JP2011522359A - 作動効率の改善された燃料電池発電設備 - Google Patents
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Abstract
燃料電池発電設備(10)は、約.058ポンド毎平方インチガス(「psig」)〜約4.4psigの圧力で発電設備の燃料電池(12)に流入するように制御された酸化剤流れを含み、酸化剤流れは、約120%〜約180%、好ましくは約150%〜170%の酸化剤化学量論で燃料電池(12)を通過する。マクロ孔カソード気体拡散層(36)が、カソード触媒(16)とカソード流れ場(28)との間に取り付けられる。多孔質の冷却剤板(44)が、カソード流れ場(28)と隣接して流体連通するように取り付けられる。気体拡散層(36)および冷却剤板(44)によって、冠水を解消するように、また、低い酸化剤化学量論および高い水平衡温度での作動を可能にして水捕集および熱除去装置の必要性を最小限に抑えるように生成水の除去が促進される。
Description
本開示は、輸送車両、可搬式発電設備での使用、あるいは据え置き型発電設備としての使用に適した燃料電池発電設備に関し、本開示は特に、低い酸化剤化学量論および低い圧力降下で効率的に作動し、それによって、水回収装置、熱除去装置および複雑な圧力制御弁の必要性が最小限に抑えられる燃料電池発電設備に関する。
燃料電池はよく知られており、一般に、輸送車両などの電気装置に電力を供給するために水素含有還元性流体燃料反応物流れおよび酸素含有酸化剤反応物流れから電流を生成するのに使用される。当業技術内でよく知られているように、一般に、複数の燃料電池が一緒に積層されて燃料電池スタックアッセンブリが形成され、この燃料電池スタックアッセンブリが、制御装置、熱管理システム、および他の構成要素と組み合わされて燃料電池発電設備が形成される。
従来技術の燃料電池では、水平衡で燃料電池を作動させるのにかなりの努力が払われている。水平衡で作動させるとは本質的に、燃料電池で生成される生成水が、「プロトン交換膜」(「PEM」)電解質などの燃料電池の電解質の十分な水分含有量を維持するのに十分であり、かつ、反応物流れを適切に加湿するのに十分であることを意味する。燃料電池が水平衡で作動する場合は、燃料電池を効率的に維持するのに付加的な水を付加する必要がない。よく知られているように、燃料電池の生成水は、燃料電池のカソード電極に隣接する反応物流れ場内に蓄積することがある。一般に、反応物流れ場を通過する酸化剤流れが、水蒸気または同伴される液滴としてこのような生成水の大部分を除去することになる。しかしながら、このような水の除去速度が不十分な場合、蓄積水によって酸化剤流れの流れが制限され、燃料電池の一部が事実上冠水して、燃料電池の性能が低下してしまう。また、燃料電池の作動中に生成される熱によって、酸化剤流れの温度が上昇して、酸化剤流れが燃料電池を移動する際に除去可能な水分量が増加する。
燃料電池を効率的に作動させる既知の努力には一般に、十分な燃料電池生成水を除去して、中実の流れ場板に隣接する、曲がりくねったまたは蛇行した流れ流路を冠水させないように、このような流路を通過する酸化剤流れの流量を大きくしまたは圧力降下を大きくすることが含まれる。また、酸化剤流れが燃料電池を移動する際に、酸化剤流れに隣接して冷却剤流れを同時に流すことなどによって、酸化剤の温度を着実に上昇させることが知られている。これによって結果として、加熱された酸化剤流れが燃料電池を移動する際に除去する水蒸気の量が増加する。このような作動方法によって、燃料電池の電流生成が向上するとはいえ、酸化剤流れの流量が大きく、温度が高いので、その結果、燃料電池から過剰の水が流出して、燃料電池が水平衡から外れてしまう。
このような燃料電池から排出される酸化剤排気流れは、高温で、かなりの水を含んでおり、一般に、燃料電池に水を戻すために、凝縮器またはエンタルピー回収装置などの水捕集装置で処理される。また、このような燃料電池では、酸化剤排気流れおよび循環冷却剤流れの一方または両方を冷却するために、ラジエータなどの比較的大きな熱除去装置が必要とされる。燃料電池は(例えば、内燃機関に比較して)比較的低温で作動するので、このような熱除去装置は比較的大型になる。このような燃料電池でも、燃料電池を通過する反応物流れの圧力や流量を高く維持するために、複雑で費用の掛かる酸化剤圧縮機またはポンプや関連する圧力弁制御装置が必要とされる。
