JP4361788B2 - 一体化されたカソード排気凝縮器及びスタック冷却器を組み込んだ燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、更に詳しくは、カソード排気凝縮器及びスタック（積重ね）冷却器を含む燃料電池システムに関する。

化石燃料の供給の成長の終わり及び内燃機関のような従来の化石燃料動力源の環境的影響についての関心が高まるにつれ、燃料電池が効率上及び排気上の利点を提供するので、発電所及び／又は車両用の動力源として燃料電池を利用することについての関心が高まっている。しかしながら、燃料電池が普及した利用形態、特に車両に受け入れられるには、値ごろ感を出し、小型で経済的なものとするための改良が必要であろう。

新規で改良された燃料電池システムを提供することが本発明の主目的である。

従来の燃料電池システムに比べ価格がより手頃とされ得る燃料電池システムを提供することが本発明の別の目的である。

従来の燃料電池システムに比べてよりコンパクトとされ得る燃料電池システムを提供することが本発明の別の目的である。

車両用途に利用され得る改良された燃料電池システムを提供することが本発明の別の目的である。

少なくとも一又は複数の上記課題は、燃料電池スタック及び一体型熱交換器ユニットを含む燃料電池システムにおいて、本発明に従って解決される。燃料電池スタックは、燃料流を受け入れるアノードガス入口と、酸素流を受け入れるカソードガス入口と、カソード排気ガスを排出するカソード排出部と、冷却液を燃料電池スタックを通って誘導する冷却液路とを含む。

一の形態において、一体型熱交換器ユニットは、カソード排気凝縮器及び燃料電池スタック冷却器を含み、これらは、該凝縮器及び該冷却器を平行に通って流れる共通冷却空気流によって冷却されるように並列関係に配置される。上記凝縮器は、カソード排気ガスから冷却空気流へ熱を移すために該冷却空気流と熱交換関係にある凝縮路と、カソード排出部からカソード排気ガスを受け入れるために該カソード排出部と流体連通すると共に、該カソード排気ガスを凝縮路へと分配するために該凝縮路に接続される第１入口マニホールドと、凝縮路からカソード排気ガスを受け入れるために該凝縮路に接続される第１出口マニホールドとを含む。燃料電池スタック冷却器は、冷却液から冷却空気流へ熱を移すために該冷却空気流と熱交換関係にある冷却液路と、燃料電池スタックの冷却液路から冷却液を受け入れるために該冷却液路と流体連通すると共に、冷却液を該冷却液路へと分配するために該冷却液路に接続される第２入口マニホールドと、冷却液を冷却液路から受け入れるために該冷却液路に接続されると共に、燃料電池スタックの冷却液路へと冷却液を誘導するために該冷却液路と流体連通する第２出口マニホールドとを含む。

一の形態において、一体型熱交換器ユニットは、共通ファン覆いを更に含み、該覆いは、上記凝縮器及び上記冷却器に取り付けられ、冷却空気流をファンシステムから該凝縮器及び冷却器を通って誘導する。

一の形態において、上記凝縮路及び冷却液路は、複数の平行で離隔した熱交換管を含む。第１及び第２入口マニホールドは、熱交換管の第１端部に接続される共通入口ヘッダータンクと、カソード排気ガスと冷却液との混合を防ぐため、共通入口ヘッダータンク内に液密に封止される第１バッフル板とを含む。第１及び第２出口マニホールドは、熱交換管の第２端部に接続される共通出口ヘッダータンクと、カソード排気ガスと冷却液との混合を防ぐため、共通口ヘッダータンク内に液密に封止される第２バッフル板とを含む。

一の形態において、一体型熱交換器ユニットは、共通冷却空気流と熱交換関係にある複数の離隔した熱交換管と、熱交換管の第１端部に接続される共通入口ヘッダータンクと、第１及び第２入口マニホールドに分割するために入口ヘッダータンク内において液密に封止される第１バッフル板と、熱交換管の第２端部に接続される共通出口ヘッダータンクと、出口ヘッダータンクを第１及び第２出口マニホールドに分割するために出口ヘッダータンク内において液密に封止される第２バッフル板とを含む。第１入口マニホールドは、カソード排出部と流体連通して、カソード排出部からカソード排気ガスを受け入れると共に、カソード排気ガスを熱交換管の第１の組へと分配する。第１出口マニホールドは、熱交換管の第１の組からカソード排気ガスを受け入れる。第２入口マニホールドは、燃料電池スタックの冷却液路と流体連通して、該冷却液路から冷却液を受け入れると共に、
該冷却液を熱交換管の第２の組へと分配する。第２出口マニホールドは、燃料電池スタックの冷却液路と流体連通して、熱交換管の第２の組から該冷却液路へと冷却液を分配する。熱交換管の第１及び第２の組は、共通冷却空気流が、該熱交換管の第１及び第２の組を平行に通過するように配列される。

