(57)【要約】本燃料電池は、熱源を構成し、対向して配置された、燃焼による発熱反応のための、少なくとも２つの基本セル（２）（３）と、冷源を構成する冷却液（１２）の循環のために、上記基本セルの間に形成された内部導管（１１）とを含んでなる。上記燃料電池は、それぞれが、性質が異なる２つの伝導体材料（１４）（１５）の素子の対を有する、複数の熱電モジュール（１３）を有し、各上記対の第１端部は上記熱源または冷源と熱的に接触し、各上記対の素子の第２端部は、上記第１端部が接触しない方の上記冷源または熱源と熱的に接触し、隣接する熱電モジュールと電気的に連結される。
2006527905.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源を構成し、対向して配置された、燃焼による発熱反応のための、少なくとも２つの基本セル（２）（３）と、冷源を構成する冷却液（１２）の循環のために、上記基本セルの間に形成された内部導管（１１）とを含んでなる燃料電池において、それぞれが、性質が異なる２つの伝導体材料（１４）（１５）の素子の対を有する、複数の熱電モジュール（１３）を有し、各上記対の第１端部は上記熱源または冷源と熱的に接触し、上記対の各素子の第２端部は、上記第１端部が接触しない方の上記冷源または熱源と熱的に接触し、隣接する熱電モジュールと電気的に連結されることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
上記熱電モジュールは伝導体材料の対から構成され、上記伝導体材料の端部の１つは、上記基本セル（２、３）によって構成される上記熱源をなす板（５）と熱的に接触する伝導体接続（１６）によって連結され、上記対の間は、それらの自由端を介して、上記冷源を構成する上記冷却液（１２）と熱的に接触する伝導体接続（１７）によって連結されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
上記熱電モジュール（１３）の２つの伝導体材料（１４）（１５）は、一方がＰ型で、他方がＮ型の半導体材料であることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
上記Ｎ型の半導体は、リンをドーピングされたシリコンとゲルマニウムの合金であり、上記Ｐ型の半導体は、ホウ素をドーピングされたシリコンとゲルマニウムの合金であることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
上記伝導体材料の端部を連結する伝導体接続（１６）（１７）は、モリブデンの電極から構成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池。
【請求項６】
第１の上記基本セル（２）に沿って配置された一連の上記熱電モジュールの最後の熱電モジュールは、第２の上記基本セル（３）に沿って配置された一連の上記熱電モジュールの最初の熱電モジュールと、電気的に直列または並列に接続されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池。
【請求項７】
フィン（１９）を有する壁を形成する板（１８）が、上記熱電モジュール全体の、冷却用の上記内部導管（１１）側の外表面に設けられることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃料電池。
【請求項８】
燃料電池の内部において、冷源を構成する冷却液（１２）が、熱源を構成する上記燃料電池の２つの基本セルの間を循環する、燃料電池から発生する熱エネルギの一部分の回収方法において、上記冷却液（１２）を複数の熱電モジュール（１３）と熱的に接触させ、ゼーベック効果によって発生される電気エネルギを回収することを特徴とする、燃料電池から発生する熱エネルギの回収方法。
【請求項９】
上記燃料電池の冷却は、２相冷却であることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池から発生する熱エネルギの回収方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池と、熱エネルギの電気エネルギへの回収に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、酸化−還元化学反応の自由エネルギの電気エネルギへの直接変換を可能にし、公害と燃料消費の減少に関するヨーロッパの要求に応えるための、自動車の領域におけるこの時代の最も有望な技術の一つであると思われる。  
