JPH07302604A - 燃料電池装置 - Google Patents

燃料電池装置

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JPH07302604A
JPH07302604A JP7108435A JP10843595A JPH07302604A JP H07302604 A JPH07302604 A JP H07302604A JP 7108435 A JP7108435 A JP 7108435A JP 10843595 A JP10843595 A JP 10843595A JP H07302604 A JPH07302604 A JP H07302604A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 アノード排ガスで発生された二酸化炭素を、
燃料電池の外部バーナ及び外部パイプを用いることな
く、燃料電池のカソード隔室に供給することができる安
価な炭酸塩型燃料電池を得る。 【構成】 アノード隔室により、燃料電池のアノード隔
室から燃料排ガスが直接燃料電池のカソード隔室に誘導
され、カソード隔室へ導かれた燃料排ガスとオキシダン
トガスの燃焼によりＣＯ2を発生する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、燃料電池により構成
される燃料電池装置に関し、特に電解質として炭酸塩を
用いる炭酸塩型燃料電池装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の炭酸塩型燃料電池においては、ア
ノード反応のために要求される炭素燃料が燃料電池のア
ノード隔室に供給される。このアノード隔室ではオキシ
ダントまたは空気と二酸化炭素がカソード反応のために
供給される。
【０００３】このカソード隔室に供給される二酸化炭素
は、典型的には、蒸気、二酸化炭素、一酸化炭素、及び
水素を含んでアノード出口から発生される。従来、この
出口は水素と一酸化炭素を空気とともに燃焼して二酸化
炭素とするために、バーナに連結されている。燃焼産物
である二酸化炭素と他の成分は、その後カソード隔室の
入口マニホールドに供給される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】二酸化炭素を発生させ
て、燃料電池のカソード隔室に再循環させる技術は、燃
料電池電力プラントに効果的である。しかしながら、外
部バーナと生成された燃焼ガスを再循環するために、高
温度となるステンレス鋼パイプを必要とし多大のコスト
を要する。このため、研究者は、処理効果を高め、必要
なパイプを減少させる装置の開発に従事してきた。
【０００５】一つの提案は、触媒反応バーナを使用する
ことによって、バーナ効果を高めることである。他の提
案は、また触媒反応バーナを用いることであるが、この
バーナをカソードの入口マニホールド内に設けることで
ある。これら提案によれば、確かな改良が認められるも
のの、一方で、前者の提案では、なお高価なパイプが燃
焼ガスのために必要とされる。後者の提案では、パイプ
を減少させることができる反面、カソード入口マニホー
ルドの構造が複雑となり、高価になる。
【０００６】この発明は、二酸化炭素を発生させ、燃料
電池のカソード隔室に供給する改善された炭酸塩型燃料
電池とその運転方法を提供することを目的としている。
【０００７】さらに、この発明は、アノード排ガスで発
生された二酸化炭素を、燃料電池の外部バーナ及び外部
パイプを用いることなく、燃料電池のカソード隔室に供
給する炭酸塩型燃料電池、及びその運転方法を提供する
ことを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この発明によれば、燃料
電池のアノード隔室が燃料の排ガスを燃料電池のカソー
ド隔室に直接供給するように構成され、その結果、燃料
の排ガスがカソード隔室に供給されたオキシダントガス
とともにカソード隔室内で燃焼されるという型の燃料電
池において、上述した目的が達成される。カソード隔室
