(57)【要約】  各燃料電池ユニット及び燃料電池スタックがアノード部分（２．１）及びカソード部分（２．２）を含む複数の燃料電池ユニット（２）からなる燃料電池スタックを含む燃料電池スタックのためのフロー配置（１）。このフロー配置（１）は燃料電池スタックを接続して、複数の燃料電池スタックがそれらのアノード部分及びカソード部分（２．１；２．２）により並列に接続された燃料電池スタック群とし、各燃料電池スタック群のアノード部分（２．１）の入口（５）が、それらに共通な入口マニホルド（１１）に接続され、各群のアノード部分の出口（５’）が、出口マニホルド（１１’）に接続されるようにし、更に、各群のカソード部分の入口（６）が、カソード部分マニホルド（１２）に接続され、各群のカソード部分の出口（６’）が、それらに共通なカソード部分出口（１２）に接続されようになっている。前記燃料電池スタックは、カソード側の流れにより直列に接続されており、前記配置は、更に、バイパスチャンネルシステム（４．３）を含み、それを通って燃料電池スタック群に続く少なくとも一つのカソード部分（２．２）マニホルド（１２）が、前記カソードフローチャンネルシステムの第一部分（４．１）と、ガス流動方向で第一熱交換器（９）より前に位置する場所で流通接続している。
2008518415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池ユニット（２）からなる燃料電池スタックを含む燃料電池スタックのためのフロー配置（１）であって、
各燃料電池ユニット及び燃料電池スタックは、アノード部分（２．１）及びカソード部分（２．２）を含み、
フロー配置（１）は、アノードフローチャンネルシステム（３）及び燃料源（８）を含み、この燃料源は、アノードフローチャンネルシステムの入口部分（３．１）によって、各燃料電池スタックのアノード部分（２．１）の入口（５）と接続され、そして、前記アノード部分の出口（５’）は、アノードフローチャンネルシステムの出口部分（３．２）と接続されて、燃料電池スタックの各アノード部分から排気ガスを送り出し；
カソードフローチャンネルシステム（４）は入口部分（４．１）を含み、カソードガスの各燃料電池スタックのカソード部分（２．２）の入口（６）へ流通接続を形成し、カソードフローチャンネルシステム（４）の排出部分（４．２）は、カソード部分（２．２）の出口（６’）と接続し、燃料電池スタックから排気ガスを送り出し；
カソードフローチャンネルシステム（４）の第一部分（４．１）中に配置された第一熱交換器（９）；を含むフロー配置（１）において、
燃料電池スタックを接続して燃料電池スタック群とし、複数の燃料電池スタックはそれらのアノード部分及びカソード部分（２．１；２．２）により並列に接続されており、
各燃料電池スタック群のアノード部分（２．１）の入口（５）が、それらに共通なアノード部分入口マニホルド（１１）に接続されており、そして、各群の各アノード部分の出口（５’）が、それらに共通なアノード部分出口マニホルド（１１’）に接続されており、
各群の各カソード部分の入口（６）が、それらに共通なカソード部分マニホルド（１２）に接続されており、各群のカソード部分の出口（６’）が、それらに共通なカソード部分マニホルド（１２’）に接続されており；
前記燃料電池スタック群のカソード側の流れが直列に接続されており；
前記配置が、バイパス供給チャンネルシステム（４．３）を含み、それを通って燃料電池スタック群に続く少なくとも一つのカソード部分（２．２）マニホルド（１２）が、前記カソードフローチャンネルシステムの第一部分（４．１）と、ガスの流動方向で前記第一熱交換器（９）より前に位置する場所で流通接続している；
ことを特徴とする燃料電池スタックのためのフロー配置。
【請求項２】
アノードフローチャンネルシステム（３）が、燃料プレリフォーマー（７）を含み、各燃料電池スタック群のアノード部分（２．１）の出口マニホルド（１１’）が前記アノードフローチャンネルシステムの第二部分（３．２）と接続しており、前記アノードフローチャンネルシステムの前記第二部分が、前記燃料リフォーマー（７）より前の前記アノードフローチャンネルシステムの第一部分（３．１）と流通接続（３．３）している、請求項１に記載の燃料電池スタックのためのフロー配置。
