JP4677184B2 - 水平式燃料電池管システムと方法 - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池システムとその関連方法に関し、特に、管状固体酸化物燃料電池の燃料電池スタック構造に関係する。
関連出願への相互参照
この出願は、２００１年６月４日に出願された米国特許仮出願番号６０／２９５,９３８（代理人ファイル番号２３５４／１１５）及び２００２年１月３０日に出願された米国特許仮出願番号６０／３５２,８２３（代理人ファイル番号２３５４／１４３）の利益を享有することを主張する。これらの関連する両出願の開示は参照のためにここに取り入れられる。
世界的な予測は、主に国家の電力用高圧送電線網を欠く発展途上国での経済成長により、電気消費量が今後１０年間で劇的に増加することを示す。この増加する消費は先進国における電力産業の規制緩和と共に小規模の分配型発電の必要性を生じさせる。
燃料電池は、分配型の発電を提供するには有望な技術である。燃料電池は、空気のような酸化性ガスと、水素や天然ガスなどの含水素燃料をそれらが結合して水と電気を形成するように電解液の対向両側に置く。そのような反応は多孔材から作られた陰極及び陽極と、イオン電導電解質を必要とする。固体酸化物燃料電池では、酸化物は陰電荷の酸素イオンの導電を行う。
固体酸化物燃料電池システムは他の種類の燃料電池より安く作ることができ、その結果、分配型発電を容易にするための特定の可能性を持つことができる。固体酸化物燃料電池システムを設計することにおける重要な関心は製作の容易性、燃料電池に直列及び並列に接続する容易性、および燃料電池シールの信頼性を含んでいる。
発明に従った１つの実施の形態では、発電用燃料電池システムは、端部が解放されている管状固体酸化物燃料電池と、第１燃料プレナムチャンバから燃料電池の１開端まで延伸する第１燃料噴射管と、第２燃料プレナムチャンバから燃料電池の別の開端まで延伸する第２燃料噴射管とを含んでなり、前記第１及び第２燃料噴射管は、ギャップであって、そこから含水素燃料ガスが燃料電池の前記両開端に向かって流れるキャップを燃料電池の中に形成する。
一層の関連する実施の形態では、事前再形成触媒を含む少なくとも１つの燃料プレナムチャンバを含む。燃料電池の両開端は第１及び第２燃焼ゾーンを区画する第１及び第２燃焼多岐管（マニホルド）を通って延伸し、一方、第１燃料噴射管は第１燃焼ゾーンを通って延伸し、第２燃料噴射管は第２燃焼ゾーンを通って延伸する。燃料電池は陽極で支持された管状の燃料電池であってもよい。複数の電気的に並列な管状の固体酸化物の燃料電池のバンドルを対向する一組の燃料プレナムチャンバ間に設けて該対向する一組の燃料プレナムチャンバがバンドルの各燃料電池内に延伸するようにすることができる。燃料電池の複数のバンドルは電気的に直列に接続されてもよく、そして、隣接する複数の燃料プレナムチャンバはパーティションによって電気的に絶縁されてもよい。システムはセラミックの加熱管を含むことができる。前記燃料プレナムチャンバの少なくとも１つは、少なくとも２セットの対向する燃料噴射管を含んでもよい。第１燃料プレナムチャンバへの燃料入口はシステムの反対側から第２燃料プレナムチャンバの燃料入口から入ってもよい。ガスバーナは、システムの陰極ゾーンを囲む部分を加熱するために置かれてもよい。燃料電池は複数の燃料電池セグメントを含んでもよい。第１及び第２第燃料噴射管は燃料電池の陽極層に電気的に接続されてもよい。
一層の関連する実施の形態では、第１燃焼多岐管（セラミックのファイバーボードで作られていてもよい）は燃料電池の周りにシールを形成する。このシールは、セラミックのファイバーボードを圧縮することによって形成されてもよい。そのような多くの層のスタックは、電気的に並列な燃料電池バンドルが互いに電気的に絶縁されるように形成されてもよい。セラミック繊維ブランケット材料を、前記層を電気的に絶縁するのに使用してもよい。第１燃焼多岐管を２個の燃焼ゾーンに分けてもよく、これらのゾーンは第１燃料プレナムチャンバの電気的に絶縁された２つの半部分に対応するものである。
発明に従った別の実施の形態では、発電用燃料電池システムは、燃料入口のプレートと燃料出口プレートの間に置かれ端部が開いた複数の管状固体酸化燃料電池であって、前記燃料入口のプレートと前記燃料出口プレートが前記燃料電池のための一連の開口を含んでおり、各プレートは前記燃料電池の周りにシールを形成するセラミックファイバーボード圧縮層を含む。そのような実施の形態はシステムの陰極ゾーン、または燃料前処理モジュールを囲む部分を加熱するために設けられるガスバーナを含むことができ、そして、燃料入口のプレートと燃料出口プレートは燃料電池システムのモジュールアセンブリのためのフランジを含むことができる。
発明に従った一層の実施の形態では、発電用燃料電池システムは、複数の垂直に積み重ねた燃料電池層を含み、これらの各層は、２つのセラミックファイバーボード燃料プレナムの間に水平に置かれかつ電気的に並列に配設された複数の、端部が開いた管状固体酸化物燃料電池を含み、前記各層は隣接層から電気的に絶縁されている。
発明に従った別の実施の形態では、管状固体酸化物燃料電池の周りにシールを形成する方法は、少なくとも３つのシール層であって、第１および第２金属板層とセラミックファイバーボード層を含むシール層に燃料電池を挿入し、前記２つの金属板の間でセラミックのファイバーボード層を圧縮して燃料電池の周りにシールを形成することを含んでなる。
