(57)【要約】燃料電池スタックのアノード（３）とカソード側（４）のガスの間の圧力差を低減するためのミキサー／エダクター（７）を含む燃料電池システムが開示された。ミキサー／エダクター（７）は、アノードの後ろあるいは排気燃料ガス（３ｂ）と新しい空気または酸化剤供給ガス入口との間の混合ポイントに配置された。入力酸化剤圧力は燃料排気ガス上に吸気を形成するために高速運動量の流れに変換される。この吸気は、ガス配管と排気燃料ガスを燃やすのに使用する酸化装置における圧力損失を補償し、アノード側とカソード側のガス圧の実質的なバランスをとるという結果となる。ミキサー／エダクター（７）は、軸状あるいは環状ジェットポンプユニットの形態であり得て、両方とも燃料排ガスを入力酸化剤あるいは空気と積極的に混合する点で有利である。ミキサー／エダクターの形状は、選ばれた範囲の操作状態で圧力バランスをとるために適切な吸気を提供するために変更することができる。さらに、入ってくる新しい空気流速あるいは酸化剤の排気リサイクル流速は、任意操作点で活発に圧力バランスをとるために変更され得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード側とカソード側とを持つ燃料電池スタックであって、前記アノード側が、燃料を受け取る入口と排気燃料ガスを放出するための出口とをもち、前記カソード側が、酸化剤を受け取る入口と排気酸化ガスを放出するための出口とをもつ燃料電池スタックと、
酸化剤と排気燃料ガスとを燃焼し、前記カソード側の入口に結果物のガスを配送する燃焼部と、
前記アノード側の前記出口からの前記排気燃料ガスと酸化剤ガスの供給に作用して混合し、前記結果物である混合物ガスを前記燃焼部に配送するミキサー／エダクターであって、前記アノード側の出口の排気燃料ガス圧力と前記カソード側の入口の酸化剤ガス圧力との間の圧力差が低減されるように、前記排気燃料ガスと酸化剤ガスの供給に作用して混合するために適合されているミキサー／エダクターと、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記ミキサー／エダクターは、前記入ってくる酸化剤ガスの速度を増加し圧力を低減し、それによって、前記排気燃料ガスに対して真空を生じる高圧の酸化剤の流れを生成するためのピンチ領域をもつことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記ミキサー／エダクターは、さらに、前記高圧の酸化剤の流れと前記排気燃料ガスとが混合され、前記結果物である混合物の圧力が増加される、前記ピンチ領域に続く混合および回復領域を有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。
【請求項４】
前記ピンチ領域は、前記圧力差の低減を提供するように制御されてい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。
【請求項５】
前記ミキサー／エダクターに酸化剤を供給するための制御可能な流速を有する酸化剤供給部をさらに有し、前記流速は、前記圧力差の低減を提供するようにさらに制御されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記カソード側の出口から前記ミキサー／エダクターまで酸化剤を供給するために、排気酸化剤ガスをリサイクルするリサイクル送風機をさらに有し、前記送風機は、前記圧力の低減を提供するようにさらに制御されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記ミキサー／エダクターは環状ミキサー／エダクターであ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。
【請求項８】
前記ミキサー／エダクターは軸状ミキサー／エダクターであ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。
【請求項９】
前記ミキサー／エダクターは軸状／環状ミキサー／エダクターであ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。
【請求項１０】
前記ミキサー／エダクターに酸化剤を供給するための制御可能な流速を有する酸化剤供給部をさらに有し、前記流速は、前記圧力差の低減を提供するようにさらに制御されてい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。
【請求項１１】
