JP5231989B2 - 高温燃料電池および電池スタック用クランプ装置を備える機械装置 - Google Patents

高温燃料電池および電池スタック用クランプ装置を備える機械装置 Download PDF

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Description

本発明は、請求項1の前文による、高温燃料電池および電池スタック用クランプ装置を備える機械装置に関する。
この種の機械装置は、EP−A−1037296(=P.6964)から知られているような燃料電池を含む。この燃料電池は、円筒形の電池スタックを形成し、あと燃えをこの電池スタックの周辺で軸方向に向いた室で行い、約1000°Cの排気ガスが生じる。入口点がこれらのあと燃え室の間にあり、それらを通して予熱したプロセス空気(簡単に言えば、空気)を電力送出する電気化学反応のためにこれらの電池へ供給する。燃料ガスをこのスタックの中心にある軸方向通路を介してこれらの電池へ分配する。
各燃料電池は、二つの部分、即ち、所謂PEN素子(簡単に言えば、PEN)と円板状相互接続子を含む。少なくとも三層、即ちP(カソード=正極)、E(電解質)およびN(アノード)から成るこのPEN素子は、電気化学的能動素子で、それで(700〜900°Cで)この電気化学的反応を実行でき、それは、層状固体電解質並びにそれぞれコーティングによって付けた二つの電極PおよびNから成る薄い円板の形をしている。この相互接続子は、燃料ガス用スペースから空気用スペースを分離する。それは、レリーフ状の輪郭を備える構成を有し、一方で、それによって中央入口点からPENに沿って周辺部までの燃料ガスの流れが可能になる。他方、空気の流れは、この構成によって特別な方法で導かれ;この空気は、入口点から中央領域へ向けられ、およびそこからPENに沿って周辺部へ戻される。この電池スタックの周辺部に、ガス(それぞれ、空気および燃料ガス)の出入りのための開口が別々に配置してある。
あと燃え室は、断熱材料の層または殻によって囲まれ、それは、これらの室と共に、この電池スタックの多要素スリーブを形成する。改質装置がこのスリーブ内に且つこの電池スタックの直ぐ下に配置してあり、その中で燃料ガスが少なくとも部分的にCOおよびHに接触変換される。これに関して、部分酸化が生じるように、酸素(空気)を燃料ガスと混合する。COおよびHの発生は、第1にこの部分酸化で可能であり、その上、熱を吸熱反応のために放出する。
この多要素スリーブは、断熱システムとして作ってある。その断熱機能は、外部熱回収装置の役割を果す。最初に別の外部熱回収装置で予熱しなければならない、電気化学的プロセスのために電池に要求される空気の代りに、この電池スタックから流れ去る熱をこのスリーブの中の空気によって部分的に吸収し且つ再び反応位置へ戻すので、最初冷たいかまたは僅かに予熱しただけの空気をヒートシンクとして使う。
このスリーブは、多層構造であり、同時に空気流用の通路システムを有する。このスリーブの第1層または殻とこのスリーブの内側部品の間に、第1中空スペースがあり、その中で空気の分配と加熱、即ち、このスリーブの冷却が行われる。この第1中空スペースに続く通路システムで、空気の更なる加熱が生じる。この通路の代りにまたはそれに加えて、多孔質のガス透過性部品もこのスリーブに組込め、それは所謂動的断熱材を形成し、この断熱材の細孔を半径方向に貫流する空気が、この電池スタックから主として熱放射によって伝達され且つこの断熱材料によって吸収される熱を拾い上げる。この拾い上げた熱をこの空気によって電池スタックへ運び戻す。
あと燃え室は、排気ガスを通す、軸方向に向いた収集室として作ってある。特に吸続けられる、この排気ガスは、これらの室から半径方向に外に流出し、続いて軸方向に流れる。このスリーブから電池スタックの中へ通過する前に、この空気をあと燃え室の外壁で更に加熱し、これにつれてあと燃え中に発生する熱に対応してこれらの室内を軸方向に流れる排気ガスおよび電気化学的反応中に発散した熱の一部が熱を引渡す。
