JP2013519197A - セルスタックシステム - Google Patents

Abstract

複数の異なる高さに配置されたセルスタック（３２）に電解質液を供給するためのシステム（１０）は、異なる高さに１つずつ、電解質液を入れるための複数の定水頭供給タンク（１２）を備える。各供給タンク（１２）は、電解質液の表面が大気圧であることを確保するように適合され、かつ電解質液をセルスタックに供給し、越流ダクト（１８）が組み込まれて、電解質液を一定レベルに保持する。システムは、電解質液貯蔵タンク（２０）と、電解質液貯蔵タンク（２０）から最も上の供給タンク（１２）に電解質液を供給するための手段（２４、２６）とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体が全てのセルスタックを通過して流れることができる、いくつかのセルスタックを含むシステムに関する。

燃料電池は、相対的にクリーンで効率的電力原と認識されている。アルカリ燃料電池は、相対的に低温で動作し、効率的かつ工業環境での動作に適しているので、特に関心の対象である。水溶液の電解質を用いる酸燃料電池及び燃料電池も関心の対象である。これらの燃料電池は、通常、燃料ガスチャンバ（典型的には水素である燃料ガスを収容する）から分離された電解質液チャンバと、さらに別のガスチャンバ（通常空気である、酸化物ガスを収容する）を備える。電解質液チャンバは、電極を用いてガスチャンバから分離される。アルカリ燃料電池の典型的な電極は、典型的にはニッケルであり電極に機械的強度を与える伝導性金属メッシュを備える。金属メッシュ上には、例えば活性炭素及びプラチナ等の触媒金属を含有する触媒が堆積される。単一の燃料電池は大きな電圧を発生しないので、通常は多くの燃料電池をスタックに組み立てて、より大きな電力出力を提供することが望ましい。

いくつかの目的に対しては、多くのスタックを組み立てて、さらに大きな電力出力を提供する必要があり、この点において、各スタックに電解質液を与えることと、十分に均一な流量を確保することが問題である。電極がスタックにおいて実質的に水平面に配置され、かつ共通ソースから供給される場合は、スタックにおいて異なる高さにある電解質液チャンバ間で相当の差圧が生じる。電極がスタックにおいて実質的に垂直面に配置される場合は、各電解質液チャンバの最上部と最低部間で差圧が生じる。水溶液の電解質については、差圧は、高低差１５０ｍｍに対して約１５ｍｂａｒ（１．５ｋＰａ）である。燃料電池において、セルの電気的性能は、このような圧力変動に対して敏感であるため、セルスタック内及びセルスタック間の圧力変動は最小化しなければならない。

本発明のシステムは、従来技術の１つ又はそれ以上の問題に取り組み又はこれを軽減する。

本発明によると、異なる高さに少なくとも１つのセルスタックをもつ、複数の異なる高さに配置されたセルスタックに電解質液を供給するためのシステムが与えられ、本システムは、異なる高さに１つずつ、それぞれ電解質液の表面が大気圧であることを確保するように適合され、かつ少なくとも１つのセルスタックに電解質液を供給するよう適合された、電解質液を入れるための複数の供給タンクと、電解質液貯蔵タンクと、電解質液貯蔵タンクから最も上の供給タンクに電解質液を供給するための手段と、を含み、各供給タンクは、越流堰と該堰と連通する出口ダクトとを組み入れ、最も低い供給タンクを除く各供給タンクについて、出口ダクトは越流する電解質液をより低い高さの供給タンクに供給するよう配置される。

セルスタックは、電解質液が連続的に通って流れ、各セルスタックから流れ出る電解質液を電解質液貯蔵タンクに供給することができるセルスタックであることが望ましい。これは、単に電解質液貯蔵タンクと連通する受動ドレインダクトを含むこともできるが、ポンプを備えてもよい。各セルスタックからの出口は、例えば板あるいは可変バルブを通る制限開口部など、流量制限装置を含んでもよい。

同一の高さに複数のセルスタックがある場合、これらのセルスタックは、それぞれの供給ダクトによって同一の供給タンクから供給されることが好ましい。各供給ダクトに沿った圧力低下は、実質的に同一である。例えば、供給ダクトは同じ長さ及び幅のものであることができ、或いは単一の供給ダクトを、それぞれ実質的の同じ長さ及び幅の複数の供給タクトに分割してもよく、これらの供給ダクトは、再度複数の供給ダクトに分割して、連続して分割する樹形構造を形成してもよい。

