JP3930045B2 - マルチ燃料電池スタックを有する燃料電池モジュール - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、一般的に、反応性ガスからの化学的エネルギーを電気的エネルギーへと電気化学的に変換する固体酸化物燃料電池（セル）システムに関し、さらに具体的には、容易に製造されかつ組み立てられる小型高性能燃料電池（セル）モジュールに関する。
背景技術
固体酸化物燃料電池（「ＳＯＦＣ」）システムは、反応ガスからの化学エネルギーを電気的エネルギーに変換する。Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄あるいは他の炭化水素を含むガスなどの燃料ガスは、イオン特異性固体酸化物電解質プレートを横切って起こる高温電気化学反応において、空気からの酸素と共に燃焼する。高温工程に耐えることができ、かつ、特にＳＯＦＣシステムに適した電解質材料は、ＺｒＯ₂、ＣｅＯ₂およびＢｉ₂Ｏ₃を含む。電解質プレートは、一方の面に位置した酸素電極（カソード）と、反対側の面に位置した燃料電極（アノード）を有する。空気は酸素電極に供給され、燃料ガスは燃料電極に供給される。空気からの酸素は、次式に従ってカソードで反応する。
Ｏ₂＋４ｅ^-−−−＞２０^-2
カソードで生じる酸素の陰イオンは、イオン特異性電解質プレートを介して、燃料ガスに露出しているアノードに移動する。アノードでの反応は次式で示される。
Ｈ₂＋Ｏ^-2−−−＞Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-および
ＣＯ＋Ｏ^-2−−−＞ＣＯ₂＋２ｅ^-
電流は、電気化学反応に含まれる電子の流束のために、アノードとカソードを電気的に接続することによって得ることができる。全体の反応は次式で示される。
Ｏ₂＋２Ｈ₂−−−＞２Ｈ₂Ｏ
Ｏ₂＋２ＣＯ−−−＞２ＣＯ₂
典型的なＳＯＦＣは、スタック内に配置される複数の電解質プレートを含み、スタック内の隣接するプレートは、反応性ガスがプレートの間を流れかつ電極に接触するようにさせるインターコネクタによって分離される。平面のインターコネクタは、平面の電解質プレートに類似したサイズと形状をしているが、向かい合う溝のついた表面を有する；一方の面上の溝は、向かい合う面上の溝に対して一般的に９０°配向しまたは垂直になっている。この配置（クロスフロー配列と呼ぶ）によって、一組の溝を介して燃料ガスを流すことができ、一方、空気は９０度の直交軸に配向した他の組の溝を介して流れる。この方法で、燃料と空気は、９０度の角度で燃料電池スタックの電解質プレートを介して流れる。インターコネクタはそれらの周囲と溝の縁に沿って電解質プレートに接触する。溝を介して流れる反応ガスは、電解質プレートの表面の電極と流体連絡している。
インターコネクタと電解質プレートの間の気密性シールは、特にその周囲において、インターコネクタの反対側を流れるガスが混合するのを防ぐために、非常に重要である。ＳＯＦＣの高い動作温度（８００〜１０００℃）で、もし空気が燃料の流れと混合されるようなことがあるならば、電解質プレートを横切って起こることを意図した電気化学反応は、そのかわりに、燃料の流れの中で化学的に起こる。反応と生成物は同じであるが、アノードとカソードの間で電流の流れは生じない。ＳＯＦＣの効率は、このようにしてかなり落ちる。
空気／燃料の混合の問題は、ＳＯＦＣスタックが反応性ガスをインターコネクタの溝に供給するために従来通りマニホールド化されているとき、特に深刻である。マニホールドは、スタックの四方の側で、インターコネクタの溝に対する開口部を覆って位置している；スタックの端部は、電解質プレートで構成される。ここで、気密性シールは、スタックの１２の縁の各々に沿って、マニホールドとスタックの間で必要とされる。マルチスタックＳＯＦＣの各スタックは、個々にマニホールド化されかつ垂直にされなければならないので、ガス漏れが生じる実質的な機会が存在する。さらに、電解質プレート、インターコネタ、および、マニホールドのために使用される材料の間の熱膨張率の差は、漏れの問題をさらに大きくする。熱膨張が合わない構成要素から生じる熱応力によって、マニホールドの縁の周り、および、電解質プレートとインターコネクタの間の継目に漏れが引き起こされる。
燃料流れと空気流れの間のガス漏れの問題を防ぐための試みがなされた。同じかまたは類似の熱膨張係数を有する材料からのＳＯＦＣ構成要素の構造は、ガス漏れを起こす可能性を減少する。しかし、マニホールドは、適用したりまた検査したりするのにまだ困難で、分離したマニホールドは、すべてのスタックに対してまだ必要である。マルチスタックシステムにおいては、マニホールドは、ＳＯＦＣシステムの重量に対する容積の比に大いに貢献している。
