JP6649471B2 - 燃料電池のための冷却システムおよび燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池と、冷却材を供給する冷却材ポンプと、冷却器と、冷却材を輸送する冷却材ラインと、冷却材を加熱する電気加熱装置とを含む冷却回路を備えた、燃料電池車両の燃料電池のための冷却システムに、またそれを備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水を生成するとともに電気エネルギーを生成する、水素と酸素の化学反応を利用する。この目的のために、燃料電池は、中核の部材として、膜電極組立体（ＭＥＡ）として知られるもの、すなわち、プロトン伝導膜とこの膜の両側に配置されたそれぞれの電極との組み合わせを備える。電極は、ガス透過性基板にまたは直接膜に適用された触媒層を備える。燃料電池の作動中、水素Ｈ₂または水素含有ガス混合物がアノードに供給され、そこで、Ｈ⁺への水素の電気化学的酸化が起こり、電子が放出される。Ｈ⁺プロトンは、ガスを通さない仕方で反応室を互いに分離するとともにこれらを電気的に絶縁する膜を介して、アノード室からカソード室へと拡散によって輸送（水が結合されてまたは無水で輸送）される。アノードにおいて提供された電子は、電気ラインを介してカソードに供給される。カソードにはさらに、酸素または酸素含有ガス混合物が供給され、それによって、Ｏ^2-への酸素の還元が起こり、電子が取り込まれる。同時に、これらの酸素アニオンは、カソード室内でプロトンと反応し、水を形成する。燃料電池は一般に、積層された複数の膜電極組立体を備えており、通常、反応ガスを電極に均一に供給するように、電極の外側に多孔質ガス拡散層が配置される。化学エネルギーの電気エネルギーへの直接変換に起因して、燃料電池は、カルノーサイクルを回避することにより熱機関より高い効率を達成する。

現在の最も進んだ燃料電池技術は、膜自体が高分子電解質から作成されている高分子電解質膜（ＰＥＭ）に基づく。最も広く使用されているＰＥＭは、スルホン化されたポリテトラフルオロエチレン（商品名ナフィオン（登録商標））から作成された膜である。電解質伝導は、水和プロトンを介して起こる。

通常、作動中に燃料電池内で起こる反応は、システムを適切な温度にするのに十分な熱を生成する。しかしながら、特に燃料電池を自動車の牽引システム内で使用する場合、特に外部温度が低いとき、この自己加熱プロセスにしばらくかかることがあり、結果として始動段階での作動が制限される。燃料電池を自動車の駆動に使用する場合、理想的には最高−４０℃までの範囲の周囲温度で迅速に作動温度に到達するのが望ましい。

凍結始動またはコールドスタートの場合に作動温度を達成するために、補助ヒーターの使用がＤＥ１０２００７０５４２９９Ａ１から知られている。冷却材が補助ヒーターを通って流れる。補助ヒーターは、冷却材が補助ヒーターを通って流れるときに冷却材を加熱する発熱体を備える。補助ヒーターは、別個の構成要素であり、燃料電池システム内にかなりの空間を必要とする。冷却材は、燃料電池の特に上流で加熱する必要があり、補助ヒーターを配置することが可能な位置の数は、限られており、設置空間の状況に不利に作用する。さらに、冷却材は、補助ヒーターを流れるときに圧力損失を経験し、これは燃料電池システムの効率に不利に作用する。

本発明の目的は、従来技術の問題を解決し、特に必要な設置空間がより少なくて済む、燃料電池システムのための冷却システムを提供することである。

この目的は、独立請求項の特徴を有する、燃料電池のための冷却システムによって達成される。従って、本発明の第１の態様は、冷却回路を備えた、燃料電池車両の燃料電池のための冷却システムに関する。冷却回路は、燃料電池と、冷却材を供給する冷却材ポンプと、冷却器と、冷却材を輸送する冷却材ラインと、冷却材を加熱する電気加熱装置と、を備える。本発明によれば、加熱装置は、冷却材ラインの少なくとも一部に沿って延在する加熱ラインとして設計される。本発明による冷却システムの利点は特に、燃料電池システム内の空間を占める補助ヒーターなしで済ませることができることである。これは結果として、燃料電池システムの最適なパッケージにつながる。さらに、補助ヒーターを通る際に起こるであろう圧力損失が回避される。このような仕方で、本発明による冷却システムは、燃料電池システムの効率を向上させる。

補助ヒーターを備えた冷却システムとは対照的に、本発明による冷却システムの冷却材ラインは、これが効率の観点から好都合である領域で加熱されるのみであり、燃料電池システムの内部に補助ヒーターを配置する空間が利用可能な領域で加熱されない。これは、システムの効率を著しく増大させるが、それというのも。必要とされる熱だけが適切な位置で冷却材に導入されるからである。

