(57)【要約】      （修正有）【課題】  通気装置が使用される燃料電池及び燃料電池スタックを提供する。【解決手段】  電解質，陽極及び陰極から構成された燃料電池用の通気装置において、この通気装置は、複数のチャネルを有するチャネルシステムから構成され、各チャネルは、１つの端部で閉じられていて、入口面又は出口面をこのチャネルの開いた端部に有し、各チャネルは、出口面を有するチャネルと交互の順序で設置された入口面を有し、各チャネルのこの入口面は、通気面３の片側に連続した順序で設置され、各チャネルのこの出口面は、この入口面に対して通気面の反対側に連続した順序で設置され、チャネルの第２層６が、チャネルシステムの表面上に位置決めされている通気装置。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質，陽極及び陰極から構成された燃料電池用の通気装置において、この通気装置は、複数のチャネルを有するチャネルシステムから構成され、各チャネルは、１つの端部で閉じられていて、入口面又は出口面をこのチャネルの開いた端部に有し、各チャネルは、出口面を有するチャネルと交互の順序で設置された入口面を有し、各チャネルのこの入口面は、通気面の片側に連続した順序で設置され、各チャネルのこの出口面は、この入口面に対して通気面の反対側に連続した順序で設置され、チャネルの第２層が、チャネルシステムの表面上に位置決めされている通気装置。
【請求項２】
チャネルシステムは、直線で平行な複数のチャネルを有する請求項１に記載の通気装置。
【請求項３】
チャネルの第２層は、チャネルシステム内のチャネルと交差し、このチャネルの第２層は、両端で閉ざされていて、チャネルシステムのチャネルは、それらの長さにわたって開かれている請求項１又は２に記載の通気装置。
【請求項４】
チャネルの第２層は、その表面と両端で閉ざされていて、チャネルシステム内のチャネルに対して平行にかつすぐ上に配置され、密閉された面が、これらのチャネルの領域内で穿孔されている請求項１又は２に記載の通気装置。
【請求項５】
チャネルシステムの閉ざされ穿孔された面は、チャネルシステムの表面に設置された独立した通気層から形成されている請求項４に記載の通気装置。
【請求項６】
チャネルの第２層は、チャネルシステムの表面に位置決めされていて、チャネルの第２層は、チャネルシステム内のチャネルと交差し、チャネルの第２層は、両端で閉ざされていて、チャネルシステムのチャネルの一部が閉ざされている請求項１又は２に記載の通気装置。
【請求項７】
チャネルの第２層は、チャネルシステムの表面に配置された独立した通気層から形成されている請求項３又は６に記載の通気装置。
【請求項８】
チャネルシステムのチャネルは、分配孔及び収集孔を有する請求項１〜７のいずれか１項に記載の通気装置。
【請求項９】
燃料電池は、電解質，陽極及び陰極並びに通気装置から構成される請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
燃料電池は、高温の燃料電池である請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
燃料電池は、固体酸化物型燃料電池又は溶融炭酸塩型燃料電池である請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
燃料電池スタックが、請求項９〜１１の少なくとも１項に記載の少なくとも２つの燃料電池から構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温燃料電池、特に固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）又は溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）に関する。この燃料電池では、炭化水素が陽極室内で又は陽極自体の内部で改質される。特に本発明は、ＳＯＦＣ又はＭＣＦＣ燃料電池内の通気装置に関する。燃料電池内部の機械的張力が、この通気装置内で減少する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＯＦＣは、酸素イオン伝導電解質を有する。酸素が陰極で減少し、水素が陽極で酸化する。ＳＯＦＣ内の全ての反応は、水素と酸素が電気化学的に反応して電気、熱及び水を生成する。
【０００３】
陽極は、炭化水素を水素，二酸化炭素及び一酸化炭素に蒸気改質するための高触媒活性からも成る。蒸気改質は、天然ガスのような燃料が蒸気と反応することによって説明されえる。起こる反応は、以下の方程式によって示される：
ＣＨ4 ＋Ｈ2 Ｏ  →  ＣＯ＋３Ｈ2 
ＣＨ4 ＋ＣＯ2   →  ２ＣＯ＋２Ｈ2 
ＣＯ＋Ｈ2 Ｏ  →  ＣＯ2 ＋Ｈ2 
燃料電池に供給される燃料ガスは、多くの場合に蒸気を有する。このことは、蒸気改質法陽極面で上記の方程式にしたがって起きることを可能にする。このとき生成された水素は、上記の電気反応中に反応する。しかしながらこの蒸気改質反応は非常に吸熱的であり、したがって大きい熱入力が要求される。
