JP2007502528A - アキュムレーション装置を用いた燃料電池スタックへの給湿方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 アキュムレーション装置を用いた、燃料電池スタックへの給湿方法を提供する。
【解決手段】 この方法は、燃料電池スタックの湿潤状態のアノード排気ガスを燃料電池入口にフィードバックし、燃料電池スタックのアノード入口及び出口を切り換えることにより、燃料電池チャンネルに沿った水分の均質性を良好にする。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に、アキュムレーション装置を用いた燃料電池スタックへの給湿方法に関する。

ＰＥＭ燃料電池の膜は、高い性能及び丈夫さを得るため、湿潤状態に保持されていなければならない。従って、高温で作動する場合には、燃料電池システムは、通常は、供給ガス、空気、及び／又は水素用の給湿装置を必要とする。燃料電池スタックのアノードに供給された燃料ガスは、燃料電池スタックが燃料入口のところで乾燥しないようにするため、給湿を必要とする。燃料電池スタックの内部チャンネルに沿って水分含有量が上昇し、これにより、電解質膜に水分勾配が生じ、出力分布が不均等になる。出力分布が不均等だと、幾つかの領域にホットスポットが発生し、他の領域に過度の水が溜まる。これは、性能及び丈夫さに悪影響を及ぼす。更に、給湿装置には幾つかの欠点があり、特に燃料電池スタックの自動車での用途で欠点がある。これは、重量があるということ、高価であるということ、及び内部に水が含まれるために低い周囲温度で凍結してしまう場合があるということである。

給湿の問題の従来の解決策には、膜給湿機及び水噴射方法並びに湿潤ガス再循環が含まれる。再循環方法には、燃料電池の出口にあるガスを燃料電池内で発生した水によって湿潤されており、液体の水を用いなくても燃料電池入口に水分を提供するため、燃料電池の出口にあるガスを燃料電池入口にフィードバックできるという利点がある。欠点は再循環ポンプを必要とするということであり、ポンプの出力消費及びチャンネルに沿ったスタックの水分勾配が発生する。更に、燃料電池のカソードガス入口と出口と間で酸化供給ガスを切り換えることがＷＯ９９／２８９８５Ａ１で提案されている。このシステムが提供する利点は、乾燥した供給ガスがチャンネル内で一方の方向及び他方の方向に交互になるため、燃料電池内の水分の均質性が良好であるということである。しかしながら、供給ガスは酸化体であると示唆されており且つ乾燥しており、そのため、これにより両ガス入口のところで性能が劣化してしまう。
ＷＯ９９／２８９８５Ａ１

従って、当該技術分野において、プロセスに液体の水を含むことなく、及び追加のポンプや追加の電力を使用することなく、膜を均質に給湿する方法を提供するのが望まれている。

本発明は、アキュムレーション装置を用いた、燃料電池スタックへの給湿方法を提供する。本発明の方法は、燃料電池スタックの湿潤状態のアノード排気ガスを燃料電池入口にフィードバックし、燃料電池スタックのアノード入口及び出口を切り換え、燃料電池チャンネルに沿った水分の均質性を良好にする。この方法は、燃料ガス入口及び燃料ガス出口として各々役立つことができる二つの開口部を持つ燃料電池スタックの作動を含む。燃料は、これらの二つの開口部のうちの一方に供給される。二つの開口部のうちの他方の開口部から排出燃料ガスを貯蔵し、次いで、燃料ガスの供給部を少なくとも二つの開口部のうちの他方の開口部に切り換える。元の出口は、この場合、燃料ガス入口として役立ち、元の燃料ガス入口は、この場合、出口として役立つ。貯蔵された湿潤状態の排出燃料ガスは、次いで、新たな入口開口部に進入する燃料ガスの新たな供給に導入され、そのため、貯蔵された湿潤状態の排出燃料ガスを使用してＰＥＭ膜を湿潤できる。

本発明のこの他の適用領域は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施例を示すけれども、単なる例示であって、本発明の範囲を限定しようとするものではないということは理解されるべきである。

