JP5107038B2 - 燃料電池スタック設計及び作動方法 - Google Patents
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Description
図1を参照すると、この図には本発明の好ましい実施例が示してある。カスケード式燃料電池スタック10は、第1セグメント12を有し、このセグメント12は、第2セグメント14からセパレータセグメント16によって分離されている。セパレータセグメント16の流れチャンネル内の反応体流は、以下に更に詳細に説明するように、「交差流れ(cross flow:クロスフロー)」形体である。第1セグメント12の外面18は、カソード入口20及びアノード出口22を含む。カソード入口20は、カソード入口チャンバ24と流体連通している。カソード入口チャンバ24は、複数の燃料電池28のカソード側燃料電池通路26に連結されている。これらのカソード側燃料電池通路26の各々は、カソード出口チャンバ30に連結されており、この出口チャンバ30は、カソード出口32で終端する。
第3セグメント602に設けられた配管及びバルブは、図6の配管及びバルブをベースとしたものであり、第2セグメント332を第3セグメント602に接続する新たな配管及びバルブを示すため、プライム即ち「’」が付してある。図8は、更に、アノード供給配管402の上流のアノード制御バルブ604と、アノード供給配管402’の上流のアノード制御バルブ606とを示す。アノード制御バルブ604及びアノード制御バルブ606の両方が、スタックフィードバック信号プロセッサ608から制御信号を受け取る。アノード制御バルブ604、606、関連した配管、及びスタックフィードバック信号プロセッサ608が一緒になって、可変制御システム610を形成する。スタックフィードバック信号プロセッサ608は、可変制御システム610に提供される、スタック又はセグメントの圧力降下、スタックの電圧(例えば全電圧、電圧範囲、標準的な電圧偏差)、及び反応体の出口濃度を含む例示のスタックフィードバックデータに基づいて、バルブ位置信号を提供する。スタック反応体及び/又はクーラント流は、アノード制御バルブ604及び606の位置を変えることによって、又は同様のカソード制御バルブ(図示せず)及びクーラント制御バルブ(図示せず)によって、方向を変えることができる。スタックフィードバックシステム608及び可変制御システム610では、一般的に入手可能なプロセッサ及び素子が使用される。アノード制御バルブ604、606は、一般的に入手可能な任意の制御バルブであってもよい。こうしたバルブには、スタックフィードバックシステム608から電気信号を受け取ることができるソレノイド作動式バルブやモータ制御式スロットルバルブ等が含まれる。
12 第1セグメント
14 第2セグメント
16 セパレータセグメント
18 外面
20 カソード入口
22 アノード出口
24 カソード入口チャンバ
26 カソード側燃料電池通路
28 燃料電池
30 カソード出口チャンバ
32 カソード出口
34 アノード入口チャンバ
36 アノード側燃料電池通路
38 アノード出口チャンバ
40 カソード通路
42 カソード入口チャンバ
44 アノード通路
46 アノード出口チャンバ
48 閉塞ポート
50 カソード側燃料電池通路
52 第2セグメント燃料電池
54 カソード出口チャンバ
56 カソード出口
58 アノード
Claims (9)
- 燃料電池スタックにおいて、
順次配置された第1燃料電池セグメント及び第2燃料電池セグメントと、
前記第1及び第2の燃料電池セグメントの各々に配置された複数の燃料電池とを備え、これらの燃料電池の各々は、アノード通路と、カソード通路と、これらの通路間に配置された膜電極アッセンブリとを有し、前記アノード通路及び前記カソード通路は、一方向に重力補助流れ配向で方向決めされており、
前記燃料電池スタックは、また、
前記第1燃料電池セグメントと前記第2燃料電池セグメントとの間に配置され、その間を流体連通するためのバルブ及び配管のマニホールドアッセンブリを備え、前記マニホールドアッセンブリは、前記第1燃料電池セグメントの前記アノード通路及び前記カソード通路と、前記第2燃料電池セグメントの前記アノード通路及び前記カソード通路との間に、向流を提供する前記燃料電池スタック内の前記燃料電池のアノード通路及びカソード通路の向流構成、及び並流を提供する前記燃料電池スタック内の前記燃料電池のアノード通路及びカソード通路の並流構成の1つを構成するように形成でき、
前記燃料電池セグメントの各々は、更に、
アノード出口チャンバの上方に配置されたアノード入口チャンバを備え、前記アノード入口チャンバ及び前記アノード出口チャンバは、両方とも前記アノード通路と流体連通しており、
前記燃料電池セグメントの各々は、また、
カソード出口チャンバの上方に配置されたカソード入口チャンバを備え、前記カソード入口チャンバ及び前記カソード出口チャンバは、両方とも前記カソード通路と流体連通しており、
前記マニホールドアッセンブリは、更に、
前記第1セグメント及び前記第2セグメントの両方の前記アノード入口チャンバ間を流体連通する、ほぼ上方に配向されたアノード供給配管と、
前記第1セグメント及び前記第2セグメントの両方の前記アノード出口チャンバ間を流体連通する、ほぼ下方に配向されたアノード排出配管と、
