JP2011529246A - 燃料電池システム用の排出手段および関連する調整モード - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料電池（ＦＣ）用の排出装置に関する。再循環回路を含む水素ＦＣからの排出物は、最適動作を保証するために定期的に排出しなければならない。先行技術の排出装置は、排出物の水素濃度における著しい変動を特徴とする。本発明は、排出物の液相および気相を分離するための装置に排出手段を組み込むことに存する。有利なことに、排出流量の細かい調整のための手段が提供され、これによって、排出される排出物における水素損失を制限することが可能になる。

Description

本発明は、燃料電池（ＦＣ）の分野に適用され、特に、低温で動作し、かつ電解質として薄膜を用いる用途に適用される。

関連するセルは、純粋またはほぼ純粋な水素を供給されるセルである。水素がセルに再注入される「再循環」動作モードにおいてさえ、汚染物質を除去するために、および窒素濃度の増加がシステムの性能を損なうのを防ぐために、システムの排出を定期的に行うことが必要である。いくつかの排出モードが考案されたが、２つの主なモードは、排出弁の周期的な開放、すなわち当業者によって「デッドエンド」またはフロンタル（ｆｒｏｎｔａｌ）と言われるモード、および所望の排出流量に従って較正されたオリフィスを作製することである。本発明は、この第２のモードに関連するが、この第２のモードは、第１のモードと比較すると、主として、第１のモードに固有の水素流量における突然の変動を回避するという利点を理論的に示す。しかしながら、先行技術の較正オリフィス排出装置は、動作事例の大部分を構成する液相において水を含む排出物が、排出流量にばらつきを生じ、これが、結局、第１のモードの短所を再現するという不都合を示す。次の特許出願（米国特許出願公開第２００２／００６５３４号明細書、米国特許出願公開第２００５／２３３１９１号明細書、および米国特許出願公開第２００６／０８６０７４号明細書）は、相分離機能と結合された調整可能な排出機能を提供することによって、この問題を解決する傾向を有する。しかしながら、これらの特許および特許出願によっては、燃料電池の動作範囲全体にわたって排出流量を調整することが可能にならない。国際公開第２００７／０１０３７２号パンフレットは、２つの排出弁を設けることによって、この問題に取り組んだが、これらの排出弁の流量は、動作範囲を広げるために組み合わせることができる。しかしながら、この改善は、燃料電池の使用に対して想定できるシナリオにすぐに適応できるようにする十分な柔軟性を提供しない。

本発明は、相分離機能と結合された排出手段であって、燃料電池の使用に対して想定できるシナリオの大部分を処理するために、単純な方法でパラメータ化できる排出手段を提供することによって、この問題を解決する。

この目的のために、本発明は、反応生成物をセルから排出するための手段および前記生成物の相を分離するための手段を含む、燃料電池に結合された、燃料または酸化剤をリサイクルするための回路であって、前記排出手段が、相を分離するための手段の出口を構成し、かつ電気機械弁によってそれぞれが制御されるいくつかの較正された出口オリフィスを含み、これらのオリフィスの開放および閉鎖が、所与の瞬間にアクティブである出口オリフィスの群を選択するように制御され、前記リサイクル回路が、前記較正オリフィスがハウジングに配置されることと、相を分離するための手段に面するハウジングの内側面が出口オリフィスの口径に適した寸法を備えた少なくとも１つの穴を有し、かつ電気および空気手段の群から選択される手段の制御下で、較正オリフィスの一部を隠すために移動できることと、を特徴とする回路を開示する。

有利なことに、ハウジングは、ほぼシリンダ形状を有し、前記空洞の内側面の移動は、回転移動である。

有利なことに、分離手段に面する内側面は、単一の穴を有し、その位置は、出口オリフィスのただ１つの活性化、または排出手段の完全な不活性化に対応する。

有利なことに、相を分離するための手段に面する内側面は、単一の穴を有し、その位置は、関連する出口オリフィスの少なくとも２つの活性化、または排出手段の完全な不活性化に対応する。

