(57)【要約】  本発明は1種または2種以上の燃料を利用する燃料電池に関する。本発明の燃料電池は燃料電池スタック、この燃料電池スタックに接続されている貯蔵所およびその燃料ソースからの燃料供給を制御する供給弁を含んでいる。また、本発明は燃料電池の運転方法に関して、この方法は、燃料ソースからの燃料を燃料電池スタックと燃料貯蔵所に供給するステップ；燃料貯蔵所からのを使って燃料電池を運転するステップ；燃料ソースからの燃料を燃料電池スタックと燃料貯蔵所に供給し、燃料電池の運転中で発生する廃棄物を燃料電池スタックから燃料貯蔵所に排出するステップを含んでいる。前記燃料貯蔵所は燃料と廃棄物を貯蔵して、燃料電池が、気体廃棄物を放出すること、または液体廃棄物を排出することなしで、一定の長期間で運転を続けることになる。
2008536273.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第一燃料を利用する燃料電池であって、
前記第一燃料用の第1取入口を持つ燃料電池スタック、前記第1取入口に接続する第1供給弁、および前記燃料電池スタックに接続する第1貯蔵所を備える燃料電池。
【請求項２】
前記燃料電池は、前記第一燃料および第二燃料を利用して、また、
前記燃料電池スタックに接続する前記第二燃料用の第2取入口、前記第二燃料用の第2取入口に接続する第2供給弁、および前記燃料電池スタックに接続する第2貯蔵所を備える請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第一燃料が水素で、前記第二燃料が酸素である請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料電池は気体廃棄物および液体廃棄物を発生し、前記第1貯蔵所に前記気体廃棄物を放出するための第1放出弁および/または前記液体廃棄物を排出するための第1排出弁が備えている請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第2貯蔵所に前記液体廃棄物を排出するための第2排出弁および/または前記気体廃棄物を放出するための第2放出弁が備えられている請求項２に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料電池スタックにフローチャネルがあり、前記貯蔵所の容量がフローチャネルの容積の150倍と1000倍の間である請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項７】
第1の運転期間に、前記供給ソースから前記燃料電池スタックと前記貯蔵所に前記燃料を供給するステップ、
第2の運転期間に、前記貯蔵所からの燃料を用いて前記燃料電池を運転するステップ、
第3の運転期間に、前記供給ソースから前記燃料電池スタックと前記貯蔵所に前記燃料を供給し、前記燃料電池スタックから液体廃棄物および気体廃棄物を取除くステップを含んでいる請求項１−６のいずれかに記載の燃料電池の運転方法。
【請求項８】
前記燃料電池スタックにフローチャネルがあり、前記貯蔵所の容量がフローチャネルの容積の150倍と1000倍の間である請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記燃料電池の性能が前もって決められた第1水準に達する場合、前記貯蔵所から前記気体廃棄物を放出するステップをさらに含む請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記燃料電池の性能が前もって決められた第2水準に達する場合、前記貯蔵所から前記液体廃棄物を排出するステップをさらに含む請求項７または９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は次の中国の特許出願からの優先権を請求する:
２００５年４月１１日に出願した中国特許出願番号第200510020720.5号の“H2-O2型プロトン交換膜燃料電池およびそのガス供給と排水方法”という特許出願。上記の出願はリファレンスとしてここに組み込まれる。
【０００２】
