JP2015520500A - 燃料電池の冷却系 - Google Patents

Abstract

燃料電池スタックアセンブリは燃料電池のスタックを含み、それぞれの燃料電池が冷却空気路を有し、スタックの通気面上に配置される、流入口／流出口通気開口部を有する。通気開口部はスタックの通気面に亘ってアレイを形成する。第１のファンは通気面の第１の部分を通る空気流を方向付けるように構成され、第２のファンは、通気面の第２の部分を通る空気流を方向付けるように構成される。再構成可能なプレナムは、第１のファンおよび第２のファンと流体連通し、空気が、第１および第２のファンにより、通気面の第１および第２の部分を通って、同じ方向に方向付けられる第１の構成、ならびに、空気が、ファンの少なくとも１つにより、それぞれ通気面の第１および第２の部分を通って、逆方向に方向付けられる、第２の構成を有する。第２の構成で作動するとき、通気面の第１および第２の部分を通る空気流の方向は、周期的に逆行される。【選択図】図９

Description

本発明はスタック形成において配置される電気化学燃料電池に関し、特にそのような燃料電池スタックの冷却系に関する。

慣習的な電気化学燃料電池は、一般的に両方とも気体流の形態における、燃料およびオキシダントを、電気エネルギーおよび反応生成物に転換する。水素および酸素を反応させる電気化学燃料電池の一般的な型は、膜電極接合体（ＭＥＡ）内に、プロトン交換膜（ＰＥＭ）としても知られる重合体イオン移送膜を含み、膜のそれぞれの側面に燃料および空気が流れる。プロトン（すなわち水素イオン）は、膜を介して伝導し、燃料電池の陽極および陰極を接続する回路を介して伝導する電子により平衡する。使用可能な電圧を増加するために、別個の陽極および陰極流体流路を伴い配置する、いくつかの直列接続ＭＥＡを含むスタックが形成される。そのようなスタックは、典型的に、スタックのいずれかの端部における端部板によってまとめられる多数の個々の燃料電池板を含むブロックの形態である。

燃料およびオキシダントの反応が電力と同様に熱も発生させるため、燃料電池スタックは、作動温度に到達すると冷却を要求し、燃料電池への損傷を回避する。冷却は燃料電池スタックに空気を無理に送ることにより達成され得る。開放陰極スタックにおいて、オキシダント流路および冷却剤流路は同じである、すなわち、陰極流体流路に空気を無理に送ることは、陰極にオキシダントを供給するとともにスタックを冷却する。

しかしながら、燃料電池スタックの最適作動は、燃料電池を最適作動温度に維持することに依存し、燃料電池スタックの効率性は、低い周囲温度またはスタックが低温から始動する場合に悪影響を受ける。従って、陰極を通る空気流の冷却効率性を調節できることが望ましい。

これを達成するための１つの技法は、陰極を過ぎてスタック空気流入口へ戻し送られた、燃料電池スタックからの排気のうちのいくらかまたは全てをリサイクルすることである。排気はスタックを通る第１の通過により予熱され、ダクトが、この排気を、再使用するために、場合によってはある割合の冷気と混合して、スタックの正面に移動させ、従って全体の冷却効率性が減少し、燃料電池スタックが低い周囲温度で効率的に作動できるようになる。この配列の潜在的な欠点は、燃料電池スタックの流出口面から空気を通過させるために、スタックのすぐ側を流入口面まで延在するダクトを取り付けることが要求されるということである。これは燃料電池系の体積を増加させ、燃料電池スタック上に他の支持系を構築する空間の量を制限する。

この再循環配列のさらなる潜在的欠点は、再循環する暖気が非常に冷たい周囲空気と混ざると、燃料電池スタックへの流入口で、かなりの凝縮の発生を引き起こし得るということである。

燃料電池スタックを通る空気流の冷却効率性のある程度の制御を提供するための代替の配列を提供することが本発明の目的である。

一態様によると、本発明は燃料電池スタックアセンブリであって、
燃料電池のスタックであって、それぞれの燃料電池が、スタックの通気面上に配置される流入口／流出口通気開口部を有する冷却空気路を有し、通気開口部が当該スタックの通気面上にアレイを形成する、燃料電池のスタックと、
通気面の第１の部分を通る空気流を方向付けるように構成される第１のファンおよび前記通気面の第２の部分を通る空気流を方向付けるように構成される第２のファンと、
当該第１のファンおよび当該第２のファンと流体連通する再構成可能なプレナムとを含み、プレナムが、空気が、第１および第２のファンにより、通気面の第１および第２の部分を通って、同じ方向に方向付けられる第１の構成、ならびに、空気が、ファンの少なくとも１つにより、それぞれ通気面の第１および第２の部分を通って、逆方向に方向付けられる、第２の構成を有する、燃料電池スタックアセンブリを提供する。