【請求項３】
第一燃料電池スタック群の後の全てのマニホルド（１２）と流通接続しているバイパスチャンネルシステム（４．３）を含む、請求項１に記載の燃料電池スタックのためのフロー配置。
【請求項４】
カソード部分（２．２）のマニホルド（１２）が、出入りする流れが互いに自由に混合できる混合域を形成する、請求項１に記載の燃料電池スタックのためのフロー配置。
【請求項５】
燃料電池スタックが、固体酸化物燃料電池ユニットから形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックのためのフロー配置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特許請求の範囲請求項１の前文に従う燃料電池スタック（ｓｔａｃｋ）のためのフロー配置（ｆｌｏｗ  ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）で、複数の燃料電池ユニットにより形成された燃料電池スタックを含み、然も、各燃料電池ユニット（ｕｎｉｔ）及び燃料電池スタックがアノード部分及びカソード部分を含むフロー配置に関し、その配置は、アノードフローチャンネルシステム（ａｎｏｄｅ  ｆｌｏｗ  ｃｈａｎｎｅｌ  ｓｙｓｔｅｍ）及び前記アノードフローチャンネルシステムの入口部分（ｉｎｌｅｔ  ｐａｒｔ）を経て各燃料電池スタックのアノード部分の入口と流通接続した燃料源（ｆｕｅｌ  ｓｏｕｒｃｅ）で、前記アノード部分の出口が、前記燃料電池スタックの各アノード部分から排気ガスを送り出すために、前記アノードフローチャンネルシステムの出口部分と接続している、アノードフローチャンネルシステム及び燃料源と、カソードフローシステムで、各燃料電池スタックの前記カソード部分の前記入口中へカソードガスを流通接続する入口部分及び前記カソードフローチャンネルシステムの排出部分（ｅｘｈａｕｓｔ  ｐａｒｔ）で、前記燃料電池スタックから排気ガスを送り出すための、前記カソード部分の出口に通じた排出部分を含むカソードフローシステムと、前記カソードガスを加熱するために前記カソードフローチャンネルシステムの第一部分中に配置された第一熱交換器とを含む。
【０００２】
燃料電池は、アノード側で燃料ガスを酸化し、更に電子を、仕事を行う外部回路を通過させた後、カソード側で酸素又は他の還元性物質を還元し、結合することにより電気エネルギーを生成させることができる。これを達成するため、燃料のみならず酸素又は他の還元性物質を各燃料電池に供給しなければならない。通常これは、アノード及びカソード側で燃料及び空気の流れを生じさせることにより達成される。しかし、一つの燃料電池の電位差は非常に小さいので、実際には多数の電池を電気的に直列に接続することによりそれらから燃料電池ユニット、所謂スタックを形成する。個々のユニットを更に直列に接続し、更に電圧を増大することができる。各燃料電池ユニット、所謂スタックには、反応に必要な物質、燃料及び酸素（空気）を供給することができなければならず、反応生成物をユニットから排出することもできなければならない。即ち、カソード及びアノード側の両方にガスフローシステムが必要である。更に、エネルギーを経済的にするためには反応熱を回収することが好ましい。なぜなら、特に固体酸化物燃料電池を用いた場合、温度は約１０００℃位に高くなることがあるからである。処理技術に関する限り、アノード及びカソード側のガス流の配列は、特に全効率に大きな影響を与える。
【０００３】
ＵＳ６，３４４，２８９は、カソード側ではスタックを直列に接続し、アノード側では並列に接続するように、燃料電池スタックに関連してガス流を接続することを目的としている。更に、この公報には直列に接続された各スタックの間に空気を送り、それにより適当な処理条件を維持し易くし、必要な全空気量も減少することが記載されている。しかし、この公報に示された接続は、数百キロワットの全電力を達成しようとする場合に必要になる多数の燃料電池スタックを互いに接続する場合、例えば、空間利用率に関する限り、最適にはなっていない。
【０００４】
