JP2006519469A5 - - Google Patents

Description

米国特許第６，４５１，４７０号およびカナダ特許出願公開第２，３４２，８２５号明細書には、膜に垂直な気体透過率の勾配を有し、膜からの水の拡散を抑制する気体拡散層（「気体拡散バリヤー」またはＧＤＢ）が開示されている。これによって、反応剤の外部加湿なしで燃料電池の動作が可能になる。ＧＤＢ構造を用いると、カソード気流の場に空気を相対的に高い化学量論で供給することによって、燃料電池の空気冷却も可能になる。例えば、‘８２５出願は、空気比、すなわち化学量論８〜７０を採用することを開示している。

空気は、常圧または常圧に近い圧力でスタック１４に供給される。例えば、本システムのいくつかの実施態様では、スタック空気供給に関わる圧力降下は約０．３〜０．５ｐｓｉｄ（２０〜３５ミリバール）である。そのような実施態様では、空気化学量論は約１．２〜３．０のことがある。

いくつかの実施態様では、起動時に、スタックに空気および燃料が供給され、燃料電池を低負荷および低電圧で動作させて内部熱発生を促進することがある。電池温度が上昇するにつれて、負荷を増加させ、これによって燃料電池中で発生する水蒸気の分圧は飽和圧力より低くなって、スタック内の空気／カソード排気を確実に飽和状態未満にとどまらせることがある。あるいは、燃料電池のカソード上で燃料と空気とを制御された方法で触媒燃焼させて、スタックを加熱することがある。望むなら、冷媒ループ中に触媒ヒーターが組み込まれ、このヒーター中で燃料と空気とを燃焼させて、スタック内に循環する冷媒を加熱することがある。あるいは、またはさらに、起動時にバイパス弁３４を作動させ、冷媒にラジエーター２４を迂回させることがある。その他の実施態様では、起動時に空気も高い空気化学量論（例えば〜２００）でスタックに供給される。

いくつかの実施態様では、本燃料電池システムは、低温で低い電力出力、および高温で高い電力出力で動作することがある。低い電力出力では、上記で説明したように、膜から漏れて出る水蒸気拡散を抑制するカソードＧＤＢの能力によって、必要な空気流の外部加湿はより少ないか、またはゼロである。同時に、より高い空気化学量論が使用され、カソード気流の場における飽和未満条件を保持する助けとなることがある。

高温ほど、低い空気化学量論が使用されることがある。これは、加湿していない反応剤を使用するカソードＧＤＢを使用する従来の燃料電池システムの場合のスタックからの水の損失を、減らす助けとなることがある。空冷される従来のシステムとは異なり、本燃料電池システムでは、操作温度が高くなっても、スタックの熱廃棄容量を維持するために増加した空気化学量論は必要でない。従って、本燃料電池システムでは、液体冷媒を使用することによって、空気化学量論および冷媒流量の要件は連動していない。

例を示した実施態様では、スタック１４への水素供給はデッドエンドである。望むなら、時間とともに蓄積することがある不活性な気体は、アノード１２からパージされることがある。例えば、通気ボックス２８中にアノードパージ気体が導入されることがあり、そこで入口空気中４％未満に希釈され、カソード１８で消費される。望むなら、アノードベント気体を別の燃焼器中で触媒燃焼させること、または環境に排出することなど、アノードベント気体を廃棄するその他の手段が用いられることがある。代わりの実施態様では、代わりに水素リサイクルシステムが使用される。しかし、水素供給は閉鎖系である必要はない。例えば、さらに別の実施態様では、本燃料電池システムは、燃料を改質してスタック用に水素分に富む改質成分気流を製造する燃料処理システムを備える。望むなら、上流または下流の処理工程のために、アノード排気を燃焼させて熱エネルギーを製造することができる。結局、水素原料および水素供給システムの構成は、本燃料電池システムにとって本質的でなく、当業者は、所定の用途のために適当な水素供給システムを容易に設計することができる。

