JP5361798B2 - 直列に接続されたセルスタックモジュールアッセンブリー - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックのモジュールの接続に関し、より詳細には、カソードガスインレットとアウトレットの直列接続を有するスタックモジュール、さらに詳細には、モジュール中の全燃料電池のために、特に、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックのために、１つのインレット及び１つのアウトレット共通のカソードガス側マニホールドをそれぞれ有する、上記のスタックモジュールに関する。

燃料電池の電気−化学反応及び機能は本発明の本質ではなく、従って、これについては本明細書中ではあまり詳細に説明されないが、当業者には周知であると考えられる。

ＳＯＦＣによって生じる電圧を高めるために、いくつかのセルユニットが組み立てられてスタックが形成され、そしてインターコネクターによって一緒に連結される。これらのスタックの層は、ガラスのような気密で耐熱性のシールを用いて、いくつかのあるいは全ての端部に沿って一緒に封止される。スタックの寸法、各セルの面積、並びに組み立てられるセルの個数に対して実現可能な制限がある。燃料電池スタックが故障する危険性は、セルの個数及び面積の寸法が増大するにつれて増大する。従って、ＳＯＦＣによって生じる効果を高めるために、単一のスタックにおけるセル面積及びセルの個数を単に増加させる代わりに、いくつかのスタックを接続することが知られている。スタックは、電気的な側面及びスタックのアノードガスとカソードガスの側面の両方に対して、直列及び並列に接続させることができる。

米国特許第２００６０１７２１７６Ａ１号（特許文献１）及び米国特許第６０３３７９４号（特許文献２）は、直列に接続された燃料電池スタックの例を示しているが、その接続をどのように実現するかについては示していない。米国特許第６４０３２４７号（特許文献３）は、共通のガスインプットチャンバーを共有する燃料電池スタックを記載しているが、共通のチャンバーが、１つのスタックあるいはスタックアッセンブリーのアウトレットを、別のスタックあるいはスタックアッセンブリーのインレットと接続させる直列接続は記載していない。

米国特許第２００６０１７２１７６Ａ１号 米国特許第６０３３７９４号 米国特許第６４０３２４７号

いくつかの燃料電池スタックの接続問題について知られている現存の解決法にもかかわらず、それらの全ては下記のようないくつかの固有の問題を有する。

いくつかのスタックが単一のモジュール中で接続されても、なおカソードガスのマニホールド化（ｍａｎｉｆｏｌｄｉｎｇ）は、等しく単純化されていない。

いくつかのスタックあるいはいくつかのモジュールが直列に接続されるとき、カソードガス及びアノードガスに接続するための大規模なチャネリング／配管が必要である。

いくつかのスタックを接続して効率を高めることによって、供給システムの要求（冷却及び予熱のための熱交換器類）もまた増加する。

比較的高温の燃料電池、例えば固体酸化物型燃料電池スタックは、比較的長い始動時間及び停止時間を有する。

比較的大きい有効出力を有するいくつかのスタックのＳＯＦＣアッセンブリーは、有効出力の変化に対する順応性が低い。

本発明の目的は、少なくとも２つ又はより多くの燃料電池スタック用の新たなＳＯＦＣスタックアッセンブリーを提供することによって前述の問題を解決することである。

より詳細には、本発明の目的は、各モジュールが少なくとも１つのスタックを含み、そして大規模で余分なチャネリング及び配管の必要性を省いて直列状態にあるモジュールの単純化された接続により直列に接続されたスタックモジュールを含むＳＯＦＣスタックアッセンブリーを提供することである。

本発明の目的は、冷却及び加熱のための熱交換器の必要性を低減するＳＯＦＣスタックアッセンブリーを提供することでもある。

本発明のさらに重要な目的は、長い始動進行あるいは停止進行を必要としないで、電力出力の迅速な増加又は減少を可能にする、高められた効果順応性を有するＳＯＦＣスタックアッセンブリーを提供することである。

本発明のさらなる目的は、スタックモジュール中の全てのスタックに共通する、簡素化されたカソードガス面マニホールディングシステムを有するＳＯＦＣスタックアッセンブリーを提供することである。

本発明のさらなる目的は、有効出力の割には小型で、かつアッセンブリー中のスタックにわたる圧力損失の変化に対して比較的無感応であるＳＯＦＣスタックアッセンブリーを提供することである。

