(57)【要約】【課題】製造時に問題となるシステムの複雑性を画期的に低減可能なモジュール式直接燃料電池システムを提供する。【解決手段】ハウジング７１、７２、ポンプ３１、７５、燃料電池スタック１０、システム制御部７６およびハウジングに統合された燃料タンク３０を備えるモジュール式直接メタノール燃料電池システムであって、ハウジングに備えられ、水を凝縮するユニットおよび液体流から気体流を分離するユニットを統合した統合処理ユニット８０と、燃料電池スタックからの排出空気および排出燃料を統合処理ユニットに誘導する、燃料電池スタックと統合処理ユニットとの間の第１流体連結ユニット１００、１００ａと、統合処理ユニットからの燃料混合物を燃料電池スタックに戻して誘導する、燃料電池スタックと統合処理ユニットとの間の第２流体連結ユニット１０１と、燃料タンクからの燃料を統合処理ユニットに誘導する第３流体連結ユニット１０２と、を備える。【選択図】図２
2008066305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
底部と上部とを有するハウジング、ポンプ、燃料電池スタック、システム制御部および前記ハウジングに統合された燃料タンクを備えるモジュール式直接メタノール燃料電池システムであって、
前記ハウジングに備えられ、水を凝縮するユニットおよび液体流から気体流を分離するユニットを統合した統合処理ユニットと、
前記燃料電池スタックからの排出空気および排出燃料を前記統合処理ユニットに誘導する、前記燃料電池スタックと前記統合処理ユニットとの間の第１流体連結ユニットと、
前記統合処理ユニットからの燃料混合物を前記燃料電池スタックに戻して誘導する、前記燃料電池スタックと前記統合処理ユニットとの間の第２流体連結ユニットと、
前記燃料タンクからの燃料を前記統合処理ユニットに誘導する第３流体連結ユニットと、を備えるモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項２】
前記統合処理ユニットは、
前記水を凝縮するユニットと前記液体流から気体流を分離するユニットとを連結する連結手段と、
前記水を凝縮するユニットと前記液体流から気体流を分離するユニットとの間の第１統合流体連結ユニットと、を備え、
前記第１統合流体連結ユニットは、前記連結手段を使用して前記水を凝縮するユニットと前記液体流から気体流を分離するユニットとを連結することによって密閉され、かつシーリングされることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項３】
前記ポンプ、前記燃料電池スタック、前記統合処理ユニットおよび前記燃料タンクは、前記ハウジングの底部に互いに水平に隣合って配列されていることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項４】
前記システム制御部は、前記ハウジングの底部に、前記ポンプ、前記燃料電池スタック、前記統合処理ユニットおよび前記燃料タンクが配列されているラインの後方に配列されており、前記システム制御部は、前記統合処理ユニットおよび前記燃料電池スタックのうち少なくとも何れか一つのセンサーから入力信号を受け取り、前記モジュール式直接メタノール燃料電池システムを制御する出力信号を出力することを特徴とする、請求項３に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池スタックと前記燃料タンクとは、前記統合処理ユニットの互いに反対側に配列されていることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１流体連結ユニットは、相互分離されている第１流体連結部と第２流体連結部とを備えることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項７】
前記第３流体連結ユニットは、前記燃料タンクからの燃料を燃料ポンプを経て前記統合処理ユニットに誘導する第３流体連結部と第４流体連結部とを備えることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料ポンプは、前記統合処理ユニットに統合され、
前記第３流体連結ユニットは、前記燃料タンクから前記統合処理ユニットの前記燃料ポンプまでの単一の流体連結部を備えることを特徴とする、請求項７に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項９】
前記第１流体連結ユニットの第１流体連結部は、前記燃料電池スタックからの空気/水の混合物を、前記水を凝縮するユニットに供給することを特徴とする、請求項１に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項１０】
