JP5247719B2 - 燃料電池の燃料圧力可変制御 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、燃料電池のアノードに供給される燃料圧力を調節する方法および装置に関する。また、本発明は、燃料電池内の水輸送プレートを横切る望ましい差圧を維持することに関する。
燃料電池は、カソードおよびアノードを備えており、これらが電極アッセンブリと協同し、電気化学プロセスによって電気が生成される。アノードは、水素を受け、カソードは、空気を受ける。電気化学プロセス中に、水素および空気が反応し、電気が生成される。ある燃料電池では、水輸送プレートが、カソードおよび／またはアノードの付近における水流れ場の水を管理するように使用される。燃料電池の作動効率が、水の均衡を維持することによってより良く保証される。
燃料電池内の水素の消費が、産業における燃料効率の要求を達成するために管理される必要がある。燃料電池の作動中に、燃料圧力が変動し、燃料消費の管理が困難になる。燃料効率を達成するための１つの例示的な方法では、リサイクルループを使用してアノードから未使用の燃料を循環させてアノード入口へ戻す燃料電池が、改良されてきた。あるリサイクルループでは、入口へ燃料を適切に供給することを保証するために、ブロワが使用されてきた。
特に遷移時に、アノードに供給される燃料圧力が、カソードに供給される空気圧力に概ね追従し、この結果、適切な燃料がアノードに供給され、最も効率的に電気が生成されることが望ましい。ブロワを備えたリサイクルループが組み込まれた燃料電池では、カソードにおける空気の消費の増減に伴って、入口に供給される燃料圧力が増減するという特徴が利用されていなかった。
エゼクタが、アノードに供給される燃料圧力を調節するように使用されてきた。リサイクルループの燃料が、エゼクタの吸込口に供給される。アノード入口のエゼクタによって望ましい燃料圧力を達成することを保証するように、エゼクタの下流の検知ラインが、エゼクタの上流のドーム式圧力レギュレータと連通している。
アノードに燃料を供給するエゼクタを利用したある構成は、ドーム式圧力レギュレータにカソードの空気圧力を伝達させるラインも備えており、これにより、燃料圧力が、空気圧力により厳密に追従することが保証される。しかし、従来技術の構成では、水輸送プレートの前後で、燃料電池内における水の均衡に必要な望ましい差圧を維持するために、空気流れ場および燃料流れ場内における圧力を調節することが考慮されていない。流れ場内の圧力が高すぎると、水が水輸送プレートから流出し、水流れ場へ流入し、対応するアノードおよび／またはカソードが乾燥することがある。流れ場内の圧力が低すぎると、水流れ場の水によってアノードおよび／またはカソードが溢れることがある。これは、冷却のために流れ場内の水を循環させるようにポンプが使用される冷却システムに特にあてはまる。水流れ場の圧力が、ポンプによって増加し、望ましくないことに、水輸送プレートを横切る差圧が減少し、これにより、水の均衡の維持が困難になることがある。
空気圧力に対して望ましい燃料圧力を維持し、かつ水輸送プレートを横切る望ましい差圧を達成しながら、未使用の燃料を循環させる燃料電池が、必要とされている。
燃料電池は、空気流れ場を有したカソードを備える。１つの例では、アノードは、入口と、燃料リサイクルラインに未使用の燃料を供給する出口と、を備える。１つの例示的な実施例では、エゼクタは、吸込口と、燃料を受ける駆動源導入口と、入口へ望ましい量の燃料を供給する吐出口と、を備える。望ましい量の燃料を達成するために吸込口へ未使用の燃料を供給するように、ブロワが、リサイクルラインと連通している。圧力レギュレータが、エゼクタの上流に配置されており、空気流れ場に対応する空気圧力に応じて駆動源導入口における燃料圧力を調整するように、空気流れ場と連通している。圧力レギュレータへ空気圧力をフィードバックすることによって、燃料電池の作動中に、燃料圧力が空気圧力をより良く追従することが可能となる。