ガス漏れを減少するための他の方法は、複数のスタックを、反応性ガス流に対してその時マニホールド化されているモジュール内で組み立てることである。一つの配置において、スタックは、空気をすべての隣接したスタックに供給する中央の空気プレナム（plenum）の周囲に位置している。いくつかのモジュールは、組み合わされ、より大きな電力出力を得ても良いが、しかし、モジュールはともに密閉され、アセンブリはまだ同じマニホールド化している配列を有する。モジュールのＳＯＦＣの概念（米国特許第５，２６９，９０２号明細書参照）は、重量に対する容積の比を幾分改良するけれども、それにはいくつかの欠点がある。モジュールは、組み立てるが困難で、マルチスタックに適応させるために、かなり大きくすることができる。個々のモジュールは、互いにシールされなければならなく、大きなモジュールでは困難である。モジュール内の個々のスタックは、さらに、モジュールの枠組みに同時にシールされる必要があり、それは、スタックの数が増加するにつれて困難になる。きついスタックとマニホールドの許容誤差は、さらに、すべてのスタックの良好なシールを得るのに必要があり、それは、さらにＳＯＦＣモジュールの組み立てで遭遇する困難に寄与する。
これらと他に困難があるにもかかわらず、モジュールのＳＯＦＣシステムには、いくつかの利点がある。ＳＯＦＣシステムの電気容量は、ガスマニホールディング構成要素の対応する増加なしに、増加することができる。いくつかのモジュールは共に積まれてもよく、マニホールドはモジュールの構造の端部に取り付けられた。空気は、その構造中の各モジュールを通って伸びる中央の空気プレナムに供給される。このように、分離したマニホールドは、その構造中の各モジュールに対して必要とされない。いくつかのモジュールのＳＯＦＣシステムは、さらに、モジュール内の連続した燃料セルスタックを通る燃料ガスの連続流れを容易にし、ＳＯＦＣシステムの燃料効率を改良する。
改良された生産性を有する小型高効率燃料セルモジュールに対するニーズは存在する。モジュールの構成要素は、従来の方法を使用して製造しまた組立するために、容易でなければならない。モジュールは、電気容量をそこなうことなく、重量に対する容積の比率を改良するために、さらに小型でならなければならない。さらに、モジュールは、燃料流れと空気流れの間のガス漏れを避けるために、改良されたシール特性を提供しなければならない。
発明の開示
本発明は、燃料セルと燃料セルモジュールに関連した、以前に確認された多くの問題を未然に防ぐ、二重コラム燃料セルモジュールを含む。このモジュールは小型（コンパクト）であり、重量に対する容積の比率を減らすより少ない構成要素を有する。さらに、モジュールの設計は、現在あるモジュールより製造及び組立てがより容易である。その設計は、さらに、マニホールドに対する個々のスタックの改良されたシール及びガス漏れの起こる機会をより少なくすることを提供する。
二重コラム燃料セルモジュールは、固体の酸化物電解質プレートの間に挟まれたインターコネクタから構成されるマルチ燃料セルスタックの二つのコラムを含む。インターコネクタは、平面のクロス流、相互流、又は対向流のインターコネクタであってもよい。（例えば、ハートビグセンらに対する米国特許第５，３７６，４７２号明細書参照）スタックは、コラム内のすべてのスタック内の燃料流チャネルを介して、連続した燃料流を提供するために、各コラムに隣接して配置される。一つの実施態様で、コラムはそれらの側部に置かれる。コラム内の隣接したスタックは、スタックの結合を促進するために、かみ合い型になっている中空のマニホールドフレームによって結合される。スタックの一方の側は、マニホールドフレームの各側とかみ合い、また、スタックとフレームは、互いにシールされて、隣接するスタックの間を流体が流れることができるようにしながら、隣接するスタックの間に強い気密性のシールを形成する。マニホールドフレームは、さらに、コラムをモジュールハウジングにシールするのを容易にするために、コラムの端部にシールされる。マニホールドフレームは、容易に適用されかつ容易に漏れを検査できる。燃料流は、コラム内の各連続したスタック内の燃料の通路を通って連続である。
コラムを含むスタック内の空気の通路に対する入口は、すべてコラムの一方の面を向いている。コラムは、次に、空気の入り口を有する各コラムの面が互いに面してかつ中央の空気プレナムを横切って隔たるように、モジュール内で配向している。スタックの二つのコラムは、中央の空気プレナムの二つの側部を形成し、また、隔たったコラムの間の隙間に渡る平らなプレートは、プレナムの二つの追加された側部を形成する。プレナムは、空気のマニホールドから空気を受け取るために構成される閉鎖端と開放端を有する。中央の空気プレナムに供給される空気は、電解質のプレートの間のインターコネクタの中の各空気流チャネルを通って外側に流れる。
