JP2012508947A - 熱交換器を含む燃料電池システム - Google Patents

Abstract

燃料電池システムは、
２つのエンドプレート（１３０，１４０）の間に挟まれた複数の燃料電池（１４５）を含む燃料電池スタック（１）と、
前記燃料電池スタックに燃料ガス流を供給するための燃料供給システム（６０，１１０，１１３，１９０）と、
前記燃料電池スタックに酸化剤ガス流を供給するための酸化剤供給システム（６５，１２０，１２３，１９５）と、
前記燃料電池スタック（１）に冷却液を通して、前記冷却液が前記燃料電池スタックに入り、前記燃料電池（１４５）から熱を吸収し、燃料電池スタックから出るようにする閉ループ冷却剤循環システムであって、前記冷却液を送るための循環ポンプ（７２）と、前記冷却液から熱を除去し且つ前記熱を少なくとも部分的に前記燃料ガス流および／または前記酸化剤ガス流に伝達するための熱交換器（７８，８０）とを含む閉ループ冷却剤循環システムとを含む。
前記熱交換器（７８，８０）は、熱伝導材料で作成され且つ前記エンドプレート（１３０）の一方のボアに挿入されたチューブ（２０３）を含み、前記チューブと前記ボアが、前記チューブ（２０３）内の第１の流体チャネルと、前記チューブと前記エンドプレート（１３０，１４０）の前記ボアの前記側面との間に存在する空間内の第２の流体チャネル（２０５，２０７）とを少なくとも画定し、前記第１と第２の流体チャネルの一方が、前記冷却液のためのものであり、他方の流体チャネルが、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスのためのものである。

Description

本発明は、一般に、冷却液を燃料電池に供給する前に冷却液からの熱を使用して反応ガスを予熱する燃料電池システムに関する。

電気化学燃料電池は、流体反応物（すなわち、燃料流と酸化剤流）を電力、熱および反応生成物に変換する。燃料電池は、一般に、２つの多孔質導電性電極層間に配置された電解質を含む。所望の電気化学反応を引き起こすために、アノード電極とカソード電極はそれぞれ、１つまたは複数の触媒を含むことができる。

アノードでは、燃料は、多孔質電極層を通過し、触媒によって酸化されてカチオン（一般に、陽子）と電子の両方を生成する。カチオンは、電解質中をカソードに向かって移動する。酸化剤（一般に、純酸素または酸素を含む混合物）は、多孔質カソードを通過し、アノードから膜を通過してくるカチオンと反応する。一方、電子は、アノードから外部回路を通ってカソードまで移動し、電流を生成する。酸化剤とカチオンの電気化学反応は熱も生成する。この熱は、動作中に燃料電池の温度を上昇させる。

相当量の電力を生成するためには、各燃料電池の間に導電性セパレータを入れていくつかの個々の燃料電池を直列に積み重ねなければならない。積み重ねた燃料電池のそのような組立体は、燃料電池スタックとして知られる。例えば車両への電力供給のような大量のエネルギーを必要とする用途では、しばしばとても大きな燃料電池スタックが使用される。そのような大きなスタックは、１００個以上の燃料電池から構成されることがある。予想されるように、燃料電池スタックは、かなり大量の熱を生成し、最適動作温度を維持するために冷却されなければならない。

燃料電池スタックを冷却する１つの一般的な方法は、スタック内部に冷却回路を画定するチャネルを通して冷却流体を循環させることである。ほとんどの場合、冷却流体は、液体、好ましく水と、場合によっては腐食抑制剤や他の薬剤が添加されたエチレングリコールのような不凍液との混合物である。米国特許第２００３／０２０３２５８号は、燃料電池スタック用の先行技術の冷却剤循環機構を開示している。既知の方式では、循環機構は、冷却液を供給するためのリザーバ、リザーバから冷却液を燃料電池スタック内部のチャネルに通すためのポンプ、およびリザーバに戻る冷却液から熱を除去するためのラジエータを含む。

前述のような冷却剤循環機構を使用することにより、スタック内の燃料電池の温度をほぼその最適動作温度に維持することができる。燃料電池はそのタイプによって異なる最適動作温度を有するが、この温度は、ほぼ常に周囲温度より実質的に高い。スタックの内部と周囲との間に温度差がある結果、燃料電池に供給される反応ガスが、実質的に燃料電池より低温になる可能性がある。反応ガスと燃料電池とのそのような温度差は、いくつかの問題を引き起こす可能性がある。詳細には、燃料電池内に低い温度のガスが入ると、燃料電池内部に好ましくない温度差ができる。さらに、特に再利用される排ガスが反応ガスと混合されたとき、スタックと反応物との温度差が、水蒸気の望ましくない凝縮をもたらす可能性もある。以上のことから、燃料電池に供給される反応ガスの温度は、好ましくは燃料電池スタックの内部と同じ温度まで予熱されるべきである。

