JP2007507852A - 一体型の燃料電池スタック及び触媒燃焼器装置、アセンブリ、及び使用方法 - Google Patents
一体型の燃料電池スタック及び触媒燃焼器装置、アセンブリ、及び使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
一体型の燃料電池スタック及び触媒燃焼器装置（１００）は、キャビティ（４００）が間に画定された複数の燃料電池スタック（２１０）を有する燃料電池スタックアセンブリ（２００）であって、前記燃料電池スタック（２１０）の各々が複数の個別の燃料電池（２２０）を含む、燃料電池スタックアセンブリ（２００）と、キャビティ（４００）内に少なくとも部分的に配置された触媒燃焼器（３００）であって、触媒床及び触媒点火器（３４０）を有する触媒燃焼器（３００）とを含んで成る。
【選択図】図２
【選択図】図２
Description
過去数年間で、大規模及び小規模発電用燃料電池の人気並びに実現性は大いに高まった。燃料電池は、水素と酸素のような反応物を用いた電気化学反応を実施することにより、電気及び熱を生成する。燃料電池は、電力を供給しながら「充電する」ことができる点以外は、バッテリに類似する。また、燃料電池は、炭化水素を燃焼する装置のような他の電源と比較して、よりクリーンである。
燃料電池は、モータ、ライト、コンピュータ、あるいは多くの電化製品に電力を供給するのに用い得るＤＣ（直流）電圧をもたらす。一般的な燃料電池は、燃料極と空気極との間に配置されている電解質を有する。電気化学反応は燃料電池内で実施され、そこでは、空気などの酸化剤が空気極に供給される。空気極は、入ってくる空気から、酸素イオンを電解質に供給する。水素やメタンなどの燃料は燃料極に供給され、それは、電解質へと移動して酸素イオンと反応する。この反応により電子が生成され、そしてこの電子が外部回路に有効電力として導かれる。
燃料電池システムに導入される全ての燃料が利用されるわけではない。この不完全な利用は、少なくとも一部は、減損効果（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ）に起因する。減損効果とは、燃料が燃料電池スタック上を流れ方向に通過するにつれて、燃料流内の燃料濃度が低下することである。減損効果は、燃料入口における高い熱量に帰着し、それは、燃料が燃料電池スタック上を流れ方向に通過するにつれて減少する。この発熱プロファイルによって、燃料電池スタック内には、対応する温度勾配が引き起こされる。この温度勾配によって、作動温度と電力生成の相関性により、温度勾配に応じた、個々の燃料電池の電力生成プロファイルが低下し得る。
さらに、典型的なシステムでは、現在のところ、燃料電池スタック上を流れる空気極空気に関しては、ほとんど管理されていない。一般に、空気流は、押し出し流れに近似される。押し出し流れとは、均一な断面を有する流路の一端から入り、流路に沿って増大することなく他端から出る、実質的に均一な量の空気流である。押し出し流れは、流路内の流れの各断面において、一定の速度に帰着する。その結果、空気が燃料電池スタックの長さ方向に沿って流れる際、燃料電池スタックから空気極空気への対流による伝熱は、高い自由流温度によって妨げられる。この現象により、燃料電池全体にわたって生じる温度勾配が大きくなる。この影響を最小限とし且つ燃料電池に必要な冷却をもたらすために、現在のシステムは、化学量論反応に実際に必要となる空気の最大７００〜８００％を使用している。この量の空気を移動させるには、より大きなポンプと、当該ポンプを作動させるためのより多くの電力と、より大きな弁が必要となる。そしてこれは、運転コストの増大につながる。
一体型の燃料電池スタック及び触媒燃焼器装置は、キャビティが間に画定された複数の燃料電池スタックを有する燃料電池スタックアセンブリであって、前記燃料電池スタックの各々が複数の個別の燃料電池を備える、燃料電池スタックアセンブリと；少なくとも部分的にキャビティ内に配置されており且つ触媒床及び触媒点火器を有する触媒燃焼器とを含んで成る。
添付の図面は、本発明の装置及び方法に関する様々な実施形態を示すものであり、本明細書の一部である。図示する実施形態は、単に本発明の装置及び方法の例にすぎず、本開示の範囲を限定するものではない。
図面にわたって、同一の符号は、類似の要素を表すが、必ずしも同一とは限らない。
