JP3616078B2 - 燃料電池用の隔膜ポンプ及び前記ポンプを用いるアノード流再循環システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用の隔膜ポンプ及び前記ポンプを用いるアノード流再循環システムに関し、特にプロトン交換膜燃料電池に用いられるアノード流再循環システムと当該システムに使用される隔膜ポンプに関し、最も特にはプロトン交換膜燃料電池に利用される水素再循環システム及び隔膜ポンプに関する。本発明は、既存の燃料電池用アノード流再循環システムに必要な一定の要素を削除し、それにより燃料電池部品製造のための原価を低減する。加えて、本発明は、アノード流再循環システムに必要な電気エネルギーを低減して、燃料電池システムに関する全体の発電効率を向上することが出来る。
【０００２】
【背景技術】
文明の急速な発達に伴って、石炭、石油及び天然ガスなど伝統的なエネルギー資源の消費量が急速に増大する。これは地球環境におびただしい汚染をもたらし、地球温暖化や酸性雨など一連の環境問題を生じる。今や、既存天然エネルギー資源は限られていることが認識されている。したがって、エネルギー消費率が現在のまま推移すると、近い将来、既存の天然エネルギー資源が枯渇する。そこで、多くの先進国が、新規代替エネルギー資源の研究開発を行っている。燃料電池は、最も重要で価格の適正なエネルギー資源の一つである。伝統的な内燃機関に比較すると、燃料電池は、高いエネルギー変換効率、クリーンな排気、低騒音、伝統的なガソリン消費をしないなど、多くの利点を有する。
【０００３】
簡単に言うと、燃料電池は水素と酸素の電気化学反応を動力源とする電力発生装置である。基本的に、この反応は水の電気分解の逆反応であって、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。燃料電池の基本構造は、例えば、プロトン交換膜燃料電池は、複数の電池ユニットを含む。一般的な電池ユニットの構造は、図１に示すように、中央にあるプロトン交換膜（ＰＥＭ）１０を含み、その両側に触媒１２が設けられており、二つの触媒１２の外側それぞれには、さらにガス拡散層（ＧＤＬ）１４が設けられている。最外側には、ＧＤＬ１４に隣接してアノード板１６とカソード板１８が更に設けられている。上記要素すべてを密に一つにまとめた後、電池ユニットが形成される。燃料電池実用化のためには、図２に示すように、複数の上記電池ユニットを積み重ね直列に接続して十分な電力を得る。したがって、隣接する二つの電池ユニットは、図３に示すように、二つの隣接電池ユニットのアノード及びカソードとしてそれぞれ働く共通の電極板２０を共有することが出来る。そこで、このような電極板２０を、通常、双極板と呼ぶ。一般的に、双極板２０の両側には、水素及び空気（酸素供給用）などの反応用ガスを運ぶと同時に水滴又は水蒸気などの反応生成物を双極板２０の外に運び出すため、多数の溝型ガスチャンネル２２が設けられている。
【０００４】
燃料電池に使用される従来のガス供給システムの一つは、図４に示すように、（酸素供給源を含む酸素供給システムなどの）カソードガス供給システムと、（水素循環システムなどの）アノード循環システムを含む。大気は酸素供給システム３０における酸素の供給源として役立つ。ここでは、大気中の空気は、フィルタ３２により濾過され、次いでブロワ（送風機）３４を通して燃料電池５０の中に送り込まれる。燃料電池５０内部での反応に際して余剰した空気は水回復器３６を通して放出される。水回復器３６は、放出空気に含まれる微量の水を回収し、その水は次いで冷却システム３８に導かれる。燃料電池が発生する無用の熱もまた、冷却システム３８に伝達される。冷却システム３８で使用される冷却媒体は、次いで燃料電池５０に再度導入され、それに十分な冷却を与える。
【０００５】
既存のアノード循環システムには、圧力レギュレータ４２を通して水素流入量を調節可能な水素源４０、燃料電池内反応の際の余剰水素排出及び燃料電池５０への水素源４０送入のため燃料電池５０の他端に設けられた水素ポンプ４４が含まれる。余剰水素は、余剰水素の湿度増加のため、バブラーなどの加湿器４６を通して放出され、次いで新鮮な水素と混合すべく水素供給配管に送り戻されて、同一の循環を繰り返す。冷却システム３８の中の水が、加湿器４６の中の水に送込まれるようにすることも出来る。