前記第１統合流体連結部は、前記水を凝縮するユニットと前記液体流から気体流を分離するユニットとの間で互いに対向する表面の間にシーリング要素を提供し、その表面での流体開口を通じて具現され、前記第１統合流体連結ユニットは、前記水を凝縮するユニットからの冷却された空気/水の混合物を、前記液体流から気体流を分離するユニットに提供することを特徴とする、請求項２に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項１１】
前記水を凝縮するユニットの流体開口は、流体流入口または流体排出口であることを特徴とする、請求項１０に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項１２】
前記液体流から気体流を分離するユニットは、燃料から気体を分離する手段と水から空気を分離する手段とを備え、これらの間に第２統合流体連結ユニットを有することを特徴とする、請求項１に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項１３】
前記第１流体連結ユニットの第２流体連結部は、前記燃料電池スタックからの燃料／気体混合物を、前記燃料から気体を分離する手段に提供することを特徴とする、請求項１２に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項１４】
前記燃料から気体を分離する手段には、分離された気体を周囲に排出する排気口が備えられることを特徴とする、請求項１２に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項１５】
前記第４流体連結部は、前記燃料タンクからの燃料を前記燃料から気体を分離する手段に提供することを特徴とする、請求項７に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項１６】
前記第２統合流体連結ユニットは、前記水から空気を分離する手段からの水を、前記燃料から気体を分離する手段に提供することを特徴とする、請求項１２に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項１７】
前記燃料から気体を分離する手段によって分離された気体は、ＣＯ２であり、前記燃料は、メタノールであることを特徴とする、請求項１２に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項１８】
前記燃料から気体を分離する手段と前記水から空気を分離する手段とが直接接触するように配列されており、前記第２統合流体連結ユニットは、凝縮された水を燃料システムに戻すことができるように、前記燃料から気体を分離する手段と前記水から気体を分離する手段との間の連結壁に位置した隔壁の流体開口であることを特徴とする、請求項１２に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項１９】
前記水を凝縮する手段は、熱交換器を備えることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項２０】
前記シーリング要素は、ガスケット、接着剤またはハンダ付け物質からなる群から選択されるいずれか一つであることを特徴とする、請求項１０に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項２１】
前記連結手段は、前記水を凝縮するユニットに位置した第１連結要素と、前記液体流から気体流を分離するユニットに位置した第２連結要素、または、前記液体流から気体流を分離するユニットに位置した第１連結要素と、前記水を凝縮するユニットに位置した第２連結要素とを備え、
前記第１連結要素は、前記第２連結要素に合わせて設計されていることを特徴とする、請求項２に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項２２】
前記連結手段は、互いに関連したネジ山を有するネジやボルト、または互いに結合される凹部を有するラチェットやラッチであることを特徴とする、請求項２に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項２３】
前記水を凝縮するユニットと前記液体流から気体流を分離するユニットとの間の第１統合流体連結ユニットは、前記水を凝縮するユニット内に形成された多様な熱交換要素に流体接触することを特徴とする、請求項２に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項２４】
