JP2004529456A - 燃料電池設備 - Google Patents

Abstract

燃料電池モジュール（１）の漏れは、燃料電池モジュール（１）からの水素（Ｈ_２）および／又は酸素（Ｏ_２）の流出と、それに伴い火災又は爆発の高い危険性とを引き起こす。この問題を解決するため本発明は、燃料電池モジュール（１）を備えた燃料電池設備を提案し、前記燃料電池設備を本発明に従って気密の圧力容器（３）内に封入する。保護ガスを圧力容器（３）に充填することで、燃料電池モジュール（１）に漏れがある場合、モジュール（１）から燃料ガスが押し出されず、逆に保護ガスがモジュール（１）内へ流入する。その結果、漏れや危険が生ずることはなく、更に前記漏れは、漏れに対応する電池の電圧降下により検出し、かつ局在化できる。

Description

【０００１】
本発明は燃料電池設備に関する。
【０００２】
燃料電池設備は、１つ又は複数の燃料電池モジュールが該モジュール側に多数の直列に接続された燃料電池を備えた前記燃料電池モジュールを含む。燃料電池は、管又は板状に形成でき、板状の燃料電池を備えた燃料電池モジュールは燃料電池ブロックとも呼ばれる。燃料電池内で、水素（Ｈ_２）と酸素（Ｏ_２）の会合に伴う電気化学反応で電気エネルギーと熱を生じ、水素（Ｈ_２）と酸素（Ｏ_２）が結合して水（Ｈ_２Ｏ）になる。そのため、燃料電池の陽極ガス室内に水素、そして燃料電池の陰極ガス室内に酸素を給送する。水素は、純水素又は水素含有の燃焼ガスのいずれかとして燃料電池に給送できる。酸素は、純酸素又は、例えば空気の形で燃料電池に供給できる。燃料電池モジュールの構造では、モジュールの陽極ガス室と陰極ガス室は、両燃料ガスのいずれも燃料電池モジュールから流出できないようにして互いに接続することに注意せねばならない。従って燃料ガスのいずれも意図せずに燃料電池モジュールから流出しないことを保証すべく、過去に開発された接合および接続技術を使用する。
【０００３】
運転中、燃料電池モジュールの個々の電池は強い温度変動に曝される。更に、燃料ガスは過圧でモジュール内へ給送される。該過圧は数バールになり得る。
【０００４】
圧力と温度の変動により、各燃料電池間の接続箇所と、燃料電池の各構成要素間の接続箇所とが、例えば接続導板や膜電解質ユニットの如く、特に強い負荷に曝される。そのため、燃料電池ブロックに漏れが生じ、水素や酸素が燃料電池ブロックから周囲へ流出する。水素の流出は結果的に爆発の危険性を伴い、かつ酸素の流出も過度の火災危険性の増大を伴うので、燃料電池モジュールから周囲への燃料ガスの流出は無条件に防止せねばならない。
【０００５】
従って本発明の課題は、周囲へ流出する燃料ガスに対し高い安全性を持つ燃料電池設備を提供することである。
【０００６】
この課題は、本発明により燃料電池モジュールを気密の圧力容器内に封入した燃料電池設備により解決される。燃料電池モジュール内に漏れが発生し、その結果燃料ガスがモジュールから流出した場合、周囲への前記ガスの分散は圧力容器により効果的に回避できる。流出した燃料ガスは、圧力容器内に集められ、その結果気密の圧力容器内の圧力が上昇する。この圧力上昇は容易に検出でき、かつ燃料電池設備又は少なくとも燃料電池モジュールを容器内のガス圧力の上昇時に遮断できる。そのため圧力容器は、好ましくは燃料電池モジュールの運転圧力より少なくとも１．５倍大きい圧力用の圧力容器として設計すべきである。その結果、燃料電池モジュールから流出する燃料ガスが燃料電池設備の周囲へ到達し、そこで災害を引き起こすのを防止できる。
【０００７】
本発明の好ましい実施態様では、圧力容器にガス供給管を接続し、該容器を燃料電池モジュールの運転中は過圧の状態に保つ。燃料電池設備の非常に高い運転安全性を達成するため、圧力容器に燃料電池モジュールの運転中、例えば窒素等の不活性、即ち保護ガスを充填する。該ガスは、圧力容器内で、燃料電池モジュールの運転圧力を上回る圧力にある。燃料電池モジュールが壊れた場合、燃料ガスがモジュールから流出することはなく、むしろ保護ガスが燃料電池モジュール内に流れ込む。その結果同時に漏れが発生した際も燃料電池モジュールの陽極および陰極側で爆発性の混合物が圧力容器内へ流入しないようにできる。従って、モジュールから流出する燃料ガスによる損害が生ずることはない。
【０００８】
燃料電池モジュールが純酸素（Ｏ_２）と純水素（Ｈ_２）による運転用に設計した燃料電池ブロックを備えるとよい。この、所謂「閉端」（「Ｄｅａｄ ｅｎｄ」）ブロックの運転時、水素と酸素が完全に水（Ｈ_２Ｏ）に転換するので、殆ど全く排気ガスを生じない。純水素と酸素で運転することで、モジュールからの燃料ガスの流出が特別の危険性に結びつく。それ故、圧力容器による遮蔽が特に有利になる。
