(57)【要約】燃料電池システムが、カソードおよびアノードを有した燃料電池を備えている。水流れ場が、湿った空気を形成するようにカソードと連通している。蒸発冷却型燃料電池のための冷却システムが、湿った空気を受けるとともに凝縮水を生成するように配置されたコンデンサを備えている。分離器が、凝縮水を受けるように配置され得る。戻りラインが、分離器および水流れ場と連通している。水が平衡状態にない高温燃料電池条件下にあるときに、水流れ場へ付加的な水を選択的に供給するために、リザーバが、戻りラインと連通した付加的な水を含んでいる。リザーバは、該リザーバが凍結した場合に水流を遮断しないように冷却システムに接続されている。
2011517043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードと、アノードと、湿った空気を形成するように該カソードと連通した水流れ場と、を有した燃料電池と、
前記湿った空気を受けるとともに凝縮水を形成するように配置されたコンデンサと、前記コンデンサおよび前記水流れ場と連通した戻りラインと、前記冷却システムのコンデンサと並列に配置され、水が平衡状態にない高温燃料電池条件において前記水流れ場へ選択的に水を供給するように、少なくとも一部の時間の間、前記戻りラインと連通するリザーバと、を有した冷却システムと、
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却システムは、前記凝縮水を受けるように配置された分離器をさらに備え、前記戻りラインは、前記分離器と前記水流れ場とを連通させていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記リザーバは、前記分離器の下流側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記リザーバは、前記分離器の上流側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
ファンが、前記コンデンサの前後に望ましい温度差を生じさせるように、該コンデンサと関連していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
多孔質水輸送プレートが、前記カソードを水和し、該カソードの空気流れ場内に湿った空気を形成するように、前記カソードと前記水流れ場との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記分離器および前記リザーバは、ベント部を備え、前記戻りラインを通して前記水流れ場へ前記凝縮水を戻すために前記水流れ場の前後で圧力差を生じさせるように、ポンプが前記水流れ場を負圧にすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記分離器および前記リザーバは、逆止弁を備え、空気供給源が、前記カソードへ空気を供給し、前記空気供給源は、前記戻りラインを通して前記水流れ場へ前記凝縮水を戻すために前記水流れ場の前後で圧力差を生じさせることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記リザーバは、水が平衡状態にない高温燃料電池条件において、前記戻りラインと連通していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
液体水を形成するようにカソードから湿った空気を受けるための冷却ループを設けるステップと、
前記カソードと関連した水流れ場へ前記液体水を戻すステップと、
所定の動作条件において前記水流れ場へ付加的な水を選択的に供給するステップと、
を含む燃料電池の蒸発冷却方法。
【請求項１１】
前記所定の動作条件は、水が平衡状態にない高温燃料電池条件に対応していることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記水が平衡状態にない高温燃料電池条件は、前記燃料電池内の液体水の不十分な供給に対応していることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記付加的な水は、凍結条件において凍結するものであり、該凍結条件において該付加的な水を用いることなく平衡状態で前記燃料電池を動作するステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記水流れ場へ前記液体水を戻すために、前記水流れ場を負圧にするステップを含むこと特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記水流れ場へ前記液体水を戻すために、前記水流れ場に大気圧より高い圧力を与えるステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水が平衡状態にない高温燃料電池条件のために水用リザーバを用いる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