に燃料排ガスを直接導いてオキシダントガスで燃焼させ
ることにより、セパレートバーナとセパレートパイプの
必要性が除去され、燃料電池のカソード隔室の構成が簡
単化される。
【０００９】後述する燃料電池において、燃料電池のア
ノード隔室のアノード通路は、特定のアノード出口ポー
トを構成し、これらの出口ポートをカソード隔室の入口
マニホールドに配置させる。燃料排ガスは、こうしてア
ノード出口ポートから所望の圧力でカソード入口マニホ
ールド内に直接供給され、ここでオキシダントガスと混
合される。燃料排ガスとオキシダントガスの混合によ
り、燃料排ガスはカソード隔室を通過するときに燃焼す
る。これにより、カソード通路には次第に所望の二酸化
炭素が発生する。カソード入口マニホールドでアノード
出口ポートの設置を容易化するために、アノード通路
は、オキシダントガスとそこを通る燃料ガスとの間で逆
流が生じるように、カソード通路の方向に走っている。
さらに、この構成により、カソード隔室への燃料排ガス
の供給が均等（一様）になる。
【００１０】また、この発明によれば、カソード入口マ
ニホールドへ供給されるオキシダントガスの加熱手段が
供給される。この手段は、カソード入口マニホールドに
カソード排ガスを再循環させるカソードガス再循環ルー
プの形態においてなる。
【００１１】さらに、この発明によれば、燃料電池は、
どんな燃焼手段も不要とする、アノード隔室とカソード
入口マニホールドを有するカソード隔室を備え、さらな
る手段が、カソード隔室に供給されるオキシダントガス
を燃焼させるべく、アノード隔室からカソード隔室のカ
ソード入口マニホールドへ燃料排ガスを供給するために
備えられている。
【００１２】
【実施例】
実施例１．以下、この発明の実施例を図面に従って説明
する。図１はこの発明の燃料電池装置１を示す図であ
る。この装置１は、スタック３を形成するために、積層
された複数の燃料電池２を備えている。
【００１３】燃料電池２は後で詳述されるように、スタ
ック３の一端面３Ａ上にアノード入口マニホールド４Ｂ
に連絡するアノード入口ポート４Ａを形成するように構
成されている。アノード入口ポート４Ａはアノード入口
マニホールド４Ｂから燃料電池２によって形成されるア
ノード通路４Ｃ（図１には図示しない）へ燃料ガスを誘
導する。アノード通路４Ｃは、スタック３を通って矢印
Ａに示される方向に燃料ガスを順次伝達（誘導）する。
【００１４】燃料電池２は、さらに、後で詳述されるよ
うに、スタックの第２端面３Ｂ上にカソード入口マニホ
ールド５Ｂと連結するカソード入口ポート５Ａを含んで
いる。このカソード入口ポート５Ａはまた燃料電池２に
よって形成されるカソード通路５Ｃ（図１には図示しな
い）に連絡している。この通路５Ｃは、スタック３を通
って矢印Ｂに示される方向にオキシダントガスを順次誘
導する。オキシダント排ガスはカソード出口マニホール
ド５Ｄを介してスタックから出る。
【００１５】この発明によれば、燃料電池２は、アノー
ド通路４Ｃがカソード入口マニホールド５Ｂに直接ガス
を供給するアノード出口ポート４Ｄで終端を有するよう
に構成される。燃料排ガスはこうして出口ポート４Ｄか
ら、オキシダント入口マニホールド５Ｂへ供給され、こ
こで、アノード排ガスはこのオキシダント入口マニホー
ルドに供給されたオキシダントガスと混合する。
【００１６】結果として、燃料排ガスとオキシダントガ
スの配合は、カソード入口マニホールド５Ｂとカソード
入口ポート５Ａによってカソード通路５Ｃに供給され
る。
【００１７】こうして、燃料排ガスはカソード通路５Ｃ
内のオキシダントガスによって燃焼され、燃料電池２内
での電気化学反応を促進するために必要とされるような
ＣＯ2ガスを発生する。カソード入口マニホールドに直
接連絡されるアノード出口ポート４Ｄを介して、カソー
ド入口マニホールド５Ｂ内へ燃料排ガスを直接導入する
ことにより、必要なＣＯ2ガスを発生するためのアノー
ド出口マニホールド、外部パイプ、またはバーナは燃料
電池装置１において不要となる。さらに、燃料排ガスの
燃焼は、カソード入口マニホールド内の分離触媒バーナ
