JPH09511612A - 燃料電池構造体を運転するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、スタック（１）状に配置された燃料電池によって形成されかつ保護ケーシング（２）によって取り囲まれた燃料電池構造体を運転するのための方法および装置に関する。燃料電池構造体は、燃料ガスを燃料電池のアノードに供給するためのアノード入口（５）と、燃焼した燃料ガスをアノードから排出するためのアノード出口（６）と、カソードガスを燃料電池のカソードに供給するためのカソード入口（７）と、使用されたカソードガスをカソードから排出するためのカソード出口（８）を備えている。燃料ガスは保護ケーシング（２）の内室に対してシールされた燃料ガス入口装置（５′）を経てアノード入口（５）に供給される。本発明では、使用されたカソードガスがカソード出口（８）から保護ケーシング（２）の内部に排出され、かつカソード入口（７）に戻すために保護ケーシングの内部で循環させられる。燃焼した燃料ガスはアノードガス出口（６）から保護ケーシング（２）の内部に排出され、かつ循環するカソードガス流に混合される。保護ケーシング（２）の内部を循環するガス混合物の一部は外部から供給される新鮮ガスによって置換される。

Description

【発明の詳細な説明】 燃料電池構造体を運転するための方法および装置 本発明は、燃料電池構造体を運転するための方法および装置、特にスタック状 に配置された燃料電池によって形成されかつ保護ケーシングによって取り囲まれ た燃料電池構造体を運転するための方法および装置に関する。この燃料電池構造 体は燃料ガスを燃料電池のアノードに供給するためのアノード入口と、燃焼した 燃料ガスをアノードから排出するためのアノード出口と、カソードガスを燃料電 池のカソードに供給するためのカソード入口と、使用されたカソードガスをカソ ードから排出するためのカソード出口とを備えている。この場合、燃料ガスは保 護ケーシングの内室に対してシールされた燃料ガス入口装置を経てアノード入口 に供給される。 燃料電池構造体の場合には、第１の方向に延びる、燃料ガスのための通路と、 第１の方向に対して垂直に第２の方向に配置された、カソードガスのための通路 とを備えた或る数の板状の燃料電池が、スタックの形に配置されている。この場 合、燃料電池スタックの第１の側に、燃料ガスを燃料電池スタックのアノードに 供給するためのアノード入口が形成され、第１の側と反対側に、燃焼した燃料ガ スをアノードから排出するためのアノード出口が形成され、燃料電池スタックの 第２の側に、カソードガスを燃料電池スタックのカソードに供給するためのカソ ード入口が形成され、第２の側と反対側に、使用されたカソードガスをカソード から排出するためのカソード出口が形成されている。アルカリ炭酸塩溶融電解質 を有する燃料電池のような高温型燃料電池の場合には、燃料電池構造体の高い運 転温度や運転開始および運転停止時の大きな温度変化に耐える、燃料電池スタッ クの燃料ガスとカソードガス（マニホルド）のための供給部と排出部の気密的お よび電気絶縁的な形成が困難である。ガス供給部や排出部が気密でないと、漏れ を生じ、例えば爆燃の危険につなかる。 公知の種類の燃料電池構造体の場合、アノードまたはカソードの入口と出口に 通じる燃料ガスとカソードガス用のガス入口装置とガス出口装置としてのガス分 配器が、電池スタック内に一体形成されている（内側のマニホルド）かあるいは 外部から電池スタックに取付けられている（外側のマニホルド）。外側のガス分 配器を備えた燃料電池構造体の場合、このガス分配器は慣用のごとくフード状の ガス入口装置およびガス出口装置として燃料電池スタックの四辺に配置されてい る。このように形成された構造体は外側の断熱材を備え、全体が保護ケーシング に組み込まれている。ガス分配器の接続部は、間に補償ベローを備えた導管とし て、保護ケーシングの壁を通って案内され、外部のユニットや機器に接続されて いる。これにより、次のような欠点がある。すなわち、燃料電池構造体と外部の 機器やユニットとの間のガスの案内が複雑であり、交差個所や管継手が多数あり 、管継手内の流れ抵抗が大きく、高温および大きな温度変化を受け、熱によって 大きく変形し、高い直流電圧を受ける電池スタックと４個のガスフードとの間を シールおよび電気絶縁するために大きなコストがかかるという欠点がある。 本発明の課題は、燃料電池のアノードとカソードの入口および出口のシールに 関する難点が充分に除去される、冒頭に述べた種類の燃料電池構造体を運転する ための方法と装置を提供することである。 この課題は本発明に従い、請求項１と７に記載した方法および装置によって解 決される。 