本発明によれば、加熱ラインは、冷却材ラインの１つまたは複数の区域に配置される。このような仕方で、電気的に加熱可能な冷却材ラインが形成される。冷却材ラインは、剛性ラインおよび／または可撓性ラインとすることができる。

本発明の好ましい実施例では、加熱ラインは、冷却材ラインの少なくとも一部に一体化される。これは結果として、空間の最適利用につながる。本発明の場合、加熱ラインは、熱伝導する仕方で冷却材ラインに接続される場合、冷却材ラインに一体化される。この目的のために、加熱ラインは、冷却材ラインの内側、冷却材ラインの壁の内部、または冷却材ライン上で当該ラインの外側に、配置することができる。

特に好ましい実施例では、加熱ラインは、冷却材ラインの内側に配置される。この実施例では、加熱ラインの効率は、特に冷却材が加熱ラインと接触している場合、最適化される。これは、冷却材ラインを介した熱損失を低下させる。冷却材ラインは、冷却材が冷却材ラインを用いて加熱されるのとは反対に、冷却材を用いて間接的に加熱される。さらに、この実施例は結果として、暖機段階が低減することになるが、それというのも、冷却材が、加熱ラインを用いて直接加熱されるのであり、冷却材ラインを用いて間接的に加熱されないからである。この特定の実施例では、特に２つの実施例が好ましく、１つの実施例は、加熱伝導体が、冷却材ラインによって形成される空洞と言えるような、冷却材ラインの内側に配置され、加熱伝導体が、局所的にのみ冷却材ラインと接触し、冷却材が、実質的に加熱伝導体の周りを流れる。この実施例では、加熱ラインは、例えば、ワイヤまたは細長いコイルとして実装される。代替として、冷却材ラインは、加熱ラインが内側に張られる。この目的のために、加熱ラインは例えば、外側の直径が冷却材ラインの内側の直径に一致する、コイル、ネット、または小さなチューブの形状を有する。

本発明のさらなる実施例では、加熱ラインが、冷却材ラインの壁内に導入されるのが好ましい。この実施例は、冷却材と加熱ラインとの間の直接接触が回避されるという利点を有する。これは、加熱ラインが冷却材によって腐食されるのを防止する。加熱ラインに関する要求は、腐食に関して低減し、加熱作用を心に留めるだけで設計できる。この実施例では、冷却材は、冷却材ラインを用いて間接的に加熱される。例えば、この実施例の加熱ラインは、冷却材ラインに、特に冷却材ラインの壁に埋め込まれる。加熱ラインは好ましくは、加熱ラインを製造する際にすでに冷却材ラインに導入される。

有利には、加熱ラインは、冷却材ラインの壁の外側に配置される。従って冷却材は同様に、冷却材ラインを用いて加熱される。利点は、この実施例では必要とされる保守が代替物の場合より少ないことである。保守が必要な場合または加熱ラインに不具合が生じた場合、好ましくは必要なことは、冷却材システムの冷却材ラインを取り外すことも、開くこともする必要なしに、加熱ラインを冷却材ラインから外して、それを取り替えることだけである。

好ましい実施例では、加熱ラインは、冷却材ラインを所定の区域で、特に冷却材ラインの壁の全周に亘って、取り囲む。これは、加熱ラインが例えば、冷却材ラインの周りにスリーブとして実装されることを意味する。この実施例は、冷却材ライン全体の均一な加熱を可能にし、従って、一様に高い熱入力を可能にするので、特に高い効率を有する。加熱される壁の区域が大きくなればなるほど、システムはより緩慢でなくなり、より効率的かつ迅速に冷却材に熱が伝達される。

本発明のさらなる好ましい実施例では、加熱ラインは、制御および／または調節可能であり、それによって、要求に基づく熱入力が可能となる。

さらに、加熱ラインは、燃料電池の上流に配置されるのが好ましい。このような仕方で、冷却材は、燃料電池内に導入される前と言えるような、必用な点で直接加熱可能である。これは、燃料電池システムの効率に特に望ましい効果を有する。

本発明のさらなる態様は、本発明による冷却システムを備えた燃料電池システムに関する。

本発明のさらに好ましい実施例は、従属請求項に記載される残りの特徴から明らかであろう。

本願に記載された発明のさまざまな実施例は、特定の場合に別様に示されない限り、互いに有利に組み合わせることができる。

本発明は、以下で添付の図面に基づいて例示的な実施例において説明される。

従来技術による燃料電池冷却システムを示す図。 本発明の好ましい実施例による燃料電池冷却システムを示す図。 好ましい実施例の電気的に加熱可能な冷却材ラインの断面の概略図。

