JP4043360B2 - 固体酸素物燃料電池発電装置のための空気供給管支持システム - Google Patents

Description

【０００１】
【政府契約】
アメリカ合衆国政府は、アメリカ合衆国エネルギー省との契約（契約番号ＤＥ−ＦＣ２１−９１ＭＣ２８０５５）に基づき本発明に関し享有する。
【０００２】
【発明の背景】
【０００３】
【発明の分野】
本発明は、一般的に、燃料電池発電装置の管状固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）の酸化剤供給管支持体に関する。
【０００４】
【背景情報】
概ねセラミック製部品より成り、密封されたハウジング内の複数チェンバー間における漏洩を制御できる高温固体酸化物電解質燃料電池発電装置は、当該技術分野においてよく知られており、米国特許明細書第４，３９５，４６８号（発明者：Isenberg）及び５，５７３，８７６号（発明者：Zafred, et al.）に記載されている。かかる従来型設計の発電装置の一例１２を、本願の図１（Zafred, et al.特許の図４に相当）に示す。この装置において、酸化剤ガスは酸化剤入口ライン２０から酸化剤（通常は空気）の流れ５０として空気マニホルド４８に流入した後、冷却ダクトを介して上方へ流れ、頂部の空気分配プレナム５２へ入る。酸化剤の流れ５０’はその後、個々の細いセラミック製酸化剤供給管５１を下方に流れて、各燃料電池３６の底部に流入し、そこで、当該技術分野で周知のように、流れ方向を反転させる。酸化剤供給管と内側空気電極との環状空間を上方に流れる間、酸化剤は空気電極の内側表面に沿って水素と反応する。燃料電池発電装置の一実施例において、反応済み酸化剤は最終的に使用済み酸化剤として燃焼室部分５４に流入し、そこで使用済み燃料及び残留する未反応供給燃料と燃焼して、排気ガス５６となる。このガスは排気マニホルドへ流入する。図１に示すように、使用済み燃料の一部は、イジェクター４０へ循環される。排気ガス５６は排気ダクト５８から排出される。図１は電力リード８４を示すが、燃料入口は前置改質器４２を流れるパイプ３８として示してある。
【０００５】
管状の燃料電池は、２つの多孔性セラミック電極間に介在する固体酸化物電解質、外側燃料電極及び内側空気電極を有する。本願の図２は、Isenberg特許に使用される従来型の酸化剤／空気供給管支持システムを示す（Isenberg特許の図２を参照）。金属の管板３４は開口６０を有し、この開口は酸化剤供給管５１の周りに緩く嵌合してその管の自由な熱膨張を許容する。酸化剤供給管５１はアルミナまたはアルミナ化合物よりなり、管板は低密度アルミナのような断熱体６２で覆われている。図２の矢印６３で示すように、燃焼（予熱）チェンバー１６内への酸化剤の漏洩は受け入れることができると考えられていた。また、本願の図１に示すように、酸化剤供給管は環状燃料電池の内部に延びる。
【０００６】
より最近の酸化剤／空気供給管支持システムは、米国特許第４，６６４，９８６号（発明者：Draper et al.）４，８０８，４９１号及び４，８７６，１６３号（発明者は共にReichner）に記載されている。Draper et al.特許の従来型システムは、空気供給管を関連のサブヘッダー管に溶接することにより空気が実質的に漏洩しないようにしている。本願の図３に示すReichnerの従来型システム（Reichnerの’４９１特許では図１Ｂに示されている）では、酸化剤／空気供給管５０’は上部の酸化剤／空気分配プレナム５２に流入した後、別の酸化剤／空気プレナム５２’へ流れ込み、そこから個々の酸化剤供給管５１を介して下方に流れる。酸化剤供給管５１の上方には、球形の支持手段７０が設けられていて、酸化剤供給管を定位置に保持する。これら球形の支持手段は、プレナム５２’の底部のインコネル製プレナム壁７４に機械加工された球形の座部７２を必要とする。