JP2008508688A - 締付け装置を備えた燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

本発明は燃料電池（１２）、締付け装置（１６）および断熱装置（１４）を備えた燃料電池スタック（１０）に関する。締付け装置（１６）は圧力分配要素（１８）を備え、燃料電池（１０）は圧力分配要素（１８）の間に配置されている。燃料電池スタック（１０）は本発明に従い、断熱装置（１４）が燃料電池（１２）と締付け装置（１６）の間に配置されていることを特徴とする。

Description

本発明は、請求項１の前提部分に記載した燃料電池スタックに関する。

燃料電池はイオンを案内する電解質を備えている。この電解質は両側が２個の電極、すなわちアノードとカソードに接触させられる。アノードには、たいてい水素を含む還元燃料が供給され、カソードには酸化媒体、例えば空気が供給される。燃料に含まれる水素の酸化の際に電極から放出される電子は、外部の負荷回路を経て他の電極に案内される。放出される化学的エネルギーは、直接電気エネルギーとして高い効率で負荷回路に供される。

一層高い出力を得るために、多数の平らな燃料電池は、しばしば燃料電池スタックの形に互いに積層され、電気的に直列に接続される。このような燃料電池スタックは、押圧力によってばらばらにならないように保持される。この押圧力は締付け装置によって加えられる。締付け装置は、適当な方法で互いに連結された圧力分配要素を備え、締付け装置によって発生した押圧力がこの圧力分配装置によって燃料電池スタックに均一に加えられる。積層された燃料電池と締付け装置は、外部への熱損失を低減するために、断熱装置によって取り囲まれている。

燃料電池は例えば、運転温度が約１００°ＣのＰＥＭＦＣ（高分子電解質膜形燃料電池）のような低温形燃料電池として形成される。その利点は、この温度範囲に適した締付け装置用材料を使用できることにある。更に、高温形燃料電池、特に固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は８００°Ｃよりも高い温度で運転される。この温度範囲では、多くの材料が持続的な弾性作用を有していない。というのは、前もって加えられた締付け力がクリープによって吸収されるからである。更に、締付け装置のために使用される材料が一般的に、燃料電池スタックよりも大きな熱膨張係数を有する。締付け装置のために使用される材料は再結晶効果を生じ、それによって軟らかくなる。

これらの問題を解決するために、本発明では、断熱装置が燃料電池と締付け装置の間に配置されている。

本発明の基本思想は、このような構造の場合、引張り負荷を受ける締付け装置のすべての要素と、すべての弾性要素が、断熱装置外側の温度の低い範囲に配置されることにある。

締付け装置が棒、ケーブル、ワイヤ、チェーン、ベルトまたは繊維材料として形成された引張り要素を備えていると有利である。それによって、引張り要素のために使用される材料が従来技術の場合よりもはるかに少ない。引張り要素が例えばアルミニウムのような軽金属からなっていると特に有利である。これは、燃料電池スタックのコストの節約並びに燃料電池スタックの容積と重量の低減をもたらす。

本発明では更に、エネルギー発生ユニットを備えた燃料電池システムが提供され、このエネルギー発生ユニットが改質器と、燃料電池を有する燃料電池スタックと、再燃焼ユニットを備え、燃料電池システムが更に圧力分配要素を有する締付け装置と断熱装置を備え、エネルギー発生ユニットが圧力分配要素の間に配置され、断熱装置がエネルギー発生ユニットと締付け装置の間に配置されている。エネルギー発生ユニットのこのような構造の場合、引張り負荷を受ける締付け装置のすべての要素とすべての弾性要素が、断熱装置の外側の温度の低い範囲に配置される。