前記カソード側の出口から前記ミキサー／エダクターまで酸化剤を供給するために、排気酸化剤ガスをリサイクルするリサイクル送風機をさらに有し、前記送風機は、前記圧力の低減を提供するようにさらに制御されてい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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックのアノードすなわち燃料側と、カソードすなわち酸化剤側との間で圧力差をもつ燃料電池スタックを利用する燃料電池システムに関し、特に、この圧力差を少なくするための機構を組み込んでいる、このタイプの燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素やメタンなどの燃料中に蓄えられた化学エネルギーを電気化学反応によって電気エネルギーに直接変換する装置である。これは、最初に、熱を発生させるために燃料を燃焼し、次に熱を機械的エネルギーにし、最後に電気に変換しなければならない伝統的な電力発生方法と異なる。燃料電池によって利用される多くの直接変換プロセスは、効率の増加と汚染物質放出の低減との両方で伝統的な方法よりかなりの利点を持っている。
【０００３】
一般に、燃料電池は、バッテリーと同様に、電極間で電気的にチャージされたイオンを伝導するために働く電解質によって分離された、負のすなわちアノード電極と正のすなわちカソード電極とを含む。しかしながら、バッテリーと異なり燃料電池は、燃料と酸化剤とがそれぞれアノードとカソードとに供給される限り電力を発生させ続けるだろう。これを実現するために、ガス流の場（gａs flow fields）が燃料と酸化剤ガスとが供給されるアノードとカソードとに隣接して提供される。有用な電力レベルを生成するために、各セル間で電気伝導性の分離板を用いて、多くの各燃料電池が直列に積層される。
【０００４】
高温の燃料電池スタックにおいて、スタックのアノード側とカソード側とを通り抜けるガスの圧力差を最小にするのが望ましい。これは、燃料ガスと酸化剤ガスとを互いに分離された状態に維持するためのシールを提供することをこのスタックのあるセクションに、必要とするからである。この要求されるシールを達成するために、ガスケットをはさむ表面が、互いに機械的に押しつけられて「許容できる」漏出速度を実現する。この漏出速度は圧力差の関数である。したがって、圧力差を最小にすることは、過度の漏れを防ぐために重要である。
【０００５】
従来のシステムにおいて、圧力差を最小に保つことは、スタックのカソード側の入口の酸化剤ガス圧力をスタックのアノード側の出口の排気燃料ガス圧力と等しくなるようにさせることによって達成されてきた。これは圧力を不均等にさせる傾向がある他の操作条件にもかかわらず実現されなければならない。
【０００６】
特に、燃料電池スタックにおいて、新しい空気は通常酸化剤として供給され、スタックのカソード側の入口で供給される。この新しい空気は通常周囲温度であるので、スタックの運転温度まで加熱されなければならない。空気の加熱は、入力空気中で燃料電池スタックのアノード側からの未使用あるいは排気燃料ガスを燃焼させることによって実行される。２つの流れの合流点におけるプロセス流動の期間（terms of process flow）、スタックのアノード側出口のガス圧は、スタックのカソード側入口のガス圧と結合される。このようにして、アノード側の出口圧力は、接続パイプとガスを燃やすために使用される酸化装置（oxidizer）とに関連づけられる圧力損失を克服ために必要とされる量で、カソード側の入口圧力よりも高いことが必要である。
【０００７】
現在の燃料電池システムは、この圧力差問題を解決するためにさまざまなアプローチを使用している。そのアプローチの１つは、接続パイプと酸化装置の圧力損失を克服するためにスタックのアノード側の出口と混合点の間に置かれた高温ブースター送風機を利用する。これは独立して圧力バランスを制御する利点を持っているが、商業的なシステムに対してかなりの費用と信頼性の問題とを追加する。別のアプローチは、混合装置と酸化装置を通るアノード排ガスと新しい空気の酸化剤ガスの両方を引き込むための川下の熱いリサイクル送風機を利用する。このシステム構成は、その差へのいくつかの制御でカソード側の入口ガス圧がアノード側の出口ガス圧より高く運転することを許容する。このシステムの欠点は、システムのハードウェアの総合的な複雑さとともに、リサイクル送風機の費用と信頼性である。この問題へのさらなるアプローチは、単に燃料圧力が酸化剤圧力よりも高く運転することを許容することである。この場合において、多数の操作問題が起きることが経験されている。これらの問題は、不均一なスタック温度、システム効率の低下および排気汚染物質放出の増加を含む。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、スタックのカソード側入口のガスとアノード側出口のガスの間の差圧が上記欠点を避ける方法で低減されるような燃料電池スタックを利用する燃料電池システムを提供することである。
【０００９】
