JP3098813B2 - 燃料電池からの熱の放散方法および温度平衡部材 - Google Patents
燃料電池からの熱の放散方法および温度平衡部材Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は請求項１の特徴を記述し
た部分に述べたような方法と、この方法を実施するため
の温度平衡部材と、そのような温度平衡部材を含む固体
状の電解質燃料電池のためのバッテリーとに関する。
た部分に述べたような方法と、この方法を実施するため
の温度平衡部材と、そのような温度平衡部材を含む固体
状の電解質燃料電池のためのバッテリーとに関する。
【０００２】
【従来の技術】固体状の電解質燃料電池に関していう
と、主として水素および（あるいは）一酸化炭素および
（あるいは）メタンからなる燃料ガスが、負極（アノー
ド）上で酸素イオンと反応し、水および（あるいは）二
酸化炭素が形成され、電子が解放される。酸素は空気か
ら出てきて、その酸素分子は正極（カソード）において
解離されイオン化される。酸素イオンは２枚の多孔質の
層状電極の間の薄いガス密封性のある層として位置する
固体の電解質を通って拡散し、前記電解質は高温（約１
１００Ｋ、摂氏８２７度以上）において酸素イオンを伝
導することができる。各種タイプの固体状電解質の燃料
電池が知られている（例えば、ジャーナルオブ パワー
ソースにおけるブライアン リレーによる“固体状酸化
物燃料電池−次代型”（１９９０年）２９巻、２２３ペ
ージ〜２３７ページ参照）。ここからは固体状の電解質
の燃料電池を短く呼ぶために“燃料電池”あるいは単に
“電池”と呼ぶことにし、燃料ガスも単に“ガス”と呼
ぶことにする。
と、主として水素および（あるいは）一酸化炭素および
（あるいは）メタンからなる燃料ガスが、負極（アノー
ド）上で酸素イオンと反応し、水および（あるいは）二
酸化炭素が形成され、電子が解放される。酸素は空気か
ら出てきて、その酸素分子は正極（カソード）において
解離されイオン化される。酸素イオンは２枚の多孔質の
層状電極の間の薄いガス密封性のある層として位置する
固体の電解質を通って拡散し、前記電解質は高温（約１
１００Ｋ、摂氏８２７度以上）において酸素イオンを伝
導することができる。各種タイプの固体状電解質の燃料
電池が知られている（例えば、ジャーナルオブ パワー
ソースにおけるブライアン リレーによる“固体状酸化
物燃料電池−次代型”（１９９０年）２９巻、２２３ペ
ージ〜２３７ページ参照）。ここからは固体状の電解質
の燃料電池を短く呼ぶために“燃料電池”あるいは単に
“電池”と呼ぶことにし、燃料ガスも単に“ガス”と呼
ぶことにする。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】燃料電池を運転するた
めの既知の方法によると、付随する反応熱は酸素を供給
する空気によって吸収され、排ガスの中へ排出される。
燃料電池の中で余り大きな温度差が生じないようにする
ために、多大な過剰空気を供給しなければならない。反
応に必要な空気の５倍の空気を使うのが通例である。こ
のように多量の過剰空気を使っているのにもかかわら
ず、出口温度と入口温度との差は依然として約２００Ｋ
（約２００度）あり、この結果、セラミック製の固体状
電解質に生じる熱応力のために困難な構造的な問題が生
じる。
めの既知の方法によると、付随する反応熱は酸素を供給
する空気によって吸収され、排ガスの中へ排出される。
燃料電池の中で余り大きな温度差が生じないようにする
ために、多大な過剰空気を供給しなければならない。反
応に必要な空気の５倍の空気を使うのが通例である。こ
のように多量の過剰空気を使っているのにもかかわら
ず、出口温度と入口温度との差は依然として約２００Ｋ
（約２００度）あり、この結果、セラミック製の固体状
電解質に生じる熱応力のために困難な構造的な問題が生
じる。
【０００４】“電気化学的に活性な構造物”、即ち、２
枚の電極層を有した固体状の電解質から、必要な高温に
おいて反応熱を除去することができるようにするため
に、空気は燃料電池の中へ供給される前に、摂氏約８０
０度（あるいは約１１００Ｋ）にまで加熱しなければな
らない。このことは復熱装置の中で行われ、その中で熱
は排ガスから再生される。多量の過剰空気が必要である
ので、復熱装置が必要となり、これには建設費の内のか
なりの比率部分を割り当てなければならない。
枚の電極層を有した固体状の電解質から、必要な高温に
おいて反応熱を除去することができるようにするため
に、空気は燃料電池の中へ供給される前に、摂氏約８０
０度（あるいは約１１００Ｋ）にまで加熱しなければな
らない。このことは復熱装置の中で行われ、その中で熱
は排ガスから再生される。多量の過剰空気が必要である
ので、復熱装置が必要となり、これには建設費の内のか
なりの比率部分を割り当てなければならない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、燃料電
池バッテリーにおける熱平衡を、固体状の電解質の中で
の熱応力を、最少量の過剰空気で最少にするように設計
することのできる方法および装置を提供することにあ
る。この目的は本発明の請求項１の特徴によって達成さ
れる。
池バッテリーにおける熱平衡を、固体状の電解質の中で
の熱応力を、最少量の過剰空気で最少にするように設計
することのできる方法および装置を提供することにあ
る。この目的は本発明の請求項１の特徴によって達成さ
れる。
【０００６】本発明は２つの重要な利点を有している。
燃料電池を過剰空気を減少させて運転することができる
ので、より小さな復熱装置にかかる建設費が減少され
る。従来必要とされていた５倍量に比べて、２倍ないし
３倍の過剰空気で十分である。このように過剰空気を減
らしたにもかかわらず、電気化学的に活性な構造物の中
