JP3837384B2

JP3837384B2 - Degassing PEM fuel cell system

Info

Publication number: JP3837384B2
Application number: JP2002543715A
Authority: JP
Inventors: グラッソ，アルバート，ピー．
Original assignee: ユーティーシーフューエルセルズ，エルエルシー
Priority date: 2000-11-15
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2021-10-23
Also published as: AU2002239476A1; WO2002041415A3; WO2002041415A2; DE10196910T1; JP2004514258A

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、高分子電解質膜（ＰＥＭ）型燃料電池システム内の冷媒管理の方法およびシステムに関する。より詳細には、本発明は、燃料電池システムの冷媒流れ回路内の、真空装置、特にエダクタ、の有益な使用に関する。
【０００２】
【背景技術】
燃料電池システム、特に高分子電解質膜（ＰＥＭ）を有する燃料電池システム、の構成および作動において、冷媒、通常は水、の管理は、困難かつ重要である。冷媒システムが、膜電解質が確実に乾燥しないようにもしながら燃料電池スタックからの生成水の除去を維持するためのかぎになっているので、ＰＥＭ型燃料電池システムの冷媒流れ回路内の水の圧力、流量、体積、性質は、システムの連続した効率的な作動にとって重要である。冷媒水中の気体の存在が、対処する必要のある水管理の問題を生じさせる。スタック内の隣接する燃料電池の間に冷媒分配媒体として機能する水移動プレート（ＷＴＰ）を使用するＰＥＭ型燃料電池スタックにおいては、システム内に存在する反応物気体は、冷媒水と密接に接触し、その中に飛沫同伴されることおよび溶解することの少なくとも一方が容易に行われる。従って、冷媒管理システムは、２つの相または状態の流体、すなわち気体と液体、の循環を取り扱う必要がある。これは、１つまたは複数の容積式ポンプなどの体積流れ装置を用いて行い得るし、行われてきた。しかしながら、このようなポンプは、相対的に複雑かつ高価である。さらに、いくつかの点では、飛沫同伴される気体を再循環する冷媒から分離するのがより望ましい。水素（Ｈ₂）および二酸化炭素（ＣＯ₂）の少なくとも一方などのいくつかの気体を冷媒から除去することは、冷却システム内でそれらの濃度が増大するのを防止するのに不可欠である。逆に、いくつかの分離または脱気機構は、冷媒を空気で飽和させるのに実際に寄与し得る。
【０００３】
【発明の開示】
本発明は、水輸送プレート（ＷＴＰ）を含むＰＥＭ型燃料電池システム内の水冷媒を管理する方法およびシステムを含む。本発明は、気体がＷＴＰに接触することもあるので循環する冷媒の中に気体が飛沫同伴されることおよび溶解することの少なくとも一方が容易に行われる種類のＰＥＭ型燃料電池システム内での真空装置を有する気体−液体分離手段の使用を含む。好ましい実施態様における真空装置は、吸入を介して気体または気体−液体混合物を輸送する、エダクタ（すなわち、エゼクタ）などの真空ポンプである。気体−液体分離は、少なくとも効率的な気体の輸送を含み、好ましくは、気体−液体分離を促進しかつ液体冷媒を蓄積する分離器手段および蓄積器手段の少なくとも一方の使用も含む。さらに、遠心ポンプまたは他の同様な動的ポンプなどの相対的に単純でありかつ高価でない冷媒ポンプが、冷媒システム内の冷媒水に循環推進力および駆動圧力を提供する。
【０００４】
燃料電池スタック組立体（ＣＳＡ）の中にありかつＣＳＡのためのアノード反応物流路およびカソード反応物流路に加えて、ＣＳＡは、水移動プレート（ＷＴＰ）を含む冷媒流路または冷却器をさらに備える。気体がＷＴＰを通って流れる間に、液体冷媒の中に飛沫同伴されることおよび溶解することの少なくとも一方が行われた、空気、水素、二酸化炭素などの気体は、エダクタなどの真空装置および付加的な分離器／蓄積器手段の助けにより冷媒から除去される。分離器／蓄積器手段は、例えば、サイクロン分離器／蓄積器および気泡捕集器分離器／蓄積器の少なくとも一方とすることができる。
【０００５】
エダクタは、一次入口または推進入口、二次入口または吸入入口、吐出流出口または吐出出口を含む。冷媒ポンプからの冷媒水は、エダクタの推進入口へ供給される。エダクタの吸入入口は、真空が少なくとも気体状の部分をエダクタへおよびエダクタを通して引っ張るように、飛沫同伴された気体の相対的な分離を可能とするよう設計された冷媒回路の区域へ接続される。分離器／蓄積器は、さらなる気体分離および冷媒回路へ戻すための液体冷媒の蓄積のために、エダクタから流出物を受け取る。
【０００６】
一実施態様において、気体／液体混合物冷媒は、真空によりエダクタを通して引っ張られ、次いでその後分離される。蓄積された液体冷媒は、次に、冷媒ポンプへ供給される。別の実施態様においては、気体の液体からの予備的な分離が、気泡捕集器分離器などを含み、それによって、エダクタは、捕集器から主に気体を引っ張る。残りの液体冷媒は、まず冷媒ポンプへ供給され、次に、流れは、冷媒回路へ戻る前に、エダクタの推進入口とさらなる分離器／蓄積器との間で分割される。分離された気体すなわち空気、水素、二酸化炭素などは、システムから排出でき、あるいは、空気の場合は、ＣＳＡのカソードにおける酸化剤反応物として使用するために戻すことができる。脱塩装置が、所望の水質を維持するように並列フィードバック関係で冷媒ポンプに接続できる。
【０００７】
本発明の上述した特徴、利点は、添付の図面に例示される、本発明の例示的な実施態様の以下の詳細な説明に照らして、より明らかになるでろう。
【０００８】
【発明を実施するための最良の形態】
図１をまず参照すると、全体が参照番号１０により示される燃料電池電力システムが概略図示されており、この燃料電池電力システム１０は、１つまたは複数の燃料電池スタック組立体（ＣＳＡ）１２と、全体が１４で示される付随する冷媒管理システムとを含む。ＣＳＡ１２は、ＰＥＭ型電池と呼ばれる高分子電解質膜１６を利用する種類のものとすることができ、ライザー（Ｒｅｉｓｅｒ）に付与された米国特許第５，７００，５９５号においてより十分に開示されている。膜１６は、アノード燃料反応物の流れの場領域１８とカソード酸化剤反応物の流れの場領域２０との間に配置される。水素に富んだ燃料反応物の気体が、燃料制御弁１７を含むライン１５を介してアノード領域１８へ供給される。空気などの酸化剤が、以下においてより十分詳細に説明するように、例えば戻りライン１９を介して１つまたは複数の供給源からカソード領域２０へ供給される。
【０００９】
さらに、ＣＳＡ１２は、入口２７および出口２９を有する冷却器２２を含み、この冷却器２２は、冷媒水をＣＳＡ１２へおよびＣＳＡ１２から導くように冷媒の流れの場を提供する。冷却器２２は、ここには図示していないが、上述した米国特許第５，７００，５９５号においてより十分に記載されている、微細な孔を有する水輸送プレート（ＷＴＰ）を含む。ＷＴＰに亘ってＷＴＰを通って流れる冷媒水は、ＣＳＡ１２内の隣接する燃料電池の間の反応物気体のクロスオーバを防止するのを助けるが、この過程では、いくらかの反応物気体が、冷媒水の中に飛沫同伴されることおよび溶解することの少なくとも一方が行われるようになる。飛沫同伴／溶解気体は、通常、空気、水素を含み、改質油燃料を使用する場合は、二酸化炭素をさらに含む。冷媒がＣＳＡ１２を通って流れる間に冷媒にいくらかの空気が導入されると同時に、空気は、以下に説明する脱気装置分離器を冷媒が通って流れる間の「ストリッピング」または「パージ」作動中にも冷媒によって獲得される。一般に、脱気の前または後において冷媒中に飛沫同伴／溶解される気体の最も大きな量は、ストリッピング媒体として使用される空気である。
【００１０】
冷媒管理システム１４は主として、再使用のためにＣＳＡ１２へ冷媒水を戻す実質的に閉じた供給回路である。従って、冷媒は、熱移動、加湿、反応物障壁、単純化されたポンプ輸送などを含む多くの理由により液体状態であることが好ましい。さらに、水素、二酸化炭素などの潜在的に危険な気体が、冷媒システム１４内に蓄積しないようにすることが好ましい。しかしながら、上に説明したように、ＣＳＡ１２から流出する冷媒は、通常、かなりの量の気体、一般に空気、さらに水素など、を含む。従って、冷媒管理システム１４は、液体状態の冷媒を冷媒ループを通して効率的にポンプ輸送する備えを含むとともに、ＣＳＡ１２から流出する冷媒中の気体および気体−液体混合物の少なくとも一方を分離器へ輸送するのを促進する備えを含む。この目的のために、本発明は、冷媒管理システムすなわち回路１４内に、遠心冷媒ポンプ２４などの液体ポンプと、気体輸送および分離機構２６とを提供する。
【００１１】
ポンプ２４は、従来の構成の遠心ポンプであり、相対的に単純、効率的で、商業上入手できる。ポンプ２４は、入口２３、出口２５を有しており、以下に説明するように液体冷媒すなわち水であって液体−気体混合物ではないものをポンプ輸送する必要があるだけなので、必要な冷媒圧力上昇を与えるのに使用できる。理解されるように、飛沫同伴される気体だけが気相としてポンプに効果的に現れるので、冷媒中に溶解する気体は、飛沫同伴される気体により生じるポンプ輸送上の問題をこの種のポンプには与えない。
【００１２】
気体輸送および分離機構２６は、図１に概略図示されており、真空ポンプ２８などの真空装置と、分離器／蓄積器３０とを含み、ＣＳＡ１２の冷却器２２の下流の気体−液体冷媒混合物の領域と、ポンプ２４への入口２３との間の冷媒回路１４内に接続される。真空ポンプ２８の吸入は、気体または気体−液体混合物を輸送する相対的に効率的な手段を提供し、具体的な実施態様に関して以下においてより十分詳細に説明するように、分離器／蓄積器３０を用いて気相と液相との分離および液体の蓄積を行う。結果として得られる蓄積された液体冷媒は、次に、冷媒ポンプ２４の入口２３へ供給される。パージ空気またはストリッピング空気の供給源が、ライン３２を介して分離器／蓄積器３０へ供給され、冷媒回路１４からの水素および二酸化炭素などの溶解したまたは飛沫同伴された気体の分離および除去を促進させ、空気は、次に戻りライン１９を介してカソード２０へさらに運ばれ得る。実際、ストリッピング空気の供給源は、カソード２０から排出される空気とすることができる。
【００１３】
脱塩装置３４が、望ましくない無機物質を冷媒水から除去するように、冷媒ポンプ２４に並列にその出口２５から入口２３へ接続できる。調整弁３７を介してＣＳＡ１２へ冷媒が流入する前に、例えば電気加熱器３６によって冷媒を適切に加熱する手段が提供される。しかしながら、冷媒がＣＳＡ１２を通って流れる間に冷媒に必要とされる熱は、その後、必要ならば、ラジエータ／ファン組合せ３８などの熱交換器を使用することによって、調整および放散できる。ラジエータ／ファン３８は、変化の範囲を備えることができ、あるいは、所定の大きさに作られかつ最大必要量だけに対して固定でき、所望の変化は、多方向熱制御弁４２を介してラジエータ／ファン３８と並列に接続されるバイパス冷媒区間（ｌｅｇ）４０を介して得られる。燃料処理システム（図示せず）からの凝縮液が、冷媒回路１４に、好ましくは分離器２６の直前に、接続される制御弁４４を介して冷媒回路へ付加できる。
【００１４】
より具体的な実施態様の文脈で本発明をより良く理解するために図２をここで参照する。図１に関して記載されているのと同一または同様の構成要素には、同じ（または派生する）参照番号が付与されており、同じことが、以降の図面にも適用される。図２には、図１に図示される基本的な一般的なシステムに類似している燃料電池電力システム１０が図示されるが、詳細な実施態様として気体−液体分離機構２６’を示す。図１の真空ポンプ２８は、ここでは、液体エダクタ２８’として図示されかつ説明されており、分離器／蓄積器３０は、サイクロン分離器／蓄積器３０’である。ライン３２を介して分離器／蓄積器３０’へ供給される空気は、可変速空気送風機４６により供給される。
【００１５】
液体エダクタ２８’は、図３、図４、図５においてより十分詳細に理解されるが、一般に知られる作動原理および構成である。例えば、燃料電池環境において使用されるエダクタまたはエゼクタは、いずれも本発明の出願人に譲渡されている米国特許第５，４１９，９７８号、第５，０１３，６１７号、第４，７６９，２９７号、第３，９８２，９６１号に開示されている。これらの例の大部分は、これら従来のエダクタへの一次流体は、気体であるのに対し、本発明の例では、一次流体は、液体である。商業上入手できるエダクタは、本発明の適用に十分であり得るとはいえ、これらは、所望の効率を与えない可能性があり、以下に説明するように、さらなる設計上の最適化が必要となり得る。液体エダクタは、運動量の装置であり、低密度気体の気泡が通常の冷媒水の流れより速くポンプ輸送され、それによって、液体エダクタは、含有される気体のための効果的かつ効率的なポンプとなる。
【００１６】
液体エダクタ２８’は、さまざまな形状をとるが、本発明の例では、上述した米国特許第３，９８２，９６１号に記載されているものにいくぶん類似している平らな形状を都合よく用いる。ここに図示されるエダクタ２８’は、内部に形成された窪んだ座部４９を有する基部プレート４８と；座部４９に着座された約０．０６０インチ（０．１５ｃｍ）の累積厚みを有する１つまたは複数のシリコーンシールシート５０と；約０．０７インチ（０．１８ｃｍ）の断面を有し、同様に座部４９に着座されて周囲のシールを形成するシリコーンＯリング５２と；図４、図５に図示される流体通路形状が下面に機械加工された上部プレート５４とから構成される。上部プレート５４と基部プレート４８とは、留め具または結合によって、組み合わされかつ液密関係に保持される。
【００１７】
