JP2007524968A - 凍結温度以下での燃料電池発電装置内の水および補助電力の管理 - Google Patents

Abstract

燃料電池のスタック１１は、水用流路チャネルを有し、ポンプ（３３）を介して、真空断熱パネル（ＶＩＰｓ）（６５、６８）が間に封入された二重壁（６３、６６）のアキュムレータ（２９）から水を受け取る。直流補助電源（８０）（バッテリまたはスーパーキャパシタ）は、ＶＩＰｓ（６５、６８）が間に封入された二重壁（８１、８６）を有するコンテナに配置される。保温ヒータ（５１）は電源が最大電力の少なくとも半分の電力を有するように十分温め、電源が、自身のヒータだけでなくアキュムレータの保温ヒータ（５０）を駆動させてアキュムレータの凍結を防ぐ。始動時の燃料電池スタック電力を用いて、アキュムレータ内に配置されたマイクロ波ヒータ（５８）は、氷を融解する。

Description

本発明は、燃料電池発電装置の水用アキュムレータやバッテリ等の直流補助電源に対する極めて薄く、高効率な断熱の提供に関する。また本発明は、水が凍結するまでの時間を延長し、バッテリ機能を維持するための保温用ヒータの利用や、燃料電池発電装置用の迅速な分配始動ヒータとしてのマイクロ波の利用に関する。

特に電気を利用した乗物を稼動させるのに適した燃料電池発電装置は、約１２リットルの水を通常必要とし、この水は燃料電池発電装置が停止するときにアキュムレータ内に貯蔵される。多くの用途において凍結温度以下で、燃料電池発電装置は停止する。先行技術では、燃料電池発電装置内の水用アキュムレータを断熱するようにして、−２０°Ｃ（−３６°Ｆ）で数日間は凍結しないが、その結果、特に乗物など、燃料電池発電装置への多くの応用には過度である４０リットル規模の容量を必要とする。代替としては、燃料電池発電装置内の水用アキュムレータが、迅速な融解ヒータを備えることがある。迅速な融解内部ヒータは、アキュムレータ全体に分配加熱エレメントを必要とするので、迅速な融解内部加熱エレメントを有する１２リットルのアキュムレータは、４０リットル規模の過度な容量を必要とする。さらに、いわゆる迅速融解ヒータは、アキュムレータ内の氷を融解するのに数分を必要とするが、これは通常の乗物の場合において受け入れがたい。

２００３年１０月１６日に出願された米国特許出願第１０／６８７，０１０号では、スタック全体を断熱するための真空断熱パネル（ＶＩＰｓ）を利用した陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池スタックを開示している。これは、外部のリアクタントガスマニホールドおよびＶＩＰ断熱を有するプレッシャープレートを提供することを含む。しかしながら、断熱されたスタックでさえ、燃料電池発電装置は依然として凍結温度以下で急速に凝固し、回復は緩やかである。

本発明は、凍結温度以下で、アキュムレータが固く凝固する前に燃料電池発電装置が稼動できる時間を延長することと、燃料電池が動作不能になる凍結温度以下で、バッテリやスーパーキャパシタなどの直流の補助電源が利用できる時間を延長することと、長時間の凍結温度以下で、水用アキュムレータに多くの氷が形成した後、操作不能になった燃料電池が完全に操作可能になるまでの時間を減らすことと、関連する燃料電池発電装置が影響を受ける周囲の温度にかかわらず、バッテリやスーパーキャパシタなどの直流補助電源から最大限の電力を得ることと、凍結温度以下で燃料電池発電装置の改良された始動と、速やかにフル稼動できる性能に影響を与えることなく凍結温度以下に、燃料電池発電装置を晒しておくことができる時間を延長することと、を含む。

本発明では、水用アキュムレータおよび／またはバッテリやスーパーキャパシタなどの直流補助電源が、ＶＩＰ断熱材に囲まれている。真空断熱パネル（ＶＩＰｓ）は、水用アキュムレータを形成する二重壁内に、および／またはバッテリやスーパーキャパシタなどの直流補助電源用の耐凝固コンテナを形成する二重壁内に封入されている。

