JP2012526366A - コンパクトな燃料電池 - Google Patents

Abstract

電気化学的なセル（２）の積層体、セル（２）の積層体の各端部に配置されるエンドプレート（４，６）のペア、前記セル（２）を冷却するための冷却システム（８）を備える燃料電気であって、該冷却システム（８）は、積層体を通じて該エンドプレート（４，６）中の閉鎖ループ（１０）を循環する冷却材流体を備え、それにより該冷却材流体は熱を前記エンドプレート（４，６）と交換する燃料電池。

Description

この発明は、コンパクトな燃料電池（ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）に関する。

燃料電池は、電気的に直列に接続され且つ２つの締め付けプレートの間に保持された電気化学的セルの積層体を備える。締め付けプレートは、物理的にセルを適所に保持し、且つセルを形作る異なるエレメントの間によい電気伝導性を保障するため互いにそれらを接触させて押圧する。

発熱電気化学反応は通常各電気化学的セルの内部で起こる。このように発生した熱は、逃されなければならず、さもなければセルはうまく機能しない。

約１００ワットを超える出力の燃料電池の場合においては、発生した熱は、積層体を通過するダクトの内部の冷却材流体の循環により逃される。この流体は、セルの中で加熱され、そして、積層体の外に運ばれ、例えば熱交換器で循環されることにより、そこで冷やされる。セルで集められた熱は、再使用されるか又は散逸される。流体は、ポンプにより循環される。冷却材流体回路は開放されており、その流体は、セルに入って出ていく。

冷却システムは大きい。積層体中を循環する冷却材流体を冷却するためには特別な熱交換器を必要とするからである。

燃料電池内の温度変化は、制限されなければならず、さもなければうまく機能しない。燃料電池への入口流体温度は、これを達成するために制御されなければならない。さらに、冷却回路の内部容積は、含まれている冷却材流体の量が無視できないようにする。結果として、この流体の量の慣性により、もしその働きが変化可能であるとすると、燃料電池内で均一な温度を維持することは難しい。

さらに、セルに出入りする冷却材流体の流れは、制御されなければならないかもしれない。さらに、もし冷却材流体が水なら、その電気伝導性は、冷却回路のパーツの腐食を減少させるために制御されなければならない。低い電気伝導性を有する脱イオン水が使用されるが、しかしながら、回路が冷却水を追加するために開放されるときには不純物が回路に入ることができ、よって冷却材流体の電気伝導度は増加する。

特許文献１（ＣＡ２３５８２５７）は、熱交換器がセルの積層体と締め付けプレートの１つの間に配置される燃料電池を開示する。主冷却材流体はセル中を循環し及びそして熱交換器内を循環するために積層体から出る一方、セルの外側を循環する副冷却材流体は、また熱交換器内部を流れ、２つの流体が金属プレートにより分離される。そして、熱交換が、主流体及び副流体の間で行われることによって、主流体から熱を取り出している。このセルは、多くのエレメントを備えている。

別の現存するタイプの燃料電池は、セルの積層体を通過して循環流体を運ぶ回路を備える。回路は、エンドプレートに形成される容器に開放され、その内側では冷却材流体が循環するチューブがある。冷却材は、セルを通過する流体から熱を取り出す。エンドプレートの容器の熱交換チューブの存在は、相対的に嵩張る。このチューブは、また、容器から突出し、エンドプレートを貫通するので、密閉を相対的に複雑にする。さらに、容器からの熱取り出しは、均一ではなく、チューブの周りで行われる。最後に、容器中のチューブの存在は、回路に、圧力ロスを引き起こす。

特許文献２（特許第６１１６１６６８９号公報）に開示される別のセルは、１つのサイドから別に積層体を通過するヒートパイプを備え、熱を直接的に取り出している。このタイプの冷却システムは、製造するのが複雑である。なぜなら、特に、各セルと各ヒートパイプとの間で密閉がなされなければならないからである。

また、ヒートパイプがセル内から直接にカロリーを取り出すためにセルの間に挿入される、燃料電池がある。

このタイプのアーキテクチャーでは幾つかの不利な点がある。間隔が可変でありうる積層体に挿入されたヒートパイプのセットは、前記積層体の圧縮に密接に依存する。前記積層体の圧縮は温度と共に変化するので、追加の機械的な制約をセルの積層体上にさらにはヒートパイプ上にも導入する。

また、ヒートパイプにより逃された熱はセルにより発生した熱に相当する。これは、セル中のよい温度均一性を達成することを不可能にする。なぜなら、幾つかのセルは、電気化学、流体（ガス流れ）又は熱的理由のため異なる化学条件下で稼動しうるからである。

