JP2009522723A - 燃料セルの冷媒へのガスの取込に対する対応 - Google Patents

Abstract

燃料電池発電装置（９，６０）は、スタック（１０，６１）内に複数の燃料セルを備えており、各セルは、水／ガス分離器（４０，７７）に向かう冷媒出口（２７，８０）を備えた冷媒通路（１３，６４）を備える。ガス出口（４５，８２）は、圧力検知（４６，８３）を介してオリフィス（４７，８４）に接続される。過剰な圧力を検知し、冷媒への過剰なガスの取込を示すことによって、制御部（３９，１０２）が、燃料電池スタックの動作パラメータ、このような圧力または、冷媒もしくは反応ガスの停止を制御し、ガスの取込による燃料セルの損傷を防止する。

Description

本発明は、燃料電池スタックの冷媒通路にガスを過剰に取り込んだときの圧力の検知に関し、燃料電池スタックへの不可逆性の損傷を防止するようにしたものである。

少なくとも部分的に疎水性である多孔質の反応ガス通路プレート、これは、ある場合は、「水輸送プレート」として違った形で呼ばれる、を用いる燃料電池スタックでは、泡圧力が、（反応ガス通路側の）ガスと（冷媒通路側の）水との間の境界面を維持することに寄与している。泡圧力は、米国特許出願公開第２００４／０１０６０３４号明細書で説明されている。

万一、泡圧力がなくなった場合には、ガスが、通常のガス取込速度の１０〜１００倍の速度で冷媒システムに取り込まれる。冷媒システム内への過剰なガスは、陽子交換膜の乾燥およびその損傷、反応不足およびシステムの安全性の危険が生じる。

本発明は、燃料電池スタックの冷媒への過剰なガスの取込を検知することと、燃料電池スタックの冷媒通路へのガスの取込による不可逆的な損傷を防止することと、改良された固体高分子形燃料電池発電装置と、を含む。

本発明によると、ガス流検知器は、燃料電池スタックの冷媒通路をガス抜きするガスベント部に沿って配置される。さらに、本発明によると、システムを通して水を循環させることによる対流冷却と、外部熱交換器と、を使用する燃料電池スタックにおいて、ガス流検知器は、アキュムレータの排出部に配置される。さらに、本発明によると、冷媒通路からの液体流がほとんどない、または全くなく冷却される燃料電池スタックにおいて、ガス流検知センサは、冷媒通路のガスベント部に配置される。

本発明によると、ガス流検知器は、冷媒通路あるいはアキュムレータのガスベント部と外部に通じるオリフィスとの間に圧力センサをそれぞれ備える。過剰な圧力は、ガスが過剰に冷媒に取り込まれることを示している。圧力センサは、簡潔な圧力スイッチであってもよい。

本発明を使用するシステムでは、ベント部から本発明のオリフィスを通流する過剰なガス流は、実質的な圧力降下を生じさせる。ガス流の増加は容易に検知されるとともに、例えば、発電装置を停止させる、または冷媒水圧と反応ガス圧との間の差を増加させるような対応を、制御部が行うことができる。

本発明の他の面、特徴および利点は、本発明の例示の実施例における以下の詳細な説明を参照することでより明らかになるであろう。

図１を参照すると、燃料電池発電装置９は、アノード１１、カソード１２および冷媒通路１３を有した燃料電池スタック１０を備える。アノード１１は、水素リッチ改質ガスまたは（商業用等級水素のような）実質的に純粋な水素のどちらかを供給する水素システム１６からの水素を受け取る。従来のように、燃料再循環ループおよび燃料通路のパージ部があり、これらの詳細は本発明に影響を及ぼさない。

この実施例では、カソード１２は、（酸化剤反応ガスとして）ポンプ１８からの空気を受け取る。この空気は、大気１９からフィルタ２０を通って従来の方法で供給される。空気は、カソード１２の酸化剤反応ガス通路を通過した後に排出部２３から排出される。

燃料電池スタックが作動中に、水は冷媒入口２６から各燃料セルの通路を通り、さらに冷媒出口マニホールド２７を通って冷媒ポンプ２８へ向かうように、冷媒通路１３を通って連続的に循環する。ポンプ２８は、冷媒通路を通して液体を吸い込み、該液体を熱交換器２９へ通過させ、ここで液体は冷却される。必要であれば、（ポリエチレングリコールのような）不凍液が、ポンプ３２の手段により熱交換器２９を通って循環しながら熱交換するようにしてもよい。ポンプ３２は、ファン３６によって冷却される別の熱交換器３４を通して冷媒を吸い込み、これらのポンプ、ファンおよび熱交換器の全ては、制御部３９によって制御される。

冷媒は、熱交換器２９から液体／空気分離器４０に流入する。この後、導管４１によって輸送された液体は、圧力制御バルブ４２を通って冷媒入口マニホールド２６に流入する。圧力制御バルブ４２は、冷媒通路の冷媒圧力を調節し、上記の適切な泡圧力を保証する。

本発明によると、分離器４０のガス排出部４５は、圧力センサ４６に接続され、オリフィス４７を通して（大気のような）排出部に連通する。圧力センサは、制御部３９に圧力を示す信号を単純に供給するものでもよく、または過剰と判断される圧力に関連してオン・オフに切り換えられるスイッチでもよく、これにより、オリフィス４７を通る過剰なガス流を示し、したがって、冷媒通路１３への過剰な流入を示す。

