JP6773790B2 - 温度制御システムを備える燃料電池及びセルの熱制御のための方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の温度を調節するシステムを含む燃料電池に関し、具体的にはプロトン交換膜セルに関する。

燃料電池は概して２つの集電体の間に配置される積層された単セルを含む。各単セルは、アノード電極とカソード電極の間に配置されるプロトン交換膜で構成される膜電極接合体で構成され、接合体は２枚のバイポーラプレートの間に配置される。膜電極接合体自体、やはりバイポーラプレートと呼ばれる２枚の分配板（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｏｒ ｐｌａｔｅ）の間に配置される。単セルを積層するときに、２つの膜電極接合体の間に配置される分配板は、水素がそれらの面の１つの上を流れ、且つ空気が反対側の面上を流れることを可能にし、それらもバイポーラプレートと呼ばれている。

各燃料電池には、電池を構成する各種要素の性質に依存する最適動作温度がある。よって、燃料電池の最適動作及び最長寿命を担保するために、燃料電池が、セルを前記最適温度に近い温度に維持でき、且つスタック全体にわたって均一である形でその温度に維持できることが推奨される。

残念なことに、動作中、各単セル内で起こる電気化学反応は発熱反応であり、その結果、セルの温度を最適動作温度に近い温度に維持することが望ましい場合、燃料電池を冷却することが有益である。既知の方法では、セルを冷やす装置は冷却液を循環させるためのポンプを備え、それによって、燃料電池全体のサイズが大きくなり、エネルギーを消費する。

さらに、電気化学反応を起こし、且つセルのエネルギー効率を短時間で最大にするために、セルの最適動作温度が通常は周囲温度より高いと想定して、燃料電池を予め加熱することが推奨される。そのような予熱は、燃料電池の端に配置される加熱抵抗体を用いて行うことができる。よって、セルの予熱がスタック内で均一でないことが理解できる。具体的には、スタックの中心に配置される単セルの温度は、燃料電池の端の近くに配置される単セルの温度より低い。

よって、加熱装置を用いることによる予熱機能及び加熱装置とは別の冷却装置を用いることによる冷却機能を実行することが知られていることが理解できる。それらの装置はともに、燃料電池に配置される。そのような配置は燃料電池の温度を調節することを可能にするにもかかわらず、その配置により、特にセルの重量及びサイズが著しく増大することを意味する。さらに、単セル並びに加熱装置及び冷却装置の配列は複雑な場合がある。

本発明は、少なくとも部分的には、上記の欠点の改善を目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、
アノードとカソードの間に配置されるプロトン交換膜を含む膜電極接合体と、
膜電極接合体の両側に配置され、膜電極接合体と協働して単セルを形成する２枚のバイポーラプレートと、
凝縮区域と蒸発区域を有し、蒸発区域が２つの隣接する単セルのバイポーラプレートの間に配列される二相熱拡散器とを含む燃料電池において、
二相熱拡散器は、二相熱拡散器の凝縮区域に配置される加熱要素をさらに含む、燃料電池を提供する。

加熱要素を二相熱拡散器の凝縮区域に組み入れることによって、燃料電池を冷却及び加熱する機能が二相熱拡散器に兼ね備えられ、それによって燃料電池の製作が単純化され、且つそのサイズが小さくなる。
具体的には、燃料電池内に冷却システムと、冷却システムとは別の加熱システムとを具備する必要はもはや少しもない。

さらに、２つの隣接する単セル間に二相熱拡散器の蒸発区域を配置することにより、例えば、燃料電池のそれぞれの端に配列される加熱抵抗体によって燃料電池が加熱される場合と比べて、より均一でより効果的である形で燃料電池が加熱又は冷却されることが可能になる。具体的には、バイポーラプレートと接触する蒸発区域の面積が、例えば、バイポーラプレートと同じ大きさであることができるので、二相熱拡散器と単セルの間の熱交換面積が比較的大きく、それによって、蒸発区域とバイポーラプレートの間の熱交換面積が最大になる。

