JPH04306568A - 燃料電池からの熱の放散方法および温度平衡部材 - Google Patents

燃料電池からの熱の放散方法および温度平衡部材

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JPH04306568A JP3213842A JP21384291A JPH04306568A JP H04306568 A JPH04306568 A JP H04306568A JP 3213842 A JP3213842 A JP 3213842A JP 21384291 A JP21384291 A JP 21384291A JP H04306568 A JPH04306568 A JP H04306568A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は請求項1の特徴を記述し
た部分に述べたような方法と、この方法を実施するため
の温度平衡部材と、そのような温度平衡部材を含む固体
状の電解質燃料電池のためのバッテリーとに関する。
【0002】
【従来の技術】固体状の電解質燃料電池に関していうと
、主として水素および(あるいは)一酸化炭素および(
あるいは)メタンからなる燃料ガスが、負極(アノード
)上で酸素イオンと反応し、水および(あるいは)二酸
化炭素が形成され、電子が解放される。酸素は空気から
出てきて、その酸素分子は正極(カソード)において解
離されイオン化される。酸素イオンは2枚の多孔質の層
状電極の間の薄いガス密封性のある層として位置する固
体の電解質を通って拡散し、前記電解質は高温(約11
00K、摂氏827度以上)において酸素イオンを伝導
することができる。各種タイプの固体状電解質の燃料電
池が知られている(例えば、ジャーナルオブ  パワー
ソースにおけるブライアン  リレーによる“固体状酸
化物燃料電池−次代型”(1990年)29巻、223
ページ〜237ページ参照)。ここからは固体状の電解
質の燃料電池を短く呼ぶために“燃料電池”あるいは単
に“電池”と呼ぶことにし、燃料ガスも単に“ガス”と
呼ぶことにする。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】燃料電池を運転するた
めの既知の方法によると、付随する反応熱は酸素を供給
する空気によって吸収され、排ガスの中へ排出される。 燃料電池の中で余り大きな温度差が生じないようにする
ために、多大な過剰空気を供給しなければならない。反
応に必要な空気の5倍の空気を使うのが通例である。こ
のように多量の過剰空気を使っているのにもかかわらず
、出口温度と入口温度との差は依然として約200K(
約200度)あり、この結果、セラミック製の固体状電
解質に生じる熱応力のために困難な構造的な問題が生じ
る。
【0004】“電気化学的に活性な構造物”、即ち、2
枚の電極層を有した固体状の電解質から、必要な高温に
おいて反応熱を除去することができるようにするために
、空気は燃料電池の中へ供給される前に、摂氏約800
度(あるいは約1100K)にまで加熱しなければなら
ない。このことは復熱装置の中で行われ、その中で熱は
排ガスから再生される。多量の過剰空気が必要であるの
で、復熱装置が必要となり、これには建設費の内のかな
りの比率部分を割り当てなければならない。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、燃料電
池バッテリーにおける熱平衡を、固体状の電解質の中で
の熱応力を、最少量の過剰空気で最少にするように設計
することのできる方法および装置を提供することにある
。この目的は本発明の請求項1の特徴によって達成され
る。
【0006】本発明は2つの重要な利点を有している。 燃料電池を過剰空気を減少させて運転することができる
ので、より小さな復熱装置にかかる建設費が減少される
。従来必要とされていた5倍量に比べて、2倍ないし3
倍の過剰空気で十分である。このように過剰空気を減ら
したにもかかわらず、電気化学的に活性な構造物の中の
温度平衡部材によって、20K(20度)よりも少ない
、あるいはほとんどそれを上回らない温度差を得ること
ができる。この結果から重要な熱応力が小さくなる。
