JP4705543B2 - 閉鎖式インジェクタの抜き取り機能を用いたアノード流れシフト方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して、燃料電池スタックのアノード側部から窒素を抜き取るためのシステム及び方法に係り、より詳しくは、流れシフトを用いる分離式燃料電池スタックのアノード側部から窒素を抜き取るためのシステム及び方法であって、別個の抜き取りバルブが、サブスタックの両方の入口／出口の端部に設けられているシステム及び方法に関する。

水素は、非常に魅力的な燃料である。それは、クリーンで燃料電池内に電気を効率的に生成するため使用することができる。水素燃料電池は、アノード及びカソードを備え、それらの間に電解質を備える電気化学式装置である。アノードは、水素ガスを受け取り、カソードは、酸素又は空気を受け取る。水素ガスは、自由な陽子及び電子を発生するためアノード内で分解される。陽子は、電解質を通ってカソードへと至る。陽子は、カソードにおいて、酸素及び電子と反応し、水を発生する。アノードからの電子は、電解質を通過することができず、よって、カソードに送られる前に仕事を実施するため負荷を通して向けられる。この仕事は、車両を作動させるように機能する。

陽子交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、車両のための人気のある燃料電池である。ＰＥＭ燃料電池は、一般に、過フッ化スルホン酸等の固体ポリマー電解質陽子伝達膜を備えている。アノード及びカソードは、典型的には、炭素粒子上に支持され、イオノマーと混合された通常ではプラチナ（Ｐｔ）等の細かく分割された触媒粒子を含んでいる。触媒混合物は、膜の両側に配置されている。アノード触媒混合物、カソード触媒混合物及び膜の組み合わせは、膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を画定する。

幾つかの燃料電池は、典型的には、所望の電力を発生させるため燃料電池内に結合されている。例えば、車両のための典型的な燃料電池スタックは、２百個以上も積み重ねられた燃料電池を持ち得る。燃料電池スタックは、カソード反応ガス、典型的には、コンプレッサによりスタックを通して流された空気の流れを受け取る。酸素の必ずしも全てが、スタックにより消費されるわけではなく、空気の中には、スタック副産物として水を含み得るカソード排気ガスとして出力されるものがある。燃料電池スタックは、アノード水素反応ガスを受け取り、該ガスは、スタックのアノード側部へと流れていく。スタックは、冷却流体が流れる流れチャンネルも備えている。

燃料電池スタックは、スタック中の幾つかのＭＥＡの間に配置された、一連の流れ場又は二極式プレートを備える。二極式プレートは、スタック内の隣接する燃料電池のためアノード側部及びカソード側部を備える。アノードガス流れチャンネルは、二極式プレートのアノード側部に設けられ、アノードガスが膜電極アッセンブリのアノード側部へと流れることを可能にする。カソードガス流れチャンネルは、二極式プレートのカソード側部上に設けられ、カソードガスが膜電極アッセンブリのカソード側部へと流れることを可能にする。二極式プレートは、冷却流体が流れる流れチャンネルを備えている。

膜電極アッセンブリは、多孔性であり、かくして、スタックのカソード側部からの空気中の窒素が、膜を通って透過し、アノード側部に集まることを可能にする。これは、産業上、窒素のクロスオーバーと称される。燃料電池スタックのアノード側部内の窒素は、水素を希釈し、その結果、窒素の濃度が、例えば５０％等の一定のパーセンテージを超えて上昇する場合に、燃料電池スタックが不安定となり故障し得る。

自動用途に対して、所望のパワーを提供するためには典型的に約４００個の燃料電池が採用される。非常に多くの燃料電池が自動燃料電池システム設計におけるスタックに対して要求されるので、スタックは、２つのサブスタックへと分割されることがあり、該サブスタックの各々は、約２００個の燃料電池を備えている。これは、並列に４００個の燃料電池を通して水素ガスの均等な流れを効果的に提供することは困難であるためである。