また、多くの低出力ヒートパイプをデザインすることが必要である。なぜならセルの数は、通常５０から２００の間にあるからである。プロトン交換膜燃料電池に使用される温度範囲（６０〜８０℃及びおそらく貯蔵／起動は０℃以下）により、比較的に高い原価のアルコールタイプの流体を使用することが通常必要である。

ヒートパイプが分離するプレート中に埋め込まれる燃料電池もある。このアーキテクチャーは、より厚いプレートを有することを必要とする。さらに、製造のコスト及び複雑さは増大され、最終的には、圧縮中の機械的強度は減少されうる。ヒートパイプの交換及び／又は分解もまた、困難で高価になる。

カナダ特許第２３５８２５７号明細書 特許第６１１６１６６８９号公報

結果的に、この発明の一つの目的は、より簡単でよりコンパクトな構造を有する一方、熱を外界と交換し、異なるセルの間でバランスのとれた実際的に均一な冷却又は加熱を提供するシステムを備えた燃料電池を開示することである。

上述の目的は、セルの積層体、積層体の端部にエンドプレート、冷却材流体の循環のための閉鎖回路であって、その回路はセルの積層体及び蓄熱器を形成するためにデザインされた少なくとも１つのエンドプレートを通過して、その冷却材流体は前記プレートにその余分の熱を放出し、この熱は少なくとも１つのヒートパイプを用いて後で取り出され、そのヒートパイプの一つの端部が蓄熱器を形成するエンドプレートに配置されるものを備える燃料電池を用いることにより達成される。

言い換えると、エンドプレートの少なくとも１つは、冷却材流体から熱を取り出すために使用される。結果的に、従来技術で必要とされるような特別の熱交換器の必要は全くない。結果として、燃料電池の構造はより簡単で、よりコンパクトである。さらに、冷却回路はまたより短く、より簡単であるので熱損失は減少される。

１つの特に有利な実施形態において、熱は、締め付けプレート及びそれゆえ流体が素早く冷却されるように、ヒートパイプを使用してエンドプレートから取り出される。

ヒートパイプは、熱伝達回路に開放されていない、エンドプレートに配置される１つの端部を備える。

もし、その冷却材流体が、２つのエンドプレートで循環すれば、熱は特に効率的に逃される。なぜなら流体循環経路上での２つの異なる場所から逃れられるからである。流体は、一旦、セルの積層体を通過すると、次に、冷却される２つのエンドプレートのうちの一つを通過する。そしてセルの全積層体を再度通過して、冷却される他のエンドプレートを貫通する。したがって、冷却材流体は、２つの伝達ゾーンの間ではあまり加熱されず、すなわち、その温度は、その経路に沿ってあまり変わらず、このようにして温度を全てのセルでより均一にする。回路の２つの対向する位置でのこの熱取り出しは、積層体のほとんど均一な冷却を可能にする。本発明のこの詳細な実施形態により、冷却材流体は、積層体の２つの端部の間で冷却される。結果として、積層体の２つの端部のセルは、非常に似た方法で冷却される。

したがって、本発明では、セルのより効率的な冷却が可能になる一方、燃料電池の寸法も減少する。既知のタイプの燃料電池では２つの特別な熱交換器が２つの冷却ゾーンを作るために必要になり、それは、セルに２つの冷却材流体入り口及び出口の使用を必要としうる。そのようなセルのコスト、複雑さ及び寸法は、非常に増大されうる。

本発明では、セルを形成するエレメントの寸法及び数は少ない。なぜなら、エンドプレートは、セルを圧縮して冷却するからである。これは、セル構造を単純化する。セルの中の温度は、冷却材流体のまさしく循環により、直接的により均一になる。さらに、冷却材流体回路は閉じているので、セルは流体流れ及び温度に対して如何なる制御を必要としない。唯１つの循環ポンプと、例えばバルブ又は膨張容器のような流体回路のための通常の手段とが必要とされる。

圧力損失は、減少される。なぜなら冷却材流体は、単一回路で循環し、エンドプレートの通路は、流体的に「トランスペアレント」であるからである。なぜなら流体は、熱交換器を通じて流れるために、回路から出ないからである。

