JP2020536355A - 燃料電池スタックの流入量の制御 - Google Patents

Abstract

燃料電池モジュール用のダクトは、供給ダクトから反応ガスを受けるように構成されている入口を有する上部ダクトフードを含み、上部ダクトフードは、第１の先細部および第２の先細部を画定する。ダクトは、さらに、上部ダクトフードに流体的に結合される下部ダクトフードを含み、下部ダクトフードは、少なくとも１つの出口を画定する。側面視において、第２の先細部は、下流方向において内方に先細となる。上面視において、第１の先細部は、下流方向において内方に先細となり、第２の先細部は、下流に進むにつれて外方に先細となる。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、その開示全体が参照によって本明細書に援用される２０１７年１０月４日に出願された米国特許出願第１５／７２４，７３６号の利益および優先権を主張する。

本出願は、複数の燃料電池スタックを有する燃料電池モジュールに、異なる温度および成分の複数のガス流を送り込みかつ混合することに関する。詳細には、本出願は、各燃料電池スタックへの複数の流入ガスの混合および分散を向上させるための流入ダクトに関する。

燃料電池スタックの寿命は、最も急速に劣化する、スタック内の電池の劣化速度に大きく依存する。不均等な劣化は、結果的に燃料電池のライフサイクルの短縮をもたらし、それによりコストは増大する。

燃料電池間の劣化速度の異なりは、電池各々を均一の入口流量および出口流量、均一の入力ガス温度ならびにガス成分種の均一な混合にさらすことによって、最小化することができる。これらの利点および他の利点は、本明細書中に開示された例示的な実施形態を用いて得ることができる。

例示的な実施形態は、燃料源から燃料を受けるように構成されている入口を有する上部ダクトフードを含む、燃料電池モジュール用のダクトであって、上部ダクトフードは、第１の先細部と第２の先細部とを画定する、ダクトに関する。ダクトは、さらに、上部ダクトフードに流体的に結合される下部ダクトフードを含み、下部ダクトフードは、少なくとも１つの出口を画定する。側面視において、第２の先細部は、下流方向において内方に先細となる。上面視において、第１の先細部は、下流方向において内方に先細となり、第２の先細部は、下流に進むにつれて外方に先細となる。

ダクトの一態様は、実質的に一定の断面積を画定する第２の先細部に関する。

ダクトの別の態様は、側面視において、下流方向において内方に先細となる第１の先細部に関する。

ダクトの別の態様は、空気供給部からの空気を拡散させその空気を上部ダクトフードに送り込むように構成されている拡散組立体に関する。

ダクトの別の態様は、空気を、上部ダクトフードの入口を通る反応ガスの流れ方向からずれた角度で出力するように構成されている出口を含む拡散組立体に関する。

ダクトの別の態様は、第１の脚部を含む下部ダクトフードであって、第１の脚部は、燃料電池スタックで用いるためのガス混合物を出力するように構成されている出口を画定する、下部ダクトフードに関する。

ダクトの別の態様は、第１の脚部から離間して第２の脚部を画定し、人がそれらの間を通り得るようにした下部ダクトフードに関する。

ダクトの別の態様は、出口の両側に枢動可能に結合される少なくとも１つの複数羽根に関し、少なくとも１つの複数羽根は、ガス混合物の流れを方向付けるように構成されている。

ダクトの別の態様は、第１の複数羽根と、第１の複数羽根から独立して関節結合するように構成されている第２の複数羽根とに関する。

別の例示的な実施形態は、複数の燃料電池スタックであって、各燃料電池スタックはガス混合物を受けるように構成されている入口を画定する、複数の燃料電池スタックと、上部ダクトフードおよび下部ダクトフードを有するダクトであって、下部ダクトフードは少なくとも１つの出口を含む、ダクトとを含む燃料電池モジュールに関する。下部ダクトフードの少なくとも1つの出口は、対応する燃料電池スタックの対応する入口に流体的に結合されており、少なくとも１つの複数羽根は、出口の両側に枢動可能に結合され、少なくとも１つの複数羽根は、ガス混合物の流れを入口に方向付けるように構成されている。

燃料電池モジュールの一態様は、第１の複数羽根と、第１の複数羽根から独立して関節結合するように構成されている第２の複数羽根とを含む少なくとも１つの複数羽根に関する。

燃料電池モジュールの別の態様は、ダクトの出口と燃料電池スタックの入口の間に設けられた間隙であって、それらの間の電気接触を防ぐように構成されている間隙に関する。

燃料電池モジュールの別の態様は、２つの脚部を含む下部ダクトフードであって、各脚部は出口を画定し、各出口は対応する燃料電池スタックに流体的に結合される、下部ダクトフードに関する。

燃料電池モジュールの別の態様は、２つのダクトを有するモジュールに関する。複数の燃料電池スタックは、４つの燃料電池スタックを含み、各ダクトは、燃料電池スタックのうちの２つに流体的に結合されるように構成されている。

燃料電池モジュールの別の態様は、入口と実質的に同じ高さである出口に関する。

別の例示的な実施形態は、燃料電池用の燃料を混合する方法であって、ダクトの第１の端部で反応ガスの流れを受けることと、拡散組立体の入口で空気を受けることと、拡散組立体からの空気を、第１のダクトにおける反応ガスの流れに対して角度をつけて出力することと、拡散組立体からの空気と反応ガスの流れを混合してガス混合物を形成することと、ダクトの出口から、実質的に均一な温度および実質的に均一な成分ガス種を有するガス混合物を出力することとを含む、方法に関する。