本発明は燃料電池およびその燃料電池の運転方法に関する。特に、本発明は燃料電池およびその燃料電池へ燃料を供給し、その燃料電池からの廃棄物を放出する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
燃料電池は電力発生装置である。とりわけ、H2-O2型プロトン交換膜燃料電池は水素ガスと酸素ガスを燃料として使って、水素と酸素の反応によって電気エネルギーを発生する燃料電池である。一般的に、燃料電池は、燃料電池スタック、水素と酸素の供給ソース、調湿システム、冷却装置および制御システムから構成されている。図１は代表的な従来技術の H2-O2型燃料電池の例を示す。21は水素のソースで、22は水素の調湿システムであり、23は酸素のソースで、24は酸素の調湿システムであり、25は水素の減圧弁で、26は酸素の減圧弁であり、27は水素の放出弁で、28は酸素の放出弁であり、29は水素の循環ポンプであり、30は冷却装置であり、31は外部の負荷であり、32は燃料電池スタックである。多くの現有燃料電池は循環ポンプ29を含んでいない。2つタイプの冷却システム、即ち液体冷却および空気冷却を使用することができる。空気冷却装置は、主に1000ワット以下の電力を発生する発熱の少ない電池セルに使用される。空気冷却装置に対して、通常、一台の小型ファンで十分である。1000ワット以上の電力を発生する電池セルはより多くの熱を作り出すので、熱を放出するために液体冷却装置を使用しなければならない。この冷却方法は、多くの装置、例えば、ポンプ、熱交換器および水処理装置を必要とするので、比較的に複雑である。
【０００４】
燃料電池スタック32はH2-O2型プロトン交換膜燃料電池の主要部分である。燃料電池スタック32は、1つあるいは1つ以上の膜電極アセンブリおよびフローフィールドプレートを含む。膜電極アセンブリは、燃料反応が起こるところで、プロトン交換膜と膜両側にある触媒層およびガス拡散層を含んでいる。フローフィールドプレートはグラファイトプレートまたは金属プレートであり、表面にフローチャネルがある。もし、上記チャネルが妨げられれば、燃料が触媒層の表面に到達できないので、電気を発生させる電池反応が起こることができなくなる。
【０００５】
H2-O2型燃料電池において、燃料電池中での反応は次のようである。
a. 陽極:H2−2e＝2H+
b. 陰極:1/2O2+2H++2e＝H2O
c. 総反応:H2+1/2O2＝H2O
【０００６】
上記の反応式は、1Ahごとの電気発生に対し、単一セルの付いている燃料電池スタックが陰極で0.0187mol(0.34g )の廃水を発生することを示す。燃料電池の運転中に、発生した水が燃料電池から排出されなければ、水はフローフィールドプレートのフローチャネルで次第に集まり、燃料が膜電極に到達して反応する通路を妨げる。いずれか、水は蒸発してから気体の形態で反応ガスと一緒に放出するか、液体の形態で反応ガスと一緒に放出する。
【０００７】
同じ電流で、H2-O2型燃料電池にて理論的な酸素消費量は、水素-空気型燃料電池にて理論的な空気消費量の21%である。従って、同じパワー条件で、H2-O2型燃料電池によって放出する廃棄物の量は、水素-空気燃料電池によって放出する廃棄物の量より遥かに少ない。加湿なしにしても、H2-O2型燃料電池によって発生する水の大部分は主に液体の形態で放出される。水素-空気型燃料電池の廃棄物は、主に空気からの窒素のような不純物である。純粋な酸素ガスも0.01〜0.05v%の不純物を含んでいる。もし、数時間連続運転後に廃棄物が放出されなければ、フローチャネル中に燃料の不純物の密度が余りに高くなるので、燃料電池の性能は低下する。さらに、気体状廃棄物を放出する時、発生する水も排出する。気体廃棄物の放出と共に、この水を容易に排出するために、燃料、すなわち反応燃料はかなり高い流速を維持しなければならない。但し、流速を高めることは未反応燃料が多量に流失することになり、これによって電池の効率が低下する。
【０００８】
