多電圧燃料電池

本出願は、多電圧燃料電池に関し、より詳細には、その燃料電池スタックに関する。 (連邦政府資金による研究開発の記載) 本発明は、米国海軍によって授与された契約番号N00014−12−D−0372−0001に基づいて連邦政府支援によって為された。連邦政府は、本発明に一定の権利を有する。

燃料電池は、一般に燃料を酸化することによって、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。一般に、燃料電池は、電解質膜の両面に位置する触媒層であるアノードおよびカソードを含む。燃料がアノードに供給され、かつ酸化剤がカソードに供給されると、膜アッセンブリが、外部負荷を流れる使用可能な電流を生成する。1つの広く使用されているタイプの燃料電池では、供給される燃料は、水素であり、供給される酸化剤は、酸素である。このような電池では、電解質が、酸素と水素とを化合させて水を生じ、電子を解放する。

燃料電池は、多くの場合、多セルアッセンブリまたは「スタック」として配列される。多セルスタックでは、複数の電池が共に直列に接続される。多セルアッセンブリ内の単一の電池の数は、燃料電池の全電力出力を増大するように調節される。一般に、電池は、1つの電池のアノードとしての機能を果たす流れ場プレートの一方の面、および、隣接する電池のカソードとしての機能を果たす流れ場プレートの他方の面と、直列に接続される。回路と、反復型の電池の各端部に配置された端部プレートとを接続することによって、電力が供給される。

電気システムは、多くの場合、種々の電圧を使用する。例えば、動力伝達装置用にある電圧、信号用に別の電圧、そしてアクチュエータ用にさらに別の電圧を使用する。燃料電池などの代表的な公知の電気供給システムは、単一の電圧で電気を供給する。電池電圧を、システムに要求される他の電圧レベルに変化させるために、追加の電源が使用される。

燃料電池スタックは、第1の端部プレートと、第2の端部プレートと、内部集電プレートとを有する。第1の負荷が、第1の端部プレートおよび第2の端部プレートに接続される。第2の負荷が、第1の端部プレートおよび内部集電プレートに接続される。

本発明のさまざまな特徴および利点は、以下の実施例の詳細な説明から当業者に明らかになる。詳細な説明に付随する図面は、次のように簡潔に記述され得る。

第1の実施例に従う、例示的な燃料電池スタックの概略図を示す。

第2の実施例に従う、例示的な燃料電池スタックの概略図を示す。

図1は、例示の乗り物22内に据え付けられ、概略的に示される燃料電池スタック20を図示する。一実施例では、乗り物22は、無人潜航艇(Unmanned Underwater Vehicle)(UUV)である。別の実施例では、乗り物22は、無人航空機(Unmanned Aerial Vehicle)(UAV)である。しかしながら、地上および宇宙システム、有人および無人システム、ハイブリッドシステム、ならびに静止システムを含む他の乗り物およびシステムが意図される。

燃料電池スタック20は、乗り物22内の負荷24、26に電力を提供するように構成される。負荷24、26は、1つまたは複数の推進システム、ならびに/またはコントローラおよびセンサなどの電気構成要素を含むことができる。

燃料電池スタック20は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換することによって電力を生成するための複数の燃料電池28を含む。燃料電池28の各々は、アノード、カソードおよび電解質を備える。いくつかの実施例では、燃料電池28の各々は、プロトン交換膜(proton exchange membrane)(PEM)を備える。金属水素化物燃料電池、固体酸化物形燃料電池(solid oxide fuel cell)(SOFC)、アルカリ燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池(molton carbonate fuel cell)(MCFC)、およびリン酸型燃料電池(phosphoric acid fuel cell)(PAFC)を含む他の従来の燃料電池の配置が意図される。

さらに、燃料電池28は、異なる量の電力を生成するために異なる活性領域または同じ活性領域を含むことができる。

ある実施例では、各燃料電池28は、0.6〜0.9Vを提供する。複数の燃料電池28が、直列に電気的に接続されて、特定のシステムの要求を満たすようなスタック電圧を生み出す。

