JP2004152758A - 熱交換器を有する燃料電池スタック - Google Patents

熱交換器を有する燃料電池スタック Download PDF

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Abstract

【課題】 迅速に動作温度に達し小型で単純な構成の燃料電池を提供すること。
【解決手段】 燃料電池スタック(12,12',12",40,40',42)と、該燃料電池スタック(12,12',12",40,40',42)に流体的及び熱的に連絡した熱交換器(14,14',24,24')とを含む、燃料電池(10,10',10")。熱交換器(14,14',24,24')は燃料電池スタック(12,12',12",40,40',42)に隣接し、該燃料電池スタック(12,12',12",40,40',42)から過剰な熱を除去し、該燃料電池スタック(12,12',12",40,40',42)に入る前のガスを予熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に燃料電池に関し、特に熱交換器を有する燃料電池スタックに関するものである。
燃料電池は、水素及び酸素の電気及び熱への電気化学エネルギー変換を使用するものである。燃料電池は、携帯用電源として一次電池及び二次電池に取って変わることができる可能性があると予想される。例えば、固体酸化物型燃料電池の場合、酸素の還元反応（空気極で行われる）は、次の通りである。
Ｏ2＋４ｅ−→２Ｏ2-
Ｏ2-イオンは、空気極から電解質を介して燃料極へと送られる。幾つかの一般的な燃料の酸化反応（燃料極で行われる）は次の通りである。
２Ｈ2＋２Ｏ2-→２Ｈ2０＋４ｅ-
２ＣＯ＋２Ｏ2-→２ＣＯ2＋４ｅ-
電子を遊離させる燃料極における酸化反応は、電子を消費する空気極における還元反応と相まって、有用な電圧及び電流を負荷に提供する。ＰＥＭ燃料電池の場合には、移動可能なイオンはＨ＋イオンであるが、行われる有効な反応、すなわち水素と酸素の組み合わせから水を形成するという反応は上記と同じである。
そのようにして、燃料電池は、モータ、ライト、電気機器などに電力を供給するために使用することができる直流（ＤＣ）電圧を提供する。固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、例えば携帯用途で有用なものとなり得るタイプの燃料電池である。ＳＯＦＣは、一般に効率よく動作するためにある程度高い温度の環境を必要とする。このため、ＳＯＦＣは、効率的かつ迅速に動作温度に達することが望ましい。
迅速に動作温度に達するよう燃料電池を加熱するために幾つかの試みが行われてきた。かかる１つの試みとして、空気、燃料、及び排気を互いに分離させた状態を維持しつつ、加熱された排気流に接続された熱交換器を使用して、到来する空気及び燃料を加熱する、という方法が挙げられる。残念ながら、かかる試みの殆どは、燃料電池システムの効率及び速度をかなり低下させるものとなった。更に、かかる試みは、一般に燃料電池システムを一層大きく複雑なものにするが、この大きさ／複雑さの増大は、燃料電池の起動時にしか有用でないことがある。
本発明は、燃料電池スタックと該燃料電池スタックと流体的及び熱的に連絡した熱交換器とを含む燃料電池を提供することにより、前述の欠点を解決する。該熱交換器は、燃料電池スタックに隣接し、燃料電池スタックから過剰な熱を除去し、燃料電池スタックに入る前にガスを予熱する。
本発明の実施形態の目的、特徴、及び利点は、以下の詳細な説明及び図面を参照することにより明らかになるであろう。
本発明は、（排気熱と対照的に）燃料電池スタックの動作中に生成された熱を使用して、到来するガス（酸化剤及び／又は反応物）を一層効率の良い動作温度まで加熱することにより、燃料電池の性能を改善することができるという予期しない偶然の発見に基づくものである。この燃料電池スタックからの熱の除去は、有利にも燃料電池スタックの過熱を実質的に防止するものとなる。このため、燃料電池スタックの過熱の有害な影響（例えば、ひび割れその他の熱的損傷）が実質的に回避される。
ここで図１、図４、及び図５を参照する。本発明の実施形態による燃料電池は、全体的に符号10,10',10"として示されている。該燃料電池10,10',10"は、燃料電池スタック12,12',12"と、該燃料電池スタック12,12',12"と流体的及び熱的に連絡した熱交換器14,24'とを含む。該熱交換器14,24'は、燃料電池スタック12,12',12"に隣接し、該燃料電池スタック12,12',12"から過剰な熱を除去し、該燃料電池スタック12,12',12"に入る前にガスを予熱する。
