JP2021511634A - 改善された流体流れ設計を伴うpem燃料セル - Google Patents
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Abstract
Description
Claims (37)
- 長手方向軸に沿って積層される複数の電気化学セルを備えた電気化学セルスタックであって、各々の電気化学セルは、
カソード触媒層、アノード触媒層、および、前記カソード触媒層と前記アノード触媒層との間に介在させられる高分子膜を備えた膜電極接合体と、
アノードプレートおよびカソードプレートであって、前記膜電極接合体は、前記アノードプレートと前記カソードプレートとの間に介在させられ、前記アノードプレートは、前記アノード触媒層に面するアノード流れ場を形成する複数のチャネルを規定する、アノードプレートおよびカソードプレートと、
前記カソードプレートと前記カソード触媒層との間に配置されるカソード流れ場であって、多孔質構造を含むカソード流れ場と、
アノードフィードマニホールドを含む第1のマニホールドセクション、および、アノード排出マニホールドを含む第2のマニホールドセクションと、
前記アノードフィードマニホールドから供給される燃料を前記アノード流れ場に分配するように構成された、前記第1のマニホールドセクションと前記アノード流れ場との間に配置される第1のアノード分配チャネルと、
前記アノード流れ場からの燃料を収集し、前記燃料を前記アノード排出マニホールドに導くように構成された、前記第2のマニホールドセクションと前記アノード流れ場との間に配置される第2のアノード分配チャネルと
を備えた、電気化学セルスタック。 - 請求項1に記載の電気化学セルスタックであって、前記第1のアノード分配チャネルおよび前記第2のアノード分配チャネルは、前記長手方向軸に沿って、前記膜電極接合体と前記アノードプレートとの間に形成され、前記膜電極接合体および前記アノードプレートにより規定される、電気化学セルスタック。
- 請求項1に記載の電気化学セルスタックであって、前記第1のアノード分配チャネルおよび前記第2のアノード分配チャネルは、前記アノード流れ場の幅を拡張する、電気化学セルスタック。
- 請求項1に記載の電気化学セルスタックであって、前記第1のアノード分配チャネルおよび前記第2のアノード分配チャネルは、中に配置される複数の支持特徴部を有する、電気化学セルスタック。
- 請求項4に記載の電気化学セルスタックであって、前記支持特徴部は、前記第1のアノード分配チャネルおよび前記第2のアノード分配チャネルの全体を通して均一に隔置される、電気化学セルスタック。
- 請求項4に記載の電気化学セルスタックであって、前記支持特徴部は、ディンプル形状のものである、電気化学セルスタック。
- 請求項4に記載の電気化学セルスタックであって、前記支持特徴部は、前記長手方向軸に沿って、反対の両方向において前記アノードプレートから延びる、電気化学セルスタック。
- 請求項4に記載の電気化学セルスタックであって、前記支持特徴部の間の距離DCを、前記カソードプレートの厚さtpで割った値は、約3から約50の間の範囲に及ぶ、電気化学セルスタック。
- 請求項4に記載の電気化学セルスタックであって、前記支持特徴部の間の距離DCは約1.5mmであり、前記カソードプレートの厚さtpは約0.1mmである、電気化学セルスタック。
- 請求項1に記載の電気化学セルスタックであって、第1のアノード分配チャネルを前記アノード流れ場と流体接続する複数のオリフィス開口部をさらに備えた電気化学セルスタック。
- 請求項10に記載の電気化学セルスタックであって、オリフィス開口部の数は、前記アノード流れ場内のチャネルの数に対応する、電気化学セルスタック。
- 請求項10に記載の電気化学セルスタックであって、前記オリフィス開口部は、前記第1のアノード分配チャネル内で前記燃料への背圧を付与することを行うように構成され、前記付与することは、前記燃料が、前記電気化学セルスタックの動作の間、前記第1のアノード分配チャネルに充塞することを引き起こす、電気化学セルスタック。
- 長手方向軸に沿って積層される複数の電気化学セルを備えた電気化学セルスタックであって、各々の電気化学セルは、
カソード触媒層、アノード触媒層、および、前記カソード触媒層と前記アノード触媒層との間に介在させられる高分子膜を備えた膜電極接合体と、