従って、この発明の対象は、主に、電気化学的なセルの積層体、該セルの積層体の各端部に配置されるエンドプレートのペア、前記セルを冷却するためのシステムを備える燃料電池であって、その冷却システムは、該積層体を通り該エンドプレートの少なくとも１つ中の閉鎖ループを循環する冷却材流体を備え、その冷却材流体は、前記エンドプレートに貫通し、それがセルから出てエンドプレートの一つに連絡するとき、エンドプレートで循環し、そして、それがエンドプレートから出るとき、前記セルに直接貫通して前記エンドプレートに連絡して、エンドプレート中を循環する冷却材流体は熱を前記エンドプレートと交換し、前記燃料電池はまた外側と少なくとも１つのエンドプレートとの間で熱を交換するための手段を備え、前記手段は少なくとも１つのヒートパイプを備えるものである。

また、冷却材流体は、有利に他のエンドプレート中を循環し、それにより熱をこの他のエンドプレートと交換することもできるようにする。

ヒートパイプの１つの端部は、前記少なくとも１つのエンドプレートを通る。ヒートパイプの他の端部は、熱を、空気又は別の冷却材が循環する熱交換器と交換する。

該電池は、エンドプレート内部の冷却材流体の経路に沿って配置される幾つかのヒートパイプを備えることができる。

有利には、冷却回路の通路断面は、冷却回路中の圧力損失を減少させるために、セルを通る交差部及びエンドプレートを通る交差部の間で略一定である。

冷却材流体は、エンドプレート中の幾つかのチャネル中で循環する。

この発明は、この発明による燃料電池を表現する以下の説明及び単一の図面を読んだ後でよりよく理解される。

電気化学的セル２の積層体並びに積層体の端部に配置されたエンドプレート４及び６を備える、この発明による燃料電池の実施例を示す図である。

単一の図面は、電気化学的セル２の積層体並びに積層体の端部に配置されたエンドプレート４及び６を備える、この発明による燃料電池の実施例を示す。

各電気化学的セルは、正及び負の電極並びに２つの電極の間に位置する電解質を備える。これらの電気化学的セルは、詳細には説明されない。なぜならそれらは、当業者には周知であるからである。

この発明は、主に、燃料電池が冷却される場合のために開示されるが、しかし、もし燃料電池が加熱される場合でもこの発明は等しく適用可能である。

エンドプレート４，６は、セルの異なるエレメントの間によい接触を維持するために、積層体に圧縮力を加える。（示されていない）ダクトは、また、異なるセルを供給するため及び発生したガス全てを集めるためにエンドプレート４、６を通過する。

燃料電池は、また、その稼動中に、セル内に発生した熱を取り出すシステム８を備える。

この発明によれば、システム８は、セル中及びエンドプレート中に形成された閉鎖された回路１０を備える。この閉鎖された回路は、その中で冷却材流体が循環するダクト１２及びエンドプレート中に形成されたダクト１４から形成される。ダクト１２は、セル２を１つの側から別の側まで通過して、ダクト１４の端部に接続される。流体は、矢１５の方向に循環し、そしてエンドプレート６に流れ、そして前記プレートから積層体まで流れ、他のエンドプレート４に向かって矢１７の方向に積層体を通過し、プレート４を通過して、次に方向１５に積層体を再び循環する。

冷却材流体は、接触する材料に応じて水又は有機物であってよい。脱イオン水であることができる。エチレングリコールは、システムが機能していないときに、霜からシステムを保護するために脱イオンされた水が加えられることができる。オイルもまた使用されることができる。

流体ポンプ１６は、また、閉鎖回路内部の冷却材を動かすために提供される。バルブ又は膨張容器のような他の通常のエレメントもまた提供されるが、ここには詳細は記載されない。

手段１７は、また熱をエンドプレートから取り出すために提供される。

特に有利には、熱取り出し手段１８は、単一図面で示されているようにヒートパイプ２０により形成される。各ヒートパイプの端部分２０．１は、セルに接触しない面上のエンドプレートを通る。他の端部分２０．２は、任意のタイプの手段により、例えば、冷却材流体が流れる副回路により、又は自然対流又は強制対流型空気熱手段により、冷却される。ヒートパイプの端部分は、ダクト１４に貫通しない。

手段１７は、また、積層体を循環する冷却材流体がプレートに伝達した熱を取り出すために、エンドプレート中を循環する副冷却材流体であることができる。

ヒートパイプ及びヒートパイプ中に含まれる流体は、燃焼セルのコアで到達される温度に応じて選ばれる。例えば、もし５ｋｗセルのコアの温度が約８０℃に維持されなければならない場合には、５つの１６ｍｍの外側直径のヒートパイプが使用される。