従来技術では、水素と酸素のような燃料の流速は、一般にフローフィールドプレートの設計を増進することおよびフローチャネルの横断面積を減らすことによって増加する。これは、廃棄物装置の排水能力を高めること、および使用または消費された燃料量を減らすことになる。但し、理論的に消費された酸素が非常に小さいので、その排水能力を制限する。フローフィールドプレートの設計が最大限に活用される場合でも、十分な排水のため、実際的消費された酸素量は理論的量の２倍が必要である。
【０００９】
燃料の利用率を増進するためには、さらに進んだ燃料電池システムでは、廃棄ガスはガス-水分離器を通してから加圧ポンプによって反応ガスのパイプラインにリサイクルされる。このようにして、廃棄物を放出する間に未反応燃料の損失を減らし、燃料の使用を減らすことができる。但し、この方法もシステムのパワー消費量を高め、エネルギー総効率の増加を制限する。また、このタイプの設計はシステムの複雑さを高めるので、このようなシステムの製造費用も増加する。
【００１０】
従って、従来技術には上記の欠点があるので、エネルギー効率が非常に良くて、低い廃棄物排出の新規な燃料電池および燃料の供給、気体廃棄物の排出および水のような液体の排出する新しい方法が望まれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、燃料電池、特に低い廃棄物排出とエネルギー効率が非常に良いH2-O2
型燃料電池を提供することにある。
【００１２】
本発明のもう一つ目的は、燃料供給と、電池、特にH2-O2型燃料電池から気体廃棄物を排出し、液体廃棄物を排出するために用いる、エネルギー効率が非常に良い方法を提供することにある。
【００１３】
本発明は、燃料電池の運転のために１種あるいは２種以上の燃料を使用する燃料電池に関する。本発明の好ましい実施例は、燃料電池スタック、燃料貯蔵所、および燃料ソースからの燃料供給を制御する供給弁を含んでいる。また、本発明は、燃料電池の運転方法に関する。この方法は、燃料ソースからの燃料を燃料電池スタックと燃料貯蔵所に供給するステップ；上記の燃料供給を終えて、燃料貯蔵所から燃料電池スタックに燃料を供給するステップ；燃料ソースからの前記の燃料を燃料電池と燃料貯蔵所に供給し、燃料電池の運転中で発生する廃棄物を燃料電池スタックから燃料貯蔵所に排出するステップを含んでいる。
【００１４】
本発明の利点は、本発明に係る燃料電池、特に、H2-O2型燃料電池が低い廃棄物排出と高いエネルギー効率を有することである。
【００１５】
本発明のもう一つの利点は、燃料の供給、および燃料電池、特にH2-O2燃料電池から気体廃棄物を放出し液体廃棄物を排出する方法が高いエネルギー効率を有することである。
【００１６】
また、本発明のもう一つの利点は、本発明の燃料電池の製造費用が安価であることである。
【００１７】
本発明のもう一つの利点は、本発明の方法が実行し易く、そして安価である。
【００１８】
次に、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照して詳細に説明して、前述の発明の目的、概要および利点などをよりよく理解するようにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
燃料電池は、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換し、液体および気体の廃棄物を排出する。H2-空気型燃料電池は水素と空気を燃料として使用し、H2-O2型プロトン交換膜燃料電池は酸素と水素を燃料として使用する。
【００２０】
本発明では、廃棄物は気体廃棄物および液体廃棄物の両方を含んでいる。従って、廃棄物は気体の反応生成物と液体の反応生成物、燃料電池反応後に残った不純物、および未反応燃料を含んでいる。H2-O2型燃料電池では、廃棄物は化学反応後に燃料に残る汚染物または不純物を含んでいる。例えば、酸素の中の不純物、化学反応によって発生した水蒸気と液体水の汚染物、および未反応燃料である。
【００２１】
一般的に、燃料電池は、燃料電池に使用する各燃料のソース(燃料供給ソース)、燃料が反応し廃棄物が発生する場所の燃料電池スタック、各燃料の取入口、調湿システム、燃料電池スタックを冷却するための冷却装置、および燃料電池の異なるオペレーティングモードを制御するための制御システムを備えている。水素および酸素のような