１つの形式の燃料電池は、望ましい燃料電池の動作のために十分に水和する必要がある多孔質水輸送プレートを用いている。また、燃料電池は、望ましい動作のために、十分に冷却する必要もある。燃料電池の蒸発冷却は、内部で生成された水と、冷媒として外部から導入された水との双方からなる燃料電池内の水に依存しており、この水は、燃料電池のカソードと関連した空気流へと蒸発する。蒸発した水は、一般に、コンデンサによって凝縮することにより、湿った空気流から回収され、再利用のために燃料電池へと戻される。
【０００３】
暑い天候における燃料電池の動作中には、周囲空気と燃料電池からの排気との温度差が非常に小さいので、水蒸気を凝縮するときのコンデンサの効率が低くなる。結果として、多孔質水輸送プレートを水和するとともに燃料電池を冷却するための燃料電池内の水が、望ましい量よりも減少するので、ガスの吸い込みおよび熱暴走が生じ得る。１つの例では、出力が８５ｋＷである蒸発冷却型燃料電池では、全出力で動作するときに、１秒間につき３２グラムの水を燃料電池へ戻すことが必要である。暑い天候の日に、コンデンサが、上記の量の８０％だけしか凝縮できない場合には、約２分３０秒経過後に、燃料電池内の水は、望ましい水量よりも１リットルだけ少なくなり得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池用冷却システムは、寒い天候条件での凍結に耐える必要があるので、暑い天候条件のための十分な水を含む燃料電池を提供することは、問題を生じさせる。これにより、燃料電池用冷却システム内の凍結した水を解凍することが必要となる。上記のような大量の水を解凍するには、大量の電力が必要となり、これは望ましくない。したがって、燃料電池用冷却システムにおいて解凍する必要がある水の体積を増加させることなく、暑い天候条件のために利用可能な十分な水を含む蒸発冷却型燃料電池が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
燃料電池システムは、カソードと、アノードと、該カソードと該アノードとの間に配置された電解質、例えば、高分子膜と、を有した燃料電池を備えている。再循環した水と、電気化学反応により生成された水とが、カソード反応物用チャネルへ蒸発し湿った空気を形成することにより燃料電池を加湿および冷却するように、燃料電池の水流れ場がアノードおよび／またはカソードと連通している。湿った空気中の水分は、凝縮冷却システムによって回収され、燃料電池へ戻される。凝縮冷却システムは、湿った空気排出物を受けるとともに、凝縮水を形成するように配置されたコンデンサを備えている。分離器が、凝縮水と空気排出物とを分離するように、即ち液体水と空気とを分離するように配置されている。戻りラインが、一般に分離器を介して、凝縮水を燃料電池の水流れ場へと連通させている。リザーバが、付加的な水を含んでおり、該付加的な水は、平衡状態にない燃料電池の暑い天候条件において水流れ場へ付加的な水を選択的に供給するように、少なくとも一部の時間の間、戻りラインと連通している。リザーバは、冷却システムのコンデンサと並列に配置されており、これにより、システムの凍結時に、リザーバ内の水を解凍する必要がない。
【０００６】
燃料電池用の冷媒水は、カソード空気流れ場から湿った空気を受けるとともに液体水を形成するための冷却ループによって供給される。液体水は、カソードおよび／またはアノードと関連した水流れ場へ戻される。付加的な水が、所定の動作条件において水流れ場へ選択的に供給される。寒い天候条件では、コンデンサ、分離器および／または戻りライン内の水は、適切な凍結防止手段、例えば、ヒータによって防止されなければ、凍結し得る。しかし、リザーバ内の付加的な水は、寒い天候条件においては一般に必要ではなく、凍結してもよい。付加的な水は、通常の動作条件中に解凍され、必要な場合には使用することができる。平衡状態にない状態で燃料電池が動作し得る暑い天候条件では、リザーバからの付加的な水が、燃料電池へ供給され、これにより、燃料電池は、動作のために十分な水を確実に含むことができる。リザーバからの付加的な水は、供給源からの水の供給を制御するように、直接的にまたは間接的に、選択的に戻りラインと接続もしくは非接続にされる。
【０００７】
本発明の上記の特徴または他の特徴は、以下の発明を実施するための形態および図面によって最も理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】リザーバを有した燃料電池用凝縮冷却システムの概略図である。
【図２】リザーバを有した他の燃料電池用凝縮冷却システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１には、凝縮冷却ループ２４を有した燃料電池システム１２が概略的に示されている。システム１２は、カソード１４を有した燃料電池１０を備えており、該カソード１４は、例えば、コンプレッサを用いて、空気供給源１８から空気を受ける。陽子交換膜が、例えば、カソード１４とアノード１６との間に膜電極アッセンブリ１５として配置されており、これにより、スタック１９内のセルが形成され、このセルは、従来技術において周知のように、電気を生成する。ここでは、明確にするために、１つのセルのみが示されている。アノード１６は、燃料供給源２０から水素を受ける。
【００１０】
燃料電池１０は、冷媒水と、燃料電池内の電気化学反応の一部として生成される生成水と、を含む。多孔質水輸送プレート２１（１つのみ図示）が、周知のように、望ましい方法で水を管理し移動させるように、スタック１９内に配置されている。水輸送プレート２１は、水流れ場２２を備えており、反応流の加湿を行いつつ、アノード１６と、隣接した燃料電池セルのカソード１４（図示せず）とを分離させている。
