JP2014505984A - 凍結に対して耐性のある燃料電池の燃料圧力レギュレータ - Google Patents

Abstract

燃料圧力レギュレータユニット５２が、マニホールドに取り付けられている。ユニット５２は、ハウジング５６を備え、該ハウジングは、燃料入口通路５４、調整された燃料用出口通路６２、検出圧力通路６４、リサイクル通路６８、混合された燃料用通路７８を提供する。圧力レギュレータ６０が、ハウジング５６に設けられ、燃料入口通路５４と調整された燃料用出口通路６２との間に流体的に配置される。検出圧力通路６４は、混合された燃料用通路と圧力レギュレータ６０とを流体的に互いに接続する。圧力レギュレータ６０は、検出圧力通路６４からの圧力に応答して、燃料入口通路５４から調整された燃料用出口通路６２への燃料流を調整するように構成される。エゼクタ６６が、ハウジング内において、調整された燃料用出口通路と混合された燃料用通路との間に流体的に配置される。エゼクタ６６は、リサイクル通路から、再循環された燃料を受けるように構成される。

Description

本発明は、再循環された燃料を用いた燃料電池圧力レギュレータシステムに関し、特に、凍結に対して耐性のある燃料電池圧力レギュレータユニットおよび燃料リサイクルラインに関する。

燃料電池が、燃料、例えば、水素を受けるアノードと、酸化剤、例えば、空気を受けるカソードとを備えている。ある燃料電池は、燃料リサイクルラインを組み込んでおり、該燃料リサイクルラインにおいて、燃料電池のアノードからの未使用の水素が、再循環されてアノード入口に戻される。

水は、燃料電池内の化学反応の副生成物であり、燃料電池内の冷媒としても用いられ得る。燃料電池内で用いられる分離プレートの形式に基づいて、再循環された燃料は、湿った空気を伴い得る。したがって、燃料電池内の種々の特徴部は、寒い天候条件において凍結し得る。氷が燃料電池の内の特定の通路を遮蔽する場合には、燃料電池を再起動することができない。燃料電池は、一般に車両に生じ得る種々の傾斜した角度における凍結条件で起動可能とされなければならない。

燃料電池が、アノードおよびカソードを有した燃料電池スタックを備えるようにして開示されている。アノードは、燃料を受けるように構成されており、カソードは、酸化剤を受けるように構成されている。マニホールドが、アノードと連通している。

一例では、燃料圧力レギュレータユニットが、マニホールドに取り付けられている。燃料圧力レギュレータユニットは、ハウジングを備えており、該ハウジングは、燃料入口通路、調整された燃料用出口通路、検出圧力通路、リサイクル通路および混合された燃料用通路を提供する。圧力レギュレータが、ハウジングに設けられ、燃料入口通路と調整された燃料用出口通路との間に流体的に配置される。検出圧力通路は、混合された燃料用通路と圧力レギュレータとを流体的に互いに接続する。圧力レギュレータは、検出圧力通路からの圧力に応答して、燃料入口通路から、調整された燃料用出口通路への燃料流を調整するように構成される。エゼクタが、ハウジング内において、調整された燃料用出口通路と混合された燃料用通路との間に流体的に配置される。エゼクタは、リサイクル通路から、再循環された燃料を受けるように構成される。

例示的な燃料電池アッセンブリの斜視図である。 図１Ａに示した燃料電池アッセンブリの側部立面図である。 図１Ａに示した燃料電池アッセンブリの端面図である。 燃料電池と、燃料圧力レギュレータユニットと、リサイクルラインを含む種々の流体ラインとを示した非常に概略的な図である。 燃料圧力レギュレータユニットの部分断面図である。 マニホールドおよびリサイクルラインの一部を示した部分断面図である。 内部ヒータを有した１つの例示的な燃料圧力レギュレータユニットを非常に概略的に示した図である。 外部ヒータを有した燃料圧力レギュレータユニットを非常に概略的に示した図である。

