(57)【要約】  本発明は、固体高分子イオン交換膜を有する燃料電池（６）を形成する電気化学セルのスタック、燃料ガス供給回路及び酸化ガス供給回路を含む燃料電池システムに関する。酸化ガス供給回路は、燃料電池（６）への流入前に周囲空気を圧縮するようになった圧縮機（３）及び燃料電池を出たガスを排出するよう設計された排気出口（１０）を有する。供給回路は、燃料電池に第１の接近箇所（７）及び第２の接近箇所（８）のところで接続されている。燃料電池システムは、このシステムが２つの位置、即ち、圧縮機（３）の出口が第１の接近箇所（７）に連結されると共に第２の接近箇所（８）が排気出口（１０）に連結される第１の位置及び圧縮機（３）の出口が第２の接近箇所（８）に連結されると共に第１の接近箇所（７）が排気出口（１０）に連結される第２の位置を有する切り換え要素（１１）を更に含むことを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子イオン交換膜型燃料電池（６）を形成する電気化学セルのスタック、燃料ガス供給回路及びオキシダントガス供給回路を含む燃料電池システムであって、
前記オキシダントガス供給回路は、周囲空気が前記燃料電池（６）に入る前に前記周囲空気を圧縮するようになった圧縮機（３）及び前記燃料電池を出たガスを排出するようになった出口排気部（１０）を有し、
前記供給回路は、前記燃料電池に第１の接近箇所（７）及び第２の接近箇所（８）のところで接続されている、システムにおいて、
前記システムは、２つの位置、即ち、前記圧縮機（３）の出口が前記第１の接近箇所（７）に連結されると共に前記第２の接近箇所（８）が前記出口排気部（１０）に連結される第１の位置及び前記圧縮機（３）の前記出口が前記第２の接近箇所（８）に連結されると共に前記第１の接近箇所（７）が前記出口排気部（１０）に連結される第２の位置を有する切り換え要素（１１）を更に含む、システム。
【請求項２】
前記電気化学セルは、バイポーラプレートによって互いに隔てられ、前記バイポーラプレートの各フェースに燃料及びオキシダントガスの循環を可能にするチャネルが形成され、前記第１及び前記第２の接近箇所は、チャネルの入口及び出口を形成している、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記切り換え要素は、四方弁である、請求項１又は２記載のシステム。
【請求項４】
前記切り換え要素と前記第１の接近箇所との間及び前記切り換え要素と前記第２の接近箇所との間でそれぞれ前記オキシダントガス供給回路内に設けられた２つの圧力センサを更に含む、請求項１〜３のうちいずれか一に記載のシステム。
【請求項５】
請求項１〜４のうちいずれか一に記載の燃料電池システムを制御する方法であって、前記方法は、前記切り換え要素を制御して前記切り換え要素が定期的サイクルに従って前記第１の位置から前記第２の位置に動くようにするステップを含む、制御方法。
【請求項６】
前記定期的サイクルは、１５秒の持続時間を有する、請求項５記載の制御方法。
【請求項７】
前記燃料電池内の温度を測定するステップを含み、前記切り換え要素の前記制御は、前記温度が所定のしきい値よりも高くなった場合にのみ行われる、請求項５又は６記載の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、特に、高分子膜の形態をした電解質を有する形式（即ち、ＰＥＦＣ（固体高分子型燃料電池）型）の燃料電池に関するが、これらには限定されない。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、機械エネルギー変換ステップに通さないで燃料ガス及びオキシダントガスを用いた電気化学酸化還元（レドックス）反応により電気エネルギーを直接発生させることが知られている。この技術は、特に自動車用途に関して大いに期待できるように思われる。燃料電池は、基本セルのスタックを有し、各セルは、アノード、カソード及び電解質としての役目を果たすイオン交換膜を有する。燃料電池の動作中、２つの同時の電気化学反応、即ち、アノードのところでの燃料の酸化及びカソードのところでのオキシダントの還元が起こる。これら２つの反応は、正と負のイオンを生じさせ、これらイオンは、互いに膜のところで結合して電位差の形態の電気を生じさせる。酸素‐水素の燃料電池の場合、結合するのはＨ+イオンとＯ-イオンである。
