(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応性流体源に連結された入口及びタンク（１０）の開口部に連結された出口を有する少なくとも１つのフローチャネル（５ａ）が貫通して延びている燃料電池（１）と、反応性流体源と前記フローチャネル（５ａ）の入口との間に設けられた入口弁（１１）とを有する電源において、
前記タンク（１０）の前記開口部は、前記燃料電池（１）に連結された前記タンクの単一の開口部を構成し、
前記電源は、
前記出口（１ｂ）によって、所定の第１の期間（Ｔ１）にわたり前記燃料電池（１）に前記タンクの開口部から反応性流体を供給する手段を有し、該手段は、前記第１の期間（Ｔ１）にわたり前記入口弁（１１）を閉鎖する手段を含み、
前記電源は、前記開口部によってタンク（１０）を反応性流体で満たし、前記第１の期間（Ｔ１）よりも短い所定の第２の期間（Ｔ２）の間に前記燃料電池内に溜まった水を前記開口部により前記タンク（１０）に排出する手段を更に有し、該手段は、前記第２の期間（Ｔ２）の間、前記入口弁（１１）を開放する手段を含むことを特徴とする電源。
【請求項２】
前記電源は、前記第１の期間（Ｔ１）中、前記入力弁（１１）を開き、前記第２の期間（Ｔ２）中、前記入力弁（１１）を閉じるため、前記入力弁（１１）のための制御装置（１２）を備えることを特徴とする請求項１記載の電源。
【請求項３】
一方において第１及び第２のタンク（１０）、他方において水素源及び酸素源にそれぞれ連結された２つのフローチャネル（５ａ，５ｂ）を有していることを特徴とする請求項１又は２記載の電源。
【請求項４】
前記タンク（１０）は、水を前記タンク（１０）内に取り込むよう前記燃料電池（１）よりも低い高さ位置に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一に記載の電源。
【請求項５】
前記タンク（１０）は、水を物理的又は化学的に取り込む手段として、前記タンクの容積を占め、毛管現象又は吸着により水を保持する材料を有していることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一に記載の電源。
【請求項６】
前記取込み手段は、多孔質材料から成ることを特徴とする請求項５記載の電源。
【請求項７】
前記取込み手段は、塩から成ることを特徴とする請求項５記載の電源。
【請求項８】
前記タンク（１０）の容量は、前記燃料電池（１）内に収容された反応性流体の量よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか一に記載の電源。
【請求項９】
反応性流体源及びタンク（１０）の開口部にそれぞれ連結された入口及び出口を有する少なくとも１つのフローチャネル（５ａ）が貫通して延びている燃料電池（１）と、反応性流体源と前記フローチャネル（５ａ）の入口との間に設けられた入口弁（１１）とを有する電源であって、
前記タンク（１０）の前記開口部は、前記燃料電池（１）に連結された前記タンクの単一の開口部を構成し、
前記電源は、
前記出口（１ｂ）によって、所定の第１の期間（Ｔ１）にわたり前記燃料電池（１）に前記タンクの開口部から反応性流体を供給する手段を有し、該手段は、前記第１の期間（Ｔ１）にわたり前記入口弁（１１）を閉鎖する手段を含み、
前記電源は、前記開口部によってタンク（１０）を反応性流体で満たし、前記第１の期間（Ｔ１）よりも短い所定の第２の期間（Ｔ２）の間に前記燃料電池内に溜まった水を前記開口部により前記タンク（１０）に排出する手段を更に有し、該手段は、前記第２の期間（Ｔ２）の間、前記入口弁（１１）を開放する手段を含む、前記電源（１）の制御方法であって、
前記タンク（１０）を反応性流体で満たし、前記所定の第１の期間（Ｔ１）にわたり前記フローチャネル（５ａ）の入口弁（１１）を閉鎖する段階と、前記所定の第２の期間（Ｔ２）にわたり前記入口弁（１１）を開放し、前記第１の期間（Ｔ１）中に前記燃料電池（１）内に溜まった水を前記タンク（１０）に排出すると共に前記タンク（１０）を反応性流体で再び満たす段階とを有し、前記第２の期間（Ｔ２）は、前記第１の期間（Ｔ１）よりも短いことを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記フローチャネル（５ａ）の入口弁（１１）を閉鎖する段階と、前記燃料電池（１）内に溜まった水を前記タンク（１０）に排出すると共に前記タンク（１０）を反応性流体で再び満たす段階とから成る２つの段階は、交互に繰り返される段階であることを特徴とする請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔発明の背景〕
