JP5996637B2 - 熱管理が改善された燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、熱管理が改善された燃料電池に関する。

電気を供出するための燃料電池は、燃料ガス、例えばプロトン交換膜燃料電池(PEMFC)型の電池の場合には水素、および酸化ガス、例えば空気または酸素を供給される。

燃料電池の動作はまた、熱エネルギーを発生させるという結果にもなる。

燃料電池は、電気化学セルのスタックを含み、各セルは、アノードおよびカソードを含む。セルは、タイロッドによって接続された端部板によって互いに対して押し付けられた状態に保たれる。

回路が、反応ガスをセルに供給するために提供される。他方では、燃料電池の電気化学的効率は、使用される材料の性質そのもののために電池内の温度に依存する。その結果、この温度は、80℃を越えないためにかつ可能な最高効率を得るために監視されなければならない。実際、もし動作温度が、低すぎるならば、燃料電池の最良の動作効率は、達成できず、もし燃料電池が、高すぎる温度上昇を経験するならば、燃料電池を構成する材料は、損傷を受ける可能性がある。最適温度範囲は、65℃から75℃である。

先に説明したように、燃料電池は、その動作中に熱を発生させる。この熱は一般に、燃料電池内の温度上昇を制限するために除去されなければならない。そのために、熱管理回路が、セルを通ってクーラントを流すために提供される。その回路は、内部回路と呼ばれる、セルのスタックを通り抜ける第1の部分および外部回路と呼ばれる、スタックの外部の部分を含む。クーラントの流量および温度は、制御される。外部回路は、2つの副回路を含み、クーラントを冷却するために熱交換器を備える副回路および内部回路の入口にクーラントを直接戻す副回路であり、その場合クーラントは、冷却されないまたはほとんど冷却されない。

クーラントの温度が、所与のしきい値よりも高いときは、クーラントのすべてまたは一部が、熱交換器を通り抜けることによって冷却されるために、熱交換器を備える副回路に送られる。

燃料電池の温度を管理するために、弁が、各電池の出口に直接埋め込まれ、クーラント温度の関数として制御される。PEMFC燃料電池の場合には、流体が、75℃よりも高い温度を有するときは、全流体は、熱交換器を含む第1の冷却用副回路の方へ向けられる。流体が、65℃から75℃の間の温度に達するときは、この流体の一部は、クーラントを内部回路の入口に直接戻す第2の副回路および熱交換器を備える第1の副回路に向きを変えられ、短絡される割合は、温度が65℃に近ければますます大きい。65℃より低い流体温度については、全流量が、スタックの入口の方へ直接短絡される。

数十kW程度の高電力を有する電池については、並列に流体力学的に(hydraulically)接続されたバイポーラ板のいくつかのスタックが、全体の高さスペースを制限し、クーラント、酸化流体および燃料流体の分配でのヘッドロスを制限し、ならびに電池の電圧レベルを下げるために作られる。

電池が、クーラントを並列に供給される少なくとも第1および第2のスタックを含み、各スタックが、その温度を制御するために弁を備えている場合には、もし第1のスタックが、第2のスタックよりも速く温かくなるならば、弁は、熱交換器を備える第1の冷却用副回路へ開く。しかしヘッドロスは、熱交換器を通る通路のために増加する。その結果、第1のスタックでのクーラントの流量は、減少し、そのことは、第1のスタックから除去される熱を低減する。しかしながら、ポンプによって提供される全流量は、同一のままであるので、第2のスタックでのクーラントの流量は、増加し、そのことは、第2のスタックでの熱交換の増加を、それ故に第2のスタックの温度の低下を引き起こす。最初に熱かった第1のスタックは、さらに熱くなり、最初により冷たかった第2のスタックは、さらに冷却される。そのとき、両方のスタック間での熱の不均衡の増幅が、起こり、そのことは、最も熱いスタックの電気化学的薄膜の完全性を危うくする可能性がある。