天然ガス操作で固体酸化物燃料電池に適用されるガス流は、Ｅ．フォンテル（Ｆｏｎｔｅｌｌ）その他による刊行物「ＣＨＰ用途のための２５０ｋＷ平面状ＳＯＦＣシステムの概念的研究」（Ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ  ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ａ  ２５０  ｋＷ  ｐｌａｎａｒ  ＳＯＦＣ  ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ＣＨＰ  ａｐｐｌｉｃａｉｏｎ）、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  １３１（２００４）４９−５６に模式的に示されている。この刊行物は、最初に燃料が予熱され、それに続き、脱硫装置へそれを導入するように、アノード流を完成することを目的としている。既に脱硫された燃料を、燃料電池から排出されたアノードガスと混合し、この混合物をプレリフォーマー（ｐｒｅｒｅｆｏｒｍｅｒ）へ送る。プレリフォーマーでは、ガスの高級炭化水素をメタン、水素、及び炭素の酸化物（ＣＯ、ＣＯ２）に分解する。それに続き、そのガスを、燃料電池から排出されたアノードガスによって同様に加熱し、その加熱されたガスを燃料電池中へ送る。カソード側の空気流は、そのカソード側の排出空気により導入空気が加熱されるように達成される。冷却された排出空気の一部分を触媒バーナーへ送り、そこでリサイクルされていないアノード側ガスを酸化する。この刊行物は、スタックがそれらのアノード側及びカソード側の両方で並列に接続されていることを示している。並列接続は、実際には多数のスタックを特にカソード側で一緒に接続した場合には問題を起こすであろう。なぜなら、並列接続にすると、例えば、冷却の必要性により必要な全空気量が増大し、非常に大きくなるからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、燃料電池スタックのためのフロー配置で、それにより従来技術に伴われる前述の問題を解決することができるフロー配置を与えることにある。本発明の特別な目的は、固体酸化物燃料電池スタックのためのフロー配置で、それによりその構造体が流動技術及び加熱技術の両方で効率的であり、大きさが小型で、その配置により過程の全効率がよくなるようなフロー配置を与えることにある。
【０００６】
本発明の目的は、添付の特許請求の範囲請求項１に記載し、一層詳しく他の請求項に記載したようにして達成される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による燃料電池スタックのためのフロー配置は、各燃料電池ユニット及び燃料電池スタックがアノード部分及びカソード部分を含む複数の燃料電池ユニットにより形成された燃料電池スタックを含み、このフロー配置は、アノードフローチャンネルシステム及びそのアノードフローチャンネルシステムの入口部分を経て各燃料電池スタックのアノード部分の入口と流通接続した燃料源を含み、然も、前記アノード部分の出口が、前記燃料電池スタックの各アノード部分から排気ガスを送り出すために、前記アノードフローチャンネルシステムの排出部分と接続している。このフロー配置は、更にカソードフローチャンネルシステムで、各燃料電池スタックの入口中へカソードガスを流通接続させる入口部分及び前記カソードフローチャンネルシステムの排出部で、前記燃料電池スタックから排気ガスを送り出すための、前記カソード部分の出口に通じた排出部、及び前記カソードガスを加熱するために前記カソードフローチャンネルシステムの第一部分中に配置された第一熱交換器を含む。
【０００８】
本発明の特徴は、燃料電池スタックを接続して燃料電池スタック群とし、その場合、複数の燃料電池スタックをそれらのアノード部分及びカソード部分により並列に接続し、各燃料電池スタック群のアノード部分の入口を、それらに共通なアノード部分入口マニホルドに接続し、各燃料電池スタック群のアノード部分の出口をそれらに共通なアノード部分出口マニホルドに接続し、更に、各群の各カソード部分の入口を、それらに共通なカソード部分マニホルドに接続し、各群のカソード部分の出口を、それらに共通なカソード部分マニホルドに接続し、各燃料電池スタック群のカソード側の流れを直列に接続し、前記配置が、バイパス供給チャンネルシステムを含み、それを通って燃料電池スタック群に続く少なくとも一つのカソード部分マニホルドが、前記カソードフローチャンネルシステムの第一部分と、ガスの流動方向で第一熱交換器より前に位置する場所で流通接続していることである。
