(57)【要約】セル／システムの温度が電解質の凝固点以下に降下するのを防止する加熱素子を備えたＰＥＭ燃料電池及びＰＥＭ燃料電池システム及びその作動方法を提供する。　加熱素子１００、１００′、・・・は熱センサと一体化しており、それによりシステム／セルの温度がほぼ電解質の凝固点以下に降下するのを阻止する。加熱素子として、熱センサを加熱線と一体に結合したものも使用できるが、これらの機能を一体化した所謂ＰＴＣサーミスタも使用可能である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱センサを一体化した少なくとも１つの加熱素子（１００、１００′、・・・）を有することを特徴とするＰＥＭ燃料電池。
【請求項２】
個々の膜電極ユニット（ＭＥＡ）内に配置できるように、加熱素子（１００、１００′、・・・）をコンパクトに形成したことを特徴とする請求項１記載のＰＥＭ燃料電池。
【請求項３】
前記加熱素子（１００、１００′、・・・）が、制御装置（２０）に接続されたことを特徴とする請求項１又は２記載のＰＥＭ燃料電池。
【請求項４】
前記加熱素子（１００、１００′、・・・）が自己制御性のＰＴＣ素子により形成されたことを特徴とする請求項３記載のＰＥＭ燃料電池。
【請求項５】
個々の燃料電池から成るスタックとして形成された少なくとも１つの燃料電池モジュールを有する燃料電池システムの作動方法において、各セル内及び／又は少なくとも各スタック内に配置した、熱センサを一体化した加熱素子により、セル内及び／又はスタック内の温度をこのシステムの停止状態又は停止状態の後、ほぼ電解質の凝固点以上に保持することを特徴とする燃料電池システムの作動方法。
【請求項６】
低温始動時に選択的に高温加熱することを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
少なくとも１つに加熱素子を、制御装置により自動的に所定の温度でオン・オフ制御することを特徴とする請求項５又は６記載の方法。
【請求項８】
多数の加熱素子をグループ毎に制御することを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
熱センサを一体化した少なくとも１つの加熱素子を、燃料電池の膜電極ユニット（ＭＥＡ）内の適合する個所に配置したことを特徴とするＰＥＭ燃料電池システム。
【請求項１０】
少なくとも１つの加熱素子を制御装置に接続したことを特徴とする請求項９記載のＰＥＭ燃料電池システム。
【請求項１１】
前記加熱素子を電流供給のため、少なくともスタック及び／又は付加的電圧源に接続したことを特徴とする請求項９又は１０記載のＰＥＭ燃料電池システム。
【請求項１２】
前記加熱素子が、システムの少なくとも一部を部分負荷することにより給電されることを特徴とする請求項９乃至１１の１つに記載のＰＥＭ燃料電池システム。
【請求項１３】
燃料電池モジュールに貯水タンクが装着され、該タンク及び／又はこのシステムの導管に、熱センサを一体化した加熱素子が装着されたことを特徴とする請求項８乃至１２の１つに記載のＰＥＭ燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１乃至４に記載のＰＥＭ燃料電池又は請求項９乃至１３に記載のＰＥＭ燃料電池システムにおいて、通常の作動温度より高い、特に８０〜２５０℃の作動温度を使用することを特徴とする作動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、加熱素子を有するポリマー電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池、ＰＥＭ燃料電池システムの作動方法及びＰＥＭ燃料電池システムに関する。
【０００２】
先願の国際公開第００／５９０５８号パンフレットから、加熱装置を集積したＰＥＭ燃料電池は公知である。この場合、低温始動にあたり、まず加熱素子を始動させる。しかしこの燃料電池システムに、その温度が電解質の凝固点以下に降下するのを、例えば加熱素子の始動により阻止する手段がない欠点がある。
