(57)【要約】  本発明は、電気化学セルならびに第1および第2の端部板(6.1、6.2)のスタック(2)と、スタックの外部で脱イオン水を循環させるための回路(16)に接続されるスタック(2)内で脱イオン水を循環させるための回路(14)であって、脱イオン水がクーラントを構成する、回路(14)と、水素をセルに供給するための回路(8)および空気をセルに供給するための回路(10)と、第1の端部板(6.1)に取り付けられ、水で少なくとも部分的に満たされる密閉スペース(V)を形成し、クーラントの内部循環のための回路(14)がその中に通じる筐体(20)とを含む燃料電池において、空気および水素を供給するための回路(8、10)は、密閉スペース(V)を通り抜け、それと熱を交換するように脱イオン水に沈められ、供給回路の一部分(10.1)は、密閉スペース(V)に含有される水を使用して空気を加湿する、燃料電池に関する。
2014512656.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電気化学セルからなるスタック(2)、ならびに前記複数の電気化学セルに締め付け力を印加する第1および第2の端部板(6.1、6.2)と、クーラントを前記スタック(2)の内部に流すための回路(14)および前記クーラントを前記スタックの外部に流すための回路(16)によって形成される熱管理システム(12)と、燃料ガスを複数の前記セルに供給するための回路(8)、ならびに酸化ガスを複数の前記セルに供給するための回路(10)と、前記燃料ガスおよび酸化ガスが複数の前記セルの中に注入される前に前記燃料ガスおよび酸化ガスを加熱するための手段と、前記酸化ガスが複数の前記セルに注入される前に前記酸化ガスを加湿するための手段と、を備える燃料電池であって、前記燃料電池はいわゆる主ケーシング(20)を備え、前記主ケーシング(20)は、前記第1の端部板(6.1)に取り付けられると共に、前記クーラントを前記スタックに流すための前記内部回路(14)の下流側に密閉容積部(V)を形成し、前記密閉容積部(V)に、前記クーラントを流すための前記内部回路(14)が現れ、前記容積部(V)は、前記スタックから流れ出る前記クーラントで少なくとも部分的に満たされるように構成され、前記酸化ガスを供給するための前記回路(10)および燃料ガスを供給するための前記回路(8)は、前記密閉容積部(V)を通り抜けて、前記クーラントと熱を交換するために前記クーラントに浸されるように構成されており、前記クーラントに浸されるように構成された前記酸化ガスを供給するための前記回路の少なくとも1つの部分(10.1)によって、前記酸化ガスを加湿するために、前記クーラントに含有される水を、前記酸化ガスを供給するための前記回路の外部から前記回路の内部に移動させることができる、燃料電池。
【請求項２】
酸化ガスを供給するための前記回路(10)は、例えばNafion(登録商標)のプロトン導体アイオノマー部分を備えており、水が前記部分に入ることを可能にする、請求項1に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記クーラントに浸されることを意図した前記燃料ガスを供給するための前記回路の少なくとも1つの部分(8.1)は、良好な熱伝導性を提示する材料を有し、例えばステンレス鋼で作られる、請求項1または2に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料ガスを供給するための前記回路(8)は、例えばNafion(登録商標)のプロトン導体アイオノマー部分を備え、水が前記部分(8.1)に入ることを可能にする、請求項3に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記クーラントに浸されることを意図した燃料ガスおよび酸化ガスを供給するための前記回路の前記部分(8.1、10.1)は、前記クーラントとの交換を強化するために並列接続の管束を備える、請求項1から4のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記密閉容積部(V)は、膨張ベッセルを提供するために部分的に満たされることが意図される、請求項1から5のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記クーラントの導電性を減少させるための手段(36)を備える、請求項1から6のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記主ケーシング(20)の近くで前記第1の端部板(6.1)に取り付けられた追加のケーシング(38)を備え、前記追加のケーシング(38)内に、導電性を減少させるための前記手段(36)が設けられ、導電性を減少させるための前記手段(36)は、導電性を減少させるための前記手段(36)の中に前記クーラントを流れ込ませることができるように内部容積部に接続される、請求項7に記載の燃料電池。
