JPH08500931A - 燃料電池及びその電解質の加湿方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 酸素イオン又は水酸化イオン、或いは陽子伝導性電解質を備えた；燃料電池においては原理的に、電解質の乾燥収いは希釈化、従って空気作動の際の燃料電池の機能障害を回避するために、燃料ガスの空気加湿の間題がある。この場合空気加湿には特に構造的及び経済的な経費増加が障害となる。この欠点を回避するために、この発明によれば燃料電池の陰極側に生ずる排ガスの少なくとも一部が燃料電池の陰極側に再循環させられる。これにより電解質の水分量が再循環させられる排ガス量の簡単な調整により広い範囲で調整可能となる。これによりＰＥＭ燃料電池の経済的な使用が可能となる。この発明は、原理的には酸素イオン又は水酸化イオン、或いは陽子伝導性電解質を脩えたすべての燃料電池において適用可能である。

Description

【発明の詳細な説明】 燃料電池及びその電解質の加湿方法 この発明は、燃料電池、特にポリマー電解質膜型の燃料電池及び燃料電池の電 解質の加湿方法に関する。 燃料電池は一般に、導電板、陰極、イオン伝導性中間層、陽極及びもう１つの 導電板からなり、これらが上記の順序で平板状に積み重ねられたものである。こ の構成の燃料電池は、特に１９８９年ニューヨークで出版されたアプルバイ及び フォークス共著「燃料電池ハンドブック」並びにファウ・デー・イー報告第９１ ２号、１９９２年、１２５乃至１４５頁のカー・シュトラーサの論文「電気牽引 車用燃料電池」により公知である。燃料電池は化学的に結合されているエネルギ ーを直接電気エネルギーに変換できるので、いわゆるカルノー・サイクルにより その効率が制約されている従来公知の伝統的な火力発電所においてなされるより も、より高い効率でかつ環境に対してより少ない負担でその燃料、例えば水素、 天然ガス、バイオガスを電気エネルギーに変換することを可能にする。 前述の文献に従えば電気駆動力に関係してポリマー電解質膜型の燃料電池（Ｐ ＥＭ燃料電池）が好ましいとされている。この型の燃料電池は技術的に純粋なガ スでもＣＯ₂を含むガスや空気でも作動させることができる。自動車における使 用に対して特に有利なことを例示すれば、運転温度が低く（＜１００℃）、出力 密度が高く、長時間特性が良くかつ腐食性液状電解質がないことである。腐食性 液状電解質は例えば酸性又はアルカリ性の燃料電池において使用される。 上記の燃料電池における特別な問題は、燃料電池の作動中における電解質内の 水分バランスである。燃料電池特に電解質内の水分量は燃料電池の機能性に密接 に関係する。電解質内の水分量が高すぎるとその希釈度が高くなり燃料電池の利 用可能な出力の減少になる。また電解質の水分量が低すぎると内部抵抗が上がり 同様に燃料電池の電気出力の減少になる。さらに電解質が部分的に乾燥してもガ ス発生、即ち可燃性ガス混合物の生成に至ることもある。最悪の場合にはガス混 合物が燃焼して燃料電池の損傷又は破壊をもたらす。 それ故酸性又はアルカリ性の燃料電池において電解質の水分量の調整のために かなり経費を要する蒸発凝縮装置を設け、燃料電池に流入するガスの少なくとも 一部を水蒸気の輸送に使用しかつこの目的のために温度調節された水面上を案内 することが既に提案されている。 特に水素及び空気で作動するＰＥＭ燃料電池は陽子を導く膜内の水分量を調整 するために蒸発装置を必要とする。この蒸発装置はその寸法決めに関して最低の システム圧に適合させなければならない。なぜならばこの場合一定温度において 最大流量が加湿され、従って最大の物質交換面積が必要であるからである。