JP2012506114A - 燃料電池構成 - Google Patents

Abstract

燃料電池構成（１）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（２）を含み、燃料電池スタックは順次配置され、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（２）は、エンドピース（５）、締結面素子（３）、及び、それらを接続する連結バー（６）を用いて、締結面素子（３）上に位置付けられて共に配置される。ガス接続部は、各燃料電池スタックの第一表面（２．１）上に配置される負極側及び正極側の導管を含む。燃料電池構成は、少なくとも２つの連続的な燃料電池スタック（２）を含み、燃料電池構成の負極側及び正極側の導管は、第一表面（２．１）に対して２つの連続的な燃料電池スタック（２）の間に配置される共通の吸入集電片（４．１，４．２）と接続される。

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、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、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交換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達成され、且つ、他の請求項により詳細に記載されるように達成される。本発明に従った燃料電池構成は、燃料電池スタックを含み、燃料電池スタックは、共に接続される平面的な燃料電池によって形成され、且つ、エンドピース、締結面素子、及び、それらを接続する連結バーを用いて、締結面素子の上に配置される。本発明の更なる特徴的な機能は、ガス流接続部が、燃料電池スタックの第一表面の上に配置される負極側及び正極側の導管を含むこと、並びに、当該構成が、順次配置される少なくとも２つの燃料電池スタックを含み、負極側及び正極側の導管は、前記２つの連続的な燃料電池スタックの第一表面に対して配置される共通の吸入集電片（インレット及びコレクタピース）と接続されることである。これはガス交換及びスタックの熱膨張のための有利な解決策を可能にする。

燃料電池スタックは、同じ電位を有する燃料電池スタックの端子が吸入集電片の両側で互いに面し合うよう配置される。これは最小電位差の故にスタック間に電気絶縁体を配置するのが容易であるという利点を有する。

好ましくは、当該構成は、タワーとして順次形成される吸入集電片を用いて接続される少なくとも二対の２つの連続的な燃料電池スタックを含む。これは空間の効率的な利用を可能にする。吸入集電片は、負極側及び正極側の共通のガスパイプに接続され、共通のガスパイプを介して、燃料電池スタックと締結面との間のガス移転が行われる。好ましくは、ガスパイプは、熱膨張を補償するために、各吸入集電片の間に据え付けられるベローズを備える。

吸入集電片内の連結バーのための孔は、連結バーと吸入集電片との間の電気絶縁体として作用する絶縁体を備える。これは連結バー及び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。

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る多数のタワーを含み、燃料電池スタックは、負極側及び正極側のためのガス流通路を含む同じ締結面素子に取り付けられ、ガス流通路は、吸入集電片を介して、負極側及び正極側のダクトに接続される。電気接続は、異なるタワー内で直列に締結レベルで燃料電池スタックを互いに接続することによって行われる。

以下に、付属の概略的な図面を参照して、本発明をより詳細に記載する。

本発明に従った燃料電池構成の１つの実施態様を示す概略図である。 図１の断面ＩＩ−ＩＩを示す断面図である。 本発明に従った燃料電池構成に含まれる吸入集電片の実施態様を示す概略図である。 図３の断面ＩＶ−ＩＶを示す断面図である。 多数の燃料電池構成の接続原理を示す概略図である。

図１及び２は、平面燃料電池を含む所謂スタック２から成る燃料電池構成１の原理を例証している。燃料電池２は締結面素子３の上で燃料電池タワーに構成され、タワーの第一端部は、連結バー６を用いてスタックを押し付ける第一エンドピース５を含む。連結バー６は、締結面素子３から第一エンドピース５に延び、それらは、少なくとも締結面素子３に面する端部に、締結構成７を備える。締結構成７は、好ましくは、バネによって製造され、その締結力は、連結バー６との関係で提供される締結ナットを用いて、適切であるように調節される。連結バー６は、本質的に防気性のスリーブのような空間３’を介して締結面を通過し、それによって、バネ及び連結バー６は、燃料電池スタックの側よりも低い温度にある。よって、バネの作動及び耐久性は、より高い温度、典型的には５００℃を超える温度にある燃料電池スタックの側よりも良好な条件にある。

本発明によれば、燃料電池スタックのガス接続部は、燃料電池スタックのガス導管が１つの表面だけを介して、この場合には、第一表面２．１だけを介して配置され、それによって、負極側及び正極側のガス導管の双方が燃料電池スタックの同じ表面上にあるよう設計される。その燃料電池構成において、燃料電池スタックは、２つの燃料電池スタックが第一表面２．１のガス導管を介して常に共通の吸入集電片４．１，４．２と接続するよう互いに適合される。よって、これらの２つの燃料電池スタックのガス交換が共通の吸入集電片４．１，４．２を通じて達成される。よって、燃料電池の対は、２つの吸入集電片４．１，４．２の間で互いに面し合う。

