JP2005526367A - 燃料電池スタック用冷却システム - Google Patents

Abstract

燃料電池冷却システム（７２）は、燃料電池スタック（７０）内の冷媒流れ場通路（７６）を経由してポンプで流体を送るための冷媒ポンプ（７４）を備える。燃料電池スタック（７０）内で冷媒の相変化を引き起こすために燃料電池スタック（７０）内の圧力レベルを維持する、圧力制御機構が設けられる。スタック（７０）内で冷媒が気体に相を変化させることを可能にすると、燃料電池スタック（７０）を冷却するのに必要な冷媒の量が減少し、そのため燃料電池スタック（７０）を経由してポンプで冷媒を送るのに必要なエネルギが少なくなる。

Description

本発明は、一般的に燃料電池に関し、より詳しくは、冷媒を循環させるためのポンプ出力を低減させるために燃料電池スタック内で液体冷媒がその相を変えることを可能にし、かつ燃料電池スタックの各単一電池内でより均一な温度を提供する、燃料電池スタック用冷却システムに関する。

燃料電池は、多くの適用分野で電力源として使用されてきた。例えば、燃料電池は、電気自動車の動力装置で内燃エンジンに代わって使用するように提案されてきた。陽子交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池では、水素が燃料電池のアノードに供給され、酸素が酸化剤としてカソードに供給される。酸素は、純粋な形態（Ｏ₂）でも空気（Ｏ₂とＮ₂の混合物）でもよい。ＰＥＭ型燃料電池は、薄く、陽子透過性で、非電気伝導性で、ガス不透過性で、一面にアノード触媒を、他面にカソード触媒を有する固体ポリマ電極膜を備える薄膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含む。ＭＥＡは、（１）アノード及びカソード用の集電装置として働き、又（２）燃料電池のガス状の反応物質をそれぞれのアノード触媒及びカソード触媒の表面全体に分布させるためにそこに形成された適切な溝及び／又は開口部を含む、１対の非多孔性で電気伝導性の要素すなわちプレートによって挿まれる。

「燃料電池」という用語は文脈により、一般的に、単一の電池か複数の電池（スタック）かのいずれかを意味する。個々の電池は、一般的に複数個束ねられ、燃料電池スタックを形成し、通常は電気的に直列に配置される。スタック内の各電池は前述の薄膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含み、このような各ＭＥＡが、その増分電圧を提供する。一例として、スタック内の複数電池のいくつかの一般的な構成が、米国特許第５、６６３、１１３に記載され示されている。

ＭＥＡを挿む電気伝導性プレートはその面上に、カソード及びアノードそれぞれの表面全体に燃料電池のガス状反応物質（例えば、水素及び空気の形態の酸素）を分配するための反応物質流れ場を画定する溝の配列を含むこともある。これら反応物流れ場は、一般的に複数の流路をその間に画定する複数のランド部を含み、ガス状の反応物質はその中を通って、その流路の一端にある供給口（ｓｕｐｐｌｙ ｈｅａｄｅｒ）からその流路の他端にある排気口（ｅｘｈａｕｓｔ ｈｅａｄｅｒ）に流れる。

一燃料電池スタックでは、複数の電池が、一緒に積み重ねられて電気的に直列となるが、ガス不透過性で、電気伝導性の双極プレートによって分離されている。いくつかの例では、双極プレートは、１対の薄い金属板を固定することによって形成されるアセンブリであり、その金属板の外部面の表面に反応物質流れ場が形成される。一般的に、内部冷却材流れ場は、双極プレートアセンブリの金属板同士の間に設けられる。ＰＥＭ型燃料電池で使われる形の双極プレートアセンブリの様々な例が、本願の権利者が所有する米国特許第５、７６６、６２４に示され記載されている。

燃料電池スタックは、電気エネルギを効率良く、確実に生成する。しかし、それらが電気エネルギを生成するとき、スタックを構成する構成要素内の電気機械的反作用及び電気抵抗で発生する損失によって無駄な熱エネルギ（熱）が生成され、スタックが一定の最適動作温度を維持するためにそれを取り除かなければならない。一般的に、燃料電池スタックに関連する冷却システムは、循環用のポンプを含み、このポンプが単相の液体冷媒を、燃料電池スタックを経由して、熱交換器に循環させ無駄な熱エネルギ（例えば熱）を大気中に移す。最も普通に使用される２種の冷媒は、脱イオン水ならびに、エチレングリコールと脱イオン水の混合物である。これら一般的な液体冷媒の熱特性ゆえに、比較的大量の液体冷媒をシステムを通して循環させ、充分な量の無駄な熱を捨てることによって、スタック動作温度を一定に保つことが、特に最大出力の状態で必要になる。冷媒を循環するには大量の電気エネルギが必要であり、そのため燃料電池発電システムの総合効率が低下する。したがって、燃料電池を冷却するのに必要な冷媒の量を減少させ、それによって要求されるポンプ能力を減少させることが望まれる。

