JP2005531124A - 脱気ｐｅｍ型燃料電池システム - Google Patents

Abstract

ＰＥＭ型燃料電池システム（１０）の冷却剤回路（１４）内の水冷却剤を管理する装置および方法が提供される。気体−液体分離装置（２６）は、気体を含む液体冷却剤を効率的に輸送し、かつ、液体冷却剤から気体を分離するように機能する。気体が除去された液体冷却剤は、次に、従来のポンプ（２４）によって液体回路を通して循環される。気体−液体分離装置（２６）を伴う液体エダクタ（２８’）などの真空ポンプ（２８）は、気相流体および気相−液相流体の一方または両方を効率的に輸送し、かつ、液体冷却剤の脱気を助けるように機能する。エダクタは、液体冷却剤からの気体の分離をさらに促進する分離器／蓄積器（３０；３０’）へ吐出する。

Description

本発明は、高分子電解質膜（ＰＥＭ）型燃料電池システム内の冷却剤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却剤流れ回路内での、真空装置、特にエダクタ、の有益な使用に関する。

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、冷却剤、通常は水、の管理は、困難かつ重要である。冷却剤システムが、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却剤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。冷却剤水中の凝縮しにくい（通常の作動条件下では容易に凝縮できない）気体の存在によって、対処する必要のある水管理の問題が生じる。さまざまな従来技術の燃料電池システムにおいては、水は、燃料スタック内の反応物気体から隔離され、それによって、冷却剤内への気体の飛沫同伴／溶解、およびさまざまな付随する問題あるいは制限が最小限に抑えられる。スタック内の隣接する燃料電池の間に冷却剤分配媒体として機能する水移動板（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、冷却剤水と密接に接触し、その中に飛沫同伴されることおよび溶解することの一方または両方が容易に行われる。従って、冷却剤管理システムは、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、飛沫同伴される凝縮しにくい気体を再循環する冷却剤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）の一方または両方などのいくつかの気体を冷却剤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の機構は、冷却剤を空気で飽和させるのに実際に寄与し得る。

従って、本発明の目的は、高分子電解質膜型燃料電池システム内の改良された冷却剤管理システムを提供することである。さらなる目的は、従来システムより複雑でなくかつより高価でないような仕方で、そのような冷却剤管理システムを提供することである。

本発明は、水輸送板（ＷＴＰ）を含むＰＥＭ型燃料電池システム内の水冷却剤を管理する方法およびシステムを含む。本発明は、気体がある程度ＷＴＰに接触するので循環する冷却剤の中に、凝縮しにくい気体が溶解することおよび飛沫同伴されることの一方または両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却剤を蓄積する分離器手段および蓄積器手段の一方または両方の使用も含む。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却剤ポンプが、冷却剤システム内の冷却剤水に循環推進力および駆動圧力を提供する。

燃料電池アッセンブリ（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、水移動板（ＷＴＰ）を含む冷却剤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、液体冷却剤の中に飛沫同伴されることおよび溶解することの一方または両方が行われた、空気、水素、二酸化炭素、その他などの気体は、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却剤から除去される。ここで使用する「気体」という用語は、凝縮可能な水蒸気とは対照的に、冷却剤の中に飛沫同伴されることおよび溶解することの一方または両方が行われる通常は凝縮しにくい気体を意味することを意図している。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／蓄積器の一方または両方とすることができる。

エダクタは、一次入口すなわち推進入口と、二次入口すなわち吸入入口と、吐出排出口すなわち吐出出口とを含む。冷却剤ポンプからの冷却剤水は、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却剤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却剤回路へ戻すための液体冷却剤の蓄積のために、エダクタから流出物を受け取る。

一実施態様において、気体／液体混合物冷却剤は、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。蓄積された液体冷却剤は、次に、冷却剤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。残りの液体冷却剤は、まず冷却剤ポンプへ供給され、次に、流れは、冷却剤回路へ戻る前に、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、その他は、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却剤ポンプに接続できる。

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あろう。

図１をまず参照すると、全体が参照符号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アッセンブリ（ＣＳＡ）１２と、全体が１４で示される付随する冷却剤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であり、参照することによりここに組み込まれるライザー（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。水素に富む燃料反応物気体が、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。