の温度平衡部材によって、２０Ｋ（２０度）よりも少な
い、あるいはほとんどそれを上回らない温度差を得るこ
とができる。この結果から重要な熱応力が小さくなる。
燃料電池を過剰空気を減少させて運転することができる
ので、より小さな復熱装置にかかる建設費が減少され
る。従来必要とされていた５倍量に比べて、２倍ないし
３倍の過剰空気で十分である。このように過剰空気を減
らしたにもかかわらず、電気化学的に活性な構造物の中
の温度平衡部材によって、２０Ｋ（２０度）よりも少な
い、あるいはほとんどそれを上回らない温度差を得るこ
とができる。この結果から重要な熱応力が小さくなる。
【０００７】請求項２から５は、燃料電池バッテリーの
中での熱平衡をいかにして管理することができるかに関
連している。独立的な請求項６は、本発明による方法を
実施するのに必要な装置、即ち温度平衡部材に関連して
いる。独立請求項７から１０はその様な温度平衡部材に
関する異なった実施例に関連している。燃料電池から、
例えば、直列的に配置するなどして構成されたバッテリ
ーは請求項１１および１２に記載されている。
中での熱平衡をいかにして管理することができるかに関
連している。独立的な請求項６は、本発明による方法を
実施するのに必要な装置、即ち温度平衡部材に関連して
いる。独立請求項７から１０はその様な温度平衡部材に
関する異なった実施例に関連している。燃料電池から、
例えば、直列的に配置するなどして構成されたバッテリ
ーは請求項１１および１２に記載されている。
【０００８】次に本発明について図面を参照してもっと
詳細に説明する。図１の（Ａ）に示した燃料電池は電気
化学的に活性な構造物１１を含み、これは水平かつ平坦
に延在し、正極１１ａと、固体電解質１１ｂと、負極１
１ｃとからなっている、空気（矢印Ｂ）はダクト１２ｂ
の中を正極１１ａを介してＸ軸方向に案内され、ガス
（矢印Ｃ）はダクト１２ｃの中を負極１１ｃを介してＹ
軸方向に案内される。前記ダクト１２ｂと１２ｃは溝状
になったチャンネルであり、その両側はいわゆる“二極
分離板”１２となっている。この分離板１２には導電性
がある。
詳細に説明する。図１の（Ａ）に示した燃料電池は電気
化学的に活性な構造物１１を含み、これは水平かつ平坦
に延在し、正極１１ａと、固体電解質１１ｂと、負極１
１ｃとからなっている、空気（矢印Ｂ）はダクト１２ｂ
の中を正極１１ａを介してＸ軸方向に案内され、ガス
（矢印Ｃ）はダクト１２ｃの中を負極１１ｃを介してＹ
軸方向に案内される。前記ダクト１２ｂと１２ｃは溝状
になったチャンネルであり、その両側はいわゆる“二極
分離板”１２となっている。この分離板１２には導電性
がある。
【０００９】図１の（Ａ）に示した燃料電池は分離板１
２、１２′と電気化学的に活性な構造物１１，１１′と
を積み上げたものからなっており、それらはＺ軸方向に
おいて上下に交互の層状になっていて、すべて同じ長方
形表面（表面積Ｆ）を有している。空気あるいはガスの
ための分配器と収集器（図示せず）とが、適当に、Ｚ軸
方向に平衡な山積みの４つの側部上に配置されている。
この山積みはその下側において、また従ってその上側に
おいて、端板１３によって閉じられている。電池内で生
じた電流はＺ軸方向に流れて、これは表面積Ｆに比例し
ている。電池の電圧は燃料電池の数に比例し、１つの燃
料電池は２本の一点鎖線１００，１００′とによって限
定された領域からなる。
２、１２′と電気化学的に活性な構造物１１，１１′と
を積み上げたものからなっており、それらはＺ軸方向に
おいて上下に交互の層状になっていて、すべて同じ長方
形表面（表面積Ｆ）を有している。空気あるいはガスの
ための分配器と収集器（図示せず）とが、適当に、Ｚ軸
方向に平衡な山積みの４つの側部上に配置されている。
この山積みはその下側において、また従ってその上側に
おいて、端板１３によって閉じられている。電池内で生
じた電流はＺ軸方向に流れて、これは表面積Ｆに比例し
ている。電池の電圧は燃料電池の数に比例し、１つの燃
料電池は２本の一点鎖線１００，１００′とによって限
定された領域からなる。
【００１０】図１の（Ｂ）に示した燃料電池において
は、これもまた燃料電池を山積みしたものであり、電気
化学的に活性な構造物１１もまた平坦に延在している
が、１つの方向（Ｘ軸方向）に対して直角な方向におい
て波状になっており、その結果空気用のダクト１２ｂと
ガス用のダクト１２ｃとは互いに他と平行になってい
る。電極材料でできた層１１ａ′と１１ｃ′とは、隣接
の電極に応じて、構造物１１に取り付けられており、そ
の結果、ダクト１２ｂと１２ｃとは管状になっている。
ここでも一点鎖線で示された境界線１００あるいは１０
０′のところで隣接した燃料電池は、導電性のある中間
層１４，１４′を有している。全てのダクトが平行であ
るので、空気とガスのための分配器と収集器とは山積み
の同一側（Ｘ軸方向に対して直角になって）に配置しな
ければならず、このことは図１の（Ａ）に示した交差流
型の装置に比べて幾分複雑な構造を必要とする。
は、これもまた燃料電池を山積みしたものであり、電気
化学的に活性な構造物１１もまた平坦に延在している
が、１つの方向（Ｘ軸方向）に対して直角な方向におい
て波状になっており、その結果空気用のダクト１２ｂと
ガス用のダクト１２ｃとは互いに他と平行になってい
る。電極材料でできた層１１ａ′と１１ｃ′とは、隣接
の電極に応じて、構造物１１に取り付けられており、そ
の結果、ダクト１２ｂと１２ｃとは管状になっている。
ここでも一点鎖線で示された境界線１００あるいは１０
０′のところで隣接した燃料電池は、導電性のある中間
層１４，１４′を有している。全てのダクトが平行であ
るので、空気とガスのための分配器と収集器とは山積み
の同一側（Ｘ軸方向に対して直角になって）に配置しな
ければならず、このことは図１の（Ａ）に示した交差流