【請求項９】
導電性を減少させるための前記手段(36)は、再生用樹脂によって形成され、弁(40)が、前記クーラント温度に応じて前記主ケーシング(20)と前記再生用樹脂との間の前記クーラントの流れを制御し、前記弁(40)は、約50℃よりも高い温度で連通を中断させ、前記弁(40)は、有利には温度調整弁である、請求項8に記載の燃料電池。
【請求項１０】
例えば電気抵抗器によって形成された、前記主ケーシング(20)に提供される前記クーラントを加熱するための手段(31)を含む、請求項1から9のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記外部回路(16)は、熱交換器を備える第1の副回路(16.1)および前記内部回路(14)の入口に直接接続された第2の副回路(16.2)と、前記内部回路(14)の出口での前記クーラントの温度に応じて前記副回路(16.1、16.2)のいずれか一方または両方における前記クーラントの流れを制御するための装置(18)と、を備える、請求項1から10のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記制御装置は、三方温度調整弁である、請求項11に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記制御装置(18)は、前記追加のケーシング(38)が前記第2の副回路(16.2)の一部となるように前記主ケーシング(20)と前記追加のケーシング(38)との間に一体化される、請求項11または12に記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記クーラント用の出口を２つだけ備え、1つの出口は、前記第1の副回路(16.1)に向かって前記主ケーシング(20)の壁に形成され、1つの出口は、前記第2の副回路(16.2)に向かって前記追加のケーシング(38)の壁に形成される、請求項13に記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記主ケーシング(20)は、前記クーラントの温度を測定するための手段(30)、前記クーラントの導電性を測定するための手段(34)、および前記密閉容積部の前記クーラント充填レベルを監視するための手段(32)のうちの少なくとも１つを備える、請求項1から14のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記主ケーシング(20)は、上部領域にキャップによって密閉される充填ポート(34)、有利にはベント(26)若しくは圧力解放弁(28)、またはその両方を備える、請求項1から15の一項に記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記セルに対する前記燃料ガスの供給および前記酸化ガスの供給は、前記燃料ガス供給回路および前記酸化ガス供給回路と前記第1の端部板の側面との間のパイプ(44、46)を用いて前記第1の端部板(6.1、6.2)を通じて行われる、請求項1から16のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１８】
前記クーラントは、脱イオン水である、請求項1から17のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１９】
前記燃料電池は、プロトン交換膜型であり、前記燃料ガスは、水素であり、前記酸化ガスは、酸素である、請求項1から18のいずれか一項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気を供給するための燃料電池は、燃料ガス、例えばプロトン交換膜燃料電池(PEMFC)の場合には水素、および酸化ガス、例えば空気または酸素が供給される。燃料電池の動作はまた、熱エネルギーを発生させるという結果にもなる。
【０００３】
燃料電池は、電気化学セルのスタックを含み、各セルは、アノードおよびカソードを含む。セルは、タイロッドによって接続された端部板によって互いに押し付けられた状態に保たれる。
【０００４】
