JP2004521451A - 可変化学量論燃料電池 - Google Patents

Abstract

アノード（１４）とカソード（１８）の反応物流れ場の間に高分子電解質膜（１６）を有する燃料電池は、可変送風機（３２）を含み、この可変送風機（３２）の電力制御信号（６１）は、電流検出器（６８）により検出された負荷（７１）の電流を示す電流信号（６３）に応じて制御器（７５）により供給される。制御器は、負荷電流密度の関数としての送風機電力のスケジュールに応答して、化学量論Ｓを提供し、化学量論Ｓは、ある電流密度Ｃより下では、化学量論Ａプラスマイナス所定範囲の化学量論Ｄに固定されており、それより高い電流密度では、Ｓ＝［Ａ＋Ｂ（ｉ−Ｃ）］±Ｄ、として変化し、ここでＢは、電流密度の関数としての化学量論の傾きであり、ｉは、実際の電流密度である。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷電流の関数としての送風機電力のスケジュールにより化学量論が制御される大気高分子電解質膜（ＰＥＭ）型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池処理過程により燃料電池内で消費される空気の量は、「化学量論」量と呼ばれる。（ａ）酸化剤の流れの場に供給される空気の全量の（ｂ）空気の化学量論量に対する割合は、一般に（また、ここでは）、「化学量論」と呼ばれる。ときとして、化学量論は、百分率として参照され、従って、３３３の化学量論は、３３３％を意味し、３．３の化学量論（ここで使用される）と同じである。「空気利用率」という用語は、化学量論の逆数のことを言い、消費された空気全体のパーセントであり、３０の利用率（３０％を意味する）は、３．３または３３３（３３３％を意味する）の化学量論に等しい。
【０００３】
従来技術で知られる最も一般的な燃料電池は、通常、２と３．５の間の実質的に一定の化学量論で作動される。そのような選択は、高い負荷電流で必要とされる付加的酸化剤と、酸化剤の過度の圧縮に起因する無駄な寄生電力を制限する必要性との間で釣り合いをとる。米国特許第５，３６６，８２１号においては、１または２気圧で作動するＰＥＭ型燃料電池が、（１）どのような電流負荷に対しても出力電圧を一定に保つか、（２）寄生電力（大部分は圧縮機を作動させるのに使用される）を最小限に抑える最適作動を提供するか、（３）固定酸素利用割合を維持するか、のいずれかを行うように、空気の流れを調整できることが示唆されてきた。この特許では、圧縮機が、圧縮空気を、設定値圧力を有する貯蔵タンクに供給し、圧縮機は、空気貯蔵タンク内の設定値圧力を維持するのに使用される。流量調整は、所望の流量を計算し、燃料電池への空気流れ入力と燃料電池からの電流出力をモニタし、流量制御弁により燃料電池を通る空気の流れを調整することで、達成される。上述した目的の達成を個別に記載してはいるが、１つの目的の達成は、残りの他の目的のいずれかの達成を妨げる。選択は、高い寄生電力を犠牲にして全ての負荷電流における定電圧のための流量と化学量論を制御すること；負荷電流の関数としての出力電圧および電力の幅広い変動を犠牲にして最小寄生電力のための流量を制御すること；より高い負荷電流およびより低い負荷電流の両方における増加寄生電力と負荷電流の関数としての可変の電圧および電力を犠牲にして一定化学量論のための流量を制御すること、を含む。圧縮機を使用するどのようなＰＥＭ型燃料電池においても寄生電力は、輸送装置に使用するためには、ひどく大きなものになる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の目的は、大気圧の近くにおける改善されたＰＥＭ型燃料電池の作動；負荷電流の関数として穏やかに低減する出力電圧を有する大気圧近くで作動するＰＥＭ型燃料電池；および輸送装置に使用するのにＰＥＭ型燃料電池をより適したものにする改善された特性を有する大気圧近くで作動するＰＥＭ型燃料電池、を含む。
