JP2020520051A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、アノード（１４）と、カソード（１６）と、少なくとも１つのカソード流体出口（１８）とを備える少なくとも１つの燃料電池スタック（１２）を備えた燃料電池装置（１０）に基づいている。ここでは、燃料電池装置（１０）が少なくとも１つの低減要素（２０）を備えることが提案されており、この低減要素は、カソード流体出口（１８）に配置され、さらにこの低減要素は、アノード（１４）とカソード（１６）との間で所定の差圧を生成するために、燃料電池スタック（１２）のカソード流路（２２）内の通流条件を調整するように設けられている。

Description

アノードと、カソードと、少なくとも１つのカソード流体出口とを備える少なくとも１つの燃料電池スタックを備えた燃料電池装置は既に公知である。

発明の開示
本発明は、アノードと、カソードと、少なくとも１つのカソード流体出口とを備える少なくとも１つの燃料電池スタックを備えた燃料電池装置に基づいている。

本明細書においては、燃料電池装置が少なくとも１つの低減要素を備えることが提案されており、この低減要素は、カソード流体出口に配置され、さらにこの低減要素は、アノードとカソードとの間で所定の差圧を生成するために、燃料電池スタックのカソード流路内の通流条件を調整するように設けられている。

この関連においては、「燃料電池装置」とは、特に機能的コンポーネント、特に燃料電池システムの構造的及び／又は機能的コンポーネントを意味するものと理解されたい。この関連においては、「燃料電池システム」とは、少なくとも１つの燃料電池スタックの使用により、特に電気及び／又は熱エネルギーの固定型及び／又は移動型発生装置のために設けられているシステムを意味するものと理解されたい。「設けられている」とは、特に、専用にプログラミングされている、設計されている、及び／又は、装備されていることを意味するものと理解されたい。所定の機能のために設けられている対象とは、特に、この対象が少なくとも１つの適用状態及び／又は動作状態で当該所定の機能を果たし、実行することを意味するものと理解されたい。この関連においては、「燃料電池スタック」とは、少なくとも１つの特に連続的に供給される燃料ガス、特に水素及び／又は一酸化炭素と、少なくとも１つの酸化剤、特に空気からの酸素との少なくとも化学反応エネルギーを、電気及び／又は熱エネルギーに変換するために設けられている、少なくとも１つの燃料電池を備えたユニットを意味するものと理解されたい。

少なくとも１つの燃料電池は、特に固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）として実施されてもよい。好適には、燃料電池ユニットは、電気的及び／又は流体的に相互接続された複数の燃料電池を備える。燃料電池スタックは、好適には、平坦な燃料電池スタックとして実施されている。燃料電池スタックは、アノードとカソードとを備える。燃料電池装置の動作中、燃料ガス、特に水素及び／又は一酸化炭素は、燃料電池スタックのアノードに特に連続的に供給されている。酸化剤、特に空気からの酸素は、燃料電池装置の動作中に燃料電池スタックのカソードに特に連続的に供給されている。燃料電池スタックは、アノード流体出口を備え、当該アノード流体出口は、燃料電池装置の動作中に燃料電池スタックからアノード排気ガスを排出するために設けられている。燃料電池スタックのカソード流体出口は、燃料電池装置の動作中に燃料電池スタックからカソード排気ガスを排出するために設けられている。この関連においては、「カソード流路」とは、燃料電池装置の動作中に流体、特に空気からの酸素がそれに沿って燃料電池スタックのカソードを通過する流路を意味するものと理解されたい。

この関連においては、「低減要素」とは、少なくとも１つの流体路及び／又は少なくとも１つの流路のガスコンダクタンスを低減するために設けられている要素を意味するものと理解されたい。特に、低減要素は、燃料電池スタックのカソードの排気出口の直後に流体的に配置されている。特に、低減要素は、燃料電池スタックのカソード流体出口の内径を少なくとも一点で縮小するために設けられている。特に、低減要素は、カソード流体出口と一体的に形成されてもよい。「一体的に」とは、特に、少なくとも素材結合的に、即ち、はんだ付けプロセス、接着剤結合プロセス、注入プロセス、及び／又は、当業者により適切とみなされる他のプロセスにより、結合されていることを意味し、及び／又は、有利には一体的に形成されることを意味する。好適には、低減要素は、少なくとも部分的に金属及び／又はセラミック材料からなる。特に、低減要素の材料は、低い熱膨張係数を有する。好適には、低減要素は、少なくとも実質的にセラミック材料からなる。代替的に、低減要素は、少なくとも部分的に、特に低減要素の内径がセラミック材料で被覆された金属からなっていてもよい。

