(57)【要約】【課題】  効率的及び／または簡素な燃料電池用の熱制御システムであって、電気発生の際の副次的な熱が無駄になるのを低減する熱制御システムを提供する。【解決手段】  燃料電池装置は、副産物の水及び水蒸気を冷却水回路に供給する。これは、熱貯蔵槽に送られ、燃料／オキシダントへの前加熱及び／または膜−電極組立体への直接水注入に用いるため、膜−電極組立体への直接入力として燃料電池セル積層体に再循環される。これにより、膜に送られる水の純度は確保される。熱貯蔵槽によれば、組み合わされた熱及び電力の供給装置において燃料電池セル積層体に課される熱的負荷及び電気的負荷を切り離すことが可能となる。低い外部電気負荷の場合、燃料電池セル積層体及びその冷却回路を高い容量で用いることにより、温水を供給することができる。
2006507639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セル積層体と、熱貯蔵槽とを含む燃料電池装置であって、
前記燃料電池セル積層体は、冷却水を受けるための少なくとも１つの入り口ポートと、水及び／または水蒸気を出すための少なくとも１つの出口ポートとを備え、前記少なくとも１つの入り口ポート及び前記少なくとも１つの出口ポートは、それぞれ、当該燃料電池セル積層体の少なくとも１つの膜−電極組立体に通じており、
前記熱貯蔵槽は、その熱貯蔵槽を通る熱交換用流路を備え、前記熱交換用流路は、入り口と、出口とを備え、前記入り口及び前記出口は、それぞれ、前記燃料電池セル積層体の前記少なくとも１つの入り口ポート及び前記少なくとも１つの出口ポートに接続され、これにより、前記燃料電池セル積層体のための冷却回路を構成する、
燃料電池装置。
【請求項２】
請求項１に記載された燃料電池装置であって、更に、前記冷却回路において前記熱交換用出口と、前記燃料電池セル積層体の前記入り口ポートとの間に設けられた凝縮収集装置を含む燃料電池装置。
【請求項３】
請求項１に記載された燃料電池装置であって、更に、前記冷却回路において前記熱交換用出口と、前記燃料電池セル積層体の前記入り口ポートとの間に設けられたウォーターポンプを含む燃料電池装置。
【請求項４】
請求項１に記載された燃料電池装置であって、
前記熱貯蔵槽は、前記熱交換用流路を取り囲むように設けられたウォータージャケットを備える、
燃料電池装置。
【請求項５】
請求項４に記載された燃料電池装置であって、
前記ウォータージャケットは、更に、冷水供給部と、温水引き出し部とを備える
燃料電池装置。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載された燃料電池装置であって、更に、前記ウォータージャケットを加熱するための電気加熱素子を含んでおり、
前記電気加熱素子は、前記燃料電池セル積層体の電気出力端に接続されている、
燃料電池装置。
【請求項７】
請求項１に記載された燃料電池装置であって、更に、前記冷却回路から不要なガスを制御可能に排出するための圧力調整手段を含む燃料電池装置。
【請求項８】
請求項１に記載された燃料電池装置であって、
前記熱貯蔵槽には、その熱貯蔵槽を通り、空間加熱用放熱システムに供給を行うための二次水回路が備えられている、
燃料電池装置。
【請求項９】
請求項１に記載された燃料電池装置であって、
燃料電池セル積層体の、前記冷却回路から水を受ける前記入り口ポートは、燃料電池セル積層体におけるアノード及び／またはカソード用の直接水注入システムに接続される、
燃料電池装置。
【請求項１０】
請求項１に記載された燃料電池装置であって、
燃料電池セル積層体の、前記冷却回路から水を受ける前記入り口ポートは、各アノード／カソードに供給される燃料及び／またはオキシダントに前加熱を施すように接続される、
燃料電池装置。
【請求項１１】
請求項５に記載された燃料電池装置であって、更に、
前記温水引き出し部と、廃水出口との間に備えられた弁と、
前記冷却回路に備えられた温度センサーであって、前記冷却回路内の水が所定温度を超えたとき、前記弁を付勢する温度センサーと
を含む
燃料電池装置。
【請求項１２】
請求項１に記載された燃料電池装置であって、
前記少なくとも１つの出口ポートは、カソード排出ポートを含む、
燃料電池装置。
【請求項１３】
燃料電池装置の動作方法であって、
燃料電池セル積層体に燃料とオキシダントとを供給して、電流と副産物の水／水蒸気とを生成するステップと、