方法の一態様は、拡散組立体の入口で受けた空気を拡散することに関する。

方法の別の態様は、第１のバッフルを用いて、ガス混合物の少なくとも一部を、ダクトの面から離れるように向け直すことに関する。

方法の別の態様は、複数羽根を関節結合することを含むことに関する。

方法の別の態様は、複数羽根を用いて、ガス混合物の流量を燃料電池スタックの入口における決められた高さに制御することに関する。

例示的な実施形態による燃料電池モジュールの正面断面図である。 図１の燃料電池モジュールの頂面図である。 図１の燃料電池モジュールの側面図である。 例示的な実施形態によるダクトの上面正面左側透視図である。 図４のダクトの上面正面後面透視図である。 図４のダクトの切欠図である。 図５のダクトの切欠図である。 例示的な実施形態による第１の複数羽根および第２の複数羽根を有する下部ダクトフードの部分透視図である。 例示的な実施形態による複数羽根が第１の方位に在る下部ダクトフードの部分透視図である。 例示的な実施形態による複数羽根が第２の方位に在る下部ダクトフードの部分透視図である。

燃料電池システムおよび燃料電池の構成要素内におけるばらつき（例えば製造ばらつき）の源を排除するには実際には限界があるので、燃料電池スタックの動作寿命にわたって、流れの分散、温度、およびガス成分種に調整を行う能力をもたらすことが重要となり得る。すなわち、スタックにおいて特定の燃料電池が他に比べ速い速度で劣化する場合、それら特定の燃料電池の劣化速度の低減を促進する流入量を与えることが有用であり得る。流入ダクトは、局所的な劣化を遅くする変更された条件で、燃料電池スタックにおけるフォーカスされた領域を生成するように構成され得る。

燃料電池システムのサイズ、ならびに動作限界、保守要件、および製造設計などの競合する実施上の要件により、燃料電池の劣化を低減させるための利用可能な解決策が制限される。したがって、燃料電池システムにおける空間および利用可能エネルギーの有効利用が必要とされる。別の流入ダクト形状および組立方法が、燃料電池へのそうしたアクセスを向上させ得る。

図を全体的に参照すると、複数の燃料電池スタックに、一貫した温度およびガス種混合を与えるために流入ガスを有効に混合することが可能な流入ダクトを有する燃料電池モジュールが本明細書中に開示される。

図１〜３を参照すると、本出願の原則にしたがう燃料電池モジュール１が示される。モジュール１は、複数の燃料電池スタック１０を含み、各燃料電池スタック１０は入口１１を画定する。図１に示すように、入口１１は、長尺状スロット（すなわち開口、ノッチ、アパーチャなど）であり得る。他の例示的な実施形態によれば、入口１１は、他の形状を含み得る。図１に示すように、入口１１は、燃料電池スタック１０の外周に（例えば角部に）配置され、かつ、燃料電池スタック１０に沿って実質的に垂直方向に方位付けられる。他の例示的な実施形態によれば、入口１１は、燃料電池スタック１０の他の位置にかつ他の方位に配置され得る。

燃料電池スタック１０は、１つ以上の燃料電池を含み、各燃料電池は、陽極および陰極を有する。例示的な実施形態によれば、モジュール１は、４つの燃料電池スタック１０を含む。他の例示的な実施形態によれば、モジュール１は、より多いまたはより少ない燃料電池スタック１０を含み得る。

図１に示すように、モジュール１は、モジュール１内の様々な構成要素を支持するように構成されている基部２０と、シェル２２とを画定する。例えば、基部２０は、略平面を形成し、燃料電池スタック１０およびダクト１００をそこに結合するように構成されている。燃料電池スタック１０およびダクト１００は、基部２０に取り外し可能に結合され得る（例えば、ボルト締めされる、ねじ締めされるなど）。他の例示的な実施形態によれば、燃料電池スタック１０およびダクト１００は、基部２０に永久的に連結され得る（例えば、溶接される、リベット留めされるなど）。図１に示すように、ダクト１００は、基部２０にブレース３０を用いて連結され得る。ブレース３０は、各ダクト１００の重量の少なくとも一部を支持する。基部は、モジュール１にさらなる構造剛性を与えるために補強され得る。基部２０は、さらに、少なくとも１つのリフティングブラケット（すなわち、フランジ）２３ａを含み得る。図２および３に示すように、基部２０は、４つのリフティングブラケット２３ａを含むが、他の例示的な実施形態によれば、より多いまたはより少ないリフティングブラケット２３ａが用いられ得る。リフティングブラケット２３ａは、モジュール１が基部２０に係合することによって持ち上げられかつ移動され得るように、モジュール１全体の重量を支持するよう構成されている。

シェル２２は、モジュール１内の構成要素の周りに箱型を形成する。例示的な実施形態によれば、シェルは、燃料電池スタック１０およびダクト１００にごく近接して、それらの間の空間を最小にするように配置される。この構成により、コンパクトモジュール１内の空間利用が最大化される。シェル２２は、基部２０に取り外し可能に結合され得る（例えば、ボルト締めされる、ねじ締めされるなど）。シェル２２は、少なくとも１つのリフティングブラケット２３ｂを含み得る。シェル２３ｂは、４つのリフティングブラケット２３ｂを含むが、他の例示的な実施形態によれば、より多いまたはより少ないリフティングブラケット２３ｂが用いられ得る。この構成において、リフティングブラケット２３ｂは、シェル２２の重量を支持するように構成されており、したがって、シェル２２は、基部１から取り外され得またはその上に配置され得、モジュール１の内部へのより良いアクセスをもたらしかつモジュール１の製造を簡素化する。別の例示的な実施形態によれば、リフティングブラケット２３ｂは、モジュール１がシェル２２に係合することによって持ち上げられかつ移動され得るように、モジュール１全体の重量を支持するよう構成されている。別の例示的な実施形態によれば、シェル２２は、基部２０に永久的に連結される（例えば、溶接される、リベット留めされるなど）。