プレナムは、燃料電池スタックの少なくとも一部の作動温度および／または作動時間の関数として、自動的に再構成可能であり得る。再構成可能なプレナムは、開放構成と閉鎖構成との間で切り替え可能である、当該第１および第２のファンに近位の第１の端部と、当該第１および第２のファンに遠位の第２の端部とを含み得、開放構成は第２の端部でプレナムからの空気流の流出を促進し、閉鎖構成は第１のファンから第２のファンへの少なくともいくらかの空気の戻りを強制する。再構成可能なプレナムは、開放構成と閉鎖構成との間の複数の中間構成において再構成可能であり得、それぞれの中間構成は、第１のファンから第２のファンへの空気の異なる割合の戻りを強制する。再構成可能なプレナムは、プレナムの第２の端部にて様々な閉塞部材を含み得る。燃料電池スタックアセンブリは、再構成可能なプレナムが第２の構成にある場合、第１および第２のファンを反対方向に駆動するように構成されるファン制御器を含み得る。燃料電池スタックアセンブリは、再構成可能なプレナムが第２の構成にある場合、第１のファンを駆動し、第２のファンを停止するように構成されるファン制御器を含み得る。燃料電池スタックアセンブリは、複数の当該第１のファンおよび複数の当該第２のファンを含み得、第１および第２のファンのそれぞれが当該再構成可能なプレナムと協働する。第１のファンおよび第２のファンは集団で配置され得、それぞれの集団が１つの当該再構成可能なプレナムと協働する。通気面の第１の部分および通気面の第２の部分は、同じ電池の異なる部分に対応し得る。第１のファンおよび第２のファンは互いに隣接し、通気面に隣接し得る。燃料電池スタックアセンブリは、第１のファンのものとは逆の方向に通気面の第１の部分を通る空気流を方向付けるように構成される第１の逆作動ファン、および、第２のファンのものとは逆の方向に通気面の第２の部分を通る空気流を方向付けるように構成される第２の逆作動ファンを含み得る。燃料電池スタックは、当該系が第２の構成において作動する場合に、通気面の第１および第２の部分を通る空気流の方向を周期的に逆流させるように構成される制御系を含み得る。

別の態様によると、本発明は、スタックにおけるそれぞれの燃料電池がスタックの通気面上に配置される流入口／流出口通気開口部を伴う冷却空気路を有し、通気開口部が当該スタックの通気面上にアレイを形成し、通気面が第１の部分および第２の部分を有する、空冷された燃料電池スタックを作動する方法であって、
第１の作動モードにおいて、第１のファンおよび第２のファンを使用してスタックを通気する工程であって、第１のファンが通気面の第１の部分を通って空気を方向付け、第２のファンが通気面の第２の部分を通って空気を方向付け、第１および第２の部分を通る空気流が同じ方向になる工程と、
第２の作動モードにおいて、通気面の第１の部分を通って第１の方向に、および、通気面の第２の部分を通って第１の方向とは反対の第２の方向に、空気を方向付けるために、少なくとも第１のファンを使用してスタックを通気する工程とを含む、方法を提供する。

第２の作動モードにおいて、スタックは、通気面の第１の部分を通って当該第１の方向に空気流を方向付けるために第１のファンを使用し、通気面の第２の部分を通って第１の方向とは反対の第２の方向に空気を方向付けるために第２のファンを使用して、通気され得る。燃料電池スタック通気の作動は、当該第１のファンおよび当該第２のファンと流体連通する再構成可能なプレナムを再構成することで、作動の第１のモードと第２のモードとの間で切り替えられ得、再構成可能なプレナムは、開放構成と閉鎖構成との間で切り替え可能である、当該第１および第２のファンに近位の第１の端部ならびに、当該第１および第２のファンに遠位の第２の端部を有し、開放構成は第２の端部でプレナムからの空気流の流出を促進し、閉鎖構成は第１のファンから通気面の第２の部分への少なくともいくらかの空気の戻りを強制する。燃料電池の作動温度および／または作動時間の関数として、第１のモードと第２のモードとの間の自動的切り替えが提供され得る。第２の作動モードにおいて作動するとき、通気面の第１および第２の部分を通る空気流の方向は、周期的に逆行し得る。

