低下する。脱水、すなわち水和作用が乏しい状況が遅れずに持続するならば、ポリマー構造は、構造的再編成過程が遅くなり、導電率の損失は回復不能となる。更に、顕著な脱水状態にて、膜、特にそのプラスチック貯蔵体の機械的性質は、急激に劣化し、例えば、多孔率及びミクロ破壊のような形態による損傷の頻度が端縁及び電極面の選択的に不規則な部分のような、機械的歪みが大きい領域に特に集中して、許容し得ない程、増大する。

これらの問題点を防止するため、先行技術は、空気供給分の加湿を保証することを目的とするが、これは、上述した理由のため、完全ではなく、脱水を解消せずに、脱水の虞れを緩和するものであり、又は生成水の拡散を妨害でき、従って膜の水和作用状態を一層良く保持することができる、多孔率が減少した電極を気体の入口領域内にて採用することを目的としているが、これは、性能が低下し且つ、製造段階にて無視し得ないほどの複雑さの犠牲を伴う。

当該発明者は、驚くべきことに多岐に亙る試験に基づいて、実際的な適用例により要求されるように広範囲に亙る電流密度にて燃料電池が安定状態にて作動するようにすることが可能であることを知見し、その場合、電圧は良好なエネルギ変換効率を示し、化学量論的ファクタは、先行技術にて一般に使用されるものに等しく（例えば、１．２ないし３の範囲）、圧力は周囲空気の近くであり、また空気供給分が３５℃以下、好ましくは、３０℃以下、最適値は、約２５±２℃の範囲にて予冷却されるならば、空気供給分は何ら予加湿されない。化学量論的ファクタとは、当該分野の当業者に既知であるように、供給反応剤のモルと反応化学量論に要求される反応剤のモルとの比であることを意図する。

本発明に従って２６℃に冷却した予加湿されない空気が供給され且つ、約２２５ｃｍ^２の作用面積を有する１０個の燃料電池により形成された積重ね体の振舞いが図１に示されており、該燃料電池は、Ｅ−ＴＥＫ事業部（Ｄｉｖｉｓｉｏｎ）／デ ノラ ノースアメリカ（Ｄｅ Ｎｏｒａ Ｎｏｒｔｈ Ａｍｅｒｉｃａ）により供給されたヴァルカン（Ｖｕｌｃａｎ）ＸＣ−７２に支持された、３０％白金が設けられた商業的電極と、以前の型式にてナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）１１５デュポン（ＤｕＰｏｎｔ）陽子交換膜と、脱イオン水が横断する冷却電池が差し込まれた後者の型式（完全に等価的な振舞い）にて４０ミクロン厚さのゴア（Ｇｏｒｅ）膜と、が設けられている。曲線（１００）は電池の電圧傾向（左側縦座標軸）を示し、曲線（２００）は同時的な電力傾向（右側軸）を示す。データは、低圧力（１５０ｋＰａ（１．５バール））及び化学量論的ファクタを２に制限した状態にて作動する場合に得られたものである。しかし、２．８ｋＷ／ｍ^２の特定の電力に相応する４ｋＡ／ｍ^２の電流密度にて０．７Ｖの電圧（許容可能な下方限界値と見なされる約５０％のエネルギ変換効率を表す）を得ることができる方法を理解することができる。この特定の電力値は、商業的な積重ね体の寸法を経済的に興味の持てる限界値の範囲内に保持することを許容する。

図２は、図１の積重ね体の性能を１５０ｋＰａ（１．５バール）絶対圧であるが、現在の技術の既知のパラメータ、特に、８０℃にて予加湿し且つ、２．５の化学量論的ファクタの空気供給分にて作用する積重ね体の性能と比較したものを示す。電圧及び電力曲線は、それぞれ（１０１）及び（２０１）にて示されている。驚くべきことに、２つの性能には、僅かな差しかない。

本発明を任意の特定の理論により拘束することを望まずに、空気供給分の温度が特定の値まで降下したならば、空気入口領域内の水蒸気の減少した張力は、局部的な蒸発率及び蒸発可能である水量を実質的に減少させるものと推定することができる。勿論、燃料電池を横切って動く空気は、その温度を次第に上昇させ、これと同時に、水蒸気の張力は増大し且つ、漸進的な蒸発が行われる。しかし、かかる蒸発の生成物は、電池の作用面積に沿って分配される。換言すれば、本発明の利点は、水の蒸発を分散し、先行技術の教示に従って作動する燃料電池にて生じるような、制限された領域内でのその危険な集中化を回避することができる点である。