【０００６】
燃料電池の双極板２０内の水素は、反応後の水素イオン（Ｈ+ ）が水蒸気によりＰＥＭ１０を通して運ばれるよう、適切な湿度を有しなければならない。この水素イオンは次いで、ＰＥＭ１０の他端で酸素及び外部回路から与えられた電子と反応し、プロトン電導を確立する。一般的に、水素の湿度が低過ぎると、ＰＥＭ１０が脱水されるので燃料電池の電気抵抗が増加し、燃料電池の電圧が低下し、その結果、燃料電池の稼働寿命が著しく短縮される。他方、水素の湿度が高過ぎると、双極板２０内でガスを運ぶだめのチャンネル２２が水滴で詰まって、それが燃料電池内のガスの反応を停止させ、燃料電池の性能が酷く損なわれる。したがって、アノード流再循環システムにおいては、水素の湿度を調節する加湿器が普通必要とされる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の主たる目的は、燃料電池から放出される余剰水素を連続的に集めるため隔膜ポンプを使用し、次いで集めた水素を反応のため燃料電池に戻すことにより既存のアノード流再循環システムを改良することである。したがって、既存水素ポンプは除去され、燃料電池自体の電気エネルギーの寄生(parasitic)損失が減少するので、燃料電池システムによる電力発生の全体効率を向上することが出来る。
【０００８】
本発明の別の目的は、アノード流再循環システム及び隔膜ポンプを、さらに水循環システムに接続することが出来ることである。その結果、水循環システム内の水を、隔膜ポンプにより同時に駆動することが出来る。したがって、既存の燃料電池の水循環システムに必要な駆動ポンプを除去することが出来て、それにより、燃料電池の電気エネルギーの寄生損失をさらに軽減して、燃料電池システムによる電力発生の全体効率を本発明によりさらに向上することが出来る。
【０００９】
本発明の更に別の目的は、水素源を間欠的にスイッチオン／オフすることによって導入される圧力パルスにより燃料電池内の双極板のガスチャンネルから水滴を自動的に追い出して、ガスチャンネル内に残った水滴が燃料電池の発電効率を損なわないようにすることである。
【００１０】
本発明の主たる技術内容は、アノードガス入口とアノードガス出口を含む燃料電池用アノード流再循環システムに関する。このアノード流再循環システムは、アノードガス供給源、アノードガス供給源に接続されたスイッチ、スイッチと燃料電池のアノードガス入口との間に接続された圧力調節装置、燃料電池のアノードガス出口とアノードガス入口との間に接続されアノードガス再循環を形成する隔膜ポンプであって、スイッチに電気接続されたセンサ少なくとも一つを有する隔膜ポンプを含む。
【００１１】
本発明の別の重要な特徴は、燃料電池用アノード流再循環システムに利用される隔膜ポンプである。この隔膜ポンプは、内部空間を画成する壁、内部空間に設けられたピストン、及びピストンと隔膜ポンプの壁とを密閉して内部空間を二つの部分に分ける隔膜組立体を有する。
【００１２】
本発明の構造及び特徴は、添付図面及び好適実施態様の説明を参照して、理解することが出来る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明は、燃料電池用アノード流再循環システム、詳細には、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池に使用される水素再循環システムに関わる。本発明の一好適実施態様の概略を図５に示す。これは燃料電池８０の中でおこなわれる反応に必要なアノードガスを作るアノードガス供給源６０を含む。なお、この燃料電池８０自体は、図３に示すものと同様構成のものを用いることが出来る。プロトン交換膜燃料電池の本実施態様に関しては、アノードガスは水素である。アノードガスは、アノードガス入口８２を通って燃料電池８０に入るまで、スイッチ６２と圧力調節装置６４を経由して流れる。スイッチ６２としては、アノードガス供給源６０から燃料電池８０へのガス流を開閉するスイッチ、例えば、配管内ガス流の開閉を制御し新鮮なアノードガスをアノードガス供給源６０から放出すべきか否かを決定するのに使用される電磁弁を用いることが出来る。