JP2002505508A - 燃料電池装置 - Google Patents

燃料電池装置

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JP2002505508A
JP2002505508A JP2000533915A JP2000533915A JP2002505508A JP 2002505508 A JP2002505508 A JP 2002505508A JP 2000533915 A JP2000533915 A JP 2000533915A JP 2000533915 A JP2000533915 A JP 2000533915A JP 2002505508 A JP2002505508 A JP 2002505508A
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ラム，アーノルト
ミューラー，イエンス
ヴィースホイ，ノルベルト
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イクスツェルシス ゲーエムベーハー
バラード パワー システムズ インコーポレイティド
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Abstract

(57)【要約】 プロトン伝導膜により相互に分離されたアノード区画とカソード区画とを含む少なくとも１つの燃料電池を有し、さらに、酸素含有気体をカソード区画に搬送するカソードフィーダと液体冷却剤／燃料混合物をアノード区画に搬送するアノードフィーダとを有しており、アノード区画が気体分離器及びポンプを有するアノード回路内に配置される燃料電池装置であって、アノード回路内を循環する前記冷却剤／燃料混合物の冷却が、アノード区画からカソード区画への水の漏出を伴う作動のために設計された燃料電池により行われる。燃料電池内で行われる蒸発冷却は、定常状態の作動温度で冷却剤／燃料混合物の冷却を結果として生じるが、その温度は、燃料電池内で、膜特性およびポンプ速度との関係で設定されるものであり、これにより、アノード回路内において追加的な冷却器が不要とされる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、プロトン伝導膜によって相互に分離されたアノード区画とカソード
区画を含む燃料電池からなる燃料電池装置に関する。
【０００２】 現在、プロトン交換膜（ＰＥＭ燃料電池）からなる燃料電池装置において、液
体エネルギー源を電気エネルギーに転換するための世界中で最も広く認識されて
いる方法は、気体生成装置においてメタノールを改質する方法である。その方法
は、改質器において、水／メタノール混合物を蒸発させて、水素、二酸化炭素及
び一酸化炭素に転化することを含む。蒸発及び改質は、エネルギーバランスの点
からみると非常に不経済である。それが、装置全体の効率低下を余儀なくしてい
るのである。さらに、改質気体の浄化のために、気体の選別工程が必要とされる
。浄化された気体はＰＥＭ燃料電池装置に搬送される。また、アノード回路を循
環する冷却剤／燃料混合物を冷却するために冷却器を配置する必要がある。
【０００３】 その他の問題としては、改質工程で用いられる水の問題がある。カソード側で
生成された生成水は、水供給を補償するには不十分である。そのため、別の水タ
ンクが必要とされる。
【０００４】 米国特許第５５９９６３８号公報に開示されているような、いわゆる直接メタ
ノール燃料電池装置は、アノード側で反応して二酸化炭素を生成する水性メタノ
ール溶液を利用するものである。同公報に記載されている燃料電池装置は、複数
の連結された燃料電池からなるいわゆるスタックを含む。スタックのアノード区
画は、アノード排出口から排出され、二酸化炭素を含む冷却剤／燃料混合物を冷
却するための熱交換機、その中で冷却された混合物が供給された直後の冷却剤／
燃料混合物に加えられる循環タンク、循環タンク内に集積され、二酸化炭素を分
離する目的を有する気体分離機、及び対応するフィーダを介して循環タンクから
アノード区画に冷却剤／燃料混合物を搬送させるポンプからなるアノード回路の
