JP4688870B2 - 燃料電池用プロトン交換膜の加湿装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に係る。特に、本発明は、燃料電池用プロトン交換膜の加湿装置および方法に関するものである。

燃料電池は、化学エネルギーを電気エネルギーへと直接変換するバッテリーであり、空気と酸素を酸化剤と水素として利用し、メチルアルコールやエチルアルコールを燃料とする。燃料電池は高効率、静音であり、環境汚染の低減となる。従来のバッテリーと同様に、燃料電池は陽極と陰極を分離する分離膜を備える。この分離膜は、気体は透過させるが、液体は透過させず、酸化剤と燃料との混合による爆発を防ぐことができる。分離膜の両側の触媒は、陽極と陰極間の反応を触媒する。例えば、固体高分子形燃料電池の場合、水素を燃料に、空気を酸化剤として用い、以下の反応を燃料電池の動作に用いる。

陰極： Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ
陽極： Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ→２Ｈ_２Ｏ
動作中、陰極の水素は多孔質材を通して酸化が起きる触媒層へと拡散し、水素燃料は電子を失いプロトンを形成する。電子は陽極へと外部回路を通して移動し、一方プロトンは分離膜を通して陽極へと移動する。陽極の酸化剤は、多孔質材を通して触媒層へと拡散し、外部回路からの電子を受け取り、分離膜を通して移動してきたプロトンと結合して、水を生成する。

燃料電池用分離膜の水分含有量は通常の燃料電池動作にとって重大な要素である。陰極の触媒層で生成されたプロトンは陽極の触媒層へと分離層を透過するにつれて水和されなければならない。プロトン交換層が十分な水分を含有していない場合、プロトンが膜を透過することは困難である。このことは燃料電池の内部電気抵抗を増大させ、出力電圧を燃料電池がそれ以降動作できない程度まで減少させてしまう。燃料電池は動作中大量の水を生成するが、高温の未反応ガスでその大量の水を取り除くことができる。吸入ガス中の水分含有量が低い場合、燃料電池内の水分量の不均衡が膜内の水分不足を引き起こしてしまう。よって、プロトン交換膜の脱水を防ぐために燃料電池内のガスを加湿する必要がある。

１つの一般的な膜の加湿方法は、燃料電池のガスを、ガスが水との接触で水分を得るような所定の温度で直接水に通すものである。しかしながら、この方法はこの大型機器の使用に求められる方法よりも加湿必要性が少ない、小型の燃料電池にのみ適しており、柔軟性がなく、制御が困難である。

米国特許第５，４３２，０２０号は、燃料電池が要する大量の脱イオン水を外部から添加する方法を開示している。この方法の実現は困難である。加えて、大量の補充脱イオン水を必要とするこの方法を使用した燃料電池は、コストを増大させる。

米国特許第６，６９６，１８６号は、水を膜を通して拡散させる方法を開示している。この方法は高いガス抵抗を生じさせる。加えて、高価なイオン交換膜を用いるこの方法は、同様に燃料電池のコストを増大させる。

ある重要な燃料電池の応用は、自動車の動力源である。このタイプの応用は、燃料電池が極めて高い動特性を持つことを必要とする。これまでに開示された２つの加湿方法は、動特性に欠け、動力の高速な変化に適応しない。

従来技術の限界を背景とし、よって高価でなく実現しやすい、新規の燃料電池用プロトン交換膜を加湿する方法と装置を得ることが望まれる。

本発明の目的は、燃料電池の変動する出力に対応することのできる、燃料電池用プロトン交換膜の加湿方法及び装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、高加湿効率、低エネルギー消費、低運転コスト、低温起動における有効性を備える燃料電池用プロトン交換膜の加湿方法及び装置を提供することにある。

簡潔には、本発明は、燃料電池の排気から得られる水により燃料電池用プロトン交換膜を加湿する方法及び装置について開示する。加湿の方法は以下のステップを含む：燃料電池の吸気ガスによって、燃料電池の高温多湿な排気を冷却し、排気の水分を液化する；排気の残り分と水を分離し、水を燃料電池の吸気ガスへ搬送する。加湿装置は、回転内部シェルを納めた外部シェルを含む。内部シェルの内部には、排気が収集され冷却されるチャンバが形成され、水分は液化されて内部シェルの回転により分離される。内部シェルの開口部は、液化された水分を一つもしくはそれ以上のチャンバへ流れさせる。チャンバは、外部シェルの内側及び内部シェルの外側で形成される。

