JP5241049B2

JP5241049B2 - 燃料電池

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Publication number: JP5241049B2
Application number: JP2001208982A
Authority: JP
Inventors: ミリンド・ヴイ・カンタク; トマス・エル・ケーブル
Original assignee: ソフコイーエフエス・ホールディングス・エルエルシー
Priority date: 2000-07-18
Filing date: 2001-07-10
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2021-07-10
Also published as: US20020081479A1; WO2002007243A1; US6376117B1; AU2005203748A1; CA2338412A1; US6852442B2; AU781931B2; AU2005203748B2; AU5446701A; JP2002056858A; EP1174938A3; CA2338412C; AU2001233261A1; EP1174938A2

Description

本発明は一般に燃料電池の性能を最適化し高効率の燃料電池システムを達成するための燃料電池の構造に関し、更に詳細には、これらを達成するために多段化された燃料電池構造に関する。

燃料電池は、化学反応のエネルギーを直接的に電気エネルギーに変換する電気化学的装置である。単独の燃料電池の基本的な物理構造は電極（アノード及びカソード）を含み、電解質がそこの間に電極と接触して配置される。電気化学反応を電極で起こすために、燃料流及び酸化剤流がアノード及びカソードにそれぞれ供給される。燃料電池は燃料流中の燃料の化学エネルギーの一部を電気に電気化学的に変換し、残りの化学エネルギーは熱として放出される。個々の燃料電池のスタックが電気的に直列に接続され、有用な電圧の和を発生することが好ましい。

燃料電池で使用される電解質のタイプは燃料電池を分類するために一般に使用され、特定の燃料電池動作特性（例えば、動作温度）も決定する。燃料電池の現在の分類はポリマ電解質燃料電池（ＰＥＦＣ）、アルカリ燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）、及び固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を含む。

理想的には、燃料電池の性能は、燃料組成及びアノード側で消費される燃料の量にだけ依存することを期待される。しかし、動作中の燃料電池の一般的な電圧−電流及び電力特性は、燃料利用率抵抗(fuel utilization resistance)を含む多くの抵抗のための性能低下を示す。この利用率抵抗は（電極−電解質アセンブリにまたがる）推進力(driving force)の変化により最初は引き起こされ、推進力の変化自体はアノード表面上の燃料組成勾配が原因である。

燃料電池に関する文献では、アノード−電解質−カソード及び関連する流路の種々の設計が多層燃料電池スタックを組み立てるために利用可能である。最も一般的な形態は平板型及び円筒型アセンブリである。どちらの場合も、燃料及び酸化剤（例えば、空気）は電解質と背中合わせに配置されたアノード及びカソードの表面をそれぞれ流れ、アノード表面は燃料と直接接触しカソード表面は空気と直接接触する。流路は、アノード側及びカソード側両方の入口マニホールド及び出口マニホールドに接続される。

発明が解決しようとする課題

全ての燃料電池では、電気化学反応のために、燃料がアノードを横切って入口から出口へ通過するにつれて燃料組成が減少する。これは化学種濃度勾配を引き起こし、化学種濃度勾配はアノード表面上の不均一な燃料利用率及び所望しない温度勾配が主な原因である。セル電圧は、アノード側及びカソード側の出口で使い尽くされた化学種組成に対する最低の電極電位に適合するように降下する。

更に詳細には、図１を参照すると、既知の燃料電池アセンブリ１０が示される。燃料４及び酸化剤６（好ましくは、空気）が電解質（図示されない）の背中合わせの側面上に配置されたアノード１２及びカソード１４の表面を流れ、アノード表面１２は燃料４の流れと直接接触し、カソード表面１４は空気６の流れと直接接触する。流路は、アノード１２及びカソード１４両方の既知の入口マニホールド及び出口マニホールド（図示されない）に流体的に接続させる。このタイプの構造に関する問題は上に記載された。

従って、燃料電池の多段化(staging)は、この問題を軽減することを助ける１つの既知の方法である。米国特許第6,033,794号「Multi-stage Fuel Cell System Method and Apparatus」は、複数の燃料電池から成る燃料電池システムを開示する。セル内のガス流路は、外部的に多段化された連続的な通り抜け(flow-through)配置で接続される。この配置は、燃料電池の効率を改善するために燃料が各々の連続する燃料電池を出るときに燃料の上昇した温度を利用する一連の更に温度が高い燃料電池を有する。

特に、その種の注入多段化は燃料のより高い利用率、より均一な温度分布、及び一般により効率的な燃料電池を提供するが、個々の燃料電池に対する注入燃料の既知の多段化は存在しない。従って、単独の燃料電池に対する注入多段化は産業界に歓迎される。何故ならば、この単独のセル注入多段化は個々のセル及びスタック全体の性能の両方の向上を可能にするからである。

