JP2008510271A - 燃料電池スタック設計及び作動方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】各セグメントの各燃料電池の反応体ガス通路は、互いに平行に配置されている。燃料電池流体の流れは、重力で補助される下方方向である。重力補助流は、各電池内で発生した水をスタックセグメントの下除去点に差し向ける。隣接したセグメントは、スタックと一体のユニットとして形成されたセパレータセグメントによって分離されているか或いは、これらのセグメントが接合された外部配管システムが流れを様々なスタック領域に差し向けるかのいずれかである。カソード流が第1スタック端に進入し、水素アノード流が反対端でスタックに進入し、カソード流及びアノード流が互いに対して向流をなす。クーラント流は、通常は、カソード流と隣接してカソード流と並列に注入されるが、配管システムによって、任意の又は全てのセグメントに直列に又は並列に差し向けることができる。
【選択図】図1
Description
図1を参照すると、この図には本発明の好ましい実施例が示してある。カスケード式燃料電池スタック10は、第1セグメント12を有し、このセグメント12は、第2セグメント14からセパレータセグメント16によって分離されている。セパレータセグメント16の流れチャンネル内の反応体流は、以下に更に詳細に説明するように、「交差流れ(cross flow:クロスフロー)」形体である。第1セグメント12の外面18は、カソード入口20及びアノード出口22を含む。カソード入口20は、カソード入口チャンバ24と流体連通している。カソード入口チャンバ24は、複数の燃料電池28のカソード側燃料電池通路26に連結されている。これらのカソード側燃料電池通路26の各々は、カソード出口チャンバ30に連結されており、この出口チャンバ30は、カソード出口32で終端する。
第3セグメント602に設けられた配管及びバルブは、図6の配管及びバルブをベースとしたものであり、第2セグメント332を第3セグメント602に接続する新たな配管及びバルブを示すため、プライム即ち「’」が付してある。図8は、更に、アノード供給配管402の上流のアノード制御バルブ604と、アノード供給配管402’の上流のアノード制御バルブ606とを示す。アノード制御バルブ604及びアノード制御バルブ606の両方が、スタックフィードバック信号プロセッサ608から制御信号を受け取る。アノード制御バルブ604、606、関連した配管、及びスタックフィードバック信号プロセッサ608が一緒になって、可変制御システム610を形成する。スタックフィードバック信号プロセッサ608は、可変制御システム610に提供される、スタック又はセグメントの圧力降下、スタックの電圧(例えば全電圧、電圧範囲、標準的な電圧偏差)、及び反応体の出口濃度を含む例示のスタックフィードバックデータに基づいて、バルブ位置信号を提供する。スタック反応体及び/又はクーラント流は、アノード制御バルブ604及び606の位置を変えることによって、又は同様のカソード制御バルブ(図示せず)及びクーラント制御バルブ(図示せず)によって、方向を変えることができる。スタックフィードバックシステム608及び可変制御システム610では、一般的に入手可能なプロセッサ及び素子が使用される。アノード制御バルブ604、606は、一般的に入手可能な任意の制御バルブであってもよい。こうしたバルブには、スタックフィードバックシステム608から電気信号を受け取ることができるソレノイド作動式バルブやモータ制御式スロットルバルブ等が含まれる。
12 第1セグメント
14 第2セグメント
16 セパレータセグメント
18 外面
20 カソード入口
22 アノード出口
24 カソード入口チャンバ
26 カソード側燃料電池通路
28 燃料電池
30 カソード出口チャンバ
32 カソード出口
34 アノード入口チャンバ
36 アノード側燃料電池通路
38 アノード出口チャンバ
40 カソード通路
42 カソード入口チャンバ
44 アノード通路
46 アノード出口チャンバ
48 閉塞ポート
50 カソード側燃料電池通路
52 第2セグメント燃料電池
54 カソード出口チャンバ
56 カソード出口
58 アノード
Claims (26)
- 順次配置された複数の燃料電池セグメントを備えた種類の燃料電池スタックにおいて、 前記複数の燃料電池セグメントの各々は、
(a)第1アノードポート及び第1カソードポートが形成された第1端と、
(b)第2アノードポート及び第2カソードポートが形成された第2端と、
(c)少なくとも一つの燃料電池とを備え、前記燃料電池は、