【０００４】
したがって、燃料電池内で急激な温度勾配をもたらす迅速な吸熱改質反応のために、炭化水素の供給材料を有する燃料電池スタック内の典型的な温度分布が燃料電池の入口近くで劇的な温度降下を示す。
【０００５】
ＳＯＦＣは、３つの異なる材料から成るセラミック複合材である。セラミックＳＯＦＣは、機械的強度が低く、特に引っ張り強さが低い。ＳＯＦＣ内部の引っ張り強さは、温度勾配に密接に関係する。したがって、温度勾配を最小限にし、これによってＳＯＦＣの引っ張り強度を最小限にすることが非常に重要である。燃料電池内の引っ張り強度が与えられた閾値を超えた場合、燃料電池がひび割れし、燃料電池が故障する。
【０００６】
水素の供給材料を使用することによって許容できるレベルに引っ張り強度を制御することが可能であるものの、天然ガス及びその他の炭化水素の供給材料がすぐに支配的になることが予測される。このことは、炭化水素の吸熱的な改質が燃料の入口領域内の燃料電池の温度を著しく下げるにつれて問題を劇的に増大させる。したがって、燃料電池内の温度勾配及び引っ張り強度が、許容できないレベルまで増大する。
【０００７】
温度勾配を減少させる幾つかの方法が公知である。これらの方法のほとんどは、燃料電池システムの運転パラメータで陰極に対する強められた気流のような変化を含む。多くの場合、このような変化は、燃料電池システムの運転コストの増加に結びつく。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、燃料電池を多数のマイクロ燃料電池に分割する通気装置を使用することによって燃料電池の温度勾配及び引っ張り強度を低減することにある。このことは、燃料電池にその全面にわたって燃料ガスの供給を分配することによって達成される。この場合、多数の小さい電気化学セルが、１つの燃料電池上に作られている。吸熱改質反応と熱生成電気化学反応との間の距離がより短いために、燃料電池の引っ張り強度が大幅に低減される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、本発明により、電解質，陽極及び陰極から構成された燃料電池用の通気装置において、この通気装置は、複数のチャネルを有するチャネルシステムから構成され、各チャネルは、１つの端部で閉じられていて、入口面又は出口面をこのチャネルの開いた端部に有し、各チャネルは、出口面を有するチャネルと交互の順序で設置された入口面を有し、各チャネルのこの入口面は、通気面の片側に連続した順序で設置され、各チャネルのこの出口面は、この入口面に対して通気面の反対側に連続した順序で設置され、チャネルの第２層が、チャネルシステムの表面上に位置決めされていることによって解決される。
【００１０】
本発明は、電解質，陽極，陰極及び通気装置から構成されている燃料電池も提供する。      
【００１１】
さらに本発明は、少なくとも２つの燃料電池から構成された燃料電池スタックを提供する。
【００１２】
燃料電池内部の熱勾配の低減が、全ての燃料電池面に対する燃料ガスの分配を保証することによって達成される。この場合、吸熱的な改質反応と発熱する電気化学反応を燃料電池面にわたって均一に起こすことが可能である。圧力勾配が、燃料電池領域の大部分にわたる均一なガスの流れを保証する。
【００１３】
本発明の通気装置は、主に燃料電池の燃料ガス側の、すなわち陽極側の高温仕様向きである。通気面の酸素側、すなわち陰極側が、酸素の移送に対して適した結合構造を有し得る。この結合構造は、例えば直線で平行なチャネルでもよいし、又は従来の技術で公知のその他の結合構造でもよい。
【００１４】
燃料の流れの精確な通路は、変更してもよいし、幾つかの燃料通路を与えてもよい。以下に、本発明の通気面の幾つかの実施の形態を示す。各実施の形態は、異なる構造の通気面及び異なる燃料の流路を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、単一の通気結合構造を示す。この場合、燃料が、供給孔１から通気面３に設置された多孔性の陽極を通じて供給チャネル２から収集チャネル４に流れる。この実施の形態は、オープンガス供給部と収集チャネルを有するチャネルシステムを備える。開チャネルの場合は、チャネルの上面がその長さにわたって覆われていないか又は閉ざされていないことを意味する。閉チャネルの場合は、チャネルの上面がその長さにわたって覆われることを意味する。
【００１６】
以下に、陽極側を横切る燃料ガス通路をさらに詳しく説明する：
燃料が、１つ又は多数の燃料供給孔１から通気面に流入する。燃料は、通気面内の供給チャネル２によって陽極を横切って分配される。この燃料は、陽極の材料に曝される。この燃料が炭化水素の場合、この燃料は、陽極の材料と接触時の吸熱反応中に水蒸気で改質する。次いでこの燃料は、発熱反応中に電気化学的に消費されて電気を生成する。これらの２つの反応は、互いに近くで起こち、かつ互いに利益を得る。何故なら、改質反応は、電気化学反応によって生成された熱を吸収するからである。消費される燃料排気物が、通気面内のチャネル４によって収集され、燃料電池の境界部分の出口孔５に誘導される。