カソードおよび／またはアノードは、空気流れ場および／または燃料流れ場に対応した多孔質水輸送プレートを備える。空気の背圧を生じさせる背圧弁が、空気流れ場の下流に配置されており、これにより、望ましい差圧が、水輸送プレートの両側間に生成される。水輸送プレートを横切る望ましい差圧を達成し、燃料電池が水の均衡を維持するように、背圧弁が、制御される。
本発明のこれらおよび他の特徴は、以下の説明から最も理解され得る。
燃料リサイクルループ、冷却ループおよび制御システムを備えた燃料電池の概略図である。
図１には、燃料電池１０が、概略的に示されている。燃料電池１０は、電極アッセンブリ１６の両側に配置されたアノード１２およびカソード１４を備える。１つのセル１８が、アノード１２、カソード１４および電極アッセンブリ１６によって提供される。一般に、望ましい量の電気を生成するために、複数のセルが、スタック内に配列されている。
１つの例では、アノード１２およびカソード１４は、水流れ場２０と連通する水輸送プレート１９を備える。水流れ場２０は、水輸送プレート１９を水和し、セル内の電気化学反応によって生じた生成水をセル１８から受ける。この例では、水輸送プレート１９は、多孔質である。カソード１４およびアノード１２の一方または両方が、多孔質水輸送プレート１９を備えてもよい。一般に、水輸送プレート１９では、燃料電池の運転中に、水輸送プレート１９が空気流れ場または燃料流れ場を溢れさせることなく、水和した状態を保つように望ましい水の均衡を達成するために、水輸送プレート１９の両側間に望ましい差圧が必要である。また、水輸送プレート１９は、水素および空気の望ましくない混合を防止するように、アノード１２とカソード１４との間にウェットなシールを提供する。
アノード１２は、燃料供給源２２から水素を受ける燃料流れ場Ｆを備える。カソード１４は、ポンプ２４によって供給される空気のような酸化剤を受ける空気流れ場Ａを備える。燃料電池における運転の要求に応じて望ましい量の空気を燃料電池１０に供給するように、ポンプ２４の運転が、制御部２６によって制御される。
アノード１２は、入口２１および出口３７を備える。エゼクタ２８が、アノード１２に燃料を供給するように、燃料供給源２２と入口２１との間に配置される。エゼクタ２８は、燃料供給源２２から燃料を受ける駆動源導入口３０を備える。燃料は、エゼクタ２８から吐出口３２を介してアノード１２へ供給される。未使用の燃料が、出口３７から燃料リサイクルライン３８を介してエゼクタ２８の吸込口３４へ循環される。図示の例では、エゼクタ２８の効率が良くない条件下において、アノード１２から未使用の燃料を循環させて再びアノード１２へ戻すように、ブロワ５６が使用されている。制御部２６は、燃料電池特性に応じてブロワ５６の運転を制御するようにブロワ５６と接続されている。
ドーム式圧力レギュレータ４０が、アノード１２に供給される燃料圧力を調節するために、エゼクタ２８の上流に配置されている。ドーム式圧力レギュレータ４０にフィードバックを与えるために、エゼクタ２８の下流位置からドーム式圧力レギュレータ４０へと検知ライン４２が、燃料供給系に接続されており、これにより、エゼクタ２８が望ましい量の燃料を供給することが保証される。１つの例では、検知ライン４２は、ドーム式圧力レギュレータ４０にエゼクタ２８の下流の圧力を流体連通させている。
カソード入口圧力ライン４４が、空気流れ場Ａおよびドーム式圧力レギュレータ４０と連通している。駆動源導入口３０への燃料圧力が、カソード入口圧力ライン４４によって調節され、これにより、１つの例示的な実施例では、吐出口３２からアノード１２へ供給される燃料圧力が、カソード１４の空気圧力よりも高い状態に維持されることが保証される。また、カソード入口圧力ライン４４からドーム式圧力レギュレータ４０への入力によって、特に遷移時に燃料圧力が空気圧力に追従することが、保証される。つまり、カソード入口圧力ライン４４からの入力によって、空気圧力の増減に伴って燃料圧力も増減することが、保証される。１つの例では、燃料圧力と空気圧力との間の圧力差は、燃料電池１０の運転中に一定に維持される。
