特許 6276255 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6276255

(24)【登録日】2018年1月19日

(45)【発行日】2018年2月7日

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04186 20160101AFI20180129BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20180129BHJP

   H01M 8/04007 20160101ALI20180129BHJP

   H01M 8/04701 20160101ALI20180129BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04186

   H01M8/04 N

   H01M8/04007

   H01M8/04701

【請求項の数】11

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2015-510870(P2015-510870)

(86)(22)【出願日】2013年4月29日

(65)【公表番号】特表2015-516108(P2015-516108A)

(43)【公表日】2015年6月4日

(86)【国際出願番号】GB2013051087

(87)【国際公開番号】WO2013167868

(87)【国際公開日】20131114

【審査請求日】2016年4月26日

(31)【優先権主張番号】1208312.7

(32)【優先日】2012年5月11日

(33)【優先権主張国】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】508269433

【氏名又は名称】エイエフシー エナジー ピーエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】100092093

【弁理士】

【氏名又は名称】辻居 幸一

(74)【代理人】

【識別番号】100082005

【弁理士】

【氏名又は名称】熊倉 禎男

(74)【代理人】

【識別番号】100088694

【弁理士】

【氏名又は名称】弟子丸 健

(74)【代理人】

【識別番号】100095898

【弁理士】

【氏名又は名称】松下 満

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100171675

【弁理士】

【氏名又は名称】丹澤 一成

(72)【発明者】

【氏名】オースティン ジェイムズ アレキサンダー

(72)【発明者】

【氏名】アクター ナヴィード

(72)【発明者】

【氏名】トマス マルタン

【審査官】 大内 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６０−３５４７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−１０８６７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５０５５１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１１９１８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公昭４９−２８０６０（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開平１１−１６２４９０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００−８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

各々が、アノード及びカソードである対向する電極間に液体電解質チャンバを含む少なくとも１つの燃料電池と、ダクトを通して電極に隣接するガスチャンバへガス流を供給するための手段とを含み、さらに、液体電解質貯蔵タンクと、液体電解質を前記液体電解質貯蔵タンクから前記液体電解質チャンバの各々へ供給する手段とを含む液体電解質燃料電池システムであって、前記システムは、前記ガスチャンバへつながる前記ダクト内にガスヒータ及び加湿チャンバを含み、前記液体電解質を前記加湿チャンバへ供給し、ガスが前記液体電解質と接触することにより加湿されるようにする手段を含み、前記加湿チャンバは、前記ガス流方向と位置合わせされてガス流路を定める複数のバッフルと、電解質が前記バッフルの表面の上に流れるようにする手段と、前記ガス流路の各々の底部に前記電解質のプールを集める手段とを有するハウジングを備える、液体電解質燃料電池システム。

【請求項2】

前記ガスヒータは、前記ガスの温度を、前記燃料電池又は複数の燃料電池の動作温度の５℃以内まで上昇させる、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記ガスヒータは、前記ガスを、流体との熱交換によって加熱する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

熱交換に用いられる前記流体は、前記燃料電池又は複数の燃料電池を通って流れた電解質である、請求項３に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記ガスヒータは、前記液体電解質との直接接触によって前記ガスを加熱するので、前記ガスは同時に加熱及び加湿される、請求項１〜４のいずれか一に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記加湿チャンバは、前記ハウジングを備え、前記システムはまた、前記加湿チャンバから前記ガスチャンバへ前記加湿されたガスを運ぶ前記ダクト内に追加の水を噴霧する噴霧ノズルを備える、請求項１〜５のいずれか一に記載の燃料電池システム。

【請求項7】

前記燃料電池システムはまた、前記加湿チャンバから前記ガスチャンバへ前記加湿されたガスを運ぶ前記ダクト内にベンチュリ形状の狭窄部を有し、前記噴霧ノズルは、前記ベンチュリ形状の狭窄部の中心に細いオリフィスを定める、請求項６に記載の燃料電池システム。

【請求項8】

前記加湿チャンバに供給された前記液体電解質は、前記燃料電池又は複数の燃料電池を通過した電解質、又は、前記燃料電池又は複数の燃料電池に供給された電解質から取り出された電解質である、請求項１〜７のいずれか一に記載の燃料電池システム。

