(57)【要約】      （修正有）【課題】ほぼ等温の高温型燃料電池を提供すること。【解決手段】燃料電池は複数の電力生成用電極電解質アセンブリおよび相互接続部がたとえばヒートパイプのような熱伝導要素を含む。燃料電池に供給される陰極空気は、熱伝導要素を介して燃料電池副生成熱によって燃料電池内部で加熱される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電力生成用電極電解質アセンブリおよび相互接続部アセンブリ（５０）を備える燃料電池（１４）であって、前記相互接続部アセンブリが熱伝導要素（１８）を含み、前記燃料電池に供給される反応物が、前記熱伝導要素を介して燃料電池副生成熱によって前記燃料電池内部で加熱される燃料電池（１４）。
【請求項２】
前記反応物が、陰極空気を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
熱伝導要素の無い追加の相互接続部アセンブリ（５０）をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
燃料電池副生成熱が、少なくとも部分的に前記燃料電池の中の反応物に伝達されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料電池の能動領域の中に熱放出領域（２２）および熱吸収領域（２０）をさらに備えることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
前記熱伝導要素（１８）がヒートパイプを備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項７】
陽極ガスを隣接する電池に向けて送り出す陽極流れ場（５５）と陰極ガスを前記隣接する電池に向けて送り出す陰極流れ場（５７）を分離する燃料電池相互接続部を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項８】
前記熱伝導要素（１８）がヒートパイプを備え、さらに前記ヒートパイプの凝縮器部が前記燃料電池の空気入口マニホルド（２５）に近接して配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項９】
前記熱伝導要素（１８）がヒートパイプを備え、さらに前記ヒートパイプの凝縮器部が少なくとも部分的に前記燃料電池の空気入口マニホルド（２５）の中に位置付けされていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記熱伝導要素（１８）が高熱伝導性部材を備え、さらに前記部材の断面積および熱伝導率が、前記燃料電池の高温領域から前記燃料電池の低温領域への熱の伝達を熱伝導によって生じさせるように選ばれ、かつ配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池技術に関し、より詳細には、電力生成用電極電解質アセンブリおよび熱伝導要素を含む燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
非常に効率の高い電力生成装置、すなわち燃料電池は、依然として多量の副生成熱を発生し、この熱は、燃料電池の過熱を防止するために除去されねばならない。固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）のような高温型燃料電池では、通常、燃料電池を流れる空気流を介して空気で副生成熱が除去されるようにシステムが設計されている。空気は、燃料電池陰極の反応物としても作用する。
【０００３】
普通、空気流に冷却目的で課せられる必要流量は、燃料電池の反応に必要な空気流よりも遥かに高い流量となる。これは、少なくとも部分的に、空気の熱伝達特性が悪いこと、および、同様に重要なことであるが、ＳＯＦＣスタックが、熱ストレスによるスタック入口からスタック排気点までの大きな熱勾配すなわち温度上昇に耐えることができないことによっている。大きな温度勾配の存在は、スタック構造の完全性と信頼性の両方に有害である。温度上昇が大き過ぎる場合、様々なスタック部品（電池、相互接続部、密封材、その他）の熱膨脹差が、電池割れ、密封破れ、またはスタック部品間の接触不良につながることがあり、それによってスタック破損につながる。
【０００４】