一部を形成する。既知の燃料電池装置における酸素及び水蒸気を含むカソード排
出ガスは、水分離器を通過し、分離された水は、アノード回路に搬送される冷却
剤／燃料混合物に搬送され、残存する酸素の一部は、カソード区画のための酸素
供給器まで送られる。
【０００５】 これに基づき、本発明の目的は、プロトン伝導膜を有し、全体効率を改善した
、簡素な設計の小型燃料電池装置を提供することにある。
【０００６】 この目的を達成するために、本発明によれば、請求項１記載の特徴を有する燃
料電池装置が提案される。アノード区画からカソード区画への水の漏出を含む燃
料電池における本発明の作動の結果、カソード区画の高温空気により水が吸収さ
れるので、燃料電池において蒸発冷却が効果的に行われる。本発明では、この蒸
発冷却がアノード回路を冷却するために利用される。この処置により、アノード
回路において配置されるべき冷却器を省略することができる。
【０００７】 本発明のその他の有利な改良点は引用形式の請求項に記載されている。
【０００８】 好都合なことに、燃料電池は熱バランス平衡で作動される。すなわち、燃料電
池は、ある温度において定常状態で作動されるが、その温度は、一方ではプロト
ン伝導膜の特性に依存し、他方では液体ポンプの速度によって調節され得る。使
用位置に応じて、定常状態の作動温度は、９０〜１１０℃である。定常状態の作
動温度の設定は、燃料電池または複数の燃料電池から形成されるスタックの効率
を向上させるために非常に重要である。それは、これがスタックの等温作動を可
能にするからであり、すなわち、既知の装置において標準的な約１０℃というオ
ーダーのスタックの長さにわたって温度差がもはや生じないか又はわずかな程度
で起こるだけだからである。
【０００９】 燃料電池における本発明の蒸発冷却は、乾燥空気の質量流量を１.５〜２倍に 増加させるという追加的な利点を有しており、同倍率でエキスパンダ容量の増加
を必然的に伴うものである。これは、全負荷運転における空気供給のためのエネ
ルギー節約を必然的に伴うものでもある。
【００１０】 好都合なことに、エキスパンダの下流には、車両のラジエータに熱的に結合さ
れ、水を凝縮して装置中で好ましい水バランスを達成すべく作用する空気冷却器
が設けられている。
【００１１】 本発明は、具体的実施例について図面中に模式的に示されており、以下、その
図面を参照して、より詳細に説明する。
【００１２】 図１に示される燃料電池装置は、プロトン伝導膜１６により相互に分離された
アノード区画１２とカソード区画１４からなる燃料電池１０を有している。アノ
ードフィーダ１８を介して、アノード区画１２に、液体冷却剤／燃料混合物が供
給される。ここで使用される燃料は、一般構造式Ｈ−［−ＣＨ２Ｏ−］ｎ−Ｙ（
式中、１≦ｎ≦５、Ｙ＝ＨまたはＹ＝ＣＨ３）を有する全ての電気化学的に酸化
可能な物質とすることができる。図示の具体的実施例における燃料電池装置は、
燃料としての液体メタノールと、冷却剤としての水によって作動する。下記の例
は、水／メタノール混合物を使用する場合の記載に限定されているが、本発明の
範囲がこの具体的実施例に限定されることを意味するものではない。潜在的に好
適な冷却剤としては、特に、液体またはイオン性もしくは非イオン性の水への添
加剤を含むものであり、これらは良好な不凍結特性を有する。使用可能な燃料と
しては、例えば上記一般式における分枝鎖状の変種を含むものであり、例えばジ
−またはトリメトキシメタンである。
【００１３】 酸素含有気体は、カソードフィーダ２０を介してカソード区画１４内に搬送さ
れる。図示の具体的実施例によれば、周囲空気はこの目的のために使用される。
燃料電池１０において、燃料はアノードで酸化され、空気から得られる酸素はカ
ソードで還元される。この目的のために、プロトン伝導膜１６は、適当な表面上
に好適な触媒でコーティングされている。プロトンは、アノード側からプロトン
伝導膜１６を介して移動し、カソード側で、酸素イオンと結合して水を生成する
。この電気化学的反応は、２つの電極間に電圧を生じさせる。この種の多くの電
池を並列または直列に接続して、いわゆるスタックを形成することにより、車両
を駆動するために充分高い電圧及び電流強度を得ることができる。
