JP2007227377A - 加湿が組み入れられた燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】水分リッチ燃料電池の流路から水を抽出し、水を必要とする燃料電池システムの他の構成要素に供給するための装置および方法。水輸送ユニットが燃料電池内に組み込まれ、その結果、燃料電池のサイズ、重量および複雑性が最小限に抑えられる。一実施形態では、装置は、活性領域および不活性領域を含んでいる多数の流路を含む。水輸送ユニットは、水分供与流体チャネルおよび水分受容流体チャネルを含み、水分受容流体チャネルは、加湿を必要とする燃料電池の一部分と流体接続される。水分供与流体が装置の流路の不活性領域を通過したとき、それに含まれる水の少なくともいくらかが、水輸送ユニットを通過し加湿を必要とする燃料電池の一部分まで移動する。
【選択図】図2
Description
100 反応物送出しシステム
100A 燃料源
100B 酸素源
100C 圧縮機
200 燃料処理システム
300 燃料電池
301 両極性プレート
302 フレーム
303 流れヘッダ
303A アノード出口マニホールド
303B カソード入口マニホールド
303C 冷媒マニホールド
304 流れヘッダ
304A アノード入口マニホールド
304B カソード出口マニホールド
304C 冷媒マニホールド
305 流路
305A アノード流れチャネル
305B カソード流れチャネル
305C 冷媒流れチャネル
306 活性領域
307 不活性領域、加湿器領域
310 アノード
320 電解質層
330 カソード
400 エネルギー貯蔵システム
500 ドライブトレイン
600 動力装置
900 水輸送ユニット
910 水分供与流体チャネル
920 水分受容流体チャネル
930 水移送膜
930A 第1の表面
930B 第2の表面
940 拡散媒体
3000 燃料電池スタック
3100 アノード流れ
3300 カソード流れ
Claims (25)
- 少なくとも1つの燃料電池と水輸送ユニットとを備える燃料電池アセンブリであって、
前記少なくとも1つの燃料電池が、
水素含有反応物を受け取るように構成されたアノードと、
酸素含有反応物を受け取るように構成されたカソードと、
一部分が前記アノードと流体伝達し一部分が前記カソードと流体伝達する複数の反応物流路とを含み、前記複数の流路の少なくとも一部分が、前記反応物の少なくとも一方に関与する触媒反応が起こる前記アノードおよび前記カソードのそれぞれと、実質的に触媒反応が起こらない不活性領域との間の場所に全体的に対応する活性領域を画定し、
前記水輸送ユニットが、水分を交換し伝達するように前記不活性領域に隣接して配置され、また前記水輸送ユニットが、
前記複数の流路のうちの少なくとも1つの水分リッチ流路と流体伝達する水分供与流体チャネルと、
加湿を必要とする前記燃料電池の一部分と流体伝達する水分受容流体チャネルとを含み、前記水分受容流体チャネルが前記水分供与流体チャネルと協働し、その結果、水分供与流体が前記水分供与流体チャネルを通過したときに、それに含まれた水の少なくともいくらかが、前記水分受容流体チャネルまで移動して、加湿を必要とする前記燃料電池の前記一部分の加湿を可能にする、燃料電池アセンブリ。 - 前記活性領域が、前記少なくとも1つの燃料電池の実質的な中心部を画定する、請求項1に記載のアセンブリ。
- 前記アノード流路および前記カソード流路が、互いに実質的な対向流関係にある、請求項1に記載のアセンブリ。
- それぞれが前記複数の流路の向い合う両端に配置され、マニホールドを画定する複数の流れヘッダをさらに含む、請求項1に記載のアセンブリ。
- 前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方と熱伝達するように配置された少なくとも1つの冷媒流路をさらに含む、請求項1に記載のアセンブリ。
- 前記水輸送ユニットが、前記少なくとも1つの燃料電池のそれぞれの前記アノードと前記カソードの間に配置された薄膜構造を含む、請求項1に記載のアセンブリ。
- 前記水分供与流体チャネルおよび水分受容流体チャネルが、水分透過膜によって分離される、請求項6に記載のアセンブリ。
- 前記水分透過膜の少なくとも片側が、実質的に親水性拡散媒体で覆われている、請求項7に記載のアセンブリ。
- 前記水分供与流体チャネルおよび水分受容流体チャネルが、互いに実質的な対向流関係で配置される、請求項1に記載のアセンブリ。
- 前記水分供与流体チャネルが、前記カソードと流体伝達する前記流路の一部分に流体結合され、その結果、前記電化学反応によって生成された排出流体が、前記排気流体に含まれている水の少なくとも一部を手放すために前記水分供与流体チャネルを通過し前記水分受容流体チャネルまで流れることができる、請求項1に記載のアセンブリ。
