JP2016523436A - 燃料電池システムのための統合されたガス管理デバイス - Google Patents

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Abstract

燃料電池のための統合されたガス管理デバイス(GMD)は、第2のガスから第1のガスへと水を送るためのガス‐ガス加湿器と、加湿器コアの第1の端に取り付けられた、第1のガスを冷却するための熱交換器と、および/または加湿器コアの第2の端に取り付けられた、第2のガスから液水を除去するための水分離器とを備える。任意に、GMDは熱交換器と加湿器コアの第1の端との間に断熱プレートを備える。GMDはさらに、第1のガスが加湿器を迂回することを可能にするバイパスラインを備える。第1のガスは、カソード給気を備えてよく、第2のガスはカソード排気を備えてよい。

Description

[関連出願への相互参照]
本出願は、2013年6月27日に出願された米国仮特許出願第61/840,200号、2013年9月25日に出願された米国仮特許出願第61/882,210号、および2013年10月15日に出願されたドイツ国実用新案登録出願第20 2013 009 257.9号に対する優先権およびその利益を主張し、これらの内容は本明細書に参照により組み込まれる。
本発明は、燃料電池システム内のカソード給気を加湿および冷却し、および/または燃料電池システム内のカソード排気から水を除去するための統合されたガス管理デバイス(GMD)のような、燃料電池システムのためのGMDに関する。
燃料電池システムは、燃料と酸化剤との間の電気化学反応から電力を生成する。多くの燃料電池システムは、水素分子のような気体燃料、および酸素分子のようなガス状の酸化剤を使用する。空気は一般に、酸素源として使用される。水素と酸素との間の反応は水を生成し、それが燃料電池の排ガス内に排気される。
多くの燃料電池、特に自動車用の推進のための燃料電池は、プロトン交換膜(PEM)技術に基づく。これらの燃料電池は、約50〜120℃の範囲内で動作するPEMメンブレンを含み、当該メンブレンは、最適な性能および燃料電池の耐久性のために湿った状態で維持される必要がある。
空気がガス状の酸化剤として使用される場合、燃料電池のカソードに供給される前に、エアコンプレッサによって燃料電池の動作圧力まで高められる。しかしながら、圧縮中、空気は約200℃またはそれより高い温度に加熱され得、その温度は燃料電池の動作温度よりかなり高いものである。従って、加圧された給気は燃料電池スタックに到達する前に、給気冷却器によって所望の温度に冷却される必要がある。
燃料電池のメンブレンの脱水を防止するのに十分なレベルに給気の含水量を増加すべく、エアコンプレッサと燃料電池スタックとの間に、加湿デバイスが直列に配置され得る。例えば、Vanderweesらの公開された米国特許出願第2012/0181712号(本明細書においてVanderwees'712と呼ぶ)、またはStroebelらの国際公開WO2013/092630 A1に開示されるように、燃料電池の排ガスからの水蒸気を送ることによって、給気を加湿することが既知である。これらの両方は参照により全体が本明細書に組み込まれる。Vanderweesらによる開示の通り、加湿デバイスがメンブレン加湿器である場合、加圧された給気の温度よりも著しく低い動作温度を有する。従って、給気が加湿デバイスに到達する前に、それを冷却することも望ましい。
前述のことから、燃料電池システム内で供給ガス流および排ガス流を処理するために、多数のコンポーネントが要求されることが明らかである。特にビークルシステムにおいて、これらのコンポーネントはすべて有限空間に適合する必要がある。従って、空間を節約し、コストを低減し、これらのシステムの複雑な特性を簡易化すべく、コンポーネント数を減少させ、コンポーネント間のより直接的な接続を提供する、統合されたガス管理デバイスを提供するニーズがある。にもかかわらず、これらのシステムは全体においてしっかりシーリングされていることが要求される。
次のうちの1または複数で、燃料電池加湿器を統合することが本発明の目的である。すなわち、水冷式給気冷却器、空冷式給気冷却器、アノード熱交換器、水分離器、断熱プレート、複数の排水バルブ、複数のセンサ、複数のヒータ、複数のバイパスバルブ、および当該様々なコンポーネント間のルーティングである。燃料電池加湿器の統合によって、燃料電池システム内のコンポーネント数を減少させ、システムの実装スペースを減少させ、システムコストを低減する。
本発明のいくつかの実施形態において、複数の薄いプレートからなるスタックを含む燃料電池加湿器のコアを熱交換器および/または水分離器と統合することが具体的な目的である。熱交換器および/または水分離器と燃料電池コアを統合することで、さらなる具体的な利益をもたらす。それは、統合により、加湿器構造に係る剛構造のエンドプレートのうちの1または両方が除去され得るという点である。この構造においては、熱交換器および/または水分離器の剛性が、これらが剛構造のエンドプレートとして機能することを可能にする。当該複数のエンドプレートは、加湿器構造のプレートスタックに剛性を提供し、当該複数のエンドプレート間で、プレートは圧縮され、共にシーリングされる。一実施形態によると、ガス‐ガス加湿器コアおよび加湿器コアの第1の端に取り付けられた熱交換器を備える、統合されたガス管理デバイス(GMD)がもたらされる。
別の実施形態によると、ガス‐ガス加湿器コアおよび加湿器コアの第2の端に取り付けられた水分離器を備える、GMDがもたらされる。
さらなる別の実施形態によると、ガス‐ガス加湿器コア、加湿器コアの第1の端に取り付けられた熱交換器、および加湿器コアの第2の端に取り付けられた水分離器を備えるGMDがもたらされる。
加湿器コアは1または複数の第1のガス流路および1または複数の第2のガス流路を画する。当該加湿器コアは、第1の端部および第2の端部、複数の第1のガス流路と流体連通する第1のガス入口マニホールドおよび第1のガス出口マニホールド、および複数の第2のガス流路と流体連通する第2のガス入口マニホールドおよび第2のガス出口マニホールドを有し、当該複数のマニホールドは、加湿器コアを第1の端から第2の端へと貫通する。
熱交換器は、加湿器コアの第1の端に取り付けられてよく、少なくとも1つの第1のガス流路および少なくとも1つの冷却剤流路を備え、少なくとも1つの第1のガス流路が、加湿器コアの第1のガス入口マニホールドとそこを介して流体連通する第1のガス出口開口部をさらに備える。
水分離器は加湿器コアの第2の端に取り付けられてよい。水分離器は、第2のガス入口開口部と第2のガス出口開口部と流体連通する内部水分離チャンバを有し、水分離器の第2のガス入口開口部は、加湿器コアの第2のガス出口マニホールドと流体連通する。
よって、本発明の目的は、熱交換器および水分離器のうちの少なくとも1つをまた備える、システム内に統合された燃料電池加湿器をもたらすことであり、当該システムはコンパクトな態様で構成されている。ガスおよび湿度の漏れを防止すべく、加湿器システムは、しっかりシーリングされるために均一に圧縮される必要がある。故に、複数の圧縮要素は、しっかりとしたシーリングを可能にすべく、十分な剛性を提供するような方法で組み合わされる必要がある。複数の有利な実施形態において、本発明の目的は、実際の加湿器コアの圧縮のために複数の別個のエンドプレートなしで機能する燃料電池加湿器システムをもたらすことである。
故に、本発明の目的は、次のものを備える統合されたガス管理デバイス(GMD)によって解決される。すなわち、当該GMDは、(a)ガス‐ガス加湿器コアと、(b)上記加湿器コアの第1の端に取り付けられた、少なくとも1つの第1のガス流路と少なくとも1つの冷却剤流路とを含む熱交換器と、を備える統合されたガス管理デバイス(GMD)であって、上記ガス‐ガス加湿器コアは、1または複数の第1のガス流路および1または複数の第2のガス流路を画する、第1の端および第2の端とを有する加湿器コアと、複数の上記第1のガス流路と流体連通する第1のガス入口マニホールドおよび第1のガス出口マニホールドと、複数の上記第2のガス流路と流体連通する第2のガス入口マニホールドおよび第2のガス出口マニホールドと、を含み、複数の上記マニホールドは、上記加湿器コアを上記第1の端から上記第2の端へと貫通し、上記熱交換器はさらに、上記少なくとも1つの第1のガス流路が、上記加湿器コアの上記第1のガス入口マニホールドとそこを介して流体連通する第1のガス出口開口部を含む。
この統合されたガス管理デバイスは、加湿器コアの圧縮に対し、特定の機械的剛性を提供し、限定された実装スペースのみを要求する。それは別個の管またはホースを要求しないので、統合されたGMDは減少された界面数、および従って少ない数のシーリング表面を呈する。全体的に、これによって、改良されたシーリングをもたらす。しかしながら、場合により、GMDは熱交換器を統合することが有利であり、この方法により、極めて低温での開始状態の間、加湿器スタックを動作させるべく、加湿器スタックの加熱を容易にする。
本発明の目的は、次のものを備える統合されたガス管理デバイス(GMD)によっても解決される。すなわち、当該GMDは、(a)ガス‐ガス加湿器コアと、(b)上記加湿器コアの第2の端に取り付けられた水分離器と、を備える統合されたガス管理デバイス(GMD)であって、上記ガス‐ガス加湿器コアは、1または複数の第1のガス流路および1または複数第2のガス流路を画する、第1の端と第2の端を有する加湿器コアと、複数の上記第1のガス流路と流体連通する第1のガス入口マニホールドおよび第1のガス出口マニホールドと、複数の上記第2のガス流路と流体連通する第2のガス入口マニホールドおよび第2のガス出口マニホールドと、を含み、複数の上記マニホールドは、上記加湿器コアを上記第1の端から上記第2の端へと貫通し、上記水分離器は、第2のガス入口開口部と第2のガス出口開口部と流体連通する内部水分離チャンバを有し、上記水分離器の上記第2のガス入口開口部は、上記加湿器コアの上記第2のガス出口マニホールドと流体連通する。
本実施形態はまた、別個の管類なしに機能し、これがシーリングされる減少された界面数に関連し、結果的にシーリングが改良されている。同時に、統合されたGMDは、より短い経路を要求し、このようにすることで、よりコンパクトな構造が可能になる。この解決手段により、水分離器内に蓄積し、凍結する水は、改良された熱統合によって、解凍がより簡単になり得る。
