JP2008181873A - 並列デュアルスタック燃料電池システム用のアノードの再循環 - Google Patents

Abstract

【課題】液体水が累積するアノード側はカソード触媒の劣化を促すことがあり、それによってスタック電圧を、ひいてはスタックの寿命を低下させる。従って、スタックチャネル内のアノード速度を高めることのできるシステムを提供する。
【解決手段】アノード再循環系を有する並列デュアルスタック燃料電池システム１０は、第１の燃料電池スタック１２と第２の燃料電池スタック１４とを含む並列デュアルスタック・システムを含んでいる。第１および第２の燃料電池スタックの各々はアノード出口ユニット３０に接続されたガス出口ライン２６，２８を含んでいる。アノード出口ユニットは湿潤したＨ_２／Ｎ_２ガス混合物をシステムから放出する機能を果たす。水滴の除去を向上させるため、再循環ポンプに先立ちアノード出口ユニットと、第１および第２の燃料電池スタックへの入口ライン１８，２０との間に第２の水分離器が備えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関する。本発明は特に、デュアルスタック燃料電池システムおよび並列デュアルスタック燃料電池システム用のアノード再循環に関する。

一般に、燃料電池は既知の電力技術の代替手段としてみなされている。一般にＰＥＭ燃料電池と呼ばれるＰＥＭ（陽子交換膜）燃料電池は排出ガスが少なく、高レベルの効率で動作する。基本的に、燃料電池は化学エネルギを電気エネルギに変換する。より詳細には、今日使用されている燃料電池は１つのカソード領域と１つのアノード領域とを備えている。アノードは固体ポリマー電解質膜によってカソードから分離される。電気は水素と酸素との電気化学反応によって燃料電池スタックによって発電される。具体的には、水素リッチガスが燃料電池のアノード側に供給される。酸素含有オキシダント（典型的には大気酸素）が燃料電池のカソードに供給される。アノード側の水素分子が次の方程式、Ｈ_２→２・Ｈ^＋２／ｅ⁻に従って反応する。この反応の結果、正電荷を帯びた水素イオンが形成される。電子は電極に取り残される。Ｈ^＋イオンは電極を経てカソードへと伝導される。カソードでは、Ｈ^＋イオンは大気酸素Ｏ_２およびｅ⁻と反応し、次の方程式、０．５・Ｏ_２＋２・Ｈ^＋２・ｅ⁻→Ｈ_２Ｏに従って水を形成する。

現在の燃料電池装置はそれらのすべての技術的達成にも関らず、アノード側にも液体水が累積することが知られている。アノード側での液体水はカソード触媒の劣化を促すことがあり、それによってスタック電圧を、ひいてはスタックの寿命を低下させる。

本発明によれば、スタックチャネル内のアノード速度を高めるシステムを提供することによって公知の燃料電池装置の改良が達成される。
本発明のシステムは、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとを含む並列デュアルスタック・システムを含んでいる。第１および第２の燃料電池スタックの各々はアノード出口ユニットに接続されたガスラインを含んでいる。アノード出口ユニットは湿潤したＨ_２／Ｎ_２ガス混合物をシステムから放出する機能を果たす。水滴の除去を向上させるため、再循環ポンプに先立ちアノード出口ユニットと、第１および第２の燃料電池スタックへの戻りラインとの間に第２の水分離器を備えることができる。代替例として、デュアルスタックへの流れの平衡を図るため、戻りラインに可変オリフィスを備えてもよい。

本発明に係るアノード再循環を実現することによって、プレートのチャネル内のガス速度は、チャネルを経てあらゆる液体水スラグをシステムの出口へと押し出すのに充分な速度になる。本発明は、水素ガスを供給し、液体水を制御し、流れの温度を制御し、かつスタックに入る流れの組成を制御するために必要な構成要素を備えている。

スタックからの戻りガスは、１つのユニットに組み込まれた水分離器、ブリード弁、パージ弁およびドレン弁を有するアノード出口ユニットに入る。要請があれば、湿ったＨ_２／Ｎ_２ガス混合物をアノードループから抽気するためにブリード弁が開く。ブリード弁は、乾燥したガス濃度が約５０％から約９０％のＨ_２と約５０％から約１０％のＮ_２に達するたびに開放される。この濃度はモデルまたはセンサによって判定することができる。ドレン弁は、アノード出口ユニット内の水が累積し、組み込まれたレベルスイッチを作動するレベルに達するたびに開放される。運転停止時には、システム内の圧力を軽減するため、パージ弁を開放させることが望ましい。付加的に除水するため、ガス混合物を分離器に入れることがさらに望ましい。

