特許 6470103 冷却水からのガスの分離を行う燃料電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6470103

(24)【登録日】2019年1月25日

(45)【発行日】2019年2月13日

(54)【発明の名称】冷却水からのガスの分離を行う燃料電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04701 20160101AFI20190204BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20190204BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20190204BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04701

   H01M8/04 J

   H01M8/02

【請求項の数】8

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2015-93756(P2015-93756)

(22)【出願日】2015年5月1日

(65)【公開番号】特開2015-213068(P2015-213068A)

(43)【公開日】2015年11月26日

【審査請求日】2017年11月2日

(31)【優先権主張番号】14/270,416

(32)【優先日】2014年5月6日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】501348092

【氏名又は名称】グッドリッチ コーポレイション

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(72)【発明者】

【氏名】ジョナサン ダニエル オニール

【審査官】 今井 貞雄

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００３−５２３０４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３１３４０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５２５９８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０４７０１

Ｈ０１Ｍ ８／０２

Ｈ０１Ｍ ８／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池であって、
膜によって分離されたアノードおよびカソードと、
前記アノードに亘って燃料を流すための燃料供給源、およびカソードに亘って流すための酸素含有ガス供給源と、
冷却水回路であって、アキュムレータと関連付けられ、また、前記カソードを冷却するように、そして、前記カソードからの前記冷却水を前記アキュムレータに戻すように、冷却水を供給する冷却水回路と、
前記アキュムレータに戻されている前記水から同伴ガスを除去し、前記除去したガスを前記カソードおよび前記アノードのうちの少なくとも１つに送るためのシステムと、
を備え、
前記カソードおよび前記アノードのうちの前記少なくとも１つは、前記カソードであり、
冷却水チャネルが、前記カソードを冷却するように前記カソードに隣接して前記冷却水回路内に設けられ、水とガスとを分離するウィック層が、前記カソードと前記冷却水チャネルとの間に設けられ、水および同伴ガスが、前記酸素含有ガスの入口に戻され、前記水は、前記ウィック層を横断して分離されて前記冷却水回路の中へ戻ることが可能であり、前記同伴ガスは、前記カソードで使用されることを特徴とする燃料電池。

【請求項2】

燃料電池であって、
膜によって分離されたアノードおよびカソードと、
前記アノードに亘って燃料を流すための燃料供給源、およびカソードに亘って流すための酸素含有ガス供給源と、
冷却水回路であって、アキュムレータと関連付けられ、また、前記カソードを冷却するように、そして、前記カソードからの前記冷却水を前記アキュムレータに戻すように、冷却水を供給する冷却水回路と、
前記アキュムレータに戻されている前記水から同伴ガスを除去し、前記除去したガスを前記カソードおよび前記アノードのうちの少なくとも１つに送るためのシステムと、
を備え、
前記アキュムレータは、タップ管路を通して膨張チャンバと連通し、よって、前記ガスは、前記膨張チャンバを膨張させ、前記膨張チャンバには、制御装置が設けられ、よって、前記膨張チャンバが所定の容積に到達したときに、前記膨張チャンバに、その容積を低減させ、そして、同伴ガスを前記カソードおよび前記アノードのうちの前記少なくとも１つに戻させることを特徴とする燃料電池。

【請求項3】

前記システムは、ガスを除去して前記酸素含有ガスの入口に戻すように、前記アキュムレータを通過する前記酸素含有ガスのための酸素含有ガス戻り管路を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。

【請求項4】

第１の弁が、前記膨張チャンバの上流かつ前記タップ管路上に配置され、第２の弁が、前記膨張チャンバデバイスの下流かつ前記カソードおよび前記アノードのうちの前記少なくとも１つへの管路上に配置され、前記膨張チャンバが前記所定の容積に到達するまで、前記第１の弁が開かれ、前記第２の弁が閉じられ、その後、前記同伴ガスを駆動するために、前記第１の弁が閉じられ、次いで、前記第２の弁が開かれ、よって、前記膨張チャンバの容積が低減されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。

