JP2005524218A - 燃料電池スタックの作動範囲を拡張するための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 本装置及び方法は、燃料電池スタックにおいて、適切な圧力低下、十分な速度及び各電池の反応濃度を維持するため、燃料電池スタック内の流れ経路を、反応ガスのスループットに応じて再構成することを可能にするため提供される。

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、より詳しくは、燃料電池スタックの作動範囲を拡張するための装置及び方法に関する。

燃料電池は、多くの用途で電源として使用されてきた。例えば、燃料電池は、内燃エンジンを代用するため車両の電力プラントで使用することが低何されてきた。陽子交換膜（ＰＥＭ）型式の燃料電池では、水素が燃料電池のアノードに供給され、酸化がカソードに酸化剤として供給される。典型的なＰＥＭ年及びその膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）は、１９９３年１２月２１日に発行された米国特許番号５，２７２，０１７号と、１９９４年５月３１日に発行された５，３１６，８７１号と、に記載されており、これらの特許はジェネラル・モーターズ・コーポレーションに共有譲渡されている。ＭＥＡは、その表面の一方にアノード触媒を有し、その反対側面にカソード触媒を有する薄い陽子透過性の非電動固体ポリマー電解質膜を備える。

「燃料電池」という用語は、典型的には、それが使用される状況に依存して、単一の電池又は複数の電池（スタック）のいずれかに言及するため使用されている。複数の個々の電池は、燃料電池スタックを形成するため一緒に束ねられている。スタック内部の各々の電池は、その電圧を増加させる膜電極アッセンブリを備える。スタック内の多数の電池の典型的な配列は、ジェネラル・モーターズ・コーポレーションに譲渡された米国特許番号５，７６３，１１３号に説明されている。

ＭＥＡを挟んでいる導電要素は、夫々のカソード及びアノードの表面に亘って燃料電池ガス反応物を分布させるため、その面にチャンネル又は溝のアレイを形成している。燃料電池スタックでは、複数の電池が、ガス不浸透性の導電二極式プレートによって隣接する電池同士が分離されている状態で、電気的に直列に積み重ねられている。燃料電池スタックの二極式プレートは、約１０：１の実用的な容積流れターンダウン比の能力を有する。この限界は、入口圧力を減少させ、スタックのスループットが減少するときに化学量論通りの比率を増大させることにより、部分的に解決に取り組むことができる。約３の圧力ターンダウン比及び低流量アノード理論値４の場合、約１２０：１のスタックターンダウン比となることを理解することができる。残念ながら、より高い入口圧力（高いスループットで）及び／又はより高い化学量論通りの反応物（低いスループットで）では、より寄生的な損失を負わなければならず、よって、システム効率を低下させる。スタック内の各々のあらゆる電池への反応物の分布は、入口ポートマニホルド及び出口マニホルドの間で圧力低下を提供することにより達成される。この圧力低下は、当該流れを、電池の全てに亘ってより均一に分布させる。
米国特許番号５，２７２，０１７号 米国特許番号５，３１６，８７１号 米国特許番号５，７６３，１１３号

従って、スループットを変化させるため各電池において十分な速度及び反応物の濃度を提供しつつ、理に適った圧力低下を維持するシステムを提供することが望ましい。

本発明は、燃料電池スタックの一部分を直列に配列し、スタックの流れ経路を、流れのスループットに応じて再構成することを可能にし、それにより各電池において十分な速度及び反応物の濃度を提供しつつ、理に適った圧力低下を維持するようにしたものである。バルブのアレイが燃料電池スタックのアノード及び／又はカソードのマニホルドの内部に設けられており、これらのバルブは、スタックのスループットが変化するとき、スタックの電池を通る各々のガス流れ経路を変更させる仕方で開閉する。スタックのスループットに関して流れ経路を変更させることは、チャンネルが水を回避した状態を維持するのに十分に高くガス速度を維持することにより作動範囲を改善すると共に、低速流れでは流れ分布を維持するため十分な圧力低下を提供し、高速流れでは圧力低下が過度にならないように十分な流れ面積を提供することができる。

本発明の用途の更なる領域は、以下で提供される詳細な説明から明らかとなろう。詳細な説明及び特定例は、本発明の好ましい実施例を示しているが、開示するという目的だけのため与えられたものであり、本発明の範囲を限定するものではないことが理解されるべきである。