次いでガスはポンプの入口に入る。モータを冷却するために、ならびにガス流と混合するためにＨ_２の流れをポンプ内に注入することが望ましい。ガスはポンプで圧縮される。加えて、本発明の範囲から逸脱することなく、空気または液体のような代替手段によってポンプを冷却してもよい。

水素ガスがミキサ／熱交換器に注入され、そこで圧縮ガスと混合され、ミキサ／ヒータを介して圧送されるスタック冷却剤ループによってスタック出口温度に加熱される。
次いでガスは２本のラインに分流され、第１および第２の燃料電池スタックの各々に送られる。第１および第２の燃料電池スタックの通路は同様に減圧されることが望ましい。加えて、モジュールの初期動作中にスタックの性能に基づいて流れの平衡を可能にするため可変オリフィスまたは線形減圧素子を各ラインに取り付けてもよい。

次いでガスは、カソードおよび冷却剤の流れに向流してスタックに流入し、そこでＨ_２が消費され、一体化された電極アセンブリのカソード側からＮ_２が交差する。一体化された電極アセンブリのカソード側から水蒸気も流動する。

本発明のその他の利点および特徴は、添付図面および添付の特許請求の範囲と併せて好ましい実施形態の詳細な説明に照らしてみると明らかになろう。
上記ならびに本発明の他の利点は、添付の図に照らして考えると、好ましい実施形態の以下の詳細な説明から、当業者には容易に明らかになるであろう。

以下の詳細な説明および添付図面は本発明の様々な例示的実施形態を記載し、図示している。説明と図面とは当業者が本発明を製造、使用できるようにするものであり、どのような形でも本発明の範囲を限定することを意図するものではない。開示する方法に関しては、提示される工程は例示的な性質のものであり、したがって工程の順序は必要ではなく、また重要でもない。

図１を参照すると、アノード再循環ループを有する並列デュアルスタック燃料システムが示されており、全体として１０で示されている。システム１０は第１の燃料電池スタック１２と第２の燃料電池スタック１４とを含んでいる。

本発明の再循環システムを通ってガスが流れることができるように、一連のガスラインが備えられている。凝結を最小限にするため、ガスラインに断熱材を備えてもよい。乾燥ガスを第１の燃料電池スタック１２と第２の燃料電池スタック１４の双方のカソード側に給送する共通のガス入口ライン１６が備えられている。ライン１６は第１のスタック入口ライン１８と第２のスタック入口ライン２０とに分岐されている。第１の可変オリフィス２２が第１のスタック入口ライン１８に取り付けられ、第２の可変オリフィス２４が第２のスタック入口ライン２０に取り付けられている。可変オリフィス２２、２４はシステム１０の最適な動作に必要な場合は、ガス流の自動調整を可能にする役割を果たす。

第１の燃料電池スタック１２のアノード側から、および第２の燃料電池スタック１４のアノード側から戻りガスをそれぞれアノードの出口ユニット３０へと送るために、第１のガス出口ライン２６と第２のガス出口ライン２８とが備えられている。アノード出口ユニット３０は、第１の燃料電池スタック１２のアノード側と第２の燃料電池スタック１４のアノード側とによって生成されるガス混合物から液体Ｈ_２Ｏを分離するための水分離器として機能する。アノード出口ユニット３０はブリード弁３２、パージ弁３４、およびドレン弁３６を含んでいる。

ブリード弁３２は再循環ループ内のＮ_２濃度を下げるため、アノード出口ユニット３０内の湿潤Ｈ_２／Ｎ_２ガスを抽気する機能を果たす。ブリード弁３２は乾燥ガス濃度がＨ_２とＮ_２との特定の比率に達するたびに開放される。ガスの範囲は５０％から９０％のＨ_２、約５０％から１０％のＮ_２であってもよいが、８０％のＨ_２と２０％のＮ_２の範囲で好ましい結果が得られた。