一方向に重力補助流れ方向に配置された、前記第1アノードポートと前記第2アノードポートとの間を流体連通する複数のアノード通路と、
一方向に重力補助流れ方向に配置された、前記第1カソードポートと前記第2カソードポートとの間を流体連通する複数のカソード通路と、
前記複数のアノード通路と前記複数のカソード通路との間に配置された膜電極アッセンブリとを含み、
前記複数の燃料電池セグメントの各々は、また、
(d)前記燃料電池セグメントを通して形成された流れ構成を備え、該流れ構成は、向流構成と並流構成とからなる群から選択的に形成され、
前記向流構成において、前記第1カソードポート及び前記第2アノードポートが、前記燃料電池セグメントへの入口ポートであり、前記第2カソードポート及び前記第1アノードポートが前記燃料電池セグメントからの出口ポートであり、
前記並流構成において、前記第1アノードポート及び前記第1カソードポートが前記燃料電池セグメントへの入口ポートであり、前記第2アノードポート及び前記第2カソードポートが前記燃料電池セグメントからの出口ポートである、燃料電池スタック。 - 請求項1に記載の燃料電池スタックにおいて、
各燃料電池セグメントは、更に、
前記アノード入口ポートと流体連通したアノード入口チャンバと、前記アノード出口ポートと流体連通したアノード出口チャンバとを含み、前記複数のアノード通路は、前記アノード入口チャンバと前記アノード出口チャンバとの間を流体連通し、
各燃料電池セグメントは、また、
前記カソード入口ポートと流体連通したカソード入口チャンバと、前記カソード出口ポートと流体連通したカソード出口チャンバとを含み、前記複数のカソード通路は、前記カソード入口チャンバと前記カソード出口チャンバとの間を流体連通する、燃料電池スタック。 - 請求項2に記載の燃料電池スタックにおいて、更に、
上流燃料電池セグメントと下流燃料電池セグメントとの間に配置され、これらの間を流体連通するセパレータセグメントを備えている、燃料電池スタック。 - 請求項3に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記セパレータセグメントは、更に、
前記上流燃料電池セグメントの前記アノード出口チャンバと前記下流燃料電池セグメントの前記アノード入口チャンバとの間を流体連通するほぼ上方に配向されたアノード流チャンネルと、
前記上流燃料電池セグメントの前記カソード出口チャンバと前記下流燃料電池セグメントの前記カソード入口チャンバとの間を流体連通するほぼ上方に配向されたカソード流チャンネルとを備えている、燃料電池スタック。 - 請求項4に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記セパレータセグメントは、前記上流燃料電池セグメントと前記下流燃料電池セグメントとの間に隣接した構造的連結部を形成する、燃料電池スタック。 - 請求項3に記載の燃料電池スタックにおいて、更に、
前記少なくとも一つの燃料電池と隣接して配置されたクーラント通路を備えており、該クーラント通路は、クーラント入口チャンバ及びクーラント出口チャンバを有し、
前記セパレータセグメントは、前記上流燃料電池セグメントの前記クーラント出口チャンバと前記下流燃料電池セグメントの前記クーラント入口チャンバとの間を流体連通するクーラント流チャンネルを有する、燃料電池スタック。 - 請求項6に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記クーラント通路は、前記複数のカソード通路に関して並流構成を形成し、前記複数のアノード通路に対して向流構成を形成する、燃料電池スタック。 - 請求項6に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記クーラント通路は、前記複数のカソード通路に関して並流構成を形成し、前記複数のアノード通路に対して並流構成を形成する、燃料電池スタック。 - 請求項1に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記複数の燃料電池セグメントの各々には、同数の燃料電池が含まれる、燃料電池スタック。 - 請求項1に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記複数の燃料電池セグメントのうちの少なくとも一方が、残りの燃料電池セグメントよりも多数の燃料電池を有している、燃料電池スタック。 - 燃料電池スタックにおいて、
順次配置された第1燃料電池セグメント及び第2燃料電池セグメントと、
