JP5301540B2 - 改善されたガスのチャネル搬送および熱交換を有する固体酸化物燃料電池システム - Google Patents

Description

本教示は、燃料電池システムおよびデバイスに関し、具体的には、改善されたガスのチャネル搬送（ｇａｓ ｃｈａｎｎｅｌｉｎｇ）および温度調節を有する燃料電池システムおよびデバイスに関する。

燃料電池は、電気化学反応を介して燃料の潜在的エネルギーを電気に変換する電気デバイスである。概して、燃料電池は、電解質によって分離された一対の電極を含んでいる。電解質は、特定のタイプのイオンの通過を可能にするだけである。電解質を横切るイオンの選択的な通過が、２つの電極の間で電位差を発生し、その電位差が、電力という形態で利用され得る。電力出力を増大させるために、複数の燃料電池が、燃料電池システムに含まれ得る。例えば、複数の燃料電池が、燃料電池スタックへと合わされて一団にされ得る。

当該分野で公知の様々なタイプの燃料電池の中で、より高温度で作動する燃料電池（例えば、固体酸化物（ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ）燃料電池および溶融炭酸塩（ｍｏｌｔｅｎ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）燃料電池）は、低温度の燃料電池（例えば、リン酸燃料電池および陽子交換膜燃料電池）よりも高い燃料対電気効率を提供する傾向がある。固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）と溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）とは、酸素イオン伝導電解質と炭酸塩イオン伝導電解質とをそれぞれ利用し、５００℃超の温度で作動する。そのような高い運転温度を達成し、かつ長引く起動時間を排除するために、これらの高温度の燃料電池システムは、効果的な熱的調節を可能にし得る設計を必要としている。

さらに、改質器を含む燃料電池システムは、特定の課題をそれらの温度を調節することに対して提起する。炭化水素燃料の吸熱性改質（例えば、水蒸気改質）は、しばしば高温で起こる必要があり、一方で、発熱性改質（例えば、部分酸化改質）反応が、過度の熱を放出し得、その熱は、適切に調節されない場合には、燃料電池システムの改質触媒および／または他の構成要素を破壊し得る。電流収集デバイス（すなわち、燃料電池システム内の電気化学反応によって作り出された電流を収集するデバイス）は、特に、熱損傷を受けやすい。なぜならば、電流収集デバイスが、比較的低い温度で溶解する金属（例えば、銀）でしばしば作られるからである。

従って、燃料電池システムが高められた効率で作動することを可能にする、改善された熱的調節を提供するように設計された燃料電池システムに対するニーズが存在している。

上記を考慮して、本教示は、１つ以上の燃料電池と、該１つ以上の燃料電池のそれぞれと流体的に連絡する中央支持エレメントとを含む固体酸化物燃料電池システムを提供する。該１つ以上の燃料電池のそれぞれは、アノード、カソード、および電解質を含む。一部の実施形態において、該中央支持エレメントは、内側縦エレメントと外側縦エレメントとを含み得、該外側縦エレメントは、該内側縦エレメントと同心に、かつ該内側縦エレメントのまわりに配置され得る。該内側縦エレメントは、該１つ以上の燃料電池のそれぞれの該アノードに燃料を送達するように適合された内側縦チャネルを画定し得る。該外側縦エレメントは、該１つ以上の燃料電池のそれぞれの該カソードに酸化体を送達するように適合された外側縦チャネルを画定し得る。一部の実施形態において、該１つ以上の燃料電池は、該中央支持エレメントのまわりに配置され得る。

一部の実施形態において、上記中央支持エレメントは、１つ以上の触媒を含み得る。例えば、該１つ以上の触媒は、該中央支持エレメントの上記内側縦エレメントの内側表面の少なくとも一部分を被覆するか、またはその部分と関連づけられ得る。該１つ以上の触媒は、改質触媒（例えば、部分酸化改質触媒および／または水蒸気改質触媒）、燃焼触媒、および／またはそれらの組み合わせであり得る。一部の実施形態において、該触媒は、多段の触媒であり得る。例えば、該多段の触媒は、部分酸化触媒、部分酸化触媒と燃焼触媒との組み合わせ、燃焼触媒、および水蒸気改質触媒の多段の混合物を含み得る。

一部の実施形態において、上記燃料電池システムは、１つ以上のアノード出口流動チャネルと１つ以上のカソード流動チャネルとを含み得る。該１つ以上のアノード出口流動チャネルは、該１つ以上のアノードと流体的に連絡し、該１つ以上のアノードからのアノード排気を導くように適合され得る。該１つ以上のカソード出口流動チャネルは、該１つ以上のカソードと流体的に連絡し、該１つ以上のカソードからのカソード排気を導くように適合され得る。該燃料電池システムは、該１つ以上のアノード出口流動チャネルと流体的に連絡し、実質的に何らの酸化体もない還元室を含み得る。該燃料電池システムはまた、該１つ以上の燃料電池のそれぞれと電気的に連絡する、該還元室内に配置された１つ以上の電流収集器（ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ）を含み得る。該燃料電池システムは、該還元室および該１つ以上のカソード出口流動チャネルと流体的に連絡するアフタバーナをさらに含み得る。該アフタバーナは、該１つ以上のアノードからの該アノード排気と、該１つ以上のカソードからの該カソード排気との結合を可能にするように適合され得る。

一部の実施形態において、上記還元室は、絶縁材料と熱的に連絡し得る。例えば、該絶縁材料は、該還元室と上記アフタバーナとの間に存在し得る。特定の実施形態において、該アフタバーナは、燃焼触媒によって少なくとも部分的に被覆された内側表面を含み得る。該還元室および／または該アフタバーナは、上記中央支持エレメントのまわりに配置され得る。

本教示の別の局面は、燃料電池システム（例えば、上記された様々な実施形態に類似する燃料電池システム）を運転する方法に関する。一部の実施形態において、該燃料電池システムは、１つ以上の燃料電池と、該１つ以上の燃料電池と流体的に連絡する中央支持エレメントと、該１つ以上の燃料電池と電気的に連絡する電流収集器とを含み得る。該電流収集器は、該中央支持エレメントのまわりに配置され得る。該中央支持エレメントは、内側縦チャネルを画定する内側縦エレメントと、外側縦チャネルを画定する外側縦エレメントとを含み得る。該外側縦エレメントは、該内側縦エレメントと同心に、かつ該内側縦エレメントのまわりに配置され得る。

上記燃料電池システムの運転方法は、燃料を、上記内側縦エレメントを通して上記１つ以上の燃料電池のアノードに導くことと、酸化体を、上記外側縦エレメントを通して該１つ以上の燃料電池のカソードに導くこととを含み得る。該燃料電池システムの運転の様々な段階における該内側縦エレメントと該外側縦エレメントとの間の温度の相違が、温度差を作り出し得る。この温度差は、熱伝導を容易にし、上記中央支持エレメント内の局所的な温度、および該燃料電池システム全体の全般的な温度を調節することに役立ち得る。

