JP6517835B2 - 燃料電池スタック構成 - Google Patents
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Description
起動、動的作動、およびシャットダウンの要求を満たす効果的な方法で作動する必要があるSOFC(固体酸化物燃料電池)スタック、とくにIT−SOFC(中温固体酸化物燃料電池)スタックを設計する際には、機械的、電気的および熱的設計における大きな課題に直面する。すべてのSOFCスタックの1つの特徴は、それらが作動する温度によりそれらの作動性能が影響され、よってそれらが作動する環境温度によりそれらが顕著に影響され得るということである。これは主に温度が、SOFC電気化学反応が起こる速度、ならびによって出力電圧、電流および効率の決定における重要な因子であるためである。
(i)ベースプレートと、
(ii)前記ベースプレート上に載置された少なくとも1つの中温固体酸化物燃料電池スタックと、
(iii)エンドプレートと、
(iv)前記ベースプレートと前記エンドプレートとの間の前記少なくとも1つの燃料電池スタック上に圧縮力を加えるように構成されたクランプ手段と、
を備える中温固体酸化物燃料電池(IT−SOFC)スタックアセンブリが提供され、各燃料電池スタックは第1および第2端部を有し、各燃料電池スタックは前記ベースプレートと前記エンドプレートとの間に載置されて構成され、少なくとも1つの電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層ならびに
(a)前記ベースプレートと前記少なくとも1つの電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層との間に配置された少なくとも1つの電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層、および
(b)前記エンドプレートと前記少なくとも1つの電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層との間に配置された少なくとも1つの電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層
の少なくとも1つを備え、
各電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層は、金属基板、前記金属基板上に載置されたアノード、電解質およびカソード層、ならびに金属インターコネクトプレートを備え、酸化剤導入口から酸化剤排出口までの酸化剤流路、および燃料導入口から燃料排出口までの燃料流路を画定し、
各電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層は、電気化学的機能を行うことができないように構成され、金属基板および金属インターコネクトプレートを備え、酸化剤導入口から酸化剤排出口までの酸化剤流路、および燃料導入口から燃料排出口までの燃料流路の少なくとも1つを画定する。
1.ベースプレート
少なくとも1つの電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層
少なくとも1つの電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層
少なくとも1つの電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層
エンドプレート
2.ベースプレート
少なくとも1つの電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層
少なくとも1つの電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層
エンドプレート
3.ベースプレート
少なくとも1つの電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層
少なくとも1つの電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層
エンドプレート
をもたらす。選択肢1が最も好ましい。
(a)前記ベースプレートと前記少なくとも1つの電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層との間に配置された少なくとも1つの電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層、および
(b)前記エンドプレートと前記少なくとも1つの電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層との間に配置された少なくとも1つの電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層
の両方を備える。
(A)第1の少なくとも1つの電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層、
(B)前記少なくとも1つの電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層、および
(C)第2の少なくとも1つの電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層
を備える。
−非多孔質であり、これにより、燃料電池金属基板にわたり、例えばその上に載置されたアノード−電解質−カソード構造への燃料流を防止する、燃料電池金属基板を備え、および/または
−その上に載置されたアノード−電解質−カソード構造を有さない、燃料電池金属基板を備え得る。
(i)人身傷害またはシステム故障を引き起こし得る特定の故障モードに対してスタック設計を向上させ、
(ii)導電性フード材料の使用を可能にし(よって適切な非導電性フード材料と比較してコストを低減し)、
(iii)スタック設計における接触に関連した電気的損失を低減する。
(a)前記第1の少なくとも1つの電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層および前記少なくとも1つの電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層のいずれか1つまたはこれらの間に配置されたエンドポール、ならびに
(b)前記第2の少なくとも1つの電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層および前記少なくとも1つの電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層のいずれか1つまたはこれらの間に配置されたエンドポール
の少なくとも1つをさらに備える。
(a)燃料および酸化剤を前記中温固体酸化物燃料電池スタックアセンブリへのそれぞれの燃料および酸化剤導入口に供給するステップ、ならびに
(b)前記中温固体酸化物燃料電池スタックアセンブリを作動し、前記燃料を前記酸化剤で酸化させ、電気を生成するステップ
を含む。
「システムエレクトロニクス」の語は、燃料電池スタックアセンブリまたはその近くにおいて、任意でともにまたは別々に配置された少なくとも1つのエレクトロニクスボードおよび/またはユニットがあり得る、制御エレクトロニクスおよび/またはいずれかのパワーエレクトロニクスを含む。
この実施形態は、国際公開第2007/085863号に基づく変更された圧縮システム、ならびに国際公開第2008/104760号に基づく変更されたフード構成ならびに燃料電池およびマニホールド構成を使用する。予備加熱器/起動バーナーおよび熱交換器は一般的には国際公開第2008/104760号において教示されるとおりである。
(i)ベースプレート20と、
(ii)ベースプレート20上に載置された中温固体酸化物燃料電池スタック30と、
(iii)エンドプレート40と、
(iv)ベースプレート20とエンドプレート40との間の燃料電池スタック30上に圧縮力を加えるように構成されたクランプ手段50と、
