(57)【要約】本発明は、少なくとも１つの燃料電池（２）を有し、前記燃料電池（２）からの、および前記燃料電池（２）への、出発物質と生成物の供給と排出に係る領域内に水を導く部材とコンポーネンツ（１０、１１、１４、１５）を有し、前記燃料電池（２）を冷却するための液状冷却媒体を含む少なくとも１つの冷却回路（１６）を有する燃料電池システム（１）に関する。本発明は、水を導く部材とコンポーネンツ（１０、１１、１４、１５）が、燃料電池（２）の少なくとも個々の作動段階の間、前記冷却媒体と熱接触していることを特徴とする。
2014524638.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの燃料電池（２）を有し、前記燃料電池（２）からの、および前記燃料電池（２）への、出発物質と生成物の供給と排出に係る領域内に水を導く部材とコンポーネンツ（１０、１１、１４、１５）を有し、前記燃料電池（２）を冷却するための液状冷却媒体を含む少なくとも１つの冷却回路（１６）を有する燃料電池システム（１）において、前記水を導く部材とコンポーネンツ（１０、１１、１４、１５）が、前記燃料電池（２）の少なくとも個々の作動段階の間、前記冷却媒体と熱接触していることを特徴とする、燃料電池システム（１）。
【請求項２】
前記水を導く部材とコンポーネンツ（１０、１１、１４、１５）が、少なくとも部分的に、前記冷却媒体が貫流している熱交換器（２２、２３、２４）を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項３】
前記水を導く部材とコンポーネンツ（１０、１１、１４、１５）が、少なくとも部分的に二重壁で実施されており、前記二重壁が熱交換器（２２、２３、２４）としての役割を果たすことを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項４】
前記水を導く部材とコンポーネンツ（１０、１１、１４、１５）が、バルブ装置（２５、６８、２７）を介して、前記冷却回路（１６）への接続と、前記冷却回路（１６）からの切り離しとの切り替えが可能であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項５】
前記水を導く部材とコンポーネンツが、水分離器（１０、１１）を含むことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項６】
前記水を導く部材とコンポーネンツが、水を導く管エレメント（１４、１５）を含むことを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項７】
高温冷却回路（１６）と低温冷却回路とが存在し、前記水を導く部材とコンポーネンツ（１０、１１、１４、１５）は前記高温冷却回路（１６）の冷却媒体と熱接触していることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項８】
前記高温冷却回路（１６）が、少なくとも前記燃料電池（２）を冷却することを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項９】
前記冷却回路（１６）は、第１の作動モードにおいて、前記冷却媒体が、前記燃料電池（２）の少なくとも一部の中、および前記熱を導く部材とコンポーネンツ（１０、１１、１４、１５）の前記熱交換器（２２、２３、２４）のうち少なくとも１つの中のみを循環するように、切り替え可能であることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項１０】
駆動エネルギーの少なくとも一部を供給するための、少なくとも部分的に電気で駆動される車両における、請求項１から９までのいずれか１項に記載の燃料電池システム（１）の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１のプリアンブルの中で詳細に定義された種類の、少なくとも１つの燃料電池を有する燃料電池システムに関する。さらに、本発明は、この種の燃料電池システムの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは一般的な従来技術から知られている。燃料電池システムは、いわゆるＰＥＭ燃料電池の形で形成されている燃料電池を有していることが多い。そのような燃料電池システムは、有利には移動形適用で、例えば自動車両で、電気推進エネルギーの少なくとも部分的生成のために使用される。