(57)【要約】本発明は、燃料電池（１）を含んでなるシステムを冷却する方法及び装置に関する。液体冷却剤を含む冷却回路の冷却装置（１５）が、少なくとも燃料電池に取付けられる。燃料電池（１）から液体冷却剤に最終的に浸透したガスを分離し、かつ、燃料電池の酸素含有ガス流れ中に前記ガスを送出する手段が、冷却システムのその外側に取付けられる。
2006501623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有ガスが供給されるアノード空間、吸気システムを経由して酸素含有ガスが供給されるカソード空間、及び、少なくとも燃料電池に取付けられて、液体冷却剤が通過する冷却回路の一部を形成する冷却装置を含んでなる燃料電池を有する燃料電池システムを冷却する方法であって、
前記液体冷却剤中に含まれるガス状成分が、前記冷却回路から前記燃料電池の外に分離され、可燃性のガス混合物に対していかなる発火源も含まない排出通路を経由して、吸気システムに供給されることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記燃料電池の前記冷却装置の出口から出てくる冷却剤が静置容器に供給され、そこから、ガスが予め設定された過圧レベルで排出され、前記ガスが、前記排出通路を経由して前記吸気システムの酸素含有ガスの質量流れに供給され、前記排出通路が、圧力が過圧レベル未満に低下した場合、ガスが前記排出通路に流出するのを防ぐために閉じられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記液体冷却剤中に存在するあらゆるガスが、ベント管路によって、前記静置容器の上流側の前記冷却剤から分離され、その後前記静置容器に供給されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記排出通路からのガスが、吸気システムの空気フィルタ区域の空気質量流れに供給されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記燃料電池からの排気ガスの水素含有量が、水素センサを使用して監視され、
ガス含有量の予め設定された限界値に到達した場合、水素を含まないガスと混合することによって、排気ガス中の水素濃度が限界値未満に低減されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記燃料電池からの排気ガスが触媒上に通され、それによって排気ガス中の水素濃度が低減されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記燃料電池に空気を供給する前記吸気システムの圧縮機が、前記燃料電池のスイッチを切り、かつ冷却剤の循環が停止された後、スイッチを入れたままであり、その結果、圧縮機が、予め定め得る時間、運転し続けることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記静置容器が、前記冷却剤回路が始動される前に空気で浄化されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
水素含有ガスが供給されるアノード空間、吸気システムを経由して酸素含有ガスが供給されるカソード空間、及び、少なくとも燃料電池に取付けられて、液体冷却剤が通過する冷却回路の一部を形成する冷却装置を含んでなる燃料電池を有する燃料電池システムを冷却する装置であって、
ガス収集区域（２２）を備えた液体冷却剤用の静置容器（２３）が、前記燃料電池（１）の前記冷却装置（１５）の出口（１９）の下流側に接続され、
ガス出口弁（２５）が前記ガス収集区域（２２）に取付けられ、その弁は、前記静置容器（２３）の予め定め得るガス量又はガス圧力で作動することができて、その出口側は、可燃性のガス混合物に対していかなる発火源も含まない排出通路（２６）を経由して、酸素含有ガスの吸気システムに接続されることを特徴とする、装置。
【請求項１０】
ベント管路（２０）が、前記燃料電池（１）の前記冷却装置（１５）の出口（１９）と前記静置容器（２３）の前記ガス収集区域（２２）の間に取付けられることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記静置容器（２３）から通じる前記排出通路（２６）が、ガスフィルタ（１２）区域の酸素含有ガスの前記ガス吸気システム内で開口することを特徴とする、請求項９または１０に記載の装置。