システム１０への圧力を軽減するためにパージ弁３４を開放してもよい。これはシステム１０の始動時、および運転停止時に行われる。
ドレン弁３６は液体水をアノード出口ユニット３０から放出する機能を果たす。ドレン弁３６は累積した水の容積が好ましいレベルに達するたびに液体水を放出するために開放する。

第１の燃料電池スタック１２のアノード側および第２の燃料電池スタック１４のアノード側に至る途中でアノード出口ユニット３０を出る脱湿されたガスからさらに水を排出する必要があることがある。したがって、システム１０に第２の水分離器３８を取り付けてもよい。アノード出口ユニット３０を出るガスの圧力を監視し、これに応動するため、アノード出口圧力センサ４０がアノード出口ユニット３０と分離器３８との間のライン４２に取り付けられる。

分離器３８から流出されたガスは供給ライン６４によってポンプ６２に供給される。大気圧のＨ_２ガスの流れが、圧力コントローラ／注入器６８に接続されたＨ_２ポンプ注入ライン６６を用いてポンプ６２に注入される。注入されたＨ_２は二重の役割を果たす。第１に、注入されたＨ_２は通過するガス流と混じる。第２に、注入されたＨ_２はポンプ６２のモータを冷却するための冷却剤となる。代替例として、モータの冷却が別の手段で行われる場合は、Ｈ_２をポンプの下流に注入してもよい。ポンプ６２は混合ガスを圧縮する。

ポンプ差圧センサ７０がＨ_２ポンプ注入ライン６４とポンプ出口ライン７２とに接続されている。差圧センサ７０はポンプ６２に流入するガスとポンプ６２から流出するガスとの間の差圧を監視し、これに応動する。

ポンプ６２によって圧縮された混合ガスはポンプ出口ライン７２を経てミキサ／ガス交換器７４へと向けられる。流入した圧縮ガスは、注入器ライン８０を経由して圧力コントローラ／注入器７６、７８からミキサ／熱交換器７４へと注入された追加のＨ_２と混合される。流入した圧縮ガスと注入されたＨ_２との混合物はミキサ／熱交換器７４内で、第１の燃料電池スタック１２および第２の燃料電池スタック１４の適切な動作温度である約６０℃から８０℃の間の温度まで加熱される。代替実施形態では、混合された流れが所望の温度よりも高温である合は、流れを所望の動作温度まで冷却するために熱交換器を使用することができる。

加熱され、混合されたガスは、共通のガス入口ライン１６に接続されたライン８２を経てミキサ／熱交換器７４を出る。したがって、ミキサ／熱交換器７４から出た、加熱され、混合されたガスは第１のスタック入口ライン１８と第２のスタック入口ライン２０との間で分流される。ライン１８、２０上の可変オリフィス２２、２４はそれぞれ、システム動作モジュール（図示せず）の初期動作中に第１の燃料電池スタック１２および第２の燃料電池スタック１４の性能に基づいて流れの平衡を図ることを可能にできる。可変オリフィス２２、２４が図示されているが、経験的データに基づいて、これらの可変ユニットの代わりに固定オリフィスを使用することもできることに留意されたい。代替例として、線形流れ素子をオリフィスの代わりに使うことができる。

図示した実施形態では、混合され、加熱されたガスは各々、カソードおよび冷却剤の流れに向流する方向で第１の燃料電池スタック１２と第２の燃料電池スタック１４のそれぞれに流入し、そこでＨ_２が消費されると共に、当該技術分野で知られているように一体化された電極アセンブリのカソード側からＮ_２が交差する。例えばＣＯの流れのような他の種の流れを使用可能であることが理解されよう。一体化された電極アセンブリのカソード側から水蒸気も流動する。

上記の説明から、当業者は本発明の基本的な特徴を容易に確認することができ、かつ本発明の趣旨と範囲から逸脱せずにその様々な用途および条件に適応するように本発明に様々な変更および修正を行うことができる。

本発明の実施形態による並列デュアルスタック燃料電池システムの概略図である。

Claims (15)

