JP2008524780A - アルカリ燃料電池システム - Google Patents

Abstract

アルカリ燃料電池システムは、アルカリ燃料電池積層体と、燃料ガス源と、酸化剤ガスの酸化剤ガスポンプと、電解質タンクと、電解質ポンプと、補助電気貯蔵装置と、電子制御装置とを有する。酸化剤ガスポンプは、あらゆる負荷状態のもとでアルカリ燃料電池積層体から引き出される電流の量に比例して変化する酸化剤ガス流を上記アルカリ燃料電池積層体へ供給するように電子制御装置によって制御される。酸化剤ガスポンプは、ベーンポンプ、ローブポンプ又はスクリューポンプのような容積型ポンプであり得、或いは制御されたブロワーでもよい。また、電解質を燃料積層体に流す際に電解質を正の圧力に維持する背圧弁が電解質の流路に設けられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アルカリ燃料電池に関するものであり、そして特に、燃料電池の殆どの負荷状態において高い効率を達成するようにアルカリ燃料電池積層体及びそれの関連周辺機器の動作を制御し、同時に特に電極構造体を含む燃料電池積層体の種々の構成要素における磨耗や引き裂けが殆どないことを保証するシステムに関する。本発明は、新規の空気流れ制御及び空気流れ再循環システム、並びに燃料電池構造体の物理的高さを低減できる新規の電解質（電解液）流れシステムを提供する。

２０世紀を僅かに過ぎて以来、少なくとも未熟の形態でのアルカリ燃料電池は公知である。実際、アルカリ燃料電池は、少なくとも限定的には成功を収めており、特にアポロ飛行以来ＮＡＮＳによる使用のために許可されてきた。アルカリ燃料電池はまた、スペースシャトル軌道船用にＮＡＳＡによって使用されてきた。しかし、実際にここでは詳細に述べない種々の理由でプロトン電極膜（ＰＥＭ）燃料電池の製品化が非常に大きくなってきている。

一方、市場では、アルカリ燃料電池が、ＰＥＭ燃料電池に勝る幾つかの特別の利点を持っているために、再び脚光を浴びてきている。それらの利点には、アルカリ燃料電池が貴金属電極に頼る必要なしに製造できること、及び電解質がアルカリであって酸性でないために良好な電気化学性能を発揮でき、しかも動作温度が一般的にはＰＥＭ燃料電池の動作温度より広いことが含まれている。

代表的なアルカリ燃料電池システムは、アルカリ燃料電池積層体だけでなく、ポンプ、セパレータなどのような相当な量のその他の搭載した関連周辺機器も備えている。当然、主要な構成要素はアルカリ燃料電池積層体であり、このアルカリ燃料電池積層体に燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、またアルカリ電解質が流され得る。本発明に関連する典型的なアルカリ燃料電池では、燃料ガスは水素であり得るが、しかしメタノール蒸気ガスでもよい。同様に典型的には、酸化剤ガスは空気であるが、酸素又は酸素に富んだ空気であってもよい。

燃料電池積層体における電解質は静止すなわち不動化されてもよく、その場合には、電解質タンク及び電解質ポンプのような付加的な配管工事は必要でない。しかし、通常は、電解質はアルカリ燃料電池積層体を通って循環される。

代表的な燃料電池システムは、マイクロコンピュータを埋め込んだ電子制御システムと関連して動作する多数のセンサーを備え、それにより、燃料電池システムの動作パラメータに関係する種々の入力及び出力が観察され、制御され得る。それらには当然、燃料ガス及び酸化剤ガスの入力、並びに燃料電池積層体に循環される際の電解質の流れが含まれる。さらに、これらのパラメータ及び燃料電池積層体の動作温度のようなその他のパラメータは、端子電圧及び特に燃料電池積層体から引き出されることになる電流、並びに燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力、燃料電池積層体を通って流れる電解質、電解質タンク内の電解質のレベルなどを含む多数のパラメータに依存し得る。

しかし、本発明は、特に、アルカリ燃料電池積層体を通して循環される際の電解質及び酸化剤ガスの流れを、アルカリ燃料電池積層体を介して制御することに向けられる。従って、本発明は、例えばアルカリ燃料電池積層体への酸化剤ガスの流れがアルカリ燃料電池積層体から引き出される電流量に比例して変動するアルカリ燃料電池システムに向けられる。しかし、ゼロ負荷状態でも、燃料電池積層体を通って酸化剤ガスのある最少流れが存在する。

本発明の別の観点は、アルカリ燃料電池積層体を通る酸化剤ガスの流れを制御して、アルカリ燃料電池積層体から排出される酸化剤ガスの一部を燃料電池積層体へ戻すようにすることにある。これにより、燃料電池積層体へ入る際の酸化剤ガスの湿度及び温度を高める有益な効果が得られる。

