JP2012506113A - 燃料電池スタックを含む燃料電池構成 - Google Patents

Abstract

燃料電池構成は、平面的な燃料電池で構成される多数の燃料電池スタック（１７，１７’）を含み、燃料電池スタックは順々に配置され、燃料電池スタックの各々は、負極側及び正極側のガスの吸入流及び排出流のためのガス接続部を備える。燃料電池スタック（１７，１７’）は、荷重軸支承構造として作用する締結面素子（２、２’）の上にタワーとして配置され、タワーは、タワーの締結面素子（２、２’）と反対側の端部に配置されるエンドピース（１９，１９’）を用いて、並びに、締結面素子とエンドピースとを接続する結合バー（１１，１１’）によって支持される。締結面素子（２，２’）は、負極側及び正極側ガスの両方のための吸入流及び排出流通路を備え、これらの吸入流及び排出流通路は、燃料電池スタックのガス接続部を構成するためにタワーと接続して配置されるタワーの共通の負極側及び正極側のガス管（６，６’；７，７’）に接続される。

Description

本発明は、平面的な燃料電池によって形成される多数の燃料電池スタック（積層体）を含み、スタックは順々に配置され、各スタックは、負極側及び正極側のガスの吸入流及び排出流のためのガス接続部を備える、請求項１の前文に従った燃料電池構成に関する。

負極側の燃料ガスを酸化することによって電子を解放し、負荷を生む外部回路に電子を通過させた後、酸素を減少することによって或いは他の還元剤を使用することによって正極側で電子を更に結合することによって、燃料電池を用いて電気エネルギを生成し得る。作用を生むために、各燃料電池は、燃料及び酸素又は他の還元剤を備えなければならない。普通、これは負極側及び正極側に燃料及び空気の流れを提供することによって行われる。しかしながら、典型的には、単一の燃料電池によって生成される電位差は小さいので、実際には、燃料電池ユニット、即ち、スタックは、多数の電池を電気的に直列に接続することによって、多数の燃料電池から製造される。その場合には、電圧を増大するために、別個のユニットを更に直列に接続し得る。各燃料電池ユニット、即ち、燃料電池スタックは、反応に必要な物質、即ち、燃料及び酸素（空気）を備えなければならない。反応生成物は、相応して、ユニットから離れる方向に輸送されなければならない。これは正極側及び負極側の双方のためのガス流を達成するためのガス流システムを必要とする。実際には、燃料電池工場内で、十分な電力を提供するために、燃料電池スタックを直列に接続し、直列に接続されたそのような組立体を更に並列に接続しなければならない。よって、電気流及びガス流の双方のための接続を形成することが問題であることは明らかである。

米国特許６６９２８５９Ｂ２は、燃料電池スタックのガス流を実現するための１つの解決策を開示している。この種類の解決策は、構成がより高い電力のものである場合には、最適ではない空間使用を伴う解決策をもたらす。

本発明の目的は、据付及び保守が容易であり、且つ、燃料電池スタックのガス流システムの設計が可能な限り簡単で、耐久性があり、空間使用が可能な限り最適化された燃料電池構成をもたらすことである。

本発明の目的は、請求項１に記載されるように並びに他の請求項により詳細に開示されるように達成され得る。本発明に従った燃料電池構成において、燃料電池スタックは、荷重軸支承構造として作用する締結面素子の上にタワーとして配置され、タワーは、タワーの締結面素子と反対側の端部に配置されるエンドピースを用いて、並びに、締結面素子とエンドピースとを接続する結合バーによって支持される。締結面素子は、負極側及び正極側ガスの両方のための吸入流及び排出流通路を備え、これらの吸入流及び排出流通路は、燃料電池スタックのガス接続を構成するためにタワーと接続して配置されるタワーの共通の負極側及び正極側のガス管に接続される。タワー構造及び支持構造として同時に作用する締結面素子を介したガスの導入は、空間及びエネルギ製造の有利な使用を伴う燃料電池構成を達成するために有利である。