冷媒通路が過剰なガスを取り込んだことを圧力センサにより判断すると、制御部は、何らかの方法で、または数種の方法を組み合わせて応答する。例えば、制御部は反応物流を止めることによって通常の停止順序で単純にシステムを停止させる。一方、制御部が、アノードおよびカソードの反応物ガスと冷媒通路１３の水との間の相対的な圧力を調整するようにしてもよい。これは、バルブ４２および／またはポンプ２８の速度の手段により冷媒通路の水圧を調整することによって達成され、または水素システム１６内の水素圧力を調整するとともに、ポンプ２８を制御することによりカソード内の圧力を調整することによって達成される。

一般的に、圧力センサ４６およびオリフィス４７は、冷媒通路１３内の冷媒にガスが過剰に取り込まれて、過剰なガス流がベント部を通ることを制御部３９に示すことができる。

本発明の実施例において所望であれば、寒冷時の凍結防止のために排出部８２を通して冷媒通路から冷媒を抜き取るような場合に、冷媒充填ポンプ５１が制御バルブ５２とともに使用され、冷媒通路の再充填を補助する。

本発明の他の実施例が、図２に示される。燃料電池発電装置６０は、アノード６２、カソード６３および冷媒通路６４を有した燃料電池スタック６１を備える。通常の水素システム６７が、アノード６２に比較的純粋な水素または水素リッチ改質ガスを供給する。水素システム６７の特性は、本発明に影響を及ぼさない。

図２に示される燃料電池発電装置６０は、米国特許第１１／２３０，０６６号明細書で説明される蒸発冷却を用いた形式のものである。水は、ガス／液体分離器７１の液体出口７０から冷媒通路６４に供給されるとともに、分離器のガス出口は、（大気のような）排出部７２に連通する。液体は、接続部７５を通って冷媒入口マニホールド７６へ流入し、冷媒通路６４を通って、冷媒通路の出口８０に位置するガス／液体分離器７７に流入する。分離器の液体出口７９は、排出部へ連通している。分離器のガス出口８２は、圧力センサ８３に接続されており、オリフィス８４を通して（大気のような）排出部に連通する。

冷媒は、カソードの排出部からの水の蒸発によって生じる。カソードは、大気からフィルタ９１を通して空気を吸い込むポンプ９０によって空気を供給される。排出部は、導管９４によって、回転ファン９６によって冷却される凝縮器９５に接続される。凝縮物は、凝縮器の出口から導管９９を通してガス／液体分離器７１へ向かう。分離された水は、前述したように、出口７０から出て、導管７５を通して流れて冷媒入口マニホールド７６に到達する。冷媒入口マニホールド７６は、前述の出願で説明されているように、ウィッキング（Ｗｉｃｋｉｎｇ）を備えてもよい。あるいは、冷媒入口マニホールド７６は、水の流れを有した冷媒通路全てを単純に相互接続するマニホールドであってもよい。前述の出願で説明されているように、システム内の水量は、適切な点でのオーバフローによって制御され得る。

図２の実施例によると、圧力センサ８３およびオリフィス８４は、この場合は圧力の手段によって、冷媒通路からベント部８２を通って出る過剰なガス流を検知し、これによって、冷媒通路へのガスの過剰な吸込を検知する。これに応じて、制御部１０２は、図１で前述したようにスタック６１の燃料セルへの不可逆的な損傷を防止するために様々な処理を行う。

循環水流を用いた対流による冷却を使用するとともに、本発明を含む燃料電池発電装置の部分における簡素化され、かつ様式化された構成図である。 蒸発冷却を使用し、かつ本発明を含む燃料電池発電装置の部分における簡素化され、かつ様式化された構成図である。

Claims (10)

1. 燃料電池スタックの燃料セルにおける冷媒通路（１３，６４）への過剰なガスの取込を検知（４６，４７，８３，８４）し、前記スタック内の前記燃料セルへの損傷が生じないように前記燃料電池発電装置内の動作パラメータを変更するように制御部（３９，１０２）を動作させることによって、燃料電池発電装置内の前記スタック（１０，６１）における前記燃料セルへの損傷を防止することを特徴とする燃料電池発電装置（９，６０）において使用される方法。
2. 前記検知は、前記燃料セルの前記冷媒通路（１３，６４）からの過剰なガス流を検知することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記検知は、オリフィス（４７，８４）と前記冷媒通路（１３，６４）の出口（２７，８０）との間の過剰な圧力を検知することを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記動作ステップが、前記発電装置を停止することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記動作ステップが、前記スタック内の冷媒と反応ガスとの間の圧力差を増加することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. スタック（１０，６１）内に配置され、冷媒通路（１３，６４）を備えるとともに、該冷媒通路内の流体が、冷媒出口（２７，８０）を通って前記冷媒通路から排出される複数の燃料セルと、
   燃料電池発電装置（９，６０）の動作パラメータを指令する制御部と、
   を備え、
   前記冷媒通路出口（２７，８０）と流体連通し、前記冷媒通路内の冷媒流への過剰なガスの取込があるかを判断するとともに、前記過剰な取込を示す信号表示を供給する手段（４６，４７，８３，８４）を備えており、前記制御部が、前記信号表示に応答し、前記スタック内の前記燃料セルへの損傷を防止するように、燃料電池発電装置の前記動作パラメータを変更することを特徴とする燃料電池発電装置（９，６０）。
7. 前記手段（４６，４７，８３，８４）が、前記冷媒通路（１３，６４）から出る過剰なガス流を検知することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電装置（９，６０）。
8. 前記手段（４６，４７，８３，８４）が、オリフィスと前記冷媒出口との間の圧力を検知することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池発電装置（９，６０）。
9. 前記制御部が、前記信号表示に応答し、前記発電装置を停止することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電装置（９，６０）。
10. 前記制御部が、前記信号表示に応答し、前記スタック内の前記冷媒と反応ガスとの間の圧力差を増加することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電装置（９，６０）。

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