発明に従った一層の実施の形態では、発電用燃料電池システムは、セラミック多岐管の上半分と下半分の間に配設され端部が開いた複数の管状の固体酸化物燃料電池を含み、前記セラミック多岐管は前記燃料電池の端部の周りにシールを形成し、前記セラミック多岐管の片端の開口は入口多岐管を形成して、セラミック多岐管のもう一方の端部の開口は出口多岐管を形成する。セラミック多岐管は電気的に並列な燃料電池の複数のバンドルのために開口を含むことができ、そして、セラミック多岐管の中の燃料電池の少なくとも２つのバンドルが電気的に直列に接続することができる。燃料電池システムの陽極集電システムは対のバスバー間にはさみ込まれる１セットの陽極ワイヤを含むことができ、そして、システムはさらに集電ワイヤを囲む少なくとも１個のセラミック管を含むことができる。
発明に従った別の実施の形態では、発電用燃料電池システムは、各層がセラミックの排気プレナムと金属の燃料入力多岐管の間に水平に置かれた複数の、端部が開いた管状固体酸化物燃料電池を含む複数の垂直に積み重ねた燃料電池層を含み、前記燃料入力多岐管がそれぞれの燃料電池層をそれの上の次の層に電気的に接続する突起を含み、かつ、前記各層のための波形の集電装置がその層の前記複数の燃料電池にスナップフィット（はめ込み）する。熱交換器は、システムから外に出る空気から熱を蓄積しかつ入って来る空気を暖めるように置かれてる。システムはさらに排気プレナムを通って延伸する少なくとも１本の加熱パイプを含むことができる。
発明の実施するための最良の形態
発明の以上の特徴は、添付図面に関してなされる以下の詳細な説明を参照することにより容易に解釈されるであろう。
図１は、本発明の実施の形態に従った二元的な噴射管燃料電池システム１００の断面図を示す。この実施の形態では、天然ガスなどの含水素燃料ガスはシステム１００の反対側に位置する２セットの燃料プレナムチャンバ１０１−１０３と１０４−１０６に流れる。前記燃料プレナムチャンバで事前再形成された後に、燃料ガスはそれぞれの燃料プレナムチャンバ１０１−１０６から燃料ガス噴射器１０７を通してシステム１００のセンターに向かって流れる。それぞれの燃料ガス噴射器１０７は、その底部において（例えば溶接で）燃料プレナムチャンバ１０１の壁の穴１１０に固着される（鋼菅などの）金属円管である。
図２の断面詳細に詳しく示すように、管状固体酸化物燃料電池２０８（図１では図を見やすくするために省略されている）は、一組の対向燃料ガス噴射器２０７、２０９を囲んでいる。破線２２２と２２３は燃料ガス（図２において「FUEL」と記載されている）の流れを示す。この流れは、最初に、対向燃料ガス噴射器２０７、２０９の端部の間に位置するギャップ２１１から遠ざかるように反対方向に流れ、次に、システム１００の各端部に位置する燃焼ゾーン２１２，２１３へ流れる。燃料電池管２０８は内側陽極層２１４と外側陰極層２１５を有し、燃焼多岐管２２０、２２１の穴２１８，２１９を通って延伸する開端２１６、２１７を備える。図１で、類似の番号（１０７, １０９, １１１など）は図２の番号の類似の項目（項目２１１、２０７、２０９など）を示す。
空気（または、酸素ガスといった別のソース）は空気入口１２４を通って陰極ゾーン１２８の下部に入り、燃料電池管２０８の陰極の外面の周りを上昇して、空気出口（吹出し口）１２５を通って出る。空気はまた、別々の入口を通って燃焼ゾーンの下部に入って、これらのコンパートメント内を上昇してその先端から出る。図２の破線２２６と２２７は陰極ゾーン２２８を通る空気の流れを示す。１つの実施の形態では、穴２１８と２１９は、燃料電池管２０８の外径よりもわずかに大きく、その結果、いくらかの空気が陰極ゾーン２２８から燃焼ゾーに２１２と２１３内に引っ張り込まれるようになっている。しかしながら、望ましくは、穴２１８，２１９と、燃料電池管２０８の外表面の縁との間のギャップは、燃焼ガスが前記燃焼ゾーンから陰極ゾーン１２８に流れるのを防ぐために封をされる。そのようなシールは、例えば、以下で説明する1実施の形態に従ってセラミックファイバーボードを使用することで形成してもよいし、または、他の封をするテクニックを使用することで形成してもよい。
システム１００は、その入口と出口は別として、システムは断熱エンクロージャ１３３によって囲まれる。このエンクロージャは、例えば、側部、上面及び底面に設けた厚いセラミックファイバーボード１４３を囲むスチール層１４９で作ることができる。
燃料ガス中の水素を空気中の酸素と反応させることによって、各燃料電池２０８は電気を発生させる。発明の１つの実施の形態によると、燃料電池２０８は、出願係属中の米国特許出願Ｎｏ．０９／８６４,０７０（出願日、２００１年５月２２日）、発明の名称「Electrode-supported Solid State Electrochemical Cell（電極で支持されたソリッドステート電気化学電池）」及びそれと関連する米国特許仮出願Ｎｏ．６０／２０６,４５６（出願日、２０００年５月２２日）、発明の名称「Anode-supported Tubular Fuel Cell(陽極で支持された管状燃料電池」において開示されているような陽極で支持された管状燃料電池である。これらの両出願の開示内容は参照のためにここに取り入れられる。代替の実施の形態によると、燃料電池は電解質で支持された管状燃料電池、陰極で支持された管状燃料電池、または他の形式の燃料電池である。
図１の実施の形態によると、燃料プレナムチャンバはセット１０１−１０３と、セット１０４−１０６のような２セットに分割される。各セットはパーティション１２９，１３０，１３１，１３２によってチャンバ１０１，１０２，１０３のような別々の電気的に絶縁された燃料プレナムチャンバに分割される。対向するそれぞれ対の燃料プレナムチャンバ（対１０１／１０４，１０２／１０５、および１０３／１０６など）の間では、管状燃料電池のバンドルは、燃料電池が電気的に並列とあるように、二元的な（２つの）噴射器に取り付けられる（噴射器２０７と２０９上燃料電池２０８などの）。パーティション１２９、１３０と１３１、１３２は、前記バンドルが電気的に直列に置かれてもよいように、これらの平行なバンドル層を互いに電気的に絶縁する。このようにして、例えば、図１のシステム１００は、各バンドルが並列接続された１０個の管状電池を含む３つの燃料電池バンドルを直列的に使用することを許容する。
