JP2004179166A

JP2004179166A - 燃料電池容器冷却システム

Info

Publication number: JP2004179166A
Application number: JP2003396594A
Authority: JP
Inventors: Ronald Scott Bunker; ロナルド・スコット・バンカー; Chellappa Balan; シェラパ・バラン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2004-06-24
Also published as: CN1507100A; CA2449261A1; EP1427045A2; US6896987B2; US20040101726A1

Abstract

【課題】容器のより一様な熱勾配を維持し、容器自体の温度を低下させ、且つ燃料電池アセンブリの所望の熱効率を向上させることができる、燃料電池アセンブリを提供する。
【解決手段】燃料電池アセンブリ１０は加圧されるように構成された容器１４を具備する。燃料電池１２は容器１４内に配置され、熱シールド１６は、燃料電池１２の周囲でほぼ一様な熱遮蔽を行うために容器１４の内周面をほぼ包囲している。熱シールド１６は容器１４と燃料電池１２との間に配置され、容器１４から離間された位置にあって、容器１４との間に冷却流体を通すための流路を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は一般に燃料電池アセンブリなどの発電機器に関し、特に、固体酸化物燃料電池アセンブリなどの燃料電池アセンブリの熱管理に関する。

燃料電池においては、燃料とオキシダントの反応から熱エネルギーが発生される。固体酸化物燃料電池などの燃料電池は通常は約６００℃から約１３００℃の温度で動作する。通常は発電装置で使用されるそのような燃料電池は、加圧容器の内部に配置される。しかし、特に、相対的に安価であるにも関わらず、動作中に指定温度範囲に耐えることができる利用可能な材料から容器を製造することが望ましい場合には、そのような容器の構造上の一体性を維持することは困難な問題になる。

燃料電池の熱管理を行う上で特に困難であるのは、容器の温度をある最大温度以下に維持するという問題である。もう１つの問題は、容器及び関連構造の厚さを通して、また、容器壁に沿って（すなわち、横方向に）容器内の熱勾配を相当に一様に維持することにある。そのような熱勾配は容器の複数の局所限定された領域にホットスポットを発生させ、例えば、熱膨張の差によって構造上の問題や材料上の問題を引き起こすと考えられる。

既存のいくつかの燃料電池構造は、容器の一部の内部に、通常は容器壁と一体である断熱材を利用している。他の構造は容器壁自体の中に冷却通路を形成している。しかし、そのような一体型冷却通路を使用する従来の燃料電池は一般に容器全体を通して等温条件を維持することができず、容器壁の加熱を低減しない。更に、燃料電池により発生された廃熱流束を燃料電池アセンブリの外に排除するため、燃料電池アセンブリの熱性能が低下するという結果を招くこともある。同様に、既存の構成で使用されている型の区画又は流路は実際には容器壁に沿って相当に大きな熱勾配を発生させ、その結果、回避すべき種類の加熱差が生じてしまう。

従って、当該技術においては、容器のより一様な熱勾配を維持し、容器自体の温度を低下させ、且つ燃料電池アセンブリの所望の熱効率を向上させることができる、燃料電池アセンブリの改善された熱管理システムが必要とされている。

本発明の技法はそのような必要性に応えるよう設計されている。簡単に言うと、本発明の技法の一実施例によれば、燃料電池アセンブリは、加圧されるように構成された容器を具備する。燃料電池は容器内に配置され、熱シールドは、燃料電池の周囲でほぼ一様な熱遮蔽を行うために容器の内周面をほぼ包囲している。熱シールドは容器と燃料電池との間に配置され、容器から離間された位置にあって、容器との間に冷却流体を通すための流路を形成する。

本発明の技法の別の実施例は、加圧されるように構成された容器を具備する燃料電池アセンブリを提供する。燃料電池は容器内に配置され、金属シールドは容器と燃料電池との間に配置されている。金属シールドは容器から離間された位置にあって、容器との間に冷却流体を通すための流路を形成する。

本発明の技法の別の実施例は、加圧されるように構成された容器を具備する燃料電池アセンブリを提供する。燃料電池は容器内に配置され、シールドは燃料電池の周囲をほぼ包囲している。シールドは容器と燃料電池との間に配置され、容器から離間された位置にあって、容器との間に冷却流体を通すための流路を形成する。

本発明の技法の別の実施例は、加圧されるように構成された容器を具備する燃料電池アセンブリを提供する。燃料電池は容器内に配置され、シールドは、燃料電池の周囲でほぼ一様な熱遮蔽を行うために容器の内周面をほぼ包囲している。シールドは容器と燃料電池との間に配置され、容器から離間された位置にあって、容器との間に冷却流体を通すための流路を形成する。

