JP2011040401A - 燃料電池冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大きくて嵩の高い熱交換器を使わない改良された燃料電池冷却装置を提供する。
【解決手段】燃料電池スタックの排出水出口からの排出水を流通させる導管７５と、前記冷却剤入口及び前記冷却剤出口に接続された熱交換ユニット７６と、前記熱交換ユニット内に空気を吹き込むための送風機６６と、第一のハウジング部分６４、第二のハウジング部分６８及び第三のハウジング部分８６を有しているハウジングを備えた蒸発器ユニットと、を含み、前記第二のハウジング部分内に水噴射ユニット７０が取り付けられており、該水噴射ユニットが、相互に隔置され且つ環状の列に配列された複数の水噴射機を含んでおり、前記導管が、前記燃料電池スタックからの排出水を前記水噴射ユニットへと流通させ、前記水噴射ユニットが前記排出水を前記蒸発器ユニット内に吹き込まれた空気内へと噴射し、同排出水は蒸発し且つ前記空気を冷却するようになされている。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池モジュールのための冷却装置に関する。

技術的及び商業的に最も進んだタイプの燃料電池は、陽子交換膜すなわちＰＥＭ燃料電池である。現在のＰＥＭタイプの燃料電池は、他のいくつかのタイプの燃料電池の作動温度よりも低い温度である約８０℃の温度で作動する。排出物はたくさんの熱を奪い去らないので、冷却剤へと戻される熱は、内燃機関と比較して比較的高い。これは、比較的低い作動温度と関連して、燃料電池装置の冷却を困難にする。燃料電池装置は、大きくて嵩の高い熱交換器を必要とし且つ多量の電力を消費する冷却ファンを必要とするかもしれない。更に、燃料電池から排出された熱い液体は、植物を殺し且つ包囲された空間内の床をつるつる滑らせて安全性の問題を生じさせるかも知れない。

米国特許第３，７６１，３１６号 米国特許第３，９０５，８８４号 米国特許第４，６２３，５９６号 米国特許第４，７０６，７３７号 米国特許第４，８２４，７４０号 米国特許第４，９９４，３３１号 米国特許第５，２０６，０９４号 米国特許第６，０６６，４０８号 米国特許第６，１９５，９９９号

従って、本発明の目的は、改良された燃料電池冷却装置を提供することである。
本発明のもう一つの目的は、液体排出水の排出を減じるか又は排除する燃料電池冷却装置を提供することである。

これらの及びその他の目的は本発明によって達成される。本発明においては、冷却装置は、水素入口、空気入口、冷却剤入口、冷却剤出口及び排出水出口を有する燃料電池スタックに接続される。冷却装置は熱交換ユニットを含んでおり、同熱交換ユニットは、冷却剤入口、冷却剤出口、冷却剤を循環させるための冷却剤ポンプ及び熱交換ユニットに空気を吹き込むための送風機に接続される。冷却装置はまた、吹き込まれた空気に晒される蒸発器及び燃料電池スタックの排水出口からの排出水を蒸発器ユニットに流通させる導管をも含んでいる。排出水は、吹き込まれた空気内で蒸発させ、それによって空気を冷却し、液体排出水の量を減らす。一つの実施形態においては、蒸発器ユニットは、熱交換ユニットの外側面に取り付けられた吸い取り部材である。排出水が蒸発するとき、熱交換ユニットの冷却性能を増大させる。

もう一つ別の実施形態においては、蒸発器ユニットは、排出水が熱交換ユニットに向かって吹き込まれるときに排出水を空気の中へ噴射する一組みの水噴射機を含んでいる。この噴射機は、送風機とラジエータとの間でハウジング内に配置された環状部材上に取り付けられている。取り外し可能な多孔質の蒸発器部材を、噴射機とラジエータとの間でハウジング内に取り付けても良い。

本発明による燃料電池冷却装置の参考例の簡素化された概略図である。 図１の一部分の詳細な部分断面斜視図である。 本発明による燃料電池冷却装置の一つの実施例の簡素化された概略図である。 図３の線４−４に沿った図である。 図４の矢印５−５の方向での噴射機リングの一部分の詳細な断面図である。 図５に類似したもう一つ別の実施例の断面図である。

