JP2003501785A - 燃料電池装置用の熱管理の装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電気化学燃料電池装置（１１）の熱管理装置であって、この装置では、燃料電池装置（１１）と接触する複数の熱管理ループ（３１および３２）が、燃料電池装置（１１）を凝固点を超える温度に維持するか、あるいは、燃料電池装置（１１）を凝固点を超える温度に上昇させるのに使用される。熱管理ループ（３１および３２）は、互いにばかりでなく、燃料電池装置（１１）と熱的に連通するが、互いに拡散しないように隔離されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】

本発明は、一般に、苛酷な環境条件時における燃料電池装置用の熱管理の装置
および方法に関し、特に、燃料電池装置を、凝固点より高い温度に維持すること
あるいは凝固点より高い温度に急速に上昇させることができる方法および装置に
関する。

【０００２】

【背景技術】

電気化学的燃料電池装置は、アノード電極に供給された燃料とカソード電極に
供給された酸化剤との相互作用を通して、これらの電極間に電位差を生成するこ
とで、電気とそれに伴う反応生成物を生成する能力によって、知られている。こ
のような燃料電池装置は、内燃機関などに比較した場合その効率が高いので、非
常に有用であり、研究が行われている。燃料電池装置は、生成する水などの反応
副生成物が環境に優しいので、さらに有益である。燃料電池装置内の温度を制御
するために、冷媒、通常、水が、燃料電池装置を循環するように供給される。燃
料電池装置でこのように水を集中させて使用する場合、燃料電池装置は、凝固温
度に特に影響を受ける。

【０００３】 電気化学的燃料電池装置では、通常、燃料として水素を、酸化剤として酸素を
使用するが、上に示したように、ここでの反応副生成物は、水である。このよう
な燃料電池装置では、多孔質の導電性シート材料、２つの電極の間に配置された
、固体高分子電解質からなる膜またはイオン交換膜が使用される。電極は、通常
、多孔質の導電性シート材料、一般には炭素繊維紙、によって保持される。イオ
ン交換膜は、デュポン社（ＤｕＰｏｎｔ）により販売されている商標名ナフィオ
ン（ＮＡＦＩＯＮ^TM）などのプロトン交換膜（以下、ＰＥＭと呼ぶ）としても、
知られており、所望する電気化学反応を促進するために、イオン交換膜上に触媒
層が形成されて膜−電極界面が構成されている。そして、外部負荷が掛けられた
ときに電極の間に電子を導くための通路を形成するために、膜電極装置は、電気
的に接続される。

【０００４】 作動中は、水素燃料は、アノード電極の多孔質の電極保持材料に浸透し、触媒
層において反応して、水素イオンと電子を生成する。水素イオンは、膜を通って
カソード電極に移動し、電子は、外部回路を通ってカソード電極に流れる。カソ
ード電極では、酸素を含む供給気体が、同様に、多孔質の電極保持材料に浸透し
、触媒層でアノード電極からの水素イオンと電子と反応し、副生成物の水を生成
する。イオン交換膜は、この水素イオンのアノード電極からカソード電極への移
動を促進するばかりでなく、イオン交換膜は、酸素を含む気体酸化剤から水素燃
料を隔てるように作用する。アノード電極とカソード電極の触媒層で生じる反応
は、次の式： アノード電極反応：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ 、 カソード電極反応：１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ→Ｈ₂Ｏ 、 で示される。

【０００５】 通常の燃料電池は、アノード電極プレート、カソード電極プレートと呼ばれる
２枚の気体透過性の導電性プレートの間に配置されたイオン交換膜を有すること
ができる。これらのプレートは、通常、黒鉛、黒鉛複合材などから形成される。
プレートは、集電体として機能し、さらに燃料と酸化剤をアノード電極とカソー
ド電極にそれぞれ供給するばかりでなく、これら２つの多孔質の導電性電極の支
持構造として機能する。プレートは、燃料電池の作動中に、反応副生成物である
水を運び去るためにも使用される。

【０００６】 これらのプレート内に、燃料または酸化剤をアノード電極とカソード電極のプ
レート内で循環させるために、流れ用の流路（ｃｈａｎｎｅｌ）が形成されると
き、これらは、流体の流れの場のプレートまたは水移動プレートと呼ばれる。こ
れらのプレートが、単に、アノード電極とカソード電極の多孔質材料に形成され
た流路に、重ねられるときは、これらは、分離プレートと呼ばれる。プレートに
は、燃料をアノード電極の流路に、あるいは、酸化剤をカソード電極の流路に、
供給するのに使用される反応物供給マニホールドが、形成されることもある。さ
らに、プレートには、燃料および酸化剤の流れの未反応成分を、さらには副生成
物として生成するどのような水も、燃料電池から導くために、対応する排出マニ
ホールドが形成される。また、流体の流れの場のプレートまたは水移動プレート
は、選択的に冷媒マニホールドを保持するためばかりでなく、冷媒を燃料電池の
周りに循環させるために、流路を保持することができる。

