JP2005129537A - 加熱および／または冷却回路を備えた燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱および／または冷却回路を備えた燃料電池を改良して、燃料電池の運転温度の、より良好な制御および／または調整が可能であるようにする。
【解決手段】燃料電池（１）を通過する内的な加熱および／または冷却媒体流の調整のために、バイパス弁（５）が存在しており、それにより選択的に、冷却媒体流の少なくとも一部分のための、内的な冷却媒体流に対して並列に延びるバイパス管路（２７）が制御されるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、内的な加熱および／または冷却回路を備えた燃料電池であって、該内的な加熱および／または冷却回路が外的な加熱および／または冷却回路に熱的に結合されている形式のものに関する。

燃料電池または燃料電池モジュールはとりわけ「力・熱・結合システム（Ｋｒａｆｔ−Ｗａｅｒｍｅ−Ｋｏｐｐｌｕｎｇｓｓｙｓｔｅｍ：ＫＷＫ−Ｓｙｓｔｅｍ）」のために使用される。以下、燃料電池または燃料電池モジュールに関して、それが個別的な燃料電池であるか、または単数または複数の、任意に接続された燃料電池が互いに結合されている燃料電池モジュールであるかどうかで区別することはしない。以下、ここでは極めて一般的に「燃料電池」という概念を使用する。

力・熱・結合システムは、電気的なエネルギならびにこの電気的なエネルギの生成時に発生する熱を当該のシステムに送り込むように構想されている。燃料電池を可能な限り良好な電気的な効率で運転し、かつこの条件下で生じる排熱をシステムに送り込むことが試みられる。

燃料電池のための可能な限り良好な効率を達成するために、燃料電池は可能な限り一定の、決められた運転温度で運転されねばならない。運転温度は燃料電池のタイプに依存している。「固体高分子膜型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ−Ｅｌｅｋｔｒｏｌｙｔ−Ｍｅｍｂｒａｎ−Ｚｅｌｌｅ：ＰＥＭ−Ｚｅｌｌｅ）」は今日典型的には８０℃から９０℃で運転される。

その際、燃料電池もしくは燃料電池モジュールは有利には、単数または複数の燃料電池を取り囲むように、かつ場合によっては燃料電池間にも、冷却装置が取り付けられているように構成されている。冷却装置を通して、冷却媒体流が通流できる。原理的に、燃料電池は、燃料電池内で発生する排熱を受容して、燃料電池もしくは燃料電池モジュールから再導出するために、ガス状の媒体、例えば空気によっても冷却されることができる。このために、燃料電池に出入りする入口のための適当な接続部が設けられている。

燃料電池に要求され、しかも変動を免れない電気的な出力に応じて、燃料電池はこれに依存して多かれ少なかれ排熱を生成する。これにより、燃料電池の運転温度を調整するための適当な手段を講じることが必要である。燃料電池のための冷却回路を調整するそのような手段は例えばアメリカ合衆国特許第６０８７０２８号明細書に見て取れる。その場合、燃料電池のための冷却回路に配置された冷却器がベンチレータにより冷却され、熱が外部に導出される。ベンチレータの起動制御はインテリジェント回路を介して実施される。

そのような装置は燃料電池を特定の運転範囲に調整することができる。しかしながらこのために、変動する調整パラメータに基づいて、常に、最適な運転温度からの偏差が生じる。特に、変動する外気温が付加的に考慮されねばならない場合、燃料電池のための最適な運転温度を調整する際に問題が生じる。外気温は例えば季節の移り変わりという観点で見れば−２０℃〜＋３５℃または＋４０℃、またはそれ以上にもなる場合がある。

外気温のそのような変動時に、燃料電池の効率は著しく損なわれ、燃料電池の経済性は相応に低下することになる。
アメリカ合衆国特許第６０８７０２８号明細書

それゆえ、本発明の課題は、加熱および／または冷却回路を備えた燃料電池を改良して、燃料電池の運転温度の、より良好な制御および／または調整が可能であるようにすることである。

上記課題を解決した本発明の構成によれば、燃料電池を通過する内的な加熱および／または冷却媒体流の調整のために、バイパス弁が存在しており、それにより選択的に、冷却媒体流の少なくとも一部分のための、内的な冷却媒体流に対して並列に延びるバイパス管路が制御されるようにした。