本発明の重要な効果は、カソードガス流が断熱された保護ケーシングの内部空 間で自由に循環し、アノードガス流がこの内部空間に自由に流出し、それによっ て燃料電池スタックに対してシールされる４個のガス分配器のうちの３個を省略 することができることにある。すなわち、アノード入口側のガス分配器だけを残 すだけでよい。本発明の他の効果は、アノード排気流が保護ケーシング内を循環 するカソードガス流に自由に流出することにより、燃料ガスとカソードガスの間 の不利な圧力差が回避されることにある。 本発明の他の特徴および効果は図に基づく実施の形態の次の説明から明らかに なる。 図１ａは、本発明の装置と方法が実現されている、燃料電池スタックを垂直に 配置した燃料電池構造体の実施の形態を切断して上から見た図、 図１ｂは図１ａに示した燃料電池構造体の正面図、 図２ａは燃料電池スタックを水平に配置した図１と同様な燃料電池構造体を示 す図、 図２ｂは図２ａの構造体の正面図、 図３は従来の構造の燃料電池構造体を切断して上から見た図である。 先ず最初に、図３に基づいて、スタック状に配置された燃料電池の従来の構造 体について説明する。この燃料電池はそれぞれそのアノードとカソードの入口と 出口に配置されたガス入口分配器とガス出口分配器を備えている。 図３において、燃料電池のスタックによって形成された燃料電池構造体１は保 護ケーシング２によって取り囲まれている。燃料電池構造体１は燃料ガスを燃料 電池スタックのアノードに供給するためのアノード入口５を燃料電池構造体１の 左側に備え、燃焼した燃料ガスをアノードから排出するためのアノード出口６を 燃料電池スタックの右側に備え、カソードガスを燃料電池スタックのカソードに 供給するためのカソード入口７を燃料電池スタックの前側に備え、そして使用さ れたカソードガスをカソードから排出するためのカソード出口８を燃料電池スタ ックの後側に備えている。燃料ガスとカソードガスをそれぞれアノードとカソー ドの入口と出口に供給および排出するために、アノード入口５の上方に燃料ガス 入口フード５′が設けられ、アノード出口６の上方に燃料ガス出口フード６′が 設けられ、カソード入口７の上方にカソードガス入口フード７′が設けられ、そ してカソード出口８の上方にカソード出口フード８′が設けられている。これら のフードはそれぞれ燃料電池スタックに対してシールされている。このガス入口 フードとガス出口フードへの供給部および排出部は、温度差に基づく長さの膨張 を補償するたの補償ベローを介して、図３に示していない方法で保護ケーシング ２を通って外側へ案内されている。 燃料ガスは図３に示していないガス供給ユニットから燃料ガス入口フード５′ への供給部を経てアノードガス入口５に供給される。カソードガスは高温ガス送 風機１０からカソード入口に供給される。使用されたカソードガスはカソード入 口７と反対側に設けられたカソード出口８から排出され、アノードガス混合器９ において、アノード入口５と反対に設けられたアノード出口６から排出された、 アノード排気としての燃焼済み燃料ガスがこのカソードガスに混合される。アノ ードガスを混合したカソード排気の流れは先ず最初に、触媒バーナー３ａを通っ て案内され、そして有効熱を取り出すための熱交換器３ｂを通って案内される。 熱交換器３ｂの出口は高温ガス送風機１０の入口に接続されているので、カソー ドガス流のための回路が閉鎖される。熱交換器３ｂを出た後で、余剰のカソード 排気が排気用フラップ弁を介してカソードガス流から取り出され、新鮮空気ファ ン１１を経て供給された新鮮空気と置換される。 ガス入口フードとガス出口フード５′，６′，７′，８′はそれぞれ保護ケー シング２の内室に対してシールされている。このシールはそれぞれ、燃料電池で 発生する高い直流電圧に対して電気的に絶縁しなければならないと同時に、高温 と大きな温度差に耐えなければならない。 図１ａに示した本発明による燃料電池構造体の場合、燃料電池スタック１は保 護ケーシング２によって取り囲まれている。図３に示した従来の燃料電池構造体 におけるガス入口装置５′と同様に、燃料ガス入口装置５′がアノード入口５に 設けられている。保護ケーシング５を通って供給された燃料ガスはこの燃料ガス 入口装置５′を経て燃料電池のアノード入口に供給される。従来の燃料電池構造 体の場合と異なり、燃焼した燃料ガスを排出するための燃料電池スタックのアノ ード出口６と、使用されたカソードガスを排出するための燃料電池スタックのカ ソード出口８は、保護ケーシング２の内部に開放している。保護ケーシング２の 内部には更に送風機４が設けられている。