JP3654443B2

JP3654443B2 - 内蔵された給湿装置を有する燃料電池及び燃料電池プロセスガスを給湿する方法

Info

Publication number: JP3654443B2
Application number: JP2002561305A
Authority: JP
Inventors: ショルタヨアヒム; イェリゼンルートヴィヒ; ガウグラーベルント
Original assignee: Martin Viessmann
Current assignee: Martin Viessmann
Priority date: 2001-01-31
Filing date: 2002-01-30
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2022-01-30
Also published as: EP1356533A2; DE10104246C1; US7172827B2; CA2416612A1; WO2002061867A3; CA2416612C; JP2004518265A; ATE271719T1; US20030189416A1; WO2002061867A2; US20070104990A1; EP1356533B1; DE50200660D1

Description

【０００１】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、内蔵された給湿装置を有する燃料電池並びに燃料電池を作動させるためのプロセスガスを給湿する方法に関する。
【０００２】
燃料電池は、その高い効率及びその低い有害物質及び臭気放出に基づき小型及び中型のユニットにおける独立の電流発生のため、トラクション使用のため並びに組み合わせた電流及び熱発生のために極めて好適である。
【０００３】
電解質膜の乾燥を回避するために、燃料電池、特にプロトン伝導性電解質膜もしくはポリマー電解質膜を有するもの（ＰＥＭ電池）においては、プロセスガス、即ちカソード側のためのＯ_２含有ガス及びアノード側のためのＨ_２含有燃焼ガスを給湿することが必要である。燃料電池のプロセスガスの給湿のためには、既に多数の方法が提案されている。
【０００４】
２．技術の水準の記載
欧州特許（ＥＰ−Ｂ１）第０６２９０１４号明細書には、外部の供給導管を介して水を微細飛散させるノズルを通してプロセスガスに噴射することよりなる、燃料電池の作動させるためにプロセスガスを給湿する方法及び装置が記載されている。この場合には、水量は給湿すべきガス量及び温度に依存して供給導管内に配置された調量弁により調節される。
【０００５】
欧州特許公開（ＥＰ−Ａ２）第０３０１７５７号明細書には、イオン伝導性電解質膜を有する燃料電池が記載され、該燃料電池の場合には、燃料電池を給湿しかつ冷却するために、外部の供給導管を介して水がアノード側に噴射される。
【０００６】
特開平０７−１７６３１３号公報には、燃料電池及び熱交換器からなる装置が記載されており、前記熱交換器において外部の供給導管から供給された水は電池の排気から取り出された熱により蒸発せしめられかつそれにより電池に供給される空気は給湿される。
【０００７】
アメリカ合衆国特許（ＵＳ）第６，１０６，９４６号明細書には、ＰＥＭ型燃料電池と、組み合わせられた熱及び水分交換器とからなり、該交換器がプロセスガス供給室及びプロセス排ガス室を有し、これらの室が透水性膜により分離されている装置が記載されている。この場合には、水と熱がプロセスガス排ガス流からプロセスガス供給流に透水性膜を介して伝送される。確かに、この装置においては、生成水が直接電池の給湿のために使用される。しかしながら、生成水の戻し割合を調節することは困難ないしは不可能である。さらに、生成水内に含有される不純物、例えば金属イオンは常に回路内を導かれる。このことは、長期の運転の際に電池及び透水性膜に傷害をもたらすことがある。
【０００８】
本発明の対象及び概要
従って、本発明の課題は、外部の水供給系及び調量装置を必要とせず、それにもかかわらず燃料電池の最少可能な付加的熱需要において高められた運転安全性を可能にする、内蔵された給湿装置を有する燃料電池を提供することである。もう１つの課題は、このような燃料電池を作動させるためにプロセスガス給湿する簡単な方法を提供することである。
【０００９】
前記課題は、請求項１及び２記載の燃料電池並びに請求項９及び１０記載の方法により解決される。本発明の対象の有利なもしくは好ましい実施態様は、従属請求項に記載されている。
【００１０】
従って、本発明の対象は、第１の実施態様によれば、
アノード、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）及びカソードを有する燃料電池ユニットと、
カソードにＯ_２含有ガス、有利には空気を供給するための供給導管と、
水蒸気含有カソード排ガスのための排出導管と、
アノードにＨ_２含有燃料ガスを供給するための供給導管と、
水蒸気含有アノード排ガスのための排出導管と、
Ｏ_２含有ガスのための第１の給湿ユニット及び／又はＨ_２含有燃料ガスのための第２の給湿ユニットとを有し、
前記第１の給湿ユニットは第１の熱交換器を有し、該熱交換器を貫通してＯ_２含有ガスのための供給導管及び水蒸気含有カソード排ガスのための排出導管が案内され、その際排出導管は第１の熱交換器の下流で供給導管と第１の熱交換器の上流で第１の凝縮物分離器及び第１のキャピラリ管を介して接続されており、かつ第１のキャピラリ管は供給導管内に設置されたベンチュリノズル内及び／又は供給導管内に設置されたポンプに開口しており、
