JP2002505507A - 液体供給固体ポリマー燃料電池装置 - Google Patents
液体供給固体ポリマー燃料電池装置Info
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Abstract
(57)【要約】
液体供給固体ポリマー燃料電池装置では、燃料循環サブシステムを利用して、未反応の燃料をアノード出口からアノード入口に送る。燃料を循環させるためのポンプ（３４）と、反応生成物である気体を分離するためのガス分離器（５２）と、循環する燃料を冷却するための冷却器（４６）と、循環する燃料が、例えば起動中に循環する燃料の温度に従って冷却器を迂回することができるようにする冷却器バイパス管路（Ｓ）とを含む。このサブシステムは、循環する燃料流を精製するために、イオン交換体（７４）を含むこともできる。
Description
【０００１】 （発明の分野） 本発明は液体供給固体ポリマー燃料電池装置に関する。詳細には、本発明は、
このような装置のための燃料循環サブシステム（ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ）に関する
。
このような装置のための燃料循環サブシステム（ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ）に関する
。
【０００２】 （発明の背景） 現在では、固体ポリマー燃料電池装置（陽子交換膜またはＰＥＭ燃料電池とも
呼ばれる）中で液体エネルギー源を使用する電力生成については、多くの努力は
世界的に、改質装置を使用して液体メタノールを改質し、水素ガスを生成するこ
とに振り向けられている。この方法では、改質器中で水とメタノールの混合物を
気化させて反応させ、酸素、二酸化炭素、および一酸化炭素を生成する。気化お
よび改質のプロセスでは、かなりのエネルギー入力を必要とする。これは、完全
な装置の総合効率の低下を招く。さらに、改質した生成ガスを固体ポリマー燃料
電池装置に供給することができるようになる前にこれを精製するために、さらな
る処理ステップが必要である。また、改質プロセスでは、通常は、後に水素と酸
化体（ｏｘｉｄａｎｔ）の反応によって燃料電池中で生成されるより多くの水が
、水素を生成するために消費される。したがって、燃料電池からの生成水は、一
般に、改質器の必要量を供給するには不十分であり、したがって燃料電池装置で
は、燃料の供給とともに水の供給が必要である。
呼ばれる）中で液体エネルギー源を使用する電力生成については、多くの努力は
世界的に、改質装置を使用して液体メタノールを改質し、水素ガスを生成するこ
とに振り向けられている。この方法では、改質器中で水とメタノールの混合物を
気化させて反応させ、酸素、二酸化炭素、および一酸化炭素を生成する。気化お
よび改質のプロセスでは、かなりのエネルギー入力を必要とする。これは、完全
な装置の総合効率の低下を招く。さらに、改質した生成ガスを固体ポリマー燃料
電池装置に供給することができるようになる前にこれを精製するために、さらな
る処理ステップが必要である。また、改質プロセスでは、通常は、後に水素と酸
化体（ｏｘｉｄａｎｔ）の反応によって燃料電池中で生成されるより多くの水が
、水素を生成するために消費される。したがって、燃料電池からの生成水は、一
般に、改質器の必要量を供給するには不十分であり、したがって燃料電池装置で
は、燃料の供給とともに水の供給が必要である。
【０００３】 燃料電池中で使用するために液体燃料の供給原料を改質する代わりに、液体供
給燃料電池中で直接酸化することができる（すなわち改質を行わない）適当な液
体燃料を利用することもある。例えば、米国特許第５５９９６３８号には、個々
の燃料電池のスタック（ｓｔａｃｋ）を組み込んだ液体供給燃料電池装置が開示
されている。この装置では、循環する燃料流を冷却するための熱交換器と、冷却
された排出燃料流を燃料／水噴射ユニットから新たに供給される水および燃料と
混合する循環タンクと、循環タンクと一体化された、生成物である二酸化炭素と
燃料流とを分離するためのガス分離器と、燃料流を循環させるためのポンプと含
む燃料循環ループを利用している。燃料電池スタックからのカソード排出物即ち
陰極排出物は、酸素および水蒸気を含み、水蒸気はそこから水を分離するために
水回収ユニットを通して送られる。分離された水は、燃料および水噴射ユニット
に送られる。
給燃料電池中で直接酸化することができる（すなわち改質を行わない）適当な液
体燃料を利用することもある。例えば、米国特許第５５９９６３８号には、個々
の燃料電池のスタック（ｓｔａｃｋ）を組み込んだ液体供給燃料電池装置が開示
されている。この装置では、循環する燃料流を冷却するための熱交換器と、冷却
された排出燃料流を燃料／水噴射ユニットから新たに供給される水および燃料と
混合する循環タンクと、循環タンクと一体化された、生成物である二酸化炭素と
燃料流とを分離するためのガス分離器と、燃料流を循環させるためのポンプと含
む燃料循環ループを利用している。燃料電池スタックからのカソード排出物即ち
陰極排出物は、酸素および水蒸気を含み、水蒸気はそこから水を分離するために
水回収ユニットを通して送られる。分離された水は、燃料および水噴射ユニット
に送られる。
【０００４】 （発明の概要） 液体供給固体ポリマー燃料電池装置は、少なくとも１つの燃料電池と、燃料電
