JP5148595B2 - ダウンタイム時の低温水素ボイルオフによる燃料電池の運転 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池からの需要が少ないもしくはない期間、および通常シャットダウンされている期間中の燃料電池発電装置の運転；低温水素タンクからのボイルオフを利用する運転；生成されることによりコントローラ、空気ブロワ、および、水循環ポンプもしくは凝縮器ファンのいずれかを作動させる電力；アノードもしくは／またはカソード排出物を消費する触媒バーナに関する。

一般的に「工業用品質」の水素と呼ばれる実質的に純粋な水素を利用する燃料電池システム、特に固体高分子型燃料電池の動作はよく知られている。液体状の水素は低温タンクに保管され、このタンクは周囲から吸収する熱量を低減し、水素の沸騰（沸点２０°Ｋ，−２５３°Ｃ，−４７３°Ｆ）を低減させることができる。燃料電池システムで利用される際には、ガスが低温タンクの頂部から引き出され、通常制御弁を通して燃料電池のアノードへと供給される。燃料電池発電装置からの電力需要がない場合には、通常シャットダウンされる；その期間中に、液体水素はある程度沸騰して、通常ボイルオフ水素ガスが周囲に排出される。これにより（燃料の損失により）システム効率を低下させ安全上の問題を引き起こす。

実質的に純粋な水素で作動する固体高分子型燃料電池は、多くの場合、燃料電池スタックのアノード出口およびアノード入口の間にブロワを含む燃料リサイクルループを使用し、このリサイクルにより全体的な燃料の利用率を向上させ、かつ局所的な燃料の欠乏を防ぐ。ブロワがリサイクルループで用いられる場合、寒冷時にシステムを稼動しないときにブロワ内で凝縮が起こりうる。その結果、ブロワの運転を妨げる氷結が発生する。

公称シャットダウン時にボイルオフ水素を消費するようにほぼゼロに近い電流密度で燃料電池発電装置を作動させると、燃料電池の電圧が非常に高くなり、それにより電池の劣化および性能低下が起こる。

本発明の態様は、燃料電池発電装置からの水素排出物の低減、耐凍結性の固体高分子型燃料電池システム、燃料電池発電装置のオフロード状態時の水素ボイルオフの周囲への排出の制限、より信頼性の高い燃料電池発電装置の提供、製造や運転がより経済的な燃料電池発電装置の提供、燃料電池発電装置の燃料利用の改善された効率、および改善された固体高分子型燃料電池発電装置を含む。

本発明は、低温水素源からのボイルオフ量が、コントローラや、空気ブロワなどのカソード空気供給装置、および、（ａ）ポンプなどの冷媒循環装置、もしくは（ｂ）ファンなどの凝縮器冷却装置のいずれかを作動させるための十分な供給電力を発生するように燃料電池発電装置を作動させるのに十分であり、ボイルオフ水素が残っている限りは、燃料電池発電装置のあらゆる部分の凍結を防ぐように十分な熱を発生させるのに十分であるということの実現に基づいている。

ここで用いるように、用語「シャットダウン」とは、電力の外部需要がない、もしくは電力の供給を止めるように切断されている燃料電池発電装置の状態を意味する。用語「ボイルオフ運転」および「ボイルオフ状態」とは、発電装置が任意の外部需要を満たすもしくは満たせないときの、非常に低い電流密度での燃料電池スタックの運転に関する。ここで、用語「外部需要」とは、例えばコントローラ、カソード空気ブロワ、冷媒循環ポンプもしくは凝縮器ファン、燃料リサイクルブロワ、冷媒熱交換ブロワ、もしくは冷媒流チャネル通気用マイクロポンプなどの燃料電池発電装置の補助機器以外の、全ての需要機器を含む。