冷却ループ４６が、水流れ場２０の水と連通している。セルスタックから（例えば、電気化学プロセスにより生じた）熱を受けた水が、熱交換器４８（例えば、凝縮器）へ循環される。熱交換器４８では、ファン５０を用いて熱交換器４８を通して循環される空気のような作動流体を介して、熱が、水から取り除かれる。この例では、冷媒ポンプ５２が、冷却ループ４６内において水を循環させるように使用される。一般に、冷媒ポンプ５２によって圧力が水流れ場２０内に生成され、この圧力によって、水輸送プレート１９のウェットなシールを横切る差圧に影響が生じる。冷却された水は、水流れ場２０に戻すように循環される。
水輸送プレート１９のウェットなシールが、完全な状態を保ち、反応ガスのクロスオーバーを防止することを保証するために、ウェットなシールを横切る差圧を調節することが望ましい。さらに、この差圧は、水の均衡を維持するために維持されるべきである。つまり、アノード１２および／またはカソード１４のフラッディングまたは乾燥が、水輸送プレート１９の両側間の差圧によって生じないようにすべきである。この目的のために、背圧弁５４が、空気圧力を調整するように空気流れ場Ａの下流に配置されている。背圧弁５４は、燃料電池１０内の様々な圧力（図示せず）を監視し得る制御部２６と接続されており、これにより、望ましい背圧が得られる。監視される圧力は、例えば、大気圧、燃料圧力、空気圧力、冷媒圧力である。
１つの例では、空気流れ場Ａの背圧を増加させることによって、カソード１４内の空気圧力が増加される。冷媒ポンプ５２によって水流れ場２０内に圧力が生成され、これにより、カソード１４の望ましくないフラッディングが生じる恐れがある状況において、この空気圧力の増加は、特に望ましいことがある。カソード入口圧力ライン４４がドーム式圧力レギュレータ４０と連通することによって燃料圧力が空気圧力に追従するので、背圧弁５４によって背圧を増加すると、燃料圧力も増加する。結果として、アノードのフラッディングも防止される。逆に言えば、背圧弁５４を用いて背圧を減少させることによって、アノード１２およびカソード１４の両方の圧力が低下し、これは、水輸送プレート１９の水和の向上に利用できる。
寒い天候での燃料電池１０の作動中に、エゼクタへの望ましくない着氷を防止するために、ヒータ５８が、エゼクタ２８の付近に配置され得る。ヒータ５８の運転は、例えば、制御部によって調節される。
好ましい実施例を説明したが、当業者には特定の修正も本発明の範囲内であることが理解できるであろう。したがって、特許請求の範囲が、本発明の真の範囲を画定するために検討されるべきである。

Claims (9)

  1. 酸化剤を受ける酸化剤流れ場を備えたカソードと、
    燃料を受ける燃料流れ場を備えたアノードと、
    前記酸化剤流れ場および前記燃料流れ場の少なくとも一方を水和するように前記カソードおよび前記アノードの少なくとも一方に隣接して配置された水輸送プレートと、
    酸化剤に背圧を生じさせるように前記酸化剤流れ場の出口に接続され、前記水輸送プレートを横切る差圧が望ましい差圧となるように制御される背圧弁と、
    燃料供給源と前記燃料流れ場との間に位置し、前記燃料供給源からの燃料と燃料リサイクルラインからの燃料とを前記燃料流れ場へと導くエゼクタと、
    前記燃料供給源から流入する燃料圧力を調整するように前記燃料供給源と前記エゼクタとの間に配置されたドーム式圧力レギュレータと、
    を備え、
    前記ドーム式圧力レギュレータには、前記酸化剤流れ場からの圧力と前記エゼクタの下流からの圧力とが入力され、前記ドーム式圧力レギュレータは、これらの入力圧力に応じて両者の圧力差が一定となるように開度が変化することを特徴とする燃料電池。
  2. 前記水輸送プレートは、多孔質であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
