JP5200307B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池装置、特に、固体酸化物形燃料電池装置に関する。

燃料電池装置は、１つ又はより多くの燃料電池モジュールを備え、該燃料電池モジュールの各々は、ハウジング内に配置された複数の燃料電池を備え、ハウジングの各々は、圧力容器内に配置されていることは既知である。従来、圧力容器は、圧力容器内の通路を使用して、圧力容器内の温度を十分に低い温度に維持して圧力容器の完全性を保証するため、内部の絶縁体及び（又は）冷却流体を有している。例えば、７００℃ないし１０００℃のような高温度にて作用する固体酸化物形燃料電池の場合、圧力容器への熱流束を熱管理することは難しい。

従来の装置には、問題点がある。圧力容器内にて均一な熱勾配を維持することは、設計上、熱勾配を発生させる冷却流体の通路によって損なわれる。その結果、使用中、絶縁体の一部分が失われ、圧力容器内にて局所的な熱スポットが生ずるに至る。これらの局所的な熱スポットにより熱膨張の差に起因して圧力容器内で局所的な応力集中が生じ、これにより圧力容器の寿命を短くすることになる。内部の絶縁体は、絶縁体内のある領域内にて凝結を生じさせ、このことは、使用中、内部絶縁体の一部分の剥落を促進し、圧力容器内にて局所的な熱スポットを生じさせるに至る。凝結は、また、圧力容器／内部絶縁体の境界面にて加速腐食を生じることもある。これに反して、外部絶縁体が局所的に破断することは、その結果、熱スポットではなくて、低温スポットが生じるから、フェールセーフである。圧力容器の加速腐食は、圧力容器の材料に依存する程度に、絶縁体と圧力容器との間の境界面にて生じ、腐食の有無について圧力容器を検査することが絶縁体によって制限される。圧力容器が冷却すると、システムの熱損失が増し、このことは、電気システムの効率を低下させることになろう。

圧力及び温度の組み合わせ、また、燃料電池装置の作動状態の全てをカバーする必要性を考慮して、要求させる完全性及び実用性を提供する、燃料電池モジュール用の圧力容器を提供することの困難性がある。

従って、本発明は、上述した問題点を減少させ、好ましくは、解消する、新規な燃料電池装置を提供しようとするものである。

従って、本発明は、少なくとも１つの燃料電池モジュールを備え、燃料電池モジュールの各々が複数の燃料電池を備え、燃料電池の各々は、アノード電極と、カソード電極と、電解質と、を備え、少なくとも１つの燃料電池モジュールは、中空であり且つ、１つの室を画成し、該少なくとも１つの燃料電池モジュールは、少なくとも１つの内部容器内に配置され、該少なくとも１つの内部容器は、外部圧力容器内に配置され、酸化剤をカソード電極に供給する手段と、燃料をアノード電極に供給する手段と、を備え、酸化剤を供給する手段は、酸化剤を内部容器内の空間に供給し得るよう配置され、内部容器内の空間は、酸化剤をカソード電極に供給し得るよう配置され、燃料を供給する手段は、燃料を少なくとも１つの燃料電池モジュール内の室に供給し得るよう配置され、少なくとも１つの燃料電池モジュール内の室は、燃料を少なくとも１つの燃料電池モジュールのアノード電極に供給し得るよう配置された、燃料電池装置を提供するものである。

好ましくは、酸化剤をカソード電極に供給する手段は、外部圧力容器と少なくとも１つの内部容器との間の圧力が少なくとも１つの内部容器内の圧力よりも高く、少なくとも１つの内部容器には、圧縮荷重が加わるように配置されるものとする。

好ましくは、排ガスを燃料電池から除去する手段が存在するものとする。
好ましくは、酸化剤を供給する手段は、酸化剤を少なくとも１つの内部容器と外部圧力容器との間の空間内に供給するものとする。

好ましくは、酸化剤を供給する手段は、酸化剤を少なくとも１つの内部容器と外部圧力容器との間の空間から少なくとも１つの内部容器まで供給するものとする。
好ましくは、酸化剤を供給する手段は、酸化剤を少なくとも１つの内部容器と外部圧力容器との間の空間から内部容器と少なくとも１つの燃料電池モジュールとの間の空間まで供給するものとする。

好ましくは、酸化剤を供給する手段は、酸化剤を少なくとも１つの内部容器と外部圧力容器との間の空間から少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機、又はターボ機械を通して少なくとも１つの内部容器内に供給するものとする。

これと代替的に、酸化剤を供給する手段は、酸化剤の第一の部分を少なくとも１つの絞り器を通して少なくとも１つの内部容器と外部圧力容器との間の空間まで供給し、また、酸化剤を供給する手段は、酸化剤の第二の部分を少なくとも１つの内部容器内に供給するものとする。

好ましくは、酸化剤を供給する手段は、酸化剤の第二の部分を内部容器と少なくとも１つの燃料電池モジュールとの間の空間内に供給するものとする。
好ましくは、酸化剤を供給する手段は、酸化剤の第二の部分を少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機又はターボ機械を通して少なくとも１つの内部容器内に供給するものとする。

好ましくは、酸化剤を供給する手段は、酸化剤の第一の部分を外部圧力容器と少なくとも１つの内部容器との間の空間から少なくとも１つの絞り器を通して少なくとも１つの内部容器内に供給するものとする。

好ましくは、酸化剤を供給する手段は、酸化剤の第一の部分を外部圧力容器と少なくとも１つの内部容器との間の空間から少なくとも１つの絞り器及び少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機又はターボ機械を通して少なくとも１つの内部容器内に供給するものとする。

好ましくは、未使用酸化剤を少なくとも１つの内部容器と少なくとも１つの燃料電池モジュールとの間の空間に供給する手段が存在するものとする。
好ましくは、未使用酸化剤を少なくとも１つの内部容器と少なくとも１つの燃料電池モジュールとの間の空間に供給する手段は、少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機又はターボ機械を備えるものとする。

好ましくは、未使用酸化剤を少なくとも１つの内部容器と少なくとも１つの燃料電池モジュールとの間の空間に供給する手段は、少なくとも１つの燃焼装置と、未使用酸化剤を少なくとも１つの燃焼装置に供給する手段と、未使用燃料を少なくとも１つの燃焼装置に供給する手段と、少なくとも１つの燃料装置の生成物を少なくとも１つの噴射装置、ファン、送風機又はターボ機械に供給する手段とを備えるものとする。

好ましくは、少なくとも１つの内部容器は管状であり、外部圧力容器は管状であるものとする。
好ましくは、少なくとも１つの内部容器の内面に絶縁体が設けられるものとする。好ましくは、絶縁体と少なくとも１つの内部容器の内面との間に空間が提供されるものとする。少なくとも１つの内部容器の外面に絶縁体を設けることができる。好ましくは、絶縁体と少なくとも１つの内部容器の外面との間に空間が提供されるものとする。外部圧力容器の外面に絶縁体を設けることができる。

好ましくは、複数のモジュールが少なくとも１つの内部容器内に配置されるものとする。
好ましくは、複数の内部容器が存在し、又は、これと代替的に、単一の内部容器が存在するものとする。

好ましくは、複数のモジュールが内部容器の各々に配置されるものとする。
好ましくは、モジュールは、中心軸線の回りに配置されるものとする。
好ましくは、酸化剤を供給する手段は、ポンプ又はコンプレッサを備えるものとする。

好ましくは、コンプレッサは、タービンと接続されるものとする。
好ましくは、未使用酸化剤の一部分は、タービンを駆動すべくタービンに供給されるものとする。

好ましくは、第一の圧力センサが少なくとも１つの内部容器と外部圧力容器との間の空間内の圧力を測定し得るよう配置され、第二の圧力センサが少なくとも１つの内部容器と少なくとも１つの燃料電池モジュールとの間の空間内の圧力を測定し得るよう配置され、また、第一の圧力センサによって測定された圧力と第二の圧力センサによって測定された圧力とを比較して構成要素の作動不良又は燃料電池モジュール内にて燃料が燃焼することに起因する過圧力が存在するかどうかを決定し得るよう監視装置が配置されるものとする。

