JP6336433B2 - 燃料電池と共に使用するための冷却システムおよび方法 - Google Patents

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Description

[0001]本開示は、一般的に、燃料電池と共に使用するための冷却システムを対象とする。
[0002]ある種の燃料電池は、アノード、カソード、およびアノードとカソードとの間に配置された多孔質膜を含みうる。膜は、カソードからアノードへと選択されたイオン種が流れるように設計されている。膜を通じてのこのイオンの動きに応答して、アノードからカソードに電子が流れる。
[0003]燃料電池は、アノードで水素を反応させ、カソードで酸素を反応させることによって作動する。酸素は、大気の空気から供給でき、純粋な水素は通常、アノードに供給される。このようなカソードとアノードとで起こる反応は、相当な熱を生じる可能性がある。この熱を消散させるために、様々な冷却システムが開発されてきた。１つのタイプの冷却システムは、カソードウォーターインジェクション（cathode water injection）（ＣＷＩ）を使用するものであり、この場合、燃料電池のカソードに冷却水が供給され、カソードに供給された１種またはそれより多くのガスと自然に混合される。
[0004]冷却システムはさらに、限定的な範囲の運転温度で燃料電池を維持することに加えて、冷却システムに水を添加したり、または冷却システムから水を除去したりする必要なく稼働すべきである。「水中立（ウォーターニュートラル、water neutral）」冷却システムは、水を保護することもできるし、または水の添加または除去に費やされる操作時間を節約することもできる。
[0005]従来の冷却システムのいくつかは、典型的には水の凝縮と冷却の両方に単一の熱交換器が使用されるため、全ての稼働条件下で十分な冷却を効率的に行い、好適な水分平衡を達成することができない。十分な水分平衡と冷却とを維持するのに必要な条件は異なるために、単一のデバイスに凝縮機能と冷却機能とを組み合わせることは問題が多い。例えば、冷却システムから過量の水を除去するためには、通常、熱交換器のファン速度を遅くして、冷却システムからより多くの水を輸送できるより高温の排気ガスを発生させる。ただし、ファン速度を遅くすることにより水の温度が上昇し、燃料電池の温度が高くなりすぎる可能性がある。そのようになると、従来の冷却システムを使用して水を除去し、燃料電池の過熱を防ぐことが難しい場合が多い。
[0006]本発明の開示は、従来技術の冷却システムが有する１つまたはそれより多くの問題または不利益を克服することを目的とする。
[0007]本発明の開示の一形態は、燃料電池で使用するための冷却システムを対象とする。本冷却システムは、燃料電池の出口通路に流体連結された第一の熱交換器を含む。第一の熱交換器は、燃料電池の出口通路を通過する流体の少なくとも一部を液状の水に凝縮できる。本冷却システムはまた、第一の熱交換器の出口通路と燃料電池の入口通路とに流体連結された第二の熱交換器も含んでいてもよい。第二の熱交換器は、燃料電池の入口通路を通過する流体が冷却されるように設計されていてもよい。加えて、燃料電池の出口通路および燃料電池の入口通路は、燃料電池のカソードに流体連結されていてもよく、さらに燃料電池の入口通路は、カソードに水を供給するように設計されていてもよい。
[0008]本発明の開示の他の形態は、電力システムを対象とする。電力システムは、出口通路と入口通路とに流体連結されたカソードを有する燃料電池を含んでいてもよく、ここで入口通路は、カソードに少なくとも部分的に再循環された水が供給されるように設計されていてもよい。電力システムはさらに、燃料電池の出口通路に流体連結された第一の熱交換器を含んでいてもよく、ここで第一の熱交換器は、燃料電池の出口通路を通過する流体の少なくとも一部が水に変換されるように設計されていてもよい。加えて、電力システムは、第一の熱交換器の出口通路と燃料電池の入口通路とに流体連結された第二の熱交換器を含んでいてもよく、ここで第二の熱交換器は、燃料電池の入口通路を通過する流体が冷却されるように設計されていてもよい。
[0009]本発明の開示の他の形態は、燃料電池の冷却方法を対象とする。本方法は、燃料電池のアノードに水素を供給して、燃料電池のカソードに空気と水とを供給すること、および燃料電池から流体を排出することを含んでいてもよく、ここで流体の少なくとも一部は、第一の流体を含む。本方法はまた、第一の熱交換器に第一の流体を供給して、第一の熱交換器を使用して第一の流体の少なくとも一部を水に凝縮することを含んでいてもよい。燃料電池から排出された流体、および第一の熱交換器によって凝縮された水のうち少なくとも１つが、第二の熱交換器に供給される可能性がある。さらに本方法は、第二の熱交換器を通過する流体を冷却すること、および燃料電池に冷却した流体を供給することを含んでいてもよい。
[0010]本発明の開示のさらなる目的および利点の一部を以下の説明に記載するが、その他の目的および利点はこの説明から明白であると予想され、または本発明の開示を実施することにより理解できる。本発明の開示の目的および利点は、特に添付の特許請求の範囲で指摘された要素および組み合わせによって認識され達成されるであろう。
[0011]前述の一般的な説明と以下の詳細な説明はいずれも単に典型的で説明的なものにすぎず、特許請求されたシステム、デバイス、および方法を限定しないものとする。
[0012]本明細書に組み込まれてその一部を構成する添付の図面は、本発明の開示のいくつかの実施態様を例示しており、説明と共に本発明の開示の原理を解説するのに役立つ。