燃料電池スタックが各吸入集電片の両側に配置されるよう、ガス管が別個の吸入集電片（インレット及びコレクタピース）を介して燃料電池スタックの負極側及び正極側の導管に接続されるならば、タワーを組み立てること及びそのガス流を作り出すことのための有利な解決策が達成される。よって、吸入集電片は、好ましくは、負極側ガス流のための吸入及び排出通路構成と、正極側ガス流のための吸入及び排出通路構成とを含み、両者は、両方の吸入集電片に並びにタワーの対応する共通のガス管に接続される燃料電池スタックの負極側及び正極側に相応して接続される。

吸入集電片の通路構成は、吸入集電片に対して吸入集電片の両側に配置される燃料電池スタックの端部が同じ電位の端子であるよう構成される。これはスタック間の電気絶縁が最小電位差の故に容易に配置されるという利点を有する。

吸入集電片は、好ましくは、結合バーによっても支持される。この目的のために、吸入集電片は、結合バーのための孔を備える。結合バーのための孔は、結合バーと吸入集電片との間で電気絶縁として作用する絶縁体を備える。これは、結合バーが燃料電池スタックから電気的に絶縁され、更に、締結基板が燃料電池スタックから電気的に絶縁されることを可能にする。

好ましくは、当該構成は、順々にタワーとして形成される吸入集電片を用いて接続される二対以上の２つの連続的な燃料電池スタックを含む。よって、タワーの高さを増大することによって、燃料電池によって必要とされる表面積を最小限化し得る。

ガス流を導入し且つタワーを支持するために、吸入集電片の断面積は、タワーに亘って燃料電池スタックの面積よりも大きいことが好ましい。よって、ガス管を介しても吸入集電片を互いに容易に接続することができ、ガス管は燃料電池スタックの外側に配置される。

実用的に好適な実施態様において、ガス管は各吸入集電片の間に据え付けられるベローズを備える。ガス管は、追加的に、順次配置される２つの吸入集電片の間に配置される通路片で構成される。

好ましくは、燃料電池タワーと締結面素子との間にも電気絶縁がある。

当該構成は、好ましくは、燃料電池スタックによって形成され且つ負極側及び正極側のガス流通路を含む同じ締結面素子に締結される多数の燃料電池タワーを含み、負極側及び正極側のガス流通路は、各燃料電池タワーの負極側及び正極側の導管に接続されるよう構成される。これはコンパクトな解決策をもたらすと共に、より大きな出力レベルの製造を可能にする。

以下に、付属の概略的な図面を参照して、一例として本発明を記載する。

本発明に従った燃料電池構成の１つの実施態様を示す原理図であり、多数の燃料電池スタックが、共通の締結面素子の上に据え付け得るタワーとして組み立てられている。 図１の燃料電池構成を下方から示す斜視図である。 開放された図１及び２の締結面素子を示す底面図である。 図１及び２の燃料電池構成に従った燃料電池スタックを構成する燃料電池タワーを示す斜視図である。 図４の燃料電池構成中に含まれる吸入集電片の実施態様を示す斜視図である。 図５の断面ＶＩ−ＶＩを示す断面図である。 本発明に従った燃料電池構成の１つの実施態様を示す原理図であり、多数の燃料電池スタックが、共通の締結面素子の上に据え付け得るタワーとして組み立てられている。 図７の燃料電池構成に従った燃料電池スタックを構成する燃料電池タワーを示す斜視図である。 多数の燃料電池タワーを含む燃料電池構成の電気配線を示す原理図である。

図１及び２は、平面的な燃料電池を含む燃料電池スタック１７によって形成される燃料電池構成の原理を例証しており、燃料電池スタック１７は、燃料電池タワー１に形成されている。燃料電池タワー１は、締結面素子２に螺入される結合バー１１を使用することによって、共通の締結面素子２の上に配置される。この実施態様において、全ての負極側ガス流及び正極側ガス流は、締結面素子２を介して配置され、それによって、困難な管貫通の量を最小限化し得る。この目的のために、締結面素子２は、燃料を導入するための開口３、燃料側反応生成物を排出するための開口４、空気を導入するための開口５、及び、使用済み空気を締結面素子２から離れる方向に方向付けるための開口６を備える。締結面素子２は、対応するガス流を燃料電池タワーに方向付け、締結面素子２を介して燃料電池タワーから戻すための開口を更に含む。

