JP2002158024A - 電気化学エンジンのための水管理システム - Google Patents
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Abstract
への損傷を防止する。 【解決手段】 車両用の電気化学エンジン10は、液体
燃料を水素ガスの改質物に加工処理するように作動する
燃料プロセッサ14と、水素ガス改質物から電気を生成
し、その副産物として水蒸気を生成する燃料電池スタッ
ク24と、を含む。このエンジンの水管理システム20
は、副産物の水蒸気から液体水を再生するための凝縮器
32、及び、該再生された水を貯蔵するための水タンク
18を備える。水ポンプ34は、該水タンク18から燃
料プロセッサ14へ水を循環させる。排液バルブ46
は、水タンク18内の水が凍結することを避けるため該
水タンクから該凍結タンク44へ水を放出するように開
放作動可能である。
Description
ンジンのための水管理システムに関する。
み込まれ、よりいっそう厳しくなる様々な環境条件の下
で、それを作動させるための効率的な方法が開発されて
きた。電気化学エンジンは、水素ガス及び酸素を燃料電
池スタックに入力し、主要な副産物として水蒸気及び熱
を伴いながら、化学的エネルギーを電気に転化させるこ
とによって作動する。水素が車両上に搭載されていない
場合、燃料プロセッサは、例えばガソリン、ディーゼル
又はメタノールなどの液体燃料を部分的に酸化させて水
素ガスを生成するように作動する。燃料プロセッサ全体
の効率を向上させるために、燃料プロセッサは、蒸気改
質器としても作動し、水を用いて燃料を処理すること
は、空気だけで燃料を処理することよりも本質的に効率
が高い。蒸気改質は、部分酸化よりも水分子からより多
くの水素を開放する。一般には、蒸気改質用の水は、エ
ンジン作動中に取り戻すことができるが、水はエンジン
始動には利用可能ではない。水無しでエンジン始動を開
始することは、特に熱い環境下では非効率的である。燃
料プロセッサは、作業窓に炭素形成を避けるためには、
水無しで制御することはさらに困難である。
確実に提供するために、燃料電池スタックからの副産物
である水蒸気を、凝縮器を通して冷却して液体水を再捕
獲し、それを将来のエンジン始動に備えてリザーバーに
蓄えておくことができる。
ことは、凍結という懸念事項を生じさせ、これは、更
に、例えばセンサー、バルブ及びポンプなどの関連する
水供給構成要素に損傷を与える可能性がある。使用され
る燃料が例えばメタノールである場合、凍結という懸念
事項は問題ではなくなる。水及びメタノールが非凍結混
合物を形成するように混合するからである。この解決法
は、水と均一の非凍結混合物を自然には形成しないガソ
リン型の燃料では機能しない。水は、界面活性剤が使用
される場合には、ガソリンと均一混合物を形成するよう
に混合することができる。しかし、残念ながらほとんど
の界面活性剤は、燃料設備にコスト及び複雑さを追加
し、燃料プロセッサの性能に影響を及ぼす。
る代替の解決法は、温度が氷点に達した状態で車両エン
ジンをオフにしたとき水を放出させることである。この
解決法の欠点は、水を放出することが、ガレージ又は他
の駐車場内に氷のプールを形成する危険性を引き起こす
可能性があるということである。
える温度に維持するための断熱技術の使用である。
ム、及び、電気化学エンジンで該水管理システムを作動
させるための方法に関する。本水管理システムは、燃料
電池スタックの排気物から水を再生するための凝縮器
と、該再生水を貯蔵するための水タンクと、を備える、
再生水は、エンジン始動時及びエンジン効率を改善する
ための通常のエンジン作動の間に燃料プロセッサにポン
プ出力される。水タンク内の水を凍らせる温度が差し迫
っている場合、バルブは、水が安全に凍結することがで
きる凍結タンクに水を放出するように開く。水タンクか
ら水を取り除くことは、連係する水システムの構成要素
を凍らせる危険性を最小にする。電気化学エンジンから
の高温排気物又は冷却液の流れは、凍結タンクの回りを
通過させられ、凍った水をゆっくりと解かす。更に加え
て、又は、その代わりに、車両が移動している間、解け
た液体を道路上にゆっくりと排液してもよい。