従属請求項に記載された手段により、本発明の有利な構成および変化形が可能である。

本発明のように構成されていると、燃料電池を通過する加熱および／または冷却媒体流の入口と出口との間の温度差の、可能な限り正確な調整が達成され得る。それにより、燃料電池の運転温度はある範囲内で、外的な加熱／冷却回路とは無関係に、燃料電池のための可能な限り良好な効率が保証され得るように調整されることができる。

第１の実施形態では、燃料電池の加熱および／または冷却需要に依存した、燃料電池を通過する加熱および／または冷却媒体流の調整のためにバイパス弁に働く制御および／または調整ユニットが存在しているようになっていることができる。

適当な制御および／または調整ユニットにより、バイパス弁を、燃料電池の運転点および外的な加熱／冷却回路の状態に依存して調整することが可能である。すなわち、どれだけ多くの電気的なエネルギが燃料電池から取り出されるかに応じて、燃料電池は暖まることになるが、この上昇する温度に応じて、バイパス弁は制御ユニットおよび／または調整ユニットにより調節されることができる。その結果、これによりやはり、燃料電池を通過する加熱および／または冷却媒体流の入口と出口との間の、可能な限り最適な温度差が生ぜしめられることができる。

加えて、別の有利な構成では、バイパス弁のための制御および／または調整ユニットを燃料電池の運転のために、最適な温度差が、燃料電池を通過する加熱および／または冷却媒体流の入口と出口との間で生じるように形成する。これにより、高い効率が達成される。

本発明の別の実施形態では、バイパス弁のための制御および／または調整ユニットを燃料電池の運転のために、変動する外気温条件に依存しない温度差が、燃料電池を通過する加熱および／または冷却媒体流の入口と出口との間で生じるように形成することができる。

これにより付加的に、燃料電池のための効率の改善が達成され得る。その結果、燃料電池はある範囲内で、外的な加熱／冷却回路とは無関係に、例えば夏でも冬でもその最適な運転温度域で運転されることができる。

加えて、加熱および／または冷却回路内の加熱および／または冷却媒体流を圧送するために、有利にはポンプが設けられていてもよい。このポンプにより、加熱および／または冷却媒体流は明らかに良好に循環させられることができる。

加えて、特別な実施形態では、このポンプまたは第２のポンプにより、燃料電池の、最適な温度差の考慮下での急速なウォームアップのための短絡運転時に、加熱および／または冷却媒体流が圧送されるようになっていることができる。これにより、例えば燃料電池の始動運転時に、燃料電池の、電気的なエネルギの生成時に生じる排熱が、燃料電池自体の付加的な予熱のために使用されることができる。その際、加熱および／または冷却媒体流の循環により、可能な限り均等な温度分布が燃料電池内に生ぜしめられる。これにより、やはり最適な温度差が、燃料電池を通過する加熱および／または冷却媒体流の入口と出口との間で生じる。

別の実施形態では、熱交換器が燃料電池の加熱および／または冷却回路に、外的な加熱および／または冷却回路に熱流を出力結合するために設けられていることができる。これに対して改良された実施形態では、熱交換器が、外的な加熱および／または冷却回路から熱流を入力結合するために設けられていることができる。これにより例えば、燃料電池を始動運転時に、外的に供給される熱により、急速にその運転温度へともたらすことが可能であるので、これによりやはり、燃料電池もしくは燃料電池システムの効率が改善される。

加えて、燃料電池を可能な限り急速にその最適な運転温度へともたらすために、例えば、外的な加熱装置から熱が引き出されるか、または場合によっては外的に存在する蓄熱器から熱が引き出されるようになっていることができる。加えて、やはり付加的に単数または場合によっては複数のポンプが、外的な加熱および／または冷却回路に設けられていることができる。同様に、この外的な加熱および／または冷却回路に、バーナまたは熱を生成する同等の装置が設けられていることもできる。

場合によっては、この外的な加熱および／または冷却回路に、別の加熱および／または冷却体が配置されていてもよい。加熱および／または冷却体を介して、燃料電池運転中に放出される排熱が有意義に利用されることができる。

これに対して改良された実施形態では、熱交換器が、燃料電池のアノード残留ガスのための管路から燃料電池の加熱および／または冷却回路に熱流を入力結合するために設けられていることができる。これにより付加的に、システム全体の効率を改善することが可能になる。

