JP2009521780A - 不凍液の背圧空気排出システムを備えた非循環冷媒の固体高分子形燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

固体高分子形燃料電池４の発電装置は、カソード流出物流から分離された発電装置から排出される受動空気排出部２４を備える。空気排出部は、凍結した外部状況で問題なく作動し、これにより、固体高分子形燃料電池により発電される自動車、バスなどの移動用途で使用するのに非常に適切である。排出部は、外部環境と連通した分散タンク３６内に配置された不凍液層４０から形成される。流れ内の水蒸気は、不凍液内でガス流から凝縮する。凝縮を容易にするために、不凍液は、水と混和不可能な液体とすることができ、これにより、凝縮水が分散タンク内に分離層３８を形成する。

Description

本発明は、非循環水（ＮＷＭ）冷媒によって蒸発冷却させる固体高分子形（ＰＥＭ）燃料電池の発電装置、即ち非循環水固体高分子形燃料電池システムに関する。特に、本発明は、凍結する温度で作動可能な固体高分子形燃料電池の発電装置に関する。本システムは、カソード流出物ガス流内に含まれる空気および水を分離する空気／水分離器を備える。分離器からの空気は、不凍液柱状部を通ってシステムから排出されるとともに、水はシステムの冷媒部に返される。

固体高分子形燃料電池アッセンブリは、比較的低い温度、かつ低い作動圧力の燃料電池アッセンブリであり、空気および水素リッチ燃料を処理して電気および水を生成する触媒作用を有する高分子電解質膜を利用している。固体高分子形燃料電池は、自動車、バスなどの移動用途に最適である。これは、固体高分子形燃料電池が、比較的小型で、かつ重量が小さく、実質的に大気圧で作動するからである。この形式の燃料電池システムは、非循環水冷媒によって蒸発冷却される。冷却部は、水冷媒を含む流路を備えて形成された外側プレートを有する。また、冷却部は、燃料電池のカソード側に面するとともに、空気反応物流が通流する内側多孔質プレートを備える。電池は、多孔質プレートを通って空気流へ流れ、該空気流内で蒸発する電池冷却用の水によって冷却される。また、作動中に、微量の空気が多孔質プレートを通って水冷媒へ拡散する。カソード側の反応流出物流は、水蒸気および空気の混合物を含む。カソード側の流出混合物である水蒸気および空気の成分は、凝縮器を通過し、水が混合物から凝縮される。そして、結果として生じる水／空気の混合物は、分離器部を通過し、ここで、凝縮水は混合物から除去されるとともに、空気は燃料電池アッセンブリから排出される。そして、水は燃料電池アッセンブリ内の冷媒流領域へ返される。システムの分離器における空気排出部は、外部環境に通じる通路を一般的に備え、この通路は、機械的なバルブおよび／または固定ノズルによって分離器からの空気流を制御している。この大気開放通路内のこれらのバルブおよび／または固定ノズルは、通常の作動中に液体／空気分離器内の背圧を制御するように機能する。凝縮器を出た後に分離器から排出された空気流は、湿っている。これにより、凍結する状況において作動上の問題が生じる。これは、大気開放ライン内のバルブおよび／またはノズルが凍結し、空気流がシステムによって適切に制御されなくなり、これにより、システムおよび発電装置の運転を停止せざるをえないからである。この問題は大気開放ラインを加熱することによって解決されるが、この解決方法は、システムを複雑化し、かつコストを増加させるシステムの付加的な加熱装置を必要とする。

システムを制御する分離器から空気を排出するための背圧および流れ制御システムが、凍結する状況で使用できるとともに、燃料電池発電装置の作動中に複雑な機械的装置を必要としないことが非常に望ましい。

本発明は、非循環水の固体高分子形燃料電池における発電装置内の空気／水分離器から空気を排出するための改良されたシステムと、発電装置が動力式の自動車、バスのような移動用途のために主に設計されるこのシステムを使用する方法と、に関する。本発明の改良された空気排出システムは、凍結した状況で使用できるとともに、作動を適切にするために機械的なバルブおよび／または機械的なノズルを使用しない。燃料電池の発電装置は、固体高分子形燃料電池の発電装置であり、該発電装置は比較的低い温度で、かつ大気よりも高い圧力で一般的に作動する。