反応ガスを予熱するために、反応ガスを燃料電池スタックから出る冷却流体と熱接触させることが知られている。この目的のため、特許文献１に開示された前述の先行技術の冷却剤循環機構は、冷却液と燃料ガスの貯蔵容器との間で熱を交換するための熱交換器を含む。燃料供給を貯蔵するために使用されるキャニスタが燃料電池スタックと別に配置されているという事実から、この機構に関する１つの問題が生じる。それは、熱交換器をキャニスタと直接接触させなければならないので、スタックから熱交換器に冷却液を送るための導管を設けなければならないことである。冷却液用に導管の存在は、燃料電池システムの製造コストの増大の原因となる。さらに、システムは、予熱された燃料ガスをスタックに導く供給導管を含む。そのような機構では、予熱された燃料ガスが燃料電池に達する前に冷えるのを防ぐために、供給導管に断熱材を設けなければならないことが分かるであろう。断熱材の存在も燃料電池システムの製造コストの増大の原因になる。

米国特許第２００３／０２０３２５８号

したがって、発明の目的は、請求項１に従う燃料電池システムを提供することによって、先行技術の燃料電池システムの前述の問題を解決することである。

本発明の他の特徴および利点は、単に非限定的な例として示された以下の説明を読み、添付図面を参照することにより明らかになるであろう。

従来の燃料電池スタック（先行技術）の分解図である。 本発明による燃料電池システムの特定の実施形態の概略図である。 図２の燃料電池システムの熱交換器の例示的な実施形態の断面図である。 図３の熱交換器のチューブの断面図である。 図３の熱交換のチューブの代替実施形態の断面図である。 図２の燃料電池システムの熱交換器の代替の実施形態の断面図である。

図１は、先行技術のプロトン交換膜燃料電池スタック１０を分解図で示す。スタック１０は、１対のエンドプレート組立体１５，２０と、複数の燃料電池組立体２５とを含む。この特定の例では、電気絶縁性のタイロッド３０が、エンドプレート組立体１５，２０の間に延在して、スタック組立体１０を締付けナット３２によってその組み立て状態に保持し固定する。締付けナット３２とエンドプレート２０の間に入れられタイロッド３０にねじ式に嵌められたばね３４が、スタック１０に縦方向の弾性圧縮力を加える。反応物流と冷却流体流が、内部マニホールドに供給されそこから出されて、エンドプレート１５の入口と出口（図示せず）を介してスタック１０内を通る。

各燃料電池組立体２５は、アノード流れ場プレート（anode flow field plate）３５、カソード流れ場プレート（cathode flow field plate）４０、および極板３５と４０の間に配置されたＭＥＡ（膜電極接合体）４５を有する。アノード流れ場プレート３５とカソード流れ場プレート４０は、導電性材料から作成され、集電器として働く。一方の電池のアノード流れ場プレートが、隣りの電池のカソード流れ場プレートと背中合わせで配置されるとき、電流が、一方の電池から他方の電池に流れ、これによりスタック１０全体を流れることができる。隣り合った流れ場プレートの間に冷却チャネル（図示せず）が提供される。個別のアノード流れ場プレートとカソード流れ場プレートの代わりに単一の双極流れ場プレートによって個別の電池が分離された他の先行技術の燃料電池スタックが知られている。この場合、冷却チャネルは、双極プレートのバルク内に提供されてもよい。

流れ場プレート３５および４０は、さらに、ある電池のアノードに供給された反応物流体が別の電池のカソードに供給された反応物流体を汚染しないように、隣り合った燃料電池組立体の間に流体障壁を提供する。ＭＥＡ４５と極板３５，４０との間の境界において、流体流れ場５０が、反応物流体を電極に導く。流体流れ場５０は、一般に、ＭＥＡ４５と向かい合う極板３５および４０の主面に形成された複数の流体流路を含む。流体流れ場５０の１つの目的は、反応物流体をそれぞれの電極、すなわち燃料側のアノードと酸化剤側のカソードの表面全体に分散させることである。

図２に示された燃料電池スタック１は、エンドプレート１３０，１４０、燃料入口１５０、およびエンドプレート１３０の酸化剤入口１５５を有する。スタック１は、更に、燃料流と酸化剤流を複数の個々の燃料電池１４５に供給するためのそれぞれ燃料供給マニホールド１６０と酸化剤供給マニホールド１６５を有する。

