JP3654871B2 - 燃料電池用アノード流れ再循環システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池用アノード流れ再循環システムに関し、特に、プロトン交換膜燃料電池で用いられるアノード流れ再循環システムに関し、特に、プロトン交換膜燃料電池に利用される水素再循環システムに関する。本発明は、慣用的な燃料電池用アノード流れ再循環システムに必要とされている要素を削除し、燃料電池の構成部品の製造コストを低減する。更に、本発明は、アノード流れ再循環システムに必要な電気エネルギーを低減し、燃料電池システムの発電効率を全体的に向上することができる。
【０００２】
【従来の技術】
人類の文明が急速に発展するにつれて、石炭、石油、天然ガスのような伝統的なエネルギー源の消費は急激に増大している。これは、深刻な環境の汚染をもたらし、及び、地球温暖化、酸性雨のような一連の環境問題を引き起こしている。現在では、天然のエネルギー資源は限られていると認識されている。従って、現在のエネルギー消費の割合が継続すると、近い未来には現存する全ての天然エネルギー源が枯渇してしまうであろう。これに伴って、多くの先進国は、新たな代替可能なエネルギー源の研究、開発に専念している。燃料電池は、最も重要かつ妥当な価格の選択の一つである。伝統的な内燃機関と比べて、燃料電池は多くの利点を有しており、かかる利点としては、エネルギー変換効率が高いこと、排ガスが清浄なこと、騒音が低いこと、伝統的なガソリンを消費しないことなどが挙げられる。
【０００３】
要するに、燃料電池は、水素と酸素の電気化学的反応により、動力が供給される発電装置である。基本的には、この反応は、水の電気分解の逆反応であり、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。燃料電池の基本的な構造としては、例えば、プロトン交換膜燃料電池では複数の電池ユニットを含む。一般的には図１に示される電池ユニットの構造は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）１０を真ん中に、その二つの側面には触媒１２層が設けられ、触媒１２の二つの外側面の各々には、ガス拡散層（ＧＤＬ）１４が設けられている。アノード板１６及びカソード板１８が更に、ＧＤＬに隣接して最外層に設けられる。上記要素の全てを強固に組み合わせ、電池ユニットが形成される。燃料電池の実際的な適用としては、図２に示すように、複数の上記電池ユニットが積み重なれ、直列に接続されて、十分な電力を供給する。したがって、図３に示すように、二つの隣接する電池ユニットは、共通極板２０を共用し、これはその二つの隣接する電池ユニットのアノード及びカソードとしてそれぞれ作用する。これに伴って、このような極板２０は通常、双極板と呼ばれる。一般的に、図３に示すように、双極板２０の二つの側面には、多くの溝型ガス路２２が設けられ、溝型ガス路２２は水素及び空気（酸素の供給用）のような反応ガスを輸送したり、水滴又は蒸気のような反応物を双極板から排出するように輸送する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池用の一つの慣用的なガス供給システムは、図４に示すように、カソードガス供給システム（酸素供給のようなもの）と、アノード循環システム（水素循環システムのようなもの）とを含む。大気の空気が、酸素供給システム３０の供給源として作用し、空気はフィルター３２でろ過され、ブロワー（blower）３４を介して燃料電池５０に送り込まれる。過剰な空気は、燃料電池５０内で反応して、水回復器３６（recuperator）を通って、放出される。水回復器３６は、放出空気中に含まれるわずかな量の水を回復することができ、その水は冷却システム３８に向けられる。燃料電池５０から発生した無駄な熱も冷却システム３８に伝達される。冷却システム３８中の冷却媒体は、燃料電池５０に再進入し、充分な冷却を提供する。
【０００５】
慣用的なアノード循環システムは、水素源４０を含み、水素源４０は制御弁４２を介して水素流入を制御する。水素ポンプ４４も含み、水素ポンプ４４は燃料電池５０の他方の端部に設けられ、燃料電池内で反応した過剰な水素を放出し、水素源４０から燃料電池５０内にポンプで流入させる。過剰な水素は、過剰な水素の湿度を上昇させるために、バブラー(bubbler)のような加湿器４６を通って放出され、それから、新鮮な水素と混合されるために、水素供給の配管に流れ戻り、この同じ循環を繰り返す。加湿器４６内の水は、冷却システム３８の水と連通する。
【０００６】
