(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池スタックにおいて電流要求が高いときおよび低いときの両方において適切な冷却水流量レベルを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１０組立体は、各々が流体冷却剤管路を有する、複数の電池１１を有する。冷却剤供給多岐管は、第１の入口１５および第２の入口１６を有し、各電池内に流体冷却剤を分配するために各流体冷却剤管路１４に連結される。ポンプは、第１および第２の入口を通して冷却剤供給多岐管に流体冷却剤を送達するために連結される。流れ制御組立体は、冷却剤供給多岐管内で停滞領域が回避されるように、第１および第２の入口を通る流体冷却剤の相対流量を周期的に変更するように構成される。流れ制御組立体は、流体冷却剤が多岐管に断続的に送達され、それにより低水流量をポンプの最小設定点未満にすることができるように、ポンプと多岐管との間の流路を周期的に遮断するように適合される場合もある。【選択図】図１
2018152343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタック組立体であって、
各々が流体冷却剤管路を有する、複数の電池と、
第１の入口および第２の入口を有し、かつ各電池内で流体冷却剤を分配するために各流体冷却剤管路に更に連結される冷却剤供給多岐管と、
前記第１および第２の入口を通して前記冷却剤供給多岐管に流体冷却剤を送達するために連結されるポンプと、
前記第１および第２の入口を通る流体冷却剤の相対流量を周期的に変更するように構成される流れ制御組立体と、
を備える、燃料電池スタック組立体。
【請求項２】
前記流れ制御組立体が、前記多岐管内の前記第１の入口と前記第２の入口との間の流体圧平衡点を周期的に変化させるように構成される、請求項１に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項３】
前記流れ制御組立体が、前記ポンプと前記第１の入口との間に少なくとも第１の可変流れ制限器を含み、前記第１の可変流れ制限器は、前記ポンプと前記第１の入口との間の流体冷却剤流に対するインピーダンスを調節するように構成される、請求項１に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項４】
前記流れ制御組立体が、第２の可変流れ制限器を含み、前記第２の可変流れ制限器は、前記ポンプと前記第２の入口との間の流体冷却剤流に対する前記インピーダンスを調節するように構成される、請求項３に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項５】
前記流れ制御組立体が、前記ポンプと前記多岐管との間に配設される多方向弁であって、前記第１の入口を通る流体冷却剤の指向と前記第２の入口を通る流体冷却剤の指向を周期的に切り替えるように構成される多方向弁を備える、請求項１に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項６】
前記流れ制御組立体が、前記ポンプからの流体流が前記第１の入口に主に指向される第１の構成と前記ポンプからの流体流が前記第２の入口に主に指向される第２の構成との間で、前記ポンプと前記第１および第２の入り口との間の流路を周期的に再構成するように適合される、請求項１に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項７】
前記流れ制御組立体が、前記第１および第２の入口を通る冷却剤流体の主要流を周期的に交替させるように構成される少なくとも２つの可変流れ制限器を備える、請求項６に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項８】
前記流れ制御組立体が、
冷却剤流に対する第１のインピーダンスを有する、前記ポンプと前記第１の入口との間の第１の流路と、
冷却剤流に対する第２のインピーダンスを有する、前記ポンプと前記第２の入口との間の第２の流路であって、前記第１のインピーダンスは前記第２のインピーダンスとは異なる、第２の流路と、
前記多岐管内の水圧平衡点が前記第１の入口と前記第２の入口との間で変化するように、前記第１および第２の流路の両方を通して前記多岐管に送達される水の全容量を変化させるための制御装置と、
を備える、請求項１に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項９】
前記多岐管に送達される水の全容量を変化させるための前記制御装置が、
前記ポンプの速度を変化させるためのポンプ制御装置、
流路の一部にある可変流れ制限器であって、前記第１の流路および前記第２の流路の両方に共通している、可変流れ制限器、ならびに
前記燃料電池スタックの動作パラメータを制御するスタック制御装置
のうちのいずれか１つ以上を備える、請求項８に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１０】
前記第１および第２のインピーダンスの少なくとも一方が、可変流れ制限器により変化可能である、請求項８に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１１】
前記第１および第２の入口が、それぞれ、前記燃料電池スタックの第１の端部および第２の端部の近位にある、請求項１〜１０のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１２】
前記ポンプにより提供される前記冷却剤流体の少なくとも一部をドレンに周期的に方向転換させるように構成される切り替え可能なドレンを前記ポンプと前記第１および第２の入口のうちの少なくとも一方との間に更に含む、請求項１〜１１のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１３】
前記切り替え可能なドレンが、前記ポンプと前記第１および第２の入口との間の流路に配設される多方向弁を備え、前記多方向弁は、前記ポンプへの連結を、ｉ）前記第１の入口、ｉｉ）前記第２の入口、およびｉｉｉ）ドレンラインの間で切り替えるように構成される、請求項１２に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１４】
前記切り替え可能なドレンが、前記ポンプと前記第１および第２の入口の少なくとも一方との間の流路に配設される多方向弁を備える、請求項１２に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１５】
前記ドレンが、前記冷却剤流体の少なくとも一部を前記ポンプに戻すために再循環システムに連結される、請求項１２に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１６】
前記ポンプが、第１のポンプおよび第２のポンプを備え、前記第１のポンプが、前記第１の入口を通して前記冷却剤供給多岐管に流体冷却剤を送達するために連結され、前記第２のポンプが、前記第２の入口を通して前記冷却剤供給多岐管に流体冷却剤を送達するために連結され、前記流れ制御組立体が、前記第１および第２のポンプを異なる速度で動作させるように構成される制御装置を備える、請求項１に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１７】
燃料電池スタック組立体であって、
各々が流体冷却剤管路を有する、複数の電池と、
少なくとも第１の入口を有し、かつ各電池内で流体冷却剤を分配するために各流体冷却剤管路に更に連結される冷却剤供給多岐管と、
流路によって前記冷却剤供給多岐管に流体冷却剤を送達するために前記第１の入口に連結されるポンプと、
前記流体冷却剤が前記多岐管に断続的に送達されるように、前記ポンプと前記多岐管との間の前記流路を周期的に遮断するように適合される、前記ポンプと前記多岐管との間の流れ制御組立体と、
を備える、燃料電池スタック組立体。
【請求項１８】
前記流れ制御組立体が、前記少なくとも第１の入口とドレンとの間で前記ポンプの前記出力を切り替えるように構成される多方向弁を備える、請求項１７に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１９】
