JP2007128889A

JP2007128889A - １段目にガス流リサイクルを備えたカスケード式スタック

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Publication number: JP2007128889A
Application number: JP2006297606A
Authority: JP
Inventors: Ralf Senner; ラルフ・センナー
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-11-03
Filing date: 2006-11-01
Publication date: 2007-05-24
Also published as: US20070099037A1; CN101894963B; US8007943B2; CN1971995A; DE102006051433B4; DE102006051433A1; CN101894963A

Abstract

【課題】燃料電池内に、加湿ガス流の分配の改善をもたらす、新規の改善されたガス流リサイクルシステムを提供すること。
【解決手段】加湿システムを備える燃料電池システムが説明される。加湿システムは、多段燃料電池スタックから排出された比較的多湿のガスを、アノードまたはカソード、あるいはその両方のいずれかの側上でリサイクルするリサイクリングシステムを使用し、この比較的多湿のガスを、水素および／または空気などであるがこれらに限定されるものではない比較的乾燥した供給ガスと混合されるように送り戻す。次いで、加湿された供給混合ガスは、多段燃料電池スタックの１段目に再導入される。ポンプおよび／またはエゼクタなどであるがこれらに限定されるものではない再循環装置を使用して、多湿の排出ガスを、供給ガスと混合されるようにリサイクルガスラインを介して戻すのを助けることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に燃料電池システムに関し、より詳細には、燃料電池システムで使用する新規の改善されたガス流リサイクルシステムに関する。

燃料電池は、多くの適用分野で動力源として使用されてきた。例えば、燃料電池は、電気自動車の内燃機関を置き換える発電装置での使用が提案されてきた。ＰＥＭ型燃料電池では、水素が燃料電池のアノードに供給され、酸素が酸化剤としてカソードに供給される。ＰＥＭ燃料電池は、アノード触媒をその両面の片方上に、カソード触媒をそれとは反対の面上に有する、薄く、陽子を透過させる非導電性固体高分子電解質膜を備える、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含む。ＭＥＡは、ガス拡散媒体構成要素と呼ばれることもある１対の導電性要素の間に挟まれており、これらの要素は、（１）アノードおよびカソード用の集電板として働く、（２）アノード触媒およびカソード触媒のそれぞれに対応する表面の上に燃料電池のガス反応物を分配するための適当な開口をその中に含む、（３）生成された水蒸気または液体の水を、電極から流れ場の流路に除去する、（４）熱を除去できるように熱伝導性である、また（５）機械的強度を有する。燃料電池という用語は一般に、文脈によって、単体の電池または複数の電池（例えばスタック）を指すのに使用される。複数の個々の電池は、一般に、互いに一塊にされて燃料電池スタックを形成し、また一般に直列に配置される。スタック内の各電池は、先に述べたＭＥＡを備え、そうしたＭＥＡはそれぞれ電圧の増大分をもたらす。

ＰＥＭ燃料電池では、水素（Ｈ_２）がアノード反応物（すなわち燃料）であり、酸素がカソード反応物（すなわち酸化剤）である。酸素は、純粋な形（Ｏ_２）または空気（Ｏ_２とＮ_２の混合気）とすることができる。固体高分子電解質は一般に、過フッ化スルホン酸などのイオン交換樹脂製である。アノード／カソードは一般に、しばしば炭素粒子上に担持されて、陽子伝導性樹脂と混合された触媒微粒子を備える。触媒粒子は一般に、高価な貴金属粒子である。これらの膜電極アセンブリは、製造に比較的費用がかかり、適当な水管理および加湿、ならびに一酸化炭素（ＣＯ）など触媒を汚染する成分の制御を含む、効率良い動作のための一定の条件を必要とする。

ＰＥＭおよび他の関連するタイプの燃料電池システムに関する技術の例は、本願の譲受人に譲渡されたＷｉｔｈｅｒｓｐｏｏｎ等の米国特許第３，９８５，５７８号、Ｓｗａｔｈｉｒａｊａｎ等の米国特許第５，２７２，０１７号、Ｌｉ等の米国特許第５，６２４，７６９号、Ｎｅｕｔｚｌｅｒの米国特許第５，７７６，６２４号、ＤｉＰｉｅｒｎｏＢｏｓｃｏ等の米国特許第６，１０３，４０９号、Ｓｗａｔｈｉｒａｊａｎ等の米国特許第６，２７７，５１３号、Ｗｏｏｄｓ、ＩＩＩ等の米国特許第６，３５０，５３９号、Ｆｒｏｎｋ等の米国特許第６，３７２，３７６号、Ｍａｔｈｉａｓ等の米国特許第６，３７６，１１１号、Ｖｙａｓ等の米国特許第６，５２１，３８１号、Ｓｏｍｐａｌｌｉ等の米国特許第６，５２４，７３６号、Ｓｅｎｎｅｒの米国特許第６，５２８，１９１号、Ｆｌｙ等の米国特許第６，５６６，００４号、Ｆｏｒｔｅ等の米国特許第６，６３０，２６０号、Ｆｌｙ等の米国特許第６，６６３，９９４号、Ｓｅｎｎｅｒの米国特許第６，７４０，４３３号、Ｎｅｌｓｏｎ等の米国特許第６，７７７，１２０号、Ｂｒａｄｙ等の米国特許第６，７９３，５４４号、Ｒａｐａｐｏｒｔ等の米国特許第６，７９４，０６８号、Ｂｌｕｎｋ等の米国特許第６，８１１，９１８号、Ｍａｔｈｉａｓ等の米国特許第６，８２４，９０９号、Ｓｅｎｎｅｒ等の米国特許出願公開第２００４／０２２９０８７号、Ｏ‘Ｈａｒａの米国特許出願公開第２００５／００２６０１２号、Ｏ‘Ｈａｒａ等の米国特許出願公開第２００５／００２６０１８号、およびＯ‘Ｈａｒａ等の米国特許出願公開第２００５／００２６５２３号に関して見ることができる。これら全ての明細書全体を、参照により本明細書に明示的に組み込む。

