JP4651923B2 - 燃料電池スタック及び燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は一般に発電のための燃料電池スタック及び燃料電池モジュールに関し、特に反応物流れを分離させた燃料電池スタック及び燃料電池モジュールに関する。

燃料電池、例えば、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、イオン導通層を介して燃料とオキシダントを電気化学的に組み合わせることにより電気を発生するエネルギー変換装置である。燃料電池の動作温度はイオン導通層を形成する材料によって決まる。高温燃料電池を組み込んだ発電システムは、より高い効率及び電力出力を実現する潜在能力を有していることが望ましい。高温燃料電池は、例えば、約６００℃を超える動作温度を有し、ＳＯＦＣの例は約摂氏８００度から約摂氏１０００度の範囲で動作する。

典型的な燃料電池は約１Ｖ未満の電位で動作する。発電という用途に十分な電圧を実現するために、複数の個別の燃料電池を集積して、更に大きな構成要素を形成する。発電システムにおいて多段化を行い、他の装置により反応生成物を使用するためには、オキシダント（酸化体）流れと燃料流れを分離することが望ましい。より低温の、例えば、動作温度が約２００℃未満である燃料電池の場合、それら２つの反応物を分離するために多数の圧縮状態のエラストマーシールを使用しても良い。エラストマーシールは高温燃料電池の動作温度には耐えられないため、シールを形成するためにガラスセラミックなどの他の材料を使用しなければならない。しかし、高温燃料電池、特に電池の縁部又は角部の密封が必要な構造、あるいは熱膨張／収縮サイクルの間に一定の広さの間隙を維持することが要求される他の接合構造に関しては、密封性能の問題は依然として残っている。
米国特許６０４５９３５号明細書 米国特許４９１０１００号明細書 米国特許６３６１８９２号明細書 米国特許５８１１２０２号明細書 米国特許６４０６８０７号明細書 米国特許６１３２８９５号明細書 国際公開第０２２３６６０号公報 独国特許４３４３９１４号明細書 特開平０５−０４７４０８号明細書

従って、従来より少ない数のシールを使用して、反応物流れの分離を維持する燃料電池スタックを設計することが望ましいであろう。更に、燃料電池スタックを冗長電流経路を有する燃料電池モジュールに組み込むことが望ましいであろう。

簡単に言うと、本発明の一実施例によれば、燃料電池スタックは複数の配線部を含む。各配線部は少なくとも２つの開口部を規定し、反応物を流通させるための少なくとも１つの流れフィールドを含む。各々の開口部は対応する燃料マニホルドを規定し、燃料マニホルドは少なくとも１つの燃料取り入れマニホルドと、少なくとも１つの燃料排出マニホルドとを含む。燃料電池スタックは、陽極、陰極、及び陽極と陰極との間に配置された電解質を具備する少なくとも１つの燃料電池ユニットを更に含む。陽極は配線部のうちの対応する１つに隣接して配置され、対応する配線部と電気的に接続すると共に、流体連通するように構成されている。各配線部の流れフィールドは燃料取り入れマニホルドから燃料排出マニホルドへ燃料流れを誘導するように構成されている。陰極は配線部のうちの別の対応する１つの配線部に隣接して配置され、その配線部と電気的に接続すると共に、流体連通するように構成されている。この配線部の流れフィールドは配線部を介してオキシダント（酸化体）流れを誘導するように構成されている。燃料電池スタックは、配線部のうちの対応する１つの周囲に沿って、陽極に隣接して配置された周囲隔離シールを更に含む。周囲隔離シールは配線部の、陽極に面する側に配置されており、配線部に対して電解質を密封するように構成されている。燃料電池スタックは、配線部のうちの対応する１つに陰極に隣接して配置されると共に、対応する配線部の、陰極に面する側に配置された少なくとも２つの内側隔離シールを更に含む。１つの内側隔離シールが各々の開口部を包囲し、対応する配線部に対して電解質を密封するように構成されている。