課題を解決するための手段

本発明は燃料電池の燃料及び温度分布を改善する上記の問題を解決し、内部燃料電池多段化技術を提供することにより燃料組成の不均一性を緩和して関連する問題を解決する。従って、少なくとも１つの内部多段化プレートを燃料の流れ場と燃料電池のアノードの間に配置することにより、新しく入ってくる燃料が内部的に分配される。このプレートは穴（長方形又は三角形の形状、及び／又は基本的に円形のパターンが好ましい）を有する分流器プレートとして形成され、原燃料の流れをアノードの異なる領域に分割し、それにより燃料流を多段化する。

前記の点から、本発明の１つの側面は、効率を上げるために多段化された燃料投入を有する単独の燃料電池を提供することであることが分かる。

本発明の他の側面は、燃料電池のアノード全体に燃料電池燃料の固有の分布を提供することである。

図２を参照すると、類似の番号は類似の素子を表し、セル１８のアノード１２側に配置された内部多段化プレート２０を有する、多段化された燃料を取り入れる燃料電池アセンブリ１８が示される。多段化プレート２０は適切なサイズであるか、又はアノード１２から間隔をあけられるかの何れかである。何故ならば、その第１の目的が燃料４の流れを２つの別々の支流２２、２４に分割することであるからであり、１つの支流２２はプレート２０の上面を流れてアノード５０の下流側（即ち、出口側）と反応し、底面部２４はアノード５２の上流側（即ち、入口側）に沿って流れてそこで反応する。この分割流は、アノード１２の全表面にわたる燃料濃度の変化を減少させることによって燃料利用率抵抗を最小にする。

プレート２０によって提供された内部多段化を用いて、燃料４はアノード５０、５２の異なる部分にうまく分布させられる。従って、燃料利用率抵抗は低下し、燃料組成勾配は最小になる。当然ながら、この技術は（燃料利用率抵抗が高い）表面積の大きな燃料電池に対して更に有益である。

図３を参照すると、本発明の第２の実施例が示される。ここでは、２つの多段化プレート２６、２８を使用して、燃料流を３つの別々の部分３０、３２、３４へ更に分割する。上記のように、第１のプレート２６及び第２のプレート２８が最大限の効果が得られるように配置され、アノード１２の全表面にわたる燃料勾配を最小にし、更に燃料電池の性能を最適化する。プレート２６は燃料４をアノード１２の下流部分５０まで通過させる上段流３０を提供し、中段流３２及びプレート２８は燃料４を中間部分５１まで供給し、下段流３４はアノード１２の上流部分５２に向けられる。

図４Ａ〜図４Ｆに目を向けると、本発明のプレートのいくつか／全ての形状（一般に２００で示される）は中実のプレートであるか、又はこれらの長手方向表面がその上に形成された種々の出口形状を有することがわかる。これらの形状はセル性能の最適化に役立つ如何なるタイプでもよく、それらは長方形６０（図４Ａ）、正方形６１（図４Ｅ）、及び／又は三角形６２（図４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、及び４Ｆ）の形状であって原燃料を多段化が必要と思われるアノード領域（図示されない）に供給することが最も好ましい。

同様に、図５Ａ〜図５Ｄは、種々のタイプの多段化要件を支援するように設計された円形、楕円形、又は他の湾曲した穴６３のパターンから成る多様な出口形状を示す。特定のタイプの開口部及び形状は、特定の状況に依存する。しかし、好ましい実施例では、穴のラインは直線の配置を有し、プレート上の長方形の領域（図５Ａ）、プレート上の正方形の領域（図５Ｂ）、又はプレート上の基本的に三角形の領域（図５Ｃ〜図５Ｄ）を覆う。

また、本発明のプレート２００は電気伝導性を提供しなければならない。これは多数の方法で達成できる。プレートは電気伝導性材料（例えば、高温金属又はＬａＣｒＯ₃型セラミック）から製造できる。或いは、図５Ａ〜図５Ｄ及び図４Ａ〜図４Ｆで示されるように、プレートは絶縁セラミックから作られ、電気伝導性は導体で充填されたビア６４により提供される。

最後に、本発明は円盤状平板型、及び円筒型の燃料電池に等しく適用可能である。図６Ａ〜図６Ｂは円盤状平板型セルに適応するプレート２００に為されることが必要な変化のいくつかを示し、燃料の取り入れのために少なくとも１つのスロット６４及び中心穴６５を含み、図７Ａ〜図７Ｂは円筒型セルに付随する変化をカバーし、少なくとも１つのスロット６４を含む。特に、円筒型の配置に対して、プレート２００はまた管の形状を有するように修正されなければならないので、プレート２００は環状の流路をアノードのまわりに形成する。上記のように、これらの形状は本発明の一般的な枠組みを提供し、これらスロット及び／又は穴の正確なサイズ及び位置は所望する性能特性が達成されるまで変えられる。

