JP3041048B2 - 燃料電池構造体を運転するための方法および装置 - Google Patents

燃料電池構造体を運転するための方法および装置

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JP3041048B2
JP3041048B2 JP8504617A JP50461796A JP3041048B2 JP 3041048 B2 JP3041048 B2 JP 3041048B2 JP 8504617 A JP8504617 A JP 8504617A JP 50461796 A JP50461796 A JP 50461796A JP 3041048 B2 JP3041048 B2 JP 3041048B2
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、燃料電池構造体を運転するための方法およ
び装置、特にスタック状に配置された燃料電池によって
形成されかつ保護ケーシングによって取り囲まれた燃料
電池構造体を運転するための方法および装置に関する。
この燃料電池構造体は燃料ガスを燃料電池のアノードに
供給するためのアノード入口と、燃焼した燃料ガスをア
ノードから排出するためのアノード出口と、カソードガ
スを燃料電池のカソードに供給するためのカソード入口
と、使用されたカソードガスをカソードから排出するた
めのカソード出口とを備えている。この場合、燃料ガス
は保護ケーシングの内室に対してシールされた燃料ガス
入口装置を経てアノード入口に供給される。
燃料電池構造体の場合には、第１の方向に延びる、燃
料ガスのための通路と、第１の方向に対して垂直に第２
の方向に配置された、カソードガスのための通路とを備
えた或る数の板状の燃料電池が、スタックの形に配置さ
れている。この場合、燃料電池スタックの第１の側に、
燃料ガスを燃料電池スタックのアノードに供給するため
のアノード入口が形成され、第１の側と反対側に、燃焼
した燃料ガスをアノードから排出するためのアノード出
口が形成され、燃料電池スタックの第２の側に、カソー
ドガスを燃料電池スタックのカソードに供給するための
カソード入口が形成され、第２の側と反対側に、使用さ
れたカソードガスをカソードから排出するためのカソー
ド出口が形成されている。アルカリ炭酸塩溶融電解質を
有する燃料電池のような高温型燃料電池の場合には、燃
料電池構造体の高い運転温度や運転開始および運転停止
時の大きな温度変化に耐える、燃料電池スタックの燃料
ガスとカソードガス（マニホルド）のための供給部と排
出部の気密的および電気絶縁的な形成が困難である。ガ
ス供給部や排出部が気密でないと、漏れを生じ、例えば
爆燃の危険につながる。
公知の種類の燃料電池構造体の場合、アノードまたは
カソードの入口と出口に通じる燃料ガスとカソードガス
用のガス入口装置とガス出口装置としてのガス分配器
が、電池スタック内に一体形成されている（内側のマニ
ホルド）かあるいは外部から電池スタックに取付けられ
ている（外側のマニホルド）。外側のガス分配器を備え
た燃料電池構造体の場合、このガス分配器は慣用のごと
くフード状のガス入口装置およびガス出口装置として燃
料電池スタックの四辺に配置されている。このように形
成された構造体は外側の断熱材を備え、全体が保護ケー
シングに組み込まれている。ガス分配器の接続部は、間
に補償ベローを備えた導管として、保護ケーシングの壁
を通って案内され、外部のユニットや機器に接続されて
いる。これにより、次のような欠点がある。すなわち、
燃料電池構造体と外部の機器やユニットとの間のガスの
案内が複雑であり、交差個所や管継手が多数あり、管継
手内の流れ抵抗が大きく、高温および大きな温度変化を
受け、熱によって大きく変形し、高い直流電圧を受ける
電池スタックと４個のガスフードとの間をシールおよび
電気絶縁するために大きなコストがかかるという欠点が
ある。
本発明の課題は、燃料電池のアノードとカソードの入
口および出口のシールに関する難点が充分に除去され
る、冒頭に述べた種類の燃料電池構造体を運転するため
の方法と装置を提供することである。
この課題は本発明に従い、請求項１と７に記載した方
法および装置によって解決される。
本発明の重要な効果は、カソードガス流が断熱された
保護ケーシングの内部空間で自由に循環し、アノードガ
ス流がこの内部空間に自由に流出し、それによって燃料
電池スタックに対してシールされる４個のガス分配器の
うちの３個を省略することができることにある。すなわ
ち、アノード入口側のガス分配器だけを残すだけでよ
い。本発明の他の効果は、アノード排気流が保護ケーシ
ング内を循環するカソードガス流に自由に流出すること
により、燃料ガスとカソードガスの間の不利な圧力差が
回避されることにある。
本発明の他の特徴および効果は図に基づく実施の形態
の次の説明から明らかになる。
図1aは、本発明の装置と方法が実現されている、燃料
電池スタックを垂直に配置した燃料電池構造体の実施の
