JP2018526797A - 燃料電池システム及び方法 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つの燃料電池と、少なくとも１つの燃料電池のカソードに酸化剤を供給するダクトとを含む燃料電池システム及び方法が開示される。ダクトは、酸化剤から揮発性種を抽出するように適合された少なくとも１つの吸着剤ゲッターを含み、吸着剤ゲッターは、酸化マグネシウム、酸化カルシウム及び酸化マンガンからなる群の少なくとも１つの部材を含み、吸着剤ゲッターは、酸化剤ストリームから揮発性種を抽出する利点を提供する。
【選択図】なし

Description

燃料電池システム及び方法が開示され、より詳しくは、前記燃料電池システム及び方法は、固体酸化物（型）燃料電池（ＳＯＦＣ）システム及び方法である。

燃料電池は、アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間にイオン電荷を流すことができる電解質とから構成されてなり、一方、電子は外部電気パス（経路）を取ることにより、電気供給を付与する。燃料電池は、例えば、固体酸化物（ＳＯＦＣｓ）、アルカリ（ＡＦＣｓ）、リン酸（ＰＡＦＣｓ）、プロトン交換膜（ＰＥＭＦＣｓ）及び溶融カーボネート（ＭＣＦＣｓ）等に使用される電解質の種類によって、又は、これらの動作温度によって、一般的に、種類分けされるものである。例えば、ＳＯＦＣｓは、約７００℃〜１０００℃の動作温度を有する。

燃料電池は、燃料、即ち、当該反応物からの化学エネルギーを酸素又は他の酸化剤、即ち、酸化剤との化学反応を介して電気に転化（変換）する。水素は最も一般的な燃料であるが、しかし、天然ガス等の炭化水素、及びメタノール等のアルコールもまた使用されてもよい。一定の反応物ストリーム（流）及び一定の酸化剤ストリーム（流）が前記燃料電池に供給され、前記化学反応及び前記電気発生を持続する。前記燃料電池は、これら材料（ストリーム）が供給される限り、連続的に電気を生成することができる。

しかしながら、燃料電池に関する従前の課題は、カソード被毒を克服することである。揮発性種が前記カソードと反応するか、又は凝縮する際に、カソード被毒が生じ、前記電気化学的部位で凝縮することにより、前記カソード性能の悪化を生じさせ、かつ、時間の経過とともに前記燃料電池の全体的な電力を低下させることとなる。クロムはカソード被毒を引き起こす種として確認されている。燃料電池におけるカソード被毒の量を減少させるための１つのアプローチは、それらの発生源でそれらを除去することにより、前記燃料電池システム内のクロム（Ｃｒ）種の量を低減させることである。前記クロム源は、幾つかのシステムにおいて、前記金属成分及び金属相互連結（接続、連関）として、特定されている。Ｃｒを低減する１つの方法は、前記燃料電池システム内の前記金属成分及び金属相互連結（連関；結合）の露出した表面にアルミニウム被覆を施すことによるものであり、Ｃｒを低減（還元）する別の方法は、クロミア表面層ではなくアルミナ表面層を形成することによる金属成分を使用するものである。

ＵＳ２００５／０１４２３９８は、前記カソード供給ガスを低い湿分レベルまで連続的に乾燥させることによって、クロム揮発によるカソード被毒の前記影響を低減する方法を開示している。前記カソードガス乾燥に伴うエネルギーペナルティ（報い）を最小にする発電構成もまた開示されている。

J.Andreas Schuler等、Electrochemical Solid-State Letters １４［１２］Ｂ１３２−１３４（２０１１）は、（Ｌａ、Ｓｒ）ＣｏＯ₃被覆セラミック発泡体に基づいて、エアフィルタを用いたＣｒ低減（還元）を開示している。Ｃｒ種を捕捉するためにフィルターを使用する場合、汚染源の特定が重要であり、並びに、試験される特定のシステムの供給源はＳＯＦＣの上流に特定（配置）されている。前記Ｃｒフィルターは、前記フィルターの設置後に前記カソードを汚染するＣｒの量を７倍減少させるように構成されたものである。

ＷＯ２０１１／１０１１６２は、固体酸化物燃料電池用のガスストリームの浄化のための方法及びシステムを開示している。電解及び燃料電池モードの両方で動作する固体酸化物電池用のインレットガスストリーム（入口ガス流）は、前記固体酸化物電池の前記第１電極の入口側でガスストチーム中にスクラバ（洗浄機）を設けることによって精製される。前記スクラバは、電解質及び電極材料として使用するのに適した材料の選択肢から形成される。

ＷＯ２０１４／０３１６２２Ａ１は、複数の燃料電池を包含した燃料電池スタックと、前記複数の燃料電池に酸化ガスを配送（配給）するように構成された導入酸化ガスフローパス（流路）と、前記導入酸化ガスフローパスに配置されたクロムゲッター物質（材）とを備えてなる、燃料電池アッセンブリを開示する。前記燃料電池は、電解質と、前記電解質の第１側の上のカソード電極と、前記電解質の第２側の上のアノード電極と、前記カソード電極上のクロムゲッター物質とを含んでなり、Ｃｒを減少させる。

第１の態様によれば、固体酸化物燃料電池システムが提供されてなり、前記固体酸化物燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池と、前記少なくとも１つの燃料電池の前記カソードに酸化剤を供給するダクトとを備えてなり、ここで、前記ダクトは、前記酸化剤から揮発性種を抽出するように適合された少なくとも１つの吸着剤ゲッターを備えてなり、前記吸着剤ゲッターは、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、及び酸化マンガンからなる群の少なくとも１つの物質（成分）を備えてなる。