【０００７】 燃料電池装置用の燃料を生成する最近の取り組みは、メタン、天然ガス、ガソ
リンなどの炭化水素燃料を水素に化学的に変換することで得られた不純な水素を
利用することに集中している。この変換処理では、生成した水素を、できるだけ
純粋な水素に効率的に変換し、それによって、確実に、一酸化炭素、その他の好
ましくない化学的副生成物の生成量を、最小限に抑える必要がある。ＰＥＭ型燃
料電池装置にとって、この炭化水素の変換は、一般に、水蒸気改質装置、シフト
変成装置、選択的酸化装置を組み合わせて使用することによって達成される。

【０００８】 燃料電池装置の触媒層は、他の貴金属または貴金属合金を使用することもでき
るが、通常、炭素により保持された白金または白金合金である。２つ以上のアノ
ード電極プレート／膜／カソード電極プレートの組み合わせからなる複数の電気
的に接続された燃料電池装置は、燃料電池スタック（燃料電池セルスタック）と
呼ばれる。燃料電池スタック内の燃料電池（セル）は、通常、直列に接続される
。

【０００９】 燃料電池の作動に不都合な影響を与えないように、反応過程中に生成した過剰
の熱を抽出するいくつかの熱交換装置を提供する必要がある。上に示したように
、アノード電極とカソード電極のプレートによって、水冷媒を循環させるためば
かりでなく、燃料電池装置の作動中に副生成物として生成する過剰の水を運んで
逃がすために、冷媒流路が形成される。このように集中され燃料電池装置を通っ
て循環される水は、３２°Ｆ（０℃）を下まわる温度による凝固の影響を受けや
すく、従って、水がそのような温度になり膨張することで、燃料電池装置の作動
に損傷を与え、作動を損なう可能性がある。

【００１０】 上述した問題、留意点を念頭におくと、本発明の一般的な目的は、上述した欠
点を克服する燃料電池装置の熱管理を提供することであるとともに、凝固温度に
あるときでさえ積極的に燃料電池の効率を最大化することである。

【００１１】

【発明の開示】

本発明の目的は、燃料電池装置のための二重熱管理装置を提供することである
。

【００１２】 本発明の別の目的は、燃料電池装置の作動を妨げることも、あるいは、相互の
汚染を生じることもなく、どのような種類の構成を有する燃料電池装置にも使用
することができる熱管理装置を提供することである。

【００１３】 本発明の一実施態様によれば、燃料電池スタックは、互いに電気的に接続され
た複数の電気化学的燃料電池装置を備える。燃料電池スタックは、一次熱管理ル
ープと二次熱管理ループとを有する熱管理装置を備え、これらのループの両方と
も、燃料電池スタックと熱的に連通すると同時に、互いに拡散しないように隔離
されている。

【００１４】 一次熱管理ループは、冷媒を循環させるとともに、燃料電池スタックと拡散す
るように連通しており、一方、二次熱管理ループは、不凍液を循環させるととも
に、燃料電池スタックから拡散しないように隔離されている。二次熱管理ループ
は、燃料電池スタックに沿って燃料電池装置の間に点在する位置に、不凍液を循
環させる。

【００１５】 本発明のこれらと他の目的、その好ましい実施態様は、明細書、特許請求の範
囲、図面を全体として考慮することにより、明らかになるであろう。

【００１６】

【発明を実施するための最良の形態】

図１には、本発明の一実施態様による部分的な燃料電池スタック１０の断面図
が例示される。部分的な燃料電池スタック１０は、直列に接続されて配置される
とともに冷却プレート２２と熱的に接触している２つの電気化学的燃料電池装置
１１、１２を有する。各燃料電池装置１１、１２は、約０．６〜０．７Ｖを発生
する。所望する供給電力電圧を生成するために、同時に非常に多くの燃料電池を
直列に接続する必要がある。燃料電池１１、１２では、それぞれ、アノード電極
基保持体１５とカソード電極保持体１４との間に配置された固体高分子電解質か
らなるイオン交換膜１３が使用される。さらに、イオン交換膜１３は、プロトン
交換膜（ＰＥＭ）と呼ばれ、約０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）の厚みの
プラスチック製フィルムを使用することができる。電極保持体１４、１５は、多
孔質の導電性シート材料、一般にはテフロン（Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標））被覆
を有する炭素繊維紙、から形成される。

【００１７】 イオン交換膜１３は、膜−電極界面において片側に形成された触媒層を備え、
それによって、所望する電気化学反応が促進される。アノード電極触媒１６とカ
ソード電極触媒８は、一般に、白金などの当業技術でよく知られた貴金属または
貴金属合金の１つから選択される。外部負荷が掛けられたときに電極１４、１５
の間に電子が伝導するための通路を形成するために、電極保持体１４、１５は、
さらに、電気的に接続される。

