(57)【要約】燃料電池システムに使用するために冷却モジュールの凝固を制御する方法および装置が開示される。冷却モジュールは、第１の材料を収容するように構成された第１のチャンバ、第２の材料を収容するように構成された第２のチャンバ、および、第１のチャンバおよび第２のチャンバの間に配された第１の絶縁層を含む。第２のチャンバは少なくとも部分的に第１のチャンバを包囲する。周囲温度が減少するときに、第１の材料が凍結開始するのに先立って第２の材料が凍結開始する。【選択図】図２
2021504871.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムにおいて使用される冷却モジュールにおいて、
第１の材料を収容するように構成された第１のチャンバと、
第２の材料を収容するように構成された第２のチャンバと、
上記第１のチャンバおよび上記第２のチャンバの間に配された第１の絶縁層とを有し、
上記第２のチャンバは少なくとも部分的に上記第１のチャンバを包囲し、かつ、
周囲温度が減少するときに、上記第１の材料が凍結開始する前に上記第２の材料が凍結開始することを特徴とする冷却モジュール。、
【請求項２】
上記第１および第２の材料のうちの少なくとも１つが水である請求項１記載の冷却モジュール。
【請求項３】
上記第１および第２の材料のうちの少なくとも１つが加熱性ゲルである請求項１または請求項２記載の冷却モジュール。
【請求項４】
上記冷却モジュールを包囲する第２の絶縁体をさらに有する先行する請求項のいずれかに記載の冷却モジュール。
【請求項５】
上記第１の材料と流体連通されたいる少なくとも１つの加熱素子をさらに有する先行する請求項のいずれかに記載の冷却モジュール。
【請求項６】
上記第２の材料と流体連通されたいる少なくとも１つの加熱素子をさらに有する先行する請求項のいずれかに記載の冷却モジュール。
【請求項７】
少なくとも１つの温度センサと、
上記少なくとも１つの温度センサと信号通信可能なコントローラとをさらに有し、
上記コントローラが、上記少なくとも１つの温度センサにより示される温度データに基づいて、上記少なくとも１つの加熱素子に供給される電力を制御する請求項５または６記載の
冷却モジュール。
【請求項８】
上記少なくとも１つの温度センサはバイメタルスイッチを含む請求項７記載の冷却モジュール。
【請求項９】
上記温度センサにより表示される温度が予め定められた温度設定点に到達するまで、上記コントローラが上記だ１の材料および上記第２の材料の少なくとも１つを加熱するように構成される請求項７〜８のいずれかに記載の冷却モジュール。
【請求項１０】
上記少なくとも１つの加熱素子は電気抵抗ヒータを含む請求項７〜９のいずれかに記載の冷却モジュール。
【請求項１１】
上記少なくとも１つの加熱素子は上記燃料電池システムからの排気を含み、上記排気は、上記第１の材料および上記第２の材料のうちの少なくとも１つの少なくとも一部を溶解するのに十分な温度である請求項７〜９のいずれかに記載の冷却モジュール。
【請求項１２】
上記第１の材料および上記第２の材料のうちの少なくとも１つの凝固物理状態の量の変化を検出するように構成された歪みゲージをさらに有する請求項７〜１１のいずれかに記載の冷却モジュール。
【請求項１３】
上記第１の材料および上記第２の材料のうちの少なくとも１つの蒸発状態の量の変化を検出するように構成された圧力センサをさらに有する請求項１記載の冷却モジュール。
【請求項１４】
上記第１の材料および上記第２の材料のうちの少なくとも１つの上記凝固物理状態の上記料の変化に応じて、第１の方向および当該第１の方向と逆の方向の第２の方向に移動するように構成されたフロートをさらに有する請求項７〜１１のいずれかに記載の冷却モジュール。
【請求項１５】
上記第２のチャンバがクラックなしに伸長および収縮し、上記第２のチャンバは上記第２の材料が凝固するときに伸長し、上記第２の材料が溶融するときに収縮する先行する請求項のいずれかに記載の冷却モジュール。
【請求項１６】
上記第２のチャンバが球状の第２のチャンバおよび円筒状の第２のチャンバのうちの１つである請求項１５記載の冷却モジュール。
【請求項１７】
燃料電池システムにおける第１の材料の凝固を遅延させる方法において、
上記第１の材料を第１のチャンバに案内するステップと、
第２の材料を第２のチャンバに案内するステップであって、上記第２のチャンバは第１の絶縁層によって上記第１のチャンバから分離される上記ステップと、
上記第２の材料を液体状態に維持しつつ、上記第１の材料が、周囲温度の減少または増加に応じて凝固または溶融が可能になるようにするステップとを有することを特徴とする上記方法。
【請求項１８】
上記第２のチャンバを加熱素子により加熱するステップをさらに有する請求項１７記載の燃料電池システムにおける第１の材料の凝固を遅延させる方法。
【請求項１９】