を不要とする。これら全ての構成要素は、燃料電池１の
コストを大幅に削減する。
【００１８】図２は、図１の燃料電池装置１の燃料電池
２を形成するために使用されるバイポーラプレートアッ
センブリ３１の要素をより詳細に示す図である。図示さ
れるように、アッセンブリ３１は、アノード電流コレク
タ３３を載置するアノード３２を備える。電流コレクタ
３３は上述したアノード通路４Ｃを形成し、燃料ガスが
Ａ方向に通過する通路３３Ａと互いに食い違って構成さ
れている。
【００１９】バイポーラプレート３４は、アノード電流
コレクタ３３を下に設けた主要区画３４Ａを有する。バ
イポーラプレート３４の周辺３４Ｂは、炭酸塩マトリク
ス３９に対するウエットシールと縁（ボーダー）を形成
するように、上方と後方に曲がっている。この境界はア
ノード３２と電流コレクタ３３のサイド回りに広がり、
通路３３Ａ内の燃料ガスを受ける側の部分が開放されて
いる。
【００２０】バイポーラプレート周辺３４Ｂはアノード
通路３３Ａの排ガス端部に接し、各通路に隣接する開口
が設けられている。これらの開口は、上述の区画アノー
ド出口ポート４Ｄを形成し、アノード通路からの燃料排
ガスをオキシダントガスを受けるカソード入口マニホー
ルド内に誘導する。
【００２１】カソード電流コレクタ３５は、バイポーラ
プレート３４の下に配され、カソード入口マニホールド
で混合されたオキシダントガスと燃料排ガスをアッセン
ブリ３１を通してＢ方向に誘導する通路３５Ａを有す
る。こうして、通路３５Ａは上述したカソード通路５Ｃ
を形成する。カソード支持片（ストリップ）３６は、カ
ソード電流コレクタ３５の下に配されるカソード３７の
縁を支持する。マニホールドシール３８はバイポーラプ
レート３４の下のカソード電流コレクタ３５の側面の縁
に設けられる。類似のマニホールドシールが、図示され
ていないが、カソード電流コレクタの他の側面の縁に設
けられる。
【００２２】図３、図４は、バイポーラアッセンブリ３
１のバイポーラプレート３４のアノードとカソード側を
示している。また、この図では、燃料とオキシダントガ
スのための流路Ａ、Ｂが示されている。
【００２３】スタック３の燃料電池２の形成において、
複数のバイポーラプレートアッセンブリ３１は、炭酸塩
電解質マトリクス３９とともに、連続するプレート間に
互いに積層される。こうして、各燃料電池２は、２つの
連続する積層バイポーラプレートアッセンブリ３１の上
側と下側の半分によって構成され、炭酸塩マトリクス３
９はそれらの間に挟まれる。
【００２４】既に示されたように、燃料電池装置１のス
タック３の燃料電池２は、燃料排ガスが直接入口マニホ
ールドへ誘導されるように構成され、これにより、燃料
電池スタック３内の燃料排ガスそれ自身を燃焼させる。
燃料排ガスの燃焼を促進するため、カソード入口マニホ
ールド内の新しいオキシダントガスを予熱しておくこと
が望ましい。この発明に従えば、オキシダント排ガスの
一部をカソード出口マニホールド５Ｄからカソード入口
マニホールド５Ｂ内に返すカソード再循環ループによっ
て達成される。
【００２５】これは、概略的には、図１にパイプ６Ａと
再循環送風機６Ｂを備える再循環ループ６によって示さ
れている。示されるように、ループ６は、オキシダント
排ガスの一部をカソード出口マニホールド５Ｄからカソ
ード入口マニホールド５Ｂへ誘導し、混合されたオキシ
ダントと燃料排ガスを予熱する。
【００２６】また、カソード隔室を横切るアノード排ガ
スの燃焼を高めるさらなる方法として、カソード通路５
Ｃにカソード材料または燃焼触媒を備えることができ
る。さらに、このような材料は、カソード隔室の入口お
よび出口に配置することができる。上述した目的のため
に使用され得る材料には、ニッケルオキサイド（Ｎｉ
Ｏ）がある。
【００２７】実施例２．以上に説明された発明は、オキ
シダントガスと燃料ガスが逆流するような装置１、燃料
電池２、そしてスタック３の構成について説明された
が、一方、この発明はガスが横断流するような構成につ
いても適用することができる。これは、概略的には、図