【０００９】
バイパス供給物チャンネルシステムは、第一燃料電池スタック群の後に位置する全ての燃料電池スタック群マニホルドと流通接続しているのが好ましい。
【００１０】
第一に、そのような配置は、充分な数の燃料電池ユニットのガス流を互いに流通させ、ガスを燃料電池ユニットに出入りさせることにより、燃料電池ユニットの各アノード及びカソードに対し適切な反応条件を生ずるように配置することができる。更に、これにより、燃料電池スタックの融通性のある相互配置が可能になる。更に、バイパスチャンネルと、カソード部分の後に位置するマニホルドとを結合することにより、燃料電池ユニットのカソード側の効果的な冷却を可能にしながら、カソード側のガス体積を比較的小さく維持することが可能になる。
【００１１】
燃料電池スタック群の間で、それらのカソード側に直列に接続されたカソード側マニホルドは、混合域（ｍｉｘｉｎｇ  ｖｏｌｕｍｅ）を形成し、その中で、前の燃料電池スタック群から入って来て、次の燃料電池スタック群へ出て行く流れは、互いに自由に混合し、次の燃料電池スタック群へ送られる均一なガスを与えることができる。
【００１２】
本発明によるフロー配置で、アノードフローチャンネルシステムは、操作のために水蒸気を必要とするプレリフォーマーを含み、この要件を満たすため、各燃料電池スタック群のアノード部分の排出マニホルドが、アノードフローチャンネルシステムの第二部分と流通接続しており、更に、アノードフローチャンネルシステムの第二部分が、燃料電池プレリフォーマーより前のアノードフローチャンネルシステムの第一部分と流通接続している。このように、燃料電池ユニットから来た排気ガスに含まれていた水蒸気を、燃料の高級炭化水素を分解することに関連して利用することができる。
【００１３】
本発明によるフロー配置では、燃料電池スタックは、固体酸化物燃料電池ユニットからなるのが好ましい。
【００１４】
次に、本発明を、例として添付の模式的図面に関連して説明するが、図中、図１は、本発明による燃料電池スタックのフロー配置の例を示す図である。
【００１５】
図１には燃料電池フロー配置１が示されており、この場合、複数の燃料電池ユニット２は、それらのアノード部分２．１及びそれらのカソード部分２．２の両方により互いに接続されている。電気的接続は示されておらず、それは、夫々の場合について、希望の全電圧を生じさせるのに適切なように行われる。
【００１６】
フロー配置は、アノードフローチャンネルシステム３を含み、それによりアノード部分２．１を出入りする燃料の流れを行わせ、制御することができる。アノードフローチャンネルシステム３は、そのチャンネルシステムの、アノード部分２．１の方へガス流が流れる部分によって形成された入口部分３．１のみならず、アノード部分２．１からガス流が出て行く時に通るチャンネルシステムの部分から形成された排出部を含む。フロー配置１は、カソードフローチャンネルシステム４を含む。それは、同様に、通常空気であるカソードガスをカソード部分２．２の方へ送る手段である入口部分４．１、及びガスをカソード部分２．２から送り出す手段である排出部４．２により形成されている。本発明による燃料電池スタックのためのフロー配置では、燃料源８は、燃料電池スタック２のアノード部分２．１へ燃料を供給するためのアノードフローチャンネルシステム３の入口部分３．１に接続されている。天然ガスのような高級炭化水素含有燃料が燃料として典型的に用いられているので、プレリフォーマー７は、その高級炭化水素をメタン、水素、及び炭素の酸化物（ＣＯ、ＣＯ２）に分解するためにアノードフローチャンネルシステム３の入口部分中に配置し、その後でガスの組成は固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）へ供給するのに適したものになる。プレリフォーマーに続き、アノードフローチャンネルシステム３の入口部分３．１に熱交換器１０（第二熱交換器）を配置し、その熱交換器により燃料ガスの温度をＳＯＦＣ装置に適したものになるように上昇させることができる。熱交換器の他の側１０を、アノードフローチャンネルシステム３の排出部３．２へ接続し、それにより導入されるガスを、排出部３．２中を流れるガスを冷却することにより加熱する。