上記第１のチャンバを毛熱素子により加熱するステップをさらに有する請求項１８記載の燃料電池システムにおける第１の材料の凝固を遅延させる方法。
【請求項２０】
上記第１の材料および上記第２の材料が液体物理状態にあるように、温度センサを用いて、上記第１のチャンバおよび上記第２のチャンバのうちの少なくとも１つにおいて所望の温度を維持するステップをさらに有する請求項１７記載の燃料電池システムにおける第１の材料の凝固を遅延させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、全般的には、流体冷却剤貯蔵タンクを有する燃料電池システムに関する。特に、本開示は、冷凍してしまう可能性がある冷却剤を制御する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電気化学燃料電池は、燃料および酸化剤を電気エネルギーおよび反応生成物に変換する。一般的な種類の電気化学燃料電池は、アノードとカソードとの間のポリマーイオン（プロトン）移動膜とガス拡散構造とを含む膜電極組立体（ＭＥＡ）を含む。燃料、例えば水素と、酸化剤、例えば空気からの酸素とは、ＭＥＡのそれぞれの側を通過して、反応生成物として電気エネルギーおよび水を生成する。別々のアノードおよびカソード流体流路を備えて配置されたこのような多数の燃料電池を含むスタックを形成して良い。そのようなスタックは、典型的には、スタックのいずれかの端部でエンドプレートによって一緒に保持されている多数の個々の燃料電池プレートを含むブロックの形態である。
【発明の概要】
【０００３】
燃料電池システムを制御する方法および装置が開示される。この開示の一側面によれば、燃料電池システムにおいて使用される冷却モジュールは、第１の材料を収容するように構成された第１のチャンバ、第２の材料を収容するように構成された第２のチャンバ、および、第１のチャンバおよび第２のチャンバの間に配された第１の絶縁層を含む。第２のチャンバは少なくとも部分的に第１のチャンバを包囲する。周囲温度が減少するときに、第１の材料が凍結開始するのに先立って第２の材料が凍結開始する。
【０００４】
他の側面によれば、  燃料電池システムにおける第１の材料の凝固を遅延させる方法は、上記第１の材料を第１のチャンバに案内するステップと、第２の材料を第２のチャンバに案内するステップであって、上記第２のチャンバは第１の絶縁層によって上記第１のチャンバから分離される上記ステップと、上記第２の材料を液体状態に維持しつつ、上記第１の材料が、周囲温度の減少または増加に応じて凝固または溶融が可能になるようにするステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
本出願は、添付の図面と併せて読むときにさらに理解される。主題を例示する目的で、主題の例示的な実装形態を図面に示す。しかしながら、本明細書に開示されている主題は、開示されている特定の方法、装置、およびシステムに限定されない。さらに、図面は必ずしも一定の縮尺で描かれていない。
【図１】本開示の一側面に従う燃料電池システムの模式図を示す。
【図２】本開示の他の側面に従う燃料電池システムの模式図を示す。
【図３】本開示の一側面に従う冷却モジュールを示す。
【図４】本開示の他の側面に従う冷却モジュールを示す。
【図５】燃料電池システムの動作プロセスを表すフローチャートを示す。
【事例的な実装の詳細な説明】
【０００６】
本開示の態様は、図面を参照して詳細に説明され、他に特定されない限り、全体を通して類似の参照番号は類似の要素を指す。以下の説明では、便宜上、特定の用語を使用されるけれども、これに限定的なものではない。本明細書で使用される「複数」という用語は、２つ以上を意味する。単数表示（「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」）は複数の言及を含み、文脈が明らかにそうでないと示さない限り、特定の数値への言及は少なくともその特定の値を含む。したがって、例えば、「１つの材料」への言及は、当業者に知られている、そのような材料の少なくとも１つおよびその等価物への言及となる。
【０００７】
値が先行詞「約」を用いて近似値として表される場合、その特定の値は他の実装をなすことが理解されるであろう。一般に、用語「約」の使用は、開示された主題によって得られることが求められる所望の特性に応じて変わり得る近似を示し、これは、その機能に基づいて使用される特定の文脈で解釈されるべきものであり、当業者はそれをそのように解釈することができるであろう。場合によっては、特定の値に使用される有効数字の数は、単語「約」の範囲を決定する１つの非限定的な方法であり得る。他の場合では、一連の値に使用される階調は、各値について用語「約」により利用されることが意図されている範囲を決定するのに使用されて良い。範囲が複数ある場合すべての範囲は排他的でなく、かつ組み合わせ可能である。すなわち、範囲で述べられた値への言及は、その範囲内のありとあらゆる値を含む。
