JP2006528827A - 低温燃料電池発電装置の動作 - Google Patents

Abstract

燃料電池発電装置システム（２２）は、古い条件下でもエンタルピー回収装置（４０）を作動させる能力を含む。バイパス構成により、選択された条件下で回収装置の一つまたは複数の部分を選択的に迂回できる。一例では、選択された温度条件下でエンタルピー回収装置（４０）が完全に迂回されて装置を凍結させ、後で、より好適な温度条件下で使用される。別の例では、システム開始動作中にエンタルピー回収装置（４０）が選択的に迂回される。一例では、エンタルピー回収装置（４０）と関連する加熱器（６０）が含まれる。別の例では、エンタルピー回収装置（４０）の一部分に供給される酸化剤を予熱することが含まれる。

Description

本発明は一般に、低温条件下で燃料電池発電装置を作動させることに関する。より詳細には、本発明は、燃料電池発電装置の動作条件に基づいてエンタルピー回収装置を選択的に利用することに関する。

燃料電池発電装置は周知であり、還元性流体と酸化性流体から電力を発生させるのに使用される。燃料電池の構造と燃料電池発電装置の構成は知られており、多様な構造が見られる。多くの燃料電池は、電気エネルギーを発生させるための化学プロセスの一部としてプロトン交換膜（ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）（ＰＥＭ）を利用する。

プロトン交換膜型燃料電池では、ＰＥＭの乾燥を防止するため反応物が加湿されることが重要である。もしもＰＥＭが乾燥すると、電池抵抗が上昇して燃料電池の性能を低下させる。そのうえ、膜が乾燥すると劣化が起こり、結果的に燃料電池発電装置の寿命が短くなる。

さらに、燃料電池発電装置は水分平衡状態で作動することが望ましい。これは、反応物排気流中の蒸気として、または多孔質水輸送板を移動する液体として発電装置システムから除去される水が、燃料電池内の反応の結果として生成される水の量と等しいか、それより少なくなければならないことを意味する。一例では、約１５．７ＰＳＩＡの作動圧力では、発電装置の空気利用率はおよそ６０〜７０％である。発電装置へ供給される燃料に応じて、水分平衡を達成するシステム排気の露点とシステムの空気利用率との間には関係が見られる。ガソリンが燃料である一例では、排気温度が１１０°Ｆで適切な水分平衡が得られる。排気温度が１１０°Ｆを超えると、水不足が生じて電池は乾燥する。排気温度が１１０°Ｆを下回る場合には、システムの水分過剰の結果、水が液体として除去されない限り、電池が湛水される可能性がある。

プロセス排気流から反応物流入流へ熱および水分を交換するため、燃料電池発電装置ではエンタルピー回収装置（ｅｎｔｈａｌｐｙ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｄｅｖｉｃｅ）（ＥＲＤ）が使用される。ＥＲＤは、燃料電池発電装置内で適切な水分平衡を維持するのに使用されている。

周囲温度が低いため、ＥＲＤに関連する、つまりこれによって処理される水分または液体が凍結する時には、特に困難な問題に直面する。これは例えば、冬季の温度が氷点またはそれより低くなる部分に配置される燃料電池発電装置を含む車両で考えられる。このような条件下では、エンタルピー回収装置が必要な機能を行わず、また発電装置システムの水分平衡が維持されない可能性があり、その結果、システムの性能劣化と寿命の低下が生じることがある。

低温条件でも作動することのできる燃料電池発電装置システムの必要性が存在する。本発明はこの必要性に対処するものである。

本発明は一般に、低温で作動することのできる燃料電池発電装置システムである。

本発明による設計の燃料電池発電装置システムの一つは、燃料を受け取る第１電極と酸化剤を受け取る第２電極とを有する燃料電池を含む。エンタルピー回収装置は、第２電極の排気と流体連通状態にある第２部分と、空気供給源と第２電極との間において供給源と流体連通状態にある第１部分とを有する。制御装置は、発電装置システムの温度または作動状態などの選択された条件に基づいて、エンタルピー回収装置の両部分の一方または両方への流体連通の量を選択的に制御する。