図１は、開示された典型的な実施態様に係る再循環ループを含む冷却システムの概略図を示す。 図２は、開示された典型的な実施態様に係る２つの再循環ループを含む冷却システムの概略図を示す。 図３は、開示された他の典型的な実施態様に係る水を分離して凝縮するように設計された熱交換器を含む冷却システムの概略図を示す。 図４は、開示された他の典型的な実施態様に係る流体が下方に流れる熱交換器を含む冷却システムの概略図を示す。 図５は、開示された典型的な実施態様に係る熱交換器によってもたらされる交換熱量（heat duty）のチャートを示す。 図６は、開示された他の典型的な実施態様に係る熱交換器によってもたらされる水分平衡と交換熱量のチャートを示す。 図７Ａは、開示された典型的な実施態様に係る熱交換器の正面図の概略図を示す。 図７Ｂは、開示された典型的な実施態様に係る熱交換器の背面図の概略図を示す。 図８Ａは、開示された典型的な実施態様に係る熱交換器の一部の切り取り図の概略図を示す。 図８Ｂは、開示された典型的な実施態様に係る熱交換器の一部の背面図の概略図を示す。 図９Ａは、開示された典型的な実施態様に係る完全なフィルターアセンブリの概略図を示す。 図９Ｂは、開示された典型的な実施態様に係るフィルターアセンブリの分解図の概略図を示す。 図９Ｃは、開示された典型的な実施態様に係るフィルターアセンブリの側面図の概略図を示す。
[0026]ここで本発明の開示の典型的な実施態様について詳述し、その例を添付の図面に例示する。同じまたは類似の部分を指す場合、図面全体で可能な限り、同じ参照番号を使用するようにする。
[0027]図１は、燃料電池１２で使用するための本発明の開示の冷却システム１０の概略図を示す。いくつかの実施態様において、燃料電池１２は、カソードウォーターインジェクション（ＣＷＩ）タイプの燃料電池を含んでいてもよく、それによって冷却水をカソード１６に供給することが可能になる。他の実施態様において、燃料電池１２は、別のタイプの燃料電池を含み得る。
[0028]燃料電池１２は、アノードの入口通路１８およびアノードの出口通路２０に流体連結されたアノード１４を含んでいてもよい。アノードの入口通路１８は、アノード１４に水素を供給するように設計されていてもよい。出口通路２０は、水素が少なくとも部分的にアノード１４を介して再循環できるように入口通路１８に流体連結されていてもよい。
[0029]カソード１６は、カソードの入口通路２２とカソードの出口通路２４とに流体連結されていてもよい。カソードの入口通路２２は、カソード１６に空気が供給されるように設計された通路２２ａ、およびカソード１６に水が供給されるように設計された通路２２ｂを含んでいてもよい。出口通路２４は、水が少なくとも部分的にカソード１６を介して再循環できるように入口通路２２に流体連結されていてもよい。当業者であれば、１つまたはそれより多くの通路の様々な配置を使用して、水素、空気、および水の再循環源または新鮮な源を燃料電池１２に供給できることを認識しているであろう。
[0030]冷却システム１０は、第一の熱交換器２６および第二の熱交換器２８を含んでいてもよい。熱交換器２６および２８は、それらに供給された水が凝縮、分離、捕獲または冷却されてガス、蒸気、または液体の形態になるように設計されていてもよい。また熱交換器２６および２８は、冷却システム１０の１つまたはそれより多くの通路に流体連結されていてもよい。例えば、第一の熱交換器２６は、燃料電池１２の出口通路２４に流体連結されていてもよいし、第二の熱交換器２８は、燃料電池１２の入口通路２２ｂに流体連結されていてもよい。
[0031]冷却システム１０はまた、例えば水分離器３０、貯蔵デバイス３２、ポンプ３４、またはフィルター３６などの他のデバイスも含んでいてもよい。水分離器３０は、水分離器３０に入る流体の流れから少なくとも部分的に水が分離されるように設計されていてもよい。貯蔵デバイス３２は、水が保存されるように設計されていてもよいし、さらにタンク、大口径の通路、または拡張可能な貯蔵容器を含んでいてもよい。ポンプ３４は、通路を介して流体を移動させるように設計されていてもよい。フィルター３６は、流体から混入物（participate matter）、イオン、または他の不要な構成要素が少なくとも部分的に分離されるように設計されていてもよい。冷却システム１０はさらに、１つまたはそれより多くのバルブ（示さず）または他の流体工学的なデバイスを含んでいてもよい。
[0032]本明細書に示され説明される実施態様は典型的なものであって、本発明の開示に基づき他の配置も可能である。例えば、本明細書で説明される１つまたはそれより多くのデバイスは、必ずしも必要とは限らないし、または冷却システム１０全体において様々な配置で置かれていてもよい。また、冷却システム１０に、これらのデバイスの１つまたはそれより多くの機能がこれらのデバイスまたは他のデバイスを使用して取り入れられてもよいことも考慮される。
[0033]図１〜４で示されるように、出口通路２０は、出口通路２０内に含まれる水の一部が分離されるように設計された水分離器３０ａを含んでいてもよい。図１、２、および４は、水分離器３０ｂを有する出口通路２４を示し、一方で図３は、水分離器３０ｂがない出口通路２４を示す。水分離器３０ａを稼働させることにより、図１、２、および４で示されるように水分離器３０ｂに水を供給することもできるし、または図３で示されるように貯蔵デバイス３２に水を供給することもできる。水分離器３０ｂを稼働させることにより、第一の出口通路２３を介して貯蔵デバイス３２に水を供給できる。また水分離器３０ｂは、第二の出口通路２５に流体が供給されるように設計されていてもよい。いくつかの実施態様において、第二の出口通路２５に供給される流体は、水をガス、蒸気、または液滴の形態で含んでいてもよい。
