JP5184083B2 - 燃料電池の高分子膜の加湿制御 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関し、具体的には、自動車への燃料電池の適用に関する。

既知のように、燃料電池は、機械エネルギへの変換を進めることなしで、水素（燃料）と酸素（燃焼支持気体）との間の電気化学レドックス反応により、電気エネルギの直接生成を可能にする。この技術は、特に、自動車への適用に期待できるように思われる。燃料電池は、一般に、各々が基本的には電解質により分離されたアノードとカソードとで構成された一連の単一の要素の会合を含む。

自動車への適用に対して良好に役立つ種類の電解質の１つは、基本的には、イオンがアノードとカソードとの間を通過することを可能にする高分子膜で構成された固体電解質である。こうした膜の特定の種類は、例えば、商品名「Ｎａｆｉｏｎ」としてＤｕＰｏｎｔ社により提案されている。これらの膜は、水素プロトンによりトラバースされるために、良好なイオン伝導率をもっていなければならず、かつ、電子が電池の外部にある電気回路を通って移動するように電気的に絶縁性のものでなければならない。既知のように、上述の種類の膜だけでなく、さらに、燃料電池において固体電解質として用いられる他の膜においても、膜の伝導率は含水量の関数である。そのために、電池に与えられる気体は、十分な水分を含んでいなければならない。

燃料に関しては、水素の供給源が使用可能であるか、又は、必要な水素が、例えば炭化水素が供給される改質装置自体により、燃料電池の近くで生成される。燃焼性気体に関しては、燃料電池に、圧縮大気及び過剰気体が供給されて少量の酸素含有量が電池の下流側に排出されるか、又は、燃料電池に純酸素が供給される。

通常の動作中、燃料電池は、水素（燃料）及び酸素（大気又は純気体の形態で与えられた燃焼性気体）を消費する。燃料電池は、水素（Ｈ₂）が、高分子膜を通る水素プロトン（２Ｈ⁺）に変換され、酸素（１／２ Ｏ₂）と化合して水（Ｈ₂Ｏ）を生成する電気（２ｅ^―）に変換される陽極反応場所である。したがって、燃料電池は、基本的にはカソード気体（酸素）回路において、電池にわたり接続された電気負荷により取られる電流に比例する量の水を継続的に生成する。したがって、カソード側の気体は、迅速に水により飽和し、さらに過飽和するようになる（すなわち、気体形態の水の他に、液体形態の水を含む）。

特許明細書ＵＳ ２００２／０１７５０１０号は、伝統的に、電池により生成された水を用いて、高分子膜のカソード側及びアノード側の両方の加湿を保証することを示す。アノード側の膜の加湿、すなわち、水素回路に関しては、具体的には、一方の面が水により過飽和になった空気と接触し、他方の面は水素と接触する水浸透性膜を用いることが提案されている。しかし、この解決法は複雑であることに加えて、気体中の湿気量の実際の調整を可能にするものではない。

特許明細書ＪＰ ２００４／０７９２５１号は、電解処理装置又は改質装置において生成された水素の除湿について説明する。除湿される水素は、リサイクルから来るものではない。除湿装置から来る除湿された水素を、除湿装置を通らないバイパス回路を循環する非常に水分を含んだ水素と混合することにより、水素の加湿を制御することが提案されており、この後者の流れは、前述のバイパス回路における比例弁により制御される。

特許明細書ＥＰ １ ３８９ ８０６号は、電池の内部ダクトの特定の配置を有して、電池の内側の水保持区域を改良し、加湿を制御する、固体高分子電解質をもつ燃料電池について説明する。特許明細書ＪＰ ０９／１８０７４３号は、水分離器の温度に作用することにより、湿度レベルを制御することを提案する。これらの刊行物のすべては、固体高分子電解質をもつ電池の加湿問題に対処するが、そのいずれも、すべての状況下で高分子膜電解質の正しい加湿を保証するための信頼性があり精密なシステムを提案していない。

本発明の目的は、燃料電池が所定の加湿条件において最適な動作特性を有する電解質をもつ燃料電池に与えられる気体の湿度レベルの最適化を可能にする手段を提案することである。このことは、現在知られている電解質において、基本的に固体高分子膜で構成された電解質の種類によくあることであると知られている。