燃料のソースは調湿システムと接続することができる。調湿された燃料は配管によって燃料電池スタックの取入口に配送することができる。
【００２２】
本発明の燃料電池の好ましい実施例は、第一燃料を燃料電池スタックの第一取入口に流されるのを制御する第一供給弁；燃料電池スタックに連結して、前記燃料電池スタックからの廃棄物をこの第一貯蔵所に流入して、前記第一貯蔵所からの燃料を燃料電池スタックに流される第一貯蔵所；前記第一貯蔵所から気体廃棄物を放出するための第一放出弁；および、前記第一貯蔵所から液体廃棄物を排出するための第一排出弁を備えている。他の好ましい実施例は、燃料電池の一種あるいは一種以上の燃料に使用する前記各部分の変化を具体的に示す。
【００２３】
図２は二種類の燃料を使用する本発明の燃料電池の代表的な好ましい実施例を示す。1は酸素のような第一燃料用の第一貯蔵所で、この第一貯蔵所は燃料電池スタックと接続することができ、それで燃料の反応による廃棄物は燃料電池スタックから出て、第一貯蔵所1に入ることができる。2は水素のような第二燃料用の第二貯蔵所で、この第二貯蔵所は燃料電池スタックと接続することができ、それで燃料の反応による廃棄物は燃料電池スタックから出て、第二貯蔵所2に入ることができる。3は第一燃料の供給を制御するための弁(供給弁)で、第一燃料の取入口管に置かれる。4は第二燃料の供給を制御するための弁(供給弁)で、第二燃料の取入口管に置かれる。5は第一燃料のソース(燃料供給のソース)である。6は第二燃料のソース(燃料供給のソース)である。7および8は気体廃棄物を放出する弁(放出弁)で、貯蔵所のトップに置くことができる。9および10は水のような液体廃棄物を排出するための弁(排出弁)で、通常貯蔵所の底に置かれる。そして11は燃料電池スタックである。
【００２４】
好ましくは、燃料用の貯蔵所は耐腐食性がよいものである。例えば、この貯蔵所は耐腐食性金属または他の材料から構成して、あるいは耐腐食性ライニングを備えている。
【００２５】
好ましい実施例では、燃料用の貯蔵所の容量はフローチャネル総容量の150倍から1000倍までである。前述のフローチャネルは、すなわち、未反応燃料が前述の燃料電池スタックを流れ通すチャネルである。もう一つの実施例では、燃料用の貯蔵所の容量はフローチャネル総容量の150倍から1000倍までである場合もある。H2-O2型燃料電池を例にする好ましい実施例では、酸素が第一燃料で、水素が第二燃料で、酸素用の貯蔵所の容量または水素用の貯蔵所の容量はフローチャネル総容量の150倍から1000倍までであり、前記フローチャネルは酸素フローチャネルと水素フローチャネルの両方を含んでいる。
【００２６】
燃料用の貯蔵所は燃料、気体廃棄物および水のような液体廃棄物を貯蔵することができる。燃料の供給弁が閉鎖して燃料のソースは直接燃料電池スタックへ燃料供給をしていない時、燃料電池貯蔵所からの燃料を使用することによって燃料電池は運転し続けることである。
【００２７】
好ましい実施例では、燃料電池スタックは貯蔵所のトップに接続されている。図2で説明された実施例では、燃料電池スタックは第一燃料用の貯蔵所1の上部および第二燃料用の貯蔵所2の上部に接続されている。
【００２８】
燃料電池スタックに燃料を供給するのを制御する供給弁は燃料電池の制御システムによって制御されるソレノイド弁を用いることもできる。
【００２９】
本発明は、１種または２種以上の燃料を燃料電池へ供給し、前述の燃料電池によって発生する廃棄物を放出し排出する方法を提供する。
【００３０】
1種の燃料を貯蔵するための貯蔵所、この燃料の供給を制御する供給弁、この貯蔵所から気体廃棄物を放出するための放出弁、およびこの貯蔵所から液体廃棄物を排出するための排出弁を備えている燃料電池に対して、好ましい運転方法は、次のステップから構成されている。
【００３１】
第一運転期間に、燃料スタックと貯蔵所へ燃料を供給する。この第一ステップは、燃料用の供給弁のオープンによって完成される。これによって、燃料が燃料供給のソースから燃料電池スタックおよび貯蔵所に流れることができる。また、燃料電池中の不純物または汚染物を取除くため、この第一ステップの間に、気体廃棄物を放出するための放出弁および液体廃棄物を排出するための排出弁が前もって設定された一定期間でオープンすることが好ましい。
