JP2001504979A - 液体冷却式の燃料電池バッテリー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、少なくとも２つの燃料電池から成る、液体冷却部を備えたバッテリーであって、前記燃料電池が、それぞれフレーム部材によって機械的には不動且つ気密に、また、電気的には絶縁するように互いに接続された各１つの陰極板と、膜・電極ユニットと、陽極板とを有しており、バッテリーが冷却液槽に浸漬されている形式のものに関する。

Description

【発明の詳細な説明】 液体冷却式の燃料電池バッテリー 本発明は、少なくとも２つの燃料電池から成るバッテリーであって、前記燃料 電池が、それぞれフレーム部材によって機械的には不動且つ気密に、また、電気 的には絶縁するように互いに接続された各１つの陰極板と、膜・電極ユニットと 、陽極板とを有している形式のものに関する。 バッテリーの個々の燃料電池全てがそれぞれ陰極板と陽極板とを有している形 式のバッテリーは従来、例えばドイツ連邦共和国特許第４４４２２８５号明細書 に基づき公知であるが、このような形式の燃料バッテリーの液体冷却の問題は今 日まで解決されていない。廃熱を利用する定常使用のためには、必要とされる熱 交換機と熱配分部とをコンパクトに維持するために、液状の冷却媒体が望ましい 。 液体冷却式の燃料電池バッテリーは公知であるが、これらの燃料電池バッテリ ーは、それぞれバッテリーの陽極端部と陰極端部にしか個別の接触板、又は極板 を有していない。バッテリーの内部では、これらの個別の接触板、又は極板は、 しばしば中空に構成されている、いわゆる二極板で代替される。公知の液体冷却 式のバッテリーの液状の冷却媒体は、前記の二極板の 中空室内に位置している。従来公知の二極板は、一方では個別に相並んで接続し ている燃料電池の陽極室に、且つ他方では陰極室に隣接している。従来のバッテ リーの組立てに際しては、個々の燃料電池の、膜・電極ユニットを備えた二極板 が積み重ねられて、ねじボルト、タイロッド、又は別の緊締装置によって互いに 機械的に接続される。端部には、各１つの個別の極板、又は接触板が位置してい る。このシステムは、フィルタプレス技術とも呼ばれる（例えばＷ．フィールシ ュティッヒ（Ｗ.Ｖｉｅｌｓｔｉｃｈ）著の「ブレンシュトフエレメンテ（Ｂｒ ｅｎｎｓｔｏｆｆｅｌｅｍｅｎｔｅ）」、出版社Ｖｅｒｌａｇ Ｃｈｅｍｉｅ ＧｍｂＨ、１９６５年、第１７１頁及び第２０１〜２０２頁参照）。 このフィルタプレス技術の重大な欠点は、燃料電池バッテリーの縁部シールに 対して非常に高い要求を課す必要があるということである。なぜならば、各反応 媒体、つまり酸化剤と、燃料と、冷却媒体とを互いに確実にシールしなければな らないからである。二極板の縁部においては、例えば従来は、酸化剤と燃料とが 互いに混じり合うことは不可能であることを保証しなければならない、特に慎重 な配慮を要する、緩衝領域無しの直接的なシールが必要とされていた。縁部シー ルに対するこのような要求がバッテリーの製作費に表れるのは当然である。従っ て、従来公知のフィルタプ レス技術を、上で引用したドイツ連邦共和国特許第４４４２２８５号明細書に開 示されたような空冷式の燃料電池においてだけでなく、液体冷却式の燃料電池バ ッテリーにおいても克服するという要求が生じる。 従って本発明の課題は、陰極室と陽極室との間の直接的な縁部シール無しで構 成された、複数の燃料電池から成る液体冷却式のバッテリーを提供することであ る。 一般に本発明は、前掲のドイツ連邦共和国特許第４４４２２８５号明細書に開 示された、バッテリーの燃料電池ユニットの個別シールの原理を使用して、これ に基づき製作されたバッテリーが冷却液槽に浸漬される場合に可能であると理解 される。 本発明は、少なくとも２つの燃料電池から成る、液体冷却部を備えたバッテリ ーであって、前記燃料電池が、それぞれフレーム部材によって機械的には不動且 つ気密に、また、電気的には絶縁するように互いに接続された各１つの陰極板と 、膜・電極ユニットと、陽極板とを有しており、しかもバッテリーは、冷却液槽 に浸漬されている。 