本発明において有利であるのは、本発明の燃料電池用プロトン交換膜を加湿する方法及び装置は、燃料電池の変動する出力に対応できることである。

本発明において他に有利であるのは、燃料電池用プロトン交換膜が、高加湿効率、低エネルギー消費、低運転コスト、低温起動における有効性を備えることである。

本発明の前述及び他の目的、特徴および有利な点は、後述の本発明の好ましい実施の形態についての詳細な説明から、添付の図面と連動して、より理解されるものである。

ここで、本発明の好ましい方法は、燃料電池の排気に含まれる水分により燃料電池用プロトン交換膜を加湿するためにある。この排気は、陽極と陰極の間での電気化学的反応により生成され、水分量が多い。その温度は、室温から８５℃の間にある。この方法は以下のステップを含む：
燃料電池から排気を受け取るステップと；
排気から水分を液化するステップと；
液化した水分を排気から分離するステップと；
分離した水分を燃料電池の吸気に搬送して、吸気を加湿するステップ。

加湿された吸気はそこでプロトン交換膜を加湿する。好ましい実施の形態では、排気の水分が水へと液化するよう、燃料電池の排気と吸気の間での熱交換により、排気の温度は０℃から１０℃の間まで冷却される。この水はそこで排気の別の気体と、好ましくは遠心分離により分離され、吸気へ搬送される。

上記の方法は、本発明の加湿装置で実現することができ、それは
第１内側表面を備える外部シェルと；
第２内側表面と第１外側表面を持つ回転内部シェルであって、第１チャンバは内部シェルの第２内側表面で形成され；少なくとも内部シェルの一部は外部シェルの中に納められており；少なくとも１つの第２内部チャンバが外部シェルの第１内側表面及び内部シェルの第１外側表面で形成されており；そして内部シェルは少なくとも１つの第１開口部を第１チャンバから第２チャンバまで備え、
燃料電池から排気を受け取り第１チャンバへ送る手段と；
燃料電池のための吸気を受け取り第２チャンバへ送る手段と；
第２チャンバから吸気が流出する手段と、を備える。

好ましい実施の形態では、これらの燃料電池の排気を受け取り第１チャンバへ送る手段と、燃料電池のための吸気を受け取り第２チャンバへ送る手段と、そして第２チャンバから吸気が流出する手段とは、パイプ、ハッチ、または、チャンバへともしくはチャンバからガスを流れさせる開口部である。一実施の形態では、燃料電池の排気パイプは、第１チャンバに接続され、排気パイプからの排気が第１チャンバに受け取られるようにする。吸気は、吸気パイプまたはハッチから、全体的また部分的に第１チャンバを囲む第２チャンバへと流れる。熱交換が第１チャンバの高い温度の排気と第２チャンバの低い温度の吸気との間で起こることが可能である、排気から水分が液化されるようにする。モータが、好ましくは第１及び第２チャンバの外側で、トランスミッションにより内部シェルに接続されている。このモータが内部シェルを駆動し回転する。回転内部シェルは液化された水分を排気の他の気体と分離する。内部シェルは複数の開口部または間隙を均一にもしくは不均一に分布して持ち、第１チャンバ内の液化した水分がスピンされて間隙を通って第２チャンバへ向かい、吸気を加湿できるようにする。隆起もまた均一または不均一に内部シェルの第２内側表面に置かれることができる。加湿された吸気はそこで第２チャンバからパイプを通って流出し、燃料電池へ搬送されてプロトン交換膜を加湿する。