前記第1セグメント及び前記第2セグメントの両方の前記カソード入口チャンバ間を流体連通する、ほぼ上方に配向されたカソード供給配管と、
前記第1セグメント及び前記第2セグメントの両方の前記カソード出口チャンバ間を流体連通する、ほぼ下方に配向されたカソード排出配管とを備えており、
前記燃料電池スタックは、更に、
前記第1及び第2のセグメントの各々内で前記複数の燃料電池と隣接して配置された複数のクーラント通路と、
前記第1及び第2の燃料電池セグメントの各々に配置された、前記複数のクーラント通路と流体連通したクーラント入口チャンバと、
前記第1及び第2の燃料電池セグメントの各々に配置された、前記複数のクーラント通路と流体連通したクーラント出口チャンバとを備えている、
燃料電池スタック。 - 請求項1に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記マニホールドアッセンブリは、更に、
前記第1及び第2の燃料電池セグメントの前記クーラント入口チャンバ間を流体連通するクーラント供給配管と、
前記第1及び第2の燃料電池セグメントの前記クーラント出口チャンバ間を流体連通するクーラント排出配管とを備えている、燃料電池スタック。 - 請求項2に記載の燃料電池スタックにおいて、更に、
前記第1燃料電池セグメントに配置された、前記第1燃料電池セグメントの前記カソード入口チャンバと流体連通したカソード入口と、
前記第1燃料電池セグメントに配置された、前記第1燃料電池セグメントの前記アノード入口チャンバと流体連通したアノード入口とを備えており、
前記第1燃料電池セグメントは、前記カソード入口と隣接したクーラント入口を有し、 前記マニホールドアッセンブリは、前記クーラント入口、前記カソード入口、及び前記アノード入口が、前記燃料電池スタックの前記燃料電池の前記複数のアノード通路及び前記複数のカソード通路の両方に対し、前記クーラント通路の並流構成を形成するように形成できる、燃料電池スタック。 - 請求項2に記載の燃料電池スタックにおいて、更に、
前記第1燃料電池セグメントに配置された、前記第1燃料電池セグメントの前記カソード入口チャンバと流体連通したカソード入口と、
前記第2燃料電池セグメントに配置された、前記第2燃料電池セグメントの前記アノード入口チャンバと流体連通したアノード入口とを備えており、
前記第1燃料電池セグメントは、前記カソード入口と隣接したクーラント入口を有し、
前記マニホールドアッセンブリは、前記クーラント入口及び前記カソード入口が、前記燃料電池スタックの前記複数のカソード通路に対して前記クーラント通路の並流構成を形成し、前記複数のカソード通路が、前記複数のアノード通路に関して向流構成を形成するように形成できる、燃料電池スタック。 - 請求項2に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記マニホールドアッセンブリは、更に、
前記第1セグメント及び前記第2セグメントの両方の前記アノード入口チャンバに選択的に供給するため、前記アノード供給配管に配置された多出口ポートバルブと、
前記第1セグメント及び前記第2セグメントの両方の前記カソード入口チャンバに選択的に供給するため、前記カソード供給配管に配置された多出口ポートバルブと、
前記第1セグメント及び前記第2セグメントの前記クーラント入口チャンバ及び前記クーラント出口チャンバに選択的に供給するため、前記クーラント供給配管に配置された多出口ポートバルブとを含む、燃料電池スタック。 - 請求項2に記載の燃料電池スタックにおいて、更に、
前記第1セグメントに配置された、前記第1セグメントの前記カソード入口チャンバと流体連通したカソード入口と、
前記第2セグメントに配置された、前記第2セグメントの前記アノード入口チャンバと流体連通したアノード入口とを含み、
前記第1セグメントは、前記カソード入口と隣接した第1セグメントクーラント入口を有し、
前記第2セグメントは、前記アノード入口と隣接した第2セグメントクーラント入口を有し、
前記第1セグメントクーラント入口及び前記第2セグメントクーラント入口は、前記燃料電池スタックの前記第1セグメントと前記第2セグメントとの間に並流クーラント経路を形成し、前記カソード通路は、前記アノード通路に関して前記向流構成を形成する、燃料電池スタック。 - 請求項6に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記第2クーラント入口は、前記カソード通路に対して並流クーラント経路を形成する、燃料電池。 - 請求項6に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記第2クーラント入口は、前記アノード通路に対して並流クーラント経路を形成する、燃料電池。 - 請求項1に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記セグメントの各々内の燃料電池の数は、連続したセグメント間で、前記スタックの入口部分から前記スタックの出口部分まで減少する、燃料電池スタック。
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