シェル２２は、モジュール１の保守のためにシェル２２内部の領域にアクセスできるように構成されている開口２４を画定する。例示的な実施形態によれば、シェル２２は、シェル２２の両側に２つの開口２４を画定する。別の例示的な実施形態によれば、より多いまたはより少ない開口２４がシェル２２に設けられ得る。開口２４は、円形かつ人がその中を通るのに十分な大きさであり得る。他の例示的な実施形態によれば、開口２４は、他の形状（例えば、矩形、六角形など）またはサイズであり得る。図１に示すように、開口２４は、カバー２５を受けるように構成されている。カバー２５は、モジュール１から開口２４を通ってガスが放出されることを防ぐために、開口２４と密封係合し得る。モジュール１は、さらに、シェル２２の内面に配置された絶縁層２６を含む。絶縁層２６は、モジュール１とシェル１の外部の環境の間での伝熱を低減するように構成されている。例示的な実施形態によれば、絶縁層２６は、厚さ５〜１０インチであり、好ましくは厚さ約７インチである。例示的な実施形態によれば、シェル２２または絶縁層２６のいずれかの最内面は、燃料電池スタック１０およびダクト１００のうちの１つの少なくとも一部から、１〜５インチ、好ましくは約２〜３インチずらし得る。

図１〜３では、モジュール１においてダクト１００が示される。ダクト１００は、ガス混合物を燃料電池スタック１０に送り込むために、供給ダクト２８（例えば、燃料供給部、アノードガス酸化システム）から反応ガス（例えば、燃料、酸化済み燃料電池排気と空気のガス混合物など）を受けるように構成されている。供給ダクト２８では、燃料電池スタック１０からの排ガスが、新鮮な空気および酸化用燃料と混合され得、高レベルのＣＯ_２、高レベルの水分、および高温の反応ガスを形成する。供給ダクト２８は、完全には混合されていない（例えば、温度、組成などにおいて）ガスを提供する。ダクト１００は、ガスをさらに混合するように構成され得る。ダクト１００は、以下に論じるように、図４〜７に更なる詳細を示す。

ダクト１００は、下部（すなわち第２の）ダクトフード１２０に流体的に結合される上部（すなわち第１の）ダクトフード１１０を含む。この出願において、「流体的に結合される」とは、要素同士が、流体を伝えるように結合されていることを意味する。例示的な実施形態によれば、上部ダクトフード１１０および下部ダクトフード１２０は、別々に形成され、連結される（例えば、ボルト締めされる、溶接される、ねじ締めされる、リベット留めされるなど）。別の例示的な実施形態によれば、上部ダクトフード１１０および下部ダクトフード１２０は一体形成される。上部ダクトフード１１０は、第１の端部１１１ａに入口１１２と、第１の端部１１１ａの下流で、対向する第２の端部１１１ｂに移行領域１１９とを有する本体１１１を画定する。上部ダクトフード１１０の入口１１２は、供給ダクト２８に流体的に結合され、かつ、そこから反応ガスを受けるように構成されている。例示的な実施形態によれば、移行領域１１９の近位において、上部ダクトフード１１０は、実質的に水平方向に方位付けられ、かつ、下部ダクトフード１２０は、実質的に垂直方向に方位付けられる。移行領域１１９は、上部ダクトフード１１０を略水平方向に流れる反応ガスおよび他のガスを、下部ダクトフード１２０において略垂直方向に向け直すように構成されている。

従来の燃料電池モジュールでは、２つの隣接する燃料電池スタック１０の間の空間は、活用されない。図２および３に示すように、例示的な実施形態によれば、各ダクト１００において、本体１１１は、少なくとも２つの隣接する燃料電池スタック１０の間を延在する。図１に示すように、本体１１１は、保守者が本体１１１の下を横切り得る（例えば、立つ、歩く、這うなど）ように、モジュール１の上部に配置され得る。本体１１１のこの位置は、モジュール１内の燃料電池スタック１０へのアクセスをさらに向上させる。

本体１１１は、反応ガスと空気および／または他のガスのより良い混合を促進する長尺長さを有する。本体１１１は、実質的に、燃料電池スタック１０の長さであり得る。例えば、本体１１１は、長さ約４〜６フィートであり得る。長さがより長くなると、成分ガス種の混合のためのより大きな空間およびより長い持続時間がもたらされる。本体１１１は、略矩形の断面を有する。他の例示的な実施形態によれば、本体１１１は、他の形状（例えば、円形、六角形など）の断面を有し得る。別の例示的な実施形態によれば、本体１１１は、略円形であり得、かつ、混合円運動を生成するように構成され得る。この構成では、反応ガスは、本体１１１の外周で受けられ得、本体１１１において、中心に位置する出口に向かって内方に渦巻く。さらに別の例示的な実施形態によれば、反応ガスは、中心に位置する入口で受けられ得、本体において、外周の出口に向かって外方に渦巻く。