本発明は、詳細な説明及び添付図面からより完全に理解することができるであろう。

好ましい実施例の次の説明は、本質上単なる例示であり、本発明、その用途又は使用法を限定するものではない。
図１を参照すると、燃料電池スタック１０は、概略的な斜視図として示されている。幅広く考えると、改質物１２及び空気１４は、燃料電池スタック１０に分配され、酸素が抜き取られた空気１６と水素流出物１８とがスタック１０から排出される。概要では、スタック１０は、複数の膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）２０を備え、各アッセンブリは、複数の二極式プレート２２の間に配置されている。当該技術分野で知られているように、スタック１０は、複数のガス分布層と、複数のアノードマニホルドと、複数のカソードマニホルドと、複数の冷却剤マニホルドと、上側及び下側端部プレートと、を備え、それらは全て積み重ねられた関係で配列されている。連続したＭＥＡ及び二極式プレートの組み合わせは、燃料電池スタック１０のための所望の電圧出力を提供するため繰り返される。当該技術分野で知られているように、各々のＭＥＡ２０は、薄い陽子透過性の非導電性固体ポリマー電極の形態の膜を備える。アノード触媒層は、当該膜の一つの面に形成され、カソード触媒層は、当該膜の第２の面に形成される。二極式プレート２２は、対応するアノード及びカソード触媒層の面に亘って分配されるべき反応ガスのための通路を形成する。

図２乃至図７を参照して、本発明の第１の実施例を説明する。図２乃至図４は、複数の燃料電池及び複数の二極式プレートが積み重ねられた形態で配列された燃料電池スタック３０の概略表現である。例えば、アノード又はカソードガスマニホルド３６、３８等の反応ガスマニホルドは、燃料電池スタック２０の両側に提供される。上流の反応ガスマニホルド３６は、内部に配置されたロータリーセクターバルブ４０を備え、下流の反応ガスマニホルド３８も内部に配置されたロータリーセクターバルブ４２を備える。図２乃至図５に示されるように、ロータリーセクターバルブ４０、４２は、燃料電池スタックを通した流れ経路の形態を変えることができる。特に、ロータリーセクターバルブ４０、４２は、図６、７Ａ及び７Ｂに示されるように、４つのセクターＡ−Ｄが設けられ、その各々が、異なる経路に沿って反応ガス流れを差し向ける異なる仕切り構成が設けられている。図２に示されるように、バルブ部材４０，４２のセクターＡが完全に開き、よって、空気が、マニホルドチャンバー３６の一方の端部から他方の端部へと流れ、燃料電池スタック内のガス流れを通って下流のマニホルドチャンバー３８へと至り、直接、排気通路５２から直接出て行くことを可能にする。図３に示されるように、ロータリーセクターバルブ部材４０、４２のセクターＢは、図３に示されるように、燃料電池スタックを通して３つのパスの直列状流れ形態で反応ガスの流れを差し向ける単一の仕切り部５４が設けられている。

ロータリーセクターバルブ部材４０，４２のセクターＣは、図４に示されるように、２つの仕切り部５４が各々設けられ、燃料電池スタックを通して５つのパスを提供する直列状流れ経路配列を形成する。図５に示されるように、ロータリーセクターバルブ部材４０、４２は、燃料電池スタックを通過する、７つのパス直列状流れ経路配列を提供する、３つの区画部材５４が各々形成される。図２乃至図５に示されるように、ロータリーセクターバルブ構成を、アノードガスマニホルド及びカソードガスマニホルドの両方に形成することができる。ただし、これらの図面中には、図示の目的のため、ロータリーセクターバルブは、マニホルドのうち一方のみしか示されていない。

ロータリーセクターバルブ部材４０、４２は、ロータリーセクターバルブ４０、４２の位置を調整するため作動されるモーター５６等のアクチュエータ機構が設けられている。アクチュエータ、例えばモーター５６は、燃料電池通路を通過する反応ガスの検出されたスループットレベルに応答して、中央処理ユニット５８により作動されてもよい。一例としての実施例では、反応ガスのスループットを監視することができ、適切な流れ経路配列を検出されたスループット流れ体積に基づいて中央処理ユニット５８により選択することができるように、体積流れセンサー６０を、中央処理ユニット５８と連通させて設けることができる。代替の方法は、燃料電池スタック３０を横切る圧力低下に基づいて中央処理ユニット５８により適切な流れ経路配列を選択することができるように、燃料電池３０の入口及出口に各々設けられたセンサー６２、６４を介して圧力低下を検出するための圧力低下検出システムを使用してもよい。図２乃至図７Ｂに開示された発明は、燃料電池スタックに亘る圧力低下が、各電池で十分な速度及び反応物濃度を提供しつつ、理に適った状態を維持するように、反応ガススループットに応じてスタック流れ経路を再構成することを可能にする。