ＰＥＭ燃料電池の膜は、高い性能および耐久性を実現するために、多湿状態に保たれるべきである。したがって、高温で動作させる場合、燃料電池システムでは通常、供給ガス、空気および／または水素用に、加湿装置が必要である。燃料電池スタックが燃料入口で乾燥するのを防止するために、燃料電池スタックのアノードに供給される燃料ガスを加湿する必要があることが分かっている。燃料電池スタックの内部流路に沿って、電解質膜中での湿度勾配、および不均一な動力の分配を生じる含水量の増大がある。動力の分配が不均一であれば、一部の領域にホットスポットをもたらし、別の領域に過度の水の蓄積をもたらし、それもまた、性能および耐久性に負の影響を及ぼす。さらに、加湿装置には、特に燃料電池スタックを自動車へ利用する場合には、いくつかの欠点がある。というのも、加湿装置は重く、高価であり、また時に、それが含む水のために、低周囲温度で凍結してしまうためである。

加湿の問題の以前の解決策には、Ｓｔｒａｓｓｅｒの米国特許第５，４７８，６６２号、およびＣｈｏｗ等の米国特許第５，９３５，７２６号に記載さされたものを含む、膜加湿器および水噴射の方法、ならびに多湿ガスの再循環が関係していた。これらの明細書全体を、参照により本明細書に明示的に組み込む。

再循環法は、燃料電池出口でのガスが燃料電池内で生成された水で加湿され、液体の水を関与させずに湿度を燃料電池入口にもたらすために、そのガスを燃料電池入口に供給し戻すことができることを活用するものである。欠点は、再循環ポンプが必要であること、そのポンプの電力消費、およびスタック内の流路に沿った湿度勾配である。

さらに、燃料電池のカソードガスの入口と出口の間で酸化供給ガスを切り替えることも、提案されてきた。このシステムによりもたらされる利点は、燃料電池内の湿度の均一性がより良くなることである。というのも、乾燥した供給ガスが、流路内で一方およびそれとは反対の方向に交互するためである。しかし、供給ガスは、酸化剤であることが提案され、また乾燥しており、それにより両方のガス入口での性能低下をもたらすかもしれない。
Ｗｉｔｈｅｒｓｐｏｏｎ等の米国特許第３，９８５，５７８号Ｓｗａｔｈｉｒａｊａｎ等の米国特許第５，２７２，０１７号Ｌｉ等の米国特許第５，６２４，７６９号Ｎｅｕｔｚｌｅｒの米国特許第５，７７６，６２４号ＤｉＰｉｅｒｎｏＢｏｓｃｏ等の米国特許第６，１０３，４０９号Ｓｗａｔｈｉｒａｊａｎ等の米国特許第６，２７７，５１３号Ｗｏｏｄｓ、ＩＩＩ等の米国特許第６，３５０，５３９号Ｆｒｏｎｋ等の米国特許第６，３７２，３７６号Ｍａｔｈｉａｓ等の米国特許第６，３７６，１１１号Ｖｙａｓ等の米国特許第６，５２１，３８１号Ｓｏｍｐａｌｌｉ等の米国特許第６，５２４，７３６号Ｓｅｎｎｅｒの米国特許第６，５２８，１９１号Ｆｌｙ等の米国特許第６，５６６，００４号Ｆｏｒｔｅ等の米国特許第６，６３０，２６０号Ｆｌｙ等の米国特許第６，６６３，９９４号Ｓｅｎｎｅｒの米国特許第６，７４０，４３３号Ｎｅｌｓｏｎ等の米国特許第６，７７７，１２０号Ｂｒａｄｙ等の米国特許第６，７９３，５４４号Ｒａｐａｐｏｒｔ等の米国特許第６，７９４，０６８号Ｂｌｕｎｋ等の米国特許第６，８１１，９１８号Ｍａｔｈｉａｓ等の米国特許第６，８２４，９０９号Ｓｅｎｎｅｒ等の米国特許出願公開第２００４／０２２９０８７号Ｏ‘Ｈａｒａの米国特許出願公開第２００５／００２６０１２号Ｏ‘Ｈａｒａ等の米国特許出願公開第２００５／００２６０１８号Ｏ‘Ｈａｒａ等の米国特許出願公開第２００５／００２６５２３号Ｓｔｒａｓｓｅｒの米国特許第５，４７８，６６２号Ｃｈｏｗ等の米国特許第５，９３５，７２６号

したがって、燃料電池内に、加湿ガス流の分配の改善をもたらす、新規の改善されたガス流リサイクルシステムが必要である。

本発明の一実施形態によれば、燃料電池システムであって、（１）ある量の燃料または酸化剤のガスを受け取るように動作可能な燃料または酸化剤のガス入口を有する、第１の燃料電池スタックと、（２）ある量の排出ガスを排出するように動作可能な排出ガス出口を有する、第２の燃料電池スタックとを備え、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとが流体連通し、この燃料電池システムはまた、（３）第１および第２の燃料電池スタックと流体連通し、排出ガス出口から燃料または酸化剤のガスよりも高い水分レベルを有する排出ガスを受け取ってその排出ガスを第１の燃料電池スタックに再導入するように動作可能なガス再循環システムを備える、燃料電池システムが提供される。