図１Ａ〜図１Ｃには、例示的な燃料電池アッセンブリ１０が示されている。燃料電池アッセンブリ１０は、フレーム１２によって支持された燃料電池スタック２１を備えており、フレーム１２は、車両に燃料電池アッセンブリ１０を固定するように用いられる。燃料電池アッセンブリ１０は、第１のマニホールド１４および第２のマニホールド１６を備えており、これらのマニホールドは、望ましいように、燃料電池アッセンブリ１０内で反応物、酸化剤および／または冷媒を通流させるように用いられる。

図２において、燃料電池アッセンブリ１０の概略図を参照すると、燃料電池スタック２１は、アノード１８、カソード２０および冷却器２２を備えている。第１のマニホールドおよび第２のマニホールドは、燃料電池スタック２１に固定されている。アノード１８は、例えば、水素供給源２４から反応物ライン３２を通して、反応物または燃料を受ける。未使用の水素が、アノード１８へと再び供給される前に未使用の水素と混合するように、リサイクルライン３４を通して排出され得る。リサイクルライン３４は、水または氷がリサイクルライン３４内に蓄積しないことを確実にするように、９０度ではない曲げ部を有するようにして概ね直角である。酸化剤、例えば、空気２６が、ポンプ２８によってカソード２０へと供給される。冷媒ループ３０が、望ましい動作温度に燃料電池スタック２１を維持するように、燃料電池アッセンブリ１０内の冷媒を循環させる。

水素供給源２４からの水素が、高圧力を有しており、この高圧力は、反応物ライン３２に供給される前に低圧力へと低下する。一例では、燃料圧力バルブ２５が、水素供給源２４の近くに設けられている。制御バルブ３８が、燃料圧力バルブ２５の下流側に配置されており、燃料圧力レギュレータユニット５２への水素流を計量する。加熱された水素が燃料電池スタック２１へと供給されて燃料電池スタック２１の動作効率を向上させるように、水素が燃料圧力レギュレータユニット５２に到達する前に、ヒータ４０が水素を加熱するように用いられ、温度センサ４２が水素の温度を調整するように用いられる。

図１Ａ〜図１Ｃを再び参照すると、第２のマニホールド１６は、燃料電池スタック２１において、アノード１８へと水素燃料を供給するように、およびアノード１８から水素燃料を供給するように用いられる。第２のマニホールド１６は、上壁４４および下壁４８を備えており、これらの上壁４４および下壁４８は、側壁４６によって互いに結合されている。外側垂直壁５０が、上壁４４、側壁４６および下壁４８に隣接している。燃料圧力レギュレータユニット５２は、様々な傾斜角で燃料圧力レギュレータユニット５２からライン８１を通して水がドレインすることを促進するように、（図１Ａ〜図１Ｃに示した）設置姿勢で上壁４４の上方に配置されている。

図２および図３には、燃料圧力レギュレータユニット５２が、より詳細に示されている。一般の比較的小型のヒータ１００によって加熱され得る、図２に概略的に示した小型の燃料圧力レギュレータユニット５２を提供するように、種々の通路が一般のハウジング５６へと組み込まれる。燃料圧力レギュレータユニット５２は、燃料入口通路５４を備えており、燃料入口通路５４は、反応物ライン３２から、燃料入口通路５４においてハウジング５６に固定された燃料入口供給取付部品５８を通して水素を通流させる。隔壁およびばねを備え得る燃料圧力レギュレータ６０が、燃料入口通路５４と調整された燃料用出口通路６２との間に設けられており、調整された燃料用出口通路６２は、ハウジング５６内の検出圧力通路６４からの圧力入力に応答して、圧力が調整された水素を供給する。検出圧力通路６４は、ハウジング５６が図１Ａ〜図１Ｃに示した設置姿勢にあるときに、ある角度でハウジング５６内に設けられる。