ロータリーセクターバルブ４０、４２の選択的な回転は、スタックの電池を通した夫々のガス流れ経路を変更させ、スタックのスループットの変化をもたらす。スタックのスループットに関して流れ経路形態を変えることは、チャンネルが水を回避する状態を維持するためガスの速度を十分に高く保つことによって、その作動範囲を改善することができる。バルブ４０、４２は、各流れ経路形態のための適切な接続部を提供するため一斉に回転する。ＤＣモーター５６が図示されたが、例えば、多位置回転式ソレノイドや他の既知の電気式、電子機械式、機械式、液圧式及び空気作用式のアクチュエータ等、他の作動装置も利用することができる。

本発明の代替実施例が図８乃至図１１に示されている。図示の実施例では、二極式プレート２２が、燃料電池２０の間に配置されている（概略的に示されている）。例を図示するという目的のため、第４の二極式プレート２２’の全てがバルブプレート２２’としても機能する。一連の燃料電池２０及び二極式プレート２２の間に設けられた各バルブプレート２２’は、燃料電池区分７０ａ〜７０ｆを形成する。燃料電池は、入口マニホルドチャンバー３６と、出口マニホルドチャンバー３８とが設けられている。二極式／バルブプレート２２’の各々は、入口マニホルドチャンバー３６内に配置されたバルブ部材７２ａ〜７２ｅと、出口マニホルドチャンバー３８内に配置されたバルブ部材７４ａ〜７４ｅとが設けられている。バルブ部材７２ａ〜７２ｅ、７４ａ〜７４ｅは、燃料電池区分７０ａ〜７０ｆを通した所望の流れ経路形態を生成するパターンで開閉するように作動される。

図８に示されるように、従来の流れ経路形態は、バルブ部材７２ａ〜７２ｅ、７４ａ〜７４ｅの全てを開位置のままにしておくことにより、提供される。入口ガスの初期の流れを燃料電池区分７０ａ、７０ｂを通して差し向け、次に、燃料電池区分７０ｃ、７０ｄを通して戻るように流れさせ、該区分では流れが燃料電池区分７０ｅ、７０ｆを通して再循環され、そして排気通路７８を通って外部に出て行くように差し向けるため、入口マニホルドチャンバー３６内のバルブ部材７２ｂと、出口マニホルドチャンバー３８内のバルブ部材７４ｄとを閉じることにより、図９に示されるように、３つのパスの直列状の流れ経路形態を得ることができる。

図１０に示されるように、バルブ７２ｃ及びバルブ７４ｅを閉じることにより、３パス流れ経路形態が得られる。当該形態では、流れは、最初に３つの燃料電池区分７０ａ〜７０ｃを通って流れ、２つの燃料電池区分７０ｄ、７０ｅを通って戻るように逸らされ、次に一つの燃料電池区分７０ｆを通って戻るように逸らされる、この流れ形態は、最初に燃料電池区分７０ａ〜７０ｄに入るよりリッチな燃料電池が、初期の燃料電池区分を通ってよりゆっくりと流れ、反応ガスが抜き取られるにつれて、下流の燃料電池区分を通って流れ速度が増大することを可能にする。

図１１に示されるように、バルブ７２ｂ、７４ｂ、７２ｄ及び７４ｅを閉じることにより、５つのパスの流れ経路形態が形成される。この流れ経路形態では、入口流れが７０ａ及び７０ｂで燃料電池区分を最初に通過し、それらは、出口マニホルドチャンバー３８で逸らされ、燃料電池区分７０ｃを通って戻り、反応ガスが入口マニホルドチャンバー３６から再指向され、燃料電池区分７０ｄを通って戻る。反応ガスは、出口マニホルド区分３８で再び逸らされ、燃料電池区分７０ｅを通って戻り、反応ガスは、入口マニホルドチャンバー３６で逸らされ、最後の燃料電池区分７０ｆを通って戻り、排気通路７８を通って出て行く。上記例から理解することができるように、多数の異なる流れ経路形態を、燃料電池区分７０ａ〜７０ｆを通る選択的方向に流れを向けるため、異なるバルブ部材７２ａ〜７２ｅ、７４ａ〜７４ｅの選択的操作により得ることができる。バルブ７２、７４は、任意の既知の形態を取り得、機械式、電子機械式、液圧式、又は、空気圧機構により作動させることができる。

