JPH09503615A - 内蔵変換装置／ｃｐｎ固体酸化物燃料電池スタック・モジュール設計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 熱的に内蔵されている変換装置（１０）が、固体酸化物燃料電池（１６）のスタックを収容しているスタック炉（１２）内に設置されている。炭化水素および水からなる原料を水素および一酸化炭素からなる燃料に変換するための吸熱変換反応をサポートするためのエネルギーは、燃料電池（１６）のスタック（１４）内での酸化プロセスから回収した熱によって供給される。炭化水素の供給源は脱硫天然ガスである。熱は、輻射によって、スタック（１４）、炉壁（３８）またはその両方から、変換装置（１０）の反応装置（１８，１９）の段階的に遮蔽が強化されている充填層（３０，６０）のような変換装置（１０）に移動し、強制対流によってスタック炉（１２）から出てくる排出空気の流れから移動する。変換装置（１０）内の温度勾配は、輻射に対する遮蔽を選択的に（または次第に強化するという方法で）行ったり、変換装置内での過度の時期尚早な分解を防止するために向流熱交換を行うことにより制御することができる。上記の最適化した設計は、最小限度の触媒を使用することにより、格子が形成された炭素原子で詰まってしまうのを防止することができ、一方触媒または触媒の粒子（３２）が効力を失うのを防止する。別の方法としては、変換プロセスを温度により制限される反応にするために、十分な量の触媒を使用することができる。このような状況下ではモジュール（１０６）の形に作られたスタック（１３２）は、モジュール（１０６）を取り囲んでいる変換装置（１１０）に、直接熱を移動させることができる。空気は、断熱エンクロージャ（１０２）内のモジュール１０６に非常に近接して設置されている熱交換器（１０８）および予熱装置（２００）を通過することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 内蔵変換装置／ＣＰＮ固体酸化物燃料電池スタック・モジュール設計 （技術分野） 本発明は、一般的に固体酸化物燃料電池、特に炭化水素および水からなる原料 を燃料電池スタック用に変換するための内蔵変換装置に接続している燃料電池ス タックを収容しているスタック炉に関する。 （背景技術） 燃料電池は、化学結合電位の形の化学的エネルギーを電流という形の電気エネ ルギーに変換する装置である。燃料電池は、上記のエネルギーを非常に高い効率 で変換するが、その変換過程で生ずる汚染は無視できる程度のものである。 バッテリーと同様に、燃料電池は、電気化学エネルギーを電流に変換し、電極 間に電解液を使用することができる。バッテリーと同様に、通常燃料電池は、二 つの電極を「選択的に浸透し得る」バリヤの両側で起こる酸化と還元をサポート している。上記のバリヤは、酸素イオンのような選択したものだけをその両側に 通過させ、その結果、酸化と還元の両方がき向合っている電極で起こる。バッテ リーと同様に、燃料電池は酸化電極で開放された電子を還元電極に通過させる。 その結果生じる電流の流れは、リード線で電極に接続している電気的な負荷に送 られる。 固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、その間に固体酸化物セラミックが介在し ている二つの多孔質電極が、選択的に浸透できるバリヤを形成している比較的新 しい発明である。バリヤの一方の側には燃料が存在し、他方の側には酸素が存在 している。反応物質はバリヤを通過することができないが、酸素イオンは固体酸 化物の格子を通って流れることができる。二つの電極は、通常、反応物質および 生産ガスを通すことができる粉状、板状またはシート状の導電性の金属、または の半導体のセラミックで作られている。 適当な燃料としては、水素および簡単な構造の炭化水素などがある。水素は初 期のころ盛んに使用された燃料であったが、発生、貯蔵、取扱いが難しく、その 結果コストが高かった。メタン（ＣＨ₄）のような簡単な構造の炭化水素を使用 することができるが、燃料電池内で効率的に酸化させるためには、燃料電池に供 給する前に、もっと構造の簡単な反応物質に変換させることが望ましい。１９９ ０年３月２０日発行の米国特許４，９１０，１００（中西、他）には、上記の変 換プロセスが記載されている。 宇宙産業が成長するにつれて、固体酸化物燃料電池内で急速に反応させるため に、燃料の準備をするための予熱および変換プロセスとともに、燃料電池に関す る記事が盛んに発表されるようになった。例えば、上記の中西の特許は、四種類 の最も普通のタイプの燃料電池、その電解質および化学反応ならびに反応の効率 を高くする方法について記述している。中西、他はまた、燃料電池内の変換の温 度および変換プロセスを行うために反応熱を抽出する方法についても論じている 。 １９９４年３月２９日発行の米国特許５，２９８，３４１（カンドカール、他 ）は、中央の空気空間に並列に、燃料空間とは直列に多重階層状に配列されてい る四角な固体酸化物燃料電池のスタックを開示している。１９８９年１０月２４ 日発行の米国特許４，８７６，１６３（ライヒナ）は、温度を均一に分配するよ うに配列されている数個の相互に接続している円筒形の燃料電池を開示している 。１９８８年１月２６日発行の米国特許４，７２１，５５６（Ｈｓｕ）には相互 に接続された固体酸化物燃料電池のスタックが開示されている。１９９０年７月 ２４日発行の米国特許４，９４３，４９４（ライリ）は、小型の燃料電池の動作 をサポートする内蔵燃料および空気および排気導管からなるシステムを開示して いる。１９９１年１月８日発行の米国特許４，９８３，４７１（ライヒナ他）は 、固体酸化物燃料電池内で反応を起こす直前に、変換可能な燃料が触媒に接触す るようになっている燃料電池装置を開示している。同様に、１９９２年１月７日 発行の米国特許５，０７９，１０５（ボセッル）は、燃料が分配される間に燃料 電池のスタックの中央の内側で吸熱反応を起こす固体酸化物燃料電池を開示して いる。 表面コーティング材としての触媒作用を持っている粒状またはペレット状の物 質の充填層は周知である。上記の充填層を変換装置として使用できることは周知 である。上記の充填層は、反応装置、反応層等と呼ぶことができる。上記の充填 層は効率的に作用する。何故なら、上記の充填層は、その中を通過する長い滞留 時間内に、反応物質が触媒の広い表面積に接触することができる長い曲がりくね った通路を持っているからである。 １０００℃以上の温度で動作している固体酸化物燃料電池のスタックは、スタ ック炉と呼ばれる部屋の中に収容されている。上記のスタックは、通常中間の壁 を共有していて、互いに近接して組み立てられている数個の燃料電池の組立であ る。原料を適当な燃料に変換するための吸熱反応は、燃焼の際の発熱のほとんど １／３を必要とするので、関連の変換反応を行うために、熱がスタック炉から回 収される。スタック炉から外部（遠隔）の変換装置へ回収した熱を移動させると いうことは、しばしば非常大きなバルク、熱の損失および温度の損失を生ずる。 ある種の燃料電池は、変換装置は使用しないで、燃料電池それ自身のスタック 内のアノード変換を使用している。アノード変換というのは、燃料を単に燃料電 池内に供給し、電流を発生させるためにそれらを酸化する前にアノードで変換す るプロセスのことをいう。アノードで非常に多くの中間反応が行われ、非常に多 くの物質が生成するので、アクセスの問題が起きてくる。必要とするエネルギー により、正しい反応の場所に到達するために、「原子または分子交通渋滞」が原 子間で起こると信じられている。すべての反応はゆっくりと行われる。上記のプ ロセスの間に起きる連鎖反応内の速度制限反応は、他の反応のように激しく影響 を受ける場合がある。その結果上記のプロセス全体の効率が低下するので、燃料 電池の機械的構造が複雑になってしまう。 スタック炉内に直接設置されている内部変換装置は、燃料電池のアノードで変 換を行わずに、遠隔変換装置の場合に起こる熱および温度の損失を回収してしま う。しかし、このような装置に問題がないわけではない。例えば、スタック炉内 の変換装置の温度範囲では、炭素元素の形成が急速に行われ、圧倒的な量が形成 されることすらある。 メタンから炭素原子および水素原子を分離する分解プロセスは、温度により大 きな影響を受ける。同時に、原子間の結合を破壊するのに少しのエネルギーしか 必要としない。それ故、メタンを炭素原子に変換する分解プロセスは、原料内が 高温に維持されている限り、最小のエネルギーで非常に急速に行うことができる 。 内部変換装置の場合、一つの条件が必ず付随する。 炭素は触媒の表面を覆い損傷を与え、変換装置の反応層内の隙間に固着する。 塊になった炭素原子は、変換装置内を流れる個々の炭素原子にようにすみやかに 反応を起こさない。それ故、両方の作用は非可逆的になる傾向があり、触媒の表 面の大部分にアクセスできなくなるか、使用できなくなるか、またはその両方の 状態を起こす。 正しく制御された変換プロセスは、バランスがとれていて、多くの反応を熱力 学的に均衡な点に近いところで行うことになる。炭素の形成のような個々の反応 の制御を行うことができなくても、それは無視すべきである。熱力学的均衡は、 現在の生成物、流れの温度および流れに流入する熱束を制御することにより維持 される。熱力学的均衡に保つ必要があるかないかは、炭素原子の生成を起こし易 い分解プロセスに大きく影響される。水を構成している原子の対応する分離を行 う反応は、二酸化炭素お水素を発生させるダブル形成プロセスに対してバランス がとれている。 分解が急速に行われている間は、蒸気を構成している原子間の再結合および燃 料内への炭化水素の合流は起こらない。一酸化炭素および水素は、ゆっくりと、 速度制限反応により制限を受けながら変換プロセスを行う。一酸化炭素および水 素燃料の形成は、同様に非常に大量の変換エネルギーを必要とする。さらに、原 料内の蒸気を構成している原子は、分解中にエネルギーを吸収する。同様に、一 酸化炭素および水素の形成は、最低温度からの温度の上昇分により増大するが、 それは滞留時間による増大程は大きくない。自由原子が再結合の場所を見つけだ すために、アクセス時間が必要になる。 もちろん、反応が長い変換装置の一方の端部で始まった当初は、原料は変換さ れていない炭化水素を大量に含んでいる。それ故、分解を容易にするためには、 過度の温度が特に面倒な問題になるが、一方、再結合に使用できる場所はなかな か見つからない。それ故、再結合に適している最低温度以上に温度を上げてはな らない。さもないと、変換も変換装置自身も分解しかできなくなってしまう。 