また、燃料電池内の膜は、膜を横切るイオン抵抗は、陽子を効果的に伝達するのに十分に低くなつように一定の相対湿度を持つ必要がある。この加湿は、スタックの水副産物又は外部の加湿に由来するものである。アノードガス流れチャンネルを通した水素の流れは、膜上において、特に顕著には水素流れの入口において、乾燥効果を有する。また、膜の相対湿度及び水の副産物からのアノードガス流れチャンネル内の水滴の蓄積は、水素が通過して流れることを防止し、その低い反応ガス流量の故に電池を故障させ、かくしてスタックの安定性に影響を及ぼすおそれがある。反応ガス流れチャンネル内の水の蓄積は、低いスタック出力負荷において特に厄介なものとなる。

当該技術分野において、アノード反応ガス流れのシフトを提供することが以前に提案された。スタックを通過するアノードガスの流れの方向は、アノード入口における乾燥水素からの乾燥効果が、スタックの一端部において連続的には生じないように周期的に逆転される。更には、流れシフトを提供することによって、スタックにより生成された水は、膜の加湿を提供するためより良く使用される。

図１は、流れシフトを用いる上記した種類の既知の燃料電池システム１０の一部分の概略図である。燃料電池システム１０は、第１のサブスタック１４と第２のサブスタック１６とに分離される燃料電池スタック１２を備える。アノード入口ユニット１８は、例えば圧縮水素タンク等の水素源２０から、サブスタック１４に連結された第１のアノード入口ライン２２及びサブスタック１６に連結された第２のアノード入口ライン２４までの水素の流量及び圧力を制御する。コネクターライン２６は、サブスタック１４及び１６内の水素反応ガス流れチャンネルを接続し、それによりアノードがいずれの経路を流れるかに応じて、サブスタック１４及び１６のうち一方を出たアノードガスは、サブスタック１４及び１６のうち他方に入る。水セパレータ２８は、ライン２６内に提供されており、ライン２６を通って流れるガスから水を除去する。

水素ガスがアノード入力ライン２２上のスタック１２へと最初に提供され、次に、その流れが水素ガスがアノード入力ライン２４上のスタック１２に提供されるように逆転されるという点で、燃料電池スタック１２への水素の流れは流れシフトされる。この流れシフトは、典型的には、２乃至１０秒の全サイクル周期に亘って、各流れ方向について１乃至５秒のサイクルで生じる。

水素源２０からの水素ガスは、ライン３０に提供される。水素ガスがライン２２上のスタック１２に送られているとき、インジェクタバルブ３２、３４及び３６は、水素ガスのスタック１２への流れを制御する。低い流量では、コントローラ（図示せず）は、インジェクタバルブ３２及び３４を閉鎖し、水素ガスの流量要求が増大するときにはインジェクタ３６のデューティサイクルを選択的に増大させる。インジェクタバルブ３６のデューティサイクルが１００％（連続的に開放している状態）に達すると、コントローラは、水素ガスの流量要求が増大するときにインジェクタバルブ３４のデューティサイクルを選択的に増大させる。このプロセスは、当該要求が増大するとき、インジェクタバルブ３２、３４及び３６の３つの全てが１００％デューティサイクルを有し、最大水素ガス流量を提供するまで続行される。水素ガスの流量の減少は、同じ態様で提供される。より多くの又はより少数のインジェクタバルブを他の設計で提供することができる。入力ライン２４への流れシフトがあるとき、バルブ３２〜３６が閉鎖され、バルブ３８、４０及び４２は、同じ態様で、スタック１２への水素ガスの流量を制御するため使用される。

カソードライン４６は、スタック１２のカソード入力（図示せず）及びライン３０に連結される。幾つかの燃料電池システム設計では、少量の水素が、システム始動時にスタック１２のカソード側に提供される。水素は、燃料電池スタック１２の温度を、所望の作動温度まで迅速に増大することができるように熱を発生する反応を提供するためスタック１２のカソード側部で空気と反応する。システム始動時に水素ガスをスタック１２のカソード側部に提供することは、低温環境において特に有用である。水素をライン４６に選択的に提供するために、制御バルブ４８は、ライン３０内に設けられ、この目的のためシステム始動時に上述された態様で制御される。