前記熱交換要素は、プレートまたはチューブであることを特徴とする、請求項２３に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項２５】
前記液体流から気体流を分離するユニットは、単一の区画を備えることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項２６】
１つまたは２つ以上のポンプが前記１つまたは２つ以上のポンプに対する少なくとも第５流体連結部を有する、前記液体流から気体流を分離するユニットに付着され、前記第５流体連結部は、追加的なシーリング要素によってシーリングされることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項２７】
前記１つまたは２つ以上のポンプは、前記第５流体連結を通じて前記統合処理ユニットから燃料混合物を吸入し、これを外部にポンピングする循環ポンプまたは取付けられた前記燃料タンクから濃縮された燃料を吸入し、これを前記液体流から気体流を分離するユニット内で燃料混合物と混合するために、前記第５流体連結にこれを注入することを特徴とする、請求項２６に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項２８】
前記第１統合流体連結は、前記水を凝縮する手段と前記液体流から気体流を分離するユニットとを連結する流体案内ユニットであることを特徴とする、請求項２に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項２９】
前記流体案内ユニットは、前記水を凝縮するユニットの開口から出る水および空気で構成される凝縮流を、前記液体流から気体流を分離するユニットの前記開口に案内し、前記水を凝縮するユニットと前記液体流から気体流を分離するユニットとの力学的連結を提供することを特徴とする、請求項２８に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項３０】
前記水を凝縮するユニットの一側に、ファンが固定手段を通じて取付けられていることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項３１】
前記流体案内ユニットは、前記水を凝縮するユニットと前記液体流から気体流を分離するユニットとの上部に位置していることを特徴とする、請求項２８に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【請求項３２】
前記流体案内ユニットは、四角形の形状を有することを特徴とする、請求項２８に記載のモジュール式直接メタノール燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、統合処理ユニットを有するモジュール式直接燃料電池システムに係り、特に、携帯装置に適用可能なモジュール式直接メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素および酸素の外部供給燃料から電気を発生させる電気化学的装置である。燃料電池で使われる典型的な反応物は、アノード側の水素とカソード側の酸素とである。燃料電池は、高効率性および理想的に排出ガスを伴わない利用のための現代の機器において、度々非常に魅力的なものと見なされる。大概、水素燃料電池の唯一の副産物は、水蒸気である。燃料電池には、様々な異なる類型があり、それぞれに、異なる化学的方法を利用している。燃料電池は、大概使用する電解質の類型によって分類される。ある類型の燃料電池は、固定された発電設備への適用に有用である。他の類型は、小型の携帯装置への適用、または燃料電池車両への適用に有用でありうる。
【０００３】
ＤＭＦＣは、二酸化炭素（ＣＯ２）を形成するために触媒層でのメタノール酸化に依存する。水は、アノードで消費され、カソードで発生する。水素イオン（Ｈ＋）は、水素イオン交換膜を経て、酸素と反応して水を発生させるカソードに移送される。電子は、アノードから外部回路を経由して外部装置に電力を提供するカソードまで移送される。ＤＭＦＣは、燃料から水素を抽出するリフォーマの使用を要しないという長所を有する。これは、ＤＭＦＣがコンパクトに設計される、例えば、モバイル通信装置用として設計されることを可能にする。
【０００４】
