JP6167174B2 - 燃料電池用ガス分配素子、燃料電池、及び燃料電池用ガス分配素子内の可燃性ガスを均質化する方法 - Google Patents
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Description
燃料は水素やCOに次いで、メタンやアンモニアなどの他の炭化水素も備えることができるが、容易に電気化学的に変換されるのはH2とCOだけである。他の燃料は間接的に消費される、あるいは変換前に分離ステップを必要とする。さらに、SOFCは、N2、CO2、または水蒸気などの不活性ガスによって希釈される燃料に耐え得る。炭化水素の中では、天然ガス、ガソリン、ディーゼル、または生物ガスとすることができる。しかしながら、この種の燃料電池は燃料に含まれる硫黄などの有毒元素、特に1ppm超の濃度では既に毒物とみなされるH2SおよびCOSに弱い。
したがって、反復ユニットをスタックに組み立てるには、一方ではできる限り小数の組立ステップと、他方では各セル膜の適切な動作状態の確保が必要である。
スタックの構造は使用されるセル膜の種類に依存する。第1の主要な種類のスタックは、特許文献4に開示されるような管状セル膜を使用する。
また、電極と境界面は、過剰な温度に達するとすぐに劣化しがちである。
このような局所的温度ピークが発生する場合、反応動力が変更し、局所的な高温地点が形成される場合がある。このような高温地点は、局所的熱膨張を引き起こすことによって材料に大きな歪みを生じさせ、影響を受けた層材料の反りや変形を招くために望ましくない。電極または電解質のセラミック材料は脆いため、亀裂を生じやすく、大きな局所的温度変動を受けた場合には最終的に割れるおそれがある。
熱歪の影響は、原理上は特許文献7に示されるものと類似の構造を有するスタックによって緩和させることができる。よって、複数のCAEユニットが接触板と導電接触し、流体誘導素子が成型シート金属部として形成され、溶接または半田付けによって液密に接触板に接続される。それによって、接触板は、燃料電池ユニットの動作中に可燃性ガスまたは酸化剤が流れる流体チャンバを画定する。成型シート金属部には複数の波形が配置され、波形構造を形成する。波形構造はそれ自体、動作中のCAEユニットおよび流体誘導素子の熱膨張の一部を相殺することができる。しかしながら、電極と波形の山または谷との局所的接触により、流体誘導素子は電極の熱膨張を追随せざるを得ない。流体誘導素子が十分な弾性を有していない場合、熱膨張による歪みが電極に導入される。電極は固体の脆性セラミックから形成される。よって、大きな歪みが電極に導入される場合、亀裂が形成されて、最終的に電極を破壊する場合がある。さらに、流体誘導素子とアノード間の溶接または半田付け接続は構造の剛性に寄与する。具体的には、異なる熱膨張係数の材料が使用される場合、最終的に歪みは電極の損傷につながり、関連するセル膜を損なうおそれがある。具体的には、セル膜が破壊されて自然発火を招く場合、反応体の流れが変化する、あるいは反応体の直接混合を導くことがある。よって、局所的熱膨張を誘発し、局所的応力をさらに増大させる、局所的に高温な地点が生じかねない。
特許文献9、特許文献10、特許文献11および特許文献12は、ガス分配素子を開示している。そのようなガス分配素子の欠点は、ガスの分配が均質ではないため、カソード・アノード電解質ユニットのある領域で燃料の不足が生じる可能性があり、局所的な過熱のリスクが増加することである。
第1および第2の層はそれぞれカソードまたはアノードのいずれかとしての役割を果たす。それらの機能は電解質の性質、または燃料電池または電解装置用のガス分配素子の動作に応じて逆にすることができる。第1の反応体は酸素、たとえば空気が豊富である。第2の反応体は元素H2、CO、CO2、H2O、アンモニア、または炭素含有ガスのうち少なくとも1つを含有する。
