(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池液体の流れを制御するエネルギー散逸装置であって、
第１の開口と第２の開口との間を長手方向に延びる導管と、
前記導管内に受容されるように構成された流れ制御インサートと、
を備え、
前記流れ制御インサートは、燃料電池液体供給源と燃料電池スタックとの間における燃料電池液体の流れを制御するものであって、この流れの制御は、該流れ制御インサートにより燃料電池液体を長手方向に対してらせん状に流すことによって行われ、
さらに前記流れ制御インサートは、第２の流れ制御インサートを受ける凹部を有することを特徴とするエネルギー散逸装置。
【請求項２】
前記流れ制御インサートはネジ付ロッドからなることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー散逸装置。
【請求項３】
前記ネジ付ロッドが締まりばめにより前記導管に対して保持されるように、前記ネジ付ロッドの直径は前記導管の内径よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載のエネルギー散逸装置。
【請求項４】
前記第２の流れ制御インサートは、燃料電池液体を長手方向に対してらせん状に流すように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー散逸装置。
【請求項５】
前記流れ制御インサートと、前記導管の内壁とにより、外側らせん状流路が形成され、前記第２の流れ制御インサートと、前記流れ制御インサートの内壁とにより、内側らせん状流路が形成されていることを特徴とする請求項４に記載のエネルギー散逸装置。
【請求項６】
前記燃料電池液体は、前記外側らせん状流路に沿って流れるときは前記第２の開口に向けて移動し、内側らせん状流路に沿って流れるときは前記第１の開口に向けて移動することを特徴とする請求項５に記載のエネルギー散逸装置。
【請求項７】
前記第１の開口を通って前記導管に流入する燃料電池液体の圧力は、前記第２の開口を通って前記導管から流出する燃料電池液体の圧力より大きいことを特徴とする請求項１に記載のエネルギー散逸装置。
【請求項８】
前記燃料電池液体は冷媒であることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー散逸装置。
【請求項９】
前記燃料電池液体は水であることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー散逸装置。
【請求項１０】
前記流れ制御インサートは、燃料電池液体を第１のらせん方向へと長手方向に対してらせん状に流すように構成されており、かつ燃料電池液体を前記第１のらせん方向と逆方向の第２のらせん方向へと長手方向に対してらせん状に流すように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー散逸装置。
【請求項１１】
燃料電池液体供給源と、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池液体供給源と前記燃料電池スタックとの間における燃料電池液体の流れを制御するエネルギー散逸装置と、
を備え、
前記エネルギー散逸装置は、インサートを有し、上記燃料電池液体の流れの制御は、該インサートにより、前記エネルギー散逸装置を通して前記燃料電池液体を周方向に流すことによって行われ、さらに、前記インサートは、第２のインサートを受ける凹部を有することを特徴とする燃料電池構造。
【請求項１２】
前記インサートは、前記エネルギー散逸装置を通して前記燃料電池液体をらせん状に流すことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池構造。
【請求項１３】
前記エネルギー散逸装置は、前記燃料電池スタックに向けて前記燃料電池液体をらせん状に流すように構成された第１の流路セクションと、前記燃料電池スタックから離すように前記燃料電池液体をらせん状に流すように構成された第２の流路セクションと、を有することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池構造。
【請求項１４】
前記エネルギー散逸装置は、長手方向に延びており、
前記エネルギー散逸装置は、前記第２のインサートを通して前記燃料電池液体を前記長手方向に流すように構成された第３の流路セクションを有することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池構造。
【請求項１５】
前記燃料電池スタックは、複数のリン酸型燃料電池を含むことを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池構造。
【請求項１６】