本発明の別の目的は、スタックのカソード側の入口ガスとアノード側の出口ガスの間の差圧が簡単かつ容易な方法で低減させるような燃料電池スタックを利用する燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明の概要
本発明の原理によると、上記のおよび別の目的は、ミキサー／エダクターがシステムで利用される上記タイプの燃料電池システムにおいて実現される。ミキサー／エダクターは、スタックのカソード側入口に供給される新しい酸化剤あるいは空気を受けとり、さらに、スタックのアノード側出口から配送される排ガスを受けとる。ミキサー／エダクターは、作動し、酸化装置を介して通過するこれらのガスを混合し、その後、スタックのカソード側入口に配送する。本発明によると、ミキサー／エダクターは、スタックのアノード側出口ガスとスタックのカソード側入口ガス間の圧力差が低減されるように、作動してこれらのガスを混合する。また、圧力差低減の更なる制御が、供給された新しい空気の流速を制御することによって実現される。
【００１１】
本発明の更なる態様において、リサイクル送風機は、スタックのカソード側出口と、圧力差を低減する追加の制御を提供するミキサー／エダクターとの間に置かれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の上記および別の特徴と態様とが付随の図面と関連して以下の詳細な記載を読むことにより明白になるであろう。
【００１３】
図１は本発明の原理に従って燃料電池システム１を概略的に示す図である。図に示されるように、システム１は、燃料すなわちアノード側３と、酸化剤すなわちカソード側４をもつ燃料電池スタック２を含んでいる。アノード側３は、新しい燃料の供給用入口３ａと排気される燃料の抽出用出口３ｂとを含んでいる。また、カソード側４は、酸化剤を受け取る入口４ａと排気された酸化剤を排出する出口４ｂとを含む。
【００１４】
酸化剤源５は、制御可能な流体レートまたは流速で、空気として示される酸化剤をシステム１に供給する。酸化剤（oxidant）は、スタック２のアノード側３の出口３ｂから配管１１で運ばれる排気された燃料を用いて酸化装置６中で酸化剤を燃やすことによって加熱される。酸化装置６は、通常、酸化触媒床（oxidation catalyst bet）である。結果物である加熱されたガスは、スタック２のカソード側４の入口４ａに配管１２を通って供給される。
【００１５】
スタック２を通過する酸化剤と燃料ガスとの間の圧力差を最小に保持するために、システム１は、出口３ｂの排気燃料ガスと入口４ａの酸化剤供給ガスとの間の圧力差を低減するように適合されている。特に、これは、本発明の原理によると、システム１にミキサー／エダクター７を組み込むことによって実現される。すなわち、ミキサー／エダクターは、配管１１を通して出口３ｂからの排気燃料ガスと入口７ｂで供給部５からの酸化剤ガスとを受けるために配置される。
【００１６】
ミキサー／エダクター７は、酸化剤供給ガスの速度を増加し圧力を低減させ、それによって、真空を作るために適合させられている。この真空は、ミキサー／エダクター７へ排気燃料ガスの入口７ａのポイントで排気燃料ガスの圧力を低減させ、次に、ミキサー／エダクターを通る排気燃料ガスを吸引する。酸化剤と排気燃料のガスとは、こうして混合され、混合されたガスの圧力は、ミキサー／エダクターを通って酸化装置６に結合される出口７ｃまで通過する際に増加する。ミキサー／エダクター７の構成の適当な選択によって、入ってくる排気燃料ガスの圧力の低減と混合されたガスの圧力増加は、アノード側出口３ｂのガス圧がカソード側入口４ａにおけるガス圧に実質的に等しくさせられ結果となるように制御される。
【００１７】
図２、３および６は、それぞれ図１のミキサー／エダクター７として使用可能な環状タイプのミキサー／エダクター、軸状タイプのミキサー／エダクターおよび軸状／環状タイプのミキサー／エダクターを示している。これらのユニットのそれぞれにおいて、通常の「ピンチ領域」が存在する。その「ピンチ領域」とは、入力してくる酸化剤ガスの速度とその圧力とが低減されて真空を作りかつその「ピンチ領域」に隣接して排気燃料ガスが導入される。「ピンチ領域」に続くものは、ガスが混合され、混合されたガス圧が増加する「圧力の回復と混合領域」である。このタイプのミキサー／エダクター・ジェットポンプユニットは、特別なアプリケーションの要求を満たすために標準設計手順を用いて提供することができる。
【００１８】
図２の軸状ミキサー／エダクターにおいて、ピンチ領域では、入口７ｂで入力する供給部５からの酸化剤は、入口７ａを形成する円状の開口を取り囲む環状部７ｄに向かって絞られる（pinched）。環状部ｄの断面積は、入口７ｂでの入力酸化剤の静圧Ｐ１が増加する速度に変換され、それにより、環状部７ｄで静圧をＰ２に低減させるように選択される。公知のベルヌーイ方程式はこの現象を記載する。