【００１８】 図１をさらに参照すると、アノード電極の流れの場のプレート１８に形成され
た燃料流路２０を通して、燃料が、アノード電極触媒１６に供給され、一方、カ
ソード電極の流れの場のプレート１７内の酸化剤流路１９に、酸化剤が供給され
る。アノード電極とカソード電極の流れの場のプレート１８、１７は、それぞれ
、多孔質の黒鉛、多孔質の黒鉛−高分子複合材などから形成される。あるいは、
アノード電極とカソード電極の流れの場のプレート１８、１７のうちの１つだけ
が多孔質である燃料電池も、検討されており、より広い本発明の態様から逸脱す
ることなく、使用することができる。

【００１９】 燃料と酸化剤は、両方とも、反応物と呼ばれる。燃料流路２０は、一般に、酸
化剤流路１９にほぼ直交するように配列される。燃料流路２０と酸化剤流路１９
は、それぞれ、アノード電極の流れの場のプレート１８とカソード電極の流れの
場のプレート１７に、彫刻、研削、成形などにより形成することができ、１つの
連続した流路、あるいは複数の流路とすることができる。燃料と酸化剤は、軸方
向の供給マニホールド、外部マニホールド、あるいはこれら２つの組み合わせな
どを用いて、燃料電池スタック１０を通して供給することができるが、マニホー
ルドの特定の構成は、一般に、当業者に知られており、本発明の主要な関心事で
はない。

【００２０】 作動中は、水素燃料が、以下では「アノード電極１５」と呼ぶアノード電極保
持体１５の多孔質の材料に浸透し、触媒層１６において反応して、水素イオンと
電子を生成する。水素イオンは、膜１３を通ってカソード電極保持体１４に移動
し、一方、電子は、外部の負荷回路を通って、以下では「カソード電極１４」と
呼ぶカソード電極保持体１４に流れる。カソード電極１４では、酸化剤が、同様
に、多孔質の電極材料に浸透し、触媒層８において、アノード電極１５からの電
子と水素イオンと反応して、副生成物の水を生成する。イオン交換膜１３は、こ
の水素イオンをアノード電極触媒１６からカソード電極触媒８へ移動させるばか
りでなく、イオン交換膜１３は、酸素を含む気体酸化剤が酸化剤流路１９を流れ
るときに、この酸化剤から、燃料流路２０を通って流れる水素燃料を隔てるよう
に作用する。燃料電池１１、１２内で生じる電気化学反応により生成する過剰な
熱を取り除くために、通常、水の形態である冷媒が、アノード電極とカソード電
極の流れの場のプレート１８、１７にそれぞれ形成された冷媒流路２１を通って
、燃料電池１１、１２に供給される。

【００２１】 プロトン交換膜と、テフロン（Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標））被覆を有する炭素
繊維紙とについて説明したが、本発明は、これらに限定されるものでなく、これ
らの代わりに、その他の膜と電極保持体材料によって、分子、イオン、電子に必
要とされる流れが形成されるならば、それらの膜と電極保持体材料も使用するこ
とができる。同様に、液体電解質を有する燃料電池も、より広い本発明の態様か
ら逸脱することなく、使用することができる。

【００２２】 図１に示されるように、冷媒流路２１は、以下に詳細に説明するように、一次
熱管理ループの一部分を形成し、さらに、作動する燃料電池装置に関する主要な
２つの関心事に対処するように機能する。これら２つの関心事は、燃料電池装置
の水管理と、燃料電池装置の熱管理である。ＰＥＭ型燃料電池装置、例えば、図
１に示される燃料電池装置１１では、燃料電池装置１１が作動するとともに、Ｐ
ＥＭ１３を通るイオンの移動を継続して可能にするように、ＰＥＭ１３は、十分
に水和している必要がある。燃料電池装置１１の作動中にＰＥＭ１３を水和した
ままにする１つの方法は、水移動プレート１７、１８から水を蒸発させることに
よって、燃料流路２０と酸化剤流路１９をそれぞれ流れる燃料と酸化剤の流れの
両方を加湿することである。先に説明したＰＥＭ１３を通る水素イオンの移動に
関連して、プロトンドラッグ（ｐｒｏｔｏｎ ｄｒａｇ）と呼ばれる現象が起こ
り、この現象では、加湿された燃料流路２０内に含まれる水が、ＰＥＭ１３を通
ってひきずられ、それによって、ＰＥＭ１３は、計量された量が水和する。