他の目的及び利点は、添付図面及び請求の範囲と共に以下の詳細な説明によって明らかになろう。

図面には、本発明を具現する、燃料電池スタック１１及び一体型の熱交換器ユニット１２を組み込んだ燃料電池システム１０が示され、これは、車両用途に対し一般に提案されるようなメタノール改質器燃料電池システムの形態である。一体型の熱交換器ユニット１２は、１８で図示される共通の冷却空気流によって冷却される、並行関係に配置された燃料電池スタック冷却器１４とカソード排気ガス凝縮器１６とを含み、該冷却空気流は、冷却器１４及び凝縮器１６を通って平行に流れる。メタノールは、アノードガスへの改質が容易であるため、また、消費者に容易に入手され得るため、車両用途において好ましい燃料であるが、当然のことながら、本発明は、非車両燃料電池用途を含む、カソード排気ガス凝縮器及び燃料電池スタック冷却器を組み込むどのような燃料電池システムの形態においても利用法を見出すであろう。従って、特定の型式の燃料電池システムへの限定は、請求の範囲に特に記されない限り企図されない。

燃料電池システム１０で動作する残り構成要素は、２０で概略的に示される。これらは本発明の理解に重要ではないので、また、本システム１０で使用可能な周知かつ慣用の多くの形式が存在しているので、構成要素２０は詳細には図示されない。車両用途の場合、構成要素２０は、一般に、水タンク、メタノールタンク、燃料蒸発器、改質器及び触媒バーナー、ガス精製反応器、及び、圧縮機／膨張機を含み、これらは全て知られている。該水タンクは、燃料電池スタック１１のカソード排気ガスから回収されるシステム水及び水を貯蔵する。典型的な操作において、始動時中にバッテリーによって又は操作中に燃料電池スタック１１により生成された電気によって電気的に駆動される（複数の）ポンプは、水タンクからの水及びメタノールタンクからのメタノールを計量しながら燃料蒸発器へと所望比率で供給し、ここで水／メタノール混合物は蒸発（気化）される。該蒸発された混合物は、改質器及び触媒バーナーへと送られ、これは、次いで、ガス精製反応器へとリフォーメート（水素、水、一酸化炭素及び二酸化炭素）を排出し、該ガス精製反応器は、該リフォーメートの一酸化炭素含有率を、燃料電池スタック１１を害しない値まで低減する。ガス精製反応器は、アノードガスの形態の燃料（水素、二酸化炭素及び水）を、燃料電池スタック１０のアノードへと排出する。圧縮機／膨張機は、燃料電池スタック１１からの排気ガスを膨張させ、かつ燃料電池スタックのカソードへと送出するために空気を圧縮する。燃料電池スタック１１が発生させた電力は、動作中、該システム内のポンプ、モーター等を駆動するため、並びに該システムによって駆動される負荷に対し電力を供給するために使用される。始動にはバッテリーのパワーが使用され得る。車両推進システムの場合、該負荷は、一般に、車両牽引系統に連結されたモーターである。

燃料電池スタック１１は、燃料、一般には水素含有アノードガスを燃料電池スタック１１の（複数の）アノードへと供給するためのアノードガス入口３０と、一般に空気の形態の酸素を、燃料電池スタック１１の（複数の）カソードへと供給するためのカソードガス入口３２と、該燃料電池のアノードからガスを排出させるためのアノード排出部３４と、燃料電池スタック１１のカソードからカソード排気ガスを排出するためのカソード排出部３６と、燃料電池スタック１１からの熱が、燃料電池スタック１１を所望の温度に維持するために冷却液に移され得るように、該冷却液を燃料電池スタック１１に通すための冷却液通路３８とを含む。既述したように、本発明は、燃料電池スタックのための所望温度を達成するため、冷却液へ熱を移すどのような燃料電池スタックでの使用をも見出す。例えば、本発明は、固体高分子（陽子交換膜）型燃料電池燃料電池、アルカリ燃料電池、リン酸燃料電池、固体電解質型燃料電池、溶融炭酸型燃料電池、直接メタノール燃料電池、及び再制燃料電離での使用を見出し得る。構成及び操作がよく知られているそのような燃料電池の既知で慣用な多くの形態が存在するので、また、燃料電池スタック１１の特定の細部が、選択された燃料電池の種類及び特定用途の操作パラメーターに大きく依存するので、燃料電池スタック１１の更なる説明は、簡潔さのためにここには記載されない。

