JP2006502553A - 燃料電池用のカスケード燃料入口マニホールド - Google Patents

Abstract

各段が、一対の対応するスロット（２４〜２６）内へ燃料の流れを均一に分割する、複数の段（１７〜２３）を有するカスケード領域（１５）の入口（１４）へ燃料が提供される。次いで流れは、カスケード出口ヘッダ（４０）の床面（４１）に亘って広がり、流れは、スロット間の領域内へ広がる。次いで流れは、燃料電池の燃料流れ区域（１２）の入口と流体連通する開いたキャビティ内へ導かれ、燃料流れ区域入口に均一かつ同時に到達する。

Description

本発明は、燃料の流れが、カスケード様式で連続して複数回、均一に分裂させられ、かつ、燃料電池スタックの燃料流れ区域入口の表面に亘って広げられ、それによって、燃料電池スタックの始動または過渡的運転中に、同時に個々の燃料電池燃料流れ区域全てへの燃料の均一な供給を保証する、燃料電池用の燃料入口マニホールドに関する。

流れの均一性を生成する従来の方法は主として、広い領域に亘って流れを広げるディフューザから、あるいは、スクリーンまたはオリフィス板などの制限装置から成る。前者は、コア流れの分離および「噴射（ｊｅｔｔｉｎｇ）」からの流れの不均一な分配を防止するために漸進的な拡張の必要があるので、体積上の不利益を被る。後者は、出口平面に亘って流れの再分配を強制し、また、非常に小型なものにできるとはいえ、許容できない圧力損がしばしば、必要な均一性を生成するのに必要となる。流れの許容できない不均一な分配は、入口流れ分配装置の出口平面を通る局所的な「噴射」からも生じ得るので、均一性を向上させるのに衝突板またはそらせ板が必要となる。これらの種類の設計は、設計点での流速においてのみ効果的になる傾向があり、広い範囲の流れに亘ってはよく機能しない。さらに、ディフューザ装置および制限型装置両方において、入口マニホールド出口平面全体に亘る入口流体要素の同時分配および供給の必要性は、入口導管から流体が最初に流れ区域の中心近くのマニホールド出口平面を横切るので、満足されない。例えば５０％の電力から１００％近くの電力まで電力を上昇させるといった過渡的状態の間に、燃料の流れが不均一な場合は、いくつかのセルが十分な燃料を得られずに、結果として、燃料電池スタックの性能が不十分（あるいは不適当）になる。

本発明の目的は、燃料電池スタック内の全ての燃料電池の流れ区域へ実質的に均一な燃料の流量を提供し、かつ、実質的に同時に燃料電池スタック内の各流れ区域へ実質的に均一な量の燃料を供給する、ＰＥＭ型燃料電池燃料入口の提供； 始動および他の過渡的燃料流れ状態中に、燃料電池スタックの全ての燃料流れ区域への実質的に等しい量の燃料の実質的に同時の提供； 向上した燃料電池スタックの耐久性； 向上した燃料電池の始動； 向上した燃料電池の過渡的応答； および、燃料電池スタック内の向上した燃料流れ分配を含む。

いくつかの等しい長さの通路内へ流れを分裂させる簡単な導管マニホールドが、出口平面に亘って種々の位置に流体を供給することにより、上述した流れの問題を部分的に解決でき、定常状態の条件では効果的になり得るとはいえ、このような装置は、体積上の不利益を有しており、細かな分配で流れを分配するのに極めて多数の脚部を有しないかぎり、局所的な「噴射」の問題を解決しない、という事実の認識に、本発明は部分的に基づいている。

本発明によれば、燃料電池の燃料入口流れ制御装置は、複数の別々の流れを提供するように、連続して数回、均一に燃料流れを分割し、次いで、燃料電池スタック内の全ての流れ区域への入口に亘って実質的に均一に燃料を分配するように、燃料の流れを広げ、それによって、燃料の流れの過渡現象が、始動および他の過渡的燃料流れ状態中に、実質的に同じ流量においてかつ実質的に同時に、スタック内の全ての燃料電池の燃料流れ区域に近づく。本発明の開示された実施態様においては、カスケード領域が、いくつかのレベルを備えており、燃料は、各レベルにおいて二つの別々の方向に分裂させられかつ流され、それによって、最初の単一の流れは、スロットなどのカスケード出口通路において複数の流れとなり、この数は、例えば、８または１６、または任意の他の適切な数である。この実施態様においては、カスケード出口スロット内の流れは、平らな表面上に衝突し、この平らな表面は、この平らな表面（この表面は、他の用途では、湾曲したものとすることができるであろう）に亘って均一に出口スロットから流れを導くのを助け、流れの方向は、燃料電池燃料流れ区域の入口の方へ向けられる。開いた燃料入口キャビティが、キャビティの範囲全体に同時に近づく燃料の均一な流れを受け取り、各燃料電池のための燃料流れ区域入口は、キャビティと流体連通しており、それによって、燃料流れの変化が、スタック内の全ての燃料電池の中への実質的に均一な流れで全ての燃料電池に同時に到達する。