前記冷却剤供給多岐管が、第２の入口を通して前記冷却剤供給多岐管に流体冷却剤を送達するために前記ポンプに連結される前記第２の入口を更に含み、前記流れ制御組立体は、前記ポンプの前記出力を、ｉ）前記第１の入口、ｉｉ）前記第２の入口、およびｉｉｉ）ドレンのうちのいずれか１つに切り替えるように構成される多方向弁を備える、請求項１７に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項２０】
前記ドレンが、冷却流体を前記ポンプの入口に戻すために再循環システムに連結される、請求項１７に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項２１】
前記冷却剤供給多岐管が、前記冷却剤供給多岐管に流体冷却剤を送達するために前記ポンプに同様に連結される第２の入口を含み、前記流れ制御組立体が、前記第１および第２の入口を通る相対流量を周期的に変更するように構成される、請求項１７に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項２２】
前記流れ制御組立体が、前記少なくとも第１の入口と行き止まりとの間で前記ポンプの前記出力を切り替えるように構成される多方向弁を備える、請求項１７に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項２３】
前記冷却剤供給多岐管が、前記第２の入口を通って前記冷却剤供給多岐管に流体冷却剤を送達するために前記ポンプに連結される第２の入口を更に含み、前記流れ制御組立体は、ｉ）前記第１の入口と、ｉｉ）前記第２の入口と、ｉｉｉ）行き止まりとの間で前記ポンプの前記出力を切り替えるように構成される多方向弁を備える、請求項１７に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項２４】
流体冷却剤が前記多岐管に連続的に送達される第１の動作モードと流体冷却剤が前記多岐管に断続的に送達される第２の動作モードとの間で前記組立体を切り替えるための制御装置を更に含む、請求項１７に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項２５】
燃料電池スタック組立体であって、
各々が流体冷却剤管路を有する、複数の電池と、
少なくとも第１の入口を有し、かつ各電池内に流体冷却剤を分配するための各流体冷却剤管路に更に連結される冷却剤供給多岐管と、
流路によって前記冷却剤供給多岐管に流体冷却剤を送達するために前記第１の入口に連結されるポンプと、
前記流体冷却剤の少なくとも一部をドレンに方向転換させるように前記流路を周期的に再構成するように構成される、前記ポンプと前記多岐管との間の流れ制御組立体と、
を備える、燃料電池スタック組立体。
【請求項２６】
前記ドレンが、冷却流体を前記ポンプの入口に戻すために再循環システムに連結される、請求項２５に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項２７】
前記冷却剤供給多岐管が、前記冷却剤供給多岐管に流体冷却剤を送達するために前記ポンプに同様に連結される第２の入口を含み、前記流れ制御組立体が、前記第１および第２の入口を通る相対流量を周期的に変更するように構成される、請求項２５に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項２８】
燃料電池スタック組立体を動作させる方法であって、
第１の入口および第２の入口を有し、かつ各電池内に前記流体冷却剤を分配するために各流体冷却剤管路に連結される冷却剤供給多岐管を通して、流体冷却剤を前記燃料電池ス
タック組立体内の複数の電池の各々の流体冷却剤管路に供給するステップと、
前記第１および第２の入口を通して前記流体冷却剤を前記冷却剤供給多岐管にポンプ注入するステップと、
流れ制御組立体を用いて前記第１および第２の入口を通る前記流体冷却剤の前記相対流量を周期的に変更するステップと、
を含む、方法。
【請求項２９】
燃料電池スタック組立体を動作させる方法であって、
少なくとも第１の入口を有し、かつ各電池内に前記流体冷却剤を分配するために各流体冷却剤管路に連結される冷却剤供給多岐管を通して、流体冷却剤を前記燃料電池スタック組立体内の複数の電池の各々の流体冷却剤管路に供給するステップと、
前記冷却剤供給多岐管に前記流体冷却剤を送達するために、流路を経由して前記流体冷却剤を前記第１の入口にポンプ注入するステップと、
前記流体冷却剤が前記多岐管に断続的に送達されるように、前記ポンプと前記多岐管との間の流れ制御組立体を用いて前記流路を周期的に遮断するステップと、
を含む、方法。
【請求項３０】
燃料電池スタック組立体を動作させる方法であって、
少なくとも第１の入口を有し、かつ各電池内に前記流体冷却剤を分配するために各流体冷却剤管路に連結される冷却剤供給多岐管を通して、流体冷却剤を前記燃料電池スタック組立体内の複数の電池内の各々の流体冷却剤管路に供給するステップと、
前記冷却剤供給多岐管に前記流体冷却剤を送達するために、流路を経由して前記流体冷却剤を前記第１の入口にポンプ注入するステップと、
流れ制御組立体を用いて前記ポンプと前記多岐管との間の前記流路を周期的に再構成して、前記流体冷却剤の少なくとも一部をドレンに方向転換させるステップと、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスタック形成において配置される電気化学燃料電池に関し、具体的には、そのような燃料電池スタックの冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電気化学燃料電池は、一般的に両方ともに気体流の形態の燃料およびオキシダントを、電気エネルギーおよび反応生成物に転換する。水素および酸素を反応させる電気化学燃料電池の一般的な型は、膜電極接合体（ＭＥＡ）内に、プロトン交換膜（ＰＥＭ）としても知られる重合体イオン移送膜を備え、膜のそれぞれの側面上を燃料および空気が流れる。プロトン（即ち、水素イオン）は、膜を通して伝導し、燃料電池の陽極および陰極を接続する回路を通して伝導する電子により平衡する。利用可能な電圧を増大させるために、スタックが電気的に直列に配置された複数のＭＥＡを含んで形成される。各ＭＥＡには分離された陽極および陰極の流体流路が設けられる。陽極および陰極の流体流路により、燃料およびオキシダントがそれぞれ膜に送達される。燃料電池スタックは、通常は、スタックの両端で端板により共に保持された多数の個別燃料電池極板を含むブロックの形態である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃料およびオキシダントの反応は、電力と同様に熱も発生するため、燃料電池スタックは、作動温度に到達すると、燃料電池の損傷を回避するために冷却を必要とする。陽極流体流路（陽極を水和させるように働く）および／または反応水と連結する陰極流体流路のいずれかにおいて、スタック内の個々の電池へ水を送達することにより、冷却は少なくともある程度達成される場合がある。いずれの場合にも、燃料電池の気化冷却が生じる。
【０００４】
典型的な配置において、冷却水は、燃料電池スタックの側面を延びる１つ以上の共通多岐管から、陽極または陰極の流体流チャネル内に注入される。潜在的問題が、そのような多岐管内の水の流量から生じる。水は多岐管の一端の入り口に供給される場合があり、そこからスタック内の個々の電池に供給される。これは、多岐管に沿って入り口から離れた水流の減少をもたらす。例えば、１００個の電池スタックがスタックの一端で供給される１００ｍＬ／分の流れを必要とする場合、多岐管内の第１番目の電池での流量は、１００ｍＬ／分であり、多岐管内の５０番目の電池以降の流量は、約５０ｍＬ／分となる場合があり、多岐管内の最後の電池において流量は、わずか１ｍＬ／分となる場合がある。多岐管内のそのような極低流量、例えば、１ｍＬ／分は、燃料電池スタックに対する信頼性の問題に至る可能性がある。問題が、停滞またはほぼ停滞した流れの領域で、特に脱イオン水を使用するときの腐食リスクの増大、およびバクテリア堆積のリスクの増大により生じる可能性がある。
【０００５】
