JP6336433B2 - 燃料電池と共に使用するための冷却システムおよび方法 - Google Patents
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Description
本発明は以下の態様を含む。
[1] 燃料電池とともに使用するための冷却システムであって:
燃料電池の出口通路に流体連結されており、燃料電池の出口通路を通過する流体の少なくとも一部を液状の水へと凝縮するように設計されている第一の熱交換器;
第一の熱交換器の出口通路と燃料電池の入口通路とに流体連結されており、燃料電池の入口通路を通過する流体を冷却するように設計されている第二の熱交換器;
を含み、
燃料電池の出口通路および燃料電池の入口通路は、燃料電池のカソードに流体連結されており、燃料電池の入口通路は、カソードに水を供給するように設計されている、上記冷却システム。
[2] カソードに流体連結されており、カソードに酸素を供給するように設計されている空気の入口通路;および
燃料電池のアノードに流体連結されているアノードの出口通路およびアノードの入口通路
をさらに含み、
アノードの出口通路は、アノードの入口通路に流体連結されており、アノードの入口通路は、アノードに水素を供給するように設計されている、[1]に記載の冷却システム。
[3] 前記アノードの出口通路が、水分離器を通過する流体の少なくとも一部を水へと分離するように設計されている水分離器を含む、[2]に記載の冷却システム。
[4] 前記水分離器が、カソードの出口通路、カソードの出口通路と組み合わされた第二の水分離器、および水貯蔵デバイスのうち少なくとも1つに流体連結されている、[3]に記載の冷却システム。
[5] 前記燃料電池の出口通路が、水分離器を通過する流体の少なくとも一部を水へと分離するように設計されている水分離器を含み、ここで水分離器は、第一の熱交換器に流体連結されている、[1]に記載の冷却システム。
[6] 水貯蔵デバイス、ポンプ、およびフィルターのうち少なくとも1つをさらに含む、[1]に記載の冷却システム。
[7] 前記第一の熱交換器の出口通路が、第二の熱交換器に流体連結されている水の出口通路を有する水貯蔵デバイスに流体連結されている、[1]に記載の冷却システム。
[8] 前記第二の熱交換器が、水貯蔵デバイスに水を供給するように設計されている水の入口通路に流体連結されている、[7]に記載の冷却システム。
[9] 前記第一の熱交換器が、燃料電池の出口通路に流体連結されている入口ポート、大気に流体連結されている排出ポート、第一の熱交換器に流体連結されている排液ポート、および第一の熱交換器内の水を少なくとも部分的に捕獲するように設計されているフィルターアセンブリを含む、[1]に記載の冷却システム。
[10] 前記フィルターアセンブリが、少なくとも2つのフィルター要素と、少なくとも2つのフィルター要素間に置かれた少なくとも1つのフレーム部材とを含み、前記第一の熱交換器が、1つまたはそれより多くのチャネルを含み、ここで少なくとも2つのフィルター要素のうち少なくとも1つは、下端部を含み、下端部は、少なくとも1つのフレーム部材で少なくとも部分的には遮られておらず、また、1つまたはそれより多くのチャネルに水を排出するように設計されている、[9]に記載の冷却システム。
[11] 前記フィルターアセンブリが、第一の熱交換器の上部マニホールドに流体連結されており、該上部マニホールドは、全体的に垂直に向けられた複数のチャネルに流体連結されている、[9]に記載の冷却システム。
[12] 出口通路と少なくとも1つの入口通路とに流体連結されたカソードを含む燃料電池(ここで少なくとも1つの入口通路は、カソードに空気と少なくとも部分的に再循環された水とを供給して、カソード内で空気と少なくとも部分的に再循環された水とを混合するように設計されている);
燃料電池の出口通路に流体連結された第一の熱交換器(ここで第一の熱交換器は、燃料電池の出口通路を通過する流体の少なくとも一部を液状の水に変換するように設計されている);および
第一の熱交換器の出口通路と燃料電池の入口通路とに流体連結された第二の熱交換器(ここで第二の熱交換器は、燃料電池の入口通路を通過する流体を冷却するように設計されている)
を含む、電力システム。
[13] 燃料電池のアノードに水素を供給して、燃料電池のカソードに空気と水とを供給すること;
燃料電池から流体を排出すること(ここで流体の少なくとも一部は、第一の流体を含む):
第一の熱交換器に第一の流体を供給して、第一の熱交換器を使用して第一の流体の少なくとも一部を水へと凝縮すること;
第二の熱交換器に、燃料電池から排出された流体および第一の熱交換器によって凝縮された水のうち少なくとも1つを供給すること;