回路は、反応ガスをセルに供給するために設けられる。それらの反応ガスは、あらかじめ設定された温度、圧力および湿度の条件下で燃料電池に運ばれなければならない。従って、燃料電池は、酸化ガスの圧力、温度および湿度を制御するための装置ならびに燃料ガスの圧力、温度を制御するための装置を含む。一般に、酸化ガスの水分含量は、空気-空気型交換器によって制御される。加熱装置は、水素をそれがセルに入る前に加熱するために設けられる。
【０００５】
他方では、燃料電池の電気化学的効率は、使用される材料の性質そのもののために燃料電池内の温度に依存する。その結果、この温度は、可能な限り高い効率を得るために監視されなければならない。実際、もし動作温度が、低過ぎるならば、燃料電池の最良の動作効率は、達成されない可能性があり、もし燃料電池が、高過ぎる温度上昇を経験するならば、燃料電池を構成している材料は、損なわれることもあり得る。最適温度範囲は、65℃から75℃である。
【０００６】
前に説明したように、燃料電池は、その動作中に熱を発生させる。この熱は一般に、燃料電池内の温度上昇を制限するために除去されなければならない。そのために、セルの内部でのクーラントの流れが、一般に提供され、その場合クーラントの流量および温度は、制御される。
【０００７】
さらに、燃料電池に流れ込むことによって、クーラントは、バイポーラ板と直接接触し、クーラントの導電性はそのとき、燃料電池の電気効率を維持するためにあるしきい値よりも低いままであるように監視される。このために、クーラントの導電性は、十分に低い値に制限される。例えば、脱イオン水が、クーラントとして使用される。その導電性を制限するために、脱イオン水を再生するための樹脂が、冷却回路に提供される。再生用樹脂の最大動作温度は、50℃程度であることに留意すべきである。
【０００８】
これらの異なる要素は、セルのスタックの周辺に提供され、導管および弁によって互いにかつセルのスタックに接続される。それ故に、燃料電池の全体スペースは、非常に高い。
【０００９】
しかしながら、この種の燃料電池は特に、駆動電源として車両に搭載することを目的とすることに気付かされる。その結果、その全体スペースは、極めて重要な点である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、最新技術のアセンブリと比べて低減された全体スペースを有する流体管理システムを備えた燃料電池を提供することが、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の目的は、互いに強固に接続された2つの端部板の間に提供される複数のセルからなるスタックを備え、かつ一方の端部板に固定されたケーシングを備える燃料電池であって、ケーシングの中に加湿装置および加熱装置が収容され、前記ケーシングが、セルの出口で冷却回路に直接接続され、それにより、加湿装置および加熱装置がクーラント中に沈められ、加湿器は、水-空気加湿器であり、加熱装置は、燃料電池からクーラントによって除去された熱を使用する、燃料電池によって達成される。
【００１２】
言い換えれば、一方の端部板の中には、セルスタックを通り抜けた後に冷却回路が現れ、クーラントは、反応ガスを加湿しかつ加熱するための手段として使用され、クーラントは、前記一方の端部板に直接設けられたタンクを満たす。個別装置の数、それ故にその接続部および長さは、低減される。従って、全体スペースは、減少する。
【００１３】
有利には、イオン交換装置もまた、ケーシングのできるだけ近くで端部板に設けられ、そのケーシングと接続されてセルから流れ出るクーラントからイオンを取り除く。
【００１４】
例えば、イオン交換装置は、イオン交換樹脂によって形成される。有利には、温度調整弁が、ケーシングとイオン交換装置との間に設けられて、クーラント温度が温度閾値よりも低いときだけイオン交換装置での流れを許容する。
【００１５】
従って、本発明の主題は、複数の電気化学セルからなるスタック、ならびに複数の電気化学セルに締め付け力を印加する第1および第2の端部板と、クーラントをスタックの内部に流すための回路およびクーラントをスタックの外部に流すための回路によって形成される熱管理システムと、燃料ガスを複数のセルに供給するための回路、ならびに酸化ガスを複数のセルに供給するための回路と、燃料ガスおよび酸化ガスが複数のセルの中に注入される前に燃料ガスおよび酸化ガスを加熱するための手段と、酸化ガスが複数のセルに注入される前に酸化ガスを加湿するための手段と、を備える燃料電池であって、その燃料電池はいわゆる主ケーシングを備え、主ケーシングは、第1の端部板に取り付けられると共に、