JP2002522891A - 空冷式燃料電池の廃熱を利用する装置及び方法 - Google Patents

空冷式燃料電池の廃熱を利用する装置及び方法

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Abstract

(57)【要約】 空冷燃料電池の廃熱を利用する装置及び方法において、熱交換器セルは構造的に燃料電池と類似し、スタックで直接燃料電池に接して配置されるので、使用された冷却空気は中間管路なしで媒体の加熱に利用される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 この発明は空冷式燃料電池の廃熱を利用するための装置及び方法に関する。
【０００２】 ドイツ特許第４４４２２８５号明細書は、空冷式のポリマー電解質膜（ＰＥＭ
）形燃料電池であって、負極側電極板、負極側電極、電解質膜、陽極側電極及び
陽極側電極板を備え、この２つの電極板或いは、隔離板が電解質膜に枠によって
機械的に強固に、気密にかつ電子伝導的に接続されたものを開示している。この
電解質膜を乾燥しないように保持するため、供給されるプロセスガスは少なくと
も部分的に加湿される。このため、プロセスガスは加湿器、例えば膜加湿器を通
して導かれ、そこにおいて水蒸気がプロセスガスに加えられる。液冷式燃料電池
において、加湿器は使用済の冷却液により貫流され、これにより加熱される。し
かしながら、熱を冷却空気から分離することは比較的面倒であり、従来、蒸発の
ために必要な熱を、使用済の冷却空気から取り出す適当な熱交換器がなかった。
それ故、空冷式燃料電池においては、この蒸発エネルギーは今まで外部から調達
せねばならなかった。
【０００３】 この発明の課題は、従って、空冷式のＰＥＭ燃料電池の廃熱を利用可能にする
装置及び方法を提供することにある。
【０００４】 この課題は、請求項１による熱交換器セルに及び請求項４による方法により解
決される。この発明のその他の構成例は、その他の請求項、明細書の記載、図面
及びその説明に示されている。
【０００５】 この発明の対象は、少なくとも２つの端板或いは隔離板と、熱伝導性の接触板
とを備え、運転中にこの接触板の一方側に使用済の冷却空気が、他方側に熱を吸
収する媒体が存在するようにした、空冷式燃料電池の廃熱を利用する熱交換器セ
ルである。さらに、この発明の対象は、使用済の冷却空気を熱交換器セルのスタ
ックを通して導き、その際その熱を放出するようにした空冷式燃料電池の廃熱を
利用する方法である。
【０００６】 廃熱を利用するための熱交換器セルを直接燃料電池に接続すると、中間管路を
介して熱が失われないので有利である。
【０００７】 この発明の１つの好ましい実施例においては、少なくとも１つの熱交換器セル
を、燃料電池のためのプロセスガスが導かれる加湿器に組み込む。その場合、そ
こに組み込まれた各熱交換器セルは、第一の隔離板が熱伝導性の接触板と共に１
つのガス空間を形成し、この中に使用済の冷却空気が燃料電池スタックから導か
れ、第二の隔離板が接触板と共にもう１つの空間を包囲し、この空間の中心に加
湿膜が配置されているように構成される。この加湿膜は接触板と共に、加湿のた
めの水が接触板を介して燃料電池スタックの廃熱で加熱される空間を作り、隔離
板と共に、加湿するべきプロセスガスが導かれる空間を区画する（図２参照）。
【０００８】 さらに有利な構成例においては、各燃料電池に直接熱交換器セルが接し、使用
済の冷却空気は直接加熱に利用される。
【０００９】 熱交換器セルとは、少なくとも２つの隔離板と１つの熱伝導性の接触板を備え
るセルを意味する。これらの３つの板は、フィルタプレス技術により、側面から
のかしめ、さねつぎ、溶接或いは接着により結合される。両隔離板は安価で、軽
量かつ熱伝導性の材料、例えばプラスチック或いは金属からなるのがよく、これ
らから、大量生産によりかつコスト的に有利に作ることができる。熱伝導性の接
触板も同様に型押し及び／又は成形加工により作られ、またできるだけ安価でか
つ軽量の材料からなるのがよく、その熱伝導性が直接この発明の効率及びエネル
ギー利用率を決定する。
【００１０】 通流路は、例えば、これらの板に特に型押しにより形成されている樋及び／又
は溝である。
【００１１】 以下に、この発明を概略的に簡単化して示す例により説明する。
【００１２】 図１は、熱交換器セル１の最も簡単な形を断面図で示す。上、下に各々１つの
隔離板２、３がそして中心に熱伝導性の接触板４が配置されている。そこに設け
られる通流路は、簡単化のため図示を省略してある。隔離板２は接触板４と共に
空間５を囲み、これをとおして使用済の冷却空気が導かれる。これにより接触板
