特開 2022-183088 電気的に直列に接続され、並列に空気が供給されるいくつかの燃料電池を備える電気化学システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022183088

(43)【公開日】2022-12-08

(54)【発明の名称】電気的に直列に接続され、並列に空気が供給されるいくつかの燃料電池を備える電気化学システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20221201BHJP

   H01M 8/249 20160101ALI20221201BHJP

   H01M 8/2483 20160101ALI20221201BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 J

H01M8/249

H01M8/2483

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2022085217

(22)【出願日】2022-05-25

(31)【優先権主張番号】2105454

(32)【優先日】2021-05-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(71)【出願人】

【識別番号】522087084

【氏名又は名称】アルストム・イドロジェーヌ・エスアエス

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】ヤシーン・ハンマディ

(72)【発明者】

【氏名】フランク・ベルベック

(72)【発明者】

【氏名】サンドリーヌ・メルスコエ

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126AA26

5H126BB06

5H127AA06

5H127AB13

5H127AB17

5H127BA02

5H127BA57

5H127BB02

5H127BB07

5H127BB12

5H127BB22

5H127BB37

(57)【要約】      （修正有）

【課題】電気的に直列に接続され、並列に空気が供給される複数の燃料電池を備える電気化学システムを提供する。
【解決手段】この電気化学システムは、電気的に直列に接続された複数の同一の燃料電池４と、燃料電池４に並列に空気を供給し、燃料電池４から空気を回収するように構成された空気供給システムと、を備え、空気供給システムは、共通の導管および個々の導管を各々備える入口マニホールド２２および出口マニホールド２４であって、入口マニホールド２２の各個々の導管が、それぞれの燃料電池４の空気入口ポート４Ｃに接続され、出口マニホールドの各個々の導管が、それぞれの燃料電池４の空気出口ポート４Ｄに接続された、入口マニホールド２２および出口マニホールド２４と、入口マニホールド２２、燃料電池４、および出口マニホールド２４を通って空気が流れるようにするための単一の空気圧縮機とを備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

発電のための電気化学システムであって、前記電気化学システムが、電気的に直列に接続された複数の同一の燃料電池（４）と、並列に前記燃料電池（４）に空気を供給し、前記燃料電池（４）から空気を回収するように構成された空気供給システム（１８）と、を備え、各燃料電池（４）が、空気入口ポート（４Ｃ）および空気出口ポート（４Ｄ）を有し、前記空気供給システム（１８）が、共通の導管（３６、５６）および前記共通の導管（３６、５６）に接続された個々の導管（３８、５８）を各々備える入口マニホールド（２２）および出口マニホールド（２４）であって、前記入口マニホールド（２２）の各個々の導管（３８）が、それぞれの燃料電池（４）の空気入口ポート（４Ｃ）に接続され、前記出口マニホールドの各個々の導管（５８）が、それぞれの燃料電池（４）の空気出口ポート（４Ｄ）に接続された、入口マニホールド（２２）および出口マニホールド（２４）と、前記入口マニホールド（２２）、前記燃料電池（４）、および前記出口マニホールド（２４）を通って空気が流れるようにするための単一の空気圧縮機（２６）と、を備える、電気化学システム。

【請求項2】

前記入口マニホールド（２２）および前記出口マニホールド（２４）の少なくとも一方が、その共通の導管（３６、５６）の伸長軸（Ａ、Ｃ）に関して回転対称である、請求項１に記載の電気化学システム。

【請求項3】

前記入口マニホールド（２２）および前記出口マニホールド（２４）の少なくとも一方が、その共通の導管（３６、５６）の伸長軸（Ａ、Ｃ）を含む少なくとも１つの対称面（Ｐ１、Ｐ２；Ｐ３、Ｐ４）に関して直交対称である、請求項１または請求項２に記載の電気化学システム。

【請求項4】

前記入口マニホールド（２２）および前記出口マニホールド（２４）の少なくとも一方が、その共通の導管（３６、５６）の前記伸長軸（Ａ、Ｃ）を含む２つの別個の対称面（Ｐ１、Ｐ２；Ｐ３、Ｐ４）について直交対称である、請求項１に記載の電気化学システム。

【請求項5】

前記２つの別個の対称面（Ｐ１、Ｐ２；Ｐ３、Ｐ４）が、互いに垂直である、請求項４に記載の電気化学システム。

【請求項6】

前記入口マニホールド（２２）および前記出口マニホールド（２４）の少なくとも一方が、その個々の導管（３８、５８）の各々の前記伸長軸（Ｂ、Ｄ）が、その共通の導管（３６、５６）の前記伸長軸（Ａ、Ｃ）に平行であるように構成される、請求項１に記載の電気化学システム。