選択された最終的な用途による要望及び／又は必要性に応じて１つ又は複数の燃料電池スタック12,12',12"を配設することが可能であることを理解されたい。更に、各燃料電池スタック12,12',12"が、任意の数の燃料電池アセンブリ（燃料極46、空気極48、電解質50）を含むことが可能であることを理解されたい。更に、選択された最終的な用途による要望及び／又は必要性に応じて１つ又は複数の熱交換器14,14',24,24'を配設することが可能であることを理解されたい。
随意選択的に、燃料電池10,10',10"は、燃料電池スタック12,12',12"に入る前のガスに水及び／又は水蒸気を追加するために、熱交換器14,24'と流体的に連絡したポート16,16'を含むことが可能である。
ガスは、導管20（図１及び図５),20'（図３）内を熱交換器14,24'まで送ることが可能であるが、ガスは、多くの方法で熱交換器14,24'まで送ることが可能であることを理解されたい。随意選択的に、燃料電池10,10',10"は、熱交換器14,24'に入る前のガスに水及び／又は水蒸気を追加するために、ポート16,16'に加えて、又は該ポート16,16'の代わりに、導管20,20'と流体的に連絡したポート18,18'を含むことが可能である。
随意選択的なものではあるが、燃料（図３及び図４のデュアルチャンバの実施形態の場合）又は燃料／空気混合物（図１、図２、及び図５のシングルチャンバの実施形態の場合）への水／水蒸気の追加は、燃料電池スタック12,12',12"に入る前の燃料の部分的な改質を可能にするという点で有利となり得る。これは、改質反応の促進を支援し、次いで燃料利用率を改善し、及び電力出力を増大させるものとなり得る。水／水蒸気を追加することにより得られる更なる利点は、かかる吸熱性の改質反応が、スタック12,12',12"の特定の（例えばガス取込み口22（図２),22'（図３）の近傍の）高温部分の冷却に役立つことである。
燃料電池10,10',10"は、更に随意選択的に、矢印26,26'で概略的に示すマニホルドを含むことが可能であり、該マニホルドは、熱交換器14,24'と燃料電池スタック12,12',12"との間に動作的及び流体的に結合されて、燃料電池スタックの入口22,22'の下流側の領域に未反応／新しいガスを追加するものである。本書では、「下流側」とは、入口22,22'から少なくとも１つの燃料電池アセンブリ（燃料極46／空気極48／電解質50）を通過した後を意味するものと定義する。１つの性能の低いセルがスタック全体の性能を制限し得る場合、燃料の流れが途切れると過度の電位損失が生じる可能性があるので、いかなる理論にも拘束されることなく、燃料電池スタック12,12',12"の後の部分に未反応／新しいガスを送ることにより、燃料電池10,10',10"の性能を大幅に改善することが可能である。
該ガスは、反応物及び／又は酸化剤及び／又はそれらの混合物を含む。一実施形態では、該反応物は燃料であり、該酸化剤は、酸素、空気、及びそれらの混合物のうちの１つである。
本発明の燃料電池10,10',10"に任意の適当な燃料／反応物を使用できることを理解されたい。一実施形態では、燃料／反応物は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、メタノール、エタノール、高直鎖又は混合炭化水素（例えば天然ガスやガソリン（低硫黄ガソリン、低硫黄灯油、低硫黄ディーゼル油などの低硫黄炭化水素が望ましい場合がある））、及びそれらの混合物から選択される。代替的な実施形態では、燃料／反応物は、ブタン、プロパン、メタン、ペンタン、及びそれらの混合物からなるグループから選択される。適当な燃料は、内部的及び／又は直接的な改質、対象となる動作温度範囲内での適当な蒸気圧、及び同様のパラメータについての適性に関して選択することが可能である。
燃料電池10,10',10"は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、プロトン伝導型セラミック燃料電池、高分子固体電解質膜型（PEM）燃料電池、溶融炭酸型燃料電池、固体酸型燃料電池、及び直接メタノールPEM燃料電池のうちの１つとすることが可能である、ということを理解されたい。本発明の一実施形態では、燃料電池10,10',10"は固体酸化物型燃料電池である。いかなる理論にも拘束されることなく、本発明に関連する固体酸化物型燃料電池を使用する場合には、幾つかの付加的な利点を得ることができると考えられる。例えば、ＳＯＦＣは、燃料、空気、及び／又は燃料／空気混合物を実質的に動作温度まで高める機構を一般に必要とし、該機構が存在しない場合には、セル10,10',10"の冷却及び／又は不均一な加熱に起因して、有害なストレス及びそれに関連する破損が生じ、場合によっては全体的な性能が低下することになる。
次いで図１及び図２を参照する。同図には、熱交換器のガス流路／通路の概要が全体的に符号28で示されている。燃料電池スタックのガス流路は概略的に符号30で示されている。本実施形態（本発明を限定するものではない）では、熱交換器のガス流路28は、燃料電池スタックのガス流路30と実質的に垂直する。このガス流路構造は、幾つかの所定の条件下で効率的な熱伝達を可能にするという点で有利である。
