(57)【要約】  本発明は発電システムに関し、更に詳細には、移動用途で、例えば乗り物の用途で使用するのに特に適した膜燃料電池システムに関する。本発明は、少なくとも一つのポリマー膜燃料電池スタックを含む直流電流発生システムに関する。燃料電池スタックは、冷却材を電池の内部で一定の流量で循環させることにより、燃料電池の温度を調節するための手段を含む。システムの水及び温度の管理は、供給される空気の流量及び電池入口での冷却材の温度のみに作用を及ぼすことにより、調節される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電流発生システムにおいて、
少なくとも一つのポリマー膜燃料電池スタックと、
随意には水素である燃料を前記電池のアノード室に対して平行に供給するための手段と、
空気を前記電池のカソード室に対して平行に供給するための手段と、
前記電池内部で冷却材を一定の流量で循環させることにより、前記電池の温度を調節するための手段とを備えており、
前記システムの水及び熱の管理は、供給される前記空気の流量及び前記冷却材の電池入口温度にのみ作用することによって調節される、システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、
較正された圧力低下を加える要素の前後の流量に作用することによって、前記電池内部の前記空気の圧力を調節する、システム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステムにおいて、
前記較正された圧力低下を加える要素は、網状電流コレクタである、システム。
【請求項４】
請求項３に記載のシステムにおいて、
前記網状電流コレクタは、少なくとも１つの金属の発泡体、メッシュ、エキスパンデッドシート、有孔シート、又は焼結材料を含む、システム。
【請求項５】
請求項２に記載のシステムにおいて、
前記較正された圧力低下は、化学量論的流量の１．２倍乃至２．５倍である、システム。
【請求項６】
請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載のシステムにおいて、
前記電池のアノード室に対して平行な燃料の供給、及び前記電池内部での前記冷却材の循環は、向流をなして配向される、システム。
【請求項７】
請求項６に記載のシステムにおいて、
前記電池のカソード室への前記空気の供給は、前記冷却材の循環に関して並流をなして配向されており且つ前記アノード室への前記燃料の供給に関して向流をなして配向される、システム。
【請求項８】
請求項１乃至７のうちのいずれか一項に記載のシステムにおいて、
前記電池のアノード室に対して平行に燃料を供給するための前記手段は、一つ又は複数のポンプ又はエゼクターを含む水素再循環装置と、湿潤水素用のパージと、乾燥純水素補充器とを含む、システム。
【請求項９】
請求項１乃至８のうちのいずれか一項に記載のシステムにおいて、
前記冷却材の一定の流量は、有効面積１ｍ２当たり毎分１０リットル乃至５０リットル（０．０１ｍ３乃至０．０５ｍ３）である、システム。
【請求項１０】
請求項１乃至９のうちのいずれか一項に記載のシステムにおいて、
空気を前記電池の前記カソード室に対して平行に供給するための前記手段は、少なくとも一つのコンプレッサー又はファンを含む、システム。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のうちのいずれか一項に記載のシステムにおいて、
外部から追加の水を供給せずに、前記燃料電池スタック内での前記燃料と前記空気との反応によって発生した水だけをアノードパージ及びカソード排出部を通して取り出すように、水分バランスを維持する、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システムに関し、更に詳細には、移動用途で、例えば乗り物の用途で使用するのに特に適した膜燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知の種類の燃料電池のうち、膜燃料電池が乗り物の用途で最も適している。これは、膜燃料電池の内部構造が特に簡単であり、始動が迅速であるために非常に短時間で公称最大出力に達し、これと関連して、突然のピーク出力要求に対する応答が優れているためである。
【０００３】
しかしながら、こうした好ましい特徴に加えて、膜燃料電池には幾つかの不都合がある。こうした不都合のうち、特に重要なことは、固体電解質として作用するプロトン交換膜を完全に水和した状態に維持する必要があるということである。プロトン交換膜は、一般的にはポリマー基材を含み、この基材に、一般的にはスルホン酸基であるプロトン化官能基が挿入してある。プロトン伝導性を決定する、プロトン化官能基の解離は、実際には、含水量の関数である。