４は、隔離板３と共に囲んでいる空間６側の面も加熱される。この空間６には加
熱媒体、例えばＰＥＭ燃料電池で駆動される乗物の乗客室内空気がある。これら
の乗物における乗客室内の暖房のため、安全性の理由から使用済の冷却空気を直
接取り入れることはできない。
【００１３】 複数の熱交換器セルを１つのスタックに纏め（例えば、フィルタプレス技術に
より及び／又は溶接して）、これを直接燃料電池スタックに接して配置するのが
よい。その場合、隔離板２の上側は上側の熱交換器セルの、空間６に対応する空
間に接する。その場合、隔離板２は、この隔離板２から加熱される媒体への熱伝
達も行われるように、熱伝導性の材料からなるのがよい。この場合、隔離板の両
側に通流路を備えるのがよく、従って場合によっては波形鋼板状の構造が有効で
ある。縁部の密封及び配管は、これらのガス空間及び媒体空間が充分に互いに密
に隔てられている限り、問題はない。
【００１４】 接触板４は、常に両側に通流路を備えているのがよい。被加熱媒体は、特に空
気或いは水（例えば、用水を加熱するために常時使用されるとして）或いはその
他の液体である。しかしまた熱交換器セルは、その他任意の媒体の加熱にも利用
することができる。
【００１５】 図２も、熱交換器セルの概略断面を示す。上に隔離板２が配置され、これは接
触板４と共に空間５を形成し、この中を使用済の冷却空気が流れる。接触板４が
下側の隔離板３と共に囲む空間６は、使用済の冷却空気を加湿器の加熱に利用す
るこの構成例では、加湿膜７により分割されている。加湿膜７の上側の空間６ｂ
を被加熱水そして加湿膜７の下側の空間６ａを被加湿プロセスガスが流れる。
【００１６】 加湿膜は透水性のプラスチック或いは他の通水性の材料からなる。この膜は、
勿論、燃料電池の陽子伝導性の膜と同一であってもよい。
【００１７】 図３は、燃料電池スタックに熱交換器スタックを隣接配置した構成を示す。図
の左側には、従来の技術に従って構成された燃料電池スタック１が配置され、そ
の正面側の端板にプロセスガスの入口及び出口（４、５、６及び７）が設けられ
ている。矢印３でそれぞれプロセスガス（酸化剤及び／又は燃料）の流れ方向を
示しているので、どれがガス流入口或いは流出口であるかが解る。矢印３は、両
スタック１及び２の冷却空気の流れ方向を示す。その流れの中で、冷却空気は燃
料電池スタック１内で加熱され、熱交換器セル２内でこの熱を再び放出する。
【００１８】 燃料電池スタック１に隣接して熱交換器セルスタック２が配置されている。こ
のスタックは、構造的には燃料電池スタックと殆ど同一であるが、絶縁性、導電
性、材料への要求（耐食性等）に関して、その機能を損なうことなく、著しく簡
単かつ低廉にすることができる。熱交換器セル２はまた、その端板に入口及び出
口を持っている。熱交換器セルが加湿器に組み込まれている図示の例では、８は
乾燥しているプロセスガスの入口、９は加湿されたガスの出口、10は加湿水の入
口、11は加湿水の出口である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明による１つの熱交換器セルの概略断面図である。
【図２】 この発明による他の１つの熱交換器セルの概略断面図である。
【図３】 この発明による燃料電池スタックとこれに接して配置された熱交換器セルの構
成の俯瞰図である。
【符号の説明】 １ 熱交換器セル ２、３ 隔離板 ４ 接触板 ５、６ 空間 ６a、６b 分割空間 ７ 加湿膜 １ 燃料電池スタック ２ 熱交換器セルスタック ３ 冷却空気の流れを示す矢印 ４、５、６、７ プロセスガスの流れを示す矢印 ８、９ プロセスガスの流れを示す矢印 １０、１１ 冷却空気の流れを示す矢印

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも２つの端板又は隔離板と、熱伝導性の接触板とを備
    えた空冷燃料電池の運転中、この接触板の一方側に使用済の冷却空気、他方側に
    熱吸収媒体が存在するようにした空冷燃料電池の廃熱を利用する熱交換器セル。
  2. 【請求項２】直接、燃料電池に接して配置される請求項１記載の熱交換器セ
    ル。
  3. 【請求項３】付加的に加湿膜を備え、該膜の一方側に水、他方側に加湿され
    るプロセスガスが存在する請求項１又は２記載の熱交換器セル。
  4. 【請求項４】使用済の冷却空気を熱交換器セルのスタックを通して導き、そ
    の際その熱を放出する空冷燃料電池の廃熱を利用可能にする方法。
  5. 【請求項５】スタック内の熱交換器セルの数が燃料電池スタック内の燃料電
    池の数と同一である請求項４記載の方法。
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