JP2021521610A - 加湿器、加湿器を備えた燃料電池装置、およびモータ車両 - Google Patents

Abstract

本発明は、タイロッド（７）によって端部プレート（５）の間でクランプされ、水蒸気に対し浸透性である膜（９）を有してなる複数の加湿器モジュール（６）を備え、膜（９）の両側において、流れ場を画定する複数のウェブを有した流れ場フレーム（１０）がそれぞれ配置された加湿器（４）に関する。タイロッドは、冷媒が導かれる冷媒チューブを形成する中空ロッド（１７）として構成される。本発明は、燃料電池装置（１）およびモータ車両にさらに関する。

Description

本発明は、タイロッドによって端部プレートの間でクランプされ、水蒸気に対し浸透性である膜を有してなる複数の加湿器モジュールを備え、膜の両側において、流れ場を画定する複数のウェブを有した流れ場フレームがそれぞれ配置された加湿器に関する。タイロッドは、冷媒が導かれる冷媒チューブを形成する中空ロッドとして構成される。本発明は、燃料電池装置およびモータ車両にさらに関する。

加湿器は、水分含有量が異なる２つのガス媒体の場合に、より乾いた媒体への水分の移動をもたらすことができるように一般に用いられる。このようなガス／ガス加湿器は、特に燃料電池装置で用いられ、該燃料電池装置では、燃料電池スタックのカソードコンパートメントを満たすように、空気が、カソード回路において燃料電池装置内に含まれる酸素で加圧され、このため、比較的暖かくかつ乾いた加圧空気が存在し、この加圧空気の湿度が、膜電極ユニットのために燃料電池スタックで使用するのに不十分である。圧縮機によって燃料電池スタックへ供給された乾いた空気は、水蒸気に対し浸透性である膜を通過して膜の他方側へ案内されることで加湿され、該膜の他方側では、燃料電池スタックからの湿った空気が利用される。さらに、液体水が、燃料電池スタックにおいてアノード側およびカソード側の双方に蓄積し、燃料電池スタックから取り除かなければならない。圧縮機の下流側に位置する加湿器、水分離器および給気冷却器は、大きな構成要素であり、燃料電池装置に必要な設置空間を大いに増加させ、大きい熱損失のために燃料電池装置の効率を制限する。

流れ場を画定するウェブを有する複数の加湿器モジュールを備えてなる加湿器を用いて、膜のある側に関連する媒体のより均一な利用が可能となることが、出願人によって既に提案されている。この加湿器では、加湿器モジュールは、タイロッドによってクランプされている。

独国特許第１０ ２０１６ １１３ ７４０ Ａ１号明細書が、調整モジュールを開示しており、この調整モジュールは、該調整モジュールの断面において円筒形構造の第２の断面領域内に第１の断面領域を配置することにより高い処理能力を可能にするのと同時に、設置空間の小さい要求を有する熱交換器および加湿器の組み合わせを提供する。

国際公開第２０１７／１０２５３８ Ａ１号が、統合型水分離器を有した加湿器を開示しており、上記統合型水分離器は、燃料セルの排気ガス流れと作動媒体流れとの間で水分の最適な交換を可能とするように、膜の一方側に複数の個別の分離構成要素を有している。

本発明の目的は、費用対効果の設計を有する、冒頭で述べた形式の加湿器を提供することである。本発明の他の目的は、増加された効率を有する、向上した燃料電池装置およびモータ車両を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴部を有した加湿器によって、請求項８の特徴部を有した燃料電池装置によって、および請求項９の特徴部を有したモータ車両によって達成される。本発明の便利な更なる発展を有した有利な実施形態が、従属請求項で説明される。

本発明に従う加湿器は、その設計の簡潔さによって特徴づけられ、この設計では、必要なものとして既に識別された構成要素、つまりタイロッドが、該タイロッドの構造設計を単に修正することによって付加的な機能を満足するように使用される。即ち、中空ロッドとしてタイロッドを設計することにより、冷媒の通路のための冷媒チューブとして中空ロッドを用いる可能性が提供される。ここで、冷媒は、つまり冷媒が流れ場の媒体よりもよりも冷たいときに、流れ場に配置された媒体、特にガスを冷却するように用いられることができる。しかし、冷媒チューブとしての中空ロッドを通流する冷媒は、熱を帯びることもでき、このため、伝熱および従ってエネルギ供給が可能である。

設計の簡潔さについて、複数の中空ロッドが、冷媒を供給および排出する共通の接続部と関連している場合に好ましい。また、流れ場フレームの少なくとも流れ場が、向上した熱交換に寄与する熱伝導性材料から形成される場合に有利である。これは、リブ、フィンおよびウィングを有する群から選択された構造で流れ場の面を拡大し、伝熱面を増加させることによってさらに促進される。熱伝導性材料は、金属、または金属充填剤を含む熱伝導性プラスチック材料によって形成される。