型の装置に比べて幾分複雑な構造を必要とする。
【００１１】本発明によって特定される方法もまた、前
述した燃料電池におけるような平坦に延在した電気化学
的に活性な構造物１１を有した燃料電池に関する。この
方法は燃料電池の熱平衡と関係しており、これについて
以下図２を参照しながらもっと詳細に説明する。
述した燃料電池におけるような平坦に延在した電気化学
的に活性な構造物１１を有した燃料電池に関する。この
方法は燃料電池の熱平衡と関係しており、これについて
以下図２を参照しながらもっと詳細に説明する。
【００１２】燃料電池１０の中では、ガス１と空気２か
らの酸素とが電気化学的に活性な構造物１１の電極にお
いて反応させられ、化学エネルギーが電気エネルギー３
と熱４とに転換される。非常に良好な燃料電池について
は、ほぼ等量の両方のエネルギーが発生される。消費さ
れたガス５はその内の約１５％はまだ酸化されていない
が、それと燃料電池から出てくる空気６とは摂氏約８０
０度になって２次燃焼室５０の中へ入り、例えば、１０
００度の温度になった排ガス７が発生する。新鮮な空気
２ａはこの熱排ガス７と共に約６００度まで、復熱装
置、“外部復熱装置”２０の中で加熱され、その排ガス
７ａはこの過程中に部分的に冷却されて別の加熱操作の
ために供給してもよい。このようにして加熱された新鮮
空気２ｂは反応熱４によって“内部復熱装置”３０内で
の実際的な反応温度にまで加熱され、本発明による温度
平衡部材は前記復熱装置に属し、この状態でそれらは正
極に供給される。
らの酸素とが電気化学的に活性な構造物１１の電極にお
いて反応させられ、化学エネルギーが電気エネルギー３
と熱４とに転換される。非常に良好な燃料電池について
は、ほぼ等量の両方のエネルギーが発生される。消費さ
れたガス５はその内の約１５％はまだ酸化されていない
が、それと燃料電池から出てくる空気６とは摂氏約８０
０度になって２次燃焼室５０の中へ入り、例えば、１０
００度の温度になった排ガス７が発生する。新鮮な空気
２ａはこの熱排ガス７と共に約６００度まで、復熱装
置、“外部復熱装置”２０の中で加熱され、その排ガス
７ａはこの過程中に部分的に冷却されて別の加熱操作の
ために供給してもよい。このようにして加熱された新鮮
空気２ｂは反応熱４によって“内部復熱装置”３０内で
の実際的な反応温度にまで加熱され、本発明による温度
平衡部材は前記復熱装置に属し、この状態でそれらは正
極に供給される。
【００１３】外部復熱装置２０の中で予熱された新鮮空
気２ｂは熱交換要素を通って燃料電池１０の中へ入る
が、このことを図５を参照しながら例示的な実施例とし
て以下もっと詳細に説明する。これらの熱交換要素には
温度平衡部材からの熱が供給され、これによって空気２
ｂはさらに約７００度にまで加熱される。この空気２ｂ
は平衡部材と接触され、その結果としてその温度はさら
に上昇する。結果としての熱の流れ状態を図３を参照し
ながら説明する。
気２ｂは熱交換要素を通って燃料電池１０の中へ入る
が、このことを図５を参照しながら例示的な実施例とし
て以下もっと詳細に説明する。これらの熱交換要素には
温度平衡部材からの熱が供給され、これによって空気２
ｂはさらに約７００度にまで加熱される。この空気２ｂ
は平衡部材と接触され、その結果としてその温度はさら
に上昇する。結果としての熱の流れ状態を図３を参照し
ながら説明する。
【００１４】図３に示されている、温度平衡部材３１を
備えた燃料電池４０は、例えば、図５に示したような燃
料電池バッテリーに用いることができる。前記温度平衡
部材３１は２つの平行な板３１ａと３１ｃとからなって
おり、前記板３１ｃあるいは隣接の燃料電池の同様な板
３１ｃ′が燃料電池における区画壁を形成している。こ
れらの区画壁の中心線１００，１００′が燃料電池４０
の境界となっている。２つの板３１ａと３１ｃとの間
を、キャビティー３１ｂにおける燃料電池の空気取り入
れ点における熱交換要素（図示せず）の方へ流れ、また
実際に反応温度にまで加熱される空気が矢印Ａによって
示されている。このようにして加熱される空気は電気化
学的に活性な構造物１１と板３１ａとの間の正極チェン
バー１２ｂの中へ送給され、正極１１ａに沿って矢印Ｂ
によって示されたように流れる。矢印Ｃは負極チェンバ
ー１２ｃの中での負極１１ｃに沿ったガスの流れを示し
ている。電気化学反応によって駆動される酸素イオンは
正側（＋の印）から固体電解質１１ｂを通って負側（−
の印）へ移動し、またこのようにして燃料電池のための
起電力を発生する。
備えた燃料電池４０は、例えば、図５に示したような燃
料電池バッテリーに用いることができる。前記温度平衡
部材３１は２つの平行な板３１ａと３１ｃとからなって
おり、前記板３１ｃあるいは隣接の燃料電池の同様な板
３１ｃ′が燃料電池における区画壁を形成している。こ
れらの区画壁の中心線１００，１００′が燃料電池４０
の境界となっている。２つの板３１ａと３１ｃとの間
を、キャビティー３１ｂにおける燃料電池の空気取り入
れ点における熱交換要素（図示せず）の方へ流れ、また
実際に反応温度にまで加熱される空気が矢印Ａによって
示されている。このようにして加熱される空気は電気化
学的に活性な構造物１１と板３１ａとの間の正極チェン
バー１２ｂの中へ送給され、正極１１ａに沿って矢印Ｂ
によって示されたように流れる。矢印Ｃは負極チェンバ
ー１２ｃの中での負極１１ｃに沿ったガスの流れを示し
ている。電気化学反応によって駆動される酸素イオンは
正側（＋の印）から固体電解質１１ｂを通って負側（−
の印）へ移動し、またこのようにして燃料電池のための
起電力を発生する。
【００１５】燃料電池４０内における熱移送状態が図３
における各種の矢印によって示されており、それらは、
空気の入口方向に向かっての、板３１ａ，３１ｃ，３１
ｃ′のそれぞれにおける熱伝導３４ａ，３４ｃ，３４