したがって、本発明は燃料電池を経由して冷媒を流すための冷却システムを提供する。この冷却システムは、反応物質流れ場を画定する第１の側部及び冷媒流れ場を画定する第２の側部を有するプレートを含む。冷媒流れ場は、入口部通路及び出口部通路を有し、入口部通路に液体冷媒源が連結されている。冷媒流れ場出口部通路での圧力を、冷媒流れ場内で液体冷媒を沸騰させる圧力に保つために圧力制御機構が設けられる。スタック内で、冷媒が気体に相を変えることを可能にすることにより、燃料電池スタックを冷却するのに必要な冷媒の量が減少する。液体を気体に変えるのに必要なエネルギは、液体の熱伝達容量よりよほど大きい。その結果、スタックを冷却するのに必要な冷媒の量、したがってシステムを経由してポンプで送り込まれなければならない冷媒の量は減少し、システムの寄生的負荷も同様である。

本発明は、温度均一性の改良及び放熱器／凝縮器の効率向上を可能にする。
本発明の更なる適用分野は、下記の詳細説明から明らかになろう。詳細説明及び具体的な例は、本発明の好ましい実施形態を示すが、例示のためのものに過ぎず、本発明の適用範囲を限定するものではないことを理解されたい。

本発明は、詳細な説明及び添付図面から、より充分に理解されるようになろう。

好ましい実施例についての下記説明は、本質的に例示的なものに過ぎず、決して本発明、その応用、またはその使用を限定するものではない。
本発明をさらに説明する前に、本発明が動作する例示的な燃料電池システムについて理解するのが有用である。具体的には図１は、非多孔性で、電気伝導性で、液体冷却された双極プレートアセンブリ８によって互いに分離された１対の薄膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４及び６を有するＰＥＭ型燃料電池スタックを略図で示す。各ＭＥＡ４及び６は、対応するカソード面４ａ、６ａ並びにアノード面４ｂ及び６ｂを有する。ＭＥＡ４及び６並びに双極プレートアセンブリ８は、非多孔性で、電気伝導性で、液体冷却された単極端板アセンブリ１４と１６の間に積み重ねられる。金属締付板１０及び１２が、例示的な燃料電池スタックを囲むために設けられている。接続端子（図示せず）が、燃料電池スタック用の正と負の端子を提供するために、締付け板１０及び１２に取り付けられる。双極プレートアセンブリ８及び端板アセンブリ１４及び１６は、各々対応する流れ場２０、２２、１８及び２４を含み、その各々が、燃料及び酸化剤ガス（つまりＨ₂及びＯ₂）をＭＥＡ４及び６の反応面に分配するためにその面に形成された複数の流路を有する。非電気伝導性のガスケットつまりシール２６、２８、３０、及び３２が燃料電池の複数のプレート間をシールし電気的に絶縁する。

図１を続けて参照すると、多孔性で、ガス透過性で、電気伝導性の薄板３４、３６、３８、及び４０がＭＥＡの電極面４及び６に押し付けられ、これら電極用の主要な集電装置として働くことが示されている。主要集電装置３４、３６、３８及び４０は、特にそれがないとＭＥＡが流れ場の中で支持のない場所でＭＥＡ４及び６用の機械的支持体を提供する。

端部板１４及び１６は、ＭＥＡ４のカソード面４ａ上の主集電装置３４及びＭＥＡ６のアノード面６ｂ上の主集電装置４０を押し付け、一方双極プレートアセンブリ８は、ＭＥＡ４のアノード面４ｂ上の主集電装置３６及びＭＥＡ６のカソード面６ａ上の主集電装置３８を押し付けている。酸素や空気などの酸化剤ガスが、貯蔵タンク４６から適切な供給用配管４２を通して燃料電池スタックのカソード側に供給される。同様に、水素などの燃料が、貯蔵タンク４８から適切な供給用配管４４を通して燃料電池スタックのアノード側に供給される。好ましい一実施形態では、酸素タンク４６を除去し、カソード側に外界から外気を供給してもよい。同じく、水素タンク４８を除去し、触媒を使用してメタノール又は液体炭化水素（例えば、ガソリン）から水素を発生させる改質器からの水素をアノード側に供給してもよい。表示されていないが、アノード反応物質流れ場からＨ₂が消耗したアノードガスを、カソード反応物質流れ場からＯ₂が消耗したカソードガスを除去するために、ＭＥＡ４及び６のＨ₂側及びＯ₂／空気側用に排気用配管が設けられる。