燃料電池モジュールも開示される。燃料電池モジュールは、オキシダントを受け入れるように構成された入口及びオキシダントを排出するように構成された出口を有する容器を含む。燃料電池モジュールは、容器の内部にリング状に配列された少なくとも３つの燃料電池スタックを更に含む。燃料電池スタックは容器の内側ボリュームと外側ボリュームを分離し、それらのボリュームは燃料電池スタックを介して流体連通している。燃料電池スタックのうちの少なくとも１つは燃料流れを受け入れるための燃料入口を有し、燃料電池のうちの少なくとも１つは燃料流れを排出するための燃料出口を有する。各燃料電池スタックは燃料流れを受け入れ、排出するための少なくとも２つの燃料マニホルドと、陽極、陰極、及び陽極と陰極との間に配置された電解質を具備する少なくとも１つの平面高温燃料電池ユニットとを含む。各燃料電池スタックは、陰極と燃料マニホルドを通過する燃料流れを分離すると共に、陽極とオキシダントを分離するための複数の圧縮シールを更に含む。燃料電池モジュールは、各燃料電池スタックを少なくとも１つの他の燃料電池スタックに電気的に接続するために、燃料電池スタックの間に複数の電気接続部を更に含む。

本発明の以上の特徴、面及び利点、並びにその他の特徴、面及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより更に良く理解されるであろう。図面中、同じ図中符号は一貫して同じ部分を表している。

図１及び図２を参照して、本発明の燃料電池スタック１０の一実施例を説明する。図２に示すように、燃料電池スタック１０は複数の配線部２２を含み、各配線部２２はその配線部２２の平面に少なくとも２つの開口部２４を規定しており、各々の開口部２４は対応する燃料マニホルド２５を規定している。図１に矢印により示すように、燃料マニホルド２５は少なくとも１つの燃料取り入れマニホルド２５１と、少なくとも１つの燃料排出マニホルド２５２とを含む。図１では、燃料取り入れマニホルド２５１と燃料排出マニホルド２５２は互いに平行で、逆方向であるように示されているが、マニホルドは同じ方向で互いに平行であっても良いし、あるいは互いに垂直であっても良い。図１に示す特定の実施例の場合、各配線部は４つの対称に配列された開口部２４を規定し、開口部２４は、燃料電池スタック１０内部において燃料を対称に配分するために４つの燃料マニホルド２５を規定している。各配線部２２は、その配線部２２を通してオキシダント又は燃料などの反応物を流通させるための少なくとも１つの流れフィールド３４を更に含む。流れフィールド３４は、例えば、必要な導電率を有し、耐酸化性であり、機械的強度を維持し且つ燃料電池の動作条件の下で化学的に安定している金属から形成されている。例えば、動作温度が７５０〜８００℃以下である場合、流れフィールド３４をフェライトステンレス鋼系の金属組成からスタンピングすることが可能であろう。更に、この例の流れフィールド３４は配線部２２にある流路に嵌合されるか、又は配線部２２の一体の一部分を形成している。

燃料電池スタック１０は、陽極２６、陰極２８、及び陽極と陰極との間に配置された電解質２７から構成される少なくとも１つの燃料電池ユニット２０を更に含む。この例の電解質２７は燃料とオキシダントの双方を透過しない。例えば、プロトン交換膜（ＰＥＭ）又はＳＯＦＣ燃料電池２０の場合、電解質２７の例はイオン導通セラミック又はポリマー膜などの固体電解質２７である。平面燃料電池ユニット２０の一例は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、酸化セリウム添加ジルコニア、又はマンガン酸ランタンストロンチウムガリウム（ＬＳＧＭ）などの酸素イオン導通固体電解質を含む固体酸化物燃料電池２０である。

陽極２６はそれぞれ対応する配線部２２に隣接して配置され、配線部２２と電気的に接続すると共に、流体連通するように構成されている。図１に示す実施例の場合、流れフィールド３４は電気的接続と流体連通の双方を成立させている。図１に示すように、この配線部２２の流れフィールド３４は少なくとも１つの燃料取り入れマニホルド２５１から陽極２６の表面に沿って少なくとも１つの燃料排出マニホルド２５２へ燃料の流れを誘導するように構成されている。

陰極２８はそれぞれ対応する配線部２２に隣接して配置され、配線部２２と電気的に接続すると共に、流体連通するように構成されている。図１に示すように、この配線部２２の流れフィールド３４は陰極２８に対する電気的接続を成立させると共に、配線部２２を介し、陰極２８の表面に沿ってオキシダントの流れを誘導するように構成されている。オキシダントの一例は空気である。