[0034]第二の出口通路２５は、第一の熱交換器２６に流体連結されており、第一の熱交換器２６に流体が供給されるように設計されていてもよい。水は水分離器３０ｂによって全体的に流体から除去される可能性があるため、流体はガスであることが多い。流体中に残る水のうち少なくとも一部は、第一の熱交換器２６により凝縮されるかまたは分離される可能性がある。第一の熱交換器２６により保持されている水を貯蔵デバイス３２に供給して、再循環ループ４４を介して冷却システム１０中に再循環させることもできる。再循環ループ４４を介して流動する水は、燃料電池１２に戻される前に第二の熱交換器２８により冷却されてもよい。以下で説明されるように、冷却システム１０の全体的な稼働と効率を改善するために、第一の熱交換器２６を、全体的に第二の熱交換器２８とは独立して稼働させてもよい。
[0035]熱交換器２６は、熱交換器２６に入る流体、熱交換器２６内の流体、または熱交換器２６から出る流体の温度が制御されるように設計された１つまたはそれより多くの構成要素を含んでいてもよい。例えば、熱交換器２６は、排出通路４０を通過する流体の温度が制御されるように設計された１つまたはそれより多くのファン３８を含んでいてもよい。具体的に言えば、熱交換器２６は、２つの冷却ファンを含んでいてもよい（図７Ａを参照）。
[0036]流体の温度を制御することによって、水の凝縮速度を選択的に制御できる。さらに、冷却システム１０に熱交換器２６内に保持された水を供給することによって、冷却システム１０内の水の量を調節できる。長期にわたりこの水分平衡を望ましい範囲内に維持できるため、冷却システム１０内の水の総量は全体的に一定に保たれる。このような「水の中立性（water neutrality）」は、外部源から供給される水がほとんどなくても冷却システム１０を稼働させることができることを意味する。これは、排出通路４０を介した水の損失速度とほぼ同等の速度で、燃料電池１２を介して水を生産することも含み得る。水の生産速度と損失速度との短時間の不釣り合いは、貯蔵デバイス３２に過量の水を供給すること、または貯蔵デバイス３２から水を除去することによって緩和できる。
[0037]熱交換器２６は、冷却システム１０に水が供給されるように設計された１つまたはそれより多くの出口通路４２を含んでいてもよい。図１で示されるように、水分離器３０ｂから出口通路２３を介して、さらに熱交換器２６を介して出口通路４２により、貯蔵デバイス３２に水を供給できる。貯蔵デバイス３２内に保存された水を、ポンプ３４により第二の熱交換器２８に供給してもよい。水がフィルター３６を通って入口通路２２ｂに送られる前に、第二の熱交換器２８により少なくとも部分的に水を冷却してもよい。したがって、水がカソード１６に戻るように方向づけられる前に、熱交換器２８により水の温度を制御してもよい。
[0038]図２で示されるように、他の典型的な実施態様に従って、冷却システム１０は、再循環ループ４４中で水を冷却するための第二の再循環ループ４６を含んでいてもよい。具体的に言えば、第二の再循環ループ４６は、再循環ループ４４に供給される水の少なくとも一部を再循環ループ４６に供給できるように再循環ループ４４に流体連結されていてもよい。水が再循環ループ４６中に存在する間、上記で説明したように、第二の熱交換器２８で水を冷却してもよい。また再循環ループ４６も、貯蔵デバイス３２、ポンプ３４、または冷却システム１０の他のデバイスを含んでいてもよいし、または含んでいなくてもよいことが理解される。
[0039]図３は、他の典型的な実施態様に係る冷却システム１０の概略図を示しており、ここで燃料電池１２からの出口通路２４は、第一の熱交換器２６と直接流体連結している。この配置では、カソード１６から排出された流体は、水分離器を通過しないで第一の熱交換器２６に直接供給される。したがって第一の熱交換器２６は、カソード１６から排出された流体から水を分離するための水分離器として機能する可能性がある。水分離器３０ａにより排出された水は、貯蔵デバイス３２に直接供給されてもよい。このような配置によっても、本明細書で説明される冷却システム１０の他の実施態様を提供できる。
[0040]図４は、他の典型的な実施態様に係る冷却システム１０の概略図を示しており、ここで第一の熱交換器２６は、下方への流路を含む。以下で説明されるように、第一の熱交換器２６は、上方への流路または下方への流路で稼働するように設計されていてもよい。
[0041]上向きの流れの設計において、例えば図１〜３で示されるように、出口通路２４または水分離器３０ｂから供給される流体は、第一の熱交換器２６のそれより低い領域に置かれた下部マニホールド４８に入ることができる。次いで流体は、第一の熱交換器２６を通って全体的に上方向に流れて、第一の熱交換器２６の上部領域に置かれた上部マニホールド５０に到達する可能性がある。この上方への流路によって第一の熱交換器２６内で水が凝縮され、流体の上向きの流れとは逆に重力に従って下に流れる可能性がある。次いで凝縮した水を、下部マニホールド４８から出口通路４２を介して貯蔵デバイス３２に排出させることができる。下向きの流れの設計において、例えば図４で示されるように、燃料電池１２からの流体は、上部マニホールド５０を介して第一の熱交換器２６に入ることができる。次いで流体は、全体的に下方向に流れて下部マニホールド４８に到達し、排出通路４０を介して第一の熱交換器２６から出ることができる。また第一の熱交換器２６中で凝縮した水は、全体的に下に流れる可能性もあり、出口通路４２を介して下部マニホールド４８から排出される場合もある。