有利なことに、希釈および触媒焼却からなる群から選択される排出物処理を実行するために、排出手段の出口にモジュールが設けられる。

本発明はまた、アノードおよびカソードを有する個別セルのアセンブリを含む燃料電池において電流を生成するための方法であって、前記アセンブリが、燃料および酸化剤を供給され、どちらかが、ガス混合物をリサイクルするための回路で構成され、前記方法が、反応生成物をセルから排出するステージを含み、セルの排出物の流量が、排出ステージの出口において、いくつかの較正オリフィスの交互の開放／閉鎖によって制御され、前記方法が、較正オリフィスがハウジングに配置されることと、相を分離するための手段に面するハウジングの内側面が出口オリフィスの口径に適した寸法を備えた少なくとも１つの穴を有することと、前記方法が、較正オリフィスの一部を隠すために、電気および空気手段の群から選択される手段によって、前記ハウジングの前記内側面を移動させるステージを含むことと、を特徴とする方法を開示する。

有利なことに、排出ステージの出口における排出物流量の制御モードは、水素供給ラインにおける圧力の変動と組み合わされる。

本発明は、さらに、より一層の小型化を提供するという利点を示す。なぜなら、先行技術では２つの物理的に別個の装置において実行される２つの機能が、それらのうちのよりかさばったもの（相分離器）の寸法を有するただ１つのアセンブリに統合されるからである。さらに、いくつかの他の実施形態は、１つまたは複数の弁によって任意に制御される１つまたは複数のオリフィスを備えたシリンダであって、動作範囲の１つのためにそれぞれが最適化されシリンダを適宜設けることによって、広範な動作出力範囲を可能にする。最後に、概念および装置は、作製、維持および管理が簡単で安価であることが、説明から明らかになろう。

いくつかの実施形態に続く説明および添付の図から、本発明のよりよい理解が得られ、その様々な特徴および利点が明らかになろう。

米国特許出願公開第２００６０１１０６４０号による、水素の再循環を伴うＦＣの先行技術からのアーキテクチャを示す。 本発明の一実施形態において、ガスを排出するための較正オリフィスを組み込んだ相分離器のフローシートを示す。 本発明の一実施形態において、ガスを排出するための１つの較正オリフィスの、３つのオリフィスからのセレクタを示す。 本発明の一実施形態において、ガスを排出するための０、１つまたは２つの較正オリフィスの、５つのオリフィスからのセレクタを示す。 周期的な排出によって水素ラインにおける窒素濃度を調整する先行技術からの例を示す。 本発明の一実施形態において、較正オリフィスを組み込んだ排出ラインの交互の開放および閉鎖によって、水素ラインにおける窒素濃度を調整する例を示す。