更に、燃料電池スタック１０は、陽極２６に隣接する配線部２２の周囲に沿って配置された周囲隔離シール４４を含む。図１に示す特定の実施例の場合、周囲隔離シール４４は内側の開口部２４の間まで延出している。図１に示すように、周囲隔離シール４４は配線部２２の、陽極２６に向いた側に配置され、配線部２２に対して電解質２７を密封するように構成されている。周囲隔離シール４４は平面燃料電池ユニット２０を包囲しているオキシダントから陽極２６を遮蔽するので好都合である。陰極２８を燃料マニホルド２５を通る燃料流れから遮蔽するために、燃料電池スタック１０は、図１に示すように、配線部２２に陰極２８に隣接して配置されると共に、配線部２２の、陰極２８に向いた側に配置される少なくとも２つの内側隔離シール４５を更に含む。図示した通り、１つの内側隔離シール４５は各々の開口部２４を包囲し、配線部２２に対して電解質２７を密封している。図１に示すように、シール４４、４５は典型的な平面スタック構造（図示せず）で見られる縁部シール（図示せず）と比較して圧縮性であるという点で好都合である。「圧縮性である」とは、スタック１０の重量により、あるいはより十分な密封を得るためにボルトなどの機械的手段を使用して圧縮状態にされたときにシール４４、４５が変形することを意味している。スタック１０においてより大きな電圧を発生するために、燃料電池スタック１０は、特定の一実施例に従って、垂直スタックとして配列された複数の平面燃料電池ユニット２０を含む。当業者には認識されるであろうが、図２に示す３つの平面燃料電池ユニット２０を積み重ねた特定の構成は単なる例示を目的としているにすぎず、スタック１０に含まれる平面燃料電池ユニット２０の特定の数はスタック１０に要求される出力電力に応じて異なる。図２に示す特定の実施例の場合、２対の隣接する平面燃料電池ユニット２０の各対は１つの配線部２２を共有しており、配線部２２は隣接する平面燃料電池ユニット２０のうちの一方のユニットの陽極２６及び他方の隣接する平面燃料電池ユニット２０の陰極２８に隣接し、それらに電気的に接続されていると共に、それらと流体連通している。この特定の実施例では、隣接する平面燃料電池２０が共有している配線部２２の各々は、隣接する平面燃料電池ユニット２０の隣接する陽極２６と陰極２８を電気的に接続し且つそれらを流体連通させるために、両側に１つずつの流れフィールド３４を含む。

特定の一実施例によれば、各平面燃料電池ユニット２０は、例えば、図１に示すように多角形である。多角形の形状である燃料電池ユニット２０は相対的に製造しやすく、先に説明したように最小限ではあるが、頑丈な密封構造を形成できるという点で好都合である。例えば、図３及び図４に示す角部スタックシール４３は完全に密封する必要はなく、入口オキシダント流れと出口オキシダント流れの分離を維持するためにスタック１０を通過する反応物流れに対して十分な抵抗を与えるだけで良い。例えば、角部スタックシール４３は、燃料流れとオキシダント流れの大半が角部スタックシール４３ではなく、燃料電池スタックを通過して流れるように、燃料電池スタック１０より高い流れ抵抗を有するように設計された非密封シールである「漏出シール」であっても良い。漏出シールの例は圧縮自在の布又は密度の高いフォームから形成される。更に、容器６２に挿入する前に、多角形構成要素を積み重ねて配列し、燃料電池スタック１０を形成しても良い。また、燃料電池スタック１０は、一体に積み重ねられたときに、多角形の形状により角度が規定されるために自己整合性を示す。図３に示す燃料電池スタック１０の場合、各平面燃料電池ユニット２０は方形である。図１及び図４の燃料電池スタック１０の場合には、各平面燃料電池ユニット２０は六角形である。具体的に言えば、図１に示す実施例の場合、各配線部２２は４つの開口部２４を規定し、それらの開口部は配線部２２の２つの対向する端部５２に配置される２つの対５０として配列されており、各対は、図１に矢印により示すように、１つの燃料取り入れマニホルド２５１と、１つの燃料排出マニホルド２５２とを規定している。このような開口部２４の構成は、平面燃料電池ユニット２０に燃料を対称に配分することを容易にするという点で好都合である。更に特定された実施例によれば、図１に示す平面燃料電池ユニット２０は多角形固体酸化物燃料電池である。

スタック１０を閉じて、平面燃料電池ユニット２０から電流を回収するために、図２に示す燃料電池スタック１０の実施例は、平面燃料電池ユニット２０のうちの上のユニットの上方に配置される上面エンドプレート１２と、平面燃料電池ユニット２０のうちの下のユニットの下方に配置される底面エンドプレート１４とを更に含む。エンドプレート１２、１４は電流を回収する働きをし、上面エンドプレート１２及び底面エンドプレート１４は、例えば、フェライトステンレス鋼から形成されている。更に、エンドプレート１２、１４は燃料電池スタック１０を覆い、燃料及びオキシダントが燃料電池スタック１０を迂回することを防止する。２枚のエンドプレート１２、１４の間の電位は燃料電池スタック１０の総電力であり、個々の燃料電池ユニット２０の電圧の和に等しい。

