JP4328803B2 - 燃料電池の内部におけるゼーベック効果の利用による電気のコージェネレーション - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池と、熱エネルギの電気エネルギへの回収方法に関する。

燃料電池は、酸化−還元化学反応の自由エネルギの電気エネルギへの直接変換を可能にし、公害と燃料消費の減少に関するヨーロッパの要求に応えるための、自動車の領域におけるこの時代の最も有望な技術の一つであると思われる。

しかしながら、熱エネルギの管理にシステムの問題点が存在する。実際、燃料電池の冷却回路は、作られる電気出力の約１．５倍の熱エネルギを排出する必要がある。このことは、システムの効率を著しく低下させる、大きなエネルギの損失を構成する。

従って、燃料電池から排出される熱エネルギを、車両のために使用可能なエネルギに変換することによって、価値を高めることを可能にする手段を設けることは、興味のあることである。

特許文献ＤＥ １９８２ ５８７２には、電池に接触する高温壁と、任意の媒体によって冷却される低温壁との二重の壁のカプセルの中に閉じ込められた、高温のＳＯＦＣタイプの燃料電池が記載されている。これらの２つの壁の間には、２つの壁の間で受ける温度差によって電流を発生する、熱電素子が配置されている。熱エネルギを回収する装置は、燃料電池の外部にあり、この既知の装置は、明らかな熱損失のために、関心を引く効率を得ることを可能にしない。
ＤＥ １９８２ ５８７２

本発明は、燃料電池によって発生される熱エネルギを、エネルギ損失を可能な限り制限する電気エネルギとして回収する手段を有し、改良された効率を得ることを可能にする燃料電池と、このような燃料電池において熱エネルギを電気エネルギとして回収する方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明による燃料電池は、熱源を構成し、対向して配置された、燃焼による発熱反応のための、少なくとも２つの基本セルと、冷源を構成する冷却液の循環のために、上記基本セルの間に形成された内部導管とを含んでなる。上記燃料電池は、それぞれが、Ｐ型の半導体材料、Ｎ型の半導体材料からなる２つの伝導体材料の素子の対を有する、複数の熱電モジュールを有する。各上記対の各素子の第１端部は上記熱源または上記冷源と熱的に接触し、上記対の各素子の第２端部は、上記第１端部が接触しない方の上記冷源または上記熱源と熱的に接触し、隣接する熱電モジュールは電気的に接続され、上記内部導管が２枚の板によって構成され、上記伝導体材料（１４）（１５）の端部の一方で、上記熱電モジュール（１３）を構成する素子の対が、接続導体（１６）を介して、上記基本セル（２）（３）または上記板（１８）と熱的に接続され、上記伝導体材料（１４）（１５）の端部の他方で、隣接する上記熱電モジュール（１３）の素子同士が、接続導体（１７）を介して、上記基本セル（２）（３）または上記板（１８）と熱的に接続されている。

同じ燃料電池の内部に配置された複数の熱電モジュールによって、燃料電池のセルによって発生される熱エネルギは、システムのエネルギ損失を最小化しながら電気エネルギに変換される。さらに、この形態は、実施が簡単で、費用が少ない。

使用される燃料電池は、ＰＥＭ型の膜の燃料電池であることが望ましい。

実施の１形態においては、上記基本セル内を酸素および水素が流れ、上記酸素、上記水素および上記冷却液が流れる方向が同じである。

有利な実施の１形態においては、上記Ｎ型の半導体は、リンをドーピングされたシリコンとゲルマニウムの合金であり、上記Ｐ型の半導体は、ホウ素をドーピングされたシリコンとゲルマニウムの合金である。

上記伝導体材料の端部を接続する接続導体を、モリブデンの電極から構成することが有利である。

望ましい実施の１形態においては、第１の上記基本セルと上記内部導管との間に配置された一連の上記熱電モジュールのうちの最後に電気的に接続された熱電モジュールは、第２の上記基本セルと上記内部導管との間に配置された一連の上記熱電モジュールのうちの最初に電気的に接続された熱電モジュールと、電気的に直列または並列に接続される。