図２は単に概略図である。しかしながら、燃料供給マニホールド１６０を各燃料電池のアノード流れ場５０（図１）の上流端に接続することができ、各アノード流れ場の下流端が、燃料排出マニホールド１８０に接続されていることを理解されたい。同様に、酸化剤供給マニホールド１６５は、各燃料電池のカソード流れ場の上流端に接続され、各カソード流れ場の下流端は、酸化剤排出マニホールド１８５に接続される。図示した機構によれば、燃料ガスと酸化剤ガスが、流れ場を通って個々の燃料電池に入る。次に、スタックからの使い果たされた反応物と反応生成物は、燃料排出マニホールド１８０および酸化剤排出マニホールド１８５を通って取り出される。

燃料電池システムは、更に、水素流と酸素流をそれぞれ燃料電池スタックに提供するように構成された燃料供給ユニット１１と酸化剤供給ユニット１２を含む。図示されたように、燃料供給ユニットは、燃料供給弁１１０とエゼクタ・ポンプ１１３を備えた燃料供給管路によってスタックの燃料入口１５０に接続された加圧貯蔵容器６０を含む。燃料再循環管路１１Ｒは、燃料排出マニホールドを供給弁１１０の下流で燃料供給管路に接続する。エゼクタ・ポンプ１１３は、使用済み水素を再循環させそれを新しい水素と混合するためのものである。当業者は、使用済み燃料を再循環させる役割をするポンプが、エゼクタ型のものでなくてもよいことを理解するであろう。エゼクタ・ポンプ１１３の代わりに、任意の適切なタイプのガス・ポンプを使用することができる。

同様に、酸化剤供給ユニット１２は、酸化剤供給弁１２０と真空エゼクタ・ポンプ１２３を備えた酸化剤供給管路によってスタックの酸化剤入口１５５に接続された加圧貯蔵容器６５を含む。酸化剤再循環管路１２Ｒは、酸化剤排出マニホールドを供給弁１２０の下流で酸化剤供給管路に接続する。エゼクタ・ポンプ１２３（または、任意の適切なタイプのガス・ポンプ）は、使用済み酸素を再循環させ新しい酸素と混合するためのものである。

燃料電池システムは、さらに、湿気管理手段を含む。水素イオンと酸素イオンの結合によって燃料電池のカソード側に生産水が形成されるので、この生産水を燃料電池のカソード側から取り出さなければならない。示された実施形態では、溢れを回避するために、湿気管理手段は、排水弁１９７と結合され且つ酸化剤再循環管路１２Ｒ上に配置された気体・液体セパレータ１９５を含む。この実施形態によれば、第２の気体・液体セパレータ１９０と第２の排水弁１９２は、燃料再循環管路１１Ｒ上に配置される。

本発明によれば、燃料電池システムは、さらに、リザーバ７０からの冷却液を使用して燃料電池スタック１を冷却するための冷却剤循環装置を含む。図示された実施形態では、冷却剤循環装置は、循環ポンプ７２と、冷却液入口マニホールド７４と、冷却液出口マニホールド７６と、燃料供給ユニット１１によって提供されたガス流に熱を伝達するための第１の熱交換器７８と、酸化剤供給ユニット１２によって提供されたガス流に熱を伝達するための第２の熱交換器８０と、冷却液から熱を抽出して冷却液の温度を更に下げるためのラジエータ８２とを含む。さらに、図面に示されていないが、図示された燃料電池スタックは、また、個々の燃料電池１４５の間にスタックで配置された複数の冷却剤流れ場を含む。これらの各流れ場の上流端は、冷却液入口マニホールド７４に接続され、下流端は、冷却液出口マニホールド７６に接続される。図２を再び参照すると、図示された冷却剤循環装置は、更に、燃料電池スタックの温度が最適動作条件より低いときに冷却液がラジエータ８２を迂回できるように構成されたサーモスタットバイパス弁８４を有する。

本発明の図示された実施形態によれば、燃料および酸化剤供給弁１１０および１２０と、エゼクタ・ポンプ１１３および１２３と、気体・液体セパレータ１９０および１９５と、排水弁１９２および１９５と、循環ポンプ７２と、バイパス弁８４と、熱交換器７８および８０がすべて、エンドプレート１３０に組み込まれる。そのような機構には、特に燃料電池システムの小型化、その重量、およびさらには生産コストに関する大きな利点がある。