一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器は、キャビティが間に画定された対向する燃料電池スタックを有する燃料電池スタックアセンブリを備える。各燃料電池スタックは、それぞれが燃料極、空気極及び電解質を有する複数の個別の燃料電池を備える。触媒燃焼器は、少なくとも部分的にキャビティ内に配置されている。触媒燃焼器は、触媒床及び触媒点火器（ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｉｇｎｉｔｅｒ）を含む。
以下の説明においては、例示のために、本発明の方法及び装置の完全な理解をもたらすべく多数の特定の詳細について説明する。しかしながら、本発明の方法及び装置が、そのような特定の詳細なしに実施できることは当業者には理解されよう。本明細書において「一実施形態」又は「或る実施形態」という場合、その実施形態に関連して述べた特定の特徴、構造又は特性が、少なくとも１つの実施形態に包含されることを意味する。本明細書の様々な箇所にある句「一実施形態では」は、必ずしも同じ実施形態を指すとは限らない。
例示的な構造
一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器は、概して、管状燃料電池アセンブリ内に配置された触媒燃焼器を含み、前記管状燃料電池アセンブリは、管状燃料電池上に空気極空気プレナムをもたらす空気極空気プロファイリング外板によって包囲されている。一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器の外観については図１を参照して説明し、燃料電池スタックアセンブリについては図２を参照して説明し、そして触媒燃焼器については図３を参照して説明する。
例示的な構造
一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器は、概して、管状燃料電池アセンブリ内に配置された触媒燃焼器を含み、前記管状燃料電池アセンブリは、管状燃料電池上に空気極空気プレナムをもたらす空気極空気プロファイリング外板によって包囲されている。一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器の外観については図１を参照して説明し、燃料電池スタックアセンブリについては図２を参照して説明し、そして触媒燃焼器については図３を参照して説明する。
図１は、一般に空気極空気プロファイリング外板（１１０）を備える一体型の燃料電池スタック及び触媒燃焼器（１００）を示しており、空気極空気プロファイリング外板（１１０）は管状燃料電池スタックアセンブリ（２００、図２）を包囲している。一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器（１００）の遠位端（１３０）には過剰空気極空気ルータ（１２０）が配されており、近位端（１５０）にはシールアセンブリ（１４０）が配置されている。
空気極空気プロファイリング外板（１１０）は、燃料電池スタック（２１０、図２）表面に導入される空気極空気の場所及び量を制御するように働きが最適化されている空気入口穴（１６０）を有する。さらに、空気極空気プロファイリング外板（１１０）は、一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器（１００）の近位端（１５０）近傍において、正極バスストリップ（図示せず）に接続されている。後述するように、この接続によって電気経路がもたらされ、それは、燃料電池スタックアセンブリの複数の発電燃料電池スタックを並列に接続する。
図２は、燃料電池スタックアセンブリ（２００）を明示するために、空気極空気プロファイリング外板（１１０、図１）を取り外した状態の、一体型の燃料電池スタック及び触媒燃焼器装置（１００）を示している。燃料電池スタックアセンブリ（２００）は、平らな燃料電池スタック（２１０）を備える。各燃料電池スタック（２１０）は、図２に示すように、基材上に形成された複数の個別の燃料電池（２２０）を有する。いくつかの実施形態では、基材は、セラミックなどの多孔質材料で形成される。
図３Ａは、燃料電池スタックアセンブリ（２００、図２）の内部に配置される触媒燃焼器（３００）を示している。触媒燃焼器（３００）は、外板（３１０）によって包囲されている。遠位端（１３０）のフレームアレスタ（３２５、図３Ｂ）と外板（３１０）との組み合わせにより画定されるコンジット、即ち経路（３２０）中の流体の流れは、燃料電池スタック（２１０、図２）から出た未使用燃料を触媒燃焼器（３００）の管状内部へと搬送する。フレームアレスタ（３２５）の目的は、触媒内部からの炎が、管状燃料電池スタック（２００、図２）の燃料側に達しないようにすることである。触媒フローチャネル（図示せず）は、残った空気極空気、余分な燃料、及び反応副生物を、触媒燃焼器（３００）へと送る。触媒燃焼を促進する点火器ワイヤ（３３０）は、触媒燃焼器（３００）内に延在し、アース端（３４０）にて終端する。触媒燃焼器（３００）の近位端（１５０）は、アース端（３４０）を有する他に、そこに画定された触媒排出口（３５０）を備える。