参考例

図１を参照すると、燃料電池のスタック１０は、ＰＥＭ燃料電池（図示せず）として知られている市販によって入手可能な陽子交換膜又はポリマー電解質膜のような一般的な燃料電池を複数個含んでいる。スタック１０は、水素入口１２、空気入口１４、冷却剤入口１６、冷却剤出口１８及び排出水のための出口２０を含んでいる。

冷却装置２１は、ライン２６を介して出口１８と連通している上方タンク２４、熱交換部分２８及びライン３２を介して入口１６と連通している下方タンク３０を有している熱交換器又はラジエータ２２を含んでいる。冷却剤ポンプ３４は、冷却剤を下方タンク３０から冷却剤入口１６へ圧送するためにライン３２内に配置されるのが好ましい。モーター３６はファン３７を駆動し、ファン３７は熱交換部分２８を通るように空気を駆動する。

水ライン４０は、排出水を出口２０から水貯蔵タンク４２へと流通させる。ライン４４と弁４６とは、タンク４２から上方タンク２４の表面に取り付けられた吸い取りモジュール４８への排出水の流通を制御する。

図２を参照すると、吸い取りモジュール４８は、例えば、溶接又はろう付けによってラジエータタンク２４の上方部分に固定されたＵ字形状のチャネル５０を含んでいる。ライン４４は、排出水をチャネル５０内へと導く。チャネル５０は、排出水がチャネル５０の下方に取り付けられた吸い取り部材５４内へと流れ込むのを許容する複数の水抜き穴５２を含んでいる。吸い取り部材５４は、圧縮粉末金属のような多孔質の材料であるのが好ましい。吸い取り部材５４は、垂直方向の長さを有し且つタンク２４の底部端縁が吸い取り部材５４の中央にほぼ隣接し且つ吸い取り部材５４がラジエータ２２を通して吹き込まれた空気に晒されるのを確実にするように配置されるのが好ましい。チャネル５０と吸い取り部材５４とは、ラジエータ２２の水平方向の長さとほぼ同じ水平方向の長さを有するのが好ましい。

排出水は、吸い取り部材５４から蒸発するときにラジエータ２２から熱を奪い去り、それによって、ラジエータの冷却性能を増大させる。排出水は、高い冷却負荷状態において必要とされるまでタンク４２内に貯蔵されるか又は溜められても良い。次いで、排出水を吸い取り部材に供給するために弁４６を開くことができる。

図３を参照すると、冷却装置６０は、送風機のファン６６を包囲している第一の円筒形部分６４、水噴射ユニット又は噴射機リング７０を含んでいる第二の円筒形部分６８及び蒸発器冷却部材７４と熱交換ユニット７６とを包囲している第三の矩形部分７２を備えたハウジング６２を含んでいる。

第一のハウジング部分６４は、均一な直径のほぼ円筒形とすることができる。ファン６６は、空気を外部雰囲気から第二のハウジング部分６８内へと吹き込む。第二のハウジング部分６８は、直径がより大きい第一の端部７８，直径がより小さい中央部分８０及び第一の端部７８の直径よりも大きいのが好ましいより大きい直径の第二の端部８２を有している。この直径がより小さい部分は、噴射機リング７０を通過する空気の移動速度を増大させる。蒸発器冷却部材７４は、多孔質で、第三のハウジング部分７２の第一の端部８４によって形成されたプレナム内に取り付けられ、取り外し可能であるのが好ましい。蒸発器冷却部材７４は、排出水の蒸発を支援し、蒸発されないと熱交換ユニット７６の表面に堆積する物質を空気の流れから取り除く。ライン７５は、排出水を燃料電池スタックの排出水出口２０から噴射機リング７０へ流通させる。

熱交換ユニット又はラジエータ７６は、第三のハウジング部分７２の第二の端部８６に取り付けられている。ラジエータ７６は、ライン９２を介して燃料電池スタック１０の冷却剤出口１８と連通している燃料電池スタックによって温められた冷却剤の入口９０と、ポンプ９６及びライン９８を介して燃料電池スタック１０の冷却剤入口１６に連通している冷却剤出口９４とを含んでいる。