本発明の目的はまた、次のものを備える、統合されたガス管理デバイス(GMD)によっても解決される。すなわち当該GMDは、(a)ガス‐ガス加湿器コアと、(b)上記加湿器コアの第1の端に取り付けられた、少なくとも1つの第1のガス流路と少なくとも1つの冷却剤流路とを含む熱交換器と、(c)上記加湿器コアの第2の端に取り付けられた水分離器と、を備える統合されたガス管理デバイス(GMD)であって、上記ガス‐ガス加湿器コアは、1または複数の第1のガス流路および1または複数第2のガス流路を画する、第1の端および第2の端を有する加湿器コアと、複数の上記第1のガス流路と流体連通する第1のガス入口マニホールドおよび第1のガス出口マニホールドと、複数の上記第2のガス流路と流体連通する第2のガス入口マニホールドおよび第2のガス出口マニホールドと、を含み、複数の上記マニホールドは、上記加湿器コアを上記第1の端から上記第2の端へと貫通し、上記熱交換器は、上記少なくとも1つの第1のガス流路が、上記加湿器コアの上記第1のガス入口マニホールドとそこを介して流体連通する第1のガス出口開口部をさらに含み、上記水分離器は、第2のガス入口開口部と第2のガス出口開口部と流体連通する内部水分離チャンバを有し、上記水分離器の上記第2のガス入口開口部は、上記加湿器コアの上記第2のガス出口マニホールドと流体連通する。
本実施形態は、加湿器コアが熱交換器と水分離器との間に組み込まれているので、加湿器コアの圧縮に対し、非常に良好な機械的剛性を提供し、同時に本実施形態は、非常に短い経路を有する特にコンパクトな構造を可能にする。またこの統合されたGMDが、別個の管類を要求しないこと鑑みると、界面数が減少され、従ってシーリングが改良される。低温開始時における改良された熱統合は、水分離器内に蓄積され、凍結した水の解凍を容易にし、特に、システム全体の冷却剤流がこの目的のために使用され得る。
一実施形態において、熱交換器の第1のガス出口開口部は、加湿器の第1のガス入口マニホールドと位置合わせされ、流体連通する。これにより、さらにより短いガス経路を提供し、シーリングも改良される。
一実施形態において、水分離器の第2のガス入口開口部は、加湿器の第2のガス出口マニホールドと位置合わせされ、流体連通する。ここで繰り返すが、複数のガス経路が減少され、シーリングが改良される。
一実施形態において、統合されたGMDはさらに、加湿器コアと熱交換器との間に断熱プレートを備える。熱交換器において、最大200℃またはそれよりさらに僅かに高い吸入温度が発生する。断熱プレートは、加湿器のオーバーヒートを防止する。さらに、断熱プレートは、好ましくはアルミニウム合金で構成される熱交換器と、加湿器コアとの間の直接の接触を回避する。これらの要素は、異なる熱膨張係数を有し、結果的に、断熱プレートの平面と平行な方向に、異なって伸びる。断熱プレートは、これらの異なる膨張の均衡を取ることができ、このようにして、シーリングを改良する。このシステムは、追加の複数のエンドプレートを要求しないので、システム全体の熱質量が減少され、結果的に、システム全体が温度変化に対し、はるかに迅速に応答し得る。プレートの面内にガスルーティングを含まない、この断熱プレートの典型的な厚みは、0.5〜20mmの範囲にわたり、好ましくは2〜15mmの間である。
一実施形態において、断熱プレートはプラスチック材料で構成される。これは、断熱プレートはこのように重量が軽く、システムの熱質量が小さいという両方から、反応時間が短縮され、有利である。加湿器コアもプラスチックで構成される場合、プラスチックで構成される断熱プレートが接着によって加湿器コアに取り付けられ得る。これにより、改良されたシーリングをもたらす。
一実施形態において、断熱プレートは、熱交換器の第1のガス出口開口部と加湿器の第1のガス入口マニホールドとの間の流体連通がそこを介して提供される第1のガス開口部を含む。繰り返すが、複数の短いガス経路および非常にコンパクトな構造が実現可能である。本実施形態はまた、非常に良好なシーリングに関連する。
一実施形態において、断熱プレートは、加湿器コアの第1の端にある第1のガス出口マニホールドと、第2のガス入口マニホールドと、第2のガス出口マニホールドとを閉じる。このようにして、断熱プレートは、加湿器コアと熱交換器との間に選択的なシーリングプレートを形成する。複数のガスは加湿器コアを介して直接導かれ得、結果的に追加の管が要求されない。これは、シーリングおよびコンパクト化の両方に対して、有利である。
一実施形態において、統合されたGMDはさらに、加湿器コアの第1のガス入口マニホールドと流体連通する第1の端部と、加湿器コアの第1のガス出口マニホールドと流体連通する第2の端部とを有するバイパスラインを備える。バイパスは、乾燥ガスが乾燥ガスのための出口マニホールドに直接流れ込み、加湿器コアをガス流に向かって燃料電池スタックへと通過するように、乾燥ガスが加湿器コアを循環することを可能にする。本実施形態において、バイパスラインを介する加湿ガスと乾燥ガスの混合によって、統合されたGMDから燃料電池スタックの方へと出るガスの湿度を制御することを可能にする。また、バイパスラインは、シャットダウン時における燃料電池スタックからの過剰水の除去に役立つ。
一実施形態において、バイパスラインは加湿器コアの第2の端に配置される。本実施形態において、乾燥空気は加湿器コアに入口マニホールドを介して入らず、燃料電池スタックへ向かう乾燥出口ガス流へ直接通過する。
異なる実施形態において、統合されたGMDは、加湿器コアと熱交換器との間に断熱プレートをさらに備え、バイパスラインは断熱プレートに統合される。本実施形態は、コンパクトな構造および良好な熱統合によって特徴付けられる。この場合、断熱プレートの典型的な厚みは、10〜70mmの範囲内であり、20〜50mmの間が好ましい。
さらなる別の実施形態において、統合されたGMDは、加湿器コアの第1のガス入口マニホールドと流体連通する第1の端部と、加湿器コアの第1のガス出口マニホールドと流体連通する第2の端部とを有するバイパスラインをさらに備え、バイパスラインは加湿器コアの第2の端に配置され、バイパスラインは、水分離器内に提供された加湿器コアの複数の通路を介し、第1のガス入口マニホールドと第1のガス出口マニホールドと流体連通し、水分離器を通る複数の上記通路は、水分離器の水分離チャンバとの流体連通から分離される。
一実施形態において、バイパスラインは水分離器に統合される。このようにして、統合されたGMDは、減少された数のコンポーネントを含み、従って、非常にコンパクトである。
一実施形態において、バイパスラインは水分離器の蓋に統合される。これにより、蓋もバイパスラインを閉じることを可能にする。それはモールド内の複雑なアンダーカットの必要がなく形成できるので、それは容易にかつ迅速に製造できる。本実施形態は、要求される空間を提供するので、バルブが統合される必要がある場合、特に有利である。
一実施形態において、バイパスラインは熱交換器と統合される。これはコンパクトな構造のための代替的なアプローチである。それは、エンボス、溶接、ろう付け等の金属形成技術の使用を可能にするので、短い製造時間で、実現され得る。
この統合されたGMDとのバイパスラインの実現に対し、異なる複数の可能性が付与されるので、顧客の需要および/または要件に応答することが可能である。
一実施形態において、統合されたGMDはさらに、当該バイパスライン内に提供されたバイパスバルブを備える。これにより、バイパスのガス流の能動制御を可能にする。
一実施形態において、水分離器は平坦な底面を有し、そこを介して、水分離器は加湿器コアの第2の端に機械的に取り付けられる。本実施形態は、容易な組み立ておよび容易な製造によって特徴付けられ、単純なシーリング形状で最適化されたシーリングを可能にする。シーリングはまた、水分離器の底面に統合され得、これにより断熱プレートなしの構造を可能にする。水分離器の平坦な底面が付与されるので、加湿器コアは均一に圧縮される。
一実施形態において、水分離器の底面は4つの開口部を有し、それらのうちの各々は、加湿器の複数のマニホールドのうちの1つと位置合わせされており、4つの開口部のうちの1つは水分離器の第2のガス入口開口部を含む。一方で、これにより、短い経路が可能になり、従って、コンパクトな構造が可能になる。他方、複数の開口部は平坦なので、流れは最適化され、圧力損失は減少される。
一実施形態において、水分離器はさらに水分離チャンバを囲む側壁を含み、水分離器の第2のガス出口開口部が側壁内に提供され、側壁にはまた、水分離チャンバからの液水の排水のためのドレイン開口部が提供されており、ドレイン開口部は、水分離チャンバと連通する。これにより、水分離チャンバ、および故に水分離チャンバを排出に向かって出る湿式ガス流からの効率的な液水の排水を可能にする。
一実施形態において、水分離器がビークルへの設置時のように配向された状態において、ドレイン開口部は側壁の最下の側壁部分に配置される。これは、ビークルが水平方向にあるときの、水分離チャンバからの液水の排水を保証する。
一実施形態において、ドレイン開口部は最下の側壁部分の最下点に配置され、側壁部分の内部表面は、開口部から離れて上方に傾斜するよう形状付けられる。これは、ビークルが傾斜時にあるとき、過剰の液水が加湿器コアへ向けて後方に、または排出へ向けて下流側に流れるのを防止しつつ、ビークルが通常傾斜の特定範囲にあるとき、水分離チャンバからの液水の排水を保証する。これは、水分離チャンバを排出へ向けて下流側に流れる加湿器コアと、タービンまたは圧力制御バルブ等の全部品との両方に係る完璧な動作を保証する。
一実施形態において、側壁部分の傾斜は、横軸に対する角度を有し、当該角度は通常の使用中にビークルに発生する最大傾斜角よりも大きい。これは、ビークルがあらゆる方向において、0〜20°の通常傾斜の特定範囲にあるとき、水分離チャンバからの制御された液水の排水を保証する。
一実施形態において、ドレイン開口部は水分離器の対向する隅に配置された2つの当該開口部の間に配置される。これは、ガス流からすべての液水を排水するための追加の安全策を提供し、場合によっては、複数の液滴が水分離チャンバの第2の出口までさらに運ばれる。
一実施形態において、ドレイン開口部には、ドレイン開口部を選択的に開くおよび閉じるためのバルブが提供される。このバルブを用いて、収集された液水は水分離チャンバから、例えば、時間ベースの態様で、あるいは水の最大レベルが水分離チャンバ内のレベルセンサによって測定される場合に放出され得る。
代替的な実施形態において、ドレイン開口部には水分離チャンバからの排水に係る受動制御が提供される。そのような排水に係る受動制御は、自動的に過剰水を水分離チャンバから排水することを可能にするサイホンまたは毛細管を備えてよい。
一実施形態において、ドレイン開口部は、複数の当該開口部のうちの1つの近傍に配置される。これは、複数の開口部近傍の液水の効果的な排水を可能にする。