例示的な実施態様と動作
図４に示すように、燃料と酸化剤は、一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器（１００）の近位端（１５０）に導入される。燃料は、触媒燃焼器（３００）と燃料電池スタック（２１０）との間に画定されている燃料チャネル（４００）によって搬送され、一方、酸化剤は、空気極空気プロファイリング外板（１１０）により搬送されプロファイルが作成される。燃料と酸化剤は、燃料電池スタック（２１０）にわたって、電気化学反応に付される。過剰の空気極空気、燃料及び反応副生物は、一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器（１００）の遠位端（１３０）へと搬送される。過剰の空気極空気の一部は、過剰空気極空気ルータ（１２０）によって、一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器（１００）から送り出される。過剰の燃料並びに電気化学反応の副生物は、燃焼器外板（３１０、図３）内に配置された経路（３２０、図３）及びフレームアレスタ（図３Ｂの３２５）を経由して、燃料チャネル（４００）から触媒燃焼器（３００）へと搬送される。フレームアレスタは、火炎前面が燃料電池スタックアセンブリ（２００）に入るのを防ぐ他に、燃料極排出経路シールとして機能する。さらに、フレームアレスタは、ろう付け部を介して、燃料電池スタック（２１０）上に配置されている燃料電池（２２０）から負極接続を受け取り、燃料電池スタックアセンブリ（２００）と触媒燃焼器（３００）とを電気的に接続する。この接続によって、燃料電池スタックアセンブリ（２００、図２）の両発電平面が並列に接続される。
例示的な実施態様と動作
図４に示すように、燃料と酸化剤は、一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器（１００）の近位端（１５０）に導入される。燃料は、触媒燃焼器（３００）と燃料電池スタック（２１０）との間に画定されている燃料チャネル（４００）によって搬送され、一方、酸化剤は、空気極空気プロファイリング外板（１１０）により搬送されプロファイルが作成される。燃料と酸化剤は、燃料電池スタック（２１０）にわたって、電気化学反応に付される。過剰の空気極空気、燃料及び反応副生物は、一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器（１００）の遠位端（１３０）へと搬送される。過剰の空気極空気の一部は、過剰空気極空気ルータ（１２０）によって、一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器（１００）から送り出される。過剰の燃料並びに電気化学反応の副生物は、燃焼器外板（３１０、図３）内に配置された経路（３２０、図３）及びフレームアレスタ（図３Ｂの３２５）を経由して、燃料チャネル（４００）から触媒燃焼器（３００）へと搬送される。フレームアレスタは、火炎前面が燃料電池スタックアセンブリ（２００）に入るのを防ぐ他に、燃料極排出経路シールとして機能する。さらに、フレームアレスタは、ろう付け部を介して、燃料電池スタック（２１０）上に配置されている燃料電池（２２０）から負極接続を受け取り、燃料電池スタックアセンブリ（２００）と触媒燃焼器（３００）とを電気的に接続する。この接続によって、燃料電池スタックアセンブリ（２００、図２）の両発電平面が並列に接続される。
さらに、燃料電池（２２０）は、燃料電池スタック（２１０）の外側部分に配置されているが、電気化学材料は、個々の燃料電池（２２０）の内側に燃料極（４１０）があり、最も外側面に空気極（４２０）があるように積層される。この構造によって、燃料電池スタックアセンブリ（２００）の内部の燃料流れと外部の空気流れを利用して電力を生成する燃料電池アセンブリ（２００）が得られる。したがって、触媒燃焼器（３００）と燃料電池スタックアセンブリ（２００）との間の空間は、燃料フローチャネル（４００）として機能する。
前述のように、残った空気極空気、反応副生物及び過剰の燃料は、燃料電池スタック（２１０）により形成されたキャビティ内に配置されている触媒燃焼器（３００）へと搬送され、そこで、過剰の燃料と酸化剤が燃焼される。次いで、排出物は、一体型の燃料電池スタック及び触媒燃焼器アセンブリ（１００）の近位端（１５０）にある触媒排出口（３５０）から除去される。これらの各プロセスについては、後で詳しく説明する。