本発明の実施形態のガス流路の構成は、特定の最終的な用途及び／又はパッケージング上の制約により望ましいとされ及び／又は必要とされるように他の構成とすることが可能であることを理解されたい。例えば、図３に示すように、熱交換器の酸化剤／空気流路の概要を符号32で示す。熱交換器の反応物／燃料流の概要を符号32'で示す。燃料電池スタックの反応物／燃料流路の概要を符号34で示す。燃料電池スタックの酸化剤／空気流路の概要を符号34'で示す。同図から分かるように、ガス流路32,32'及び34,34'は実質的に互い平行である。
本発明の実施形態の燃料電池10,10',10"は、随意選択的に、燃料電池スタック12,12'を収容するハウジング36,36'を含むことが可能である。一実施形態では、熱交換器14,14',24,24'は、ハウジング36,36'と一体的に又はハウジング36,36'とは別に形成される。ハウジング36,36'は、特定の最終的な用途及び／又はパッケージング上の制約により望まれ及び／又は必要とされるようなあらゆる適当なサイズ、形状、及び／又は構成で形成することが可能であることを理解されたい。
ハウジング36,36'は、任意の適当な材料から任意の適当なプロセスで形成することが可能であることを理解されたい。一実施形態では、ハウジング36,36'は、高熱伝導率の材料から形成される。同様に、該高熱伝導率材料は、任意の適当な材料を含むことが可能であることを理解されたい。しかし、一実施形態では、高熱伝導率材料は、低ニッケル濃度のステンレス鋼（例えば、HAYNES(R) Ti-3Al-2.5V合金、タイプ446など）、ステンレス鋼、非反応性層が被覆された合金、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、カーボン材料、シリコン、単結晶シリコン、多結晶シリコン、酸化シリコン、アルミナ、サファイヤ、セラミック、及びそれらの混合物のうちの少なくとも１つから選択される。合金のうちの幾つかは、耐熱性ニッケル合金を含み（但しこれには限定されない）、かかる幾つかの合金は、ペンシルバニア州ウェックスフォードのInternational Nickel Companyから商標名INCONEL 600及びINCONEL 601で市販され、またインディアナ州ココモのHaynes International, Inc.から商標名HASTELLOY X及びHA-230で市販されている。カーボン材料としては、グラファイトやダイヤモンド等が挙げられる（但しこれらには限定されない）。
更に、燃料電池10,10'は、随意選択的に、周囲環境への望ましくない熱損失を実質的に防止するためにハウジングのまわりに配置された断熱材を含むことが可能である。この断熱材は、任意の適当な材料を含むことが可能であるが、一実施形態では、該断熱材は、最新式のエーロゲル断熱材、多層フォイル断熱材、熱障壁材料、及びそれらの混合物のうちの少なくとも１つから形成される。エーロゲルは、極めて細密で高度の多孔質構造を有し、きわめて軽く、シリカ、アルミナ、チタニア、炭化ハフニウム、及び様々なポリマーを含む様々な材料から作成することが可能である。適当なエーロゲルの一例が、マサチューセッツ州マールボロのAspen Systems, Inc.から商標名PYROGEL(R)で市販されている。PYROGELは、約3000℃までの温度で有効な耐熱性の酸化物及びカーバイドエーロゲル断熱材である。
本明細書で開示する熱交換器14,14',24,24'は何れも、随意選択的に、熱伝達強化部材37を含むことが可能である。該熱伝達強化部材37は、特定の最終的な用途により望まれ及び／又は必要とされるように任意の適当な構造及び／又は材料から作成することが可能であることを理解されたい。一実施形態では、該熱伝達強化部材37は、フィン38、支柱、発泡材、及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つから選択される。フィン38は、熱交換器14,14',24,24'から燃料電池スタック12,12',12"に向かって外方に延びる。フィン38は、燃料電池スタック12,12',12"と熱交換器14,14',24,24'との間の熱伝導を促進させるよう構成される。
燃料電池スタック12,12',12",40,40',42は、該スタックの構築対象となる基板よりも大きな表面積を有することが好ましい場合がある。随意選択によるハウジング36,36'を使用する場合には、該ハウジング36,36'を、燃料電池スタック12,12',12",40,40',42の構築対象となる基板とすることが可能である。
