JP2019509603A - 温度管理のための燃料電池の流れ場の設計 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2016年3月22日に出願された米国仮特許出願第62/311,901号に関し、また、その優先権の利益を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、概して、電気化学燃料電池に関し、より具体的には、冷媒流れ場プレートの設計により温度管理が改良された電気化学燃料電池に関する。
温度制御、ならびに加熱および冷却を提供するように設計された装置は、多くの家庭用製品および産業用製品の中核をなしている。このような製品には、マイクロプロセッサ、自動車、燃料電池、火炉、温水暖房器、セルラーデバイス、および工業計器などが含まれる。これらの装置は、何らかの熱交換器を利用してある場所から別の場所に熱を伝達している。
燃料電池アセンブリが、複数の積み重ねられた燃料電池を備え、それぞれの燃料電池が、アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間に置かれたプロトン交換膜電解質と、アノードに隣接したアノード流れ場プレートであって、アノードに燃料を向けるためのアノード流れチャネルを備えるアノード流れ場プレートと、カソードに隣接したカソード流れ場プレートであって、カソードに酸化剤を向けるためのカソード流れチャネルを備えるカソード流れ場プレートとを備える。燃料電池アセンブリは、燃料電池のうちの1つのカソード流れ場プレートと、隣接した燃料電池のアノード流れ場プレートとの間に置かれた熱補償冷媒チャネルであって、流れ場プレートのうちの少なくとも1つと接する(または熱伝達関係にある)冷媒を向けるための熱補償冷媒チャネルをさらに備える。熱補償冷媒チャネルは、熱補償冷媒チャネルの長さの少なくとも一部に沿って冷媒の流れ方向に減少する断面積を有する。いくつかの実施形態では、燃料電池アセンブリは、複数のアノード流れチャネルおよび/または複数のカソード流れチャネルを備える。いくつかの実施形態では、燃料電池アセンブリは、燃料電池のうちの1つのカソード流れ場プレートと、隣接した燃料電池のアノード流れ場プレートとの間に置かれた複数の熱補償冷媒チャネルであって、流れ場プレートのうちの少なくとも1つと接する(または熱伝達関係にある)冷媒を向けるための複数の熱補償冷媒チャネルを備える。
複数の燃料電池に燃料および酸化剤を供給して、燃料電池から電力を発生させることと、
燃料電池のうちの1つのカソード流れ場プレートと、隣接した燃料電池のアノード流れ場プレートとの間に置かれた熱補償冷媒チャネルを通して冷媒を向けることと、を含むとともに、熱補償冷媒チャネルを通って流れる冷媒の速度が、熱補償冷媒チャネルの長さの少なくとも一部に沿って増加して、熱補償冷媒チャネルの長さのこうした一部に沿った冷媒の温度の上昇を少なくとも部分的に補償する。いくつかの実施形態では、熱補償冷媒チャネルを通って流れる冷媒の速度が、熱補償冷媒チャネルの長さの少なくとも一部に沿って増加して、熱補償冷媒チャネルの長さのこうした一部に沿った冷媒の温度の上昇を実質的に補償する。
本明細書に記載の技術の実施形態では、熱伝達面上の作動流体の速度は、熱伝達面上の熱流束の変化(単位面積当りの熱伝達)を制御するように調節されている。作動流体の速度を調節して、熱伝達面上の熱流束の変化を低減、または排除することが可能である。熱流束が実質的に均一で、熱源によって熱が実質的に均一に生成されれば、得られる熱伝達面の温度もまた、実質的に均一になる。
と、入口における作動流体の温度T0と、壁面温度Twとを含む。
は質量流量であり、ρ0は入口における作動流体の密度である。
式中、Nuはヌッセルト数、Reはレイノルズ数であり、また、Prはプラントル数である。
q(0)=h0(Tw−T0) (7)
Q=q(0)W0△x (8)
式中、Qi−1はチャネルに沿った前の位置xi−1における熱伝達領域全体にわたる熱伝達であり、
は質量流量であり、Cpi−1は位置xi−1における比熱であり、また、Ti−1は位置xi−1における作動流体の温度である。
Qi=q(xi)Wi△x (17)
であり、入口ポート1240Aおよび出口ポート1240Bにおける流体の温度は、それぞれThiおよびThoである。
であり、入口ポート1250Aおよび出口ポート1250Bにおける流体の温度は、それぞれTciおよびTcoである。