本発明の実施形態は例によって、および以下の通りの添付の図を伴ってこれから記載される。

燃料電池スタックのための通気系のルーバー板、ファン格納箱、および空気フィルタ箱の構成要素の分解斜視図を示す。 水平に層を成し下部の層に穴が開いた構成における、図１のルーバー板およびファン格納箱の組み立て後の、逆側から見た、透視図を示す。 水平に層を成し上部の層に穴が開いた構成における、図１のルーバー板およびファン格納箱の組み立て後の、逆側から見た、透視図を示す。 完全に閉鎖した構成における、図１のルーバー板およびファン格納箱の組み立て後の、逆側から見た、透視図を示す。 水平に層を成す完全再循環構成における、図１のルーバー板およびファン格納箱の組み立て後の、逆側から見た、透視図を示す。 水平に層を成し、完全に開放の構成における、図１のルーバー板およびファン格納箱の組み立て後の、逆側から見た、透視図を示す。 図５の、水平に層を成す完全再循環構成における、図１のルーバー板およびファン格納箱の組み立て後の、逆側から見た、横断面透視図を示す。 ルーバーの３つの位置を示す、ルーバー板およびファン格納箱の概略横断面図を示す。 完全開放非再循環構成における、ルーバー板の代替の構成を含む通気系を伴う、燃料電池スタックの概略横断面図を示す。 完全再循環構成における、ルーバー板の代替の構成を含む通気系を伴う、燃料電池スタックの概略横断面図を示す。 部分的に開放で部分的に再循環の構成におけるルーバー板の代替の構成を含む通気系を伴う燃料電池スタックの概略横断面図を示す。

本発明は、冷却空気流が、ＭＥＡにオキシダントを提供する陰極流路を直接通過する、空冷した「開放陰極」燃料電池技術に関して、これから記載される。しかしながら、本明細書に記載される原理は、例えば、冷却空気流が必ずしもオキシダント流と同じでない、燃料電池空冷に、より一般的に用いられ得る。

図１を参照すると、燃料電池スタック（図示せず）のための通気アセンブリ１は、ルーバー板２と、ファン格納箱３と、空気フィルタ箱４とを含む。ルーバー板２はいくつかのルーバー５を有し、ルーバー５は、角度配置または位置において多様であり得、板２を通る空気流も多様となる。ファン格納箱３は、ファン７のアレイ６を有し、それぞれが空気誘導室８内に収容される。フィルタ箱４は１つ以上のフィルタユニット９を含む。ルーバー板２、ファン格納箱３、および空気フィルタ箱４は、下記で明らかとなるように、燃料電池スタックのようなさらなる構成要素と共にまたはそれらを中心に、いくつかの方法で組み立てることができる。

図２は、図１に示されるものに類似する、逆側から見た通気アセンブリ２０の部分を示す。通気アセンブリ２０は、水平に層を成し、下部の層に穴が開いた構成において示され、ファン７が層２１ａ〜２１ｄにおいて水平に集められる。それぞれの層２１はルーバー５を有し、ルーバーはそれぞれ５ａ〜５ｄと呼ぶ。ルーバー５ａおよび５ｃが完全に閉鎖位置、すなわち図示されるように垂直にあり、ルーバー５ｂおよび５ｄが完全に開放位置、すなわち図示されるように水平にあることが見られ得る。それぞれの２１層は、それぞれ２２ａ〜２２ｃと呼ぶ仕切り板２２によって隔てられる。下記でより詳細に記載されるように、中央仕切り板２２がそれぞれの面で平板である一方で、仕切り板２２ａおよび２２ｃはそれぞれの面にＶ字形を有する。制御要素のセット２３が通気アセンブリの側面２４上に提供され、ルーバー５ａ〜５ｄの配置を制御する。

図３は、水平に層を成し、上部の層に穴が開いた構成における通気アセンブリ２０を示し、ファン７が層２１ａ〜２１ｄにおいて水平に集められる。ルーバー５ｂおよび５ｄが完全に閉鎖位置、すなわち図示されるように垂直にあり、ルーバー５ａおよび５ｃが完全開放位置、すなわち図示されるように水平にあることが見られ得る。側面２４上の制御要素のセット２３は、図２と比較して、ルーバー５ａ〜５ｄの異なる配置と一致して再配置される。

図４は、完全閉鎖構成における通気アセンブリ２０を示し、ルーバー５ａから５ｄは全て完全閉鎖位置、すなわち図示されるように垂直にある。側面２４上の制御要素のセット２３は、図２および３と比較して、ルーバー５ａ〜５ｄの異なる配置と一致して再配置される。

図５は、完全再循環構成における通気アセンブリ２０を示し、ルーバー５ａ〜５ｄは全て再循環位置にあり、図２から４の垂直（閉鎖）位置および水平（開放）位置の両方に対して傾いている。完全再循環構成を達成するためにルーバーが位置する正確な角度は、図７および８との関連で下記に詳細に記載されるように、仕切り板２２ａおよび２２ｃのＶ字形に依存する。側面２４上の制御要素のセット２３は、ルーバー５ａ〜５ｄの配置に一致して位置する。

図６は、完全開放構成における通気アセンブリ２０を示し、ルーバー５ａから５ｄは全て完全開放位置、すなわち図示されるように水平にある。側面２４上の制御要素のセット２３は、ルーバー５ａ〜５ｄの配置に一致して位置する。

図７は、横断面での通気アセンブリ２０を示し、図５の完全再循環構成をより詳細に示す。仕切り板２２ａおよび２２ｃはＶ字形の輪郭を有するため、図示されるようにルーバー５ａ〜５ｄが適切な角度で位置すると、それぞれのルーバー５の遠位端部３０（ヒンジ端部３１の反対）が、その幅広端角３２ａまたは３２ｂにてＶ字３３に隣接する。ルーバー５ａおよび５ｂはそれぞれ、Ｖ字３３ａのそれぞれの角に隣接し、ルーバー５ｃおよび５ｄはそれぞれ、Ｖ字３３ｂのそれぞれの角に隣接する。