【請求項7】

前記入口マニホールド（２２）および前記出口マニホールド（２４）の少なくとも一方の前記導管の断面積が、前記共通の導管（３６、５６）から前記個々の導管（３８、５８）に向かって徐々に減少する、請求項１に記載の電気化学システム。

【請求項8】

前記入口マニホールド（２２）および前記出口マニホールド（２４）の少なくとも一方が、前記共通の導管（３６、５６）と前記個々の導管（３８、５８）との間に少なくとも２つの分岐部（４０、４４；６０、６４）を備える、請求項１に記載の電気化学システム。

【請求項9】

前記入口マニホールド（２２）および前記出口マニホールド（２４）の少なくとも一方の各分岐部（４０、４４；６０、６４）が、導管を２つに分ける、請求項８に記載の電気化学システム。

【請求項10】

前記入口マニホールド（２２）および前記出口マニホールド（２４）の少なくとも一方の前記共通の導管（３６、５６）が、２つの１次導管（４２、６２）に枝分かれし、各１次導管（４２、６２）が、２つの２次導管（４６、６６）に枝分かれする、請求項１に記載の電気化学システム。

【請求項11】

各２次導管（４６、６６）が、それぞれの個々の導管（３８、５８）によって終端される、請求項１０に記載の電気化学システム。

【請求項12】

厳密に４つの燃料電池（４）を備える、請求項１に記載の電気化学システム。

【請求項13】

前記燃料電池（４）が、マトリックス構成で配置される、請求項１に記載の電気化学システム。

【請求項14】

前記燃料電池（４）が、すべて同じ向きで配置される、請求項１３に記載のシステム。

【請求項15】

前記入口マニホールド（２２）および前記出口マニホールド（２４）が同一である、請求項１に記載の電気化学システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、酸化剤として空気を使用する複数の燃料電池を備える電気化学システムであって、燃料電池は、電気的に直列に接続され、並列に空気が供給される、電気化学システムの分野に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池は、電気エネルギーを生成するために、燃料流体に含まれている燃料と、酸化剤流体に含まれている酸化剤と、の間で酸化還元反応を行うように構成される。

【0003】

燃料は、たとえば二水素であり、燃料流体は二水素であり、酸化剤は、たとえば二酸素であり、酸化剤流体はたとえば二酸素または空気である。

【0004】

燃料電池は、少なくとも１つの電気化学セル、好ましくは複数の重ね合わされた電気化学セルのスタックを含み、各電気化学セルが燃料と酸化剤との間で酸化還元反応を行うように構成されている。

【0005】

高い電力を必要とする用途には、電気的に直列に接続された複数の同一の燃料電池を備える電気化学システムであって、燃料電池は、燃料および酸化剤が並列に供給される、電気化学システムを提供することが可能である。

【0006】

そのような電気化学システムの動作中に、電気的に直列に接続された燃料電池は、それらを同じ電流が流れる。したがって、燃料電池が各々同じ量の電気エネルギーを発生させるように、燃料電池への酸化剤および燃料の均一で一定の供給が、確保されなければならない。

【0007】

これは、燃料電池への均一な供給を確保するために高性能のフローおよび／または圧力制御デバイスを燃料供給システムおよび酸化剤供給システムに備え付けることによって達成され得る。

【0008】

しかしながら、これは、電気化学システムの複雑さを増大させるという代償を払って成り立ち、設計、製造、および運用コストが比較的高くなることにつながり得る。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明の目的の１つは、酸化剤として空気を使用する複数の燃料電池を備える電気化学システムを提供することであり、この燃料電池は、電気的に直列に接続され、並列に空気が供給され、この電気化学システムは、単純な設計である。

【課題を解決するための手段】

【0010】

この目的で、本発明は、発電のための電気化学システムを提供し、この電気化学システムは、電気的に直列に接続された複数の同一の燃料電池と、燃料電池に並列に空気を供給し、燃料電池から空気を回収するように構成された空気供給システムと、を備え、各燃料電池は、空気入口ポートおよび空気出口ポートを有し、空気供給システムは、共通の導管および共通の導管に接続された個々の導管を各々備える入口マニホールドおよび出口マニホールドであって、入口マニホールドの各個々の導管が、それぞれの燃料電池の空気入口ポートに接続され、出口マニホールドの各個々の導管が、それぞれの燃料電池の空気出口ポートに接続される、入口マニホールドおよび出口マニホールドと、入口マニホールド、燃料電池、および出口マニホールドを通る空気流を押し込むための単一の空気圧縮機と、を備える。