アノードと、
カソードと、
アノードとカソードとの間に置かれたプロトン交換膜電解質と、
アノードに隣接したアノード流れ場プレートであって、アノードに燃料を向けるための少なくとも1つのアノード流れチャネルを備えるアノード流れ場プレートと、
カソードに隣接したカソード流れ場プレートであって、カソードに酸化剤を向けるための少なくとも1つのカソード流れチャネルを備えるカソード流れ場プレートと、
カソード流れ場プレートとアノード流れ場プレートとの間の少なくとも1つの熱補償冷媒チャネルであって、流れ場プレートのうちの少なくとも1つと接する冷媒を向けるための熱補償冷媒チャネルとを備える。
Claims (21)
- 燃料電池アセンブリであって、
(a)(i)第1のアノードと、
(ii)第1のカソードと、
(iii)前記第1のアノードと前記第1のカソードとの間に置かれた第1のプロトン交換膜電解質と、
(iv)前記第1のアノードに隣接した第1のアノード流れ場プレートであって、前記第1のアノードに燃料を向けるための第1のアノード流れチャネルを備える第1のアノード流れ場プレートと、
(v)前記第1のカソードに隣接した第1のカソード流れ場プレートであって、前記第1のカソードに酸化剤を向けるための第1のカソード流れチャネルを備える第1のカソード流れ場プレートと
を備える第1の燃料電池と、
(b)(i)第2のアノードと、
(ii)第2のカソードと、
(iii)前記第2のアノードと前記第2のカソードとの間に置かれた第2のプロトン交換膜電解質と、
(iv)前記第2のアノードに隣接した第2のアノード流れ場プレートであって、前記第2のアノードに前記燃料を向けるための第2のアノード流れチャネルを備える第2のアノード流れ場プレートと、
(v)前記第2のカソードに隣接した第2のカソード流れ場プレートであって、前記第2のカソードに前記酸化剤を向けるための第2のカソード流れチャネルを備える第2のカソード流れ場プレートと
を備える第2の燃料電池と、
(c)前記第1のカソード流れ場プレートと前記第2のアノード流れ場プレートとの間に置かれた、前記第1のカソード流れ場プレートおよび前記第2のアノード流れ場プレートのうちの少なくとも1つと熱伝達関係にある冷媒を向けるための熱補償冷媒チャネルであって、前記熱補償冷媒チャネルの長さの少なくとも一部に沿って冷媒の流れ方向に減少する断面積を有する熱補償冷媒チャネルと
を備える燃料電池アセンブリ。 - 前記熱補償冷媒チャネルの前記断面積が、前記熱補償冷媒チャネルの前記長さの前記少なくとも一部に沿って前記冷媒の流れ方向に非直線的に減少する、請求項1に記載の燃料電池アセンブリ。
- 前記熱補償冷媒チャネルが実質的に矩形の断面を有するとともに、前記熱補償冷媒チャネルの幅が、前記熱補償冷媒チャネルの前記長さの前記少なくとも一部に沿って前記冷媒の流れ方向に非直線的に減少する、請求項1または2に記載の燃料電池アセンブリ。
- 前記第1のカソード流れチャネルの断面積が、前記第1のカソード流れチャネルの長さの少なくとも一部に沿って酸化剤の流れ方向に減少する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の燃料電池アセンブリ。
- 前記第1のカソード流れチャネルが実質的に矩形の断面を有するとともに、前記第1のカソード流れチャネルの幅が、前記第1のカソード流れチャネルの前記長さの前記少なくとも一部に沿って指数関数に従って減少する、請求項4に記載の燃料電池アセンブリ。
- 前記第2のアノード流れチャネルの断面積が、前記第2のアノード流れチャネルの長さの少なくとも一部に沿って燃料の流れ方向に減少する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の燃料電池アセンブリ。
- 前記第2のアノード流れチャネルが実質的に矩形の断面を有するとともに、前記第2のアノード流れチャネルの幅が、前記第2のアノード流れチャネルの前記長さの前記少なくとも一部に沿って指数関数に従って減少する、請求項6に記載の燃料電池アセンブリ。
- 前記熱補償冷媒チャネルが、前記第1のカソード流れ場プレートと前記第2のアノード流れ場プレートとの間に置かれた冷媒流れ場プレートに形成される、請求項1〜7のいずれかの一項に記載の燃料電池アセンブリ。
- 前記熱補償冷媒チャネルが、前記第1のカソード流れチャネルとは反対側の表面上の前記第1のカソード流れ場プレートに形成される、請求項1〜7のいずれか一項に記載の燃料電池アセンブリ。