【００１４】 アノード排出口における生成物として、水及びメタノールに富む二酸化炭素ガ
スが生成される。この液体／気体混合物は、アノード排出ライン２２によってア
ノード区画１２から排出される。残存酸素及び水蒸気を含むカソード排出空気は
、カソード排気ライン２４を介して導出される。良好な効率を達成するために、
周囲空気がカソード区画１４中に好ましい圧力で供給される。この目的のために
、カソードフィーダ２０内に、電動モータ２６で駆動されるコンプレッサ２８が
、その下流にある過給機中間冷却器２９とともに配置されており、コンプレッサ
は所望の空気質量流量を吸入し、それを必要な圧力レベルまで圧縮する。周囲空
気に基づく作動の場合は、エアフィルタ３０を、コンプレッサ２８の上流におけ
るカソードフィーダ２０の吸入口領域に追加的に設けることが好ましい。周囲空
気を圧縮するために必要なエネルギーの一部は、カソード排気ライン２４内に配
置されたエキスパンダ３２を用いて回収することができる。好ましくは、コンプ
レッサ２８、エキスパンダ３２及び電動モータ２６は共通のシャフト上に配置さ
れる。燃料電池出力の制御は、コンプレッサ速度及びそれによる利用可能な空気
質量流量の開または閉ループ制御により達成される。
【００１５】 アノード側では、水／メタノール混合物が、ポンプ３４を用いて予め定められ
た圧力で循環されており、そのため、過剰の燃料供給がいつもアノード側で確保
される。アノードフィーダ１８内のメタノールに対する水の比率は、アノードフ
ィーダ１８内のメタノール濃度を測定するセンサ３６を用いて設定される。次い
で、このセンサ信号に応じて、水／メタノール混合物の濃度が制御され、液体メ
タノールがメタノールタンク３８よりメタノール搬送ライン４０を介して搬送さ
れ、注入ノズル４４（詳細は示されていない）を用いてアノードフィーダ１８に
注入される。注入圧力は、メタノール搬送ライン４０内に配置された注入ポンプ
４２により生じる。従って、アノード区画１２には、一定のメタノール濃度を有
する水／メタノール混合物が常時供給される。
【００１６】 次いで、メタノール蒸気と水蒸気に富む二酸化炭素は、アノード排出ライン２
２を介して導出される液体／気体混合物から分離されなければならない。この目
的のために、液体／気体混合物は、アノード排出ライン２２を介して、二酸化炭
素が分離される気体分離器５２に搬送される。気体分離器５２中に残存している
水／メタノール混合物は、ライン５４を介してアノードフィーダ１８中に再循環
される。
【００１７】 気体分離器５２内で分離された高湿の二酸化炭素ガスは、冷却器５６内で、可
能な限り低い温度に冷却され、さらにメタノール及び水は下流の水分離器５８に
おいて凝縮される。少残存量のメタノールを含む残留乾燥二酸化炭素は、ライン
６０を経てカソード排気ライン２４まで送給され、そこで酸素に富むカソード排
出空気と混合される。
【００１８】 カソード排出空気からできるだけ多くの液体水を分離するために、第１水分離
器５９をカソード区画１４の排出口の下流に配置し、さらに、水分離器６１をエ
キスパンダ３２の下流に配置し、カソード側で生成された可能な限り多くの水蒸
気がエキスパンダ３２へ搬送される。この配置において、エキスパンダ３２は、
その排出口で水蒸気の一部が凝縮される小型凝縮タービンとして作用する。その
後、水分離器５９、６１において集められた水は、集積フィードバックポンプ６
２を用いて、フィードバックライン６４を介し、アノード回路の副支流ライン４
８、６６を有する保持及び精製タンク５０中に再循環される。詳細には、保持及
び精製タンク５０はイオン交換機である。
【００１９】 アノード回路において、アノード排出ライン２２におけるアノード排出口の下
流に、保持及び精製タンク５０に向かって走る支流ライン４８が設けられている
。保持及び精製タンク５０の排出口は、集積バルブ６８を有するライン６６を介
して、気体分離器５２の上流でアノード排出ライン２２に再び接続される。保持
及び精製タンク５０は、アノード区画１２から得られる水／メタノール混合物、
水分離器５８において分離された水、及びカソード側で生成されてフィードバッ
クライン６４を介してアノード回路に再循環された生成水を保持し、精製する作
