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技術 燃料セルバッテリ

出願人 ゲブリユーダーズルツアーアクチエンゲゼルシヤフト
発明者 ブルノバルプ
出願日 1991年1月8日 (29年5ヶ月経過) 出願番号 1991-000669
公開日 1995年2月21日 (25年4ヶ月経過) 公開番号 1995-050169
状態 特許登録済
技術分野 燃料電池(本体)
主要キーワード 中央部品 ガス用開口 スペーサ装置 シールクランプ ガス透過性壁 空気供給部材 活性部材 流れガイド
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この項目の情報は公開日時点(1995年2月21日)のものです。
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図面 (8)

課題・解決手段

連続的に接続したセルを備えた燃料セルバッテリ(1)はガス空気供給部材(2)と電気化学的活性プレート(6)とを交互に配設した軸対称スタック具備する。供給部材(2)は空気を供給する空気熱交換器(10)を備え、該熱交換器事前予熱し、更に加熱する。ガス及び空気は電気化学的活性プレートの両面に平行に流れるようにすることができる。空気及びガス空間(12,11)を分離するのに各供給部材(2)に1つのシールリング(20)しか必要としない。燃料セルバッテリ(1)の設計は熱膨脹により生じる応力が小さいという利点を有する。

概要

背景

概要

連続的に接続したセルを備えた燃料セルバッテリ(1)はガス空気供給部材(2)と電気化学的活性プレート(6)とを交互に配設した軸対称スタック具備する。供給部材(2)は空気を供給する空気熱交換器(10)を備え、該熱交換器事前予熱し、更に加熱する。ガス及び空気は電気化学的活性プレートの両面に平行に流れるようにすることができる。空気及びガス空間(12,11)を分離するのに各供給部材(2)に1つのシールリング(20)しか必要としない。燃料セルバッテリ(1)の設計は熱膨脹により生じる応力が小さいという利点を有する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
3件

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請求項1

酸化イオン伝導し、両面に電極反応及び電気伝導に好適な材料をコーティングした層状形態の固体電解質からなる電気化学的活性プレート(6)を備えた燃料セルバッテリガス空気供給部材(2)において、空気用熱交換器(10)として機能する少なくとも略軸対称の板状中空部材ガス空間(11)と空気空間(12)との間の境界を形成し、管状部材(13)は対称軸に沿って前記熱交換器(10)の中央領域を貫通し、該管状部材(13)はフランジ状端部(13a,13b)を有し、更に空気流は周部から中央に向かって前記熱交換器(10)を貫流し、ガス流は前記中央管状部材(13)を介して前記ガス空間に流入するように形成されていることを特徴とする供給部材

請求項2

隣接する空気空間(12)及びガス空間(11)に電気導電構造体(5)が配設され、該構造体には接触部材(5a)が設けられ、該構造体は電気化学的活性プレート(6)の表面と電気接続し、2つの隣接する空間(11,12)内の該構造体(5)は互いに電気接続することを特徴とする請求項1に記載の供給部材(2)。

請求項3

前記熱交換器(10)は電気伝導性を有し、エア側及びガス側の表面は電気導電構造体(5)と電気接触することを特徴とする請求項2に記載の供給部材(2)。

請求項4

電気導電構造体(5)の接触部材(5a)は弾性を有し、かつ軸方向及び半径方向の両方向に可撓性を有することを特徴とする請求項2又は3に記載の供給部材(2)。

請求項5

前記電気導電構造体(5)はガス又は空気流の方向を与えるように機能することを特徴とする請求項2から4のいずれか1に記載の供給部材(2)。

請求項6

前記熱交換プレート(10)は円形であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1に記載の供給部材(2)。