ＳＯＦＣシステム内のマルチ燃料セルスタックを通る連続的な燃料の流れは、システムの効率を増す。燃料のエネルギー値の約２０〜２５％は、３つの燃料セルスタックのそれぞれを介して燃料の通路で利用される。もし部分的に消費された燃料が続いて下流に配置された燃料セルスタックに供給されるならば、燃料の残りのエネルギー値の一部分は、下流のスタックによって利用される。燃料の効率は、さらに、先のスタックの燃料チャネルから排出されかつ部分的に消費された燃料を次のスタックに流れる前に混合することによって、さらに増加する。新しい燃料は、さらに、部分的に消費された燃料と共に混合され、それが次ぎのスタックに流れる前にリフォームされる。燃料のリフォームは、より電気化学的に反応性のある化学種に対してより大きな分子や種と反応することの困難性から、燃料の一部分の化学的変換を包含する。従って、燃料セルの反応は促進され、また燃料セルの効率は高められる。リフォームの方法は、燃料の流れを追加することを必要とする。燃料セルスタックの電気化学的反応は、反応生成物としての流れを生じる。このように、追加燃料は、上流からの反応生成物が燃料をリフォームする中間領域に直接供給できる。リフォームの吸熱反応は、温度を制御するために使用できる。二重コラム燃料セルモジュールは、燃料をリフォームするための材料が隣接する燃料セルスタックに接続するマニフォールドフレーム内に配置されてよいので、リフォーム能力を提供するように特に適合されている。燃料セルスタックに対するマニフォールドフレームの組立の容易性は、燃料リフォーム能力を有する燃料セルモジュールのより容易な製造をもたらす。
間隔を隔てたマルチコラムは列に配置され、各列は、開示された二重コラム配置でマルチ燃料セルスタックの隔たった一対のコラムを含む。燃料セルシステムの電力容量は、特別な適用の要求に従って増加することができる。もし追加の電力容量が望まれるならば、各モジュールが複数の燃料セルスタックを有しているマルチ燃料セルモジュールは、接続されて、所望の電力レベルを分配する。
一つの実施態様において、燃料セルモジュールは、入ってくる反応性ガスを予備加熱するための熱交換器を含む。燃料セルスタックからの排出される熱い燃料ガスと空気ガスは、排出ガスからの熱エネルギーを移動させて入ってくるガスを予備加熱する熱交換器を介して又は超えて流れるように、方向づけられる。
【図面の簡単な説明】
本発明の好ましい実施態様を説明する図において、同じ参照番号は異なる図においても同じ部分を示す。
図１は、本発明に従って配置された複数の燃料セルスタックからの伸ばした電気容量を有する二重コラム燃料セルモジュールの平面図である。
図２は、本発明の特徴を具体化した、Ａ−Ａの切断線に沿った、図１の二重コラム燃料セルモジュールの断面正面図である。
図３は、本発明に従った二重コラム燃料セルモジュールの他の実施態様の平面図である。
図４は、単一コラム二段燃料セルスタック配置（ロード下での上流スタックと開放回路状態下での下流スタック）のスタック性能特性を表すグラフである。
図５は、単一コラム二段燃料セルスタック配置（ロード下での上流のスタック）のスタック性能特性を表すグラフである。
図６は、個々にロードされるとき、および、電気的に直列でロードされるとき（単一コラム二段スタック配置）のスタック性能特性を比較するグラフである。
図７は、個々の試験対電気的直列試験の下流スタック性能を比較するグラフである。
図８は、本発明に従って配置された複数の燃料セルスタックからの伸ばした電気容量を有する二重コラム燃料セルモジュールの第二の具体例の平面図である。
図９は、本発明の特徴を具体化した、Ｂ−Ｂの切断線に沿った、図８の二重コラム燃料セルモジュールの断面正面図である。
図１０は、空気と燃料の通過を説明する、スタック状に配置された複数の電解質プレートの概略図である。
図１１は、インターコネクタとの関連を説明する、複数の電解質プレートの斜視図である。
図１２は、燃料流チャネルを示す、インターコネクタの正面図である。
図１３は、空気流チャネルを示す、図１２のインターコネクタの背面図である。
発明の最良の形態
