JP5117861B2 - 燃料電池の反応物ガスの蒸発冷却ならびに運転中の凍結防止 - Google Patents
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Description
Claims (31)
- 複数の燃料電池から成る燃料電池のスタック(37,120)燃料電池発電装置であって、各燃料電池は、
空気極触媒と燃料極触媒が両側に配置された電解質を備えた電極アッセンブリ(72)と、
互いに逆向きの第1、第2の面を有する燃料反応物ガス流れ場プレート(75)と、
互いに逆向きの第1、第2の面を有する酸化剤反応物ガス流れ場プレート(81)と、
を備え、
燃料反応物ガス流れ場プレート(75)は、その第1の面から延在する燃料反応物ガス流チャネル(74)を有し、
酸化剤反応物ガス流れ場プレート(81)は、その第1の面から延在する酸化剤反応物ガス流チャネル(82)を有し、
燃料反応物ガス流れ場プレート(75)および酸化剤反応物ガス流れ場プレート(81)の少なくとも1つが多孔性および親水性であり、各燃料電池は、
前記少なくとも1つの流れ場プレートの第2の面の上に、または近接して配設された水通路(67;78,85;78a,85a)と、
前記水通路を通って流れ、前記水通路から前記少なくとも1つの親水性および多孔性の反応物ガス流れ場プレートのそれぞれを通って移動し、蒸発することで前記燃料電池を冷却する水と、
をさらに備え、
前記水通路は(a)対応する燃料電池内に排気口がないか、または(b)排気口(69,89,99,145)を有し、前記水通路は、(c)前記少なくとも1つの流れ場プレートにおける少なくとも1つの流体管路(78,85)を含んでなるか、または(d)前記少なくとも1つの流れ場プレートの第2の面の全てに近接する、導電性の親水性かつ水透過性の材料(78a,85a)を含んでなり、
前記燃料電池発電装置はさらに、前記少なくとも1つの燃料電池の反応物ガス出口に接続された凝縮器(59,124)を備えるとともに、該凝縮器の凝縮物が前記燃料電池の水通路のインレットと流体的に連通していることにより、該凝縮器の凝縮物が、前記水通路を通って流れる水として供給されることを特徴とする燃料電池発電装置。 - 各燃料電池が、前記燃料反応物ガス流れ場プレート(75)と前記酸化剤反応物ガス流れ場プレート(81)の一方または両方の前記第2の面に溝(76,77;83,84)を有し、燃料電池スタックが組み立てられるときに前記水通路(78,85)を形成することを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電装置。
- 前記凝縮器(59)が、前記燃料電池スタックから分離して配置される(図2)ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電装置。
- 前記凝縮器(59,124)内の空気流が水平面に対して垂直であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電装置。
- 前記燃料電池発電装置が自動車に配置され、その場合、前記凝縮器(59)が自動車のラジエータ(図2)を含むことを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電装置。
- 前記凝縮器(59,124)が、その底部に近接して配置された水貯留器(64,128)を有することを特徴とする請求項5記載の燃料電池発電装置。
- 前記凝縮物を受容する水貯留器(64,128)をさらに含み、前記水通路(67;78,85;78a,85a)が前記貯留器と流体的に連通していることを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電装置。
- 前記水通路(67;78,85;78a,85a)が、それぞれ排気口(69,89,99,145)に接続されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電装置。
- 前記排気口(69,99)における圧力が、大気圧であることを特徴とする請求項8記載の燃料電池発電装置。
- 前記排気口(69,86,99,145)における水圧が、前記凝縮器(59,124)の出口における水圧より小さいかまたは同じであることを特徴とする請求項8記載の燃料電池発電装置。
- 前記排気口(69,86,99,145)における水圧が、前記凝縮器(59,124)の出口における水圧より小さく、かつ、液体の差圧が、水を水通路(67;78,85;78a,85a)内へ押し込む凝縮器排気ガスの圧力によって得られることを特徴とする請求項10記載の燃料電池発電装置。
- 前記燃料電池発電装置が、前記凝縮物を受容する水貯留器(64,128)をさらに含んでなり、前記通路が、前記水貯留器(64,128)と流体的に連通しており、かつ、前記凝縮器(59,124)内の水の液圧が水を前記水通路(67;78,85;78a,85a)内へ押し込むことを特徴とする請求項10記載の燃料電池発電装置。
- 前記排気口(69,89,99,145)における液圧が、該排気口から水流を排出するよう、凝縮器出口(59,124)における水圧よりも小さいことを特徴とする請求項10記載の燃料電池発電装置。