一実施形態において、側壁は、第2のガス入口マニホールドと流体連通する第2のガス入口開口部と、第1のガス出口マニホールドと流体連通する第1のガス出口開口部とをさらに含む。これらの開口部は、ガスが加湿器コアの入口および出口マニホールドから加湿器コアと遠位にある面上の水分離チャンバに隣接する複数の部分へと導かれることを可能にする。これは、ガスルーティングを非常にコンパクトにする。
一実施形態において、水分離器は、熱交換器の少なくとも1つの冷却剤流路と流体連通する、冷却剤流路を含む。これは、水分離チャンバ内の制御された温度を可能にする。この特徴によって、ビークルの低温保管中に、水分離チャンバ内に形成された任意の氷を低温開始中に解凍すべく、冷却剤流を使用することが可能である。
一実施形態において、加湿器コアに係る交互に配置される複数の第1のガス流路および複数の第2のガス流路は、水蒸気透過性の複数のメンブレンによって分離される。
一実施形態において、熱交換器は機械的に加湿器に取り付けられる。これは、特定の設置状態および加湿器コアを圧縮するために要求される力に応じ、ねじ、ボルト、クランプバンドまたは接着剤によって実現され得る。
一実施形態において、加湿器コアは熱交換器と水分離器との間で圧縮される。これは、熱交換器および水分離器の機械的安定性および剛性が追加のかさばるエンドプレートの代わりに使用されるので、加湿器の非常にコンパクトな設置を可能にする。
一実施形態において、加湿器コアは、複数の透湿性メンブレンによって分離される複数の加湿器プレートからなるスタックを備える加湿器スタックであり、これは、複数の平坦なメンブレンを用いるプレートスタイルの加湿器の効率的な設置である。
一実施形態において、加湿器コアは、管の束を含み、複数の束の各々は、透水性メンブレンを含む管壁を有する。従って、加湿器は、複数の中空繊維メンブレンを用いる管スタイルの加湿器を含む、代替の構造を有してよい。
一実施形態において、統合されたGMDはさらに、水素含有還元ガス流を加熱するためのアノードガスヒータを含む。アノードガス流を加熱すべく、空気熱交換器からの過剰熱が直接使用されるので、これは、アノード熱交換器のコンパクトで効率的な統合を可能にする。
一実施形態において、アノードガスヒータが熱交換器に統合されており、熱交換器は、さらに少なくとも1つの還元ガス流路を含む、三流体熱交換器である。最小追加コストのみで、三流体熱交換器が標準の二流体熱交換器と同様の方法で製造できるので、これは、アノード熱交換器のコンパクトでコスト効率のよい統合を可能にする。
一実施形態において、統合されたGMDはさらに、カソード排気ガスで酸素含有酸化剤ガス流を冷却するためのカソードガス冷却器を備え、カソードガス冷却器は熱交換器と統合されており、熱交換器はカソード排気ガスのための少なくとも1つのガス流路をさらに含む三流体熱交換器である。これは、カソードガス周辺機器全体の追加の熱統合を可能にする。故に、カソードコンプレッサからの過剰熱は、カソード排気流に放出され得る。これは、排気流の温度レベルを上昇させ、タービンまたは圧力制御バルブのような排出の下流側に配置された部品に向かう液水の流れを防止する。また、これは、ビークルの冷却剤ループに大量の熱を供給するのを防止する。
本発明はここで、もっぱら例示を通して、複数の添付図面を参照して記載される。
本発明の第1の実施形態に従う、燃料電池ガス管理デバイスの複数のコンポーネントを示す概略図である。 本発明の第2の実施形態に従う、燃料電池ガス管理デバイスの複数のコンポーネントを示す概略図である。 本発明の一実施形態に従う、統合されたデバイスの第1の斜視図である。 図2による統合されたデバイスの第2の斜視図である。 図2および図3のデバイスに係る複数の個々のコンポーネントを示す分解斜視図である。 図2および図3に係るデバイスの水分離器本体の上面斜視図である。 図2および3に係るデバイスの代替的な水分離器本体の上面斜視図である。 図2および図3に係るデバイスの代替的な水分離器本体の上面斜視図である。 図2および図3に係るデバイスの代替的な水分離器本体の部分的な平面図である。 図2および図3に係るデバイスの水分離器本体の底部斜視図である。 本発明の第2の実施形態に従う、統合されたデバイスの複数の個々のコンポーネントを示す分解斜視図である。 発明に従う、統合されたデバイスのための加湿器プレートの可能性のある構造を示す、分解図である。 統合されたバイパスラインとバルブを持つ複数のエンドプレートを示す、斜視図である。 統合されたバイパスラインとバルブを持つ複数のエンドプレートを示す、斜視図である。 本発明の第3の実施形態に従う、統合されたデバイスの複数の個々のコンポーネントを示す、分解斜視図である。
以下の詳細な説明において、「第1のガス」および「第2のガス」に対する広範な言及がなされる。詳細な説明が燃料電池システムのカソードのための酸化剤ガス流を処理するための統合されたガス管理デバイス(GMD)に関する複数の実施形態において、「第1のガス」は通常、周囲空気を含む、酸素分子を含む酸化剤ガスであることが理解されるであろう。第1のガスが酸化剤ガスである場合、GMDは場合により、本明細書において「空気管理デバイス」または「AMD」と呼ばれる。周囲空気が酸化剤ガスとして使用される場合、それは、例えば、最大約2バールのような、周囲圧力を超える圧力にエアコンプレッサ内で圧縮される。酸化剤ガスは、比較的低い含水量を有し、例えば、約−25℃の露点を有してよい。
詳細な説明が燃料電池システムのアノードのための還元ガス流を処理するための統合されたGMDに関する複数の実施形態において、「第1のガス」は水素分子を含む還元ガスであることが理解されるであろう。第1のガスが還元ガスである場合、GMDは場合により、本明細書において、「水素管理デバイス」または「HMD」と呼ばれる。
後述の本発明のいくつかの実施形態において、GMDは酸化剤ガス流および還元ガス流の両方に対し、複数の処理機能を実行する複数のコンポーネントを搭載する。例えば、GMDは、酸化剤ガス流および還元ガス流のうちの一方または両方において、熱交換のための別個または統合された手段を含んでよい。例えば、GMDは、酸化剤ガスにおける熱交換のためのセクションおよび還元ガスにおける熱交換のためのセクションを含む、組み合わされた熱交換器を含んでよい。
「第2のガス」は、燃料電池内で反応された空気を含む燃料電池カソードの排出ガスであり、酸素が消費され、水が燃料電池内の化学反応によって生成されるので、低減された酸素含有量および比較的高い水蒸気含有量を有することも理解されるであろう。例えば、カソード排気は、約30℃よりも高い、多くの場合、約70℃よりも高い露点を有してよい。
以下の詳細な説明は、GMDがAMDである場合の複数の実施形態に重点を置く。当該複数の実施形態の主要な目的は、燃料電池システム内のカソード給気を処理することであり、そこにおける「第1のガス」は酸素分子を含む酸化剤ガスであり、「第2のガス」は燃料電池カソードの排出ガスである。本発明の一実施形態に従う、統合されたAMD10がここで以下に記載される。
図1は、燃料電池システムの多数のコンポーネントを示す概略図であり、点線によって取り囲まれた領域内の複数のコンポーネントが、AMD10内に統合されてよいコンポーネントを表わす。供給側において、酸化剤ガスはここで周囲空気を含むが、周囲空気212のソースから、燃料電池スタック104のカソード102へと、カソード空気供給ライン210を流れ、燃料電池スタック104のカソード102において、酸化剤ガスは水素を含む還元ガスで反応される。AMD10はエアコンプレッサ100の下流側に配置され、エアコンプレッサ100は空気入口212、およびカソード102の上流側からのカソード空気を受け取る。
排出側において、燃料電池スタック104内で反応した使用済み酸化剤ガスは、カソード102の排出ポート108から排気され、カソード排出ライン214を燃料電池システムの排出出口216へと流れる。AMD10は、カソード102の排出ポート108の下流側および排出出口216の上流側に配置される。任意に、AMD10はコンプレッサ100を駆動してよいタービン110の上流側に配置される。あるいは、AMD10は圧力制御バルブ(不図示)の上流側に配置されてよく、またはカソード排気ガスはAMD10から排出出口216へと直接流れてよい。
カソード給気を処理するように、AMD10が主に機能する一方、図1は、任意にAMD10が還元ガスを燃料電池スタック104に供給することに関わる少なくとも1つのコンポーネントを統合してよいことを示す。このオプションは図1に示されており、図1は水素分子を含む還元ガスは、水素供給源220から燃料電池スタック104のアノード106へと水素供給ライン218を流れ、燃料電池スタック104のアノード106において、還元ガスは酸化剤ガスで反応されることを示す。燃料電池スタック104内で反応された使用済み還元ガスは、アノード106の排出ポート222から排気され、アノード排出ライン224を燃料電池システムの排出出口226へと流れる。図1に図示の通り、AMD10は水素供給ライン218、水素供給源220の下流側およびアノード106の上流側に配置される。
AMD10および燃料電池スタック104は、燃料電池システムの冷却剤循環システム内に統合されてよい。この点に関し、図1は冷却剤循環ライン228を示し、そこを通って、液体冷却剤が燃料電池スタック104とAMD10を循環する。図示の通り、冷却剤が燃料電池スタック104を通過後、AMD10がライン228を介して冷却剤を受け取るように、AMD10が冷却剤循環システム内の燃料電池スタック104の下流側に配置されてよい。ひとたび、冷却剤がAMD10を通過すると、冷却剤はラジエータ230内で冷却されるべく、ライン228を流れてよく、次に、燃料電池スタック104へ戻る途中、冷却剤ポンプ232を通過してよい。ラジエータ230はファンを含んでよく、コールド開始状態といったような特定の動作状況下において、冷却剤がラジエータ230を迂回することを許可すべく、バイパスラインおよびバイパスバルブが提供されてよいことを理解されたい。
図1から、燃料電池システムのいくつかのコンポーネントがAMD10に組み合わされることが理解され得、これらのコンポーネントについて以下に詳細に記載される。統合されたAMD10の機能は、コンプレッサ100からの圧縮された給気が、カソード102の吸入ポートに到達する前に、それを冷却および任意に加湿し、およびカソード排気から水を除去し、任意に水を回収することである。任意に、後述の通り、AMD10はまた還元ガスを加熱するための手段を含んでもよい。図1および図1Aの概略図、および図2および図3の斜視図に示される通り、統合されたAMD10は、ガス‐ガス加湿器コア12(本明細書において加湿器スタック12とも呼ばれる)、熱交換器32、水分離器48、バイパスバルブ80を持つバイパスライン70を備える。図1および図1Aは、AMD10を通過する冷却剤は、熱交換器32を循環することを示す。任意には、さらなる後述のように、図1および1Aに示される通り、燃料電池の低温開始中に、凍結水を溶かすべく、冷却剤は水分離器48を循環してよい。また他の図面には示されないが、図1および図1Aに示される通り、AMD10はさらに、後述の還元ガス熱交換器234を含んでよい。
