(57)【要約】【課題】閉鎖された環境で使用する燃料電池を提供する。【解決手段】システムは陽極、膜、及び陰極を有する燃料電池を備える。燃料源は陽極を通り、酸素含有ガス源は陰極を通る。下流ラインは陽極の下流で燃料を捕集し、セパレータは下流ライン上の燃料から不純物を分離し、セパレータの下流の燃料を、陽極を通るように再循環させる。空気と酸素とを混合する方法も開示される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極、膜、及び陰極を有する燃料電池と、
前記陽極を通る燃料源と、
前記陰極を通る酸素含有ガス源と、
前記陽極の下流で燃料を捕集するための下流ラインと、
前記下流ラインで前記燃料から不純物を分離するセパレータであって、該セパレータの下流の燃料を再循環させて前記陽極を通過させるセパレータと、
を備えるシステム。
【請求項２】
前記分離された燃料が前記燃料を貯蔵するためにタンクに戻される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記酸素含有ガスが空気である、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記除去される不純物が窒素を含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記除去された窒素が陰極給送ラインに戻される、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記セパレータが、前記燃料から窒素又はその他の不純物を分離するパラジウム膜あるいはその他のセパレータを含み、
前記燃料が水素（Ｈ2）である、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記セパレータが燃料流から不純物を吸収する、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記セパレータがシリカゲル及びゼオライトの少なくとも一方を含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記不純物が窒素を含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
流入する酸素含有ガスを希釈するため、陰極排気ラインが陰極給送ラインに再循環される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記システムが潜水ビークルの一部である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記酸素含有ガスが空気よりも高い酸素濃度を有すると共に、前記陰極と流体連通する容積に空気又は不活性ガスが先に充填される請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
閉鎖されたビークルで燃料電池を作動させる方法であって、
ａ）燃料を燃料電池の陽極に通すステップと、
ｂ）酸素含有ガスを前記燃料電池の陰極に通し、前記陽極の下流の燃料を捕集し、前記燃料から不純物を除去し、前記陽極を通るように前記燃料を戻すステップと、
を含む方法。
【請求項１４】
前記除去された不純物が前記陰極給送ラインに戻される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
燃料電池の動作方法であって、
ａ）燃料を燃料電池の陽極に通すステップと、
ｂ）空気よりも酸素濃度が高い酸素含有ガスの容器に酸素を貯蔵し、前記酸素含有ガスを前記燃料電池の陰極に通すステップと、
ｃ）前記酸素含有ガスが前記陰極を通る際に、前記空気又は前記不活性ガスが前記酸素含有ガスと混合するように、前記陽極と流体連通する容積に空気又は不活性ガスを先に貯蔵するステップと、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、燃料流から不純物が除去される、閉鎖された環境で使用するための燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
本願は２０１３年９月１６日出願の米国特許仮出願第６１／８７８，０６１号に対する優先権を主張する。
【０００３】