このような燃料電池の一例が、レーマン(Lehman)らに付与された1999年3月9日発行の米国特許第5,879,826号に開示されている。レーマンらは、彼らの燃料電池の効率的な作動では、200〜300%の空気化学量論が必要とされることを開示しており、燃料電池を通過する空気流量が、生成水を除去するには不十分で、燃料電池の冠水が生じるので、200%を下回る化学量論では燃料電池の性能が大幅に低下することを具体的に述べている。(ここで意図されるところでは、「_%(例えば200%)の化学量論という用語は、化合物の必要量に対する当該百分率のことを意味し、ここで、「化合物の必要量」では、反応によって全ての反応物が消費される完全に効率的な反応が生じる。例えば、200%の酸化剤流れの化学量論とは、2倍量の酸素、すなわち、完全な効率で水素反応物と反応して所定の電流で水を生成するのに必要とされるよりもうあと100%の酸素が、燃料電池に供給されることを意味する。200%の酸素化学量論では、結果として酸素の半分が燃料電池内で利用されない。)200〜300%の酸化剤流れの化学量論を維持するために、レーマンらは、燃料電池から排出される過剰な空気全ての中の水を冷却するか、ある程度回収する必要がある。この結果、燃料電池を水平衡に維持するためには、複雑で費用の掛かる装置を使用する必要がある。
本開示は、酸化剤反応物流れおよび水素に富む反応物流れから電流を生成する燃料電池発電設備を含み、酸化剤流れは、約.058ポンド毎平方インチガス(「psig」)〜約4.4psigの圧力で発電設備の燃料電池に流入し、酸化剤流れは、約120%〜約180%、好ましくは約150%〜約170%の酸化剤化学量論で燃料電池を通過する(ここで意図されるところでは、「約」という言葉は、±20%を意味する)。
発電設備は、電解質の両面に取り付けられたアノード触媒およびカソード触媒を有する少なくとも1つの燃料電池を備える。アノード流れ場が、アノード触媒と、および水素に富む反応物の供給源と流体連通するように画成され、水素に富む反応物の流れを、アノード流れ場の入口からアノード触媒に隣接して通り、それからアノード流れ場の出口を通ってアノード流れ場から排出されるように導く。カソード流れ場もまた、カソード触媒と、および酸化剤の供給源と流体連通するように画成され、酸化剤の流れを、カソード流れ場の入口からカソード触媒に隣接して通り、それからカソード流れ場の出口を通ってカソード流れ場から排出されるように導く。マクロ孔カソード気体拡散層が、カソード触媒に隣接してカソード触媒とカソード流れ場との間に取り付けられる。
発電設備はまた、酸化剤供給源と、およびカソード流れ場の入口と流体連通する酸化剤入口ラインに取り付けられ、カソード流れ場の中へ、それからカソード流れ場を通る酸化剤流れの流量を選択的に変える酸化剤ポンプを備える。熱管理システムが、燃料電池の温度を制御し、熱管理システムは、カソード流れ場と隣接して流体連通するように取り付けられた多孔質の冷却剤板を備えており、冷却剤板は、冷却剤流体を、冷却剤板の入口から、冷却剤板を通り、それから冷却剤板の出口を通って冷却剤板から排出されるよう導くように構成される。冷却剤板はまた、冷却剤ループと流体連通するように取り付けられ、冷却剤流体を冷却剤板の出口から冷却剤ループを通り、冷却剤流体を冷却剤ループおよび冷却剤板を循環させる冷却剤ポンプを通り、冷却剤ループと熱交換関係で取り付けられた熱交換器を通り、多孔質の冷却剤板内の冷却剤流体の圧力を調整する圧力調整弁を通り、そして冷却剤板の入口へと戻るように導く。
主要負荷が、負荷回路および主要負荷スイッチを介してアノード触媒およびカソード触媒と電気的に連通して取り付けられ、燃料電池により生成される電流を選択的に受け取って利用する。