本発明の第１の代替実施形態によれば、（１）ある量の燃料または酸化剤のガスを受け取るように動作可能な燃料または酸化剤のガス入口と、ある量の排出ガスを排出するように動作可能な排出ガス出口とを有する、第１の燃料電池スタックと、（２）第１の燃料電池スタックと流体連通し、排出ガス出口から燃料または酸化剤のガスよりも高い水分レベルを有する排出ガスを受け取ってその排出ガスを第１の燃料電池スタックに再導入するように動作可能なガス再循環システムとを備える、燃料電池システムが提供される。

本発明の第２の代替実施形態によれば、燃料電池システムを動作させる方法であって、（１）ある量の燃料または酸化剤のガスを受け取るように動作可能な燃料または酸化剤のガス入口を有する、第１の燃料電池スタックを設けるステップと、（２）ある量の排出ガスを排出するように動作可能な排出ガス出口を有する、第２の燃料電池スタックを設けるステップとを含み、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとが流体連通し、この方法はまた、（３）第１および第２の燃料電池スタックと流体連通し、排出ガス出口から燃料または酸化剤のガスよりも高い水分レベルを有する排出ガスを受け取ってその排出ガスを第１の燃料電池スタックに再導入するように動作可能な、ガス再循環システムを設けるステップを含む方法が提供される。

本発明の第３の代替実施形態によれば、燃料電池システムを動作させる方法であって、（１）ある量の燃料または酸化剤のガスを受け取るように動作可能な燃料または酸化剤のガス入口と、ある量の排出ガスを排出するように動作可能な排出ガス出口とを有する、第１の燃料電池スタックを設けるステップと、（２）第１の燃料電池スタックと流体連通し、排出ガス出口から燃料または酸化剤のガスよりも高い水分レベルを有する排出ガスを受け取ってその排出ガスを第１の燃料電池スタックに再導入するように動作可能な、ガス再循環システムを設けるステップとを含む方法が提供される。

本発明のさらなる適用範囲は、以下に提供される詳細な説明から明らかとなろう。詳細な説明および特定の例が、本発明の好ましい実施形態を示してはいるが、例示のためのものにすぎず、本発明の範囲を限定するものではないことを理解されたい。

本発明は、詳細な説明および添付の図面からより完全に理解されよう。

好ましい１つまたは複数の実施形態についての以下の説明は、本質的に例にすぎず、決して本発明、その適用分野、または使用法を限定するものではない。
本明細書でいう「流体」という用語は、任意のガスならびに／または液体の水、水蒸気、およびそれらの組合せなどであるがこれらに限定されるものではない液体の材料を意味する。

図１を参照すると、本発明の一実施形態による、スタックのアノード流１４側に動作可能に関連された加湿／ガス再循環システム１２を有する、３スタック燃料電池システム１０の概略図が示されている。

燃料電池システム１０は、３つの燃料電池スタック、それぞれ１６、１８、２０を含み、これらは互いに、または少なくとも隣接する燃料電池スタックと流体連通する。燃料電池スタック、それぞれ１６、１８、２０は、いくつかの個々の燃料電池要素２２からなる。燃料電池要素２２の個数は、燃料電池スタック、それぞれ１６、１８、２０の間で異なってよい。燃料電池スタック１６／燃料電池スタック１８の間、および燃料電池スタック１８／燃料電池スタック２０の間にそれぞれ流体連通をもたらすように、導管１６ａおよび１８ａを設けることができる。

燃料電池スタック１６に、ある量の燃料ガスを受け取るように動作可能な燃料ガス入口２４（例えば、スタックのアノード入口）が備えられ、燃料電池スタック２０に、ある量の排出ガスを排出するように動作可能な排出出口２６（例えば、スタックのアノード出口）が備えられる。燃料ガス入口２４は、流量制御バルブ２８と流体連通し、流量制御バルブ２８は、加湿／ガス再循環システム１２と流体連通する。加湿／ガス再循環システム１２は、加湿／ガス再循環装置３０を備えることができる。加湿／ガス再循環装置３０は、ポンプ、エゼクタ、インジェクタ（例えばベンチュリインゼクタ）、およびそれらの組合せを備えることができる。

加湿／ガス再循環装置３０は、燃料ガス貯蔵／供給源３２と、例えば導管３２ａを介して流体連通する。非限定的な一例として、燃料ガスは、水素からなることができる。排出出口２６は、圧力制御バルブ３４と、例えば導管３４ａを介して流体連通する。加湿／ガス再循環システム１２、より詳細には、加湿／ガス再循環装置３０は、排出出口２６、または導管３４ａ、あるいはその両方、のどれかと、例えば導管３０ａを介して流体連通することができる。

燃料電池システム１０を出る排出ガスは一般に、燃料電池システム１０に導入されている最中の燃料ガスよりも水分が高いので、本発明では、比較的湿ったおよび／または多湿の排出ガスが第３の燃料電池スタック２０を出た後に、それを（例えば導管３０ａから）第１の燃料電池スタック１６に戻して再導入する方法を提供するための加湿／ガス再循環システム１２を、より詳細には、加湿／ガス再循環装置３０を使用する。しかし、排出ガスは、第１の燃料電池スタック１６、または第２の燃料電池スタック１８、あるいはその両方、のどれかを出た後に、再循環され得ることを理解されたい。