かつ／又は第２の給湿ユニットは第２の熱交換器を有し、該熱交換器を貫通してＨ_２含有燃料ガスのための供給導管及び水蒸気含有アノード排ガスのための排出導管が案内され、その際排出導管は第２の熱交換器の下流で供給導管と第２の熱交換器の上流で第２の凝縮物分離器及び第２のキャピラリ管を介して接続されており、かつ第２のキャピラリ管は供給導管内に設置されたベンチュリノズル及び／又は供給導管内に設置されたポンプに開口している、内蔵された給湿装置を有する燃料電池である。
【００１１】
同様に、本発明の対象は、前記のような燃料電池を作動させるためのプロセスガスを給湿する方法であり、該方法は、カソードのためのＯ_２含有ガスを水蒸気含有カソード排ガスによって第１の給湿ユニットを介してかつ／又はアノードのためのＨ_２含有燃料ガスを水蒸気含有アノード排ガスによって第２の給湿ユニットを介して給湿することよりなる。
【００１２】
さらに、本発明の対象は、第２の実施態様によれば、
アノード、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）及びカソードを有する燃料電池ユニットと、
カソードにＯ_２含有ガス、有利には空気を供給するための供給導管と、
水蒸気含有カソード排ガスのための排出導管と、
アノードにＨ_２含有燃料ガスを供給するための供給導管と、
水蒸気含有アノード排ガスのための排出導管と、
Ｏ_２含有ガスのための第１の給湿ユニット及び／又はＨ_２含有燃料ガスのための第２の給湿ユニットとを有し、
前記第１の給湿ユニットは第１の熱交換器を有し、該熱交換器を貫通してＨ_２含有燃料ガスのための供給導管及び水蒸気含有カソード排ガスのための排出導管が案内され、その際排出導管は第１の熱交換器の下流で供給導管と第１の熱交換器の上流で第１の凝縮物分離器及び第１のキャピラリ管を介して接続されており、かつ第１のキャピラリ管は供給導管内に設置されたベンチュリノズル及び／又は供給導管内に設置されたポンプに開口しており、
かつ／又は第２の給湿ユニットは第２の熱交換器を有し、該熱交換器を貫通してＯ_２含有燃料ガスのための供給導管及び水蒸気含有アノード排ガスのための排出導管が案内され、その際排出導管は第２の熱交換器の下流で供給導管と第２の熱交換器の上流で第２の凝縮物分離器及び第２のキャピラリ管を介して接続されており、かつ第２のキャピラリ管は供給導管内に設置されたベンチュリノズル及び／又は供給導管内に設置されたポンプ（１２）に開口している、内蔵された給湿装置を有する燃料電池である。
【００１３】
最後に、本発明の対象は、前記のような燃料電池を作動させるためのプロセスガスを給湿する方法であり、該方法は、アノードのためのＨ_２含有燃料ガスを水蒸気含有カソード排ガスによって第１の給湿ユニットを介してかつ／又はカソードのためのＯ_２含有ガスを水蒸気含有アノード排ガスによって第２の給湿ユニットを介して給湿することよりなる。
【００１４】
本発明は、燃料電池はカソード側でもまたアノード側でも、形成された生成水をカソード排ガス流もしくはアノード排ガス流から取り出すことができる限り、カソード入口側並びにまたアノード入口側の給湿をあらゆる作動条件下で保証するために、十分な水を生成するという事実を利用する。
【００１５】
さらに、本発明によれば生成水の補助装置不在の戻しのために、ベンチュリノズルにより燃料電池の前方の熱交換器入口と、燃料電池の後方の熱交換器出口との間に生じる圧力差を克服することができるという事実を利用する。このようにして、燃料電池のプロセスガスを介する生成水の連続的戻しが行われ、それにより電解質膜の十分な給湿が保証される。形成された生成水の戻し割合は、選択されたプロセスガス交換度により並びに熱交換器の設計により決定することができる。
【００１６】
熱交換器、燃料電池ユニット及び熱交換器からなる循環路のためのベンチュリノズル介して構成し得る圧力差が不十分であれば、ベンチュリノズルの代わりに又はこれに加えて、それぞれのキャピラリ管が開口するポンプを設置することができる。
【００１７】
本発明の第１の実施態様によれば、カソード側のための第１の給湿ユニットのみ又はアノード側のための第２の給湿ユニットのみが設けられていてもよい。しかしながら、両者の給湿ユニットを用いて作動させるのが有利である。１つだけの給湿ユニットを設けたいのであれば、カソード側のための第１の給湿ユニットを使用するのが有利である。それというのも、カソード側の生成水の量はアノード側よりも多いからである。本発明の第２の実施態様によれば、Ｈ_２含有燃料ガスのための第１の給湿ユニットのみ、又はＯ_２含有ガスのための第２の給湿ユニットのみが設けられていてもよい。しかしながら、両者の給湿ユニットを用いて作動させるのが有利である。１つだけの給湿ユニットを設けたいのであれば、Ｈ_２含有燃料ガスのための第１の給湿ユニットを使用するのが有利である。それというのも、カソード側排ガスにより供給される生成水の量はアノード排ガス場合におけるよりも多いからである。最後に挙げた択一性におけるプラスの副効果は、カソード排ガスと共にＨ_２含有燃料ガスに少量の酸素が供給され、該酸素を、燃料ガス中に僅かな割合で存在する、触媒毒として作用するＣＯを、アノードに存在する従来のＣＯ選択制触媒層により無害なＣＯ_２に酸化するために利用することができることにある。このために必要な酸素量を調節するために、場合により別の補助装置を設けることができる。
