(57)【要約】  燃料電池システムは、第一の複数の燃料電池を有する燃料電池スタックを備える。第一の複数の燃料電池の各電池が、アノード、カソードおよび両者間の電解質を有し、電流、酸素排出流および水素を含む排出流を生成するように第一の燃料電池は水素を含む燃料および酸素の供給源と連通している。さらに前記スタックは、第二の複数の燃料電池を備え、その各電池が、アノード、対向する電極および両者間に電解質を有し、第二の複数の燃料電池は、水素リッチな流れを生成するように電流および水素を含む排出流に連通している。水素を含む燃料供給源の少なくとも一部として水素リッチな流れを受けるように第一の複数の燃料電池と第二の複数の燃料電池は連通している。
2007516585.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックを含む燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックは、各電池がアノード、カソードおよび両者間に配置された電極を有する第一の複数の燃料電池を備え、前記第一の複数の燃料電池は、水素を含む燃料および酸素の供給源と連通していて、電流と酸素の排出流と水素を含む排出流とを生成し、
さらに前記スタックは、各電池が、アノード、対向する電極および両者間の電解質を有する第二の複数の燃料電池を備え、前記第二の複数の燃料電池は、前記対向する電極で水素リッチな流れを生成するように、前記電流および前記水素を含む排出流に接続され、前記第一の燃料電池は、前記水素を含む燃料供給源の少なくとも一部として前記水素リッチな流れを受けるように、前記第二の複数の燃料電池と連通していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第一の複数の燃料電池は、前記水素を含む燃料供給源と連通したアノード入口と、前記酸素供給源に連通したカソード入口と、アノード出口と、カソード出口と、を有し、前記第二の複数の燃料電池は、前記第一の複数の燃料電池の前記アノード出口と連通したアノード入口と、システムの排出口と連通したアノード出口と、前記第一の複数の燃料電池の前記アノード入口と連通した対向する電極の出口と、を有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。
【請求項３】
前記第一および第二の複数の燃料電池が二つの端部を有する前記スタック内に配置され、さらに前記端部に位置する二つの電流コレクタを備え、前記第一の複数の燃料電池により生じた電流が前記第二の複数の燃料電池を通過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。
【請求項４】
リサイクルポンプが、前記第一の複数の燃料電池の前記アノードからの排出流と前記アノードへの入口との間を連通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。
【請求項５】
前記リサイクルポンプが、前記燃料電池システムへの水素供給源と連通する入口と、前記アノードからの前記排出流と連通するリサイクル入口と、前記第一の複数の燃料電池の前記アノードへの入口と連通する出口と、を有するリサイクルエゼクタであ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】
前記第二の複数の燃料電池を横切る電流を供給する外部電源を含む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７】
前記第一の複数の燃料電池と前記第二の複数の燃料電池との間に配置された電流供給プレートを備え、前記電源がこの電流供給プレートと前記スタックの端部に位置する電流コレクタとの間に電気的に接続されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記電源を選択的に操作するために前記スタックおよび前記電源に機能的に接続された制御部材を含むことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
各電池が、アノード、カソードおよび両者間に配置された電極を有する第一の複数の燃料電池と、各電池が、アノード、対向する電極および両者間の電解質を有する第二の複数の燃料電池と、を備える燃料電池スタックを含む燃料電池システムの運転方法であって、
前記第一の複数の燃料電池のアノード入口に水素を含む燃料を供給し、
前記スタックを通る電流および水素を含む排出流が生じるように、前記第一の複数の前記燃料電池のカソード入口に酸素を供給し、
前記第二の複数の燃料電池のアノード入口に前記水素を含む排出流を供給し、前記前記第二の複数の燃料電池は前記対向する電極から水素リッチな流れが生じるように前記電流と接続されており、
前記水素リッチな流れを前記第一の複数の燃料電池の前記アノード入口に供給することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１０】