【００２３】 ＰＥＭ１３を通る水分子のプロトンドラッグによって、ＰＥＭ１３が脱水され
ると同時に、燃料電池装置１１のカソード電極１４に水が蓄積することになる。
さらに、酸化剤流路１９から供給される酸化剤とＰＥＭ１３を通って移動する水
素イオンとが相互作用する結果、燃料電池装置１１内に生成する副生成物の水に
よっても、カソード電極触媒８に、水が蓄積することになる。しかしながら、冷
媒流路２１は、燃料流体と酸化剤流体を加湿するための水を内部的に供給するば
かりでなく、カソード電極触媒８で集められた過剰の水を集めるように機能する
。この水管理は、反応物流体への蒸発によるばかりでなく、酸化剤流路１９、冷
媒流路２１、燃料流路２０の圧力をバランスさせることにより、実現される。冷
媒流路２１に供給される冷媒の圧力よりわずかに高い圧力で、燃料が燃料流路２
０を通して供給され、酸化剤が酸化剤流路１９を通して供給される。この構成に
より、燃料電池装置１１のカソード電極触媒８の過剰の水分子は、カソード電極
の流れの場のプレート１７の多孔質の材料を通って、冷媒流路２１に自然に拡散
する傾向になる。従って、冷媒流路２１は、燃料電池装置１１のカソード電極１
４から過剰の水を吸収するばかりでなく、冷媒流路２１によって、冷媒流路２１
から、多孔質のアノード電極の流れの場のプレート１８を通る水分子の拡散が促
進され、それによって、ＰＥＭ１３ばかりでなく燃料流路２０内で燃料が再水和
する。このように、酸化剤流路１９、燃料流路２０内の圧力の適切なバランスに
よって、冷媒流路２１が、アノード電極１５において水を適切に供給するように
機能し、確実にＰＥＭ１３を水和させるとともに、カソード電極１４におけるど
のような過剰な水の蓄積も取り除く。

【００２４】 図１に示される燃料電池装置１１の冷媒流路２１は、さらに、燃料電池装置１
１の熱管理ばかりでなく、燃料電池スタック１０全体としての熱管理を提供する
。燃料電池スタック１０の各燃料電池装置１１の周りを循環することによって、
水冷媒は、燃料電池スタック１０内で生じた化学反応により生成した過剰の熱を
吸収する。従って、図３と関連させて以下に、より詳細に説明するように、燃料
電池スタック１０の外部位置で冷媒から熱を取り除く処理によってばかりでなく
、冷媒流路２１を通る冷媒の流量と入口温度を調節することで、燃料電池スタッ
ク１０の温度は、制御することができる。

【００２５】 燃料電池スタック１０内の冷媒として水を使用するのが、水と熱の管理のため
に有益であることは、容易に明らかになるであろうが、そのように備え付けられ
た燃料電池スタック１０が、凝固温度すなわち３２°Ｆ（０℃）以下の温度を経
験するときに、問題が生じる。燃料電池スタック１０が、水の凝固点以下の温度
を経験するとき、燃料電池スタック１０に含まれる水は、凝固かつ膨張し始め、
それによって、ＰＥＭ１３または燃料電池スタック１０内のその他の構造に損傷
を与える可能性がある。さらに、たとえ、燃料電池スタック１０の実際の凝固に
よって、動作不能となる損傷が生じなくても、凍結した燃料電池スタック１０の
始動時間が過度に長くなるという問題が、依然として存在する。従って、燃料電
池スタック１０を０℃（３２°Ｆ）より高く維持すること、あるいは、凍結した
燃料電池スタック１０の温度を急速に上昇させて燃料電池スタック１０を迅速に
作動可能とすること、ができる装置を、燃料電池スタック１０に備えるのは、非
常に有益であろう。

【００２６】 従って、本発明の主要な態様は、燃料電池スタック１０のためのそのような熱
管理装置を提供することである。さらに、図１を参照すると、この目的のための
冷却プレート２２が示される。冷却プレート２２は、個々の燃料電池装置または
燃料電池装置群の間の位置で燃料電池スタック１０全体に亘って点在する。冷却
プレート２２は、冷却プレート２２の本体内に彫刻、研削、成形などにより形成
された複数の冷媒流の流路２３を有する。これらの冷媒流の流路２３は、グリコ
ール溶液など少なくとも−４０℃（−４０°Ｆ）の温度で液体として存在するこ
とができる不凍液を運び、図３に関連させて以下に、より詳細に説明するように
、二次熱管理ループの一部分を構成する。グリコール溶液としては、エチレング
リコール、プロピレングリコール、メタノールなどを使用することができる。

【００２７】 冷却プレート２２は、高分子結着剤を有する黒鉛などの緻密な非透過性の材料
から形成されるが、金属製とすることもでき、さらに、熱的および電気的に伝導
性がある。冷却プレート２２は、冷媒不凍液が燃料電池スタック１０の残りの部
分に拡散するのを防止する。冷媒流の流路２３を通って循環する不凍液の流量を
調節することによるばかりでなく、その温度を調節することで、熱が、冷却プレ
ート２２から流れて、燃料電池スタック１０内の温度が上昇するか、または、維
持されることが、容易に理解されるであろう。従って、冷却プレート２２は、燃
料電池スタックと熱的に連通しており、周囲にある個々の燃料電池装置へ伝導と
対流の組み合わせによって熱が移動する熱源として、作用する。