【０００８】
開示される燃料電池システムは様々な環境で使用して良い。したがって、効率的な操作のためにポリマーイオン移動膜が水和されたままであることが有利であろう。発生した熱のために、燃料電池スタックの温度を制御することも有益であろう。このため、冷却剤および／または水和剤のために、冷却剤をスタックに供給して良い。したがって、燃料電池システムは、燃料電池スタックの水和および／または冷却のための冷却剤タンクを含んで良い。いくつかの側面では、冷却剤は水を含んで良く、冷却剤タンクは水タンクであって良い。本明細書に記載の例示的な実施形態は、冷却剤として水を使用することを教示し得るが、本開示は水だけに限定されないことが理解される。「水」および「冷却剤」は本開示を通して交換可能に使用され得るが、他の適切な流体および混合物は冷却剤を含み得る。
【０００９】
いくつかの例示的な実施態様において、燃料電池システムは、冷却剤の凝固点未満の周囲温度を有する環境で保管または運転して良い。例えば、いくつかの態様において、水を使用して、燃料電池システムを氷点下の温度条件で貯蔵または運転して良く、燃料電池スタックおよび水貯蔵タンク内の水を凍結させて良い。凍結水は、燃料電池スタックへの冷却剤または水和水の供給を妨げる閉塞を引き起こす可能性がある。これは、燃料電池システムがオフであり、貯水タンク内の水がそのスタックを通過することによってもはや加熱されないときに特に問題となる。そのとき水は完全に凍るかもしれない。そのような場合、十分な液体水が、水和および／または冷却に利用できないかもしれない。その結果、凍結水が解凍されるまで、燃料電池アセンブリが再始動するのが妨げられ、または全出力で動作することが妨げられるかもしれない。
【００１０】
いくつかの例示的な実施形態では、加熱素子を燃料電池システム内に設けて凍結冷却剤を溶融して良い。加熱器は、電池または他の電源から作動し、冷却剤／水の凍結を防ぐために、燃料電池システムを氷点より高い温度に維持して良い。加熱素子は電気抵抗加熱器を含んで良い。
【００１１】
加熱素子を動作させるために電池電力を利用する側面において、電池電力は制限されることがあり、電池が故障するか、または放電すると、燃料電池システムは凍結することがある。したがって、常に、または予め設定された時間サイクルではなく、液体冷却剤が必要なときに断続的に加熱素子を作動させることが有利であろう。加えて、電池は低温で低い性能しか実現しないかもしれないので、電池ではなく燃料電池システムの動作によって発生する熱を利用することが有利であろう。いくつかの側面において、熱は燃料電池システムの排気から供給されて良い。排気は、燃料電池システム内の凍結材料の少なくとも一部を溶融するために十分に高い温度であるべきである。
【００１２】
いくつかの実装形態では、燃料電池システムは、冷却剤、例えば水を受け取り、収容するように構成された冷却剤モジュールを含んで良い。冷却剤が水を含み、燃料電池システムが摂氏零度以下の温度環境にあるいくつかの例示的な側面において、モジュール内の水が凍結することがある。燃料電池システムが再起動されるとき、燃料電池スタックを冷却するため、および／または、燃料電池スタックの燃料電池を形成する燃料電池膜を水和させるために、モジュールからの水が必要となる可能性がある。いくつかの燃料電池システムは、システムの電源が切られている間、氷点を超える温度を維持するための加熱素子を欠いている。クーラントモジュール内の水が凍結している場合は、燃料電池アセンブリで利用できるように解凍する必要がある。
【００１３】
図１を参照すると、燃料電池システム１は、燃料電池アセンブリ２、冷却剤モジュール３、およびポンプ１１を含んで良い。冷却剤モジュール３は、１つまたは複数の冷却剤タンク９を含んで良い。燃料電池アセンブリ２は、アノード入口４を通じて水素などの燃料の流れを受け取り、カソード入口５を通じて空気などの酸化剤の流れを受け取って良い。アノード排出口６は、燃料電池アセンブリ２上に配置されて良く、燃料が燃料電池アセンブリを通って流れることを可能にするように構成されて良い。カソード排出部７は、燃料電池アセンブリ２上に配置されて良く、酸化剤が燃料電池アセンブリを通って流れることを可能にするように構成され良い。排気流は、反応副生成物、および燃料電池アセンブリ２を通過した可能性がある任意の冷却剤／水和液も搬送することに留意されたい。カソード排出部７が冷却剤分離部８を含んで冷却剤（例えば水）をカソード排気流から分離して良い。分離された水は冷却剤モジュール３内に貯蔵されて良い。この例は、スタックを通過した冷却水の再利用を示しているが、本開示は、冷却水を再利用しないシステムまたは異なる態様で再利用することができるシステムに適用可能であることに留意されたいが理解されよう。
【００１４】