図５は、一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器を使用する方法を表すフローチャートである。本プロセスは、まず一体型の燃料電池スタック及び触媒燃焼器を設けることにより開始する（ステップ５００）。例示する実施形態では、一体型の燃料電池スタック及び触媒燃焼器の各々は、燃料電池スタックアセンブリ内に配置された触媒燃焼器を有する。燃料電池スタックアセンブリは、それぞれが複数の個別の燃料電池を有する対向する燃料電池スタックを有する。
各燃料電池は、多孔質セラミック基材上に配置された燃料極、電解質及び空気極を含む。個々の燃料電池は、平面スタックの燃料入口端近傍に正極接続を、反対の端に負極接続を有するように配置される。また、燃料電池スタックの個々の燃料電池は、直列に接続されており、燃料電池の数は、所望の装置電圧並びに各電池の定格作動電圧により決定される。前述のように、電気化学材料は、燃料電池スタック内側の多孔質セラミック基材に隣接して燃料極材料があり且つ燃料電池スタックの最も外側の面に空気極材料があるように配置される。この構造により、内側の燃料流れと外側の空気流れを利用して電力を生成する燃料電池アセンブリが得られる。したがって、触媒燃焼器と燃料スタックとの間の空間は、燃料フローチャネルとして機能する。空気極空気プロファイリング外板は、平面スタックを包囲しており、空気極空気フローチャネルを画定する。
一体型の燃料電池スタック及び触媒燃焼器アセンブリでは、空気は、空気極空気プロファイリング外板を介して導入される（ステップ５１０）。空気極空気プロファイリング外板は、空気極空気プロファイリング外板の空気極空気侵入部分の位置及び寸法を設計することによって、燃料電池スタックアセンブリ上の流れプロファイルを最適化するように構成することができる。これによって、設計者は、より典型的な押し出し流れ設計によって生じる温度勾配が小さくなるように、流れを最適化することができる。
始動時及び空気極空気が流れている間は、触媒燃焼器の燃焼器点火器ワイヤに通電する（ステップ５２０）。燃焼器点火器ワイヤに通電することによって、触媒コアを、流入燃料の発火温度にまで加熱するプロセスが開始する。燃焼器点火器ワイヤが通電されている間に（ステップ５２０）、燃料が導入される（ステップ５３０）。触媒燃焼器内で燃料が燃焼される（ステップ５４０）。この燃焼によって、さらに、放射によりアセンブリがその作動温度まで加熱される。触媒コアがその触媒作動温度に達すると、点火器ワイヤへの通電を断ち、即ちスイッチを切り（ステップ５５０）、触媒コア内の燃料の燃焼によって燃料電池が加熱され始め、電気化学反応が促進される（ステップ５６０）。
空気極は、空気極上を流れる空気から酸素イオンを生成する。電解質は、空気極で生成した酸素イオンを燃料極側へと導き、それらのイオンは、燃料極において燃料と反応する。燃料極側の反応によって電気と水が生成する。一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器の通常の作動時は、減損効果のため、燃料電池スタックアセンブリ内の全ての燃料が利用されるわけではない。この減損は、燃料電池スタックアセンブリ内に温度勾配が乗じる１つの要因である。この温度勾配の特徴は、一般に、燃料入口端が最も熱く、燃料入口から遠くなるにつれて次第に温度が下がり、出口端で温度が最も低くなることである。傾斜燃焼によって発熱プロファイルが作成される。この発熱プロファイルにより、燃料電池スタック内の傾斜温度プロファイルが確立される。この温度勾配は、持続させると、燃料電池スタックアセンブリの流れ方向の長さに沿って、個々の燃料電池の発電プロファイルの減少につながる。本プロセスでは、各燃料電池スタックの温度勾配を正規化する（ステップ５７０）。「正規化」によって、燃料電池スタックアセンブリの長さに沿った温度又は温度プロファイルはより均一になる。この正規化は、触媒燃焼器内で未使用燃料と過剰空気極空気を燃焼することによって達成することができる。この燃焼は、向流の構成にて実施され、電気化学反応によって確立されるものと逆の発熱プロファイルが触媒コア内に生じる（ステップ５６０）。
次に、高温の過剰の空気極空気と、電気化学反応及び正規化の副生物とが、排出され、流入する空気極空気を加熱するために用いられる（ステップ５８０）。触媒燃焼によって生じる逆の発熱プロファイルは、燃料電池スタックの長さに沿った温度プロファイルを正規化することになる。この効果の微調整は、触媒床の粒径を変化させることにより、流れ方向における触媒床の段階的充填によって達成することができる。いくつかの実施形態では、触媒床は、触媒ビーズからなる。その触媒ビーズからなる床は、触媒燃焼器の遠位端では触媒係数が高く、また近位端では触媒係数が低くなるように変化する触媒プロファイルを有する。