この燃料電池は、ビルの基盤施設の一部である機械装置において使い、これらの燃料電池によって変換したエネルギーを熱エネルギー(例えば、暖房目的用の)および電気エネルギーの形で利用する。
接触は、また電気的接触が存在しなければならない全てのPEN素子と相互連絡器との間に実際に存在するために、電池スタックが軸線方向に一緒に押圧される必要がある。この目的のために、締め付け装置が設けられている。この種の締め付け装置は、締め付けバネが高温にさらされることのない締め付けばね(または、圧続ばね)を含む。電池は、作動において700℃以上の温度を採用しているので、締め付け装置は、締め付けばねが配置された地域において許容温度を越さないように設計されなければならない。
本発明の目的は、高温燃料電池および電池スタック用クランプ装置を備える機械装置で、そのクランプ手段が高動作温度で何の損傷も受けないものを提供することである。この目的は、請求項1に定義する機械装置によって満足される。
従属請求項2ないし9は、この発明による機械装置の有利な実施例に関する。
以下に図面を参照して本発明を説明する。
本発明による機械装置の装置1の上部 −図1参照− は、電池スタック5(図4参照)と多要素スリーブから成る燃料電池11である。電池スタック5を環境に対して仕切るこのスリーブは、この装置1の下部の上端を形成し且つ操作要素100を担持するテーブル10に固定してある。この多要素スリーブは、部分的にロシヤの入れ子人形(=“マトリョーシカ”)に類似して構成してある。この装置1の正常運転では約60°C以下の温度にしか曝されない、一点鎖線で示す、断熱材の外スリーブ部12は、この外スリーブ部12の内側と共に中空スペース(図示せず)を形成する、内断熱スリーブ部13を囲む。予熱空気(プロセス空気)がテーブル10開口102からこの中空スペースに入り、そこを流れる。
内スリーブ部13は、二部分受け台131、132(それは一体構成でもよい)、ジャケット133および蓋135(それらは互いに接着剤で接着してある)を含む。この下受け台部131は、テーブル10の上にある。燃料ガス(部分酸化のために空気と混合して)を管路3からこの多要素スリーブの中に上受け台部132の高さにある改質装置へ送込む。この中空スペースの空気は、ジャケット133にある半径方向通路134を通って、図3ないし図7を参照して説明する、更なるユニット4へ流れる。通路134を通過すると、この空気は、内スリーブ部から更なる熱を吸収する。通路134の領域で、この内スリーブ部13は、従って局部的に能動的断熱材として構成してある。このプロセス空気は、燃料電池に入る前にこのユニット4の中で更に加熱される。ユニット4の中でのあと燃え中に、この空気は、排気ガスの成分になる。この排気ガスは、軸方向収集チャンネルに入り、これらの中をユニット4の受け台へ流れ、そこで半径方向通路を通り、軸方向に中央に位置する出口通路へ流れ込む。排気ガス30aは、この出口通路から装置1の下部へ排出される、図2参照。この軸方向収集チャンネルは、装置1の下部へ直接、即ち、共通出口通路へ一緒に案内されずに、通じることもできる。
図2aに、装置1の下部にテーブル10の直ぐ下に配置した暖房装置2の熱交換器20aを示す。都合よくはアルミニウムの金属板101がテーブル10の部品である。燃料電池11がこの板101に固定してある。それは、熱い多要素スリーブからの熱をヒートシンクとして作用する熱交換器へ向けるように電池スタック5用のクランプ装置によって固定してあり、それによりばねのために十分低い温度がこのクランプ装置のベースに存在する。ガス暖房システム20bが熱所要量のピークに対応するために(寒冬日のn事項)またはこれらの燃料電池も作動していない夏に所要量に対応するために追加の加熱システムとして設けてある。
このクランプ装置は、−図4ないし図6参照−あと燃え室の間に配置したクランプバー60を含む。このクランプ装置のクランプ要素62は、熱交換器と伝熱結合している。圧縮ばね63がクランプバー60に、それぞれの場合クランプバー60の一端とクランプ要素62のラグとの間に取付けてある。この点で、それらはクランプバー60にクランプ力を働かせる。圧縮ばね63は、クランプ要素62によってこの電池スタックに対して遮蔽され、それで、このヒートシンクのおかげで、圧縮ばね63は、適度の温度にしか曝されず、それがこのクランプ力を維持する。このクランプ装置は、クランプ板61、クランプバー60、クランプ要素62および圧縮ばね63から成る。このスタックの電池は、クランプ板とクランプ要素の間で互いに圧迫される。