以下に説明するように、これらの特徴は、必要とされない時に燃料電池積層体を通る空気の流れを低減し、それにより、二酸化炭素のスクラバーにおける磨耗及び引き裂けを低減し、そして 特に、部分負荷状態のもとで、水の過剰な損失及びアルカリ燃料電池積層体の過剰な冷却を避けることができる。

アルカリ燃料電池積層体及び特にそれの電極の構造は本発明の範囲外であることが留意されるべきである。実際、特殊な電極構造は、同一発明者の名前において譲受人に譲渡された出願中の特許出願に教示されている。典型的な燃料電池システムにおいて見出される多数の周知の周辺構成要素が電子制御システムで制御できる点、又は他の同様に動作する構成要素或いはそれらの動作に関して同様な結果をもたらす構成要素に置き換えできることを除いて、それらの周知の構成要素について詳細に説明することは、本発明の目的でも本明細書の目的でもない。

本発明者の全く驚くべき発見によれば、非常な低負荷状態を除いて、燃料電池積層体に供給される酸化剤ガスの量が燃料電池積層体から引き出される電流量に比例して変動するように、アルカリ燃料電池積層体を通して酸化剤ガスの供給を制御するという簡単な手段で、アルカリ燃料電池システムにおける効率の向上並びに磨耗及び引き裂けの低減を達成できる。これは、乾燥して冷たい雰囲空気を供給する結果として生じる、燃料電池積層体の電極に対する湿度及び温度の衝撃を少なくするように、アルカリ燃料電池積層体から排出された酸化剤ガスの一部をアルカリ燃料電池積層体へ戻して再循環させる付加的な特徴によって促進される。

本発明者はまた、電解質タンクに戻されることになる電解質の電解質流路内に背圧弁を設けることによって、全燃料電池パッケージの物理的高さを低減できると共に、同時にアルカリ燃料電池積層体の穴あき電極を通って電解質流内へガスが吸い込まれるという問題を軽減できることを発見した。これは、認められるように、積層体からの出口における戻し電解質の圧力が大気圧より十分に高く、典型的には水柱の５ｃｍ〜２０ｃｍの範囲にすることによって達成される。

本発明の一つの特徴によれば、アルカリ燃料電池積層体と、燃料ガス源と、酸化剤ガスの酸化剤ガスポンプと、電解質と、補助電気貯蔵装置と、電子制御装置とを有する、負荷に電気エネルギーを供給するアルカリ燃料電池システムが提供される。

本発明においては、酸化剤ガスポンプは、あらゆる負荷状態のもとでアルカリ燃料電池積層体から引き出される電流の量に比例して変化する酸化剤ガス流をアルカリ燃料電池積層体へ供給するように電子制御装置によって制御される。

しかし、ゼロ負荷状態においては、酸化剤ガスの最少流がアルカリ燃料電池積層体に供給される。

典型的には、電解質は、燃料電池積層体を通って循環され、その場合には、燃料電池システムは、さらに、電解質タンク及び電解質の電解質ポンプを有する。

本発明のアルカリ燃料電池システムの特徴は、電子制御装置が、酸化剤ガスポンプからの酸化剤ガス流を、アルカリ燃料電池積層体における特定の負荷状態に対応した予め選択した値に設定するオーバーライド能力を備えていることにある。

一般的には、本発明によるアルカリ燃料電池システムにおいては、燃料ガスは水素であり、また酸化剤ガスは空気である。

本発明によるアルカリ燃料電池システムの特別の特徴は、システムを通る酸化剤ガスの流路が、アルカリ燃料電池積層体への酸化剤ガスの入口に設けた酸化剤ガス再循環装置を備えていることにある。さらに、酸化剤ガス再循環装置への入力は、アルカリ燃料電池積層体から排出されることになる酸化剤ガスの一部を含んでいる。

本発明によるアルカリ燃料電池システムの別の特徴は、システムを通る電解質の流路が、電解質タンクへの電解質の重力による戻り用の戻りコラムを備え、戻りコラムの頂部がアルカリ燃料電池積層体の頂部とほぼ同じ高さにあることにある。

この場合、戻りコラムの頂部は、大気に解放されるベント式充填キャップで閉じられる。

また、電解質は、アルカリ燃料電池積層体からばね負荷リリーフバルブである調節可能な背圧弁を介して戻りコラムへそれの頂部近くに戻され、背圧弁によって、燃料電池積層体の出口における戻し電解質の圧力ヘッドは大気圧以上に維持される。

代表的には、燃料電池積層体の出口における戻り電解質の圧力ヘッドは大気圧より上の水柱の５ｃｍ〜２０ｃｍの範囲内である。

代表的には、電解質は、燃料電池積層体と直列に接続して配置される熱交換機に流される。

本発明の特定の特徴によれば、酸化剤ガスポンプは、ローブポンプ、ベーンポンプ及びスクリューポンプから成る群から選択した容積型ポンプであり、そのポンプの容積流はポンプの駆動速度に応じて変化する。

