JP2009508308A - 燃料電池内の冷却剤の受動的再循環 - Google Patents

Abstract

本発明は、一般的に燃料電池の冷却に関する。燃料電池は、液体蓄熱容器の内側または外側に配置されている。燃料電池から生成された熱は、燃料電池スタックの冷却流路中の自然対流を増加させ、受動的に冷却水を循環させる。

Description

本発明は、燃料電池、並びに燃料電池スタックおよびそれらの冷却に関する。

燃料電池は、輸送等の用途範囲から定置発電までに渡る将来のエネルギーシステムで最も重要なエネルギー技術の１つと考えられている。燃料電池の中心的な構成部分は、非導電性でありながら、効果的なプロトンの移動能力を可能にする電解質である。また、電解質は、燃料を含む負極と、酸化剤を含む正極とを効率的に分離する。ＰＥＭ（ポリマー電解質膜）燃料電池の場合には、電解質は、典型的にはＤｕｐｏｎｔ（商標）によって製造されるＮａｆｉｏｎ（商標）でできている。水素は、典型的には負極の区画へ供給され、そして空気は正極の区画へ供給される。この反応は、正極側で水を生成する。触媒は、正極側および負極側の両者に配置され、これらの上には、ガス拡散層（ＧＤＬ）が配置され、生成した水を除去するように働き、反応部位への酸素の拡散を補助し、そして反応部位から電子を伝導させる。最後に、導電性バイポーラープレートは、燃料および酸化剤を反応部位に移動させる。

典型的には燃料電池は、負極および正極のバイポーラープレートの間に配置されているいわゆる冷却板を通して、液体またはガスのいずれかをポンプで送って、冷却される。典型的には、スタックによって生成された熱が熱源として利用される場合は、燃料電池は、液冷式であろう。他方、燃料電池がＡＰＵ（補助電源装置）または他の移動電源用途で使用される場合には、熱は、周囲に放出される。本発明は、主として、燃料電池の廃熱が、熱供給発電所（ＣＨＰ）等の熱源として使用できる最初のケースに関する。

したがって本発明の目的は、簡素な構造の、熱源および電力生産のための燃料電池を提供することである。

本目的は、燃料電池を通って冷却流体を移動させるために、燃料電池を通る流路を有する、例えばＰＥＭ燃料電池といった水素燃料電池で達成でき、流路は、該流路を通って該冷却流体が対流で駆動するために構成されている。対流効果は、流体ポンプによる駆動力と組み合わせることができるが、燃料電池は、流路を通って対流だけで駆動される冷却流体によって冷却するために配置されているのが好ましい。

本発明の利点は、冷却水を循環させるためにポンプが必要なく、バルブ、温度送信機等も必要としないことであり、従来技術のシステムと比較して、システムを簡素化しそしてコストを削減する。実際、燃料電池の温度、および燃料電池の冷却剤の入口と出口との間での温度差は、自動的に制御される。さらに、燃料電池は、外部のポンプ、パイプ等を含まないことにより、著しく小型である。

実用的な態様では、該流路を通って該冷却流体が対流で駆動するために、傾けた位置で流路が配置されている場合は、これを達成可能である。例えば、流路は、垂直に配置されてもよい。

ある態様では、流路を通る流体の再循環を意味する流路の一方の端から流路の他方の端への冷却流体の回路を提供する。そうした回路は、任意選択的に、熱的エネルギーをセントラルヒーティング液に移すために流体回路の低温部でセントラルヒーティング液と熱的に接触していてもよく、そして熱的エネルギーを水道水に移動させるために流体回路の高温部で熱い水道給水と熱的に接触していてもよい。あるいは、冷却流体の回路は、熱的エネルギーをセントラルヒーティング液に移すために、流体回路の低温部でセントラルヒーティング液と熱的に接触し、熱的エネルギーを水道水に移動させるために、流体回路の中温部で熱い水道給水と熱的に接触し、そして熱的エネルギーを換気の空気に移すために流体回路の高温部で換気の空気と熱的に接触する。

