(57)【要約】  【課題】気体圧力低下及び／又は全体的空間要求を最小にする、流体混合物を凝縮液体と非凝縮気体とに分離する凝縮器及び方法を提供する。  【解決手段】流体流を分離するための凝縮器（１０）及び方法が提供される。凝縮器（１０）は、カソード排気流（６０）を凝縮液体（８８）と非凝縮気体（７０）とに分離するために使用され得る。凝縮器（１０）は、垂直入口（１４）と、垂直出口（１６）と、気体流路（２０）と、液体流路（２２）と、非凝縮気体出口（２４）と、凝縮液体出口（２６）とを含む。【選択図】図１
2006082076.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体混合物を凝縮液体と非凝縮気体とに分離するための凝縮器であって、
気体混合物を受け入れる垂直入口マニホルドと、
垂直出口マニホルドと、
気体流を、冷却流体流に対し熱交換関係で入口マニホルドから出口マニホルドへと向けるため、入口マニホルド及び出口マニホルドに流体連通する気体流路と、
液体流を、前記冷却流体流に対し熱交換関係で入口マニホルドと出口マニホルドとの間の複数通路に向けるため、入口マニホルド及び出口マニホルドに流体連通する液体流路と、
非凝縮気体が凝縮器を出ることを許容するため、出口マニホルドに流体連通する気体出口と、
凝縮液体が凝縮器を出ることを許容するため、入口及び出口マニホルドの一方に流体連通する液体出口とを備えた凝縮器。
【請求項２】
前記液体出口は、入口及び出口マニホルドの両方において液位を規定する垂直高さを有する立管である請求項１の凝縮器。
【請求項３】
前記液体出口は出口マニホルドに設置される請求項１の凝縮器。
【請求項４】
前記垂直入口マニホルドは気体混合物を受け入れ、かつ上方部分及び下方部分を有し、垂直出口マニホルドは凝縮液体及び非凝縮気体を受け入れ、かつ上方部分及び下方部分を有し、液位は、各入口及び出口マニホルドにおいて上方部分と下方部分とを分ける請求項１の凝縮器。
【請求項５】
前記入口マニホルドの下方部分に位置付けられる気体ブリードを規定する開口を有するバッフルを更に備えた請求項１の凝縮器。
【請求項６】
前記気体流路は第１の複数の管を備え、前記液体流路は、前記第１の複数の管の下方に設置される第２の複数の管を備える請求項１の凝縮器。
【請求項７】
前記液体流路は、複数の通路を提供するため、入口及び出口マニホルドの一方における少なくとも一つのバッフルによって区分される請求項６の凝縮器。
【請求項８】
前記入口マニホルドの下方部分に位置付けられる気体ブリードを規定する開口を有する別のバッフルを更に備えた請求項７の凝縮器。
【請求項９】
カソード排気を凝縮液体と非凝縮気体とに分離するため、燃料電池システムで使用するカソード排気気体凝縮器であって、
カソード排気を受け入れる垂直入口マニホルドと、
垂直出口マニホルドと、
気体流を、冷却流体流に対し熱交換関係で入口マニホルドから出口マニホルドへと向けるため、入口マニホルド及び出口マニホルドに流体連通するカソード排気流路と、
液体流を、前記冷却流体流に対し熱交換関係で入口マニホルドと出口マニホルドとの間の複数通路に向けるため、入口マニホルド及び出口マニホルドに流体連通する液体流路と、
非凝縮気体が凝縮器を出ることを許容するため、出口マニホルドに流体連通する気体出口と、
凝縮液体が凝縮器を出ることを許容するため、入口及び出口マニホルドの一方に流体連通する液体出口とを備えた凝縮器。
【請求項１０】
前記液体出口は、入口及び出口マニホルドの両方において液位を規定する垂直高さを有する立管である請求項９の凝縮器。
【請求項１１】
前記液体出口は出口マニホルドに設置される請求項９の凝縮器。
【請求項１２】
前記垂直入口マニホルドは気体混合物を受け入れ、かつ上方部分及び下方部分を有し、垂直出口マニホルドは凝縮液体及び非凝縮気体を受け入れ、かつ上方部分及び下方部分を有し、液位は、各入口及び出口マニホルドにおいて上方部分と下方部分とを分ける請求項９の凝縮器。
【請求項１３】
前記入口マニホルドの下方部分に位置付けられる気体ブリードを規定する開口を有するバッフルを更に備えた請求項９の凝縮器。
