JP2006500739A

JP2006500739A - 燃料電池スタックのための低コストの誘電性冷却剤

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Publication number: JP2006500739A
Application number: JP2004537731A
Authority: JP
Inventors: アブド・エルハミド，マーモウド・エイチ; ミクハイル，ヨーゼフ・モーコス; ブランク，リチャード・エイチ; リシ，ダニエル・ジョン
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-09-23
Filing date: 2003-09-05
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2023-09-05
Also published as: CN1330032C; DE10393789B4; AU2003270345A1; DE10393789T5; WO2004027892A2; AU2003270345A8; CN1701457A; US6740440B2; JP4339256B2; WO2004027892A3; US20040058210A1

Abstract

【解決手段】
燃料電池スタック（１）のための低コストの誘電性冷却剤に関する。本発明は、燃料電池、燃料電池システム、燃料電池及び燃料電池システムを冷却するための方法に関する。燃料電池は、電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生させるため燃料を酸素を反応させるように構成され、アノード（１１）と、アノード流れ経路と、カソード（１３）と、カソード流れ経路と、アノード及びカソードの間に配置された膜と、を備える。少なくとも１つの冷却剤流れ経路（１６）は、アノード流れ経路及びカソード流れ経路から流体的に分離され、冷却剤分離マニホルドを形成する。冷却剤分離マニホルドは、流体誘電性冷却剤を含み、該冷却剤は、灯油系炭化水素を含んでいる。該灯油系炭化水素は、ケロシン又はケロシン中の水滴型エマルジョンであってもよい。

Description

本発明は、概して、液体冷却式燃料電池に係り、より詳しくは、燃料電池、燃料電池システム、及び、燃料電池又は燃料電池システムを冷却するための方法に関する。

燃料電池は、電気エネルギーを生成するため、水素の酸化及び酸素の還元に頼っている。これらの触媒反応の副産物は水である。熱力学的には、燃料電池内にアノード及びカソードの両方が配置されているとき、アノードにおける水素燃料の酸化と、カソードにおける酸素の還元とは、約１．２３Ｖの電池電位を与える。しかし、実際の測定値は、典型的には、約１Ｖである。電池電圧におけるこの差異は、主要には、電池電圧においてほとんど２００ｍＶの損失にもなるカソードのゆっくりとした化学速度反応に起因している。電池電圧におけるこの損失の結果は、燃料電池内の余剰熱の存在を示唆している。そのような余剰熱の除去が、燃料電池構成部品の有用寿命を増加させる上で本質的である。

多数の燃料電池が、電気的出力を増大させるためスタック内に配列されているとき、熱発生は、かなり高くなる。その結果、そのような余剰熱を除去するため、高い熱容量を持ち、典型的には約−４０℃から約１４０℃の温度で物理的に安定した冷却剤が用いられる。従来の燃焼エンジン車両で使用される水性冷却剤は、この範囲内に属し、典型的には、エチレングリコール及び水の混合物を含んでいる。しかし、今日の燃料電池スタックの設計は、冷却剤が非導電性（誘電性）であることを要求している。冷却剤が相当の伝導度を有する場合、冷却剤で誘起された様々なスタックの問題を惹起する。このように問題には、燃料効率を減少させる逸れ電流、燃料電池内で圧力を増大させて排気が必要となるヘッダー領域内でのガス形成（Ｏ_２及びＨ_２）、冷却剤の劣化、コーティングの膨れや腐食の加速を始めとしたスタック構成部品の酸素による劣化等が含まれている。

当該技術分野で知られているものは、冷却剤中の不純物を取り除き、その低い伝導度を維持するため消イオン水とのイオン交換樹脂の使用である。しかし、消イオン水の使用は、温度が−４０℃に到達し得る厳しい冬の天候を経験する領域に制限されている。この温度では、水は凍り付き、スタックにとって適切な冷却剤とはならないであろう。

更に知られているものは、純粋な誘電性冷却剤（ＭＯ，セントルイス、ソルティア社から市販されている、サーミナル（Ｒ）−Ｄ）の使用である。純粋な誘電体として、流体は、電流がスタックのヘッダー領域を通って流れることを可能にしない。しかし、コスト、並びに、燃料電池スタックで現在用いられているガスケットとの冷却材の非互換性により、そのような誘電性冷却剤の使用は、実用的ではない。

従って、本願発明者らは、燃料電池スタックのための液体冷却剤技術における改善の必要性を認めた。

本発明は、燃料電池スタックのための低コストの容易に利用可能な誘電性冷却剤を提供することにより、上述した必要性を充足する。本発明は、特定の作用効果に限定されるものではないが、冷却剤が誘電性であり、イオン輸送が可能ではないため、燃料電池スタックの構成部品に影響を及ぼさず、スタックのヘッダー領域上の逸れ電流により引き起こされる性能損失を可能とはしない。その結果、腐食抑制剤を、燃料電池構成部品のＯ_２劣化を抑制するため追加する必要はなくなる。本発明の誘電性冷却剤の熱容量は水性ベースの冷却剤よりも僅かに小さいが、本発明の冷却剤は、低い動粘性率を有しており、寄生的なポンプ出力が認められるほど増大すること無しに、消費熱を除去するため、より高い流量で該冷却剤を送り出すことを可能にしている。その上、誘電性冷却剤の比較的高い沸点は、燃料電池スタック及び冷却剤ループをより高い温度（〜１４０℃）で作動させることを可能にし、ラジエータから環境へ熱を排出する能力を増大させる。