燃料電池液体の流れを制御する方法であって、
導管において燃料電池液体を受けるステップと、
前記導管内でらせん状に流れるように前記燃料電池液体を方向付けることにより前記燃料電池液体の流れを制限するステップと、
前記導管から燃料電池スタックへと前記燃料電池液体を流すステップと、
インサートを用いて、燃料電池液体供給源と燃料電池スタックとの間の燃料電池液体の流れを制御するステップと、
を含み、
前記燃料電池液体の流れの制御は、前記インサートを用いて、長手方向と同一方向である第１の方向に燃料電池液体を流すとともに、前記長手方向と逆方向である第２の方向に燃料電池液体を流すことによって行われることを特徴とする方法。
【請求項１７】
ネジ付インサートを用いて第１の長手方向へとらせん状に流れるように前記燃料電池液体を方向付けるステップを含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
第２のネジ付インサートを用いて第２の長手方向へとらせん状に流れるように前記燃料電池液体を方向付けるステップを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記ネジ付インサートは締まりばめにより前記導管内に保持されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記燃料電池液体は水であることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
燃料電池液体の燃料を制御するエネルギー散逸装置であって、
第１の開口と第２の開口との間を長手方向に延びる導管と、
前記導管内に受容されるように構成された流れ制御インサートと、
を備え、
前記流れ制御インサートは、前記燃料電池液体が長手方向と同一方向である第１の方向に流れ、かつ前記長手方向と逆方向である第２の方向に流れるように構成されていることを特徴とするエネルギー散逸装置。
【請求項２２】
前記流れ制御インサートは、第１の方向及び第２の方向へと前記燃料電池液体を方向付けるように構成された複数のＵ字通路を有することを特徴とする請求項２１に記載のエネルギー散逸装置。
【請求項２３】
前記Ｕ字通路は矩形の断面形状を有することを特徴とする請求項２２に記載のエネルギー散逸装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池に関し、特に、燃料電池流体の流れの管理に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックアッセンブリは周知である。一例では、燃料電池スタックは、複数の燃料電池ユニットを含む。各燃料電池ユニットは、多くの電極アッセンブリを含む。各電極アッセンブリは、電解質として作用するリン酸層を含む。電解質層は電極間に位置する。１つの電極は、燃料極（アノード）として機能する。他の電極は、空気極（カソード）として機能する。一例では、燃料電池ユニットは、冷却プレート間に配置された８つの電極アッセンブリを含む。スタックアッセンブリを構成するためかつ、個々の燃料電池を保持するために、圧力プレートが各冷却プレートに隣接して配置されている。
【０００３】
周知のように、燃料電池ユニットは、燃料供給（例えば、水素及び空気）を利用して、液体（例えば、水）と熱的な副生成物を生成する。熱的な副生成物を燃料電池ユニットから除去するために、冷却液が使用されることがある。リン酸型燃料電池ユニットでは、冷却液は、熱的な副生成物を燃料電池ユニットから除去するように冷却プレートを通って流れる。リン酸型燃料電池ユニットでは、冷却液として水がよく用いられている。他の種類の燃料電池ユニット（例えば、固体酸化物燃料電池ユニット）では、リン酸型燃料電池ユニットよりもさらに高温で作動するため、水は使用されない。
【０００４】
冷却液は、通常、マニホールドを通って燃料電池スタックアッセンブリへと流れる。次いで、冷却液は、マニホールドから、エネルギー散逸装置を通って、燃料電池スタックアッセンブリ内の各冷却プレートへと流れる。燃料電池スタックアッセンブリは、エネルギー散逸装置を用いて個々の冷却プレートへの冷却液の供給を制御する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
エネルギー散逸装置は、製造が複雑かつ困難であり、かつ費用が高くなるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
例示的な燃料電池流体を制御するためのエネルギー散逸装置は、第１の開口と第２の開口との間を長手方向に延びる導管を備える。流れ制御インサートは、導管内に受容されるように構成されている。流れ制御インサートは、燃料電池流体を長手方向に対してらせん状に流すように構成されている。
【０００７】
