JP2009512158A - 燃料電池用中央区画燃料分配器 - Google Patents

Abstract

実施形態の１つによれば、本発明は、吸気口２と、一連の燃料電池６と、新燃料入口１４と、燃料分配器１６と、再循環プレナム１９と、排出口１２とを備える。燃料分配器１６からの新鮮な燃料が燃料電池スタックの中間の３分の１区画において燃料電池スタックに流入し、新鮮な燃料が排出燃料流１２と再循環燃料流１８に分けられる。排出燃料流は一連の燃料電池の第１の部分に沿って排出口まで流れ、再循環燃料流は一連の燃料電池の第２の部分に沿って再循環プレナムまで流れて、燃料分配器における新燃料入口からの新燃料と混合する。再循環プレナムは燃料電池スタックの排出口からは反対側の端部に配置されており、燃料電池スタックはシールレス設計である。

Description

本発明は、燃料電池とりわけ燃料電池の燃料分配器に関するものである。

燃料電池スタックの動作においては、燃料が周囲空気の流入端部とは反対側の端部からスタックに流入することが必要になる。燃料がスタックの全長に沿って電池を通過する際に消耗すると、燃料と空気が混合した場合に揮発性の化合物が生じなくなる。スタックの空気と燃料の部分を区画化したとしても、いくらかでも漏出があれば揮発性混合物を生じることになるので、燃料は空気の近くでスタックに流入してはならない。

先行技術による管状酸化物固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）式発電装置の場合、ＳＯＦＣの幾何学形状は一方の端部が閉じた円筒形である。燃料は電池の閉鎖端においてスタックに流入し、電池を包囲する空間を上昇する。空気は電池内に同心をなすように配置された空気供給管（ＡＦＴ）を通って各電池に流入し、閉鎖端でＡＦＴから流出すると、ＡＦＴと電池の間の環状空間を上昇する。燃料と空気が電池の閉鎖端から開放端に流れる間に、燃料の大部分が空気からの酸素と電気化学的に反応して電気を発生する。一般に２０％（Ｈ₂＋ＣＯ）と８０％（Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂）から構成される電池スタックから流出する消耗燃料が、電池の開放端の上の燃焼ゾーンにおいて電池から流出する消耗空気によって燃焼し、排気ガスを発生する。この構成では、管状ＳＯＦＣの閉鎖端設計及びＡＦＴの利用に起因する空気流から燃料流を分離するのにシールを必要としない。

図１には、標準的な燃料電池の一例が示されている。周囲空気２がＳＯＦＣ式発電装置４に流入し、管８を介してキャップ付き燃料電池６に送られる。その後、空気は管を通って上方に戻り、復熱装置／燃焼ゾーンに流入するまで電池に沿って電子を運び、排出される（１２）。燃料は、燃料と再循環プレナム１９からの部分的に消耗した燃料１８を混合する燃料エジェクター１６を介してスタック４に流入するが、この場合、空気２の反対側の端部からスタック４に流入する。燃料はスタック活性／改質領域１７を電池の外側に沿って流れるにつれて、消耗することになる。部分的に消耗した燃料の一部は取り出されて、既述のように再循環されるが、残りの燃料は復熱装置に流入し、空気と混合されて排出される（１２）。このタイプの燃料電池の例については、パージ領域のようなさらなる改良が導入されるＧｉｌｌｅｔｔ他による米国特許第６，７６４，７８４号明細書において見出すことが可能である。

このタイプの設計によれば、空気と非消耗燃料が混合する揮発の恐れが軽減するが、例示の管・電池構成に関する複雑性が増すことになる。燃料電池６の中央部に沿って管８を追加するのは困難であり、スタックが脆弱になる。必要なのは、高価で複雑な管材料を必要とすることなく、スタックに燃料を供給することが可能な方法及び装置である。さらに、先行技術のスタックは、空気圧が燃料エジェクター１６からの燃料の圧力より高いので、空気が燃料空間内に漏出しないように、吸気プレナムを漏洩防止型にする必要がある。従って、やはり必要とされるのは、再循環燃料流への空気の混入を低減または排除する方法及び装置である。より重要なのは、先行技術によるスタック設計は、一方の端部が閉じた円筒形ＳＯＦＣには有効に機能することができるが、空気流路が極めて小さい扁平な管状ＳＯＦＣにはうまく機能することができない。こうした電力密度の高い燃料電池の場合、望ましい構成は両端が開放されていることであり、これによって、ＡＦＴは排除されるが、入口燃料内への空気の漏洩を阻止するという新たな問題をもたらすことになる。また、２つの開放端は、電池製作及び操作に関して、扁平な管状電池にとって好まれる。