エゼクタ６６が、ハウジング５６において、調整された燃料用出口通路６２の下流側に概ね垂直方向に配置されている。エゼクタ６６は、ハウジング５６内において、リサイクル通路６８によって、再循環された水素を受ける。リサイクル取付部品７０が、リサイクル通路６８においてハウジングに固定されており、リサイクルライン３４から、再循環された水素を供給する。リサイクル取付部品７０は、ハウジング５６から水をドレインするように、約４５度の角度で下方に傾斜している。エゼクタ６６は、燃料圧力レギュレータ６０から、調整された燃料を受け、この調整された燃料は、リサイクル燃料入口７４において、エゼクタ６６のディフューザ部７６を通して排出される前に、再循環された水素と混合される。混合した、圧力が調整された燃料および再循環された燃料は、エゼクタ６６から、混合された燃料用通路７８へと供給される。検出圧力通路６４が、混合された燃料用通路７８と燃料圧力レギュレータ６０との間に流体的に接続されている。垂直方向に方向づけられた燃料出口取付部品８０が、混合された燃料用通路７８においてハウジング５６に固定されており、上壁４４の第２のマニホールド１６に水素を供給する。

図４には、第２のマニホールド１６が、より詳細に示されている。例示的な第２のマニホールド１６は、入口部９０と、アノード通路を有したアノード１８に水素を通流させる出口部９２とを備えており、これらの入口部９０および出口部９２は、大きな矢印で概略的に示したように二重の背部とされている。つまり、第２のマニホールド１６とは反対のマニホールドが、戻りとして作用する。リサイクルライン３４は、取付部品７３を備えており、取付部品７３は、第２のマニホールド１６に設けられたボス７１に固定されている。取付部品７３内の流路８２およびボス７１内の流体通路８４は、リサイクルライン３４からの水のドレインを促進するように、図示した姿勢で、水平方向から上方に、ある角度、例えば、４５度で位置決めされている。パージ通路８６が、下壁４８に設けられている。パージバルブ８８が、パージ通路８６において下壁４８に固定されており、第２のマニホールド１６からの水をドレインするように作動可能である。

図１Ｃを参照すると、水素濃度センサ９４および燃料入口圧力センサ９６が、上記の配置から水をドレインすることができるように、垂直の姿勢で、上壁４４上に設けられる。

燃料圧力レギュレータユニット５２は、より容易に燃料圧力レギュレータユニット５２を加熱することができるように小型にされている。図５Ａに概略的に示したように、外側部９８を有したハウジング５６は、ヒータキャビティ１０２を有しており、該ヒータキャビティ１０２内において、ヒータ１００が設けられ得る。燃料入口通路５４、調整された燃料用出口通路６２、検出圧力通路６４、リサイクル通路６８、混合された燃料用通路７８、燃料圧力レギュレータ６０およびエゼクタ６６の全てが、ハウジング５６の外側部９８内に配置されている。コントローラ１０４が、ヒータ１００および温度センサ１０６と通信する。コントローラ１０４は、例えば、凍結時よりも高い温度にハウジング５６を加熱し、起動時にハウジング５６内の氷を溶かすようにヒータ１００を指令するようにしてプログラムされる。

図５Ｂには、他の例示的な加熱構成が示されている。燃料圧力レギュレータユニット１５２が、ヒータ２００を有したハウジング１５６を備えており、ヒータ２００は、ハウジング１５６の外側部１９８の周囲に巻かれている。コントローラ２０４が、ヒータ２００および温度センサ２０６と通信し、上記コントローラ１０４について説明したのと同様の方法で作動する。

例示的な実施例について説明してきたが、当業者であれば、一定の修正が特許請求の範囲内に属し得ることを理解するであろう。この理由のために、付記の特許請求の範囲が、本発明の真の範囲および内容を決定するために検討されるべきである。

Claims (13)