【0011】

入口マニホールドと、出口マニホールドと、入口マニホールド、燃料電池、および出口マニホールドを通して空気を送り込むための単一の空気圧縮機と、を設けて、単純な電気化学システムを実現する。

【0012】

入口マニホールドおよび出口マニホールドは、受動的方法で燃料電池間の空気の均一な分配を可能にし、燃料電池間の均一な空気分配の能動的システムの必要がない。

【0013】

特定の実施形態によれば、電気化学システムは、個々にまたは技術的に可能な任意の組合せで選ばれる以下の特徴のうちの１つまたは複数を備える。
－ 入口マニホールドおよび出口マニホールドの少なくとも一方が、その共通の導管の伸長軸に関して回転対称である。
－ 入口マニホールドおよび出口マニホールドの少なくとも一方が、その共通の導管の伸長軸を含む少なくとも１つの対称面に関して直交対称である。
－ 入口マニホールドおよび出口マニホールドの少なくとも一方が、その共通の導管の伸長軸を含む２つの異なる対称面について直交対称である。
－ ２つの対称面が、互いに垂直である。
－ 入口マニホールドおよび出口マニホールドの少なくとも一方が、その個々の導管の各々の伸長軸がその共通の導管の伸長軸に平行であるように構成される。
－ 入口マニホールドおよび出口マニホールドの少なくとも一方の導管の断面積が、共通の導管から個々の導管まで徐々に減少する。
－ 入口マニホールドおよび出口マニホールドの少なくとも一方が、共通の導管と個々の導管との間に少なくとも２つの分岐部を備える。
－ 入口マニホールドおよび出口マニホールドの少なくとも一方の各分岐部が、導管を２つに分ける。
－ 入口マニホールドおよび出口マニホールドの少なくとも一方の共通の導管が、２つの１次導管に枝分かれし、各１次導管が、２つの２次導管に枝分かれする。
－ 各２次導管が、それぞれの個々の導管によって終端される。
－ 電気化学システムは厳密に４つの燃料電池を備える。
－ 燃料電池は、マトリックス構成で配置される。
－ 燃料電池は、すべて同じ向きで配置される。
－ 入口および出口マニホールドは同一である。

【0014】

本発明およびその利点は、添付の図面を参照しながら単に非限定的な例として行う以下の説明を読むと明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】複数の燃料電池を備える電気化学システムの概略図である。

【図2】燃料電池、入口マニホールド、および出口マニホールドの配置を示す、電気化学システムの概略図である。

【図3】入口マニホールドの斜視図である。

【図4】出口マニホールドの斜視図である。

【図5】入口マニホールドの１次分岐部の概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図１に示すように、電気化学発電システム２は、複数の同一の燃料電池４を備え、各燃料電池４が、互いの上に重ね合わせられた複数の電気化学セル６のスタックを備える。

【0017】

各燃料電池４は、中心軸Ｅに沿って、たとえば、電気化学セル６がこの中心軸Ｅに沿って重ね合わせられて伸びる。

【0018】

各電気化学セル６は、燃料流体に含まれている燃料と、酸化剤流体に含まれている酸化剤と、の間で酸化還元反応を行うことによって電気を発生させるように構成される。

【0019】

各燃料電池４は、たとえば、イオン交換膜燃料電池、詳細にはプロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）である。

【0020】

知られている方法では、各電気化学セル６は、燃料流体の循環用の第１のチャンバと、酸化剤流体の循環用の第２のチャンバと、を備え、第１のチャンバおよび第２のチャンバは、イオン交換膜、詳細にはプロトン交換膜によって分離されている。

【0021】

各燃料電池４は、たとえば、燃料として水素（Ｈ２）を使用するように構成され、燃料媒体は、たとえば水素である。

【0022】

各燃料電池４は、酸化剤流体として空気を使用するように構成され、酸化剤は、空気中に存在する酸素である。

【0023】

各燃料電池４は、燃料流体が燃料電池４に入り、燃料流体を各電気化学セル６に供給するための燃料流体入口ポート４Ａと、燃料電池４の電気化学セル６を通過した後に燃料流体が出るための燃料流体出口ポート４Ｂと、を備える。

【0024】

各燃料電池４は、空気が燃料電池４に入り、空気を各電気化学セル６に供給するための空気入口ポート４Ｃと、燃料電池４の電気化学セル６を通過した後に空気が出るための空気出口ポート４Ｄと、を備える。