図４、図５を参照すると、エダクタ２８’の上部プレート５４は、加圧された液体冷媒を受け取る推進入口開口部５６と；気体または気体−液体混合物を受け取る吸入入口開口部５８と；２つの入口から受け取られた混合された生成物流体を吐出する吐出流出口開口部６０とを含む。推進入口５６は、付随する推進流体流路５６’を有しており、この推進流体流路５６’は、吐出流出口６０へ延びる混合流路６２と整列される。一対の吸入流体流路５８’が、吸入入口５８から、推進流体流路５６’および混合流路６２と交差する位置まで、推進流体流路５６’の周りにある。この交差する領域のベンチュリによって、吸入入口５８の流体が、エダクタ２８’内へ吸入され、流出口６０において吐出するように推進流体と混合される。混合流路の長さは、その幅または直径の約１０倍であり、ディフューザ区域６４が、１０⁰以下の小さな発散角を有する。これによって、流体の混合が促進され、吸入入口５８における推進流体により生成される真空が高まる。示された例では、約５．０ｐｓｉｇ（３４ｋＰａｇ）の真空が、推進入口５６において１２ｐｓｉｇ（８２ｋＰａｇ）の冷媒圧力を用いて確立される。
【００１８】
図２に図示されるように、加圧冷媒供給ライン６６は、冷媒ポンプ２４の出口２５からエダクタ２８’の推進入口５６へ接続される。また、エダクタ２８’の吸入入口５８は、例えば熱制御弁４２に続く気体−液体冷媒混合物を含む領域における冷媒回路１４へライン６７を介して接続される。エダクタ２８’の吐出流出口６０は、液体冷媒からの気体の分離を完了させかつ残りの冷媒水を蓄積するように、サイクロン分離器／蓄積器３０’の中へ接線方向に向けられる。
【００１９】
分離器／蓄積器３０’の少なくとも分離器部分は、円形または円柱状の形状の容器であり、接線方向に流入する水は、分離器部分の内径周りに旋回させられ、容器の底部へ落とされまたは滝のように落とされ、そこで、水は、分離バッフル６８を含む蓄積器部分内に集められる。同時に、送風機４６からのパージ空気またはストリッピング空気の流れが、下降する冷媒水を通って上方へ流れ、冷媒から気体をストリッピングしかつ自由な気体をバージ空気の流れの中へ飛沫同伴させるように機能して、重要なことには、冷媒中の溶解から出てきた水素あるいは二酸化酸素などの溶解気体を、パージ空気の流れの中へ飛沫同伴されるようにする。この後者の機構は、エダクタ２８’が与える相対的な真空によって促進される。次に、バージ空気の流れは、霧取り（ｄｅｍｉｓｔｉｎｇ）スクリーン７０を通って流れる。このように分離された気体は、システムから排気でき、それによって、冷媒回路１４内の水素の蓄積が低減される。しかしながら、分離器／蓄積器３０から流出する気体状の流れの大部分は、空気なので、図示するように、カソード２０のための酸化剤の供給源としてライン１９を通して戻すことができる。蓄積器部分内に集められた水は、今では空気以外は飛沫同伴／溶解される気体が相対的に除かれている。水の中に残っている気体の大部分は、一部がストリッピング空気から得られたものであるが、溶解している形態での空気となり、ライン７２を介して冷媒ポンプ２４の入口２３へ接続される。
【００２０】
図２の実施態様の構成は、液体冷媒中に飛沫同伴される気体を分離／輸送するのにエダクタを使用できるとはいえ、理解されるように、気体ばかりでなく、冷媒回路１４内の実質的に全ての液体も、エダクタ２８’の吸入入口５８を通って流れる必要がある。この条件は、気体のための真空ポンプとしてのエダクタの効率に悪影響を及ぼし、その全体のポンプ輸送能力を制限する。この理由から、エダクタの吸入入口５８を通って流れる必要のある液体冷媒の量を最低限に抑え、それによって、主にエダクタを液体により駆動される気体ポンプにすることが好ましい。
【００２１】
従って、図６には、図２の実施態様と同じ構成要素および機能を多く有するが、吸入入口５８を通ってエダクタ２８’内へ吸い込まれる実質的な量の液体冷媒を必要としないという点が異なる、燃料電池電量子ステム１０’の実施態様が開示される。その代わりに、液体エダクタ２８’は、気体ポンプとして最も効率的に機能するように接続される。重要なことには、この実施態様の分離機構２６’’は、図２の実施態様のサイクロン分離器／蓄積器３０’ばかりでなく、この例では気泡捕集器１３０の形態であるさらなる分離器／蓄積器装置も使用する。
【００２２】
気泡捕集器１３０は、多数のバッフル１３２を有する概略細長い容器から構成され、これらのバッフル１３２は、気泡捕集器１３２の一端の方にある液体冷媒／気体流入ポート７４と、通常は下部になる他端にまたは他端の近くにある液体冷媒流出ポート７６との間に、１つまたは複数の曲がりくねった流体経路を形成するように配置される。また、気体流出ポート７８が、液体冷媒流出ポート７６に対して反対側で、通常は上部になる、流体経路の末端に設けられる。ＣＳＡ１２から吐出される液体冷媒−気体混合物は、気泡捕集器１３２の流入ポート７４に接続され、液体冷媒流出ポート７６は、冷媒ポンプ２４’の入口２３’に接続され、気体流出ポート７８は、ライン６７’を介してエダクタ２８’の吸入入口５８に接続される。液体冷媒−気体混合物が、気泡捕集器１３０のバッフル付きの１つまたは複数の経路を通って流れる間に、エダクタ２８’の吸入真空により気体流出ポート７８において生成される減圧が、飛沫同伴気体の気泡を上方へかつ気泡捕集器からエダクタの吸入入口５８を通して引っ張る。同様に、減圧は、溶解気体の一部を、冷媒との溶解から出てくるように、かつ吸入入口５８を通して引っ張られるようにする。逆に、より重い冷媒水は、今では気体混合物の大部分が除かれ、液体冷媒流出ポート７６へ下降してかつそこに蓄積し、そこで、次には冷媒ポンプ２４’へと運ばれる。
【００２３】
このように、冷媒ポンプ２４’は、回路１４内にポンプ輸送するために実質的に液体冷媒だけを受け取り続け、エダクタ２８’は、冷媒水の大部分を吸入入口５８を通して輸送する必要のない効率的な真空ポンプとして機能できる。実際、冷媒ポンプ２４’から流出する脱気された冷媒水は、エダクタ２８’の推進入口５６と、直接にサイクロン分離器／蓄積器３０’との両方へライン６６’を介して供給され、後者の経路は、これら２つの経路の間の流れの相対的な割合を調整する調整弁８０を含む。分離器／蓄積器３０’は、上述したように作動し続け、より大きな程度の気体−液体分離が、これら２つの流体がこの装置へ到達する前に起こる。同様に、パージ空気またはストリッピング空気が、ライン３２を介して供給され、燃料処理システムからの凝縮液が、ここでは、エダクタ２８’の吸入入口５８を介さずに分離器／蓄積器３０’へ直接供給される。最後に、分離器／蓄積器３０’の蓄積器部分は、冷媒回路１４へ直接戻るように液体冷媒を吐出し、この例では冷媒ポンプ２４’は、上述したように気泡捕集器分離器１３０からその冷媒水入力を受け取る。
【００２４】
本発明の特徴を組み込んだ燃料電池電力システム１０’の通常の冷媒回路１４まわりに生じる典型的な圧力利得および損失を理解するために、図７をここで参照する。冷媒回路１４は、周囲圧力付近で作動し、回路のいくつかの部分は、周囲より少し圧力が高く、いくつかの部分は、周囲より少し圧力が低い。冷媒ポンプ２４’と、気体−液体輸送、分離、蓄積機構２６’’とは、約−５．０ｐｓｉｇ−３４ｋＰａｇ）と＋１２．０ｐｓｉｇ（８３ｋＰａｇ）との間で作動するようにここでは図示されるが、わずかにより広い範囲またはより狭い範囲も可能である。分離器／蓄積器３０’からの出口においてパージされる空気および液体冷媒の圧力は、ここでは、周囲における基準、すなわち０ｐｓｉｇ（０ｋＰａｇ）として機能する。ＣＳＡ１２へ向かう冷媒回路１４の流れに続き、冷媒は、調整弁３７を渡って、１．５ｐｓｉ（１０ｋＰａｇ）の降下または差（ｐｓｉｄ）を経験する。０．５ｐｓｉ（３．５ｋＰａｇ）の降下が、遮断弁８２を渡って生じる。ＣＳＡ１２の冷媒領域２２を渡る圧力降下は、約２．５ｐｓｉ（１７ｋＰａｇ）であり、さらなる０．５ｐｓｉ（３．５ｋＰａｇ）の降下が、遮断弁８４を渡って生じる。この位置までに、冷媒システム圧力が、ここで−５．０ｐｓｉｇ（−３４ｋＰａｇ）となるように、圧力は、５．０ｐｓｉ（３４ｋＰａｇ）降下している。その後、ＣＳＡ１２からの気体−液体冷媒混合物は、気泡捕集器分離器／蓄積器１３０を通って流れ、ここでは、エダクタ２８’の吸入入口において確立された真空が、冷媒から気体を抜き出すのに十分となる必要がある。エダクタ２８’（図３〜図５に図示される）の可能な最大真空は、１２ｐｓｉｇ（８３ｋＰａｇ）の入口水圧力において５ｐｓｉｇ（３４ｋＰａｇ）を超え、それによって、システム真空レベルにおいて気体をポンプ輸送するマージンが生じる。冷媒ポンプ２４’への入口におけるゲージ圧力が、−５．１ｐｓｉｇ（−３５ｋＰａｇ）となるように、分離器／蓄積器１３０を渡る液体冷媒の圧力降下は、約０．１ｐｓｉ（０．７ｋＰａｇ）である。エダクタ２８’の推進入口へ流入する冷媒圧力が、＋１２．０ｐｓｉｇ（８３ｋＰａｇ）となるように、ポンプ２４’は、約１７．１ｐｓｉ（１１８ｋＰａｇ）の圧力上昇または差（ｐｓｉｄ）を与える。これは、エダクタの吸入入口において必要な真空を生成するのに十分である。増加されたポンプ輸送マージンが必要な場合は、エダクタ２８’の推進入口への入口圧力を上昇させることによって、同様に真空が向上することになる。エダクタ２８’からのこの吐出は、分離器／蓄積器３０’へ向けられ、そこで、圧力は再び周囲圧力になる。パージ空気が、冷媒システムから分離された空気気体をさっと流し、冷媒は、再循環する。さらに、ポンプ２４’から分離器／蓄積器３０’への液体冷媒の主な流量は、熱交換器３８を介してのものであり、この熱交換器３８を渡って圧力は、周囲圧力へと１２ｐｓｉ降下する。
【００２５】
図１の真空ポンプ２８の好ましい実施態様は、エダクタ２８’であるが、ダイアフラムポンプなどの他の真空型機構も本発明の範囲内である。同様に、サイクロン分離器／蓄積器３０’および気泡捕集器分離器／蓄積器１３０の少なくとも一方が好ましい例であったが、他の種類の分離器および蓄積器の少なくとも一方も、組み合わされていようと別々であろうと、本発明の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に概略従った冷媒管理システムを有する燃料電池電力システムの概略図。
【図２】本発明の一実施態様に従った冷媒管理システムを有する燃料電池電力システムの概略図。
【図３】本発明の冷媒管理システムに組み込まれる水エダクタの分解組立体図。
【図４】エダクタ流れ流路の配置および輪郭を示す、図３のエダクタの上部プレートの下面図。
【図５】より十分詳細にエダクタ流れ流路を示す、図４の囲み部分の拡大図。
【図６】本発明の好ましい実施態様に従った冷媒管理システムを有する燃料電池電力システムの概略図。
【図７】冷媒回路まわりの例示的な圧力利得／損失を与える、図６のものと同様の本発明の実施態様に従った冷媒管理システムを有する燃料電池電力システムの簡略概略図。[0001]
【Technical field】
The present invention relates to a refrigerant management method and system in a polymer electrolyte membrane (PEM) type fuel cell system. More particularly, the present invention relates to the beneficial use of vacuum devices, particularly eductors, in the refrigerant flow circuit of fuel cell systems.
[0002]
[Background]
In the construction and operation of a fuel cell system, particularly a fuel cell system having a polymer electrolyte membrane (PEM), management of the refrigerant, usually water, is difficult and important. Since the refrigerant system is the key to maintaining the removal of produced water from the fuel cell stack while ensuring that the membrane electrolyte does not dry, the water pressure in the refrigerant flow circuit of the PEM fuel cell system The flow rate, volume, and nature are critical to the continuous and efficient operation of the system. The presence of gas in the refrigerant water creates water management problems that need to be addressed. In a PEM fuel cell stack that uses a water transfer plate (WTP) that functions as a refrigerant distribution medium between adjacent fuel cells in the stack, the reactant gas present in the system is in intimate contact with the refrigerant water. , At least one of being entrained and dissolved therein is easily performed. Thus, the refrigerant management system needs to handle the circulation of two phases or states of fluid, gas and liquid. This can and has been done using a volumetric flow device such as one or more positive displacement pumps. However, such pumps are relatively complex and expensive. Furthermore, in some respects, it is more desirable to separate entrained gas from the recirculating refrigerant. Removing some gases from the refrigerant, such as at least one of hydrogen (H ₂ ) and carbon dioxide (CO ₂ ), is essential to prevent their concentration from increasing in the cooling system. Conversely, some separation or degassing mechanisms can actually contribute to saturating the refrigerant with air.
