JP2004519074A - 真空酸化剤ｐｅｍ型燃料電池 - Google Patents

Abstract

反応物空気は、空気排気マニホールド（２９）に接続されたポンプ（３８）によって燃料電池スタック（１１）を通して吸引される。燃料排気（１９、４３）は、ダクト（４４）を通して大気へ放出される前に、または、触媒コンバータ（４７）内で消費される前に、空気排気（３９）に接続できる。燃料電池電力設備は、ケーシング（５２）内に配置でき、それによって、燃料排気（５５）と全ての燃料漏出物の少なくとも一方が、新鮮な流入空気（５６、５９）と混合できるとともに、カソード触媒上で反応して水を生成する。燃料電池（１０ｃ）は、自動車の乗客室の下に取り付けるのに適した低い側面構造を備えることができる。

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、ポンプによって酸化剤を燃料電池内へ吸引し、それによって、入口マニホールドの必要性を除去すること、および燃料電池を容器に入れてアノードからの漏出・流出水素の一掃を可能とすることに関する。
【０００２】
【背景技術】
燃料電池は、輸送装置を作動するための主要な電源として電気を供給するのに使用されている。一般に、高分子電解質膜（ＰＥＭ）型燃料電池が、輸送装置に使用される。しかしながら、効率的な乗客輸送装置では、空間出力密度が重要である。燃料反応物のどのような漏出も、輸送装置内の環境を損ないかつ乗客の安全の脅威となり得る。
【０００３】
燃料電池スタックは、空気を空気入口マニホールド内に吸引し、スタックの酸化剤の流れの場を通すように、酸化剤の流れの場の排出口に送風機を備える。酸素が消耗された空気の一部は、弁によって再循環流路を通して空気入口マニホールドへ再循環される。再循環流路は、燃料マニホールドの外側領域を取り囲み、それによって、再循環空気の流れが、燃料マニホールドシールを通って漏出するどのような気体も空気入口マニホールドへと押し流して戻すことになり、それによって、電池のカソードにおいて消費される。しかしながら、酸素が消耗された空気の再導入には、空気利用率の増加が必要となり、そしてまた、より多量の空気の流れ、酸化剤の流れの場を横断するより大きな圧力降下、および必要な寄生電力の付随的な増加、が必要となる。このような用途における燃料電池スタックには、空気入口マニホールドと空気出口マニホールドとの両方が必要となる。
【０００４】
【発明の開示】
本発明の目的は、輸送装置に使用するものなどの燃料電池電力設備の大きさを低減すること；輸送装置の重心を低下させるように構成された燃料電池電力設備を提供すること；周囲環境内および輸送装置内での燃料反応物の漏出の影響を低減すること；使用済み燃料および漏出燃料を燃焼すること；酸素が消耗された空気を使用せずに漏出燃料を燃焼すること；輸送装置において主要な電源として使用するのに適した燃料電池の作動を向上させること、を含む。
【０００５】
本発明によれば、燃料電池の酸化剤反応物気体は、反応物気体出口におけるポンプによって燃料電池内へ吸引され、それによって、酸化剤反応物気体入口マニホールドの必要性が除去される。さらに本発明によれば、燃料電池は、完全に容器に入れられ、それによって、どのような水素漏出物も、ケーシング内において空気と混合され、新鮮な燃料電池空気供給源内へ吸引され、燃料電池のカソード触媒上で触媒反応によって消費されることになる。さらに本発明に従うと、燃料再循環装置からの燃料反応物の排気または排出物は、容器内に直接排出でき、それによって、未消費燃料の全てが、流入空気と混合され、カソード触媒上で触媒反応によって消費されることになる。あるいは、燃料再循環装置からの未消費燃料排気または排出物は、大気中へ排出される前に酸化剤排気で希釈され得る。
【０００６】
本発明は、電気自動車において使用するのに適した燃料電池の大きさを低減し、環境中へ排出される未消費燃料の濃度を低減しまたはこの未消費燃料を除去し、輸送装置内への水素漏出物を除去する。本発明は、輸送装置のための低重心構成を可能とする。
【０００７】
【発明を実施するための最良の形態】
図１を参照すると、一般にＰＥＭ型燃料電池とすることができる従来の燃料電池１０が、隣接した個々の燃料電池から成るスタック１１を含む。燃料電池スタック１１は、水素ガスまたは他の水素含有気体とすることができる気体状燃料反応物を、燃料入口マニホールド１３を通して受け取る。供給源１４（加圧水素のタンクなど）からの燃料が、圧力調整弁１６を通して燃料入口マニホールド１３へ供給される。燃料転回マニホールド１８が、スタック１１を通して燃料の流れを燃料排気マニホールド１９へ送り戻し、その後、燃料は、流量制御弁２０を通り、排気ダクト２１へ流れる。空気入口ダクト２４内の空気は、送風機またはポンプ２５によって、ダクト２７を通して空気入口マニホールド２８へ供給される。空気は、スタック１１を通って流れ、空気排気マニホールド２９、排気ダクト３０を通って流出し、そこで、周囲へ戻される。
