JP2007173231A

JP2007173231A - 燃料電池熱管理システム及び方法

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Publication number: JP2007173231A
Application number: JP2006334485A
Authority: JP
Inventors: Mark G Voss; マーク・ジー・ボース; Nelson Jarrett F; エフ・ネルソン・ジャレット; Joseph R Stevenson; ジョーゼフ・アール・スティーブンソン
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2007-07-05
Also published as: US20070141420A1; FR2895148A1; DE102006058968A1

Abstract

【課題】最適性能のために、燃料電池スタックの動作温度を所望する温度範囲に維持することが好ましい。これは、燃料電池スタックの過渡的動作の間、特に、過渡的動作が燃料電池スタックの発熱の急増をもたらすときに、更に困難になる。
【解決手段】燃料電池熱管理システム（１０）は、燃料電池スタック（１２）を所望する動作温度範囲に維持するために提供される。システム（１０）は、熱貯蔵器（１４）、放熱器（１６）、及び混合弁（１８）を含む。燃料電池スタック（１２）からの熱は熱貯蔵器（１４）へ除去され、熱貯蔵器（１４）からの熱は放熱器（１６）へ除去される。混合弁（１８）は、冷却剤流を燃料電池スタック（１２）から第１温度Ｔ１で受け取り、冷却剤流を放熱器（１６）又は熱貯蔵器（１４）から第２温度Ｔ２で受け取り、２つの冷却剤流を混合して、混合冷却剤流を燃料電池スタック（１２）に第３温度Ｔ３で提供し、燃料電池スタック（１２）を所望する動作温度範囲に維持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、燃料電池スタックの燃料電池熱管理に関する。

最適性能のために、燃料電池スタックの動作温度を所望する温度範囲に維持することが好ましい。これは、（例えば、燃料電池スタックからの電力需要の増加又は減少による）燃料電池スタックの過渡的動作の間、特に、過渡的動作が燃料電池スタックの発熱の急増をもたらすときに、更に困難になる。

本発明の１特徴によると、燃料電池熱管理システムは、燃料電池スタックを所望する動作温度範囲に維持するのに使用するために提供される。システムは、燃料電池スタック、燃料電池スタックから受け取った冷却剤流から除去された熱エネルギーを貯蔵してサーマルマスを収容するための熱貯蔵器、熱貯蔵器から受け取った冷却剤流からの熱を除去するための放熱器、並びにそこから第１温度の冷却剤流を受け取るために燃料電池スタックへ、そこから第２温度の冷却剤流を受け取るために熱貯蔵器と放熱器の１つへ、及びそこへ第３温度の混合冷却剤流を供給するために燃料電池スタックへ接続された混合弁を含む。

１特徴によると、燃料電池熱管理システムは、第１冷却剤流に放熱器と熱貯蔵器を通らせる第１冷却剤ループ、並びに第２冷却剤流に熱貯蔵器、燃料電池スタック、及び混合弁を通らせる第２冷却剤ループを更に含む。混合弁は、熱貯蔵器から第２温度の冷却剤流を受け取る。

１特徴として、熱貯蔵器は、冷却剤ループの少なくとも１つとサーマルマスの間で熱を伝達するための間接接触熱交換機を更に含む。

１特徴によると、燃料電池熱管理システムは、共通冷却剤流に放熱器、熱貯蔵器、燃料電池スタック、及び混合弁を通らせる冷却剤ループを更に含み、混合弁は、放熱器から第１温度の冷却剤流を受け取る。

１特徴として、燃料電池熱管理システムは、燃料電池スタックを出る冷却剤流の温度を検出するための温度センサを更に含む。混合弁は、温度センサからの信号に応答して混合冷却剤流の組成を調節するように形成される。

１特徴によると、サーマルマスは、所望する動作温度範囲に対応するように選択された融解温度を有する相転移材料を含む。他の特徴として、熱貯蔵器は、冷却剤流から相転移材料へ熱を伝達するための間接接触熱交換機を更に含む。