【０００４】
膜の水分量は、作動時に生成した水と、燃料電池を横切って流れるガスによって取り出される水との間の微妙な平衡の結果である。広範なシステム効率に悪影響を及ぼすエネルギ寄生消費（ｅｎｅｒｇｙ  ｐａｒａｓｉｔｅ  ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）を最少にするために必要とされる、中程度の圧力で燃料電池が作動している場合には、危険な程大量の水が取り出されてしまう。中程度の、特にほぼ大気圧の作動圧力では、ガスの体積流量が高い。空気側では、この状況は特に重大である。なぜなら、出口に近いセル領域でも十分な酸素分圧を維持するため、かなり大量の、代表的には理論的必要値の二倍の空気を供給するからである。
【０００５】
従来技術では、必要とされる膜の水和は、通常、外部の反応物加湿システムによって維持されている。しかし、関連した装置は、常に、システムがひどく複雑なものとなり、重量及び容積が大きくなる。これは、特に移動用途では、受け入れることができない。
【０００６】
更に、排気（特にカソード空気）から生成水を回収するためのシステムは、通常は凝縮工程を含む。この工程は、特に、水との熱交換を必要とするため、比較的面倒である。水は、どのような環境条件でも作動できなければならない可動システムで受け入れられるように、非常に低い温度（良好な効率のため、例えば２０℃）に保持しなければならない。
【０００７】
燃料電池システムの水及び熱の管理を同時に改良するための興味深いシステムが、米国特許第６，４０６，８０７号に開示されている。この特許では、水を燃料電池の内部に直接噴射することが記載されている。気化により、作動によって発生した熱を効果的に除去すると同時に、膜を正しく水和された状態に維持するのに必要な蒸気分圧を発生する。この方法は、しかし、調節が非常に困難である。供給された水が不十分であると膜の導電性が低下する一方、過度に供給されると多孔質電極のフラッディングが起こることにより反応物を反応箇所に効果的に供給できなくなり、性能が大幅に低下する。
【０００８】
しかしながら、特に乗り物の用途の小型発電システムでは、水質が厳密に制御された状態を保持する必要があるため、生成水のみを使用して水分バランスを保持するのが望ましい。これは、少量の不純物、特に外部からの陽イオンが官能基に永久的に結合することによって膜の導電性が低下する場合があるためである。
【０００９】
これに関する興味深いシステムは、ＷＯ２００４／０８８７６８に記載されたシステムである。このシステムによれば、燃料電池に乾燥ガスを供給し、大きな作動状態範囲で、生成水のみによって水和状態を保持する。しかしながら、このシステムには、空気を３５℃以下、できれば２３℃乃至２７℃で供給しなければならないという制限がある。任意の気象条件でこのような低温の空気を得るため、システムは、周囲空気を圧縮し、冷却し、再膨張するサイクルを備えており、これには、エネルギをある程度消費する必要がある。また、このシステムは、レギュレーション（ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ）に関して比較的複雑であり、バランスをとるためにカソード排気の温度を空気供給圧力の関数として制御しなければならず、特に移動システムの動力要求に応じて急激に変化しうる電流密度に従って、様々なプロセスパラメータの全てを瞬間的に変化させなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、従来技術の不都合を解決する、ポリマー膜燃料電池スタックを含む発電システムを提供することである。
更に詳細には、本発明の目的は、熱及び水の管理を、最少限に減少させた外部の水供給源によって、更に好ましくは外部の水供給源を全く用いずに、調節すると同時に、発生する電流密度の変化時に、可能な限り少ない量のプロセスパラメータに作用する、ポリマー膜燃料電池スタックを含む発電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】
【００１１】
一つの特徴によれば、本発明は、ポリマー膜燃料電池が一つ又は複数のスタックをなして配置された電流発生システムを含む。ポリマー膜燃料電池のアノード室には、燃料（代表的には水素）が供給され、カソード室には、適当な装置によって空気が供給され、燃料電池の内部を冷却材が循環する。その結果、電流密度が変化したとき、専ら二つのパラメータ、即ち供給空気の流量及び冷却材の入口温度に作用することによって、水分及び熱のバランスを維持する。詳細には、水分のバランスを維持するため、排気及びパージによりシステムから取り出される水の量は、反応により生成する量と等しい必要がある。このような水分バランスは、主として、電流密度の影響（これが増大すると、生成する水の量が増大し且つ温度が上昇し、蒸発量が増大する）を受けると共に、モル流量及び圧力によって決まる、体積流量の影響を受ける。驚くべきことに、本発明者は、適当な手段により、ここに示した二つのパラメータ（供給空気の流量及び冷却材の電池入口温度）だけに作用を及ぼすことにより、広範な電流密度及び圧力で、膜燃料電池システムを、システムの熱及び水のバランスが自動的に調節されるように作動できることを発見した。