一部の実施形態において、上記酸化体を、上記外側縦チャネルを通して導くことによって、上記電流収集器は、過度の熱にさらされることから保護され得る。一部の実施形態において、上記燃料電池システムは、還元室を含み得、該還元室では、１つ以上の電流収集器が配置され得る。該還元室は、アフタバーナと流体的に連絡し得る。これらの実施形態において、本教示の上記方法は、該１つ以上の燃料電池の上記アノードからのアノード排気を該還元室に導くことと、該１つ以上の燃料電池の上記カソードからのカソード排気を該アフタバーナに導くことと、該還元室からの未反応の燃料を該アフタバーナに導くことと、該未反応の燃料と未反応の酸化体とを該アフタバーナ内で結合させることとをさらに含み得る。特定の実施形態において、該方法は、該アノード排気および該カソード排気を該アフタバーナ内で燃焼させること、および／または絶縁材料を該還元室と該アフタバーナとの間に提供することとを含み得る。
本発明は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
燃料電池システムであって、
１つ以上の燃料電池であって、それぞれがアノード、カソード、および電解質を有する、１つ以上の燃料電池と、
該１つ以上の燃料電池のそれぞれと流体的に連絡する中央支持エレメントと
を備え、
該中央支持エレメントは、内側縦チャネルを画定する内側縦エレメント、および外側縦チャネルを画定する外側縦エレメントを備え、
該外側縦エレメントは、該内側縦エレメントと同心に、かつ該内側縦エレメントのまわりに配置され、
該内側縦チャネルは、燃料を該１つ以上のアノードに送達するように適合され、該外側縦チャネルは、酸化体を該１つ以上のカソードに送達するように適合され、
該１つ以上の燃料電池は、該中央支持エレメントのまわりに配置される、
燃料電池システム。
（項目２）
前記中央支持エレメントは、１つ以上の触媒を備える、項目１に記載の燃料電池システム。
（項目３）
前記中央支持エレメントは、改質触媒を備える、項目１または項目２に記載の燃料電池システム。
（項目４）
前記中央支持エレメントは、部分酸化改質触媒を備える、項目１〜項目３のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
（項目５）
前記中央支持エレメントは、水蒸気改質触媒を備える、項目１〜項目４のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
（項目６）
前記中央支持エレメントは、燃焼触媒を備える、項目１〜項目５のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
（項目７）
前記１つ以上の触媒は、前記内側縦エレメントの内側表面の少なくとも一部分と関連づけられる、項目２〜項目６のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
（項目８）
前記触媒は、４段触媒を備える、項目３に記載の燃料電池システム。
（項目９）
前記４段触媒は、部分酸化触媒と、部分酸化触媒および燃焼触媒の組み合わせと、燃焼触媒と、水蒸気改質触媒とを備える、項目８に記載の燃料電池システム。
（項目１０）
項目１〜項目９のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記１つ以上のアノードと流体的に連絡し、該１つ以上のアノードからのアノード排気を導くように適合された１つ以上のアノード出口流動チャネルと、
前記１つ以上のカソードと流体的に連絡し、該１つ以上のカソードからのカソード排気を導くように適合された１つ以上のカソード出口流動チャネルと、
該１つ以上のアノード出口流動チャネルと流体的に連絡し、実質的に何らの酸化体もない還元室と、
該還元室内に配置され、前記１つ以上の燃料電池のそれぞれと電気的に連絡する電流収集器と、
該還元室および該１つ以上のカソード出口流動チャネルと流体的に連絡するアフタバーナであって、該アフタバーナは、該１つ以上のアノードからの該アノード排気および該１つ以上のカソードからの該カソード排気の結合を可能にするように適合される、アフタバーナと
をさらに備える、燃料電池システム。
（項目１１）
前記還元室は、絶縁材料と熱的に連絡する、項目１０に記載の燃料電池システム。
（項目１２）
前記還元室は、前記中央支持エレメントのまわりに配置される、項目１０または項目１１に記載の燃料電池システム。
（項目１３）
前記アフタバーナは、燃焼触媒によって少なくとも部分的に被覆された内側表面を備える、項目１０〜項目１２のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
（項目１４）
前記アフタバーナは、前記中央支持エレメントのまわりに配置される、項目１０〜項目１３のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
（項目１５）
燃料電池システムであって、
１つ以上の燃料電池であって、それぞれがアノード、カソード、および電解質を有する、１つ以上の燃料電池と、
該１つ以上のアノードと流体的に連絡し、該１つ以上のアノードからのアノード排気を導くように適合された１つ以上のアノード出口流動チャネルと、
該１つ以上のカソードと流体的に連絡し、該１つ以上のカソードからのカソード排気を導くように適合された１つ以上のカソード出口流動チャネルと、
該１つ以上のアノード出口流動チャネルと流体的に連絡し、実質的に何らの酸化体もない還元室と、
該還元室内に配置され、該１つ以上の燃料電池のそれぞれと電気的に連絡する電流収集器と、
該還元室および該１つ以上のカソード出口流動チャネルと流体的に連絡するアフタバーナであって、該アフタバーナは、該１つ以上のアノードからの該アノード排気および該１つ以上のカソードからの該カソード排気の結合を可能にするように適合される、アフタバーナと
を備える、燃料電池システム。
（項目１６）
前記還元室は、絶縁材料と熱的に連絡する、項目１５に記載の燃料電池システム。
（項目１７）
前記還元室は、前記１つ以上の燃料電池のそれぞれと流体的に連絡する中央支持エレメントのまわりに配置される、項目１５または項目１６に記載の燃料電池システム。
（項目１８）
前記アフタバーナは、燃焼触媒によって少なくとも部分的に被覆された内側表面を備える、項目１５〜項目１７のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
（項目１９）
前記アフタバーナは、前記１つ以上の燃料電池のそれぞれと流体的に連絡する中央支持エレメントのまわりに配置される、項目１５〜項目１８のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
（項目２０）
絶縁材料は、前記還元室と前記アフタバーナとの間に存在する、項目１５〜項目１９のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
（項目２１）
燃料電池システムを運転する方法であって、該方法は、
１つ以上の燃料電池、該１つ以上の燃料電池と流体的に連絡する中央支持エレメント、および該１つ以上の燃料電池と電気的に連絡する電流収集器を備えている燃料電池システムを提供することであって、
該電流収集器は、該中央支持エレメントのまわりに配置され、
該中央支持エレメントは、内側縦チャネルを画定する内側縦エレメント、および外側縦チャネルを画定する外側縦エレメントを備え、
該外側縦エレメントは、該内側縦エレメントと同心に、かつ該内側縦エレメントのまわりに配置される、ことと、
燃料を、該内側縦エレメントを通して該１つ以上の燃料電池のアノードに導くことと、
酸化体を、該外側縦エレメントを通して該１つ以上の燃料電池のカソードに導くことであって、
該内側縦エレメントの温度および該外側縦エレメントの温度は、温度差を作り出し、該温度差は、該中央支持エレメント内の熱伝導および温度調節を容易にする、ことと
を包含する、方法。
（項目２２）
前記酸化体を、前記外側縦エレメントを通して導くことは、前記電流収集器が過度の熱にさらされることから保護する、項目２１に記載の方法。
（項目２３）
項目２１または項目２２に記載の方法であって、
前記電流収集器を還元室内に提供することであって、該還元室は、アフタバーナと流体的に連絡する、ことと、
アノード排気を前記１つ以上の燃料電池のアノードから該還元室に導くことと、
カソード排気を該１つ以上の燃料電池のカソードから該アフタバーナに導くことと、
該アノード排気を該還元室から該アフタバーナに導くことと、
該アノード排気および該カソード排気を該アフタバーナ内で結合させることと
を包含する、方法。
（項目２４）
前記アノード排気および前記カソード排気を前記アフタバーナ内で燃焼させることを包含する、項目２３に記載の方法。
（項目２５）
絶縁材料を前記還元室と前記アフタバーナとの間に提供することを包含する、項目２３または項目２４に記載の方法。
（項目２６）
燃料電池システムを運転する方法であって、該方法は、
還元室と流体的に連絡する１つ以上の燃料電池を備える燃料電池システムを提供することであって、
該還元室は、アフタバーナと流体的に連絡し、
該還元室は、その中に配置された電流収集器を備え、該電流収集器は、該１つ以上の燃料電池と電気的に連絡する、ことと、
アノード排気を該１つ以上の燃料電池のアノードから該還元室に導くことと、
カソード排気を該１つ以上の燃料電池のカソードから該アフタバーナに導くことと、
該アノード排気を該還元室から該アフタバーナに導くことと、
該カソード排気および未反応の酸化体を該アフタバーナ内で結合させることと
を包含する、方法。
（項目２７）
前記アノード排気および前記カソード排気を前記アフタバーナ内で燃焼させることを包含する、項目２６に記載の方法。
（項目２８）
絶縁材料を前記還元室と前記アフタバーナとの間に提供することを包含する、項目２６または項目２７に記載の方法。