本体１１１は、少なくとも反応ガスと空気のガス混合物がその中で下流に進むにつれて、所望の断面積を形成するように、略内方に先細となる。本体１１１は、少なくとも第１の先細部１１３と、第１の先細部１１３の下流の第２の先細部１１５とを画定する。図４および６に示すように、本体１１１は、側面からみたとき（例えば、図１に示すように）、第１の端部１１１ａから第２の端部１１１ｂまで（例えば、下流に進むにつれて）、第１の（例えば垂直）方向において内方に徐々に先細となる。例示的な実施形態によれば、上部ダクトフード１１０を形成する横方向に延在する部分（例えば、上面および／または底面）が、内方に先細となる面を画定する。別の例示的な実施形態によれば、先細は、第１の先細部１１３および第２の先細部１１５の両方に及ぶ。第１の先細部１１３と第２の先細部１１５が交差する先細移行部１１６が、第１の端部１１１ａと第２の端部１１１ｂの間に画定される。垂直方向の内方への先細により、本体１１１の断面積は、反応ガスが第１の先細部１１３において第１の端部１１１ａから先細移行部１１６に下流に進むにつれて低減するように構成される。

図４および６をさらに参照すると、本体１１１は、上面からみたとき（例えば、図２に示すように）、第１の端部１１１ａから先細移行部１１６まで（例えば、下流に進むにつれて）、第２の（例えば水平、横方向など）方向において内方に徐々に先細となる。例示的な実施形態によれば、上部ダクトフード１１０を形成する垂直延在部（例えば側面）が、内方に先細となる面を画定する。垂直方向の先細に関して先に論じたように、水平方向の内方への先細により、本体１１１の断面積は、反応ガスが第１の先細部１１３において第１の端部１１１ａから先細移行部１１６に下流に進むにつれて低減するように構成される。第１の先細部１１３における水平方向の内方への先細は、反応ガスおよび他のガス（例えば空気）をまとめてより強く圧縮し力をかけることによって、入口１１２からの流れ全体に横方向に存在する不均一性を中和する。

第２の先細部１１５では、本体１１１は、上面から見たとき（例えば、図２に示すように）、先細移行部１１６から第２の端部１１１ｂに下流に進むにつれて、第２の（例えば、水平、横方向など）方向において外方に徐々に先細となる。例示的な実施形態によれば、上部ダクトフード１１０を形成する垂直延在部（例えば側面）が、外方に先細となる面を画定する。別の例示的な実施形態によれば、第２の方向は、第１の方向に実質的に垂直である。各方向における先細の度合いは、ダクト１００におけるガス混合を促進するように、本体１１１の所望の断面積に基づいて決められ得る。例示的な実施形態によれば、本体１１１の断面積は、第２の先細部１１５において実質的に一定である。

図４および５に示すように、ダクトフード１１０は、本体１１１に構造剛性を提供するために、本体１１１から外方に延在する複数のフランジ（例えば、ウィング、リブなど）１１７、１１８を含む。複数のフランジは、本体１１１の上面において先細移行部１１６の近位で本体１１１から横方向外方に延在する上部フランジ１１７を含む（例えば、上面と同一面上）。同様に、複数のフランジは、本体１１１の底面において先細移行部１１６の近位で本体１１１から横方向外方に延在する下部フランジ１１８を含む（例えば、底面と同一面上）。ダクトフード１１０における構造剛性は、上部フランジ１１７および下部フランジ１１８が、先細移行部１１６を通って垂直に延在する軸の周りにねじれ剛性を与えるように、断面積がより小さい部分（例えば、第１の先細部１１３と第２の先細部１１５が連結される場所）で最も弱くなり得る。上部フランジ１１７および下部フランジ１１８は、それぞれを上面および底面と一体形成され得、または、本体１１１とは別に形成されそれに連結され得る。例えば、上部フランジ１１７および下部フランジ１１８は、タブとスロットの構成で本体１１１に結合され得、本体１１１または上部フランジ１１７および下部フランジ１１８の一方が複数のタブを含み、他方が複数のタブを受けるように構成されている複数のスロットを含む。

各ダクト１００は、さらに、拡散組立体１３０を含み得る。図４〜７に示すように、拡散組立体１３０は、本体１１１の第１の端部１１１ａに配置される。例示的な実施形態によれば、拡散組立体１３０は、本体１１１と、第１の端部１１１ａにおいて重なる。拡散組立体は、幅約２フィートおよび高さ約４フィートを有し得る。別の例示的な実施形態によれば、拡散組立体は、他の形状および寸法を有し得る。別の例示的な実施形態によれば、拡散組立体１３０がダクト１００の重量の少なくとも一部を支持するよう構成されるように、ブレース３０が拡散組立体１３０に結合される。拡散組立体１３０は、本体１１１の第１の端部１１１ａに、取り外し可能に結合され得る（例えば、ボルト締めされる、ねじ締めされるなど）。他の例示的な実施形態によれば、拡散組立体１３０は、本体１１１に永久的に連結され得る（例えば、溶接される、リベット留めされるなど）。拡散組立体１３０は、ダクト１００を形成する材料よりも厚みのある材料で別に形成され得る。例えば、拡散組立体１３０は、厚さ約０．０７５インチの材料で形成され得る。拡散組立体１３０の材料の厚さは、拡散組立体１３０の製造または使用時のいずれかにおいて、拡散組立体１３０に加えられる予想される応力に基づいて決められ得る。例示的な実施形態によれば、拡散組立体１３０は、本体１１１よりも高い応力にさらされる。本体１１１は、拡散組立体１３０よりも薄い材料で形成され得る。例えば、本体１１１は、厚さ約０．０３５インチの材料で形成され得る。本体１１１を形成する際、より薄い材料を用いることによって、ダクトを製造する重量および材料コストが低減され得る。別の例示的な実施形態によれば、拡散組立体１３０および本体１１１は、同一の厚さを有する材料で形成され得る。