クーラントをスタックに流すための内部回路の下流側に密閉容積部を形成し、密閉容積部に、クーラントを流すための内部回路が現れ、前記容積部は、スタックから流れ出るクーラントで少なくとも部分的に満たされることを意図し、酸化ガスを供給するための回路および燃料ガスを供給するための回路は、密閉容積部を通り抜けて、クーラントと熱を交換するようにクーラントに浸されることを意図し、クーラントに浸されることを意図する酸化ガスを供給するための回路の少なくとも1つの部分によって、酸化ガスを加湿するために、クーラントに含有される水を、酸化ガスを供給するための回路の外部から前記回路の内部に移動させることができる、燃料電池である。
【００１６】
好ましくは、酸化ガスを供給するための回路は、例えばNafion(登録商標)のプロトン導体アイオノマー部分を備えており、水が前記部分に入るのを可能にする。
【００１７】
クーラントに浸されることを意図する燃料ガスを供給するための回路の少なくとも1つの部分は有利には、良好な熱伝導性を提示する材料を有し、例えばステンレス鋼で作られる。
【００１８】
燃料ガスを供給するための回路もまた、例えばNafion(登録商標)のプロトン導体アイオノマー部分を備え、水が前記部分に入るのを可能にすることができる。
【００１９】
好ましくは、クーラントに浸されることを意図する燃料ガスおよび酸化ガスを供給するための回路の部分は、クーラントとの交換を強化するために並列接続の管束を備える。
【００２０】
密閉容積部は、膨張ベッセルを提供するために部分的に満たされてもよい。
【００２１】
燃料電池は好ましくは、クーラントの導電性を減少させるための手段を備える。
【００２２】
それ故に、燃料電池は、主ケーシングの近くで前記第1の端部板に取り付けられた追加のケーシングを備え、追加のケーシング内に、導電性を減少させるための手段が設けられ、導電性を減少させるための手段が、クーラントが導電性を減少させるための手段の中にクーラントを流れ込ませることができるように内部容積部に接続される。
【００２３】
例えば、導電性を減少させるための手段は、再生用樹脂によって形成され、燃料電池はそのとき、クーラント温度に応じて主ケーシングと再生用樹脂との間のクーラントの流れを制御するための弁を含み、その弁は、約50℃よりも高い温度で連通を中断させる。弁は有利には、温度調整弁である。
【００２４】
燃料電池はまた有利には、例えば電気抵抗器によって形成された、主ケーシングに設けられるクーラントを加熱するための手段も含む。
【００２５】
外部回路は、熱交換器を備える第1の副回路および内部回路の入口に直接接続された第2の副回路と、内部回路の出口での前記クーラントの温度に応じて副回路のいずれか一方または両方におけるクーラントの流れを制御するための装置とを含むことができる。
【００２６】
好ましくは、制御装置は、三方温度調整弁である。
【００２７】
有利には、制御装置は、追加のケーシングが第2の副回路の一部となるように主ケーシングと追加のケーシングとの間に一体化される。
【００２８】
その上、非常に有利な実施形態では、燃料電池は、クーラント用の出口を２つだけ備え、1つの出口は、第1の副回路に向かって主ケーシングの壁に形成され、1つの出口は、第2の副回路に向かって追加のケーシングの壁に形成される。
【００２９】
主ケーシングは、クーラントの温度を測定するための手段および/またはクーラントの導電性を測定するための手段および/または密閉容積部のクーラント充填レベルを監視するための手段を含むことができる。
【００３０】
主ケーシングは、例えば上部領域にキャップによって密閉される充填ポート、有利にはベントおよび/または圧力解放弁を含むことができる。
【００３１】
セルに対する燃料ガスの供給および酸化ガスの供給は、例えば燃料ガス供給回路および酸化ガス供給回路と第1の端部板の側面との間のパイプを用いて第1の端部板を通じて行われる。
【００３２】
クーラントは有利には、脱イオン水である。
【００３３】
燃料電池は、例えばプロトン交換膜型であり、燃料ガスは、水素であり、酸化ガスは、酸素である。
【００３４】
本発明は、次に来る説明および添付の図面を使用してより良く理解されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１Ａ】本発明による燃料電池の例となる実施形態の概略図である。
【図１Ｂ】平面A-Aに沿った図1Aの横断面図である。
【図２】本発明による燃料電池の例となる実施形態の斜視図である。
【図３】図2の細部の拡大図である。
【図４】図3の燃料電池の反対面の斜視図である。