1. 燃料入口通路、調整された燃料用出口通路、検出圧力通路、リサイクル通路および混合された燃料用通路を提供するハウジングと、
   前記ハウジング内に設けられるとともに、前記燃料入口通路と前記調整された燃料用出口通路との間に流体的に配置された圧力レギュレータであって、前記検出圧力通路は、前記混合された燃料用通路と圧力レギュレータとを流体的に相互に接続し、この圧力レギュレータは、前記検出圧力通路からの圧力に応答して、前記燃料入口通路から前記調整された燃料用出口通路への燃料流を調整するように構成される、圧力レギュレータと、
   前記ハウジング内において、前記調整された燃料用出口通路と、前記混合された燃料用通路との間に流体的に配置され、前記リサイクル通路から、再循環された燃料を受けるように構成されたエゼクタと、
   を備えた燃料電池用燃料圧力レギュレータユニット。
2. 前記燃料圧力レギュレータユニットと係合するヒータをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料圧力レギュレータユニット。
3. 前記ハウジングは、ヒータキャビティを備え、前記ヒータは、該ヒータキャビティ内に配置されることを特徴とする請求項２に記載の燃料圧力レギュレータユニット。
4. 前記ヒータは、前記ハウジングの周囲に巻かれることを特徴とする請求項２に記載の燃料圧力レギュレータユニット。
5. 前記ヒータおよび温度センサと通信するコントローラをさらに備え、該コントローラは、凍結条件に応答して前記ハウジングを加熱するように前記ヒータに指令するようにしてプログラムされることを特徴とする請求項２に記載の燃料圧力レギュレータユニット。
6. 前記ハウジングは、設置姿勢を備え、前記検出圧力通路は、ある角度で配置され、前記エゼクタは、前記設置姿勢において概ね垂直方向に配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料圧力レギュレータユニット。
7. リサイクルラインをさらに備え、該リサイクルラインは、両端部に第１のリサイクル取付部品および第２のリサイクル取付部品を有し、前記第１のリサイクル取付部品は、前記リサイクル通路において前記ハウジングに接続され、前記第２のリサイクル取付部品は、前記設置姿勢において、傾斜した通路を有することを特徴とする請求項６に記載の燃料圧力レギュレータユニット。
8. 燃料を受けるように構成されたアノードと、酸化剤を受けるように構成されたカソードと、前記アノードと連通するマニホールドとを有した燃料電池スタックと、
   前記マニホールドに取り付けられた燃料圧力レギュレータユニットと
   を備えた燃料電池であって、
   前記燃料圧力レギュレータユニットは、
   燃料入口通路、調整された燃料用出口通路、検出圧力通路、リサイクル通路および混合された燃料用通路を提供するハウジングと、
   前記ハウジング内に設けられるとともに、前記燃料入口通路と前記調整された燃料用出口通路との間に流体的に配置された圧力レギュレータであって、前記検出圧力通路は、前記混合された燃料用通路と圧力レギュレータとを流体的に相互に接続し、この圧力レギュレータは、前記検出圧力通路からの圧力に応答して、前記燃料入口通路から前記調整された燃料用出口通路への燃料流を調整するように構成される、圧力レギュレータと、
   前記ハウジング内において、前記調整された燃料用出口通路と、前記混合された燃料用通路との間に流体的に配置され、前記リサイクル通路から、再循環された燃料を受けるように構成されたエゼクタと、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
9. 前記マニホールドは、ボスを有し、リサイクルラインが、前記ボスと前記リサイクル通路との間に流体的に接続され、前記リサイクルラインは、前記ボスに固定された取付部品を有し、前記取付部品は、前記燃料スタックアッセンブリに向かって傾斜した取付部品通路を有することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
10. 前記マニホールドは、上壁を備え、前記燃料圧力レギュレータユニットは、前記上壁に取り付けられることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
11. 設置姿勢において垂直方向に前記上壁に取り付けられた水素濃度センサおよび燃料入口圧力センサをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。
12. 前記燃料圧力レギュレータユニットと係合するヒータをさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
13. リサイクルラインをさらに備え、該リサイクルラインは、両端部に第１のリサイクル取付部品および第２のリサイクル取付部品を有し、前記第１のリサイクル取付部品は、前記リサイクル通路において前記ハウジングに接続され、前記第２のリサイクル取付部品は、設置姿勢において、傾斜した通路を有することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。

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