電解質液貯蔵タンクは、最も低い供給タンクの下にあり、最も低いタンクからの出口ダクトが電解質液貯蔵タンクに供給することが好ましい。最も高い供給タンクに電解質液を供給する手段は、ポンプを備えることが好ましい。改良において、システムは、最も低い供給タンクの下に、使用した電解質液を集めるための液だめと、電解質液を液だめから最も高い供給タンクの上にある電解質液貯蔵タンクに供給するためのポンプを備えることが好ましい。この実施形態において、電解質液貯蔵タンクは、それ自体、液だめに対する定水頭越流フィードバックを組み込み、一定流量で最上部供給タンクに電解質液を供給する。

好ましい実施形態において、電解質液は、一般的に上向きの方向で各セルスタックを通って流れ、セルスタックの底部近くでセルスタックに流れ込み電解質液チャンバを抜けて上向きに流れて、セルスタックの上部近くの出口から出るように配置される。出口を出て流出する電解質液は、大気圧に近いことが好ましい。例えば、各セルスタックは、流出する電解質液が流れ込むタンク又は箱に囲まれることが好ましく、電解質液は、セルスタックからタンクへ少しずつ流れ、次いで越流ダクトから少しずつ流れ出て、液だめ又は電解質液貯蔵タンクに戻ることができる。

この好ましい実施形態においては、セルスタックには、貫流する空気が供給され、及び水素等の燃料ガスも供給される燃料電池スタックであり、空気は、セルスタックを囲むタンク又は箱に回収され、同一の流出ダクトを通って抽出される。燃料電池スタックからの燃料ガスの漏れがあると、空気流とともに運ばれて、それにより希釈される。本システムは、空気流中の水素を検知するためのセンサを組み込むことができる。

このように、本システムは、単一のポンプを用いて、異なる高さの多数のセルスタックに電解質液を供給するための、単純でわかりやすい方法を提供する。各セルスタックの出口で流量制限を与える可変バルブは、システムの設定中に調整する必要があるが、その後は調整を必要としない。

本システムは、特に燃料電池スタックに好適であるが、例えば水を電気分解して水素と酸素を発生させる、電気分解電池スタックでも活用することができる。

以下で、例示の方法のみにより、添付する図面を参照しながら、本発明をさらに、より具体的に説明する。

４つの異なる高さに配置された１６個の燃料電池スタックを組み込んだ、本発明のシステムの透視図である。 図１のシステムのコンポーネント間の流れ接続を示す垂直断面図である。

燃料電池は、電解質液で分離された陽極と陰極の２つの電極からなり、各電極は、それぞれのガス流と接触する。電極において発生する化学反応によって、電解質液を通ってイオンを移動させ、外部回路において電流が発生する。慣習的に、燃料電池をスタックに配置して、単一の燃料電池から入手可能なより、大きな電圧と電力出力を得る。各燃料電池スタックには、適切な流体を供給しなければならない。例えば、電解質液は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）の水溶性溶液、ガス流は水素、及び空気又は酸素とすることができる。以下に説明するシステムでは、ＫＯＨ電解質液と空気流とが同時に燃料電池スタックを貫流し、一方別個の水素流が、貫流せずに、各セルスタックに同時に供給される。

ここで図１を参照すると、本発明のシステム１０が示され、システム１０には、１６個の燃料電池スタックモジュール１１が４つの異なる高さに配置され、４個の燃料電池スタックモジュールの組が、それぞれの高さに配置される。各組の４つのモジュール１１は互いに水平である。システムは、モジュール１１の各組に対して１つずつ、４つの異なる定水頭タンク１２を含む。各定水頭タンク１２について考えると、電解質液は、Ｔ字接続で２つのダクト１５に分岐する出口ダクト１４を通って供給され、ダクト１５のそれぞれは、別のＴ字接続で別の２つのダクト１６に分岐する。ダクト１６は、４個のモジュールに供給する。ダクト１６の延長及び直径は全て同一で、ダクト１５の延長及び直径は全て同一であり、定水頭タンク１２からの流路は、全て水圧的に等しい。

各セルスタックモジュール１１は、電解質液のための入口を有し、これに通常開の遮断弁４０を介して、それぞれのダクト１６が接続される。各モジュール１１は、その底部近くに電解質液用の出口１９ａも有し、出口ダクト４４（図２に示す）に接続される。各モジュール１１は、空気用の入口ポート１９ｂ（図２に示す入口ダクト３４と連通する）、空気用の出口ポート１９ｃ（図２に示す出口排気配管３８と連通する）、水素用の入口ポート１９ｄ及び水素用の出口ポート１９ｅも有する。水素及び空気を搬送するダクトは、明確にするために、図１には示されていない。

