JP2016526773A - 可撓性燃料ロッド支持構造を備える固体酸化物形燃料電池 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、参照によりその内容が全体として本明細書に組み入れられている、2013年7月29日出願の、米国特許仮出願第61/859,587号の利益および優先権を主張するものである。
本特許文書の開示の一部分は、著作権保護を受ける素材を包含する可能性がある。著作権者は、それが特許庁(Patent and Trademark Office)特許ファイルまたは記録に現れるときには、特許文書または特許開示の、誰かによるファクシミリ複製に異議はないが、そうでない場合には、何であれすべての著作権を保持する。以下の注記は、本文書に適用される:著作権(C)2013 Protonex Tehcnology Corporation。
1.1 発明の分野
本明細書における例示的な、例証としての技術は、固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)システム、方法、および製造方法に関する。特に、この例示的な、例証としての技術は、固体酸化物形燃料電池を製造すること、および使用することに関する。
燃料電池は、電気化学プロセスによって電力を発生させるのに使用される。電力を発生させる構成要素は、一般に「セル」と呼ばれる。個々の電池の電圧が比較的に低いので、所望の動作電圧を有する装置に電力を供給するために、複数のセルを、並列または直列に、接続することがしばしば必要である。そのような電池のアレイは、一般に、「スタック」または「バンドル」と呼ばれる。
1.3 概要
本発明の一態様において、SOFCスタックは、ロッド端をその中に受け入れるための複数の貫通穴がそれを貫通して形成された、少なくとも1つのエンドプレートを含む。様々な態様において、各貫通穴は、ロッド端をその中に受け入れるための環状撓み部を含むように形成される。環状撓み部は、ロッド端と係合して、ロッド端をエンドプレートに機械的に固定するとともに、気密/液密シールを用いてロッド端と係合するのに適した機械的な界面をもたらす。各ロッドの第2の端は、好ましくは、各ロッド端の第2の端をその中に受け入れるための、それを貫通する複数の貫通穴が形成された、第2のエンドプレートと界面接続されている。第2のエンドプレートの各貫通穴は、第2のロッド端をその中に受け入れるための環状撓み部を含むように形成される。第2のロッド端は、好ましくは、それと界面接続されている環状撓み部に対して縦方向に移動可能であり、熱膨張によるロッド長さの伸びを許容する。
複数の燃料電池ロッドの第2の端を、第2のエンドプレートを貫通して形成された貫通穴中に組み付けることを含み、各貫通穴は、環状撓み部として構成されるとともに、第2のロッド端が環状撓み部中に挿入されるときに、環状撓み部は、気密/液密シールをもたらすように、第2のロッド端と機械的に係合する。
以下の項目番号を、特に断らない限り、全体を通して使用する。
次に図3A〜4を参照すると、本発明の第1の非限定の例示態様は、それを通してSOFCロッド端(251)を受け入れるように位置決めされた複数の貫通穴(215)をそれぞれ含む、一対の対向するディスク形エンドプレート(210)を含む、SOFCスタック(200)を備え、各貫通穴は、以下に述べる環状撓み部と関連付けられている。各エンドプレートは、酸化およびその他の熱触媒化学反応を起こし難いが、環状撓み部として作用するか、または環状撓み部を支持するのに適した弾性変形特性および剛性特性も有し、またSOFC動作温度において低い熱クリープももたらす材料を含む、ディスク形基部壁(211)を備える。好ましくは、エンドプレートは、クロムを含有しない高温合金を含み、クロムがないことによって、カソードの被毒の可能性が無くなる。本例示態様においては、モネル(Monel)400などのニッケル銅合金が特に好ましく、それは、一例においては、63%以上のニッケル、28〜34%の銅、2.5%以下の鉄、および2%以下のマンガンを含み、13.9ミクロン毎メートル毎ケルビン(microns per meter per Kelvin)の線熱膨張係数を有する。