【0007】請求項2から5は、燃料電池バッテリーの
中での熱平衡をいかにして管理することができるかに関
連している。独立的な請求項6は、本発明による方法を
実施するのに必要な装置、即ち温度平衡部材に関連して
いる。独立請求項7から10はその様な温度平衡部材に
関する異なった実施例に関連している。燃料電池から、
例えば、直列的に配置するなどして構成されたバッテリ
ーは請求項11および12に記載されている。
【0008】次に本発明について図面を参照してもっと
詳細に説明する。図1の(A)に示した燃料電池は電気
化学的に活性な構造物11を含み、これは水平かつ平坦
に延在し、正極11aと、固体電解質11bと、負極1
1cとからなっている、空気(矢印B)はダクト12b
の中を正極11aを介してX軸方向に案内され、ガス(
矢印C)はダクト12cの中を負極11cを介してY軸
方向に案内される。前記ダクト12bと12cは溝状に
なったチャンネルであり、その両側はいわゆる“二極分
離板”12となっている。この分離板12には導電性が
ある。
【0009】図1の(A)に示した燃料電池は分離板1
2、12′と電気化学的に活性な構造物11,11′と
を積み上げたものからなっており、それらはZ軸方向に
おいて上下に交互の層状になっていて、すべて同じ長方
形表面(表面積F)を有している。空気あるいはガスの
ための分配器と収集器(図示せず)とが、適当に、Z軸
方向に平衡な山積みの4つの側部上に配置されている。 この山積みはその下側において、また従ってその上側に
おいて、端板13によって閉じられている。電池内で生
じた電流はZ軸方向に流れて、これは表面積Fに比例し
ている。電池の電圧は燃料電池の数に比例し、1つの燃
料電池は2本の一点鎖線100,100′とによって限
定された領域からなる。
【0010】図1の(B)に示した燃料電池においては
、これもまた燃料電池を山積みしたものであり、電気化
学的に活性な構造物11もまた平坦に延在しているが、
1つの方向(X軸方向)に対して直角な方向において波
状になっており、その結果空気用のダクト12bとガス
用のダクト12cとは互いに他と平行になっている。電
極材料でできた層11a′と11c′とは、隣接の電極
に応じて、構造物11に取り付けられており、その結果
、ダクト12bと12cとは管状になっている。 ここでも一点鎖線で示された境界線100あるいは10
0′のところで隣接した燃料電池は、導電性のある中間
層14,14′を有している。全てのダクトが平行であ
るので、空気とガスのための分配器と収集器とは山積み
の同一側(X軸方向に対して直角になって)に配置しな
ければならず、このことは図1の(A)に示した交差流
型の装置に比べて幾分複雑な構造を必要とする。
【0011】本発明によって特定される方法もまた、前
述した燃料電池におけるような平坦に延在した電気化学
的に活性な構造物11を有した燃料電池に関する。この
方法は燃料電池の熱平衡と関係しており、これについて
以下図2を参照しながらもっと詳細に説明する。
【0012】燃料電池10の中では、ガス1と空気2か
らの酸素とが電気化学的に活性な構造物11の電極にお
いて反応させられ、化学エネルギーが電気エネルギー3
と熱4とに転換される。非常に良好な燃料電池について
は、ほぼ等量の両方のエネルギーが発生される。消費さ
れたガス5はその内の約15%はまだ酸化されていない
が、それと燃料電池から出てくる空気6とは摂氏約80
0度になって2次燃焼室50の中へ入り、例えば、10
00度の温度になった排ガス7が発生する。新鮮な空気
2aはこの熱排ガス7と共に約600度まで、復熱装置
、“外部復熱装置”20の中で加熱され、その排ガス7
aはこの過程中に部分的に冷却されて別の加熱操作のた
めに供給してもよい。このようにして加熱された新鮮空
気2bは反応熱4によって“内部復熱装置”30内での
実際的な反応温度にまで加熱され、本発明による温度平
衡部材は前記復熱装置に属し、この状態でそれらは正極
に供給される。
【0013】外部復熱装置20の中で予熱された新鮮空
気2bは熱交換要素を通って燃料電池10の中へ入るが
、このことを図5を参照しながら例示的な実施例として
以下もっと詳細に説明する。これらの熱交換要素には温
度平衡部材からの熱が供給され、これによって空気2b