本発明は、各々が、所定の加湿条件において最適な動作特性を有する固体電解質の一方の側にアノードを有し、他方の側にカソードを有する複数の個々の電池を含み、アノード側に燃料気体供給回路を有し、カソード側に燃焼性気体回路を有する燃料電池と、燃料電池により消費されなかった気体をリサイクルし、消費されなかった気体内に含まれる水を除去することを可能にする除湿装置を含み、燃料電池の下流側の湿った気体を収集して、湿った気体を除湿装置に送り、除湿した気体を、気体が除湿装置を通った後で、燃料電池の上流側の送り回路に戻す、燃料気体又は燃焼性気体の１つのための少なくとも１つのリサイクル回路と、を含み、リサイクル回路は、除湿装置と並行して取り付けられ、燃料電池の下流側の幾らかの湿った気体を取り出し、除湿装置を通ることなく、湿った気体を送り回路に通し、さらに、電池の上流側から戻された湿った気体と除湿した気体との間の比率を制御するための測定手段を含むことを特徴とする電気生成システムを提案する。

本発明のすべての態様は、燃料電池が備えられた自動車に取り付けられる冷却回路を示す１つの図を参照する説明の残りの部分により明らかにされる。

図１は、高分子膜形態の電解質をもつ種類の燃料電池１（すなわち、ＰＥＦＣ−高分子電解質燃料電池の種類）を示す。しかし、本発明は、燃料電池が、制御された気体加湿条件において最適な動作特性を示すいずれの電解質にも適用可能である。

電池には、２つの気体、すなわち、燃料（例えば、水素）と燃焼性気体（空気又は圧縮酸素タンクからの酸素）が供給され、これは電気化学電池の電極に与えられる。簡単にするために、図１は、２つの気体回路のうちの一方、すなわち、この場合は酸素回路であるカソード側にある気体のための回路だけを示す（図におけるＯ₂送り装置を参照されたい）。もちろん、同じ構成を水素側に採用できることが理解される。説明の残りの部分は、燃焼性気体のためのリサイクル回路、すなわち、カソード側にある回路に限定されるが、これに制限されるものではない。

図は、燃料電池１の入口に接続する前に種々の要素を通る取り込みパイプ１１により電池に接続された酸素のタンク２を示す。この取り込みパイプ１１は、第１に遮断弁１１ｖを通り、必要であれば、他の弁（図示せず）を通る。電池を通る気体の流れは、消費される量より大きく、電池により消費されなかった流れはリサイクルされるため、酸素回路がループを形成することは明らかである。その目的のために、送り回路１１は、次いで、エゼクタ４を通る。次いで、例えば、サイクロンで構成された水分離器５、すなわち、液体の水を遠心作用により気体から除去することを可能にするデバイスがある。このサイクロン５の下方出口において、パイプ１９は、液体の水が燃料電池１の下流側に通ることを可能にし、ここで、燃料電池１の気体のための出口パイプ１２と再結合する。最終的には、送り回路１１は、燃料電池１のカソード回路の入口オリフィスに接続される。

燃料電池１の出口において、出口パイプ１２は、除湿装置３に進むのを見ることができる。酸素回路のパージは、出口パイプ１２へのバイパスとして接続されており、パージ弁１２ｖにより制御される。除湿装置３は、基本的には、気体により運ばれる液体の水を重力により収集する受け部で構成される。遮断弁１１ｖのすぐ後で、酸素送り回路が、除湿装置３内に配置された螺旋コイル１１ｓを通るのを見ることができる。これは、主として、酸素が膨張した後で酸素を復温させるように働く。さらに、これは、蒸気形態で気体に存在する水の凝結をもたらすのに有益であり、これは除湿装置３の効率を改善する。

水レベル検出器３１は、除湿装置３の内側に嵌められ、排水パイプは除湿装置３の底部に向かって下方に延びる。水は、受け部内の水の表面に作用して、水を排水パイプに吐出する燃料電池の酸素回路における圧力の効果により除去される。吐出される水の量は、排水弁３２により制御される。

制御された戻りパイプ１３は、一方の側が除湿装置３の上方部分に接続され、他方の側がエゼクタ４に接続される。ポンプ６３はこの戻りパイプ１３に嵌められる。受動戻りパイプ１４は、一方の側が除湿装置３の上方部分に接続され、他方の側がエゼクタ４に接続される。この受動戻りパイプ１４は、したがって、制御された戻りパイプ１３と並行して接続される。これは、流れの能動制御のためにいずれのポンプも他の手段も含まない。これは、一方向弁１４Ａを含む。これを通る流れは、エゼクタ４におけるベンチュリ効果によりもたらされる。