同様に、長い変換装置の端部にゆくに従って、流れの中の燃料の量が増大し、 温度を上昇させると、残りのすこしの原料の反応の勢いを促進させる助けになる 場合がある。特に、反応が行われる場所が広く分散するので、変換の反応速度を 促進するには原子同志に衝突の速度を速くする必要がある。同様に、残りの原料 が少なくなるにつれて、反応充填層内の触媒の炭素化の問題の影響が減少する傾 向にある。 （発明の開示） 理想的な変換装置は、温度、熱束および生成物の濃度を必要な熱力学的均衡が 維持できる数値に保持する。それ故、内部変換装置にとって必要なものは、変換 装置の反応充填層内の原料の通路沿いに熱を分配するためのシステムである。熱 の移動を、反応速度、流量および滞留時間にとって適当な温度において、吸熱プ ロセスに熱束としての適当なエネルギーが供給されるように、管理しなければな らない。上記のシステムは、流れの通路内の原料が大量に含まれている部分で、 炭素化を防止するようなものでなければならない。また、流れの通路の端部にお いて、変換ができるだけ完全に行われているようなものでなければならない。す なわち、過度の早期の分解による炭素化を最小限度に抑える一方、最大限に変換 を行うものでなければならない。上記のシステムはまた、生成物の濃度、熱の移 動、および熱のスループットを整合させ、スムーズに原料対燃料の比率を減少さ せるものでなければならない。燃料を形成するために反応が行われる場所は、最 初は広いが、変換装置内の原料の流体の流れの部分が減少するにつれて、やがて 分散する。市場で入手できる適当な大きさの変換装置内において、炭素を形成し ないで１００％近い変換率を達成するものが望ましい。 本発明は、輻射熱遮蔽型で、向流タイプの、熱的にスタック炉内に内蔵されて いる変換装置を含んでいる。変換装置はスタック炉内に位置していて、排出ガス の強制対流、燃料電池のスタックおよび炉壁からの輻射熱に曝されている。しか し、変換装置の一部は、温度を徐々に変化させ熱の移動を制限するために、いろ いろな程度に輻射熱から遮蔽されている。一方、変換装置は、温度の高い燃料を 多く含んでいる下流の流れから、温度の低い原料を多く含んでいる上流の流れへ と熱交換するための向流熱交換器を使用している。 本発明はまた、原料を燃料に反応させるための変換装置内に設置された反応充 填層を持っている熱的に内蔵された変換装置と、原料を変換装置に導入するため の入り口と、燃料の形成速度に比例する速度で固体酸化物燃料電池と原料との間 で熱交換を行うための装置と、燃料を固体酸化物燃料電池に導入するために反応 充填層から燃料を受け取るための出口を含んでいる。変換装置は炭素原子の形成 を最小限度に抑えるために、変換装置内の原料の温度を制御するための構造物を 含んでいる。 熱交換器は、スタックおよびスタック炉の壁部からの熱を反応充填層に移動さ せるためのものである。熱交換器はスタックからの熱を輻射により移動させるた めの構造物と、熱を強制対流により移動させるための構造物を含んでいる。強制 対流は、スタックからの排気を変換装置の反応充填層上に流すことにより発生す る。強制対流は、またスタック炉から外部に吐き出される排気の向流内で発生す る。スタック炉の壁部には、排気内の熱をスタックに対して流入する空気に回収 する波型向流熱交換器を設置することができる。 熱交換器は、反応充填層の一部を輻射熱から遮蔽するための装置を含んでいる 。上記の遮蔽装置は、反応充填層を通る流れの通路の全長に沿って熱勾配を維持 するために、流体の流れの通路に沿って段階的に配列している。遮蔽装置を少な くとも三段階に配置することにより、十分熱勾配をつけることができる。それ故 、スタック炉の空間に設置されている変換装置は、スタックからの輻射熱に曝さ れていて、スタック炉の壁部は徐々に輻射熱に曝されることになる。 原料は、互いに反対方向に変換装置を通って流れる。原料は、変換装置の入り 口を通過し、曲がりくねった通路を通って、充填層の全長に沿って流れる原料と 接触するように設計されている充填層または反応充填層と呼ばれる粒子状または 粒状の触媒の層を通る。充填層は、直列に作動することができる多段層に作るこ ともできる。熱の移動および温度は、充填層の入り口および出口が設置されてい る端部より、閉じている端部の方が高い。その後、流れは充填層の閉じた端部で 反転し、充填層のほとんど全長に沿って出口までその中を通って逆に延びている 中央チューブを通って下方に流れる。それ故、流出する流れと流入する流れとの 間で熱交換が行われる。流れの方向が上記ののようであるので、充填層内の熱交 換が行われることになる。燃料の流れの経路内での回収向流熱交換プロセスは、 温度勾配全体を確立し、調整する際に助けとなる。 スタック炉の内壁部において、向流熱交換器は高温シート・メタルの二枚の層 または壁に挟まれた波型フィンを使用している。スタック炉からの排気熱を回収 するために、排出空気は連続したフィンおよび一枚のシート・メタルの壁からな る出口チャンネルを通る。流入する空気は、フィンの対向する側面上の対向する シート・メタルの壁に沿ってチャンネル内を互いに向き合う形で通過し、その後 、燃料電池内に排出される。それ故、全体の空気の流れは、その入り口から、ス タック炉の壁部および一つまたは複数のスタックを通り、スタック炉の空間へ、 再びスタック炉の壁部を通って出口へと流れる。これが向流対流熱移動プロセス である。 互いに反対方向へ向かう流れの中の排出される流れの熱をもう一方の流入する 流れ内に回収することによって、各対流型熱交換器は熱回収向流熱交換器となる 。このシステムはまた、他のシステムの場合には失われてしまう燃料電池からの 熱を、スタックおよび変換装置を加熱するために、スタック炉内を移動させる。 対流は強制的に行われる。何故なら、原料または燃料の流れ通路と空気の流れの 通路の両方ともポンプで駆動されているからである。 その他の反対方向に流れる流れも存在する。強制対流は、変換装置の充填層の 上を反対方向に移動することができる。しかし、輻射熱結合の方が圧倒的に多い ので、改めて輻射熱の結合を行う必要はない。燃料電池からの排出流体の流れは 、充填層上を真に向き合う形で通過することができるが、それはモジューラであ ってもよく、輻射熱遮蔽が充填層に沿って温度を次第に下げ 向流による効果を 上げている。同様に、スタックからフィン付きの波型熱交換器の壁部への輻射熱 の移動は、流入する空気により回収される。 それぞれが直列に全流れの通路に沿って温度差を促進するための異なる遮蔽装 置を持っている、数個の反応充填層を直列に接続することができる。二つの充填 層を直列に接続することによって、満足な結果を得ることができる。もっと多く の充填層（モジュール）を、その関連する装置と一緒に、直列に接続することが できる。熱交換プロセスを行い、流れを分離するには、粒子状の触媒および原料 の流れを収容するために、反応充填層の周囲に容器を設置する必要がある。この 容器は熱の良導体で、１０００℃付近でも機械的に完全に作動するものでなけれ ばならない。 原料は、メタンまたは適度に気化した石油成分のような蒸気と炭化水素が結合 したもので、固体酸化物燃料電池のスタックを取りまいているスタック炉の空間 内に設置されている反応充填層を使用している変換装置の中を通って流れる。全 装置は、酸化燃料から電気を発生する燃料電池のスタックと、排出する空気の流 れから流入する空気の流れの中に熱を吸収するために、スタック炉の壁部に設置 されている波型フィン型の向流熱交換器と、原料を固体酸化物燃料電池内へ導入 するための燃料に変換するために熱を供給するために、スタックおよびスタック 炉の壁部から熱を受け取るための変換装置からなっている。 燃料電池は、酸素イオンを形成し、通過させるためのカソードを含んでいる。 アノードは、水素および一酸化炭素を水素イオンと反応させるために、カソード から離れた場所に設置されている。固体酸化電解物は、上記の二つの電極の間に 存在し、カソードからの酸素イオンをアノードに通過させるために、アノードと カソードの両方に密着している。上記の二つの電極間のリード線は、酸素イオン を形成するためにアノードからカソードに電子を通過させる。 変換装置は、原料を受けとり、原料を燃料に変換するためにスタック炉からの 熱を受け取るための充填層を含んでいる。充填層は、原料から燃料への変換を促 進するための触媒を含んでいる。変換装置およびスタック炉は、排出空気と燃料 との間、排出空気と流入空気との間、スタックと流入空気との間、およびスタッ クと原料との間で熱の交換をするための一体型の装置を含んでいる。それ故、熱 交換器すべてはスタック炉内に設置されていて、スタック、スタック炉の壁部、 充填層の容器または囲い、および熱をスタックおよび変換装置に入ってくる流体 に移動させるための機構の一部としての粒状の充填層を含んでいる。熱交換器は 完全に内蔵されている。 スタックから排出された空気は、スタック炉の空間へと入る。スタック炉の壁 部は、空間からの空気を受け取るための波型フィンタイプの向流熱交換器によっ て形成されている。スタック内で反応する流入空気は、最初、薄い波型の金属フ ィンだけで排出空気から分離され、波型フィン熱交換器を通って流れる。それ故 、スタック炉の空間から排出された空気の流れからの熱は、燃料電池内に導入さ れ る空気の流れ内に移動する。 スタックからスタック炉の壁部に輻射により移動した熱の一部分は、輻射によ り、再びスタック炉の戻る。この熱の一部は、対流により、波型フィン熱交換器 から空気の流れの中に戻る。熱交換器は、実際に、充填層および熱を充填層を通 過する流体に移動するための粒状の触媒を通る出口パイプを含んでいる。 輻射遮断装置は、変換装置の充填層がスタックおよびスタック炉の壁部を「見 ること」（直接輻射を受けること）を防止する。充填層の向流動作および輻射遮 蔽は、互いに協力して充填層全長に渡って温度分布の傾斜を作り出す。同様に、 直列に配置され、適当な遮蔽装置を持っている複数の充填層が、変換装置を通る 流れの全長に渡って温度分布の傾斜を維持する。 本発明はまた、炭化水素および蒸気を一酸化炭素および水素からなる燃料に変 換するための装置を使用する方法を含んでいる。この方法は、燃料を反応装置に 導入するステップと、反応装置を燃料電池からの排気に曝すステップと、排気か らの熱を反応装置へ抽出するステップと、反応装置内の原料に熱を加えるステッ プと、原料を燃料に変換するステップと、燃料を燃料電池に送り込むステップと 含んでいる。 この方法はまた、熱交換器内へ流入する空気に熱を導入する。その後、空気は 燃料電池に送られ、そこで一部分が消費される。