図１と図２を参照すると、二重コラム燃料セルモジュール、一般に１０は、隔ったコラム１４と１６中のスタック１２に配置された複数の平面の固体電解質プレート１１を含む。電解質プレートは、高温燃料セルシステムに有用なＺｒＯ₂、ＣｅＯ₂あるいはＢｉ₂Ｏ₃などの固体酸化物材料から構成される。各電解質プレートは、そこに付着される酸素電極（カソード）（図示せず）を有する空気面を有し、かつ、そこに付着される燃料電極（アソード）（図示せず）を有する燃料面をプレートの反対側で有する。好ましくは、連続的な電解質プレートは、クロス流の溝のあるインターコネクタ１３によって、隣接するプレートから分離される。空気流チャネル２１を形成する一組のインターコネクタ溝は、参照番号２０によって示される水平の点線の軸に沿って配向している。燃料流チャネル２３を形成するインターコネクタの反対側の溝は、参照番号２２によって示される点線の軸に沿って配向している。この配置は、電解質プレートを介してクロス流の方法で垂直方向と水平方向に反応体ガスの流れを提供する。点線２０によって確定された軸に沿って配向した空気流チャネルを介した空気流は、酸素電極と流体連絡していて、一方、軸２２に沿って配向した燃料流チャネルを介した燃料ガスの流れは、燃料電極と流体連絡している。
隣接するスタックは、軸２２に沿って流れる反応体ガスが、連続したスタックを介して連続して流れることができる中空の内部マニホールドフレーム２４にシールされる。マニホールドフレーム２４は、スタック１２が各フレームのどちらか一方の側に結合できるスタックに対して、かみ合いする形態を有している。マルチスタックは、マニホールドフレーム２４を使用して、コラム１４と１６に結合され、ガラスなどの密閉（シール）材料でマニホールドフレーム２４に密閉される。マニホールドフレームは容易にスタックに適用され、、また、それらの設計によって、スタックとフレームの間のガス漏れを識別するために、便利な密閉検査をすることができる。マニホールドフレームは、さらに、コラムのモジュール１０への改良した密閉を容易にするので、コラムの端部に密閉することができる。
「上部」と「底部」の中空のマニホールドフレーム２５は、内部のマニホールドフレーム２４と同じか、あるいは、異なる配置を有してもよい。前記実施態様において（図１）、マニホールドフレーム２５は、マニホールドフレーム２５を通って伸びる燃料の入口３４を有し、さらに、マニホールドフレーム２５は、その直接上でスタックを受け取るように形成されている。
コラム１４と１６は隔てられ、モジュールハウジング４２に対してそれらの端部で密閉されている。コラム１４と１６は、電解質プレートの間の空気流チャネルを介して流れ出す前に、プレナム入口３０を介してプレナム内に流れ込む空気を受け入れかつ含むように機能する中央の空気プレナム２８の二つの壁を形成する。これらのコラムの間の距離は、モジュールに対する空気流の要件に合うように選択され、この距離は一般的に１から５ｃｍ（１／２インチから２インチ）まで変化する。
コラムの間に伸びる一対の平らなプレナムプレート３２（図２）は、空気プレナムの残りの二つの側部を形成し、さらに、コラムの間に伸びる端部プレート２６は、プレナムの端部を閉じる。平らなプレナムプレート３２と端部プレートは、一般的にセラミックである（例えば、アルミナ）。プレナムを通る空気流の十分な容積は、コラム１４と１６とが隔たる距離に関する要件だけなので、二重コラム燃料セルモジュールは、同様の電力容量の他の燃料セルモジュールよりも、よりコンパクトに作ることができる。
中央の空気プレナムは、コラムを含むスタックに対する満足した空気流の要件を扱うのに、十分大きいことのみが必要とされる。二重コラム燃料セルモジュールのこの特徴は、中央の空気プレナムの周囲に配置されたマルチスタックを有する他のＳＯＦＣモジュールと対比している。後者の配置において、中央のプレナムの最小サイズは、空気流の要件によって決定されず、スタックがプレナムの周囲で互いに関していかに接近して位置しているかによって、決定される。例えば、６つのスタックがプレナムの周囲に含まれるならば、プレナムは、スタックがプレナムの周囲で縁から縁に配置されるとき、中央の空間と同じくらい小さくすることのみできる。この配置は、空気プレナムに対して過剰な容積と、対応するより大きな、モジュールに関する容積対重量の比率を生じる。対比によって、本発明の６つのスタックの実施態様は、適当な空気流をスタックに与えるのに必要なだけ離れて位置している、３つのスタックの各々を有する二つの隔たったコラムを含む。モジュールのサイズを小さくする空気プレナムは、このようにより小さくなっている。
二重コラム燃料セルモジュールの重要な利点は、モジュールハウジングに対する燃料セルスタックの改良された密閉にある。従来の同一な６つのスタックの例を使用すると、いくつかのＳＯＦＣモジュールでは、６つのスタックの各端部、４８個の縁のすべてがモジュールフレームワークに密閉されることが必要となる。そのような配置は、ガスがスタックを介して流れることができる開口と各スタックを適当に配列させるためには、かなりの努力を必要とする。いったん密閉されると、継目は、必要なときでも調査及び修理に困難である。二重コラム燃料セルモジュールの６つのスタックの実施態様は、モジュールハウジングにシールするために、１６個の縁のみを有する。さらに、もしマニホールドフレームがコラムの各端部において含まれるならば、マニホールドフレームとモジュールハウジングの間で密閉することができる。マニホールドフレームは、改良された密閉特性を提供するように構成されているので、特性は電解質プレートによって保持されず、密閉は適用したり調査するのにより容易であり、完全性と信頼性を増す。