[0003]
DISCLOSURE OF THE INVENTION
The present invention includes a method and system for managing water refrigerant in a PEM type fuel cell system that includes a water transport plate (WTP). The present invention provides a vacuum in a PEM type fuel cell system of a type in which at least one of gas entrainment and dissolution is easily performed in the circulating refrigerant because the gas may contact WTP. Including the use of gas-liquid separation means with the device. The vacuum device in a preferred embodiment is a vacuum pump, such as an eductor (ie, ejector), that transports a gas or gas-liquid mixture via inhalation. Gas-liquid separation includes at least efficient gas transport and preferably also includes the use of at least one of a separator means and an accumulator means that facilitate gas-liquid separation and accumulate liquid refrigerant. In addition, relatively simple and inexpensive refrigerant pumps, such as centrifugal pumps or other similar dynamic pumps, provide circulating propulsion and driving pressure to the refrigerant water in the refrigerant system.
[0004]
In addition to the anode and cathode reactant channels for the CSA that are in the fuel cell stack assembly (CSA), the CSA further comprises a refrigerant channel or cooler that includes a water transfer plate (WTP). . Gases such as air, hydrogen, carbon dioxide, etc. that are entrained and / or dissolved in the liquid refrigerant while the gas flows through the WTP are added to vacuum devices such as eductors and additions Is removed from the refrigerant with the aid of a conventional separator / accumulator means. The separator / accumulator means can be, for example, at least one of a cyclone separator / accumulator and a bubble collector separator / accumulator.
[0005]
The eductor includes a primary or propulsion inlet, a secondary or suction inlet, a discharge outlet or discharge outlet. Refrigerant water from the refrigerant pump is supplied to the propulsion inlet of the eductor. The intake inlet of the eductor is connected to an area of the refrigerant circuit designed to allow relative separation of the entrained gas so that a vacuum pulls at least the gaseous portion into and through the eductor. The separator / accumulator receives effluent from the eductor for further gas separation and accumulation of liquid refrigerant for return to the refrigerant circuit.
[0006]
In one embodiment, the gas / liquid mixture refrigerant is pulled through the eductor by a vacuum and then separated. The accumulated liquid refrigerant is then supplied to the refrigerant pump. In another embodiment, the preliminary separation of the gas from the liquid includes a bubble collector separator or the like, whereby the eductor draws primarily gas from the collector. The remaining liquid refrigerant is first fed to the refrigerant pump, and then the flow is split between the eductor propulsion inlet and the further separator / accumulator before returning to the refrigerant circuit. The separated gas, ie air, hydrogen, carbon dioxide, etc. can be exhausted from the system or, in the case of air, can be returned for use as an oxidant reactant at the cathode of the CSA. A desalinator can be connected to the refrigerant pump in a parallel feedback relationship to maintain the desired water quality.
[0007]
The foregoing features and advantages of the present invention will become more apparent in light of the following detailed description of exemplary embodiments of the invention, as illustrated in the accompanying drawings.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Referring initially to FIG. 1, a fuel cell power system, generally designated by the reference numeral 10, is schematically illustrated, which includes one or more fuel cell stack assemblies (CSA) 12, And an associated refrigerant management system, indicated generally at 14. The CSA 12 can be of a type that utilizes a polymer electrolyte membrane 16 called a PEM type battery, and is more fully disclosed in US Pat. No. 5,700,595 to Reiser. . The membrane 16 is disposed between the anode fuel reactant flow field region 18 and the cathode oxidant reactant flow field region 20. Hydrogen rich fuel reactant gas is supplied to the anode region 18 via a line 15 that includes a fuel control valve 17. An oxidant, such as air, is supplied to the cathode region 20 from one or more sources, for example via return line 19, as will be described in more detail below.
[0009]
In addition, the CSA 12 includes a cooler 22 having an inlet 27 and an outlet 29 that provides a flow field for the refrigerant to direct refrigerant water to and from the CSA 12. The cooler 22 includes a water transport plate (WTP) with fine pores, not shown here, but more fully described in the aforementioned US Pat. No. 5,700,595. The coolant water flowing through the WTP across the WTP helps to prevent reactant gas crossover between adjacent fuel cells in the CSA 12, but in this process, some reactant gas is At least one of being entrained in the container and dissolving. The entrained / dissolved gas typically includes air, hydrogen, and further includes carbon dioxide when using reformate fuel. At the same time that some air is introduced into the refrigerant as it flows through the CSA 12, the air is “stripped” or “purged” while the refrigerant flows through the degasser separator described below. Also acquired by the refrigerant. In general, the largest amount of gas entrained / dissolved in the refrigerant before or after degassing is the air used as the stripping medium.