はさらに約700度にまで加熱される。この空気2bは
平衡部材と接触され、その結果としてその温度はさらに
上昇する。結果としての熱の流れ状態を図3を参照しな
がら説明する。
【0014】図3に示されている、温度平衡部材31を
備えた燃料電池40は、例えば、図5に示したような燃
料電池バッテリーに用いることができる。前記温度平衡
部材31は2つの平行な板31aと31cとからなって
おり、前記板31cあるいは隣接の燃料電池の同様な板
31c′が燃料電池における区画壁を形成している。こ
れらの区画壁の中心線100,100′が燃料電池40
の境界となっている。2つの板31aと31cとの間を
、キャビティー31bにおける燃料電池の空気取り入れ
点における熱交換要素(図示せず)の方へ流れ、また実
際に反応温度にまで加熱される空気が矢印Aによって示
されている。このようにして加熱される空気は電気化学
的に活性な構造物11と板31aとの間の正極チェンバ
ー12bの中へ送給され、正極11aに沿って矢印Bに
よって示されたように流れる。矢印Cは負極チェンバー
12cの中での負極11cに沿ったガスの流れを示して
いる。電気化学反応によって駆動される酸素イオンは正
側(+の印)から固体電解質11bを通って負側(−の
印)へ移動し、またこのようにして燃料電池のための起
電力を発生する。
【0015】燃料電池40内における熱移送状態が図3
における各種の矢印によって示されており、それらは、
空気の入口方向に向かっての、板31a,31c,31
c′のそれぞれにおける熱伝導34a,34c,34c
′と、空気の流れAに向かっての、板31aあるいは3
1cのそれぞれからの熱移送35a,35cと、空気の
流れBに向かっての、板31aあるいは正極11aのそ
れぞれからの熱移送36,16と、正極11aから板3
1aへの熱輻射15a、および負極11cから板31c
′への熱輻射15cとである(板31cは隣接の燃料電
池から同様な熱輻射を吸収する)。
【0016】電気化学的に発生された熱は、主として、
熱伝導によって温度平衡部材31を介して空気へ間接的
に移送される。第1に、この反応熱は、主として、熱輻
射によって温度平衡部材31に移送され、正極チェンバ
ー12bあるいは負極チェンバー12cのそれぞれの中
への、およびそれらを介しての熱伝導は、この熱移送に
関してはほんのわずかしか貢献しない。このことの認識
は試算に基づいたものである。図4にはその様な計算の
結果が再現されている。図4における線図を参照しなが
ら、その熱移送状態に関する議論を続けることにする。
【0017】図4の線図における4つの曲線A,B,P
,Eは、温度平衡部材31のキャビティー31bにおけ
る温度曲線(曲線A)と、正極チェンバー12bにおけ
るそれ(曲線B)と、温度平衡部材31の板31a,3
1cにおけるそれ(曲線P)と、電気化学的に活性な構
造物11におけるそれ(曲線E)とを示している。明確
を期するためにいうと、曲線Pは板31aと31cとの
両方に適用される。(これらの2つの板はほんのわずか
しか異なっていない温度曲線を有している。)X軸はキ
ャビティー31bにおける空気の流れの方向(矢印A)
に沿って選ばれている。横軸上の点aは温度平衡部材3
1の空気入口点を示し、点bは空気がキャビティー31
bから正極チェンバー12bの中へ転換され、入口点へ
向かって戻る変換点を示す。空気の流れ方向は曲線A,
Bに沿った小さな矢印によって示されている。
【0018】図4に示された曲線の間にある矢印は、図
3における矢印と一致した熱移送状態を示している。曲
線Pの左半分は矢印34の中へ分離しているが、それに
よって温度平衡部材に沿った熱伝導が示されている(矢
印34aと34cとに一致している)。矢印34′は空
気入口における熱交換要素によって吸収される熱の流れ
を示している。この熱の流れ34′は、温度平衡部材3
1から間接的に移送される反応熱の、空気2b(図2)
に対する比率と一致している。この線図の基本となって
いる試算によると、間接的および直接的に移送される熱
の量は、ほとんど同一の大きさに選ばれていて、これは
最適の運転モードに対応したものであった。
【0019】間接的な熱移送の後、空気は温度TA (
973K、摂氏700度)となってキャビティー31b