請求項7

前記熱交換プレート(10)は特に正多角形である多角形形状を有することを特徴とする請求項1から5のいずれか1に記載の供給部材(2)。

請求項8

前記中央管状部材(13)は熱交換プレート(10)に対し平行なフランジ(13a,13b)を有することを特徴とする請求項1から7のいずれか1に記載の供給部材。

請求項9

電気化学的活性プレート(6)は供給部材(2)と交互に配設されてスタックを形成し、各シールリング(20)を有する電気化学的活性プレート(6)は隣接する供給部材の中央管状部材(13)のフランジ状端部(13a,13b)間でクランプされ、前記シールリング(20)は前記空気空間に近接して配設されることを特徴とする請求項1から8のいずれか1に記載の供給部材(2)を備えた燃料セルバッテリ(1)。

請求項10

前記電気化学的活性プレート(6)、供給部材(2)及びシールリング(20)は中央に装着されたトラクション部材(30)と共にクランプされることを特徴とする請求項9に記載の燃料セルバッテリ(1)。

請求項11

前記電気導電構造体(5)の接触部材(5a)は前記電気化学的活性プレート(6)上に弾性力を及ぼすことを特徴とする請求項9又は10に記載の燃料セルバッテリ(1)。

請求項12

前記電気導電構造体(5)は電気伝導構造接続により電気化学的活性プレート(6)に接続されることを特徴とする請求項9から11のいずれか1に記載の燃料セルバッテリ(1)。

請求項13

前記電気化学的活性プレート(6)は僅かに円錐形状を形成していることを特徴とする請求項9から12のいずれか1に記載の燃料セルバッテリ(1)。

請求項14

前記電気化学的活性プレート(6)は僅かにコルゲート形状を形成していることを特徴とする請求項9から12のいずれか1に記載の燃料セルバッテリ(1)。

請求項15

前記スタックの周部に、使用されたが以前として燃料を含んでいるガス燃焼用環状空間(50)が配設されていることを特徴とする請求項9から14のいずれか1に記載の燃料セルバッテリ(1)。

請求項16

前記ガス空間(11)は周部に配設された使用済ガスを排出する為の環状室(51)により囲まれたことを特徴とする請求項9から14のいずれか1に記載の燃料セルバッテリ(1)。

請求項17

装置(60,18)は隣接する供給要素(2)間に間隔を形成する為にシールリング(20)に対し同軸状に設けられる請求項9から16のいずれか1に記載の燃料セルバッテリ(1)。

技術分野

0001

本発明は請求項1の前段部に記載の燃料セルバッテリガス空気供給部材及びその様な供給部材を備えた燃料セルバッテリに関する。

0002

固体電解質を含んだ燃料セルの電気化学的活性部材は酸素分子イオン化し、電子を吸収するカソードと、酸素イオン水素及び/又は一酸化炭素と結合して水又は二酸化炭素に変換し、電子を発生するアノードと、金属酸化物から成り、酸化イオン伝導可能な2つの電極を接続するセラミック固体電解質とを具備する。酸素イオンは高温(略1000℃)でのみ、かつ薄層(略100マイクロメートル)のときのみ有効な拡散により固体電解質を貫通して移動する。温度が下がれば下がるほど、電解質の層が厚くなればなるほど、燃料セルの効率は下がる。このタイプのセラミック電解質は商業的に利用可能である。将来的には低温、かつ厚層でも効率的な固体電解質が開発される可能性がある。

0003

欧州特許第0055011号明細書は空気及び燃焼性ガス、特に水素及び一酸化炭素から電気エネルギと熱を発生させる複数の管状燃料セルを備えた装置を開示する。このタイプの燃料セルは多孔性かつ通気性支持チューブを備え、該チューブの外面に上記カソード、固体電解質及びアノードが薄く、相互に重ね合った層の形状で接着される。外側層を形成するアノード及び電解質層は上記チューブの活性部の全長を越えて延出する位置で妨げられる。このストリップはカソード用電気接触点として設計されている。燃料セルの1端は閉鎖している。空気供給チューブは上記支持チューブ内で該端に通じている。この供給チューブ熱交換器としても機能し、該供給チューブを貫流する事前に予め加熱した空気は電気化学反応中、発散する熱を吸収する。この追加加熱を該工程中、利用するのが有利である。このタイプの燃料セルを有する装置は空気空間ガス空間との間のシールを必要としないという利点を有する。しかし、残念ながらその様な燃料セルは複雑で、そのため制作費が高くなる。