燃料電池の双極板内の水素は、反応後の水素イオン（Ｈ⁺）が水蒸気によってＰＥＭを通って運ばれるように、適度の湿度を保持しなければならない。水素イオンはＰＥＭの他方の側で酸素と、外部回路から提供される電子と反応し、プロトン伝導を確立する。一般的には、水素の湿度が低すぎると、ＰＥＭは脱水状態となり、燃料電池の電気抵抗は上昇し、燃料電池の電圧は低減し、これは、燃料電池の可動寿命を顕著に縮める結果となる。一方、水素の湿度が高すぎるときには、双極板内のガス移動のチャンネルが水滴で詰まり、これは燃料電池内でのガス反応を停止して、燃料電池の作動の深刻な障害となる。したがって、アノード流れ再循環システムでは、水素の湿度を調整する加湿器が一般的に必要とされる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の主要な目的は、燃料電池から放出される過剰水素の圧力を検出して水素源の開放、閉鎖を決定することにより、慣用的なアノード流れ再循環システムを向上することにある。従って、慣用的な水素ポンプを除去することができ、燃料電池の電力の渦流損を低減することができ、燃料電池の全体的な発電効率を向上することができる。
【０００８】
本発明の更なる目的は、水素源を断続的に開放、閉鎖することにより導入される圧力パルスにより、燃料電池内の双極板のガス路を自動的に掃除して、ガス路内に水滴が留まることがないようにし、燃料電池の発電効率を阻害しないようにする。本発明の更なる目的は、製造プロセスを簡略化し、アノード流れ再循環システム内に用いられる加湿器のデザインを向上することにより、燃料電池の製造コストを低減することにある。
【０００９】
本発明の主要な技術内容は、燃料電池用アノード流れ再循環システムに関する。燃料電池は、アノードガス送入口と、アノードガス送出口とを含む。アノード流れ再循環システムは、燃料電池の反応に必要とされるアノードガスを提供するアノードガス供給と、前記アノードガス供給に接続してアノードガス供給の開放、閉鎖を制御するスイッチと、一方の端部でスイッチに接続し、他方の端部で燃料電池のアノードガス送入口に接続し、供給されるアノードガスの量を制御する制御装置と、燃料電池のアノードガス送出口に接続して反応後に燃料電池から放出されるアノードガスの量を検出するセンサーであって、スイッチの開放、閉鎖を制御するセンサーと、スイッチにも接続し、燃料電池のアノードガス送出口とアノードガス送入口との間に接続する加湿器であって、放出されたアノードガスの湿度を調整する加湿器とから成り、放出されたアノードガスは、湿度の調整後、燃料電池のアノードガス入力に再び向けられ、アノードガス再循環を形成する。
【００１０】
本発明の構造及び特徴は、添付図面及び好ましい実施態様により明らかになる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、燃料電池用アノード流れ再循環システムに関し、特に、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池に利用される水素再循環システムに関する。
【００１２】
本発明の好ましい実施態様の一つは、実質的に図５に示され、燃料電池８０で進行する反応に必要なアノードガスを提供するアノードガス供給源６０を含む。プロトン交換膜燃料電池の本実施態様では、アノードガスは水素である。アノードガスは、アノードガス送入口８２を通って燃料電池８０に入る前に、スイッチ６２及び制御装置６４を通って流れる。スイッチ６２は電磁弁であってもよく、これは、配管内のガス流れの開放／閉鎖を制御するために用いられ、新鮮なアノードガスが、アノードガス供給源６０から排出されるべきか否かを決定する。制御装置６４は制御弁であってもよく、例えば、そこを通って流れるアノードガスの量を調整する。一般的には、制御装置は、燃料電池の特定の発電に必要な化学量論量より多いアノードガスの流量が提供されるように設定され、これにより、燃料電池８０内で完全に電気化学反応が起こるのを確実にする。燃料電池８０は、アノードガス送出口８４をも有する。
【００１３】
アノード流れ再循環システムは、アノードガス送出配管に沿ってアノードガス送出口８４の後のどこかに、好ましい実施態様では圧力スイッチのようなセンサー６６を更に含む。加えて、センサー６６は、燃料電池８０から放出されるアノードガスの圧力又は量を検出するのに用いられる。これに加えて、センサー６６はスイッチ６２に電気的に接続されている。従って、センサー６６は、放出されたアノードガスの圧力に従って、スイッチ６２を入れたり切ったりするように使用することができる。
【００１４】