【００３２】
第一ステップの後で、第二ステップは第二運転期間の間に貯蔵所の燃料の使用によって燃料電池および燃料電池スタックを運転させることである。また、供給弁の閉鎖によって運転を完成することができる。それによって供給のソースは燃料電池スタックに燃料を供給しないことになる。
【００３３】
第三ステップは第三運転期間に再度前記燃料ソースから前記燃料電池スタックおよび燃料貯蔵所を供給し、前記燃料電池スタックおよび燃料貯蔵所の廃棄物を取除くことである。
【００３４】
上記の第二および第三ステップは燃料電池の連続運転の間に繰り返されるサイクルである。
【００３５】
燃料電池運転による廃棄物が第三ステップの間に燃料電池スタックから周期的に取除かれるので、燃料電池は液体廃棄物または気体廃棄物を排出することなく長期に運転することができる。貯蔵所での廃棄物累積が超過し、燃料電池の性能が定められた第1水準までに下がる時、周期的に放出弁をオープンして、気体廃棄物を燃料電池から放出することができる。同様に、燃料電池の性能が定められた第2水準までに下がる時、排出弁をオープンして、液体廃棄物を排出することができる。別の実施例では、好ましい実施例のH2-O2型燃料電池に対し、貯蔵所容積の半分を満たすまで、貯蔵所にある液体廃棄物は貯蔵所に残すまま排出しないことができる。
【００３６】
最適には、気体廃棄物を放出するために燃料貯蔵所の放出弁がオープンするとき、供給弁もオープンして、それによって、燃料供給ソースからの燃料が燃料電池スタックに入ることができる。
【００３７】
同様に、液体廃棄物を排出するために燃料貯蔵所の排出弁がオープンするとき、排出期間に、最適運転のために供給弁もオープンする。
【００３８】
燃料電池が1種以上の燃料を使用すれば、しかもそれぞれの貯蔵所、供給弁、放出弁および排出弁を持つ場合では、前述の方法はそれぞれ種類の燃料に使用することができる。
【００３９】
本発明の好ましい方法では、第一および第三運転期間中の第一ステップと第三ステップで供給弁がオープンするだけ、燃料供給ソースは直接に燃料電池スタックと貯蔵所へ燃料を供給する。第二運転期間中の第二ステップでは、燃料供給弁が閉鎖しているとき、燃料電池運転のために貯蔵所の燃料は燃料電池スタックに提供される。この第二運転期間に、燃料電池スタックが貯蔵所の燃料を消費していることによって、貯蔵所の圧力は低下し、燃料電池運転による気体廃棄物と水のような液体廃棄物は燃料電池スタックに集まるようになる。最初に、これは燃料電池の運転に影響をあまり与えない。但し、一定の運転期間後に(第二運転期間)、燃料貯蔵所内の低減した圧力、および燃料電池スタックで集まった液体廃棄物は、燃料電池運転にマイナスな影響を与え始める。このようになる場合には、燃料用の供給弁を開けることができる。燃料貯蔵所の圧力が燃料ソースの圧力より大いに低いので、一旦供給弁がオープンになると、燃料は相当に高い速度で貯蔵所に加えることになり、そこで燃料は貯蔵所に入る。同時に、燃料は相当に高い速度で貯蔵所に加えるとき、燃料電池スタックで集まった液体および気体廃棄物を貯蔵所に運ぶことにもなる。従って、供給弁を繰り返しに開閉することによって、燃料電池は必要な燃料で供給され、廃棄物も燃料電池スタックから取除かれ、貯蔵所で貯えられることになる。燃料電池の運転によって発生する液体および気体廃棄物は両方とも貯蔵所で貯えられるので、燃料電池は、放出弁または排出弁を通して気体廃棄物または液体廃棄物を排出することなく、最適の条件で長期間運転できる。さらに、貯蔵所がたくさんの液体廃棄物および気体廃棄物を貯蔵することができるので、気体廃棄物を放出する放出弁と液体廃棄物を排出する排出弁を必要時にオープンするだけである。これによって、気体廃棄物が放出され、および液体廃棄物が排出される間の未反応燃料の損失はかなり防ぐことになる。従って、この方法の好ましい実施例では、燃料電池が長い期間に廃棄物フリーを維持でき、燃料の消費を減らすことになる。H2-O2型燃料電池に対し、前記好ましい方法が使用されるとき、ほぼ100%の酸素および水素燃料が使用され、燃料電池は高エネルギー効率で運転できる。
【００４０】