燃料電池スタックへの水送達に関する、特に上述したような蒸発冷却に対する、更なる潜在的問題は、必要な全水流量が燃料電池の電流要求量の関数であることにある。低スタック電流に対しては、水流量要件は極めて低くすることができる。水流量を提供する水ポンプは、低流量であっても相応の流量を確実に送達できなければならない。一部の水ポンプはそれを上まわる最小ボトムストップ（即ち、最小流量）を有しており、そのことは低電流での燃料電池スタック動作には望ましい場合がある。低電流での必要以上の高流量による運転は、電池を早期に水で充満させる可能性がある。次いで、電流要求量が上昇して電池が負荷を受けるとき、スタック性能は制限される。燃料電池スタックの大きさが増大するにつれ、高流量から低流量までの水流量の所要範囲を達成するのは次第に困難になる
可能性があり、多くのポンプは所要の大きなターンダウン比、即ち、最小に対する最大の所要水流量の比率を達成することができない。
【０００６】
上記の問題のうちの少なくとも１つ以上の解決策を提供することが本発明の目的である。水分配多岐管内における非常に低い流れから生じる可能性がある問題を軽減または排除することが本発明の目的である。燃料電池スタックにおいて電流要求が高いときおよび低いときの両方において適切な冷却水流量レベルを維持する解決策を提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様に従って、本発明は、
各々が流体冷却剤管路を有する、複数の電池と、
第１の入口および第２の入口を有し、かつ各電池内に流体冷却剤を分配するために各流体冷却剤管路に更に連結される冷却剤供給多岐管と、
第１および第２の入口を通して冷却剤供給多岐管に流体冷却剤を送達するために連結されるポンプと、
第１および第２の入口を通る流体冷却剤の相対流量を周期的に変更するように構成される流れ制御組立体と、
を備える、燃料電池スタック組立体を提供する。
【０００８】
流れ制御組立体は、第１の入口と第２の入口との間の多岐管内の流体圧平衡点を周期的に変化させるように構成される場合がある。流れ制御組立体は、ポンプと第１の入口との間に少なくとも第１の可変流れ制限器を含み、第１の可変流れ制限器は、ポンプと第１の入口との間の流体冷却剤流に対するインピーダンスを調節するように構成される場合がある。流れ制御組立体は、第２の可変流れ制限器を含み、第２の可変流れ制限器は、ポンプと第２の入口との間の流体冷却剤流に対するインピーダンスを調節するように構成される場合がある。流れ制御組立体は、ポンプと多岐管との間に配設される多方向弁であって、第１の入口を通る流体冷却剤の指向と第２の入口を通る流体冷却剤の指向を周期的に切り替えるように構成される多方向弁を備える場合がある。流れ制御組立体は、ポンプからの流体流が第１の入口に主に指向される第１の構成とポンプからの流体流が第２の入口に主に指向される第２の構成との間で、ポンプと第１および第２の入り口との間の流路を周期的に再構成するように適合される場合がある。流れ制御組立体は、第１および第２の入口を通る冷却剤流体の主要流を周期的に交替させるように構成される少なくとも２つの可変流れ制限器を備える場合がある。流れ制御組立体は、冷却剤流に対する第１のインピーダンスを有する、ポンプと第１の入口との間の第１の流路と、冷却剤流に対する第２のインピーダンスを有する、ポンプと第２の入口との間の第２の流路であって、第１のインピーダンスが第２のインピーダンスとは異なる、第２の流路と、多岐管内の水圧平衡点が第１の入口と第２の入口との間で変化するように、第１および第２の流路の両方を通して多岐管に送達される水流の全容量を変化させるための制御装置と、を備える場合がある。多岐管に送達される水の全容量を変化させるための制御装置は、ポンプの速度を変化させるためのポンプ制御装置、流路の一部にある可変流れ制限器であって、第１の流路および第２の流路の両方に共通している、可変流れ制限器、ならびに燃料電池スタックの動作パラメータを制御するスタック制御装置のうちのいずれか１つ以上を備える場合がある。第１および第２のインピーダンスの少なくとも一方は、可変流れ制限器により変化可能である場合がある。第１および第２の入口は、それぞれ、スタックの第１の端部および第２の端部の近位にある場合がある。燃料電池スタック組立体は、ポンプにより提供される冷却剤流体の少なくとも一部をドレンに周期的に方向転換させるように構成される切り替え可能なドレンをポンプと第１および第２の入口の少なくとも一方との間に含む場合がある。切り替え可能なドレンは、ポンプと第１および第２の入口との間の流路に配設される多方向弁を備え、多方向弁は、ポンプへの連結を、ａ）第１の入口、ｂ）第２の入口、およびｃ）
ドレンラインに切り替えるように構成される場合がある。切り替え可能なドレンは、ポンプと第１および第２の入口の少なくとも一方との間の流路に配設される多方向弁を備える場合がある。ドレンは、冷却剤流体の少なくとも一部をポンプに戻すために再循環システムに連結される場合がある。ポンプは第１のポンプおよび第２のポンプを備え、第１のポンプは第１の入口を通して冷却剤供給多岐管に流体冷却剤を送達するために連結され、第２のポンプは第２の入口を通して冷却剤供給多岐管に流体冷却剤を送達するために連結され、流れ制御組立体は第１および第２のポンプを異なる割合で動作させるように構成される制御装置を備える場合がある。
【０００９】
別の態様に従って、本発明は、
各々が流体冷却剤管路を有する、複数の電池と、
少なくとも第１の入口を有し、かつ各電池内に流体冷却剤を分配するために各流体冷却剤管路に更に連結される冷却剤供給多岐管と、
流路によって冷却剤供給多岐管に流体冷却剤を送達するために第１の入口に連結されるポンプと、
流体冷却剤が多岐管に断続的に送達されるように、ポンプと多岐管との間の流路を周期的に遮断するように適合される、ポンプと多岐管との間の流れ制御組立体と、
を備える、燃料電池スタック組立体を提供する。
【００１０】
流れ制御組立体は、少なくとも第１の入口とドレンとの間でポンプの出力を切り替えるように構成される多方向弁を備える場合がある。冷却剤供給多岐管は、第２の入口を通して冷却剤供給多岐管に流体冷却剤を送達するためにポンプに連結される第２の入口を含む場合があり、流れ制御組立体は、ポンプの出力をｉ）第１の入口、ｉｉ）第２の入口、およびｉｉｉ）ドレンのうちのいずれか１つに切り替えるように構成される多方向弁を備える場合がある。ドレンは、冷却流体をポンプの入口に戻すために再循環システムに連結される場合がある。冷却剤供給多岐管は、冷却剤供給多岐管に流体冷却剤を送達するためにポンプに同様に連結される第２の入口を含み、流れ制御組立体は、第１および第２の入口を通る相対流量を周期的に変更するように構成される場合がある。流れ制御組立体は、少なくとも第１の入口と行き止まりとの間でポンプの出力を切り替えるように構成される多方向弁を備える場合がある。冷却剤供給多岐管は、第２の入口を通して冷却剤供給多岐管に流体冷却剤を送達するためにポンプに連結される第２の入口を更に含む場合があり、流れ制御組立体は、ｉ）第１の入口と、ｉｉ）第２の入口と、ｉｉｉ）行き止まりとの間でポンプの出力を切り替えるように構成される多方向弁を備える場合がある。燃料電池スタック組立体は、流体冷却剤が多岐管に連続的に送達される第１の動作モードと流体冷却剤が多岐管に断続的に送達される第２の動作モードとの間で組立体を切り替えるための制御装置を含む場合がある。
【００１１】
別の態様に従って、本発明は、
各々が流体冷却剤管路を有する、複数の電池と、
少なくとも第１の入口を有し、かつ各電池内に流体冷却剤を分配するために各流体冷却剤管路に更に連結される冷却剤供給多岐管と、
流路によって冷却剤供給多岐管に流体冷却剤を送達するために第１の入口に連結されるポンプと、
流体冷却剤の少なくともある割合をドレンに方向転換させるように流路を周期的に再構成するように構成される、ポンプと多岐管との間の流れ制御組立体と、
を備える、燃料電池スタック組立体を提供する。
【００１２】
ドレンは、冷却流体をポンプの入口に戻すために再循環システムに連結される場合がある。冷却剤供給多岐管は、冷却剤供給多岐管に流体冷却剤を送達するためにポンプに同様に連結される第２の入口を含み、流れ制御組立体は、第１および第２の入口を通る相対流
量を周期的に変更するように構成される場合がある。