また、幾つかの燃料電池システム設計において、スタック１２のアノード側部の流れチャンネル内に残っている水素及び水を除去するため、システム停止時にコンプレッサ（図示せず）からの空気を用いて燃料電池スタック１２のアノード側部をパージすることが望ましい。システム停止時においてアノード側部から水素を除去することは、幾つかの周知の利点を有し、流れチャンネルから水を除去することは、低温環境においてスタック１２内で水が凍り付くことを防止する。アノードのパージを提供するため、アノード入口ユニット１８は、アノード入力ライン２２及びカソードライン４６の間に連結された一対のパージバルブ５０及び５２を備える。同様に、一対のパージバルブ５４及び５６は、アノード入力ライン２４及びカソードライン４６の間で連結されている。従って、スタック１２のアノード側部をパージするため、システム停止時には、バルブ３２〜４２は、閉鎖され、バルブ５０〜５６は開放される。

上述されたように、スタックの安定性を増大させるためスタック作動の間に燃料電池スタック１２のアノード側部から窒素を抜き取ることが望ましい。抜き取りバルブ６４は、窒素の抜き取りを提供するためライン２６に連結されている。一設計では、抜き取りバルブ６４から抜き取られた窒素、水素、水等は、システム１０のカソード排気物へと送られる。抜き取られた材料内の水素の濃度は、燃焼問題を引き起こさないほど十分に低くなっている。水素は、様々な因子に応じて、抜き取りバルブ６４を通ってライン２６から周期的に抜き取られる。

アノードガスが、窒素を除去するため抜き取りバルブ６４を通して抜き取られている間、下流側サブスタック１４又は１６のために意図された新鮮な水素が抜き取られ、サブスタック１４又は１６には提供されていなかった。抜き取りバルブ６４が開放されたとき、開放された抜き取りバルブ６４により圧力差が形成され且つ下流側のサブスタック１４又は１６により水素が消費された結果として、ほんの少量の水素しか下流側のサブスタック１４又は１６を通して得ることができなかった。サブスタック１４又は１６への水素のこの欠如は、スタックの安定性に影響を与え、電池電圧が劇的に降下した。かくして、システム１０内のスタック１２からの窒素の抜き取りは、スタック性能に影響を及ぼした。

本発明の教えによれば、窒素抜き取りのための技術を用いる燃料電池システムが開示される。燃料電池システムは、第１のサブスタック及び第２のサブスタックを有する燃料電池スタックを備えている。燃料電池スタックへの水素ガスの流れは、アノード入口ユニットにより制御され、水素ガスの流れはサブスタックの間で流れシフトされる。第１の窒素抜き取りバルブは、第１のサブスタックに連結されたアノードガス入力ラインに設けられ、第２の窒素抜き取りバルブは、第２のサブスタックに連結されたアノードガスにラインに設けられている。第１のサブスタックがアノードガスを受け入れ、窒素の抜き取りが要求されたとき、窒素の抜き取りを提供するため、第１のサブスタックのための入力ライン内の第１の抜き取りバルブが閉鎖され、第２の抜き取りバルブが開放される。第２のサブスタックがアノードガスを受け入れ、窒素の抜き取りが要求されたとき、窒素の抜き取りを提供するため、第２のサブスタックのための入力ライン内の第２の抜き取りバルブが閉鎖され、第１の抜き取りバルブが開放される。

本発明の追加の特徴は、添付図面と関連付けて、次の説明及び添付した請求の範囲から明らかとなろう。

第１のサブスタック及び第２のサブスタックを有する燃料電池スタックと、第１のサブスタックへの入力部に設けられた第１の窒素抜き取りバルブと、第２のサブスタックへの入力部に設けられた第２の窒素抜き取りバルブとを備える、燃料電池システムに関する本発明の次の説明は、その本質上単なる例示にしか過ぎず、本発明、その用途若しくは使用法を限定するものではない。

