JP5799164B2 - 燃料電池内での蒸気の発生 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池システムの燃料電池スタック内で蒸気を発生させる方法および装置に関する。

１つの典型的な燃料電池システムが、アノードプレートおよびカソードプレートを有した燃料電池スタックを備えており、アノードプレートおよびカソードプレートは、陽子交換膜の両側に配置されている。また、燃料電池スタックは、一般に、冷媒チャネルも備えており、この冷媒チャネルは、燃料電池システム内の冷媒ループにおいて冷媒を循環させる。１つの典型的な冷媒は、水である。

ある燃料電池スタックは、燃料電池スタックに伴う冷媒周囲圧力でかつ沸点より低い温度で冷媒を生成する。したがって、このような燃料電池スタック内では、蒸気が発生しない。上記の条件において蒸気を発生させるために、１つの例示的な燃料電池システムが、燃料電池スタックの外部に配置されたバルブおよびフラッシュ蒸発器を組み込み、低温の冷媒を蒸気に変える。そして、蒸気が、燃料改質システムにおいて用いられる。

燃料電池システムが、燃料電池スタックを備えており、燃料電池スタックは、該陽子交換膜の両側に配置されたアノードプレートおよびカソードプレートを備えている。冷却チャネルが、アノードプレートおよびカソードプレートの少なくとも一方と熱的に接触し、内部冷媒通路を備えている。圧縮装置が、内部冷媒通路と流体的に相互に接続されており、冷媒システムループによって内部冷媒通路の下流側に配置されており、さらに、亜大気圧の冷媒蒸気を運ぶように構成される。圧縮装置は、亜大気圧の冷媒蒸気の圧力および温度を過圧へと上昇させ、かつ圧力エンタルピ曲線の蒸気領域内に冷媒蒸気を維持するように構成される。

燃料電池システム内で蒸気を発生させる方法が、燃料電池スタック内の冷媒の沸点を低下させるように燃料電池スタック内で圧力降下を生じさせるステップを含む。冷媒は、蒸気を発生させるように燃料電池スタック内で沸騰する。蒸気が、冷媒蒸気ループによって燃料電池スタックの外部の構成要素に供給される。

添付の図と組み合わせて考えたときに、発明を実施するための形態を参照することにより、本発明をさらに理解することができる。

燃料電池スタックの内部で蒸気が発生する例示的な燃料電池システムを非常に概略的に示した図である。 １つの例示的な燃料電池スタックの概略図である。 他の例示的な燃料電池スタックの概略図である。 別の例示的な燃料電池スタックの概略図である。 別の例示的な燃料電池スタックの概略図である。 燃料電池スタック内で蒸気を発生する他の例示的な燃料電池システムの概略図である。

図１には、燃料電池システム１０が概略的に示されている。燃料電池システム１０は、複数の電池１９を有した燃料電池スタック１２を備えており、該複数の電池１９は、望ましい量の電気を生成するように互いに積み重ねられている。各電池１９は、陽子交換膜１８の両側に配置されたアノードプレート１４およびカソードプレート１６を備えており、陽子交換膜１８は、例えば、一体化された電極アッセンブリの部分である。

冷媒チャネル２０が、燃料電池スタック１２の全体にわたって配置されており、一般に、電池１９の間に配置されている。冷媒ループ２２が、冷媒チャネル２０と連通しており、燃料電池スタック１２の温度を調整するようにシステム１０の全体にわたって冷媒、一例では水を循環させる。また、必要であれば、冷媒は、システム１０内で他の目的のために用いられてもよい。

低温燃料電池のいくつかの用途では、燃料電池が、１００℃よりも低く冷媒を加熱する温度で動作する。冷媒として水を用いる場合には、蒸気が、上記の条件において発生しない。しかし、蒸気は、システム１０内で役立つことができる。このために、システム１０は、燃料電池スタック１２内に配置された圧力降下装置２４を備えている。図１に概略的に示したように、冷媒チャネル２０は、圧力降下装置２４を有した内部冷媒通路を提供し、圧力降下装置２４は、冷媒が沸騰し、燃料電池スタック１２内で蒸気を発生させることになる点に冷媒の圧力を降下させる。