さらに、相異なる隣接する単セルの間の燃料電池内に複数の二相熱拡散器を有することができる。これより、燃料電池が加熱又は冷却される均一性が増加し、且つ温度が燃料電池内で調節される有効性も増加する。

くわえて、二相熱拡散器の使用により、燃料電池の単セルの間に液体を循環させるためのポンプの存在を回避することができる。

加熱要素は、加熱抵抗体、誘導要素、高温流体流管、高温ガスフローフィン、燃焼器、又は火工要素を備えうる。

利用可能なエネルギーの種類及び燃料電池を含む接合体によって強いられる制約に応じて、所与の種類の加熱要素を使用することが好ましい。
例えば、高温ガスが流れる接合体に燃料電池が組み入れられる場合、燃料電池を予熱するために高温ガスの一部を回収することができる。

二相熱拡散器は、Ｎ個の単セル毎に１つ、２つの単セルの間に配置されうる。ここで、Ｎは１以上、好ましくは、３以上、より好ましくは、５以上の自然整数である。

単セルと二相熱拡散器との間の熱の交換が良質であるので、例えば、３個、５個、１０個、又は１５個の単セル毎に１つの二相熱拡散器を配置ことが可能である。

二相熱拡散器は燃料電池の集電板を構成しうる。

二相熱拡散器が電気の良好な導体であるので、集電板として使われることもできる。これにより、燃料電池の製作が単純化される。具体的には、燃料電池は単セル及び二相熱拡散器から構成される。

さらに、本発明は、上に記載の燃料電池及び制御器を含むシステムも提供し、制御器は、予熱段階の間に加熱要素が所定の温度まで燃料電池を加熱し、且つ定常条件の下の動作段階の間に加熱要素が、二相熱拡散器が燃料電池の温度を所与の範囲に保つべくオフにされるように加熱要素を制御するように構成される。

制御器はまた、ヒートシンクも制御するように構成されうる。

本発明は、また、上記の燃料電池の熱を制御する方法において、予熱段階の間、加熱要素が燃料電池を所定の温度まで加熱するように、制御器が加熱要素を制御する段階と、定常条件下の動作段階の間、二相熱拡散器が燃料電池の温度を所与の範囲に保つように、制御器が加熱要素をオフにする段階とを備えた、方法を提供する。

制御器はまた、ヒートシンクも制御しうる。

非限定的な例として与えられる以下の本発明の実施形態の説明から、且つ添付図を参照して、本発明の他の特徴及び利点が見えてくる。

図１は第１の実施形態の燃料電池の分解線図である。 図２は膜電極接合体の斜視図である。 図３は、加熱要素を含む二相熱拡散器の斜視図である。 図４は、図３の二相熱拡散器の面ＩＶ〜ＩＶにおける断面図である。 図５は、図３の二相熱拡散器の面Ｖ〜Ｖにおける断面図である。 図６は、図３の熱拡散器の、図４の面ＶＩ〜ＶＩにおける断面図である。 図７は、図１の燃料電池を含むシステムの斜視図である。 図８は、燃料電池について時間の関数として温度変化を示すグラフである。 図９は、第２実施形態の燃料電池の分解線図である。

図１は、燃料電池１０の分解線図である。燃料電池１０は３つの単セル１２を含み、各々は膜電極接合体１６の両側に配置される２枚のバイポーラプレート１４を含む。図２に示される膜電極接合体１６はアノード２０とカソード２２との間に配置されるプロトン交換膜１８を含む。各単セル１２は、二相熱拡散器２４によって隣接する単セル１２と隔てられる。よって、各二相熱拡散器２４は、２つの隣接する単セル１２の２枚のバイポーラプレート１４の間に配置される。また、燃料電池１０はその端の各々に集電板２６も備える。

