JP2008533675A - 燃料電池または燃料電池スタックを加熱する装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、交流電圧発生装置によって加熱することができる燃料電池システムに関する。燃料電池システムは、少なくとも一つの燃料電池を有し、少なくとも一つの電気接続（１ａおよび１ｂ）が設けられる燃料電池スタック（１）を有する。燃料電池スタック（１）は、少なくとも一つの接続（１ａおよび１ｂ）を介して交流電圧発生装置（２）に接続され、それによって交流電流を、燃料電池スタック（１）を電気加熱するべく接続（１ａおよび１ｂ）を介して供給できることを特徴とする。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は燃料電池技術の分野において、燃料電池または燃料電池スタックを加熱する装置および方法に関する。

以下において、燃料電池スタックという用語は、少なくとも一つの燃料電池すなわち単一電池の配置であるが、一般には複数の燃料電池の配置と解される。燃料電池スタックが二つ以上の燃料電池を有すると、燃料電池スタックの個々の燃料電池は電気的に並列および／または直列に接続し得る。

燃料電池スタックまたは個々の燃料電池は、電気エネルギーを得るべく電気化学反応が使用される装置である。かかる燃料電池システムは、電位的に高いエネルギー密度を有し、エネルギー発生中の廃棄ガスまたは廃棄生成物は、全般的に考えると、現行の他のエネルギー発生システムと比べて著しく低減される。

燃料電池システムまたは個々の燃料電池は、電気化学反応の助けによって化学エネルギーを電気エネルギーへ変換する。それによる反応は、電解イオン伝導体によって分離された反応チャンバにおいて互いに別々に生じる。よって、例えば水素動作のポリマー電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）では、水素はアノードにおいて酸化されてプロトンになる。プロトンは、電解質膜を通ってカソードへ向けてマイグレートするが、膜の電気的絶縁特性ゆえに電子は残るかまたは外部電気回路内に押しやられる。カソードにおいては、酸素は、電子およびプロトンの助けにより水に還元される。前記水は水素動作ＰＥＭＦＣの唯一の排出生成物である。直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）では、アノードにおける電気化学反応がメタノールおよび水を二酸化炭素、水素イオンおよび電子に変換する。水素イオンは、電解質としてカソードに向かって例えばポリマーまたはプラスチック材料の膜を流れる一方、自由電子は、通常はアノードとカソードとの間に接続される消費ユニットを介して流れる。カソードでは、酸素が水素イオンおよび自由電子と反応して水を生成する。よって、ＤＭＦＣの放電は、二酸化炭素および水を含むだけである。

０°Ｃよりも低い温度では、外部加熱燃料電池または燃料電池スタックは、非常に遅くしか始動することができず、すなわち大きな問題となる。低温度での燃料電池の急速始動を達成するべく、燃料電池、またはシステムの個々の燃料電池は加熱する必要がある。かかる加熱のための従来技術に係る方法は、加熱箔の助けによって加熱すること、または、熱交換流体として水を備える熱回路の助けによって加熱することである。

しかし、熱交換流体として水を備える熱回路を使用すると、この目的のために非常に複雑な要素が必要になるという点で不利益が生じる。まず、加熱要素を冷却または加熱回路に組み込まなければならない。冷却または加熱回路自体における液体も同様に加熱される必要がある。これにより、付加的なエネルギーが必要となる。高エネルギーの要求に関するさらなる側面としては、まわりの水をくみ上げるためのポンプが必要になるということに関する。

加熱箔による加熱を使用する場合もまた、付加的な要素が必要になるという不利益が生じる。さらなる不利益は、その加熱は燃料電池内で発生せずに外部から供給されるので間接的な加熱しかできないという事実に関する。

本発明の目的は、技術水準から出発して、燃料電池システムを利用可能にすることにある。その燃料電池スタックまたはその燃料電池は簡潔かつ確実にそして十分な速さで加熱することができる。本発明の目的はさらに、燃料電池スタックまたは燃料電池のための対応する加熱方法を利用可能にすることにある。

この目的は、請求項１に係る燃料電池システム、および請求項１４に係る加熱方法によって達成される。本発明に係る装置の、および本発明に係る方法の有利な改善はそれぞれ、従属項に記載される。