前記水素リッチな流れが実質的に純粋な水素が飽和した水流であることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１１】
前記第二の複数の前記燃料電池を横切る外部電源電流を供給するステップを含むことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１２】
前記第二の複数の燃料電池を横切る前記電流を選択的に供給するように前記外部電源を選択的に操作するステップを含むことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。特に、燃料電池に関連する水素リサイクルを増大するシステムと方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの作動における目的は、アノード内の内部水素の利用を低レベルとしつつ、外部の水素を多く利用することである。これは、通常、水素リサイクルブロワーや、水素の流れを内部でカスケードすることを必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
カスケードすることによって、燃料電池の設計を複雑にし、システムをパージするのが困難になり、増大した電池スタックの電位が減衰する。
【０００４】
水素リサイクルポンプは、騒がしく、制御システムを必要とし、付随的な電力を使用し、信頼性に問題がある。
【０００５】
本発明の主目的は、上述の問題を解決する改良されたシステムと方法を提供することである。
【０００６】
本発明のその他の目的は、燃料電池スタック内の様々な電流にもかかわらず、水素の利用が一定に保たれるように作動するシステムおよびその運転方法を提供することである。
【０００７】
本発明のその他の目的および利点は、以下で明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によって、上述の目的と利点が達成される。
【０００９】
本発明による燃料電池システムは、第一の複数の燃料電池を有する燃料電池スタックを備える。各電池が、アノードと、カソードと、その間に電解質を有する第一の複数の燃料電池を備え、前記第一の複数の燃料電池は、水素を含む燃料および酸素の供給源と連通していて、電流と酸素の排出流と水素を含む排出流とを生成する。さらに前記スタックは、各電池が、アノード、対向する電極および両者間の電解質を有する第二の複数の燃料電池を備え、前記第二の複数の燃料電池は、前記対向する電極で水素リッチな流れを生成するように、前記電流および前記水素を含む排出流に接続される。前記第一の燃料電池は、前記水素を含む燃料供給源の少なくとも一部として前記水素リッチな流れを受けるように、前記第二の複数の燃料電池と連通している。
【００１０】
本発明では、さらに燃料電池スタックを含む燃料電池システムの運転方法が提供される。燃料電池システムは、各電池が、アノード、カソードおよび両者間に配置された電極を有する第一の複数の燃料電池を備え、各電池が、アノード、対向する電極および両者間の電解質を有する第二の複数の燃料電池を備える。この運転方法では、前記第一の複数の燃料電池のアノード入口に水素を含む燃料を供給し、前記スタックを通る電流および水素を含む排出流が生じるように、前記第一の複数の前記燃料電池のカソード入口に酸素を供給し、前記第二の複数の燃料電池のアノード入口に前記水素を含む排出流を供給し、前記第二の複数の燃料電池は前記対向する電極から水素リッチな流れが生じるように前記電流と接続されており、前記水素リッチな流れを前記第一の複数の燃料電池の前記アノード入口に供給する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、燃料電池システムとその方法に関する。特に、アノード排出口からスタックのアノード燃料入口へと戻る水素の分離とリサイクルのために燃料電池スタック内の燃料電池を水素ポンプセルとして用いるシステムと方法に関する。これにより、内部水素の利用を最小限にしつつ、所望するように、外部水素の利用を多くして、さらに、アノード排出口からアノード入口へと戻る純度の高い水素流のリサイクルを提供する。
【００１２】
図１は、エンドプレート／電流コレクタ１６、１８間のスタック１５内に複数のアノード１２とカソード１４を有するシステム１０を簡略して示す。
【００１３】
当業者に周知の通り、水素を含む燃料はアノード１２に供給され、一方、酸素はカソード１４に供給される。この結果、電流と、カソード排出流と、水素を未だ含有しているアノード排出流と、が生じる。
【００１４】
本発明では、アノード１２とカソード１４で簡略的に図示された第一の複数の燃料電池１７に加えて、付加的な１つまたは複数の燃料電池１９がスタックに組み込まれ、水素ポンプセルとして機能する。電池は図１のアノード２０および対向する電極２２により簡略的に図示される。