【0025】

燃料電池４は、電気的に直列に接続されている。したがって、動作中、同じ電流が燃料電池４を流れる。

【0026】

燃料電池４は、たとえば、電気負荷８に接続されて、この電気負荷８に電気を供給する。電気負荷８は、たとえば電気を蓄えるためのバッテリー、または電気モーターを含む。

【0027】

電気化学システム２は、燃料流体源１２を含む燃料流体供給システム１０を備える。

【0028】

燃料流体供給システム１０は、燃料電池４の燃料流体入口ポート４Ａを燃料流体源１２に、好ましくは並列に接続する燃料流体回路１４を備える。

【0029】

燃料流体システム１４は、たとえば、燃料流体が燃料流体システム１４を通って流れるようにするために配置されたポンプ１６を含む。ポンプ１６は、たとえば燃料流体源１２と、燃料電池４の燃料流体入口ポート４Ａと、の間に配置される。

【0030】

電気化学システム２は、燃料電池４に空気を供給するように構成された空気供給システム１８を備える。

【0031】

空気供給システム１８は、空気回路２０を備え、燃料電池４は空気回路２０に並列に配置される。

【0032】

空気供給システム１８は、入ってくる空気流を燃料電池４の空気入口ポート４Ｃ間で分配するように構成された入口マニホールド２２（図２）と、出ていく空気流を形成するために燃料電池４の空気出口ポート４Ｄを出ていく空気を集めるように構成された出口マニホールド２４（図２）と、を備える。

【0033】

入口マニホールド２２および出口マニホールド２４は各々、空気流をそれぞれ燃料電池４の上流および燃料電池４の下流に受動的に導くためのマニホールドの形態である。

【0034】

入口マニホールド２２および出口マニホールド２４は、空気流を能動的に調整するための作動装置付きの能動的空気流調整器がない。

【0035】

空気供給システム１８は、入口マニホールド２２および出口マニホールド２４によって燃料電池４を通して、詳細には入口マニホールド２２、燃料電池４、および出口マニホールド２４を順番に通して空気を送り込むように配置された単一の空気圧縮機２６を備える。

【0036】

好ましくは、空気圧縮機２６は、入口マニホールド２２の上流の空気回路２０に配置される。空気圧縮機２６は、空気を入口マニホールド２２、燃料電池４、および出口マニホールド２４に押し込む。

【0037】

空気圧縮機２６は、入ってくる空気流を発生させ、空気流は、入口マニホールド２２によって燃料電池４に並列に送り込まれる。出口マニホールド２４は、出ていく空気流を形成するために、燃料電池４を出る空気を集める。

【0038】

場合によっては、空気供給システム１８は、空気が燃料電池４に入る前に空気をろ過するように構成された少なくとも１つの空気ろ過デバイス２８を備える。

【0039】

好ましくは、空気供給システム１８は、入口マニホールド２２の上流に配置された単一の空気ろ過デバイス２８を備える。したがって、単一の空気ろ過デバイス２８は、複数の燃料電池４に供給される空気をろ過することができる。

【0040】

有利には、空気ろ過デバイス２８は、空気圧縮機２６の下流に配置される。

【0041】

場合によっては、空気供給システム１８は、空気が燃料電池４に入る前に空気を冷却するように構成された少なくとも１つの冷却デバイス３０を備える。これは、圧縮によって加熱された空気が、燃料電池４に入る前に冷却されることを可能にする。

【0042】

好ましくは、空気供給システム１８は、空気圧縮機２６と入口マニホールド２２との間に配置された単一の冷却デバイス３０を備える。

【0043】

空気ろ過デバイス２８が設けられるとき、好ましくは冷却デバイス３０は、空気ろ過デバイス２８の上流に配置される。これは、空気ろ過デバイス２８が熱にさらされるのを制限することによって空気ろ過デバイス２８を保護するのに役立つ。

【0044】

場合によっては、空気供給システム１８は、たとえば出口マニホールド２４の下流に、燃料電池４への空気の流れを調整するように構成された調整デバイス３２を備える。

【0045】

調整デバイス３２は、たとえば、空気流の断面積を減少または増加させるために可動弁を備える。

【0046】

好ましくは、空気供給システム１８は、空気が燃料電池４を通過した後に空気を大気中に排出するためのベント３４を備える。ベント３４は、出口マニホールド２４、および該当する場合は調整デバイス３２の下流に位置する。