代わりに、酸化剤ガスポンプは、空気ブロワー、空気ダクト及び上記空気ダクト内の空気の流れを感知する流れセンサーを備えてもよい。その場合には、空気ブロワーの速度は、流れセンサーから受けた信号に応じて電子制御装置で調整される。

さらにまた、アルカリ燃料電池システムは、空気ブロワー、空気ダクト、空気ダクト内の限流装置及び限流装置を横切っての差圧を感知するようにされた差圧センサーを備える酸化剤ガスポンプを有してもよい。その場合には、空気ブロワーの速度は、差圧センサーから受けた信号に応じて電子制御装置で調整される。

前段落に記載したような構成では、限流装置は、オリフィス、ノズル、空気ダクトより直径の小さいある長さの配管又は管路から成る群から選択され得る。

本発明の構造、構成、使用及び動作方法に関して本発明の特徴であると確信される新規の特徴は、本発明の別の目的及び利点と共に、本発明の好ましい実施形態を例として示す添付図面から良く理解される。しかし、図面は単に例示及び説明のためのものであり、本発明を限定するものでないことが明らかに理解される。以下、本発明の幾つかの実施形態について例として添付図面を参照して説明する。

本発明の構造、構成、使用及び動作方法に関して本発明の特徴であると確信される新規の特徴は、本発明の別の目的及び利点と共に、以下の説明から良く理解される。

図１を参照すると、本発明によるアルカリ燃料電池システムの全体を符号１０で示している。燃料ガス（普通は水素ガス）と、酸化剤ガス（普通は空気）と、アルカリ電解質（普通は水酸化カリウムの水溶液）との三つの独立した流体／ガスの調整された流れ回路が設けられている。後で見られるように、各流れ回路における種々の構成要素は、電子制御装置５０の制御の下で作用する。この目的のために電子制御装置５０は、埋め込まれたマイクロプロセッサ及び必要且つ当業者には周知であるような他の記憶構成要素などを備えていることが理解される。これらの構成要素から電子制御装置５０への種々の電気的接続は、図面及び電子制御装置５０におけるこれら構成要素の端子を参照すれば理解される。当然、図１に示すように、機械的接続と電気的接続の両方の全構成は例示し説明するためのものであることが理解される。

燃料電池システムは、電気エネルギーを負荷（図示していない）に供給する幾つかの主要な構成要素を備えている。それらの構成要素には、アルカリ燃料電池積層体１２、電解質タンク１４、８０からアルカリ燃料電池システムに入る燃料ガス源、８２からアルカリ燃料電池システムに入り酸化剤ガスポンプ１６によってシステムに汲み上げられる酸化剤ガス源、電解質ポンプ２０、及び補助蓄電装置５４（これの目的は後で説明する）が含まれている。

まず、燃料ガスの流れ回路を参照すると、分かるように、燃料ガスは、閉止弁５８、圧力調整装置６０及び再循環装置６２を通り、アルカリ燃料電池積層体１２へ流れる。燃料ガス源は加圧され、また代表的には圧力調整装置６０はステップダウン調整装置であることが理解される。燃料ガスはアルカリ燃料電池積層体１２から出ると、サイクロン分離装置４０へ流れ、サイクロン分離装置４０において余分の流体電解質がガスの流れから除去され、そして管路７６を通って電解質タンク１４へ戻される。その後、水素ガスは凝縮装置３０を通って別の分離装置６４へ流れ、別の分離装置６４において、水（アルカリ燃料電池１２内で行われる電気化学的反応の生成物）が抽出され、そして水容器６８へ送られ、アルカリ燃料電池システムから除去される。そして残りの燃料ガスは再循環装置６２へ戻され、再循環装置６２において前に説明したようにアルカリ燃料電池積層体１２へ供給する新しい燃料ガスに混ぜられる。

時折、メンテナンスやその他の目的で燃料電池システムを止める場合のような燃料ガスの流れ回路をパージすることが要求され得、このため、パージ弁６６及び水素検出器７０が設けられる。

燃料ガスの流れ回路についての上記の説明から分かるように、この回路は閉回路である。

次に、酸化剤ガスの流れ回路に移ると、通常空気である酸化剤ガスは８２からアルカリ燃料電池システムに入り、取入れフィルタ-１８を通って流れ、取入れフィルタ-１８はサイレンサー即ちマフラーとしても機能し得る。その後、酸化剤ガスは酸化剤ガスポンプ１６を通って流れ、酸化剤ガスポンプ１６は、酸化剤ガスに必要な勢いを付与してアルカリ燃料電池システムを通って確実に流れさせるように応動し、酸化剤ガスポンプ１６からの酸化剤ガスは二酸化炭素スクラバー２８へ流れる。その後、酸素ガスは、凝縮装置３０へ向けられ、凝縮装置３０を通って流出燃料ガスが流れ、それにより、凝縮装置３０を通る燃料ガスの流れは冷却され、それでその中に含まれている水は凝縮され、同時に酸化剤ガスはある程度まで暖められる。そして酸化剤ガスはアルカリ燃料電池積層体１２へ送られる。