0004

固体電解質を有する他のタイプの燃料セルにおいて、電気化学的活性部材は平坦な形状を形成している。該活性部材薄層プレートを形成し、このプレートの両面に電極が接着され、空気は多孔性支持構造体を貫通して拡散する必要はない。このタイプの燃料セルは管状セルより製作費が非常に安価である。しかし、ガス及び空気空間間のシールに関し重要な問題が発生する。また、この装置の場合、ガス及び空気は横方向に又は互いに反対方向に流れ、効率及び熱応力に関し不利益である。

課題を解決するための手段

0005

本発明の基礎をなす課題は簡単な装置で空気空間をガス空間から遮断することができ、ガス及び空気が平行に流れることが可能で、更に熱膨脹差異により生じる応力が小さく、平坦なセルを有する燃料セルバッテリを創作することである。

0006

この問題は請求項1の特徴と、独立請求項9において特徴づけられた供給部材を備えた装置とにより特徴づけられたガス及び空気供給部材より解決される。

0007

本発明によるガス及び空気供給部材は電気化学的活性プレートと交互に配設されてスタックを形成し、このスタック内で隣接するプレートのカソード及びアノードが電気接続する。電極は非常に薄いフィルムで数マイクロメートルの厚さしかないので、電極面に沿う電気伝導高電気抵抗と関連している。電気抵抗損失を少なくする為には、電極面の全面に亘って電子供給及び放出用の接触点分配することが必要である。接触点間最適距離はなかんづく電極の導電率及び電極の厚さに依存する。そのような接触点を有する電気導電構造体従属項2から5においてより詳細に特徴づけられている。請求項6から8は供給部材の幾何学形状に関し、従って全体としてのスタックの形状に関する。

0008

従属項10から16は本発明による燃料セルバッテリの種々の有利な実施例に関する。本発明は下記利点を有する。環状形状の為に各セル又は各層には1つのシールしか必要とされない。ガス・空気供給部材及び電気化学的活性プレートは別体の部品として製作され、セルを2つの部品の機能を組み合わせたユニットとして製作する場合より簡単である。2部品及び回転対称の設計では熱膨脹が妨げられないので、固有の応力は低い。

0009

添付図面を参照して本発明についてより詳細に説明する。燃料セルバッテリ1はスタック状に連続的にv続したかなり大量の同様なセルを備える。図1はそのような1つのセルを示す。スタックは特別な端部部材3,4により両端で閉鎖している。セルは電気導電構造体5と2つの電気化学的活性プレート6とを備えたガス・空気供給部材2を具備し、これらのプレートは隣接するセルと共用する。また、セルは異なる態様に、即ち電気化学的活性プレート6を中央部品として、供給部材2をセルを構成する唯1つの部品として備えることができる。

0010

セルは軸対称、例えば円形又は多角形を形成する。供給部材2は供給される空気の熱交換器10として機能する板状中空部材を備える。電極反応で放出される熱は空気により部分的に吸収される。反応熱の残りはガスにより運ばれる。また、熱交換器10はガス空間11と空気空間12との間の仕切を形成する。ガスはセルの対称軸同軸中央管状部材13を貫通して供給される。ガス用開口部14は圧縮部材として設計することができるので、全てのセルに対するガスの供給は均一となる。ガス空間11の周部は多孔性かつ通気性のガス透過性壁15により閉鎖している。空気は半径方向の供給チューブ16を貫通して熱交換器10に供給され、中央管状部材13にある空気空間12に流入する。図面に示すように、ガス及び空気は電気化学的活性プレート6の2側に平行流が形成可能なように供給される。熱交換器内のひれ部10a又はその他の部材は熱伝導を促進することができる。供給チューブ16は供給部材2の外部を形成する円筒状壁部材17に接続する。