本発明によると、燃料電池発電装置が、例えば負荷を満たしているときの通常の最大電流密度の約１０％未満（一般的には０．２％〜５％の範囲）といった、非常に低い電流密度で作動するとき、この装置は、低温タンク等の液体水素貯蔵装置からの非処理のボイルオフ水素により燃料供給される。ボイルオフ運転中、ボイルオフ水素によって燃料供給される燃料電池発電装置により発生される電力は、コントローラおよびカソード空気ブロワを作動させるように利用される。カソードおよび／またはアノードからの排出物は触媒バーナに供給されるが、その目的は燃料排気を外気に排出する前に水素を消費することである。燃料電池発電装置を作動させることによりシャットダウン時の燃料電池スタックを温かい状態に保ち、内部の水もしくは冷媒を温める。

例えば冷媒への顕熱の伝達による、対流冷却を使用するシステムでは、アキュムレータを通流する熱を持った冷媒の循環により冷媒流路内の配管設備が凍結するのを防ぐ。従って、バーナを冷媒アキュムレータと熱伝達関係におく必要がないが、本発明の任意の特定の使用において望ましい場合はそのようにしてもよい。ポンプなどの水循環装置は、ボイルオフ燃料で作動する燃料電池スタックからの電力によって動力供給される。

本発明は独立した冷媒ループを必要としないが、代わりに燃料電池スタックを冷却するように少なくとも一つの反応ガス流の内部および外部に、液体、一般的に水の蒸発および凝縮に依存する自然水冷却処理法を用いる燃料電池システムに組み込まれる。スタックのボイルオフ運転時に生成される電力は、例えばファンのような凝縮器冷却装置を作動させ、冷媒チャネル通気用マイクロポンプを作動させてもよい。

本発明によると、カソード空気供給装置は、燃料電池スタックに高利用率で空気を供給するように制御され（例えば一般的に約６０％の利用率で作動する雰囲気圧の燃料電池発電装置で、約７０％から９０％の利用率）、この高い利用率により、発電装置シャットダウン中にボイルオフ水素の消費に用いられる低電流密度運転に関連する高いセル電圧を抑制する。一般的に、本発明は、セル１つあたりのセル電圧を約０．８５０Ｖ以下に維持する。

さらに本発明によると、ボイルオフ・モード中に主水素源からのボイルオフ水素で運転する燃料電池発電装置は、アノード出口とアノード入口との間で排出装置（すなわちエダクタ）を使用し、この排出装置は、水素源に連結された第１の（制御）入口と、アノード入口に連結された出口と、アノード出口に連結された第２の入口とを有する。この方法では、低電流密度のボイルオフ運転中にリサイクルポンプを稼働させるために電力を消費することなく、バーナもしくは外気に送られる水素量を低減することにより発電装置効率を向上させることができる。燃料リサイクル排出装置を使用する本発明の形態では、それにより燃料リサイクルブロワが低電流密度運転で不要となるため、燃料電池発電装置が安価で信頼性の高いものとなる。ブロワが高出力運転に用いられるとしても、排出装置が十分なリサイクル燃料を供給するため、ボイルオフ運転中にはブロワを作動させる必要はない。

さらに本発明によれば、ボイルオフ運転中、十分な余分な電力が利用可能な場合、少なくとも幾分かは、自動車のパッセンジャー・キャビン内に冷暖房機能を作動させてもよい。

燃料電池によって消費されない全てのボイルオフ水素は周囲に排出されるのではなく、バーナ内で反応するため、より安全なシステムを提供する。燃料電池は周期的に稼働されるためこのシステムは耐凍結性であり、システム内の水は全く凍結しない。循環冷媒が使用される場合、循環冷媒はスタックを通流する循環により熱せられ、これによりスタック外部の冷媒配管設備の凍結を防ぐ。