排出ガスは、入ってくる燃料ガスよりも低い圧力で第１の燃料電池スタック１６（および後続の燃料電池スタック）を出るため、加湿／ガス再循環システム１２では、より詳細には、加湿／ガス再循環装置３０では、両方のガス流（すなわち、排出ガスおよび燃料ガス）を混合するための装置を使用する。前述のように、この装置は、再循環される排出ガスの圧力を必要な値まで増大させるように動作可能な、ポンプ、エゼクタ、インジェクタ、またはそれらの組合せとすることができる。このようにして、比較的乾燥した、入ってくる燃料ガスを、第１の燃料電池スタック１６、第２の燃料電池スタック１８または第３の燃料電池スタック２０、あるいはそれら全て、のどれかの、比較的湿ったおよび／または多湿の排出ガスの少なくとも一部と混合することができる。混合された後、次いで混合ガス（すなわち、比較的湿ったおよび／または多湿の排出ガスと比較的乾燥した燃料ガスとの）を、燃料電池システム１０に、より詳細には第１の燃料電池スタック１６に導入し戻すことができる。

図２を参照すると、本発明の第１の代替実施形態による、スタックのアノード流１１４側に動作可能に関連された加湿／ガス再循環システム１１２を有する、２スタック燃料電池システム１１０の概略図が示されている。

燃料電池システム１１０は、２つの燃料電池スタック、それぞれ１１６、１１８を含み、これらは互いに流体連通する。燃料電池スタック、それぞれ１１６、１１８は、いくつかの個々の燃料電池要素１２２からなる。燃料電池要素１２２の個数は、燃料電池スタック、それぞれ１１６、１１８の間で異なってよい。燃料電池スタック１１６と燃料電池スタック１１８の間に流体連通をもたらすように、導管１１６ａを設けることができる。

燃料電池スタック１１６に、ある量の燃料ガスを受け取るように動作可能な燃料ガス入口１２４（例えば、スタックのアノード入口）が備えられ、燃料電池スタック１１８に、ある量の排出ガスを排出するように動作可能な排出出口１２６（例えば、スタックのアノード出口）が備えられる。燃料ガス入口１２４は、流量制御バルブ１２８と流体連通し、流量制御バルブ１２８は、加湿／ガス再循環システム１１２と流体連通する。加湿／ガス再循環システム１１２は、加湿／ガス再循環装置１３０を備えることができる。加湿／ガス再循環装置１３０は、ポンプ、エゼクタ、インジェクタ（例えばベンチュリインゼクタ）、およびそれらの組合せを備えることができる。

加湿／ガス再循環装置１３０は、燃料ガス貯蔵／供給源１３２と、例えば導管１３２ａを介して流体連通する。非限定的な一例として、燃料ガスは、水素からなることができる。排出出口１２６は、圧力制御バルブ１３４と、例えば導管１３４ａを介して流体連通する。加湿／ガス再循環システム１１２、より詳細には、加湿／ガス再循環装置１３０は、排出出口１２６、または導管１３４ａ、あるいはその両方、のどれかと、例えば導管１３０ａを介して流体連通することができる。

先の実施形態と同様に、燃料電池システム１１０を出る排出ガスは一般に、燃料電池システム１１０に導入されている最中の燃料ガスよりも水分が高いので、本発明では、比較的湿ったおよび／または多湿の排出ガスが第２の燃料電池スタック１１８を出た後に、それを（例えば導管１３０ａから）第１の燃料電池スタック１１６に戻して再導入する方法を提供するための加湿／ガス再循環システム１１２を、より詳細には、加湿／ガス再循環装置１３０を使用する。しかし、排出ガスは、第１の燃料電池スタック１１６を出た後に、再循環され得ることを理解されたい。

排出ガスは、入ってくる燃料ガスよりも低い圧力で第１の燃料電池スタック１１６（および第２の燃料電池スタック１１８）を出るため、加湿／ガス再循環システム１１２では、より詳細には、加湿／ガス再循環装置１３０では、両方のガス流（すなわち、排出ガスおよび燃料ガス）を混合するための装置を使用する。前述のように、この装置は、再循環される排出ガスの圧力を必要な値まで増大させるように動作可能な、ポンプ、エゼクタ、インジェクタ、またはそれらの組合せとすることができる。このようにして、比較的乾燥した、入ってくる燃料ガスを、第１の燃料電池スタック１１６または第２の燃料電池スタック１１８、あるいはその両方、のどれかの、比較的湿ったおよび／または多湿の排出ガスの少なくとも一部と混合することができる。混合された後、次いで混合ガス（すなわち、比較的湿ったおよび／または多湿の排出ガスと比較的乾燥した燃料ガスとの）を、燃料電池システム１１０に、より詳細には、第１の燃料電池スタック１１６に導入し戻すことができる。

図３を参照すると、本発明の第２の代替実施形態による、スタックのカソード流２１４側に動作可能に関連された加湿システム２１２を有する、３スタック燃料電池システム２１０の概略図が示されている。

燃料電池システム２１０は、３つの燃料電池スタック、それぞれ２１６、２１８、２２０を含み、これらは互いに、または少なくとも隣接する燃料電池スタックと流体連通する。燃料電池スタック、それぞれ２１６、２１８、２２０は、いくつかの個々の燃料電池要素２２２からなる。燃料電池要素２２２の個数は、燃料電池スタック、それぞれ２１６、２１８、２２０の間で異なってよい。燃料電池スタック２１６／燃料電池スタック２１８の間、および燃料電池スタック２１８／燃料電池スタック２２０の間にそれぞれ流体連通をもたらすように、導管２１６ａおよび２１８ａを設けることができる。