【請求項１４】
前記気体流路は第１の複数の管を備え、前記液体流路は、前記第１の複数の管の下方に設置される第２の複数の管を備える請求項９の凝縮器。
【請求項１５】
前記液体流路は、複数の通路を提供するため、入口及び出口マニホルドの一方における少なくとも一つのバッフルによって区分される請求項１４の凝縮器。
【請求項１６】
前記入口マニホルドの下方部分に位置付けられる気体ブリードを規定する開口を有する別のバッフルを更に備えた請求項１５の凝縮器。
【請求項１７】
流体混合物を凝縮液体と非凝縮気体とに分離するための凝縮器であって、
気体混合物を受け入れ、かつ上方部分及び下方部分を有する垂直入口マニホルドと、
凝縮液体及び非凝縮気体を受け入れ、かつ上方部分及び下方部分を有する垂直出口マニホルドと、
各入口及び出口マニホルドにおいて上方部分と下方部分とを分ける液位と、
気体流を、冷却流体流に対し熱交換関係で入口マニホルドから出口マニホルドへと向けるため、入口マニホルド及び出口マニホルドに流体連通する気体流路と、
液体流を、前記冷却流体流に対し熱交換関係で入口マニホルドから出口マニホルドへと向けるため、入口マニホルド及び出口マニホルドに流体連通する液体流路と、
非凝縮気体が凝縮器を出ることを許容するため、気体流路に流体連通する気体出口と、
凝縮液体が凝縮器を出ることを許容するため、液体流路に流体連通する液体出口とを備えた凝縮器。
【請求項１８】
前記液体出口は立管を備え、前記液位の垂直位置は、該立管の垂直高さによって規定される請求項１７の凝縮器。
【請求項１９】
前記液体出口は出口マニホルドに設置される請求項１７の凝縮器。
【請求項２０】
前記液体流路は複数の通路を備える請求項１７の凝縮器。
【請求項２１】
前記入口マニホルドの下方部分に位置付けられる気体ブリードを規定する開口を有するバッフルを更に備えた請求項２０の凝縮器。
【請求項２２】
前記気体流路は第１の複数の管を備え、前記液体流路は、前記第１の複数の管の下方に設置される第２の複数の管を備える請求項１７の凝縮器。
【請求項２３】
前記液体流路は、複数の通路を提供するため、入口及び出口マニホルドの一方における少なくとも一つのバッフルによって区分される請求項２２の凝縮器。
【請求項２４】
前記入口マニホルドの下方部分に位置付けられる気体ブリードを規定する開口を有する別のバッフルを更に備えた請求項２３の凝縮器。
【請求項２５】
カソード排気を凝縮液体と非凝縮気体とに分離するため、燃料電池システムで使用するカソード排気凝縮器であって、
カソード排気を受け入れ、かつ上方部分及び下方部分を有する垂直入口マニホルドと、
凝縮液体及び非凝縮気体を受け入れ、かつ上方部分及び下方部分を有する垂直出口マニホルドと、
各入口及び出口マニホルドにおいて上方部分と下方部分とを分ける液位と、
気体流を、冷却流体流に対し熱交換関係で入口マニホルドから出口マニホルドへと向けるため、入口マニホルド及び出口マニホルドに流体連通する気体流路と、
液体流を、前記冷却流体流に対し熱交換関係で入口マニホルドから出口マニホルドへと向けるため、入口マニホルド及び出口マニホルドに流体連通する液体流路と、
非凝縮気体が凝縮器を出ることを許容するため、気体流路に流体連通する気体出口と、
凝縮液体が凝縮器を出ることを許容するため、液体流路に流体連通する液体出口とを備えた凝縮器。
【請求項２６】
前記液体出口は立管を備え、前記液位の垂直位置は、該立管の垂直高さによって規定される請求項２５の凝縮器。
【請求項２７】
前記液体出口は出口マニホルドに設置される請求項２５の凝縮器。
【請求項２８】
前記液体流路は複数の通路を備える請求項２５の凝縮器。
【請求項２９】
前記入口マニホルドの下方部分に位置付けられる気体ブリードを規定する開口を有するバッフルを更に備えた請求項２８の凝縮器。
【請求項３０】
前記気体流路は第１の複数の管を備え、前記液体流路は、前記第１の複数の管の下方に設置される第２の複数の管を備える請求項２５の凝縮器。
【請求項３１】
前記液体流路は、複数の通路を提供するため、入口及び出口マニホルドの一方における少なくとも一つのバッフルによって区分される請求項３０の凝縮器。