本発明の一つの特徴は、酸化剤ガス再循環装置３２を設けることにあり、この酸化剤ガス再循環装置３２の目的及び構造については以下で説明する。

アルカリ燃料電池積層体１２から出た酸化剤ガスはサイクロン分離装置３４に送られ、サイクロン分離装置３４において、酸化剤ガス流で運ばれてきた液体、水及び電解質の大部分は除去され、ディミスター３６へ送られる。ディミスター３６に入る際に酸化剤ガス中になお残っている全ての液体は管路７４を通って分離装置３４へ戻され、その後アルカリ電解質タンク１４へ戻される。使用した酸化剤ガスは３８でアルカリ燃料電池システムから排出され、大気へ放出される。

電解質流れシステム（系統）において、かかるシステムは後で説明するように大気に開放しているが閉じたシステムであることが分かる。アルカリ電解質は、電解質タンク１４から電解質ポンプ２０及びフィルター２２を通ってアルカリ燃料電池積層体１２へ送られる。アルカリ燃料電池積層体１２の出口から出てくる暖まった電解質は熱交換器即ち放熱器２４、及び戻りコラム４４へ送られ、この戻りコラム４４を通って液体電解質は電解質タンク１４へ戻される。

本発明の一つの特徴は、戻りコラム４４がベント式フィルターキャップ４６で閉じられ得るが、一層特に、電解質は、アルカリ燃料電池積層体１２を出る際の電解質について大気圧に対して正の圧力を維持するように背圧弁４２を通って流れることにある。この特徴は後で、図３及び図４を参照して特に説明する。

電解質は熱交換器２４において冷却される。図１において、熱交換器は、アルカリ燃料電池積層体の出口近くの部位でアルカリ燃料電池積層体と直列に示されているが、しかし熱交換器は、電解質タンク１４と、燃料電池積層体１２との間のような適当な都合の良い場所に配置され得ることが理解される。冷却の量は、冷却ファン２６から熱交換器２４を通って空気を流し、そして７２で熱交換器２４から放出させることにより、制御され得る。冷却ファン２６の動作はそれぞれの端子“Ｆ”において電子制御装置５０によって制御される。

同様に、閉止弁５８及びパージ弁６６のような構成要素の動作も、それぞれの端子“Ｈ”及び “ＰＶ”において電子制御装置５０によって制御される。

本発明によるアルカリ燃料電池システムにおいては、オペレータ制御及びシステム監視のためのフロントディスプレイパネル５６が設けられる。オン／オフスイッチ５２はアルカリ燃料電池システム１０の全体動作を開始させたり終了させるために設けられる。代表的にはバッテリー又はスーパーキャパシターである補助蓄電装置５４の目的の一つはシステムへ初期電圧及び電力を供給することにあり、それにより電解質ポンプ２０及び酸化剤ガスポンプ１６は始動され、閉止弁５８は開放され、そしてその他の周辺装置も必要に応じて始動され、動力供給され得る。アルカリ燃料電池システムの動作中に補助蓄電装置５４が働く別の目的は、負荷が大きく変動する場合及び／又はアルカリ燃料電池システムにおいて負荷の需要がそれの定格容量を超えて増える場合におけるバッファーバッテリーとして機能することにある。このため及びアルカリ燃料電池積層体１２の端子電圧を監視するため並びに補助蓄電装置５４と並列にアルカリ燃料電池積層体１２を配置するために、それらと電子制御装置５０との間で端子“＋Ｖ” 及び“−Ｖ”において接続がなされる。

明らかなように、電子制御装置５０による電解質ポンプ２０の制御は端子“ＥＰ”で行われ、また電子制御装置５０による酸化剤ガスポンプ１６の制御は端子“ＡＰ”で行われる。

負荷に供給される電力は、電子制御装置５０の制御の下で又は電子制御装置５０の制御によって有効に供給され、そして端子“−Ｖｏｕｔ” 及び“＋Ｖｏｕｔ”において供給される。アルカリ燃料電池システムの動作中、燃料電池積層体１２から引き出される電流は電流モニター５１によって連続して監視され、電流モニター５１は、アルカリ燃料電池積層体１２から負荷及び／又は補助蓄電装置５４への電流“Ｉ_ＦＣ”を瞬時に読取る。

電解質タンク１４内の電解質のレベルはレベルセンサー７８で監視され、このレベルセンサー７８は上限及び下限を備え、そして端子“ＬＳ”を介して電子制御装置５０に連通している。

アルカリ燃料電池システムの動作及び特にそれの有効な動作は特に本発明の特徴の賜物であり、すなわち、酸化剤ガスポンプ１６は、アルカリ燃料電池積層体１２から全く電流が引き出されない場合に、酸化剤ガスの流れが酸化剤ガスの最大流れのほんの僅かである最少でしかも正の値に維持されることを除いて、如何なる負荷状態の下でもアルカリ燃料電池積層体１２から引き出された電流の量に比例してアルカリ燃料電池積層体１２への酸化剤ガスの流れが変動するようにして、電子制御装置５０によって制御される。言い換えれば、負荷のない時には、アルカリ燃料電池積層体１２を通る酸化剤ガスの流れは比較的低く、また負荷が比較的高い時には、酸化剤ガスの流れは比例して増加する。この特徴は従来知られていない。