燃料電池スタック２１６に、ある量の酸化剤ガスを受け取るように動作可能な酸化剤ガス入口２２４（例えばスタックのカソード入口）が備えられ、燃料電池スタック２２０に、ある量の排出ガスを排出するように動作可能な排出出口２２６（例えばスタックのカソード出口）が備えられる。酸化剤ガス入口２２４は、少なくとも１つの圧縮機２２８と流体連通する。圧縮機２２８は、別の圧縮機２３０と、動作可能に関連されることも、かつ／または流体連通することもできる。圧縮機、それぞれ２２８、２３０は、モータ２３２によって作動させることができる。

圧縮機、それぞれ２２８、２３０は、酸化剤ガス貯蔵／供給源２３６と例えば導管２３６ａを介して流体連通する流量計２３４と、導管２３４ａを介して流体連通することができる。非限定的な一例として、酸化剤は、空気、例えば周囲空気からなることができる。

この実施形態では、圧縮機、それぞれ２２８、２３０、および前述の任意の関連する構成要素が、加湿／ガス再循環システム２１２を構成する。しかし、ポンプ、エゼクタおよび／またはインジェクタを使用する代わりに、加湿／ガス再循環システム２１２では、圧縮機、それぞれ２２８、２３０を使用して、再循環機能を実現する。

圧縮機、それぞれ２２８、２３０は、直接または間接に、燃料電池スタック２１６、２１８および２２０のいずれかとそれぞれ、例えば導管２１６ｂ、２１８ｂおよび２２０ｂを介して流体連通する。リサイクル流量制御バルブ２４０を、導管２１６ｃ中に配設することができ、流量制御バルブ２４２および２４４をそれぞれ、導管２１８ｂおよび２２０ｂ中に配設することができる。このようにして、加湿／ガス再循環システム２１２からの、より詳細には、圧縮機、それぞれ２２８、２３０からの直接入力２４６および２４８をそれぞれ、燃料電池スタック２１８および２２０に設けることができる。さらに、排出出口２２６と例えば導管２５０ａを介して流体連通する、圧力制御バルブ２５０を設けることができる。

燃料電池システム２１０を出る排出ガスは一般に、燃料電池システム２１０に導入されている最中の酸化剤ガスよりも水分が高いので、本発明では、比較的湿ったおよび／または多湿の排出ガスが第１の燃料電池スタック２１６を出た後に、それを（例えば導管２１６ｃから）第１の燃料電池スタック２１６に戻して再導入する方法を提供するための加湿／ガス再循環システム２１２を、より詳細には、圧縮機、それぞれ２２８、２３０を使用する。しかし、排出ガスは、第２の燃料電池スタック２１８、または第３の燃料電池スタック２２０、あるいはその両方、のどれかを出た後に、再循環され得ることを理解されたい。

排出ガスは、入ってくる酸化剤ガスよりも低い圧力で第１の燃料電池スタック２１６（および後続の燃料電池スタック）を出るため、両方のガス流（すなわち、排出ガスおよび酸化剤ガス）を混合するのに、加湿／ガス再循環システム２１２が、より詳細には、圧縮機、それぞれ２２８、２３０が使用される。圧縮機、それぞれ２２８、２３０は、再循環される排出ガスの圧力を必要な値まで増大させるように動作可能である。このようにして、比較的乾燥した、入ってくる酸化剤ガスを、第１の燃料電池スタック２１６、第２の燃料電池スタック２１８、または第３の燃料電池スタック２２０、あるいはそれら全て、のどれかの、比較的湿ったおよび／または多湿の排出ガスの少なくとも一部と混合することができる。混合された後、次いで混合ガス（すなわち、比較的湿ったおよび／または多湿の排出ガスと比較的乾燥した酸化剤ガスとの）を、燃料電池システム２１０に、より詳細には、第１の燃料電池スタック２１６、第２の燃料電池スタック２１８、または第３の燃料電池スタック２２０、あるいはそれら全て、のどれかに導入し戻すことができる。

図４を参照すると、本発明の第３の代替実施形態による、スタックのカソード流３１４側に動作可能に関連された加湿システム３１２を有する、２スタック燃料電池システム３１０の概略図が示されている。

燃料電池システム３１０は、２つの燃料電池スタック、それぞれ３１６、３１８を含み、これらは互いに流体連通する。燃料電池スタック、それぞれ３１６、３１８は、いくつかの個々の燃料電池要素３２２からなる。燃料電池要素３２２の個数は、燃料電池スタック、それぞれ３１６、３１８の間で異なってよい。燃料電池スタック３１６と燃料電池スタック３１８の間に流体連通をもたらすように、導管３１６ａを設けることができる。

燃料電池スタック３１６に、ある量の酸化剤ガスを受け取るように動作可能な酸化剤ガス入口３２４（例えば、スタックのカソード入口）が備えられ、燃料電池スタック３１８に、ある量の排出ガスを排出するように動作可能な排出出口３２６（例えば、スタックのカソード出口）が備えられる。酸化剤ガス入口３２４は、少なくとも１つの圧縮機３２８と流体連通する。圧縮機３２８は、別の圧縮機３３０と、動作可能に関連されることも、かつ／または流体連通することもできる。圧縮機、それぞれ３２８、３３０は、モータ３３２によって作動させることができる。

圧縮機、それぞれ３２８、３３０は、酸化剤ガス貯蔵／供給源３３６と例えば導管３３６ａを介して流体連通する流量計３３４と、導管３３４ａを介して流体連通することができる。非限定的な一例として、酸化剤ガスは、空気、例えば周囲空気からなることができる。