形態を切断して上から見た図、 図1bは図1aに示した燃料電池構造体の正面図、 図2aは燃料電池スタックを水平に配置した図１と同様
な燃料電池構造体を示す図、 図2bは図2aの構造体の正面図、 図３は従来の構造の燃料電池構造体を切断して上から
見た図である。
先ず最初に、図３に基づいて、スタック状に配置され
た燃料電池の従来の構造体について説明する。この燃料
電池はそれぞれそのアノードとカソードの入口と出口に
配置されたガス入口分配器とガス出口分配器を備えてい
る。
図３において、燃料電池のスタックによって形成され
た燃料電池構造体１は保護ケーシング２によって取り囲
まれている。燃料電池構造体１は燃料ガスを燃料電池ス
タックのアノードに供給するためのアノード入口５を燃
料電池構造体１の左側に備え、燃焼した燃料ガスをアノ
ードから排出するためのアノード出口６を燃料電池スタ
ックの右側に備え、カソードガスを燃料電池スタックの
カソードに供給するためのカソード入口７を燃料電池ス
タックの前側に備え、そして使用されたカソードガスを
カソードから排出するためのカソード出口８を燃料電池
スタックの後側に備えている。燃料ガスとカソードガス
をそれぞれアノードとカソードの入口と出口に供給およ
び排出するために、アノード入口５の上方に燃料ガス入
口フード５′が設けられ、アノード出口６の上方に燃料
ガス出口フード６′が設けられ、カソード入口７の上方
にカソードガス入口フード７′が設けられ、そしてカソ
ード出口８の上方にカソード出口フード８′が設けられ
ている。これらのフードはそれぞれ燃料電池スタックに
対してシールされている。このガス入口フードとガス出
口フードへの供給部および排出部は、温度差に基づく長
さの膨張を補償するたの補償ベローを介して、図３に示
していない方法で保護ケーシング２を通って外側へ案内
されている。
燃料ガスは図３に示していないガス供給ユニットから
燃料ガス入口フード５′への供給部を経てアノードガス
入口５に供給される。カソードガスは高温ガス送風機10
からカソード入口に供給される。使用されたカソードガ
スはカソード入口７と反対側に設けられたカソード出口
８から排出され、アノードガス混合器９において、アノ
ード入口５と反対に設けられたアノード出口６から排出
された、アノード排気としての燃焼済み燃料ガスがこの
カソードガスに混合される。アノードガスを混合したカ
ソード排気の流れは先ず最初に、触媒バーナー3aを通っ
て案内され、そして有効熱を取り出すための熱交換器3b
を通って案内される。熱交換器3bの出口は高温ガス送風
機10の入口に接続されているので、カソードガス流のた
めの回路が閉鎖される。熱交換器3bを出た後で、余剰の
カソード排気が排気用フラップ弁を介してカソードガス
流から取り出され、新鮮空気ファン11を経て供給された
新鮮空気と置換される。
ガス入口フードとガス出口フード５′,6′,7′,8′は
それぞれ保護ケーシング２の内室に対してシールされて
いる。このシールはそれぞれ、燃料電池で発生する高い
直流電圧に対して電気的に絶縁しなければならないと同
時に、高温と大きな温度差に耐えなければならない。
図1aに示した本発明による燃料電池構造体の場合、燃
料電池スタック１は保護ケーシング２によって取り囲ま
れている。図３に示した従来の燃料電池構造体における
ガス入口装置５′と同様に、燃料ガス入口装置５′がア
ノード入口５に設けられている。保護ケーシング５を通
って供給された燃料ガスはこの燃料ガス入口装置５′を
経て燃料電池のアノード入口に供給される。従来の燃料
電池構造体の場合と異なり、燃焼した燃料ガスを排出す
るための燃料電池スタックのアノード出口６と、使用さ
れたカソードガスを排出するための燃料電池スタックの
カソード出口８は、保護ケーシング２の内部に開放して
いる。保護ケーシング２の内部には更に送風機４が設け
られている。カソードガスは燃料電池スタックのカソー
ド入口７に戻すためにこの送風機によって保護ケーシン
グの内部で循環させられる。アノード出口６が保護ケー
シング２の内部に開放しているので、燃焼した燃料ガス
は保護ケーシング２の内部を循環するカソードガス流と
混合される。保護ケーシング２の内部を循環するガス混
合物の一部は、外部から供給された新鮮ガスと置換され
る。この新鮮ガスは後述するように、カソード入口７の
範囲から供給される。
それによって、本発明では、使用されたカソードガス
がカソード出口８から保護ケーシング２の内部に排出さ
れ、カソード入口７に戻すために保護ケーシングの内部
で循環させられる。この場合、燃焼した燃料ガスはアノ
ード出口６から同様に保護ケーシングの内部に排出さ
れ、そこで循環するカソードガス流と混合される。この
場合、保護ケーシングの内部を循環するこのガス混合物
の一部は外部から供給された新鮮ガスと置換される。必
要な場合には、アノードガスとカソード排気の混合領域
９内に触媒による燃焼ユニット10を設けることができ
る。
カソード入口７の手前に熱交換器３が設けられてい
る。この熱交換器は循環するカソードガス流から有効熱