詳細には、ＤＭＦＣは、アノード、カソードおよびアノードとカソードとの間に介在される電解質膜で構成されている。メタノール水溶液が燃料として採用される。燃料供給源がアノードに燃料を供給するために燃料電池に連結されている。空気供給源がカソードに空気を供給する。排気流を冷却し、排気ガスから水を凝縮し、その水を燃料と混合するように排出するカソード排気ユニットに熱交換器が連結されている。凝縮された水は、燃料供給ユニットに再循環されてリサイクルされる。燃料は、予め水で希釈される必要がなく、これは、燃料電池のサイズをさらに減少させうる。
【０００５】
ＤＭＦＣシステムで不回避な一つの機能は、スタックの燃料排出口から排出される排出ガスからＣＯ２を分離することである。このような排出ガスは、メタノール、水およびＣＯ２の混合物を含む。燃料電池の適切な機能のためには、排気ガスをスタックに再循環させる前に、予め燃料混合ガスからＣＯ２を分離せねばならない。このような種類のＤＭＦＣシステムは、特許文献１および２に記載されている。後者は、燃料電池の排気ガスの流れから水を分離し、その水を再循環し、これを燃料と混合するためにＤＭＦＣシステムの熱交換器で水を凝縮する内容を説明している。
【０００６】
スタックの燃料排出口の下流に装着されるＣＯ２／燃料分離器で構成される燃料混合のためのアノードサイクルが、反応の流れからＣＯ２を除去し、これを排出口を通じて周囲に排出させる。混合器では、燃料混合ガスが燃料タンクからの濃縮燃料と混合される。燃料ポンプが燃料混合物をスタックの燃料流入口に再注入する。
【０００７】
このようなＤＭＦＣシステムの一般的な特徴は、異なる部品間での数多くの流体連結を要する点にある。このような事実は、製造において、大きな困難をもたらす。流体連結の組立ては、部品の複雑な幾何学的な形態によって非常に困難な作業であって、自動化において、問題をもたらす。しかも、これは、連結部の漏れおよび取違えによって品質面における大きな問題をもたらす。
【０００８】
このような問題を解決するための幾つかの方法が提案されている。
【０００９】
特許文献３には、ガス分配モジュール、燃料電池およびガスタンクモジュールを備えたモジュール式燃料電池システムが開示されている。
【００１０】
特許文献４には、生産の連続性のための概念が開示されている。数多くの異なるモジュール（燃料電池、タンク、熱交換器）がベースモジュールに連結されている。このような概念を使用することによって、異なる出力および／またはエネルギー範囲を有する燃料電池モジュールが同じ部品セットを使用して組立てられる。
【００１１】
このような概念のうち如何なるものもシステム部品の間の数多くの流体連結に関する問題によって発生する固有の品質問題を解決できない。かえって、従来のＤＭＦＣシステムにおいては、そのモジュール式セットによって、数多くの流体連結が増加してしまう。
【００１２】
【特許文献１】米国特許第６１１０６１３号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００４／００６２９６４号明細書
【特許文献３】国際公開第９９／６０６４４号パンフレット
【特許文献４】欧州特許第１４２９４０７Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、製造時に問題となるシステムの複雑性を画期的に低減可能な、新規かつ改良された燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の第１の観点によれば、底部と上部とを有するハウジング、ポンプ、燃料電池スタック、システム制御部およびハウジングに統合された燃料タンクを備えるモジュール式直接メタノール燃料電池システムが提供される。本燃料電池システムは、ハウジングに備えられ、水を凝縮するユニットおよび液体流から気体流を分離するユニットを統合した統合処理ユニットと、燃料電池スタックからの排出空気および排出燃料を統合処理ユニットに誘導する、燃料電池スタックと統合処理ユニットとの間の第１流体連結ユニットと、統合処理ユニットからの燃料混合物を燃料電池スタックに戻して誘導する、燃料電池スタックと統合処理ユニットとの間の第２流体連結ユニットと、燃料タンクからの燃料を統合処理ユニットに誘導する第３流体連結ユニットと、を備える。
【００１５】
また、上記統合処理ユニットは、水を凝縮するユニットと液体流から気体流を分離するユニットとを連結する連結手段と、水を凝縮するユニットと液体流から気体流を分離するユニットとの間の第１統合流体連結ユニットと、を備え、第１統合流体連結ユニットは、連結手段を使用して水を凝縮するユニットと液体流から気体流を分離するユニットとを連結することによって密閉され、かつシーリングされてもよい。
【００１６】
また、上記ポンプ、燃料電池スタック、統合処理ユニットおよび燃料タンクは、ハウジングの底部に互いに水平に隣合って配列されてもよい。