図８はこれまで記載されたそれぞれのルーバー５の３つの位置を示す。位置８０ａは、完全開放（水平）位置におけるルーバー５を特定し、位置８０ｂは完全再循環位置におけるルーバー５を特定し、位置８０ｃは完全閉鎖位置におけるルーバー５を特定する。ルーバー５はヒンジ端部３１でそれぞれヒンジ連結する。図８は、ファン７のアレイ６に隣接する燃料電池スタック８２の１つのあり得る配置もまた示す。

図９は、通気アセンブリ４１の代替配列を組み込む燃料電池スタックアセンブリ４０の概略図を示す。燃料電池スタック４２は、ファン４４ａ、４４ｂによって発生する、空気流路４３ａ、４４ｂ内に配置する。燃料電池スタックは燃料電池のスタックを含み、そのそれぞれがそれを通過する１つ以上の冷却空気路を有し、それぞれの冷却空気路が、スタックの第１の通気面４９ａ上および第２の通気面４９ｂ上に、流入口／流出口通気開口部を有する。通気開口部はそれにより、燃料電池スタックの第１および第２の通気面４９ａ、４９ｂのそれぞれの上にアレイを形成する。

ファン４４は図１から８との関連で記載されたものに類似するアレイを形成し、それぞれのファンは、空気誘導室内に位置し、その仕切り壁は４５にて見られる。可視的な２つのファン４４ａ、４４ｂはアレイの一部を表すにすぎず、図に直交する平面において延在し得、図示されるものの上部／下部にさらなるファンを有し得るということが理解されるだろう。ファン４４ａ、４４ｂのそれぞれは、通気面のそれぞれの部分５０ａ、５０ｂを通って空気流を方向付けるよう構成され、それによりそれぞれの部分が、それぞれのファンに覆われる通気面４９ｂの領域に対応する。ルーバー板４６はいくつかのルーバー４７を含み、角度配置または位置において多様であり得、ルーバー板４６を通る空気流も多様となる。図９ｂにおいて、ルーバー４７が完全閉鎖、完全再循環位置において示される一方で、図９ａにおいて、ルーバー４７は完全開放、非再循環位置において示される。ルーバー４７が部分開放、部分再循環位置においても配置し得、いくらかの空気がルーバーを通過できるということが理解されるだろう。フィルタ箱４８は燃料電池スタック４２の正面に配置する。

図１０は、通気アセンブリ６１の代替配列を組み込む燃料電池スタックアセンブリ６０の別の代替配列を示す。燃料電池スタック６２は、前進ファン６４ａ、６４ｂおよび逆流ファン８２ａ、８２ｂによって発生する空気流路内に配置する。燃料電池スタック６２は燃料電池のスタックを含み、そのそれぞれがそれを通過する１つ以上の冷却空気路を有し、それぞれの冷却空気路が、スタックの第１の通気面６９ａ上および第２の通気面６９ｂ上に、流入口／流出口通気開口部を有する。通気開口部はそれにより燃料電池スタックの第１および第２の通気面６９ａ、６９ｂ上にアレイを形成する。ファン６４、８２は、図１から８との関連で記載されたものに類似する２つのアレイを形成する。しかしながら、この配列において、前進ファン６４は一般的に空気誘導室６５を共有し、図９の配列の仕切り壁４５を有さない。同様に、逆流ファン８２ａ、８２ｂは一般的に前進空気誘導または前進プレナム７２を共有する。可視的な２つの前進ファン６４ａ、６４ｂおよび２つの逆流ファン８０ａ、８０ｂは、アレイの一部を表すにすぎず、図に直交する平面において延在し得、図示されるものの上部／下部にさらなるファンを有し得る。ファンが異なる比率で作動する場合、空気誘導室６５を通るいくらかの空気移送が起こり得るが、前進ファン６４ａ、６４ｂのそれぞれは、一般的に通気面６９ｂのそれぞれの部分７０ａ、７０ｂを通って空気流を方向付けるよう構成される。ルーバー板６６はいくつかのルーバー６７を含み、角度配置または位置において多様であり得、ルーバー板６６を通る空気流も多様となる。図１０において、ルーバー６７は部分開放、部分再循環位置において示され、いくらかの空気がルーバーを通過できる。ルーバー６７は、完全開放、非再循環位置または、完全閉鎖完全再循環位置およびその間の全ての位置において配置し得る。フィルタ箱６８は燃料電池スタック６２の正面に配置する。逆流ファン８２ａ、８２ｂは、前進ファン６４ａ、６４ｂより低パワーのファンであり得る。