特定の一実施例によれば、電解質２７は反応物を透過せず（以下、「実質的に固体である」という）、例えば、プラズマ噴霧、物理気相成長、又は化学気相成長などの技法により、陽極２６及びそれぞれ対応する１つの配線部２２に蒸着されている。この特定の実施例の場合、周囲隔離シール４４は電解質２７から成り、電解質２７をそれぞれ対応する配線部２２に蒸着することにより形成される。電解質２７から成る周囲隔離シール４４の一例を図９に示す。図９の実施例では、電解質は密封を行うために活性領域と比べて不活性領域で厚くなっている。例えば、燃料電池ユニット２０の組み立てに先立って、蒸着工程の間にマスキングを行うことにより、電解質２７を厚くすることができる。電解質２７を対応する配線部２２に直接に接合することにより形成されるこの周囲隔離シール４４はほぼ平坦であり、従って、一定の広さの間隙を維持する必要がないという点で好都合である。ほぼ固体である電解質２７は、配線部２２と電解質２７との間の接合を強化するために蒸着される介在層（図示せず）によって、例えば、焼結により陽極２６に接合されても良い。電解質２７をそれぞれ対応する配線部２２に対して密封するために、シール４４、４５は、他にも、例えば、先に挙げた蒸着技法の１つを使用して対応する配線部２２に蒸着されたガラス、ガラスセラミック、金属、金属ろう又はそれらの組み合わせから形成される。これらのシール４４、４５もほぼ平坦であり、従って、一定の広さの間隙を維持する必要がないという点で好都合である。

図３、図４、図５、図７及び図８を参照して燃料電池モジュール６０を説明する。図３及び図７に示すように、燃料電池モジュール６０は、オキシダント、例えば、空気を受け入れるように構成された入口６８及びそれを排出するように構成された出口７０を有する容器６２を含む。燃料電池モジュール６０は、容器６２の内部でリング状に配列された少なくとも３つの燃料電池スタック１０を更に含む。図４に示すように、燃料電池スタック１０は容器６２の内側ボリューム６４と外側ボリューム６６を分離しており、内側ボリューム６４と外側ボリューム６６は燃料電池スタック１０を介して流体連通している。図６の平面図に示す通り、少なくとも１つの燃料電池スタック１０は燃料流れを受け入れるための燃料入口７２を有し、少なくとも１つの燃料電池スタック１０は燃料流れを排出するための燃料出口７４を有する。各燃料電池スタック１０は燃料流れを受け入れ、排出するための少なくとも２つの燃料マニホルド２５を含み、少なくとも１つの平面高温燃料電池ユニット２０を更に含む。ここで使用される用語「高温」燃料電池は、例えば、溶融炭酸塩燃料電池又は固体酸化物燃料電池のように、少なくとも約摂氏６００度の動作温度を有する燃料電池を表す。先に述べたように、平面高温燃料電池ユニット２０は陽極２６、陰極２８、及び陽極２６と陰極２８との間に配置された電解質２７を含む。

各燃料電池スタック１０は、陰極２８と燃料マニホルド２５を通過する燃料流れを分離し且つ陽極２６とオキシダントを分離するための複数のシール４４、４５を更に含む。シール４４、４５は、図１に示すように、典型的な平面スタック構造（図示せず）で見られる縁部シール（図示せず）と比較して圧縮性であるので好都合である。

燃料電池モジュール６０は、各燃料電池スタック１０を少なくとも１つの他の燃料電池スタック１０に電気的に接続するために、燃料電池スタック１０の間に複数の電気接続部５４を更に含む。図８に示す実施例の場合、電気接続部５４は配線部２２により形成されている。図５に示すように、燃料電池スタック１０の間に電気接続部５４を形成するためにジャンパ線５４を使用することも可能であろう。燃料電池スタック１０は様々に異なる電圧及び冗長性をもって、数多くの方法により接続できるであろう。例えば、スタック１０を１対ずつ並列に電気的に接続し、図３の燃料電池モジュール６０において２対のスタック１０を直列に電気的に接続した場合、その燃料電池モジュール６０は、電流経路が並列であるために、１対の接続されたスタック１０の電圧の和に等しい電圧を発生し、冗長性は２倍になる。同様に、図３の燃料電池モジュール６０で４つのスタック１０の全てを並列に接続した場合には、燃料電池モジュール６０により供給される電圧は単一のスタック１０の電圧に限定されるが、冗長性は４倍になる。