制御装置は、例えばエンタルピー回収装置内での氷の析出を回避するため必要に応じてエンタルピー回収装置を選択的に迂回させる。

システムの一例では、周囲、第２電極出口、またはＥＲＤなどの温度が選択された閾値を下回る時に、第２電極からの排気はエンタルピー回収装置の第２部分を迂回する。

別の例では、周囲、第２電極出口、またはＥＲＤなどの温度が選択された閾値を下回る時、あるいはシステム開始動作中に、供給源からの酸化剤がエンタルピー回収装置の第１部分を迂回する。

別の例では、エンタルピー回収装置全体が迂回されて凍結が起きる。より好適な温度になると、所望のようにＥＲＤを使用できる。

いくつかの例は、選択的にエンタルピー回収装置を迂回して流体を導くバイパス導管と、バイパス導管と関連する弁とを含む。制御装置は、エンタルピー回収装置が迂回されるかどうかを選択するため、現在の動作条件および周囲（環境）条件に応じて、弁を選択的に作動させる。

本発明による設計のいくつかのシステム例は、エンタルピー回収装置に関連する加熱器を有する。加熱器は制御装置によって作動することができ、その入力は、温度などの燃料電池発電装置の作動条件または周囲温度および圧力などの環境条件とすることができる。一例において加熱器は、抵抗要素に供給される電流に応じて温度上昇する抵抗要素を含む。別の例では、エンタルピー回収装置を通して電流が供給され、装置内の固有の抵抗が熱を発生させる。また別の例では、燃料電池と関連する冷却剤ループから排出物を受け取る、エンタルピー回収装置とともに支持された少なくとも一つの要素を加熱器が含む。冷却剤ループから取り出された加熱された排出物は、加熱器要素を通過して、エンタルピー回収装置を加熱するように作動する。

また別の例では、ほかには燃料電池の第１電極へ燃料を供給する燃料処理システムと関連する熱を用いて、エンタルピー回収装置に供給される空気が予熱される。

図１は、燃料電池発電装置システム２０を概略的に示す。燃料電池２２は第１電極２４と第２電極２６とを含む。燃料電池２２の一例はプロトン交換膜型燃料電池スタックであり、その動作は知られている。第１電極２４はこの例では燃料電池アノードであり、燃料供給源３０から水素または水素含有ガスなどの燃料を受け取る。第２電極２６はこの例ではカソードであり、ポンプ３３の作用によってカソード２６へ供給される、供給源３２からの空気などの酸化剤を受け取る。周知のように、アノードとカソードは単一の燃料電池板であっても複数の板であってもよい。

図示された例は、燃料電池２２に関連する冷却剤ループを含む。冷却剤ループは周知であり、多様な形を取る。冷却器部分３４を流れる冷却剤は、従来の熱交換器などの放熱器３６を通過する。ポンプ３８は、冷却剤ループ内で所望の流量を維持する。

エンタルピー回収装置（ＥＲＤ）４０は、システム２０内で必要とされる水分平衡の維持を容易にする。この説明の恩恵を受ける当該技術の熟練者は、特定状況の必要性を満たすものを周知のＥＲＤ構成から選択できるだろう。ＥＲＤ４０は第１部分または室４２を含む。この例では、第１部分４２は流入室である。この例の第２部分４４は排気室である。

第２部分４４は、燃料電池２２のカソード２６の排気と流体連通している。たいていの動作条件の下では、カソード２６排気は、第２部分４４へ供給されてそこを流れる。カソード２６と第２部分４４との間にある弁４８には、バイパス導管４６が結合されている。選択された条件の下では、排気流はすべて、第２部分４４を迂回して導管４６を流れる。他の状況下では、排気流の一部分のみが第２部分４４を通るように調整される。バイパス４６は、選択された温度範囲または燃料電池発電装置動作条件にしたがって、第２部分４４における排気流を制御することができる。温度の例は、周囲温度、カソード２６からの出口温度、またはＥＲＤ温度を含む。制御装置５０は弁４８を選択的に作動させて、カソード２６からＥＲＤ４０の第２部分４４への排気の流れを制御する。

ＥＲＤ４０の第１部分４２は、たいていの動作条件の下で空気供給源３２から空気を受け取る。バイパス導管５４は、空気供給源３２と第１部分４２の流入側との間に配置された弁５６と関連している。制御装置５０は必要に応じて、空気供給源３２からの空気がＥＲＤ４０の第１部分４２を選択的に迂回するように弁５６を作動させることが望ましい。