別の実施形態ではやはり、熱交換器が、燃料電池の排気のための管路から燃料電池の加熱および／または冷却回路に熱流を入力結合するために設けられていることが可能である。これによっても、力・熱・結合システムの効率は相応に改善されることができる。

力・熱・結合システムの、さらに良好な効率を達成するために、これに対してさらに改良された別の実施形態では、熱交換器が、ガスもしくは燃料処理装置から燃料電池の加熱および／または冷却回路に熱流を入力結合するために設けられていることができる。これにより、ガスもしくは燃料の処理時に発生する残留熱が、力・熱・結合システムの効率をさらに改善するために利用されることができる。

そのような実施形態では例えば、燃料電池の上流に接続されたガスもしくは燃料処理装置から延びるガスもしくは燃料供給部が設けられていることができる。これにより、例えば上流に接続されたガスもしくは燃料処理部を備えたコンパクトな燃料電池装置が実現されることができ、ガスもしくは燃料処理部は付加的にその排熱の利用によりシステム全体の効率の改善を可能にする。

バイパス弁を配置するに当たって、本明細書では、バイパス弁が燃料電池の上流にも下流にも配置されていてよいことを明記しておく。決定的であるのは、加熱および／または冷却媒体流を、燃料電池自体を通流する加熱および／または冷却媒体流に対して並列に案内することだけである。その結果、必要に応じて、加熱および／または冷却媒体流の１００％〜０％を、燃料電池を通して案内する、もしくは相応に０％〜１００％を並列に燃料電池を避けて案内することができる。

すなわち、燃料電池の暖機運転中に、燃料電池を可能な限り急速かつ均等にその運転温度へともたらすために、全ての加熱および／または冷却媒体流が有利には燃料電池を通して案内される。ここで付加的に、上に述べた別の熱源、例えば燃料電池の上流に接続されたガスもしくは燃料処理装置の熱交換器からの熱が、加熱および／または冷却回路に導入されると、加熱および／または冷却媒体流の一部は並列に燃料電池を避けて案内されることができる。その結果、燃料電池はこれまでと同様に、燃料電池を通して案内される加熱および／または冷却媒体流のための入口と出口との間の、燃料電池の最適な運転温度に合致した温度差を有することになる。

加えて例えば、少なくとも１つのポンプがその圧送出力の点で調整可能であることもできる。それにより、燃料電池を通るもしくは燃料電池を迂回する、単位時間当たりの体積流量に影響を及ぼすこともできる。

一般に、力・熱・結合システムの効率を改善するために適した全ての可能な熱源が、入力結合のために使用されることができる。それにより、そのような付加的な熱源からの付加的な熱の供給に応じて、バイパス弁および場合によっては加熱および／または冷却媒体流の体積流量は、燃料電池のための最適な温度差を達成するために調節されねばならない。

制御ユニットおよび／または調整ユニットに関して例えば、特性マップ制御部が、温度および／または外的な加熱・冷却回路の状態および／または付加的な熱源の温度パラメータに依存して、加熱および／または冷却回路を通るかつ／または燃料電池の冷却装置を通る加熱および／または冷却媒体流の通流量を制御する。

さらに、例えば燃料電池自体の運転温度、燃料電池への流入温度および燃料電池からの流出温度ならびに場合によっては加熱および／または冷却媒体流の体積流量が考慮されることができる。そのような事例は、加熱および／または冷却媒体流のための調整であることができる。もちろん、バイパス弁の弁位置が、燃料電池を通る加熱および／または冷却媒体流の調整のために考慮されてもよい。このために、例えばサーモスタット制御式のバイパス弁が使用されてもよい。

以下に図面を参照しながら本発明の実施例につき詳説する。

添付図面には、加熱および／または冷却回路２を備えた燃料電池１が示されている。加熱および／または冷却回路２は外的な加熱および／または冷却回路４に熱交換器３により熱的に結合されている。燃料電池１を通流する加熱および／または冷却媒体流に対して並列に、管路２７が設けられている。管路２７はバイパス弁５を用いて、燃料電池１を通流する加熱および／または冷却媒体流の割合を決定する。