【請求項5】

水中用途で使用するための輸送装置であって、
前記輸送装置には、燃料電池が設けられ、
前記燃料電池は、膜によって分離されたアノードおよびカソードと、前記アノードに亘って燃料を流すための燃料供給源、およびカソードに亘って流すための酸素含有ガス供給源と、冷却水回路であって、アキュムレータと関連付けられ、また、前記カソードを冷却するように、そして、前記カソードからの前記冷却水を前記アキュムレータに戻すように、冷却水を供給する冷却水回路と、前記アキュムレータに戻されている前記水から同伴ガスを除去し、前記除去したガスを前記カソードに戻すためのシステムと、を備え、
冷却水チャネルが、前記カソードを冷却するように前記カソードに隣接して前記冷却水回路内に設けられ、水とガスとを分離するウィック層が、前記カソードと前記冷却水チャネルとの間に設けられ、水および同伴ガスが、前記酸素含有ガスの入口に戻され、前記水は、前記ウィック層を横断して分離されて前記冷却水回路の中へ戻ることが可能であり、前記同伴ガスは、前記カソードで使用されることを特徴とする、水中用途で使用するための輸送装置。

【請求項6】

水中用途で使用するための輸送装置であって、
前記輸送装置には、燃料電池が設けられ、
前記燃料電池は、膜によって分離されたアノードおよびカソードと、前記アノードに亘って燃料を流すための燃料供給源、およびカソードに亘って流すための酸素含有ガス供給源と、冷却水回路であって、アキュムレータと関連付けられ、また、前記カソードを冷却するように、そして、前記カソードからの前記冷却水を前記アキュムレータに戻すように、冷却水を供給する冷却水回路と、前記アキュムレータに戻されている前記水から同伴ガスを除去し、前記除去したガスを前記カソードに戻すためのシステムと、を備え、
前記アキュムレータは、タップ管路を通して膨張チャンバと連通し、よって、前記ガスは、前記膨張チャンバを膨張させ、前記膨張チャンバには、制御装置が設けられ、よって、前記膨張チャンバが所定の容積に到達したときに、前記膨張チャンバデバイスに、その容積を低減させ、そして、同伴ガスを前記酸素含有ガスの入口に戻させることを特徴とする、水中用途で使用するための輸送装置。

【請求項7】

前記システムは、前記ガスを除去して前記酸素含有ガスの入口に戻すように、前記アキュムレータを通過する前記酸素含有ガスのための酸素含有ガス戻り管路を含むことを特徴とする請求項５または６に記載の輸送装置。

【請求項8】

前記アキュムレータは概ね水で満たされることを特徴とする請求項５に記載の輸送装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、燃料電池の冷却水からのガスの分離を促進する方法およびシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池は、既知であり、一般的に、膜によって分離されたカソードおよびアノードを含む。燃料供給源が水素等の燃料をアノードに亘って供給する。酸素含有ガスがカソードに亘って流れる。酸素含有ガスは、酸素、空気、または酸素を含むいくつかの他のガスであり得る。

【0003】

冷却水は、カソードに亘って流れ、しばしば、ウィック（ｗｉｃｋ）層によってカソードから分離される。過程の一部として、水素および酸素等のガスは、冷却水中に同伴され得る。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

いくつかの理由により、冷却水中にそのようなガスを同伴させることは望ましくない。数多くの燃料電池用途において、ガスは、単純に、冷却水アキュムレータ等において冷却水から逃がすことが可能である。そのような用途は、陸上で利用される輸送装置であり得る。

【0005】

しかしながら、燃料電池を含む輸送装置がいかなる廃棄物も排出することが許されない、他の用途がある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

燃料電池は、膜によって分離されたアノードおよびカソードを有する。アノードに亘って燃料を流すための燃料供給源が提供される。カソードに亘って酸素を流すための酸素含有ガス供給源が提供される。冷却水回路が、アキュムレータと関連付けられ、また、カソードを冷却するように、そして、カソードからの冷却水をアキュムレータに戻すように、冷却水を供給する。システムは、アキュムレータに戻される水から同伴ガスを除去し、除去したガスをカソードに戻す。