【００１５】
当業者に周知なように、水素ポンプセルを通して電流を与えることで、標準燃料電池の低圧側から高圧側に電気化学的に水素を移送することができる。
【００１６】
本発明では、アノード２０および対向する電極２２は、スタックにより生じた電流つまり電池電流で駆動されるように配置され、所望の効率的な水素の輸送を行うにもかかわらず、ポンプセルの電圧低下は比較的小さい。後述するように、補助的な外部電源を設けてもよい。
【００１７】
本発明では、アノード排出流はマニホールドや好適なコンジット２４等を介して水素ポンプセルのアノード２０のアノード入口に供給される。電池電流下では、非常に高純度の水素が電解質を通過し、対向する電極２２に移動し、コンジット２６に高純度の水素排出流が生じる。これは、システム１０における第一の複数の燃料電池のアノード１２にフィードバックするのに適したものとなる。さらに、水素ポンプセルからのアノード排出流は、コンジット２８として示すように、実質的に水素を含まず、排出物として扱われる様々な成分を含む構成成分を含む。
【００１８】
ほとんど揚程（ヘッドライズ）のない状態で水素を汲み上げるのに必要なセルの電位は、図１に図示されるような特定の形式の電池スタックにおいて実証されている。このような燃料電池スタックでは、極めて小さい電位によって、大電流を得ることができ、これに等価な水素が電解質を流れる。このような配置の電池の電位は、電流密度に関連しており、通常の配置では約７ｍｖ／１００ｍａ／ｃｍ2、または約７．５４ｍｖ／１００ａｓｆである。従って、７０ｍｖでは、セルを横切って１０００ｍａ／ｃｍ2の水素を汲み上げることが可能である。
【００１９】
また水素ポンプセルが実質的な揚程を達成できることも、評価されるべきである。通常の電解質を横切って１０対１の揚程が生じるのに要する電位は、僅かに３３．６ｍｖである。６５°Ｃで加圧（ｐｒｅｓｓｕｒａｔｉｏｎ）用に必要な電位は、次のように決定される。
【００２０】
セル電位（ｉｎｍｖ）＝｛３３．６＊ｌｏｇ１０（Ｐｈｉｇｈ／Ｐｌｏｗ）｝
ここで、（Ｐｈｉｇｈ／Ｐｌｏｗ）は、水素ポンプセルの入口側から排出口側への水素分圧の比率である。
【００２１】
上記に基づき、セルの総駆動電位１０３．４ｍｖによって、１０００ｍａ／ｃｍ2の水素流を１０倍の圧力にまで汲み上げることができる。より典型的な場合は、２００ｍａ／ｃｍ2の水素を２．５ｐｓｉａ以上の圧力にするために２３ｍｖの電流が用いられる。
【００２２】
これらの原則は、本発明のスタックに組み込まれ、記述されているように水素の完全なリサイクルを提供する。
【００２３】
このように、水素ポンプセルは、スタック電流が電流コレクタ１８へとポンプセルを通過することにより、スタック電流から駆動電流を得る。この電流によって、全燃料流に対し一定の比率で、アノード排出口から水素ポンプセルのアノード入口に供給された水素が、自動的にリサイクルされ、いかなる出力レベルであっても一定の内部水素が利用される。この一定の内部水素の利用は、燃料電池とポンプセルの相対的な個数の関数となる。
【００２４】
図１のシステムでは、酸素が燃料電池システム１０のカソード１４に供給され、システムの作動によって、カソード１４から排出流が生成し、これは当業者が周知なように処理されることを含むことと当然に理解される。
【００２５】
本発明の水素ポンプセルを使用すると、純水素が飽和した水だけが燃料電池スタックのアノード１２にリサイクルされ、一方、燃料電池のアノード排出流中のほとんどの窒素やその他の希釈剤は、ポンプセルを介して排出される利点があると当然に理解すべきである。少量の窒素が、水素ポンプセル中のリサイクル水素流２６に拡散することがあるが、影響を与えない程度である。
【００２６】
水素で飽和したこの水は、主燃料源からアノードに入ってくる乾いた水素でさらに飽和されることになり、これはまた望ましい機能である。
【００２７】
本発明では、様々な作動因子は、燃料電池の数に対する水素ポンプセルの数を調節することにより調整することが出来る。例えば、約１６〜２４％の電池が水素ポンプとして作動しているとき、８５〜９０％の内部水素を利用することができ、９９％の外部水素を利用できる。
【００２８】
さらに図１の本発明では、必要であれば、アノード１２からの排出流の一部を受けてリサイクルするために補助的なリサイクルエゼクタやブロワーなどのリサイクルポンプ３０を設けることができる。エゼクタは、可動部分のない単純なポンプで、より高圧の入口水素のエネルギーを用いて、より低圧の水素リサイクル流の圧力を上昇させる。このエゼクタを備えることで、比較的な単純さおよび非電動式に水素をリサイクルすることを維持しつつ所望の内部水素の利用に必要なポンプセルの数を減らすことができる。
【００２９】