この例では、冷媒ループ２２は、圧縮装置２６に亜大気圧の蒸気を運ぶ第１の冷媒蒸気ライン２８を備えている。圧縮装置２６は、亜大気圧の蒸気を加圧し、その温度を上昇させて、過圧の蒸気（例えば、１．１気圧および１５０℃）を発生させ、そして、この過圧の蒸気は、第２の冷媒蒸気ライン３０を通して合流部３４へと運ばれる。

燃料供給源３６が、合流部３４に燃料を供給し、合流部３４は、燃料と過圧の冷媒蒸気とを混合して混合物を提供する。合流部３４からの混合物は、燃料処理システム３８へと供給され、燃料処理システム３８は、改質油を生成し、そして、この改質油は、改質油ライン４０によってアノードプレート１４へと供給される。燃料供給源３６は、燃焼器４２にも燃料を供給することができ、燃焼器４２は、燃料処理システム３８を部分的に駆動する。未使用の冷媒が、冷媒戻りライン３２を通して冷媒チャネル２０へと戻され得る。

圧縮装置２６は、圧力エンタルピ曲線の蒸気領域内に冷媒蒸気を維持する。燃料電池スタック内で亜大気圧の蒸気を発生させることによって、圧縮装置によって準等エントロピで亜大気圧の冷媒蒸気を加圧することができる。

電気モータによって、例えばスクロールコンプレッサとされ得る圧縮装置２６を駆動することができる。外部ではなく、燃料電池スタックの内部で蒸気を発生させることによって可能となる付加的な効率は、圧縮装置に関連した損失があるにもかかわらず、燃料電池の効率全体を増加させるのに十分である。

図２Ａには、例示的な燃料電池スタック１２が示されている。この例では、アノードプレートおよびカソードプレートが、第１の多孔質層４４および第２の多孔質層４６を提供する。内部冷媒通路４８が、第１の多孔質層４４と第２の多孔質層４６との間に設けられている。望ましい加湿のために、冷媒マニホールド５０が、燃料電池の動作中に第１の多孔質層４４および第２の多孔質層４６に冷媒を供給する。燃料電池の動作中に多孔質層４４，４６を通して工程水を通過させることにより、圧力降下装置２４が提供され、圧力降下装置２４により、１００℃よりも低い温度の冷媒が、亜大気圧で沸騰することができる。

図２Ｂには、他の例示的な燃料電池スタック１１２が示されている。この例では、噴霧ノズル５２が、内部冷媒通路４８に水の飛沫を供給するように用いられ、この水の飛沫は、多孔質層によって形成された冷媒通路４８内で亜大気圧の蒸気になる。

図２Ｃには、別の燃料電池スタック２１２が示されている。燃料電池スタック２１２は、電池１１９を備えており、該電池１１９は、第１の多孔質層４４および第２の固体プレート５６を備えている。つまり、多孔質プレートは、アノードプレートおよびカソードプレートの一方を提供し、固体プレートは、他方のプレートを提供する。冷媒マニホールド１５０によって供給される冷媒は、第１の多孔質層４４を加湿し、これにより、圧力降下装置１２４が提供される。そして、蒸気が、亜大気圧で発生する。

図２Ｄを参照すると、燃料電池スタック３１２が、電池２１９を備えており、該電池２１９は、第１の固体プレート５４および第２の固体プレート５６を用いている。内部冷媒通路２４８が、例えば、冷媒チャネルに制限部を導入することによって、亜大気圧を提供するように構成される。水の飛沫が、噴霧ノズル５２によって導かれる。水が、内部冷媒通路２４８内において亜大気圧で蒸気へと変わる。

図３には、他の燃料電池システム１１０が示されている。冷媒ループ１２２が、図１について上述したのと同様の方法で蒸気を発生させる。システム１１０は、熱交換器６４によって冷媒ループ１２２から流体ループ６０へと熱を移動させるように、例えば、建物５８の流体ループ６０と協働する。熱は、例えば建物の温水システムである建物サブシステム６２用の流体ループ６０内の流体の望ましい温度を達成するように、冷媒ループ１２２と流体ループ６０との間で移動する。

例示的な実施例を説明してきたが、当業者であれば、特定の修正が特許請求の範囲内に含まれ得ることを理解するであろう。この理由のために、付記の特許請求の範囲が、本発明の真の範囲および内容を決定するために検討されるべきである。