【００１８】
本発明に基づき燃料電池の生成水を直接使用しかつ外部の供給ユニットからの水を供給する必要がないことにより、外部給水導管が設置されている従来の作動形式に対して２つの重要な改良が達成される：第１に、その都度の作動状態に依存して正確に決められた量の水を噴射しなければならない調量装置の必要性が省ける。それというのも、本発明に基づき記載された原理よれば常に生成水の一定の一部分が調量供給され、ひいては付加的な調節の必要性が省けるからである。それにもかかわらず選択的に、本発明に基づき設けられた給湿ユニットは、供給導管に供給すべき凝縮水の量をなお正確に調量することができるように、調量ポンプのような調節装置を有することができる。
【００１９】
第２に、本発明によれば、水のための外部の貯蔵容器及び供給導管を省くことができるので、燃料電池を外部の水の調量供給を必要とせずに連続的に運転することができる。
【００２０】
アメリカ合衆国特許（ＵＳ−Ａ）第６，１０９，９６４号明細書に記載された、プロセスガスの給湿のために透水性膜を使用する先行技術に対して、本発明による原理は、電池への生成水の戻し割合を簡単に、例えば、プロセスガスの流速を変化させることにより又はベンチュリノズルの変化させることにより、好適には０．２〜１０ｍｍ、有利には１〜４ｍｍの直径を有することができるキャピラリ管の直径を変化させることにより、又は熱交換器の設計により、例えば熱交換面積を変化させることにより、ベンチュリノズルの前方と後方の圧力差を調節することにより変動させることができるという利点を有する。さらに、前記の先行技術に対して、凝縮物として生じる生成水を浄化ユニットを設けることにより、例えば凝縮水のために脱塩カートリッジを設けることにより浄化もしくは脱イオンすることが可能である。この手段により、生成水による給湿に加えて、燃料電池系を害する不純物、例えば金属イオンを循環路内を導かれる生成水から除去することが達成される。
【００２１】
本発明に基づき設けられた給湿ユニットは別にして、燃料電池の別の構成要素は通常の構造様式及び設計を有する。例えば、燃料電池は、選択的に、電池の組み合わされた電流及び熱発生を利用するために、別の熱交換器及び冷媒を再循環させるためのポンプを有する、燃料電池ユニットと接続された冷媒循環路を有することができる。
【００２２】
燃料電池ユニットは、通常、多数の単セルを含む燃料電池スタックである。
【００２３】
添付図面により、本発明を詳細に説明する。図１は、内蔵された給湿装置を有する本発明による燃料電池の第１実施例の回路図を概略的に示す。図１の参照数字において、１はアノード２、ポリマー電解質膜３及びカソード４を有する燃料電池ユニット、５はＯ_２含有ガス、有利には空気のための供給導管、６は水蒸気含有カソード排ガスのための排出導管、７はＨ_２燃料ガスのための供給導管、及び８は水蒸気含有アノードガスのための排出導管を示す。ここに示された実施例によれば、第１の熱交換器９、第１の凝縮物分離器１０及び第１のキャピラリ管１１並びに供給導管５内に設置されたベンチュリノズル１２を有する第１の給湿ユニット、並びに、第２の熱交換器１３、第２の凝縮物分離器１４及び第２のキャピラリ管１５並びに供給導管７内に設置されたベンチュリノズル１６を有する第２の給湿ユニットが設けられている。両者の熱交換器９，１３は、有利には向流で作業する熱交換器、さらに有利には例えば０．０５〜２ｍ^２／貫流ガス１００リットル／分の熱交換面積を有するプレート状熱交換器である。
【００２４】
プロセスガス流は、給湿すべきガスがベンチュリノズルを経て導かれかつこの内部で凝縮物分離器から到来する生成水と混合されるように導かれる。その後、生じたガス／水混合物は熱交換器を経て流れ、その際そこでガス／水混合物内の水の蒸発のために必要な熱エネルギーが供給される。そのようにして給湿されたプロセスガスは、引き続き燃料電池を貫流し、そこで別の水分で生成水の形で富化され、部分的に反応されかつ引き続き反対方向でそれぞれの熱交換器を貫流する。そこで冷却により排ガスは熱エネルギー含量並びに凝縮熱を放出しながら凝縮される。
【００２５】
熱交換器を通過した後に、結果として生じる冷却されたガス／水混合物は凝縮物分離器１０，１４で分離され、浄化ユニット２３（図２参照、有利には脱塩カートリッジ）で浄化され、かつ凝縮水は僅かな割合の排ガスと一緒にベンチュリノズル内で生じる負圧により流れ込むプロセスガスに供給される。流れ込むプロセスガスの給湿度は、例えば熱交換面積の設計により又はプロセスガスの流速の調節により選択もしくは変更することができる。
【００２６】
例えば、給湿ユニットも、図２に示されているように、供給導管５，７に供給すべき凝縮水の量を調量することができるように、調節装置２２を有することができる。
【００２７】
さらに、図示の実施例においては、熱交換器１８及び冷媒を再循環させるためのポンプ１９を有する冷媒循環路１７が設けられている。燃料電池内で発生した電流は、電流回路２０を介して負荷軽減のためにインバータ２１に供給される。
【００２８】
実施例
図１に示された装置に基づき、カソード側だけに給湿ユニットを有する燃料電池を構成しかつ該系を以下の表に示された、カソードガスの水分含量に関するデータで作動させる。
【００２９】
【表１】