スタック破損のない状態で、電池部品の劣化は温度に強く依存するためにスタック耐用寿命が損なわれることがある。電池劣化は、低温領域（一般に入口近く）よりも高温領域（一般に排気管近く）で非常に速く、これによって、時間が経つにつれてスタック電力の減少またはシステム効率の減少またはその両方になることがある。したがって、燃料電池を通過する空気流のほんの一部だけが反応のために使用され、空気流の他の残りはスタック冷却の目的に役立っている。この付加的な冷却空気流を循環させるために必要な電力は、システム全体の効率を低下させている。
【０００５】
その上、ＳＯＦＣスタックは大きな温度勾配に耐えることができないので、空気がスタックに入る前に、空気をスタック温度にほぼ等しい温度に予め加熱することが望ましく、また必要であることが多い。予熱によって生じる熱伝達プロセスはまた効率が悪く、システム効率のいくらかの低下をもたらす。ＳＯＦＣスタックの高い動作温度に合致した高温材料を使用することが必要なために、伝達プロセスはまた複雑で高価である。より効率の良い燃料電池冷却方法が考案されると、これらの問題を解決することができる。
【特許文献１】米国特許第５，４１３，８７９号
【特許文献２】米国特許第５，４８２，７９１号
【特許文献３】米国特許第６，６５５，３２５号
【特許文献４】米国特許第６，７４８，７４２号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の例示の実施形態では、燃料電池は複数の電力生成用電極電解質アセンブリおよび熱伝導要素を含み、ここで燃料電池に供給される陰極空気は、熱伝導要素を介して燃料電池副生成熱によって燃料電池内部で加熱される。
【０００７】
本発明の他の例示の実施例では、燃料電池は、空気流経路につながる空気入口領域と、複数の電力生成用電極電解質アセンブリと、熱伝導要素とを含む。空気入口領域を介して燃料電池に供給された陰極空気は、熱伝導要素を介して燃料電池副生成熱によって燃料電池内部で加熱される。
【０００８】
本発明のさらに他の例示の実施例では、電気エネルギーを生成するように燃料電池を動作させる方法は、燃料電池内で化学反応を生じさせるステップと、化学反応および電流で生成された熱を熱伝導要素の熱吸収部で吸収するステップと、熱を熱放出部に伝達するステップとを含み、ここで、反応空気は電池動作温度よりも相当に低い温度で燃料電池に入り、かつ空気入口領域の熱伝導要素の温度は電池動作温度に近いものであり、さらに、空気入口領域を介して燃料電池に供給される陰極空気を、熱伝導要素を介して燃料電池副生成熱によって燃料電池内部で加熱するステップを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
反復ユニットを有する燃料電池１４の概略説明図を示す図１〜５を参照して、燃料電池１４の詳細を説明する。各々の反復ユニットは、陽極−電解質−陰極アセンブリ１６と、陽極流路５５と陰極流路５７とこれら２つの流れ場を隔離するセパレータ５６とを有する相互接続部５０と、ヒートパイプのような熱伝導要素１８とを含む。熱伝導要素１８は、セパレータ５６の一部であってもよく、またはなくてもよい。熱伝導要素は、陽極流れ場５５または陰極流れ場５７の中に配置することができ、またそれ自体が流れ場を形成してもよい。要素１８は、熱吸収部２０および熱放出部２２に分割することができる。これらの部分２０および２２は、一般に、熱放出部２２が空気入口かその近くに配置されるように、空気流経路に沿って並べられている。熱吸収部２０は、好ましくは、大電流生成域に配置される。
【００１０】
図２において、しばしば双極板と呼ばれる燃料電池相互接続部５０の断面図を示す。相互接続部は、隣り合う電池の陽極と陰極を隔離し、陽極反応物と陰極反応物の混合を防止する。また、相互接続部は、隣り合う電池の間に電子移動のための電流経路を実現する。陽極流れ場５５は相互接続部５０の上面に示されており、隣接する電池に向けて陽極ガスを送り出す目的を果たす。陰極流れ場５７は相互接続部５０の底面に示され、隣接する電池に向けて陰極ガスを送り出す目的を果たす。板５０の芯には、熱伝導要素１８を含むセパレータ板５６がある。もしくは、熱伝導要素１８は、図３に示すように陰極流れ場５７（または、余り好ましくないが、陽極流れ場５５）に位置付けすることができる。相互接続部の上面は、電池１６の陽極側にインタフェースする。電池１６および相互接続部５０は、燃料電池スタック１４の中の反復ユニットを構成する。相互接続部５０の底面は、隣接する電池の陰極側にインタフェースする。留意されたいことであるが、全ての相互接続部５０が熱伝導要素１８を含む必要があるとは限らない。例えば、１つおきの電池、３つおきの電池、またはｎ番目ごとの電池が、熱伝導要素１８を含むかもしれない。この場合、熱伝導要素１８を含まない電池内の温度勾配は、熱伝導要素１８のある相互接続部５０を含む電池に向かってのスタックの長さに沿った伝導熱伝達によって最小限になる。熱伝導要素１８を含まない電池で発生した熱は、熱伝導要素１８のある相互接続部５０を含む電池に向かってのスタックの長さに沿った前述の伝導熱伝達だけでなく、電池内の反応物の流れによっても、その電池から伝達される。