有利には、上記板の内面にフィンが設けられ、上記フィンは、熱交換を助長するように、冷却用の上記内部導管側に設けられる。

本発明の、燃料電池から発生する熱エネルギの電気エネルギへの回収方法は、熱源を構成し、対向して配置された、燃焼による発熱反応のための、少なくとも２つの基本セルと、冷源を構成する冷却液の循環のために、上記基本セルの間に形成された内部導管とを含んでなる燃料電池から発生する熱エネルギの一部分の回収方法において、それぞれが、Ｐ型の半導体材料、Ｎ型の半導体材料からなる２つの伝導体材料の素子の対を有する、複数の熱電モジュールを設け、各上記対の各素子の第１端部を上記熱源または上記冷源と熱的に接触させ、上記対の各素子の第２端部を、上記第１端部が接触しない方の上記冷源または上記熱源と熱的に接触させ、隣接する熱電モジュールを電気的に接続し、上記内部導管を２枚の板によって構成し、上記伝導体材料（１４）（１５）の端部の一方で、上記熱電モジュール（１３）を構成する素子の対が、接続導体（１６）を介して、上記基本セル（２）（３）または上記板（１８）と熱的に接続し、上記伝導体材料（１４）（１５）の端部の他方で、隣接する上記熱電モジュール（１３）の素子同士が、接続導体（１７）を介して、上記基本セル（２）（３）または上記板（１８）と熱的に接続し、ゼーベック効果によって発生される電気エネルギを回収する。

本発明の燃料電池から発生する熱エネルギの電気エネルギへの回収方法は、ＰＥＭ型の膜の電池を燃料電池として使用することが望ましい。

本発明の燃料電池から発生する熱エネルギの電気エネルギへの回収方法は、燃料電池の冷却に２相冷却を有利に使用する。

本発明は、非限定的な例として示され、本発明による燃料電池の２つの基本セルを図式的に示す図１によって図示された、実施の形態の詳細な説明を検討することによって、よりよく理解されるであろう。

図１に、自動車に搭載されたＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ＝陽子交換膜）技術の燃料電池１の２つのセルの一組を示す。燃料電池は、電気を製造する一連の基本セルから構成される。図１には、２つの基本セル２、３のみが示されている。これらの２つの基本セル２、３は、多孔質膜６によって分離された２極極板４、５から構成される。２極極板４の表面には、その中を酸素８が循環する導管７が彫られる。同様に、２極極板５の表面には、その中を水素１０が循環する導管９が彫られる。酸素と水素は、図の面に対して直角に循環する。このセルの中で生ずる反応は発熱反応であり、２極極板４、５の温度は上昇する傾向を有する。従って、熱量を排出するために、これらを冷却する必要がある。

電気を生み出す２つの基本セル２、３は、その中を燃料電池の外部へ熱量を排出する冷却液１２が循環する、冷却用の内部導管１１の境界を構成する。冷却液１２は、図の面に対して直角の向きに循環する。燃料電池の出口で、図示しない熱交換器を用いて冷却液１２を冷却し、低温の冷却液１２を燃料電池の入口へ再導入する。このように、酸素８、水素１０および冷却液１２が流れる方向が同じである。

熱エネルギの電気エネルギへの変換を可能にする手段は、複数の熱電モジュール１３を有する。この熱電モジュールの全体は、熱源を構成する基本セル２の２極極板５と、冷源を構成する、その中を冷却液１２が循環する、内部導管１１の間に配置される。これらの熱電モジュールは、それらの端部の１つが電気的及び熱的な接続導体１６を介して、熱源を構成する２極極板５と熱的な接触状態で接続された、性質が異なる２つの伝導体材料１４、１５から構成される。熱電モジュールは、冷源を構成する冷却液１２と熱的な接触状態にある、電気的及び熱的な接続導体１７を介して、それらの自由端が直列に接続される。

伝導体材料１４、１５の対は、燃料電池と冷却回路の温度のレベルに適合化される。

熱電モジュールを構成する伝導体材料は、半導体材料である。異なる性質の１つは、Ｐ型、すなわち正にドーピングされた半導体の性質であり、異なる性質の他の１つは、Ｎ型、すなわち負にドーピングされた半導体の性質である。Ｐ型の半導体は、例えばホウ素をドーピングされたシリコンとゲルマニウムの合金である。Ｎ型の半導体は、例えばリンをドーピングされたシリコンとゲルマニウムの合金である。

伝導体材料１４、１５の端部を接続する接続導体１６、１７は、モリブデンの電極から構成される。

第１の基本セル２と内部導管１１との間に配置された一連の熱電モジュールのうちの最後に電気的に接続された熱電モジュールは、第２の基本セル３と内部導管１１との間に配置された一連の熱電モジュールのうちの最初に電気的に接続された熱電モジュールと、接続Ａ、ＢまたはＣを介して、電気的に直列に接続される。

また、フィン１９を有する２枚の板１８によって内部導管１１が構成され、フィン１９は対向する板１８側に設けられている。すなわち、フィン１９は板１８の内面に設けられている。そして、フィン１９の付加は、熱交換の改良を可能にする。また、接続導体１７は板１８と接している。

他の面では、性質が異なる伝導体材料１４、１５の棒は、燃料電池１の基本セル２または３と、基本セル２または３に隣接する冷却用の内部導管１１との間に、セパレータとして交互に配置される。伝導体材料１４、１５のこれらの棒は、熱的及び電気的な接続導体を介して２つづつ交互に接続され、基本セル２または３に沿った一方の接続導体１６は熱源を構成し、冷却用の内部導管１１に沿った他方の接続導体１７は、冷却液１２によって冷源を構成する。この一連の伝導体材料の棒が、複数の熱電モジュール１３を構成する。