様々な通気アセンブリの作動をこれから記載する。
まず、第１の作動モードである図９ａを参照すると、通気アセンブリ４１は燃料電池スタック４２を完全、非再循環様式で通気し、ファン４４の全てが空気を燃料電池スタック４２のそれぞれの部分を通って矢印４３ａおよび４３ｂによって示されるものと同じ方向に引き出し、その空気は開放ルーバー４７を通って排出する。最大冷却が達成される（一定のファン速度で）。図９ｂにおいて示される第２の作動モードにおいて、ルーバー４７は完全閉鎖であり、下部ファン４４ｂが、空気流路４３ｄに図示されるようにスタック４２を通って空気を引き出すために前進方向に維持する一方で、上部ファン４４ａは、逆空気流路４３ｃに図示されるようにスタック４２を通って空気を逆に方向付けるために、逆流に切り換わる。閉鎖ルーバー４７は、ファン４４ｂにより通気面４９ｂの部分５０ｂを通って方向付けられる空気流４３ｄが、プレナム５１に入り、その後逆作動ファン４４ａにより通気面４９ｂの部分５０ａを通って方向付けるために空気流４３ｃとして逆方向で無理に戻されることを保証する。仕切り壁４５は前進および逆流空気流４３ｄ、４３ｃの隔離を保証する。逆流空気流４３ｃはファン４４ａの逆作動を要求しないこともある。いくつかのファンの型は、逆方向において上手くもしくは効率的に動かず（または、全く動かない可能性もある）、そのため、閉鎖ルーバー４７が閉鎖端プレナム５１を画定し、空気流の方向を変え、ファン４４ａをオフにする（またはその動作を著しく抑える）ことによって提供する背圧のみに依存可能である。スタック４２を通る冷却空気流の最大またはかなりの割合が、スタックを既に通過し、故にいく分か予熱され、最小もしくは減少冷却が達成される。

部分再循環構成において、ルーバー４７は部分開放であり、例えば斜角（例えば図１０に示すルーバー６７の配置に類似）で配置される。ファンのうちの１つ（例えば４４ａ）のスイッチを切る（または作動を大幅に減少する）ことにより、通気面４９ｂの部分５０ｂからの空気流４３ｄの一部が、ルーバー４７およびファン４４ａの停止もしくは減速が増加した背圧を作り出すに従い、空気流４３ｃとして逆に方向付けられ得る。通気面４９ｂの部分５０ａに対応するスタック４２の一部は、（ａ）逆空気流の予熱、および（ｂ）ルーバー４７が部分的に開放したために減少した背圧により引き起こされる空気流の総量の減少により、減少した冷却を受けることになる。ルーバーは、空気の異なる割合の戻りを強制するために、開放構成と閉鎖構成との間の複数の起こり得る中間構成を採用し得る。

フィルタ４８に隣接する流入口端にて、フィルタ４８が提供する空気流に対するインピーダンスに依存し、前進および逆流空気流４３ｄ、４３ｃは前進プレナム５２においてある程度混合し得、それにより空気の反復部分再循環をもたらす。これは、フィルタを通る空気流インピーダンスを調節することによりさらに制御され得る。反復再循環が要求されない場合、フィルタ４８を通気面４９ａのすぐ近くに配置する、すなわち前進プレナム５２を削除することで、それを回避し得るまたは大部分を減少させ得る。

一般的な態様において、通気アセンブリ４１は、ルーバー板４６により、第１のファン４４ｂおよび第２のファン４４ａと流体連通する再構成可能なプレナム５１を提供することが見られ得る。再構成可能なプレナム５１は第１の構成（図９ａ）を有し、空気が、第１および第２のファン４４ｂ、４４ａによって、通気面４９ｂの第１および第２の部分５０ｂ、５０ａを介し、同じ方向に方向付けられる。再構成可能なプレナムは第２の構成（図９ｂ）を有し、空気が、ファン４４ｂのうちの少なくとも１つによって、通気面４９ｂのそれぞれ第１および第２の部分５０ｂ、５０ａを介し、逆方向に方向付けられる。この第２の構成は、ファン４４ａの逆作動によって補助され得またはされ得ない。通気アセンブリ４１は、ルーバー４７の角度およびファン速度の制御により、これらの２つの極の間の複数の中間位置もまた提供する。

第２の構成は逆向きにされ得、ファン４４ａが前進駆動ファンになり、ファン４４ｂはスイッチを切られるか逆駆動する。この方法で、主要冷却空気流を受けるスタックの部分、およびその後の予熱された逆空気流を受ける部分は交換され得、温度制御がスタック４２の全ての部分のために制御され得るということを保証する。