直接回路１５は、除湿装置３をバイパスする。見られるように、この回路は、一方の側が除湿装置３の上流側にある出口パイプ１２に接続され、他方の側は、ポンプ６３の後でエゼクタ４の前の戻りパイプ１３において終了する。直接回路１５は、ポンプ６５を含む。

したがって、リサイクル回路は、出口パイプ１２と、制御された戻りパイプ１３と、受動戻りパイプ１４と、直接回路１５と、これらのパイプ及び回路に嵌められた要素、具体的には、ポンプ６３及び６５並びに除湿装置３とにより形成される。制御された戻りパイプ１３と受動戻りパイプ１４は、乾燥気体のためのリサイクル回路を形成する。直接回路１５は、湿った気体のためのリサイクル回路である。

制御ユニット７は、燃料電池１を用いて電気エネルギ生成システムの種々の要素の制御を可能にする。リサイクルされた乾燥気体及び湿った気体のそれぞれの比率に対する測定手段は、ポンプ６３及び６５の動作の選択的な制御を可能にする前述の制御ユニット７を含む。

その目的のために、制御ユニットは、燃料電池１の温度センサ７１、電池により送給された電力及び／又は燃料電池バッテリ内の個々の電池又はこれらの電池の少なくとも幾つかの電圧のインジケータ７２、電池１のちょうど入口に取り付けられた湿度センサ７４により測定された湿度レベル、電池の入口における酸素温度、除湿装置３の壁の温度、冷却水の温度などの種々のセンサからの情報を用いる。制御ユニット７は、遮断弁１１ｖ、又は、酸素送り圧力が送給されている電力に調整されることを可能にする弁に対する作用、或いは、例えば、時々、気体の短時間のパージを実行して、電池の効率を減少させることがある不活性気体が蓄積しないようにするパージ弁１２ｖに対する作用を可能にする。制御ユニット７は、さらに、除湿装置３における水レベルが水レベル検出器３１により最大に到達したことが検出されたときに、幾らかの水が逃れられるように、排水弁３２ｖを、例えば、ほんの一瞬のオーダーといった所定の時間において開くことを可能にする。或いは、この調整は、最小水レベル検出器により行うことができる。

前述された本発明の簡単な説明において述べられた線量測定手段に関しては、この説明が指す特定の実施形態においては、これらは実際、一方（６５）が直接回路に嵌められ、他方（６３）が除湿装置の下流側のリサイクル回路に嵌められた２つのポンプ６３、６５を含み、さらに、直接回路１５を通って直接リサイクルされた湿った気体と除湿装置３によりリサイクルされた乾燥気体との間の割合を正確に求めるために、前述のポンプ６３及び６５の動作が、経験上、必要であれば、エゼクタ４におけるベンチュリ効果のためにリサイクルされた気体の流れを考慮して、選択的に作動されることを可能にする制御ユニット７を含む。制御ユニット７は、湿度センサ７４により伝送された値の関数として、選択的に、ポンプ６３及び６５の動作を制御することが好ましい。

具体的には、起動段階において、燃料電池１が依然として冷たいときには、制御ユニット７は、同様に乗り物に嵌められたエネルギ管理ユニットに、燃料電池１から引き出される動力を制限するコマンドを送り、電池の加熱段階においては、ポンプ６３を作動させることなしでポンプ６５を作動させることにより、気体を直接リサイクルする。

格納タンク２からの気体は、一般に冷たく（相当な膨張を受けているため、除湿装置３において暖められていても）、乾燥している。この冷たい気体をリサイクルされた気体と混合することは、外部エネルギをそれほど入力することなしで、温度及び湿度を十分なレベルに増加させることを可能にする。事実上、燃料電池１から直接出てきて、出口パイプ１２において循環する気体は熱く、水蒸気で飽和されており、さらに過飽和されている。水は、除湿装置３においてなくなる。次いで、戻りライン１３において循環している気体はより冷たい。燃料電池１において優勢の条件（冷たい起動、フルパワー）を考慮して、制御ユニット７は、液滴から自由になった高温気体のリサイクルに好都合であるようにポンプ６５（「湿った」サーキュレータ）に作用することができ、又は、熱が少なく、より乾燥した気体のリサイクルに好都合であるようにポンプ６３（「乾燥」サーキュレータ）に作用することができ、これら２種類の気体の間でいずれの割合も生成することができる。したがって、燃料電池１に与えるための最適な加湿気体の混合物を得ることができる。

