(57)【要約】燃料電池スタック（２５）の燃料極流域の入口（２４）への適用のために、リサイクル燃料ガスをインペラ（３４，３４ａ）に供給する（３６）。このインペラは、水素の供給源（１１）に接続された一次入口（３３）と、燃料電池の燃料極流域の出口（２７，３７）に接続された二次入口（３５）を有するエゼクタ（３４）であってよい。このエゼクタ出口は、最低電力定格において要求される最小燃料流量を供給する。このインペラは、実質的に一定のリサイクル流量（その最大値はその最低値の２倍以下）を与える定電流発生器（５０）と、第１のスタックの燃料入口に最小流量の新鮮燃料を供給する１つの圧力調整器（２０）とを備えた電気化学水素ポンプ（３４ａ）であってよい。圧力調整器（２０，２１）は最小電力を超える電力のために燃料極流域への新鮮燃料の量を制御する。
2007536704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力出力の全レベルにおいて実質的に一定量のリサイクル燃料を含む、ある流量の燃料リサイクルガス（３６）を供給する（３５，３４）ステップを含み、前記流量の燃料リサイクルガスは、電力出力の最小レベルにおいて燃料電池発電装置内の燃料枯渇を防止するために、前記電力出力の最小レベルにおいて十分な量のリサイクル燃料を含むことを特徴とする、燃料電池発電装置（１０）の運転方法。
【請求項２】
最小電力出力レベルにおいて最小限の流量（２３）の新鮮燃料を供給源（１１）から前記燃料電池発電装置（２５，２９）に供給する（３３，３４）ステップと、
前記燃料電池スタックの電力出力の全レベルにおいて実質的に一定な流量のリサイクル燃料ガス（３６）を供給する（３５，３４）ステップと、
を含み、
前記発電装置内の燃料枯渇を防止するために、前記流量は前記最小電力出力レベルにおいて十分なリサイクル燃料ガスを前記最小限の流量の新鮮燃料とともに含むことを特徴とする、燃料電池発電装置（１０）の運転方法。
【請求項３】
最小電力出力レベルにおいて最小限の流量（２３）の新鮮燃料を燃料電池発電装置（２５，２９）に供給する（３３，３４）燃料供給源（１１）と、
燃料電池スタックの電力出力の全レベルにおいて実質的に一定な流量の燃料リサイクルガス（３６）を供給する手段（３５，３４）であって、前記発電装置内の燃料枯渇を防止するために、前記流量は、前記最小電力出力レベルにおいて十分なリサイクル燃料を前記最小限の流量の新鮮燃料とともに含む供給手段と、
を有することを特徴とする、燃料電池発電装置。
【請求項４】
最大定格電力出力レベルと最小電力出力レベルとの間の電力出力レベルにおいて運転可能な燃料電池発電装置（１０）であって、
（ａ）前記燃料電池発電装置中において、最初と最後のスタックを含む１つのスタック（２５）、または、（ｂ）直列型のスタックの最後のスタックを除く全スタック（２５）が、該直列型のスタックにおいて、連続する後続のスタック（２９）に燃料を供給し、かつ、前記直列型の最初のスタック（２５）を除く全スタック（２９）が、該直列型のスタックにおける直前のスタックから燃料を受容するような、直列の燃料流関係に配置された直列型スタック（２５，２９）から選択され、各スタックが燃料入口（２４，２８）と燃料出口（４３，４７）を有する１つまたは複数のスタックに配列された、燃料入口（２４，２８）と燃料出口（４３，３７）をそれぞれが有する複数のセルと、
前記スタックのうち少なくとも１つのスタック（２５）の前記燃料入口（２４）に新鮮燃料を供給する燃料供給源（１１）と、
最小電力においてほぼ最大の燃料利用率で運転する場合に前記燃料電池の燃料枯渇を防止するように、前記スタック（２９）のうち少なくとも１つのスタックの前記燃料出口から、前記スタックのうち１つ（２５）または複数のスタックの前記燃料入口へ、十分な量のリサイクル燃料ガス流量が供給されるパッシブ型燃料リサイクルガスポンプ（３４、３４ａ）と、