本発明の他の実施形は従属請求項から明らかである。

次に、図を参照しつつ、実施の形態に基づいて本発明を詳しく説明する。

図１には燃料電池スタック１０が示してある。燃料電池スタック１０の中央には、積層された燃料電池１２が設けられている。この燃料電池１２は複数の断熱要素１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄからなる断熱装置１４によって取り囲まれている。燃料電池１２と断熱装置１４は締付け装置１６内で一緒に締付けられている。締付け装置１６は、平行で平らな２枚の板として形成され、かつ、引張り要素２０によって互いに連結された２個の圧力分配要素１８を備えている。締付け装置１６のこの構造により、燃料電池１２と断熱装置１４とからなる複合体に押圧力が加えられる。その際、圧力分配要素１８により、圧力が断熱要素１４ａ，１４ｃの全面に均一に分配され、それによって燃料電池１２に加わる押圧力も分配される。締付け装置１６は更に、ばね要素２２を備えている。このばね要素２２により、燃料電池１２と断熱装置１４とからなる複合体に対する圧力負荷を、きわめて微細に調節することができる。更に、例えば断熱装置１４の焼結によって膨張や収縮が発生する場合に、調整を行うことができる。

引張り要素２０は棒、ケーブル、ワイヤ、チェーン、ベルトまたは繊維材料として形成可能であるので、従来技術と比較して使用材料がはるかに少なくて済み、それに伴い軽量で省スペース的な構造が達成可能である。引張り要素２０が軽金属、例えばアルミニウムからなっていると特に有利である。それによって、燃料電池スタック１０の重量が大幅に低減される。ばね要素２２はコイルばね、皿ばね、脚付きばね、ボーデンケ−ブルばね、または空気ばねとして形成可能である。引張り要素２０とばね要素２２は両方共断熱装置１４の外側にあるので、低い温度にさらされる。それによって、これらの要素２０，２２のために、従来技術よりも耐熱性が低く、安価な材料を使用することができる。従来技術では、これらの要素が断熱装置１４の中に配置され、その結果はるかに高い温度にさらされる。締付け装置１６の外側配置構造によって更に、燃料電池スタック１０全体の熱損失が非常に少なくなる。というのは、締付け装置１６のどの部分も高温範囲から低温範囲へ案内されていないからである。きわめて有利な実施の形態の場合、断熱装置１４の断熱要素１４ａ〜１４ｄは微孔質の断熱材料からなる単層として、サンドイッチ構造として、あるいは複合材料によって形成可能である。このような断熱要素は耐圧性の高い構造であるので、締付け装置１６によって加えられる圧力をきわめて良好に受け止めることができる。

図２に示した燃料電池スタック１０の場合には、断熱装置１４が円筒形、または球形に形成されている。これに応じて、圧力分配要素１８は半球形の半割り部材状、または半円筒形に形成可能である。圧力分配要素１８の間には、ばね要素２２が配置されている。両圧力分配要素１８間の連結は、ここでは引張り要素２０によって行われる。この引張り要素は、両圧力分配要素１８間の連結範囲において、ばね要素２２の近くに配置されている。図１との実施の形態と同様に、引張り要素２０は引張り力を両圧力分配要素１８に加える。この実施の形態の場合、圧力分配要素１８の半球形の半割り部材、または半円筒形の半割り部材を介してきわめて望ましい圧力分配が達成される。

図３に示した燃料電池スタック１０の断熱装置１４は、燃料電池１２のすぐ隣に設けられた多孔質の３個の層要素２４を備えている。多孔質の層要素２４は少なくとも一部が、好ましくは金属からなる薄板要素２５によって取り囲まれている。上側から燃料電池スタック１０に力が加えられると（矢印Ｆによって示してある）、薄板要素２５によって取り囲まれた層要素２４はその形状を変えないように維持し、断熱要素１４ａ，１４ｂは層要素２４によって、燃料電池１２のエッジ１３から上方または下方へ曲線状に変形することが防止される。この曲線状の変形は断熱装置１４、または燃料電池１２を破壊することになる。薄板要素２５によって取り囲まれた層要素２４により、断熱装置１４は力Ｆを受けてもその全体の形状が安定している。