の中へ入り、温度平衡部材31から熱の直接移送によっ
て温度TB (1068K、摂氏795度)にまで加熱
される。この温度TB は反応温度TE よりも約20
K(約20度)だけ低い。正極チェンバー12bの中で
は空気温度(曲線B)はほんの少ししか変化していない
。最初は(即ちX値の小さい時)少し上昇するが、その
後、実質的に一定となり、最後は少し低下する。点bと
点cとの間においては、空気は正極11a(矢印16)
からと板31a(矢印36)からとの熱を吸収し、点c
と点dとの間では、空気は最初は正極11aからの熱を
吸収し、次の板31aへ熱を放出し、点dと点aとの間
では、空気は正極11aと板31aとの両方へ熱を放出
する。
【0020】電気化学的な反応は約1100K(摂氏8
27度)で生じ、両極の表面に関しては約1Kw/m2
 の熱出力が解放される。反応温度が高いので、約5K
(約5度)の温度差があれば、電極11a,11cから
温度平衡部材31の隣接板31a,31′cそれぞれへ
の熱輻射によって、反応熱を十分に移送することができ
る。この温度差は図4に大きすぎるほどに示されている
。電極と連続的な空気あるいは連続的なガスとの間に比
較的ほんの少しの熱変化でも生じると、例えば、図4の
点aと点dとの間を見れば分かるように、空気温度が電
極の温度よりも高くなることがあり得るということが可
能になる。
【0021】試算によると、電気化学的に活性な構造物
11における最大の温度差は17k(摂氏17度)であ
り、両端の点間の距離は4cmである。従って、温度勾
配(約4K/cm,摂氏約4度/cm)は従来の既知の
燃料電池における温度勾配(約50K/cm,摂氏約5
0度/cm)よりもかなり小さい。従って、熱応力はよ
り小さくなり、固体電解質11bはより耐久性をもつこ
とになる。
【0022】前記温度勾配に関しては、以下の前提条件
を適用しなければならない。セラミック製の電解層上の
個々の点においてあまり大きな温度勾配が生じるのを防
ぐために、温度平衡部材は十分に大きな表面を有してい
なければならず、この全表面上において温度平衡部材は
電極によって放出される熱輻射を吸収することができ、
またその全表面上において熱の移送を許し、かつ温度を
平衡させなければならない。温度平衡部材31は金属合
金からうまく製造されており、これは酸素の存在する下
で、1100K(摂氏827度)にまで耐える。しかし
ながら、それらはセラミック材料から製造することもで
き、これはそれ程良好な熱伝導体でなく、この場合には
温度平衡を保障するために板31aと31cとは十分に
厚くしなければならない。
【0023】図2を参照しながらの燃料電池の熱平衡に
関する議論の中で、2次燃焼に関するガス流の貢献につ
いてのみ述べてきた。ガス流によって同伴される熱の量
は、同一の温度差の場合で比較して、空気流におけるよ
りも1桁以上小さいので、感受性のある熱の移送に関す
る熱平衡への貢献は大して重要ではない。ガスは個々の
燃料電池に到達するまでの過程で、バッテリーの内側で
既に相当予熱されてきている。ガスの予熱をさらに改善
するために、ガスの入口点は熱交換要素における空気の
場合と同様に構成することができ、これもまた温度平衡
部材から移送されるように熱を受けるものである。
【0024】図5においては、中心対称形の燃料電池バ
ッテリーから作られた2つの電池からなる、扇形部分を
示している。電気化学的に活性な構造物11と温度平衡
部材31とに関する手順は既に図3を参照しながら説明
した。以下の詳細な説明は追加の情報である。
【0025】ガス1は中心パイプ41を通り、複数個の
孔42を介して負極チェンバー12cの中へ供給される
。中心パイプ41はセグメントからなっており、これら
の間には電気絶縁リング43が挿入されている。シール
リング44が中心領域における隣接の電池をガス密封し
ながら分離している。中心パイプ41は熱交換器として
うまく作用しており、それによって、熱は温度平衡部材
からガス1へ移送される。孔42が微細であればある程
、電池の中へ供給されるガス1の予熱はより良好になる
【0026】外部復熱装置の中で予熱された新鮮空気2
bはパイプ46を介して環状ダクト47の中へ入り、そ
こで燃料電池の全周に亘って配分され、また同時に温度
