JP2008524805A - デュアルポンプ燃料電池温度管理システム - Google Patents

Abstract

燃料電池スタック（１５）の冷媒または水輸送プレートから出る流れは、気体／液体セパレータ（１２）の入口へ供給される。気体／液体セパレータ（１２）の液体出口は、主ポンプ（１１ａ）を介して液体アキュムレータ（２１）に接続されている。液体アキュムレータの液体出口（２０）に接続された二次ポンプ（４４）は、エダクタ（３２）の主入口（３１）へ供給される。エダクタの二次入口は、気体／液体セパレータの気体アウトプットに接続されている。エダクタの出口（３７）は、コンジット（３８）を介して液体アキュムレータ中の液面より低い位置に接続される。従って、二次ポンプ（４４）が故障しても、エダクタを介して主ポンプ（１１ａ）にキャビテーションが生じることはないため、燃料電池スタックを通して冷媒を流し続けることができる。二次ポンプの出口から圧力低減オリフィス（２５）を通り、脱塩器（２６）が供給される。

Description

本発明は、キャビテーション防止特性を備え、一方が主流用で、もう一方が空気セパレータエダクタ用である、２つの冷媒ポンプを持つ温度管理システムに関する。

燃料電池発電装置においては、多孔性の水輸送プレートに水と反応物気体の両方を通して拡散させるか、冷媒プレートを用いるか、あるいはその両方を用いることによって、燃料電池を冷却することが必要とされる。プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池を採用する燃料電池発電装置では、小型化とごく小さな寄生電力とにより、水輸送プレートを用いることが示唆されている。

冷媒がポンプに戻る前に、主要な冷媒供給から空気と泡立つ水とを分離するセパレータを使用して、ポンプのキャビテーションを防ぐことも周知の技術である。図１に一つの形態が示されている。この形態においては、主冷媒ポンプ１１が、燃料電池スタックアッセンブリ１５の冷媒出口１４に接続されたコンジット１３からセパレータ１２を通して水を引く。冷媒入口１８は、コンジット１９によって、従来の排出口２９を有する液体アキュムレータ２１の冷媒出口２０に接続されている。

冷媒ポンプ１１から出る流れが、コンジット２３でアキュムレータ２１へ供給される。ポンプから出る流れは、コンジット２４で圧力低減オリフィス２５を通過して脱塩器２６へも供給されるため、循環水が、継続的に少しずつ脱塩される（イオンが除かれる）。ポンプ１１から出る冷却水も、コンジット３０で、エダクタ（エジェクタ）３２の主入口３１へ供給される。エダクタの二次入口３３はセパレータ１２に接続され、セパレータ１２から泡状の水と空気とを吸引する働きをする。エダクタ３７の出口は、コンジット３８でアキュムレータ２１に接続されている。

従来技術システムでは、ポンプ１１で要求される水の流れを、エダクタ３２で要求される入口圧に合わせることが難しいことに問題がある。エダクタ入口圧は、セパレータ１２で望ましい清浄機能がなされるように、適切に選択されることが不可欠である。またポンプ１１が、燃料電池スタック１５の水の出口１４において、望ましい圧力で適切な水の流れをもたらすことも不可欠である。

本発明の一態様は、適切な水流および適切な水／空気セパレータの浄化を提供する燃料電池発電装置のための温度管理システムを提供するものであり、燃料電池スタックアッセンブリの初期充填を向上かつ促進し、燃料電池スタックの冷媒ポンプの改良したプライミング(priming)を提供し、燃料電池スタック冷却システムにおけるエダクタの動作を最適化し、燃料電池スタックにおける改良した冷媒脱塩作用を提供し、燃料電池発電装置の水温管理システムの改良した性能を提供する。

本発明によれば、燃料電池発電装置は、一方が燃料電池発電装置の冷媒出口からアキュムレータへ正確な流量の冷媒をもたらすためだけに選択され、もう一方が空気／水セパレータから空気と泡状の水を除去するエダクタの主入口において適切な圧力をもたらすためだけに選択される、２つのポンプを備える。さらに本発明によれば、エダクタの主出口は、アキュムレータ中の液面より低い位置で導管することにより、エダクタポンプが故障した場合に、エダクタ出口からエダクタの二次入口へ空気が吸引されることを防ぐので、主要な冷媒ポンプにキャビテーションが生じることなく、冷媒を循環させ続けることが可能である。