池のアノード出口即ち陽極出口からアノード入口即ち陽極入口まで液体燃料流を
循環させるためのサブシステムとを含む。このサブシステムは、アノード出口を
アノード入口に接続する燃料循環ループと、液体燃料流を循環させるための、燃
料循環ループ中のポンプと、循環する液体燃料流から気体を分離するための、燃
料循環ループ中のガス分離器と、液体燃料流の温度を制御するための、燃料循環
ループ中の冷却器とを含むことが好ましい。循環する燃料流の一部または全てが
冷却器を迂回することができるように、冷却器バイパス管路をサブシステム中で
使用することもできる。これは、起動中により迅速に燃料電池装置を動作温度範
囲内にするのに役立てることができる。温度が上がった後で、循環する燃料流の
少なくとも一部分を冷却器を通して送り、温度を所望の動作温度範囲内に保つこ
とができる。冷却器バイパス管路は、冷却器の両端間で燃料循環ループの一部分
と並列に流体接続される。このサブシステムは、冷却器バイパス管路を通る液体
燃料流の流れを調節するバルブを含むことが好ましい。このバルブは、液体燃料
流の温度に従って冷却器バイパス管路を通る流れを調節するように動作すること
が好ましい。例えば、このバルブは、循環する液体燃料流の温度が所定温度を下
回ったときに、冷却器バイパス管路を通る流れを増加させ、循環する液体燃料流
が所定温度になった、または所定温度を超えたときに、冷却器バイパス管路を通
る流れを減少させるように動作することができる。
池のアノード出口即ち陽極出口からアノード入口即ち陽極入口まで液体燃料流を
循環させるためのサブシステムとを含む。このサブシステムは、アノード出口を
アノード入口に接続する燃料循環ループと、液体燃料流を循環させるための、燃
料循環ループ中のポンプと、循環する液体燃料流から気体を分離するための、燃
料循環ループ中のガス分離器と、液体燃料流の温度を制御するための、燃料循環
ループ中の冷却器とを含むことが好ましい。循環する燃料流の一部または全てが
冷却器を迂回することができるように、冷却器バイパス管路をサブシステム中で
使用することもできる。これは、起動中により迅速に燃料電池装置を動作温度範
囲内にするのに役立てることができる。温度が上がった後で、循環する燃料流の
少なくとも一部分を冷却器を通して送り、温度を所望の動作温度範囲内に保つこ
とができる。冷却器バイパス管路は、冷却器の両端間で燃料循環ループの一部分
と並列に流体接続される。このサブシステムは、冷却器バイパス管路を通る液体
燃料流の流れを調節するバルブを含むことが好ましい。このバルブは、液体燃料
流の温度に従って冷却器バイパス管路を通る流れを調節するように動作すること
が好ましい。例えば、このバルブは、循環する液体燃料流の温度が所定温度を下
回ったときに、冷却器バイパス管路を通る流れを増加させ、循環する液体燃料流
が所定温度になった、または所定温度を超えたときに、冷却器バイパス管路を通
る流れを減少させるように動作することができる。
【０００５】 このバルブは、冷却器バイパス管路と冷却器の下流側の燃料循環ループの接続
部に位置することが好ましい。さらに、このバルブは、冷却器および冷却器バイ
パス管路の両方を通る循環ループ中の流れを調節するように動作可能であること
が好ましい。すなわち、このバルブは、冷却器バイパス管路を通る流れを増加さ
せながら、それと同時に冷却器を通る流れを減少させる、あるいは冷却器バイパ
ス管路を通る流れを減少させながら、それと同時に冷却器を通る流れを増加させ
るように動作することができる。この場合、例えば三方バルブで、循環する燃料
流の冷却器を通して送られる部分、および冷却器バイパス管路を通して送られる
部分を制御することができる。
部に位置することが好ましい。さらに、このバルブは、冷却器および冷却器バイ
パス管路の両方を通る循環ループ中の流れを調節するように動作可能であること
が好ましい。すなわち、このバルブは、冷却器バイパス管路を通る流れを増加さ
せながら、それと同時に冷却器を通る流れを減少させる、あるいは冷却器バイパ
ス管路を通る流れを減少させながら、それと同時に冷却器を通る流れを増加させ
るように動作することができる。この場合、例えば三方バルブで、循環する燃料
流の冷却器を通して送られる部分、および冷却器バイパス管路を通して送られる
部分を制御することができる。
【０００６】 例えばアノード入り口付近で測定される循環する燃料流の温度を使用して、バ
ルブの動作を制御することが望ましい。したがって、このサブシステムは、液体
燃料流の温度を監視するための温度センサを含む。この場合、温度センサからの
信号を使用して、バルブの動作を制御することができる。
ルブの動作を制御することが望ましい。したがって、このサブシステムは、液体
燃料流の温度を監視するための温度センサを含む。この場合、温度センサからの
信号を使用して、バルブの動作を制御することができる。
【０００７】 サブシステム中のガス分離器は、循環ループ中の冷却器の下流側に位置するこ
とが好ましい。循環する燃料流から分離された気体は、ガス分離管路を通ってガ
ス分離器から出ることができる。ガス分離管路は、ガス冷却器および液体分離器
を含み、分離された気体から水および燃料を凝縮させ、これを循環燃料流に戻す
ことができる。ガス分離管路と燃料電池のカソード出口即ち陰極出口を流体接続