圧力調節装置６４は、中を流れるアノードガスの圧力調節に使用される。アノードガスの流量は、電気化学反応が燃料電池８０の中で完全に起こるのを確実にするよう、燃料電池の特定の電力発生に必要な化学量論的必要量より、一般的に、高く設定される。燃料電池８０はまた、アノードガス出口８４を有する。図６に示すように、アノード流再循環システムは更に、燃料電池８０のアノードガス出口８４とアノードガス入口８２に接続された隔膜ポンプ７０を含み、それにより図５に示すようにアノードガス再循環を形成する。アノード流再循環システムはさらに、二つの逆止弁７２と７４を有し、一つは燃料電池８０のアノードガス入口８２と隔膜ポンプ７０との間に設けてあり、他は燃料電池８０のアノードガス出口８４と隔膜ポンプ７０との間に設けてある。この好適実施態様において、逆止弁７２と７４は、隔膜ポンプ７０の両側に取り付けられている。
【００１４】
本発明の好適実施態様にしたがうと、隔膜ポンプ７０は、内部空間を画成する壁７６を有し、内部空間にピストン９０が設けられている。隔膜９２が、ピストン９０の上に付着されており、ピストン９０と隔膜ポンプ７０の壁７６とを密閉する。隔膜９２は、ゴムで作ることが出来、内部空間を二つの部分１０２と１０４とに分ける。隔膜ポンプ７０の壁７６はさらに、大気用の孔９６を含む。こうして、内部空間の部分１０２はアノード流再循環システムに結合され、内部空間の他の部分１０４は大気と連通する。さらに、ピストン９０は、ばね９４など弾性体の上に置かれる。図５及び６に示すような好適実施態様において、隔膜ポンプ７０は、隔膜ポンプ７０の上側と底側とにそれぞれ取り付けられた二つのホール効果センサ１０６，１０８を有する。このホール効果センサ１０６，１０８は、マイクロナス社製モデルＨＡＬ５０４ＵＡ−Ｅ番、又はパナソニック社製ＤＮ６８４８−ＮＤ、若しくは下記に述べる機能と同様の機能を果たすことの出来る任意の型のセンサでよい。磁石１１０などの磁気部材が、ピストン９０の上に取り付けられている。ピストン９０は、隔膜９２の両側部分１０２と１０４の圧力変動と同時にばね９４の与える弾性力に応じて上下運動をすることが出来る。
【００１５】
この好適実施態様においては、二つのセンサ１０６，１０８が、ピストン９０の位置をその上の磁石１１０を用いて感知する。即ち、このセンサ１０６，１０８は、機能的には、隔膜ポンプ７０におけるアノードガスの圧力を検知している。アノードガスの流量と圧力は、電気化学反応が燃料電池８０の中で完全に起こるのを確実にするよう、燃料電池８０の特定の電力発生に必要な化学量論的必要量より高く設定される。従って、余剰アノー ドガスは、出力配管内に放出され、アノードガス出口８４を通って隔膜ポンプ７０の部分１０２の中に集められる。隔膜ポンプ７０の他の部分１０４は、孔９６により大気と連通しているので、部分１０４の圧力は大気圧のままで一定である。スイッチ６２をオンに切り換えると、アノードガスがアノードガス供給源６０から顕著に高い圧力でシステム全体に押し出され、部分１０２の圧力が上昇して、ピストン９０を下に押してばね９４を圧縮する。ピストン９０が下向きに所定位置まで動くと、ピストン９０の上の磁石１１０が近付いてくる位置をセンサ１０８が感知して、スイッチ６２をオフにする信号を送信する。この時以降、新鮮なアノードガスはもはや供給されない。燃料電池８０内で電気化学反応が進むにつれ、アノードガスが消費されてシステム内の圧力が下がる。従って、ピストン９０は、ばね９４の弾性力と大気圧により上向きに押されて部分１０２に貯えられたアノードガスを燃料電池８０の中に追加的に放出する。燃料電池８０の中の電気化学反応は続くので、部分１０２の中のアノードガスが次第に消費され、燃料電池８０から放出される余剰アノードガスが減り続ける。従って、部分１０２の中の圧力が減り続け、ピストン９０は上向きに動き続ける。ピストン９０が別の所定位置まで上向きに動くと、ピストン９０の上の磁石１１０が近付くのをセンサ１０６が感知して、スイッチ６２をオンにする別の信号を送信する。即ち、このセンサ１０６，１０８は、スイッチ６２に電気的に接続されており、隔膜ポンプ７０におけるアノードガスの圧力が所定値以上になるとスイッチ６２をオフにする信号を送り、該圧力が所定値以下になるとスイッチ６２をオンにする信号を送信する。その結果、新鮮なアノードガスが再びアノードガス供給源６０から供給されてシステム全体に押し出され、ピストン９０が下向きに圧縮される。
