JP2015130365A - パッシブ型反応物供給による燃料電池の操作方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】パッシブ式反応物供給源を用いた燃料電池システムの動作方法であって、燃料電池システムは、イオン伝導性電解質により隔てられた複数のアノードおよび複数のカソード、ならびに、流体学的に前記複数のアノードに接続する閉じた燃料供給源を含み、複数のカソードを外気にさらすステップと、外気の圧力を超える圧力で前記複数のアノードに燃料を供給するステップとを有することにより、上記課題の解決を図る。
【選択図】図4
Description
2006年1月25日出願の米国特許仮出願整理番号60/743,173に対する、米国特許法第119条(e)のもとの優先権の利益を本非仮出願は主張し、この米国特許仮出願整理番号60/743,173は参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、燃料電池に関し、より詳細には、パッシブ式の、密封型燃料供給システムを有する空気吸出入式燃料電池の動作方法に関する。動作時間を延ばし、高い燃料利用率を達成するために、本方法の実施形態を使用することができる。
本特許文献の開示部分は、著作権保護を受ける素材を含む。本特許文書または本特許開示は、特許商標局の特許資料または記録に記載されているので、著作権者は、本特許文書または本特許開示の何者による複製に対しても異議はないが、いかなる著作権も著作権者に留保される。以下におよび本文書の一部を形成する図面に記載されるようなソフトウエアならびにデータへ、以下の通知は充当される。
Copyright 2005、Angstrom Power社。著作権完全保持。
本明細書で使用するように、「パッシブ式」とは、外因的な機械力を全く利用しない反応物の流れのことを指す。例えば、反応物の流れは、拡散または圧力勾配の差から起こることもある。燃料電池システムにおけるパッシブ式動作のもとで、反応物の圧力を例えば、調整、調節、または変動することもできる。
ある実施形態では、燃料プレナムがもはや燃料電池システムのはっきりとした構成部品ではないように、燃料をアノードと燃料供給源との間に一体してはさむために、燃料供給源104が燃料電池アセンブリに直接連結されることを意図しているが、代わりに、システムの他の構成部品の統合を通して、燃料プレナムは暗黙のうちに作成されるものと考えることがある。ある実施形態では、燃料供給源と燃料プレナムとが本質的に1つの独立体となるように、燃料プレナムは、燃料供給源内に直接統合される。
1. 汚染物質を吸収するために活性化する、ガス拡散層内に置かれた炭素層。
2. カソードに撥水性を与える、燃料電池の表面上に置かれた疎水性層。
3. i. 多孔性の疎水性テフロン(登録商標)シートと
ii. 多孔性の活性炭フィルタとを有する、燃料電池を覆う多孔性カバー。
4. スクリーン状のまたはメッシュ状のカバー。
実施例1
図2に示すテスト結果は、高い燃料利用率を達成すると同時に長期の動作時間および安定した性能を遂げる際の問題点を例示する。図2は、種々の燃料利用率でのデッドエンド・モードおよびオープンエンド・モードの両方における燃料電池システムの動作を例示する。4つ全てのテストにおいて、燃料電池カソードは、オキシダントの供給のために外気に単にさらされた。そして圧縮ガス・シリンダからの純粋な乾燥水素がアノードに向けられた。調査された燃料電池は、200mA/cm2で操作される10セル・アセンブリであった。
実施例2
この実施例においては、実施例1と同じ10セル・アセンブリが、アノードからカソードへのずっとより高い圧力差(今回は約24psig)をかけた水素によりデッドエンド式で動作された。カソードは再度、オキシダントの供給のために外気にそのままさらした。このデッドエンド式動作中の、動作時間に対する電圧のグラフを図3に示す。約7.0ボルトから約7.5ボルトの間の電圧において、テストが計画の通り停止された時間である25,000秒(ほぼ7時間)を超えて燃料電池が動作したことを、このグラフは示す。このことからは、燃料側がデッドエンドになっているパッシブ式の空気吸出入式燃料電池システムにおいて、高い圧力差を利用することの利点が示されている。これらの動作条件下におけるこの特定のタイプおよびサイズの燃料電池システムに関しては、2.85psigの差は十分でなかったが(実施例1に示すように)、圧力差を強めて24psigにすると、動作時間においての有意な改善が得られた。