【００１３】
別の態様に従って、本発明は、燃料電池スタック組立体を動作させる方法であって、
流体冷却剤を、燃料電池スタック組立体内の複数の電池の各々の流体冷却剤管路に、第１の入口および第２の入口を有し、かつ各電池内に流体冷却剤を分配するために各流体冷却剤管路に連結される冷却剤供給多岐管を通して、供給するステップと、
第１および第２の入口を通して流体冷却剤を冷却剤供給多岐管にポンプ注入するステップと、
流れ制御組立体を用いて第１および第２の入口を通る流体冷却剤の相対流量を周期的に変更するステップと、
を含む方法を提供する。
【００１４】
別の態様に従って、本発明は、燃料電池スタック組立体を動作させる方法であって、
流体冷却剤を、燃料電池スタック組立体内の複数の電池の各々の流体冷却剤管路に、少なくとも第１の入口を有し、かつ各電池内に流体冷却剤を分配するために各流体冷却剤管路に連結される冷却剤供給多岐管を通して、供給するステップと、
冷却剤供給多岐管に流体冷却剤を送達するために、流路を通して流体冷却剤を第１の入口にポンプ注入するステップと、
流体冷却剤が多岐管に断続的に送達されるように、流れ制御組立体を用いてポンプと多岐管との間の流路を周期的に遮断するステップと、
を含む方法を提供する。
【００１５】
別の態様に従って、本発明は、燃料電池スタック組立体を動作させる方法であって、
流体冷却剤を、燃料電池スタック組立体内の複数の電池の各々の流体冷却剤管路に、少なくとも第１の入口を有し、かつ各電池内に流体冷却剤を分配するために各流体冷却剤管路に連結される冷却剤供給多岐管を通して、供給するステップと、
冷却剤供給多岐管に流体冷却剤を送達するために、流路を通して流体冷却剤を第１の入口にポンプ注入するステップと、
流れ制御組立体を用いてポンプと多岐管との間の流路を周期的に再構成して、流体冷却剤の少なくとも一部をドレンに方向転換させるステップと、
を含む方法を提供する。
【００１６】
上に規定した方法の各々は、上に規定した装置により遂行される特定の方法を含むように適合される場合がある。
【００１７】
本発明の実施形態は、例として、および添付の図を参照してここに記載される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】水送達多岐管を有する燃料電池スタックの概略側面図である。
【図２】多岐管への２方向の水の送達に連結される図１の燃料電池スタックの概略図である。
【図３】多岐管への可変平衡の水の送達に連結される図１の燃料電池スタックの概略図である。
【図４】多岐管への可変平衡の水の送達に連結される図１の燃料電池スタックの概略図である。
【図５】多岐管への２方向の断続的な水の送達に連結される図１の燃料電池スタックの概略図である。
【図６】多岐管への２方向の断続的な水の送達に連結される図１の燃料電池スタックの概略図である。
【図７】多岐管への２方向の断続的な水の送達に連結される図１の燃料電池スタックの概略図である。
【図８】多岐管への２方向の断続的でかつ再循環する水の送達に連結される図１の燃料電池スタックの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、本発明での使用に適した燃料電池スタック１０の概略側面図を示す。スタック１０は、複数の燃料電池１１を備え、その各々は膜電極組立体の陽極表面に燃料を送達するための陽極流体流路、および膜電極組立体の陰極表面にオキシダントを送達するための陰極流体流路を有する。燃料電池は、公知の方法で端板１２、１３によりスタック配置内に保持される。陽極流体流路または陰極流体流路には、多岐管１４の第１の入口１５と多岐管１４の反対側にある第２の入口１６との間でスタックの長さに亘って下に延びる多岐管またはギャラリー１４により、燃料電池スタックの気化冷却のための水注入を提供する。図１中に矢印により示すように、水は、入口１５、１６の各々から多岐管内に流入し、次いで分離された燃料電池１１の流体流路の各々に流入する。好ましくは、水は、水多岐管１４と各個の燃料電池１１内の流れチャネルとの間のある箇所で、燃料流またはオキシダント流と連結するが、この流れチャネルは燃料電池の作用表面の全体に亘り延びる。燃料およびオキシダントは、公知技術を用いた分離された燃料多岐管と分離されたオキシダント多岐管とを用いて、個別の電池内に導入される場合がある。好ましくは、未使用の燃料またはオキシダントおよび全ての過剰水は、燃料電池から排気多岐管１７内へと通って出て、そこから１つ以上の排気口１８、１９を通って出る。陽極排出路には定期的なパージが提供される場合があるが、全燃料が燃料電池の作用表面で消費される場合、特に、燃料電池の陽極側に水注入が提供されない場合、排出多岐管は陽極流体流路に必ずしも必要とはならない。
【００２０】
図２は、燃料電池スタック組立体の第１の配置例を示し、冷却水ポンプ２０は、第１の流路２１および第２の流路２２ならびに多方向弁２３を経由して、燃料電池スタック１０に連結される。第１の流路２１は第１の入口１５に連結されて、冷却水を第１の端部で多岐管１４に送達し、第２の流路２２は第２の入口１６に連結されて、冷却水を他方の端部で多岐管１４に送達する。多方向弁２３は、水を多岐管１４内に送達するための流路２１、２２の一方または他方を選択するように動作可能である。制御装置２４は、冷却水が多岐管１４に交互の端部から入るように、多方向弁２３を周期的に切り替えるように動作可能である。制御装置２４による多方向弁２３の切り替えは、任意の適当なアルゴリズムに従って、例えば、時間に応じて、かつ／または燃料電池スタック１０に要求される冷却流量の関数として、遂行される場合がある。例えば、切り替えは、高い冷却剤流量が要求されるときは、頻度をより少なくでき、極低冷却剤流量が要求されるときは、頻度を多くする場合がある。
【００２１】
このようにして、図２の組立体は、一般に、第１および第２の入口１５、１６を通る相対流量を周期的に変更するように構成される流れ制御組立体２１、２２、２３、２４を提供する。第１の構成例では、多方向弁２３が冷却水を第１の流路２１を通る側に方向転換させると、第１の入口１５を通る流量は全流量の１００％であり、一方で第２の入口１６を通る流量は全流量の０％である。多方向弁２３が冷却水を第２の流路２２を通る側に方向転換させると、第１の入口１５を通る流量は全流量の０％であり、第２の入口１６を通る流量は全流量の１００％である。このようにして、多岐管の低冷却剤流量端部は周期的に反転される。より一般的に言えば、図２の組立体は、ポンプ２０と多岐管１４との間に配設される弁組立体２３を提供し、流体冷却剤の導きを第１の入口を通る側と第２の入口を通る側との間で周期的に切り替えるように構成される。同様の結果は、協働で（対向して）動作する第１および第２の流路２１、２２の各々での遮断弁でも、達成可能である。同様の結果は、協働で（対向して）動作する第１および第２の流路２１、２２の各々に位置付けられた可変流れ制限器でも、達成可能である。制御の複雑さを減少させかつ燃料電
池スタックシステムでの寄生損失を軽減させるためには、多重流れ制限器または多重遮断弁よりむしろ単一弁配置を使用することが好ましい。
【００２２】
図３は、燃料電池スタック組立体の別の配置例を示し、冷却水ポンプ３０が、第１の流路３１および第２の流路３２ならびに可変流れ制限器３３を経由して、燃料電池スタック１０に連結される。第１の流路３１は第１の入口１５に連結されて、冷却水を第１の端部で多岐管１４に送達し、第２の流路３２は第２の入口１６に連結されて、冷却水を他方の端部で多岐管１４に送達する。可変流れ制限器３３は、流路３２を経る多岐管１４への水流に対するインピーダンスを変化するように動作可能である。制御装置３４は、多岐管１４に各端部で入る冷却水の割合が変わるように、流れ制限器３３を通る流量を周期的に変化するように動作可能である。制御装置３４による流れ制限器３３の制御は、図２の配置例に関連して上述したように、任意の適当なアルゴリズムに従って、例えば、時間に応じて、かつ／または燃料電池スタック１０に要求される冷却流量の関数として、遂行される場合がある。
【００２３】
