JP6168070B2 - 燃料電池用給気を冷却する方法およびシステム - Google Patents
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Description
本出願は、2012年2月27に出願された、米国特許仮出願第61/603,734号からの優先権の利益を主張し、その開示内容を参照によりここに組み込む。
Claims (15)
- 燃料電池スタック、ガス−ガス給気冷却器を有する第1給気冷却器、ガス−ガス加湿器、および第2給気冷却器を有する燃料電池システムにおいて、加圧されたカソード空気流を冷却する方法であって、
(a)第1温度(T1)を有する前記加圧されたカソード空気流を提供する段階と、
(b)前記加圧されたカソード空気流を前記第1給気冷却器に通し、前記燃料電池スタックからのカソード排気流と熱交換させる段階であって、前記カソード排気流は前記第1給気冷却器の吸入口において第2温度(T2)を有し、前記加圧されたカソード空気流は前記第1給気冷却器の排出口において第3温度(T3)まで冷却される段階と、
(c)前記加圧されたカソード空気流を前記第2給気冷却器に通し、前記第2給気冷却器の冷却剤吸入口において第4温度(T4)を有する液体冷却剤または気体冷却剤と熱交換させる段階であって、前記加圧されたカソード空気流は前記第2給気冷却器の排出口において第5温度(T5)まで冷却される段階と、
(d)前記加圧されたカソード空気流および前記カソード排気流を前記ガス−ガス加湿器に通す段階であって、前記ガス−ガス加湿器において前記カソード排気流から前記加圧されたカソード空気流へと水蒸気が移動される段階と、
(e)前記加圧されたカソード空気流を前記燃料電池スタックのカソード空気吸入口へと通す段階と、
を備え、
前記カソード排気流がわずかに高められた第6温度(T 6 )において前記ガス−ガス加湿器の吸入口から前記ガス−ガス加湿器に入り、前記第5温度(T 5 )で前記ガス−ガス加湿器に入る前記加圧されたカソード空気流によって前記カソード排気流がわずかに冷却されるように、前記第1給気冷却器に通す前に前記カソード排気流を前記ガス−ガス加湿器に通し、前記第2給気冷却器に通した後且つ前記燃料電池スタックの前記カソード空気吸入口へと入る前に、前記加圧されたカソード空気流を前記ガス−ガス加湿器に通す方法。 - 正常動作条件下においてT2<T3<T1である請求項1に記載の方法。
- 正常動作条件下においてT4<T5<T3である請求項1または請求項2に記載の方法。
- 前記加圧されたカソード空気流は前記ガス−ガス加湿器の排出口において第7温度(T7)であり、正常動作条件下においてT5<T7<T6である請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の方法。
- 正常動作条件下においてT2<T6である請求項4に記載の方法。
- 前記第2給気冷却器は液体−ガス給気冷却器であり、前記液体冷却剤は前記燃料電池システム内の一または複数の他の熱源から熱を吸収する請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記第1給気冷却器によって前記加圧されたカソード空気流から除去される熱エネルギーの量は、前記第2給気冷却器によって前記加圧されたカソード空気流から除去される熱エネルギーの量よりも大きい請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の方法。
- 燃料電池中で使用する加圧されたカソード空気流を製造するシステムであって、
(a)吸入口と、前記吸入口において第2温度(T2)を有する気体冷却剤により、第1温度(T1)から第3温度(T3)へと前記加圧されたカソード空気流を冷却するためのガス−ガス給気冷却器と、を有する第1給気冷却器と、
(b)冷却剤吸入口を有し、前記冷却剤吸入口において第4温度(T4)を有する液体冷却剤または気体冷却剤により、前記第3温度(T3)から第5温度(T5)へと前記加圧されたカソード空気流を冷却するための第2給気冷却器と、
(c)加湿用気体からの水の移動により前記加圧されたカソード空気流の含水量を増大させるためのガス−ガス加湿器と、
(d)カソード空気吸入口およびカソード排気排出口を有する燃料電池スタックと、
を備え、
前記加湿用気体は、前記燃料電池スタックの前記カソード排気排出口からのカソード排気流を含み、
前記第1給気冷却器の前記気体冷却剤は前記カソード排気流を含み、
前記第1給気冷却器は前記ガス−ガス加湿器から前記カソード排気流を受け取るように配置され、前記カソード排気流がわずかに高められた第6温度(T 6 )において前記ガス−ガス加湿器の吸入口から前記ガス−ガス加湿器に入り、前記第5温度(T 5 )で前記ガス−ガス加湿器に入る前記加圧されたカソード空気流によって前記カソード排気流がわずかに冷却されるように、前記ガス−ガス加湿器は前記燃料電池スタックの前記カソード排気排出口から前記カソード排気流を受け取るように配置されるシステム。 - 前記第2給気冷却器が、前記第3温度(T3)の前記加圧されたカソード空気流を前記第1給気冷却器から受け取るように、前記第1給気冷却器および前記第2給気冷却器が連続的に配置される請求項8に記載のシステム。
- 前記第2給気冷却器は液体−ガス給気冷却器であり、前記第1給気冷却器および前記第2給気冷却器は、前記加圧されたカソード空気流用の複数の流路、前記気体冷却剤用の複数の流路、および、前記液体冷却剤用の複数の流路を有する三流体給気冷却器に統合されている請求項8または請求項9に記載のシステム。
- 前記カソード空気吸入口は、前記ガス−ガス加湿器から前記加圧されたカソード空気流を受け取る請求項8から請求項10のいずれか1項に記載のシステム。
- 周囲温度および周囲圧力の周囲空気を受け取り、前記周囲空気を圧縮して、前記第1温度(T1)の前記加圧されたカソード空気流を生成するコンプレッサーをさらに備え、前記第1給気冷却器は、前記コンプレッサーから前記加圧されたカソード空気流を受け取る請求項8から請求項11のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記ガス−ガス加湿器は膜式加湿器である請求項8から請求項12のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記第2給気冷却器はガス−ガス給気冷却器であり、前記第2給気冷却器は速度可変のファンにより冷却され、前記速度可変のファンは、所望の範囲内に前記第5温度(T5)を維持するように制御回路によって制御される請求項8または請求項9に記載のシステム。
- 前記第2給気冷却器は、前記燃料電池スタックも含む冷却回路を通って循環する液体冷却剤によって前記加圧されたカソード空気流が冷却される液体−ガス給気冷却器であり、前記冷却回路は、前記燃料電池スタックおよび前記第2給気冷却器を通る前記液体冷却剤の流れを制御する速度可変のポンプを有する請求項8から請求項13のいずれか1項に記載のシステム。
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