冷却剤モジュール３は、導管によって燃料電池アセンブリ２に接続されて良い。代替的には、冷却剤モジュール３は、スタック内において燃料電池と一体化されて良い。図１に示すように、冷却剤モジュール３をカソード入口５に接続して、冷却剤をカソード流に導入して燃料電池アセンブリ２を蒸発冷却して良い。代替的には、冷却剤を別個の導管によって燃料電池アセンブリに案内して良い。
【００１５】
冷却剤の流れは、冷却剤注入コントローラ１０によって制御して良い。冷却剤注入コントローラ１０は、燃料電池システムのさらなる動作を制御するための燃料電池システムコントローラ１５の一部を形成して良い。冷却剤注入コントローラ１０は、燃料電池アセンブリ２への水の供給を制御するためにポンプ１１に制御信号を供給して良い。ポンプ１１は、冷却剤モジュール３およびカソード入口５と流体連通して良い。ポンプは、これに限定されないが、蠕動ポンピング、変位ポンピング、および遠心ポンピングのような、流動場で通常使用されるポンピング機構の１つまたは複数を含んで良い。
【００１６】
コントローラ１０は、また、冷却剤モジュール３の上または内部に配置された１つまたは複数の加熱素子を制御して良い。図１の例示的な実装を参照すると、冷却剤モジュール３内に配置された加熱素子１２、１３は、冷却剤注入コントローラ１０と電気的に結合されている。
【００１７】
いくつかの側面において、加熱素子１２、１３は、第１の加熱素子１２と、第１の加熱素子から間隔を置いて配置された第２の加熱素子１３とを含んで良い。冷却剤モジュール３は、燃料電池アセンブリに冷却剤を供給するように構成された複数の冷却剤タンク９を含んで良い。各冷却剤タンクは、１つ以上の加熱素子を有して良い。１つまたは複数の加熱素子は、電気式または燃焼エネルギー式であって良く、また、熱分散要素を含んで良く、これらは、抵抗加熱器、または、燃料電池システムのある部分から別の部分に熱を移動させる、ヒートパイプまたは熱交換器を含んで良い。いくつかの実装形態では、例えば、燃料電池アセンブリを通って酸化剤を駆動する圧縮機は、燃料電池アセンブリの起動後に比較的急速に加熱し、熱交換および作動流体および／またはヒートパイプは、熱を圧縮機から冷却剤モジュールに移動させる。いくつかの側面において、カソード排出部７で燃料電池アセンブリを出る排気ガスは十分に暖かい。この排気は、例えば対流手段によって、冷却剤モジュールに熱を供給し、その中の冷却剤を加熱するために使用することができる。冷却剤は、１つまたは複数の他の適切な加熱方法、例えばマイクロ波加熱によって加熱することができる。
【００１８】
いくつかの側面において、燃料電池システム１は、１つまたは複数のセンサ１４を含んで良い。センサ１４は、冷却剤注入コントローラ１０と通信することができ、燃料電池アセンブリ２の性能にういて１つまたは複数の計測値を提供することができる。
【００１９】
いくつかの例示的な実装形態において、燃料電池システムは、冷却剤モジュール内で利用可能な液体冷却剤の存在および／または量を検出するように構成されて良い。燃料電池システムは、氷点下の環境で貯蔵または動作させて良く、冷却剤モジュール内の冷却剤の一部または全部を凍結させて良い。本明細書を通して詳述するように、液体冷却剤が燃料電池アセンブリの冷却および／または水和に使用するのに利用できるように、１つまたは複数の加熱素子を使用して凍結冷却剤の一部または全部を溶融して良い。
【００２０】
図２を参照すると、燃料電池システム１０１は、燃料電池スタック１０２であって良い燃料電池アセンブリ１０２と、冷却剤モジュール１０３と、冷却剤モジュール１０３および燃料電池アセンブリ１０２と流体連通するポンプ１１１と、１つまたは複数の寒地器具とを含んで良い。感知器具は、溶融（液体）冷却剤、例えば液体水の存在を検出および／または計量するように構成されて良い。感知器具は、冷却剤モジュール１０３内の液体冷却剤の存在を検出し、コントローラ１１０にコマンド信号を送信して良い。いくつかの側面において、燃料電池システム１０１は、冷却剤モジュール上またはその内部に配置され、冷却剤を加熱するように構成された、１つまたは複数の加熱素子１１２をさらに含んで良い。液体冷却剤が燃料電池システムの動作に必要とされるときに、加熱素子１１２を作動させて冷却剤モジュール内の冷却剤の一部または全部を溶融させて良い。
【００２１】
いくつかの側面において、冷却剤の凍結を減少させることが有利であろう。図３は、第１のチャンバ２０４と第２のチャンバ２１２とを具備する冷却剤モジュール１０３の実装形態を示す。第１のチャンバ２０４は、少なくとも部分的に第２のチャンバ２１２の内側にあって良い。図３の例示的な実装において示されるように、第１のチャンバ２０４は第２のチャンバ２１２の内部にカプセル化されて良い。いくつかの例において、第１のチャンバ２０４および第２のチャンバ２１２のうちの少なくとも１つは、全体的に、円筒形、球形、または角柱形であって良い。第１および第２のチャンバの形状は、用途、規模、製造上の制約、好み、および他の態様に応じて変わり得ることを理解されたい。いくつかの実施例において、第１のチャンバ２０４および／または第２のチャンバ２１２が亀裂なしに膨張および収縮するように構成されることが有利であろう。いくつかの例において、球形または円筒形として構成されているとき、格納チャンバは、多角形の場合よりも継ぎ目が少ないであろう。第２の材料２１６が凍結すると、第２のチャンバ２１２が膨張する可能性がある。逆に、第２の材料２１６が溶融すると、第２のチャンバ２１２が収縮する可能性がある。