一実施形態では、本発明は、電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成された燃料電池を提供する。燃料電池は、アノード流れ経路と、アノードと、カソード流れ経路と、カソードと、アノードとカソードとの間に配置された膜と、少なくとも１つの冷却剤流れ経路と、を備える。アノード流れ経路は、燃料電池の少なくとも一部分を通して燃料を配送するように構成される。アノードは、アノード流れ経路と流体連通し、燃料との触媒反応が発生するように構成される。カソード流れ経路は、燃料電池の少なくとも一部分を通して酸素を配送するように構成される。カソードは、カソード流れ経路と流体連通し、酸素との触媒反応が発生するように構成される。膜は、燃料電池の作動中にアノードとカソードとの間で電解質を介した連通が確立されるように、アノードとカソードとの間に配置される。冷却剤流れ経路は、アノード流れ経路とカソード流れ経路とから流体的に切り離される。該冷却剤流れ経路は冷却剤分離マニホルドを形成し、該冷却剤分離マニホルドは、流体誘電性冷却剤を含み、該流体誘電性冷却剤は、灯油系炭化水素を含んでいる。

別の実施形態では、本願発明は、電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成された燃料電池を提供する。燃料電池は、アノード流れ経路と、アノードと、カソード流れ経路と、カソードと、アノードとカソードとの間に配置された膜と、少なくとも１つの冷却剤流れ経路と、再循環アッセンブリと、を備える。アノード流れ経路は、燃料電池の少なくとも一部分を通して燃料を配送するように構成される。アノードは、アノード流れ経路と流体連通し、燃料との触媒反応が発生するように構成される。カソード流れ経路は、燃料電池の少なくとも一部分を通して酸素を配送するように構成される。カソードは、カソード流れ経路と流体連通し、酸素との触媒反応が発生するように構成される。膜は、燃料電池の作動中にアノードとカソードとの間で電解質を介した連通が確立されるように、アノードとカソードとの間に配置される。冷却剤流れ経路は、アノード流れ経路とカソード流れ経路とから流体的に切り離される。該冷却剤流れ経路は、入口及び出口を備え、且つ、流体誘電性冷却剤を含む冷却剤分離マニホルドを形成し、該流体誘電性冷却剤は、灯油系炭化水素を含んでいる。再循環アッセンブリは、再循環流れ経路、ポンプ及びラジエータを有する。該再循環流れ経路は、冷却剤分離マニホルド入口と、冷却剤分離マニホルド出口と、を流体的に接続する。

更に別の実施形態では、本発明は、燃料電池スタックを備える燃料電池システムを提供する。該燃料電池スタックは、複数の燃料電池を備え、該燃料電池の各々は、電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成される。燃料電池の各々は、アノード流れ経路と、アノードと、カソード流れ経路と、カソードと、アノードとカソードとの間に配置された膜と、少なくとも１つの冷却剤流れ経路と、を備える。アノード流れ経路は、燃料電池の各々の少なくとも一部分を通して燃料を配送するように構成される。アノードは、アノード流れ経路と流体連通し、燃料との触媒反応が発生するように構成される。カソード流れ経路は、燃料電池の各々の少なくとも一部分を通して酸素を配送するように構成される。カソードは、カソード流れ経路と流体連通し、酸素との触媒反応が発生するように構成される。膜は、各々の燃料電池の作動中にアノードとカソードとの間で電解質を介した連通が確立されるように、アノードとカソードとの間に配置される。冷却剤流れ経路は、アノード流れ経路とカソード流れ経路とから流体的に切り離される。該冷却剤流れ経路は冷却剤分離マニホルドを形成し、該冷却剤分離マニホルドは、流体誘電性冷却剤を含み、該流体誘電性冷却剤は、灯油系炭化水素を含んでいる。

更に別の実施形態では、本発明は、燃料電池スタックを備える燃料電池システムを提供する。該燃料電池スタックは、複数の燃料電池を備え、該燃料電池の各々は、電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成される。燃料電池の各々は、アノード流れ経路と、アノードと、カソード流れ経路と、カソードと、アノードとカソードとの間に配置された膜と、少なくとも１つの冷却剤流れ経路と、再循環アッセンブリと、を備える。アノード流れ経路は、燃料電池の各々の少なくとも一部分を通して燃料を配送するように構成される。アノードは、アノード流れ経路と流体連通し、燃料との触媒反応が発生するように構成される。カソード流れ経路は、燃料電池の各々の少なくとも一部分を通して酸素を配送するように構成される。カソードは、カソード流れ経路と流体連通し、酸素との触媒反応が発生するように構成される。膜は、各々の燃料電池の作動中にアノードとカソードとの間で電解質を介した連通が確立されるように、アノードとカソードとの間に配置される。冷却剤流れ経路は、入口及び出口を備え、且つ、流体誘電性冷却剤を含む冷却剤分離マニホルドを形成し、該流体誘電性冷却剤は、灯油系炭化水素を含んでいる。再循環アッセンブリは、再循環流れ経路、ポンプ及びラジエータを有する。該再循環流れ経路は、冷却剤分離マニホルド入口と、冷却剤分離マニホルド出口と、を流体的に接続する。

更になお別の実施形態では、本発明は、電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成された燃料電池を提供する工程を備える、燃料電池を冷却するための方法を提供する。本方法は、燃料電池を、アノードと、カソードと、該アノード及び該カソードの間に配置された膜とを備えるように構成し、燃料及び酸素をアノード及びカソードに各々配送するようにアノード流れ経路及びカソード流れ経路を構成し、少なくとも１つの冷却剤流れ経路を、アノード流れ経路及びカソード流れ経路から流体的に切り離すように構成する、各工程を更に備える。該冷却剤流れ経路は冷却剤分離マニホルドを形成し、該冷却剤分離マニホルドは、流体誘電性冷却剤を含み、該流体誘電性冷却剤は、灯油系炭化水素を含んでいる。