実施例3
この実施例においては、実施例1および2で利用されたのとは異なる燃料電池アーキテクチャを使用して本方法はテストされ(ELECTROCHEMICAL FUEL CELLS HAVING CURRENT−CARRYING STRUCTURES UNDERLYING REACTION LAYERSに記載されるように)、図4に示すように、動作時間に対する電圧は、200mA/cm2において測定された。周辺温度もまたモニタした。これをグラフに示す。やはり燃料電池カソードは、オキシダントの供給のために外気にそのままさらした。水素は、約5psigの圧力で、デッドエンド式のアノードに供給された。データは、スタックが約1900時間(10週間超)の間、4ボルトから8ボルトの電圧範囲内で動作したことを示す。排出またはパージされることなしに、水素は、終始デッドエンドのままであった。周辺温度は、摂氏約20度から35度の範囲であった。
実施形態
1. パッシブな反応物供給による燃料電池システムの動作方法であって、前記燃料電池システムは、イオン伝導性電解質により隔てられた、複数のアノードおよび複数のカソード、ならびに、流体的に前記複数のアノードに接続する閉じた燃料供給源を含み、
前記カソードを外気にさらすステップと、
前記外気の圧力を超える圧力で前記アノードに燃料を供給するステップと
を有する、方法。
2. 前記燃料は水素である、実施形態1に記載の方法。
3. 燃料利用率が75%を超える、実施形態1に記載の方法。
4. 前記燃料利用率が90%を超える、実施形態1に記載の方法。
5. 燃料供給圧力が少なくとも1つの圧力調整器によって制御される、実施形態1に記載の方法。
6. 前記燃料供給源は、金属水素化物、複合金属水素化物、カーボングラファイト・ナノファイバ、圧縮水素ガス、ケミカル・ハイドライドからなる群から選択される水素貯蔵材料を有する、実施形態1に記載の方法。
7. 燃料が、実質的に一定の圧力で前記複数のアノードに供給される、実施形態1に記載の方法。
8. 前記燃料が前記複数のアノードに供給されるときの前記圧力は、前記燃料電池システムの電力需要の影響を受けない、実施形態1に記載の方法。
9. 前記閉じた燃料供給源と前記複数のアノードとの間には圧力調整についての構成部品がない、実施形態1に記載の方法。
10. 前記燃料が前記アノードに供給されるときの前記圧力は、前記燃料電池システムの電力需要に左右される、実施形態1に記載の方法。
11. 前記閉じた燃料供給源と前記複数のアノードとの間に1つまたは複数個の圧力制御構成部品が配置される、実施形態1に記載の方法。
12. 前記燃料供給源は金属水素化物を含む、実施形態1に記載の方法。
13. 前記燃料が加水されていない、実施形態1に記載の方法。
14. 前記燃料電池システムは、燃料電池の平面配列を有する、実施形態1に記載の方法。
15. 前記平面配列内の各個別の燃料電池の領域が0.00000001cm2から1000cm2までの範囲である、実施形態14に記載の方法。
16. 前記反応物燃料は、並列に接続された前記複数のアノードのそれぞれに供給される、実施形態1に記載の方法。
17. 前記反応物燃料は、直列に接続された前記複数のアノードの少なくとも一部へ供給される、実施形態1に記載の方法。
18. 前記イオン伝導性電解質は、プロトン交換膜である、実施形態1に記載の方法。
19. 前記イオン伝導性電解質は、ペルフルオロスルホン酸の重合体を含む、実施形態1に記載の方法。
20. 前記イオン伝導性電解質のイオン伝導度が、前記イオン伝導性電解質の水和レベルに左右される、実施形態1に記載の方法。
21. 前記イオン伝導性電解質の厚さが、1ミクロンから100ミクロンの範囲である、実施形態1に記載の方法。