この ような蒸発装置を使用する場合本来の燃料電池ブロックの大きさにも達するよう なかなり大きな構造容積と、これに伴う高い投資コストを欠点として甘受しなけ ればならない。これらの欠点はＰＥＭ燃料電池を使用する場合非常に重大であり 、その使用特に可動的な使用を、従ってまたこのような燃料電池のより広い適用 を妨げている。 この発明の課題は、燃料電池及びその電解質の加湿方法であって、燃料電池を 経済的な観点に立って使用できるように上記の欠点を解消することのできる方法 を提供することにある。 方法に関しての上記の課題は、陰極側に生ずる燃料電池の排ガスを少なくとも 部分的に燃料電池の陰極に再楯環させることにより解決される。これにより電気 化学的な反応の際燃料電池に生ずる水（生成水）が先ず余分の排ガスとともに燃 料電池の陰極から持ち去られ、次いで少なくとも部分的に燃料電池の陰極に再循 環させられる。これにより陰極に流入する酸化剤の加湿度が上がり、燃料電池の 電解質のよりよい加湿が保証される。なおこの場合燃料電池の陰極への酸化剤の 供給とは、周囲空気の空気中酸素の供給の他に技術的に純粋な酸素の供給をも意 味している。 燃料電池に関してのこの発明の課題は、燃料電池の陰極側に接続される排ガス 管に再循環路を接続し、これを介して陰極側に生ずる排ガスの少なくとも一部を 燃料電池の陰極に再循環可能にするとともに、再循環路に調整部材を付設させる ことにより解決される。 これにより燃料電池の陰極側から取り出された水及び熱の一部が再び陰極に戻 されることが可能になる。調整部材により排ガスの再循環させられる量を調整す ることができる。 この場合排ガスの再循環部分は調整部材により燃料電池の出力に比例するよう に調製されるのが特に好ましい。燃料電池の出力はその場合電流及び電圧を測定 することによって容易に求めることができ、その場合燃料電池の出力の上昇とと もに燃料電池の物質変換量も出力に比例して上昇する。調整部材により排ガスの 再循環部分はこれに応じて調整される。 排ガスの再循環部分を再び陰極側の入口空気圧に加圧するためには、再循環路 をガス圧縮器を介して陰極側に接続された空気供給管に接続するのが好ましい。 その場合ガス圧縮器は陰極入口と出口との間の比較的小さい圧力差のみを平衡し 、比較的小さい空気量を加圧しさへすればよい。 この発明の２つの実施例を図面を参照して詳しく説明する。 図１は陰極側に発生する燃料電池の排ガスのための再循環路を備えたＰＥＭ燃 料電池を概略的に示し、 図２は再楯環路が図１の実施例とは異なる形で空気供給管に接続されている部 分を示す。 図１に概略的に示された燃料電池２は冷却室４、冷却水側のスペーサ６、空気 ガス室８、カーボン紙からなる陰極側プレート１０、ブラチナ陰極１２、ＰＥＭ 膜１４（通常例えば「ナフィオン１１７」という名称で市販されている）、プラ チナ陽極１６、、カーボン紙からなる陽極側プレート１８、水素ガス室２０、冷 却水側のスペーサ２２及び冷却室２４を有し、これらがこの順序で１つの板状体 として積み重ねられている。陰極側の冷却室４及び陽極側の冷却室２４は図示さ れてない冷却水循環路に接続されている。空気ガス室８には入口側に空気供給管 ２６及び出口側に排ガス管２８が接続され、そして排ガス管は調整部材３０及び 膨張タービン３２を介して大気中に連絡している。調整部材３０には再循環路３ ４が接続され、これはガス圧縮器３６を介して空気供給管２６に接続されている 。空気の流れ方向に見て再循環路３４が空気供給管２６に接続される前で空気供 給管２６には空気圧縮器３８が接続されている。ガス圧縮器３６及び空気圧縮器 ３８の駆動力の一部はこの図では概略的にのみ示された接続管４０を介して排ガ ス 膨張タービン３２によって調達される。残りの駆動力はこの図で詳しくは示され ていないモータ４１により供給される。 