図面は、本教示の原理を例示することに概して重点が置かれ、必ずしも縮尺通りではないことは理解されるべきである。図面は、いかなる点においても本教示の範囲を限定することを意図されていない。
図１は、本教示の固体酸化物燃料電池の実施形態の概略的な斜視図である。 図２は、本教示に従った、燃料電池スタックの実施形態の概略的な斜視図である。 図３は、本教示に従った、固体酸化物燃料電池システムの実施形態の断面図である。 図４は、本教示に従った、中央支持エレメントの実施形態の概略的な斜視図である。

本教示は、改善された温度調節および電流収集を介して効率を高められた燃料電池システムを一部に提供する。燃料電池システムを通る吸気および排気を効率的かつ効果的に伝達する、ガスのチャネル搬送機能を提供することによって、燃料電池システムの温度が調節され得、かつ電流収集が改善され得る。より具体的には、本教示は、絶縁された還元室およびアフタバーナと流体的に連絡する中央支持エレメントを有する固体酸化物燃料電池システムを提供する。互いにすぐ近くにある異なる温度のガスに対する新規のガスチャネル搬送が、熱伝導および温度調節を容易にし得る。さらに、電流収集器を収納する還元室へと還元ガスだけをチャネル搬送することと、電流収集器の近くの直接的燃焼を制限することとが、電流の収集効率を増大させる。

デバイスまたは構成物が、特定の構成要素を有するか、含むか、または備えることとして記載され、あるいはプロセスが、特定のプロセス段階を有するか、含むか、または包含することとして記載される説明にわたって、本教示の構成物がまた、説明された構成要素から本質的に成るかまたはそれらから成り、そして本教示のプロセスがまた、説明された処理ステップから本質的に成るかまたはそれらから成ることが企図されている。方法が動作可能であり続ける限り、ステップの順序または特定のアクションを実行する順序が重要でないことは理解されるべきである。さらに、２つ以上のステップまたはアクションが同時に遂行され得る。

本出願においては、要素または構成要素が、説明された要素または構成要素のリストに含まれ、かつ／またはそのリストから選択されることを表し、要素または構成要素が、説明された要素または構成要素のうちのいずれか１つであり得、説明された要素または構成要素の２つ以上から選択され得ることは理解されるべきである。さらに、本明細書中に明示的であるかまたは暗黙的であるかにかかわらず、本明細書中に記載された構成物、装置、または方法の要素および／または機能が、本教示の精神および範囲から逸脱することなく様々な方法で組み合わされ得ることは理解されるべきである。

違った形で特に述べられない限り、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｅ）」、「有する（ｈａｓ）」、または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」の使用は、概して限度を設定せず、かつ限定ではないとして理解されるべきである。

違った形で特に述べられない限り、本明細書中の単数形の使用は、複数形（そして逆もまた同様）を含む。さらに、用語「約（ａｂｏｕｔ）」の使用は、定量値に先んじ、違った形で特に述べられない限り、本教示はまた特定の定量値自体を含む。

概して、本教示は、改善されたガスのチャネル搬送と、温度調節と、電流収集とを有する固体酸化物燃料電池システムに関する。図１に示されているように、本教示は概して、燃料電池システム１０を提供し、燃料電池システム１０は、中央支持エレメント１２と燃料電池スタック１とを含み、燃料電池スタック１は、中央支持エレメント１２の近くにまたはまわりに配置される。燃料電池スタックは、１つ以上の燃料電池３２を含み得る。概して、燃料電池システム１０はまた、燃料電池プレート４と、電流収集アセンブリ３５と、アフタバーナ（図示されない）と、随意にマニホルドキャップ３０とを含む。燃料電池プレートは、合金材料、金属材料またはセラミック材料から作られ得、中実かまたは多孔性であり得る。同様に、アフタバーナは、合金材料、金属材料またはセラミック材料から作られ得、中実かまたは多孔性であり得る。

一部の実施形態において、１つ以上の燃料電池が、一方の端部（すなわち、遠位の端部）で燃料電池プレートに、もう一方の端部（すなわち、近位の端部）で電流収集アセンブリに取り外し可能にまたは一体に固定され得る。燃料電池と同様に、中央支持エレメントの遠位の端部が、燃料電池プレートの近位の側に取り外し可能にまたは一体に固定され得る。燃料電池プレートは、中央の支持管および１つ以上の燃料電池の通路用または付着用の複数の開口を含む、様々な幾何学的形状または不規則な形状のディスクまたはプレートであり得る。一部の実施形態において、中央支持エレメントは、随意のマニホルドキャップを介して１つ以上の燃料電池と流体的に連絡し得、マニホルドキャップは、存在する場合には、燃料電池プレートの遠位の側に付着され得る。電流収集アセンブリとアフタバーナとの両方が、中央支持エレメントの近くに配置され得、アフタバーナは、電流収集アセンブリに最も近い状態にある。

１つ以上の燃料および酸化体を燃料電池に導入することに加えて、中央支持エレメントは、炭化水素含有燃料（例えば、プロパン）が燃料を燃料電池に供給するために用いられるときには、１つ以上の改質触媒を含むことによって改質器として作用し得る。中央支持エレメントは、燃料電池システムにわたる改善された熱的調節およびガスのチャネル搬送を提供することによって、燃料電池システム全体の効率を高め得る二重チャネル設計を特徴とし得る。

中央支持エレメントは、物理的手段、機械的手段、および／または化学的手段によって燃料電池プレートと接合され得る。一部の実施形態において、中央支持エレメントと燃料電池プレートとの間の接続は、緊密な滑り嵌め（ｔｉｇｈｔ ｓｌｉｐ ｆｉｔ）であり得、それによって、中央支持エレメントが、摩擦によって燃料電池プレート上で適所に保持される。他の実施形態において、中央支持エレメントと燃料電池プレートとは、当該分野で公知の様々な接着材を用いて一緒に結合され得る。例えば、市販のアルミナ結合剤が用いられ得る。