さらに本発明では、水用アキュムレータおよび／またはバッテリやスーパーキャパシタなどの直流補助電源装置用コンテナは、極めて低電力で動作する保温ヒータが設けられ、水用アキュムレータ内に多くの氷が形成されるまでの時間を延長し、また、バッテリの最低温度を少なくとも最大電力の半分等の好適な電力を供給可能な温度に確保し、停止後に長時間凍結温度以下にあっても、始動を補助できるようにする。

さらに本発明は、前述したような革新的技術でも防ぐことができない程の凝固など、極度に固く凝固した場合でも、マイクロ波ヒータで水用アキュムレータ内の氷を融解する。マイクロ波ヒータは、氷全体にわたり熱エネルギーを配給するので、熱を配給するのにかなりの空間を必要とすることはない。（冷媒がない）燃料電池発電装置で生じた極めて小さい電力を利用している間、アキュムレータ内の氷に熱を送り融解するには、通常、本発明のマイクロ波ヒータを用いて約３０分で完了する。

本発明は、ＶＩＰ断熱材および保温ヒータの双方を利用した場合、アキュムレータが凝固温度に達するのを４日間にわたり防ぎ、アキュムレータが固く凝固するのを１６日間にわたり防ぐ。

本発明は、−２０°Ｃ（−３６°Ｆ）の環境で、バッテリなどの直流電源の温度を、少なくとも最大電力の約半分を保持するのに十分な高い温度を保持する。

図１では、燃料電池スタックアセンブリ１１が直流電源を出力調整システム１２に提供し、次に出力調整システム１２が適宜の電力を負荷、ここに記載された例示的な実施例では（電気自動車などの）乗物の推進システム１３、に供給する。出力調整システム１２は、信号および電力をライン１４で制御装置１５に供給し、ライン１６で信号と電力を制御装置から受け取る。

燃料電池スタックアセンブリは、本発明の全ての用途において必要であれば、ライン１８、１９により制御装置から電力が供給されるヒータ１７を有してもよい。ヒータ１７は、例えば外部のリアクタントガスマニホールドの外側に設けられる。

燃料電池スタックアセンブリ１１の水は、総括的に水を管理するための水輸送プレートの冷却チャネルを流れる。水管理としては、先行技術に開示されているように過剰な生産水を排除し、膜の両側に確実に給湿することを含む。水は、燃料電池スタックアセンブリ１１を通過後、流路２１を流れ、制御装置１５からのライン２４の信号により制御されるバイパスバルブ２３を有するラジエータ２２に入る。ラジエータから、またはバイパスバルブにより、水は、流路２７を介して水用アキュムレータ２９の水入口２８に流れる。

アキュムレータ内の水は、（凍結されていないときは）水吸引ライン３２により吸い上げられ、水ポンプ３３により推進され、流路３４を通過し、制御装置１５からのライン３６の信号に応答する三路バルブ３５へ流れる。このポンプは、ライン３８を介して制御装置によって操作される。バルブ３５は、「オフ」位置にセットすることで水は流れなくなり、「双方」位置にセットすることで、流路４０を介してスタック１１内の燃料電池の水流路領域に流れるとともに、流路４１を通過してバッテリやスーパーキャパシタなどの直流補助電源用のパッケージ４３内の冷却通路の水入口４２に流れ、過熱を防ぐ。水は、コンテナ４３の出口４６から流路４７を介しアキュムレータ２９の入口２８に流れる。バルブ３５が「双方」位置にあるのは、燃料電池スタックアセンブリが通常に作動し、冷却と水の管理を必要とするとき、およびバッテリやスーパーキャパシタが急速なチャージをしてオーバーヒートしそうなとき、である。またバルブ３５は、燃料電池の水流領域を通過する流路４０のみに水が流れる「スタック」位置も有する。

本発明では、アキュムレータ２９と補助電源コンテナ４３の双方が、保温ヒータ５０、５１を有する。この保温ヒータは、制御装置１５からの一対のコンダクタ５２、５３により比較的小さい電力が供給され、各々のコンダクタ５４、５５上の直流補助電源からの電力を利用する。

燃料電池スタックアセンブリ１０と、アキュムレータ２９と、コンテナ４３は、制御装置１５にライン５９、６０、６１で信号を送る温度センサ５６、５７、５８をそれぞれ有する。