本発明は、詳細な説明及び添付図面から更によく理解されるであろう。

好ましい実施例の以下の説明は、単なる例示であって、本発明、その用途、又は使用を制限しようとするものではない。
次に、図１乃至図５を参照し、本発明の幾つかの実施例を説明する。ここに説明したシステム間の共通の方法は、燃料電池スタックを出る湿潤状態の燃料ガスをプロセスの一サイクル中に装置で集めることである。次いで、アノードガスの流れ方向を逆転し、貯蔵された湿潤ガスを前のガス出口にフィードバックし、前のガス出口がガス入口になる。第２サイクル中に出口になる他方のガス入口を別のガス貯蔵装置に接続し、次いでこの装置が湿潤排気ガスで充填され、この排気ガスが貯蔵され、次いで次のサイクル中に入口に送出される。

次に図１を参照し、本発明の第１実施例を説明する。図１に示すように、第１開口部１２及び第２開口部１４を含む燃料電池スタック１０が提供される。第１開口部及び第２開口部の各々は、アノードガス用の入口及び出口として役立つ。アノードガス開口部１２、１４の夫々に接続された通路１８、２０と関連して水素タンク１６が設けられている。通路１８、２０の各々にはベンチュリ管２２、２４が設けられており、これらのチューブの各々には、夫々の膨張リザーバ２６、２８が流体連通状態で設けられている。第１通路１８に設けられた第１流れ制御弁３０及び第２通路２０に設けられた第２流れ制御弁３２を含むバルブシステムが設けられている。第１通路１８は、更に、第１排気通路３６に接続されている。第２通路２０は、更に、第２排気通路３８に接続されている。第１及び第２の排気通路３６、３８内の排気ガスは排気システムによって取り扱かわれる。この排気システムは、例えば、周囲に又はカソードに一定のガス流を提供してもよく、又は周囲に又はカソードにパルスガス流を提供してもよく、これはシステムによって制御される。

作動の第１サイクル中、第１流れ制御弁３０が開放状態にあり、第２流れ制御弁３２が閉鎖位置にあり、そのため、水素が水素タンク１６から第１通路１８を通って流れ、水素を燃料電池スタック１０に第１開口部１２を介して供給される。水素ガスは燃料電池スタック１０を通過し、第２開口部１４を通って排出され、ここで第２通路２０に差し向けられる。アノード排気ガスがベンチュリ管２４を通過するとき、湿潤状態のアノード排気ガスがベンチュリ管２４を介して膨張リザーバ２８に提供される。

作動の第２サイクル中、流れ制御システムは、流れ制御弁３２が開放し且つ流れ制御弁３０が閉鎖するように切り換えられ、これにより、水素を水素タンク１６から第２通路２０を通って燃料電池スタック１０に第２開口部１４を介して流す。第２開口部は、このとき、燃料電池入口１４として役立つ。水素がベンチュリ管２４を通って流れるとき、膨張リザーバ２８内に貯蔵された湿潤状態のアノード排気ガスを吸い込み、燃料電池スタック１０に送出される新たな水素ガスと混合される。アノード排気は、次いで、第１開口部１２を通って出る。第１開口部は出口として役立つ。湿潤状態のアノード排気ガスを通路１８からベンチュリ管２２によって取り出し、第１膨張リザーバ２６に貯蔵する。次いで、流れ制御システムは再び切り換えられ、第１流れ制御弁３０が開放され且つ第２な制御弁３２が閉鎖され、これにより水素を水素タンク１６から通路１８を通して第１開口部１２に流す。第１開口部は、このとき、燃料電池スタック１０の入口として役立つ。次いで、貯蔵されたアノード排気ガスを第１流れ通路１８に提供された新たな水素に再導入する。

この２サイクルシステムは、湿潤状態の排気ガスが燃料電池スタック１２の入口に連続的に再循環されるように続行され、このとき、入口は第１及び第２の開口部１２、１４間で交互になる。本発明は、入口を交互にし、湿潤状態のアノード排気ガスを再導入することによって、燃料電池スタック内の湿度の均質性を高くする。これは、電池の性能及び丈夫さに良い影響を及ぼす。

アノードガス流内に液体の水が発生する場合がある。液体の水が多過ぎると燃料電池システムの作動に悪影響が及ぼされる。液体の水を排液するため、図５に示すように水セパレーター３５をアノードシステムと一体化してもよい。本発明の実施例の各々は、図示の水セパレーターを使用してもよいということは理解されるべきである。

