JP2007513481A - 圧力低下が小さい小型燃料電池インレット燃料ガス分配器 - Google Patents

Abstract

燃料電池スタック内で、インレット燃料分配器（１５、３１、３１ａ、３１ｂ）が、燃料供給管（１３）から燃料インレットマニホールド（２８）に燃料電池インレット燃料を均一に分配するための実質的に等長かつ実質的に等断面積である複数の通路を備える。この通路は、プレート（３９）内に形成されるチャネル（４０〜４７、６４；６７）またはチューブ（１７〜２３）のどちらでもよい。このチャネルは、燃料インレットマニホールドに単一の出口（６５）または二つの出口（５２、５３）を有する。

Description

本発明は、燃料インレットマニホールドの長さに亘って実質的に同時にかつ実質的に均一な燃料を供給する、実質的に等長かつ実質的に等流量の複数の燃料路を有する燃料電池インレット燃料ガス分配器に関する。

始動時において、異なる燃料電池に燃料が不均一に分配すると、個々の燃料電池で燃料欠損、電圧反転、炭素腐食が生じ、結局は著しい性能低下となる。

２００２年１０月１０日に出願された同時係属中の米国特許出願番号第１０／２６９，６５４号には、燃料インレット流れ制御装置が、燃料流を連続的に数回、多数の分流を備えるためのカスケード様式に分割し、続いて、その流れを拡げて、燃料を燃料電池スタック内の燃料流領域の全ての入口を通して実質的に均一に分配することが示されている。始動時やその他の過渡的な燃料流の条件では、燃料流の変化が、実質的に同時かつ実質的に同流量でスタック内の全ての燃料電池の燃料流領域に接近する。開示された実施例では、流れは連続的に４回分割され、続いて、カスケード領域から全ての出口通路を通った流れが平坦な表面上に衝突し、流れは均一に拡がる。

カスケード燃料分配器は、燃料を極めて均一に分配するが、著しく圧力が低下するので、特定の用途には消費量が多すぎる。幾何学的な制約により、特定の用途の最適設計を妨げる。

本発明は、ＰＥＭ型燃料電池の燃料インレットで燃料を簡単に分配することと、燃料電池スタック内の全ての燃料電池の流れ領域に実質的に均一な燃料流を供給することと、燃料電池スタック内の全ての流れ領域に実質的に等量の燃料を実質的に同時に配送することと、燃料電池スタックの耐久性の強化と始動や他の過渡的な燃料電池スタック内への燃料の流入の改良と、燃料電池スタック内の燃料分配の改良および簡素化と、を含む。

本発明では、燃料電池スタック用のインレット燃料分配器が、燃料インレットマニホールドの全長に亘って同時かつ均一に燃料を送る実質的に同一の長さでかつ実質的に同一の断面積の複数の通路を備える。

本発明では、燃料供給管からの燃料電池のインレット燃料が、各々が同一の全長かつ同一の断面積を有する複数のより小さな管を設けることにより、燃料電池スタック内の全ての燃料電池の燃料流領域に均一に分配される。その結果、分配器の各管を通る流れが互いに同じものとなり、始動する間に同じ燃料先端位置となる。

ある例では、本発明のインレット燃料分配器は、比較的薄いプレートに形成された複数のチャネル、実質的に同一の長さ、実質的に同数のターン部、実質的に同一の流路断面積を有するチャネルを含む。さらに本発明では、より均一な分配を提供するために、各チャネルが、インレットマニホールド内の二つの出口に接続してもよく、あるいはしなくてもよい。

本発明の実施様態では、本発明のどのような実施においても、小さな排水口およびチャネルを、水の蓄積を避けることが必要な場所に設けてもよい。

さらに本発明では、燃料電池用のインレット燃料分配器内のチャネルが、長さに比例した断面積を有してもよい。従って、全てのチャネル内の流量と流速は実質的に等しくなり、燃料先端位置の到着時間は、マニホールドに沿った全ての点で実質的に同時である。

本発明のその他の側面、特徴と利点は、添付した図面に例示されるように、その例示的な実施様態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。