例示的な燃料電池構成は、燃料電池流体供給源と、燃料電池スタックと、を備える。エネルギー散逸装置は、燃料電池流体供給源と燃料電池スタックとの間における燃料電池流体の流れを制御するように構成されている。エネルギー散逸装置は、エネルギー散逸装置を通して燃料電池流体を周方向に流すインサートを有する。
【０００８】
例示的な燃料電池流体の流れを制御する方法は、導管において燃料電池流体を受けるステップと、導管内でらせん状に流れるように燃料電池流体を方向付けることにより燃料電池流体の流れを制限するステップと、導管から燃料電池スタックへと燃料電池流体を流すステップと、を含む。
【０００９】
開示する実施例の上記及び他の特徴は、以下の明細書及び図面から明らかになるであろう。以下に図面について簡単に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】複数のエネルギー散逸装置を有する例示的な燃料電池スタックアッセンブリの図。
【図２】図１の燃料電池スタックアッセンブリの例示的な燃料電池ユニットの概略図。
【図３】図２の燃料電池ユニットの冷却プレートの斜視図。
【図４】図１の燃料電池スタックアッセンブリに用いられている例示的なエネルギー散逸装置の斜視図。
【図４Ａ】図４に示したエネルギー散逸装置の部分断面図。
【図５】図４に示したエネルギー散逸装置の導管の斜視図。
【図５Ａ】図５に示した導管の部分断面図。
【図６】他の例示的なエネルギー散逸装置の断面図。
【図７】他の例示的なエネルギー散逸装置の部分切欠図。
【図８】図７の線８−８における断面図。
【図８Ａ】他の例示的なエネルギー散逸装置の断面図。
【図８Ｂ】他の例示的なエネルギー散逸装置の拡大図。
【図８Ｃ】さらに別の例示的なエネルギー散逸装置の拡大図。
【図９】さらに別の例示的なエネルギー散逸装置の部分断面図。
【図１０】さらに他の例示的なエネルギー散逸装置の部分断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１〜３を参照すると、エネルギー散逸装置１０は、マニホールド１４と燃料電池スタックアッセンブリ１８との間における燃料電池流体の流れを制御する。本実施例では、燃料電池流体は、供給源２２から供給される水である。他の実施例では、エネルギー散逸装置１０は、他の種類の流体とし得る。例示的なエネルギー散逸装置１０は、燃料電池スタックアッセンブリ１８への燃料電池流の流れを制限する。
【００１２】
本実施例では、燃料電池流は、ホース２０を通してエネルギー散逸装置１０から供給される。例示的なエネルギー散逸装置１０の各々は、単一のホース２０に燃料電池流を供給する。他の実施例では、各エネルギー散逸装置１０は、例えば、スプリッタコネクタ（ｓｐｒｉｔｔｅｒ  ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ）を用いて、２以上のホース２０に燃料電池流を供給する。
【００１３】
燃料電池流は、ホース２０から燃料電池スタックアッセンブリ１８内の複数の冷却プレート２４へと流れる。燃料電池流は、冷却プレート２４において流路２８を通って循環する。次いで、燃料電池流は、流路２８からホース３２へと流れる。燃料電池流は、ホース３２からマニホールド３４へと流れる。マニホールド３４により、燃料電池流は燃料電池スタックアッセンブリ１８から遠ざかるように流れる。
【００１４】
例示的な燃料電池スタックアッセンブリ１８は、複数の燃料電池ユニット２６を含む。本実施例では、各燃料電池ユニット２６は、互いに積層された８個のリン酸電極アッセンブリ３０を含む。また、各燃料電池ユニット２６は、互いに対向する圧力プレート３８と、互いに対向する冷却プレート２４と、を有する。
【００１５】
電極アッセンブリ３０は、対向する冷却プレート２４の間に挟まれている。周知のように、熱エネルギーは、電極アッセンブリ３０内の作用によって生じる。冷却プレート２４の流路２８を通る燃料電池流は、電極アッセンブリ３０から熱エネルギーを伝達するように用いられる。冷却プレート２４は、対向する圧力プレート３８の間に保持されている。
【００１６】
本実施例では、各エネルギー散逸装置１０は、第１のスウェージロック（Ｓｗａｇｅｌｏｋ、登録商標）装置４２によってマニホールド１４に対して保持されている。各エネルギー散逸装置１０は、第２のスウェージロック（登録商標）装置５０によってホース２０に対して保持されている。他の実施例では、エネルギー散逸装置１０は、マニホールド１４に直接に溶接されて、接着剤を用いてホース２０に対して保持されている。さらに別の実施例には、エネルギー散逸装置１０を固定する他の方法が含まれる。
【００１７】
次に、図２とともに、図４〜図５Ｂを参照すると、各例示的なエネルギー散逸装置１０は、導管５４及びフロー制御インサート５８を有する。導管５４は、円筒状をなし、第１の開口６６から第２の開口７０の間において長手方向に延びている。インサート５８は、導管５４内に受容されるように構成されている。