【0047】

図１では、燃料電池４は、側面図で概略的に示され、燃料流体供給システム１０および空気供給システム１８を説明するために互いに隣り合わせに並べられている。

【0048】

図２に示すように、燃料電池４は、好ましくは３次元構成で互いに隣り合わせに配置される。

【0049】

燃料電池４は、たとえば、燃料電池４が行および列に配置されるマトリックス構成で配置され、または燃料電池４が想像上の円に沿って分散される円形構成で配置される。

【0050】

これは、燃料電池４が、空気を均一に供給されるのを容易にするようにして配置されることを可能にする。

【0051】

特に有利な実施形態では、燃料電池４が正面図で示される図２に示すように、燃料電池の数は４であり、２×２のマトリックス構成で配置される。

【0052】

燃料電池４は、たとえば、燃料電池４の正面図において、それらの中心軸Ｅが想像上の正方形の４つの隅に配置されるように配置される。

【0053】

燃料電池４は、好ましくはそれらの中心軸Ｅが互いに平行であるように配置される。

【0054】

各燃料電池４は、電気化学セル６の中心スタッキング軸Ｅに沿って燃料電池４の端部に位置する前面３５Ｆおよび後面３５Ｒを有する。

【0055】

燃料電池４は、好ましくは、それらの前面３５Ｆが同じ方向を向き、それらの後面３５Ｒが同じ方向を向くように配置される。

【0056】

燃料電池４の前面３５Ｆは、好ましくは１つの平面（図２の平面）に配置される。

【0057】

燃料電池４の空気入口ポート４Ｃは、たとえば、燃料電池４の前面３５Ｆに位置している。

【0058】

燃料電池４は、好ましくはそれらのそれぞれのスタッキング軸Ｅ周りで同じ向きで配置される。

【0059】

図示の例では、各燃料電池４の前面３５Ｆは、矩形の輪郭を有し、各燃料電池４が、そのスタッキング軸Ｅの周りに、前面３５Ｆの縁部が、燃料電池４のマトリックス構成の行および列方向に平行であるように向きを定められ、各燃料電池４の空気入口ポート４Ｃが、前面３５Ｆの左上隅に位置している。

【0060】

好ましい実施形態では、燃料電池空気出口ポート４Ｄもまた、燃料電池４の前面３５Ｆに位置している。

【0061】

各燃料電池４の前面３５Ｆが矩形の形状であるとき、空気入口ポート４Ｃおよび空気出口ポート４Ｄは、たとえば、前面３５Ｆのそれぞれの隅に、詳細には２つのはす向かいの隅に、各々位置している。

【0062】

図２に示すように、各燃料電池４の空気出口ポート４Ｄは、たとえば、燃料電池４の前面３５Ｆの右下の隅に位置している。

【0063】

入口マニホールド２２（「分配器」としても知られる）は、空気圧縮機２６によって発生した空気流を燃料電池４の空気入口ポート４Ｃ間で均一に分配するように構成される。

【0064】

入口マニホールド２２は、共通の導管３６と、共通の導管３６に接続された複数の個々の導管３８と、を備え、各個々の導管３８は、それぞれの燃料電池４の空気入口ポート４Ｃに接続される。

【0065】

空気流の方向を考えると、共通の導管３６は、段階的に分かれて、入口マニホールド２２の個々の導管を形成する。

【0066】

入口マニホールド２２は、各燃料電池４用のそれぞれの個々の導管３８を備える。各燃料電池４の空気入口ポート４Ｃは、入口マニホールド２２のそれぞれの個々の導管３８に接続される。

【0067】

入口マニホールド２２の共通の導管３６は、共通の伸長軸Ａに沿って伸び、入口マニホールド２２の各個々の導管３８は、それぞれの個々の伸長軸Ｂに沿って伸びる。

【0068】

一実施形態では、個々の導管３８の個々の伸長軸Ｂは、共通の導管３６の共通の伸長軸Ａに平行である。

【0069】

有利には、入口マニホールド２２は、その共通の導管３６の共通の伸長軸Ａに関して離散的回転対称性を有する。

【0070】

入口マニホールド２２は、その共通の導管３６の伸長軸Ａに関して次数ｎの回転対称である。ここでｎは正の整数である。入口マニホールド２２は、この場合、その共通の導管３６の共通の伸長軸Ａの周りを角度２π／ｎだけ回転すると不変である。

【0071】

入口マニホールド２２は、たとえば、共通の導管３６の共通の伸長軸Ａを含む少なくとも１つの対称面について直交対称である。

【0072】

特定の実施形態では、図３に示すように、入口マニホールド２２は、共通の導管３６の共通の伸長軸Ａを各々含む２つの異なる対称面Ｐ１、Ｐ２について直交対称であり、２つの対称面Ｐ１およびＰ２は、好ましくは互いに垂直である。