「所定の差圧」とは、特に、燃料電池スタックのアノードからカソードへの燃料ガスの拡散が少なくとも実質的に防止される、アノードとカソードとの間の特定の圧力差を意味するものと理解されたい。

そのような実施により、有利な動作特徴を有する燃料電池装置を提供することができる。特に、燃料電池スタックのアノードとカソードとの間の所定の差圧は、燃料電池スタックのカソード流体出口に低減要素を配置することにより、燃料電池装置の動作中に保証することができる。これにより、燃料電池スタックのアノードからカソードへの燃料ガスの圧力駆動された拡散を少なくとも実質的に防止することができ、それにより、燃料電池スタックのカソードにおける流動ガスによって引き起こされる劣化プロセスを回避することができる。

特に、低減要素は、固定の内径を含んでいてもよい。好適には、低減要素は、アノードとカソードとの間の差圧を調整するための可変の内径を備える。低減要素の内径は、特に手動、半自動、及び／又は、自動で調整可能であってもよい。特に、低減要素の内径は、機械式及び／又は電気機械式システムによって調整可能であってもよい。低減要素の内径は、燃料電池装置の動作中に燃料電池スタックのアノードとカソードとの間の所定の差圧を達成するために、燃料電池装置の動作中及び／又は動作前に特に縮小及び／又は拡大することができる。これにより、燃料電池スタックのアノードとカソードとの間の差圧は、有利で簡単及び／又は信頼性の高い方法で所定の値に設定することができる。

さらに、燃料電池スタックのカソード流路内の通流条件は、燃料電池スタックの少なくとも１つの動作パラメータに依存して調整可能であることが提案されている。例えば、燃料電池スタックのカソード流路内の通流条件は、流体燃料の組成及び／又は品質、燃料電池スタックの温度、及び／又は、燃料電池スタックのアノードとカソードとの間の最適な差圧に影響を与える他の動作パラメータに依存して調整することができる。特に、燃料電池スタックのカソード流路内の通流条件は、燃料電池スタックの少なくとも１つの動作パラメータに依存して連続的及び／又は準連続的に調整されてもよい。特に、燃料電池スタックのカソード流路内の通流条件を調整するために、複数の動作パラメータを考慮することができる。好適には、燃料電池スタックのカソード流路内の通流条件は、少なくとも燃料電池スタックの動作時間に依存して調整可能である。特に、燃料電池装置は、燃料電池スタックの少なくとも１つの動作パラメータ及び／又は動作時間を捕捉及び／又は測定するために設けられている監視ユニットを備える。監視ユニットは、特に、センサユニット及び／又は保時ユニットを備える。「センサユニット」とは、この関連においては、特に、物理的及び／又は化学的特性及び／又はその周囲の材料構成を、品質の面で及び／又は測定値として量の面で捕捉するために設けられているユニットを意味する。「保時ユニット」とは、この関連においては、特に、少なくとも１つの時間間隔を、特に直接的及び／又は間接的に、例えば外部クロック信号を用いて捕捉するために設けられているユニットを意味する。これにより、燃料電池スタックのアノードとカソードとの間の差圧は、燃料電池スタックの動作特性の変化に関する動作パラメータ及び／又は動作時間の変更に対して有利で簡単及び／又は信頼性の高い方法で適合化可能である。

さらに、燃料電池装置は、少なくとも１つの制御ユニットを備え、当該制御ユニットは、燃料電池スタックの少なくとも１つの動作パラメータ及び／又は動作時間に依存して当該燃料電池スタックのカソード流路内の通流条件を調整するように設けられていることが提案されている。「制御ユニット」とは、特に、少なくとも１つのコンピューティングユニットと、好適には当該コンピューティングユニットによって実行されることを意図したオペレーティングプログラムを内部に記憶して有している少なくとも１つのメモリユニットとを備える電子ユニットを意味するものと理解されたい。特に、制御ユニットは、燃料電池スタックの少なくとも１つの動作パラメータ及び／又は動作時間に依存して低減要素の内径を自動的に変更するために設けられている。制御ユニットは、特に、燃料電池スタックの少なくとも１つの動作パラメータ及び／又は動作時間を捕捉及び／又は測定するために設けられている監視ユニットに接続されている。代替的に、燃料電池スタックの少なくとも１つの動作パラメータ及び／又は動作時間を捕捉及び／又は測定するために設けられている監視ユニットが、少なくとも部分的に制御ユニットに統合されてもよい。好適には、燃料電池装置は、記憶ユニットを備え、当該記憶ユニットは、燃料電池スタックの少なくとも１つの動作パラメータ及び／又は動作時間に依存して設定される差圧パラメータを記憶するために設けられている。これにより、燃料電池スタックのアノードとカソードとの間の差圧の有利な自動調整を実現することができる。