燃料ガス（例えば、水素）は、連続したスタックの電解質プレートの間のインターコネクタの燃料流チャネルを介して、連続的に流れる。コラムの一端でマニホールドフレーム２５に対して隣接して配置されるか、あるいは、それを介して伸びる燃料入り口３４を介して、燃料ガスは燃料流チャネルに入る。燃料ガスは、次に、各コラムの電極質プレートのスタックを介して連続して流れ、燃料排出口３６を介して排出される。
図１に説明されるように、燃料ガスは、最初、導管４７による入口に接続されるリフォーマー４６を介して通過する。燃料ガスは、導管４８を介してリフォーマー４６に入る。リフォーマーは、天然ガス、脱硫天然ガス、メタノール、石油、あるいは、石炭ガスが燃料源として使用されるときに、使用される。
燃料排出口は、さらに、関連した熱交換器に接続することができて、熱い燃料排出ガスから熱を移して、より冷たい入ってくる反応性ガスを予備加熱することができる。同様に、燃料の入口３４は、予備加熱された燃料ガスを燃料流チャネルに分配する関連した熱交換器に結合している。入ってくる燃料ガスは、関連した燃料配管を介して、熱交換器に供給される。熱力学的分析は、ＳＯＦＣの効率がマルチスタックに対する連続的な燃料の流れによって増加されることを示すので、二重コラム燃料セルモジュールは、モジュールからより大きな効率を達成するために、この燃料流スキームを採用することができる。
モジュールを通った空気流の通路は、図１中の実線の矢印によって示される。空気は、空気の入口３８を通ってモジュールに入り、プレナムの入口３０を通って中央の空気プレナムに流れ込む前に、前記の関連した熱交換器によて、予備加熱させられる。入ってくる空気は、さらに、燃料セルモジュールのモジュールハウジング４２の壁に結合されているか、あるいは、埋められている空気配管４０内で予備加熱される。予備加熱された空気は、次に、プレナムの入口３０を通ってプレナム内に流れ込む共通の空気チャネル４４に向けられる。燃料セルスタックからの熱い排出空気は、さらに、より冷たい入ってくる燃料ガスと空気を予備加熱するのを助けるために、プレヒーターによって使用される。
図２を参照すると、燃料セルスタックの多数の隔たったコラムは、燃料セルシステムに対して付加的な電気容量を与えるために、列ＡからＤにまで配置される。各列は、隔たった二重コラムに配置される複数の燃料セルスタックを含む。列は、特定の適用の要件に従って含まれる。追加の電力容量は、複数の燃料セルモジュールを組み合わせることによって得ることができ、各モジュールは、マルチ燃料セルスタックを有する。
二重コラム燃料セルモジュールは、特に、複数の燃料セルスタックを介して連続した燃料流に適する。熱力学的分析は、ＳＯＦＣの効率が、マルチスタックに対する連続的な燃料流によって増加される。スタックによる燃料の利用は、連続するスタックの数に依存して、２０から３５％の範囲に一般的にあり、消費されない部分は、その後に続くスタック下流によって利用される。
連続した燃料流の配置において、ガスが下流のスタックに供給される前に、上流のスタックから排出される部分的に消費された燃料ガスをリフォームすることは、燃料の利用を改良するのに役立つ。燃料のリフォームは、燃料セル反応と新鮮な炭化水素燃料からの生成物の流れを、セルによって使用されるＣＯとＨ₂に変換するリフォーミング触媒によって、達成される。このように、燃料セル反応熱力学は、生成物を一定に消費するために、生成物の形成に対して強力に推進される。図１に説明される二重コラム燃料セルモジュールのリフォーマー４６と対比して、燃料リフォーミング触媒４６Ａは、隣接するスタックの間に配置されるマニホールドフレーム内に含まれる。マニホールドフレームは、リフォーミング触媒を含むように容易に適合され、さらに、燃料セルスタックに容易に結合される。連続流燃料セルモジュールの構成は、このように、開示された発明を用いると有意義に困難性がより少ない。
実施例
図１に説明される１ｋＷ二重コラム燃料セルモジュールがつくられた。モジュールは、各コラム中に３つのスタックを有する、２つコラム１４と１５に組み込まれた約１０ｃｍ（４インチ）の立方体のスタックを有していた。一つのコラム中のスタックは金属製のインターコネクタを有し、一方、他のコラムのスタックはセラミックのインターコネクタを有していた。コラムは、インコネル（カナダのインコ合金）で作られた外部ハウジング４２内に配置されていた。熱交換器は、空気の入口３８から入ってくる空気を熱するために、絶縁体としてモジュールハウジング４２に取り入れられた。商業的に入手できる流れリフォーミング触媒（デンマークのＨｏｌｄｅｒ ＴｏｐｓφｅのＲ−６７−７Ｈ）を含むリフォーマー４６が使用された。燃料ガスは、脱硫された天然ガスであった。