【０００３】
燃料電池は、ＰＥＭ燃料電池の場合、燃料電池ユニット毎に、例えばプロトン伝導性（例えば水）及び／又は自己解離性　（例えばリン酸）化合物が結合している膜又はマトリックスのような１つの電解物質を持つ。０℃以下の温度で水を電解質として使用する場合、及び約４２℃の温度でリン酸を電解質として使用する場合、ＰＥＭ燃料電池の膜の抵抗は、貯蔵された水や貯蔵されたリン酸の凝結により、１００〜１０００倍に飛躍的に上昇する。従って燃料電池ユニットの自己発熱による加熱は、特にＰＥＭ燃料電池を低温で始動する場合、簡単な措置では不可能である。
【０００４】
この問題は、環境温度が低いとき、温度が凝固点以下に降下しないよう、バッテリーを、無負荷中最小限の出力で作動させるか、温度センサを組込んで電解質の抵抗が飛躍的に上昇する恐れのある瞬間にバッテリーを始動させ、その作動により燃料電池を電解質の凝固点以上の温度に加熱することにより解決される。
【０００５】
本発明の課題は、セル／スタックの温度が所定の値以下に降下するのを阻止する、加熱素子を有する燃料電池及びその作動方法を提供することにある。
【０００６】
この課題は、冒頭に記載した形式の燃料電池の場合、請求項１の特徴により、また完成燃料電池システムについては請求項９の特徴により、更に燃料電池システムの作動方法については請求項５ないし１４に記載の措置により解決される。
【０００７】
本発明は、少なくとも１つの加熱素子を持つＰＥＭ燃料電池を対象とする。更に本発明は、各セル及び／又は少なくとも各スタック内に配置した、一体化した熱センサを有する加熱素子によりセル内及び／又はスタック内の温度をこのシステムの停止状態で、ほぼ電解質の凝固点以上に保持する、燃料電池／燃料電池システムの作動方法を対象とする。
【０００８】
上記加熱素子は、特に温度に応じて異なる抵抗を有する材料から成る。これらの材料の場合、材料固有の一定の温度（基準温度）を越えると、材料の抵抗が劇的に上昇することを特徴とする。
【０００９】
これらの材料の例としては、所謂正温度係数（ＰｏｓｉｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ、ＰＴＣ）の高い材料、即ち結晶格子中のそれよりも原子価の高い元素をドープされている材料、例えばセラミックス材料がある。従って、この材料及び／又は印加する電圧の選択により、加熱素子の加熱の開始とは再度の停止を調整できる。こうしてセル内の温度がほぼ電解質の凝固点以下に降下しないようにし、それによりエネルギーの消費を僅かに高めるだけで、燃料電池システムの始動時間を最低限に短縮できる。この材料の特性を、その固有の抵抗を介して間接的に温度測定する場合熱センサ機能と呼び、このような材料から成る加熱素子も「熱センサを一体化した加熱素子」とも呼ぶ。
【００１０】
しかし熱センサを一体化した加熱素子は、温度を測定する部分と加熱する部分との、２つの部分から成る素子であってもよい。その際「一体化」とは、２つに分離した素子ではなく、唯１つの構造部材として存在することを意味する。例えば感熱導子に発熱線を巻き付けたものと云える。従って熱センサを一体化した加熱素子に、所定の温度（例えば最適な作動温度に相当する）で自動的にスイッチを切り、例えば電解質の凝固点に相当する最低温度で再びスイッチを入れるように、制御装置が接続している。ここで最適作動温度は、温度に関するスタックの効率の関数の最大値と定義される。
【００１１】
「ほぼ凝固点以上」とは、本発明の重要な位置を占める、例えばＰＥＭ燃料電池の可動用途で、通常の「Ｓｔｏｐ  ａｎｄ  Ｇｏ」運転走行における時間枠について云う。自動車の比較的長い停止状態、例えば車輌運転者の休憩中の停止時間はこの定義から除外する。それは、その場合スタック及びセル内に最低温度を保持することは好ましくないからである。同様に、冷却が継続しているとき及び／又は特に外部温度が低いとき、ほぼ発熱力に達する迄の極めて短い時間内でスタックやセル内の温度が電解質の凝固点以下に降下することになり得る。この極端で例外的状態は、本発明の「ほぼ」という表現を使用することにより包括される。