【００１２】
本発明の一つの可能な実施例では、燃料電池は、内部に圧力低下較正要素を含み、これにより、前記要素を横切って流れる前記ガスの体積圧力の関数としてガスの供給圧力を自動的に調節する。このような要素は、両室に設けることができるが、特にカソード室で、空気圧を空気の流量の関数として調節する装置として有用である。更に好ましい実施例では、このような較正された圧力低下を有する要素は、例えば金属の発泡体、焼結材料、メッシュ、エキスパンデッドシート又は有孔シート等の材料でできた網状電流コレクタ及びガス供給器である。上記材料は、随意であるが、様々な方法で重ねたり組み合わせたりしてもよい。詳細には、本発明が、作動圧力が好ましくは低い自動車の用途で特に有用であるため、電流コレクタ又は他の等価のエレメントの形状は、実際に使用される流量（カソード反応の化学量論的要求の１．２倍乃至２．５倍）で０．０１バール乃至１．５バール（１ＫＰａ乃至１５０ＫＰａ）の較正された圧力低下を加えることができることが特に有用である。カソード室では、空気は、代表的には、最大要求作動圧力に応じてコンプレッサ又は簡単なファンによって供給される。圧力低下較正素子を横切って流れた後に電池を出た排気空気は、代表的には、システムから開放弁を通って取り出され、圧力（ひいてはその流量）及び電池の温度で決まる所定量の水を運び去る。逆に、本発明のシステムは、アノード室で、好ましくは、純水素を、ポンプ又はエゼクターを含む再循環システムと、水分を含む少量の水素パージと、反応の化学量論的要求による乾燥水素の補充とを通じて再循環させる。水素側で取り出される水は、代表的には、拡散機構に従ってカソード室から膜を通って来入する所定の量も含む。これにより、広範な状態で自己調節が行われる。燃料電池冷却回路では、流体、例えば水を閉サイクルで再循環し、これにより、当該技術分野で周知のシステムによる燃料電池で熱交換を行う。冷却材を、発生する電流密度とは独立して一定の流量で再循環させる。冷却材は、電池入口温度（熱交換前）及び電池出口温度（電池から熱を取り出した後のより高い温度）を特徴とする。上述のように、適切に形成されたシステムは、空気流量を、要求電流発生量の関数として調節する他、驚くべきことに、専ら電池の入口での冷却材の温度に作用することによって水及び熱のバランスを維持できる。これを最も効果的に行うため、下文で更に詳細にわかるように、空気を冷却材の循環に関して並流をなして、及び水素の供給に関して向流をなして提供するのが有利である。
【００１３】
本発明を、単なる例示であって、本発明を限定しようとするものではない添付図面を参照して以下に詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
ポリマー燃料電池スタック（１００）が図１の発電システムの中心に設けられている。車輛用又はその他の実際の産業用のシステムの多くでは、これらのスタックが複数設けられているが、図１の簡略化した場合は、本発明の基本的な詳細を説明する上で適している。ファン又はコンプレッサー（２００）が、好ましくはフィルタに通して浄化した周囲空気を、様々な電池（ｃｅｌｌ）のカソード室に供給する。入口流（２０１）の流量（ｆｌｏｗ−ｒａｔｅ）は、スタック（１００）の要求出力、即ちスタック（１００）が発生するように要求される電流の関数として調節され、スタック（１００）を構成する電池内に設けられた圧力低下較正要素（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  ｗｉｔｈ  ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｄｒｏｐ）（図示せず）は、通常は網状（ｒｅｔｉｃｕｌａｔｅｄ）電流コレクタであり、作動圧力（通常、０．０１バール（１ＫＰａ）（絶対）乃至１．５バール（１５０ＫＰａ）（絶対））を空気の流量の関数として自動的に調節する。排気空気（２０２）は、開放した弁を通って外部環境に放出される。
【００１５】
電池のアノード室では、ポンプ（３００）が水素を再循環させる。ポンプ（３００）の吸込み部（３０１）は、空気の吸込み部に関して向流をなしている。大量の水分を含有する排気水素から少量のパージ（ｐｕｒｇｅ）（３０４）を取り出すと同時に、補充乾燥水素（３０３）が、反応により消費された量を回復させる。この図には、水素再循環装置として機能する単一のポンプ（３００）が示してあるけれども、更に複雑なシステムでは、この役割は、実際には、複数のポンプ又はエゼクター（ｅｊｅｃｔｏｒ）を含む構成によって果たされる。
