JP5093980B2 - 燃料電池断熱熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、断熱と熱交換機能を有する燃料電池装置に関する。

固体酸化物燃料電池は、高温で動作し、典型的には燃料電池スタックと、リフォーミング装置と、熱交換器と、燃料電池の作動温度にしなければならないその他の装置とを収容する「ホットボックス」即ち「ホットゾーン」を有する。エネルギー損失を少なくし、燃料電池スタックへの熱衝撃を防止するため、ホットボックスは断熱されている。通常、断熱材は、アルミニウムファイバー又はアスベストの厚いブランケットでできている。健康の観点からはこれは好ましくない。断熱材料のファイバーは有害、即ち発癌性があるのでこれらのファイバーの解離を防ぐためブランケットを注意深く取り扱わなければならない。さらに、この材料を取り扱う作業者が着用する必要がある保護装置は、高価で煩わしい。

厚い断熱ブランケットは、大きな空間を占めるので、可能性のある消費者用の製品には好ましくなく、特に輸送の用途には製品の包装はできるだけ小さいのがよい。さらに、ホットボックス内に熱交換器と他の装置を組み込むには、より大きいホットボックスを必要とする。こうすると、表面積が大きくなり、そのため小さいホットボックスより熱損失が大きくなり、効率が悪くなる。

さらに、断熱ブランケットを使用すると、断熱材は一定で可変ではないので、スタック即ちホットゾーンの温度を好都合に制御できない。ホットゾーンの周りの断熱材を増加又は減少して、スタック制御システム内のスタック温度を調節することが好ましいかもしれない。さらに、スタック制御システムの一部として、スタックを冷却する方法を含むことが好ましい。

それゆえ、先行技術の問題点を克服し、ホットボックスを小さくして、スタックの冷却ができ、及び／又は断熱効果が可変のシステムを提供する必要がある。

本発明は、燃料電池スタックの断熱エンクロージャに向けられる。エンクロージャはまた、エンクロージャを通って移動し、燃料電池スタックにより、又は燃料処理装置又はリフォーマ内で使用される反応物の熱交換を提供する。

従って、一態様において、本発明は、燃料電池スタックを完全に又は部分的に囲む、又は燃料電池スタックに隣接して立つ燃料電池スタックエンクロージャであり、反応物を受入れる吸入手段と、反応物を燃料電池スタックに通過させる排出手段とを有する少なくとも１つのチャンバを備える。チャンバは、燃料電池スタックから熱を受け取り、それを反応物に伝える。その結果、反応物は予熱され、エンクロージャは燃料電池スタック又はホットゾーンを断熱する。

１実施の形態では、エンクロージャは、燃料電池スタックに隣接する内側チャンバと、外側チャンバとを有する２層のチャンバを備える。好適な実施の形態では、内側チャンバと外側チャンバの間に配置された中間チャンバを有する３層のチャンバがある。反応物の流れは、外側チャンバに向けられ、次に中間チャンバへ行き、次に内側チャンバへ行き、最後に直接的又は間接的に燃料電池スタックに向けられる。

１実施の形態では、燃料電池スタックエンクロージャは、少なくとも１つのほぼ円形断面配置の環状チャンバを有する円筒形である。他の実施の形態では、燃料電池スタックエンクロージャは、スタックとホットゾーン内の他のデバイスに隣接し又は取り囲む１つ又は複数の平面エンクロージャである。１好適な実施の形態では、エンクロージャは３つの側面を備える。