【００１７】
また、上記システム制御部は、ハウジングの底部に、ポンプ、燃料電池スタック、統合処理ユニットおよび燃料タンクが配列されているラインの後方に配列されており、システム制御部は、統合処理ユニットおよび燃料電池スタックのうち少なくとも何れか一つのセンサーから入力信号を受け取り、モジュール式直接メタノール燃料電池システムを制御する出力信号を出力してもよい。
【００１８】
また、上記燃料電池スタックと燃料タンクとは、統合処理ユニットの互いに反対側に配列されてもよい。
【００１９】
また、上記第１流体連結ユニットは、相互分離されている第１流体連結部と第２流体連結部とを備えてもよい。
【００２０】
また、上記第３流体連結ユニットは、燃料タンクからの燃料を燃料ポンプを経て統合処理ユニットに誘導する第３流体連結部と第４流体連結部とを備えてもよい。
【００２１】
また、上記燃料ポンプは、統合処理ユニットに統合され、
第３流体連結ユニットは、燃料タンクから統合処理ユニットの燃料ポンプまでの単一の流体連結部を備えてもよい。
【００２２】
また、上記第１流体連結ユニットの第１流体連結部は、燃料電池スタックからの空気/水の混合物を、水を凝縮するユニットに供給してもよい。
【００２３】
また、上記第１統合流体連結部は、水を凝縮するユニットと液体流から気体流を分離するユニットとの間で互いに対向する表面の間にシーリング要素を提供し、その表面での流体開口を通じて具現され、第１統合流体連結ユニットは、水を凝縮するユニットからの冷却された空気/水の混合物を、液体流から気体流を分離するユニットに提供してもよい。
【００２４】
また、上記水を凝縮するユニットの流体開口は、流体流入口または流体排出口であってもよい。
【００２５】
また、上記液体流から気体流を分離するユニットは、燃料から気体を分離する手段と水から空気を分離する手段とを備え、これらの間に第２統合流体連結ユニットを有してもよい。
【００２６】
また、上記第１流体連結ユニットの第２流体連結部は、燃料電池スタックからの燃料／気体混合物を、燃料から気体を分離する手段に提供してもよい。
【００２７】
また、上記燃料から気体を分離する手段には、分離された気体を周囲に排出する排気口が備えてもよい。
【００２８】
また、上記第４流体連結部は、燃料タンクからの燃料を燃料から気体を分離する手段に提供してもよい。
【００２９】
また、上記第２統合流体連結ユニットは、水から空気を分離する手段からの水を、燃料から気体を分離する手段に提供してもよい。
【００３０】
また、上記燃料から気体を分離する手段によって分離された気体は、ＣＯ２であり、燃料は、メタノールであってもよい。
【００３１】
また、上記燃料から気体を分離する手段と水から空気を分離する手段とが直接接触するように配列されており、第２統合流体連結ユニットは、凝縮された水を燃料システムに戻すことができるように、燃料から気体を分離する手段と水から気体を分離する手段との間の連結壁に位置した隔壁の流体開口であってもよい。
【００３２】
また、上記水を凝縮する手段は、熱交換器を備えてもよい。
【００３３】
また、上記シーリング要素は、ガスケット、接着剤またはハンダ付け物質からなる群から選択されるいずれか一つであってもよい。
【００３４】
また、上記連結手段は、水を凝縮するユニットに位置した第１連結要素と、液体流から気体流を分離するユニットに位置した第２連結要素、または、液体流から気体流を分離するユニットに位置した第１連結要素と、水を凝縮するユニットに位置した第２連結要素とを備え、第１連結要素は、第２連結要素に合わせて設計されてもよい。
【００３５】
また、上記連結手段は、互いに関連したネジ山を有するネジやボルト、または互いに結合される凹部を有するラチェットやラッチであってもよい。
【００３６】
また、上記水を凝縮するユニットと液体流から気体流を分離するユニットとの間の第１統合流体連結ユニットは、水を凝縮するユニット内に形成された多様な熱交換要素に流体接触してもよい。
【００３７】
また、上記熱交換要素は、プレートまたはチューブであってもよい。
【００３８】
また、上記液体流から気体流を分離するユニットは、単一の区画を備えてもよい。
【００３９】
また、上記１つまたは２つ以上のポンプが１つまたは２つ以上のポンプに対する少なくとも第５流体連結部を有する、液体流から気体流を分離するユニットに付着され、第５流体連結部は、追加的なシーリング要素によってシーリングされてもよい。
【００４０】
また、上記１つまたは２つ以上のポンプは、第５流体連結を通じて統合処理ユニットから燃料混合物を吸入し、これを外部にポンピングする循環ポンプまたは取付けられた燃料タンクから濃縮された燃料を吸入し、これを液体流から気体流を分離するユニット内で燃料混合物と混合するために、第５流体連結にこれを注入してもよい。