少なくとも一つの燃料電池を有する燃料電池スタックを有する本発明に係る燃料電池システムには、端子すなわち正および負端子あたり少なくとも一つの電気接続が設けられる。この電気接続は、特に外部電気消費ユニットの接続のために機能できる。本発明によると、その接続を介して燃料電池スタックが交流電圧発生装置へ接続されることを特徴とする。この結果、交流電圧発生装置によって、交流電流が燃料電池または燃料電池スタックへ接続されて、燃料電池スタックまたは電池を加熱することができる。ここで交流電圧発生装置は、有利には、交流電圧源および直流電圧源に直列に接続されるか、または、交流電圧源およびコンデンサに直列に接続される。ここで、交流電流を、例えば接続端子を介して燃料電池スタックまたは燃料電池に供給してよい。

交流電流を供給するべく使用されて交流電圧発生装置によって燃料電池スタックまたは燃料電池へ印加される交流電圧は、任意の曲線または矩形波形状を有し得る。本明細書には、例えば、純正弦波交流電圧または純矩形波交流電圧が含まれる。しかし、純矩形波形状と純正弦波形状との二つの極端の間の中間形状も同様に可能である。これによる純矩形波形状は、燃料電池が動作またはスイッチオン温度まで最も急速に至ることができるという利点を与える。他方、純矩形波形状には、矩形電圧のエッジにおいて非常に高い電流が流れるという不利な点もある。したがって、矩形波形状に近いがエッジが丸まった曲線形状を選択するのが好ましい。矩形波形状と正弦波形状との中間形状として、この好ましい形状は矩形波形状に割り当てられる。しかし、台形波形状も同様に可能である。

加熱される燃料電池スタックの電気容量により、交流電流を供給するべく共振方法も使用できる。

本発明に係る燃料電池システムの好ましい実施例は、交流電圧源と、交流電圧源に電気的に直列に接続される直流電圧源とからなる交流電圧発生装置を有する。これにより、交流・直流電圧源が一つのユニットに統合される。すなわち、交流電圧発生装置は、両方の機能を同時に有する単一の装置を含む。

好ましい変形例では、交流および直流電圧源がパワー電子回路によって作られるようにされる。これは例えば、降圧コンバータ、昇圧コンバータ、反転コンバータ、ＳＥＰＩＣ（シングルエンド一次インダクタンスコンバータ）、Ｃｕｋコンバータ、および／またはそれらに関する回路を含むことができる。

通常の燃料電池動作における燃料電池スタックを加熱するための、および、出力電圧を変換するための（ＤＣ／ＤＣコンバータ）双方向回路を使用するのが特に好ましい。

さらに好ましい変形例では、交流電圧発生装置が交流電圧源、および、交流電圧源に電気的に直列接続されるコンデンサを有するようにされる。

それにより、燃料電池スタックの燃料電池あたり０．２Ｖから０．６Ｖまで、好ましくは０．３Ｖから０．５Ｖまで、特に好ましくは０．３５Ｖから０．４５Ｖまでの振幅を備える交流電圧が、交流電圧発生装置によって、燃料電池スタックの無負荷電圧または動作電圧に重ね合わされる。

１０Ｈｚから１０ＭＨｚまで、好ましくは１００Ｈｚから１ＭＨｚまで、特に好ましくは１ｋＨｚから１００ｋＨｚまでの周波数を備える交流電圧を、交流電圧発生装置によって発生することができる。

好ましくは、交流電圧は、冗長方法による交流電圧発生装置によって燃料電池スタックに印加することができる。このため、直列コンデンサの容量は燃料電池サイズおよび交流電圧の周波数に依存し、好ましくは１μＦから１０Ｆまでの範囲にある。

技術水準と比べて、本発明に係る燃料電池システムには特に、熱発生が直接燃料電池内で有効となり、付加要素または質量体の加熱を必要としないという利点がある。これは、例えば加熱要素のようなさらなる要素なしで済ませることができることを意味する。出力電圧を安定させるべく、すなわち接続された消費ユニットに供給するべく必要な電圧コンバータの実施例によれば、この電圧コンバータは双方向で設計することができるので、燃料電池の加熱を引き受けることができる。本発明に係る燃料電池システムのさらなる利点は、燃料電池の空冷も可能であるという事実に基づく。