酸化剤ガスポンプ１６は、ベーンポンプ、ローブポンプ又はスクリューポンプのような容積型ポンプであり得、酸化剤ガスの貫流は、直接、かかる容積型ポンプの駆動速度と共に変動する。代表的には、容積型ポンプは、圧力ヘッドの変化によって広い範囲にわたって影響を受けない制御可能な空気の流れを供給する。酸化剤ガスの流れがアルカリ燃料電池積層体１２から引き出される電流の量に比例して変動する別の構成では、空気ブロワー及びフィードバックループ制御装置を備えた流れセンサーが用いられ、これによって空気ブロワーは同じ効果を達成するように制御され得る。これについては図２を参照して後で説明する。

図１に示すような代表的なアルカリ燃料電池システムでは、酸化剤ガスポンプ１６が打勝たなければならない通常の圧力ヘッドは単に水柱の１０ｃｍ〜２５ｃｍ台である。空気、通常の酸化剤ガスを引く周囲の温度及び湿度の変動による圧力ヘッドの変動は、圧力ヘッドのほんの一部に過ぎず、従って酸化剤ガスの流量の変動は取るに足らない程度に過ぎない。

本発明の目的は、十分に安全なファクターで空気の流れＱ_ＡＩＲを供給ししかも実際に印加電圧に応じて出力の変動する、直接駆動容積型正変位ポンプである酸化剤ガスポンプ１６に供給され得る印加電圧に正比例するようにすることにある。これにより次の関係式が成り立つ。

Ｑ_ＡＩＲ＝Ｃ・Ｖ_ＡＩＲ

動作において、燃料電池システム１０は負荷追従装置である。このことは、燃料ガス及び酸化剤ガスの使用がアルカリ燃料電池積層体１２から引き出される電流に比例することを意味している。そしてまたこのことは、アルカリ燃料電池積層体１２から最大電流を引き出す場合には最大量の燃料ガス及び酸化剤ガスがアルカリ燃料電池積層体１２で消費されることを意味している。しかし、アルカリ燃料電池積層体１２から全く電流が引き出されていない場合には、燃料ガス及び酸化剤ガスの使用はゼロに向うが、主として、アルカリ燃料電池積層体１２内の電解質マニホルドにおいて生じる寄生電流の結果として、システムにおいて生じる寄生損失のためにゼロ以上の小さな値に落ち着く。

この目的で、電流センサー５１が設けられ、信号Ｉ_ＦＣを電子制御装置５０へ送り、電子制御装置５０は次式を連続して瞬時に解く。

Ｖ_ＡＩＲ＝Ａ＋Ｂ・Ｉ_ＦＣ

上記の式において、係数Ａ、Ｂは電子制御装置５０のメモリーにプログラムされ、そして、アルカリ燃料電池積層体１２から全く電流が引き出されていない場合には、値Ａが空気の流れの最少量を決め、また値Ｂが必要な計算値の通常２〜２．５倍である空気の計算過剰量を決めるように選択される。こうして、電圧Ｖ_ＡＩＲは、酸化剤ガスポンプ１６が容積型正変位ポンプである場合にその酸化剤ガスポンプ１６を駆動するように連続して設定される。

容積型酸化剤ガスポンプ１６の動作電圧Ｖ_ＡＩＲをＶ_ＨＩＧＨ又はＶ_ＭＡＸのような予め選択した値に設定する必要がある場合が起り得る。その場合に、予め選択した値は、アルカリ燃料電池積層体における特定の負荷状態に対応し、適切な時点で、生産水管理のような目的のために設定され得る。通常、電子制御システム５０は、容積型酸化剤ガスポンプ１６の制御電圧をＶ_ＨＩＧＨに設定して、生産水を増大した蒸発により比較的高速度で除去するようにし、或いは容積型酸化剤ガスポンプ１６の動作制御電圧をＶ_ＭＡＸに設定して、アルカリ燃料電池積層体１２の一時的な過負荷から回復するのを助けるようにし得る。

酸化剤ガスポンプ１６として使用できる任意の容積型ポンプの正確な細部は本発明の範囲外である。分かるように、使用できる通常の正変位ポンプは、ベーンポンプ、ローブポンプ、又はスクリューポンプであり得る。ローブポンプを使用する場合には、酸化剤ガスの供給は脈動空気の流れであり、またスクリューポンプはほぼ連続した空気の流れを供給することが分かる。ローブポンプの空力騒音はスクリューポンプの空力騒音より高く、従ってスクリューポンプを使用する場合には、フィルターはなお使用する必要があるが、吸気サイレンサ（消音器）１８の使用を省くことができる。