【００２８】 図２ａ〜図２ｄには、燃料電池スタック全体に亘って点在する冷却プレート２
２を有する燃料電池スタック内の構成要素の経過温度のグラフが例示されており
、各冷却プレート２２の間にある個々の燃料電池装置の数は、異なっている。不
凍液入口温度は、図２ａ〜図２ｄのそれぞれにおいて、上昇し、特定の燃料電池
スタックの中で最後に残った燃料電池装置が、約５分間後に完全に溶解した。特
に、図２ａには、燃料電池スタックの各燃料電池装置間に点在する冷却プレート
２２を有する場合の効果が例示される。図２ａから理解されるように、各燃料電
池装置間に冷却プレート２２を有する場合、燃料電池スタックの温度は、急速か
つ大部分が直線的に上昇し、最後の燃料電池装置は、約７．２℃（４５°Ｆ）の
不凍液入口温度で、溶解する。

【００２９】 図２ｂには、燃料電池スタック内で燃料電池装置８台毎に点在する冷却プレー
ト２２の効果が、例示される。この場合、最後の燃料電池装置は、約３７．７℃
（１００°Ｆ）の不凍液入口温度で、溶解する。図２ｃでは、冷却プレート２２
は、燃料電池装置１２台毎に点在しており、最後の燃料電池が溶解するには、約
６５．５℃（１５０°Ｆ）の不凍液入口温度が必要となる。最後に、図２ｄでは
、冷却プレート２２が燃料電池装置１４台毎に点在するのが、例示されており、
最後の燃料電池が溶解するには、約８０℃（１７６°Ｆ）のグリコール不凍液温
度が必要となる。

【００３０】 これらの図２ａ〜図２ｄから理解されるように、各冷却プレート２２の間に点
在する燃料電池装置の数が多くなるほど、約５分間以内で最後の燃料電池装置を
溶解するのに、より高い不凍液入口温度が必要となる。仮に、冷却プレート２２
を、１４台より多い燃料電池装置毎の間隔で点在させるとしたら、９３．３℃（
２００°Ｆ）を超えるグリコール不凍液入口温度が必要となるであろう。９３．
３℃（２００°Ｆ）を超える温度では、グリコール不凍液の入口流は、燃料電池
スタックの作動に不都合な影響を与えるであろうし、推奨されない。

【００３１】 従って、本発明によれば、冷却プレート２２は、燃料電池装置１〜１４台毎に
点在するのが好ましく、より好ましくは、燃料電池装置４〜１２台毎であり、最
も好ましくは、燃料電池装置４台毎である。

【００３２】 図３ａには、本発明の一実施態様による熱管理装置３０が例示される。熱管理
装置３０は、直列に接続された複数の個々の燃料電池装置１１を有する部分的な
燃料電池スタック１０を含む。それぞれの燃料電池装置１１は、それぞれの周り
に水冷媒を運ぶための冷媒流路２１を備える。さらに、冷媒流路２１は、図１に
関連させて説明したような方法で、燃料電池スタック１０内の水管理を提供する
。例示のために、燃料電池スタック１０の温度を維持または上昇させるための冷
却プレート２２が、燃料電池装置１１の４台毎に、点在するのが示される。

【００３３】 図３ａには、燃料電池スタック１０内で冷媒流を調節するための一次熱管理ル
ープ３１が示される。一次熱管理ループ３１は、燃料電池スタック１０と熱的に
連通しており、燃料電池スタック１０で冷媒流路２１に水冷媒を供給するための
一次熱管理ポンプ３３が使用される。一次ループ内の冷媒は、通常、周囲に対し
て負圧になっている。水冷媒は、燃料電池スタック１０を通過しながら、燃料電
池スタック１０内で生じる化学反応により生成する熱の一部を吸収する。この吸
収は、加熱された燃料電池装置から冷媒流路２１内の冷媒への伝導と対流の組み
合わせの結果として生じる。次に、これらの加熱された冷媒流は、燃料電池スタ
ック１０から排出される。

【００３４】 一次熱交換器３５は、加熱された冷媒流が燃料電池スタック１０から排出され
る間に、加熱された冷媒流を受け取るように、一次熱管理ループ３１内に位置す
る。加熱された冷媒流から、既知の方法により一次熱交換器３５によって熱が抽
出されるとともに、次に燃料電池スタック１０に再供給するために、一次熱管理
ポンプ３３を通して戻される。このようにして、燃料電池スタック１０の最適な
性能を確保するために、各燃料電池装置１１内のＰＥＭ１３の水和ばかりでなく
、燃料電池スタック１０の作動温度を、調節することができる。

【００３５】 同様に、二次熱管理ループ３２も、燃料電池スタック１０の役に立ち、冷却プ
レート２２のそれぞれを通って流れる不凍液を調節する。二次熱管理ループ３２
は、燃料電池スタック１０と熱的に連通しており、燃料電池スタック１０で、非
多孔質の冷却プレート２２に含まれる冷媒流の流路２３に不凍液を供給するため
の二次熱管理ポンプ３４が使用される。不凍液は、燃料電池スタック１０を通過
しながら、不凍液の熱の一部を燃料電池装置１１に移動することになり、その後
、不凍液流は、燃料電池装置１１から排出される。