【００４１】
また、上記第１統合流体連結は、水を凝縮する手段と液体流から気体流を分離するユニットとを連結する流体案内ユニットであってもよい。
【００４２】
また、上記流体案内ユニットは、水を凝縮するユニットの開口から出る水および空気で構成される凝縮流を、液体流から気体流を分離するユニットの開口に案内し、水を凝縮するユニットと液体流から気体流を分離するユニットとの力学的連結を提供してもよい。
【００４３】
また、上記水を凝縮するユニットの一側に、ファンが固定手段を通じて取付けられてもよい。
【００４４】
また、上記流体案内ユニットは、水を凝縮するユニットと液体流から気体流を分離するユニットとの上部に位置してもよい。
【００４５】
また、上記流体案内ユニットは、四角形の形状を有してもよい。
【発明の効果】
【００４６】
本発明によれば、統合処理ユニットに多様なシステム機能を統合することにより、燃料電池システムの構成部品数を顕著に減少させ、構成部品間で限られた数の流体連結のみを要するようにすることで、システムの複雑性を画期的に低減可能とし、構造の簡素化、システムの製造性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００４８】
図１は、本発明による熱交換器組立体を採用した燃料電池供給システムの概略図である。燃料電池システムは、ＤＭＦＣシステムで具現される。燃料電池スタック１０は、空気流入口１１と空気排出口１３とを有する。空気ポンプまたはファン１２が空気流入口１１を通じてスタックカソードに反応空気を供給する。スタック１０の燃料排出口１６の下流に装着されたＣＯ２分離器２０で構成される、燃料を希釈させるためのアノードサイクルが、反応ガスからＣＯ２を除去し、これを排気口２１を通じて周囲に排出させる。混合器２２では、燃料の流れが燃料タンク３０からの純粋燃料と混合される。燃料ポンプ２３が希釈された燃料をスタック１０の燃料流入口１５に戻す。
【００４９】
熱交換器５０が燃料電池カソードの排気の流れに付加される。換気ユニット５５、例えば、ファンが熱交換器５０を冷却するために使われ、これにより、排出流の冷却および水の凝縮がなされる。このような二つの相の流れが排出口５２で熱交換器５０から出る。換気ユニット５５と熱交換器５０とは、本発明による熱交換器組立体を形成する。熱交換器５０の下流に水分離器６０が空気の流れから液体である水を分離するために装着される。分離された水は、凝縮ポンプ７０によって燃料電池システムのアノードサイクルに戻され、残留した水は、排出口６１を通じて周囲に排出される。
【００５０】
システムのための制御ユニット７６は、異なるセンサー、例えば、温度、レベル、濃度センサーおよびそれら以外の物から入力信号７７ａ,７７ｂを受ける。入力信号７７ａ,７７ｂを利用して、制御ユニット７６は、空気ポンプ１２、ファン５５のような能動的なシステム部品またはそれ以外のために出力信号７８ａ,７８ｂを出力する。
【００５１】
図１から明確に分かるように、システム部品の間には、多くの流体連結が必要である。これは、システム組立ての高コスト化をもたらし、システム内で相当な部分の空間を必要とし、組立て時の連結の取替えまたは作動時の連結の緩みによる品質問題をもたらす恐れがある。
【００５２】
図２は、本発明の一実施形態によるモジュール式直接燃料電池システムの概略図である。図示されたシステムの主要部品は、底部７１と上部７２とを備えるハウジング、燃料電池スタック１０、空気ポンプ７５、システム制御部７６、燃料タンク３０および統合処理ユニット（integrated process unit）８０である。統合処理ユニット８０は、少なくともスタック１０の空気排出口１３からの水を凝縮し、その水を排出口１３の空気から分離し、その水をアノードサイクルに戻し、スタック１０の燃料排出口１６からＣＯ２を分離し、燃料タンク３０からの凝縮燃料をアノードサイクルに混合する機能を統合する。これにより、燃料電池システムは、限られた数の流体連結のみを必要とする。これは、ほとんどの連結は、統合処理ユニット８０とその下位ユニットとの間に内部的に具現されるためである。図示された実施例では、スタック１０の排出口からの空気と排出口の燃料とを統合処理ユニット８０に誘導する二つの連結部１００,１００ａと、統合処理ユニット８０からの燃料混合物をスタック１０に戻すように誘導する一つの流体連結部１０１とを示す。また、燃料タンク３０からの濃縮燃料を、燃料ポンプ３１を経て統合処理ユニット８０に誘導する流体連結部１０２ａ,１０２がある。このような限られた数の流体連結によって、システム組立体は単純化され、コストを低減し、流体連結の失敗による品質問題を避けることができる。
