JP2005507542A - 燃料電池内の高い燃料利用率 - Google Patents

Abstract

実質的に純水素（３２）空気（２６）により作動するＰＥＭ型燃料電池（１２）が、アノード燃料反応物流れ場の出口に排気流れ制御弁（３７）を有し、この弁は、定常状態の小電力または中電力での作動中に通常は閉になっており、それによって、燃料反応物流れ場の中の窒素の濃度が、カソードから膜を横断する拡散により、酸化剤中の窒素の平均濃度に近づくことになり、それによって、水素濃度が、対応する少ない相補的な量に制限され、膜を横断して拡散しカソードで消費される水素が低減され、それによって、燃料電池の作動効率が向上する。電流検出器（４０）によって、制御器（４６）は、排気流れ制御弁（３７）を開にし、それによって、いっそうより大量の水素がアノードの燃料反応物流れ場の中に引き込まれて、水素が枯渇することなく高い電流密度で電力生成が維持される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気生成処理過程において、アノード側の低い燃料濃度の結果として燃料のカソードへの拡散を緩和することによって、水素／空気燃料電池に実質的に全ての燃料反応物を利用させることに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の利用率、特に、輸送装置に使用するための水素に富んだ燃料反応物気体と酸化剤気体としての空気とを用いて作動するプロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池の利用率について検討がなされている。全ての燃料を輸送装置に積み込んで運ぶ必要があるので、また、燃料電池の性能を向上させることができる付属品にそれにもかかわらず燃料電池によって電力を供給する必要がありそれによって電力設備全体の効率が低下するので、燃料電池の効率は、最も重要な問題である。燃料電池の性能は、燃料気体が電解質の表面全体に適切に供給されないときはいつもひどい損害を受けることが知られている。従って、アノードにおいて十分な燃料を確実に与えるために燃料反応物の流れの場に過剰の燃料を供給することは、従来技術では一般的な方法であった。しかしながら、アノード燃料の流れの場への入口において一般に９０％を超えることがあり得るような、より高濃度の水素によって、膜を通る燃料の拡散が押し進められ、そこで、燃料は、カソードで酸素と反応することになり、それによって、電力生成処理過程の効率が低下する。ＰＥＭ型燃料電池は、輸送装置に電力を供給するのに魅力的であるとはいえ、プロトン交換膜は、１５ミクロンほどの薄さになり得る。拡散速度はＰＥＭの厚さに反比例するので、燃料電池は、カソードへの膜を通る水素の相対的に大きな拡散から損害を受ける。また、水素は、カソードから膜を通って拡散する酸素と反応することによりアノードにおいて消費される。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の目的は、燃料電池内の燃料消費を１００％近くまで向上させることと、電気生成処理過程それ自体の効率ばかりでなく燃料電池により電力を供給する必要がある送風機、ポンプ、およびその他などの寄生負荷を考慮して可能な最大全体効率を有する燃料電池電力設備と、を含む。
【０００４】
本発明は、例えば純水素燃料の場合に、排気（排出）が存在せず、また、カソードへと膜を横断する水素の拡散もアノードへの酸素の拡散もほとんど存在しないと、水素利用率が理論的には１００％に近づくことになるという理解に、部分的に基づいている。本発明は、中位および小さな電力での定常状態作動のための水素流れ管理のモードが、燃料電池が高い電流またはピーク電流を供給するときの水素流れ管理のモードとは異なり得るという事実に、さらに基づいている。
【０００５】
本発明によれば、実質的に純水素と空気により作動する燃料電池は、そのアノード流れ場を非排出（ｕｎｖｅｎｔ）（または密閉）にし、それによって、アノード流れ場の中に拡散される窒素の濃度が、カソード酸化剤内の窒素のほぼ平均濃度（約８５％）に安定することになり、それによって、カソードへとプロトン交換膜を通る水素の拡散が大幅に低減するほど十分低いレベル（約１５％〜２０％）まで水素濃度が低下する。水素排気が存在せず、また、ＰＥＭを横断する拡散が低減すると、水素利用率は、０．４アンペア／ｃｍ²などといったいくぶん中程度のしきい値を超える電流密度に対して、９８％またはそれを超えるまで近づく。
【０００６】
さらに本発明によれば、燃料電池の負荷がモニタされ、大きな電力またはピーク電力で作動するときには、アノード流れ場を周囲へまたは燃料排出物処理装置へと排出（または開放）することにより、付加的水素がアノード流れ場に供給できる。大きな電力を生成するときの大きな反応速度において、水素の比例損失がより小さくなる。従って、高い電力レベルより下で、すなわち大部分の時間の輸送装置における作動において、作動するとき、非排出にされた燃料反応物流れ場を有する燃料電池は、燃料流れ場の中の水素分圧の低下に起因し得る電気化学的効率のどのような損失も相殺および超えるほど十分高い水素利用率、すなわち約９６％から９８％を有することになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１を参照すると、燃料電池電力設備１０は、接触する関係で互いに積層された複数の個々の燃料電池から成る電池スタック組立体１２を含むが、図１には単一の電池だけが例示される。