更に本発明は、燃料電池バッテリーの冷却方法であって、この方法においては 、バッテリーを冷却液槽内への浸漬によって冷却する。 本発明の別の有利な構成は、請求項２以下、実施例の説明、図面及び図面の説 明に記載されている。 本発明、及び本発明による方法の実施形態では、バッテリーは完全に冷却液槽 に浸漬される。 本発明の有利な構成では、冷却液槽用の容器は、バッテリーケーシング自体が 液状の冷却媒体によって最早包囲されていないように、バッテリーケーシングに 組み込まれている。 燃料電池の膜・電極ユニットの中心部材である電解質膜は、電池の縁部まで延 びており、冷却媒体として水を使用した場合には洗い落とされる恐れがある。従 って、本発明の有利な構成では水ではなく、膜を湿らさない疎水性の、つまり撥 水性の冷却液（例えばオイル、又は変圧器油）が使用される。この有利な構成に 対して択一的に、冷却媒体としての水による電解質膜の洗い落ちは、フレーム部 材による膜・電極ユニットの個別シールにおいて、例えば膜・電解質ユニットと の関連においてゴア社（Ｆｉｒｍａ Ｇｏｒｅ）によって提供される、前記洗い 落ち作用を排除するシールを使用することにより防止することができる。それに も関わらず、このように構成されたバッテリーのコストは、既に公知の二極板の シール費用を更に下回っている。 冷却液が冷却液槽を貫流すると有利である。この場合、流れは専ら対流によっ て生ぜしめられてよい。この流れは、要求に応じてポンプによって生ぜしめられ るか、又は対流がポンプによって増強されてもよい。 冷却液槽内の流れが、該流れが燃料電池バッテリー全体に均等に配分されるよ うに調整されると有利である。このことは、冷却媒体配分器を介して行うことが できる。 本発明による方法の利点は、冷却液槽内の冷却媒体の流れ速度、及び／又は流 れ配分が調整可能なことである。このことは、バッテリーが種々異なる出力要求 に対応させられ、且つこれにより生ぜしめられる時間的に異なる冷却要求を有す る場合に、特に便利である。 本発明では、少なくとも２つの直列に接続された個別の燃料電池から成る１ユ ニット又はスタックを「バッテリー」と呼ぶ。このようなバッテリーは、例えば 分散的な発電に使用することができ、この分散的な発電においては、著しく多い 数の個別燃料電池を備えた複数のユニットが使用される。従って、例えば一世帯 住宅用の住宅エネルギ供給設備で使用するための１つのバッテリーは、約１０ｋ Ｗの出力をもたらす必要がある。推定電池面積が約３００ｃｍ²で、個々の燃料 電池１つ当たりの出力が約１００ワットの場合、ここで使用可能な１つのバッテ リーには約１００個の個別電池が対応すると算出される。 本発明では、有利には既に上で引用したドイツ連邦共和国特許第４４４２２８ ５号明細書に開示された燃料電池を、「個別燃料電池」、又は「バッテリーの燃 料電池ユニット」と呼ぶ。従って、内容的には完全に前記特許明細書に関連して おり、その開示内容全体を本発明とする。前記の燃料電池は、各１つの陰極板と 、膜・電極ユニットと、陽極板とを有する個別に処理可能なユニットであり、上 で述べた構成部材は、それぞれフレーム部材によって機械的には不動且つ気密に 、また、電気的には絶縁するように互いに接続されている。 本発明では、各１つの陰極と陽極とを備えた膜を「膜・電極ユニット」と呼ぶ 。この「膜・電極ユニット」という概念には、この技術において汎用の全てのユ ニットが含まれる。有利には、電極は膜の縁部までは到達せずに、該膜の縁部領 域を解放しているので、燃料電池のフレーム部材によって、燃料電池の陽極板と 陰極板と膜自体とが包囲される。 基本的に、個々の燃料電池の、少なくとも陰極板と、膜と、陽極板と、場合に よっては電極又は別の構成部材とを機械的には不動且つ気密に、また、電気的に は絶縁するように互いに接続するために適した全ての部材を「フレーム部材」と 呼ぶ。このフレーム部材は、１部材から成っていてよいが、例えば複数の構成部 材から組み立てられていてもよい。