ガス分配素子は以下の利点を有する。均質化素子により、第1の層のガス分配構造に存在する形状の瑕疵を矯正することができる。したがって、高品質なガス分配を維持しつつ、第1および第2の層に対して低コストの製造工程を利用できる。加えて、スタックは様々な設置面積を有する様々な構造で作製することができる。燃料電池システムまたは電解装置は、需要に応じて幅広い用途に適応させることができる。設置面積とは、燃料電池スタックの基部の長さおよび幅の寸法全体と理解される。
具体的には、第1の開口の総開口面積はカソード・アノード電解質ユニットの陰極の総接触面の20%以上、好ましくは総接触面の約30%以上、最も好ましくは総接触面の約50%以上である。それによって、ガス分配素子を流れるガスの横方向分配が達成され、より均質的な流体分配、ひいてはより均一な流体温度が可能になる。
電池ユニット50が電解装置として動作する際には、酸素含有反応体が、アノードの役割を果たす正酸素電極51に供給される。
図3に示す実施形態は、本発明の第2の実施形態による、カソード・アノード電解質ユニット5とガス分配素子10とを備える電池ユニット50の断面を示している。図3に示す第2の実施形態によるガス分配素子10は、ベース層1、第2の層3、第1の層2から成る。第1の層2は開口も含む。ただし、この部分は、開口の切り欠き部が図3では見えないように構成される。カソード・アノード電解質ユニット5は、第1の電極51、第2の電極53、および第1の電極51と第2の電極53とに挟まれる電解質52から成る。電池ユニット50は、カソード・アノード電解質ユニット5、接触層55、ガス分配素子10の縁部の気密封止のために側方封止31も備える。別の実施形態では、電池ユニット50は、酸素を含有する第1の反応流体を第1の電極51に供給するための支持層4も備えることができる。燃料を含む第2の反応流体は、第1の層2と第2の層3の上方にある第2の電極53に供給される。
完全に同量の燃料が燃料電池スタックのすべての電池ユニット50で変換されて共通の電流の流れが得られるため、燃料変換が増加すると、低燃料流の電池ユニット50は燃料欠乏のリスクにさらされる。高性能に達するには大きな変換が必要であるため、不十分な燃料分配は性能の制限または燃料欠乏による1個の電池ユニットの損傷を招く。
別の有利な方法のステップでは、第1の層2は、隣り合うように並べられて燃料入口2bを燃料出口2cと接続する複数の経路13と、経路13を横切って延在して隣り合うように並べられた少なくとも2つの経路13を流体接続する第1の開口15とを備え、各経路13を流れる可燃性ガスが第1の開口15に入ることにより、各経路13の可燃性ガスが第1の開口15内で均質化される。
Claims (13)
- ベース層(1)と、第1の層(2)と、第2の層(3)とを連続して備える燃料電池または電解装置用ガス分配素子(10)であって、前記第1の層(2)と第2の層(3)に、可燃性ガスである第1の反応流体の流体流のパターンを形成するガス分配構造(11)が配置され、前記第2の層(3)は第1の開口(15)を有し、前記第1の開口(15)は幅(29)と該幅(29)よりも大きい長さ(28)とを有するガス分配素子において、
前記第1の層(2)は燃料入口(2b)および燃料出口(2c)を備え、主流体流方向(9)は前記燃料入口(2b)と前記燃料出口(2c)との間を直線方向に延在し、
前記第1の層(2)のガス分配構造(11)は、隣り合うように並べられ、主流体流方向(9)に直線的に延在し、燃料入口(2b)を前記燃料出口(2c)に接続する複数の経路(13)から成り、
経路(13)を横切って延在する前記第1の開口(15)は前記長さ(28)を有し、隣り合うように並べられる少なくとも2つの経路(13)は前記第1の開口(15)によって流体接続されるように配置され、
前記第2の層(3)はカソード・アノード電解質ユニット(5)と接触する接触面(3c)を備え、前記第1の開口(15)は前記接触面(3c)に配置され、第1の開口(15)すべての総表面が前記接触面(3c)の20%以上である、ガス分配素子。 - 前記経路(13)は相互に平行に延在し、前記第1の開口(15)は前記経路(13)に垂直に延在する、請求項1に記載のガス分配素子(10)。