【０００３】
膜‐電極組立体、又はセルは、直列に積み重ねられそしてバイポーラプレートによって互いに隔てられバイポーラプレートは、１つのセルのアノードから隣りのセルのカソードに電子を伝える。この目的のため、バイポーラプレートのフェース全体にわたって膜と接触状態にあるチャネルが設けられる。各チャネルは、燃料又はオキシダントを導入する入口及び不活性ガス、電気化学反応によって生じた水及び水素の残留湿りを一部について排出する出口を有する。その後に用いられる表現「カソードチャネル」は、セルのカソードと接触状態にあるチャネルを意味する。
【０００４】
特に空気が用いられる場合におけるオキシダントガスの供給は、燃料電池の上流側に位置するガス回路内に設けられた圧縮機によって実施される。圧縮に起因して、圧縮機を出たガスは、高温であり且つ乾燥しており、したがって、固体高分子膜を乾燥させる傾向を有し、それにより燃料電池の性能が低下すると共に固体高分子膜が劣化することが観察された。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、ガスが固体高分子膜に達する前にガスを加湿することが有用である。この目的のため、燃料電池を出たガス中に含まれる水分を透過によって燃料電池に入る乾燥ガスに移す加湿器が知られている。これら加湿器は、比較的大きなサイズのハウジングの形態をしている。さらに、透過を可能にするため、例えばナフィオン（Nafion）（登録商標）で作られた膜が用いられる。かかる膜は、比較的高価であることが分かっている。さらに、かかる加湿により、湿度が燃料電池のバイポーラ上に位置するガスを運ぶチャネル内では一様ではないことが観察された。確かに、チャネルに入るあらかじめ加湿されたガスは、チャネル全体にわたって水分を更に含むようになる傾向があり、その結果、チャネルの入口のところよりも出口のところの方の湿度が非常に高くなる。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、先行技術の欠点を解決しながら燃料電池のカソードチャネル内で循環するガスを加湿する解決手段を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かくして、本発明は、固体高分子イオン交換膜型燃料電池を形成する電気化学セルのスタック、燃料ガス供給回路及びオキシダントガス供給回路を含む燃料電池システムであって、
オキシダントガス供給回路は、周囲空気が燃料電池に入る前に周囲空気を圧縮するようになった圧縮機及び燃料電池を出たガスを排出するようになった出口排気部を有し、
供給回路は、燃料電池に第１の接近箇所及び第２の接近箇所のところで接続されている、システムにおいて、
システムは、２つの位置、即ち、圧縮機の出口が第１の接近箇所に連結されると共に第２の接近箇所が出口排気部に連結される第１の位置及び圧縮機の出口が第２の接近箇所に連結されると共に第１の接近箇所が出口排気部に連結される第２の位置を有する切り換え要素を更に含むことを特徴とするシステムに関する。
【０００８】
かかるシステムにより、図の助けにより後で説明するように、固体高分子膜の良好な加湿を保持する一方で、例えば先行技術で用いられているような嵩張っていて且つ高価な加湿器の使用を差し控えることが可能である。
【０００９】
好ましい一実施形態では、電気化学セルは、バイポーラプレートによって互いに隔てられ、バイポーラプレートの各フェースに燃料及びオキシダントガスの循環を可能にするチャネルが形成され、第１及び第２の接近箇所は、チャネルの入口及び出口を形成する。かくして、切り換え要素が第１の位置に配置されているとき、ガスは、チャネル内を第１の箇所から第２の箇所まで循環し、又切り換え要素が第２の位置に配置されているときにはこの逆の関係が成り立つ。
【００１０】
好ましい一実施形態では、切り換え要素は、四方弁である。この弁は、単安定弁であっても良く又は双安定弁であっても良い。
【００１１】
別の好ましい実施形態では、このシステムは、切り換え要素と第１の接近箇所との間及び切り換え要素と第２の接近箇所との間でそれぞれオキシダントガス供給回路内に設けられた２つの圧力センサを更に含む。これら圧力センサにより、燃料電池の入口のところに存在する圧力と燃料電池の出口のところに存在する圧力を比較することによって弁の正確な動作を永続的にチェックすることができる。