また、中空ロッドが、Ｏリング、感湿性膨張シール、接着剤シールおよび接合材を有する群から選択されたシールによって、流れ場に対しシールされる場合に有益である。接着剤シールは、加湿器の製造において簡潔な様式で用いられることができ、タイロッドを受け入れる膜および／または流れ場フレームの穴へと加湿されたときに高い膨張を示す材料を配置する代替的または付加的な可能性があり、このため、材料は、加湿器が第１の時間で使用されるときに膨張し、膨張シールとしてシール効果を提供する。

膜電極配置を有した燃料セルを備えてなる燃料電池装置であって、この膜電極配置の電極コンパートメントが、反応物供給ラインを介して反応物が供給されることができるとともに、反応物排出ラインを有する燃料電池装置は、好ましくはカソード側において、反応物供給ラインおよび関連した反応物排出ラインの少なくとも１つの流れ通路において上述の加湿器を接続することによって提供され、このため、加湿器は、カソードガスを調節するように用いられることができる。

空調システムの冷媒回路が加湿器の中空ロッドを有してなるモータ車両において向上した燃料電池装置を用いるときに、特に有利なことが明らかになり、このため、圧縮機から加湿器を通して流れるガスの温度が制御されることができる。水タンクが加湿器に設けられている場合には、貯蔵された水が冷媒で付加的に温度調整され、このため、水は容易に蒸発し、従って燃料電池スタックの加湿を助けることができる。

本発明の更なる利点、特徴および詳細は、請求項、好ましい実施形態の以下の説明から、および図面に基づいて生じる。

加湿器を備えた燃料電池装置の非常に概略的な図である。 流れ場フレーム／シール／膜／シール／膜の順序での加湿器モジュールの分解図である。 媒体接続部を有する端部プレートの間に配置され、タイロッドによってクランプされた複数の加湿器モジュールを備えてなる加湿器を示す図である。 一部が断面で示され、中空ロッドの通路を有した平面図において流れ場フレームの代替的な実施形態を示した図である。 流れ場フレームおよび膜を貫通する中空ロッドを有した断面の概略図である。 モータ車両の冷媒回路に連結された燃料電池装置の概略図である。

図１は、本発明を説明するのに必要な燃料電池装置１の一部を示しており、該燃料電池装置１は、燃料電池スタック２において結合された複数の燃料セルの湿度を調整する手段を有している。

燃料セルの各々は、アノードと、カソードと、該カソードからアノードを分離するプロトン伝導性膜と、を備えている。膜は、イオノマ、好ましくは、スルホン化テトラフルオロエチレンポリマー（ＰＴＦＥ）またはパーフルオロ化スルホン酸のポリマー（ＰＦＳＡ）から形成される。代替的に、膜は、炭化水素膜として形成されることができる。

触媒が、アノードおよび／またはカソードに付加的に付加されることができ、ここで、膜は、貴金属または例えば白金、パラジウムおよびルテニウム等を有した貴金属を備える混合物から構成された触媒層を用いて、膜の第１の側および／または膜の第２の側でコーティングされることが好ましく、上記貴金属や混合物は、各燃料セルの反応における反応促進剤として機能する。

アノードには、アノードコンパートメントを介して燃料（例えば水素）が供給されることができる。高分子電解質膜型燃料電池（ＰＥＭ燃料電池）では、燃料または燃料分子が、アノードでプロトンと電子とに分割される。高分子電解質膜は、プロトンを通過させるが、電子を通過させない。例えば、以下の反応が、アノードで生じる。２Ｈ₂→４Ｈ⁺＋４ｅ^-（酸化／電子供与）。プロトンがカソードへと高分子電解質膜を通過しているときには、電子は、外部回路を介してカソードまたはエネルギ貯蔵部へ運ばれる。

カソードガス（例えば酸素または酸素を含む空気）が、カソードコンパートメントを介してカソードに供給されることができ、このため、以下の反応がカソード側で生じる。Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ（還元／電子受け入れ）。

高分子電解質膜を通した水素プロトンのイオン伝導性を確実にするために、水分子が、高分子電解質膜に存在しなければならない。従って、カソードガスが、高分子電解質膜の水分の浸透を生じさせるために燃料セルに供給される前に、特にカソードガスが加湿される。

