JP3470723B2 - 燃料電池を用いた発電システム - Google Patents

燃料電池を用いた発電システム

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、例えば燃料電池のスタックのような、それぞ
れ電気的に接続された複数の燃料電池を有する電力発生
システムに関する。
本発明に従って、それぞれ電気的に接続された複数の
燃料電池を有する発電システムであって、前記燃料電池
が、アノードとカソードと、前記アノードと協働すると
ともに少なくとも一部分が前記アノードによって画定さ
れる複数の第１の流路手段と、前記カソードと協働する
とともに少なくとも一部分がそれに画定される複数の第
２の流路手段と、第３の流路手段であって、当該第３の
流路手段のために前記第１の流路手段及び協働するアノ
ードに燃料ガスを供給するように前記第１の流路手段の
入口に接続される第３の流路手段と、前記第２の流路手
段及び協働するカソードに酸化ガスを供給するように前
記第２の流路手段の入口に接続される第４の流路手段と
を有し、前記構成が、（ｉ）前記第１の流路手段の第１
のグループからのアノード排出ガスが、複数の他の前記
第１の流路手段によって形成される第２のグループから
のアノード排出ガスから隔離されており、第５の流路手
段が、前記第１の流路手段の前記第２のグループからの
前記アノード排出ガスを前記第１の流路手段の入口に前
記燃料ガスを供給するために、前記第３の流路手段に運
ぶようになっているか、又は（ii）前記第２の流路手段
の第１のグループからのカソード排出ガスが、複数の他
の前記第２の流路手段によって形成される第２のグルー
プからのカソード排出ガスから隔離されており、第６の
流路手段が、前記第２の流路手段の前記第２のグループ
からの前記カソード排出ガスを前記第２の流路手段の入
口に前記酸化ガスを供給するために、前記第４の流路手
段に運ぶようになっているか、又は前記構成が、前記第
１の流路手段の第１のグループからのアノード排出ガス
が、複数の他の前記第１の流路手段によって形成される
第２のグループからのアノード排出ガスから隔離されて
おり、第５の流路手段が、前記第１の流路手段の前記第
２のグループからの前記アノード排出ガスを前記第１の
流路手段の入口に前記燃料ガスを供給するために、前記
第３の流路手段に運ぶようになっており、及び前記第２
の流路手段の第１のグループからのカソード排出ガス
が、複数の他の前記第２の流路手段によって形成される
第２のグループからのカソード排出ガスから隔離されて
おり、第６の流路手段が、前記第２の流路手段の前記第
２のグループからの前記カソード排出ガスを前記第２の
流路手段の入口に前記酸化ガスを供給するために、前記
第４の流路手段に運ぶようになっていることを特徴とす
る発電システムが提供される。
本発明を、例によって、添付の図面に関して、今から
更に説明する。
図１は、本発明により形成される電力発生システムの
実施態様を、部分的に断面で、概略的に図解したもので
ある。
図1Aは、図１の平面に直角な方向から見た、図１のシ
ステムの２個の隣接する燃料電池の断片の断面である。
図２は、本発明により形成される電力発生システムの
他の実施態様を、部分的に断面で、概略的に図解したも
のである。
図３は、本発明により形成される電力発生システムの
更に他の実施態様を、部分的に断面で、概略的に図解し
たものである。
図４は、図１の実施態様と比較できるが、燃料電池の
直交流の燃料電池のスタックを含む、本発明により形成
される電力発生システムのまた更に他の実施態様の平面
図の概略的な図解である。
図５は、図４の線Ｖ−Ｖから見た、スタックの断片の
概略の図解である。
図６は、図４の線VI−VIから見た、スタックの断片の
概略の図解である。
図面で、同様の参照符は、同様または似ている部品を
識別する。
図１及び1Aに関して、発電システム２は、それらの起
電力を追加するための既知の方法で電気的にそれぞれ接
続された燃料電池６の複数のスタック４を含む。それぞ
れの燃料電池６は電解質８、アノード10、及びカソード
12を含む。ここで数字又は接頭数字14により一般的に識
別される流路（ここでアノード流路と呼ぶ）は、アノー
ド10と結合し、それらのアノード流路のいくつかは、特
に参照符14aで識別され、そしてその他は参照符14bで識
別される。ここで数字又は接頭数字16により一般的に識
別される流路（ここでカソード流路と呼ぶ）は、カソー
ド12と結合する。それぞれのアノード流路14はそれぞれ
の入口20を持ち、及びそれぞれのカソード流路16はそれ
ぞれの入口22を持つ。アノード及びカソード流路14及び