図２は、燃料電池システム１０に類似した、本発明の一実施例に係る燃料電池システム７０の概略図であり、同様の構成要素は、同じ参照番号により指し示されている。本実施例では、サブスタック１２及び１４の間の窒素抜き取りバルブ６４が無くされている。更には、第１の窒素抜き取りバルブ７２は、アノード入力ライン２２に設けられ、第２の窒素抜き取りバルブ７４はアノード入力ライン２４に設けられている。バルブ７２及び７４の両方は、閉鎖位置で示されている。上記のようにアノード入力ライン２２にアノードガスが提供されるように、アノードの流れがシフトされ、制御部が窒素抜き取りを要求したとき、第１の抜き取りバルブ７２が閉鎖され、第２の抜き取りバルブ７４が開放される。同様に、第２のアノード入力ライン２４にアノード入力ガスが提供されるように、アノードの流れがシフトされ、コントローラが窒素抜き取りを要求したとき、第２の抜き取りバルブ７４が閉鎖され、第１の抜き取りバルブ７２が開放される。従って、抜き取りが要求されたとき、下流サブスタック１４又は１６の出力部における抜き取りバルブは、窒素の抜き取りが発生する前に、新鮮な水素がサブスタック１４及び１６の両方に提供されるように、開放される。窒素の抜き取りのための要求は、例えばスタックの使用年数等の多数の因子に依存する。更には、流れシフトは、２乃至１０秒の全体的期間に対して各々の流れ方向に１乃至５秒のサイクルで生じる。

水素、窒素、水、及び、抜き取りバルブ７２及び７４を通して抜き取られる他の材料の組み合わせは、任意の適切な水蒸気輸送手段へと送ることができる。様々に異なる燃料電池システムの設計は、この抜き取られた生成物を異なる仕方で使用することができる。一実施例では、抜き取られた材料は、カソード排気物に合流され、環境中に送出される。この材料中の水素の濃度は、燃焼問題を提起するほどには大きくはない。

前記した説明は、本発明の単なる一実施例のみを開示し、記載したに過ぎない。当業者は、請求の範囲に定義されたような本発明の精神及び範囲から逸脱すること無く様々な変更、改良及び変形をなすことができることを、上記のような説明並びに添付図面や請求の範囲から容易に理解するであろう。

図１は、窒素の抜き取りバルブがスタックの間に提供されている、第１のサブスタック及び第２のサブスタックを有するスタックを備える既知の燃料電池システムの概略図である。 図２は、本発明の実施例に従って、第１のサブスタックへの入力ラインに窒素の抜き取りバルブが提供され、第２のサブスタックへの入力ラインに窒素抜き取りバルブが提供されている、第１のサブスタック及び第２のサブスタックを有する燃料電池スタックを備える燃料電池システムの概略図である。

Claims (20)