１つ以上の燃料電池が、同様に燃料電池プレートに添付され得る。例えば、１つ以上の燃料電池が、それらを燃料電池プレート内の開口または空洞に挿入することによって、燃料電池プレート上に取り付けられ得る。これらの開口の直径は、燃料電池の直径に等しいか、またはそれよりもわずかに小さくあり得る。図２に示されているような他の実施形態において、１つ以上の燃料電池３２が、燃料電池プレート４上の突出する形、例えば、インジェクタピン７上に取り付けられ得る。インジェクタピン７は、燃料電池プレート４の一体化した形として形成されるか、または別々に製造され、そして燃料電池プレート４に付着され得る。燃料電池の直径は、インジェクタピンの直径よりもわずかに大きくあり得、それによって、燃料電池がインジェクタピンの上に取り付けられるときに、狭いギャップが形成される。この狭いギャップにもかかわらず、何らの別個の密封もガスの漏出を防止するためには必要でない。なぜならば、インジェクタピンと燃料電池の内部チャネルとの間の狭いギャップを通る圧力降下が、燃料電池自体を通る圧力降下よりもはるかに高いからである。従って、別個の密封を使用しなくとも燃料電池の内部チャネルからのガスの漏出を最小化するための十分な背圧が存在する。例えば、２．８ｍｍの直径を有する燃料電池が、２．５ｍｍ〜２．７ｍｍの直径を有するインジェクタピンに取り付けられ得、形成されたギャップは、燃料電池システムの運転を妨げない。当業者は、中央支持エレメントがまた、燃料電池プレートのインジェクタピン上に同様に取り付けられ得ることを認識するであろう。

特定の実施形態において、燃料電池システムは、燃料電池プレートの近くに配置された絶縁材プレートを含み得る。燃料電池は、絶縁材プレート上の様々な開口を通って絶縁材プレートを通過し得る。これらの開口は、個々の燃料電池の直径に等しいかまたはそれよりもわずかに小さい直径で製作され得、燃料電池と絶縁材プレートとの間の緊密な嵌め合いを生じさせる。絶縁材プレートは、接着材または摩擦によるなどの化学的手段または物理的手段を介して燃料電池プレートに添付され得る。結果としてもたらされる燃料電池プレート／絶縁材プレートアセンブリは、燃料電池の内部チャネルと燃料電池の周囲の領域との間の大きな圧力降下に起因して、ガスの漏出に対する増大した抵抗を作り出し得る。

一部の実施形態において、マニホルドキャップは、実質的に半球状（すなわち、ドーム）の端部を含み得る。燃料電池の運転の間に、高温度のガスがマニホルドキャップの内部を循環するので、熱応力が誘発され得、実質的に半球状の構造が、マニホルドキャップ内部の応力集中を低減することに役立ち得る。他の実施形態において、マニホルドキャップは、平面の端部表面を有し得る。例えば、マニホルドが、円筒形のキャップとして形づくられ得る。その外形に起因して、円筒形のキャップは、燃料電池システムの運転の間に熱膨張を受ける可能性がある。端部表面と円筒形の側壁との交差部に及ぼされる熱的に誘発された応力を低減するために、円筒形のマニホルドキャップは、そのエッジのまわりにフィレットを含み得る。さらなる実施形態において、別個のマニホルドキャップの代わりに、燃料電池スタックが、ガス不透過性の絶縁パッケージに挿入され得、それによって、ボイドスペースが、燃料電池プレートの遠位（すなわち、燃料電池プレートと絶縁パッケージとの間）に提供される。マニホルドキャップのように、ボイドスペースが、ガス用の経路を提供して、ガスを中央支持エレメントから燃料電池に伝え、それらを互いとの流体的な連絡に導く。

燃料電池スタックは一般に、中央の支持管のまわりに配置された複数の燃料電池を含む。本教示の燃料電池システムで用いられる燃料電池は、管状のアノード支持型の燃料電池として記載され得る。より具体的には、燃料電池は、支持として役立つ内側の燃料電極（すなわち、アノード）と、中間の電解質と、外側の空気電極（すなわち、カソード）とを含み得る。管状のアノード支持は、概して中空の中央の内径（すなわち、チャネル）を画定し得る。他の実施形態において、燃料電池は、カソード支持型か、電解質支持型か、または基板支持型であり得る。外形に関して、管状の燃料電池は、円筒形の形状であり得るか、あるいは多角形または他の形状（例えば、長円形）であり得る。例えば、管状の燃料電池は、３つの表面を接合する丸い頂点を有する実質的に三角の形状を有し得る。一部の実施形態において、アノードは、米国特許第６，９９８，１８７号（該特許の開示全体は、参考として本明細書中に援用される）に記載されたような、アノードの内部の壁から中央の内径へと突出する１つ以上の支持形（例えば、ボスまたは隆起）を含み得る。

構成的に、電極は、当該分野で公知の任意の適切な多孔性の電極材料から作られ得る。例えば、アノードは、セラミック材料またはサーメット材料から作られ得る。セラミック材料またはサーメット材料内のセラミックの成分は、例えば、ジルコニアベースの材料またはセリアベースの材料を含み得る。例としては、安定化ジルコニア（例えば、イットリア安定化ジルコニア、特に（ＺｒＯ_２）_０．９２（Ｙ_２Ｏ_３）_０．０８）と、ドーピングしたセリア（例えば、ガドリニウムをドーピングしたセリア、特に（Ｃｅ_０．９０Ｇｄ_０．１０）Ｏ_１．９５）とを含むが、これらに限定されない。サーメット材料の場合には、金属成分は、１つ以上の遷移金属、それらの合金、および／または物理的な混合物を含み得る。金属成分（例えば、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ａｇ、およびＷ）は、酸化物または塩（ＮｉＯ、Ｎｉ（ＮＯ_３）_２）という形態で導入され得、サーメット材料の総体積に基づいて、約３０．０体積％から約８０．０体積％までの範囲に存在し得る。例えば、アノードは、イットリア安定化ジルコニアを有する多孔性のニッケルサーメットであり得る。他の適切な電極材料は、アルミナおよび／または酸化チタンベースのセラミックス（金属成分を含み得るかまたは含まないことがあり得る）を含む。適切なカソード材料の例は、ランタン亜マンガン酸塩ペロブスカイトセラミックス、ランタンフェライトペロブスカイトセラミックス、プラセオジム亜マンガン酸塩ペロブスカイトセラミックス、およびプラセオジムフェライトペロブスカイトセラミックスなどの様々なペロブスカイトを含むが、これらに限定されない。

電解質層は、上記された同一のセラミック材料およびサーメット材料から作られ得る。サーメット材料内の適切な金属成分は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｐｔ、Ｒｕ、それらの合金、および／またはそれらの物理的な混合物を含むが、これらに限定されない。金属の含有量は、約０．１体積％から約１５体積％までの範囲であり得る。様々な実施形態において、電解質層は、ドーピングしたセラミックから作られ得る。例えば、ドーピングしたジルコニアの薄くかつ中実の層が、電解質層として用いられ得る。電解質層とカソード材料とは、スリップ被覆（ｓｌｉｐ−ｃｏａｔｉｎｇ）、浸せき（ｄｉｐ）被覆、スプレー（ｓｐｒａｙ）被覆、および印刷を含む様々な堆積技術によってアノードに堆積させられ得るが、これらに限定されない。異なる層が、堆積に続いて、連続して共焼結されるかまたは焼結され得る。

図３は、図１に示された燃料電池システムのより詳細な断面図である。燃料電池システム１０は、１つ以上の燃料電池３２と、中央支持エレメント１２とを含んでいる。中央支持エレメント１２は、１つ以上の酸化体入口１４と、１つ以上の燃料入口１６と、燃料エレメント１７と、燃料チャネル１８と、酸化体エレメント１９と、酸化体チャネル２０とを含む。燃料電池システムの他の構成要素は、燃料電池プレート（図示されない）と、電流収集アセンブリ３５と、アフタバーナ３８と、随意のマニホルド３０とを含む。燃料（例えば、プロパンと空気との混合物）が、１つ以上の燃料入口１６を通って燃料電池システムに入り、燃料チャネル１８を介して燃料電池３２のそれぞれのアノードに送達される。酸化体（例えば、空気）が、１つ以上の酸化体入口を通って燃料電池システムに入り、酸化体チャネル２０を介して燃料電池３２のそれぞれのカソードに送達される。図１に示されているように、１つ以上の燃料電池３２が、中央支持エレメント１２のまわりに配置される。