空気は、燃料電池を通過する間 に、対流により燃料電池から追加の熱を吸収する。空気の通路は、燃料電池内を 通る間および通り過ぎる間に、輻射により燃料電池から極めてわずかな熱を吸収 する。燃料電池から排出された空気は、熱交換器に送られ、熱を流入する空気に 移動させる。 この方法は、原料の流れを固体酸化物燃料電池を収容しているスタック炉内の 反応装置へ導入するステップと、反応装置を輻射熱および燃料電池およびスタッ ク炉からの排気にに曝すステップとを含んでいる。燃料電池のスタックおよびス タック炉からの熱は、流れに移動し、原料を燃料に変換するためのエネルギーを 供給する。下流からの熱は流れに移動する。燃料は燃料電池に送られる。 この方法はまた、反応装置の一部を輻射熱から選択的に遮断することにより、 反応装置の全長に渡って温度勾配を確立するステップを含んでいる。この方法は また、流れを制御下の流量で反応装置に導入する。熱は、熱力学的均衡を維持す るために、流量に比例する速度で流れに移動する。この方法は、原料を反応装置 内の触媒に接触させる。原料は通常炭化水素と水との混合物を含む。メタンおよ び天然ガスおよび気化したジーゼルおよび航空機用燃すべては、一酸化炭素およ び水素からなる燃料に変換するのに適した炭化水素である。 本明細書内においては、「反応装置」という用語はその内部で化学反応が育成 される限られた領域を意味する。充填層型反応装置は、反応充填層の壁部からの 熱を内部に伝えることができる充填材を含んでいる。充填層内の代表的な充填材 としては、ニッケル、ルテニューム、またはジルコニュームをベースとする材料 のような触媒でコーティングされた粒状のセラミックなどがある。熱は対流し、 反応充填層を通して充填材と反応物質間を伝わる。 「遮蔽物」または「遮蔽装置」は、一方の熱伝導面から他方の熱伝導面を直接 見ることができないようにするすべての構造物のことをいう。輻射熱の波を通さ ない半透明の単層の材料なら遮蔽作用を持っている。場合によっては、加熱され た遮蔽物が有効に熱を再輻射することができないように、多重の層を使用する場 合がある。何故なら、多重の層を使用すれば、お互いに相手の伝導面を直接見た り、見られたりすることができないからである。同様に、問題の輻射熱のスペク トルに対して半透明なすべての材料なら、遮蔽物として使用することができる。 場合によっては、遮蔽物は主な熱の受け取り面に対向している側面からの再輻射 熱を防ぐために絶縁材を含むことができる。 「熱勾配」とはある方向、特に加熱された流体の流れの方向における温度の分 布状況のことをいう。このような温度勾配は、向流熱交換器の場合には、熱の移 動の効率を改善するのに重要である。熱交換器の出口の近くで、流体の駆動温度 は入り口近くの温度より高い程度に冷却され、入り口と出口との間で加熱されて いる流体内の温度勾配に整合するようになる。それ故、実質的な温度差は、熱源 の駆動温度と入り口から出口までの流れの全通路を通る間に加熱される流体の温 度との間にある。 本発明を実行する場合、反応充填層内に炭素元素を形成することなく、炭化水 素の反応物質を確実に完全に必要な燃料に変換するために、温度勾配は重要であ る。原料内の炭化水素反応物質を炭素にする際の分解速度は比較的速い。炭素は 比較的容易に形成されるが、一酸化炭素および水素の形成はもっとゆっくり行わ れる。反応速度をあまり速くすると、炭素から一酸化炭素が形成されるより速い 速度で炭素が形成されてしまう。未反応の炭素は役に立たず、触媒の表面を汚し 、反応充填層の格子を通る流れを妨害する。反応物質を中間生成物に最大の速度 で変換しながら、炭素の生成を防止するためには、反応充填層の外表面沿いの温 度勾配を、輻射熱の移動を遮蔽することにより、維持する必要がある。このよう にして、反応充填層の全長に沿って反応物質および中間生成物との間に、化学的 均衡が大体維持される。要するに、変換装置全体に渡って熱力学的均衡を維持す るために、構成要素およびその反応充填層内の滞留時間は、熱移動速度、温度お よび現在行われている反応の反応速度に対して、整合させるようにする。 耐火材料、セラミック、または高温金属を段階的に遮蔽することにより、温度 勾配を作り出すための必要条件を満たすことができる。何故なら、輻射熱の移動 は非常に支配的なプロセスだからである。構造は８００℃以上の動作温度に耐え ることができるものでなければならない。それ故、形成のために必要な熱が。反 応物質の流速に対応する速度で、反応物質に加えられる。このことは、反応充填 層を汚染しないで、熱を効率的に使用することができる速度を意味する。このシ ステム内においては、最も遅い反応速度は、温度勾配の制御および熱束の制御に より、反応速度の速い反応を遅らせることにより得られる。 流れ通路の配置は、原料の流れを変換装置に導き、原料が反応している間に変 換装置を通し、流れの大部分を燃料に変換するように考慮しなければならない。 向流装置とは、流れが絶えずそれ自身からの熱を流れの通路の下流の位置から、 上流の位置に移動させることができるように、流れの通路が配置されていること を意味している。原料の流入する流れは、それ自身の周囲を取り巻いている容器 の壁から、伝導および対流により熱が伝えられた触媒床からの熱に曝される。熱 は、反応充填層を通る流れの経路の前半分で、スタック炉の内側で、輻射および 対流により容器の壁部に伝えられる。一方、変換された燃料がその大部分を占め ている排出する流れは、中央のパイプを通って反応充填層の中を反対方向に流れ 、そこを通る間に熱を反応充填層に移動している間、依然として燃料に変換され る。 また、スタック炉の内壁を形成している波型フィンタイプ熱交換器は、同じ流 れの中で、排出する空気から流入する空気の流れに熱を伝える。空気はスタック 炉から流れ出るときに、反対方向からの空気の流れに熱を伝える。予熱された空 気は酸化をサポートするために燃料電池へと送られる。 熱的に結合されたスタック炉（ＴＣＳＦ）は、部屋を取り囲んでいる壁からで きている囲いを持つことができる。ＴＣＳＦは、すべての構成部品が部屋の中に 内蔵されているスタック炉と見なすことができる。部屋の中に設置されたスタッ クは、もう一方の表面上を通過する空気の流れからの酸素により、他方の表面を 通過する燃料の流れを酸化することにより、電気を発生させるための固体酸化物 電解物質を含んでいる少なくとも一つの燃料電池を持っている。燃料電池が作動 すると、燃料の排出と空気の排出が起こる。変換装置は、スタックから変換装置 に輻射された熱の追加により、原料を燃料の流れに変換するために、部屋の中に 設置されている。熱回収装置は、排出空気から空気の流れに熱を移動させるため に、スタックの空気の流れの上流とスタックの排気の下流と流体で連絡している 状態に設置することができる。熱回収装置の形状は、変換装置の原料の上流を加 熱するように、または対流により空気のながれまたは排気から熱を受け取るよう に作ることができる。 熱的に結合しているスタック炉は、排気燃料を排気で燃焼させて、水分の含有 量の高い燃焼廃棄物を形成する。燃焼廃棄物の一部は、原料の水分（蒸気）とし て変換装置に送り返すことができる。変換装置の内面を、原料を燃料に変換する 熱制限反応を行うのに十分な表面積を持っている触媒で、コーティングすること ができる。すなわち、大量の触媒を、触媒が触媒によりその作用が悪影響を受け ず、（熱またはエネルギーの制限を受ける）変換のための吸熱反応のために必要 な利用可能な（生成物が限定されている）燃料または熱だけにより悪影響を受け るように、触媒の汚染または中毒を防止するために使用することができる。 内蔵変換装置の極めて基本的な形状について説明すると、変換装置は複雑な遮 蔽および向流装置なしで使用することができる。例えば、原料を燃料に変換する 方法としては、原料を変換するために、スタック炉内に設置されていて、過剰な 有効触媒を含んでいる変換装置内に燃料を導入するステップからなる方法を使用 することができる。それ故、事実上、触媒の表面上で利用できる原料のすべての 水（蒸気）および炭化水素は、熱を使用することができるようになった場合、固 体酸化物燃料電池内で酸化するのに適した燃料に変換される。 この方法はまた、固体酸化物燃料電池が排出した反応の吸収熱の幾分かを、変 換装置に移動させるステップを使用することもできる。つぎに、変換装置は、原 料を燃料に変換する吸熱反応をサポートするために、熱を原料内に移動する。変 換装置は、燃料電池または燃料電池のスタックからの輻射により、熱を直接受け ることができ、排気から強制対流により熱を受けることができる。 この方法は、燃料廃棄物および排気を放出する一方で、空気の流れおよび燃料 を燃料電池に導入するステップを使用することができる。熱は、排気から空気の 流れまたは変換装置の原料の上流内に回収することができる。 本発明の特徴を、変換装置内の吸熱変換反応と燃料電池内の発熱電気化学反応 を熱的に結び付けるための内蔵スタック炉としてとらえることができる。内蔵ス タック炉は、容積を封じ込めるための壁を持っている容器を持つことができる。 容器内に設置されているスタックは、電気を発生させるために、第一の表面上を 通過する燃料を、その第二の表面上を通過する空気からの酸素によって酸化する ように作られている、固体酸化物電解物質を持つタイプの少なくとも一つの燃料 電池を持っている。変換装置は、燃料をスタックに送ることにより、熱を加えて 原料を燃料に変換するために、容器内に設置されている。 熱回収装置は、燃料電池から排出される空気から熱を回収できる位置に設置す ることができる。熱回収装置は、容器内に設置することができ、スタック炉また は燃料電池の空気の流れの上流を予熱することができる。周囲への対流熱の移動 を阻止するために、容器の内表面または外表面を熱の絶縁物で覆うこともできる 。内蔵スタック炉には、周囲への輻射熱の移動を減少させるために、内表面また は外表面に遮蔽装置を取り付けることができる。 第一の空間を、各燃料電池の一端部において、空気により流体連絡ができるよ うに設置することができる。燃料電池からは輻射により、空気からは対流により 熱を受けることができるように、変換装置を燃料電池に近接して第一の空間内に 設置することができる。 本発明はまた、変換装置および変換装置を内蔵する燃料電池組立の製造方法を 含んでいる。 （図面の簡単な説明） 本発明の望ましい実施例が図示されている図面中においては、異なる図面内の 類似した部品には類似の参照番号が表示されている。 図１は、本発明の熱的に内蔵された変換装置の概略の立面図である。 