燃料電池が公知である。燃料電池の１つのタイプは、プロトン交換膜によって分離された陰極と陽極とを備える。広く使用されているこのような燃料電池の１つのタイプでは、水素（Ｈ2）などの燃料源が陽極を通される。酸素、又は酸素含有ガスが陰極を通される。陰極と陽極とが相互作用して電気が生成される。
【０００４】
燃料電池の１つの用途では、燃料源が収容され、長期にわたる耐久性がある。一例として、潜水ビークル（潜水機）、特に無人潜水ビークルでは、燃料電池が長時間にわたって給電するように作動可能である必要がある。したがって、水素源、及び酸素源、又はガス含有酸素源がビークルに備えられている。
【０００５】
水素、あるいは水素や、水素と他のガスとの混合気体などの燃料は、陽極を通過後に再循環され、このため、１００％の効率では使用されない。したがって、陽極の下流で未使用の水素又は燃料ガスは、システムの全体的な効率を高めるため捕集され、陽極を再通過させるために送られる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、燃料流又は水素は不純物を含むことがあり、水素又は燃料ガスが消費されるとある比率の不純物が陽極に蓄積することがある。さらに、酸素供給源も、かなりの未反応ガスを不純物として含むことがある。陰極上の窒素又はその他の希釈ガスなどの未反応ガスは、窒素又はその他の希釈ガスがプロトン交換膜を通過、又は「乗り越え」、燃料内に混入するため、陽極の問題を悪化させることがある。経時とともに、燃料内の窒素又はその他の不純物の量が増加して、それが問題になることがある。
【０００７】
当初は大気環境で使用するために開発された燃料電池が、潜水ビークルにも使用される場合は、濃縮酸素又は純酸素ではなく空気又は希釈酸素を陰極に送ることが望ましいことがある。このことは、燃料流に入り込む未反応ガスの上記の問題に加えて２つの問題を提示する。第１に、空気又は希釈酸素に必要な貯蔵容積は濃縮酸素又は純酸素の場合よりも大幅に大きいことである。
【０００８】
第２に、状況によっては、陰極の排気口から窒素などの希釈ガスを放出することが禁止されることがあるため、陰極の排気口に希釈ガス用の追加の貯蔵容積が必要になることがある。他方では、陰極の排気が単に再循環され、流入空気又は希釈酸素と混合されると、又は、供給源酸素内の不純物が濃縮されて蓄積されると、陰極の性能は酸素がさらに希釈されるとともに急激に低下する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本システムは、陽極、膜、及び陰極を有する燃料電池を備える。燃料源は陽極を通り、酸素源又は酸素含有ガスは陰極を通る。下流ラインは陽極の下流の流出燃料を捕集し、セパレータは下流ラインの燃料から不純物を分離し、陽極を通して燃料流を再導入するためにセパレータの下流の燃料を再循環させる。空気を酸素濃縮ガスと混合する方法も開示される。
【００１０】
上記の特徴及びその他の特徴は、以下の図面及び明細書から最も明解に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】燃料電池を収容する潜水ビークルで使用される再循環系統を示す概略図である。
【図２】第２の実施形態を示す図である。
【図３】別の特徴を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ビークル２０は、燃料電池２２を備える。実際には、ビークル２０の様々な部品に給電するための複数の燃料電池が存在してもよい。概略的に示すように、デバイス１００は燃料電池２２によって生成される電気によって給電される。
【００１３】
実施形態では、ビークル２０は潜水ビークルでよく、特に無人潜水ビークルでよい。このようなビークルでは、燃料電池２２は長時間作動可能である必要がある。このため、燃料タンク２４には貯蔵された燃料量が備えられる。
【００１４】
第２のタンク２６には、酸素、又は空気などの酸素含有ガスが備えられる。本願の目的のため、「酸素含有ガス」という用語はこのようなガスの全てに広義に用いられることになる。
【００１５】
陽極３０、陰極３４、及び中間のプロトン交換膜３２が燃料電池２２に備えられる。
【００１６】
ビークル２０は、長時間にわたって作動可能でなければならず、したがって、陽極３０から流出する未使用の燃料と、陰極３４から流出する未使用の酸素は再循環され、再利用されなければならない。多くの用途では、潜在的な観察者に「見えない」ビークルでは、ビークルの外部に排ガスが放出されてはならない。
【００１７】