図１は、水素の再循環３０を伴う先行技術のＦＣ１０のアーキテクチャを示す。ＦＣは、個別セルのスタック２０であるが、このスタックにおいて、連続的に導入される２つの反応物間で電気化学反応が起こる。燃料は、アノードと接触され、酸化剤は、カソードと接触される。反応は、２つの半反応（酸化および還元）に細分されるが、これらの半反応は、一方ではアノード／電解質界面で発生し、他方ではカソード／電解質界面で発生する。これらの半反応は、２つの電極間のイオン伝導体（電解質）および電子伝導体（外部電気回路）が存在する場合にのみ発生することができる。セルのスタックだけが、反応の場所である。反応物は、セルに導入されなければならず、生成物および非反応性物質は、ちょうど生成された熱のようにセルから排出されなければならない。最後に、電気回路を、スタックの２つの端子に接続しなければならない。水素および大気空気を反応物として用いるシステムにおいて、空気は、コンプレッサによってセルまで運ばれ、一連のコンポーネント（フィルタ、熱交換器、加湿器等）を通過し、その後、カソードにおいてセルに入る。カソード出口において、空気には、一般に、液体および蒸気形態の水が含まれる。この水の一部は、加湿要件のために回収され、次に、残留ガスは、ラインの圧力保持を可能にする吹き出し弁を介して排出されることが多い。アノード側において、水素は、一般にはまた圧力源でもある多数の異なる源からもたらすことができ、ガスを圧縮するための装置に頼らないようにすることができる。したがって、水素は、一般に、ラインにおいて計画された圧力を印加する１つまたは複数の減圧弁または電磁弁を通過した後で、セルに運ばれる。セル出口では、いくつかのシナリオが可能である。すなわち、アノードから出るガスは、十分に純粋であり、セル入口で部分的に再注入されて、セルに十分な水の供給を提供することができるか、またはガスは、排出される水素量を最小限にしながら汚染物質を排出するために、単に規則的な間隔で排出される。第１の場合において、用いられる用語は、水素の再循環であり、これは、水素および空気が供給されるシステムに関して最も一般的な動作モードである。カソード側とアノード側との間の薄膜を通した窒素の移動が、これらの２つの動作モードの１つをアノードに適用しなければならない主な理由である。しかしながら、再循環の場合でさえ、セルの性能をひどく損なう値に窒素濃度が達するのを防ぐために、排出が必要である。したがって、最も普通の動作は、再循環および排出を組み合わせる。図１において、排出弁４０が、再循環回路３０上の支線に取り付けられる。先行技術のこのインプリメンテーションでは、相分離器が、設けられていない。しかしながら、このコンポーネントは、一般に、再循環を組み込んだＦＣシステムの満足な動作にとって不可欠ある。その理由は、リサイクルガスを推進する装置（ポンプまたはエゼクタ）を通る液体水の通過が、水素（非常に軽い）と液体水との間の密度の大きな差の結果として、セルまたは補助装置の動作に有害な影響を及ぼす可能性があるからである。実際には、アノード側のセル出口において、液体水は、動作事例の大部分に存在する。さらに、排出が、較正オリフィスを介して連続的に実行される場合には、二相流体の通過はまた、排出流量を不均一にすることによって、問題を引き起こす可能性がある。さらに、相分離器の出口で回収された水は、加湿器６０に再注入することができる。その理由は、ＦＣのセルにおける電解質膜の加湿が、その満足な動作に不可欠な機能だからである。

ガスの排出用の較正オリフィスを組み込んだ相分離器のフローシートを表す図２に示すように、本発明の一実施形態において、相分離器５０が、再循環回路の支線上に設けられる。追加的な出口が、相分離器のチャンバに差し込まれ、かつ排出手段４０を含む。この例において、排出手段はオリフィスであり、その口径は、与えられる排出流量に従って選択される。有利なことに、オリフィスは、分離器の出口に近い領域に位置し、そこでガスは、入口に存在する全ての液体から解放される。

目安として、２０ｋＷの公称電力を用いるセル用にガスを排出するための流量は、ガス排出動作用には１〜２Ｓｌ／ｍｉｎの間で、および水排出動作用には１０〜６０ｍｌ／ｍｉｎの間で変化する。

このインプリメンテーションにおいて、排出流量は、調整することができない。

しかしながら、周期的な開放／閉鎖のためのバルブを較正オリフィスの下流に設けることが可能であり、これによって、細かい調整が可能になる。バルブを開放および閉鎖するための時間を調整することによって、水素損失を低減することが可能である。