所望のシステム性能を促進するために制御装置５０がＥＲＤ４０における流体の流れを選択的に制御する状況は様々な形で存在する。システムの例は、周囲温度情報を制御装置５０へ提供する温度検出器５９を含む。特定のシステム構成の必要性を満たすため、制御装置５０は後述する方法でＥＲＤ４０における流体の流れを制御する。一例では、制御装置５０はマイクロプロセッサを含む。この説明を前提とすれば、当該技術の熟練者は、所望のシステム動作を実現するように市販のプロセッサをプログラムするのに必要なソフトウェアコードを開発できるだろう。

本発明の一実施例では、制御装置５０は、ＥＲＤ４０を完全に迂回するように弁４８および５６を選択的に作動させる。例えば水の凍結に充分なほど周囲温度が低い時には、ＥＲＤ４０を完全に迂回すると中の水分または他の液体が凍結する。この例では、より好適な温度条件となるまで、ＥＲＤ４０は迂回されたままとなる。一例では、周囲温度が２０℃を下回る時には、常にＥＲＤ４０が迂回される。

完全な迂回が常に必要なわけではない。本発明による設計のシステムの一例が、ＥＲＤ４０の部分の一方のみを選択的に迂回するという状況も見られる。さらに、迂回の量は、特定のシステムで設けられる弁に応じて制御され得る。この説明の恩恵を受ける当該技術の熟練者は、特定のシステムの現在条件および構成が得られれば、どれだけの流量が望ましいかを判断できるだろう。

別の例では、システム始動条件で供給源３２からの空気がバイパス導管５４を通って迂回する。この特定例では、供給源３２からの空気の周囲温度がＥＲＤ４０を冷却する傾向があるとしても、カソード２６からの排気が加熱されてＥＲＤ４０の温度を上昇させようとするという事実に基づいている。したがってこの構成では、始動条件下でのＥＲＤへの熱負荷を低下させる。この例の制御装置５０は、バイパス弁５６を作動させて、始動条件ではバイパス導管５４により空気を迂回させてから、燃料電池２２の動作温度が所望のレベルに達するとすぐに空気の流れに第１部分３２を通過させるようにプログラムされることが望ましい。この特定技術により、始動中にＥＲＤ４０を流れるシステム気体中のどのような水分も再凍結することが防止される。

別の例では、流体の流れの一部のみをＥＲＤ４０のいずれかの部分または両方に導くため、温度情報、システム圧力情報、または別の基準を制御装置５０が利用する。一例では、低温条件からの始動中には、供給源３２からの低温空気の一部のみがＥＲＤ４０の第１部分４２を通して導かれて加熱時間を最短にする。

本発明による設計を持ついくつかのシステム例は、流体の流れをＥＲＤ４０を通して選択的に導かれることに加えて、ＥＲＤ４０に関連する加熱器を含む。概略を述べると、図２の実施例は、加熱された冷却剤流体の少なくも一部を冷却器３４から導管６２を通して受け取る加熱器６０を含む。この例では、ＥＲＤ４０を暖めるように冷却器３４の排出物から熱を伝える熱交換器など、少なくとも一つの加熱要素を加熱器６０が含む。一例において加熱器６０は、ＥＲＤ４０の構造と関連する熱交換器を含む。別の例では、冷却器３４からの加熱された冷却剤が流れて加熱機能を行う、ＥＲＤ４０内に支持された複数の要素を加熱器６０が含む。別の例は、加熱された冷却剤の一部をＥＲＤ流入口４２へ直接に注入して空気通路内をともに流通させるという直接注入を含む。一例において制御装置５０は、加熱器６０の動作を制御するのに温度情報を利用する。本説明を前提とすれば、当該技術の熟練者は、特定の必要性を満たす加熱戦略を実現するため、適切な部品を配置して制御装置をプログラムすることができるだろう。