吸入集電片の面積は、燃料電池スタックの面積よりも大きく、それによって、吸入集電片は、燃料電池スタックの外縁部を超えて延在する。その構成において、連結バー６は、吸入集電片４．１，４．２を通じて長手方向に自由に走るよう配置されるので、その点において、その構成は浮遊的である。連結バー６も吸入集電片４．１，４．２に対して本質的に垂直である。好ましくは、吸入集電片用の孔は、絶縁スリーブ８を備え、絶縁スリーブ８は、連結バー６と吸入集電片との間の電気絶縁体として作用すると同時に、吸入集電片を支持する。絶縁スリーブ８を用いて、吸入集電片を互いに電気的に絶縁可能であり、よって、異なる電位に維持し得る。相応して、エンドピース５も、連結ボルトの締結地点に絶縁スリーブ５．１を含み、よって、エンドピース５も連結バー６の電位と異なる電位に維持し得る。本発明に従って提供される燃料電池構成を使用するとき、その構成は高温構成であり、その構成は固体酸素燃料電池に基づくので、相当な温度変化が稼働の異なる段階において生じる。しかしながら、本発明に従った構成は、熱膨張の良好な制御を可能にする。長い連結バー６及びバネを有する締結構成７は十分な圧縮力をもたらすが、他方では、吸入集電片４．１，４．２の浮遊接続は、様々な接続体内で均一な圧縮力を許容しながら、過剰な応力の形成を排除する。

締結面素子３は、好ましくは、各燃料電池タワーのための負極側ガス流通路３．１及び正極側ガス流通路３．２の双方が締結面素子３と一体化されるよう設計される。締結面素子３は、構造ブラケットフレームとして作用すると同時に、締結面素子３は、明らかに異なる温度を有する別個の２つの領域又は空間の分離も行う。締結面素子３のガス流通路３．１，３．２から第一吸入集電片４．１にガス管が配置される。ガス管は、吸入集電片４．１及び４．２の間に配置される通路ピースを用いて、２つの連続的な吸入集電片４．１及び４．２も接続する。

第一吸入管９．１１が、流れ通路３．１と流体連絡するよう、負極ガス（燃料ガス）の第一吸入管９．１１は、その第一端部で、負極側流れ通路３．１の場所で締結面に取り付けられる。第一燃料ガス吸入管９．１１は、その一端部で、第一吸入集電片４．１に締結される。第一吸入集電片４．１は、第一通路４．１１を含み、負極ガスは、第一通路４．１１を介して、２つの燃料電池スタックに方向付けられ、更に、燃料ガスの第二吸入管１０．１１に方向付けられ、負極ガスは、第二吸入管１０．１１を介して、タワーの次の燃料電池スタックに方向付けられる。

相応して、第一吸入管９．２１が、流れ通路３．２と流体連絡するよう、正極ガスの第一吸入管９．２１も、その第一端部で、正極側流れ通路３．２の場所で締結面に取り付けられる。第一正極ガス吸入管９．２１は、その一端部で、第一吸入集電片４．１に締結される。第一吸入集電片４．１は、第二通路４．１２を含み、正極ガスは、第二通路４．１２を通じて、２つの燃料電池スタックに方向付けられ、更に、第二正極ガス吸入管１０．２１に方向付けられる。各吸入管は、ベローズ又は類似物を備え、さもなければ温度変化によって引き起こされる応力を補償する。

図１に示される燃料電池構成において、２つの最低の燃料電池スタック２は、共通の吸入集電片４．１に面するよう適合されており、これらの２つの燃料電池スタックのガス移転は、共通の吸入集電片４．１を介して行われる。多数の燃料電池スタックを積層して対で配置可能であり、それによって、各燃料電池対のガス移転は、専用の吸入集電片を通じて行われる。

タワーの他端部は、同様に連結バー６を用いてスタックを圧縮する第二エンドピース１２を備える。燃料電池タワーを締結面から絶縁するために、締結面と第二エンドピース１２との間に電気絶縁体１３が設けられる。第二エンドピース１２及び絶縁体１３の双方は、吸入管９．２１，９．１１のための開口を備える。よって、吸入管は、締結面素子３まで延びない。

図２は、第一吸入集電片４．１と接続して配置される負極ガス排出管９．１２及び正極ガス排出管９．２２も例証している。図２は、締結面素子３が、各運用によって要求されるような燃料電池タワーに導入されるべき負極ガス及び正極ガスの双方並びに燃料電池タワーから排出されるべき負極ガス及び正極ガスの双方のためのガス流れ通路を備えることも示している。付記されたように、好ましくは、締結面素子３を介して燃料電池タワーの全てのガス流の吸入及び排出を配置し得る。代替的に、締結面素子３の通路に接続せずに、別個の管を通じて吸入集電片４．１，４．２を通じて提供されるガス流の一部を配置し得る。この場合には、例えば、吸入は別個の管を通じて行われ、相応して、排出流は締結面素子３を介して方向付けられ、或いは、例えば、正極側の流れ、即ち、吸入及び排出は、締結面素子３を通じて提供される。