排出流量のより細かい調整（典型的には、動作点によって１／２〜３／４Ｓｌ／ｍｉｎの排出ガス）が必要になる場合には、異なる断面を有する較正オリフィスを備えたいくつかの排出管を分離器に取り付けることができる。このように作製された各排出ラインは、弁に接続することができ、この弁が、システムの動作中にラインをアクティブにするかまたはしないことになる。代替として、オリフィスを選択するための装置を、相分離器に直接取り付けることができる。これらのオリフィスが同じラインに配置される場合には、移動する穿孔板を用いて、板の穴（単数または複数）を、１つまたは複数の較正オリフィスと合致させるようにしてもよい。しかしながら、特に小型化の点で最も有利な構成は、オリフィスが円形に配置される構成である。次に、セレクタは、穿孔ディスク、すなわち、そこに存在する穴（単数または複数）が１つまたは複数のオリフィスと合致するためには、回転させることで十分な穿孔ディスクである。

この装置の動作のよりよい理解を可能にするセレクタの２つの例が、図３および４に示されている。図３において、シリンダの内面に位置するディスクは、ただ１つの穴を有し、その直径は、分離器の較正オリフィスのうちで最も大きなオリフィスの直径より大きい。それは、３つの開放位置を取ることができ、それぞれは、オリフィスの１つに対応し、排出は、ディスクの全ての他の位置では停止される。図４において、ディスクはまた、ただ１つの穴だが、しかし、２つの関連するオリフィスの同時的な開放に備えることができるようにする特定の構成を備えた１つの穴を含み、これが、５つの異なる流量を選択することを可能にする。目安として、２０ｋＷセルに対して、較正された穴は、直径を０．１５、０．２、および０．２５ｍｍとすることができる。直径のこの分布によって、現実の全ての状況において排出流量を制御することが可能になろう。始動中は水素圧力が低く、したがって、セレクタが、最も大きな穴の上に配置されることに留意されたい。圧力が上昇するにつれて、セレクタは、均一な排出流量を保証するために、位置を変える。この釣り合いは、圧力、温度および用いられるセルコア技術に依存する。

上記のような１つまたは複数のオリフィスを組み込んだ分離器は、空気で希釈するためのモジュールまたは触媒炉に直接接続することができる。この接続はまた、いくつかの動作段階において排出を漏れなく止めることに備えた弁を介して行うことができる。最後に、上記のような相分離器は、ＦＣシステムの小型化をさらに進めるために、それが接続される燃料電池のヘッドまたは端板の１つに組み込むことができる。

上記のような１つまたは複数のオリフィスを組み込んだ分離器は、空気で希釈するためのモジュールまたは触媒炉に直接接続することができる。この接続はまた、いくつかの動作段階において排出を漏れなく止めることに備えた弁を介して行うことができる。

上記の様々な相分離器を用いた排出の管理は、説明される場合に従って多かれ少なかれ柔軟である。
− １つのオリフィスの場合には、排出流量は、相分離器における水素圧力にのみ依存する。この流量を調整するための一手段は、水素ラインにおける圧力を変えることになり得る。この圧力は、セルによって供給される出力によって変化する。この場合には、システムの性能が排出流量の減少によって改善されるので、低出力での動作用に低圧が用いられる。必要ならば、低出力のために、オリフィスの下流で弁を周期的に開放することによる動作モードに返ることもまた可能である。

いくつかのオリフィスの場合には、上記のようなセレクタを用いて流量における変化をもたらすのが簡単である。セレクタは、電気および／または空気手段によって動かすことができる。これと、前述の場合におけるように、セルによって供給される出力レベルの関数としての水素圧力における変化と、を組み合わせることが可能である。ここでは、オリフィスの下流における弁の周期的な開放による動作モードを想定することができる。

オリフィスの下流に位置する弁の周期的な開放によって、水素ラインにおける窒素濃度を細かく調整することが可能になる。これは、次のことゆえに、先行技術において用いられる排出システムから区別される。すなわち、弁を開放する段階中における濃度の減少率がはるかに低く、これが、調整をより精密にするということである。