好ましくは、少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機又はターボ機械は、少なくとも１つの内部容器の軸線に対して半径方向に伸び、少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機又はターボ機械の入口が半径方向内端に配置され、少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機、又はターボ機械の排気口が半径方向外端に位置するよう配置されるものとする。

少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機又はターボ機械は、少なくとも１つの内部容器の軸線に対して軸方向に伸び、少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機又はターボ機械の入口は、内部容器の軸方向一端に配置され、少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機又はターボ機械の排気口が内部容器の中央領域にあるよう配置することができる。

少なくとも１つの内部容器は、少なくとも１つの内部容器に固定された壁部材と共に、空間を画成し、酸化剤を供給する手段は、酸化剤を少なくとも１つの内部容器と壁部材との間の空間内に供給する。

酸化剤を供給する手段は、酸化剤を少なくとも１つの内部容器と壁部材との間の空間から少なくとも１つの内部容器内の空間に供給することができる。
酸化剤を供給する手段は、酸化剤を少なくとも１つの内部容器と壁部材との間の空間から少なくとも１つの内部容器と外部圧力容器との間の空間に供給することができる。

酸化剤を供給する手段は、酸化剤を少なくとも１つの内部容器と壁部材との間の空間から少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機又はターボ機械を通して少なくとも１つの内部容器内の空間に供給することができる。

酸化剤を少なくとも１つの内部容器内の空間に供給する手段は、酸化剤を少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機又はターボ機械を通して少なくとも１つの内部容器と少なくとも１つの燃料電池モジュールとの間の空間に供給することができる。

少なくとも１つの噴射装置、ファン、送風機又はターボ機械は、未使用酸化剤を少なくとも１つの燃料電池モジュールから少なくとも１つの内部容器と少なくとも１つの燃料電池モジュールとの間の空間に供給することができる。

未使用酸化剤を少なくとも１つの燃料電池モジュールから少なくとも１つの燃焼装置に供給する手段と、未使用燃料を少なくとも１つの燃料電池モジュールから少なくとも１つの燃焼装置に供給する手段と、少なくとも１つの燃焼装置の生成物を少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機は又はターボ機械に供給する手段とが存在するようにすることができる。

好ましくは、少なくとも１つの内部容器には、少なくとも１つの内部容器の少なくとも一端が半径方向に膨張し且つ収縮するのを許容する複数の装置が設けられるものとする。
好ましくは、装置は、少なくとも１つの内部容器の両端に配置されるものとする。

好ましくは、装置の各々は、長手方向に隔てられたトラフと、長手方向に隔てられたピークとを有する波形の細長い部材を備え、波形の細長い部材は、その長手方向に隔てられたトラフにて内部容器の少なくとも一端に固定され、波形の細長い部材は、その長手方向に隔てたピークにて細長い部材に固定され、細長い部材は、Ｕ字形の断面であり、波形の細長い部材は、Ｕ字形の細長い部材の突出部の間の表面に対して細長い部材に固定されるものとする。

好ましくは、装置の各々は、少なくとも１つの内部容器の軸線に対して半径方向に伸び、また、装置は、少なくとも１つの内部容器の少なくとも一端にて角度を成して隔てられるものとする。

好ましくは、燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であるものとする。

本発明は、添付する図面を参照して、単に一例として、以下により詳細に説明する。
本発明に従った燃料電池装置１０は、図１ないし図３に示されている。燃料電池装置１０は、少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池モジュール１２を備え、好ましくは、複数の固体酸化物形燃料電池モジュール１２が存在するものとする。固体酸化物形燃料電池モジュール１２の各々は、中空の多孔性支持部材１３と、複数の固体酸化物形燃料電池１４とを備えている。中空の多孔性支持部材１３の各々は、貫通して伸びる少なくとも１つの室１６を有し、また、図７により明確に示したように、その上に固体酸化物形燃料電池１４が配置される平面状、平行な２つの平坦面１５、１７を備えている。固体酸化物形燃料電池モジュール１２の各々は、密封した組立体である一方、燃料が中空の多孔性の支持部材１３における少なくとも１つの室１６を通って流れるのを許容する。固体酸化物形燃料電池１４の各々は、アノード電極１８と、カソード電極２２と、電解質２０とを備えている。固体酸化物形燃料電池１４は、次のように配置される、すなわち、アノード電極１８は、中空の多孔性の支持部材１３の外面、すなわち、平面状、平行、平坦な２つの面１５、１７上に配置され、電解質２０は、アノード電極１８上に配置され、カソード電極２２は、電解質２０上に配置されるようにする。酸化物形燃料電池１４は、１つの固体酸化物形燃料電池１４のアノード電極１８が隣接する固体酸化物形燃料電池１４のカソード電極２２と直列に電気的に接続されるよう配置される。

この配置において、固体酸化物形燃料電池モジュール１２の各々は、単一の内部容器２４内に配置され、内部容器２４は、外部圧力容器２８内に配置されている。この配置において、内部容器２４は、空間２６を画成し、空間３０は、内部容器２４と外部圧力容器２８との間に画成される。内部容器２４及び外部圧力容器２８は、実質的に管状、例えば、円形の断面であり且つ、同軸状に配置されることが好ましい。その他の適当な形状を内部容器及び圧力容器に対して使用することができ、また、これらは、同軸状に配置する必要はない。

酸化剤を少なくとも１つの燃料電池モジュール１２の固体酸化物形燃料電池１４のカソード電極２２に供給する手段３２が存在し、また、燃料を少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池モジュール１２の固体酸化物形燃料電池１４のアノード電極１８に供給する手段が存在する。

酸化剤を供給する手段３２は、管３６を介して圧縮した空気又は酸素を内部容器２４と外部圧力容器２８との間の空間３０内に供給する、図示しないポンプを備えている。酸化剤を供給する手段３２は、また、酸化剤、圧縮した空気又は、酸素を空間３０から内部容器２４内の空間２６に供給する管３８を備えている。酸化剤を供給する手段３２は、空間２６内にて酸化剤、圧縮した空気又は酸素の流れを導く流れ案内部材又はダクト（図示せず）を更に備えることができ、酸化剤は、少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池モジュール１２の固体酸化物形燃料電池１４のカソード電極２２の上を流れ、このため、酸化剤を供給する手段３２は、酸化剤を内部容器２４内の空間２６に供給するよう配置され、内部容器２４内の空間２６は、酸化剤をカソード電極２２に供給するよう配置される。

燃料を供給する手段３４は、予め改質した燃料、改質燃料、予め処理した燃料又は未改質燃料を管４２を介して、直接、外部圧力容器２８、内部容器２４を通って少なくとも１つの燃料電池モジュール１２の中空の多孔性の支持部材１３における室１６内に供給し、次に、室１６から中空の多孔性の支持部材１３を通して少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池モジュール１２の固体酸化物形燃料電池１４のアノード電極１８に供給するポンプ（図示せず）を備えており、このため、燃料を供給する手段３４は、燃料を少なくとも１つの燃料電池モジュール１２における室１６に供給し得るよう配置され、少なくとも１つの燃料電池モジュール１２における室１６は、燃料を少なくとも１つの燃料電池モジュール１２のアノード電極１８に供給し得るよう配置されている。燃料の予改質装置及び燃料の予処理装置は、燃料から高級炭化水素及び硫黄を除去する。

燃料管４２の部分４２Ａ、すなわち圧力容器２８と内部容器２４との間の空間３０を貫通する部分は、内側管と、外側管とを備え、内側管から漏洩する全ての燃料が外側管内に保持され且つ、空間３０に入るのが防止され、このため、未燃焼燃料が蓄積することはないようにすることが好ましい。

排ガスを少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池モジュール１２の固体酸化物形燃料電池１４のカソード電極２２から除去する手段４４が存在する。排ガスを除去する手段４４は、内部容器２４及び外部圧力容器２８を直接、貫通する管４６を備えている。排ガスを除去する手段４４は、空間２６内にて排ガスの流れを導く流れ案内部材又はダクト（図示せず）を更に備えており、排ガスは、少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池モジュール１２の固体酸化物形燃料電池１４のカソード電極２２から管４６まで流れる。