図１に示すように、タンク２４からの水素でよい燃料が、陽極３０に沿って通路２８を流れ、そこで陽極３０と相互作用する。燃料が陽極３０の下流を通る、下流ライン３９に到達する際に、燃料の一部は未反応のまま留まる。燃料はライン４２を通ってタンク２４へと再循環される。あるいは、水素又は燃料が、タンク２４の下流位置などの位置に再循環され、通路２８へと直接戻されてもよい。いずれにせよ、タンク２４内の燃料量を効率的に利用するため、未使用の燃料が再循環される。
【００１８】
同様に、タンク２６からの酸素含有ガスは陰極３４に沿って通路３６を通り、ライン３８を通ってライン９９に戻るように再循環され、陰極３６に戻る。タンク２６内の酸素含有ガスは純酸素でもよいが、多くの用途では、実際的な理由から空気を含んでもよく、又は未反応物であるその他の不純物を含んでもよい。
【００１９】
前述のように、空気は、比較的多量の窒素、又はその他の不純物（未反応物）を含む。燃料電池２２内での相互作用中、一定比率の空気又はその他の不純物が膜３２を通って陽極側２８の燃料流内へと拡散又はその他の態様で通過する。
【００２０】
セパレータ４０が下流ライン３９上に、及びライン３９と４２との中間に備えられている。セパレータ４０は、窒素などの不純物の流れ４４を再循環される燃料流から分離する。
【００２１】
４０で窒素又は未反応物を燃料電池の流出燃料から分離することによって、ライン４２を通って戻される燃料の純度が確保される。さらに、分離された窒素又はその他の不純物を、ライン４４を通してタンク２６と通路３６との間の陰極給送ライン９９に戻すことによって、濃度を希釈するための適切な酸素が保たれる。このようにして、燃料電池２２の全体の動作が最適な動作により近くなる。
【００２２】
一実施形態では、セパレータ４０は、窒素と水素とを分離するための公知のパラジウム（Ｐｄ）膜でよい。
【００２３】
図２に示すように、窒素は再循環する必要がない。図２では、下流ライン３９は、窒素を容易に分離し、純水素により近い水素を燃料ライン１４２に戻すセパレータ１４０内に入る。
【００２４】
セパレータ１４０は、水素流から窒素を除去するための公知の成分であるゼオライト又はシリカゲルでよい。その他の未反応物も同様に分離できる。
【００２５】
全体的な組み合わせと窒素分離方法で、ライン４２を通って再循環される燃料は純燃料により近くなり、燃料の希釈により燃料電池２２内で局部的に腐食するリスクが軽減される。このようにして、ビークル２０はより長期間にわたり、より効率的に動作可能になる。さらに、燃料電池膜の損傷の危険性も防止され、電池スタックの耐用年数も延びる。
【００２６】
一部の実施形態では、燃料電池２２内は純酸素又は濃縮酸素ではなく空気又は希釈酸素で使用するように設計されているが、タンク２６は純酸素又は濃縮酸素を収容してもよい。図３はこのような実施例２００を示す。１以上の流路１３６、再循環ライン１３８、及び場合によっては（通路１９９などの）陰極１３４と流体連通するその他の容積には、空気、又は窒素などの不活性ガスが先に充填されてもよい。酸素がタンク１２６から流路１３６に流入すると、酸素は陰極１３４で消費される前に空気又は不活性ガスと混合される。窒素、又はその他の不活性ガス、及び陰極の排気口で消費されない酸素は、１２６から流入する酸素を希釈するためにライン１３８を通って再循環される。この方策によって、貯蔵容積が、空気に必要な広い容積から、酸素に必要な狭い容積に削減される。それにより、陰極の排気が貯蔵されずに再循環されることもさらに可能になるが、それによって性能が陰極に必要な性能以下に低下することはない。
【００２７】
一方法では、燃料は燃料電池の陽極を通される。酸素は、空気よりも酸素濃度が高い酸素含有ガス容器１２６に貯蔵される。酸素含有ガスは、燃料電池の陰極１３６を通される。空気又はその他の不活性ガスは、酸素含有ガスが陰極を通る際に空気又はその他の不活性ガスが酸素含有ガスと混合するように、陰極と流体連通する容積内に先に貯蔵される。
【００２８】
本発明の実施形態を開示したが、ある一定の変更は本開示の範囲内に含まれることを当業者であれば理解するであろう。そのため、以下の請求項は本開示の真の範囲及び内容を定めるために検討されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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