【００１７】
図１ａは、燃料ガスが流れる通路の側面図である。陽極が、通気面３の表面に設置されている。ガスが、供給チャネル２から陽極を通じて収集チャネル４に移動する。
【００１８】
図１中に示された実施の形態では、供給チャネル及び収集チャネルは直線で平行なチャネルである。これらのチャネルは直線で平行に限定されず、その他の結合構造、例えば斜めに配置してもよい。
【００１９】
第２の実施の形態では、燃料電池の流れが多孔性の陽極の材料の完全な通過に限定されない。燃料電池の流れの一部が、陽極面と通気面との間に形成されたギャップでもよい。このギャップは、圧力の降下を低減する。このようなギャップは、通気面３内のチャネル６の第２層を作ることによって得られる。これらのギャップは、供給チャネル２と収集チャネル４との対して或る角度をなす。すなわち、これらのギャップは、チャネルシステムのチャネルと交差し、図１中に示されたチャネルシステムの表面上に位置決めされる。このことは、図２中に示されている。この場合、通気面が開いた供給部分並びに供給チャネル及び収集チャネルに対して直角に作られた面チャネル６を有する収集チャネルを有する。面チャネル６の第２層が供給チャネル２及び収集チャネル４に対して直角でないように、その他の角度を選択してもよい。両端近くの面チャネルの第２層６は、例えば供給チャネル２と収集チャネル４に対して斜めに配置してもよい。
【００２０】
図２ａは、燃料ガスが流れる通路の側面図である。ガスが、供給チャネルからチャネル６の第２層を通じて収集チャネルに移動する。このガスは、その進行中に通気面３上に設置された陽極に接触して蒸気改質される。
【００２１】
第３の実施の形態では、供給チャネルが閉じられていて、閉じられた通気面３がチャネルの領域内で穿孔されている。この実施の形態では、チャネルの第２層に対応する閉じられ穿孔された面３が、その面で及び両端で閉じられていて、チャネルの領域内で穿孔されている。第２層のチャネルは、チャネルシステムのすぐ上のチャネルに対して平行である。このことは、穿孔を通過する燃料がこれらの穿孔の付近内だけで改質されることを保証する。図３は、閉ざされたガス供給部分と収集チャネルを有する通気面を示す。この場合、燃料は、供給チャネル上の通気面３によって形成された穿孔を通じて多孔性の陽極の材料中に流れる。改質されたガスが、陽極から流出して、収集チャネル４上に設置された穿孔を通じて収集チャネルに流入する。
【００２２】
図３ａは、供給チャネル２内の小さい燃料分配孔７及び収集チャネル４内の排気収集孔８の存在を示す。
【００２３】
第４の実施の形態では、流れの一部が、供給チャネル２及び収集チャネル４に対して或る角度をなす通気面３内のチャネル６の第２層を通じて流れる。このことは、圧力の降下を低減する。このことは、図４中に示されている。この場合、チャネル６の第２層が、チャネルシステムの供給チャネル２と収集チャネル４に対して直角である。チャネル２，４の一部が閉ざされている。チャネル６の第２層は、チャネル２，４に対してその他の角度、例えば斜めでもよい。これらのチャネルは、両端で閉ざされている。
【００２４】
図４ａは、供給チャネル２内の燃料分配孔７及び収集チャネル４内の排気収集孔８を示した燃料ガスが流れる通路の側面図である。
【００２５】
いろいろな実施の形態では、通気面の陽極側を単層の代わりに２つ以上の内部層から構成することが実用的である。このことは、例えばチャネルシステムを備えた１つの内部層を形成し、そしてチャネルの第２層を備えた第２内部層をこの最初の内部層上に設置することによって実施され得る。
【００２６】
図５は、通気面の陽極側の上面図を示す。この図は、図４中で示された実施の形態を示す。この場合、通気面の一部が、閉ざされたガス供給部分及び収集チャネルを有する。この図は、１つの燃料電池に作られた多数の小さい電気化学セルの形を示す。
【００２７】
燃料電池が、陽極側を通気面に向けて通気面３の上面に設置されている。全ガスが定められた通路と違う後続するその他の通路から流れるのを阻止するため、この燃料電池は、通気面の縁に沿ってしっかりと密閉されなければならない。
【００２８】
燃料ガスを含む炭化水素が、閉ざされた燃料ガス供給チャネル２に連結された多数の供給孔１を通じて通気面に供給される。供給チャネル２内の多数の燃料供給分配孔７は、燃料が供給チャネル２から流出することを可能にする。このことは、通気面の上にある燃料電池の陽極側に燃料を曝す。この燃料は、分配孔７からチャネル６の第２層の表面を横切って燃料排気収集孔８に流れる。これらの燃料排気収集孔８は、閉ざされた燃料排気収集チャネル４にガスを送る。このガスは、進行中に陽極に接触して蒸気改質される。改質された燃料ガスは、収集チャネル４から燃料排気出口孔５を通じて通気面から流出する。改質された燃料ガスは、水素，熱及び水を含む。水素は、電気化学反応にわたって酸素と反応して電気を生成する。したがって、通気面の陽極側から出る排気生成物は、主に二酸化炭素と水である。燃料ガスの流れは、ガス供給部分と燃料ガス排気部分との間の圧力差によって制御される。