することにより、分離された残りの気体は、次いで、燃料電池からのカソード排
出物と合流するように送ることができる。
とが好ましい。循環する燃料流から分離された気体は、ガス分離管路を通ってガ
ス分離器から出ることができる。ガス分離管路は、ガス冷却器および液体分離器
を含み、分離された気体から水および燃料を凝縮させ、これを循環燃料流に戻す
ことができる。ガス分離管路と燃料電池のカソード出口即ち陰極出口を流体接続
することにより、分離された残りの気体は、次いで、燃料電池からのカソード排
出物と合流するように送ることができる。
【０００８】 このサブシステムは、任意選択で、循環する燃料流を精製するために、イオン
交換体バイパス管路中にイオン交換体をさらに含むことができる。燃料電池スタ
ックから出る燃料流は、通常はイオン交換体に供給するには温かすぎるので、イ
オン交換体バイパス管路は、冷却器の下流側の燃料循環ループの一部分と並列に
流体接続される。好ましい実施形態では、バルブが、冷却器バイパス管路と冷却
器の下流側の燃料循環ループの接続部に位置する場合には、イオン交換体バイパ
ス管路は、冷却器の下流側で、このバルブの両端間に並列に接続されることが好
ましい。このようにして、アノード出口から来る液体燃料流の少なくとも一部分
を、冷却器を通し、次いでバルブの動作とは無関係のイオン交換体を通して送る
ことができる。したがって、循環する燃料流の一部分は、バルブの動作とは無関
係にある程度まで精製される。イオン交換体バイパス管路を通る流れは、例えば
、イオン交換体の下流側のイオン交換体バイパス管路中に一方向バルブおよび調
節バルブを組み込むことによって制御することができる。一方向バルブを使用し
て、バイパス管路を通る逆流を防止することができ、調節バルブを使用して、循
環する燃料流のイオン交換体を通して送る部分を調節することができる。
交換体バイパス管路中にイオン交換体をさらに含むことができる。燃料電池スタ
ックから出る燃料流は、通常はイオン交換体に供給するには温かすぎるので、イ
オン交換体バイパス管路は、冷却器の下流側の燃料循環ループの一部分と並列に
流体接続される。好ましい実施形態では、バルブが、冷却器バイパス管路と冷却
器の下流側の燃料循環ループの接続部に位置する場合には、イオン交換体バイパ
ス管路は、冷却器の下流側で、このバルブの両端間に並列に接続されることが好
ましい。このようにして、アノード出口から来る液体燃料流の少なくとも一部分
を、冷却器を通し、次いでバルブの動作とは無関係のイオン交換体を通して送る
ことができる。したがって、循環する燃料流の一部分は、バルブの動作とは無関
係にある程度まで精製される。イオン交換体バイパス管路を通る流れは、例えば
、イオン交換体の下流側のイオン交換体バイパス管路中に一方向バルブおよび調
節バルブを組み込むことによって制御することができる。一方向バルブを使用し
て、バイパス管路を通る逆流を防止することができ、調節バルブを使用して、循
環する燃料流のイオン交換体を通して送る部分を調節することができる。
【０００９】 イオン交換体を含むサブシステム中では、ガス分離器は、イオン交換体バイパ
ス管路の下流側に位置することができる。上記で述べたように、ガス分離器によ
って循環する液体燃料流から分離された水および燃料の蒸気は、液体分離器中で
凝縮させ、収集することができる。液体分離器をイオン交換体に流体接続するこ
とにより、次いで、この水および燃料を、循環する燃料流に戻すことができるの
で好都合である。水も、燃料電池のカソード排出ガスから凝縮させ、収集するこ
とができる。この水も、イオン交換体に送ることによって、循環する燃料流に戻
すことができるので好都合である。これは、燃料電池のカソード排出物に、イオ
ン交換体に流体接続された水分離器を含むカソード排出管路を接続することによ
って実施することができる。
ス管路の下流側に位置することができる。上記で述べたように、ガス分離器によ
って循環する液体燃料流から分離された水および燃料の蒸気は、液体分離器中で
凝縮させ、収集することができる。液体分離器をイオン交換体に流体接続するこ
とにより、次いで、この水および燃料を、循環する燃料流に戻すことができるの
で好都合である。水も、燃料電池のカソード排出ガスから凝縮させ、収集するこ
とができる。この水も、イオン交換体に送ることによって、循環する燃料流に戻
すことができるので好都合である。これは、燃料電池のカソード排出物に、イオ
ン交換体に流体接続された水分離器を含むカソード排出管路を接続することによ
って実施することができる。
【００１０】 （好ましい実施形態の詳細な説明） 図１は、固体ポリマー陽子伝導膜１６で分離されたアノード・チャンバ即ち陽
極室１２およびカソード・チャンバ即ち陰極室１４を有する燃料電池１０を含む
、好ましい液体供給固体ポリマー燃料電池装置を示す概略図である。アノード・
チャンバ１２は、アノード供給管路１８によって液体燃料混合物を供給される。
燃料は、燃料電池中で直接酸化することができる、一般的な化学式Ｈ［ＣＨ2Ｏ −］n−Ｙ（１≦ｎ≦５、およびＹ＝ＨまたはＹ＝ＣＨ3）から選択される任意の
物質にすることができる。以下の記述では、液体燃料混合物は、メタノールおよ
び水を含む。これは好ましい実施形態の代表であるが、その他の燃料を使用する
こともでき、また、液体燃料混合物は、その他のイオンまたは非イオンの添加物