Claims (17)
- 燃料ロッド組立体を含む、固体酸化物燃料電池であって、前記燃料ロッド組立体は、
それを通って延びる中空の縦方向ロッド導管を囲む外壁を含む、燃料ロッドであって、前記ロッド導管は気体入力端と気体出力端とを有する、前記燃料ロッドと、
前記気体入力端において前記外壁に取り付けられた第1のエンドキャップであって、前記外壁をその中に受け入れるためのカップ形キャップと、そこから延びる第1の円筒形チューブスタブとを含み、前記第1のエンドキャップは、そこを通って延びる中空の縦方向スタブ導管を含み、該スタブ導管および前記ロッド導管は、前記入力端において連通している、前記第1のエンドキャップと、
前記第1の円筒形チューブスタブを、そこを通して受け入れるように位置決めされた第1の基部壁貫通穴が形成された、第1のエンドプレート基部壁と、
前記第1の基部壁貫通穴と関連付けられた第1の環状撓み要素であって、前記第1の円筒形チューブスタブの外部直径と機械的に係合するための環状撓み部貫通穴を含む、前記第1の環状撓み要素と
を含む、前記固体酸化物燃料電池。 - 気体出力端において外壁に取り付けられた第2のエンドキャップであって、前記外壁をその中に受け入れるためのカップ形キャップと、そこから延びる第2の円筒形チューブスタブとを含み、前記第2のエンドキャップは、そこを通って延びる中空の縦方向スタブ導管を含み、該スタブ導管およびロッド導管は、出力端において連通している、前記第2のエンドキャップと、
前記第2の円筒形チューブスタブを、それを通して受け入れるように、第1の基部壁貫通穴に対向して位置決めされた第2の基部壁貫通穴が形成された、第2のエンドプレート基部壁と、
前記第2の基部壁貫通穴と関連付けられた第2の環状撓み要素であって、前記第2の円筒形チューブスタブの外部直径と機械的に係合するための環状撓み部貫通穴を含む、前記第2の環状撓み要素と
をさらに含む、請求項1に記載の固体酸化物燃料電池。 - 第1のチューブスタブが、外壁と、第1の環状撓み要素の環状撓み部貫通穴との間に配置された、電気絶縁部分を含む、請求項1に記載の個体酸化物燃料電池。
- 縦方向貫通ボアを包囲する電気的絶縁材料で形成される環状外壁を含む、第1の電気絶縁体をさらに含み、
前記環状外壁の外部直径が、第1の環状撓み要素の環状撓み部貫通穴と機械的に係合するとともに、縦方向貫通ボアの内部直径が、第1の円筒形チューブスタブの外部直径と機械的に係合している、請求項1に記載の個体酸化物燃料電池。 - カップ形キャップと外壁との間、縦方向貫通ボアと環状外壁の外部直径との間、および前記環状外壁の外部直径と第1の環状撓み要素の環状撓み部貫通穴との間のそれぞれで、機械的係合が、500から1000℃の範囲における動作温度にわたって実質的に液密/気密シールを維持するように好適に構成された、締り嵌めおよびハンダ接合の一方を含む、請求項4に記載の個体酸化物燃料電池。
- 第2のチューブスタブが、外壁と第2の環状撓み要素の環状撓み部貫通穴との間に配置された、電気絶縁部分を含む、請求項2に記載の個体酸化物燃料電池。
- 縦方向貫通ボアを包囲する電気絶縁材料で形成される環状外壁を含む第2の電気絶縁体をさらに含み、ここで、前記環状外壁の外部直径が、第2の環状撓み要素の環状撓み部貫通穴と機械的に係合し、縦方向貫通ボアの内部直径が、第2の円筒形チューブスタブの外部直径と機械的に係合する、請求項2に記載の個体酸化物燃料電池。
- 電気絶縁体環状外壁と第2の環状撓み要素の環状撓み部貫通穴との間の機械的係合が、500から1000℃の範囲における動作温度にわたる、前記第2の環状撓み要素の前記環状撓み部貫通穴に対する、電気絶縁体の縦方向移動を許容する、隙間嵌めである、請求項7に記載の個体酸化物燃料電池。