第二の熱交換器を通過する流体を冷却すること;ならびに
燃料電池に冷却した流体を供給すること
を含む、燃料電池の冷却方法。
[14] カソードおよびアノードのうち少なくとも1つから排出された流体から水を分離することをさらに含む、[13]に記載の方法。
[15] 前記アノードから分離された水が、カソードから排出された流体と、水の貯蔵装置とのうちの少なくとも1つに供給される、[14]に記載の方法。
[16] 貯蔵デバイスへと水の流れを供給することをさらに含み、ここで水の流れは、第一の熱交換器および第二の熱交換器のうち少なくとも1つから排出されたものである、[13]に記載の方法。
[17] 第一の熱交換器を通過する第一の流体の温度を制御することによって、貯蔵デバイスへの水の流れを改変することをさらに含む、[16]に記載の方法。
[18] 燃料電池に再循環させるための流体を、ろ過することおよびポンプ輸送することのうち少なくとも1つをさらに含む、[13]に記載の方法。
[19] 第一の熱交換器と第二の熱交換器の交換熱量が少なくとも部分的に釣り合うように運転パラメーターを改変することをさらに含み、ここで運転パラメーターは、水分平衡、カソードの化学量論、流体の流速、および流体の温度のうち少なくとも1つを含む、[13]に記載の方法。
[20] 前記運転パラメーターを改変することにより、第一の熱交換器から出る水蒸気の速度が改変されて、貯蔵された水のレベルが少なくとも部分的に制御される、[19]に記載の方法。
[21] 流体速度が低速になるような大きさのチャネルを使用して、第一の熱交換器内の水を収集することをさらに含む、[13]に記載の方法。
[22] フィルターアセンブリ内の水を収集し、収集された水をチャネルに向かわせることをさらに含む、[21]に記載の方法。
[23] 第一の再循環ループを介して水をカソードに再循環させ、第一の再循環ループに流体連結された第二の再循環ループを介して再循環した水を冷却することをさらに含む、[13]に記載の方法。
12 燃料電池
16 カソード
14 アノード
18 アノードの入口通路
20 アノードの出口通路
22、22a、22b カソードの入口通路
23 第一の出口通路
24 カソードの出口通路
25 第二の出口通路
26 第一の熱交換器
28 第二の熱交換器
30、30a、30b 水分離器
32 貯蔵デバイス
34 ポンプ
36 フィルター
38 ファン
40 排出通路
42 出口通路
44 再循環ループ
46 第二の再循環ループ
48 下部マニホールド
50 上部マニホールド
54 排液ポート
56 チャネル
58 内腔
60 排出ポート
62 フィルターアセンブリ
64 フィルター要素
66 フィルターフレーム
68 ガスケット
70 下部端
Claims (17)
- 燃料電池とともに使用するための冷却システムであって:
燃料電池のカソードの出口通路に流体連結されており、燃料電池のカソードの出口通路を通過する流体の少なくとも一部を液状の水へと凝縮するように設計されている第一の熱交換器;
第一の熱交換器の出口通路と燃料電池のカソードの入口通路とに流体連結されており、燃料電池のカソードの入口通路を通過する流体を冷却するように設計されている第二の熱交換器;および
燃料電池のカソードの出口通路と第一の熱交換器との間に流体連結されており、カソードの出口通路を通過する流体からの水の一部を分離し、分離された水を水貯蔵デバイスに供給し、水の一部が分離された流体を第一の熱交換器に供給するように設計されている第一の水分離器;
を含み、
ここで、燃料電池のカソードの出口通路および燃料電池のカソードの入口通路は、燃料電池のカソードに流体連結されており、燃料電池のカソードの入口通路は、カソードに水を供給するように設計されており、
第一の熱交換器の出口通路が、第二の熱交換器に流体連結されている水の出口通路を有する水貯蔵デバイスに流体連結されている、
上記冷却システム。 - カソードに流体連結されており、カソードに酸素を供給するように設計されている空気の入口通路;および
燃料電池のアノードに流体連結されているアノードの出口通路およびアノードの入口通路
をさらに含み、
アノードの出口通路は、アノードの入口通路に流体連結されており、アノードの入口通路は、アノードに水素を供給するように設計されている、請求項1に記載の冷却システム。 - 前記アノードの出口通路が、アノードの出口通路を通過する流体の少なくとも一部を水へと分離するように設計されている第二の水分離器を含む、請求項2に記載の冷却システム。
- 前記第二の水分離器が、カソードの出口通路、カソードの出口通路と連結されている前記第一の水分離器、および前記水貯蔵デバイスのうち少なくとも1つに流体連結されている、請求項3に記載の冷却システム。