本発明のその他の態様、特徴ならびに利点は、以下の、関連図面に示されるように、本発明の例示的な実施態様の詳細な説明を考慮することによって明らかになるであろう。

図２において、本発明によれば、二次ポンプ４４は、アキュムレータ２１からコンジット４５，１９を介して水を受容する。この冷媒の流れは、コンジット３０ａを通ってエダクタ３２の主入口３１へ供給される。本発明のこの態様によれば、主ポンプ１１ａは、所望の冷媒の流量を供給するためだけに選択することができ、二次ポンプ４４は、冷媒を所望の圧力でエダクタ３２の入口３１に供給するためだけに選択することができる。主ポンプ１１は、低圧の冷媒を高い流量で供給し、これは、燃料電池スタック１５を介して脱塩された充分な流量を吸引するのに特に有利である。

図２の実施態様において、脱塩器２６もまた、二次ポンプ４４からオリフィス２５を通して冷媒を供給される。二次ポンプ４４は、高圧で低い流量の冷媒を供給し、これは、汚染された冷媒を脱塩器２６を通して処理する機能を高める。必要に応じて、脱塩器２６は、コンジット３０ａから離れた位置で作用する替わりに、コンジット２３から離れた位置で作用してもよい。

二次ポンプ４４（図２）は、役割が軽いポンプに思われるかもしれない。もしこの二次ポンプが故障したとき、エダクタ３２は、Ｔ字継ぎ手のように機能し、アキュムレータ２１中の液面より高い位置から、エダクタ出口３７を通して空気を吸引する。図１に示すように、従来技術ではコンジット３８が、アキュムレータ２１中の液面より高い位置で終端している。しかし、本発明によれば、エダクタの出口からのコンジット３８は、常に液面より低い位置にあるように、アキュムレータ２１中に充分な深さで終端している。従って、もし二次ポンプ４４が故障したとき、主ポンプ１１ａに応答して、セパレータ１２を通る流れが、アキュムレータ２１からコンジット３８に沿って水を吸引し、エダクタ内を逆流して、エダクタの二次入口３３からセパレータ１２へ流れる。この構成においては、二次ポンプ４４が故障しても、セパレータ内へ空気は吸引されないので、主ポンプ１１ａにキャビテーションが生じることはない。

従って、二次ポンプ４４が故障したときにエダクタが機能していないことによって空気と泡の分離が不完全である場合でも、主ポンプにキャビテーションが生じることはなく、さらに長い期間、燃料電池スタック１５に冷媒を流し続けることができる。これは乗り物において特に重要で、二次ポンプ４４の故障が原因で主ポンプ１１ａにキャビテーションが生じる前に、旅程を終えて目的地に戻ることを可能にし得る。

本発明は、二次ポンプ４４がスタックから空気を引き出すエジェクタを駆動するだけでなく、始動時に主ポンプ１１ａの手助けもするので、始動時に冷媒を使って燃料電池スタックアッセンブリの初期充填を補助する。本発明のデュアルポンプシステムにより、エダクタ３２が、主ポンプとは独立して、高圧で低い冷媒流量で動作するのが可能となるため、エダクタ動作を最適化することができる。本発明により、高圧で低流量の冷媒を脱塩器２６に入るのを可能にするため、冷媒の浄化を向上させることができる。

従来の燃料電池発電装置の温度管理システムの概略図。 本発明を採用した燃料電池発電装置の温度管理システムの概略図。

Claims (2)

1. 温度管理システムを有する燃料電池発電装置において、
   燃料電池スタックであって、スタック内の少なくともいくつかの燃料電池間に介在する冷却プレートと、いくつかあるいはすべての燃料電池にある水輸送プレートと、から選択される冷却デバイス（１４）を備え、前記冷却デバイスからの冷媒を通す冷媒出口（１４）を有する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの冷媒出口に接続された入口（１３）を有する液体／気体セパレータ（１２）と、
   前記気体／液体セパレータの液体出口に接続された入口を有する主ポンプ（１１）と、
   前記主ポンプから出る冷媒流を受容する液体アキュムレータ（２１）と、
   を備え、かつ、
   前記液体アキュムレータ（２１）の液体出口（２０）に接続された入口（４５）を有する二次ポンプ（４４）と、
   その主入口（３１）が、前記二次ポンプから出る流れ（３０ａ）に接続され、その二次入口（３３）が前記気体／液体セパレータの気体出口に接続され、そこから出る流れ（３７）が前記液体アキュムレータに導かれる（３８）エダクタ（３２）と、
   を備えることを特徴とする、燃料電池発電装置。
2. 前記エダクタから出る流れ（３７）が、前記液体アキュムレータ（２０）内の液体面より低い位置に導かれる（３８）ことを特徴とする、請求項１記載の発電装置。

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