- 前記経路(13)は放射方向に延在し、前記第1の開口(15)は周方向に延在する、請求項1に記載のガス分配素子(10)。
- 前記第1の層(2)の前記経路(13)の少なくともいくつかはバー素子(23)によって遮断され、前記バー素子(23)は間隔をおいて配置されて間に経路(13)を形成する少なくとも2つのバー(2a)を接続しており、前記第2の層(3)は複数の第2の開口(6)を備え、前記第2の開口(6)は前記バー素子(23)の幅よりも大きな長さ(7)を前記主流体流方向(9)に有しており、前記第2の開口(6)は前記バー素子(23)に並んで配置されて前記経路(13)を流体接続し、前記バー素子(23)をバイパスする、請求項1〜3のいずれか一項に記載のガス分配素子(10)。
- 前記ベース層(1)に並んで配置される支持層(4)をさらに備える請求項1〜4のいずれか一項に記載のガス分配素子(10)。
- 前記支持層(4)は直線方向に延在する複数の経路(20)を備え、前記経路(20)は酸化剤である第2の反応流体を誘導する、請求項5に記載のガス分配素子(10)。
- 前記支持層(4)は両側に経路(20、20a、20b)を有する波形シートであり、前記第1の層(1)に面する前記経路(20b)の目的が前記第2の反応流体によって前記第1の層(1)を冷却することであり、反対側の前記経路(20a)の目的が燃料電池ユニットに第2の反応流体を供給することである、請求項6に記載のガス分配素子(10)。
- 前記ベース層(1)および前記第1の層(2)、または前記第1の層(2)および前記第2の層(3)は、一体片を形成する、請求項1〜7のいずれか一項に記載のガス分配素子(10)。
- 支持層(4)は前記ベース層(1)または前記ベース層(1)および前記第1の層(2)との一体片を形成する、請求項5〜7のいずれか一項に記載のガス分配素子(10)。
- 第1の開口(15)すべての総面積は前記接触面(3c)内の全開口(15、6)の総面積の20%以上である、請求項1〜9のいずれか一項に記載のガス分配素子(10)。
- 請求項1〜10のいずれか一項に記載のガス分配素子(10)を備える燃料電池。
- 燃料電池のガス分配素子(10)内の可燃性ガスを均質化する方法であって、ガス分配素子(10)はベース層(1)と第1の層(2)と第2の層(3)とを連続して備え、前記第1の層(2)は経路(13)を有するガス分配構造(11)を備え、前記第2の層(3)は第1の開口(15)を備え、各経路(13)を流れる前記可燃性ガスは前記第1の開口(15)に入って前記第1の開口(15)内で均質化され、前記第1の開口(15)は接触面(3c)でカソード・アノード電解質ユニット(5)と接触し、前記第1の開口(15)は前記接触面(3c)に配置されることによって、前記可燃性ガスが第1の開口(15)から前記カソード・アノード電解質ユニット(5)に供給され、
前記ガス分配構造(11)は、隣り合うように並べられて、燃料入口(2b)と燃料出口(2c)とを接続する複数の線形延在経路(13)から成り、燃料が経路(13)内で直線的に流方向(9)に流れ、
前記第1の開口(15)は流方向(9)を横切って延在し、隣り合うように並んで配置される少なくとも2つの経路(13)を流体接続し、前記第1の開口(15)内で均質化された前記可燃性ガスの少なくとも一部は前記第1の層(2)の各経路(13)に戻るように流れる、あるいは前記第1の層(2)の各経路(13)間で交換され、
前記可燃性ガスを前記カソード・アノード電解質ユニット(5)に供給する第1の開口(15)すべての総表面が、前記接触面(3c)の20%以上である方法。 - 前記第1の開口(15)内の前記可燃性ガスの圧力が均等化されるように、前記第1の開口(15)のうち少なくともいくつかが前記流方向(9)に垂直に延在するため、前記経路(13)内の前記可燃性ガスの圧力が局所的に均等化される、請求項12に記載の方法。
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