[0042]これまで説明したように、冷却システム１０は、従来の冷却システムよりも設計上の柔軟性を大きくすることができる。冷却システム１０は、従来のシステムよりも少ない構成要素を含み、配管を簡易化でき、または占有する空間をより小さくできる。稼働中、冷却システム１０はさらに、例えば独立した水の温度や水分平衡の制御などの従来のシステムより優れた１つまたはそれより多くの他の利点をもたらす可能性もある。さらに冷却システム１０は、熱交換器２６と熱交換器２８との間の総熱負荷の分割を調節して、冷却性能または稼働範囲の改善を可能にする。
[0043]冷却システム１０の水分平衡が全体的に一定である状況において、燃料電池１２の稼働条件の範囲にわたり、冷却システム１０によって遮断された総熱量を比較的一定にすることができる。このような状況において、冷却システム１０は、燃料電池１２を冷却するのに必要な総熱遮断量が熱交換器２６と熱交換器２８とで分割されるように設計されていてもよい。この分割は、例えば空気の化学量論、カソード１６における水の入口温度、または冷却水２２ｂの流速などの燃料電池１２または冷却システム１０の運転パラメーターを調節することによって制御が可能である。
[0044]例えば図５は、正の水分平衡を約０．４ｇ／秒にするのにおよそ１５ｋＷの総熱遮断量を必要とする燃料電池システムに関する運転パラメーターのオプションを示す。表１に示すように運転パラメーターを変化させる（空気の化学量論を約１．５から約２．５に、水の温度を約５５℃から約６５℃に、水の流速を約１５ｍｌ／時間／アンペア／セルから約２５ｍｌ／時間／アンペア／セルにする）ことによって、第一の熱交換器２６（ＨＸ１）および第二の熱交換器２８（ＨＸ２）への交換熱量（heat duty）の分割を、約２５％／約７５％から約７８％／約２２％の範囲にすることもできる。
Figure 0006336433
[0045]１つまたはそれより多くの運転パラメーターを制限することにより、より限定的な範囲の稼働条件またはそれほど限定的ではない範囲の稼働条件を使用して冷却システム１０を稼働させることができる。例えば、図５で示されるように、同じ範囲の水の流れおよび温度を維持しながら、空気の化学量論を約１．５０〜約２．５０（ポイントＡおよびＢ）の代わりに約１．７５〜約２．２５（ポイントＣおよびＤ）に制限することにより、必要とされる最大の負荷を、第一の熱交換器２６では約１２．４から約１１．７ｋＷに、第二の熱交換器２８では約１１．１から約１０．３ｋＷに小さくすることができる。さらに水の流れおよび温度を制限することによって、熱交換器２６および２８の一方または両方の稼働上の必要条件をさらに減少させることができる。
[0046]また望ましい範囲内に水分平衡が制御されるように冷却システム１０を稼働させることも可能である。例えば、熱交換器２６および２８を介して遮断される総熱量交換量を増加させることによって、第一の熱交換器２６でより多くの水を凝縮できる。正の水分平衡を達成できることから、より多くの水が第一の熱交換器２６により供給され、冷却システム１０に含有される水の総量が増加するようになる。図６は、熱交換器２６および２８を介して遮断される交換熱量をいかにして調節すれば正または中立の水分平衡がもたらされるのかを示す。
[0047]場合によっては、総熱量交換量を低くすることにより、中立または負の水分平衡を達成することが可能である。例えば、冷却システム１０から出る水の速度が、水素と酸素との燃料反応で生産される水の速度とほぼ同等になるように、水を凝縮すること、または排出通路４０を通過する流体の温度を制御することによって、第一の熱交換器２６は、全体的に中立の水分平衡をもたらすことができる。冷却システム１０中の水の総量が望ましいレベルを超える場合、第一の熱交換器２６を稼働させて、冷却システム１０から排出通路４０を介して、燃料電池反応で生産される量よりも多くの水を除去できる。このフィードバック制御を使用して、冷却システム１０において望ましい量の水を維持できる。具体的に言えば、冷却システム１０に残った水の量を排出通路４０を介して制御することによって、貯蔵デバイス３２中の望ましいレベルの水を維持できる。
[0048]いくつかの実施態様において、第一の熱交換器２６の交換熱量は、固定の運転パラメーターセットで全体的に一定に保つことができる。第二の熱交換器２８の交換熱量が全体的に一定であれば、第一の熱交換器２６の交換熱量を変化させることによって、例えば第一の熱交換器２６のファン速度を変化させて、排出通路４０を通過する流体の温度と水蒸気量を変化させることによって水分平衡を調節できる。同様に、第一の熱交換器２６の交換熱量が固定されている場合、カソードにおける空気の化学量論を変化させることによって水分平衡を調節できる。
[0049]交換熱量の平衡がさらなる操作を必要とする状況において、運転パラメーターをシフトすることにより水分平衡を改善できる。例えば、冷却システム１０を高温の環境で稼働させているために十分量の水を凝縮させることができない場合、より多くの交換熱量を第二の熱交換器２８にシフトさせるように運転パラメーターを調節してもよい。このような交換熱量のシフトは、第一の熱交換器２６で必要な冷却を低減して、水分平衡を維持する第一の熱交換器２６の能力を改善できる。低温の環境で冷却システム１０を稼働させているために凝縮する水の量が多くなりすぎる場合、運転パラメーターを調節して交換熱量を第二の熱交換器２８から第一の熱交換器２６にシフトすることによって、凝縮速度を低くできる。このようなシフトにより、排出通路４０で第一の熱交換器２６から過量の水を追い出すほど十分に高温の排気ガスを維持できる。
[0050]図７Ａおよび７Ｂは、典型的な実施態様に係る第一の熱交換器２６の概略図を示す。上記で説明したように、第一の熱交換器２６は、第一の熱交換器２６を通過する水蒸気の少なくとも一部が液体の形態に変換されるように設計されていてもよい。例えば、第一の熱交換器２６は、投入ガスストリームが重力に対して上方に流れるように設計されていてもよい。それと同時に、投入ガスと共に取り込まれた液状の水、または投入ガスから凝縮された液状の水のいずれかが、重力に従って下方に流れる可能性がある。そのような場合、第一の熱交換器２６は、凝縮装置または水分離器として機能し得る。