16は、少なくとも一部分が隣接するアノード又はカソー
ドに、また少なくとも一部分が、一般的に反対方向の区
画が連続する隔壁又は壁24により画定される。壁24は図
1Aでジグザグ形又は波形の壁により例示される。
アノード10で必要な燃料は水素であり、ここで使用す
る燃料ガスという表現は、水素、及び例えば炭化水素の
ようなシステムを動作させるうちに水素燃料が得られる
気体原料の両方を包含する。
燃料電池のスタック４は、電解質８及び燃料ガスの性
質に適切な、所望の温度及び圧力に維持され、燃料ガス
は最初、燃料ガス供給源26から、アノード流路14a、14b
の入口20へ燃料ガスを供給する入口マニホルド30へ燃料
ガスを給送する、供給路28へ供給される。上流端で、供
給路28は、ポンプ又はブロワ32、及び供給路28を通して
供給されている燃料ガスに熱を加える熱交換器34を含
む。
燃料電池６は、固体酸化物電解質８を持つ固体電解質
型でもよく、又は溶融炭酸塩を持つ溶融炭酸塩型でもよ
い。
酸化ガス、例えば大気からの空気は、ポンプ又はブロ
ワ36により、酸化ガスをカソード流路16の入口22へ供給
する入口マニホルド40へ給送する、供給路38に供給され
る。供給路38は、カソード流路16に供給される残存する
酸素を加熱する、ガス燃料の燃焼を助けるために、空気
の場合は幾分の酸素を提供する、酸化ガスを加熱するた
めに、そこに供給されたガス燃料を燃焼させるバーナー
装置を含むガス加熱装置42を含む。
カソード排出ガスは、熱をカソード排出ガスから引き
出しかつ燃料ガスに加える熱交換器34を含む出口流路46
へ給送する、カソード排出マニホルド44を通して、カソ
ード流路16を出る。
アノード流路14を出るアノード排出ガスは、２つの部
分に分割される。アノード流路14aは、そこからのアノ
ード排出ガスを直接アノード排出マニホルド48aに給送
する。アノード流路14bは、そこからのアノード排出ガ
スを直接アノード排出マニホルド48bに給送する。図１
及び３で、アノード流路14aは、アノード流路14bを持つ
燃料電池と交互にある燃料電池内にある。マニホルド48
a及び48bにより、燃料電池６の１つおきの１つのグルー
プからのアノード排出ガスは、燃料電池の他の１つおき
のグループからのアノード排出ガスから完全に分離され
たままになる。そのため、燃料電池のスタック４からの
アノード排出ガスは、絶対に一緒に混ざることのない部
分にある。
排出マニホルド48aは、それのアノード排出ガスを、
該アノード排出ガスを供給路50に加熱装置42中のバーナ
ー装置へのガス燃料として給送するポンプ又はブロワ52
を含む供給路50に給送する。
排出マニホルド48bは、それのアノード排出ガスを、
該アノード排出ガスを供給路28の下流の部分28aへ続く
供給路54に給送するポンプ又はブロワ56を含む供給路54
に給送する。このように、アノード排出ガスの第１の部
分は、加熱装置42により燃料として使用され、及びアノ
ード排出ガスの第２の部分は、流路28中の新鮮な燃料ガ
ス、及び入口マニホルド30に、及びそこからすべてのア
ノード流路14a及び14bに供給される混合気と混合され
る。
供給源26からの燃料ガスは、燃料電池６により燃料と
して使用するための水素分子に改質できる、少なくとも
１つの炭化水素であり、例えば燃料ガスは、大体はメタ
ンである天然ガスでよい。改質反応が、適当なそれ自身
既知の改質触媒手段が備えられたアノード流路14a、14b
で起きることが好ましい。アノード流路14bは、アノー
ド流路14aより小さい流動抵抗を示すように構成してよ
く、例えば流路14bはより大きい断面でよい。このよう
に、アノード流路14bに沿った質量流量は、アノード流
路14aに沿ったものより大きい。これの１つの効果は、
アノード流路からのアノード排出ガス中の消費されてい
ない水素の量が、アノード流路14aからのアノード排出
ガスの水素の量より多いことである。アノードガスの水
素のより濃厚な部分は、流路54により再循環され、及び
新鮮な燃料ガスに加えられ、及びこのようにしてアノー
ド流路14a及び14b内の燃料として最後に利用できる水素
の量を増加させる。結果として、ネルンスト電圧が増加
し、燃料電池の電気抵抗が減少する。電流出力はこのよ
うに増加し、及びこれは、流路14b中のより大きいガス
の流れが増加した冷却効果を持つために、スタック４が
過熱することなく、一部分達成される。他の効果は、ス
タック４の全域で、流路14a、14b、16の入口の端から、
それらの出口の端までの、より良い温度分散である。
“より良い”とは、スタック４中の最大及び最小の温度
の間の温度差が、入口の端の方がアノード流路の更に先