固体の酸化物燃料セルスタックのコラムを使用して、多重段階の燃料の酸化の概念を試験するために、２段階スタック試験が行われた。コラムは、５ｃｍ×５ｃｍのセル領域と、２２ｃｍ²／セルの電極活動領域を有する２つの９セルスタックから構成された。セルは、イットリア安定化ジルコニアで作られた１５０から１８０マイクロメータの厚さの電極と、１５から２５マイクロメータの厚さのストロンチウムでドープされた亜マンガン酸ランタン製カソードと、２５から４０マイクロメータの厚さのニッケル陶製アノードから構成された。この試験で使用されたインターコネクタは、金属合金製である。約３％の水蒸気を与えるために、室温で水の貯蔵器を通して泡立てることによって、水で湿らされた燃料、水素は、コラムの一方の端部を介して供給され、連続して両方のスタックを通過した後、コラムの他方の端部から出る。２つのスタックの間で、マニホールドは適当な容積を提供し、さらに、拡散器プレートは、燃料が下流のスタックに入る前に上流のスタックの種々のチャネルからの燃料の混合を提供する。試験に関する燃料流は２リットル／分で維持された。この流れの速度は、一つのスタックから１０アンペアの電流で、ほぼ３３％の燃料の利用に相当する。燃料流速度は、スタック操作ポイントで、所望の燃料効率（利用）を達成するために調整できる。空気は各スタックに平行な流れを有するようにマニホールドされる、すなわち、空気流は各スタックを通る単一の通路を有し、さらに、空気流は２８．７リットル／分に維持された。空気流の速度は、スタックに必要な所望の冷却、および／または、熱交換器に必要な空気排出温度を達成するように調節することができ、および／または、追加電力生成熱サイクルのニーズに合うように調節することができる。
スタック性能試験は、電気的に直列の二つのスタックの試験と、各スタックの個々の試験から構成された。スタックは、さらに、所望の現行の電圧仕様に合うように、電気的に並列に接続することができる。新しい燃料を受け取った上流のスタックの性能は、図４に示される。さらに、ロードのない（開放回路）条件の下で、下流のスタックの電圧は、図４に示される。下流のスタックの初期電圧は、多分いくらかの漏れのために、上流より低い約０．５ボルトである。しかし、上流のスタックの電気的負荷はその電気出力を増加するために変更されるので、下流のスタックの開放回路電圧は、上流のスタックの燃料を部分的に利用するために、熱力学的分析から期待されるように、低くなる。より低い開放回路電圧は、上流のスタックから放出される燃料の平均的組成に対応する。これは、たとえ上流のスタックがかなり低い動作ポテンシャルを有していても、下流のスタックが高い駆動力（開放回路ポテンシャル）を保持することを示している。本実施例においては、１０アンペアの電流での上流のスタックの動作電圧は、４ボルトであり、一方、下流スタックの開放回路ポテンシャルが７．５ボルトである。図５は、個々に試験されるときの下流スタックの性能を示す。この試験で、上流のスタックは、電気的負荷の状態になく、それは、下流のスタックに対する新しい燃料のための導管としてのみ機能する。このスタックの性能は、より低い開放回路電圧に対応したオフセットで上流のスタックの性能と比較できる。図６において、二つのスタックの電力出力は、異なる動作条件、すなわち、個々に試験されまた電気的に直列な２つのスタックで試験された条件下で示される。上流スタックは、両方の条件下で新しい燃料を受け取るが、予期したような同じ性能特性を示す。下流のスタックは、個々に試験されたときの、すなわち、新しい燃料を受け取ったときのより高い性能を示し、さらに、上流のスタックを用いて電気的に直列の状態で試験されるとき、すなわち、部分的に利用される燃料を受け入れるとき、より低い性能を示す。上流のスタックを用いて電気的に直列の状態で試験されたとき、下流のスタックの性能が低いのは、図７に説明されるような開放回路ポテンシャルが低いためである。性能曲線におけるシフトは、開放回路電圧におけるシフトにほとんど対応する。本実施例の１０アンペアの電流で２つのスタックの組み合わせた燃料の利用は、６６％である。もし一つのスタックが６６％の燃料利用で動作されるならば、性能は、３３％の燃料利用で各々動作する２つのスタックの組み合わされた性能より低く、多段階酸化の利点を説明している。

Claims (18)

1. 燃料電池モジュールの構成要素を中に含み、かつ前記燃料電池モジュールの構成要素を取り付けるためのモジュールハウジングと、