本発明の技法の別の実施例は、加圧容器を具備する燃料電池アセンブリを提供する。燃料電池は容器内に配置され、熱伝導シールドは容器と燃料電池との間に配置され、容器から離間された位置にあって、容器との間に冷却流体を通すための流路を形成する。

本発明の上記の特徴、面、利点並びにその他の特徴、面、利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより更に良く理解されるであろう。尚、図面を通して同じ図中符号は同じ部分を表す。

固体酸化物燃料電池のような燃料電池は、高い効率で、汚染も少なく発電できるという可能性を秘めていることを実証している。一般に、燃料電池は、イオン伝導層を挟んで燃料とオキシダントを電気化学的に組み合わせることにより電気を発生するエネルギー変換装置である。燃料電池は、総合的に電気エネルギー出力を発生することが可能である燃料電池構造を構成するために、複数の燃料電池を互いに直列又は並列に積み重ねることができるであろう。図１に示す一実施例では、固体酸化物燃料電池アセンブリなどの燃料電池アセンブリ１０は、加圧容器１４の内部に配置された燃料電池１２（電池のスタック又は集合体、あるいはスタックと呼ばれても良い）を具備する。以下に更に詳細に説明するように、動作中に燃料電池１２により発生される熱流束の熱管理を改善するために、燃料電池１２と容器１４との間に熱シールド１６が配置されている。

この第１の実施例では、燃料電池１２は平面構成を有する１つの燃料電池から構成されているが、複数のこのような電池を単一の構造として提供しても良い。図２に示す別の実施例においては、燃料電池アセンブリ１０は燃料電池の集合体３８から構成されている。燃料電池の集合体３８は、管状構成を有する複数の燃料電池４０を含む。燃料電池１２、４０は、固体酸化物燃料電池、陽子交換膜燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、リン酸燃料電池、アルカリ燃料電池、ダイレクトメタノール燃料電池、再生燃料電池、亜鉛空気燃料電池及びプロトニックセラミック燃料電池を含むどのような種類の燃料電池であっても良いが、これらには限定されない。

特に図１の実施例に関して説明すると、この実施例の燃料電池１２は陽極２０及び２８と、陰極２４と、それらの間に挿入された電解質２２と、陽極２０、陰極２４及び電解質２２のうちの少なくとも１つと密接に接触している配線部２６とを具備する。図１に示すように、空気などのオキシダントはオキシダント入口３０を介して燃料電池１２の中へ導入され、排出口３２を介して排出される。同様に、燃料流れは図中符号３４により概して示すようにアセンブリの中へ導入される。図中符号３６により概して示すように、オキシダントは容器１４の内壁と熱シールド１６との間に規定された冷却剤流路を通って流れて、燃料電池１２の中へ導入され、陰極２４にオキシダントが供給される。

固体酸化物燃料電池などの燃料電池１２においては、陰極２４で発生された酸素イオン（Ｏ^2-）は陽極２０と陰極２４との間に挿入された電解質２２を介して搬送される。燃料３４、例えば、天然ガスは陽極２０に供給される。陽極２０にある燃料３４は、電解質２２を介して陽極２０へ搬送されて来る酸素イオン（Ｏ^2-）と反応する。酸素イオン（Ｏ^2-）は消イオンされて、外部電気回路（図示せず）へ電子を放出する。この電子流れは外部電気回路を介して直流電気を発生させる。この発電プロセスはいくつかの排気ガスを発生させると共に、廃熱を発生する。排気ガスは排出口３２を介して排出される。

尚、実際には、燃料とオキシダントがどの経路を通るかは燃料電池の構造と動作によって異なるということに注意すべきである。例えば、図示されている実施例では、１つの排出口が吐出されるオキシダントと燃料を受け入れているが、設計によってはそれらの排出流れは分離されても良い。

また、燃料電池により発生される熱から容器壁を少なくとも部分的に熱遮蔽することに関して、本発明の技法はいくつかの可能性を提示するという点にも注意すべきである。例えば、一連の実施例においては、容器壁と熱シールドとの間に１つ以上の流路が規定されており、対流熱伝導により熱を取り出すために、冷却剤はそれらの流路を通って循環される。現時点で意図されている実施例では、冷却剤流れは燃料電池を動作させるために必要とされるオキシダントの少なくとも一部から成る。冷却剤の全て又は一部が電池を通して循環されても良いし、あるいは熱負荷、冷却剤入口温度、冷却剤の質量流量及びオキシダントの質量流量などの要因に応じて、冷却剤システムに追加の流れが補充されても良い。冷却剤としてオキシダントを使用することで、オキシダントが予備加熱され、燃料電池内部の反応の効率が向上するという利点も得られる。また、この方法ではなく、以下に更に詳細に説明するように、気相、液相又は混合相の冷却剤を含めた別個の冷却剤を採用し、それをオキシダント流れから隔離しても良い。