- 前記燃料ロッドは複数の燃料ロッドを含み、前記複数の燃料ロッドのそれぞれは第1の環状撓み部貫通穴を通して第1のエンドプレート基部壁と機械的に係合されており、また前記複数の燃料ロッドのそれぞれは第2の環状撓み部貫通穴を通して第2のエンドプレート基部壁と機械的に係合されている、請求項1から8のいずれか一項に記載の個体酸化物燃料電池。
- 第1および第2の環状撓み部それぞれが可撓性部分を含み、該可撓性部分は、前記第1および第2のエンドプレート基部壁の一方の移動によって、ロッドに付与されるいかなる曲げ力および捩り力にも応じて可撓性部分が弾性変形するように、前記第1および第2のエンドプレート基部壁のそれぞれの機械的剛性と比較して、および複数の燃料ロッドのそれぞれ、および関連するカップ形キャップおよび端スタブの機械的剛性と比較して、低い機械的剛性を有する、請求項9に記載の個体酸化物燃料電池。
- 各第1の撓み要素が、基部壁貫通穴を包囲する、第1のエンドプレート基部壁の環状領域を含み、ここで、該環状領域は、前記第1のエンドプレート基部壁のその他の領域と比較して、低減された材料厚さで形成されており、および、ここで、各第2の撓み要素が、基部壁貫通穴を包囲する、第2のエンドプレート基部壁の環状領域を含み、ここで、該環状領域は、前記第2のエンドプレート基部壁のその他の領域と比較して、低減された材料厚さで形成されている、請求項10に記載の個体酸化物燃料電池。
- 第1の基部壁貫通穴と第1の環状撓み部貫通穴とが同じ貫通穴となるように、第1の環状撓み要素が、第1のエンドプレート基部壁と一体的に形成されている、請求項1に記載の個体酸化物燃料電池。
- 第2の基部壁貫通穴と第2の環状撓み部貫通穴とが同じ貫通穴となるように、第2の環状撓み要素が、第2のエンドプレート基部壁と一体的に形成されている、請求項11に記載の個体酸化物燃料電池。
- 第1の環状撓み部が、第1のエンドプレート基部壁貫通穴中に設置される、撓みインサートによって形成されている、請求項1に記載の個体酸化物燃料電池。
- 第2の環状撓み部が、第2のエンドプレート基部壁貫通穴に設置される、撓みインサートによって形成されている、請求項1に記載の個体酸化物燃料電池。
- 複数の燃料ロッドのぞれぞれの気体入力端における第1のエンドプレート基部壁と、前記複数の燃料ロッドのそれぞれの気体出力端における第2のエンドプレート基部壁との間に、前記複数の燃料ロッドを支持することであって、ここで、各燃料ロッドは、中空の縦方向ロッド導管を囲む外壁を含み、ここで、前記ロッド導管は気体入力端と気体出力端とを有すること、
前記気体入力端において各燃料ロッドの外壁に取り付けられた第1のエンドキャップを設けることであって、ここで、各第1のエンドキャップは、前記ロッド導管と流体連通する縦方向気体導管を含むこと、
前記気体出力端において各燃料ロッドの外壁に取り付けられた第2のエンドキャップを設けることであって、ここで、各第2のエンドキャップは、前記ロッド導管と流体連通する縦方向気体導管を含むこと、
第1の係合方法で、第1の環状撓み要素を通して、各第1のエンドキャップを第1のエンドプレート基部壁と係合させることであって、ここで、前記第1の係合方法は、500℃から1000℃の動作温度範囲にわたって燃料ロッドと第1の基部プレートとの間に実質的に液密/気密シールを形成すること、
第2の係合方法で、第2の環状撓み要素を通して各第2のエンドキャップを第2のエンドプレート基部壁と係合させることであって、ここで、前記第2の係合方法は、500℃から1000℃の動作温度範囲にわたって第2の基部プレートに対して前記第2のエンドキャップの縦方向移動を許容すること、
を含む、方法。 - 各第1のエンドキャップを第1のエンドプレート基部壁から電気的に隔離するとともに、各第2のエンドキャップを第2のエンドプレート基部壁から電気的に隔離するステップをさらに含む、請求項16に記載の方法。
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