- 脱イオン器(175)が前記排気口(69,99,145)から排出する水流を受容し、前記脱イオン器から排出する水流は、前記凝縮物を有する前記通路の近位端へ戻ることを特徴とする請求項13記載の燃料電池発電装置。
- 前記排気口から前記脱イオン器にのみ水を流すことを可能にするため、前記通路と前記脱イオン器との間を流体的に連通する逆止弁(176)がさらに配置されることを特徴とする請求項14記載の燃料電池発電装置。
- 前記排気口に接続され、かつ冷却液の高さ位置が前記水通路(67;78,85;78a,85a)の全ての部分に達するような圧力で作動される真空ポンプ(89,146)を含んでなることを特徴とする請求項8記載の燃料電池発電装置。
- 前記排気口に接続され、かつ、前記排気口(69,89,99,145)を通る水流を生じさせることなく、冷却液の高さ位置が前記水通路(67;78,85;78a,85a)の全ての部分に達するような圧力で作動される真空ポンプ(89,146)を含んでなることを特徴とする請求項8記載の燃料電池発電装置。
- 前記排気口に接続され、かつ冷却液の高さ位置が前記水通路(67;78,85;78a,85a)の全ての部分に達するとともに、前記排気口(69,89,99,145)を通る水流を生じさせるような圧力で作動される真空ポンプ(89,146)を含んでなることを特徴とする請求項8記載の燃料電池発電装置。
- 脱イオン器が、前記排気口から排出する水流を受容し、該脱イオン器から排出する水流は前記通路へ戻ることを特徴とする請求項18記載の燃料電池発電装置。
- 前記凝縮器(59、図5)が、前記スタック(37)の最上部に近接しかつその上を覆うことを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電装置。
- 前記凝縮器(124、図8)が、前記スタック(120)の下方にあることを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電装置。
- 前記凝縮器(124)が、前記スタック(120)の底部に近接することを特徴とする請求項21記載の燃料電池発電装置。
- 燃料電池の前記スタック(37)が、空気インレットマニホルド(64)を備え、前記凝縮器(59)の凝縮物は、前記空気インレットマニホルド(64)と流体的に連通(65a)しており、それにより、前記空気インレットマニホルドは貯留器として機能し、前記水通路(67;78,85;78a,85a)は前記貯留器内の水と流体的に連通する(65b)ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電装置。
- 前記燃料電池発電装置が、前記酸化剤反応物ガスチャネル内に空気流を供給する空気ポンプ(52)と、空気ポンプ(52)を制御する制御器(101)とを含んでなり、前記酸化剤反応物ガスチャネル内の空気流中へ水が蒸発するとともに、前記チャネル内の空気流の流量が、全ての電力レベルにおいて一定に保たれるように、制御器(101)により制御される空気ポンプ(52)によって前記酸化剤反応物ガスチャネル内に空気流が供給されることを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電装置。
- 前記燃料電池発電装置が、前記酸化剤反応物ガスチャネル内に空気流を供給する空気ポンプ(52)と、空気ポンプ(52)を制御する制御器(101)とを含んでなり、前記酸化剤反応物ガスチャネル内の空気流中へ水が蒸発するとともに、前記チャネル内の空気流の流量が、セル温度(102)の関数として制御されるように、制御器(101)により制御される空気ポンプ(52)によって前記酸化剤反応物ガスチャネル内に空気流が供給されることを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電装置。
- 前記凝縮器が、(e)制御されてない周囲空気の流れによって冷却される熱交換器(59)、(f)周囲空気の制御された流れ(155,157)によって冷却される熱交換器(59)、および(g)周囲空気以外の流体によって冷却(161)される熱交換器(59a)から選択されることを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電装置。
- 前記凝縮器が、周囲空気によって冷却され、該空気流を制御するための空気流制御器(155,157)を備えた熱交換器(59)であることを特徴とする請求項26記載の燃料電池発電装置。
- 前記空気流制御器(155,157)が、シャッター(155)からなるものであることを特徴とする請求項27記載の燃料電池発電装置。
- 前記凝縮器が、耐凍結性の冷却液によって冷却される(161)熱交換器(59a)であることを特徴とする請求項26記載の燃料電池発電装置。
- 前記凝縮器を通って流れる前記冷却液の量が、制御器(167)によって制御される(166)ことを特徴とする請求項29記載の燃料電池発電装置。
- 前記冷却液が、別の熱交換器(165)内の周囲空気によって冷却されることを特徴とする請求項29記載の燃料電池発電装置。
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