JP2004111397A - 燃料電池における反応体流の加湿 - Google Patents

Abstract

【課題】　燃料入口１４、酸化剤入口１２、カソードガス出口１６及びアノードテイルガス出口１８を有する燃料電池１０を含む、エネルギー消費をできるだけ抑えた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】　加湿器５２、７０；５４、７２の少なくとも一つが空気または燃料の供給源と燃料電池の対応する入口の間に挿入され、加湿器は反応体流路５６、５８；７４、７６と熱交換関係にあるエネルギー含有媒体の流路６０、６１；６２、６４；７８、８０；８２、８４をその内部に含む。水の供給源４６は反応体流路５６、５８；７４、７６へ連結され、そこで水が気化する。エネルギー含有媒体の流路６０、６１；６２、６４；７８、８０；８２、８４は出口１６、１８の一つに連結され、そこから熱せられた流体を受け取り、水性材料に気化熱を供給する。
【選択図】　図１

Description

　本発明は、反応体流が加湿を必要とする燃料電池に関する。

　従来から多くの燃料電池が内部膜を利用しているが、このような燃料電池の一例としていわゆる陽イオン交換膜（高分子電解質膜とも言われる）を有するＰＥＭ型の燃料電池がある。膜が適切に働くには、膜が水分を含んでいなければならず、また膜を過度な高温にさらすことを避けなければならない。

　そのため、燃料電池システムの適切な運転のためには、膜へのダメージや膜の短命化を回避し、所望の高い運転効率を維持するように燃料電池の膜が適度に水分を含む手段を提供することが必要である。

　また、燃料電池内部での消費のため、水素含有有機材料を水素リッチ燃料流に変換する改質器を必要とする燃料電池もあり、この目的のためにメタノール、エタノール、天然ガス、在来のガソリン、ディーゼル燃料、プロパン、ブタン等種々の水素含有有機化合物が提案されてきた。上記材料の中には、水素リッチ燃料流への所望の変換を行うため、改質器に入る前に流入ガス流の加湿が必要なものもある。

　さらに、燃料電池システムにおいては、燃料電池の幅広い運転条件範囲にわたって、特に燃料電池の負荷が変化する実質的な範囲において、膜効率を最大化するために、流入する燃料流と酸化剤流が燃料電池の所望の運転温度であり、相対湿度が所望の範囲であることが強く望まれる。

　通常、加湿を必要とする種々の流れの加湿及び／または温度の管理は、水やその他の水性材料を加熱して、流れの内部で気化させて相対湿度を上げることによって行う。これには、当然に、気化熱を発生するためのエネルギーの消費が必要である。燃料電池の効率は最大化することが望ましいので、加湿のための所望の熱量を供給するために燃料電池システムで消費されるエネルギーを最小限に抑えること、または少なくとも燃料電池システムが必要とする燃料が最小限となるようにしてそのエネルギーを手に入れることが強く望まれる。

　本発明は上記のニーズを満たすことを目的とする。

　本発明の第一の課題は新規でかつ改良された燃料電池システムを提供することであり、具体的には燃料電池システムの全体のエネルギー消費をできるだけ抑えるようにして、燃料電池システムで使用される反応体流を加湿することである。

　例示の一実施形態において、水素リッチ燃料入口、酸素リッチ酸化剤入口、アノードテイルガス出口及びカソードガス出口を有する燃料電池を含む燃料電池システムにより、上記目的を達成している。さらに、水素リッチ燃料入口へ連結された水素リッチ燃料の供給源及び酸素リッチ酸化剤入口へ連結された酸素リッチガスの供給源を含む。少なくとも一つの加湿器が前記供給源のうち少なくとも一つとその対応する入口の間に挿入され、その加湿器は前記供給源とその対応する入口を連結し、エネルギー含有媒体の流路と熱交換関係にある反応体流路を有する。合わせて液体水性材料を前記反応体流路へ導入し、そこで気化させるために水性材料の供給源が前記反応体流路に連結される。エネルギー含有媒体の流路は、熱せられた流体を受け取るために前記出口の一つに連結され、両流路間の熱交換によって気化熱を液体水性材料に供給する。