前記第1及び第2の燃料電池セグメントの各々に配置された複数の燃料電池とを備え、これらの燃料電池の各々は、アノード通路と、カソード通路と、これらの通路間に配置された膜電極アッセンブリとを有し、前記アノード通路及び前記カソード通路は、一方向に重力補助流れ配向で方向決めされており、
前記燃料電池スタックは、また、
前記第1燃料電池セグメントと前記第2燃料電池セグメントとの間を流体連通するためのマニホールドアッセンブリを備え、前記マニホールドアッセンブリは、前記第1燃料電池セグメントの前記アノード通路及び前記カソード通路と、前記第2燃料電池セグメントの前記アノード通路及び前記カソード通路との間に、前記燃料電池スタック内の前記燃料電池の向流構成及び前記燃料電池スタック内の前記燃料電池の並流構成のうちの一方を形成するように形成できる、燃料電池スタック。 - 請求項11に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池セグメントの各々は、更に、
アノード出口チャンバの上方に配置されたアノード入口チャンバを備え、前記アノード入口チャンバ及び前記アノード出口チャンバは、両方とも前記アノード通路と流体連通しており、
前記燃料電池セグメントの各々は、また、
カソード出口チャンバの上方に配置されたカソード入口チャンバを備え、前記カソード入口チャンバ及び前記カソード出口チャンバは、両方とも前記カソード通路と流体連通している、燃料電池スタック。 - 請求項12に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記マニホールドアッセンブリは、更に、
前記第1セグメント及び前記第2セグメントの両方の前記アノード入口チャンバ間を流体連通する、ほぼ上方に配向されたアノード供給配管と、
前記第1セグメント及び前記第2セグメントの両方の前記アノード出口チャンバ間を流体連通する、ほぼ下方に配向されたアノード排出配管と、
前記第1セグメント及び前記第2セグメントの両方の前記カソード入口チャンバ間を流体連通する、ほぼ上方に配向されたカソード供給配管と、
前記第1セグメント及び前記第2セグメントの両方の前記カソード出口チャンバ間を流体連通する、ほぼ下方に配向されたカソード排出配管とを備えている、燃料電池スタック。 - 請求項13に記載の燃料電池スタックにおいて、更に、
前記第1及び第2のセグメントの各々内で前記複数の燃料電池と隣接して配置された複数のクーラント通路と、
前記第1及び第2の燃料電池セグメントの各々に配置された、前記複数のクーラント通路と流体連通したクーラント入口チャンバと、
前記第1及び第2の燃料電池セグメントの各々に配置された、前記複数のクーラント通路と流体連通したクーラント出口チャンバとを備えている、燃料電池スタック。 - 請求項14に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記マニホールドアッセンブリは、更に、
前記第1及び第2の燃料電池セグメントの前記クーラント入口チャンバ間を流体連通するクーラント供給配管と、
前記第1及び第2の燃料電池セグメントの前記クーラント出口チャンバ間を流体連通するクーラント排出配管とを備えている、燃料電池スタック。 - 請求項15に記載の燃料電池スタックにおいて、更に、
前記第1燃料電池セグメントに配置された、前記第1燃料電池セグメントの前記カソード入口チャンバと流体連通したカソード入口と、
前記第1燃料電池セグメントに配置された、前記第1燃料電池セグメントの前記アノード入口チャンバと流体連通したアノード入口とを備えており、
前記第1燃料電池セグメントは、前記カソード入口と隣接したクーラント入口を有し、 前記マニホールドアッセンブリは、前記クーラント入口、前記カソード入口、及び前記アノード入口が、前記燃料電池スタックの前記燃料電池の前記複数のアノード通路及び前記複数のカソード通路の両方に対し、前記クーラント通路の並流構成を形成するように形成できる、燃料電池スタック。 - 請求項15に記載の燃料電池スタックにおいて、更に、
前記第1燃料電池セグメントに配置された、前記第1燃料電池セグメントの前記カソード入口チャンバと流体連通したカソード入口と、
前記第2燃料電池セグメントに配置された、前記第2燃料電池セグメントの前記アノード入口チャンバと流体連通したアノード入口とを備えており、
前記第1燃料電池セグメントは、前記カソード入口と隣接したクーラント入口を有し、
