(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学電池の活性部（６ａ）に流体（３１、４１）を吐出するための吐出ヘッド（２１）であって、前記吐出ヘッド（２１）において前記流体（３１、４１）が通過する吐出ライン（７ａ）が、液体を受け入れることができる空洞（３４）を含み、前記空洞（３４）が、電磁弁（３６）を介して排出管（３５）と連通してかつ前記排出管（３５）から受け入れた液体を排出し、前記吐出ヘッド（２１）が、前記吐出ライン（７ａ）からガス（Ｈ２、Ｎ２、Ｈ２Ｏ蒸気）を排出して前記ガス量の周期的または連続的サンプリングを可能にするためのチューブ（４４）を含み、前記チューブ（４４）が、前記空洞（３４）を横断することとを特徴とする吐出ヘッド。
【請求項２】
前記吐出ヘッドが、前記吐出ライン（７ａ）を外部回路に接続するための出口オリフィス（２６ｂ）を含むことと、前記空洞（３４）が、前記出口オリフィス（２６ｂ）の近傍に形成されることとを特徴とする、請求項１に記載の吐出ヘッド。
【請求項３】
前記空洞（３４）が、前記吐出ライン（７ａ）の底点に形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の吐出ヘッド。
【請求項４】
前記電磁弁（３６）が、前記吐出ライン（７ａ）に配置された液面センサ（４２）を含む、前記電磁弁の開放を制御するための手段（４２）に接続されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の吐出ヘッド。
【請求項５】
前記液面センサ（４２）が、前記空洞（３４）において、前記電磁弁（３６）の上に位置することを特徴とする、請求項４に記載の吐出ヘッド。
【請求項６】
前記電磁弁（３６）の開放を制御するための前記手段（４２）が、前記吐出ライン（７ａ）に位置する圧力センサを含むことを特徴とする、請求項４または５に記載の吐出ヘッド。
【請求項７】
前記チューブ（４４）の一端（４５）が、前記液面センサ（４２）の上に位置することを特徴とする、請求項４に記載の吐出ヘッド。
【請求項８】
前記空洞（３４）が、前記ライン（７ａ）から前記電磁弁（３６）に接続するために前記吐出ヘッド（２１）に作製されたオリフィス（３９）を介して前記吐出ライン（７ａ）に開口している管（３８）によって作られることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の吐出ヘッド。
【請求項９】
燃料電池の２つの電極（２、３）間で電流を生成するための酸化還元反応が内部で起きる少なくとも１つの基本セル（１）を含む燃料電池であって、請求項１〜８のいずれか一項に記載の吐出ヘッド（２１）を含むことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子化学電池用の流体吐出ヘッドに関する。本発明はまた、かかる流体吐出ヘッドを備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学電池は、エネルギ変換装置である。これらの装置は、一般に、エネルギ変換の方向に応じて分類される。電気エネルギから化学エネルギを生成する装置が電解槽と呼ばれるのに対して、化学エネルギから電気エネルギを生成する装置が、燃料電池またはバッテリと呼ばれる。
【０００３】
燃料電池によって、２つの結合した化学反応から電気を生成することが可能になる。すなわち、アノードとして周知の第１の電極における還元燃料の酸化、およびカソードとして周知の第２の電極における酸化剤の還元である。現在のところ、水素が可燃性物質として一般に用いられ、大気酸素が酸化剤として用いられる。
【０００４】
燃料電池は、輸送分野に特別な有用性を見い出しているが、輸送分野は、これまで、主として石油に由来する化石エネルギを基本的に用いてきた。このエネルギの使用は、地球における温室効果の増加に寄与する大量の二酸化炭素を生成する。粒子または窒素酸化物などの他の汚染物質もまた、石油系燃料の使用によって生成される。
【０００５】
供給ガスとして水素および酸素を用いる燃料電池を使用することの主な利点は、化学的な酸化および還元反応のただ１つの生成物が水であるということである。
【０００６】
区別可能な様々なタイプの燃料電池の中に、高分子電解質膜燃料電池としてもまた知られている陽子交換膜燃料電池がある。かかる電池は、アノードを形成するターミナルプレートと、カソードを形成するターミナルプレートとの間に挿入された基本セルまたは基本セルのスタックから形成される。