５において示された燃料ガスがスタックを通してＡ′方
向に誘導されるように、そして、オキシダントガスがス
タックを通してＢ′方向に横断して流れるように、構成
された燃料電池スタック３′を備えた燃料電池装置１′
により示される。
【００２８】この場合、燃料ガスがスタックに燃料ガス
入口マニホールド４Ｂ′によって供給される。この燃料
ガスは、スタックを通してＡ′方向に通過し、燃料排ガ
スはアノード隔室のアノード出口マニホールド４１内に
集まる。パイプ４２は、アノード排ガスの一部を、バー
ナを有さず、オキシダント供給源からのオキシダントガ
スを受けるカソード入口マニホールド５Ｂ′へ連絡供給
する。オキシダントガスとアノード排ガスの混合ガス
は、その後、アノード排ガスの燃焼が起こるカソード通
路を通過する。カソード排ガスは、カソード出口マニホ
ールド５Ｄ′を介してスタックのカソード隔室を出る。
【００２９】図５の装置は、図１の装置に類似してカソ
ード排ガスのための再循環ループを含むよう変更するこ
ともできる。さらに、燃焼反応を促進するための材料あ
るいは触媒が図１の装置に類似するカソード通路に配置
され得る。
【００３０】これら全ての場合における上述された構成
は、この発明の適用を示す多くの可能な実施例を単に示
しているに過ぎない。変更された多くの他の態様が、こ
の発明の技術的思想の範囲から逸脱する事なく考えられ
得る。例えば、カソード入口マニホールド５Ｂでただ一
つ備えられたアノード出口ポート４Ｄの代わりに、幾つ
かのアノード出口ポートがカソード通路５Ｃ内に直接供
給され得る。これは、図２において、アノード電流コレ
クタ３３のアノード通路３３Ａとカソード電流コレクタ
３５の通路３５Ａを連結するように、アノード電流コレ
クタ３３とバイポーラプレート３４を通過する開口６１
によって形成されたアノード出口ポートによって理解さ
れる。さらに、開口６１が、通路３３Ａと３５Ａとを接
続するために設けられ、もし望まれるなら、これらの開
口はバイポーラプレート面３４Ｃの開口３４Ｄととも
に、あるいはこれに代えて使用され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る燃料電池を示す図である。
【図２】 図１の燃料電池装置内で用いられている燃料
電池を製造するために使用されるバイポーラプレートア
ッセンブリの構成を詳細に示す図である。
【図３】 図２のバイポーラプレートアッセンブリに使
用されるバイポーラプレートのアノード側とカソード側
とを示す図である。
【図４】 図２のバイポーラプレートアッセンブリに使
用されるバイポーラプレートのアノード側とカソード側
とを示す図である。
【図５】 図５はこの発明による他の燃料電池装置を示
す図である。
【符号の説明】
１、１′ 燃料電池装置、２ 燃料電池、３、３′ ス
タック、４Ａ アノード入口ポート、４Ｂ、４Ｂ′ ア
ノード入口マニホールド、４Ｄ アノード出口ポート、
５Ａ カソード入口ポート、５Ｂ、５Ｂ′ カソード入
口マニホールド、５Ｄ、５Ｄ′ カソード出口マニホー
ルド、３３Ａ アノード通路、３５Ａカソード通路。

Claims (28)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 オキシダントガスを受け、上記オキシダ
    ントガスを燃料電池を通して誘導するためのカソード隔
    室と、燃料ガスを受け、上記燃料ガスを上記燃料電池を
    通して誘導し、燃料排ガスを直接上記カソード隔室に誘
    導するアノード隔室とを備え、ＣＯ2を発生する上記燃
    料排ガスと上記オキシダントガスの燃焼が上記カソード
    隔室内で生じるようにした少なくとも一つの燃料電池を
    備えてなる燃料電池装置。
  2. 【請求項２】 請求項１の燃料電池装置において、燃料
    電池スタックを形成するために、複数の燃料電池が積層
    されてなる燃料電池装置。
  3. 【請求項３】 請求項１の燃料電池装置において、上記
    アノード隔室は上記燃料排ガスを上記カソード隔室に一
    様に誘導するよう構成される燃料電池装置。