本発明のさらなる目的は、プロセスガス又は流体の余剰注入のための簡単な接続を本質的に可能にするＳＯＦＣスタックアッセンブリーを提供することである。

これら目的０及びその他の目的は、以下に説明するように本発明によって達成される。

本発明は、カソードガス面に対して直列に燃料電池スタックを接続する簡単な方法である。

燃料電池スタックは空気面マニホールドと共に作られ、すなわち、スタック中の個々のセルへのカソードインレット及びアウトレットはスタックの両面に開放されている。多数のスタックは一列に並んでいて、モジュールの一方の面においてカソードインレット、そしてモジュールの他方の面においてカソードアウトレットを有するスタックモジュールに組み立てられる。このスタックモジュールは、第一のモジュールのアウトレット面が、第二のモジュールのインレット面に向くという具合にスタックモジュールを順に配置することによって簡単に直列に接続される。２つのスタックモジュールの間のチャンバーにおいては、例えば、冷たい急冷空気の添加又は熱交換器によって空気が冷却される。

さらに本発明は、全負荷のいく分かの割合で燃料電池システムを運転させる好都合な方法を提供する。ＳＯＦＣスタックアッセンブリーが全負荷で運転される時、アッセンブリー中の全てのスタックモジュールに、共通するカソードガス面マニホールドを介してカソードガスが提供され、そしてアノードガスインレットを介して、各モジュールにアノードガスが提供される。しかし、部分負荷が必要とされる時には、必要なスタックモジュールだけに、それらのスタックの多量の電気的に有効な生産量を与えるのに十分な体積のアノードガスが提供される。部分負荷モードにおいて必要ではないスタックに対しては、アノードガスの供給は完全に停止されるかあるいは、（複数の）待機スタックを劣化から保護するのに十分な最小限の流量に低下される。結果として得られる卓越した利点は、有効な生産スタック及び待機スタックの両方に高温のカソードガスが供給されるため、待機スタックが常に所望の運転温度に加熱されることである。そのため、それらは、アノードガスが再び（複数の）スタックに供給される時に、待機モードから運転モードへと迅速に移る準備ができている。これにより、ＳＯＦＣスタックアッセンブリーからこれまでに見られなかった有効出力の順応性が提供される。

本発明は広範な利点範囲を提供し、それらのうちのいくつかを以下に挙げる。
１．非常に簡単な機械構造、すなわち、より少ない管及び非常に小型な構造。例えば、それぞれが４つのスタックを有する４つのスタックモジュールは、１つのカソードインレット列（ｓｔｒｉｎｇ）、１つのカソードアウトレット列、１つの燃料インレット列、及び１つの燃料アウトレット列を有する、１６−スタックユニットを与える。さらに、急速冷却のための３つの低温列が必要とされる。

２．スタックモジュールのこの配置は、効率的な運転のためにはスタックが低温になり過ぎるという問題を生じさせることなく、部分負荷運転を可能にする。

３．非常に多くのスタックがガス供給部と並列に接続されると、個々のスタックの圧力損失は、全てのスタックを適切な作動点で運転させるために厳密に一致していなければならない。後者は広範囲にわたる品質管理を必要とするので、このようなスタックの製造を高価にする。少数のスタックをスタックモジュールに組み立て、しかもそれらをカソードの面に直列に接続することによって、圧力損失の差異に関する著しく高められた許容度が達成される。

４．カソードの空気を余熱するための高温熱交換器のようなバランスオブプラント（Ｂａｌａｎｃｅ−ｏｆ−ｐｌａｎｔ）構成要素は、直列に接続されたスタックによって形成されたダクトの端部で統合することができ、さらに、小型で費用効果の高い機械的構造に追加することができる。

本発明は、以下にさらに詳細に説明する特徴に関する。

１． カソードガスに関して直列に接続された少なくとも２つのスタックモジュール中に配列された複数の燃料電池を含み、そして各モジュール中に少なくとも１つのスタックを含む、固体酸化物型燃料電池スタックアッセンブリーであって、第一の一次スタックモジュールからのカソードガス排気は、直列に接続された次の少なくとも１つの二次スタックモジュールのカソードガスインレットへ輸送され、そこで、各スタックモジュールは、上記のモジュールの全てのスタックに共通する第一のカソードガスインレット面マニホールド及び上記のモジュールの全てのスタックに共通する第二のカソードガスアウトレット面マニホールドを有し、そしてここで、カソードガスは、上記の第一の一次スタックモジュールから上記の共通する面マニホールドを介して直列接続の次の少なくとも１つの二次スタックモジュールに直列に接続される、上記の固体酸化物型燃料電池スタックアッセンブリー。