断熱体７６はこれらのプレナムを取り囲み、鋼製の包囲部材７８は燃料電池発電装置を取り囲んでいる。排気ガス通路をチャンネル８０として示し、また、プレナム底部の下方包囲断熱板をプレナム５２’の底部を支持するものとして８２で示す。Isenbergの設計（本願の図２に示す）によると、断熱層の精密な切削を必要であり、熱サイクル後に、空気供給管が定位置から外れて燃料電池の底部と接触し、その電池への空気の供給を停止させる可能性があった。Draper et al.の設計は高コストで、非常に重くなり、インコネル製部品の多量に機械加工し溶接する必要があった。Reichnerの設計（本願の図３に示す）では、球形の支持体を適切にセットするためにかなりの機械加工が必要であった。また、現在のＳＯＦＣ設計によると、長さ６６インチ（１６７．６ｃｍ）の燃料電池内に長さ７２インチ（１８２．８ｃｍ）の空気供給管を完全にセンタリングした場合に許容される移動自由度は、０．１２５インチ（０．３２ｃｍ）の半径方向ギャップが閉じて電池内面に当たるまでたった０．１度であるにすぎない。この半径方向ギャップは、燃料電池または空気供給管が撓んでおればさらに小さくなる。燃料電池内に空気供給管を組み込むことの難しさは、対応の焼結工程による電池間及び電池束間の横方向及びねじり方向の不整合によりさらに拍車がかかる。横方向の自由度が不足すること、また空気供給管の角度方向の移動が非常に限られていることにより、燃料電池に歪み（横方向、ねじり方向または撓み）があれば組立て中に空気供給管が燃料電池内に楔のように入り込む可能性が高い。
【０００７】
金属仕上げが最小限必要な、またはほとんど不要な、改良型の簡単低コストの酸化剤／空気供給管支持システムが求められている。従って、本発明の主要目的の１つは、酸化剤／空気供給管を燃料電池の側方内面または底部内面に接触しないように支持することである。本発明の別の主要目的は、必要な金属仕上げが最小限に抑えられる、またはほとんど不要な、簡単でかなり低コストの酸化剤／空気供給管支持システムを提供することにある。また、本発明の目的は、空気プレナムとＳＯＦＣモジュール残部間の漏洩封止を最小限に抑え、この設計を商業レベルにすることにある。
【０００８】
本発明の上記及び他の目的は、固体酸化物燃料電池発電装置であって、内側空気電極を備えた中空管状燃料電池と、酸化剤プレナムと、酸化剤プレナムから中空管状燃料電池へ酸化剤を供給する酸化剤供給管とを有し、酸化剤プレナムは該プレナムを包囲する底部包囲部材を有し、底部包囲部材は複数の開口を有し、底部包囲部材は、酸化剤プレナムから底部包囲部材の開口を貫通して燃料電池の中心部内へ延びる酸化剤供給管を支持し、発電装置はさらに、底部包囲部材の頂面上に位置する可撓性のガスケットと、酸化剤供給管に固着され、可撓性ガスケットの頂面上に位置する緻密なセラミックのワッシャーとを有し、可撓性ガスケットが酸化剤供給管の上部の周りを囲んで、内径が酸化剤供給管の外径より大きい開口を覆うため、中空管状燃料電池の内部における酸化剤供給管のセンタリングの調整が可能であり、酸化剤供給管に固着された緻密なセラミックのワッシャーは、酸化剤供給管が底部包囲部材の開口を介して摺動するのを阻止し、可撓性ガスケットの圧縮を助けて該可撓性ガスケットが定位置に保持されるようにする固体酸化物燃料電池発電装置により達成される。可撓性のガスケットは、輸送中また発電装置の運転時にクッション働きをする。このガスケットは摩擦で保持されるため、接着する必要がない。
【０００９】