【請求項9】

前記加湿チャンバは、前記カソードにつながるガス・ダクト内に設けられる、請求項１〜８のいずれか一に記載の燃料電池システム。

【請求項10】

前記加湿チャンバは、前記アノードにつながるガス・ダクト内に設けられる、請求項１〜９のいずれか一に記載の燃料電池システム。

【請求項11】

前記加湿チャンバは前記液体電解質貯蔵タンク内にある、請求項１〜１０のいずれか一に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、これに限定されないが好ましくはアルカリ型燃料電池を組み込む、液体電解質燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池は、比較的クリーンで効率的な電力の源として識別されている。アルカリ型燃料電池は、これが比較的低温で動作し、効率的であり、機械的かつ電気化学的に耐久性があるので、特に関心のあるものである。酸燃料電池及び他の液体電解質を採用する燃料電池もまた関心のあるものである。こうした燃料電池は、典型的には、燃料ガスチャンバ（燃料ガス、典型的には水素を収容する）、及びさらに別のガスチャンバ（酸化剤ガス、通常は空気を収容する）から分離された電解質チャンバを含む。電解質チャンバは、電極を用いてガスチャンバから分離されている。アルカリ型燃料電池用の典型的な電極は、電極に機械的強度をもたらす導電性金属、典型的にはニッケルを含み、電極はまた、活性炭及び触媒金属、典型的には白金を含むことができる触媒コーティングを組み込む。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

動作中、各電極で化学反応が起こり、電気を発生させる。例えば、燃料電池に水素ガス及び空気が供給され、それぞれアノードチャンバ及びカソードチャンバに供給された場合、反応は以下のようになり、アノードでは、

【化1】

となり、カソードでは、

【化2】

となるので、全体的な反応は、水素と酸素を加えて水をもたらす、同時に電気が発生し、ヒドロキシル・イオンが、電解質を通ってカソードからアノードへ拡散する。水は、アノードで起こる反応によって生成されるが、両方の電極で蒸発もするので、電解質の濃度が変化することにより、問題が生じることがある。水は蒸発するだけでなく、電気化学反応で使い果たされるので、こうした蒸発は、カソードにおいて特別な問題となることがある。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明の燃料電池システムは、従来技術の１つ又はそれ以上の問題に対処する又はこれらを緩和する。

【0005】

本発明によれば、各々が、アノード及びカソードである対向する電極間に液体電解質チャンバを含む少なくとも１つの燃料電池と、ガス流を、ダクトを通して電極に隣接するガスチャンバへ供給するための手段とを含み、さらに、液体電解質貯蔵タンクと、液体電解質を液体電解質貯蔵タンクから液体電解質チャンバの各々へ供給する手段とを含む液体電解質燃料電池システムが提供され、本システムは、ガスチャンバへつながるダクト内のガスヒータ及び加湿チャンバと、液体電解質を加湿チャンバへ供給し、ガスが液体電解質と接触することにより加湿されるようにする手段とを含む。

【0006】

使用中、ガスヒータは、ガスの温度を、燃料電池又は複数の燃料電池の動作温度の５℃以内、より好ましくは２℃以内まで上昇させることが好ましい。これは電気ヒータとすることができ、又は代替的に、例えば、燃料電池又は複数の燃料電池を通って循環した電解質などの加熱流体との熱交換を含むことができる。これは、直接的又は間接的熱伝達を含むことができる。

【0007】

加湿チャンバは、ガスヒータから分離されていても、又はこれと一体であってもよい。加湿チャンバは、これを通って流れるガスに大幅な圧力降下を課さないように設計されることが好ましい。例えば、気泡形成は、ガスを液体と接触させるのに効果的な方法であるが、気泡が形成される液体表面の下方の深さだけが理由だとしても、圧力降下を招くことは避けられない。気泡が、表面の５０ｍｍ下方の深さに形成された場合には、少なくとも５００Ｐａの圧力が要求される。加湿チャンバの１つの設計では、ガス流路を定めるようにガス流方向と位置合わせされた複数のバッフルと、電解質がバッフルの表面の上に流れるようにする手段と、各ガス流路の底部に電解質のプールを集める手段とを組み込む。こうした電解質のプール内の液体の深さは、堰又はオーバーフローによって維持することができる。