代替の実施の形態では、燃料電池管２０８に対するのと同様な方法で、噴射器１３４，１４５の少なくとも１つの底部層（わかりやすくするために黒で示す）は、対向する噴射器の一方から他方へ延伸するセラミック加熱管によって囲まれている。そのようなセラミック加熱管は燃焼触媒を含んでいて、触媒作用の燃焼によって高温に達する。したがって、陰極ゾーン１２８に入ってこれらの管の表面を通り過ぎる空気は、燃料電池２０８の陰極２１５に達する前に加熱される。
燃料プレナムチャンバ１０１−１０３と１０４−１０６は事前改質触媒を含んでいる。例えば、これらのチャンバはルテニウムによってコーティングされ軽くパックされた多孔質セラミックボールを含んでもよい。熱は燃焼ゾーン１１２と１１３からプレナムチャンバ１０１−１０３と１０４−１０６内の燃料に伝達され（その結果、事前改質反応を促進し）、そして、燃焼ゾーンを通って噴射器の中に移動する燃料に伝達される。
図３は、発明の実施の形態に従った燃料プレナムチャンバ、噴射器、および燃焼多岐管の外観を示す（他の要は簡潔をむねとして省かれている）。それぞれの別々の燃料プレナムチャンバ３０１−３０６にはそれ自身の燃料入口３３６−３４１がある。図４は、発明の実施の形態に従った、両側壁から延伸する燃料ガス噴射器４０７と４４２を有する１セットの燃料プレナムチャンバ４０１を示す。システム１００の縦方向の配置をまねて、数個のアセンブリ４４３を横に繰り返して並べることで、図１の実施の形態と比べて改善された燃料電池パック（詰め込み）効果を与えることができる。すなわち、図４の実施の形態は繰り返しアレイ（各アレイは、複数の燃料プレナムチャンバと、右向き噴射器と、左向き噴射器と、複数の燃料プレナムチャンバで構成される）を可能にし、所望の長さで長手方向に連続する単一のシステム（システムの２つの端部のそれぞれに片側噴射器アセンブリを備えている）の創成を可能にする。燃料プレナムチャンバの対向両側の噴射器（噴射器４０７と４４２など）上に配置される燃料電池はそのような縦のアレイにおいて電気的に並列である。
図５は、発明の実施の形態に従った、燃料入口５３６と５３９が反対方向である燃料プレナムチャンバ５０１と５０４の２セットの対向セットを示す。そのような入口の方向は、入口が同じ側にある（図３参照）ことを変更して図１の実施の形態と共に使用されてもよく、また、図４に関して説明したように、燃料プレナムの縦列の繰り返しを用いることもできる。
図６と７は、発明の実施の形態に従う図１のシステムの外観を示す。図６は、システムの側部を囲む断熱エンクロージャ６３３を示す（図面を見やすくするために、上層は取り除かれている）。燃料ガス入口６３６−６４１はエンクロージャを通って延伸する。図７は上部断熱層７４３を示し、この層には、燃焼ゾーンからの出口７４４と７４５と、対のガスバーナ（図８に示す）のための出口７４６と７４７と、陰極ゾーンからの出口７４８が設けられている。
図８と９は、図１の実施の形態の断面図（いくつかの特徴が簡潔をむねとして省かれている）を示すものであるが、この断面図は図１に示す断面図に直交するものである。図８は、陰極ゾーン８２８の下に置いたガスバーナ８５０と８５１を示す。バーナ８５０、８５１は陰極ゾーン８２８の壁８５２と８５３を加熱して陰極ゾーン内の空気を運転温度まで加熱するのを助ける。ガスバーナからの排気は出口８４６と８４７を通って上昇する。図９は、図８に示す図と同様な図であり、燃焼多岐管９２０を通って延伸する噴射器９０７と、エンクロージャ９３３を通って延伸する燃料入口９３６−９３８を示す。
発明の実施の形態によると、噴射器（図１の噴射器１０７と１０９など）はまた、燃料電池２０８の集電装置として機能する。燃料電池の陽極に接続されたワイヤ又はメッシュは噴射器との電気接触を形成する。噴射器と燃料プレナムは通電材料で作られているので、燃料電池の陽極との電気接続は燃料プレナムチャンバの壁どうしを接続することによって行うこととしてもよい。燃料プレナムが電気絶縁材によって別々のチャンバに仕切られる場合は、燃料プレナムチャンバ壁への接続を陽極接続として使用することにより、対向する各燃料プレナムチャンバ対と協働する電気的に並列な燃料電池バンドルを互いに直列に配列することとしてもよい。燃料電池の陽極と陰極への接続は、以下の更なる別の実施の形態で説明される方法と同様に、ワイヤメッシュとバスバーを使用することで行われる。重力により燃料電池２０８噴射器２０７と２０９上に引っぱられるので、ワイヤメッシュ構造はまた、噴射器の上面と燃料電池の間を流れる燃料ガスのためのギャップの維持に役立つことができる。
図１０は、陽極層１０１４と陰極層１０１５がセグメント１０５４と１０５５に分けられ、すべてのセグメントが共通の１つの電解質で支持される実施の形態の断面図を示す。セグメント１０５４と１０５５は従って別々の燃料電池として機能し、各セグメントは、セグメントとして分割されていない全体が発生させたであろう電圧と同じ電圧を発生させる。その結果、そのようなテクニックを使用することでシステムの前記電圧を倍にすることができる。
燃焼ゾーン１１２と１１３からの排気ガス（ＣＯ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｈ２Ｏ、およびＨ２など）は、本発明の１つの実施の形態に従って、燃焼させることなく取り除くこととしてもよい。そのような場合は、燃焼ゾーン１１２と１１３の底部への入口をふさいで空気を流入させないようにして燃焼を防ぐ。排気ガスは、再燃焼させることに代えて、出口７４４と７４５からダクトを通して燃料入口３３６−３４１へと再循環する。
