JP5875577B2 - 燃料電池スタックにおける熱管理 - Google Patents
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Description
1)ステージ2の条件は、H2濃度がより低いため(ネルンストポテンシャルがより低いため)、ステージ1においてよりも早く、各燃料電池の部分の酸化をもたらしうる-特に燃料電池が拡大適用のため劣化する;
2)ステージ2は、燃料利用率のバリエーションに対してより敏感である-ステージ1は直線的であり、一方ステージ2は、より高次の関数を有する;
3)ステージ2は、ステージ1からの残留燃料を受け取る-そのため、例えば、フロー、電流及び可能性として考えられるリークにおける全てのエラーが、ステージ2において重荷になりうる。
本明細書の開示内容は、以下の態様を含み得る。
(態様1)
複数の燃料電池アレイのスタックであって、各燃料電池アレイは、1以上の燃料電池を含み、各燃料電池は、電解質層と、当該電解質層の一方のサイドに配置されたアノード層と、上記電解質層の反対のサイドに設けられたカソード層と、を備え、さらに、当該スタックにおいて燃料電池の複数のアノード層に連通する燃料ガス分配通路を備える燃料電池アレイのスタックと、
当該スタックにおいて、上記燃料ガス分配通路に燃料ガスを供給するための1以上の燃料供給マニホールドと、を含み、
上記燃料電池アレイは、燃料ガスを直接1以上の燃料ガス供給マニホールドから受け取るために当該1以上の燃料ガス供給マニホールドに接続された第1燃料ガス分配通路に関連する第1ステージ燃料電池アレイと、当該スタックにおいて、第2ステージ燃料電池アレイの燃料電池へ燃料排気を供給するために、第1ステージ燃料電池アレイの燃料電池からの燃料排気を受け取るように配置された第2燃料ガス分配通路に関連する第2ステージ燃料電池アレイと、を少なくとも備え、
上記第1ステージ燃料電池アレイ及び上記第2ステージ燃料電池アレイのうち少なくとも一方は、当該スタック内において、第1ステージ燃料電池アレイおよび第2ステージ燃料電池アレイのうちの他方の燃料電池アレイ間に配置されている燃料電池アレイを含む燃料電池アッセンブリ。
(態様2)
上記第2ステージ燃料電池アレイの各燃料電池のアノード層に連通する第2燃料ガス分配通路の入口サイドは、上記第1ステージ燃料電池アレイの少なくとも2つの燃料電池のアノード層に連通する第1燃料ガス分配通路の排気サイドに直接接続されている態様1記載の燃料電池アッセンブリ。
(態様3)
少なくとも1つの燃料マニホールドが、上記第2燃料ガス分配通路の入口サイドと上記第1燃料ガス分配通路の排気サイドとの間に設けられ、
複数の第1燃料ガス分配通路から複数の第2燃料ガス分配通路まで燃料排気を供給する態様1記載の燃料電池アッセンブリ。
(態様4)
上記少なくとも1つの燃料マニホールドが、燃料排気入口マニホールドに接続された燃料排気出口マニホールドを有し、これにより、第1燃料ガス分配通路からの燃料排気が、燃料排気出口マニホールドを介して一方向に通過し、第2燃料ガス分配通路へ燃料排気入口マニホールドに沿って反対方向に通過する態様3記載の燃料電池アッセンブリ。
(態様5)
上記第1ステージ燃料電池アレイの燃料電池のアノード層及び/又は上記第1燃料ガス分配通路が、上記アノード層に接触する燃料ガスにおいて、及び/又は第1上記燃料ガス分配通路において、炭化水素をスチーム改質するスチーム改質触媒を含む態様1〜4のいずれかに記載の燃料電池アッセンブリ。
(態様6)
第1ステージ燃料電池アレイ及び第2ステージ燃料電池アレイのうちのいずれか一方の各燃料電池アレイが、第1ステージ燃料電池アレイ及び第2ステージ燃料電池アレイのうちの他方の少なくとも1つの燃料電池アレイに近接して配置された態様1〜5のいずれかに記載の燃料電池アッセンブリ。
(態様7)