図1Aは、燃料電池システムの多数のコンポーネントを示す概略図であり、点線によって取り囲まれた領域内の複数のコンポーネントが、AMD10'内に統合されてよいコンポーネントを表わす。AMD10'は前述のAMD10の僅かな変更バージョンである。AMD10'の同一のコンポーネントは同一の参照番号で特定され、これらのコンポーネントの前述の説明はAMD10に等しく該当する。これらの要素の説明は、以下に繰り返されない。むしろ、以下の説明は、AMD10とAMD10'との間の差異に重点を置く。
AMD10'は、AMD10のすべての要素を含み、さらにカソードガス冷却器21を統合する。カソードガス冷却器21は、エアコンプレッサ100から熱い給気を受け取り、比較的冷たいガス流で当該熱い給気を冷却する、ガス−ガス給気冷却器を備えてよい。例示された実施形態において、冷却ガス流は、排出出口108を介しカソード102から排気され、加湿器スタック12および水分離器48を介して通過されたカソード排気を含む。導管23は、水分離器からガス−ガス給気冷却器21へとカソード排気を送る。カソードガス冷却器21から排出された後、タービン110を駆動すべく、加熱されたカソード排気が使用されてよい。
カソードガス冷却器21は熱交換器32に統合されてよく、その場合、熱交換器32は、図1Aの点線25で示されるような三流体熱交換器を含むことになる。これによって、燃料電池システムのコンポーネント数を減少させることに寄与し、従って、空間を節約し、コストを低減することに寄与する。そのような統合された三流体熱交換器の例は、2013年2月26日に出願され、US 2013/0224613 A1として2013年8月29日に公開された同一出願人による米国特許出願第13/777,626に記載される。
加湿器スタック12は、図8に示されるような交互に配置された第1のガス流路16と第2のガス流路18を画する複数の加湿器プレート14からなるスタックを含む。図2は、スタック12内の複数の加湿器プレート14からなるスタックを示すが、正確な縮尺ではない。さらに、利便性のために、加湿器スタック12を示す複数の他の図面は、個々のプレート14を示さない。複数の加湿器プレート14および加湿器スタック12は、Vanderwees'712に記載された構造を有してよく、図8はVanderwees'712による湿式または乾式の加湿器プレート14の例を示す。各プレート14は、第1の(乾式)ガス流路16または第2の(湿式)ガス流路18を画し、複数の隣接するプレート14は、水蒸気透過性の、拡散媒体(不図示)の層である複数のメンブレン(不図示)によって分離されている。複数の加湿器プレート14は薄く、可撓性があり、通常プラスチックまたは腐食安定な金属で構成され、プレート14およびスタック12のメンブレン86が圧縮によって互いにシーリングされるよう、プレートの縁近傍に圧縮可能なシール材142が提供される。圧縮は、複数のプレート14からなるスタック内の複数の穴144を通過し、スタック12の一端から他端へ貫通する、ボルトまたはスポーク(不図示)のような複数の機械的留め金具、またはスタック12の外部周囲に巻き付けられた可撓性のある複数のバンドまたはストラップ(不図示)によって提供されてよい。示されるプレート14は、向流加湿器スタック12のためのものであり、スタック12の複数のマニホールドが図8に示される。代替的な構成においては、加湿器スタックの複数のプレート14は、接着剤で接合され、共にシーリングされてよい。
複数の図面は、複数のプレート14からなるスタックを備えるコアを有するメンブレン加湿器を示すが、AMD10の加湿器は必ずしもメンブレン加湿器である必要はなく、あるいは加湿器コアは複数のプレート14からなるスタックから構成される必要もないことが理解されるであろう。従って、参照番号12は本明細書において加湿器スタック12を指定するために、あるいはより一般的には任意の好適な構造であってよい加湿器コアを指定するために使用されている。例えば、加湿器コア12は代わりに、ハウジング内に取り囲まれた管の束を備えてよく、管の束の端部に複数のマニホールドスペースが提供され、当該複数のマニホールドスペースは熱交換器32および水分離器48の複数の開口部と連通する。そのような加湿器においては、当該複数の管を流れるガスと当該複数の管の外表面上を流れるガスとの間で水分が交換され得るよう、管壁の各々は透水性メンブレンを備える。
加湿器スタック12は図4のスタック12の底部に示される第1の端部20、および図4のスタック12の上部に配置される第2の端部22を有する。加湿器スタック12はまた、スタック12の複数のプレート14によって画されるガス流路16および18と流体連通する、複数の入口および出口マニホールドを含む。特に、加湿器スタック12は、複数の第1のガス流路16と流体連通する第1のガス入口マニホールド24および第1のガス出口マニホールド26を含む。図4からわかる通り、第1のガス入口マニホールド24およびガス出口マニホールド26は加湿器スタック12の対角線上の対向する隅に配置され、従って、第1のガスは矢印X方向の対角線状の流路に沿って第1のガス流路16を横断する。
加湿器スタック12はまた、第2のガス入口マニホールド28および第2のガス出口マニホールド30を含み、それらは複数の加湿器プレート14によって画される複数の第2のガス流路18と流体連通する。第2のガス入口マニホールド28および第2のガス出口マニホールド30もまた、加湿器スタック12の対角線上の対向する隅に配置され、従って、第2のガスは矢印Y方向の対角線状の流路に沿って第2のガス流路18を横断する。AMD10が燃料電池システム内に設置される際、AMD10は、第2のガス出口マニホールド30より上方に第2のガス入口マニホールド28が位置付けられた状態で配向されるので、この流れの方向は有利である。従って、加湿器スタック12内部の第2のガス流から分離されるあらゆる液水は、重力によって出口マニホールド30に向けて下方に流れる。
図4の矢印XおよびYから、第1および第2のガスは概して反対方向に流れ、従って、加湿器スタック12は2つのガス流から成る向流のために構成されることが理解され得る。しかしながら、加湿器スタック12は代わりに当該複数のガスのコーフローまたはクロスフローのために構成されてよいことが理解されるであろう。
マニホールド24、26、28、30は、加湿器スタック12を第1の端20から第2の端22へと貫通する。例示された実施形態において、当該複数のマニホールドは、マニホールドの第1の端部および第2の端部が開口した状態で、第1の端20と第2の端22との間を鉛直方向に貫通する。
熱交換器32は加湿器スタック12の第1の端20に取り付けられ、または組み込まれており、加湿器スタック12と概して同一の外形形状および寸法を有する。従って、熱交換器32はまた、Vanderwees'712に記載されたエンドプレート72または173に類似する、厚い構造的なエンドプレートの形態および機能を有する。熱交換器32は、任意の構造を有してよく、少なくとも1つの第1のガス流路および少なくとも1つの冷却剤流路を備える。例えば、熱交換器32は、交互に配置される複数のガス流路と冷却剤流路とを画するプレートのペアのスタックを備えてよく、これらのプレートのペアから構成される剛性の蝋付けアセンブリを備えてよい。熱交換器32の剛性は従って、本来なら従来の加湿器に係る複数の厚い構造的なエンドプレートによって提供される構造の剛性を加湿器スタック12に対し提供し、構造的なエンドプレートの省略を許可する。これにより、コスト低減および空間の節約に寄与する。熱交換器32の構造は、本発明から逸脱することなく、本明細書に記載されたものから変更され得ることが理解されるであろう。従って、熱交換器32の構造は、図面に概略的に示されているにすぎない。
図3に示される通り、加湿器スタック12から見て外方に向く熱交換器32の表面(本明細書において「遠位表面」と言う)には、冷却剤取付部88および90が提供されており、冷却剤取付部88および90は熱交換器32の少なくとも1つの冷却剤流路と流体連通する。冷却剤取付部88、90の各々は、熱交換器32の冷却剤流の方向に応じて、入口または出口取付部であってよい。また、熱交換器32の遠位表面に第1のガス入口開口部38が示され、そこを介して第1のガスが統合されたAMD10に入り、熱交換器32の構造に応じ、第1のガス入口開口部38は第1のガス入口マニホールドを備えてよい。例えば、第1のガス入口開口部38は、熱い、加圧された給気をエアコンプレッサ100から直接受け取ってよい。
図4に示される通り、加湿器スタック12の方に面する熱交換器32の表面(本明細書において「近位表面」と言う)には、第1のガス出口開口部40が提供されており、そこを介して、少なくとも1つの第1のガス流路は、加湿器スタック12の第1のガス入口マニホールド24と密閉された流体連通の状態にある。熱交換器32の構造に応じて、第1のガス出口開口部40は、第1のガス出口マニホールドを備えてよい。図4からわかる通り、第1のガス出口開口部40は、加湿器スタック12の第1のガス入口マニホールド24と位置合わせされてよく、従って熱交換器32の対応する隅に配置される。
示される通り、第1のガス流路が、熱交換器32の実質的に全長にわたり延在するよう、第1のガス入口開口部38および第1のガス出口開口部40は、熱交換器32の反対側の隅に配置されてよい。同様に、冷却剤が、冷却剤流の方向に応じて、第1のガス流路を流れる第1のガスと向流またはコーフローの状態で冷却剤流路を横断するよう、冷却剤取付部88、90は熱交換器32の反対側の隅に配置される。
図1に示される通り、AMD10は還元ガスヒータ234を含んでよく、それはカソード空気供給ライン210および水素供給ライン218に配置される。いくつかの実施形態において、還元ガスヒータ234は、熱交換器32から物理的に別個のガス‐ガス熱交換器を備えてよい。この場合、熱交換器32を通過後に第1のガスによって保持された過剰熱は、還元ガスヒータ234内の還元ガスに送られる。アノードガスヒータ234は、図1に示されるように、カソード空気供給ライン210内の熱交換器32の下流側に配置されてよいが、これは不可欠ではない。むしろ、アノードガスヒータ234は熱交換器32の上流側に配置され得る。
図1の実施形態において、還元ガスヒータ234は物理的に、熱交換器32に統合されてよい。この場合、熱交換器32は、1または複数の第1のガス流路(酸化性ガスのため)、1または複数の冷却剤流路、および1または複数の還元ガス流路を含む、三流体熱交換器を備える。そのような構造においては、三流体熱交換器32内の複数の流路の配置に応じ、熱は第1のガスまたは冷却剤のいずれか、またはそれら両方によって、還元ガスに送られる。