酸化マグネシウム、酸化カルシウム、及び酸化マンガンからなる群から少なくとも１つの物質（成分）を備えてなる前記吸着剤ゲッターの利点は、これらが揮発性クロム（Ｃｒ）系種と反応することにより、エアーストリーム（空気流）から揮発性クロム及びシリカ種を抽出するのに特に良好であることである。

必要に応じて、前記吸着剤ゲッターは多孔質である。一例では、前記多孔質吸着剤ゲッターの孔径は、約０．１μｍ〜約１００μｍの範囲である。好ましくは、前記多孔質吸収性ゲッターの孔径は、約１μｍ〜約１０μｍの範囲である。

前記多孔質吸着剤ゲッターの利点は、それが非多孔質吸着剤ゲッターに対して著しく向上させた接触表面積を有することである。

更なる態様によれば、固体酸化物燃料電池システムが提供されてなり、前記固体酸化物燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池と、前記少なくとも１つの燃料電池の前記カソードに酸化剤を供給するダクトとを備えてなり、
前記ダクトが、前記酸化剤から揮発性種を抽出するのに適合された少なくとも１つの吸着剤ゲッターを備えてなり、
前記吸着剤ゲッターが、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化マンガン、及びマグネシア マグネシウム アルミネート（ＭＭＡ）ＭｇＯ＋ＭｇＡｌ₂Ｏ₄系物質からなる群の少なくとも１つのもの（物質；成分）を備えてなり、
前記少なくとも１つの吸着剤ゲッターが多孔質であり、及び
前記多孔質吸着剤ゲッターの孔径が約０．１μｍ〜約１００μｍの範囲である。

必要に応じて、前記吸着剤ゲッターは、マグネシア マグネシウム アルミネート（ＭｇＯ＋ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）系物質から形成されてなり、以下、本明細書においてはＭＭＡと記す。ＭＭＡ物質は、前記燃料電池システムの高い動作温度に耐える能力を有する為に、高温度燃料電池システムの構造成分（物質）として有用である。ＭＭＡ物質は、前記燃料電池システム内の他の構成部材（成分）におけるＣＴＥに類似した熱膨張係数（ＣＴＥ）を有するように適合されてなり、前記燃料電池システムにおける機械的及び熱的応力の蓄積を低減する。

必要に応じて、前記ＭＭＡ系物質は、過剰のマグネシアを伴ったマグネシウムアルミネートスピネルを含有する。好ましくは、前記過剰なマグネシアは、ＭＭＡ系物質の表面上に存在する。

必要に応じて、前記吸着剤ゲッターは、実質的な平面（平坦）構造として形成される。

前記実質的な平面（平坦）構造は、実質的にアパーチャ〔開口；穴；間隙〕が欠損した、実質的に均一な対向面を有してもよい。

前記実質的な平面（平坦）構造には、複数の酸化剤アパーチャが付与されてもよい。前記酸化剤アパーチャは、約０．１ｍｍ〜約６ｍｍの範囲の直径を有する。好ましくは、前記酸化剤アパーチャは、約０．３ｍｍ〜約３ｍｍの範囲の直径を有する。前記ダクトを介して移動する前記酸化剤の直接フローパス（流路）において、前記実質的な平面（平坦）構造は前記ダクト内に配置されてよく、前記酸化剤は前記吸着剤ゲッターを通じて（介して）強制的に通過させれる。

前記吸着剤ゲッターは、一対において、お互いに実質的に平行に付与されてなり、かつ、フローシリーズ(流れ直列)において配置されてよい。必要に応じて、前記吸着剤ゲッターの一対は、各吸着剤ゲッターの複数の酸化剤アパーチャが、隣接吸着剤ゲッターのアパーチャーに関して（対して）オフ−セット（相殺；弱化）されるように、配置されている。

燃料電池システムの燃料電池スタックの近傍における前記酸化剤の前記フロー（流れ）は、しばしば低いレイノルズ数（即ち、層流）である。前記酸化剤ストリームの低いレイノルズ数の流れは、前記酸化剤ストリームにおいて、付与された酸化剤のマス（質量）フローに対する前記燃料電池スタックのより大きな割合に達する結果となる。しかしながら、前記燃料電池システムのチャネル及びダクト内における前記低レイノルズ数方式は、前記酸化剤ストリームと前記吸着剤ゲッターの表面との間における良好な物質移動を達成する上で、チャレンジ（課題）をもたらす。

前記オフ−セット（相殺；弱化）された前記酸化剤アパーチャは、前記酸化剤ストリームの前記フローにおいて、容認できないほど過度の圧力降下を導入することなく、前記チャレンジ（課題）を克服する手段を提供する。

前記オフ−セットされた酸化剤アパーチャの前記利点は、前記酸化剤ストリームが第１吸着剤ゲッターに衝突（接触）して、前記第１吸着剤ゲッターの前記酸化剤アパーチャを通じて（介して）通過する場合、前記酸化剤アパーチャが前記第２吸着剤ゲッターの一連の衝突噴流（ジェット）を生成することである。次いで、前記酸化剤ストリームは、前記第２吸着剤ゲッターの前記酸化剤アパーチャを通じて（介して）逃散する。これらの衝突噴流内では、前記レイノルズ数が局所的に増加し、かつ、衝突の形態は、前記第２吸着剤ゲッター上の前記酸化剤ストリームに連関する境界層において局所的に抑制された深度を生じさせる。

さらに、前記酸化剤アパーチャを間隔空けすることにより、前記フローが第２吸着剤ゲッターの表面を流れることへ変換した際に、それは、効果的にトリップ（補足）し、かつ、仮に全てではないにしても、十分に発達した流れを形成することができないようなものであり、それは、第２吸着剤ゲッターにおいて前記酸化剤アパーチャを通じて（介して）流れる前に、第２吸着剤ゲッターの前記表面上を流れる。