図１は、従来技術による冷却システムの概略図を示し、冷却システムは、全体が参照符号１００’で示されており、ラインシステムから構成されかつ内部に燃料電池１２が組み込まれている従来技術による冷却回路１０’を備える。冷却回路１０は、好ましくは電気的に作動可能な冷却材ポンプ１６を用いて冷却材が内部に供給される主回路１４を備える。同様に主回路１４に組み込まれている冷却器１８が、作動する燃料電池１２によって加熱される冷却材を冷却するために使用される。さらに、主回路１４は、熱交換器として設計された中間冷却器２６と、冷却材を貯蔵するための膨張タンク２８とを備える。

冷却回路１０’はまた、冷却器１８を迂回するバイパスライン２０を備える。さらに、冷却システムは、内部熱交換器２７を備えることができる。サーモスタット弁２２が、バイパスライン２０と冷却器１８の冷却材供給ラインとの接続部で冷却回路１０に配置され、それによって、冷却材の流れを、冷却器１８を通してまたはバイパスライン２０を通して選択的に導くことができる。コールドスタート後の燃料電池１２の加熱を促進するために、冷却材の流れは、もっぱらパイバスライン２０を介して行なわれ、冷却器１８を迂回する。冷却材は、燃料電池１２が加熱された後に燃料電池１２が所定の温度に維持されるようになるまで、冷却器１８を通して導かれない。サーモスタット弁２２は、好ましくは、連続的に可変または制御可能であり、それによって、冷却材は、燃料電池１２の温度の関数として冷却された冷却材および暖かい冷却材の任意の混合比で供給可能である。

従来技術による冷却回路１０’は、ラインシステムに組み込まれるとともに作動中に冷却材を加熱する電気加熱装置２４’を備える。従来技術による加熱装置２４’は、補助ヒーター２４’として設計される。補助ヒーター２４’は、例えば発熱体を含む加熱装置であり、冷却材が通って流れることができるように配置される。

補助ヒーター２４’は、主回路１４内に組み込み可能であり、冷却器１８と直列に接続可能である。補助ヒーター２４’の他の配置は、例えば冷却器１８の下流または冷却材ポンプ１６の上流が、同様に考えられる。代替としてまたは追加として、補助ヒーター２４’は、バイパスライン２０内に、従って冷却器１８と並列に接続される。

図２は、本発明による冷却システム１００を示す。冷却システム１００は、アノード１１および関連するアノード回路１１ａと、カソード回路１３ａを含むカソード１３とを含む燃料電池１２を備える。冷却システム１００は同様に、冷却材を能動的に加熱する少なくとも１つの加熱装置２４を備えるが、従来技術による冷却システム１００’とは対照的に、これらは、補助ヒーター２４’としてではなく、冷却材の冷却材ラインに沿って延在する加熱ライン２４として実装される。

はっきりさせるために、電気的に加熱可能な冷却材ライン３０と言えるような、冷却材ラインに沿った加熱ライン２４の本発明による配置は、図３の断面図に示す。これは、既存の冷却材ラインに取り付けられる、例えば加熱スリーブ、またはらせん状に巻かれた加熱コイルの形態で加熱ライン３１の外側の配置とすることができる。代替として、加熱ライン２４が内部に組み込まれた、特別な加熱可能冷却材ライン３０、特にホースが提供される。このような冷却材ライン３０の場合、加熱ライン２４は、例えば、ライン３０の壁３５内に埋め込まれ、特に壁に埋め込まれる。冷却材ライン３０の内部を流れる冷却材は好ましくは、加熱ラインと接触しない。さらに、特別な冷却材ラインは、冷却材と接触する組み込み加熱ライン３４を備えることができる。これらは、例えば、加熱ワイヤ３２、加熱コイルまたは加熱ネット３３などの内部加熱ライン３２、３３として、冷却材伝導空洞（３２用）内に、および特に冷却材ライン３０の内部壁３５上に、配置される。

図２または図３による電気加熱装置２４には好ましく、出力調整ユニットが設けられ、それを用いて加熱装置２４の加熱能力が、特に連続的に変更または制御可能である。

図２からの冷却システム１００の残りの構成要素の全ては、図１のものに相当し、再度説明はしない。

図１または図２の燃料電池１２は、図には示されてｆｓいない車両を駆動するのに使用される。この目的のためにそれは、同様に図示されないが車両を駆動するのに使用される電気モーターに電気的に結合される。さらに、燃料電池１２の過剰エネルギーが存在する場合または車両の制動運転の際に充電されるエネルギー蓄積部を任意選択的に設けることができる。