図1Aの実施形態においては、還元ガスヒータ234およびカソードガス冷却器21の一方または両方が、熱交換器32に物理的に統合されてよく、あるいは熱交換器21、32および234の3つすべてが互いに統合されてよい。それに応じて、熱交換器21、32および234の複数の機能は、3つの二流体熱交換器、1つの四流体熱交換器、または1つの二流体熱交換器および1つの三流体熱交換器によって実行され得る。
加湿器スタック12がVanderwees'712に従って構成される場合、それは、水蒸気透過性の複数のメンブレンによって分離された薄い、可撓性のある複数のプラスチックプレート14からなる圧縮されたスタックで構成される。対照的に、熱交換器32は通常、蝋付け構造であり、アルミニウムまたはアルミニウム合金で構成される。熱交換器32は熱い給気と接触するので、熱交換器32は加湿器スタック12の動作温度より高い温度にある。従って、加湿器スタック12へのダメージを防止すべく、熱交換器32から加湿器スタック12へと伝導される熱量を減少することが望ましい。従って、AMD10は、熱交換器32と加湿器スタック12との間に配置される平坦な断熱プレート44を含んでよい。断熱プレート44は通常、プラスチック材料で構成され、熱交換器32の第1のガス出口開口部40と加湿器スタック12の第1のガス入口マニホールド24との間の流体連通がそこを介して提供される第1のガス開口部46を有する。例えば、複数の図面に示されるように、断熱プレート44の開口部46が、熱交換器32の第1のガス出口開口部40と、加湿器スタック12の第1のガス入口マニホールド24と位置合わせした状態で隅に配置されてよい。断熱プレート44の典型的な厚みは、0.5〜20mmの範囲内であり、例えば2〜15mmである。
別個のコンポーネントを備えるのではなく、断熱プレート44は、例えば、参照により本明細書にその全体が組み込まれる国際公開WO 2012/104077 A1に記載されたポリマーガスケットキャリアプレートと類似の構造を有する熱交換器32のポリマーベースプレートを備えてよいことが理解されるであろう。
本実施形態において、断熱プレート44は1つの開口部46のみ有するので、それは加湿器スタック12の第1のガス出口マニホールド26、第2のガス入口マニホールド28、および第2のガス出口マニホールド30の第1の端部(すなわち、図4の下側の端部)を閉じ、シーリングする。また、プレート44は、加湿器スタック12がそこに圧縮される、平坦なシーリング表面を提供する。スタック12が蝋付けの熱交換器のエンドプレートに対し圧縮される場合、良好かつ均一な圧縮、および熱交換器32および加湿器スタック12の複数の開口部またはマニホールドのしっかりしたシーリングを実現することは、より一層困難である。故に、断熱プレート44は断熱を提供し、加湿器スタック12のシーリングおよび圧縮を改良することに寄与し、またAMD10の全体的な剛性にも寄与する。
断熱プレート44は本発明のすべての実施形態において要求されないことが理解されるであろう。例えば、熱交換器32を流れる冷却剤は、通常の動作条件下での第1のガス流よりも顕著に低い温度にあることが理解されるであろう。従って、加湿器スタック12にすぐ隣接する熱交換器32の第1のチャネルまたは流路が冷却剤流路であるように、熱交換器32を構成することによって、加湿器スタック12に適切な断熱を提供することが可能であってよい。加湿器スタック12の断熱のために断熱プレート44が要求されない場合、熱交換器32には加湿器スタック12との良好なシーリングおよび圧縮のための平坦なベースプレートが提供されてよいことが理解されるであろう。例えば、ベースプレートはアルミニウムまたはアルミニウム合金から機械で作られてよい。
断熱プレート44が存在する複数の実施形態における場合でさえも、さらなる熱保護の追加のために、第1のチャネルまたは流路は冷却剤流路であるように、熱交換器32を構成することが所望されてよい。
図4に示されるように、水分離器48が加湿器スタック12の第2の端22に取り付けられ、水分離器48は概して加湿器スタック12と同一の外側形状および寸法を有する。従って、水分離器48はまたVanderwees'712のような、加湿器スタック12の厚いエンドプレートの形態および機能を有する。水分離器48は、本来は従来の加湿器に係る厚い構造的なエンドプレートによって提供される構造の剛性を加湿器スタック12に対し提供する剛構造を有し、それにより構造的なエンドプレートの省略を許可する。結果的に、Vanderwees'712の加湿器のコアが厚いエンドプレート72、173間で圧縮されるのと同様の態様で、加湿器スタック12は熱交換器32と水分離器48との間で圧縮されてよい。加湿器スタック12のための構造的なエンドプレートを除去することは、AMD10を構成するコンポーネント数を低減し、さらに多い実装スペースを加湿器スタック12に割り当てることを許可することによって、追加のコスト節約および空間節約をもたらす。熱交換器32または水分離器48のうちの1つのみが加湿器スタック12と統合されている場合でも、これらの利益のうちのいくつかはまた実現されることが理解されるであろう。この場合、加湿器スタック12の一端に熱交換器32または水分離器48が提供される一方、スタック12の他端にVanderwees'712に記載されたような構造的なエンドプレート72または173が提供される。
水分離器48は、底壁52、側壁54、蓋64で取り囲まれる内部水分離チャンバ50を備える。例示された実施形態において、底壁52および側壁54は一体的に形成され、蓋64は別個に形成されているが、これは必須ではない。加湿器スタック12が長方形の形状を有する複数の図面内に示される実施形態においては、水分離器48は対応する長方形の形状を有し、従って、側壁54は、当該複数の図面内で56、58、60および62のラベルが付される4つの側壁部で構成される。AMD10に追加の剛性を提供すべく、水分離器48側壁52、54および蓋64は剛性のプラスチック材料で形成され、それにより加湿器スタック12内の複数のプレート14とメンブレンのより良好な圧縮およびシーリングをもたらす。加湿器スタック12の適切で均一な圧縮を実現するために必要な、要求される機械的剛性を提供すべく、複数の追加のリブが壁52および/または蓋64に提供されてよく、並びに/または水分離器48の構造を強化すべく、複数の追加の支持構造が壁52と蓋64との間に提供され得る。
水分離チャンバ50には、第2のガス流から液水を分離するのに役立つ材料が充填されてよい。この材料は、連続気泡発泡金属若しくは発砲プラスチックまたはファブリック、金属フィン若しくはプラスチックフィンまたはタービュライザの1または複数の層、または複数の他の気液分離器構造を含む、様々な形態を取ってよく、これらはチャンバ50を充填すべく、積層され、巻かれあるいはそれ以外の方法で設置されてよい。例えば、図5は、複数の気液分離器要素51からなるスタックがチャンバ50内に提供された、水分離チャンバ50の部分を示す。図5は、チャンバ50の一部に提供された複数の分離器要素51を示すが、しかしながら、複数の分離器要素51は、実質的に開口部68および66間のチャンバ50の容積全体を充填してよいことが理解されるであろう。
各分離器要素51は、分離器要素51の面から持ち上がった三角形のタブ、突起または隆起の形態の複数の強化部材53を有するシートまたはプレートを備え、それらは本明細書において複数のデルタウィングタブまたは突出部とも呼ばれる。そのような複数のデルタウィングタブは、2013年6月27日に共同出願された米国仮出願第61/840,159に記載される。複数の分離器要素51からなる複数の隣接層に係る複数のデルタウィングタブ53は、多数の方法で配置されてよい。例えば、隣接する分離器要素51に係る複数のデルタウィングタブ53は、互いに直列に配置されてよく、あるいはそれらは千鳥格子状および/またはネスト状であってよい。上述の米国仮出願第61/840,159の図6〜図15にいくつかの可能性のある配置が示される。
例示された実施形態においては、複数のデルタウィングタブ53は、分離器要素51の各々に、互いに相対的な間隔を置いて配置され、当該複数の分離器要素51はスタックに配置される。あるいは、スタックは個々のプレートを積み重ねる、またはより大きなシートを巻いて複数の層にすることによって形成されてよい。複数の分離器要素51は、スタックに配置された複数の個々のプレートであり、当該複数のプレートには米国仮出願第61/840,159の図27に示されるような複数の位置決めディンプル、または複数の他の好適な位置決め構造が提供されてよい。また、複数のデルタウィングタブ53は、水分離器48の底壁52に、あるいは蓋64の内部表面および/または側壁54の内部表面に提供されてよい。
あるいは、液水を分離するのに役立つ材料は、参照により本明細書にその全体が組み込まれるWagnerらの米国特許第7,785,401号に開示されるような、筒状の分離器を備えてよい。ドレイン穴112が水分離器50の側壁54に提供されており、AMD10の動作中に下方に向く側壁部60に提供されることになり(例えば、図5に示される方向)、チャンバ50からの凝縮液の重力排水を許可する。図示の通り、ドレイン穴112は側壁部60の最下点に配置され、それによりドレイン穴112が側壁部60の周囲の部分よりも低くなるようにし、それによってドレイン穴112に向かう液水の排水を改善する。ドレイン穴112に向かう側壁部60の内部表面の滑らかな傾斜形状も、排水を推進する。
図5から、水分離器48の第2のガス入口開口部66が水分離器48の隅近傍に配置され、加湿器スタック12の第2のガス出口マニホールド30と位置合わせされ、側壁部60沿いに配置されていることもわかる。さらに、第2のガス入口開口部66は、側壁部60の内部表面が開口部66に向かい傾斜する状態で、水分離チャンバ50のより低い部分に配置され、その結果、水分離チャンバ50からの液水が第2のガス入口開口部66に向かい流れることが促進されてよい。しかしながら、水は加湿器スタック12のマニホールド30に入り得るので、水がこの領域に集まるのを許容することは望ましくない。従って、第2のドレイン穴126が側壁部60の第2のガス流開口部66近傍に提供される。ドレイン穴126は、水分離器48の側壁部60から外側へ貫通してよい。しかしながら、例示された実施形態においては、第2のドレイン穴126は、側壁部60を通る内部水チャネル128を介してドレイン穴112に接続されており、結果的に第2のドレイン穴126によって収集された液水が、ドレイン開口部112を介して水分離器48から排出される。