を備える。
(a)3つの電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層70の第1セット60と、
(b)電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層90のセット80と、
(c)3つの電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層70の第2セット100と、
を備える。
この具体的な実施形態において、一般的な燃料電池スタックアセンブリ10は実施例1のとおりである。しかしながら、電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層100の第2セットの電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層70はそれらにおけるいずれの燃料流も防止するように変更される。
この具体的な実施形態において、構成部品は一般的には実施形態1のとおりである。しかしながら、図8に示されるように、負電力取り出しプレート330および正電力取り出しプレート350はそれぞれ燃料電池スタック第1端部31と電気および熱絶縁ガスケット320との間、ならびに燃料電池スタック第2端部32と電気および熱絶縁ガスケット370との間に配置される。
この具体的な実施形態において、構成部品は実施形態1のとおりであり(実施例2または3のとおりでもあり得)、フード400は燃料電池スタック30上に配置され、ロッキングドームナット390が適用された後、ベースプレート20およびエンドプレート40に封着される。ベースプレート20およびエンドプレート40の機構ならびに/またはフード400の寸法および機構は適宜変更される。ガスシールは前記実施形態のとおり、ベースプレート20およびエンドプレート40の対応する縁部機構への気密溶接で達成される。
電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層の説明図が図12に示される。図13は、不活性燃料電池マニホールドプレート151を備える電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層の説明図を提供する。図14は、金属基板110が多孔質領域110Aを有さず、(アノード、電解質およびカソード層120、130、140を有する)燃料電池91を備えない、代替の電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層の説明図を提供する。他の燃料電池スタック繰り返し層へのマニホールドは図示されない。
燃料電池スタックアセンブリにおける電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層の組み込みの効果を測定するため、第1および第2中温固体酸化物燃料電池スタックアセンブリから比較データを得た。
20 ベースプレート
20A ベースプレート上部表面
20B スカート部
30 燃料電池スタック
31 燃料電池スタック第1端部
32 燃料電池スタック第2端部
40 エンドプレート
40A スカート部
50 クランプ手段
60 電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層の第1セット
70 電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層
80 電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層のセット
80A 電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層のセットの第1端部
80B 電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層のセットの第2端部
90 電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層
91 燃料電池
100 電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層の第2セット
110 金属基板
110A 金属基板多孔質領域
110B 金属基板非多孔質領域
120 アノード層
130 電解質層
140 カソード層
150 金属インターコネクトプレート
150A 集電体突出部
151 不活性燃料電池マニホールドプレート
151A 不活性燃料電池マニホールドプレート
152 電気化学的に活性な燃料電池マニホールドプレート
160 酸化剤流路
170 酸化剤導入口
180 酸化剤排出口
190 燃料流路
200 燃料導入口
200A 燃料ガス流マニホールド
210 燃料排出口
220 [電気化学的に不活性な燃料電池繰り返し層の]金属基板
220A 空隙
260 酸化剤導入口
270 燃料導入口
280 酸化剤排出口
290 燃料排出口
300 ねじ付き凹部
310 タイバー
310A ねじ付き端部
310B ねじ付き端部
320 電気および熱絶縁ガスケット
330 負電力取り出しプレート
331 負電力取り出し部
340 ベースプレート電力供給部
350 正電力取り出しプレート
351 正電力取り出し部
360 ベースプレート電力供給部
370 電気および熱絶縁ガスケット
380 ワッシャー
390 ロッキングドームナット
400 フード
410 フード容積
420 弾丸状端部ねじ保護装置
430 電気絶縁ガスシールガスケット
440 電気絶縁ガスシールガスケット
Claims (18)
- (i)ベースプレートと、
(ii)前記ベースプレート上に載置された少なくとも1つの中温固体酸化物燃料電池スタックと、
(iii)エンドプレートと、
(iv)前記ベースプレートと前記エンドプレートとの間の前記少なくとも1つの燃料電池スタック上に圧縮力を加えるように構成されたクランプ手段と、
を備える中温固体酸化物燃料電池スタックアセンブリであって、
各燃料電池スタックは第1および第2端部を有し、各燃料電池スタックは前記ベースプレートと前記エンドプレートとの間に載置されて構成され、少なくとも1つの電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層ならびに
(a)前記ベースプレートと前記少なくとも1つの電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層との間に配置された少なくとも1つの電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層、および
(b)前記エンドプレートと前記少なくとも1つの電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層との間に配置された少なくとも1つの電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層
の少なくとも1つを備え、
各電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層は、金属基板、前記金属基板上に載置されたアノード、電解質およびカソード層、ならびに金属インターコネクトプレート、前記金属基板と前記金属インターコネクトプレートとの間に位置する金属スペーサーを備え、酸化剤導入口から酸化剤排出口までの酸化剤流路、および燃料導入口から燃料排出口までの燃料流路を画定し、
各電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層は、電気化学的機能を行うことができないように構成され、金属基板、前記金属基板上に載置されたアノード、電解質およびカソード層、ならびに金属インターコネクトプレート、前記金属基板と前記金属インターコネクトプレートとの間に位置する金属スペーサーを備え、酸化剤導入口から酸化剤排出口までの酸化剤流路を画定する、中温固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ。 - 各燃料電池スタックが少なくとも1つの電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層、ならびに
