JP7284178B2 - 燃料セルスタックに対するカソード流れ場分配 - Google Patents
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Description
例1:電気化学セル流れ抵抗の測定
[081]接合された電気化学燃料セルは、カソードフィードマニホールドを介して、反応物ガス、例えば、酸素に接続され得る。酸素の流れは、電気化学セルが典型的な電気化学セルスタック接合体において遭遇することになる流れレートをシミュレートするために、生起させられ、増大され、測定され得る。例えば、カソードフィードマニホールドおよびカソード排出マニホールドにおいての圧力は、例えば、マノメータを使用して測定され得るものであり、フィードおよび排出においての圧力においての差が、セルに関するカソード流れ場の多孔質構造の圧力降下を提供し得る。測定量流れレートに対する測定された圧力降下の比率が、次いで、動作においてセルから予測される流れ抵抗を表す。
Claims (33)
- 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、平均孔サイズを有する複数の孔を有する多孔質構造を備えたカソード流れ場と
を備え、
前記複数の電気化学セルは、前記電気化学セルスタックの第1の端部において配置される第1の電気化学セルを含み、
前記第1の電気化学セルの前記多孔質構造は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の平均孔サイズより大である平均孔サイズを有し、
前記第1の電気化学セルの前記多孔質構造は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の平均流れ抵抗より小である流れ抵抗を有する、
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の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均孔サイズは、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均孔サイズより5%から50%大きい、電気化学セルスタック。
- 請求項1または2に記載の電気化学セルスタックであって、前記第1の電気化学セルの前記多孔質構造の前記流れ抵抗は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均流れ抵抗より5%から50%小さい、電気化学セルスタック。
- 請求項3に記載の電気化学セルスタックであって、前記第1の電気化学セルの前記多孔質構造の前記流れ抵抗は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均流れ抵抗より15%小さい、電気化学セルスタック。
- 請求項1から4のいずれか一項に記載の電気化学セルスタックであって、前記複数の電気化学セルは、前記第1の電気化学セルに対して前記スタックの反対の端部において配置される最後の電気化学セルを含み、前記最後の電気化学セルの前記多孔質構造は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の平均孔サイズより大である平均孔サイズを有する、電気化学セルスタック。
- 請求項5に記載の電気化学セルスタックであって、前記最後の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均孔サイズは、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均孔サイズより5%から50%大きい、電気化学セルスタック。
- 請求項5または6に記載の電気化学セルスタックであって、前記最後の電気化学セルの前記多孔質構造の流れ抵抗は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均流れ抵抗より5%から50%小さい、電気化学セルスタック。
- 請求項7に記載の電気化学セルスタックであって、前記最後の電気化学セルの前記多孔質構造の前記流れ抵抗は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均流れ抵抗より15%小さい、電気化学セルスタック。
- 請求項1から8のいずれか一項に記載の電気化学セルスタックであって、前記複数の電気化学セルは、前記第1の電気化学セルに隣接して配置される第2の電気化学セルを含み、前記第1の電気化学セルに隣接して配置される前記第2の電気化学セルの前記多孔質構造は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均孔サイズより大である平均孔サイズを有する、電気化学セルスタック。
- 請求項9に記載の電気化学セルスタックであって、前記第2の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均孔サイズは、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均孔サイズより5%から50%大きい、電気化学セルスタック。
- 請求項9または10に記載の電気化学セルスタックであって、前記第2の電気化学セルの前記多孔質構造の流れ抵抗は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均流れ抵抗より5%から50%小さい、電気化学セルスタック。
- 請求項11に記載の電気化学セルスタックであって、前記第1の電気化学セルに隣接して配置される前記第2の電気化学セルの前記多孔質構造の前記流れ抵抗は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均流れ抵抗より15%小さい、電気化学セルスタック。
- 請求項1から12のいずれか一項に記載の電気化学セルスタックであって、前記複数の電気化学セルは、前記最後の電気化学セルに隣接して配置される第3の電気化学セルを含み、前記最後の電気化学セルに隣接して配置される前記第3の電気化学セルの前記多孔質構造は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均孔サイズより大である平均孔サイズを有する、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、前記第3の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均孔サイズは、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均孔サイズより5%から50%大きい、電気化学セルスタック。
- 請求項13または14に記載の電気化学セルスタックであって、前記第3の電気化学セルの前記多孔質構造の流れ抵抗は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均流れ抵抗より5%から50%小さい、電気化学セルスタック。
- 請求項15に記載の電気化学セルスタックであって、前記第3の電気化学セルの前記多孔質構造の前記流れ抵抗は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の前記平均流れ抵抗より5%小さい、電気化学セルスタック。
- 請求項1から16のいずれか一項に記載の電気化学セルスタックであって、前記複数の電気化学セルのうちの少なくとも1つの前記多孔質構造は、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17に記載の電気化学セルスタックであって、ニッケル濃度は、60質量%から80質量%の範囲に及び、クロム濃度は、20質量%から40質量%の範囲に及ぶ、電気化学セルスタック。
- 請求項17に記載の電気化学セルスタックであって、前記少なくとも1つの電気化学セルの前記多孔質構造は、反対の第2の表面より高いクロム濃度を伴う第1の表面を有する、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、前記第1の表面の前記クロム濃度は、3質量%から50質量%の範囲に及ぶ、電気化学セルスタック。
- 請求項20に記載の電気化学セルスタックであって、前記反対の第2の表面は、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17に記載の電気化学セルスタックであって、クロム濃度は、3質量%から6質量%の範囲に及び、ニッケル濃度は、74質量%から87質量%の範囲に及ぶ、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、スズをさらに含む電気化学セルスタック。
- 請求項23に記載の電気化学セルスタックであって、スズ濃度は、10質量%から20質量%の範囲に及ぶ、電気化学セルスタック。
- 請求項1から24のいずれか一項に記載の電気化学セルスタックであって、前記第1の電気化学セルの前記多孔質構造は、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、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、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25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26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、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26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、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26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、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29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、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酸化剤のほぼ一定の速度を維持する、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、前記フィードチャネルと前記排出チャネルとの間に形成される、1つまたは複数のランドセクションを含み、前記1つまたは複数のランドセクションの厚さは、前記多孔質構造の長さに沿って変動する、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、多孔質構造を備えたカソード流れ場と
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み、
前記複数の電気化学セルは、前記電気化学セルスタックの第1の端部において配置される第1の電気化学セルを含み、
前記第1の電気化学セルの前記多孔質構造は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の平均孔サイズより大である平均孔サイズを有し、
前記第1の電気化学セルの前記多孔質構造は、前記複数の電気化学セルの前記多孔質構造の平均流れ抵抗より小である流れ抵抗を有する、
電気化学セルスタック。 - 請求項32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、前記アノードチャネル幅Bに対する前記冷却剤チャネル幅Aの比率は、1より大であり、6未満である、電気化学セルスタック。
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