JP2008108730A - 急速暖化のための熱集積燃料電池加湿器 - Google Patents

Abstract

【課題】システム内の様々なガス流内に可能な限り多くの単相水蒸気を維持し、同様に、燃料電池システムからの熱損失を最小に抑える急速暖化のための熱集積燃料電池加湿器を提供すること。
【解決手段】熱集積組立体の一部である燃料電池積層体および端部ユニットを含む燃料電池積層体モジュール。モジュールは、端部ユニット内に集積された給気冷却器およびＷＶＴユニットも含む。冷却流体は、ポンプにより端部ユニットおよび燃料電池積層体を介して送られる。冷却流体は、燃料電池積層体に送られるカソード入口空気流の温度を下げるために、給気冷却器を介して送られる。給気冷却器からの温度の下がったカソード入口空気は、この空気が加湿されるＷＶＴユニットに送られる。燃料電池積層体からのカソード排気ガスは、カソード入口空気を加湿するための加湿を提供するために、ＷＶＴユニットに送られ得る。端部ユニット内に設けられたバイパス弁は、常温始動中、ＷＶＴユニットを迂回するために採用され得る。
【選択図】図３

Description

本発明は一般に、燃料電池積層体のカソード側に印加される給気を冷却および加湿するための技術に関し、より詳細には、その端部ユニット内に熱的に集積された燃料電池積層体、給気冷却器、および水蒸気転送ユニットを含む燃料電池積層体モジュールに関する。

従来、水素は非常に魅力的な燃料である。なぜなら、水素は、清浄であり、燃料電池内で電気を効率的に発生するために使用され得るからである。水素燃料電池は、間に電解質を備えたアノードおよびカソードを含む電子化学デバイスである。アノードは水素ガスを受け取り、カソードは酸素または空気を受け取る。水素ガスはアノードにおいて解離され、自由水素陽子および電子を発生する。水素陽子は電解質をカソードに向かって通過する。水素陽子は、カソードで酸素および電子と反応し、水を生成する。アノードからの電子は電解質を通過できず、したがって、カソードに送られる前に、負荷を通過して仕事を行う。

固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は車両のための普及している燃料電池である。ＰＥＭＦＣは、一般に、過フルオロスルホン酸膜などの固体高分子電解質陽子伝導膜を全般に含む。アノードおよびカソードは、一般に、炭素粒子上に支持され、イオノマーと混合された、通常は白金（Ｐｔ）である微小に分割された電解質粒子を含む。電解質混合体は、膜の両側に堆積される。アノード電解質混合物、カソード電解質混合物、および膜の組合せは、膜電極組立体（ＭＥＡ）を規定する。ＭＥＡは、製造するのに比較的高価であり、効果的な動作のためには特定の条件を必要とする。

いくつかの燃料電池は、所望の電力を発生させるために燃料電池積層体に典型的に組み合わされている。例えば、車両用の典型的な燃料電池積層体は、積層された２００以上の燃料電池を有することがある。燃料電池積層体は、一般に圧縮器により積層体を強制的に通過する空気の流れであるカソード入力ガスを受け取る。酸素の全てが積層体により消費されるわけではなく、空気の一部は、積層体副産物として水を含むことができるカソード排気ガスとして出力される。燃料電池積層体は、積層体のアノード側に流入するアノード水素入力ガスも受け取る。

燃料電池積層体は、同積層体内のいくつかのＭＥＡ間に一連の両極性板を含み、両極性板とＭＥＡが２つの終端板の間に配置されている。両極性板は、積層体内の隣接した燃料電池に対するアノード側およびカソード側を含む。アノードガス流用流路は両極性板のアノード側上に設けられ、アノード反応物質ガスが個々のＭＥＡに流れることを可能にする。カソードガス流用流路は、両極性板のカソード側上に設けられ、カソード反応物質ガスが個々のＭＥＡに流れることを可能にする。一方の終端板はアノードガス流用流路を含み、他方の終端板はカソード流用流路を含む。両極板および終端板は、ステンレス鋼または導電性組成物などの導電性材料から作成されている。終端版は、燃料電池により発生された電気を積層体から外部へ伝導する。両極版は、冷却流体が流れる流用流路も含む。

当技術分野ではよく理解されているように、膜にわたるイオン抵抗が陽子を効果的に伝導するために十分低くなるように、燃料電池膜は特定の相対湿度（ＲＨ）で動作する。燃料電池積層体からのカソード出口ガスの相対湿度は、一般に、積層体の圧力、温度、カソードの化学量論、および積層体へのカソード空気の相対湿度などの積層体のいくつかの動作パラメータを制御することにより制御され、膜の相対湿度を制御する。