本発明によれば、少なくとも一つの燃料電池を有する燃料電池スタックを加熱する加熱方法も同様に与えられる。この方法では、交流電流が、燃料電池スタックの個々の電池の少なくとも一つに供給される。好ましくは、前述の燃料電池システムが使用される。

本発明に係る燃料電池システムは、後述の例の一つに記載されるように構成または使用することができる。その例に関連して以下で説明される図面は、同じまたは類似の要素または部品に対して同一の参照番号を有する。

図１Ａにおいて、参照番号１は、燃料電池スタックを示す。これは、この場合、直列接続された個々の燃料電池を６つ有する。しかし、燃料電池スタックはまた、それよりも多いまたは少ない燃料電池を有してもよい。燃料電池は並列に接続されてもよい。燃料電池スタックには、接続端子の態様で二つの電気接続１ａおよび１ｂが設けられる。それを介して電気消費ユニットを燃料電池スタックに接続することができる。この場合、接続１ａは電気ライン３ａを介して交流電圧源２ａの第１接続に接続される。交流電圧源２ａの他方の電気接続は、さらなる電気ライン３ｂを介して直流電圧源２ｂの第１接続に接続される。直流電圧源２ｂの第２接続は、電気ライン３ｃを介して燃料電池スタック１の第２接続１ｂに接続される。同様に、個々の統合電圧源の順序は任意なので、交流電圧源および直流電圧源は、逆の順序で配置することができる。したがって、この場合、燃料電池スタックのための交流電流加熱または交流電圧発生装置２は、交流電圧源２ａと直流電圧源２ｂ（これは動作ポイントを確立する）とが直列接続されるように構成される。電圧源により発生した電圧は、接続端子１ａおよび１ｂを介して燃料電池スタック１に印加される。その結果、交流電流が燃料電池スタック１の接続端子を直接介してスタックの個々の電池セルに供給される。したがって、スタックのオーム抵抗に起因して、燃料電池スタックの内部において直接的に加熱が有効となる。ここで、印加電圧は、例えば燃料電池スタック１の燃料電池あたり０．４Ｖの振幅を備える交流電圧が、燃料電池スタック１の無負荷電圧または動作電圧に重ね合わされるように選択される。この場合スタックは、６つの個々の燃料電池を有するので、２．４Ｖの振幅を備える交流電圧が燃料電池スタックに重ね合わされる。しかし、それよりも大きなまたは小さな振幅値を適用してもよい。

ここで、印加交流電圧の曲線形状は、正弦波、または電力を増やすべく矩形波であってよい。ここで好ましいのは、矩形波形状に基づいてはいるが、正弦波の重ね合わせによってエッジが丸まっている交流電圧の形状である。印加交流電圧の周波数は、広い範囲内で自由に選択できるが、特に有利な周波数は１０Ｈｚから１０ＭＨｚまでである。すでに説明したように、燃料電池スタックの容量による共振方法を適用してもよい。

図１Ｂは、本発明に係る交流電流加熱のさらなる実施例を示す。ここで、交流電圧発生装置２は、交流電圧源２ａと、電気ライン３ｂを介してそれと直列接続されるコンデンサ２ｃとを有する。図１Ａに示すように、交流電圧発生装置は、二つの電気ライン３ａおよび３ｃを介して燃料電池スタック１の接続端子１ａおよび１ｃに接続される。対応する電気接続を介して燃料電池または燃料電池スタックへ接続される一つ以上の消費ユニットは、別の回路を介して燃料電池に接続されてもよい。