複数の燃料セルが燃料電池スタック２で結合されているので、多量のカソードガス質量流量が圧縮機３によって供給され、カソードガスの温度が圧縮機の加圧の結果として大いに増加されるように、十分に多量のカソードガスが供給されなければならない。カソードガスの調整、つまり燃料電池スタック２で望ましいパラメータについてのカソードガスの調整が、給気冷却器および加湿器４で達成される。

例示的な実施形態として図３に示した加湿器４は２つの端部プレート５を備えており、これらの端部プレート５の間には、複数の加湿器モジュール６が配置されており、該加湿器モジュール６は、端部プレート５の間でタイロッド７によってクランプされている。図示した例示的な実施形態では、簡潔な図示のために、媒体接続部８が、２つの媒体を供給および排出するように端部プレート５の一方に関連しており、ここで、燃料電池装置１の場合には、２つの媒体は、その水分含有量の観点のみで異なるが、材料の観点では、空気が存在することが多い。しかし、一般に、媒体の一方のための媒体接続部８が端部プレート５の一方に結合的に、または２つの端部プレート５に分離して配置され、並びに他方の媒体のための媒体接続部８が第１媒体のための媒体接続部８として端部プレート５の一方または端部プレート５の他方に結合的に配置され、または、第１媒体に対して供給および排出する媒体接続部８の関連を逆にして２つの端部プレート５に分離して配置される可能性があり、つまり、２つの媒体を一緒に考慮するときに、直列に配置された加湿器モジュール６が、媒体に対してＵ字またはＺ字形で流されることができ、向流および交差向流も可能である。

図２は、単一の加湿器モジュール６の構造を示している。流れ場を画定する複数のウェブ１１を有した流れ場フレーム１０が、膜９の両側に配置されており、シール１２が、流れ場フレーム１０の各々と膜９との間に配置されており、加湿器モジュールのユニットのために、流れ場フレーム１０−シール１２−膜９−シール１２−流れ場フレーム１０の順序が生じる。

流れ場フレーム１０およびウェブ１１は同じ高さ範囲を有し、一方、流れ場フレーム１０では、ウェブ１１の両側において、ウェブ１１を位置決めする接続部１３がウェブ１１よりも低い高さ範囲で配置されており、接続部１３は、流れ場フレーム１０の内側で角部にわたって２つの隣接した脚部に接続されている。従って、この接続部１３は、角部において媒体用のコレクタ１４を提供し、上記媒体は、接続部１３の小さい高さ範囲のため、流れ場を生成するように、コレクタ１４からウェブ１１の間に分配される。ウェブ１１が流れ場フレーム１０と同じ高さを有するので、ウェブ１１の間の媒体の交換が可能でなく、膜９の面全体にわたって流れ場での媒体の均一の分配がある。ウェブ１１が流れ場フレーム１０と同じ高さを有し続けるので、ウェブ１１はまた、膜９の支持と、加湿器モジュール６全体の機械的安定性の増加とを提供する。

シール１２は、向かい合う２つの交差接続部１６を有したシールフレーム１５として設計されており、交差接続部１６は、２つの隣接した脚部を有したシールフレーム１５の内側で角部にわたって接続されており、ここで、接続部１３および交差接続部１６は、膜９の１つの側において補完的な角部に関連し、膜９は、六角形を有し、該六角形の縁部は、接続部１３、交差接続部１６およびフレーム１０，１５に関連している。

従って、図２に示した下側の流れ場フレーム１０の右側角部では、湿った媒体が供給され、接続部１３を介してウェブ１１の間に通されることができ、そして、反対側の角部を介して流れ場および流れ場フレーム１０から出ることができる。図２に示した上側の流れ場フレーム１０では、ウェブ１１の経路が、下側の流れ場フレーム１０のウェブ１１の経路に対して９０度の角度でオフセットしている。次に、上側の流れ場フレーム１０の接続部１３は、乾いた媒体をウェブ１１の間に供給し、ウェブ１１の間の乾いた媒体を上側の流れ場フレーム１０の反対側の角部から排出する可能性を形成する。

シールフレーム１５に関連した交差接続部１６の結果として、ガスの気密性が２つの媒体の間および外側にも提供されることを留意すべきである。従って、端部プレート５の間に直列に配置された加湿器モジュール６の場合には、２つの媒体用の個別の供給チャネルおよび排出チャネルがある。

ユニットとして、加湿器モジュール６は、ウェブ１１の領域において外側に対して完全にシールされることができる。代替的に、各２つの加湿器モジュール６がモジュール対へと結合される可能性、および同一の媒体のための流れ場フレーム１０が互いに対向する側に配置され、このため、湿った媒体用の流れ場フレーム１０から乾いた媒体用の隣接した流れ場フレーム１０へと生じることができる交換を伴うことなく、同様に製造された加湿器モジュール６が直列に配置されることができるという可能性もある。