このような燃料電池システム内には例えば空気供給サブシステム、燃料供給サブシステムおよび同種のものといった種々のシステムコンポーネンツが存在するのが一般的である。原理的に燃料電池の領域では生成水が生じてしまい、それを排出させる必要があるので、このような燃料電池システムは、燃料電池からのおよび／または燃料電池へのガス流から、液滴の形で存在している液状水を分離させるために、一般的に少なくとも１つの、典型的には複数の水分離器を有している。このような水分離器は、一般的に、複数の水管を伴い、例えば水の再利用のために水を排出する目的で、燃料電池システムの内あるいは外に備えられている。
【０００３】
さらに公知であることは、燃料電池システムの使用が、特にこの使用が車両で行われる場合、不都合な外的条件下でも、頻繁に行われていることである。例えば、車両においては、温度が氷点を下回る場合にも、迅速かつ確実に始動できることが必要不可欠である。このために、例えば燃料電池自体が非常に迅速に温まるために役に立つ様々な技術が知られている。これに関し、例として、特許文献１を参照する。この公報では、１つの燃料電池、１つのいわゆる燃料電池スタックについて述べられていて、燃料電池スタックは、通常作動中に過剰な排熱を排出するための、冷却システムを有するように設計されている。その際、冷却システムは、不都合な温度条件から燃料電池システムがコールドスタートする場合に、燃料電池スタックの比較的僅かな数の個々の燃料電池だけに冷却剤を貫流させる。冷却剤は相応して早く温められるように設計されている。温まりつつある冷却剤と、更なる単セルは、更に接続され、これに冷却剤が貫流される。このことは冷却剤が迅速に温まることに役立ち、これによって燃料電池スタックが迅速に温まることが保証され得る。
【０００４】
他の一般的従来技術から、さらに知られていることは、燃料電池システムのための冷却回路がコールドスタートの場合、冷却回路から熱を排出させるため、冷熱変換器の周りにバイパスが備えられ、そのため冷却回路自体がより迅速に温まるように設計されていることである。これに加え、冷却回路の中に、さらに付加的ヒーターエレメント、例えば電気式ヒーターが備えられていてよい。
【０００５】
その他に知られていることは、燃料電池内での電気化学的作用中、燃料電池内に生成水が生じ、この生成水は従って純正である。このため、この生成水は温度が氷点を下回ると非常に迅速に氷結する。このことは添加剤もしくは同種のものによっても回避することはできない。というのは、この生成水はまず燃料電池作動中にはじめて、供給された出発物質から発生するからである。燃料電池システムの格納箇所において、すべての水を導く（ｗａｓｓｅｒｆｕｅｈｒｅｎｄｅｎ）部材およびコンポーネンツから完全に液体の水を排出できるわけではないので、燃料電池システムの始動時において温度が氷点を下回る場合、燃料電池システム内の、水を導くコンポーネンツの解凍が必要不可欠であることが多い。このため、一般的に複数の電気式ヒーターエレメントが、水を導く部材およびコンポーネンツの領域に、例えば水分離器の領域に備えられている。しかしながら、燃料電池システムが始動する際、これらは比較的大量の電気エネルギーを必要とする。例えば車両において、移動形燃料電池システムとして使用される燃料電池システムについては、典型的に、エネルギーは供給されないか、あるいは非常に限定された量しか供給されない。なぜなら、上記車両は、従来の車両と比較し、システム始動のためのスタートバッテリーしか有していないことが多いからである。水を導く部材およびコンポーネンツの解凍のために要するエネルギーは、始動段階中、システムに対し、かなりの負担がかけられ、より大きな容量のあるエネルギー貯蔵装置が絶対不可欠なものとして必要である。このことにより、構造は相応して重量的に重く、大規模になり、かつコストがかかる。
【０００６】
その他には、特許文献２を参照すべきである。ここでは燃料電池システムのための、特に車両における燃料電池システムのための冷却装置について記述されている。冷却装置は２つの冷却回路、つまり１つの低温冷却回路と１つの高温冷却回路を含む。この場合、高温冷却回路の部分は、燃料電池自体の領域の熱交換器であり、この熱交換器は燃料電池の排熱を排出する。さらに、水素再循環ブロワが冷却回路の部分であってよく、この水素再循環ブロワにおいて、電気駆動モーターは冷却されなければならない。コールドスタートの際、燃料電池内で温まりつつある冷却媒体によって、水素再循環ブロワが共に温められる。このようにして、場合によって、ブロワ領域において、凍結した水が解凍される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＤＥ１０２００４０１７４３４Ａ１