【０００９】
燃料電池設備が電子式電池電圧監視装置を含むとよい。該装置は、例えば燃料電池モジュールの電圧、即ち全燃料電池の合算電圧を監視すべく設計できる。しかし前記監視装置は、例えば燃料電池ブロックのカスケード段等の、個々の燃料電池モジュール部の電圧を別々に監視するよう形成してもよい。最も正確な監視は、勿論電池電圧監視装置が燃料電池モジュールの各電池を個別的に又は少なくとも燃料電池の各々複数の燃料電池を包含する部分群を個別的に監視する場合に達成される。燃料電池モジュール内に漏れがある場合、保護ガスが少なくとも１つの燃料電池内へ侵入する。このガスは燃料電池内の燃料ガスを排除する。その結果、燃料電池で発生する電池電圧が低下する。
【００１０】
電池電圧の低下は、電子式電池電圧監視装置で監視する。所定の電圧値以下に電池電圧が低下した際、電圧監視装置はエラー信号を出力する。このエラー信号は、例えば燃料電池モジュールのスイッチオフを開始し、その燃料ガス供給管が閉じ、次いで安全な状態へ移す。別法では、エラー信号を監視所の表示装置、例えば制御盤のディスプレイや運転席へ転送する。エラー信号に続き、エラーの評価を監視所に転送してもよい。該評価は、例えば漏れの規模の情報を含む。漏れの規模は燃料電池の電池電圧の低下に対応する。それに伴い監視所の要員や制御装置は、モジュールを特別の状況で運転すべく決定する。従ってこれは、燃料電池モジュール内に漏れが発生したときも燃料ガスがモジュールから流出せず、かつ燃料電池設備の周囲の危険性を排除することで可能になる。
【００１１】
監視所に出力するエラーの評価は、特に漏れの場所を包含してもよい。夫々どの精度で電池電圧監視装置が個々の電池を監視するかに応じ、漏れを直ちに一義的・空間的に局在化できる。燃料電池モジュールの各電気回路技術に応じ、かつ供給管と弁による各モジュールの装備に応じ、燃料電池モジュールの一部だけ、例えば唯一のカスケード段を遮断し、残りのモジュールを引き続き運転状態に保持することも可能である。
【００１２】
更に漏れに関連する危険性や監視所への燃料電池モジュールのその他の稼動性に関するその他の情報を与えることもできる。
【００１３】
圧力容器が燃料電池モジュールの供給モジュールも包含すると望ましい。燃料電池モジュールは、帰属する供給管と排出管を備えた多数の管状又は平面状の燃料電池を含む。前記管は、水分離装置、ポンプ、圧縮機、加湿器、弁、送電回線、センサ又はケーブルハーネス等の、その他の供給装置と共に供給モジュール内に統合できる。このモジュールは、通常、直接燃料電池モジュールに配設される。供給モジュールをも包含する圧力容器の場合や、供給モジュール内でも、例えばフランジ、管又は圧縮機に発生する漏れが無害になる。燃料ガスは燃料電池設備の周囲へ達することがない。本発明の前記実施形態のその他の長所は、多数の管と接続が供給モジュールと燃料電池モジュールの間に有ることである。圧力容器が両モジュールを含む場合、圧力容器を通るダクト数が著しく減少する。その結果、圧力容器はより安全かつ構造的により簡単に形成できる。
【００１４】
燃料電池設備を潜水艦の電気ユニット用の電源装置として構成するとよい。潜水艦内では、特別の安全・運転要件を満す必要がある。燃料電池モジュール周りの圧力容器は、燃料ガスが燃料電池設備から流出しないよう確実に保証する。これは潜水艦では絶対的な要件である。潜水艦内での換気は不可能なので、ここでは爆発と火災の危険性が特に高まる。潜水艦内での爆発や火災は特に破壊的な影響を及ぼす故、ここでは圧力容器に関し厳格な安全規則が適用される。本発明により火災と爆発の危険性に関する安全規定を順守できる。更に燃料電池モジュールが漏れにも係らず、場合により引き続き運転できる長所は、潜水艦内で特に行う価値がある。即ち潜水艦内では、電源が極端な条件でもあらゆる場合に維持される状態になければならない。燃料電池モジュールが極端な機械的負荷に曝された際、例えば強い加速時や衝撃時、そしてそれに伴い燃料電池モジュール内の亀裂が漏れを生じた際も、燃料電池モジュールは場合により運転中の状態に保てる。何等の危険を伴うことなく、モジュールでの発電が停止する程多量の保護ガスがモジュール内に流入する迄の間、前記モジュールを運転状態に留まる。
【００１５】