遮断弁４０とモジュール１１の電解質液入口との間には、Ｔ接続があり、ドレイン配管４５がダクト１６から分岐するように配置され、ドレイン配管４５には、通常閉の弁４６が組み込まれる。ドレイン配管４５は、電解質液貯蔵タンク２０に向かって下向きに延びる。動作中は、遮断弁４０が何らかの理由で閉になると、電解質液がモジュール１１に流入するのを防止し、次いで、通常弁４６が開になり、モジュール１１内にある電解質液を、電解質液貯蔵タンク２０に向けてドレインする。

図２を参照すると、各定水頭タンク１２は、すぐ下のレベルの定水頭タンク１２に対して、余剰な電解質液を搬送する越流ダクト１８を有し、一番下の定水頭タンク１２からの越流ダクト１８は、電解質液貯蔵タンク２０に供給する。ポンプ２４は、電解質液貯蔵タンク２０に接続され、上昇配管２６を通って一番上のレベルの低水頭タンク１２に電解質液を供給する。この例においては、上昇配管２６は電解質液を定水頭タンク１２の調布に供給するよう示されるが、改良においては、最も上の定水頭タンク１２の側部又は底部に電解質液を供給するようにしてもよい。

使用時において、電解質液貯蔵タンク２０には、本例においては水溶性水酸化カリウム（ＫＯＨ）である電解質を入れる。具体的に図２を参照すると、接続が図によって示され、各定水頭タンク１２内に、越流ダクト１８がタンク１２の最上部から約２５ｍｍ下まで上向きに延びる。越流ダクト１８は、両端が開放しており、十分に大きい直径で、タンク１２内の電解質液レベルが越流ダクト１８の最上部より上に大きく上昇しないよう確保する。各定水頭タンクの最上部には、電解質液の上の空間を空気が占めるように、小さい開口部２８があり、開口部２８は、定水頭タンク１２内の電解質液の表面が大気圧であることを確保する。従って、システム１０の動作中、各定水頭タンク１２は、越流ダクト１８の上端レベルまで水溶性水酸化カリウム電解質液を収容し、余剰な電解質液は、各越流ダクト１８を通って、電解質液貯蔵タンク２０に戻る。

図２に示すように、各モジュール１１は、電極板（図的に示す）が垂直平面に延びる燃料電池スタック３２を封入した箱３０からなる。空気は、加圧されて、空気供給ダクト（図示せず）から入口ダクト３４（図１に示す入口ポート１９ｂと連通する）を通って各燃料電池スタック３２に供給される。本例示においては、空気は、（示された通り）上部左端の最上部近くでスタック３２に供給され、適切な電解質液チャンバを通って下向きに流れて、右端の底部近くの排気ポート３６から出るが、排気ポート３６には絞り弁を組み込んでもよい。空気は、箱３０に流れ込み、空気出口ポート１９ｃを介して、上向きに延び上端が開放している空気排出ダクト３８から排出される。互いに重なる４つのモジュール１１に対して１つのかかる空気排出ダクト３８が与えられる。

電解質液供給ダクト１６は、電解質液を（図示のように）左端の底部近くのポート４１を通じて、燃料電池スタック３２に供給する。電解質液は、電解質液チャンバを通って上向きに流れ、右端の最上部近くの出口ポート４２から出るが、出口ポート４２には絞り弁を組み込んでもよい。電解質液は、箱３０に、典型的には少しずつ流れ込み、電解質液出口ダクト４４から流れ出て、ダクト４４は、電解質液を戻り配管（上の３つのモジュール１１に対しては図示せず）を通って、電解質液貯蔵タンク２０に戻す。

各モジュール１１には、水素などの燃料ガスが、燃料ガス供給ダクト（図示せず）及び水素入口ポート１９ｄを通って、供給される。燃料電池スタック３２から燃料ガスの漏れがある場合は、空気排出ダクト３８を通る空気流と共に搬送され、これにより希釈される。システム１０には、箱３０からの空気出口に水素センサ４８を組み込んで、空気流中の水素を検知するようにしてもよい。

したがって、システム１０の動作中、各モジュール１１及び各燃料電池スタック３２には、必要な量の燃料ガス、空気及び電解質液が与えられる。燃料電池スタック３２内の電解質液の圧力変動は、各燃料電池スタック３２への入口における圧力が、越流配管１８の最上部とポート４１との高低差により与えられた電解質液の定水頭に対応するため、最小化される。電解質液が燃料電池スタック３２を出るときの圧力は、箱３０内の圧力であり、若干大気圧を上回る（空気排出ダクト３８が上端で開放しているため）。

システム１０を全体として考えると、ポンプ２４は、全システム１０における全てのモジュール１１によって必要とされるのよりも多くの電解質液を、最も高い定水頭タンク１２に供給する。したがって、各定水頭タンク１２内部には、余剰電解質液が存在する。使用済みの電解質液が、箱３０及び電解質液出口ダクト４４を介して、電解質液貯蔵タンク２０に戻ると同時に、余剰電解質液が、越流パイプ１８を通って電解質液貯蔵タンク２０に戻る。