拡散組立体１３０は、本体１１１の入口１１２と係合するように構成されているフレーム１３１を含む。例示的な実施形態によれば、フレーム１３１の形状は、入口１１２の形状を補完し得、それらの間に密封係合を形成する。図１に示すように、フレーム１３１は、本体１１１の第１の端部１１１ａと供給ダクト２８の間に配置され、かつ、本体１１１および供給ダクト２８の各々と密封係合し得、供給ダクト２８からモジュール１内への反応ガスの漏れを防ぐまたは制限する。フレーム１３１は、反応ガスが供給ダクト２８から、フレーム１３１を通って、入口１１２において本体１１１内に通過することを可能にするように構成されている開口を画定する。拡散組立体１３０は、さらに、空気供給部（図示せず）から空気を受けるように構成されている入口１３２と、入口１３２に流体的に接続される複数の拡散器１３４とを含む。拡散器１３４を通して反応ガス内に空気を導入すると、反応ガスが冷却され同時に上述のガス混合物が形成される。拡散器１３４は、各々、入口１３２で受けた空気を拡散する（すなわち泡立てる）ように構成されている。図４および６に示すように、拡散組立体１３０は、４つの拡散器１３４を有するように示されるが、より多いまたはより少ない拡散器１３４が用いられ得る。

図６および７に示すように、拡散組立体１３０は、さらに、少なくとも１つの二次ダクト１３６を含み、それは、拡散器１３４から空気を受け、その空気を二次ダクトの出口１３７からダクト１００の本体１１１内に出力する。例示的な実施形態によれば、二次ダクトの出口１３７は、空気が、ダクト１００の入口１１２で受けた反応ガスの流れの方向から角度的にずれた方向で二次ダクト１３６から出力されるように、本体１１１の断面に対して角度をつけられる。別の例示的な実施形態によれば、二次ダクト１３６は、二次ダクトの出口１３７から出力された空気が、本体１１１の入口で受けた反応ガスの流れから垂直方向と水平方向の両方で角度的にずれた方向で流れるように、拡散組立体１３０のフレーム１３１から垂直方向（例えば下方）と水平方向の両方において角度がつけられる。この構成により、空気は、入口１１２で受けた反応ガスと混合し、空気と反応ガスの組み合わされたガス混合物は、渦混合運動を生成し、燃料と空気をさらに混合する。

少なくとも１つの混合用バッフル１１４が、二次ダクト１３６の下流において、本体１１１に配置される。バッフル１１４は、反応ガスと空気の交差混合を促進するように構成されている。交差混合は、ガス混合物における少なくとも温度およびガス成分種の分散の均一性を向上させるように構成されている。図１に示すように、バッフル１１４は、本体の上面に結合され得、下流端部１１４ａは、本体１１１内に突出し（すなわち本体１１１から角度的に離れ）、バッフル１１４は、ガス混合物の下流運動を促進する。他の例示的な実施形態によれば、バッフル１１４は、本体１１１の他の場所に配置され得る。他の例示的な実施形態によれば、本体１１１は、１つより多いバッフル１１４を含み得る。例えば、本体１１１における各バッフル１１４は、本体１１１の同一のまたは異なる面に配置され得、本体１１１内に同一のまたは異なる角度で突出し得る。バッフル１１４には、少なくとも一部のガスまたは空気がそこを通って通過可能である穴が開けられ得る。

下部ダクトフード１２０は、移行領域１１９に近位の第１の端部１２１ａと、対向する第２の端部１２１ｂとを有する本体１２１を画定する。下部ダクトフード１２０の本体１２１は、上部ダクトフード１１０の本体１１１と同一のまたは異なる材料で形成され得る。例えば、各本体１１１、１２１は、同一のまたは異なる厚さを有し得る。本体１２１は、略外方に（例えば水平方向に）先細となり、かつ、本体１２１の下流で別々の燃料電池スタック１０の間でガス混合物を拡散するように構成されている。本体１２１は、さらに、複数の脚部１２４を含み得る。図４〜７に示すように、本体１２１は、２つの脚部１２４を含むが、より多いまたはより少ない脚部１２４が含まれ得る。例示的な実施形態によれば、モジュール１におけるダクト１００の全てにおける脚部１２４の数は、燃料電池スタック１０の数と合致するように構成され得る。各脚部１２４は、少なくとも１つの出口１２２を画定し、各出口１２２は、少なくとも１つの燃料電池スタック１０に流体的に結合するように構成されている。図４および５に示すように、各脚部１２４は、１つの出口１２２を含み、図２に示すように、１つの対応する燃料電池スタック１０に流体的に結合するように構成されている。例示的な実施形態によれば、各脚部１２４は、１つより多い出口１２２を含み得、各出口は、１つの燃料電池スタック１０に流体的に結合するように構成されるものであり、各脚部１２４がガス混合物を１つより多い燃料電池スタック１０に送り込むよう構成する。

図４および５を参照すると、各脚部１２４は、実質的に垂直な外壁１２５と、上部１２６ａおよび下部１２６ｂを有する内壁１２６とを画定する。下部１２６ｂは、実質的に垂直であり得、かつ、外壁１２５および／または別の脚部１２４の内壁１２６の下部１２６ｂからずらし得る。上部１２６ａは、下部１２６ｂの端部から本体１２１の内部場所に向かって斜めに延在し得る。２つの対応する脚部１２４の上部１２６ｂは、上縁で連結され得、２つの脚部１２４の内壁１２６によって画定される開口（例えば、通路、アパーチャなど）を形成する。例示的な実施形態によれば、各脚部１２４の断面積は、下流に進むにつれて低減し、それによって、ガス混合物に加えられる抵抗を増大させる。他の例示的な実施形態によれば、内壁１２５および外壁１２６は、他の構成を有し得る。