【００２９】
本発明の通気面は、要求に応じて供給チャネル２内と収集チャネル４内に設置された分配孔７と収集孔８を有してもよい。このことは、処理されていない燃料ガスの供給が陽極に曝される前に燃料電池の表面の全体にわたって分配されることを保証する。燃料電池内に通気面を設けることによって、燃料ガスが炭化水素を含む場合、吸熱的な改質反応が燃料電池の表面の全体にわたって均一に分配される。同時に起こる電気化学反応が、燃料電池の表面にわたって均一に分配され、改質反応に使用されるべきこの反応からの熱を消費することを可能にする。燃料供給分配孔７と燃料排気収集孔との間の温度差が、熱移動に対する短い距離のために最少にされる。この温度差は、電気化学反応からの消費される熱生成と改質からの熱消費との間の変化に起因して発生する。熱の移動は、主に通気面内と燃料電池内の熱伝導を通じて実施される。
【００３０】
温度勾配が最小限になる結果、温度勾配に起因する燃料電池内の機械的ストレスが最小限にされることがさらに得られる。したがって、燃料電池の機械的な故障の可能性が減少する。この勾配は適用されるあらゆる種類の燃料ガスに対して最小限にされる。しかし、炭化水素の供給材料が陽極に接触して改質される場合に、一般にこの利点は最高になる。
【００３１】
図６は、燃料電池のその他の要素に対する通気面の位置を示す組み立てられた燃料電池の一部を示す。５つの層が示されている。最上の層は、陰極１０上に設置された通気面を示す。酸素供給チャネル９が、陰極での反応のための酸素を供給する。これらの酸素供給チャネル９は、通気面の陰極上に設置されている。酸素供給チャネル９の結合構造は、要求される量の酸素を陰極に移動させるのを促進するために選択される。これらの供給チャネル９は、例えば直線で平行なチャネルとして形成され得る。この分野では、その他の結合構造も適合可能である。
【００３２】
陰極１０は、通気面と電解層１１との間に設置されている。陽極層１２がこの電解層１１に続く。この陽極層１２は、その他方の面で通気面３に接触している。
【００３３】
例えば、２つの通気層である陽極面を有する一方の通気面と陰極面を有する他方の通気面とを互いに接触させることによって、通気面のこれらの２つの接触面は異なって提供され得る。この一方の通気面は、本発明のいろいろな実施の形態で示された燃料ガス供給システムを有する。この他方の通気面は、この従来の分野で使用されている酸素供給システムを有する。この場合、これらの２つの通気面は、共に通気面を提供する。
【００３４】
本発明の通気面は、内部マニホルド又は外部マニホルドを利用する燃料電池で使用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】開いたガス供給部分と収集チャネルを備えた通気装置を示す。
【図１ａ】開いたガス供給部分と収集チャネルを備えた通気装置を示す。
【図２】直角の面チャネルを有し、開いたガス供給部分と収集チャネルを備えた通気装置を示す。
【図２ａ】直角の面チャネルを有し、開いたガス供給部分と収集チャネルを備えた通気装置を示す。
【図３】通気面内に閉じたガス供給部分と収集チャネルと穿孔を備えた通気装置を示す。
【図３ａ】通気面内に閉じたガス供給部分と収集チャネルと穿孔を備えた通気装置を示す。
【図４】直角の面チャネルを有し、部分的に閉じたガス供給部分と収集チャネルを備えた通気装置を示す。
【図４ａ】直角の面チャネルを有し、部分的に閉じたガス供給部分と収集チャネルを備えた通気装置を示す。
【図５】通気装置の上面図である。
【図６】組み立てられた燃料電池スタックの一部を示す。
【符号の説明】
【００３６】
１  供給孔
２  供給チャネル
３  通気面
４  収集チャネル
５  出口孔
６  チャネルの第２層，面チャネル
７  分配孔
８  収集孔
【図１】
2004247305.tif 000003
【図１ａ】
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【図２】
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【図２ａ】
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【図３】
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【図３ａ】
2004247305.tif 000008
【図４】
2004247305.tif 000009
【図４ａ】
2004247305.tif 000010
【図５】
2004247305.tif 000011
【図６】
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