更に、熱交換器14,14',24,24'は、該熱交換器の構築対象となる基板よりも大きい表面積を有することが好しい場合がある。随意選択によるハウジング36,36'を使用する場合には、該ハウジング36,36'を、熱交換器14,14',24,24'を構築するための基板とすることが可能である。代替的な実施形態では、熱交換器14,14',24,24'を基板とし、次いで該熱交換器基板上に燃料電池スタック12,12',12",40,40',40",42を形成することが可能である。
燃料電池10,10',10"は更に、随意選択的に、熱交換器14,24',24と流体的及び熱的に連絡した第２の燃料電池スタック40,40',40"を含むことが可能であり、該第２の燃料電池スタック40,40',40"は熱交換器14,24,24'に隣接する。熱交換器14,24,24'は、第２の燃料電池スタック40,40',40"から過剰な熱を除去し、第２の燃料電池スタック40,40',40"及び／又は燃料電池スタック12,12',12"に入る前のガスを予熱するよう構成される。一実施形態では、第２の燃料電池スタック40,40',40"は、燃料電池スタック12,12',12"と流体的に連絡している。
本書で解説する燃料電池10,10',10"の実施形態の何れにおいても、上側の燃料電池スタック（例えば12,12',12"）が下側の燃料電池スタック（例えば40,40',40",42）と流体的に連絡している必要はないことを理解されたい（但し場合によっては連絡しているのが望ましい）。
更に、燃料電池10,10',10"は、随意選択的に、第２の燃料電池スタック40と流体的及び熱的に連絡した第２の熱交換器14'を含むことが可能であり、該第２の熱交換器14'は、第２の燃料電池スタック40に隣接し、第２の燃料電池スタックから過剰な熱を除去し、及び第２の燃料電池スタック40及び／又は燃料電池スタック12に入る前のガスを予熱するよう構成される。
本発明の一実施形態では、燃料電池10,10',10"は更に、随意選択的に、第２の熱交換器14'と流体的及び熱的に連絡した第３の燃料電池スタック42を含むことが可能であり、該第３の燃料電池スタック42は第２の熱交換器14'に隣接する。第２の熱交換器14'は、第３の燃料電池スタック42から過剰な熱を除去し、第３の燃料電池42及び／又は第２の燃料電池スタック40及び／又は燃料電池スタック12に入る前のガスを予熱するよう構成される。図１及び図２に示したような実施形態では、第３の燃料電池スタック42は、第２の燃料電池スタック40と流体的に連絡している。
特定の最終的な用途及び／又はパッケージング上の要求及び／又は要件により望まれ及び／又は必要とされるように、任意の個数の燃料電池スタック及びそれに隣接する熱交換器を使用することが可能であることを理解されたい。各燃料電池スタック12,12',12",40,40',40",42及びそれに隣接する熱交換器14,14',24,24'は、１つのモジュール44,44',44"を構成する。一実施形態では、燃料電池10,10',10"は、複数の互いに接続されたモジュール44,44',44"を含むことが可能である（すなわち、複数のモジュール44が動作可能となるよう互いに接続され、及び／又は複数のモジュール44'が動作可能となるよう接続され、及び／又は複数のモジュール44"が動作可能となるよう接続される）。
図１、図２、及び図５に示した実施形態では、燃料電池10,10"はシングルチャンバ燃料電池である。シングルチャンバ燃料電池の一実施形態では、図１から最もよく分かるように、燃料極46、空気極48、及び電解質50は単一表面上に位置する。シングルチャンバ燃料電池の代替的な実施形態では、図５から最もよく分かるように、燃料極46と空気極48が電解質50の両側に位置する。シングルチャンバ燃料電池の何れの実施形態においても（図１及び図２又は図５）、ガスは、反応物及び酸化剤の混合物（例えば燃料／空気混合物）である。
図３及び図４に示す実施形態では、燃料電池はデュアルチャンバ燃料電池である。図示のように、各燃料電池スタック12',40'はそれぞれ複数の燃料電池アセンブリを含む。全部で４つのかかるアセンブリを示すが、これは単に例示を目的としたものである。本書で解説するスタック12,12',12",40,40',40",42の場合のように、所望の電圧を生成するために任意の個数の燃料電池アセンブリを配設することが可能であることを理解されたい。前述のように、各燃料電池アセンブリは、電解質50の一方の側に接続された燃料極側46と、電解質50の反対側に接続された空気極側48とを有する。
デュアルチャンバ燃料電池10'のモジュール44'の一部を構成する熱交換器は、少なくとも２つの別個の熱交換器へと更に分割され、その一方は、反応物／燃料を送るためのものであり、他方は、酸化剤／空気を送るためのものである。本発明を制限することのない図示の実施形態では、２つの熱交換器24が、複数の燃料電池アセンブリの各々の空気極側48に酸化剤／空気を送る一方、１つの熱交換器24'が、複数の燃料電池アセンブリの各々の燃料極側46に反応物／燃料を送る。