22. パッシブな反応物供給による燃料電池システムの動作方法であって、前記燃料電池システムは、少なくとも1つのアノード、少なくとも1つのカソード、イオン伝導性電解質、および、前記燃料電池システムに連結された閉じた燃料供給源を有し、ここで前記イオン導電性電解質はそれぞれのアノードとカソードとの間に配置され、
前記燃料供給源を、周囲圧力を超える圧力にまで加圧するステップと、
前記カソードを外気にさらすステップと、
を有する、方法。
23. 前記燃料供給源は金属水素化物を含む、実施形態22に記載の方法。
24. パッシブな反応物供給による燃料電池の動作方法であって、前記燃料電池は、少なくとも1つのアノード、少なくとも1つのカソード、イオン伝導性電解質、および、前記燃料電池システムに接続された閉じた燃料プレナムを有し、ここで前記イオン導電性電解質はそれぞれのアノードとカソードとの間に配置され、
前記カソードを外気にさらすステップと、
前記外気の圧力を超える圧力で、前記燃料プレナムにより燃料を前記アノードへ供給するステップと、
を有する、方法。
25. 携帯型電源、携帯電話、PDA、衛星電話、ラップトップ・コンピュータ、携帯型DVD再生機、携帯型CD再生機、携帯型パーソナル・ケア・デバイス、携帯型ステレオ、携帯型テレビ、無線送信機、レーダ送信機、レーダ探知機、ラップトップ・コンピュータ、何らかの携帯型電子デバイス、およびこれらの組合せのうちのひとつ以上の筐体内に、前記燃料電池システムが組み込まれている、実施形態1、22、24に記載の方法。
26. 燃圧が加減される、実施形態1、22、24に記載の方法。
27. 燃料の前記アノードからのパージまたは排出によって燃料が前記燃料電池システ
ムから放出されることのない、実施形態1、22、24に記載の方法。
Claims (10)
- パッシブ式反応物供給源を用いた燃料電池システムの動作方法であって、前記燃料電池システムは、イオン伝導性電解質により隔てられた複数のアノードおよび複数のカソード、ならびに、流体学的に前記複数のアノードに接続する閉じた燃料供給源を含み、
前記複数のカソードを外気にさらすステップと、
前記外気の圧力を超える圧力で前記複数のアノードに燃料を供給するステップと
を有する、方法。 - 前記燃料は水素である、請求項1に記載の方法。
- 前記システムの燃料利用率が75%を超える、請求項1に記載の方法。
- 前記燃料供給源は、金属水素化物、複合金属水素化物、カーボングラファイト・ナノファイバ、圧縮水素ガス、ケミカル・ハイドライドからなる群から選択される水素貯蔵材料を有する、請求項1に記載の方法。
- 実質的に一定の圧力で前記燃料を前記複数のアノードに供給するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記複数のアノードに前記燃料を提供する圧力は、前記燃料電池システムの電力需要に依存しない、請求項1に記載の方法。
- 前記燃料電池システムは、燃料電池の平面配列を有する請求項1に記載の方法。
- 前記イオン伝導性電解質の厚さが、1ミクロンから100ミクロンの範囲である、請求項1に記載の方法。
- パッシブ式反応物供給源を用いた燃料電池システムの動作方法であって、燃料電池システムは、少なくとも1つのアノードと、少なくとも1つのカソードと、閉じた燃料供給源を含み、イオン伝導性電解質が、各アノードと各カソードとの間に配置されており、前記燃料供給源は燃料電池システムと結合している、該方法であって、
前記燃料供給源を周囲圧力を超える圧力にまで加圧するステップと、
前記複数のカソードを外気にさらすステップと、
を含む方法。 - パッシブ式反応物供給源を用いた燃料電池システムの動作方法であって、燃料電池システムは、少なくとも1つのアノードと、少なくとも1つのカソードと、前記アノードを有する閉じた燃料プレナムを含み、イオン伝導性電解質が、各アノードと各カソードとの間に配置されており、前記燃料プレナムが、燃料供給源に通じており、前記方法が、
前記複数のカソードを外気にさらすステップと、
前記外気の圧力を超える圧力で、前記燃料プレナムを介して燃料を前記複数のアノードに供給するステップと、
を含む方法。
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