図１０の通気アセンブリは類似するがいくつかの差異を伴う方法で作動する。第１の作動モードにおいて、完全開放のルーバー６７を伴い、通気アセンブリ６１は、完全、非再循環様式において燃料電池スタック６２を通気し、ファン６４ａ、６４ｂの全てが、空気を燃料電池スタック６２のそれぞれの部分７０ａ、７０ｂを通って同じ方向に引き出し、その空気は開放ルーバー６７を通って排出する。最大冷却が達成される（一定のファン速度で）。第２の作動モードにおいて、ルーバー６７は完全に閉鎖であり、上部ファン６４ａは停止、減速または逆作動する。ルーバー６７の閉鎖は背圧を引き起こすため、空気導入室６５における圧力は上昇する。逆流ファン８２ａの作動により、空気流６３ｂの少なくとも一部が、逆流空気流路６３ａに図示されるように、スタック６２を通って逆向きに方向付けられる。ファン６４が標準速度で動いている間にファン６４ａが停止または減速する場合、ファン６４ｂ、６４ａは逆流６３ａに対して貢献し、逆流ファン８２ａは要求されないことがある。スタック６２を通る冷却空気流の最大またはかなりの割合が、スタックを既に通過し、故にいく分か予熱され、最小もしくは減少冷却が達成される。

図１０に示されるように作動の別のモードにおいて、ルーバー６７は部分開放であり、前述の２つの構成の中間の空気流がもたらされ得る。ルーバー６７からの増加した背圧は、ファン６４ａ、６４ｂを通る前進空気流を減速し得る。逆流ファン８２ａの作動は、空気流６３ｂのいくらかを空気誘導室６５のいたるところに流用するため、少量逆流６３ａが通気面６９ｂの部分７０ａを介して生じる。ファン６４ａおよび６４ｂはこの逆流を促進するため異なる速度で作動し得る（すなわちファン６４ｂはファン６４ａより速く作動する）。別個の逆流ファン８２ａ、８２ｂを使用することで、逆に作動しないファンの使用が可能になり、燃料電池スタックの異なる部分における多様な空気流の柔軟性の、より大きい範囲を提供する。

フィルタ６８に隣接する流入口端にて、フィルタ６８が提供する空気流に対するインピーダンスに依存し、前進および逆流空気流６３ｂ、６３ａは、空気流７３により示されるように前進プレナム７２においてある程度混合し得、それにより空気の反復部分再循環をもたらす。これは、フィルタを通る空気流インピーダンスを調節することによりさらに制御され得る。反復再循環が要求されない場合、フィルタをファン８２ａ、８２ｂのすぐ近くに配置する、すなわち前進プレナム７２を削除することで、それを回避し得るまたは大部分を減少させ得る。

一般的な態様において、通気アセンブリ６１は、ルーバー箱６６によって定義されるプレナム７１により、空気誘導室６５と、ファン８２ａ、８２ｂと、第１のファン６４ｂおよび第２のファン６４ａと流体連通する再構成可能なプレナムとを提供し、再構成可能なプレナムは、空気が第１および第２のファン６４ｂ、６４ａにより、通気面６９ｂの第１および第２の部分７０ｂ、７０ａを通って、同じ方向に方向付けられる第１の構成、ならびに、空気が、ファン６４ｂのうちの少なくとも１つにより、それぞれ通気面６９ｂの第１および第２の部分７０ｂ、７０ａを通って、逆方向に方向付けられる第２の構成（ルーバー６７が少なくとも部分的に閉鎖であり、逆流ファン８０ａが作動している）を有するということが見られ得る。通気アセンブリ６１は、ルーバー４７の角度の制御により、および少なくとも逆流ファン８２ａのファン速度により、これらの２つの極の間の複数の中間位置もまた提供する。

図１から８の通気アセンブリ１または２０は、図９および１０に図示されるような燃料電池スタックと共に組み立て得、類似するがいくつかの差異を伴う方法で作動する。図６に図示される第１の作動モードにおいて、通気アセンブリ１、２０は、完全非再循環様式で燃料電池スタックを通気し、ファン７全てが、空気を燃料電池スタックのそれぞれの部分を通って同じ方向に引き出し、その空気は開放ルーバー５ａ〜５ｄ（これらの全ては図８の位置８０ａにある）を通って排出する。図４に示される第２の作動モードにおいて、ルーバー５は完全に閉鎖（図８に示される位置８０ｃにあり、スタックを通る空気流は完全に阻害され得る。図５および７に示される第３の作動モードにおいて、ルーバー５は、図８に示される再循環位置８０ｂにある。２つの層２１ａ、２１ｂのうちの他の１つにおけるファン７が前進流作動に維持される一方で、２つの層２１ａ、２１ｂのうちの１つにおけるファン７は、スイッチを切られるか逆流作動に切り替えられる。再循環位置８０ｂにおけるルーバー５の位置は、その後、層２１ａからの前進空気流は層２１ｂへと方向付けられ、それにより、図８から１０との関連で記載されたものと類似する様式で、スタックを通って逆に方向付けられるということを保証する。