好ましくは、前記酸化剤アパーチャを間隔空けすることが選択され、それにより、前記第２吸着剤ゲッターの第２表面上への衝突点から前記第２吸着剤ゲッターにおける前記酸化剤アパーチャへの前記第２吸着剤ゲッターの前記表面上を亘って前記フローとなり、前記フローは、完全な境界層又は境界層を殆ど形成しない。

必要に応じて、前記吸着剤ゲッターは、内部チャネルを備えてなる。

必要に応じて、前記吸着剤ゲッターの一対が配置され、それらの間の距離が１ｍｍ〜１００ｍｍとなる。

必要に応じて、前記吸着剤ゲッターは入口ダクトに配置される。

必要に応じて、前記吸着剤ゲッターは酸化剤リサイクルループに配置される。

必要に応じて、前記吸着剤ゲッターは熱交換機内の酸化剤通路に配置される。

さらなる態様によれば、固体酸化物燃料電池システムにおける酸化剤ストリームからクロム種を抽出する方法を提案することができ、当該方法は、
酸化剤ダクトに吸着剤ゲッターを配置し、及び
前記固体酸化物燃料電池システムにおける少なくとも１つの燃料電池に、前記ダクトを通じて（介して）酸化剤を供給することを含んでなり、
前記酸化剤ダクトが少なくとも１つの燃料電池のカソードに酸化剤を供給するように配置されてなり、
前記吸着剤ゲッターが、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、及び酸化マンガンからなる群の少なくとも１つのもの（物質；成分）を備えてなる、抽出方法である。

さらなる態様によれば、固体酸化物燃料電池システムにおける酸化剤ストリームからクロム種を抽出する方法を提案することができ、当該方法は、
酸化剤ダクトに吸着剤ゲッターを配置し、及び
前記固体酸化物燃料電池システムにおける少なくとも１つの燃料電池に、前記ダクトを介して酸化剤を供給することを含んでなり、
前記酸化剤ダクトが少なくとも１つの燃料電池のカソードに酸化剤を供給するように配置されてなり、
前記吸着剤ゲッターが、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化マンガン、及びマグネシアマグネシウムアルミネート（ＭＭＡ）ＭｇＯ＋ＭｇＡｌ₂Ｏ₄系物質からなる群の少なくとも１つのもの（物質；成分）を備えてなり、
前記少なくとも１つの吸着剤ゲッターが、多孔質であり、及び、
前記多孔質吸着剤ゲッターの孔径が約０．１μｍ〜約１００μｍの範囲である、抽出方法である。

本発明の実施形態は、添付図面を参照することにより以下の通りさらに説明される。
図１は、燃料電池スタックの入口ダクト内における吸着剤ゲッターを介して酸化剤ストリームのフロー概略図を示す。 図２は、燃料電池スタックの入口ダクト内における酸化剤ストリーム中に取り付けられた平面ゲッターを示す。 図３は燃料電池スタックの入口ダクトを覆うように並んで配置された複数の平面ゲッターを示す図である。 図４は、燃料電池システムの表示を示す。 図５（ａ）は使用前の平面ゲッターを示し、図５（ｂ）は使用後の平面ゲッターを示す。 図６は、燃料電池スタックの入口ダクト内における吸着剤ゲッターを介して酸化剤ストリームのフローの別の概略図を示す。 図７は、図６の矢印Ａの方向の図を示す。

燃料電池スタックは、直列及び／又は並列に接続された複数の燃料電池である。

図１は、前記燃料電池スタックの前記入口ダクト２を通じた（介した）前記入口エアーストリーム（空気流）１０のパス（経路）を示す。前記燃料電池スタック近傍（前後）のフロー形態（体制）は、典型的には、低いレイノルズ数である。前記燃料電池スタックの前記入口ダクト２は、１つ以上の吸着剤ゲッター２０，２２を備えてなり、前記吸着剤ゲッター２０，２２は、実質的に平面（平坦）構造であり、それぞれは、それらから貫通する複数のエアーアパーチャ（空気開口部）２１，２３を有する。前記吸着剤ゲッター２０，２２は、前記入口ダクト２を横切って前記入口エアーストリーム１０のフロー方向に対して実質的に垂直に延びるように配置される。前記吸着剤ゲッター２０，２２は、前記入口ダクト２内において、フローシリーズ（直列流れ）として配置される。前記平面（平坦）構造の吸着剤ゲッター２０，２２の前記平面（平坦）は、前記入口エアーストリーム１０の前記流れ方向に対して実質的に垂直に配置されてなる。前記入口エアーストリーム１０は、前記第１吸着剤ゲッター２０と接触（衝突；ヒット）し、前記第１吸着剤ゲッター２０の前記エアーアパーチャ２１を通じて（介して）通過する。前記エアーアパーチャ２１は前記第２吸着剤ゲッター２２に接触（衝突；ヒット）した、エアージェット（空気噴射）を創出する。前記第２吸着剤ゲッター２２の前記エアーアパーチャ２３は、前記第１吸着剤ゲッター２０の前記エアーアパーチャ２１からオフセット（相殺；弱化）される。前記オフセットエアーアパーチャ２１，２３の配置は、衝突を生じさせ、前記第２吸着剤ゲッター２２上の境界層３０の形成を抑制する。前記エアーストリームの前記レイノルズ数が第２吸着剤ゲッター２２の表面に亘って局所的に増加するので、前記境界層３０の深さは、エアージェットの衝突によって減少する。仮に、前記第２吸着剤ゲッター２２におけるエアーアパーチャ２３を通過する前に、前記第２吸着剤ゲッター２２の表面に亘って流れる距離の全てではないにしても、前記エアーアパーチャ２１，２３の間隔（空け）は、前記エアーストリームが前記第２吸着剤ゲッター２２に到達する際、前記エアーストリーム１０は前記第２吸着剤ゲッター２２の表面に亘る流れを変更させて、かつ、殆ど完全に改良されたフロー中には形成されない。