  3. 前記望ましい差圧は、前記燃料電池内における望ましい水の均衡を維持することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
  4. 空気を受ける空気流れ場を備えたカソードと、燃料を受ける燃料流れ場を備えたアノードと、空気に背圧を生じさせるように前記空気流れ場の出口に接続され、水輸送プレートを横切る差圧が望ましい差圧となるように制御される背圧弁と、燃料供給源と前記燃料流れ場との間に位置し、前記燃料供給源からの燃料と燃料リサイクルラインからの燃料とを前記燃料流れ場へと導くエゼクタと、前記燃料供給源から流入する燃料圧力を調整するように前記燃料供給源と前記エゼクタとの間に配置されたドーム式圧力レギュレータとを備えた燃料電池において、
    前記空気流れ場および前記燃料流れ場の少なくとも一方を水和するように前記カソードおよび前記アノードの少なくとも一方に隣接して前記水輸送プレートを設けるステップと、
    前記背圧弁によって空気の背圧を調節するステップと、
    前記ドーム式圧力レギュレータに、前記空気流れ場からの圧力と前記エゼクタの下流からの圧力とを入力し、これらの入力圧力に応じて両者の圧力差が一定となるように前記ドーム式圧力レギュレータの開度を変化させることにより燃料圧力を調節するステップと、
    前記調節された圧力により、前記水輸送プレートを横切る差圧が望ましい差圧となるようにして、前記空気流れ場および前記燃料流れ場の少なくとも一方を水和するステップと、
    を含む燃料電池内における水の均衡を制御する方法。
  5. 前記空気圧力よりも高く前記燃料圧力を維持するステップを含むことを特徴とする請求項４に記載の制御方法。
  6. 未使用の燃料をポンプ輸送することを含む、前記アノードへ望ましい量の燃料を供給するステップを含むことを特徴とする請求項４に記載の制御方法。
  7. 酸化剤を受けるカソード反応物流れ場に接続されたカソード入口およびカソード出口を備えてなるカソードと、
    前記カソード出口に接続されたカソード反応物背圧弁であって、酸化剤供給源からのカソード反応物が、前記カソード入口、前記カソード反応物流れ場、前記カソード出口、カソード反応物背圧弁の順に流れるカソード反応物背圧弁と、
    燃料を受けるアノード反応物流れ場を介して接続されたアノード入口およびアノード出口を備えてなるアノードと、
    前記カソード反応物流れ場および前記アノード反応物流れ場の少なくとも一方を水和するように前記カソードおよび前記アノードの少なくとも一方に隣接して配置された水輸送プレートと、
    燃料供給源と前記アノード反応物流れ場との間に位置し、前記燃料供給源からの燃料と燃料リサイクルラインからの燃料とを前記アノード反応物流れ場へと導くエゼクタと、
    前記燃料供給源から流入する燃料圧力を調整するように前記燃料供給源と前記エゼクタとの間に配置されたドーム式圧力レギュレータと、
    を備え、
    前記ドーム式圧力レギュレータには、前記カソード反応物流れ場からの圧力と前記エゼクタの下流からの圧力とが入力され、前記ドーム式圧力レギュレータは、これらの入力圧力に応じて両者の圧力差が一定となるように開度が変化することを特徴とする燃料電池。
  8. 前記燃料リサイクルラインにおいて接続され、前記アノード出口から前記アノード入口へアノード排出物を循環させるように構成されたリサイクルポンプを備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
  9. 前記水輸送プレートは、水流れ場と連通し、ポンプ圧力を生じさせるポンプを用いて前記水流れ場において水を循環させるステップを含み、前記望ましい差圧は、前記調節された圧力および前記ポンプ圧力に基づいていることを特徴とする請求項４に記載の制御方法。
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