従って、本発明の目的は、スタック間の熱の不均衡が避けられる、または少なくとも低減される、セルの少なくとも2つのスタックを含む燃料電池を提供することである。

本発明の目的は、セルの少なくとも2つのスタックと、クーラントをスタックに流すための内部回路、ならびに熱交換器を備える第1の副回路およびクーラント回路がそれを通り抜ける内部回路の入口にクーラントを直接戻す第2の副回路によって形成される外部回路を含む熱管理システムと、内部副回路の出口に位置しかつどちらかのまたは両方の外部副回路でのクーラントの流れを制御する弁とを含む燃料電池によって達成される。電池はまた、両方の外部副回路間での近いまたは等しいヘッドロスを確実にするための手段も含む。

本出願での「近いまたは等しいヘッドロス」によって、ヘッドロス目標値に関してその偏差が多くても20%であるヘッドロスを意味し、そのことは、両方のスタック間での不均衡を効果的に避けることを可能にする。

有利には、ヘッドロスは、第2の外部副回路で増加させる。このため、第2の副回路での流れは、低下するが、しかしながら意外にも、この低下した流れは、電池の全体的動作に好影響を及ぼす。

好ましくは、このヘッドロスを増加させるための手段が、第2の外部副回路への接続部での弁に提供される。例えば、それは、クーラント流の断面積を低減する隔膜である。

非常に有利には、弁は、温度調整弁であり、そのことは、電池の熱管理を簡単にする。

また非常に有利にも、スタックの各弁は、スタックの端部板の1つに位置し、そのことは、電池の軸方向の全体的スペースを低減することを可能にする。

従って、本発明の主題は、電気化学セルの少なくとも2つのスタックおよび電気化学セルのスタックに締め付ける力を加える端部板と、内部回路と呼ばれる、クーラントをスタックのそれぞれに流すための回路であって、両方のスタックが並列に接続される、回路、ならびに外部回路と呼ばれる、クーラントをスタックの外部に流すための回路であって、その外部回路が、熱交換器を備える第1の副回路および内部回路の入口に直接接続される第2の副回路を含む、回路によって形成される熱管理システムと、スタックのそれぞれの出口での前記クーラントの温度の関数としてどちらかのまたは両方の副回路へのクーラントの流れを制御するための装置とを含む燃料電池において、前記熱管理システムは、第1の外部副回路および第2の外部副回路が近いまたは同一のヘッドロスを有することを確実にするための手段を含む、燃料電池である。

好ましくは、第1の外部副回路での熱交換器によって発生するヘッドロスに近いまたは等しいヘッドロスを発生させるための手段は、第2の外部副回路において提供される。

好ましくは、各スタックは、ヘッドロスを発生させるための手段を含む。

有利には、ヘッドロスを発生させるための手段は、制御装置において提供される。

特に有利な例では、ヘッドロスを発生させるための手段は、隔膜を形成する低減した断面積の通過部によって形成される。低減した断面積の通過部は、少なくとも1つの制御装置を第2の外部副回路に接続するためのチップとともに一体物として作られてもよい。別法として、低減した断面積の通過部は、少なくとも1つの制御装置に取り付けられる穴の開いた板によって形成されてもよい。

有利には、制御装置の少なくとも1つは、端部板に統合される。

好ましくは、制御装置の少なくとも1つは、温度調整弁である。

燃料電池は、例えばPEMFC電池である。

本発明の主題はまた、本発明による燃料電池を作るための方法であって、
a) 熱交換器によって発生するヘッドロスを決定するステップと、
b) 両方の副回路でのヘッドロスが近いまたは等しいように第1の外部副回路および/または第2の外部副回路を変更するステップとを含む、燃料電池を作るための方法でもある。

ステップb)は、熱交換器のヘッドロスに近いまたは同一のヘッドロスを発生させるために第2の副回路に導入すべき手段を選択するサブステップを含むことができる。ステップb)の間に、例えば隔膜の寸法が、決定される。

本発明は、次の説明および添付の図面を使用することでより良く理解されることになる。

クーラントを流すための回路が示される、本発明による電池の概略図である。 本発明の電池に2つの異なる状態で実装できる温度調整弁の実施形態の横断面図である。 本発明の電池に2つの異なる状態で実装できる温度調整弁の実施形態の横断面図である。 本発明の電池に実装できる温度調整弁の別の例となる実施形態の横断面図である。

図1では、熱制御システム4を備える燃料電池2の概略図を見ることができる。

燃料電池2は、交互に提供されるバイポーラ板およびイオン交換膜で構成される電気化学セルの2つのスタック6、7、ならびにスタックの両側の上流端部板8および下流端部板9を含む。