本発明の断熱材および保温ヒータにもかかわらず、アキュムレータ２９内の水の一部が固く凍結する状況に対応するために、マイクロ波ヒータ４９が、制御装置１５からの一対のライン６２、６３で供給される電力により、例えば約１,０００〜２，０００Ｗの極めて小さいワット数で作動する。それから、制御装置は、作動している燃料電池スタックアセンブリから供給される電力を使用し、マイクロ波ヒータ４９により１２リットルの氷を融解するために相当な約３０分間に、冷却水や水分除去を一切行わないで機能するような低い出力率で稼動する。

水用アキュムレータ２９は、図２〜４において詳細に示す。図２のアキュムレータ２９は、図３と図４により詳細に描かれているように、二重壁７１でかつ真空断熱パネル（ＶＩＰ）６５を封入したチャンバ６４を有する水格納部を有する。壁と壁の間のチャンバ６４それ自体は、図３と図４で十分に示されているので、明確にするための網掛けや点線表示はしない。

また水用アキュムレータ２９は、図３に示されるようにＶＩＰ６８が完全に封入されたチャンバ６７を設けている二重壁を有する蓋部分６６を有する。ヒータ５０は、水格納部６３の内壁に隣接し、ＶＩＰ６５は、ヒータ５０と外壁との間にある。同様に、マイクロ波ヒータ４９は蓋部分６６の内壁に隣接して配置され、ＶＩＰ６８はマイクロ波ヒータ４９と外壁の間にある。通常、水格納部はガス排気口７０を有する。

前記部分６３、６６の壁７２、７３は、通常、プラスチックやガラス繊維強化合成樹脂の複合材で形成されるが、本発明の用途に適して使用されるその他の材料でもよい。

図３において、前記壁７２、７３により形成されるチャンバ６４、６７内で、ＶＩＰｓ６５、６８は、「コア」と呼ばれる充填材７５からなる。充填材７５は、単純にはプラスチックか、薄い金属フィルムでスパッター被覆されたプラスチックフィルムか、または両側がプラスチックフィルムでラミネートされた他の金属強化薄膜フィルムか、いずれかのバリアフィルム７６に封入されている。このバリアフィルムは、０．００１トル（０．００１３ｍｂａｒ）から１．０トル（１．３ｍｂａｒ）間の圧力で真空にして、密閉する。ＶＩＰの詳細は本発明に関係せず、特定の用途に適合するもの全てが選択される。コアは、バリアフィルム内に封入する前に、壁７２、７３の形状に熱成形してもよい。

コア部材は、主な３つの目的に使用される。第一に、コアはパネル壁を保持する。空気圧が真空パネル上に１４．７ｐｓｉ作用するので、１平方フィートのパネルは、２,１２０ポンドの力がかかる。第二に、コア部材は、残留したガス分子が移動するのを阻害する。コアの孔の大きさが小さければ小さいほど、ガス分子は、ＶＩＰの壁に到達するよりもむしろ、コア部材の分岐した網目に衝突する。これにより分子は実質的に捕捉され、固体のコア部材に伝わる熱は、出鱈目に分岐した網目を通る必要があるが、ＶＩＰ壁に到達する前にほとんどが放散してしまう。コアは、微孔性部材で、孔の大きさが最小なので、全ての固体部材に最善の断熱効果を提供する。第三に、コア部材は、放射熱による熱輸送に対するバリアを備え、赤外線放射を散乱または吸収する特別な不透過部材をしばしば含む。ＶＩＰｓは、０．００２〜０．００８ワット／メートルケルビン（Ｗ／ｍ°Ｋ）間の熱伝導率を現時点で備えている。このＶＩＰ６８は、図３に示されているようにチャンバ６７を完全に充たすか、または図４に示されているようにＶＩＰ６５の厚さとほぼ同じ厚さで密閉する。

図５では、バッテリやスーパーキャパシタ８０用のコンテナ４３が、図３、図４で例示されているように、ＶＩＰが封入されるチャンバ８２を形成する二重壁のコンテナ８１を含む。このコンテナは、ＶＩＰ（ＶＩＰｓ６５と６８に類似する）が封入されるチャンバ８７を備える二重の天井壁８６を有する。