この設計は、作用時、内部容器２４と外部圧力容器２８との間の空間３０の圧力は、内部容器２４内の空間２６内の圧力と異なり、また、この圧力よりも高く、このため、通常、内部容器２４には、圧縮荷重が加わるような配置とされている。空間２６と、内部容器２４の両側部における空間３０との間の圧力差は、空間３０と外部圧力容器２８の両側部における零囲気との間の圧力差よりも低いように配置される。

この配置において、低温の外部圧力容器２８は、大きい荷重、大きい応力が加わり、高温の内部容器２４は、より小さい荷重、より小さい応力が加わり、また、内部容器２４は、全ての作動状態下にて大きいクリープ強度を有するのではなく、座屈に抵抗する設計とされている。

更に、内部容器２４と外部圧力容器２８との空間３０内に、酸化剤、圧縮空気又は酸素が存在し、また、内部容器２４内の空間２６内に酸化剤、圧縮空気又は酸素が存在するような設計の配置とされている。固体酸化物形燃料電池モジュール１２の中空の多孔性支持部材１３及び管４２内にのみ燃料が存在するような設計の配置とされている。

また、空間３０内の温度は、燃料の自然発火温度以下とすることもできる。内側管と外側管との間の空間は、零囲気に排気され、また、好ましくは、内側管と外側管との間の空間は、燃料の漏洩の有無を検出すべく監視し、内側管を修理し又は交換することができるようにする。

作用時、矢印Ｂにより示したように、内部容器２４と外部圧力容器２８との間の空間３０を通って酸化剤、圧縮空気又は酸素が流れることは、内部容器２４に対する冷却剤の流れとして且つ、内部容器２４から外部圧力容器２８までの熱流に対する熱障壁として作用する。管３６、３８の位置は、酸化剤、圧縮空気又は酸素の流れの効果を最大にし、内部容器２４を冷却し且つ、熱流束に対する熱障壁を提供するよう選ばれる。この配置において、内部容器２４内への管３８の位置は、外部圧力容器２８内への管３６の位置に対して内部容器２４の他端にある。

内部容器２４内の空間２６を通る酸化剤、圧縮空気又は酸素の流れは、矢印Ｃにて示されている。
図３には、内部容器２４及び外部圧力容器２８がより詳細に示されている。熱損失を少なくしシステムの効率を最大にし且つ、人間を保護するため、絶縁体４８の層が外部圧力容器２８の外面に設けられている。外部圧力容器２８の内側絶縁体よりも外部圧力容器２８の外側絶縁体の方が好ましく、それは、外側絶縁体は安全上の理由のため定期的に要求される、外側圧力容器２８の内面を検査することを許容し、また、圧力容器の強制的な検査基準を満足させるからである。外部圧力容器の外側絶縁体は、また、圧力容器／絶縁体の境界面にて内側絶縁体の場合に生じることが知られる、加速腐食を回避する。

絶縁体５０の層が内部容器２４の内面に設けられ、また、好ましくは、絶縁体５０の層と内部容器２４の内面との間に空間５２が提供されるものとする。この絶縁体５０の層及び空間５２は、内部容器２４が固体酸化物形燃料電池モジュール１２よりも実質的に低温度にて作動することを可能にする。内部容器２４の作動温度を更に低くするため、絶縁体の追加の層及び空間を内部容器２４内に設けることができる。内部容器２４から外部圧力容器２８に伝達される熱流束を更に減少させるため、内部容器２４の外面に追加の絶縁体５４の層を設けることができる。絶縁体５４の層と内部容器２４の外面との間に空間を提供することができる。

酸化剤の冷却する流れに対して絶縁層４８、５０、５４及び空間３０、５２を使用することは、内部容器２４及び外部圧力容器２８に対して妥当な価格で且つ容易に入手可能な合金を使用することを許容する。内部容器２４、及び外部圧力容器、特に、外部圧力容器２８を形成すべく使用される合金／金属の量は、かなりのものであり、高価な高温度超合金の使用を避けることは、燃料電池装置１０のコストを最小限にする点にて重要である。

本発明に従った１つの代替的な燃料電池装置１１０は、図４に示されており、また、同様の部品は、同様の参照番号にて表示されている。
この配置において、燃料電池装置１１０は、また、ガスタービンエンジン６０も構成する。ガスタービンエンジン６０は、コンプレッサ６２と、タービン６４とを備えており、タービン６４は、コンプレッサ６２を軸６５を介して駆動し得るよう配置されている。

固体酸化物形燃料電池モジュール１２の中空の支持部材１３における固体酸化物形燃料電池１４のアノード電極１８には、管４２から燃料供給マニホルド６６によって燃料が供給される。固体酸化物形燃料電池モジュール１２の固体酸化物形燃料電池１４のカソード電極２２には、酸化剤マニホルド７０によって酸化剤が供給される。

アノード電極１８には、未使用燃料捕集マニホルド６８が設けられ、未使用燃料は、該捕集マニホルド内に排出される。未使用燃料捕集マニホルド６８は、管７２、７４を介して管４２と接続され、未使用燃料の第一の部分が燃料マニホルド６６に供給され、再循環される。未使用燃料を未使用燃料捕集マニホルド６８から燃料マニホルド６６に供給し、再循環させるため燃料噴射装置７６が設けられる。管７２、７４及び燃料噴射装置７６は、未使用燃料を固体酸化物形燃料電池１４のアノード電極１８から固体酸化物形燃料電池１４のアノード電極１８に再循環させて戻す手段を形成する。燃料噴射装置７６は、未使用燃料を加圧し且つ、未使用燃料を管４２を通して燃料供給源３４により燃料マニホルド６６に供給された燃料と混合する。未使用燃料捕集マニホルド６８からの未使用燃料は、燃料噴射装置７６の第二のノズル７６Ｂに供給され、また、燃料供給源３４からの燃料は、燃料噴射装置７６の第一のノズル７６Ａに供給され、混合した未使用燃料及び燃料は、排出ノズル７６Ｃから燃料マニホルド６６に排出される。

未使用燃料捕集マニホルド６８は、また、管７２及び更なる管８０を介して燃焼装置７８と接続され、未使用燃料の第二の部分が燃焼装置７８に供給されるようにする。
カソード電極２２には、未使用酸化剤捕集ダクト８２が設けられ、該ダクト内に未使用酸化剤が排出される。未使用酸化剤捕集ダクト８２は、ダクト８４、８６、燃焼装置７８、ダクト８８を介して内部容器２４内の空間２６と接続され、未使用酸化剤の第一の部分は、酸化剤マニホルド７０に供給され、再循環される。未使用酸化剤捕集ダクト８２から酸化剤マニホルド７０までの未使用酸化剤の供給、再循環を惹起させるため、酸化剤噴射装置９０が提供される。ダクト８４、８６、８８及び酸化剤噴射装置９０は、未使用酸化剤を固体酸化物形燃料電池１４のカソード電極２２から固体酸化物形燃料電池１４のカソード電極２２まで再循環して戻す手段を形成する。ダクト８４、８６、８６は、内部容器２４の部分により画成される。

燃焼装置７８内にて燃料バーナに供給された未使用燃料の第二の部分は、燃焼装置７８に供給された未使用酸化剤の第一の部分内にて燃焼されて、高温気体を発生させる。燃焼装置７８内にて発生された高温気体は、未使用酸化剤と共に、ダクト８８及び酸化剤噴射装置９０を通って内部容器２４とハウジング１６との間の空間２６内に流れ、次に、酸化剤マニホルド７０に流れる。燃焼装置の生成物である、高温気体及び未使用酸化剤は、燃焼装置７８及びダクト８８により酸化剤噴射装置９０の第二のノズル９０Ｂに供給される。酸化剤噴射装置９０は、燃焼装置７８の生成物を加圧し且つ、燃焼装置７８の生成物を燃焼装置６２により酸化剤噴射装置９０の第一のノズル９０Ａに供給された酸化剤と混合させ、コンプレッサ６２により供給された酸化剤を予加熱する。酸化剤噴射装置９０は、混合した気体を酸化剤噴射装置９０の排気ノズル９０Ｃから空間２６内に排出する。