【請求項３２】
前記入口マニホルドの下方部分に位置付けられる気体ブリードを規定する開口を有する別のバッフルを更に備えた請求項３１の凝縮器。
【請求項３３】
凝縮器において流体混合物を凝縮液体と非凝縮気体とに分離するための方法であって、
流体混合物を入口マニホルド内へ流す工程と、
入口マニホルドにおいて流体混合物を気体流と液体流とに分離する工程と、
液体流を液体流路を通って出口マニホルドへと流すことにより、液体流を冷却する工程と、
気体流を気体流路を通って出口マニホルドへと流すことにより、気体流の少なくとも一部を凝縮液体へと凝縮する工程と、
出口マニホルドにおいて非凝縮気体から凝縮液体を再度分離する工程と、
非凝縮気体を気体出口を通って凝縮器外へと向ける工程と、
凝縮液体を液体出口を通って凝縮器外へと向ける工程とを含む方法。
【請求項３４】
前記凝縮液体を液体出口を通って凝縮器外へと向ける工程前に、
凝縮液体を、入口マニホルドと出口マニホルドとの間に延びる追加の通路を通過させる工程を更に更に含む請求項３３の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体混合物を、非凝縮気体と凝縮液体とに分離するための凝縮器に関し、更に特定の用途において、燃料電池システムに関連して使用されるそのような凝縮器に関する。
【背景技術】
【０００２】
凝縮器は、流体混合物から液体を少なくとも部分的に凝縮させるため、種々の状況で使用されている。自動車に見られるような多くの凝縮器は、完全蒸気流を完全液体流へと凝縮させる。一般に、そのような凝縮器において、流体は、入口では蒸気であり、出口では凝縮された液体である。しかしながら、流体を部分的にのみ凝縮する凝縮器、又は気体混合物の一成分のみを凝縮する凝縮器も存在し、そのため、出口には液体及び気体の両方が含まれる。
【０００３】
凝縮器はまた、排気流から液体を回収するための種々の他の用途において有用である。そのような凝縮器が使用され得る具体的な一例は、燃料電池のカソード排気から水を回収するための燃料電池システムとの組合せである。特に、高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池からのカソード排気は、加湿（給湿）のために該システム内に導入された水、並びに、燃料電池自体内の電気化反応によって生成された水を含む。
【０００４】
ほとんどのＰＥＭ燃料電池は、電子を利用して電気を作り出しながら、アノード側の水素ガスとカソード側の酸素とを結合して水を生成する。燃料電池のアノード側における反応は、［Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-］である。水素イオンは分離膜中に浸透し、他方、電子はカソード側へと電子回路を通過する。燃料電池のカソード側において、反応は［２Ｈ+＋２ｅ-＋1/2Ｏ2→Ｈ2Ｏ］であり、これにより、水素イオン、電子及び酸素は化合して水を生成する。そのため、反応全体では、理論的に水素分子につき一つの水分子を作り出す。
【０００５】
更には、燃料電池は、各燃料電池で用いられる上記膜の最適性能のため、加湿の形態で水を一般に必要とする。一般的に、燃料電池の一方側又は両側、すなわちアノード及びカソードは、アノードからカソードへの水素イオン浸透を保つため、それぞれの入口流によって加湿される。燃料電池のカソード側における電気化学反応のための酸素源として一般に空気が利用され、そのため、加湿の適正レベルを維持するために著しい量の水も使用しなければならない。著しい量の水が必要な理由は、要求される空気の流量が、酸素の反応必須量を実現するために、純酸素流に比べて一般に大きいため、及び／又は、水スプレーしぶき（water overspray）が必要とされ得、カソード排気に集められ得るためである。そのため、燃料電池自体は、作動のために膨大な量の加湿を要求する。
【０００６】