図３は、加熱器６０が電気抵抗加熱器装置である別の実施例を示す。供給される電流に応じて、少なくとも一つの抵抗要素が温度上昇する。概略的に述べるとこの例は、加熱器要素へ電流が供給されるための導線６６および６８を含む。加熱器６０を作動させるための電流は、例えば燃料電池２２の電気出力から得ることができる。一例において電気抵抗加熱器要素は、およそ２０枚のＥＲＤ板の群の間でＥＲＤ内に支持されている。

図４は、別の構成を概略的に図示したものである。この例では、固有電気伝導率を有する多孔質黒鉛層７０でＥＲＤ４０が構成される。例えば導線７２および７４を用いてＥＲＤ４０に片側から反対側へ直流を印加すると、層７０の抵抗に関連した熱の発生によりＥＲＤ４０が加熱される。一例において燃料電池２２は、ＥＲＤ４０を加熱するための電力を提供する。

図１〜図４の例は、水素・空気発電装置の構成に特によく適している。図５に概略的に示された例は、炭化水素・空気発電装置の構成に特によく適している。システム２０’は、上述したシステム２０とほとんど同じように作動する。当該技術の熟練者は、水素・空気発電装置と炭化水素・空気発電装置の構成の相違を認識している。

この例の燃料供給源８０は、従来の燃料処理装置８２へ燃料を提供する。燃料処理装置８２に関連した熱交換器８４は、導管８６を通してアノード２４へ燃料を提供する。熱交換器８４の反対側は、ＥＲＤ４０の第１部分４２への空気供給を制御する弁５６’に結合されている。供給源３２からの空気は、選択された温度条件の下では、熱交換器８４を用いて少なくとも部分的に予熱される。一例では、周囲温度などの選択された温度が０℃以下である時には常に、ＥＲＤ４０の第１部分４２へ送られる前に供給源３２からの空気が熱交換器８４を用いて予熱されるように、制御装置５０が弁５６’を作動させる。

図５の実施例の別の特徴は、弁４８を通ってＥＲＤ４０の第２部分４４へ流入する排気流の一部として、排気燃焼器９０からの出力を利用することを含む。アノード排気の燃焼器流は、ＥＲＤ４０の第２部分４４の流入側への途中で導管９４を通過する前に、冷却剤ループに関連した熱交換器９２を通過する。このような排気の流れは、カソード２６の排気と合流して、例えば上述した温度基準を用いて、第２部分４４とバイパス導管４６のいずれかへ送られるように弁４８の動作により制御される。

本発明の一実施例による設計の燃料電池発電装置システムを概略的に示す図。 図１の実施例の変形を概略的に示す図。 図１の実施例の別の変形を概略的に示す図。 図１の実施例による設計の別の代替構成を示す図。 本発明の一実施例による設計の代替燃料電池発電装置システムを概略的に示す図。

Claims (22)