更に本発明を説明するために、1.2キロワットのH2-O2型燃料電池で次の実施例を考察する。この1.2キロワットのH2-O2型燃料電池には、48Vのレーテッド・オペレーティング・ボルテージ、25Aのレーテッド・オペレーティング・カレント、75℃のレーテッド・オペレーティング・テンパラチュア、および0.2MPaの水素と酸素の規定運転圧力の燃料電池スタックがある。
【００４１】
もし、この燃料電池に本発明の好ましい実施例の特徴がないと、例えば、2つの燃料中の少なくとも1つに対し、貯蔵所、供給弁、放出弁および排出弁がなければ、レーテッド条件下で運転する場合、消費された水素量は20slpm で、理論的な消費量の1.7倍であり、消費された酸素量は20slpmで、理論的な消費量の3.3倍である。燃料運転に使用する水素および酸素は、それぞれ消費される水素および酸素の量の60%と30%である。従って、このタイプの燃料電池に低いエネルギー効率がある。
【００４２】
好ましい実施例では、H2-O2型燃料電池は図２に示されるような構造を持っている。円柱型の水素貯蔵所2は直径35cm、高さ25cmで、容積(容量)0.0201m3である。円柱型の酸素貯蔵所1は直径30cm、高さ25cmで、容積0.0151m3である。この2つの貯蔵所は燃料電池スタックの廃棄物出口に取付けられている。放出弁7と排出弁9は貯蔵所1に使用され、放出弁8と排出弁10は貯蔵所2に使用される。すべての弁は球形の手動ゲート弁である。放出弁は長期運転後に貯蔵所で集まった余分な気体廃棄物を放出するのに使用され、排出弁は長期運転後に水蓄積が余分になった水を排出するのに使用されている。本実施例で使用される貯蔵所のサイズによって、気体廃棄物および水の排出は数時間で一度、あるいは数日間に一度、または必要に応じて放出することができる。放出弁と排出弁はいずれも手動できる。
【００４３】
この実施例で、酸素および水素の貯蔵所は、ステンレススチールまたはプラスチックライニング付のレギュラーな金属のような耐腐食の金属から成っている。貯蔵所の容量は燃料電池スタック中のすべてのフローチャネルの総容積の10倍から10000倍の間にすることもできる。その代わり、一つの燃料用貯蔵所の容量はその燃料用のフローチャネルの総容積の10倍から10000倍の間にすることもできる。貯蔵所の好ましい容量は、主に、供給弁が閉鎖して、燃料が燃料供給ソースによって供給されていない後、燃料電池が0.5分と5分の間に運転できるし、貯蔵所の圧力が初期圧力の50%と90%の間になるに必要な量の燃料によって定められる。もし、貯蔵所が余りにも大きければ、その貯蔵所の供給弁がオープンするとき、燃料ソースと貯蔵所の圧力差は小さくて、供給ソースから貯蔵所への燃料の流速は余りにも低くなるので、燃料電池スタックから水を十分に取除くには困難である。もし、貯蔵所が余りにも小さければ、燃料ソースと貯蔵所の圧力差は余りにも大きくなり、燃料電池の性能は供給弁の 2つのオープンの間で非常に変動する。
【００４４】
前記貯蔵所は立方形、球形、円柱型または他のいずれの形でもよい。但し、最適には、貯蔵所は0.5MPaの圧力に耐えることである。
【００４５】
酸素燃料用の供給弁3および水素燃料用の供給弁4はそれぞれ酸素および水素の取入口に接続される。また、前記供給弁３、４は、それぞれ酸素と水素燃料の取入口管に置くことができ、好ましくは酸素と水素燃料を取入れる燃料電池スタックの取入口の近くに置くことができる。水素または酸素燃料の供給弁がオープンするとき、燃料は高圧で燃料電池スタックに供給される。貯蔵所の燃料が燃料電池運転に使用されたので貯蔵所の圧力が低くなると、その燃料用の供給弁をオープンする場合、その燃料が燃料電池を通じて貯蔵所に流れる流速は高い。燃料の高速流動度は燃料貯蔵所の減らされた燃料を補充し、燃料電池運転の間に燃料電池スタックのフローチャネルで発生した水と気体廃棄物を燃料貯蔵所に排出する。
【００４６】