【００１７】
この配置は、カソードガスを燃料電池のカソード部分２．２へ導入することができる手段である入口部分４．１及び更にカソードガスを燃料電池のカソード部分２．２から排出することができる手段である排出部４．２により形成されたカソードフローチャンネルシステム４も含む。カソードガス熱交換器９（第一熱交換器）は、導入されるカソードガスの温度を上昇させるためカソードフローチャンネルシステムの入口部分４．１中に配置する。それは、カソードフローチャンネルシステム４の排出部４．２に接続された一方の側を有する熱交換器であるのが好ましく、それにより導入されるガスが、換言すれば、排出部４．２中を流れるガスを冷却することにより加熱される。
【００１８】
燃料電池スタック２は、燃料電池スタック群を形成するように接続されており、複数の燃料電池スタックがそれらのアノード部分により共に並列に接続され、各アノード部分２．１の入口５が、それらに共通のアノード側入口マニホルド１１と接続されている。それに対応して、燃料電池スタック群の各アノード部分２．１の出口５’は、それらに共通のアノード部分排出マニホルド１１’に接続している。それに対応して、燃料電池スタック群は、それらのカソード部分２．２により並列に接続されており、各燃料電池スタック群のカソード部分２．２の入口６がそれらに共通のカソード部分マニホルド１２に接続されている。それに対応して、各燃料電池スタック群のカソード部分２．２の出口６’は、それらに共通のカソード部分マニホルド１２に接続している。燃料電池スタック群は、それらのカソード部分により直列に接続されているので、二つの燃料電池群の間のマニホルド１２は、同時に排出マニホルド及び次のもののための入口マニホルドとして働く。ガスは、燃料電池スタック群の間のマニホルド中で自由に混合されることができ、それにより次の燃料電池スタック群中へ導入されるガスの組成は一層均一になる。
【００１９】
この配置では、第一燃料電池スタック群に続く燃料電池スタック群のカソード部分マニホルド１２は、バイパス供給チャンネルシステム４．３を経て、ガスの流動方向で第一熱交換器９より前の位置でカソードフローチャンネルシステム４の第一部分４．１と一緒にされている。これにより、第一燃料電池スタック群の後に位置する燃料電池スタック群のカソード部分のマニホルド１２が、燃料電池スタック群から常に来るガス及び未加熱カソードガスのための混合室としての機能を果たすことができる。このようにして、各後続燃料電池スタック群のカソード部分の温度を、カソードガスの全体積をできるだけ小さく維持しながら制御することができる。
【００２０】
燃料のプレリフォーマーは、その反応で水蒸気を用いた断熱固体床水蒸気リフォーマーであるのが好ましい。それは、所謂オートサーミック水蒸気リフォーマーであるか、又は触媒による部分的酸化反応器でもよい。アノード側の排気ガスは水蒸気を含むので、フロー配置のアノードフローチャンネルシステムの排出側３．２には、アノードフローチャンネルシステムの排出部３．２と、アノードフローチャンネルシステムの入口部分３．１とを接続する分岐チャンネル３．３が、ガスの流動方向でプレリフォーマー７より前の位置に配備されている。分岐チャンネル３．３は、アノードフローチャンネルシステムの排出部３．２と、ガスの流動方向で第二熱交換器１０の後に位置する場所で接続している。
【００２１】
本発明は、ここに記載した態様に限定されるものではなく、その多数の修正を、添付の特許請求の範囲の範囲内で考えることができる。就中、フロー配置の適切な場所にバルブを配置することによりガス流を制御することができることは自明である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明による燃料電池スタックのフロー配置の例を示す図である。
【図１】
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【国際調査報告】
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