図２に、二つの燃料電池を含む燃料電池スタックの等価回路図を示す。前記スタックは抵抗器とコンデンサの直列回路を最も単純な形態で含む。等価回路図の抵抗器は、使用される材料の伝導率で決まる。コンデンサは、バイポーラプレート、および誘電体としての膜によって形成される。等価回路図から明らかであるが、直流電流による加熱が不可能なのは、直流電流はコンデンサを通って連続的に流れることができないからである。しかし、十分高い周波数の交流電流に対しては、コンデンサは導電性となる。すなわち、インピーダンス（Ｚ＝１／（ωＣ））は交流電流が流れることができるほど大きく減少する。オーム抵抗器において、この交流電流は、スタックを加熱する電気的パワー損失を生じる。これは、例えば加熱箔のような付加的な要素が不要であることを意味する。したがって、加熱は、それが要求されるスタック内で直接有効にすることができる。

図３Ａは、本発明に係る双方向回路を示す。ここで、使用される双方向コンバータは、スタックを加熱するための降圧コンバータとして動作する。

コンデンサＣ１の、またはＣ１に並列接続された直流電圧源もしくはバッテリの直流電圧は、電子スイッチＳ１およびＳ２のサイクルによって、重ね合わされた交流電圧を備える制御可能な直流電圧に変換される。これにより、交流電圧成分はスタックの加熱を有効にする。加熱のない通常の燃料電池動作中は、スタックはエネルギー源である。回路は、昇圧コンバータとして動作し、スタックの直流電圧をコンデンサＣ１における高い出力電圧に変換する。電気消費ユニットはＣ１に並列に接続してもよい。オプションとして、コンデンサＣ２を、燃料電池スタックと並列に接続して、電圧をサポートおよび／または電流を平滑化してもよい。

図３Ｂでは、本発明に係る双方向回路の第２変形例が示される。この変形例では、双方向コンバータは、昇圧コンバータとして動作して燃料電池スタックを加熱する。

コンデンサＣ１の、またはＣ１と並列接続された直流電圧源もしくはバッテリの直流電圧は、電子スイッチＳ１およびＳ２のサイクルによって、重ね合わされた交流電圧を備える制御可能な直流電圧に変換される。これにより、交流電圧成分はスタックの加熱を有効にする。加熱のない通常の燃料電池動作中は、スタックはエネルギー源である。回路は、スタックの直流電圧をコンデンサＣ１における低い出力電圧に変換する。電気消費ユニットをＣ１と並列に接続してよい。オプションとして、コンデンサＣ２は、燃料電池スタックと並列に接続して電圧をサポートおよび／または電流を平滑化してもよい。

加熱のため直列に接続された直流電圧源と交流電圧源とを備える本発明に係る第１燃料電池システムを概略的に示す。 コンデンサと直列に接続された交流電圧源を備える本発明に係る燃料電池システムの第２例を示す。 直列の個々の二つの電池を備える燃料電池スタックの、簡単な等価回路図を示す。 本発明に係る双方向パワー電子回路の第１変形例を示す。 本発明に係る双方向パワー電子回路の第２変形例を示す。

Claims (22)