図１１は、図１１−１５に関して説明される本発明の別の実施の形態のための燃料プレナムチャンバ、燃焼多岐管、および噴射器セットを示す。この実施の形態では、燃焼多岐管１１２０はＵ形のセラミックファイバーボードピースで作られており、噴射器１１０７の二元的な列がこの燃焼多岐管を通って延伸する。ファイバーボード１１２０は、圧縮されると、ギャップ１１１８が押されて閉じられ、燃料電池（図１１には示されていない）の周りにシールを形成する。燃焼ゾーン１１１２は陰極ゾーンからこのようにして封鎖される。ガス入口１１３６−１１３８は金属燃料プレナムチャンバ１１０１内に形成される。
図１２は、対向して配列された二元的な噴射器１２０７の層を形成する図１１の２つのアセンブリを示す。図１３では、二元的な（対の）噴射器（すなわち、図１２の噴射器１２０７）のそれぞれに設けられた燃料電池１３０８が示されており、これらの燃料電池の端部１３１６は燃焼ゾーン１３１２内へ延伸する。アセンブリ１３００は電気的に並列な燃料電池の単層を形成する。図１４で示されるように、そのような層を直列に置くことは、前記層を垂直に積み重ねて、層間に電気絶縁層１４２９−１４３２を設けることにより容易になされる。絶縁性層１４２９−１４３２は、例えば１／１６インチ厚のセラミック繊維ブランケットによって形成される。図１５は、図１４で説明したように積み重ねられ断熱エンクロージャ１５３３によって囲まれた１０層のセットを示す。エンクロージャ１５３３の壁を圧縮すると、セラミックファイバーボード燃焼多岐管（図１１の多岐管１１２０など）を圧縮して燃料電池管の端部の周囲にシールを形成することを可能にする。燃料、電池をまた（例えばセラミック接着剤で）燃焼多岐管に接着してもよく、これにより電池の周りにより良いシールを与えることができる。
図１６と１７は、図１１−１５に示す実施の形態と同様なものであるが、各層に２つの列の代わりに単列の二元的噴射器１６０７を持った本発明に従う１実施の形態を示す。図１６は単層の対向燃料プレナムチャンバ１６０１と１６０４と、噴射器１６０７，１６０９と、燃焼多岐管１６２０，１６２１を示す。燃焼多岐管１６２０、１６２１は、図１１の実施の形態のようにＵ形のセラミックファイバーボードピースによって形成される。図１７は、それぞれの層が図１６の層と同様の１０層を示し、これらの層は図１４の実施の形態と同様に層間に電気的絶縁層１７２９，１７３１を挟んで積み重ねられている。その結果、図１７のアレンジメントは、２５個の電気的に並列な燃料電池の１０セットが直列に置かれることを許容する。
図１８−２０は、これもまた図１１−１５の実施の形態と同様であるが、Ｅ形の燃焼多岐管１８２０を有する本発明に従う実施の形態を示す。このＥ形はシステムの各側面上の燃焼ゾーンを垂直に２つの半割（すなわち、１側の半割１８１２と１８５７、およびもう１側の半割１８１３と１８５８）に切り離す。
電気絶縁層１８５９はまた、システムの各側の燃料プレナムチャンバ１８０１、１８０２を分離するので、それぞれの燃料プレナムチャンバに関連する燃料電池の陽極に別々の電気接続がされうる。したがって、各層１８６０は、図１１の前記実施の形態のように１つではなく、燃料電池の２セット１８６１，１８６２の電気的に並列されたバンドルを有する。これらのバンドルを直列的に置くことで、与えられたサイズのスタックの電圧を増加させることができる。図１９は図１８の積み重ねられた１０層であって、２０個の電気的に並列な燃料電池のバンドル（１０層の各半分あたり１バンドル）を直列的に置くことが可能なものを示す。図２０は、図１９の複数層を囲む金属エンクロージャ２０３３を示す。
図１１−１５、１６−１７、および１８−２０の実施の形態の管状燃料電池スタックの製造に関する層テクニックは生産を容易にする、すなわち、全体スタックを１つのピースとしての製作することを必要とすることに代えて、異なる作業者（または、自動組立の過程）によって同時に、層半分（図１１に示すアセンブリのように）層の半割を繰り返し製作することを可能にする。
図２１は本発明に従う１実施の形態の特徴を示し、この実施の形態では、上で説明された二元的な噴射器なしで水平燃料電池管が使用される。燃料電池管（図示省略）は燃料入口プレート２１６３と燃料出口プレート２１６４に設けられている穴の間で水平に延伸し、燃料ガスが複数の燃料電池管の燃料入口プレートの端部において燃料電池管に入り、燃料電池管の燃料出口プレートの端部を通って流れる。空気は空気入口２１２４を通ってシステムの陰極ゾーン２１２８へと上昇する。燃料入口壁２１６５と燃料出口壁２１６６の両方は、２つのスチール層２１６３と２１６８の間でサンドイッチされたセラミックファイバーボード層２１６７がを持つ３層にされたシール構造（さらに以下で説明される）から形成される。
図２２は、下部空気入口ハウジングのない、図２１の実施の形態のクローズアップした外観を示す。穴２２６９がすべての３層の壁２２６５と２２６６を貫通して延伸するので、水平な燃料電池管の端部は穴を通って延伸することができる。
図２３は、図２１の実施の形態の底部をガスバーナハウジング２３７０を取り付けた状態で示す図である。ガスバーナハウジングの穴２３７１と２３７２は、２個のガスバーナ（図２５に示す）が前記穴２３７１、２３７２を通って延伸し、システムの陰極ゾーンの下部壁２３５２を加熱することを許容する。これは、空気入口２３２４に入る空気を運転温度に加熱するのを助ける。