利便性のために、水分離器48の側壁54は、その周囲のいくつかの周辺部分近くは比較的厚く、その周囲のいくつかの周辺部分近くは比較的薄く示されている。製造可能性を高め、重量を減少すべく、上述の十分な剛性を維持しつつ、側壁54のその周囲の厚みが比較的一定になり得るよう、水分離器48のより厚い領域は厚みが低減され、および/または空洞化されてよいことが理解されるであろう。
図5bおよび図5cは、水分離器の代替の構造を示しており、ここで以下に記載される。図5bおよび図5cに示される水分離器は、前述の水分離器48と同様である。従って、別途示されない限り、水分離器48の複数の要素の説明は、図5bおよび図5cの水分離器に等しく該当する。また、図面および以下の詳細な説明において、水分離器の複数の同一の要素は同一の参照番号で特定される。
図5bに示される水分離器48bにおいて、第2のガス流は水分離器48bを、水分離器48に対し反対方向に流れる。図5bにおいて、開口部66および68の位置は逆であり、結果的に第2のガスは、水分離器48bの右上隅にある第2のガス入口開口部66に入り、右から左に流れ、水分離器48bを水分離器48bの左下隅にある第2のガス出口開口部68を介して出る。水分離器48bの第2のガス流の流れの方向は、図5bの矢印67によって示される。
水分離器48b内の第1および第2のバイパス開口部76、78の位置は、水分離器48と同一であってよく、あるいは第2のガス流との向流を維持すべく、それらは図5bに示されるように逆であってよい。
図5bの実施形態においては、第2のガス流内に取り込まれた液水の液滴が水分離器48から出て、AMD10の下流側すぐに配置されるタービンのようなコンポーネントに入るのを防止すべく、バッフル65が水分離チャンバ50の内に開口部68の直前に提供されている。この実施形態において、ドレイン開口部112および126は、側壁部60を貫通し、水分離チャンバ50からの重力排水を許可する。
水分離器48b内で、第1のガス出口開口部114および第2のガス入口開口部116は、側壁54の部分2に提供される。これらの開口部114、116の両方が、加湿器のそれぞれのマニホールド26、28と連通する。図5bの点線で示されるように、第2のガス入口開口部116は、水分離チャンバ50と連通しない。しかしながら、図5bの構成において底部に配置されることになるマニホールド28内に液水が蓄積されるのを回避するのが望ましいので、液水がマニホールド28から流れ、ドレイン穴126に入るのを許可すべく、図5bに点線で取り囲まれた領域を介してドレイン穴(不図示)を提供することが所望されてよい。
図5cは、本発明のさらなる実施形態に従う、水分離器48cを示す。本実施形態に従い、側壁54の複数の内部表面は、水分離器48cの内部凝縮チャンバ50からの液水のより効率的な排水を提供するような形状である。この点に関し、図5cに示される通り、水分離器48cの方向は、水分離器48cのビークルへの設置時および/または使用中の方向に対応する。つまり、ドレイン穴112および126が提供される側壁部60は、最下の側壁部分であり、この方向で水分離器48cと下向きに対面し、液水が重力によってチャンバ50から排水されるのを可能にする。この理由のために、水分離器48cが設置されるビークルの傾斜に関わらず、液水が開口部112、126に向かって流れるように、側壁部60は形状付けられる。従って、開口部112、126は側壁部60の最下点に配置され、側壁部60の複数の内部表面は、開口部126から上方に離れるように傾斜するよう形状付けられる。横軸に対して測定された側壁部60の傾斜部236、238、240の角度α、β、θ(例えば、側壁部60の外部表面によって表される)は、約15〜45度の範囲であってよく、例えば、約20〜40度、およびビークルの通常の使用中に生じる最大傾斜角より大きい。
傾斜部236、238が合流するポイント242において、側壁部60は緩やかな曲線状である。また、側壁部60および58は、滑らかに一体化されて傾斜部240になり、液水の排水に影響を与える可能性のある、鉛直または水平表面を一切回避する。
図5cの水分離器48cにおいて、排水開口部112、126は常時開口している。これは必ずしも、こうでなくてよい。例えば、図5dは本発明の別の実施形態に従う、水分離器48dの部分を示しており、そこにおいて開口部126は、開口部66の近傍において、側壁部60の内部表面および外部表面間で円筒状チャネルの形態である。開口部126は円筒状チャネルの両端部間に配置されるバルブ244によって選択的に開閉される。バルブ244は、図5dに示されるように、開口部126と位置合わせされ、バルブ244が開いている場合、開口部の一部を形成する流路248を有する円筒状のバルブ要素246を含んでよい。バルブ244は、図5dの曲線状の矢印によって示されるように、バルブ要素246を、開口部126との位置合わせを外すように流路248を移動するのに十分な量だけ、回転することによって閉じられる。
バルブ244は液水が開口部66の底部に集まるまで、閉じられた状態が維持されてよい。バルブ244を動作させるべく、センサ(不図示)が、開口部126が提供されている側壁部60の最下点に提供されてよい。センサが、この領域における液水の存在を感知すると、センサは開口部126を介して水を排水するのに十分な時間、バルブ244を開くコントローラ(不図示)に対し、信号を送信する。バルブ244は、図5dに示されるように、側壁部60に提供されるか、あるいは水分離器48dの外部に配置されてよい。同様の配置が開口部112に対しても提供され得る。
代替的な実施形態において、ドレイン開口部126には、水分離チャンバ50からの排水に係る受動制御が提供されてよい。そのような排水の受動制御は、自動的に過剰水を水分離チャンバ50から排水することを可能にするサイホンまたは毛細管(不図示)を備えてよい。
低温条件下では、水分離器48内の、特に側壁部60沿いのドレイン穴112、126を囲む領域において、液水の凍結があり得る。この理由のために、水分離器48はまた、側壁54の側壁部60を冷却剤取付部120および122のペア間で長手方向に伸びる内部冷却剤流路84(図5)を含んでよく、これは図3において最もわかりやすい。内部冷却剤流路84は、ドレイン穴112、126、および内部水チャネル128近傍を通過する。側壁部60沿いに収集される氷を溶かし、ドレイン穴112、126を開いた状態に維持すべく、これによって、水分離器48がシステム冷却ループ内の冷却剤によってアクティブに温められることを許可する。また、図3に示されるように、水分離器48の冷却剤取付部122は、AMD10の端部に沿って伸びる管またはホース124を介して熱交換器32の冷却剤取付部88に、接続されてよい。あるいは、水分離器はチャンバ50内の氷を溶かすべく、電気的に温められ得る。水分離器48を通るこの冷却剤流路84は、図1および図1Aにも概略的に示される。
前述の外部の管またはホース124の代わりに、デバイス10には、加湿器スタック12を通る内部冷却剤流路が提供されてよい。例えば、複数の加湿器プレート14内の複数の位置合わせされた開口部によって、任意には当該複数の位置合わせされた開口部に挿入された管と共に、シーリングされた通路が形成されてよい。
水分離器48は、第2のガス入口開口部66および第2のガス出口開口部68を含み、これらの両方は内部水分離チャンバ50と流体連通する。第2のガス入口開口部66は、水分離器48の底壁52に形成され、加湿器スタック12の第2のガス出口マニホールド30と流体連通し、位置合わせされる。第2のガス出口開口部68は、水分離器48の側壁54内に形成され、第2のガス流がそこを介してビークルの排出出口に向かい、AMD10を出る出口を提供する。従って動作時に、水分離器48は第2のガス流を加湿器スタック12の出口側から直接受け取り、第2のガス流は第2のガス入口開口部66を通り、水分離チャンバ50を通り、最終的に第2のガス出口開口部68を通り、AMD10を出る。
水分離器48にはまた、第2のガス流からの凝縮液の除去には直接関連しない多数の開口部が提供され、これにより水分離器が第1のガス流の流れのためのマニホールドとして機能することを許可する。これらの開口部は、側壁54内に第1のガス出口開口部114、側壁54内に外部の第2のガス入口開口部116(図6も参照)、第1のバイパス開口部76、および第2のバイパス開口部78を含む。これらの追加の開口部の機能は、後述される。
図面内に不図示であるが、加湿器スタック12、熱交換器32、断熱プレート44、および水分離器48は、統合された剛構造を形成すべく、機械的手段によって共に接合される。例えば、これらのコンポーネントには、Vanderwees '712に記載される態様で、複数の外部有孔フランジまたは、ボルトのような機械的留め金具のための複数の内部穴が提供されてよい。あるいは、AMD10の複数のコンポーネントは、金属、プラスチック、炭素繊維、またはこれらの組み合わせによって構成されてよい複数のストラップによって共に維持される。
統合された構造の十分な圧縮および剛性を維持しつつ熱膨張および熱収縮並びに加湿器スタック12内で使用される複数の材料のクリープに起因するへたりを許容すべく、複数の機械的留め金具またはストラップにばね、皿ばね等の複数の弾性要素が供えられてよい。複数の弾性コンポーネント若しくは弾性領域を当該複数のストラップ内に含めることも可能である。当該複数の弾性要素は、AMD10の寿命にわたり、加湿器スタック12に対する持続的な圧縮力を維持するのに寄与し、故に加湿器スタック12の圧縮とAMD10の剛性を維持しつつ、AMD10のすべての層とコンポーネントとの間の安定したシーリングを提供する。
さらに、熱交換器32が断熱プレート44または上述の国際公開WO 2012/104077に記載されたポリマーベースプレートを有する場合、当該プレートには、有孔フランジが提供されてよく、そこを介して、熱交換器32は加湿器スタック12と水分離器48とに接合される。複数のコンポーネントの機械的接続はさらに、AMD10を構成する複数のコンポーネント間、特に熱交換器32と加湿器スタック12との間の熱伝導を減少させることが理解されるであろう。
特定の動作条件下においては、第1のガス流は加湿器スタック12を迂回することが望ましい。図1に示される通り、これによって、第1のガス流が、熱交換器32から燃料電池スタック104のカソード102へと直接流れることをもたらす。さらなるコストおよび空間の節約およびシステム全体のコンポーネント数の減少をもたらすべく、バイパスもAMD10に組み込まれてよい。この点に関し、AMD10はさらに、加湿器スタック12の第1のガス入口マニホールド24と流体連通する第1の端部72および加湿器スタック12の第1のガス出口マニホールド26と流体連通する第2の端部74を有するバイパスライン70を備える。