図２及び３は、一体型熱交換器ユニット１２の一つの実現可能な実施形態を示す。既述したように、冷却器１４及び凝縮器１６は、矢印１８で示される通常の冷却空気流によって冷却されるように並列関係に配置され、該空気流は、凝縮器１６及び冷却器１４を通って平行に流れる。一般に車両用途において、一体型熱交換器ユニット１２は、車両の前部のような位置に取り付けられ、そこで、冷却空気流１８は、車両の前進運動によって発生するラム空気の形態で、動作サイクルの少なくとも一部のために供給され得る。一体型熱交換器ユニット１２は、通常の冷却空気流１８に対し熱交換関係の複数の熱交換管４０を含み、該管４０の一方の組４２は、カソード排気ガス凝縮器１６のための凝縮路４３を形成し、また、管４０の別の組４４は、燃料電池スタック冷却器１４のための冷却液路を形成する。一体型熱交換器ユニット１２の図示の実施形態において、管４０は、互いに平行に並列関係で離隔され、管４０の隣接する組間のスペースにサーペンタインフィン４６が配置される。管４２は、凝縮器１６の入口マニホールド５０に接続される端部４８を有し、該マニホールド５０は、カソード排出部３６と流体連通し、そこから入口ポート５１を介してカソード排気ガスを受け入れ、かつ、該カソード排気ガスを管４２へと分配する。管４２は、凝縮器１６の出口マニホールド５３に接続される他方の端部５２を有し、マニホールド５３は、管４２からカソード排気ガス及び凝縮液を受け入れ、これらを、出口ポート５４から本システム１０へと誘導する。同様に、管４４は、冷却器１４の入口マニホールド６２に接続される端部６０を有し、該マニホールド６２は、冷却液路３８と流体連通して、そこから入口ポート６４を介して冷却液を受け入れ、また、該冷却液を管４４の内部へと分配する。管４４は、出口マニホールド６８に接続される反対側の端部６６を有し、該マニホールド６８は、冷却路３８と流体連通して、冷却液を管４２から出口ポート７０を通って冷却路３８へと分配する。

図示された実施形態において、凝縮器１６及び冷却器１４は、それらの境界面７２において接合され、境界面７２は、一組の板７４、７５によって規定され、これらの板は、鑞付け、エポキシ樹脂又は溶接といった適当な技術によって構造的に結合される。板７４、７５は、一体型熱交換器ユニット１２の全長にわたって伸長する。一体型熱交換器ユニット１２はまた、Ｕ字形チャネルの形態の一組の側板７６を含み、これらは、マニホールド５０、５３、６２及び６８に構造的に結合されて、一体型熱交換器ユニット１２に対し構造上の支持及び剛性を与えると共に、本システム１０と関連する構造に一体型熱交換器ユニット１２を取り付けるために使用される複数の取付ブラケット７７に対し構造上の支持を与える。

図４に見られるように、一体型熱交換器ユニット１２が共通入口ヘッダータンク７８を含む別の構成があり得、該タンク７８にはバッフル８０が液密に封止されて、凝縮器１６及び冷却器１４の入口マニホールド５０、６２を分離し、これにより、カソード排気ガスと冷却液との混合を防ぐ。同様に、一体型熱交換器ユニット１２は、共通出口ヘッダータンク８２を含み、これには、バッフル板８４が液密に封止され、凝縮器１６及び冷却器１４の出口マニホールド５３、６８を分離し、これにより、冷却液におけるカソード排気ガスの混合を防ぐ。別のオプションとして、板７４、７５は、この構成から除去され得る。各ヘッダータンク７８、８２に対し一体化された円筒タンク構成が示されるが、当然のことながら、熱交換器ヘッダータンクのための、一体型熱交換器ユニット１２に利用し得る多くの周知構成が存在する。例えば、タンク７８、８２は、管の端部を受けるヘッダー板と、マニホールド５０、５３、６２、６８を形成するように該ヘッダー板に鑞付けされた分離タンク板から形成され得る。その上、タンク７８は、タンク８２とは異なる構成を使用し得る。更には、ヘッダータンクの特定の構成次第で、ヘッダータンク７８、８２に利用され得るバッフル板８０、８４の多くの既知の形態が存在する。従って、これらの構成要素の更なる説明は、簡潔さのためここには記載されない。