本書で開示する実施形態の何れにおいても、電解質50は任意の適当な材料を含むことが可能である。一実施形態では、電解質50は、酸素イオン伝導膜、プロトン伝導体、及びそれらの混合物のうちの少なくとも１つを含む。別の実施形態では、電解質50は、立方体蛍石型構造、ドープド立方体蛍石、プロトン交換ポリマー、プロトン交換セラミクス、及びそれらの混合物のうちの少なくとも１つを含むことが可能である。更に別の実施形態では、立方体／ドープド立方体蛍石型構造は、８モル％イットリア安定化ジルコニア（YSZ）、20モル％サマリウムドープドセリア、GdドープドCeO2、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3、及びその混合物のうちの少なくとも１つを含むことが可能である。電解質50はまた、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3などのドープド灰チタン石酸化物、BaZrO3、SrCeO3、及びBaCeO3などのプロトン伝導性灰チタン石、他のプロトン交換セラミクス、NAFION (R)（E.I. du Pont de Nemours and Companyから市販されている）などのイオン交換ポリマー、及びそれらの混合物を含むことが可能である。
更に、本書で開示する何れの実施形態においても、燃料極46は任意の適当な材料を含むことが可能である。一実施形態では、燃料極46は、金属、サーメット、及びドープドセリアのうちの少なくとも１つを含む。別の実施形態では、金属は、銀、ニッケル、及びそれらの混合物のうちの１つを含むことが可能であり、サーメットは、Ni-YSZ、Cu-YSZ、及びそれらの混合物のうちの１つを含むことが可能であり、ドープドセリアは、Ni又はCuをドープしたCe0.8Sm0.201.9、Ni又はCuをドープしたCe0.9Gd0.1O1.9、及びそれらの混合物のうちの１つを含むことが可能である。
更に、本書で開示する実施形態の何れにおいても、空気極48は任意の適当な材料を含むことが可能である。一実施形態では、空気極48は、金属及びドープド灰チタン石のうちの少なくとも１つを含む。別の実施形態では、金属は、銀、ニッケル、及びそれらの混合物のうちの１つを含み、ドープド灰チタン石は、Sm0.5Sr0.5CoO3、Ba0.8La0.2CoO3、Gd0.5Sr0.5CoO3、Fe又はMnをドープしたSm0.5Sr0.5CoO3、Fe又はMnをドープしたBa0.8La0.2CoO3、Fe又はMnをドープしたGd0.5Sr0.5CoO3、及びそれらの混合物のうちの１つを含む。
電解質50、空気極48、及び燃料極46は、多孔質又は高密度の材料とすることが可能である。本書では、高密度材料とは、その理論的な密度が少なくとも約80％のものである。
シングルチャンバ固体酸化物型燃料電池を含む本発明の実施形態では、燃料電池スタック12,12"は、約50〜1000℃の範囲の温度で動作する。その代替的な実施形態では、燃料電池スタック12,12'は、約200〜700℃の範囲の温度で動作する。更にその代替的な実施形態では、燃料電池スタック12,12'は、約300〜500℃の範囲の温度で動作する。
アルカリ型燃料電池を含む本発明の実施形態では、燃料電池スタックは約50〜200℃の範囲の温度で動作する。PEM燃料電池を含む本発明の実施形態では、燃料電池スタックは約50〜100℃の範囲の温度で動作する。リン酸型燃料電池を含む本発明の実施形態では、燃料電池スタックは、約220℃の温度で動作する。溶融炭酸型燃料電池を含む本発明の実施形態では、燃料電池スタックは約650℃の温度で動作する。
本発明の一実施形態では、熱交換器14,24,24'に入る前のガスは、燃料電池スタックの動作温度の約50〜99％の範囲の温度にある。更に他の実施形態では、熱交換器14,24,24'に入る前のガスは、燃料電池スタックの動作温度の約75％の温度にある。
本発明の実施形態の燃料電池10,10',10"は、約0.5〜１W／cm2の範囲の電力密度を有することが可能である。本発明の一実施形態では、燃料電池10,10',10"は、約１〜100,000cm2の範囲のサイズを有し、約0.5W〜約100kWの範囲の電力出力を有する。本発明の代替的な実施形態では、燃料電池10,10',10"は、約10〜5,000cm2の範囲のサイズを有し、約10W〜約５kWの範囲の電力出力を有する。
燃料電池10,10',10"は更に、該燃料電池10,10',10"と負荷54及び／又は電気貯蔵装置54'との間に接続52（図１に概略的に示す）を含むことが可能である。一実施形態では、接続52は、その主成分として、銀、パラジウム、白金、金、チタン、タンタル、クロム、鉄、ニッケル、炭素、及びそれらの混合物のうちの少なくとも１つから選択された材料を有する。
