(57)【要約】燃料電池発電装置（１８）は、相互に作動可能に関連する複数の燃料電池スタック（２）を備えることにより、発電装置内のスタックのそれぞれが空気流および燃料流の両方を共有する、複数の燃料電池スタック（２）を備える。空気流と燃料流は発電装置内の第１の段のスタック（２２）に供給され、その後、空気流と燃料流は第１の段のスタックを通過し、排出された燃料流は次いで、発電装置内の１つまたは複数のスタックからなる後続の段（２４）に供給される。燃料流は、共通のマニホルド（２０）の上に発電装置内の燃料電池スタックの各々が取り付けられることにより、第１の燃料電池スタック段から後続の燃料電池スタック段へと送られる。共通のマニホルド燃料流通路（２８）は、燃料流通路における水分凝結を制限するように断熱される。さらに、このマニホルドは、燃料流通路に生じる凝結水分を回収する凝結水分収集トラップ（４０）を備えることができる。このように燃料流通路で凝結し得る水量を制御することにより、発電装置内の段から段への望ましい目標とする燃料流圧降下が達成される。さらに、マニホルドは、電圧読み取り回路基板ならびにその他の付属燃料電池発電部品を取り付けるための付属部品取り付け部（３４，３６）を備えることができるため、所望通りに燃料電池発電装置の発電セクションを小型化できる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）複数の燃料電池スタックが少なくとも２つの段（２２，２４）に分割されるとともに、複数の燃料電池スタックを備える第１の段から部分的に消費された燃料が、少なくとも１つの燃料電池スタックを備える後続の段へと直列に燃料ガス流が供給され、
（ｂ）複数の燃料電池スタックを備える上記第１の段と、上記後続の段と、の間における反応物ガス流を制御するのに用いられる一体型マニホルドアッセンブリ（２０）が、上記第１の段の複数の燃料電池スタックに作動可能に接続された単一の燃料ガス通路（２８）を備え、この燃料ガス通路は、上記複数の燃料電池スタックから排出される部分的に消費された燃料ガス流を受容し、かつ上記部分的に消費された燃料ガス流を一つの燃料ガス流に一本化するように作動可能に配設され、さらに、上記燃料ガス通路は、上記後続の段の少なくとも１つの燃料電池スタックに、上記一本化された燃料ガス流を上記後続の段の少なくとも１つの燃料電池スタックに送るために作動可能に接続されるとともに、上記一本化された燃料ガス流は上記後続の段の燃料電池スタックに燃料を供給するのに使用され、
（ｃ）断熱体が、上記燃料ガス通路における水分凝結を制限するように、上記マニホルドアッセンブリを周囲温度から断熱する、
ように構成された燃料電池発電セクションアッセンブリ（１８）。
【請求項２】
上記マニホルドアッセンブリが、上記燃料ガス通路に少なくとも１つの凝結水分トラップ（４０）をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電セクションアッセンブリ。
【請求項３】
上記凝結水分トラップが、このトラップから凝結水分を除去するためのドレインを備えることを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電セクションアッセンブリ。
【請求項４】
上記ドレインが、上記凝結水分トラップからの凝結水分の除去を制御するためのバルブ（４２）を備えることを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電セクションアッセンブリ。
【請求項５】
上記マニホルドアッセンブリの上に、電圧読み取り回路基板ならびに他の燃料電池発電装置の付属部品を取り付けるための燃料電池付属部品取り付け部（３４，３６）をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電セクションアッセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも２つの燃料電池スタックから構成される第１の段が、１つまたは複数の補足的な燃料電池スタックから構成される第２の段とタンデム関係にある多段式燃料電池発電装置において、複数の燃料電池のセルスタックへの空気および燃料の流れを制御するための方法および装置に関する。