図４を参照すると、中央支持エレメント１２は、概して、内側縦エレメント１７（本明細書中では、燃料エレメントとも呼ばれる）と、外側縦エレメント１９（本明細書中では、酸化体エレメントとも呼ばれる）とを含む。外側縦エレメントは、内側縦エレメントと同心に、かつ内側縦エレメントのまわりに配置され得る。これらのエレメントのそれぞれは、円筒形であり得るか、または他の幾何学的形状（例えば、長方形、多角形、長円形など）を有し得る。内側縦エレメント１７は、１つ以上の燃料（例えば、燃料混合物）を１つ以上の燃料電池のそれぞれのアノードに送達するように適合された内側縦チャネル１８（本明細書中では、燃料チャネルとも呼ばれる）を画定し得、そして外側縦エレメント１９は、１つ以上の酸化体を１つ以上の燃料電池のそれぞれのカソードに送達するように適合された外側縦チャネル２０（本明細書中では、酸化体チャネルとも呼ばれる）を画定し得る。換言すると、外側縦チャネルは、外側縦エレメントの内側壁と、内側縦エレメントの外側壁とによって画定された環状の空間である。中央支持エレメントはまた、一般に、燃料（１つ以上）と酸化体（１つ以上）とを、それぞれ燃料電池システムに導入する１つ以上の燃料入口と酸化体入口とを含む。内側縦エレメントおよび外側縦エレメントは、例えば、金属、セラミック材料（例えば、アルミナ）、半導体材料、高分子材料、ガラス、およびそれらの混合物から構成され得る。内側縦エレメントと外側縦エレメントとの間の熱伝導を促進するために、熱伝導性材料が、内側縦エレメントと外側縦エレメントとの間に配置され得ることにより、物理的な接触と直接的な熱伝導とを可能にする。例えば、熱伝導性材料は、外側縦エレメントの内側壁および／または内側縦エレメントの外側壁に沿って配置され得る。熱伝導性材料は、金属（例えば、合金または金属）またはセラミック材料であり得、ワイヤ（１つ以上）、メッシュ、発泡体またはそれらの組み合わせ、という形態であり得る。熱伝導性材料の例は、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）６００（Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏｒｐ．、Ｈｕｎｔｉｎｇｔｏｎ、ＷＶ）から作られたワイヤコイルであり、該ワイヤコイルは、四角または丸い輪郭あるいは他の幾何学的な輪郭を有し得る。

図４を参照すると、中央支持エレメント１２は、改質触媒を含む１つ以上の触媒２１を含み得、改質触媒は、燃料電池システムが純水素以外の燃料に作用するように適合されている場合には、改質器として機能し得る。例えば、天然ガス、プロパン、ガソリン、灯油およびディーゼル油などの炭化水素燃料は、水素よりも、高価ではなく、容易かつ安全に格納され、たやすく利用可能である。合成メタノールおよびプラント加工（ｐｌａｎｔ−ｄｅｒｉｖｅｄ）エタノールなどのアルコールがまた用いられ得る。一部の実施形態において、内側縦エレメント１７の内側壁は、１つ以上の改質触媒２１によって全体的にまたは部分的に裏打ちされ得る。これらの触媒（１つ以上）は、被覆、セラミックのビーズ（ｂｅａｄ）の形態であり得、かつ／または蜂の巣状の触媒床（図４に示される）に支持されるかもしくはそれに含浸され得る。一部の実施形態において、内側縦エレメントの内側壁は、触媒（１つ以上）を装填された繊維ラップ（ｗｒａｐ）（例えば、フェルト材料）で裏打ちされ得る。

図３に示されているような一部の実施形態において、中央支持エレメント内に配置された改質触媒（１つ以上）２１は、多段の触媒であり得る。多段触媒の構成は、その場所によって変わり得る。このことは、燃料が内側縦エレメントの異なる区画を通過するときに、異なる触媒反応が起こることを可能にする。例えば、多段触媒は、内側縦エレメントに沿った異なる触媒の区画内に配置された４つの異なる触媒を含み得る。特定の実施形態において、第一の触媒区画２２内の触媒が、低い表面積の部分酸化改質触媒であり、連続して、部分酸化改質触媒、または部分酸化触媒と燃焼触媒との組み合わせを含む第二の触媒区画２４と、燃焼触媒を含む第三の触媒区画２６と、水蒸気改質触媒を含む第四の触媒区画２８とが続き得る。多段触媒内の異なる触媒によって触媒される様々なタイプの改質反応に起因して、多段触媒の使用は、より大きな温度の範囲、すなわち、約２００℃から約９００℃までの温度範囲における燃料改質を可能にする。

例えば、部分酸化（ＰＯＸ）改質において、燃料が、触媒でＯ_２によって部分的に酸化されることにより、一酸化炭素と水素とを作り出す。該反応は、発熱性であるが、水素の低い収率を犠牲にして、
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋（ｎ／２）Ｏ_２ → ｎＣＯ＋（ｍ／２）Ｈ_２
となる。例示的な部分酸化改質触媒は、限定ではなく、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｗ、Ｒｕ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｒｈ、およびＶを含む。一部の実施形態において、第一の部分酸化改質触媒は、白金およびニッケルの酸化物を含み得る。この部分酸化改質触媒は、後の部分酸化改質触媒と燃焼触媒との組み合わせに比べて低い表面積（例えば、低減された金属装填）を有し得る。なぜならば、第一の触媒区画が燃料入口に近く、かつアフタバーナによって提供される熱に近いことに起因して、燃料のほとんど（例えば、６０％）が、第一の触媒区画によって改質されると予期されるからである。この理由から、第一の部分酸化改質触媒はまた、よりロバストである必要がある。なぜならば、燃料電池システムに注入された燃料のすべてが、第一の触媒区画と接触するからである。

特定の実施形態において、第二の触媒は、高い表面積の部分酸化改質触媒であり得、その金属装填は、一般に第一の部分酸化改質触媒よりも高い。このことは、第二の触媒区画が、第一の触媒区画からさらに下流に配置されると仮定すれば、より少ない燃料が改質のために利用可能であり、従って、より高い表面積が効果的な改質に対して必要とされるからである。一部の実施形態において、この第二の触媒区画は、ニッケルと白金とを含み、ニッケルを白金よりも高い比率で含み得る。例えば、ニッケル対白金の比率は、約５：１から約１５：１まで及び得る。一部の実施形態において、第二の触媒区画内の触媒は、部分酸化改質触媒と燃焼触媒との混合物であり得る。該部分酸化触媒は、上記の高い表面積の部分酸化触媒であり得る。燃焼触媒は、下記の燃焼触媒であり得る。

第三の触媒区画内の燃焼触媒は、金属触媒、例えば、燃料の燃焼を促進するＰｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｍｎ、およびＲｈから選択された１つ以上の燃料金属（ｆｕｅｌ ｍｅｔａｌ）を含む触媒であり得る。燃焼によって発生した熱が、第二の触媒区画と第四の触媒区画とがそれぞれ配置されている内側縦チャネルに沿って隣接する区画に伝達されて、これらの触媒によって可能にされた部分酸化改質反応を開始し得る。燃焼触媒が低い温度で作動するので、燃焼触媒は、４段触媒において、流入する燃料の改質を開始する最初の触媒である。

