JP2002534776A - 熱交換器が組み込まれた液冷式燃料電池装置 - Google Patents

熱交換器が組み込まれた液冷式燃料電池装置

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Abstract

(57)【要約】 一次冷却媒体循環路と二次冷却循環路と、これらの間に接続された熱交換器を備えた液冷式燃料電池装置において、熱交換器が構造的に燃料電池装置に組み込まれ、これにより、一次冷却循環路の長さを縮小し、一次冷却循環路を外部配管なしで、即ち、燃料電池装置から引き出された配管なしに構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 この発明は、一次冷却循環路と二次冷却循環路とを備え、これらの間に熱交換
器が接続されている燃料電池装置に関する。
【０００２】 燃料電池装置は一次冷却循環路において冷却され、この一次循環路の冷却媒体
は二次冷却循環路において再生される。燃料電池装置の一次冷却循環路の冷却媒
体は特に高純度であることが要求されている。というのは、冷却媒体が部分的に
燃料電池装置の通電部と電気的に接触するため、短絡を回避すべく、概して、非
常に低い導電性であるのがよいからである。かくして、冷却媒体としてしばしば
蒸留水或いは純粋のアルコールが使用される。冷却媒体の低導電性を維持するた
めに、一次冷却循環路は特定の、高価な構造材料から作らねばならない。
【０００３】 ドイツ特許第１９６０８７３８号明細書により、燃料電池からの廃熱を加熱に
利用するＰＥＭ燃料電池装置が公知である。燃料電池に要求される冷却媒体の純
度のため、燃料電池装置からの熱を直接一次冷却水を介して取り出すことはでき
ず、熱交換器を一次冷却循環路と二次冷却循環路との間に接続している。
【０００４】 燃料電池装置を自動車用に使用する場合、熱交換器を介在させた２つの冷却循
環路を形成せねばならないという問題も生ずる。というのは、一次冷却循環路の
冷却媒体に対し要求される純度のため、その中に不凍剤のような添加物を含んで
はならないからである。自動車用に使用する場合、二次冷却循環路の冷却媒体に
は不凍剤を添加できるのに対し、この一次冷却循環路は、それ自身を不凍の構造
として保護せねばならない。
【０００５】 公知の液冷形燃料電池装置の構造では、一次冷却循環路が外部の配管、即ち燃
料電池から引き出した配管を介し外部の熱交換器に接続していると言う不利があ
る。これにより一次冷却循環路の配管として高価な材料が必要なだけでなく、大
きな所要スペースも生ずる。この大きなスペースは、特に自動車用に使用する場
合、邪魔になり、上述の燃料電池装置の体積ならびに重量を不必要に増大させる
。
【０００６】 この発明の課題は、従って、液冷形の燃料電池装置において、一次冷却循環路
のサイズを最小にし、これにより設備のコスト、重量および体積を低減する構造
を提供することにある。
【０００７】 この発明の対象は、一次冷却循環路と二次冷却循環路とを備え、燃料電池スタ
ックから熱交換器への一次冷却循環路の管路が主として燃料電池の内部にあるよ
うに熱交換器が組み込まれている液冷式燃料電池装置である。
【０００８】 さらに、この発明の対象は、一次冷却循環路と二次冷却循環路とを備え、この
一次冷却循環路がほぼ燃料電池の内部に配置される燃料電池装置において、一次
冷却循環路の加熱され、消費された冷却媒体が燃料電池装置に組み込まれている
熱交換器において再生されるようにした燃料電池装置の運転方法である。
【０００９】 この発明の１つの構成例では、熱交換器を寸法的に燃料電池スタックの１つの
燃料電池ユニットとほぼ同一とし、簡単に燃料電池ユニットに積層される平板を
備えた平板熱交換器として構成する。
【００１０】 熱交換器は金属、合金、プラスチック或いはセラミックスから形成することが
できるが、これらの材料は、一次冷却媒体の純度を損なわず、同時に二次冷却循
環路の冷却媒体に対して耐性のある熱良伝導性材料であらねばならないことは勿