特定の一実施例によれば、容器６２は圧力容器６２である。圧力容器６２を使用すると、圧力容器６２がオキシダントを燃料電池スタック１０に強制的に通すように構成されているために、オキシダントは多孔性陰極２８と接触するという点で好都合である。特定の圧力は発電の用途に応じて異なる。しかし、圧力容器６２の一例は約３気圧から約１０気圧の範囲で動作するように構成されている。圧力容器６２の使用により反応物の圧力がより高くなり、燃料電池ユニット２０のより高い電圧が実現されるので好都合である。図３に示す特定の実施例の場合、入口６８はオキシダントを容器６２の内側ボリューム６４に受け入れるように構成され、出口７０は容器６２の外側ボリューム６６からオキシダントを排出するように構成されている。この実施例では、各々の平面高温燃料電池ユニット２０は容器６２の内側ボリューム６４から外側ボリューム６６へオキシダントを搬送するように構成されている。図３に示す構成の利点の１つは、スタック１０間のパイプにある燃料が高温の排出オキシダント流れにより加熱されることである。図７に示す実施例の場合には、入口６８は容器６２の外側ボリューム６６にオキシダントを受け入れるように構成され、出口７０は容器６２の内側ボリューム６４からオキシダントを排出するように構成されている。図７の実施例では、各々の平面高温燃料電池ユニット２０は容器６２の外側ボリューム６６から内側ボリューム６４へオキシダントを搬送するように構成されている。この第２の実施例は流入するオキシダント流れによってスタック１０を冷却する。これらの構成は、いずれも、現在ガスタービンに適用するために設計されている構成と同様に容器６２の内部にスタック１０を封入することを容易にするという点で有利である。

先に図１を参照して平面高温燃料電池ユニット２０の例を説明したが、ユニットは開口部２４を規定し、流れフィールド３４を含む配線部２２を含む。開口部２４は燃料マニホルド２５を規定している。また、図１を参照して先に説明したように、この例の平面高温燃料電池ユニット２０の場合、圧縮シール４４、４５は周囲隔離シール４４と、内側隔離シール４５とを含む。この実施例では、例えば、図８に示すように、配線部２２の間に電気接続部５４が形成され、それぞれの燃料電池スタック１０にある少なくとも２つの配線部２２が電気的に接続されている。あるいは、それぞれの燃料電池スタックにある配線部２２はジャンパ線５４などの外部コネクタ５４と接続されている。

より大きな電圧を発生するために、更に特定された実施例においては、各燃料電池スタック１０は、垂直スタックとして配列された複数の平面高温燃料電池ユニット２０を含む。図５に示すように、各平面高温燃料電池ユニット２０はそれぞれ対応する平面９０に配置されている。この実施例では、図５に示すように、各電気接続部５４はそれぞれの平面９０にある少なくとも２つの平面高温燃料電池ユニット２０に隣接して配線部２２を接続するように構成されている。図８に示すように、電気接続部５４は配線部２２により形成されていても良い。図２に示すより特定された実施例によれば、各々の燃料電池スタック１０の中の少なくとも１対の隣接する平面高温燃料電池ユニット２０は対応する１つの配線部２２を共有し、配線部２２は隣接する平面高温燃料電池ユニット２０のうちの一方のユニットの陽極２６及び他方の隣接する平面高温燃料電池ユニット２０の陰極２８に隣接し、それらの陽極２６及び陰極２８と電気的に接続すると共に、流体連通している。この特定の実施例の場合、隣接する平面高温燃料電池ユニット２０が共有する配線部２２は、それぞれ、隣接する平面高温燃料電池ユニット２０の隣接する陽極２６及び陰極２８を電気的に接続し且つそれらに対して流体連通を成立させるために、配線部２２の両側に１つずつの流れフィールド３４を含む。更に、先に図２に関して説明したように、この例の燃料電池スタック１０は、スタック１０を閉じるために、平面高温燃料電池ユニット２０のうちの上方のユニットの上に配置された上面エンドプレート１２と、平面高温燃料電池ユニット２０のうちの下方のユニットの下に配置された底面エンドプレート１４とを含む。