より、程度がより大きく起きる、改質反応の吸熱性のた
めに、アノード流路の入口の端で温度の降下が起きる従
来のシステムより、小さいという意味である。アノード
排出ガスの、水素がより濃厚で、流量のより大きい部分
を、アノード流路14a、14bに供給されるところの燃料ガ
スに加えることにより、混合気中の炭化水素の濃度が、
燃料ガスだけのそれと比較して、減少する。炭化水素濃
度の減少は大きくてよい。炭化水素濃度の減少は、アノ
ード流路14a、14bの入口の端20での改質反応速度を低下
させ、このようにして吸熱反応によりそこで引き出され
る熱の量、及びそして前述の温度の降下は、除去される
か、少なくとも減少する。スタックの全域での温度分散
の更なる改善も、アノード流路に沿って、より均一な改
質反応を生じるように、アノード流路14a及び14bに沿っ
て改質触媒手段を傾斜することにより、達成できる。例
えば、改質触媒手段の量又は有効量が、それぞれのアノ
ード流路の入口の端から出口の端で、単位長さにつき、
増加させることができ、その増加は連続的でも、一定量
ごとでもよい。
アノード流路14bを通るガスの流量は、ブロワ56の速
度を変化させることにより、変化させることができる。
望みであれば、例えば、流路28及び54の接合点の下流
の流路部分28a中に備えられた、顕熱改質手段でもよい
改質手段58で、改質反応をアノード流路14a及び14bの上
流で実行することができる。
図２のシステムで、カソード流路はカソード流路16a
及び16bから成り、流路16aは、スタック中の他の燃料電
池と１つおきの、スタック４の特定の燃料電池の中にあ
る。カソード流路16aからのカソード排出ガスは、カソ
ード排出マニホルド44aへ給送され、そのマニホルド
は、流路46b経由で熱交換器34に給送するカソード排出
マニホルド44bに給送される、カソード流路16bからのカ
ソード排出ガスの部分から完全に分離されている。カソ
ード流路16aからのカソード排出ガスの部分は、マニホ
ルド44a経由で流路46aに給送され、その流路はポンプ又
はブロワ60を含み、及びカソード排出ガスを加熱装置42
と入口マニホルド40との間の供給路38に酸化ガスと混合
するために加える。カソード流路16aを通る、ガスの質
量流量は、カソード流路16bを通るものと違ってもよ
く、より大きくてもよい。
すべてのアノード流路14からのアノード排出ガスは、
アノード排出マニホルド48中に給送され、そのマニホル
ドからアノード排出ガスが、アノード排出ガスをブロワ
52経由で加熱装置42中のバーナー装置に供給する、供給
路50に給送される。
アノード流路14中で改質反応を起こす代わりに、それ
は改質手段58中で起こしてもよいし、また適当な形態の
水を水供給手段62により供給してもよい。
図３では、システム２は、アノード排出ガスが、カソ
ード排出ガスと同じく、２つの完全に分離された部分に
出力されるという点で、図１及び２のシステムの組み合
わせである。改質反応をカソード流路14a及び14b内で起
こす代わりに、それを改質手段58内で起こしてもよい。
図４から６のシステムで、少なくともアノード流路14
a、14b及びカソード流路16の部分を形成する壁24aは、
図１から３の壁24のジグザグ又は波形である。アノード
流路14a及び14bは、カソード流路に直交するように延
び、このようにしてアノード流路内の燃料ガスの流れ
は、カソード流路中の酸化ガスの流れを横断すなわち直
交流となる。液密隔壁又は壁62の一方に単一のアノード
流路14a、及び隔壁62の他の一方に単一のアノード流路1
4bがあればよいが、図６で例示したように、それぞれの
隔壁62の一方の側の複数のアノード流路14aが、それぞ
れの隔壁62の他方の側の複数のアノード流路14bから、
分離されていてもよい。アノード流路14aは、アノード
流路14bからアノード排出ガスを受ける、共通アノード
排出マニホルド48bから分離された共通アノード排出マ
ニホルド48a中に給送する。図４から６の、複数のアノ
ード流路14a及び複数のアノード流路14bを含む、どの燃
料セル６でも、隔壁62を省略できる。
従来の直交流の燃料電池のスタックでは、燃料ガス及
び酸化ガスの入口の両方からもっとも遠い隅の領域にホ
ットスポットが形成される傾向がある。図４のスタック
４は、ホットスポット領域がＸで指示された隅に発生す
る、既知の燃料電池のスタックである。
図４から６のシステムでは、カソード流路16の上流部
分は、アノード流路14aと密な熱的接触があり、カソー
ド流路の下流部分は、アノード流路14bと密な熱的接触
がある。
図４から６のシステムでの隅の領域Ｘでのホットスポ