未使用酸化剤捕集ダクト８２はまた、ダクト８４及び更なるダクト９２を介してタービン６４とも接続され、未使用酸化剤の第二の部分がタービン６４に供給されるようにする。未使用酸化剤の第二の部分はタービン６４を駆動する。次に、未使用酸化剤の第二の部分は、管９４を通って流れ且つ、排気口９６を通って排出される。タービン６４はまた発電装置１００を駆動することもできる。

この配置において、３つの別個の領域Ｘ、Ｙ、Ｚが形成される。内部容器２４と外部圧力容器２８との間の空間３０である領域Ｘ、内部容器２４と固体酸化剤形燃料電池モジュール１２との間の空間２６である領域Ｙ、燃料管４２、燃料供給マニホルド６６、中空の多孔性支持部材１３、未使用燃料捕集マニホルド６８、燃焼装置７８への管７２、８０、管７４及び燃料噴射装置７６内の空間である領域Ｚが形成される。領域Ｘ、すなわち空間３０は、例えば、圧縮空気又は酸素のような圧縮した酸化剤を保持する。領域Ｙ、すなわち空間２６は、未使用酸化剤捕集ダクト８２からの未使用酸化剤、燃焼装置７８により形成された高温気体、コンプレッサ６２により供給された酸化剤とを保持する。燃焼装置７８からの高温気体は、実際上の目的用の燃料成分を全く有さず、安全な領域を形成し且つ酸化雰囲気を提供する。領域Ｙ、すなわち空間２６内に酸化雰囲気が存在することは、従来の高温度合金を使用して極めて完全な内部容器２４を形成することを許容するため重要である。かかる高温度合金は、酸化雰囲気内にて優れた高温度耐食性及び強度を備えて作用するよう設計されている。領域Ｚは、燃料が存在する唯一の空間であるが、それでも、この領域は、管４２、７２、７４、８０、燃料噴射装置７６、燃焼装置７８内の燃料バーナ及び固体酸化剤形燃料電池モジュール１２の中空の支持部材１３内に保持される。管４２、７２、７４又は８０、燃料噴射装置７６、固体酸化剤形燃料電池モジュール１２の燃料バーナ又は中空の支持部材１３の何れかが破断した場合、燃料は領域Ｙ内に解放されることになろう。燃料が領域Ｙ内に解放され、化学量論値的温度を実現する場合、圧力ピーク値は僅か３ＭＰａ（３０バール）であり、この圧力は圧力容器システムによって保持可能である。追加的な安全措置として、領域Ｚは小さい容積であり、領域Ｚ内に存在する燃料の全体量は少量であり、このため、領域Ｚから燃料の全てが漏洩し且つ着火する前に領域Ｙ内にて酸化剤、圧縮空気又は酸素と混合さけたとしても、形成される過圧力は穏当であり、外部圧力容器によって容易に封じ込まれる。

第一の圧力センサ１１４は、内部容器２４と外部圧力容器２８との間の空間３０内の圧力を測定し得るよう配置され、第二の圧力センサ１１６は、内部容器２４内の空間２６内の圧力を測定し得るよう配置され、監視装置１１８は、第一の圧力センサ１１４により測定された圧力と第二の圧力センサ１１６により測定された圧力とを比較し、１つ又はより多くの固体酸化剤形燃料電池モジュール１２内にて構成要素の作動不良又は燃料の燃焼に起因する過圧力が存在するかどうかを決定し得るよう配置される。監視装置１１８は、過圧力が検出された場合、信号、警報又はディスプレイをインジケータ１２０に送る。監視装置１１８はまた、過圧力が検出された場合、固体酸化剤形燃料電池装置の作動を停止させる信号を送ることもできる。

本発明に従った更なる燃料電池装置２１０は、図５に示されており、図４に示した装置と同様であり、同様の部品は同様の参照番号により表示されている。
図５における燃料電池装置２１０は、コンプレッサ６２により供給された酸化剤の流れが分割され、第一の部分は、管３６Ａを通して全圧力にて酸化剤噴射装置９０の一次ノズル９０Ａに直接供給され、第二の部分は、管３６Ｂ、絞り装置又は代替的な圧力降下装置１０２を通して、内部容器２４と外部圧力容器２８との間の空間３０、すなわち領域Ｘに供給される点にて相違する。酸化剤の第二の部分は、絞り装置又は代替的な圧力降下装置１０４を通って流れることにより且つ、酸化剤噴射装置９０の排気ノズル９０Ｃからの流れと混合することにより、その後、空間２６、すなわち領域Ｙに入る。絞り装置１０２、１０４の相対的な寸法は、領域Ｘ、すなわち空間３０内の圧力を決定する。領域Ｘ、すなわち空間３０内の圧力は、コンプレッサ６２により供給される圧縮した酸化剤の圧力と、領域Ｙ、すなわち空間２６内の圧力との間にある。領域Ｘ内の圧力は、コンプレッサ６２により吐出される圧力以下であり、また、領域Ｘ内の圧力は領域Ｙ内の圧力以上である。このように、この装置は、内部容器２４を渡る圧力降下を制御し且つ領域Ｘ、すなわち空間３０内の圧力を降下させることにより内部容器２４を渡る通常の圧力負荷／降下を減少させるよう配置される。

酸化剤噴射装置は、ジェットポンプとすることができる。これと代替的に、燃焼装置の生成物を加圧し且つコンプレッサにより供給された酸化剤と混合させるため、その他の手段を設けてもよい。例えば、燃焼装置の生成物を加圧するため、ターボ機械、ファン、ポンプ又は送風機を設けることができ、また、燃焼装置の生成物及び酸化剤を混合するため別個のミキサーを設けることもできる。ターボ機械は、自由動力タービンによって駆動することができる。ファン、ポンプ又は送風機は、自由動力タービンにより、電気的に又はその他の適した手段によって駆動することができる。

燃料噴射装置は、ジェットポンプとすることができる。これと代替的に、未使用燃料を加圧し且つ燃料供給装置により供給された燃料と混合させるため、その他の手段を設けてもよい。例えば、未使用燃料を加圧するため、ターボ機械、ファン、ポンプ又は送風機を設けることができ、また、未使用燃料及び燃料を混合させるため別個のミキサーを設けることができる。ターボ機械は、自由動力タービンによって駆動することができる。ファン、ポンプ又は送風機は、自由動力タービン、電気的に又はその他の適した手段によって駆動することができる。

本発明に従った代替的な燃料電池装置３１０は、図６に示されており、図４に示したものと同様であり、同様の部品は同様の参照番号で表示されている。燃料電池装置３１０は、外部圧力容器２８内に配置された複数の内部容器２４Ａ、２４Ｂが存在する点にて相違する。この配置において、内部容器２４Ａ、２４Ｂは、その間に空間３０がある状態にて外部圧力容器２８内にて同軸状に配置されている。内部容器２４Ａ、２４Ｂ及び外部圧力容器２８は、実質的に管状、例えば円形の断面であるが、その他の適した形状を使用することもできる。内部容器２４Ａ、２４Ｂは円環状の形状とすることができる。

更に、この配置は、内部容器２４Ａ、２４Ｂの各々における複数の固体酸化剤形燃料電池モジュール１２を示す。
この配置において、固体酸化剤形燃料電池モジュール１２は、次のように配置される、すなわち固体酸化剤形燃料電池モジュール１２の長手方向が内部容器２４Ａ、２４Ｂの軸線に対し、また、内部容器２４Ａ、２４Ｂの軸線に対して垂直な平面内に配置された固体酸化剤形燃料電池モジュール１２の平坦面１５、１７に対して実質的に半径方向に伸びるように配置される。固体酸化剤形燃料電池モジュール１２は、積層状態に配置され、固体酸化剤形燃料電池モジュール１２は軸方向に隔てられ、積層体は、内部容器２４Ａ、２４Ｂの軸線の回りにて周方向に配置されている。平坦面１５、１７を渡り、従ってカソード電極２２を渡る酸化剤の流れは、内部容器２４Ａ、２４Ｂの軸線に対して半径方向内方に又は周方向になるように配置される。酸化剤の半径方向内方への流れを助けるため、酸化剤噴射装置９０（１つ又は複数）は、内部容器２４Ａ、２４Ｂの軸線に対して半径方向に伸びるよう配置され、一次ノズル９０Ａは、半径方向内端に配置され、排気ノズル９０Ｃは半径方向外端に配置されるように配置される。