【００１１】
図４および５に、熱伝導要素１８を含む燃料電池相互接続部５０の上面図を示す。相互接続部５０は２つの構成で示され、ここで熱伝導要素は、燃料電池１４の能動域内に含まれるか（図４）、または代わりに燃料電池１４の能動域の少なくとも一部および空気入口マニホルド２５に及んでいる（図５）。電気化学作用中に電池１６内で生成された熱は、相互接続部５０を通って熱伝導要素に伝導され、そして相互接続部の面内で伝達され、これにより電池および相互接続部の中の温度勾配が最小限になり、一方で同時に熱が陰極ガス（空気）に伝達される。
【００１２】
熱伝導要素１８がヒートパイプである場合、ヒートパイプ１８から比較的低温の入口空気に熱を伝達することができるように、凝縮器部は空気入口マニホルド２５に近接して位置付けされるが、一方で、蒸発器部は燃料電池副生成熱を吸収して凝縮器部に伝導する。凝縮器部は空気入口マニホルド２５の近く位置付けされるが、図４〜５に示すように、マニホルド２５の中にずっと延びてもよいし、延びなくてもよい。熱伝導要素が高熱伝導性部材である場合、燃料電池の高温領域から燃料電池の低温領域に熱伝導によって熱を伝達するように、その部材の断面積および熱伝導率は選ばれ、かつスタック内に配列される。
【００１３】
電流だけでなく燃料電池１４の化学反応によっても生成された熱は、熱伝導要素１８によって吸収され、そして熱放出部２２に伝達される。反応物空気は、電池動作温度よりも遥かに低い温度で燃料電池１４に入る。空気入口領域の熱伝導要素１８の温度は、電池動作温度に近い。空気と熱伝導要素１８の間の大きな温度差のために、熱は熱伝導要素１８から空気中に急速に放出される。空気の温度は、電池内部の非常に短い距離で、一般に空気流路の全長のほんの僅かの部分で、電池動作温度に達することが解析によって明らかになった。結果として、空気、燃料電池、および熱伝導要素の温度は、熱伝導要素の熱伝導率が高いために、互いに近くなり、そして全アセンブリにわたってほぼ一定になる。
【００１４】
好ましい実施形態では、ヒートパイプが熱伝導要素１８として使用される。ヒートパイプは、内部に作用流体のある密封エンクロージャを含む。作用流体の沸騰温度は、電池動作温度に近いように選ばれる。
【００１５】
ヒートパイプの沸騰領域は、熱吸収領域２０として作用する。燃料電池反応副生成熱は、沸騰に必要なエネルギーを供給する。沸騰プロセスはほぼ一定温度で起こるので、ヒートパイプの熱吸収部２０の近くの燃料電池内で、熱束は大きいが、温度勾配は無視できるほどである。そして、ヒートパイプの作用流体蒸気は、蒸気の分圧差によってヒートパイプの凝縮領域に運ばれる。この凝縮領域は熱放出部２２に対応する。ヒートパイプの凝縮部は、熱放出部として作用する。作用流体は凝縮し、入ってくる空気流に熱を放出する。凝縮プロセスはほぼ一定温度で行なわれるので、ヒートパイプの熱放出部の近くの燃料電池内の温度勾配は、また無視できるほどである。それから、凝縮された作用流体は、毛細管機構によって沸騰領域に向けて逆に運ばれ、したがってヒートパイプ作用流体サイクルを完成する。
【００１６】
燃料電池１４は、燃料電池反応に必要な反応物を供給する燃料（陽極）流れ場５５および空気（陰極）流れ場５７それぞれを有している。燃料電池は熱伝導要素１８のためにほぼ等温であるが、やはり副生成熱をスタックから除去してスタックが過熱し所望温度よりも高い温度に達しないようにしなければならない。温度勾配を最小限にする目的は熱伝導要素で達成されるので、この目的のためではなく、温度制御および冷却の目的のために、過剰な入口空気を陰極流れ場５７に入れて使用することが、燃料電池１４の副生成熱のために必要になる。燃料電池動作温度を維持するために、陰極流れ場５７で使用される空気は副生成熱を吸収し、そして、その空気の温度は燃料電池動作温度の直ぐ下のレベルまで上昇する。陰極空気は、反応の目的および熱除去の目的のために使用されるが、従来システムのように温度勾配制御の目的に使用されないので、より少ない空気流量およびより低い空気入口温度が可能であり、それによってシステム効率が高くなる。電池は熱伝導要素18によってほぼ等温に保たれるので、従来システムで使用できるよりも低温の空気を、熱除去の目的のために、電池を損傷することなしに燃料電池中に取り込むことができる。そのとき、燃料電池副生成熱は熱伝導要素および他のスタック部品を介して伝導されて、燃料電池陰極空気を直接加熱する。本明細書の解決策は、燃料電池副生成熱を使用して空気を直接加熱し、したがって、高いシステム効率を達成するように適度に低い圧力でシステムを動作させながら、高温熱交換器または他の外部手段の必要性を無くする。