熱交換器20aは、二重壁ジャケット23内に二つの別々の通路21および22を含み、それは、チャンネル21、22の間の仕切り壁と共に、一体の部品を形成し、それを通って熱搬送媒体が流れる。この部品は、室内暖房システム(やはり温水暖房)用の暖房装置、この室内暖房システムの戻り管路25a用のスタブ24aおよび往き管路25b用のスタブ24bに接続してある。第1通路21で、高温排気ガス30aが熱を熱搬送媒体へ伝える。その上、第2通路22で、第2ガス、このガス暖房システム20bの燃焼ガス30bが熱を熱搬送媒体に引渡す。この燃焼ガス30bは、環境圧力より高い圧力で熱交換器20aを貫流するが、排気ガス30aの圧力は、それを吸引ファン(図8の15)で吸出すので、低い。冷却したガス(矢印30c)は、煙突(図8の煙突16)から環境へ放出する。
図3は、この多要素スリーブの最内部を形成するユニット4を示す。電池スタック5を直接囲む、このユニット4は、コルセット状ケージの機能を備える外壁40を有する。ユニット4は、あと燃え用に軸方向に向いた室7を含む(図4および図7参照)。このスリーブの外領域(部品12、13)に於けるスタック5の周辺部の間に、室7を固定する構造がある。この構造は、コルセット状ケージ40を含み、このスタック軸に垂直なその断面は、本質的に正多角形の形状(ここでは四隅を備える)を有する。あと燃え室7は、この多角形の各隅に関連する。半径方向ばね力がそれぞれ隅から関連する室7に作用する。詳細は、以下に図7を参照して更に説明する。スリーブ部品13の通路134を通って流れ込む空気は、第2中空スペース(図示せず)の中でケージ40の隅の方へそらされ、そこで孔400を通ってユニット4の内部へ流れ込む。
このユニット4は、上端が蓋45によって閉じてある。下方に曲った金属ストリップの形をした板ばね64がケージ40の隅に配置してある。これらの板ばね64は、それらが蓋45用の弾性ファスナ手段として作用するように、それぞれケージ40の壁にある二つのスロット640から挿入してある。底に、このユニット4は、スリーブ部品13の受け台131、132に対応する、三部品受け台41a、41b、42を有する。このケージ40は、クランプ65によって中央受け台部41bに解放可能且つ弾力的に固着してある。ガス管路3が通じる改質装置は、上受け台部42に配置してある。この改質装置用のスリーブが、水平ガスダクト部3’と共に −都合のよい実施例では− たばこのパイプの形をしたセラミック材料の一体構造品を形成する。都合よくは触媒作用の表面被覆を備える円筒形のハニカム本体である、改質装置がこの“たばこのパイプ”の頭に(このハニカム本体の外壁とスリーブの内壁の間をシールして)挿入してある。ベースのガス温度が高くならないように、放射線防護手段もこの“たばこのパイプ”に組込むことができる。圧縮ばね63を備えるクランプ要素62が下受け台部41aに配置してある。このクランプ要素62は、ラグ623でテーブル10(板101、図2参照)にねじ留めしてある。
蓋45は、一方で断熱材として役立つ。他方で、それは、あと燃え室7を固定する目的でそれらを下方に押付ける。この接触圧力のために、室7に個々に作用する、追加のクランプ手段を蓋45の下に設けることができる。セラミックピンもこれらのあと燃え室7への圧力のために設けることができ、これらのピンは、蓋45およびそれらに作用する板ばね64によって案内される。固定の更なる可能性は、室7を受け台領域でそれにねじ留めすることである。