アルカリ燃料電池積層体１２から引き出される電流の量で変化する制御可能な空気の流れを供給する代わりの装置を図２に示す。ここでは、空気ブロワー９０が使用されるが、空気ブロワーは容積型装置でないことが分かる。実際に、空気ブロワーは、圧力ヘッドに関連して空気の流れが著しく変動し得る。そのため、上記のように容積型装置を使用する場合のように空気ブロワー９０への印加電圧と結果としての空気の流れとの間の関係に頼ることはできない。

この場合、実際の空気の流れを測定するのに流れセンサー９２が使用される。電子制御装置５０は、流れセンサー９２から空気ブロワー９０へのフィードバックループに設けられる。酸化剤ガスの実際の流れの値は電子制御装置５０において酸化剤ガスの所望の流れの値と比較され、それに応じて空気プロワー９０の速度は調整される。種々の物理的原理を利用した流れセンサーを使用してもよく、図２の例では、酸化剤ガス導管９１を通しての流れの感知は、減流装置９４の両端間に差圧センサー９２を配置し、そして部位９３と部位９５との間の差圧を感知することによって行われる。減流装置９４は、オリフィス、ノズル或いは空気導管９１より直径の細いある長さの管路のようなものであることが理解される。

酸化剤ガスの可変流れを用いる利点は、特に普通非制御型空気ブロワーを使用している先行技術の装置に比べた時に著しい。これらの利点には、任意の瞬時に必要である量だけの酸化剤ガスを使用することで、二酸化炭素スクラバー２８及び実際にアルカリ燃料電池積層体１２の内部構成要素の磨耗や摩滅が少ないことが含まれる。さらに、本明細書に記載したアルカリ燃料電池システムが、アルカリ燃料電池積層体１２の最大定格負荷容量以下の部分負荷状態で作動している場合に、アルカリ燃料電池積層体１２に必要な量だけの酸化剤ガスを流して用いることによって、水の過剰な損失及び積層体の過剰の冷却が避けられ、それにより、使用時に積層体をそれの最適動作温度に非常に容易にすることができる。

次に図１に戻って酸化剤ガス再循環装置３２及び酸化剤ガス流れ回路内における酸化剤ガス再循環装置３２の機能について説明する。３３でアルカリ燃料電池積層体１２から出て行く酸化剤ガスの一部は管路３５を介して酸化剤ガス再循環装置３２へ戻され、他方、出て行く酸化剤ガスの残りの部分は管路３７を通って分離装置３４へ流れることが分かる。３３でアルカリ燃料電池積層体１２から出て行く酸化剤ガスは暖かくて湿っていることが理解される。

酸化剤ガスがアルカリ燃料電池積層体１２から出て行く際にその一部をポンプによって再循環させることができるが、しかし本発明では、再循環装置３２として機能する注入装置が用いられる。再循環装置３２の正確な構成は本発明の範囲外であるが、再循環装置３２は再循環装置３２に入る管路３５の端部において水柱の数ｃｍ台の小さな圧力差を生じさせ、アルカリ燃料電池積層体１２から再循環装置３２へ所望量の放出酸化剤ガスを引き込むことが理解される。これは特に、アルカリ燃料電池システムからの定格電力出力の２０％〜１２０％の範囲において有効である。

幾つかの理由によって、アルカリ燃料電池積層体１２から再循環装置３２へ放出酸化剤ガスの一部を再循環させることにより、動作効率は増大し、アルカリ燃料電池積層体１２の動作状態は改善する。上記で説明したように、酸化剤ガスを再循環させることの利点は、冷たくて乾いた酸化剤ガスによるアルカリ燃料電池積層体１２の電極構造体に対する衝撃が低減され、それにより電極の磨耗や摩滅を減少できることにある。実際に、酸化剤ガスの再循環で得られる効果は、アルカリ燃料電池積層体１２の酸素すなわち空気カソードに対して重要であり、燃料電池積層体内で多くの水が蒸発し、同時に水がカソードからアノードへ運ばれる。反応水の生成されるアノードでは、酸化剤ガスの再循環による利点は幾分少ないが、燃料ガスの流れから水が凝縮するという利点が得られ、また再循環は、圧縮燃料ガスが最初にアルカリ燃料電池積層体に供給される際に、この圧縮燃料ガスの乾燥状態と比較して周囲温度の範囲まで燃料ガスの露点を上昇させるのを助ける。

以下の説明において、酸化剤ガス再循環量を決める再循環ファクターは、取り入れ酸化剤ガスの流量に対する再循環酸化剤ガスの流れの比率として定義される。１の空気再循環ファクターでは、再循環酸化剤ガスの量が取入れ酸化剤ガスの量に等しい時に、アルカリ燃料電池積層体１２の入口における温度勾配はほぼ半分に低減され得る。湿度の影響は、空気の水分含有量が温度の上昇につれてほぼ指数関数的に増加するので、極めて著しくなる。