部分再循環構成において、ルーバー５は部分開放であり、すなわち、いくらかの空気がルーバー５を通過することを可能にする。

一般的な態様において、通気アセンブリ１、２０は、ルーバー板２により、第１のファン７（層２１ａ）および第２のファン７（層２１ｂ）と流体連通する再構成可能なプレナムを提供し、再構成可能なプレナムは、空気が、層２１ａ、２１ｂにおける第１および第２のファン７により、燃料電池スタックの通気面の第１および第２の部分を通って、同じ方向に方向付けられる第１の構成、ならびに、空気が、ファン７のうちの少なくとも１つ（例えば層２１ａにおける１つ以上のファン）により、それぞれ通気面の第１および第２の部分を通って逆方向に方向付けられる第２の構成を有するということが見られ得る。通気アセンブリ１、２０は、ルーバー角度およびファン速度の制御により、これらの２つの極の間の複数の中間位置もまた提供する。

記載される実施形態の全てにおいて、直接周囲空気で（例えば、図９における空気流８３により示されるように、外部の系から）冷却される燃料電池スタックの部分、および予熱された戻り空気流で冷却される部分は、配置／または調節されるファン７、４４、６４およびルーバー５、４７、６７の適切な選択によって切り換わり得る。ファンおよびルーバーは、層（例えば層２１）において集まり得、層またはグループにおけるファンは全て、スタックの選択された部分を通る所望の方向における直接空気流に一致して作動する。

ルーバー５、４７、６７はプレナムを定義する適切なハウジングを通る空気流を、例えばシャッター、光彩絞り等を使用して、変更し得る、閉鎖装置のあらゆる他の形態で置き換え得る。一般的な意味において、再構成可能なプレナムは、ファンから遠位のプレナムの端部にて様々な閉塞部材のあらゆる形態を含む、あらゆるハウジングによって定義され得る。

適切な制御機構は、燃料電池スタックの１つ以上の作動パラメータに従い、自動的にシステムを再構成するために使用され得る。これらのパラメータは、以下のうちのいずれか１つ以上を含み得る：燃料電池スタックまたは燃料電池スタックの関連する部分の作動温度；周囲空気温度；スタックを通るおよび／または通気アセンブリを通る特定の空気流の温度；個々の電池温度；スタックおよび／または周辺空気における湿度；電池またはスタック電圧；電池またはスタック電流；システムの作動時間。１つ以上の物理的環境センサーが、これらのパラメータのうちのいずれかを観察するために、燃料電池アセンブリおよび／または通気アセンブリの戦略的な位置に配置され得る。好適には、システムの再構成は、作動温度または時間または両方の関数として制御される。システムの再構成は、好適には、さらに、直接の冷たい空気および戻ってきた温かい空気を周期的に受けるためにスタックの交互セクションを配列する。従って、一般的な意味において、第２の構成において作動するとき、システムは、好適には、通気面４９の第１および第２の部分５０を通る空気流４３の方向を周期的に逆流させる。この周期的な逆流は、さらに、燃料電池スタックの少なくとも一部の作動温度および／または作動時間の関数として制御され得る。周期的な逆流は、燃料電池の作動条件に従い、固定または様々な頻度であり得る。

ファンのアレイ（複数可）は個々でスタックに密着し得る。アレイは、スタックにおける電池の面に沿って分布するあらゆる適切な数のファン、およびスタックにおける電池の面のいたるところに分布するあらゆる適切な数のファンを含むために寸法され得る。ファンは、通気面４９の部分５０を定義するため、スタックにおけるあらゆる適切な数の電池をまたがり得る。ファンは、再構成可能なプレナムのあらゆる特定の型と協働するため、層において集められ得る。

故障を来たす可能性がより高くあり得る、スタック中の全電池が熱く、スタック中の全電池が冷たいような、燃料電池スタックの面に亘ってアレイ状になる交互のファンを有するのではなく、個々の燃料電池のそれぞれが、対応する「暖かい」セクションと「冷たい」セクションとを有するような、燃料電池スタックの面に沿って交互のファンがアレイ状になるシステムを構成することが好適である。

陰極空気流の完全閉鎖は、ルーバーの完全閉鎖、例えば図４によってもたらされ得、燃料電池が装着される移動車体に必然的であるラム空気圧を軽減する。完全再循環またはルーバー閉鎖により空気流を制御することはシステム停止を補助するためにも使用され得る。

他の実施形態は、意図的に添付請求項の範囲内である。

Claims (18)