シール１２は、挿入シールとして設計されることができ、該挿入シールのためには、材料、例えばＰＴＦＥまたはＥＰＤＭが適している。高分子膜、例えばスルホン化膜の使用が、膜９のために熟慮され、コットン膜も適している。

タイロッド７によってクランプされた複数の加湿器モジュールから加湿器が構成されているので、冷媒の通路用の冷媒チューブを形成する中空ロッド１７としてタイロッド８を設計することが有利に可能であり、冷媒は、供給ラインおよび排出ライン用の共通の接続部によって中空ロッド１７を通して導かれる。ガス側における伝熱を向上させるために、流れ場は、熱伝導性材料、特に金属、例えばアルミニウムまたは鋼から形成されるべきである。また、高い熱伝導性を有したプラスチック材料を用いることが熟慮されても良く、ここで、プラスチック材料の高い熱伝導性は、金属充填剤によって提供され得る。

図４は、図３の図示から逸脱して、タイロッド７の配置が加湿器４の内側でも可能であることを示しており、ここで、図４に示した中空ロッド１７の位置により、ガスの早期の予加熱を生じさせ、これにより、水の取り込みが向上する。

図５は、中空ロッド１７がシール１８によって流れ場フレーム１０および膜９から封鎖されていることを示しており、ここで、シール効果は、接着剤結合または単にＯリングによって達成されることができる。

図５に示した燃料電池装置１では、モータ車両での燃料電池装置１の使用が推測され、空調システムの冷媒回路は、加湿器４を通して流れるガスの温度を制御し、空調システムからの廃熱を利用することにより燃料電池装置１および従って全体としてモータ車両の効率を向上させるように、加湿器４の中空ロッド１７に接続される。水用タンクが加湿器４に配置される場合には、貯蔵された水の温度を制御する付加的な可能性、および従ってより容易に上記貯蔵された水を蒸発させ、燃料電池スタック２の加湿に寄与させる追加的な可能性がある。

１ 燃料電池装置
２ 燃料電池スタック
３ 圧縮機
４ 加湿器
５ 端部プレート
６ 加湿器モジュール
７ タイロッド
８ 媒体接続部
９ 膜
１０ 流れ場フレーム
１１ ウェブ
１２ シール
１３ 接続部
１４ コレクタ
１５ シールフレーム
１６ 交差接続部
１７ 中空ロッド
１８ シール

Claims (10)

1. タイロッド（７）によって端部プレート（５）の間でクランプされ、水蒸気に対し浸透性である膜（９）を有してなる複数の加湿器モジュール（６）を備え、前記膜（９）の両側において、流れ場を画定する複数のウェブを有した流れ場フレーム（１０）がそれぞれ配置され、前記タイロッドは、冷媒が導かれる冷媒チューブを形成する中空ロッド（１７）として構成されることを特徴とする加湿器（４）。
2. 前記中空ロッド（１７）は、前記冷媒を供給および排出する共通の接続部と関連していることを特徴とする請求項１に記載の加湿器（４）。
3. 前記流れ場フレーム（１０）の少なくとも前記流れ場は、熱伝導性材料から形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の加湿器（４）。
4. 前記流れ場の面が、リブ、フィンおよびウィングを有する群から選択された構造で拡大され、伝熱面を増加させることを特徴とする請求項３に記載の加湿器（４）。
5. 前記熱伝導性材料は、金属、または金属充填剤を含む熱伝導性プラスチック材料によって形成されることを特徴とする請求項３または４に記載の加湿器（４）。
6. 前記中空ロッド（１７）は、シール（１８）によって前記流れ場および／または前記膜（９）から封鎖されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の加湿器（４）。
7. 前記シールは、Ｏリング、感湿性膨張シール、接着剤シールおよび目地材を有する群から選択されることを特徴とする請求項６に記載の加湿器（４）。
8. 膜電極配置を有した燃料セルを備えてなる燃料電池装置（１）であって、
   前記膜電極配置の電極が電極コンパートメントと関連し、該電極コンパートメントは、反応物供給ラインを介して反応物が供給されることができるとともに、反応物排出ラインを有し、
   前記反応物供給ラインおよび関連した前記反応物排出ラインの少なくとも一方の流れ通路において接続される、前記請求項１〜７に従う加湿器（４）によって特徴づけられる、燃料電池装置（１）。
9. 空調システムの冷媒回路が前記加湿器の前記中空ロッド（１７）を備えることを特徴とする、請求項８に従う燃料電池装置（１）を有したモータ車両。
10. 水タンクが前記加湿器（４）に設けられており、前記中空ロッド（１７）と熱接触することを特徴とする請求項９に記載のモータ車両。

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