図３及び図４に示すような実施例においては、燃料電池１０は加圧されるように構成された容器１４の内部に配置された燃料電池１２と、燃料電池１２と容器１４との間に配置された熱シールド１６とを具備する。冷却剤流れ４６を分配するために、容器１４の内部に下部分配流路４２が形成されている。熱シールド１６は燃料電池容器１４から離間して配置されて、容器１４との間に分配流路４２と流体連通する周囲流路４４を形成している。

先の実施例の場合と同様に実施例に応じて必要とされるオキシダントの一部又は全てから形成されている冷却剤流れ４６は、オキシダント入口３０を通って流入し、下部分配流路４２を通って流れる。その後、冷却剤流れ４６は下部分配流路で分配されて、図中符号４８により概して指示されるように周囲流路４４に入る。冷却剤が熱シールド１６及び容器１４から取り出されるエネルギーにより予備加熱されるオキシダントである場合、冷却剤流れの少なくとも一部５０、５２は出口３２を通って排出される前に燃料電池１２の中へ誘導される。

図５に示すように、図示されている実施例では、熱シールド１６は燃料電池１２にほぼ向いて配置された内壁５４と、容器１４の内壁又は周囲面５８に向いた外壁５６とを含む。この実施例においては、熱シールド１６は燃料電池１２が配置されている内部ボリューム６０をほぼ包囲し、容器１４の内壁又は周囲面５８に隣接して同様に延在して、容器１４の動作温度を低下させると共に、容器１４の内周面５８に沿った熱分布をより一様にするように構成されている。更に図５に示すように、熱シールドの外面５６及び容器の内面５８により周囲通路又は流路４４が規定されている。

熱シールド１６は金属材料などの熱伝導材料から形成されていれば良い。熱シールド１６と、流路４４を通る冷却剤の流れは燃料電池容器１４の温度を規定の限界以下に維持する。燃料電池容器１４の温度を規定の限界以下に維持することは、従来より入手可能で、手ごろな価格ではあるが、例えば、約６００℃から約１３００℃のような動作温度範囲に耐えることができる材料から製造されている燃料電池容器１４の構造上の一体性を維持するのに有用である。実際の実現形態においては、容器は、指示されている６００℃から１３００℃の温度範囲を下回るような、燃料電池アセンブリの温度より相当に低い温度で動作するのが理想的であると予想される。

図６に示す別の実施例では、熱シールド１６は、熱シールド１６の内面５４の上に断熱層６２を含む。図７に示す更に別の実施例においては、容器１４はその内面５８に配置された別の断熱層６６を有する。断熱層６２及び６６は、プラズマ噴霧熱障壁被覆膜などのセラミック被覆膜を含む断熱材料から形成されているが、材料はこれに限定されない。そのような被覆膜は、例えば、イットリア安定化ジルコニア酸化物、多孔性又は気泡セラミックフォーム材料、あるいは燃料電池アセンブリで予想される温度で動作することが可能である他のセラミック又は熱伝導率の低い金属酸化物などを含むと考えられる。断熱層６２、６６は、動作中に容器壁の温度を低下させるように、熱シールド１６及び容器１４の壁５８を介する所望の熱勾配を維持する。更に、熱シールド１６は容器１４内の局所的に限定された領域におけるホットスポットの形成を有効に回避又は減少し、容器１４の面全体にわたる一様な構造の一体性を確保する。

図８に示す別の実施例では、熱シールド１６は、容器１４の内面５８を規定するように構成された第２の遮蔽壁７０を更に具備する。更に別の実施例においては、第２の遮蔽壁７０と容器１４の内面５８との間に断熱層６６が配置されている。第２の遮蔽壁７０の内面７２と、熱シールド１６の外面５６とにより流路４４が規定されている。この実施例により、熱シールド１６を二重壁のキャニスタ又は容器として構成し、それを容器１４内部の、容器壁５８と燃料電池１２との間に単純に配置することが可能になる。