燃料電池スタック20は、タンクなどの燃料源30から水素(H₂)などの燃料または反応物を受け入れる。燃料は、燃料通路32、34内へ流入し、燃料電池28を通って流れ、ここで、燃料は、各燃料電池28のアノードと相互作用し、消費されて化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。同様に、酸素含有ガス(図示せず)が、各燃料電池28のカソードに沿って流れる。燃料電池28内で消費されない過剰燃料は、通路36、38を通り燃料電池28から出る。ある実施例では、この燃料は、燃料電池スタック20内で再使用されるように、アノード再循環ループ40内を通り、燃料源30に戻るように再循環する。さらなる実施例では、ポンプ42が、通路36、38から燃料通路32および34に戻る燃料の流れを促進する。ポンプ42は、例えば、送風機またはエゼクタであってもよい。

アノード再循環ループ40は、各燃料電池28のアノードの全域に常に流れが存在することを確実にするのに役立つ。例えば、燃料電池28は、燃料電池28を損傷する可能性がある局部的な欠乏を防止するために、燃料の80%〜95%のみを消費するように設計することができる。通路36、38からの過剰燃料は、燃料電池スタック20内で再使用される。ある実施例では、負荷24、26が、燃料電池28のアノードの全域にわたる燃料の不均衡を招くことがあり、それ故、燃料電池28の全域にわたってより均一な濃度の燃料を提供するために、通路36、38からの過剰燃料は、再循環して燃料源30に戻る前に混合する。

燃料電池スタック20は、複数の燃料電池28の両端部に第1の端部プレート44および第2の端部プレート46、ならびに燃料電池28間に挿入される中間スタックまたは内部集電プレート48を有する。第1の負荷24が、スタック電圧の全部が負荷24にわたって印加されるように、第1の端部プレート44と第2の端部プレート46との間に接続される。第2の負荷26が、スタック電圧の一部が第2の負荷26にわたって印加されるように、第1の端部プレート44と内部集電プレート48との間に接続される。この配置では、燃料電池スタック20が、2つの異なる負荷24、26に、同時に2つの異なる電圧レベルを提供することができる。

内部集電プレート48は、例えば、アルミニウム金メッキされたものであってもよいし、ステンレス鋼金メッキされたものであってもよい。しかしながら、他のプレート材料も意図される。内部集電プレート48は、第1および第2の端部プレート44、46と同じ材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。

図2は、燃料電池スタック120の第2の実施例の概略図を示す。本開示では、同様の参照符号は、適切な場合に同様の要素を指し示し、100またはその倍数を加えた参照符号は、対応する元々の要素と同じ特徴および利点を組み込んでいると理解される変更した要素を指し示す。

さらなる実施例では、追加の内部集電プレート149が、燃料電池128間に挿入される。燃料電池128の数よりも1少ない、多くの内部プレート148、149が存在することができる。図示する実施例では、燃料電池スタック120が同時に3つの異なる電圧レベルを提供するように、2つの内部集電プレート148、149が存在する。この実施例では、各負荷は、第1の端部プレート144と、全スタック電圧のために第2の端部プレート146、または所望の電圧の箇所に位置付けられた内部集電プレート148、149のいずれかとに接続される。例えば、燃料電池スタック120は、動力伝達装置などの第1の負荷124に60Vを提供し、コントローラまたはアクチュエータなどの第2の負荷124に24Vを提供し、センサなどの第3の負荷126に12Vを提供することができる。

複数の内部集電プレート148、149を使用することにより、種々の電圧を要求するシステムのために電圧を所望のレベルに上げるまたは下げるための電力変換装置が不要になる。電力変換装置のこの除去によって、追加のハードウェアの重量および体積の節約に加えて、電力変換損失を除去することによってシステム全体の効率が改善される。より高効率およびより低い重量によって、燃料補給間のミッション期間をより長期にすることができる。

種々の実施例は、例証として示した具体的な構成要素を有するが、本開示の実施例は、それらの特定の組み合わせに限定されない。ある実施例の構成要素または特徴のいくつかを、別の実施例の特徴または構成要素と組み合わせて使用することができる。

さらに、前の記述は、例証として解釈され、いかなる限定的な意味にも解釈されるべきではない。当業者は、一定の変更が本開示の範囲内に収まることを理解するであろう。これらの理由のために、本開示の真の範囲および内容を決定するために、以下の特許請求の範囲が考慮されるべきである。

20…燃料電池スタック 22…乗り物 24、26…負荷 28…燃料電池 30…燃料源 32、34…燃料通路 36、38…通路 40…アノード再循環ループ 42…ポンプ 44…第1の端部プレート 46…第2の端部プレート 48…内部集電プレート