酸化剤ガスの再循環の利点の例を以下に説明する。酸化剤ガスは空気であり、燃料電池システムの取入れ口８２における雰囲気の露点は１５℃であると仮定する。これは１２．８ｇ／ｍ^３の水分含有量に相当する。空気がアルカリ燃料電池積層体１２において６５℃の放出温度まで温められ、そして空気が水分で飽和される場合には、水分含有量は１６１ｇ／ｍ^３である。そしてこの放出空気が１の再循環ファクターを与える等量の新しい取入れ空気と混合されると、アルカリ燃料電池積層体に戻される結果としての水分含有量は（１６１＋１２．８）／２即ち８６．９ｇ／ｍ^３となる。そしてこれは約５１℃の露点に相当する。

周囲の雰囲気温度が２５℃である場合には、それぞれ２５℃及び６５℃の温度で乾燥空気の等量を混合する時の結果としての温度は、（６５＋２５）／２即ち４５℃となる。混合物の露点がこの温度を越えると、この例では水分と乾燥空気との混合の結果としてアルカリ燃料電池積層体１２に入れられている空気は幾分過飽和状態となり、その結果、ミストが形成されることになる。さらに、凝縮の熱は新しい空気と再循環空気との混合物の温度を更に上昇させ、アルカリ燃料電池積層体１２の入力において非常に有利な酸化剤ガス状態となる。

アルカリ燃料電池積層体に供給される空気の計算量（理論量）が再循環なしで必要な量の二倍である場合には、２１％の酸素を含んで空気がアルカリ燃料電池積層体に入り、そして酸素を半分消耗して言い換えれば約１０．５％の酸素を残してアルカリ燃料電池システムを３８から出て行く。本発明に従っての再循環によって、同じ量の空気が約１０．５％の酸素の同じ放出含有量でアルカリ燃料電池積層体を通過する。しかし、再循環装置３２を出て行くので、アルカリ燃料電池積層体１２の入口における入ってくる空気の酸素含有量は等量の再循環空気と新しい空気との混合によって得られ、すなわち、（２１＋１０．５）／２即ち１５．７５％である。アルカリ燃料電池１２全体での平均を取ると、再循環なしでの空気における平均酸素濃度は（２１＋１０．５）／２即ち１５．７５％となり、また再循環する場合には、空気における平均酸素濃度は（１５．７５＋１０．５）／２即ち１３．１２％となる。その差は平均酸素含有量においてほぼ２．５％である。

しかし、平均酸素含有量におけるこの小さな差は、アルカリ燃料電池積層体１２の酸化剤ガス入口における有効な温度及び湿度状態に比べて大したことのない結果である。

さらに、図３及び図４を参照して、電解質タンク１４に戻される電解質の制御について説明し、図４に示すもののような構成の利点を挙げる。本発明によるアルカリ燃料電池システムの動作中に、電解質をアルカリ燃料電池積層体１２に流す際に電解質において正の圧力を維持するのが望ましいことが理解される。このように正の圧力を維持することによって、多孔質電極を通る電解質の流れないにガスを吸い込む問題は、除外されなければ軽減される。この正の圧力を維持する一つの方法は図３に示され、電解質は図示したように、燃料電池積層体１２から出て、アルカリ燃料電池積層体１２から出口部位より上方Δｈの高さにおいて戻りコラムへ送られる。通常、アルカリ燃料電池積層体における電解質の流れは底部から頂部へであることが認識されるべきである。図３に示すように戻りコラム４４に部位４５を設け、そしてベント式フィルタキャップ４６を設けることによって、電解質のコラムの高さΔｈに等しいアルカリ燃料電池積層体１２の頂部において正の圧力が維持されることは明らかである。通常かかる圧力は水柱５〜２０ｃｍの範囲である。当然、ベント式フィルタキャップ４６は、必要に応じて、電解質タンク１４に電解質を充填できるようにする働きもする。通常認められるように、フィルタキャップ４６における通気は、単に、電解質回路が大気に開放している場合である。

図４に示すものは新規の構成であり、戻りコラム４４の高さは、燃料電池積層体１２の高さとほぼ同じ高さに維持され得、それにより全アルカリ燃料電池システムを比較的容易にパッケージングすることができる。この場合、ばね負荷リリーフ弁である制御可能な背圧弁４２が設けられる。この背圧弁４２の正確な細部は、通常ばね圧を介して細かく制御するばね負荷リリーフ弁であることが理解される点を除いて、本発明の範囲外である。これにより、戻りコラム４４の高さを伸ばす必要なしに電解質において所望の値をもつ正の圧力維持することができる。

添付の特許請求の範囲の精神及び範囲から逸脱することなく本発明の装置の構成及び製造において他の種々の変更及び変形を用いることができる。

文脈で他意を意図しない限り本明細書及び特許請求の範囲を通して用語“備える、有する”及びかかる用語“備える、有する”の変更は記載した完全なもの又はステップ或いは複数の完全なもの又はステップのグループを包含ししかもその他の完全なもの又はステップ或いは複数の完全なもの又はステップを除外しないことが理解される。