【００１６】
冷却材を、空気に関して並流をなして且つ水素に関して向流をなして供給するため、ポンプ（４００）又は他の等価のエレメントが設けられている。冷却材は、多くの場合、単に水でできている。電池入口（４０１）での水温を電流密度の関数として調節する。この際、水の流量は一定である。水温を調節するため、電池出口（４０２）での流れは、様々な解決策が可能であるけれども、この場合、タンク（４１０）に供給される前に熱交換器（４２０）に送出される。
【００１７】
本発明の作動原理によれば、生成水を、部分的にはカソード排出部（２０２）を通して、及び部分的にはアノードパージ（３０４）を通して取り出すことにより、水分のバランスを膜の前後で制御する。この際、冷却材を一定の流量で循環することによって生成熱を取り出すことにより、熱のバランスが同時に維持される。
【００１８】
カソード側では、電流量が低い場合には、生成水の量が少ないが、水の気化に貢献する、電池が発生する熱もまた少ない。実際上の理由により、コンプレッサー又はファン（２００）は、最低限に調節されているけれども、化学量論的な必要量に関してかなり過剰の空気を送出する。このような空気の量は、圧力低下較正素子による低作動状況で加えられた低い圧力により、比較的大きな体積を占め、いかなる場合も、生成水を取り出すのに十分である。
【００１９】
逆に、高電流密度では、大量の生成水が発生し、対応する大量の空気が圧力低下較正要素を横切って流れることにより高度の圧縮が生じるが、これは、大量の熱の発生、ひいては大量の水の気化によって補償される。
【００２０】
アノード側では、燃料の再循環を行わない場合にのみ、少量の水を供給する必要がある。添付図面に示す好ましい実施例では、供給される燃料は純水素であり、反応により消費された分は、水分が加えられていない乾燥状態（３０３）で回復される。
【００２１】
例えば、空気を上から供給し、水素を下から供給することによって、水素流及び空気流を向流状態に保持した場合には、膜の前後の水分バランスを維持するのは容易である。これは、両流れが、関連した出口に向かって進む間に水分を蓄積するためである。流れを向流に維持することにより、パージ前の水分を含む水素の出口とは反対側の膜領域の電池入口での空気の流れをより乾燥したものにでき、補充部の下流の水分が比較的少ない水素を、水分を徐々に蓄積した空気の出口とは反対側の膜領域に供給できる。
【００２２】
水素を冷却材に対して向流をなして供給することは、その加湿量を制御下に置くことができ、電池の入口の前での大量の水分の凝縮を阻止できるため、逆に有利である。換言すると、燃料電池入口（３０１）での水素流の露点を、その位置での冷却材の温度よりも低い温度に維持することが推奨される。これは、冷却材の温度が、燃料電池の入口での温度よりも出口での温度の方が高いので、向流により、作動範囲が高くなるためである。
【００２３】
以下の図は、本発明のシステムの優れた機能を示す。本発明のシステムは、驚くべきことに、ガスの加湿量、冷却材流量、又は電池の内部圧力を独立して調節することなく、空気の流量及び電池入口での冷却材の温度を調節するだけで、作動できる。
実施例
有効面積が３６０ｃｍ２であって、日本国のゴア（Ｇｏｒｅ）社が製造しているプリメア（プリメア（ＰＲＩＭＥＡ）は登録商標である）シリーズＳ７のイオン交換膜／ガス拡散電極アッセンブリと、多孔度が制御された（１インチ（２．５４ｃｍ）当たり１００個の小孔を備えた）ニッケルフォーム（ｆｏａｍ）でできた電流コレクタとを備えた、ポリマー膜燃料電池（ｃｅｌｌ）を１４個含むスタックについて、図１のシステムと同様のシステムで試験を行った。冷却材として脱イオン水を使用した。全試験中、冷却材の流量は、各電池について、毎分０．４リットル（４００ｃｍ３）の一定量に保持した。このような流量は、有効面積１ｍ２当たり毎分約１１リットル（０．０１１ｍ３）の流量と対応する。代表的には、実際の電流密度の全範囲において、有効面積１ｍ２当たり少なくとも毎分１０リットル乃至５０リットル（０．０１ｍ３乃至０．０５ｍ３）の値で最適の機能が得られる。関連するエネルギ消費を減少するため、流量をこの範囲の下限近くに維持するのが好ましい。アノードには、一定の流量で再循環される純水素が供給され、少量が不連続的にパージされ、反応の化学量論的要求と対応する乾燥水素が補充された。先ず最初に、スタックを８ｋＡ／ｍ２の電流密度で作動し、入口の水温を５８℃に調節し、空気の流量を化学量論的流量の１．７倍に保持した。試験を３０分に亘って実施し、図２に示す結果を得た。