JP2002539584A - 燃料電池設備の作動方法及び燃料電池設備 - Google Patents

燃料電池設備の作動方法及び燃料電池設備

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Abstract

(57)【要約】 燃料電池設備１の熱効率は燃料の量毎に生成される使用可能な熱の量で決まる。燃料電池設備１から外界に放射される熱は失われ、利用することはできない。本発明は、燃料電池設備１から外界に放射される熱を最少化する方法を提供する。本方法では、燃料電池を作動するための空気をケーシング２内に流入させ、この空気が燃料電池設備１の熱を放射する構成要素を取り囲む。空気は構成要素の周囲を環流し、放射された熱を吸収し、熱を燃料電池ブロック４に供給する。そこで熱は燃料電池ブロック４を冷却する冷却水に引き渡され、冷却水は熱を熱水循環路１４の水に引渡す。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は燃料電池設備の作動方法及び燃料電池設備に関する。
【０００２】 電解質が水である場合、水分子が電流により水素（Ｈ2）と酸素（Ｏ2）に分解
されることは公知である。燃料電池においては、この過程は逆の経過を辿る。燃
料ガスとして純水素を使用した場合、有害物質及び二酸化炭素（ＣＯ2）を放出
することなく、水素と酸素が電気化学的に結合して水を生成し、電流が高効率で
生ずる。工業用燃料ガス、例えば天然ガス又は石炭ガスでも、また純酸素の代わ
りの空気（この空気は付加的に酸素を富化されていてもよい）でも、燃料電池は
化石エネルギー源で作動する他のエネルギー発生器よりも明らかに有害物質及び
二酸化炭素の生成が少ない。
【０００３】 燃料電池の原理的な技術上の変換には、極めて種々の解決方法があり、種々様
々の電解質及び８０〜１０００℃にわたる作動温度で変換が行われる。それらの
作動温度によって、燃料電池は低温、中温及び高温の燃料電池に分類され、それ
らは更に種々の工業的形態により互いに区分される。
【０００４】 １個の燃料単電池だけでは１Ｖ以下の動作電圧が供給されるに過ぎない。従っ
て多数の燃料単電池を互いに積層し、１つの燃料電池ブロックにまとめる。専門
文献ではこのようなブロックを「スタック」とも呼ぶ。燃料電池ブロックの燃料
電池を直列に接続することで燃料電池設備の動作電圧を数１００Ｖにもできる。
【０００５】 単数又は複数の燃料電池はそれ自体だけで作動することはできない。従ってそ
れらは燃料電池ブロック、作動部分及び電子装置から成る燃料電池設備内で作動
される。作動部分は燃料電池に作動ガス、即ち酸素又は空気及び燃料ガスを供給
するための装置を含む。更にこの作動部分は生成物の水の排出用、熱搬送用そし
て燃料電池内で作られた電流の導出用の装置を含む。電子装置は燃料電池設備の
種々の装置における相互作用を制御する。
【０００６】 燃料電池設備は、その総合効率が高いと特に効果的かつ費用的に有利に作動す
る。燃料電池設備の総合効率は、この設備の電気的及び熱的効率を加算したもの
である。電気的及び熱的効率は、燃料の単位量毎に生成され、使用可能な電気的
もしくは熱的エネルギーから求められる。燃料電池設備の特に効果的な作動を達
成するために、この生成された電気的及び熱的エネルギーをできるだけ多く利用
可能なように努めている。
【０００７】 燃料電池設備を作動する際に多量の熱エネルギー、即ち大量の熱が生じる。こ
の熱の大部分は燃料電池ブロック内で生成される。この熱の一部を燃料電池ブロ
ックの冷却水循環路に導く。この熱を利用できるように、冷却水循環路を例えば
冷却水の熱を取込む熱水循環路と熱的に接続する。熱水循環路の水を、例えば家
庭の加熱装置に供給し、こうしてその家を暖房する。しかし燃料電池ブロックに
より生成される熱の一部は放射熱としてブロックから出ていく。この放射熱は燃
料電池設備が設けられている空間に放射される。従来の燃料電池設備では、この
放射熱は利用できない。