このようにして、図３の組立体は、一般に、第１および第２の入口１５、１６を通る相対流量を周期的に変更するように構成される流れ制御組立体３１、３２、３３、３４を、提供する。第１の構成例では、流れ制限器３３が流れに対して高インピーダンスを提供するとき、ほとんどの冷却水は入口１５を経て多岐管１４に送達され、冷却水のわずかな部分のみが入口１６を経て多岐管１４に送達される。別の構成例では、流れ制限器３３が流れに対して低インピーダンスを提供するとき、冷却水のほとんどの部分は入口１６を経て多岐管１４に送達される。
【００２４】
第１の流路３１および第２の流路３２の流れに対するインピーダンスが等しい場合、流れ制限器３３が大きく開放されているとき、第１の入口／第２の入口の比率は１００％〜５０％の範囲となる。しかし、第１の流路３１が、流路３２とは流れに対する異なる（例えば、かなり高い）インピーダンスで配置される場合、流れ制限器が大きく開放されているとき、より広範囲の流れ比率が流れ制限器３３の制御下で可能になる。第１および第２の流路３１、３２間の流れインピーダンスの差を、第１および第２の流路を通る流れの方向に直交方向の断面積の差、流路の曲り度合いの差、もしくは管径、オリフィス径および／または管長の差、または１つ以上のフィルタの１本以上の流路への導入により提供することができる。
【００２５】
第１および第２の入口１５、１６を通る相対流量を変化させること（即ち、第１の入口／第２の入口への流量の比率を変化させること）は、結果として、図３に位置３５として示す、多岐管内の「平衡点」（または「流体的停滞点」）の移動を生じる。この点は、冷却水が、概して、入口１５からの右方向流の方向から入口１６からの左方向流の方向に変化する多岐管内位置である。換言すれば、平衡点３５より左方に存在するスタック１０内の燃料電池１１は、概して、第１の入口１５から供給され、平衡点３５より右方に存在するスタック１０内の燃料電池１１は、概して、第２の入口１６から供給される。したがって、流れ制限器３３を用いて流れに対するインピーダンスを周期的に変化させることにより、流れ制御組立体３１、３２、３３、３４は、多岐管内の水圧平衡点を第１の入口と第２の入口との間で周期的に変化させるように構成される。一般的態様では、流れ制御組立体は、水送達にバイアスを第１の入口または第２の入口のいずれかに向けてかけることができる。
【００２６】
同様の結果は、２つの可変流れ制限器、即ち、流路３１および３２の各々に１つずつ、でも達成可能である。同様の結果は、２つの可変流れ制限器、即ち、流路３２に１つで流路３１と流路３２との両方に共通の流路部分に１つ、でも達成可能である。この後者の構成例では、流路２のみに対する流路１＋流路２の流れインピーダンスの比率の変化は、水
圧平衡点３５が変化されることを可能にすることになる。可変流れ制限器に対して流路３１、３２のいずれを選択するかの選択肢は、任意選択である。一般的態様では、上述の装置は、ポンプ３０と入口１５、１６の少なくとも一方との間での冷却剤流体流に対するインピーダンスを調節するように構成される場合がある。一般的態様では、上述の配置を、第１および第２の入口１５、１６を通る冷却剤流体の主要流を周期的に交替させるように構成することができる。
【００２７】
図４は、燃料電池スタック組立体の別の配置例を示し、冷却水ポンプ４０は、第１の流路４１および第２の流路４２を経由して燃料電池スタック１０に連結される。任意選択の可変流れ制限器４３が、第１および第２の流路４１、４２に共通な、ポンプ４０に至る流路４６の区間に提供される場合がある。第１の流路４１は第１の入口１５に連結されて、冷却水を第１の端部で多岐管１４に送達し、第２の流路４２は第２の入口１６に連結されて、冷却水を他方の端部で多岐管１４に送達する。本配置例では、第１および第２の流路４１、４２は、例えば、異なる管径、流路での異なる径のオリフィス、流れ方向に直交方向の異なる断面積、流路の異なる曲り度合いおよび／もしくは異なる管長、または１つ以上のフィルタの１本以上の流路への導入により、流れに対して異なるインピーダンスが形成される。制御装置４４は、第１の流路４１および第２の流路４２の両方を通して多岐管に送達される水の流量を変化するように動作可能である。２本の流路４１、４２の流れに対するインピーダンスは異なるので、全流量の増減は、第１および第２の流路を経て送達される冷却剤流の異なる割合の結果を招くことになる。このことは、一方で、多岐管内の平衡点４５を変更させることにもなる。したがって、スタック１０への冷却水流が周期的に変化すると、第１および第２の入口を通る相対流量は変化することになる。この冷却水流の周期的変化は、正常な燃料電池スタック制御システムの一部に影響を与え、正しい加湿および冷却をスタック上の変化する電気的負荷の関数として確実にする場合がある。
【００２８】
図４の組立体は、概して、第１および第２の入口１５、１６を通る相対流量を周期的に変更するように構成される流れ制御組立体４１〜４４を提供する。全流量を、ポンプ速度、および共通流路４６内の可変流れ制限器４３を含む１つ以上の各種機構により、またはスタックを通るガス流、動作温度および電流要求量等の、燃料電自体の動作パラメータにより制御することができる。フィードバックを、例えば、そのような動作パラメータの計測値、電池性能、および／またはスタック電圧もしくは１つ以上の個別の電池電圧により提供することができ、また制御アルゴリズムは、これらの計測値を用いて、必要な流れ制御を判定する場合がある。相対流量の周期的変更を、固定または可変の期間、または流体の流の全容量に基づいて実施することができる。例えば、一定容量（例えば、５０００リットル）の冷却剤、または一定時間（例えば５００時間）の運転後に、相対流量を変更することができる。
【００２９】
図４の構成例を用いて変化する平衡点４５を提供することの利点は、平衡点の位置を、第１および第２の流路４１、４２の一定である異なる形状、およびポンプ４０により提供される全流量により決定することができることにある。第１および第２の流路４１、４２の一定である異なる形状は、可動部品または加減弁または流れ制限器を必要としない。ポンプにより提供される全流量を、いかなる場合にもスタックへの適切な量の冷却剤流を維持することが必要とされる、共通の流れ制御デバイスにより提供することができる。
【００３０】
図５〜８は、例えば、燃料電池についての電流要求量が極めて低いとき、および特に、水流量が、ポンプが信頼性のある運転をできる閾値を下回る場合があるとき等、極低流量時であっても適切なレベルの冷却剤流が生じることを確保するのに特に適合される、燃料電池スタック組立体の配置例を示す。
【００３１】
図５は、冷却水ポンプ５０が、第１の流路５１および第２の流路５２、共通流路５６な
らびに多方向弁５３を経由して燃料電池スタック１０に連結される、燃料電池スタック組立体の配置例を示す。第１の流路５１は第１の入口１５に連結されて、冷却水を第１の端部で多岐管１４に送達し、第２の流路５２は第２の入口１６に連結されて、冷却水を他方の端部で多岐管１４に送達する。多方向弁５３は、水を多岐管１４内へ送達するための流路５１、５２の一方または他方を選択するように動作可能である。制御装置５４は、冷却水が多岐管１４に交互の端部から入るように、多方向弁５３を周期的に切り替えるように動作可能である。ここまでは、本配置例は、図２のものと同様である。しかし、図５の配置例では、多方向弁５３の第３の位置により、共通流路５６からの入力を行き止まり５７に切り替え、流れを停止させる。制御装置５４による多方向弁５３の切り替えは、任意の適当なアルゴリズムに従って、例えば、時間に応じて、かつ／または燃料電池スタック１０に要求される冷却流量の関数として、遂行される場合がある。
【００３２】
図５の組立体は、概して、第１および第２の入口１５、１６を通る相対流量を周期的に変更するように構成される流れ制御組立体５１〜５６を提供する。第１の構成例では、多方向弁５３が冷却水を第１の流路５１を通るように方向転換させるとき、第１の入口１５を通る流量は全流量の１００％である場合があり、一方で第２の入口１６を通る流量は全流量の０％である場合がある。多方向弁５３が冷却水を第２の流路５２を通るように方向転換させるとき、第１の入口１５を通る流量は全流量の０％である場合があり、一方で第２の入口１６を通る流量は全流量の１００％である場合がある。このようにして、多岐管の低冷却剤流端部は周期的に反転される。弁５３の第３の位置では、冷却水は行き止まり５７に方向転換され、これにより流れを停止させる場合がある。
【００３３】