【0073】

入口マニホールド２２は、共通の導管３６と個々の導管３８との間にたとえば少なくとも２つの分岐部を備える。たとえば、各分岐部が、上流導管を２つの下流導管に分ける。

【0074】

図３に示すように、入口マニホールド２２は、たとえば、その共通の導管３６が１次分岐部４０で２つの１次導管４２に細分されて構成され、各１次導管４２は、２次分岐部４４で２つの２次導管４６に枝分かれする。各２次導管４６は、たとえばそれぞれの個々の導管３８によって終端される。

【0075】

そのような入口マニホールド２２は、したがって４つの個々の導管３８を備える。それは、図２に示すように４つの燃料電池４を備える電気化学システム２のために構成される。

【0076】

入口マニホールド２２は、１次分岐部４０から各々伸びる２つのマニホールド部分４８を備え、２つのマニホールド部分４８の各々が、対称面Ｐ１に関して他方と対称である。

【0077】

各マニホールド部分４８が、それぞれの２次分岐部４４と、２次分岐部４４から伸びる２つのマニホールドサブ部分５０と、を含み、２つのマニホールドサブ部分５０の各々が、対称面Ｐ２に関して他方と対称である。

【0078】

好ましくは、入口マニホールド導管の断面積は、共通の導管３６から個々の導管３８まで徐々に減少する。

【0079】

詳細には、入口マニホールド導管２２の断面積は、各分岐部（たとえば、１次分岐部４０および２次分岐部４４）後に徐々に減少し、共通の導管３６から個々の導管３８に移る。

【0080】

図示の例では、導管の断面積は、１次導管４２および２次導管４６に沿って徐々に減少する。各１次導管４２および各２次導管４６は、徐々に減少する面積の断面積を有する。

【0081】

空気流の方向を考えると、入口マニホールド導管２２の断面積は、上流（共通の導管３６）から下流（個々の導管３８）まで徐々に減少する。

【0082】

入口マニホールド２２の各導管の断面積の減少は、導管の長さ全体にわたって、または導管の長さのごく一部にわたってなされる。

【0083】

図３に示す例では、１次導管４２および２次導管４６の断面積の減少は、これらの導管の長さのごく一部にわたってなされる。

【0084】

出口マニホールド２４もまた、燃料電池４間で空気の均一な分配をもたらすように構成される。

【0085】

これを行うために、出口マニホールド２４は、燃料電池４の空気出口ポート４Ｄから出る別個の空気流を結合して共通の出口空気流にするように構成され、異なる別個の空気流に対して同一の流れ状態を確保する。

【0086】

このために、図４に示すように、出口マニホールド２４は、たとえば入口マニホールド２２に類似している。

【0087】

出口マニホールド２４は、共通の導管５６と、共通の導管５６に接続された複数の個々の導管５８と、を備え、各個々の導管５８は、それぞれの燃料電池４の空気出口ポート４Ｄに接続される。

【0088】

空気流の方向を考えると、出口マニホールド２４の個々の導管５８は合流して、出口マニホールド２４の共通の導管５６を形成する。

【0089】

出口マニホールド２４は、各燃料電池４用のそれぞれの個々の導管５８を備える。各燃料電池４の空気出口ポート４Ｄは、出口マニホールド２４のそれぞれの個々の導管５８に接続される。

【0090】

出口マニホールド２４の共通の導管５６は、共通の伸長軸Ａに沿って伸び、出口マニホールド２４の各個々の導管５８は、それぞれの個々の伸長軸Ｂに沿って伸びる。

【0091】

一実施形態では、出口マニホールド２４の個々の導管５８の個々の伸長軸Ｄは、出口マニホールド２４の共通の導管５６の共通の伸長軸Ｃに平行である。

【0092】

有利には、出口マニホールド２４は、その共通の導管５６の共通の伸長軸Ｃに関して離散的回転対称性を有する。

【0093】

出口マニホールド２４は、その共通の導管５６の共通の伸長軸Ｃに関して次数ｎの回転対称である。出口マニホールド２４は、この場合、その共通の導管５６の共通の伸長軸Ｃの周りを角度２π／ｎだけ回転すると不変である。

【0094】

出口マニホールド２４は、たとえば、共通の導管５６の共通の伸長軸Ｃを含む少なくとも１つの対称面について直交対称である。

【0095】

特定の実施形態では、図４に示すように、出口マニホールド２４は、共通の導管５６の共通の伸長軸Ｃを各々含む２つの異なる対称面Ｐ３、Ｐ４について直交対称であり、２つの対称面Ｐ３、Ｐ４は、好ましくは互いに垂直である。