燃料電池スタックアセンブリ内にある触媒燃焼器での燃焼燃料の伝熱によって、加熱された空気極空気からの対流伝熱のみを利用するシステムよりも始動時間を短縮することができる。当該システムでは、流入する空気極空気は、燃料電池の実際の電気化学面までの経路において当該空気極空気が遭遇する全ての物質に熱を渡す。これは、スタック全体の物質並びに空気極空気を加熱するために使用される熱交換器を含む。一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器は、燃料電池スタックアセンブリへの放熱伝熱を促進するように、ほぼ均一な形状係数を有する。この伝熱によって、燃料電池システムが作動温度に達し発電し始めるのに必要な始動時間が短縮される。これは、内部が高温で、外部が高温になるずっと前に光を発生する白熱電球の動作と類似している。さらに、放射伝熱は、温度の４次のべき関数であり、触媒コアの温度が９００℃以上になるため、触媒燃焼器外板（ステンレス鋼とし得る）が酸化してその放射率が高まる際に、触媒燃焼器外板から燃料電池スタックへの熱流束は大きくなり改善され得る。さらに、排出物は、空気極空気流入マニホルドに熱を渡し、それによって空気極空気は予熱され、効率がさらに向上する。
図６は、一体型の燃料電池スタック及び触媒燃焼器アセンブリ（６００）を構成するためにグループ化された、複数の一体型の燃料電池スタック及び触媒燃焼器装置（１００）を示している。アセンブリ（６００）は、下側マニホルドアセンブリ（６１０）、過剰空気戻し空気極タワー（６２０）、及び上側マニホルドアセンブリ（６３０）を備える。触媒点火器アセンブリ（６４０）は、上側マニホルドアセンブリ（６３０）に接続されている。触媒点火器アセンブリ（６４０）は、触媒点火器ポスト（６５０）と個々の点火器ワイヤ（３２０、図３）を上側マニホルドアセンブリ（６３０）に接続する。さらに、電気インターコネクタ（６６０）は、一体型の燃料電池スタック及び触媒燃焼器装置（１００）の各々を、正極スタック接続ポスト（６７０）に接続する。燃料電池アセンブリ（２００、図２）内部に触媒燃焼器（３００、図４）があることで、燃料で充填される総体積、並びにセラミック燃料電池スタックアセンブリの損壊が起きた際に起こる爆発の可能性が低減される。
図６に示す設計では、負極電気接続用のフレーム（７００、図７）を用いて、必要な電気開口部の数を少なくし、抵抗ロスを小さくしている。一体型の燃料電池スタック及び触媒燃焼器アセンブリ（６００）の電気接続は、熱応力のない接続設計を利用するスタック接続ポスト（６７０）によって達成される。一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器（１００）の正電力は、空気極空気プロファイリング外板（１１０、図１）及び正極スタック接続ポスト（６７０）に、導体を抵抗接続することによって達成される。負極接続は、触媒点火器ワイヤ（３３０、図３）を、下側マニホルドアセンブリ（６１０）に接続することによって達成される。当該ワイヤ（３３０、図３）はまた、触媒燃焼器（３００）の触媒コア外板（３１０）内に配置された触媒床（図示せず）の排出物スクリーン（３５０、図３）にも接続される。この触媒コア外板（３１０）は、負電位である。最終的には、アセンブリ全体（６００）が、接地電位となる。全ての一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器（１００）は、各燃料電池アセンブリ（２００）の燃料電池スタック（２１０）と同様に並列である。これは、アセンブリ（６００）の電圧出力が、燃料電池スタックアセンブリ（２００、図２）両側の個別の外板（２２０、図２）の直列接続によって確立されることを意味する。用いられる燃料電池スタックアセンブリ（２００、図２）の数とその寸法によって、スタックの電力出力が決定される。図示する実施形態は、１４０ボルトにて約１ＫＷを出力するような、管側面当たりの電池数並びに管状燃料電池アセンブリ数を有するように構成されている。