本発明は、燃料電池と、反応性流体源及びタンクにそれぞれ連結されている入口及び出口を備えた少なくとも１つのフローチャネルと、反応性流体源とフローチャネルの入口との間に設けられた入口弁とを有する電源に関する。
【０００２】
〔技術の現状〕
図１に示されているプロトン交換膜型燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell：ＰＥＭＦＣ）タイプの低温型燃料電池１を有する電源が、Ｈ＋プロトンを通過させる膜４により互いに分離されたアノード２とカソード３を有している。アノード２は、反応の座であり、その反応物は水素であり、これに対し、アノード２のところで生成するＨ＋プロトンと酸素の反応は、カソード３のところで起こる。アノード２及びカソード３にはそれぞれ、反応物源に連結されたフローチャネル５ａ，５ｂを介して水素及び酸素が供給され、これら反応物源は、一方において水素源につき純粋な窒素又は改質炭化水素であり、他方において酸素源につき純粋な酸素又は空気であるのがよい。フローチャネル５ａ，５ｂはそれぞれ、アノード及びカソードの外壁及びプレート６ａ，６ｂの内壁によって境界付けられている。
【０００３】
燃料電池の動作中に生じた水は一般に、燃料電池１内部のフローチャネル５ａ，５ｂ内で淀み、燃料電池内での反応を減速させ、それどころか停止させる場合がある。したがって、効率の良好な電源を得るため、燃料電池中に存在する水は排出されなければならない。さらに言えば、もし水が排出されなければ、水が燃料電池内で凝縮し、ガス入口と反対側でフローチャネル内に溜まる。水が堆積することにより、燃料電池が水浸しになりやすく、それにより電極へのガスの接近が妨害される。
【０００４】
燃料電池により生じた水の排出は一般に、消費されなかった反応性ガスを排出すると同時に水の機械的導通によって行われる。かくして、図２では、燃料電池１を有する電源は、生じた水の連続排出をフローチャネル５ａ，５ｂの出口のところで行うことができ、これらフローチャネルの入口はそれぞれ、酸素源及び水素源に連結されている。燃料電池中のガス圧力は、下流側の外部圧力よりも高いので、燃料電池１内で生じた水は、未消費反応性ガスにより燃料電池から機械的に追い出される。フローチャネル５ａ，５ｂは各々、電源の出口のところに設けられ、この場合、圧力逃がし弁によって構成されている弁７を有している。この技術は、生じた水に加えて非反応性化合物、例えば未消費窒素を連続的に排出するのに必要な連続空気又は改質燃料供給方式に最適である。
【０００５】
反応性ガスの供給は連続式のものなので、ドレン弁を構成する弁７によって定期的なドレンを行うことにより水を排出することも可能である。燃料電池内の圧力は、下流側の外部圧力よりも高く、未消費反応性ガスは、水を電源から機械的に且つ断続的に追い出す。この技術は、純粋反応物源に用いられる場合が多く、ドレン作業の頻度は、毎分数回のドレンから毎時数回のドレンにわたる。しかしながら、連続的排出法であれ断続的排出法であれ、ガス又は流体エミッションを燃料電池の外部に放出するという欠点がある。
【０００６】
再循環法と呼ばれる方法により放出を回避することができる。かくして、図３においては、電源は、燃料電池１の出口と入口との間に設けられたガス再循環装置８を有している。ポンプにより、燃料電池の出口のところに集められたガスを燃料電池１の入口に再注入できる。燃料電池内で生じ、未消費反応性ガスと同時にフローチャネル５ｂによって排出される水は、再循環装置（これは、例えば凝縮器であるのがよい）内の反応性ガスから分離される。次に、水を外部に排出し又は貯蔵する。例えば、米国特許第５，７９８，１８６号明細書は、電気化学電池を有する電源を記載している。水素源及び空気源は、電気化学電池の入口に連結され、タンクは生成した水及び電池内で反応しなかった水素を収集するよう電池の出口に連結されている。圧力調整器が、水素源と電池の入口との間に設けられ、反応しなかった水素の向きは、外部管又はポンプにより圧力調整器から見て下流側の電池の入口へ変えられる。再循環法と呼ばれるこの方法は、放出物を出さないが、実施が複雑であり、しかも嵩張った電源及び電源の頑丈さにとって有害なポンプを必要とする。
【０００７】