図示の一体型熱交換器ユニット１２の実施形態は、平行流型構成に配列された扁平管で示されるが、凝縮器１６及び冷却器１４が並列関係に配列され、その結果、共通空気流１８が凝縮器１６及び冷却器１４を通って平行に流れる限り、いくつかの用途では、他の種類の管及び該管の配列が利用されることが有利であり得る。例えば、いつくかの用途では、凝縮器１６及び冷却器１４の一方又は両方に対し、丸い管、板フィン及び／又はサーペンタイン管の配列を利用することが有利であり得る。同様に、凝縮器１６及び冷却器１４が、同じ数及び寸法の管４０を有して同じ大きさで示されるが、当然のことながら、凝縮器１６及び冷却器１４の相対的なサイジングは変更可能であり、特定用途のパラメーターに依存する。

図５及び６に示されるように、一体型熱交換器ユニット１２はまた、共通ファン覆い９０を含み得、これは、凝縮器１６及び冷却器１４に取り付けられ、空気流１８を、凝縮器１６と冷却器１４とファンシステム９２との間へと向ける。どのような適当な取付機構をも使用され得るが、図示の実施形態における共通ファン覆い９０は、複数の留め具９１によって側板７６に結合される。図示の実施形態において、ファンシステム９２は、凝縮器１６及び冷却器１４を通って空気流１８を引き込む一組のファンによって与えられる。しかしながら、当然ながら、いくつかの用途において、ファンシステム９２が、凝縮器１６及び冷却器１４を通って空気流１８を引き込む単一のファンのみを含むことが有利であり得る。同様に、図示の実施形態は、ファン覆い９０に取り付けられたファンシステム９２を示すが、いくつかの実施形態において、ファンシステム９２が本システム１０と関連する他の構造上に取り付けられることが有利であり得る。

当然のことながら、本システム１０は、カソード排気ガス凝縮器１６及び燃料電池スタック冷却器１４を一体型熱交換器ユニット１２へと組み込むことにより、従来の燃料電池システムに比べコンパクトさ及び経済性を高めることができる。同様に、当然のことながら、一体型熱交換器ユニット１２は、従来構成に比べより少ない部品及び簡易な取付けで済むため、本システム１０は、従来の燃料電池システムに比べてコストを削減することができる。更に、当然のことながら、共通空気流１８を使用することにより、一体型熱交換器ユニット１２は、分離空気流又は他の冷却流体を必要とし得る従来の構成に比べ効率を高めることができる。更にまた、単一の空気流１８は、凝縮器１６及び冷却器１４に要する空間及び取付部品を最小化し得る一体型熱交換器ユニット１２を実施可能にするので、車両用途においての燃料電池システム１０の実装にとって有利である。

本発明を具現する、燃料電池スタック及び一体型熱交換器ユニットを組み込んだ燃料電池システムの図表である。 本発明を具現する燃料電池システムに使用するための一体型熱交換器ユニットの正面図である。 図２の線３−３から見た側面図である。 本発明を具現する電料電池システムに使用するための一体型熱交換器ユニットの別の実施形態の正面図である。 図２−４の一体型熱交換器ユニットで使用するためのファン覆いの正面図である。 図５の線６−６から見た図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１１ 燃料電池スタック
１２ 一体型熱交換器ユニット
１４ 燃料電池スタック冷却器
１６ カソード排気ガス凝縮器
１８ 共通冷却空気流
３０ アノードガス入口
３２ カソードガス入口
３４ アノード排出部
３６ カソード排出部
３８ 冷却液通路
４０ 熱交換管
５０ （凝縮器１６の）入口マニホールド
５３ （凝縮器１６の）出口マニホールド
６２ （冷却器１４の）入口マニホールド
６８ （冷却器１４の）出口マニホールド