図4は、安定な板、クランプ板61で作った、電池スタック5用のクランプ装置の上端を示す。二つのクランプバー60は、クランプ板61の孔に固定したヘッド60’を有する。これらのコネクタバーは、この板61を、図5に更に詳しく示すクランプ要素62に結合する。熱的におよび電気的に絶縁する板50がクランプ板61と電池スタック5の間に配置してあり且つその上端で電流コレクタ51を終らせる。導電バー51aが電流コレクタ51に集めた電流の導通に役立つ。図4は、三つのあと燃え室7の上端も示し、これらの室7の四番目のものは省略してある。
クランプ板61は、図4に示すのと違う形状をとることもできる。それで、例として、それはビーム状の形状でもよい。このクランプ板61を製造すべき材料は、この高温電池スタック5付近で起る高温で安定なままでなければならない。金属合金またはセラミック材料、例えば窒化シリコンをこの材料として考慮するようになる。
図5および図6は、このクランプ装置の下部要素を形成するクランプ要素62を示す。クランプ力をもたらす圧縮ばねがヨーク621のヘッド側を形成するラグ622に取付けてある。このヨーク621は、テーブル10の板101に少なくとも二つのラグ623で固着してあるリング620(半分だけを示す)に始る。この圧縮ばね63は、二つのナットにより下方に動かないようにしてある下リング円板631とスリーブ630の間に配置してある。ヨーク621を通ってリング629へかつそこから板101へそしてまた熱交換器20aへもの熱放散のおかげで、この圧縮ばね63は、熱交換器20aの熱交換媒体が冷却作用をする限り、決して許容できなく熱くなることはない(このばねの最大許容温度:300°C)。従って、圧縮ばね63がクランプロッド60に及すクランプ作用は、弱くならない。
図7は、図3に示すユニット4の部分断面図を示す。半径方向力がコルセット状ケージ40の四隅から四つのあと燃え室7上に作用する。これらの室7は、外壁71を有し、封止縁75として縁が閉じたトラフ状あと燃え室70を含む。この封止縁75は、半径方向ばね力によって室7とスタック5の間の封止ストリップ75’上に押付けられる。このトラフ状スペース70は、狭い通路73を介して排気ガス30用の軸方向収集通路72に接続してある。この収集通路72は、トラフ状スペース70とコルセット状ケージ40の隅との間に配置してある。
このコルセット状ケージ40は、四隅のあるプリズムの形をしている。これらの隅は、鈍頭である、即ち、これらの隅の形は、尖った隅から三角形を切り落すことによってできる。これらの半径方向ばね力は、アフタバーナ室7と板ばね49にのしかかるストリップ48で発生できる。これらの板ばね49は、鈍角隅にあるスロット490に吊してある。これらのストリップ48は、熱の不良導体であるセラミック材から成るのが好ましい。それでこれらの板ばね49があと燃え室7の高温から保護される。
軸方向収集通路72は、室の外壁71と共に、狭い通路73または狭い通路73の一部を形成する。この狭い通路73は、主としてリング隙間の形をしている。収集通路72は、細長い隙間72aを有し、それは排気ガス30が狭い通路73から収集通路72へ流れ込むための通路として役立つ。あと燃え室7の断面は、 −収集通路72を含み− 鏡面対称形である。この対称軸は、この隅でコルセット状ケージ40が広がる角度の二等分線上にある。
充填物46がコルセット状ケージ40とあと燃え室7の間に配置してある。隙間状通路47がこれらの充填物46と室7の表面の間に空いている。これらは、これらの隅から室壁71に沿ってこのスタック5の電池の空気入口点52まで通じている。室7および充填物46は、それぞれ、高温に耐え且つ熱をよく通す材料(金属または、例えば、炭化シリコン、ステアタイトのようなセラミック材)でおよび熱伝導の悪いセラミック材から製造する。
序文で既に説明したように、この燃料電池は、PENおよび相互接続子を含む。空気用のスペースを燃焼ガス用のスペースから分離する、この相互接続子は、レリーフ状の輪郭を有し、それを通る空気の流れが特別の方法でそらされる。この空気は、空気入口点52から半径方向通路52aを通って中央領域へ流れ、およびそこからこのPENに沿って周辺部へ戻る。このPENの反対側を改質した燃料ガス(COおよびHを含む)が、電池スタック5の軸に沿って伸びる中央通路53から周辺部まで流れる。これら二つの半径方向に外方に流れるガス流(プロセス空気および燃焼ガス)は、あと燃え室70で混合し、そこで非反応燃料残留物が燃焼する。この様にして生じる排気ガス30は、更に収集通路72へ流れ続ける。狭い通路73のおかげで、この流れは、主として水平に向けられる。垂直流出が最初にこの収集通路72内で起る。実際上、もう如何なる熱も収集通路72から、通路47で加熱すべき空気には伝えられず、それで実際上如何なる軸方向温度勾配も生じない。