燃料電池の発電装置は、従来の触媒作用を有する高分子電解質膜を備えており、該膜は、水素リッチ燃料流を受けるアノード側と、空気反応物流を受けるカソード側と、を有する。冷媒流領域は、燃料電池の作動部と熱を交換するように配置されており、これにより、電池の作動中に燃料電池を冷却する。システム内で使用される冷媒は、一般的に水である。冷媒流領域内の冷媒は、燃料電池アッセンブリを通って液体として循環しない。冷却は、冷媒が反応物流へ蒸発することによって達成される。本発明の燃料電池システムでは、空気および窒素の反応物流は、冷媒水よりも高圧であり、これにより、これらのガスは、電池内における多孔質の冷媒プレートを通って冷媒水に吸い込まれる。ガスが吸い込まれると、該ガスは冷媒水に溶け込む。冷媒水中に見られる空気および水素は、ガスは通すが液体は通さない多孔質プラグを通って冷媒流領域から取り出される。多孔質プラグの下流側は、冷媒流領域より低圧になっており、これにより、ガスを外部に排出できるプラグを通って冷媒流領域からガスを排出する。システムが低い背圧のもとに作動される場合は、真空にする必要がある。

発電装置の作動中に、水蒸気は、反応物および冷却中に蒸発した水から空気流へ蒸発し、発電装置のセルスタックにおけるセルのカソード側から引き出されるカソード側の流出物流内に含まれる。空気／水蒸気は、凝縮器を通って循環し、この後、結果として生じる空気／水の混合物は分離器を通って循環される。この分離器では、空気成分は、水成分から分離され、湿った空気成分は、システムから外部環境へ排出される。水は、分離器から冷媒流領域に返される。

湿った空気流は、疎水性多孔質ボディを通って、分離器付近に配置された受動の不凍液柱状部を通って燃料電池システムから外部環境へ排出される。排出流内の空気は、気泡となって不凍液を通って外部環境へ排出される。また、排出流内の水は、不凍液を通過する。所望であれば、不凍液を水と混和不可能なものにすることができ、これにより、水の構成物は不凍液を通って上昇するとともに不凍液から分離され、不凍液を希釈することはない。水の層は、微小な多孔質膜の手段によって不凍液層から除去される。不凍液層は、燃料電池システム内における所望の背圧を維持する。

空気流は、様々な理由のために加圧される。第１に、スタックから出る空気／水蒸気の混合物の温度を部分的に上げることによってシステムからの排熱を改善するために、より高い温度での作動が期待されている。第２に、発電装置内における一体化した電極アッセンブリの多孔質ボディに水が浸水することを防止するために、燃料および空気の圧力を冷媒水の圧力より高くしなければならない。

本システムにおける不凍液式の空気排出成分は、氷結する温度および氷点下の温度で適切に機能するとともに、適切に作動させるために氷結する水に接する輸送用の部品を必要としない点で受動的であることを理解されたい。