図２は、燃料電池のスタックおよび熱的に内蔵されている変換装置を含む本発明 のスタック炉の概略の立面図である。 図３は、上記の変換装置の別の実施例の概略の立面図である。 図４は、燃料電池の二つの四角い板のタイプのスタックを持っている二つの熱的 に内蔵されている変換装置の概略の立面図である。 図５は、図２の装置内に設置されている熱交換器の質的には同じであるが、性格 が異なる断面図である。 図６および７は、熱交換器の各端部の入り口および出口を示すための、図５の熱 交換器の質的には同じであるが、性格が異なる図面である。 図８は、変換装置用の螺旋状の導管を持っている熱的に結合されたスタック炉の 形状をしている、本発明の装置の質的には同じであるが、性格が異なる断面図で ある。 図９は、本発明の装置の前部の立面図の断面図である。 図１０および図１１は、個々の燃料電池の個々の固体酸化物電解物質パネルの別 な実施例の質的には同じであるが、性格が異なる図面である。これら図面にはそ れぞれ空気および燃料のためのカソードおよびアノード用の通路が図示されてい る。 図１２および１３は、本発明のスタック炉および変換装置の別の実施例の前面の 立面図の部分断面図である。 図１４は、スタックの外側に垂直に位置している変換装置を持っている、本発明 の装置の別の実施例の質的には同じであるが、性格が異なる図面である。 図１５−図１９は、図８−図１１び変換装置のパイプ内の触媒設置用の別の実施 例の立面断面図である。 図２０−図２１はそれぞれ、本発明の変換装置の頂面図および底面図である。 図２２は、その立面断面図である。 図２３は、図２０の変換装置のパイプの端部の詳細な立面図である。 （本発明の最も望ましい実施方法） 本発明は、個々の燃料電池１６のスタック１４を取り囲んでいる、スタック炉 という名称でも呼ばれている炉１２内に内蔵されていて、その全体が１０で示さ れている変換装置が図示されている図１および２を参照することによって最もよ く理解することができる。反応装置１８、１９は、一般的に変換装置１０の主要 な部分を形成し、部分的に遮蔽システム２０により輻射熱から遮断されている。 図２は、本発明の利点を引き出すように形成されたスタック炉１２の内部の部 品の配置を示す。流れはエネルギーであっても質量であってもいいし、質量の流 れはいろいろな成分の混合物であってもいいし、流体は液体であっても気体であ ってもいいということ、および温度差によって流れるエネルギーが熱であること を理解していただきたい。 変換装置１０は、そこを通って流れる質量およびエネルギーの流れを辿ること によって、最もよく理解することができる。入り口２２を通して、原料２４の流 れは第一の反応装置１８に導入される。この流れは、やがて第二の反応装置１９ を通り、出口２３から流れ出る。入り口２２から導入される原料２４は、できれ ばその主成分がメタンである脱硫天然ガスのような、炭化水素と混合している水 の蒸気（水蒸気）を含んでいることが望ましい。反応装置１８、１９を通ってい る通路は、反応装置１８の出口２６を反応装置１９の入り口２７に接続している ライン２５により合流する。原料２４は、できればスタック炉１２と接続してい る排気ライン２８によって排出される燃焼した燃料または高温の空気からの熱エ ネルギーを回収する遠隔熱交換器（図示せず）内で予め熱を与えておくことが望 ましい。上記の予熱を受けた後、燃料２４は、通常約１５０℃の温度で第一の反 応装置１８に入る。 上記の流れは、変換反応に対して触媒の働きをするコーティング（例えば、ニ ッケル、ルテニューム）で覆われたペレットまたは粒状体３２からなる充填層３ ０を通って流れる。充填層３０は、伝導および対流の両方の作用により、容器の 壁３４から流れに熱を伝える。容器の壁３４は、通常約２ｃｍから１０ｃｍの内 径、できれば、５ｃｍの内径を持っている円筒形であることが望ましく、スタッ ク１４および炉壁３８から輻射および対流により熱を受け取る。充填層３０内で 輻射が行われないわけではないが、伝導および対流に比べればその大きさは小さ い。しかし、輻射がスタック１４および炉壁３８から反応装置１８、１９の容器 の壁３４に熱を移動させる最も重要な機構である。容器の壁３４から、熱は伝導 された熱に対して曲がりくねった通路を持っている粒状体３２内に移動する。熱 はまた、燃料２４が容器の壁３４および粒状体３２から熱を吸収している間に、 対流により移動し、通過中の流れの中の他の粒状体３２および他の流体中に分布 する。 上記の流れは、第一の反応装置１８の入り口２２を通り、充填層３０の全長４ ０に沿って粒状体３２内を、通常５ｃｍから５０ｃｍの長さを通って通過するが 、できればこの長さは３０ｃｍであることが望ましい。充填層３０の全長４０の 前半分の部分では、容器３４は、図１および２に示すように、遮蔽されているが 、できれば図１に示すように遮蔽するのが望ましい。 空気の流れが通る炉壁３８およびスタック１４の温度は、約９００℃になる。 外側の遮蔽装置４２は炉壁３８およびスタック１４からの輻射熱を中断し、中間 の温度まで加熱する。その後、外側の遮蔽装置４２は、内側の遮蔽装置に熱を再 輻射し、内側の遮蔽装置４４は容器の壁３４に熱を再輻射する。外側および内側 の遮蔽装置４２、４４による輻射熱の移動に対する抵抗はかなり高い。この抵抗 により、熱の移動はかなり減少し、充填層３０の容器の壁３４内の温度の上昇は 約４３０℃に制限される。図３に示す別の実施例の場合には、外側の遮蔽装置４ ２および内側の遮蔽装置４４の一部の代わりに、外表面４８で輻射を中断する絶 縁遮蔽装置４６が用いられているが、再輻射はその内表面５０により防止されて いる。上記の装置を使用することによって、充填層３０の入り口２２の付近に、 ほとんど断熱状態の領域ができる。 流れが充填層３０を通過するにつれて、充填層３０内の温度により制御を受け る速度で分解が行われる。変換は、熱力学的均衡状態にほぼ維持するために、流 れへの熱の移動速度、温度、成分の種類およびその反応速度によって主として制 御される速度で進行する。例えば、変換の吸熱反応をサポートする熱の流れは、 対応する速度で原料２４の分解を制限する流れの速度に対してバランスがとられ る。 流れが充填層３０の後半分を通って流れている間に、内側の遮蔽装置４４だけ が作動し、容器の壁３４への輻射熱を制限する。その結果、充填層３０の頂部の 容器の壁３４の温度は、約６９５℃になる。もちろん、均等な質の物質は温度分 布内の段階的な変化をサポートしない。そのため、容器壁部３４の温度は５０３ ℃になり、ここで外側の遮蔽装置４２は切れ、内側の遮蔽装置は継続する。同じ 効果を、遮蔽を二重にしたり、遮蔽に熱の絶縁体を使用することにより達成する ことができる。 充填層３０の頂部において、流れは戻りパイプ５２内に集められ、図２に示す 空間５４によって流れの集中は助長される。戻りパイプ５２の内径５３は、通常 、設置条件によって３ｍｍから３ｃｍの間で変化するが、できれば約１ｃｍにす ることが望ましい。流れが戻りパイプ５２中を出口５５の方向に流れていく内に 、流れは充填層３０内の最も高い温度に曝される。流れが出口５４に近づくにつ れて、流れは充填層３０内のもっと温度低い部分を通る。充填層３０内のこの向 流によって、戻りパイプ５２から充填層３０への温度の移動が行われ、充填層３ ０の全長４０に渡ってスムーズな温度勾配が達成できる。 図１−図３に最もはっきり示したように、流れは充填層３０の出口５５から第 二の反応装置１９の充填層６０の入り口５６へと向かう。充填層６０の容器壁部 ６４の周囲を取り囲んでいる遮蔽装置６２により、容器壁部６４が炉壁３８およ びスタック１４から受け取る輻射熱の移動が制限される。その結果、容器壁部６ ４の温度は入り口５６付近で約７３０℃になる。 流れが充填層６０を通過している間に温度が上昇し、その間に分解および変換 が継続的に進行する。充填層６０のほぼ中ごろで、遮蔽装置６２が中断し、容器 壁部６４は９００℃の周囲温度にもろに曝される。容器壁部６４の中央部の温度 は約８００℃になる。充填層６０が遮蔽装置なしでスタック炉１２内に突出して いるので、容器壁部６４の温度は頂部の端部６６で９００℃近くになる。 第一の充填層３０内でと同様に、流れは充填層６０を通り、充填層６０の全長 ４０に渡っては反対方向に延びているもう一本の戻りパイプ６８を通り、出口２ ３に達する。戻りパイプ６８は、できれば戻りパイプ５２と同じサイズおよび構 造であることが望ましいが、この戻りパイプ６８に沿って、流れは充填層６０と 熱交換を行い、充填層６０に沿ってスムーズな温度分布を達成する。流れに含ま れている原料２４は、流れのほとんど全部が燃料になるまで引き続き変換が行わ れる。通常、変換効率は９９％以上である。出口２３から排出された後で、流れ 内の燃料はスタック１４内の燃料電池１６に送られる。 燃料電池の当業者なら周知のように、空気の流れおよび燃料の流れは、燃料電 池１６内で分離される。反応を起こした燃料は、燃料電池１６を出て、スタック 炉１２に入り、燃料排出ライン７２から出て、流入する流れを予熱するために使 用される。上記の流入する流れは、できれば独立の熱交換器（図示せず）内の流 入する空気であることが望ましい。 質量と比熱の積は空気の流れのそれよりも高い。そのため、空気の流れはスタ ック１６から出て、スタック炉に入り、炉壁３８およびスタック１６を含むスタ ック炉１２を加熱する。この排気ガスは、効率的な強制対流により変換装置１０ を加熱し、一方炉壁３８およびスタック１６は輻射熱により変換装置１０を加熱 する。 スタック炉１２内の空間から排出された空気の流れは、図２−図５の熱交換器 ８０に送られる。図２において、空気の流れはに二つの方向から熱交換器８０に 入ろうとしている。しかし、図５に示すように、フィン８２は、できれば、それ ぞれ内壁部８４および外壁部８６によって取り囲まれている、二組の隣接してい るチャンネル８８、９０を一緒になって形成している、内壁部８４および外壁部 ８６の間のサンドイッチ状に挟まれている連続した波型の金属層で製造すること が望ましい。波型金属フィン８２の一方の側面８９Ａは、排気に曝されているが 、もう一方の側面８９Ｂは、流入する空気に曝されている。二つの空気の流れは 互いに密接に協力して、スタック１４内の燃料電池１６用の予熱空気を供給し、 一方、排気から熱を抽出するための熱回収向流熱交換器としての働きをする。 流入する空気は、空気取り入れ口９２から送られてきた後、チャンネル９０、 空気導入ポート９４および空間９６を通り、スタック１４に入る。排出される空 気は、スタック１４から出て、変換装置１０の上を通過し、排気ポート９８を通 ってチャンネル８８に入る。この排気は最後には排気ライン２８に送られる。