前記第１吸着剤ゲッター及び前記第２吸着剤ゲッター２０，２２は、別々の平面（平坦）構造であってよい。前記エアーアパーチャ２１，２３は、別個の平面（平坦）構造内において、穿孔、例えば、レーザ穿孔又は他の適切なプロセスによって形成されてよい。或は、前記第１吸着剤ゲッター及び前記第２吸着剤ゲッター２０，２２は、平面状中空チューブの平行な側壁又はマルチチャネルチューブの平行な側壁であってよい。前記エアーアパーチャ２１，２３は、前記中空チューブ、又はマルチチャネルチューブの側壁に、穿孔（ドリル）、例えば、レーザ穿孔又は他の適切なプロセスによって形成されてよい。

前記エアーアパーチャ２１，２３のサイズ（寸法）、及び前記エアーアパーチャ２１，２３のお互いに関して前記間隔空けを選択し、エアーフロー中におけるジェット（噴射）が前記第１吸着剤ゲッター及び前記第２吸着剤ゲッター２０，２２間の短い距離に亘って実質的に散逸するようなる。前記第１吸着剤ゲッター及び前記第２吸着剤ゲッター２０，２２は、典型的には、前記燃料電池スタックに近似して配置され、前記入口ダクト２及び燃料電池システムの規模（寸法、面積、容積）を最小にする。さらに、前記第１吸着剤ゲッター及び前記第２吸着剤ゲッター２０，２２は、達成するための個別成分（要素）を要求されるか否かを問わず、エアーストリームフロー整流機能を果たすように構築されてなる。

前記入口エアーストリーム１０中に存在する揮発性酸化クロム（ＶＩ）種及びオキシ水酸化クロム（ＶＩ）種は、前記燃料電池スタック内の前記燃料電池のカソードと反応して、前記電気化学サイトにおける凝縮により前記カソード性能の低下を引き起こし、かつ、前記燃料電池及び前記燃料電池スタックの全体的な電力を経時的に低減させることが知られている。典型的には、絶縁物質（材）は、モイスチャーエアー（湿った空気）の存在下で、水酸化シリコン種及びオキシ水酸化物種の揮発性を示すことができる。前記燃料電池スタックの前記入口ダクト２内に吸着剤ゲッター２０，２２を付与（設置）することにより、エアーストリーム１０から前記クロム及び前記シリカ汚染物質種の濃度を低下させることは、エアーストリーム１０から前記クロム及び前記シリカ種種を除去し、カソード劣化を減少させることにより、前記燃料電池及び前記燃料電池スタックの寿命を延長する役割を担う。

前記吸着剤ゲッター２０，２２は、一以上の酸化マグネシウム、酸化カルシウム及び酸化マンガンを含んでよく、この特定の例において、前記吸着剤ゲッター２０，２２はＭｇＯ＋ＭｇＡｌ₂Ｏ₄（ＭＭＡ）、例えば、マグネシア及びマグネシウムアルミネートを含んでなる。前記吸着剤ゲッター２０，２２の前記個別（分離）平面構造は、グリーンＭＭＡを押し出し、次いで焼結することによって形成することができ、同様に、前記平面中空チューブ又はマルチチャネルチューブは、グリーンＭＭＡを押し出し、焼結することによって形成することができる。前記ＭＭＡチューブは、追加のマグネシア層で被覆することができる。或は、前記吸着剤ゲッター２０，２２は、マグネシア、酸化カルシウム又は酸化マンガンの層を有する金属シートであってよい。

前記ＭＭＡ系物質を使用することは、単純なＭｇＯ系セラミックよりも経済的な面で、広範な範囲の配置（幾何学）形成を可能とする。マグネシア成分を形成することが困難であることは、当業者とり周知な事項である。

従って、前記吸着剤ゲッターは二元性機能（二元機能）、即ち、前記吸着剤ゲッターは前記エアーストリーム中の揮発性種の量を減少させ、及び、前記吸着剤ゲッターは前記エアーストリームのフローを方向転換し、従って、フロー整流材として作用する。前記二元性機能は、前記燃料電池スタックを通じて（介して）流れるエアーストリーム用の全体的な圧力低下を低減させ、これにより、ブロワー供給式燃料電池を動作させるのに要求される電力が少なくなるため、動作経費を直接的に節約する結果となる。第１吸着剤ゲッター及び第２吸着剤ゲッターの使用は、前記吸着剤ゲッターを横切る著しい圧力降下を生じることなく、前記エアーストリームの物質移動を改善する。部分的にリサイクルされたフローによって冷却された燃料電池の場合、吸着剤ゲッターは、カソードリサイクルループの周りで前記圧力降下をより低くし、前記圧力降下を改善し、及び、より低い第一次エアー圧を必要とする、カソードエジェクタの使用を許容する。この統合もまた、全体の体積と質量を節約する。

図２は、前記吸着剤ゲッター２０の前記表面上に高濃度のＭｇＯを有する多孔質吸着剤ゲッター２０を示す。前記吸着剤ゲッター２０は、固体酸化物燃料電池スタックの前記エアーストリームの前記入口ダクト２内に配置されている。前記吸着剤ゲッタ２０は、セクション２０′に形成されてなり、かつ、多数のセクション２０′は、前記燃料電池システムの前記燃料電池スタックの前記吸気ダクト２の規模（寸法、面積、容積）に依存することが要求される。或いは、前記吸着剤ゲッター２０は、前記入口ダクト２の断面積の全体に亘って延在する単一部品であってもよい。