２． 上記の第一の一次スタックモジュールの上記のアウトレット面マニホールドが、上記の次の少なくとも１つの二次スタックモジュールのインレット面マニホールドに、直接又は中間チャンネルを介して直列接続で接続される、上記の特徴１に記載の固体酸化物型燃料電池スタックアッセンブリー。

３． ２つの直列に接続されたスタックの間の接続が、冷却媒体インレット又は熱交換器を含む、上記の特徴１又は２に記載の固体酸化物型燃料電池スタックアッセンブリー。

４． 上記の冷却媒体が空気である、上記の特徴３に記載の固体酸化物型燃料電池スタックアッセンブリー。

５． 上記のアッセンブリーが、第一の一次スタックモジュール及び二次スタックモジュールである２つの直列に接続されたスタックモジュールを含む、上記の特徴１〜４のいずれか一つに記載の固体酸化物型燃料電池スタックアッセンブリー。

６． 上記のアッセンブリーが、第一の一次スタックモジュール及び３つの二次スタックモジュールである４つの直列に接続されたスタックモジュールを含む、上記の特徴１〜５のいずれか一つに記載の固体酸化物型燃料電池スタックアッセンブリー。

７． 各スタックモジュールが、方形中に、２つのスタックは高さ方向に、そして２つのスタックは幅方向に配列された４つのスタックを含む、上記の特徴１〜６のいずれかに記載の固体酸化物型燃料電池スタックアッセンブリー。

８．上記の特徴１〜７のいずれか一つに記載の固体酸化物型燃料電池スタックアッセンブリーを運転する方法であって、次の段階、すなわち、
− １つの一次スタックモジュール及び少なくとも１つの二次のスタックモジュールである、カソードガスに直列に接続された少なくとも２つのスタックモジュールを提供し、
− アノードガスに直列の少なくとも上記の第一のスタックモジュールを提供し、
− 予熱されたカソードガスに直列の、上記の第一の一次スタックモジュールのカソードガスインレットを提供し、
− 先行するスタックモジュールのカソードガスアウトレットからの高温排気カソードガスに直列の、少なくとも１つの二次スタックモジュールのカソードガスインレットを提供する、
段階を含む、上記の運転方法。

９． アノードガスが一次スタックに輸送され、該アノードガスは、上記のアッセンブリー中の二次スタックモジュールのいずれにも輸送されないか、又はその二次スタックモジュールの一部にしか輸送されず、そしてアノードガスを供給された二次スタックモジュールのカソードガスインレットに供給された排気カソードガスだけが、熱交換器によって、又は付加的な冷たいカソードガスのインレットによって冷却される、上記のアッセンブリーの部分負荷運転に適した、上記の特徴７に記載の方法。

１０． 上記のアッセンブリーが、２つのスタックモジュールを含む、請求項１〜９のいずれか一つに記載の方法。

１１． 上記のアッセンブリーが、４つのスタックモジュールを含む、請求項１〜１０のいずれか一つに記載の方法。

約２５％、５０％、７５％又は１００％負荷で運転されるのに適した、すなわち、
２５％負荷で運転される時には、直列の第一のスタックモジュールだけにアノードガスが供給され、
５０％負荷で運転される時には、直列の第一及び第二のスタックモジュールだけにアノードガスが供給され、そして二次スタックモジュールに供給されたカソードガスだけが冷却され、
７５％負荷で運転される時には、直列の第一、第二、及び第三のスタックモジュールだけにアノードガスが供給され、そして第二及び第三のスタックモジュールに供給されたカソードガスだけが冷却され、
１００％負荷で運転される時には、直列の全てのスタックモジュールにアノードガスが供給され、そして第二、第三、及び第四のスタックモジュールに供給されたカソードガスが冷却される、
請求項９に記載の方法。

以下、本発明の実施形態の例を示す添付図面を用いて、本発明をさらに説明する。

図１は、本発明の実施形態によりカソードガスに関して直列に接続された３つの燃料電池スタックモジュールの概略図を示している。 図２は、本発明の実施形態による、４つの異なる負荷状況における、カソードガスに直列に接続された４つの燃料電池スタックモジュールの概略図を示している。