【００１２】
システムの停止状態とは、燃料電池システムのスイッチを切った状態を云う。
【００１３】
この加熱素子をコンパクトに、即ち電解質の体積増加を招くことなく、例えば電解質中に統合できるように薄くかつ狭く形成するとよい。特にＰＥＭ燃料電池の場合、加熱素子は、膜電極ユニット（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）内に燃料電池の重要な機能部分として、例えばバッテリーのような電圧／エネルギーを供給する単数又は複数の電圧及びエネルギー源に接続する。加熱素子は、電流供給のため、例えばスタック及び／又は付加的電圧源に接続している。これは、燃料電池システムの運転開始時に、先ず供給される僅かな電力を燃料電池を更に加熱し、かつ作動出力に迅速に達するために使用することを意味する。
【００１４】
このＰＥＭ燃料電池システムの場合、加熱素子はこのシステムの少なくとも一部を部分負荷することにより給電される。このシステムに予想される比較的長期の停止状態で、エネルギーを不必要に消費しないよう、エネルギー源又は加熱素子への接続をオン／オフすると有利である。
【００１５】
本発明の更なる詳細及び利点を、その特許請求項と関連する実施例により、以下の図面の説明から明らかにする。燃料電池を加熱し、温度を検知するための素子及びその制御・供給ユニットを有し、多数の燃料電池から成る、例えば図示の燃料電池スタックを有する燃料電池システムを図１に概略的に示す。
【００１６】
図１中、機械的に互いに積層され、但し電気的に直列に接続されている多数の個々の燃料電池１０、１０′、・・・から成る燃料電池スタックを１で示す。２は作動媒質の流入管、３は排出管である。このような作動媒質には、燃料電池の反応のための反応物として、一方では水素（Ｈ２）又は水素に富む気体があり、他方では酸素（Ｏ２）又は周囲の空気が、また更に特に液体の冷却剤がある。
【００１７】
図１では、個々の燃料電池１０、１０′、・・・に、一体化した熱センサ１００ａ、１００ａ′、・・・を有する加熱素子１００、１００′、・・・を取り付けている。この素子１００、１００′、・・・は、一方では該素子中に一体化した熱センサ１００ａ、１００ａ′、・・・の信号を検知し、他方では信号処理後に個々の燃料電池１０、１０′、・・・の調節のためその都度必要なエネルギーを供給する供給装置と接続している。そのため評価装置２０は、熱センサ１００ａ、１００ａ′、・・・により提供される信号をソフトウエアで制御して評価するマイクロプロセッサを有する。更に、加熱素子１００、１００’、・・・に取り付けた、個々にスイッチ３１、３１′、・・・を有し、電気エネルギーを供給する電圧又は電流供給用ユニット３０が存在し、それにより個々の燃料電池内の加熱素子１００、１００′、・・・を個別に制御できる。各加熱素子１００、１００′、・・・にも固有の調整器（図示せず）が存在していてもよい。
【００１８】
このような配置により、各燃料電池を個々に所定の温度に調整することが可能になる。温度調整も所定のアルゴリズムにより可能である。特に加熱素子の温度調節をグループ毎に選択して行うと有利である。例えば１００個の燃料電池の場合、最初と最後の各２０個の燃料電池と、中間の６０個の燃料電池を各グループにまとめ、それらを一緒に制御することで定常的な温度分布を得られる。
【００１９】
一体化した熱センサを有する好適な加熱素子１００、１００′、・・・としては、特にＰＴＣ素子が考えられる。このような素子はＰＴＣ材料の特殊な温度依存性の故に、加熱素子及び／又は熱センサとして一様に作用する可能性を提供する。これは、特に比較的電力が僅かな場合に可能である。
【００２０】