図２４は、燃料入口多岐管２４７３と燃料出口多岐管２４７４が取り付けられた図２３の実施の形態を示す。入口２４３６に入った燃料ガスは、燃料入口壁２４６５を通って延伸する燃料電池管（図示省略）の開端へ分配され、燃料電池管を通って燃料出口壁２４６６へと流れて出口２４７５を通して出る。出口２４７５からの排気は、次にダクト（図示省略）を介して前記ガスバーナ（図２５に示す）、または、前記燃料ガス入口２４３６に再循環されて追加熱を生じさせる。
図２５は、燃料前処理モジュール２５７６を加えた図２４の実施の形態を示す。この実施の形態では、燃料ガスは最初に入口２５７７に入って、モジュール２５７６で前処理される。そのような前処理は、例えば、硫黄の除去又は燃料事前改質を含んでもよい。前処理の後に、前記燃料は出口（図２６に示す）を介してモジュール２５７６を出て、次に、ダクト（図示省略）を通して燃料入口２５３６に与えられる。その後の経路は図２４で説明されるとおりである。また、ガスバーナ２５７８と２５７９は図２５で見られる。
図２６は図２５の実施の形態の断面図を示す。燃料前処理モジュール２６７６の入口２６７７と出口２６８０が示される。
図２７は、図２１−２６の実施の形態と同様な層にされた燃料電池システムと共に使用する燃料電池層を示す。図２７では、燃料電池層２７０８は２つの高密度セラミックファイバーボード燃料プレナム２７８１と２７８２の間で延伸する。燃料電池端部の外面は燃料プレナムに（例えばセラミックの接着剤で）接着される。
図２８は、各層が図２７のものと同様な２０層のアセンブリを示す。そのような層を互いに電気的に絶縁することによって、それぞれの層の並列電池を上で説明された方法と同様に直列に配列することとしてもよい。図２８のアセンブリは、図２１−２６の実施の形態のものと同様なスタック構造であって、燃料ガスが燃料プレナム２８８１を介して燃料電池に入り、燃料プレナム２８８２を介して出て行くものに使用される。
図２９は、各層に、１列に代えて、２列の燃料電池２９０８が存在することを除いて、図２８の実施の形態の層と同様な４層のアセンブリを設けた実施の形態を示す。
図３０は、図２１−２６と２７−２９の実施の形態の構成要素に類似する、１実施の形態の構成要素を示すものであり、この実施の形態では、金属燃料プレナム３０８１と３０８２が高密度セラミックファイバーボード燃料電池プレート３０８３と３０８４にシールされる。燃料電池管３００８の端部は、図２７のもののように、燃料電池プレート３０８３と３０８４に接着される。
図３１と３２は、発明の実施の形態に従って、図３０の金属燃料プレナムをファイバーボード燃料電池プレートにシール技術を示す。ここで説明される他の実施の形態のシールもまた、類似技術を使用して作ることとしてもよい。図３１の分解組立図は以下の層を示す。すなわち、第１スチール燃料電池プレート３１８５と、個々のシーリングプレート３１８６の第２層と、圧縮されたセラミックファイバーボード絶縁層３１８７と、個々のシーリングプレート３１８８の第２層と、第２スチール燃料電池プレート３１８９。燃料電池管は穴３１９０に挿入される。次にこれらの層がボルトをボルト孔３１９１に通して一緒に締め付けられるので、絶縁層３１８７は燃料電池の周りを圧縮してシールを形成する
。
図３２は組み立てられた層３２８５−３２８９を示す。穴３２９１に差し込まれたボルトを締付けると、穴３２９０に挿入された燃料電池管の周りにセラミックシールが形成される。絶縁層３２８７を通して延伸する穴３２９０と３２９１の部分は他の層の対応する部分よりも小さいので、絶縁材が燃料電池の周りに密着する。セラミックファイバーボード絶縁層３２８７はアルミナベース（Ａｌ２Ｏ３）であってもよく、また、セラミック繊維ブランケット又はセラミック繊維紙から形成することとしてもよい。適当なそのような材料は、出願の時点では、Thermal Ceramics and Saffilによって販売されている。
１実施の形態では、最初は、絶縁層３２８７にはどんな穴も形成されず、代わりに、燃料電池を絶縁層に押し通すことによって穴は形成され、その結果、絶縁層の切り抜かれた断片を押し出して電池の周りにより密着したシールを形成する。そして、穴３２９１を通る前記ボルトは、さらにシールを締めるために締められてもよい。そのようなシールが（例えば図１の実施の形態で）燃焼多岐管の壁として使用されるとき、燃焼触媒（プラチナやパラジウムなど）は絶縁層のファイバーの余分表面（すなわち、燃料電池の外面の直径と穴３２９０の直径の間にある表面）にコーティングされてもよい。そのようなコーティングは、漏れるどんな燃料も酸化する（燃焼させて無害な種にする）ことを確実にするのを助ける。
図３３と３４は、発明の実施の形態に従う燃料電池スタック溶接部を示す。この溶接部は、図１の二元的な噴射器システムと、図３０の一方向性流動システムのいずれにも使用でき、また、ここで説明される他の実施の形態にも使用されてもよい。図３３で示されるように、スタック溶接部は、燃料電池プレート３３８５に取り付けたフランジ付きの２つの燃料多岐管３３９２、３３９３を有する。入口パイプと出口パイプを持つ多岐管のカバーを（図３０の多岐管３０８１と３０８２へ取り付ける方法と同様な方法で）これらのフランジに固定することによって、スタック溶接部を図３０実施の形態や他の一方向性流れの実施の形態と同様の方法で使用することとしてもよい。代わりに、スタック溶接部はこで説明される前記二元的な噴射器実施の形態であって、（燃料電池管の中の）噴射器が穴３３９０を通って延伸するものと共に使用されてもよい。
図３１と３２のシーリング技術はまた、図３３のスタック溶接部と共に、一方向性流動の場合と二元的な噴射器の場合の両方で使用されてもよい。そして、各燃料電池プレート３３８５は図３１の燃料電池プレート３１８５と同様な方法で機能する。図３４は、燃料電池プレート３４８５、フランジ付き燃料多岐管３４９２と３４９３、およびサイドパネル３４９４を含む図３３の溶接部の組み立て図を示す。図３３−３４の実施の形態の４側面上のフランジは、燃料電池スタックを燃料電池システムの他の（図３５の実施の形態の構成要素など）にボルト付けすることやスタック構成要素の交換を容易にする。