を備えることを特徴とする、燃料電池発電装置。
【請求項５】
前記量が、前記全電力出力レベルにおいて実質的に一定であることを特徴とする、請求項４に記載の発電装置。
【請求項６】
前記パッシブ型燃料リサイクルガスポンプが、前記供給源（１１）に接続された一次入口（３３）と、前記スタックのうち少なくとも１つのスタックの前記燃料出口（４３，３７）に接続された二次入口（３５）と、前記１つまたは複数のスタックの少なくとも１つのスタック（２５）の前記燃料入口（２４）に接続された出口（４１）と、を備えたエゼクタ（３４）であることを特徴とする、請求項４に記載の発電装置。
【請求項７】
前記エゼクタ（３４）が、前記最小電力出力レベルにおいて前記１つまたは複数のスタック（２５，２９）の燃料要件を満たすために、前記供給源（３２）からの新鮮燃料とリサイクル燃料（３６）を合わせた流量で、前記供給源（１１）により供給される燃料の圧力でチョークされように設計されることを特徴とする、請求項６に記載の発電装置。
【請求項８】
少なくとも１つの圧力調整器（２０，２１）のそれぞれの出力が、対応するスタック（２５，２９）の前記燃料入口（２４，２８）に供給する、少なくとも１つの圧力調整器と、
前記少なくとも１つの圧力調整器は、前記最小電力出力レベルにおいて前記スタックのうちの前記１つまたは複数のスタックに実質的に燃料を供給しないことを特徴とする、請求項６に記載の発電装置。
【請求項９】
前記最小電力出力レベルを超える電力出力レベルにおいて、前記１つまたは複数のスタックの燃料要件を満すために必要な全燃料が、前記少なくとも１つの圧力調整器（２０，２１）によって供給されることを特徴とする、請求項８に記載の発電装置。
【請求項１０】
それぞれの出力が、対応するスタック（２５，２９）の前記燃料入口（２４，２８）に供給する、少なくとも１つの圧力調整器（２０、２１）をさらに備え、
前記パッシブ型燃料リサイクルガスポンプは、少なくとも１つの前記スタック（２９）の前記燃料出口（３７）と前記１つまたは複数のスタックのうち少なくとも１つ（２５）のスタックの前記燃料入口（２４）との間に接続された電気化学水素ポンプ（３４ａ）であり、定電流発生器（５０）が前記十分な量のリサイクル燃料ガス流量を供給するような電流を前記電気化学水素ポンプの両端間に供給し、
前記少なくとも１つの圧力調整器の１つ（２０）は、前記最初のスタック（２５）に接続され、前記リサイクル燃料ガス（２３）と組み合わされたときに前記最小電力出力レベルにおいて前記１つまたは複数のスタックの燃料要求を満足させるように前記最初のスタックに前記最小電力出力レベルにおいて十分な燃料（２２）を該最初のスタックに供給することを特徴とする、請求項４に記載の発電装置。
【請求項１１】
前記最初のスタック（２５）以外の前記１つまたは複数のスタックのいずれも（２９）が、前記最小電力出力レベルにおいえて、前記圧力調整器のうちの対応する１つ（２１）によって燃料を供給されないことを特徴とする、請求項１０に記載の発電装置。
【請求項１２】
前記最小電力出力レベル以外の電力出力レベルにおいて、前記１つまたは複数のスタック（２５，２９）の全ての前記新鮮燃料要件が、前記圧力調整器（２０，２１）によって満たされることを特徴とする、請求項１０に記載の発電装置。
【請求項１３】
１つのスタック（２５）のみを備えることを特徴とする、請求項４に記載の発電装置。
【請求項１４】
２つのスタック（２５，２９）を備えることを特徴とする、請求項４に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、電気化学的水素ポンプやエゼクタなどのパッシブな燃料リサイクルインペラーにより、最小限の燃料リサイクルで最大の燃料利用率を、スタックへの負荷の関数として得られる燃料電池に関し、該燃料電池は、（ａ）カスケード式（直列式）の対である第１の燃料電池スタックの、または（ｂ）単一スタックの入口への燃料源からの純燃料の最小量の流れが胃低であり、かつ、燃料リサイクルガスの量が実質的に均一であり、さらに、純粋な入口燃料が、１つ又はより多くの燃料電池スタックに供給され、リサイクルインペラーを迂回することを特徴とする。