【０００８】
知られているように、燃料電池スタック組立体内の全てのシール、特に水素マニホールドのシール３２〜３５の実行可能性を確実なものとするのは困難である。
【０００９】
本発明の第１の態様は、空気入口マニホールド２８（図１）の削除である。これは、図２において、燃料電池１０ａ内でポンプ３８を用いて空気排気マニホールド２９を排気することによって実現され、このポンプ３８は、ダクト３９により空気排気マニホールド２９に接続される。この実施態様では、燃料排気は、ダクト４４を通して周囲に放出される前に、ダクト４３により空気排気ポンプ３８に接続される。知られているように、適切に構成されかつ作動されるＰＥＭ型燃料電池の混合された燃料および空気の排気は、含有される水素が４パーセントを大幅に下まわることになり、それによって、環境に対して爆発または火災の危険を生じない。一旦大気中に放出されると、水素は、問題にならなくなる。しかしながら、排気ダクト４４内に残っている燃料および空気は、所望ならば、２０００年９月２６日にゴーマン（Ｇｏｒｍａｎ）らに付与された同一出願人による米国特許第６，１２４，０５４号に記載されているように、ダクト４８を通して大気へ放出される前に、図３の触媒コンバータ４７内で反応させることができる。所望ならば、図２の燃料電池スタック組立体１１へ流入する空気は、暖房装置、換気装置、および空気調和装置内で利用されるフィルターに類似し得るフィルター５０に通すことができる。当業技術内では燃料を再循環させるのが一般的である。そのような場合、ダクト４３は、燃料流出物を燃料再循環装置へと送ることになるであろうが、再循環装置からのどのような排出物も、空気排気ポンプ３８に接続できる。
【００１０】
図４に例示された本発明の実施態様では、燃料電池電力設備１０ｂ全体が、ケーシング５２内に配置される。この実施態様では、一例として、燃料排気マニホールド１９がない。その代わりに、燃料は、矢印５５で例示するように、ケーシング５２内に排出される。燃料が、燃料排気マニホールドを通して再循環される場合は、再循環装置からのどのような排出物も、ケーシング５２内に放出できる。空気は、矢印５６で例示するように、フィルター５０を通ってケーシングへ流入でき、その後、矢印５９で例示するように、空気排気マニホールド２９とは反対側のスタックの側面５８に流入する。使用済み燃料は、スタック１１に流入する前に、空気と混合することになり、カソード触媒上で安全に反応して水を生成する。適切に構成されかつ維持される燃料電池では、漏出は、燃料入口の流れの１パーセントよりかなり少ないものとなる。そしてまた、燃料排気は、入口燃料の流れの１パーセントと５パーセントの間程度のものとなる。燃料は、カソード触媒において完全に消費されるものであるから、排気ダクト４４は、空気の流れの場の排気を周囲に安全に排出できる。
【００１１】
流量調整弁６０が、燃料入口に設けられ得る。
【００１２】
図４の実施態様は、例えば、図５に例示されるように構築できる。ここでは、燃料電池電力設備１０ｃが、ケーシング６３内に配置される。ケーシング６３は、反応物空気が吸引されて通される空気入口フィルター６５、６６を備えることができる。矢印６７、６８によって示すように、図５の構成の中で空気の流れは、スタック１１の両側面を上昇し、次に、スタックの頂部を通ってスタック内に流入し、スタックの底部にある空気排気マニホールド２９を通り、遷移区域３０を通り、次に、ポンプ３８、ダクト３９、４４を通る。図５において、全ての燃料ダクト構造およびマニホールドは、明確にするために削除してある。
【００１３】
他の構成も使用でき、特定の構成は、本発明とは無関係である。別の代替の構成では、図３の燃料電池１０ｂに、ダクト３９に接続するためのダクト４３と燃料排気マニホールド１９が設けられ、それによって、燃料排気は、空気排気とともに排出されるが、どのような漏出燃料も、空気入口内へ吸引され、カソード触媒において消費されることになる。図５の低い側面構成は、自動車の乗客室の下に配置するのに特によく適合しており、それによって、自動車は非常な低重心となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来技術で知られる燃料電池構成の一形態の概略図。
【図２】
ケーシングを使用せず、燃料反応物流出物を酸化剤反応物排気真空ポンプへダクトで通す、本発明による燃料電池の概略図。
【図３】
本発明のさまざなな実施態様に使用され得る触媒コンバータの部分概略図。
【図４】
燃料電池全体が容器に入れられ、燃料反応物が、流入空気との混合のためにケース内に排出され、カソード触媒において燃焼される、本発明の実施態様の概略図。
【図５】
明確にするために燃料反応物の流れ装置が削除されている、本発明の容器に入れられた実施態様を構築するための一構成の斜視図。