1. アノード再循環システムを含む並列デュアルスタック燃料電池であって、
   第１の燃料電池スタックと、
   第２の燃料電池スタックと、
   アノード出口ユニットと、
   前記アノード出口ユニットと、前記第１および第２の燃料電池スタックの各々とに接続されたガス入口ラインと、
   前記第１および第１の燃料電池スタックの各々と、前記アノード出口ユニットとに結合されたガス戻り手段と、
   を備える並列デュアルスタック燃料電池。
2. 前記アノード出口ユニットは前記ガス戻り手段を介して前記第１および第２の燃料電池スタックから受け取った戻りガスから、累積した水を放出するように動作する請求項１に記載の並列デュアルスタック燃料電池。
3. 前記戻りガスが約５０％から約９０％のＨ_２および約５０％から約１０％のＮ_２の濃度比を有している場合は、アノード出口ユニットが累積した水を放出するように動作する請求項２に記載の並列デュアルスタック燃料電池。
4. 前記アノード出口ユニットはパージ弁を含み、該パージ弁は運転停止中に選択的に開放されてシステム内の圧力を軽減する請求項１に記載の並列デュアルスタック燃料電池。
5. 前記アノード出口ユニットはドレン弁を含み、該ドレン弁は所定量の水が前記アノード出口ユニット内に累積するたびに開放される請求項１に記載の並列デュアルスタック燃料電池。
6. 前記アノード出口ユニットは水分離器を含む請求項１に記載の並列デュアルスタック燃料電池。
7. 前記並列デュアルスタック燃料電池システムは付加的な除水用の別の分離器をさらに含み、該別の分離器は前記アノード出口ユニットと前記ガス入口ラインとの間に接続される請求項６に記載の並列デュアルスタック燃料電池。
8. 前記アノード出口ユニットと前記ガス入口ラインとの間に配置されたポンプをさらに含み、前記ポンプのモータを冷却するためにＨ_２の流れが前記ポンプ内に注入される請求項１に記載の並列デュアルスタック燃料電池。
9. 空気および冷却液の少なくとも一方によって前記ポンプ内のモータを冷却する工程をさらに含む請求項１に記載の並列デュアルスタック燃料電池。
10. Ｈ_２を、前記アノード出口ユニットから前記第１および第２の燃料電池スタックへと流れるガス流へと選択的に注入するために、前記ガス入口ラインに接続されたＨ_２注入器ラインを含む請求項１に記載の並列デュアルスタック燃料電池。
11. アノード再循環システムを含む並列デュアルスタック燃料電池であって、
    第１の燃料電池スタックと、
    第２の燃料電池スタックと、
    水分離器と、ブリード弁と、パージ弁とドレン弁とを有するアノード出口ユニットと、
    前記アノード出口ユニットと、前記第１および第２の燃料電池スタックの各々とに接続されたガス入口ラインと、
    前記第１の燃料電池スタックと、前記アノード出口ユニットとに接続された第１のガス出口ラインと、
    前記第２の燃料電池スタックと、前記アノード出口ユニットとに接続された第２のガス出口ラインとを備え、
    前記アノード出口ユニットは、前記第１および第２のガス戻りラインによって供給される戻りガスから湿潤したＨ_２／Ｎ_２ガス混合物を放出できるように選択的に動作可能である、並列デュアルスタック燃料電池。
12. 前記アノード出口ユニットは、Ｈ_２が約５０％から約９０％の間でＮ_２が約５０％から約１０％の間にある、Ｈ_２とＮ_２との濃度比に応動して、累積した水を放出する請求項１１に記載の並列デュアルスタック燃料電池。
13. 付加的な除水のための別の分離器を含み、該別の分離器は前記別のアノード出口ユニットと前記ガス入口ラインとの間に接続される、請求項１１に記載の並列デュアルスタック燃料電池。
14. 前記アノード出口ユニットと前記ガス入口ラインとの間に配置されたポンプを含み、該ポンプのモータを冷却するためにＨ_２の流れが前記ポンプに注入される、請求項１１に記載の並列デュアルスタック燃料電池。
15. 前記アノード出口ユニットから前記第１および第２の燃料電池スタックへと流れるガス流にＨ_２を選択的に注入するため、前記ガス入口ラインに接続されたＨ_２入口ラインを含む、請求項１１に記載の並列デュアルスタック燃料電池。

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