の温度に対してエンジンの始動時に容易に利用すること
ができる水を持つことによってかなりの効率が得られる
という利点を奏する。氷点より低い温度で、エンジンが
水無しで始動したとしても、凝縮器は、そのような低い
温度でも効率的に機能し、燃料プロセッサに供給するた
めの液体水を迅速に形成する。
を添付図面を参照して説明する。電気化学エンジン(E
CE)は、水素ガス及び酸素が与えられた燃料電池スタ
ック内で電気を生成するように作動する。燃料電池スタ
ックのための水素ガスは、車両上で生成することができ
る。本方法は図1を参照して説明される。
等の液体燃料は、車両に搭載された燃料タンク12に貯
蔵されている。燃料は、ECE10において燃料プロセ
ッサ14に供給される。燃料プロセッサ14は、部分酸
化用の空気コンプレッサ16からの圧縮空気と、利用可
能であるならば蒸気改質用の水タンク18からの水と、
を受け取る。燃焼器22は、熱を発生し、該熱を燃料プ
ロセッサ14に供給し、そこで、燃料プロセッサは、該
燃料を部分酸化し改質して、水素を含む改質物を生成す
る。水が利用可能である場合、燃料プロセッサ14は、
燃料の一部分を改質して、追加の水素を生成する。水を
存在させることは、メタン、並びに、すす及び炭素など
の固体副産物が形成される可能性を減少させる。改質物
中で残余の一酸化炭素を減少させるため、燃料プロセッ
サ14は、1つ又はそれ以上の一酸化炭素減少反応器を
更に備え、これらの反応器では、残余の一酸化炭素は水
と結合して二酸化炭素及び水素を生成する。燃料プロセ
ッサ14は、残余の一酸化炭素が空気コンプレッサ16
からの空気を使用して酸化される一酸化炭素浄化反応器
を更に備える。改質物が燃料電池スタック24に配給さ
れる前に冷却が必要な場合には、改質物は、冷却器も通
過させられる。
め、水素を含む改質物が圧力印加の状態で該スタックに
配給される。燃料電池スタック24は、当該技術分野で
知られているように、個々の両極性燃料電池プレートか
らなる積層体である。水素を含むガスは、図示しないア
ノードを通って供給され、正に帯電した水素イオンを形
成する。これと共に、空気コンプレッサ16及びオプシ
ョンのカソード加湿器28が、燃料電池プレート26の
図示しないカソードに加湿された酸化剤を供給する。カ
ソードは、電解質によりアノードから隔てられる。加湿
器28が使用された場合、それは、水タンク18から水
を受け取る。水素及び酸素を当該技術分野で知られた態
様で電気化学的に処理することによって、電気が燃料電
池スタック24内で生成される。生成された電気は、駆
動システム及び補助車両装置にパワーを供給することが
できる。
及び排気ガスを生成する。熱を管理するため、ECE1
0は、燃料電池スタック24を通して低温エンジン冷却
液を循環させ、該スタックから消費熱を移送するための
主要冷却液回路29を備える。
ク24は、アノードから、メタン、未消費の水素、二酸
化炭素、窒素及び水を排気し、カソードから、未消費の
酸素、窒素及び水を排気することができる。排気流れ
は、望ましくない排気成分を消費し、燃料プロセッサ1
4のための熱を生成するという二重の機能を提供するた
め燃焼器22を通して回送される。燃焼器22から流出
した、湿った排気流れは、酸素、窒素、二酸化炭素及び
水を含み、液体水を再生するため凝縮器32を通過する
ように差し向けられ、最終的に、車両から排気される。
その代わりに、燃料電池スタック24からの排気流れ
は、最初に凝縮器32を通され、車両から出る前に燃焼
器22へと回送されてもよい。
水を再生するための凝縮器32、再生された水を貯蔵す
るための水タンク18、及び、タンク18から燃料プロ
セッサ14へ水をポンプ出力するための水ポンプ34を
含む水管理システム20を更に備える。再生水は、EC
Eの始動時及びエンジン効率を改善するため通常のEC
E作動の間に燃料プロセッサ14にポンプ出力される。
水を用いて燃料を処理することは、空気のみで燃料を処
理するよりもより多くの水素を解放するからである。更
に、燃料電池スタック24の形状に応じて、水は、アノ
ード及び/又はカソードへの入力物を加湿するため使用
されてもよい。
最小にするため水タンク18を氷点下を超える温度に維