本開示は、主要負荷が燃料電池から電流を受け取っている時は、酸化剤が約0.58psig〜約4.4psigの圧力でカソード流れ場の入口に供給されるように、また、酸化剤流れが、約120%〜約180%、好ましくは約150%〜約170%の化学量論で燃料電池を通過するように構成された、燃料電池、酸化剤ポンプ、および熱管理システムを含む。また、発電設備は、カソード流れ場の出口に隣接する酸化剤流れの温度が、冷却剤板の出口に隣接する冷却剤流体の温度より低くなるように、また、カソード流れ場の出口に隣接する酸化剤流れの温度が、冷却剤板の入口に隣接する冷却剤流体の温度より5摂氏度(「℃」)より高くならないように構成されることができる。
多孔質の冷却剤板は、燃料電池の生成水が酸化剤流れの中へではなく冷却剤板内の冷却剤流体の中へとカソード流れ場から直接流入する経路を提供し、それによって、このような低い酸化剤化学量論の使用が可能となる。また、マクロ孔カソード気体拡散層は、ミクロ孔またはミクロ孔/マクロ孔二重層に比較してカソード触媒から燃料電池の生成水の迅速な輸送を行う。マクロ孔カソード気体拡散層は、約15μm〜約40μmの平均直径を有する孔を画成している。このように効率的にカソード触媒から生成水を除去することで、本開示は、非常に高い空気または酸素利用率とも言われる非常に低い酸化剤化学量論を実現する。(空気または酸素利用率は、酸化剤化学量論の逆数である。)低い酸化剤化学量論を実現することで、従ってカソード流れ場を通過する酸化剤流れの流量が非常に低くなることで、カソード流れ場から除去される水の量が最小になる。これは、燃料電池を水平衡に維持するのに役立つ。これはまた、非常に高い水平衡温度を実現する。水平衡温度は、燃料電池が水平衡に留まる場合に超えることができない空気または酸化剤排気温度のことを意味する。従って、本燃料電池発電設備によって、酸化剤流れの圧縮機およびポンプおよび関連する圧力制御弁、水回収装置、および/または熱除去装置の必要条件が最小限に抑えられ、それによって、燃料電池発電設備の作動効率が劇的に向上する。
燃料電池発電設備の好ましい実施例では、酸化剤化学量論は、約120%〜150%である。さらなる実施例では、カソード流れ場は、冷却剤板の入口に隣接するカソード出口を画成する。これによって結果として、カソード流れ場で多量の水が凝縮することになる。しかしながら、このことは、凝縮した液体水を除去できる多孔質の冷却剤板を有する本燃料電池発電設備では問題とならない。
従って、本開示の一般的な目的は、従来技術の欠点を克服する作動効率の改善された燃料電池発電設備を提供することである。
より具体的な目的は、酸化剤ポンプ、圧力制御弁、水回収装置、熱除去装置、および関連する構成要素の必要条件を最小限に抑える作動効率の向上した燃料電池発電設備を提供することである。
改善された作動効率を有する本燃料電池発電設備のこれらと他の目的および利点は、添付の図面と共に以下の説明を読むことでより容易に明らかとなるであろう。
図面を詳細に参照すると、図1には、全体が参照符号10で示された作動効率の改善された燃料電池発電設備が示されている。発電設備10は、プロトン交換膜電解質18などの電解質18の両面に取り付けられたアノード触媒14およびカソード触媒16を有する少なくとも1つの燃料電池12を備える。アノード流れ場20が、アノード触媒14と、および水素に富む反応物の供給源22と流体連通するように画成され、水素に富む反応物の流れを、アノード流れ場の入口24からアノード触媒14に隣接して通り、それからアノード流れ場の出口26を通ってアノード流れ場20から排出されるように導く。カソード流れ場28もまた、カソード触媒16と、および酸化剤の供給源30と流体連通するように画成され、酸化剤の流れを、カソード流れ場の入口32からカソード触媒16に隣接して通り、それからカソード流れ場の出口34を通ってカソード流れ場28から排出されるように導く。マクロ孔カソード気体拡散層36が、カソード触媒16に隣接してカソード触媒16とカソード流れ場28との間に取り付けられる。マクロ孔アノード気体拡散層38が、アノード触媒14とアノード流れ場20との間に取り付けられることもできる。カソードおよびアノードマクロ孔気体拡散層36、38は、約10μm〜約40の平均細孔直径と、0°より大きくかつ約80°未満の接触角と、約50μm〜約200μmの厚みとを有する。