また、連続的フロー型再循環法と断続的フロー型再循環法を組み合わせることが知られている。例えば、レオ・Ｊ．、Ｍ．ブローメン及びマイケル・Ｎ．ムゲーワ著，「燃料電池システムズ（Fuel cell systems ）」，プレナム・プレス（Plenum Press），ニューヨーク及びロンドン，１９９３年，５１８−５１９ページは、燃料電池と、水素フローチャネルのための断続的フローシステム及び酸素用に確保されたチャネルのための再循環システムとを有する電源を記載している。しかしながら、これら電源は、嵩張っていて、しかも狭い環境で実際に使用するのが困難な追加の機器を必要とする。
【０００８】
〔発明の目的〕
本発明の一目的は、外部に物質を放出しないで水を燃料電池から排出することができるコンパクトで頑丈な燃料電池を有する電源を提供することにある。
【０００９】
本発明によれば、この目的は、燃料電池と、反応性流体源及びタンクにそれぞれ連結されている入口及び出口を備えた少なくとも１つのフローチャネルと、反応性流体源とフローチャネルの入口との間に設けられた入口弁とを有する電源において、所定の第１の期間にわたり入口弁を閉鎖する手段及び第１の期間よりも非常に短い所定の第２の期間にわたり入口弁を開放する手段を有し、第１の期間の間、燃料電池にタンクから反応性流体を供給し、第２の期間の間、タンクを反応性流体で満たすと共に燃料電池内に溜まった水をタンクに排出するようになっていることを特徴とする電源によって達成される。
【００１０】
本発明の発展型によれば、電源は、一方において第１及び第２のタンク、他方において水素源及び酸素源にそれぞれ連結された２つのフローチャネルを有する。
【００１１】
本発明の別の特徴によれば、タンクの容量は、燃料電池内に収容された反応性流体の量よりも非常に大きい。
【００１２】
本発明の別の目的は、電源、例えば上述した電源の制御法を実施しやすくすることにある。
【００１３】
本発明によれば、制御方法は、タンクを反応性流体で満たし、所定の第１の期間にわたりフローチャネルの入口弁を閉鎖する段階と、所定の第２の期間にわたり入口弁を開放し、第１の期間中に燃料電池内に溜まった水をタンクに排出すると共にタンクを反応性流体で再び満たす段階とを有し、第２の期間は、第１の期間よりも非常に短いことを特徴とする。
【００１４】
本発明の発展型によれば、第２の期間の持続時間は、約数分の一秒である。
【００１５】
他の利点及び特徴は、非限定的な例として与えられているに過ぎず、添付の図面に記載された本発明の特定の実施形態についての詳細な説明から明らかになろう。
【００１６】
〔特定の実施形態の説明〕
好ましくは狭い又は制限された環境で用いられる電源は、燃料電池１及び燃料電池を貫通して延びる少なくとも１つのフローチャネル５ａを有している。図４では、ＰＥＭＦＣ型の燃料電池１は、点線の輪郭で表されており、この燃料電池は、フローチャネル５ａにより互いに連結された少なくとも１つの入口１ａと少なくとも１つの出口１ｂを有している。フローチャネル５ａは、反応性流体源（図示せず）に連結されていて、燃料電池の入口１ａから見て上流側に配置された入口と、燃料電池の出口１ｂから見て下流側に配置された出口とを有し、それにより燃料電池に反応性流体を供給したり燃料電池内で生じた水を除去するようになっている。電源９は、フローチャネル５ａの出口に設けられたタンク１０と、反応性流体源とフローチャネル５ａの入力との間に設けられた入口弁１１とを更に有している。入口弁１１の開閉は、制御装置１２によって制御される。タンク１０は、燃料電池に供給される反応性流体及び燃料電池内で生じた水を収容するよう設計されている。その容積は、電源の十分に長い使用時間中に生じた量の水を収容できるよう燃料電池内に収容される反応性流体の容積よりも大きい。
【００１７】
電源９の動作は、２つの交互に繰り返される段階を有する電源の制御方法によって定められる。タンクには元々、燃料電池に反応性流体を供給するよう設計された反応性流体が入っている。タンクは、制御装置１２によって入口弁１１を開くことにより反応性流体で満たされる。タンクは好ましくは、これが水素源に相当するフローチャネルの出口に設けられた場合、純粋な水素を収容し、或いは、これは酸素源に相当するフローチャネルの出口に配置された場合純粋な酸素を収容する。また、電源は、一方において第１及び第２のタンクに、他方において水素源及び酸素源にそれぞれ連結された２つのフローチャネルを有してもよい。
【００１８】