図１および３をここで参照すると、下部ダクトフード１２０は、シェル２２の近位に配置され得る。好ましくは、下部ダクトフード１２０は、開口２４の近位に配置され得る。図３に示すように、脚部１２４は離間され、それによって人がその中を通過してモジュール１においてさらに深い場所にアクセスし得るようにする。例えば、モジュール１の内部にアクセスするのに、人は開口２４を通りそして脚部１２４と基部２０の間に画定された空間を通り得る。

本体１２１は、さらに、前面１２７と、前面１２７に対向する後面１２８とを画定する。例示的な実施形態によれば、出口１２２は、各外壁１２５と前面１２７の交点に配置され得る。出口１２２は、それらの間に斜めに形成され得、例えば、面取り縁を形成する。出口１２２は、長尺状であり得、外壁１２５の高さの実質的全体に沿って延在する。例示的な実施形態によれば、各出口１２２は、対応する燃料電池スタック１０の入口１１と実質的に同じ高さを有し得る。

図２に示すように、各出口１２２は、対応する燃料電池スタック１０の近位に（例えば、燃料電池スタック１０の角部に）在るが、燃料電池スタック１０に触れない。例示的な実施形態によれば、燃料電池スタック１０は充電され得、ダクト１００は接地され得る。したがって、間隙１２３が出口１２２と燃料電池スタック１０の間に設けられる。間隙１２３は、ダクト１００と燃料電池スタック１０の間の電位差による電気的クリアランスを与えるように構成されながらも、最小化され得る。例えば、間隙１２３は約１インチである。

従来の燃料電池モジュール１では、ガス混合物は、燃料電池スタックの周りを通過し、スタックに直接送り込まれない。出口１２２と燃料電池スタック１０の間の間隙１２３を最小にしながらガス混合物を燃料電池スタック１０に実質的に直接送り込むことによって、熱損失が制限され得る。例えば、ガス混合物の一部（例えば５〜１０％）が、燃料電池スタック１０に実質的に直接送り込まれず、間隙１２３を通ってモジュール１の残りの部分に漏れ得る。この部分は、モジュール１内で流れ得、最終的に燃料電池スタック１０内に送り込まれる。モジュール１において自在に流れる混合ガスの部分を減らすことによって、燃料電池スタック１０に送り込まれているガス混合物内のガス成分種は、より良く制御され得る。例えば、より良い制御は、燃料電池スタック１０に送り込まれるガス混合物の温度および組成を向上させ得、その不均等な劣化を低減する。

図４、６および７に示すように、各脚部１２４は、下部ダクトフード１２０を通るガス混合物の流れを分散させるように構成されている複数の出力バッフル１４０を含む。バッフル１４０は、ガス混合物が、各出口１２２の高さ全体において実質的に均一な流量で分散されるように、サイズが決められかつ位置が決められ得る。出力バッフル１４０は、各脚部１２４内での配置にともないサイズが変わり得る。例示的な実施形態によれば、出力バッフル１２６の少なくともいくつかには穴が開けられている。

図８〜１０をここで参照すると、下部ダクトフード１２０は、さらに、各出口１２２に配置された羽根１４２を含む。図８に示すように、羽根１４２は、少なくとも第１の複数羽根１４４ａおよび第２の複数羽根１４４ｂを画定し得、各々は、関節結合してガス混合物の流れを燃料電池スタック１０に沿う指定された垂直位置に方向付けるように構成されている。第１の複数羽根１４４ａおよび第２の複数羽根１４４ｂは、同一のまたは異なる方向に関節結合され得る。例示的な実施形態によれば、羽根１４２は、燃料電池スタック１０の異なる部分へ流れるガス混合物の体積を調整するように構成されている。例えば、第１の複数羽根１４４ａは、略下方、図１０に示すような方位に方向付けられ得、燃料電池スタック１０の上部へのガス混合物の供給が制限され、それによって燃料電池スタック１０の下部へのガス混合物の供給を増大させるようにする。したがって、羽根１４２は、特定の燃料電池１２へのガス混合物の流れを減少させて、それら燃料電池１２の劣化を低減させ、燃料電池スタック１０全体の均等な劣化を向上させるように関節結合され得る。別の例示的な実施形態によれば、羽根１４２は、燃料電池スタック１０の入口１１における温度を制御するように構成され得る。羽根１４２は、より熱い混合ガス流を、入口１１のより熱い領域から離してかつ入口１１のより冷たい領域に向けて方向付けるように関節結合され得る。

例示的な実施形態によれば、第１の複数羽根１４４ａおよび第２の複数羽根１４４ｂの各々は、ガス混合物の流量が出口１２２の特定の高さにおいて制御され得、燃料電池スタック１０内の特定の燃料電池１２へのガス混合物の所望の流量を実現し、燃料電池１２の不均等な劣化を低減させるように、関節結合され得る。