ｃ′と、空気の流れＡに向かっての、板３１ａあるいは
３１ｃのそれぞれからの熱移送３５ａ，３５ｃと、空気
の流れＢに向かっての、板３１ａあるいは正極１１ａの
それぞれからの熱移送３６，１６と、正極１１ａから板
３１ａへの熱輻射１５ａ、および負極１１ｃから板３１
ｃ′への熱輻射１５ｃとである（板３１ｃは隣接の燃料
電池から同様な熱輻射を吸収する）。
における各種の矢印によって示されており、それらは、
空気の入口方向に向かっての、板３１ａ，３１ｃ，３１
ｃ′のそれぞれにおける熱伝導３４ａ，３４ｃ，３４
ｃ′と、空気の流れＡに向かっての、板３１ａあるいは
３１ｃのそれぞれからの熱移送３５ａ，３５ｃと、空気
の流れＢに向かっての、板３１ａあるいは正極１１ａの
それぞれからの熱移送３６，１６と、正極１１ａから板
３１ａへの熱輻射１５ａ、および負極１１ｃから板３１
ｃ′への熱輻射１５ｃとである（板３１ｃは隣接の燃料
電池から同様な熱輻射を吸収する）。
【００１６】電気化学的に発生された熱は、主として、
熱伝導によって温度平衡部材３１を介して空気へ間接的
に移送される。第１に、この反応熱は、主として、熱輻
射によって温度平衡部材３１に移送され、正極チェンバ
ー１２ｂあるいは負極チェンバー１２ｃのそれぞれの中
への、およびそれらを介しての熱伝導は、この熱移送に
関してはほんのわずかしか貢献しない。このことの認識
は試算に基づいたものである。図４にはその様な計算の
結果が再現されている。図４における線図を参照しなが
ら、その熱移送状態に関する議論を続けることにする。
熱伝導によって温度平衡部材３１を介して空気へ間接的
に移送される。第１に、この反応熱は、主として、熱輻
射によって温度平衡部材３１に移送され、正極チェンバ
ー１２ｂあるいは負極チェンバー１２ｃのそれぞれの中
への、およびそれらを介しての熱伝導は、この熱移送に
関してはほんのわずかしか貢献しない。このことの認識
は試算に基づいたものである。図４にはその様な計算の
結果が再現されている。図４における線図を参照しなが
ら、その熱移送状態に関する議論を続けることにする。
【００１７】図４の線図における４つの曲線Ａ，Ｂ，
Ｐ，Ｅは、温度平衡部材３１のキャビティー３１ｂにお
ける温度曲線（曲線Ａ）と、正極チェンバー１２ｂにお
けるそれ（曲線Ｂ）と、温度平衡部材３１の板３１ａ，
３１ｃにおけるそれ（曲線Ｐ）と、電気化学的に活性な
構造物１１におけるそれ（曲線Ｅ）とを示している。明
確を期するためにいうと、曲線Ｐは板３１ａと３１ｃと
の両方に適用される。（これらの２つの板はほんのわず
かしか異なっていない温度曲線を有している。）Ｘ軸は
キャビティー３１ｂにおける空気の流れの方向（矢印
Ａ）に沿って選ばれている。横軸上の点ａは温度平衡部
材３１の空気入口点を示し、点ｂは空気がキャビティー
３１ｂから正極チェンバー１２ｂの中へ転換され、入口
点へ向かって戻る変換点を示す。空気の流れ方向は曲線
Ａ，Ｂに沿った小さな矢印によって示されている。
Ｐ，Ｅは、温度平衡部材３１のキャビティー３１ｂにお
ける温度曲線（曲線Ａ）と、正極チェンバー１２ｂにお
けるそれ（曲線Ｂ）と、温度平衡部材３１の板３１ａ，
３１ｃにおけるそれ（曲線Ｐ）と、電気化学的に活性な
構造物１１におけるそれ（曲線Ｅ）とを示している。明
確を期するためにいうと、曲線Ｐは板３１ａと３１ｃと
の両方に適用される。（これらの２つの板はほんのわず
かしか異なっていない温度曲線を有している。）Ｘ軸は
キャビティー３１ｂにおける空気の流れの方向（矢印
Ａ）に沿って選ばれている。横軸上の点ａは温度平衡部
材３１の空気入口点を示し、点ｂは空気がキャビティー
３１ｂから正極チェンバー１２ｂの中へ転換され、入口
点へ向かって戻る変換点を示す。空気の流れ方向は曲線
Ａ，Ｂに沿った小さな矢印によって示されている。
【００１８】図４に示された曲線の間にある矢印は、図
３における矢印と一致した熱移送状態を示している。曲
線Ｐの左半分は矢印３４の中へ分離しているが、それに
よって温度平衡部材に沿った熱伝導が示されている（矢
印３４ａと３４ｃとに一致している）。矢印３４′は空
気入口における熱交換要素によって吸収される熱の流れ
を示している。この熱の流れ３４′は、温度平衡部材３
１から間接的に移送される反応熱の、空気２ｂ（図２）
に対する比率と一致している。この線図の基本となって
いる試算によると、間接的および直接的に移送される熱
の量は、ほとんど同一の大きさに選ばれていて、これは
最適の運転モードに対応したものであった。
３における矢印と一致した熱移送状態を示している。曲
線Ｐの左半分は矢印３４の中へ分離しているが、それに
よって温度平衡部材に沿った熱伝導が示されている（矢
印３４ａと３４ｃとに一致している）。矢印３４′は空
気入口における熱交換要素によって吸収される熱の流れ
を示している。この熱の流れ３４′は、温度平衡部材３
１から間接的に移送される反応熱の、空気２ｂ（図２）
に対する比率と一致している。この線図の基本となって
いる試算によると、間接的および直接的に移送される熱
の量は、ほとんど同一の大きさに選ばれていて、これは
最適の運転モードに対応したものであった。
【００１９】間接的な熱移送の後、空気は温度ＴA （９
７３Ｋ、摂氏７００度）となってキャビティー３１ｂの
中へ入り、温度平衡部材３１から熱の直接移送によって
温度ＴB （１０６８Ｋ、摂氏７９５度）にまで加熱され
る。この温度ＴB は反応温度ＴE よりも約２０Ｋ（約２
０度）だけ低い。正極チェンバー１２ｂの中では空気温
度（曲線Ｂ）はほんの少ししか変化していない。最初は
（即ちＸ値の小さい時）少し上昇するが、その後、実質
的に一定となり、最後は少し低下する。点ｂと点ｃとの
間においては、空気は正極１１ａ（矢印１６）からと板
３１ａ（矢印３６）からとの熱を吸収し、点ｃと点ｄと