  4. 【請求項４】 請求項１の燃料電池装置において、上記
    カソード隔室に供給されるオキシダントガスを予熱する
    ための手段をさらに備えた燃料電池装置。
  5. 【請求項５】 請求項４の燃料電池装置において、上記
    予熱するための手段は、オキシダントガスを上記カソー
    ド隔室の出口から入口に返して再循環するための再循環
    ループを備えた燃料電池装置。
  6. 【請求項６】 請求項１の燃料電池装置において、上記
    カソード隔室は、上記オキシダントガスを受けるための
    第１手段と、上記オキシダントガスを上記燃料電池を通
    して誘導するための第２手段とを含み、上記アノード隔
    室は、上記第１手段、または上記第２手段の少なくとも
    いずれか一方と接続されている燃料電池装置。
  7. 【請求項７】 請求項１の燃料電池装置において、上記
    カソード隔室は、上記アノード隔室が上記燃料電池を通
    して上記燃料ガスを誘導する方向とは逆方向に、上記オ
    キシダントガスを上記燃料電池を通して誘導する燃料電
    池装置。
  8. 【請求項８】 オキシダントガスを受けるためのカソー
    ド入口マニホールドと、上記オキシダントガスを燃料電
    池を通して誘導するための上記カソード入口マニホール
    ド接続されるカソード通路とを有するカソード隔室と、
    上記燃料ガスを誘導するためのアノード通路を有し、こ
    のアノード通路は、上記カソード隔室に燃料排ガスを直
    接誘導するため、上記カソード隔室に直接接続されるア
    ノード出口ポートが設けられているアノード隔室とを備
    え、上記燃料排ガスと上記オキシダントガスの燃焼が上
    記カソード隔室で行われてＣＯ2を発生する少なくとも
    一つの燃料電池を備えた燃料電池装置。
  9. 【請求項９】 請求項８の燃料電池装置において、上記
    アノード出口ポートは少なくとも上記カソード入口マニ
    ホールドか、上記カソード通路に接続されている燃料電
    池装置。
  10. 【請求項１０】 請求項９の燃料電池装置において、上
    記燃料電池装置は、燃料電池スタックを形成するため、
    積層された複数の燃料電池を有する燃料電池装置。
  11. 【請求項１１】 請求項９の燃料電池装置において、上
    記カソード通路はカソード入口ポートとカソード出口ポ
    ートを有し、上記カソード入口ポートは上記カソード入
    口マニホールドからオキシダントガスを受ける燃料電池
    装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１１の燃料電池装置において、
    上記アノード出口ポートは上記カソード入口ポートに隣
    接されている燃料電池装置。
  13. 【請求項１３】 請求項１２の燃料電池装置において、
    上記アノード出口ポートは上記カソード入口ポートに対
    して、一様に配設される燃料電池装置。
  14. 【請求項１４】 請求項１２の燃料電池装置において、
    上記カソード通路は上記燃料電池を通して上記オキシダ
    ントガスを第１の方向に誘導し、上記アノード通路は上
    記燃料電池を通して上記燃料ガスを上記第１の方向と逆
    の第２の方向に誘導する燃料電池装置。
  15. 【請求項１５】 請求項１１の燃料電池装置において、
    上記カソード隔室は上記カソード入口ポートまたは出口
    ポートに、上記燃料排ガスと上記オキシダントガスの燃
    焼を促進するためのカソード支持片を備える燃料電池装
    置。
  16. 【請求項１６】 請求項１１の燃料電池装置において、
    オキシダント排ガスを上記カソード入口マニホールドに
    誘導するために、上記カソード出口ポートと上記カソー
    ド入口マニホールドを接続する再循環ループをさらに備
    えた燃料電池装置。
  17. 【請求項１７】 請求項８の燃料電池装置において、上
    記カソード通路は、上記燃料排ガスと上記オキシダント