図３は、固体酸化物燃料電池スタックの前記エアーストリーム１０の前記入口ダクト２の断面積の全体を覆うように、設置された吸着剤ゲッター２０を示す。

図４は、前記固体酸化物燃料電池システム１１０の前記固体酸化物燃料電池スタック１１２の前記入口ダクト内に配置されたＭＭＡ（ＭｇＯ＋ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）２０のストリップを含む吸着剤ゲッターを備えた、燃料電池システムを概略的に示す。この特定の態様にあっては、前記吸着剤ゲッタ２０は、前記燃料電池スタック１１２への前記酸化剤供給入口ダクト内における熱交換機１６６と酸化剤供給マニホールド１３６との間に配置される。或いは、前記吸着剤ゲッタ２０Ａは、カソードリサイクルループ１６１又はリサイクルダクト１５８における酸化剤出口マニホールド１５６及びカソードエジェクタ１６０との間に配置されてもよい。全く別の態様においては、前記吸着剤ゲッター２０Ｂは、熱交換機１６６内の通路１８０に付与（設置）されてもよい。

前記固体酸化物燃料電池スタック１１２は、各々が、電解質１１８、アノード１２０、及びカソード１２２を備えた、複数の固体酸化物燃料電池１１６を備えてなる。

前記ガスタービンエンジン１１４は、コンプレッサ（圧縮機）１２４とタービン１２６とを備えてなり、前記タービン１２６は、シャフト１２８を介して（通じて）前記コンプレッサ１２４を駆動するように構成（配置）される。前記ガスタービンエンジン１１４の前記タービン１２６はまた、シャフト１２９を介して（通じて）発電機１２７を駆動するように構成（配置）される。

前記固体酸化物燃料電池１１６の前記アノード１２０は、燃料マニホールド１３０により、燃料、例えば水素が供給されてなり、及び、燃料供給部１３２は、例えば水素は、ダクト１４０を通じて（介して）燃料マニホールド１３０に燃料を供給するように構成（配置）される。前記カソード１２２は、酸化剤マニホールド１３６により、酸化剤、例えば、酸素、空気、その他のものが供給されてなり、並びに、酸化剤供給部１３８は、ダクト１４０を通じて（介して）前記酸化剤マニホールド１３６に酸化剤を供給するように構成（配置）されてなる。前記コンプレッサ１２４は、前記ダクト１４０内に位置し、及び前記酸化剤マニホールド１３６への前記酸化剤供給を加圧する。

前記アノード１２０は、未使用燃料が排出される未使用燃料収集（回収）マニホールド１４２を備えられている。前記未使用燃料収集マニホールド１４２は、ダクト１４４及び１４６を通じて（介して）ダクト１３４に接続され、前記未使用燃料の一部が燃料マニホールド１３０に供給され、リサイクル（再循環）される。燃料エジェクタ１４８が備えられ、前記未使用燃料収集マニホールド１４２から前記燃料マニホールド１３０へ、前記未使用燃料の供給とリサイクル（再循環）とを誘導する。前記ダクト１４４、１４６、及び前記燃料エジェクタ１４８は、前記固体酸化物燃料電池１１６の前記アノード１２０から前記固体酸化物燃料電池１１６の前記アノード１２０に戻す、未使用燃料を供給し、リサイクル（再循環）する手段１５０を形成する。前記燃料エジェクタ１４８は、未使用の燃料を加圧し、前記未使用の燃料と、前記燃料マニホールド１３０に前記ダクト１３４を通じて（介して）前記燃料供給部１３２によって供給された燃料と混合する。前記燃料供給部１３２からの燃料のみが、前記燃料供給部３２と前記燃料エジェクタ１４８との間に前記ダクト１３４の第１部分１３４Ａの中を流れる。前記燃料供給部１３２からの燃料と、前記固体酸化物燃料電池１１６の前記アノード１２０からの未使用燃料の一部とは、前記燃料エジェクタ１４８によって混合された後に、前記ダクト１３４の第２部分１３４Ｂを通じて（介して）前記燃料マニホールド１３０に供給される。

前記未使用燃料収集マニホールド１４２は、前記ダクト１４４及び更なるダクト１５４を通じて（介して）燃焼機１５２に接続されてもよく、未使用燃料の第２部分が前記燃焼機１５２に供給される。

前記カソード１２２には、未使用の酸化剤が排出される中に、未使用の酸化剤収集（回収）マニホールド１５６が付与（設置）されてなる。前記未使用の酸化剤収集マニホールド１５６は、ダクト１５８を通じて（介して）前記ダクト１４０に接続され、未使用の酸化剤の一部が、前記酸化剤マニホールド１３６に、供給され、リサイクル（再循環）される。酸化剤エジェクタ１６０が付与（設置）され、前記未使用の酸化剤収集マニホールド１５６から前記酸化剤マニホールド１３６へと、未使用の酸化剤の供給、リサイクルを誘導する。前記ダクト１４０及び前記ダクト１５８及び前記酸化剤エジェクタ１６０は、前記固体酸化物燃料電池１１６の前記アノード１２２から前記固体酸化物燃料電池１１６の前記アノード１２２に戻す未使用酸化剤を供給し、リサイクル（再循環）する手段１６１を形成する。前記酸化剤エジェクタ１６０は、前記未使用の酸化剤を加圧し、前記未使用の酸化剤と、前記酸化剤マニホールド１３６に前記ダクト１４０を通じて（介して）前記コンプレッサ１２４によって供給された酸化剤とを混合する。