平衡部材31から半径方向に供給されてくる熱によって
加熱される。このような配分と熱交換との機能は、例え
ば、図5に示したリブ47aのような付属要素によって
改善することができる。この1本のパイプ46の替わり
に、もちろん数本のパイプを燃料電池の外周に亘って配
置してもよい。環状ダクト47は前述した空気入口点に
おける熱交換要素である。
【0027】空気2はキャビティー31bの中でさらに
加熱された後、円形ギャップ46を通って中心から正極
チェンバー12bの中へ入る。使用済みの空気6と使用
済みのガス5とは、燃料電池の山積みの外周において燃
料電池から出ていく。ハウジング壁(図示せず)と燃料
電池の山積みの表面との間の環状部分においては、空気
6とガス5との2次燃焼が、それらが燃料電池を出た直
後に生じることができる。ガス5と空気6とは、もちろ
ん、分離して集めても良く、またこの場合にはそれらは
外部的にしか燃焼させることができない。
【0028】新鮮空気2bはパイプ46に供給されると
、燃料電池の山積みの表面上における高温領域を通過し
、その結果として付属的な熱吸収が生じる。全ての燃料
電池に対して同一の入口温度を保障することが得策であ
り、従って山積みの軸線方向においては、できる限り遠
くまで温度勾配が生じないようにするとよい。この要求
は、高温領域における送気パイプを、付属的な熱吸収が
全てのパイプに関して同じになるように、あるいは少な
くとも大体同じになるように、設計、配置することによ
って満足させることができる。他の解決策としては、熱
絶縁材を用いることによってこの付属的な熱吸収を小さ
く保つことがある。
【0029】図5に示した例示的な実施例においては、
温度平衡部材31は、中心パイプ41のセグメントや、
パイプ46、および環状ダクト47と一緒になって、燃
料電池バッテリーに関するガスの集中、供給要素を形成
している。
【0030】本発明による方法を、燃料電池バッテリー
の特別な例示的実施例を参照しながら説明する。しかし
ながら、その適用分野は、第2の例示的実施例に関する
図6に示したように、もっと一般的である。空気とガス
とは図1のBに示したような既知のバッテリーにおける
ように平行なダクト12b,12cのそれぞれの中を流
れ、従って、温度平衡部材は2つの異なった要素、すな
わち、管状要素32とワイヤ形要素33によって構成し
なければならない。空気ダクト12bはその一端におい
てシール49を有し、パイプ32を通って供給される空
気(矢印A)が対抗流として強制的に再び帰ってくるよ
うにしなければならない。これらの要素32,33の運
転モードは既に前述してきた温度平衡部材31のそれと
同一である。熱もまた、内部復熱装置の一部を形成する
熱交換要素(図示せず)の中へ流れ込む空気の流れ方向
に対抗して放散される。
【図面の簡単な説明】
【図1】既知の2種類の燃料電池の断面図。
【図2】電気エネルギーが燃料電池によって発生され、
燃料電池からの熱の放散すなわち散逸は本発明による方
法によって行われることを示した、熱平衡線図。
【図3】本発明による温度平衡部材を備えた燃料電池の
断面図。
【図4】図3に示したような燃料電池における温度と熱
の流れを示すグラフ。
【図5】本発明による燃料電池バッテリーの第1の例示
的実施例の詳細図。
【図6】第2の例示的実施例の詳細図。
【符号の説明】
2b  空気 11  電気化学的に活性な構造物 11a  電極 12b  空気チェンバー 12c  ガスチェンバー 31  温度平衡部材 31a,31c  区画壁 31b  キャビティー 47  空気入口点 47a  熱交換要素

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  酸素を提供する空気によって固体状電
    解質の燃料電池バッテリーからの反応熱を放散させるた
    めの方法において、電気化学反応によって発生する熱が
    、熱の良好な伝導体である温度平衡部材へ大量に移送さ
    れることと、前記温度平衡部材によって吸収された熱が
    、部分的には、供給された空気への間接的な熱移送、即
    ち、燃料電池の空気入口点における熱交換要素への補償
    部材内での熱伝導によって放散され、また部分的には、
    温度平衡部材と接触するように取り入れられた空気への