（例えば好適な不凍性の性質または酸性を有する添加物）を任意選択で含むこと
ができる。その他の可能な燃料としては、例えばジメトキシメタンやトリメトキ
シメタンなど、前述の化学式の枝分かれ変形体（ｂｒａｎｃｈｅｄ ｖａｒｉａ
ｎｔ）がある。酸化体は、カソード供給管路２０によってカソード・チャンバ１
４に供給される。以下の記述では、環境空気を酸化体として使用する。
極室１２およびカソード・チャンバ即ち陰極室１４を有する燃料電池１０を含む
、好ましい液体供給固体ポリマー燃料電池装置を示す概略図である。アノード・
チャンバ１２は、アノード供給管路１８によって液体燃料混合物を供給される。
燃料は、燃料電池中で直接酸化することができる、一般的な化学式Ｈ［ＣＨ2Ｏ −］n−Ｙ（１≦ｎ≦５、およびＹ＝ＨまたはＹ＝ＣＨ3）から選択される任意の
物質にすることができる。以下の記述では、液体燃料混合物は、メタノールおよ
び水を含む。これは好ましい実施形態の代表であるが、その他の燃料を使用する
こともでき、また、液体燃料混合物は、その他のイオンまたは非イオンの添加物
（例えば好適な不凍性の性質または酸性を有する添加物）を任意選択で含むこと
ができる。その他の可能な燃料としては、例えばジメトキシメタンやトリメトキ
シメタンなど、前述の化学式の枝分かれ変形体（ｂｒａｎｃｈｅｄ ｖａｒｉａ
ｎｔ）がある。酸化体は、カソード供給管路２０によってカソード・チャンバ１
４に供給される。以下の記述では、環境空気を酸化体として使用する。
【００１１】 燃料電池１０中では、燃料がアノードで酸化され、空気に含まれる酸素がカソ
ードで還元される。これらの電気化学反応は、陽子伝導膜１６の両面に隣接した
適当な電気触媒（ｅｌｅｃｔｒｏｃａｔａｌｙｓｔ）のところで起こる。次いで
、陽子がアノードから陽子伝導膜１６を通って移動し、カソードで酸素と反応し
て水となる。この電気化学反応は、２つの電極間に電圧を発生させる。このよう
な燃料電池を多数直列または並列に接続してスタックを形成することにより、例
えば車両の推進に十分な電力を得ることができる。
ードで還元される。これらの電気化学反応は、陽子伝導膜１６の両面に隣接した
適当な電気触媒（ｅｌｅｃｔｒｏｃａｔａｌｙｓｔ）のところで起こる。次いで
、陽子がアノードから陽子伝導膜１６を通って移動し、カソードで酸素と反応し
て水となる。この電気化学反応は、２つの電極間に電圧を発生させる。このよう
な燃料電池を多数直列または並列に接続してスタックを形成することにより、例
えば車両の推進に十分な電力を得ることができる。
【００１２】 アノード出口で燃料電池から出る燃料流は、反応生成物である二酸化炭素と、
未反応の水およびメタノールとを含む。この液体／気体混合物は、アノード排出
管路２２によってアノード・チャンバ１２から排出される。カソード排出物は、
酸素の減損した空気および水蒸気を含み、カソード排出管路２４を介して排出さ
れる。高い動作効率を得るために、空気の酸化体を高圧でカソード・チャンバ１
４に供給する。空気の酸化体を圧縮するために、電気モータ２６を動力源とする
圧縮機２８がカソード供給管路２０中に位置している。圧縮機２８は、所望の空
気流量を取り入れ、これを所望の圧力レベルになるまで圧縮する。圧縮した空気
は、任意選択で、アノード供給管路１８に結合された熱交換器１７を介してより
低温の燃料流を使用して冷却することができる。環境空気を酸化体として使用す
るときには、圧縮機２８より上流側のカソード供給管路２０の入り口付近に、空
気フィルタ３０を含めることが好ましい。空気の酸化体の圧縮に必要なエネルギ
ーの一部分は、カソード排出管路２４中に位置するエキスパンダ（ｅｘｐａｎｄ
ｅｒ）３２の助けで回復することができる。圧縮機２８、エキスパンダ３２、お
よび電気モータ２６は、共通のシャフト上に設置されることが好ましい。燃料電
池の電力出力は、圧縮機２８の回転速度、したがって送達される空気の質量流量
を制御することによって調節される。
未反応の水およびメタノールとを含む。この液体／気体混合物は、アノード排出
管路２２によってアノード・チャンバ１２から排出される。カソード排出物は、
酸素の減損した空気および水蒸気を含み、カソード排出管路２４を介して排出さ
れる。高い動作効率を得るために、空気の酸化体を高圧でカソード・チャンバ１
４に供給する。空気の酸化体を圧縮するために、電気モータ２６を動力源とする
圧縮機２８がカソード供給管路２０中に位置している。圧縮機２８は、所望の空
気流量を取り入れ、これを所望の圧力レベルになるまで圧縮する。圧縮した空気
は、任意選択で、アノード供給管路１８に結合された熱交換器１７を介してより
低温の燃料流を使用して冷却することができる。環境空気を酸化体として使用す
るときには、圧縮機２８より上流側のカソード供給管路２０の入り口付近に、空
気フィルタ３０を含めることが好ましい。空気の酸化体の圧縮に必要なエネルギ
ーの一部分は、カソード排出管路２４中に位置するエキスパンダ（ｅｘｐａｎｄ
ｅｒ）３２の助けで回復することができる。圧縮機２８、エキスパンダ３２、お
よび電気モータ２６は、共通のシャフト上に設置されることが好ましい。燃料電
池の電力出力は、圧縮機２８の回転速度、したがって送達される空気の質量流量
を制御することによって調節される。
【００１３】 アノード側では、水／メタノールの燃料流混合物を、ポンプ３４によって予め
設定された圧力で循環させ、燃料がアノードに絶えず過剰供給されることを保証