上記で触れたように、積層体の動作の副産物として水が生成される。したがって、積層体からのカソード排気ガスは水蒸気および液体の水を含む。カソード排気ガス中の水の一部を捕えるために水蒸気転送（ＷＶＴ）ユニットを使用すること、およびカソード入力空気流に加湿するためにその水を使用することは、当技術分野で知られている。一般に、ＷＶＴユニットは流路および膜を含む。膜の一方の側面の流路を流下するカソード排気ガス中の水は膜により吸収され、膜の他方の側面の流路を流下するカソード空気流に転送される。

カソード入口空気は圧縮器により加熱される。当技術分野では、カソード入口空気が最適な水蒸気転送性能のための適切な温度にあるように、カソード入口空気がＷＶＴユニットに送る前に、給気冷却器を使用してこの空気を冷却することが知られている。１つの知られているシステムにおいて、燃料電池積層体を冷却するために使用される積層体冷却流体は、カソード入口空気の温度が積層体の温度とほぼ同じになるように、カソード入口空気を冷却するためにも使用される。

上記で検討したように、知られている燃料電池システムは、周囲空気によりほとんど取り囲まれ、フード内の車両空気流に露出された分散型給気冷却器および加湿器を使用してきた。このため、システムの始動において燃料電池積層体の暖化を緩慢にする、または低減する典型的な２つのことが発生し得る。第一に、寒冷冷却流体は圧縮空気の熱を燃料電池積層体から運び去り、したがって、給気が幾分かの時間にわたり給気冷却器に寒冷で進入することを維持する。第二に、カソードガス出口とＷＶＴユニットとの間で相互接続された配管および制御弁は、暖化するための大量の熱質量を持っているため、ＷＶＴユニットの暖化をさらに緩慢にする。

さらに、熱損失により不要な凝縮を引き起こさないように、燃料電池システムの様々なユニットの熱損失を抑制することが望ましい。特に、システム内の液体の水は、システム内の構成部分の様々な劣化、ならびに、凍結始動中の複雑さの問題を引き起こす。したがって、システム内の様々なガス流内に可能な限り多くの単相水蒸気を維持することが望ましい。同様に、燃料電池システムからの熱損失を最小に抑えることが望ましい。なぜなら、燃料電池積層体は比較的高い効率を有しているが、低電力および／または低周辺温度の条件において積層体の性能の問題をもたらし得るからである。

本発明の教示によれば、熱集積組立体の一部である燃料電池積層体および端部ユニットを含む燃料電池積層体モジュールが開示される。燃料電池積層体モジュールは、端部ユニット内に集積された給気冷却器およびＷＶＴユニットも含む。冷却流体はポンプにより端部ユニットおよび燃料電池積層体内の冷却流体経路を介して送られ、このポンプは端部ユニット内に配置することができる。冷却流体は、燃料電池積層体に送られるカソード入口空気流の温度を下げるために、給気冷却器を介して送られる。給気冷却器からの温度が下がったカソード入口空気は、ＷＶＴユニットに送られ、このユニット内で加湿される。燃料電池積層体からのカソード排気ガスは、加湿を提供するためのＷＶＴユニットに送られて、カソード入口空気を加湿することができる。端部ユニット内に設けられたバイパス弁は、常温始動中にＷＶＴユニットを迂回するために採用され得る。

本発明のさらに多くの特徴は、添付の図面とともに理解される以下の説明および従属する特許請求の範囲から明らかとなる。
燃料電池積層体モジュールの端部ハードウェア内に熱的に集積された給気冷却器およびＷＶＴユニットを使用する同モジュールを目的とした本発明の実施形態の以下の検討は、その性質において単に例示的であるに過ぎず、本発明または本発明の応用例もしくは使用例を限定することは全く意図されていない。

図１は、燃料電池積層体１２を含む燃料電池システム１０の全体的概略ブロック図である。圧縮器１４は、カソード入力経路１６上の積層体１２のカソード側に空気の流れを供給する。圧縮器１４からの空気の流れは、加湿されるためにＷＶＴユニット１８を介して送られる。カソード排気ガスはカソード出力経路２０上の積層体１２から出力される。カソード排気ガスは、積層体１２内での電子化学過程の副産物の結果として大量の水および水蒸気を含む。当技術分野ではよく知られているように、カソード排気ガスは、経路１６上のカソード入口空気流のために、加湿を提供するためにＷＶＴユニット１８に送られ得る。燃料電池システム１０は、カソード入口空気がＷＶＴユニット１８によってより良く加湿され得るように、この空気の温度を下げる給気冷却器（ＣＡＣ）３０を含むこともできる。