ヒータ５１は、コンテナ４３の内壁に隣接し、ヒータ５１とコンテナ４３の外壁との間に封入されたＶＩＰがある。複数の冷却チューブ９０が、二重壁８１の周辺内に延びていて、バルブ３５（図１）が「双方」位置にあるときはいつでも、入口４２から出口４６へと冷却材が流れる。制御装置は、過剰の熱が発生し得るようなバッテリやスーパーキャパシタのチャージ率のときはバルブを「双方」位置にさせる。

運転時に、燃料電池スタックアセンブリが作動しないときは、ライン５４、５５の直流電源（バッテリやスーパーキャパシター）からの電力が、制御装置１５を作動させ続ける。それから、制御装置はライン５９〜６１の温度信号に応答し、必要に応じて直流電源からヒータ１７、５０、５１へ電力を送る。特に本発明では、アキュムレータが上述したように二重壁で形成されてＶＩＰが封入されている場合に、制御装置が一旦、アキュムレータ２９の温度が０°Ｃ（３２°Ｆ）になったのを感知すると、−２０°Ｃ（−３６°Ｆ）以下の温度に落ちないように５ワット程度の電力がヒータ５０に供給される。同様に、コンテナが前述したように二重壁で形成されＶＩＰで封入されている場合に、制御装置が、１０°Ｃ（５０°Ｆ）のような温度にコンテナ４３がなったのをライン６１の信号から感知したときは、その温度を維持するように、電力を約３ワットのみ使用する。約０．００４Ｗ／ｍ°ＫのＶＩＰ断熱材と保温ヒータとを組み合わせると、−２０°Ｃ（−３６°Ｆ）の周囲温度で、アキュムレータが凍結するのを防ぎ、約１６日間はアキュムレータ内の水（２０リットル）が凍結するのを防ぐ。

制御装置は、強固な凍結があってアキュムレータ内の水が全て凍結したことをライン６０、６１の温度信号から判断すると、燃料電池スタックアセンブリを始動させ、燃料電池スタックから約２〜５ｋＷの電力を引き込み、マイクロ波ヒータを操作して３０分強で氷を融解する。

始動時には、制御装置は、バッテリやスーパーキャパシタ８０からの電力を供給し、ライン９１のバルブ制御信号で燃料の供給や送風機の駆動などをする。

必要であれば、冷却チューブ９０がないコンテナ４３を、燃料電池発電装置と共に使用するのではなく、バッテリに対して使用してもよい。コンテナ４３は、従来の炭化水素を燃料とする乗物、オフロード用の乗物、スノーモービルなどに使用される。バッテリは、自身の電力を利用して保温ヒータに少量の電力を供給してもよい。

本発明の特徴を表す燃料電池発電装置のブロックダイアグラムである。 燃料電池発電装置の水用アキュムレータの定式化して、かつ簡素化した正面断面図であり、本発明の特徴を表している（明確にするために網掛けをしている）。 本発明の封入したＶＩＰ断熱材を部分的に例示して、不要部分を除いた図２の部分的な側面図である。 封入したＶＩＰ断熱材のその他の形状を部分的に例示して、不要部を除いた図２の部分的な側面図である。 本発明の特徴を表す直流補助電源コンテナの簡素化した正面断面図で、明確にするために網掛けを除く（明確にするために網掛けをしている）。

Claims (12)