供給弁は通常の手動ゲート弁またはソレノイド弁である。この好ましい実施例では、供給弁はオン-オフでスイッチすることができるタイムリレーによって制御されるソレノイド弁である。第二と第三運転期間は反応時間、貯蔵所の容量および燃料電池によって発生するエネルギーによって定められる。好ましくは、第二運転期間、即ち、供給弁が閉鎖する時間は、0.5分と10分の間にし、第三運転期間は1秒と30秒の間にすることができる。実験の後に、酸素貯蔵所と水素貯蔵所の好ましい容量はフローチャネルの総容積の150倍と1000倍の間に定められる。供給弁の2つの連続的なオープン期間について、最適の期間は0.5分と2分の間に定められ、そして最適の第三運転期間は4秒と15秒の間に定められる。もし、供給弁の2つの連続的なオープン期間が2分以上持続させれば、燃料電池運転によって発生した水は次第に燃料電池中のフローチャネルにあふれ、燃料電池の性能は悪化することになる。もし、供給弁の2つの連続的なオープン期間が余りにも短ければ、燃料供給ソースから入って来る燃料の圧力と燃料の貯蔵所の圧力との差は余りにも小さくなり、燃料の流速が余りにも低くなり、燃料電池スタックで集まる水を十分に取除くことは困難になる。
【００４７】
最適の第三運転期間は4秒と15秒の間である。もし、第三運転期間が余りにも短ければ、貯蔵所中の燃料が燃料電池運転のために使用され、燃料の補充供給には不十分になる。もし、第三運転期間が余りにも長ければ、例えば7秒と8秒間であれば、入って来る燃料と貯蔵所の圧力差は低くなり、それによって流速が低下になり、結果的に燃料電池スタックから貯蔵所に水を排出することはできなくなる。
【００４８】
好ましい運転方法では、燃料電池運転の間に、水素の供給弁を60秒毎に6秒間で開け、そして酸素の供給弁を90秒毎に6秒間でオープンする。水素燃料用のソレノイド供給弁が開いた後6秒間以内に水素ガスの平均流速は120slpmである。この流速は従来技術によるH2-O2型燃料電池の水素流速の6倍である。酸素燃料用のソレノイド供給弁が開いた後6秒間以内に酸素ガスの平均流速は90slpmである。この流速は従来技術によるH2-O2型燃料電池の酸素流速の4.5倍である。これらの高い流速によって、燃料電池スタックから貯蔵所に水を排出する機能はかなり増進される。
【００４９】
燃料電池の運転を始めるためには、燃料電池を運転させる好ましい方法は次のステップ、即ち、水素貯蔵所２および酸素貯蔵所1から不純物または廃棄物を取除くため、酸素供給弁3、水素供給弁4、放出弁7および放出弁8を開けるステップ;そして、放出弁7と放出弁8を閉め、それぞれの燃料で酸素貯蔵所と水素貯蔵所を満たすステップが含まれている。
【００５０】
このように燃料の最初の供給によって燃料電池の運転を始めた後、燃料電池の継続的に運転の間に次の方法を繰り返される:
酸素貯蔵所1の圧力が酸素供給のソースから入って来る酸素の圧力に近づく場合、酸素供給弁3を閉めて、酸素供給のソースからの酸素直接供給を終え、それで貯蔵所からの酸素は燃料電池運転のために燃料電池スタックに流れ込むことになる；
水素貯蔵所2の圧力が水素供給ソースから入って来る水素の圧力に近づく場合、水素供給弁4を閉めて、水素供給ソースからの水素直接供給を終え、それで貯蔵所からの水素は燃料電池運転のために燃料電池スタックに流れ込むことになる；
酸素貯蔵所の差動圧力のためにまたは燃料スタックに水蓄積のために、燃料電池の性能が影響を受けている場合では、酸素供給弁をオープンする；
水素貯蔵所の差動圧力のためにまたは燃料スタックに水蓄積のために、燃料電池の性能が影響を受けている場合では、水素供給弁をオープンする。
【００５１】
燃料電池運転の間に、上記それぞれのステップは、これらのステップで示される条件が起こるとき、継続に繰り返すことができる。
【００５２】
供給弁が閉めた後、貯蔵所の燃料供給弁によって供給される燃料だけで燃料電池を運転する。この段階での燃料電池運転では、供給弁の閉鎖したことによってその燃料用の貯蔵所の圧力は若干減る。さらに、燃料反応からの水は燃料電池スタックに集まる。最初に、このような圧力の減少と水の蓄積は電池の性能にあまり影響を与えない。但し、燃料電池が運転を続けるので、供給ソースからの供給がないので、貯蔵所の燃料は次第に減る。その貯蔵所の圧力は下がり続けることになる。また、水は続いて燃料電池スタックで集まる。燃料電池の性能が圧力下がりまたは水蓄積によって影響されるとき、貯蔵所を補充するためにその燃料用の供給弁は開けることができる。