図９及び図１０に示す別の実施例では、熱シールド１６は、通過する冷却流体を受け入れるように構成された複数の流体導管８０により接合される流体分配マニホルド７６及び７８を具備する。複数の流体導管８０は流体分配マニホルド７６及び７８内部の流路との協働により循環する冷却剤を受け入れ、戻す。図９及び図１０の構成は、燃料電池アセンブリ１０に流入し、そこから流出するオキシダントからマニホルド７６及び７８を隔離することにより、気相、液相及び混合相の冷却剤を含めた、オキシダントとは異なる冷却剤の流れを使用することを可能にする。しかし、この実施例の基本構造は、燃料電池１２をほぼ包囲し、容器壁をほぼ連続して遮蔽するなどの、ここで説明した他の実施例の特徴を共有していることに注意すべきである。

同じように熱遮蔽は改善されているが、燃料電池により使用されるオキシダントから冷却剤の流れを密封隔離する他の実施例も意図されるであろう。図１１及び図１２に示すそのような実施例の１つにおいては、冷却流体は冷却流体入口８８を経て容器１４に入る。冷却流体は冷却流体出口９０を通って排出される。オキシダント３０はオキシダント入口８４を経て入り、オキシダント出口８６を通って排出される。このような実施例では、冷却流体は水、蒸気、その混合物、または所望の冷却特性（例えば、比熱値が相対的に高いなど）を有するその他の流体のような何らかの適切な流体を含む。この実施例によれば、熱シールドは円筒形シールドアセンブリ８２から構成される。円筒形シールドアセンブリ８２は、入口８４を経て受け入れられ、出口８６を通って排出されるオキシダント流れを、冷却剤入口８８を経て受け入れられ、冷却剤出口９０を通って流出する冷却剤から分離する。構成の一例においては、円筒形シールドアセンブリ８２は、シール９６を受け入れるための環状溝９４を有するベース９２を更に具備する。ベース９２は円筒形シールド９８の下縁部１００を支持する。シール９６は環状溝９４に嵌合し、冷却流体をオキシダントから分離する。ベース９２と円筒形シールド９８を溶接、はんだ付けなどにより接合するなどの、他の組み立て技法も考えられることは言うまでもない。

本発明のいくつかの特徴のみを図示し、説明したが、当業者には数多くの変形及び変更が明白であろう。従って、添付の特許請求の範囲は本発明の真の趣旨の範囲内に入るそのような全ての変形及び変更を含むことを意図されていると理解すべきである。例えば、熱シールドからの熱伝達を更に改善するために、熱シールドの外面に特徴を設けても良い。すなわち、熱シールドが金属などの熱伝導性材料から製造されている場合、熱伝達のための表面積を更に拡大するか、冷却剤の流れを面に沿って増加させる又は方向付けするか、あるいは構造内に冷却剤がとどまる時間を延長するようなフィン又はその他の特徴を設けても良い。同様に、熱シールド自体とは別個にそのような構造を設け、それらを冷却剤流路の内部に配置するか、又は組み立て中に熱シールドに装着しても良い。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

本発明の技法の１つの面に従った熱シールドを有する平面燃料電池アセンブリの一実施例の概略斜視図。熱シールドを組み込んだ管状燃料電池アセンブリの一実施例の同様の概略斜視図。燃料電池アセンブリ容器内部における熱シールドの配置及びアセンブリ内における冷却剤の流れを示す燃料電池アセンブリの概略図。容器内部における熱シールドの配置を示す図３の燃料電池アセンブリの概略横断面図。熱シールドの構成の第１の例を示す図４の断面５−５の詳細断面図。熱シールドの構成の第２の例を示す図４の断面５−５の詳細断面図。熱シールドの構成の第３の例を示す図４の断面５−５の詳細断面図。熱シールドの構成の第４の例を示す図４の断面５−５の詳細断面図。別の管状熱シールド構造を組み込んだ燃料電池アセンブリの概略立面図。図９の燃料電池アセンブリの概略立面図。燃料電池アセンブリを通って流れるオキシダントから冷却剤が分離される別の実施例による燃料電池アセンブリの概略図。図１１の燃料電池アセンブリの一部の部分切り取り展開図。

符号の説明

１９…燃料電池アセンブリ、１２…燃料電池、１４…加圧容器、１６…熱シールド、４０…燃料電池、４２…分配流路、４４…周囲流路、４６…冷却剤流れ、６２、６６…断熱層、７０…第２の遮蔽壁、７６、７８…流体分配マニホルド、８０…流体導管、８２…円筒形シールドアセンブリ、９２…ベース、９６…シール、９８…円筒形シールド