    直接的な熱移送によって放散され、この空気はそれが電
    気化学的に活性な構造物の正極へ供給される前に、反応
    温度に近い温度にまで加熱されることとを特徴とする燃
    料電池からの熱の放散方法。
  2. 【請求項2】  請求項1に記載の方法において、高々
    、3倍過剰な酸素が、反応のために酸素を供給する空気
    と共に供給される燃料電池からの熱の放散方法。
  3. 【請求項3】  請求項1あるいは2に記載の方法にお
    いて、空気が温度平衡部材によって予熱されると、少な
    くともほぼ同じ大きさの熱量が直接的および間接的な熱
    移送によって放散される燃料電池からの熱の放散方法。
  4. 【請求項4】  請求項1から3のいずれか1項に記載
    の方法において、バッテリーの各燃料電池には、少なく
    とも大体同じ温度を有した空気が供給される燃料電池か
    らの熱の放散方法。
  5. 【請求項5】  請求項1から4のいずれか1項に記載
    の方法において、温度平衡部材によって吸収された反応
    熱の内の少量がガス入口点における熱交換要素へ送給さ
    れて、燃料ガスを予熱する燃料電池からの熱の放散方法
  6. 【請求項6】  請求項1から4のいずれか1項に記載
    の方法を実施するための温度平衡部材(31)において
    、前記温度平衡部材(31)は良好な熱伝導体である材
    料で製作されていることと、前記温度平衡部材は電気化
    学的に活性な構造物(11)によって放出される輻射熱
    を吸収することのできる表面を有していることと、前記
    温度平衡部材はこれらの構造物(11)に平行に延在し
    ていることと、前記温度平衡部材の全表面に渡ってそれ
    らは温度を平衡させると共に熱の移送を可能にすること
    と、温度平衡部材(31)の中にはキャビティー(31
    b)が存在し、そこを通って、酸素を供給する空気(2
    b)が、電極(11a)に供給される前に、送給される
    ことができることと、最後に、熱の間接的な移送のため
    の熱交換要素(47a)が空気入口点(47)に位置し
    ていることとを特徴とする温度平衡部材。
  7. 【請求項7】  請求項6に記載の温度平衡部材(31
    )において、前記部材は隣接の燃料電池との間に区画壁
    (31c)を形成し、その結果として前記区画壁は空気
    チェンバー(12b)とガスチェンバー(12c)とを
    分離している温度平衡部材。
  8. 【請求項8】  請求項7に記載の温度平衡部材(31
    )において、前記部材は本質的にはキャビティーを形成
    している2つの平行な板(31a),(31c)からな
    っており、それらは層状になった電気化学的に活性な構
    造物(11)に平行に配置されており、空気(2b)を
    予熱する目的でキャビティーの内部(31b)が設けら
    れている温度平衡部材。
  9. 【請求項9】  請求項6に記載の温度平衡部材(31
    )において、前記部材はガスと空気のダクト(12c)
    ,(12b)の内部に配置されており、またそれらはガ
    スダクト(12b)の中ではワイヤー形になっており、
    空気ダクト(12b)の中では管状になっている温度平
    衡部材。
  10. 【請求項10】  請求項6から9のいずれか1項に記
    載の温度平衡部材(31)において、前記部材は金属合
    金で製作されており、それは酸素の存在する下では11
    00K(摂氏827度)の温度まで耐えられる温度平衡
    部材。
  11. 【請求項11】  請求項6から10のいずれか1項に
    記載の温度平衡部材(31)を有する燃料電池バッテリ
    ー。
  12. 【請求項12】  請求項8に記載の温度平衡部材(3
    1)を有する燃料電池バッテリーにおいて、各々の温度
    平衡部材(31)はガスと空気の供給要素(31),(
    41),(46),(47)の一部である燃料電池バッ
    テリー。
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