【００３０】
【表２】

【００３１】
表において、略語は以下の意味を有する：
ＢＺ：燃料電池
Ｔ ein：入口側の温度
r. F. ein：入口側の相対湿度
ＴＰ ein：入口側の露点
Ｔ aus：出口側の温度
r. F. aus：出口側の相対湿度
ＴＰ aus：出口側の露点
Δp 1/2 Rohr：ベンチュリノズルの前方と後方のカソードガス供給導管内の圧力差
Δp 2/3 Nutz：キャピラリ管とベンチュリノズル出口の間の圧力差。
【００３２】
表から推断されるように、ここで実現した熱交換器設計（熱交換面積０．２２ｍ^２）においては、その都度流動させた空気量に基づき約６０℃の燃料電池側の出口露点で約３６〜４６℃の入口側の露点に調節することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内蔵された給湿装置を有する本発明による燃料電池の第１の実施態様の回路の概略図である。
【図２】本発明による燃料電池の有利な１実施態様の回路の一部を示す概略図である。
【符号の説明】
１燃料電池ユニット、２アノード、３ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）、４カソード、５供給導管、６排出導管、７供給導管、８排出導管、９熱交換器、１０凝縮物分離器、１１キャピラリ管、１２ベンチュリノズル、１３熱交換器、１４凝縮物分離器、１５キャピラリ管、１６ベンチュリノズル、１７冷媒循環路、１８熱交換器、１９ポンプ、２０電流回路、２１整流器、２２調節装置、２３浄化ユニット