第四の触媒区画は、水蒸気改質触媒および／または部分酸化改質触媒を含み得る。水蒸気改質は、一酸化炭素および水素を次の反応、
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋ｎＨ_２Ｏ → ｎＣＯ＋（ｍ／２＋ｎ）Ｈ_２
の触媒作用によって作り出す。該プロセスは、非常に吸熱性であり（すなわち、約７００℃から約１０００℃までの範囲の温度で起こり）、一般に外部燃焼によって供給されるエネルギーのかなりの量を消費する。本燃料電池システムにおいて、必要とされる熱エネルギーは、上流に起こった発熱性の部分酸化改質反応および燃焼反応からの熱によって供給される。例示的な水蒸気改質触媒は、コバルトおよびニッケルなどの様々なＶＩＩＩ族金属を含むが、それらに限定されない。

図２を参照すると、燃料が触媒２１を通過した後に、改質された燃料と、あらゆる未改質の燃料とが、マニホルド３０を通って流れ、１つ以上の燃料電池３２のアノードに導かれる。燃料電池は、概して管状の固体酸化物燃料電池であり、燃料電池スタックを形成するために電気的に接続され得る。燃料が燃料電池のアノードを通過するときに、燃料の一部またはすべてが、酸素イオンと反応することにより、電気とアノード排気とを作り出す。アノード排気は、一酸化炭素、二酸化炭素、水、改質触媒の何らかの副産物、未消費の改質燃料、および未消費の未改質燃料を含み得る。アノード排気は、燃料電池（１つ以上）３２のアノード（１つ以上）と電流収集アセンブリ３５との両方と流体的に連絡する１つ以上のアノード出口チャネル（１つ以上）３３を通って電流収集アセンブリ３５へと導かれる。

電流収集アセンブリ３５は、近位の壁、遠位の壁、内側壁、外側壁、およびこれらの壁によって画定された囲まれた室を含み得、その中には、１つ以上の電流収集器３６が配置される。電流収集アセンブリは、限定ではないが、円形、長円形または他の幾何学的形状あるいは不規則な形状を含む様々な形状からなり得、さらに、その近位の壁とその遠位の壁との間に延びるその内側壁によって画定された内側チャネルを含み得る。内側チャネルが、適切な大きさで作られ得ることにより、中央支持エレメントが通過し、そして燃料電池スタックに挿入されることを可能にする。

特定の実施形態において、中央支持エレメント１２は、電流収集アセンブリ３５を越えて延び、１つ以上の燃料電池の間に挿入され得る。電流収集アセンブリは、中央支持エレメントの上に滑り嵌め（すなわち、摩擦嵌め）であり得る。従って、電流収集アセンブリは、燃料電池の軸に平行な方向に沿って移動可能であり得る。本明細書中に用いられるときには、用語「移動可能」は、電流収集アセンブリおよび中央支持エレメントなどの２つの対象の間の相対位置の変化を表す。用語「移動可能」はまた、もう一つの対象（例えば、中央支持エレメント）に対する、一つの対象の一部分の間の相対位置の変化（例えば、燃料電池のアノードなどの燃料電池の一部分の伸長または収縮）を表す。１つ以上の燃料電池に付着するときには、電流収集アセンブリと１つ以上の燃料電池との組み合わせが、同様に中央支持エレメントに沿って滑り得、保守または置換のためにシステムから容易に取り外され得る。

燃料電池システムの運転の間に、電流収集アセンブリと１つ以上の燃料電池との組み合わせが、中央支持エレメントと電流収集アセンブリとの間のクリアランスの結果として縦に伸張可能であり得る。この動きの自由度は、燃料電池に付与され、そしてそれらの早期故障を引き起こし得る縦方向の圧縮力を最小化する。中央支持エレメントはまた、独立してスタックから取り外され得る。なぜならば、中央支持エレメントが、電流収集アセンブリと燃料電池プレートとの両方に対して緊密な滑り嵌めであり得るからである。

ここでまた図３を参照すると、電流収集アセンブリ３５内部に配置された電流収集器（１つ以上）３６は、様々な燃料電池電極と電気的に連絡する。電流収集アセンブリ３５は、その遠位の壁に開口を含み得、該開口は、１つ以上の燃料電池のそれぞれのアノード出口流動チャネル３３との流体的な連絡を可能にする。

一実施形態において、電流収集アセンブリは、アノード排気だけを電流収集アセンブリへと導くことと、酸化体を電流収集アセンブリのまわりにチャネル搬送することとによって、還元環境（すなわち、還元室３４または酸素が実質的にない室として役立つ）を作り出し得る。従って、この還元室は、燃料電池のカソードと流体的に連絡しない。還元室内に電流収集器（１つ以上）を有することは、酸化を受けやすい金属（１つ以上）および／または合金（１つ以上）（例えば、銀）からしばしば作られる電流収集器（１つ以上）の表面上の酸化のリスクを低減し得る。望ましくない酸化反応は、損傷を引き起こし、電流収集器（１つ以上）の耐用寿命を短縮させ得る。還元雰囲気は、他の利益を提供し得る。例えば、高温で酸素を豊富に含む環境において違ったふうに酸化され、かつ劣化し得る代替の電流収集材料の使用を可能にすることに加えて、該還元雰囲気は、アフタバーナへと還元室を通過するあらゆる未反応または未消費燃料の直接的燃焼に起因する電流収集失敗の可能性を取り除き得る。

還元室の温度がまた、還元室と熱的に連絡する絶縁材（図３に示されない）を提供することによって調節され得る。絶縁材が、還元室のまわりに配置されることにより、中央支持エレメントおよびアフタバーナから還元室への熱の伝達を制限し得る。電流収集器（１つ以上）が銀などの金属でしばしば作られるので、還元室内の温度は、電流収集器が作られる材料の融点を超えるべきではない。従って、熱絶縁材が、還元室および電流収集器の温度を調節するために、空気流冷却とともに用いられ得る。

図３をさらに参照すると、電流収集アセンブリ３５はまた、その近位の壁に開口３７を含み得、開口３７は、アフタバーナ３８との流体的な連絡を可能にする。アフタバーナは、電流収集アセンブリ３５に隣接する、燃料電池システム１０の近位の端部に配置され得、電流収集アセンブリ３５と同様に、中央支持エレメント１２の近くに配置され得る。従って、アノード（１つ以上）を出て行くあらゆる未消費燃料および排気が、最初に還元室に、次いでアフタバーナにチャネル搬送される。

アフタバーナ３８は概して、あらゆる未消費の燃料が燃焼され消費され得る室である。アフタバーナの内側表面は、その端部まで、燃焼触媒によって少なくとも部分的に被覆され得る。特定の実施形態において、アフタバーナは、その遠位の端部の近くの第一の燃焼触媒区画４２と、その近位の端部の近くの第二の燃焼触媒区画４４とを含み得る。開口が、アフタバーナ内で第一の燃焼触媒区画４２と第二の触媒区画４４との間に提供され、該開口は、１つ以上のカソード出口流動チャネル４０を通して、１つ以上の燃料電池３２のカソードとの流体的な連絡をアフタバーナにもたらす。あらゆる未反応の酸化体および／または酸化体排気が、アフタバーナ内の第一の燃焼触媒区画と第二の燃焼触媒区画との間の領域に導かれ、そしてその領域内に閉じ込められる。未反応の酸化体が、２つの燃焼触媒区画内に配置された燃焼触媒の上でアノード排気からの未消費の燃料と混合される。第一の燃焼触媒区画内の触媒によって提供された密封が、電流収集アセンブリ内への未反応酸化体のあらゆる逆流を遮断することに役立ち、そして還元室内の還元環境を維持することに役立つ。アフタバーナの触媒はまた、触媒をドーピングした繊維ラップ（ｗｒａｐ）（図示されない）を有し得る。この繊維ラップが、ガスケットとして役立つことにより、還元室内への酸化体の漏出を防止する。さらに、第一のアフタバーナの触媒はまた、アフタバーナ内の酸化体が還元室に入ることを防止し得る。