蓄積器としての少なくとも１つのエンドプレートの使用に関連付けられるヒートプレートの使用は、特に有利である。なぜなら、それは、熱の素早い受動的な取り出しを可能にするからである。ヒートパイプは、所定の稼動範囲で、（銅よりも４０倍のオーダーの）非常に高い熱伝導性を有している。結果的に、冷却材流体は積層体中及びプレート中のみに閉鎖された回路に循環されるので、その容積は減少され、この冷却材とヒートパイプを使用するとき、冷却システムの全体の熱慣性は減少される。これは、セルの冷却を、通常のアーキテクチャーよりも早くすることができる。

エンドプレート２，４は、熱蓄積器を形成し、エンドプレートに形成されたダクト１４中を流れる主冷却材流体によりもたらされる追加の熱を吸収する。この蓄積された熱は、次にヒートパイプを通じて逃される。

エンドプレートに形成されたチャネル１４は、回路１０中の圧力損失を制限するようにデザインされる。これは、チャネルの断面を、パイプ１２のものと略同じにすることによりなされる。チャネルは、通路断面がパイプ１２のものと略同じである単一のダクトから形成されるか、幾つかのチャネルがパイプ１２のものと同じ全通路断面を備えて使用されることができるように配置されることができる。後者の場合において、主冷却材流体とエンドプレートの間の交換領域はより大きく、それゆえ、流体からプレートに伝達される熱量はより高くなる。ヒートパイプは、チャネル１４に貫通しないので、ヒートパイプはそれを通ずる流れを妨害しない。

冷却材流体で満たされ且つダクト１２に接続されたプレート内部のチャンバーを製造することも可能であり、この流体容積は冷却材流体のバッファー容積を形成するものである。

明らかに、１以上のダクトが、セルの間で、循環のために備えられることができる。

エンドプレートと外側環境との間の熱交換のためのヒートパイプの使用は、ヒートパイプが、最後の分離するエンドプレートに面する表面とは違うエンドプレートの５つの面上に配置されることができるという利点を有する。従って、それは、ヒートパイプの向きの自由及び、プレートに挿入されることができるヒートパイプの数の自由を可能にする。それはまた、ヒートパイプの形状について幾つか自由度を提供する。なぜならそれは分離するプレートの形状と独立であるからである。結果として、ヒートパイプの原価が減少されることになる。

エンドプレートの厚さは、それらのヒートパイプを、積層体とは独立に、挿入するために増加させることができる。

ヒートパイプと液体が積層体を通過するシステムとの組み合わせは、全てのセルで、よい熱均一性を保障する。

金属、例えば鋼鉄、はエンドプレートがよい熱伝導を与えるのに使用される材料として選ばれる。有利には、エンドプレートは、セル構造の重量を減少させるアルミニウムから製造される。金属又はカーボン導電性粒子を含む合成材料も、またエンドプレートを製造するために使用されることができる。

示された実施例において、２つのエンドプレートが、セルから熱を取り出すために使用される。しかし、単一のプレートが熱を引き出すために使用されるセルが、本発明の範囲の外側にないことは極めて明らかである。

私たちは、ここに、いかに冷却が本発明によるセルで行われるかを記載する。回路が完全に冷却材流体で満たされ、熱が連続的に取り出されることを完全によく知っているので、私たちは、冷却材流体体積の経路を考慮する。

燃料電池、及び特にセルの積層体は、稼働中に、暖まる。冷却材流体は、閉鎖された回路で循環し、ポンプにより駆動される。冷却材流体体積は、エンドプレートに到着するまえに、積層体の全てのセルを通過し、それは動くので、それは、ヒートパイプによりそれ自体永久的に冷却されるエンドプレートに伝達することになる熱を吸収する。流体体積は、エンドプレートを通過するときに、熱を連続的に伝達する。そして、冷却材流体は、積層体中を貫通して、再び熱を集め、その熱が伝達される他のエンドプレートに貫通する。結果的に、積層体中の１つの完全な循環の間、冷却材流体を冷却する２つのステップがある。結果として、取り出される熱出力は、唯１つの冷却ステップしかない既知のシステムよりも多い。さらに、ヒートパイプは、冷却材流体が循環する副回路の場合よりもより早い熱伝達を提供する。