   前記モジュールハウジング内に配置された複数の燃料電池スタックと、ここで前記燃料電池スタックは二つのコラムに互いに隣接して配置されており、前記燃料電池スタックの各々は複数の電解質プレートの間に交互に挟まれた複数のインターコネクタを含み、前記電解質プレートは関連したアノードを有する燃料面および前記燃料面と反対側に関連したカソードを有する空気面を有し、前記インターコネクタは隣接する電解質プレートの燃料面に密閉されかつその燃料面と流体連絡している燃料流チャネルを有する第一の面および、前記第一の面の反対側に、隣接する電解質プレートの空気面に密閉されかつその空気面と流体連絡していて前記燃料流チャネルを横断する空気流チャネルを有する第二の面を有するものであり、
   複数の中空のマニホールドフレームと、ここで燃料電池スタックの結合を容易にするためのかみ合いする形態を有するマニホールドフレームにより、隣接する燃料電池スタックがともに結合されかつ密閉されており、前記燃料電池スタックを通る空気流チャネルを有するそれぞれのコラム中の連続した前記燃料電池スタックを通る燃料流を連続的に導くものであり、ここで、前記二つのコラムは、前記二つの隔たったコラムの各々の中の前記空気流チャネルが互いに向き合っておりかつ流体連絡するように、隔たりかつ配置されているものであり、
   前記隔たった二つのコラムの間にありかつ前記コラムの前記空気流チャネルと流体連絡している空間を含む中央の空気プレナムと、ここで前記プレナムは前記隔たったコラムから構成される二つの壁と前記二つのコラムの間に伸びかつ前記二つのコラムに密閉されるプレナムプレートから構成される二つの壁を有し、前記プレナムは開放端部と密閉端部を有し、開放端部を介して空気を受け入れ、空気を前記コラム中の空気流チャネルに分配するように構成されかつ配置されており、
   燃料ガスを前記コラム中の燃料流チャネルに供給するための、前記ハウジングと関連した燃料取入れ口と、
   空気を前記空気プレナムの前記開放端部に供給するための、前記ハウジングと関連した空気取入れ口と、
   少なくとも一つのリフォーマーと、ここで前記少なくとも一つのリフォーマーは第一の燃料電池スタックから排出される部分的に消費された燃料ガスを、それぞれ前記コラム中の連続する隣接して配置された第二の燃料電池スタックに燃料ガスを流す前に、リフォームするために、前記マニホールドフレームに配置されている、
   からなることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記スタックから排出される熱いガスからの熱エネルギーを、より冷たい入ってくる反応性ガスに交換するための、前記モジュールハウジングに関連した熱交換器を含む請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 前記熱交換器が、モジュールハウジング中に埋められている請求項２に記載の燃料電池モジュール。
4. 中央の空気プレナムを横切って隣接する列に配置されるコラムの前記隔たった組の複数をさらに含む請求項１に記載の燃料電池モジュール。
5. マルチモジュール燃料電池システムに構成されかつ配置される複数の前記モジュールをさらに含む請求項１に記載の燃料電池モジュール。
6. 燃料電池モジュールの構成要素を中に含むように構成されたモジュールハウジングと、
   それぞれが固体の酸化物電解質から構成され、かつ、関連したカソードを有する燃料面および前記燃料面と反対側に関連したアノードを有する空気面を有する平面である複数のプレートと、
   連続するプレートの間に挟まれかつ複数のスタック中に配置され、隣接するプレートの燃料面に密閉されかつ流体連絡している燃料流チャネルを有する第一の面、および、前記第一の面と反対側に、隣接する電解質プレートの空気面に密閉されかつ流体連絡している空気流チャネルを有する第二の面を有する複数のインターコネクタと、
   スタックを一緒に複数のコラムに連結しかつ密閉するための、スタックの間に配置された複数のマニホールドフレームと、ここで、コラム中の前記スタック中の燃料流チャネルは前記コラムと流体連絡しまた前記コラムの長さに沿って伸びておりコラム中の連続したスタック中の燃料流チャネルを連続的に通る燃料ガス流を促進し、スタックを通る前記空気流チャネルがコラムの幅に沿って配向しており、一組の前記コラムは隔たったコラムからなる二つの壁と隔たったコラムの間に伸びるプレナムプレートからなる二つの壁を有する中央の空気プレナムを横切って隔たり、前記プレナムは空気流チャネルと流体連絡しかつ閉鎖端部および開放端部を有するものであり、
   燃料ガスを前記コラムに供給するための、前記ハウジングに関連した燃料取入れ口と、
   空気を前記中央の空気プレナムの開放端部に供給するための、前記ハウジングに関連した空気取入れ口と、
   前記コラム中の各スタックから排出される部分的に消費された燃料ガスを、前記コラム中の連続するスタックに燃料ガスを流す前に、リフォームするためのリフォーマーと