この実施形態では、圧縮機、それぞれ３２８、３３０、および前述の任意の関連する構成要素が、加湿／ガス再循環システム３１２を構成する。しかし、ポンプ、エゼクタおよび／またはインジェクタを使用する代わりに、加湿／ガス再循環システム３１２では、圧縮機、それぞれ３２８、３３０を使用して、再循環機能を実現する。

圧縮機、それぞれ３２８、３３０は、直接または間接に、燃料電池スタック３１６および３１８のいずれかとそれぞれ、例えば導管３１６ｂおよび３１８ｂを介して流体連通する。リサイクル流量制御バルブ３４０を、導管３１６ｃ中に配設することができ、流量制御バルブ３４２および３４４をそれぞれ、導管３１６ｂおよび３１８ｂ中に配設することができる。このようにして、加湿／ガス再循環システム３１２からの、より詳細には、圧縮機、それぞれ３２８、３３０からの直接入力３４６および３４８をそれぞれ、燃料電池スタック３１６および３１８に設けることができる。さらに、排出出口３２６と例えば導管３５０ａを介して流体連通する、圧力制御バルブ３５０を設けることができる。

燃料電池システム３１０を出る排出ガスは一般に、燃料電池システム３１０に導入されている最中の酸化剤ガスよりも水分が高いので、本発明では、比較的湿ったおよび／または多湿の排出ガスが第１の燃料電池スタック３１６を出た後に、それを（例えば、導管３１６ｃから）第１の燃料電池スタック３１６に戻して再導入する方法を提供するための加湿／ガス再循環システム３１２を、より詳細には、圧縮機、それぞれ３２８、３３０を使用する。しかし、排出ガスは、第２の燃料電池スタック３１８を出た後に、再循環され得ることを理解されたい。

排出ガスは、入ってくる酸化剤ガスよりも低い圧力で第１の燃料電池スタック３１６（および後続の燃料電池スタック）を出るため、両方のガス流（すなわち、排出ガスおよび酸化剤ガス）を混合するのに、加湿／ガス再循環システム３１２が、より詳細には、圧縮機、それぞれ３２８、３３０が使用される。圧縮機、それぞれ３２８、３３０は、再循環される排出ガスの圧力を必要な値まで増大させるように動作可能である。このようにして、比較的乾燥した、入ってくる酸化剤ガスを、第１の燃料電池スタック３１６、第２の燃料電池スタック３１８、または第３の燃料電池スタック３２０、あるいはそれら全て、のどれかの、比較的湿ったおよび／または多湿の排出ガスの少なくとも一部と混合することができる。混合された後、次いで混合ガス（すなわち、比較的湿ったおよび／または多湿の排出ガスと比較的乾燥した酸化剤ガスとの）を、燃料電池システム３１０に、より詳細には、第１の燃料電池スタック３１６、または第２の燃料電池スタック３１８、あるいはその両方、のどれかに導入し戻すことができる。

本発明のいくつかの利点は、（１）カスケード式スタックの全ての段に加湿された入口ガスがもたらされ、それにより性能および耐久性の増大が期待されること、（２）高価な外部の加湿装置（例えば水蒸気輸送ユニット）を不要にしたことによるコストの低減、（３）燃料電池システム内の構成要素の個数を低減し、それによりコスト、システム規模、および制御装置の動力が低減されること、（４）希釈ガス供給を使用することによる、始動・停止による劣化（ｓｔａｒｔ−ｓｔｏｐｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ）の低減、を含むが、これらに限定されるものではない。

本発明の説明は、本質的に例にすぎず、したがって、本発明の要旨から逸脱しない諸変形形態は、本発明の範囲内にあるものとする。そうした変形形態は、本発明の精神および範囲から逸脱するものと見なされるべきではない。

本発明の一般的な教示による、アノード側に動作可能に関連された加湿／ガス再循環システムを有する３スタック燃料電池システムの概略図である。本発明の一般的な教示による、アノード側に動作可能に関連された加湿／ガス再循環システムを有する２スタック燃料電池システムの概略図である。本発明の一般的な教示による、カソード側に動作可能に関連された加湿／ガス再循環システムを有する３スタック燃料電池システムの概略図である。本発明の一般的な教示による、カソード側に動作可能に関連された加湿／ガス再循環システムを有する２スタック燃料電池システムの概略図である。

符号の説明

１０３スタック燃料電池システム
１２加湿／ガス再循環システム
１４スタックのアノード流
１６第１の燃料電池スタック
１８第２の燃料電池スタック
２０第３の燃料電池スタック
２２燃料電池要素
２４燃料ガス入口
２６排出出口
２８流量制御バルブ
３０加湿／ガス再循環装置
３２燃料ガス貯蔵／供給源
３４圧力制御バルブ
１１０２スタック燃料電池システム
１１２加湿／ガス再循環システム
１１４スタックのアノード流
１１６第１の燃料電池スタック
１１８第２の燃料電池スタック
１２２燃料電池要素
１２４燃料ガス入口
１２６排出出口
１２８流量制御バルブ
１３０加湿／ガス再循環装置
１３２燃料ガス貯蔵／供給源
１３４圧力制御バルブ
２１０３スタック燃料電池システム
２１２加湿システム、加湿／ガス再循環システム
２１４スタックのカソード流
２１６第１の燃料電池スタック
２１８第２の燃料電池スタック
２２０第３の燃料電池スタック
２２２燃料電池要素
２２４酸化剤ガス入口
２２６排出出口
２２８圧縮機
２３０圧縮機
２３２モータ
２３４流量計
２３６酸化剤ガス貯蔵／供給源
２４０リサイクル流量制御バルブ
２４２流量制御バルブ
２４４流量制御バルブ
２４６直接入力
２４８直接入力
２５０圧力制御バルブ
３１０２スタック燃料電池システム
３１２加湿システム、加湿／ガス再循環システム
３１４スタックのカソード流
３１６第１の燃料電池スタック
３１８第２の燃料電池スタック
３２２燃料電池要素
３２４酸化剤ガス入口
３２６排出出口
３２８圧縮機
３３０圧縮機
３３２モータ
３３４流量計
３３６酸化剤ガス貯蔵／供給源
３４０リサイクル流量制御バルブ
３４２流量制御バルブ
３４４流量制御バルブ
３４６直接入力
３４８直接入力
３５０圧力制御バルブ