【0007】

このような燃料電池を有する輸送装置も開示される。

【0008】

これらのおよび他の特徴は、以下の図面および明細書から最も良く理解され得る。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】従来技術の輸送装置を示す図である。

【図2】第１の実施例を示す図である。

【図3】第１の実施例に組み込むことができる特徴を示す図である。

【図4】第２の実施例を示す図である。

【図5】さらに別の実施例を示す図である。

【図6A】別の実施例を示す図である。

【図6B】第２の位置にある図６Ａの実施例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

輸送装置２２内に載置された燃料電池２０が概略的に示され、該輸送装置は、無人水中輸送装置等の水中輸送装置であり得る。

【0011】

アノード２４は、燃料の供給２６を受け取り、入口２７は、アノード２４に亘って通じる。出口２９は、燃料を入口２７に戻す。燃料は、いくつかの用途において、水素であり得る。膜２８は、カソード３２からアノード２４を分離する。カソード３２は、酸素タンク３４等からの酸素含有ガスの供給３６を受け取る。酸素含有ガスは、空気、または窒素やいくつかの他の搬送ガスと混合された酸素であり得ることも理解されたい。酸素含有ガスは、３８で入口３６に戻される。冷却水チャネル４０は、カソードを冷却し得る。水アキュムレータ４２は、入口４４を通して冷却水チャネル４０に水を供給し、戻り管路４６は、水を戻す。

【0012】

知られているように、エネルギーは、燃料電池２０によって発生され、使用３０に送達される。この態様は、従来技術で既知であり得る。

【0013】

燃料電池２０が動作すると、燃料および酸素は、冷却水の流れの中へ入り得、水中に混合され得る。これは、望ましくなくなる可能性があり、結果として、アキュムレータ４２内の圧力を望ましくないレベルまで増大させ得る。

【0014】

したがって、図２で示されるように、システム１７は、タンク３４からの酸素含有ガスの入口供給１３６を受け取る、カソード１３２を含み得る。再循環管路１７８は、水アキュムレータ１４２を通過し、管路１５４を通って戻る。ポンプ１５６は、再循環される酸素含有ガスを入口１３６に戻すために、管路１５４上に含まれ得る。本明細書で使用される「ポンプ」という用語は、ファン、エジェクタ等を含む任意の液体移動デバイスに拡大されるものと解釈するべきである。示されるように、水入口管路４４は、タンク１４２の内部から、水冷却チャネル４０に、次いで、戻り管路４６に水を給送する。見て分かるように、アキュムレータ１４２は、ガス含有領域１５２および水位１５０を含む。多孔質プラグ１５５は、ガスレベル１５２と連通し、ガスだけが戻り管路１５４に渡ることを確実にし得る。プラグは、テフロン（登録商標）または別の疎水性デバイスであり得る。すなわち、ガス含有領域１５２に捕捉される任意の水があると、その水が分離されることになる。

【0015】

経時的に、アキュムレータ１４２の中の水に捕捉された酸素または水素は、この事態において除去され、カソード１３２に亘って戻される。

【0016】

酸素がタンク３４の中のガスである場合、再循環管路１３８、１５４を通過するガスは、大部分が酸素になる。一方で、再循環管路には、搬送ガスが充填され得る。実際に、空気が「酸素含有ガス」である場合、１７８、１５２、１５４のガスは、大部分が、水から除去されるガス以外の窒素になる。

【0017】

いずれの事例においても、このガスに同伴され得る水素のパーセンテージを最小にすることが望ましい。一例として、水素は、５％未満の割合に維持され得る。

【0018】

図３は、変形例を示し、図中、アキュムレータ２４２に接近する水戻り管路２３８は、液体分離装置２４０を通過し、該液体分離装置は、戻り流れを水含有経路２４６およびガス経路２４４の中へと分離する。ガス経路２４４は、ポンプ１５６を使用して、カソード入口に方向付けられる。経路２４６は、アキュムレータ２４２に、そして、液体領域２５０の中へ戻される。