ットの発達は、（ｉ）アノード流路14bを通るガスのよ
り大きい質量流量、及び／又は（ii）アノード流路に沿
って改質触媒手段を傾斜することの効果により、アノー
ド流路14b及び場合によっては14aの下流部分で起きやす
くできる吸熱改質反応による冷却効果により減少又は防
止される。このように、望ましいスタックの効率及び温
度分散を達成できる。
望みであれば、ブロワ52を前述のいずれの実施態様か
らも省略することができる。
上述の実施態様では、燃料電池の平面のスタックを使
用したが、本発明は、燃料電池のスタックが管状である
システムにも適用できる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/24 H01M 8/04 H01M 8/06 H01M 8/12 H01M 8/14

Claims (18)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】それぞれ電気的に接続された複数の燃料電
    池を有する発電システムであって、前記燃料電池が、ア
    ノードとカソードと、前記アノードと協働するとともに
    少なくとも一部分が前記アノードによって画定される複
    数の第１の流路手段と、前記カソードと協働するととも
    に少なくとも一部分がそれに画定される複数の第２の流
    路手段と、第３の流路手段であって、当該第３の流路手
    段のために前記第１の流路手段及び協働するアノードに
    燃料ガスを供給するように前記第１の流路手段の入口に
    接続される第３の流路手段と、前記第２の流路手段及び
    協働するカソードに酸化ガスを供給するように前記第２
    の流路手段の入口に接続される第４の流路手段とを有
    し、前記構成が、（ｉ）前記第１の流路手段の第１のグ
    ループからのアノード排出ガスが、複数の他の前記第１
    の流路手段によって形成される第２のグループからのア
    ノード排出ガスから隔離されており、第５の流路手段
    が、前記第１の流路手段の前記第２のグループからの前
    記アノード排出ガスを前記第１の流路手段の入口に前記
    燃料ガスを供給するために、前記第３の流路手段に運ぶ
    ようになっているか、又は（ii）前記第２の流路手段の
    第１のグループからのカソード排出ガスが、複数の他の
    前記第２の流路手段によって形成される第２のグループ
    からのカソード排出ガスから隔離されており、第６の流
    路手段が、前記第２の流路手段の前記第２のグループか
    らの前記カソード排出ガスを前記第２の流路手段の入口
    に前記酸化ガスを供給するために、前記第４の流路手段
    に運ぶようになっていることを特徴とする発電システ
    ム。
  2. 【請求項２】それぞれ電気的に接続された複数の燃料電
    池を有する発電システムであって、前記燃料電池が、ア
    ノードとカソードと、前記アノードと協働するとともに
    少なくとも一部分が前記アノードによって画定される複
    数の第１の流路手段と、前記カソードと協働するととも
    に少なくとも一部分がそれに画定される複数の第２の流
    路手段と、第３の流路手段であって、当該第３の流路手
    段のために前記第１の流路手段及び協働するアノードに
    燃料ガスを供給するように前記第１の流路手段の入口に
    接続される第３の流路手段と、前記第２の流路手段及び
    協働するカソードに酸化ガスを供給するように前記第２
    の流路手段の入口に接続される第４の流路手段とを有
    し、前記構成が、前記第１の流路手段の第１のグループ
    からのアノード排出ガスが、複数の他の前記第１の流路
    手段によって形成される第２のグループからのアノード
    排出ガスから隔離されており、第５の流路手段が、前記
    第１の流路手段の前記第２のグループからの前記アノー
    ド排出ガスを前記第１の流路手段の入口に前記燃料ガス
    を供給するために、前記第３の流路手段に運ぶようにな
    っており、及び前記第２の流路手段の第１のグループか
    らのカソード排出ガスが、複数の他の前記第２の流路手
    段によって形成される第２のグループからのカソード排
    出ガスから隔離されており、第６の流路手段が、前記第
    ２の流路手段の前記第２のグループからの前記カソード
    排出ガスを前記第２の流路手段の入口に前記酸化ガスを
    供給するために、前記第４の流路手段に運ぶようになっ
    ていることを特徴とする発電システム。
  3. 【請求項３】請求項１又は２に記載のシステムにおい