本発明の説明は、その本質上、単なる例示にしか過ぎず、よって、本発明の要旨から逸脱しない変更は、本発明の範囲内にあることが意図されている。そのような変更は、本発明の精神及び範囲からの逸脱とはみなすべきではない。

図１は、本発明の原理に係る燃料電池スタックの概略斜視図である。 図２は、単一の通過流れ位置で提供されたロータリーバルブシステムを有する一例としての燃料電池スタックの概略断面図である。 図３は、流れの配列が、直列に接続された燃料電池を通して反応ガスの３つのパス形態を与える状態で示された、図２の一例としての燃料電池スタックの概略断面図である。 図４は、流れの配列が、直列に接続された燃料電池を通して反応ガスの５つのパス形態を与える状態で示された、図２の一例としての燃料電池スタックの概略断面図である。 図５は、流れの配列が、直列に接続された燃料電池を通して反応ガスの７つのパス形態を与える状態で示された、図２の一例としての燃料電池スタックの概略断面図である。 図６は、図２乃至図５に示された実施例で利用されるロータリーバルブ部材の端面図である。 図７Ａ及び図７Ｂは、図２乃至図５の実施例で利用されるロータリーセクターバルブの両側から眺めた斜視図である。 図８は、燃料電池スタックの選択された二極式プレートが、所望の流れ経路を生成するパターンで開閉するように作動されるゲートバルブが備え付けられたところの、本発明の第２の実施例の概略図であって、１つのパス形態を提供する図である。 図９は、燃料電池スタックの選択された二極式プレートが、所望の流れ経路を生成するパターンで開閉するように作動されるゲートバルブが備え付けられたところの、本発明の第２の実施例の概略図であって、３つのパス形態を提供する図である。 図１０は、燃料電池スタックの選択された二極式プレートが、所望の流れ経路を生成するパターンで開閉するように作動されるゲートバルブが備え付けられたところの、本発明の第２の実施例の概略図であって、流れ経路が始まるところから終わるところまで狭くなる３つのパス形態を提供する図である。 図１１は、燃料電池スタックの選択された二極式プレートが、所望の流れ経路を生成するパターンで開閉するように作動されるゲートバルブが備え付けられたところの、本発明の第２の実施例の概略図であって、５つのパス形態を提供する図である。

Claims (28)