さらに、冷却材流体の温度は、２つの冷却するステップの間で、増加が少ないので、熱は、冷却材流体が積層体を通過するときより均一的に取り出される。

温度を増加させることが必要であるとき、動作は類似しており、この場合、流体は、プレートに熱を集めて、それをセルに伝達する。

この発明は、そのコアの主冷却材流体の連続的な循環により、セルの中に均一な温度を得るのに簡単な解決策を提供する。さらに、流体は、セルに閉じ込められるので、流体温度を制御する必要はない。必要なことは、セルのコアの温度を制御することだけである。

さらに、寸法及び製造複雑さは、顕著に減少される。なぜなら、エンドプレートは熱を外側に伝達するために使用されるため、製造工程は、熱を除くために特定的に追加される追加エレメントを全く含まないからである。

さらに、冷却材流体のより少ない体積と関連付けられるヒートパイプの使用は、熱の早い取り出しを可能にする。さらに、ヒートパイプの高い熱伝導性により、可変運転を伴うセルの場合の運転は、顕著に改善される。積層体の内部の温度変化は、より簡単に管理されることができるからである。

さらに、エンドプレート中の流体の流れに沿ったヒートパイプの端部分の配置は、熱の最適な取り出しを可能にする。異なるヒートパイプは、熱交換器の場合に同じように加熱された流体よりも、エンドプレート中を流体が通るそれぞれのゾーンの熱を取り出す。

さらに、完全に閉鎖された回路中に冷却材流体を循環させることの事実は、流体の電気伝導性を増加させるリスクを減少させる。

この発明は、低い圧力損失の冷却回路の結果になり、例えば１５０ｍｂａｒの最大圧力損失が５ｋｗの電気を発生させるセルで測定される。従って、流体を安定条件下で循環させるのに必要なエネルギーは減少される。

熱取り出しシステムは、可逆的でありうることができる。もし発熱反応による熱エネルギー出力がコアの温度を維持するのに不十分であるか又は存在しない場合に、燃料電池のコアを加熱する、又は所定の温度で燃料電池のコア温度を維持するために使用されることができる。ヒートパイプは、外側から熱をエンドプレートに伝達することにより、これをすることができ、この熱はエンドプレートを循環する主冷却材流体により収集される。

２ 電気化学的セル
４ エンドプレート
６ エンドプレート
８ システム
１０ 回路
１２ ダクト
１４ ダクト
１５ 矢
１６ 流体ポンプ
１７ 手段
１７ 矢
１８ 熱取り出し手段
２０ ヒートパイプ
２０．１ ヒートパイプの端部分
２０．２ ヒートパイプの他の端部分２０．１

Claims (9)

1. 電気化学的なセル（２）の積層体、セル（２）の該積層体の各端部に配置されるエンドプレートのペア（４，６）、前記セル（２）を冷却するための冷却システム（８）を備える燃料電池であって、該冷却システム（８）は、該積層体を通りエンドプレート（４，６）の少なくとも１つ中の閉鎖ループ（１０）中で循環する冷却材流体を備え、前記冷却材流体は、それがセルから出てエンドプレートの一つに連絡するとき、前記エンドプレート中を貫通し、エンドプレートで循環し、そして、それがエンドプレートから出るとき、前記セル中を直接貫通し前記エンドプレートに連絡して、それにより該エンドプレート（４，６）中を循環するとき該冷却材流体は熱を前記エンドプレート（４，６）と交換し、前記燃料電池はまた外側と少なくとも１つのエンドプレートの間で熱を交換するための手段を供え、前記手段は少なくとも１つのヒートパイプを備えることを特徴とする燃料電池。
2. 該冷却材流体はまた、他のエンドプレート中を循環して、それにより熱をこの他のエンドプレートに交換することができるようにすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 該ヒートパイプ（２０）の１つの端（２０．１）は、前記少なくとも１つのエンドプレート（４，６）中を通ることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 該ヒートパイプ（２０）の他の端（２０．２）は、熱を、空気又は、別の冷却材流体が循環する熱交換器（１７）で交換することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
5. 該エンドプレート（４，６）内部の該冷却材流体の経路に沿って分散された幾つかのヒートパイプ（２０）を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池。
6. 該冷却回路（８）の通路断面が、該セル（２）を通ずる交差部と該エンドプレート（４，６）を通ずる交差部の間で略一定であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池。
7. 該冷却材流体は、該エンドプレート中の幾つかのチャネルで循環することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃料電池。
8. 該エンドプレート（４，６）が、冷却材流体で満たされたチャンバーを備え、ダクトはそこを通過して該セル（２）を通じて循環する熱伝達流体を運ぶことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃料電池。
9. 該エンドプレート（２，４）がアルミニウムから製造されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の燃料電池。

Images