次に、燃料電池スタック給湿システムの変形例の構成を図２を参照して説明する。ここでは、図１を参照して説明したのと共通のエレメントには共通の参照番号が付してある。燃料電池スタック１０には、この場合も、第１及び第２の開口部１２、１４が設けられている。これらの開口部の各々は、燃料電池スタック１０のアノードガス用の入口及び出口として役立つ。水素タンク１６が第１及び第２の通路１８、２０と流体連通した状態で設けられている。これらの通路は、第１及び第２の開口部１２、１４と夫々連通している。第１流れ制御弁３０が第１通路１８に配置されており且つ第２流れ制御弁３２が第２通路２０に配置された流れ制御システムが提供される。

図２の実施例は、図１の実施例とは、単一の膨張リザーバ４０が、第１通路１８及び第２通路２０の夫々に設けられた第１及び第２のベンチュリ管４２、４４と連通した状態で設けられているという点で異なっている。膨張リザーバ４０は二つのチャンバ４０Ａ及び４０Ｂを有し、これらのチャンバは、夫々のベンチュリ管４２、４４と各々連通している。

作動中、燃料電池システムは、第１サイクルで、水素が水素タンク１６から通路１８に第１開口部１２内に流れるように、第１流れ制御弁３０を開放し且つ第２流れ制御弁３２を閉鎖することによって作動する。開口部１２は、第１サイクル中、入口として役立つ。湿潤状態のアノード排気ガスが出口として機能する開口部１４を通って、及び通路３８を通って燃料電池スタック１０を出る。湿潤状態のアノード排気ガスがベンチュリ４４を通過する。このベンチュリはサイホン作用により、湿潤状態の排気ガスを取り出して単一の膨張リザーバ４０のチャンバ４０Ｂを充填する。第２サイクル中、流れ制御弁３０を閉鎖し且つ流れ制御弁３２を開放し、水素を水素タンク１６から通路２０を通して開口部１４に供給する。開口部１４は、この場合、燃料電池スタック１０の入口ポートとして役立つ。膨張リザーバ４０の貯蔵チャンバ４０Ｂに収容された湿潤状態の排気ガスが、通路２０を通過する新たに供給された水素に、及び燃料電池スタック１０に再導入される。湿潤状態のアノード排気ガスは開口部１２を通って燃料電池スタック１０を出る。開口部１２は、この場合、通路３６と関連した出口として役立ち、アノード排気ガスの幾分かがベンチュリ管４２によって膨張リザーバ４０の第１チャンバ４０Ａに逸らされる。チャンバ４０Ａ内に収容された湿潤状態のアノード排気ガスは、後に、開口部１２が燃料電池スタックのアノードガス入口として役立つときに使用される。

図３を参照すると、燃料電池スタック１０には第１開口部１２及び第２開口部１４が設けられている。これらの開口部の各々は、燃料電池スタック１０に提供されたアノードガス用の入口及び出口として役立つ。水素タンク１６は、水素を燃料電池スタック１０に提供する。第１通路５０及び第２通路５２が水素タンク１６に接続されており、膨張リザーバ４０と関連している。膨張リザーバ４０は第１チャンバ４０Ａ及び第２チャンバ４０Ｂを含み、これらのチャンバは第１通路５０及び第２通路５２の夫々と流体連通している。この実施例では、先ず最初に排気ガス及び新たな水素を膨張リザーバ４０で混合する。これは、混合物が燃料電池スタック１０に進入する前に行われる。混合した排気ガス及び水素を第１開口部１２に提供するため、ベンチュリ管５４が第１通路５０と連通しており、混合した排気ガス及び水素を燃料電池スタック１０の第２開口部１４に提供するため、 第２ベンチュリ管５６が第２通路５２と連通した状態で設けられている。