の間では、空気は最初は正極１１ａからの熱を吸収し、
次の板３１ａへ熱を放出し、点ｄと点ａとの間では、空
気は正極１１ａと板３１ａとの両方へ熱を放出する。
７３Ｋ、摂氏７００度）となってキャビティー３１ｂの
中へ入り、温度平衡部材３１から熱の直接移送によって
温度ＴB （１０６８Ｋ、摂氏７９５度）にまで加熱され
る。この温度ＴB は反応温度ＴE よりも約２０Ｋ（約２
０度）だけ低い。正極チェンバー１２ｂの中では空気温
度（曲線Ｂ）はほんの少ししか変化していない。最初は
（即ちＸ値の小さい時）少し上昇するが、その後、実質
的に一定となり、最後は少し低下する。点ｂと点ｃとの
間においては、空気は正極１１ａ（矢印１６）からと板
３１ａ（矢印３６）からとの熱を吸収し、点ｃと点ｄと
の間では、空気は最初は正極１１ａからの熱を吸収し、
次の板３１ａへ熱を放出し、点ｄと点ａとの間では、空
気は正極１１ａと板３１ａとの両方へ熱を放出する。
【００２０】電気化学的な反応は約１１００Ｋ（摂氏８
２７度）で生じ、両極の表面に関しては約１Ｋｗ／ｍ2
の熱出力が解放される。反応温度が高いので、約５Ｋ
（約５度）の温度差があれば、電極１１ａ，１１ｃから
温度平衡部材３１の隣接板３１ａ，３１′ｃそれぞれへ
の熱輻射によって、反応熱を十分に移送することができ
る。この温度差は図４に大きすぎるほどに示されてい
る。電極と連続的な空気あるいは連続的なガスとの間に
比較的ほんの少しの熱変化でも生じると、例えば、図４
の点ａと点ｄとの間を見れば分かるように、空気温度が
電極の温度よりも高くなることがあり得るということが
可能になる。
２７度）で生じ、両極の表面に関しては約１Ｋｗ／ｍ2
の熱出力が解放される。反応温度が高いので、約５Ｋ
（約５度）の温度差があれば、電極１１ａ，１１ｃから
温度平衡部材３１の隣接板３１ａ，３１′ｃそれぞれへ
の熱輻射によって、反応熱を十分に移送することができ
る。この温度差は図４に大きすぎるほどに示されてい
る。電極と連続的な空気あるいは連続的なガスとの間に
比較的ほんの少しの熱変化でも生じると、例えば、図４
の点ａと点ｄとの間を見れば分かるように、空気温度が
電極の温度よりも高くなることがあり得るということが
可能になる。
【００２１】試算によると、電気化学的に活性な構造物
１１における最大の温度差は１７ｋ（摂氏１７度）であ
り、両端の点間の距離は４cmである。従って、温度勾配
（約４Ｋ／cm，摂氏約４度／cm）は従来の既知の燃料電
池における温度勾配（約５０Ｋ／cm，摂氏約５０度／c
m）よりもかなり小さい。従って、熱応力はより小さく
なり、固体電解質１１ｂはより耐久性をもつことにな
る。
１１における最大の温度差は１７ｋ（摂氏１７度）であ
り、両端の点間の距離は４cmである。従って、温度勾配
（約４Ｋ／cm，摂氏約４度／cm）は従来の既知の燃料電
池における温度勾配（約５０Ｋ／cm，摂氏約５０度／c
m）よりもかなり小さい。従って、熱応力はより小さく
なり、固体電解質１１ｂはより耐久性をもつことにな
る。
【００２２】前記温度勾配に関しては、以下の前提条件
を適用しなければならない。セラミック製の電解層上の
個々の点においてあまり大きな温度勾配が生じるのを防
ぐために、温度平衡部材は十分に大きな表面を有してい
なければならず、この全表面上において温度平衡部材は
電極によって放出される熱輻射を吸収することができ、
またその全表面上において熱の移送を許し、かつ温度を
平衡させなければならない。温度平衡部材３１は金属合
金からうまく製造されており、これは酸素の存在する下
で、１１００Ｋ（摂氏８２７度）にまで耐える。しかし
ながら、それらはセラミック材料から製造することもで
き、これはそれ程良好な熱伝導体でなく、この場合には
温度平衡を保障するために板３１ａと３１ｃとは十分に
厚くしなければならない。
を適用しなければならない。セラミック製の電解層上の
個々の点においてあまり大きな温度勾配が生じるのを防
ぐために、温度平衡部材は十分に大きな表面を有してい
なければならず、この全表面上において温度平衡部材は
電極によって放出される熱輻射を吸収することができ、
またその全表面上において熱の移送を許し、かつ温度を
平衡させなければならない。温度平衡部材３１は金属合
金からうまく製造されており、これは酸素の存在する下
で、１１００Ｋ（摂氏８２７度）にまで耐える。しかし
ながら、それらはセラミック材料から製造することもで
き、これはそれ程良好な熱伝導体でなく、この場合には
温度平衡を保障するために板３１ａと３１ｃとは十分に
厚くしなければならない。
【００２３】図２を参照しながらの燃料電池の熱平衡に
関する議論の中で、２次燃焼に関するガス流の貢献につ
いてのみ述べてきた。ガス流によって同伴される熱の量
は、同一の温度差の場合で比較して、空気流におけるよ
りも１桁以上小さいので、感受性のある熱の移送に関す
る熱平衡への貢献は大して重要ではない。ガスは個々の
燃料電池に到達するまでの過程で、バッテリーの内側で
既に相当予熱されてきている。ガスの予熱をさらに改善
するために、ガスの入口点は熱交換要素における空気の
場合と同様に構成することができ、これもまた温度平衡
部材から移送されるように熱を受けるものである。
関する議論の中で、２次燃焼に関するガス流の貢献につ
いてのみ述べてきた。ガス流によって同伴される熱の量
は、同一の温度差の場合で比較して、空気流におけるよ
りも１桁以上小さいので、感受性のある熱の移送に関す
る熱平衡への貢献は大して重要ではない。ガスは個々の
燃料電池に到達するまでの過程で、バッテリーの内側で
既に相当予熱されてきている。ガスの予熱をさらに改善
するために、ガスの入口点は熱交換要素における空気の
場合と同様に構成することができ、これもまた温度平衡
部材から移送されるように熱を受けるものである。
【００２４】図５においては、中心対称形の燃料電池バ