当業者にはよく理解されているように、燃料電池システム１０は、燃料電池積層体１２内の冷却流体流用流路、および燃料電池積層体１２外の冷媒ループ２４を介して冷却流体を送るポンプ２２を含む。燃料電池積層体１２からの加熱された冷却流体は、カソード給気の温度を下げるためのＣＡＣ３０に送られる。続いて、冷却流体は三方弁２８に流れ、この弁は、冷却流体が燃料電池積層体１２に送り返される前に冷却流体の温度を下げる放熱器２６に、冷却流体を選択的に送ることができる。当技術分野ではよく理解されているように、放熱器２６は、冷却するために放熱器２６を介して冷却空気を送る（図示されていない）ファンを含むことができる。低温始動などのためには、弁２８が放熱器を迂回することができ、ポンプ２２に直接に冷却流体を送ることができる。

図２は、本発明の実施形態による燃料電池積層体４２を含む燃料電池積層体モジュール４０の斜視図である。燃料電池積層体モジュール４０は、積層体上部端部ユニット４４、積層体下部端部ユニット４６、および積層体４２と下部端部ユニット４６との間の積層体基部板４８も含む。ポンプおよび弁の組立体５０は、下部端部ユニット４６の筐体の外に結合されている。さらに、冷却流体機構５２は端部ユニット４６の筐体に結合されている。積層体４２、端部ユニット４４および４６、ならびに、基部板４８は、熱的な組立体の一部として集積されている。様々な流体が流入および流出する積層体モジュール４０には、様々なコネクタ、固定具、および配管付属品が接続されて示されている。

図３は、燃料電池積層体モジュール４０の機械的構成図である。アノードサブシステムおよびこれに伴う配管は、明確さの目的のために概略図の一部としては示されていない。なぜなら、これらは、本発明の一部を形成していないからである。上部端部ユニット４４、積層体４２、基部板４８、および下部端部ユニット４６は、熱外囲器５８内に収容されて示されている。本発明によれば、ＷＶＴユニット６０およびＣＡＣ６２は下部端部ユニット４６内に集積されている。ＷＶＴユニット６０およびＣＡＣ６２は、その多くが当技術分野で知られている、本明細書において説明されている目的のためのいずれの適した設計のものともすることができる。

積層体冷却流体は、経路６４でモジュール４０に流入し、経路６６でモジュール４０から流出する。端部ユニット４６内に配置構成された冷却流体ポンプ６８は、モジュール４０およびモジュール４０の外の冷媒ループ２４を介して冷却流体を送る。冷却流体は積層体４２内の冷却流体流用流路を介して流れる。冷却流体バイパス弁７０は端部ユニット４４内に設けられ、常温始動のために積層体４２内の流路を迂回するために開放される。貯液槽７２は冷却流体を補充するために設けられている。燃料電池積層体４２からの暖かい冷却流体は、ＣＡＣ６２に送られ、上記で検討されたように、カソード入口空気の温度を下げるために冷却流体を供給する。システムの始動、低い雰囲気温度、および／または低電力などの特定の動作条件に対して、冷却流体は、積層体４２の温度をより素早く上げるために加熱され得、このことはＣＡＣ６２を介して流れるカソード空気も加熱する。位置可変三方弁７４は、冷却流体が、冷媒ループ２４を選択的に迂回することを可能にする。したがって、弁７４は、冷却流体がシステムの動作温度より低い場合に、冷却流体が熱外囲器５８内を再循環することを可能にする。

圧縮器１４からのカソード入口空気は経路８０上のＣＡＣ６２に送られ、経路７６上の積層体冷却流体により温度が下げられる。続いて、温度が下げられたカソード入口空気は、加湿されるＷＶＴユニット６０の水蒸気受領側に送られる。続いて、加湿済みカソード入口空気は、経路８２上の燃料電池積層体４２内のカソード流路に送られる。燃料電池積層体４２からの湿潤カソード排気ガスは、積層体４２から経路８４上に出力され、上記で検討されたように、カソード入口空気のために加湿を提供するためのＷＶＴユニット６０の水蒸気授与側に送られる。加湿器バイパス弁８６は経路８４内に設けられ、ならびに、ＷＶＴユニット６０を迂回し、カソード排気ガス出口経路８８に直接にカソード排気ガスを送るために開放され得る。弁８６は、カソード排気ガスの幾分かがＷＶＴユニット６０の水蒸気授与側を介して流れること、およびカソード排気ガスの幾分かがＷＶＴユニット６０の水蒸気授与側を迂回することを選択的に可能にする位置可変弁とすることができる。