図８〜１０を参照すると、羽根１４２の各々は、本体１２１に枢動可能に結合される。例えば、ピンが、羽根１４２の片側から延在し、出口１２２の片側において脚部１２４と係合することによって、羽根１４２は、ピンによって画定される軸周りで関節結合するように構成される。各羽根１４２は、関節結合部材１４６に結合される。関節結合部材１４６は、所与の複数羽根１４４ａおよび１４４ｂにおける羽根１４２の各々に結合され得、複数羽根１４４ａ、１４４ｂにおける羽根１４２のすべてが同じ角度で枢動するようにする。関節結合部材１４６は、さらに、燃料電池スタック１０との所望の電気的クリアランスを維持するために、下部ダクトフード１２０の本体１２１内に配置され得る。図９に示すように、羽根１４２の各々は、実質的に水平（すなわち、開）位置において関節結合される。図１０に示すように、羽根１４２の各々は、実質的に下方（すなわち、閉）位置において関節結合される。羽根１４２は、図示しない多数の他の方位において関節結合され得る。他の例示的な実施形態によれば、羽根１４２は、別々に（例えば、個々に）制御され得る。他の例示的な実施形態によれば、羽根１４２は、他の方法で（例えば、ギア、プーリ、電子または油圧アクチュエータなど）で関節結合され得る。さらなる別の例示的な実施形態によれば、より多いまたはより少ない複数羽根１４４ａ、１４４ｂが用いられ得、各々は、それ自体の関節結合部材１４６によって関節結合される。

燃料電池スタック１０の入口１１に送り込まれたガス混合物の温度は、少なくとも部分的に他の方法で制御され得る。これら他の方法は、燃料電池スタック１０における燃料電池１２の各々に均一の温度および／または成分ガス種を提供することによって、燃料電池スタック１０における燃料電池１２の均一な劣化をもたらす。例示的な実施形態によれば、少量の水が入口１１で注入され得、水の急速な蒸発により、水が注入されたところに、より低い温度の領域を生成する。例えば、水は、ダクト１００の出口１２２に沿う様々な高さにおける注入ポートによって注入され得る。注入ポートの高さは、燃料電池スタック１０での対応する高さにおける温度に基づいて決められ得る。

別の例示的な実施形態によれば、複数のバッフルが、ダクト１００においてより冷たいまたはより温かい面を迂回するようにガス混合物を方向付け、迂回された流れを燃料電池スタック１０の入口１１に再導入するように構成され得る。

別の例示的な実施形態によれば、少なくとも１つのチューブコイルがダクト１００を通って設けられ得る。ダクト１００におけるガス混合物よりも冷たい温度のガスまたは液体がチューブコイルを通して送り込まれ、したがって、チューブコイルが熱交換器として機能する。次いで、熱が、ガス混合物から、チューブコイルを通るガスまたは液体に伝えられ、それによって、ガス混合物を冷却する。別の例示的な実施形態によれば、少なくとも１つのチューブコイルは、ダクト１００内で移動するように構成され得る。チューブコイルは、それがガス混合物の所望の流れ領域において冷却を与えるようにダクト１００において配置し直され得るように、機械的リンク部に結合され得る。冷却ガスまたは液体は、チューブコイルに可撓性ラインを通して送り込まれ得る。他の例示的な実施形態によれば、チューブコイルは、他の形状を含み得、または、別の形式の熱交換器であり得る。

別の例示的な実施形態によれば、少なくとも１つの摩擦加熱器が、燃料電池スタック１０の入口１１内へのガス混合物の流路に配置され得る。少なくとも１つの摩擦加熱器は、燃料電池スタック１０に送り込まれる前に、ガス混合物のある領域を局所的に加熱するように構成されている。別の例示的な実施形態によれば、ガス混合物は、金属酸化にさらされ得、酸化にさらされたガス混合物を加熱する。ダクト１００または燃料電池スタック１０の入口１１は、入口１１の所望の領域を加熱するために金属酸化を選択的に行うように構成され得る。

別の例示的な実施形態によれば、ガス混合物の熱流および冷流が密度で分離され得る。例えば、熱流および冷流の各々は、異なる密度を有し得る。ガス混合物は、熱流および冷流が運動量に基づいて分離されるように、弧状に案内され得る。

別の例示的な実施形態によれば、反応性燃料ガスが、ガス混合物に局所的に注入され得る。反応性燃料ガスは、ガス混合物と反応し得、それによって、燃料電池スタック１０に送り込まれる前にガス混合物の組成を変え、局所加熱流を生成する。別の例示的な実施形態によれば、酸と塩基対が、ガス混合物に局所的に注入され得る。酸と塩基が反応して、熱を生成し、局所加熱流を生成する。別の例示的な実施形態によれば、複数の二次流入口（例えば、拡散器）が、燃料電池スタック１０の入口１１の近位に配置され得る。二次流入口は、ガス混合物が所望の組成（例えば、成分ガス種における）にまで希釈または濃縮されるように、ガスをガス混合物内に導入するように構成されている。二次流入口は、燃料電池スタック１０の入口１１に沿うフォーカスされた領域において温度または組成を調整するように構成され得る。

本明細書中で用いられる用語「おおよそ」、「約」、「実質的に」、および同様の用語は、本開示の主題が関連する当業者による一般のかつ許容される用法に即して広範な意味を有することが意図される。これらの用語は、これらの特徴の範囲を所与の正確な数値範囲に制限せずに、記載かつ請求された特定の特徴の説明を可能とすることが意図されることが、本開示を閲読した当業者によって理解されるべきである。したがって、これらの用語は、記載されかつ請求された主題のわずかなまたはささいな変更または変形は、添付された特許請求の範囲に列挙された本開示の範囲内にあるとみなされることを示すとして解釈されるべきである。

様々な実施形態を説明するのに本明細書中で用いられる用語「例示的な」は、そうした実施形態が実現可能な例、表現、および／または実現可能な実施形態の例示であることを示すことが意図されること（そして、そうした用語は、係る実施形態が必ず特別なまたは最上の例であることを含意すると意図されないこと）に留意すべきである。