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、冷却剤水をＣＳＡ１２へおよびＣＳＡ１２から導くように冷却剤の流れの場を提供する。冷却剤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詳細に記載されている、微細な孔を有する水輸送板（ＷＴＰ）を含む。ＷＴＰに亘ってＷＴＰを通って流れる冷却剤水は、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却剤水の中に飛沫同伴されることおよび溶解することの一方または両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、改質物燃料を使用する場合は、二酸化炭素をさらに含む。冷却剤がＣＳＡ１２を通って流れる間に冷却剤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却剤が通って流れる間の「ストリッピング」または「パージ」作動中にも冷却剤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却剤中に飛沫同伴／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。ここで使用する「気体」という用語は、凝縮可能な水蒸気とは対照的に、冷却剤の中に飛沫同伴されることおよび溶解することの一方または両方が行われる凝縮しにくい気体を意味することを意図している。

冷却剤管理システム１４は主として、再使用のためにＣＳＡ１２へ冷却剤水の一部または全部を戻す供給回路である。従って、冷却剤は、熱移動、加湿、反応物障壁、単純化されたポンプ輸送、その他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、冷却剤システム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から排出される冷却剤は、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、冷却剤管理システム１４は、液体状態の冷却剤を冷却剤回路の関連する部分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から排出される冷却剤中の気体および気体−液体混合物の一方または両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、冷却剤管理システムすなわち回路１４内に、遠心冷却剤ポンプ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。

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と出口２５とを有しており、以下に説明するように液体冷却剤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、必要な冷却剤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、冷却剤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。

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−液体冷却剤混合物の領域と、ポンプ２４への入口２３との間の冷却剤回路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却剤は、次に、冷却剤ポンプ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、冷却剤回路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。

脱塩装置３４が、望ましくない無機物質を冷却剤水から除去するように、冷却剤ポンプ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へ冷却剤が流入する前に、例えば電気加熱器３６によって冷却剤を適切に加熱する手段が提供される。しかしながら、冷却剤がＣＳＡ１２を通って流れる間に冷却剤によって獲得される熱は、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却剤区間（ｌｅｇ）４０を介して得られる。

付加的にあるいは代替として、破線で図示したように、燃料電池電力システム１０に付随する燃料処理システム（ＦＰＳ）９０内の改質反応において既知の仕方で使用するための水蒸気を生成するように、冷却器２２の出口２９からの流出物冷却剤の一部を使用するのが望ましくなり得る。そのような場合は、飛沫同伴された気体を有する冷却剤は、制御弁９１とポンプ９３によって加熱器９２を介してＦＰＳ９０へ導くことができる。ＰＥＭ型ＣＳＡ１２の冷却器２２から排出される冷却剤は、特に高温ではないので、加熱器９２は、バーナ、ボイラー、または熱交換器とすることができ、冷却剤の中においてあるいは冷却剤から必要な水蒸気を発生させるように機能する。制御弁９１は、保証される程度まで流れの分配を可能にする。

冷却剤がＦＰＳ９０内の水蒸気のために使用されるかぎり、その一部はその後、水に凝縮することになり、その凝縮物は、冷却剤回路１４に戻されあるいは付加されることができる。重要なことには、加熱器９２における水蒸気生成の結果として、水の中の汚染物質の蓄積を防止するために加熱器９２の周期的なブローダウン（ｂｌｏｗｄｏｗｎ）が必要となる。冷却剤管理システム１４内の、特にＣＳＡ１２への、冷却剤バランスを維持するのが重要である。この目的のために、冷却剤水は、冷却剤回路１４に、好ましくは分離器２６の直前に、接続される制御弁４４を介して冷却剤回路１４に流入する加熱器９２からのブローダウンの量、および、冷却剤回路１４へ戻され／付加される燃料電池生成水（図示せず）の量、の一方または両方を制御することによって選択的にシステム１４へ付加（またはシステム１４から除去）することができる。望ましい目標になり得るとはいえ、冷却剤回路１４は、いつでも冷却器２２を通って流れる冷却剤の１００％を連続的に再循環させる必要はないことに留意する必要がある。むしろ、冷却剤は、ＦＰＳ９０内でのように水蒸気改質過程で使用される場合は、その回路から失われ得るものであり、冷却剤は、燃料電池１２内の電気化学反応によって生成される生成水から付加できる。

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）参照符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。

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、参照することによりここに組み込まれる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、および第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却剤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。

液体エダクタ２８’は、さまざまな形状寸法をとるが、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を有する基部板４８と；座部４９に着座された約０．０６０インチ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板５４とから構成される。上部板５４と基部板４８とは、留め具または結合によって、組み合わされかつ流体密関係に保持される。

図４、図５を参照すると、エダクタ２８’の上部板５４は、加圧された液体冷却剤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排出口開口部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、吐出排出口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’の周りに弧を描いている。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、排出口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の真空が、推進入口５６において１２ｐｓｉｇの冷却剤圧力を用いて確立される。