さらに、燃料電池装置は、圧力センサユニットを備え、当該圧力センサユニットは、アノードとカソードとの間の差圧を測定するために設けられていることが提案されている。特に、圧力センサユニットは、燃料電池装置の動作中に燃料電池スタックのアノードとカソードとの間の差圧を測定するために設けられている。例えば、圧力センサユニットは、燃料電池スタックのアノードとカソードとの間の差圧の直接測定のために設けられる差圧センサを含んでいてもよい。代替的に、圧力センサユニットは、燃料電池スタックのアノード及びカソードの圧力を別個に測定するための圧力センサを含んでいてもよく、それにより、圧力センサの値が、燃料電池スタックのアノードとカソードとの間の現在の差圧を決定するために連続的に相互に比較されている。これにより、燃料電池スタックのアノードとカソードとの間の差圧の有利な監視を実現することができる。

さらに、本発明による少なくとも１つの燃料電池装置を備えた燃料電池システムが提案されている。これにより、有利な動作特徴を有する燃料電池システムを提供することができる。燃料電池装置の他に、この燃料電池システムは、燃料及び／又は空気の供給パイプ、煙道パイプ、熱交換器、圧縮機、触媒コンバータ、圧縮機、及び／又は、アフタバーナなどのさらなるコンポーネント及び／又はユニットを含んでいてもよい。さらに、燃料電池システムは、脱硫ユニット及び／又は改質器ユニットを含んでいてもよい。この関連においては、「脱硫ユニット」とは、例えば天然ガスなどの流体燃料中の硫黄化合物の体積及び／又はモル分率を、特に特定のしきい値以下に低減するために設けられるユニット、好適には少なくとも１つの物理的及び／又は化学的吸着及び／又は吸着プロセスにより、燃料中の硫黄化合物の体積及び／又はモル分率を少なくとも実質的に燃料から除去するために設けられるユニットを意味するものと理解されたい。この関連においては、「改質器ユニット」とは、流体燃料、例えば天然ガスに含まれる炭化水素を処理するために、特に、混合ガスに含まれる燃料ガス特に水素を、特に部分酸化及び／又は自熱改質及び／又は好適には水蒸気改質により生成するために設けられている、特に化学技術的ユニットを意味するものと理解されたい。

さらに、流体燃料で動作するように設けられ、アノードと、カソードと、少なくとも１つのアノード流体出口と、少なくとも１つのカソード流体出口とを備えた少なくとも１つの燃料電池スタックを備える燃料電池装置を動作させるための方法に関しており、ここでは、燃料電池スタックのカソード流路内の通流条件が、アノードとカソードとの間で所定の差圧を生成するために調整されている。これにより、燃料電池ユニットが停止された場合であっても、改質器ユニットに十分な量の水を供給することができる。これにより、燃料電池スタックのアノードとカソードとの間の所定の差圧は、燃料電池スタックのカソード流体出口に低減要素を配置することにより、燃料電池装置の動作中に保証することができる。これにより、燃料電池スタックのアノードからカソードへの燃料ガスの圧力駆動された拡散は、少なくとも実質的に防止され得る。それにより、燃料電池スタックのカソードにおける流動ガスによって引き起こされる劣化プロセスは有利に回避され得る。

本明細書において、本発明による燃料電池装置は、上記した用途や実施例に限定されるものではない。特に、本明細書に記載した機能を果たすために、本発明による燃料電池装置は、本明細書で言及した数とは異なる複数の個々の要素、コンポーネント及びユニットを含んでいてもよい。

図面
さらなる利点は、以下の図面の説明から集約され得る。図面には、本発明の実施例が示されている。図面、説明及び特許請求の範囲は、複数の特徴の組合せを含む。また、当業者であるならば、これらの特徴を好適に個別に考慮し、さらにそれらを合目的的に組み合わせてまとめることも容易であろう。