図２に示す冷却システム１００は、燃料電池１２のコールドスタート能力、特に凍結始動能力を可能にする。この目的のために、燃料電池１２の温度は、氷の生成に起因して燃料電池反応を妨げないように、可能な最短時間で水の凝固点を上回るようにされる必要がある。コールドスタートの際の可能な作動方法の１つは、高負荷点かつ低電気効率で燃料電池１２を作動させ、それによって、発生する反応熱を用いて燃料電池１２を加熱することである。この目的に必要な高電力の引き出しは、車両の電気モーターを介して車両ホイールに伝達可能であり、車両を駆動するのに使用可能である。しかしながら、この処置は、例えば交通混雑または交通信号状態の際にそのような負荷要求が存在しない運転点では可能でない。本発明によれば、そのような状況では、燃料電池が低効率で作動し、従って供給される燃料（水素）の大部分を熱に変換する、燃料電池の実際の温度がその目標温度より低い場合と言えるような、燃料電池１２を加熱する加熱装置２４の電気負荷のもとで、燃料電池１２は作動する。このような仕方で、燃料電池１２の自己加熱が行われる。他方で、生成される電気エネルギーの比較的小さい部分が、電気加熱装置２４によって熱に変換され、冷却材媒体を介して再び燃料電池を加熱するのに役に立つ。すなわち、電気負荷は、駆動負荷要求が存在せず、それによって燃料電池１２の凍結始動が可能になりまたは促進される作動状況で、加熱装置２４によって引き出される。

冷却材ライン３０に沿った加熱ラインとしての加熱装置２４の発明による実施例は、加熱装置２４に追加の空間要求が存在しないという利点を有する。従って、パッケージに関する要求は、電気的に加熱可能な冷却材ライン３０では低くなる。さらに、これらは、より容易に組み込み可能であり、従って、特に熱入力が必要とされる箇所に配置可能である。

冷却回路に組み込まれる加熱装置２４のさらなる利点は、内部熱交換器２７を介して乗客室に伝達可能な熱量が、冷却材の促進された加熱によって増大する。これは結果として、車両の客室の迅速な加熱につながり、それによって、そうでなければ燃料電池車両に必要とされる空気ヒーターが除去可能である。

１００’…従来技術による冷却システム
１００…冷却システム
１０’…従来技術による冷却回路
１０…冷却回路
１１…アノード
１１ａ…アノード回路
１２…燃料電池
１３…カソード
１３ａ…カソード回路
１４…冷却材システムの主回路
１６…冷却材ポンプ
１８…冷却器
２０…バイパスライン
２２…サーモスタット弁
２４’…従来技術による電気加熱装置／補助ヒーター
２４…電気加熱装置／加熱ライン
２５…フィルターユニット
２６…中間冷却器
２７…内部熱交換器
２８…膨張タンク
３０…電気的に加熱可能な冷却材ライン
３１…外側に配置された加熱ライン
３２…加熱ワイヤまたはコイル
３３…加熱ネット
３４…冷却材ラインの内側に組み込まれた加熱ライン
３５…壁

Claims (8)

1. 燃料電池車両の燃料電池（１２）のための冷却システム（１００）であって、
   冷却回路（１０）を備えており、冷却回路（１０）は、燃料電池（１２）と、冷却材を供給する冷却材ポンプ（１６）と、冷却器（１８）と、冷却材を輸送する冷却材ライン（３０）と、冷却材を加熱する電気加熱装置（２４）と、を含み、加熱装置（２４）は、冷却材ライン（３０）の少なくとも一部に沿って延在する加熱ライン（２４）として設計され、
   前記加熱ライン（２４）は、冷却材ライン（３０）の内部区域と接触するとともに、少なくとも部分的に冷却材ライン（３０）の内側に張られており、前記加熱ライン（２４）は、外側の直径が冷却材ライン（３０）の内側の直径に一致する、コイル、ネットまたはチューブの形状を有することを特徴とする、燃料電池車両の燃料電池（１２）のための冷却システム（１００）。
2. 加熱ライン（２４）は、冷却材ライン（３０）の少なくとも一部に一体化されることを特徴とする、請求項１に記載の冷却システム（１００）。
3. 加熱ライン（２４）は、冷却材ライン（３０）の内部に配置されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の冷却システム（１００）。
4. 加熱ライン（２４）は、冷却材ライン（３０）の壁（３５）の外側に配置された加熱スリーブ（３１）またはらせん状に巻かれた加熱コイル（３１）をさらに備えることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の冷却システム（１００）。
5. 前記加熱スリーブ（３１）またはらせん状に巻かれた加熱コイル（３１）は、冷却材ライン（３０）を少なくとも所定の区域で、冷却材ライン（３０）の壁（３５）の全周に亘って、取り囲むことを特徴とする、請求項４に記載の冷却システム（１００）。
6. 加熱ライン（２４）の冷却材ラインは、制御または調節可能であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の冷却システム（１００）。
7. 加熱ライン（２４）は、燃料電池（１２）の上流に配置されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載の冷却システム（１００）。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の冷却システム（１００）を備えた燃料電池システム。

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