本発明はまた、（１）供給燃料及び酸化剤ガスに対して動作可能な電気的に接続された複数の中空管状固体酸化物燃料電池と、（２）発電装置内に位置し、供給酸化剤ガスを受けて燃料電池へ分配する酸化剤プレナムと、（３）複数の貫通孔を有する酸化剤プレナムの下方の包囲部材と、（４）酸化剤プレナムから酸化剤プレナムの下方の包囲部材の開口を介して燃料電池の内部へ延びる複数の中空酸化剤供給管とより成り、酸化剤プレナムの下方の包囲部材は、酸化剤プレナムに対面してワッシャー及びガスケットの管支持手段との接触により酸化剤供給管を支持する少なくとも１つの平坦な頂面を有し、この管支持手段は、酸化剤供給管の外周部の周りであって酸化剤プレナムの下方の包囲部材の平坦な頂面上に位置し、管支持手段は、酸化剤供給管に接合された上部の硬いワッシャーと、ワッシャーと酸化剤プレナムの下方の包囲部材との間で平坦な頂面と接触する可撓性ガスケットとより成り、少なくともそのガスケットの底面は、酸化剤プレナムの下方の包囲部材の平坦な頂面と係合する固体酸化物燃料電池発電装置にある。ガスケット（８６）は、酸化剤プレナムの下方の包囲部材の開口（２６）を覆い、この開口は、２０％乃至３０％大きめであるため、酸化剤供給管を中空の各燃料電池の内部でセンタリングするために良好な整列関係を得るべく、それらの位置を調整することができるのが好ましい。緻密なワッシャーは、酸化剤供給管に物理的に接合され、供給管が包囲部材の開口を介して摺動するのを阻止する。
【００１０】
この設計の重要な利点の中には、プレナム開口の直径を増加できるため組立て時に空気供給管と燃料電池との横方向及び回転方向の整列を容易に行うために必要な自由度が得られること、支持システムのコストが６乃至１０分の１に減少すること、空気プレナム内の高価な球形シールの機械加工を不要になるためプレナムのコストがさらに減少すること、プレナム開口の直径を増加できるため全長にわたる供給管の反りの条件が緩和され、リジェクト率が有意に減少して、空気供給管のコストが８乃至１０分の１に減少することがある。空気供給管のコストは、重要な製造公差が緩和され、リジェクト率が減少するため、劇的に減少する。
【００１１】
【好ましい実施例の説明】
図４を参照して、該図は、包囲部材１２により表される固体酸化物燃料電池発電装置（ＳＯＦＣ）内部の酸化剤／空気供給管支持システム１０を示す。図示の中空管状固体酸化物燃料電池３６は、開いた上部と閉じた底部１６とを有し、セラミックの内側空気電極１８、セラミック固体酸化物電解質２０及び一般的にセラミック材料の外側燃料電極２２を備えて、中空のセラミック酸化剤供給管５１が燃料電池内に延びている。図示しないが、当該技術分野で周知のように、ＳＯＦＣ発電装置１２の発電部分内（図１）には、これら複数の燃料電池が束ねられて相互に接続されている。燃料電池は酸化剤／空気５０’で動作するが、この酸化剤／空気は、燃料電池の底部１６へ供給管５１を介して供給された後、流れ方向を反転して燃料電池を上方に流れ、図４に示すように内側空気電極１８に接触する。
【００１２】
酸化剤の流れ５０’は、下部または底部の包囲部材／隔壁／支持部材により包囲された発電装置１２内の酸化剤プレナム５２”から流れ込むが、この部材は図示のように断熱性でもよく、酸化剤プレナムの底部包囲部材８２として定義する。上部の包囲部材は一般的に、セラミック部材２４として示す。この部材２４は金属でもよい。過去において、酸化剤プレナム”は、図３において５２’として示す、上部、底部及び側部の構造部材により包囲されたインコネル製構造物のような、金属部材により包囲された空間を備えていた。酸化剤プレナム５２”を、例えば、上部部材２４及び底部部材８２（図４に図示）を含む低コストのアルミナ断熱材により包囲すると有利である。酸化剤プレナムの底部包囲部材８２は、開口２６のような複数の貫通孔を有する。複数の中空酸化剤供給管（１つを５１で示す）は、酸化剤プレナム５１”から酸化剤プレナムの底部包囲部材の開口２６を介して燃料電池３６の内部へ延びる。
【００１３】