【００１８】
本実施例では、インサート５８は、ネジ付きロッドである。つまり、複数のネジ山７４がインサート５８の外周から半径方向外側に延びている。エネルギー散逸装置１０の組み立て時、インサート５８は、導管５４内にプレスばめされる。例示的な導管５４及び例示的なインサート５８は、ステンレス綱から形成される。他の実施例では、特定の要件や利用可能性等に応じて他の材料を用いてもよい。
【００１９】
本実施例では、導管の開口６６，７０の直径は、約０．７５インチ（１．９０５ｃｍ）である。インサート５８の直径は、０．７５インチよりも僅かに大きくなっている。その結果、インサート５８が導管５４内に受容されるときに、ネジ山７４、導管５４の内壁７８又はこれらの双方が僅かに変形する。したがって、インサート５８は、締まりばめ又は部品間の摩擦によって導管５４に対して保持される。当業者等であれば、所望の締まりばめを実現するため、どのように導管５４及びインサート５８の寸法を決定するればよいかを理解されるであろう。他の実施例では、溶接又はろう付を用いてインサート５８を導管５４内に固定するようにしてもよい。
【００２０】
本実施例では、燃料電池流体は、マニホールド１４から第１の開口６６を通ってエネルギー散逸装置１０内に流入する。燃料電池流体は、第１の開口６６から長手方向に流れる。エネルギー散逸装置１０に流入後、インサート５８により、燃料電池流体は、流れの方向が変わり、らせん状流路８２を通って流れるようになる。インサート５８と導管５４の内壁７８は、らせん状流路８２を画定する。
【００２１】
本実施例では、らせん状流路８２の幅Ｗは、約０．０６８インチ（０．１７３ｃｍ）であり、らせん状流路８２の高さＨは、約０．２１８インチ（０．５５４ｃｍ）である。本実施例では、導管５４は、１．５インチ〜２インチ（３．８１ｃｍ〜５．０５ｃｍ）の長さを有する。インサート５８はこれより僅かに短い。他の実施例では、インサート５８は導管５４と同じ長さを有する。
【００２２】
流路Ｐは、らせん状流路８２の一部を通る燃料電池流体の通路を示している。らせん状流路８２内を通流するとき、燃料電池流体は、長手方向に対して実質的に周方向へとらせん状に流れる。らせん状流路８２を流れた後、燃料電池流体は、第２の開口７０を通ってエネルギー散逸装置１０から流出し、ホース２０を通って冷却プレート２４へと流れる。一実施例では、らせん状流路８２は、渦巻状の流路（スパイラル流路）とみなされる。
【００２３】
らせん状流路８２を通って移動することにより、燃料電池流体の流れが遅くなる。したがって、第１の開口６６を通ってエネルギー散逸装置１０に流入する燃料電池流体の圧力は、第２の開口７０を通ってエネルギー散逸装置１０から流出する燃料電池流体の圧力よりも高い。一の特定の例としては、エネルギー散逸装置１０は、第１の開口６６に流入する燃料電池流体と第２の開口７０から流出する燃料電池流体との間で、１．７４ｐｓｉ（１２ｋＰａ）の圧力低下をもたらす。
【００２４】
エネルギー散逸装置１０を用いることにより、燃料電池スタックアッセンブリ１８内において各冷却プレート２４に対する相対的に均一な燃料電池流体の供給が促進される。つまり、エネルギー散逸装置１０は、いくつかの冷却プレート２４に対してより多くの燃料電池流体が供給されるのを防ぐ。これにより、燃料電池流体による熱エネルギーの除去が相対的に均一になる。
【００２５】
次に図６を参照すると、他の実施例におけるエネルギー散逸装置１００は、導管１０４、第１のインサート１０８及び第２のインサート１１２を有する。第１のインサート１０８は、凹部１１６を有する。凹部１１６は、第２のインサート１１２を受けるように構成されている。
【００２６】
第２のインサート１１２は、中央穴１２０を構成する。中央穴１２０は、流路１１８の一部を構成する。より具体的には、中央穴１２０は、エネルギー散逸装置１００の第１の端部１２２から装置１００の第２の端部１２４へと冷却流体を流すように構成されている。中央穴１２０は、マニホールド（図示せず）から燃料電池流体を受ける。
【００２７】
第２の端部１２４において燃料電池流体が中央穴１２０から流出した後、燃料電池流体は、凹部１１６の底部１２６と接触する。これにより、燃料電池流体は中央穴１２０から離れて半径方向外側に流れる。
【００２８】
次いで、燃料電池流体は、第２のインサート１１２と第１のインサート１０８の内壁１２８との間に形成された流路１１８の内側らせんセクションに流入する。燃料電池流体は、再び第１の端部１２２に到達するまで、内側らせんセクションに沿って流れ、中央穴１２０の周囲を周方向に移動する。
【００２９】