アフタバーナ３８はまた、点火器４５（例えば、グロープラグ）を含むことにより、燃焼反応を開始し得る。還元室とアフタバーナとの両方の追加の機能および利益が、燃料電池システムの運転と関連して以下でより詳細に記載される。

中央支持エレメントの温度を調節することは、中央支持エレメントの長さに沿ってホットスポットまたは高い温度の領域を取り除き得る。そのような温度調節が、早期の触媒故障を最小化し、改善された、より効率的な燃料改質を提供し、そして中央支持エレメントへの熱衝撃を最小化し得る。

デバイスの運転が、ここで２つの段階、すなわち、起動と通常運転とにおいてさらに詳細に論じられる。

（起動）
燃料電池システムの起動の間、燃料電池スタック、すなわち複数の燃料電池は、約３０℃の温度にある。このいくぶん冷たい温度において、冷たい燃料が、中央支持エレメントを通って燃料電池のアノードに改質されずに運ばれる。この時点では、未だ燃料電池がそれらの運転温度に達していないので、何らのパワーも発生されず、燃料は、燃料電池システムを消費されずに通過する。同様な比較的冷たい酸化体の流れが、中央支持エレメントを通って燃料電池のカソードに、反応することなく運ばれる。未反応の酸化体の流れは、次いでカソード（１つ以上）からカソード出口流動チャネル（１つ以上）を通ってアフタバーナに直接チャネル搬送される。一方、未改質および未反応の燃料は、電流収集アセンブリの還元室を通過し、アフタバーナに渡され、そこでは、燃料の流れと酸化体の流れとが、組み合わされ、そして高温の点火器によって点火される。燃料の点火によって発生した熱が、アフタバーナの温度をアフタバーナの触媒が触媒作用を始める温度に上昇させる。従って、より多くの燃料が燃焼させられ、より多くの熱が作り出される。この熱のほとんどが、アフタバーナに直接隣接する酸化体エレメントに伝達され、流入する酸化体を加熱する。熱伝導が、酸化体エレメントと燃料エレメントとの間で起こり、燃料チャネル内の燃料が、約１８０℃かまたはそれを超える温度に達した後、第三の触媒区画の燃焼触媒が、流入燃料の燃焼を開始し得る。燃焼反応によって発生した熱が、部分酸化改質触媒、水蒸気改質触媒、および随意に燃焼触媒を含む近隣の触媒区画（すなわち、第二の触媒区画および第四の触媒区画）に伝達される。部分酸化触媒は、約８００℃で燃料の改質を始め得る。温度が約５００℃を超えて、約７００℃までになった後に、水蒸気改質触媒がまた、燃料の改質を始める。

（通常運転）
中央支持エレメントが、約８００℃から約９００℃までの間のその最適な運転温度に達した後、中央支持エレメントの４段触媒内のすべての４つの触媒が、燃料を改質する。通常運転の間に、第一の触媒（すなわち、部分酸化改質触媒）が、燃料の約６０％を改質する。あらゆる未改質の燃料が、次いで第二の触媒区画と第三の触媒区画とに移り、そこでは、流入燃料の約３０％が改質される。最終的に、流入燃料の残りの１０％が、第四の触媒区画内の触媒によってほとんど改質される。従って、４段触媒を用いることによって、より高い割合の燃料が改質され得、燃料電池システムの起動時間が減少され得る。例えば、従来技術の燃料電池スタックが、起動に最長１〜２時間かかり得るのに対して、本発明の燃料電池システムは、約２０分〜約２５分未満で８００℃に達し得る。

さらに、燃料のほとんどが中央支持エレメント内で改質され、次いで燃料電池スタックで消費されるので、アフタバーナ内で燃焼させられる燃料は実に少ない。従って、アフタバーナから酸化体チャネルに伝達される追加の熱は、運転のこの段階において最小になる。その代わりに、運転の間の酸化体チャネルは、約６００℃にある。従って、以下でさらに詳細に記載されるように、酸化体チャネルを通って流入する酸化体は、実際にアフタバーナを冷却することに役立つ。

燃料電池が、中央支持エレメントのまわりで同心に位置決めされ、かつマニホルドを介して中央支持エレメントと流体的に連絡するので、中央支持エレメントによって提供された熱伝導メカニズムは、燃料電池をそれらの適切な運転温度に維持することに役立ち得る。一旦燃料が改質され、燃料電池の温度が約８００℃まで上昇すると、カソード（１つ以上）によって作り出された酸素イオンが、電解質材料を通って伝達されることにより、アノード（１つ以上）上の水素と反応して電気を作り出す。

上記されたように、部分酸化改質反応は発熱性である。従って、調節されないままである場合には、改質反応によって燃料エレメント内に作り出された熱が、全体として触媒と燃料電池システムとを損傷し得る。例えば、触媒は、約９００℃〜約１１００℃の温度の近くで焼結する、触媒内の活性金属によって溶解し始め、約１１００℃〜約１４００℃の温度で溶解し得る。

触媒の温度と燃料エレメントの温度とが上昇し始めるときには、起動の間に燃料エレメントを予熱し得る酸化体チャネルが、運転の間に燃料エレメントの温度を調節し、そして冷却することに役立ち得る。まさに上記のように、熱伝導が、燃料エレメントと酸化体エレメントとの間で起こる。しかしながら、通常運転の間の酸化体エレメントの温度が、燃料エレメント（９００℃以上の温度を有し得る）の温度よりも実際は低いので、熱は、燃料エレメントから酸化体エレメントに伝達され、このことは、起動フェーズのように、熱が酸化体エレメントから燃料エレメントに伝達されることと対比される。燃料エレメント上での酸化体の一定の流入フローが、燃料エレメントをその長さにわたって冷却することに役立ち、燃料エレメントとその中の触媒とが過熱することを防止する。

同様に、酸化体チャネルを通過する未消費の酸化体とカソード排気との流れが、燃料チャネルを通過する未消費の燃料とアノード排気との流れよりも冷たくなるので、酸化体エレメントとカソードエレメントとを通過するより冷たい酸化体の流れがまた、アノードチャネルを冷却し、次に、電流収集器を冷却することに役立つ。同様な熱伝導メカニズムによって、酸化体エレメントを通って流入する酸化体の流れは、その両方が酸化体エレメントに直接隣接して配置される電流収集アセンブリとアフタバーナとをさらに冷却する。

（運転停止）
運転停止の間に、燃料電池システムのガス流量および電気的負荷が体系的に低減される。燃料電池システムのガス流量および負荷の体系的な低減が、燃料電池スタックの温度を約２００℃未満まで徐々に導き得る。一旦スタックの温度が２００℃未満に下がると、ガスのフローが切られ得、燃料電池スタックが室温まで冷えることを可能にされる。