- 前記熱補償冷媒チャネルが、前記第2のアノード流れチャネルとは反対側の表面上の前記第2のアノード流れ場プレートに形成される、請求項1〜7のいずれか一項に記載の燃料電池アセンブリ。
- 前記第1のカソード流れ場プレートがスタンピング加工されて、前記第1のカソード流れ場プレートの片面に複数の前記第1のカソード流れチャネルを形成し、前記第2のアノード流れ場プレートがスタンピング加工されて、前記第2のアノード流れ場プレートの片面に複数の前記第2のアノード流れチャネルを形成するとともに、複数の前記熱補償冷媒チャネルが、前記第1のアノード流れ場プレートおよび前記第2のカソード流れ場プレートの協働する表面によって、前記第1の燃料電池と前記第2の燃料電池との間に形成される、請求項1〜7のいずれか一項に記載の燃料電池アセンブリ。
- 前記第1のアノード流れ場プレートおよび前記第2のカソード流れ場プレートが、入れ子状になっている、請求項11に記載の燃料電池アセンブリ。
- 複数の積み重ねられた燃料電池を備える燃料電池アセンブリを動作させる方法であって、それぞれの燃料電池が、
(i)アノードと、
(ii)カソードと、
(iii)前記アノードと前記カソードとの間に置かれたプロトン交換膜電解質と、
(iv)前記アノードに隣接したアノード流れ場プレートであって、前記アノードに燃料を向けるためのアノード流れチャネルを備えるアノード流れ場プレートと、
(v)前記カソードに隣接したカソード流れ場プレートであって、前記カソードに酸化剤を向けるためのカソード流れチャネルを備えるカソード流れ場プレートと
を備え、
(a)前記複数の燃料電池に燃料および酸化剤を供給して、前記燃料電池から電力を発生させることと、
(b)前記燃料電池のうちの1つの前記カソード流れ場プレートと、隣接した燃料電池の前記アノード流れ場プレートとの間に置かれた熱補償冷媒チャネルを通して冷媒を向けることとを含むとともに、前記熱補償冷媒チャネルを通って流れる前記冷媒の速度が、前記熱補償冷媒チャネルの長さの少なくとも一部に沿って増加して、前記熱補償冷媒チャネルの前記長さの前記少なくとも一部に沿った前記冷媒の温度の上昇を実質的に補償する方法。 - 前記複数の燃料電池に燃料および酸化剤を供給して、前記燃料電池から電力を発生させることが、前記燃料電池のそれぞれの全体にわたって実質的に均一な電流密度で、前記燃料電池から電力を発生させることを含む、請求項13に記載の方法。
- 前記熱補償冷媒チャネルを通って流れる前記冷媒の前記速度が、前記熱補償冷媒チャネルの前記長さの少なくとも一部に沿って増加して、前記熱補償冷媒チャネルの前記長さの前記少なくとも一部に沿った前記冷媒の前記温度の上昇を実質的に補償することで、前記燃料電池のそれぞれが実質的に等温で動作する、請求項13または14に記載の方法。
- 前記熱補償冷媒チャネルが、前記熱補償冷媒チャネルの前記長さの前記少なくとも一部を通って流れる冷媒に、実質的に均一な熱流束を供給するように構成されている、請求項13〜15のいずれか一項に記載の方法。
- 前記熱補償冷媒チャネルの断面積が、前記熱補償冷媒チャネルの前記長さの前記少なくとも一部に沿って変化する、請求項13〜16のいずれか一項に記載の方法。
- 前記熱補償冷媒チャネルの前記断面積が、前記熱補償冷媒チャネルの前記長さの前記少なくとも一部に沿って前記冷媒の流れ方向に非直線的に減少する、請求項13〜17のいずれか一項に記載の方法。
- 前記熱補償冷媒チャネルが実質的に矩形の断面を有するとともに、前記熱補償冷媒チャネルの幅が、前記熱補償冷媒チャネルの前記長さの前記少なくとも一部に沿って前記冷媒の流れ方向に非直線的に減少する、請求項13〜18のいずれか一項に記載の方法。
- 前記アノード流れチャネルが実質的に矩形の断面を有するとともに、前記第2のアノード流れチャネルの幅が、前記アノード流れチャネルの長さの前記少なくとも一部に沿って指数関数に従って減少する、請求項13〜19のいずれか一項に記載の方法。
- 前記カソード流れチャネルが実質的に矩形の断面を有するとともに、前記カソード流れチャネルの幅が、前記カソード流れチャネルの長さの前記少なくとも一部に沿って指数関数に従って減少する、請求項13〜20のいずれか一項に記載の方法。
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