燃料電池は、アノード電極１４、カソード電極１６、およびこれらの電極の間に配置された高分子電解質膜１８を含む。各電極は、よく知られるように、触媒、多孔質支持プレート、および反応物流れ場から構成される。カソード１６に隣接する水輸送プレート１９（または冷媒プレート）が、冷媒ポンプ２０、冷媒圧力弁２１、および熱交換器２２を含む冷媒制御ループに接続される。図示されていないが、例えば米国特許第５，５０３，９４４号に開示されているように当業技術で知られている、熱交換バイパス、および他の水管理装置を備えることもできる。ポンプ２０および弁２１は、水輸送プレート１９を通りさらに熱交換器２２を通るまたは回る流れの圧力および体積の両方を調節することになる。空気が、送風機２６によりカソード酸化剤流れ場の入口マニホールド２７に供給され、消耗された空気は、流れ場から出口マニホールド２８を通って排気２９へと流出する。水素または水素に富んだ気体の加圧供給源３２からの燃料が、燃料圧力調整器３４、燃料入口マニホールド３５、アノード１４の燃料流れ場、および燃料出口マニホールド３６を通って、流れ制御弁３７へと流れる。弁３７は、開のとき、燃料流れ場を周囲３９（または使用可能ないずれかの排気処理器）へと排出する。燃料流れ場の排出物は、送風機４１を含む再循環ループを通って流れる。燃料再循環送風機は、アノード流れ場に亘って相対的に均一な水素組成を維持するために、燃料入口流量よりはかなり大きな流量を一般に有する。
【０００８】
カソード酸化剤流れ場において、空気中のいくらかの酸素は、処理過程によって消費され、少量の酸素が、膜を通ってアノードへと拡散する。酸化剤流れ場の入口における酸素濃度は、約２１％であり、酸化剤流れ場の出口では、通常約１０％になり得る。酸化剤流れ場の入口から出口への窒素の平均濃度は、従って、約８５％である。窒素は、膜を通ってアノードへと拡散するが、安定させるのであれば、アノードにおける窒素濃度は、カソードにおけるのと本質的に同じ、約８０％〜８５％となる。本発明に従うと、燃料電池は、排気流れ弁３７が閉状態で、通常作動される。これによって、再循環ループ内の窒素濃度は、窒素の分圧が膜のアノード側およびカソード側の両方においてほぼ同じになるまで増加し、先に説明したように酸化剤流れ場の中の窒素の平均濃度、約８０％から８５％になる。これによって、アノード流れ場の中の水素濃度は、約１５％から２０％に制限され、アノード１４からカソード１６へと膜１８を横断する拡散速度が大幅に低減する。
【０００９】
１５ミクロン厚みのＰＥＭおよび０．４平方フィートの活性電池領域を含む２０セルのＰＥＭ型燃料電池スタックを、ほぼ５０□Ｃで試験した。反応物は、公称周囲圧力における空気と純水素であった。図２は、燃料排出が存在せずに６０％の空気利用率でこのスタックを試験したときの平均電池電圧に対する電流密度を示す。図２は、一端を閉じた（ｄｅａｄ−ｅｎｄ）流れ場を用いる全体の水素利用率が、中程度の負荷に対して９８％に到達すること、および、水素のモル分率が、２０（パーセント）半ばで安定することを例示している。
【００１０】
図３は、０．１アンペア毎平方センチメートルの一定電流密度における時間の関数としてのアノード流れ場の中の水素濃度と電圧を示す。このデータは、電池電圧に対する最小の影響で、水素濃度が約９３％の最初の値から１２０分間の時間を通して約２７％へと低下することを示している。時間に対する水素濃度の変化速度は、試験台に存在する電力設備とは無関係の体積によってこの試験においては、燃料電池電力設備で観察されることになるものよりはかなり遅くなった。
【００１１】
いくつかの燃料電池では、大きな電力で作動するとき、アノード触媒に利用できる水素は、所望の負荷を供給するには不十分になり得る。本発明にさらに従うと、電流検出器４０が、燃料電池電力設備の負荷４３に供給する電力ライン４２内の電流を検出する。検出器４０は、負荷電流を示す信号を制御器４６に提供し、この制御器４６は、電流が、最大定格電流の５０％から８０％程度になり得る特定の大きさ、より一般的には、最大定格電流の約６５％になり得る特定の大きさに到達するとき、排気流れ弁３７を開にすることになる。これによって、実質的な窒素およびいくらかの残留水素が、アノード流れ場から周囲３９に流れることになる。図には明確には図示されていないが、制御器４６は、所望ならば、水素圧力制御弁３４の設定を調整して、さまざまな電流レベルにおいてアノード１４の流れ場への水素の適切な流れを確実に供給することもできる。
【００１２】
さらに、制御器４０は、水素排気流れ弁３７を制御して、従来のように、始動または停止の初め、またはその他の時などに定期的に痕跡量の汚染物質を簡単にパージすることもできる。
【００１３】
本発明の利点を最大にするために、燃料電池は、高い酸素利用率で作動することもでき、それによって、膜のカソード側の酸素の圧力が低く保持され、拡散による酸素のアノードへのクロスオーバが低減される。これによって、クロスオーバによる水素の消費が低減される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明を組み込んだＰＥＭ型燃料電池の概略図。
【図２】非排出にされた燃料流れ場を用いる中程度の電流密度の関数としての平均電池電圧と全体の水素利用率のグラフ。
【図３】時間に対する電圧と水素のモル分率のグラフ。