【請求項１２】
排気ガス流れ中の燃料ガス含有量を測定するセンサ（３７）が、前記燃料電池（１）の反応生成物用の排気管（３７）に設けられ、制御ユニット（３６）に接続され、そこで、前記排気ガス流れ中の燃料ガス含有量の限界値が設定され、それによって前記排気管（３７）への入口にある弁（３８）を制御することが可能になり、その弁が、限界値に到達した場合、前記排気ガス流れに対して空気を混合する開口部を開けることを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記排気ガス流れ中の燃料ガスを低減する触媒が、前記排気管（３７）内に存在することを特徴とする、請求項９〜１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
前記静置容器（２３）、前記ガス出口弁（２５）、及び前記ガス排出通路（２６）が、静電防止材料からなることを特徴とする、請求項９〜１３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１５】
静電防止材料から製造される湿分分離器（２７）が、前記排出通路（２６）内に取付けられることを特徴とする、請求項９〜１４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
移動式装置内へのその取付けを特徴とする、請求項９〜１４のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を有する燃料電池システムを冷却する方法及び装置に関し、このシステムは、水素含有ガスが供給されるアノード空間、吸気システムを経由して酸素含有ガスが供給されるカソード空間、及び、少なくとも燃料電池に取付けられ、液体冷却剤が通過する冷却回路の一部を形成する冷却装置を含んでなる。これに関連して、燃料電池という用語は、単一の燃料電池、及びまた、スタックを形成する複数の燃料電池で構成されるスタックの両方を意味するものとして理解されるべきである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムを有するエネルギー発生システムが知られており、このシステムは、プロトン伝導膜によって分離されているアノード空間及びカソード空間を含む電気化学燃料電池を含んでなる。酸素含有ガス、具体的には空気がカソード空間に供給され、水素含有ガスがアノード空間に供給される。この燃料電池は、燃料電池スタックとして設計され、閉冷却回路の一部である冷却装置又は熱交換器を含み、この閉冷却回路中で、ポンプが冷却水を循環する。この冷却回路には貯蔵容器が含まれ、貯蔵容器の入口は、燃料電池の冷却装置の出口に接続され、貯蔵容器の出口は、燃料電池の冷却装置の入口に水を供給するポンプに接続される（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】欧州特許第０  ８００  ７０８Ｂ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池の内部に取付けられる冷却装置を備えた燃料電池を運転する間、ある種の環境下で、水素含有燃料ガス及び／又は空気が冷却剤に浸透することがある。これらガスの冷却剤へのこの浸透は、漏れ又は拡散によって生じることがある。これは、燃料電池に取付けられる少なくとも１つの熱交換器を有し、燃料電池を経由して流れる液体冷却剤の循環を有する燃料電池システムを冷却するための方法及び装置であって、燃料電池のアノード空間及び／又はカソード空間からのガスの浸透にもかかわらず、ガスの可燃性混合物の形成によって生じる危険が回避される方法及び装置を提供しようという課題に基づく本発明の出発点である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
冒頭に記載したタイプの方法において、この課題は、本発明によれば、液体冷却剤に含まれるガス状成分が冷却回路から燃料電池の外に分離され、可燃性の混合物に対していかなる発火源も含まない排出通路を経由して、吸気システムに供給されるという事実によって、解決される。本発明は、冷却剤に含まれるあらゆるガスが吸気システムに供給され、そこで、それはかなり多量の空気流れと混合されるという原理に基づいている。この混合により、燃料電池から生じる可能性があるガスのレベルが低減され、可燃性混合物が形成されるのがもはや不可能な程度に、空気質量流れ中で酸素との定められた比で可燃性混合物が形成される。このガスが溶解され、及び／又は液体冷却剤中に浮かぶ極めて小さいガス気泡が形成されるために、液体冷却剤中において可燃性混合物が形成されることは不可能である。