本発明は、更に加湿器７０を含み、この加湿器はアノードガス送出配管に沿って、燃料電池８０の後に、放出されたアノードガスの湿度を調整するために、取り付けられる。湿度の調整後に、放出されたアノードガスはアノードガス送入配管そして燃料電池８０に再び向けられ、アノードガス再循環を形成する。図５に示されるように、放出されたアノードガスは、前記配管にて、新鮮なアノードガスと混合されることができる。この新鮮なアノードガスはアノードガス供給源６０から制御されて放出され、スイッチ６２及び制御装置６４を通っているものである。
【００１５】
本発明の好ましい実施態様では、センサー６６は、燃料電池８０から放出されたアノードガスの圧力を測定する。この圧力が上昇し、第１の所定値になったときには、例えば、１０ｐｓｉより実質的に高いゲージ圧力に到達したときには、センサー６６はスイッチ６２を切る信号を伝達する。この圧力が減少し、第２の所定値になったときには、例えば、２ｐｓｉより実質的に低い値に到達したときには、センサー６６はスイッチ６２を入れる別の信号を伝達する。更に、制御装置６４が、アノードガス供給６０から燃料電池８０へのアノードガス圧力を第１の所定値とほぼ同じ値、例えば、好ましい実施態様では１０ｐｓｉに制御する。一旦、燃料電池８０の操作が開始したら、スイッチ６２は開放され、これにより、アノードガスが燃料電池８０に輸送されることができる。センサー６６がアノードガスの圧力が第１の所定値に到達したことを検出したときには、センサー６６は制御信号をスイッチ６２に伝達し、これにより、スイッチを切る。この時点では、新鮮なアノードガスはこれ以上供給されない。アノードガスの流速は、燃料電池８０の特定の発電に必要な化学量論量より多い値に設定され、これにより、燃料電池８０内で電気化学反応が完全に起こることを確実にする。従って、燃料電池８０内の反応後の過剰なアノードガスは、送出配管に流れ込み、この過剰なアノードガスは、リサイクルされて消費されるように、燃料電池８０のアノードガス送入口８２に再び向けられる。燃料電池８０内で電気化学反応が進行するにつれて、リサイクルされたアノードガスも同様に消費され、従って、燃料電池８０から放出される過剰なアノードガスの圧力は持続的に減少する。この圧力低下が第２の所定値に到達したときには、センサ６６が別の制御信号をスイッチ６２に伝達し、スイッチを入れ、これにより、新鮮なアノードガスがアノードガス供給源６０から再び提供されることができる。
【００１６】
図６は、本発明の好ましい実施態様に従って、燃料電池８０内のアノードガス圧力の時間変化を示すものである。本発明の再循環システム内のアノードガスがある程度、消費されたときには、新鮮なアノードガスが反応用に燃料電池８０に自動的に供給されることができ、そして、アノードガスの流れ再循環が達成されることができ、従来技術では必要であった水素ポンプ４４が全く不必要になる。従って、本発明は、燃料電池そのものの電気エネルギーの渦損を低減することができる。この好ましい実施態様では、燃料電池から発生する電力の約５％を節約することができ、従って、燃料電池システムの全体的な発電効率が向上する。
【００１７】
本発明の上記デザインは、別の利点を提供することができる。即ち、スイッチ６２が開放される時にはいつも、顕著により高い圧力のアノードガスが、システム全体、特に燃料電池８０に押し込まれる。この結果、燃料電池８０の反応から凝縮された水滴又は双極板のガス路２２内に存在するいかなる望ましくない粒子が、断続的な高圧推力ガスにより、粉砕され、ガス路２２から排出される。従って、本発明は、断続的かつ自動的に燃料電池内のガス路内の水滴、粒子等を取り除く機能を提供する。
【００１８】
本発明の好ましい実施態様が提供する別の特徴は、加湿器７０はハウジング７２を含み、ハウジング７２はその中に適切な量の水を含有する。これに加えて、スポンジ又はその他の類似の物性の物品のような複数の親水性シート７６がハウジング７２内に備えられ、親水性シート７６の各々は水７４内に部分的に浸される。図５に示すように、燃料電池から放出された過剰なアノードガスは加湿器７０の水位より下に向けられ、ガスは水から泡として浮かび上がり、飽和親水性シート７６を通過し、そして、ハウジング７２の他端に向けられる。従って、このような単純な構成により、再循環するアノードガスの湿度が加湿器７０により容易に制御される。慣用的なバブラー（bubbler）又は蒸気発生器と比較して、本発明の上記加湿器７０は更に簡易な構成であり、製造コストは明らかにより安くあがる。更に、このような加湿器は作動中に電力を消費しないので、燃料電池の電気エネルギーの渦流損が更に低下する。それにもかかわらず、慣用的なバブラー又は蒸気発生器は、所望の機能又は目的を達成するために、本発明のアノード流れ再循環システムに適用してもよい。最後に、アノード流れ再循環システムの配管中のガスがデザインされた方向に向けられることを確実にするために、チェック弁７８を加湿器７０の両側の適切な位置に、図５に示すように備えてもよい。