【０００８】 燃料電池ブロックは、燃料電池設備の最も熱を放射する構成要素である。しか
し燃料電池設備の他の構成要素、例えば循環ポンプ、空気コンプレッサ又は電子
装置の構成要素も、共にかなりの熱を放射する。この放射熱も従来の燃料電池設
備では利用されていない。
【０００９】 本発明の課題は、燃料電池設備の構成要素から放射される熱を利用できる、燃
料電池設備の作動方法を提供することにある。更なる課題は、燃料電池設備の構
成要素から放射される熱を利用できる燃料電池設備を提供することにある。
【００１０】 第１に挙げた課題は、本発明では燃料電池ブロックの燃料電池を作動するため
の空気をケーシング内に流入させ、この空気をケーシング内にある燃料電池設備
の構成要素の周囲を環流させ、次に燃料電池ブロックに供給し、かつこの燃料電
池ブロックが冷却水循環路の冷却水に熱を引き渡し、冷却水の熱が熱水循環路の
水を熱して、燃料電池ブロック、冷却水循環路及び熱を放射する燃料電池設備の
構成要素を囲むケーシングから成る燃料電池設備の作動方法により解決される。
【００１１】 第１段階で本発明は、燃料電池設備の構成要素により放射される放射熱を熱水
循環路に供給して利用するという考え方から出発する。
【００１２】 これは、燃料電池設備の熱を放射する構成要素を断熱し、水冷することにより
達成できる。この措置は断熱されている構成要素の熱エネルギーが周囲に放射さ
れることを十分に阻止し、この熱を冷却水循環路に導き、引続いて熱水循環路に
引渡すことを可能にする。しかしこの措置は極めて出費を要するものである。
【００１３】 第２段階で本発明は、空気を燃料電池に作動ガスとして供給するという考え方
から出発する。即ちこの空気を、燃料電池ブロック内で燃料電池ブロックの温度
に加熱し、それにより燃料電池ブロックから熱を奪う。更に本発明は、燃料電池
設備の熱を放射する構成要素が、これらを取りまく空気を加熱するという考え方
から出発する。この予め温められた空気を燃料電池の作動ガスとして使用した場
合、空気を燃料電池の作動温度に加熱する際に、燃料電池ブロックから熱エネル
ギーが比較的僅かに奪われる。こうして燃料電池ブロックはより多くの熱を冷却
水に引き渡し、冷却水が熱水循環路の水に熱を伝達することになる。
【００１４】 第３段階で本発明は、燃料電池設備の熱を放射する構成要素を囲むケーシング
が、この設備の周囲の温かい空気が消散するのを阻止するという考え方から出発
する。即ちケーシング内に、ケーシング外部から空気を導入する。これは、例え
ば空気コンプレッサがケーシングの内部の空気を吸込み、それにより外部の空気
がケーシングの開口を通ってケーシング内部に追加流入することで行われる。こ
の流入空気が燃料電池設備の熱を放射する構成要素の周囲を環流し、該構成要素
により温められ、コンプレッサに吸込まれ、燃料電池ブロックに供給される。
【００１５】 この方法により、燃料電池設備の構成要素から放射される熱エネルギーは燃料
電池ブロックに供給され、このブロックからの熱エネルギーは冷却水により熱水
循環路の水に引渡される。こうしてこの放射熱が利用可能となる。
【００１６】 本発明の有利な実施態様では、空気は燃料電池ブロックに供給される前に流体
リングコンプレッサ（Fluessigkeitsringverdichter）内で圧縮される。この結
果、この空気は燃料電池設備の作動に有利に作用する所定の密度に圧縮されるば
かりではく、同時に湿潤される。湿潤により、例えばいわゆるＰＥＭ（高分子電
解質膜）燃料電池内で使用される電解質膜の寿命が著しく延びる。
【００１７】 冷却水循環路からの冷却水を流体リングコンプレッサ内に送り込むと有利であ
る。こうすることで空気を燃料電池ブロックに供給する前に、流体リングコンプ
レッサ内の空気を冷却水の温度、即ちほぼ燃料電池の作動温度に温められる利点
がある。更にこの空気を極めて純粋な冷却水で湿潤させ、これが燃料電池設備の
作動に有利に作用する。
【００１８】 第２の課題は、本発明により燃料電池ブロック、空気コンプレッサ、熱水循環