先行技術に関する他の問題も存在するが、そのいくつかについては、さらに読み進めることで明らかになるであろう。

上記を考慮に入れた、とりわけ、電池の中央の３分の１区画に燃料を導入することによって空気及び燃料の流れを促進する方法及び装置は、本発明に整合するものである。本発明は、吸気口、一連の燃料電池、新燃料入口、燃料分配器、再循環プレナム、及び、排出口を備える燃料電池スタックによって固有の実施形態が得られる。燃料分配器からの新鮮な燃料が燃料電池スタックの中央の３分の１区画において燃料電池スタックに流入し、排出燃料流と再循環燃料流に分けられる。排出燃料流は一連の燃料電池の第１の部分に沿って排出口まで流れ、再循環燃料流は一連の燃料電池の第２の部分に沿って再循環プレナムまで流れて、燃料分配器における新燃料入口からの新燃料と混合する。再循環プレナムは燃料電池スタックの排出口から反対側の端部に配置されており、燃料電池スタックはシームレスの設計である。

関連実施形態において、再循環プレナム内部の圧力は、吸気口の位置にかかる圧力以上である。他の実施形態では、一連の燃料電池が直線状に延びていて、キャップが付いておらず、吸気口からの空気は、排気される前に単一燃料電池を１回通過する。吸気口からの空気が管を通って、キャップ付き燃料電池に流入する従来式に近いの構成を利用することも可能である。

もう１つの実施形態では、本発明によって、新鮮な燃料流が燃料電池スタックの中央の３分の１区画に流入して、排出燃料流と再循環燃料流に分けられるように構成された燃料電池スタックが提供される。少なくとも１つの燃料電池がキャップなしであって、空気供給源から空気を受け入れ、その空気を燃料電池スタックの一方の端部に配置された排出口に排出する。排出燃料流は、少なくとも１つの燃料電池を排気の方向に通過し、再循環燃料流は、少なくとも１つの燃料電池を空気供給源の方向に通過する。再循環燃料流を受け入れる再循環プレナムが、燃料電池スタックの排出口と反対側の端部に配置されており、燃料分配器が再循環燃料流と新燃料流を受け入れて、新鮮な燃料流を生成する。新鮮な燃料流の量は、排出燃料流の量にほぼ等しく、再循環プレナム内の圧力は、空気供給源からの圧力を超える。

関連実施形態では、新鮮燃料流が空気供給源よりも排出口に近い燃料電池スタックに流入する。再循環プレナムは高インピーダンス漏洩障壁によって空気供給源から分離され、空気供給源に近接して配置される。

本発明の他の実施形態も存在するが、それらについてはさらに詳細な説明を読み進めれば、明らかになるであろう。

実施例により、図面に基づいて本発明についてさらに詳述することにする。

本発明によれば、燃料分配器からスタック改質器の中央の３分の１区画に燃料を導入する燃料電池スタックが提供される。先行技術の場合、分配器からの燃料は空気の流入する端部とは反対側のスタックの端部に供給される。この構成では、内部障壁に漏洩があったとしても、燃料分配器からの新鮮な燃料と供給空気を混合させることはない。しかしながら、この構成では、電池構成内に複雑な管が必要になるだけではなく、高電力密度電池のような偏平な管状電池構造に関して同様に実施するためには経済的不利益及び製造上の問題を生じることにもなる。また、この構成においては、再循環している部分的に消耗した燃料に漏出した空気を混入させることになる潜在的可能性もある。

本発明によれば、燃料分配器からの新鮮な燃料がスタックの中間の第３部分に送り込まれる。この構成によって、再循環されることになっている燃料分配器からの燃料が、排出されることになっている燃料からすぐに分離される。燃料と空気との間の障壁における滲出によって、空気が燃料に対してではなく、燃料が空気に対して漏出することになるように、再循環中の燃料の圧力は流入空気の圧力より高く保つことが可能である。燃料はスタックの中央の３分の１区画に流入するので、空気／燃料障壁に到達するまでに、空気流中に漏出しても揮発性混合物を生じないほど十分に消耗する。さらに、この場合、再循環プレナムがスタックの排出口から反対側の端部に設置される。これによって、先行技術のシールレス設計の改良が維持される。空気流は、先行技術の慣例に従って空気を管に沿って電池の端部まで注入することなく、直接燃料電池に導かれるので、より容易に製造することが可能なワンススルー空気流設計が得られる。