コルセット状ケージ40を備える構成による弾力的固定のおかげで、このスタックとトラフ状あと燃えスペース70の封止縁75との間にシールが生じる。ケージ40での蓋45の弾力的固定に加えて、様々な部品の熱膨張挙動差の結果として避けられない、寸法誤差の補償を生じる構成が存在する。
充填物46は、その中央に窪みがあり、そこを通って空気入口点52の前に常にエントランスホール47aが開いたままである。図7は、このエントランスホール47a内から受け台部42の表面を見ている。そこに二つの孔800および孔600が見える。孔600は、このクランプ装置のまたは導電ロッド51aのクランプロッド60用に存在する。この装置の起動に必要な発熱ロッドまたは管状発熱体(図示せず)が孔800を通して案内されている。好ましくは全てのエントランスホール48a内で同じ流れ状態を起すために、付加的に“ダミーロッド”を使う。導電ロッド51a1本だけが必要で、二つの位置をそのために利用できる。この“ダミーロッド”は、この余分の位置に関連する。
図8は、この発明の機械装置1および、それと、排気30cを環境へ送るために通す煙突16との接続の概略図を示す。外気をスリーブ管17を介して環境から吸込み、煙突16の下部で予熱する。燃料電池11が暖房装置2に取付けてある。電子パワーシステムを備える電子装置14 −図9参照− が空気用誘導管18に結合してあり、その管を通してスリーブ管17への接続が確立する。空気がこの電子装置14を通過してから、分配管19を通って燃料電池11に入り、および −追加の暖房が動作状態になっているとき、随意に− ガス暖房器20b(図2参照)に入る。吸引ファン15が燃料電池11の排気ガス30aを煙突16の中へ運ぶ。ガス暖房20aの排気ガス30bは、別のダクト16’を通って煙突16へ入る。追加の暖房用の第2ファンまたは換気扇は図示してない。図9は、変換器140を使って制御および電気的変換をするためにこの発明の機械装置1に組込んだ電子装置14の概略図を示す。この変換器140の二つの入口極141が燃料電池11に接続してあり、DC電流を変形した電流または、好ましくは交流電圧である、有用電圧Xに変換する。二つの出口極142を介してこの有用電圧Xを機器(例えば、電源装置)に供給する。管18から吸込んだ空気は、変圧器145の周りおよび更なる部品146a、146b(例えば、ダイオード、フィルタ、電流平滑コイル)の周りも流れ、最後に冷却体144のリブの間を分配管19の方へ流れる。この冷却体144は、電子パワーシステムの素子143からの損失熱を消散させる。
この機械装置1の総合効率は、電気的変換によって発生する熱損失をプロセス空気へ放散するので、この特殊な空気案内によって改善する。冷却すべき領域は、この空気流の圧力損失ができるだけ小さく且つ指定した部品または素子についての冷却作用ができるだけ大きいように設計してある。この強制冷却のおかげで(自然対流に比べて)、この冷却体144を比較的小さくできる。燃料電池11で最大の電力を発生するとき、流通空気、従ってこの強制冷却の性能も最大である。この冷却は、自己制御作用を有し:もし、燃料電池11の出力が減ると、空気要求が減り、従ってまだ減った熱損失を放散するに十分である。
この発明の機械装置の電池スタックを外部の方へ遮蔽する多要素スリーブの外側部分の概観。 この発明による機械装置用に設けたような、暖房目的用熱交換器。 外壁がコルセット状ケージを形成する、多要素スリーブの一部。 この電池スタッククランプ装置の上端。 このクランプ装置の下端。 クランプ力をもたらす、このクランプ装置の圧縮ばね。 図3に示す部分の断面図。 この発明の機械装置およびその煙突への接続の略図。 電子装置の略図。

Claims (8)