しかしながら、熱エネルギの管理にシステムの問題点が存在する。実際、燃料電池の冷却回路は、作られる電気出力の約１．５倍の熱エネルギを排出する必要がある。このことは、システムの効率を著しく低下させる、大きなエネルギの損失を構成する。  
従って、燃料電池から排出される熱エネルギを、車両のために使用可能なエネルギに変換することによって、価値を高めることを可能にする手段を設けることは、興味のあることである。
【０００３】
特許文献ＤＥ  １９８２  ５８７２には、電池に接触する高温壁と、任意の媒体によって冷却される低温壁との二重の壁のカプセルの中に閉じ込められた、高温のＳＯＦＣタイプの燃料電池が記載されている。これらの２つの壁の間には、２つの壁の間で受ける温度差によって電流を発生する、熱電素子が配置されている。熱エネルギを回収する装置は、燃料電池の外部にあり、この既知の装置は、明らかな熱損失のために、関心を引く効率を得ることを可能にしない。
【特許文献１】ＤＥ  １９８２  ５８７２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、燃料電池によって発生される熱エネルギを、エネルギ損失を可能な限り制限する電気エネルギとして回収する手段を有し、改良された効率を得ることを可能にする燃料電池と、このような燃料電池において熱エネルギを電気エネルギとして回収する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するための本発明による燃料電池は、熱源を構成し、対向して配置された、燃焼による発熱反応のための、少なくとも２つの基本セルと、冷源を構成する冷却液の循環のために、上記基本セルの間に形成された内部導管を含んでなる。上記燃料電池は、それぞれが、性質が異なる２つの伝導体材料の素子の対を有する、複数の熱電モジュールを有する。各上記対の第１端部は上記熱源または冷源と熱的に接触し、一方上記対の各素子の第２端部は、上記第１端部が接触しない方の上記冷源または熱源と熱的に接触し、隣接する熱電モジュールと電気的に連結される。
【０００６】
同じ燃料電池の内部に配置された複数の熱電モジュールによって、燃料電池のセルによって発生される熱エネルギは、システムのエネルギ損失を最小化しながら電気エネルギに変換される。さらに、この形態は、実施が簡単で、費用が少ない。
【０００７】
使用される燃料電池は、ＰＥＭ型の膜の燃料電池であることが望ましい。
【０００８】
有利な実施の１形態においては、上記熱電モジュールは伝導体材料の対から構成され、上記伝導体材料の端部の１つは、上記熱源と熱的に接触する熱的及び電気的な伝導体接続によって連結され、上記対の間は、それらの自由端を介して、上記冷源と熱的に接触する熱的及び電気的な伝導体接続によって連結される。
【０００９】
望ましい実施の１形態においては、上記熱電モジュールの２つの伝導体材料の一方はＰ型すなわち正にドーピングされた半導体であり、他方はＮ型すなわち負にドーピングされた半導体である。
【００１０】
有利な実施の１形態においては、上記Ｎ型の半導体は、リンをドーピングされたシリコンとゲルマニウムの合金でり、上記Ｐ型の半導体は、ホウ素をドーピングされたシリコンとゲルマニウムの合金である。
【００１１】
上記伝導体材料の端部を連結する伝導体接続を、モリブデンの電極から構成することが有利である。
【００１２】
望ましい実施の１形態においては、第１の上記基本セルに沿って配置された一連の上記熱電モジュールの最後の熱電モジュールは、第２の上記基本セルに沿って配置された一連の上記熱電モジュールの最初の熱電モジュールと、電気的に直列または並列に接続される。
【００１３】
有利には、フィンを有する壁を形成する板が、上記内部導管の境界を構成する上記熱電モジュール全体の外表面に設けられ、上記フィンは、熱交換を助長するように、冷却用の上記内部導管側に設けられる。
【００１４】
本発明の、燃料電池から発生する熱エネルギの電気エネルギへの回収方法は、熱源を構成する上記燃料電池の２つの基本セルの間を循環する冷却液を冷源として利用する。上記冷却液は、複数の熱電モジュールと熱的に接触させられる。このようにして、ゼーベック効果によって発生される電気エネルギが回収される。  本発明の燃料電池から発生する熱エネルギの電気エネルギへの回収方法は、ＰＥＭ型の膜の電池を燃料電池として使用することが望ましい。
【００１５】
本発明の燃料電池から発生する熱エネルギの電気エネルギへの回収方法は、燃料電池の冷却に２相冷却を有利に使用する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、非限定的な例として示され、本発明による燃料電池の２つの基本セルを図式的に示す図１によって図示された、実施の形態の詳細な説明を検討することによって、よりよく理解されるであろう。