【背景技術】
【０００２】
周知の通り、燃料電池発電装置の効率は、発電装置に供給される全燃料が電力の生成に利用される程度で全て始まる。これは燃料総合効率と呼ばれる。９８％を超える燃料効率を達成することが望まれている。現在の技術を利用した燃料電池では、燃料電池スタックの個々のセルのさまざまな部分や、異なるセル間での局在的な燃料枯渇のために、燃料電池発電装置に対する瞬時の負荷に必要な量の燃料を正確に供給することはできず、このような燃料枯渇は燃料の不均等な分布に起因する。別個のセルへの燃料の不均等な分布は、燃料マニホルドの不完全さが原因であり、所与のセル内における分布のばらつきは、燃料流域中のチャネル深さのばらつきによって生じる。全セルの一部がスタックを通って一方向に進む燃料を受容し、その後、その燃料が全セルのその他の半分を通過するように転向される、マルチパス燃料分配システムが使用される場合、転向マニホルドの漏れにおけるばらつきにより、不均等な分配というばらつきが生じる。電気自動車に電力を供給する燃料電池発電装置などの車両用途においては、２つの並行型燃料電池スタックの使用により、車両内で最適な物理適合性が得られる。そのような場合には、燃料の不均等な分布は、それぞれのスタックへの燃料分配のばらつきに起因する可能性がある。
【０００３】
流路から流路への漏れむらは、単一の流路の燃料流域（ｆｌｏｗ  ｆｉｅｌｄ）配置を使用することによって排除することができる。
【０００４】
最大電力出力において１５〜２５％程度の大量の燃料をリサイクルすることにより、スタックを通る単一の経路での利用率よりもはるかに高い発電装置燃料の総合利用率が可能となることが知られている。しかしながら、リサイクルされる燃料は、通常、燃料流域の圧力降下に打ち勝つのに十分な圧力を有する必要があり、そのため、通例、ある種のポンプまたは圧縮機が必要となる。低密度の水素に起因して、容量型ポンプおよび遠心ブロワが、かなりの量のリサイクル流量に対して典型的に利用される。これらはきわめて高速度（２０，０００ｒｐｍ超）で運転する必要があり、騒音があり、さらには信頼性に欠ける。電気化学水素ポンプおよびエゼクタなどの他の形態のインペラは、これまで広範囲にわたる電力出力運転条件で使用することはできなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、燃料電池発電装置における機械式燃料リサイクルガスポンプや圧縮機の必要性を排除すること、燃料電池発電装置においてきわめて高い燃料利用率を高い信頼性のもとで実現すること、燃料電池発電装置におけるスタック間の燃料の不均衡配分を排除すること、燃料リサイクルガスインペラーに要求される性能限界を低減すること、低コストの燃料電池発電装置、および改良された燃料電池発電装置を提供すること、を含む。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料電池の燃料極における局在的な燃料枯渇を伴うことなく達成可能な燃料電池スタックの燃料最大利用率は、低電力レベルでは最も低くなり、その結果、低電力レベルに適切な、一定のまたは変動の少ない量のリサイクル燃料流量により、高速のリサイクル燃料流を伴うことなく、すべての電力レベルに対する燃料枯渇が防止されるという認識に主として基づいている。本発明は、電気化学水素ポンプはＨ2だけを汲み上げて、他の不活性ガスは汲み上げないこと、かつ、エゼクタが実質的に一定の主流量および副流量を用いて設計できるとの認識に基づいている。