各燃料電池ユニット内及び／又は燃料電池システムの各スタック内に少なくとも１個の加熱素子を設ける。各加熱素子の大きさに応じ、燃料電池ユニットに複数の加熱素子を収容してもよい。加熱素子の数、大きさ、材料及び形状は、各燃料電池システムの構造に依存し、本発明の権利範囲を制限するものではない。
【００２１】
１実施形態では、貯水タンクの表面ないし内部及び／又はシステムの導管表面に、熱センサと一体化した加熱素子又は熱センサと一体化した加熱素子を持つ、例えば熱伝導性の被覆を設ける。
【００２２】
その材料として、金属、熱・電気伝導性のプラスチック、カーボンペーパ、織布等が挙げられる。更に、例えばプラスチックで被覆したワイヤも使用できる。
【００２３】
加熱素子の好ましい形状は、燃料電池ユニットの構造部材中で、できるだけ妨げとならないよう、かつ通常の作動中にできるだけ損傷されないように一体化したものである。従って加熱素子を金属素線として気体拡散層中に、かつ各燃料電池の極板中に一体化するとよい。例えば熱伝導性プラスチックで被覆されたワイヤを、例えばポリマー膜又は薄膜中に入れると有利である。その際、この加熱素子が膜又はマトリックスを機械的に強化及び／又は補強すると有利である。
【００２４】
この材料の抵抗が予め設定した値以下に降下する温度が生じると直ちに、加熱素子が燃料電池の作動状況と無関係に始動する。
【００２５】
外部のエネルギー源は、１実施形態では、例えば作動中に燃料電池システムにより再充電可能な蓄電池及び／又は燃料電池である。しかし外部のエネルギー源は、同様にまたエネルギー供給網、例えば固定回路網の電源であってもよい。
【００２６】
本発明の特殊な実施形態によれば、加熱素子は燃料電池ユニットの一方又は両方のガス拡散層内に一体化している。
【００２７】
燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池ユニットを含む積層体（スタックとも呼ぶ）、プロセスガスの供給及び廃棄路（プロセスガス路）、冷却システム及びその端板から成る。更にこのＰＥＭ燃料電池は、両側で電極に接触し、かつ電極の反応室内の反応ガスが、反応のため拡散するガス拡散層に隣接する、少なくとも１つの電解質から成る膜電極ユニットＭＥＡを形成する。電極は、例えば電気触媒層からなり、一方ガス拡散層は例えばカーボンペーパからなる。
【００２８】
本発明は、迅速な低温始動をセル内及び／又はスタック内に組込んだ加熱素子により可能にする。加熱素子は熱センサと一体化しており、それによりシステム／セルがほぼ電解質の凝固点以下の温度に降下するのを阻止できる。
【００２９】
特に本発明は、所謂高温（ＨＴ）ＰＥＭ燃料電池を持つ燃料電池システムに適する。ＨＴ−ＰＥＭ燃料電池は、６０〜８０℃の作動温度の通常のＰＥＭ燃料電池に比べ高い作動温度、即ち８０〜２５０℃の温度で作動する。この種ＨＴ−ＰＥＭ燃料電池は、約４２℃で凝固するリン酸を基材とする電解質で作動し、水の添加により凝固温度又は融点を低下させることができる。それにはモジュールの貯水タンクの水（通常はＨＴ−ＰＥＭ燃料電池の高温加熱時の水の取り出しに使う）を取り出してもよい。それに対しＨＴ−ＰＥＭ燃料電池を通常の作動温度で動作させる際は、水に依存しないほうがよい。本発明の考え方では、加熱素子を使用することで、燃料電池システムの始動時に運転温度に迅速に到達できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】加熱素子を有する燃料電池スタックを含む燃料電池システムの概略図。
【符号の説明】
１　燃料電池スタック
２　流入管
３　排出管
１０、１０′、・・・　燃料電池
２０　制御装置
３０　電圧又は電流供給用ユニット
３１、３１′、・・・　スイッチ
１００、１００′、・・・　加熱素子
１００ａ、１００ａ′、・・・　熱センサ
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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