各第2ステージ燃料電池アレイが、当該スタックにおいて、それぞれ2つの第1ステージ燃料電池アレイ間に配置された態様6記載の燃料電池アッセンブリ。
(態様8)
当該スタックの少なくとも一部において、3つの第1ステージ燃料電池アレイと1つの第2燃料電池アレイとが繰り返されたパターンを有する態様1〜7のいずれかに記載の燃料電池アッセンブリ。
(態様9)
当該スタックの少なくとも一部において、4つの第1ステージ燃料電池アレイと1つの第2燃料電池アレイとが繰り返されたパターンを有する態様1〜7のいずれかに記載の燃料電池アッセンブリ。
(態様10)
当該スタックのあらゆる場所において、第1ステージ燃料電池アレイと第2ステージ燃料電池アレイとの配列の繰返しパターンを備える態様1〜9のいずれかに記載の燃料電池アッセンブリ。
(態様11)
当該スタックの第1の半体において、当該スタックの第2の半体より多くの第2ステージ燃料電池アレイを有する態様1〜9のいずれかに記載の燃料電池アッセンブリ。
(態様12)
当該スタックの中央の半分の部分において、当該スタックのそれぞれの端部の四分の一の部分より、第2ステージ燃料電池アレイの割合が小さい態様1〜9のいずれかに記載の燃料電池アッセンブリ。
(態様13)
当該スタックのそれぞれの端部の四分の一の部分における第2ステージ燃料電池アレイの割合が、当該スタックの中央の半分の部分における割合の少なくとも2倍である態様12記載の燃料電池アッセンブリ。
(態様14)
当該スタックにおいて第1ステージ燃料電池アレイの数が、当該スタックにおける燃料電池アレイの全部の数の64〜82%の範囲にある態様1〜13のいずれかに記載の燃料電池アッセンブリ。
(態様15)
第2燃料ガス分配通路の全部が、燃料排気を上記第2燃料ガス分配通路から当該スタックの外部へ向けるため、若しくは当該スタックへ再循環させるため、少なくとも1つの燃料排気マニホールドに接続された態様1〜14のいずれかに記載の燃料電池アッセンブリ。
(態様16)
上記燃料電池アレイが、さらに、当該スタックにおいて、少なくとも1つの第3ステージ燃料電池アレイの燃料電池へ上記燃料排気を供給するため、第2ステージ燃料電池アレイの燃料電池から燃料排気を受け取るように配置された、関連する第3燃料ガス分配通路を有する少なくとも1つの第3ステージ燃料電池アレイを含む態様1〜13のいずれかに記載の燃料電池アッセンブリ。
(態様17)
少なくとも1つの燃料アッセンブリが、第3燃料ガス分配通路の入口サイドと第2燃料ガス分配通路の排気サイドとの間に設けられ、燃料排気を上記第2燃料ガス分配通路から上記第3燃料ガス分配通路へ供給する態様16記載の燃料電池アッセンブリ。
(態様18)
当該スタックにおける燃料電池の第1ステージ、第2ステージ、第3ステージのアレイの全体の数の割合が、第1ステージアレイについては、50〜70%、第2ステージアレイについては、31〜23%、第3ステージアレイについては、19〜7%である態様16又は17記載の燃料電池アッセンブリ。
(態様19)
各第3ステージ燃料電池アレイが、当該スタックにおいて、少なくとも1つの第1ステージ燃料電池アレイに近接して配置された態様16〜18のいずれかに記載の燃料電池アッセンブリ。
(態様20)
各第3ステージ燃料電池アレイが、当該スタックにおいて、2つの第1ステージ燃料電池アレイ間に配置された態様19記載の燃料電池アッセンブリ。
(態様21)
第2ステージ燃料電池アレイの全部が、当該スタックの第1端部に向かって配置され、第3ステージ燃料電池アレイの全部が、当該スタックの第2端部に向かって配置されている態様19又は20記載の燃料電池アッセンブリ。
(態様22)
最終ステージの燃料電池アレイの燃料ガス分配通路と、最後から2番目のステージの燃料電池アレイの燃料ガス分配通路との間に接続されたスチーム除去装置を備え、当該最後から2番目のステージの燃料電池アレイの燃料ガス分配通路へ上記燃料排気を供給する前に、当該最後から2番目のステージの燃料電池アレイの燃料ガス分配通路から受け取った燃料排気からのスチームを濃縮する態様1〜21のいずれかに記載の燃料電池アッセンブリ。