好ましい実施の形態は、円筒型の装置であって、
外部シェルは固定されたシェルであり、上部キャップおよび下部キャップを備え、外部円筒シェルが気密なようにし；
上部キャップと下部キャップは各々円形溝を持ち；
内部シェルは外部シェルの内側にある開口円筒型シェルであり；
内部シェルは円形上端部および円形下端部を持ち；
内部シェルの円形上端部は上部キャップの円形溝の中にあり；
内部シェルの円形下端部は下部キャップの円形溝の中にあり；
内部シェルの円形上端部は上部キャップの円形溝の中で回転し；そして
内部シェルの円形下端部は下部キャップの円形溝の中で回転するものである。

好ましくは、回転内部シェルは内部シェル外部シェルどちらともの外側にありトランスミッションにより内部シェルに接続されているモータで駆動される。内部円筒型シェルの開口端は上部および下部キャップの溝に挿入され、内部シェルが溝の中で端部が回転することで軸を中心に回転するようにする。内部シェルが更に気密になるように、溝の中にシールが置かれ、回転円筒部の端部がシールに接触することになる。燃料電池からの排気パイプは、排気を円筒型第１チャンバに搬送する。複数の開口部又は間隙は、均一にまたは不均一どちらかで分布し、内部シェルを通り遠心分離によって第１チャンバから燃料電池の吸気を入れた第２チャンバへと、液化された水分をスピンオフさせる。複数の隆起がまた均一に又は不均一どちらかで内部シェルの第２内側表面に置かれることができる。

本発明の方法と装置は、燃料電池の排気からの水を、乾燥し低温の吸気を加湿することに巧みに利用し、これによってプロトン交換膜を加湿することとなり、加湿プロセスに追加の脱イオン水を必要としない。このことは燃料電池の運転コストを顕著に低減する。この加湿装置はまた、回転速度を制御することにより、変動する出力ごとのさまざまな燃料電池の加湿ニーズに適応することができる。回転速度は、モータの電圧または電流のどちらかを変動させることで制御する。これはまた、熱交換の間に排気によって燃料電池の吸気が加熱されるので、低温におけるバッテリーの起動の問題を軽減するという更なる利点を持つ。本発明の実施の形態はまた、高加湿効率で低エネルギー消費である。

続く実施の形態は、本発明を詳細に、更に説明して述べる。

本発明における燃料電池のプロトン交換膜を加湿する方法は、以下のステップを含む：
燃料電池からの吸気を受け取る；
排気から水分を液化する；
液化した水分を排気から分離する；
分離した水分を燃料電池の吸気に搬送し、吸気を加湿する。

好ましくは、前述した加湿方法は、図１から図３までに示す加湿装置の実施の形態を用いて実現される。図１から図３の実施の形態は固定気密外部円筒型シェル（１０）を備える。外部シェルは所定の強度の材料からなり、保温性を持つ。そのような材料の例としては、工業用プラスチックがある。モータ（３０）は軸に沿って内部円筒型シェル（２０）を駆動し回転する。内部シェルはステンレスまたは他の所定の強度と優れた熱伝導特性を備えた材料からなる。内部シェルはメッシュのようになっており、遠心分離のために開口部と間隙（２１）で埋め尽くされている。これらの間隙は、遠心分離によってスピンオフして液化され内部シェルの壁で冷却された水分を、燃料電池の吸気が入れられた第２チャンバに流入させる。隆起が均一または不均一どちらかで内部シェル（２０）の内側表面に分布している。これらの隆起は、内部シェルの壁に付着している冷却された水分が、第１チャンバの排気によって急激に取り去られるの防ぐことができる。

内部および外部シェルを密閉するために、動的シール構造というものが内部シェルと外部シェルの両端にある。この動的シール構造は、ポリテトラフルオエチレン製の上部キャップ（１１）と下部キャップ（１２）であり、外部チューブの両端に配置されている。上部キャップ（１１）は吸気のための開口部（４４）を備える。円形溝（図示せず）が上部キャップと下部キャップの内側で、円筒型内部シェルの開口端と上部および下部キャップが合わさる場所に応じて配置されている。凹形溝の外部直径は内部シェルの直径よりも若干大きい。各溝の中には円形シールがある。内部シェルの両開口端は両方の溝の中に挿入され、内部円筒型シェルがその軸を中心に回転するのに合わせ端部が溝の中で回転するようにする。この動的シール構造はガスの漏洩を防ぐ。