【０００５】
本発明は、負荷電流の関数としての空気化学量論の穏やかな増加が、実質的に大気圧で作動するＰＥＭ型燃料電池の作動特性を改善することになるという発見に基づく。
【０００６】
本発明によれば、実質的に大気圧で作動するＰＥＭ型燃料電池内の空気の質量流量が、化学量論量を超えて増加され、それによって、負荷電流の関数としてのポンプまたは送風機の電力のスケジュールに応じて、負荷電流の関数として化学量論を制御する。本発明にさらに従うと、大気圧近くで作動するＰＥＭ型燃料電池の化学量論が、酸化剤流れ場の入口または出口における酸化剤ポンプまたは送風機の速度を増加することにより、負荷電流の関数として増加される。本発明にさらに調和すると、化学量論は、しきい値を超える電流密度に対して、１．７毎アンペア／ｃｍ²と２．５毎アンペア／ｃｍ²の間の速度で増加される。ポンプまたは送風機は、可変入力電圧によって、入力電圧のデューティサイクル切り換えによって、または他のどのような既知の仕方によっても、制御できる。
【０００７】
本発明は、寄生電力、電圧、および燃料電池のどのような他のパラメータも、同時にもう１つのこのようなパラメータを対応する最適条件に制御しながらは、その最適条件に制御できないことを認める。その代わりに、本発明は、化学量論が適切な仕方で変更される場合は、一度に多数のパラメータに対して達成できる可変化学量論には利点があることを認める。例えば、たとえ電圧が一定のままにとどまることができなくても、負荷電流の関数として電圧の変動を制限することで、全ての燃料電池電力設備の一部として使用される電力調整装置を簡素化し、従って、その大きさ、重量、および費用を低減する。これによって、燃料電池は、その電力調整装置とともに、輸送装置などの特定の使用に、より適したものになる。さらに、本発明に従って化学量論を調整することで、従来技術では一般的な固定化学量論を用いることとは対照的に、燃料電池処理過程の水の自給自足（ｓｅｌｆ−ｓｕｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が向上される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１を参照すると、ＰＥＭ型燃料電池電力設備１０は、一般に、直列に電気的に接続され電池スタック組立体と呼ばれる複数の燃料電池１２から構成される。しかしながら、本発明を説明する上で明確にするために、１つの燃料電池１２が記載される。各燃料電池１２は、アノード保持プレート１４、カソード保持プレート１８、およびアノード保持プレート１４とカソード保持プレート１８の間に配置された膜電解質組立体（ＭＥＡ）１６を含む。保持プレートは両方とも一般に、多孔質の電極基体および反応物の流れの場を含む。燃料反応物気体流れ２２は、燃料供給源（図示せず）から水素などの燃料反応物気体をアノード保持プレート１４の燃料流れ場に供給し、酸化剤反応物気体流れ２４は、酸化剤反応物気体をカソード保持プレート１８の酸化剤流れ場に供給する。酸化剤反応物気体は、空気であり、ポンプまたは送風機３２により加圧される。反応物気体が、燃料電池１２を通って流れる間に、生成物水が、ＭＥＡ１６のカソード側で生成する。また、燃料反応物気体流れ２２の中の水が、ＭＥＡ１６を通って流れ、カソード保持プレート１８に流入する。
【０００９】
水輸送プレート２０が、カソード保持プレート１８から生成物水の一部を取り除くとともに、そのような水を、冷媒流れ２６の中へ取り入れるのに役立つ。また、水輸送プレート２０は、燃料電池１２を冷却する。従って、水輸送プレート２０は、ときとして、冷却器プレートと呼ばれる。冷媒流れ２６、燃料反応物気体流れ２２、および酸化剤反応物気体流れ２４は、互いに流体連通して、水輸送プレート２０を通る。ＰＥＭ型燃料電池電力設備１０内の水輸送プレート２０内の水を管理するのが好ましい。水管理装置の例としては、米国特許第５，５０３，９４４号および第５，７００，５９５号に例示されているように、反応物気体と冷媒水の間に正の圧力差を維持することを含む。酸化剤反応物気体流れ２４の圧力が、冷媒流れ２６の圧力より高くなるように、燃料電池電力設備１０を作動させることによって、確実に、生成物水が、カソード１８から水輸送プレート２０へ移動する。