前記水／水蒸気を熱貯蔵槽の熱交換用流路に供給し、そこから熱エネルギーを引き出すステップと、
前記熱交換用流路から水及び蒸気の凝縮体を回収し、これを燃料電池セル積層体の膜−電極組立体に供給するステップと、
前記熱貯蔵槽に熱エネルギーを貯蔵するステップとを含んでおり、
前記燃料電池セル積層体及び前記熱交換用流路は、水冷却回路を構成する、
方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載された方法であって、
回収された水及び蒸気の凝縮体を、冷却回路において前記熱交換用出口と前記燃料電池セル積層体の入り口ポートとの間に備えられた凝縮収集装置で収集する
方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載された方法であって、更に、
回収されたエネルギーを、熱貯蔵槽のウォータージャケットに貯蔵するステップを含む
方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載された方法であって、更に、
前記ウォータージャケットから加熱された水を引き出し、冷水で補充するステップを含む
方法。
【請求項１７】
請求項１３に記載された方法であって、更に、
前記熱貯蔵槽からの第２の水回路内の水を加熱するステップを含む
方法。
【請求項１８】
請求項１３に記載された方法であって、更に、
燃料電池セル積層体におけるアノード及び／またはカソード用の直接水注入システムに、回収された水及び蒸気の凝縮体を、入力として与えるステップを含む
方法。
【請求項１９】
請求項１３に記載された方法であって、更に、
各アノード／カソードに供給される燃料及び／またはオキシダントに前加熱を施すため、燃料電池セル積層体に、回収された水及び蒸気の凝縮体を供給するステップを含む
方法。
【請求項２０】
実質上、添付図面を参照して本明細書に記載されているような燃料電池装置。
【請求項２１】
燃料電池装置の動作方法であって、実質上、添付図面を参照して本明細書に記載されているような方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜−電極組立体で燃料及びオキシダント(oxidant)を反応させることにより電気エネルギー及び反応生成物すなわち水蒸気を生じる種類の燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１には、既存の燃料電池セル１０の典型的構成が示されており、図示では明確化のため、幾つかの異なる層を分解状態で示してある。固体高分子型イオン移動膜(solid polymer ion transfer membrane)１１が、アノード１２とカソード１３との間に配置される。アノード１２及びカソード１３は、典型的には、両者ともポーラス・カーボンなどの導電性多孔質材で構成され、当該導電性多孔質材には、白金触媒及び／または他の貴金属触媒の微粒子が付着される。多くの場合、アノード１２及びカソード１３は、それぞれ、膜１１の隣り合う面に直接に接合される。この組立体は、一般には、膜−電極組立体、即ち、ＭＥＡと称される。
【０００３】
アノード流体流れ場プレート１４及びカソード流体流れ場プレート１５が、高分子膜及び多孔質電極層を挟む。アノード流体流れ場プレート１４及びカソード流体流れ場プレート１５は、それぞれ、燃料及びオキシダントをＭＥＡに供給する。流体流れ場プレート１４、１５は、導電性の非多孔質材で構成され、これにより、アノード電極１２またはカソード電極１３にそれぞれ電気的に接触することができる。同時に、これらの流体流れ場プレートは、流体の燃料、オキシダント及び／または反応生成物を、多孔質電極に供給、及び／または、多孔質電極から排出できるようにするものでなくてはならない。
【０００４】
通常、これは、流体流れ場プレートの、多孔質電極１２、１３に向いている面に溝(grooves or channels)１６を形成するなど、流体流れ場プレートの一面に流体の流路を形成することによって達成される。水素及び／または他の流体燃料または燃料混合物は、アノード流路に供給される。オキシダント、典型的には酸素または周囲の空気は、カソード流路に供給され、反応生成物である水及び／または水蒸気が、カソード流路から排出される。
【０００５】
図２を参照すると、多数の燃料電池セル１０が積層体２０として次のような態様で配置される。即ち、一つのセルのアノード１４が、（好ましくは、共用の流体流れ場プレート２１を用いることにより）次のセルのカソード１５に隣り合い、電気的に接続され、それぞれのセルからの電圧が次々と加えられて所要の供給電圧を生じるようにする。