図示しない別の配置において、固体酸化剤形燃料電池モジュール１２は、次のように配置される、すなわち固体酸化剤形燃料電池モジュール１２の長手方向は、内部容器２４Ａ、２４Ｂの軸線からの半径に対し実質的に垂直に伸びるよう配置され、また、固体酸化剤形燃料電池モジュール１２の平坦面１５、１７は、内部容器２４Ａ、２４Ｂの軸線に対して垂直な平面内に位置するよう配置される。固体酸化剤形燃料電池モジュール１２は、積層体にて配置され、固体酸化剤形燃料電池モジュール１２は軸方向に隔てられ、積層体は、内部容器２４Ａ、２４Ｂの軸線の回りにて周方向に配置されるようにする。平坦面１５、１７を渡り、従ってカソード電極２２を渡る酸化剤の流れは、内部容器２４Ａ、２４Ｂの軸線に対して半径方向内方となるように配置される。酸化剤の半径方向内方の流れを助けるため、酸化剤噴射装置９０（１つ又は複数）は、内部容器２４Ａ、２４Ｂの軸線に対し、また、半径方向内端に配置された一次ノズル９０Ａ、半径方向外端に配置された排気ノズル９０Ｃに対して半径方向に伸びるように配置されることが好ましい。

燃料電池モジュール１２を渡る酸化剤の半径方向内方への流れは、半径方向内方に向けて流動面積が減少することに起因する加速した流れを発生させ、これは、流れが分離するのを防止する。

外部圧力容器及び内部圧力容器の軸線を垂直方向に配置することが好ましいが、外部圧力容器及び内部圧力の軸線を水平方向に配置することも可能である。
図６の燃料電池装置にて使用するのに適した代替的な内部容器が図８に示されている。内部容器２４Ｃは管状であり、軸線Ｔを有する。内部容器２４Ｃは、第一の端部４００と、第二の端部４０２とを有する。内部容器２４Ｃには、内部管状支持部材４０４が設けられており、該支持部材は、内部容器２４Ｃに対して同軸状であり、また、第一の端部４００と第二の端部４０２との間を伸び且つ、これらの端部に固定されて内部容器２４Ｃを補強する。内部容器２４Ｃには、複数の装置４０６が設けられており、該複数の装置は、管状支持部材４０４の熱膨張及び収縮に起因して内部容器２４Ｃの第一の端部４００及び第二の端部４０２が半径方向に膨張し且つ収縮するのを許容する。装置４０６は、内部容器２４Ｃに加わる軸方向加重、圧縮又は張力に抵抗する。装置４０６は、内部容器２４Ｃの第一の端部４００及び第二の端部４０２の双方に配置されることが好ましいが、これらの装置は、内部容器２４Ｃの第一の端部４００及び第二の端部４０２の一方にのみ設けることも可能である。

装置４０６の各々は、長手方向に隔てられたトラフ４１０と、長手方向に隔てられたピーク４１２とを有する波形の細長い部材４０８を備えている。波形の細長い部材４０８は、その長手方向に隔てたトラフ４１０にて内部容器２４Ｃの一端４００又は４０２に、例えば、溶接、融接又は接着によって固定され又は接合されている。波形の細長い部材４０８は、その長手方向に隔てたピーク４１２にて細長い部材４１４に、例えば、溶接、融接又は接着により固定され又は接合されている。細長い部材４１４は、Ｕ字形の断面であり、波形の細長い部材４０８は、Ｕ字形の細長い部材４１４の突出部の間の表面に対し細長い部材４１４に固定又は接合されている。

装置４０６の各々は、内部容器２４Ｃの軸線Ｔに対して半径方向に伸びており、このため、第一の端部４００及び第二の端部４０２の各々に、又は第一の端部４００及び第二の端部４０２の一方に角度を成して隔てられた複数の装置４０６が存在する。

本発明に従った更なる燃料電池装置５１０が図９及び図１０に示されており、この装置は、図４に示したものと同様であり、従って同様の部品は同様の参照番号により表示されている。

この配置において、燃料電池装置５１０は、またガスタービンエンジン６０も構成する。ガスタービンエンジン６０は、コンプレッサ６２と、タービン６４とを備え、タービン６４は、軸６５を介してコンプレッサ６２を駆動し得るよう配置されている。

固体酸化剤形燃料電池モジュール１２の中空の支持部材１３における固体酸化剤形燃料電池１４のアノード電極１８には、管４２から燃料供給マニホルド６６により燃料が供給される。固体酸化剤形燃料電池モジュール１２の固体酸化剤形燃料電池１４のカソード電極２２には、酸化剤マニホルド７０によって酸化剤が供給される。

アノード電極１８には、その内部に未使用燃料が排出される、未使用燃料捕集マニホルド６８が設けられている。未使用燃料捕集マニホルド６８は、管７２、７４を介して管４２と接続され、未使用燃料の第一の部分は燃料マニホルド６６に供給され、再循環される。未使用燃料捕集マニホルド６８から燃料マニホルド６６への未使用燃料の供給、再循環を惹起させるため、燃料噴射装置７６が設けられている。管７２、７４及び燃料噴射装置７６は、固体酸化剤形燃料電池１４のアノード電極１８からの未使用燃料を固体酸化剤形燃料電池１４のアノード電極１８まで再循環させる手段を形成する。燃料噴射装置７６は、未使用燃料を加圧し且つ未使用燃料を管４２を通して供給燃料源３４により燃料マニホルド６６に供給された燃料と混合させる。未使用燃料捕集マニホルド６８からの未使用燃料は、燃料噴射装置７６の二次ノズル７６Ｂに供給され、燃料供給源３４からの燃料は、燃料噴射装置７６の一次ノズル７６Ａに供給され、混合した未使用燃料及び燃料は、排気ノズル７６Ｃから燃料マニホルド６６に排出される。

未使用燃料捕集マニホルド６８は、また、管７２及び更なる管８０を介して燃焼装置７８と接続され、未使用燃料の第二の部分が燃焼装置７８に供給されるようにする。
カソード電極２２には、未使用酸化剤捕集ダクト８２が設けられており、この捕集ダクト内に未使用酸化剤が排出される。未使用酸化剤捕集ダクト８２は、内部容器２４内の空間２６により画成される。未使用酸化剤捕集ダクト８２は、ダクト８６、燃焼装置７８及びダクト８８と接続され、未使用酸化剤の第一の部分が酸化剤マニホルド７０に供給され、再循環されるようにする。未使用酸化剤捕集ダクト８２から未使用酸化剤を酸化剤マニホルド７０へ供給し、再循環させるため、酸化剤噴射装置９０が設けられている。ダクト８６、８８及び酸化剤噴射装置９０は、固体酸化物形燃料電池１４のカソード電極２２からの未使用酸化剤を再循環させる手段を形成する。ダクト８４、８６、８８は、内部容器２４の部分によって画成される。

未使用燃料の第二の部分は、燃焼装置７８内にて燃料バーナに供給され且つ、燃焼装置７８に供給された未使用酸化剤の第一の部分内にて燃焼して高温気体を発生させる。燃焼装置７８内にて発生された高温気体は、未使用酸化剤と共に、ダクト８８及び酸化剤噴射装置９０を通って内部容器２４内の空間２６に、従って、酸化剤マニホルド７０へと流れるよう配置されている。燃焼装置７８の生成物、すなわち高温気体及び未使用酸化剤は、燃焼装置７８及びダクト８８によって酸化剤噴射装置９０の二次ノズル９０Ｂに供給される。酸化剤噴射装置９０は、燃焼装置７８の生成物を加圧し且つ、燃焼装置７８の生成物をコンプレッサ６２によって酸化剤噴射装置９０の一次ノズル９０Ａに供給された酸化剤と混合し、コンプレッサ６２により供給された酸化剤を予加熱する。酸化剤噴射装置９０は、混合した気体を酸化剤噴射装置９０の排気ノズル９０Ｃから空間２６内に排出する。