【図５】図2の燃料電池の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
図1Aでは、本発明による燃料電池の例となる実施形態の概略的表現が、見られる。
【００３７】
次に来る説明では、プロトン交換膜燃料電池すなわちProton Exchange Membrane Fuel Cell(PEMFC)が、詳しく述べられることになる。燃料ガスはそのとき、水素であり、酸化ガスは、空気または酸素である。しかしながら、この説明は、決して限定するものではなく、本発明は、どんな種類の燃料電池にも適用可能である。
【００３８】
燃料電池は、交互に設けられるバイポーラ板およびイオン交換膜から成る電気化学セル4のスタック2、ならびにスタックの両側に2つの端部板6.1、6.2を含む。端部板6.1、6.2は、タイロッド7によって接続され、セルを構成する要素の表面全体にわたって均等に分布した電気伝導を確保するために圧縮力をスタック2に与える。
【００３９】
燃料電池は、水素をセルに供給するための回路8および空気または酸素をセルに供給するための回路10を含む。簡潔さのために、空気だけが、酸化ガスとして述べられることになる。
【００４０】
供給回路8および10は、セルを直接通り抜けてそれらを供給する。
【００４１】
燃料電池はまた、セルと熱を交換するためにスタック内にクーラントを流すための回路14、およびスタックの外部に設けられる流れ回路16によって形成される熱管理システム12も含む。使用されるクーラントは、脱イオン水とすることができる。
【００４２】
外部流れ回路16は、2つの副回路16.1、16.2を含み、片方の副回路16.1は、内部回路14を介してクーラントをスタックに再注入する前にスタックを通り抜けることで蓄積された熱を取り出すことを意図し、その端部に熱交換器17を備えており、もう一方の副回路16.2は、スタックから流れ出るクーラントを内部流れ回路14に直接再注入することを意図する。どちらの副回路16.1、16.2での流れかを選択するための手段18が、上流に設けられ、その手段は有利には、スタックの出口でのクーラント温度に応じてどちらの副回路でのクーラント流かを決定する三方温度調整弁である。流れポンプ(図示されず)は、スタックへのクーラント流を確保するために外部回路16に設けられる。
【００４３】
燃料電池は、端部板の片方6.1に取り付けられ、熱交換回路の内部回路14の下流端部がその中に現れる密閉容積部Vの境界をなす、いわゆる主ケーシング20を含む。このケーシング20は、正常動作中は、少なくとも部分的にクーラントで満たされる。
【００４４】
内部回路14と外部回路16との間の接続は、主ケーシング20の壁の1つを通じて行われ、ここで三方温度調整弁18が、その壁に取り付けられる。
【００４５】
水素を供給するための回路8は、クーラントに沈められるように密閉容積部Vを通り抜ける。ケーシングの中に位置する供給回路8の部分8.1は、クーラント流の方向でスタックの上流に位置し、水素をそれがセルに注入される前に加熱するために、クーラントと水素との間の熱交換を促進するようなものである。好ましくは、この部分8.1は、図2または図5で分かるように、並列接続の管束によって形成される。好ましくは、その管は、良好な熱伝導性を有する材料で、例えばステンレス鋼で、例えばその生産コストが低減され、容易に適用できる316Lステンレス鋼で作られる。
【００４６】
別法として、水素の、より一般的には燃料ガスの加湿が、求められる場合には、水が管の内部を通ることを可能にする材料で、例えばプロトン導体アイオノマーで、例えばNafion(登録商標)でこれらの管を作ることが、企図され得る。束のいくつかの管が、ステンレス鋼で作られ、他の管が、Nafion(登録商標)で作られることも、企図され得る。別法として、スルホン化ポリ(スチレン-co-ブタジエン)鎖を有するポリマーの管が、例えば使用されてもよい。
【００４７】
空気を供給するための回路10もまた、クーラントに沈められるように密閉容積部Vを通り抜ける。ケーシングの中に位置する供給回路10の部分10.1は、スタックの上流にあり、空気がセルに注入される前にクーラントからの空気加熱および空気加湿の両方を確保するようなものである。例えば、回路の部分10.1もまた、Nafion(登録商標)タイプのプロトン導体アイオノマーで作られる。有利には、部分10.1もまた、交換領域を増加させる管束によって形成される。水分傾斜は、管の外部から空気が流れる内部への水の移動を確保する。移動した蒸気は、ここで、空気が加湿されることを可能にする。
【００４８】