前記未使用酸化剤収集マニホールド１５６は、前記ダクト１５８及び前記更なるダクト１６２を通じて（介して）燃焼機１５２に接続され、前記未使用酸化剤の第２部分が燃焼機１５２に供給される。前記燃焼機１５２に供給された未使用燃料の前記第２部分は、前記燃焼機１５２に供給された未使用の酸化剤の第２部分において燃焼され、高温の排ガスを生成する。前記燃焼機１５２で生成された前記高温の排ガスは、ダクト１６４を通って（介して）熱交換機１６６に流れるように構成（配置）される。前記高温の排ガスは、前記熱交換機１６６の第１入口１６８に供給され、そして、前記熱交換機１６６内における第１パス１７０を通じて（介して）、前記熱交換機１６６の第１出口１７２へ流れる。前記高温の排ガスは、その後に、前記熱交換機１６６の第１出口１７２からダクトを通じて（介して）前記タービン１２６に供給される。前記高温の排ガスは前記タービン１２６を駆動し、及びその後に、前記高温の排ガスはダクト１７４を通じて（介して）流れ、及び、排気１７６を通じて（介して）排出される。前記タービン１２６の下流の前記ダクト１７４にリキュペレータ（復熱装置：熱交換機）を付与（設置）することも可能である。

前記コンプレッサ１２４からの前記酸化剤と、前記固体酸化物燃料電池１１６の前記カソード１２２からの未使用酸化剤の一部は、前記酸化剤エジェクタ１６０により混合された後に、前記ダクト１４０の第２部分１４０Ｂを通じて（介して）、前記熱交換機１６６の第２入口１７８に供給され、及び、前記熱交換機１６６内における第２フローパス１８０を通じて（介して）、前記熱交換機１６６の第２出口１８２に流れる。前記コンプレッサ１２４からの前記酸化剤と、前記固体酸化物燃料電池１１６の前記カソード１２２からの未使用の酸化剤の一部とは、その後に、前記ダクト１４０の第３部分１４０Ｃを通じて（介して）前記熱交換機１６６の第２出口１８２から前記酸化剤マニホールド１３６に供給される。前記コンプレッサ１２４からの酸化剤のみが、前記コンプレッサ１２４及び前記酸化剤エジェクタ１６０の間で、前記ダクト１４０の第１部分１４０Ａにおいて流れる。

従って、前記熱交換機１６６内における第１フローパス（流路）１７０を通じて（介して）流れる前記燃焼機１５２からの前記高温の排ガスは、前記酸化剤供給部１３８からの前記酸化剤と、前記カソード１２２から前記熱交換機１６６内における第２フローパス（流路）１８０を通じて（介して）流れる前記カソード１２２へ流れる未使用の酸化剤とを加熱する。

前記固体酸化物燃料電池システム１１０は、前記酸化剤の一部を前記燃焼機１５２に供給するように配置されたコンプレッサ１２４を含んでなり、及び、前記熱交換機１６６は、前記熱交換機１６６の第１出口１７２から前記燃焼機１５２へ、前記燃焼機１５２による排ガスの一部分を供給するように配置される。より詳細には、前記コンプレッサ１２４から前記ダクト１４０の第１部分１４０Ａを通って（介して）流れる前記酸化剤の一部がダクト１１２に供給される。前記ダクト１１２は、前記酸化剤の一部をエジェクタ１１４の第１番（第１次）入口に供給する。前記熱交換機１６６の第１出口１７２を出る（排出する）前記燃焼機１５２にける前記排ガスの一部部分は、ダクト１１６を通じて（介して）、エジェクタ１１４の第２入口に供給される。前記エジェクタ１１４の前記出口が配置され、前記コンプレッサ１２４からの前記酸化剤の一部と、前記熱交換機１６６の第１出口１７２からの前記排ガスの一部とを、ダクト１１８を通じて（介して）、前記燃焼機１５２に供給する。前記ダクト１１８が配置されてよく、これにより、前記燃焼機１５２に、前記コンプレッサ１２４からの前記酸化剤の前記一部と、前記熱交換機１６６の第１出口１７２からの前記排ガスの前記一部と、ダクト１６２内の未使用の酸化剤と共に供給してもよい。この配置は、前記ダクト１４０の第２部分１４０Ｂ内の前記冷却酸化剤への熱伝達を減少させることなく、前記熱交換機１６６への前記入口、例えば、前記燃焼機１５２の出口における前記温度を減少する。前記エジェクタ１１４は、前記コンプレッサ１２４によって供給された前記酸化剤の前記部分を用いて、前記燃焼機１５２から前記燃焼機１５２に戻す排ガスをリサイクル（再循環）する手段として使用される。

図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、前記燃料電池システム１１０の動作の２７０時間後において、前記ＭＭＡ吸着剤ゲッターは著しい変色を示している。前記固体酸化物燃料電池スタック１１０の入口ダクト２内に配置されたＭＭＡ吸着剤ゲッターの分析は、以下のＣｒ及びＳｉ捕捉（キャプチャー）を示した。即ち、９６０時間の湿潤サイクルの後（幾つかの蒸気が前記エアーストリーム中に存在する）、前記吸着剤ゲッターは、Ｓｉ：２６．８％、Ｃｒ：４．４％の表面組成を有し、乾燥密閉サイクル（エアーストリーム中に存在するスチームが前記燃料電池を通過する前に除去される）の５２０時間後に、前記吸着剤ゲッターは０．６ｗｔ％Ｓｉ、及び１．１ｗｔ％Ｃｒの表面組成を有した。