路と熱的に接続されている冷却水循環路及び熱を放射する燃料電池設備の構成要
素を囲むケーシングから成る燃料電池設備により解決され、その際空気コンプレ
ッサは、ケーシングの内部にあり、ケーシングの内部の空気を空気コンプレッサ
内に送り込むための吸込み口を持つ。またこのケーシングは、ケーシングを囲む
空気をケーシングの内部に送り込むための開口を有する。
【００１９】 この燃料電池設備は、上記のようにして、燃料電池設備の構成要素が放射する
熱の利用を可能にする。燃料電池設備の熱効率は、より多くの熱を放射する構成
要素をケーシングで囲むことにより一層高まる。ケーシングが燃料電池設備全体
を囲むとき、ケーシングは同時に設備の防音及び容器の役目を果たす。その際、
操作素子、表示素子又はスクリーンはケーシングの構成要素として働く。
【００２０】 冷却水循環路と熱水循環路との間の熱的結合は、例えば熱交換器により形成さ
れ、それを使って冷却水の熱は熱水循環路の水に伝達される。
【００２１】 本発明の有利な実施形態では、ケーシングを断熱する。そうすることで、ケー
シング内にある温かい空気がケーシングの外壁を温めることも、ケーシング自体
が熱を周囲に放射することも十分に回避できる。
【００２２】 ケーシングを二重壁のケーシングに形成すると有利である。このケーシングの
形態でも、ケーシング内にある温かい空気がケーシングの外壁を温め、このケー
シング自体が熱を周囲に放射することを十分に回避できる。
【００２３】 空気コンプレッサが流体リングコンプレッサであると有利である。本発明のこ
の形態により、空気は燃料電池に供給される前に湿潤されるので、湿潤のために
燃料電池設備に更に別の構成要素を追加する必要はない。
【００２４】 本発明のもう１つの有利な実施態様では、燃料電池ブロックはＰＥＭ燃料電池
で構成される。ＰＥＭ燃料電池は約８０℃の低温で作動した場合に好ましい過負
荷特性及び長寿命を示す。更にこのＰＥＭ燃料電池は、急速な負荷変動の際に有
利な挙動を示し、純酸素の代わりに空気で作動可能である。これら全ての特徴は
ＰＥＭ燃料電池の、例えば極めて異なる形式の車両の駆動等、移動型の分野で使
用するのに特に適している。
【００２５】 本発明の実施例を図１に基づき以下に詳述する。図１は燃料電池設備１をごく
簡略化して示す。断熱されたケーシング２は、燃料電池設備１の他の全構成要素
を囲んでいる。ケーシング２内には、８０個のＰＥＭ燃料単電池を含む燃料電池
ブロック４が配置されている。この燃料電池ブロック４を冷却水循環路６の水に
より冷却し、この水を燃料電池ブロック４から熱交換器８へと流し、そこから循
環ポンプ１０、更に流体リングコンプレッサ１２へと流し、燃料電池ブロック４
内に戻す。この冷却水は、熱交換器８内で熱を熱水循環系路１４の水に引渡す。
熱水循環路１４のこの水は、住宅建造物の暖房器を加熱する。
【００２６】 ＰＥＭ燃料電池は作動ガスの空気と水素で作動する。燃料電池設備１の外界か
らの約２０℃の温かい空気は、流体リングコンプレッサ１２により作られたケー
シング内部の微弱な低圧により吸引され、ケーシング２の開口１６を通ってケー
シング２の内部に流入する。この空気はそこで、燃料電池設備１の例えば熱交換
器８、燃料電池ブロック４、電子制御装置１８、循環ポンプ１０及び流体リング
コンプレッサ１２のような熱を放射する構成要素の周囲を環流する。その際空気
は約４０℃に加熱される。引続きこの空気は吸込み口２０から吸込まれ、吸込管
２２を経て液体循環コンプレッサ１２に流入する。そこで空気は圧縮され、冷却
水で湿度１００％の空気に湿潤される。約７５℃の温かい冷却水は流体リングコ
ンプレッサ１２内のこの空気を約７５℃に加熱する。圧縮され、湿潤され、加熱
されて、この空気は空気給送管２４を経て燃料電池ブロック４に送り込まれる。
燃料電池ブロック４を貫流した後、この空気は排気管２６を介して燃料電池ブロ
ック４から排出される。例えば空気の排出路、燃料ガスの給・排気路内にある熱