【0008】

加湿チャンバに供給された液体電解質は、燃料電池又は複数の燃料電池を通過した電解質とすることができ、又は、燃料電池又は複数の燃料電池に供給された電解質から取り出された電解質とすることができる。

【0009】

本発明を用いない燃料電池システムの動作においては、電極、特にカソードからの正味の水分蒸発があり、これは、電解質が水酸化カリウムの水溶液である場合、電極の孔内に結晶水酸化カリウム又は炭酸カリウムの形成をもたらすことがあることが見出された。このことは、ガス状反応物の質量輸送を妨げる。本発明のシステムは、本発明により処理されるガス流は動作温度に近い温度で電解質からの水蒸気により加湿されるので、蒸発による水分損失を大幅に低減させ、電解質の材料により電極内に固形材料が形成されるリスクを抑える。

【0010】

本システムは、カソードにつながるガス・ダクト内に加湿チャンバを含むことが好ましい。同様の加湿チャンバを、アノードにつながるガス・ダクト内にも設けることができる。

【0011】

ここで、添付図面を参照して、単なる一例として本明細書をさらに及びより具体的に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の燃料電池システムの流体流の概略図を示す。

【図2】図１の燃料電池システムの加湿チャンバの部分的に切り欠いた斜視図を示す。

【図3】図２の加湿チャンバの線３−３における長手方向断面図を示す。

【図4】付加的な加湿装置の長手方向断面図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0013】

図１を参照すると、燃料電池システム１０は、例えば、６モル／リットルの濃度の水酸化カリウム水溶液を電解質１２として使用する燃料電池スタック２０（概略的に示す）を含む。燃料電池スタック２０には、燃料として水素ガス、酸化剤として空気、及び電解質１２が供給され、燃料電池スタック２０は、約６５°又は７０℃の電解質温度で動作する。水素ガスは、水素貯蔵シリンダ２２から調整器２４及び制御弁２６を通って燃料電池スタック２０に供給され、排気ガス流は、第１のガス出口ダクト２８を通って出てくる。空気はブロワ３０により供給され、空気がダクト３６を通って燃料電池スタック２０へ流れる前に、空気をスクラバ３２及びフィルタ３４に通すことにより、あらゆるＣＯ₂が除去され、使用済み空気は、第２のガス出口ダクト３８を通って出ていく。

【0014】

燃料電池スタック２０は、その詳細な構造が本発明の主題ではないので概略的に示されるが、本例では、燃料電池のスタックからなり、各々の燃料電池は、アノードとカソードである対向する電極間に液体電解質チャンバを含む。各電池において、空気はカソードに隣接するガスチャンバを通って流れ、使用済み空気として出てくる。同様に、各電池において、水素はアノードに隣接するガスチャンバを通って流れ、排気ガス流として出てくる。

【0015】

燃料電池スタック２０の動作は電気を発生させ、上述の化学反応により水も生成する。さらに、水はアノード及びカソード両方のガスチャンバで蒸発するので、排気ガス流及び使用済み空気の両方とも水蒸気を含有する。蒸発の速度は、反応ガスに曝される電極の表面積、反応ガスの流量、及び動作温度に依存する。蒸発の速度はまた、アノード及びカソードのガスチャンバ内の水蒸気の分圧にも依存する。全体として結果的に、電解質１２からの一定の水分損失となり、水分損失は、例えば凝縮器３９を設けることにより、出口ダクト３８内の使用済み空気から（又は排気ガスから）の水蒸気を凝縮することにより防止することができる。さらに、カソードで起こっている化学反応は、ヒドロキシル・イオンを生成し、水を消費するので、カソードの近くの電解質が濃縮される。

【0016】

電解質１２は、通気口４１が設けられた電解質貯蔵タンク４０内に貯蔵される。ポンプ４２は、電解質を貯蔵タンク４０から、通気口４５が設けられたヘッダタンク４４内に循環させ、ヘッダタンク４４はオーバーフロー管４６を有するので、電解質は貯蔵タンク４０に戻る。これは、ヘッダタンク４４内の電解質のレベルが一定であることを保証する。電解質は、一定の圧力でダクト４７を通って燃料電池スタック２０に供給され、使用済み電解質は、戻りダクト４８を通って貯蔵タンク４０に戻る。貯蔵タンク４０は、熱交換器４９を含み、過剰な熱を除去する。

