JP2023525317A - 高温ｐｅｍ燃料電池スタックの熱調整のための方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、熱伝達のための水又は水－有機種混合物等の作動流体の相変化を利用しつつ、スタックの少なくとも１つの面に接続され、かつ繰り返し層及び非繰り返し層の縁と接触する板を使用して、燃料電池スタックを一定の温度に維持する効果的な手段を備える燃料電池スタックを提供する。また、液体及び蒸気の両方が同時に存在するように冷却流体の流量及び圧力を調整することにより、前記燃料電池スタックを一定の温度に維持するための方法も提供される。
Description
この発明は、一般に燃料電池に関し、更に詳しくは、高温高分子電解質膜（ＨＴＰＥＭ）燃料電池スタックの熱調整のための装置及び方法に関する。
燃料電池スタックは、一般に繰り返し層から構成され、層の１つは、イオン種が熱力学ポテンシャルの影響下でそれを通じて移送され得る非導電性電解質膜である。電極は膜面に適用される。燃料電池において、これら膜－電極－組立体（ＭＥＡ）は、電気的及び熱的電導性バイポーラ板間に挟まれる。
燃料電池スタックへのＭＥＡ組立体のその後の一体化を容易にするために、ＭＥＡがこれらに一体化されたフレームを有することは一般的である。封止は、一般にフレーム領域内で遂行される。
バイポーラ板とＭＥＡの組合せはセルを定義する。バイポーラ板は、酸化剤ガスのＭＥＡの一面への送り及び燃料ガスのＭＥＡの他の一面への送りのためのチャネル等の手段を有する。燃料電池スタックは、反応の生成物が電子の流れと水でありかつ燃料電池反応を通じて熱が生じる酸化剤及び燃料の特定の反応を可能にする。
燃料電池スタックは、最大の性能及び信頼性を可能にするために特定の温度範囲内で動作しなくてはならない。例えば、高温ＰＥＭ（ＨＴＰＥＭ）燃料電池スタックの温度は、約１２０℃～２００℃に維持されなければならず、好ましい範囲は、約１５５℃～１７５℃である。高温及び／又は低温領域でスタックを動作させることは寿命を短くし、スタックの性能を低減させることはよく知られている。そのため、できる限り一定の温度に保つことが可能ないかなる手段も重要な設計基準である。これは特に、動作温度が１００℃を超える場合に重要である。
スタックを適切な動作温度に保つために、バイポーラ板は２部品設計であり得、反応回路を有する面とは反対側の面に流体回路が配置される。流体回路の目的は、熱エネルギーの移送のための作動流体を、アクティブ領域から離れるように又はアクティブ領域へと配送することである。バイポーラ板半体が互いに締め付けられると、流体回路が板の内部及び板間で封止される。
スタックを通して液体冷却剤をルーティングする複雑さは、そのような構造が、３種すなわちアノード及びカソード反応物並びに冷却剤が封止されることを要求することである。付加的な封止は信頼性のリスクを提起する。
ＨＴＰＥＭ燃料電池スタックの動作温度により、その内部を流れる作動流体の選択は制限される。そのため、特化された伝熱流体が、ＨＴＰＥＭスタックのために使用され、１つのブランド名はＤｏｗｔｈｅｒｍであり、これは２８８℃まで安定した性能のため信頼できる。
Ｄｏｗｔｈｅｒｍ及び他の移送流体、例えば２１５℃までの使用に対して評価されるＦｌｕｏｒｉｎｅｒｔ（登録商標）ＦＣ－７０等は、一般的なエラストマーと相性がいい材料に関してと、これらの流体が漏洩に対して有する傾向に関しての両方で、封止に対する課題を提起する。この困難性は、これらの流体が呈示する湿潤／ウィッキング挙動のために生じる。また、ＨＴＰＥＭスタックの動作温度での使用に適切であるいくつかの流体は、漏出の発生時又は廃棄中に環境に危険をもたらし得る有毒成分を含有する。
水又は水－有機混合物が作動流体として使用可能であれば、特異な利点を得ることができる。加えて、水の気化を通じた熱伝達は、相変化に関連した冷却効率のために利点を提供し得る。しかし、スタック内部の相変化を可能にする流れ回路は、スタック設計を複雑にする。例えば、スタック内部の相変化を介して冷却されるスタックは、比較的高い内圧に耐える必要がある。設計された動作温度での気化に必要なそのような高圧は、封止設計に大きな要求を課す。