前記マニホールドアッセンブリは、前記クーラント入口及び前記カソード入口が、前記燃料電池スタックの前記複数のカソード通路に対して前記クーラント通路の並流構成を形成し、前記複数のカソード通路が、前記複数のアノード通路に関して向流構成を形成するように形成できる、燃料電池スタック。 - 請求項15に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記マニホールドアッセンブリは、更に、
前記第1セグメント及び前記第2セグメントの両方の前記アノード入口チャンバに選択的に供給するため、前記アノード供給配管に配置された多ポートバルブと、
前記第1セグメント及び前記第2セグメントの両方の前記カソード入口チャンバに選択的に供給するため、前記カソード供給配管に配置された多ポートバルブと、
前記第1セグメント及び前記第2セグメントの前記クーラント入口チャンバ及び前記クーラント出口チャンバに選択的に供給するため、前記クーラント供給配管に配置された多ポートバルブとを含む、燃料電池スタック。 - 請求項15に記載の燃料電池スタックにおいて、更に、
前記第1セグメントに配置された、前記第1セグメントの前記カソード入口チャンバと流体連通したカソード入口と、
前記第2セグメントに配置された、前記第2セグメントの前記アノード入口チャンバと流体連通したアノード入口とを含み、
前記第1セグメントは、前記カソード入口と隣接した第1セグメントクーラント入口を有し、
前記第2セグメントは、前記アノード入口と隣接した第2セグメントクーラント入口を有し、
前記第1セグメントクーラント入口及び前記第2セグメントクーラント入口は、前記燃料電池スタックの前記第1セグメントと前記第2セグメントとの間に並流クーラント経路を形成し、前記カソード通路は、前記アノード通路に関して前記向流構成を形成する、燃料電池スタック。 - 請求項19に記載の燃料電池において、
前記第2クーラント入口は、前記カソード通路に対して並流クーラント経路を形成する、燃料電池。 - 請求項19に記載の燃料電池において、
前記第2クーラント入口は、前記アノード通路に対して並流クーラント経路を形成する、燃料電池。 - 請求項11に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記セグメントの各々内の燃料電池の数は、連続したセグメント間で、前記スタックの入口部分から前記スタックの出口部分まで減少する、燃料電池スタック。 - 陽子交換膜燃料電池スタックにおいて、
複数の燃料電池アッセンブリを備えており、複数の燃料電池アッセンブリは、各々、第1面に設けられたアノード触媒と、第2面に設けられたカソード触媒とを備え、
陽子交換膜燃料電池スタックは、また、
複数のアノードガス通路を備えており、複数のアノードガス通路は、各々、前記複数の燃料電池アッセンブリの夫々一つの前記第一面と隣接して配置されており、
陽子交換膜燃料電池スタックは、また、
複数のカソードガス通路を備えており、複数のカソードガス通路は、各々、前記複数の燃料電池アッセンブリの夫々一つの前記第二面と隣接して配置されており、
前記複数の燃料電池アッセンブリは、少なくとも二つの隣接した電池セグメントに配置されており、前記アノードガス通路及び前記カソードガス通路は、前記セグメント間で向流構成で設けられており、前記アノードガス通路及び前記カソードガス通路の両方は、前記スタックの各セグメント内で、一方向重力補助流れ方向で配置されており、
前記セグメントのうちの少なくとも一方が、前記スタックの複数の作動パラメータを比較するように作動できる可変制御システムを有する、陽子交換膜燃料電池スタック。 - 請求項23に記載の燃料電池スタックにおいて、
各セグメント内の燃料電池アッセンブリの数は、セグメント対間で減少する、燃料電池スタック。 - 請求項24に記載の燃料電池スタックにおいて、更に、
前記セグメント対の各々は、上流セグメント及び下流セグメントのうちの一方であり、
前記下流セグメントの圧力降下は、前記セグメント対の各々について、前記上流セグメントの圧力降下と等しいか或いはそれよりも低い、燃料電池スタック。 - 請求項25に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記可変制御システムは、更に、選択可能な複数の流路を持つ複数の配管と、前記選択可能な流路間で前記配管を制御するように作動できる少なくとも一つの制御バルブと、前記少なくとも一つの制御バルブに制御信号を送出するように作動できるスタックフィードバック信号プロセッサとを備えている、燃料電池スタック。
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