【0017】

ダクト３６において、空気流は、熱交換器５０、次いで加湿チャンバ５２を通過する。電解質は、ダクト４７からダクト５３を通して取り出され、加湿チャンバ５２に供給される。加湿チャンバ５２を通って流れた電解質は、電解質流出ダクト５４を通って出て、貯蔵タンク４０に戻る。

【0018】

修正形態において、戻りダクト４８からの電解質を熱交換器５０に供給することができるので、燃料電池スタック２０に供給された空気は、燃料電池スタック２０を通って流れた電解質と熱を交換する。別の修正形態では、電解質は、ダクト５３によって、戻りダクト４８（供給ダクト４７ではなく）から取り出され、加湿チャンバ５２に供給される。この場合、別個の熱交換器５０は不要であるほど、加湿チャンバ５２は十分に温かいのがよく、加湿チャンバ５２は、電解質と直接接触することにより、空気流の加熱及び加湿を同時に行う。

【0019】

ここで図２及び図３を参照すると、加湿チャンバ５２は、ほぼ矩形のハウジング６０で構成され、このハウジング６０は、該ハウジング６０の上壁から底壁のすぐ上まで延びる平行なバッフル６３により幾つかの流路６２（図２には５つが示される）に細分されている。バッフル６３は、ハウジング６０の端部までは延びないので、各端部にガス分配空間６４がある。空気を加湿チャンバ５２に供給するダクト３６は、ハウジング６０の上壁を通して一方の端部（図示のように左側の端部）においてガス分配空間６４と連通し、一方、加湿された空気を燃料電池スタック２０に運ぶダクトは、ハウジング６０の端部壁を通して、反対側の端部においてガス分配空間６４と連通する。

【0020】

電解質１２は、電解質１２を運ぶダクト５３に接続されたダクト６６を通って加湿チャンバ５２に供給される。ダクト６６はハウジング６０の上部を横切って延び、図示のようにバッフル６３の左側端部の近くで、バッフル６３上方のハウジング６０の上壁を通る小さい開口部６８（図３を参照）を通して流路６２と連通する。開口部６８は、典型的には、０．５ｍｍから３ｍｍまでの間の直径のものであり、例えば１．５ｍｍの直径である。電解質は、開口部６８から、空気が流れるべき流路６２内に落ちる液滴又は液体噴流のカーテンを形成し、電解質はバッフル６３からも滴り落ちる。電解質は、ハウジング６０の底部でプールのように集められる。バッフル６３は底壁と接触しないので、電解質のプールは連続的であり、バッフル６３によって分割されない。流出ダクト５４は、例えば１０ｍｍとすることができる、ハウジング６０の底部における均一な電解質１２の深さがあることを保証するような位置で、右側端部（図示のように）においてハウジング６０の端部壁と連通する。次いで、上述のように、電解質はダクト５４から流出し、タンク４０に戻る。

【0021】

空気流量が大きいと、加湿チャンバ５２内での空気と電解質水溶液との接触時間が減り、従って加湿の程度が下がるので、空気流量が大き過ぎない限り、加湿チャンバ５２は、空気流の十分な加湿をもたらす。

【0022】

上述の燃料電池システム１０は、本発明の範囲内にとどまりながら、種々の方法で修正することができることが理解されるであろう。例えば、流路６２の数及び流路６２の寸法は、説明されたものと異なっていてもよい。本発明は、ガス流を燃料電池又は複数の燃料電池の動作温度まで加熱し、ガス流がその動作温度において水蒸気で飽和されるように動作させることができる。代替的に、ガス流を動作温度よりわずかに高い温度まで加熱し、それによって水蒸気を運ぶための能力を高め、これにより、他の場合には加湿チャンバ５２と燃料電池スタック２０との間で空気ダクト３６において起こり得る濃縮の程度を下げることができる。