次に、図３と図４を参照しながら、一体型熱交換器７８および８０について詳細に述べる。図３に示されたように、熱交換器７８および８０は、全体が２０１で示された１つの複式熱交換器の形で実施される。熱交換器２０１は、基本的に、燃料電池エンドプレート１３０の円筒穴に挿入されたチューブ２０３からなる。冷却液は、入口２０９から熱交換器に入り、チューブ２０３を通って流れるように作成される。次に、冷却液は、熱交換器を冷却液出口チャンバ２１０から出る。入口１５０から来た燃料ガスと入口１５５から来た酸化剤ガスは、それぞれ２０５および２０７で示されたらせんチャネルを通ってチューブ２０３のまわりを流れる。チャネル２０５および２０７は、チューブ２０３と円筒穴の壁の間に存在する環状すきま内に形成される。次に、燃料ガスと酸化剤ガスは、それぞれ熱交換器２０１を出口２１２および２１４から出る。

図示された例では、流体の分離と環境に対する封止は、Ｏリングで行われる。燃料ガスと酸化剤ガスの間の封止が重要なので、熱交換器は、ボア２２０を介した周囲への圧力除去機構を有する１対のＯリング２１６，２１８を使用する。チューブ２０３の一端に配置されたＯリング２２２は、冷却液からの燃料ガスを封止し、一方、チューブの他端に配置されたＯリング２２４は、冷却液から（または、少し異なる実施形態の場合には周囲から）の酸化剤ガスを封止する。図３を再び参照すると、この特定の実施形態では、燃料ガスと酸化剤ガスが熱交換器２０１に反対端から入ることが分かると思われる。次に、２つのガスは、熱交換器の中心近くにある出口２１２および２１４の方に逆方向に流れる。当業者は、本発明がこれらの特定の流れ方向に限定されないことを理解するであろう。しかしながら、冷却剤流が、熱交換器内で大きな温度変化を受ける場合は、逆方向の流れの構成（図示されたような）が有利なことがある。

チューブ２０３は、良好な熱伝導性を有する材料、好ましくはアルミニウムで作成される。らせんチャネル２０５，２０７は、十分な壁厚を有する標準アルミニウム管で機械加工することができる。図４に詳細に示されたように、らせんチャネル２０５および２０７は、逆方向に回転するように対称的である。しかしながら、回転方向は任意である。さらに別の実施形態によれば、複数の燃料ガスチャネルと複数の酸化剤ガスチャネルがあってもよい。この場合、第１の複数の平行燃料ガスチャネルと第２の複数の平行酸化剤ガスチャネルであることが好ましい。さらに別の実施形態によれば、燃料ガスチャネルと酸化剤ガスチャネルは、異なるサイズ（すなわち、異なる高さ、異なる幅）を有してもよい。チャネル間の壁の幅も異なってもよい。

図５は、さらに別の実施形態によるチューブ２０３の断面図である。示された実施形態によれば、チューブ２０３は、冷却液からチューブへの熱伝達を最適化するために星形コア２２６を有する。このコア２２６があるため、チューブ２０３内の冷却液の流速が増大する。この機構によって、熱交換器２０１の２つの端が実質的に同じ温度になる。

図６は、図３と類似の断面図であり、本発明の熱交換２０１のさらに別の実施形態を示す。示された実施形態によれば、電気ヒータ２３０が、熱交換器に組み込まれる。ヒータは、円筒形であり、チューブ２０３内にその軸に沿って延在する。冷却液は、ヒータとチューブの壁との間の環状すきま内に流される。ヒータ２３０は、燃料電池スタックの始動、すなわち加熱に使用される。さらに別の実施形態によれば、星形コア２２６と電気ヒータ２３０は、同一チューブ２０３内で結合してもよい。この場合、ヒータを星形コア２２６のリブによって適所に保持することができる。このようにして、加熱要素２３０からの熱の一部分がチューブに直接伝わり、一方、熱の別の部分が冷却液に伝わる。星形コアのリブの量、高さおよび幅を適応させることによって、熱伝達の比率を最適化することができる。

図２に示された実施形態によれば、熱交換器７８および８０の他にいくつかの要素がエンドプレートの一方に組み込まれる。しかしながら、類似の機構が、先行技術特許文献ＷＯ ２００７／０４５４１６で既に記載されているので、ここでは、これらの他の要素の組み込みについて詳細に述べない。