望ましい実施の１形態においては、フィン１９からなる板１８は、冷却用の内部導管１１の境界を構成する接続導体１７に沿って、一連の伝導体材料１４、１５の棒と直角に配置される。

実行される方法は、燃料電池の２相冷却を有利に利用する。このタイプの冷却においては、流体が、一定の温度で蒸発することによって熱を排出する。この温度は、回収される出力を最適化するために燃料電池にとって望ましい動作温度との関連で選択することができる。このため、冷却液はその温度との関連で選択される。

Claims (9)

1. 熱源を構成し、対向して配置された、燃焼による発熱反応のための、少なくとも２つの基本セル（２）（３）と、冷源を構成する冷却液（１２）の循環のために、上記基本セルの間に形成された内部導管（１１）とを含んでなる燃料電池において、
   それぞれが、Ｐ型の半導体材料、Ｎ型の半導体材料からなる２つの伝導体材料（１４）（１５）の素子の対を有する、複数の熱電モジュール（１３）を有し、各上記対の各素子の第１端部は上記熱源または上記冷源と熱的に接触し、上記対の各素子の第２端部は、上記第１端部が接触しない方の上記冷源または上記熱源と熱的に接触し、隣接する熱電モジュールは電気的に接続され、
   上記内部導管（１１）が２枚の板（１８）によって構成され、上記伝導体材料（１４）（１５）の端部の一方で、上記熱電モジュール（１３）を構成する素子の対が、接続導体（１６）を介して、上記基本セル（２）（３）または上記板（１８）と熱的に接続され、上記伝導体材料（１４）（１５）の端部の他方で、隣接する上記熱電モジュール（１３）の素子同士が、接続導体（１７）を介して、上記基本セル（２）（３）または上記板（１８）と熱的に接続されていることを特徴とする、燃料電池。
2. 上記基本セル（２）（３）内を酸素（８）および水素（１０）が流れ、上記酸素（８）、上記水素（１０）および上記冷却液（１２）が流れる方向が同じであることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
3. 上記Ｎ型の半導体は、リンをドーピングされたシリコンとゲルマニウムの合金であり、上記Ｐ型の半導体は、ホウ素をドーピングされたシリコンとゲルマニウムの合金であることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 上記伝導体材料の端部を接続する上記接続導体（１６）（１７）は、モリブデンの電極から構成されることを特徴とする、請求項１、２または３に記載の燃料電池。
5. 第１の上記基本セル（２）と上記内部導管（１１）との間に配置された一連の上記熱電モジュールのうちの最後に電気的に接続された熱電モジュールは、第２の上記基本セル（３）と上記内部導管（１１）との間に配置された一連の上記熱電モジュールのうちの最初に電気的に接続された熱電モジュールと、電気的に直列に接続されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池。
6. 上記板（１８）の内面にフィン（１９）が設けられたことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池。
7. 熱源を構成し、対向して配置された、燃焼による発熱反応のための、少なくとも２つの基本セル（２）（３）と、冷源を構成する冷却液（１２）の循環のために、上記基本セルの間に形成された内部導管（１１）とを含んでなる燃料電池から発生する熱エネルギの一部分の回収方法において、
   それぞれが、Ｐ型の半導体材料、Ｎ型の半導体材料からなる２つの伝導体材料（１４）（１５）の素子の対を有する、複数の熱電モジュール（１３）を設け、各上記対の各素子の第１端部を上記熱源または上記冷源と熱的に接触させ、上記対の各素子の第２端部を、上記第１端部が接触しない方の上記冷源または上記熱源と熱的に接触させ、隣接する熱電モジュールを電気的に接続し、
   上記内部導管（１１）を２枚の板（１８）によって構成し、上記伝導体材料（１４）（１５）の端部の一方で、上記熱電モジュール（１３）を構成する素子の対が、接続導体（１６）を介して、上記基本セル（２）（３）または上記板（１８）と熱的に接続し、上記伝導体材料（１４）（１５）の端部の他方で、隣接する上記熱電モジュール（１３）の素子同士が、接続導体（１７）を介して、上記基本セル（２）（３）または上記板（１８）と熱的に接続し、ゼーベック効果によって発生される電気エネルギを回収することを特徴とする、燃料電池から発生する熱エネルギの回収方法。
8. 上記基本セル（２）（３）内を流れる酸素（８）および水素（１０）ならびに上記冷却液（１２）が流れる方向を同じにすることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池から発生する熱エネルギの回収方法。
9. 上記燃料電池の冷却は、２相冷却であることを特徴とする、請求項７または８に記載の燃料電池から発生する熱エネルギの回収方法。

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