さらに、形容詞又は副詞と共に使用する際の用語“ほぼ、実質的に”は特定の特徴の範囲を強調しようとするものであり、例えば、ほぼ同じ高さは同じ高さ、同じ高さに近いを意味するものであり、そして／又は基準の高さより高い特定の高さであることに関連している特徴を表すものである。

本発明によるアルカリ燃料電池システムの全体の概略的な機械及び電気構成を示す図。 酸化剤ガス代わりの制御可能な流れ装置を示す機械的な概略図。 電解質を戻りコラムに戻す仕方を示す機械的な概略部分図。 戻りコラムの物理的高さを低減する仕方で電解質を戻りコラムに戻す別の仕方を示す図。

Claims (13)

1. 負荷に電気エネルギーを供給するアルカリ燃料電池システムであって、
   アルカリ燃料電池積層体と、燃料ガス源と、酸化剤ガスの酸化剤ガスポンプと、電解質と、補助電気貯蔵装置と、電子制御装置とを有し、
   上記酸化剤ガスポンプが、あらゆる負荷状態のもとで上記アルカリ燃料電池積層体から引き出される電流の量に比例して変化する酸化剤ガス流を上記アルカリ燃料電池積層体へ供給するように上記電子制御装置によって制御されること
   を特徴とするアルカリ燃料電池システム。
2. ゼロ負荷状態において、酸化剤ガスの最少流を上記アルカリ燃料電池積層体に供給することを特徴とする請求項１に記載のアルカリ燃料電池システム。
3. さらに、上記電解質の電解質タンク及び電解質ポンプを有することを特徴とする請求項１に記載のアルカリ燃料電池システム。
4. 上記電子制御装置が、上記酸化剤ガスポンプからの酸化剤ガス流を、アルカリ燃料電池積層体における特定の負荷状態に対応した予め選択した値に設定するオーバーライド能力を備えていることを特徴とする請求項２に記載のアルカリ燃料電池システム。
5. 上記燃料ガスが水素であり、また上記酸化剤ガスが空気であることを特徴とする請求項２に記載のアルカリ燃料電池システム。
6. システムを通る上記酸化剤ガスの流路が、上記アルカリ燃料電池積層体への酸化剤ガスの入口に設けた酸化剤ガス再循環装置を備え、また上記酸化剤ガス再循環装置への入力が、上記アルカリ燃料電池積層体から排出されることになる酸化剤ガスの一部を含んでいることを特徴とする請求項２に記載のアルカリ燃料電池システム。
7. システムを通る上記電解質の流路が、上記電解質タンクへの上記電解質の重力による戻り用の戻りコラムを備え、上記戻りコラムの頂部が、上記アルカリ燃料電池積層体の頂部とほぼ同じ高さにあり、
   上記戻りコラムの頂部が、大気に解放されるベント式充填キャップで閉じられ、また
   上記電解質が、上記アルカリ燃料電池積層体からばね負荷リリーフバルブである調節可能な背圧弁を介して上記戻りコラムへそれの頂部近くに戻され、上記背圧弁によって、戻し電解質の燃料電池積層体の頂部における圧力ヘッドが大気圧以上に維持される
   ことを特徴とする請求項３に記載のアルカリ燃料電池システム。
8. 戻り電解質の燃料電池積層体の頂部における上記圧力ヘッドが大気圧より上の水柱の５ｃｍ〜２０ｃｍの範囲内であることを特徴とする請求項７に記載のアルカリ燃料電池システム。
9. 電解質が、上記燃料電池積層体と直列に接続して配置される熱交換機に流されることを特徴とする請求項７に記載のアルカリ燃料電池システム。
10. 上記酸化剤ガスポンプが、ローブポンプ、ベーンポンプ及びスクリューポンプから成る群から選択した容積型ポンプであり、そのポンプの容積流が上記ポンプの駆動速度に応じて変化することを特徴とする請求項２に記載のアルカリ燃料電池システム。
11. 上記酸化剤ガスポンプが、空気ブロワー、空気ダクト及び上記空気ダクト内の流れセンサーを備え、それにより、上記空気ブロワーの速度が、上記流れセンサーから受けた信号に応じて上記電子制御装置で調整されることを特徴とする請求項２に記載のアルカリ燃料電池システム。
12. 上記酸化剤ガスポンプが、空気ブロワー、空気ダクト、上記空気ダクト内の限流装置及び上記限流装置を横切っての差圧を感知するようにされた差圧センサーを備え、それにより、上記空気ブロワーの速度が、上記差圧センサーから受けた信号に応じて上記電子制御装置で調整されることを特徴とする請求項２に記載のアルカリ燃料電池システム。
13. 上記限流装置が、オリフィス、ノズル、上記空気ダクトより長径の小さいある長さの配管及び上記空気ダクトより長径の小さいある長さの管路から成る群から選択されることを特徴とする請求項１２に記載のアルカリ燃料電池システム。

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