[0051]図７Ａおよび７Ｂで示されるように、第一の熱交換器２６は、下部マニホールド４８および上部マニホールド５０を含んでいてもよい。下部マニホールド４８は、燃料電池１２から排出された流体の流れを受け入れるための入口ポート５２（示さず）を含んでいてもよい。また下部マニホールド４８は、第一の熱交換器２６によって保持された水のための出口になるように設計された１つまたはそれより多くの排液ポート５４を含んでいてもよい。いくつかの実施態様において、「スロッシング（sloshing）」により下部マニホールド４８のどちらかの側に水が追いやられる際に効率的に水が排出されるように、排液ポート５４が下部マニホールド４８の逆側の端部に向かって配置されていてもよい。このようなスロッシングは、冷却システム１０を使用する乗り物の動きによって起こる可能性がある。
[0052]また、第一の熱交換器２６は排液ポート５４なしでも稼働が可能であることも考えられる。例えば、水分離器３０ｂから流体を供給する入口通路（示さず）は、排液ポート５４に向かって上向きの角度で配置されていてもよい。上向きの角度を有する入口通路はさらに、以下で説明されるように、ガスの速度を低く保つような大きさであってもよい。このような入口通路は、第一の熱交換器２６によって捕獲された水の少なくとも一部を排出させて水分離器３０ｂに戻すことを可能にする。
[0053]図８Ａおよび８Ｂで示されるように、熱交換器２６は、流体が熱交換器２６を通るように方向付けられるように設計された１つまたはそれより多くのチャネル５６を含んでいてもよい。いくつかの実施態様において、チャネル５６は、全体的に垂直を向いていてもよく、さらに下部マニホールド４８から上部マニホールド５０に伸長していてもよい。チャネル５６は、流体が全体的に下部マニホールド４８から上部マニホールド５０に上向きに流れるように配置される。またチャネル５６は、上記で図４に関して説明したように、流体が全体的に下方へ流れるように設計されていてもよい。
[0054]チャネル５６は、水が収集されるか、または水が第一の熱交換器２６から自然に排出されるように設計されていてもよい。例えば、１つまたはそれより多くのチャネル５６は、チャネル５６を介して液状の水が重力に従って自然に下方へ流れ、同時に流体が上方へ流れるような大きさであってもよい。この結果を達成するためには、流体の流れに伴い水が上方へ押しやられるほど強くならないように抗力を低減させる程度に、チャネル５６中での流体の速度を低く維持してもよい。特に、チャネル５６は、水が自然に排出される程度に低いレベルに流体の速度を制限するのに十分な総断面積（チャネルの数×各チャネルの断面積）を提供するような大きさであってもよい。またチャネル５６の寸法は、流体速度が低い場合でさえも水をその場に保持できる水の表面張力を全体的に制限するのに十分な大きさであってもよい。例えばチャネル５６は、約６ｍｍの幅を有していてもよく、またはそれより広い幅を有していてもよい。図７Ａおよび７Ｂで示されるように、チャネル５６内に捕獲された水を下部マニホールド４８に収集して、排液ポート５４から流出させてもよい。
[0055]いくつかの実施態様において、熱交換器２６は、１つのチャネル５６を含んでいてもよいし、またはより一般的には、全体的に垂直に向けられた平行なチャネル５６を含んでいてもよい。平行なチャネル５６のそれぞれが上部マニホールド５０に流体連結されていてもよい。図８Ａで示されるように、上部マニホールド５０は、１つまたはそれより多くのチャネル５６に流体連結されており、流体の流れが排出ポート６０に向かうように設計された内腔５８を含んでいてもよい。
[0056]いくつかの稼働条件下で、上部マニホールド５０内において流体の流れ中に液状の水が存在する可能性がある。熱交換器２６の１つまたはそれより多くの機構は、排出ポート６０から流出した液状の水が全体的に制限されるように設計されていてもよい。例えば、排出ポート６０の断面積は、低いガス速度が全体的に維持されるのに十分な大きさであってもよい。他の例において、排出ポート６０は、ポート６０を介して水の流れをろ過できるフィルターアセンブリ６２を含んでいてもよい。
[0057]フィルターアセンブリ６２は、排出流体が第一の熱交換器２６を介して冷却システム１０から自然に出るように設計されていてもよい。またフィルターアセンブリ６２は、第一の熱交換器２６からの水の通路が制限されるように、または外部からの汚れまたは塵が第一の熱交換器２６に入らないように設計されていてもよい。加えて、フィルターアセンブリ６２上に水を凝縮または付着させて第一の熱交換器２６に水が戻るように、フィルターアセンブリ６２を設計してもよい。
[0058]図９Ａ〜Ｃは、典型的な実施態様に係るフィルターアセンブリ６２の概略図を示す。フィルターアセンブリ６２は、様々な配置で置かれた１つまたはそれより多くのフィルター要素６４、フィルターフレーム６６、またはガスケット６８を含んでいてもよい。一般的には、１つまたはそれより多くのフィルター要素６４は、フィルターアセンブリ６２を介して液状の水の通路を少なくとも部分的に制限しながら、冷却システム１０から流体を出させることができる。いくつかの環境において、このようなろ過は、第一の熱交換器２６から出る排気ガスと共に液状の水が排除されることを防ぐことができる。