Claims (9)

1. 電解質と、この電解質の１つの面に配置されたカソード触媒と、この電解質の反対の面に配置されたアノード触媒と、入口および流れの出口を有するとともに水素含有燃料の流れを前記アノード触媒と接触させるアノードの流れの場と、入口および流れの出口を有するとともに前記カソード触媒と接触させて酸化剤を流すカソードの流れの場と、を含む燃料電池スタックと、
   前記アノードの流れの場に水素含有燃料を供給する供給源と、
   前記カソードの流れの場に酸化剤を供給する酸化剤ポンプと、
   を備える、電力を供給する燃料電池装置であって、改良は、
   前記燃料電池スタックを取り囲むとともに空気入口を有するケーシングを備え、
   前記カソードの流れの場の入口は、前記ケーシングの内部から空気を受け取り、
   前記酸化剤ポンプは、前記ケーシングの外部に配置されるとともに前記カソードの流れの出口と相互に接続されて、前記カソードの流れの場を通して酸化剤を吸引し、前記燃料電池装置は、酸化剤入口マニホールドを備えていないことを特徴とする燃料電池装置。
2. 電解質と、この電解質の１つの面に配置されたカソード触媒と、この電解質の反対の面に配置されたアノード触媒と、入口および出口を有するとともに水素含有燃料の流れを前記アノード触媒と接触させるアノードの流れの場と、入口および流れの出口を有するとともに前記カソード触媒と接触させて酸化剤を流すカソードの流れの場と、を含む燃料電池スタックと、
   前記アノードの流れの場に水素含有燃料を供給する供給源と、
   前記カソードの流れの場に酸化剤を供給する酸化剤ポンプと、
   を備える、電力を供給する燃料電池装置であって、改良は、
   前記酸化剤ポンプが、前記カソードの流れの場の流れの出口と相互に接続されて、前記カソードの流れの場を通して酸化剤を吸引し、前記燃料電池装置が、空気入口マニホールドを備えていないことを特徴とする燃料電池装置。
3. 電解質と、この電解質の１つの面に配置されたカソード触媒と、この電解質の反対の面に配置されたアノード触媒と、入口および流れの出口を有するとともに水素含有燃料の流れを前記アノード触媒と接触させるアノードの流れの場と、入口および流れの出口を有するとともに前記カソード触媒と接触させて酸化剤を流すカソードの流れの場と、を含む燃料電池スタックと、
   前記アノードの流れの場に水素含有燃料を供給する供給源と、
   前記カソードの流れの場に酸化剤を供給する酸化剤ポンプと、
   を備える、電力を供給する燃料電池装置であって、改良は、
   前記燃料電池スタックを取り囲むとともに空気入口を有するケーシングを備え、
   前記カソードの流れの場の入口は、前記ケーシングの内部から空気を受け取り、
   前記酸化剤ポンプは、前記ケーシングの外部に配置されるとともに前記カソードの流れの出口と相互に接続されて、前記カソードの流れの場を通して酸化剤を吸引することを特徴とする燃料電池装置。
4. 前記アノードの流れの場の流れの出口は、前記酸化剤ポンプに接続されることを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池装置。
5. 前記酸化剤ポンプの排気は、周囲に排出されることを特徴とする請求項４記載の燃料電池装置。
6. 前記酸化剤ポンプの排気は、前記燃料電池とは分離された触媒コンバータに接続され、この触媒コンバータの排気は、周囲に排出されることを特徴とする請求項４記載の燃料電池装置。
7. 前記燃料電池装置は、周囲より低い酸化剤気体圧力で作動されることを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池装置。
8. 前記アノードの流れの場の流れの出口は、前記ケーシングの内部へ排出され、それによって、アノードの流れの場の流出物および燃料漏出物は、両方とも、前記ケーシングを通して排気されることを特徴とする請求項３記載の燃料電池装置。
9. 前記アノードの流れの出口は、前記酸化剤ポンプに接続され、それによって、燃料漏出物のみが、前記ケーシングを通して排気されることを特徴とする請求項３記載の燃料電池装置。

Images