ッテリーから作られた２つの電池からなる、扇形部分を
示している。電気化学的に活性な構造物１１と温度平衡
部材３１とに関する手順は既に図３を参照しながら説明
した。以下の詳細な説明は追加の情報である。
ッテリーから作られた２つの電池からなる、扇形部分を
示している。電気化学的に活性な構造物１１と温度平衡
部材３１とに関する手順は既に図３を参照しながら説明
した。以下の詳細な説明は追加の情報である。
【００２５】ガス１は中心パイプ４１を通り、複数個の
孔４２を介して負極チェンバー１２ｃの中へ供給され
る。中心パイプ４１はセグメントからなっており、これ
らの間には電気絶縁リング４３が挿入されている。シー
ルリング４４が中心領域における隣接の電池をガス密封
しながら分離している。中心パイプ４１は熱交換器とし
てうまく作用しており、それによって、熱は温度平衡部
材からガス１へ移送される。孔４２が微細であればある
程、電池の中へ供給されるガス１の予熱はより良好にな
る。
孔４２を介して負極チェンバー１２ｃの中へ供給され
る。中心パイプ４１はセグメントからなっており、これ
らの間には電気絶縁リング４３が挿入されている。シー
ルリング４４が中心領域における隣接の電池をガス密封
しながら分離している。中心パイプ４１は熱交換器とし
てうまく作用しており、それによって、熱は温度平衡部
材からガス１へ移送される。孔４２が微細であればある
程、電池の中へ供給されるガス１の予熱はより良好にな
る。
【００２６】外部復熱装置の中で予熱された新鮮空気２
ｂはパイプ４６を介して環状ダクト４７の中へ入り、そ
こで燃料電池の全周に亘って配分され、また同時に温度
平衡部材３１から半径方向に供給されてくる熱によって
加熱される。このような配分と熱交換との機能は、例え
ば、図５に示したリブ４７ａのような付属要素によって
改善することができる。この１本のパイプ４６の替わり
に、もちろん数本のパイプを燃料電池の外周に亘って配
置してもよい。環状ダクト４７は前述した空気入口点に
おける熱交換要素である。
ｂはパイプ４６を介して環状ダクト４７の中へ入り、そ
こで燃料電池の全周に亘って配分され、また同時に温度
平衡部材３１から半径方向に供給されてくる熱によって
加熱される。このような配分と熱交換との機能は、例え
ば、図５に示したリブ４７ａのような付属要素によって
改善することができる。この１本のパイプ４６の替わり
に、もちろん数本のパイプを燃料電池の外周に亘って配
置してもよい。環状ダクト４７は前述した空気入口点に
おける熱交換要素である。
【００２７】空気２はキャビティー３１ｂの中でさらに
加熱された後、円形ギャップ４６を通って中心から正極
チェンバー１２ｂの中へ入る。使用済みの空気６と使用
済みのガス５とは、燃料電池の山積みの外周において燃
料電池から出ていく。ハウジング壁（図示せず）と燃料
電池の山積みの表面との間の環状部分においては、空気
６とガス５との２次燃焼が、それらが燃料電池を出た直
後に生じることができる。ガス５と空気６とは、もちろ
ん、分離して集めても良く、またこの場合にはそれらは
外部的にしか燃焼させることができない。
加熱された後、円形ギャップ４６を通って中心から正極
チェンバー１２ｂの中へ入る。使用済みの空気６と使用
済みのガス５とは、燃料電池の山積みの外周において燃
料電池から出ていく。ハウジング壁（図示せず）と燃料
電池の山積みの表面との間の環状部分においては、空気
６とガス５との２次燃焼が、それらが燃料電池を出た直
後に生じることができる。ガス５と空気６とは、もちろ
ん、分離して集めても良く、またこの場合にはそれらは
外部的にしか燃焼させることができない。
【００２８】新鮮空気２ｂはパイプ４６に供給される
と、燃料電池の山積みの表面上における高温領域を通過
し、その結果として付属的な熱吸収が生じる。全ての燃
料電池に対して同一の入口温度を保障することが得策で
あり、従って山積みの軸線方向においては、できる限り
遠くまで温度勾配が生じないようにするとよい。この要
求は、高温領域における送気パイプを、付属的な熱吸収
が全てのパイプに関して同じになるように、あるいは少
なくとも大体同じになるように、設計、配置することに
よって満足させることができる。他の解決策としては、
熱絶縁材を用いることによってこの付属的な熱吸収を小
さく保つことがある。
と、燃料電池の山積みの表面上における高温領域を通過
し、その結果として付属的な熱吸収が生じる。全ての燃
料電池に対して同一の入口温度を保障することが得策で
あり、従って山積みの軸線方向においては、できる限り
遠くまで温度勾配が生じないようにするとよい。この要
求は、高温領域における送気パイプを、付属的な熱吸収
が全てのパイプに関して同じになるように、あるいは少
なくとも大体同じになるように、設計、配置することに
よって満足させることができる。他の解決策としては、
熱絶縁材を用いることによってこの付属的な熱吸収を小
さく保つことがある。
【００２９】図５に示した例示的な実施例においては、
温度平衡部材３１は、中心パイプ４１のセグメントや、
パイプ４６、および環状ダクト４７と一緒になって、燃
料電池バッテリーに関するガスの集中、供給要素を形成
している。
温度平衡部材３１は、中心パイプ４１のセグメントや、
パイプ４６、および環状ダクト４７と一緒になって、燃
料電池バッテリーに関するガスの集中、供給要素を形成
している。
【００３０】本発明による方法を、燃料電池バッテリー
の特別な例示的実施例を参照しながら説明する。しかし
ながら、その適用分野は、第２の例示的実施例に関する
図６に示したように、もっと一般的である。空気とガス
とは図１のＢに示したような既知のバッテリーにおける
ように平行なダクト１２ｂ，１２ｃのそれぞれの中を流
れ、従って、温度平衡部材は２つの異なった要素、すな
わち、管状要素３２とワイヤ形要素３３によって構成し