また、複数の図面内に示される通り、バイパスライン70の第2の端部74および第1のガス出口マニホールド26は両方とも、水分離器48の側壁54内の第1のガス出口開口部114と流体連通する。従って、この配置に従うと、第1のガス流が加湿器スタック12を迂回するか、加湿器スタック12の第1のガス流路16を流れるかに関わらず、第1のガス流は、第1のガス出口開口部114を介してAMD10を出る。故に、燃料電池スタック104に向かい流れる第1のガス流内の水分レベルは、バイパスバルブ80を使用して、複数の特定の動作条件に従い、調整または変更させ得る。例えば、燃料電池スタック104が例えばスタートアップ時に低温の場合、スタック104のガス流路内の水の凝結を回避すべく、カソード空気に加湿器12を迂回させることが所望されてよい。また、スタック104からの水をパージし、スタック104内の水の凍結を回避するのに寄与すべく、スタックのシャットダウン中に、バイパスを採用することが所望されてよい。
バイパスライン70を通る第1のガスの流れは、バイパスライン70内に配置されるバイパスバルブ80によって制御される。バルブ80は、AMD10に入る第1のガス流の湿度を測定する1または複数のセンサによって電気的制御されてよい。バイパスバルブ80は、様々な形態を取ってよく、第1のガス流がカソード102に向かい流れる際、第1のガス流の含水量が調整および最適化されることを許可する。バルブ80は閉位置の際、バイパスライン70を遮断し、バルブ80は開位置の際、第1のガス流の流れがバイパスラインを通るのを許可し、主に加湿器スタック12を迂回する。さらに、バイパスバルブ80が比例弁の場合、燃料電池スタック104に供給される第1のガス流の十分に制御された加湿を提供すべく、AMD10は、第1のガス流の加湿部分および乾燥部分の異なる混合比率を実現できる。
図2に示されるバルブ80は、バルブの中心軸上でバルブロッド140に対し枢道可能に取り付けられた回転可能なバルブ部材138を有するバタフライタイプのバルブを備える。バルブロッド140は、軸中心に回転可能であり、バイパスライン70をガス流方向に横断する。ロッド140の一端は、バルブハウジングを突出し、作動機構(不図示)に係合してよい。図2において、バルブ80は、バルブ部材138がバイパスライン70を遮断する、閉位置で示されている。バルブ部材138を90度ずついずれかの方向へ回転させることで、バイパスライン70を完全に開き、第1のガス流のバイパス流を許可する。バルブ80は必ずしも、バタフライバルブでなくてよく、ボールバルブ、フラップバルブ、円筒状バルブまたはスライドバルブ等の任意のタイプのバルブであってよいことが理解されるであろう。
図2に示される実施形態において、バルブ80はバイパスライン70の第2の端部74に配置される。しかしながら、バルブ80の位置は変更可能であることが理解されるであろう。例えば、バルブ80はバイパスライン70の第1の端部72または第1の端部72と第2の端部74との間の任意の点に配置されてよい。あるいは、バルブ80は水分離器48の本体、例えば水分離器48の開口部76または78に組み込まれてよい。
バイパスバルブ80が開いている状態では、第1のガスは、直接第1のガス入口マニホールド24から、加湿器スタック12の第1のガス出口マニホールド26の方向にバイパスライン70を流れ、第1のガス出口マニホールド26から、第1のガスは第1のガス出口開口部114を介してAMD10を出て、第1のガスのほんの少量のみが加湿器スタック12の第1のガス流路16を流れる。それに応じて、バイパスライン70は、第1のガスが加湿器スタック12を迂回し、熱交換器32から直接燃料電池スタック104のカソード102へと、加湿されることなく流れることを効率的に許可する。
バイパスバルブ80が閉じている状態では、第1のガスは、第1のガス入口マニホールド24に入り、ガス流路16を流れ、ガス流路16において、第1のガスは第2のガスによって加湿され、第1のガスは第1のガス出口マニホールド26に入り、次にAMD10を第1のガス出口開口部114を介して出る。
図1から図5に示される実施形態において、バイパスライン70は、AMD10の水分離器48側に、加湿器スタック12の第2の端22に提供されている。水分離器48はエンドプレートとして機能するので、水分離器48は加湿器スタック12の第2の端22を完全に覆う。従って、バイパスライン70の第1の端部72は、加湿器スタック12の第1のガス入口マニホールド24と、水分離器48の第1のバイパス開口部76および蓋64内に形成された開口部130を介して流体連通し、バイパスライン70の第2の端部74は同様に、水分離器48の第2のバイパス開口部78および蓋64の開口部132を介して第1のガス出口マニホールド26と流体連通し、開口部132はまた、水分離器48の側壁54内の第1のガス出口開口部114と流体連通する。バイパス開口部76、78は従って、水分離器48の本体を通る通路を提供し、また水分離器48の水分離チャンバ50との流体連通から切り離される。
AMD10の水分離器48側にバイパスライン70を提供するのではなく、バイパスライン70は代わりにAMDの熱交換器32側に提供されてよいことが理解されるであろう。本発明の第2の実施形態に従う統合された空気管理デバイス(AMD)200が、図7の分解図を参照してここで以下に記載されるが、図7において、同一のコンポーネントは同一の参照番号で特定される。
図7に示されるAMD200において、加湿器スタック12は前述のAMD10と同一である。バイパスライン70およびバイパスバルブ80も、それらがAMD200の反対側の端に配置されている点を除けば、前述のものと同一である。図7の実施形態においては、バイパスバルブが開いている状態において、バイパスライン70の第1の端部72は、熱交換器32の第1のガス出口開口部40から直接第1のガス流を受け取り、そこにおいて、第1のガス出口開口部40は熱交換器32の両面で開いており、複数の上記第1のガス流路と連通するマニホールドを備える。流れは、バイパスライン70を第2の端部74へと通過し、そこにおいてバイパスライン70は加湿器スタック12の第1のガス出口マニホールド26と流体連通する。熱交換器32および断熱プレート44が、実質的に加湿器スタック12の第1の端20全体を覆う場合、バイパスライン70と第1のガス出口マニホールド26との間の流体連通を許可すべく、熱交換器32および断熱プレート44の両方は、通路134および136をそれぞれ提供される。熱交換器32の通路134は、少なくとも1つの第1のガス流路または熱交換器32の少なくとも1つの冷却剤流路と連通しないことが理解されるであろう。ひとたび第1のガスが、加湿器スタック12の第1のガス出口マニホールド26を通過すると、第1のガスは、燃料電池スタック104のカソード102の方向に、第1のガス出口開口部114を介してAMD10を出る。
バイパスライン70は、水分離器48の構造と、例えば、水分離器48の厚みのある側壁54または蓋64、熱交換器32の厚みのあるエンドプレート、または熱交換器32と加湿器スタック12との間の断熱プレート44と統合されてよく、当該プレートはガス流のルーティングと統合されたバイパスバルブ80を含むことが理解されるであろう。ここで、統合されたバイパスライン70を有してよいAMD10の複数のコンポーネントに係る様々な例が、図9から図11を参照して以下に記載される。これらの図面中、同一の参照要素は同一の参照番号によって特定される。
図9は、本発明に従い、AMDのいずれかの端へシーリングされてよいエンドプレート150の一実施形態を示し、それは図7のバイパスライン70の態様で熱交換器38の遠位表面にシーリングされるか、あるいは水分離器48の蓋、図4に示される水分離器48の代替蓋64を備える。エンドプレート150は、開口部130、132を含む下面を含む。開口部130は、バイパスライン70の第1の端部72に配置される一方、開口部132はバイパスライン70の第2の端部74に配置される。バイパスバルブ80は、バイパスライン70の第1の端部72と第2の端部74との間に配置され、任意にはバルブロッド140に対し枢道可能に取り付けられた回転可能なバルブ部材138を含むバタフライバルブを含んでよく、バルブロッド140の少なくとも一端は、エンドプレート150の表面から突出してよい。
エンドプレート150が水分離器48の蓋64を代替する場合、水分離器48の開口部76と流体連通すべく、開口部130が配置され、また水分離器48の開口部78と流体連通すべく、開口部132が配置される。エンドプレート150が熱交換器32の遠位表面にシーリングされる場合、熱交換器32の開口部40と流体連通すべく、開口部130が配置される一方、熱交換器32の開口部134と流体連通すべく、開口部132が配置される。
図10は、僅かに異なるエンドプレート152を示し、それは同一の要素の多くをエンドプレート150と共有する。これらの要素に関する上記の説明はエンドプレート152に等しく該当し、繰り返さない。以下の詳細な説明は、エンドプレート152とエンドプレート150との間の差異だけに重点を置く。
バタフライバイパスバルブ80ではなく、エンドプレート152はエンドプレート152の円筒状のへこみ156に受容される円筒状のバルブ要素154を有し、かつ図10の両端矢印で示されるように、バイパスライン70内で回転可能であり、バイパスライン70とずれている中央通路158を有するバイパスバルブ80を備える。
図11は、本発明に従う、バイパスライン70をAMDのコンポーネントに統合するための更なる別の可能性を示す。本実施形態において、バイパスライン70は、加湿器スタック12と熱交換器32との間に配置された断熱プレート160に統合されている。バイパスライン70を取り囲むべく、図11内の当該プレート160は、AMD10のプレート44より厚い。プレート160の典型的な厚みは、10〜70mmの範囲内であり、例えば20〜50mmの間である。この厚みが増したプレート160は、断熱の見地から複数の追加の利点を提供してよい。図11内の断熱プレート160の構造は、前述のエンドプレート150、152のそれと同様である。この点に関し、図7の断熱プレート44のように、プレート160はそこを貫通する第1の開口部46および第2の開口部136を含む。しかしながら、断熱プレート160においては、第1の開口部46はバイパスライン70の第1の端部72と流体連通し、第2の開口部136はバイパスラインの第2の端部74と流体連通し、バイパスライン70は断熱プレート160内に完全に封入される。断熱プレート160のバイパスバルブ80は、概してバイパスライン70の第1の端部72と第2の端部74との間に配置されるものとして示される。バルブ80は本明細書に記載される任意の構成を有してよく、また断熱プレート160内に取り囲まれる。