負荷54は、コンピュータ、携帯型電子機器（例えば、携帯情報端末（PDA）、携帯型電動工具など）、及び民生用と軍事用両方の携帯型又はそれ以外の通信装置のうちの何れか又は全てを含む（がこれらに限定されない）多くの装置を含むことが可能である。電気貯蔵装置54'は、コンデンサ、バッテリ、及び電力調整装置のうちの何れか又は全てを含むことが可能である（但し、それらは本発明を制限するものではない）。例示的な電力調整装置として、無停電電源装置、DC／ACコンバータ、DC電圧コンバータ、電圧レギュレータ、及び電流リミッタが挙げられる。また、本発明の燃料電池10,10',10"は、場合によっては、運送業界で（例えば自動車に電力を供給するために）、また設備業界で（例えば発電所内で）使用するのに適したものとなる。
本発明の燃料電池10,10',10"の更に別の実施形態では、燃料電池スタック12,12',12",40,40',40",42は、随意選択的に、図２に破線で示すように、少なくとも２つのサブスタック56を収容するサブアセンブリを含むことが可能である。
非制限的かつ例示的な実施形態を表す図１及び図２を再び参照する。「ステップ1」で、（燃料電池スタックの動作温度の約50％〜99％の間の）ガスが熱交換器14に入る。このガスは、熱交換器14内で暖めることができ、次いで該ガスの大部分が熱交換器14'に進むが、少量の該ガスを入口22から下流側に燃料電池スタック12,40へ直接送ることが可能である。該ガスは更に、熱交換器14'内で暖めることが可能であり、次いで「ステップ2」で、燃料電池スタック42の入口22に送り込まれる。ガスは、燃料電池スタック42内で部分的に反応し、次いで燃料電池スタック40内を移動して更に反応し、最終的に、「ステップ3」で燃料セルスタック12から排出されるまで燃料電池スタック12内を移動する。いかなる理論にも拘束されることなく、熱交換器14,14'が燃料電池スタック12,40,42にすぐ隣接していること及び燃料電池スタック12,40,42及び熱交換器14,14'の表面積が大きいことに起因して、燃料電池スタック12,40,42から熱交換器14,14'への効率の良い熱伝導が生じ、このため、動作中の燃料電池の過剰な熱が、到来するガスを一層効率的な動作温度まで予熱することが可能となる。
本発明の一実施形態による燃料電池10,10',10"の効率を改善する方法は、燃料電池スタック12,12',12",40,40',40",42から熱を除去し、該熱を使用して、燃料電池スタック12,12',12",40,40',40",42に入る前にガスを暖める、という各ステップを含む。
本発明の一実施形態では、かかる熱の除去及び使用ステップは、第１の温度のガス（既述のように熱交換器に入る前のガスは燃料電池スタックの動作温度の約50％〜約99％の範囲にある）を、燃料電池スタックに熱的に接続された熱交換器14,14',24,24'に通すことにより達成することが可能であり、この場合、該熱交換器14,14',24,24'から出るガスは、第１の温度よりも高い第２の温度となる。該第２の温度のガスは、燃料電池スタック12,12',12",40,40',40",42に通すことができる。熱交換器14,14',24,24'を介して燃料電池スタック12,12',12",40,40',40",42から過剰な熱を除去することが可能である。
本発明の方法の代替的な実施形態は更に、随意選択的に、燃料電池スタック12,12',12",40,40',40",42に入る前のガスに水又は水蒸気を追加するステップを含むことが可能である。代替的に又は追加的に、本発明の方法の代替的な実施形態は更に、随意選択的に、熱交換器14,14',24,24'に入る前のガスに水又は水蒸気を追加するステップを含むことが可能である。
本発明の方法の一実施形態は更に、随意選択的に、燃料電池スタック入口22,22'から下流の部分に未反応ガスを追加するステップを含むことが可能である。
本発明の方法の更に他の実施形態は、随意選択的に、周囲環境への望ましくない熱損失を実質的に防ぐために、燃料電池スタック12,12',12",40,40',40",42及び熱交換器14,14',24,24'の断熱を実施するステップを更に含むことが可能である。
本発明の方法の更に別の実施形態は、随意選択的に、熱交換器14,14',24,24'に入る前のガスを予熱するステップを含む。例えば（図１に示すように）ステップ1では低い温度のガス（例えば燃料／空気混合物）は周囲温度であることが可能であり、又は、燃料電池10,10',10"の動作効率を高めるために予熱することが可能である。
本発明の実施形態による燃料電池10,10',10"の作成方法は、燃料電池スタック12,12',12",40,40',40",42を熱交換器14,14',24,24'に対して熱的及び流体的に接続するステップを含み、この場合、熱交換器14,14',24,24'は、燃料電池スタック12,12',12",40,40',40",42から過剰な熱を除去し、及び燃料電池スタック12,12',12",40,40',40",42に入る前のガスを予熱する。