[0010]
The refrigerant management system 14 is primarily a substantially closed supply circuit that returns refrigerant water to the CSA 12 for reuse. Thus, the refrigerant is preferably in the liquid state for a number of reasons including heat transfer, humidification, reactant barriers, simplified pumping, and the like. Furthermore, it is preferred that potentially dangerous gases, such as hydrogen and carbon dioxide, do not accumulate in the refrigerant system 14. However, as explained above, the refrigerant flowing out of the CSA 12 typically contains a significant amount of gas, typically air, further hydrogen, and the like. Accordingly, the refrigerant management system 14 includes provisions for efficiently pumping liquid refrigerant through the refrigerant loop and also transporting at least one of the gas and gas-liquid mixture in the refrigerant flowing out of the CSA 12 to the separator. Including provisions to promote To this end, the present invention provides a liquid pump, such as a centrifugal refrigerant pump 24, and a gas transport and separation mechanism 26 in a refrigerant management system or circuit 14.
[0011]
The pump 24 is a centrifugal pump of conventional construction, is relatively simple, efficient and commercially available. The pump 24 has an inlet 23 and an outlet 25 and, as will be explained below, only needs to pump liquid refrigerant, i.e. water, not a liquid-gas mixture, so that the necessary refrigerant pressure increase. Can be used to give As will be appreciated, only the entrained gas will effectively appear in the pump as a gas phase, so the gas dissolved in the refrigerant will cause pumping problems caused by the entrained gas to this type of pump. Will not give.
[0012]
The gas transport and separation mechanism 26 is schematically illustrated in FIG. 1 and includes a vacuum device, such as a vacuum pump 28, and a separator / accumulator 30 for the gas-liquid refrigerant mixture downstream of the cooler 22 of the CSA 12. Connected in the refrigerant circuit 14 between the region and the inlet 23 to the pump 24. The suction of the vacuum pump 28 provides a relatively efficient means of transporting a gas or gas-liquid mixture and, as will be described in greater detail below with respect to specific embodiments, a separator / accumulator 30. Is used to separate the gas phase from the liquid phase and to store the liquid. The resulting accumulated liquid refrigerant is then supplied to the inlet 23 of the refrigerant pump 24. A source of purge or stripping air is supplied to the separator / accumulator 30 via line 32 to separate and remove dissolved or entrained gases such as hydrogen and carbon dioxide from the refrigerant circuit 14. The air can then be further conveyed to the cathode 20 via the return line 19. In fact, the source of stripping air can be air exhausted from the cathode 20.
[0013]
A desalinator 34 can be connected from the outlet 25 to the inlet 23 in parallel with the refrigerant pump 24 so as to remove undesirable inorganic substances from the refrigerant water. Before the refrigerant flows into the CSA 12 via the regulating valve 37, means for appropriately heating the refrigerant, for example, by an electric heater 36 is provided. However, the heat required for the refrigerant while it flows through the CSA 12 can then be adjusted and dissipated, if necessary, by using a heat exchanger, such as a radiator / fan combination 38. The radiator / fan 38 can be provided with a range of changes, or can be sized and fixed to the maximum required amount, with the desired change being via the multi-directional thermal control valve 42. / Obtained via a bypass refrigerant leg (leg) 40 connected in parallel with the fan 38. Condensate from a fuel processing system (not shown) can be added to the refrigerant circuit 14, preferably just before the separator 26, via a connected control valve 44.
[0014]
For a better understanding of the invention in the context of a more specific embodiment, reference is now made to FIG. Components that are the same as or similar to those described with respect to FIG. 1 have been given the same (or derived) reference numerals, and the same applies to subsequent figures. FIG. 2 illustrates a fuel cell power system 10 that is similar to the basic general system illustrated in FIG. 1, but shows a gas-liquid separation mechanism 26 'as a detailed embodiment. The vacuum pump 28 of FIG. 1 is illustrated and described herein as a liquid eductor 28 ', and the separator / accumulator 30 is a cyclone separator / accumulator 30'. Air supplied to separator / accumulator 30 ′ via line 32 is supplied by variable speed air blower 46.
[0015]
The liquid eductor 28 'is a generally known operating principle and configuration, as will be understood in greater detail in FIGS. 3, 4 and 5. For example, any eductor or ejector used in a fuel cell environment can be found in US Pat. Nos. 5,419,978, 5,013,617, 4,769,297, assigned to the assignee of the present invention. No. 3,982,961. In most of these examples, the primary fluid to these conventional eductors is a gas, whereas in the present example, the primary fluid is a liquid. Although commercially available eductors may be sufficient for the application of the present invention, they may not provide the desired efficiency and require further design optimization as described below. obtain. Liquid eductors are momentum devices where low density gas bubbles are pumped faster than normal refrigerant water flow, so that liquid eductors are effective and efficient pumps for contained gases. Become.
[0016]
The liquid eductor 28 'takes a variety of shapes, but the examples of the present invention advantageously employ a flat shape somewhat similar to that described in the aforementioned US Pat. No. 3,982,961. The eductor 28 ′ shown here has a base plate 48 having a recessed seat 49 formed therein; and a cumulative thickness 1 of about 0.060 inch (0.15 cm) seated on the seat 49. One or more silicone seal sheets 50; a silicone O-ring 52 having a cross-section of about 0.07 inches (0.18 cm) and also seated on a seat 49 to form a surrounding seal; The fluid passage shape shown in FIG. 5 is composed of an upper plate 54 machined on the lower surface. The top plate 54 and the base plate 48 are combined and held in a fluid tight relationship by fasteners or bonds.