１実施の形態では、本発明は、上側端部と下側端部を備える燃料電池スタックエンクロージャであり、内側円筒形シェルと外側円筒形シェルとを備え、それらの間に少なくとも１つの環状空間を画定する。１実施の形態では、エンクロージャは、
(a) 外側シェルと、内側シェルと、少なくとも１つの中間シェルとを含む少なくとも３つの閉じた同心の円筒形シェルを備え、
(b) 外側シェルと少なくとも１つの中間シェルが、それらの間に第１環状チャンバを画定し、内側シェルと少なくとも１つの中間シェルが、それらの間に第２環状チャンバを画定し、
(c) エンクロージャの外面から第１環状チャンバへの流体連通を与えるため、外側シェルにより画定される吸入ポートと、
(d) 第１環状チャンバと第２環状チャンバの間の流体連通を与えるため、中間シェルにより画定されるクロスオーバーポートと、
(e) 第２環状チャンバとエンクロージャの内側空間の間の流体連通を与えるため、内側シェルにより画定される出口ポートとを備える。

１実施の形態では、エンクロージャは、２つの円筒形の半分で形成され、各半分の第１環状チャンバ間で流体連通を与え、各半分の第２環状チャンバ間で流体連通を与える手段を備える。

本発明を図面を参照して例示の実施の形態により説明する。図面は、簡単化し、図式的であり、縮尺通りではない。

本発明は、燃料電池スタックエンクロージャを提供する。本発明を記述するとき、ここで定義していない全ての用語は、通常理解される意味である。

エンクロージャ10は、燃料電池システムの燃料電池スタック又はホットゾーンを完全に、又は部分的に取り囲む。エンクロージャは、２つの主な機能を果たすことを意図している。第１に、空気等の反応物は、エンクロージャを通って通過し、スタック自体で使用する前に予熱される。第２に、エンクロージャは、スタック又はスタックを含むホットゾーンを断熱する。さらに、１実施の形態では、エンクロージャは、制御システムの一部を形成し、スタックと燃料電池システムの熱管理を調節するようにしても良い。ここでは、２つの一般的な実施の形態を記述する。第１の実施の形態は、円筒形のエンクロージャを備える。第２の実施の形態は、３つの側面を有するボックス形エンクロージャを備える。本発明は、円筒形又は３側面のボックス形エンクロージャに限定されるものではなく、必要な熱交換及び断熱機能を有する幾何学的配置を含んでいる。

一般的に、１実施の形態では、装置10は、３つの同心の円筒形シェル12,14,16を備え、それにより円形プレート（図示せず）により上部と下部が閉じられた２つの同心のチャンバ18,20を画定する。それゆえ、チャンバは、外側シェル12上のポート22と、中間シェル14上のクロスオーバーポートと、内側シェル16上の内側ポート26を除いて気密である。燃料電池スタック（図示せず）とホットゾーンは、内側シェル16内に含まれる。

追加の同心シェルが設けられれば、追加の同心チャンバが作られることを当業者は理解するであろう。さらに、内側と外側シェルの間に作られた一つの環状チャンバもまた、熱交換と断熱機能を与えることを当業者は理解するであろう。このような実施の形態は、本発明の範囲内に入る。

冷たい環境空気が、ポート22を通って外側チャンバ18へ注入され、又は真空で引かれて入り、外側チャンバ18を通って循環し、クロスオーバーポート24へ行く。クロスオーバーポート24は、空気が外側チャンバ18から内側チャンバ20へ行けるようにする。クロスオーバーポートは、平らにした楕円形開口部であることが好ましい。高温の燃料電池スタックが同心リングの内側（28で示す）に位置し、エンクロージャ10に放射熱を伝達するので、空気は循環し内側に移動すると次第に暖められる。いったん、空気が装置の中心部まで内側へ移動すると、ポート26を出て、必要により、スタック又は他の装置へ向けられる。暖められた空気は、空気極マニホルドに向けられ、又はさらに加熱される追加の高温熱交換器に向けられても良い。

１実施の形態では、ポート22,24,26は、チャンバ内で環状に又上から下方向へ比較的滑らかな空気流を促進するように形作られている。それゆえ、図１に示すように、入口ポート22は、時計回り方向の空気流を促進するように、外側シェル12の接線方向に整列している。それは又、装置10の上端部近くに位置する。クロスオーバーポート24は、反対側に位置し、装置の下端部近くに置かれている。小さいデフレクター（図示せず）が、クロスオーバーポートを通過する空気を水平な１方向に方向付けるようにしても良い。出口ポート26は、装置の頂部近くに位置する。