【００５３】
その燃料用の供給弁がもう一度オープンする場合、貯蔵所の圧力が燃料供給ソースから入って来る燃料の圧力と比較するとかなり減ったので、燃料は高い流速で貯蔵所に入り込んで、貯蔵所の減少された燃料を補充する。さらに、高速で貯蔵所に流れ込んだ燃料は累積した水を燃料電池スタックから持ち出す。
【００５４】
上記のステップは一種の燃料電池運転方式を記述する。ここで、放出弁がオープンして汚染物を放出するとき、初期スタートアップ段階後に未反応燃料が 燃料電池から出ないことである。従って、この燃料電池は、燃料電池の運転にかかわるステップを繰り返された間に、排出フリーになる。廃棄物が長い期間排出なしに残ることができ、水が一定の長い期間で貯蔵所に残ることができると同時に、燃料電池の性能に影響を与えないことができる。 水の排出または気体廃棄物の放出の間に、水素と酸素の燃料の損失なしで、ほぼ100%の水素および酸素のガスは燃料電池運転のために使用されることで、燃料電池の高エネルギー効率を達成する。
【００５５】
貯蔵所の水が超過になるとき、その貯蔵所の放出弁をオープンすることによって貯蔵所から水を排出することができる。この運転ステップに対し、放出弁を閉鎖し、その貯蔵所の燃料供給弁を開けることが望ましい。
【００５６】
貯蔵所の気体廃棄物が余分になるとき、その貯蔵所の放出弁をオープンすることによってその気体廃棄物を放出することができる。最適なパフォーマンスのために、燃料貯蔵所の燃料供給弁もオープンするべきである。放出弁がオープンするとき、もし供給弁を開けなければ、燃料電池反応のために燃料の供給が不十分なことになるので、燃料電池の性能は損うことになる。
【００５７】
気体廃棄物が放出されるまたは液体廃棄物が排出されるとき、一部分の未反応燃料が廃棄物とともに排放するが、燃料電池の反応に消費された燃料の量と比較すると、ロスした燃料の量は大した分ではない。これは必要時だけ燃料貯蔵所から水を排出し気体廃棄物を放出するからである。
【００５８】
本発明の燃料電池についての好ましい運転方法を使用して、不純物または気体廃棄物を数時間ごとに放出する場合、または余分な水が貯蔵所で累積するときに液体廃棄物を排出する場合を除く以外は、その燃料電池スタックは数時間も廃棄物放出なしで継続に運転できる。供給された水素ガスと酸素ガスは損失なしで燃料電池運転のためにほとんど全部利用されることができ、燃料電池運転の利用率はほぼ100%である。従って、本発明の燃料電池を運転させるために本発明の好ましい実施例または本発明の燃料電池の運転方法を使用して、燃料電池運転のエネルギー効率は非常に増進される。
【００５９】
本発明はある特定の好ましい実施例について記述されているが、本発明がそのような特定の実施例に限られないことは理解されるべきである。本発明は添付の特許請求の範囲によって反映されるように最も広い意味で理解され、解釈される。従って、これらの特許請求の範囲は、ここに記述されている好ましい実施例だけでなく、当該分野の技術者が理解されるすべての変化と修正も組み込むべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】図１は従来技術の燃料電池の一例を示す。
【図２】図２は本発明における燃料電池の代表的な好ましい実施例を示す。図面の中に、1は酸素のような第一燃料用の貯蔵所で、2は水素のような第二燃料用の貯蔵所で、3は第一燃料を供給するための供給弁で、4は第二燃料を供給するための供給弁で、5は第一燃料のソースで、6は第二燃料のソースで、7および8は気体廃棄物を放出する放出弁で、9および10は水のような液体廃棄物を排出するための排出弁で、11は燃料電池のスタックである。
【符号の説明】
【００６１】
１    第一燃料用の貯蔵所
２    第二燃料用の貯蔵所
３、４    供給弁
５    第一燃料のソース
６    第二燃料のソース
７、８    放出弁
９、１０    排出弁
１１    燃料電池のスタック
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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