このようなシステムでは、主水素の供給が駆動水素として機能し、例示されているようにエゼクタを介したリサイクル流を増強する。もちろん必要であれば、単純なブロワーを備えることができ、アノード排出流２４からアノード入口へとリサイクルするのを補助する同様な機能を備えることができる。
【００３０】
本発明では、燃料電池システム１０は、第一の複数の燃料電池が、従来通りに、電流を生じるよう作動し、同一のスタック内の第二の複数の燃料電池が、第一の複数の燃料電池からアノード排出流を受ける取るための水素ポンプセルとして作動する。この第二の複数の電池は、スタックを通る電流で、水素ポンプセルとして機能するように駆動される。これにより、水素ポンプセル内の電解質を横切ってアノード排出流から水素をくみ出し、対向する電極側から実質的に純粋な水素流で飽和した水として排出される。この純粋な水素流は、第一の複数の燃料電池のアノードにフィードバックされ、さらに燃料として使用される。この操作は、水素ポンプセルの対向する電極の入口を実質的にブロックすることによって実行され、水素ポンプセルからのアノード排出流は、排出物として処理される様々な組成を含む。
【００３１】
スタック内に水素ポンプセルを設けることで、有利には、これらのポンプセルがスタック内で生じた電流により駆動させることができる。これにより、水素のリサイクル率を一定に保持し、どのような稼動電流であっても安定した利用となる。
【００３２】
図２では、本発明の他の実施例が例示されており、スタック内のポンプセルの数を増やすことなく水素がリサイクルする量を増やすように、ポンプを通るスタック電流を補助するように外部電源が設けられている。
【００３３】
図２では、システム１０が、図１と同様に、燃料電池１７と水素ポンプセル１９を有することを示している。燃料電池１７は、アノード１２とカソード１４を含み、水素ポンプセル１９は、アノード２０と対向する電極２２を含む。しかしながら、本実施例では、付加的な外部電源３２を設けて、好適には選択的に、水素ポンプセルを通して付加的な電流を供給する。この実施例では、図２に示すように、電流供給プレート３４は、燃料電池１７と水素ポンプセル１９との間に位置し、電源３２は、電流供給プレート３４とポンプセル端部プレート１８との間に接続される。外部補助電源３２は、本発明のシステムの水素リサイクル容量を劇的に改善する。例えば、水素ポンプセルを横切る３０アンペアのスタック電流を有するシステムを使用して、付加的な３０アンペアの外部電源を供給すると、水素リサイクル流は実施的に２倍になる。
【００３４】
さらに本発明では、外部の電源３２は継続的に使用しても良く、または、付加的なリサイクルが必要とされる場合のみ使用しても良い。例えば、電流密度が低いときまたは電力の過渡が、好適な検知器で検出され、好適な制御機械に伝達され、記述したような外部電源３２を適宜に制御する。この機能を提供するための、システム１０の電源３２の制御機能の操作関連は、当業者には周知である。
【００３５】
図３では、本発明のさらなる実施例が示され、システム３６は第一の電池スタックアセンブリ３８と第二の電池スタックアセンブリ４０を含む。電池スタックアセンブリ３８、４０は、並列もしくは直列の一方あるいは双方の形で水素流を処理するように構成され、矢印４２として示されている第二の電池スタックアセンブリ４０からのアノード排出流は、水素ポンプセル４４に供給され、電池スタックアセンブリ３８、４０の双方から収集されて排出流から水素をリサイクルする。
【００３６】
このタイプのシステムでは、例えば、図３に示す電池２つの電池配置に、８つの水素ポンプセルからなるポンプ装置を加えてかつ、各電池スタックアセンブリ３８、４０が、２２０個の電池を有するスタックアセンブリである場合、定格電力からアイドル時まで全体の水素利用率を９６％〜９８％に維持するように十分なリサイクルを提供することができる。このポンプセルはスタックの活性領域の合計の約２％未満でなければならず、５００ワットの電力を必要とする。各電池スタックアセンブリの内部水素の利用は、アイドル時の２７％から定格の電力で９１％までの範囲となる。このことは、これらの電力レベルに亘って電池スタックアセンブリを安定して操作する必要条件に完全に一致する。
【００３７】
本発明は、ここに記載され、示された例示に限定されることなく、図示例は本発明を実施するための最良の形態を単に示したものとみなすべきである。形状、サイズ、部品の配置、操作の詳細は修正され得る。むしろ本発明は、請求項に規定される思想と範囲内におけるすべての修正を含むことを意図する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明のシステムと方法を略図的に例示する図。
【図２】付加的な外部電源を用いた本発明の他の実施例を略図的に例示する図。
【図３】本発明のさらに他の実施例を略図的に例示する図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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