する。循環する燃料流中の水とメタノールの比は、アノード供給管路１８中に位
置するセンサ３６によって測定するメタノール濃度に基づいて調節する。センサ
３６からの信号に応じて、循環する燃料流の水／メタノール混合物について濃度
の調節を行う。濃度は、メタノール・タンク３８からメタノール供給管路４０を
通して液体メタノールを送り、次いで接続部４４で噴射ノズル（図示せず）を使
用してその液体メタノールをアノード供給管路１８中に噴射することによって調
節する。噴射ポンプ４２は、メタノール供給管路４０中に位置し、噴射のための
圧力を発生させる。このようにして、一定の、または制御されたメタノール濃度
を有する燃料流混合物を、アノード・チャンバ１２に継続的に供給することがで
きる。
設定された圧力で循環させ、燃料がアノードに絶えず過剰供給されることを保証
する。循環する燃料流中の水とメタノールの比は、アノード供給管路１８中に位
置するセンサ３６によって測定するメタノール濃度に基づいて調節する。センサ
３６からの信号に応じて、循環する燃料流の水／メタノール混合物について濃度
の調節を行う。濃度は、メタノール・タンク３８からメタノール供給管路４０を
通して液体メタノールを送り、次いで接続部４４で噴射ノズル（図示せず）を使
用してその液体メタノールをアノード供給管路１８中に噴射することによって調
節する。噴射ポンプ４２は、メタノール供給管路４０中に位置し、噴射のための
圧力を発生させる。このようにして、一定の、または制御されたメタノール濃度
を有する燃料流混合物を、アノード・チャンバ１２に継続的に供給することがで
きる。
【００１４】 図１に示す燃料電池装置は、燃料電池のアノード出口からアノード入口まで液
体燃料流を循環させるための好ましいサブシステムを含む。このサブシステムは
、アノード排出物を、アノード排出管路２２と、冷却管路４８と、循環管路５０
および５４と、アノード供給管路１８とを介してアノード入口に送る、燃料循環
ループＵを含む。このサブシステムは、冷却器４６の両端間に並列に流体接続さ
れた冷却器バイパス管路Ｓも含む。このサブシステムは、循環する燃料流を精製
するためのイオン交換体７４も含むことが好ましい。イオン交換体７４は、冷却
器４６とガス分離器５２の間の循環ループＵの一部分と並列に流体接続されたイ
オン交換体バイパス管路Ｋ中に位置する。
体燃料流を循環させるための好ましいサブシステムを含む。このサブシステムは
、アノード排出物を、アノード排出管路２２と、冷却管路４８と、循環管路５０
および５４と、アノード供給管路１８とを介してアノード入口に送る、燃料循環
ループＵを含む。このサブシステムは、冷却器４６の両端間に並列に流体接続さ
れた冷却器バイパス管路Ｓも含む。このサブシステムは、循環する燃料流を精製
するためのイオン交換体７４も含むことが好ましい。イオン交換体７４は、冷却
器４６とガス分離器５２の間の循環ループＵの一部分と並列に流体接続されたイ
オン交換体バイパス管路Ｋ中に位置する。
【００１５】 気体の二酸化炭素反応生成物は、ガス分離器５２によって循環する燃料流から
分離される。循環する燃料流中の残りの液体は、引き続き循環管路５４を通って
アノード供給管路１８に流れる。分離された二酸化炭素ガスは、次いで気体冷却
器５６に送られ、混入したメタノールおよび水蒸気を凝縮させる。凝縮したメタ
ノールおよび水は、液体分離器５８中に収集され、次いでイオン交換体７４に戻
され、こうして循環する燃料流中に戻される。残留している混入した水およびメ
タノールの含有量の低い残りの二酸化炭素ガスは、ガス分離管路６０を介してカ
ソード排出管路２４に送られる。ここで、二酸化炭素は、カソード排出管路２４
中で酸素を含むカソード排出物と混合される。残留している混入メタノールは、
次いで下流側で排出触媒（ｅｘｈａｕｓｔ ｃａｔａｌｙｓｔ）６２を使用して
二酸化炭素と水蒸気に変換される。
分離される。循環する燃料流中の残りの液体は、引き続き循環管路５４を通って
アノード供給管路１８に流れる。分離された二酸化炭素ガスは、次いで気体冷却
器５６に送られ、混入したメタノールおよび水蒸気を凝縮させる。凝縮したメタ
ノールおよび水は、液体分離器５８中に収集され、次いでイオン交換体７４に戻
され、こうして循環する燃料流中に戻される。残留している混入した水およびメ
タノールの含有量の低い残りの二酸化炭素ガスは、ガス分離管路６０を介してカ
ソード排出管路２４に送られる。ここで、二酸化炭素は、カソード排出管路２４
中で酸素を含むカソード排出物と混合される。残留している混入メタノールは、
次いで下流側で排出触媒（ｅｘｈａｕｓｔ ｃａｔａｌｙｓｔ）６２を使用して
二酸化炭素と水蒸気に変換される。
【００１６】 燃料電池のカソード排出物から水の少なくとも一部分を回収するために、水分
離器６１、６４、および６６が、カソード排出管路２４中の、カソード出口付近
と、エキスパンダ３２の上流側および下流側とに位置している。したがって、エ
キスパンダ３２は、小型復水タービンとして働き、その出口で、水蒸気のさらな
る部分を凝縮させることができる。さらに、排出触媒６２の後で、カソード排出
物は、温度センサ（図示せず）によって制御される熱交換器６８を使用して所望
温度まで冷却される。温度制御と復水タービン（エキスパンダ３２）を組み合わ
せることで、この組合せ装置中で水についての有効物質収支が見込まれる（すな