本発明では管のない電池ワンススルー空気流設計が可能になるが、本発明の態様はマルチプルパス空気流設計並びに管内蔵電池構成に適用することも可能である。

本発明では、燃料分配器からの燃料が燃料スタックの中間の第３部分に注入される。この新たな燃料は新鮮な燃料と呼ぶことにするが、通常の当該技術者であれば明らかなように、実際には新鮮な燃料と部分的に消耗した燃料が混合されたものである。同様に、新鮮な燃料と混合されて再循環するか、または、空気と混合されて排出される部分的に消耗した燃料は、両方とも、消耗燃料または部分的消耗燃料と同義的に呼ぶことが可能であるが、当該技術では希薄燃料としても知られている。先行技術では、再循環または排出されることになっている消耗燃料は、同じ流れから出される。本発明では、新鮮な燃料がスタックに流入するとすぐにこれら２つの流れは分離される。従って、「排出燃料流」及び「再循環燃料流」という新たな用語は、両方とも本明細書においてそれぞれに用いられるものとする。

本発明では、燃料分配器はスタックの中央の３分の１区画に新鮮な燃料を注入する。これは、スタックがいつも決まって３つに分割されるわけではなく、そのように指示されているわけでもないので、ある程度は本発明の目的のための虚構の区画である。しかしながら、全て同様に、スタックは、下部と、中央と、上部の３分の１区画を備えており、本発明では、中央の３分の１区画に新鮮な燃料を注入する。特定の実施形態では、新鮮な燃料はスタックの中央部により近い位置に注入され、他の実施形態では、スタックの排出端により近い位置に注入される。燃料は、電池の両端における出口ネルンスト電圧を同じに保つため、電池の有効長の再循環部分に等しい距離だけスタックの上方において注入することも可能である。本発明は、管状電池並びにより偏平でより高電力密度（ＨＰＤ）の電池に対して同様に適用することが可能である。

図２を参照すると、本発明の実施形態の１つが示されている。図１に典型が示された先行技術とは異なり、本発明では、燃料エジェクター／再循環器１６からの燃料を中央の３分の１区画からスタックに注入するやり方が利用されている。これには、スタックの幅に沿って新鮮な燃料を均等に拡散させるためのパイプライン及び／または分配器２２が必要になる可能性がある。新鮮な燃料の一部２６は排出口に引き寄せられ、一方、残りの部分２８は再循環プレナム１９に引き寄せられる。シールレス設計では、消耗燃料と空気２が混合しないようにする高インピーダンス障壁２４が用いられる。しかしながら、再循環プレナム１９内の圧力は吸気口の圧力をすぐに超える可能性があるので、空気流から消耗燃料への漏出ではなく、消耗燃料から空気流へのいくらかの漏出が生じることになる。未反応漏出燃料は吸気プレナム内で燃焼し、電池内を通って、発電装置から流出する（１２）。代替設計では、燃料エジェクター／再循環器によって電池の各端部に配置された２つの再循環プレナムから再循環ガスが取り出される。

排出燃料２６の量対再循環燃料２８の量は約１：２である（３３％）。排出燃料の体積または量は、システムに供給される新たな燃料１４の量にほぼ等しい。高インピーダンス障壁２４はシールとは異なる。

本発明にシール構成を用いることも可能であるが、当該技術を顕著に改善したシールレス設計を利用するのが望ましい。さらに、本発明にキャップの付いていない電池及び管のない電池を用いることも可能であるが、これは、空気流が燃料電池内の単一通路を通ることができるということである。燃料電池を貫くこの単一通路設計は、空気自体がスタックを２回以上通過してから排出されるように構成することが可能である。図３には、Ｕ字形電池またはコネクタで結合された２つの電池とすることが可能なこうした構成の例が示されている。この構成の場合、再循環プレナム１９内の燃料圧は空気圧より高くなければならない、さもなければ、空気が再循環ガス内に漏出することになる。