図１は、カソードガスについて直列に接続された３つのスタックモジュール１１１、１１２、１１３を含むＳＯＦＣ燃料電池スタックアッセンブリーの一例を示している。各スタックモジュールは、カソードガス面マニホールドを有する４つの別々のＳＯＦＣスタック１０１、１０２、１０３を含む。これら４つのモジュールは、方形に、すなわち、高さ方向に２つのスタック及び幅方向に２つのスタックに組み立てられる。シーラントは、モジュール中のスタックの間、及び各スタックと、モジュールを取り囲むモジュールカセットとの間に提供されて、該シーラントは、実質的に気密性の接続をもたらす。第一の一次モジュール１１１の４つの全てのスタックに共通する１つの単一面マニホールド１３１によって、カソードガス供給１８１、すなわち、一次モジュール中の４つ全てのスタックへの１つの共通するガス供給が可能となる。一次とは、ここでは、予熱されているが、予めスタックモジュールに流されていない“新鮮な”カソードガスを受け入れる、直列の第一のモジュールを意味する。

全ての燃料電池には、各スタックモジュールのための別々のアノードガスが供給されることによってアノードガスインレットが設けられる（図示せず）。以下の２つの二次モジュール１１２、１１３は、１つのスタックモジュールのカソードガスアウトレット面マニホールドを、直列の次のスタックモジュールのカソードガスインレット面マニホールドへ直接接続させることによるか、あるいは図１に示すように、１つのスタックモジュールのカソードガスアウトレット面マニホールドを、中間チャンネル１２１、１２２を介して直列の次のスタックモジュールのカソードガスインレット面マニホールドへ接続させることによって、第一の一次モジュールにカソードガス直列に接続される。二次モジュールとは、ここでは、直列の先行するスタックモジュールに少なくとも部分的に流されたカソードガスを受け入れるスタックモジュールを意味する。いずれの場合においても、付加的な比較的低温のカソードガスインレット１９１、１９２が、直列に接続されたスタックモジュール間に設けられる。この低温カソードガスの付加的な供給は、二次スタックモジュールのそれぞれに対して確実に適切な運転温度のカソードガスが供給されるよう作用する。従って、一次スタックモジュールだけが、補足的なカソードガス予熱器（図示せず）を必要とする。

部分負荷で運転する時、第一の１１２又は第二の１１３、あるいは両方の二次スタックモジュール１１２、１１３のためのアノードガス供給は最小限化されるか、あるいは完全に停止されていた。待機スタックの適切な待機温度を確保するためには、関連する付加的な低温カソード空気の供給も調節されるかあるいは停止される。

アッセンブリーの端部には、図面を参照すると、共通のカソードガスアウトレット面マニホールドが設けられている。例示される実施形態において、このマニホールドは、直列の最後の二次モジュール１１３中の４つ全てのスタックに共通する。

図２は、１つの一次モジュール２１１が“新鮮な”カソードガスを受容し、３つの二次モジュール２１２、２１３、２１４のそれぞれが、直列の先行するスタックモジュールからの部分的に使用されたカソードガスを受け入れる、４つのモジュール２１１、２１２、２１３、２１４を含む、カソードガスに直列に接続されたＳＯＦＣスタックモジュールアッセンブリーを示している。

図２の設定は、上述の図１の設定に類似する。４つの負荷状況、すなわち、２５％の負荷、５０％の負荷、７５％の負荷及び１００％の負荷が示される。見られるように、２５％の負荷状況においては、スタックモジュールの全てが、第一の共通のカソードガスインレット面マニホールドからのカソードガス２８１だけを受容し、そして、一次スタックモジュールだけが、運転アノードガス（図示せず）を受け入れる。二次モジュールは、高温の部分的に使用されたカソードガス２８２、２８３、２８４を受容し、これは３つの待機スタックモジュール２１２、２１３、２１４の適切な待機温度を確保する。

５０％負荷状況、７５％負荷状況、及び１００％負荷状況においては、より多くのスタックモジュールが運転アノードガス（図示せず）を受容し、そして従ってこれらの運転中のスタックモジュールは、追加量の低温カソードガス２９１、２９２、２９３を受け入れる。

待機スタックが、依然として運転中の上流のスタックのカソードアウトレットによって温い状態に保たれるため、運転中のスタックからの熱損失は、４つの負荷状況の全てにおいて同じである。従って、部分負荷運転は全負荷と同じ効率で行われる。待機スタックは、電位の形態、あるいは依然として運転中のスタックからの安全ガス又はアノードオフ−ガスの形態のアノード保護を必要とする。