[0059]図９Ｂで示されるように、フィルターアセンブリ６２は、互いに隣接して置かれた３つのフィルター要素６４、３つのフィルターフレーム６６、および１つのガスケット６８を含んでいてもよい。フィルター要素６４は、例えば金属発泡体、メッシュ、またはフェルト媒体などの多孔質媒体の層を１つまたはそれより多く含んでいてもよい。１つまたはそれより多くのフィルター要素６４は、１つまたはそれより多くのフィルターフレーム６６またはガスケット６８の間に保持されていてもよい。いくつかの実施態様において、第一および第三のフィルター要素は約１．２ｍｍの金属発泡体を含んでいてもよく、第二のフィルター要素は、他のベキポール（Bekipor）ろ過材のなかでも特に、ベキポール６０ＢＬ３金属ろ過材を含んでいてもよい。一般的には、フィルター要素６４は、１）水蒸気を包含するガスを通過させる、２）液状の水を付着させるか、もしくはブロックする、３）液状の水を排出させる、または４）外部からのほこりもしくは塵が熱交換器２６に入る量を最小化すると予想される。フィルター要素６４としては、発泡体、スクリーン、メッシュ、フェルト、ウール、紙、または他の多孔質構造が挙げられる。これらは部分的に、金属、テフロン（Teflon）、ガラス繊維、布、またはセラミックなどの材料から形成されていてもよい。加えて、第一フィルター要素と第二のフィルター要素６４とを隔てるフィルターフレーム６６は、約５ｍｍの幅を有していてもよい。
[0060]いくつかの実施態様において、第一の熱交換器２６またはフィルターアセンブリ６２は、捕獲された水の少なくとも一部がフィルターアセンブリ６２によって流出して第一の熱交換器２６に戻るように設計されていてもよい。例えば、フィルター要素６４の多孔質の性質は、液状の水が重力に従って内腔５８に流出するための通路を提供する可能性がある。第一の熱交換器２６またはフィルターアセンブリ６２は、捕獲された水が流れ落ちて１つまたはそれより多くのチャネル５６（示さず）に戻るように様々に設計されていてもよい。この水の流れを促進するために、図９Ｃで示されるように、フィルター要素６４の下部端７０の少なくとも一部が、２つのフィルター要素６４間に置かれたフィルターフレーム６６で覆われていなくてもよい。さらに、フィルター要素６４の下部端７０は、チャネル５６中でフィルターアセンブリ６２からの水が流れ落ちるように１つまたはそれより多くのチャネル５６の上に置かれていてもよい。上で説明したように、チャネル５６は、水が下方に流れて下部マニホールド４８に向かうようにできる大きさであってもよい。
[0061]本発明の開示の他の実施態様は、明細書の考察と本明細書において開示された概念の実施から当業者には明らかであると予想される。例えば、第一の熱交換器２６は、例えば冷却セル様式の燃料電池システムなどの様々な燃料電池で使用される可能性がある。その上、熱交換器２６および２８の１つまたはそれより多くの機能または構成要素を連結して１つのユニットにしてもよい。明細書および実施例は単なる典型例と考えられ、本発明の開示の真の範囲および本質は、以下の特許請求の範囲によって提示されるものとする。
本発明は以下の態様を含む。
[１] 燃料電池とともに使用するための冷却システムであって：
燃料電池の出口通路に流体連結されており、燃料電池の出口通路を通過する流体の少なくとも一部を液状の水へと凝縮するように設計されている第一の熱交換器；
第一の熱交換器の出口通路と燃料電池の入口通路とに流体連結されており、燃料電池の入口通路を通過する流体を冷却するように設計されている第二の熱交換器；
を含み、
燃料電池の出口通路および燃料電池の入口通路は、燃料電池のカソードに流体連結されており、燃料電池の入口通路は、カソードに水を供給するように設計されている、上記冷却システム。
[２] カソードに流体連結されており、カソードに酸素を供給するように設計されている空気の入口通路；および
燃料電池のアノードに流体連結されているアノードの出口通路およびアノードの入口通路
をさらに含み、
アノードの出口通路は、アノードの入口通路に流体連結されており、アノードの入口通路は、アノードに水素を供給するように設計されている、[１]に記載の冷却システム。
[３] 前記アノードの出口通路が、水分離器を通過する流体の少なくとも一部を水へと分離するように設計されている水分離器を含む、[２]に記載の冷却システム。
[４] 前記水分離器が、カソードの出口通路、カソードの出口通路と組み合わされた第二の水分離器、および水貯蔵デバイスのうち少なくとも１つに流体連結されている、[３]に記載の冷却システム。
[５] 前記燃料電池の出口通路が、水分離器を通過する流体の少なくとも一部を水へと分離するように設計されている水分離器を含み、ここで水分離器は、第一の熱交換器に流体連結されている、[１]に記載の冷却システム。
[６] 水貯蔵デバイス、ポンプ、およびフィルターのうち少なくとも１つをさらに含む、[１]に記載の冷却システム。
[７] 前記第一の熱交換器の出口通路が、第二の熱交換器に流体連結されている水の出口通路を有する水貯蔵デバイスに流体連結されている、[１]に記載の冷却システム。
[８] 前記第二の熱交換器が、水貯蔵デバイスに水を供給するように設計されている水の入口通路に流体連結されている、[７]に記載の冷却システム。
[９] 前記第一の熱交換器が、燃料電池の出口通路に流体連結されている入口ポート、大気に流体連結されている排出ポート、第一の熱交換器に流体連結されている排液ポート、および第一の熱交換器内の水を少なくとも部分的に捕獲するように設計されているフィルターアセンブリを含む、[１]に記載の冷却システム。
[１０] 前記フィルターアセンブリが、少なくとも２つのフィルター要素と、少なくとも２つのフィルター要素間に置かれた少なくとも１つのフレーム部材とを含み、前記第一の熱交換器が、１つまたはそれより多くのチャネルを含み、ここで少なくとも２つのフィルター要素のうち少なくとも１つは、下端部を含み、下端部は、少なくとも１つのフレーム部材で少なくとも部分的には遮られておらず、また、１つまたはそれより多くのチャネルに水を排出するように設計されている、[９]に記載の冷却システム。