【特許文献２】ＤＥ１０２００９０１３７７６Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題はこのような問題性を回避し、そして、氷点を下回る温度において、燃料電池システムの迅速かつ確実な始動を保証し、その際、エネルギー消費が比較的少ない燃料電池システムを提示することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、本発明によれば、請求項１の、特徴部であげた諸特徴によって解決される。本発明による解決の、その他の有利な諸形態は、残りの従属請求項から明らかになり、そしてその使用の請求項によって明確になる。
本発明による解決は、水を導く部材とコンポーネンツが、燃料電池の少なくとも個々の作動段階の間、冷却媒体と熱接触していることを企図する。場合により凍結した液状水を導く部材とコンポーネンツの電気的加熱の代わりに、本発明による燃料電池システムにおいて、これらのコンポーネンツが燃料電池システムの冷却回路の冷却媒体と熱接触するように加熱が実施される。燃料電池自体の迅速な始動を保証するため、燃料電池の冷却回路自体が典型的に、例えば最初に説明されたように、対応する措置により非常に迅速に温められるので、冷却回路の領域で比較的迅速に氷点を上回る温度が生じる。この温度は、同様に水を導く、例えば水分離器および水管等のようなコンポーネンツの解凍のために有効である。こうして、これらのコンポーネンツの電気的加熱によるエネルギーは、削減される。冷却水中に比較的迅速に存在するエネルギーは申し分なく十分であるので、問題となる水を導く部材とコンポーネンツは解凍され、燃料電池自体が加熱された後に、この燃料電池は作動可能状態にあるので、これは作動可能状態の燃料電池システムをももたらしうる。
【００１０】
本発明による燃料電池システムのもう１つの有利な形態において、水を導く部材とコンポーネンツが、冷却媒体が貫流している熱交換器を有することが企図されている。この熱交換器は、上記の着想の、もう1つ有利な形態に基づき、二重壁のコンポーネンツまたは部材の形で形成されていてよく、内壁と外壁との間の空間を冷却水が貫流する。この熱交換器は、冷却媒体との非常に直接的な接触を可能にし、このことによりコンポーネンツの解凍を容易かつ効果的に行える。
【００１１】
本発明による燃料電池システムの非常に有利な、もう１つの形態において、この燃料電池システムが、高温冷却回路および低温冷却回路を有することがさらに企図されている。その際、水を導く部材とコンポーネンツは、高温冷却回路の冷却媒体と熱接触している。この構造は、燃料電池を迅速に温める以外に、水を導く部材とコンポーネンツの解凍を実現するために高温冷却回路を利用し、この高温冷却回路は、典型的に、燃料電池を含み、そして、比較的迅速にかつ比較的高い温度水準まで温められる。この構造は特に効率的である。なぜなら、低温冷却回路に比べ、高温冷却回路の方がより高い温度水準にあるため、水を導く部材とコンポーネンツの効率的な解凍を実現できるからである。
【００１２】
本発明による、燃料電池システムのもう１つ非常に有利な形態において、さらに企図されているのが、冷却回路が、第１の作動モードにおいて、冷却回路が燃料電池の少なくとも１部の中と、水を導く部材とコンポーネンツの少なくとも１つの中のみで循環するように、切り替えが可能ということである。したがって、上記の１つあるいは複数の部材とコンポーネンツは、冷却媒体が燃料電池自体の中でのみ、ならびに場合により、例えば熱を生じる複数の他の周辺部分の中で循環する、燃料電池システムのクイックスタートの際に、水を導く部材およびコンポーネンツに含まれうる。したがって、これらの水を導く部材およびコンポーネンツには、システムの始動直後に、冷却水が貫流され、これにより燃料電池の迅速かつ信頼性のある解凍が保証されうる。
【００１３】
既に述べたように、本発明による燃料電池システムが、特に有利に利用されるのは、この燃料電池システムが非常に容易かつ効率的に始動されうる点にあり、その際、水を導くコンポーネンツを解凍するのに、前もってエネルギータンクに貯蔵される必要があるエネルギーが僅かで済む。したがって、殊に不都合な環境条件下で使用するために、例えば氷点より低い温度で始動するために適している、非常に簡単でかつエネルギー効率の良いシステムが生じる。それゆえ本発明による燃料電池システムの利用は、特に車両に企図されている。車両はこのような不都合な環境条件に頻繁にさらされており、システムを始動するために必要なエネルギーの供給は、大きな労力を伴う形でのみ実現することができる。