図１を参照すると、全体として符号２によって示される、本発明の燃料電池発電装置における固体高分子形燃料電池サブアッセンブリの部分が概略的に示されている。燃料電池４は、燃料反応物流領域８（アノード側）と酸化剤反応物流領域１０（カソード側）との間に配置された触媒作用を有する高分子電解質膜６を備える。冷媒流領域１２は、燃料電池４のカソード側１０に隣接して配置されるが、電池４のアノード側８に接近して配置されてもよい。冷媒流領域１２は、燃料電池４の適切な作動温度を維持するために固体高分子形燃料電池サブアッセンブリ２を冷却するように機能する非循環水性冷媒を備える。反応中に、燃料中の水素および空気中の酸素は、電子および生成物である水に変換される。この生成された水のいくらかは、水蒸気として冷媒流領域から電池４の酸化剤反応物流領域１０へ蒸発され、凝縮器１６へ案内するライン１４を通って残留した空気とともにカソード排出物として除去される。凝縮器１６は、空気／水の蒸気流から水を凝縮し、この後、結果として生じる水／空気の混合物は、ライン１８を通って水／空気分離器２０に流入する。ここで、この分離器では、混合物の水成分が空気成分から分離される。空気成分は、排出ライン２２を通って分離器２０から除去され、全体として符号２４によって示される受動排出構造体を通ってライン２２およびサブアッセンブリ２の外部環境へ排出される。排出構造体２４の特徴は、以下で明確にされる。冷媒流領域１２は、僅かに負圧、即ち空気および燃料の圧力未満である約７ｋＰａに維持される。このとき、この負圧はライン３０および疎水性多孔質プラグ２８を通って流領域１２に連結された任意選択的な真空ポンプ３２によって、または燃料および空気を加圧することによって維持される。真空ポンプ３２は、多孔質プラグ２８を通して冷媒流領域１２から該領域１２に存在する空気および／または水素のようなガスを排出させる。プラグ２８の穴および高さは、ガスがプラグ２８を通過するが、液体冷媒がこのプラグを通過しないような大きさとなる。冷媒流領域１２から移されたガスは、ポンプ３２から外部環境へ排出される。

図２を参照すると、空気排出構造体２４の詳細が示されている。構造体２４は、不凍液柱状部４０を含む分散容器３６を備える。容器３６は、疎水性の多孔質材料から形成された多孔質底壁３７を備えており、これにより、空気はこの底壁を通過できるが、液体は通過できない。したがって、システム内の空気および水蒸気は、ここから排出されるとともに、壁３７を通って不凍液層４０へ拡散する。不凍液４０は、水と混和不可能な材料か、または水と混和可能な材料であってよい。前者は、凍結した周囲環境において不凍液を液体に保つ能力を維持するために好まれる。後者が使用された場合、不凍液層は新鮮な不凍液に定期的に交換されなければならない。混和不可能な不凍液は、３Ｍハイドロフルオロエーテル７４００、ポリジメチルシロキサン、ポリフェニルメチルシロキサンなどである。混和可能な不凍液は、エチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコールなどである。周知のように、タンク３６に流入する空気流は、水が不凍液４０内で空気流から凝縮するように加湿されている。この空気流内の空気は、不凍液層４０を通って上方に気泡を発生するとともに、矢印３４によって示されるようにシステムから排出される。不凍液層４０が水と混和不可能な場合、不凍液内で凝縮された水は、容器３６の１つの領域３８に層を形成する。この層は、容器３６の上部および不凍液層４０の上部に位置することが好ましい。また、システムは付加的な不凍液を有するリザーバタンク４４を備える。領域４０に位置する不凍液は、排出バルブ４３によって制御されるライン４２を通って定期的にこの領域から除去される。システムの背圧は、流れの密度、流量、空気が気泡として通過する不凍液柱状部４０における高さの違いを変更することで異なる。したがって、背圧制御のために不凍液層レベル４０を上昇させる必要がある場合には、不凍液層４０の高さは、ライン４６およびポンプ４８を通ってタンク４４からタンク３６に不凍液を供給することによって増加される。したがって、不凍液層４０の高さは、システムの作動状況に応じて選択的に変更できる。

本発明の空気排出アッセンブリは、凍結した外部状況で作動し、発電装置の作動中に凍結することはないことが容易に理解される。これにより、凍結した状況で何度も作動する自動車などの移動装置に使用するために設計された固体高分子形燃料電池の発電装置において、この排出アッセンブリが特に有効になる。本発明の排出アッセンブリは、発電装置から排出される空気流に曝されるバルブまたはノズルのような輸送する機械的装置を必要としないという点で非常に簡潔なアッセンブリである。空気排出アッセンブリは、空気反応流出物で生成された湿った空気流を排出し、外部環境に再循環させている。湿った空気流は、不凍液柱状部を備えるとともに、凍結する恐れのある機械的なバルブまたはノズルを備えていない受動排出構造体を通って排出される。また、本発明のシステムは、該システムの作動状況の変化に応じて不凍液柱状部の高さを変更する。