上述したように、燃料電池は、電気化学反応の生成物として水を作り出す。そのため、カソード排気が入口加湿からの水を有するのみならず、燃料電池もまた水を作り出す。燃料電池システムの効率を最大にするため、カソード排気から水を回収して、燃料電池システムの他の部品において加湿及び／又は冷却に使用することが望まれている。
【０００７】
この点に関し、凝縮器は、カソード排気から水を回収するためにしばしば用いられる。凝縮され同伴される水の温度が望ましい温度よりも高いかもしれないので、他のものは、液体冷却器と直列に凝縮器を組み合わせることを選択している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、液体冷却器と直列に凝縮器を用いることは、複数のユニットを通じての圧力低下（圧力降下／圧力損失）の一因となる。加えて、上流水分離器でさえ、圧力低下が大きくなり過ぎるかもしれず、ことによると追加のポンプを必要とする。これら追加のポンプは、全体的寄生喪失を増加させ、全体的システム効率を低下させる。更に、複数のユニットは追加の空間を要求する。自動車の用途等に対して燃料電池システムをより一層小型化しようとするにつれ、より小さい凝縮ユニットを提供することが望まれる。従って、気体圧力低下及び／又は全体的空間要求を最小にするカソード排気凝縮器、液体／気体分離器、及び液体冷却器が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一の特徴によれば、流体混合物を凝縮液体（凝縮された液体）と非凝縮気体（凝縮されていない気体）とに分離するための凝縮器が提供される。該凝縮器は、気体混合物（流体混合物）を受け入れる垂直（鉛直）入口マニホルドと、垂直出口マニホルドと、入口マニホルド及び出口マニホルドに流体連通し、冷却流体流に対し熱交換関係で気体流を入口マニホルドから出口マニホルドへと向ける気体流路と、入口マニホルド及び出口マニホルドに流体連通し、上記冷却流体流に対し熱交換関係で液体流を入口マニホルドと出口マニホルドとの間に向ける液体流路とを含む。該凝縮器はまた、出口マニホルドに流体連通し、非凝縮気体が該凝縮器から出ることを許容する気体出口と、入口及び出口マニホルドの一方に流体連通し、凝縮液体が該空冷式凝縮器を出ることを許容する液体出口とを含む。
【００１０】
一の特徴によれば、液体流路は複数の通路を含む。
【００１１】
一の特徴によれば、垂直入口マニホルドは上方部分と下方部分を有し、また、垂直出口マニホルドは上方部分及び下方部分を有し、更に、凝縮器は、入口及び出口マニホルドそれぞれにおいて下方部分から上方部分を分離する液位（液体レベル）を含む。
【００１２】
一の特徴によれば、凝縮器は、カソード排気を凝縮液体と非凝縮気体とに分離するためのカソード排気凝縮器である。
【００１３】
一の特徴によれば、液体出口は立管からなる。
【００１４】
一の特徴によれば、上記液位の垂直（鉛直）位置は、上記立管の垂直高さによって定義される。
【００１５】
一の特徴によれば、液体出口は出口マニホルドに設置される。
【００１６】
一の特徴によれば、凝縮器はバッフルを更に含み、該バッフルは、入口マニホルドの下方部分に位置する気体ブリード（気体逃がし孔）を形成する開口を有する。
【００１７】
一の特徴によれば、気体流路は第１の複数の管を備え、液体流路は、第１の複数の管の下方に設置された第２の複数の管を備える。
【００１８】
一の特徴によれば、液体流路は、複数の通路を提供するため、入口及び出口マニホルドの一方における少なくとも一つのバッフルによって区分される。
【００１９】
一の特徴によれば、凝縮器において流体混合物を凝縮液体と非凝縮気体とを分離するための方法が提供され、該方法は、
流体混合物を入口マニホルド内へと流入する工程と、
入口マニホルド内で流体混合物を気体流と液体流とに分離する工程と、
液体流路を通って出口マニホルドへと液体流を流すことにより、液体流を冷却する工程と、
気体流路を通って出口マニホルドへと気体流を流すことにより、気体流の少なくとも一部を凝縮する工程と、
出口マニホルド内で非凝縮気体と凝縮液体とを再度分離する工程と、
非凝縮気体を気体出口から凝縮器外に向ける工程と、