空気の加湿と同時に、温度の上昇が、起こる。
【００４９】
有利には、ケーシングの容積部Vは、クーラントで容積部Vを部分的にだけ満たすことによって膨張ベッセル22もまた形成するようなものである。これは、図1Aでクーラントがない状態に残された容積部の部分によって概略的に示される。
【００５０】
ケーシングの上部では、これはまた、キャップによって密閉できる熱交換回路を満たすためのポート24も含む。
【００５１】
燃料電池のバイポーラ板と冷却液との間の交換領域を最適化するために、充填時に回路から空気を最も良く追い出すことを可能にする、熱交換回路の密閉可能なベント26がまた、設けられてもよい。例えば弁によって形成される、熱交換回路での圧力上昇の場合の安全手段28がまた、設けられてもよい。弁が充填ポートのキャップに形成されることも、企図され得る。
【００５２】
有利には、セルに注入される水素量は、電気分解反応収率を増加させるのに必要とされる量よりも高い。回路8の出口での消費されていない水素は、回路に再注入される。従って、燃料電池は有利には、水素をスタックに再注入するための回路29を含み、これは例えば、水素を供給するための回路の部分8.1の出口で回路8に接続される。実際、再注入される水素は、燃料電池から流れ出るので、それを温める必要はなく、それは、直接再注入されてもよい。しかしながら、水素を供給するための回路の部分8.1の上流に再注入回路を接続することも、企図され得る。
【００５３】
表示される例では、主ケーシング20は、再循環回路29を供給回路8に接続するための再循環タップ29.1を含む。
【００５４】
有利には、クーラントがセルによって放出された熱によって暖められていない限り、燃料電池動作の初めにクーラントならびに同時に水素および空気を暖めるための低温加温手段31が、ケーシングに設けられる。低温加温手段31は例えば、クーラントに浸された抵抗器型の電気的手段またはさもなければ熱交換回路を持つ流体手段である。例えば、低温加温手段31は、5℃よりも低い温度の場合に起働される。
【００５５】
好ましくは、燃料電池は、燃料電池動作を監視するための手段を含む。その手段は例えば、ケーシングでのクーラント温度を測定するための手段30、例えば漏れを検出し、燃料電池過熱を避けるためにケーシングでのクーラントレベルを監視するための手段32である。
【００５６】
さらに、クーラントは、バイポーラ板と直接接触するので、好ましくはその導電性は、燃料電池の電気効率を維持するために導電性が所与のしきい値を越えないように、監視される。この場合には、燃料電池はまた、例えばケーシングに設けられる、クーラントの導電性を測定するための手段34、および再生装置ともまた呼ばれるイオン交換装置36によって形成される、もし必要ならばこの導電性を低減するための手段も含むことができる。
【００５７】
再生装置36は、図1Bで概略的に示され、それは、主ケーシングに関して横向きに設けられる。
【００５８】
表される例では、有利には、この装置36は、主ケーシング20に隣接して設けられ、隣接する壁を通じて主ケーシング20に直接接続される追加のケーシング38に収容され、そうすることで、パイプに頼ることを避ける。
【００５９】
追加のケーシング38は、クーラントをそれが再生された後に回路に再注入するための熱管理システムに接続される。
【００６０】
好ましくは、燃料電池の各始動時に、クーラント液体は、液体温度が50℃よりも低い限り自動的に再生される。液体の導電性の測定は、燃料電池のスイッチを切るように勧めるためまたは燃料電池の悪化した性能を知らせるための予防対策として使用されてもよい。導電性の著しい悪化の場合には、クーラントを適切に再生するのに十分に長い時間にわたって液体を再生用樹脂に循環させるために、燃料電池を動作させることなく流れポンプのスイッチを入れることが、企図され得る。
【００６１】
イオン交換装置36は、例えば再生用樹脂によって形成される。主ケーシング20と追加のケーシング38との間の流れは、樹脂と接触するクーラントが樹脂にとっての最大動作温度である50℃程度の温度よりも高い温度にある場合の温度で制御される。有利には、これは、簡単な動作および強固な構造を提示する温度調整弁40である。しかしながら、温度測定手段30によって制御される電磁弁は、本発明の範囲から逸脱しない。
【００６２】
別法として、導電性測定は、スタックの入口で行うことも可能であり、再生装置は、第2の端部板6.2に置かれることになる。
【００６３】