作動中、膨張リザーバ４０の第１チャンバ４０Ａは、新たな水素が開放した流れ制御弁３２を通して通路５２を通して供給される場合、混合した排気ガス及び水素で充填される。この際、流れ制御弁３０は閉鎖位置にある。新たな水素を膨張リザーバ４０のチャンバ４０Ｂに導入することによって、膨張リザーバ４０のピストン４６を押し、矢印Ａの方向に移動し、収容された水素及び排気ガスの混合物を開口部１２を通して圧送する。開口部１２は、この場合、燃料電池スタック１０の入口として役立つ。水素を通路５２に通すことによって排気ガスを開口部１４から出す。開口部１４は、通路３８と関連した出口ポートとして役立つ。開口部１４から出た排気ガスを新たな水素とベンチュリ管５６を通して混合する。これは、次いで、膨張リザーバ４０のチャンバ４０Ｂに供給される。次いで、流れ制御弁３２を閉鎖し、流れ制御弁３０を開放することにより水素を水素タンク１６から通路５０を通して膨張リザーバ４０のチャンバ４０Ａ内に差し向けることによって入口及び出口を逆にする。水素を膨張チャンバ４０Ａに導入することにより、ピストン４６を矢印Ａとは逆方向に下方に移動し、収容された水素及び湿潤状態の排気ガスをチャンバ４０Ｂから開口部１４内に圧送する。開口部１４は、この場合、燃料電池スタックの入口として役立つ。水素ガスが通路５０を通過するとき、ベンチュリ管５４を介して排気ガスと混合し、次いで膨張リザーバ４０のチャンバ４０Ａに進入する。更に高い水分及び均等性を燃料電池スタック１０に提供するため、このサイクルを連続的に繰り返す。

図４を参照すると、燃料電池スタック１０には開口部１２及び開口部１４が設けられている。これらの開口部は、各々、燃料電池スタック１０のアノードガス用の入口及び出口として役立つことができる。水素を燃料電池スタックのアノード通路に供給するため、水素タンク１６が設けられている。第１通路１８が水素タンク１６と第１開口部１２との間に接続されており、第２通路２０が水素タンク１６と燃料電池スタック１０の第２開口部１４との間に設けられている。第１流れ制御弁３０が第１通路１８に設けられており、第２流れ制御弁３２が第２通路２０に設けられている。ベンチュリ管６０、６２が開口部１２、１４の各々に設けられている。リサイクル通路６４がベンチュリ管６０、６２と連通している。

作動中、水素が水素タンク１６から燃料電池スタック１０の第１開口部１２を通して提供される。第１開口部１２は、アノードガス入口として役立つ。水素が通路１８を通って流れるように、流れ制御弁３０が開放位置にあり、流れ制御弁３２が閉鎖位置にある。開口部１４は、燃料電池スタック１０の湿潤状態のアノード排気ガス用の通路３８とともに出口として役立つ。湿潤状態の排気ガスが第２開口部１４に設けられたベンチュリ管６２を通過するとき、湿潤状態の排気ガスは、リサイクル通路６４を通して、燃料電池スタック１０の入口１２に設けられたベンチュリ管６０に引き込まれる。湿潤状態のアノード排気ガスを通路１８からの新たな水素と混合し、燃料電池スタック１０に送出する。サイクルの第２工程では、流れ制御弁３０を閉鎖し且つ流れ制御弁３２を開放し、水素を通路２０を通して開口部１４に供給する。この開口部１４は、この場合、燃料電池スタック入口として役立つ。この場合、開口部１２は燃料電池スタックのアノードガス出口として役立ち、湿潤状態のアノード排気ガスを新たな水素と混合するため、ベンチュリ管６０を通過した排気ガスをリサイクル通路６４を通して入口ポート１４に引込む。

開示のシステムは、燃料電池スタック内の湿度の均質性を高くする。かくして、燃料電池の性能及び丈夫さに良い影響を及ぼす。水素タンク１６内の圧力は、水素を再循環するための追加の電源及び再循環ポンプに対する必要をなくすようにエネルギ源として使用される。これにより、システム効率が向上すると同時に費用が低下する。

本発明の説明は単なる例示であり、及びかくして本発明の要旨から外れない変更は本発明の範囲内に含まれる。このような変更は、本発明の精神及び範囲から逸脱するものと考えられてはならない。