[１１] 前記フィルターアセンブリが、第一の熱交換器の上部マニホールドに流体連結されており、該上部マニホールドは、全体的に垂直に向けられた複数のチャネルに流体連結されている、[９]に記載の冷却システム。
[１２] 出口通路と少なくとも１つの入口通路とに流体連結されたカソードを含む燃料電池（ここで少なくとも１つの入口通路は、カソードに空気と少なくとも部分的に再循環された水とを供給して、カソード内で空気と少なくとも部分的に再循環された水とを混合するように設計されている）；
燃料電池の出口通路に流体連結された第一の熱交換器（ここで第一の熱交換器は、燃料電池の出口通路を通過する流体の少なくとも一部を液状の水に変換するように設計されている）；および
第一の熱交換器の出口通路と燃料電池の入口通路とに流体連結された第二の熱交換器（ここで第二の熱交換器は、燃料電池の入口通路を通過する流体を冷却するように設計されている）
を含む、電力システム。
[１３] 燃料電池のアノードに水素を供給して、燃料電池のカソードに空気と水とを供給すること；
燃料電池から流体を排出すること（ここで流体の少なくとも一部は、第一の流体を含む）：
第一の熱交換器に第一の流体を供給して、第一の熱交換器を使用して第一の流体の少なくとも一部を水へと凝縮すること；
第二の熱交換器に、燃料電池から排出された流体および第一の熱交換器によって凝縮された水のうち少なくとも１つを供給すること；
第二の熱交換器を通過する流体を冷却すること；ならびに
燃料電池に冷却した流体を供給すること
を含む、燃料電池の冷却方法。
[１４] カソードおよびアノードのうち少なくとも１つから排出された流体から水を分離することをさらに含む、[１３]に記載の方法。
[１５] 前記アノードから分離された水が、カソードから排出された流体と、水の貯蔵装置とのうちの少なくとも１つに供給される、[１４]に記載の方法。
[１６] 貯蔵デバイスへと水の流れを供給することをさらに含み、ここで水の流れは、第一の熱交換器および第二の熱交換器のうち少なくとも１つから排出されたものである、[１３]に記載の方法。
[１７] 第一の熱交換器を通過する第一の流体の温度を制御することによって、貯蔵デバイスへの水の流れを改変することをさらに含む、[１６]に記載の方法。
[１８] 燃料電池に再循環させるための流体を、ろ過することおよびポンプ輸送することのうち少なくとも１つをさらに含む、[１３]に記載の方法。
[１９] 第一の熱交換器と第二の熱交換器の交換熱量が少なくとも部分的に釣り合うように運転パラメーターを改変することをさらに含み、ここで運転パラメーターは、水分平衡、カソードの化学量論、流体の流速、および流体の温度のうち少なくとも１つを含む、[１３]に記載の方法。
[２０] 前記運転パラメーターを改変することにより、第一の熱交換器から出る水蒸気の速度が改変されて、貯蔵された水のレベルが少なくとも部分的に制御される、[１９]に記載の方法。
[２１] 流体速度が低速になるような大きさのチャネルを使用して、第一の熱交換器内の水を収集することをさらに含む、[１３]に記載の方法。
[２２] フィルターアセンブリ内の水を収集し、収集された水をチャネルに向かわせることをさらに含む、[２１]に記載の方法。
[２３] 第一の再循環ループを介して水をカソードに再循環させ、第一の再循環ループに流体連結された第二の再循環ループを介して再循環した水を冷却することをさらに含む、[１３]に記載の方法。
１０ 冷却システム
１２ 燃料電池
１６ カソード
１４ アノード
１８ アノードの入口通路
２０ アノードの出口通路
２２、２２ａ、２２ｂ カソードの入口通路
２３ 第一の出口通路
２４ カソードの出口通路
２５ 第二の出口通路
２６ 第一の熱交換器
２８ 第二の熱交換器
３０、３０ａ、３０ｂ 水分離器
３２ 貯蔵デバイス
３４ ポンプ
３６ フィルター
３８ ファン
４０ 排出通路
４２ 出口通路
４４ 再循環ループ
４６ 第二の再循環ループ
４８ 下部マニホールド
５０ 上部マニホールド
５４ 排液ポート
５６ チャネル
５８ 内腔
６０ 排出ポート
６２ フィルターアセンブリ
６４ フィルター要素
６６ フィルターフレーム
６８ ガスケット
７０ 下部端

Claims (17)

  1. 燃料電池とともに使用するための冷却システムであって：
    燃料電池のカソードの出口通路に流体連結されており、燃料電池のカソードの出口通路を通過する流体の少なくとも一部を液状の水へと凝縮するように設計されている第一の熱交換器；
    第一の熱交換器の出口通路と燃料電池のカソードの入口通路とに流体連結されており、燃料電池のカソードの入口通路を通過する流体を冷却するように設計されている第二の熱交換器；および
    燃料電池のカソードの出口通路と第一の熱交換器との間に流体連結されており、カソードの出口通路を通過する流体からの水の一部を分離し、分離された水を水貯蔵デバイスに供給し、水の一部が分離された流体を第一の熱交換器に供給するように設計されている第一の水分離器；
    を含み、
    ここで、燃料電池のカソードの出口通路および燃料電池のカソードの入口通路は、燃料電池のカソードに流体連結されており、燃料電池のカソードの入口通路は、カソードに水を供給するように設計されており、
    第一の熱交換器の出口通路が、第二の熱交換器に流体連結されている水の出口通路を有する水貯蔵デバイスに流体連結されている、
    上記冷却システム。
  2. カソードに流体連結されており、カソードに酸素を供給するように設計されている空気の入口通路；および
    燃料電池のアノードに流体連結されているアノードの出口通路およびアノードの入口通路
    をさらに含み、