発電設備10はまた、酸化剤供給源30と、およびカソード流れ場の入口32と流体連通する酸化剤入口ライン42に取り付けられ、カソード流れ場28の中へ、それからカソード流れ場28を通る酸化剤流れの流量を選択的に変える酸化剤ポンプ40を備える。「酸化剤ポンプ40」は、例えば、圧力調整器を備えた圧縮酸化剤タンク(図示せず)、送風機(図示せず)、圧縮機(図示せず)、ポンプ40などを含め、ここに説明する圧力で酸化剤反応物流れの流れを燃料電池12に供給することができる任意の装置とすることができる。
熱管理システム42が、燃料電池12の温度を制御し、熱管理システム42は、カソード流れ場28と隣接して流体連通するように取り付けられた多孔質の冷却剤板44を備えており、冷却剤板44は、冷却剤流体46を、冷却剤板の入口48から、冷却剤板44を通り、それから冷却剤板の出口50を通って冷却剤板44から排出されるよう導くように構成される。冷却剤板44はまた、冷却剤ループ52と流体連通するように取り付けられており、冷却剤流体を、冷却剤板の出口50から冷却剤ループ52を通り、冷却剤流体に冷却剤ループ52および冷却剤板44を循環させる冷却剤ポンプ54を通り、冷却剤ループ52と熱交換関係で取り付けられた熱交換器56を通り、多孔質の冷却剤板44内の冷却剤流体の圧力を調整する圧力調整弁58を通り、そして冷却剤板の入口48へと戻るように導く。熱管理システム42は、蓄積装置供給ライン60を介して冷却剤ループ52と流体連通するように取り付けられ、過剰の冷却剤流体46を貯蔵する蓄積装置59を備えることもできる。
主要負荷61が、負荷回路62および主要負荷スイッチ64を介してアノード触媒14およびカソード触媒16と電気的に連通して取り付けられ、燃料電池12により生成される電流を選択的に受け取って利用する。
図2は、二経路カソード流れ場66および隣接する多孔質の冷却剤板68(陰影線で示す)の概略図を示す。二経路カソード流れ場66は、第1の経路70を備えており、第1の経路70は、酸化剤流れを、カソード流れ場の入口72から第1の経路70に沿って折り返しヘッダ74まで導く。二経路カソード流れ場66はまた、第2の経路76を備えており、第2の経路76は、酸化剤流れを、折り返しヘッダ74から第1の経路70とは反対の方向へ、それからカソード出口78を通ってカソード流れ場66から排出されるように導く。第1の経路70と第2の経路76とは、経路セパレータ80によって二経路カソード流れ場66内で分離することができ、二経路カソード流れ場66を通る酸化剤流れの流れは、酸化剤流れ方向矢印82で示される。
図2の多孔質の冷却剤板68は、板68内に画成された孔などによって、二経路カソード流れ場66と隣接して流体連通するように取り付けられる。この板はまた、冷却剤流れ方向矢印86で示されるように冷却剤流体46の流れを、冷却剤入口85から、二経路カソード流れ場66を通って流れる酸化剤流れの流れ方向82に垂直な方向に導く冷却剤流れ経路84を含む。図2から明らかにように好ましい実施例では、カソード出口78は、冷却剤入口85に隣接するかまたは重なる。(図1の多孔質の冷却剤板44および図2の多孔質の冷却剤板68は、本開示の全ての権利の譲受人が所有する、2005年6月28日にマイケルズ(Michels)らに付与された米国特許第6,911,275号に開示されている「水輸送板」に類似するように構成され、作動する。)冷却剤流体46は、カソード出口78に隣接する冷却剤板の入口85から多孔質の冷却剤板68に流入し、冷却剤板の出口87を通って冷却剤板68から排出される。
図3は、プロット線88によって、52%の空気利用率における約0.658Vから約78%の空気利用率における0.568Vまでの電池電圧の急激な低下を示すデータをプロットする空気利用率(酸化剤化学量論の逆数を)のグラフを示す。プロット線88は、ミクロ孔層を必要とする別のマクロ孔気体拡散層を有する従来技術の燃料電池(図示せず)の性能を示す。このミクロ孔によって、カソード触媒への酸素輸送が妨げられ、その結果、燃料電池の性能が低下する。これとは対照的に、プロット線90は、本開示により構成された燃料電池12の劇的に改善された性能を示す。特にプロット線90は、約60%の空気利用率において電池電圧が約0.665であり、電池電圧が、約110%の酸化剤化学量論に相当する約90%もの高さの空気利用率において約0.622に低下するだけであることを示している。