[0017]
4 and 5, the top plate 54 of the eductor 28 ′ includes a propulsion inlet opening 56 that receives pressurized liquid refrigerant; a suction inlet opening 58 that receives a gas or gas-liquid mixture; And a discharge outlet opening 60 for discharging the mixed product fluid received from the inlet. The propulsion inlet 56 has an associated propulsion fluid flow path 56 ′ that is aligned with a mixing flow path 62 that extends to the discharge outlet 60. A pair of suction fluid flow paths 58 ′ are around the propulsion fluid flow path 56 ′ from the suction inlet 58 to a position that intersects the propulsion fluid flow path 56 ′ and the mixing flow path 62. This intersecting region venturi causes the fluid at the suction inlet 58 to be sucked into the eductor 28 ′ and mixed with the propelling fluid for discharge at the outlet 60. The length of the mixing channel is about 10 times its width or diameter, the diffuser section 64 has a small divergence angle of 10 ⁰ or less. This facilitates fluid mixing and increases the vacuum generated by the propulsion fluid at the suction inlet 58. In the example shown, a vacuum of about 5.0 psig (34 kPag) is established at the propulsion inlet 56 with a refrigerant pressure of 12 psig (82 kPag).
[0018]
As shown in FIG. 2, the pressurized refrigerant supply line 66 is connected from the outlet 25 of the refrigerant pump 24 to the propulsion inlet 56 of the eductor 28 ′. In addition, the suction inlet 58 of the eductor 28 ′ is connected via a line 67 to the refrigerant circuit 14 in the region including the gas-liquid refrigerant mixture following the heat control valve 42, for example. The discharge outlet 60 of the eductor 28 'is directed tangentially into the cyclone separator / accumulator 30' to complete the separation of the gas from the liquid refrigerant and accumulate the remaining refrigerant water.
[0019]
At least the separator part of the separator / accumulator 30 ′ is a circular or cylindrical container, and the tangentially flowing water is swirled around the inner diameter of the separator part and dropped to the bottom of the container. Or dropped like a waterfall, where the water is collected in the accumulator section containing the separation baffle 68. At the same time, the flow of purge air or stripping air from the blower 46 flows upward through the descending coolant water, stripping gas from the coolant and entraining free gas into the stream of barge air. Importantly, it allows a dissolved gas, such as hydrogen or oxygen dioxide, coming out of dissolution in the refrigerant to be entrained into the purge air stream. This latter mechanism is facilitated by the relative vacuum that eductor 28 'provides. Next, the flow of barge air flows through the demisting screen 70. The gas thus separated can be exhausted from the system, thereby reducing hydrogen accumulation in the refrigerant circuit 14. However, the majority of the gaseous stream leaving separator / accumulator 30 is air and can be returned through line 19 as a source of oxidant for cathode 20 as shown. The water collected in the accumulator part is now relatively free of entrained / dissolved gases other than air. Most of the gas remaining in the water is partly obtained from the stripping air, but becomes air in a dissolved form, and enters the inlet 23 of the refrigerant pump 24 via the line 72. Connected.
[0020]
The configuration of the embodiment of FIG. 2 can be used to separate / transport the entrained gas in the liquid refrigerant, although as will be appreciated, not only the gas, Thus, all liquid must also flow through the suction inlet 58 of the eductor 28 '. This condition adversely affects the efficiency of the eductor as a vacuum pump for gas and limits its overall pumping capacity. For this reason, it is preferable to minimize the amount of liquid refrigerant that needs to flow through the eductor inlet 58, thereby primarily making the eductor a liquid pump driven by liquid.
[0021]
Accordingly, FIG. 6 has many of the same components and functions as the embodiment of FIG. 2, but does not require a substantial amount of liquid refrigerant that is drawn into the eductor 28 ′ through the suction inlet 58. Different embodiments of the fuel cell quantum stem 10 'are disclosed. Instead, the liquid eductor 28 'is connected to function most efficiently as a gas pump. Significantly, the separation mechanism 26 ″ of this embodiment includes not only the cyclone separator / accumulator 30 ′ of the embodiment of FIG. 2, but also a further separator, which in this example is in the form of a bubble collector 130. / Accumulator device is also used.
[0022]
The bubble collector 130 is comprised of a generally elongate container having a number of baffles 132 that are connected to a liquid refrigerant / gas inlet port 74 at one end of the bubble collector 132 and typically at the bottom. One or more tortuous fluid paths are disposed between or at the other end of the liquid refrigerant outlet port 76 at or near the other end. A gas outflow port 78 is also provided at the end of the fluid path, which is usually on the opposite side of the liquid refrigerant outflow port 76. The liquid refrigerant-gas mixture discharged from the CSA 12 is connected to the inlet port 74 of the bubble collector 132, the liquid refrigerant outlet port 76 is connected to the inlet 23 'of the refrigerant pump 24', and the gas outlet port 78 is The line 67 'is connected to the suction inlet 58 of the eductor 28'. While the liquid refrigerant-gas mixture flows through the baffled path or paths of the bubble collector 130, the reduced pressure generated at the gas outlet port 78 by the suction vacuum of the eductor 28 ' Are pulled upwards and from the bubble collector through the eductor suction inlet 58. Similarly, the reduced pressure causes a portion of the dissolved gas to be pulled out of dissolution with the refrigerant and through the suction inlet 58. Conversely, heavier refrigerant water now removes most of the gas mixture, descends to and accumulates in the liquid refrigerant outlet port 76, and is then carried to the refrigerant pump 24 '.