【0019】

図４は、一実施例を示し、図中、カソード２６０には、水冷却チャネル２６２と連通しているウィック層２６４が設けられる。アキュムレータ８８は、供給管路２６６を通して冷却チャネル２６２に水を送り、管路２６８を通して戻り水を受け取る。タンク３４からの酸素含有ガスは、入口２３６を通過して接続１１０の中へ入り、ポンプ１１２は、その酸素含有ガスを入口２３６に戻す。この実施例では、多孔質プラグに依存しない。

【0020】

図４の実施例において、水は、管路１１０に入るガスと混合させることができる。その水は、ウィック層２６４を横断し、水冷却チャネル２６２に戻される。このようにして、アキュムレータ８８において同伴されるガスは、カソード２６０で再使用され、一方で、水は、分離される。

【0021】

図５は、図４の実施例にいくらか類似する実施例を示すが、カソード２８４の出口は、冷却材アキュムレータ１８０に接続されていない。アキュムレータ１８０は、満水状態で示されている。理解されるように、ガスは、水中に蓄積し、その水および同伴ガスは、ポンプ１１２によって、管路１８２を通して入口２３６に戻される。ここでも、水は、ウィック層２６４を横断し、アキュムレータ１８０に戻され、一方で、ガスは、カソード２８４で利用される。

【0022】

図６Ａは、さらに別の実施例３００を示す。実施例３００において、カソード１３２および冷却チャネル４０は、流体的に別個であり得る。しかしながら、アキュムレータ１４２には、垂直上方の層にタップ１４３が設けられる。タップ１４３は、弁１４５を通過して膨張チャンバ１５１に入る。したがって、ガスがアキュムレータ１４２の中の水から分離されると、該ガスは、管路１４３、開放弁１４５を通過し、膨張チャンバデバイス１５１の中のピストン１４９の下方のチャンバ１４７に入る。

【0023】

膨張チャンバデバイス１５１は、浮き袋または球状物とすることができ、同じ様式で動作することを理解されたい。弁１５３は、戻り管路２５５上に配置され、図６Ａの位置では閉じて示されている。制御装置２１１は、結果的に膨張チャンバ１５１内に貯蔵されるガスの容積の指示である、ピストン１４９の位置を感知する。ピストン１４９がガスによって上方に駆動されると、その時点で、制御装置２１１は、チャンバ１５１が概ね満杯であることを示すまでピストンがほぼ移動したことを感知し、弁１４５が閉じられ、弁１５３が開かれ得る。ピストン１４９は、制御装置２１１とともに組み込まれるアクチュエータによって駆動されて、チャンバ１５１の容積を低減させ、チャンバ１４７の中のガスを、弁１５３を通して、カソード１３２に至る入口１６１に戻す。

【0024】

全般的に、冷却水からガスを除去し、該ガスを燃料電池に戻して使用する、いくつかの実施例が開示されてきた。この様式では、いかなる排気物の排出も必要とされない。

【0025】

燃料は、除去されたガスの一部として同伴させることができ、その意味において、ガスは、カソードに「戻される」のではなく、代わりに、カソードに送られることを理解されたい。それでも、除去された酸素は、カソードに戻される。本開示は、除去したガスをカソードに送ることを示すが、ある用途では、除去したガスをアノードに送ることができることを理解されたい。