【００１０】
親水性基体層が、アノード保持プレート１４とカソード保持プレート１８の少なくとも一方に含まれるとき、カソード保持プレート１８またはアノード保持プレート１４が水で溢れるのを防止するために、燃料反応物気体流れ２２と冷媒反応物気体流れ２６の間に、および酸化剤反応物気体流れ２４と冷媒流れ２６の間に、圧力差が存在するように、燃料電池電力設備１０を作動させる必要がある。より具体的には、圧力差によって、親水性基体内の反応物気体に対する冷媒の好ましい割合が確立される。反応物気体に対する液体の割合は、親水性基体の細孔径、および反応物流れと冷媒流れの間の圧力差の関数である。各親水性基体は、所定の細孔径と所定の多孔度を有する。圧力差が減少すれば、水で満たされる細孔の割合が増加する。さらに、液体圧力と反応物気体圧力の間に圧力差がないと、水で満たされる細孔の割合は、ほぼ１００％になることになり、それによって、カソードは、水で溢れる。カソードが水で溢れると、大部分の細孔は、水で満たされることになるので、酸化剤反応物気体が触媒層へ到達するのが妨げられることになり、電気的特性が、低下することになる。反応物気体および水で満たされる細孔の好ましい割合は、基体層内の細孔の径、および各反応物気体流れ２２、２４と冷媒流れ２６との間の圧力差に依存する。液体または反応物気体を含有する細孔の割合は、冷媒流れ２６、および反応物気体２２、２４流れのそれぞれの圧力によって制御されることになり、反応物気体流れ２２、２４は、一般に、冷媒気体流れ２６より高い圧力を有する。具体的には、反応物気体流れ２２、２４の圧力は、ほぼ周囲圧力に通常等しいので、冷媒流れ２６の圧力は、周囲圧力より低い。さらに、冷媒流れ２６と反応物気体流れ２２、２４との間の圧力差は、通常、約０．５ｐｓｉから５．０ｐｓｉ（３．４Ｋｐａから３４Ｋｐａ）の範囲にあることになる。
【００１１】
図１に例示するように、反応物気体流れ２２、２４と冷媒流れ２６との間に正の圧力差を維持するそのような一手段は、冷媒流れ２６を通して水を循環させることを含み、冷媒流れ２６は、熱交換器２８によって冷却され、ポンプ３０によって加圧される。ポンプ３０は、冷媒流れ２６内に所定の冷媒水圧力を確立する。この圧力は、冷媒流れ２６内で水輸送プレート２０の直前に配置された可変弁３８によって、さらに調整されることができる。ポンプ３０が、定量ポンプならば、弁３８は、圧力調整が必要な場合に、冷媒圧力を変えるのに役立つことになる。圧力変換器４４が、ポンプ３０と弁３８の下流に配置され、冷媒水流れが、水輸送プレート２０へ流入する前に、その圧力を測定するのに役立つ。圧力変換器４４、弁３８、およびポンプ３０は、それぞれライン５２、５８、および６０を介して、電力設備マイクロプロセッサ制御器４６に接続されることができる。目標とする冷媒流れ圧力を達成する必要があるとき、圧力変換器４４から入力される冷媒流れ圧力によって、制御器は、ポンプ３０と弁３８の少なくとも一方を調整することになる。
【００１２】
酸化剤反応物気体流れ２４は、下流圧力変換器４２を含むことができ、下流圧力変換器４２は、酸化剤気体流れが、カソード保持プレート１８へ流入する間に、その圧力を測定する。圧力変換器４２は、ライン５０を介して装置制御器４６に接続される。
【００１３】
燃料反応物流れ２２は、通常、加圧容器、または加圧燃料調整または改質装置（図示せず）から供給される。可変弁３４が、ライン５４によって装置制御器４６に接続され、燃料反応物が、アノード保持プレート１４に流入する間に、その圧力を調整するように作動する。燃料反応物圧力は、ライン４８によって装置制御器４６に接続された圧力変換器４０によってモニタされる。周囲圧力の近くにおいて燃料電池電力設備を作動させると、高い圧力に空気を圧縮する必要が解消するとともに、寄生電力源が１つ取り除かれ、それによって、電力設備の全体の作動効率が向上するので、周囲圧力の近くにおいて燃料電池電力設備を作動させるのが好ましい。