凝縮液体を液体出口から凝縮器外に向ける工程とを含む。
【００２０】
一の特徴によれば、上記方法は、凝縮液体を液体出口から凝縮器外に向ける工程の前に、凝縮液体を、入口マニホルドと出口マニホルドとの間に延在する過冷却流路に通過させる工程を更に含む。
【００２１】
他の目的、利点及び特徴は、付随する特許請求の範囲及び図面を含む本明細書全体を完全に検討することにより明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明は多くの異なる形式の実施形態が可能であるが、本開示は本発明の原理の例示とみなされるべきであり、かつ、例示する特定の実施形態に本発明を限定することを意図しないという了解の下で、本発明の特定の実施形態が図面に示されると共に本明細書中に詳細に記述される。
【００２３】
図１を参照して、流体混合物を凝縮して凝縮液体と非凝縮気体とに分離するための凝縮器１０が設けられる。凝縮器１０は、垂直入口マニホルド１４と、垂直出口マニホルド１６と、気体流路２０と、液体流路２２と、気体出口２４と、液体出口２６とを含む。凝縮器１０はまた、出口マニホルド１６内の立管２８と、入口マニホルド１４内のバッフル３０と、バッフル３０に設置された気体ブリード３２と、出口マニホルド１６内の別のバッフル３３と、液体シールすなわち液位３４とを含む。気体流路２０は、入口マニホルド１４及び出口マニホルド１６に流体連通し、冷却空気流等の冷却流体流に対し熱交換関係で気体流を入口マニホルド１４から出口マニホルド１６へと向ける。同様に、液体流路２２も、入口マニホルド１４及び出口マニホルド１６に流体連通し、冷却流体流に対し熱交換関係で液体流を入口マニホルド１４と出口マニホルド１６との間に向ける。例示した実施形態において、図１に見られるように、気体出口２４及び液体出口２６それぞれは、出口マニホルド１６に流体連通する。
【００２４】
入口マニホルド１４は、入口３８を含み、また、液位３４によって分けられる上方部分４０と下方部分４２とを含む。出口マニホルド１６は、液位３４によって分けられる上方部分４４と下方部分４６とを含む。
【００２５】
凝縮器１０の特定の材料及び構成は、例えば、関連する流体、流体温度及び流体圧力等の各用途のパラメータに大いに依存する。
【００２６】
入口マニホルド１４及び出口マニホルド１６は、その多くは知られているどのような適切な形式をも採用し得る。例えば、マニホルド１４及び１６の一方又は両方は、タンク４７及びヘッダー（管寄せ）板４８の形式を採用し得、又は、更なる例として、一体型円筒状ヘッダー（図示せず）のような形式を採り得る。マニホルド１４及び１６は、アルミニウム、ステンレス鋼、他の合金、又は、凝縮器に適しているものとして当業者に知られている他の材料といった種々の材料から構成され得る。バッフル３０及び３３は、関連するマニホルド１４、１６の構成に適合する設計であって、その多くは知られているどのような適切な設計であってもよい。バッフル３０及び３３はまた、マニホルド１４及び１６と同じ材料から製造され得る。
【００２７】
気体流路２０及び液体流路２２は、どのような適切な形式をも採用し得る。例えば、流路２０及び２２の一方又は両方は、当業者に知られている扁平管、丸管、板組（板）その他の形式を採用し得る。図１に見られるように、気体流路２０及び液体流路２２は、扁平管５０の形式で設けられ、管５０の上方群が気体流路２０を形成し、管５０の下方群が液体流路２２を規定する。流路２０及び２２は、アルミニウム、ステンレス鋼、他の合金、又は、凝縮器の使用に適しているものとして当業者に知られている他の材料等、種々の材料から構成され得る。流路２０及び２２と、空気、又は水もしくはグリコール水溶液等の他の適当な冷却流体の形式の冷却流体との間に熱伝達面を提供するため、各管５０間にサーペンタイン（蛇行）フィン５２が設けられる。フィン５２は、板フィンもしくは螺旋巻きフィン等の他の適切な形式を摂り得、また、熱伝達を高めるため、表面増加部（図示せず）を含み得る。
【００２８】