【００３６】 二次熱交換器３６は、不凍液流が燃料電池スタック１０から排出される間に、
不凍液流を受け取るように、二次熱管理ループ３２内に位置する。電気的または
化石燃料熱源を用いて二次熱交換器３６によって、熱が不凍液流に添加されると
ともに、次に冷却プレート２２を再循環させるために、二次熱管理ポンプ３４を
通して戻される。このようにして、状況が保証するように、燃料電池スタック１
０の温度を、凝固点より高い温度に維持または上昇させることができる。

【００３７】 冷媒流の流路２３は、冷媒流路２１を含む燃料電池スタック１０の残りの部分
から、冷却プレート２２によって、拡散しないように隔離されていることに、留
意する必要がある。この隔離によって、冷媒流とどのような反応物流のいずれも
、汚染しないこと、または、冷媒流路２１内の不凍液によって汚染されないこと
が、確実になる。

【００３８】 さらに、図３ａには、一次および二次熱管理ループ３１、３２を制御するため
の熱管理ループ制御装置４５が示されており、この熱管理ループ制御装置４５は
、コンピュータとすることができる。熱管理ループ制御装置４５は、一次熱交換
器３５と一次熱管理ポンプ３３を、燃料電池装置１１の水管理を実施するための
所定の一組の条件に従って調節するばかりでなく、確実に燃料電池スタック１０
が過熱されないようにする。

【００３９】 これらの関心事と関連して、さらに、熱管理ループ制御装置４５は、二次熱交
換器３６と二次熱管理ポンプ３４を調節する。二次熱管理ループ３２を調節する
際、熱管理制御装置４５は、燃料電池スタック１０内の一箇所または複数の箇所
にある温度検出器４７から温度データを受け取る。このように、熱管理制御装置
４５によって、燃料電池スタック１０が、凝固点より低下しないこと、あるいは
、燃料電池スタック１０が凝固点より低下した後、さらに温度検出器４７によっ
て検出されるであろうが、すぐに凝固点より上回るように燃料電池スタック１０
を活性化することができることが、確実になる。

【００４０】 図３ｂは、本発明の好ましい実施態様による熱管理制御装置４５の流れ図であ
る。ブロック５０において、熱管理制御装置４５は、電源が供給され、活性化さ
れる。次に、熱管理制御装置４５は、ブロック５２に進み、そこで、温度検出器
４７からの温度データ‘Ｔ’を受け取る。ブロック５４において、熱管理制御装
置４５は、検出された温度‘Ｔ’を比較し、‘Ｔ’が、例えば凝固点すなわち３
２°Ｆ（０℃）などの所定の温度以下かどうか決定する。

【００４１】 ブロック５４において、‘Ｔ’が、所定の温度以下と決定されると、次に、熱
管理制御装置４５は、ブロック５６に進み、二次熱交換器３６と二次熱管理ポン
プ３４とを含む二次熱管理ループ３２を有効にする。二次熱交換器３６は、第１
の所定の設定に、二次熱管理ループ３２内の不凍液を加熱するように制御される
。第１の所定の設定は、図２ａ〜図２ｄにおいて見られる経過温度のグラフに対
応する温度であり、それによって、不凍液が、燃料電池スタック内の冷却プレー
ト２２の間隔に関連する温度に加熱されるものである。

【００４２】 図３ｂのブロック５８には、熱管理制御装置４５が、再度、所定の温度を温度
検出器４７により検出される温度と比較する前に、所定の時間の間、待機するの
が示される。所定の時間の長さは、加熱される不凍液の温度に従って設定される
とともに、所定の温度を超える温度に燃料電池スタックの温度を上昇させるのに
必要であると予想される時間の長さに一致する。図２ａ〜図２ｄの経過温度のグ
ラフに基づくならば、約５分間の待機時間が設定されるであろう。本実施態様に
よれば、熱管理制御装置４５は、燃料電池スタックが所定の温度を超えるまで、
不凍液を加熱し続けるとともに燃料電池スタックの温度を比較し続け、それによ
って、燃料電池スタックを凝固点より高い温度に迅速に上昇させる。

【００４３】 いったん、燃料電池スタックの温度が、所定の温度を上まわると、あるいは、
燃料電池スタックが最初から所定の温度を超えると検出された場合、次に、ブロ
ック６０で、燃料電池スタックの温度が比較され、その温度が、所定の温度と、
燃料電池スタックの最適な作動温度との間にあるかどうか決定される。特定の燃
料電池スタックの最適な作動温度が、使用される燃料電池スタックの具体的な種
類に依存することは、容易に理解されるであろう。どのような特定の最適な温度
または温度範囲も使用されるので、本発明は、この点で限定されない。