本発明の一実施形態では、燃料電池スタック12,12',12",40,40',40",42及び熱交換器14,14',24,24'は、マイクロマシンプロセス及び半導体プロセスの少なくとも一方により形成される。かかるプロセスとして、堆積、パターニング、エッチングなどが挙げられるが、これらには限定されない。
熱交換器14,24'及び燃料電池スタック12,12'の組み合わせにより、システム10,10'の全体的なサイズが有利にも小さくなる。該サイズの縮小に加えて、表面積の大きな燃料電池スタック12,12'及び熱交換器14,24'を使用することにより、燃料電池スタック12,12'と熱交換器14,24'との間の効率的な熱伝達が可能になる。もう１つの利点は、マイクロマシンプロセス／半導体プロセスを使用して燃料電池10,10'を製造できることである。
更に、シングルチャンバ燃料電池に関連する本発明の一実施形態では、燃料電池10,10"の良好な性能のためには、空気、燃料及び排気を漏れなしに分離することは必要なくまた望ましくもない。燃料、空気、及び／又は排気を混合する場合には、燃料電池スタックの寸法を、炎の伝播に必要な限界長よりも小さく維持することが望ましい可能性があり、例えば、炭化水素の場合には、炎は、一般に室温で存在するために少なくとも約１〜３mmの大きさを有する必要がある。随意選択的に又は追加的に、空気-燃料混合物を、過剰な（可燃上限を超える）燃料（例えばプロパンの可燃上限は9.6％）で動作するよう調整し、次いで後にスタック内で酸素が消費される際に一層多くの空気を追加することが望ましい場合がある。スタック内の幾つかの位置に空気を追加することが望ましい場合がある。過剰の燃料で動作させる代わりに、過剰の（可燃下限未満の）空気（例えばプロパンの可燃下限は2.2％である）で動作するよう空気-燃料混合気を調整し、次いでスタック内で後に燃料が消費される際に一層多くの燃料を追加することが望ましい場合がある。スタック内の幾つかの位置に燃料を追加することが望ましい場合がある。多数の可燃性ガスの混合物は、個々のガスの可燃限界と異なる可燃限界を有することになる、ということは明らかである。したがって、例えば、電池内で後に、一酸化炭素（反応生成物として）がプロパン（燃料として）と組み合わされた場合には、その混合物の可燃下限は3.3％となり、可燃上限はル・シャトリエの原理により10.9％となる。
随意選択的に、燃料及び／又は燃料／空気混合物に水／水蒸気を任意で追加することにより、燃料の改質反応を促進させ、電力出力を増大させ、及び燃料電池スタック12,12'内の温度の低下を支援することが可能となる、という更に別の利点が得られる。
本発明の幾つかの実施形態を詳細に説明したが、本開示の実施形態を修正できることが当業者には明らかであろう。したがって、以上の説明は、本発明の限定ではなくその例示であると見なされるべきであり、本発明の真の範囲は、特許請求の範囲に規定するものである。
本発明の一実施形態を部分的に概略的に示す正面図であり、シングルチャンバ燃料電池スタックの一実施形態を示している。 図１に示す本発明の実施形態を部分的に概略的に示す側面図である。 本発明の一実施形態を部分的に概略的に示す側面図であり、デュアルチャンバ燃料電池スタックの一実施形態を示している。 図３に示す本発明の実施形態を部分的に概略的に及び断面で示す正面図である。 本発明の一実施形態を部分的に概略的に及び断面で示す正面図であり、シングルチャンバ燃料電池スタックの代替的な実施形態を示している。
符号の説明
10,10',10” 燃料電池
12,12',12” 燃料電池スタック
14,24' 熱交換器
16,16',18,18' ポート
20,20' 導管
26,26' マニホルド
28 熱交換器のガス流路
30 燃料電池スタックのガス流路
36,36' ハウジング

Claims (10)

  1. 少なくとも１つの燃料電池スタック(12,12',12")と、
    該少なくとも１つの燃料電池スタック(12,12',12")と流体的及び熱的に連絡した少なくとも１つの熱交換器(14,24')であって、前記少なくとも１つの燃料電池スタック(12,12',12")に隣接し、該少なくとも１つの燃料電池スタック(12,12',12")から過剰な熱を除去し、及び該少なくとも１つの燃料電池スタック(12,12',12")に入る前のガスを予熱するように構成された、少なくとも１つの熱交換器(14,24')と
    を含む、燃料電池(10,10',10")。