配置の小型化が特に重要である本発明による燃料電池の実用的な例となる実施形態を表す図2から図5では、端部板6.1に取り付けられた主ケーシング20および主ケーシング20に隣接して端部板6.1に取り付けられた追加のケーシング38が見える。表示される例では、追加のケーシング38は、主ケーシング20よりも短く、主ケーシング20はそのとき有利には、追加のケーシング38の縦端部に隣接し、両方のケーシング20、38の間および外部との接続部を提供する横延長部20.1を含む。
【００６４】
水素を供給するための回路の部分8.1および空気を供給するための回路の部分10.1は、主ケーシング20の中で平行に設けられる。その部分のそれぞれは、水素および空気についてそれぞれ矢印40、42によって表される縦端部によって供給され、端部板6.2のエッジに接続されるパイプ44、46によって出口でセルに接続され、セルとの接続は、端部板を通じて行われる。
【００６５】
別法として、パイプ44、46は、取り除くことも可能であり、水素を供給するための回路の部分8.1とセルとの間および空気を供給するための回路の部分10.1とセルとの間の接続は、主ケーシング20の底部で端部板6.1を通じて直接行われることになる。
【００６６】
第2の端部板6.2は、水素および空気の出口48、50をそれぞれ含む。
【００６７】
水素の出口48は、再循環回路29に接続される。
【００６８】
主ケーシング20は、温度で制御される延長部20.2に位置する二方弁40を介して再生装置36に接続され、制御温度は、再生用樹脂が耐えることのできる最大温度、すなわち約50℃である。好ましくは、二方弁40は、温度調整弁である。弁40は、クーラント温度が50℃よりも低いときは主タンクと再生装置36との間の連通を確保し、クーラント温度が50℃を越えるときは連通を中断させる。
【００６９】
主ケーシングはさらに有利には、三方弁の「低温クーラント」出口によって追加のケーシング38に接続される。ケーシング38はそのとき、副回路16.2の一部を形成する。
【００７０】
熱管理システムへの追加のケーシング38の接続部52は、追加のケーシング38の側面38.1に位置する。
【００７１】
三方温度調整弁18を備える、副回路16.1および16.2への主ケーシング20の接続部54は、延長部20.1に位置する。
【００７２】
3つの流れモードが、今から説明されることになる。
【００７３】
50℃よりも低い温度の場合には、温度調整弁40は、開かれ、クーラントは、主タンクから再生装置に流れ込み、樹脂を通り抜け、再生装置から出て追加のタンク38に入る。追加のタンクは、クーラントで満たされ、クーラントは次いで、タップ52によってケーシング38から流れ出て、熱交換副回路16.1を通り抜けることなく、流れポンプに直接戻ってセルスタックの中を再循環する。
【００７４】
50℃と70℃との間の温度の場合には、二方温度調整弁40は、閉じられ、クーラントが閉じた再生装置36を通り抜けるのを防止する。三方温度調整弁は、追加のタンク38に向かって開かれ、クーラントは、追加のケーシング38をあふれさせてタップ52から出て、副回路16.1の熱交換器を通り抜けることなく、流れポンプに直接戻ってセルスタックの中を再循環する。
【００７５】
70℃よりも高い温度の場合には、三方温度調整弁18は、副回路16.1に通じるタップ54に向かって部分的にまたは完全に開かれ、クーラントは、副回路16.1の中を流れ、熱交換器17を介してクーラントの冷却を確保する。
【００７６】
非常に有利には、この接続アーキテクチャは、副回路16.2に向かう単一タップ52を使用するだけである。それ故に、燃料電池の製造は、簡略化され、漏れリスクが、低減される。
【００７７】
ケーシング20および38は、端部板6.1を押し付けることになる底部を含むことができる。別法として、端部板は、ケーシング20および38のどちらかまたは両方の底部を形成する。それ故に、密閉は、例えば平坦なガスケットまたはOリングを用いてケーシングの側壁と端部板6.1との間で行われる。
【００７８】
主ケーシング20および追加のケーシング38は、一体的に作られてもよい。
【００７９】
水素流量60Nm3/hおよび空気流量300Nm3/hの場合に図2から図5で表されるなどの出力90kWを有する燃料電池の例となる寸法が、例証としていまから与えられることになる。
【００８０】
燃料電池の幅Wは、630mmである(図5)。
【００８１】
ケーシングの高さhは、200mmであり、ケーシングの深さdは、420mmである(図4)。燃料電池の全高は、600mm程度である。
【００８２】
比較として、最新技術の燃料電池システムは、960mmの全高、600mmの深さおよび710mmの幅を有する。
