JP2002539585A - 低温起動特性を改善した燃料電池とその低温起動方法 - Google Patents

低温起動特性を改善した燃料電池とその低温起動方法

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Abstract

(57)【要約】 燃料電池が低温ではその出力が大幅に低下すると言う問題を解決するために、燃料電池の起動に先立って、例えば改質器のような発熱を伴う装置を起動させ、その作動熱を、導管を介して燃料電池に導き、そのスタックの加熱に利用する。これにより、外気温度が例えば氷点以下の低温であっても、起動と同時に定格出力を発生することができる。本発明は、さらに燃料電池を低温起動させる方法にも関する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、加熱装置を有し、低温起動特性の改善された燃料電池、並びにこの
ような電池を低温起動させる方法に関し、その際まず例えば改質器のような加熱
装置を起動させ、その作動熱を燃料電池スタックの加熱に利用する。
【０００２】 １個の燃料電池は燃料電池ユニットを有する１個の燃料電池スタック又は積層
体を有し、かつ１個の燃料電池ユニットにつき１つの電解質、例えばＰＥＭ燃料
電池の場合、主成分としてスルホン置換された化合物を含むイオン交換膜のよう
な電解質を有する。この化合物群は十分なプロトン伝導度を保証するため、水を
この膜内に結合する。０℃以下の温度では、この膜の抵抗は、蓄えた水の凍結に
より飛躍的に１０2〜１０3倍上昇する。例えばＰＡＦＣ（リン酸燃料電池）のよ
うな他の低温及び中温の燃料電池の場合、類似の問題が電解質で起こる。電解質
中の劇的な抵抗の上昇により、燃料電池の低温起動は著しく困難なものになる。
【０００３】 この問題を解決するため、環境温度が低温の場合、温度が凍結点以下に降下し
ないよう、電池を使用していない時も最低限の負荷で作動させるか、又は電解質
の抵抗が飛躍的に上昇する温度に降下した瞬間に電池を起動し、その作動により
加熱するように感熱器を組込むかのいずれかである。
【０００４】 電池を加熱段階で連続的に短絡させ、それにより燃料電池の全出力を短絡熱と
して作動開始時に電解質の加熱に使用する、所謂短絡作動もある。
【０００５】 しかし短絡作動の欠点は、電池を作動させ、それにより加熱が可能となる迄、
凍結点以下の温度では極めて高い電解質の抵抗に打克たねばならない点にある。
【０００６】 従って、反応ガスの起動時の消費を著しく高め、或いは極めて長い起動時間を
必要とする燃料電池の低温起動方法が知られているに過ぎない。
【０００７】 本発明の課題は、低温の場合にもプロセスガスの消費を著しく高めることなく
起動させることのできる、低温起動性能を改善された燃料電池を提供することに
ある。更に本発明の課題は、燃料電池を低温起動させる方法を提供することにあ
る。その際とりわけ設備全体の効率を高め、このシステム全体の熱の損失を低減
し、かつ設備の構造を簡素化するという考え方に重点をおく。
【０００８】 本発明は、熱交換器を介在させることなくに熱を燃料電池スタック内に伝達で
きるよう、加熱装置から燃料電池スタックに通じる少なくとも１つの導管を備え
た、加熱装置を有する燃料電池を対象とする。更に本発明は、一次及び／又は二
次燃料の燃焼により生じる廃熱を、直接廃ガスの形で燃料電池スタックの加熱に
利用する低温起動方法を対象とする。
【０００９】 本方法では、前置接続した加熱装置からの廃ガスを、直接スタック又は積層体
内に通し、従ってこうして例えば未燃焼の供給ガスを、改質ガスの一部としてス
タックに通す。
【００１０】 熱交換器を使用した場合にも、熱搬送媒質を温めることのできる、加熱可能な
全ての空間を加熱装置と呼ぶこととする。この加熱装置は触媒バーナ及び／又は
電気加熱素子のような加熱素子から成ると有利である。従って作動中の改質器も
本発明の考え方において加熱装置と云える。
【００１１】 加熱装置から燃料電池スタックに通じるこの導管は、１実施形態によれば、例
えば改質器の廃ガス、即ち改質ガスや、触媒バーナの廃ガスや、例えばＣＯ2、
二次燃料等の加熱されたガスや、天然ガスや、メタノール／水混合物や、油、シ
リコーン油、メタノール、その他のアルコール、純水又はそれに類するものよう
な高い比熱を有する液体（但しこれらの熱伝導媒質が電気を通さないことが条件
である）のような熱搬送媒質を改質器及び／又は加熱装置内で加熱し、次いで燃
料電池スタックに導き、そこに熱を伝達する。
【００１２】 この導管は、燃料電池スタックの作動中には遮断可能とする。
【００１３】 １実施の態様では、この導管は、高温の熱搬送媒質を燃料電池スタックの反応
室に導いて室を加熱するよう、ガス工学的な接続を改質器室と燃料電池スタック
の反応室との間に形成する。これは、例えば温めた熱搬送媒質を、プロセスガス
により稀釈し又は稀釈せずに、プロセスガス導通路内に流入可能にする。その際
この温めた熱搬送媒質は、稼動中にプロセスガスが流れる流路を燃料電池スタッ
クを介して流れる。また単純に改質反応によりこの熱した廃ガスを一方又は両方
のプロセスガス導通路内及び／又は独自にスタック内及びその反応室に通しても
良い。その際、燃料節約のため、改質器内の反応条件は、Ｈ2を生成するのとは
逆に主として熱を作る側に選択するとよい。即ち改質器への酸素及び空気の供給
量を低温起動時に一時的に高め、部分酸化の代わりに完全燃焼を起こす。
【００１４】 他の実施の態様では、複数の導管を加熱装置とスタックの間に設けることがで
きる。その際、加熱装置はスタックの直近に配置でき、従って極端な場合には、
それら導管は、加熱装置とスタックの燃料電池ユニットとの間の接触箇所から成
る熱伝導管である。例えば改質器はスタックの直近に位置し、極端な場合には両
者の外壁が互いに相接する。この実施態様の考え方では、これらの導管は熱伝導
性の全ての接続であり、即ち機械的に加熱装置及びスタックに接する全導線、管
及び／又は導通路であり、かつ熱を運ぶその他の全ての接続である。
【００１５】 本発明の１つの実施態様では、改質器は、例えば改質器内に集積され及び／又
はそこで例えば正に中心に配置された触媒バーナにより加熱される。
【００１６】 燃料電池がスルホン置換された膜を有するＰＥＭ燃料電池から成るこの実施形
態では、水を膜内に結合したままとするため、反応室を１００℃以上の温度に加
熱しないのが有利である。
【００１７】 燃料電池は、１つの燃料電池ユニットを有する少なくとも１つの積層体（スタ
ックとも呼ぶ）、そのプロセスガス供給導管及び排出導管（軸方向のプロセスガ
ス導管）、冷却系統及びそれに付随する端板を含んでいる。改質器は燃料電池設
備内に組込んでも、或いは外部で作動させてもよい。
【００１８】 ＰＥＭ燃料電池を使用すると有利であるが、本発明を他の燃料電池、特にＰＡ
ＦＣ（リン酸型燃料電池）に使用できることも自明である。
【００１９】 この純粋な反応物、例えばＭｅＯＨ、Ｈ2及び／又はＯ2のようなガスを反応ガ
スと云い、それに対し反応室に導入される、ガスと液体の混合物をプロセスガス
と云う。このプロセスガスは、例えば水蒸気、不活性ガス等の複数の成分を反応
ガスに付加して含み、或いは改質前又は後の一次燃料を含んでいてもよい。
【００２０】 一次燃料とは、ガソリン、メタノール、メタン等のこと、即ち改質器中で水素
含有ガス混合物又は水素等の二次燃料を生成する燃料のことである。
【００２１】 本発明の別の実施態様によれば、一次燃料を燃やす改質器内に触媒バーナを備
え、それにより有害物質の排出が僅かな、制御下の燃焼が達成できる。この触媒
バーナは均等な反応を生じさせる。従ってこの燃焼熱は、例えば熱交換器を介し
て又はこの廃ガスの燃料電池スタックの通過により熱交換器に更に伝達される。
【００２２】 一次及び／又は二次燃料の燃焼熱を直接及び／又は間接的に低温のスタックの
加熱に利用するので、劇的に反応ガスの消費を高めることなく、燃料電池を低温
起動させることが、本発明により初めて可能となる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ルフト、ギュンター ドイツ連邦共和国 デー‐91207 ラウフ リンデンシュトラーセ ４ (72)発明者 ムント、コンラート ドイツ連邦共和国 デー‐91080 ウッテ ンロイト ランゲンブルッカー ヴェーク 10 (72)発明者 ヴァイトハス、マンフレート ドイツ連邦共和国 デー‐90427 ニュル ンベルク シュニークリンガー シュトラ ーセ 285 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB01 CX05 5H027 AA06 CC02 CC06