液体冷媒を燃料電池スタックの入口部（図示せず）から双極プレートアセンブリ８並びに端板１４及び１６の冷媒流れ場に供給するために、冷媒供給用配管５０、５２、及び５４が設けられる。双極プレートアセンブリ８並びに端板１４及び１６の冷媒流れ場は、プレート８、１４、及び１６内で冷媒通路を画定する細長い溝５６を含む。図１に示すように、冷媒排出用配管５８、６０、及び６２が、燃料電池スタックの双極プレートアセンブリ８並びに端板１４及び１６から排出された熱せられた冷媒を排出するために設けられている。

図２は、本発明の原理による相変化冷却システムの略図である。図２に示すように、図１に示すような燃料電池スタック７０が設けられる。冷却システム７２は、液体冷媒を冷媒通路７６を経由して燃料電池スタック７０に供給するポンプ７４を含む。圧力制御弁７８が、燃料電池スタック７０の排出端に設けられ、また冷媒（液体及び気体の混合形態にある）を冷却し、それを凝縮して液体の形態に戻しポンプ７４に返すための放熱器／凝縮器８０が圧力制御弁７８の下流に設けられる。蓄圧器８６が、ポンプ７４の前で冷媒流体から気泡を除くためにポンプ７４の上流に設けられる。選択した流体が水に対して不利に反応する場合（すなわち、水と混合したとき、必要とする性質が変化する）、蓄圧器８６は任意選択で水を除去する脱水機能を備えてもよい。温度センサ８４によって決定されるスタック７０の温度に応答して圧力制御弁７８を制御するために、制御装置８２が設けられる。圧力は、測定された温度レベルで、冷媒をスタック内で沸騰させる圧力が維持されるように制御される。制御器８２は、この機能を実行するための処理装置（ＣＰＵ）又は専用の回路を含んでもよい。

流体冷媒は、圧力を高められて冷媒ポンプ７４を出、燃料電池スタック７０に入る。スタック内で、冷媒の小部分は、その圧力によって決まる温度で沸騰する。図４に最もよく示すように、スタック内の冷媒溝９０は、流体の一部のガス状態への膨張を可能にするように設計され、それによって２相流体の容積流量の増加によってもたらされる圧力降下の増加が最小になる。冷媒溝９０は、狭い流体入口部９２と、交互に方向を変えて蛇行し、入口部９２から出口部９６へと次第に幅が広くなる一連の溝部分９４ａ〜ｅとを含む。広くなる溝の設計は、冷媒の幾分均一な分布を確実にし、その結果、冷媒が完全に沸騰し尽くす領域が高熱点を引き起こすことが回避される。冷媒は、液体及び気体冷媒の２相混合物としてスタックから出る。混合物は、システム圧力を制御するのに使用される圧力制御バルブ７８に入る。次いで、冷媒は、放熱器／凝縮器８０に入りそこで液体に戻る。冷媒は、放熱器／凝縮器を出ると冷媒ポンプ７４に戻る。

本発明は、スタック内部で液体冷媒が気体に相を変えることを可能にすることにより燃料電池スタックを冷却するのに必要な液体冷媒の量を少なくする。液体を気体に変えるのに必要なエネルギは、液体の熱伝達容量よりはるかに大きい。その結果、スタックを冷却するのに必要な冷媒の量は少なくなり、それによってシステムを通してポンプで送り出さなければならない冷媒の量を減少させることができる。したがって、大量の冷媒をポンプで送り出すのに通常必要とされるシステムの寄生負荷も少なくできる。燃料電池スタック中でメタノール４０％を混合した水溶液の相を変えることができるようにした結果、８５キロワットの燃料電池発電システムでポンプ能力が１、０００ワットから２００ワットに減少したことが実験結果によって示された。言い換えると、本発明の原理に従って燃料電池スタック内で一部の冷媒が相を変えることができるように冷媒の圧力を調整したとき、必要なポンプ能力が５分の１になった。