バイパス弁５の調節次第で、加熱および／または冷却媒体流は０％から１００％の間で燃料電池１を通流することができ、また逆に言えば、１００％から０％の間で、燃料電池１に対して並列に案内された管路２７を通流することができる。

加熱および／または冷却回路２には、電気的なエネルギの生成時に発生する排熱を外的な加熱および／または冷却回路４に放出するために、熱交換器３が介在している。さらに、この加熱および／または冷却回路２には、別の熱交換器８，２９，３０が組み込まれていることができる。これらの３つの熱交換器は破線で図示されている。すなわち、これらの熱交換器は選択的に存在している。

その際、熱交換器８は、有利な構成で設けられているガスもしくは燃料処理装置９に結合されている。ガスもしくは燃料処理装置９で発生する排熱は熱交換器８を介して加熱および／または冷却回路２に入力結合されることができる。この熱は例えば、もし燃料電池１がこの熱量の供給によりその最適な運転温度を超えてしまうようであれば、バイパス弁５により燃料電池１を避けて案内されることができる。同様に、より多くの熱を加熱および／または冷却回路２に通すためには、ポンプ６の出力上昇による、単位時間当たりの体積流量の上昇が可能である。

管路２４，２５，２６は燃料電池１のための加熱および／または冷却回路２を成す。さらに、燃料電池１に対して並列に、管路２７が設けられている。管路２７は結節点２３で分岐し、バイパス弁５へと案内される。その結果、この管路を流れる加熱および／または冷却媒体流は燃料電池１を避けて案内されることができる。

さて、特別な実施形態では、やはりこの管路２７に対して、ひいては燃料電池１を通流する冷却媒体流に対して、別の管路３４が設けられていることができる。管路３４は管路２６に設けられた結節点３２から管路２５に設けられた結節点３３に通じる。さらに、この管路３４には、ポンプ３１が組み込まれている。ポンプ３１は燃料電池１のための始動運転時に、燃料電池の加熱および／または冷却媒体流のための短絡を生ぜしめる。それにより、燃料電池１の、可能な限り急速かつ均等なウォームアップが可能になる。

選択的に存在するガスもしくは燃料処理装置９はガスもしくは燃料供給管路１８、空気もしくは酸素供給管路１９および場合によっては水供給管路２０を装備している。ガスもしくは燃料供給管路２１を介して、燃料電池１のガスもしくは燃料供給部１３のための接続部１０およびこれに接続された管路に、ガスもしくは燃料が供給されることができる。接続部２２を介して管路１２に、燃料電池１のために空気もしくは酸素が供給されることができる。

管路１４を介して、燃料電池１から出る排気が取り出され、場合によっては存在する熱交換器３０に排熱の利用のために供給されることができる。管路１５を介して、アノード残留ガスが取り出され、場合によっては存在する熱交換器２９にやはり、アノード残留ガス中に存在する残留熱の取り込みのために供給されることができる。アノード残留ガスおよび排気の、以後の案内はここでは熱交換器から延びる矢印方向により図示されているにすぎない。同様に、外的な加熱回路４での入力結合も有意義である。それというのも、そのことによって、凝縮熱の、より良好な利用が達成され得るからである。

加熱または冷却回路２内の加熱および／または冷却媒体流に流動を起こすために、管路２４と管路２５との間に、ポンプ６が組み込まれている。このポンプ６は加熱および／または冷却媒体流をバイパス弁５の位置に応じて全部または部分的にのみ、燃料電池１に設けられた冷却装置を通して圧送する。これにより、燃料電池１は冷却されることができる。しかし、バイパス弁５の相応の位置で、加熱および／または冷却媒体流は燃料電池１を並列に避けて熱交換器３へと案内され、この熱交換器３からさらに管路２６へと案内されることもできる。

その際、本発明の特別な実施形態では、ポンプ６がその出力の点で調整可能であるようになっている。

電気的な接続部１６，１７を介して、燃料電池１により生成された電気的なエネルギが取り出されることができる。

外的な加熱および／または冷却回路のために、図面には、外的な加熱および／または冷却装置７が示されている。外的な加熱および／または冷却装置７は管路２８を介して熱交換器３に接続されている。その際、実線で、この加熱および／または冷却媒体流の流動方向が示されている。破線で示した矢印により、この加熱および／または冷却媒体流の反転方向が示されており、この反転方向は外的な予熱が燃料電池１のために実施されるべき場合のために設けられている。外的な加熱および／または冷却装置内には、ポンプ、アキュムレータ、バーナ、弁および加熱体を、外的な加熱および／または冷却装置のさらに可能な構成要素の例として表示するシンボルが記入されている。