【００２２】
冷却剤モジュール１０３は、第１のチャンバ２０４と第２のチャンバ２１２との間に配置された第１の絶縁バリア２２０を含む。第１の絶縁バリア２２０は、第１のチャンバ２０４と一体であって良く、いくつかの実装態様においては、第１の絶縁バリア２２０は、第１のチャンバ２０４を形成する。代替的な側面において、第１の絶縁バリア２２０は第１のチャンバ２０４と接触するように構成された別部材である。第１の絶縁バリア２２０は、それらを横切る熱伝導を妨げるまたは減少させるのに有用な１つまたは複数の材料を含む。使用される特定の材料は変化して良く、本開示は特定の絶縁材料に限定されないことに留意されたい。適切な材料は、プラスチック、金属、およびゴムを含み得る。いくつかの側面において、第１の絶縁バリア２２０は２つの材料の間に真空を含む。
【００２３】
さらに図３を参照すると、冷却剤モジュール１０３は、第２のチャンバ２１２に隣接して配置された第２の絶縁バリア２２４を含んで良い。第２の絶縁バリア２２４は、第１の絶縁バリア２２０と同じ材料および熱特性を含んで良い。いくつかの実装形態において、冷却剤モジュール１０３は第３および第４の絶縁バリアを含んで良い。
【００２４】
第１の材料２０８は、第１のチャンバ２０４の内側に配置されて良い。第１の材料２０８は、本明細書を通して説明されているように冷却剤、例えば水を含む。第１の材料２０８は、ポンプ１１１によって第１のチャンバ２０４から燃料電池アセンブリ１０２などの燃料電池システム１０１の他の構成要素に移送することができる。
【００２５】
第２の材料２１６は第２のチャンバ２１２の内側に配置されて良い。第１の材料２０８と第２の材料２１６は同じ材料を含み、同じ粘稠度を有して良い。いくつかの側面において、第２の材料２１６は冷却剤を含んで良く、ポンプ１１１は第２の材料２１６を第２のチャンバ２１２から燃料電池アセンブリ１０２に移送するように構成されて良い。第２のチャンバ２１２内の冷却剤は、例えば、第１のチャンバ２０４内の利用可能な冷却剤が枯渇しているか、またはポンピングするのに適した物理的状態にない場合に、バックアップ冷却剤源として使用して良い。
【００２６】
代替的な実装形態において、第１および第２の材料２０８、２１６は、種々の化学的性質および／または物理的性質を有する種々の材料であって良い。第２の材料２１６は、第１のチャンバ２０４、第２のチャンバ２１２、または両方のチャンバ内の望ましくない温度変化を防ぐのに役立つ絶縁特性を有する。第２の材料２１６はゲル、例えば発熱性または吸熱性ゲルを含んで良い。発熱ゲルは、実質的な固相と実質的な液相との間の相変化を受けたときに熱を放出するように構成されて良い。システムは、周囲温度が所定の閾値に達するとゲルの相変化を引き起こすように構成されて良い。ゲルの相変化は、電気的インパルスまたは信号をゲルに提供することによって、または代替的な開始手段によって開始されて良い。ゲルは、温度が特定の閾値を超えて上昇したときにその周囲から熱を吸収し、この熱を使用して少なくとも部分的に１つの相から別の相へ転移するように構成されて良い。この実装態様において、ゲルは開始信号を受信すると吸収された熱を放出する準備ができており、したがって、非ゲル冷却剤の凍結を遅らせる。いくつかの実装形態において、第２の材料２１６は、第１の材料２０８よりも高い熱抵抗を有して良い。第２の材料２１６は、材料の物理的な物質の状態に応じて異なる熱特性を有して良い。例えば、第２の材料２１６は、それが液体であるときよりも第２の材料が凍結しているときの方が高い熱抵抗を有して良い。
【００２７】
第２の材料２１６は、第１の材料２０８と同じかそれより高い凝固点を有することができる。システムは、第１および第２の材料が温度が下がる環境にあるとき、第１の材料２０８が凍結し始める前に第２の材料２１６が凍結し始めるように設計でき、これは、２つの材料間の凝固点の違いの結果であって良く、または第２の材料が第１の材料を取り囲むように配置されているために低温の周囲条件にさらされているためであって良い。第２のチャンバ２１２内の第２の材料２１６が凍結すると、それはさらに第１のチャンバ２０４とその中の第１の材料２０８とを絶縁する。この絶縁は、第１の材料２０８からの熱損失を減少させ、それは凍結する第１の材料２０８の量および凍結速度を減少させる。これは、冷却剤モジュール１０３が燃料電池システム１０１を作動させるのに不十分な量の液体冷却剤しか利用可能でないという可能性を低減することができる。第２のチャンバ２１２内の第２の材料２１６を凍結させ、さらに、第１のチャンバ２０４内の第２の材料２１６を絶縁させるように冷却剤モジュール１０３を構成することによって、冷却剤モジュール１０３は、いくつかの既存の技術よりも低温の環境で貯蔵および／または動作させることができる。