【００１６】
上述の設計により、本発明のアノード再循環システムは、反応しなかった余剰アノードガスを再利用し、このガスを反応のため自動的に燃料電池内に送り直すことが出来る。こうして、既存技術でガス再循環のため必要であった水素ポンプ４４は、完全に不要となる。本発明は、従って燃料電池自体の電気エネルギーの寄生的な損失を減少する。この好適な実施態様に関しては、燃料電池から発生する電力の約５％を節約することが出来るので、燃料電池システムが発生する電力の全体効率が向上する。
【００１７】
別の好適実施態様に従うと、図７に示すように、隔膜ポンプ７０は大気と連通しないで、代わりに、水循環システムと連通する。水循環システムは更に、循環水を収容するためのリザーバ１２２と水温を下げるためのラジエータ１２４とを含む。循環水はまた、燃料電池８０にも導かれてそれを冷却する。水循環システムは、循環水の出入のため、逆止弁１２６と１２８を通して隔膜ポンプ７０に接続されている。こうして、隔膜ポンプ７０の部分１０４には、空気の代わりに水が満たされる。隔膜ポンプ７０のピストン９０が、上述と同じ方法で上下運動をするとき、水は、水循環システム内で同時に駆動されて循環する。従って、本発明により、燃料電池８０の既存の水循環システムに必要な駆動ポンプは除去され、燃料電池の電気エネルギーの寄生損失をさらに減少し、燃料電池システムが発生する電力の全体効率を更に向上させることが出来る。
【００１８】
本発明に従う隔膜ポンプは、製造原価の低い簡単な構造を含み、運転中に何のエネルギーも消費する必要がない。加えて、スイッチ６２が入る度に、顕著な高圧を持つアノードガスがシステム全体、特に燃料電池８０の中に、押し出される。その結果、双極板２０のガスチャンネル２２の中に存在する、燃料電池８０の反応から凝縮した水滴や、望ましくない微片はいずれも、この間欠的な高圧推進ガスにより粉砕されるか、又は、ガスチャンネル２２の外に追い出される。こうして、本発明はまた、燃料電池内ガスチャンネルを間欠的且つ自動的に清浄にする機能を与える。
【００１９】
本発明は、既存技術に突破口を作る新規創作に関わる。しかし、上の説明は本発明に従う好適実施態様の記述を目的とするものである。当業者は、本発明の技術概念を逸脱することなく、各種の変更や改良を行うことが出来る。本発明は、好適実施態様との関連で記述した特定の詳細事項に限定されるものではないので、本発明の全体的基本機能を変更することなく好適実施態様の何らかの特徴に加えられた変更は、特許請求の範囲内であると考える。
【図面の簡単な説明】
【図１】既存燃料電池の電池ユニットの構造を示す構成断面図である。
【図２】複数の既存燃料電池を組み合わせた構造を示す構成断面図である。
【図３】既存燃料電池の一部を示す構成断面図である。
【図４】既存燃料電池のガス供給源を示す構成図である。
【図５】本発明のアノードガス再循環システムの好適実施態様を示す構成図である。
【図６】本発明の隔膜ポンプを示す構成断面図である。
【図７】本発明の好適実施態様に従って、水循環システムにさらに接続されたアノードガス再循環システムと隔膜ポンプを図式的に示す構成図である。
【符号の説明】
１０ プロトン交換膜
１２ 触媒
１４ ガス拡散層
１６ アノード板
１８ カソード板
２０ 双極板
２２ ガスチャンネル
３０ 酸素供給システム
３２ フィルタ
３４ ブロワ
３６ 水回復器
３８ 冷却システム
４０ 水素源
４２ 圧力調節器
４４ 水素ポンプ
４６ 加湿器
５０ 燃料電池
６０ アノードガス供給源
６２ スイッチ
６４ 圧力調節装置
７０ 隔膜ポンプ
７２ 逆止弁
７４ 逆止弁
７６ 壁
８０ 燃料電池
８２ アノードガス入口
８４ アノードガス出口
９０ ピストン
９２ 隔膜
９４ ばね
９６ 孔（開口部）
１０２ 空間
１０４ 空間
１０６ ホール効果センサ