1. 周囲が凍結温度以下の下で、燃料電池発電装置内のアキュムレータ（２９）内の水が凍結するまでの時間を延長する方法であって、
   真空断熱パネル（６５、６８）によって前記アキュムレータを完全に断熱し、
   前記アキュムレータと前記真空断熱パネルとの間に保温ヒータ（５０）を設け、
   前記アキュムレータの温度が凍結温度に近づいたときは前記保温ヒータに電力（８０）を供給（５２）することを特徴とする燃料電池発電装置内のアキュムレータ（２９）内の水が凍結するまでの時間を延長する方法。
2. 周囲が凍結温度以下の下で、燃料電池発電装置内のアキュムレータ（２９）内の水が凍結するまでの時間を延長する装置であって、
   前記アキュムレータを完全に断熱する真空断熱パネル（６５、６８）と、
   前記アキュムレータと前記真空パネルとの間の保温ヒータ（５０）と、
   前記アキュムレータの温度が凍結温度に近づいたときに前記保温ヒータに電力を供給する手段（５２、８８）と、
   を備えることを特徴とするアキュムレータ（２９）内の水が凍結するまでの時間を延長する装置。
3. 周囲が凍結温度以下の下で、燃料電池発電装置用の（ａ）バッテリおよび（ｂ）スーパーキャパシタのいずれかから選択された直流補助電源（４３）の性能を維持する方法であって、
   真空断熱パネル（８２、８７；６５、６８）によって前記電源を完全に断熱し、
   前記電源と前記真空断熱パネルとの間に保温ヒータ（５１）を設け、
   前記保温ヒータに電力（８０）を供給（５３）し、前記電源の温度を、前記電源の最大電力の約半分となる温度、またはそれ以上の温度に保持することを特徴とする直流補助電源（４３）の性能を維持する方法。
4. 周囲が凍結温度以下の下で、燃料電池発電装置用の（ａ）バッテリおよび（ｂ）スーパーキャパシタのいずれかから選択された直流補助電源（４３）の性能を維持する装置であって、
   前記電源を完全に断熱する真空断熱パネル（８２、８７；６５、６８）と、
   前記電源と前記真空断熱パネルとの間の保温ヒータと、
   前記電源の温度が、前記電源が最大電力の約半分となる温度、またはそれ以上の温度になるように前記保温ヒータに電力を供給する手段（５３、８０）と、を備えることを特徴とする直流補助電源（４３）の性能を維持する装置。
5. 周囲が凍結温度以下の下で、燃料電池発電装置内のアキュムレータ（２９）内の水が凍結するまでの時間を延長する方法であって、
   第一の真空断熱パネル（６５、６８）によって前記アキュムレータを完全に断熱し、
   前記アキュムレータと前記第一の真空断熱パネルとの間に第一の保温ヒータ（５０）を設け、
   第二の真空断熱パネル（８２、８７；６５、６８）を用いて完全に断絶され、かつ、前記真空断熱パネルとの間に第二の保温ヒータを有する（ａ）バッテリおよび（ｂ）スーパーキャパシタのいずれかから選択された直流補助電源（８０）を設け、
   前記電源の温度を、電力容量が約半分となる温度、またはそれ以上の温度に保持するように前記電源（８０）から前記第二の保温ヒータに電力を供給（５３）し、
   前記アキュムレータの温度が凍結温度に近づいたときに、前記電源から前記第一の保温ヒータに電力を供給（５２）することを特徴とする燃料電池発電装置内のアキュムレータ（２９）内の水が凍結するまでの時間を延長する方法。
6. 各々の電池が水流路チャネルを有する燃料電池スタック（１１）と、水用ポンプ（３３）と、制御装置（１５）と、前記ポンプに接続された水吸引出口を有する水用アキュムレータ（２９）と、を備える燃料電池発電装置であって、
   前記水用アキュムレータは、少なくとも一つの第一の真空断熱パネル（ＶＩＰ）（６５、６８）が間に封入された二重壁（７２、７３）を有し、
   （ａ）バッテリおよび（ｂ）スーパーキャパシタのいずれかから選択された直流補助電源（８０）と、
   少なくとも一つの第二のＶＩＰが間に封入された二重壁のコンテナ（４３）と、
   前記水用アキュムレータの第一の内壁と前記少なくとも一つの第一のＶＩＰとの間に配置された第一の保温ヒータ（５０）と、
   前記コンテナの内壁と前記少なくとも一つの第二のＶＩＰとの間に配置された第二の保温ヒータ（５１）と、
   前記アキュムレータ内の温度を示す第一の信号を前記制御装置に送る前記アキュムレータ内の温度センサ（５７）と、
   前記コンテナ内の温度を示す第二の信号を前記制御装置に送る前記コンテナ内の温度センサ（５８）と、