    ガスの燃焼を促進するための手段を備えている燃料電池
    装置。
  18. 【請求項１８】 請求項１７の燃料電池装置において、
    上記燃焼を促進する手段は、ＮｉＯ材料を備えている燃
    料電池装置。
  19. 【請求項１９】 オキシダントガスを受け、オキシダン
    トガスと燃料排ガスを燃焼させるためのバーナ手段を有
    さないカソード入口マニホールドと、上記オキシダント
    ガスを燃料電池を通して誘導するために上記カソード入
    口マニホールドに接続されるカソード通路とを有するカ
    ソード隔室と、燃料ガスを上記燃料電池に誘導するため
    のアノード隔室と、燃料排ガスを上記カソード入口マニ
    ホールドに誘導するため上記アノード隔室に接続される
    誘導手段とを備え、上記燃料排ガスと上記オキシダント
    ガスを上記カソード隔室で燃焼させてＣＯ2を発生させ
    る少なくとも一つの燃料電池を備えた燃料電池装置。
  20. 【請求項２０】 請求項１９の燃料電池装置において、
    上記アノード隔室は、燃料排ガスを受けるためのアノー
    ド出口マニホールドを有し、上記誘導手段は上記アノー
    ド出口マニホールドと接続される燃料電池装置。
  21. 【請求項２１】 請求項１９の燃料電池装置において、
    上記カソード通路は、上記オキシダントガスと上記燃料
    排ガスとの燃焼を促進する材料を含む燃料電池装置。
  22. 【請求項２２】 請求項１９の燃料電池装置において、
    オキシダント排ガスを上記カソード入口マニホールドに
    誘導するための上記カソード通路に接続される再循環ル
    ープをさらに備えた燃料電池装置。
  23. 【請求項２３】 オキシダントガスを受け、上記オキシ
    ダントガスを燃料電池を通して誘導するためのカソード
    隔室と、燃料ガスを受け、上記燃料ガスを上記燃料電池
    を通して誘導するためのアノード隔室とを有する１以上
    の燃料電池をスタックに配設する工程と、上記燃料電池
    のアノード隔室とカソード隔室を、燃料排ガスが直接上
    記アノード隔室から上記カソード隔室へ誘導されるよう
    に構成する工程とを有し、上記燃料排ガスと上記オキシ
    ダントガスを上記カソード隔室で燃焼させてＣＯ2を発
    生させるようにした燃料電池装置の運転方法。
  24. 【請求項２４】 請求項２３の燃料電池装置の運転方法
    において、上記燃料排ガスの直接的な誘導が一様に行わ
    れる燃料電池装置の運転方法。
  25. 【請求項２５】 請求項２３の燃料電池装置の運転方法
    において、上記カソード隔室に誘導される上記オキシダ
    ントガスを予熱する工程をさらに備えた燃料電池装置の
    運転方法。
  26. 【請求項２６】 請求項２５の燃料電池装置の運転方法
    において、上記予熱する工程はオキシダント排ガスを上
    記カソード隔室の出口から入口に返す再循環工程をさら
    に備えた燃料電池装置の運転方法。
  27. 【請求項２７】 請求項２３の燃料電池装置の運転方法
    において、上記燃料排ガスは上記カソード隔室のカソー
    ド入口マニホールドか、上記カソード隔室のカソード通
    路の少なくともいずれかに直接誘導される燃料電池装置
    の運転方法。
  28. 【請求項２８】 オキシダントガスを受け、燃料排ガス
    とオキシダントガスを燃焼させる手段を有さないカソー
    ド入口マニホールドと、上記オキシダントガスを燃料電
    池を通して誘導するカソード通路と、燃料ガスを受け、
    上記燃料ガスを燃料電池を通して誘導するアノード隔室
    とを有する１以上の燃料電池をスタックに配設する工程
    と、燃料排ガスを上記アノード隔室から上記カソード入
    口マニホールドへ誘導する工程とを備えた燃料電池装置
    の運転方法。
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