図４を参照すると、噴射機リング７０は、径方向に延びている複数の支持部材１０２によってハウジング部分８０内の中心に取り付けられている環状のハウジング又はウェブ１００を含んでいる。噴射機リング７０は、燃料電池スタックの水出口２０から水を受け取る複数の噴射機１０４を含んでいる。各噴射機１０４は、冷却ユニット６０内を流れる空気内に排出水の噴射を形成する。

排出水が噴射機リング７０を通過して吹き付ける空気の流れの中で蒸発するとき、空気から熱を奪い去り、更に熱交換器７６を冷却する助けとなり、それによって、その冷却性能を高める。

図５を参照すると、噴射機リングの環状ハウジング１００は、より大きな上流端部１１０からその下流端部１１２の薄いより小さな端縁までテーパーが付けられた空気力学的断面形状を有している。より大きな端部１１０には環状の水供給管１１４が包囲されている。供給管１１４は、ライン７５を介してスタック排出水を受け取る。各噴射機１０４は、供給管１１４から水を受け取る上流端部１１８を備えた概して円筒形の中空本体１１６を含んでいる。本体１１６の下流端部１２０は、そこから水の噴射１２４を排出するオリフィス又はノズル１２２を形成している。矢印Ａは、ハウジング１００を通過する空気の流れの方向を示している。

図６を参照すると、代替的な実施形態において、噴射機リングは、一部品の環状のハウジング１３０を含んでおり、同環状のハウジング１３０は、より大きな上流端部１３２から下流端部１３４の薄くより小さい端縁までテーパーが付けられた空気力学的断面形状を有している。環状の水供給ボア１３６がより大きな端部１３２内に包囲されている。供給ボア１３６は、ライン７５を介してスタックの排出水を受け取る。複数の噴射機ボア１３８が、供給ボア１３６からハウジング１３０の下流端部１３４の対応するノズル１４０まで概して軸線方向に延びている。矢印Ｂは、ハウジング１３０を通過する空気の流れの方向を示している。

以上、本発明を特定の実施形態と関連して説明したが、上記の説明を参考にすると、多くの代替例、変形例及び変更例が当業者に明らかとなるであろう。従って、本発明は、特許請求の範囲の精神及び範囲に含まれるこのような代替例、変形例及び変更例の全てを包含することを意図している。

１０ 燃料電池スタック、 １２ 水素入口、
１４ 空気入口、 １６ 冷却剤入口、 １８ 冷却剤出口、
２０ 排出水出口、 ２１ 冷却装置、 ２２ 熱交換器、
２４ 上方タンク、 ２６ ライン、 ２８ 熱交換部分、
３０ 下方タンク、 ３２ ライン、 ３４ 冷却剤ポンプ、
３６ モーター、 ３７ ファン、 ４０ 水ライン、
４２ 水貯蔵タンク、 ４４ ライン、 ４６ 弁、
４８ 吸い取りモジュール、 ５０ チャネル、
５２ 水抜き穴、 ５４ 吸い取り部材、
６０ 冷却装置、 ６２ ハウジング、
６４ 第一のハウジング部分、 ６６ ファン、
６８ 第二のハウジング部分、 ７０ 水噴射ユニット、
７２ 第三のハウジング部分、 ７４ 蒸発器冷却部材、
７５ ライン、 ７６ 熱交換ユニット、
９０ 冷却剤入口、 ９２ ライン、
９４ 冷却剤出口、 ９６ ポンプ、
９８ ライン、 １００ ハウジング、 １０２ 支持部材、
１０４ 噴射機 １１４ 水供給管、
１１６ 本体、 １２２ ノズル、
１３０ ハウジング、 １３６ 水供給ボア、
１３８ 噴射機ボア、 １４０ ノズル

Claims (9)