より詳細には、発電装置内の全ての燃料電池スタックが、共通の空気および燃料を分配する断熱マニホルドの上に取付けられており、このマニホルドは、第１の段の燃料電池スタックに燃料を供給し、次に、第１の段からの排出された燃料を第２の段の燃料電池スタックに供給することで、発電装置の全ての燃料電池スタックは単一の燃料流で作動するよう構成される。本発明は、出願人が同一の２００３年９月２２日に出願された同時係属中の米国特許出願番号第１０／６６６，５６６号に開示されているマルチスタック燃料電池発電装置のための、燃料流および空気流の制御システムの改良に関する。出願人が同一の前述の特許出願の内容は、その全体を本明細書に組み入れる。
【背景技術】
【０００２】
炭化水素含有の燃料流や水素流と、空気流とを電気化学的に電子と水に変換する燃料電池発電装置によって電力が生じる。燃料電池発電装置は、単一の燃料電池スタック、あるいは複数の燃料電池スタックから構成することができる。発電装置の構成は、所望する電力出力や発電装置が占有できる利用可能な空間も考慮して選択することができる。
【０００３】
内部接続された複数の燃料電池スタックを用いるのが望ましい場合には、発電装置における第１の段の燃料電池スタックから排出される燃料を、発電装置の第２の段における１つまたは複数の燃料電池スタックへ送るとともに、発電装置の第２の段におけるスタックに供給する燃料として使用することができるように、発電装置中の燃料電池スタックを共にタンデムに接続することが提案されている。そのようなシステムの概略的な例示が、１９９１年２月２７日公開の欧州特許第０２６３０５２Ｂ１号公報に開示されている。この特許公報においては、マルチスタック燃料電池発電装置が示されており、図１において、スタックに反応物が並列に供給され、また、図２と図３において、スタックに反応物が直列に供給される。前述の特許公報に開示されているシステムは、発電装置内のいくつかの段に対して複数のモジュラービルディングブロック型ユニットを使用することを示唆している。この方法は、１つの段から次の段への複数の反応物輸送ラインを用いることを含むため複雑になる場合が多く、また、複雑な反応物輸送ラインアッセンブリを必要とする場合もある。
【０００４】
発電装置の第１の段における個々のスタック同士の間、ならびに発電装置内の第１の段のスタックと後続の段のスタックとの間、における接続が単純化されたマルチ燃料電池スタック発電装置に対して、タンデムつまり直列接続が使用可能であることが望ましく、これにより第１のスタック段から後続のスタック段へ送られる燃料流における水分の凝結を防止する。本発明者等は、単純化され、断熱された単一のマニホルド構造体を考案し、前述の望ましい効果を得た。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、輸送される燃料流における凝結水分を最小限にするように断熱され単純化された、燃料および空気分配機構を採用したマルチ燃料電池スタック発電装置に関する。本発明の発電装置の燃料電池スタックアッセンブリ部分は、電気を生成するために共通の燃料流と空気流を利用する複数の個別の燃料電池スタックを備える。発電装置の複数のスタックが第１の段を形成し、発電装置の１つまたは複数の補足的なスタックが第２の段を形成するように、燃料電池スタックは、並列および直列（タンデム）に接続される。発電装置の各段におけるスタックの全ては、第１の段のスタックから排出された燃料を第２の段のスタックへ送るように、中間に位置する断熱された燃料空気分配マニホルドに動作可能に接続される。第１の段のスタックは、並列に燃料供給され、また、第２の段のスタックは、第１の段とタンデムに燃料供給される。マニホルド内の第１の段のスタックから第２の段のスタックへの流れが不均衡に分配されないように、最小限かつ均一なガス圧降下によって第１の段のスタックから第２の段のスタックへと燃料が輸送される。この分配マニホルドは、第１の段のスタックから後続の段のスタックへ燃料を分配する燃料通路における凝結水分を最小限にするように断熱される。さらに、分配マニホルドは、燃料流に生じる凝結水分を処理するために二次的な燃料輸送通路において凝結用ドレインまたは凝結水分トラップを備えることができる。