1. 燃料電池スタックアセンブリであって、
   燃料電池のスタックであって、それぞれの燃料電池が、前記スタックの通気面上に配置される流入口／流出口通気開口部を有する冷却空気路を有し、前記通気開口部が前記スタックの前記通気面上にアレイを形成する、燃料電池のスタックと、
   前記通気面の第１の部分を通る空気流を方向付けるように構成される第１のファンおよび前記通気面の第２の部分を通る空気流を方向付けるように構成される第２のファンと、
   前記第１のファンおよび前記第２のファンと流体連通する再構成可能なプレナムとを含み、前記プレナムは、空気が、前記第１および第２のファンにより、前記通気面の前記第１および第２の部分を通って同じ方向に方向付けられる第１の構成、ならびに、空気が、前記ファンのうちの少なくとも１つにより、前記通気面の前記第１および第２の部分をそれぞれ通って逆方向に方向付けられる、第２の構成を有する、燃料電池スタックアセンブリ。
2. 前記プレナムが、前記燃料電池スタックの少なくとも一部の作動温度および／または作動時間の関数として、自動的に再構成可能である、請求項１に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
3. 前記再構成可能なプレナムが、
   前記第１および第２のファンに近位の第１の端部と、
   開放構成と閉鎖構成との間で切り替え可能な、前記第１および第２のファンに遠位の第２の端部とを含み、
   開放構成が前記第２の端部でプレナムからの空気流の流出を促進し、閉鎖構成が前記第１のファンから前記第２のファンへの少なくともいくらかの空気の戻りを強制する、請求項１に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
4. 前記再構成可能なプレナムが、前記開放構成と前記閉鎖構成との間の複数の中間構成において最構成可能であり得、それぞれの中間構成が前記第１のファンから前記第２のファンへの空気の異なる割合の戻りを強制する、請求項３に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
5. 前記再構成可能なプレナムが、前記プレナムの前記第２の端部にて様々な閉塞部材を含む、請求項３に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
6. 前記再構成可能なプレナムが前記第２の構成にある場合、前記第１および第２のファンを反対方向に駆動するように構成される、ファン制御器をさらに含む、請求項１に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
7. 前記再構成可能なプレナムが前記第２の構成にある場合、前記第１のファンを駆動し、前記第２のファンを停止するように構成されるファン制御器をさらに含む、請求項１に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
8. 複数の前記第１のファンおよび複数の前記第２のファンをさらに含み、前記第１および第２のファンのそれぞれが前記再構成可能なプレナムと協働する、請求項１に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
9. 前記第１のファンおよび前記第２のファンが集団で配置され、それぞれの集団が１つの前記再構成可能なプレナムと協働する、請求項８に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
10. 前記通気面の前記第１の部分および前記通気面の前記第２の部分が同じ電池の異なる部分に対応する、請求項１に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
11. 前記第１のファンおよび前記第２のファンが互いに隣接し、前記通気面に隣接する、請求項１に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
12. 前記第１のファンのものとは逆の方向に前記通気面の前記第１の部分を通る空気流を方向付けるように構成される第１の逆作動ファン、および、前記第２のファンのものとは逆の方向に前記通気面の前記第２の部分を通る空気流を方向付けるように構成される第２の逆作動ファンをさらに含む、請求項１に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
13. 制御系をさらに含み、当該系が前記第２の構成において作動する場合に、前記通気面の前記第１および第２の部分を通る空気流の方向を周期的に逆流させるように構成される、請求項１に記載の燃料電池スタック。
14. 前記スタックにおけるそれぞれの燃料電池が、前記スタックの通気面上に配置される流入口／流出口通気開口部を伴う冷却空気路を有し、前記通気開口部が前記スタックの前記通気面上にアレイを形成し、前記通気面が第１の部分および第２の部分を有する、空冷燃料電池スタックを作動する方法であって、
    第１の作動モードにおいて、第１のファンおよび第２のファンを使用してスタックを通気する工程であって、第１のファンが通気面の第１の部分を通って空気を方向付け、第２のファンが通気面の第２の部分を通って空気を方向付け、第１および第２の部分を通る空気流が同じ方向になる工程と、
    第２の作動モードにおいて、通気面の第１の部分を通って第１の方向に、および、通気面の第２の部分を通って第１の方向とは反対の第２の方向に、空気を方向付けるために、少なくとも第１のファンを使用してスタックを通気する工程とを含む、方法。
15. 前記第２の作動モードにおいて、スタックは、通気面の第１の部分を通って当該第１の方向に空気流を方向付けるために第１のファンを使用し、通気面の第２の部分を通って第１の方向とは反対の第２の方向に空気を方向付けるために第２のファンを使用して、通気され得る、請求項１４に記載の方法。
16. 前記燃料電池スタック通気の作動は、当該第１のファンおよび当該第２のファンと流体連通する再構成可能なプレナムを再構成することで、作動の第１のモードと第２のモードとの間で切り替えられ得、再構成可能なプレナムは、開放構成と閉鎖構成との間で切り替え可能である、当該第１および第２のファンに近位の第１の端部ならびに、当該第１および第２のファンに遠位の第２の端部を有し、開放構成は第２の端部でプレナムからの空気流の流出を促進し、閉鎖構成は第１のファンから通気面の第２の部分への少なくともいくらかの空気の戻りを強制する、請求項１４に記載の方法。
17. 燃料電池の作動温度および／または作動時間の関数として、第１のモードと第２のモードとの間を自動的に切り替えるステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
18. 前記第２の作動モードにおいて作動するとき、通気面の第１および第２の部分を通る空気流の方向を周期的に逆流させることをさらに含む、請求項１４に記載の方法。

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