こ の排気はその熱の大部分を変換装置１０に移動させているが、チャンネル８８を 通る間に引き続きフィン８２を通して、流入空気に熱を与える。一方、流入空気 はスタック１４への通路上を空間９６内に流入する前に、フィン８２を通してチ ャンネル９０内で最初に熱を受け取る。 それ故、向流の効果は、本発明望ましい実施例すべてで使用されている。変換 が進行するにつれて、燃料ラインの働きをするようになる原料導管の場合、およ び空気導管の場合には、最初の流入する流れから外へ出て行く排出の流れにいた るまで、上記の向流装置が出て行く流れから流入する流れへ熱を移動する。それ 故、このシステムは、燃料電池１６内での発熱化学反応および抵抗損により開放 されたエネルギーを回収することにより、変換に必要なエネルギーを供給する。 さらに、熱的に内蔵された変換装置１０は、過度で、時期尚早の分解を促進しな いような温度で、吸熱変換プロセスを行うのに必要な熱を効率的に回収する。 本発明の他の実施例は、熱的に結合しているスタック炉（ＴＣＳＦ）１０２が 図示されている図８−２３を参照することによって最もよく理解することができ る。ＴＣＳＦ１０２は、モジュール１０６を取り囲んでいるエンクロージャ１０ ４、熱交換器１０８および変換装置１１０を含んでいる。 エンクロージャ１０４は、断熱壁１１４の外側（図８参照）または内側（図９ 参照）に設置することができる構造壁１１２を含んでいる。構造壁１１２には床 または地面のような表面上に設置するための外部サポートおよびモジュール１０ ６を内側に支持するためにサポートを設置することができる。構造壁１１２は連 続的に製造することもできるが、任意の数の部材から組み立てることもできる。 また図に示すように円筒形でもいいし、四角でもかまわない。 構造壁１１２は、通常頂パネル１１６、底部パネル１１８、および側面パネル １２０を含んでいる。図９に示す構造壁１１２の表面１２２Ａ、１２２Ｂ，１２ ２Ｃ（または、図８の形状に製造された場合には、１２３Ａ、１２３Ｂ、１２３ Ｃ）の近くまたはそれらに対向して、断熱壁１１４の頂部パネル１２４、底部パ ネル１２６および側面パネル１２８が位置している。 流入する空気、原料２４または外部とモジュール１０６のと間で排出を行うた めの通路用に、エンクロージャ１０を貫通して必要なだけの数の開口部１３０Ａ 、１３０Ｂ，１３０Ｃ、１３０Ｄを設けることができる。図９に示すように、燃 焼が完了した後、排出物を個別に燃料排出装置および空気排出装置に排出するこ ともできるし、単一の廃棄物として単一の混合物に結合して排出することもでき る。 モジュールは、個々の燃料電池１３４のスタック１３２を含んでいる。スタッ ク１３２は相互に直列または並列に電気的に接続することができ、必要とする電 力で必要な電圧および電流を得るために組み合わせた形で接続することもできる 。 スタック１３２は、フレーム１３６内に設置されていて、場合によってはマニ フォールド・プレート（米国特許５，２９８，３４１参照）とも呼ばれる。フレ ーム１３６は、その中にスタックがキャビティ１４０にアクセスできるように設 置され、また流体を分離し、導入することができるように密閉されている凹所１ ３８Ａ、１３８Ｂを持っている。流体は輻射状１４２および外向きおよびそれぞ れ内向きの半径方向１４２Ａ、１４２Ｂおよび上下の軸方向１４４Ａおよび１４ ４Ｂからなる軸方向１４４に送られる。望ましい実施例の場合、空気は外向きの 半径方向１４２Ａに送られ、一方、流体はスタック１３２を通して下向きの軸方 向１４４Ｂへ送られる。 原料、流体および空気の流れに対する完全な流れの通路は変化する場合がある 。図８および９の実施例の場合、空気は一本の導管（または、複数の導管）１４ ６を通して入り、環状で円筒状に頂部キャップ１５２および底部キャップ１５４ により一緒に密閉されている、内側のジャケトおよび外側のジャッケトからなる 熱交換器内に導入される。熱交換器１０８も、円周方向１５６に沿って分割する ことができる。空気は、軸方向に下方１４４Ｂに送られ、内側のジャッケト１４ ８および外側のジャケット１５０により加熱される。熱交換器１０８を通過した 後、空気は導管１５８を通ってスタック１３２およびフレーム１３６によって形 成されている空間１６０に入る。空間１６０から、空気は外向きの半径方向１４ ２Ａのスタック１３２を通過し、酸素を放出する。 図１０および１１に示すように、空気はスタック炉１３２内の個々の各プレー ト１６４のカソードの上を通過する。酸素イオンは、空気からカソード面１６２ を通過して、アノード面１６６に送られ、そこで下向きに軸方向１４４Ｂに送ら れてくる燃料を酸化する。空気を導入するカソード・チャンネル１６８は高さ１ ７２を持ち、燃料導入用のアノード・チャンネル１７０は、プレート１６４の全 幅より狭いか同じ広さの幅１７４を持つことができる。カソードの壁部１７６と アノードの壁部１７８が、カソード・チャンネル１６８およびアノード・チャン ネル１７０を形成していて、厚さ１８２の電解質バリヤ壁部１８０沿いにさらに 細かく分類している。カソードの壁部１７６とアノードの壁部１７８の数は、選 択した形状に従って多くすることもできるし、少なくすることもできる。図１０ に示す望ましい実施例の場合には、酸化およびそれに付随する加熱をさらに均等 に行うことにより、セラミック・プレート１６４内の熱応力を減少させている。 スタック１３２のカソード面１６２を通過した後、空気は外側の空間１８４に 排出される。燃料の酸化に伴うスタック１３２から排出された熱を受け取ってい るので、空間１８４に送られる空気は、対流により、変換装置１１０および熱交 換器１０８の内側のジャケット１４８に熱を与える。変換装置１１０がモジュー ル１０６に近接しているので、スタック１３２の見通し線内においては、スタッ ク１３２からのかなりの量の輻射熱束は、直接内側のジャケット１４８に加えら れる。 特に、熱交換器１０８が内側および外側のジャケット１４８，１５０の中間に 「半透明の輻射」バリヤを持っていない場合には、外側のジャケット１５０は、 輻射により、内側のジャケット１４８からかなりの熱を受け取る。それ故、外側 のジャケット１５０は、対流により、熱交換器１０８を通って送られてくる流入 空気に熱を与える。 変換装置１１０は、図８に示すように、熱交換器１０８の内側のジャケット１ ４８に溶接することができるし、または図９に示すように、内側のジャケットか ら間隔を開けて設置することもできる。変換装置１１０の形状を、内側のジャケ ット１４８を、状況次第で、スタック１３２からの輻射熱に曝すようにも、遮蔽 するようにも作ることができる。遮蔽が有効に行われるか行われないかは、変換 装置１１０のパイプ１９６０の連続ターン１９７Ａ、１９７Ｂの間の距離１９５ によって決まる。 全変換装置は、図１３に示すように、空間１９８内でスタック１３２から軸方 向に離して設置することができる。この配置の場合には、空気は空間１６０に入 る前に予熱装置２００を通って流れる。変換装置１１０および空気予熱装置２０ ０は、ベース・プレート２０２、すなわち、一番下のフレーム１３６により、ス タック１３２から遮蔽されているので、対流熱だけを受け取ることになる。 再び、図８−２３について説明すると、空気と同様に燃料は、最初はメタンの ような炭化水素または石油をベースとする蒸気および水からなる原料の形でいく つかの熱移動プロセスおよび流れの通路を通る。原料は温水浴（図示せず）で泡 立てることもできるし、原料を変換装置１１０の（上流に）導入する前に、それ 自身の燃焼水の一部を原料の流れの中へ送り返すこともできる。原料は、できれ ば排出燃料、排気または結合燃焼燃料および排気を含めて、スタック１３２から でてくる任意のまたはすべての流体から対流熱を受け取るために、設置され接続 されている予熱装置（熱交換器）２００または熱回収装置（熱交換器）２０４内 で予め加熱するのが望ましい。 図９に示すように、原料をマニフォールド化されている場合もある導管１９４ を通して、エンクロージャ１０４に送ることもできる。すなわち、導管１９４は 個々のパイプ２０４Ａ、２０４Ｂ、２０４Ｃおよび２０４Ｄ（図２０参照）の形 にさらに分割することもできるし、または単にエンクロージャ１０４内に収容す ることもできる。上記の各パイプは、類似または全く同じ構造に作られていて、 全体を総括的に変換装置パイプ１９６と呼ぶ。 水（通常は、蒸気の形）とメタンのような炭化水素からなる原料は、パイプ１ ９６をを通って、通常は円周方向１５６に送られるが、空間２０６へ軸方向に上 向き１４４Ａに螺旋状に送られて、燃料を下向きにスタック１３２へ送る。パイ プ１９６内においては、原料は触媒およびスタック１３２から排出された熱と接 触し、原料を一酸化炭素と水素からなる燃料に変換する。 変換装置１１０のある実施例においては、１２本の変換装置パイプ１９６が、 原料をスタック１３２を通してまたそれに近接した場所をを通して、軸方向に上 １４４Ａに向けて送る。変換された燃料は、変換装置パイプ１９６を通って、一 番上の階層２０８Ａ内の各スタック１３２の上の空間２０６内に排出される。変 換装置パイプ１９６の数と幾何学的形状は、変換装置パイプ１９６を輻射熱によ り正しく加熱できるように設計されている。 図８−図２３の実施例の変換装置パイプ１９６は、過剰な触媒による恩恵を受 けている。図１５−図１９に示すように、パイプ１９６は、すべての反応物質が 反応が行われる場所と接触することができるうように、触媒でコーティングされ た広い内表面を持つことができる。例えば、図１５においては、通常一本または それ以上のパイプ１９６からなる変換装置１１０は、外表面２１２を持っていて 、その内表面が壁の厚さ２１６により分離されている壁２１０を持っている。原 料に接触する表面２２４上が触媒でコーティングされている幅２２０および長さ ２２２のフィン２１８を内表面２１４に沿って設置することができる。 別な方法としては、図１６に示すように、そこを通って流れる原料に対して曲 がりくねった通路を形成するために、パイプ１９６内を触媒でコーティングされ た粒状体２２６で充填することができる。図１６は、スクリーン２２８のワイヤ ２３２の周囲の格子２３０を通して、原料を強制的に通過させるためのパイプ１ ９６を内蔵することができる、触媒によってコーティングされたスクリーン２２ ８を示す。図１８は、平滑な表面２３６を分離するために、内表面２１４上に設 置されている触媒の層２３４を示す。一方、図１９は原料が触媒に効率的に接触 させるためにの表面がザラザラしている層２３８を示す。 大量の触媒を使用するのも、広い表面積を使用するのも、遮蔽が十分に行われ ないために生じる不十分な温度勾配を補償するためである。