特定の動作段階においては、両方のポンプを停止させることができ、リサイクル処理は、エゼクタの存在によるベンチュリ効果によって生じるようにしておくことができ、これはエネルギ節約という利点を有する。エゼクタは、本発明の実施において義務的なものではない。より簡単な適用例においては、エゼクタを省き、単純な接続で置き換えることができ、受動戻りパイプ１４を省くことができる。それぞれのポンプ６３及び６５をもつ制御された戻りパイプ１３及び直接回路１５は、乾燥気体及び湿った気体のそれぞれの比率の制御を可能にする。

変形態様として、燃焼性気体回路においては、酸素と少なくとも１つの中性気体、例えば、３０％の窒素との混合物を送ることができる。しかし、説明された適用例は、圧力下で格納された純酸素を用いる。この解決法は、具体的には、電流に対する要求へのより動的な電池の応答という幾らかの利点を有し、これは、静的用途とは対照的に、特に断続的な動作条件を課すと知られている自動車といった移送手段における適用例に特に有利である。述べることができる、燃料電池に純酸素を送ることについての他の利点は、効率及び出力密度がよくなることである。さらに、加湿に関しては、このこともまた、圧縮空気によってより、純酸素によって、より効率的に動作する。事実上、電池により用いられる同じ量の酸素において、約２１％の酸素のみを含む空気が送られた場合には、電池により生成される同じ量の水が、大幅に大きい量の気体に含まれる。そのため、同じ気体の湿気レベルを実現するためには、水の約５倍の水を気化させなければならない。

高分子膜形態の電解質をもつ型の燃料電池１を示す。

Claims (9)

1. 各々が、所定の加湿条件において最適な動作特性を有する固体電解質の一方の側にアノードを有し、他方の側にカソードを有する複数の個々の電池を含み、前記アノード側に燃料気体供給回路（１１）を有し、前記カソード側に燃焼性気体回路を有する燃料電池（１）と、
   前記燃料電池により消費されなかった気体をリサイクルし、前記消費されなかった気体内に含まれる水を除去することを可能にする除湿装置（３）を含み、前記燃料電池の下流側の湿った気体を収集して、前記湿った気体を前記除湿装置に送り、除湿した気体を、前記気体が前記除湿装置を通った後で、前記燃料電池の上流側の前記燃料気体供給回路（１１）に通す、前記燃料気体又は燃焼性気体の１つのための少なくとも１つのリサイクル回路と、
   を含む電気生成システムであって、
   前記リサイクル回路が、前記除湿装置（３）の下流側に取り付けられた、ポンプ（６３）を含む制御されたリサイクル・パイプ（１３）を含み、前記除湿装置と並行して取り付けられた、ポンプ（６５）を含む直接回路（１５）を含み、前記直接回路（１５）が、前記燃料電池の下流側の前記湿った気体を取り出し、前記除湿装置（３）を通ることなく、前記湿った気体を前記燃料気体供給回路（１１）に通し、さらに、前記燃料電池の上流側に戻された前記湿った気体と前記除湿した気体との間のそれぞれの比率を制御するための測定手段を含み、前記測定手段が、前記制御されたリサイクル・パイプ（１３）に含まれるポンプ（６３）及び前記直接回路（１５）に含まれるポンプ（６５）の動作を選択的に制御することを可能にする制御ユニット（７）を含むことを特徴とするシステム。
2. 前記リサイクル回路が、前記制御されたリサイクル・パイプ（１３）と並行に取り付けられた受動リサイクル・ライン（１４）を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記リサイクル回路が、前記燃料気体供給回路に取り付けられたエゼクタ（４）に至ることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 前記制御ユニット（７）が、湿度センサ（７４）により伝送される値の関数として、選択的に、前記制御されたリサイクル・パイプ（１３）に含まれるポンプ（６３）及び前記直接回路（１５）に含まれるポンプ（６５）の動作を制御することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のシステム。
5. リサイクル回路を燃焼性気体回路に含むことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記燃焼性気体回路が純酸素供給回路であることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記燃焼性気体回路が純酸素と少なくとも１つの中性気体との混合物を与える回路であることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載のシステム。
8. 前記燃料電池が、高分子膜をもつ種類のものであることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載のシステム。
9. 自動車のための請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載のシステム。

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