図３には、膜の脱水の開始に関係するであろう、性能の損失の開始が認識される制限値迄、出口排気空気の温度を変化させ得るよう、冷却水の温度及び（又は）流量を調節して実施した一連の試験結果が示されている。これらの試験は、２５℃にて及び化学量論的ファクタ２にて実施した。線図から、上記の化学量論的ファクタを使用して時間の点にて安定的な作動と矛盾しない出口排気空気の最大値（縦座標値）は、作用圧力（横座標値）の関数であることが分かる。もし制限ファクタが、効果的に、膜の脱水の開始時のものであり、このとき、空気の低体積流量はより高い圧力に相応し、従って、その他の全ての条件が等しいならば、蒸気を引き出す能力は減少し、このことは、出口温度を上昇させることを許容するから、図３の結果は、驚くべきものではない。燃料電池の作用圧力を１００ないし１５０絶対ｋＰａ（１ないし１．５絶対バール）に制限することを望むのであれば、冷却水（又はより一般的な場合、冷却流体）の温度及び（又は）流量は、６０ないし７０℃の排気空気の最高出口温度を保証し得るよう調節しなければならないという結論を出すことができる。採用される機械、特に、空気供給ファン、及びシール、特に、極めて高い全体的な直線状の現象を有する積重ね体の周縁ガスケットの場合、結果は臨界的でないことを考えるならば、装置の信頼性の観点からして、周囲圧力又は周囲圧力近くの圧力にて作動することに特に興味が持たれる。

図４において、排気空気の出口の最高温度（横座標の値）及び作用圧力の関数として化学量論的ファクタの変更例（縦座標軸にてｆ_ｌｉｍとして表示）が示されている。特に、曲線（３０１）は、１１０ｋＰａ（１．１バール）の絶対圧力に関し、曲線（３０２）は１２０ｋＰａ（１．２バール）、曲線（３０３）は１３０ｋＰａ（１．３バール）、曲線（３０４）は１４０ｋＰａ（１．４バール）、曲線（３０５）は１５０ｋＰａ（１．５バール）、曲線（３０６）は２００ｋＰａ（２バール）に関する。排気空気が所定の最高出口温度である場合、化学量論的ファクタは、作用圧力の上昇に伴い増大することを認識できる。実際上、既に説明したように、作用圧力が体積流量を増大させると、燃料電池内にて流れる空気の水吸引能力は減少する。その結果、膜の脱水を誘発する水の吸引に相応する臨界的状態を超えないならば、化学量論的ファクタ、従って空気の流量を増すことは、許容されることになる。例えば、空気の出口最高温度が６５℃に設定されたならば、許容される化学量論的ファクタは、１１０ｋＰａ（１．１バール）絶対作用圧力にて１．６となり、また、１５０ｋＰａ（１．５バール）絶対作用圧にて２．３となる。より大きい化学量論的ファクタが、燃料電池を横切る空気の低い酸素減損に対応し、その結果、性能が向上することを想起することが有益である。

冷却水に関して、循環のためのエネルギ消費量を許容可能な値の範囲内に止めるには、その流量を妥当な限界値以内に保つことが必要である。この状態の結果、実際上、燃料電池の入口と出口との間の温度変化は、約２５ないし４０リットル／時／ｍ^２付近の流量に相応する、約１０ないし１５℃となる（入口温度が約４５ないし６０℃の場合）。何れの場合でも、冷却水の出口温度は、結果的に排気空気の温度と一致する。

非加湿空気の供給分が予冷却されることを条件として、該非加湿空気供給分にて安定的な作動が可能であることは、確かに驚くべきことであり、作動の簡略化の観点からして、好ましいことではあるが、積重ね体の典型的な多くの適用例において、適宜な温度にて利用可能な冷却剤は全く存在しないことを考えると、かかる予冷却をどのようにして実施するかという問題に対処しなければならないことは当然である。実際上、極めて多数の事例において、燃料電池積重ね体から構成された冷却装置の作用は、夏期、特に、幾つかの地理学上の地域において、４０ないし４５℃に達することがある外気に委ねられる。熱交換装置の寸法を制限するため、冷却空気と冷却すべき流体との間にて少なくとも１０℃の温度差が必要とされると想定するならば、冷却すべき流体が達することのできる最低温度は、約５０ないし５５℃であると判断される。この制限値は、上述したように、燃料電池の入口にて４５ないし６０℃の温度となるであろう冷却水にとって許容可能である。勿論、少なくとも３５℃、好ましくは、少なくとも３０℃、最適値は約２５℃まで予冷却しなければならない空気供給分に関して、為し得ることは何も無い。