[0023]
In this manner, the refrigerant pump 24 ′ continues to receive substantially only liquid refrigerant for pumping into the circuit 14, and the eductor 28 ′ has an efficiency that does not require the bulk of the refrigerant water to be transported through the suction inlet 58. Can function as a typical vacuum pump. In fact, the degassed refrigerant water flowing out of the refrigerant pump 24 'is fed via line 66' to both the propulsion inlet 56 of the eductor 28 'and directly to the cyclone separator / accumulator 30', the latter This path includes a regulating valve 80 that adjusts the relative proportion of flow between these two paths. Separator / accumulator 30 'continues to operate as described above, with a greater degree of gas-liquid separation occurring before these two fluids reach the device. Similarly, purge air or stripping air is supplied via line 32, and condensate from the fuel processing system now flows to separator / accumulator 30 ′ without going through intake port 58 of eductor 28 ′. Supplied directly. Finally, the accumulator portion of the separator / accumulator 30 'discharges liquid refrigerant back directly to the refrigerant circuit 14, and in this example the refrigerant pump 24' is used as described above for the bubble collector separator 130. The coolant water input is received from.
[0024]
To understand typical pressure gains and losses that occur around the normal refrigerant circuit 14 of a fuel cell power system 10 'incorporating features of the present invention, reference is now made to FIG. The refrigerant circuit 14 operates near ambient pressure, with some parts of the circuit being slightly higher in pressure than the surroundings and some being slightly lower in pressure than the surroundings. Although the refrigerant pump 24 ′ and the gas-liquid transport, separation and storage mechanism 26 ″ are illustrated here to operate between about −5.0 psig—34 kPag) and +12.0 psig (83 kPag). A slightly wider or narrower range is also possible. The pressure of the air and liquid refrigerant purged at the outlet from the separator / accumulator 30 ′ here serves as a reference at ambient, ie 0 psig (0 kPag). Following the flow of the refrigerant circuit 14 toward the CSA 12, the refrigerant experiences a 1.5 psi (10 kPag) drop or difference (psid) across the regulator valve 37. A drop of 0.5 psi (3.5 kPag) occurs across the shutoff valve 82. The pressure drop across the refrigerant region 22 of the CSA 12 is approximately 2.5 psi (17 kPag), and a further 0.5 psi (3.5 kPag) drop occurs across the isolation valve 84. By this position, the pressure has dropped by 5.0 psi (34 kPag) so that the refrigerant system pressure is now -5.0 psig (-34 kPag). The gas-liquid refrigerant mixture from the CSA 12 then flows through the bubble collector separator / accumulator 130, where a vacuum established at the eductor 28 'inlet inlet draws gas from the refrigerant. It needs to be sufficient. The maximum possible vacuum of eductor 28 '(illustrated in FIGS. 3-5) exceeds 5 psig (34 kPag) at 12 psig (83 kPag) inlet water pressure, thereby margining to pump gas at the system vacuum level Occurs. The pressure drop of the liquid refrigerant across the separator / accumulator 130 is about 0.1 psi (0.7 kPag) so that the gauge pressure at the inlet to the refrigerant pump 24 ′ is −5.1 psig (−35 kPag). is there. Pump 24 'provides a pressure rise or difference (psid) of approximately 17.1 psi (118 kPag) so that the refrigerant pressure entering the propulsion inlet of eductor 28' is +12.0 psig (83 kPag). This is sufficient to create the necessary vacuum at the eductor inlet. If an increased pumping margin is required, increasing the inlet pressure to the propulsion inlet of eductor 28 'will also improve the vacuum. This discharge from eductor 28 'is directed to separator / accumulator 30', where the pressure is again ambient. The purge air quickly flushes the air gas separated from the refrigerant system, and the refrigerant is recirculated. Furthermore, the main flow rate of liquid refrigerant from the pump 24 ′ to the separator / accumulator 30 ′ is through the heat exchanger 38, across which the pressure is brought to ambient pressure. Move down 12 psi.
[0025]
The preferred embodiment of the vacuum pump 28 of FIG. 1 is an eductor 28 ', although other vacuum-type mechanisms such as a diaphragm pump are within the scope of the present invention. Similarly, cyclone separator / accumulator 30 ′ and bubble collector separator / accumulator 130 are preferred examples, but at least one of the other types of separators and accumulators is also combined. Whether or not is within the scope of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell power system having a refrigerant management system in accordance with the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram of a fuel cell power system having a refrigerant management system according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an exploded view of a water eductor incorporated in the refrigerant management system of the present invention.
4 is a bottom view of the upper plate of the eductor of FIG. 3 showing the arrangement and contour of the eductor flow channel.
FIG. 5 is an enlarged view of the boxed portion of FIG. 4 showing the eductor flow channel in more detail.
FIG. 6 is a schematic diagram of a fuel cell power system having a refrigerant management system according to a preferred embodiment of the present invention.
7 is a simplified schematic diagram of a fuel cell power system having a refrigerant management system according to an embodiment of the present invention similar to that of FIG. 6 that provides exemplary pressure gain / loss around the refrigerant circuit.