添付図面に示したような例示的な実施形態についての以下の詳細な説明から、本発明の他の目的、特徴および利点がさらに明らかになるであろう。

図１を参照すると、燃料電池発電装置９が、複数のアノード１１、カソード１２、および冷媒チャネル１３を有する燃料電池スタック１０を含む。アノード入口１５には、ガス出口ライン１８から制御弁１９を通して気体水素を受け入れる排出装置１７から、導管１６を通して燃料が供給される。制御弁１９はコントローラ２０によって作動され、燃料電池発電装置の電力需要に見合うように通常動作時の燃料流を調節する。ガス出口ライン１８は低温タンク２４の壁体を貫通する。低温タンクの底部には、コントローラ２０に応答して低温タンク内の液体水素を加熱することができるようにヒータ２７が配置されている。燃料電池が作動しているとき、コントローラ２０はヒータ２７に十分な電力を供給して、制御弁１９および排出装置１７を通してアノード入口１５へと適切にガス流を供給できるように水素ガス圧力を保障する。液体水素を熱して水素ガスの蒸発率を上げ、それにより燃料システムを加圧するように種々の加熱装置を使用しうる。シャットダウン中、ヒータ２７は電力を受けないので、低温タンクを通して周囲環境から液体水素内に浸透する熱のためにごく少量の沸騰が起きるだけで、液体水素は実質的に静止する。低温タンク２４は、特に乗物７９（図５）内でのスロッシングを低減させるようにバッフル２８を有してもよい。タンクは入口２９を通して充填される。

アノードの出口３０は導管３１，３２を通して空気抜き弁３３へと連結され、また導管３４を通して排出装置１７の第２の入口４０へと連結される。排出装置の第一の（制御）入口４２は制御弁を介して導管１８で水素ガス源へと連結される；排出装置の出口４３は導管１６を通してアノードの入口１５へと連結される。本発明を使用する任意の燃料電池システムで必要であれば、燃料リサイクル流を高出力で補助するように導管３４に沿って燃料リサイクルブロワを設けてもよい。

アノード出口３０はまた導管３１を通して弁４６へと連結され、水素流を触媒バーナ４８へと排出させるが、ここで水素流を周囲に排出する前にアノード排気中の水素を低減させる。この弁はシャットダウン中にコントローラ２０によって作動される。

カソード１２への入口５１はポンプ５２から空気を受け入れ、コントローラ２０に応答するポンプ５２の動作によりカソードへ供給する空気量が判断され、それに伴い空気利用率を設定する。カソード出口５５は導管５６を通して触媒バーナ４８へと連結される。シャットダウン中、カソード排出物中の酸素およびアノード排出物中の水素が結合して熱を発生し、残りのガスは排出口５８を通して周囲等に排出されるが、必要であれば従来技術の更なる処理を有してもよい。通常動作中、カソード排気はバーナ４８を通過するが、実質的に変化しない。

液体冷媒６０はアキュムレータ６１から導管６４を通して燃料電池の冷媒チャネルへと循環し、導管６５を通して循環ポンプ６６へと循環する。この冷媒はポンプから導管６８およびラジエータ６９へと通流し、通常運転中に冷媒を冷却するが、ラジエータは燃料電池発電装置が電気自動車に配置される場合の自動車用ラジエータ（９０ａ，図５）でもよい。ラジエータの流出物は導管７１を通してアキュムレータへと戻る。触媒バーナはその内部で発生した熱をアキュムレータに供給するように配置されてもよく、あるいは図１に示すようにアキュムレータから独立していてもよい。

周知のように、適切な気泡圧力を供給して燃料セル内の反応ガスと冷媒との分離を確実にするための十分な冷媒圧力降下（数ｋＰａもしくは１〜２ｐｓｉ）をもたらすようにオリフィス７３を有してもよい。ラジエータ周囲に弁調節式のバイパスあるいはその他の装置を有してもよいが、その詳細は本発明とは無関係である。

図２は本発明を包含する燃料電池発電装置の動作の一態様を示す。この作動形態では、燃料容器内の燃料ガスの圧力が、燃料容器および燃料供給システムの構造的なあるいは安全上の考慮すべき事項により設定される所定の圧力、一般的には大気圧を大きく上回る圧力に達するまでは、燃料電池内のボイルオフ燃料は消費されない。図２に示すように、通常運転は第１の圧力Ｐ１で行われ、これは燃料流量が設計された全ての動作条件に見合うように設定される。