本発明の原理による、膨張リザーバを備えた交互のアノードガス入口通路及び出口通路を持つ燃料電池スタックの概略図である。 単一の膨張リザーバを備えた交互のアノードガス入口通路及び出口通路を持つ燃料電池スタックの概略図である。 本発明の原理による、アノード排気ガスを新たな水素と予備混合するための単一の膨張リザーバを備えた交互のアノードガス入口通路及び出口通路を持つ燃料電池スタックの概略図である。 本発明の原理による、アノード排気ガスをリサイクルする、交互のアノードガス入口通路及び出口通路を持つ燃料電池スタックの概略図である。 水セパレーターを追加した図１のシステムの概略図である。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
１２ 第１開口部
１４ 第２開口部
１６ 水素タンク
１８ 第１通路
２０ 第２通路
２２、２４ ベンチュリ管
２６、２８ 膨張リザーバ
３０ 第１流れ制御弁
３２ 第２流れ制御弁
３５ 水セパレーター
３６ 第１排気通路
３８ 第２排気通路

Claims (7)

1. 燃料ガスの入口及び出口用の少なくとも二つの開口部を持つ燃料電池を作動するための方法において、
   前記少なくとも二つの開口部の一方に燃料ガスを供給する工程と、
   前記少なくとも二つの開口部の他方からの排出燃料ガスを貯蔵する工程と、
   前記燃料ガスの供給を前記少なくとも二つの開口部の他方に切り換える工程と、
   貯蔵された前記排出燃料ガスを、前記少なくとも二つの開口部の他方に向かう燃料ガスの供給へと導入する工程と
   を含む方法。
2. 燃料ガスの入口及び出口用の少なくとも二つの開口部を持つ燃料電池を作動するための方法において、
   前記少なくとも二つの開口部の一方に燃料ガスを供給する工程と、
   前記少なくとも二つの開口部の他方からの排出燃料ガスを前記少なくとも二つの開口部の一方に再利用する工程と、
   前記燃料ガスの供給が前記少なくとも二つの開口部の他方に向かうように切り換える工程とを含む方法。
3. 燃料電池システムにおいて、
   燃料ガスの入口及び出口用の少なくとも二つの開口部を持つ燃料電池スタックと、
   前記少なくとも二つの開口部のうちの第１の開口部に接続された第１の通路と前記少なくとも二つの開口部のうちの第２の開口部に接続された第２の通路とを有する燃料ガス供給部と、
   前記第１の開口部と流体的に連通した第１の膨張リザーバと、
   前記第２の開口部と流体的に連通した第２の膨張リザーバと、
   前記燃料ガス供給部を前記第１の開口部に向ける第１の位置と前記燃料ガス供給部を前記第２の開口部に向ける第２位置との間で選択的に作動可能な制御弁システムと
   を備えた燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記第１及び第２の膨張リザーバは、それぞれ前記第１及び第２の通路に配置されたベンチュリ管と流体的に連通している燃料電池システム。
5. 燃料電池システムにおいて、
   燃料ガスの入口及び出口用の少なくとも二つの開口部を持つ燃料電池スタックと、
   前記少なくとも二つの開口部のうちの第１の開口部に接続された第１の通路と前記少なくとも二つの開口部のうちの第２の開口部に接続された第２の通路とを有する燃料ガス供給部と、
   前記少なくとも二つの開口部の一つと各々流体的に連通した二つのチャンバを有する膨張リザーバと、
   前記燃料ガス供給部を前記第１の開口部に向ける第１位置と前記燃料ガス供給部を前記第２の開口部に向ける第２位置との間で選択的に作動可能な制御弁システムと
   を備えた燃料電池システム。
6. 請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、前記膨張リザーバの前記二つのチャンバは、前記第１及び第２の通路にそれぞれ配置されたベンチュリ管と流体的に連通している燃料電池システム。
7. 燃料電池システムにおいて、
   燃料ガスの入口及び出口用の少なくとも二つの開口部を持つ燃料電池スタックと、
   前記少なくとも二つの開口部のうちの第１の開口部に接続された第１の通路と前記少なくとも二つの開口部のうちの第２の開口部に接続された第２の通路とを有する燃料ガス供給部と、
   前記少なくとも二つの開口部に設けられたベンチュリ管と、
   前記少なくとも二つの開口部に設けられた前記ベンチュリ管の間に接続された再循環通路と、
   前記燃料ガス供給部を前記第１の開口部に向ける第１位置と前記燃料ガス供給部を前記第２の開口部に向ける第２位置との間で選択的に作動可能な制御弁システムと
   を備えた燃料電池システム。

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