図２に図示されるように、加圧冷却剤供給ライン６６は、冷却剤ポンプ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−液体冷却剤混合物を含む領域における冷却剤回路１４へライン６７を介して接続される。エダクタ２８’の吐出排出口６０は、液体冷却剤からの気体の分離を完了させかつ残りの冷却剤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。

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、下降する冷却剤水を通って上方へ流れ、冷却剤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、冷却剤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、冷却剤回路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から排出され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を介して冷却剤ポンプ２４の入口２３へ接続される。

図２の実施態様の構成は、液体冷却剤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、冷却剤回路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却剤の量を最小限に抑え、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。

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’内へ吸い込まれるなんら実質的な量の液体冷却剤を必要としないという点が主に異なる、燃料電池電力システム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。さらに、ＦＰＳを通る随意の冷却剤／水蒸気経路の図示は、図６の視覚的単純化のために省略されているが、その随意の包含は、図１および図２に図示されている程度まで含意されることができる。そのような場合、水蒸気のための冷却剤は、図６のポンプ２４’の後でおそらく得られるであろう。

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却剤／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却剤排出ポート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、気体排出ポート７８が、液体冷却剤排出ポート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却剤−気体混合物は、気泡捕集器１３２の流入ポート７４に接続され、液体冷却剤排出ポート７６は、冷却剤ポンプ２４’の入口２３’に接続され、気体排出ポート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。液体冷却剤−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排出ポート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、溶解気体の一部が、冷却剤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、より重い冷却剤水は、今では気体混合物の大部分が除かれ、液体冷却剤排出ポート７６へ下降してかつそこに蓄積し、そこで、次には冷却剤ポンプ２４’へと運ばれる。

このように、冷却剤ポンプ２４’は、回路１４内にポンプ輸送するために実質的に液体冷却剤だけを受け取り続け、エダクタ２８’は、冷却剤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、冷却剤ポンプ２４’から排出される脱気された冷却剤水は、ライン６６’を介して、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。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ブローダウンおよび燃料電池冷却剤水が、ここでは、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、冷却剤回路１４へ直接戻るように液体冷却剤を吐出し、この例では冷却剤ポンプ２４’は、上述したように気泡捕集器分離器１３０からその冷却剤水入力を受け取る。

本発明の特徴を組み込んだ燃料電池電力システム１０’の通常の冷却剤回路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。冷却剤回路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。図７の圧力計画は、ＦＰＳ部分における冷却剤圧力利得および降下を除くものである。冷却剤ポンプ２４’と、気体−液体輸送、分離、および蓄積機構２６’’とは、約−５．０ｐｓｉｇと＋１２．０ｐｓｉｇ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却剤の圧力は、ここでは、周囲における基準、すなわち０ｐｓｉｇとして機能する。ＣＳＡ１２へ向かう冷却剤回路１４の流れに続き、冷却剤は、調整弁３７を渡って、１．５ｐｓｉの降下または差（ｐｓｉｄ）を経験する。０．５ｐｓｉの降下が、遮断弁８２を渡って生じる。ＣＳＡ１２の冷却剤領域２２を渡る圧力降下は、約２．５ｐｓｉであり、さらなる０．５ｐｓｉの降下が、遮断弁８４を渡って生じる。この位置までに、冷却剤システム圧力が、ここで−５．０ｐｓｉｇとなるように、圧力は、５．０ｐｓｉ降下している。その後、ＣＳＡ１２からの気体−液体冷却剤混合物は、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、冷却剤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の入口水圧力において５ｐｓｉ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。冷却剤ポンプ２４’への入口におけるゲージ圧力が、−５．１ｐｓｉｇとなるように、分離器／蓄積器１３０を渡る液体冷却剤の圧力降下は、約０．１ｐｓｉである。エダクタ２８’の推進入口へ流入する冷却剤圧力が、＋１２．０ｐｓｉｇとなるように、ポンプ２４’は、約１７．１ｐｓｉ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、冷却剤システムから分離された空気−気体をさっと流し、冷却剤は、再循環する。さらに、ポンプ２４’から分離器／蓄積器３０’への液体冷却剤の主な流量は、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。

本発明は、その例示的な実施態様に関して説明かつ図示したが、本発明の精神および範囲から逸脱せずに、上述したものおよびさまざまな他の変更、省略、および追加を行うことができることは、当業者には理解されるはずであろう。例えば、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の一方または両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一方または両方も、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。