わち全体として、装置中で消費されるより多くの水が装置中で生成され、捕捉さ
れる）。水分離器６１、６４、および６６中に収集された水は、その後、一体化
された戻りポンプ７２を使用して戻り管路７０を介してイオン交換体７４に戻さ
れ、したがって循環する燃料流中に戻される。
離器６１、６４、および６６が、カソード排出管路２４中の、カソード出口付近
と、エキスパンダ３２の上流側および下流側とに位置している。したがって、エ
キスパンダ３２は、小型復水タービンとして働き、その出口で、水蒸気のさらな
る部分を凝縮させることができる。さらに、排出触媒６２の後で、カソード排出
物は、温度センサ（図示せず）によって制御される熱交換器６８を使用して所望
温度まで冷却される。温度制御と復水タービン（エキスパンダ３２）を組み合わ
せることで、この組合せ装置中で水についての有効物質収支が見込まれる（すな
わち全体として、装置中で消費されるより多くの水が装置中で生成され、捕捉さ
れる）。水分離器６１、６４、および６６中に収集された水は、その後、一体化
された戻りポンプ７２を使用して戻り管路７０を介してイオン交換体７４に戻さ
れ、したがって循環する燃料流中に戻される。
【００１７】 循環する燃料流を冷却するための冷却器４６は、アノード出口の下流側の冷却
管路４８中に設けられる。（燃料電池スタックから出る燃料流は通常はイオン交
換体にとって温かすぎるので）冷却管路４８は、冷却器４６の下流側でイオン交
換体７４に接続される。イオン交換体７４は、冷却器４６から到着する循環する
燃料流と、液体分離器５８から到着する凝縮した水およびメタノールと、カソー
ドで生じ、戻り管路７０を介して到着する生成水とを収集し、精製する働きをす
る。イオン交換体７４の出口は、ガス分離器５２の上流側の循環管路５０に接続
される。図示のように、この接続は、一方向バルブ８２および調節バルブ８４を
含む。
管路４８中に設けられる。（燃料電池スタックから出る燃料流は通常はイオン交
換体にとって温かすぎるので）冷却管路４８は、冷却器４６の下流側でイオン交
換体７４に接続される。イオン交換体７４は、冷却器４６から到着する循環する
燃料流と、液体分離器５８から到着する凝縮した水およびメタノールと、カソー
ドで生じ、戻り管路７０を介して到着する生成水とを収集し、精製する働きをす
る。イオン交換体７４の出口は、ガス分離器５２の上流側の循環管路５０に接続
される。図示のように、この接続は、一方向バルブ８２および調節バルブ８４を
含む。
【００１８】 燃料電池装置の起動中に、水／メタノールの燃料流混合物が、アノード供給管
路１８を介してアノード・チャンバ１２に供給される。二酸化炭素ガスと未反応
の水およびメタノールとを含むアノード排出物は、アノード排出管路２２を介し
て冷却管路４８および冷却器バイパス管路Ｓに送られる。起動中には、バルブ８
０は、アノード排出物の全てではなくとも大部分を、冷却器バイパス管路Ｓを介
して送るようにセットされることが好ましい。図示のイオン交換体バイパス管路
Ｋがあると、バルブ８４が開いていても、冷却器４６は冷却管路４８中ではるか
に大きな流れ抵抗を与えるので、ほぼ全ての循環する燃料流が冷却器バイパス管
路Ｓを通って流れることになる。
路１８を介してアノード・チャンバ１２に供給される。二酸化炭素ガスと未反応
の水およびメタノールとを含むアノード排出物は、アノード排出管路２２を介し
て冷却管路４８および冷却器バイパス管路Ｓに送られる。起動中には、バルブ８
０は、アノード排出物の全てではなくとも大部分を、冷却器バイパス管路Ｓを介
して送るようにセットされることが好ましい。図示のイオン交換体バイパス管路
Ｋがあると、バルブ８４が開いていても、冷却器４６は冷却管路４８中ではるか
に大きな流れ抵抗を与えるので、ほぼ全ての循環する燃料流が冷却器バイパス管
路Ｓを通って流れることになる。
【００１９】 次いで、燃料流は循環管路５０を介してガス分離器５２に送られ、上述のよう
に循環する燃料流から二酸化炭素ガスが分離される。次いで、燃料流は、循環管
路５４を介してアノード供給管路１８に送られる。必要に応じて、噴射ポンプ４
２によって新鮮なメタノールも循環管路５４中に噴射される。燃料流の温度は、
アノード・チャンバ１２の入り口付近の温度センサ１９によって測定される。燃
料流の温度が上昇するにつれて、循環する燃料流のより多くの部分が冷却器４６
およびイオン交換体バイパス管路Ｋを通って流れるように、バルブ８０が調節さ
れる。入り口付近での燃料流の温度が所望の動作温度に達すると、バルブ８０は
冷却器バイパス管路Ｓを通る流れを阻止するように望ましく調節され、したがっ
て全ての燃料流は冷却器４６を通って送られる。
に循環する燃料流から二酸化炭素ガスが分離される。次いで、燃料流は、循環管
路５４を介してアノード供給管路１８に送られる。必要に応じて、噴射ポンプ４
２によって新鮮なメタノールも循環管路５４中に噴射される。燃料流の温度は、
アノード・チャンバ１２の入り口付近の温度センサ１９によって測定される。燃
料流の温度が上昇するにつれて、循環する燃料流のより多くの部分が冷却器４６
およびイオン交換体バイパス管路Ｋを通って流れるように、バルブ８０が調節さ
れる。入り口付近での燃料流の温度が所望の動作温度に達すると、バルブ８０は
冷却器バイパス管路Ｓを通る流れを阻止するように望ましく調節され、したがっ