【0096】

出口マニホールド２４は、共通の導管５６と個々の導管５８との間にたとえば少なくとも２つの分岐部を備える。たとえば、各分岐部が、上流導管を２つの下流導管に分ける。

【0097】

図４に示すように、出口マニホールド２４は、たとえば、その共通の導管５６が１次分岐部６０で２つの１次導管６２に細分されて構成され、各１次導管６２は、２次分岐部６４で２つの２次導管６６に枝分かれする。各２次導管６６は、たとえばそれぞれの個々の導管５８によって終端される。

【0098】

そのような出口マニホールド２４は、したがって４つの個々の導管５８を備える。それは、図２に示すように４つの燃料電池４を備える電気化学システム２のために構成される。

【0099】

出口マニホールド２４は、１次分岐部６０から各々伸びる２つのマニホールド部分６８を備え、２つのマニホールド部分６８の各々が、対称面Ｐ４に関して他方と対称である。

【0100】

各マニホールド部分６８が、それぞれの２次分岐部６４、および２次分岐部６４から伸びる２つのマニホールドサブ部分７０を含み、２つのマニホールドサブ部分７０の各々が、対称面Ｐ３に関して他方と対称である。

【0101】

好ましくは、出口マニホールド導管２４の断面積は、共通の導管５６から個々の導管５８まで徐々に減少する。

【0102】

詳細には、出口マニホールド導管２４の断面積は、各分岐部（たとえば、１次分岐部６０および２次分岐部６４）後に徐々に減少し、共通の導管５６から個々の導管５８に移る。

【0103】

空気流の方向を考えると、出口マニホールド２４の導管の断面積は、上流（個々の導管５８）から下流（共通の導管５６）まで増加する。

【0104】

図示の例では、導管の断面積は、１次導管６２および２次導管６６に沿って徐々に減少する。各１次導管６２および各２次導管６６は、徐々に減少する面積の断面積を有する。

【0105】

出口マニホールド２４の各導管の断面積の減少は、導管の長さ全体にわたって、または導管の長さのごく一部にわたってなされる。

【0106】

図４に示す例では、１次導管６２および２次導管６６の断面積の減少は、これらの導管の長さのごく一部にわたってなされる。

【0107】

図３および図４に示すように、各分岐部（入口マニホールド２２の１次分岐部４０および２次分岐部４６、出口マニホールド２４の１次分岐部６０および２次分岐部６４）は、一般的にＴ字形である。

【0108】

代替的に、第１の導管と、第１の導管から伸びる２つの第２の導管と、の間の分岐部の少なくとも１つまたは各々は、Ｙ字形である。

【0109】

これは、同じレベルのマニホールド（入口マニホールド２２または出口マニホールド２４）で異なる導管に空気流の不均一性をもたらし得る局部的な過度の圧力の発生を回避する。

【0110】

２つの第２の導管は、ある角度をなしてもよい。

【0111】

図５に示すように、入口マニホールド２２の共通の導管３６（第１の導管）は、１次分岐部４０で２つの１次導管４２（第２の導管）に分かれ、１次分岐部４０はＹ字形である。１次導管４２は、ある角度をなしている。

【0112】

図５は、入口マニホールド２２の１次分岐部４０の場合を例として示すが、これは当然、出口マニホールド２４の１次分岐部６０、および／または入口マニホールド２２の各２次分岐部４４、および／または出口マニホールド２４の各２次分岐部６４に当てはまる。

【0113】

マニホールドの同じレベルの分岐部（２次分岐部、考えられる３次分岐部など）は、異なる燃料電池４間で均一な流れを確保するために、同じタイプの形状を有することが好ましい。

【0114】

２次分岐部４４を有する入口マニホールド２２を備える４つの燃料電池の例４では、これらの２次分岐部４４は、同じ形状（たとえば、ＴまたはＹ）を有する。

【0115】

２次分岐部６４を有する出口マニホールド２４を備える４つの燃料電池の例４では、これらの２次分岐部６４は、同じ形状（たとえば、ＴまたはＹ）を有する。

【0116】

場合によっては、第１の導管を２つの第２の導管に分ける少なくとも１つのまたは各々の分岐部が、分岐部から第１の導管の中へ伸びる中間仕切りを有し、中間仕切りは、第１の導管を中間仕切りに対して対称である２つの部分に分ける。

【0117】

これは、２つの第２の導管間の接合部での乱流を防ぎ、２つの第２の導管間の空気流の均一性を向上させる。

【0118】

図５に示すように、入口マニホールド２２の１次分岐部４０は、共通の導管３８の中へ伸びる中間仕切り７２を設けられ、共通の導管３８を分けて、１次導管４２の上流で中間仕切り７２の両側を２つの対照的な部分にする。