【０００６】
燃料電池は、特に、大規模電力供給ネットワークの構築には費用がかかるような遠隔地域で、家庭用軽工業施設に局所的な電力供給を行うための効率的な手段として、かなりの関心が持たれている。
【０００７】
電気化学燃料電池の一つの特徴は、その電気発生プロセスで燃料電池内に幾らかの量の熱が生じることである。従来、この熱は、水蒸気とともに排出され、失われるだけの不要な副産物とみなされていた。
【０００８】
ＭＥＡ及び流体流れ場プレートにおける幾らかの量の熱は、実際には、最適な動作条件を確保する上で好ましいものではあるが、特に、電気要求量が高いときには、制御された状態に厳しく保たれなければならない。一般に、既存の燃料電池では、熱の制御にあたり、２つの異なる冷却手段(cooling mechanisms)の一方または双方が利用される。
【０００９】
第１の手段では、液相冷却(liquid phase cooling)が次のように利用される。すなわち、積層体２０内部の選択された流体流れプレートの間に位置する個々の冷却プレートについて、冷却プレートへの水の供給及び冷却プレートからの水の排出がなされる。通常、冷却プレートは、アノード／カソード場プレートの４番目もしくは５番目の対ごとにその間に配置される。冷却プレートから排出された水は、熱交換器に通され、冷却プレートへと再び循環される。
【００１０】
第２の手段では、気相冷却(vapour phase cooling)を利用することにより、稼動中の流体流れプレートから熱を排出する。すなわち、制御された量の水を、ＭＥＡ１１に供給、例えば、電極表面に直接に供給するか、流体流れ場プレート１４、１５の流路(channels)１６に供給し、水を気化させてカソード排出部から排出する。このような手法は、水の供給により膜の水含有量を適切に維持するのみならず、蒸発(evaporation)及び気化熱(latent heat of vaporisation)の排出により燃料電池セルを冷却するように働くという利点がある。
【００１１】
しかし、水は、燃料電池セルの稼動ＭＥＡに供給されるので、膜１１の性質及び性能が損なわれないよう適切な純度の水を用いることは重要である。或る遠隔環境の場合、このような水質を継続的に供給するよう保障することは難しく、燃料電池操作者で処理できる問題ではないかもしれない。
【００１２】
一般に、冷却プレートのための冷却システムと、カソード排出部からの気相排出とは、入り口温度と、出口温度とが違う点で不適合(not compatible)であり、通常、別々の熱交換回路が必要とされる。これは、燃料電池システム全体でみて、複雑さ、コスト及び寸法の増大を招く。
【発明の開示】
【００１３】
本発明の課題は、効率的及び／または簡素な燃料電池用の熱制御システムであって、電気発生の際の副次的な熱が無駄になる(waste of heat)のを低減する熱制御システムを提供することである。
【００１４】
本発明の更なる課題は、燃料電池セル積層体用の冷却回路であって、ＭＥＡに供給される冷却水の純度を、簡便に維持することができる冷却回路を提供することである。
【００１５】
本発明の更なる課題は、熱冷却及びエネルギー制御システム(thermal cooling and energy management system)であって、１つの熱交換回路のみを備えた高出力燃料電池における熱放散要求量を、様々な電気要求量の条件下、簡便に満たすことができる熱冷却及びエネルギー制御システムを提供することである。
【００１６】
本発明の課題の幾つかまたは全ては、本明細書に記載されているような様々な実施形態で参照される。
本発明では、一つの態様として、次のような燃料電池装置が提供される。
「燃料電池セル積層体と、熱貯蔵槽とを含む燃料電池装置であって、
前記燃料電池セル積層体は、冷却水を受けるための少なくとも１つの入り口ポート(inlet port)と、水及び／または水蒸気を出すための少なくとも１つの出口ポート(outlet port)とを備え、前記少なくとも１つの入り口ポート及び前記少なくとも１つの出口ポートは、それぞれ、当該燃料電池セル積層体の少なくとも１つの膜−電極組立体に通じており、