  2. 前記ガスが、導管(20,20')で前記少なくとも１つの熱交換器(14,24')まで運ばれ、前記燃料電池(10,10',10")が、該少なくとも１つの熱交換器(14,24')と流体的に連絡し又は前記導管(20,20')と流体的に連絡したポート(16,16',18,18')を含み、該ポートが、前記少なくとも１つの燃料電池スタック(12,12',12")に入る前または前記少なくとも１つの熱交換器(14,24')に入る前に、前記ガスに、水、水蒸気、及びそれらの混合物のうちの少なくとも１つを追加する、請求項１に記載の燃料電池(10,10',10")。
  3. 前記少なくとも１つの燃料電池スタック(12,12',12")が入口(22,22')を有し、前記燃料電池(10,10',10")が、前記少なくとも１つの熱交換器(14,24')と前記少なくとも１つの燃料電池スタック(12,12',12")との間に動作可能な状態で流体的に接続されたマニホルド(26,26')を含み、該マニホルドが、前記燃料電池スタック入口(22,22')の下流側の領域に未反応ガスを追加する、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池(10,10',10")。
  4. 前記燃料電池(10,10',10")が、固体酸化物型燃料電池、プロトン伝導型セラミック燃料電池、高分子電解質膜型(PEM)燃料電池、溶融炭酸型燃料電池、固体酸型燃料電池、直接メタノールPEM燃料電池のうちの１つである、請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の燃料電池(10,10',10")。
  5. 熱交換器ガス流路(28)及び燃料電池スタックガス流路(30)を更に含み、該熱交換器ガス流路(28)が前記燃料電池スタックガス流路(30)と実質的に直角をなす、請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載の燃料電池(10,10',10")。
  6. 前記少なくとも１つの燃料電池スタック(12,12',12",40,40',42)を収容するハウジング(36,36')を更に含み、前記少なくとも１つの熱交換器(14,14',24,24')が前記ハウジング(36,36')から構成され、該ハウジング(36,36')が高熱伝導率材料から形成される、請求項１ないし請求項５の何れか一項に記載の燃料電池(10,10',10")。
  7. 燃料電池(10,10',10")の効率を改善する方法であって、
    燃料電池スタック(12,12',12")から熱を除去し、該燃料電池スタック(12,12',12")に入る前のガスを該熱を使用して暖める、という各ステップを有し、該熱の除去及び使用ステップが、
    前記燃料電池スタックに熱的に接続された熱交換器(14,14',24')に第１の温度の前記ガスを通し、該熱交換器(14,14',24')から出るガスが前記第１の温度よりも高い第２の温度を有し、
    該第２の温度のガスを前記燃料電池スタック(12,12',12")に通し、
    前記熱交換器(14,14',24')を介して前記燃料電池スタック(12,12',12")から過剰な熱を除去する、
    という各ステップにより達成される、燃料電池(10,10',10")の効率を改善する方法。
  8. 前記燃料電池スタック(12,12',12")が入口(22,22')を有しており、
    該燃料電池スタック(12,12',12")に入る前または前記熱交換器(14,14',24')に入る前に、前記ガスに、水、水蒸気、及びその混合物のうちの少なくとも１つを追加し、
    前記燃料電池スタック入口(22,22')の下流側の部分に未反応ガスを追加し、
    前記燃料電池スタック(12,12',12")及び前記熱交換器(14,14',24')の断熱を実施して、周囲環境への望ましくない熱損失を実質的に防止する、
    という各ステップを含む、請求項７に記載の方法。
  9. 前記燃料電池がシングルチャンバ固体酸化物型燃料電池である、請求項７又は請求項８に記載の方法。
  10. 燃料電池(10,10',10")の作成方法であって、
    燃料電池スタック(12,12',12")を熱交換器(14,14',24')に熱的及び流体的に接続し、前記熱交換器(14,14',24')が、前記燃料電池スタック(12,12',12")から過剰な熱を除去し、及び該燃料電池スタック(12,12',12")に入る前のガスを予熱し、
    該燃料電池スタック(12,12',12")及び前記熱交換器(14,14',24')が、マイクロマシンプロセス及び半導体プロセスの少なくとも一方により形成され、
    前記燃料電池(10,10',10")が約0.5〜１W／cm2｝の範囲の電力密度を有し、及び該燃料電池(10,10',10")が約１〜100,000cm2の範囲のサイズを有する、
    という各ステップを含む、燃料電池(10,10',10")の作成方法。
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