また、これらは流入 する原料の温度が潜在的に排出される燃料の温度と同じ温度になるように補償す る。大量の触媒により、分子レベルでの変換プロセスの反応速度が、熱によって 制限され、熱が吸熱反応に利用できる速さと同じ速さで進行する。（「交通渋滞 」についてはすでに説明した。）それ故、大量の触媒により、炭素原子または他 の中間反応生成物により、触媒が汚染されたり劣化するのが防止される。 変換装置パイプ１９６は、輻射により、直接モジュール１０６から、スタック １３２内の酸化により発生し、排出の流れおよび再輻射によりモジュール全体に 分布した熱を受け取る。スタック１３２は、変換装置パイプ１９６に熱を輻射し 、一方、排気を変換装置パイプ１９６上に直接排出する。変換装置パイプ１９６ の パイプの壁２１０を通して、伝導により変換装置１１０内の原料に熱を与えると ともに、事実上原料内のすべての炭化水素は、ポート２４０を出て、変換装置パ イプ１９６の出口端部２４２に設置されている空間２４１内に放出される前に、 燃料に変換される。ポート２４０は、スタック１３２に最も近いフレーム１３６ 内に設置されている他のポート２４３を通して再分配されるように、空間２４１ に排出する。ポート２４０は、フレーム１３６内のスタック１３２に形成されて いる空間２０６のフレーム１３６内に直接排出する。 ポート２４０は、燃料がそれぞれ軸方向に上１４４Ａに向かってまたは軸方向 に下１４４Ｂに向かって流れるように、モジュール１０６の底部２４４、または 頂部２４６に燃料を排出するように設置することができる。望ましい実施例の場 合には、燃料は階層２０８Ａ、２０８Ｂ，２０８Ｃに軸方向の隣接しているスタ ック１３２を通して、軸方向に下１４４Ｂに向かって流れる。各空間２０６は、 燃料をモジュール１０６の一番上の階層２０８Ａ内のスタック１３２の頂部に供 給する。 空間２０６から、燃料は平行に配列されている通路内を垂直に送り出され、燃 料電池１３４のアノード・チャンネル１７０を通って軸方向に下１４４Ｂに向か って流れる。同時に、空気は上記の燃料電池１３４のカソード・チャンネル１６ ８を通って半径方向に外側１４２Ａに向かって流れる。燃料は、各スタック１３ ２を通ってその下に設置されているもう一つのスタック１３２へ直列に流れる。 燃料の比例する留分は、各階層２０８Ａ、２０８Ｂ，２０８Ｃのスタック１３２ 内で酸化される。それ故、各燃料電池１３４は、単一の燃料電池１３４内で完全 に反応するのに燃料の流れとが必要とされた場合の燃料の濃度と比較すると、軸 方向１４４Ｂいおいて燃料濃度の低下を引き起こす。燃料は、空間２４８から、 主として二酸化炭素、水蒸気からなり、かなりの量の回収可能な熱を含んでいる 排出燃料として流れ出す。 排出燃料は、流入原料用の導管１９４類似の装置を通して、エンクロージャ１ ０４から送り出すことができる。しかし、できればスタックから、独立してはい るが、できればその一部分が空間１８４に接続しているキャビティであってもい い空間２４８に直接排出するのが望ましい。それ故、排気および燃料排出物は反 応を維持するのに十分な温度で、空間１８４内で一緒に混合され、燃焼を完了し 、追加の熱を放出する。上記の燃焼が、スタック１３２またはモジュール１０６ からの比較的少ない輻射熱の移動で、図１２および１３の形状を実行できる一つ の理由である。 結合した廃棄物は、できればエンクロージャ１０４内の単なる一領域に過ぎな い空間１８４から排出され、熱交換器１０８回収装置２５０とも呼ばれる熱交換 器２５０を通ることが望ましい。一台またはそれ以上の熱回収装置２５０を使用 することができ、それら熱回収装置をエンクロージャ１０４の内側または外側ま たはその両方に設置することができる。熱回収装置２５０は、排気から流入燃料 および空気への熱の回収を最大限に増大するために、断熱壁１１６内の一つまた はそれ以上の場所に設置することすらできる。この予熱により、変換装置１１０ 内での熱に対する需要が減り、原料および空気は、それぞれ変換装置１１０およ びスタック１３２に入ったとき、より容易に反応することができるようになる。 図１２および１３の形状と比較すると、図８，９および１４の形状は、遥かに 大きな熱的結合をスタック１３２および変換装置１１０の間、およびスタックお 熱交換器１０８との間に持っている。これらの形状によると、変換装置１１０お よび熱交換器１０８は、スタック１３２およびモジュール１０６の残りの部分か らの多くの輻射熱束、スタックからの排気からの多くの対流による熱束、および 空気および燃料廃棄物の燃焼による多くの対流による熱束に曝されることになる 。図２０−２３の変換装置１１０の形状は、図８および９のＴＣＳＦ装置内で使 用するのに適していて、一般に構造壁１１２の内側または外側に設置することが できるが、できれば断熱壁１１６内に設置するのが望ましい。 熱的結合をできるだけ大きくすることは、完全に自立型のＴＣＳＦを設計する 際に重要なことである。吸熱変換プロセスが行われている際の原料は、損失およ び低い効率の影響を受けた後で、燃料電池１３４びスタック１３２内での酸化を 維持するのに十分なだけの燃料を生産するのに十分な熱の供給を受けなければな らない。つぎに、燃料電池１３４は、変換装置１１０を作動させるのに十分な熱 を放出するために、十分発熱酸化反応を行わなければならない。（最高の燃料を 消費する）ピーク電気出力以下のすべての予想される運転レベルで、ＴＣＳＦ１ ０２は自立動作を行わなければならない。そうでないと、変換は離れた場所で行 わなければならなくなり、その結果、変換装置１１０、モジュール１０６および 熱交換器１０８の不完全で、不適当な統合のために使用しているハードウエアの 価値が減少してしまう。 すべての排出流体の通路内に、モジュール１０６を効果的に取り囲むようにし て、変換装置１１０をエンクロージャ１０４内に設置することにより、ＴＣＳＦ １０２の熱的結合を最大限度に増大することができる。幾何学な位置関係、ＴＣ ＦＳを流体が通過する際の滞留時間、および断熱効果を適当に選ぶことにより、 熱回収および熱結合を改善することができる。内蔵ＴＣＳＦ１０２のすべての構 成部材を相互に接近して設置することにより、比較的小型で低出力のＴＣＳＦ１ ０２を自立作動させることができる。同様に、内蔵ＴＣＳＦ１０２は、設計電気 出力レベル値を外れたレベル、すなわち、最適または最大動作出力定格以下のレ ベルで、正常に作動させることができる。 本発明を以下の例によりさらに詳細に説明する。 〈例〉 〈例Ｉ〉 図２および４に示すように、この装置は２ｋＷクラスのメタンを燃料とする熱 的に自立作動するシステムとして製作することができる。上記のシステムの四つ の主要な構成部材は、スタック１４、スタック炉１２のエンクロージャまたは炉 壁３８、燃料変換装置−予熱装置、および空気熱回収熱交換器８０である。上記 の構成部材は内蔵システム内で結合されている。熱交換器８０は、燃料電池スタ ック１４および燃料変換装置−予熱装置１０（反応装置１８，１９）の両方を含 んでいるスタック炉１２の炉壁３８内に埋設されている。 空気熱交換器８０は、炉壁３４によって形成されているモジューラ・エンクロ ージャの一次構造物である。ＳＯＦＣの動作温度は高いので、高温においても壊 れない構造の材料でなければならない。セラミックおよび他の耐火材料またはエ ＮＣＯＮＥＬ（登録商標）のような合金を熱交換器８０内で使用することができ る。システムの効率も熱交換器８０の効率によって影響を受ける。空気の予熱速 度または予熱負荷は１ｋＷの電気出力当たり４ｋＷである。この熱が排気の流れ から回収されないと、最大のシステム効率は２０％（１ｋＷ＋４ｋＷの入力に対 して１ｋＷの出力）となる。熱交換器８０を駆動するのに利用できる温度差は、 空気がＳＯＦＣスタックを冷却するときの温度の上昇（１５０−２００℃）であ る。 熱交換器の負荷が必要とする温度駆動力を最低限度に抑えるためには、広い熱 移動面または高い熱移動係数が必要である。熱移動係数を増大させると、一般的 に、ポンプコストを増大させ、シーリングをさらに困難にさせる熱交換器８０内 の圧力降下が増大する。表面積を広くするには、より大量のコストが高い高温合 金が必要になる。 図５−図７においては、板型熱交換器形状の採用により、熱交換器の単位面積 当たりの全材料が最低限度に抑えられている。この形状の熱交換器は、ガス収容 用の平滑な板金で形成されている内壁および外壁８４，８６を持ち、一次熱交換 面を形成している波型板金をフィン８２として使用している。熱交換器８０の断 面は、ボール紙でできた箱の断面に類似している。熱交換器８０は円筒状に巻か れ、円筒状になった軸の方向９１を向いているガス流チャンネル８８，９０を持 っている炉壁３８に沿って形成または設置されている。流入空気は、内部チャン ネル８８を通って上に向かって流れる高温の排気に向き合う形で、外部チャンネ ル９０内を下に向かって流れる。円筒形の熱交換器８０の内部壁、すなわち、内 側の壁８４は、その中にスタックおよび変換装置１０（反応装置１８，１９）が 内蔵されている空間を形成している。熱交換器８０の内部壁８４上の断熱材１０ ０の薄い層が、スタック炉１２の空間１０４から熱交換器８０の冷たい領域への 熱の損失を制限している。厚い断熱材１０２が熱交換器８０の外部を囲んでいる 。 〈例II〉 図５−図７に示すように、熱交換器８０内の高温合金の全重量を最低限度に制 限している５ｋＷシステム用の設計パラメータとしては、フィン空間１０６、フ ィン深さ１０８、円筒形の高さ１１０および直径１１２、熱移動負荷、温度駆動 力および圧力降下などがある。最適な設計をするために、モンテカルロ最適化法 または共役勾配最適化法を使用することができる。最適化システムの高さは０． ３８ｍ、直径は０．３３ｍ、フィンの高さは２ｃｍ，フィンの隙間は２ｍｍであ る。フィン８２の計算による合計面積は、４．２平方メートル、内部壁および外 部壁８４，８６を形成している二枚の板金の合計面積は、５平方メートルである 。 実際の寸法は、製造上必要な隙間があったために若干変更した。熱交換器８０ の内径１１２は、断熱効果を高めるために３９．４ｃｍとしてある。ウエスト・ バージニア州、ハンチングトンのインコ合金国際インクの製品である厚さ０．４ ６ｍｍ、幅４１ｃｍのＩＮＣＯＬ（登録商標）は、オハヨ州、サウス・ケントン のロビンソン・フィン機械インクに依頼すれば、波型の板金に製造してもらえる 。フィンの深さ１０８は、１．９ｃｍであり、内周１１４上のフィンの間隔、す なわち、フィンのピッチ１０６は２．８ｍｍであり、外周１１６上のそれは３． ２ｍｍである。