【００１９】
【数１】
2005531910.tif 000003
【００２０】
方程式（１）では、Ｐは静圧を表し、ｕは流体速度を表し、ρは流体密度を表す。方程式（１）の左辺は、使用可能な全圧力を表す。速度ｕが増加すると、静圧Ｐ２は、方程式（１）がバランスされるために低減されなければならない。低減された圧力Ｐ２は、ミキサー／エダクターまで排気燃料ガスの入口ポイント７ａで低減された圧力Ｐ３に(圧力Ｐ３は圧力Ｐ２に実質的に等しい)、スタック２のアノード側出口３ｂで低減された圧力Ｐ４(圧力Ｐ４はＰ３プラス管１１による圧力損失プラスに等しい)に変換する。ピンチ領域を通って混合および回復領域までに通過する際に、ガスは混合されて、混合されたガス圧が出口７ｃで圧力Ｐ５まで加圧される。
【００２１】
出口３ｂの静圧Ｐ４と入口４ａの静圧Ｐ６間の差を最小にするために(圧力Ｐ６は、圧力Ｐ５マイナス酸化装置６および管１２による圧力損失に等しい)、環状部分７ｄの流れ領域（flow area）は、静圧Ｐ２を十分に低減するのに要求される速度ｕ２を作るために選択される。これは、順次、静圧Ｐ３に対応する低減、したがって、Ｐ４に変換する。
【００２２】
図４は、図２のタイプのプロトタイプのミキサー／エダクターに対する酸化剤供給流速の関数として圧力Ｐ２を示す図である。曲線は、方程式（１）から予想される特徴的な放物線形状を示している。方程式（１）に不可逆的な圧力損失を考慮する条件（term）の追加を与えると、
【００２３】
【数２】
2005531910.tif 000004
【００２４】
ここで、Ｋ１は、図４のデータを使用して計算された実証的な損失係数である。この損失係数を使用して、Ｐ２は、環状セクション７ｄ(ピンチののど領域)と酸化剤ガスの空気流速に対する領域の範囲を計算することができ、図５のグラフを発生する。この図を使用して、環状セクション７ｄの領域は、アノードとカソード側の圧力(Ｐ４とＰ６)のバランスをとるために期待される酸化剤ガスの流速と要求される圧力Ｐ２に基づいて選択されることができる。
【００２５】
図３と６のミキサー／エダクターにおいて、同様の手順に従うことができる。図３のミキサー／エダクターでは、ピンチ領域を形成する環状セクションの領域の代わりに、ノズルの領域は、ピンチ領域を形成し、圧力Ｐ２に所望の低減を提供し、その結果、圧力Ｐ４とＰ６のバランスをとるために選択される。図６のミキサー／エダクターにおいて、ピンチ領域は、図３のノズル領域と図２のミキサー／エダクターの環状セクション領域との組み合わせによって形成される。この場合において、これらの領域は、一緒に所望の低減圧力Ｐ２を提供し、その結果、Ｐ４とＰ６バランスをとるために選択される。
【００２６】
圧力Ｐ４とＰ６における圧力差を低減するための追加制御は、酸化剤供給ガスの流速を制御することによってもたらされることに着目すべきである。通常、これは、供給部５に制御可能な送風機を含むことによってなされ得る。
【００２７】
さらに、本発明の更なる態様において、リサイクル送風機８は、スタックのカソード側の出口４ｂからの排気酸化剤ガスを供給部５からの酸化剤と結合してリサイクルするために使用される。この送風機をリサイクルされた排気酸化剤ガスの流速を調整するために制御することによって、再び圧力Ｐ４とＰ６の間の圧力差を低減する追加の制御がもたらされる。
【００２８】
すべての場合において、上記説明された配置は、本発明の応用を表す多くの可能な特別な実施例の単なる例示であることが理解される。多くの様々な他の配置は、本発明の精神と範囲から離れずに本発明の原理に従って容易に考案することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の原理に対応するミキサー／エダクターを組み込んでいる燃料電池システムを示す図である。
【図２】図１の燃料電池システムでミキサー／エダクターとして使用可能な環状タイプのミキサー／エダクターを示す図である。
【図３】図１の燃料電池システムでミキサー／エダクターとして使用可能な軸状タイプのミキサー／エダクターを示す図である。
【図４】ミキサー／エダクター入口で酸化剤の空気の流速の関数として、入口ポイントで燃料電池スタックのアノード側の出口から図２で示されるタイプのミキサー／エダクターまでの排ガスの測定された圧力を示す図である。
【図５】図２のミキサー／エダクターに対し種々の空気流速に対するピンチ流れ領域の関数として予測されたピンチ圧力を示す図である。
【図６】図１の燃料電池システムにおけるミキサー／エダクターとして使用可能な軸状／環状タイプのミキサー／エダクターを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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