アノードプレートおよびカソードプレートであって、前記膜電極接合体は、前記アノードプレートと前記カソードプレートとの間に介在させられ、前記アノードプレートは、前記アノード触媒層に面するアノード流れ場を形成する複数のチャネルを規定する、アノードプレートおよびカソードプレートと、
前記カソードプレートと前記カソード触媒層との間に配置されるカソード流れ場であって、多孔質構造を備えたカソード流れ場と
を備え、
前記多孔質構造は、多孔質金属製発泡体構造であり、前記多孔質金属製発泡体構造は、前記カソードプレートに面する前記多孔質金属製発泡体構造の表面内の凹所に据えられる、第1のカソード分配チャネルと、第2のカソード分配チャネルとを有する、電気化学セルスタック。 - 請求項13に記載の電気化学セルスタックであって、前記多孔質金属製発泡体構造は、前記第1のカソード分配チャネルおよび前記第2のカソード分配チャネルの全体を通して形成される支持特徴部を含む、電気化学セルスタック。
- 請求項14に記載の電気化学セルスタックであって、前記支持特徴部は、ディンプル、半球形、円錐、または、円柱形の形状のものである、電気化学セルスタック。
- 請求項14に記載の電気化学セルスタックであって、前記第1のカソード分配チャネル、前記第2のカソード分配チャネル、および、前記支持特徴部は、前記多孔質金属製発泡体構造のスタンピングにより形成される、電気化学セルスタック。
- 請求項14に記載の電気化学セルスタックであって、前記第1のカソード分配チャネルおよび前記第2のカソード分配チャネルは、前記カソード流れ場の幅に沿った酸化剤の一様な流れ分配を助長するように構成された、電気化学セルスタック。
- 請求項14に記載の電気化学セルスタックであって、前記多孔質構造は、前記カソードプレートに面する前記多孔質金属製発泡体構造の前記表面内へとスタンピングされた、複数の相互嵌合させられたフィードチャネルおよび排出チャネルを有し、前記フィードチャネルは、前記第1のカソード分配チャネルにおいて開始し、前記第1のカソード分配チャネルと流体連通し、前記第2のカソード分配チャネルの方に延び、前記排出チャネルは、前記第2のカソード分配チャネルにおいて終了し、前記第2のカソード分配チャネルと流体連通し、前記第1のカソード分配チャネルの方に延びる、電気化学セルスタック。
- 請求項18に記載の電気化学セルスタックであって、前記フィードチャネルおよび前記排出チャネルの幅および深さの一方または双方は、前記多孔質金属製発泡体構造の長さに沿って変動する、電気化学セルスタック。
- 請求項19に記載の電気化学セルスタックであって、前記フィードチャネルの前記幅は、前記第1のカソード分配チャネルから離れて前記第2のカソード分配チャネルの方に延びると狭くなり、一方で、前記排出チャネルの前記幅は、前記第1のカソード分配チャネルから離れて前記第2のカソード分配チャネルの方に延びると広くなる、電気化学セルスタック。
- 請求項19に記載の電気化学セルスタックであって、前記フィードチャネルの前記深さは、前記第1のカソード分配チャネルから離れて前記第2のカソード分配チャネルの方に延びると減少し、一方で、前記排出チャネルの前記深さは、前記第1のカソード分配チャネルから離れて前記第2のカソード分配チャネルの方に延びると増大する、電気化学セルスタック。
- 請求項19に記載の電気化学セルスタックであって、前記フィードチャネルの断面積は、前記第1のカソード分配チャネルから離れて前記第2のカソード分配チャネルの方に延びると減少し、一方で、前記排出チャネルの断面積は、前記第1のカソード分配チャネルから離れて前記第2のカソード分配チャネルの方に延びると増大する、電気化学セルスタック。
- 請求項22に記載の電気化学セルスタックであって、前記フィードチャネルの前記断面積は、酸化剤が、前記フィードチャネルの外に流れ、前記多孔質金属製発泡体構造内へと拡散するレートにほぼ等しいレートで減少し、前記排出チャネルの前記断面積は、酸化剤が、前記多孔質金属製発泡体構造の外に前記排出チャネル内へと流れるレートにほぼ等しいレートで増大し得るものであり、それによって、前記フィードチャネルおよび前記排出チャネルを通るほぼ一定の酸化剤の速度を維持する、電気化学セルスタック。
- 請求項18に記載の電気化学セルスタックであって、前記多孔質構造は、前記第1のカソード分配チャネルにおいて始まり、第2のカソード分配チャネルの方にほぼ中途まで延びる第1のセットのチャネルを有する、電気化学セルスタック。