Claims (21)
- 複数の燃料電池アレイのスタックであって、
各燃料電池アレイは、1以上の燃料電池を含み、
各燃料電池は、電解質層と、当該電解質層の一方のサイドに配置されたアノード層と、上記電解質層の反対のサイドに設けられたカソード層と、を備え、
さらに、当該スタックにおいて燃料電池の複数のアノード層に連通する燃料ガス分配通路を備える、燃料電池アレイのスタックと、
当該スタックにおいて、上記燃料ガス分配通路に燃料ガスを供給するための1以上の燃料供給マニホールドと、
を含む燃料電池アッセンブリであって、
上記燃料電池アレイは、少なくとも、第1ステージ燃料電池アレイと、第2ステージ燃料電池アレイと、を含み、
燃料ガス分配通路は、
燃料ガスを直接1以上の燃料ガス供給マニホールドから受け取るために当該1以上の燃料ガス供給マニホールドに接続され且つ第1ステージ燃料電池アレイに燃料ガスを供給するように配置された第1燃料ガス分配通路を含み、
さらに、当該スタックにおいて、第2ステージ燃料電池アレイの燃料電池へ燃料排気を供給するために、第1ステージ燃料電池アレイの燃料電池からの燃料排気を受け取るように配置された第2燃料ガス分配通路を含み、
上記第1ステージ燃料電池アレイの燃料電池のアノード層及び上記第1燃料ガス分配通路の一方又はそれらの両方が、上記アノード層及び上記第1燃料ガス分配通路に接触する燃料ガス中の炭化水素をスチーム改質するスチーム改質触媒を含み、
上記スタックにおける燃料電池アレイの18%〜36%が第2ステージ燃料電池アレイであり、上記第1ステージ燃料電池アレイは、第2ステージ燃料電池アレイより高い比率で存在し、
上記第1および第2ステージ燃料電池アレイの少なくとも一方は、当該スタック内において、燃料電池アレイの第1および第2ステージ燃料電池アレイの他方の間に配置されている燃料電池アレイを含む、燃料電池アッセンブリ。 - 上記第2ステージ燃料電池アレイの各燃料電池のアノード層に連通する第2燃料ガス分配通路の入口サイドは、上記第1ステージ燃料電池アレイの少なくとも2つの燃料電池のアノード層に連通する第1燃料ガス分配通路の排気サイドに直接接続されている請求項1記載の燃料電池アッセンブリ。
- 少なくとも1つの燃料マニホールドが、上記第1燃料ガス分配通路の排気サイドから上記第2燃料ガス分配通路の入口サイドまで延在しており、
複数の第1燃料ガス分配通路から複数の第2燃料ガス分配通路に燃料排気を供給する請求項1記載の燃料電池アッセンブリ。 - 上記少なくとも1つの燃料マニホールドが、燃料排気入口マニホールドに接続された燃料排気出口マニホールドを有し、これにより、第1燃料ガス分配通路からの燃料排気が、燃料排気出口マニホールドを介して一方向に通過し、第2燃料ガス分配通路へ燃料排気入口マニホールドに沿って反対方向に通過する請求項3記載の燃料電池アッセンブリ。
- 第1および第2ステージ燃料電池アレイのいずれか一方の燃料電池アレイの各々が、第1および第2ステージ燃料電池アレイの他方の燃料電池アレイの少なくとも1つに近接して配置された請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池アッセンブリ。
- 各第2ステージ燃料電池アレイが、当該スタックにおいて、それぞれ2つの第1ステージ燃料電池アレイ間に配置された請求項5記載の燃料電池アッセンブリ。
- 当該スタックの少なくとも一部において、3つの第1ステージ燃料電池アレイと1つの第2燃料電池アレイとが繰り返されたパターンを有する請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電池アッセンブリ。