図５には、空気供給分を上記の温度レベルまで上昇させることのできる調節装置の具体化方法が示されており、（１）は空気供給分の吸入管を示し、（２）は、例えば、１１０ないし１５０ｋＰａ（１．１ないし１．５バール）絶対圧の穏当な過圧力にて必要とされる流量を保証することを目的とするファンを示し（上述した方法は適用可能であるが、２００ないし５００ｋＰａ（２ないし５バール）絶対圧下にて作動する装置にとって利点は少なく、その場合、ファン（２）は、適宜なコンプレッサである）、（３）は、ファン（又はコンプレッサ）から出る空気の供給管を示し、（４）は外気（５）を使用してファン（又はコンプレッサ）（２）内にて暖まる空気を冷却することを目的とする熱交換器を示し、（６）はファン（２）に伝達される機械的仕事の発生及び温度降下と共に、空気圧が部分的に降下する回転膨張器のような、膨張器（７）に対する空気供給管を示し、（８）は燃料電池組立体（９）に対する供給管を示し、（１０）は熱交換器の空気出口管を示す。

膨張器内にて到達することのできる温度レベルは、供給管（８）内の圧力と空気供給管（６）内の圧力との比の関数である。供給管（８）内の所定の圧力（積重ね体の作動圧力）に対し、膨張により到達可能な温度レベルは、空気供給管（６）内の圧力（実際は、ファン又はコンプレッサ（２）の出口圧力）と空気供給管（６）内の圧力との関数に過ぎない一方、最も不利な状態（設計状態）にて４０ないし４５℃であると推定される周囲空気温度の関数である。原理上、極めて低温度、０℃以下の温度でさえ実現できるが、このためには、空気供給管（６）内にて過剰な圧力を必要とし、許容し得ない程のエネルギ消費量となる。更に、上述したように、約２５℃の温度にて興味を引く結果が既に得られている。この値を最適な冷却レベルにとして使用すれば、各々、２２５ｃｍ^２の作用面積を有する１００の燃料電池と、脱イオン水が供給される、差し込まれた１００の冷却電池とから成る９ｋＷの積重ね体の場合、以下のデータが得られる。

ファン（２）の吸引圧力：周囲圧力
ファン（２）の吸引温度：４５℃最大（最悪の場合）
ファン（２）の供給圧力：１３０ｋＰａ（１．３バール）絶対圧
ファン（２）の供給温度：７８℃
熱交換器（４）の下流の温度：５１℃
積重ね体（９）の作動圧力と一致する、膨張後の圧力：１０５ｋＰａ（１．０５バール）絶対圧
膨張後の空気温度：２５℃
ファン（２）により吸収された電力：１．４ｋＷ
膨張器（７）により発生され且つ、ファン（２）に伝達された電力：０．７ｋＷ
装置に必要とされる正味電力：０．７ｋＷ（積重ね体の電力の８％）
熱交換器（４）は、最悪の場合、８０℃以下であるファン出口の温度から約５０℃（典型的に、５０±３℃）である、膨張器への供給温度まで空気供給分の流れを冷却するだけでよいから、この熱交換器は、装置の設計にとって何ら臨界的な構成要素ではないことが認識できる。このことは、非加湿空気供給分の熱量が穏当であることを考慮し、冷却流体として第二の周囲空気流を利用して容易に実現できる。

図６には、積重ね体に対する空気供給分の温度を２５℃に保つことを望んで、圧縮作用が周囲温度（横座標軸）及び積重ね体の作用圧力の関数である、乗算ファクタ（縦座標軸にΦとして表示）によって、いかに特徴付けられるかを示す。曲線（４０１）は、１０５ｋＰａ（１．０５バール）の絶対値作用圧力に関し、曲線（４０２）は、１１０ｋＰａ（１．１バール）、曲線（４０３）は、１５０ｋＰａ（１．５バール）、曲線（４０４）は、２００ｋＰａ（２．０バール）に関する。図面のデータは、装置が積重ね体の作用圧力が低い時に特に効果的であることを示す。

本発明は、特に好ましい実施の形態に関して説明したが、当該分野の当業者は、本発明の精神から逸脱せずに、幾つかの変更及び形態変更を為すことが可能であることが認識されるであろうし、かかる変更及び形態変更は、本発明の範囲を構成する、保護が請求される範囲に包含することを意図するものである。

本発明に従って非予加湿の冷却空気が供給される燃料電池に対する電流密度の関数として電池電圧（エネルギ変換効率を示す）及び電力を示す図である。 先行技術の教示に従って予加湿した暖かい空気が供給される燃料電池に対するものと図１のデータとを比較する図である。 本発明に従って非予加湿の冷却空気が供給される燃料電池に対する作用圧力の関数として許容可能な最高排気空気の出口温度を示す図である。 最高排気空気の出口温度及び作用圧力の関数としての化学量論的ファクタを示す図である。 本発明の装置の実施配置図である。 周囲空気温度及び作用圧力の関数として圧縮作用の倍率を示す図である。