添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の範囲を逸脱することなく、この詳細の主題を構成する実施形態に対して、明らかな様々な変更および／または改良を行い得ることを当業者は理解されよう。詳細には、単一のエンドプレートに様々な構成要素を組み込む代わりに、各構成要素がエンドプレートの一方に組み込まれるように構成要素が２つのエンドプレートの間に分散されてもよい。さらに、１つの複式熱交換器２０１を有する代わりに、燃料ガス熱交換器７８と酸化剤ガス熱交換器８０が、別々の装置でもよい。

１…燃料電池スタック、６０，１１０，１１３，１９０…燃料供給システム、６５，１２０，１２３，１９５…酸化剤供給システム、７２…循環ポンプ、７８，８０…熱交換器、１３０，１４０…エンドプレート、１４５…燃料電池、２０３…チューブ、２０５，２０７…流体チャネル。

Claims (13)

1. 燃料電池システムであって、
   ２つのエンドプレート（１３０，１４０）の間に挟まれた複数の燃料電池（１４５）を含む燃料電池スタック（１）と、
   前記燃料電池スタックに燃料ガス流を供給するための燃料供給システム（６０，１１０，１１３，１９０）と、
   前記燃料電池スタックに酸化剤ガス流を供給するための酸化剤供給システム（６５，１２０，１２３，１９５）と、
   前記燃料電池スタック（１）に冷却液を通して、前記冷却液が前記燃料電池スタックに入り、前記燃料電池（１４５）から熱を吸収し、燃料電池スタックから出るようにする閉ループ冷却剤循環システムであって、前記冷却液を送るための循環ポンプ（７２）と、前記冷却液から熱を除去し且つ前記熱を少なくとも部分的に前記燃料ガス流および／または前記酸化剤ガス流に伝達するための熱交換器（７８，８０）とを含む閉ループ冷却剤循環システムとを含む燃料電池システムであって、
   前記熱交換器（７８，８０）が、熱伝導材料で作成され且つ前記エンドプレート（１３０）の一方のボアに挿入されたチューブ（２０３）を含み、前記チューブと前記ボアが、前記チューブ（２０３）内の第１の流体チャネルと、前記チューブと前記エンドプレート（１３０，１４０）の前記ボアの前記側面との間に存在する空間内の第２の流体チャネル（２０５，２０７）とを少なくとも画定し、前記第１と第２の流体チャネルの一方が、前記冷却液のためのものであり、他方の流体チャネルが、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスのためのものである、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第１の流体チャネルが、前記冷却液のためのものであり、前記第２の流体チャネル（２０５，２０７）が、燃料ガスまたは酸化剤ガスのためのものである、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記第２の流体チャネル（２０５，２０７）が、前記チューブ（２０３）のまわりにコイルのパターンに従って配置された、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記チューブ（２０３）の前記外径が、前記ボアの直径と実質的に等しく、前記第２の流体チャネル（２０５，２０７）が、前記チューブの前記外壁から切除されたらせん溝によって形成された、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記交換器が、前記チューブ（２０３）と前記極板（１３０，１４０）内の前記ボアの前記側面との間に存在する空間内に配置された第３の流体チャネル（２０５，２０７）を含み、前記第２の流体チャネル（２０５，２０７）が、前記燃料ガスと酸化剤ガスの一方のためのものであり、前記第３の流体チャネル（２０５，２０７）が、前記燃料ガスと酸化剤ガスの他方のためのものである、請求項２、３、または４に記載の燃料電池システム。
6. 前記第２のチャネル（２０５）が、前記チューブ（２０３）と前記ボアの前記側面との間の空間の第１の部分内に、前記第１の流体チャネルの上流部分を取り囲んで配置され、前記第３のチャネル（２０７）が、前記チューブ（２０３）と前記ボアの前記側面との間の空間の第２の部分内に、前記第１の流体チャネルの下流部分を取り囲んで配置された、請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記チューブと前記ボアの前記側面との間の空間の第３の部分が、前記第１の部分と前記第２の部分との間に配置され、前記第３の部分が、前記第１の部分と前記第２の部分とかららせん状に離され、前記第３の部分が、前記スタック（１）から開いた通気口（２２０）に接続された、請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記チューブ（２０３）の前記内部は、前記冷却液から前記チューブへの熱伝達を増大させるためにギル（gill）またはフィンが付けられた、請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 星形コア（２２６）が、前記チューブ（２０３）内に配置された、請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 電気ヒータ（２３０）が、前記第１のチャネル内に配置された、請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
11. 前記冷却剤循環システムが、前記冷却液から余分な熱を除去するためのラジエータ（８２）を有する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
12. 前記燃料ガスが、水素である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
13. 前記酸化剤ガスが、酸素である、請求項１２に記載の燃料電池システム。

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