【０００６】
マニホルドは、第１の段の燃料電池スタックから排出された燃料を受容し、この排出された燃料を第２の段の燃料電池スタックへ送る燃料通路を備える。この燃料通路が、湿潤な燃料ガス流にさらされるため、燃料流から凝結した水分を収容しかつ発電装置における後続のスタック段へ移動する凝結水分を最小限にするように、凝結用ドレインや凝結水分トラップが設けられている。
【０００７】
したがって、本発明の態様においては、マルチスタック燃料電池発電装置が、複数の燃料電池スタックから構成される第１のスタック段と、１つまたは複数の付加的な燃料電池スタックから構成される後続のスタック段と、を備えるとともに、燃料が燃料輸送マニホルドを介して第１の段のスタックから後続の段のスタックへと通過するように、第１の段のスタックから排出された燃料が後続の段における燃料電池スタックに供給される。
【０００８】
本発明の他の態様においては、マニホルドが燃料輸送マニホルド通路における水分の凝結を最小限にするように周囲環境から断熱されることを特徴とする燃料電池発電装置が提供される。
【０００９】
本発明のさらに他の態様においては、燃料輸送マニホルド通路が燃料流から凝結水分を捕獲するための水分トラップを備えることを特徴とする燃料電池発電装置が提供される。
【００１０】
本発明のさらなる態様においては、マニホルドが、セルスタックなどから電圧読み値を収集する回路基板などの付属の発電装置作動設備を構造的に支持することを特徴とする燃料電池発電装置が提供される。
【００１１】
本発明のこれらの態様およびその他の態様ならびに利点は、以下の本発明の好ましい実施態様の詳細な説明を関連図面と組み合わせることにより当業者には容易により明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、概して符号１８で表すモジュール式燃料電池発電セクションを示す。この発電セクション１８は、共通のガス分配マニホルド２０の上に全てが取り付けられた複数の燃料電池スタック２を備える。これらのスタック２は、第１の段２２および第２の段２４の２つの段にグループ分けされる。第１の段２２は、大半の燃料電池スタック２を備え、かつ第２の段２４が、残りの補足的な燃料電池スタック２を備える。さらに、発電セクション１８は、従来の燃料電池発電アッセンブリ部品である、水および空気の管理アッセンブリ部品２６を備える。
【００１３】
図２は、マニホルド２０を覆う断熱部品３０を備えた図１のアッセンブリ１８を示す。マニホルド２０を通って流れる燃料ガス流は、非常に湿っており、水分の凝結によって、燃料ガス通路において所望以上に圧力が大きく降下し、燃料ガス流の分配に不均衡が生じる可能性があるため、燃料流通路で水分が凝結するのを防止することが重要である。図２に示すようにマニホルド２０を覆う断熱部品を備えることにより、別々に断熱するように覆う必要がなくなり、燃料ガス通路および空気通路の全てが断熱され、小型化される。断熱部品３０は、繊維ガラスのラップや、独立気泡ポリエチレンフォームなどの発泡体から形成することができる。
【００１４】
図３は、分配マニホルド２０の斜視図である。マニホルド２０は、第１の段のスタック２２から排出された燃料を受容し、その排出された燃料を第２の段のスタック２４に供給するインレット燃料ガス分配チャネル２８を備える。さらに、マニホルド２０は、両方の段２２，２４におけるスタック２の空気インレット分配チャネル４６および空気アウトレット分配チャネル４８を備える。マニホルド２０は、発電装置の付属部品を取り付けた支持体として機能する外周スカート３２を備える。これら付属部品には、例えば、（概略的に示された）電圧制限装置３４、（概略的に示された）サブスタック電圧モニタ３６などが包含される。
【００１５】
さらに、燃料ガス分配チャネル２８は、図４に示すような凝結水分トラップを備えて形成することができる。この凝結水分トラップは、マニホルド２０の下側壁３８に形成されたリセス４０の形態を取り得る。さらに、凝結水分トラップ４０は、バルブ付きドレイン４２を備えることができ、水分は、このドレイン４２を通って定期的にマニホルド２０から除去され、マニホルド２０のすぐ下方に配置可能な冷却液アキュムレータ（図示せず）へ輸送される。凝結水分トラップ４０は、発電装置の過渡的な始動段階および停止段階の間、特に有用である。