図３５は、発明の実施の形態に従う総合システム設計を示し、それはここで説明される多重燃料電池スタックの実施の形態と共に使用されてもよい。図３３−３４において留意されるように、システムの各モジュールのフランジはそれぞれのモジュールの交換（例えば維持あるいはアップグレーディングのためのもの）を容易にする。空気、燃料ガス、および排気の流れの方向は図３５の矢印によって示される。燃料ガスは燃料予熱器３５０１（これは加熱金属コイルを含んでもよい）を通してシステムに入る。そして、加熱された燃料ガスはＣＰＯＸリアクター３５０２に入り、ここで、燃料ガスが事前改質される。そして、ＣＰＯＸリアクターの出力ガスは燃料電池スタック３５０３の燃料ガス入口へ供給され、そこで燃料電池を通り抜ける。残りの燃料ガスは次に、燃料電池スタックから流れて、ダクトによって燃料排気バーナ３５０４と陰極空気加熱器３５０５の両方に向けられる。陰極空気加熱器の出力はガス分配プレナム３５０６に供給される。ガス分配プレナム３５０６と燃料電池スタック３５０３の間にセラミック板バーナタイル３５０７が介在し、バーナタイルは穴あきで燃焼を支援する。始動では、いくらかのメタンが空気に加えられるので、バーナタイル上に位置する点火器はいくらかの燃焼を生じさせる。冷たい空気が陰極空気熱交換器３５０８に入り、生じた熱気が陰極空気加熱器３５０５に供給される。排気は陰極空気加熱器３５０５を介してシステム外へ出て、また、陰極空気熱交換器３５０８の上部から出る。
図３６は、発明の実施の形態に従って、管状燃料電池の陽極からの集電のための技術を示す。図３６Ａでは、導電メッシュ３６０９は導電ワイヤ３６１０にスポット溶接され、燃料電池の陽極内層の表面と接触させるために管状燃料電池３６１１の中に押し込まれる。メッシュは、例えば、銀／ニッケル合金、ニッケル、または銀で作られていてもよい。ワイヤは、燃料電池の中でメッシュを広げるためにねじられる。ワイヤ３６１０は、例えば、ニッケルか銀のワイヤで作られてもよく、図３６Ｂに示されるようにバスバー３６１２によって他の燃料電池からのワイヤに接続される。図３６Ｂにおいて、２つのワイヤ３６１０（後部から示されている）は、良い電気接触を得るためにボルト３６１３によって押されたステンレスバス棒３６１２によって電気的に導通される。導電メッシュ層３６１４（メッシュ３６０９と同様の材料のもの）はワイヤ３６１０とバスバー３６１２の間に置かれてもよい。図３６Ｃで示されるように、３層以上のバスバー３６１２とワイヤ３６１０を電気接触するように置くこととしてもよい。中央バスバーの厚みＴは、バスバーが一緒にボルトで締められるときに上下層の燃料電池にいかなる応力も生じさせないように、増されるべきである。
図３７は発明の実施の形態に従った管状燃料電池の陰極からの集電のための技術を示す。図３７Ａに示されるように、導電メッシュブレード３７１５は燃料電池３７１１の陰極外面の周りで織られている（断面で示す）。図３７Ｂの平面図に示されるように、そのようなブレード３７１５を多重化したものを燃料電池３７１１全体に通して織り、垂直ブレードかワイヤ３７１６を前記各多重ブレードに（例えば、点３７１７と３７１８において）接触させることとしてもよい。代わりに、メッシュシートを陰極全体の列の上に置いて、電流が集められる領域を増加させようにしてもよい。
図３６と３７のメッシュとワイヤの材料を選ぶにあたり、一般に高導電性の耐食材料が望ましい。また、材料の融点は重要な考慮すべき事柄である。プラチナかプラチナグループ金属を使用することができ、あるいは、発明の実施の形態に従って、銀合金またはニッケルを使用することとしてもよい。ワイヤ(ワイヤ３７１６のようなもの)はまた、図37Cで示すクラッドのようなクラッド技術によって形成することもできる。図３７Cのワイヤの層Aは銅(これは安く、そして、良い導体である)から形成され、 層Bはニッケルから形成され拡散バリアを提供し、 そして、層Cは銀から形成され酸化抵抗力がある。
図３８は、発明の実施の形態に従った、すべてセラミックの燃料電池スタックの単一層を示す。燃料電池管３８１０はセラミック多岐管の下部半分３８１１に接着されている。セラミック多岐管の上半分３８１２は前記下部半分３８１１の上の所定場所に接着され、それらの間に燃料電池管をシールし挟む。燃料ガスは燃料電池管３８１０を一方向に通って流れ、セラミック多岐管の両半部分の一端における開口は入口多岐管３８１７を形成し、セラミック多岐管の両半部分の他端における開口は出口多岐管３８１８を形成する。
図３９は図３８の実施の形態の集電システムの全体外観を示す。層の燃料電池３９１０は左側（図中LEFTで示す）バンドル３９１３と、右側（図中RIGHTで示す）バンドル３９１４に分けられ、これらのバンドルは直列に接続される。陽極ワイヤ３９１５と、バスバーはそれぞれの６つの電池バンドルの両端から電流を収集する。
図４０は、バスバー４０１６内へ延伸する陽極ワイヤ４０１５を備える、図３９の実施の形態の陽極集電システムのクローズアップした外観を示す。
図４１は、図３８−４０の実施の形態の１層の左側（図中LEFTで示す）の電流路を示す。層の右側からの陰極集電ワイヤ４１１９はワイヤを絶縁するのに使用される中央セラミック管４１２０の下から立ち上がってその管４１２０内に入り層の端部へ走り、そこで番号４１２１で示す部分において陽極バスバー４１１６に接続される。電流は左側燃料電池４１１０を通って左側陰極集電巻線４１２２へそして、上側中央セラミック管４１２３内に流れる。このワイヤは層の端へ走り、そこの番号４１２４で示すところで右側陽極バスバー(図示省略)に接続される。電流は右側電池(図示省略)を通り右側集電巻線へ、そして上側の次の層の下側中央セラミック管の中に流れる。層のもう一方の端は図４１で示される端部の鏡像である。