本発明に概略従った冷却剤管理システムを有する燃料電池電力システムの概略図。 本発明の一実施態様に従った冷却剤管理システムを有する燃料電池電力システムの概略図。 本発明の冷却剤管理システムに組み込まれる水エダクタの分解アッセンブリ図。 エダクタ流れ流路の配置および輪郭を示す、図３のエダクタの上部板の下面図。 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。 本発明の好ましい実施態様に従った冷却剤管理システムを有する燃料電池電力システムの概略図。 冷却剤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却剤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。

Claims (12)

1. 高分子電解質膜（ＰＥＭ）型燃料電池電力システム（１０）のための冷却剤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、液体冷却剤の供給を受け取る入口（２７）および冷却剤を吐出する出口（２９）を有する冷却器（２２）とを備える、ＰＥＭ型燃料電池スタックアッセンブリ（ＣＳＡ）（１２）と、
   ｂ） 冷却器入口（２７）および冷却器出口（２９）に接続され、液体冷却剤を、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、冷却剤回路（１４）と、
   を備え、前記液体冷却剤は、ＣＳＡ冷却器（２２）を通って流れる間に、この液体冷却剤の中に飛沫同伴されることおよび溶解することの一方または両方が行われた気体を獲得し、それによって、気体−液体冷却剤混合物を形成し、前記冷却剤回路（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却剤だけをポンプ輸送する、液体ポンプ（２４；２４’）と、
   ｉｉ） ＣＳＡ冷却剤領域出口（２９）とポンプ入口（２３；２３’）との間の冷却剤回路（１４）に接続され、前記気体−液体冷却剤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却剤を蓄積（３０；３０’；１３０）し、実質的に液体冷却剤だけをポンプ入口（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−液体冷却剤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−液体冷却剤混合物の領域において冷却剤回路（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却剤管理システム。
2. 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記載の冷却剤管理システム。
3. 前記エダクタ（２８’）は、推進入口（５６）と、吸入入口（５８）と、吐出排出口（６０）とを含み、前記推進入口（５６）は、実質的に液体冷却剤だけを受け取るように前記冷却剤回路（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−液体冷却剤混合物の領域において前記冷却剤回路（１４）に接続されることを特徴とする請求項２記載の冷却剤管理システム。
4. 前記エダクタ吸入入口（５８）は、気体−液体冷却剤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記載の冷却剤管理システム。
5. 前記分離手段（２６；２６’’）は、前記気体−液体冷却剤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却剤を蓄積する、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−液体冷却剤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却剤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却剤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記載の冷却剤管理システム。
6. 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記載の冷却剤管理システム。
7. 前記分離手段（２６；２６’’）は、前記気体−液体冷却剤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却剤を蓄積する、第２の分離／蓄積手段（３０’）をさらに含み、前記エダクタ吐出排出口（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記載の冷却剤管理システム。
8. 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記載の冷却剤管理システム。
9. 液体冷却剤の供給を受け取る入口（２７）および冷却剤を吐出する出口（２９）を有する冷却器（２２）を含むＰＥＭ型燃料電池スタックアッセンブリ（ＣＳＡ）（１２）と、冷却器入口（２７）および冷却器出口（２９）に接続された冷却剤回路（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）のための冷却剤管理方法であって、
   ａ） 液体冷却剤の中に飛沫同伴されることおよび溶解することの一方または両方が行われた気体を液体冷却剤が獲得しそれによって冷却器出口（２９）から排出される気体−液体冷却剤混合物が形成されるＣＳＡ冷却器（２２）を通して、冷却器入口（２７）の前の冷却剤回路（１４）内の位置にある液体冷却剤をポンプ輸送（２４）し、
   ｂ） 冷却器出口（２９）とステップａ）の液体冷却剤ポンプ輸送（２４）の位置との間の冷却剤回路（１４）内の位置にある気体−液体冷却剤混合物から気体を分離（２６；２６’）し、それによって、液体冷却剤を脱気し、
   ｃ） 分離ステップｂ）から得られた脱気された液体冷却剤を蓄積し、
   ｄ） ポンプ輸送ステップａ）のための液体冷却剤の少なくとも一部として、脱気された液体冷却剤を供給する、
   ステップを含むことを特徴とする方法。
10. 前記気体−液体冷却剤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−液体冷却剤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。
11. 前記真空ポンプ輸送（２８；２８’）するステップは、気体−液体冷却剤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。
12. 前記冷却剤回路（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却剤をさらに供給するステップと、冷却剤回路（１４）内の気体−液体冷却剤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。

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