図示のように、本発明を利用すると、２つの開放端を備えた管状ＳＯＦＣにおける高温シールの必要をなくすことが可能になる。先行技術による一方の端部が閉じた円筒形ＳＦＯＣはシールを必要としないが、空気供給管を必要とする。図には円筒形燃料電池が示されているが、本発明は、とりわけ両端が開いていて、電池毎に多数の小さい空気流路を備える偏平な管状ＳＯＦＣ（高電力密度ＳＯＦＣ）に適用可能である。一方の端部が閉じた偏平な管状ＳＯＦＣの場合、空気供給管の直径が空気流路に嵌めるには極めて小さく（高空気ポンプ能力）、円筒形ＳＯＦＣの場合の１つだけに比べて電池毎に多数（５〜１０）の空気供給管が必要になるので、空気供給管の利用は商業的に実行不可能である。もう１つのＳＯＦＣ設計は平面状であるが、これには高温シールが必要になる。平面状ＳＯＦＣの主たる利点は高電力密度であるが、主たる欠点はこれまで信頼できなかった高温シールを必要とする点にある。本発明による偏平な管状ＳＯＦＣの場合、シールの欠点をなくして、平面状ＳＯＦＣの高電力密度の利点を実現することが可能である。

キャップの付いていない電池を用いると、電池の内部に挿入される管も不要になる。上述のように、これによって燃料電池スタックの最も壊れやすい要素の１つが除去される。しかしながら、本発明の利点は、管内蔵電池構成にも利用することが可能である。図４には、この例が示されている。この構成では、空気は再循環ガス中に漏出することができない。

本発明の実施形態の１つによれば、吸気口、一連の燃料電池、新燃料入口、燃料分配器、再循環プレナム、及び、排出口を備える燃料電池スタックが得られる。燃料分配器からの新鮮な燃料は、燃料電池スタックの中央の３分の１区画において燃料電池スタックに流入し、新鮮な燃料は排出燃料流と再循環燃料流に分割される。排出燃料流は一連の燃料電池の第１の部分に沿って排出口まで流れ、再循環燃料流は一連の燃料電池の第２の部分に沿って再循環プレナムまで流れて、燃料分配器における新燃料入口からの新燃料と混合する。再循環プレナムは燃料電池スタックの排出口から反対側の端部に配置されており、燃料電池スタックはシールレスの設計である。

関連実施形態の場合、再循環プレナム内の圧力は吸気口の位置にかかる圧力以上である。他の実施形態では、一連の燃料電池が直線状に延びていて、キャップが付いておらず、吸気口からの空気は、排気される前に単一燃料電池を１回通過する。吸気口からの空気が管を通って、キャップ付き燃料電池に流入する従来式に近い構成を利用することも可能である。

代替実施形態において、吸気口からの空気は２つの燃料電池を通過してから排出される。燃料分配器からの新鮮な燃料は、燃料電池スタックの排出端により近い位置において燃料電池スタックに流入する。さらに、吸気口は燃料電池スタックの排出口から反対側の端部配置されている。もう１つの実施形態では、再循環プレナムは高インピーダンス漏洩障壁によって吸気口から分離されている。

いくつかの実施形態では、再循環燃料流に関連して配分された新鮮な燃料と排出燃料流との割合は１：４（２０％）〜１：１（５０％）である。改良された実施形態では、再循環燃料流に関連して配分された新鮮な燃料と排出燃料流との割合は約１：２（３３％）である。本発明のもう１つの実施形態によれば、燃料分配器からの新鮮な燃料が燃料電池スタックの中央の３分の１区画に流入し、この新鮮な燃料流が排出燃料流と再循環燃料流に分けられるように構成された燃料電池スタックが提供される。燃料電池の少なくとも１つは、キャップが付いておらず、空気供給源から空気を受け入れて、その空気を燃料電池スタックの一方の端部に配置された排出口に排出する。排出燃料流は排出口の方向において少なくとも１つの燃料電池を通過し、再循環燃料流は空気供給源の方向において少なくとも１つの燃料電池を通過する。再循環プレナムが再循環燃料流を受け入れるが、これは燃料電池スタックの排出口とは反対側の端部に配置されており、燃料分配器が再循環燃料流と新燃料流を受け入れて、新鮮な燃料流を生成する。新鮮な燃料流の量は、排出燃料流の量にほぼ等しく、再循環プレナム内の圧力は、空気供給源からの圧力を超える。実施形態によっては、燃料電池が偏平な管状酸化物固体電解質型燃料電池設計のものもある。

関連実施形態において、新鮮な燃料流は空気供給源よりも排出口に近い位置において燃料電池スタックに流入する。再循環プレナムは、高インピーダンス漏洩障壁によって空気供給源から分離されており、再循環プレナムは空気供給源に近接して配置されている。

本発明の具体的実施形態について詳述してきたが、当該技術者には明らかなように本開示の教示全体に鑑みて、それらの詳細に対してさまざまな修正及び代替実施形態を生み出すことが可能である。従って、開示の特定の構成は、単なる実施例を意図したものであり、特許請求の範囲の記載及びその同等物の全てを示すことになる本発明の範囲を制限するものではない。