【００４４】 ブロック６０において、回答が‘ＹＥＳ’の場合、燃料電池スタックは、凝固
点を超える温度で、しかもその最適な作動温度を超えない温度で、作動している
。始動が開始されるとき、次に、ブロック６２において、二次熱交換器３６と二
次熱管理ポンプ３４とを含む二次熱管理ループ３２が有効にされる。二次熱交換
器３６は、第２の所定の設定に、二次熱管理ループ３２内の不凍液を加熱するよ
うに制御される。第２の所定の設定は、第１の所定の温度と同程度の高さではな
いが、燃料電池スタックの温度をその最適な作動温度に上昇させるのには十分な
温度である。

【００４５】 図３ｂのブロック６４には、熱管理制御装置４５が、再度、所定の温度を温度
検出器４７により検出される温度と比較する前に、所定の時間の間、待機するの
が示される。所定の時間の長さは、先に説明した、ブロック５８において設定さ
れた時間の長さと同じ長さに設定される。従って、本発明の実施態様によれば、
熱管理制御装置４５は、燃料電池スタックが最適な作動温度を超えるまで、不凍
液を加熱し続けるとともに燃料電池スタックの温度を比較し、それによって、確
実に燃料電池スタックを凝固点より高い温度に維持する。

【００４６】 燃料電池スタックの検出される温度が、所定の温度ばかりでなく最適な作動温
度も超えると、ブロック６６において、二次熱管理ループ３２が無効にされる。
この場合、燃料電池スタックにとっての危険は、もはや凝固温度にはなく、有害
な高い温度にある。次に、熱管理制御装置４５は、ブロック６８に進み、そこで
、一次熱管理ループ３１が有効にされ、それによって、先に説明した方法で、燃
料電池スタックの十分な水管理と熱管理が提供される。

【００４７】 図３ｂには、さらに、熱管理制御装置４５は、燃料電池スタックの温度を継続
してモニタするように戻っており、一次および二次熱管理ループ３１、３２を、
それぞれ、効果的に有効にすることができることが示される。

【００４８】 従って、本発明は、２つの熱管理ループ３１、３２を有する二重熱管理ループ
装置３０を提供する。熱管理ループ３１、３２のそれぞれは、互いにおよび燃料
電池スタック１０と熱的に連通しており、しかも、独立して自己充足しており、
さらに、拡散するように連通していない。実際、二次熱管理ループ３２は、燃料
電池スタック１０のどのような部分とも拡散するように連通していない。

【００４９】 さらに、本発明によって、有利なことには、多孔質のアノード電極の流れの場
のプレートと多孔質のカソード電極の流れの場のプレートの両方を有する個々の
燃料電池装置を含む燃料電池スタックの中ばかりでなく、多孔質のアノード電極
およびカード電極の流れの場のプレートを１つだけ有する個々の燃料電池装置を
含む燃料電池スタックの中にも、冷却プレート２２を組み込むことができる。

【００５０】 また、本発明の冷却プレート２２は、有利なことには、燃料電池スタックの個
々の燃料電池装置から拡散しないように隔離されている別々の構造構成単位とし
て形成される。このようにして、使用する燃料電池の種類に拘わらず、不凍液流
と反応物流の間で相互に汚染する恐れなく、冷却プレート２２は、燃料電池スタ
ックの長さに沿ったどのような位置にも点在させることができる。

【００５１】 燃料電池スタック１０について説明してきたが、より広い本発明の態様から逸
脱することなく、カスケード流構成などの他の燃料電池構成を使用することがで
きるので、本発明は、この点で限定されないことは、容易に明らかになるであろ
う。また、燃料電池スタック１０の温度は、単一の温度検出器４７によって、あ
るいは、代替する別の方法、例えば、間隔の開いた複数の温度検出器を平均する
こと、冷媒流が一次熱交換器３５または一次熱管理ポンプ３３のいずれかに供給
される際に冷媒流の温度を決定すること、などによって、決定することができる
。

【００５２】 また、本発明は、別の選択肢として、燃料電池スタックが待機モード、その他
の状態にあるときに、燃料電池スタックをどのような好ましい温度に維持するの
にも使用することができる。

【００５３】 本発明は、好ましい実施態様について説明してきたが、本発明の実質的な範囲
から逸脱することなく、さまざまな自明の変更を行い得るとともに、本発明の構
成要素を、等価物に置換し得ることは、当業者には理解されるであろう。従って
、本発明は、開示された特定の実施態様に限定するものでなく、本発明は、特許
請求の範囲の中に含まれる全ての実施態様を含むものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施態様による、直列に配置されるとともに冷却プレートと熱的に
接触している２つのＰＥＭ型燃料電池を通して取った断面図。