を取り出す働きをする。この熱交換器３はその出口側で
保護ケーシング２の内室に対してシールされて燃料電池
スタック１のカソード入口７に連結されている。熱交換
器３の内部を循環するガス混合物にさらされる熱交換器
３の表面は、触媒のコーティングを備えることができ
る。この触媒のコーティングにより、循環するカソード
ガスと混合されたアノードガスの燃焼可能な残留成分が
触媒で燃焼される。
例えば空気取り入れ装置4bを備えた普通のアキシャル
型送風機によって形成可能である送風機４は、保護ケー
シング２の外側に配置された駆動装置4aを備えている。
この駆動装置は保護ケーシング２を通って案内された駆
動軸を介して送風機（送風機ロータ）４に連結されてい
る。この駆動軸は、新鮮ガスが駆動軸を経て供給され、
それによって軸とその軸受および送風機４が冷却される
ように形成されている。高温に耐えるように形成する
と、駆動装置は保護ケーシングの中に設けることができ
る。余剰の排気は図に示していない逃がし弁を通って保
護ケーシング２から除去される。
図1bは図1aに示した燃料電池構造体の正面図である。
この実施の形態の場合、送風機４は上下に配置された２
個のアキシャル型送風機４によって形成されている。こ
の場合、両アキシャル型送風機はそれぞれ上記の空気取
り出し装置によって熱交換器３の入口側に連結されてい
る。
熱交換器３は通常、図にわざと示していない絶縁ブッ
シュを介在して燃料電池スタック１の上側と下側の端板
に直接取付けられている。熱交換器と燃料電池スタック
との間の周方向の隙間のシールは例えば軽く接触する軟
質シール、特にガラス繊維またはセラミック繊維からな
るブラシによって行うことができる。この構造体の密封
性には高度な要求がなされない。
本発明により、４個のガス入口フードトガス出口フー
ドのうちの３個と、所属の電気絶縁シールを省略可能な
燃料電池構造体が提供される。循環横断面が大きく、管
路が不要であることにより、流れ抵抗が小さいので、損
失が最少である。燃焼したアノードガスと使用されたカ
ソードガスを良好に混合することにより、燃料ガス集積
が不可能である。従来の構造体の場合にはシールされな
いことによりこの燃料ガス集積が発生し得る。アノード
入口側だけがガス入口フードに連結されているので、燃
料電池スタックの３つの側で大きな公差が許容されるの
で、ガス入口フードおよびガス出口フードと燃料電池ス
タックとの間の機械的な嵌め合い問題および変形による
摺動が存在しない。構造体内の小さな温度差により、熱
応力が回避される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クラウス・ペーター ドイツ連邦共和国、デー−85598 バル トハム、モーツアルトリング、12 (56)参考文献 特開 平４−206362（ＪＰ，Ａ) 米国特許3718506（ＵＳ，Ａ) 米国特許5422195（ＵＳ，Ａ) 米国特許3664873（ＵＳ，Ａ) 国際公開91／11034（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24

Claims (17)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】スタック（１）状に配置された燃料電池に
    よって形成されかつ保護ケーシング（２）によって取り
    囲まれた燃料電池構造体を運転するための方法であっ
    て、この燃料電池構造体が燃料ガスを燃料電池のアノー
    ドに供給するためのアノード入口（５）と、燃焼した燃
    料ガスをアノードから排出するためのアノード出口
    （６）と、カソードガスを燃料電池のカソードに供給す
    るためのカソード入口（７）と、使用されたカソードガ
    スをカソードから排出するためのカソード出口（８）と
    を備え、燃料ガスが保護ケーシング（２）の内室に対し
    てシールされた燃料ガス入口装置（５′）を経てアノー
    ド入口（５）に供給される、方法において、使用された
    カソードガスがカソード出口（８）から保護ケーシング
    （２）の内部に排出され、かつカソード入口（７）に戻
    すために保護ケーシングの内部で循環され、燃焼した燃
    料ガスがアノードガス出口（６）から保護ケーシング
    （２）の内部に排出され、かつ保護ケーシング（２）の
    内部を循環するカソードガス流に混合され、保護ケーシ
    ング（２）の内部を循環するガス混合物の一部が外部か
    ら供給される新鮮ガスによって置換されることを特徴と
    する方法。
  2. 【請求項２】新鮮ガスがカソード入口（７）の範囲にお
    いて供給されることを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】カソードガスが保護ケーシング（２）の内
    部に設けた送風機（４）によって循環させられることを
    特徴とする請求項１または２記載の方法。