端部板8、9は、セルを構成する要素の表面全体にわたって均一に分配された電気伝導を確実にするためにスタック6、7に圧縮力を及ぼす。図示する例では、電池は、両方のスタックに共通する上流端部板を含むが、しかし両方のスタックは、分離されることもあり得る。下流端部板もまた、共通板に置き換えられることもあり得る。

その上、反応流体、例えば一方では水素および他方では酸素をセルに供給することは、どちらかのまたは両方の端部板8、9を通じて行われる。端部板は、スタック内の回路、ならびに供給および回収回路(図示されず)の両方に接続される供給ポートおよび排出ポートを含む。端部板8、9に加えられる締め付け力はまた、反応ガスに対する良好な気密も確実にする。

熱制御システム4は、クーラントを流すための回路を含み、その回路の部分10は、スタック6、7内の流れを可能にし、その回路の部分12は、スタック6、7の外部の流れを可能にする。

流れ回路は、端部板8、9を通り抜ける。

内部回路と呼ばれる、スタック6、7内の流れ回路の部分10は、例えばセルの中に直接作られる。

端部板8、9によって加えられる締め付け力はまた、クーラントに対する良好な気密も確実にする。

流れ回路は、スタックおよびそれらの外部へのクーラントの流れを確実にするために流れポンプPを含む。

内部回路10は、ポンプPによって並列に供給される2つの内部副回路10.1、10.2を含み、それぞれは、スタックを通り抜ける。

外部回路12と呼ばれる、スタックの外部の回路の部分12は、2つの流れ副回路12.1、12.2を含む。第1の副回路12.1は、クーラントが外部環境と熱を交換することを可能にするために、例えば熱を外部に放出するために熱交換器14を含む。しかし熱交換器は、外部環境から熱を取り込むと考えられることもあり得る。

第2の副回路12.2は、熱交換器を通り抜けることなくスタックに戻るクーラントの流れを可能にすることを目的とする。それ故に、この第2の副回路12.2は、第1の副回路12.1と並列に流体力学的に接続され、第1の副回路12.1での流体の流れを回避することを可能にする。

副回路12.1、12.2のどちらのクーラント流も、三方弁16、17などの制御装置を用いて達成される。

第1のスタックは、三方弁16を通じて第1の副回路および第2の副回路に接続され、第2のスタックは、三方弁17を通じて第1の副回路および第2の副回路に接続される。

第2の副回路は、両方のスタックのクーラントが混合される共通流れ部分18ならびにスタックの内部回路のそれぞれを共通部分18に接続する上流部分20および下流部分22を含む。

各制御弁16、17は、内部回路10の出口に接続される入口16.1、17.1および副回路12.1、12.2の入口に接続される2つの出口16.2、16.3、17.2、17.3を含み、副回路12.1、12.2のどちらでもクーラント流体のすべてまたは一部の通過を確実にする。

三方弁16、17は、スタックを通り抜けるクーラントの温度の関数として制御される。スタックのどちらを流れるクーラントも、その温度に応じて第1の副回路および/または第2の副回路に送られる。

例えば、制御弁16、17は、例えばクーラント流体に浸された温度プローブおよび弁の状態を制御する電子ユニットを用いて、クーラント流体の温度測定結果に従って作動する三方弁とすることができる。

特に有利には、制御弁16、17は、温度調整弁であり、その状態は、例えば電子型の手段をさらに必要とすることなく、クーラント流体によって、より詳しくはクーラント流体温度によって直接制御される。温度調整弁は、クーラント流体通過ポートを開通させるまたは閉塞することによってその周囲の流体の温度に応じて膨張または収縮する高膨張係数を有する要素を含む弁であることが思い出される。三方弁の具体的事例では、高膨張係数を有する要素は、三方の1つを完全に閉塞するか、または三方の2つを部分的に閉塞する。弁を制御することの信頼性および堅牢性が増加することに加えて、スペースのさらなる節約が、達成される。

また非常に有利にも、制御弁16、17の1つまたは両方は、下流端部板9の内部に提供される。この統合は、熱制御システムの全体的スペースが低減されることを可能にする。実際、端部板は一般に、セルの締め付けを確実にするためにいくらかの厚さを有する。