　一実施形態においては、加湿器が少なくとも二つあり、一方は燃料供給源と燃料入口の間に連結され（第一加湿器）、他方は酸素リッチガスの供給源と酸化剤入口の間に連結される（第二加湿器）。第一加湿器のエネルギー含有媒体の流路はテイルガス出口に連結され、第二加湿器のエネルギー含有媒体の流路はカソードガス出口へ連結される。

　一実施形態においては、第一加湿器は、テイルガス出口へ連結されたエネルギー含有媒体の流路及び燃料供給源へ連結された反応体流路を有する。

　好ましい実施形態では、第二加湿器は酸化剤の供給源へ連結された反応体流路を有することを企図する。

　一実施形態においては、少なくとも一つ加湿器が追加され、その反応体流路が少なくとも二つある加湿器の一つの反応体流路に直列に連結される。そして燃料電池は当該燃料電池を通り冷却材を循環させるための冷却材循環路を含む。追加された加湿器のエネルギー含有媒体流路は冷却材循環路に連結される。

　本発明の一実施形態では、直列に連結された反応体流路を有する加湿器が二つあることを企図する。

　本発明の一実施形態では加湿器が二つあり、その反応体流路が燃料入口と燃料供給源の間に直列に連結されることを企図する。

　他の一実施形態では、反応体流路が酸化剤入口と酸素リッチガスの供給源の間に直列に連結される加湿器が二つある。

　本発明はまた、水性材料の供給源としてカソードガス出口に連結される加湿器のエネルギー含有媒体の流路を含むことを企図する。

　本発明の一実施形態では、前述した入口と出口、燃料及び酸化剤の供給源並びに燃料及び／または酸素リッチガスを加湿するための水性材料の供給源を有する燃料電池を含む燃料電池システムを企図する。加湿器が設けられ、燃料及び酸化剤の供給源の少なくとも一つ及び水性材料の供給源から対応する燃料電池の入口の一つへ伸びる反応体流路及びその反応体流路と熱交換関係にあるエネルギー含有媒体の流路を有し、カソードガス出口と水性材料の供給源の間に連結される。結果として、カソードガス出口からエネルギー含有媒体の流路を通って流れるエネルギーを含有する流れ、典型的には水を含む蒸気が加湿器中で凝縮し、水性材料を前記供給源に供給して最終的には加湿器の反応体流路中の給湿剤として及び反応体流路中で水性材料を気化させるためのエネルギーとして使用される。

　他の目的及び利点は付属の図面に関連してなされる以下の詳細な説明により明らかとなる。

　本明細書で開示される本発明の実施形態を、液体水素を含有するタンクからの純水素で動作する燃料電池システムに関連して記述する。とはいえ、本発明は、水素含有化合物、典型的にはメタノール、エタノール、プロパン、ブタン、天然ガス、ガソリン、ディーゼル燃料等の有機化合物を水素リッチ燃料流に変換して水素リッチ流を燃料電池システムに供給するために改質器が利用されるいわゆる改質型システムにも効果的に利用できることを理解しておくべきである。従って、特許請求の範囲において明白に記述しているのを除き、純水素による燃料電池システムに限定することを意図するものではない。

　本発明はまた、燃料電池で使用される反応体流の前処理においても効果的に利用できることにも注意すべきである。例えば、天然ガス、プロパン、ブタン等を水素リッチ燃料流へ変換する改質型システムでは、改質プロセスの効率を高めるために、流入する天然ガス、ブタンまたはプロパンの流れを加湿することがしばしば望ましく、このような加湿に関して本発明の原理を利用してもよい。したがって、特許請求の範囲において明白に記述しているのを除き、システム内において加湿が行われる場所を特に限定することを意図するものではない。

　また、本発明は種々の構造の加湿器の使用を企図していることにも注目すべきである。
加湿器の好ましい一形態が、マイスナー等の同一出願人による、米国出願番号１０／１１５，３４３、出願日２００２年４月３日、発明の名称「Contact Heater/Humidifier for Fuel Cell Systems」に開示されており、その開示内容を本明細書に援用する。