持することを試みる手段を設けることができる。一つの
手段は、水タンク18の回りに断熱材40を提供するこ
とである。第2の手段は、ECE10が作働していない
ときでさえバッテリーから小電流が引き出すことができ
る場合には、水タンク18の壁を通して又は水自体に、
小さい抵抗エレメント42を走らせることである。
度に維持するための手段が、例えば非常に低温度の場
合、又は、バッテリーが完全に放電された場合などで不
充分になったとき、水管理システム20は、貯蔵された
水を、水タンク18から凍結タンク44と称される貯蔵
タンクに撤退させる能力を提供する。凍結タンク44及
び排液バルブ46は、水ポンプ34の凍結を防止するた
めのフェールセーフとして機能する。排液バルブ46
は、水タンク中の水が凍結する温度が差し迫っている場
合に、水タンク18から排液ライン48を通って凍結タ
ンク44に水を解放させるように開口する。逆止バルブ
50は、排液バルブ46及び凍結タンク44の間の排液
ライン48に配置されてもよい。水は、例えば重力作用
又はそれをポンプ出力することによって、水タンク18
から撤退させることができる。水を水タンク18から取
り除くことは、連係する水ポンプ34を凍結させる危険
性を最小にする。凍結タンク44は、水タンク18内に
保持される可能性のある水の全てを、それが凍結すると
き、溢れ出したり破裂したりすることなく収容できるよ
うサイズが定められている。
が排液バルブ46において形成される可能性が存在す
る。このリスクの可能性は、排液ライン48及びバルブ
46を断熱することによって、又は、それを氷点を超え
る温度に保つようにバルブボディを通して低電流を流す
ことによって、減少させることができる。
は蒸気に変化させるための解凍手段を設けてもよい。そ
のような解凍手段の一つが、エンジン排気物を運ぶ排気
導管55に対して設けられ、図2に示されるように、こ
の排気導管55は、凍結タンクに隣接して、又は、凍結
タンク44を通して配設される。開いた凍結タンク44
が用いられる場合、エンジン排気物の流れは、氷をゆっ
くりと解かし、車両から出る前に排気物の流れへとそれ
を蒸発させるため、開いた凍結タンク上を直接通過させ
るようにしてもよい。図3に示された第2の解凍手段
は、凍結タンク44を通って又はそれに隣接して設けら
れた冷却液導管56を通して加熱エンジン冷却液を回送
する工程を含んでいる。冷却液導管56は、主要冷却液
回路29から分岐し、該回路では、冷却液分配バルブ5
7が燃料電池スタック24及び熱交換器30の間に配置
することができる。冷却液分配バルブ57は、例えばタ
ンク内に氷の蓄積が存在する場合など、冷却液が凍結タ
ンク44に流れる場合に制御される。
ク44内のバルブ開口52内に設けられた、例えばソレ
ノイドバルブなどのパージバルブ54を備えていてもよ
い。それにより、凍結タンク内に保持されて溶解した液
体は、パージバルブが開いたとき、ゆっくりと地面に放
出される。パージバルブ54は、ECE10が作動し、
車両が移動している場合にのみ開くように制御される。
これは、ガレージ床又は他の表面上にかなりの量の水が
排液されるという懸念事項を回避する。
動させる方法を説明する。全体目標は、効率的な始動及
びECE10の作動のため、水を凍らせることなく水管
理システム20内で容易に利用することができるよう、
その水を維持することである。排液バルブ46は、開口
用の温度作動型バルブとすることができ、これにより図
示しない監視された温度センサーが臨界的な温度より低
下する場合、排液バルブが開く。監視温度は、臨界温度
が0℃より低くなる場合には外部空気温度、又は、臨界
温度が僅かに0℃を超える場合には水タンク18の温度
とすることができる。排液バルブ46は、排液ライン4
8を介して凍結タンク44に僅かに加圧された水タンク
18から水を放出する。排液バルブ46は、幾つかの手
段により閉じることができる。例えば、排液バルブ46
は、一旦、水レベルセンサーが水タンク18が空である
ことを示した場合、又は、一旦、水タンク内の圧力が落
ち、大気圧で安定した場合、閉じることができる。排液
バルブ46は、ECE10がオフにされたときでさえ、
作動可能であることが重要である。これは、車両が数日
間に亘って作動していない状態のままであることを可能