熱管理回路は、第1の副回路のヘッドロスおよび第2の副回路のヘッドロスが近いまたは等しいことを確実にする手段24を含む。両方の副回路でのヘッドロスの値ができる限り近い、すなわち目標値に関して2つのヘッドロス間の偏差が20%以下であるように試みられる。

優先的には、第1の外部副回路のヘッドロスは、大部分は熱交換器に起因するので、第2の副回路は、そのヘッドロスが第1の外部副回路のヘッドロスに近いまたは等しいようにそのヘッドロスを増加させるための手段24を含む。

好ましくは、これらの手段は、第2の外部副回路での1または2mmの流れでの、すぐ後に急激な拡大が続く急激な狭小を形成する隔膜、すなわちそれが導入されるダクトの直径に関して低減した直径を持つ、小さい厚さを有する板に作られた円形穴とすることができる。隔膜は、容易に統合できるという利点を有し、そのサイズ設定は、流れの分野での文献に周知である。さらに、隔膜は、非常に小型である。

一般に、流体を取り囲む壁での流体摩擦を増加させる任意の手段は、ヘッドロスを増加させるための手段24を形成するのに適している可能性がある。その結果、ヘッドロスを生み出すことができるどんな手段も、それが断面積変化(例えば通過断面積の絞りまたは急激な拡大)、方向の変化(例えばできる限り短い屈曲)、または配管の大きな長さであろうとなかろうと、適している可能性がある。

好ましくは、この通過絞りは、第2の外部副回路への制御弁の出口に直接形成され、それ故に電池の製造を簡単にする。

図2Aおよび図2Bでは、そのような低減した断面積の通過部24を含む温度調整弁16の有利な例となる実施形態を見ることができる。この例では、低減した断面積の通過部24は、弁の出口を第2の外部副回路12.2に接続するためのチップ26の端部に形成される。この低減した断面積は、チップ26とともに単体物として形成される。この例となる実施形態は、さらなる部品を必要としないという利点を有し、従ってこの低減した断面積の追加は、制御弁を回路に取り付けることおよびその配置について負担を有さない。

図2Aでは、温度調整弁は、熱交換器を備える第1の外部副回路へのクーラント流だけを確実にし、シール32は、第2の外部副回路12.2への通路を閉じる。クーラントはそのとき、例えばPEMFC型燃料電池の場合には75℃程度の所与のしきい値よりも高い温度を有する。

図2Bでは、温度調整弁は、第2の外部副回路12.2へのクーラント流だけを確実にし、シール34は、第1の副回路への通路を閉じる。クーラントはそのとき、例えばPEMFC型燃料電池の場合には65℃程度の所与のしきい値よりも低い温度を有する。

図3では、低減した断面積の通過部が弁の内部に穴の開いた板28を追加することによって達成される制御弁の別の例となる実施形態16'を見ることができる。例えば、ワッシャ28は、第2の副回路への弁の出口コネクタの上流に導入される。有利には、穴の開いた板28は、弁の本体30と接続チップ26との間で固定され、そのことは、比較的簡単な支持を可能にする。図3で示される弁16'は、シール34'によって、第1の外部副回路12.1への流れを密閉している状態にある。

制御弁でのヘッドロスを確実にする手段の配置は、決して制限するものではなく、それらは、第2の外部副回路の両方の下流部分に、第2の外部副回路の両方の上流部分に、片方のスタックの上流部分に片方およびもう一方のスタックの下流部分にもう一方を提供されると考えられてもよい。

さらに、弁でヘッドロスを発生させる手段は、両方のスタックについて必ずしも同一ではない。

図1で概略的に示される電池では、制御弁は、下流端部板に統合され、そのことは、電池の全体的スペースが低減されることを可能にする。さらに、ヘッドロス手段は、弁の中に直接作られ、そのことは、全体的スペースがさらに低減されることを可能にする。その上、温度調整弁の場合には、電池の熱管理は、自動的で、特に簡単であり、制御も外部測定も必要としない。