　上記を頭に入れた上で、本発明に従って作られた燃料電池システムの第一の実施形態が例示されている図１を参照する。燃料電池が含まれるが、これは総体的に１０で表され、希望に応じて単一の燃料電池または連結された複数の燃料電池である。燃料電池は、典型的には空気である酸素リッチ酸化剤流の入口１２を含む。また、典型的には水素リッチガスである燃料入口１４を含む。出口１６は燃料電池１０のカソードガス出口であり、よく知られているように、水蒸気に富んだ高温の排出ガス流を出す。さらに出口１８は、高温の流れであり、消費されなかった燃料すなわち水素を含むアノードテイルガスの出口である。

　通常、所望の運転温度を維持するために燃料電池１０に冷却剤の循環ループが設けられる。冷却材の循環ループは、ラジエーターとして働く熱交換器２０を含み、熱交換器２０には熱交換器２０を通して冷却空気を送るためのファン２２が備わることがある。冷却剤は、燃料電池ラジエーター２０から、カソードガスを受け取りそこで水蒸気を凝縮するためカソードガス出口に連結される排ガスコンデンサー２６を通って相対的に冷えた状態になった後で燃料電池の入口２４に入る。

　冷却剤の出口２８が設けられ、熱くなった冷却剤がそこを通って燃料電池１０から出て、以下詳細に説明する流路を経由し、ラジエーター２０を通って循環する。

　燃料電池１０のための燃料供給源３０は液体水素タンクの形で図１に例示されており、出口３２に水素を送出する。水素は入口１４から最終的に燃料電池１０に入る。開示のような高圧システムにおいては、コンプレッサー３６に向かう入口３４の流入空気により酸化剤流が与えられる。コンプレッサー３６はターボチャージャー４０のコンプレッサー側３８に流入空気を出す。流入空気はこのようにして圧力がかけられ、以下に説明する流路を通って最終的に酸化剤入口１２に送られる。低圧システムにおいてはターボチャージャーを省いてもよい。

　ターボチャージャー４０は、水分離機４６から出てノズル４４で受け取る高温ガスにより駆動されるタービン側４２を有する。水分離機４６はライン４８を経由して排ガスコンデンサー２６の出口へ連結され、こうすることで幾分冷えたカソードガス流を受け取る。水蒸気は、排ガスコンデンサー２６で凝縮し、水分離機４６で分離され、加湿のために再利用される。凝縮されないカソードガスはターボチャージャー４０のタービン側４２を通って流れ、ターボチャージャー４０を動かして流入空気流を圧縮する。

　システムは、テイルガスを受け取るためにテイルガス出口１８へ連結されるアノードテイルガスのオキシダイザー４９を含む。テイルガスは、回収されることになるだろうが、未消費の燃料を含有しており、ライン５０に高温ガス流を供給するために酸化される。

　酸化剤流の加湿のために第一及び第二の空気加湿器が設けられ、それぞれ総体的に５２及び５４で表される。前述したが、加湿器５２及び５４はマイスナー等の同一出願人による出願に例示される構成に従って作ってもよい。この目的のため、それぞれの加湿器は反応体の入口５６及び反応体の出口５８を有する。

　加湿器５２及び５４のそれぞれの内部に位置する反応体流路は、関連する入口５６と出口５８を連結するとともに加湿器内部のエネルギー含有媒体の流路と熱交換関係にある。エネルギー含有媒体の流路は加湿器５２に入口６０及び出口６１並びに加湿器５４に入口６２及び出口６４を有する。　　

　また、加湿器５２、５４のそれぞれは水分離機へ連結され、反応体流路と連通する水性材料の入口６６を含む。反応体流路を流れる反応体へ水が注入されると、エネルギー含有媒体の流路から反応体流路へ移動する熱により気化する。

　タンク３０からの燃料流は，総体的に７０及び７２でそれぞれ表される直列結合した二つの燃料加湿器へ向かう。加湿器７０及び７２は、反応体の入口７４及び反応体の出口７６を有し、これらは関連する反応体流路により各加湿器７０、７２の内部で連結される。このように、供給源３０からの燃料は、加湿器７０及び７２をその内部の反応体流路を経て通り、燃料電池１０の入口１４へ流れる。

　加えて、加湿器７０はエネルギー含有媒体の入口７８及びエネルギー含有媒体の出口８０を含み、加湿器７２はエネルギー含有媒体の入口８２及びエネルギー含有媒体の出口８４を含む。これらは加湿器７０、７２内部のそれぞれのエネルギー含有媒体の流路の両端にあり、対応する熱交換器７０、７２の反応体流路と伝熱関係にある。