前記熱貯蔵槽は、その熱貯蔵槽を通る熱交換用流路(heat exchanger conduit)を備え、前記熱交換用流路は、入り口(inlet)と、出口(outlet)とを備え、前記入り口及び前記出口は、それぞれ、前記燃料電池セル積層体の前記少なくとも１つの入り口ポート及び前記少なくとも１つの出口ポートに接続され、これにより、前記燃料電池セル積層体のための冷却回路を構成する、
燃料電池装置。」
【００１７】
本発明では、もう一つの態様として、次のような燃料電池装置の動作方法が提供される。
「燃料電池装置の動作方法であって、
燃料電池セル積層体に燃料とオキシダントとを供給して、電流と副産物の水／水蒸気(water / water vapour by-product)とを生成するステップと、
前記水／水蒸気を熱貯蔵槽の熱交換用流路に供給し、そこから熱エネルギーを引き出すステップと、
前記熱交換用流路から水及び蒸気の凝縮体(water and vapour condensate)を回収し、これを燃料電池セル積層体の膜−電極組立体に供給するステップと、
前記熱貯蔵槽に熱エネルギーを貯蔵するステップとを含んでおり、
前記燃料電池セル積層体及び前記熱交換用流路は、水冷却回路(water cooling circuit)を構成する、
方法。」
次に、添付図面を参照し、例として本発明の実施形態を説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図３を参照すると、熱エネルギー制御システム、並びに、組み合わされた熱及び電力の制御システム(combined heat and electrical power control system)が示されており、これらのシステムは、燃料電池とともに用いられる。燃料電池セル積層体３０は、システムの全パワー条件(overall power requirements)を満たすのに適した多数の燃料電池セルを備えている。燃料の供給系、典型的には、水素タンク４０または改質装置(reformer unit)から水素を供給する燃料供給系が、アノードの入り口３１に接続されている。アノード入り口３１は、流体燃料を、燃料電池セル積層体のアノードプレートに供給する。アノードのパージ用出口３２は、ＭＥＡのアノード側に蓄積した水を除去したり、改質燃料処理装置(reformer-based fuel processor)の燃焼部へのフィードバック(feedback)を行うなど、アノード流体流れプレートのパージ(purge)を容易化するために備えられている。
【００１９】
燃料供給系は、適切な前加熱手段、好ましくは、燃料電池セル積層体それ自身から発生する熱を利用するか、または、始動中に電気加熱器を利用するような前加熱手段を備えていてもよい。
【００２０】
更に、アノード流体流れ制御システムは、随時にアノードをパージできるようにするため、アノードの出口３２に接続されたパージ弁４６を備えていてもよい。
【００２１】
オキシダント供給系、典型的には空気を供給するオキシダント供給系が、カソードの入り口３３に接続されている。カソード入り口３３は、オキシダントを、燃料電池セル積層体３０のカソードプレートに供給する。カソード出口３４（または“カソード排出部”）は、消費されていないオキシダントを、必要に応じて希釈ガスまたは不活性ガスとともにパージし、更に、副次生成物（水を含む）をパージすることを容易化するために備えられている。
【００２２】
好ましい構成では、オキシダント供給系は、図示のように、周囲の空気からフィルター５５を通し、空気圧縮機５３を経由して引かれており、これにより、通常の負荷条件で、適切な量のオキシダントを燃料電池に供給することができる。
【００２３】
カソード出口３４は、熱貯蔵槽６１の熱交換用パイプ６０に接続されている。好ましくは、熱交換用パイプ６０は、ウォータージャケットを通るコイルの形状となっている。但し、熱交換用パイプは、カソード出口３４からの水／水蒸気を任意の適切な熱伝達装置に通すことができるような、如何なる適切な流路であってもよい。熱交換用パイプは、水及び蒸気の凝縮体(water and steam condensate)を収集するための水収集器(water collection vessel)６３に導かれている。
【００２４】
凝縮収集器(condensate collection vessel)６３からの水は、水入り口７０を介して燃料電池セル積層体のアノード及び／またはカソードに戻される(fed back)。この水は、燃料電池セル積層体３０の内部で最適動作条件を維持するのに有用な一つまたは複数の作用を生じさせるために用いられる。例えば、温水が、燃料及び／またはオキシダントに前加熱を施すために用いられ得る。