第２チャンバ（Ａ）は外部シェル（１０）と内部シェル（２０）の間にあり、燃料電池の吸気用のチャンバを形成する。吸気パイプまたはハッチ（４４）が吸気を第２チャンバに搬送し、燃料電池の吸気パイプ（４１）がチャンバと燃料電池（４０）を接続し、そして加湿された吸気を燃料電池およびプロトン交換膜へと搬送する。パイプの直径とハッチのサイズは、燃料電池の動作に必要なガス流を与えるように選択される。内部シェルの第２内側表面は第１チャンバを形成し、高温多湿の燃料電池からの排気に適する。燃料電池の排気パイプ（４２）は内部シェルの一方の端にあり、第１チャンバ（Ｂ）へ排気を搬送する。加湿の後、加湿された排気は第１チャンバ（Ｂ）から排気開放パイプ（４３）を通って、内部シェルのもう一方の端で排出される。これらのパイプの直径は、排気の排出に必要なガス流を与えるように選択される。

モータ（３０）は、内部シェル（２０）および外部シェル（１０）の外側に位置し、内部シェルが内部シェル（２０）の軸を中心とした回転動作を駆動する。トランスミッションがこのモータと内部シェルを接続する。このトランスミッションはトランスミッションシャフト（３１）を、第１チャンバの中心に、円筒型内部シェルの軸に沿って備える。このトランスミッションシャフトは、トランスミッションシャフトから内部円筒型シェルの半径方向に放射する、複数放射状接続ロッド（２２）を備える。これらの放射状接続ロッドは、内部シェルの第２内側表面に堅く固定され、内部シェルとトランスミッションが堅固な構造を形成するようにする。

モータの動力は、外部動力源または直接燃料電池自身から供給されることができる。電圧または電流がモータと内部シェルの回転速度を制御する。動作中、モータはトランスミッションシャフト（３１）が円筒型シェルの軸に沿った回転を駆動する。このトランスミッションシャフトの回転が内部シェル（２０）自身の軸上での同期回転を駆動することとなる。

本実施の形態によるプロトン交換膜加湿プロセスは以下の通りである：燃料電池（４０）の動作中、電気化学反応からの排気が加湿装置へと燃料電池の排気パイプ（４２）を通って入る。内部シェル（２０）はステンレスまたは優れた熱伝導特性を持った他の金属材料でできているため、排気が内部シェル（２０）の第１チャンバに入った後、排気の熱のほとんどは乾燥して低温の吸気に吸収される。この吸気が吸気パイプまたはハッチ（４４）から第２チャンバ（Ａ）に入る。熱交換が、第２チャンバ（Ａ）内の乾燥して低温の吸気と、第１チャンバ（Ｂ）内の高温で多湿な排気との間で起こる。排気が急激に冷却される間、吸気は加熱される。排気の露点温度が急激に下がり、排気から多量の水分が液化される。液化された水分は回転する内部シェルに付着し、遠心力で振り落とされ、遠心分離間隙または開口部（２１）を通って第２チャンバ（Ａ）に入る。水は乾燥して低温の吸気を加湿し、燃料電池とそのプロトン交換膜へと燃料ガスの吸気パイプ（４１）により搬送され、膜を加湿して燃料電池の電気化学反応に寄与する。除湿された排気は、少量の水分と共に、内部シェル上の排気開放パイプ（４３）を通って開放される。

本実施の形態の動作中、排気のうちの少量は第２チャンバに入り、加湿された吸気に伴って燃料電池に入り得る。しかしながら、この吸気への排気の添加は燃料電池の動作に影響をもたらさない。

本発明を特定の好ましい実施の形態を参照して説明してきたが、本発明はそのような特定の実施の形態に限定されるものではないことが理解されるべきである。更には、請求の範囲に反映される限り広義に理解され解釈されるものと発明者は主張する。よって、請求の範囲は、ここで説明した好ましい実施の形態だけではなく、全ての他のおよび更なる変更と変形を含むことは通常当業者には明らかである。