　加湿器７０のエネルギー含有媒体の入口７８は、アノードテイルガスが加湿器５２のエネルギー含有媒体の流路を通った後にアノードテイルガスを受け取るために、加湿器５２のエネルギー含有媒体の出口６１へ連結される。アノードテイルガスは依然として高温であろうから、加湿器７０の内部で水性材料の気化のための熱源として利用される。

　水性材料の入口８５が加湿器７０、７２のそれぞれに設けられ、燃料が入口１４より燃料電池１０に入る前に燃料を加湿するため、水分離機４６から加湿器７０、７２のそれぞれの反応体流路へ水性材料が注入される。加湿器７０の場合、水性材料は加湿器７０内部のアノードテイルガスからの熱により気化する。

　加湿器７２のエネルギー含有媒体の入口８２は燃料電池１０の冷却剤出口２８に連結され、冷却剤はさらに出口８４を通り加湿器５４のエネルギー含有媒体の入口６２へと送られる。冷却剤は出口６４を経由してラジエーター２０へ循環のために送り返される。このようにして、燃料電池１０の冷却剤は、加湿器５４及び７２の内部でエネルギー含有媒体の流路から反応体流路へ移る熱の供給源として利用される。

　本発明は先行する構成に対して多くの利点がある。一つには、さもなければ廃棄されるテイルガス中の熱が、加湿器５２及び７０を通過する際に反応体流の加湿に利用されるので、エネルギーの節約につながることである。さらに、燃料流中で二つの加湿器を使用すること及び酸素リッチな流れ中で二つの加湿器を使用することが多くの利点をもたらす。いくつかの設備においては、例えば大きさの制約があるであろう車両設備においては、一つの大きな加湿器を使用するよりも、加湿器はコンポーネントに分離してスペースのあるところへ置かれるであろう。さらに重要なことは、二つの加湿器を直列に用いることが、燃料電池１０を適切に運転するために要求される湿度及び温度の制約を容易に満たすことができることを保証することである。

　さて、図２に移ると、代替的な実施形態が例証されている。そこでは同様の構成物が使用されるので、簡潔のためにそれらについて再び記述することはせず、それらに同様の参照番号を与えることとする。

　図２の実施形態は概して図１と似ているが、いくつかの材料の点で異なる。一つには、図１の排ガスコンデンサー２６が図２の実施形態では使用されていない点である。ここでは出口１６からのカソードガスは、入口６０と出口６１の間に伸びる第一の空気加湿器５２のエネルギー含有媒体の流路へ直接送られる。出口６１は、ここでは水分離機４６へ連結され、第一の空気加湿器５２、具体的にはそのエネルギー含有媒体の流路は、カソードガス流中の水蒸気を凝縮するコンデンサーとして働く。この実施例においては、カソードガス流から放出される水性材料の蒸発潜熱が反応体流路中の水性材料が気化するためのエネルギーを与える。そして、水分離機４６で分離された水性材料は前述したように種々の加湿器へ送られ、凝縮されないガスは流入空気流の圧力を高めるためにターボチャージャー４０のタービン側４２で再度使用される。

　図２の実施形態においては、オキシダイザー４９からのアノードテイルガスが、図１の実施形態のように空気加湿器５２の熱源として利用されない。ここでは加湿器７０のエネルギー含有媒体の入口７８へ直接送られ、入口７８と出口８０を連結する加湿器７０内部のエネルギー含有媒体流路へ送られる。

　いずれの実施形態の場合においても、加湿器７０の出口８０から出る使用済みのアノードテイルガスは必要があればそれに応じて処理した後に排出される。

　図２の実施形態は図１の実施形態の説明に関して先に挙げた利点をすべて有し、排ガスコンデンサー２６が不要である一方で第一の空気加湿器５２のエネルギー含有媒体の流路においてその機能を保持するというさらなる利点がある。取り除いた排ガスコンデンサーによって占有されていた場所や必要とした費用の点のみならず、ラジエーター２０が燃料電池１０の冷却剤の入口２４へより直接的に連結されるという点で冷却剤のループが簡素化される。