Claims (11)

1. 非排出にされた燃料反応物流れ場（３５，１４，３６）を有するアノード（１４）と、酸化剤流れ場（２７，１６，２８）を有するカソード（１６）と、前記アノードと前記カソードの間にあるプロトン交換膜（１８）と、燃料を前記燃料反応物流れ場に供給するための水素の供給源（３２）と、前記燃料反応物流れ場の排出物を前記燃料反応物流れ場の入口（３５）に運ぶためのポンプ（４１）および前記燃料反応物流れ場を含む燃料再循環ループと、空気を前記酸化剤流れ場に供給するための手段（２６）と、を備える燃料電池（１２）を作動させる方法であって、
   前記手段を作動させて空気（２６）を前記酸化剤流れ場に供給し、
   前記再循環ループが非排出にされたまま前記供給源（３２）からの水素を前記燃料反応物流れ場に供給し、
   前記ポンプ（４１）を作動させる、
   ことを含み、
   前記燃料反応物流れ場の中の窒素の濃度が、前記膜を横断する拡散により、前記酸化剤流れ場の中の窒素の平均濃度に到達し、それによって、アノード流れ場の中の水素濃度のパーセントモル分率が、対応する少ない相補的な量にされる、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記燃料反応物流れ場（３５，１４，３６）に排気弁（３７）を設け、
   前記燃料電池の電流負荷（４３）を測定（４０）し、
   この電流負荷が所定のしきい値を超えるとき、前記排気流れ制御弁を開（４６）にする、ことをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記所定のしきい値は、燃料電池の最大電流定格の５０％と８０％の間であることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記所定のしきい値は、燃料電池の最大電流定格の約６５％であることを特徴とする請求項２記載の方法。
5. 約９６％のしきい値大きさを超える水素利用率で前記燃料電池を作動させることをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 約７０％のしきい値大きさを超える酸素利用率で前記燃料電池を作動させることをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記アノード流れ場の中の水素濃度のパーセントモル分率が、１５％〜２０％程度であることを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 燃料反応物流れ場（３５，１４，３６）を有するアノード（１４）と、前記燃料反応物流れ場の排出物（３６）を前記燃料反応物流れ場の入口（３５）に運ぶためのポンプ（４１）および前記燃料反応物流れ場を含む燃料再循環ループと、酸化剤流れ場（２７，１６，２８）を有するカソード（１６）と、前記アノードと前記カソードの間に配置されたプロトン交換膜（１８）と、を含む燃料電池（１２）と、
   空気を前記酸化剤流れ場に供給する手段（２６）と、
   水素の流れを前記燃料反応物流れ場に供給する手段（３２）と、
   を備える燃料電池電力設備（１０）であって、改良は、
   前記燃料反応物流れ場が、非排出にされ、それによって、前記燃料反応物流れ場の中の窒素の濃度が、酸化剤反応物流れ場からの拡散の結果として、酸化剤流れ場の中の窒素のほぼ平均濃度に安定し、それによって、水素濃度が、対応する少ない相補的な量に制限される、ことを特徴とする電力設備。
9. 前記燃料反応物流れ場は、排気流れ制御弁（３７）を有し、前記電力設備は、さらに、
   前記燃料電池のための電気負荷（４３）と、
   前記電気負荷に供給される負荷電流を検出（４０）するとともにそれを示す電流信号を提供する手段と、
   前記電流信号に応答するとともに、前記燃料電池の最大電流定格の所定の割合を超える電流の指示に応答して前記排気流れ制御弁を開にする、制御器（４６）と、を備えることを特徴とする請求項８記載の電力設備。
10. 前記所定の割合が、５０％と８０％の間であることを特徴とする請求項９記載の電力設備。
11. 前記所定の割合が、約６５％であることを特徴とする請求項１０記載の電力設備。

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