カソードガスは燃料電池スタックのカ ソード入口７に戻すためにこの送風機によって保護ケーシングの内部で循環させ られる。アノード出口６が保護ケーシング２の内部に開放しているので、燃焼し た燃料ガスは保護ケーシング２の内部を循環するカソードガス流と混合される。 保護ケーシング２の内部を循環するガス混合物の一部は、外部から供給された新 鮮ガスと置換される。この新鮮ガスは後述するように、カソード入口７の範囲か ら供給される。 それによって、本発明では、使用されたカソードガスがカソード出口８から保 護ケーシング２の内部に排出され、カソード入口７に戻すために保護ケーシング の内部で循環させられる。この場合、燃焼した燃料ガスはアノード出口６から同 様に保護ケーシングの内部に排出され、そこで循環するカソードガス流と混合さ れる。この場合、保護ケーシングの内部を循環するこのガス混合物の一部は外部 から供給された新鮮ガスと置換される。必要な場合には、アノードガスとカソー ド排気の混合領域９内に触媒による燃焼ユニット１０を設けることができる。 カソード入口７の手前に熱交換器３が設けられている。この熱交換器は循環す るカソードガス流から有効熱を取り出す働きをする。この熱交換器３はその出口 側で保護ケーシング２の内室に対してシールされて燃料電池スタック１のカソー ド入口７に連結されている。熱交換器３の内部を循環するガス混合物にさらされ る熱交換器３の表面は、触媒のコーティングを備えることができる。この触媒の コーティングにより、循環するカソードガスと混合されたアノードガスの燃焼可 能な残留成分が触媒で燃焼される。 例えば空気取り入れ装置４ｂを備えた普通のアキシャル型送風機によって形成 可能である送風機４は、保護ケーシング２の外側に配置された駆動装置４ａを備 えている。この駆動装置は保護ケーシング２を通って案内された駆動軸を介して 送風機（送風機ロータ）４に連結されている。この駆動軸は、新鮮ガスが駆動軸 を経て供給され、それによって軸とその軸受および送風機４が冷却されるように 形成されている。高温に耐えるように形成すると、駆動装置は保護ケーシングの 中に設けることができる。余剰の排気は図に示していない逃がし弁を通って保護 ケーシング２から除去される。 図１ｂは図１ａに示した燃料電池構造体の正面図である。この実施の形態の場 合、送風機４は上下に配置された２個のアキシャル型送風機４によって形成され ている。この場合、両アキシャル型送風機はそれぞれ上記の空気取り出し装置に よって熱交換器３の入口側に連結されている。 熱交換器３は通常、図にわざと示していない絶縁ブッシュを介在して燃料電池 スタック１の上側と下側の端板に直接取付けられている。熱交換器と燃料電池ス タックとの間の周方向の隙間のシールは例えば軽く接触する軟質シール、特にガ ラス繊維またはセラミック繊維からなるブラシによって行うことができる。この 構造体の密封性には高度な要求がなされない。 本発明により、４個のガス入口フードトガス出口フードのうちの３個と、所属 の電気絶縁シールを省略可能な燃料電池構造体が提供される。循環横断面が大き く、管路が不要であることにより、流れ抵抗が小さいので、損失が最少である。 燃焼したアノードガスと使用されたカソードガスを良好に混合することにより、 燃料ガス集積が不可能である。従来の構造体の場合にはシールされないことによ りこの燃料ガス集積が発生し得る。アノード入口側だけがガス入口フードに連結 されているので、燃料電池スタックの３つの側で大きな公差が許容されるので、 ガス入口フードおよびガス出口フードと燃料電池スタックとの間の機械的な嵌め 合い問題および変形による摺動が存在しない。構造体内の小さな温度差により、 熱応力が回避される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クラウス・ペーター ドイツ連邦共和国、デー−85598 バルト ハム、モーツアルトリング、12 【要約の続き】 スによって置換される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．スタック（１）状に配置された燃料電池によって形成されかつ保護ケーシン グ（２）によって取り囲まれた燃料電池構造体を運転するための方法であって、 この燃料電池構造体が燃料ガスを燃料電池のアノードに供給するためのアノード 入口（５）と、燃焼した燃料ガスをアノードから排出するためのアノード出口（ ６）と、カソードガスを燃料電池のカソードに供給するためのカソード入口（７ ）と、使用されたカソードガスをカソードから排出するためのカソード出口（８ ）とを備え、燃料ガスが保護ケーシング（２）の内室に対してシールされた燃料 ガス入口装置（５′）を経てアノード入口（５）に供給される、方法において、 使用されたカソードガスがカソード出口（８）から保護ケーシング（２）の内部 に排出され、かつカソード入口（７）に戻すために保護ケーシングの内部で循環 され、燃焼した燃料ガスがアノードガス出口（６）から保護ケーシング（２）の 内部に排出され、かつ保護ケーシング（２）の内部を循環するカソードガス流に 混合され、保護ケーシング（２）の内部を循環するガス混合物の一部が外部から 供給される新鮮ガスによって置換されることを特徴とする方法。 ２．新鮮ガスがカソード入口（７）の範囲において供給されることを特徴とする 請求項１記載の方法。 ３．カソードガスが保護ケーシング（２）の内部に設けた送風機（４）によって 循環させられることを特徴とする請求項１または２記載の方法。 ４．循環するカソードガスが有効熱を取り出すために熱交換器（３）を通って案 内されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。 ５．循環するカソードガスが混合されたアノードガスの燃焼可能な残り成分を燃 焼させるために、触媒による燃焼装置を通って案内されることを特徴とする請求 項１〜４のいずれか一つに記載の方法。 ６．触媒による燃焼が熱交換器（３）内で行われることを特徴とする請求項４ま たは５記載の方法。 ７．スタック（１）状に配置された燃料電池によって形成されかつ保護ケーシン グ（２）によって取り囲まれた燃料電池構造体を運転するための装置であって、 この燃料電池構造体が燃料ガスを燃料電池のアノードに供給するためのアノード 入口（５）と、燃焼した燃料ガスをアノードから排出するためのアノード出口（ ６）と、カソードガスを燃料電池のカソードに供給するためのカソード入口（７ ）と、使用されたカソードガスをカソードから排出するためのカソード出口（８ ）と、燃料ガスをアノード入口（５）に供給するための、保護ケーシング（２） の内室に対してシールされる燃料ガス入口装置（５′）とを備えている、装置に おいて、使用されたカソードガスを排出するための燃料電池スタックのカソード 出口（８）が保護ケーシング（２）の内部に開放し、保護ケーシング（２）の内 部に送風機（４）が設けられ、この送風機によってカソードガスが燃料電池スタ ックのカソード入口（７）に戻すために保護ケーシング（２）の内部で循環させ られ、燃焼したアノードガスを排気するための燃料電池スタックのアノード出口 （６）が保護ケーシング（２）の内部に開放し、それによって使用されたアノー ドガスが保護ケーシング（２）の内部を循環するカソードガス流に混合され、保 護ケーシング（２）の内部を循環するガス混合物の一部を外部から供給される新 鮮ガスによって置換する手段が設けられていることを特徴とする装置。 ８．循環するカソードガス流から有効熱を取り出すための熱交換器（３）が保護 ケーシング（２）の内部に設けられていることを特徴とする請求項７記載の装置 。 ９．熱交換器（３）が燃料電池スタックのカソード入口（７）の手前に設けられ ていることを特徴とする請求項８記載の装置。 10．熱交換器（３）の出口側とカソード入口との間の空間が保護ケーシング（２ ）の内部に対してシールされていることを特徴とする請求項９記載の装置。 11．循環するカソードガス流に混合されたアノードガスの燃焼可能な残りの成分 を触媒によって燃焼させるための手段が設けられていることを特徴とする請求項 ８〜１０のいずれか一つに記載の装置。 12．触媒によって燃焼させるための手段が循環するガス混合物にさらされる熱交 換器（３）の表面の触媒コーティングによって形成されていることを特徴とす る請求項１１記載の装置。 13．送風機（４）が保護ケーシング（２）の外側に配置された駆動装置（４ａ） を備え、この駆動装置が保護ケーシング（２）を通って案内された駆動軸を介し て送風機（４）に連結され、新鮮ガスがこの駆動軸を経て駆動軸の冷却のために 供給可能であるように、駆動軸が形成されていることを特徴とする請求項６〜１ ２いずれか一つに記載の装置。 14．保護ケーシング（２）から余剰の排気を排出するための逃がし弁が設けられ ていることを特徴とする請求項７〜１３のいずれか一つに記載の装置。 15．熱交換器（３）が燃料電池スタック（１）の上側と下側の端板に固定されて いることを特徴とする請求項８〜１４のいずれか一つに記載の装置。 16．熱交換器（３）と燃料電池スタック（１）の間に周方向の隙間が設けられ、 この隙間が連続するシールによってシールされていることを特徴とする請求項９ 〜１５のいずれか一つに記載の装置。 17．シールがブラシまたはガラス繊維あるいはセラミック繊維によって形成され ていることを特徴とする請求項１６記載の装置。