本発明によるインレット燃料分配器の第一の実施様態は、図１に例示されている。燃料供給管１３は、チャンバ１４に接続され、チャンバ１４からマニホールドキャップ２７内の対応する孔２６で末端となる等しい長さと等しい直径の複数の燃料分配チューブ１７〜２３が延びている。マニホールドキャップ２７は、燃料インレットマニホールド２８に接合されている。チューブ１７〜２３の各々は、同一の直径および同一の長さであるので、燃料は、実質的に均一に全ての孔２６に分配される。つまり、燃料の供給開始時に、実質的に同時に全ての孔２６に到達し、各チューブを介した流れは、他のチューブの流れと互いに実質的に同じものとなる。孔２６は１０個から２０個の電池ごとに一つの孔２６を設置すべきである。代替としては、孔間の距離が、数百個の電池を有する典型的な燃料電池スタックにおいて４０〜８０ｍｍの範囲にすべきである。このように、実質的に同時となる燃料流先端位置を伴う均一な流れは、図１の実施様態により達成される。

ある例では、図１の実施例を実施するために必要とされる空間すなわち大きさは、非現実的なものになるであろう。チューブ１７〜２３を介する流れを実質的に同時かつ同一にする能力は、チューブが短くなればなる程より困難になるが、チューブがより長くなるとより簡単に達成する。このように、図１の実施様態は、同時で均一な流れと、それを達成するために求められる空間の大きさとの間に、競合関係がある。

図２は、より小型のインレット燃料分配器３１を示し、これは、燃料供給管１３から燃料を受け取り、燃料インレットマニホールド２８に供給する。この燃料インレットマニホールド２８は、全ての燃料電池３３に燃料を供給する。図２に示される二路配置において、燃料は、図２に示されるように燃料インレットマニホールド２８から右側へ流れて、燃料電池３３の上半分を通り、それから、燃料反転マニホールド３４内でターンして下方に流れるとともに左側に流れて、図２に示されるように、左側に向かって燃料電池３３の下半分を通り、燃料出口マニホールド３５に流れる。続いて、燃料排出管３６を通り、一般的には本発明の部分ではない燃料リサイクルループ（図示せず）へ送られる。

図３を参照すると、本発明によるインレット燃料分配器３１は、金属、プラスチック、繊維強化プラスチック複合材または燃料電池スタック操作条件に適合するその他全ての材料からなるプレート３９を含む。複数のチャネル４０〜４７が、燃料インレット５０から外側に延びている。図３の実施例においては、各チャネル４０〜４７は、スロット５５に入る二つの出口を提供するように分岐している。スロットの底面５６に燃料を当てると、燃料はより均一に混合され、出口５２、５３から燃料が噴出することによる「ジェッティング」を避けることができる。このように、図２に示されるようにインレット燃料分配器３１前面の燃料インレットマニホールド２８（図２）に向かって、スロット５５により生じる燃料先端位置は、より均一になる。

本発明によると、図３に例示されるように、チャネル４０、４１は、実質的に同一であり、チャネル４２、４３は実質的に同一であり、チャネル４４、４５は実質的に同一であり、およびチャネル４６、４７は実質的に同一である。ただし、一対のチャネルが互いに鏡像であることは除く。各チャネル４０〜４７の長さは、他方のチャネル４０〜４７の長さとほぼ同一である。各チャネル４０〜４７の断面積は、他方の各チャネル４０〜４７の断面積と実質的に同一である。従って、全てのチャネルには等価な流動抵抗がある。

図３の実施例には、スロット４７中のターン部５７などの各ターン部の長手方向の位置は、チャネル４１、４３、４５中のターン部５８〜６０などの対応するターン部の長手方向の位置と同一ではない。図３により、ターン部５７〜５８とチャネルに沿った次のターン部などのようにターン部間のターン部の長手方向の位置も異なる（チャネルが互いに鏡像であることを除く）ように決定することができる。これは、流れまたはタイミングにある程度の相違を生じさせるが、しかしながら、いずれか一のチャネルおよびその付随するインレットを介する燃料インレットからスロット５５までの流れに要する時間と、その他のチャネルとインレットを介する燃料インレット５０からスロット５５までの流れに要する時間とが等しくなるように、長さを調整することができる。これは、流量にも影響を与えるが、少なくとも選択されたチャネルのある部分における流路断面積を調整することで流量を調整することができ、それによって各々のチャネル４０〜４７を通した流量と、各チャネル４０〜４７を通して燃料インレット５０からスロット５５に到着する燃料先端位置のタイミングの双方を均衡させることができる。薄いプレート６１は、スロット５５上のチャネル４０〜４７を覆う。