先行技術の典型的な燃料電池を例示した図である。 キャップの付いていない直線状の燃料電池に関する本発明の実施形態の１つを例示した図である。 空気流が２つの電池を通過してから排出されるように構成されたキャップの付いていない燃料電池に関する本発明の実施形態の１つを例示した図である。 管内蔵電池構造を利用した本発明の実施形態の１つを例示した図である。

符号の説明

２ 吸気口
６ 一連の燃料電池
１２ 排出口
１４ 新燃料入口
１６ 燃料分配器
１９ 再循環プレナム
２４ 高インピーダンス障壁

Claims (18)

1. 燃料電池スタックであって、
   吸気口と、
   一連の燃料電池と、
   新燃料入口と、
   燃料分配器と、
   再循環プレナムと、
   排出口とを備えており、
   前記燃料分配器からの新鮮な燃料が前記燃料電池スタックの中央の３分の１区画において前記燃料電池スタックに流入するようにし、かつ前記新鮮な燃料が排出燃料流と再循環燃料流とに分けられ、
   前記排出燃料流が前記一連の燃料電池の第１の部分に沿って前記排出口まで流れるようにし、前記再循環燃料流が前記一連の燃料電池の第２の部分に沿って再循環プレナムまで流れて、前記燃料分配器における前記新燃料入口からの新燃料と混合するようにし、
   前記再循環プレナムが前記燃料電池スタックの前記排出口とは反対側の端部に配置してなり、
   前記燃料電池スタックはシールレス設計としてなることを特徴とする、
   燃料電池スタック。
2. 前記再循環プレナム内の圧力が前記吸気口の位置にかかる圧力以上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。
3. 前記一連の燃料電池が直線状であり、キャップが付いていないことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
4. 前記吸気口からの空気が、排出される前に単一燃料電池を１回通過す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。
5. 前記吸気口からの空気が管を通って、キャップ付きの燃料電池に流入す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。
6. 前記吸気口からの空気が２つの燃料電池を通過してから排出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。
7. 前記燃料分配器からの新鮮な燃料が前記燃料電池スタックの前記排出口により近い位置で前記燃料電池スタックに流入す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。
8. 前記吸気口が前記燃料電池スタックの前記排出口から反対側の端部に配置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。
9. 前記再循環燃料流に関連して配分された新鮮な燃料と前記排出燃料流との割合が１：４（２０％）〜１：１（５０％）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。
10. 前記再循環燃料流に関連して配分された新鮮な燃料と前記排出燃料流との割合が約１：２（３３％）であることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池スタック。
11. 前記再循環プレナムが高インピーダンス漏洩障壁によって前記吸気口から分離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。
12. 前記燃料分配器はさらに再循環器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。
13. 前記燃料分配器はさらにエジェクター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。
14. 燃料電池スタックであって、
    前記燃料電池スタックに中央の３分の１区画から流入し、排出燃料流と再循環燃料流に分けられる燃料分配器からの新鮮な燃料流と、
    キャップが付いておらず、空気供給源から空気を受け入れて、前期燃料電池スタックの一方の端部に配置された排出口に前記空気を排出する少なくとも１つの燃料電池とを備えるものにおいて、
    前記排出燃料流が前記排出口の方向において前記少なくとも１つの燃料電池を通過するようにし、前記再循環燃料流が前記空気供給源の方向において前記少なくとも１つの燃料電池を通過するようにし、さらに、
    前記再循環燃料流を受け入れる、前記燃料電池スタックの前記排出口とは反対側の端部に配置された再循環プレナムを備え、
    前記燃料分配器が前記再循環燃料流と新しい燃料流を受け入れて、前記新鮮な燃料流を生成するようにし、前記新鮮な燃料流の量が前記排出燃料流の量にほぼ等しいようにし、
    前記再循環プレナム内の圧力が前記空気供給源からの圧力より高いようにすることを特徴とする、
    燃料電池スタック。
15. 前記新鮮な燃料流が前記空気供給源よりも前記排出口に近い位置で前記燃料電池スタックに流入することを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池スタック。
16. 前記再循環プレナムが高インピーダンス漏洩障壁によって前記空気供給源から分離されていることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池スタック。
17. 前記再循環プレナムが前記空気供給源に近接して配置されていることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池スタック。
18. 前記燃料電池が偏平な管状酸化物固体電解質型燃料電池設計であることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池スタック。

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