【００１４】
本発明によれば、空気酸化剤を加圧するのに使用されるポンプまたは送風機３２は、可変であり、ライン５６によって制御器４６と接続される。従って、制御器４６は、スケジュールに記載されている化学量論／電流関係を達成するのに必要とされる酸化剤反応物圧力を制御することができる。
【００１５】
燃料電池が、先に説明したように構成され、それによって、塗りつぶした黒の三角形の記号でそこにその構成が描かれるとき、電池電圧は、電流密度ばかりでなく空気利用率にも大きく依存し、この空気利用率は、ここでは、図２に例示するように「化学量論」と呼ぶ。
【００１６】
同じ特性が、図３に異なる関係でグラフ化されて、電池電圧が、異なる負荷電流に対して化学量論によってどのように変化するかが例示される。図３では、任意の３つのスケジュールが、２．５毎Ａ／ｃｍ２、２．１毎Ａ／ｃｍ２、および１．７毎Ａ／ｃｍ２の傾きで示される。電圧を、６００ｍＡ／ｃｍ２（ミリアンペア毎平方センチメートル）から１２００ｍＡ／ｃｍ２の範囲で約０．６６ボルトで相対的に一定に保持するために、化学量論は、約１．２５（６００ｍＡ／ｃｍ２において）から約３．３３（約１２００ｍＡ／ｃｍ２において）に変化し、約３．３毎Ａ／ｃｍ２の化学量論傾きを有する必要があるであろう。これには、公称中域（平均）電力作動に対して低い化学量論（１．５未満）を用いることが必要となり、効率が低減するであろう。また、それは、９００ｍＡ／ｃｍ２を超える電流密度に対して０．６６ボルトを維持しないであろう。１５００ｍＡ／ｃｍ２またはそれより下において電圧を一定に保持すると、電圧を約０．６１ボルトに制限し、電池出力電力を大幅に低減することになるであろう。
【００１７】
図４では、本発明による化学量論スケジュールの例示的範囲は、０．６Ａ／ｃｍ２より下では電流密度から独立であるが、この数は、本発明のどのような与えられた利用率においても変わり得る。０．６Ａ／ｃｍ２より下の実線は、１．４±０．３の化学量論であり；０．６Ａ／ｃｍ２より上では、それは、１．４＋１．９２（ｉ−０．６）±０．３である。破線は、１．５５毎Ａ／ｃｍ２と２．２２毎Ａ／ｃｍ２の間の傾きの範囲を示す。従って、本発明は、
Ａ＋Ｂ（ｉ−Ｃ）±Ｄ、
の化学量論スケジュールを有し、ここで、Ａは、１つの電池スタックから次の電池スタックへと変わるが、１．１から１．７の範囲とすることができ；Ｂは、特定の電池スタックとその使用に適合するように選択されるが、１．５５毎Ａ／ｃｍ２から２．２２毎Ａ／ｃｍ２の範囲とすることができ；ｉは、アンペア毎平方センチメートルでの電流密度であり；Ｃは、転換（ｃｈａｎｇｅ−ｏｖｅｒ）電流密度であり、これも、電池スタックとその使用によって変わるが、約０．６Ａ／ｃｍ２とすることができ；Ｄは、選択され得る化学量論の範囲であり、０．３化学量論単位として図４の例には示されている。これらは、本発明による電流密度の関数として化学量論のスケジュールの範囲を規定する。このようなスケジュールを用いて、低い電力（低電流密度）において、低い化学量論が、寄生電力を低減するばかりでなく水回収能力を増加するのに、使用できる。しかしまた、より高い電力（より高い電流密度）において、化学量論は、より大きな処理過程効率と適切な水除去のために増加される。
【００１８】
図５は、従来技術の一定化学量論モードと本発明の可変化学量論モードに対する電流密度の関数としての電力密度のグラフである。可変化学量論の作動方法を用いて得られる最大電流密度は、一定化学量論に対するより約２０パーセント高い。電池スタック組立体は、最大必要電力レベルを満たすような大きさとする必要がある。可変化学量論を用いる装置内で作動するように設計された電池スタック組立体は、一定化学量論を用いる装置内で作動するように設計された電池スタック組立体より、２０パーセント小さいものとなる。これによって、約２０パーセント体積が小さくかつ重量が軽い電池スタック組立体が得られるが、この両方の低減は、体積と重量が貴重な自動推進の用途では、極めて重要である。また、これによって、電池スタック組立体の費用が低減される。