本発明の開示された実施例における多くの変更および修正が、本発明の真意から逸脱することなくなされてもよいので、添付の請求項によって要求されるものとは別のものに限定することを意図していない。

本発明の発電装置において使用される固体高分子形燃料電池アッセンブリの概略図である。 図１のアッセンブリにおける受動空気排出部の概略図である。

Claims (14)

1. 発電装置の作動中に、加湿されたガス反応流出物流を生成する燃料電池（４）を備えた固体高分子形燃料電池発電装置において使用される反応流出物流生成システムであって、
   ａ）前記燃料電池から離れるように前記加湿されたガス反応流出物流を流すために構成された導管（３０）と、
   ｂ）ガスおよび凝縮水を含む凝縮流出物流を生成するように、前記加湿されたガス反応流出物流から水を凝縮するための凝縮器（１６）と、
   ｃ）前記凝縮流出物流内の前記ガスから水を分離するように構成された分離器（２０）と、
   ｄ）前記分離器手段から前記ガスを排出させるように構成された排出部（２４）と、
   を備え、
   前記排出部は、不凍液層（４０）を備え、該不凍液層を通して前記分離器内の前記ガスが外部環境へと通過できることを特徴とする反応流出物流生成システム。
2. 前記不凍液層が、反応物の背圧を可変制御するように作動する可変の高さを備えることを特徴とする請求項１に記載の反応流出物流生成システム。
3. 前記分離器から前記燃料電池内の水冷媒流領域（１２）へ水を輸送するように構成された水輸送装置（２６）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の反応流出物流生成システム。
4. 不凍液リザーバ供給部（４４）と、該不凍液リザーバ供給部から前記排出部内の前記不凍液層へ不凍液を選択的に輸送するように構成された第１の輸送装置（４６，４８）と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の反応流出物流生成システム。
5. 前記排出部内の前記不凍液層から前記不凍液リザーバ供給部へ不凍液を選択的に輸送するように構成された第２の輸送装置（４２，４３）をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の反応流出物流生成システム。
6. 前記反応流出物流内の水の少なくとも一部分は、水による前記燃料電池の蒸発冷却の結果物であり、水が水冷媒流領域から前記燃料電池のカソード側における反応物流へ蒸発することを特徴とする請求項１に記載の反応流出物流生成システム。
7. 前記不凍液および前記凝縮水は、水が前記排出部において前記不凍液から分離されるように混和不可能であることを特徴とする請求項１に記載の反応流出物流生成システム。
8. 前記排出部が、前記不凍液層を支持する疎水性の多孔質材料層を備えており、該材料層が、ガスは通過させるが液体は通過させない構造を有し、前記分離器からの前記ガスが、前記材料層を通って前記不凍液層へ流入することを特徴とする請求項１に記載の反応流出物流生成システム。
9. 固体高分子形燃料電池発電装置のセルスタック内に生成された加湿された反応流出物流から空気を除去する方法であって、
   ａ）空気／水の混合物を生成するように前記加湿された反応流出物流から水を凝縮するステップと、
   ｂ）前記空気／水の混合物内における水構成物および空気構成物を分離するステップと、
   ｃ）不凍液層を通して外部環境へ前記空気構成物を排出することによって、前記分離された水構成物から前記分離された空気構成物を除去するステップと、
   を含む除去方法。
10. 燃料電池スタックの水冷媒供給部へ前記分離された水構成物を輸送するステップをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の除去方法。
11. 発電装置の作動状況に応じて前記不凍液層の寸法を変化させるように、該不凍液層に対し不凍液を選択的に除去および／または追加するステップをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の除去方法。
12. 前記不凍液が水と混和不可能であるとともに、前記不凍液層内の前記分離された空気構成物中にある水蒸気を凝縮するステップをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の除去方法。
13. 前記不凍液層を支持する疎水性の多孔質プレートを通して前記分離された空気構成物を前記不凍液層へ通過させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の除去方法。
14. 反応物の背圧を選択的に変更するように前記不凍液層の高さを変更するステップをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の除去方法。

Images