【００２５】
上記の水は、導入された燃料及び／またはオキシダントの流れに加湿を施すために用いてもよく、これは、ＭＥＡでの反応速度を適切なレベルに維持し、膜の寿命を延ばすのにも役立つ。また、上記水は、アノード側及び／またはカソード側において流体流れ場プレートの流路に直接に注入してもよく、これは、次に挙げられた一つまたは複数の点について役立つ。
【００２６】
再蒸発(re-evaporation)を利用してＭＥＡの温度制御を行う；
膜に加湿を施す；
燃料及び／またはオキシダントに前加熱を施す。
一般的に言えば、カソード出口３４から出てくる水及び／または水蒸気は、熱交換用パイプ６０、凝縮収集器６３及び水入り口７０を備えた冷却回路に行き渡るよう導かれる。
【００２７】
好ましい実施形態では、冷却回路は、更に、入り口７０における適切な流速を維持するためのウォーターポンプ(water pump)７１を備えている。
【００２８】
好ましくは、凝縮収集器６３は、必要に応じ、冷却回路から不要なガス及び水を放出するため、排出出口(exhaust outlet)６３と、これに関連付けられた圧力調節弁６５とを備えている。圧力調節弁によって、要求に応じ、より高圧の入り口空気圧で燃料電池を動作させ、これにより、燃料電池の出力を増大させることが容易となる。圧力調節弁により、所定の圧力レベルでカソードのガス排出物及び任意の担体もしくは不活性ガスを、制御された状態で逃がすことができる。従って、圧力調節弁は、冷却回路から不要なガスを制御可能に排出する制御手段を与えることになる。
【００２９】
冷却回路は、次のような水、すなわち、燃料電池セル積層体３０によりＭＥＡでの水素及び酸素の化合中に生成された水を利用し、この水の供給(water supply)を維持することに留意されたい。従って、水の純度は高く保たれ、燃料及び／またはオキシダント供給系に水を直接に注入することに利用できる。燃料電池セル積層体における副産物の水(the water by-product)は、燃料電池セル積層体におけるＭＥＡの性能を阻害するか、さもなければ妥協(compromise)する相当程度の恐れを継続することはない。
【００３０】
熱交換用流路６０内の水は、好ましくは、ウォータージャケット内の水とは分離(isolate)されている。ウォータージャケット内の水は、完全な状態(integrity)とはいえない僻地(local)の水供給系から、冷水供給系８０を用いて補充することができる。家庭用または商業用施設で使用される温水が、温水出口８１で引き出されてもよい。更に、二次水回路８２を用いて放熱システム（図示せず）に温水を供給することにより、家庭用または商業用施設での空間加熱が得られる。
【００３１】
熱貯蔵槽６１によって供せられる水及び空間加熱の供給系は、熱量電池セル積層体３０だけで与えられてもよいし、熱量電池セル積層体３０から支援を受けるだけでもよいことが理解されよう。
【００３２】
上述した構成による１つの特別な利点は、高純度水冷却回路(high purity water cooling circuit)が維持されるという点を除けば、燃料電池に、全ての外部電気負荷条件下において適切な温度冷却能力が保証される点である。ＤＣ／ＤＣコンバーター９０及びインバーター９１により、外部電気負荷への供給系９２が得られる。
【００３３】
外部電気負荷条件が高いとき、相当な量の熱エネルギーが生成されることになり、この熱エネルギーは、後で使用するため、熱貯蔵槽６１に貯蔵することができる。同様にして、求められる外部電気負荷条件が低いが、家庭用温水の必要量が高いとき、燃料電池セル積層体３０を、全負荷で動作させることができ、生成される電気は、システムが、浸漬ヒーター(immersion heater)またはこれに類似する手段により直接にウォータージャケット６２を加熱する助けとなるよう、内部で利用される。このような構成は、図４に示されており、図示において、熱貯蔵槽６１は、一体化される浸漬ヒーター９５と組み合わされ、浸漬ヒーター９５は、電気出力供給系９２に接続されている。従って、水に直接加熱を施すことができるだけでなく、これにより燃料電池セル積層体３０に課せられる電気必要量という利点によって、冷却回路を通して熱貯蔵槽６１に送られる燃料電池の熱出力を増大させることができる。
【００３４】