このフレーム部材は有利にはＵ字形成形横断 面を有しており、この場合、２つのＵ脚部が膜を備えた両極板を押し合わせて、 このユニットの内部をガスの侵入に対して気密に隔離 する。このフレーム部材は、前掲のドイツ連邦共和国特許第４４４２２８５号明 細書に記載されたフレーム部材に相応する。 各燃料電池が、バッテリー内部でそれぞれ互いに接続された少なくとも４つの 一貫した供給開口、又は排出開口を有していると有利である。 少なくとも２つの本発明による燃料電池を、１つのバッテリーを形成するため にスタックする場合、有利には一方の燃料電池の陰極板の、隣接する燃料電池の 陽極板との機械的且つ電気的な直接接触が生ぜしめられる。これにより、両電池 は電気的に直列に接続されている。この機械的且つ電気的な直接接触は、例えば ４つの供給開口、及び排出開口が存在する場合は、これらの供給開口と排出開口 とに沿って行われる。この場合、相接する２つの燃料電池の陰極板と陽極板とは 、完全にスタックされて機械的且つ電気的に直接接触している燃料電池間に、中 間室、又は中空室が存在しつづけ、この中間室、又は中空室を通って冷却媒体が 貫流することのできるように成形されている。 バッテリー、又は燃料電池スタックを冷却液槽に浸漬すると、例えば冷却液が 前記中空室を貫流する。この場合、液状の冷却媒体の通流は、既に上で引用した 特許明細書に基づき公知の燃料電池バッテリーの主として空冷式の構成における 空気流のように流れる。 流れ速度は、冷却液槽内でポンプによって調整する ことができる。この場合、液体が高い熱容量を有していると、良好な冷却性能を 得るためには小さな流れ速度で既に十分である。冷却媒体の流れに生ぜしめられ る渦流が有利である。なぜならば、これにより冷却媒体の基材（Ｓｕｂｓｔｒａ ｔ）固有ではない熱容量が増大されるからである。これに関しては、技術的な教 訓が本発明の枠に適合する、公式書類整理番号１９６３５９０１．５の出願を参 照されたい。 流れ配分は、液状の冷却媒体の流入部に取り付けられ、且つ冷却媒体の一貫し た流れを流入部において配分する冷却媒体配分器によって調整することができる 。この冷却媒体配分器は、燃料電池バッテリーに均等に冷却液を供給するために 働く。 冷却液槽内の冷却媒体の流れ速度は、ポンプと流れ配分器とによって調整可能 である。 「疎水性」とは、撥水作用を有する媒体の性質のことである。疎水性の冷却液 は、水に溶解しない、つまり水分の浸透した膜に給湿し、これによって洗い落と すことに適さない全ての冷却媒体と理解される。 場合によっては冷却媒体の流れを強化するポンプは、流れが生ぜしめられるよ うに液体を吸い込むか、圧力をかけるか又は圧縮する、あらゆる任意のポンプで あってよい。システム全体におけるポンプの配置形式は任意であり、且つ本来の 冷却液槽に前置されていても後置されていてもよい。 冷却液槽は、液密な容器内に位置している。この容器には、有利には少なくと も２つの常設開口が、１つは冷却媒体の流入部に、１つは流出部に設けられてい る。しかしこの容器は、多数の開口を有していてもよく、その場合は、一般に冷 却媒体配分器は不要となる。 以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。 第１図は、冷却液槽用の容器がバッテリーケーシングに組み込まれている、本 発明によるバッテリーの構成を示した図である。 第２図は、冷却液槽内の流れが冷却媒体配分器を介して配分される、本発明に よるバッテリーの構成を示した図である。 第１図には、それぞれ１つの処理可能なユニットを形成している個々の燃料電 池１のスタックから成る、本発明によるバッテリーが図示されており、前記燃料 電池１は、それぞれ４つの一貫した供給開口、又は排出開口２ａ，２ｂ，２ｃ， ２ｄを有している。図示のバッテリーは、６面の直方体形のバッテリーケーシン グによって取り囲まれる。図面には、組込み前のバッテリーが示されており、組 込み方向は矢印７で示される。この組込みは、両構成部材の液密なあらゆる結合 によって行うことができる。 第１図の上半分には、２つの集電装置４ａ，４ｂを 備えたバッテリーケーシングの上面３と、供給開口、及び排出開口２ａ，２ｂ， ２ｃ，２ｄを備えたバッテリーケーシングの側面５とが示されている。