【０００７】
図１は、アノード２とカソード３との間に挿入された単一の基本セル１を含む陽子交換膜燃料電池を図で示す。基本セル１には、２つの活性層５ａと５ｂとの間に挿入された、膜４として周知の、例えば多孔質炭素の高分子電解質膜４が含まれる。各活性層５ａ、５ｂは、例えば紙または炭素繊維基板の拡散層６ａまたは６ｂにそれぞれ接している。拡散層６ａおよび６ｂによって、吐出ライン７ａおよび７ｂから発する供給ガスの、活性層５ａおよび５ｂへの拡散がそれぞれ可能になる。吐出ライン７ａおよび７ｂは、例えば、バイポーラプレート８ａおよび８ｂに部分的に収容されている。この図では、バイポーラプレート８ａおよび８ｂは、アノード２およびカソード３に直接接している。言うまでもなく、基本セル１のスタックの場合には、第１の基本セルのバイポーラプレート８ｂは、第２の基本セルのバイポーラプレート８ａと接する等である。
【０００８】
供給ガスとして水素および酸素を用いる陽子交換膜燃料電池において、水素は、例えば吐出ライン７ａを介してアノード２においてガス形態で導入され、一方で酸素もまた、例えば吐出ライン７ｂを介してカソード３においてガス形態で導入される。触媒、たとえば活性層５ａに含まれる白金がある状態では、水素は、以下の酸化反応に従って、電子ｅ−を放出する。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
【０００９】
活性層５ａに放出された電子ｅ−は、燃料電池によって生成された電気エネルギを用いる電気回路１０を介して活性層５ｂに入り、かつこの第１の反応中に放出された陽子Ｈ＋は、膜４を横断して活性層５ｂに移動する。活性層５ｂにおいて、以下の還元反応に従って、陽子Ｈ＋は、再び触媒がある状態で、酸素Ｏ２および電子ｅ−と結合する。
２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
【００１０】
全体として、次の酸化還元反応が起こる。
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
【００１１】
よりよいエネルギ収率のために、酸化および還元反応は、ある温度および圧力範囲内で起きなければならない。この適切な動作温度を保証するために、この温度範囲内の温度に維持された熱交換流体が、基本セル１の回りまたはその中を通る管を循環する。
【００１２】
燃料電池が機能するためには、燃料電池周辺の装置との多くの流体交換を必要とする。特に、熱交換流体は、装置の温度を維持するために装置を通過することを必要とする。同様に、吐出ライン７ａおよび７ｂは、水素および酸素供給回路に接続される必要がある。嵩を低減するために、流体吐出ラインは、流体吐出ヘッドまたはより簡単には吐出ヘッドとして周知の同様のコンポーネントに開口してもよい。
【００１３】
図２ａおよび２ｂは、吐出ヘッド２１の例を正面図および断面図でそれぞれ表す。
【００１４】
吐出ヘッド２１には、入口オリフィス２４ａにおいて熱交換流体管２３に接続された入口コネクタ２２ａが含まれる。管２３には、吐出ヘッド２１に統合された管部２３ａが含まれる。管２３は、基本セル（単数または複数）１の内部またはその回りに延び、管部２３ｂで終了するが、この管部２３ｂは、例えば、吐出ヘッド２１に統合される。この管部２３ｂには、出口コネクタ（図示せず）を受け入れることができる出口オリフィス２４ｂが含まれる。吐出ヘッド２１にはまた、吐出ライン７ａを水素供給回路などの外部回路に接続するための入口オリフィス２６ａおよび出口オリフィス２６ｂと、吐出ライン７ｂを酸素供給回路などの外部回路に接続するための入口オリフィス２８ａおよび出口オリフィス２８ｂと、が含まれる。
【００１５】
燃料電池が正しく機能するためには、膜４は、アノード２側における活性層５ａから、カソード３側における活性層５ｂへの陽子Ｈ＋の移動を可能にするために、水を含まなければならない。膜４は、透水性である。したがって、水の移動は、膜４の各側における水濃度の差により、拡散機構を介してカソード３からアノード２に行われる。この水拡散機構は、窒素などの他の種の拡散と共存する。燃料電池の温度ゆえに、吐出ライン７ａを出る水は、ほぼガス形態で存在する。電池の収率を最適化するために、およびその耐用年数を向上させるために、この水および窒素などの他の種は、水素と共に吐出ライン７ａの入口に再注入される。水素の循環ならびに水および窒素の再注入は、例えば、図２ａおよび２ｂに示すポンプまたはエゼクタ３０を含む、燃料電池外部の回路によって保証してもよい。しかしながら、液体形態で存在する水量は、正確に制御しなければならない。