過剰空気極空気ルータ（１２０、図１）は、過剰空気極空気を送るばかりでなく、絶縁体の役割も果たす。従って、過剰空気極空気ルータ（１２０）は、空気極空気プロファイリング外板（１１０）の正電位を、触媒コア及びスタックフレーム全体の他の部分の接地電位と絶縁する。さらに、過剰空気極空気ルータ（１２０）は、空気極空気プロファイリング外板（１１０）及び燃料極排出経路シールとフレームアレスタとのスリップフィットによって、燃料電池スタックアセンブリ（２００）に横方向の支持をもたらす。さらに、過剰空気極空気ルータ（１２０）は、圧力損失を起こすその幾何学形状によって、後述するように過剰空気の排出を可能とすると共に、触媒燃焼器（３００）内の完全な触媒燃焼を保証するように、空気極空気を分割する。この構成は、全ての過剰空気が触媒燃焼器床内を強制的に移動させられる場合に被る圧力損失を小さくする働きがある。さらに、過剰空気極空気ルータ（１２０）は、触媒コア点火器ワイヤがフレーム（７００、図７）と短絡するのを防ぐ働きがある。
図７は、過剰空気戻し空気極タワー（６２０）が下側マニホルドアセンブリ（６１０）及び上側マニホルドアセンブリ（６３０）に接続されているフレーム（７００）を示す。このように、フレーム（７００）は、概して、上側部材（６３０）、下側部材（６１０）、及び前記上側部材と下側部材を接続する横断部材（６２０）を有する。上側燃料マニホルドアセンブリ（６３０）は、上側支持板（７１０）を備える。ロケータアセンブリ（７２０）は、上側支持板（７１０）に結合している。また、ロケータアセンブリ（７２０）は、過剰空気極空気ルータ（１２０）の個々のロケータ（７３０）を含む。ロケータアセンブリ（７２０）は、過剰の空気極空気を過剰空気戻し空気極タワー（６２０）へと送る。過剰の空気極空気は、一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器から、過剰空気極空気ルータ（１２０）及びロケータアセンブリ（７２０）を経由して、過剰空気戻し空気極タワー（６２０）に流れる際は蓋（９１０、図９）によって収容されており、それによって、過剰の空気極空気の一部を除去することができる。
図８Ａ〜図８Ｂは、下側マニホルドアセンブリ（６１０）を示す。下側マニホルドアセンブリ（６１０）は、基材（８００）と、燃料プレナム板（８１０）と、燃料プレナム板（８１０）の下にある境界板（８２０）と、境界板（８２０）の下にある排出プレナム板（８３０）と、排出プレナム板（８３０）からの排出接続部（８４０）と、基材（８００）の下面を通る空気極空気入口（８５０）とを備える。酸化剤は、燃料プレナム板（８１０）によって燃料とは分離されている。さらに、燃料は、境界板（８２０）によって排出物とは分離されている。したがって、一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器（図６の１００）の各々に燃料が送られるとき、燃料は、燃料プレナム板（８１０）と境界板（８２０）の間に収容される。さらに、排出物が排出接続部（８４０）に送られるとき、排出物は、排出プレナム板（８３０）と境界板（８２０）によって収容される。
図示したように、燃料プレナム板（８１０）の上に空気極空気プロファイリングが生じる。空気極空気は、空気極空気入口（８５０）により導入され、流入する燃料とは別個に、燃料プレナム板（８１０）と境界板（８２０）によって収容される。したがって、空気極空気は、アセンブリ（６００、図６）内の一体型の燃料電池スタック及び触媒燃焼器（１００、図６）のそれぞれの周囲に分散し、次いで空気極空気は、空気極空気プロファイリング外板（１１０、図１）によってそれぞれの空気極へと送られる。
流入する燃料は、燃料プレナム板（８１０）の下に収容される。各燃料電池スタックアセンブリ（２００、図２）は、燃料プレナム板（８１０）内に画定された燃料供給接続穴（８６０）内に延在し、且つシールアセンブリ（１４０、図１）によってそれらに接続されている。シールアセンブリは（１４０）は、燃料プレナム板（８１０）及び燃料電池スタックアセンブリ（２００）に溶接又は接続される。また、シールアセンブリ（１４０）は、平らなセラミック管の電気化学的／電気的不活性部分に接続しているため、管状アセンブリの正電位から絶縁されている。これにより、燃料プレナム板（８１０）とシールアセンブリ（１４０、図１）との間のシールが可能になる。アセンブリは、スタックを短絡させることなく頑強さを得るために、レーザ溶接又は電子ビーム溶接することができる。
図８Ｂは、排出プレナム板（８３０）を示す。図８Ｂをみると、排出プレナム板（８３０）は、図８Ａ記載のアセンブリから取り外されており、境界板（８２０）だけが示されている。排出プレナム板（８３０）は、下側マニホルドアセンブリ（６１０、図８Ａ）内の境界板（８２０）に結合されており、その下に配置されている。排出プレナム板（８３０）は、流入する燃料が、流出する排出物と混ざるのを防止する。