Claims

高分子電解質膜（ＰＥＭ）型燃料電池電力システム（１０）のための冷媒管理システムであって、
ａ）燃料反応物の供給を受けるアノード領域（１８）と、酸化剤反応物の供給を受けるカソード領域（２０）と、液体冷媒の供給を受け取る入口（２７）および冷媒を吐出する出口（２９）を有する冷却器（２２）とを備える、ＰＥＭ型燃料電池スタック組立体（ＣＳＡ）（１２）と、
ｂ）冷却器入口（２７）および冷却器出口（２９）に接続され、液体冷媒を、ＣＳＡ冷却器（２２）へ、ＣＳＡ冷却器（２２）を通して、さらにＣＳＡ冷却器（２２）から導く、実質的に閉じた冷媒回路（１４）と、
を備え、前記液体冷媒は、ＣＳＡ冷却器（２２）を通って流れる間に、この液体冷媒の中に飛沫同伴されることおよび溶解することの少なくも一方が行われた気体を獲得し、それによって、気体−液体混合物を形成し、前記冷媒回路（１４）は、
ｉ）入口（２３；２３’）および出口（２５；２５’）を有し、内部に渡って圧力上昇を生成させ、内部を通して実質的に液体冷媒だけをポンプ輸送する、液体ポンプ（２４；２４’）と、
ｉｉ）ＣＳＡ冷媒領域出口（２９）とポンプ入口（２３；２３’）との間の冷媒回路（１４）に接続され、前記気体−液体冷媒混合物から気体を分離（３０；３０’；１３０；２８；２８’）し、気体分離に続き液体冷媒を蓄積（３０；３０’；１３０）し、実質的に液体冷媒だけをポンプ入口（２３；２３’）へ供給する、分離手段（２６；２６’；２６’’）と、
を備え、前記分離手段（２６；２６’；２６’’）は、前記気体−液体冷媒混合物から気体を分離するために少なくとも気体の輸送を促進するように、気体−液体冷媒混合物の領域において冷媒回路（１４）に接続された真空装置（２８；２８’）を含むことを特徴とする冷媒管理システム。A refrigerant management system for a polymer electrolyte membrane (PEM) type fuel cell power system (10), comprising:
a) Anode region (18) that receives the supply of fuel reactant, a cathode region (20) that receives the supply of oxidant reactant, an inlet (27) that receives the supply of liquid refrigerant, and an outlet (29) that discharges the refrigerant A PEM fuel cell stack assembly (CSA) (12) comprising a cooler (22) having:
b) connected to the cooler inlet (27) and the cooler outlet (29), leading the liquid refrigerant to the CSA cooler (22) through the CSA cooler (22) and from the CSA cooler (22) Closed refrigerant circuit (14),
The liquid refrigerant acquires a gas that has been entrained and / or dissolved in the liquid refrigerant while flowing through the CSA cooler (22). To form a gas-liquid mixture, the refrigerant circuit (14)
i) A liquid pump (24; 24) having an inlet (23; 23 ') and an outlet (25; 25'), creating a pressure rise across the interior and pumping substantially only liquid refrigerant through the interior. ')When,
ii) Connected to the refrigerant circuit (14) between the CSA refrigerant area outlet (29) and the pump inlet (23; 23 ') to separate gas from the gas-liquid refrigerant mixture (30; 30';130; 28) Separation means (26; 26 ') which accumulates liquid refrigerant (30; 30'; 130) following gas separation and supplies substantially only liquid refrigerant to the pump inlet (23; 23 ');; 26 ″)
And the separation means (26; 26 ';26'') comprises a refrigerant in the region of the gas-liquid refrigerant mixture so as to at least facilitate the transport of the gas to separate the gas from the gas-liquid refrigerant mixture. A refrigerant management system comprising a vacuum device (28; 28 ') connected to a circuit (14).

前記真空装置は、エダクタ（２８’）から構成されることを特徴とする請求項１記載の冷媒管理システム。The refrigerant management system according to claim 1, wherein the vacuum device comprises an eductor (28 ').

前記エダクタ（２８’）は、推進入口（５６）、吸入入口（５８）、吐出流出口（６０）を含み、前記推進入口（５６）は、実質的に液体冷媒だけを受け取るように前記冷媒回路（１４）に接続され、前記吸入入口（５８）は、前記混合物から少なくとも気体を輸送するように気体−液体混合物の領域において前記冷媒回路（１４）に接続されることを特徴とする請求項２記載の冷媒管理システム。The eductor (28 ') includes a propulsion inlet (56), a suction inlet (58), and a discharge outlet (60), the propulsion inlet (56) receiving substantially only liquid refrigerant in the refrigerant circuit. The inlet (58) connected to (14) is connected to the refrigerant circuit (14) in the region of a gas-liquid mixture so as to transport at least gas from the mixture. The refrigerant management system described.