酸化剤プレナムの底部包囲部材８２は酸化剤プレナム５２”に対面する平坦な頂面２８と、通常は平坦な底面３０とを有する。酸化剤プレナムの底部包囲部材８２は、ワッシャー８４とガスケット８６との支持手段と接触することにより酸化剤供給管５１を支持するが、この支持手段は酸化剤プレナム５２”の内部で酸化剤供給管の外周部を取り囲み、この支持手段は酸化剤プレナム下方部材８２の平坦な頂面２８の上にある。ワッシャー８４は、密度が９０％乃至９５％（多孔度が５％乃至１０％）の硬質で高純度（即ち、純度が少なくとも９０％）のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）製である。ワッシャーは、厚さが約０．１５インチ乃至０．３５インチ（０．３８ｃｍ乃至０．８９ｃｍ）であるのが好ましく、可撓性ガスケットを定位置に保持するためにその上部に位置する。ガスケット８６は、密度が約２％乃至１５％（多孔度が８５％乃至９８％）になるように圧縮されたアルミナ繊維の高純度（純度が少なくとも９０％、好ましくは約９５％）の商用紙である。
【００１４】
ワッシャー８４は、酸化剤供給管の上部に接合、溶着、焼結または他の方法で物理的に接合または固定することが可能であるが、ガスケット８６は供給管上に摺動自在に固く嵌合しているため焼結または接着が不要であり、ワッシャーにより定位置に保持される。図示のように、ガスケットを通して酸化剤が少量漏れる（６３）ことがある。ガスケット８６は、酸化剤プレナムの底部包囲部材８２の頂面２８上において、接触するワッシャー８４と底部包囲部材８２との間に位置する。ガスケット８６は、少なくとも、好ましくは平坦な底面８８を有し、この底面は酸化剤プレナム下方部材の頂面２８と係合するかまたは同一平面内にある。通常、ガスケットとワッシャーの頂面及び底面は、図４に示すように平坦である。ガスケット８６は、図示のように、底部包囲部材８２を貫通する開口２６を覆う。ガスケットが軟質で多孔性の構造を持つことが重要であり、それによりプレナムの仕上げが一様でない頂面２８に対してクッションが提供され、各燃料電池内で酸化剤供給管をセンタリングするための心合わせが可能になると共に多量の酸化剤の漏洩（６３）が阻止される。開口９０の側面と酸化剤供給管５１との間に距離ｘ及びｙが存在するように、これらの開口２６のサイズを大き目にすると、燃料電池束の不整列を補償し、全ての供給管が燃料電池内に実質的にセンタリングできるように、開口２６内の供給管５１を中心からずらすことが可能になる。開口２６の内径を酸化剤供給管の外径よりも２０％乃至３０％大きくしてもよい。２０％以下であれば、酸化剤供給管の移動が大きな制限を受けることになり、３０％以上だと、構造的健全性が損なわれ、ガスケットが十分な支持を与えず、他のガスケットと接触する可能性がある。このことは、間隔が非常に狭い従来型の設計と比較すると非常に大きな利点である。従って、酸化剤供給管５１は底部包囲部材の開口２６内にセンタリングする必要も、ｘをｙに等しくする必要もない。それにより、燃料電池内の空気電極１８と供給管５１との間に空間９２が通常、確実に存在するようになる。酸化剤プレナム下方部材８２の下方のチェンバー９４は、発電装置の１つの設計では、燃焼／予熱チェンバー、他の設計では汚れた酸化剤の排出チェンバーとなりうる。
【００１５】
【実施例】
長さが７２インチ（１８２．８ｃｍ）、外径が０．４インチ（１．０ｃｍ）のアルミナ製中空酸化剤供給管７２の上部に、内径が０．４インチ（１．０ｃｍ）、外径が０．８８インチ（２．２３ｃｍ）、厚さが０．２５インチ（０．６４ｃｍ）の緻密、平坦、硬質且つ高純度アルミナ製のワッシャーを嵌合した。その後、この組立体を約８００℃に加熱して、ワッシャーを供給管の上部に溶着した。次いで、ワッシャーと同一内径及び外径を有し、厚さが０．１３インチ（０．３３ｃｍ）の軟質、平坦、可撓性で高純度アルミナ製のガスケットを、供給管の底部から装着し、ワッシャーの底部でそれと接触するように供給管に取付けた。
【００１６】