【００１１】
燃料電池システム１２は、燃料電池の水管理システムの一部として凝縮冷却ループ２４を用いている。水の一部は、最初に、水輸送プレート２１を通してアノード反応流へと蒸発し、膜を加湿することによって燃料電池１０から流出する。そして、電気化学反応により生成された水と、陽子に引きずられて膜を通して輸送された水とが、カソードの空気流れ場によって供給される空気流へと蒸発し、これにより、熱除去の機能がもたらされる。湿った空気は、空気出口２６を通して燃料電池１０から出て、コンデンサ２８へと循環し、コンデンサ２８において、従来技術において周知のように、ファン３０によってこの湿った空気が凝縮される。代替的に、液体熱交換器を、コンデンサとして用いることもできる。冷媒水と空気とからなる二相混合物が、コンデンサ２８を出て分離器３２へと循環し、分離器３２において、気体が、液体水から分離され、凝縮水が集まる。蒸発冷却ループ２４によって吸い込まれた気体は、ベント部３４を通して排出される。凝縮水は、分離器３２から冷媒入口３５を通して燃料電池１０へと流入する。
【００１２】
図１に示した例では、水流れ場２２は、真空ポンプ４４を用いて水流れ場２２の前後の圧力差を維持し、これにより、蒸発冷却ループ２４内の水は、冷媒入口３５を通して水流れ場２２へ確実に戻る。さらに、上記ポンプは、燃料および空気の圧力よりも低く冷媒水の圧力を維持しており、これにより、水がセル内に蓄積しなくなる。分離器３２は、オーバフロー部３６を備えており、該オーバフロー部３６は、分離器内の水が過剰になったときに、水を排出する。
【００１３】
分離器３２は、戻りライン３８を介して水流れ場２２と連通している。分離器３２は、平衡状態にある通常の動作条件での動作中に、水流れ場２２へ水を供給する。戻りライン３８は、寒い天候条件では凍結することがあり、これにより、水が水流れ場２２へと戻ることが阻止され得る。しかし、寒い天候条件では、燃料電池の動作を平衡状態に維持するために必要となる水の量は一般に少なくなるため、戻りライン３８の凍結によって、燃料電池１０が平衡状態にない状態で動作することはない。さらに、または代替的に、戻りラインの水の体積が比較的小さいことにより、１つまたは複数の小型のヒータ３９を用いることによって、解凍が容易となるか、もしくは液体状態の維持が容易となる。
【００１４】
リザーバ４０が、水を含むとともに、戻りライン３８に直接的または間接的に接続されている。リザーバ４０は、暑い天候で生じ得る、平衡状態にない状態の場合に、水流れ場２２に付加的な水を供給する。さらに、重要なことに、リザーバ４０は、該リザーバ４０が凍結した場合に、戻りライン内の液体流と干渉しないような形に、戻りライン３８に直接的にまたは間接的に接続されている。これは、リザーバ４０を、図１および図２に実線で示したように、分離器３２の下流側に接続することにより、もしくは、図１に破線で示したように、分離器３２の上流側に接続することにより達成することができる。リザーバ４０は、ベント部４２を備えている。スタック１９内の水の体積を増加させる代わりに、凍結条件下にあるときに水流れ場２２から分離することができる個別のリザーバ４０内に、付加的な水が蓄えられる。分離器３２および戻りライン３８では、凍結により生じる問題を避けるために、一般に水がドレインされるが、分離器３２および戻りライン３８内の全体的な水の体積は十分に小さく、分離器３２および戻りライン３８内の凍結したあらゆる水は、ヒータ３９によって容易に解凍される。しかし、リザーバ４０は、体積が比較的大きく、凍結し得るので、コンデンサ２８から戻りライン３８を通してスタック１９内の水流れ場２２へと延びる流路上に直列にリザーバ４０を配置しないことが重要である。
【００１５】
リザーバ４０は、スタック１９から物理的に離間して示されているが、スタック１９の共通のハウジング内に配置することもできる。しかし、重要なことは、リザーバ４０が、水流れ場２２の供給部の一部として冷却ループ２４上に直列に配置されておらず、これにより、寒い天候条件における凍結時に、平衡状態で燃料電池を動作させるためにリザーバ４０内の水を解凍する必要がないことである。しかし、暑い天候条件下にあるときに、平衡状態に燃料電池を維持するために、リザーバ４０によって供給される付加的な水を、水流れ場２２によって冷却ループ２４において使用することが意図されている。これは、制御弁６０を用いて冷却ループ２４にリザーバ４０を選択的に接続することによって達成される。特に、リザーバは、コンデンサ２８および／または分離器３２と並列に接続することによって、冷却ループ２４に並列に接続される。リザーバ４０の実線による表示は、リザーバ４０が分離器３２の下流側の戻りライン３８に接続されていることを示しており、リザーバ４０の破線による表示は、リザーバ４０が分離器３２を介して接続されているが、全体としてコンデンサ２８およびループ２４と並列に接続されていることを示している。
【００１６】