【００１９】
水自給自足は、どのような実際の燃料電池に対しても必要な設計要求事項である。水自給自足とは、電力設備反応物排気流れの中の蒸気として除去される水が、燃料電池内で電気化学反応により生成される水より少ないかまたは等しいことを意味する。外部の供給源から定期的に水を補給するのは、そのような水にはプロトン交換膜の劣化を防止するのに高い純度が必要とされるので、実際的でない。図６は、本質的に大気圧で作動する水素−空気燃料電池に対する化学量論の関数として水自給自足を維持するのに必要な最大許容装置排気温度または露点を示す。最大装置反応物排気温度は、通常、ラジエータからの冷媒出口温度より５□Ｃ高い。可変化学量論の方法によって、より高い許容ラジエータ出口温度に相当する、より高い装置排気温度において、水自給自足が得られる。これによって、より小さなラジエータを用いて暑い天気での運転条件を満たすことができる。
【００２０】
図７は、図４に示すスケジュールを用いる本発明の可変化学量論の場合と従来技術の一定化学量論の場合に対する、０．６アンペア毎平方センチメートルより下の電流密度での電流密度の関数としての通常の周囲圧力電力設備に必要な空気送風機電力のグラフである。約０．６アンペア毎平方センチメートルより下では、送風機電力は、本発明の可変化学量論では３分の１低くなる。図８は、１．６アンペア毎平方センチメートルまでの電流密度での類似のグラフである。可変化学量論の方法は、約０．８アンペア毎平方センチメートルを超過する電流密度において、より多くの寄生電力を必要とする。大抵の負荷追従燃料電池は、大部分の作動電流密度が、本発明が有利である０．４から０．８Ａ／ｃｍ２の間となるように、設計される。より高い電流密度への過渡現象は、自動車の加速時などで継続時間が短いので、高い電流密度における可変化学量論の方法の付加的寄生電力は、許容できる。
【００２１】
図１において、本発明は、可変送風機３２を有することを含み、可変送風機３２は、電池スタック負荷７１に供給された電流に応答する電流検出器６８からの信号ライン６３上の電流信号（Ｉ）に応じて制御器４６により発生されたライン５６上の制御信号に依存して、酸化剤流れ場２４の中に多かれ少なかれ酸化剤を送り込むことになる。図９では、制御器４６の一部分７５が例示されており、この一部分７５は、簡単なルックアップ表により達成できるライン６３上の電流信号の関数として直接にライン５６上の送風機制御信号を生成するのに割り当てられている。ライン５６上の信号は、パルス幅制御信号とすることができるか、または、それは、どのように送風機３２内のモータの電力が制御されるかに依存する電圧または電圧指示信号とすることができる。これらの全ては、通常のものであり、本発明の全体には関係しない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】既知の燃料電池電力設備ではあるが、本発明に従って可変速ポンプまたは送風機を含むように変更された概略図。
【図２】本発明を使用していない、実質的に大気圧で作動する燃料電池の電流密度の関数としての電池電圧のグラフ。
【図３】本発明による、負荷電流スケジュールの関数としての化学量論の範囲を描いた、さまざまな負荷電流に対する酸素化学量論の関数としての電池電圧のグラフ。
【図４】電流密度の関数としての酸素化学量論として表した図３の負荷スケジュールのグラフ。
【図５】本発明の可変化学量論と従来技術の固定化学量論に対する電流密度の関数としての電力密度のグラフ。
【図６】本発明を使用する電池スタックに対する最大排気露点のグラフ。