図１に見られるように、立管２８は、出口マニホルド１６内部に示される。しかしながら、立管２８は、マニホルド内の液位を、例えば図３及び／又は４に示されるような所望レベルに制御するどのような適切な器具であってもよく、また、立管２８は、出口マニホルド１６の外部上にあってもよいことが理解されるであろう。加えて、立管２８もしくは他の適当な器具は、後述するように、上方及び下方部分４０、４４及び４２、４６の相対的寸法を調整するために調節可能であり得る。立管２８はまた、アルミニウム、ステンレス鋼、他の合金、又は、凝縮器に適しているものとして当業者に知られている他の材料等の適切な材料から構成され得る。
【００２９】
入口３８、気体出口２４及び液体出口２６は、それぞれの流れに対し適切などのような口もしくは接続（部）（連通／継手）の形式をも採用し得る。例えば、入口３８は、上昇した温度の結合された気体及び流体の流れ（結合気体及び流体流）を通す（受け入れる）流体連通（流体接続部）に適するべきであり、他方、気体出口２４は気体流に適するべきであり、また、液体出口２６は液体流に適するべきである。多くの適切な口又は接続部が当業者に知られている。
【００３０】
凝縮器１０の操作は、燃料電池システム５６に関連して更に詳細に後述される。燃料電池システム５６は、詳細には記述されない。その理由は、燃料電池システムはよく知られており、そのようなシステムの仕様細部は、本発明の理解に重要ではないからである。
【００３１】
凝縮器１０は、凝縮液体と非凝縮気体とに分離されることができる流体流を受け入れる。例えば、図１において、凝縮器１０は、燃料電池５６から矢印６０で示すカソード排気（カソード排出物）を受け入れる。カソード排気６０は、空気及び燃料電池システム５６で起こる副反応からの他の生成物と結合した液体形態並びに蒸気形態の水を含み得る。カソード排気６０は、入口３８を介して入口マニホルド１４に入る。図１に示すように、カソード排気６０は、液状水及び気体の両方を含む。カソード排気６０が入口マニホルド１４に入る際、カソード排気６０は、矢印６２で示す液体流と、矢印６４で示す気体流とに分離される。液体流６２は、重力によって入口マニホルド１４の下方部分４２に向かって流れ、他方、気体流６４は、入口マニホルド１４の上方部分４０に留まる。
【００３２】
気体流６４は、気体流路２０を通って入口マニホルド１４から出口マニホルド１６へと流れる。気体流６４は、気体流路２０を通って流れる間、送風機６８によって供給され得る矢印６６で概略的に示す冷却流体流と熱交換関係にある。冷却流体流６６は、液体が凝縮するように（液体に凝縮するように）気体流６４を冷却する。気体流６４が出口マニホルドに到達すると、追加の凝縮された液体流（追加凝縮流体流）６５が重力によって分離し、出口マニホルド１６の下方部分４６へと落下する。残りの気体流６４は、次いで、非凝縮気体７０として出口マニホルド１６を出る。非凝縮気体７０は、次いで、矢印７４で示すように大気中に解放され得る。
【００３３】
液体流６２は、液体流路２２を通って入口マニホルド１４から出口マニホルド１６へと流れる。液体流６２は、液体流路２２を通って流れる間、冷却流体流６６と熱交換関係にあり、これにより液体流６２を冷却する。流路２２の第１通路を通って流れた後、液体流６２は、出口マニホルド１６に入り、気体流路２０内で凝縮された上記追加凝縮液体流６５と結合する。図１に見られるように、液体流路２２は、好ましくは、上記第１通路８０と、第２通路８２と、第３通路８４とを含む。液体流６２が気体流路２０からの追加凝縮液体流６５と結合された後、該結合液体流６２は、第２通路８２を通って入口マニホルド１４へと流れ、次いで第３通路８４を通って出口マニホルド１６へと戻ることにより、更に冷却される。従って、第２通路８２及び第３通路８４は過冷却流路８６とみなされ得る。第３通路８４を通って出口マニホルド１６に入った後、液体流６２は、凝縮液体８８として立管２８から凝縮器１０を出る。液体流６２は、バッフル３０及び３３によって液体流路２２を通るように誘導される。液体流６２中の同伴気体が液体流路２２を出て、気体流６４に合流することを可能にするため、気体ブリード３２が、第１通路８０と第２通路８２との間のバッフル３０にオリフィスとして設けられる。当然のことながら、気体ブリード３２は、出口マニホルド１６のバッフル３３等の液体流路２２の他の位置にも設置され得る。