その理由は、次のことである。すなわち、基本セル１における過剰な水量は、活性層５ａおよび５ｂへの水素および酸素の供給を妨げ、燃料電池の端子における電圧反転に帰着し、したがって、水の電気分解に帰着するということである。ある場合には、例えば強い電流需要の場合には、燃料電池は、破壊される可能性がある。吐出ライン７ａの入口において液体形態の水の注入における危険を制限するために、吐出ライン７ａの上流において、水素供給回路に従来の相分離器を配置することが可能である。しかしながら、かかる相分離器は、一般に、かさばる。この嵩は、持ち運び可能な使用のためには不便である。さらに、吐出ライン７ａの上流に配置された相分離器は、分離器を入口オリフィス２６ａに接続する管において水の凝縮を制御しないために、基本セル１内に液体形態で存在する水量を制御することができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の一目的は、特に、基本セル１内で水量を制御できる、それほどかさばらない装置を提案することによって、上記の欠点の全てまたはいくつかを克服することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この目的のために、本発明の一主題は、電気化学電池の活性部に流体を吐出するためのラインを含む流体吐出ヘッドであって、吐出ラインが、電磁弁を介して排出管と連通している空洞を含むことを特徴とする流体吐出ヘッドである。本発明の主題はまた、燃料電池の２つの電極間で電流を生成できる酸化還元反応が内部で起きる基本セルを含む燃料電池であって、本発明による吐出ヘッドを含むことを特徴とする燃料電池である。
【００１８】
本発明の利点は、特に、本発明が、最低限の嵩で、燃料電池において液体形態で存在する水の量を制御できるということである。本発明はまた、水素供給回路の長さを最小限にし、したがって、凝縮を制限する。したがって、ガス形態の水が保持され、水素吐出ラインの入口に再注入され、燃料電池の耐用年数の向上を保証する。
【００１９】
例として提示される実施形態の詳細な説明を読むことによって、本発明はよりよく理解され、他の利点が明らかになろう。この説明は、添付の図面に関連して作成されている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】陽子交換膜燃料電池およびその動作原理である。
【図２ａ】燃料電池用の流体吐出ヘッドの例である。
【図２ｂ】燃料電池用の流体吐出ヘッドの例である。
【図３】本発明に関連する流体吐出ヘッドの一部である。
【図４】本発明に関連する流体吐出ヘッドの一部である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
説明の残りでは、供給ガスとして水素および酸素を用いる燃料電池、例えば陽子交換膜燃料電池を検討する。しかしながら、本発明の範囲から逸脱せずに、他の供給ガスを用いることが可能である。さらに、本発明は、他のタイプの燃料電池および一般に任意の電気化学電池に等しく適用される。
【００２２】
図３および４は、流体吐出ヘッド２１の一部の断面図を示す。吐出ヘッド２１には、吐出ライン７ａの出口オリフィス２６ｂが含まれる。吐出ライン７ａは、燃料電池の活性部、この例ではアノード２側の吐出層６ａと連通している。したがって、酸化反応によって消費されなかった水素Ｈ２、窒素Ｎ２、ならびに液体およびガス形態の水Ｈ２Ｏ液体＋蒸気を含む流体混合物３１が、燃料電池の活性部およびヘッドから出口オリフィス２６ｂに到着する。コネクタ３２が、吐出ライン７ａを、水素供給回路などの外部回路（図示せず）に接続する。本発明によれば、吐出ライン７ａには、電磁弁３６を介して排出管３５と連通している空洞３４が含まれる。空洞３４は、例えば吐出ヘッド２１の形態で作られるか、または図３および４に示すように、吐出ヘッド２１に作製されたオリフィス３９を介して吐出ライン７ａに開口する管３８によって作られる。後者の実施形態によって、本発明は、空洞３４が元々は計画されなかった吐出ヘッド２１に適用することが可能になる。本発明によって、空洞３４における液体の通過中に、空洞３４においてこの液体を案内することが可能になる。電磁弁３６が閉じられている場合には、例えば液体形態の水Ｈ２Ｏ液体は、空洞３４にためられ、電磁弁３６が開いている場合には、液体は排出管３５に排出される。
【００２３】