ガスケットとワッシャーの組合わせで囲まれた酸化剤供給管を、酸化剤プレナムの平坦な底部上の開口に挿入した。これらの開口は、長さ６６インチ（１６７．６ｃｍ）の燃料電池を含む燃料電池の直上でそれと整列関係にあった。これらの開口の直径は、供給管の外径よりも２０％乃至３０％大きいものであった。図４の設計と同様に、供給管の外側表面と燃料電池の内側表面との間にたった０．１２５インチ（０．３２ｃｍ）の半径方向ギャップが形成されるように、供給管を燃料電池の内部に挿入した。プレナムの開口が大き目であり、ガスケットが可撓性を有するため、供給管を燃料電池の内側と接触しないよう容易に調整することができた。
【００１７】
本発明の特定実施例を詳細に説明したが、当業者は、本願の開示全体に鑑みて、これらの詳細事項の種々の変形例及び設計変更を想到できることがわかる。従って、図示説明した特定の構成は例示的であって、本願の範囲を限定するものでなく、この範囲は頭書の特許請求の範囲及び任意かつ全ての均等物の全幅を与えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、従来型固体酸化物燃料電池発電装置の一実施例の断面図であり、酸化剤入口ライン、酸化剤プレナム、開いた端部及び閉じた端部を有する複数の中空燃料電池及び酸化剤供給管を示す。
【図２】 図２は、従来技術の酸化剤供給管支持システムの一例を示す断面図である。
【図３】 図３は、従来技術の別タイプの酸化剤供給管支持システムを備えた燃料電池発電装置の一部を示す断面図である。
【図４】 図４は、本発明を最もよく示す燃料電池発電装置の一部の破断断面図であり、本発明の酸化剤供給管支持システムを関連の燃料電池及び酸化剤プレナム下方断熱包囲部材／支持／隔壁部材と共に示す。

Claims (4)

1. 固体酸化物燃料電池発電装置であって、
   内側空気電極（１８）を備えた中空管状燃料電池（３６）と、
   酸化剤プレナム（５２”）と、
   酸化剤プレナム（５２”）から中空管状燃料電池（３６）へ酸化剤を供給する酸化剤供給管（５１）とを有し、
   酸化剤プレナム（５２”）は該プレナムを包囲する底部包囲部材（８２）を有し、
   底部包囲部材（８２）は複数の開口（２６）を有し、
   底部包囲部材（８２）は、酸化剤プレナム（５２”）から底部包囲部材（８２）の開口（２６）を貫通して燃料電池（３６）の中心部内へ延びる酸化剤供給管（５１）を支持し、
   発電装置はさらに、底部包囲部材（８２）の頂面上に位置する可撓性のガスケット（８６）と、
   酸化剤供給管（５１）に固着され、可撓性ガスケット（８６）の頂面上に位置する緻密なセラミックのワッシャー（８４）とを有し、
   可撓性ガスケット（８６）が酸化剤供給管（５１）の上部の周りを囲んで、内径が酸化剤供給管（５１）の外径より大きい開口（２６）を覆うため、中空管状燃料電池（３６）の内部における酸化剤供給管（５１）のセンタリングの調整が可能であり、
   酸化剤供給管（５１）に固着された緻密なセラミックのワッシャー（８４）は、酸化剤供給管（５１）が底部包囲部材（８２）の開口（２６）を介して摺動するのを阻止し、可撓性ガスケットの圧縮を助けて該可撓性ガスケットが定位置に保持されるようにする固体酸化物燃料電池発電装置。
2. 底部包囲部材の開口（２６）は、酸化剤供給管（５１）の外径より２０％乃至３０％大きい請求項１の固体酸化物燃料電池発電装置。
3. 中空管状燃料電池（３６）は、外側燃料電極（２２）、内側空気電極（１８）及び両電極間の固体酸化物電解質（２０）より成り、頂部が開いており、底部（１６）が閉じている請求項１の固体酸化物燃料電池発電装置。
4. 可撓性ガスケット（８６）は、軟質、平坦且つ高純度のアルミナである請求項１の燃料電池発電装置。

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