更になお別の実施形態では、本発明は、電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成された燃料電池を提供する工程を備える、燃料電池を冷却するための方法を提供する。本方法は、燃料電池を、アノードと、カソードと、該アノード及び該カソードの間に配置された膜とを備えるように構成し、燃料及び酸素をアノード及びカソードに各々配送するようにアノード流れ経路及びカソード流れ経路を構成し、少なくとも１つの冷却剤流れ経路を、アノード流れ経路及びカソード流れ経路から流体的に切り離すように構成する、各工程を更に備える。冷却剤流れ経路は、入口及び出口を備え、且つ、流体誘電性冷却剤を含む冷却剤分離マニホルドを形成し、該流体誘電性冷却剤は、灯油系炭化水素を含んでいる。更に、本方法は、再循環流れ経路、ポンプ及びラジエータを備える再循環アッセンブリを、該再循環流れ経路が、冷却剤分離マニホルド入口と、冷却剤分離マニホルド出口と、を流体的に接続するように構成し、流体誘電性冷却剤を冷却剤分離マニホルドを通して循環させ、これにより、該流体誘電性冷却剤が燃料電池から熱を引き出し、加熱された流体誘電性冷却剤が生成され、加熱された流体誘電性冷却剤を再循環経路を介して冷却剤分離マニホルドからラジエータへと循環させ、これにより該加熱された流体誘電性冷却剤が冷却され、冷却剤分離マニホルド入口へと戻る、各工程を更に備える。

更になお別の実施形態では、本発明は、複数の燃料電池を有する燃料電池スタックを提供する工程を備える、燃料電池システムを冷却するための方法を提供する。各々の燃料電池は、電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成される。本方法は、燃料電池を、アノードと、カソードと、該アノード及び該カソードの間に配置された膜とを備えるように構成し、燃料及び酸素をアノード及びカソードに各々配送するようにアノード流れ経路及びカソード流れ経路を構成し、少なくとも１つの冷却剤流れ経路を、アノード流れ経路及びカソード流れ経路から流体的に切り離すように構成する、各工程を更に備える。該冷却剤流れ経路は冷却剤分離マニホルドを形成し、該冷却剤分離マニホルドは、流体誘電性冷却剤を含み、該流体誘電性冷却剤は、灯油系炭化水素を含んでいる。

更になお別の実施形態では、本発明は、複数の燃料電池を有する燃料電池スタックを提供する工程を備える、燃料電池システムを冷却するための方法を提供する。各々の燃料電池は、電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成される。本方法は、燃料電池を、アノードと、カソードと、該アノード及び該カソードの間に配置された膜とを備えるように構成し、燃料及び酸素をアノード及びカソードに各々配送するようにアノード流れ経路及びカソード流れ経路を構成し、少なくとも１つの冷却剤流れ経路を、アノード流れ経路及びカソード流れ経路から流体的に切り離すように構成する、各工程を更に備える。該冷却剤流れ経路は冷却剤分離マニホルドを形成し、該冷却剤分離マニホルドは、入口及び出口を備え、且つ、流体誘電性冷却剤を含み、該流体誘電性冷却剤は、灯油系炭化水素を含んでいる。更に、本方法は、再循環流れ経路、ポンプ及びラジエータを備える再循環アッセンブリを、該再循環流れ経路が、冷却剤分離マニホルド入口と、冷却剤分離マニホルド出口と、を流体的に接続するように構成し、流体誘電性冷却剤を冷却剤分離マニホルドを通して循環させ、これにより、該流体誘電性冷却剤が燃料電池から熱を引き出し、加熱された流体誘電性冷却剤が生成され、加熱された流体誘電性冷却剤を再循環経路を介して冷却剤分離マニホルドからラジエータへと循環させ、これにより該加熱された流体誘電性冷却剤が冷却され、冷却剤分離マニホルド入口へと戻る、各工程を更に備える。

本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面と共に参照される本発明の次の詳細な説明からより完全に理解されよう。なお、請求項の範囲は、本願説明に記載された特徴及び利点の詳細な記載によってではなく、請求の範囲の記載によって画定される。

本発明の実施例の次の詳細な説明は、添付図面と関連させて読むとき、最も良く理解できる。該図面では、同様の構成は、同様の参照番号で指し示されている。
当業者は、図面中の要素が、簡単さ及び明瞭さのために図示されたものであり、必ずしもスケール通りには描かれていないことを認めるであろう。例えば、図面中の要素の寸法の中には、本発明の実施例の理解を改善させるため、他の要素に比べて誇張されたものが存在し得る。

本発明の一実施例によれば、電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生させるため燃料（典型的にはガス状水素）を酸素と反応させるように構成された、燃料電池が提供される。更に詳細を後述される燃料電池の他の構成部品の中で、燃料電池は、冷却剤分離マニホルドを形成する少なくとも１つの冷却剤の流れ経路を備えている。マニホルドは、燃料電池を冷却し、その構成部品の有用寿命を増大させるため用いられる流体誘電性冷却剤を備えている。