１０１： 第一の一次スタックモジュールの燃料電池スタック
１０２： 第二の二次スタックモジュールの燃料電池スタック
１０３： 第三の二次スタックモジュールの燃料電池スタック
１１１、２１１： 第一の一次燃料電池スタックモジュール
１１２、２１２： 第二の二次燃料電池スタックモジュール
１１３、２１３： 第三の二次燃料電池スタックモジュール
２１４： 第四の二次燃料電池スタックモジュール
１２１、２２１： 第一の中間チャンネル
１２２、２２２： 第二の中間チャンネル
２２３： 第三の中間チャンネル
１３１、２３１： （第一のスタックモジュールの）第一の共通カソードガスインレット面マニホールド
１３２、２３２： （第三／第四のスタックモジュールの）第二の共通カソードガスアウトレット面マニホールド
１８１、２８１： 第一の一次スタックモジュールのためのインレットカソードガス
１８２、２８２： 第一の一次スタックモジュールから第二の二次スタックモジュールへのカソードガス流
１８３、２８３： 第二の二次スタックモジュールから第三の二次スタックモジュールへのカソードガス流ｚ
２８４： 第三の二次スタックモジュールから第四の二次モジュールへのカソードガス流
１９１，２９１： 第一と第二のスタックモジュールとの間の追加の低温カソードガスインレット
１９２，２９２： 第二と第三のスタックモジュールとの間の追加の低温カソードガスインレット
２９３： 第三と第四のスタックモジュール間の追加の低温カソードガスインレット

Claims (5)

1. カソードガスに関して直列に接続された少なくとも２つのスタックモジュール中に配列された複数の燃料電池を含み、多数のスタックが一列に並んでいて、モジュールの一方の面においてカソードインレット、そしてモジュールの他方の面においてカソードアウトレットを有するスタックモジュールに組み立てられる、固体酸化物型燃料電池スタックアッセンブリーであって、第一の一次スタックモジュールからのカソードガス排気は、直列に接続された次の少なくとも１つの二次スタックモジュールのカソードガスインレットへ輸送され、そこで、各スタックモジュールは、上記のモジュールの全てのスタックに共通する第一のカソードガスインレット面マニホールド及び上記のモジュールの全てのスタックに共通する第二のカソードガスアウトレット面マニホールドを有し、そしてここで、カソードガスは、上記の第一の一次スタックモジュールから、上記の共通する面マニホールドの両方を介して、直列接続の次の少なくとも１つの二次スタックモジュールに直列に接続される、部分負荷運転に適した上記の固体酸化物型燃料電池スタックアッセンブリーを運転する方法であって、次の段階、すなわち、
   − １つの一次スタックモジュール及び少なくとも１つの二次のスタックモジュールである、カソードガスに直列に接続された少なくとも２つのスタックモジュールを提供し、
   − アノードガスに直列の少なくとも上記の第一のスタックモジュールを提供し、
   − 予熱されたカソードガスに直列の、前記第一の一次スタックモジュールのカソードガスインレットを提供し、
   − 先行するスタックモジュールのカソードガスアウトレットからの高温排気カソードガスに直列の、少なくとも１つの二次スタックモジュールのカソードガスインレットを提供し、
   − アノードガスが一次スタックに輸送され、該アノードガスは、前記アッセンブリー中の二次スタックモジュールのいずれにも輸送されないか、又はその二次スタックモジュールの一部にしか輸送されない
   段階を含む、上記の方法。
2. アノードガスが供給された該少なくとも１つの二次スタックモジュールのカソードガスインレットに供給された排気カソードガスだけが、熱交換器によって、あるいは付加的な冷たいカソードガスのインレットによって冷却される、請求項１に記載の方法。
3. 前記アッセンブリーが２つのスタックモジュールを含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記アッセンブリーが４つのスタックモジュールを含む、請求項１又は２のいずれか一項に記載の方法。
5. 約２５％、５０％、７５％又は１００％負荷で運転されるのに適した、すなわち、
   ２５％負荷で運転される時には、直列の第一のスタックモジュールだけにアノードガスが供給され、
   ５０％負荷で運転される時には、直列の第一及び第二のスタックモジュールだけにアノードガスが供給され、そして二次スタックモジュールに供給されたカソードガスだけが冷却され、
   ７５％負荷で運転される時には、直列の第一、第二、及び第三のスタックモジュールだけにアノードガスが供給され、そして第二及び第三のスタックモジュールに供給されたカソードガスだけが冷却され、
   １００％負荷で運転される時は、直列の全てのスタックモジュールにアノードガスが供給され、そして第二、第三、及び第四のスタックモジュールに供給されたカソードガスが冷却される、
   請求項４に記載の方法。

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