1. 水素を含む燃料（３０）を受け取る第１電極（２４）と、供給源（３２）から酸化剤を受け取って排気を出力する第２電極（２６）とを有する燃料電池（２２）と、
   前記第２電極の前記排気と流体連通状態にある第２部分（４４）と、前記空気供給源と該第２電極との間において該供給源と流体連通状態にある第１部分（４２）とを有するエンタルピー回収装置（４０）と、
   選択された条件に基づいて、前記エンタルピー回収装置の前記部分の一方または両方への流体連通の量を選択的に制御する制御装置（５０）と、
   を備えることを特徴とする燃料電池発電装置システム（２０）。
2. 前記選択された条件が存在する時に、前記第２部分（４４）が前記第２電極（２６）から前記排気を受け取ることを前記制御装置が阻止し、該選択された条件が、選択された閾値を下回る温度であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. 前記選択された条件が存在する時に、前記第１部分（４２）が前記供給源（３２）から前記酸化剤を受け取ることを前記制御装置（５０）が阻止し、該選択された条件が、選択された閾値を下回る温度またはシステム開始動作のうち一方または両方であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
4. 前記第２電極から前記第２部分へ排気を導く排気導管と、該第２部分を回避して該排気を導くバイパス導管（４６）と、これらの導管と関連する弁（４８）とを含み、前記制御装置（５０）が、該第２電極（２６）排気を該第２部分（４４）へ選択的に流入させるように該弁（４８）を作動させることを特徴とする請求項１記載のシステム。
5. 前記供給源（３２）から前記第１部分（４２）を通って前記第２電極（２６）へ酸化剤を導く酸化剤供給導管と、該供給源（３２）から直接に前記第２電極（２６）へ該酸化剤を導くバイパス導管（５４）と、これらの導管と関連する弁（５６）とを含み、前記制御装置（５０）が、該供給源（３２）からの該酸化剤に該導管を選択的に通過させて該第１部分（４２）における酸化剤の流れを制御するように前記弁（５６）を作動させることを特徴とする請求項１記載のシステム。
6. 前記制御装置（５０）が、前記システム内の温度または圧力のうち一方または両方に基づいて前記エンタルピー回収装置の前記部分の一方または両方への流体連通の量を選択的に低下させることを特徴とする請求項１記載のシステム。
7. 酸化剤加熱器（６０，８４）を含み、前記制御装置（５０）が、前記第１部分（４２）へ供給される前に前記酸化剤が該酸化剤加熱器により少なくとも部分的に加熱されるように前記酸化剤供給源（３２）を選択的に制御することを特徴とする請求項１記載のシステム。
8. 前記第１電極へ供給される前に前記燃料が通過する熱交換器（８４）を有する燃料処理装置（８２）を含み、前記酸化剤加熱器が該熱交換器を含むことを特徴とする請求項７記載のシステム。
9. 前記エンタルピー回収装置（４０）と関連する加熱器（６０）を含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
10. 加熱された冷却剤が前記加熱器を通過し、該加熱された冷却剤と流入酸化剤とが一緒に前記エンタルピー回収装置内を流れることを特徴とする請求項９記載のシステム。
11. 抵抗要素へ供給される電流に応じて熱を発生する少なくとも一つの抵抗要素を前記加熱器（６０）が含み、該抵抗要素からの熱が前記部分の一方または両方を暖めることを特徴とする請求項９記載のシステム。
12. 前記エンタルピー回収装置（４０）の前記第１（４２）および第２（４４）部分が導電材料を含み、前記加熱器が、該第１部分（４２）の片側と該第２部分（４４）の片側との間に少なくとも一つの電気接続を含み（６０）、該電気接続により該第１および第２部分を電流が通過できることを特徴とする請求項９記載のシステム。
13. 加熱された冷却剤を排出する、前記燃料電池（２２）と関連する冷却器（３４）を含み、前記加熱器（６０）が、前記エンタルピー回収装置（４０）と関連する少なくとも一つの加熱器要素を含み、該加熱器要素が、該加熱された冷却剤を該冷却器（３４）から受け取ることを特徴とする請求項９記載のシステム。
14. 前記第１電極（２４）からの排気を処理する前記排気燃焼器（９０）を含み、該排気燃焼器（９０）からの出力が、前記エンタルピー回収装置（４０）の前記第２部分（４４）へ選択的に供給されることを特徴とする請求項１記載のシステム。
15. エンタルピー回収装置（４０）が、燃料電池（２２）からの排気と流体連通状態にある第２部分（４４）と、該燃料電池への酸化剤供給源（３２）と流体連通状態にある第１部分（４２）とを有する、燃料電池発電装置（２０）のエンタルピー回収装置（４０）を作動させる方法において、
    選択された動作条件に基づいて、前記エンタルピー回収装置の前記部分の一方または両方における流体の流量を選択的に制御する、
    ことを含むことを特徴とする方法。
16. 前記動作条件が温度を含み、選択された閾値を該温度が下回る時に前記エンタルピー回収装置（４０）の前記部分の一方または両方を少なくとも部分的に迂回することを含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
17. 前記部分の一方または両方を完全に迂回することを含むことを特徴とする請求項１６記載の方法。
18. 前記部分のいずれかの水分または液体を凍結させることを含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
19. 前記選択された動作条件が前記燃料電池（２２）の始動であり、該始動中に前記第１部分（４２）を完全に迂回することを含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
20. 前記酸化剤供給源からの前記酸化剤が前記第１部分（４２）へ供給される前に、該酸化剤を予熱することを含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
21. 前記エンタルピー回収装置（４０）を加熱することを含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
22. 前記燃料電池（２２）排気を加熱し、該加熱された排気を前記酸化剤とともに前記エンタルピー回収装置（４０）へ導入することを含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。

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