【図７】本発明と従来技術に従う電流密度の関数としてのポンプまたは送風機電力のグラフ。
【図８】本発明と従来技術に従う電流密度の関数としてのポンプまたは送風機電力のグラフ。
【図９】本発明に従って電流の関数としてポンプまたは送風機電力のスケジュールを直接使用する簡略概略図。

Claims (11)

1. 各燃料電池が、カソード保持プレート、アノード保持プレート、これらの保持プレートの間に配置された膜電極組立体、この膜電極組立体のカソード側にある酸化剤流れ場、および前記膜電極組立体のアノード側にある燃料流れ場を有する複数の燃料電池を備えるＰＥＭ型燃料電池装置の作動方法であって、この方法は、
   水素含有気体を前記燃料流れ場を通して流し、
   実質的に大気圧の空気を前記酸化剤流れ場を通して流し、
   前記空気の流量を負荷電流に応じて制御して、空気化学量論Ｓ、すなわち、
   Ｓ＝[Ａ＋Ｂ（ｉ−Ｃ）]±Ｄ （ｉ＞Ｃ において）、
   Ｓ＝Ａ±Ｄ （ｉ≦Ｃ において）、
   を維持する、
   ことを含み、ここで、Ａは、低く穏やかな電流密度において使用される固定化学量論であり、Ｂは、電流密度の関数としての化学量論の傾きであり、ｉは、実際の電流密度であり、Ｃは、スケジュールが固定されているものから電流密度によって変わるものに変化する電流密度であり、Ｄは、化学量論の範囲である、ことを特徴とするＰＥＭ型燃料電池装置の作動方法。
2. Ａは、１．１から１．７の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. Ｂは、１．５５毎Ａ／ｃｍ２から２．２２毎Ａ／ｃｍ２の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. Ｃは、約０．６Ａ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項１記載の方法。
5. ｉは、０Ａ／ｃｍ２と１．５Ａ／ｃｍ２の間にあることを特徴とする請求項１記載の方法。
6. Ｄは、−０．３と＋０．３化学量論単位の間にあることを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 各燃料電池が、カソード保持プレート、アノード保持プレート、これらの保持プレートの間に配置された膜電極組立体、この膜電極組立体のカソード側にある酸化剤流れ場、および前記膜電極組立体のアノード側にある燃料流れ場を有する複数の燃料電池と、
   水素に富んだ燃料を前記燃料流れ場へ供給するための燃料供給源と、
   大気圧の近くにおいて空気を前記酸化剤流れ場を通して流すための可変送風機と、
   前記燃料電池の負荷電流出力を示す負荷信号を供給する電流検出器と、
   空気化学量論Ｓ、すなわち、
   Ｓ＝[Ａ＋Ｂ（ｉ−Ｃ）]±Ｄ （Ｉ＞Ｃ において）、
   Ｓ＝Ａ±Ｄ （ｉ≦Ｃ において）、
   を達成する負荷電流の関数としての送風機モータ電力のスケジュールに従って電力制御信号を前記送風機に供給する制御器と、
   を備えるＰＥＭ型燃料電池装置装置であって、ここで、Ａは、低く穏やかな電流密度において使用される固定化学量論であり、Ｂは、電流密度の関数としての化学量論の傾きであり、ｉは、実際の電流密度であり、Ｃは、スケジュールが固定されているものから電流密度によって変わるものに変化する電流密度であり、Ｄは、化学量論の範囲である、ことを特徴とするＰＥＭ型燃料電池装置。
8. Ａは、１．１から１．７の範囲にあることを特徴とする請求項７記載の装置。
9. Ｂは、１．５５毎Ａ／ｃｍ２から２．２２毎Ａ／ｃｍ２の範囲にあることを特徴とする請求項７記載の装置。
10. Ｃは、約０．６Ａ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項７記載の装置。
11. ｉは、０Ａ／ｃｍ２と１．５Ａ／ｃｍ２の間にあることを特徴とする請求項７記載の装置。

Images