図６及び図７は、前記燃料電池スタック２０１の前記入口ダクト２０２を通じて（介して）入口エアーストリーム２１０の別のパス（経路）を示す。前記燃料電池スタック２０１の前記入口ダクト２０２には、一以上の吸着剤ゲッター２２０を付与（設置）されてなり、前記吸着剤ゲッタ２２０は、実質的に平面（平坦）構造である。前記吸着剤ゲッター２２０は、前記入口ダクト２０２を横断して延びるように配置される。前記吸着剤ゲッター２２０は、前記入口ダクト２０２に亘って（横切って）へ平行に配置される。前記平面（平坦）構造の吸着剤ゲッター２２０における平面（平坦）は、前記入口エアーストリーム２１０の流れ方向に対して実質的に平行に配置される。前記平面（平坦）構造吸着剤ゲッター２２０の平面は、本実施例において水平に配置されている。前記吸着剤ゲッター２２０は間隔を空けて、前記燃料電池スタック２０１に対して、多数の、垂直方向に、間隔を空けられた、フローパッセンジャー（流路）２２１を形成する。別の代替的な配置においては、前記平面（平坦）構造の吸着剤ゲッタの平面は垂直に配置され、及び、水平に間隔を空けられて、前記燃料電池スタック２０１に対して、多数の、水平方向に、間隔を空けられたフローパッセンジャー（流路）を形成してもよい。或は、別の態様においては、前記平面（平坦）構造の吸着剤ゲッタの平面（平坦）は、対角線上に（斜めに）配置されてよく、及び前記フローパッセンジャー（流路）は対角線上に（斜めに）間隔を空けてもよい。前記平面（平坦）構造吸着剤ゲッターは、前述したように、ＭＭＡの、シート、チューブ又はマルチチャネルチューブであってよい。前記ＭＭＡチューブは、追加のマグネシア層で被覆してよい。或いは、前記平面（平坦）構造は、マグネシア、酸化カルシウム、又は酸化マンガンの層を有する金属シートであってもよい。前記吸着剤ゲッター２２０は酸化剤アパーチャを必要としないのは、前記フローパッセンジャー（流路）２２１が前記固体酸化物燃料電池スタック２０１への前記酸化剤の流れを可能とすることによる。

本開示において、前記固体酸化物燃料電池スタックへ、前記入口において、前記酸化剤吸気ダクト内における前記吸着剤ゲッターを付与（設置）することに言及してきたが、前記吸着剤ゲッターは、前記固体酸化物燃料電池スタックのための前記酸化剤供給部内において、他の適切な場所に付与され（設けられ）てもよい。前記吸着剤ゲッターは、前記固体酸化物燃料電池スタックの酸化剤出口に配置されてもよい。或いは又は追加的に、前記吸着剤ゲッターは、前記カソード／前記酸化剤リサイクルループのダクト内に、又はこのダクトを横切って（亘って）、配置されてもよい。或いは又は追加的に、前記吸着剤ゲッターは、酸化剤を前記固体酸化物燃料電池スタックに供給する熱交換機の前記パッセンジャー（通路）に配置されてもよい。前記吸着剤ゲッターは、前記流入ダクトの一部又は全部、或いは、前記リサイクル（再循環）ダクトの一部又は全体を確定（決定）してもよい。前記吸着剤ゲッターは、前記流入ダクトの一部又は全部、或いは、前記リサイクル（再循環）の一部又は全部に、コーティングとして付与（構成）してもよい。

前記平面（平坦）構造は、前記ＭＭＡを備えてなるものとして開示したが、前記吸着剤ゲッターをコーティングすることを有する金属プレートを備えた前記平面（平坦）構造とすることも同様に可能である。前記吸着剤ゲッターのコーティングは、プラズマスプレー、熱スプレー、スラリーコーティング、又は他の適切な方法を適用してよい。

前記吸着剤ゲッターは、多孔質であってもよく、例えば、前記多孔質ゲッターは、グリーンＭＭＡを押し出し、及び焼結することによって製造されたハニカム構造体を備えてもよい。

本開示は、前記燃料電池の前記カソードにエアーを供給することについて言及したが、エアー又は他の適切な酸化剤を供給することも同様に可能である。

上述した実施形態のいずれかに関連して説明した本発明の特徴は、異なる実施形態間において容易に可変可能に適用できることは、当業者には明らかであろう。本開示において説明した上記実施形態は、本発明の様々な特徴を説明するための諸例である。

本明細書（図面）及び特許請求の範囲において、「備える（comprise）」及び「含む（contain）」という言葉及びそれらの変形は、「包含する（including）、しかし、これに限定されない」をも意味するものであり、並びに、これらは、他の部分（残部）、添加物、構成要素、整数又はステップ等を決して除外する意図ではない。本明細書（図面）及び特許請求の範囲において、文脈が他に必要としない限り、単数形は複数形(s)を包含する。特に、不定冠詞（a）が使用される場合、文脈上別段の要求がない限り、明細書は複数形及び特徴性を考慮するものとして理解されるべきである。

本発明の特定の態様、実施形態、又は諸例に関連して記載された特徴、整数、特性、化合物、化学的部分又は群は、それらと明らかに両立できない限り、本明細書に記載された他の態様、実施形態又は実施例に適用できると理解される。本明細書（添付の特許請求の範囲、要約書及び図面を含む）及び／又は開示された工程又は方法の全ての特徴は、そのような特徴の少なくとも幾つかの組合せを除いて、及び／又は工程は互いに排他的である。本発明は、前述の実施形態の詳細に限定されない。本発明は、本明細書（添付の特許請求の範囲、要約書及び図面を含む）、又は任意の方法又はプロセスの任意の新規なもの、又は任意の新規の組み合わせに開示された特徴の新規なものとして、開示した。

本明細書の精読者の注意は、本明細書と関連して本明細書と同時に又は前に提出され、本明細書で公衆の閲覧に供されるすべての書類及び書類に向けられ、そのような書類及び書類の内容は本明細書において参照され、本明細書に組み込まれる。

Claims (22)