図４２は、発明の別の実施の形態に従った、層状燃料電池スタック構造の単一層の分解斜視図である。個体酸化物燃料電池管４２００は水平に延伸してセラミック排気プレナム層４２１０を通る。波状リボン構造の集電器４２２０(これは、銀でコーティングされたニッケル又はインコネル（登録商標）で作ることとしてもよい)は固体酸化物燃料電池管４２００の外側(陰極)層にスナップフィットされる。電気的絶縁材でもあり断熱材でもあるセラミック絶縁体４２３０が、ガスケットシール４２４０(このシールは圧縮されてシールを形成し、例えば雲母で作ることができる)と共に燃料電池スタックの層間に置かれる。燃料入力多岐管４２５０(これは、例えば、ニッケルで作られている)は突起４２５１を含み、この突起を介して燃料が燃料電池管４２００の内部に入れられ、燃料入力多岐管４２５０はまた次の上のスタック層に電気的に接続するための突起４２５２を持っている。この方法で、燃料電池管４２００の各層は電気的に並列であり、かつその上下の管の層と直列に置かれる。燃料電池管４２００は入力多岐管４２５０にろう付けされる。
図４３は図４２の組み立てられたもの示し、図４４は、発明の実施の形態に従った、直列に置かれた２つのスタックとして形成されたいくつかのそういった層を示す。図４４では、入って来る空気はシステムの排気プレナム端４４１０によって予熱され、次に、再循環して電池４４００の外側(陰極)部分上を流れる。
図４２-４４の実施の形態の層状のスタック構造は製造が容易である。
図４５は、直列に置かれた図４２-４４の実施の形態に従う２つの組み立てられたスタックを示す。大きい熱交換器４５６０はシステムから外へ流れ出た空気領域の上に横たわる。熱交換器４５６０(セラミックで作ることができる)はシステムから出る空気から熱を蓄えて、入って来る空気を暖める。さらに、一層の熱の交換（例えば、家庭の暖房のためのもの）が、空気管又は水管を排気プレナム４４１０(図４４参照)に通してそれによりパイプ内の空気又は水を加熱することによって、達成されうる。
発明の様々な例示的実施の形態が明らかにされたが、発明の真の範囲から逸脱することなくこれらの形態に多様な変更や変形を行うことができることは当業者にとって明らかである。添付の請求の範囲はそういった変形等を含むことを意図する。
図１は、本発明の実施の形態に従った二元的噴射管燃料電池システムの断面図を示す。 図２は、本発明の実施の形態に従った、一組の対向する燃料ガス噴射器を囲む管状固体酸化物燃料電池の詳細断面図を示す。 図３は、図１の実施の形態の燃料プレナムチャンバ、噴射器、および燃焼多岐管のを示す図である（他の要素は簡潔をむねとして省かれている）。 図４は、実施の形態に従った、両側壁から延伸する複数の燃料ガス噴射器を有する１セットの燃料プレナムチャンバを示す。 図５は、発明の実施の形態に従った、２セットの対向燃料プレナムチャンバを示す図であり、燃料入口が対向両側に位置するものを示す。 図６は、図１の実施の形態のシステムの最上層が取り除かれている状態の外観図である。 図７は、図１の実施の形態のシステムの絶縁最上層を含む外観図を示す。 図８は、図１に直交する角度から見た図１の実施の形態の断面図であり、いくつかの特徴が簡潔をむねとして省かれており、ガスバーナが陰極ゾーンの下に置かれている状態のものを示す。 図９は、図８と同様な図であり、噴射器が燃焼多岐管を通って延伸し、燃料入口がエンクロージャを通って延伸しているものを示す。 図１０は、１実施の形態の断面図であり、燃料電池陽極層と陰極層はセグメントに分けられ、共通の電解質がすべてのセグメントを支持して状態を示す。 図１１は、本発明の別の実施の形態の燃料プレナムチャンバ、燃焼多岐管、および噴射器のセットを示すものであり、燃焼多岐管がセラミックのファイバーボードで作られている形態である。 図１２は、対向して配設され二元的な噴射器の層を形成する図１１の実施の形態の２つのアセンブリを示すものである。 図１３は、図１２の実施の形態の対向する各組の二元的な噴射器上に置かれる燃料電池を示す。 図１４は、図１３の実施の形態の層スタックと、層間の電気絶縁層を示す。 図１５は、断熱エンクロージャによって囲まれた、図１４の実施の形態の１０層スタックを示す。 図１６は、発明の実施の形態に従った、単一層の対向燃料プレナムチャンバと、噴射器と、燃焼多岐管を示す。 図１７は、層間に電気絶縁層を備え互いに上下に積み重ねられた図１６の実施の形態の１０層を示す。 図１８は本発明の別の実施の形態を示すものであり、Ｅ形の燃焼多岐管がシステムの各側面上の燃焼ゾーンを垂直に２つの半部分に分離する状態を示すものである。 図１９は、電気的に並列な燃料電池の２０のバンドルが連続的に置かれるのを許容する図１８の実施の形態の１０層の積み重ねを示すものである。 図２０は、図１９の実施の形態の前記層を囲む金属エンクロージャを示す。 図２１は、発明の実施の形態に従った、水平燃料電池管内で燃料流体を一方向に流すための燃料入口プレートと燃料出口プレートを有するシステムを示す。 図２２は、図２１の実施の形態のクローズアップした外観を下部空気入口ハウジングなしで示すものである。 図２３は、ガスバーナハウジングが取り付けられている状態の、図２１の実施の形態の下面図を示す。 図２４は、燃料入口多岐管と燃料出口多岐管が付けられている状態の、図２３の実施の形態の外観を示す。 図２５は、燃料前処理モジュールが加えられている状態の、図２４の実施の形態を示す。 