て全ての燃料流は冷却器４６を通って送られる。
【００２０】 調節バルブ８４は、冷却器４６を通って流れる燃料流の一定部分（例えば１０
％）がイオン交換体７４を通って送られるようにセットされる。冷却器４６を通
って流れる燃料流の残りの部分は、バルブ８０および循環管路５０を通ってガス
分離器５２に送られる。
％）がイオン交換体７４を通って送られるようにセットされる。冷却器４６を通
って流れる燃料流の残りの部分は、バルブ８０および循環管路５０を通ってガス
分離器５２に送られる。
【００２１】 本発明の特定のエレメント、実施形態、および応用分野について図示し、述べ
たが、言うまでもなく、当業者なら特に前述の教示に照らして本開示の趣旨およ
び範囲を逸脱することなく修正を加えることができるので、本発明はこれらに限
定されないことを理解されたい。
たが、言うまでもなく、当業者なら特に前述の教示に照らして本開示の趣旨およ
び範囲を逸脱することなく修正を加えることができるので、本発明はこれらに限
定されないことを理解されたい。
【図１】 好ましい燃料循環サブシステムを含む液体供給固体ポリマー燃料電池装置を示
す概略図である。
す概略図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/10 Ｈ０１Ｍ 8/10 (72)発明者 ヴィースホイ、ノルベルト ドイツ連邦共和国 グエンツブルク、 ゲ オルク − ラヘル − シュトラーセ 16 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA19 BC11 KK06 MM08
Claims (21)
- 【請求項１】 少なくとも１つの燃料電池と、前記燃料電池のアノード出口
からアノード入口まで液体燃料流を循環させるためのサブシステムとを含む、液
体供給固体ポリマー燃料電池装置であって、前記サブシステムが、 アノード出口をアノード入口に接続する燃料循環ループと、 前記液体燃料流を循環させるための、前記燃料循環ループ中のポンプと、 循環する液体燃料流から気体を分離するための、前記燃料循環ループ中のガス
分離器と、 前記液体燃料流の温度を制御するための、前記燃料循環ループ中の冷却器と、 前記冷却器の両端間で、前記燃料循環ループの一部分と並列に流体接続された
冷却器バイパス管路と、 前記冷却器バイパス管路を通る前記液体燃料流の流れを調節するためのバルブ
と を含む、液体供給固体ポリマー燃料電池装置。 - 【請求項２】 前記バルブが、前記冷却器バイパス管路と前記冷却器の下流
側の前記燃料循環ループの接続部に位置する、請求項１に記載の燃料電池装置。 - 【請求項３】 前記バルブが、前記冷却器および前記冷却器バイパス管路を
通る前記循環ループ中の前記液体燃料流の流れを調節するように動作可能である
、請求項２に記載の燃料電池装置。 - 【請求項４】 前記サブシステムが前記液体燃料流の温度を監視するための
温度センサをさらに含み、前記温度センサからの信号を使用して前記バルブの動
作を制御する、請求項１に記載の燃料電池装置。 - 【請求項５】 前記ガス分離器が前記冷却器の下流側に位置する、請求項１
に記載の燃料電池装置。 - 【請求項６】 前記サブシステムがイオン交換体バイパス管路中にイオン交
換体をさらに含み、前記イオン交換体バイパス管路が、前記冷却器の下流側の前
記燃料循環ループの一部分と並列に流体接続される、請求項１に記載の燃料電池
装置。 - 【請求項７】 前記サブシステムがイオン交換体バイパス管路中にイオン交
換体をさらに含み、前記イオン交換体バイパス管路が、前記冷却器の下流側の前
記バルブの両端間で前記燃料循環ループの一部分と並列に流体接続される、請求
項２に記載の燃料電池装置。 - 【請求項８】 前記ガス分離器が前記イオン交換体バイパス管路の下流側に
位置する、請求項７に記載の燃料電池装置。 - 【請求項９】 前記サブシステムが、前記イオン交換体の下流側の前記イオ
ン交換体バイパス管路中に一方向バルブおよび調節バルブをさらに含む、請求項
７に記載の燃料電池装置。 - 【請求項１０】 前記ガス分離器を前記燃料電池のカソード出口に流体接続
するガス分離管路をさらに含む、請求項１に記載の燃料電池装置。 - 【請求項１１】 前記ガス分離管路が、ガス冷却器および液体分離器を含む
、請求項１０に記載の燃料電池装置。 - 【請求項１２】 前記液体分離器が、前記燃料循環ループの一部分と並列に
流体接続されたイオン交換体バイパス管路中のイオン交換体に流体接続される、
請求項１１に記載の燃料電池装置。 - 【請求項１３】 前記燃料電池のカソード排出物に接続されたカソード排出
管路をさらに含む燃料電池装置であって、前記カソード排出管路が、前記イオン
交換体に流体接続された水分離器を含む、請求項６に記載の燃料電池装置。 - 【請求項１４】 少なくとも１つの燃料電池と、液体燃料流をアノード出口
からアノード入口に送るための燃料循環ループ、液体燃料流を循環させるための
前記燃料循環ループ中のポンプ、循環する液体燃料流から気体を分離するための
前記燃料循環ループ中のガス分離器、前記燃料循環ループ中の冷却器、および前
記冷却器の両端間に並列に接続された冷却器バイパス管路を含む燃料循環サブシ
ステムとを含む液体供給固体ポリマー燃料電池装置中を循環する液体燃料流の温
度を制御する方法であって、 前記液体燃料流を、前記アノード出口と前記アノード入口の間の前記燃料循環