【００２８】
燃料電池システム１０１の構成要素は、冷却剤モジュール１０３内またはそれに隣接して配置して良い。加熱素子１１２は、第１の材料２０８を加熱することができるように、第１のチャンバ２０４の内側に配置して良い。加熱素子１１２は、代替的に、または、付加的に、第２のチャンバ２１２の内側に配置され、もって、第２の材料２１６を加熱して良い。加熱素子１１２は、第１の絶縁バリア２２０の上または内部に配置して良い。いくつかの実装形態において、第２の絶縁バリア２２４は加熱素子１１２を含んで良い。加熱素子１１２は、それが隣接する材料のみを加熱するように構成されて良い。代替的には、加熱素子１１２は、第１の材料２０８と第２の材料２１６とに同時に熱を供給することができるように配置されて良い。
【００２９】
いくつかの実装形態において、加熱素子１１２は、第１の材料２０８が液体状態になるように第１のチャンバ２０４のみに熱を供給し、第２のチャンバ２１２には直接に熱を供給せず、もって第２の材料２１６の凍結が許容されるように構成されて良い。第１の材料２０８および第２の材料２１６が部分的または全体的に凍結しているならば、コントローラ１１０は、第１の材料２０８および第２の材料２１６が溶融するように１つまたは複数の加熱素子１１２に特定の命令セットを提供して、もって第１および第２の材料２０８、２１６が所望の順番で溶融するようにして良い。
【００３０】
冷却剤モジュール１０３内の液体冷却剤の存在および／または量は、１つまたは複数の感知機器によって決定して良い。感知機器は、冷却剤モジュール１０３内の液体冷却剤の存在を検出し、コマンド信号をコントローラ１１０に送信して良い。コントローラ１１０は、ポンプ１１１を作動させて、冷却剤モジュール１０３から燃料電池アセンブリ１０２に溶融冷却剤を移動させて良い。いくつかの実装態様において、コントローラ１１０は、１つまたは複数の加熱素子１１２にコマンド信号を送信して、加熱素子を作動させて冷却剤を加熱するか、または加熱素子の加熱を終了させて良い。
【００３１】
感知機器は、電気機械スイッチ１２０を含んで良く、これは、冷却剤モジュール１０３内の冷却剤の温度変化を検出するように構成された温度計であって良く、または、それに動作可能に結合して良い。凍結した水が溶融するとき、液体の水の一部が蒸発して水蒸気を形成する。したがって、いくつかの側面において、温度計は、冷却剤を加熱することによって発生した蒸気の温度の上昇を検出および定量化する。温度計は、バイメタル温度計であって良く、このバイメタル温度計は、当該ビアメタル温度計が示す、冷却剤モジュール内の冷却剤または蒸発した冷却剤から形成された蒸気のいずれかの温度が、予め定められた温度閾値より高いときに電気機械スイッチ１２０を作動させるように構成されて良い。水蒸気の予め定められた閾値温度は、所望の量の溶融水に対応して良い。いくつかの側面において、電気機械スイッチ１２０は、温度閾値に達したときに回路を開閉するように構成されたブリッジを有する電気回路を含んで良い。
【００３２】
感知機器は、燃料電池システム１０１内の蒸気圧を検出および定量化するように構成された圧力センサ１２６を含んで良い。加熱素子１１２によってより多くの冷却剤が溶融されるにつれて、より多くの液体冷却剤が蒸発して蒸気となる。圧力センサ１２６によって示される蒸気圧が予め定められた圧力閾値よりも大きいとき、圧力センサ１２６はコマンド信号をコントローラ１１０に送信する。
【００３３】
感知機器は、冷却剤モジュール１０３などの燃料電池システム１０１の一部の膨張または収縮を測定するように構成された歪みゲージ１２４を含んで良い。冷却剤が凍結すると、冷却剤の体積が膨張する。逆に、凍結したクーラントが溶けると、クーラントの総量が収縮する歪みゲージ１２４は、冷却剤のそれぞれの凍結および融解による膨張および収縮の量を検出および測定し、信号をコントローラ１１０に送信する。ここに開示される他の実装形態を用いる場合、予め定められた歪み閾値は変化して良く、冷却剤モジュール１０３内の液体冷却剤の所望の量に基づいて決定されて良い。
【００３４】