【0023】

ガス流は、加湿チャンバ５２を通過した後で、水蒸気で飽和することはできないが、チャンバ５２から出てきたときに、少なくとも６５％の、又は７５％を上回る、又は８０％を上回る相対湿度を達成するように加湿するべきである。空気流の加湿は、空気流中の酸素の分圧を下げるので、燃料電池スタック２０の性能に影響を与えることが理解されるであろう。従って、燃料電池スタック２０の性能及びその寿命の両方を最適化するように、加湿の程度を選択する必要がある。

【0024】

加湿チャンバ５２により達成される加湿の程度が不十分である場合には、加湿チャンバ５２と燃料電池スタック２０の間に、破線で示されるダクト５６を介して、加湿空気を運ぶダクト３６の中に付加的な水を噴霧することができる。水は噴霧ノズルを通して導入することができるので、霧状ミストの形の液滴が、ダクト３６を通って加湿チャンバ５２の下流に流れる加湿空気全体にわたって分散される。

【0025】

ここで図４を参照すると、この図は、水の液滴を導入するのに用いられる、ダクト５６に対応することができるスプレー噴射システム７０を示す。リザーバ７１は、水を収容し、この水は電解質と同じ温度であるのが好ましい。このリザーバ７１は、ポンプ７２及び流量制御弁７３を介して噴射ノズル７４に接続される。噴射ノズル７４は、長手方向断面で示され、加湿チャンバ５２から燃料電池スタック２０へ空気を運ぶダクト３６の軸に沿って延びる管７５から成り、この管７５は細いオリフィス７６へテーパしている。管７５は、オリフィス７６がダクト３６内のベンチュリ形状の狭窄部７７の中心になるように取り付けられる。この構成は、霧状ミストの形態の水の液滴がダクト３６を通って流れる空気全体にわたって分散されるようにし、狭窄部７７は、液滴のミストを空気流内に十分に混合するのを保証する助けとなる。

【0026】

空気が燃料電池スタック２０内のカソード区画に達するときまでに、全ての液滴が蒸発するのを保証するために、ダクト３６に沿って、スプレー噴射システム７０と燃料電池スタック２０との間に十分な距離があることが望ましい。このことは、空気流の予熱により助けることができる。

【0027】

燃料電池システム１０は、単なる一例として説明されることが理解されるであろう。システム１０に対して、種々の代案及び修正を行うことができる。例えば、加湿チャンバ５２を貯蔵タンク４０内に配置することができ、又は実際に、加湿チャンバ５２は、電解質貯蔵タンク４０の少なくとも一部とすることができるので、代案として、電解質貯蔵タンク４０を通すことにより、空気流を加湿することができる。スプレー噴射システム７０は、加湿チャンバ５２と共に用いるのではなく、加湿チャンバ５２の代わりに用いることができる。

【0028】

ガス流を加湿するための液体として電解質を用いる潜在的な利点は、蒸発による水分損失が抑制されるだけでなく、さらに、ガス流が蒸気としてにせよ、又は小さい液滴としてにせよ、少量の電解質、つまり本例では水酸化カリウムを運ぶことができることである。このことは、電解質内でのイオン／電子伝導ネットワークを生成する助けになり得る。

【符号の説明】

【0029】

１０：燃料電池システム
１２：電解質
２０：燃料電池スタック
２２：水素貯蔵シリンダ
２４：調整器
２６：制御弁
２８：第１のガス出口ダクト
３０：ブロワ
３２：スクラバ
３４：フィルタ
３６：ダクト
３８：第２のガス出口ダクト
３９：凝縮器
４０：電解質貯蔵タンク
４１、４５：通気口
４２：ポンプ
４４：ヘッダタンク
４６：オーバーフロー管
４７：供給ダクト
４８：戻りダクト
４９、５０：熱交換器
５２：加湿チャンバ
５３、５４、５６、６６：ダクト
６０：ハウジング
６２：流路
６３：バッフル
６４：ガス分配空間
６８：開口部
７０：スプレー噴射システム
７１：リザーバ
７２：ポンプ
７３：流量制御弁
７４：噴射ノズル
７５：管
７６：オリフィス
７７：狭窄部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】