0011

セルの2つのチャンバー部11,12内に、図1に部分図のみが図示されている電気導電構造体5が配設されている。これらの構造体接触部材5aを介してアノード6a及びカソード6bに接続する。これらの接続は拡散溶接又ははんだづけにより構造的接続として形成することができる。接触部材5aは弾性を有し、例えば熱膨脹により歪みが発生しても軸方向及び半径方向に可撓的に反応可能である。また、電気導電構造体5は電気伝導性の熱交換器10と電気接触する。この結果、隣接する電気化学的活性プレート6のアノード6a及びカソート6b間は電気接続される。また、構造体5は電極6a,6b及び熱交換器10間の熱伝導を促進することができる。

0012

接触要素5aは電気化学的活性プレート6に向かって押圧される。これらのプレート6は非常に薄い(略150マイクロメートル)ので、上記2側の接触点を全て図1に示すように対で配設すれば有利である。

0013

図1の実施例と対照的に変形実施例においては、電気導電構造体5は熱交換器10の全面に亘って間隔をおいて電気接触を行うことは不必要である。構造体5が電気伝導に関し凝集性を有する場合、電気接続を行うには単一の接触点で十分である。また、熱交換器10は追加の電気導体によりブリッジすることができる。

0014

燃料セルバッテリ1の全てのセルがトラクション部材30によりクランプされる。隣接する中央管状部材13のフランジ13a,13bは少なくとも1つの開口を上記管状部材13内に備える電気化学的活性プレートの環状領域と、シーリングリング20とにより分離される。例えば、セラミックフェルトから形成することができる該リング20はガスが空気空間12に流入するのを防止する。

0015

供給部材2の円筒状壁部材17は隣接するセル隙間間に配設され、この隙間は電気絶縁材料から形成されたリング18により覆われる。これらのリング18は緩く接着され、壁部材17がセルの軸方向の動き阻害しないように十分な遊びを持たせるように配設されている。しかし、この遊びは少量の空気しか割れ目を通過できぬように、僅かなものでなければならない。

0016

壁部材17と熱交換器10との間の環状空間50内で、使用されたがまだ燃料を含んだガスが空気空間12から放出される空気に触れて燃焼することができる。

0017

端部部材3,4は供給部材2の1側にほぼ対応する。下方端部部材3は燃料セルバッテリ1のハウジングベースを形成する。図示の実施例の上方端部部材4は弾性ベロー19を介してハウジング壁の上方部40に電気接続する。環状電気絶縁器41はハウジング壁の上方部40を下方端部部材3に接続する。上方部40は燃料セルバッテリ1の陽極を形成し、ハウジングのベース3は陰極を形成する。両極は円で囲んだプラス及びマイナス記号図1に示されている。

0018

空気は口42を、ガスは口43を通過して燃料セルバッテリ1に供給される。廃ガスは口44を通過して装置から排出される。熱い廃ガスは喚熱器(図示せず)内の新鮮な空気を予熱するのに使用される。また、ガスはバッテリ1に供給される前に予熱するのが有利である。図1の矢印は空気L、ガスG、及び廃ガスAの流れの方向を示す。

0019

セルのスタックをクランプするトラクション部材30はハウジング外に装着された圧縮ばね31を介して例えば締めることができる。装置全体はシーリングリング20が降伏してもスタックは幾らか阻害されずに引き締まることができ、従ってシールを維持するように設計されている。トラクション部材30はシーリングリング33を介してカバープレート32によりセルのスタックを押圧する。ハウジングのベースに配設されたトラクション部材30の通路にはガスが大気逃げるのを防止するための弾性ベロー45が設けられている。

0020

理論的には、燃料セルバッテリの設計は空気を内部から中心に、ガスを周部から供給するように変更可能である。しかし、セルのスタックの周部を押圧するシーリングリングは本発明を具体化する装置の場合より非常に大きいことが必要になるので、この方法は有利ではない。

0021

図2の(a) 及び図2の(b) は電気導電構造体5をワイヤからどのように形成できるかを2つの例を参照して図示する。接触部材5aはワイヤメッシュに取り付けられ、コルゲート状ワイヤ部5a′(図2の(a) )または複数のループ単一ワイヤに設けられる場合ワイヤループ5a″(図2の(b) )の態様で形成される。また、図2の(a) は電気化学的活性プレート6の一部を示す。アノード6a上の矢印は接触部材5a′に向かって移動する電子eの流れを示す。