冷媒が沸騰する冷却システムを使用すると、システムの寄生損失が減少することのほかにも利点がある。こうした利点には、低下した温度制御の改善、温度均一性の改善、及び放熱器／凝縮器効率の増大がある。液体が気体に変わるとき、つまり沸騰するとき気体は単一の温度でそうなる。液体が沸騰する温度は、液体の局部圧力で決まる。したがって、圧力制御弁を制御してスタック内の圧力降下を所定の値に保つことによって温度勾配が指定され、冷却用環状路の圧力を変えることによってスタックの温度が変更される。圧力を増加させるとスタックの温度が上昇し、圧力を減少させるとスタックの温度は減少するが、その間スタック全体にわたる温度勾配は常に等しく保たれる。水―メタノール混合物における圧力と沸騰温度の関係を図３に示す。同様の沸騰特性をもつ他の液体も使用できることを理解されたい。

相を変える冷媒を使用すると、無駄な熱エネルギを大気中に捨てるのに使用される放熱器／凝縮器の効率が増大するという別の利点がある。効率が向上するのは凝縮流体同士の温度関係が一定であるからである。放熱器／凝縮器内の温度が一定とは、冷媒と、熱を除去するために使用される空気との温度差が、単一相の熱伝達の場合には減少するのが、維持されることである。冷媒と空気の温度差は、放熱器／凝縮器の効率を決める大きな要素の１つである。

本発明の説明は、本質的に例示的なものに過ぎず、したがって本発明の骨子から逸脱しない変更形態は、本発明の範囲に含まれるものとする。このような変更形態は、本発明の精神及び範囲から逸脱するものとはみなさないものとする。

ＰＥＭ型燃料電池の分解等角図である。 図１に示すＰＥＭ型燃料電池スタックで使用するための、本発明の原理による冷却システムの略図である。 水／メタノール冷媒混合物の温度と圧力の関係を示す沸騰曲線を示すグラフである。 スタック内の冷媒溝の透視図である。

Claims (16)

1. 冷媒通路をその中に有する燃料電池スタックを冷却する方法であって、
   所定の圧力範囲内で所定の沸騰温度を有する冷媒流体を、冷媒通路を経由してポンプで送るステップと、
   前記冷媒流体を前記冷媒通路内で沸騰させるために、前記冷媒通路の圧力を前記所定の圧力範囲に維持するステップと、
   前記冷媒流体を冷却するステップとを含む方法。
2. 前記冷媒流体が水を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記冷媒流体がメタノールを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記冷媒流体がメタノールと水の混合物を含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記冷媒通路が、液体から気体への膨張を可能にするために、入口端部から出口端部へと次第にその幅を広くする、請求項１に記載の方法。
6. 入口部及び出口部通路を備える内部冷媒流れ場を有する双極プレートアセンブリと、
   前記内部冷媒流れ場の前記入口部通路に送られる流体冷媒の供給源と、
   前記出口部通路の圧力を所定の圧力レベルに制御して、前記内部冷媒流れ場内の冷媒を燃料電池の動作温度で沸騰させるようにするための圧力制御機構とを備えるＰＥＭ型燃料電池。
7. 前記内部冷媒流れ場が、複数の細長い冷媒通路を含む、請求項６に記載のＰＥＭ型燃料電池。
8. 前記圧力制御機構から受け取った冷媒を冷却するための凝縮器をさらに備える、請求項６に記載のＰＥＭ型燃料電池。
9. 流体冷媒の前記供給源がポンプを含む、請求項６に記載のＰＥＭ型燃料電池。
10. 前記内部冷媒流れ場が、液体から気体への膨張を許容するために入口端部から出口端部へと次第にその幅を広くする複数の冷媒通路を含む、請求項６に記載のＰＥＭ型燃料電池。
11. 入口端部及び出口端部を有する冷媒通路をその中に画定する熱交換部材と、
    前記冷媒通路の前記入口端部に送られる液体冷媒の供給源と、
    前記冷媒通路の前記出口端部の圧力を所定の圧力レベルに制御して、前記冷媒通路内の冷媒を冷却システムの動作温度で沸騰させるようにするための圧力制御機構とを備える冷却システム。
12. 前記冷媒通路が複数の細長い通路を含む、請求項１１に記載の冷却システム。
13. 前記圧力制御機構から受け取った冷媒を冷却するための熱交換装置をさらに備える、請求項１１に記載の冷却システム。
14. 前記圧力制御機構が圧力制御弁を含む、請求項１１に記載の冷却システム。
15. 液体冷媒の前記供給源がポンプを含む、請求項１１に記載の冷却システム。
16. 前記冷媒通路が、液体から気体への膨張を可能にするために入口端部から出口端部へと次第にその幅を広くする、請求項１１に記載の冷却システム。

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