未使用酸化剤捕集ダクト８２は、また、ダクト９２を介してタービン６４とも接続されており、未使用酸化剤の第二の部分がタービン６４に供給されるようにする。未使用酸化剤の第二の部分はタービン６４を駆動する。未使用酸化剤の第二の部分は、次に、管９４を通って流れ且つ、排出口９６から排出される。タービン６４は、発電装置１００を駆動することもできる。

この配置において、外部圧力容器２８及び内部容器２４の軸線は、その間の空間３０に対して同軸状に配置され、また、外部圧力容器２８及び内部容器２４の軸線は、水平方向に伸びている。複数の固体酸化物形燃料電池モジュール１２が内部容器２４内に配置され、固体酸化物形燃料電池モジュール１２が固体酸化物形燃料電池モジュール１２の長手方向が実質的に水平に且つ、内部容器２４の軸線に対して平行に伸びるよう配置され、また、固体酸化物形燃料電池モジュール１２の平坦面１５、１７が実質的に水平面内に配置されるようにする。固体燃料酸化物形燃料電池モジュール１２は、積層体５１２内に配置され、積層体５１２の各々における固体酸化物形燃料電池モジュール１２は、垂直方向に隔てられ、また、積層体５１２は、軸方向に向けて水平に隔てられている。また、各軸方向位置にて、軸方向に対して実質的に横断状に水平方向に隔てられた固体酸化物形燃料電池モジュール１２の複数の積層体５１２が存在する。平坦面１５、１７、従って、固体酸化物形燃料電池モジュール１２のカソード電極２２を横切る酸化剤の流れは、内部容器２４の軸線に対して軸方向を横断するよう配置される。酸化剤の流れを助けるため、各軸方向位置における固体酸化物形燃料電池モジュール１２の積層体５１２は、ボックス５１４内に配置されている。ボックス５１４は、基部５１６、頂部５１８、軸方向に隔てた２つの側部５２０、５２２、２つの開放端を有している。固体酸化物形燃料電池モジュール１２の積層体５１２の各々には、燃料供給マニホルド６６から燃料が供給され、該積層体は、上述したように、未使用燃料を未使用燃料捕集マニホルド６８に供給する。酸化剤は、固体酸化物形燃料電池モジュール１２の固体酸化物形燃料電池１４のカソード電極２２上にて、酸化剤供給マニホルド７０から各ボックス５１４の開放した端を通ってボックス５１４内に流れ、各ボックス５１４の開放した他端から出て、それぞれの燃料改質装置５２４に入る。燃料改質装置５２４の各々は、それぞれの酸化剤の流れによって加熱される。次に、酸化剤は、各ボックス５１４から酸化剤捕集ダクト８２まで流れ、次に、ダクト９２を通ってタービン６４に、又はダクト８６を通って燃焼装置７８に流れる。燃料改質装置５２４の各々は、燃料を関係したボックス５１４内の積層体５１２に対する燃料供給マニホルド６６に供給する。未使用燃料捕集マニホルド６８内の未使用燃料は、上述したように、ダクト８０を通って燃焼装置７８に、又はダクト７４を通って燃料噴射装置７６に供給される。ボックス５１４の頂部５１８、側部５２０、５２２には、絶縁体が設けられている。ボックス５１４は、空間２６内にて酸化剤、圧縮空気又は酸素の流れを導き、酸化剤が固体酸化物形燃料電池モジュール１２の固体酸化物形燃料電池１４のカソード電極２２の上を流れるようにする。このように、カソード電極２２は、内部容器２４内の空間２６内にて酸化剤と接触している。

図９の配置は、コンプレッサ６２からの酸化剤が内部容器２４と外部圧力容器２８との空間３０に直接、供給されず、その代わり、酸化剤が内部容器２４の部分２４Ｃと、内部容器２４に固定された壁部材２４Ｂとにより画成された空間２６Ｂに直接、供給される点にて相違する。酸化剤は、次に、空間２６Ｂから酸化剤噴射装置９０の一次ノズル９０Ａに供給される。空間２６Ｂは加圧されて、コンプレッサ６２により供給された酸化剤の圧力と実質的に同一で且つ、内部容器２４と外部圧力容器２８との間の空間３０内の圧力と同一である圧力になる。空間２６Ｂ内には、可燃性気体は存在せず、このため、安全性が著しく影響を受けることはない。コンプレッサ６２からの管３６の空間２６Ｂへの接続部は密封されず、このため、内部容器２４と外部圧力容器２８との間の空間３０は、コンプレッサ６２により供給された酸化剤の圧力まで加圧されるが、空間３０の回りにて又は空間３０を貫通する流れは存在しない。空間２６Ｂは、ダクト５２６により酸化剤噴射装置９０と接続される。空間２６Ｂは、水平壁である内部容器２４の部分２４Ｃにより内部容器２４内の空間２６Ａから分離されており、このため、内部容器２４と外部圧力容器２８との間の空間３０内の圧力及び空間２６Ｂ内の圧力は、内部容器２４内の空間２６Ａ内の圧力よりも高い。

空間２６Ｂは、また、電気ケーブル、管等を提供するためにも使用される。
図１、図４、図５、図６及び図８の燃料電池装置は、外部圧力容器及び内部容器の軸線が垂直に配置されるが、外部圧力容器及び内部容器の軸線は水平に配置することができるよう配置されることが好ましい。

本発明の燃料電池装置は、多数の有利な効果を有する。最も重要な有利な効果は、安全上のリスク及び圧力封込めの完全性である。
内部容器（１つ又は複数）、及びその関係した絶縁体及び冷却作用が存在することは、外部圧力容器が通常の作動中、温度に対して大きい安全率にて作用することを可能にし、また、外部圧力容器は、固体酸化物形燃料電池モジュールが故障した場合に生じるであろう火炎及び高温度に直接、曝されることから保護される。

固体燃料酸化物形モジュール（１つ又は複数）がその内に漏洩するかもしれない内部容器内（１つ又は複数）の全容積は、所定の温度、すなわち可能な燃料／酸化剤混合体に対する自然着火温度以上に維持することができる。このことは、燃料電池装置をより安全なものにし、それは、燃料管の外側における漏洩する燃料の蓄積物が爆発に適した状態を形成することは不可能であるからであり、その理由は、漏洩する燃料は、直ちに着火し且つ、漏洩箇所（１つ又は複数）にて燃焼してしまうからである。これらの状態は、燃料電池装置に対して発生する荷重点の全てに当て嵌まり、このため、始動及び冷却段階の間の短い時間のみが残り、この間にて、こうした爆発状態とはならず、また、その他の爆発の予防策がとられる。

構成要素の作動不良又は燃料電池モジュール内の燃料の着火に起因する燃料電池装置内の過圧力を検出することは容易であり、それは、過圧力は、内部容器を横切って圧力差の反転を生じさせるからである。例えば、通常の状態のとき、内部容器内の圧力は、内部容器と外部圧力容器との間の圧力よりも低く、また、過圧力状態のとき、内部容器内の圧力は、内部容器と外部圧力容器との間の圧力以上であるからである。

例えば、内部容器（１つ又は複数）及び外部圧力容器という、二重の容器装置を使用することは、外部圧力容器を内部容器（１つ又は複数）によって、燃料電池積層体の高温度の環境から保護することを可能にする。外部圧力容器は、装置の主圧力封込め部を形成し且つ、単一の圧力容器装置よりも低温度にて作用し、また、単一の圧力容器装置の場合よりも大きい安全率にて作用する。

１つの配置において、内部容器の内側に絶縁体を使用し、また、内部容器と外部圧力容器との間の冷却剤として燃料電池積層体のカソード電極に対して空気供給源を使用することは、圧力容器に対し低級の、従って、安価な合金を使用することを許容することになる。

別の配置において、内部容器と外部圧力容器との間の空気は停流し、更なる絶縁体層として作用する。
内部容器（１つ又は複数）は、低圧荷重、従って低応力レベルに耐えて、内部容器（１つ又は複数）内の完全に取り囲まれた容積が欠陥／漏洩がある場合に存在するであろう燃料空気混合気の自然着火温度以上にて作用すれさえすればよい。このことは、爆発に適した状態が発生するのを防止することにより、顕著な安全上の利点をもたらし、爆発を防止するための燃料電池装置の顕著な複雑化を回避することになる。