図２６は図２５の実施の形態の横断面図を示す。 図２７は、発明の実施の形態に従った、燃料電池の層が２つの高密度セラミックファイバーボード燃料プレナムの間で延伸する状態を示す。 図２８は、図２７の実施の形態の２０個の電気的に絶縁された層のアセンブリを示す。 図２９は、発明の実施の形態に従った、２列の燃料電池が各層の中に存在している４層アセンブリを示す； 図３０は、金属燃料プレナムが高密度セラミックファイバーボード燃料電池プレートにシールされる実施の形態の構成要素を示す。 図３１は、発明の実施の形態に従った、４層セラミックファイバーボード燃料電池シールの分解組立図を示す。 図３２は、図３１の実施の形態のシールの組み立てられた状態を示す。 図３３は、発明の実施の形態に従った、フランジ付燃料多岐管を有する燃料電池スタック溶接部の３次元図を示す。 図３４は、図３３の実施の形態のスタック溶接部の構成要素の分解組立図を示す。 図３５は、発明の実施の形態に従った燃料電池システムにおけるシステム構成要素とガス流を概略的に示す。 図３６は、発明の実施の形態に従った、管状燃料電池の陽極から電流を収集するための構成要素を示す。 図３７は集電のために発明の実施の形態に従った管状燃料電池の陰極の構成要素を示す。 図３８は、発明の実施の形態に従った、すべてがセラミックで作られた燃料電池スタックの単層を示す。 図３９は、図３８の実施の形態のための集電システムの全体的な外観を示す。 図４０は、図３９の実施の形態の陽極の集電システムのクローズアップした外観を示す。 図４１は、図３８−４０の実施の形態の１層の左側電流路を示す。 図４２は前記発明の実施の形態に従った層状燃料電池スタック構造の単層の分解組立図を示す。 図４３は、図４２の層の組み立てられた状態を示す。 図４４は、発明の実施の形態に従った、直列に置かれる２つのスタックとして形成されたそのようないくつかの層を示す。 図４５は、直列に置かれ図４２−４４の実施の形態に従って組み立てられた２つのスタックを示す。

Claims (19)

  1. 発電用燃料電池システムであって、
    端部が開いた管状固体酸化物燃料電池と、
    第１燃料プレナムチャンバから延伸して前記燃料電池の一の開端を通る第１燃料噴射管と、
    第２燃料プレナムチャンバから延伸して前記燃料電池の他の開端を通る第２燃料噴射管とを、
    含んでなり、前記第１及び第２燃料噴射管が前記燃料電池の中にギャップを形成し、含水素燃料ガスが該ギャップから前記燃料電池の前記両開端に向かって流れることができるように設けたシステム。
  2. 前記燃料プレナムチャンバの少なくとも１つが事前改質触媒を含む請求項１のシステム。
  3. 前記燃料電池の前記開端は、第１燃焼ゾーン及び第２燃焼ゾーンを囲む第１燃焼マニホルド及び第２燃焼マニホルドを通って延伸し、前記第１燃焼ゾーンは前記第１燃焼マニホルド及び前記第１燃料プレナムチャンバの間に位置し、前記第２燃焼ゾーンは前記第２燃焼マニホルド及び前記第２燃料プレナムチャンバの間に位置し、
    前記第１燃料噴射管は前記第１燃料プレナムチャンバから前記第１燃焼ゾーンを通って延伸し、前記第２燃料噴射管は前記第２燃料プレナムチャンバから前記第２燃焼ゾーンを通って延伸する請求項１のシステム。
  4. 前記燃料電池はアノードで支持された管状燃料電池である請求項１のシステム。
  5. 複数の電気的に並列な管状固体酸化物燃料電池のバンドルが対向する１対の燃料プレナムチャンバ間に設けられ、第１及び第２燃料噴射管は前記バンドルの各燃料電池内に延伸する請求項１のシステム。
  6. 燃料電池の複数のバンドルが電気的に直列に接続されている請求項５のシステム。
  7. 複数の隣接している燃料プレナムチャンバがパーティションによって電気的に絶縁されている請求項６のシステム。
  8. さらに燃料電池に対するのと同様な方法で、対向する噴射器の一方から他方へ延伸するセラミック加熱管を含んでなり、この加熱管は空気を、それが燃料電池の外部カソードに達する前に加熱する、請求項１のシステム。
  9. 少なくとも１つの前記燃料プレナムチャンバは少なくとも２セットの対向する燃料噴射管を含んでなる請求項１のシステム。
  10. 前記第１燃料プレナムチャンバのための燃料入口は前記第２燃料プレナムチャンバのための燃料入口とはシステムの反対側から入る、請求項１のシステム。
  11. 前記システムのカソードゾーンの壁を加熱するために設けられたガスバーナをさらに含んでなる請求項１のシステム。
  12. 前記燃料電池は複数の燃料電池セグメントを含んでなる請求項１のシステム。
  13. 前記第１及び第２燃料噴射管は前記燃料電池のアノード層に電気的に接続されている請求項１のシステム。
  14. 第１燃焼マニホルドは前記燃料電池の周りにシールを形成する請求項１のシステム。
  15. 前記第１燃焼マニホルドはセラミックファイバーボードで作られ、前記シールはセラミックファイバーボードを圧縮することによって形成された請求項１４のシステム。
  16. 電気的に並列な燃料電池バンドルを複数層含むスタックを含み、複数の前記燃料電池バンドルはお互いに電気的に絶縁されており、前記燃料電池、第１及び第２の噴射管、及び燃焼マニホルドはバンドルの一部である、請求項１５のシステム。
  17. セラミック繊維ブランケット材料が前記層を電気的に絶縁する請求項１６のシステム。
  18. 前記第１燃焼マニホルドが２つの燃焼ゾーンに分離されている請求項１５のシステム。
  19. 前記２つの燃焼ゾーンは前記第１燃料プレナムチャンバの電気的に絶縁された２つの半部分に相当する請求項１８のシステム。
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