図１及び３から分かるように、締結面素子２は、各燃料電池タワー１のために、燃料を導入するための開口２ａ、空気を導入するための開口２ｂ、燃料側の排気のための開口２ｃ、及び、空気を排出するための開口２ｄを有する。ガス流は、異なる燃料電池タワー１を接続する共通の通路を介して（図２及び３を参照）、１２（燃料入口）、１３（空気入口）、１４（燃料側の排気）、及び、１５（空気の排気）を介して、締結面素子２に方向付けられる。通路は締結面素子２とその底部プレート２ｅとの間に留まる。締結面素子２は、追加的に、それらを通じて結合バー１１を通すための開口１０を備える。

図４は、２つの燃料電池スタック１７の間に吸入集電片（インレット及びコレクタピースピース）１８があるよう対に配置された多数の燃料電池スタック１７を含む単一の燃料電池タワー１を例証している。負極側ガス流及び正極側ガス流は、タワーの外側に配置されるガス管を使用することによって締結面素子２を介して達成され、その燃料吸入管６及び空気吸入管７が図４に示されている。図４に示されていないが、燃料側の排出管及び空気の排出管は、反対側に燃料電池タワー１と対称的に配置されている。これらのガス管の全ては、実際の燃料電池スタック１７を超えてタワーを横断して延びる吸入集電片１８を介して、燃料電池スタック１７に接続されている。

燃料電池タワー１の燃料電池スタック１７及び吸入集電片１８は、タワーの縁部に配置される結合バー１１によって支持され、結合バー１１は、エンドピース１９及び２０を用いてタワーを一体に維持している。結合バー１１は、絶縁体２３を用いて締結面素子２の通路から緊密に絶縁されている。結合バー１１は、吸入集電片１８を通じて自由にそれらの長手方向に延びるよう配置され、それによって、当該構成はその部分の上で完全に浮遊的である。結合バー１１は、例えば、スリーブ（図４を参照）を用いて吸入集電片１８からも絶縁される。絶縁スリーブを用いて、結合バー１１及び吸入集電片１８を互いに電気的に絶縁し、よって、結合バー１１及び吸入集電片１８を異なる電位に維持し得る。相応して、エンドピース１９内の結合バー１１の取付け地点で絶縁スリーブ１８（詳細には図示されていない）を有利に使用することも可能であり、よって、エンドピース１９を結合バー１１と異なる電位に維持することも可能である。

結合バー１１は、締結構成を追加的に備え、締結構成は、図面の解決策では、バネ２４と、それらの間に接続される締結ナットとを含む。このために、ガス管は、実際には、吸入集電片１８と締結面組立体２との間の管部分から組み立てたられ、図４に示されるように、ベローズを備える。燃料電池タワー１は、ネジ及びボルトでエンドピース２０を用いて締結面素子２に別個に締結される。エンドピース２０は、絶縁体２１及び２２を用いて、実際のタワー及び締結面素子２から絶縁される。

固体酸素燃料電池に基づく構成がそうであるように、特に高温構成である本発明を用いて製造される燃料電池構成を使用するとき、異なる動作段階の間に、構成の部分に相当な温度変化がある。本発明に従った装置は、極めて良好な熱膨張の制御を可能にする。長い結合バー１１及びバネ２４を有する締結構成は十分な圧縮力をもたらすが、他方、吸入集電片１８の浮遊的な接続は、様々な接続部において均一な圧縮力を可能すると同時に、過剰な張力の形成を解消する。更に、本発明に従った構成は、締結面素子からの燃料電池タワーの電気の生成の効率的な絶縁を可能にする。