用を有する。バルブ６８は第１に、アノード排出ライン２２からライン６６への
逆流を阻止するために作用し、第２に、保持及び精製タンクを通過するアノード
排出ライン２２からの混合物の画分を確立するために作用する。
【００２０】 本発明によれば、燃料電池１０は、アノード区画１２からカソード区画１４内
へ漏出する水により作動される。カソード区画１４にこうして到達する液体水は
、カソードフィーダ２０を介してカソード区画１４に入る乾燥高温空気により、
飽和限度まで、蒸気として部分的に吸収される。これにより、燃料電池１０内で
蒸発冷却が起こり、その蒸発冷却は、本発明によれば、アノード回路内を循環す
る冷却剤／燃料混合物を冷却するために利用される。したがって、アノード排出
ライン２２内に通常設けられる冷却器を省略することができる。
【００２１】 水の漏出は、膜１６を通過する電気浸透輸送現象によるものである。アノード
側では、水分子が各プロトンの周りに密集する。電気浸透圧は、後者を膜１６、
例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）のイオンチャネルを経てカソード側に移動さ
せる。この状態において多数の捕縛された水分子は、わずかに温度依存的であり
、膜１６のイオンチャネル径にも依存する。膜１６の電気浸透輸送係数が高いほ
ど、より多くの水がカソード側に達し、そこで蒸発し、その結果、燃料電池１０
の蒸発冷却に利用され得る。
【００２２】 膜１６を介する輸送は、水素の酸化という水−生成反応によってそこで生じる
水に比べて約１０倍以上多くの水を、カソード区画１４に流入させる。例えば、
Ｎａｆｉｏｎ膜のような場合には、膜１６を介して移動する１プロトンに約５の
水分子が捕縛され、一方、２プロトン当りただ１の水分子が酸化で生成される。
８０℃において平均で５よりわずかに少なく、そして１２０℃において５よりわ
ずかに多い水分子が、１プロトンに捕縛される。より大きいイオンチャネルを有
する膜物質の場合は、水分子が１プロトン当りより多く捕縛され、より小さいイ
オンチャネルを有する膜物質の場合は、水分子の捕縛はより少ない。
【００２３】 膜１６を通過する水は、カソード側で蒸発し、蒸発冷却によって燃料電池１０
を冷却する。
【００２４】 好ましくは、カソード１４の温度は、浸透してきた水をできるだけ多く蒸発さ
せるため水の沸点近くとされ、カソード１４で有効とされる好ましい圧力は、水
の沸点を調整するため簡単な方法で設定可能とされる。１バールの好ましい圧力
では、沸点は大気圧において１００℃ではなく、約１２０℃である。燃料電池の
温度は、カソード側で与えられる好ましい圧力によって決定される。
【００２５】 水蒸気は、エキスパンダ３２に搬送される。エキスパンダ３２への通路におけ
る水蒸気の凝縮を防止することが特に有利である。好適には、水蒸気が凝縮しな
いように、ラインを適当な方法で温度的に遮断する。同じく、カソード１６とエ
キスパンダ３２間の接続ラインに関し、そのライン径を充分大きくすることによ
り、水蒸気に必要とされる大容量を許容することが得策である。
【００２６】 燃料電池１０において、水漏出方式における作動及び省略されるアノード回路
における通常の冷却器のために、定常状態の作動がある温度において得られるが
、その温度は、カソード区画１４の好ましい圧力に加えて、一方ではプロトン伝
導膜１６の特性に依存し、他方ではアノード側に体積流量を与えるポンプ３４の
速度により設定することもできる。好ましくは、定常状態の作動温度は、９０〜
１１０℃、特に１０５℃である。これにより、燃料電池または複数の燃料電池か
ら形成されるスタックは実質的には等温的に作動する。
【００２７】 蒸発冷却は、既に上記したことに加えて、１.５〜２倍に乾燥空気の質量流量 を増加させる利点を有している。したがって、エキスパンダ３２の容量は、同倍
率で増大され、空気供給のためのエネルギー節約を必然的に伴うことになる。こ
の節約は、全負荷運転において約８ｋＷである。エキスパンダ３２の下流に配置
される空気冷却器４６は、車両ラジエータ（詳細は示していない）に熱的に結合
されており、上記装置における好ましい水バランスを達成するため、不足する水