【００１４】
本発明による燃料電池システムおよびこれを利用するその他の有利な形態は、残りの従属請求項から明らかであり、そして、引き続き、図に関して詳細に描写されている実施例によって明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】添付された唯一の図は、本発明による燃料電池システムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
添付された唯一の図には、本発明による燃料電池システム１が描写されている。燃料電池システムは、アノード領域３とカソード領域４とを有する燃料電池２を含む。前記燃料電池２のアノード領域３には、圧縮ガス容器５から、スロットルバルブ６を介して、水素が供給される。アノード室領域３から出た未使用の排ガスは、再循環管路７と再循環搬送装置８とを介して、アノード室領域３へと戻り着き、アノード室領域３には、未使用排ガスが、圧縮ガス容器５からの新鮮な水素と一緒に、あらためて供給される。この構造は一般的に、アノードループとしても知られている。この構造は、ここに描写されている実施例について、単なる例として理解されるべきである。基本的には、燃料電池２をアノードループ無しで、例えばデッドエンド方式の燃料電池として、あるいは、未使用排ガスを例えば触媒燃焼器や同種のものへと排出する構造で、設計することも考えられる。
【００１７】
燃料電池２のカソード室４には、エア供給装置９を介して濾過された外気が、酸素供給媒体として供給される。この供給された外気は、ここでは描写されていないがそれ自体は既知の方法で、例えば加湿器を通って流れることによって、適度に加湿されて、カソード室４とアノード室３とを分離する高分子電解質膜を不必要に乾燥させないようにすることができる。
【００１８】
次いで燃料電池２自体は電力を供給し、生成水を生成するが、この生成水は排ガス流の領域において排出される。アノード室３とカソード室４の構造は、典型的には気体を通す多数の小さな管路から成り、これらの管路が出発物質を高分子電解質膜に導き、この領域への水の侵入は絶対に防止されるべきであり、それは、水がこれらの管路を相応に詰まらせる可能性があるからである。このため、上記の種類の燃料電池システム１内には、さまざまな個所に水分離器が備えられており、これらの水分離器がこの液状水を生成物の流れと出発物質の流れから分離し、液状水を液状のままシステム外へと導く。燃料電池システム１のここに描写されている実施例においては、単なる例として、２つの水分離器１０、１１が概略的に示されており、これらの水分離器は、それぞれバルブ１２、１３によって、水管１４、１５と連結されている。
【００１９】
燃料電池２の中では、生成水と排ガスのほかに排熱が生じるため、燃料電池システム１はさらに冷却回路１６を有している。この冷却回路１６は、熱交換器１７を介して燃料電池２を液状冷却媒体によって冷却し、この冷却媒体によって集められた熱を、通常作動において冷熱交換器１８を介して周辺環境へと排出する。液状冷却媒体はこのために、冷却剤搬送装置１９によって、冷却回路１６内を循環させられる。燃料電池２の冷却のための冷却回路１６は、このほかの冷却されるべき周辺部分とコンポーネンツを含んでいてもよく、それは一般的な従来技術から既知であり通常に行われている。描写の簡易化のため、ここにはそれらの周辺部分やコンポーネンツは記入されていない。冷却回路１６はこのほかに、冷熱交換器１８を回避するバイパス２０を含むのが典型的であり、このバイパス２０は、燃料電池２のコールドスタート時には冷却媒体が冷熱交換器１８を貫流しないように、そしてそれによって冷却されないように、バルブ装置２１を介して接続されうるようになっている。これにより、燃料電池２と燃料電池システム１全体が、より迅速に暖められ、燃料電池システム１の始動に必要な作動温度に、より迅速に達する。このことも、一般的な従来技術から、よく知られている。
【００２０】