より一般的には、図５の組立体は、ポンプ５０と多岐管１４との間に配設される弁組立体５３を提供し、第１の入口１５および第２の入口１６の少なくとも一方を通る流れの方向を周期的に反転させ、かつ燃料電池スタックへの流れを停止させる第３の選択肢を提供するように構成される。流れを反転させることの同様の結果は、協働で（対向して）動作する第１および第２の流路５１、５２の各々での遮断弁でも、達成可能である。同様の結果は、協働で（対向して）動作する第１および第２の流路５１、５２の各々に位置付けられる流れ制限器でも、達成可能である。行き止まり５７と協同して動作する多方向弁５３は、制御装置５４が燃料電池スタックへの流れを周期的に阻止することを可能にする。本配置例は、燃料電池スタック１０の一般的な条件に対して実際には高すぎる流量のときであっても、ポンプ５０を、一定のまたは計量された水流量を保証される、公知の信頼性のある設定点で運転することを可能にする。この場合、スタックが低負荷で運転されているとき、スタック１０への水流は効果的にパルス化されて、時間平均基準で所望の流量を達成する。スタックに対する所望の流量が充分に高いときは、前述のように、水流は流路５１もしくは５２、または交互に両方を経て連続的に送達することができる。制御装置５４は、可能な３出力位置の各々での多方向弁５３の動作期間を決定するように使用される。
【００３４】
したがって、一般的には、図５の配置例は、ポンプ５０と多岐管１４との間の流れ制御組立体５１〜５７を例示し、これは流体冷却剤が多岐管に断続的に送達されるようにポンプと多岐管との間の流路を周期的に遮断するように適合される。このことは、多岐管へのパルス化された水流の維持を、ポンプ設定点により決定付けられる一定流量より低い時間平均の流量で可能にし、ポンプの最小設定点が燃料電池スタック１０内の一般的な条件に対する所望の流量より高い水流量を提供するときに特に有効である。
【００３５】
ポンプ設定点により決定付けられる一定の流量より低い時間平均の流量でのパルス化された水流の送達を、２つの出力のみの多方向弁を用いて、水多岐管１４への単一の入口１５のみを有するスタック配置で達成されすることができる。例えば、図５に示す１つの入力および３つの出力の多方向弁５３に代えて、１つの入力および２つの出力の多方向弁の使用および流路５２の省略により、本配置例は提供される。
【００３６】
一部の水ポンプは、所要の時間平均の流量目標を達成するために、多方向弁（例えば、弁５３）を無流位置（例えば、行き止まり５７）に切り替えることにより引き起こされる圧力スパイクに曝されるとき、最良に機能しない場合がある。この場合、代わりに、少なくとも一部の水をポンプからドレンに方向転換させることが可能である。図６は、行き止まり５７がかかるドレン６７で置換された、図５の配置例と同様の配置例を示す。
【００３７】
図６では、冷却水ポンプ６０は、第１の流路６１および第２の流路６２、共通流路６６ならびに多方向弁６３を経由して、燃料電池スタック１０に連結される。第１の流路６１は第１の入口１５に連結されて、冷却水を第１の端で多岐管１４に送達し、第２の流路６２は第２の入口１６に連結されて、冷却水を他の端で多岐管１４に送達する。多方向弁６３は、水を多岐管１４内に送達するための流路６１、６２の一方または他方を選択するように動作可能である。制御装置６４は、冷却水が交互の端部から多岐管１４に入るように、多方向弁６３を周期的に切り替えるように動作可能である。多方向弁６３の第３の位置では、共通流路６６の入力をドレン６７に切り替えて、それによりスタックへの流れを停止するがポンプ６０からドレンまたは貯水槽への流れは維持する。このようにして、ポンプでの圧力スパイクは回避され、ポンプはその設定点流を常時維持することができる。制御装置６４による多方向弁６３の切り替えは、任意の適当なアルゴリズムに従って、例えば、時間に応じて、かつ／または燃料電池スタック１０に要求される冷却流量の関数として、遂行される場合がある。その他の事項に関しては、図６の配置例は図５の配置例と同様で、図５に関連して説明したように類似の変形例が可能である。
【００３８】
ドレン６７と協同して動作する多方向弁６３は、制御装置６４が燃料電池スタックへの流れを周期的に阻止することを可能にする。本配置例は、流量が実際には燃料電池スタック１０の一般的な条件に対して高すぎるときであっても、ポンプ６０を、一定のまたは計量された水流量が保証される、公知の信頼性のある設定点で運転することも可能にする。この場合、スタックが低負荷で操作されているとき、スタック１０への水流が効果的にパルス化されて、時間平均基準で所望の流量を達成する。スタックに対する所望の流量が充分高いときには、前述のように、水流を流路６１もしくは６２、または交互に両方を経て連続的に送達することができる。制御装置６４は、可能な３出力位置の各々での多方向弁の動作期間を決定するように使用される。
【００３９】
したがって、一般的には、図６の配置例は、ポンプ６０と多岐管１４との間の流れ制御組立体６１〜６７を例示し、流体冷却剤が多岐管に断続的に送達されるように、ポンプと多岐管との間の流路を周期的に遮断するように適合される。このことは、多岐管へのパルス化された水流の維持を、ポンプ設定点により決定付けられる一定の流量より低い時間平均の流量で可能にし、ポンプの最小設定点が燃料電池スタック１０内の一般的な条件に対する所望の流量より高い水流量を提供するときに特に有効である。
【００４０】
ポンプ設定点により決定付けられる一定の流量より低い時間平均の流量でのパルス化された水流の送達を、２つの出力のみの多方向弁を用いて、水多岐管１４への単一の入口１５のみを有するスタック配置で達成することができる。例えば、図６に示す１つの入力および３つの出力の多方向弁６３に代えて、１つの入力および２つの出力の多方向弁の使用および流路６２の省略により、本配置例が提供される。
【００４１】
ドレン６７は、未使用水の一部または全部をポンプの入口に直接または適当な貯水槽を経て戻るように方向付ける再循環ループの一部を形成することができる。あるいは、ドレン６７は、システムから出口への排出へ導くことができる。
【００４２】
ドレンの配置例は、パルス化流が必要とされる場合、図２〜４に関連して説明した実施
形態のいずれとも組み合わせることができる。
【００４３】
液体の水を、システムを通してパージするために、流路２１、２２、３１、３２、４１、４２、５１、５２、６１、６２のいずれか１本に、切り替え可能なパージ出口も提供することができる。図３の配置例に基づく実施例を、図７に示す。本配置例では、冷却水ポンプ７０は、第１の流路７１および第２の流路７２ならびに可変流れ制限器７３を経由して、燃料電池スタック１０に連結される。第１の流路７１は第１の入口１５に連結されて、冷却水を第１の端部で多岐管１４内に送達し、第２の流路７２は第２の入口１６に連結されて、冷却水を他方の端部で多岐管１４内に送達する。可変流れ制限器７３は、流路７２を経由する多岐管１４への水流に対するインピーダンスを変化させるように動作可能である。制御装置７４は、各端部で多岐管１４に入る冷却水の割合が変化するように、流れ制限器７３を介した流量を周期的に変化させるように動作可能である。流れ制限器７３の制御は、図３に関連して説明した様式で動作する。多方向弁７５は第１の流路７１に設けられ、ドレン７７に連結される。可変流れ制限器７３を全開または高流量に開放し、かつ多方向弁７５を第１の流路７１がドレン７７に接続されるように切り替えることにより、水は多岐管１４を通してパージされる。
【００４４】
図８は、図５および６に関連して説明したものと同様であるが、水再循環システムを更に含む燃料電池スタック組立体の更なる配置例を示す。冷却水ポンプ８０は、第１の流路８１および第２の流路８２、共通流路８６ならびに多方向弁８３を経由して、燃料電池スタック１０に連結される。第１の流路８１は第１の入口１５に連結されて、冷却水を第１の端部で多岐管１４内に送達し、第２の流路８２は第２の入口１６に連結されて、冷却水を他方の端部で多岐管１４内に送達する。多方向弁８３は、水を多岐管１４内に送達するための流路８１、８２の一方または他方を選択するように動作可能である。制御装置８４は、冷却水が交互の端部から多岐管１４内に入るように、多方向弁８３を周期的に切り替えるように動作可能である。このここまでは、本配置例は図２と同様である。多方向弁８３の第３の位置では、共通流路８６の入力をスタックバイパス管路８７へ切り替え、それにより水流をスタック１０から方向転換をさせる。多方向弁８３の切り替えは、任意の適当なアルゴリズムに従って、例えば、時間に応じて、かつ／または燃料電池スタック１０に要求される冷却流量の関数として、遂行される場合がある。スタックバイパス管路８７は、陰極排出口８９に接続された再循環ループ８８に合流する。再循環ループ８８は、水回収用の１対の汽水分離器９０、９１および熱交換器９２を備える。汽水分離器９０、９１から回収水は、水槽９３に指向させられる。水槽９３は、フィルタ９４を経てポンプ８０の入口に連結される。陰極排気ガスは、排出路９５を経て排出される。