前記から、以下に記載されるように、本発明の燃料電池の構造は従来技術の構造を越える明白な長所を提供することが分かる。
１．提案された内部燃料多段化は、アノード側空間の燃料分布を改善する新規かつ経済的な方法である。
２．この技術は、セル全体の温度分布を改善し最適化する。
３．この技術は、燃料組成勾配を最小化することにより燃料利用率抵抗を最小にする。
４．多段化技術は、多層化された燃料電池スタックを実施する非常に単純な方法である。
５．多段化プレートの形状及び他のパラメータは最適化でき、より良い燃料電池の性能をもたらす。
６．多段化プレートは既存の流路及びマニホールドを複雑にせず、圧力低下をまねかない。
７．熱膨張、電気伝導性、及び他の特性がスタック構成要素の熱膨張、電気伝導性、及び他の特性と一致するように、プレートは同じスタック材料で作られる。
８．薄いプレートは、スタックの高さ又は重さにおける劇的増加を引き起こさない。
９．この技術は、利益の増加のためにカソード側空気の多段化に等しく適合される。
10．提案された多段化技術は、円盤状平板型燃料電池、及び円筒型燃料電池にまで拡張できる。
11．提案された技術は、他の固体電解質型燃料電池（例えば、ＰＥＭ）にも適用できる。

一定の追加及び修正が、この開示を基にして当業者により行われるであろう。簡潔さ及び読みやすさのためにそれら追加及び修正がここでは削除されたことを理解しなければならない。しかし、それら追加及び修正は本発明の請求項の範囲内にあることを理解しなければならない。

アノード及びカソードを通る燃料及び空気の通常の流れを有する既知の燃料電池の断面図である。本発明によるアノードの上方の燃料の流れを分割するための多段化プレートを有する燃料電池の断面図である。本発明の他の実施例によるアノードの上方の燃料の流れを分割するための１組の多段化プレートを有する燃料電池の断面図である。基本的に長方形の形状を有する平板型燃料電池のための種々のタイプの多段化プレートの斜視図であり、穴は図２又は図３の実施例で使用される長方形及び三角形の開口部を有する。基本的に長方形の形状を有する平板型燃料電池のための種々のタイプの多段化プレートの斜視図であり、穴は図２又は図３の実施例で使用される円形及び楕円形の開口部パターンを有する。円盤の形状を有する平板型燃料電池のための種々のタイプの多段化プレートの平面図であり、穴は図２又は図３の実施例で使用されるスロットを有する。円筒型燃料電池のための種々のタイプの多段化プレートの斜視図であり、穴は図２又は図３の実施例で使用されるスロット並びに円形及び楕円形の開口部パターンを有する。

１０燃料電池アセンブリ
１２アノード
１４カソード
１８燃料電池アセンブリ
２０多段化プレート
２２、２４支流
２４底面部
２６、２８多段化プレート
３０上段流
３２中段流
３４下段流
５０、５２アノード
５１中間部分
６０、６１、６２、６３穴