【００５３】
図３には、燃料電池システムおよび統合処理ユニット８０の他の実施例が示されている。ここでは、燃料ポンプ３１と循環ポンプ２３とが統合処理ユニット８０に追加的に統合されている。これは、燃料電池システム内で流体連結の数を、スタック１０から統合処理ユニット８０に至る二つの連結部１００,１００ａ、統合処理ユニット８０からスタックに至る一つの連結部１０１、および燃料タンク３０から統合処理ユニット８０に至る一つの連結部１０２にさらに減少させる。
【００５４】
図４は、統合処理ユニット８０の設計のための主要思想を開示する第１実施例についての図２の統合処理ユニットの概略図である。ハウジング上部７２の内部に装着される統合処理ユニット８０は、少なくとも二つの下位ユニットであるコンデンサーや熱交換器５０および気体／液体分離下位ユニット９０を備える。後者は、相互に流体連結をなす、例えば隔壁の開口２５を伴う、ＣＯ２／燃料分離区画２０および空気／水分離区画６０を少なくとも備える。このような実施例では、ＣＯ２／燃料分離区画２０も混合器として機能する。
【００５５】
スタック１０の空気排出口１３から空気/水の混合物が空気連結部１００を通じて熱交換器５０に流入される。混合物は、液体である水を凝縮させるために冷却される。このような冷却された混合物は、開口５３,６３によって形成される連結を通じて空気／水分離区画６０に流入される。この区画６０では、空気から液状の水が分離される。空気は、空気排出口６１を通じて周囲に排出される。
【００５６】
スタック１０の燃料排出口１６からのＣＯ２／燃料混合物が、連結部１００ａを通じてＣＯ２／燃料分離区画２０に流入される。この区画２０では、ＣＯ２が燃料混合物から分離されて排気口２１を通じて周囲に排出される。燃料タンク３０からの濃縮燃料は、燃料連結部１０２を通じてＣＯ２／燃料分離区画２０に注入され、空気／水分離区画６０で凝縮されて分離された水は、連結部２５を通じてＣＯ２／燃料分離区画２０に注入される。
【００５７】
このように再生された燃料混合物は、連結部１０１を通じて燃料電池スタック１０に再び注入される。
【００５８】
熱交換器５０は、気体／液体分離下位ユニット９０に隣接した表面で流体流入口または流体排出口である少なくとも一つの流体開口５３を有する。気体／液体分離下位ユニット９０は、対向する表面に設けられた流体開口６３を有する。ガスケット、接着剤、ハンダ付け物質または他の類型のシーリング材でありうるシーリング要素９５がその間に位置している。
【００５９】
組立体のための連結要素９６,９６ａは、それに対応する要素９７,９７ａに合わせて設計されている。連結要素９６,９６ａ、９７,９７ａは、関連したネジ山を有するネジまたはボルト、結合される凹部を有するラチェットまたはラッチでありうる。
【００６０】
このような幾何学的な配列により、二つの下位ユニット５０,９０の組立てが、連結要素を通じる力学的連結と流体開口５３,６３およびシーリング要素９５によって形成される流体連結のシーリングとが、流体連結のための追加的なチューブやホースを必要とせず、一つの段階として実現される方式が達成される。
【００６１】
本発明の思想によれば、統合処理ユニット８０の下位ユニットの間の様々な流体連結は、相互連結する下位ユニットの相互対向する表面に流体開口を配列することによって、そして、組立て工程中またはその以前にシーリング要素をその間に適用することによって密閉される。
【００６２】
本発明の思想のさらに詳細な点においては、統合処理ユニット８０をハウジングの底部７１または燃料電池システムの他の部品に連結するために、追加的な連結要素９８,９８ａが適用される。
【００６３】
図５は、第２実施例についての図３の統合処理ユニット８０の概略図である。ここでは、熱交換器排出口５２が熱交換プレートやチューブなどである多様な熱交換要素５４に関連付けられる。熱交換器排出口５２は、気体／液体分離下位ユニット９０の流体開口６３に直接連結されている。組立て中にシーリング要素９５がその間に適用される。
【００６４】
このような実施例では、気体／液体分離下位ユニット９０が単一区画に組立てられ、例えば、水からの空気の分離および燃料からのＣＯ２の分離は、このような単一区画内で実行される。このような工程は、凝縮された水と燃料との混合を直接もたらし、隔壁および流体案内手段のための空間を縮小する。
【００６５】
このような実施例の長所は、熱交換器排出口５２と空気／水分離器６０の流入口との間で流体連結内部の圧力降下を減少させ、これは、空気ポンプのための電力消耗を減らす。
【００６６】