1. 固体酸化物燃料電池システムであって、
   少なくとも１つの燃料電池と、前記少なくとも１つの燃料電池におけるカソードに酸化剤を供給するダクトとを備えてなり、
   前記ダクトが、前記酸化剤から揮発性種を抽出するのに適合された少なくとも１つの吸着剤ゲッターを備えてなり、
   前記吸着剤ゲッターが、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化マンガン、及びマグネシアマグネシウムアルミネート（ＭＭＡ）ＭｇＯ＋ＭｇＡｌ₂Ｏ₄系物質からなる群の少なくとも１つのものを備えてなり、
   前記少なくとも１つの吸着剤ゲッターが、多孔質であり、及び、
   前記多孔質の孔径が約０．１μｍ〜約１００μｍの範囲である、固体酸化物燃料電池システム。
2. 前記多孔質吸着剤ゲッターの孔径が約１μｍ〜約１０μｍの範囲である、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池システム。
3. 前記ＭＭＡ系物質は、前記燃料電池内の他の構成部材におけるＣＴＥを補完する熱膨張係数、ＣＴＥ、を有するように構成されてなる、請求項１又は２に記載の固体酸化物燃料電池システム。
4. 前記ＭＭＡ系物質は、過剰のマグネシアを伴ったマグネシウムアルミネートスピネルを含有してなる、請求項１〜３の何れか一項に記載の固体酸化物燃料電池システム。
5. 前記過剰なマグネシアは、前記吸着剤ゲッターの露出した表面上に配置されてなる、請求項１〜４の何れか一項に記載の固体酸化物燃料電池システム。
6. 前記吸着剤ゲッターは、実質的な平面構造として形成されたものである、請求項１〜５の何れか一項に記載の固体酸化物燃料電池システム。
7. 前記実質的な平面構造は、実質的にアパーチャが欠損した、実質的に均一な対向面を有してなるものである、請求項１〜６の何れか一項に記載の固体酸化物燃料電池システム。
8. 前記実質的な平面構造は、複数の酸化剤アパーチャが付与されてなる、請求項７に記載の固体酸化物燃料電池システム。
9. 前記酸化剤アパーチャは、約０．１ｍｍ〜約６ｍｍの範囲の直径を有するものである、請求項８に記載の固体酸化物燃料電池システム。
10. 前記酸化剤アパーチャは、約０．３ｍｍ〜約３ｍｍの範囲の直径を有するものである、請求項８に記載の固体酸化物燃料電池システム。
11. 前記ダクトを介して移動する前記酸化剤の直接フローパスにおいて、前記実質的な平面構造は前記ダクト内に配置され、
    前記実質的な平面構造を介して前記酸化剤が通過されてなるものである、請求項６〜１０の何れか一項に記載の固体酸化物燃料電池システム。
12. 前記吸着剤ゲッターは一対で付与されてなり、
    前記吸着剤ゲッターは、お互いに実質的に平行に配置され、かつ、フローシリーズにおいて配置されてなる、請求項６〜１１の何れか一項に記載の固体酸化物燃料電池システム。
13. 前記吸着剤ゲッターの一対は、各吸着剤ゲッターの複数の酸化剤アパーチャが、隣接吸着剤ゲッターのアパーチャーに対してオフ−セットされてなるように、配置されてなる、請求項１２に記載の固体酸化物燃料電池システム。
14. 前記酸化剤アパーチャを間隔空けすることが選択され、
    前記第２吸着剤ゲッターの第２表面上への衝突点から前記第２吸着剤ゲッターにおける前記酸化剤アパーチャへ、前記吸着剤ゲッターの一対における前記第２吸着剤ゲッターの表面上を超えた前記フローとされてなり、
    前記フローは、完全な境界層を形成しないものとされてなる、請求項８〜１３の何れか一項に記載の固体酸化物燃料電池システム。
15. 前記吸着剤ゲッターは、内部チャネルを備えてなる、請求項１〜１４の何れか一項に記載の固体酸化物燃料電池システム。
16. 前記吸着剤ゲッターの一対が配置されて、これらの間の距離が１ｍｍ〜１００ｍｍである、請求項１２〜１５の何れか一項に記載の固体酸化物燃料電池システム。
17. 前記吸着剤ゲッターの少なくとも一つは入口ダクトに配置されてなる、請求項１〜１６の何れか一項に記載の固体酸化物燃料電池システム。
18. 前記少なくとも１つの吸着剤ゲッターは、酸化剤リサイクルループに配置されてなる、請求項１〜１７の何れか一項に記載の固体酸化物燃料電池システム。
19. 前記吸着剤ゲッターの少なくとも一つは熱交換機内の酸化剤通路に配置されてなる、請求項１〜１８の何れか一項に記載の固体酸化物燃料電池システム。
20. 固体酸化物燃料電池システムにおける酸化剤ストリームからクロム種を抽出する方法であって、
    酸化剤ダクトに吸着剤ゲッターを配置し、及び
    前記固体酸化物燃料電池システムにおける少なくとも１つの燃料電池に、前記ダクトを介して酸化剤を供給することを含んでなり、
    前記酸化剤ダクトが少なくとも１つの燃料電池のカソードに酸化剤を供給するように配置されてなり、
    前記吸着剤ゲッターが、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化マンガン、及びマグネシア マグネシウム アルミネート（ＭＭＡ）ＭｇＯ＋ＭｇＡｌ₂Ｏ₄系物質からなる群の少なくとも１つのものを備えてなり、
    前記少なくとも１つの吸着剤ゲッターが、多孔質であり、及び、
    前記多孔質吸着剤ゲッターの孔径が約０．１μｍ〜約１００μｍの範囲である、抽出方法。
21. 添付図面を参照して、実質的に本明細書に記載された、固体酸化物燃料電池。
22. 添付図面を参照して、実質的に本明細書に記載された、固体酸化物燃料電池システム内の酸化剤ストリームからクロム種を実質的に抽出する方法。