【００３４】
以下の点が理解されるであろう。すなわち、凝縮器１０は、凝縮液体８８が凝縮器１０を出る第１通路８０等のたった一つの通路で作動し得、この場合、凝縮液体８８は第１通路から凝縮器１０を出る。凝縮器１０は、また、二つの通路８０及び８２で作動し得る。この場合、凝縮液体８８は、いくらか過冷却されて凝縮器１０を出るであろう。又は、凝縮器１０は、四つ以上の通路を含むことができ、これにより、液体流６２は、凝縮液体８８として凝縮器１０を出る前に更に過冷却される。例えば、液体流路２２が第１通路８０のみを有する場合、凝縮液体は、出口マニホルド１６で凝縮器１０を出るであろう。その一方、液体流路２２が、第１通路８０及び第２通路８２のような二つの通路を有するなら、凝縮液体８８は、入口マニホルド１４において好ましくは立管２８の形態の凝縮器の出口２６から出るであろう。
【００３５】
次の点も理解されるであろう。すなわち、気体流路２０は、単一通路で示されるが、液体流路２２に対する複数通路構成と同様の複数通路を含み得る。この点に関して、バッフル３０及び３３のようなバッフルを設けることが望ましいであろうし、また、凝縮液体が気体通路２０の各通路の管をバイパスすることを可能にするため、上記バッフルが気体ブリード孔３２と同様の液体ブリード孔を含むことが望ましいであろう。
【００３６】
各流路２０及び２２における通路数は、主として、凝縮器１０が使用されるシステムによって求められるようなそれぞれの気体流６４及び液体流６２に対する圧力低下（圧力降下）及び熱デューティ要求（heat duty requirements）によって決定される。例えば、図示の実施形態において、各流路２０及び２２が、同様の圧力低下を有すると共に、それぞれ熱負荷の約５０％の割合を占めることが望ましいかもしれない。他方、別のシステムにおいて、圧力低下が各流れ６４及び６２に対し実質上異なるか、及び／又は、熱負荷要求が実質上異なることが望ましいかもしれない。
【００３７】
液位３４と、それに続く上方部分４０、４４、下方部分４２、４６の実質的な相対位置と、各流路２０及び２２における管数は、立管２８によって決定される。液位３４は、垂直高さＨで示すように、立管２８の液体出口２６とほぼ同じ垂直高さである。（燃料電池５６は、実際は、凝縮器１０上方に垂直には設置されておらず、流れ図目的のために図表示されていることに留意されたい。）液位３４は立管２８によって制御される。その理由は、重力が、液位３４を、高さＨとして図１に見られる、立管２８の液体出口２６の高さとほぼ等しくなるようにするからである。当業者には当然のことながら、レベルＨは、各用途によって異なる垂直高さに定められ得る。好ましくは、高さＨは、各流路２０及び２２が、必要な圧力低下を実現しながら液体を凝縮及び冷却しかつ気体を冷却するための熱負荷のほんの少しの割合を占めるようにされ、高さＨはまた、上述したように各特定システムの要求に依存する。
【００３８】
凝縮液体８８は、流路すなわち導管１０１を通って燃料電池５６に入る前に、出口２６からタンク（槽）内に貯蔵され得る。タンク１００の使用は、凝縮液体８８を燃料電池５６に戻すポンプ１０２を一般に必要とし、また、タンクは、好ましくは、通気孔（排気口）もしくはライン（管）１０４を介して大気もしくはカソード気体ラインに対して（流体が）逃がされる（開放される）。凝縮液体８８は、燃料処理サブシステム（図示せず）の一部としてアノード又はカソードの加湿のため、又は、当業者に知られている他の目的のため、燃料電池５６における冷却剤として該燃料電池において使用され得る。
【００３９】