本発明のこの第１の実施例では、流体誘電性冷却剤は、灯油系炭化水素を含んでいる。「灯油系炭化水素」という用語は、パラフィン系及び／又はナフテン系の炭化水素をＣ_１０乃至Ｃ_１６の範囲内で少なくとも含む任意の精製石油留分を意味している。灯油系炭化水素は、灯油であってもよい。他の非誘電性の水性ベースの冷却剤は、灯油系炭化水素よりも高い熱容量を有するが、灯油系炭化水素の低い動粘性率は、より高い流量で配送することを可能にしている。灯油系炭化水素の熱容量は、（水に関する４．２Ｊ／ｇ／Ｋと比較して）約２．５Ｊ／ｇ／Ｋ以内とすることができ、約８０℃で約１０ｃＰ以下の粘性率、約０℃で約４０ｃＰ以下の粘性率を有する。これは、寄生的なポンプ出力の目に見えるほどの増大無しに、燃料電池からの消費熱の除去を容易にする。流体誘電性冷却剤を循環させるため要求されるポンプ出力は、追加の開いた冷却剤流れ経路を占有する二極式プレートを使用することにより減少させることができる。

低温環境で凍結し得る水性ベースの冷却剤とは異なり、本発明の灯油系炭化水素冷却剤の凝固点は、約−３５℃以下である。より詳しくは、灯油系炭化水素の凝固点は、約−４０℃乃至約０℃であり得る。その結果、灯油系炭化水素は、凍結に起因した冷却剤不能のおそれ無しに低温環境で用いることができる。

温度スペクトルの他端では、本発明の灯油系炭化水素冷却剤の沸点は、約８５℃以上である。より詳しくは、灯油系炭化水素冷却剤の沸点は、約１７５℃乃至約３２５℃であり得る。更には、灯油系炭化水素は、約３７．７℃乃至約６５．５℃の引火点を有し、約４４４°Ｆ（２２８℃）で自動引火し得る。灯油系炭化水素冷却剤の熱伝導度は、約０．１５Ｗ／ｍ−Ｋ以内であり得、より詳しくは、約０．０５乃至約０．４Ｗ／ｍ−Ｋである。本発明の灯油系炭化水素冷却剤の電気抵抗は、１８ＭΩｃｍ以上である。より詳しくは、灯油系炭化水素冷却剤の電気抵抗は、約０．２５乃至約４０ＭΩｃｍであり得る。

灯油系炭化水素の冷却剤としての使用は、燃料電池の有用寿命を延長することができる。水性ベースの冷却剤とは異なり、ケロシン等の灯油系炭化水素は、スタック構成部品を劣化させないからである。その結果、腐食抑制剤を、本発明の流体誘電性冷却剤に添加する必要はなくなる。

本発明の別の実施例によれば、流体誘電性冷却剤は、ケロシン中の水滴型のエマルジョンを含み得る。消イオン水を、エマルジョンを約０乃至約３０％の間で処方する際に使用することができる。エマルジョンは、灯油系炭化水素の冷却剤の熱容量を上げるため水の増大した熱容量（４．２Ｊ／ｇ／Ｋ）の利点を奏する。従って、ケロシン中の水滴型のエマルジョンである本発明の本実施例に係る流体誘電性冷却剤の熱容量は、約２．３２Ｊ／ｇ／Ｋとなる。熱容量のこの増大は、本発明の第１の実施例の純粋なケロシン冷却剤の非伝導特性及び低い粘性率をなおも維持しつつ得られる。ケロシン中の水滴型のエマルジョンの一つの典型的な例は、PuriNOx（Ｒ）であり、これは、ルブリゾル社（オハイオ州、ウィックリッフェ）から市販されている、汚染物減少ディーゼル燃料である。

本発明の更に別の実施例によれば、燃料電池スタックを形成するように結合された複数の燃料を備える燃料電池システムが提供される。スタック内の各々の燃料電池は、電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生させるため燃料を酸素と反応させるように構成されている。スタック内に備えられているものは、少なくとも１つの冷却剤流れ経路であり、これは、冷却剤分離マニホルドを形成する。該マニホルドは、流体誘電性冷却剤を含んでいる。この流体誘電性冷却剤は、灯油系炭化水素（即ち、ケロシン）、又は、ケロシン中の水滴型エマルジョンのいずれであってもよい。

流体誘電性冷却剤の伝導度は、燃料電池スタックのための冷却剤を選択するとき、かなり重要である。これは、主要には、反応性ガス並びに冷却剤を冷却剤流れ経路に分配するためヘッダー領域を用いるスタック設計のためである。このヘッダー領域では、１０Ｖ／ｃｍの電場が容易に達成される。水性冷却剤のイオン汚染は、伝導度を受容できないレベルにまで増大しかねず、ヘッダー領域で逸れ電流を生じさせる。

しかし、本発明に係る、ケロシンやケロシン中の水滴型のエマルジョンの冷却剤は、イオン輸送を可能とはしない誘電体である。その結果、汚染されたときでさえ、灯油系炭化水素、流体誘電性冷却剤は、スタック構成部品に影響を及ぼさず、スタックのヘッダー領域の逸れ電流に起因した性能損失を可能とはしない。そして、９０℃を超える温度で時期尚早に熱的に劣化するイオン交換樹脂とは異なり、本発明の誘電性冷却剤は、ラジエータのところで消費熱を効率的に排出するため遥かに高い温度でもイオン交換器無しで機能することができる。