Claims

内蔵された給湿装置を有する燃料電池において、
アノード（２）、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）（３）及びカソード（４）を有する燃料電池ユニット（１）と、
カソードにＯ_２含有ガス、有利には空気を供給するための供給導管（５）と、
水蒸気含有カソード排ガスのための排出導管（６）と、
アノードにＨ_２含有燃料ガスを供給するための供給導管（７）と、
水蒸気含有アノード排ガスのための排出導管（６）と、
Ｏ_２含有ガスのための第１の給湿ユニット及び／又はＨ_２含有燃料ガスのための第２の給湿ユニットとを有し、
前記第１の給湿ユニットは第１の熱交換器（９）を有し、該熱交換器を貫通してＯ_２含有ガスのための供給導管（５）及び水蒸気含有カソード排ガスのための排出導管（６）が案内され、その際排出導管（６）は第１の熱交換器（９）の下流で供給導管（５）と第１の熱交換器（９）の上流で第１の凝縮物分離器（１０）及び第１のキャピラリ管（１１）を介して接続されており、かつ第１のキャピラリ管（１１）は供給導管（５）内に設置されたベンチュリノズル（１２）及び／又は供給導管（５）内に設置されたポンプ（１２）に開口しており、
かつ／又は第２の給湿ユニットは第２の熱交換器（１３）を有し、該熱交換器を貫通してＨ_２含有燃料ガスのための供給導管（７）及び水蒸気含有アノード排ガスのための排出導管（８）が案内され、その際排出導管（８）は第２の熱交換器（１３）の下流で供給導管（７）と第２の熱交換器（１３）の上流で第２の凝縮物分離器（１４）及び第２のキャピラリ管（１５）を介して接続されており、かつ第２のキャピラリ管（１５）は供給導管（７）内に設置されたベンチュリノズル及び／又は供給導管（７）内に設置されたポンプ（１６）に開口していることを特徴とする、内蔵された給湿装置を有する燃料電池。
内蔵された給湿装置を有する燃料電池において、
アノード（２）、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）（３）及びカソード（４）を有する燃料電池ユニット（１）と、
カソードにＯ_２含有ガス、有利には空気を供給するための供給導管（５）と、
水蒸気含有カソード排ガスのための排出導管（６）と、
アノードにＨ_２含有燃料ガスを供給するための供給導管（７）と、
水蒸気含有アノード排ガスのための排出導管（６）と、
Ｏ_２含有ガスのための第１の給湿ユニット及び／又はＨ_２含有燃料ガスのための第２の給湿ユニットとを有し、
前記第１の給湿ユニットは第１の熱交換器を有し、該熱交換器を貫通してＨ_２含有燃料ガスのための供給導管（７）及び水蒸気含有カソード排ガスのための排出導管（６）が案内され、その際排出導管（６）は第１の熱交換器の下流で供給導管（７）と第１の熱交換器の上流で第１の凝縮物分離器及び第１のキャピラリ管を介して接続されており、かつ第１のキャピラリ管は供給導管（７）内に設置されたベンチュリノズル（１６）内及び／又は供給導管（７）内に設置されたポンプ（１６）に開口しており、
かつ／又は第２の給湿ユニットは第２の熱交換器を有し、該熱交換器を貫通してＯ_２含有燃料ガスのための供給導管（５）及び水蒸気含有アノード排ガスのための排出導管（８）が案内され、その際排出導管（８）は第２の熱交換器の下流で供給導管（５）と第２の熱交換器の上流で第２の凝縮物分離器及び第１のキャピラリ管を介して接続されており、かつ第２のキャピラリ管は供給導管（５）内に設置されたベンチュリノズル及び／又は供給導管（５）内に設置されたポンプ（１２）に開口していることを特徴とする、内蔵された給湿装置を有する燃料電池。
さらに、熱交換器（１８）及び冷媒を再循環させるためのポンプ（１９）を有する、燃料電池ユニット（１）と接続された冷媒循環路（１７）を有する、請求項１又は２記載の燃料電池。
燃料電池ユニット（１）が、多数の個々の燃料電池セルを有する燃料電池スタックである、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃料電池。
キャピラリ管（１１，１５）が０．２〜１０ｍｍ、有利には１〜４ｍｍの直径を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃料電池。
給湿ユニットが、供給導管（５，７）に供給すべき凝縮水の量を調量することできるために、調節装置（２２）を有する、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃料電池。
給湿ユニット内に、凝縮水を浄化もしくは脱イオン化するために浄化ユニット（２３）を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃料電池。
浄化ユニット（２３）が脱塩カートリッジである、請求項７記載の燃料電池。
請求項１に定義されているような燃料電池を作動させるためのプロセスガスを給湿する方法において、カソードのためのＯ_２含有ガスを水蒸気含有カソード排ガスによって第１の給湿ユニットを介してかつ／又はアノードのためのＨ_２含有燃料ガスを水蒸気含有アノード排ガスによって第２の給湿ユニットを介して給湿することを特徴とする、燃料電池プロセスガスを給湿する方法。
請求項２に定義されているような燃料電池を作動させるためのプロセスガスを給湿する方法において、アノードのためのＨ_２含有燃料ガスを水蒸気含有カソード排ガスによって第１の給湿ユニットを介してかつ／又はカソードのためのＯ_２含有ガスを水蒸気含有アノード排ガスによって第２の給湿ユニットを介して給湿することを特徴とする、燃料電池プロセスガスを給湿する方法。