【0026】

本発明の一実施例を開示してきたが、当業者は、ある程度の修正が本発明の範囲内にあることを認識するであろう。そのため、以下の特許請求の範囲は、本発明の真の範囲および内容を決定するために、検討されるべきである。
なお、好ましい燃料電池について、以下に記載する。
好ましい燃料電池は、
膜によって分離されたアノードおよびカソードと、
前記アノードに亘って燃料を流すための燃料供給源、およびカソードに亘って流すための酸素含有ガス供給源と、
冷却水回路であって、アキュムレータと関連付けられ、また、前記カソードを冷却するように、そして、前記カソードからの前記冷却水を前記アキュムレータに戻すように、冷却水を供給する冷却水回路と、
前記アキュムレータに戻されている前記水から同伴ガスを除去し、前記除去したガスを前記カソードおよび前記アノードのうちの少なくとも１つに送るためのシステムと、
を備える。
好ましくは、前記カソードおよび前記アノードのうちの前記少なくとも１つは、前記カソードである。
好ましくは、前記システムは、ガスを除去して前記酸素含有ガスの入口に戻すように、前記アキュムレータを通過する前記酸素含有ガスのための酸素含有ガス戻り管路を含む。
好ましくは、分離装置プラグが、前記アキュムレータ上に配置され、水が前記アキュムレータを出るときに、前記酸素含有ガス戻り管路から水を除去する。
好ましくは、水分離装置が、前記除去されたガスが前記カソードに送られる前に、水と同伴ガスとを分離する。
好ましくは、水および同伴ガスが、前記酸素含有ガスの入口に戻され、前記水は、ウィック層を横断して分離されて前記冷却水回路の中へ戻ることが可能であり、前記同伴ガスは、前記カソードで使用される。
好ましくは、前記アキュムレータは、タップ管路を通して膨張チャンバと連通し、よって、前記ガスは、前記膨張チャンバを膨張させ、前記膨張チャンバには、制御装置が設けられ、よって、前記膨張チャンバが所定の容積に到達したときに、前記膨張チャンバに、その容積を低減させ、そして、同伴ガスを前記カソードおよび前記アノードのうちの前記少なくとも１つに戻させる。
好ましくは、第１の弁が、前記膨張チャンバの上流かつ前記タップ管路上に配置され、第２の弁が、前記膨張チャンバデバイスの下流かつ前記カソードおよび前記アノードのうちの前記少なくとも１つへの管路上に配置され、前記膨張チャンバが前記所定の容積に到達するまで、前記第１の弁が開かれ、前記第２の弁が閉じられ、その後、前記同伴ガスを駆動するために、前記第１の弁が閉じられ、次いで、前記第２の弁が開かれ、よって、前記膨張チャンバの容積が低減される。
また、好ましい、水中用途で使用するための輸送装置について、以下に記載する。
好ましい、水中用途で使用するための輸送装置は、
前記輸送装置には、燃料電池が設けられ、
前記燃料電池は、膜によって分離されたアノードおよびカソードと、前記アノードに亘って燃料を流すための燃料供給源、およびカソードに亘って流すための酸素含有ガス供給源と、冷却水回路であって、アキュムレータと関連付けられ、また、前記カソードを冷却するように、そして、前記カソードからの前記冷却水を前記アキュムレータに戻すように、冷却水を供給する冷却水回路と、前記アキュムレータに戻されている前記水から同伴ガスを除去し、前記除去したガスを前記カソードに戻すためのシステムと、を備える。
好ましくは、前記システムは、前記ガスを除去して前記酸素含有ガスの入口に戻すように、前記アキュムレータを通過する前記酸素含有ガスのための酸素含有ガス戻り管路を含む。
好ましくは、分離装置プラグが、前記アキュムレータ上に配置され、水が前記アキュムレータを出るときに、前記酸素含有ガス戻り管路から水を除去する。
好ましくは、水分離装置が、前記除去されたガスが前記カソードに戻される前に、水と同伴ガスとを分離する。
好ましくは、水および同伴ガスが、前記酸素含有ガスの入口に戻され、前記水は、ウィック層を横断して分離されて前記冷却水回路の中へ戻ることが可能であり、前記同伴ガスは、前記カソードで使用される。
好ましくは、前記アキュムレータは概ね水で満たされる。
好ましくは、前記アキュムレータは、タップ管路を通して膨張チャンバと連通し、よって、前記ガスは、前記膨張チャンバを膨張させ、前記膨張チャンバには、制御装置が設けられ、よって、前記膨張チャンバが所定の容積に到達したときに、前記膨張チャンバデバイスに、その容積を低減させ、そして、同伴ガスを前記酸素含有ガスの入口に戻させる。

【符号の説明】

【0027】

１７…システム
２０…燃料電池
２２…輸送装置
２４…アノード
３２、１３２…カソード
３４…酸素タンク
４２、１４２…水アキュムレータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】