燃料電池スタックは導電性であり、燃料電池スタックはそれらの端子がスタックの両側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と同じ側にあるよう更に配置される。よって、本発明によれば、燃料電池タワーの燃料電池スタックは、同じ電位を有する両端部が互いに面し合うよう構成される。これによって、吸入集電片４．１，４．２に亘る電位差は相当に小さいままであり、相応して、吸入集電片と燃料電池スタックとの間の電気絶縁は極めて効果的な絶縁である必要はないという利点がもたらされる。相応して、２つの燃料電池スタックの間の絶縁１８は極めて効果的な絶縁である必要はない。何故ならば、これらの両端部も同じ電位のための端子１６を有するからである。

図３及び４は、吸入集電片４．１の設計の１つの実用的な実施態様を例証している。負極ガスは吸入管９．１１（図示せず、図２を参照）と接続する通路４．１１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が燃料電池スタックの全ての対応する側面を使用して行われるよう、燃料電池スタックとの接続は通路４．１１１及び４．１１２を介して配置される。相応して、排気は排出通路４．１３と接続する通路４．１３２及び４．１３１を介して行われ、更に、排出通路４．１３を通じて、排出管９．１２（図示せず、図２を参照）に至る。相応して、正極ガスは吸入管９．２１（図示せず、図２を参照）と接続する通路４．１２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が燃料電池スタックの全ての対応する側面を使用して行われるよう、燃料電池スタックとの接続は通路４．１２１及び４．１２２を介して行われる。相応して、排気は排出通路４．１４と接続する通路４．１４２及び４．１４１を介して行われ、更に、排出通路４．１４を通じて、排出管９．２２（図示せず、図２を参照）に至る。開口４．１５は、連結バー６がそこを通るためである。燃料電池スタックの全ての吸入集電片は設計において類似し得る。

図３及び４から分かるように、空間使用のためには、吸入通路及び排出通路の一部、ここでは、より小さい直径を有する負極側通路を、図２の原理図に示されるような隅部からではなく、燃料電池スタックの断面平面内の中央部に配置することが好ましい。これはタワーの安定性に影響を及ぼさない。何故ならば、燃料電池スタックの支持は、開口４．１５を通じて対称的に配置される連結バー６を用いて提供されるからである。図面から分かるように、この実施態様において、連結バー６は、ガス流吸入管及び排出管よりも実際の燃料電池タワーに近接している。

図５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３に最も近接するのが第一の燃料電池スタックであり、次に近接するのが第二の燃料電池スタックである等であるよう、各燃料電池スタックは、締結面素子３から独自の序数を有する。電気接続は、同じ数を有する燃料電池スタック２を導体２０と互いに直列に接続することによって行われる。これは異なる電位を有する端子１５，１６；１５’，１６’を互いに接続することによって達成される。締結面からのスタックの序数も、締結面からのその距離に影響を有し、実際には、タワーは、好ましくは、垂直であるので、その距離、即ち、高さの差は、異なる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２を有し、それによって、それらの電気生成が可能な限り互いに近接するという利点をもたらす。

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

Claims (9)

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、前記燃料電池は順次配置され、各燃料電池は、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、エンドピース、締結面素子、及び、前記エンドピース及び前記締結面素子を接続する連結バーを用いて、前記締結面素子上に位置付けられて共に配置されること、前記ガス接続部は、前記燃料電池スタックの第一表面の各々の上に配置される負極側導管及び正極側導管を含むこと、並びに、当該燃料電池構成は、順次配置される少なくとも２つの燃料電池スタックを含み、当該燃料電池構成の前記負極側導管及び前記正極側導管は、前記第一表面に対して前記順次配置される２つの燃料電池スタックの間にある共通の吸入集電片と接続されることを特徴とする、
   燃料電池構成。
2. 前記燃料電池スタックは、同じ電位を有する端子を備える前記燃料電池スタックの両端部が前記吸入集電片に互いに面し合うよう、前記吸入集電片の両側に据え付けら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. タワー内に形成される吸入集電片を用いて順次接続される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１又は２に記載の燃料電池構成。
4. 前記吸入集電片は、前記タワーの共通の負極側ガス管及び正極側ガス管に接続されることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池構成。
5. 前記負極側ガス管及び前記正極側ガス管は、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４に記載の燃料電池構成。
6. 前記負極側ガス管及び前記正極側ガス管は、２つの連続的な吸入集電片の間に配置される通路片から構成されることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池構成。
7. 前記吸入集電片内の前記連結バーのための孔が、前記連結バーと前記吸入集電片との間の電気絶縁体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３に記載の燃料電池構成。
8. 前記燃料電池スタックによって形成される多数のタワーを含み、該タワーは、負極側及び正極側のためのガス流通路を含む同じ締結面素子に締結され、前記ガス流通路は、前記吸入集電片を介して前記負極側及び正極側の前記燃料電池スタックの前記導管と接続されることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池構成。
9. 前記燃料電池スタックによって形成される多数のタワーを含むこと、並びに、前記電気接続は、互いに順々に対応する前記燃料電池スタックを直列に接続することによって行われることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池構成。

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