本発明は、燃料の均一な分配によって、燃料電池スタックの通常の作動中の、特に燃料流れの過渡現象時の、性能も向上させる。

本発明の他の目的、特徴、および利点は、添付の図面に例示される、本発明の例示的な実施態様の以下の詳細な説明に照らして、より明らかになるであろう。

図１を参照すると、複数の燃料電池が、燃料電池スタック１１内に連続して配置される。各燃料電池は、燃料反応物ガスを受け取ってそれを各燃料電池全体に亘って分配する燃料流れ区域１２を有する。図１に例示される燃料流れ区域１２は、各燃料電池スタックの燃料流れ区域の一部のみを表すことができ、図１の右上への反転マニホールド（図示せず）が存在して、流れ区域１２を通って流れる燃料反応物ガスを受け取ることができ、また、各燃料電池に一つずつ付加的な燃料流れ区域が存在して、図１の例示された燃料流れ区域の下に配置でき、燃料は、そこから外部へと、図１の図面の左下へ配置された燃料出口マニホールド内へ流れる。燃料流れ区域の性質および燃料出口マニホールドの配置は、本発明にとって重要ではない。

図１において、燃料は、カスケード領域１５の入口１４を通って導入され、燃料は、従来の燃料導管により入口１４へと提供される。カスケード領域１５は、複数の段または平坦域（ｐｌａｔｅａｕ）１７〜２３を有し、これらの平坦域のそれぞれは、スロット２４〜２６などの一対の対応する通路で終わっている上面を有する。図１の小さな流れの矢印により示すように、カスケードの各平坦域１７〜２３上では、流れは、分裂し、それによって、その実質的に半分が、対応する平坦域の縁部におけるスロット２４〜２６のそれぞれの方へ流れることになる。これによって、流れは、図１に示されるようにカスケード領域１５の下の領域全体に亘って延在しかつ各スロット２６と流体連通する、カスケード出口ヘッダ４０の床面４１を含むカスケード出口表面に亘って広がる。

流れは、カスケード出口ヘッダ４０の床面４１の方へ下方へと導かれ、図２に例示するように、スロット間の領域内へ広がる。図２において、スロット２６の任意の一つに流入する流れは、広がって、図２に示されるように左右へ（図１に示される左上および右下へ）と流れ、さらに、図２の上方へ（図１に示される右上へ）、開いたキャビティ４６へと流れる。図３を参照すると、カスケード出口ヘッダ４０からの流れは、開いたキャビティ４６内へと右の方になる。流れは、開いたキャビティ４６（図３）に流入する間に、図１に示されるように左上から右下へと均一に分配される。次いで、流れは、流れ区域１２の下側流路に流入することになり、また、開いたキャビティ４６内で上方へと流れて流れ区域１２の上側流路に流入する。燃料の最初の流れが、カスケード領域、カスケード出口ヘッダ、および開いたキャビティ４６を通って流れ区域１２内へ流れる間に、流れは、図３の鎖線４９に示すように、多少、燃料／空気（または燃料／不活性ガス）界面を形成し得る。各燃料電池がそれ自体の流れ区域の全ての領域において同じ程度の燃料の浸透を有していないという事実は、重要ではなく、重要なことは、全ての燃料電池が任意の時点で（鎖線４９の界面によって例示されるものなどの）同じ程度の浸透を有すること、および、このような程度の燃料浸透が、全ての燃料電池において同時に生じることである。

図１において、カスケード領域１５内の最初の流れの分配が、複数回、流れを分裂させ、各経路は、長さおよび形状が等しく、それによって、流量および圧力降下が、実質的に同じであり、始動中の燃料／空気界面の到達時間または過渡的状態中の燃料流量の変化が、各カスケード出口スロット２６において実質的に同時である。図１に示されるカスケード領域１５の配置において、燃料流れの中の液体の水は、通路内で集まることができず、流れの断面に、従って流れの分布にむらを生成することができない。しかしながら、本発明の特定の利用において所望ならば、カスケード領域１５は、図１に示されるものに垂直な仕方で配置できるであろうし、これは、図３の回転軸５０回りに反時計回りにカスケード領域１５を９０°回転させることを考えることにより視覚化できる。しかしながら、出口スロット２６が直接、開いたキャビティ４６内へ燃料を流入させる場合は、開いたキャビティ４６は、（床面４１と同様の）バッフルを備える必要があり、あるいは、キャビティ４６の深さは、ここに示した実施態様における床面４１により与えられる所望の広がりをを得るために、大幅に増加させる必要がある。

ここでの実施例では、カスケードは、三つの段を有し、７回流れを均一に分割し、８つの流れを生成している。しかしながら、所望ならば、４つの（または８つを超える）流れを生成する、二つの（または三つを超える）段を使用できる。図１が、燃料流れ区域の入口側の一部を表すだけの場合、残りは、図１の左上の方になり、最初の段が流れを分裂させ、それによって、流れのいくつかの部分が、（また同様に、残りの部分への）入口１４に流入することになる。

