JP2007517365A - 燃料電池直接水注入 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】さまざまな動作条件における、陰極流体フローチャネルへ配送される液相水の最適量又は最適量の範囲を決定するための較正方法と較正装置を説明する。さまざまな動作条件における、陰極流体フローチャネルへ配送される液相水の最適量を確保するための動作方法と動作装置を説明する。
【選択図】図14
Description
前記陽極内の流体フローチャネルに流体燃料を配送し、
前記陰極内の流体フローチャネルに流体酸化剤を配送し、
前記陰極内の前記流体フローチャネルから,反応副産物及び利用されずに残った酸化剤を排出し、
前記流体フローチャネルの全体を通して、実質的に相対湿度100%が維持されるように、前記陰極内の流体フローチャネルに充分な量の液相水を配送する、ステップを含む。
前記陽極流体フローチャネルに流体燃料を配送する手段と、
前記陰極流体フローチャネルに流体酸化剤を配送する手段と、
前記陰極内において、前記流体フローチャネルに充分な量の液相水を配送し、それによって、燃料電池が通常の動作状態にある間は、前記流体フローチャネルの全体をとおして、相対湿度100%を維持するための水注入機構とを含む。
蒸発冷却は、最小パワーレベルでなければ、熱除去のための優れたメカニズムであることがわかる。
(i)空気流率が増大し、気相水の分圧が反比例的に低下すること、
(ii)トータル圧力が低くなり、気相水の分圧が比例的に低下すること、及び、
(iii)局部的に温度が上昇して、均衡点が移動し、それによって空気が充分に飽和するまで、更に蒸発が起こること。
WF=mw/mw(minimum)
ここでmwは供給された液相水の質量流量率であり、mw(minimum)は下記に従い計算された液相水の質量流量率の理論的最小値である。
(i)反応剤のエンタルピーは燃料の低位発熱量と等しい。というのは、気相水が生成されるからである(過剰水が無い場合)。
(ii)燃料電池の熱負荷は、スタック電流の関数として燃料電池スタック効率の実験値から導出される。
(iii)熱負荷は、陰極に供給される液相水の完全な蒸発を含む反応物からの、生成物の熱エンタルピーの上昇に等しい。
Icrit未満の場合について示す。
Claims (29)
- 一つの陽極と、イオン交換膜と、1つの陰極とを有する電気化学的燃料電池を動作させる方法であって、この方法は、
前記陽極内の流体フローチャネルに流体燃料を配送し、
前記陰極内の流体フローチャネルに流体酸化剤を配送し、
前記陰極内の前記流体フローチャネルから,反応副産物及び利用されずに残った酸化剤を排出し、
前記流体フローチャネルの全体を通して、実質的に相対湿度100%が維持されるように、前記陰極内の流体フローチャネルに充分な量の液相水を配送する、
ステップを含む、方法。 - 請求項1に記載された方法であって、充分な量の液相水を配送するステップは、
液相水フロー率の関数として最大セル電圧を決定し、少なくとも前記最大セル電圧に対応する最小水フロー率を配送するステップを含む、方法。 - 請求項1に記載された方法であって、燃料電池スタック内の複数のセルに適用される方法であって、充分な量の液相水を配送するステップは、液相水フロー率の関数として最大スタック電圧を決定し、少なくとも前記最大スタック電圧に対応する最小水フロー率を配送するステップを含む、方法。
- 請求項1又は請求項2又は請求項3に記載された方法であって、セルまたはスタック電流の関数として配送される液相水の量を増加させて、セル又はスタックの通常動作範囲内の全電流に対して水ファクターWF>1.0を維持する、方法。
- 請求項2に記載された方法であって、
充分な量の液相水を配送するステップは、
前記セルの通常動作範囲内と対応する複数のセル電流のそれぞれに対する液相水フロー率の関数として最大セル電圧を決定し、
最小液相水フロー率を表現する較正機能を、電流及び/又は空気化学量論の関数として決定し、
前記セルからの前記電流及び/又は、前記較正機能によって決定された前記空気化学量論に対する前記電流に、少なくとも前記最小水フロー率を配送する、
ステップを含む、方法。 - 請求項3に記載された方法であって、
充分な量の液相水を配送するステップは、
前記スタックの通常動作範囲内と対応する複数のスタック電圧のそれぞれに対する液相水フロー率の関数として最大スタック電圧を決定し、
最小液相水フロー率を表現する較正機能を、電流及び/又は空気化学量論の関数として決定し、
前記スタックからの前記電流及び/又は、前記較正機能によって決定された前記空気化学量論に対する前記電流に、少なくとも前記最小水フロー率を配送する、
ステップを含む、方法。 - 請求項5または請求項6に記載された方法であって、前記較正機能は、空気化学量論1.1〜10の範囲で決定される、方法。
- 請求項7に記載された方法であって、前記較正機能は、空気化学量論1.4〜4.0の範囲で決定される、方法。
