JP2009541968A

JP2009541968A - 燃料電池用燃料供給システム

Info

Publication number: JP2009541968A
Application number: JP2009517381A
Authority: JP
Inventors: ジェームズハイゲイト，ドナルド
Original assignee: ITM Power Research Ltd
Current assignee: ITM Power Research Ltd
Priority date: 2006-06-24
Filing date: 2007-06-25
Publication date: 2009-11-26
Also published as: GB0612567D0; WO2007148117A1; US20090130503A1; EP2033254A1

Abstract

燃料供給システムは、水素コンパートメント及び酸素コンパートメントを有する水素／酸素燃料電池と、弁口を介して、第１チャンバは水素コンパートメントと接続し、且つ第２チャンバは酸素コンパートメントと接続する第１チャンバ及び第２チャンバを有する容器とを含み、第１チャンバの容積は、第２チャンバの容積のおよそ２倍である。かかる燃料供給システムは、容器の第１チャンバから水素コンパートメントに水素を供給することと、容器の第２チャンバから酸素コンパートメントに酸素を供給することとを含み、水素及び酸素が化学量論比で且つ実質的に等圧で供給される、水素コンパートメント及び酸素コンパートメントを有する水素／酸素燃料電池への燃料供給方法で使用するのに好適である。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素／酸素燃料電池用の燃料供給システムに関する。

燃料電池は、２つのチャンバを有する電気化学セル内で、燃料と酸化剤を電気と化学物質に変換する。発生した電気は様々な機器にパワーを供給するために用いることが可能である。

１つの種類の水素／酸素燃料電池は、空気呼吸型の燃料電池である。この種の燃料電池は、単一の加圧水素シリンダー及び空気呼吸システムによって供給される。空気ポンプは通常、空気を加圧し、それを電池内に通すために必要である。空気ポンプは重く、多量のパワーを必要とする。これは電池の正味の出力を減少させ、これにより運転経費を高くしている。また、空気呼吸型の燃料電池は環境に依存することは、汚染大気中での使用、又は水中用途に不適である可能性があることを意味している。

他の燃料電池は、水素ガス（Ｈ_２）及び酸素ガス（Ｏ_２）を利用し、これらは、別個のキャニスタを介してアノードチャンバ及びカソードチャンバに送達される。これらの燃料電池は、空気呼吸型燃料電池よりも平均で１５％超、効率的である。しかしながら、それらは、特に水素と酸素の圧力が異なる場合、追加のポンピング機器を必要とする可能性があるため、依然として運転経費が非常に高くなる。このシステムも大規模なバランスオブプラント（発電補助機器類）を有している。

水素／酸素燃料電池を利用する可搬式電源装置の開発には、簡素で且つ可搬式のガス送達システムが必要である。

本発明は、水素及び酸素の両方を等圧の規定レベルで運ぶ、水素／酸素燃料電池の燃料供給用の単一容器を開発することにより、必要とされる燃料供給装置の重量、大きさ、複雑度、及び数を低減させる可能性を提供する、という認識に基づいている。

第１の態様によれば、本発明は、水素コンパートメント及び酸素コンパートメントを有する水素／酸素燃料電池と、弁口を介して、第１チャンバが前記水素コンパートメントと接続し、且つ第２チャンバが前記酸素コンパートメントと接続する第１チャンバ及び第２チャンバを有する容器とを含む燃料供給システムであって、前記第１チャンバの容積が前記第２チャンバの容積のおよそ２倍である、燃料供給システムである。

第２の態様によれば、本発明は、水素コンパートメント及び酸素コンパートメントを有する水素／酸素燃料電池の燃料供給方法であって、容器の第１チャンバから前記水素コンパートメントに水素を供給することと、容器の第２チャンバから前記酸素コンパートメントに酸素を供給することとを含み、水素及び酸素が化学量論比で且つ実質的に等圧で供給される、燃料供給方法である。

図１は、本発明を具現化するシステムでの使用に好適な３つの容器の概略断面図である。

本発明の燃料供給システムは、水素／酸素燃料電池と、第１チャンバ及び第２チャンバを有する容器とを含む。当該容器を使用して、燃料電池に水素及び酸素を供給する。本発明の構成要素は一体でもよく、又は別個に設けられた後、相互に接続されてもよい。

本発明の容器には２つのチャンバがある。水素が第１チャンバに収容され、酸素が第２チャンバに収容されることが意図される。第１チャンバの容積は、第２チャンバの容積のおよそ２倍である。容器中の酸素及び水素は実質的に等圧であり、このことは、酸素及び水素が燃料電池に化学量論比で供給されることを意味する。

容器内ではガスは実質的に等圧に保たれるため、圧力差に耐える必要があるのは、容器の外縁のみである。２つのチャンバ間の内部隔壁は、わずかな圧力差に耐えることが必要とされるだけである。この内部隔壁は固定構造であってもよく、あるいは容器中のわずかな圧力差の修正を可能にするように、可動式であってもよい。

好ましい実施形態において、容器は、水素電極コンパートメント及び酸素電極コンパートメントを有する水電解槽と接続する。弁口を介して、水素電極コンパートメントは容器の第１チャンバと接続し、且つ酸素電極コンパートメントは容器の第２チャンバと接続する。電解槽を使用して、容器に水素及び酸素を供給することができる。