図１に例示した実施形態において、気体流路２０が複数の管５０を備え、気体流路２０の下方に設置された液体流路２２もまた複数の管５０を備える。気体流路２０は、単一方向の単一通路のみを有するように例示される。複数管とは対照的な単一通路において複数の管５０を用いることにより、気体は、ほとんど制限無しに比較的自由に流れることが許容される。好ましくは、これは、流れ面積を最大にして気体流６４の速度を低減すると共に、流れ長さ（流れ全長）を最小にすることにより成し遂げられる。この構成は、気体に対し最小圧力低下を要する用途において有用である。特に、カソード排気を凝縮する用途において、圧力低下は、寄生電力損失を低減するために最小にされる必要がある。圧力低下が大き過ぎる場合、気体流をポンプ動作させるために追加のポンプが必要となり、これは、燃料電池５６によって作り出された電力を消費する。しかしながら、複数通路は、気体流６４の圧力低下を最小にすることを必要としない凝縮器において有益であり得る。
【００４０】
入口及び出口マニホルド１４及び１６（図示せず）を有する凝縮器１０の別の実施形態が図５に示され、同じ番号が同じ構成要素を示す。図５の実施形態は、次の点で図１の実施形態と異なる。すなわち、冷却流体のための流路は、次のようなバー板構造等の適当な熱交換ユニット１０６間に囲まれたフィン５２もしくは他の適当な表面増加部によって包囲されており、開放されていない。上記バー板構造は、一組の板１１０、１１２間に挟まれたバーもしくはフレーム１０８を有し、積重ね板１１０、１１２が形成する冷却剤入口マニホルド１１４と、積重ね板１１０、１１２が形成する冷却剤出口マニホルド１１６との間に冷却剤流体のための流路を形成する。
【００４１】
当然のことながら、本明細書中において、用語「気体流」は、完全な気体の流れ、もしくは、いくらかの液体を同伴する大部分が気体である流れを意味することを企図する。同様に、本明細書中において、用語「液体流」は、完全な液体の流れ、もしくは、いくらかの気体を同伴する大部分が液体である流れを意味することを企図する。
【００４２】
本明細書中において凝縮器１０は燃料電池システムでの使用に特に有利なものとして記述されるが、凝縮器１０は、液体流と気体流を分離すること、及び、更に気体流を凝縮し流体流を冷却することを必要とする多くのシステムにおいて利用を見出し得ることが理解されるであろう。従って、特許請求の範囲に特に明記されていない限り、燃料電池システム又はカソード排気流での使用には全く限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】燃料電池システムで使用する、本発明を用いる凝縮器のやや概略的な側面図（正面図）である。
【図２】図１の線２−２に沿う図である。
【図３】本発明を用いる凝縮器のための出口マニホルド及び液位機構の別の構成を示すやや概略的な側面図である。
【図４】本発明を用いる凝縮器のための更に別の液位機構を示す図３と同様の図である。
【図５】冷却剤流路が囲まれている、本発明を用いる凝縮器の別の実施形態を示す分解破断斜視図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  凝縮器
１４  垂直入口マニホルド
１６  垂直出口マニホルド
２０  気体流路
２２  液体流路
２４  気体出口
２６  液体出口
２８  立管
３０、３３  バッフル
３２  気体ブリード
３４  液位
４０  （入口マニホルドの）上方部分
４２  （入口マニホルドの）下方部分
４４  （出口マニホルドの）上方部分
４６  （出口マニホルドの）下方部分
６２  液体流
６４  気体流
７０  非凝縮気体
８８  凝縮液体
【図１】
2006082076.tif 000003
【図２】
2006082076.tif 000004
【図３】
2006082076.tif 000005
【図４】
2006082076.tif 000006
【図５】
2006082076.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成18年1月18日(2006.1.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
2006082076.tif 000009
【図３】
2006082076.tif 000010
【図４】
2006082076.tif 000011
【図５】
2006082076.tif 000012