通常運転の終了時には、一般的なシャットダウン手順により制御弁１９（図１）が閉じられたときにアノードへの水素の供給が停止される。このシャットダウンは図２の時間Ｔ１と時間Ｔ２との間の休止期間に開始する。制御弁１９が閉じるに伴い、低温タンク２４内の水素の圧力は所定の圧力Ｐ２、例えば１００ｋＰａ未満の圧力に達するまで連続的に増加する。圧力センサ７９（図１）によって示されるように、圧力がＰ２に達すると、コントローラ２０は弁１９を開きボイルオフ水素の流れを燃料セルのアノードへと通流させる。同時にコントローラ２０は空気ブロワ５２にカソードへ適切な割合で空気を供給させて、ボイルオフ水素を消費する低レベルで燃料電池を動作させる。図２では、ホイルオフ期間は時間Ｔ２から時間Ｔ３に及ぶ。いったんボイルオフ水素が燃料電池スタックにより消費されると、圧力は所定の圧力Ｐ１まで減少する。例えば図２における時間Ｔ３のように、これは通常運転が再開されるまで続く。時間Ｔ４において通常運転が再び終了すると、圧力が再度Ｐ２に達するように休止期間が再開される。

休止期間を有することにより単純に水素の消費が低減される。休止期間中（図２の時間Ｔ１とＴ２の間、および時間Ｔ４以降）、シャットダウンの初期においては、燃料電池スタックは凍結しないように通常十分な暖かさを維持している；しかしながら周知のあらゆる方法で全ての冷媒チャネルからアキュムレータ内へ水を排出させ、アキュムレータの暖かさを維持させるより効果的な実施例を含みうる。例えば、本発明を組み込む任意の燃料電池スタック内部で適切であると考えられる場合には、アキュムレータが高度に断熱されてもよく、またバッテリーもしくはその他の任意の方法により加熱されてもよい。休止期間の長さは無論、実際に関係する物理的構造、およびその構造について適切な限界圧力Ｐ２に基づいて異なる。

図３に示すように、その他の燃料の保存については、時間Ｔ２とＴ３の間のボイルオフ期間は図３に示すある圧力Ｐ３で終了し、弁１９が閉じた状態で時間Ｔ３とＴ４の間の別の休止期間が再開される。図示されるように、これは例えば時間Ｔ６で、通常運転が再開されるまで続く。このような場合、休止期間は時間Ｔ１とＴ２の間、時間Ｔ３とＴ４の間、および時間Ｔ５以降に存在する。図３に示すように、ボイルオフ期間は時間Ｔ２とＴ３の間、時間Ｔ４とＴ５の間に及ぶ。

図２および図３に示す動作は本発明が有効に利用される唯一の過程ではない。必要に応じて、例えば極寒の環境において適切なように、ボイルオフがすぐに開始されて通常運転と連続していてもよく、ある設定では弁１９は開かれたままにされる。図２および図３では通常運転を一定圧力Ｐ１として示すが、燃料電池を実際に通流する燃料の量は電池の需要、すなわち消費される電力量によって判断される。電力消費がより高い場合には、従来通り、弁１９の設定による変動の結果としてより多くの燃料が低温タンク２４から流れる。

休止期間の長さ（即ち圧力が限界圧力Ｐ２に達する前の時間）は無論、本発明が実施される発電装置の構造によって異なる；しかしながら、それは約数時間であり、一般的には約１０時間程度である。図３の圧力Ｐ３は、圧力Ｐ１と同じもしくはその他の圧力でもよい。

図４は乗物に利用される種類およびサイズの、一例の燃料電池スタックの性能を示す。酸化剤利用率が０．６（化学量（ｓｔｏｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ ａｍｏｕｎｔ）が１６６％）の所では、通常運転の電流密度の範囲内でちょうど０．５Ｖを超えたところからちょうど０．７Ｖを超えたあたりの範囲に及ぶ。しかしながら、電流密度が通常の最大電流密度の約１０％未満に低下すると、電池の電圧は容易に０．８５Ｖを上回り、この閾値を上回ると燃料電池発電装置の構造の長期劣化および性能低下が起こる。

本発明によると、シャットダウンのボイルオフ期間時に、酸化剤利用率を０．７より上から約０．９に増加させることにより、ボイルオフ状態時に設定された低電流密度においてさえ、セル電圧は０．８５Ｖに維持される。本発明は通常の、電力発生運転時の酸化剤利用率を変化させるシステムに使用される（すなわち、電力需要の機能として）。