冷却流体の回路と追加のセントラルヒーティング、水道水の給水および／または換気の空気との間の直接的な熱的接触の代わりに、介在する液体貯蔵容器を提供してもよい。これらの理由により、別の態様によって、冷却流体の回路は、少なくとも部分的に燃料電池を取り囲む例えば貯水タンクといった別個の液体貯蔵容器と熱的に接触する。そうした貯水タンクは、任意選択的に冷水の入口および熱水の出口を有してもよい。さらなる利点は、貯蔵容器の熱容量により、燃料電池は、最適な温度範囲内で常に運転され、そして、燃料電池が最初に加熱される何らかのスタートアップフェーズを必要としないことである。

任意選択的に、冷却流体は水であってもよいが、多くの例では、冷却流体が以下の特性の少なくとも１つを有する場合には、利点がある。
−水より高い沸点、
−水より高い粘度、
−温度変化１度当たりで、水より大きい密度の変化、
−水より低い電気伝導度、
−非腐食性。

本発明は、既存の技術に対し以下の利点を有する：
１.冷却水を循環させるために必要なポンプが無く、またバルブ、温度送信機等もないので、システムは、本来的に簡素化されている。
２.燃料電池の温度、並びに燃料電池の入口と出口との間の温度差は、自動的に制御されているので、制御システムは簡素化されている。
３.燃料電池は、最適な温度範囲内で常に運転され、そして、燃料電池が加熱されるなんらかのスタートアップフェーズを必要としない。
４.燃料電池スタックは、熱水貯蔵容器の内側に配置されているので、全ての熱放射が熱水貯蔵容器に移され、反応物ガスの加熱および飽和を無視する場合、１００％に近い冷却効率を生じることになる。
５.システムは、外部のポンプ、パイプ等の排除により、著しく小型になるであろう。
６.全システムの価格は、上記の理由により、既存の技術のものよりはるかに低いことが期待される。

以下において、冷却剤の貯蔵容器中の自然対流手段によって、スタックにより生成された廃熱を同時に再使用可能にしながら、燃料電池スタックを冷却する方法を説明する。

図１は、ＰＥＭ燃料電池の主要なレイアウトを示す。燃料および酸化剤は、通常バイポーラープレートと呼ばれる流路を通ってセルに移される。反応物は、ガス拡散層（ＧＤＬ）を通って触媒層に移され、該拡散層は、また電子を伝導し、そして水を流路に移動させる。膜は、負極から正極の触媒層へプロトンを伝導する。電子は、外部負荷により負極から正極へ移され、プロトンと酸素とを、正極で再混合して水を生成する。通常より多くのセルが、より高い出力電圧を生み出すために直列で接続される。この複数のセルは、通常燃料電池スタックと呼ばれる。燃料電池は、副生成物として熱を生成するので、冷却プレートが通常必要である。

図２は、受動的な再循環の基本的な運転の原理を示す。本発明は、冷却流路を通る自然対流を使用して、蓄熱容器の内側の冷却液を循環させる。自然対流は、水といった液体の加熱によって発生し、該加熱は液体の密度を低下させ、そして、密度の低下によって高温の液体の上昇を生じさせるが、他方貯蔵容器からの冷水は、冷却流路の底にたまる。冷却液を循環させる自然対流を、以下冷却液の受動的再循環と呼ぶ。

図３は、図２の本発明が液体貯蔵容器に挿入されるシステムを示す。内側のジャケット"Ａ"の内側にある液体は、熱を、外側の液体貯蔵容器"Ｂ"に移す。液体は、典型的には異なり、"Ｂ"の中のものは新鮮な水であってもよい。"Ａ"の中のものは、典型的には高い沸点、高い粘度、温度変化１度合い当たりの高い密度変化、低い電気伝導度を有する液体でありそして非腐食性であろう。

図４は、内側のジャケットを出し、そして代わりに熱交換器を蓄熱容器に挿入する具体的な説明を示す。液体は図３の"Ａ"の内側の流体と同じ特性を有することが好ましい。蓄熱容器は、使用される燃料電池のタイプの温度に相当する運転温度を有するであろう。貯蔵容器の内側では自然対流のみが存在するので、液体は非常にゆっくり循環する。これは容器の上と底とで異なる非常に大きい温度差を作り出すであろう。したがって、底はセントラルヒーティングシステム用の熱交換器を有することができ、そして中央の熱水のために一つ、および上の換気システムのために一つ有することができる。これは、水/空気の熱交換器で非常に大きい温度差を作り出し、熱交換器を非常に小型にするであろう。燃料電池が蓄熱容器の外側に配置されているように、本発明では、配置することもできる。しかし、これは本発明のいくつかの利点を制約する。