Claims (15)

1. 陽子交換膜の両側に配置されたアノードプレートおよびカソードプレートと、前記カソードプレートおよび前記アノードプレートの少なくとも一方と熱的に接触する内部冷媒通路とを備えてなる燃料電池スタックと、
   前記内部冷媒通路に設けられ、前記内部冷媒通路内に亜大気圧を提供するように構成された圧力降下装置と、
   前記内部冷媒通路と流体的に相互に接続するように冷媒蒸気ループによって前記内部冷媒通路の下流側にあり、亜大気圧の冷媒蒸気を運ぶように構成される、圧縮装置と、
   を備え、
   前記圧縮装置は、前記亜大気圧の冷媒蒸気の温度を上昇させるとともに前記亜大気圧の冷媒蒸気の圧力を大気圧よりも高い圧力へと上昇させ、かつ圧力エンタルピ曲線の蒸気領域内に前記冷媒蒸気を維持するように構成されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記内部冷媒通路は、前記アノードプレートおよび前記カソードプレートの少なくとも一方の多孔質層によって提供されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記多孔質層は、前記圧力降下装置を提供することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記内部冷媒通路に配置された噴霧ノズルをさらに備え、該噴霧ノズルは、前記冷媒蒸気に変えるために、前記内部冷媒通路へと水の飛沫を噴霧するように構成されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記内部冷媒通路は、中実の非多孔質プレートによって提供され、該中実の非多孔質プレートは、前記アノードプレートおよび前記カソードプレートの少なくとも一方によって提供されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記内部冷媒通路に配置された噴霧ノズルをさらに備え、該噴霧ノズルは、前記冷媒蒸気に変えるために、前記内部冷媒通路へと水の飛沫を噴霧するように構成されることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記圧縮装置は、スクロールコンプレッサを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 燃料供給ラインによって合流部において前記冷媒蒸気ループと連通した燃料供給源をさらに備え、前記合流部は、前記圧縮装置の下流側にあり、燃料と大気圧よりも高い圧力の冷媒蒸気とを混合して混合物を提供するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
9. 前記合流部と連通し、前記混合物を受けるように構成された燃料処理システムをさらに備え、前記燃料処理システムは、改質油ラインによって前記アノードプレートに流体的に相互に接続され、前記改質油ラインを通して前記アノードプレートに改質油を供給するように構成されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池スタックは、平衡動作条件で動作するように構成され、該平衡動作条件は、１００℃よりも低い内部電池スタックの冷媒温度を提供することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
11. 建物流体ループと、前記建物流体ループおよび前記冷媒蒸気ループを有した熱交換器とをさらに備え、前記熱交換器は、前記建物流体ループと前記冷媒蒸気ループとの間で熱を移動させるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
12. 前記冷媒蒸気は、前記燃料電池スタック内の前記冷媒蒸気のエントロピと比較して、前記圧縮装置において準等エントロピの圧縮を受けるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
13. 陽子交換膜の両側に配置されたアノードプレートおよびカソードプレートと、前記カソードプレートおよび前記アノードプレートの少なくとも一方と熱的に接触する内部冷媒通路とを備えてなる燃料電池スタックを有する燃料電池システム内で蒸気を発生させる方法であって、
    燃料電池スタック内の冷媒の沸点を低下させるように、前記内部冷媒通路に設けられた圧力降下装置を用いて、前記燃料電池スタック内で圧力降下を生じさせるステップと、
    蒸気を発生させるように前記燃料電池スタック内で冷媒を沸騰させるステップと、
    冷媒蒸気ループによって前記燃料電池スタックの外部の構成要素に前記蒸気を供給するステップと、
    を含む方法。
14. 前記生じさせるステップは、前記燃料電池スタック内の１００℃よりも低い冷媒温度と、大気圧よりも低い圧力とを提供することを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記供給するステップは、前記燃料電池スタック内の前記蒸気のエントロピと比較して、前記蒸気を準等エントロピで圧縮して大気圧よりも高い圧力にし、圧力エンタルピ曲線の蒸気領域内に前記蒸気を維持することを特徴とする請求項１３に記載の方法。

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