燃料電池 １のスタックは、例えば前記上面３と下面（図示せず）においてねじ山を介して 調節される、例えば複数のねじ込みキャップ、又はタイロッド１３によってまと めて保持される。供給開口、又は排出開口２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは、それぞれ 電池スタック全体を超えて延びる軸方向通路に接続されている。 バッテリーの作動時は、例えば酸化剤が供給開口２ｂを介して供給され、次い でバッテリーの燃料電池スタック全体を貫通し、個々の陰極室に向かう複数の開 口を備えた、接続している軸方向通路を通って案内される。バッテリーの個々の 陰極室で消費された酸化剤は、やはり一貫した排出通路を介して排出開口２ｃを 通って電池スタックから再び流出することができる。上で述べた例では、次いで 燃料が対応して供給開口２ａを介して供給され、排出開口２ｄを介して導出され る。 電池スタックに対して横方向で複数のディフューザ６ａが書き込まれており、 これらのディフューザ６ａを介して冷却液槽内の冷却媒体を配分することができ る。ディフューザの取付けは必ずしも必要ではなく、必要がある毎に、また、本 発明の構成に応じて、バッテリーに含まれていても、いなくてもよい。 バッテリーの組込みに際しては、第１図の上半分に示したバッテリー構成部材 が、矢印７で示したように第１図の下半分に示したバッテリー構成部材に挿入さ れ、この場合、バッテリーケーシングの上面３、及び側面５の縁部は、それぞれ 第１図の下半分に示した、バッテリーケーシングの境を接する縁部に沿ったシー ル面８に当接する。このシール面８により、容器が液密であることが保証されて いる。 液体容器及びバッテリーケーシングの両側面９，１０においては、冷却媒体の 流入開口１１と流出開口１２とが見える。この流入開口１１に引き続いてすぐに 、バッテリーケーシングは更に別の複数のディフューザ６ｂを有しており、これ らのディフューザ６ｂは、第１図の上半分に示したディフューザ６ａに対して横 方向で位置している。既に述べたように、ディフューザは冷却液槽内の冷却媒体 を均等に配分するために役立つ。この場合、ディフューザの位置は任意であり、 第１図には配置形式の見本が示されている。 第１図の上半分及び下半分に示した２つの図においてバッテリーが直方体形、 延いては６面で描かれているという事実は、単に本発明によるバッテリーの簡略 化と具体化とに役立つに過ぎない。この構成は有利な実施形態ではあるが、本発 明は、バッテリーのこの形状に制限されるものではなく、むしろ別のジオメトリ ックな形状の全ての形式のバッテリーを含んでいても よい。 第２図には、冷却媒体配分器を備えた本発明の構成が示されている。この場合 、冷却媒体配分器は、比較的コンパクトな構造フォームが得られるようにバッテ リーケーシングに組み込まれる。第２図の中央にはやはり、バッテリーを構成す る個々の燃料電池１から成るスタックが示されている。同様に、反応ガスを燃料 電池スタックを通して案内し、且つ消費された反応ガスを燃料電池スタックから 導出する４つの供給開口、又は排出開口２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを備えたバッテ リーケーシングの前面５が示されている。直方体形の、従って６面を有するバッ テリーの側面５には、やはり集電装置４が位置している。 バッテリーの側面１０の正面に向けられた縁部には、冷却液流入開口１１が示 されている。第２図に示されたバッテリーの側面１０には、冷却媒体が、この側 面の内側に位置する種々様々な開口１１ａを介して燃料電池スタック１に流入す るように、冷却液配分器が組み込まれている。この冷却液配分器の開口１１ａは 、冷却液が燃料電池スタック全体に沿ってできるだけ均等に配分されるように構 成されている。第２図に示したバッテリーの側面９の、やはり外側に向けられた 縁部には、冷却液流出開口１２が示されており、この冷却液流出開口１２を介し て、消費された冷却媒体はバッテリーの挿入された冷却液槽から再び流出する。 