【００１２】
本発明は又、本発明の燃料電池システムを制御する方法であって、この方法は、切り換え要素を制御して切り換え要素が定期的サイクルに従って第１の位置から第２の位置に動くようにするステップを含むことを特徴とする制御方法に関する。このサイクルは、好ましい一実施形態では、数秒間から数分間の持続時間、例えば１５〜３０秒間の持続時間を有する。
【００１３】
さらに、好ましい一実施形態では、この方法は、燃料電池内の温度を測定するステップを含み、切り換え要素の制御は、温度が所定のしきい値よりも高くなった場合にのみ行われる。かかる特徴により、燃料電池の低温始動条件を改善することができる。確かに、燃料電池が温められていない間、チェンジオーバが実施されず、それにより、燃料電池内の温度により水の即時凍結が生じた場合にチャネルの全体の加湿が回避される。
【００１４】
さらに、本発明の制御方法により、好ましい一実施形態では、燃料電池の入口のところの空気の定期的な欠乏を生じさせることも可能である。かかる欠乏により、燃料電池の性能を長い持続時間にわたって維持することができる。具体的に述べると、セルのカソードには触媒、即ち、反応速度を増大させることができる化合物が装填され、この反応が起こる場所は、カソードである。しかしながら、カソードの触媒中に用いられる白金の漸次酸化により、電圧降下によって表される性能の低下が生じる。空気の規則的な欠乏により、白金のところの反応が逆になって還元反応となり、それにより触媒の性能を保つことができる。
【００１５】
本発明の他の利点及び他の特徴は、以下の図によって示される種々の実施形態の非限定的に与えられる説明により明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】先行技術の燃料電池システムのカソード回路を示す図である。
【図２】本発明の燃料電池システムのカソード回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、固体高分子膜の形態をした電解質を有する形式（即ち、ＰＥＦＣ（固体高分子型燃料電池）又はＰＥＭ（プロトン交換膜）型）の燃料電池６を含むシステムを示している。燃料電池６には２種類のガス、即ち、燃料（車両上に蓄えられ又は車両上で発生させる水素）及びオキシダント（空気又は純粋酸素）が供給され、これらガスは、電気化学セルの電極に供給される。この目的のため、システムは、２つのガス回路、即ち、アノード回路とも呼ばれる燃料ガス供給回路及びカソード回路とも呼ばれるオキシダントガス供給回路を含む。図１は、本発明の理解に有用なカソード回路の要素だけを示している。当然のことながら、本発明は、これら要素には限定されず、当業者に知られていると共にかかる燃料電池システムの場合に利用できる装置の全てを含むことができる。
【００１８】
かくして、この装置は、カソード側に空気供給回路を有する。この空気供給回路は、空気入口フィルタ１、到来する空気の流量を測定することができる流量計２、空気圧縮機３、及び燃料電池から出たガスが圧縮機３の方向に戻るのを阻止することができる逆止弁４を有する。上述したように、圧縮機３の出口のところでは、空気は、高温且つ乾燥しており、したがって、これが燃料電池中に長すぎるほどの持続時間にわたって導入された場合、固体高分子膜を劣化させるという危険を冒す場合がある。その結果、従来型燃料電池では、例えばPermapure（登録商標）ブランドの形式の加湿器５が燃料電池中へのオキシダントガスの導入を可能にする入口７の上流側に配置されている。
【００１９】
加湿器５の動作原理は次の通りであり、即ち、燃料電池から出たガスにカソードのところで起こる化学半反応、即ち、Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-＝２Ｈ2Ｏにより水分が与えられ、この化学半反応により水が生じることが知られている。燃料電池の出口８を通って出たこのガスは、圧縮機３から乾燥ガスが出ると同時に加湿器５中に導入される。加湿器５は、例えばナフィオン（Nafion）（登録商標）型の固体高分子膜を有する。この固体高分子膜を通って、燃料電池を出たガス中に存在する水分の一部分が乾燥状態のガスに移され、その後、かかるガスが燃料電池に入り、それにより十分なレベルの水分を保証することができ、それにより燃料電池６の固体高分子膜を損傷させないようにする。