【０００６】
好都合な一実施形態では、燃料電池の冷却装置の出口から出てくる冷却剤は静置容器に供給され、そこから、ガスは、予め設定された過圧レベルで排出され、そのガスは、排出通路を経由して吸気システムの酸素含有ガスの質量流れ中に供給され、その圧力が該過圧レベル未満に低下した場合、ガスが排出通路に流出するのを防ぐため、その排出通路が閉じられる。
【０００７】
燃料電池からのガスが冷却剤の中に浸透した場合には、後者の溶解特性が、それが加熱される結果、溶解ガスが上に浮く極めて小さい気泡に変わるような仕方で、変化する。この混合物は静置容器の中に移動し、そこで、ガス気泡が分離される。静置容器では、ガスはガス収集区域の中に上方移動し、ガス圧力が形成される。前もって設定されている予め定められた圧力レベルに到達した場合、ガスを排出する排出通路が開けられ、静置容器の圧力が予め定め得る値未満に低下した後、この通路は再び遮断され、その結果、いかなる冷却液体も排出通路に入ることが不可能になる。
【０００８】
好都合な一実施形態では、液体冷却剤中に存在するいかなるガスも、静置容器の上流側のベント管路によって冷却剤から分離されて、静置容器に供給される。このようにして、冷却剤のかなり良好な脱ガスが、２つの方法によって達成される。
【０００９】
排出通路からのガスは、吸気システムの空気フィルタ区域の空気質量流れに供給されることが好ましい。これにより、良好かつ均一な混合が得られる。
【００１０】
さらに好都合な実施形態では、燃料電池からの排気ガスの水素含有量が水素センサを使用して監視され、排気ガス中の水素濃度が、ガス含有量の予め設定された限界値に到達した場合、水素を含まないガスと混合することによって、この限界値未満に低減される。この方策により、水素ガス含有量をかなり低いレベルまで低減することが可能になる。
【００１１】
別の好都合な実施形態では、燃料電池からの排気ガスは触媒上に通され、それによって排気ガス中の水素濃度が低減される。
【００１２】
燃料電池に空気を供給する吸気システムの圧縮機を、燃料電池のスイッチを切り、かつ冷却剤の循環を停止した後、予め定め得る時間、運転し続けるように設定することが好都合である。このようにして、依然として吸気システム中に存在するおそれがあるいかなる燃料ガス及び／又は水素も浄化によってそこから除去される。
【００１３】
冒頭に記載したタイプの装置では、本発明によれば、ガス収集区域を備えた液体冷却剤用の静置容器が、燃料電池の冷却装置出口の下流側に接続され、ガス出口弁がガス収集区域に取付けられ、その弁は、静置容器の予め定め得るガス量又はガス圧力で作動することができて、その出口側は、可燃性のガス混合物に対していかなる発火源も含まない排出通路を経由して、酸素含有ガスの吸気システムに接続されるという事実によって、課題が解決される。酸素含有ガスは、一般に空気である。本発明によれば、この冷却装置は、例えば拡散又は漏れによって燃料電池から冷却剤に浸透するガスが、爆発燃焼が臨界濃度で起こる可能性がある発火源に到達するのを防ぐ。上記タイプの冷却装置により、燃料電池からのガスの冷却剤への浸透にもかかわらず、燃料電池及び冷却回路を安全に運転することが可能になる。
【００１４】
ベント管路が燃料電池の冷却装置の出口と静置容器のガス収集区域の間に取付けられることが好ましい。ベント管路という用語はまた、それによってガスが、すなわち空気だけではないが、液体から分離される管路を意味するものと理解されるべきである。このさらなる実施形態及び静置容器により、２つの異なる方法でかなり好結果の冷却剤脱ガスが達成される。
【００１５】
静置容器から通じる排出通路が、ガスフィルタ区域の酸素含有ガスのガス吸気システム内で開口すれば、これは、ガスと酸素含有ガス、好ましくは空気との均一な混合につながるので、特に好都合である。この混合により、燃料電池に供給されるガス流れにおいて、冷却回路を経由して燃料電池から同伴されてきたあらゆるガス濃度がかなり大幅に低減される。酸素含有ガス流れ中に存在する可能性があるあらゆる燃料ガスは、燃料電池の中に、すなわちカソード空間の中に移動し、その中で形成される排気ガスと共に、排気ガス出口を経由してカソード空間を離れる。
【００１６】