第２図に示した本発明によるバッテリーケーシングの側面９の内側は見えない。 この側面９の内側には例えば、流出部として働く開口１１ａが側面１０と同様に 配分されているが、必ずしもそうとは限らない。最後に、第２図には更に、４つ の矢印７によってバッテリーの組立て方が示されている。 再度強調しておきたいことは、図面は単に本発明によるバッテリーの有利な実 施形態を説明するものであって、特に著しく簡略化されたジオメトリックな描写 に関しては、本願の範囲を制限するものではない。むしろ、本発明はジオメトリ ックな構成には拘束されず、個々の燃料電池がそれぞれ個別に処理可能なユニッ トを成し、且つ冷却液槽内への浸漬、場合によってはこれに所属する、冷却液槽 内に位置する液体の流れによって十分に冷却され得る複数の燃料電池から成るバ ッテリー全般に該当する。特に本発明によるバッテリーは、既に上で述べたよう に、陰極室と陽極室との間の慎重な配慮を要するシールを省くことができる。 本発明では、バッテリーケーシング、又は冷却のためにバッテリーが部分的に か、又は完全に浸漬される冷却液槽は、燃料電池スタックのテストと、個々のガ ス管路のテストとが作動中、つまり冷却進行時に可能であるように構成されてい るので、バッテリーが冷却液槽内に位置している間は、例えば欠陥のある電池、 又は漏れを見つけだすことができ、エラーを無くすこ とができる。既に上で引用したドイツ連邦共和国特許第４４４２２８５号明細書 に記載の反応ガス室の全てのシールは、この場合冷却液槽を成す外室に通じてい るので、ガス漏れは流出する気泡によって容易に見つけられる。電池は説明した バッテリー構造において、それぞれ個別に良好にアプローチすることができるの で、簡単な電圧測定によって更に、欠陥のある電池を見つけだす可能性が生ぜし められる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年１０月２８日（１９９８．１０．２８） 【補正内容】 請求の範囲 １．少なくとも２つの燃料電池から成る、液体冷却部を備えたバッテリーであ って、前記燃料電池が、それぞれフレーム部材によって機械的には不動且つ気密 に、また、電気的には絶縁するように互いに接続された各１つの陰極板と、膜・ 電極ユニットと、陽極板とを有しており、且つ冷却液槽に浸漬されている形式の ものにおいて、ポンプ、及び／又は液体配分器によって冷却液槽内に流れが生ぜ しめられるようになっていることを特徴とする、液体冷却部を備えたバッテリー 。 ２．冷却液槽用の容器がバッテリーケーシングに組み込まれている、請求項１ 記載のバッテリー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも２つの燃料電池から成る、液体冷却部を備えたバッテリーであ って、前記燃料電池が、それぞれフレーム部材によって機械的には不動且つ気密 に、また、電気的には絶縁するように互いに接続された各１つの陰極板と、膜・ 電極ユニットと、陽極板とを有している形式のものにおいて、バッテリーが冷却 液槽に浸漬されていることを特徴とする、液体冷却部を備えたバッテリー。 ２．バッテリーの燃料電池が冷却液槽に完全に浸漬されている、請求項１記載 のバッテリー。 ３．冷却液槽用の容器がバッテリーケーシングに組み込まれている、請求項１ 又は２記載のバッテリー。 ４．冷却液槽が疎水性の冷却液で満たされている、請求項１から３までのいず れか１項記載のバッテリー。 ５．冷却液槽を通る冷却液の流れがポンプによって生ぜしめられる、請求項１ から４までのいずれか１項記載のバッテリー。 ６．冷却液槽内の流れが、冷却媒体配分器を介して調整される、請求項１から ５までのいずれか１項記載のバッテリー。 ７．バッテリーを冷却液槽への浸漬により冷却することを特徴とする、燃料電 池バッテリーの冷却方法。 ８．バッテリーを冷却のために冷却液槽に完全に浸漬する、請求項７記載の方 法。 ９．冷却液槽内の冷却液の流れ速度、及び／又は流れ配分を調整することがで きる、請求項７又は８記載の方法。