前記エダクタ吸入入口（５８）は、実質的に全ての気体−液体混合物を受け取りかつ前記エダクタ吸入入口（５８）を通して流すように接続されることを特徴とする請求項３記載の冷媒管理システム。The refrigerant management system of claim 3, wherein the eductor inlet (58) is connected to receive substantially all of the gas-liquid mixture and flow through the eductor inlet (58).

前記分離手段（２６；２６’’）は、前記気体−液体冷媒混合物内の液体から気体を分離するとともに分離された液体冷媒を蓄積する、第１の分離／蓄積手段（３０；１３０）を含み、前記エダクタ吸入入口（５８）は、気体−液体冷媒混合物から実質的に気体だけを受け取りかつ前記エダクタ吸入入口（５８）を通して流すように前記第１の分離／蓄積手段（３０；１３０）に接続され、前記液体ポンプ（２４’）は、前記第１の分離／蓄積手段（３０；１３０）から実質的に液体冷媒だけを受け取りかつポンプ輸送するように接続され、前記エダクタ推進入口（５６）は、前記液体ポンプ（２４’）から実質的に液体冷媒だけを受け取るように接続されることを特徴とする請求項３記載の冷媒管理システム。The separation means (26; 26 ″) includes first separation / accumulation means (30; 130) for separating a gas from a liquid in the gas-liquid refrigerant mixture and accumulating the separated liquid refrigerant. The eductor inlet (58) is connected to the first separation / accumulation means (30; 130) to receive substantially only gas from the gas-liquid refrigerant mixture and to flow through the eductor inlet (58). The liquid pump (24 ') is connected to receive and pump substantially only liquid refrigerant from the first separation / accumulation means (30; 130), the eductor propulsion inlet (56) The refrigerant management system of claim 3, wherein the refrigerant management system is connected to receive substantially only liquid refrigerant from the liquid pump (24 ').

前記第１の分離／蓄積手段（３０；１３０）は、気泡捕集器分離器／蓄積器（１３０）から構成されることを特徴とする請求項５記載の冷媒管理システム。6. The refrigerant management system according to claim 5, wherein the first separation / accumulation means (30; 130) comprises a bubble collector separator / accumulator (130).

前記分離手段（２６；２６’’）は、前記気体−液体冷媒混合物内の液体から気体をさらに分離するとともに分離された液体冷媒を蓄積する、第２の分離／蓄積手段（３０’）をさらに含み、前記エダクタ吐出流出口（６０）は、前記第２の分離／蓄積手段（３０’）へ吐出するように接続されることを特徴とする請求項５記載の冷媒管理システム。The separation means (26; 26 ″) further includes second separation / accumulation means (30 ′) for further separating gas from the liquid in the gas-liquid refrigerant mixture and accumulating the separated liquid refrigerant. The refrigerant management system according to claim 5, wherein the eductor discharge outlet (60) is connected to discharge to the second separation / accumulation means (30 ').

前記第２の分離／蓄積手段（３０’）は、サイクロン分離器／蓄積器（３０’）から構成されることを特徴とする請求項７記載の冷媒管理システム。8. The refrigerant management system according to claim 7, wherein the second separation / accumulation means (30 ') comprises a cyclone separator / accumulator (30').

液体冷媒の供給を受け取る入口（２７）および冷媒を吐出する出口（２９）を有する冷却器（２２）を含むＰＥＭ型燃料電池スタック組立体（ＣＳＡ）（１２）と、冷却器入口（２７）および冷却器出口（２９）に接続された実質的に閉じた冷媒回路（１４）とを備える高分子電解質膜（ＰＥＭ）型燃料電池電力システム（１０）のための冷媒管理方法であって、
ａ）液体冷媒の中に飛沫同伴されることおよび溶解することの少なくも一方が行われた気体を液体冷媒が獲得しそれによって冷却器出口（２９）から流出する気体−液体冷媒混合物が形成されるＣＳＡ冷却器（２２）を通して、冷却器入口（２７）の前の冷媒回路（１４）内の位置にある液体冷媒をポンプ輸送（２４）し、
ｂ）冷却器出口（２９）とステップａ）の液体冷媒ポンプ輸送（２４）の位置との間の冷媒回路（１４）内の位置にある気体−液体冷媒混合物から気体を分離（２６；２６’）し、それによって、液体冷媒を脱気し、
ｃ）分離ステップｂ）から得られた脱気された液体冷媒を蓄積し、
ｄ）ポンプ輸送ステップａ）のための液体冷媒の少なくとも一部として、脱気された液体冷媒を供給する、
ことを含むことを特徴とする方法。A PEM fuel cell stack assembly (CSA) (12) including a cooler (22) having an inlet (27) for receiving a supply of liquid refrigerant and an outlet (29) for discharging the refrigerant; and a cooler inlet (27) and A refrigerant management method for a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell power system (10) comprising a substantially closed refrigerant circuit (14) connected to a cooler outlet (29) comprising:
a) The liquid refrigerant acquires gas that has been entrained and / or dissolved in the liquid refrigerant, thereby forming a gas-liquid refrigerant mixture that flows out of the cooler outlet (29). Through the CSA cooler (22) to pump (24) liquid refrigerant in a position in the refrigerant circuit (14) before the cooler inlet (27);
b) Separating gas (26; 26 ') from the gas-liquid refrigerant mixture at a position in the refrigerant circuit (14) between the cooler outlet (29) and the position of the liquid refrigerant pumping (24) of step a) ), Thereby degassing the liquid refrigerant,
c) accumulating the degassed liquid refrigerant obtained from the separation step b),
d) supplying degassed liquid refrigerant as at least part of the liquid refrigerant for pumping step a);
A method comprising:

前記気体−液体冷媒混合物から気体を分離（２６；２６’）するステップは、少なくとも気相の流体の輸送を促進するように、気体−液体冷媒混合物から少なくとも気体を真空ポンプ輸送（２８；２８’）するステップを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。Separating gas (26; 26 ') from the gas-liquid refrigerant mixture includes vacuum pumping (28; 28') at least gas from the gas-liquid refrigerant mixture to facilitate transport of at least a gas phase fluid. 10. The method of claim 9, further comprising the step of:

前記真空ポンプ輸送（２８；２８’）するステップは、気体−液体冷媒混合物からの気体の分離も促進することを特徴とする請求項１０記載の方法。11. The method of claim 10, wherein said vacuum pumping (28; 28 ') also facilitates separation of gas from the gas-liquid refrigerant mixture.

前記冷媒回路１４）は、推進入口（５６）および吸入入口（５８）を有するエダクタ（２８’）を含み、前記真空ポンプ輸送するステップは、エダクタ吸入入口（５８）において相対的な真空を生成するように、エダクタ推進入口（５６）に脱気された液体冷媒をさらに供給するステップと、冷媒回路（１４）内の気体−液体冷媒混合物にエダクタ吸入入口（５８）を接続するステップとを含み、それによって、相対的な真空が、少なくとも気相の流体を輸送することを特徴とする請求項１０記載の方法。The refrigerant circuit 14) includes an eductor (28 ') having a propulsion inlet (56) and a suction inlet (58), and the vacuum pumping step creates a relative vacuum at the eductor suction inlet (58). And further supplying degassed liquid refrigerant to the eductor propulsion inlet (56), and connecting the eductor intake inlet (58) to the gas-liquid refrigerant mixture in the refrigerant circuit (14), 11. The method of claim 10, wherein the relative vacuum transports at least a gas phase fluid.