本発明の更に別の実施例によれば、燃料電池及び燃料電池システムが提供され、各々は、少なくとも１つの冷却剤流れ経路と、再循環流れ経路、ポンプ及びラジエータを有する再循環アッセンブリと、を備えている。冷却剤流れ経路は、入口と、出口と、例えばケロシン又はケロシン中の水滴型エマルジョン等の灯油系炭化水素を含むことができる流体誘電性冷却剤と、を備える冷却剤誘電性冷却剤と、を含んでいる、冷却剤マニホルドを形成する。再循環流れ経路は、冷却剤分離マニホルド入口から延在し、ポンプ及びラジエータを冷却剤分離マニホルド出口へと流体的に接続する。再循環アッセンブリは、冷却剤流れ経路を通して冷却剤を循環させるように構成され、かくして消費熱を燃料電池又は燃料電池スタックから引き出し、それを再循環流れ経路を介してラジエータへと供給する。ラジエータは、冷却剤分離マニホルドに戻る再循環のため加熱された誘電冷却材から熱を除去する上で有効である任意のラジエータであってもよい。

本発明の燃料電池及び燃料電池システムは、各々、各燃料電池の少なくとも一部分を介して燃料を配送するように構成されたアノード流れ経路を更に備えている。アノードは、アノード流れ経路と流体連通し、該アノード流れ経路では、燃料との触媒反応が発生するように構成されている。更には、各々の燃料電池は、各燃料電池の少なくとも一部分を通して酸素を配送するように構成されたカソード流れ経路を備えている。カソードは、カソード流れ経路と流体連通しており、触媒反応がカソード上で発生するように構成されている。その上、膜は、アノード及びカソードの間に配置され、それによって燃料電池又は燃料電池システムの作動中に、電解質を介した連通がアノード及びカソードの間に確立される。

ここで、図１を参照すると、本発明に従って使用するための典型的な燃料電池又は燃料電池システムの概略図が提供される。燃料電池スタック１は、直列、並列又はそれらの両方で接続され得る複数の個々の燃料電池を備えている。燃料電池スタック１のアノード側１１では、燃料（典型的には、ガス状水素）は、供給源２２から、バルブ２４及びライン２６を介して燃料電池内に配置されたアノード流れ経路を介してアノードへと供給することができる。従って、燃料は、入口２８のところで燃料電池スタック１に入り、未消費の水素と水とを含むアノード排気ガスが、出口３０のところで燃料電池スタック１から出る。凝結した水は、収集リセプタクル３２内に収集することができ、流出した水素の一部分は、ポンプ３４を用いて入口２８へと戻すことができる。残りのアノード側排気ガスを、バルブ５０及びライン３６を介して燃焼器装置３８へと供給することができる。該燃焼器装置では、ファン４０からの空気と一緒に、アノード側排気ガスは、主として窒素及び水蒸気である排気ガスの燃焼物がライン４２を介して燃料電池スタック１から出て行くように燃焼される。リセプタクル３２内に収集された水は、ドレインバルブ４４を用いて周期的に排出することができる。

燃料電池スタック１のアノード側１１では、リザーバー４６内に窒素Ｎ_２の供給源も存在してもよい。燃料電池スタック１がオフであるとき、燃料電池から水素Ｈ_２を追い出すため燃料電池内のアノード流れ経路へとライン２６を介して窒素Ｎ_２を導入するように、バルブ２４を閉鎖し、バルブ４８を開放することができる。次に、燃焼器３８内の制御された条件の下で水素Ｈ_２を燃焼させることができ、これにより、燃料電池内の水素Ｈ_２の蓄積のおそれを減少させる。燃焼装置３８は、連続的に作動させる必要はなく、バルブ５０を使ってアノード側１１の回路から遮断させることができる。

酸素Ｏ_２は、ライン５２を介して燃料電池スタック１のカソード側１３に入り、該酸素を、モーター５４により駆動されるコンプレッサ５６により圧縮することができる。コンプレッサ５６を通過した後、酸素Ｏ_２は、ライン５８を介してカソード入口６０へと至り、カソード流れ経路を介して燃料電池スタック内のカソードに入る。主として、水蒸気、窒素及び酸素からなるカソード排気ガスは、燃料電池スタック１のカソード出口６２から出ていく。このとき水蒸気をリセプタクル６４内に収集することができ、その間に残りの排気ガスが、ライン６６及びバルブ６７を介して大気中に排気される。モーター（図示せず）によっても駆動されるオプションの補助コンプレッサ６８又はコンプレッサ５６は、燃料電池システムを始動するため使用することができる。燃料電池システムのアノード側１１に関して、リセプタクル６４内に収集された水をシステムから排出することを選択的に可能とするためバルブ６５を使用することができる。

本発明によれば、再循環アッセンブリ１６は、システムの作動の間に燃料電池スタック１の適切な冷却を確実にするためループとして表されている。アッセンブリ１６は、アノード側１１及びカソード側１３に対して独立しており、アッセンブリ１６内の誘電性冷却剤（例えばケロシン、又は、ケロシン中の水滴型のエマルジョン等の灯油系炭化水素）が、カソードのところで水素Ｈ_２と酸素Ｏ_２との間の反応により発生された流体と混合しないようにしている。アッセンブリ１６は、ポンプ１８とラジエータ２０とを備えた閉鎖再循環経路を更に備えている。

本発明の更に別の実施例によれば、燃料電池又は燃料電池システムを冷却するための方法が、提供される。本方法は、前述されたように構成された燃料電池又は燃料電池スタックを提供し、冷却剤分離マニホルドを通して流体誘電性冷却剤を循環させ、それにより該流体誘電性冷却剤が燃料電池から熱を引き出して加熱された誘電性冷却剤を生成する、各工程を備える。流体誘電性冷却剤は、詳細を前述したように、ケロシン又はケロシン中の水滴型エマルジョン等の灯油系炭化水素を含んでいてもよい。本方法は、再循環流れ経路を介して、冷却剤分離マニホルドからラジエータへと加熱された流体誘電性冷却剤を循環させ、加熱された流体誘電性冷却剤をラジエータ内で冷却し、該冷却された流体誘電性冷却剤をマニホルド入口へと戻す、各工程を備える。