1. 燃料電池スタックであって、
   積み重ねられた関係で提供された複数の燃料電池と、
   前記複数の燃料電池の間で配置された複数の反応ガス通路と、
   前記複数の反応ガス通路と連通したマニホルドシステムであって、前記複数の反応ガス通路を通した代替の流れ経路配列を提供するように調整可能である、流れ制御機構を備える、前記マニホルドシステムと、
   を備える、燃料電池スタック。
2. 前記流れ制御機構は、前記マニホルドシステムに配置された少なくとも１つのバルブ部材を備える、請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記少なくとも１つのバルブは、前記マニホルドシステムに配置された複数のバルブを含む、請求項２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記マニホルドシステムは、上流アノードガスマニホルド及び下流アノードガスマニホルドの両方を含む、請求項１に記載の燃料電池スタック。
5. 前記流れ制御機構は、前記上流アノードガスマニホルド及び前記下流アノードガスマニホルドに少なくとも１つのバルブを備える、請求項４に記載の燃料電池スタック。
6. 前記少なくとも１つのバルブ部材は、複数のバルブを含んでいる、請求項５に記載の燃料電池スタック。
7. 前記少なくとも１つのバルブ部材は、ロータリーバルブである、請求項２に記載の燃料電池スタック。
8. 前記少なくとも１つのバルブ部材は、ゲートバルブである、請求項２に記載の燃料電池スタック。
9. 前記少なくとも１つのバルブ部材を開閉するため前記少なくとも１つのバルブ部材に接続されたアクチュエータ装置を更に備える、請求項２に記載の燃料電池スタック。
10. 前記流れ制御機構は、代替の直列流れ経路配列における前記複数の反応ガス通路のうち異なる通路を接続するため、前記反応ガス通路を通した流れを逸らすことができる、請求項１に記載の燃料電池スタック。
11. 前記代替の直列流れ経路配列は、少なくとも３つの代替直列流れ経路配列を含む、請求項１０に記載の燃料電池スタック。
12. 前記マニホルドシステムは、上流アノードガスマニホルド及び下流アノードガスマニホルドの両方を含む、請求項１に記載の燃料電池スタック。
13. 前記流れ制御機構は、前記上流アノードガスマニホルド及び前記下流アノードガスマニホルドに少なくとも１つのバルブを備える、請求項１２に記載の燃料電池スタック。
14. 前記少なくとも１つのバルブ部材は、複数のバルブを含んでいる、請求項１３に記載の燃料電池スタック。
15. 前記燃料電池の反応ガススループットレベルを検出するための手段と、
    検出された反応ガススループットレベルに応答して前記流れ制御機構を制御するための制御プロセッサと、
    を更に備える、請求項１に記載の燃料電池スタック。
16. 複数の燃料電池を含む燃料電池スタックの作動範囲を拡張するための方法であって、該燃料電池スタックは、前記複数の燃料電池に反応ガスを供給するため該複数の燃料電池の間に延在する複数のガス通路と、該複数のガス通路に反応ガスを供給するためのマニホルドシステムと、を有するものであり、
    前記方法は、
    前記複数のガス通路を通して第１の流れ形態を提供し、
    前記第１の流れ形態を通して反応ガスを導入し、
    前記第１の流れ形態を通過した反応ガスのスループットを検出し、
    前記第１の流れ形態を通過した反応ガスの検出されたスループットの変化に応じて、前記複数のガス通路を通して第２の流れ形態を提供する、各工程を備える、方法。
17. 前記複数の通路は、アノードガス通路である、請求項１６に記載の方法。
18. 前記複数のガス通路は、カソードガス通路である、請求項１６に記載の方法。
19. 前記第１及び第２の流れ形態のうち少なくとも１つは、前記複数のガス通路のうち幾つかを直列に連通させることにより提供される、請求項１６に記載の方法。
20. 燃料電池スタックであって、
    複数の燃料電池アッセンブリであって、各アッセンブリは、第１の面にアノード触媒を備え、第２の面にカソード触媒を備える、前記複数の燃料電池アッセンブリと、
    前記複数の燃料電池アッセンブリの前記第１の面に隣接して配置された複数のアノードガス通路と、
    前記複数の燃料電池アッセンブリの前記第２の面に隣接して配置された複数のカソードガス通路と、
    前記複数のアノードガス通路と連通するアノードガスマニホルドと、前記複数のカソードガス通路と連通するカソードガスマニホルドと、を備えるマニホルドシステムであって、前記アノードガスマニホルド及び前記カソードガスマニホルドは、前記アノードガス通路と前記カソードガス通路とを通した流れ経路を変化させるように調整可能である流れ制御機構を各々備える、前記マニホルドシステムと、
    を備える、燃料電池スタック。
21. 前記流れ制御機構は、少なくとも２つの代替流れ経路の間の流れを逸らすため前記アノードガスマニホルド及び前記カソードガスマニホルドに配置された少なくとも１つのバルブ部材を備える、請求項２０に記載の燃料電池スタック。
22. 前記少なくとも１つのバルブは、前記アノードガスマニホルド及び前記カソードガスマニホルドに配置された、複数のバルブを含んでいる、請求項２１に記載の燃料電池スタック。
23. 前記マニホルドシステムは、前記アノードガスマニホルド及び前記カソードガスマニホルドを、上流及び下流の両方に各々備えている、請求項２０に記載の燃料電池スタック。
24. 前記流れ制御機構は、前記上流及び下流に備えられた、前記アノードガスマニホルド及び前記カソードガスマニホルドに少なくとも１つのバルブを備える、請求項２３に記載の燃料電池スタック。
25. 前記少なくとも１つのバルブ部材は、前記マニホルドシステムに配置された複数のバルブを備える、請求項２４に記載の燃料電池スタック。
26. 前記少なくとも１つのバルブ部材を開閉するため前記少なくとも１つのバルブ部材に接続されたアクチュエータ装置を更に備える、請求項２１に記載の燃料電池スタック。
27. 前記流れ制御機構は、代替の直列流れ経路配列において前記複数のアノードガス通路及び前記複数のカソードガス通路の異なる通路を接続するため、前記複数のアノードガス通路及び前記複数のカソードガス通路を通して流れを逸らすことができる、請求項２０に記載の燃料電池スタック。
28. 前記代替の直列流れ経路配列は、少なくとも３つの代替直列流れ経路配列を備える、請求項２７に記載の燃料電池スタック。

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