従って、燃料電池の動作が、熱必要量を電気必要量に合わせるか、逆に電気必要量を熱必要量に合わせるように制限されることはない。熱貯蔵槽６１によれば、組み合わされた熱及び電力のシステム(combined heat and electrical power system)における電気必要量及び熱必要量を、効果的に切り離すことができる。
【００３５】
熱貯蔵槽６１は、冷却回路の熱交換用コイル６０内の水と直接的に熱接触するようなウォータージャケット６２を利用するものとして説明されているが、熱貯蔵槽の別の形態、例えば、高い熱容量を備えた、任意の適切な量の物質なども採用され得ることが理解されよう。必要ならば、この熱貯蔵槽を用いて水供給系を加熱することができる。
【００３６】
典型的で基本的な燃料電池セルでは、カソード排出部３４は、約８０℃の水／水蒸気混合体を有しており、これは、二次水回路８２を通した家庭用温水の供給系を維持するのに理想的である。熱交換をした後、本明細書に記載の好ましい実施形態は、選択された動作条件下、冷却水を３０℃〜６０℃の温度で冷却水入り口７０に戻すことができる。従って、高出力の燃料電池の場合でも、本発明の冷却回路によれば、燃料電池セル積層体における冷却専用のプレートを除去し、蒸発及び凝縮手段により全ての冷却を行うことができる。
【００３７】
上述した実施形態に対して様々な変形形態があり得る。カソード排出部３４から熱貯蔵槽６１により引き出される熱エネルギーの量が不十分な場合、更なる熱引き出し手段が備えられてもよい。
【００３８】
例えば、図５の場合、水収集器６３の代わりに、または、水収集器６３に加えて空冷式凝縮器(air cooled condenser unit)１００を用いることができる。
【００３９】
更に別の構成の場合、図６に示すように、余分な熱エネルギーが、システムから、温水出口８１に接続されている廃水出口(waster water outlet)１０４を通して引き出される。この熱エネルギーの引き出しは、水入り口７０に供給を行う熱貯蔵槽６０の出口に備えられた温度センサー１０１による制御に基づいて行われる。水入り口７０が予め設定された温度を超えたとき、温度センサー１０１は、フィードバック用ライン(feedback line)１０３により弁１０２を制御し、これにより、温水が抜き取られ(bleed off)、温水は、冷水供給系８０からの冷水で補充される。
【００４０】
水入り口７０は、燃料電池セル積層体のアノード及び／またはカソードに、冷却及び加湿の目的で供給を行うのみに用いられるのではなく、選択された流体流れプレートの間に位置する個々の冷却プレートに、必要に応じて供給を行うように用いられ得ることが理解されよう。
【００４１】
本発明の他の実施形態は、添付された特許請求の範囲内に在る。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】既存の燃料電池セルの一部分を示す模式的断面図である。
【図２】既存の燃料電池セル積層体の一部分を示す模式的断面図である。
【図３】熱エネルギー制御システムを示す模式図であって、この熱エネルギー制御システムによって、電気化学燃料電池から、組み合わされた熱及び電力(combined heat and electrical power)が得られる。
【図４】浸漬ヒーターを備えた別の熱貯蔵槽を示す模式図であって、この熱貯蔵槽は、図３に示されたシステムに用いられる。
【図５】追加的な熱交換器とともに設けられた熱貯蔵槽を示す模式図であって、この熱貯蔵槽は、図３に示されたシステムに用いられる。
【図６】余分な排熱を放散する手段とともに設けられた熱貯蔵槽を示す模式図であって、この熱貯蔵槽は、図３に示されたシステムに用いられる。
【図１】
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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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【図６】
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【国際調査報告】
2006507639.tif 000009
2006507639.tif 000010
2006507639.tif 000011
2006507639.tif 000012
2006507639.tif 000013