本発明は幾つかの実施例を参照することにより説明されたが、記載された本発明の概念の精神及び範囲内で多数の変更をなすことができることが理解されるべきである。従って、本発明は、開示された実施例に限定されるものではなく、請求の範囲の言語により可能とされる全範囲を包含することが意図されている。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの概略図である。

Claims

電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成された燃料電池であって、
前記燃料電池の少なくとも一部分を通して前記燃料を配送するように構成されたアノード流れ経路と、
前記アノード流れ経路と流体連通し、前記燃料との触媒反応が発生するように構成されたアノードと、
前記燃料電池の少なくとも一部分を通して前記酸素を配送するように構成されたカソード流れ経路と、
前記カソード流れ経路と流体連通し、前記酸素との触媒反応が発生するように構成されたカソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に配置された膜であって、前記燃料電池の作動中に該アノードと該カソードとの間で電解質を介した連通が確立されるようにした前記膜と、
前記アノード流れ経路と前記カソード流れ経路とから流体的に切り離された少なくとも１つの冷却剤流れ経路であって、該冷却剤流れ経路は冷却剤分離マニホルドを形成し、該冷却剤分離マニホルドは、流体誘電性冷却剤を含み、該流体誘電性冷却剤は、灯油系炭化水素を含んでいる、前記少なくとも１つの冷却剤流れ経路と、
を備える、燃料電池。
前記灯油系炭化水素はケロシンを含んでいる、請求項１に記載の燃料電池。
前記灯油系炭化水素は、約２．５Ｊ／ｇ／Ｋ以内の熱容量を有する、請求項１に記載の燃料電池。
前記灯油系炭化水素は、約８０℃で約１０ｃＰ以下の粘性率を有する、請求項１に記載の燃料電池。
前記灯油系炭化水素は、約０℃で約４０ｃＰ以下の粘性率を有する、請求項１に記載の燃料電池。
前記灯油系炭化水素は、約−３５℃以下の凝固点を有する、請求項１に記載の燃料電池。
前記灯油系炭化水素は、約−４０℃乃至約０℃の凝固点を有する、請求項１に記載の燃料電池。
前記灯油系炭化水素は、約８５℃以上の沸点を有する、請求項１に記載の燃料電池。
前記灯油系炭化水素は、約１７５℃乃至約３２５℃の沸点を有する、請求項１に記載の燃料電池。
前記灯油系炭化水素は、約３７．７℃乃至約６５．５℃の引火点を有する、請求項１に記載の燃料電池。
前記灯油系炭化水素は、約２２８℃で自動点火する、請求項１に記載の燃料電池。
前記灯油系炭化水素は、約０．１５Ｗ／ｍ−Ｋ以内の熱伝導度を有する、請求項１に記載の燃料電池。
前記灯油系炭化水素は、約０．０５乃至約０．４Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導度を有する、請求項１に記載の燃料電池。
前記灯油系炭化水素は、約１８ＭΩｃｍ以上の電気抵抗を有する、請求項１に記載の燃料電池。
前記灯油系炭化水素は、約０．２５乃至約４０ＭΩｃｍの電気抵抗を有する、請求項１に記載の燃料電池。
前記流体誘電性冷却剤は、ケロシン中の水滴型エマルジョンを含んでいる、請求項１に記載の燃料電池。
前記エマルジョンは、約２．３Ｊ／ｇ／Ｋ以内の熱容量を有する、請求項１６に記載の燃料電池。
前記エマルジョンは、約０乃至約３０％の水を含んでいる、請求項１６に記載の燃料電池。
前記水は、消イオン水を含んでいる、請求項１６に記載の燃料電池。
電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成された燃料電池であって、
前記燃料電池の少なくとも一部分を通して前記燃料を配送するように構成されたアノード流れ経路と、
前記アノード流れ経路と流体連通し、前記燃料との触媒反応が発生するように構成されたアノードと、
前記燃料電池の少なくとも一部分を通して前記酸素を配送するように構成されたカソード流れ経路と、
前記カソード流れ経路と流体連通し、前記酸素との触媒反応が発生するように構成されたカソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に配置された膜であって、前記燃料電池の作動中に該アノードと該カソードとの間で電解質を介した連通が確立されるようにした前記膜と、
前記アノード流れ経路と前記カソード流れ経路とから流体的に切り離された少なくとも１つの冷却剤流れ経路であって、該冷却剤流れ経路は冷却剤分離マニホルドを形成し、該冷却剤分離マニホルドは、入口及び出口を備え、且つ、流体誘電性冷却剤を含み、該流体誘電性冷却剤は、灯油系炭化水素を含んでいる、前記少なくとも１つの冷却剤流れ経路と、
再循環流れ経路、ポンプ及びラジエータを有する再循環アッセンブリであって、該再循環流れ経路は、前記冷却剤分離マニホルド入口と、前記冷却剤分離マニホルド出口と、を流体的に接続する、前記再循環アッセンブリと、
を備える、燃料電池。
前記灯油系炭化水素はケロシンを含んでいる、請求項２０に記載の燃料電池。
前記流体誘電性冷却剤は、ケロシン中の水滴型エマルジョンを含んでいる、請求項２０に記載の燃料電池。
燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックは、複数の燃料電池を備え、該燃料電池の各々は、電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成され、
前記燃料電池の各々は、
前記燃料電池の各々の少なくとも一部分を通して前記燃料を配送するように構成されたアノード流れ経路と、
前記アノード流れ経路と流体連通し、前記燃料との触媒反応が発生するように構成されたアノードと、
前記燃料電池の各々の少なくとも一部分を通して前記酸素を配送するように構成されたカソード流れ経路と、
前記カソード流れ経路と流体連通し、前記酸素との触媒反応が発生するように構成されたカソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に配置された膜であって、前記燃料電池の各々の作動中に該アノードと該カソードとの間で電解質を介した連通が確立されるようにした前記膜と、
前記アノード流れ経路と前記カソード流れ経路とから流体的に切り離された少なくとも１つの冷却剤流れ経路であって、該冷却剤流れ経路は冷却剤分離マニホルドを形成し、該冷却剤分離マニホルドは、流体誘電性冷却剤を含み、該流体誘電性冷却剤は、灯油系炭化水素を含んでいる、前記少なくとも１つの冷却剤流れ経路と、
を備える、燃料電池システム。
前記灯油系炭化水素はケロシンを含んでいる、請求項２３に記載の燃料電池。
前記流体誘電性冷却剤は、ケロシン中の水滴型エマルジョンを含んでいる、請求項２３に記載の燃料電池。
燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックは、複数の燃料電池を備え、該燃料電池の各々は、電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成され、
前記燃料電池の各々は、
前記燃料電池の各々の少なくとも一部分を通して前記燃料を配送するように構成されたアノード流れ経路と、
前記アノード流れ経路と流体連通し、前記燃料との触媒反応が発生するように構成されたアノードと、
前記燃料電池の各々の少なくとも一部分を通して前記酸素を配送するように構成されたカソード流れ経路と、
前記カソード流れ経路と流体連通し、前記酸素との触媒反応が発生するように構成されたカソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に配置された膜であって、前記燃料電池の各々の作動中に該アノードと該カソードとの間で電解質を介した連通が確立されるようにした前記膜と、
前記アノード流れ経路と前記カソード流れ経路とから流体的に切り離された少なくとも１つの冷却剤流れ経路であって、該冷却剤流れ経路は冷却剤分離マニホルドを形成し、該冷却剤分離マニホルドは、入口及び出口を備え、且つ、流体誘電性冷却剤を含み、該流体誘電性冷却剤は、灯油系炭化水素を含んでいる、前記少なくとも１つの冷却剤流れ経路と、
再循環流れ経路、ポンプ及びラジエータを有する再循環アッセンブリであって、該再循環流れ経路は、前記冷却剤分離マニホルド入口と、前記冷却剤分離マニホルド出口と、を流体的に接続する、前記再循環アッセンブリと、
を備える、燃料電池システム。
前記灯油系炭化水素はケロシンを含んでいる、請求項２６に記載の燃料電池。
前記流体誘電性冷却剤は、ケロシン中の水滴型エマルジョンを含んでいる、請求項２６に記載の燃料電池。
燃料電池を冷却するための方法であって、
電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成された燃料電池を提供し、
前記燃料電池を、アノードと、カソードと、該アノード及び該カソードの間に配置された膜とを備えるように構成し、
前記燃料及び酸素を前記アノード及び前記カソードに各々配送するようにアノード流れ経路及びカソード流れ経路を構成し、
少なくとも１つの冷却剤流れ経路を、前記アノード流れ経路及び前記カソード流れ経路から流体的に切り離すように構成し、該冷却剤流れ経路は冷却剤分離マニホルドを形成し、該冷却剤分離マニホルドは、流体誘電性冷却剤を含み、該流体誘電性冷却剤は、灯油系炭化水素を含んでいる、各工程を備える、方法。
前記灯油系炭化水素はケロシンを含んでいる、請求項２９に記載の燃料電池の冷却方法。
前記灯油系炭化水素は、約２．５Ｊ／ｇ／Ｋ以内の熱容量を有する、請求項２９に記載の燃料電池の冷却方法。
前記灯油系炭化水素は、約８０℃で約１０ｃＰ以下の粘性率を有する、請求項２９に記載の燃料電池の冷却方法。
前記灯油系炭化水素は、約０℃で約４０ｃＰ以下の粘性率を有する、請求項２９に記載の燃料電池の冷却方法。
前記灯油系炭化水素は、約−３５℃以下の凝固点を有する、請求項２９に記載の燃料電池の冷却方法。
前記灯油系炭化水素は、約−４０℃乃至約０℃の凝固点を有する、請求項２９に記載の燃料電池の冷却方法。
前記灯油系炭化水素は、約８５℃以上の沸点を有する、請求項２９に記載の燃料電池の冷却方法。
前記灯油系炭化水素は、約１７５℃乃至約３２５℃の沸点を有する、請求項２９に記載の燃料電池の冷却方法。
前記灯油系炭化水素は、約３７．７℃乃至約６５．５℃の引火点を有する、請求項２９に記載の燃料電池の冷却方法。
前記灯油系炭化水素は、約２２８℃で自動点火する、請求項２９に記載の燃料電池の冷却方法。
前記灯油系炭化水素は、約０．１５Ｗ／ｍ−Ｋ以内の熱伝導度を有する、請求項２９に記載の燃料電池の冷却方法。