を排出空気流から凝縮する目的を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る燃料電池装置の基本構造を模式的に示す図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年１月１０日（２０００．１．１０）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 Ｎｅｕｅ ｓｔｒａｓｓｅ 95 Ｋｉｒｃ ｈｈｅｉｍ／Ｔｅｃｋ−Ｎａｂｅｒｎ Ｄ ｅｕｔｓｃｈｌａｎｄ (72)発明者 ミューラー，イエンス ドイツ国 ブラオシュタイン ブルクシュ タイゲ 26 (72)発明者 ヴィースホイ，ノルベルト ドイツ国 ギュンツブルク ゲオルク−ラ ヘル−シュトラーセ 16 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 CC06 DD05 KK46 MM16

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 プロトン伝導膜（１６）により相互に分離されたアノード区
    画（１２）とカソード区画（１４）とを含む少なくとも１つの燃料電池（１０）
    を有し、さらに、酸素含有気体をカソード区画（１４）に搬送するカソードフィ
    ーダ（２０）と液体冷却剤／燃料混合物をアノード区画（１２）に搬送するアノ
    ードフィーダ（１８）とを有しており、アノード区画（１２）が気体分離器及び
    ポンプ（３４）を有するアノード回路内に配置される燃料電池装置であって、 アノード回路内を循環する前記冷却剤／燃料混合物の冷却が、アノード区画（
    １２）からカソード区画（１４）への水の漏出を伴う作動のために設計された燃
    料電池（１０）により行われ、燃料電池（１０）の作動温度が、カソード区画（
    １４）内の圧力及び／又はアノード回路内のポンプ（３４）の搬送により設定さ
    れ得ることを特徴とする前記燃料電池装置。
  2. 【請求項２】 カソード区画（１４）内で発生する水蒸気が、実質的にエキ
    スパンダ装置（３２）に送出されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装
    置。
  3. 【請求項３】 アノード回路が、保持及び精製タンク（５０）を有すること
    を特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
  4. 【請求項４】 保持及び精製タンク（５０）が、気体分離器（５２）の上流
    のアノード排出ラインの副支流ライン（４８、６６）内に配置されることを特徴
    とする請求項３記載の燃料電池装置。
  5. 【請求項５】 カソード区画（１４）が、コンプレッサ／エキスパンダ装置
    （２８、３２）を有するカソード回路内に配置されることを特徴とする請求項１
    〜４のいずれかに記載の燃料電池装置。
  6. 【請求項６】 カソード回路内で、コンプレッサ（２８）の下流に過給機中
    間冷却器（２９）が、エキスパンダ（３２）の下流に、冷却器（４６）および水
    回収のための少なくとも１つの水分離器（６１）が設けられることを特徴とする
    請求項５項記載の燃料電池装置。
  7. 【請求項７】 回収された水のアノード回路への再循環は、フィードバック
    ライン（６４）を用いて行われることを特徴とする請求項６記載の燃料電池装置
    。
  8. 【請求項８】 回収された水の保持及び精製タンク（５０）への再循環が実
    施されることを特徴とする請求項７記載の燃料電池装置。
JP2000533915A 1998-02-25 1999-02-23 燃料電池装置 Pending JP2002505508A (ja)

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DE19807876A DE19807876C2 (de) 1998-02-25 1998-02-25 Brennstoffzellensystem
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