本出願者は、スタック内でカソードＧＤＢを使用する燃料電池システムは、常圧近くの圧力において、加湿されていない空気を高い化学量論で用いると、燃料電池膜を乾燥させてしまうことなしに高温で動作させることはできないことを発見した。本燃料電池システムは、空気流の部分加湿によって、燃料電池性能を維持しながら、常圧に近い圧力での高温動作を可能にする。同時に、液体の水の除去は最小限となるかまたは不要となり、それによって加圧動作およびフラッディングに起因する寄生損失は減少する。上記のように、本燃料電池システムは、受動的な水管理システムに関連する問題も回避する。

Claims (8)

1. 複数の高分子電解質膜燃料電池を含む燃料電池スタックであって、前記燃料電池はカソード気体拡散バリヤー層を有するものとする燃料電池スタック、
   前記スタックのアノードに燃料を供給する燃料システム、
   前記スタックに前記スタックを囲んで設けられた通気ボックスを介して常圧に近い圧力で空気を予熱のために供給し予熱された前記空気を前記スタックのカソードに向けて流すブロワ、
   前記スタックにより前記通気ボックスを介して予熱された前記空気の空気流と前記スタックから出るカソード排気流とを流体連通し、前記カソード排気流から前記空気流に水蒸気を移動させ、前記水蒸気で加湿された前記空気流を前記ブロワにより前記スタックのカソードに供給する加湿装置、および
   ポンプにより前記スタック内に液体冷媒を循環させる冷媒ループ
   を含む燃料電池システム。
2. 燃料電池システムを動作させる方法であって、
   前記システムは、燃料電池スタックを含み、前記燃料電池スタックは、カソード気体拡散バリヤー層を有する複数の高分子電解質膜燃料電池を含み、前記方法は、
   前記スタックのアノードに燃料を供給すること、
   ブロワにより前記スタックに前記スタックを囲んで設けられた通気ボックスを介して常圧に近い圧力および１より大きな化学量論で空気を予熱のために供給し予熱された前記空気を前記スタックのカソードに向けて流すこと、
   加湿装置において前記スタックにより前記通気ボックスを介して予熱された前記空気の空気流と前記スタックから出るカソード排気流とを流体連通し、前記カソード排気流から前記空気流に水蒸気を移動させ、前記水蒸気で加湿された前記空気流を前記ブロワにより前記スタックのカソードに供給すること、
   前記スタックのカソードに供給される空気の相対湿度をスタック入口飽和点より低く維持すること、
   前記スタックから出るカソード排気流の相対湿度をスタック出口飽和点より低く維持すること、および
   前記スタックを７５℃より高い温度で動作させること
   を含むものとする方法。
3. 前記空気は、約１．２から約３．０の化学量論で前記スタックに供給される、請求項２１に記載の方法。
4. 外部負荷に対する前記燃料電池システムの電力出力が低下するにつれて、前記空気化学量論を増加させることをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
5. 前記スタック温度が上昇するにつれて、前記空気化学量論を減少させることをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
6. 複数の高分子電解質膜燃料電池を含む燃料電池スタックであって、前記燃料電池はカソード気体拡散バリヤー手段を有するものとする燃料電池スタック、
   前記スタックのアノードに燃料を供給する燃料システム、
   前記スタックに前記スタックを囲んで設けられた通気ボックスを介して常圧に近い圧力で空気を予熱のために供給し予熱された前記空気を前記スタックのカソードに向けて流す供給手段、
   前記スタックから出るカソード排気流から前記スタックにより前記通気ボックスを介して予熱された前記空気の空気流に水蒸気を流体連通により移動させ、前記水蒸気で加湿された前記空気流を前記供給手段により前記スタックのカソードに供給する加湿手段、および
   ポンプにより前記スタック内に液体冷媒を循環させる冷媒ループ
   を含む燃料電池システム。
7. 前記スタックの動作温度を示す動作パラメータを測定するセンサ、および
   前記センサから入力を受け取り、前記供給手段によって前記スタックに供給される前記空気の化学量論を前記入力に応じて制御するように構成された制御手段
   をさらに含む、請求項３１に記載の燃料電池システム。
8. 前記スタックの動作温度を示す動作パラメータを測定するセンサ、および
   前記センサから入力を受け取り、前記供給手段によって前記スタックに供給される前記空気の化学量論と、前記リサイクル手段によって前記スタックに戻される前記カソード排気流の比率との少なくとも一方を、前記入力に応じて制御するように構成された制御手段
   をさらに含む、請求項３３に記載の燃料電池システム。