Claims

加圧されるように構成された容器（１４）と、
前記容器（１４）内に配置された燃料電池（１２）と、
前記容器（１４）と前記燃料電池（１２）との間に配置され、前記容器（１４）から離間された位置にあって、前記容器（１４）との間に冷却流体を通すための流路（４４）を形成する熱シールド（１６）とを具備する燃料電池アセンブリ（１０）。
前記燃料電池（１２）は固体酸化物燃料電池、陽子交換膜燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、リン酸燃料電池、アルカリ燃料電池、ダイレクトメタノール燃料電池、再生燃料電池、亜鉛空気燃料電池及びプロトニックセラミック燃料電池より成る群から選択される請求項１記載の燃料電池アセンブリ（１０）。
前記燃料電池（１２）は、平坦な構成を有する少なくとも１つの燃料電池（１２）を具備する請求項１記載の燃料電池アセンブリ（１０）。
前記燃料電池（１２）は、管状構造（４０）を有する少なくとも１つの燃料電池（１２）を具備する請求項１記載の燃料電池アセンブリ（１０）。
前記熱シールド（１６）は、冷却流体（４６）を流通させるように構成された複数の流体導管（８０）を具備する請求項１記載の燃料電池アセンブリ（１０）。
前記複数の流体導管（８０）は、冷却流体を分配するように構成された少なくとも１つの流体分配マニホルド（７６、７８）を更に具備する請求項５記載の燃料電池アセンブリ（１０）。
前記冷却流体はオキシダントである請求項１又は６記載の燃料電池アセンブリ（１０）。
前記熱シールド（１６）は円筒形シールドアセンブリ（８２）を具備する請求項１記載の燃料電池アセンブリ（１０）。
前記円筒形シールドアセンブリ（８２）はベース（９２）と、冷却流体をオキシダントから分離するように構成されたシール（９６）とを更に具備し、前記ベース（９２）は前記シール（９６）を受け入れるように構成されている請求項８記載の燃料電池アセンブリ（１０）。
前記シールド（１６）は金属材料から形成されている請求項１記載の燃料電池アセンブリ（１０）。
加圧されるように構成された容器（１４）と、
前記容器（１４）内に配置された燃料電池（１２）と、
前記燃料電池の周囲をほぼ包囲し、前記容器（１４）と前記燃料電池（１２）との間に配置され、前記容器（１４）から離間された位置にあって、前記容器（１４）との間に冷却流体を通すための流路（４４）を形成するシールド（１６）とを具備する燃料電池アセンブリ（１０）。
前記燃料電池（１２）の周囲をほぼ包囲する前記シールド（１６）は、前記燃料電池（１２）の周囲でほぼ一様な熱遮蔽を行うために前記容器（１４）の内周面（５８）をほぼ包囲するように構成されている請求項１又は１１記載の燃料電池アセンブリ（１０）。
加圧されるように構成された容器（１４）と、
前記容器（１４）内に配置された燃料電池（１２）と、
前記燃料電池（１２）の周囲でほぼ一様な熱遮蔽を行うために前記容器（１４）の内周面（５８）をほぼ包囲し、前記容器（１４）と前記燃料電池（１２）との間に配置され、前記容器（１４）から離間された位置にあって、前記容器（１４）との間に冷却流体を通すための流路（４４）を形成するシールド（１６）とを具備する燃料電池アセンブリ（１０）。
前記シールド（１６）は熱伝導材料から形成されている請求項１１又は１３記載の燃料電池アセンブリ（１０）。
前記シールド（１６）は、前記燃料電池（１２）の周囲をほぼ包囲するように構成されている請求項１又は１３記載の燃料電池アセンブリ（１０）。
前記シールド（１６）は、前記シールド（１６）の内面（５４）に断熱層（６２）を規定するように構成されている請求項１、１１又は１３記載の燃料電池アセンブリ（１０）。
前記シールド（１６）は、前記容器（１４）の内面（５８）に別の断熱層（６６）を規定するように構成されている請求項１６記載の燃料電池アセンブリ（１０）。
前記断熱層（６２、６６）は、セラミック酸化物、気泡セラミックフォーム材料及びそれらの組み合わせより成る群から選択された断熱材を具備する請求項１７記載の燃料電池アセンブリ（１０）。
前記シールド（１６）は、前記容器（１４）の内面（５８）を規定するように構成された第２の遮蔽壁（７０）を更に具備する請求項１、１１又は１３記載の燃料電池アセンブリ（１０）。
前記断熱層（６６）は前記第２の遮蔽壁（７０）と前記容器（１４）の内面（５８）との間に配置されている請求項３６記載の燃料電池アセンブリ（１０）。
前記シールド（１６）は、熱シールド、金属シールド又は熱伝導シールドを含む請求項１記載の燃料電池アセンブリ（１０）。