図4にはプロット線92、94で、本発明により構成された燃料電池12の性能を比較するさらなるデータが示されている。実線のプロット線92は、グラフの左側の縦軸すなわち摂氏温度での水平衡温度(water balance temperature)に関連するデータを示し、点線のプロット線94は、グラフの右側の縦軸すなわち酸化剤化学量論(oxidant stoichiometry)に関連するデータを示すことに留意されたい。実線のプロット線96および対応する点線のプロット線98は、第1の従来技術の燃料電池(図示せず)の試験から得られたデータを示す。実線のプロット線100および対応する点線のプロット線102は、第2の従来技術の燃料電池(図示せず)の試験から得られたデータを示す。図4のプロット線92、94に示される本開示の燃料電池発電設備10の試験結果は、電力密度が0.0ワット毎平方センチメートル(W/cm2)から0.6W/cm2に増加する間、0.6ボルトにおける最大水平衡温度が約70℃より高く維持可能であったこと、また、酸化剤化学量論が約120%より低く維持されたことを示している。電力密度を0.8W/cm2に増加させると、水平衡温度は約68℃に低下するだけであり、また、酸化剤化学量論は約130%に増加するだけであった。電力密度を約0.86W/cm2に増加させると、水平衡温度は約61℃に低下するだけであり、また、酸化剤化学量論は約175%に増加するだけであった。これとは対照的に、2つの異なる従来技術の燃料電池に対するプロット線96、98および100、102は、性能が劇的に低下したことを示している。これらの従来技術の燃料電池(図示せず)は、カソードに隣接してミクロ孔層(図示せず)を使用する必要のあるマクロ孔気体拡散層を備えていた。
本開示はまた、酸化剤反応物流れおよび水素に富む反応物流れから電流を生成するように燃料電池発電設備12を作動させる方法を含む。方法は、水素に富む反応物流れの流れを、水素供給源22から燃料電池12のアノード触媒14に隣接して画成されたアノード流れのアノード流れ場20を通り、それからアノード流れ場の出口26を通ってアノード流れ場20から排出されるように導き; 酸化剤反応物流れの流れを、酸化剤供給源30から燃料電池12のカソード触媒16に隣接して画成されたカソード流れ28場を通り、それからカソード流れ場の出口34を通ってカソード流れ場28から排出されるように導く、各ステップを含み、酸化剤反応物流れは、約0.58psig〜約4.4psigの圧力でカソード流れ場28に流入し、カソード流れ場28を通る酸化剤反応物流れの流れは、約120%〜約180%、好ましくは約150%〜約170%の化学量論で導かれる。
方法はまた、冷却剤流体46の流れを、多孔質の冷却剤板44の冷却剤板の入口48から、冷却剤板44を通るように導き、冷却剤流体の流れを、冷却剤板の出口50を通って冷却剤板44から排出されるように導く、各ステップを含み、多孔質の冷却剤板は、燃料電池12から熱を除去するとともに、カソード触媒16で生成された水を多孔質の冷却剤板44内へと除去するように、カソード流れ場28と流体連通するよう取り付けられる。方法はまた、カソード流れ場の出口50に隣接する酸化剤流れの温度が、冷却剤板の出口50に隣接する冷却剤流体の温度より低くなるように、また、カソード流れ場の出口34に隣接する酸化剤流れの温度が、冷却剤板の入口48に隣接する冷却剤流体の温度より5℃より高くならないように、多孔質の冷却剤板44を通る冷却剤流体の流れと、多孔質冷却剤板44を通したカソード流れ場28からの水の除去とを制御するステップを含むこともできる。方法はまた、燃料電池12によって生成された電流を負荷回路62を通して主要負荷61へと導くステップを含む。方法はまた、酸化剤流れの流れを二経路カソード流れ場66を通して導き、マクロ孔カソード気体拡散層36をカソード流れ場28とカソード触媒16との間に取り付け、酸化剤流れをマクロ孔カソード気体拡散層36に隣接して流れるように導く、各ステップを含むこともできる。
本開示は、説明し、例示した、作動効率の改善した燃料電池発電設備10に関して提示してきたが、本開示は、これらの代替物や説明された実施例に限定すべきではないことは理解されるであろう。従って、本開示の範囲を決定するためには、上述の説明よりむしろ下記の特許請求の範囲を主に参照すべきである。
Claims (10)