【００８３】
それ故に、本発明のおかげで全体スペースの著しい減少を観測することができる。
【００８４】
本発明のおかげで、100リットル程度の、非常に高い容積獲得が、加湿機能を提供するために達成され、10リットル程度の顕著な獲得が、加温機能を確保するために達成される。
【００８５】
さらに、パイプの数および容積が、低減されるので、燃料電池の異なる要素へのアクセスのしやすさは、促進される。
【００８６】
本発明による燃料電池動作が、今から説明されることになる。
【００８７】
燃料電池が、始動されるときは、クーラントは、低温であり、それ故に水素および空気を温めることができない。低温始動加熱手段は、例えば温度が5℃よりも低いときに始動される。
【００８８】
温められ、場合により加湿された水素および温められ、加湿された空気が、セルに注入される。同時に、やはり温められたクーラントが、スタック内に流れる。電気化学反応は、セルのそれぞれで起こる。
【００８９】
クーラントは、セルによって放出された熱を取り出す。クーラントが、水素および空気を温めるのに十分に熱いときは、低温加温手段は、スイッチを切られる。加温時間は、燃料電池システムが提供すべき電力に応じて数分程度である。この加温時間は、もし回路が短く、それ故に温めるべき容積が小さいならば、なおいっそう短時間である。
【００９０】
セルから流れ出る水素は、回路に再注入される。
【００９１】
クーラントは、その温度が50℃よりも低い限り、再生装置36および追加のタンク38を介して内部回路14の入口に直接戻される。
【００９２】
温度が、50℃と70℃との間のときは、クーラントは、再生装置36を通り抜けることなく追加のタンク38を介して内部回路14の入口に直接戻される。
【００９３】
その温度が、70℃を越えるときは、三方温度調整弁18は、クーラントを、追加のタンク38を通り抜けることなく、その温度を減少させるために熱交換器を備える外部副回路16.1に導くように反応してその構成を変える。このように冷却されたクーラントは、内部回路14の入口に再注入される。
【００９４】
温度調整弁の使用は、クーラントの温度に応じてクーラントの流れの自律的管理を可能にする。
【００９５】
さらに、その導電性が、測定され、それが所与のしきい値を越えるときは、クーラントは、もし液体温度が50℃よりも低いならば再生装置36に導かれ、次いで熱交換回路に再注入される。さもなければ、導電性測定は、燃料電池が劣化条件下で動作しているかどうかを決定し、システムのスイッチを切るかまたは切らないかに関する選択が、行われる。
【００９６】
本発明による燃料電池は、駆動電気モーターに電力を供給するための電源として例えば自動車車両などでの搭載応用にまたは例えばキャンプ、軍事行動などの、移動式電源を求める応用のために特に適している。
【符号の説明】
【００９７】
2  スタック
4  電気化学セル
6.1  端部板
6.2  端部板
7  タイロッド
8  水素を供給するための回路、燃料ガスを供給するための回路
8.1  供給回路8の部分
10  空気または酸素を供給するための回路、酸化ガスを供給するための回路
10.1  供給回路10の部分
12  熱管理システム
14  クーラントをスタック内に流すための回路、内部回路、内部流れ回路
16  スタックの外部に提供される流れ回路、外部回路、外部流れ回路
16.1  回路16の副回路
16.2  回路16の副回路
17  熱交換器
18  流れを選択するための回路、三方温度調整弁
20  主ケーシング
20.1  横延長部
20.2  延長部
22  膨張ベッセル
24  熱交換回路を充填するためのポート
26  熱交換回路のベント
28  安全手段
29  水素をスタックに再注入するための回路、再循環回路
29.1  再循環タップ
30  クーラント温度を測定するための手段
31  低温加温手段
32  クーラントレベルを監視するための手段
34  クーラントの導電性を測定するための手段
36  イオン交換装置、再生装置
38  追加のケーシング、追加のタンク
38.1  追加のケーシングの側面
40  温度調整弁、二方弁、矢印
42  矢印
44  パイプ
46  パイプ
48  水素の出口
50  空気の出口
52  熱管理システムへの追加のケーシングの接続部、タップ
54  副回路への主ケーシングの接続部、タップ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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