先に述べた通り、燃料電池モジュール６０に望まれる電力出力及び冗長性に応じて、スタック１０はいくつかの方法により接続されることが可能であろう。複数の冗長電流経路を形成するために、一実施例では、電気接続部５４は少なくとも１つの平面９０の中で全ての平面高温燃料電池ユニット２０を接続している。例えば、図３及び図７のスタック１０が４つある構成の場合、４つの電気接続部５４は４つの平面高温燃料電池ユニットを１つの平面９０で接続して、４倍の電流経路冗長性を提供するが、供給される電圧は４つのスタック１０のうちの１つで発生される電圧に限定される。２倍の電流経路冗長性を提供しつつ、燃料電池モジュール６０の電圧出力を増加させるために、別の実施例では、図３及び図７のスタック１０が４つある構成において、１つの電気接続部５４が１対８０の燃料電池スタック１０を接続し、別の電気接続部５４は第２の対８２の燃料電池スタック１０を接続する。１つの燃料電池ユニット２０が導通しなくなった場合に一定の出力を維持するためには、並列経路の故障した電池ユニットのレベルにある残りのスタックの電流をそれに応じて増加させなければならない。例えば、そのようにリンクされている２つの電池ユニットについて、生き残っている電池の電流は倍増する。６スタック構成の場合には、並列経路の中で生き残っている各々の電池は更に２０％多い電流を搬送しなければならない。従って、そのようにして接続されるスタックの最小数は、個々の燃料電池ユニット２０が耐えられる追加電流の量によって決まり、それは１つには使用される燃料電池の種類によって異なる。

部分的に反応を起こした燃料の排出物を１つのスタック１０から別のスタック１０へ移動させるために、別の実施例による燃料電池モジュール６０は、１対８０の燃料電池スタック１０を接続する少なくとも１つの熱交換器５６を更に含む。図３の例の場合、燃料電池スタックの対８０は１及び２と番号付けされた１対の燃料電池スタック１０と、３及び４と番号付けされた１対の燃料電池スタック１０を含む。この例の熱交換器５６はフィン（図示せず）などの熱交換向上機能を具備したパイプ５６を含み、熱交換器５６は対の燃料電池スタックのうちの一方から排出された燃料流れをその対の燃料電池スタックのうちの第２のスタックに供給するように構成されている。図７に示す構成においては、熱交換器５６は入口６８からのオキシダントにより包囲されており、それにより、パイプ５６内部の排出燃料を冷却すると共に、燃料電池スタック１０に入るオキシダントを加熱するので好都合である。入口温度と、下流側スタック１０（例えば、スタック１及び２の対ではスタック２）に入る燃料の燃料組成を調整するために、例えば、図７に示すように、燃料が下流側スタック１０に入る前に流れにより多くの燃料を追加しても良い。別の実施例では、燃料電池スタック１０は、対のスタックにおいて得られる相対的な燃料利用率を最適にするために、上流側スタック１０（例えば、スタック１及び２の対ではスタック１）の燃料利用率が下流側スタックの燃料利用率に関して変化されるように設計されている。燃料利用率、すなわち、所定の燃料電池ユニット２０通過して流れ、その燃料電池ユニット２０により反応を起こす燃料のパーセンテージは、燃料電池ユニット２０における反応物の分布及び濃度などのいくつかの設計パラメータを使用して規制される。

図３、図６及び図７に示す燃料電池モジュール６０の特定の実施例の場合、燃料電池モジュール６０はリング状に配列された４つの燃料電池スタック１０と、対８０の燃料電池スタック１０及び第２の対８２の燃料電池スタック１０をそれぞれ接続する少なくとも２つの熱交換器５６とを含む。これらの実施例では、平面高温燃料電池ユニット２０は方形であり、各対の燃料電池スタックは燃料流れを受け入れるための対応する１つの燃料入口７２と、燃料流れを排出するための対応する１つの燃料出口７４とを含む。平面高温燃料電池ユニット２０は、例えば、平面ＳＯＦＣユニット２０である。加えて、燃料電池モジュール６０は、燃料入口７２に燃料を供給するように構成された燃料送り出しライン７６と、燃料出口７４から燃料を排出するように構成された燃料排出ライン７８とを更に含む。燃料は成形燃料又は炭化水素のいずれかとして燃料入口７２に供給され、スタック内部で改質されて、水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）を形成する。例えば、燃料は燃料取り入れマニホルド２５１の内部又は陽極２６の内部で改質される。別の例では、高温燃料電池ユニット２０は陽極２６の前方に内部改質装置（図示せず）を内蔵している。燃料電池ユニット２０内部で炭化水素燃料を改質することにより、システムの効率が向上するので好都合である。