１特徴では、サーマルマスは、放熱器と燃料電池スタックの少なくとも１つに供給される冷却剤流と混合できる液体冷却剤を含む。

本発明の１特徴によると、燃料電池熱管理システムは、燃料電池を所望する動作温度範囲に維持するために使用するのに提供される。システムは、燃料電池スタック、第１燃料電池スタックから受け取った冷却剤流から除去された熱エネルギーを貯蔵してサーマルマスを収容するための熱貯蔵器、熱貯蔵器から受け取った第２冷却剤流からの熱を除去するための放熱器、並びにそこから第１温度の冷却剤流を受け取るために燃料電池スタックへ、そこから第２温度の冷却剤流を受け取るために熱貯蔵器へ、及びそこへ第３温度の混合冷却剤流を供給するために燃料電池スタックへ接続された混合弁を含む。

１特徴として、燃料電池熱管理システムは、第１冷却剤流に放熱器と熱貯蔵器を通らせる第１冷却剤ループ、並びに第２冷却剤流に熱貯蔵器、燃料電池スタック、及び混合弁を通らせる第２冷却剤ループを更に含む。

本発明の１特徴によると、燃料電池熱管理方法が、燃料電池スタックを所望する動作温度範囲に維持するために提供される。本発明による方法は、
第１冷却剤流からサーマルマスへ熱を伝達すること、
サーマルマスから第２冷却剤流へ熱を伝達すること、
第２冷却剤流からの熱を除去すること、
混合冷却剤流を作り出すために、第１冷却剤流と第２冷却剤流の１つを燃料電池スタックからの第３冷却剤流と混合すること、
燃料電池スタックから混合冷却剤流へ熱を伝達すること、及び
混合冷却剤流を第１冷却剤流と第３冷却剤流に分けることの諸ステップを含む。

１特徴として、混合するステップは、燃料電池スタック動作温度を表す検出温度に基づいて混合冷却剤流の組成を調節することを含む。

１特徴によると、第１冷却剤流からサーマルマスへ熱を伝達するステップは、サーマルマスの少なくとも一部の位相を変化させることを含む。

１特徴では、サーマルマスから第２冷却剤流へ熱を伝達するステップは、サーマルマスの少なくとも一部の位相を変化させることを更に含む。

本発明の他の目的、特徴、及び長所は、請求項と図面を含む明細書全体の検討から明らかになるであろう。

燃料電池熱管理システム１０が図１に示され、燃料電池スタック１２を所望する動作温度範囲に維持するために提供される。システム１０は、熱貯蔵器１４、放熱器１６、及び混合弁１８を含む。

熱貯蔵器１４はサーマルマス２０を含み、燃料電池スタック１２から受け取った（矢印２２によって図示される）冷却剤流から除去された熱エネルギーを貯蔵するために提供される。放熱器１６は、熱貯蔵器１４から受け取った（矢印２４によって示される）冷却剤流からの熱を除去する。混合弁１８は、第１温度Ｔ１の（矢印２６によって示される）冷却剤流を受け取るための燃料電池スタック１２、第２温度Ｔ２の（矢印２８によって示される）冷却剤流を受け取るための熱貯蔵器１４、及び第３温度Ｔ３の（矢印３０によって示される）混合冷却剤流を供給するための燃料電池スタック１２に接続される。

第１冷却剤ループ３２は、冷却剤流２４に放熱器１６と熱貯蔵器１４を通らせ、ポンプ３４を含む。第２冷却剤ループ３６は、冷却剤流２２，２６，２８，３０に熱貯蔵器１４、混合弁１８、及び燃料電池スタック１２を各々通らせ、ポンプ３８を含む。

また、システムは、燃料電池スタック１２を出た後の混合冷却剤流３０の温度を検出して検出温度を表す信号４２を混合弁に提供する温度センサ４０を含むことが好ましい。混合弁１８は、入ってくる２つの冷却剤流２６，２８の相対的混合比を調節することによって混合冷却剤流３０の組成を調節し、それによって温度センサ４０からの信号４２に応答して温度Ｔ３を調節するように構成された任意の混合弁である。