【００４５】
多方向弁８３の制御に基づいて、複数の動作モードが可能である。多方向弁８３は、図８にａ〜ｄで標記される４つの接続口を有し、これらは以下の表に従って構成され得る。モード  接続口                              動作モード
ａ      ｂ      ｃ      ｄ
１      開      閉      開      閉          第1の流路に給水
２      開      閉      閉      開          休止:スタックへの給水無し
３      開      開      閉      閉          第2の流路に給水
２      開      閉      閉      開          休止:スタックへの給水無し
４      開      開      開      閉          第1および第2の流路に給水
通常の動作は種々のモード間で切り替えられる場合がある。例えば、スタックの水流要求流量がポンプの所望の最小設定点より低い、低流量条件では、制御装置８４は、モードを１→２→３→２→１→２→３→２と、際限なく順序付ける場合がある。別の実施例では、バイパスが必要とされない、より高い流量に対して、制御装置はモードを１→３→１→３→１→３と、順序付ける場合がある。別の実施例では、高流量で、制御装置はモード４を際限なく保持するか、またはモードを１→３→４→１→３→４と循環する場合がある。
【００４６】
図８の配置例は、図３および４に関連して説明した流れ制限配置例でも適合することができる。図８の配置例は、水多岐管１４内への単一の流路のみが要される場合、１つ少ない出力の多方向弁を用い、かつ第１または第２の流路８１、８２の一方を省くようにも適合することができる。
【００４７】
図１〜８に関連して説明した配置例を、他の特徴にも適合することができる。例えば、流路１５、１６の数を、水を長さに沿った複数箇所で多岐管１４内にポンプ注入するように、３本以上に増加することができる。追加の流路は、共通の弁または流れ制限器を用いて現存の流路に群単位で連結されてもよく、または各々が専用の流れ制限器または弁を有してもよい。第１のおよび第２の入口１５、１６は、水多岐管の端部に正確に位置付けられていなくてもよいが、多岐管の行き止まりを回避し、または低流量区分を避けるのが好ましい。したがって、第１および第２の入口１５、１６を少なくとも多岐管１４のそれぞれの端の近位に位置付けるのが望ましい。水平衡点（例えば、図３中の点３５）を制御するための動作モードの使用は、周期的にまたは燃料電池スタックを通して必要な水流量が所定の閾値より低いとき、のみに用いられる場合がある。可変相対流量の２本の流路１５、１６の各々への提供は、単一のポンプと弁との組立体を用いるよりむしろ２本の流路にそれぞれ連結された２つのポンプからの流れを制御することによっても提供することができる。そのような配置例では、制御装置は、第１および第２のポンプを可変速で、異なる速度で動作させるように構成する場合がある。
【００４８】
多岐管１４を通る周期的双方向の水流は、管内に閉塞が発生しにくい場合があるという有益な効果を有することができる。水流の切り替えまたはパルス化の乱れも、この有益な効果を強化する傾向を有する場合がある。平衡点３５（または「停滞点」）の頻繁な移動も、この有益な効果を強調する傾向を有する場合がある。フィルタを、多岐管入口に至る流路のうちの選択されたものに導入してもよい。
【００４９】
停滞区域、腐食のリスクおよびバクテリアの蓄積により引き起こされる問題の減少等の利点を提供するために、水流の切り替えまたはパルス化の任意の適当な周期を選択してもよい。適当な周期は、例えば、数秒から何百時間にも及ぶ場合がある。
【００５０】
他の実施形態は、意図的に添付請求項の範囲内である。
【図１】
2018152343.tif 000003
【図２】
2018152343.tif 000004
【図３】
2018152343.tif 000005
【図４】
2018152343.tif 000006
【図５】
2018152343.tif 000007
【図６】
2018152343.tif 000008
【図７】
2018152343.tif 000009
【図８】
2018152343.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成30年4月25日(2018.4.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタック組立体であって、
各々が流体冷却剤管路を有する、複数の電池と、
第１の入口および第２の入口を有し、かつ各電池内で流体冷却剤を分配するために各流体冷却剤管路に更に連結される冷却剤供給多岐管と、
前記第１および第２の入口を通して前記冷却剤供給多岐管に流体冷却剤を送達するために連結されるポンプと、
前記第１および第２の入口を通る流体冷却剤の相対流量を周期的に変更するように構成される流れ制御組立体と、
を備える、燃料電池スタック組立体。
【請求項２】
前記流れ制御組立体が、前記冷却剤供給多岐管内の前記第１の入口と前記第２の入口との間の流体圧平衡点を周期的に変化させるように構成される、請求項１に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項３】
前記流れ制御組立体が、前記ポンプと前記第１の入口との間に第１の可変流れ制限器を少なくとも含み、前記第１の可変流れ制限器は、前記ポンプと前記第１の入口との間の流体冷却剤流に対するインピーダンスを調節するように構成される、請求項１に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項４】
前記流れ制御組立体が、第２の可変流れ制限器を含み、前記第２の可変流れ制限器は、前記ポンプと前記第２の入口との間の流体冷却剤流に対する前記インピーダンスを調節するように構成される、請求項３に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項５】
前記流れ制御組立体が、前記ポンプと前記冷却剤供給多岐管との間に配設される多方向弁であって、前記第１の入口を通る流体冷却剤の指向と前記第２の入口を通る流体冷却剤の指向を周期的に切り替えるように構成される多方向弁を備える、請求項１に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項６】
前記流れ制御組立体が、前記ポンプからの流体流が前記第１の入口に主に指向される第１の構成と前記ポンプからの流体流が前記第２の入口に主に指向される第２の構成との間で、前記ポンプと前記第１および第２の入り口との間の流路を周期的に再構成するように適合される、請求項１に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項７】
前記流れ制御組立体が、前記第１および第２の入口を通る冷却剤流体の主要流を周期的に交替させるように構成される２つの可変流れ制限器を少なくとも備える、請求項６に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項８】
前記流れ制御組立体が、
冷却剤流に対する第１のインピーダンスを有する、前記ポンプと前記第１の入口との間の第１の流路と、
冷却剤流に対する第２のインピーダンスを有する、前記ポンプと前記第２の入口との間の第２の流路であって、前記第１のインピーダンスは前記第２のインピーダンスとは異なる、第２の流路と、