感知機器は、燃料電池システム１０１の１つまたは複数の構成要素、例えば冷却剤モジュール１０３の内部に内に配置されたフロート１２８を含んで良い。フロート１２８は、冷却剤が固体状態または液体状態のいずれであるときでも、燃料電池システムで使用される冷却剤よりも密度が低い材料を含み、このため、フロート１２８は常に一定量の凍結または溶融状態の冷却剤の表面上にあるように構成される。クーラントが凍結するとき、クーラントの総量が膨張する可能性があり、逆に、クーラントが溶けると、総量が収縮することがある。フロート１２８は、冷却剤が膨張すると第１の方向に移動し、冷却剤が収縮すると第１の方向とは反対の第２の方向に移動するように構成される。図４を参照すると、フロート１２８は、冷却剤（例えば、水）が凍結するとフロート１２８が冷却剤モジュール内で垂直方向に上方に移動し、冷却剤が溶融するとフロート１２８が垂直方向に下方に移動するように冷却剤モジュール１０３の内側に配置されて良い。フロート１２８は、コントローラ１１０に機械的または電気的に結合されて良く、フロート１２８の移動の距離および方向に対応する信号をコントローラに送信して良い。フロート１２８は、第１のチャンバ２０４内に、第２のチャンバ２１２内に、または第１のチャンバ２０４と第２のチャンバ２１２の双方の内部に配置されて良い。。
【００３５】
コントローラ１１０は、歪みゲージ、圧力センサ、バイメタル温度計、フロート、または他の測定機器から受信した信号を変換するためのプログラムで構成して良く、冷却剤注入コントローラは、１つまたは複数の感知機器から複数の信号を受信して良い。プログラムはここで説明された計測機器の各々について予め定められた閾値を含み、プログラムはユーザによって修正されて良い。プログラムは、さらに、燃料電池システムの他の構成要素、例えば、加熱素子、ポンプ、または他のシステムコントローラに、コマンド信号を送信して良い。
【００３６】
本願を通して説明されているような１つ、または複数の感知機器は、第１のチャンバ２０４内、第２のチャンバ２１２内、または両方のチャンバ内に配置されて良い。感知機器は、第１の絶縁バリア２２０、第２の絶縁バリア２２４、または複数の絶縁バリアの組み合わせに隣接して、またはそれらの中に配置されて良い。
【００３７】
冷却剤モジュール１０３内で液体冷却剤が利用可能であることを保証する例示的なプロセス３００を図５に示す。このプロセスは、燃料電池システムコントローラ１１０によって実行されて良い。寒い場所や凍っている場所で使用するときに燃料電池システムを効果的に起動可能にするために、当該動作プロセスが実行される。寒冷または凍結環境条件において、燃料電池アセンブリ１０２によって必要とされる冷却剤が、冷却剤モジュール１０３内で凍結されているために利用できない危険性がある。利用可能な冷却剤の量が不十分であるかもしれないということを燃料電池システムが特定し、その動作を修正し、もって、燃料電池システムの信頼性のある起動を可能にすることが重要である。これは、燃料電池システム１０１が車両に動力を提供するときに特に重要である。車両のユーザは、燃料電池システムが確実に始動し、広範囲の動作環境において車両に有効な電力を供給することができると期待するであろう。効率的な動作のために燃料電池アセンブリによって必要とされる冷却剤などの資源が、少なくとも最初は使用可能ではない可能性があることを考えると、これは課題である。
【００３８】
図５に示すように、燃料電池システム１０１は、ブロック３０２で燃料電池アセンブリ１０２を作動させるためにオンにされる。これは、コントローラ１１０および他の構成要素などの電気システムの起動を含んで良い。これにより、燃料電池アセンブリ１０２への燃料および酸化剤の供給を開始することができる。
【００３９】
ブロック３０４を参照すると、コントローラ１１０は、ここで説明されているように、１つまたは複数の感知機器を用いて第１のチャンバ２０４内の液体冷却剤の存在を判定する。十分な液体冷却剤が利用可能である場合、プロセスはブロック３０８に進み、そこでコントローラ１１０はポンプ１１１を作動させて、冷却剤を第１のチャンバ２０４から燃料電池アセンブリ１０２または燃料電池システム１０１内の別の構成要素に汲み出す。
【００４０】
利用可能な液体冷却剤が不十分である場合、プロセスは代わりにブロック３０４からブロック３１２に移動する。ブロック３１２において、コントローラ１１０は、第１の材料２０８が十分に加熱されるように第１のチャンバ１０４に十分な熱を供給するように加熱素子１１２を作動させて、第１の材料を溶融させて良い。加熱が開始されると、ブロック３１６において、プロセスは、例えば１つまたは複数の感知機器を介して、十分な冷却液が利用可能であるかどうかについて監視および検出する。十分な量の液体冷却剤が存在すると、プロセスはブロック３０８に進み、そこでポンプ１１１が作動する。これにより、液体冷却剤の移動を開始することができ、燃料電池システム１０１は正常に動作する。
【００４１】
第２のチャンバ内に凍結可能な材料を有する燃料電池冷却剤モジュールは、第１のチャンバ内の冷却剤の凍結を防止する、または少なくとも遅らせるの支援する。これにより、燃料電池システムをより低温の環境で動作させることが可能になる。絶縁熱材を追加すると、冷却剤モジュールの外部の熱抵抗が増加し、第１のチャンバ内の冷却剤から外部環境への熱エネルギーの損失が少なくなる。いくつかの側面において、例えば、約２００ｇの凍結可能な水が、１Ｗの加熱素子の約１８．５時間の運転から発生する熱と同様の冷却剤に対する熱保護を実現する。