上記で検討されたように、本発明は、熱集積組立体内の燃料電池積層体の端部ハードウェア内にＣＡＣ６２、ＷＶＴユニット６０、および他の構成部分を配置構成することを提案している。したがって、モジュール４０内の１つの構成部分または流体の温度のいかなる変化も、総熱質量が安定するように、モジュール内の他の構成部分および流体の温度により制限される。

端部ユニット４４内のＣＡＣ６２およびＷＶＴユニット６０を集積すること、および本構造に低熱伝導性材料を使用することにより、ＣＡＣ６２およびＷＶＴユニット６０はシステムの停止後に、より長い時間にわたり暖かいまま存続し、したがって、次のシステム常温始動の手間を低減する。燃料電池システムの始動中、積層体１２の端部電池の活性領域を覆って所在する（図示されていない）端部電池加熱器はＷＶＴユニット６０を暖める。端部電池加熱器は基部板４８内に設けられ得る。積層体４２を介した冷却流体流は、燃料電池積層体４２が所定の温度に到達するまで停止され得る。その時点まで、カソード排気ガスは、一般に１０秒以内暖められ、ＷＶＴユニット６０を暖め始める。ポンプ６８の電源が入れられ、冷却流体が流れ始めると、暖かい冷却流体は、ＷＶＴユニット６０に進入する空気を暖めるためにＣＡＣ６２内に熱を転送する。さらに、冷却流体路を介して伝導された熱は、ＷＶＴユニット６０を外部から暖めることができる。この配置構成により、ＷＶＴユニット６０は、冷却流体がモジュール４０を介して流れている限り、過熱され得ない。

ＷＶＴユニット６０の温度が積層体４２定格動作温度に近づくに従い、冷却流体流は温度制御を支配していく。特定の加湿材料に対しては、水蒸気転送性能が、最大約９５℃までの温度によっては悪影響を受けないことが発見されている。そのような材料はＷＶＴユニット６０の性能を強化し、ＷＶＴユニット６０のサイズおよび費用を低減することができる。

ＷＶＴユニット６０は、燃料電池システム内に通常設けられている（図示されていない）カソード逆圧弁が可能な限り排除され得るように、所望のカソード逆圧をもたらすように設計することができる。

バイパス弁８６は、カソード入口空気流がさほど大幅には加湿されないように、カソード排気ガスがＷＶＴユニット６０を迂回することを可能にする。代案として、（図示されていない）バイパス弁は、カソード入口空気が実質的に乾燥に維持されるように、カソード入口空気がＷＶＴユニット６０を迂回することを可能にするように設けられ得る。乾燥したカソード入口空気が所望される動作状態には、冷えた積層体内に導入された水蒸気が水に凝縮する常温での積層体の始動を含むことができる。さらに、積層体の停止中は、凍結対策として、燃料電池積層体４２のカソード流路、拡散媒体、およびＭＥＡから水を一掃するために、バイパス弁８６を開放することが望ましいことがある。

上述の検討は、本発明の例示的実施形態を単に開示し、説明しているに過ぎない。当業者は、このような検討ならびに添付の図面および特許請求の範囲から、冒頭の特許請求の範囲に定義された本発明の精神および範囲から逸脱せずに、本発明に様々な変更、修正、および改変が行われ得ることを直ちに認識されよう。

ＷＶＴユニットおよび給気冷却器を含む燃料電池システムの全体的な概略ブロック図である。 本発明の実施形態によるモジュールの端部ハードウェア内に配置された給気冷却器およびＷＶＴユニットを含む燃料電池積層体モジュールの斜視図である。 図２に示された燃料電池積層体モジュールのアノードサブシステムを除いた機械的構成図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１２、４２ 燃料電池積層体
１４ 圧縮器
１６ カソード入力経路
１８ ＷＶＴユニット
２０ カソード出力経路
２２ ポンプ
２６ 放熱器
２８、７４ 三方弁
３０ 給気冷却器
４０ 燃料電池積層体モジュール
４４ 積層体上部端部ユニット
４６ 積層体下部端部ユニット
４８ 積層体基部板
５０ 組立体
５８ 熱外囲器
６０ ＷＶＴユニット
６２ ＣＡＣ
６４、６６、８２、８４、８８ 経路
６８ 冷却流体ポンプ
７０ バイパス弁
７２ 貯液体槽
８６ 加湿器バイパス弁

