(57)【要約】【課題】多電圧燃料電池の燃料電池スタックが提供される。【解決手段】燃料電池スタック２０は、第１の端部プレート４４と、第２の端部プレート４６と、内部集電プレート４８とを有する。第１の負荷２４が、第１の端部プレート４４および第２の端部プレート４６に接続される。第２の負荷２６が、第１の端部プレート４４および内部集電プレート４８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。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックであって、
第１の端部プレートと、
第２の端部プレートと、
燃料電池スタックにおいて、第１の端部プレートと第２の端部プレートとの間に配置された内部集電プレートと、
を備えており、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ており、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ていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
第１の負荷および第２の負荷に、同時に２つの異なる電圧が供給されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
第１の負荷が高電圧で動作し、第２の負荷がより低い電圧で動作することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
水素燃料電池を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
水素燃料電池がプロトン交換膜型電池を含むことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
燃料電池スタックから出た燃料の流れを、燃料電池スタック内で再使用するために燃料源に導くように構成されたアノード再循環ループを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
内部集電プレートがステンレス鋼金メッキされていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
第１の負荷および第２の負荷が、無人潜航艇の構成要素であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
第１の負荷および第２の負荷が、無人航空機の構成要素であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
第１の端部プレートと、第２の端部プレートと、第１の端部プレートと第２の端部プレートとの間に配置された内部集電プレートとを有する燃料電池スタックを提供し、
第１の負荷を第１の端部プレートおよび第２の端部プレートに接続し、
第２の負荷を第１の端部プレートおよび内部集電プレートに接続する、
ことを含むことを特徴とする、複数の負荷へ電力を供給する方法。
【請求項１１】
第１の負荷および第２の負荷が、同時に異なる電圧で動作することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
第１の負荷が高電圧で動作し、第２の負荷がより低い電圧で動作することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
燃料電池スタックが水素燃料電池を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
第１の負荷および第２の負荷が、無人潜航艇の電気構成要素であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
第１の負荷および第２の負荷が、無人航空機の電気構成要素であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】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。
【図２】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。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【符号の説明】
【００２２】
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
【図１】
2016115672.tif 000003
【図２】
2016115672.tif 000004