- 前記水分受容流体チャネルが、前記アノードと流体伝達する前記流路の一部分に流体結合され、その結果、前記水分供与流体チャネルから前記水の一部を受け取ったときに、前記アノードと流体伝達する前記流路の一部分が、前記水素含有流体および前記水の一部を前記アノードまで運ぶことができる、請求項10に記載のアセンブリ。
- 前記水分リッチ流路がカソード排出部であり、加湿を必要とする前記燃料電池の前記一部分が、アノード入口である、請求項10に記載のアセンブリ。
- 前記水分リッチ流路がカソード排出部であり、加湿を必要とする前記燃料電池の前記一部分が、前記アノード流れチャネルと前記カソード流れチャネルの間に配置された膜である、請求項10に記載のアセンブリ。
- 前記アノードに流体結合されたアノード再循環ループをさらに含む、請求項10に記載のアセンブリ。
- 前記水分供与流体チャネルが、前記少なくとも1つの水分リッチ流路と共通である、請求項1に記載のアセンブリ。
- 前記燃料電池アセンブリが、車両用動力源として働く、請求項1に記載の燃料電池アセンブリを備える車両。
- 燃料電池アセンブリ用の流れ場プレートであって、
前記プレートの表面に形成された反応物流路と、
前記流路を実質的に囲むフレームと、
前記フレームと前記流路の間に配置され、前記不活性領域と流体伝達する少なくとも1つの流れヘッダと、
水分を交換し伝達するように前記不活性領域に隣接して配置された水輸送ユニットとを含み、
前記反応物流路が、
前記反応物流路内にある反応物に関与する電気化学反応が起こる場所に対応する活性領域と、
前記活性領域と流体伝達する不活性領域とを含み、前記不活性領域が、前記反応物流路内にある反応物に関与する電気化学反応が実質的に起こらない場所に対応し、
前記水輸送ユニットが、
前記流路と流体伝達する水分供与流体チャネルと、
加湿を必要とする燃料電池の一部分を流体伝達する水分受容流体チャネルとを含み、前記水分受容流体チャネルが前記水分供与流体チャネルと協働し、その結果、水分供与流体が前記水分供与流体チャネルを通過したときに、それに含まれる水の少なくともいくらかが、前記水分受容流体チャネルまで移動する、流れ場プレート。 - 互いに固定された、アノードプレートおよびカソードプレートを含む複数のプレートを含む、請求項17に記載のプレート。
- 前記アノードプレートおよび前記カソードプレートが両極性プレートを形成する、請求項18に記載のプレート。
- 前記両極性プレートの対向する面の間に配置された少なくとも1つの冷却流路をさらに含む、請求項18に記載のプレート。
- 前記水輸送ユニットが、互いに実質的な積層構造を画定するように前記アノードと前記カソードの間に配置される、請求項17に記載のプレート。
- 前記水輸送ユニットが、それが前記フレーム内に置かれたときにガスケットとして働くような寸法である、請求項21に記載のプレート。
- 燃料電池を動作させる方法であって、
アノードと、アノード流路と、カソードと、カソード流路と、前記アノードと前記カソードの間に配置された電解質と、前記アノード流路および前記カソード流路の少なくとも一方と水分交換関係にある水輸送ユニットとを含む少なくとも1つのプレートを備えるように前記燃料電池を構成するステップを含み、前記水輸送ユニットが、
前記アノード流路および前記カソード流路の一方と流体伝達する第1の部分であって、それを通して水分供与流体を輸送するように構成された第1の部分と、
前記アノード流路および前記カソード流路の他方と流体伝達する第2の部分であって、それを通して水分受容流体を輸送するように構成され、その結果、前記流体がそれらのそれぞれの部分を通過したときに、前記水分供与流体内の水の少なくともいくらかが前記水分受容流体へ移送される第2の部分とを含み、
電気化学変換反応において反応物を組み合わせて電流および水を生成するステップを含み、かつ
前記水の少なくともいくらかを前記水輸送ユニットの前記第1の部分を介して運ぶステップを含む方法。 - 前記水輸送ユニットの前記第1の部分と流体伝達する前記アノード流路および前記カソード流路の前記一方が、
前記電気化学変換反応が起こる前記アノードおよび前記カソードのそれぞれの上の場所全体に対応する活性領域と、前記活性領域と流体伝達する不活性領域とを含む、請求項23に記載の方法。 - 前記水輸送ユニットの前記第1の部分が、前記燃料電池の動作時に水含有排出流体が前記水輸送ユニットの前記第1の部分を介して運ばれるように、前記カソードおよび前記カソード流路と流体伝達する、請求項23に記載の方法。
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