さらに詳細には、１つまたは２つ以上のポンプ２３が流体連結部１１０で統合処理ユニット８０に直接付着される。その連結部１１０は、さらに他のシーリング要素９５によってシーリングされる。このようなポンプは、流体連結部１１０を通じて気体／液体分離下位ユニット９０から燃料混合物を吸入し、これをスタックのアノード流入口１５にポンピングする循環ポンプでありうる。それはまた、燃料タンク３０から濃縮燃料を吸入し、これを気体／液体分離下位ユニット９０内で燃料混合物と混合するために、これを流体連結部１１０に注入する燃料ポンプ３１であり、またはポンプ２３,３１の両方でもありうる。
【００６７】
第３実施例は、図６に示されている。統合処理ユニット８０の二つの主要部品の熱交換器５０と気体／液体分離下位ユニット９０とは、流体案内ユニット９１を通じて連結されている。このような流体案内ユニット９１は、二つの機能を有している。第一の機能は、熱交換器排出口５２からの水と空気とで構成される凝縮の流れを、流体案内ユニット９１の中空部内に形成されている流体連結部５７を経て気体／液体分離下位ユニット流入口６３に案内することである。第二の機能は、熱交換器５０と気体／液体分離下位ユニット９０とを力学的に連結することである。流体連結および力学的組立ては、何れも流体案内ユニット９１を熱交換器５０と気体／液体分離下位ユニット６３とに取付けられることによって行われる。
【００６８】
このような実施例の追加的な詳細な点によって、ファン５５が適切な固定要素９９,９９ａを通じて統合処理ユニット８０に付着される。これは、全体システムの組立てを単純化させる。
【００６９】
本発明の思想によれば、いかなる構造の気体／液体分離下位ユニット９０と熱交換／凝縮ユニット５０とに対しても同時に力学的組立ておよび流体連結を行う結合が可能である。本発明の追加的な実施例では、システムの他の部品のハウジングの底部に対して連結要素９８,９８ａが設けられてもよい。ポンプやファンのような追加的なシステム部品は、システム構造および製造を単純化させるために統合処理ユニット８０に付着される。
【００７０】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、モジュール式直接液体燃料電池システムに関連する技術分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の一実施形態によるモジュール式直接メタノール燃料電池システムの概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による統合処理ユニットを開示するモジュール式直接メタノール燃料電池システムの概略的な部分斜視図である。
【図３】本発明の他の実施形態による統合処理ユニットを開示するモジュール式直接メタノール燃料電池システムの概略的な部分斜視図である。
【図４】図２の統合処理ユニットの概略的な分解斜視図である。
【図５】図３の統合処理ユニットの概略的な分解斜視図である。
【図６】本発明のさらに他の実施形態による統合処理ユニットの概略的な分解斜視図である。
【符号の説明】
【００７３】
１０    燃料電池スタック
１１    空気流入口
１２    ファン
１３    空気排出口
１５    スタック燃料流入口
１６    スタック燃料排出口
２０    ＣＯ２分離器
２１    排気口
２２    混合器
２３    燃料ポンプ
３０    燃料タンク
３１    燃料ポンプ
５０    熱交換器
５２    排出口
５３    流体開口
５４    熱交換要素
５５    換気ユニット
５７    流体連結部
６０    空気／水分離区画
６１    空気排出口
６２    凝縮連結部
６３    流体開口
７０    凝縮ポンプ
７１    底部
７２    上部
７５    空気ポンプ
７６    システム制御部
７７ａ，７７ｂ    入力信号
７８ａ，７８ｂ    出力信号
８０    統合処理ユニット
９０    気体／液体分離下位ユニット
９１    流体案内ユニット
９５    シーリング要素
９６，９６ａ    連結要素
９７，９７ａ    連結要素に対応する要素
９８，９８ａ    連結要素
９９，９９ａ    固定要素
１００，１００ａ    流体連結部
１０１，１０１ａ    流体連結部
１０２，１０２ａ    流体連結部
【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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【図６】
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