装置10は少なくとも２つの機能を果たす。即ち、燃料電池スタックで使用するために入ってくる空気を予熱する機能と、中央のホットゾーン28と外側に間の少なくとも１つの空隙により、好ましくは複数の空隙により中央のホットゾーン28を断熱する機能である。空気は優れた断熱体だからである。こうすると、装置10を厚く重い断熱ブランケットで包む必要がなくなる。これらのブランケットは、典型的にはアルミナ又はアスベストファイバーで作られ、これらは両方とも耐火性で遭遇する高温に耐える。上述したように、これらのファイバーの使用は有利ではない。

さらに、装置がスタックの温度を制御する制御システムの一部を形成するようにし、スタックから取り除かれる放射熱の量を制御できるようにしても良い。冷たい空気がより多く流れれば、スタック又はホットゾーンを冷却する効果があるであろう。また、冷たい空気がより多く流れれば、エンクロージャを断熱する効果が増し、エンクロージャの外面の温度がより低く保たれるであろう。

他の実施の形態では、内側又は外側チャンバ又は両方のチャンバは、螺旋形の傾いた面分割器により螺旋導管に分割されても良い。こうすると、入ってくる空気が、チャンバ内で長い経路を通り、熱伝達が最大になる。しかし、装置が複雑になり、費用がかかる。

１実施の形態では、図２に示すように装置は２つの円筒形の半分に分割される。この構成により、燃料電池スタック組立体のホットゾーンの周りの装置の便利な組立体が可能になる。従って、図２に示すように、内側と外側チャンバを分割し、接続する必要がある。各半分の外側チャンバ内の空気の流れは、内側チャンバ内の空気流とは逆流である。空気は、導管122を通って、外側チャンバ124と、出口ポート126を通って、装置の一方の半分10Aに入る。外側ポートは、他方の半分10Bの入口ポート128とつながっている。空気は続いて外側チャンバ130を流れ、内側チャンバ132に入り、そこで空気は流れが逆になり、外側チャンバ130,124とは逆流になり、バイパスポート134,136を通って、出口138から装置10の内側の出る。

１実施の形態では、薄い断熱層（図示せず）が、装置10の内側表面に取り付けられ、絶縁機能を強化し、装置10の内面上で均一な温度を達成使用とする。当業者は、断熱機能を最大にする又は最小にするため、断熱層の厚さを変化させ、又は減少させることができる。もちろん、内面上で絶縁材を増加させると、熱交換の効率に影響する。他の実施の形態では、装置の外面を断熱してもよく、こうすると装置の断熱と熱交換機能は共に増加するであろう。

装置の２つの半分は、燃料電池スタックの周りに組み立てられるとき、いっしょにクランプされて密閉される。

別の実施の形態では、燃料電池のエンクロージャ200は、３層の空気チャンバを含み、放射熱交換機として機能する。エンクロージャの内面は、燃料電池スタック（図示せず）に直接晒され、放射熱エネルギーを受け取る。例示する実施の形態では、エンクロージャは、３つのほぼ平面の部分を備える３側面のエンクロージャを形成する。従って、水平断面では、エンクロージャ200は「Ｕ」形の装置を形成する。

低温の空気が、エンクロージャの一端部で吸入マニホルド204を通って外側チャンバ202に向けられる。吸入マニホルドは、複数の分配出口を有するパイプであっても良い。低温空気は、環境の空気でも、又はエンクロージャの上流から予熱されてもよい。次に空気は、エンクロージャの周りを通過して反対側端部へ行き、真中即ち中間チャンバ206へ移動し、そこで第１端部へ戻る。最後に、空気は、直接スタックに晒される内側チャンバ208へ入る。当業者には分るように、チャンバ202,206,208は、はっきりとしたチャンバに分割されていず、むしろエンクロージャ内に含まれている連続的な経路の一部である。