【0119】

図５は、入口マニホールド２２の１次分岐部４０の場合を例として示すが、これは当然、出口マニホールド２４の１次分岐部６０、および／または入口マニホールド２２の各２次分岐部４４、および／または出口マニホールド２４の各２次分岐部６４に当てはまる。

【0120】

マニホールド（入口マニホールド２２または出口マニホールド２４）の分岐部が、中間壁を有する場合、そのマニホールドと同じレベルの他の分岐部もまた中間壁を有する。

【0121】

詳細には、入口マニホールド２２の一方の２次分岐部４４が中間仕切り７２を有するとき、その入口マニホールド２２の他方の２次分岐部４４もまた中間仕切り７２を有し、出口マニホールド２４の一方の２次分岐部６４が中間仕切り７２を有するとき、その出口マニホールド２４の他方の２次分岐部６４もまた中間仕切り７２を有する。

【0122】

一実施形態では、電気化学システム２は、１５０ｋＷ～３５０ｋＷの公称／最大出力を有する。各燃料電池４は、４０ｋＷ～１００ｋＷの公称／最大出力を有する。

【0123】

好ましくは、空気圧縮機２６は、２５０ｇ／秒～６００ｇ／秒の公称／最大流量を有する。

【0124】

電気化学システム２は、たとえば建造物の主電力源もしくは補助電力源として、固定使用のために、あるいは、たとえば道路車両、たとえば乗用車、公共交通車両、もしくは重量物運搬車両、鉄道車両、または航空車両における搭載電力源として、移動使用のために、構成することができる。

【0125】

本発明によって、電気的に直列に接続された複数の燃料電池４に並列に空気を供給するための単純な電気化学システム２を得ることが可能である。

【0126】

入口マニホールド２２および出口マニホールド２４を設けると、単一の空気圧縮機２６によって供給される、入ってくる空気流から燃料電池４間で空気を均一に分配することが可能になり、燃料電池は、それらを同じ電流が流れて、同じ条件下で動作することができる。

【0127】

入口マニホールド２２および出口マニホールド２４の特徴、詳細には１つまたは複数の対称面（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４）についてのそれらの離散的回転対称性または直交対称性が、各マニホールド内の空気の均一な分配を可能にする。

【0128】

燃料電池４の最適なレイアウトは、燃料電池４間の均一な空気分配を促すような対称性で入口マニホールド２２および／または出口マニホールド２４を設けることを容易にする。

【0129】

単一の空気圧縮機２６の使用は、空気供給システム１８を単純にする。

【0130】

高い電力出力を有し、しかも設計が単純である電気化学発電システム２を実現することが可能である。

【0131】

加えて、空気圧縮機２６は、他の構成要素よりも信頼性が低い電気化学システムの構成要素の１つである。複数の空気圧縮機の代わりに単一の空気圧縮機２６を使用すると、操作が簡単になり、また信頼性が改善し、保守が簡単になる。

【0132】

入口マニホールド２２および出口マニホールド２４は、好ましくは同様であり、たとえば、上記に示した特徴の各々を有する。

【0133】

しかしながら、入口マニホールド２２または出口マニホールド２４のいずれかが、他方にはない特徴を有することが可能である。

【0134】

一般に、上記で説明した特徴の各々では、入口マニホールド２２および出口マニホールド２４の少なくとも一方が、上記の特徴を有する。言い換えれば、入口マニホールド２２および／または出口マニホールド２４は、各々特徴を有する。

【0135】

他の実施形態が可能であるとき、本発明は、図示した実施形態に限定されない。

【0136】

詳細には、発電システム２内の燃料電池４の数は、必ずしも４に等しいとは限らない。それはたとえば２、３、または５以上であることがある。

【符号の説明】

【0137】

２ 電気化学発電システム
４ 燃料電池
６ 電気化学セル
８ 電気負荷
１０ 燃料流体供給システム
１２ 燃料流体源
１４ 燃料流体システム
１６ ポンプ
１８ 空気供給システム
２０ 空気回路
２２ 入口マニホールド
２４ 出口マニホールド
２６ 空気圧縮機
２８ 空気ろ過デバイス
３０ 冷却デバイス
３２ 調整デバイス
３４ ベント
３６ 共通の導管
３８ 個々の導管
４０ １次分岐部
４２ １次導管
４４ ２次分岐部
４６ ２次導管
４８ マニホールド部分
５０ マニホールドサブ部分
５６ 共通の導管
５８ 個々の導管
６０ １次分岐部
６２ １次導管
６４ ２次分岐部
６６ ２次導管
６８ マニホールド部分
７０ マニホールドサブ部分
７２ 中間仕切り

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【外国語明細書】