Claims

燃料電池システムであって、
ある量の燃料または酸化剤のガスを受け取るように動作可能な燃料または酸化剤のガス入口を有する、第１の燃料電池スタックと、
ある量の排出ガスを排出するように動作可能な排出ガス出口を有する、第２の燃料電池スタックとを備え、
前記第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとが流体連通し、
前記燃料電池システムはまた、前記第１および第２の燃料電池スタックと流体連通し、前記排出ガス出口から、前記燃料または酸化剤のガスよりも高い水分レベルを有する前記排出ガスを受け取って、それを前記第１の燃料電池スタックに再導入するように動作可能なガス再循環システムを備える、燃料電池システム。
前記燃料または酸化剤のガスが、水素、空気、およびそれらの組合せからなる群から選択された材料からなる、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記ガス再循環システムが、ガス再循環装置を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記排出ガスと前記燃料または酸化剤のガスとが、前記第１の燃料電池スタック内に再導入される前に、前記ガス再循環装置内で混合される、請求項３に記載の燃料電池システム。
前記ガス再循環装置が、ポンプ、エゼクタ、およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項３に記載の燃料電池システム。
前記排出ガスと前記燃料または酸化剤のガスとが、前記第１の燃料電池スタックシステムに再導入される前に混合される、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記排出ガスと前記燃料または酸化剤のガスとが、前記第１の燃料電池スタックに再導入される前に、前記ガス再循環システム内で混合される、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記ガス再循環システムと流体連通する、燃料または酸化剤のガス貯蔵システムをさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記ガス再循環システムに動作可能に関連された流量制御バルブまたは流量計をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記排出ガス出口に動作可能に関連された圧力制御バルブをさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとの間に配設され、前記第１および第２の燃料電池スタックと流体連通する第３の燃料電池スタックをさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記ガス再循環システムが動作可能に関連されたアノード部分をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
ある量の燃料または酸化剤のガスを受け取るように動作可能な、燃料または酸化剤のガス入口と、ある量の排出ガスを排出するように動作可能な排出ガス出口とを有する、第１の燃料電池スタックと、
前記第１の燃料電池スタックと流体連通し、前記排出ガス出口から、前記燃料または酸化剤のガスよりも高い水分レベルを有する前記排出ガスを受け取って、それを前記第１の燃料電池スタックに再導入するように動作可能なガス再循環システムとを備える、燃料電池システム。
前記燃料または酸化剤のガスが、水素、空気、およびそれらの組合せからなる群から選択された材料からなる、請求項１３に記載の燃料電池システム。
ある量の燃料または酸化剤のガスを受け取るように動作可能な、燃料または酸化剤のガス入口と、ある量の排出ガスを排出するように動作可能な排出ガス出口とを有する第２の燃料電池スタックであって、前記第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとが流体連通する、第２の燃料電池スタックをさらに備える、請求項１３に記載の燃料電池システム。
前記第２の燃料電池スタックが、前記ガス再循環システムと流体連通する、請求項１５に記載の燃料電池システム。
前記ガス再循環システムが、ガス再循環装置を備える、請求項１３に記載の燃料電池システム。
前記ガス再循環装置が、少なくとも１つの圧縮機からなる、請求項１７に記載の燃料電池システム。
前記ガス再循環装置が、それらの間で動作可能に関連された少なくとも２つの圧縮機からなる、請求項１７に記載の燃料電池システム。
前記ガス再循環装置に動作可能に関連されたモータをさらに備える、請求項１７に記載の燃料電池システム。
前記排出ガスと前記燃料または酸化剤のガスとが、前記第１の燃料電池スタックに再導入される前に、前記ガス再循環装置内で混合される、請求項１７に記載の燃料電池システム。
前記第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとの間に配設され、前記第１および第２の燃料電池スタックと流体連通する第３の燃料電池スタックをさらに備える、請求項１７に記載の燃料電池システム。
前記第３の燃料電池スタックが、ある量の燃料または酸化剤のガスを受け取るように動作可能な燃料または酸化剤のガス入口と、ある量の排出ガスを排出するように動作可能な排出ガス出口とを備える、請求項２２に記載の燃料電池システム。
前記第３の燃料電池スタックが、前記ガス再循環システムと流体連通する、請求項２２に記載の燃料電池システム。
前記第１の燃料電池スタックの前記排出ガスと前記燃料または酸化剤のガスとが、前記第１、第２、または第３の燃料電池スタックのいずれかに再導入される前に、前記ガス再循環装置内で混合される、請求項２２に記載の燃料電池システム。
前記第１の燃料電池スタックからの前記排出ガスと前記燃料または酸化剤のガスとが、前記第１の燃料電池スタックに再導入される前に混合される、請求項１３に記載の燃料電池システム。
前記第１の燃料電池スタックからの前記排出ガスと前記燃料または酸化剤のガスとが、前記第１の燃料電池スタックに再導入される前に、前記ガス再循環システム内で混合される、請求項１３に記載の燃料電池システム。