【０００７】
本発明によると、燃料電池発電装置は、（ａ）燃料が直列の関係にある複数の燃料電池スタック、または（ｂ）単一のスタックを備えており、１つのスタックの燃料出口から、あるいは一連のスタックのうちの最後のスタックからリサイクルガスが、エゼクタまたは電気化学水素ポンプなどのパッシブな（非移動の）燃料リサイクルガスポンプによって、１つまたは複数のスタックの燃料入口に輸送され、燃料電池発電装置の最低電力レベルにおける局在的燃料枯渇を回避するのに十分なリサイクル燃料流量が、全電力レベル（最高定格負荷におけるリサイクル燃料流量が最小負荷における流量の２倍未満）においてほとんど、または全く増加することなく維持され、そのためパッシブ型燃料リサイクルポンプをきわめて狭い性能範囲内で動作するように設計することができ、高速の燃料リサイクルガス流速を回避することが可能となる。
【０００８】
本発明の一実施形態によると、一定圧力の新鮮な燃料の入口に応答して、その二次入口を通過するリサイクルガスを、少なくとも第１燃料電池スタックの入口に送るエゼクタが設けられる。このエゼクタは、燃料電池発電装置の最小電力出力から最大定格電力出力までの間で２倍にならない流量の範囲内でリサイクル燃料を供給するために、その一次入口で、ほぼ一定圧力の燃料でチョークするように設計される。
【０００９】
本発明の他の実施形態では、リサイクル燃料を送るためにエゼクタの代わりに電気化学水素ポンプを使用することにより、実質的に一定量の水素だけの流れを１つまたは複数のスタックに提供でき、関連する圧力調整器によって最小限の新鮮な燃料が制御される。
【００１０】
いずれの実施形態においても、１つまたは複数の燃料電池スタックは、付随する圧力調整器に応答し、この圧力調整器は、燃料電池発電装置の最小電力負荷を超える電力出力の作用として、付加的な新鮮な燃料を取り入れる。いずれの実施形態においても、燃料と不活性成分を含むリサイクルガスの総流量は、最小電力負荷から最大電力負荷まで実質的に一定である。
【００１１】
本発明によればさらに、１つまたは複数の燃料電池スタックへの付加的な新鮮燃料取り入れの流量は、その電力負荷に適応するよう、１つまたは複数の圧力調整期によって制御され、その制御圧力は、それぞれのスタックへの入口において、発電装置の任意の付加的な負荷に関連する入口圧力が減少する傾向を有し、これにより発電装置の負荷の燃料要求を満たすよう、１つまたは複数のスタックへの流量を増加することができ、また、減少する負荷に対してはその逆が可能となる。
【００１２】
本発明の直列型スタック対の第１のスタックの燃料利用率は、きわめて低い電力レベルにおける約４１％から、１００％である定格電力における約９３％の間で可変であり、かつ上記対の第２のスタックの燃料利用率は、きわめて低い電力レベルにおける約７０％から定格電力における約９３％まで可変であるが、この燃料電池発電装置の燃料総合利用率は、任意の電力レベルにおいて約９８％または９９％である。
【００１３】
パッシブ型燃料リサイクルガスポンプは、リサイクル燃料を供給するために実質的に一定の流速（低電力新鮮燃料流速の約１８％〜３３％）で動作するように設計することが可能であるため、従来技術で既知の高速水素燃料リサイクルガスポンプや圧縮機と比較して、本発明の低圧インペラは相対的に安価であり、かつきわめて高い信頼性を有する。
【００１４】
本発明の他の目的、特徴および利点は、添付図面に示されているように、その例示的な実施形態に関する以下の詳細な説明に照らしてより明確になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１を参照すると、水素が供給源１１から燃料電池発電装置１０（その一部のみを示す）に供給され、この供給源１１は、通常改質器または加圧水素のタンクであってよい供給装置１２から水素を受容し、コンジット１３を介して圧力調整器１４に送る。燃料は、この供給源１１からコンジット１９を介して一対の圧力調整器２０，２１に輸送される。圧力調整器２０からの燃料は、コンジット２２，２３を経て、第１の燃料電池スタック２５の燃料極流域の入口２４から入る。圧力調整器２１からの燃料は、コンジット２６，２７を経て、第２の燃料電池スタック２９の燃料極流域の入口２８から入る。