代替例のインレット燃料分配器３１ａが図４に例示されており、チャネル６４は、横方向の出口６５を有してもよく（図２および図４に見られる）、チャネル６４毎に唯一の出口６５があり、この出口６５は、バッフル６７上または燃料インレットマニホールド２８（図２）の一部となる他の表面に燃料を衝突させることができる。

また図４は、チャネルが図３のように実質的に直交する必要がないことを例示しており、所望のいかなる形状をとってもよい。出口５２、５３、５９を二つとするか単一とするかの選択は、本発明の所望の使用法に適合するようになされる。より多くの出口５２、５３を利用することは、流れをより完全に混合するが、より少数の出口６５は、始動時における燃料先端位置の均一な量およびタイミングの双方を提供する設計の分析や調整を簡素化することができる。

図５、図６に示す実施例は、図２に示されている上流の燃料供給管１３に提供される再生燃料からの水分蓄積傾向が微細な孔６２によって吸収されることを示す。この孔６２は、インレット燃料分配器３１の逆側に設けられた微細なドレインチャネル６３を有し、一または複数のチャネル４０〜４７、例えば、図５に例示されたチャネル４１、の適宜の点に設けられる。チャネル６３は、スロット５５において、燃料インレットマニホールド２８にそのまま出る。孔６２は、インレットマニホールドに出る燃料量が無視できるほど十分に小さくなくてはならない。

図７に例示されている本発明の別の実施様態は、別のやり方で水の問題を解決する。つまり、水分が蓄積可能なポケットまたは水平な場所がないように全てのチャネル６７を形づくることである。他の点では、図７の実施様態は、図３と同一である。図７に例示されているように、チャネル６７は等長でないが、長さがより短いものは、鋭い曲率で曲がるように構成され、長さがより長いものは、より緩やかな曲率で曲がるように構成される。上述した調整は実質的に同時、かつ実質的に等しい燃料流を得るために、全ての場合において使用することができる。

簡素化および定型化した本発明の第一の実施様態の斜視図である。 本発明によるインレット燃料分配器を有する燃料電池ストックの斜視図である。 本発明によるプレートに形成されたチャネルを含むインレット燃料分配器の斜視図である。 インレット燃料分配器の別の形態の図式化された概要図である。 本発明のインレット燃料分配器中の蓄積された水出口を図式した斜視図である。 図５に示されたインレット燃料分配器の逆側の斜視図である。 インレット燃料電池分配器の代替形態を図式化した概要図である。

Claims (8)

1. 燃料供給管（１３）と、燃料インレットマニホールド（２８）と、を備えてなる燃料電池スタック（３０）用の燃料電池インレット燃料装置であって、
   各々が前記燃料供給管から前記燃料インレットマニホールドへと延びた実質的に等長かつ実質的に等流路断面積の複数の燃料路を備え、前記複数の燃料路が、（ａ）薄いプレート（３９、３９ａ）に形成されたチャネル（４０〜４７；６４；６７）および（ｂ）チューブ（１７〜２３）のいずれかからなるインレット燃料分配器（１５、３１、３１ａ、３１ｂ）を有することを特徴とする燃料電池スタック（３０）用の燃料電池インレット燃料装置。
2. 前記燃料路がチャネル（４０〜４７、６４）であって、
   面（５６、６７）を有するとともに、前記各チャネルが、面（５６、６７）に対向して前記燃料を流すための少なくとも一つの出口を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池インレット燃料装置。
3. 前記各チャネル（６４）が一つの前記出口（６５）を有することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池インレット燃料装置。
4. 前記各チャネル（４０〜４７；６７）が二つの前記出口（５２、５３）を有することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池インレット燃料装置。
5. 前記燃料路が偶数個のチャネル（４０〜４７；６４；６７）であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池インレット燃料装置。
6. 前記燃料路が偶数個のチャネル（４０〜４７；６４；６７）であり、前記各チャネルが互いに鏡像であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池インレット燃料装置。
7. 前記燃料路がチューブ（１７〜２３）であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池インレット燃料装置。
8. 前記各燃料路が一つの出口（２６、６５）を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池インレット燃料装置。
   

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