次に、加熱された空気は、排出マニホルド210からエンクロージャを出る。排出マニホルドは、複数の開口部を有するパイプを備え、加熱された空気が内側チャンバ208から出て排出マニホルド210へ行くようにしても良い。次に、加熱された空気は、直接又はシステムの他の部品を通ってスタックに向けられる。

好適な実施の形態では、内側と中間チャンバの間に、断熱層212が設けられる。断熱層により、エンクロージャの全体の断熱機能が増し、入ってくる空気流により大きい熱交換が可能になる。

当業者には明らかなように、エンクロージャ200を通って流れる空気の量が多くなると、ホットボックスと燃料電池スタックが幾分か冷却され、絶縁効果が増す。エンクロージャ200を通って流れる空気が減ると、断熱効果が減少する。これらの特性を燃料電池システムの熱管理と制御に利用すると有利である。

図に示したエンクロージャは、シート材料により形成しても良く、図５、６に示すように、シート材料は、吸入と排出マニホルドパイプに重ね溶接することが好ましい。図７に示すように、チャンバの縁部は、さら形端部キャップ214でシールするのが好ましい。作動中と環境温度から動作温度へ行き戻る熱衝撃の間にエンクロージャが経験する熱応力を考えると、重ね継ぎとさら形端部キャップにより、構造の安定性が増す。

当業者には明らかなように、特許請求の範囲から離れることなく、前述した特定の開示の色々の改変、適用、変形を行うことができる。ここに記述した発明の色々の特徴と要素は、特許請求の範囲から離れることなく、ここに記述した又は特許請求の範囲に記載した組み合わせと異なるように組合わせることができる。

本発明の１実施の形態の概略図である。 他の実施の形態の水平断面図である。 本発明の代替的実施の形態の斜視図である。 図３に示す実施の形態の水平断面図である。 図４に示すＶの詳細図である。 図４に示すＶＩの詳細図である。 図４のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った垂直断面図である。

符号の説明

10 エンクロージャ
12 外側シェル
14 中間シェル
16 内側シェル
18 外側チャンバ
20 内側チャンバ
22 入口ポート
24 クロスオーバーポート
26 内側ポート
28 ホットゾーン
10A 一方の半分
10B 他方の半分
122 導管
124 外側チャンバ
126 出口ポート
128 入口ポート
130 外側チャンバ
132 内側チャンバ
134,136 バイパスポート
138 出口
200 エンクロージャ
202 外側チャンバ
204 吸入マニホルド
206 中間チャンバ
208 内側チャンバ
210 排出マニホルド
212 断熱層
214 さら形端部キャップ

Claims (3)

1. 第１の端部と第２の端部とを有し、燃料電池スタックを部分的に囲む燃料電池スタックエンクロージャであって、
   反応物を受入れる吸入手段と、反応物を燃料電池スタックに通過させる排出手段とを有し、
   前記燃料電池スタックエンクロージャは、前記燃料電池スタックから放射熱を受け入れ、前記燃料電池スタックエンクロージャは、３層のチャンバを備え、内側チャンバは前記燃料電池スタックに隣接し、中間チャンバは外側チャンバと前記内側チャンバの間に配置され、反応物の流れは、前記第１の端部で吸入手段を通って前記外側チャンバに向けられ、次に前記第２の端部へ行き前記中間チャンバへ行き、次に前記第１の端部へ戻って前記内側チャンバへ行き、最後に前記第２の端部で前記内側チャンバを出て、直接的又は間接的に前記燃料電池スタックに向けられる燃料電池スタックエンクロージャ。
2. 前記内側チャンバと前記中間チャンバの間、又は前記中間チャンバと前記外側チャンバの間に配置された断熱層を備える請求項１に記載の燃料電池スタックエンクロージャ。
3. 前記燃料電池スタックエンクロージャは、３つの平面の部分を備える３側面のエンクロージャである請求項１又は２に記載の燃料電池スタックエンクロージャ。

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