水素ガス室２０の入口側には水素供給管４２が接続されている。この水素供給 管は水素源４４から弁４６及びガス加湿器４８を介して水素ガス室２０に入る。 水素ガス室２０の出口側には水素ガスの戻し管５０が接続され、これはガス圧縮 器５２を介して空気加湿器４８と水素ガス室２０との間で水素供給管４２に開口 している。 燃料電池２の作動の際この実施例では水素ガス室２０は約２バールの水素分圧 を受ける。ガス圧縮器３６及び空気圧縮器３８により空気ガス室８は空気圧を受 け、その際この実施例では空気静圧は約１．３乃至４バールａである。陰極では 空気酸素分子がそれぞれ４つの電子を取って触媒作用により２重の負に帯電され た２つの酸素イオンに変換される。酸素イオンは陰極１２とＰＥＭ１４との間の 境界層に達する。酸素の還元に必要な電子は触媒により陽極で生成され、そこで ぞれぞれ２つの水素分子が４つの水素イオンと４つの電子に分解される。その際 カーボン紙からなる除極側プレート１０に接続された端子５４及びカーボン紙か らなる陽極側プレート１８に接続された端子５６に約０．５乃至１Ｖの電圧Ｕ_Bz が設定された負荷電流に応じて印加される。 端子５４と５６との間に電気的な負荷が接続されると、、陽極で自由になった 電子は電流計５８及び図示されていない外部の電気負荷を介して陰極１２に流れ る。燃料電池２はその場合その規定に応じた運転を行い、約７００ｍＷ／ｃｍ² までの出力並びに１０００ｍＡ／ｃｍ²の電流密度に達する。その場合作動温度 は約８０℃である。先ずガス加湿器４８に導入されそこで加湿され水素供給管４ ２を介して陽極１６に流入する水素ガスは、その一部が燃料電池において電子を 放出し、次いで水を生成して消費される。生成水とも呼ばれるこの水は殆ど主と して陰極１２とＰＥＭ１４との間の境界面で形成されるので、水素ガスの消費さ れない部分は水素ガス戻し管５０に導かれる。生成水で加湿された水素ガスは次 いでガス圧縮器５２を介して再び水素供給管４２に導かれ、陽極１６に流入して 、陽極１６とＰＥＭ１４との間の境界面におけるＰＥＭ１４の乾燥を回避する。 水素ガスの消費された部分はその場合水素源４４から補充され、ガス加湿器４８ で加 湿される。ガス加湿器４８に、この図では示されていないが陰極側の排ガスから 得られた凝縮水を供給することもできる。 陰極側に生じた生成水は空気流とともに空気ガス室８から排ガス管２８へ流入 して燃料電池２から離れる。燃料電池の放出出力に関係して調整部材３０により 排ガスの一部が再循環路３４に導入され、そこからガス圧縮器３６を介して再び 空気供給管２６に供給される。これにより電気化学反応の際陰極１２とＰＥＭ１ ４との間の境界層に発生する水の一部が陰極１２に再循環させられ、これにより ＰＥＭ１４の乾燥、従って燃料電池２の機能障害が回避させられる。再循環させ られる空気量は燃料電池２の全負荷の際に排ガス空気量の約半分である。従って 陰極１２側のＰＥＭ１４の充分な加湿も保証される。 必要な空気比ｍ≧２．５及び半分の排気量が戻される場合全体で空気ガス室を 通して送られる空気量は約２０％上昇する。従って燃料電池２を通る空気路にお ける圧力降下及び従ってまた空気圧縮のための需要動力も上昇する。空気比ｍは その場合酸素需要（化学量論的）に対する空気中の酸素量として定義される。さ らになお再循環させられる排ガス量に対するガス圧縮器３６の動力需要が加わり 、その際ガス圧縮器３６は、再循環させられた排ガスを再び空気ガス室８の入口 空気圧に加圧するために、僅かな空気圧差を平衡しさえすればよい。空気圧縮器 ３８によって消費される動力の一部はその場合残りの排ガス量によって作動させ られる排ガス膨張タービン３２によってもたらされる。 