0022

図3流れガイド機能を有する電気導電構造体5の詳細図を示す。図4において、破線曲線はそのような流れガイド構造体5がガス空間11にどのように配設できるかを示す。螺旋状に構成するとガスと電極との最適な相互作用を可能とする。図4の電気導電構造体5は図3に示す実施例の変形例であり、図1に示す設計に対応する。これらの電気導電構造体5はシートメタルから形成された薄いストリップから構成され、このストリップの舌状部はS字状接触部材5aを形成するように湾曲している。

0023

また、空気空間12には流れガイド機能を有する電気導電構造体5を設けることができる。勿論、電子伝導機能を有していない流れガイド部材を設けることも可能である。

0024

図5はセルの詳細図を示し、該セルにおいて使用済ガスはトロイドダクト51内で引き上げられ、全てのセルに接続した少なくとも1つのヘッダ52に沿ってバッテリ1から分離して排出される。このガスは供給ガスに部分的に追加され、かつ/又は装置1外で燃焼される。

0025

燃料セルバッテリ1の操作中、半径方向の温度傾度は熱応力に帰着する。電気化学的活性プレート6が図6の(a) 及び図6の(b) に図示のように僅かに円錐状又は波状に形成されているならば、これらの応力はプレート6の変形により消散することができる。

0026

図1に示す燃料セルバッテリ1の場合、セルスタックをあまり固くクランプすると電気化学的活性プレート6に損傷を与える危険性がある。この不利益は例えば、図7の(a) に示すスペーサリング60により除去することができる。勿論、リング60は他の装置により代替することができる。例えば、リング18(図1)はこの目的の為に使用でき、又は図7の(b) に示すように、スペーサ供給要素2の非ルーズ部品60′とすることもできる。スペーサ60は電気絶縁材料から構成しなければならないか、又は絶縁分離層61を隣接する供給要素2間に設けなければならない。

0027

隣接する供給要素2間のスペーサ装置はシーリングリング20が所定の限度圧縮され得るようにする。従って、スペーサ装置60とシーリングリング20の寸法を好適な寸法にすると、電気化学的活性プレート6に作用する値からはプレート6に割れ又は破損が発生しないよう十分に小さくすることができる。

0028

図7の(b) は電気化学的活性プレート6のシールクランプでさえ有害でないシーリングリング20′の変形例を図示する。この実施例において、プレート6の中央孔内縁溝付きシーリングリング20′により収容される。この実施例において、空気及びガスのチャンバ間に、より信頼性のあるシールも確保される。

図面の簡単な説明

0029

図1燃料セルバッテリの縦断面図。
図2(a) は電気化学的活性プレートと接触する電気導電構造体を示す図。(b) は電気導電構造体の変形例を示す図。
図3流れガイド機能をも果たす電気導電構造体の詳細図。
図4燃料セルバッテリの他の部品を備える供給部材の詳細図。
図5使用済ガス用ヘッダを備えたセルの横断面図。
図6(a) は円錐状プレートを示す図。(b) はコルゲート状プレートを示す図。
図7(a) は供給要素間のスペーサ装置を備えた本発明による燃料セルバッテリの中央部を示す図。(b) は供給要素間のスペーサ装置を備えた本発明による燃料セルバッテリの中央部を示す図。

--

0030

1燃料セルバッテリ
2ガス・空気供給部材
3端部部材
4 端部部材
5電気導電構造体
5a接触部材
5a′コルゲート状ワイヤ部
5a″ワイヤループ
6電気化学的活性プレート
6aアノード
6bカソード
10熱交換器
11ガス空間
12空気空間
13中央管状部材
13aフランジ
13b フランジ
14 開口部
15ガス透過性壁
16供給チューブ
17円筒状壁部材
18リング
19弾性ベロー
20シールリングリング
30トラクション部材
31圧縮ばね
32カバープレート
33シーリングリング
41電気絶縁器
42 口
43 口
44 口
50 環状空間
51トロイドダクト
52 ヘッダ

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