ここに描写されている実施形態における燃料電池システム１は、このほか、追加的な熱交換器２２、２３、２４を有しており、そのうちここでは３つが例として概略的に示されている。これらの熱交換器２２、２３、２４は、液状水を導く部品とコンポーネンツの中に配置されており、これらの部品とコンポーネンツは、従来技術に基づく実施形態においては、冷却されていないものである。ここでは例として、熱交換器２２は水分離器１１の領域内に、また熱交換器２３は排水管１５の領域内に、また熱交換器２４は熱交換器１０の領域内に、配置されている。例えば加湿器、タービン、バルブ、絞り機構、スロットルバルブ、フィルターカートリッジ、再循環ブロワといった、水を導く、もしくは水に接触するこのほかの部材とコンポーネンツにも、同様に上記のような種類の熱交換器が備えられてもよい。
【００２１】
従来技術においては冷却されないこれらの部材とコンポーネンツは、ここで説明されている燃料電池システム１の構造においては、熱交換器２２、２３、２４とオプションのバルブ装置２５、２６、２７を介して冷却回路１６に接続されるが、これによって、これらの部材とコンポーネンツを継続的に、もしくはバルブ装置２５、２６、２７が存在する場合には必要に応じて、冷却回路１６内で冷却媒体が貫流するようになる。上述の水を導く部材とコンポーネンツ１０、１１、１５の通常作動における冷却は、基本的には不可欠なものではないが、しかし追加的な副次的効果として、場合によっては少なくとも水分離器１０、１１の領域においては有利となる可能性があり、それは、これによって凝縮率が高められる可能性があるからである。
【００２２】
しかしながら重点的には、熱交換器２２、２３、２４の作動は、システムのコールドスタート時のために企図されている。そのため熱交換器２２、２３、２４は、液状冷却媒体が冷熱交換器１８を介して流れなくともすでにコールドスタート時に作動される冷却回路１６の一部に、連結されている。そうして燃料電池システム１が始動すると、燃料電池２は、それ自体としては既知の方法で、燃料電池２の始動によって温められる。燃料電池２の冷却水も同様に比較的迅速に温まるが、液状冷却媒体の全量が、バイパス２０を通過するのみで、冷熱交換器１８を通らずに導かれる場合に、特に比較的迅速に温まる。この状況においては、熱交換器２２、２３、２４の中を、すでに温まりつつある冷却媒体が貫流している。燃料電池システム１が、始動前に氷点を下回る温度に耐えていた場合、水分離器１０、１１の領域と排水管１５、１４の領域において、この水が凍結している可能性がある。そのため各管が詰まっていて、燃料電池システム１の始動時に使用され得ない。このことはシステムの機能不全につながる。しかし、これらの、通常は冷却されない部材とコンポーネンツを、冷却回路１６内の温かい冷却媒体と接触させることができる可能性によって、これらのコンポーネンツが容易かつ効率的に解凍され得る。この解凍は、比較的迅速に温まる冷却水によって、これらのコンポーネンツがその完全な機能性を提供しなければならない時点に間に合う程度の時間内で可能である。エネルギー使用については、これらのコンポーネンツの領域において従来技術から知られている電気式ヒーターを使った解凍に比べて、大幅にエネルギー効率が良く、そのため、燃料電池システム１の始動のために用意しておかねばならないエネルギー量は大幅に少なく済み、このことがまた、エネルギー貯蔵装置をサイズ面でも費用面でも縮小させる。
【００２３】
ここに描写された実施例において熱交換器２２、２３、２４と連結している水を導く部材１０、１１、１５が適宜に解凍された後に、冷却回路１６内の圧力損失を軽減するためオプションのバルブ装置２５、２６、２７を閉鎖することによって、熱交換器２２、２３、２４を切り離すことができ、それにより、これらの熱交換器はもはや冷却回路の一部ではなくなり、それに応じてこれらの熱交換器に液状冷却媒体が貫流される必要がなくなる。ここで慎重に考量すべきは、バルブ装置２５、２６、２７の設置に必要な手間や費用と設置空間が、冷却回路のこの領域の圧力損失の軽減に見合うものであるかどうか、という点である。というのも、この方法に代えて、単純に、通常作動中は常に熱交換器２２、２３、２４に液状冷却媒体を貫流させることも考えられるからである。なぜなら、水分離器１０、１１と排水管１５を、冷却回路１６の温度水準まで冷却する、もしくは場合によっては温める、ということは、燃料電池の通常作動にとって重大ではないからである。
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【国際調査報告】
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