【００１６】
本発明の一態様によると、一定量の燃料が供給源１１からコンジット３２を経てエゼクタ３４の一次入口３３に輸送される。このエゼクタ３４の二次入口３５は、燃料リサイクルガスをエゼクタ４１を介して第１のスタック２５の燃料極流域入口２４に送り込むために、コンジット３６によって第２のスタック２９の燃料極流域出口３７に接続されている。第２のスタック２９の燃料極流域出口４３からの燃料は、弁４４も通過する。この弁４４はコントローラ１６により制御されて適切量のパージガスを排出ライン４５に供給し、これにより、燃料電池スタックの多孔質電解質膜を通して空気極の空気からクロスオーバーする窒素などの不活性ガスを除去する。このコントローラ１６は、パルス幅変調に基づいてパージ弁４４を運転してもよく、例えば、この弁を５秒ごとに開き、電力出力の増加に伴って長くなる、短い期間後にこの弁を閉めてもよい。
【００１７】
圧力調整器２０，２１は、定格電力では２つの燃料電池スタックが共に等量の燃料を得るようにその２つの燃料電池スタックへの流れを調節する。この流れには、エゼクタを通り第１のスタックへ向かう新鮮な燃料とリサイクル燃料との流れ、および第１のスタックから第２のスタックへの出口燃料の流れが含まれる。圧力調整器１４は、その出力部において約２００ｋＰａｇ（３０ｐｓｉｇ）で水素を供給する。圧力調整器２０，２１は、それぞれ約１８ｋＰａｇ（２．６ｐｓｉｇ）、約１６ｋＰａｇ（２．３ｐｓｉｇ）で水素を供給する。
【００１８】
エゼクタ３４は、圧力調整器１４の出口での燃料圧力における流量による流速でチョークするように設計される。燃料電池スタックの負荷が増加するときは、付加的な水素が消費されてコンジット２３，２７内の水素圧力を低下させ、これがコンジット２２，２６を経て圧力調整器２０，２１に伝達され、これらの圧力調整器はより多くの燃料を供給するように、ある程度開く。しかしながら、この付加的な燃料は、エゼクタ３４を通過しないでコンジット１９に沿って進み、圧力調整器２０，２１とコンジット２２，２３，２６，２７を経てスタック２５，２９の燃料極流域入口２４，２８へ到達する。同様に、燃料電池発電装置の負荷の減少は、消費される水素をより低減して、それによりコンジット２３，２７内の水素の圧力が増加し、これが圧力調整器２０，２１に伝えられ、この圧力調整器をいく分閉じてコンジット１９，２２，２３，２６，２７に供給される水素の量を減少させる。
【００１９】
最小電力においては、圧力調整器２０，２１は閉じる。燃料電池発電装置への新鮮燃料の流れの全ては、エゼクタ３４の一次入口３３を通るものであり、第２のスタック２９への全燃料は、第１のスタック出口４３から送られる。このエゼクタは、スタック２５，２９を通る全燃料流量が燃料枯渇を防止するよう、その二次入口３５を介して十分なリサイクル燃料を、一次入口３３における最小燃料流量と共に供給するよう設計される。
【００２０】
スタック間の直列の燃料流は、燃料利用率を最小化するには理想的な方法である。しかしながら、圧力調整器２１およびコンジット２６など直列型スタック構成の第１のスタックを迂回するある程度のバイパス流が無い場合には、より高圧な第１のスタック入口圧力が要求される。この高い圧力により、リサイクルポンプが、要求される流量を高圧で送出しなければならないことが必要となる。これは、それらのポンプがより多くの寄生電力を消費することを意味する。加えて、この結果生ずる高速な第１のスタック入口流速が、膜劣化をもたらす燃料入口の入口膜のドライアウトを引き起こす可能性を増大させる場合がある。しかしながら、本発明は、直列の燃料流関係にある複数のスタックを備え、新鮮な全燃料が第１のスタックにのみ供給される（例えば、燃料の迂回が無い）燃料電池発電装置に利用することも可能である。