本発明に従って作成した燃料電池システムの一実施形態の概略図である。 本発明に従って作成した燃料電池システムの代替的な実施形態の概略図である。

符号の説明

　１０　　燃料電池
　１２　　酸化剤入口
　１４　　燃料入口
　１６　　カソードガス出口
　１８　　アノードテイルガス出口
　２０　　燃料電池ラジエーター
　２２　　ファン
　２４　　冷却剤の入口
　２６　　排ガスコンデンサー
　２８　　冷却剤の出口
　３０　　水素タンク
　３６　　コンプレッサー
　４０　　ターボチャージャー
　４４　　ノズル
　４６　　水分離機
　４９　　アノードテイルガスのオキシダイザー
　５２　　空気加湿器１
　５４　　空気加湿器２
　５６　　反応体の入口
　５８　　反応体の出口
　６６　　水性材料の入口
　７０　　水素加湿器１
　７２　　水素加湿器２
　７４　　反応体の入口
　７６　　反応体の出口
　７８　　エネルギー含有媒体の入口
　８０　　エネルギー含有媒体の出口
　８２　　エネルギー含有媒体の入口
　８４　　エネルギー含有媒体の出口
　８５　　水性材料の入口

Claims (17)

1. 水素リッチ燃料入口、酸素リッチ酸化剤入口、アノードテイルガス出口及びカソードガス出口を有する燃料電池と、
   前記水素リッチ燃料入口に連結された水素リッチ燃料の供給源と、
   前記酸素リッチ酸化剤入口用の酸素リッチガスの供給源と、
   前記供給源のうち少なくとも一つとその対応する入口の間に挿入され、前記供給源と前記対応する入口を連結し、エネルギー含有媒体の流路と熱交換関係にある反応体流路を有する少なくとも一つの加湿器と、
   液体水性材料を前記反応体流路へ導入し、そこで気化させるために前記反応体流路に連結される水性材料の供給源を備え、
   前記エネルギー含有媒体の流路は、熱せられた流体を受け取り、前記流路間の熱交換によって気化熱を前記液体水性材料に供給するために前記出口の一つに連結される燃料電池システム。
2. 前記加湿器が少なくとも二つあり、一方は前記燃料供給源と前記燃料入口の間に連結され、他方は前記酸素リッチガスの供給源と前記酸化剤入口の間に連結され、前記一方の加湿器のエネルギー含有媒体の流路は前記テイルガス出口に連結され、前記他方の加湿器のエネルギー含有媒体の流路は前記カソードガス出口へ連結されている請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記加湿器の前記一方が前記テイルガス出口に連結されるエネルギー含有媒体の流路及び前記燃料供給源に連結される反応体流路を有する請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記加湿器の前記他方が前記酸化剤の供給源へ連結された反応体流路を有する請求項２に記載の燃料電池システム。
5. さらに、少なくとも一つの追加された加湿器を含み、その反応体流路が、少なくとも二つの前記加湿器の一つの反応体流路に直列に連結され、前記燃料電池が前記燃料電池を通り冷却材が循環する冷却材循環路を含み、　
   前記追加された加湿器のエネルギー含有媒体の流路が前記冷却材循環路に連結される請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 反応体流路が直列に連結される前記加湿器が二つある請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 反応体流路が前記燃料入口と前記燃料供給源の間に直列に連結される前記加湿器が二つある請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 反応体流路が前記酸化剤入口と前記酸素リッチガス供給源の間に直列に連結される前記加湿器が二つある請求項１に記載の燃料電池システム。
9. 水性材料の供給源として前記カソードガス出口に連結される前記加湿器のエネルギー含有媒体の流路を含む請求項１に記載の燃料電池システム。
10. 水素リッチ燃料入口、酸素リッチ酸化剤入口、アノードテイルガス出口及びカソードガス出口を有する燃料電池と、
    前記水素リッチ燃料入口に連結された水素リッチ燃料の供給源と、
    前記酸素リッチ酸化剤入口用の酸素リッチガスの供給源と、