【図２ａ】 燃料電池スタック全体に亘って複数の異なる位置のうちの１つに点在する冷却
プレートの経過温度のグラフを示す図。

【図２ｂ】 燃料電池スタック全体に亘って複数の異なる位置のうちの１つに点在する冷却
プレートの経過温度のグラフを示す図。

【図２ｃ】 燃料電池スタック全体に亘って複数の異なる位置のうちの１つに点在する冷却
プレートの経過温度のグラフを示す図。

【図２ｄ】 燃料電池スタック全体に亘って複数の異なる位置のうちの１つに点在する冷却
プレートの経過温度のグラフを示す図。

【図３ａ】 本発明の一実施態様による熱管理装置の簡略模式図。

【図３ｂ】 本発明の一実施態様による熱管理装置の流れ図。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１３年４月５日（２００１．４．５）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＥ，ＡＬ，Ａ Ｍ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ， ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ， ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，Ｚ Ｗ

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の熱管理ループを有する、燃料電池スタック用の熱管理装
   置であって、 前記燃料電池スタックと熱的に連通する一次熱管理ループと、 前記燃料電池スタックと熱的に連通する二次熱管理ループと、 を備え、前記一次熱管理ループと前記二次熱管理ループとは、互いに拡散しな
   いように隔離されていることを特徴とする熱管理装置。
2. 【請求項２】 前記一次熱管理ループは、冷媒を循環させるとともに、前記燃
   料電池スタックと拡散するように連通し、 前記二次熱管理ループは、不凍液を循環させるとともに、さらに前記燃料電
   池スタックから拡散しないように隔離されていることを特徴とする請求項１記載
   の熱管理装置。
3. 【請求項３】 前記不凍液だけを循環させるように適合された冷却プレートを
   、さらに備えることを特徴とする請求項２記載の熱管理装置。
4. 【請求項４】 前記複数の熱管理ループは接触しており、 前記燃料電池スタックは、複数の電気的に接続された燃料電池装置を含み、 前記一次熱管理ループは、前記燃料電池スタック内の前記燃料電池装置のそ
   れぞれの周りに前記冷媒を循環させ、 前記二次熱管理ループは、前記燃料電池スタックに沿って前記燃料電池装置
   の間に点在する位置に、前記不凍液を循環させることを特徴とする請求項２記載
   の熱管理装置。
5. 【請求項５】 前記燃料電池装置は、多孔質のアノード電極の流れの場のプレ
   ートと多孔質のカソード電極の流れの場のプレートとを含むことを特徴とする請
   求項４記載の熱管理装置。
6. 【請求項６】 前記点在する位置は、前記燃料電池装置４〜１２台毎であるこ
   とを特徴とする請求項４記載の熱管理装置。
7. 【請求項７】 前記燃料電池スタック内の温度に相当するデータを生成する温
   度検出器と、 前記不凍液を加熱する熱交換器と、 前記温度検出器からデータを受け取るとともに、このデータに従って、前記
   熱交換器を調節する熱管理ループ制御装置と、 をさらに備えることを特徴とする請求項４記載の熱管理装置。
8. 【請求項８】 前記熱交換器は、前記不凍液を約２００°Ｆに加熱可能な熱交
   換器から構成され、 前記不凍液は、少なくとも約−４０°Ｆの温度まで流体として存在可能な不
   凍液からなることを特徴とする請求項７記載の熱管理装置。
9. 【請求項９】 前記熱管理ループ制御装置は、前記データが、前記燃料電池ス
   タック内の温度が３２°Ｆ以下であることを示すときに、前記熱交換器を活性化
   することを特徴とする請求項８記載の熱管理装置。
10. 【請求項１０】 前記熱管理ループ制御装置は、前記燃料電池スタック内の温
    度を３２°Ｆを超える温度に維持するように、前記熱交換器を活性化することを
    特徴とする請求項８記載の熱管理装置。
11. 【請求項１１】 冷却プレートと、複数の電気的に接続された燃料電池装置と
    を有する燃料電池スタックの熱管理方法であって、 前記燃料電池スタック内の前記燃料電池装置のそれぞれの周りに冷媒流を循
    環させ、 前記燃料電池スタックに沿って点在する位置で前記燃料電池装置の間に不凍
    液流を循環させ、 前記不凍液を加熱し、 前記不凍液のみを循環させるように前記冷却プレートを適合させる、 ことを含むことを特徴とする熱管理方法。
12. 【請求項１２】 確実に前記冷媒流と前記不凍液とを、互いにおよび前記燃料
    電池スタックと熱的に連通させながら、前記冷媒流と前記不凍液流とを互いに拡
    散しないように隔離することを、さらに含むことを特徴とする請求項１１記載の
    熱管理方法。
13. 【請求項１３】 前記燃料電池スタックの温度を検出し、 前記検出された温度に従って、前記冷媒流と前記不凍液流を制御することを
    、さらに含むことを特徴とする請求項１２記載の熱管理方法。
14. 【請求項１４】 前記燃料電池スタックを３２°Ｆを超える温度に維持するよ
    うに、前記不凍液の加熱を活性化することを、さらに含むことを特徴とする請求
    項１３記載の熱管理方法。
15. 【請求項１５】 前記検出された温度が３２°Ｆ以下であるときに、前記不凍
    液の加熱を活性化することを、さらに含むことを特徴とする請求項１３記載の熱
    管理方法。