波型の板金（フィン８２）は粉末金属ロウ付けプロセスにより端 部フランジ１１８に取り付けられている。ロウ付けを行った場所の付近のフィン ８２内の腐食による孔を作らないようにしなければならない。フランジ１１８は 除去しなければならないし、フィン８２に孔が開いたなら、その部分は除去しな ければならない。実際の試験の際には、最終的な熱交換器８０の高さ１１０は、 上記の除去を行ったので、０．３６ｍｍしかなく、まちまちの長さを隠すために 延長部分（図示せず）を取り付けた。熱交換器８０内のフィン８２の実際のコア の表面積は３．３平方メートルであった。 熱試験により熱交換器８０の性能を確認した。ＳＯＦＣスタック（カラム）の 代わりにガス・バーナを取り付けた。１−３ｋＷのＳＯＦＣの動作をシミュレー トするための空気と燃料の流量を合計したものに対する熱電対の読みを記録した 。断熱材およびシーリング材を追加して、熱損失と空気損失を減らし、観察した 性能を非損失分析により予想した性能に近づけた。一台の燃料電池の出力が０． ６ボルトで、燃料利用率が５０％である１ｋＷシステムは熱的に自立運転ができ るものでなければならない。もっと大型のシステムは、自立運転ができるもので 、運転効率がさらにもっと高いものでなければならない。 熱的にスタックに接続しているが、外部をスタックに改良した場合には、前の 試験のシステムの性能が改善された。炭素の形成も燃料の予熱段階全体を通して 、変換反応均衡の組成を追跡することによって最小限度に抑えられたことが証明 された。変換システムは上記のコンセプトに基づいて設計された。 Ｈｏｌｄｏｒ Ｔｏｐｓo/ｅＲ−６７−７Ｈ蒸気変換触媒が、変換装置１０内 の反応装置１８，１９の充填層３０、６０内で使用された。この触媒は、それぞ れがその軸方向に７個の孔が貫通している、直径１６ｍｍ，高さ８ｍｍの円筒形 のペレットである、粒状体３２の形をした補強ニッケル触媒である。粒状体３２ の定格動作温度範囲は３００−１４００℃である。メーカであるテキサス州、ヒ ューストンのＨａｌｄｏｒ Ｔｏｐｓo/ｅ社の説明のよると、ほとんどの用途の 場合１０℃以下の温度で均衡に近づくことができるが、蒸気と炭素比が１以下で 変換装置が動作することができるということである。 変換装置１０の反応装置１８，１９Ｂの容器壁部３４，３６は、５ｃｍ（２イ ンチ）スケジュールの長さ３０．５ｃｍの表１０のＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標） のパイプ製であった。約９．５ｍｍのＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）製のパイプ（ 入り口５６）により、気体の原料を触媒床の底に送り込んだ。原料は、触媒床を 通って上に向かって流れ、触媒床の中央部を貫通しているもう一本の直径９．５ ｍｍのパイプ（戻りパイプ）を通って下に向かって流れた。容器壁部３４，６４ 内の二つの充填層３０．６０が、図３に示すように、直列に設置されていて、二 つのカラム、すなわち、それぞれの反応装置１８，１９を形成していた。変換装 置１０の上流の反応装置１８，１９の下半分は、同時に輻射遮蔽装置（その領域 の断熱遮断装置４６）としても作用するカオウール断熱材で包んだ。ＩＮＣＯＮ ＥＬ（登録商標）製の輻射遮断装置４２，４４は、第一の反応装置１８の上半分 上および第二の反応装置１９の下半分上に設置した。 変換反応は、一般に熱の移動速度により制限されると考えられている。しかし 、低い温度領域においては、速度が反応速度を制限する場合がある。非常に高い 輻射熱束が、比較的温度の低い変換装置の入り口２２付近で生ずることが予想さ れる。入り口５６付近の反応速度が遅く、熱束が非常に高い場合には、均衡が実 質的に失われ、炭素の形成が増大する場合がある。断熱材による輻射遮蔽装置４ ６および他の輻射遮蔽装置４２，４４が、初期の加熱速度を下げ、天然ガス内の より高い炭化水素用の低温「断熱」予備変換装置を提供するために使用されてい る。理想的な温度上昇および反応速度の進行は、運動式を分析して決定しなけれ ばならない。変換装置のコアへの熱の移動は、流出する変換物質（ほとんど燃料 から なる流れ）からの向流による熱の移動により増大する。 各変換装置は一対の反応装置１８，１９を持っていて、これら反応装置は３５ ０ｈｒ^-1（１／３５０時間）の空間速度を持つ２．５ｋＷのスタック・カラムを 供給することができ、水柱で１ｍの変換装置による圧力降下を起こす。この空間 速度はＳＯＦＣ装置のメーカが示唆している２０００ｈｒ^-1（１／２０００時間 ）より遅い。圧力降下、容器３４，６４の面積／容量比、ペレット（粒状体３２ ）の直径／容器３４，６４の直径比、熱遮蔽、および触媒の非活性化許容値など の他の考慮事項が、変換装置の形状を決定する際に関連してくる。この低い空間 速度でさえも、変換触媒のコストは８．４０ドル／Ｋｗである。原型としての変 換装置および脱硫装置をパイプラインから供給される天然ガスを使用して数週間 の間運転した。蒸気／炭素比１．６を使用して、メタンを９９．８％変換するこ とができた。 〈例ＩＩＩ〉 基本的な熱的に結合しているスタック炉（ＴＣＳＦ）１０２の二つの例を組立 て、試験した。これらの例は図１０−１３および図２０−２３を参照することに より最もよく理解することができる。 第一のＴＣＳＦ１０２は、図２０−２３に示す形状の変換装置を使用して、図 １２Ａに示すように組立られた。モジュール１０６は、三つの階層（２０８Ａ， ２０８Ｂ，２０８Ｃ）からできていて、それぞれの階層は空間１６０の周囲に配 置されている四つの燃料電池１３４の四つのスタック１３２を持っている。プレ ート１６４の高さ２５２も幅２５４も、約５．０８ｃｍ（２インチ）であった。 各スタック１３２は２４個の燃料電池１３４を含んでいた。 流入空気は内側のジャケット１４８と外側のジャケット１５０との間に設置さ れている熱交換器１０８に導入される。熱交換器１０８から出た空気は空間１６ ０内に軸方向に上１４４Ａに向かって流れ、スタック１３２の燃料電池１３４の カソード・チャンネル１６８を通って、半径方向に外側１４２Ａに向かって流れ る。スタック１３２からでて空間１８４に向かう空気は、エンクロージャ１０４ の内部の残りの部分に隣接している。 原料ではなく、燃料が変換装置１１０からなる変換装置パイプ１９６の両端部 ２５８内に導入される。四本の変換装置パイプ１９６は、螺旋形状に包まれてい て、それぞれの端部は端部２４２内に形成されているポート２４０まで延びてい る。変換装置１１０はエンクロージャ１０４内のモジュール１０６上に設置され ている。変換装置からの燃料は、ポート２４０を通って空間２６０内に軸方向に 下向き１４４Ｂに排出される。空間２６０はモジュール１０６の一番上の階層２ ０８Ａ内の四つのスタック１３２の間のポート２６２を通して、燃料を再分配す る。 燃料は、スタック１３２内の燃料電池１３４のプレート１６４のアノード・チ ャンネル１７０を通って流れ、電流を発生させるために酸化反応を受ける。酸化 された燃料排出物は、エンクロージャ１０４内で排気を混合され、燃焼を完了し 、変換装置１１０および予熱装置２００に熱を与える。 空気の流量は１分当たり２００リットルで、水素燃料は１分当たり１６リット ルの速度で流れる。エンクロージャの温度は８００℃に維持された。スタックは 並列に接続している二つの同じシリーズに電気的に接続されていて、１７６ボル トの全開回路電圧で作動する。装置内でアースされているために、スタックが運 ぶことができたのはわずか２５ワットの電力だけであった。熱交換器１０８およ び変換装置１１０は、５００ワットの熱出力に対応する燃料が流れる場合で、自 立酸化および変換プロセスを行うのに十分な熱を与えたことが分かった。 〈例ＩＶ〉 他の例は図１０−１２、特に図１３を参照することにより最もよく理解するこ とができる。モジュール１０６は、空間１６０内の一つの階層２０８Ａのに周囲 に配置されている四つのスタック１３２を持っている。プレート１６４の高さ２ ５２および幅２５４は、約４．４ｃｍ（１．７５インチ）であった。各スタック １３２は、２９個の燃料電池１３４を含んでいた。 流入空気は、入り口２５６を通り、モジュール１０６の下に設置されている予 熱装置２００へ導入される。予熱装置２００から出た空気は、半径方向に上１４ ４Ａに向かって流れ空間１６０に入り、スタック１３２の燃料電池１３４のカソ ード・チャンネル１６８を通って、半径方向に外側１４２Ａに向かって流れる。 スタック１３２を出て空間１８４に向かって流れる空気は、空間２４８に隣接し ている。 メタンは、水蒸気とメタンの比率が１．６：１である原料を形成するために、 ８６℃に維持された水浴（図示せず）を通るときに泡立てられる。この原料は、 予熱装置２００内で変換装置パイプ１９６を螺旋状の部材で包むことによって形 成されている変換装置１１０の下端部２５８内に導入される。変換装置パイプ１ ９６の内側は酸化ニッケルおよびジルコニュームの混合物でコーティングされて いるが、すでに説明したように、その内部を粒状の触媒で満たすこともできる。 温度を維持するために、エンクロージャ１０４に熱が導入される。何故なら、実 験用の１００ワット定格電力のモジュール１０６は、むき出しの状態で運転が行 われるので、自立状態で変換および酸化を行うには熱が不十分であると考えたか らである。 原料は、変換装置内で水素と一酸化炭素に変換され、空間２６０内に排出され る。空間２６０は、モジュール１０６内の四つのスタック１３２の間のポート２ ６２を通して燃料を再分配する。燃料は、スタック１３２内の燃料電池１３４の プレート１６４のアノード・チャンネルを通って流れ、電流を発生させるために 酸化反応を受ける。酸化された燃料（燃料排出物）はエンクロージャ１０４内で 排気と混合され、燃焼を完了し、変換装置１１０および予熱装置２００に熱を与 える。 個々のスタックの電圧は２１．３−２９．２ボルトであった。モジュールは８ ０ワットの電力を供給した。 上記の実施例および例は、例示としてのもので、それによって本発明の範囲が 制限さえるものではない。本発明は下記の特許請求範囲によってのみ制限される 。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＪＰ (72)発明者 ハートヴィグセン，ジョセフ ジェー. アメリカ合衆国．84037 ユタ，ケイスヴ ィル，イースト 400 サウス 1529 【要約の続き】 まうのを防止することができ、一方触媒または触媒の粒 子（３２）が効力を失うのを防止する。