従って、中央支持エレメントの二重チャネル設計は、熱を燃料エレメントに伝達することによるデバイスの起動の間の温度調節と、熱を燃料エレメントから伝達することによる運転の間の温度調節との両方の温度調節を可能にする。

従って、本教示の別の局面は、燃料電池システム（例えば、上記のような、中央支持エレメントと流体的に連絡し、そして電流収集器と電気的に連絡する１つ以上の燃料電池を有する燃料電池システム）を運転する方法に関する。該方法は、燃料を、燃料エレメント（中央支持エレメントの一部分である）を通して１つ以上の燃料電池のそれぞれのアノードに導くことと、酸化体を、酸化体エレメント（中央支持エレメントの一部分でもある）を通して１つ以上の燃料電池のそれぞれのカソードに導くこととを含み得る。燃料エレメント内の燃料の温度と、酸化体エレメント内の酸化体の温度とが異なり得るので、温度差が、燃料エレメントと酸化体エレメントとの間で作り出され得る。温度差は、２つのエレメント間の熱伝導（例えば、伝導による）をもたらし、そして２つのエレメントを同じ温度に維持し、電流収集器を過度の熱から保護することに役立つ。

上記方法はまた、電流収集器を還元室内に提供することを含み得、該還元室は、アフタバーナと流体的に連絡する。該方法は、アノード排気（実質的に無酸素である）を、アノードから還元室を通ってアフタバーナに導くことを含み得、アフタバーナでは、アノード排気が、カソードからの排気（すなわち、カソード排気）とともに燃焼させられる。該方法は、還元室とアフタバーナとの間に絶縁材料を提供することをさらに含み得る。熱的調節を可能にするために中央支持エレメント内に提供されたメカニズムは、還元室内部の電流収集器の温度を調節することに役立ち得る。なぜならば、燃料電池システム全体が、熱的に連絡するからである。

（他の実施形態）
本教示は、その精神または本質的な特徴から逸脱することなく、上記されていない他の特定の形態に組み入れられ得る。従って、上記の実施形態は、本明細書中に記載された本教示を限定することではなく、すべての点において例示と考えられることである。本発明の範囲は、従って、上記の説明によって示されるのではなく、添付の特許請求の範囲によって示され、そして特許請求の範囲の均等物の意味および範囲の内に入るすべての変更は、その内に含まれることが意図される。

Claims (18)

1. 燃料電池システムであって、
   １つ以上の燃料電池であって、それぞれがアノード、カソード、および電解質を有する、１つ以上の燃料電池と、
   該１つ以上の燃料電池のそれぞれと流体的に連絡する中央支持エレメントであって、該中央支持エレメントは、内側縦チャネルを画定する内側縦エレメント、および外側縦チャネルを画定する外側縦エレメントを備え、該外側縦エレメントは、該内側縦エレメントと同心に、かつ該内側縦エレメントのまわりに配置され、該内側縦チャネルは、燃料を該１つ以上のアノードに送達するように適合され、該外側縦チャネルは、酸化体を該１つ以上のカソードに送達するように適合され、該１つ以上の燃料電池は、該中央支持エレメントのまわりに配置され、該中央支持エレメントは、該内側縦エレメントの内側表面の少なくとも一部分と関連づけられた１つ以上の触媒を備える、中央支持エレメントと、
   該１つ以上のアノードと流体的に連絡し、該１つ以上のアノードからのアノード排気を導くように適合された１つ以上のアノード出口流動チャネルと、
   該１つ以上のカソードと流体的に連絡し、該１つ以上のカソードからのカソード排気を導くように適合された１つ以上のカソード出口流動チャネルと、
   該中央支持エレメントのまわりに配置された電流収集アセンブリであって、該電流収集アセンブリは、還元室を備え、該還元室は、該１つ以上のアノード出口流動チャネルと流体的に連絡し、実質的に何らの酸化体もない、電流収集アセンブリと、
   該還元室内に配置され、該１つ以上の燃料電池のそれぞれと電気的に連絡する電流収集器と、
   該還元室および該１つ以上のカソード出口流動チャネルと流体的に連絡するアフタバーナであって、該アフタバーナは、該１つ以上のアノードからの該アノード排気および該１つ以上のカソードからの該カソード排気の結合を可能にするように適合される、アフタバーナと
   を備える、燃料電池システム。
2. 前記中央支持エレメントは、改質触媒を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記中央支持エレメントは、部分酸化改質触媒を備える、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記中央支持エレメントは、水蒸気改質触媒を備える、請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記中央支持エレメントは、燃焼触媒を備える、請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記触媒は、４段触媒を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 前記４段触媒は、部分酸化触媒と、部分酸化触媒および燃焼触媒の組み合わせと、燃焼触媒と、水蒸気改質触媒とを備える、請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記還元室は、絶縁材料と熱的に連絡する、請求項１〜請求項７のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
9. 前記アフタバーナは、燃焼触媒によって少なくとも部分的に被覆された内側表面を備える、請求項１〜請求項８のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
10. 前記アフタバーナは、前記中央支持エレメントのまわりに配置される、請求項１〜請求項９のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
11. 燃料電池システムを運転する方法であって、該方法は、
    １つ以上の燃料電池、該１つ以上の燃料電池と流体的に連絡する中央支持エレメント、および該１つ以上の燃料電池と電気的に連絡する電流収集器を備えている燃料電池システムを提供することであって、該１つ以上の燃料電池のそれぞれがアノード、カソード、および電解質を有し、該電流収集器は、該中央支持エレメントのまわりに配置され、かつ還元室内にあり、該還元室は、アフタバーナと流体的に連絡し、該中央支持エレメントは、内側縦チャネルを画定する内側縦エレメント、および外側縦チャネルを画定する外側縦エレメントを備え、該外側縦エレメントは、該内側縦エレメントと同心に、かつ該内側縦エレメントのまわりに配置され、該中央支持エレメントは、該内側縦エレメントの内側表面の少なくとも一部分と関連づけられた１つ以上の触媒を備える、ことと、
    燃料を、該内側縦エレメントを通して該１つ以上の燃料電池の該アノードに導くことと、
    酸化体を、該外側縦エレメントを通して該１つ以上の燃料電池の該カソードに導くことであって、該内側縦エレメントの温度および該外側縦エレメントの温度は、温度差を作り出し、該温度差は、該中央支持エレメント内の熱伝導および温度調節を容易にする、ことと、
    アノード排気を該１つ以上の燃料電池のアノードから該還元室に導くことと、
    カソード排気を該１つ以上の燃料電池のカソードから該アフタバーナに導くことと、
    該アノード排気を該還元室から該アフタバーナに導くことと、
    該アノード排気および該カソード排気を該アフタバーナ内で結合させることと
    を包含する、方法。
12. 前記酸化体を、前記外側縦エレメントを通して導くことは、前記電流収集器が過度の熱にさらされることから保護する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記アノード排気および前記カソード排気を前記アフタバーナ内で燃焼させることを包含する、請求項１１または請求項１２に記載の方法。
14. 絶縁材料を前記還元室と前記アフタバーナとの間に提供することを包含する、請求項１１〜請求項１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記燃料電池は、管状の燃料電池である、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
16. 前記燃料電池は、固体酸化物燃料電池である、請求項１〜請求項１０、請求項１５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
17. 前記燃料電池は、管状の燃料電池である、請求項１１〜請求項１３のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記燃料電池は、固体酸化物燃料電池である、請求項１１〜請求項１３、請求項１７のいずれか一項に記載の方法。
    

Images