この図では、作動時間を横軸にとり、電池の平均電圧（点で示す曲線５００）を左側の縦軸にとり、電池の電圧の標準偏差（点による分散曲線６００）を右側の縦軸にとった。電圧値が時間に対して非常に安定しており、個々の電池の電圧値が互いに比較的近いということがわかる。この状況は、４ｋＡ／ｍ２の遥かに低い電流密度で実施した、続いて行われた３０分間の試験において変化がみられなかった。この結果を図３に示す。図２の状況と比較すると、入口の水温が５３℃まで低下し、空気流が変化した（その絶対値が減少したが、その過剰分が、化学量論的流量の２倍の値まで上昇した）。かくして、電池のカソード室の内部圧力が１．５バールから１．２６バール（１５０ＫＰａから１２６ＫＰａ）（絶対）まで低下した。この特定の場合（空気圧が限度を越えて低下せず、いずれの場合でも１．２バール（１２０ＫＰａ）（絶対）よりも高い）には、電池の入口の水温に作用を及ぼす必要がなかった。図３でわかるように、電池の電圧（５０１）は、時間に対して非常に安定したままである（しかし、電流密度を減少したため、図２の場合よりも明らかに高い）。更に、標準偏差（６０１）の結果が、従って、低い。空気の流量及び電池の入口の水温に作用を及ぼすことにより、広範な電流密度（少なくとも０．１ｋＡ／ｍ２乃至１２ｋＡ／ｍ２ ）及び作動圧力（カソード側の内部圧力を０．０５バール乃至１．５バール（５ＫＰａ乃至１５０ＫＰａ）に維持するように、空気の流量を化学量論的に過剰にする）で、同様の傾向を得ることができる。様々な電流密度で行った、全部で１６時間に亘る作動中の長期及び短期サイクルの両方での発電条件を変化させた一連の試験により、特定の状態での作動の安定性が確認された。
【００２４】
二つのプロセスパラメータ（空気の流量及び冷却材の入口温度）の重要性を次の図に示す。図４は、特に、図２におけるのと同じ条件であるが、入口での水温が過度に高い（６４℃）条件で、スタックを０．８ｋＡ／ｍ２で試験した結果を示す。電池の平均電圧（５１０）が数分間のうちに急激に低下すると同時に、標準偏差（６１０）がピークを迎え、幾つかの電池でドライアウトが生じ且つ膜の導電性が失われた状態が他よりも早く起こることが分かる。図５の場合には、入口での水温を５８℃の補正値に戻したが、空気の流量を、当該電流密度での温度について計算した１．７の最適値に関して化学量論的に過剰な２．１まで上昇した。電池の電圧（５１１）に作用する効果は、図２の理想的状況に関して急激な悪化を示さないが、いずれにせよ、時間に対して上昇する傾向があり、標準偏差（６１１）は、幾分高く、システムがアンバランスな状況にあり、長期に亘って作動を実施しない方がよいということを示す。
【００２５】
当業者には明らかであるように、本発明は、上述の例に対してこの他の変形及び変更を加えて実施してもよい。
以上の説明は、本発明を限定しようとするものではなく、特許請求の範囲によって範囲が一義的に定義された本発明の範囲から逸脱することなく、様々な実施例に従って使用できる。
【００２６】
本願の以上の説明及び特許請求の範囲に亘り、「含む」という用語及び「備えている」といった同様の用語は、その他の要素又は追加の要素の存在を除外するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のシステムの一つの好ましい実施例の概略図である。
【図２】本発明の発電システムの燃料電池スタックが発生した電圧、及び単一の電池の電圧の標準偏差の変化を時間に対して示す図である。
【図３】本発明の発電システムの燃料電池スタックが発生した電圧、及び単一の電池の電圧の標準偏差の変化を時間に対して示す図である。
【図４】本発明の発電システムの燃料電池スタックが発生した電圧、及び単一の電池の電圧の標準偏差の変化を時間に対して示す図である。
【図５】本発明の発電システムの燃料電池スタックが発生した電圧、及び単一の電池の電圧の標準偏差の変化を時間に対して示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１００  ポリマー燃料電池スタック
２００  ファン又はコンプレッサー
２０１  入口流
２０２  排気
３００  ポンプ
３０１  吸込み部
３０３  補充乾燥水素
３０４  パージ
４００  ポンプ
４０１  電池入口
４０２  電池出口
４１０  タンク
４２０  熱交換器
【図１】
2008521185.tif 000003
【図２】
2008521185.tif 000004
【図３】
2008521185.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008521185.tif 000007
【国際調査報告】
2008521185.tif 000008
2008521185.tif 000009
2008521185.tif 000010