別の好ましい実施形態では、排気ガス流れ中の燃料ガス含有量を測定するセンサが、燃料電池の反応生成物用の排気管に設けられ、制御ユニットに接続され、そこで、排気ガス流れ中の燃料ガス含有量の限界値が設定され、それによって排気管への入口にある弁を制御することが可能になり、その弁は、設定限界値に到達した場合、空気混合用排気管の開口部を開ける。
【００１７】
好都合な一実施形態では、排気ガス流れ中の燃料ガスを低減する触媒が排気管内に存在する。したがって、これは、排気ガス流れ中の燃料ガス含有量、具体的には水素含有量の冗長な低減を提供し、それによって燃料ガスが非常に信頼性高く低減されることが確実になる。
【００１８】
静置容器、ガス出口弁、及び排出通路が静電防止材料からなることが好都合であり、それによって静電気帯電及び放電の形成が回避される。
【００１９】
本発明は、図に示した例示的な実施形態に基づいて、以下にさらに詳細に記載され、それにより、さらなる詳細、特徴、及び利点が明らかになるだろう。
【００２０】
図は、燃料電池を有する燃料電池システムを概略的に示し、この燃料電池システムは、その内部に冷却装置又は熱交換器を有し、冷却装置は、液体冷却剤が通過する冷却回路に取付けられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
電気エネルギーを発生する燃料電池システムには、燃料電池１が含まれ、それは、具体的には、多数の個々の燃料電池を含んでなる燃料電池スタックとして知られているものとして設計されている。燃料電池１には、アノード空間２及びカソード空間３が含まれ、それらはプロトン伝導膜４によって分離されている。アノードとカソードの間の電気化学反応の結果として、燃料電池１は、出力線５、６から取り出され得る電圧を発生する。燃料ガス、具体的には水素はアノードで酸化され、酸素は、具体的には空気中に含まれるが、カソードで還元される。水素は、燃料ガス供給源から、具体的には水素供給源、例えば加圧水素が保蔵されているタンク７から、圧力調整弁９がその中に取付けられている供給管路８を経由して、アノード空間２に供給される。アノード空間２の入口での水素圧力は、圧力センサ（さらに詳細に図示せず）を使用して測定される。酸素含有ガス、具体的には空気の吸気システムには、吸気通路１１の開口部１０の下流側に接続される空気フィルタ１２が含まれる。さらに吸気通路１１に沿って圧縮機１３があり、そこから圧縮空気が、その圧力は対応するセンサ１４を使用して測定されるが、アノード空間に供給される。
【００２２】
燃料電池１は、冷却装置１５又は熱交換器を有し、そこを、液体冷却剤、具体的には水が、凍結防止剤と混合されて通過する。冷却装置１５の入口１６は、管路１７を経由して冷却器又は熱熱交換器、及び冷却剤ポンプ１８に接続される。冷却装置１５の出口１９はベント管路２０に接続され、ベント管路は、燃料電池１から出口１９を経由して離れる冷却剤中に細かい気泡の形で混合又は溶解したあらゆるガスを抽出し、それらを管路２１を経由して、静置容器２３のガス収集区域２２の中に供給する。冷却剤の場合、ベント管路２０が同じく静置容器２３に通じており、容器２３の中の液体レベルより下で開口する。容器２３には、液体レベルより下の出口（さらに詳細に図示せず）が含まれる。この出口は、管路２４を経由して冷却剤ポンプ１８の吸入口に接続される。
【００２３】
ガス収集区域２２は、出口で圧力安全弁２５に接続され、そこから、排出通路２６又は配管路が吸気システムまで通じる。排出通路２６内に湿分分離器２７を取付けることができ、この分離器で分離された冷却剤は、分離器から管路２８を経由して静置容器２３に送り戻される。配管路２６は、空気フィルタ１２を保持するハウジングの中に開口する。圧力安全弁２５、排出通路２６、湿分分離器２７、及び静置容器２３は、静電防止材料からなる。弁を備えた充填管路２９及び弁を備えた出口管路３０が、静置容器２３に備えられる。燃料電池１は、カソード空間３で、反応生成物又はガス用の出口３１を有し、そのガスは、配管路３２を経由して湿分分離器３３に移動し、湿分分離器は、反応生成物から水を除去する。この水は、燃料電池システムに送り戻すか、又は大気に排出することができる。例えば、水の一部は、吸気空気に供給することができ、それが燃料電池１に流入するとき、膜４を湿った状態に保持するために、所定の湿気レベルを有すると想定される。
【００２４】
排気ガス流れ中に含まれる水素ガスを酸化させる触媒３４は、さらに詳細に図示しないハウジング内で、湿分分離器３３の下流側に接続される。
【００２５】