また、システムは、冷却流体流（空気が好ましい）に放熱器１６を通らせるファン４６も含むことができる。

１つの好ましい形態では、熱貯蔵器１４は液体貯蔵器であり、サーマルマス２０は多量の冷却剤を含み、冷却剤ループ３２，３６の少なくとも１つは、ループを通してサーマルマス２０から冷却剤を循環させる。実施例の中には、冷却剤ループ３２，３６の両方が各ループを通してサーマルマス２０から冷却剤を循環させるものがあり、他の実施例では、間接接触熱交換機４８が熱貯蔵器１４の内部に組み込まれ、サーマルマス２０の冷却剤が熱交換機４８の１つの側にあり、冷却剤ループ３２，３６の一方を通され、冷却剤ループ３２，３６の他方は、自身の冷却剤流に熱交換機の他の側を通らせる。更に他の選択肢として、サーマルマス２０は、相転移材料（ＰＣＭ）（例えば、共晶塩）を単独で、又は多量の冷却剤と一緒に、及び相転移材料（ＰＣＭ）（例えば、共晶塩）を単独で、又は間接接触熱交換機４８と一緒に含む。相転移材料は、燃料電池スタック１２の所望する動作温度範囲に対応するように選択された融解温度を有することが好ましく、非常に好ましい形態では、融解温度は燃料電池スタック１２の所望する動作温度範囲より僅かに下である。

運転中、燃料電池スタック１２は、燃料電池スタック１２を出た後に２つの冷却剤流２２，２６に分割される混合冷却剤流３０へ熱を伝達する。冷却剤流２２は、熱貯蔵器１４の中のサーマルマス２０への熱を除去し、冷却剤流２６の温度Ｔ１より低い温度Ｔ２を有する冷却剤流２８として熱貯蔵器１４を出る。燃料電池スタック１２を所望する動作温度範囲に維持する（温度Ｔ３の）混合冷却剤流３０を提供するように、混合弁１８は、冷却剤流２６，２８の相対比率を、温度センサ４０からの信号４２に応答して調節する。更に、熱はサーマルマス２０から冷却剤流２４へ除去され、次に冷却剤流２４は、熱貯蔵器１４に戻される前に、熱を放熱器１６の中で除去する。放熱器１６が一定のファン速度と冷却剤流量で連続的に動作し、それによって冷却剤ループ３２の能動制御に対する必要性を除去することが好ましい。しかし、熱貯蔵器１４の内部の温度が室温付近まで落ちるとき、低スタック負荷の持続期間中にエネルギーを節約するために低温ファン・カットオフが提供される。放熱器１６は、燃料電池スタック１２の平均負荷サイクルより大きなサイズにされることが好ましい。燃料電池スタックの運転サイクルの間に高負荷が維持される期間は、放熱器１６、及び熱貯蔵器１４の中のサーマルマス２０を適切な大きさにすることを通して説明されるべきである。もしサーマルマス２０が相転移材料を含めば、スタック１２からの熱は熱貯蔵器１４の中で相転移を介して放散し、一方、熱貯蔵器１４からの熱貯蔵器出口温度は、一定の（又は、ほぼ一定の）温度のままである。負荷が減少する期間の間、放熱器１６は熱をサーマルマス２０から除去し、それによって相転移材料を元の状態へ戻す。

間接接触熱交換機４８の使用は、冷却剤ループ３６を通る冷却剤流が冷却剤ループ３２を通る冷却剤流から分離されることを可能にし、燃料電池スタック１２が「清浄な」冷却剤流（即ち、イオン性汚染物の無い冷却剤流）を必要とするとき、このことは長所になり得るが、一方、放熱器は従来の冷却剤を許容できる。