本発明は、燃料／空気（または、燃料／不活性ガス）界面、および燃料流れの他の変化を、同時に全ての燃料電池の燃料流れ区域の入口に到達させる。これは、各燃料電池内の電気的活性の間の差が、個々の燃料電池の特性に依存するのであって、一つの燃料電池が他の燃料電池より大きな燃料の量変化を受けたという事実には依存しない、ということを示す。次いで、これによって、全ての電池の電位を、より均一に制御でき、同時に、個々の燃料電池に対するどのような損傷も最小限に抑え、性能の変動を低下させ、過渡的性能を向上させ、そして、燃料電池の寿命を大幅に延ばす。大部分の用途では、本発明は、始動中に燃料電池の相対電圧に対する十分な制御を与えるので、燃料流れ区域の不活性ガスパージに取り掛かる必要がない。カスケードのさまざまな平坦域に対する流れの衝突は、スロットに平行な寸法方向（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）における燃料の均一な広がりを向上させ、同時に、カスケードは、スロットに垂直な寸法方向に燃料を極めて均一に広げる。カスケード出口４０（図３）の床面４１上への燃料の衝突は、スロットと平行でない寸法方向に燃料を広げる。カスケードおよびヘッダは、急激な拡張に起因する流れの「噴射」を防止する。始動の際に、噴射は、燃料／空気界面において燃料体積と空気体積とを混合する傾向があり、これは、熱および過剰な電圧を生成し、さらに、混合物の可燃性の性質による安全上の問題を生じる。従来のマニホールド構成を用いた作動中は、過渡的状態によって、燃料流れ入口において流れの不均一な分配が生じる。不均一な分配は、電池性能の低下を生じることができる。しかしながら、本発明のマニホールドを用いると、全ての燃料流れ区域入口への均一な流れが、過渡的状態中に維持される。

本発明の燃料入口マニホールドは、ＰＥＭ型燃料電池スタック以外の燃料電池スタックと共に使用することもできる。

本発明によるカスケード燃料入口マニホールドの一実施態様の一部断面、一部切欠き斜視図。 図１の２−２線に概略沿ってとった、燃料流れの様式化され、理想化された概略図。 図１の３−３線に概略沿ってとった、燃料流れの様式化された簡略図。

Claims (4)

1. 各燃料電池が、流れ区域入口（１４）を有する燃料流れ区域（１２）を有する、隣接した燃料電池の配列を有しかつ燃料入口マニホールドシステムを含む燃料電池スタック（１１）であって、燃料入口マニホールドシステムは、
   各段が、表面の対向する縁部において通路（２４〜２６）で終わっている表面を有する、一系列の段（１７〜２３）を有するカスケード領域（１５）であって、この系列内の最後の段を除いて各段の各通路は、これ系列内の次の段の表面に燃料を導き、この系列の最後の段の通路は、カスケード出口表面（４１）上に燃料を導き、それによって、燃料が、この通路と平行でない寸法方向に広がる、カスケード領域（１５）と、
   流れ区域入口とカスケード出口表面との間に配置された開いたキャビティ（４６）と、
   を備えることを特徴とする、燃料電池スタック（１１）。
2. 各燃料電池が、流れ区域入口（１４）を有する燃料流れ区域（１２）を有する、隣接した燃料電池の配列を有する燃料電池スタック（１１）であって、
   供給源から燃料の流れを提供する手段と、
   ｎ＋１個の流れを提供するように、連続してｎ回（ただし、ｎは３以上）、燃料の流れを実質的に等しく二つの実質的に同時の流れに分割する手段（１５）と、
   流れ区域入口に燃料の実質的に均一な単一の流れを提供するように、ｎ＋１個の流れから燃料を広げる手段（４１）と、
   を有することを特徴とする、燃料電池スタック（１１）。
3. 各燃料電池が、流れ区域入口（１４）を有する燃料流れ区域（１２）を有する、隣接した燃料電池の配列を有する燃料電池スタック（１１）に、燃料を提供する方法であって、
   供給源から燃料の流れを提供し、
   ｎ＋１個の流れを提供するように、連続してｎ回（ただし、ｎは３以上）、燃料の流れを実質的に等しく二つの実質的に同時の流れに分割し（１５）、
   流れ区域入口に燃料の実質的に均一な単一の流れを提供するように、ｎ＋１個の流れから燃料を広げる（４１）、
   ことを含むことを特徴とする、燃料電池スタック（１１）に燃料を提供する方法。
4. 各燃料電池が、流れ区域入口を有する燃料流れ区域を有する、隣接した燃料電池の配列を有する燃料電池スタックであって、
   供給源から燃料の流れを提供する手段と、
   流れ区域入口と流体連通するキャビティ内の表面と、
   前記供給源と流体連通し、燃料の流れを受け取る複数のオリフィスと、
   を備えており、
   前記オリフィスは、前記表面に実質的に垂直に燃料を導き、それによって、前記オリフィスのそれぞれからの燃料の流れが、方向を変え、前記表面に沿い、前記キャビティを通り、流れ区域入口内へと全方向性に広がることを特徴とする燃料電池スタック。

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