周期的な排出によって水素ラインにおける窒素濃度を調整する先行技術からの例が、図５に示されている。水素ラインにおける窒素濃度は、排出弁を開くに急に降下する（６０％からゼロに）のに対して、弁が閉じられている場合には、ゆっくり増加する。したがって、排出弁を、上記のような較正オリフィス装置と組み合わせることによって、これらのゆっくりした動きを利用することが可能である。いくつかの動作段階において、このオリフィスを介して水素損失を制限するために、排出弁の周期的な閉鎖は、燃料電池の有効動作に適合する範囲内に窒素濃度を調整しながら、既存の流量を大幅に低減すること（例えば、１の開放時間／閉鎖時間比に対して２分の１）を可能にする。そのとき、より小さなオリフィスに事実上等しいシステムが存在する。

本発明の一実施形態において、較正オリフィスを組み込んだ排出ラインの交互の開放／閉鎖による水素ラインのこの動作モードの一例が、図６に示されている。この場合には、オリフィスの開放および閉鎖の期間がより接近し、窒素濃度における変動の範囲は狭いままである（この例では３０〜４０％）。

上記の例は、本発明の実施形態の実例として提示されている。これらの例は、本発明の範囲を決して限定するものではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。

Claims (8)

1. 反応生成物をセルから排出するための手段（４０）および前記生成物の相を分離するための手段（５０）を含む、燃料電池（１０）に結合された、燃料または酸化剤をリサイクルするための回路（３０）であって、前記排出手段が、相を分離するための前記手段の出口を構成し、かつ電気機械弁によってそれぞれが制御されるいくつかの較正された出口オリフィスを含み、これらのオリフィスの開放および閉鎖が、所与の瞬間にアクティブである前記出口オリフィスの群を選択するように制御され、前記リサイクル回路が、前記較正オリフィスがハウジングに配置されることと、相を分離するための前記手段に面する前記ハウジングの内側面が前記出口オリフィスの口径に適した寸法を備えた少なくとも１つの穴を有し、かつ電気および空気手段の群から選択される手段の制御下で前記較正オリフィスの一部を隠すために移動できることと、を特徴とする回路。
2. 前記ハウジングが、ほぼシリンダ形状を有することと、前記空洞の前記内側面の移動が、回転移動であることと、を特徴とする、請求項１に記載のリサイクル回路。
3. 前記分離手段に面する前記内側面が、単一の穴を有し、その位置が、前記出口オリフィスのただ１つの活性化、または前記排出手段の完全な不活性化に対応することを特徴とする、請求項２に記載のリサイクル回路。
4. 相を分離するための前記手段に面する前記内側面が、単一の穴を有し、その位置が、前記関連する出口オリフィスの少なくとも２つの活性化、または前記排出手段の完全な不活性化に対応することを特徴とする、請求項２に記載のリサイクル回路。
5. 希釈および触媒焼却からなる群から選択される前記排出物の処理を実行するために、前記排出手段の出口にモジュールが設けられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のリサイクル回路。
6. アノードおよびカソードを有する個別セルのアセンブリを含む燃料電池において電流を生成するための方法であって、前記アセンブリが、燃料および酸化剤を供給され、どちらかが、ガス混合物をリサイクルするための回路で構成され、前記方法が、反応生成物を前記セルから排出するステージを含み、前記セルの排出物の流量が、前記排出ステージの出口において、いくつかの較正オリフィスの交互の開放／閉鎖によって制御され、前記方法が、前記較正オリフィスがハウジングに配置されることと、相を分離するための前記手段に面する前記ハウジングの内側面が前記出口オリフィスの口径に適した寸法を備えた少なくとも１つの穴を有することと、前記方法が、前記較正オリフィスの一部を隠すために、電気および空気手段の群から選択される手段によって、前記ハウジングの前記内側面を移動させるステージを含むことと、を特徴とする方法。
7. 前記リサイクル回路が、請求項２に記載のように作製されることを特徴とする、請求項６に記載の電流を生成するための方法。
8. 前記排出ステージの出口における前記排出物流量の制御モードが、水素供給ラインにおける圧力の変動と組み合わされることを特徴とする、請求項７に記載の電流を生成するための方法。

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