本明細書中で用いられる用語「結合される」、「接続される」などは、２つの部材を互いと直接的にまたは間接的に連結することを意味する。そうした連結は、静止（例えば永久的な）または可動（例えば取り外し可能または解放可能）であり得る。そうした連結は、単一単位体として互いと一体形成された２つの部材もしくは２つの部材および任意の追加中間部材によって、または、互いに取り付けられた２つの部材もしくは２つの部材および任意の追加中間部材によって達成され得る。

本明細書中での要素の位置への言及（例えば、「上部」、「底部」、「上」、「下」など）は、単に、図における様々な要素の方位を説明するのに用いられる。様々な要素の方位は、他の例示的な実施形態にしたがって異なり得ること、およびそうした変更は本開示によって包含されることが意図されることに留意すべきである。

本発明をその好ましい実施形態に関して記載してきたが、発明の範囲および趣旨内に在る様々な他の実施形態および変形例を当業者は想到し得、係る他の実施形態および変形例は、対応する特許請求の範囲の対象であると意図されることが理解されるだろう。当業者は、本明細書中に記載された主題の新規の教示および利点から実質的に逸脱せずに、多数の変更例が実現可能である（例えば、様々な要素のサイズ、寸法、構造、形状、および比率、取付け構成、方位、製造工程などの変形）ことを容易に理解するだろう。例えば、任意の工程または方法ステップの順序または並びは、代替実施形態にしたがって、変形されまたは並べ直され得る。他の代替、変更、変形、および省略もまた、本開示の範囲から逸脱せずに、様々な例示的な実施形態の設計、動作条件、および構成においてなされ得る。

Claims (15)

1. 燃料電池モジュール用のダクトであって、
   供給ダクトから反応ガスを受けるように構成されている入口を有する上部ダクトフードであって、第１の先細部および前記第１の先細部の下流の第２の先細部を画定する、上部ダクトフードと；
   前記上部ダクトフードに流体的に結合される下部ダクトフードであって、少なくとも１つの出口を画定する、下部ダクトフードと、を備え、
   側面視において、前記第２の先細部は、下流方向において内方に先細となり、
   上面視において、前記第１の先細部は、下流方向において内方に先細となり、
   前記上面視において、前記第２の先細部は、下流に進むにつれて外方に先細となる、ダクト。
2. 前記第２の先細部が、実質的に一定の断面積を画定する、請求項１に記載のダクト。
3. 前記側面視において、前記第１の先細部が、下流方向において内方に先細となる、請求項１に記載のダクト。
4. 空気供給部からの空気を拡散しかつ前記空気を前記上部ダクトフードに送り込むように構成されている拡散組立体をさらに備える、請求項１に記載のダクト。
5. 前記拡散組立体が、前記空気を、前記上部ダクトフードの前記入口を通る反応ガスの流れの方向からずれた角度で出力するように構成されている出口を含む、請求項４に記載のダクト。
6. 前記下部ダクトフードが、第１の脚部を含み、前記第１の脚部は、燃料電池スタックで用いるためのガス混合物を出力するように構成されている出口を画定する、請求項１に記載のダクト。
7. 燃料電池モジュールであって、
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の前記ダクトと；
   複数の燃料電池スタックであって、各燃料電池スタックは、ガス混合物を受けるように構成されている入口を画定する、複数の燃料電池スタックと、を備え、
   前記下部ダクトフードの前記少なくとも１つの出口は、対応する燃料電池スタックの対応する入口に流体的に結合され、
   少なくとも１つの複数羽根は、前記出口の両側に枢動可能に結合され、前記少なくとも１つの複数羽根は、前記ガス混合物の前記流れを前記入口に方向付けるように構成されている、燃料電池モジュール。
8. 前記少なくとも１つの複数羽根が、第１の複数羽根と、前記第１の複数羽根から独立して関節結合するように構成されている第２の複数羽根と、を含む、請求項７に記載のダクト。
9. 前記ダクトの前記出口と前記燃料電池スタックの前記入口の間に間隙が設けられ、前記間隙は、それらの間の電気接触を防ぐように構成されている、請求項７に記載の燃料電池モジュール。
10. 請求項７に記載の燃料電池モジュールであって、
    前記下部ダクトフードが、２つの脚部を含み、各脚部は、出口を画定し、
    各出口は、対応する燃料電池スタックに流体的に結合される、燃料電池モジュール。
11. 請求項７に記載の燃料電池モジュールであって、
    ２つのダクトをさらに備え、
    前記複数の燃料電池スタックが４つの燃料電池スタックを含み、各ダクトは、前記燃料電池スタックのうちの２つと流体的に結合されるように構成されている、燃料電池モジュール。
12. 前記出口が前記入口と実質的に同じ高さである、請求項７に記載の燃料電池モジュール。
13. 燃料電池用の燃料を混合する方法であって、
    請求項１〜６のいずれか１項に記載の前記ダクトの第１の端部で、反応ガスの流れを受けることと；
    拡散組立体の入口で空気を受けることと；
    前記ダクトにおける燃料の前記流れに対して角度をなして前記拡散組立体からの空気を出力することと；
    前記拡散組立体からの前記空気と反応ガスの前記流れを混合して、ガス混合物を形成することと；
    前記ダクトの出口から、実質的に均一な温度および成分ガス種の実質的に均一な混合を有する前記ガス混合物を出力することと、を含む、方法。
14. 第１のバッフルを用いて、前記ガス混合物の少なくとも一部を前記ダクトの面から離れるように向け直すことをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
15. 複数羽根を用いて、前記ガス混合物の前記流量を、燃料電池スタックの入口における決められた高さに制御することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。