とされる場合でさえ、水タンク18の排液を起こすこと
を可能にする。
するECE58を示し、これは以前に凍った水をECE
に戻すように再生及び再循環する追加の機能を提供す
る。図1と同様の構成要素は同じ参照番号が付与されて
いる。この例では、水管理システム20は、湿ったエン
ジン排気物から水を回復するための凝縮器32、回復さ
れた水を貯蔵するための一体形成水タンク60、及び、
水タンクから燃料プロセッサ14へ水をポンプ出力する
ための水ポンプ68を含む。一体形成水タンク60は、
燃料電池スタックの排気ガスから凝縮水を受け取り、こ
れを保持するための上側リザーバートレイ62を有す
る。上側リザーバートレイ62は、排液バルブ66を介
して、下側凍結リザーバーを画成する一体形成水タンク
60の底部63へ排液することができる。水ポンプ68
は、第1の水ライン70により上側トレイ62と流体連
通し、第2の水ライン72により、下側凍結リザーバー
64と流体連通している。第2の水ライン72は、下側
凍結リザーバー64から水ポンプ68への流れを制御す
るため制御バルブ74を備えてもよい。
凍結リザーバー64内に保持された氷を解凍するための
類似の手段を用いることができる。例えば、エンジン排
気ガスを運ぶ排気導管を、一体形成水タンク60の傍を
又は該タンクを通して配設してもよく、燃料電池で加熱
される冷却液を運ぶ冷却液導管を、タンクの傍を又は該
タンクを通して配設してもよく、或いは、小さい抵抗エ
レメントを、下側凍結リザーバー64を暖めるために使
用してもよい。
た水は、一体形成水タンク60の上側トレイ62に収集
される。排液バルブ66は、開口用の温度作動型バルブ
とすることができ、これにより温度センサーにより監視
された温度が臨界的な温度より低下する場合、前述した
実施形態で説明したように、排液バルブが開く。排液バ
ルブ66は、上側トレイ62から一体形成水タンク60
の底部63へ水を放出し、下側凍結リザーバー64に水
を収集し、凍結させる。全ての水が排液されたとき排液
バルブ66は閉じられる。ECEが始動し作動すると
き、水ポンプ68は、第1及び第2の両方の水ライン7
0、72から水を配給するため引き込むことができる。
その代わりに、水ポンプ68は、第1の水ライン70を
通して上側トレイ62から水を引き込むことを実行しな
いようにすることもできる。制御バルブ74が開いた場
合、水ポンプ68は、第2の水ライン72を通して、下
側凍結リザーバー64から水を引き込む。制御バルブ7
4は、下側凍結リザーバー64内に保持された氷が例え
ば温度センサーにより解凍したと示されたとき開放され
る。この一体形成水タンクの形状は、凍結が解凍したと
き上側トレイ62から排液された水が、後に燃料プロセ
ッサ14を通って再循環することを可能にする。
ロセスで排気された水を再生するための手段を提供し、
この水は効率を改善するため燃料プロセッサ内に再循環
することができる。水システムのポンプ及びバルブが貯
蔵水を凍結することによって害されないことを確実にす
るため、水管理システムは、水貯蔵タンクから水を安全
に凍結することができる第2のリザーバーに撤退させる
ための手段を提供する。この第2のリザーバー内の凍っ
た水は、電気化学的プロセスからの消費熱により解凍す
ることができ、液体水は燃料プロセッサへ再循環され
る。
は、図示及び説明の目的のため与えられた。それは、本
発明を網羅しているわけではなく、開示されたその正確
な形態に本発明を限定するものでもない。開示された実
施形態は、上記した教えに鑑みて変更することができる
ことは当業者には明らかであろう。上記実施形態は、本
発明の原理及びその実際の用途を説明するために選択さ
れ、これによって当業者が本発明を様々な実施形態で利
用することを可能にし、様々な変更が、考えられる特定
の使用法に適合される。従って、前述の説明は、限定的
というよりも例示として考えられるべきであり、本発明
の真の範囲は、請求の範囲内で説明されたものである。
ンを表す概略的なレイアウトである。
の概略的なレイアウトである。
の第2の概略的なレイアウトである。
なレイアウトである。
Claims (13)
- 【請求項1】 車両用の電気化学エンジンであって、 液体燃料を水素ガスの改質物に加工処理するように作動