- 当該スタックの少なくとも一部において、4つの第1ステージ燃料電池アレイと1つの第2燃料電池アレイとが繰り返されたパターンを有する請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電池アッセンブリ。
- 当該スタックのあらゆる場所において、第1ステージ燃料電池アレイと第2ステージ燃料電池アレイとの配列の繰返しパターンを備える請求項1〜8のいずれかに記載の燃料電池アッセンブリ。
- 当該スタックの第1の半体において、当該スタックの第2の半体より多くの第2ステージ燃料電池アレイを有する請求項1〜8のいずれかに記載の燃料電池アッセンブリ。
- 当該スタックの中央の半分の部分において、当該スタックのそれぞれの端部の四分の一の部分より、第2ステージ燃料電池アレイの割合が小さい請求項1〜8のいずれかに記載の燃料電池アッセンブリ。
- 当該スタックのそれぞれの端部の四分の一の部分における第2ステージ燃料電池アレイの割合が、当該スタックの中央の半分の部分における割合の少なくとも2倍である請求項11記載の燃料電池アッセンブリ。
- 当該スタックにおいて第1ステージ燃料電池アレイの数が、当該スタックにおける燃料電池アレイの全部の数の64〜82%の範囲にある請求項1〜12のいずれかに記載の燃料電池アッセンブリ。
- 第2燃料ガス分配通路の全部が、燃料排気を上記第2燃料ガス分配通路から当該スタックの外部へ向けるため、若しくは当該スタックへ再循環させるため、少なくとも1つの燃料排気マニホールドに接続された請求項1〜13のいずれかに記載の燃料電池アッセンブリ。
- 上記燃料電池アレイが、少なくとも1つの第3ステージ燃料電池アレイを含み、
燃料ガス分配通路は、さらに、当該スタックにおいて、第2ステージ燃料電池アレイの燃料電池から燃料排気を受け取るように、及び少なくとも1つの第3ステージ燃料電池アレイの燃料電池へ上記燃料排気を供給するように配置された、第3燃料ガス分配通路を含む、請求項1〜12のいずれかに記載の燃料電池アッセンブリ。 - 少なくとも1つの燃料アッセンブリが、第3燃料ガス分配通路の入口サイドと第2燃料ガス分配通路の排気サイドとの間に設けられ、燃料排気を上記第2燃料ガス分配通路から上記第3燃料ガス分配通路へ供給する請求項15記載の燃料電池アッセンブリ。
- 当該スタックにおける燃料電池の第1ステージ、第2ステージ、第3ステージのアレイの全体の数の割合が、第1ステージアレイについては、50〜70%、第2ステージアレイについては、31〜23%、第3ステージアレイについては、19〜7%である請求項15又は16記載の燃料電池アッセンブリ。
- 各第3ステージ燃料電池アレイが、当該スタックにおいて、少なくとも1つの第1ステージ燃料電池アレイに近接して配置された請求項15〜17のいずれかに記載の燃料電池アッセンブリ。
- 各第3ステージ燃料電池アレイが、当該スタックにおいて、2つの第1ステージ燃料電池アレイ間に配置された請求項18記載の燃料電池アッセンブリ。
- 第2ステージ燃料電池アレイの全部が、当該スタックの第1端部に向かって配置され、第3ステージ燃料電池アレイの全部が、当該スタックの第2端部に向かって配置されている請求項18又は19記載の燃料電池アッセンブリ。
- 上記燃料電池アレイの最終ステージの燃料ガス分配通路と、上記燃料電池アレイの最後から2番目のステージの燃料ガス分配通路との間に接続されたスチーム除去装置をさらに備え、上記燃料電池アレイの上記最終ステージの燃料ガス分配通路へ上記燃料排気を供給する前に、上記燃料電池アレイの上記最後から2番目のステージの燃料電池アレイの燃料ガス分配通路から受け取った燃料排気からのスチームを濃縮する請求項1〜20のいずれかに記載の燃料電池アッセンブリ。
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