- 酸化剤反応物流れおよび水素に富む反応物流れから電流を生成する燃料電池発電設備(10)であって、
a. 電解質(18)の両面に取り付けられたアノード触媒(14)およびカソード触媒(16)と、アノード流れ場(20)と、カソード流れ場(28)と、カソード気体拡散層(36)と、を有する少なくとも1つの燃料電池(12)であって、アノード流れ場(20)が、アノード触媒(14)と、および水素に富む反応物の供給源(22)と流体連通するように画成され、水素に富む反応物の流れをアノード触媒(14)に隣接するように導き、カソード流れ場(28)が、カソード触媒(16)と、および酸化剤反応物の供給源(30)と流体連通するように画成され、酸化剤の流れをカソード触媒(16)に隣接するように導き、カソード気体拡散層(36)が、カソード触媒(16)に隣接してカソード触媒(16)とカソード流れ場(28)との間に取り付けられる、少なくとも1つの燃料電池(12)と、
b. 酸化剤供給源(30)と、およびカソード流れ場の入口(32)のカソード入口(32)と流体連通するように取り付けられ、カソード流れ場(28)の中へ、それからカソード流れ場(28)を通る酸化剤の流量を選択的に変える、酸化剤ポンプ(40)と、
c. カソード流れ場(28)と隣接して流体連通するように取り付けられた多孔質の冷却剤板(44)であって、冷却剤流体を、冷却剤板の入口(48)から、冷却剤板を通り、それから冷却剤板の出口(50)を通って冷却剤板から排出されるよう導くように構成された多孔質の冷却剤板(44)と、
d. 負荷回路(62)および主要負荷スイッチ(64)を介してアノード触媒(14)およびカソード触媒(16)と電気的に連通して取り付けられ、燃料電池(12)により生成される電流を選択的に受け取って利用する、主要負荷(61)と、
を備えており、
e. 燃料電池(12)および酸化剤ポンプ(40)は、主要負荷(61)が燃料電池(12)から電流を受け取っている時は、酸化剤が約0.58psig〜約4.4psigの圧力でカソード入口(32)に供給されるように、また、酸化剤が約120%〜約180%の酸化剤化学量論で燃料電池(12)を通過するように構成される、
ことを特徴とする燃料電池発電設備(10)。 - 燃料電池(12)および酸化剤ポンプ(40)は、主要負荷(61)が燃料電池(12)から電流を受け取っている時は、カソード流れ場の出口(34、78)に隣接する酸化剤の温度が、多孔質の冷却剤板(44)の出口(50、87)に隣接する冷却剤の温度より低くなるように、また、カソード流れ場の出口(34、78)に隣接する酸化剤の温度が、冷却剤板の入口(48、85)に隣接する冷却剤の温度より5℃より高くならないように構成されることを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電設備(10)。
- カソード流れ場(66)は、二経路カソード流れ場(66)をさらに含み、二経路カソード流れ場(66)は、二経路カソード流れ場(66)のカソード出口(78)が、冷却剤板の入口(85)に隣接するように、また、二経路カソード流れ場(66)の第1の経路(70)および第2の経路(76)を通る酸化剤流れの流れが、多孔質の水輸送板(68)を通る冷却剤流体の流れに垂直になるように、多孔質の水輸送板(68)に隣接して取り付けられることを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電設備(10)。
- カソード気体拡散層(36)は、約10μm〜約40μmの平均直径を有する複数の孔を画成するとともに、0°より大きくかつ約80°までの接触角と、約50μm〜約200μmの厚みとを有するマクロ孔気体拡散層(36)であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電設備(10)。
- 多孔質冷却板(44)はまた、冷却剤ループ(52)と流体連通するように取り付けられており、冷却剤を、冷却剤板の出口(50)から冷却剤ループ(52)を通り、冷却剤に冷却剤ループ(52)および冷却剤板(44)を循環させる冷却剤ポンプ(54)を通り、冷却剤ループ(52)と熱交換関係で取り付けられた熱交換器(54)を通り、多孔質の冷却剤板(44)内の冷却剤の圧力を調整する圧力調整弁(58)を通り、そして冷却剤板(44)の中へと戻るように導くことを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電設備(10)。