燃料電池１０において、分解図に示される様々な要素が互いと接触していることを理解することができる。

図３は、凝縮区域２８及び蒸発区域３０を、凝縮区域２８に配置される加熱要素３２とともに有する二相熱拡散器２４を示す。図１に示すように、蒸発区域３０は燃料電池１０のバイポーラプレート１４の間に配置され、凝縮区域２８はヒートシンクＦ、例えば、気体又は液体などの流体と熱的に結合する。

燃料電池１０では、単セル１２と二相熱拡散器２４との間に良好な熱交換を提供するために、蒸発区域３０はバイポーラプレート１４と接触し、凝縮区域２８はバイポーラプレート１４と接触せず、バイポーラプレート１４から突出する。

二相熱拡散器２４は、熱伝導性が高い材料、例えば銅でできており、定常条件の下で動作しつつ、燃料電池が維持される所与の温度範囲に応じて選択される液体が入っている。この温度範囲は、燃料電池１０の最適動作温度から±１０℃内であり、又は実際に好ましくは燃料電池１０に対する最適動作温度から±５℃の範囲にある。

図７は、制御器３６とともに図１の燃料電池を含むシステムを示す。

燃料電池１０を始動するとき、すなわち予熱段階Ｉの間に、燃料電池１０は、単セル１２内で電気化学反応を起こし、できるだけ短時間でエネルギー効率を最大にするために予め加熱することを必要とする。

この予熱段階Ｉの間、制御器３６は加熱要素３２を制御し、非活性状態から活性状態に変わる。すなわち、加熱要素３２は二相熱拡散器２４を加熱し、二相熱拡散器２４の両側に位置する単セル１２を順次加熱する。

図８に示すように、燃料電池１０内の温度Ｔは、所定の温度Ｔ₀に達するまで時間とともに増加する。

所定の温度Ｔ₀に達したときに、燃料電池１０は定常条件下で動作する段階ＩＩに切り替わる。制御器３６は加熱要素３２をオフにする。

各単セル１２内で起こっている電気化学反応は発熱反応であり、その結果、二相熱拡散器２４は、燃料電池１０の温度を所与の範囲に保つように、それが間に配置される単セル１２を冷却する。

二相熱拡散器２４に含まれる液体は、マイクロチャネル３４を備える蒸発区域３０に重力によって押しやられる。毛管現象によって、これらのマイクロチャネル３４は、凝縮区域２８に含まれる液体を蒸発区域３０に送りこむ役目を果たす。

単セル１２と接触するとすぐに、蒸発区域３０に含まれる液体は熱くなって蒸発する。自然な対流によって、この蒸気は凝縮区域２８に押しやられ、ヒートシンクＦに熱的に結合する。

ヒートシンクＦに接触することで、凝縮区域２８に含まれる蒸気が液体に変わり、その液体は、重力及び毛管現象によって送り込まれて蒸発区域３０に押しやられる。

よって、燃料電池１０の単セル１２からの熱が二相熱拡散器２４によって放散されることが理解できる。

制御器３６は、例えば、ヒートシンクＦの流体が空気のなどの気体である場合には、送風機３８の回転の速度を制御することによってヒートシンクＦを制御し、その結果、二相熱拡散器２４は燃料電池１０の温度を所与の範囲に保つ。実際には、燃料電池１０の温度が所与の温度範囲から外れた場合、燃料電池１０の温度をそれぞれ低下又は上昇させるように作用するように二相熱拡散器２４によって放散される熱の量を増加又は減少させるために、制御器３６は送風機３８の回転の速度をそれぞれ増加又は減少させる。

図９の示される第２の実施形態において、２つの単セル１２は２つの二相熱拡散器２４の間に取り付けられ、２つの二相熱拡散器２４は燃料電池１０のそれぞれの端に配置される。よって、燃料電池１０の集電板は二相熱拡散器２４によって形成される。