図４ａ，４ｂ，図５ａ，５ｂに示した燃料電池スタック１０の実施の形態は、その基本構造が図３のものに一致しているが、しかし、少なくとも１個の多孔質の層要素２４を通ってガス状燃料（ガス状動作媒体）が案内される。図４ａ、または５ａはそれぞれ、締付け装置１６と圧力分配要素１８とばね要素２２を備えた図４ｂ、または図５ｂの燃料電池スタック１０のＩＶＡ−ＩＶＡ線、またはＶＡ−ＶＡ線に沿った断面を示している。

図４ａ，４ｂの実施の形態では、ガス状燃料が矢印Ｙ方向（図４ｂの左側）に燃料電池１２を通って搬送され、反対側（図４ｂの右側）から流出し、荷重に耐える多孔質の発泡金属からなる上側の層要素２４を経て矢印Ｚ方向に戻され、そして最後に再び左側（図４ｂ）で層要素２４から流出する。多孔質層要素２４をガス案内要素として形成することにより、燃料電池スタック１０内のガス案内部材を節約することができる。

図５ａ，５ｂの実施の形態では、ガス状燃料が矢印方向Ｙ（図５ｂの左側）に、荷重に耐える多孔質の発泡金属からなる左下の層要素２４を通って搬送され、そして（図示していない）分配システムを経て燃料電池１２に搬送される。燃料は更に、燃料電池１２を通過し（図５ｂの図面の平面内で、矢印Ｗで示すように右側後方へ）、図５ｂにおいて燃料電池１２の後側から流出し、（図示していない）集合システムと、荷重に耐える多孔質の発泡金属からなる右下の層要素２４とを矢印Ｚ方向に通って、燃料電池１０の右側（図５ｂ）の出口に達する。この場合にも、２個の多孔質層要素２４をガス案内要素として形成することにより、燃料電池スタック１０内のガス案内部材を節約することができる。

図６には、エネルギーを発生するユニットを備えた燃料電池システム２６が示してある。このユニットは、中央構成要素としての改質器２８、燃料電池１２を有する燃料電池スタック１０、および再燃焼ユニット３０からなっている。燃料電池システム２６の構成要素２８，１０，３０は、断熱要素１４ａ〜１４ｄと多孔質層要素２４とからなる断熱装置１４によって取り囲まれている。（図示していない）締付け装置は断熱装置１４の外側に配置され、締付け力Ｆを燃料電池シシテム２６に加える。それによって、燃料電池システム２６は、ばらばらにならないように保持される。燃料電池システム２６のその他の構造は、図３〜５に示した燃料電池スタック１０の実施の形態の構造に類似している。勿論、燃料電池スタック１０に関して示したすべての特徴を、燃料電池システム２６に適用することができる。

燃料電池スタック１０と燃料電池システム２６の上記実施の形態は特に、８００〜９００°Ｃの温度で運転される固体酸化物形燃料電池に適している。特にこのような高温型システムの場合、上記の材料および構成要素は、コンパクト化と軽量化とそれに伴うコスト低減に関するそれらの利点を発揮する。

次に、燃料電池１２と断熱装置１４のきわめて簡単な交換方法について説明する。

第１のステップにおいて、ばね要素２２が弛められる。続いて、圧力分配要素１８が引張り要素２０から分離される。それによって、燃料電池スタック１０、または燃料電池システム２６から断熱装置１４を取り外すことにより、燃料電池１２（および場合によっては改質器２８と再燃焼ユニット３０）を単独で交換することができるし、また断熱装置１４に連結された燃料電池を断熱装置と一緒に交換することができる。交換した後で、圧力分配装置１８が引張り要素２０に連結される。続いて、ばね要素２２を取付けすることにより、燃料電池スタック１０全体、または燃料電池システム２６が締付けられて結合される。