【００２１】
図２は、さまざまなコンジット中の燃料の流量をモルで、燃料消費量をモルで、および燃料利用率をパーセントで示している。図２は、１００％である定格電流において１００モルの新鮮水素が供給され、５％の定格電力では５モルの新鮮水素が供給される場合を想定している。これは、もちろん、部分的な流量および消費量を単に例示するものである。図１および図２の燃料電池発電装置の運転は、任意の電力レベルにおいて約９８％〜９９％の燃料利用率を達成している。
【００２２】
図２における定格電力の１００％に関して、燃料（不活性成分を除く）のモルの近似値（カッコでくくっていない）が、定格電力の５％における燃料のモル（カッコ内に示す）の上に示されている。各スタックの上部には、個々のスタック燃料利用率が１００％定格電力（カッコなし）と５％定格電力（カッコ内）に関して示されている。各スタックの底部には、最大定格電力（カッコなし）および５％定格電力（カッコ内）において消費された燃料のモルが示される。エゼクタが使用された場合には、リサイクル燃料の最大流量はリサイクル燃料の最小流量の２倍未満であることに留意されたい。高い電力レベルにおけるリサイクル燃料ガス流量の増加は、この運転条件のもとで全リサイクル流における不活性ガス濃度の減少によるものであり、リサイクルガスの総流量は最小電力負荷から最大電力負荷まで実質的に一定である。
【００２３】
図３を参照すると、本発明は、図１に関して説明した一対のセルに使用された場合と同じ様式で単一スタックの燃料電池に使用することができることがわかる。
【００２４】
図４を参照すると、燃料電池発電装置１０ｂは、パッシブ型燃料リサイクルガスポンプ３４ａが、エゼクタではなく、通常の電気化学水素ポンプであることを除いて、図１に関して説明したものと同じである。これは水素だけを汲み上げ、いずれの不活性ガスも汲み上げない。リサイクル流体は本質的に純粋な水素であるから、リサイクルガスの量はリサイクルガスが不活性成分を含むときの量よりも少なくなり得るが、本質的に一定である。ポンプ３４ａのセル５１の両端間に接続された定電流発生器５０は、水素の圧力を入口３５ａにおける場合よりも、出口４１ａにおける場合の圧力を高くする。水素ポンプを使用することは、ポンプに印加される電流が一定である限り燃料リサイクルガスの量が変動しないという理由で有利であり、これにより本発明を用いて９８％〜９９％の総合利用率がもたらされるであろう。この水素ポンプの両端間の電流がほぼ一定であるため、リサイクル水素流量は本質的に一定である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】２つの燃料電池スタックを備え、エゼクタを使用する本発明の一実施形態の概略構成図である。
【図２】最大電力において供給される新鮮な水素１００モル当たり、および最小電力において供給される新鮮水素５モル当たりの燃料流のモルと燃料消費量、ならびに、５％定格電力および１００％定格電力についてのスタック燃料利用率を示す図１の特定様式である。
【図３】単一の燃料電池ルスタックを備え、エゼクタを使用する本発明の一実施形態の概略構成図である。
【図４】電気化学水素ポンプを使用する本発明の一実施形態の概略構成図である。
【図１】
2007536704.tif 000003
【図２】
2007536704.tif 000004
【図３】
2007536704.tif 000005
【図４】
2007536704.tif 000006
【国際調査報告】
2007536704.tif 000007