燃料電池モジュール６０の別の実施例を図４に平面図で示す。この実施例の場合、燃料電池モジュール６０は、図４に示すように、リング状に配列された６つの燃料電池スタック１０と、対８０の燃料電池スタック１０、第２の対８２の燃料電池スタック１０、第３の対８４の燃料電池スタック１０及び第４の対８６の燃料電池スタック１０をそれぞれ接続する少なくとも４つの熱交換器５６とを含む。図示されるように、平面高温燃料電池ユニット２０は六角形である。平面高温燃料電池ユニット２０は、例えば、平面ＳＯＦＣユニット２０である。更に、対８０の燃料電池スタック１０と第２の対８２の燃料電池スタック１０は、共に、燃料流れを受け入れるための対応する燃料入口７２を含み、第３の対８４の燃料電池スタック１０と第４の対８６の燃料電池スタック１０は、それぞれ、燃料流れを排出するための対応する燃料出口７４を含む。加えて、燃料電池モジュール６０は、燃料入口７２に燃料を供給するように構成された燃料送り出しライン７６と、燃料出口７４から燃料を排出するように構成された燃料排出ライン７８とを更に含む。燃料は成形燃料又は炭化水素のいずれかとして燃料入口７２に供給され、スタック内部で改質され（例えば、平面高温燃料電池ユニット２０は陽極２６の前方に内部改質装置（図示せず）を内蔵していても良い）て、炭化水素燃料から水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）を形成する。スタック１０は、燃料電池モジュール６０の所望の電力出力及び冗長性に応じていくつかの方法で接続されることが可能であろう。一実施例では、電気接続部５４が燃料電池スタック１０のうちの２つを互いに並列に接続し、燃料電池スタック１０のうちの別の２つを互いに並列に接続し、且つ燃料電池スタック１０のうちの残りの２つを互いに並列に接続する。別の実施例においては、電気接続部５４は燃料電池スタック１０のうちの３つを互いに並列に接続し、燃料電池スタック１０のうちの別の３つを互いに並列に接続する。別の実施例では、電気接続部５４は燃料電池スタック１０の各々を一体に接続して、電流経路冗長性を６倍にする。先に述べた通り、この例の電気接続部５４はそれぞれのスタック１０の配線部２２の間に形成されている。
本発明のいくつかの特徴のみを図示し、説明したが、当業者には数多くの変形及び変更が思い浮かぶであろう。例えば、陰極及び陽極の場所を適宜変更した上で、燃料流路と空気流路の場所を逆にすることが可能であるのは明白なはずである。同様に、オキシダントが内部でマニホルドを流通し、燃料はスタックを包囲するように燃料電池スタックと燃料電池モジュールを組み立てることも可能であろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

平面燃料電池ユニットを示す展開図。 本発明の燃料電池スタックの一実施例を示す横断面図。 方形構成で配列された複数の燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールの一例を示す図。 燃料電池モジュールの六角形の実施例を示す平面図。 ２つの燃料電池スタックの例の間の複数の電気的接続を示す図。 図３の燃料電池モジュールの平面図。 方形構成で配列された複数の燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールの別の例を示す図。 隣接する燃料電池スタックの２つの配線部の間の電気的接続の一例を示す図。 図１の燃料電池ユニットの密封構造の一例を示す図。

符号の説明

１０…燃料電池スタック、２０…平面高温燃料電池ユニット、２２…配線部、２４…開口部、２５…燃料マニホルド、２６…陽極、２７…電解質、２８…陰極、３４…流れフィールド、４４…周囲隔離シール、４５…内側隔離シール、５４…電気接続部、６０…燃料電池モジュール、６２…容器、６４…内側ボリューム、６６…外側ボリューム、６８…入口、７０…出口、７２…燃料入口、７４…燃料出口、２５１…燃料取り入れマニホルド、２５２…燃料排出マニホルド

Claims (8)