加熱および／または冷却回路を備えた燃料電池の例示的な構造を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池、 ２ 加熱および／または冷却回路、 ３ 熱交換器、 ４ 外的な加熱および／または冷却回路、 ５ バイパス弁、 ６ ポンプ、 ７ 外的な加熱および／または冷却装置、 ８ 熱交換器、 ９ ガスもしくは燃料処理装置、 １０ 接続部、 １２ 管路、 １３ ガスもしくは燃料供給部、 １４ 管路、１５ 管路、 １６ 接続部、 １７ 接続部、 １８ ガスもしくは燃料供給管路、 １９ 空気もしくは酸素供給管路、 ２０ 水供給管路、 ２１ ガスもしくは燃料供給管路、 ２２ 接続部、 ２３ 結節点、 ２４ 管路、 ２５ 管路、 ２６ 管路、 ２７ 管路、 ２８ 管路、 ２９ 熱交換器、 ３０ 熱交換器、 ３１ ポンプ、 ３２ 結節点、 ３３ 結節点、 ３４ 管路

Claims (12)

1. 内的な加熱および／または冷却回路を備えた燃料電池であって、該内的な加熱および／または冷却回路が外的な加熱および／または冷却回路に熱的に結合されている形式のものにおいて、燃料電池（１）を通過する内的な加熱および／または冷却媒体流の調整のために、バイパス弁（５）が存在しており、それにより選択的に、冷却媒体流の少なくとも一部分のための、内的な冷却媒体流に対して並列に延びるバイパス管路（２７）が制御されることを特徴とする、加熱および／または冷却回路を備えた燃料電池。
2. 燃料電池（１）の加熱および／または冷却需要に依存した、燃料電池を通過する加熱および／または冷却媒体流の調整のためにバイパス弁（５）に働く制御および／または調整ユニットが存在している、請求項１記載の燃料電池。
3. バイパス弁（５）のための制御および／または調整ユニットが燃料電池（１）の運転のために、最適な温度差が、燃料電池を通過する加熱および／または冷却媒体流の入口と出口との間で生じるように形成されている、請求項１または２記載の燃料電池。
4. バイパス弁（５）のための制御および／または調整ユニットが燃料電池（１）の運転のために、変動する外気温条件に依存しない温度差が、燃料電池（１）を通過する加熱および／または冷却媒体流の入口と出口との間で生じるように形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃料電池。
5. ポンプ（６）が、加熱および／または冷却回路（２）内の加熱および／または冷却媒体流を圧送するために設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃料電池。
6. ポンプ（３１）が、燃料電池（１）の、最適な温度差の考慮下での急速なウォームアップのための、燃料電池（１）の短絡運転時に、加熱および／または冷却媒体流を圧送するために設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃料電池。
7. 熱交換器（３）が加熱および／または冷却回路（２）に、外的な加熱および／または冷却回路（４）に熱流を出力結合するために設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃料電池。
8. 熱交換器（３）が加熱および／または冷却回路（２）に、外的な加熱および／または冷却回路（４）から熱流を入力結合するために設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃料電池。
9. 熱交換器（２９）が、燃料電池（１）のアノード残留ガスのための管路（１５）から燃料電池（１）の加熱および／または冷却回路（２）に熱流を入力結合するために設けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載の燃料電池。
10. 熱交換器（３０）が、燃料電池（１）の排気のための管路（１４）から燃料電池（１）の加熱および／または冷却回路（２）に熱流を入力結合するために設けられている、請求項１から９までのいずれか１項記載の燃料電池。
11. 熱交換器（８）が、ガスもしくは燃料処理装置（９）から燃料電池（１）の加熱および／または冷却回路（２）に熱流を入力結合するために設けられている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の燃料電池。
12. 燃料電池（１）の上流に接続されたガスもしくは燃料処理装置（９）から延びるガスもしくは燃料供給部（２１）が設けられている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の燃料電池。

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