   を備え、前記制御装置は、
   前記電源から（ｃ）前記電源の電力量の約半分を得るのに十分な温度に前記電源を保持するように前記第二の保温ヒータに電力を供給し、および（ｄ）凍結温度以上に前記アキュムレータの温度を保持するように前記第一の保温ヒータに電力を供給することを特徴とする燃料電池発電装置。
7. 各々の電池が水流路チャネルを有する燃料電池スタック（１１）と、水用ポンプと、前記ポンプと接続された水吸引出口と有する水用アキュムレータ（２９）と、制御装置（１５）と、を備える燃料電池発電装置であって、
   前記制御装置に前記アキュムレータ内の温度を標示する信号を送るアキュムレータ内の温度センサ（５７）と、
   前記アキュムレータ内の水に近接して配置されるマイクロ波ヒータ（４９）と、
   を備え、前記制御装置は、
   前記アキュムレータ内の水が凍結したことを示す前記温度信号に応答し、前記燃料電池発電装置の始動時に、前記燃料電池スタックにより生じる電力を前記マイクロ波ヒータに供給して前記アキュムレータ内の氷を融解させることを特徴とする燃料電池発電装置。
8. 各々の電池が水流路チャネルを有する燃料電池スタック（１１）と、水用ポンプ（３３）と、制御装置（１５）と、前記ポンプに接続された水吸引出口を有する水用アキュムレータ（２９）と、を備える燃料電池発電装置であって、
   前記水用アキュムレータは、少なくとも一つの第一の真空断熱パネル（ＶＩＰ）（６５、６８）が間に封入された二重壁（７２、７３）を有し、
   （ａ）バッテリと（ｂ）スーパーキャパシタのいずれかから選択された直流補助電源装置（８０）と、
   少なくとも一つの第二のＶＩＰ（６５、６８）が間に封入された二重壁を有する前記電源用のコンテナ（４３）と、
   前記水用アキュムレータの第一の内壁と少なくとも一つの第一のＶＩＰとの間に配置された第一の保温ヒータ（５０）と、
   前記コンテナの内壁と前記少なくとも一つの第二のＶＩＰとの間に配置された第二の保温ヒータ（５１）と、
   前記アキュムレータ内の温度を示す第一の信号（６０）を前記制御装置に送る前記アキュムレータ内の温度センサ（５７）と、
   前記コンテナ内の温度を示す第二の信号（６１）を前記制御装置に送る前記アキュムレータ内の温度センサ（５８）と、
   前記アキュムレータ内に近接して配置されたマイクロ波ヒータ（４９）と、
   を備え、前記制御装置は、
   前記電源からの電力を（ｃ）前記第二の保温ヒータに供給して、前記電源の約半分の電力程度を保持するのに十分な温度を保持し、前記電源からの電力を（ｄ）前記第一の保温ヒータに供給して、前記アキュムレータの温度を凍結温度以上に保持し、
   前記アキュムレータ内の水が凍結したことを示す前記第一の温度信号に応答して、前記燃料電池発電装置の始動時に、前記燃料電池スタックより生じた電力を前記マイクロヒータに供給してアキュムレータ内の氷を融解させることを特徴とする燃料電池発電装置。
9. 周囲が凍結温度以下の下で、（ａ）バッテリおよび（ｂ）スーパーキャパシタのいずれかから選択された直流補助電源装置の性能を維持する方法であって、
   真空断熱パネル（８２、８７；６５、６８）によって前記電源を完全に断熱し、
   前記電源と前記真空断熱パネルとの間に保温ヒータ（５１）を設け、
   前記電源の温度を、電力容量が約半分となる温度以上に保持するように前記保温ヒータに電力（８０、８３、５４、５５）を供給することを特徴とする直流補助電源装置の性能を維持する方法。
10. 周囲が凍結温度以下の下で、（ａ）バッテリおよび（ｂ）スーパーキャパシタのいずれかから選択された直流電源の性能を保持する装置であって、
    前記電源を完全に保温する真空断熱パネル（８２、８７；６５、６８）と、
    前記電源と前記真空断熱パネル間の保温ヒータ（５１）と、
    前記電源の温度を約半分の電力量を保持するような温度以上に保つように、前記保温ヒータに電力を供給する手段（８０、５３、５４、５５）と、を有することを特徴とする直流電源の性能を維持する装置。
11. 前記手段が前記直流電源（８０）であることを特徴とする請求項１０に記載の直流電源の性能を維持する装置。
12. 前記直流電源（８０）が炭化水素を燃料とする乗物のバッテリであることを特徴とする請求項１０に記載の直流電源の性能を維持する装置。

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