図２に示した他の配置は、冷却ループ２４から戻りライン３８を通して水流れ場２２へ水を循環させるように使用することができる。圧力制御弁４８が、冷媒システム内の水圧を調整するために、分離器３２およびリザーバ４０の各々と関連したベント部３４およびベント部４６と連通している。本実施例では、リザーバ４０は、オーバフロー部５０を備えて示されている。逆止弁５２が、水流れ場２２と連通するように配置されている。カソード１４の空気流れ場により形成される大気圧より高い圧力が、水流れ場２２の前後に圧力差を生じさせ、これにより、水が蒸発冷却ループ２４から水流れ場２２へと戻る。
【００１７】
望ましい実施例を説明してきたが、当業者であれば、特定の修正も本発明の範囲内であることが理解できるであろう。この理由のために、特許請求の範囲が、本発明の真の範囲を画定するために検討されるべきである。
【図１】
2011517043.tif 000003
【図２】
2011517043.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成22年12月6日(2010.12.6)
【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】
カソードと、アノードと、湿った空気を形成するように該カソードと連通した水流れ場と、を有した燃料電池と、
前記湿った空気を受けるとともに凝縮水を形成するように配置されたコンデンサと、前記コンデンサおよび前記水流れ場と連通した戻りラインと、前記冷却システムのコンデンサと並列に配置され、水が平衡状態にない高温燃料電池条件において前記水流れ場へ選択的に付加的な水を供給するように、少なくとも一部の時間の間、前記戻りラインと連通するリザーバと、を有した冷却システムと、
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却システムは、前記凝縮水を受けるように配置された分離器をさらに備え、前記戻りラインは、前記分離器と前記水流れ場とを連通させていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記リザーバは、前記分離器の下流側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記リザーバは、前記分離器の上流側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
ファンが、前記コンデンサの前後に望ましい温度差を生じさせるように、該コンデンサと関連していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
多孔質水輸送プレートが、前記カソードを水和し、該カソードの空気流れ場内に湿った空気を形成するように、前記カソードと前記水流れ場との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記分離器および前記リザーバは、ベント部を備え、前記戻りラインを通して前記水流れ場へ前記凝縮水を戻すために前記水流れ場の前後で圧力差を生じさせるように、ポンプが前記水流れ場を負圧にすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記分離器および前記リザーバは、逆止弁を備え、空気供給源が、前記カソードへ空気を供給し、前記空気供給源は、前記戻りラインを通して前記水流れ場へ前記凝縮水を戻すために前記水流れ場の前後で圧力差を生じさせることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記リザーバは、水が平衡状態にない高温燃料電池条件において、前記戻りラインと連通していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
液体水を形成するようにカソードから湿った空気を受けるための冷却ループを設けるステップと、
前記カソードと関連した水流れ場へ前記液体水を戻すステップと、
所定の動作条件において前記水流れ場へ付加的な水を選択的に供給するステップと、
を含み、
前記付加的な水は、凍結条件において凍結するものであり、該凍結条件において該付加的な水を用いることなく平衡状態で前記燃料電池を動作することを含むことを特徴とする燃料電池の蒸発冷却方法。
【請求項１１】
前記所定の動作条件は、水が平衡状態にない高温燃料電池条件に対応していることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記水が平衡状態にない高温燃料電池条件は、前記燃料電池内の液体水の不十分な供給に対応していることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記水流れ場へ前記液体水を戻すために、前記水流れ場を負圧にするステップを含むこと特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記水流れ場へ前記液体水を戻すために、前記水流れ場に大気圧より高い圧力を与えるステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記リザーバは、寒い天候条件において凍結し、これにより、該リザーバ内の凍結した水が、前記水流れ場へ通流しないことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池セルシステム。
【国際調査報告】
2011517043.tif 000005