Claims (19)

1. 燃料電池積層体と、
   集積組立体の一部として前記燃料電池積層体に結合された積層体端部ユニットと、
   前記積層体端部ユニット内に配置された給気冷却器と、
   前記積層体端部ユニット内に配置された水蒸気転送ユニットとを含み、前記給気冷却器は、カソード入口空気流を受け取り、前記カソード入口空気流の温度を下げ、前記水蒸気転送ユニットは、前記給気冷却器から前記冷却済みカソード入口空気流を受け取り、前記冷却済みカソード入口空気流を前記燃料電池積層体のカソード側に送る燃料電池積層体モジュール。
2. 前記積層体端部ユニットを介して流れ、前記燃料電池積層体を冷却するために冷却流体を供給する冷却流体ループをさらに含み、前記冷却流体は、前記冷却流体ループを介して流れ、前記カソード入口空気流の温度を下げるために前記給気冷却器により受け取られる請求項１に記載のモジュール。
3. 前記積層体端部ユニット内に配置され、前記冷却流体ループを介して前記冷却流体を送る冷却流体ポンプをさらに含む請求項２に記載のモジュール。
4. 前記冷却流体を前記モジュール内で選択的に再循環させるための位置可変冷却流体バイパス弁をさらに含む請求項２に記載のモジュール。
5. 前記冷却流体バイパス弁は前記積層体端部ユニット内に配置されている請求項４に記載のモジュール。
6. 前記水蒸気転送ユニットは、前記カソード入口空気を加湿するための加湿を提供するために、前記燃料電池積層体からカソード排気ガスの流れを受け取る請求項１に記載のモジュール。
7. 前記カソード入口空気流が加湿されることを防止するための水蒸気転送ユニットバイパス弁をさらに含む請求項１に記載のモジュール。
8. 前記水蒸気バイパス弁は、加湿用ガスが前記水蒸気転送ユニットを介して流れることを防止または低減する請求項７に記載のモジュール。
9. 前記水蒸気バイパス弁は、前記カソード入口空気が前記水蒸気転送ユニットを介して流れることを防止する請求項７に記載のモジュール。
10. 前記燃料電池積層体および前記積層体端部ユニットは熱的外囲器内に集積されている請求項１に記載のモジュール。
11. 燃料電池積層体と、
    集積組立体の一部として前記燃料電池積層体に結合された積層体端部ユニットと、
    前記燃料電池積層体および前記積層体端部ユニットを収容する熱的外囲器と、
    前記積層体端部ユニット内に配置され、カソード入口空気流を受け取る給気冷却器と、
    前記積層体端部ユニットを介して流れ、前記燃料電池積層体を冷却するために冷却流体を供給する冷却流体ループであって、前記冷却流体ループを介して流れる前記冷却流体は、前記カソード入口空気流の温度を下げるために前記給気冷却器により受け取られる冷却流体ループと、
    前記積層体端部ユニット内に配置され、前記燃料電池積層体からのカソード排気ガスおよび前記給気冷却器からの前記冷却済みカソード入口空気流を受け取り、前記燃料電池積層体のカソード側に加湿済み空気流を送る水蒸気転送ユニットと、を含む燃料電池積層体モジュール。
12. 前記積層体端部ユニット内に配置され、前記冷却流体ループを介して前記冷却流体を送る冷却流体ポンプをさらに含む請求項１１に記載のモジュール。
13. 前記冷却流体を前記モジュール内で選択的に再循環させるための位置可変冷却流体バイパス弁をさらに含む請求項１２に記載のモジュール。
14. 前記冷却流体バイパス弁は前記積層体端部ユニット内に配置されている請求項１３に記載のモジュール
15. 前記カソード排気ガスが前記水蒸気転送ユニットを介して流れることを防止するための水蒸気転送ユニットバイパス弁をさらに含む請求項１１に記載のモジュール。
16. 燃料電池積層体と、
    給気冷却器と、
    水蒸気転送ユニットとを含み、前記燃料電池積層体、前記給気冷却器、および前記水蒸気転送ユニットは、共通の熱的外囲器内に全て集積されている燃料電池積層体モジュール。
17. 前記熱的外囲器内に集積された冷却流体ポンプをさらに含む請求項１６に記載のモジュール。
18. 前記熱的外囲器内に集積された水蒸気転送ユニットバイパス弁をさらに含む請求項１６に記載のモジュール。
19. 前記熱的外囲器内に集積された位置可変三方冷却流体再循環弁をさらに含む請求項１６に記載のモジュール。

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