図５及び６は、吸入集電片１８の設計の１つの実用的な実施態様を例証している。負極は、吸入管６（ここには図示されていない、図４を参照）と接続する通路１８ａを介して導入され、それによって、燃料電池スタックとの接続は通路１８ａ１及び１８ａ２を介して構成されるので、それは燃料電池スタックの対応する側面全体を使用して実施される。従って、排気は通路１８ｃ１及び１８ｃ２を介して実施され、通路１８ｃ１及び１８ｃ２は、排出通路１８ｃと接続され、そこを通じて、更に排出管（ここには図示せず）に至る。相応して、正極ガスは通路１８ｂを介して導入され、通路１８ｂは、吸入管７（ここには図示せず、図４を参照）と接続され、それによって、燃料電池スタックとの接続が通路１８ｂ１及び１８ｂ２を介して構成されるので、それは燃料電池スタックの対応する側面全体を使用しても実施される。従って、排気は通路１８ｄ１及び１８ｄ２を介して実施され、通路１８ｄ１及び１８ｄ２は、排出通路１８ｄと接続され、そこを通じて、更に排出管（ここには図示せず）に至る。開口１８ｅは、そこを通じて結合バー１１を通すためである。燃料電池スタックの全ての吸入集電片１８は類似の設計であり得る。図５は、流管と接続する絶縁スリーブを使用することも示している。ここでは、絶縁スリーブは、例えば、通路１８ｂ及び１８ｄと接続してのみ示されている。

図５及び６から分かるように、吸入通路及び排出通路の一部は、ここでは、最小の直径を有する負極側通路は、空間の使用のために有利であるよう、燃料電池スタックの断面レベルの中心部に配置される。所望であれば、例えば、全てのガス管が燃料電池スタックの隅部に配置されるよう、他の種類の配置も使用し得る。

図７は、本発明に従った燃料電池構成の１つの実施態様の原理図であり、多数の燃料電池スタックが、共通の締結面素子２’の上に据え付けられた燃料電池タワー１’として組み立てられている。この実施態様は、タワー内への空気の吸入（管７）及びタワーからの空気の吸入（図面には詳細に示されていない）のみが締結面素子２’とタワーとの間で直接的に実施される点で、図１の実施態様と異なる。燃料の吸入及び排出は、締結面素子２’を介しても実現されるが、タワー１’及びそれらの垂直流管に直接的に接続されておらず、別個の分配配管６’及び８’を介して接続されている。締結面素子２’に向かう並びに締結面素子２’から離れる吸入流及び排出流は、締結面素子２’の下、或いは、その側部（詳細には示されていない）で遂行される。更に、実際には、図１及び７の燃料電池構成全体は機密絶縁体ケーシングによって覆われる。

図８は、図７の燃料電池構成に従った燃料電池スタックから構成される単一の燃料電池タワー１’を例証している。その設計は、管６”及び８”を介して上から遂行される燃料の吸入及び排出を除き、図４の燃料電池タワー１の設計と類似している。この故に、吸入集電片１８’に接続される流管は、締結面素子２’まで直接的に延びない。

図９は、多数の燃料電池タワーの間の電気接続の原理を示している。本発明によれば、締結面素子に最も近いものが第一の燃料電池スタック１７であり、次に近いものが第二の燃料電池スタック１７である等であるよう、各燃料電池スタック１７は、締結面素子からその独自の序数を有する。電気接続は、導体２５を用いて、導体２５を用いて同じ数を有する燃料電池スタック１７を互いに直列に接続することによって実施される。これは異なる電位を有する端子２６，２７を互いに接続することによって達成される。締結面素子からのスタックの序数は、締結面からの距離にも影響を及ぼすので、距離、即ち、高さの差は、様々な距離の間の温度差も引き起こす。燃料電池の温度は、燃料電池の動作に影響を及ぼすので、上述の接続は、同じ電気直列接続が同じ温度で動作する燃料電池スタック１７を有し、それによって、それらの電気製造が可能な限り互いに近接するという利点をもたらす。

燃料電池スタック１７は導電性を有し、燃料電池スタックはそれらの端子２６，２７がスタックの両端にあるよう設計される。燃料電池は、同じ電位を有する端子が常に燃料電池スタックの吸入集電片１８と同じ端部にあるよう更に配置される。これは吸入集電片１８に亘る電位差が比較的小さいままであり、それによって、吸入集電片１８と燃料電池スタック１７との間の電気絶縁が相応して極めて効果的に絶縁的である必要はないという利点をもたらす。対応して、２つの燃料電池スタック１７の間の絶縁は、極めて好適的に絶縁的である必要はない。何故ならば、これらの端部も、同じ電位のための端子２７を有するからである。