本発明による燃料電池スタックの第１の実施の形態の断面図 燃料電池スタックの本発明の第２の実施の形態の断面図 燃料電池スタックの本発明の第３の実施の形態の断面図 燃料電池スタックの本発明の第４の実施の形態の断面図であり、図４ａは図４ｂのＩＶＡ−ＩＶＡ線に沿った断面 燃料電池スタックの本発明の第５の実施の形態の断面図であり、図５ａは図５ｂのＶＡ−ＶＡ線に沿った断面 エネルギー発生ユニットを備えた本発明による燃料電池システムの断面図

符号の説明

１０…燃料電池スタック、１２…燃料電池、１３…燃料電池エッジ、１４…断熱装置、１４ａ〜１４ｄ…断熱要素、１６…締付け装置、１８…圧力分配要素、２０…引張り要素、２２…ばね要素、２４…多孔質層要素、２５…薄板要素、２６…燃料電池システム、２８…改質器、３０…再燃焼ユニット

Claims (18)

1. 燃料電池（１２）、締付け装置（１６）および断熱装置（１４）を備えた燃料電池スタック（１０）であって、前記締付け装置（１６）が圧力分配要素（１８）を備え、前記燃料電池（１０）が前記圧力分配要素（１８）の間に配置されている、上記燃料電池スタック（１０）において、前記断熱装置（１４）が前記燃料電池（１２）と前記締付け装置（１６）の間に配置されていることを特徴とする燃料電池スタック（１０）。
2. 前記締付け装置（１６）が棒、ケーブル、ワイヤ、チェーン、ベルトまたは繊維材料として形成された引張り要素（２０）を備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック（１０）。
3. 前記引張り要素（２０）が軽金属からなっていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック（１０）。
4. 前記引張り要素（２０）がアルミニウムからなっていることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池スタック（１０）。
5. 前記締付け装置（１６）がコイルばね、皿ばね、脚付きばね、ボーデンケ−ブルばねまたは空気ばねとして形成されたばね要素（２２）を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池スタック（１０）。
6. 前記ばね要素（２２）がエラストマーからなっていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池スタック（１０）。
7. 前記ばね要素（２２）が前記圧力分配要素（１８）の間に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池スタック（１０）。
8. 前記断熱装置（１４）がサンドイッチ構造体として形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池スタック（１０）。
9. 前記断熱装置（１４）が複合材料からなっていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料電池スタック（１０）。
10. 前記断熱装置（１４）が少なくとも１個の多孔質の層要素（２４）を備えていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃料電池スタック（１０）。
11. 多孔質の前記層要素（２４）が発泡金属からなっていることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池スタック（１０）。
12. 多孔質の前記層要素（２４）の少なくとも一部が薄板要素（２５）によって取り囲まれていることを特徴とする請求項１０または１１に記載の燃料電池スタック（１０）。
13. 多孔質の前記層要素（２４）を通ってガス状燃料が案内されることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の燃料電池スタック（１０）。
14. 前記圧力分配要素（１８）がほぼ平らで互いに平行な板であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック（１０）。
15. 前記圧力分配要素（１８）が半球形の半割り部材状に形成されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック（１０）。
16. 前記圧力分配要素（１８）が半円筒形に形成されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック（１０）。
17. 前記燃料電池（１２）が固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載の燃料電池スタック（１０）。
18. エネルギー発生ユニットが備えられ、このエネルギー発生ユニットが改質器（２８）と、燃料電池（１２）を有する燃料電池スタック（１０）と、再燃焼ユニット（３０）を備え、更に圧力分配要素（１８）を有する締付け装置（１６）と断熱装置（１４）が備えられ、前記エネルギー発生ユニットが前記圧力分配要素（１８）の間に配置されている、燃料電池システム（２６）において、前記断熱装置（１４）が前記エネルギー発生ユニットと締付け装置（１６）の間に配置されていることを特徴とする燃料電池システム（２６）。

Images