もう１つの長所は、圧力容器が高磁化率の金属を備えることで達成される。燃料電池モジュールは大電流を発生する。各燃料電池モジュール内の電池の数に応じ、前記電流は数１００アンペアにも達する。前記の電流は、大きな磁界を生ずる。潜水艦は特に該磁界や潜水艦により変化した周囲の磁界により探知される。従って潜水艦内に搭載する燃料電池設備を磁気遮蔽する必要がある。該遮蔽は、燃料電池設備の導電モジュールを高い磁化率をもつ金属を有する容器で取り囲むことにより確実に達成される。該容器は、例えば前記の金属からなり、高い磁化率をもつ金属、例えば所謂μ金属製の層を含む。前記等の容器により、簡単かつ極度の故障安全性の方式で燃料電池モジュールの三重遮蔽が達成される。即ち圧力容器は磁界を遮蔽し、更に燃料電池モジュールから放射される電界も遮蔽し、更に燃料電池設備の周囲が燃料電池モジュールから流出する燃料ガスにより遮蔽される。この簡単な措置で潜水艦内での燃料電池設備に対する複数の運転要件と安全要件の履行が満される。
【００１６】
本発明の一実施例を、図面を利用して説明する。
【００１７】
図１は、気密の圧力容器３内に封入した燃料電池設備の燃料電池モジュール１である。圧力容器３は、内部が高い磁化率をもつ金属層５で被覆された鋼製の外皮を包含する。燃料ガスの供給と排出、生産用水排出、電気エネルギーの誘導と監視のための種々の装置が配設された供給モジュール７が燃料電池モジュール１に接続されている。圧力容器３には、ガスを外部から圧力容器３内へ導入するガス供給管９が接続されている。前記ガス供給管９に圧力容器３の内圧監視用の圧力センサ１１が取り付けられている。圧力容器３の正面板１３に、供給モジュールへの燃焼ガスと酸化ガスの供給管１５ａ、１５ｂ用のダクト並びに燃料電池モジュールから電気エネルギーを運び出す回線１７ａ、１７ｂが配置される。もう１つのダクトにより、信号ケーブルハーネス１９が燃料電池モジュール１の燃料電池から電子式電池電圧監視装置２１へ通じる。燃料電池モジュール１と供給モジュール７を備えた圧力容器３は、潜水艦の電気ユニット用の電源装置として形成された燃料電池設備の一部である。
【００１８】
燃料電池設備の運転中、圧力容器３は管９を経て窒素（Ｎ_２）で満される。圧力容器３内の圧力は、燃料電池モジュール１の燃料電池内の最大運転圧力より２０％高くなる。燃料電池設備の運転中、燃料電池モジュール１の外部シール内に漏れが発生した際、燃料ガスが燃料電池モジュール１から流出せず、保護ガスが圧力容器３の内部から燃料電池モジュール１の少なくとも１つの燃料電池へ流入する。保護ガスが、前記電池内の燃料ガスを押し出す故、燃料電池の電池電圧が低下する。電池電圧の低下は、電子式電池電圧監視装置２１で監視する。燃料電池設備の標準運転モードで、電子式電池電圧監視装置２１が当該電池又は多数の電子式電池の電圧を限界値と比較する。該電圧が前記限界値と異なる場合、モジュール１への燃料ガス供給を遮断し、モジュール１を安全状態に移行させる。燃料電池設備の別の運転モードで限界値を下回る場合、信号を表示装置２３へ転送する。しかし燃料電池モジュール２１の運転は続行する。更に表示装置２３に燃料電池モジュール１と該当する電池の電圧の時間的経過、更に必要なら漏れの場所を表示する。その結果燃料電池設備の操作員や制御装置は、燃料電池モジュール１をスイッチオフすべき危険な大きさを漏れがあるか否かを判定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
燃料電池設備の燃料電池モジュールを示す。
【符号の説明】
１ 燃料電池モジュール、３ 圧力容器、５ 金属、７ 供給モジュール、
９、１５ａ、１５ｂ ガス供給管、１１ 圧力センサ、１３ 正面板、
１７ａ、１７ｂ 回線、１９ ケーブルハーネス、２１ 電圧監視装置

Claims (6)

1. 気密の圧力容器（３）内に封入された燃料電池モジュール（１）を備えることを特徴とする特徴とする燃料電池設備。
2. 圧力容器（３）にガス供給管（９）が接続され、かつ圧力容器（３）が運転中過圧に保持されることを特徴とする請求項１記載の設備。
3. 電子的な電池電圧監視装置（２１）を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の設備。
4. 圧力容器（３）が、燃料電池モジュール（１）の供給モジュール（７）を含むことを特徴とする請求項１から３の１項に記載の設備。
5. 潜水艦の電気ユニット用の電力供給装置として形成されたことを特徴とする請求項１から４の１項に記載の設備。
6. 圧力容器（３）が高い磁化率をもつ金属（５）を備えることを特徴とする請求項５記載の設備。