- 燃料電池(12)および酸化剤ポンプ(40)は、主要負荷(61)が燃料電池(12)から電流を受け取っている時は、酸化剤が約0.58psig〜約4.4psigの圧力でカソード入口(32)に供給され、酸化剤が約150%〜約170%の酸化剤化学量論で燃料電池(12)を通過するように構成されることを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電設備(10)。
- 酸化剤反応物流れおよび水素に富む反応物流れから電流を生成するように燃料電池発電設備(10)を作動させる方法であって、
a. 水素に富む反応物流れの流れを、水素供給源(30)から燃料電池(12)のアノード触媒(14)に隣接して画成されたアノード流れ場(20)を通るように導き、
b. 酸化剤反応物流れの流れを、酸化剤供給源(30)から燃料電池(12)のカソード触媒(16)に隣接して取り付けられたマクロ孔カソード気体拡散層(36)に隣接して画成されたカソード流れ場(28)を通り、それからカソード流れ場の出口(34)を通ってカソード流れ場(28)から排出されるように導き、
c. 酸化剤流れが約0.58psig〜約4.4psigの圧力でカソード流れ場(28)に流入するように、また、燃料電池(12)を通る酸化剤反応物流れの流れが約120%〜約180%の酸化剤化学量論で導かれるように、カソード流れ場(28)を通って流れる酸化剤反応物流れの流れを制御し、
d. 冷却剤流体の流れを、多孔質の冷却剤板(44)の冷却剤板の入口(48)から、多孔質の冷却剤板(44)を通るように導き、冷却剤の流れを、冷却剤板の出口(50)を通って冷却剤板から排出されるように導き、
e. 燃料電池(12)によって生成された電流を負荷回路(62)を通して主要負荷(61)へと導く、
ことを含み、
マクロ孔カソード気体拡散層(36)は、約10μm〜約40μmの平均直径を有する複数の孔を画成するとともに、0°より大きくかつ約80°までの接触角と、約50μm〜約200μmの厚みとを有し、
多孔質の冷却剤板(44)は、燃料電池(12)から熱を除去するとともに、カソード触媒(16)で生成された水を多孔質の冷却剤板(44)内へと除去するように、カソード流れ場(28)と流体連通するよう取り付けられる、
ことを特徴とする燃料電池発電設備(10)を作動させる方法。 - カソード流れ場の出口(34)に隣接する酸化剤流れの温度が、冷却剤板の出口(50)に隣接する冷却剤の温度より低くなるように、また、カソード流れ場の出口(34)に隣接する酸化剤流れの温度が、冷却剤板の入口(48)に隣接する冷却剤の温度より5℃より高くならないように、多孔質の冷却剤板(44)を通る冷却剤流体の流れを制御するとともに、カソード流れ場(28)を通る酸化剤反応物流れの流れを制御することをさらに含むことを特徴とする請求項7記載の燃料電池発電設備(10)を作動させる方法。
- 酸化剤流れが多孔質の冷却剤板(68)の冷却剤板の入口(85)に隣接して二経路カソード流れ場(66)から排出されるように、酸化剤反応物流れの流れを、多孔質の水輸送板(68)に隣接して取り付けられた二経路カソード流れ場(66)の第1の経路(70)を通り、それから反対の第2の経路(76)を通るように導くとともに、二経路カソード流れ場(66)の第1の経路(70)および第2の経路(76)を通る酸化剤流れの流れを、多孔質の水輸送板(68)を通る冷却剤流体の流れに垂直な方向に導くことをさらに含むことを特徴とする請求項7記載の燃料電池発電設備(10)を作動させる方法。
- 酸化剤反応物流れの流れを制御することは、酸化剤流れが約0.58psig〜約4.4psigの圧力でカソード流れ場(28)に流入するように、また、燃料電池(12)を通る酸化剤反応物流れの流れが約150%〜約170%の酸化剤化学量論で導かれるように、酸化剤流れをカソード流れ場(28)に流すことをさらに含むことを特徴とする請求項7記載の燃料電池発電設備(10)を作動させる方法。
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