モジュール１１の一つについて問題が、例えば電池の故障或いは水素の漏れが発生したならば、或いはモジュール１１の１つの整備期限が来たならば、モジュール１１に対するガス及び電解質液の供給を遮断できる。具体的には、遮断弁４０は、１つの個別のモジュール１１に対する電解質液の供給を、他のモジュール１１への電解質液の供給に影響を与えることなく、システム１０における同一レベル或いは異なるレベルに維持できる。弁４６が開になると、燃料電池スタック３２内の電解質液は、ドレインされ、ポート４１から出て、弁４６及びドレイン配管４５を通って流れ、電解質液貯蔵タンク２０に戻る。

電解質液供給システム１０は、請求項に定義される本発明の範囲から逸脱することなく、上記で説明したものとは異なることができることが理解されるであろう。例えば、各レベルに、異なる数のモジュール１１があってもよく、通常は、例えば５個など、２乃至６個のモジュールとすることができる。図面に示す通り、各越流ダクト１８は同一径であるが、改良においては、越流ダクト１８は、下のレベルでは余剰電解質液が少ないため、小さい径とすることができる。

また、システム１０は、電気分解電池スタック又はフロー電池で使用してもよい。

１０：システム
１１：燃料電池スタックモジュール
１２：定水頭タンク
１４：出口ダクト
１５：ダクト
１６：電解質液供給ダクト
１８：越流ダクト
１９ａ：電解質液用の出口
１９ｂ：空気用の入口ポート
１９ｃ：空気用の出口ポート
１９ｄ：水素用の入口ポート
１９ｅ：水素用の出口ポート
２０：電解質液貯蔵タンク
２４：ポンプ
２６：上昇配管
２８：開口部
３０：箱
３２：燃料電池スタック
３４：入口ダクト
３６：排気ポート
３８：空気排出ダクト
４０：遮断弁
４１：ポート
４２：出口ポート
４４：出口ダクト、電解質液出口ダクト
４５：ドレイン配管
４６：弁
４８：水素センサ

Claims (10)

1. 各異なる高さに少なくとも１つのセルスタックを有する、複数の異なる高さに配置されたセルスタックに電解質液を供給するためのシステムであって、前記システムは、前記異なる高さに１つずつ、それぞれ前記電解質液の表面が大気圧であることを確保するように適合されかつ少なくとも１つのセルスタックに電解質液を供給するよう適合された、電解質液を入れるための複数の供給タンクと、電解質液貯蔵タンクと、前記電解質液貯蔵タンクから最も上の前記供給タンクに電解質液を供給するための手段とを含み、各供給タンクには、越流堰と該堰と連通する出口ダクトとが組み込まれ、最も低い前記供給タンクを除く各供給タンクについて、出口ダクトは越流する電解質液をより低い高さの供給タンクに供給するよう配置される、
   ことを特徴とするシステム。
2. 前記セルスタックは、これを通って電解質液が連続的に流れるセルスタックであり、各セルスタックから流出する電解質液は、前記電解質液貯蔵タンクに戻される、
   ことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 各セルスタックは、前記電解質液の流出を制限するための流量絞り弁を含むことを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
4. 同一高さに複数のセルスタックを備え、これら全てのセルスタックは、それぞれの供給ダクトにより前記同一の供給タンクから供給されることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれかに記載のシステム。
5. 前記電解質液貯蔵タンクは、前記最も低い供給タンクの下にあり、前記最も低い供給タンクからの前記出口ダクトは、前記電解質液貯蔵タンクに供給することを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれかに記載のシステム。
6. 前記最も高い供給タンクに電解質液を供給するための前記手段は、ポンプを備えることを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれかに記載のシステム。
7. 各セルスタックは、前記流出する電解質液が流れ込む閉鎖容器によって囲まれ、前記閉鎖容器は、前記電解質液を前記電解質液貯蔵タンクに戻すための流出ダクトを備えることを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれかに記載のシステム。
8. 前記セルスタックは、空気の通過流が供給される燃料電池スタックであり、前記空気は前記セルスタックを囲む前記閉鎖容器に集められ、排出流出ダクトを通って抽出されることを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
9. 前記抽出された空気に存在する任意の燃料ガスを検知するためのセンサを備えることを特徴とする、請求項８に記載のシステム。
10. 各セルスタックは、前記同一の高さで、供給ダクトにより前記供給タンクに接続され、各供給ダクトには、遮断弁が組み込まれることを特徴とする、請求項１〜請求項９のいずれかに記載のシステム。

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