燃料入口（８７０）は、排出プレナム板（８３０）及び境界板（８２０）内に延在し、両方に接続される。したがって、触媒燃焼器（３００、図３Ａ）の外板（３１０、図３Ａ）は、燃料プレナム板（８１０）内に延在し、境界板（８２０）とスリップフィットすることができる。過剰空気極空気ルータ（１２０、図１）への空気極空気プロファイリング外板及び燃料極排出経路シール／フレームアレスタのスリップフィットと共に、このスリップフィットによって、一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器（１００）が、アセンブリ内に応力を生じさせることなく熱的に膨脹収縮することが可能とする。外板（３１０）と境界板（８２０）との間の排出物の僅かな漏れは、燃料極（４１０、図４）表面における内部改質の促進並びに炭素の望ましくない析出の抑制に少なくとも部分的に起因して、一体型の燃料電池スタック及び触媒燃焼器アセンブリ（６００、図６）の性能に有益となり得る排出ガス循環に帰着する。空気極空気プロファイリング外板（１１０、図１）と過剰空気極空気ルータ及び絶縁体（１２０、図１）との間の遠位端（１３０、図１）における僅かな漏れは、熱負荷問題に起因して過剰の空気パーセントは高いことが要求されるため、空気極空気損失としては微々たるものである。
排出接続部（８４０）は、排出プレナム板（８３０）と流体連通している。したがって、排出物は、外部排出口（図示せず）に導かれるときは、境界板（８２０）と排出プレナム板（８３０）との間に収容される。
図９は、ハウジング（９００）により包囲された、一体型の燃料電池スタック及び触媒燃焼器アセンブリ（６００）を示している。ハウジング（９００）は、爆発する可能性のある燃料及び／又は燃料と空気の混合物が空気中に放出されるのを防止すると共に、空気極空気プロファイリング外板（１１０、図１）による空気極空気のプロファイリングを容易にする。前述のように、蓋（９１０）は、過剰の空気極空気が、一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器（１００、図６）から、過剰空気極空気ルータ（１２０）及びロケータアセンブリ（７２０）を介して過剰空気戻し空気極タワー（６２０）に流れる際に過剰の空気極空気を収容し、それによって過剰の空気極空気の一部を除去することができる。
製造
一体型の燃料電池スタック及び触媒燃焼器アセンブリ（６００、図６）の構成要素は、型打ち、圧延、打ち抜き、及び他の従来の機械加工のような周知の方法を利用して構成することができる。さらに、構成要素は、必要に応じて、フェライト系ステンレス鋼、セラミックス、及び／又は粉末金属から作製することができる。
製造
一体型の燃料電池スタック及び触媒燃焼器アセンブリ（６００、図６）の構成要素は、型打ち、圧延、打ち抜き、及び他の従来の機械加工のような周知の方法を利用して構成することができる。さらに、構成要素は、必要に応じて、フェライト系ステンレス鋼、セラミックス、及び／又は粉末金属から作製することができる。
燃料極及び空気極は、スクリーン印刷、スピン塗布、コロイド噴霧付着、ドクターブレード法、又は当業者に既知の他の方法をはじめとする任意の適切な方法によって形成することができる。電解質は、スパッタ蒸着などの任意の適切な方法によって形成することができる。
空気極には、酸素又は空気を酸素イオンに変換することのできる任意の空気極を用いることができ、限定はしないが、ランタンマンガナイト（ＬａＭｎＯ３）などの混合導電性ペロブスカイトとし得る。燃料極は、水素やメタンなどの燃料が収容され酸素イオンと反応する際に、外部回路に電子を放出し得る任意の燃料極とし得る。燃料極を形成するために用いられる材料としては、限定はしないが、導電性ニッケル／イットリア安定化ジルコニアサーメットなどのセラミック／金属複合物を挙げることができる。電解質は、限定はしないが、イットリア安定化ジルコニアなどのジルコニアを主成分とする電解質、ガドリニウムドープドセリア、Ｂａ２Ｉｎ２Ｏ、又は（ストロンチウム、マグネシウム）ドープドＬａＧａＯ３（ＬＳＧＭ）をはじめとする任意の酸素イオン透過性電解質とし得る。
代替実施形態
図１０に示すように、流れ最適化のために、さらなる圧力バランスを促進するように、空気極空気プロファイリング外板（１１０）の上に、第２又は中間のプロファイリング外板（１０００）を追加することができる。第２の外板を使用すれば、外板と外板の間隔、並びに各外板内の入口穴と出口穴との間の流れの長さによって、空気極空気入口位置の圧力バランスを達成することができる。
代替実施形態
図１０に示すように、流れ最適化のために、さらなる圧力バランスを促進するように、空気極空気プロファイリング外板（１１０）の上に、第２又は中間のプロファイリング外板（１０００）を追加することができる。第２の外板を使用すれば、外板と外板の間隔、並びに各外板内の入口穴と出口穴との間の流れの長さによって、空気極空気入口位置の圧力バランスを達成することができる。