- 長手方向軸に沿って積層される複数の電気化学セルを備えた電気化学セルスタックであって、各々の電気化学セルは、
カソード触媒層、アノード触媒層、および、前記カソード触媒層と前記アノード触媒層との間に介在させられる高分子膜を備えた膜電極接合体と、
アノードプレートおよびカソードプレートであって、前記膜電極接合体は、前記アノードプレートと前記カソードプレートとの間に介在させられ、前記アノードプレートは、前記アノード触媒層に面するアノード流れ場を形成する複数のチャネルを規定する、アノードプレートおよびカソードプレートと、
前記カソードプレートと前記カソード触媒層との間に配置されるカソード流れ場であって、多孔質構造を含むカソード流れ場と
を備え、
前記アノード流れ場を形成する前記複数のチャネルは、概して正方形の形状の、波形にされたチャネルであり、前記複数のチャネルは、前記アノード触媒層を横断する燃料の流れを導くように構成された、アノード側に対し開放のアノードチャネルを含み、前記複数のチャネルは、さらには、冷却剤流れを導くように構成された、逆の側に対し開放の冷却剤チャネルを含む、電気化学セルスタック。 - 請求項25に記載の電気化学セルスタックであって、前記冷却剤チャネルは、各々、Aの冷却剤チャネル幅を有し、前記アノードチャネルは、各々、Bのアノードチャネル幅を有し、前記冷却剤チャネル幅Aを前記アノードチャネル幅Bで割った値の比率は、約1より大であり、約6未満である、電気化学セルスタック。
- 請求項26に記載の電気化学セルスタックであって、前記冷却剤チャネル幅Aを前記アノードチャネル幅Bで割った値の前記比率は、約2より大であり、約4未満である、電気化学セルスタック。
- 請求項27に記載の電気化学セルスタックであって、前記冷却剤チャネルおよび前記アノードチャネルの深さはほぼ等しく、前記チャネル深さはSであり、前記冷却剤チャネル幅Aプラス前記アノードチャネル幅Bが前記深さSで除算された値の比率は、約2より大であり、約10未満である、電気化学セルスタック。
- 請求項27に記載の電気化学セルスタックであって、動作の間に前記燃料セルに付与される圧縮荷重は、約10kg/cm2から約75kg/cm2の範囲に及ぶ、電気化学セルスタック。
- 請求項25に記載の電気化学セルスタックであって、前記多孔質構造は、少なくともニッケルおよびクロムを含む、電気化学セルスタック。
- 請求項30に記載の電気化学セルスタックであって、前記多孔質構造は、60質量%から80質量%のニッケル濃度、および、20質量%から40質量%のクロム濃度を含み、前記多孔質構造の少なくとも1つの表面は、約3質量%から約50質量%のクロム濃度を含む、電気化学セルスタック。
- 請求項30に記載の電気化学セルスタックであって、前記多孔質構造は、約3%から約6%のクロム濃度、約10%から約20%のスズ濃度、および、約74%から約87%のニッケル濃度を含む、電気化学セルスタック。
- 請求項31に記載の電気化学セルスタックであって、前記多孔質構造の第1の表面は、反対の第2の表面より高いクロム濃度を有する、電気化学セルスタック。
- 請求項33に記載の電気化学セルスタックであって、前記第1の表面は、約3質量%から約50質量%の範囲に及ぶクロム濃度を有し、前記第2の表面は、約3質量%未満のクロム濃度を有する、電気化学セルスタック。
- 請求項34に記載の電気化学セルスタックであって、前記多孔質構造の前記第1の表面は、前記膜電極接合体に面する、電気化学セルスタック。
- 請求項31に記載の電気化学セルスタックであって、各々のセルの前記カソードプレートは、コーティングされないステンレス鋼から形成される、電気化学セルスタック。
- カソード触媒層、アノード触媒層、および、前記カソード触媒層と前記アノード触媒層との間に介在させられる高分子膜を備える膜電極接合体と、
アノードプレートおよびカソードプレートであって、前記膜電極接合体は、前記アノードプレートと前記カソードプレートとの間に介在させられ、前記アノードプレートは、前記アノード触媒層に面するアノード流れ場を形成する複数のチャネルを規定する、アノードプレートおよびカソードプレートと、
前記カソードプレートと前記カソード触媒層との間に配置されるカソード流れ場であって、多孔質構造を含むカソード流れ場と
を備えた電気化学セル。
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