交換器、水分離器及びポンプのような一部熱を放射する他の構成要素は、見易く
するため図示していない。
【００２７】 燃料電池設備１のケーシング２を流れる空気は、燃料電池設備１の熱を放射す
る全構成要素を環流し、かつ管及び接続部も環流して、熱をこれら構成要素から
運び去る。この熱は空気により燃料電池ブロック４に供給され、従って利用され
る。断熱されたケーシング２の内部から、熱はこのようにして問題にならない程
度の量だけケーシング外に流出する。この空気の処理により、熱の放射を阻止す
るために燃料電池設備１の個々の構成要素を断熱することはもはや不要である。
従ってこの燃料電池設備の構成は本発明により著しく簡素になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による燃料電池設備の概略系統図。
【符号の説明】 １ 燃料電池設備 ２ ケーシング ４ 燃料電池ブロック ６ 冷却水循環路 ８ 熱交換器 １０ 循環ポンプ １２ 流体リングコンプレッサ（空気コンプレッサ） １４ 熱水循環路 １６ ケーシングの開口 ２０ ケーシング内部の空気吸込み口 ２２ 吸込み管 ２４ 給送管 ２６ 排気管

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料電池ブロック（４）、冷却水循環路（６）及び熱を放射
    する燃料電池設備（１）の構成要素を囲むケーシング（２）から成る燃料電池設
    備（１）の作動方法において、燃料電池ブロック（４）の燃料電池を作動するた
    めの空気をケーシング（２）内に流入させ、この空気をケーシング内にある燃料
    電池設備（１）の構成要素の周囲を環流させ、引続き燃料電池ブロック（４）に
    供給し、かつ燃料電池ブロック（４）が冷却水循環路（６）の冷却水にこの熱を
    引き渡し、この冷却水の熱で熱水循環路（１４）の水を加熱すること特徴とする
    燃料電池設備（１）の作動方法。
  2. 【請求項２】 空気を、燃料電池ブロック（４）に供給する前に流体リング
    コンプレッサ（１２）内で圧縮することを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 冷却水循環路（６）からの冷却水を流体リングコンプレッサ
    （１２）内に送り込むことを特徴とする請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 燃料電池ブロック（４）、空気コンプレッサ、熱水循環路
    （１４）と熱的に接続された冷却水循環路（６）及び燃料電池設備（１）の熱を
    放射する構成要素を囲むケーシング（２）から成る燃料電池設備（１）において
    、空気コンプレッサがケーシング（２）の内部にあり、ケーシング（２）内部の
    空気を空気コンプレッサ内に流入させるための吸込み口（２０）を有し、かつこ
    のケーシング（２）がケーシングを囲む空気をケーシング（２）内部に流入させ
    るための開口（１６）を有することを特徴とする燃料電池設備。
  5. 【請求項５】 ケーシング（２）が断熱されていることを特徴とする請求項
    ４記載の燃料電池設備。
  6. 【請求項６】 ケーシング（２）が二重壁のケーシングであることを特徴と
    する請求項４又は５記載の燃料電池設備。
  7. 【請求項７】 空気コンプレッサが流体リングコンプレッサ（１２）である
    ことを特徴とする請求項４乃至６の１つに記載の燃料電池設備。
  8. 【請求項８】 燃料電池ブロック（４）がＰＥＭ燃料電池をから成ることを
    特徴とする請求項４乃至７の１つに記載の燃料電池設備。
JP2000604478A 1999-03-10 2000-02-28 燃料電池設備の作動方法及び燃料電池設備 Pending JP2002539584A (ja)

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