1. 入口（６８）及び出口（７０）を有し、前記入口及び前記出口は、それぞれ、オキシダントを受け入れ、オキシダントを排出するように構成されている容器（６２）と、
   前記容器の内部にリング状に配列され、前記容器の内側ボリューム（６４）と外側ボリューム（６６）を分離する少なくとも３つの燃料電池スタック（１０）であって、前記内側ボリューム及び前記外側ボリュームは前記燃料電池スタックを介して流体連通しており、前記燃料電池スタックのうちの少なくとも１つは燃料流れを受け入れるための燃料入口（７２）を有し、且つ前記燃料電池スタックのうちの少なくとも１つは燃料流れを排出するための燃料出口（７４）を有し、
   各々の燃料電池スタックは、燃料流れを受け入れ、排出するための少なくとも２つの燃料マニホルド（２５）を具備し、更に、陽極（２６）、陰極（２８）、及び前記陽極と前記陰極との間に配置された電解質（２７）を具備する少なくとも１つの平面高温燃料電池ユニット（２０）を具備し、各々の燃料電池スタックは、前記陰極と前記燃料マニホルドを通過する燃料流れを分離すると共に、前記陽極とオキシダントを分離するための複数の圧縮シール（４４、４５）を更に具備する燃料電池スタック（１０）と、
   前記燃料電池スタックの間にあり、各燃料電池スタックを前記燃料電池スタックのうちの少なくとも１つの他の燃料電池スタックに電気的に接続する複数の電気接続部（５４）と
   を具備する燃料電池モジュール（６０）。
2. さらに、前記燃料電池スタックの２つの間の接合縁部又は接合面に沿って各々設けられた角部スタックシール（４３）を複数具備していて、各々の角部スタックシール（４３）が漏出シールである、請求項１記載の燃料電池モジュール（６０）。
3. 前記容器（６２）は圧力容器（６２）であり、前記平面高温燃料電池ユニット（２０）は平面固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）ユニット（２０）である請求項１又は請求項２記載の燃料電池モジュール（６０）。
4. 前記入口（６８）は前記容器（６２）の前記外側ボリューム（６６）へオキシダントを受け入れるように構成され、前記出口（７０）は前記容器の前記内側ボリューム（６４）からオキシダントを排出するように構成され、前記平面高温燃料電池ユニット（２０）の各々は前記容器の前記外側ボリュームから前記内側ボリュームへオキシダントを搬送するように構成されている請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の燃料電池モジュール（６０）。
5. 前記入口（６８）は前記容器（６２）の前記内側ボリューム（６４）へオキシダントを受け入れるように構成され、前記出口（７０）は前記容器の前記外側ボリューム（６６）からオキシダントを排出するように構成され、前記平面高温燃料電池ユニット（２０）の各々は前記容器の前記内側ボリュームから前記外側ボリュームへオキシダントを搬送するように構成されている請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の燃料電池モジュール（６０）。
6. 前記燃料電池スタック（１０）の各々は複数の配線部（２２）を更に具備し、前記配線部の各々は少なくとも２つの開口部（２４）を規定し、各開口部は前記燃料マニホルド（２５）のうちの対応する１つを規定しており、前記燃料マニホルドは少なくとも１つの燃料取り入れマニホルド（２５１）と、少なくとも１つの燃料排出マニホルド（２５２）とを含み、各配線部は反応物を流通させるための少なくとも１つの流れフィールド（３４）を具備し、
   各陽極（２６）は前記配線部（２２）のうちの対応する１つに隣接して配置され、前記配線部と電気的に接続すると共に、それと流体連通するように構成されており、前記配線部の前記流れフィールドは前記少なくとも１つの燃料取り入れマニホルドから前記少なくとも１つの燃料排出マニホルドへ燃料流れを誘導するように構成され、
   各陰極（２８）は前記配線部のうちの対応する１つに隣接して配置され、前記配線部と電気的に接続すると共に、それと流体連通するように構成されており、前記配線部の前記流れフィールドは前記配線部を介してオキシダント流れを誘導するように構成され、且つ
   それぞれの燃料電池スタックにある前記配線部のうちの少なくとも２つは電気的に接続されて、前記燃料電池スタックの間に前記電気接続部（５４）を構成している請求項１又は請求項２記載の燃料電池モジュール（６０）。
7. 前記シール（４４、４５）は、
   前記配線部（２２）のうちの対応する１つの周囲に前記陽極（２６）に隣接して配置され、前記配線部において、前記陽極に面する側に配置され、前記配線部に対して前記電解質（２７）を密封するように構成されている周囲隔離シール（４４）と、
   前記配線部のうちの対応する１つに前記陰極（２８）に隣接して配置されると共に、前記配線部の、前記陰極に向いた側に配置され、前記開口部（２４）の各々を包囲し、前記配線部に対して前記電解質を密封するように構成されている少なくとも２つの内側隔離シール（４５）とを具備する請求項６記載の燃料電池モジュール（６０）。
8. 前記燃料電池スタック（１０）の各々は、垂直スタックとして配列された複数の平面高温燃料電池ユニット（２０）を具備し、前記平面高温燃料電池ユニットの各々は複数の平面（９０）のうちの１つに配置されており、それぞれ１つの平面にある前記平面高温燃料電池ユニットのうちの少なくとも２つのユニットの前記配線部（２２）は電気的に接続されている請求項７記載の燃料電池モジュール（６０）。
   

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