排ガス空気のこの再循環が行われない場合には空気圧縮器３８にこの図には示 されていないガス加湿器を前置して、ＰＥＭの陰極側の乾燥を回避しなければな らない。この場合このいわゆる膜加湿器の寸法決めは、最低のシステム圧に従っ て、即ち可能な最大空気量に適合させて設定されなければならない。このような 膜加湿器は技術的に実現可能ではあるが、燃料電池２の積層体の数倍の容積を持 ちかなり高い製造コストを必要とする。従って膜加湿器の使用に伴う欠点はＰＥ Ｍ燃料電池２の使用を妨げるおそれがある。 図２は、再循環させられる空気を空気供給管２６に導入して圧力差を平衡する 異なる実施例を示す。このために再循環路３４の開口個所において空気ジェット 圧縮器６３が、その吸引管６０が再循環路３４に、圧縮空気供給管６２が空気圧 縮器３８に接続されるように組み込まれる。この場合燃料電池２に流入する圧縮 された空気により再循環させられるガス混合物が調整部材３０のその時の調整に 応じて吸引される。 陰極側に生ずる排ガスをこのように再循環させることにより僅かな経費で嵩の 大きいかつコストのかかる空気加湿器を節約することができ、従ってＰＥＭ１４ をベースとした燃料電池２の製造コストを減少する前提が作られる。 このように図１に対して僅かに変更された構造は、またアルカリ性又は酸性燃 料電池においても燃料電池の陰極側における個別の空気加湿器の使用の省略を可 能にする。全体としてこの発明により提案された方法は、これらの燃料電池にお いても燃料電池の全体効率の改善をもたらすことができる。図１に示された実施 例の全体効率は、部分負荷運転において例えば２０％の負荷率で６０％以上にな る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．燃料電池（２）の陰極側に生ずる排ガスが少なくとも部分的に燃料電池（２ ）の陰極（１２）に再循環させられることを特徴とする燃料電池の電解質の加湿 方法。 ２．燃料電池（２）の陰極側に接続された排ガス管（２８）に再循環路（３４） が接続され、これを介して陰極側に生ずる排ガスの少なくとも一部が燃料電池（ ２）の陰極（１２）に再循環させられ、、さらに再循環路（３４）には調整部材 （３０）が付設されていることを特徴とする請求項１記載の方法を実施するため の燃料電池。 ３．調整部材（３０）により再循環させられる排ガスの一部が燃料電池（２）の 放出出力に比例して調整されることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。 ４．再循環路（３４）がガス圧縮器（３６）を介して陰極側に接続された空気供 給管（２６）に開口していることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。 ５．空気供給管（２６）に空気の流れ方向に見て再循環路（３４）の開口個所の 前に空気圧縮器（３８）が組み込まれていることを特徴とする請求項４記載の燃 料電池。 ６．空気供給管に空気の流れ方向に見て再循環路の開口個所の後にガス圧縮器が 、開口箇所の前に絞りが組み込まれていることを特徴とする請求項２又は３記載 の燃料電池。 ７．再循環路（３４）が空気ジェット圧縮器（６３）の吸引管（６０）に開口し 、この空気ジェット圧縮器が空気供給管（２６）に接続されたガス圧縮器（３８ ）により圧縮空気を供給されかつ燃料電池（２）の陰極側に接続されていること を 特徴とする請求項２又は３記載の燃料電池。 ８．ポリマー電解質膜型（ＰＢＭ）の燃料電池であることを特徴とする請求項２ 乃至７の１つに記載の燃料電池。 ９．アルカリ性の燃料電池であることを特徴とする請求項２乃至７の１つに記載 の燃料電池。 １０．酸性燃料電池であることを特徴とする請求項２乃至７の１つに記載の燃料 電池。