論である。特に、両表面或いは１表面を付加的に処理することが可能な、例えば
特殊鋼のような金属を使用するのがよい。
【００１１】 さらに、この発明の構成においては、一次冷却循環路の冷却ポンプが燃料電池
装置の端板の１つにフランジ結合され、それにより一次冷却循環路の外部配管が
完全に不要となる。これにより、さもなければ外部配管を介して発生する、使用
された一次冷却媒体の熱損失もなくなる。このシステムの廃熱は、かくして全て
熱交換器において二次冷却循環路の冷却媒体に与えられる。
【００１２】 ここで、「燃料電池装置」とは、燃料電池ユニット及び必要に応じて設けられ
る冷却要素を備えた燃料電池スタック、一次冷却循環路、組み込まれた熱交換器
、二次冷却循環路の接続口及び端板を有する全体の複合装置をさす。ガス加湿器
も同様にこの燃料電池装置に組み込んで設けることができる。
【００１３】 これに対し「燃料電池スタック」とは、ここでは、燃料電池装置の中核、即ち
供給通路及び場合によっては冷却要素を備えた燃料電池ユニットからなるスタッ
クのみを呼ぶこととする。
【００１４】 一次冷却循環路の冷却媒体はその導電性が重要であり、その導電性は特に可能
な限り低くなければならない。そのため、特に蒸留水及び／又は純アルコールが
使用される。二次冷却循環路の冷却媒体は、任意の付加物を含む任意の液状冷却
媒体とすることができる。
【００１５】 熱交換器は燃料電池スタックに種々の方法で結合することができる。燃料電池
装置を形成するため、この発明の好適な構成例においては、燃料電池スタック及
び熱交換器が共通の支持体の上に配置される。
【００１６】 以下、この発明を好適な実施例を参照して説明する。
【００１７】 図１に冷却要素を備えた個々の燃料電池ユニット４を有する燃料電池スタック
を示す。このスタックの一方の面には端板５が、他方の面には熱交換器３が配置
されている。この熱交換器３と燃料電池ユニット４との結合は、この場合、熱交
換器３を丁度燃料電池ユニットのように積層し、熱交換器３を燃料電池スタック
に組み込むことにより行われる。このような構成において、熱交換器３は少なく
とも１つの付加的な薄板を燃料電池スタックに嵌め込むことにより簡単に実現で
きる。この薄板の一方側には、その場合、一次冷却循環路の冷却媒体が、他方側
には二次冷却循環路の冷却媒体が流れる。熱交換器３は、しかしまた、全てが燃
料電池スタックに接して或いはまたスタックの燃料電池ユニット４の間に配置さ
れる多くの個別の板を備えることができる。
【００１８】 熱交換器３と燃料電池ユニット４との固定は、燃料電池ユニット４と熱交換器
３からなるスタックを共通の端板５で押圧することにより行われる。
【００１９】 また別の好ましい実施例では、従来構造の熱交換器を燃料電池スタック、特に
その端板５に、ねじ止め、圧着或いは接着により結合し、熱交換器を組み込んだ
燃料電池装置とすることができる。
【００２０】 特に、組み込まれた熱交換器は燃料電池スタックと共に、熱損失に対して及び
／又は霜から隔絶されているのがよい。
【００２１】 図１において、熱交換器３に接している端板５には一次冷却循環路の冷却ポン
プ１がフランジ結合されている。
【００２２】 端板５は外部配管のための入口と出口２、６及び７を持っている。これらは順
に二次冷却循環路、燃料及び酸化剤の接続口である。
【００２３】 図２はこの発明の方法の１実施例をブロック図で示す。配管６、７を介し、燃
料電池ユニット４からなるスタックに燃料及び酸化剤が供給される。このスタッ
クからの廃熱は、冷却ポンプ１を介し冷却媒体が流れる一次冷却循環路８を経て
、燃料電池装置に組み込まれた熱交換器３に与えられる。熱交換器３には二次冷
却循環路９が接続されている。
【００２４】 この構成において、その場合、冷却要素が燃料電池ユニットの間にあるかどう
か、或いは燃料電池ユニットの冷却が先ず固体物中の熱配管を介して外域にまで
行われ、その後初めて廃熱が冷却媒体に与えられるかどうかは重要でない。燃料