１０８ ホール効果センサ
１１０ 磁気部材
１２２ リザーバ
１２４ ラジエータ
１２６ 逆止弁
１２８ 逆止弁

Claims (15)

1. アノードガス入口とアノードガス出口とを有する燃料電池用のアノード流再循環システムであって、
   アノードガス供給源と、
   前記アノードガス供給源に接続されたスイッチと、
   前記スイッチと前記燃料電池の前記アノードガス入口との間に接続された圧力調節装置と、
   前記燃料電池の前記アノードガス出口と前記アノードガス入口との間に接続され、それによってアノードガス再循環を形成する隔膜ポンプであって、前記スイッチに電気接続されたセンサを少なくとも一つ含む隔膜ポンプと、
   を含む燃料電池用アノード流再循環システム。
2. 前記アノードガスが水素である、請求項１に記載の燃料電池用アノード流再循環システム。
3. 前記スイッチが電磁弁である、請求項１に記載の燃料電池用アノード流再循環システム。
4. 前記隔膜ポンプが、内部空間の外周囲側部及び底部を画成する壁と、前記内部空間に設けられたピストンと、このピストンと前記隔膜ポンプの前記壁とを密閉し、それにより前記内部空間を二つの部分に分ける隔膜組立体と、を有する、請求項１に記載の燃料電池用アノード流再循環システム。
5. 前記隔膜ポンプが、一つは当該隔膜ポンプの上側に配置され他の一つは下側に配置された二つのホール効果センサと、前記ピストン上に配置されて前記各ホール効果センサと相互作用をする磁気部材と、を含む、請求項４に記載の燃料電池用アノード流再循環システム。
6. 前記ピストンの底部に対抗して当該ピストンに上向きの力を与える弾性装置を更に含む、請求項５に記載の燃料電池用アノード流再循環システム。
7. 前記ピストンが、前記隔膜組立体両側の圧力変動と弾性装置が与える力とに従って第一位置と第二位置との間で動くように適合されており、前記磁気部材の検出により前記ピストンの位置を感知するため二つの前記ホール効果センサを利用し、前記ピストンが前記第一位置に動いたとき当該センサの一つが前記スイッチをオフにする信号を送り、前記ピストンが第二位置に動いたとき、別のセンサが前記スイッチをオンにする信号を送る、請求項６に記載の燃料電池用アノード流再循環システム。
8. 前記隔膜ポンプが、当該隔膜ポンプの前記内部空間の一部を大気と連通させるような孔をさらに含む、請求項４に記載の燃料電池用アノード流再循環システム。
9. 逆止弁２つを含み、そのうちの一つは前記燃料電池の前記アノードガス入口と前記隔膜ポンプとの間に設けられ、他の一つは前記燃料電池の前記アノードガス出口と前記隔膜ポンプとの間に設けられた、請求項１に記載の燃料電池用アノード流再循環システム。
10. 前記隔膜ポンプが、水入口と水出口とをさらに含み、それにより、当該隔膜ポンプの前記内部空間の一部が水循環システムと連通することにより水で満たされる、請求項４に記載の燃料電池用アノード流再循環システム。
11. 燃料電池用アノード流再循環システム内で使用される燃料電池用隔膜ポンプであって、
    内部空間の外周囲側部及び底部をを画成する壁と、前記内部空間に設けられたピストンと、このピストンと前記隔膜ポンプの前記壁とを密閉し、それにより前記内部空間を二つの部分に分ける隔膜組立体と、を有する、燃料電池用隔膜ポンプ。
12. 前記ピストンの底部に対抗しており当該ピストンに上向きの力を与える弾性装置を更に含み、当該ピストンが、前記隔膜組立体両側の圧力変動と前記弾性装置が与える力とに従って第一位置と第二位置との間で動くよう適合されている、請求項１１に記載の隔膜ポンプ。
13. 前記ピストンを感知するためのセンサ少なくとも一つを更に含む、請求項１１に記載の隔膜ポンプ。
14. 前記隔膜ポンプが、一つは当該隔膜ポンプの上側に配置され他の一つは下側に配置された二つのホール効果センサと、前記ピストン上に配置されて前記各ホール効果センサと相互作用をする磁気部材と、を含む、請求項１３に記載の隔膜ポンプ。
15. 前記隔膜組立体が、ゴム製隔膜を含む、請求項１１に記載の隔膜ポンプ。

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