前記ガス再循環システムと流体連通する、燃料または酸化剤のガス貯蔵システムをさらに備える、請求項１３に記載の燃料電池システム。
前記ガス再循環システムに動作可能に関連された流量制御バルブまたは流量計をさらに備える、請求項１３に記載の燃料電池システム。
前記第２の燃料電池スタックの前記排出ガス出口に動作可能に関連された圧力制御バルブをさらに備える、請求項１３に記載の燃料電池システム。
前記ガス再循環システムが動作可能に関連されたカソード部分をさらに備える、請求項１３に記載の燃料電池システム。
燃料電池システムを動作させる方法であって、
ある量の燃料または酸化剤のガスを受け取るように動作可能な燃料または酸化剤のガス入口を有する、第１の燃料電池スタックを設けるステップと、
ある量の排出ガスを排出するように動作可能な排出ガス出口を有する、第２の燃料電池スタックを設けるステップとを含み、
前記第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとが流体連通し、
前記方法はまた、前記第１および第２の燃料電池スタックと流体連通し、前記排出ガス出口から前記燃料または酸化剤のガスよりも高い水分レベルを有する前記排出ガスを受け取って、それを前記第１の燃料電池スタックに再導入するように動作可能な、ガス再循環システムを設けるステップを含む、方法。
前記排出ガスと前記燃料または酸化剤のガスとが、前記第１の燃料電池スタックシステムに再導入される前に混合される、請求項３２に記載の燃料電池システム。
前記排出ガスと前記燃料または酸化剤のガスとが、前記第１の燃料電池スタックに再導入される前に、前記ガス再循環システム内で混合される、請求項３２に記載の燃料電池システム。
前記ガス再循環システムと流体連通する、燃料または酸化剤のガス貯蔵システムを設けるステップをさらに含む、請求項３２に記載の燃料電池システム。
前記ガス再循環システムに動作可能に関連された流量制御バルブまたは流量計を設けるステップをさらに含む、請求項３２に記載の燃料電池システム。
前記排出ガス出口に動作可能に関連された圧力制御バルブを設けるステップをさらに含む、請求項３２に記載の燃料電池システム。
前記第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとの間に配設され、前記第１および第２の燃料電池スタックと流体連通する、第３の燃料電池スタックを設けるステップをさらに含む、請求項３２に記載の燃料電池システム。
前記ガス再循環システムが動作可能に関連されたアノード部分を設けるステップをさらに含む、請求項３２に記載の燃料電池システム。
燃料電池システムを動作させる方法であって、
ある量の燃料または酸化剤のガスを受け取るように動作可能な燃料または酸化剤のガス入口と、ある量の排出ガスを排出するように動作可能な排出ガス出口とを有する、第１の燃料電池スタックを設けるステップと、
前記第１の燃料電池スタックと流体連通し、前記排出ガス出口から前記燃料または酸化剤のガスよりも高い水分レベルを有する前記排出ガスを受け取って、それを前記第１の燃料電池スタックに再導入するように動作可能なガス再循環システムを設けるステップとを含む方法。
ある量の燃料または酸化剤のガスを受け取るように動作可能な燃料または酸化剤のガス入口と、ある量の排出ガスを排出するように動作可能な排出ガス出口とを有する、第２の燃料電池スタックを設けるステップであって、前記第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとが流体連通するステップをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
前記ガス再循環システムが、少なくとも１つの圧縮機からなる、請求項４０に記載の方法。
前記ガス再循環システムに動作可能に関連されたモータを設けるステップをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
前記排出ガスと前記燃料または酸化剤のガスとが、前記第１の燃料電池スタックに再導入される前に、前記ガス再循環システム内で混合される、請求項４０に記載の方法。
前記第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとの間に配設され、前記第１および第２の燃料電池スタックと流体連通する、第３の燃料電池スタックを設けるステップをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
前記第３の燃料電池スタックが、ある量の燃料または酸化剤のガスを受け取るように動作可能な燃料または酸化剤のガス入口と、ある量の排出ガスを排出するように動作可能な排出ガス出口とを備える、請求項４５に記載の方法。
前記第３の燃料電池スタックが、前記ガス再循環システムと流体連通する、請求項４５に記載の方法。
前記第１の燃料電池スタックの前記排出ガスと前記燃料または酸化剤のガスとが、前記第１、第２、または第３の燃料電池スタックのいずれかに再導入される前に、前記ガス再循環システム内で混合される、請求項４５に記載の方法。
前記第１の燃料電池スタックからの前記排出ガスと前記燃料または酸化剤のガスとが、前記第１の燃料電池スタックに再導入される前に混合される、請求項４０に記載の方法。
前記第１の燃料電池スタックからの前記排出ガスと前記燃料または酸化剤のガスとが、前記第１の燃料電池スタックに再導入される前に、前記ガス再循環システム内で混合される、請求項４０に記載の方法。
前記ガス再循環システムと流体連通する、燃料または酸化剤のガス貯蔵システムを設けるステップをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
前記ガス再循環システムに動作可能に関連された流量制御バルブまたは流量計を設けるステップをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
第２の燃料電池スタックの排出ガス出口に動作可能に関連された圧力制御バルブを設けるステップをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
前記ガス再循環システムが動作可能に関連されたカソード部分を設けるステップをさらに含む、請求項４０に記載の方法。