    アノードの出口通路は、アノードの入口通路に流体連結されており、アノードの入口通路は、アノードに水素を供給するように設計されている、請求項１に記載の冷却システム。
  3. 前記アノードの出口通路が、アノードの出口通路を通過する流体の少なくとも一部を水へと分離するように設計されている第二の水分離器を含む、請求項２に記載の冷却システム。
  4. 前記第二の水分離器が、カソードの出口通路、カソードの出口通路と連結されている前記第一の水分離器、および前記水貯蔵デバイスのうち少なくとも１つに流体連結されている、請求項３に記載の冷却システム。
  5. ポンプおよびフィルターのうち少なくとも１つをさらに含む、請求項１に記載の冷却システム。
  6. 前記第二の熱交換器が、水貯蔵デバイスに水を供給するように設計されている水の入口通路に流体連結されている、請求項１に記載の冷却システム。
  7. 前記第一の熱交換器が、燃料電池の出口通路に流体連結されている入口ポート、大気に流体連結されている排出ポート、第一の熱交換器に流体連結されている排液ポート、および第一の熱交換器内の水を少なくとも部分的に捕獲するように設計されているフィルターアセンブリを含む、請求項１に記載の冷却システム。
  8. 前記フィルターアセンブリが、少なくとも２つのフィルター要素と、少なくとも２つのフィルター要素間に置かれた少なくとも１つのフレーム部材とを含み、前記第一の熱交換器が、１つまたはそれより多くのチャネルを含み、ここで少なくとも２つのフィルター要素のうち少なくとも１つは、下端部を含み、下端部は、少なくとも１つのフレーム部材で少なくとも部分的には遮られておらず、また、１つまたはそれより多くのチャネルに水を排出するように設計されている、請求項７に記載の冷却システム。
  9. 前記フィルターアセンブリが、第一の熱交換器の上部マニホールドに流体連結されており、該上部マニホールドは、全体的に垂直に向けられた複数のチャネルに流体連結されている、請求項７に記載の冷却システム。
  10. 出口通路と少なくとも１つの入口通路とに流体連結されたカソードを含む燃料電池であって、少なくとも１つの入口通路は、カソードに空気と少なくとも部分的に再循環された水とを供給して、カソード内で空気と少なくとも部分的に再循環された水とを混合するように設計されている燃料電池；
    燃料電池の出口通路に流体連結された第一の熱交換器であって、燃料電池の出口通路を通過する流体の少なくとも一部を液状の水に変換するように設計されている第一の熱交換器；
    第一の熱交換器の出口通路と燃料電池の入口通路とに流体連結された第二の熱交換器であって、燃料電池の入口通路を通過する流体を冷却するように設計されている第二の熱交換器；および
    燃料電池の出口通路を通過する流体からの水の一部を分離し、分離された水を水貯蔵デバイスに供給し、水の一部が分離された流体を第一の熱交換器に供給するように設計されている第一の水分離器であって、燃料電池の出口通路と第一の熱交換器との間に流体連結されている第一の水分離器；
    を含み、
    第一の熱交換器の出口通路が、第二の熱交換器に流体連結されている水の出口通路を有する水貯蔵デバイスに流体連結されている、電力システム。
  11. 燃料電池のアノードに水素を供給して、燃料電池のカソードに空気と水とを供給すること；
    燃料電池のカソードから流体を排出すること、ここで流体の少なくとも一部は、第一の流体を含む：
    第一の流体から水を分離するように構成されている第一の水分離器に第一の流体を供給し、水を水貯蔵デバイスへと供給すること；
    水の一部が分離された第一の流体を第一の熱交換器に供給して、第一の熱交換器を使用して第一の流体の少なくとも一部を水へと凝縮し、第一の熱交換器からの水を水貯槽デバイスへと供給すること；
    第二の熱交換器に、水貯槽デバイスからの水を供給すること；
    第二の熱交換器を通過する水を冷却すること；
    燃料電池に冷却した水を供給すること；および
    第一の再循環ループを介して水をカソードに再循環させ、第一の再循環ループに流体連結された第二の再循環ループを介して、再循環する水を冷却すること
    を含む、燃料電池の冷却方法。
  12. 第一の熱交換器を通過する第一の流体の温度を制御することによって、水貯蔵デバイスへの水の流れを改変することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 燃料電池に再循環させるための流体を、ろ過することおよびポンプ輸送することのうち少なくとも１つをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
  14. 第一の熱交換器と第二の熱交換器の交換熱量が少なくとも部分的に釣り合うように運転パラメーターを改変することをさらに含み、ここで運転パラメーターは、水分平衡、カソードの化学量論、流体の流速、および流体の温度のうち少なくとも１つを含む、請求項１１に記載の方法。
  15. 前記運転パラメーターを改変することにより、第一の熱交換器から出る水蒸気の速度が改変されて、貯蔵された水のレベルが少なくとも部分的に制御される、請求項１４に記載の方法。
  16. 流体速度が低速になるような大きさのチャネルを使用して、第一の熱交換器内の水を収集することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
  17. フィルターアセンブリ内の水を収集し、収集された水をチャネルに向かわせることをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
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