なければならない。空気ダクト１２ｂはその一端におい
てシール４９を有し、パイプ３２を通って供給される空
気（矢印Ａ）が対抗流として強制的に再び帰ってくるよ
うにしなければならない。これらの要素３２，３３の運
転モードは既に前述してきた温度平衡部材３１のそれと
同一である。熱もまた、内部復熱装置の一部を形成する
熱交換要素（図示せず）の中へ流れ込む空気の流れ方向
に対抗して放散される。
の特別な例示的実施例を参照しながら説明する。しかし
ながら、その適用分野は、第２の例示的実施例に関する
図６に示したように、もっと一般的である。空気とガス
とは図１のＢに示したような既知のバッテリーにおける
ように平行なダクト１２ｂ，１２ｃのそれぞれの中を流
れ、従って、温度平衡部材は２つの異なった要素、すな
わち、管状要素３２とワイヤ形要素３３によって構成し
なければならない。空気ダクト１２ｂはその一端におい
てシール４９を有し、パイプ３２を通って供給される空
気（矢印Ａ）が対抗流として強制的に再び帰ってくるよ
うにしなければならない。これらの要素３２，３３の運
転モードは既に前述してきた温度平衡部材３１のそれと
同一である。熱もまた、内部復熱装置の一部を形成する
熱交換要素（図示せず）の中へ流れ込む空気の流れ方向
に対抗して放散される。
【図１】既知の２種類の燃料電池の断面図。
【図２】電気エネルギーが燃料電池によって発生され、
燃料電池からの熱の放散すなわち散逸は本発明による方
法によって行われることを示した、熱平衡線図。
燃料電池からの熱の放散すなわち散逸は本発明による方
法によって行われることを示した、熱平衡線図。
【図３】本発明による温度平衡部材を備えた燃料電池の
断面図。
断面図。
【図４】図３に示したような燃料電池における温度と熱
の流れを示すグラフ。
の流れを示すグラフ。
【図５】本発明による燃料電池バッテリーの第１の例示
的実施例の詳細図。
的実施例の詳細図。
【図６】第２の例示的実施例の詳細図。
２ｂ 空気 １１ 電気化学的に活性な構造物 １１ａ 電極 １２ｂ 空気チェンバー １２ｃ ガスチェンバー ３１ 温度平衡部材 ３１ａ，３１ｃ 区画壁 ３１ｂ キャビティー ４７ 空気入口点 ４７ａ 熱交換要素
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−294670（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−176878（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−163973（ＪＰ，Ａ) 欧州特許出願公開550011（ＥＰ，Ａ １) 欧州特許出願公開437175（ＥＰ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24
Claims (13)
- 【請求項１】 固体状電解質の燃料電池バッテリーから
熱を放散させる方法であって、 少なくとも１つの燃料電池の電気化学的に活性な構造物
の正極に対向して温度平衡部材を配置して、該燃料電池
から化学エネルギーと電気エネルギーの変換時に発生し
た熱を受け取る段階と、 前記温度平衡部材に移った熱の第１の部分を、熱交換要
素を介して、間接的に空気流へ放散させて予熱する段階
と、 前記温度平衡部材に移った熱の第２の部分を前記空気流
へ直接に放散させて、該空気を反応温度に近い温度まで
熱する段階と、 その後に、前記熱した空気流を前記電気化学的に活性な
構造物の正極へ通す段階とを含む方法。 - 【請求項２】 請求項１に記載の方法であって、多くと
も３倍過剰な酸素の流れを、前記空気流とともに供給す
る段階をさらに有する方法。 - 【請求項３】 請求項１に記載の方法において、前記第
１と第２の部分が少なくともほぼ等しい方法。 - 【請求項４】 請求項１に記載の方法において、同じ温
度の熱した空気流を、複数の燃料電池の各々の正極上に
通す方法。 - 【請求項５】 請求項１に記載の方法であって、前記電
気化学的に活性な構造物上に燃料ガス流を通し、前記温
度平衡部材に移った熱の第３の部分を該燃料ガス流に放
散させて、この燃料ガス流を予熱する段階をさらに有す
る方法。 - 【請求項６】 燃料電池であって、 正極、負極、及びこれら正極と負極の間にある電解質を
含む少なくとも一つの電気化学的に活性な構造物と、 前記電気化学的に活性な構造物に生じた熱を受け取るた
めに前記正極に対向して配置した伝導性の温度平衡部材
と、 前記正極と隔てて前記温度平衡部材に空気流用の少なく
とも１つの流路を形成する第１の手段にして、該流路が
前記温度平衡部材に移った熱の一部を前記空気流へ直接
に移して反応温度に近い温度まで熱するように配置され
た第１の手段と、 前記温度平衡部材の空気入口端に位置して、該温度平衡
部材に移った熱の別の一部を前記空気流へ間接的に移し
て予熱する熱交換要素と、 前記第１の手段と連通して、前記温度平衡部材と前記正
極の間に、前記熱した空気流用の少なくとも１つの流路
を形成する第２の手段とを有する燃料電池。 - 【請求項７】 請求項６に記載の燃料電池において、前
記温度平衡部材が前記正極に平行である燃料電池。 - 【請求項８】 請求項６に記載の燃料電池において、前
記温度平衡部材が、酸素のある状態で１１００°Ｋに至
る熱に耐える金属合金で作られる燃料電池。 - 【請求項９】 請求項６に記載の燃料電池において、前
記第１の手段が前記温度平衡部材内の複数の平行キャビ
ティーを含む燃料電池。 - 【請求項１０】 請求項９に記載の燃料電池において、
前記第２の手段が前記温度平衡部材内の複数の平行キャ
ビティーを含む燃料電池。 - 【請求項１１】 燃料電池であって、 積み重ね配列に配置され、各々が正極を含む複数の電気
化学的に活性な構造物と、 前記構造物間に隔置関係で配置されて発生する熱を受け