図５は、冷却流路中の流体の温度に対する燃料電池の電流密度のシミュレーション結果を示す。スタックと蓄熱容器との温度差が新たに７℃を超えることを示す。燃料および水の温度は、特定の固定された電流密度（すなわち燃料電池スタックに適用される電気負荷）にほぼ線形で依存するであろうことも明らかである。燃料電池によって生成された熱流束は、実際の単セルの測定に基づく。タイプの主な仮定は、燃料電池の伝導度、局所的な電流密度の違い、並びに濃縮および蒸発の問題を含む。

燃料電池の好ましい組み立ての記載は、具体的に説明する目的のためだけであり、そして本発明、用途または使用を限定しない。

本発明は以下の図を参照してさらに説明されるであろう。
図１は、バイポーラープレートおよび冷却プレート、ガス拡散層、触媒層および電解質の中心的な要素を示す単ＰＥＭセルの具体的な説明である。 図２は、冷却剤が受動的に再循環する冷却ジャケットを示す。 図３は、冷却ジャケットが区画"Ａ"から区画"Ｂ"に熱を移す、蓄熱容器に挿入された冷却ジャケットを示す。 図４は、貯蔵容器に直接挿入された燃料電池具体的に示す。 図５は、図４で定義されたように、区画"Ａ"と区画"Ｂ"との間の温度分布のシミュレーション結果を示す。

Claims (16)

1. 流路を通って冷却流体が対流駆動運動するために、該流路が構成されていることを特徴とする、燃料電池を通って該冷却流体が移動するための該燃料電池を通る流路を有する水素燃料電池。
2. 該燃料電池が、該流路を通って対流だけで駆動される冷却流体によって冷却するために配置されている、請求項１に記載の水素燃料電池。
3. 該流路が、該流路を通って該冷却流体が対流で駆動するために、傾けた位置で配置されている、請求項１または２に記載の水素燃料電池。
4. 該流路が、垂直に配置されている、請求項１または２に記載の水素燃料電池。
5. 流路の一方の端から流路の他方の端まで、冷却流体の回路が提供されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の水素燃料電池。
6. 該冷却流体の回路が、熱的エネルギーをセントラルヒーティング液に移すために該流体回路の低温部で、該セントラルヒーティング液と熱的に接触し、そして熱的エネルギーを水道水に移動させるために該流体回路の高温部で熱い水道給水と熱的に接触する、請求項５に記載の水素燃料電池。
7. 該冷却流体の回路が、熱的エネルギーをセントラルヒーティング液に移すために、該流体回路の低温部で該セントラルヒーティング液と熱的に接触し、熱的エネルギーを水道水に移動させるために該流体回路の中温部で熱い水道給水と熱的に接触し、そして熱的エネルギーを換気の空気に移すために、該流体回路の高温部で該換気の空気と熱的に接触する、請求項５に記載の水素燃料電池。
8. 該冷却流体の回路が、少なくとも部分的に該燃料電池を取り囲む別個の液体貯蔵容器と熱的に接触する、請求項５に記載の水素燃料電池。
9. 該別個の液体貯蔵容器が、冷水の入口および熱水の出口を有する貯水タンクである、請求項８に記載の水素燃料電池。
10. 該燃料電池が、ＰＥＭ燃料電池である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の水素燃料電池。
11. 該冷却流体が水である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の水素燃料電池。
12. 該冷却流体が水より高い沸点を有する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の水素燃料電池。
13. 該冷却流体が、水より高い粘度を有する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の水素燃料電池。
14. 該冷却流体が、温度変化１度当たりで、水より大きい密度変化を有する請求項１〜１３のいずれか一項に記載の水素燃料電池。
15. 該冷却流体が、水より低い電気伝導度を有する、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の水素燃料電池。
16. 該冷却流体が非腐食性を有する、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の水素燃料電池。

Images