タンク１０をいったん満たすと、フローチャネル５ａの入口弁１１をかなり長い所定の第１の期間Ｔ１にわたり閉じる（図４）。次に、燃料電池１への反応性流体の供給をタンク１０によって行う。図４では、入口弁を閉じた場合の反応性流体の流れは、矢印Ｆ１で表され、この矢印Ｆ１は、タンク１０から燃料電池１の出口１ｂに向けられている。かくして、燃料電池への反応性流体の供給は、燃料電池の出口１ｂを介して起こる。燃料電池は、反応性流体を消費して主として液体の形態で水を生じさせる。反応性流体がガスである場合、燃料電池内部のガスの量は、次第に減少し、燃料電池１内部に負圧を生じさせる。生じた水は、第１の期間Ｔ１全体を通じ、反応性流体入口の反対側、即ちタンク１０の反対側で燃料電池の入口１ａのところにおいてフローチャネル５ａ内に溜まる。
【００１９】
次に、入口弁１１を第２の所定の期間Ｔ２にわたって開き（図５）流れ回路５ａ内の圧力のバランスを再び取る。制御装置１２によって作動する入口弁の開放により、第１の期間Ｔ１中に燃料電池内に溜まった水をタンク１０に定期的に排出することができる。フローチャネル５ａの入口に到達する反応性流体の流れにより、燃料電池の入口１ａのところに溜まった水がタンク１０に向かって追い立てられ、それによりタンク１０を反応性流体で再び満たすことができる。図５では、矢印Ｆ２は、燃料電池１を通ってその入口１ａからその出口１ｂに流れてフローチャネル入口からタンク１０に流れる反応性流体の流動状態を表している。第２の期間Ｔ２は、第１の期間Ｔ１よりも非常に短い。この第２の期間の長さは好ましくは、約数分の一秒である。かくして、タンク１０をフローチャネル５ａの出口のところに配置し、フローチャネルの入口のところに配置された入口弁１１を定期的に作動させることにより、反応性流体が一方の方向と他方の方向で交互にフローチャネル５ａ内を流れるようになり、したがって、外部再循環チャネルを無くすことにより電源の体積を減少させることができる。
【００２０】
タンクは好ましくは、重力によりタンク内の水を取り込み、したがってタンク内に入っている水が燃料電池に戻るのを阻止するよう燃料電池よりも低い高さ位置に配置される。
【００２１】
タンクは、タンクに入っている水が燃料電池に流れるのを阻止するよう水を物理的又は化学的に取り込む手段を更に有するのがよい。タンクは、例えば、タンクの容積を占め、毛管現象又は吸着により水を保持する多孔質材料又は塩を有するのがよい。多孔質材料又は塩は、重力が無いために気−液分離が複雑な宇宙空間用途に最適である。多孔質材料は、任意タイプのものであってよく、例えば、金属フォーム、セラミック、ポリマ又は金属フェルトタイプのものであってよい。
【００２２】
タンク内に収容される反応性流体がガスの場合、タンクを加熱してその内容物を燃料セルの動作温度に近い温度に保つのがよい。この場合、ガスの増湿は、入口弁が閉じられているとき、第１の期間の間に行われ、これは、燃料電池の最適性能レベルにとって好都合である。
【００２３】
タンクの容量は、電源の十分に長い使用時間中に生じる量の水を収容することができるよう燃料電池内に入っている反応性流体の量又は容積よりも大きい。例えば、タンクの容量は、１０ｋＷ電池の場合１０リットルであり、燃料電池内に収容される反応性流体の容積は、０．１ｌ／ｋＷであり、生じる水の容積は、０．５ｌ／ｋＷである。この場合、水貯蔵容量は、少なくとも１０ｋＷに相当する。
【００２４】
この電源は、電源の外部にガスを放出しないという利点を奏し、しかも燃料電池によって生じた水をかなり長い期間にわたって貯蔵することができる。
【００２５】
本発明は、上述の特定の実施形態には限定されない。かくして、タンクを例えばプレート６ａ，６ｂ相互間で燃料電池内部に配置することができる。
【００２６】
これと同様に、本発明は、好ましくは低温型燃料電池、特にＰＥＭＦＣ型電池（ＰＥＦＣ（固体高分子）型燃料電池と呼ばれる場合がある）に利用されるが、燃料又は燃焼用物質として純粋な反応性物質を用いる他形式の燃料電池にも利用できる。かくして、本発明は、ＡＦＣ（アルカリ型燃料電池）、ＰＡＦＣ（リン酸型燃料電池）又はＳＯＦＣ（固体酸化物型燃料電池）タイプの電池に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来技術の電源のＰＥＭＦＣ型燃料電池の略図である。
【図２】従来技術の電源の略図である。
【図３】従来技術の電源の略図である。
【図４】本発明の電源の略図であり、入口弁がそれぞれ閉鎖位置及び開放位置にある状態を示す図である。
【図５】本発明の電源の略図であり、入口弁がそれぞれ閉鎖位置及び開放位置にある状態を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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