本発明による電池の動作が、今から簡潔に述べられることになる。

電池の動作中は、クーラントは、電池の動作によって発生する熱をそれから取り出すために電池での両方のスタックに流れる。クーラントは、内部回路に流れ、スタック6、7のそれぞれに流れるクーラントのそれぞれの温度の関数として制御弁16、17によって第1の外部副回路12.1および/または第2の外部副回路12.2へ向けられる。

例えば、もしスタックから出てくるクーラントの温度が、65℃よりも低いならば、クーラントは、熱交換器14を介して熱を放出することなくスタックに直接送られて戻るように第2の副回路12.2に送られる。もし第1のスタック6でのクーラントの温度が、75℃よりも高いならば、制御弁16は、全クーラントを冷却できるように第1の外部副回路12.1に送る。

クーラントが、65℃から75℃の間の温度を有するときは、制御弁16は、クーラントの一部を第1の外部副回路12.1に送り、クーラントの残りの部分を第2の外部副回路12.2に送る。

第1のスタック6が、第2のスタック7よりも温かくなり、第1のスタック6から出てくるクーラントの温度が、75℃よりも高く、第2のスタック7から出てくるクーラントの温度が、65℃よりも低い場合について考えてみる。第1の弁16は、第1のスタック6から出てくる全クーラントを、熱交換器14を備える第1の外部副回路12.1に送り、第2の弁17は、第2のスタック7から出てくるクーラントを第2の外部副回路12.2に送る。第1の副回路12.1は、熱交換器14の存在に起因するいくらかのヘッドロスを経験し、第2の副回路12.2は、隔膜24に起因するいくらかのヘッドロスを経験し、隔膜24は、両方のヘッドロスが近いまたは同一でさえあるように選択される。両方の副回路12.1、12.2でのクーラント流量はそのとき、非常に近い、または同一でさえあり、両方のスタック6、7に流れるクーラントの量はそのとき、実質的に同一であり、そのことは、両方のスタック6、7の間での均衡のとれた冷却を確実にする。

本発明による熱管理回路を作るための例となる方法が、今から述べられることになる。

その製造方法は、第2の外部副回路で生じさせるべきヘッドロスを決定するステップを含む。

生じさせるべきヘッドロスが隔膜を用いて得られる事例が、考察される。

熱交換器を備える第1の外部副回路のヘッドロスが、最初に決定される。このヘッドロスは、2つの部分に分けることができ、流体通路横断面のすべての「幾何学的」変化によって引き起こされる流体通路の抵抗に対応する、いわゆる「特異な」部分、および通路横断面の壁に沿った摩擦に対応する、いわゆる「通常の」部分である。

両方のこれらのヘッドロス係数(通常のおよび特異な)は、同一のヘッドロスが回路の外部副回路で得られることを可能にする。

ヘッドロスは、次のように書くことができる。
DP = ( K_reg + K_sing )・V²

第2の副回路への制御弁の出口で追加すべき特異なヘッドロスは、次のように計算できる。

ただしS_upstreamは、隔膜の上流の流体通路断面積を表し、S_diaphramは、隔膜通路断面積を表し、V_upstreamは、隔膜の上流の流体速度を表し、gは、重力加速度を表し、ΔHは、隔膜によってもたらされるヘッドロス(水柱のメートル単位mWCで)を表す。

約15kWの出力を有する燃料電池の場合には、そのクーラント、例えばグリコール添加水(glycoled water)の流量は、約7kg/sに等しい。

発生させるべきヘッドロスは、2.5m³/hの流体流量について150mbarである。

その計算のために、そのようなヘッドロスを発生させるために使用すべき隔膜は、22.6mmの上流直径に対して、6.9mmの直径を有すると決定される。

別法として、例えばポンプ型装置等を統合することによって、クーラントを加圧することによって第1の副回路でのヘッドロスを減少させることが、考慮されてもよい。第2の副回路でのヘッドロスを増加させかつ第1の副回路でのヘッドロスを減少させることもまた、考慮されてもよい。

本発明は、3つ以上のスタックを含む電池に適用可能である。

本発明によって、電池の異なる並列のスタック間に熱の不均衡がないことが、非常に簡単な方法でかつ熱管理システムの、それ故に電池の全体的スペースの増加を引き起こすことなく保証される。