  1. 高温燃料電池(11)、電池スタック(5)用クランプ装置およびあと燃えプロセス用の軸方向に整列した室(7)を有し、クランプ装置のクランプバー(60)がこれらのあと燃え室の間に配置してあり且つこれらのあと燃え室の排気ガス通路がヒートシンクとして作用する熱交換器(20a)に接続してある機械装置(1)であって、
    前記熱交換器によって熱搬送媒体へ熱が伝達され、前記熱搬送媒体によって機器へ熱が運ばれること、前記クランプ装置のクランプ要素(62)がこの熱交換器と伝熱結合していること、圧縮ばね(63)がそれぞれの場合これらのクランプバーに、クランプバーの一端とこのクランプ要素のラグ(622)との間で取付けてあり、それによってこれらのクランプバーにクランプ力を働かせること、およびこれらの圧縮ばねは、クランプ要素によってこの電池スタックに対して遮蔽され、それで、ヒートシンクのおかげで、これらの圧縮ばねは、クランプ力が維持される、適度の温度にしか曝されないことを特徴とする機械装置。
  2. 請求項1に記載の機械装置であって、前記熱交換器(20a)が暖房装置(2)の一部であること、暖房目的の燃焼ガス(30b)を発生するために燃料をこの暖房装置で燃焼できること、前記熱交換器が燃焼ガス用と前記あと燃えプロセスからの排気ガス(30a)用の二つの別々の通路(それぞれ、21および22)を含むこと、並びに、特に、室内暖房および/または温水暖房の目的で、熱をこれらの通路から、機器へ熱を運べる熱搬送媒体へ移せることを特徴とする機械装置。
  3. 請求項1または請求項2による機械装置であって、前記クランプ装置は、クランプ板(61)、前記クランプバー(60)、前記クランプ要素(62)および前記圧縮ばね(63)からも組立ててあること、並びに前記スタックの複数の前記電池は、前記クランプ板と前記クランプ要素の間で互いに圧迫されることを特徴とする機械装置。
  4. 請求項1ないし請求項3の何れか一項に記載の機械装置であって、前記クランプ装置は、前記あと燃え室(7)および中に前記室を閉込めるコルセット状ケージ(40)と共に内側ユニット(4)を形成すること、並びに該内側ユニットが内側ユニットの周りに箱状態様に配置した更なる部品と共に前記電池スタック(5)の多要素スリーブ(4、12、13)を形成し、その中で機械装置の運転中に供給される空気を加熱できることを特徴とする機械装置。
  5. 請求項1ないし請求項4の何れか一項に記載の機械装置であって、前記電池の空気入口点(52)を備える四つの軸方向に向いた空気供給領域(47a)が上記電池スタック(5)の周辺で四つのあと燃え室(7)の間に配置してあること;前記クランプバー(60)のそれぞれの一つが互いに直接向い合って位置する二つの空気案内領域の中を伸びること、並びに導電バー(51a)および/または“すべての空気供給領域内で同じ流れ状態を起こすために余分の孔に挿入されるダミーバー”が好ましくはこれら二つの他の空気供給領域に配置してあることを特徴とする機械装置。
  6. 請求項1ないし請求項5の何れか一項に記載の機械装置であって、断熱部品を備える受け台構造が上記電池スタック(5)と前記熱交換器(20a)の間に配置してあることを特徴とする機械装置。
  7. 請求項6に記載の機械装置であって、前記熱交換器(20a)が熱伝導のよい材料、特にアルミニウムから成る端板(101)を有すること、および前記クランプ要素(62)がこの端板上にねじ留めしてあることを特徴とする機械装置。
  8. 請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の機械装置であって、それが前記電池での電気化学反応および電子パワーシステムを備える電子装置(14)に必要な空気のための吸引管(18)を含むこと、空気源がこの誘導管の下流に配置してあり、それによってこの空気を少なくともこの電子パワーシステムの冷却のために利用できること、並びにその様に使った空気を更に燃料電池に案内できることを特徴とする機械装置。
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