したがって、ボイルオフ燃料により生成される電力を利用して（ａ）約０．９の安全な利用率に化学量（ｓｔｏｃｈｉｏｍｅｔｒｙ）を低下させるコントローラに電力を供給し、（ｂ）空気ポンプを作動させ、（ｃ）アキュムレータおよび循環用配管内の水が凍結するのを防ぐように水循環ポンプを作動させることにより、燃料セルスタック自体を作動させ、それによりスタック自体を暖かい状態に保つ。アノード排出物からの残留水素を消費することにより、ボイルオフ時に有用な水素を外気に排出することを無くす。

ボイルオフ状態時に生成される電力量はその他の装置に電力供給を行うのに十分である。例えば、燃料電池発電装置９が図５に示す自動車７９に搭載されている場合、電力は、パッセンジャー・コンパートメント８２に関連する暖房、換気および空調システム（ＨＶＡＣ）８０を作動させるように利用される。

利用できる電力は（快適な温度に達するための）所望の暖房もしくは冷房効果を達成するのに十分とは言えないが、一度でも燃料電池スタックが通常運転を再開すれば、最適な温度により素早く到達できるようにパッセンジャー・コンパートメントを部分的に暖房もしくは冷房するように用いられる。

図６は、図１の実施例にあるような対流冷却ではなく、蒸発冷却を行う燃料電池発電装置９を示す。図６では、冷媒循環ポンプを持たない。冷媒はリザーバ６０ａから導管８５を通して冷媒チャネル１３の入口８６へと供給される。冷媒チャネルは通気口８８を有し、例えば疎水性多孔質プラグのような受動的なものでもよく、気泡分の隙間を保障するように能動的な、マイクロポンプ（低コストの、一般用水槽ポンプのようなもの）を含んでもよく、マイクロポンプはボイルオフ状態時に燃料セルスタックによって生成される電力で作動される。

冷媒チャネルからの水は反応ガス流、特にカソードの空気流中に蒸発し、それにより燃料電池を冷却する。カソード出口５５を通る排気は凝縮器９０のコイル８９を通して供給される有用な水蒸気を含む。ファン９２はコイル８９を通る流れを冷却するのに一般的に用いられる。凝縮器９０は、図５に示す自動車のラジエータ９０ａでもよい。

ボイルオフ運転中、燃料電池スタックは、もしあれば、通気口８８に関連するマイクロポンプはもとより、コントローラ２０、カソード空気ブロワ５２および凝縮器のファン９２に電力を供給する。

図６はまた、バーナがカソード排気から空気を受け入れる必要がないことを示す。バーナは外気などのその他の供給源から酸素を受け入れてもよい。バーナは外気から酸素を引き出す拡散バーナを備えてもよい。

本発明を使用する対流冷却式の燃料電池発電装置の一部を示す概略ブロック図。 本発明による運転状態を示す図。 本発明による別の運転状態を示す図。 燃料電池スタック性能を示す図。 本発明によるボイルオフ状態時の燃料電池電力で作動するパッセンジャー・コンパートメント用のＨＶＡＣの概略説明図。 本発明を使用する蒸発冷却式の燃料電池発電装置の一部を示す概略ブロック図。

Claims (4)