する燃料プロセッサと、 前記水素ガス改質物から電気を生成し、その副産物とし
て水蒸気を生成する燃料電池スタックと、 前記副産物の水蒸気から液体水を再生するための凝縮
器、該再生された水を貯蔵するための水タンク、該水タ
ンクから前記燃料プロセッサへ水を循環させるための水
ポンプ、凍結タンク、及び、前記水タンク内の水が凍結
することを避けるため該水タンクから該凍結タンクへ水
を放出するように開放作動可能な排液バルブを備える、
水管理システムと、 を含む、電気化学エンジン。 - 【請求項2】 排気物を運ぶ排気導管であって、前記凍
結タンク中の氷を解かすため該排気物を該凍結タンクを
通して又は該タンクの回りに流すように配設される、前
記排気導管を更に含む、請求項1に記載の車両用電気化
学エンジン。 - 【請求項3】 燃料電池スタックで加熱された冷却液を
運ぶ冷却液導管であって、前記凍結タンク中の氷を解か
すため該冷却液を該凍結タンクを通して又は該タンクの
回りに流すように配設される、前記冷却液導管を更に含
む、請求項1に記載の車両用電気化学エンジン。 - 【請求項4】 前記凍結タンクは、該凍結タンクから解
けた氷を放出するように開放作動可能なパージバルブを
更に備える、請求項1に記載の車両用電気化学エンジ
ン。 - 【請求項5】 前記パージバルブは、前記エンジンが作
動し且つ前記車両が移動しているときのみ、開放作動可
能である、請求項4に記載の車両用電気化学エンジン。 - 【請求項6】 前記水タンクを氷点を超える温度に維持
するための手段を更に含む、請求項1に記載の車両用電
気化学エンジン。 - 【請求項7】 前記水タンクを氷点を超える温度に維持
するための手段は、該水タンクの回りに断熱手段を備え
る、請求項6に記載の車両用電気化学エンジン。 - 【請求項8】 前記水タンクを氷点を超える温度に維持
するための手段は、該水タンクの回りに抵抗エレメント
を更に備える、請求項7に記載の車両用電気化学エンジ
ン。 - 【請求項9】 車両用の電気化学エンジンであって、 液体燃料を水素ガスの改質物に加工処理するように作動
する燃料プロセッサと、 前記水素ガス改質物から電気を生成し、その副産物とし
て水蒸気を生成する燃料電池スタックと、 前記副産物の水蒸気から液体水を再生するための凝縮
器、及び、一体形成水タンクを備える水管理システムで
あって、該一体形成水タンクは、該凝縮器から凝縮水を
受け取り、これを貯蔵するための上側トレイ、該一体形
成水タンクの底部によって画成された下側凍結リザーバ
ー、該上側トレイ内の水の凍結を回避するため該上側ト
レイから該下側凍結リザーバーへ水を放出するよう作動
可能な排液バルブ、及び、前記燃料プロセッサへ水を循
環させるため、第1の水ラインにより該上側トレイと流
体連通し、且つ、第2の水ラインにより該下側凍結リザ
ーバーと流体連通する水ポンプを備える、前記水管理シ
ステムと、 を含む、電気化学エンジン。 - 【請求項10】 前記第2の水ラインは、前記水ポンプ
が前記下側凍結リザーバーから解けた氷を引き出すこと
を可能にするように作動可能な制御バルブを備える、請
求項9に記載の車両用電気化学エンジン。 - 【請求項11】 排気物を運ぶ排気導管であって、前記
一体形成水タンク中の氷を解かすため該排気物を該一体
形成水タンクを通して又は該タンクの回りに流すように
配設される、前記排気導管を更に含む、請求項9に記載
の車両用電気化学エンジン。 - 【請求項12】 エンジン冷却液を前記燃料電池スタッ
ク及び熱交換器を通して循環させるための主要冷却液回
路と、 前記主要冷却液回路からのエンジン加熱された冷却液を
運ぶ冷却液導管であって、前記一体形成水タンク中の氷
を解かすため該冷却液を該一体形成水タンクを通して又
は該タンクの回りに流すように配設される、前記冷却液
導管と、を更に含む、請求項9に記載の車両用電気化学
エンジン。 - 【請求項13】 エンジン加熱された冷却液を前記冷却
導管に差し向けるように作動可能である、前記主要冷却
液回路に設けられた冷却液分配バルブを更に含む、請求
項12に記載の車両用電気化学エンジン。
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