さらに、当業者であれば、燃料電池スタック（２１０、図２）上に、多数の個別の燃料電池（２２０、図２）を配置することができ、また多数の一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器（１００、図１）をグループ化して、一体型の燃料電池スタック及び触媒燃焼器アセンブリ（６００、図６）を構成し得ることは理解されよう。
以上の説明は、単に本発明の方法及び装置を例示し説明するために提示した。この説明は、網羅的なものではなく、また説明した厳密な形態に本開示を限定するものでもない。以上の教示に鑑みて、多くの変更及び改良が可能である。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義されるものとする。
Claims (10)
- 一体型の燃料電池スタック及び触媒燃焼器装置（１００）であって、
キャビティ（４００）が間に画定された複数の燃料電池スタック（２１０）を有する燃料電池スタックアセンブリ（２００）であって、前記燃料電池スタック（２１０）の各々が、複数の個別の燃料電池（２２０）を含む、燃料電池スタックアセンブリ（２００）と、
前記キャビティ（４００）内に少なくとも部分的に配置された触媒燃焼器（３００）であって、触媒床及び触媒点火器（３４０）を有する触媒燃焼器（３００）と、
を含んで成る、装置。 - 前記燃料電池スタック（２１０）の周囲に配置された、複数の穴（１６０）を有する空気極空気プロファイリング外板（１６０）をさらに含む、請求項１に記載の装置。
- 一体型の燃料電池スタック及び触媒燃焼器アセンブリ（６００）であって、
フレーム（７００）と、
前記フレーム（７００）に接続されており、キャビティ（４００）が間に画定された対向する燃料電池スタック（２１０）を有する燃料電池スタックアセンブリ（２００）を含んで成る、少なくとも１つの一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器であって、前記燃料電池スタック（２１０）の各々が、燃料極、空気極及び電解質をそれぞれ有する複数の個別の燃料電池（２２０）を含む、少なくとも１つの一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器と、
前記キャビティ（４００）内に少なくとも部分的に配置された触媒燃焼器（３００）であって、前記触媒燃焼器（３００）と前記燃料電池スタック（２１０）との間の空間内に燃料チャネルが画定されており、且つ触媒床及び触媒点火器（３４０）を含む、触媒燃焼器（３００）と、
前記燃料電池スタックアセンブリの近位端に接続されている過剰空気極空気ルータ（１２０）と、
を含んで成る、アセンブリ。 - 前記フレーム（７００）に接続された、複数の一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器（１００）をさらに含む、請求項３に記載のアセンブリ。
- 点火器ワイヤアセンブリ（６４０）をさらに含み、前記点火器ワイヤアセンブリ（６４０）、前記過剰空気極空気ルータ（１２０）、前記一体化された燃料電池スタック及び触媒燃焼器（１００）の不活性セラミック部分、前記触媒コア（３００）、及び空気極空気プロファイリング外板（１６０）が、燃料電池（２２０）からの電気経路をもたらすと共に、さらに前記空気極空気プロファイリング外板（１６０）が、電気化学的に活性な面を包囲することができる、請求項４に記載のアセンブリ。
- 前記フレーム（７００）が、電気経路を完結させるアースとして機能する、請求項５に記載のアセンブリ。
- 前記触媒床が、前記触媒燃焼器（３００）の遠位端では触媒係数が高く、近位端では触媒係数が低くなるように変化する触媒プロファイルを有する、請求項３に記載のアセンブリ。
- 電気を生成する方法であって、
燃料電池スタックを横切る酸化剤及び燃料を電気化学的に反応させることによって、前記燃料電池スタック（２１０）に沿った温度プロファイルを確立すること、及び
前記反応の残りの反応物を触媒作用により燃焼させて前記温度プロファイルを正規化すること、
を包含する、方法。 - 前記燃料電池スタック（２１０）間に少なくとも部分的に配置された触媒燃焼器（３００）によって前記触媒燃焼を実行することをさらに含む、請求項８に記載の方法。
- 前記触媒燃焼器（３００）の長さに沿って、前記触媒燃焼の割合を変化させることをさらに含む、請求項８に記載の方法。
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