【００４２】
液体冷却剤は、また、より速くより長く利用可能であり、燃料電池システムの「オフ」または「待機」構成から通常動作へのより迅速な移行を可能にする。冷却剤の凍結を減少させること、および／または、凍結を遅らせることは、ポンプ輸送に必要な冷却剤を融解、および／または加熱するためのより少ない加熱しか必要としない。これにより、発熱体に電力を供給するために使用されるエネルギーが節約され、発熱体の劣化および磨耗が減少する。
【００４３】
ここに開示される冷却剤モジュールは、既存の燃料電池システムと別個のユニットであって良く、また、既存の燃料電池システムと共に使用されて良い。いくつかの実装形態において、冷却剤モジュール１０３は既存の冷却剤モジュールを置き換えて良い。これは、システム全体を製造する必要なしに、燃料電池システムの効率を高める。
【００４４】
容器および関連する構成要素の亀裂および劣化は、凍結による膨張および解凍による収縮と関連していることが多い。凍結融解の減少は、冷却剤モジュールおよび他の構成要素へのストレスを軽減し、それらの寿命を延ばし、そして頻繁な保守および交換に関連するコストを下げる。
【００４５】
第１の材料２０８、例えば冷却剤の凍結を遅らせる方法が開示されている。第１の材料２０８は、最初に冷却剤モジュール１０３の第１のチャンバ２０４内に導入される。第２のチャンバ２１２は、その中に第２の材料２１６を受容して良い。つぎ次に、第２の材料２１６を第２のチャンバ２１２内で凍結させて第１のチャンバ２０４の周囲に絶縁層を形成させて良い。これは、第１のチャンバ２０４内の第１の材料２０８の凍結を遅らせるか防止するのに役立つ。第１のチャンバ２０４、第２のチャンバ２１２、または両方のチャンバを１つまたは複数の加熱素子１１２で加熱して、その中のそれぞれの材料の温度を制御することができる。
【００４６】
加熱素子１１２は、第１または第２の材料２０８、２１６を溶融するために使用されて良く、所望の温度を制御および維持するために使用されて良い。感知機器、例えば温度計を使用して、第１のチャンバ２０４および第２のチャンバ２１２の温度を検出および指示して良い。
【００４７】
異なる参照番号でラベル付けされていても、個々の部品および要素が特定の実装に適用されるときの説明は、他に明示的に述べられていない限り、すべての実装に適用されえ良い。
【００４８】
本開示は様々な図の様々な態様に関連して説明されてきたが、その広い発明概念から逸脱することなく上述の態様に変更を加えることができることが当業者によって理解されるであろう。したがって、本開示は開示された特定の態様に限定されず、特許請求の範囲によって定義されるような本開示の精神および範囲内の修正を包含することを意図していることに留意されたい。
【００４９】
別々の実装形態の文脈で上述した本開示の特徴は、単一の実装形態において組み合わせて提供することができる。逆に、単一の実装形態の文脈で説明されている本開示の様々な特徴は、また、別々に、または、任意の組み合わせとして実現されて良い。最後に、一実装形態は一連のステップの一部またはより一般的な構造の一部として説明することができるが、各ステップはそれ自体で他のものと組み合わせることができる独立した実装形態と考えることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１    燃料電池システム
２    燃料電池アセンブリ
３    冷却剤モジュール
４    アノード入口
５    カソード入口
６    アノード排出口
７    カソード排出部
８    冷却剤分離部
９    冷却剤タンク
１０    冷却剤注入コントローラ
１１    ポンプ
１２    第１の加熱素子
１３    第２の加熱素子
１４    センサ
１５    燃料電池システムコントローラ
１０１    燃料電池システム
１０２    燃料電池アセンブリ
１０３    冷却剤モジュール
１０４    第１のチャンバ
１１０    燃料電池システムコントローラ
１１１    ポンプ
１１２    加熱素子
１２０    電気機械スイッチ
１２４    歪みゲージ
１２６    圧力センサ
１２８    フロート
２０４    第１のチャンバ
２０８    第１の材料
２１２    第２のチャンバ
２１６    第２の材料
２２０    第１の絶縁バリア
２２４    第２の絶縁バリア
【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５】
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【国際調査報告】
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