    て、前記第１の流路手段の第１のグループから発生した
    アノード排出ガスの組成が、前記第１の流路手段の第２
    のグループから発生したアノード排出ガスの組成と異な
    ることを特徴とするシステム。
  4. 【請求項４】請求項３に記載のシステムにおいて、前記
    第１の流路手段の第１のグループから発生したアノード
    排出ガスが、前記第１の流路手段の第２のグループから
    発生したアノード排出ガスより多くの水素を含むことを
    特徴とするシステム。
  5. 【請求項５】上記の請求項のいずれか１つに記載のシス
    テムにおいて、前記第１の流路手段の第２のグループを
    通るガスの質量流量が、前記第１の流路手段の第１のグ
    ループを通るガスの質量流量より大きいことを特徴とす
    るシステム。
  6. 【請求項６】上記の請求項のいずれか１つに記載のシス
    テムにおいて、燃料ガスが、改質反応により水素分子に
    転化できる、少なくとも１つの炭化水素ガスを含むこと
    を特徴とするシステム。
  7. 【請求項７】請求項６に記載のシステムにおいて、改質
    反応が第１の流路手段中で起きるように配置されてお
    り、前記第１の流路手段が、前記第１の流路の１以上に
    沿って傾斜すなわち変化させられた量の改質反応触媒手
    段を含む、複数の第１の流路を有することを特徴とする
    システム。
  8. 【請求項８】請求項７に記載のシステムにおいて、改質
    反応触媒手段の量が、前記第１の流路に沿って、燃料ガ
    スの入口からそこへ、そこからアノード排出ガスの出口
    まで、単位長さにつき、増加することを特徴とするシス
    テム。
  9. 【請求項９】請求項６に記載のシステムにおいて、改質
    手段を備え、それにより改質反応又は少なくともそれの
    一部が、第１の流路手段の外側で起きることを特徴とす
    るシステム。
  10. 【請求項１０】請求項６から９のいずれか１つに記載の
    システムにおいて、前記炭化水素ガスがメタンであるこ
    とを特徴とするシステム。
  11. 【請求項１１】請求項６から10のいずれか１つに記載の
    システムにおいて、前記燃料ガスが天然ガスであること
    を特徴とするシステム。
  12. 【請求項１２】上記の請求項のいずれか１つに記載のシ
    ステムにおいて、前記第２の流路手段の第２のグループ
    から発生するカソード排出ガスの組成が、前記第２の流
    路手段の第１のグループから発生するカソード排出ガス
    の組成と異なることを特徴とするシステム。
  13. 【請求項１３】上記の請求項のいずれか１つに記載のシ
    ステムにおいて、前記第２の流路手段の第２のグループ
    を通るガスの質量流量が、前記第２の流路手段の第１の
    グループを通るガスの質量流量より大きいことを特徴と
    するシステム。
  14. 【請求項１４】上記の請求項のいずれか１つに記載のシ
    ステムにおいて、第３の流路手段がすべての第１の流路
    手段に共通な入口マニホルドを有し、それが同時に前記
    第１の流路手段に、燃料ガスと前記第１の流路手段の第
    ２のグループからの前記アノード排出ガスとを供給する
    ことを特徴とするシステム。
  15. 【請求項１５】上記の請求項のいずれか１つに記載のシ
    ステムにおいて、第４の流路手段がすべての第２の流路
    手段に共通な入口マニホルドを有し、それが同時に前記
    第２の流路手段に、酸化ガスと前記第２の流路手段の第
    ２のグループからの前記カソード排出ガスとを供給する
    ことを特徴とするシステム。
  16. 【請求項１６】上記の請求項のいずれか１つに記載のシ
    ステムにおいて、それぞれの前記燃料電池が、固体電解
    質燃料電池又は溶融炭酸塩燃料電池であることを特徴と
    するシステム。
  17. 【請求項１７】上記の請求項のいずれか１つに記載のシ
    ステムにおいて、前述の燃料電池が直交流スタックとし
    て配列されることを特徴とするシステム。
  18. 【請求項１８】請求項17に記載のシステムにおいて、前
    記第２の流路手段の上流部分が、前記第１の流路手段の
    第１のグループと密な熱的接触を持ち、前記第２の流路
    手段の下流部分が、前記第１の流路手段の第２のグルー
    プと密な熱的接触を持つことを特徴とするシステム。
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