本発明は、カソード電極からの未使用酸化剤をカソード電極からの未使用酸化剤の燃焼生成物及びアノード電極からの未使用燃料及び新鮮な酸化剤と共に、カソード電極まで再循環させて戻す燃料電池装置を経済的に具体化するため物理的形態を使用することを可能にする。この燃料電池装置は、また、アノード電極からの未使用燃料を新鮮な燃料と共に、再循環させてカソード電極に戻す機能も有している。本発明は、その上に固体酸化物形燃料電池が配置され且つ平面状、平行な２つの平坦面を有する中空の多孔性部材によって支持された固体酸化物形燃料電池モジュールに関して説明したが、本発明は、また、固体酸化物形燃料電池がアノード電極により支持され、又は固体酸化物形燃料電池が電解質により支持された、固体酸化物形燃料電池モジュールにも適用可能である。

本発明は、平面状、平行な２つの平坦面を有する中空の多孔性部材上に固体酸化物形燃料電池が配置された、固体酸化物形燃料電池モジュールに関して説明したが、本発明は、カソード電極内にてアノード電極と共に配置された固体酸化物形燃料電池を有し、燃料が中空の管状の酸化物形燃料電池モジュール内に供給される、中空の管状の固体酸化物形燃料電池にも適用可能である。管状の固体酸化物形燃料電池は、中空の多孔性管状部材によりアノード電極内にて半径方向に支持され、固体酸化物形燃料電池は、アノード電極により支持することができ、又は固体酸化物形燃料電池は、電解質により支持することができる。

内部容器と外部容器との間の空間からの新鮮な酸化剤と共に、カソード電極からの未使用酸化剤をカソード電極まで再循環させて戻す機能を有する燃料電池装置が存在することは、内部容器上により大きい圧縮荷重を提供することになる。カソード電極からの未使用酸化剤をカソード電極まで再循環させて戻す機能は、新鮮な酸化剤により提供され、この酸化剤は、内部容器と外部圧力容器との間の空間内にて高い圧力にあり、それは、その圧力は、コンプレッサから吐出されるからである。カソード電極からの未使用酸化剤をカソード電極に再循環させて戻す作用は、内部容器内にて完全に行われる。また、未使用酸化剤が未使用酸化剤の一部分内にて未使用燃料を燃焼させるための燃焼装置も再循環経路内に存在する。固体酸化物形燃料電池からの未使用酸化剤は、内部容器内に捕集され、また、未使用酸化剤の一部分は、タービンに供給されてコンプレッサを駆動し、また、未使用酸化剤の一部分は、固体酸化物形燃料電池のカソード電極に再循環して戻される。内部容器を渡る圧力差は、内部容器を通る漏洩路の場合、冷温の新鮮な酸化剤が内部容器と外部圧力容器との間の空間から内部容器内の空間へ流れ、装置の本来的な安全性を向上させることを保証する。

未使用酸化剤の再循環は、上述したように、送風機、又はその他の適当な装置を使用して実現することができるが、内部容器内の空間と、内部容器と外部圧力容器との間の空間との間に低い圧力差が存在するであろう。

本発明は、固体酸化物形燃料電池に関して説明したが、本発明は、例えば、３００℃のような高温度にて作用する溶融炭酸塩の燃料電池又はその他の型式の燃料電池にも等しく適用可能である。

本発明に従った燃料電池装置の長手方向断面図である。 図１に示した燃料電池装置の等方位図である。 図１に示した燃料電池装置の線Ａ−Ａに沿った拡大断面図である。 本発明に従った代替的な燃料電池装置の長手方向断面図である。 本発明に従った代替的な燃料電池装置の長手方向断面図である。 本発明に従った代替的な燃料電池装置の長手方向断面図である。 燃料電池モジュールの拡大斜視図である。 図６にて使用するのに適した代替的な内部容器の断面図である。 本発明に従った代替的な燃料電池装置の長手方向概略断面図である。 図９の線Ｗ−Ｗに沿った断面図である。

Claims (43)