【００１６】
本発明の発電装置の燃料電池スタックアッセンブリは、分配マニホルドの燃料輸送管の水分凝結問題を解消しまたは縮小するであろうことが容易に理解されるであろう。分配マニホルドを断熱することによって、燃料輸送管部品における水分の凝結を抑制し、燃料輸送管において凝結トラップを配設することによって、燃料ガス流から凝結した燃料ガス流由来の水が排除される。凝結水分は、次いで発電装置の冷却液貯蔵部へ移動させることができる。さらに、分配マニホルドは、上述したように、付属の発電装置監視部品を取り付けるための構造を備える。
【００１７】
本発明の趣旨から逸脱することなく本開示の本発明の実施態様の多数の変更および修正が可能であるため、本発明を添付の特許請求項の範囲に規定する以外に発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明によって形成された２段型マルチ燃料電池スタック発電装置の部分的な斜視図。
【図２】所定位置においてマニホルド断熱部品が示される、図１と同様の斜視図。
【図３】図１の発電装置に使用される本発明の燃料および空気分配マニホルドの斜視図。
【図４】図３における線４−４に沿った断面図。
【図１】
2008519421.tif 000003
【図２】
2008519421.tif 000004
【図３】
2008519421.tif 000005
【図４】
2008519421.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成19年1月12日(2007.1.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）複数の燃料電池スタックが少なくとも２つの段（２２，２４）に分割されるとともに、複数の燃料電池スタックを備える第１の段から部分的に消費された燃料が、少なくとも１つの燃料電池スタックを備える後続の段へと直列に燃料ガス流が供給され、
（ｂ）複数の燃料電池スタックを備える上記第１の段と、上記後続の段と、の間における反応物ガス流を制御するのに用いられる共通のマニホルド（２０）が、上記第１の段の複数の燃料電池スタックに作動可能に接続された単一の燃料ガス通路（２８）を備え、この燃料ガス通路は、上記複数の燃料電池スタックから排出される部分的に消費された燃料ガス流を受容し、かつ上記部分的に消費された燃料ガス流を一つの燃料ガス流に一本化するように作動可能に配設され、さらに、上記燃料ガス通路は、上記後続の段の少なくとも１つの燃料電池スタックに、上記一本化された燃料ガス流を上記後続の段の少なくとも１つの燃料電池スタックに送るために作動可能に接続されるとともに、上記一本化された燃料ガス流は上記後続の段の燃料電池スタックに燃料を供給するのに使用され、
（ｃ）断熱体が、上記燃料ガス通路における水分凝結を制限するように、上記共通のマニホルドを周囲温度から断熱する、
ように構成された燃料電池発電セクションアッセンブリ（１８）。
【請求項２】
上記共通のマニホルドが、上記燃料ガス通路に少なくとも１つの凝結水分トラップ（４０）をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電セクションアッセンブリ。
【請求項３】
上記凝結水分トラップが、このトラップから凝結水分を除去するためのドレインを備えることを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電セクションアッセンブリ。
【請求項４】
上記ドレインが、上記凝結水分トラップからの凝結水分の除去を制御するためのバルブ（４２）を備えることを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電セクションアッセンブリ。
【請求項５】
上記共通のマニホルドの上に、電圧読み取り回路基板ならびに他の燃料電池発電装置の付属部品を取り付けるための燃料電池付属部品取り付け部（３４，３６）をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電セクションアッセンブリ。
【国際調査報告】
2008519421.tif 000007