(a)前記ベースプレートと前記少なくとも1つの電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層との間に配置された少なくとも1つの電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層、および
(b)前記エンドプレートと前記少なくとも1つの電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層との間に配置された少なくとも1つの電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層
の両方を備える、請求項1に記載の中温固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ。 - 各燃料電池スタックが前記ベースプレートから前記エンドプレートへの方向に構成された、
(A)第1の少なくとも1つの電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層と
(B)前記少なくとも1つの電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層と、
(C)第2の少なくとも1つの電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層と、
を備える、請求項2に記載の中温固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ。 - 前記金属基板がシートまたはホイルから形成されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の中温固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ。
- 少なくとも1つの電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層が、前記燃料導入口から前記燃料排出口までの燃料流をブロックするように構成された金属スペーサーを備える、請求項4に記載の中温固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ。
- 少なくとも1つの燃料電池スタック繰り返し層が隣接する燃料電池スタック繰り返し層を有し、前記少なくとも1つの燃料電池スタック繰り返し層がこれと前記隣接する燃料電池スタック繰り返し層との間の少なくとも1つの電気絶縁ガスケットをさらに備える、請求項1〜5のいずれか一項に記載の中温固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ。
- 各燃料電池スタック繰り返し層が少なくとも1つの隣接する燃料電池スタック繰り返し層を有し、各燃料電池スタック繰り返し層と前記少なくとも1つの隣接する燃料電池スタック繰り返し層との間の少なくとも1つの電気絶縁ガスケットをさらに備える、請求項6に記載の中温固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ。
- (a)前記第1の少なくとも1つの電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層と前記少なくとも1つの電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層との間に配置されたエンドポール、および
(b)前記第2の少なくとも1つの電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層と前記少なくとも1つの電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層との間に配置されたエンドポール
の少なくとも1つをさらに備える、請求項1〜7のいずれか一項に記載の中温固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ。 - 前記少なくとも1つの中温固体酸化物燃料電池スタックが平板型燃料電池スタックである、請求項1〜8のいずれか一項に記載の中温固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ。
- 前記少なくとも1つの中温固体酸化物燃料電池スタックを含有するフード容積を画定するフードをさらに備える、請求項1〜9のいずれか一項に記載の中温固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ。
- 前記フードが前記ベースプレートに封着され、前記ベースプレートと前記フードとの間の前記フード容積を画定する、請求項10に記載の中温固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ。
- 前記フードが前記エンドプレートにさらに封着され、前記ベースプレート、前記エンドプレートおよび前記フードの間の前記フード容積を画定する、請求項11に記載の中温固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ。
- (a)前記ベースプレートおよび前記少なくとも1つの燃料電池スタック、ならびに
(b)前記エンドプレートおよび前記少なくとも1つの燃料電池スタック
の少なくとも1つの間に載置された熱および電気絶縁ガスケットをさらに備える、請求項1〜12のいずれか一項に記載の中温固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ。 - 前記ベースプレートおよび前記エンドプレートが前記少なくとも1つの電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層から電気的に絶縁される、請求項1〜13のいずれか一項に記載の中温固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ。
- 前記少なくとも1つの電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層と電気的に接触した第1および第2エンドポールをさらに備え、前記ベースプレートおよび前記エンドプレートが前記少なくとも1つの電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層から電気的に絶縁される、請求項1〜14のいずれか一項に記載の中温固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ。
- 前記第1エンドポールが前記ベースプレートに最も近い電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層の一部である、請求項15に記載の中温固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ。
- 前記第2エンドポールが前記エンドプレートに最も近い電気化学的に活性な燃料電池スタック繰り返し層に隣接する電気化学的に不活性な燃料電池スタック繰り返し層の一部である、請求項15または16に記載の中温固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ。
- (a)燃料および酸化剤を前記中温固体酸化物燃料電池スタックアセンブリへのそれぞれの燃料導入口および酸化剤導入口に供給するステップと、
(b)前記中温固体酸化物燃料電池スタックアセンブリを作動し、前記燃料を前記酸化剤で酸化させ、電気を生成するステップ
を含む、請求項1〜17のいずれか一項に記載の中温固体酸化物燃料電池スタックアセンブリの作動方法。
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