燃料電池スタックと、燃料電池スタックのアノードとカソードとの間の差圧を調整するための低減要素とを備える燃料電池装置を備えた燃料電池システムの概略図。

実施例の説明
図１は、燃料電池システム３２の概略図を示す。この燃料電池システム３２は、流体燃料、特に天然ガスで動作するように想定された燃料電池装置１０を備える。代替的に、燃料電池装置１０を、特にバイオガスなどの気体燃料を含む他の炭化水素で動作させることも考えられる。燃料電池装置１０は、燃料電池スタック１２を備える。この燃料電池スタック１２は、ここでは簡略化して示されている。燃料電池スタック１２は、好適には、固体酸化物燃料電池スタックとして実施される。燃料電池スタック１２は、アノード１４及びカソード１６を備える。流体燃料は、燃料供給ライン３４から燃料電池システム３２に供給されている。この流体燃料の供給は、燃料バルブ３６によって開ループ制御される及び／又は閉ループ制御される及び／又は完全に中断することができる。この燃料バルブ３６は、好適には電磁アクチュエータで操作可能である。燃料圧縮機３８を用いて、流体燃料の十分な流量が保証される。空気は、さらなる圧縮機４０又はファンを用いて燃料電池スタック１２のカソード１６に供給される。カソード１６に入る前に、この空気は予熱ユニット４２によって予熱される。さらに、燃料電池システム３２は、脱硫ユニット４４を備える。この脱硫ユニット４４は、燃料圧縮機３８の下流側に接続されている。脱硫ユニット４４は、流体燃料を脱硫するように設けられている。燃料電池システム３２は、さらに改質器ユニット４６を備える。この改質器ユニット４６は、脱硫流体燃料の処理によって水素リッチ燃料ガスを得るために設けられている。改質器ユニット４６に入る前に、脱硫流体燃料はさらなる予熱ユニット６０によって予熱されている。改質器ユニット４６を出た水素リッチガスは、燃料電池スタック１２のアノード１４に供給されている。燃料電池スタック１２はアノード流体出口５０を備え、このアノード流体出口５０は、燃料電池装置１０の動作中に燃料電池スタック１２からアノード排気ガスを排出するために設けられている。燃料電池スタック１２のカソード流体出口１８は、燃料電池装置１０の動作中に燃料電池スタック１２からカソード排気ガスを排出するために設けられている。燃料電池スタック１２の動作中、燃料電池スタックのアノード１４の排気ガスとカソード１６の排気ガスは、アノード流体出口５０とカソード流体出口１８とを介して燃焼ユニット５２に供給されている。この燃焼ユニット５２においては、アノード排気ガス中に残っている可燃性成分のアフタバーニングが行われる。ここで放出される熱エネルギーは、例えば、改質器ユニット４６及び／又は予熱ユニット４２，６０に移送され、熱交換器５６を介して加熱水循環路５４に移送される。排気ガスは煙突５８を介して排出される。

燃料電池装置１０は、少なくとも１つの低減要素２０を備え、この低減要素２０は、カソード流体出口１８に配置されている。低減要素２０は、アノード１４とカソード１６との間で所定の差圧を生成するために、燃料電池スタック１２のカソード流路２２内の通流条件を調整するように設けられている。カソード流路２２に沿って、流体、特に酸素を含む空気が、燃料電池装置１０の動作中に燃料電池スタック１２のカソード１６を通過する。特に、低減要素２０は、燃料電池スタック１２のカソード１６の排気出口の直後に流体的に配置されている。特に、低減要素２０は、固定の内径を含んでいてもよい。好適には、低減要素２０は、アノード１４とカソード１６との間の差圧を調整するための可変の内径を備える。低減要素２０の内径は、特に、手動、半自動、及び／又は、好適には自動で調整可能であってもよい。特に、低減要素２０の内径は、機械式及び／又は電気機械式システムによって調整可能であってもよい。低減要素２０の内径は、燃料電池装置１０の動作中に燃料電池スタック１２のアノード１４とカソード１６との間の所定の差圧を達成するために、燃料電池装置１０の動作中及び／又は動作前に特に縮小及び／又は拡大することができる。好適には、低減要素２０は、少なくとも部分的に金属及び／又はセラミック材料からなる。特に、低減要素２０の材料は、有利には低い熱膨張係数を有する。好適には、低減要素２０は、少なくとも実質的にセラミック材料からなる。代替的に、低減要素２０は、少なくとも部分的に、特に低減要素２０の内径がセラミック材料で被覆された金属からなっていてもよい。

燃料電池スタック１２のカソード流路２２内の通流条件は、燃料電池スタック１２の少なくとも１つの動作パラメータ、例えば、流体燃料の組成及び／又は品質、燃料電池スタック１２の温度、及び／又は、燃料電池スタック１２のアノード１４とカソード１６との間の最適な差圧に影響を与える他の動作パラメータに依存して調整可能である。代替的又は付加的に、燃料電池スタック１２のカソード流路２２内の通流条件は、燃料電池スタック１２の少なくとも動作時間に依存して調整可能である。特に、燃料電池スタック１２のカソード流路２２内の通流条件は、連続的及び／又は準連続的に調整されてもよい。