より好ましい実施形態において、水電解槽は高圧電解槽である。電解槽が完全な再結合に必要な２：１比でガスを発生するという事実、及び両方のガスが加圧されるという事実は有利であり、ポンプが全く必要ないため、システムを通る十分なガス流を達成するのに必要なバランスオブプラント（発電補助機器類）が軽減される。

一実施形態において、水電解槽の水素コンパートメントを、容器の第１チャンバに接続する弁口は排気孔を含む。これにより、水素を大気中又は別個の容器中へそらすことができ、その結果、容器中の酸素が僅かに過剰となる。容器には水素がすっかり無くなるため、取り外す時の安全が保証される。

本発明の容器は、水素／酸素燃料電池の燃料供給に使用され、一体型の貯蔵チャンバを満たした後、取り外され得る。これはまたリサイクルすることができ、複数回の使用を可能にする。また、本発明の容器は燃料電池に適合し、使用中位置が保持され得る。この目的で設計される場合、２つの容器を有することは有益であり得る。これにより、ガスが１つの容器から他の容器へ順に流れることが可能になり、閉鎖された、環境から独立したシステム内で、ガスの燃料及び酸化剤の流れが生み出される。

本発明の燃料供給システムは、先行技術、即ち、別々の水素シリンダー及び酸素シリンダーによって供給される燃料電池をしのぐ幾つかの利点を有する。第１に、本発明の容器は、別々の水素キャニスタ及び酸素キャニスタよりもはるかに軽量である。第２に、水素及び酸素が等圧であるため、高い圧力差に耐えることが可能な（外）壁が１つしか必要とされない。システムの重量軽減に加えて、これは、運搬上小さい設置面積という結果をもたらす。２つの別々の貯蔵容器よりも１つの容器の方が充填効率が高いため、本発明の燃料供給システムは先行技術と比べて容積も小さい。このシステムの別の利点は、電解槽と燃料電池との間が接続されるため、水素供給システム及び酸素供給システム間のギャップが埋められる。本発明のシステムは、化学量論量の水素及び酸素の製造、収集、送達、及び使用を提供する。

ここで本発明を、単に例示を目的として、添付の図面を参照して説明する。

図１は、本発明を具現化するシステムでの使用に好適な３つの容器の概略断面図である。水素／酸素燃料電池（図示せず）と一緒の作動に好適な容器（Ａ、Ｂ、及びＣ)を示す。

図中の容器は全て、容積比が１：２の２つのチャンバ（１、２）を含有する。チャンバ１は酸素を収容し、チャンバ２は水素を収容する。外部ケーシング（３）は、耐圧性の高い金属か、又は複合材料のシリンダーで作ることができる。内壁（４）は高い圧力差に耐える必要がない。点線は、わずかな圧力差を修正するために、可動性又は可撓性のセパレータがどのように適応し得るかを説明している。内壁は柔軟性があり、圧力の修正が可能であり得る。細い破線（５）は、高酸素圧修正時の内壁の位置を表し、太い破線（６）は、高水素圧修正時の内壁の位置を表す。

容器Ａは、複数のチャンバが同軸状になっている円筒容器である。これは特に好ましい実施形態である。複数のチャンバが同軸状であるという事実は、２：１の容積比を与えるために必要なチャンバの相対半径が容易に算出されることを意味している。また、当然のことながら、水素と酸素の結合システムの弁口を同軸状に配置することが容易となり、これは、安全性及び使いやすさの点から好ましい。

１（酸素）チャンバ
２（水素）チャンバ
３外部ケーシング
４内壁
５細い破線（高酸素圧修正時の内壁の位置）
６太い破線（高水素圧修正時の内壁の位置）

Claims

水素コンパートメント及び酸素コンパートメントを有する水素／酸素燃料電池と、弁口を介して、第１チャンバが前記水素コンパートメントと接続し、且つ第２チャンバが前記酸素コンパートメントと接続する第１チャンバ及び第２チャンバを有する容器を含む燃料供給システムであって、前記第１チャンバの容積が前記第２チャンバの容積のおよそ２倍である、燃料供給システム。
弁口を介して、水素電極コンパートメントが前記容器の前記第１チャンバと接続し、且つ酸素電極コンパートメントが前記容器の前記第２チャンバと接続する水素電極コンパートメントと酸素電極コンパートメントを有する水電解槽をさらに含む、請求項１に記載の燃料供給システム。
前記水電解槽が高圧電解槽である、請求項２に記載の燃料供給システム。
前記容器が円筒状であり、且つ前記チャンバが同軸状である、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料供給システム。
水素コンパートメント及び酸素コンパートメントを有する水素／酸素燃料電池への燃料供給方法であって、容器の第１チャンバから前記水素コンパートメントへ水素を供給することと、該容器の第２チャンバから前記酸素コンパートメントへ酸素を供給することとを含み、水素及び酸素が化学量論比で且つ実質的に等圧で供給される、燃料供給方法。
水電解槽の水素電極コンパートメントから前記容器の前記第１チャンバに水素を供給することと、該水電解槽の酸素電極コンパートメントから前記容器の前記第２チャンバに酸素を供給することをさらに含む、請求項５に記載の燃料供給方法。
前記水電解槽が高圧電解槽である、請求項６に記載の燃料供給方法。