燃料電池用プロトン交換膜を加湿する実施の形態を示す概略図である。 燃料電池用プロトン交換膜を加湿する実施の形態における上部キャップを示す概略図である。 燃料電池用プロトン交換膜を加湿する実施の形態における下部キャップを示す概略図である。

Claims (19)

1. 燃料電池の加湿装置であって、
   第１内側表面を備える外部シェルと；
   第２内側表面と第１外側表面とを備えて回転する内部シェルであって、第１チャンバは前記内部シェルの前記第２内側表面で形成され；少なくとも前記内部シェルの一部は前記外部シェルの中に納められており；少なくとも１つの第２チャンバが前記外部シェルの前記第１内側表面及び前記内部シェルの前記第１外側表面で形成されており；そして前記内部シェルは少なくとも１つの第１開口部を前記第１チャンバから前記第２チャンバまで備えた内部シェルと；
   前記燃料電池から排気を受け取り前記第１チャンバへ送る手段と；
   前記燃料電池のための吸気を受け取り前記第２チャンバへ送る手段と；
   前記第２チャンバから吸気が流出する手段と、を備え；
   前記外部シェルは円筒型シェルであり、
   前記内部シェルは円筒型シェルであり、
   前記内部シェルは前記内部シェルの軸を中心に回転する、
   燃料電池の加湿装置。
2. 請求項１記載の加湿装置であって、前記内部シェルを回転する手段を更に備え、
   前記内部シェルを回転する手段は前記第１チャンバおよび前記第２チャンバの外側にあり；
   前記内部シェルは前記内部シェルを回転する手段にトランスミッションにより接続されている、
   加湿装置。
3. 請求項１記載の加湿装置であって、前記第２内側表面は複数の隆起を備える加湿装置。
4. 請求項１記載の加湿装置であって、
   前記外部シェルは両端に上部キャップと下部キャップを備え；
   前記上部キャップおよび前記下部キャップは各々円形溝を持ち；
   前記内部シェルは円形上端部と円形下端部を持ち；
   前記内部シェルの前記円形上端部は前記上部キャップの前記円形溝の中にあり；
   前記内部シェルの前記円形下端部は前記下部キャップの前記円形溝の中にあり；
   前記内部シェルの前記円形上端部は前記上部キャップの前記円形溝の中で回転し；
   前記内部シェルの前記円形下端部は前記下部キャップの前記円形溝の中で回転する、
   加湿装置。
5. 請求項４記載の加湿装置であって、前記第２内側表面は複数の隆起を持つ、加湿装置。
6. 請求項４記載の加湿装置であって、更に２つのシールを備え、
   第１のシールは前記上部キャップ上の前記円形溝の中にあり；
   第２のシールは前記下部キャップ上の前記円形溝の中にある加湿装置。
7. 請求項６記載の加湿装置であって、前記第２内側表面は複数の隆起を備える加湿装置。
8. 燃料電池から排気を受け取るステップと；
   排気から水分を液化するステップと；
   液化した水分を排気から分離するステップと；
   分離した水分を燃料電池の吸気に搬送して、吸気を加湿するステップと、を含み、
   前記加湿するステップは、
   第１内側表面を備える外部シェルと；
   第２内側表面と第１外側表面とを備えて回転する内部シェルであって、第１チャンバは前記内部シェルの前記第２内側表面で形成され；少なくとも前記内部シェルの一部は前記外部シェルの中に納められており；少なくとも１つの第２チャンバが前記外部シェルの前記第１内側表面及び前記内部シェルの前記第１外側表面で形成されており；そして、前記内部シェルは少なくとも１つの第１開口部を前記第１チャンバから前記第２チャンバまで備える内部シェルと；
   前記燃料電池から前記排気を受け取り前記第１チャンバへ送る手段と；
   前記燃料電池のための前記吸気を受け取り前記第２チャンバへ送る手段と；
   前記第２チャンバから前記吸気が流出する手段と、を備え；
   前記外部シェルは円筒型シェルであり、
   前記内部シェルは円筒型シェルであり、
   前記内部シェルは前記内部シェルの軸を中心に回転する、装置で実行される、燃料電池用膜を加湿する方法。
9. 請求項８記載の燃料電池用膜を加湿する方法であって、