次に、燃料電池を出たガスは、加湿器５中に流入した後、圧力調整弁９を経て出口排気部１０に送られる。かかる構成は、かかる加湿器の使用と関連した種々の欠点を有する。具体的に述べると、この加湿器は、極めて嵩張っている。と言うのは、この加湿器は、燃料電池６の無視できないほどの体積の一部分を占めているからである（注目されるべきこととして、図１及び図２に用いられている寸法は、縮尺通りではない）。しかしながら、移動用途の場合、例えば、車両に用いられる場合、組立体の重量及び嵩張り度をできるだけ減少させることができるようにすることが有用である。さらに、加湿器内に用いられている固体高分子膜は、比較的高価である。さらに、かかる加湿器の使用の場合、湿度は、カソード側のバイポーラプレートのチャネル内では一様ではない。確かに、ガスにはチャネル内でのこれらガスの移動中、かくして電気化学反応中に水分が与えられるので、この結果、チャネルの端のところの湿度が極めて高くなる。
【００２０】
これらの欠点を解決するため、本発明は、例示の一実施形態が図２に示されている解決手段を提案する。この装置は、一方の側が逆止弁４及び圧力調整弁９に連結され、他方の側が入口７及び出口８のところで燃料電池に連結された弁１１を有する。弁１１は、単安定性であっても双安定性でも良い四方弁である。これら２つの選択は、特に、システムのエネルギー制約に鑑みて行われる。と言うのは、一方の場合では、弁を第２の位置に保つためには電流を維持することが必要であり、他方の場合では、単一のパルスが弁をこれら位置のうちの一方から他方に動かすことができ、これがエネルギー消費量の面で有利であることが判明しているからである。
【００２１】
弁１１の制御により、空気圧縮機３の出口は、燃料電池の入口７と燃料電池の出口８に交互に連結される。「入口」及び「出口」という用語は、本明細書では、図１と同様に用いられるが、図２の形態では、これら接近箇所７，８は、交互に、燃料電池の入口及び出口である。かくして、第１の位置では、圧縮機３からのガスは、入口７を通って燃料電池に流入し、そしてバイポーラプレート上に設けられたチャネルを通って移動し、その移動の間、電気化学反応が起こる。この反応から結果的に生じたガスは、出口８を通って燃料電池から出て、次に、出口制御弁９に送られる。第２の位置では、空気圧縮機３からのガスは、出口８に送られ、そしてバイポーラプレート上に設けられたチャネルを通って入口７まで移動し、次に、出て行くガスが弁１１を経て出口制御弁９に送られる。
【００２２】
かくして、ガスは、チャネル内で一方の方向と他方の方向に交互に循環する。しかしながら、上述したように、チャネル内でのガスの移動中、電気化学反応が起こることに起因してガスには水が与えられる。かくして、移動の終わりのところに見受けられるチャネルの部分は、極めて高い湿度を有する。かくして、ガスの入口を交互にすることによって、圧縮機３からの乾燥ガスが高い湿度を有するチャネルの部分を通って燃料ガスに入り、かくして、かかるガスに水が与えられ、それにより、固体高分子膜を劣化させないようにすることが可能である。かくして、燃料電池６中へのガスの流入前にガスを加湿する必要なく、固体高分子膜と接触状態にあるガスの正確な加湿を保証することができるシステムが提供される。これは、コスト及び嵩張り度の面で極めて有利である。と言うのは、四方弁が共通の装置であり、安価で入手でき、しかもそれほど嵩張ってはいないからである。
【００２３】
さらに、ガス入口を接近箇所７と接近箇所８との間で交互にすることにより、チャネル内でのガスの移動方向を交互にし、かくしてこのチャネルを全体にわたって湿度を一様にすることができる。かくして、湿度は、チャネルに沿って放物線を描いて変化し、チャネルの中間のところで高い箇所に達するようになり、従来型システムではチャネルの端のところで達する極めて高いレベルになることはない。
【００２４】
かくして、本発明により、システムのコスト及び嵩張り度を過度に増大させないでガスの湿度を保つようにする燃料電池システムを提供することができる。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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