触媒３４のハウジング出口のセンサ３５は、排気ガス流れ中の水素含有量を記録し、測定値を制御ユニット３６に送信する。触媒３４のハウジング出口は、出口管路３７に接続され、出口管路は、制御ユニット３６によって作動可能なスライド又は弁３９が取付けられている供給管路３８を有する。供給管路３８への入口には、制御ユニット３６によってスイッチをオンオフされるファン４０がある。管路１７内の冷却剤ポンプ１８と入口１６の間に取付けられる冷却器４１には、ファン４２による冷却空気を供給することができる。
【００２６】
冷却剤が燃料電池１の中を流れるとき、それは加熱される。水素及び／又は空気は、拡散及び／又は漏れを通じて液体冷却剤に入ることがある。特に水素の浸透は、所定の濃度で水素が酸素と可燃性混合物を形成できるので、重大である。冷却剤の中に浸透できる水素及び／又は酸素若しくは空気の量は、測定することができない。本発明は、冷却回路が、冷却剤への水素及び／又は空気の浸透による危険に置かれることを防ぐ。
【００２７】
水素及び／又は空気の極めて小さい気泡を含むおそれがある冷却剤は、冷却装置１５からベント管路２０に出ていく。このタイプの管路はまた、それ自体除泡管路として知られている。ベント管路２０で、冷却剤は、気泡分離器に移動する。ベント管路２０で分離されたガスは、静置容器２３のガス収集空間２２に流れ込む。冷却剤は、ベント管路２０から静置容器２３の中に流れ、そこで、それはその次に、液体からガス気泡を分離する気泡分離器と接触する。分離されたガスは、ガス収集空間２２に上向きに上昇する。冷却剤がより加熱されているほど、ガスはより速く冷却剤から除去される。冷却剤から流出したガスは、静置容器２３内で上昇圧力を発生させる。圧力安全弁２５の圧力限界値設定に到達するか、又は超えた場合、圧力安全弁２５が開き、その結果、ガスが、湿分分離器２７を有する排出通路２６の中に流れ込む。ガスは、水素及び／又は酸素を様々な濃度で含む場合があり、それは、燃料電池１における拡散又は漏れ速度に依存する。このガス混合物の発火は、ガス混合物が接触する構成要素に使用される静電防止材料の故に、回避される。このガス混合物は、空気フィルタ１２のハウジング内で、空気流れと混合され、その質量は、供給されるガス混合物の質量をはるかに超える。その結果として、水素ガスの場合でさえ、ガス混合物は非常に強力に希釈され、空気流れ中の水素濃度が非常に低いレベルにまで低減される。
【００２８】
空気流れ中に存在する可能性があるあらゆる水素は、空気流れと共にカソード空間３に移動し、反応ガスと共に出口３１を経由してカソード空間を離れる。湿分分離器３３での水分離の後、残留している反応ガスは、どんな小量の水素でも共に、触媒３４両端間を流れ、その結果、水素含有量はなおさらに低減される。触媒３４の下流側のガスの水素含有量は、センサ３５で測定され、制御ユニット３６に格納されている予め定められた値と比較される。この予め定められた値に到達するか、又は超えた場合、制御ユニット３６は、弁３９を開け、ファン４０のスイッチを入れ、その結果、排気ガス流れが空気と混合される。排気ガス流れ中の水素含有量は、この空気との混合によって、重大ではなくかつ環境に損傷を与えないレベルにまで低減することができる。
【００２９】
冷却装置が始動される前、空気が、入口管路２９を経由して静置容器２３の中にポンプで注入され、その結果、その容器及び排出通路２６は、空気フィルタ１２まで途中すべて浄化される。冷却剤ポンプ１８のスイッチが切られた後、圧縮機１３が短い時間運転を続け、その結果、吸気システム中に存在する可能性があるすべての水素が洗い流される。
【００３０】
冷却装置及び冷却回路を有する上記タイプの燃料電池システムは、電気自動車などの移動式装置のエネルギー源として特に適する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】内部に冷却装置又は熱交換器を有し、冷却装置は、液体冷却剤が通過する冷却回路に取付けられる、燃料電池を有する燃料電池システムを示す概略図である。
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【国際調査報告】
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2006501623.tif 000005
2006501623.tif 000006
2006501623.tif 000007
2006501623.tif 000008
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