図２は、（図１−図２で類似の参照番号を付された類似の構成要素を有する）燃料電池管理システム１０の他の実施例を示す。図２のシステム１０は、図１の２つの冷却剤ループ３２，３６ではなく単一の冷却剤ループ５０を利用し、放熱器１６からの冷却剤流２４が混合弁１８に温度Ｔ２で供給される点で図１のシステムとは異なる。これは図１のシステムと比較して多少は単純なシステムを可能にできるが、スタック１２への冷却剤流が放熱器１６への冷却剤流から分離されることは可能にしない。また、図２のシステム１０は、サージ・ボトル５２を任意に含むことができる。

好ましい実施例が図１−図２に示されたが、本発明の範囲内で実施可能な多くの変更が存在する。例えば、温度センサ４０の位置は、スタック１２を出た後の冷却剤の温度を検出するために図１−図２に示されるが、燃料電池スタックへ入るときに冷却剤流３０の温度を検出するようにも温度センサ４０は配置できる。同様に、ポンプ３８の配置は燃料電池スタック１２の出口側に図示されるが、ポンプ３８は他の配置（例えば、混合弁１８と燃料電池スタック１２の入り口の間）にも配置できる。

（放熱器１６から除去された熱と結合する）熱貯蔵器１４の内部のサーマルマス２０は、燃料電池スタック１２の発熱が急速に増加（又は、変化）するときも、システム１０が過渡的な電力状態に対応することを可能にする。

本発明を実施する燃料電池熱管理システムのブロック図である。本発明を実施する燃料電池熱管理システムの他の実施例のブロック図である。

符号の説明

１０燃料電池熱管理システム
１２燃料電池スタック
１４熱貯蔵器
１６放熱器
１８混合弁
２０サーマルマス
２２，２４，２６，２８，３０冷却剤流
３２第１冷却剤ループ
３４，３８ポンプ
３６第２冷却剤ループ
４０温度センサ
４２信号
４６ファン
４８間接接触熱交換機
５０冷却剤ループ
５２サージ・ボトル