【００１７】
説明した燃料電池構造で、副生成熱は燃料電池内で一方または両方の反応物に直接伝えられるので（そして、２次冷却流体に伝えられない）、システム効率を低下させる副生成熱の損失が最小限になり、かつ空気を予熱する複雑で高価な熱伝達装置の必要が無くなる。その上、スタック内の温度勾配を最小限にするために、副生成熱はスタック内に再分配される。たとえ反応ガス温度がスタック温度に等しくなくても、燃料電池自体はほぼ等温である。留意されたいことであるが、副生成熱は、代わりに、または同時に、燃料に伝達することができる。
【００１８】
本発明の燃料電池の場合、熱伝導要素は金属よりも遥かに高い熱伝導率を有し、これによって、燃料電池副生成熱の効率の良い管理が可能になる。その上、熱伝導要素の高い熱伝導率によって、燃料電池内の非常に小さな温度勾配が可能になるので、燃料電池がほぼ等温になる。燃料電池は、外部供給源から供給される燃料および空気から電力を発生する。燃料電池は、それの反応物、主に空気によって冷却される。このことは、燃料電池の反応に酸素を供給すること、および燃料電池副生成熱を除去することの２つの目的に役立つ。ヒートパイプまたは他の熱伝導要素は、副生成熱を供給された空気に伝達する。熱伝導要素は、熱吸収部および熱放出部を有する。熱吸収部は、燃料電池内の空気出口域の近くにある。副生成熱は熱伝導要素によって吸収され、空気入口域の近くのことが多い熱放出部に急速に伝達される。電池動作温度よりも遥かに低い温度で入ってくる空気は、熱伝導要素の熱放出部から熱を吸収する。
【００１９】
燃料電池を冷却するのに必要な空気流は、入口空気温度が低いために、最先端技術の燃料電池設計に比べて遥かに少ない。空気流要求の減少は、システム空気圧縮機電力要求の低下につながり、したがってシステム効率の改善となる。その上、空気入口温度要求が低いことで、電池動作温度に近い温度まで空気を予熱する必要が無くなり、したがって、システム熱管理サブシステムの部品数が減少し全体的なシステム信頼性が改善される。さらに、熱伝導要素の高熱伝導率は、燃料電池内の温度勾配の減少につながる。温度勾配の減少は、電池内の熱応力の減少および電池破損の確率の減少となり、したがって、より丈夫で信頼性の高い燃料電池の設計が可能になる。
【００２０】
本発明は、現在最も実際的でかつ好ましい実施形態と考えられるものに関連して説明したが、本発明は開示された実施形態に限定されるべきでなく、それどころか、添付の特許請求の範囲の精神および範囲内に含まれる様々な修正物および等価な配列を含む意図であることは理解すべきである。
【００２１】
他のそのような実施形態は、従来システムで可能であるよりも低温の空気を取り込むことの代わりとして、またはこれと組み合わせて、従来システムに導入される燃料よりも低温の燃料を燃料電池に導入することを含むかもしれない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】相互接続部および陽極−陰極−電解質アセンブリを含む反復ユニットで作られた燃料電池の概略を示す図である。
【図２】熱伝導要素を含んだ燃料電池相互接続部の断面を示す図である。
【図３】熱伝導要素を含んだ燃料電池相互接続部の断面を示す図である。
【図４】燃料電池相互接続部を示す上面図である。
【図５】燃料電池相互接続部を示す上面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１４  燃料電池
１６  電池（陽極−電解質−陰極アセンブリ）
２５  空気入口マニホルド
２６  空気出口マニホルド
５０  相互接続部
５５  陽極流れ場
５６  セパレータ
５７  陰極流れ場
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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