Claims (22)

1. 少なくとも１つの膜燃料電池にて構成された発電用積重ね体の作動方法において、１より大きい化学量論的ファクタ及び３５℃以下の温度の非加湿空気を陰極入口にて供給するステップと、排気空気を陰極出口から排出するステップとを備える、発電用積重ね体の作動方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記非加湿空気の陰極側供給分の温度は２３℃ないし２７℃の範囲にある、方法。
3. 請求項１又は２の何れかに記載の方法において、前記非加湿空気の陰極側供給分は周囲空気を冷却することにより得られる、方法。
4. 請求項３に記載の方法において、前記周囲空気は４５℃以下の初期温度を有する、方法。
5. 請求項１ないし４の何れか１つに記載の方法において、前記非加湿空気の陰極側供給分の圧力の関数として、前記陰極側の排気空気の温度を制御するステップを更に備える、方法。
6. 請求項５に記載の方法において、前記制御は、前記陰極側の空気排出分の前記温度を６０ないし７０℃の範囲に維持する冷却剤により実行し、前記非加湿空気の陰極側空気供給分は、１００ないし１５０ｋＰａ（１ないし１．５バール）絶対圧の範囲の圧力と、１．２ないし３の範囲の化学量論的ファクタとを有する、方法。
7. 請求項３ないし６の何れか１つに記載の方法において、前記周囲空気の冷却は、圧縮を行い、その後、熱交換器内での熱交換及び最終的な膨張を行う装置によって実現される、方法。
8. 請求項７に記載の方法において、前記熱交換は、冷却剤として周囲空気を利用する、方法。
9. 請求項７又は８に記載の方法において、前記圧縮は、１１０ないし１５０ｋＰａ（１．１ないし１．５バール）絶対圧の範囲の最終圧力まで実施される、方法。
10. 請求項７ないし９の何れか１つに記載の方法において、前記最終膨張は、１００ないし１１０ｋＰａ（１ないし１．１バール）絶対圧の圧力にて空気を供給する、方法。
11. 請求項７ないし１０の何れか１つに記載の方法において、前記熱交換は、前記圧縮した空気を８０℃以下の温度から４７ないし５３℃の範囲の温度まで冷却する、方法。
12. 請求項７ないし１１の何れか１つに記載の方法において、前記膨張は、前記圧縮時に再使用される機械的仕事を発生させる、方法。
13. 請求項７ないし１２の何れか１つに記載の方法において、前記装置は、前記積重ね体により発生された電力の８％以下の全体的なエネルギ消費量を有する、方法。
14. 燃料電池装置において、発電用の少なくとも１つの燃料電池積重ね体を備え、該燃料電池積重ね体には、少なくとも１つのファン又はコンプレッサと、少なくとも１つの熱交換器と、少なくとも１つの膨張器とを備える調節装置から送られる空気が陰極側に供給される、燃料電池装置。
15. 請求項１４に記載の装置において、前記積重ね体の前記陰極側の空気供給分は１．２ないし３の範囲の化学量論的ファクタを有する、装置。
16. 請求項１４又は１５に記載の装置において、前記少なくとも１つの膨張器は回転する膨張器である、装置。
17. 請求項１４ないし１６の何れか１つに記載の装置において、前記膨張器は、２３ないし２７℃の範囲の供給温度と、１００ないし１１０ｋＰａ（１ないし１．１バール）絶対圧の範囲の供給圧力とを有する、装置。
18. 請求項１４ないし１７の何れか１つに記載の装置において、前記調節装置は、前記膨張器により発生された機械的仕事を再使用して前記ファン又はコンプレッサに供給する、装置。
19. 請求項１４ないし１８の何れか１つに記載の装置において、前記熱交換器は、周囲空気との熱交換により、前記ファン又はコンプレッサから送られる空気の冷却を実施するのに適している、装置。
20. 請求項１４ないし１９の何れか１つに記載の装置において、前記熱交換器は、４７℃ないし５３℃の範囲の供給温度を有する、装置。
21. 請求項１４ないし２０の何れか１つに記載の装置において、前記ファンは、１００ないし１５０ｋＰａ（１．０ないし１．５バール）絶対圧の範囲の供給圧力を有する、装置。
22. 請求項１４ないし２１の何れか１つに記載の装置において、前記調節装置は、前記積重ね体により発生された電力の８％以下のエネルギ消費量を有する、装置。

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