Claims

アノード側及びカソード側を有し、燃料が前記アノード側を流れ、空気が前記カソード側を流れる燃料電池であって、
アノード、
前記アノードを横切る燃料流のための経路を定めるアノードチャンバ、及び
前記アノードチャンバの中に配置され、前記燃料流を前記アノードの異なる多段化領域へ分割する多段化プレートを備え、
前記多段化プレートが、前記アノードと平行に延在し、
長方形の穴を前記燃料流の下流側に有するように形成される、燃料電池。
アノード側及びカソード側を有し、燃料が前記アノード側を流れ、空気が前記カソード側を流れる燃料電池であって、
アノード、
前記アノードを横切る燃料流のための経路を定めるアノードチャンバ、及び
前記アノードチャンバの中に配置され、前記燃料流を前記アノードの異なる多段化領域へ分割する多段化プレートを備え、
前記多段化プレートが、前記アノードと平行に延在し、三角形の穴を前記燃料流の下流側に有するように形成される、燃料電池。
アノード側及びカソード側を有し、燃料が前記アノード側を流れ、空気が前記カソード側を流れる燃料電池であって、
アノード、
前記アノードを横切る燃料流のための経路を定めるアノードチャンバ、及び
前記アノードチャンバの中に配置され、前記燃料流を前記アノードの異なる多段化領域へ分割する多段化プレートを備え、
前記多段化プレートが、前記アノードと平行に延在し、
複数の湾曲した穴を前記燃料流の下流側に有するように形成される、燃料電池。
前記多段化プレートが第１の多段化プレートである請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
第２の多段化プレートを含み、前記第１及び第２の多段化プレートが前記燃料流を前記アノードの３つの異なる部分にわたって分割することを特徴とする、燃料電池。
前記第１及び第２の多段化プレートの少なくとも１つが、長方形の穴を前記燃料流の下流側に有するように形成されることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池。
前記第１及び第２の多段化プレートの少なくとも１つが、三角形の穴を前記燃料流の下流側に有するように形成されることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池。
前記第１及び第２の多段化プレートの少なくとも１つが、複数の湾曲した穴を前記燃料流の下流側に有するように形成されることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池。
前記多段化プレートが、環状の空間を前記アノードのまわりに形成することを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池。
アノード側及びカソード側を有し、燃料が前記アノード側を流れ、空気が前記カソード側を流れる燃料電池であって、
アノード、
前記アノードを横切る燃料流のための経路を定めるアノードチャンバ、及び
前記アノードチャンバの中に配置され、前記燃料流を前記アノードの異なる多段化領域へ分割する多段化プレートを備え、
前記多段化プレートが、前記アノードと平行に延在し、少なくとも１つのスロットを前記燃料流の下流側に有するように形成され、
前記多段化プレートが、環状の空間を前記アノードのまわりに形成する、燃料電池。
前記多段化プレートが第１の多段化プレートである請求項８に記載の燃料電池であって、
第２の多段化プレートを含み、前記第１及び第２の多段化プレートが前記燃料流を前記アノードの３つの異なる部分にわたって分割することを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池。
前記第２の多段化プレートが、少なくとも１つのスロットを前記燃料流の下流側に有するように形成されることを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池。
アノード側及びカソード側を有し、燃料が前記アノード側を流れ、空気が前記カソード側を流れる燃料電池であって、
アノード、
前記アノードを横切る燃料流のための経路を定めるアノードチャンバ、及び
前記アノードチャンバの中に配置され、前記燃料流を前記アノードの異なる多段化領域へ分割する多段化プレートを備え、
前記多段化プレートが円盤状平板の形状を有する、燃料電池。
アノード側及びカソード側を有し、燃料が前記アノード側を流れ、空気が前記カソード側を流れる燃料電池であって、
アノード、
前記アノードを横切る燃料流のための経路を定めるアノードチャンバ、及び
前記アノードチャンバの中に配置され、前記燃料流を前記アノードの異なる多段化領域へ分割する多段化プレートを備え、
前記多段化プレートが、前記アノードと平行に延在し、
円盤状平板の形状を有する、燃料電池。
前記多段化プレートが、中心穴及び少なくとも１つのスロットを有するように形成されることを特徴とする、請求項１３に記載の燃料電池。
前記第１又は第２の多段化プレートが円盤状平板の形状を有することを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池。
前記第１及び第２の多段化プレートの少なくとも１つが、中心穴及び少なくとも１つのスロットを有するように形成されることを特徴とする、請求項１５に記載の燃料電池。
前記多段化プレートが電気伝導のための手段を含むことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池。
アノード側及びカソード側を有し、燃料が前記アノード側を流れ、空気が前記カソード側を流れる燃料電池であって、
アノード、
前記アノードを横切る燃料流のための経路を定めるアノードチャンバ、及び
前記アノードチャンバの中に配置され、前記燃料流を前記アノードの異なる多段化領域へ分割する多段化プレートを備え、
前記多段化プレートが、前記アノードと平行に延在し、前記燃料流を前記アノードの第１部分と前記アノードの第２部分の間で分割する長さを有し、
前記多段化プレートが電気伝導のための手段を含み、
電気伝導のための前記手段が、前記多段化プレートを貫通する少なくとも１つの充填されたビアから成る、燃料電池。
前記第１及び第２の多段化プレートが電気伝導のための手段を含むことを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池。
電気伝導のための手段が、前記第１及び第２の多段化プレートを貫通する少なくとも１つの充填されたビアから成ることを特徴とする、請求項１９に記載の燃料電池。
アノード側及びカソード側を有し、燃料が前記アノード側を流れ、空気が前記カソード側を流れる燃料電池であって、
アノード、
前記アノードを横切る燃料流のための経路を定めるアノードチャンバ、及び
前記アノードチャンバの中に配置され、前記燃料流を前記アノードの異なる多段化領域へ分割する多段化プレートを備え、
前記多段化プレートが、前記アノードと平行に延在し、前記燃料流を前記アノードの第１部分と前記アノードの第２部分の間で分割する長さを有し、
前記アノードチャンバが、環状の空間を前記アノードのまわりに形成し、
前記多段化プレートが電気伝導のための手段を含む、燃料電池。
電気伝導のための前記手段が、前記多段化プレートを貫通する少なくとも１つの充填されたビアから成ることを特徴とする、請求項２１に記載の燃料電池。
前記第１及び第２の多段化プレートが電気伝導のための手段を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池。
電気伝導のための前記手段が、前記第１及び第２の多段化プレートを貫通する少なくとも１つの充填されたビアから成ることを特徴とする、請求項２３に記載の燃料電池。