前記冷却剤供給多岐管内の水圧平衡点が前記第１の入口と前記第２の入口との間で変化するように、前記第１および第２の流路の両方を通して前記冷却剤供給多岐管に送達される水の全容量を変化させるための制御装置と、
を備える、請求項１に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項９】
前記冷却剤供給多岐管に送達される水の全容量を変化させるための前記制御装置が、
前記ポンプの速度を変化させるためのポンプ制御装置、
流路の一部にある可変流れ制限器であって、前記第１の流路および前記第２の流路の両方に共通している、可変流れ制限器、ならびに
前記燃料電池スタックの動作パラメータを制御するスタック制御装置
のうちのいずれか１つ以上を備える、請求項８に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１０】
前記第１および第２のインピーダンスの少なくとも一方が、可変流れ制限器により変化可能である、請求項８に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１１】
前記第１および第２の入口が、それぞれ、前記燃料電池スタックの第１の端部および第２の端部の近位にある、請求項１〜１０のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１２】
前記ポンプにより提供される前記冷却剤流体の少なくとも一部をドレンに周期的に方向転換させるように構成される切り替え可能なドレンを前記ポンプと前記第１および第２の入口のうちの少なくとも一方との間に更に含む、請求項１に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１３】
前記切り替え可能なドレンが、前記ポンプと前記第１および第２の入口との間の流路に配設される多方向弁を備え、前記多方向弁は、前記ポンプへの連結を、ｉ）前記第１の入口、ｉｉ）前記第２の入口、およびｉｉｉ）ドレンラインの間で切り替えるように構成される、請求項１２に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１４】
前記切り替え可能なドレンが、前記ポンプと前記第１および第２の入口の少なくとも一方との間の流路に配設される多方向弁を備える、請求項１２に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１５】
前記ドレンが、前記冷却剤流体の少なくとも一部を前記ポンプに戻すために再循環システムに連結される、請求項１２に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１６】
前記ポンプが、第１のポンプおよび第２のポンプを備え、前記第１のポンプが、前記第１の入口を通して前記冷却剤供給多岐管に流体冷却剤を送達するために連結され、前記第２のポンプが、前記第２の入口を通して前記冷却剤供給多岐管に流体冷却剤を送達するために連結され、前記流れ制御組立体が、前記第１および第２のポンプを異なる速度で動作させるように構成される制御装置を備える、請求項１に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１７】
燃料電池スタック組立体であって、
前記ポンプと前記冷却剤供給多岐管との間に配置され、前記流体冷却剤が前記冷却剤供給多岐管に断続的に送達されるように、前記ポンプと前記冷却剤供給多岐管との間の前記流路を周期的に遮断するように適合される、流れ制御組立体を備える、請求項１に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１８】
前記流れ制御組立体は、ｉ）前記第１の入口と、ｉｉ）前記第２の入口と、ｉｉｉ）行き止まりとの間で前記ポンプの前記出力を切り替えるように構成される多方向弁を備える、請求項１７に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１９】
流体冷却剤が前記冷却剤供給多岐管に連続的に送達される第１の動作モードと流体冷却剤が前記冷却剤供給多岐管に断続的に送達される第２の動作モードとの間で前記組立体を切り替えるための制御装置を更に含む、請求項１７に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項２０】
前記流れ制御組立体は、前記ポンプと前記冷却剤供給多岐管との間に配置され、前記流体冷却剤の少なくとも一部をドレンに方向転換させるように前記流路を周期的に再構成するように構成される、請求項１に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項２１】
前記流れ制御組立体が、前記第１および第２の入口を通る相対流量を周期的に変更するように構成される、請求項２０に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項２２】
燃料電池スタック組立体を動作させる方法であって、
第１の入口および第２の入口を有し、かつ各電池内に前記流体冷却剤を分配するために各流体冷却剤管路に連結される冷却剤供給多岐管を通して、流体冷却剤を前記燃料電池スタック組立体内の複数の電池の各々の流体冷却剤管路に供給するステップと、
前記第１および第２の入口を通して前記流体冷却剤を前記冷却剤供給多岐管にポンプ注入するステップと、
流れ制御組立体を用いて前記第１および第２の入口を通る前記流体冷却剤の前記相対流量を周期的に変更するステップと、
を含む、方法。
【請求項２３】
前記流体冷却剤が前記冷却剤供給多岐管に断続的に送達されるように、流れ制御組立体を用いて前記ポンプと前記冷却剤供給多岐管との間の前記流路を周期的に遮断するステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
流れ制御組立体を用いて前記ポンプと前記冷却剤供給多岐管との間の前記流路を周期的に再構成して、前記流体冷却剤の少なくとも一部をドレンに方向転換させるステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
燃料電池スタック組立体を動作させる方法であって、
第１の入口および第２の入口を有し、かつ各電池内に前記流体冷却剤を分配するために各流体冷却剤管路に連結される冷却剤供給多岐管を通して、流体冷却剤を前記燃料電池スタック組立体内の複数の電池の各々の流体冷却剤管路に供給するステップと、
前記第１および第２の入口を通して前記流体冷却剤を前記冷却剤供給多岐管にポンプ注入するステップと、
流れ制御組立体を用いて前記第１および第２の入口を通る前記流体冷却剤の前記相対流量を周期的に変更するステップと、
を含む、方法。
【請求項２６】
燃料電池スタック組立体を動作させる方法であって、
少なくとも第１の入口を有し、かつ各電池内に前記流体冷却剤を分配するために各流体冷却剤管路に連結される冷却剤供給多岐管を通して、流体冷却剤を前記燃料電池スタック組立体内の複数の電池の各々の流体冷却剤管路に供給するステップと、
前記冷却剤供給多岐管に前記流体冷却剤を送達するために、流路を経由して前記流体冷却剤を前記第１の入口にポンプ注入するステップと、
前記流体冷却剤が前記多岐管に断続的に送達されるように、前記ポンプと前記多岐管との間の流れ制御組立体を用いて前記流路を周期的に遮断するステップと、
を含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
燃料電池スタック組立体を動作させる方法であって、
少なくとも第１の入口を有し、かつ各電池内に前記流体冷却剤を分配するために各流体冷却剤管路に連結される冷却剤供給多岐管を通して、流体冷却剤を前記燃料電池スタック組立体内の複数の電池内の各々の流体冷却剤管路に供給するステップと、
前記冷却剤供給多岐管に前記流体冷却剤を送達するために、流路を経由して前記流体冷却剤を前記第１の入口にポンプ注入するステップと、
流れ制御組立体を用いて前記ポンプと前記多岐管との間の前記流路を周期的に再構成して、前記流体冷却剤の少なくとも一部をドレンに方向転換させるステップと、
を含む、請求項２５に記載の方法。
【外国語明細書】
2018152343000001.pdf