ループを通して送ること、ならびに、 前記液体燃料流の温度に従って、前記冷却器を通して送られる前記液体流と前
記冷却器バイパス管路を通して送られる前記液体流の比を調節すること を含む方法。 - 【請求項１５】 循環する液体燃料流の温度が所定温度を下回るときに、前
記冷却器バイパス管路を通る流れを増加させるようにバルブを動作させること、
ならびに、 循環する液体燃料流の温度が前記所定温度である、または前記所定温度を超え
るときに、前記冷却器バイパス管路を通る流れを減少させるように前記バルブを
動作させること を含む、請求項１４に記載の方法。 - 【請求項１６】 前記バルブが、前記冷却器バイパス管路の、前記冷却器の
下流側の前記燃料循環ループへの接続部に位置する、請求項１５に記載の方法。 - 【請求項１７】 前記冷却器バイパス管路を通る流れを増加させるように前
記バルブを動作させると前記冷却器を通る流れが減少し、前記冷却器バイパス管
路を通る流れを減少させるように前記バルブを動作させると前記冷却器を通る流
れが増加する、請求項１６に記載の方法。 - 【請求項１８】 前記アノード出口から、前記バルブの両端間で前記燃料循
環ループの一部分と並列に接続されたイオン交換体バイパス管路中に位置するイ
オン交換体を通して前記液体燃料流の少なくとも一部分を送ることをさらに含む
、請求項１６に記載の方法。 - 【請求項１９】 前記冷却器、および前記バルブの動作とは無関係の前記イ
オン交換体バイパス管路を通して、前記液体燃料流の少なくとも一部分を送るこ
とをさらに含む、請求項１８に記載の方法。 - 【請求項２０】 前記ガス分離器によって前記循環する液体燃料流から分離
した気体から水および燃料を収集すること、ならびに、 前記収集した水および燃料を前記イオン交換体に送ること をさらに含む、請求項１８に記載の方法。 - 【請求項２１】 前記燃料電池のカソード排出ガスから水を収集すること、
ならびに、 前記収集した水を前記イオン交換体に送ること をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19807878.1 | 1998-02-25 | ||
| DE19807878A DE19807878C2 (de) | 1998-02-25 | 1998-02-25 | Brennstoffzellensystem |
| PCT/CA1999/000135 WO1999044249A1 (en) | 1998-02-25 | 1999-02-24 | Liquid feed solid polymer fuel cell system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002505507A true JP2002505507A (ja) | 2002-02-19 |
Family
ID=7858845
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000533914A Pending JP2002505507A (ja) | 1998-02-25 | 1999-02-24 | 液体供給固体ポリマー燃料電池装置 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP1060530B1 (ja) |
| JP (1) | JP2002505507A (ja) |
| AT (1) | ATE218756T1 (ja) |
| AU (1) | AU2507999A (ja) |
| CA (1) | CA2320766A1 (ja) |
| DE (2) | DE19807878C2 (ja) |
| WO (1) | WO1999044249A1 (ja) |
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| JP2004178818A (ja) * | 2002-11-22 | 2004-06-24 | Toshiba Corp | 燃料電池システム |
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| KR101113650B1 (ko) | 2009-08-26 | 2012-02-14 | 현대자동차주식회사 | 공급가스의 가습 성능이 향상되는 연료전지 시스템 |
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- 1999-02-24 AT AT99904666T patent/ATE218756T1/de not_active IP Right Cessation
- 1999-02-24 DE DE69901688T patent/DE69901688T2/de not_active Expired - Lifetime
- 1999-02-24 CA CA002320766A patent/CA2320766A1/en not_active Abandoned
- 1999-02-24 JP JP2000533914A patent/JP2002505507A/ja active Pending
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