米国特許第６，８６６，９５５号明細書は、１２０℃未満及び２バールで動作するスタックを冷却するための相変化の使用を詳述する。これにより、内部冷却剤路はバイポーラ板の面に沿い、スタックを通じて液体冷却剤を配送する複雑さと３種（空気、水素及び冷却剤）が封止されることの要求とを引き起こす。これは、冷却ループ圧力及び温度がこの特許に引用される２バール及び１００℃の限界を超えて上昇する場合、動作にとってより困難である。
冷却剤が内部に流れるスタックでは、スタック内の内部通路を通って流れるそのような作動流体の導電性は、スタック又は他のシステム要素が発した導電粒子が流れに同伴されるにつれて高まる。流体流れ中の導電粒子の濃度が高まるにつれ、スタック内の内部短絡のリスクが増長する。これらのリスクに対処するため、フィルタ又は脱イオン化床がシステムに含まれ得る。これらの各々は、システムに費用及び複雑さを付加し、これらはメンテナンスを必要とし、更に冷却剤ループにおける圧力低下を増やし、大きいポンプが必要となる。これは費用を増加させ、音響ノイズをより発生させる。
発明者は、より高温のスタックの冷却についての上記問題点に対する解決策が、スタック冷却に対する２つのアプローチの新規な組合せから生じることを思いがけず見出した。すなわち、スタック繰り返し要素の縁からなる面である少なくとも１つの面からの熱伝導移動と、高熱容量冷却剤において二相を維持しつつその冷却剤を作動流体として流すことである。この解決策は、単純化された信頼性の高いハードウェア形態を有するＨＴＰＥＭ燃料電池スタックを外部から冷却するのに効果的な手段であり、作動流体として水又は水有機種混合物を使用し、また、熱伝達のための相変化を利用する。
一実施形態において、流体回路を組み込む熱マスは、スタック外面に接続される。熱マスは、スタックから熱パワーを受け取り、これが流体回路の作動流体を気化させる。流体回路作を通る動流体の流れは、余剰が存在することを保証し、流れが気相に完全に転換されることがなく、いくらかの液体が残るように調整される。流れは、熱マスから熱交換器へと配送され、熱交換器において蒸気が液体へと凝縮され、また作動流体の温度が低下し得る。
第２実施形態において、流体回路を組み込む熱マスは、スタック外面に接続される。熱マスは、スタックから熱パワーを受け取り、これが流体回路の作動流体を気化させる。流体回路作を通る動流体の流れは、余剰が存在することを保証し、流れが気相に完全に転換されることがなく、いくらかの液体が残るように調整される。流体回路の圧力は、２相流において特定の飽和温度を実現するように付加的に調整される。流れは、熱マスから熱交換器へと配送され、熱交換器において蒸気が液体へと凝縮され、また作動流体の温度が低下し得る。
本装置及び方法は、先行技術に対していくつかの利点を実現する。すなわち、熱除去のための非常に高い能力を有する冷却システムであり、これは、冷却システムの複雑さを低減し、冷却システムの総重量を減らし、冷却液をポンプ作用するための寄生電力損失を低下させる。更に、おそらく最も重要なことには、スタックパワー生成要素と共に追加の冷却要素を構成する必要性を除去するか、又は、バイポーラ板の部分として隙間の冷却容積を組み込み、これにより冷却流体の漏れを引き起こす構成の必要性を除去し、バイポーラ板の設計を非常に単純化することである。
本明細書中で使用される「熱マス」という用語は、熱エネルギーを受け取ったり放出し得るモノリシック板を意味する。本開示において、熱マスは、これが密接に結合された燃料電池スタックと熱エネルギーを自由に交換し得る。本開示は、一般に、燃料電池スタックが熱エネルギーを交換し得る一定温度リザーバを提供するように適合された流体回路を組み込む熱マスの使用に向けられる。流体回路内の圧力は、二相流の温度が特定の飽和温度に対応するように調整される。二相の存在により、熱マス及びこれが接続されたスタックの外部がそれぞれ一定の温度に維持される。
本開示の第１実施形態に従う図１に燃料電池スタック１が描かれる。燃料電池スタック１は、バイポーラ板間の膜電極組立体（ＭＥＡ）と直列に積層されたバイポーラ板からなり、これらの構成要素はスタックの両端に配置された端板間にある。バイポーラ板とＭＥＡの組合せを繰り返して面９を形成する。