1. 入口（１５）および出口（３０）を有するアノード（１１）と、入口（５１）および出口（５５）を有するカソード（１２）と、冷媒チャネル（１３）と、を備えた複数の燃料セルを含む燃料電池スタック（１０）と、
   （ａ）冷媒アキュムレータ（６０）、および該アキュムレータと前記冷媒チャネルとを通して冷媒を循環させる冷媒循環器（６６）、もしくは（ｂ）前記カソード（１２）の前記出口（５５）に連結された凝縮器（９０）であって、この凝縮液が前記冷媒チャネル（１３）と流体連通するとともに（６０ａ，８５）、冷却装置（９２）を備えた凝縮器（９０）、のいずれかと、
   コントローラ（２０）と、
   熱の吸収に応じて気体水素を供給する液体の水素供給源（１８，２４）と、
   前記供給源からの気体水素と前記アノードの入口との流体連結部（１６〜１９）と、
   を備えた燃料電池発電装置（９）の作動方法であって、
   前記液体の水素供給源からボイルオフした水素ガスに応じて、負荷を満たしているときの通常の最大電流密度の１０％未満の電流密度で電力および熱を発生させるように、シャットダウン後の燃料ボイルオフ状態時の前記燃料電池発電装置の動作を制御し、
   シャットダウン後の燃料ボイルオフ運転時に前記燃料電池スタックによって生成される電力に応じて、コントローラと、カソード空気ポンプと、（ａ）前記冷媒循環器もしくは（ｂ）前記冷却装置のいずれかと、を作動させるステップを備え、
   前記燃料電池発電装置（９）は、前記ボイルオフ状態で作動しているときに、燃料セル電圧が０．８５Ｖを超えるのを防ぐような空気利用率を供給することを特徴とする燃料電池発電装置（９）の作動方法。
2. 入口（１５）および出口（３０）を有するアノード（１１）と、入口（５１）および出口（５５）を有するカソード（１２）と、冷媒チャネル（１３）と、を備えた複数の燃料セルを含む燃料電池スタック（１０）と、
   （ａ）冷媒アキュムレータ（６０）、および該アキュムレータと前記冷媒チャネルとを通して冷媒を循環させる冷媒循環器（６６）、もしくは（ｂ）前記カソード（１２）の前記出口（５５）に連結された凝縮器（９０）であって、この凝縮液が前記冷媒チャネル（１３）と流体連通するとともに（６０ａ，８５）、冷却装置（９２）を備えた凝縮器（９０）、のいずれかと、
   コントローラ（２０）と、
   熱の吸収に応じて気体水素を供給する液体の水素供給源（１８，２４）と、
   前記供給源からの気体水素と前記アノードの入口との流体連結部（１６〜１９）と、
   を備えた燃料電池発電装置（９）であって、
   前記液体の水素供給源からボイルオフした水素ガスに応じて、負荷を満たしているときの通常の最大電流密度の１０％未満の電流密度で電力および熱を発生させるように、シャットダウン後の燃料ボイルオフ状態時の前記燃料電池発電装置の動作を制御する手段と、燃料ボイルオフ運転時に前記燃料電池スタックによって生成される電力に応じて、コントローラと、カソード空気ポンプと、（ａ）前記冷媒循環器もしくは（ｂ）前記冷却装置のいずれかと、を作動させる手段と、を備え、
   前記燃料電池発電装置（９）は、前記ボイルオフ状態で作動しているときに、燃料セル電圧が０．８５Ｖを超えるのを防ぐような空気利用率を供給することを特徴とする燃料電池発電装置（９）。
3. 触媒バーナ（４８，４８ａ）と、
   前記燃料電池発電装置のボイルオフ運転時に、前記アノード（１１）の前記出口（３０）から前記触媒バーナへ排出物を供給する手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電装置（９）。
4. 燃料電池発電装置（９）の作動方法であって、
   液体の水素供給源からボイルオフした水素ガスに応じて、負荷を満たしているときの通常の最大電流密度の１０％未満の電流密度で電力および熱を発生させるように、前記燃料電池発電装置（９）を、シャットダウン後の燃料ボイルオフ状態下で作動させて、コントローラ（２０）と、カソード空気ポンプ（５２）と、（ａ）燃料電池スタック（１０）内の冷媒チャネル（１３）を通して冷媒を循環させる冷媒循環器（６６）および（ｂ）燃料電池スタック（１０）のカソード（１２）の出口（５５）に連結された凝縮器（９０）の冷却装置（９２）のうち少なくとも一つと、を作動させるように、発生する電力を利用し、
   前記燃料電池発電装置（９）は、前記ボイルオフ状態下で作動するときに、燃料セル電圧が０．８５Ｖを超えるのを防ぐような空気利用率を供給することを特徴とする燃料電池発電装置（９）の作動方法。

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