2 燃料電池
4 熱制御システム
6 電気化学セルのスタック
7 電気化学セルのスタック
8 上流端部板
9 下流端部板
10 回路の一部分、内部回路
10.1 内部副回路
10.2 内部副回路
12 回路の別の部分、外部回路
12.1 外部副回路
12.2 外部副回路
14 熱交換器
16 三方弁、制御弁
16' 制御弁
16.1 入口
16.2 出口
16.3 出口
17 三方弁、制御弁
17.1 入口
17.2 出口
17.3 出口
18 共通流れ部分
20 上流部分
22 下流部分
24 ヘッドロスを増加させるための手段、低減した断面積の通過部、隔膜
26 チップ
28 穴の開いた板、ワッシャ
30 弁の本体
32 シール
34 シール
34' シール
P ポンプ

Claims (13)

1. 電気化学セルの少なくとも２つのスタック（６、７）および電気化学セルの前記スタック（６、７）に締め付け力を加える端部板（８、９）と、クーラントを前記スタック（６、７）のそれぞれの中に流すための、内部回路（１０）と呼ばれる回路、ならびに前記クーラントを前記スタック（６、７）の外部に流すための、外部回路（１２）と呼ばれる回路を備える熱管理システムであって、両方のスタックが並列に接続され、前記外部回路（１２）が、熱交換器（１４）を備える第１の外部副回路（１２．１）および前記内部回路（１０）の入口に直接接続される第２の外部副回路（１２．２）を含む、熱管理システムと、前記スタックのそれぞれの出口での前記クーラントの温度の関数としてどちらかのまたは両方の外部副回路（１２．１、１２．２）への前記クーラントの流れを制御するための制御装置（１６）とを含む燃料電池において、前記熱管理システムは、前記第１の外部副回路および前記第２の外部副回路が近いまたは同一のヘッドロスを有することを確実にするための手段（２４）を含む、燃料電池。
2. 前記第１の外部副回路および前記第２の外部副回路が近いまたは同一のヘッドロスを有することを確実にするための前記手段（２４）は、前記第１の外部副回路（１２．１）での前記熱交換器によって発生するヘッドロスに近いまたは等しいヘッドロスを発生させるための手段を含み、前記手段は、前記第２の外部副回路（１２．２）に提供される、請求項１に記載の燃料電池。
3. 各スタックは、ヘッドロスを発生させるための手段を含む、請求項２に記載の燃料電池。
4. ヘッドロスを発生させるための前記手段（２４）は、前記制御装置（１６）に提供される、請求項３に記載の燃料電池。
5. ヘッドロスを発生させるための前記手段（２４）は、隔膜を形成する低減した断面積の通過部によって形成される、請求項３または４に記載の燃料電池。
6. 前記低減した断面積の通過部は、少なくとも１つの制御装置（１６）を前記第２の外部副回路に接続するためのチップとともに一体物として作られる、請求項５に記載の燃料電池。
7. 前記低減した断面積の通過部は、少なくとも１つの制御装置（１６）に取り付けられる穴の開いた板によって形成される、請求項５または６に記載の燃料電池。
8. 前記制御装置（１６）の少なくとも１つは、端部板に統合される、請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池。
9. 前記制御装置（１６）の少なくとも１つは、温度調整弁である、請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池。
10. ＰＥＭＦＣ電池である、請求項１から９のいずれか一項に記載の燃料電池。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の燃料電池を製造するための方法であって、
    ａ）前記熱交換器によって発生する前記ヘッドロスを決定するステップと、
    ｂ）第１の外部副回路及び第２の外部副回路での前記ヘッドロスが近いまたは同一であるように前記第１の外部副回路および／または前記第２の外部副回路を変更するステップとを含む、燃料電池を製造するための方法。
12. ステップｂ）は、前記熱交換器のヘッドロスに近いまたは同一のヘッドロスを発生させるために前記第２の外部副回路に導入すべき手段を選択するサブステップを含む、請求項１１に記載の燃料電池を製造するための方法。
13. ステップｂ）の間に、前記熱交換器のヘッドロスに近いまたは同一のヘッドロスを発生させるために決定された寸法を有する隔膜は、前記第２の外部副回路内に取り付けられる、請求項１２に記載の燃料電池を製造するための方法。