図４、８、及び、９から分かるように、燃料電池スタック１，１’において、燃料電池スタックの水平な表面の如何なる不規則性をも円滑化するために、互いに重なり合って配置される燃料電池スタック１７，１７’の間にアダプタプレートが使用される。

本発明は開示の実施態様に限定されず、付属の請求項の範囲内で、それらの幾つかの変更を着想し得る。

Claims (11)

1. 平面的な燃料電池によって形成される多数の燃料電池スタックを含み、該燃料電池スタックは、順々に配置され、各燃料電池スタックは、負極側及び正極側のガスの吸入流及び排出流のためのガス接続部を備える、燃料電池構成であって、
   前記燃料電池スタックは、荷重軸支承構造として作用する締結面素子の上に、該締結面素子とは反対側の端部に配置されるエンドピースによって、並びに、前記締結面素子と前記エンドピースとを接続する結合バーによって支持されるタワーとして配置されること、並びに、前記締結面素子が、負極側及び正極側の両方のための吸入流及び排出流通路を備え、該吸入流及び排出流通路は、前記燃料電池スタックへのガス接続をもたらすために、前記タワーと接続して配置される前記タワーの共通のガス管に接続されることを特徴とする、燃料電池構成。
2. 前記ガス管は、燃料電池スタックが各吸入集電片の両側に設けられるよう、別個の吸入集電片を介して前記燃料電池スタックの前記負極側及び正極側の導管に接続されること、並びに、前記吸入集電片は、負極側ガス流の吸入及び排出通路構成と、正極側ガス流の吸入及び排出通路構成とを含み、それらは、各吸入集電片に並びに前記タワーの対応する共通のガス管に接続される前記燃料電池スタックの前記負極側及び正極側に相応して接続されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池構成。
3. 前記吸入集電片の前記通路構成は、前記吸入集電片に対して前記吸入集電片の両側に配置される前記燃料電池スタックの端部が同じ電位を有する端子であるよう構成されることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池構成。
4. 前記吸入集電片は、前記結合バーに支持されることを特徴とする、請求項２又は３に記載の燃料電池構成。
5. 前記吸入集電片は、前記結合バーのための貫通孔を備えること、並びに、前記貫通孔が、前記結合バーと前記吸入集電片との間で電気絶縁として作用する絶縁体を備えることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池構成。
6. 当該構成は、タワーに形成される、吸入集電片を用いて順々に接続される２つ又はそれよりも多くの対の燃料電池スタックを含むことを特徴とする、請求項２乃至５のうちのいずれか１項に記載の燃料電池構成。
7. 前記燃料電池タワーを横断する前記吸入集電片の断面積は、前記燃料電池スタックの面積よりも大きいこと、並びに、前記吸入集電片は、前記ガス管を介して互いに接続され、該ガス管は、前記燃料電池スタックの外側に配置されることを特徴とする、請求項２乃至６のうちのいずれか１項に記載の燃料電池構成。
8. 前記ガス管は、各吸入集電片の間に据え付けられるベローズを備えることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池構成。
9. 前記ガス管は、２つの連続的な吸入集電片の間に配置される通路片で構成されることを特徴とする、請求項７又は８に記載の燃料電池構成。
10. 前記燃料電池タワーと前記締結面素子との間に電気絶縁体が設けられることを特徴とする、請求項１乃至９のうちのいずれか１項に記載の燃料電池構成。
11. 当該構成は、燃料電池スタックによって形成される多数の燃料電池タワーを含み、該タワーは、各燃料電池タワーの前記負極側及び正極側導管に接続されるよう配置される負極側及び正極側のガス流通路を含む同じ締結面素子に取り付けられることを特徴とする、請求項１乃至１０のうちのいずれか１項に記載の燃料電池構成。

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