1. 少なくとも一つの燃料電池を有し、および端子（１ａ，１ｂ）あたり少なくとも一つの電気接続を有する一の燃料電池スタック（１）を有する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタック（１）は、複数の前記接続（１ａ，１ｂ）を介して、前記燃料電池スタック（１）を電気加熱するための一の交流電圧発生装置（２）に接続される燃料電池システム。
2. 前記少なくとも一つの電気接続（１ａ，１ｂ）は、一の外部電気消費ユニットの接続に適しており、および／または、少なくとも一つの接続端子である、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記交流電圧発生装置（２）は、一の交流電圧源（２ａ）と、前記交流電圧源（２ａ）に電気的に直列に接続される一の直流電圧源（２ｂ）とを有する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 複数の前記電圧源（２ａ，２ｂ）は、一の単一装置に統合される、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 複数の前記電圧源（２ａ，２ｂ）は、一のパワー電子回路によって作られる、請求項３または４に記載の燃料電池システム。
6. 前記パワー電子回路は、一の降圧コンバータ、昇圧コンバータ、反転コンバータ、ＳＥＰＩＣコンバータ、Ｃｕｋコンバータによって形成される、請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記パワー電子回路は、前記燃料電池スタックを加熱するための、および、前記燃料電池の動作における出力電圧を変換するための一の双方向回路である、請求項５または６に記載の燃料電池システム。
8. 前記交流電圧発生装置（２）は、一の交流電圧源（２ａ）と、前記交流電圧源（２ａ）に電気的に直列に接続される一のコンデンサ（２ｃ）を有する、請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池スタックの燃料電池あたり、約０．２Ｖより上および／または０．６Ｖより下、特に０．３Ｖより上および／または０．５Ｖより下、特に０．３５Ｖより上および／または０．４５Ｖより下、特に０．４Ｖの一の振幅を備える一の交流電圧を、前記燃料電池スタックの無負荷電圧または前記交流電圧発生装置（２）による動作電圧に重ね合わせることができる、請求項１から９のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
10. 前記交流電圧発生装置（２）は、複数のエッジが丸まった一の矩形波交流電圧を発生することができる、請求項１から９のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
11. 前記交流電圧発生装置（２）は、約１０Ｈｚより上および／または１０ＭＨｚより下、特に約１００Ｈｚより上および／または１ＭＨｚより下、特に約１ｋＨｚより上および／または１００ｋＨｚより下の一の周波数を備える一の交流電圧を発生することができる、請求項１から１０のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
12. 前記交流電圧発生装置（２）は、一の共振方法によって前記燃料電池スタック（１）に一の交流電圧を印加することができる、請求項１から１１のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
13. 前記燃料電池スタック（１）は、電気的に直列に接続される少なくとも二つの燃料電池、または電気的に並列に接続される少なくとも二つの燃料電池を有する、請求項１から１２のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
14. 少なくとも一つの燃料電池を有する一の燃料電池スタック（１）を加熱するための加熱方法であって、
    前記燃料電池スタック（１）の複数の前記燃料電池の少なくとも一つに一の交流電流が供給される加熱方法。
15. 請求項１から１３までの一つに記載の一の燃料電池システムが使用される、請求項１４に記載の加熱方法。
16. 前記交流電流は、前記燃料電池スタック（１）の少なくとも一つの外部消費ユニットの接続、特に接続端子、のために特に使用することができるまたは使用される、少なくとも一つの電気接続（１ａ，１ｂ）に一の交流電圧を印加することによって供給される、請求項１４または１５に記載の加熱方法。
17. 前記交流電流は、一の交流電圧源（２ａ）と、電気的に直列に接続される一の直流電圧源（２ｂ）とを有する一の交流電圧発生装置（２）の助けによって供給される、請求項１４から１６のいずれか一つに記載の加熱方法。
18. 前記交流電流は、一の交流電圧源（２ａ）と、電気的に直列に接続される一のコンデンサ（２ｃ）とを有する一の交流電圧発生装置（２）の助けによって供給される、請求項１４から１７のいずれか一つに記載の加熱方法。
19. 前記交流電流を供給するべく前記燃料電池スタックの無負荷電圧にまたは動作電圧に重ね合わせられる、前記燃料電池スタックの燃料電池あたり約０．２Ｖより上および／または０．６Ｖより下、特に約０．３Ｖより上および／または０．５Ｖより下、特に約０．３５Ｖより上および／または０．４５Ｖより下、特に０．４Ｖの一の振幅を備える一の交流電圧が存在する、請求項１４から１８のいずれか一つに記載の加熱方法。
20. 前記交流電流を供給するべく前記燃料電池スタックの無負荷電圧にまたは動作電圧に重ね合わせられる、一の正弦波重ね合わせによりエッジが丸まった一の矩形波交流電圧が存在する、請求項１４から１９のいずれか一つに記載の加熱方法。
21. 前記交流電流を供給するべく前記燃料電池スタックの無負荷電圧にまたは動作電圧に重ね合わせられる、１０Ｈｚから１０ＭＨｚまで、特に１００Ｈｚから１ＭＨｚまで、特に１ｋＨｚから１００ｋＨｚまでの範囲の一の周波数を備える一の交流電圧が存在する、請求項１４から２０のいずれか一つに記載の加熱方法。
22. 前記交流電流または前記交流電圧は一の共振方法によって供給または印加される、請求項１４から２１のいずれか一つに記載の加熱方法。

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