図２を参照して、少なくとも１つの伝熱誘電層８が燃料電池スタック１の少なくとも１つの面９に配置され、第２伝熱誘電層８が燃料電池スタックの第２面９に配置され得る。加えて、伝熱誘電層８は、燃料電池スタックの追加の面に導入され得る。１つの適切な実施形態では、伝熱誘電層８は、約３Ｗ／ｍ*Ｋ～１５Ｗ／ｍ*Ｋの面を通る熱伝導率を有するいくつかの市販入手可能な材料の１つからなる。そのような材料は、プラスチック又はエラストマーのシートとして又はポリマーと鉱物の組合せから入手可能である。
流体回路３を組み込む少なくとも１つの熱マス２は、燃料電池スタックの少なくとも１つの面９に接続され、伝熱誘電層８は、電気的接触を防ぎながら熱エネルギーを配送することを目的として、熱マス２と燃料電池スタック１との間に配置される。第２流体回路３を有する第２熱マス２は同様の態様で燃料電池スタックの第２面に接続される。関連する実施形態において、燃料電池スタックは、たった１つの面に接続されたたった１つの熱マス又は複数の面に接続された複数の熱マスを有することができる。
起動中、又はシャットダウン等の温度変化を伴う他の操作中、スタック１に熱が加えられる時等、熱負荷が存在する場合、スタック１は伸長又は縮小する。このような熱的膨張又は縮小は材料間で変わる。熱的膨張又は縮小中、伝熱誘電層とスタック９の隣接面との間、又は伝熱誘電層と熱マス２の面との間に摩擦力が存在する場合、そのような力及び変位は、伝熱誘電層を変形させ、引き裂き、そうでなければ損傷させるのに十分大きくなり得る。好ましい一実施形態において、伝熱誘電層８とスタック９の面との間、又は伝熱誘電層８と熱マス２との間のインターフェースを潤滑にする目的で、伝熱誘導グリースが伝熱誘電層８の少なくとも１つの面に適用される。好ましい一実施形態において、伝熱誘電層の両面が潤滑剤で被覆される。潤滑の目的は、伝熱層と隣接構成要素との間でスライドが起こることを可能にすることであり、これにより摩擦力の影響下でそれが裂けない。
燃料電池スタック１は、その動作の副産物として熱エネルギーを生成する。この熱エネルギーは、スタックが動作し続ける場合、除去されなければならない。熱エネルギー流れは、熱マス２により取り除かれ得、前記熱エネルギーは、入口７を通じて熱マス２の流体回路３に入りかつ出口１０を通じて出る作動流体６の温度を上昇させる。熱エネルギーは、作動流体６がその沸（蒸発）点に達するまでは、顕熱伝達と呼ばれるプロセスを通じて作動流体６の温度の上昇により作動流体６に吸収される。その後、潜熱伝達と呼ばれるプロセスを通じてスタック１から熱エネルギーを気化させて吸収する作動流体６により、追加の熱エネルギーが吸収される。
図３を参照して、作動流体６は配管回路１１を通じて流れる。一実施形態では、配管回路１１の圧力が作動流体６の気化飽和温度、例えば１６０℃で水が気化する場合、ほぼ５．５２バール等に対応するように圧力調整器１２が調整される。一実施形態では、圧力調整器１２は、圧力変換器１６からのフィードバックを介して制御される。
所定の作動流体６温度は、液相及び気相の両方の存在の確実性を通じて成し遂げられる。二相がそれぞれ存在する限り、温度は一定であるが、二相のうちの１つが存在しないなら、温度は一定ではないであろう。例えば、液体だけが存在するなら、作動流体６が飽和温度未満の温度になることが可能である。そのような液体を「過冷却」液と呼ぶ。また、例えば、蒸気だけが存在するなら、作動流体６が作動流体の飽和温度を超える温度になることが可能である。そのような蒸気を「過熱」蒸気と呼ぶ。
図３を参照して、飽和温度において液相及び気相の両方の存在（ゼロ～１００パーセントの蒸気重量率、又は化学工業において定義されるようにゼロ～１）を確実にする１つの手段は、熱電対１９における温度を所定の蒸気飽和温度に維持するレートで、作動流体６を熱マス２に送るポンプ１４を有する配管回路を使用することである。熱マス２はスタック１から熱エネルギーを受け取る。ある追加の流れが、その飽和温度において流れが完全には蒸気から構成されないことを保証するために供給される。適切な一実施形態において、蒸気重量率は、１０パーセント～９０パーセント、より適切には２０～８０パーセント、更に適切には３０～７０パーセント、最適には４０～６０パーセントに最善に維持される。