1. 燃料電池システムであって、
   第１のサブスタック及び第２のサブスタックを備える分離式燃料電池スタックと、
   前記第１のサブスタックに連結された第１のアノード入力ラインと、
   前記第２のサブスタックに連結された第２のアノード入力ラインと、
   前記第１及び第２のサブスタック内のアノードガス流れチャンネルを接続するためのコネクターラインと、
   前記第１及び第２のアノード入力ラインに水素ガスを提供するための水素源と、
   前記第１の入力ラインに連結された第１の窒素抜き取りバルブと、
   前記第２の入力ラインに連結された第２の窒素抜き取りバルブと、
   を備え、
   前記水素源が前記第１の入力ラインに水素ガスを提供しており、且つ、窒素の抜き取りが要求されたとき、前記第１の抜き取りバルブが閉じられ、前記第２の抜き取りバルブが開放され、前記水素源が前記水素ガスを前記第２のアノード入力ラインに提供しており、且つ、窒素の抜き取りが要求されたとき、前記第２の抜き取りバルブが閉じられ、前記第１の抜き取りバルブが開放される、燃料電池システム。
2. アノード入口ユニットを更に備え、該アノード入口ユニットは、前記第１のアノード入口ライン及び前記第２のアノード入口ラインへの水素ガス流れを制御するための複数の制御バルブを備えている、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記アノード入口ユニットは、前記第１及び第２のアノードラインへの前記水素ガスの流れを制御するため６個の制御バルブを備え、該複数の制御バルブのうちの３個のバルブは、前記第１の入力ラインへの水素ガスの流量を制御するため選択的に開閉され、該複数の制御バルブのうちの３個のバルブは、前記第２の入力ラインへの水素ガスの流量を制御するため選択的に開閉される、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記第１のアノード入力ライン及び前記第２のアノード入力ラインへの水素ガスの流れは流れシフトされ、該流れシフトにおいて、該水素ガスの流れは、循環態様で、所定の時間に亘って前記第１のサブスタックに提供され、次に所定の時間に亘って前記第２のサブスタックに提供される、請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記所定の時間は、１乃至５秒の範囲にある、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記第１及び第２の窒素抜き取りバルブから抜き取られた窒素は、前記燃料電池スタックからのカソード排気物と合流される、請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 前記第１及び第２のサブスタックは、各々、少なくとも２００個の燃料電池を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 前記コネクターラインに配置された水セパレータを更に備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池システムは、車両に搭載されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
10. 燃料電池システムであって、
    第１のサブスタック及び第２のサブスタックを備える分離式燃料電池スタックと、
    前記第１及び第２のサブスタック内のアノードガス流れチャンネルを接続するためのコネクターラインと、
    前記燃料電池スタックに水素ガスを提供するための水素源と、
    前記燃料電池と前記水素源との間のラインに窒素を抜き取るため設けられた少なくとも１つの窒素抜き取りバルブと、
    を備える、燃料電池システム。
11. 前記少なくとも１つの窒素抜き取りバルブは、前記第１のサブスタックに連結されたアノード入力ラインに配置された第１の窒素抜き取りバルブと、前記第２のサブスタックに連結された第２のアノード入力ラインに配置された第２の窒素抜き取りバルブとである、請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記第１のアノード入力ライン及び前記第２のアノード入力ラインへの水素ガスの流れは流れシフトされ、該流れシフトにおいて、該水素ガスの流れは、循環態様で、所定の時間に亘って前記第１のサブスタックに提供され、次に所定の時間に亘って前記第２のサブスタックに提供される、請求項１０に記載の燃料電池システム。
13. 前記所定の時間は、１乃至５秒の範囲にある、請求項１２に記載の燃料電池システム。
14. 前記第１及び第２の窒素抜き取りバルブから抜き取られた窒素は、前記燃料電池スタックからのカソード排気物と合流される、請求項１０に記載の燃料電池システム。
15. 前記第１及び第２のサブスタックは、各々、少なくとも２００個の燃料電池を備える、請求項１０に記載の燃料電池システム。
16. 燃料電池スタックから窒素を抜き取るための方法であって、
    前記燃料電池スタックを第１のサブスタック及び第２のサブスタックに分離し、
    前記第１のサブスタック及び前記第２のサブスタックのアノードガス流れチャンネルをコネクターラインで接続し、
    前記第１のサブスタック及び前記第２のサブスタックの間で水素ガス流れを流れシフトし、
    前記水素ガス流れが前記第１のサブスタックに提供されているとき前記第２のサブスタックの出力部において第１の窒素抜き取りバルブを介して窒素を抜き取り、
    前記水素ガス流れが前記第２のサブスタックに提供されているとき前記第１のサブスタックの出力部において第２の窒素抜き取りバルブを介して窒素を抜き取る、各工程を備える方法。
17. 前記水素ガス流れを流れシフトする工程は、２乃至１０秒の範囲のサイクルを有する周期態様で前記水素ガス流れを流れシフトする工程を備える、請求項１６に記載の方法。
18. 前記第１及び第２の窒素抜き取りバルブから抜き取られた窒素を、前記燃料電池スタックからのカソード排気物と合流させる工程を更に備える、請求項１６に記載の方法。
19. 前記コネクターラインを介した前記アノードガスからの水を分離する工程を更に備える、請求項１６に記載の方法。
20. 前記第１のサブスタック及び前記第２のサブスタックは、各々、少なくとも２００個の燃料電池を備える、請求項１６に記載の方法。

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