【００１７】
図１に、自動車に搭載されたＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ＝陽子交換膜）技術の燃料電池１の２つのセルの一組を示す。燃料電池は、電気を製造する一連の基本セルから構成される。図１には、２つの基本セル２、３のみが示されている。これらの２つの基本セル２、３は、多孔質膜６によって分離された２極極板４、５から構成される。２極極板４の表面には、その中を酸素８が循環する導管７が彫られる。同様に、２極極板５の表面には、その中を水素１０が循環する導管９が彫られる。酸素と水素は、図の面に対して直角に循環する。このセルの中で生ずる反応は発熱反応であり、２極極板４、５の温度は上昇する傾向を有する。従って、熱量を排出するために、これらを冷却する必要がある。
【００１８】
電気を生み出す２つの基本セル２、３は、その中を燃料電池の外部へ熱量を排出する冷却液１２が循環する、冷却用の内部導管１１の境界を構成する。冷却液１２は、図の面に対して直角の向きに循環する。燃料電池の出口で、図示しない熱交換器を用いて冷却液１２を冷却し、低温の冷却液１２を燃料電池の入口へ再導入する。
【００１９】
熱エネルギの電気エネルギへの変換を可能にする手段は、複数の熱電モジュール１３を有する。この熱電モジュールの全体は、熱源を構成する基本セル２の２極極板５と、冷源を構成する、その中を冷却液１２が循環する、内部導管１１の間に配置される。これらの熱電モジュールは、それらの端部の１つが電気的及び熱的な伝導体接続１６を介して、熱源を構成する２極極板５と熱的な接触状態で接続された、性質が異なる２つの伝導体材料１４、１５から構成される。熱電モジュールは、冷源を構成する冷却液１２と熱的な接触状態にある、電気的及び熱的な伝導体接続１７を介して、それらの自由端が直列に接続される。
【００２０】
伝導体材料１４、１５の対は、燃料電池と冷却回路の温度のレベルに適合化される。
【００２１】
例として、熱電モジュールを構成する伝導体材料は、半導体材料である。異なる性質の１つは、Ｐ型、すなわち正にドーピングされた半導体の性質であり、異なる性質の他の１つは、Ｎ型、すなわち負にドーピングされた半導体の性質である。Ｐ型の半導体は、例えばホウ素をドーピングされたシリコンとゲルマニウムの合金である。Ｎ型の半導体は、例えばリンをドーピングされたシリコンとゲルマニウムの合金である。
【００２２】
伝導体材料１４、１５の端部を連結する伝導体接続１６、１７は、モリブデンの電極から構成される。
【００２３】
第１の基本セルに沿って配置された一連の熱電モジュールの最後の熱電モジュールは、第２の基本セルに沿って配置された一連の熱電モジュールの最初の熱電モジュールと、接続Ａ、ＢまたはＣを介して、電気的に直列または並列に接続される。
【００２４】
フィン１９を有する壁を形成する板１８が、熱電モジュール全体の、冷却用の内部導管１１側の外表面に、フィンを冷却用の内部導管１１側に向けて配置される。壁の上へのフィンの付加は、熱交換の改良を可能にする。
【００２５】
他の面では、性質が異なる伝導体材料１４、１５の棒は、燃料電池１の基本セル２または３と、基本セル２または３に隣接する冷却用の内部導管１１との間に、セパレータとして交互に配置される。伝導体材料１４、１５のこれらの棒は、熱的及び電気的な伝導体接続を介して２つづつ交互に連結され、基本セル２または３に沿った一方の伝導体接続１６は熱源を構成し、冷却用の内部導管１１に沿った他方の伝導体接続１７は、冷却液１２によって冷源を構成する。この一連の伝導体材料の棒が、複数の熱電モジュール１３を構成する。
【００２６】
望ましい実施の１形態においては、フィン１９からなる板１８は、冷却用の内部導管１１の境界を構成する伝導体接続１７に沿って、一連の伝導体材料１４、１５の棒と直角に配置される。
【００２７】
実行される方法は、燃料電池の２相冷却を有利に利用する。このタイプの冷却においては、流体が、一定の温度で蒸発することによって熱を排出する。この温度は、回収される出力を最適化するために燃料電池にとって望ましい動作温度との関連で選択することができる。このため、冷却液はその温度との関連で選択される。
【図１】
2006527905.tif 000003
【国際調査報告】
2006527905.tif 000004
2006527905.tif 000005
2006527905.tif 000006
2006527905.tif 000007
2006527905.tif 000008
2006527905.tif 000009