取る少なくとも１つの熱伝導性の平衡部材にして、この
平衡部材は前記構造物のうちの１つから隔置されてこの
１つの構造物と該平衡部材の間に燃料ガス用の流路を形
成するとともに、前記構造物のうちの別のものから隔置
されてこの別の構造物と該平衡部材の間に空気用の第１
の流路を形成してこの別の構造物から発生した熱を受け
取り、各々の平衡部材が一対の平行な隔置した板を備
え、これら板が両者間に前記第１の流路に通じている空
気流用の第２の流路を形成する平衡部材と、 前記第２の流路への空気入口と、 前記平衡部材に移った熱の一部を前記第２の流路内の空
気流に放散する、前記空気入口に隣接した熱交換要素と
を有し、 前記構造物と前記平衡部材が環状形状であり、燃料電池
が、前記平衡部材と同軸の中心パイプをさらに有し、該
中心パイプが、前記燃料ガス用の流路に通じていて該流
路へ燃料ガスを送る孔を備えている燃料電池。 - 【請求項１２】 燃料電池であって、 正極を備え、空気ダクトと燃料ガスダクトの間に配置し
た電気化学的に活性な構造物と、 前記空気ダクト内にあって、前記構造物から発生した熱
を受け取り、熱する空気流用の流路を形成する管状要素
と、 前記空気ダクトの一端にあって、前記管状要素を出る空
気流を該管状要素と前記正極の間へ向け直すシールと、 前記燃料ガスダクト内にあって、前記構造物から発生し
た熱を受け取るワイヤ形要素とを有する燃料電池。 - 【請求項１３】 燃料電池であって、 正極と負極を含む電気化学的に活性な構造物と、 燃料ガスの流れを前記負極上へ向ける手段と、 空気流を前記正極上へ向ける手段と、 前記空気流と熱交換関係に配置されて、前記構造物に発
生した熱を受け取り、前記空気流が前記正極上を通る前
に該空気流を反応温度に近い温度まで熱する熱伝導性の
温度平衡部材と、 前記温度平衡部材と前記空気流の間にあって該空気流を
予熱する熱交換要素とを有する燃料電池。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH276990 | 1990-08-27 | ||
| CH02769/90-4 | 1990-08-27 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04306568A JPH04306568A (ja) | 1992-10-29 |
| JP3098813B2 true JP3098813B2 (ja) | 2000-10-16 |
Family
ID=4241203
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03213842A Expired - Fee Related JP3098813B2 (ja) | 1990-08-27 | 1991-08-26 | 燃料電池からの熱の放散方法および温度平衡部材 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5212023A (ja) |
| EP (1) | EP0473540B1 (ja) |
| JP (1) | JP3098813B2 (ja) |
| CA (1) | CA2048710C (ja) |
| DE (1) | DE59108285D1 (ja) |
| NO (1) | NO306134B1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013046582A1 (ja) | 2011-09-27 | 2013-04-04 | パナソニック株式会社 | 高温動作型燃料電池モジュール、および高温動作型燃料電池システム |
Families Citing this family (32)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US5693201A (en) * | 1994-08-08 | 1997-12-02 | Ztek Corporation | Ultra-high efficiency turbine and fuel cell combination |
| DE4431510C1 (de) * | 1994-09-03 | 1996-01-18 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellenanordnung |
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| DE19636904C1 (de) * | 1996-09-11 | 1997-11-27 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Platten- oder stabförmiges Brennstoffzellen-Kühlelement sowie Brennstoffzellenstabel mit einem oder mehreren Brennstoffzellen-Kühlelementen |
| DE19637655C1 (de) * | 1996-09-16 | 1997-11-20 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Brennstoffzelle mit reduziertem Strömungsdruckverlust |
| US5770326A (en) * | 1996-12-23 | 1998-06-23 | Limaye; Santosh Y. | Monolithic mass and energy transfer cell |
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