さらに、燃料電池装置１０は、少なくとも１つの制御ユニット２６を備え、当該制御ユニット２６は、燃料電池スタック１２の少なくとも１つの動作パラメータ及び／又は動作時間に依存して燃料電池スタック１２のカソード流路２２内の通流条件を調整するように設けられている。この制御ユニット２６は、燃料電池スタック１２の少なくとも１つの動作パラメータ及び／又は動作時間を捕捉及び／又は測定するために設けられている統合監視ユニット６２を備える。特に、制御ユニット２６は、燃料電池スタック１２の少なくとも１つの動作パラメータ及び／又は動作時間に依存して低減要素２０の内径を変更することにより、燃料電池スタック１２のカソード流路２２内の通流条件を調整するように設けられている。代替的又は付加的に、制御ユニット２６は、例えば圧縮機４０の電力を変更することによってカソード流路２２内の流量を変更することにより、燃料電池スタック１２のカソード流路２２内の通流条件を調整するように設けられていてもよい。さらに、燃料電池装置１０は、記憶ユニット３０を備え、この記憶ユニット３０は、燃料電池スタック１２の少なくとも１つの動作パラメータ及び／又は動作時間に依存して設定される差圧パラメータを記憶するために設けられている。この記憶ユニット３０は、好適には制御ユニット２６内に統合されている。燃料電池装置１０は、さらに圧力センサユニット２８を備え、この圧力センサユニット２８は、アノード１４とカソード１６との間の差圧を測定するために設けられている。例えば、圧力センサユニット２８は、燃料電池スタック１２のアノード１４とカソード１６との間の差圧を直接測定するために設けられた差圧センサを含んでいてもよい。代替的に、圧力センサユニット２８は、燃料電池スタック１２のアノード１４とカソード１６の圧力を別個に測定するための圧力センサを含んでいてもよく、それにより、圧力センサの値が、燃料電池スタック１２のアノード１４とカソード１６との間の現在の差圧を決定するために連続的に相互に比較されている。

Claims (10)

1. アノード（１４）と、カソード（１６）と、少なくとも１つのカソード流体出口（１８）とを備える少なくとも１つの燃料電池スタック（１２）を備えた燃料電池装置において、 少なくとも１つの低減要素（２０）が設けられており、
   前記低減要素（２０）は、前記カソード流体出口（１８）に配置され、
   前記低減要素（２０）は、前記アノード（１４）と前記カソード（１６）との間で所定の差圧を生成するために、前記燃料電池スタック（１２）のカソード流路（２２）内の通流条件を調整するように設けられていることを特徴とする、燃料電池装置。
2. 前記低減要素（２０）は、前記アノード（１４）と前記カソード（１６）との間の差圧を調整するための可変の内径を備える、請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記燃料電池スタック（１２）の前記カソード流路（２２）内の前記通流条件は、前記燃料電池スタック（１２）の少なくとも１つの動作パラメータに依存して調整可能である、請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
4. 前記燃料電池スタック（１２）の前記カソード流路（２２）内の前記通流条件は、前記燃料電池スタック（１２）の少なくとも動作時間に依存して調整可能である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
5. 前記燃料電池装置は、少なくとも１つの制御ユニット（２６）を備え、前記制御ユニット（２６）は、前記燃料電池スタック（１２）の少なくとも１つの動作パラメータ及び／又は動作時間に依存して前記燃料電池スタック（１２）の前記カソード流路（２２）内の前記通流条件を調整するように設けられている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
6. 前記燃料電池装置は、圧力センサユニット（２８）を備え、前記圧力センサユニット（２８）は、前記アノード（１４）と前記カソード（１６）との間の差圧を測定するために設けられている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
7. 前記燃料電池装置は、記憶ユニット（３０）を備え、前記記憶ユニット（３０）は、前記燃料電池スタック（１２）の少なくとも１つの動作パラメータ及び／又は動作時間に依存して設定される差圧パラメータを記憶するために設けられている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
8. 前記低減要素（２０）は、少なくとも部分的に金属及び／又はセラミック材料からなる、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の少なくとも１つの燃料電池装置（１０）を備えた燃料電池システム。
10. 少なくとも１つの燃料電池スタック（１２）と、アノード（１４）と、カソード（１６）と、少なくとも１つのカソード流体出口（１８）とを備えた請求項１乃至８のいずれか一項に記載の燃料電池装置（１０）を動作させるための方法において、
    前記燃料電池スタック（１２）のカソード流路（２２）内の通流条件が、前記アノード（１４）と前記カソード（１６）との間で所定の差圧を生成するために調整されていることを特徴とする、方法。

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