次いで、燃料電池流体は、導管１０４の半径方向に延びるフィン１３０と接触する。フィン１３０は、導管１０４の内壁１３４と第１のインサート１０８との間に形成された流路１１８の外側らせんセクションへと燃料電池流体を半径方向外側へと方向付ける。燃料電池流体は、第２の開口１３８においてエネルギー散逸装置１１０から流出するまで、流路１１８の外側らせんセクションに沿って流れる。燃料電池流体は、第２の開口１３８を通ってホース（図示せず）へと流れる。これにより、燃料電池流体が冷却プレートへと流れる。
【００３０】
特筆すべきこととして、例示的なエネルギー散逸装置１００では、流体は、導管１０４を通って第１の長手方向に流れ、導管１０４を通って第２の長手方向に流れる。第１の長手方向は、第２の長手方向と逆方向を向いている。
【００３１】
一実施例では、エネルギー散逸装置１１０のインサート１０８，１１２は、ネジ付きロッドである。インサート１０８，１１２は、中央穴１２０及び凹部１１６をもたらすように機械加工される。
【００３２】
次に図７，８を参照すると、他の例示的なエネルギー散逸装置２１０は、Ｕ字通路２１８を有するインサート２１４を備える。Ｕ字通路２１８は、インサート２１４の外面上に機械加工されている。
【００３３】
インサート２１４は、導管２２２内に受容される。Ｕ字通路２１８は、インサート２１４の第１の端部２２６と第２の端部２３０との間で長手方向に延びている。Ｕ字通路２１８の一部分２３２により、燃料電池流体がらせん状、つまり長手方向に対して周方向に流れる。本実施例では、Ｕ字通路２１８は、矩形の断面を有する。Ｕ字通路２１８は、主として長手方向に延びている。つまり、周方向部分は、Ｕ字通路２１８の全長の僅かな部分だけを構成している。
【００３４】
Ｕ字通路２１８は、燃料電池流体を長手方向に移動させる部分と、燃料電池流体を長手方向と対向する方向へと移動させる部分と、を含む
Ｕ字通路２１８は、例えば、通路をより多くすること又は少なくすることにより、軸方向、半径方向又は周方向について調整することができる。Ｕ字通路２１８の数及び該通路の断面積を変更することにより、インサート２１４の大きさを増大させることなく、異なる圧力低下を実現することができる。
【００３５】
図８Ａを参照すると、他の例示的なインサート２１４ａは、台形の断面形状を有する通路２１８ａを画定する。図８Ｂは、別の例示的なインサート２１４ｂの拡大図であり、インサート２１４ｂは、不規則な五角形の断面形状を有する通路２１８ｂを画定する。図８Ｃは、さらに別の例示的なインサート２１４ｃの拡大図であり、インサート２１４ｃは、Ｕ字の断面形状を有する通路２１８ｃを画定する。
【００３６】
図７とともに図９，１０を参照すると、他の例示的なエネルギー散逸装置３１０は、長手方向Ｘに延びるインサート３１４を有する。インサート３１４は、複数のＵ字通路３１８を有し、該通路は、主として、らせん状、つまり長手方向Ｘに対して周方向Ｃに延びている。
【００３７】
さらに別の例示的なエネルギー散逸装置４１０は、長手方向Ｘ1に延びるインサート４１４を有する。インサート４１４は、複数のＵ字通路４１８を有し、該通路は、主として、実質的にらせん状、つまり長手方向Ｘ1に対して周方向Ｃ1に延びている。
【００３８】
特筆すべきこととして、Ｕ字通路２１８，３１８，４１８は、燃料電池流体を第１の方向へと周方向に移動させ、かつ第１の長手方向と対向する第２の方向へと周方向に移動させる部分を有する。
【００３９】
一実施例では、Ｕ字通路２１８，３１８，４１８は、インサート５８（図４）のらせん状流路と併用される。この種のインサート（図示せず）の例には、燃料電池流体をインサートに沿って主に周方向に方向付けるように構成されたらせん状部分と、燃料電池流体をインサートに対して主に長手方向に方向付けるように構成されたＵ字通路部分と、を有する流路が含まれる。
【００４０】
開示した実施例の特徴は、燃料電池流体からのエネルギーを散逸させるようにコンパクトな容積を有する相対的にシンプルな構成を有することである。開示した実施例は、製造及び組立が相対的に容易である。開示した実施例の他の特徴は、流れに対して相対的に大きな開口を維持しつつ、相対的にコンパクトな容積におけるインサートによる圧力低下の導入である。理解されるように、この特徴は、つまり（ｐｌｕｇｇｉｎｇ）を妨げるものである。
【００４１】
上記の記載は例示的なものであり、限定的なものではない。当業者に明らかなように、開示した実施例に対して、本開示の本質から逸脱することなく種々の変更や修正がなされ得る。したがって、本開示に付与される法的保護の範囲は、以下の特許請求の範囲を検討することによって決定され得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図５】
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【図５Ａ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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