前記灯油系炭化水素は、約０．０５乃至約０．４Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導度を有する、請求項２９に記載の燃料電池の冷却方法。
前記灯油系炭化水素は、約１８ＭΩｃｍ以上の電気抵抗を有する、請求項２９に記載の燃料電池の冷却方法。
前記灯油系炭化水素は、約０．２５乃至約０．４ＭΩｃｍの電気抵抗を有する、請求項２９に記載の燃料電池の冷却方法。
前記流体誘電性冷却剤は、ケロシン中の水滴型エマルジョンを含んでいる、請求項２９に記載の燃料電池の冷却方法。
前記エマルジョンは、約２．３Ｊ／ｇ／Ｋ以内の熱容量を有する、請求項４４に記載の燃料電池の冷却方法。
前記エマルジョンは、約０乃至約３０％の水を含んでいる、請求項４４に記載の燃料電池の冷却方法。
前記水は、消イオン水を含んでいる、請求項４４に記載の燃料電池。
燃料電池を冷却するための方法であって、
電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成された燃料電池を提供し、
前記燃料電池を、アノードと、カソードと、該アノード及び該カソードの間に配置された膜とを備えるように構成し、
前記燃料及び酸素を前記アノード及び前記カソードに各々配送するようにアノード流れ経路及びカソード流れ経路を構成し、
少なくとも１つの冷却剤流れ経路を、前記アノード流れ経路及び前記カソード流れ経路から流体的に切り離すように構成し、該冷却剤流れ経路は冷却剤分離マニホルドを形成し、該冷却剤分離マニホルドは、入口及び出口を備え、且つ、流体誘電性冷却剤を含み、該流体誘電性冷却剤は、灯油系炭化水素を含み、
再循環流れ経路、ポンプ及びラジエータを備える再循環アッセンブリを、該再循環流れ経路が、前記冷却剤分離マニホルド入口と、前記冷却剤分離マニホルド出口と、を流体的に接続するように構成し、
前記流体誘電性冷却剤を前記冷却剤分離マニホルドを通して循環させ、これにより、該流体誘電性冷却剤が前記燃料電池から熱を引き出し、加熱された流体誘電性冷却剤が生成され、
前記加熱された流体誘電性冷却剤を前記再循環経路を介して前記冷却剤分離マニホルドから前記ラジエータへと循環させ、これにより該加熱された流体誘電性冷却剤が冷却され、前記冷却剤分離マニホルド入口へと戻る、各工程を備える、方法。
前記灯油系炭化水素はケロシンを含んでいる、請求項４８に記載の燃料電池の冷却方法。
前記流体誘電性冷却剤は、ケロシン中の水滴型エマルジョンを含んでいる、請求項４８に記載の燃料電池の冷却方法。
燃料電池システムを冷却するための方法であって、
複数の燃料電池を備える燃料電池スタックを提供し、該燃料電池の各々は、電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成され、
前記燃料電池の各々を、アノードと、カソードと、該アノード及び該カソードの間に配置された膜とを備えるように構成し、
前記燃料及び酸素を前記アノード及び前記カソードに各々配送するようにアノード流れ経路及びカソード流れ経路を構成し、
少なくとも１つの冷却剤流れ経路を、前記アノード流れ経路及び前記カソード流れ経路から流体的に切り離すように構成し、該冷却剤流れ経路は冷却剤分離マニホルドを形成し、該冷却剤分離マニホルドは、流体誘電性冷却剤を含み、該流体誘電性冷却剤は、灯油系炭化水素を含む、各工程を備える、方法。
前記灯油系炭化水素はケロシンを含んでいる、請求項５１に記載の燃料電池システムの冷却方法。
前記流体誘電性冷却剤は、ケロシン中の水滴型エマルジョンを含んでいる、請求項５１に記載の燃料電池システムの冷却方法。
燃料電池システムを冷却するための方法であって、
複数の燃料電池を備える燃料電池スタックを提供し、該燃料電池の各々は、電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成され、
前記燃料電池の各々を、アノードと、カソードと、該アノード及び該カソードの間に配置された膜とを備えるように構成し、
前記燃料及び酸素を前記アノード及び前記カソードに各々配送するようにアノード流れ経路及びカソード流れ経路を構成し、
少なくとも１つの冷却剤流れ経路を、前記アノード流れ経路及び前記カソード流れ経路から流体的に切り離すように構成し、該冷却剤流れ経路は冷却剤分離マニホルドを形成し、該冷却剤分離マニホルドは、入口及び出口を備え、且つ、流体誘電性冷却剤を含み、該流体誘電性冷却剤は、灯油系炭化水素を含み、
再循環流れ経路、ポンプ及びラジエータを備える再循環アッセンブリを、該再循環流れ経路が、前記冷却剤分離マニホルド入口と、前記冷却剤分離マニホルド出口と、を流体的に接続するように構成し、
前記流体誘電性冷却剤を前記冷却剤分離マニホルドを通して循環させ、これにより、該流体誘電性冷却剤が前記燃料電池から熱を引き出し、加熱された流体誘電性冷却剤が生成され、
前記加熱された流体誘電性冷却剤を前記再循環経路を介して前記冷却剤分離マニホルドから前記ラジエータへと循環させ、これにより該加熱された流体誘電性冷却剤が冷却され、前記冷却剤分離マニホルド入口へと戻る、各工程を備える、方法。
前記灯油系炭化水素はケロシンを含んでいる、請求項５４に記載の燃料電池システムの冷却方法。
前記流体誘電性冷却剤は、ケロシン中の水滴型エマルジョンを含んでいる、請求項５４に記載の燃料電池システムの冷却方法。