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 熱交換器を介在することなく熱を燃料電池スタック内に伝達
    できるように、加熱装置から燃料電池スタックに通じる少なくとも１つの導管を
    設けたことを特徴とする低温起動特性を改善した燃料電池。
  2. 【請求項２】 加熱装置が、改質器及び／又は改質システムの一部であるこ
    とを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
  3. 【請求項３】 導管が熱搬送媒質を含む循環系統の一部であり、この循環系
    統が、その中に含まれる熱搬送媒質を低温起動時に加熱装置内で加熱し、スタッ
    ク内で冷却するように、加熱装置並びにスタックを通して配置されたことを特徴
    とする請求項１又は２記載の燃料電池。
  4. 【請求項４】 導管の一部が、少なくとも１つのプロセスガス導通路の一部
    であり、この導管を通る加熱された熱搬送媒質をプロセスガス導通路に導入可能
    であることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の燃料電池。
  5. 【請求項５】 複数の導管が加熱装置とスタックとの間に設けられたことを
    特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の燃料電池。
  6. 【請求項６】 加熱装置が触媒バーナから成ることを特徴とする請求項１乃
    至５の１つに記載の燃料電池。
  7. 【請求項７】 一次及び／又は二次燃料の燃焼により生じた廃熱を、直接廃
    ガスの形で燃料電池スタックの加熱に利用することを特徴とする低温起動方法。
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