1. 冷却剤入口、冷却剤出口及び排出水出口を有する燃料電池スタックのための冷却装置であって、
   前記燃料電池スタックの排出水出口からの排出水を流通させる導管と、
   前記冷却剤入口及び前記冷却剤出口に接続された熱交換ユニットと、
   前記熱交換ユニット内に空気を吹き込むための送風機と、
   第一のハウジング部分、第二のハウジング部分及び第三のハウジング部分を有しているハウジングを備えた蒸発器ユニットと、を含み、
   前記送風機が、前記蒸発器ユニット内に空気を吹き込むために第一のハウジング部分内に取り付けられており、
   前記熱交換ユニットが、前記第三のハウジング部分内に取り付けられており、
   前記第一のハウジング部分と前記第三のハウジング部分との間の前記第二のハウジング部分内に水噴射ユニットが取り付けられており、該水噴射ユニットが、相互に隔置され且つ環状の列に配列された複数の水噴射機を含んでおり、
   前記導管が、前記燃料電池スタックからの排出水を前記水噴射ユニットへと流通させ、前記水噴射ユニットが前記排出水を前記蒸発器ユニット内に吹き込まれた空気内へと噴射し、同排出水は蒸発し且つ前記空気を冷却するようになされた、冷却装置。
2. 請求項１に記載の冷却装置であって、
   前記水噴射ユニットと前記熱交換ユニットとの間で前記ハウジング内に取り付けられている多孔質の蒸発器部材を更に含んでいる、冷却装置。
3. 請求項１に記載の冷却装置であって、
   前記蒸発器ユニットが、前記導管を介して排出水を受け取り且つ前記排出水を前記吹き込まれた空気内へ噴射する水噴射機を含んでいる、冷却装置。
4. 請求項１に記載の冷却装置であって、
   前記蒸発器ユニットが、
   前記送風機と前記熱交換ユニットとの間に配置され、前記導管を介して排出水を受け取り且つ前記排出水を前記吹き込まれた空気内へ噴射する前記水噴射機と、
   同水噴射機と前記熱交換ユニットとの間に取り付けられた多孔質の蒸発器部材と、を含んでいる、冷却装置。
5. 請求項１に記載の冷却装置であって、
   前記蒸発器ユニットが、前記送風機と前記熱交換ユニットとの間に配置され、相互に隔置されており、前記導管を介して排出水を受け取り、各々が前記排出水を前記吹き込まれた空気内へ噴射する、複数の水噴射機を含んでいる、冷却装置。
6. 請求項１に記載の冷却装置であって、
   前記蒸発器ユニットが、
   前記吹き込まれた空気に晒されるように取り付けられた環状部材と、
   相互に隔置され且つ前記環状部材上に取り付けられ、前記導管を介して排出水を受け取り且つ同排出水を吹き込まれた空気内へ噴射する複数の水噴射ノズルと、を含んでいる、冷却装置。
7. 請求項１に記載の冷却装置であって、
   前記蒸発器ユニットが、
   前記吹き込まれた空気に晒されるように取り付けられた環状部材であって、吹き込まれた空気の方向に関して厚みがより厚い上流端部とより薄い下流端部とを有する環状部材と、
   前記導管を介して排出水を受け取る環状の水供給管と、
   互いに隔置され且つ前記環状部材上に取り付けられ、前記環状の水供給管から排出水を受け取り且つ同排出水を前記吹き込まれた空気内へと噴射する複数の水噴射ノズルと、を含んでいる、冷却装置。
8. 請求項７に記載の冷却装置であって、
   前記環状部材が中空であり、
   前記水供給管が同環状部材によって包囲されている、冷却装置。
9. 請求項１に記載の冷却装置であって、
   前記蒸発器ユニットが、
   前記送風機と前記熱交換ユニットとの間に取り付けられた水噴射ユニットと、
   同噴射ユニットと前記熱交換ユニットとの間に取り付けられた多孔質の蒸発器部材と、を含み、
   前記導管が、前記燃料電池スタックからの排出水を前記水噴射ユニットへ連通させ、当該水噴射ユニットは排出水を前記蒸発器部材内へ吹き込まれた空気内へ噴射し、前記排出水は蒸発し且つ前記熱交換ユニットへ入る前に前記空気を冷却するようになされた水供給ラインを含んでいる冷却装置。

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