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

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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