  4. 【請求項４】循環するカソードガスが有効熱を取り出す
    ために熱交換器（３）を通って案内されることを特徴と
    する請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
  5. 【請求項５】循環するカソードガスが混合されたアノー
    ドガスの燃焼可能な残り成分を燃焼させるために、触媒
    による燃焼装置を通って案内されることを特徴とする請
    求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。
  6. 【請求項６】触媒による燃焼が熱交換器（３）内で行わ
    れることを特徴とする請求項４または５記載の方法。
  7. 【請求項７】スタック（１）状に配置された燃料電池に
    よって形成されかつ保護ケーシング（２）によって取り
    囲まれた燃料電池構造体を運転するための装置であっ
    て、この燃料電池構造体が燃料ガスを燃料電池のアノー
    ドに供給するためのアノード入口（５）と、燃焼した燃
    料ガスをアノードから排出するためのアノード出口
    （６）と、カソードガスを燃料電池のカソードに供給す
    るためのカソード入口（７）と、使用されたカソードガ
    スをカソードから排出するためのカソード出口（８）
    と、燃料ガスをアノード入口（５）に供給するための、
    保護ケーシング（２）の内室に対してシールされる燃料
    ガス入口装置（５′）とを備えている、装置において、
    使用されたカソードガスを排出するための燃料電池スタ
    ックのカソード出口（８）が保護ケーシング（２）の内
    部に開放し、保護ケーシング（２）の内部に送風機
    （４）が設けられ、この送風機によってカソードガスが
    燃料電池スタックのカソード入口（７）に戻すために保
    護ケーシング（２）の内部で循環させられ、燃焼したア
    ノードガスを排気するための燃料電池スタックのアノー
    ド出口（６）が保護ケーシング（２）の内部に開放し、
    それによって使用されたアノードガスが保護ケーシング
    （２）の内部を循環するカソードガス流に混合され、保
    護ケーシング（２）の内部を循環するガス混合物の一部
    を外部から供給される新鮮ガスによって置換する手段が
    設けられていることを特徴とする装置。
  8. 【請求項８】循環するカソードガス流から有効熱を取り
    出すための熱交換器（３）が保護ケーシング（２）の内
    部に設けられていることを特徴とする請求項７記載の装
    置。
  9. 【請求項９】熱交換器（３）が燃料電池スタックのカソ
    ード入口（７）の手前に設けられていることを特徴とす
    る請求項８記載の装置。
  10. 【請求項１０】熱交換器（３）の出口側とカソード入口
    との間の空間が保護ケーシング（２）の内部に対してシ
    ールされていることを特徴とする請求項９記載の装置。
  11. 【請求項１１】循環するカソードガス流に混合されたア
    ノードガスの燃焼可能な残りの成分を触媒によって燃焼
    させるための手段が設けられていることを特徴とする請
    求項８〜10のいずれか一つに記載の装置。
  12. 【請求項１２】触媒によって燃焼させるための手段が循
    環するガス混合物にさらされる熱交換器（３）の表面の
    触媒コーティングによって形成されていることを特徴と
    する請求項11記載の装置。
  13. 【請求項１３】送風機（４）が保護ケーシング（２）の
    外側に配置された駆動装置（4a）を備え、この駆動装置
    が保護ケーシング（２）を通って案内された駆動軸を介
    して送風機（４）に連結され、新鮮ガスがこの駆動軸を
    経て駆動軸の冷却のために供給可能であるように、駆動
    軸が形成されていることを特徴とする請求項６〜12のい
    ずれか一つに記載の装置。
  14. 【請求項１４】保護ケーシング（２）から余剰の排気を
    排出するための逃がし弁が設けられていることを特徴と
    する請求項７〜13のいずれか一つに記載の装置。
  15. 【請求項１５】熱交換器（３）が燃料電池スタック
    （１）の上側と下側の端板に固定されていることを特徴
    とする請求項８〜14のいずれか一つに記載の装置。
  16. 【請求項１６】熱交換器（３）と燃料電池スタック
    （１）の間に周方向の隙間が設けられ、この隙間が連続
    するシールによってシールされていることを特徴とする
    請求項９〜15のいずれか一つに記載の装置。
  17. 【請求項１７】シールがブラシまたはガラス繊維あるい
    はセラミック繊維によって形成されていることを特徴と
    する請求項16記載の装置。
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