- 請求項1乃至8のいずれかに記載された方法であって、充分な量の液相水を配送するステップは、少なくとも1.5の水ファクターを配送する、方法。
- 請求項9に記載された方法であって、充分な量の液相水を配送するステップは、少なくとも3の水ファクターを配送する、方法。
- 請求項9または請求項10に記載された方法であって、充分な量の液相水を配送するステップは、40未満の水ファクターを配送する、方法。
- 請求項11に記載された方法であって、充分な量の液相水を配送するステップは、3〜6の範囲の水ファクターを配送する、方法。
- 請求項1乃至12のいずれかに記載された方法であって、
前記陰極排出温度が次善動作温度に対応する所定の閾(いき)値よりも低い場合に、
実質的に相対湿度100%未満が維持されるように、前記陰極内の流体フローチャネルに対する一定量の液相水の配送を一時的に許容する、ステップを含む、方法。 - 請求項13に記載された方法であって、前記燃料電池又は燃料電池スタックに適用される、方法。
- 請求項1に記載された方法であって、前記燃料電池が動作される方法であって、
規則的なセル電力配送のために、前記陰極への液相水の注入率及び/又は前記陰極を通る気体フローを制御し、前記陰極表面の全域における液相水の量は、主な温度及び圧力条件で蒸発する液相水の量よりも確実に多くなる、方法。 - 請求項15に記載され、共通の酸化剤供給マニホルドと、共通の水注入マニホルドとを有する燃料電池スタック内の複数のセルに適用される方法であって、
規則的なスタック電力配送のために、前記水注入マニホルドへの液相水の注入率及び/又は前記酸化剤供給マニホルド内の気体フロー率を制御し、セル全体の前記陰極表面の全域における液相水の量は、主な温度及び圧力条件で蒸発する液相水の量よりも確実に多くなる、
方法。 - 電気化学的燃料電池アセンブリであって、
少なくとも一つの流体フローチャネルを有する陽極流体フローフィールドプレートと、
少なくとも1つの流体フローチャネルを有する陰極流体フローフィールドプレートとを含み、
前記陽極流体フローフィールドプレートは、少なくとも一つのイオン交換膜を有し、
前記陰極流体フローフィールドプレートは、少なくとも一つのイオン交換膜を有し、
前記陽極流体フローチャネルに流体燃料を配送する手段と、
前記陰極流体フローチャネルに流体酸化剤を配送する手段と、
前記陰極内において、前記流体フローチャネルに充分な量の液相水を配送し、それによって、燃料電池が通常の動作状態にある間は、前記流体フローチャネルの全体をとおして、相対湿度100%を維持するための水注入機構とを含む、
電気化学的燃料電池アセンブリ。 - 請求項17に記載されたアセンブリであって、前記水注入機構はポンプと調整器とを有する、アセンブリ。
- 請求項18に記載されたアセンブリであって、前記調整器は燃料電池セル電圧又は燃料電池スタック電圧を検知する電圧センサーを有する、アセンブリ。
- 請求項19に記載されたアセンブリであって、前記調整器は較正モードで動作し、前記較正モードは、複数の通常セル動作電流又はセルスタック動作電流のそれぞれに対する液相水フロー率の関数として最大セル電圧を決定する、アセンブリ
- 請求項20に記載されたアセンブリであって、前記較正モードは更に、最小液相水フロー率を表現する較正機能を、電流及び空気化学量論の関数として決定する、アセンブリ。
- 請求項18に記載されたアセンブリであって、
前記燃料電池又は燃料電池スタックを通る電流を検知する電流センサを有し、
前記アセンブリにおいて、前記調整器は水注入率を制御し、
通常動作範囲内の全燃料電池または燃料電池スタック電流に対する水ファクターWF>1.0の配送を維持する、
アセンブリ。 - 請求項22に記載されたアセンブリであって、前記調整器は水注入率を制御し、少なくとも1.5の水ファクターの配送を維持する、アセンブリ。
- 請求項23に記載されたアセンブリであって、前記調整器は水注入率を制御し、40未満の水ファクターの配送を維持する、アセンブリ。
- 請求項24に記載されたアセンブリであって、前記調整器は水注入率を制御し、少なくとも3の水ファクターの配送を維持する、アセンブリ。
- 請求項18に記載されたアセンブリであって、前記調整器は水注入率を制御し、3〜6の範囲の水ファクターの配送を維持する、アセンブリ。
- 請求項17乃至26のいずれかに記載されたアセンブリであって、
前記陰極排出温度が次善動作温度に対応する所定の閾(いき)値よりも低い場合に、
実質的に相対湿度100%未満が維持されるように、前記陰極内の流体フローチャネルに対する一定量の液相水の配送を一時的に許容する、手段を含むアセンブリ。 - 実質的に添付図面を参照してここに記載された装置。
- 実質的に添付図面を参照してここに記載された方法。
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