- ポンプおよびフィルターのうち少なくとも1つをさらに含む、請求項1に記載の冷却システム。
- 前記第二の熱交換器が、水貯蔵デバイスに水を供給するように設計されている水の入口通路に流体連結されている、請求項1に記載の冷却システム。
- 前記第一の熱交換器が、燃料電池の出口通路に流体連結されている入口ポート、大気に流体連結されている排出ポート、第一の熱交換器に流体連結されている排液ポート、および第一の熱交換器内の水を少なくとも部分的に捕獲するように設計されているフィルターアセンブリを含む、請求項1に記載の冷却システム。
- 前記フィルターアセンブリが、少なくとも2つのフィルター要素と、少なくとも2つのフィルター要素間に置かれた少なくとも1つのフレーム部材とを含み、前記第一の熱交換器が、1つまたはそれより多くのチャネルを含み、ここで少なくとも2つのフィルター要素のうち少なくとも1つは、下端部を含み、下端部は、少なくとも1つのフレーム部材で少なくとも部分的には遮られておらず、また、1つまたはそれより多くのチャネルに水を排出するように設計されている、請求項7に記載の冷却システム。
- 前記フィルターアセンブリが、第一の熱交換器の上部マニホールドに流体連結されており、該上部マニホールドは、全体的に垂直に向けられた複数のチャネルに流体連結されている、請求項7に記載の冷却システム。
- 出口通路と少なくとも1つの入口通路とに流体連結されたカソードを含む燃料電池であって、少なくとも1つの入口通路は、カソードに空気と少なくとも部分的に再循環された水とを供給して、カソード内で空気と少なくとも部分的に再循環された水とを混合するように設計されている燃料電池;
燃料電池の出口通路に流体連結された第一の熱交換器であって、燃料電池の出口通路を通過する流体の少なくとも一部を液状の水に変換するように設計されている第一の熱交換器;
第一の熱交換器の出口通路と燃料電池の入口通路とに流体連結された第二の熱交換器であって、燃料電池の入口通路を通過する流体を冷却するように設計されている第二の熱交換器;および
燃料電池の出口通路を通過する流体からの水の一部を分離し、分離された水を水貯蔵デバイスに供給し、水の一部が分離された流体を第一の熱交換器に供給するように設計されている第一の水分離器であって、燃料電池の出口通路と第一の熱交換器との間に流体連結されている第一の水分離器;
を含み、
第一の熱交換器の出口通路が、第二の熱交換器に流体連結されている水の出口通路を有する水貯蔵デバイスに流体連結されている、電力システム。 - 燃料電池のアノードに水素を供給して、燃料電池のカソードに空気と水とを供給すること;
燃料電池のカソードから流体を排出すること、ここで流体の少なくとも一部は、第一の流体を含む:
第一の流体から水を分離するように構成されている第一の水分離器に第一の流体を供給し、水を水貯蔵デバイスへと供給すること;
水の一部が分離された第一の流体を第一の熱交換器に供給して、第一の熱交換器を使用して第一の流体の少なくとも一部を水へと凝縮し、第一の熱交換器からの水を水貯槽デバイスへと供給すること;
第二の熱交換器に、水貯槽デバイスからの水を供給すること;
第二の熱交換器を通過する水を冷却すること;
燃料電池に冷却した水を供給すること;および
第一の再循環ループを介して水をカソードに再循環させ、第一の再循環ループに流体連結された第二の再循環ループを介して、再循環する水を冷却すること
を含む、燃料電池の冷却方法。 - 第一の熱交換器を通過する第一の流体の温度を制御することによって、水貯蔵デバイスへの水の流れを改変することをさらに含む、請求項11に記載の方法。
- 燃料電池に再循環させるための流体を、ろ過することおよびポンプ輸送することのうち少なくとも1つをさらに含む、請求項11に記載の方法。
- 第一の熱交換器と第二の熱交換器の交換熱量が少なくとも部分的に釣り合うように運転パラメーターを改変することをさらに含み、ここで運転パラメーターは、水分平衡、カソードの化学量論、流体の流速、および流体の温度のうち少なくとも1つを含む、請求項11に記載の方法。
- 前記運転パラメーターを改変することにより、第一の熱交換器から出る水蒸気の速度が改変されて、貯蔵された水のレベルが少なくとも部分的に制御される、請求項14に記載の方法。
- 流体速度が低速になるような大きさのチャネルを使用して、第一の熱交換器内の水を収集することをさらに含む、請求項11に記載の方法。
- フィルターアセンブリ内の水を収集し、収集された水をチャネルに向かわせることをさらに含む、請求項16に記載の方法。
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