【００１９】
本発明は、慣用技術を突破する独創的な創造に関する。しかし、上記の説明は、本発明の好ましい実施態様の説明に向けられている。本発明の技術的概念から逸脱することなく、当業者は様々な変更及び改変をすることができる。本発明は好ましい実施態様に関連して説明された特定の細部に限定されることがないので、本発明の全体的な基本的機能を変更することなく、好ましい実施態様のある種の構成の変更は、添付クレームの範囲内にあるものと思考することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 慣用的な燃料電池の電池ユニットの構造を示す断面図である。
【図２】 複数の慣用的な電池ユニットを組み合せた構造を示す断面図である。
【図３】 慣用的な燃料電池の部分を示す断面図である。
【図４】 慣用的な燃料電池のガス供給を示す説明図である。
【図５】 本発明のアノードガス再循環システムの好ましい実施態様を示す説明図である。
【図６】 本発明の好ましい実施態様にしたがって、時間を変数として、燃料電池内のアノードガスの圧力を示すものである。
【符号の説明】
１０ プロトン交換膜
１２ 触媒
１４ ガス拡散層
１６ アノード板
１８ カソード板
２０ 双極板
２２ ガス路
３０ 酸素供給システム
３２ フィルター
３４ ブロワー
３６ 水回復器
３８ 冷却システム
４０ 水素源
４２ 制御弁
４４ 水素ポンプ
４６ 加湿器
５０ 燃料電池
６０ アノードガス供給源
６２ スイッチ
６４ 制御弁
６６ センサー
７０ 加湿器
７２ ハウジング
７４ 水
７６ 親水性シート
７８ チェック弁
８０ 燃料電池
８２ アノードガス送入口
８４ アノードガス送出口

Claims (9)

1. 燃料電池はアノードガス送入口とアノードガス送出口とを含む燃料電池用アノード流れ再循環システムであって、
   燃料電池の反応に必要なアノードガスを提供するアノードガス供給源と、
   このアノードガス供給源に接続するスイッチと、
   前記スイッチと前記燃料電池の前記アノードガス送入口との間に接続される制御装置と、
   前記燃料電池の前記アノードガス送出口と前記スイッチの双方に接続され、前記燃料電池から放出されるアノードガスの圧力を検出するセンサーと、
   アノードガス再循環を形成するために、前記燃料電池の前記アノードガス送出口と前記アノードガス送入口との間を接続する加湿器と、を備え、
   前記センサーは、アノードガスの圧力が第１の所定値まで上昇したときには、前記スイッチを切るために信号を伝達し、アノードガスの圧力が前記第１の所定値よりも小さい第２の所定値まで減少したときには、前記スイッチを入れるために別の信号を伝達するものである、
   ことを特徴とする燃料電池用アノードガス流れ再循環システム。
2. 前記アノードガスが水素である請求項１に記載の燃料電池用アノード流れ再循環システム。
3. 前記スイッチが電磁弁である請求項１に記載の燃料電池用アノードガス流れ再循環システム。
4. 前記加湿器はハウジングを含み、前記ハウジングは適切な量の水とその内部に提供される複数の親水性シートを含有し、前記親水性シートの各々は部分的に前記水に浸されている請求項１に記載の燃料電池用アノードガス流れ再循環システム。
5. 前記加湿器がバブラーである請求項１に記載の燃料電池用アノードガス流れ再循環システム。
6. 前記加湿器が蒸気発生器である請求項１に記載の燃料電池用アノードガス流れ再循環システム。
7. 更に二つのチェック弁を含み、その一方は前記燃料電池の前記アノードガス送入口と前記加湿器の間に提供され、その他方は前記燃料電池の前記アノードガス送出口と前記加湿器との間に提供される請求項１に記載の燃料電池用アノードガス流れ再循環システム。
8. 制御装置は、アノードガス供給から燃料電池へのアノードガスの圧力を第１の所定値と実質的に等しい値に制御する請求項１に記載の燃料電池用アノードガス流れ再循環システム。
9. 第１の所定値が１０ｐｓｉより実質的に高いゲージ圧に設定され、第２の所定値が２ｐｓｉより実質的に低いゲージ圧に設定される請求項１に記載の燃料電池用アノードガス流れ再循環システム。

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