   からなることを特徴とする燃料電池モジュール。
7. 前記スタックから排出される熱いガスと、より冷たい入ってくる反応性ガスとの間の熱エネルギーの交換のための、前記モジュールハウジングに関連した熱交換器を含む請求項６に記載の燃料電池モジュール。
8. 前記熱交換器が、モジュールハウジング中に埋められている請求項７に記載の燃料電池モジュール。
9. 燃料ガスが、前記コラム中の連続するスタック中の前記燃料流チャネルを通して連続的に流れる請求項６に記載の燃料電池モジュール。
10. コラムから排出される部分的に消費された燃料ガスを、前記連続するスタックに流す前に、リフォームするためのリフォーマーをさらに含む請求項６に記載の燃料電池モジュール。
11. 隣接する列に配置されるコラムの前記隔たった組の複数をさらに含む請求項６に記載の燃料電池モジュール。
12. マルチモジュール燃料電池システムに構成されかつ配置される他のそのようなモジュールで関連させた請求項６に記載の燃料電池モジュール。
13. アノードとそれに関連したカソードを有する固体の酸化物電解質プレートの間に挟まれた燃料流チャネルと空気流チャネルを有するインターコネクタのスタックから構成される複数の隔たったコラムを含むモジュールハウジングを有する燃料電池モジュールであって、前記スタックは、前記スタックとかみ合いになりかつ結合するように構成されるマニホールドフレームによって、前記コラム内に連結され、コラム内の前記燃料流チャネルがコラムの垂直軸に沿って配向しコラム中の連続したスタック中の燃料流チャネルを連続的に通る燃料ガス流を促進し、またコラム内の前記空気流チャネルがコラムの水平軸に沿って配向し、さらに、前記コラムの組が、前記コラムからなる二つの壁と前記隔たったコラムの間で伸びる一組のプレナムプレートからなる二つの壁を有する中央の空気プレナムを横切って隔たり、前記空気プレナムは前記空気流チャネルと流体連絡しかつ閉鎖端部および開放端部を有しており、反応性燃料ガスを前記ガス流チャネルに供給し、かつ、空気を前記中央の空気プレナムの前記開放端部に供給するためのマニホールド手段および前記コラム中の各スタックから排出される部分的に消費された燃料ガスを、前記コラム中の連続するスタックに燃料ガスを流す前に、リフォームするためのリフォーマーとを含むことを特徴とする燃料電池モジュール。
14. 熱い排出ガスからの熱エネルギーで、入ってくる燃料ガスと空気ガスとを予備加熱するための熱交換器をさらに含む請求項１３に記載の燃料電池モジュール。
15. 前記中央の空気プレナムを横切って隣接する列に配置される複数の前記隔たったコラムをさらに含む請求項１３に記載の燃料電池モジュール。
16. マルチモジュール燃料電池システムに構成されかつ配置される他のそのようなモジュールで関連させた請求項１３に記載の燃料電池モジュール。
17. 燃料流チャネルと空気流チャネルとを有するインターコネクタによって分離され隔たった固体酸化物電解質プレートのスタックを有するタイプの固体酸化物燃料電池モジュールの改良であって、
    連続的なスタックを通して燃料ガスの連続的な流れを提供するために、二つのスタックの端部と端部を結合するように配置されたマニホールドフレームと一緒に接続されたスタックからなるコラム中の前記スタックの配列と、燃料流チャネルが前記コラムの長さに沿って配向しかつ前記空気流チャネルが前記中央の空気プレナムから伸びるように、中央の空気プレナムを横切って隔たった一組の前記コラムの配列と、前記コラム中の各スタックから排出される部分的に消費された燃料ガスを、前記コラム中の連続するスタックに燃料ガスを流す前に、リフォームするためのリフォーマーとからなることを特徴とする改良。
18. 各々が少なくとも二つの隣接して配置された燃料電池スタックを含む複数のコラムであって、各コラムはコラムの長さに沿って配置された燃料電池スタックを通る燃料の連続的な通過を促進するための燃料チャネルを画定するものであり、ここで前記コラムは組となって配置されており、コラムの各組は空気プレナムのあたりに位置しており、コラムの各々は前記空気チャネルを通る空気プレナムから外側への空気の通過を促進するための前記空気プレナムと流体連絡している少なくとも一つの空気チャネルを画定しており、および
    前記二つの燃料電池スタックの間に位置するリフォーマーであって、一方の前記燃料電池スタックから排出される部分的に消費された燃料ガスを、前記コラム中の他方の隣接して位置する燃料電池スタックに燃料を流す前に、リフォームするためのリフォーマー
    からなることを特徴とする燃料電池モジュール。

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