特定の一実施形態によれば、空洞３４は、出口オリフィス２６ｂの領域に形成される。この実施形態によって、液体形態で存在する水Ｈ２Ｏ液体を、流体混合物３１の残り、特に水素Ｈ２、窒素Ｎ２、およびガス形態Ｈ２Ｏ蒸気の水Ｈ２Ｏから分離することが可能になる。流体混合物３１の残りは、ガス混合物４１と呼ばれる。この実施形態によれば、空洞３４における流体混合物３１の通過中に、液体形態の水Ｈ２Ｏ液体は、空洞３４に案内され、一方でガス混合物４１は、出口オリフィス２６ｂへ導かれる。
【００２４】
特定の一実施形態によれば、空洞３４は、吐出ライン７ａの底点に形成される。用語「底点」は、地球の重力の影響で液体が自然にたまる、吐出ライン７ａの点を意味する。この実施形態によって、吐出ライン７ａに存在する液体形態の水Ｈ２Ｏ液体の全てを空洞３４に集めることが可能になる。したがって、吐出ライン７ａおよびしたがって基本セル１（単数または複数）における液体水量Ｈ２Ｏ液体は、空洞３４に存在する水量を監視することによって、正確に制御することが可能である。
【００２５】
特定の一実施形態によれば、電磁弁３６は、その開放を制御するための手段に接続される。これらの手段には、例えば、燃料電池の機能を管理するための独立したコンピュータまたはシステムが含まれる。電磁弁３６の開放を制御するための手段にはまた、例えばコンピュータに接続された、吐出ライン７ａに位置する液面センサ４２を含んでもよい。この実施形態によれば、電磁弁３６の開放は、吐出ライン７ａにおける液面に応じて制御してもよい。電磁弁３６は、例えば、液体センサ４２が液体の存在を検出した場合に開き、液体センサ４２が液体を少しも検出しない場合には閉じられる。
【００２６】
図３および４に示す一実施形態において、液面センサ４２は、空洞３４において電磁弁３６の上に位置する。換言すれば、液面センサ４２および電磁弁３６は、液体が重力によって空洞３４にたまり、その後液面センサ４２に達するように配置される。この実施形態によって、最小量の液体形態の水Ｈ２Ｏ液体を空洞３４の底部にためる一方で、同時に空洞３４の溢流を回避することが可能になる。したがって、ガス混合物４１は、排出管３５を介して排出される危険がなく、液体水Ｈ２Ｏ液体は、吐出ライン７ａから排出される。
【００２７】
一実施形態において、電磁弁３６の開放を制御するための手段には、吐出ライン７ａに位置する圧力センサが含まれる。この圧力センサは、燃料電池の機能を管理するためのコンピュータまたはシステムに接続してもよい。圧力センサは、吐出ライン７ａ内で優勢な圧力に関する情報を提供する。この圧力はまた、電磁弁３６の開放を操作するために考慮してもよい。特に、電磁弁３６は、圧力が所定の閾値を超えた場合に開放してもよい。次に、全ての液体水Ｈ２Ｏ液体は、排出管３５を介して排出してもよい。電磁弁３６の開放によってまた、流体混合物３１の全てまたは一部を排出し、それによって、吐出ライン７ａにおける圧力を低減することが可能になる。この動作段階が、図４に示されている。次に、電磁弁３６は、圧力が、ある値より下に戻った場合か、または一定時間後に再び閉じることができる。圧力センサ、電磁弁３６、および排出管３５の組み合わせは、実際は過剰圧力チェック弁としての役割をする。
【００２８】
特定の一実施形態によれば、吐出ヘッド２１には、吐出ライン７ａからガスを排出するためのチューブ４４が含まれる。チューブ４４は、小型の装置を得るために、空洞３４を横断してもよい。特に、排出されるガスは、流体混合物３１の水素Ｈ２、窒素Ｎ２、およびガス形態の水Ｈ２Ｏ蒸気であってもよい。チューブ４４の内径は、例えば０．１〜０．７ｍｍである。チューブ４４は、吐出ライン７ａからのあるガス量の周期的または連続的サンプリングを可能にする。ガスのこのサンプリングは、特に、水素Ｈ２供給回路における窒素Ｎ２濃度の上昇を制限し、それによって、吐出ライン７ａの入口に存在する水素Ｈ２と他のガスとの間の比率を調整する。
【００２９】
一実施形態において、チューブ４４の一端４５は、液面センサ４２の上に位置している。したがって、吐出ライン７ａに存在するガスは、液体水Ｈ２Ｏ液体を排出せずにサンプリングすることが可能である。
【００３０】
要約すると、本発明は、最低限の要素および低減された嵩で、いくつかの機能を実行することができる。本発明は、特に、液体水Ｈ２Ｏ液体を排出する機能、過剰圧力チェック弁としての機能、および窒素Ｎ２の量を調整する機能を実行する。
【図１】
0005581537.tif 000002
【図２ａ】
0005581537.tif 000003
【図２ｂ】
0005581537.tif 000004
【図３】
0005581537.tif 000005
【図４】
0005581537.tif 000006