Claims

燃料電池スタックを所望する動作温度範囲に維持するのに使用するための燃料電池熱管理システムであって、
燃料電池スタック、
前記燃料電池スタックから受け取った冷却剤流から除去された熱エネルギーを貯蔵してサーマルマスを収容するための熱貯蔵器、
前記熱貯蔵器から受け取った冷却剤流からの熱を除去するための放熱器、並びに
そこから第１温度の冷却剤流を受け取るために前記燃料電池スタックへ、そこから第２温度の冷却剤流を受け取るために前記熱貯蔵器と前記放熱器の１つへ、及びそこへ第３温度の混合冷却剤流を供給するために前記燃料電池スタックへ接続された混合弁を含むことを特徴とする燃料電池熱管理システム。
第１冷却剤流に前記放熱器と前記熱貯蔵器を通らせる第１冷却剤ループ、及び
第２冷却剤流に前記熱貯蔵器、前記燃料電池スタック、及び前記混合弁を通らせる第２冷却剤ループを含み、
前記混合弁が、前記熱貯蔵器から第２温度の前記冷却剤流を受け取る、請求項１に記載の燃料電池熱管理システム。
前記第１冷却剤ループと前記第２冷却剤ループの各々が冷却剤ポンプを含む、請求項２に記載の燃料電池熱管理システム。
前記熱貯蔵器が、前記冷却剤ループの少なくとも１つと前記サーマルマスの間で熱を伝達するための間接接触熱交換機を更に含む、請求項２に記載の燃料電池熱管理システム。
共通冷却剤流に前記放熱器、前記熱貯蔵器、前記燃料電池スタック、及び前記混合弁を通らせる冷却剤ループを更に含み、前記混合弁が、前記放熱器から前記第１温度の前記冷却剤流を受け取る、請求項１に記載の燃料電池熱管理システム。
前記燃料電池スタックを出る冷却剤流の温度を検出するための温度センサを更に含み、前記混合弁が、前記温度センサからの信号に応答して前記混合冷却剤流の組成を調節するように形成される、請求項１に記載の燃料電池熱管理システム。
前記サーマルマスが、前記所望する動作温度範囲に対応するように選択された融解温度を有する相転移材料を含む、請求項１に記載の燃料電池熱管理システム。
前記熱貯蔵器が、冷却剤流から前記相転移材料へ熱を伝達するための間接接触熱交換機を更に含む、請求項７に記載の燃料電池熱管理システム。
前記サーマルマスが、前記放熱器と前記燃料電池スタックの少なくとも１つに供給される前記冷却剤流と混合できる液体冷却剤を含む、請求項１に記載の燃料電池熱管理システム。
冷却流体流に前記放熱器を通らせるファンを更に含む、請求項１に記載の燃料電池熱管理システム。
燃料電池を所望する動作温度範囲に維持するのに使用するための燃料電池熱管理システムであって、
燃料電池スタック、
前記燃料電池スタックから受け取った第１冷却剤流から除去された熱エネルギーを貯蔵してサーマルマスを収容するための熱貯蔵器、
前記熱貯蔵器から受け取った第２冷却剤流からの熱を除去するための放熱器、並びに
そこから第１温度の冷却剤流を受け取るために前記燃料電池スタックへ、そこから第２温度の冷却剤流を受け取るために前記熱貯蔵器へ、及びそこへ第３温度の混合冷却剤流を供給するために前記燃料電池スタックへ接続された混合弁を含むことを特徴とする、燃料電池熱管理システム。
第１冷却剤流に前記放熱器と前記熱貯蔵器を通らせる第１冷却剤ループ、及び
第２冷却剤流に前記熱貯蔵器、前記燃料電池スタック、及び前記混合弁を通らせる第２冷却剤ループを更に含む、請求項１１に記載の燃料電池熱管理システム。
前記第１冷却剤ループと前記第２冷却剤ループの各々が冷却剤ポンプを含む、請求項１２に記載の燃料電池熱管理システム。
前記熱貯蔵器が、前記冷却剤ループの少なくとも１つと前記サーマルマスの間で熱を伝達するための間接接触熱交換機を更に含む、請求項１２に記載の燃料電池熱管理システム。
前記燃料電池スタックを出る冷却剤流の温度を検出するための温度センサを更に含み、前記混合弁が、前記温度センサからの信号に応答して前記混合冷却剤流の組成を調節するように形成される、請求項１１に記載の燃料電池熱管理システム。
前記サーマルマスが、前記所望する動作温度範囲に対応するように選択された融解温度を有する相転移材料を含む、請求項１１に記載の燃料電池熱管理システム。
前記熱貯蔵器が、冷却剤流から前記相転移材料へ熱を伝達するための間接接触熱交換機を更に含む、請求項１６に記載の燃料電池熱管理システム。
前記サーマルマスが、前記放熱器と前記燃料電池スタックの少なくとも１つに供給される前記冷却剤流と混合できる液体冷却剤を含む、請求項１１に記載の燃料電池熱管理システム。
燃料電池スタックを所望する動作温度範囲に維持するための燃料電池熱管理方法であって、
第１冷却剤流からサーマルマスへ熱を伝達すること、
前記サーマルマスから第２冷却剤流へ熱を伝達すること、
前記第２冷却剤流から熱を除去すること、
混合冷却剤流を作り出すために、前記第１冷却剤流と前記第２冷却剤流の１つを前記燃料電池スタックからの第３冷却剤流と混合すること、
前記燃料電池スタックから前記混合冷却剤流へ熱を伝達すること、及び
前記混合冷却剤流を前記第１冷却剤流と前記第３冷却剤流に分けることの諸ステップを含む、燃料電池熱管理方法。
前記混合するステップが、前記燃料電池スタック動作温度を表す検出温度に基づいて前記混合冷却剤流の組成を調節することを含む、請求項１９に記載の方法。
第１冷却剤流からサーマルマスへ熱を伝達するステップが、前記サーマルマスの少なくとも一部の位相を変化させることを含む、請求項２０に記載の方法。
サーマルマスから第２冷却剤流へ熱を伝達するステップが、前記サーマルマスの少なくとも一部の位相を変化させることを含む、請求項２１に記載の方法。