別の方法として は、変換プロセスを温度により制限される反応にするた めに、十分な量の触媒を使用することができる。このよ うな状況下ではモジュール（１０６）の形に作られたス タック（１３２）は、モジュール（１０６）を取り囲ん でいる変換装置（１１０）に、直接熱を移動させること ができる。空気は、断熱エンクロージャ（１０２）内の モジュール１０６に非常に近接して設置されている熱交 換器（１０８）および予熱装置（２００）を通過するこ とができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．燃料を酸化することによって、電気を発生するための燃料電池と、 燃料電池を収容するために、燃料電池を取り囲んでいるスタック炉と、 燃料電池に燃料を供給するために、スタック炉から熱を受け取るために、スタ ック炉内に設置されている変換装置とからなる装置。 ２．一つの部屋を取り囲んでいる壁を持っているエンクロージャと、 固体酸化物電解質の一方の表面上を通る燃料の流れを、上記の固体酸化物電解 質の他方の表面上を通る空気の流れからの酸素で酸化することによって、電気を 発生するための固体酸化物電解質を持っている、少なくとも一つの燃料排気と空 気排気とを発生する燃料電池からなる、上記の部屋内に設置されているスタック と、 輻射熱を上記のスタックから上記の変換装置へ供給することによって、原料を 上記の燃料の流れに変換するために、上記の部屋の中に設置されている変換装置 とからなる熱的に結合しているスタック炉。 ３．上記のスタックの上記の空気の流れの上流、および上記の空気排気から上記 の空気の流れに熱を移動させるために上記のスタックの上記の空気排気の下流と 流体で連絡できるように配置されている熱回収装置をさらに含む請求項２に記載 の熱的に結合しているスタック炉。 ４．上記の熱回収装置が、上記の原料が上記の変換装置に入る前に、上記の原料 を加熱するような形状に作られている請求項３に記載の熱的に結合しているスタ ック炉。 ５．上記の変換装置が、対流により、上記の空気な流れから熱を受け取ることが できる位置に設置されている請求項３に記載の熱的に結合しているスタック炉。 ６．上記の変換装置が、対流により、上記の空気排気から熱を受け取ることがで きる位置に設置されている請求項２に記載の熱的に結合しているスタック炉。 ７．さらに、燃焼排気を形成するために、上記の燃料排気を上記の空気排気で燃 焼するような形状に作られている請求項２に記載の熱的に結合しているスタック 炉。 ８．さらに、上記の燃焼排気の一部を上記の原料に供給するような形状に作られ ている請求項２に記載の熱的に結合しているスタック炉。 ９．上記の変換装置が、さらに、上記の原料の燃料への変換を熱によって制限を 受ける反応にするのに十分な広さの表面積を持っている触媒からできている請求 項２に記載の熱的に結合しているスタック炉。 １０．原料を燃料に変換する方法であって、原料をスタック炉内に設置されてい て、上記の原料を上記のスタック炉内の上記の変換装置に非常に近い位置に設置 されている、固体酸化物燃料電池内での酸化に適している燃料に変換する効力を 持っている、触媒を含んでいる変換装置に導入するステップと、 上記の固体酸化物燃料電池が発生した熱を、上記の変換装置に移動させるステ ップと、 上記の原料を急熱反応による変換によって上記の燃料にするために、上記の変 換装置から上記の原料に熱を移動させるステップと、 空気の流れと上記の燃料とを上記の固体酸化物燃料電池に導入するステップと 、 燃料排気と空気排気を形成するために、上記の固体酸化物燃料電池内で、上記 の燃料を上記の空気の流れからの酸素で酸化するステップとからなる方法。 １１．熱を上記の変換装置へ移動する上記のステップが、熱を上記の固体酸化物 燃料電池から上記の変換装置へ輻射するステップをさらに含む請求項１０に記載 の方法。 １２．熱を上記の変換装置へ移動する上記のステップが、熱を上記の空気排気か ら上記の変換装置へ移動するステップをさらに含む請求項１０に記載の方法。 １３．上記の空気の流れが上記の固体酸化物燃料電池に入る前に、熱を上記の空 気排気から上記の空気の流れに吸収するステップをさらに含む請求項１０に記載 の方法。 １４．上記の原料が上記の変換装置に入る前に、熱を上記の空気排気から上記の 原料へ移動するステップをさらに含む請求項１３に記載の方法。 １５．変換装置内の吸熱燃料変換と燃料電池内での発熱性電気化学反応とを結合 するための内蔵スタック炉であって、空間を包み込むための容器と、 上記の容器内に設置されていて、少なくとも一つの燃料電池からなるスタック と、 上記の容器内に設置されていて、上記の原料から上記のスタックへ燃料を供給 し、上記のスタックから上記の変換装置への輻射熱を受け取る変換装置とからな る内蔵スタック炉。 １６．上記の燃料電池から放出される空気から熱を回収するように設置されてい る回収装置をさらに含む請求項１５に記載の内蔵スタック炉。 １７．上記の熱回収装置が上記の容器内に設置されている請求項１６に記載の内 蔵スタック炉。 １８．上記の熱吸収装置が、上記の空気の流れが上記の燃料電池に入る前に、上 記の空気の流れを予熱するような形状に作られている請求項１５に記載の内蔵ス タック炉。 １９．上記の容器が、上記の容器が対流により熱を外部に逃がさないように熱的 に絶縁するために、その外側の表面上に設置されている絶縁体をさらに含んでい る請求項１３に記載の内蔵スタック炉。 ２０．上記の容器が、輻射よる外部への熱の移動を減らすために、その外側の表 面上に設置されている遮蔽物をさらに含んでいる請求項１５に記載の内蔵スタッ ク炉。 ２１．上記のスタック内の少なくとも一つの燃料電池の一方の端部にある上記の 空気と流体による連絡ができるように設置されている第一の空間と、 上記の各燃料電池および上記の空気から熱を受け取るため、上記の各燃料電池 の上記の一方の端部に非常に近接している上記の第一の空間内にさらに設置され ている上記の変換装置とをさらに含む請求項１５に記載の内蔵スタック炉。 ２２．原料を燃料に変換するために、変換装置内に設置されている反応充填層と 、 原料を変換装置内に導入するための入り口と、 燃料の変換速度に比例する速度で、上記の固体酸化物燃料電池と原料との間で 熱を交換するための熱交換器と、 燃料を固体酸化物燃料電池に導入するために、反応充填層から燃料を受け取る ように設置されている出口とからなる変換装置。 ２３．炭素元素の生成を最小限度に抑えるために、変換装置内の原料の温度を制 御するための制御システムをさらに含む請求項２２に記載の変換装置。 ２４．熱交換器が、スタックおよびスタック炉の壁から反応充填層に熱を移動さ せるために、スタック炉内に設置されている請求項２２に記載の変換装置。 ２５．熱交換器が、輻射により、スタックから熱を移動させるための輻射熱交換 器を含んでいる請求項２４に記載の変換装置。 ２６．熱交換器が、対流により熱を移動させるための対流熱交換器を含んでいる 請求項２５に記載の変換装置。 ２７．熱交換器が、強制対流により熱を移動させるための強制対流熱交換器を含 んでいる請求項２６に記載の変換装置。 ２８．熱交換器が、反応装置の一部を輻射から遮蔽するための遮蔽装置をさらに 含んでいる請求項２５に記載の変換装置。 ２９．上記の遮蔽装置が、反応充填層の全長に沿って温度勾配を維持するために 段階的に形成されている請求項２８に記載の変換装置。 ３０．上記の遮蔽装置が、少なくとも３段階に形成されている請求項２９に記載 の変換装置。 ３１．原料用の流れの通路が、反対方向に変換装置内を延びている請求項２９に 記載の変換装置。 ３２．さらに、反応充填層が、原料と接触するための粒子状の触媒を含み、 熱交換器が、粒子状の触媒を収容するため、また熱を上記の粒子状の触媒に移 動させるために反応充填層を取り囲んでいる容器を含んでいる請求項２２に記載 の変換装置。 ３３．変換装置が、直列に接続している複数の反応充填層からなる請求項２２に 記載の変換装置。 ３４．反応物質が、炭化水素を含んでいる請求項２２に記載の変換装置。 ３５．反応充填層が、吸熱性の向流熱交換器を形成している請求項２２に記載の 変換装置。 ３６．反応充填層が、固体酸化物燃料電池のスタック炉内に設置されている請求 項２２に記載の変換装置。 ３７．上記の燃料電池が、酸素イオンを形成し、通過させるためのカソードと、 水素および一酸化炭素とを酸素イオンと反応させるための、カソードから間隔 をおいて設置されているアノードと、 酸素イオンをカソードからアノードへ送るために、その間に両電極に密着した 状態で設置されている固体酸化物電解質を含み、上記の変換装置が原料を受け取 り、原料を燃料に変換するためにスタック炉から熱を受け取るように設置されて いる充填層からなる請求項１に記載の装置。 ３８．上記の充填層が原料の変換を促進する触媒を含んでいる請求項３７に記載 の装置。 ３９．変換装置が、排気と原料との間で熱を交換するための熱交換器をさらに含 んでいる請求項３７に記載の装置。 ４０．熱交換器が、スタック炉内に設置されている請求項３９に記載の装置。 ４１．交換装置が、熱回収向流熱交換器である請求項３９に記載の装置。 ４２．熱交換器が、充填層の全長に沿って温度分布に勾配をつけるための分配装 置をさらに含んでいる請求項３９に記載の装置。 ４３．分配装置が、輻射熱から充填層を遮蔽するための遮蔽装置を含んでいる請 求項４２に記載の装置。 ４４．原料が、炭化水素および水を含み、燃料がさらに一酸化炭素および水素を さらに含んでいる請求項３７に記載の装置。 ４５．固体酸化物燃料電池内で使用するための原料を燃料に変換する方法であっ て、原料の流れを固体酸化物燃料電池を収容しているスタック炉内に設置されて いる反応装置内に導入するステップと、 反応装置を燃料電池およびスタック炉からの輻射および排気に曝すステップと 、 加熱された流れを形成するために、燃料電池およびスタック炉からの熱を原料 の流れに移動させるステップと、 原料を燃料に変換するステップと、 第一の場所の加熱された流れからの熱を、第一の場所の上流の第二の場所の加 熱された流れに移動するステップと、 燃料を燃料電池に送るステップとからなる方法。 ４６．反応装置の一部を輻射熱の移動から選択的に遮蔽することにより、反応装 置の全長に沿って温度勾配を形成するステップをさらに含む請求項４５に記載の 方法。 ４７．原料の流れを制御された速度で反応装置内に導入するステップと、 原料を反応装置内の触媒に接触させるステップと、 流れの速度に比例した速度で原料に熱を加えるステップとをさらに含む請求項 ４５に記載の方法。 ４８．原料が炭化水素と水との混合物を含んでいる請求項４５に記載の方法。