    燃料及び／または酸素リッチガスを加湿するための水性材料の供給源と、
    前記燃料及びガス供給源の少なくとも一つ及び前記水性材料の供給源と対応する前記入口の一つとの間に連結される反応体流路を有し、前記反応体流路と熱交換関係にあるエネルギー含有媒体の流路を有し、前記カソードガス出口と前記水性材料の供給源との間に連結される加湿器を備え、
    それによって、前記カソードガス出口から前記エネルギー含有媒体の流路を通って流れる気化した水性材料が前記加湿器で凝縮して、水性材料を前記供給源へ供給して前記加湿器の反応体流路中で最終的に給湿剤として使用する燃料電池システム。
11. 前記反応体流路が前記酸素リッチガス供給源と前記酸素リッチ酸化剤入口の間に挿入される請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記水性材料の供給源として前記エネルギー含有媒体の流路から流出物を受け取る分離機を含む請求項１０に記載の燃料電池システム。
13. 前記分離機からのガスを受け取り作動し、前記反応体流路へ圧縮空気を送ることで前記酸素リッチガス供給源として働くべく連結されたタービン駆動のコンプレッサーをさらに含む請求項１２に記載の燃料電池システム。
14. 水素リッチ燃料入口、酸素リッチ酸化剤入口、アノードテイルガス出口及びカソードガス出口を有する燃料電池と、
    前記水素リッチ燃料入口に連結された水素リッチ燃料の供給源と、
    前記酸素リッチ酸化剤入口用の酸素リッチガス供給源と、
    酸素リッチガスの第一、第二加湿器及び燃料の第一、第二加湿器であって、それぞれの加湿器がエネルギー含有流体媒体の流路と熱交換関係にある反応体流路を有し、前記ガスの加湿器はその反応体流路が直列に連結されるとともに前記酸化剤入口と前記ガスの供給源の間に置かれ、前記燃料の加湿器はその反応体流路が直列に連結されるとともに前記燃料供給源及び前記燃料入口の間に置かれるものと、
    前記加湿器のそれぞれの反応体流路へ連結される水の供給源と、
    燃料電池からの排熱を受け取るために前記燃料電池へ連結される冷却剤の循環ループと、
    前記冷却剤の循環ループ内で連結される前記酸素リッチガスの第二加湿器及び前記燃料の第二加湿器のエネルギー含有媒体の流路と、
    前記カソードガス出口と前記水の供給源との間に連結される前記酸素リッチガスの第一加湿器のエネルギー含有媒体の流路と、
    前記テイルガス出口に連結される前記燃料の第一加湿器のエネルギー含有媒体の流路
    を備えた燃料電池システム。
15. 前記水の供給源として前記酸素リッチガスの第一加湿器のエネルギー含有媒体の流路の出口へ連結される分離機を含む請求項１４に記載の燃料電池システム。
16. 水素リッチ燃料入口、酸素リッチ酸化剤入口、アノードテイルガス出口及びカソードガス出口を有する燃料電池と、
    前記水素リッチ燃料入口に連結される水素リッチ燃料の供給源と、
    前記酸素リッチ酸化剤入口用の酸素リッチガスの供給源と、
    酸素リッチガスの第一、第二加湿器及び燃料の第一、第二加湿器であって、それぞれの加湿器がエネルギー含有流体媒体の流路と熱交換関係にある反応体流路を有し、前記ガスの加湿器はその反応体流路が直列に連結されるとともに前記酸化剤入口と前記ガスの供給源の間に置かれ、前記燃料の加湿器はその反応体流路が直列に連結されるとともに前記燃料供給源及び前記燃料入口の間に置かれるものと、
    前記加湿器のそれぞれの反応体流路へ連結される水の供給源と、
    燃料電池からの排熱を受け取るために前記燃料電池へ連結される冷却剤の循環ループと、
    前記冷却剤の循環ループ内で連結される前記酸素リッチガスの第二加湿器及び前記燃料の第二加湿器のエネルギー含有媒体の流路と、
    前記テイルガス出口に連結される前記酸素リッチガスの第一加湿器及び前記燃料の第一加湿器のエネルギー含有媒体の流路を備えた燃料電池システム。
17. 前記カソードガス出口と前記水の供給源の間に挿入され、前記冷却剤のループ内に位置するコンデンサーを含む請求項１６に記載の燃料電池システム。
    

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