電池装置における冷却媒体の循環のために通常存在している軸方向通路（概略化
した図２には示していない）は、その場合、熱交換器３も、一次冷却循環路から
供給される限り、この軸方向通路（この場合、軸方向とは燃料電池ユニットの膜
に対して垂直、即ち、積層方向を意味する）を通して供給されるように拡張する
こともできる。
【００２５】 或いはまた、一次冷却循環路に接続されている熱交換器の部分に対して固有の
供給通路を設けても一向に差し支えない。二次冷却循環路はいずれにしても固有
の、閉鎖された配管系を持たねばならない。
【００２６】 図３、４は、ガス加湿器１１を中間接続した燃料電池のブロック回路図を示す
。
【００２７】 一般に、熱交換器を組み込んだ燃料電池装置には、燃料或いは酸化剤のための
ガス加湿器が、例えばスタック内に組み込まれ或いは外部に取り付けられる。加
湿器の加熱は一次又は二次冷却循環路を介し選択的に行うことができる。
【００２８】 図３は、一次冷却循環路８を介して加熱される加湿器１１を組み込んだ例を示
す。この図は図２と、加湿器１１と二次冷却循環路９の冷却ポンプ１０を設けた
点でのみ異なる。
【００２９】 図４は加湿器１１の位置を除いて図３に一致する。加湿器１１は、この場合、
外部に設置され、二次冷却循環路９を介して加熱される。
【００３０】 この発明は、一次及び二次冷却循環路と、これらの間に接続された熱交換器と
を備えた燃料電池装置に関する。熱交換器は構造的に燃料電池装置内に組み込ん
でいるので、その材料と冷却媒体が高価である一次冷却循環路を完全に燃料電池
装置の内部に通し、一次冷却循環路は外部の配管なしで、即ち、配管は燃料電池
装置から引き出していないので、それだけ熱損失なしで済ますことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 燃料電池装置の好ましい実施例の概略断面図である。
【図２】 燃料電池装置の運転方法を示す１つの例のブロック図である。
【図３】 燃料電池装置の運転方法を示す、異なる例のブロック図である。
【図４】 燃料電池装置の運転方法を示す、さらに異なる例のブロック図である。
【符号の説明】
１ 冷却ポンプ ２ 二次冷却媒体循環路の接続口 ３ 熱交換器 ４ 燃料電池ユニット ５ 端板 ６ 燃料接続口 ７ 酸化剤接続口 ８ 一次冷却媒体循環路 ９ 二次冷却媒体循環路 １０ 冷却ポンプ １１ 加湿器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3D035 AA03 5H026 AA06 5H027 AA06 BA08 CC06 MM16

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】一次冷却循環路と二次冷却循環路とを備え、燃料電池スタック
    から熱交換器への一次冷却循環路の管路が燃料電池装置の内部にあるように熱交
    換器が組み込まれている液冷式燃料電池装置。
  2. 【請求項２】熱交換器が平板状熱交換器である請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】一次冷却循環路の冷却媒体ポンプが燃料電池の端板にフランジ
    結合されている請求項１又は２記載の装置。
  4. 【請求項４】一次冷却循環路と二次冷却循環路とを備え、この一次冷却循環
    路が主として燃料電池内部に通され、一次冷却循環路の加熱され使用された冷却
    媒体が燃料電池装置に組み込まれている熱交換器において冷却される燃料電池装
    置の運転方法。
  5. 【請求項５】燃料電池装置に組み込まれているガス加湿器が、一次冷却循環
    路からの廃熱によって加熱される請求項４記載の方法。
JP2000592899A 1999-01-05 2000-01-03 熱交換器が組み込まれた液冷式燃料電池装置 Withdrawn JP2002534776A (ja)

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