ポンプ１４流れは、質量流量計１３からの信号を介して制御され得、供給される流れの量は、熱マス２の直ぐ下流の温度を測定する熱電対１９の出力の関数である。熱マス２は、熱電対１８により測定される作動流体６及び（図１を参照）スタック面９と実質的に同一の温度である。そのような配管回路の流れは、逆止弁１７を通じてのみ設計方向に保証される。流れは、熱電対１９での温度が作動流体の飽和蒸気温度であるように調整される。次いで、追加の流れが、流れが蒸気のみから構成されないことを保証するために事前に設定された量で供給される。例えば、５０グラム／分の水が熱電対１９を飽和蒸気圧力に維持するのに要求され、次いで、５５グラムの水が、流れが二相からなることを保証し、そのため一定の温度を保証するために供給され得る。
好ましい一実施形態では、作動流体の相を１００パーセント液体に変えるために凝縮熱交換器１５が配管回路に導入され、これはまた作動流体の温度をその飽和温度未満に低減し得る。そのため作動流体は連続的ループで使用され得る。
配管回路は、本開示を逸脱することなく、図３に示される要素のいくつかを除去し得、又は、貯蔵タンク、アキュムレータ、安全弁及び他のプロセス配管構成要素等の追加の要素が付加され得る。
配管回路は、本開示を逸脱することなく、図３に示される要素のいくつかを除去し得、又は、貯蔵タンク、アキュムレータ、安全弁及び他のプロセス配管構成要素等の追加の要素が付加され得る。
熱マス２の温度は、その構成の材料として高い熱伝導率を有するものを使用することにより、その容積中にわたって実質的に均一な温度に維持され得る。例えば、６０６３アルミニウム合金は、約２００Ｗａｔｔｓ*ｍ-1*Ｋ-1の熱伝導率を有し、銅８１１００合金は、約３４５Ｗａｔｔｓ*ｍ-1*Ｋ-1の熱伝導率を有する。
図４を参照して、チャネルが熱マス２内に機械切りされる場合、又は、熱マス２が鋳造又は成型操作により製造され、熱回路が金型又はモールドにおける機能により作り出される場合等、流体回路３が熱マス２に一体化される一実施形態を通じて、熱マス２と作動流体６との間の直接熱接触が成し遂げられ得る。一実施形態では、熱マス２は、ベース板４とカバー板５とから構成される。好ましい一実施形態において、カバー板５はレーザ溶接等の溶接操作によりベース板４に取り付けられる。
図６を参照して、一実施形態では、熱マス２の流体回路３は、熱接触抵抗を最小にするために、熱マス２に密接に接続された分離した又は別個の構成要素であり得る。カリフォルニア州プレザントンにあるＢｏｙｄ社のＬｙｔｒｏｎ部門は、２０に示すような構成の「プレスされた管冷却板」を製造している。
Claims (10)
- 燃料電池スタックであって、
バイポーラ板とＭＥＡの繰り返し層と、端板の非繰り返し層とからなり、
１つ以上の板が前記スタックの少なくとも１つの面に接続され、かつ前記繰り返し層の縁と接触し、
前記１つ又は複数の板は、一定温度熱リザーバとして作動するように適合される燃料電池スタック。 - 前記板は、流体回路内を流れる作動流体を組み込む請求項１に記載の燃料電池スタック。
- 前記作動流体は、水、又は、水とプロピレングリコールとの混合物、水とエチレングリコールとの混合物、水とメタノールとの混合物、又は水とエタノールとの混合物である請求項２に記載の燃料電池スタック。
- 前記スタックの作動温度は１２０℃～２６０℃である請求項１に記載の燃料電池スタック。
- 前記流体回路内の圧力は、前記スタックの作動温度において前記作動流体の飽和蒸気温度に調整される請求項３に記載の燃料電池スタック。
- 前記混合物の蒸気重量率は、５パーセント～９５パーセントに調整される請求項３に記載の燃料電池スタック。
- 液相及び気相の両方の存在を保証するために余剰流れが前記流体回路内に導入される請求項５に記載の燃料電池スタック。
- 前記一定温度熱リザーバ板と前記スタックの前記面との間に伝熱誘導層が配置される請求項１に記載の燃料電池スタック。
- 前記伝熱誘電層の少なくとも１つの面に潤滑剤が配置される請求項７に記載の燃料電池スタック。
- 前記少なくとも１つの伝熱誘導層の前記少なくとも１つの面に潤滑剤が配置される請求項１に記載の燃料電池スタック。
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