図7の断熱プレート40と同様、断熱プレート160の第1の開口部46は熱交換器32の開口部40および加湿器スタック12の第1のガス入口マニホールド24と流体連通する。第1の開口部46を介する熱交換器32と加湿器スタック12との間の第1のガス流の流れは、バイパスバルブ80が閉じられた状態で許可される。
同様に、断熱プレート160の第2の開口部134は、その底面において閉じられており、その上面において、加湿器スタック12の第1のガス出口マニホールド26と流体連通する。従って、バイパスライン70を通る加湿器スタック12への第2の開口部134を介した第1のガス流の流れは、バイパスバルブ80が開かれた状態で許可される。
本発明はその具体的な実施形態を参照して記載されてきたが、それらに限定される意図ではない。むしろ、本発明は以下の特許請求の範囲に属し得るすべての実施形態を包含する意図である。

Claims (34)

  1. (a)ガス‐ガス加湿器コアと、
    (b)前記加湿器コアの第1の端に取り付けられた、少なくとも1つの第1のガス流路と少なくとも1つの冷却剤流路とを含む熱交換器と、を備える統合されたガス管理デバイス(GMD)であって、
    前記ガス‐ガス加湿器コアは、
    1または複数の第1のガス流路および1または複数の第2のガス流路と、
    第1の端および第2の端と、
    複数の前記第1のガス流路と流体連通する第1のガス入口マニホールドおよび第1のガス出口マニホールドと、
    複数の前記第2のガス流路と流体連通する第2のガス入口マニホールドおよび第2のガス出口マニホールドと、を含み
    複数の前記マニホールドは、前記加湿器コアを前記第1の端から前記第2の端へと貫通し、
    前記熱交換器はさらに、前記少なくとも1つの第1のガス流路が、前記加湿器コアの前記第1のガス入口マニホールドとそこを介して流体連通する第1のガス出口開口部を含む、統合されたGMD。
  2. (a)ガス‐ガス加湿器コアと、
    (b)前記加湿器コアの第2の端に取り付けられた水分離器と、を備える統合されたガス管理デバイス(GMD)であって、
    前記ガス‐ガス加湿器コアは、
    1または複数の第1のガス流路および1または複数第2のガス流路と、
    第1の端および第2の端と、
    複数の前記第1のガス流路と流体連通する第1のガス入口マニホールドおよび第1のガス出口マニホールドと、
    複数の前記第2のガス流路と流体連通する第2のガス入口マニホールドおよび第2のガス出口マニホールドと、を含み、
    複数の前記マニホールドは、前記加湿器コアを前記第1の端から前記第2の端へと貫通し、
    前記水分離器は、第2のガス入口開口部および第2のガス出口開口部と流体連通する内部水分離チャンバを有し、前記水分離器の前記第2のガス入口開口部は、前記加湿器コアの前記第2のガス出口マニホールドと流体連通する、統合されたGMD。
  3. (a)ガス‐ガス加湿器コアと、
    (b)前記加湿器コアの第1の端に取り付けられた、少なくとも1つの第1のガス流路と少なくとも1つの冷却剤流路とを含む熱交換器と、
    (c)前記加湿器コアの第2の端に取り付けられた水分離器と、を備える統合されたガス管理デバイス(GMD)であって、
    前記ガス‐ガス加湿器コアは、
    1または複数の第1のガス流路および1または複数第2のガス流路と、
    第1の端および第2の端と、
    複数の前記第1のガス流路と流体連通する第1のガス入口マニホールドおよび第1のガス出口マニホールドと、
    複数の前記第2のガス流路と流体連通する第2のガス入口マニホールドおよび第2のガス出口マニホールドと、を含み、
    複数の前記マニホールドは、前記加湿器コアを前記第1の端から前記第2の端へと貫通し、
    前記熱交換器はさらに、前記少なくとも1つの第1のガス流路が、前記加湿器コアの前記第1のガス入口マニホールドとそこを介して流体連通する第1のガス出口開口部を含み、
    前記水分離器は、第2のガス入口開口部および第2のガス出口開口部と流体連通する内部水分離チャンバを有し、前記水分離器の前記第2のガス入口開口部は、前記加湿器コアの前記第2のガス出口マニホールドと流体連通する、統合されたGMD。
  4. 前記熱交換器の前記第1のガス出口開口部は、前記加湿器の前記第1のガス入口マニホールドと位置合わせされ、流体連通する、請求項1または3に記載の統合されたGMD。
  5. 前記水分離器の前記第2のガス入口開口部は、前記加湿器の前記第2のガス出口マニホールドと位置合わせされ、流体連通する、請求項2から4のいずれか一項に記載の統合されたGMD。
  6. 前記加湿器コアと前記熱交換器との間に断熱プレートをさらに備える、請求項1、3、4および5のいずれか一項に記載の統合されたGMD。
  7. 前記断熱プレートは、プラスチック材料で構成される、請求項6に記載の統合されたGMD。
  8. 前記断熱プレートは、前記熱交換器の第1のガス出口開口部と前記加湿器の前記第1のガス入口マニホールドとの間の流体連通がそこを介して提供される第1のガス開口部を含む、請求項6または7に記載の統合されたGMD。
  9. 前記断熱プレートは、前記加湿器コアの前記第1の端にある前記第1のガス出口マニホールドと、前記第2のガス入口マニホールドと、前記第2のガス出口マニホールドとを閉じる、請求項6から8のいずれか一項に記載の統合されたGMD。
  10. 前記加湿器コアの前記第1のガス入口マニホールドと流体連通する第1の端部と、前記加湿器コアの前記第1のガス出口マニホールドと流体連通する第2の端部とを有するバイパスラインをさらに備える、請求項1から9のいずれか一項に記載の統合されたGMD。
  11. 前記バイパスラインは前記加湿器コアの前記第2の端に配置される、請求項10に記載の統合されたGMD。
  12. 前記加湿器コアと前記熱交換器との間に断熱プレートをさらに備え、前記バイパスラインは前記断熱プレートと統合されている、請求項10に記載の統合されたGMD。
  13. 前記バイパスラインは、前記水分離器内に提供された複数の通路を介して、前記加湿器コアの前記第1のガス入口マニホールドおよび前記第1のガス出口マニホールドと流体連通し、前記複数の通路は、前記水分離器を通り、前記水分離器の前記水分離チャンバとの流体連通から分離される、請求項11に記載の統合されたGMD。
  14. 前記バイパスラインは、前記水分離器と統合されており、前記バイパスラインは好ましくは前記水分離器の蓋と統合されている、請求項13に記載の統合されたGMD。
  15. 前記バイパスラインは前記熱交換器と統合された、請求項10に記載の統合されたGMD。
  16. 前記バイパスライン内に提供されたバイパスバルブをさらに備える、請求項10から15のいずれか一項に記載の統合されたGMD。
  17. 前記水分離器は平坦な底面を有し、そこを介して前記水分離器は、前記加湿器コアの前記第2の端に機械的に取り付けられる、請求項2から16のいずれか一項に記載の統合されたGMD。
  18. 前記水分離器の底面は4つの開口部を有し、それらのうちの各々は、前記加湿器の複数の前記マニホールドのうちの1つと位置合わせされており、前記4つの開口部のうちの1つは前記水分離器の前記第2のガス入口開口部を含む、請求項17に記載の統合されたGMD。
  19. 前記水分離器はさらに前記水分離チャンバを囲む側壁を含み、
    前記水分離器の前記第2のガス出口開口部が前記側壁内に提供され、前記側壁にはまた、前記水分離チャンバからの液水の排水のためのドレイン開口部が提供されており、前記ドレイン開口部は、前記水分離チャンバと連通する、請求項18に記載の統合されたGMD。
  20. 前記水分離器がビークルへの設置時のように配向された状態において、前記ドレイン開口部は前記側壁の最下の側壁部分に配置される、請求項19に記載の統合されたGMD。
  21. 前記ドレイン開口部は、前記最下の側壁部分の最下点に配置され、前記側壁部の内部表面は、前記開口部から上方に離れて傾斜するよう形状付けられる、請求項20に記載の統合されたGMD。
  22. 前記傾斜は、横軸に対する角度を有し、前記角度は通常の使用中に前記ビークルに生じる最大傾斜角よりも大きい、請求項21に記載の統合されたGMD。
  23. 前記ドレイン開口部は、前記水分離器の対向する隅に配置された2つの前記開口部の間に配置される、請求項22に記載の統合されたGMD。
  24. 前記ドレイン開口部には、前記ドレイン開口部を選択的に開くおよび閉じるためのバルブが提供される、請求項19に記載の統合されたGMD。
  25. 前記ドレイン開口部は、複数の前記開口部のうちの1つの近傍に配置される、請求項24に記載の統合されたGMD。
  26. 前記側壁は、前記第2のガス入口マニホールドと流体連通する第2のガス入口開口部と、前記第1のガス出口マニホールドと流体連通する第1のガス出口開口部とをさらに含む、請求項19に記載の統合されたGMD。
  27. 前記水分離器は、前記熱交換器の前記少なくとも1つの冷却剤流路と流体連通する、冷却剤流路を含む、請求項2から26のいずれか一項に記載の統合されたGMD。
  28. 前記加湿器コアに係る交互に配置される複数の前記第1のガス流路および複数の前記第2のガス流路は、水蒸気透過性の複数のメンブレンによって分離される、請求項1から27のいずれか一項に記載の統合されたGMD。
  29. 前記熱交換器は、前記加湿器に機械的に取り付けられる、請求項1および3から28のいずれか一項に記載の統合されたGMD。
  30. 前記加湿器コアは前記熱交換器と前記水分離器との間で圧縮される、請求項3から29のいずれか一項に記載の統合されたGMD。
  31. 前記加湿器コアは、水蒸気透過性の複数のメンブレンによって分離される複数の加湿器プレートからなるスタックを含む加湿器スタックである、請求項1から30のいずれか一項に記載の統合されたGMD。
  32. 前記加湿器コアは、管の束を含み、複数の前記管の各々は、透水性メンブレンを含む管壁を有する、請求項1から31のいずれか一項に記載の統合されたGMD。
  33. 水素含有還元ガス流を加熱するための還元ガスヒータをさらに備える、請求項1から32のいずれか一項に記載の統合されたGMD。
  34. アノードガスヒータが前記熱交換器に統合されており、前記熱交換器は、少なくとも1つの還元ガス流路をさらに含む、三流体熱交換器である、請求項1から33のいずれか一項に記載の統合されたGMD。
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