   前記液化するステップで、前記水分は前記排気を前記吸気で冷却することにより前記排気から液化される、燃料電池用膜を加湿する方法。
10. 請求項９記載の燃料電池用膜を加湿する方法であって、
    前記液化するステップで、前記排気は前記吸気との熱交換により冷却される、燃料電池用膜を加湿する方法。
11. 請求項８記載の燃料電池用膜を加湿する方法であって、
    前記分離するステップで、前記水分は遠心分離を用いて前記排気から分離される、燃料電池用膜を加湿する方法。
12. 請求項８記載の燃料電池用膜を加湿する方法であって、前記排気は前記燃料電池の酸化剤である、燃料電池用膜を加湿する方法。
13. 請求項９記載の燃料電池用膜を加湿する方法であって、
    前記分離するステップで、液化された水分は、遠心分離を用いて前記排気から分離される、燃料電池用膜を加湿する方法。
14. 請求項８記載の燃料電池用膜を加湿する方法であって、前記受け取るステップで、前記燃料電池の前記排気は前記第１チャンバに受け取られる、燃料電池用膜を加湿する方法。
15. 請求項８記載の燃料電池用膜を加湿する方法であって、前記液化するステップは更に：
    前記燃料電池の前記吸気を前記第２チャンバに受け取り；
    前記第１チャンバの前記排気を前記第２チャンバからの前記吸気で冷却し；
    前記冷却された排気から水分を液化する、燃料電池用膜を加湿する方法。
16. 請求項８記載の燃料電池用膜を加湿する方法であって、前記第２内側表面は複数の隆起を備える、燃料電池用膜を加湿する方法。
17. 請求項１４記載の燃料電池用膜を加湿する方法であって、
    前記分離するステップで、前記液化された水分は前記内部シェルを回転することにより遠心分離で前記排気から分離される、燃料電池用膜を加湿する方法。
18. 請求項１５記載の燃料電池用膜を加湿する方法であって、前記搬送するステップで、水分は少なくとも１つの前記開口部を通って前記第２チャンバ内の前記吸気へと搬送される、燃料電池用膜を加湿する方法。
19. 燃料電池用加湿装置であって、
    第１内側表面を備える外部シェルと；
    第２内側表面と第１外側表面とを備えて回転する内部シェルであって、第１チャンバは前記内部シェルの前記第２内側表面で形成される内部シェルと；
    前記燃料電池から排気を受け取り前記第１チャンバへ送る手段と；
    前記燃料電池のための吸気を受け取り前記第２チャンバへ送る手段と；
    前記第２チャンバから前記吸気が流出する手段と、を備え；
    少なくとも１つの第２チャンバが前記外部シェルの前記第１内側表面及び前記内部シェルの前記第１外側表面で形成されており；
    前記内部シェルは少なくとも１つの第１開口部を前記第１チャンバから前記第２チャンバまで備え；
    前記外部シェルは円筒型シェルであり、前記外部シェルの両端に上部キャップと下部キャップとを備え；
    前記上部キャップおよび前記下部キャップは各々円形溝を持ち；
    前記内部シェルは前記外部シェルの内側にある円筒型シェルであり；
    前記内部シェルは円形上端部と円形下端部を持ち；
    前記内部シェルの前記円形上端部は前記上部キャップの前記円形溝の中にあり；
    前記内部シェルの前記円形下端部は前記下部キャップの前記円形溝の中にあり；
    第１のシールは前記上部キャップ上の前記円形溝の中にあり；
    第２のシールは前記下部キャップ上の前記円形溝の中にあり；
    前記内部シェルは前記内部シェルの軸を中心に回転し；
    前記内部シェルの前記円形上端部は前記上部キャップの前記円形溝の中で回転し；
    前記内部シェルの前記円形下端部は前記下部キャップの前記円形溝の中で回転し；
    前記第２内側表面は複数の隆起を備え；
    前記内部シェルを回転する手段は前記第１および第２チャンバの外側にあり；
    前記内部シェルを回転する手段にトランスミッションで接続されている前記内部チャンバを備える、燃料電池用加湿装置。

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