図９の実施形態において、いくつかのバイポーラプレート１４は２つの膜電極接合体の間に配置される。

本発明は特定の実施形態に関して記載されているが、様々な修正と改変が、請求項で定められる本発明の一般的範囲を越えることなく、それらの実施例に対して行われることができることは明白である。くわえて、言及された様々な実施形態の個々の特徴は、追加の実施形態に組み込まれうる。その結果として、記載及び図面は、限定的であるというよりはむしろ例示的という意味で考慮されなければならない。

特に、図１では燃料電池１０は積層された３つの単セル１２を有する。この例が限定的でないことを理解すべきである。

さらに、ヒートシンクＦの流体は液体でもよく、そのような状況の下で、送風機３８はポンプと置き換えることができる。図７も送風機３８を含むシステムを示す。それでもなお、例えば、燃料電池１０の温度を所与の温度範囲に保つために燃料電池１０のまわりの空気の自然な対流が充分である場合には、燃料電池１０は送風機３８なしで動作することができる。同様に、ヒートシンクＦの流体が液体である場合、液体の自然な対流が燃料電池の温度を所与の温度範囲に保つことを可能にするならば、ポンプなしで済ますことを考慮することができる。

さらに、所定の温度Ｔ₀は、燃料電池１０の最適動作温度に等しくてよい。それにもかかわらず、熱慣性の理由から、所定の温度は燃料電池１０の任意選択の動作温度と異なってもよい。

Claims (8)

1. アノード（２０）とカソード（２２）の間に配置されるプロトン交換膜（１８）を含む膜電極接合体（１６）と、
   膜電極接合体（１６）の両側に配置され、膜電極接合体（１６）と協働して単セル（１２）を形成する２枚のバイポーラプレート（１４）と、
   凝縮区域（２８）と蒸発区域（３０）を有し、前記蒸発区域（３０）が２つの隣接する単セル（１２）のバイポーラプレート（１４）の間に配置される二相熱拡散器（２４）とを備えた、燃料電池（１０）において、
   前記二相熱拡散器（２４）が、前記二相熱拡散器（２４）の前記凝縮区域（２８）に配置される加熱要素（３２）をさらに含むことを特徴とする燃料電池（１０）。
2. 前記加熱要素（３２）が、加熱抵抗体、誘導要素、高温流体流管、高温ガスフローフィン、燃焼器、又は火工要素を含む請求項１に記載の燃料電池（１０）。
3. 前記二相熱拡散器（２４）が、Ｎ個の単セル（１２）毎に１つ、２個の単セル（１２）の間に配置され、Ｎが１以上の自然整数である請求項１又は請求項２に記載の燃料電池（１０）。
4. 前記二相熱拡散器（２４）が前記燃料電池（１０）の集電板（２６）を構成する請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池（１０）。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の燃料電池（１０）及び制御器（３６）を含むシステムであって、予熱段階（Ｉ）の間に前記加熱要素（３２）が前記燃料電池（１０）を所定の温度（Ｔ₀）まで加熱し、且つ定常条件の下の動作段階（ＩＩ）の間に前記二相熱拡散器（２４）が燃料電池（１０）の温度を所与の範囲に保つべく前記加熱要素（３２）がオフにされるように前記制御器（３６）が前記加熱要素（３２）を制御するように構成されるシステム。
6. 前記制御器（３６）がヒートシンク（Ｆ）も制御するように構成される請求項５に記載のシステム。
7. 請求項１〜４の何れか一項に記載の燃料電池（１０）の温度を調整する温度調節方法において、
   前記温度調節方法は、
   予熱段階（Ｉ）の間に前記加熱要素（３２）が前記燃料電池（１０）を所定の温度（Ｔ₀））まで加熱するように制御器（３６）が前記加熱要素（３２）を制御する工程と、
   定常条件下の動作段階（ＩＩ）の間に前記二相熱拡散器（２４）が前記燃料電池（１０）の温度を所与の範囲に保つように、前記制御器（３６）が前記加熱要素（３２）をオフにする工程とを含むことを特徴とする温度調節方法。
8. 前記制御器（３６）がヒートシンク（Ｆ）を制御する請求項７に記載の温度調節方法。

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