1. 少なくとも１つの燃料電池モジュールを備える燃料電池装置において、燃料電池モジュールの各々が複数の燃料電池を備え、燃料電池の各々は、アノード電極と、カソード電極と、電解質と、を備え、少なくとも１つの燃料電池モジュールは、中空であり且つ、少なくとも１つの室を画成し、前記少なくとも１つの燃料電池モジュールは、少なくとも１つの内部容器内に配置され、前記少なくとも１つの内部容器は、外部圧力容器内に配置され、酸化剤をカソード電極に供給する手段と、燃料をアノード電極に供給する手段と、を備え、酸化剤を供給する手段は、酸化剤を内部容器内の空間に供給し得るよう配置され、内部容器内の空間は、酸化剤をカソード電極に供給し得るよう配置され、燃料を供給する手段は、燃料を少なくとも１つの燃料電池モジュール内の少なくとも１つの室に供給し得るよう配置され、少なくとも１つの燃料電池モジュール内の少なくとも１つの室は、燃料を少なくとも１つの燃料電池モジュールのアノード電極に供給し得るよう配置されており、
   酸化剤を供給する前記手段は前記少なくとも１つの内部容器と前記外部圧力容器との間の空間内に酸化剤を供給し、
   酸化剤をカソード電極に供給する前記手段は、前記外部圧力容器と前記少なくとも１つの内部容器との間の前記空間内の圧力が、前記少なくとも１つの内部容器内の圧力よりも高く、前記少なくとも１つの内部容器に圧縮荷重が加わるように配置されており、
   前記カソード電極から再び前記カソード電極へと未使用の酸化剤を再循環させる手段が配置されている燃料電池装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池装置において、前記カソード電極から再び前記カソード電極へと未使用の酸化剤を再循環させる前記手段は、少なくとも１つの噴射装置、ファン、送風機、又はターボ機械を備えている燃料電池装置。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池装置において、排ガスを燃料電池から除去する手段が存在する、燃料電池装置。
4. 請求項１に記載の燃料電池装置において、酸化剤を供給する手段は、酸化剤を少なくとも１つの内部容器と外部圧力容器との間の空間から少なくとも１つの内部容器内に供給する、燃料電池装置。
5. 請求項４に記載の燃料電池装置において、酸化剤を供給する手段は、酸化剤を少なくとも１つの内部容器と外部圧力容器との間の空間から内部容器と少なくとも１つの燃料電池モジュールとの間の空間まで供給する、燃料電池装置。
6. 請求項４又は５に記載の燃料電池装置において、酸化剤を供給する手段は、酸化剤を少なくとも１つの内部容器と外部圧力容器との間の空間から少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機、又はターボ機械を通して少なくとも１つの内部容器内に供給する、燃料電池装置。
7. 請求項１に記載の燃料電池装置において、酸化剤を供給する手段は、酸化剤の第一の部分を少なくとも１つの絞り器を通して少なくとも１つの内部容器と外部圧力容器との間の空間まで供給し、また、酸化剤を供給する手段は、酸化剤の第二の部分を少なくとも１つの内部容器内に供給する、燃料電池装置。
8. 請求項７に記載の燃料電池装置において、酸化剤を供給する手段は、酸化剤の第二の部分を内部容器と少なくとも１つの電池モジュールとの間の空間内に供給する、燃料電池装置。
9. 請求項７又は８に記載の燃料電池装置において、酸化剤を供給する手段は、酸化剤の第二の部分を少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機又はターボ機械を通して少なくとも１つの内部容器内に供給する、燃料電池装置。
10. 請求項７、８又は９に記載の燃料電池装置において、酸化剤を供給する手段は、酸化剤の第一の部分を外部圧力容器と少なくとも１つの内部容器との間の空間から少なくとも１つの絞り器を通して少なくとも１つの内部容器内に供給する、燃料電池装置。
11. 請求項１０に記載の燃料電池装置において、酸化剤を供給する手段は、酸化剤の第一の部分を外部圧力容器と少なくとも１つの内部容器との間の空間から少なくとも１つの絞り器及び少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機又はターボ機械を通して少なくとも１つの内部容器内に供給する、燃料電池装置。
12. 請求項４ないし１１の何れか１つの項に記載の燃料電池装置において、未使用酸化剤を少なくとも１つの内部容器と少なくとも１つの燃料電池モジュールとの間の空間に供給する手段が存在する、燃料電池装置。
13. 請求項１２に記載の燃料電池装置において、未使用酸化剤を少なくとも１つの内部容器と少なくとも１つの燃料電池モジュールとの間の空間に供給する手段は、少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機又はターボ機械を備える、燃料電池装置。
14. 請求項１３に記載の燃料電池装置において、未使用酸化剤を少なくとも１つの内部容器と少なくとも１つの燃料電池モジュールとの間の空間に供給する手段は、少なくとも１つの燃焼装置と、未使用酸化剤を少なくとも１つの燃焼装置に供給する手段と、未使用燃料を少なくとも１つの燃焼装置に供給する手段と、少なくとも１つの燃焼装置の生成物を少なくとも１つの噴射装置、ファン、送風機又はターボ機械に供給する手段とを備える、燃料電池装置。
15. 請求項１ないし１４の何れか１つの項に記載の燃料電池装置において、少なくとも１つの内部容器は管状であり、外部圧力容器は管状である、燃料電池装置。
16. 請求項１ないし１５の何れか１つの項に記載の燃料電池装置において、少なくとも１つの内部容器の内面に絶縁体が設けられる、燃料電池装置。
17. 請求項１６に記載の燃料電池装置において、絶縁体と少なくとも１つの内部容器の内面との間に空間が提供される、燃料電池装置。
18. 請求項１ないし１７の何れか１つの項に記載の燃料電池装置において、少なくとも１つの内部容器の外面に絶縁体が設けられる、燃料電池装置。
19. 請求項１８に記載の燃料電池装置において、絶縁体と少なくとも１つの内部容器の外面との間に空間が提供される、燃料電池装置。
20. 請求項１ないし１９の何れか１つの項に記載の燃料電池装置において、外部圧力容器の外面に絶縁体が設けられる、燃料電池装置。
21. 請求項１ないし２０の何れか１つの項に記載の燃料電池装置において、複数のモジュールが少なくとも１つの内部容器内に配置される、燃料電池装置。
22. 請求項１ないし２１の何れか１つの項に記載の燃料電池装置において、複数の内部容器が存在する、燃料電池装置。
23. 請求項１ないし２１の何れか１つの項に記載の燃料電池装置において、単一の内部容器が存在する、燃料電池装置。
24. 請求項２２又は２３に記載の燃料電池装置において、複数のモジュールが内部容器の各々内に配置される、燃料電池装置。
25. 請求項２３、２４又は２５に記載の燃料電池装置において、モジュールは、中心軸線の回りに配置される、燃料電池装置。
26. 請求項１ないし２５の何れか１つの項に記載の燃料電池装置において、酸化剤を供給する手段は、ポンプ又はコンプレッサを備える、燃料電池装置。
27. 請求項２６に記載の燃料電池装置において、コンプレッサは、タービンと接続される、燃料電池装置。
28. 請求項２７に記載の燃料電池装置において、未使用酸化剤の一部分は、タービンを駆動すべくタービンに供給される、燃料電池装置。
29. 請求項１ないし２８の何れか１つの項に記載の燃料電池装置において、第一の圧力センサが少なくとも１つの内部容器と外部圧力容器との間の空間内の圧力を測定し得るよう配置され、第二の圧力センサが少なくとも１つの内部容器と少なくとも１つの燃料電池モジュールとの間の空間内の圧力を測定し得るよう配置され、また、第一の圧力センサによって測定された圧力と第二の圧力センサによって測定された圧力とを比較して構成要素の作動不良又は燃料電池モジュール内にて燃料が燃焼することに起因する過圧力が存在するかどうかを決定し得るよう監視装置が配置される、燃料電池装置。
30. 請求項６、９、１１、１３又は１４に記載の燃料電池装置において、少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機又はターボ機械は、少なくとも１つの内部容器の軸線に対して半径方向に伸び、少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機又はターボ機械の入口が半径方向内端に配置され、少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機、又はターボ機械の排気口が半径方向外端に位置するよう配置される、燃料電池装置。
31. 請求項１に記載の燃料電池装置において、少なくとも１つの内部容器は、少なくとも１つの内部容器に固定された壁部材と共に、空間を画成し、酸化剤を供給する手段は、酸化剤を少なくとも１つの内部容器と壁部材との間の空間内に供給する、燃料電池装置。
32. 請求項３１に記載の燃料電池装置において、酸化剤を供給する手段は、酸化剤を少なくとも１つの内部容器と壁部材との間の空間から少なくとも１つの内部容器内の空間内に供給する、燃料電池装置。
33. 請求項３２に記載の燃料電池装置において、酸化剤を供給する手段は、酸化剤を少なくとも１つの内部容器と壁部材との間の空間から少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機又はターボ機械を通して少なくとも１つの内部容器内の空間まで供給する、燃料電池装置。
34. 請求項３１、３２又は３３に記載の燃料電池装置において、酸化剤を供給する手段は、酸化剤を少なくとも１つの内部容器と壁部材との間の空間から少なくとも１つの内部容器と外部圧力容器との間の空間に供給する、燃料電池装置。
35. 請求項６、９、１１、１３、１４又は３３に記載の燃料電池装置において、少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機又はターボ機械は、少なくとも１つの内部容器の軸線に対して軸方向に伸び、少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機又はターボ機械の入口は、内部容器の軸方向一端に配置され、少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機又はターボ機械の排気口が内部容器の中央領域に位置するよう配置される、燃料電池装置。
36. 請求項１に記載の燃料電池装置において、酸化剤を少なくとも１つの内部容器内の空間に供給する手段は、酸化剤を少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機又はターボ機械を通して少なくとも１つの内部容器と少なくとも１つの燃料電池モジュールとの間の空間に供給する、燃料電池装置。
37. 請求項３６に記載の燃料電池装置において、少なくとも１つのの噴射装置、ファン、送風機又はターボ機械は、未使用酸化剤を少なくとも１つの燃料電池モジュールから少なくとも１つの内部容器と少なくとも１つの燃料電池モジュールとの間の空間に供給する、燃料電池装置。
38. 請求項３７に記載の燃料電池装置において、未使用酸化剤を少なくとも１つの燃料電池モジュールから少なくとも１つの燃焼装置まで供給する手段、未使用燃料を少なくとも１つの燃料電池モジュールから少なくとも１つの燃焼装置に供給する手段、少なくとも１つの燃焼装置の生成物を少なくとも１つの噴射装置、ポンプ、ファン、送風機は又はターボ機械に供給する手段とが存在する、燃料電池装置。
39. 請求項１ないし３８の何れか１つの項に記載の燃料電池装置において、内部容器には、少なくとも１つの内部容器の少なくとも一端が半径方向に膨張し且つ収縮するのを許容する複数の装置が設けられる、燃料電池装置。
40. 請求項３９に記載の燃料電池装置において、装置は、少なくとも１つの内部容器の両端に配置される、燃料電池装置。
41. 請求項３９又は４０に記載の燃料電池装置において、装置の各々は、長手方向に隔てられたトラフと、長手方向に隔てられたピークとを有する波形の細長い部材を備え、波形の細長い部材は、その長手方向に隔てられたトラフにて少なくとも１つの内部容器の少なくとも一端に固定され、波形の細長い部材は、その長手方向に隔てたピークにて細長い部材に固定され、細長い部材は、Ｕ字形の断面であり、波形の細長い部材は、Ｕ字形の細長い部材の突出部の間の表面に対して細長い部材に固定されている、燃料電池装置。
42. 請求項４１に記載の燃料電池装置において、装置の各々は、少なくとも１つの内部容器の軸線に対して半径方向に伸び、また、装置は、少なくとも１つの内部容器の少なくとも一端にて角度を成して隔てられる、燃料電池装置。
43. 請求項１ないし４２の何れか１つの項に記載の燃料電池装置において、燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である、燃料電池装置。

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