Claims (4)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池スタックであって、燃料流を受け入れるためのアノード入口、酸素流を受け入れるためのカソード入口、カソード排気ガスを排出するためのカソード排出部、及び、冷却液を該燃料電池スタックに通して誘導するための冷却液路、を含む当該燃料電池スタックと、
   カソード排気凝縮器及び燃料電池スタック冷却器を含む一体型熱交換器ユニットであって、カソード排気凝縮器及び燃料電池スタック冷却器が該凝縮器及び該冷却器を通って互いに平行に流れる共通冷却空気流によって冷却されるように並列関係に配置される当該一体型熱交換器ユニットとを備え、
   前記凝縮器は、カソード排気ガスから前記冷却空気流へ熱を移すために該冷却空気流と熱交換関係にある凝縮路と、カソード排気ガスをカソード排出部から受け入れるためにカソード排出部と流体連通すると共に、カソード排気ガスを該凝縮器へと分配するために該凝縮器と接続される第１入口マニホールドと、カソード排気ガスを該凝縮器から受け入れるために該凝縮器に接続される第１出口マニホールドとを含み、
   前記燃料電池スタック冷却器は、冷却液から冷却空気流へ熱を移すために冷却空気流と熱交換関係にある冷却液路と、燃料電池スタックから冷却液を受け入れるために燃料電池スタックの冷却液路と流体連通すると共に、冷却液路へと冷却液を分配するために冷却液路に接続される第２入口マニホールドと、冷却液路から冷却液を受け入れるために冷却液路に接続されると共に、冷却液を燃料電池スタックの冷却液路へと向けるために該冷却液路と流体連通する第２出口マニホールドとを含む燃料電池システム。
2. 前記一体型熱交換器ユニットは、前記冷却空気流をファンシステムから前記カソード排気凝縮器及び前記燃料電池スタック冷却器に通して誘導するために前記凝縮器及び前記冷却器に取り付けられる共通ファン覆いを更に備える請求項１の燃料電池システム。
3. 前記凝縮冷却路及び前記冷却液路は、平行で離隔した複数の熱交換管を備え、
   前記第１及び第２入口マニホールドは、熱交換管の第１端部に接続された共通入口ヘッダータンクと、カソード排気ガスと冷却液との混合を防ぐため、共通入口ヘッダータンク内において液密封止された第１バッフル板とを備え、
   前記第１及び第２出口マニホールドは、熱交換器管の第２端部に接続された共通出口ヘッダータンクと、カソード排気ガスと冷却液との混合を防ぐため、共通出口ヘッダータンク内において液密封止された第２バッフル板とを備える請求項１の燃料電池システム。
4. 燃料電池システムであって、
   燃料電池スタックであって、燃料流を受け入れるためのアノード入口、酸素流を受け入れるためのカソード入口、カソード排気ガスを排出するためのカソード排出部、及び、冷却液を該燃料電池スタックに通して誘導するための冷却液路、を含む当該燃料電池スタックと、
   複数の離隔した熱交換管にして該複数の熱交換管に対し共通の共通冷却空気流と熱交換関係にある当該複数の離隔した熱交換管、熱交換管の第１端部と接続される該熱交換管に対し共通の共通入口ヘッダータンク、該入口ヘッダータンクを第１及び第２入口マニホールドへと分割するために該入口ヘッダータンク内において液密封止される第１バッフル板、熱交換管の第２端部と接続される該熱交換管に対し共通の共通出口ヘッダータンク、及び、該出口ヘッダータンクを第１及び第２出口マニホールドへと分割するために該出口ヘッダータンク内において液密封止される第２バッフル板、を含む一体型熱交換器パッケージとを備え、
   前記第１入口マニホールドは、カソード排出部と流体連通して、カソード排出部からカソード排気ガスを受け入れると共に、カソード排気ガスを熱交換管の第１の組へと分配し、
   前記第１出口マニホールドは、熱交換管の前記第１の組からカソード排気ガスを受け入れ、
   前記第２入口マニホールドは、燃料電池スタックの冷却液路と流体連通して、該冷却液路から冷却液を受け入れると共に、熱交換管の第２の組へと冷却液を分配し、
   前記第２出口マニホールドは、燃料電池スタックの冷却液路と流体連通して、熱交換管の前記第２の組から該冷却液路へと冷却液を誘導し、
   熱交換管の第１及び第２の組は、前記共通冷却空気流が該熱交換管の第１及び第２の組を平行に通過するように配置される燃料電池システム。

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