JP3845780B2 - 大気圧型及び加圧型ｓｏｆｃ発電システムを実装するための標準設計 - Google Patents

Description

本発明は、大気圧モードまたは加圧モードの何れかで動作する発電システムの種々の副次的コンポーネントと併用するための共通の圧力容器内に配置される固体酸化物電解質燃料電池発電モジュールに関する。

関連技術の説明

ハウジング内に配置され断熱材により取り囲まれた固体酸化物電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いる燃料電池発電装置は周知であり、例えば、１９９２年１０月にウエスチングハウス・エレクトリック・コーポレイションに付与された米国特許第４，３９５，４６８号（発明の名称:”Solid Oxide Fuel Cell”、発明者:Isenberg）に記載されている。管状の燃料電池は、開端部または閉端部を有し、軸方向に長い自己支持性セラミック管の空気電極材料が薄膜セラミック固体電解質材料により完全に覆われている。電解質層は、軸方向に延びる薄い相互接続材料を除きサーメット燃料電極材料により覆われている。平板型燃料電池は、電解質と相互接続用壁部とを平坦に配列したものであり、電解質の壁部は電解質を挟むカソードとアノード材料の薄い平坦な層を備えている。波状プレート型燃料電池は、活性状態のアノード、カソード、電解質及び相互接続材料が三角形または波状ハニカムを形成するよう配列されたものである。固体電解質を含まない、溶融炭酸塩燃料電池のような他の燃料電池も周知であり、本発明の方法に使用できる。

ＳＯＦＣ発電システムの研究開発において、多くの場合加圧動作が望ましいことが指摘されている。これは、燃料供給を石炭ガス化器により行い、そして／または基底サイクルとしてガスタービン発電機を使用する際動作させることができる。ＳＯＦＣモジュールからの排気ガス流とガスタービン入口の流れとは熱力学的状態がよくマッチするため、それらを統合することは商業上可能である。

ガスタービンシステムの従来型燃焼器は、一般的に、窒素酸化物（ＮＯ_x）の放出量が多く、燃焼による振動及び不安定性を有し、ノイズが過大で、効率が低い。これらの問題を軽減するための技術に有意な進歩が見られるが、炎安定性に劣るためＮＯ_xが極端に少なく負荷調整範囲が大きい実用的な燃焼器の設計は困難であることが判明している。これら全ての要因の組み合わせると、加圧型ＳＯＦＣ発電装置モジュールは、従来型ガスタービン燃焼器の代替物として適当であり、厳しさを増す放出制限の目標達成に必要な高効率のコンバインドサイクル発電プラントに利用可能であることになる。

発電システムに用いる種々の燃料電池は文献に記載されている。２００１年２月１５日付け米国特許出願第０９／７８４，６１０号（整理番号00E 7684; 283139-01093;発明者: Holmes et al.）は、簡単で安価な酸化剤／空気供給管支持システムを有し、電力リードの改良型設計を提供する低コストの大気圧型ＳＯＦＣ発電システムを開示している。この低コスト設計は、冷却条件と、送風機、空気予熱器及び回収熱交換器のような副次的ユニットへの外部配管とを最小限に抑え、内部断熱材の利用効率を改善する。米国特許第３，９７２，７３１号（発明者:Bloomfield et al.）は、加圧型燃料電池発電プラントを開示している。この特許では、発電プラントの燃料電池の排気ガスのような高温加圧ガス媒体の廃棄エネルギーにより駆動される、作動的に接続された圧縮機及びタービンのような圧縮装置により空気が圧縮される。これらの排気ガスはタービンへ送られて、圧縮機を駆動し、燃料電池へ送られる空気を圧縮する。米国特許第５，４１３，８７９号（発明者:Domeracki et al.）では、ＳＯＦＣもガスタービンシステムに一体化されている。この特許では、圧縮状態の予熱空気が燃料と共にＳＯＦＣへ送られて電気と高温ガスを発生させ、このガスはさらに未反応の燃料と高温ガス中の残留酸素との間の燃焼により加熱される。この高温ガスは、第２の燃料流を供給されるトッピング燃焼器へ送られて、さらに高温のガスとなり、タービン内で膨張する。米国特許第５，７５０，２７８号（発明者:Gillett et al.）は、大気圧及び加圧の両動作モードで使用可能な一体型冷却ダクトを有する自己冷却型の単一容器タイプ燃料電池発電装置の設計を開示している。しかしながら、この大気圧及び加圧型の設計は種々の格納容器内に収納されるであろう。米国特許第５，５７３，８６７号（発明者:Zafred et al.）では、加圧型モジューラー設計のＳＯＦＣ発電装置は、移送可能で、重心が低く、水平に配置される圧力容器内に収納されており、圧力容器の内側とＳＯＦＣのモジュールの外側との間をパージガスが流れることができる。その設計には容器の一方の端部に６個のガス入口／出口ラインがあるため、加圧型システムのコストを外部容器の設計が通常はそれほど複雑でない大気圧システムより押し上げる要因になっている。

燃料電池の加圧はシステム性能を改善する上で有利であるが、ＳＯＦＣ発電装置の設計者には幾つかの実用上の問題点を提供するものであり、２つの問題点として、（１）圧力境界が最大２０気圧の圧力に耐えなければならないこと（１気圧の圧力で動作する既存の発電装置の圧力境界は通常は６００℃と８００℃の間の温度の、ＳＯＦＣ発電装置の外側にあるが、２０気圧、８００℃で動作する圧力境界を構成するのは容易でなく高コストとなるため、壁温度が低い圧力境界が必要とされる）、また、（２）燃料と空気がＳＯＦＣ発電装置内で一緒になるため、加圧型ＳＯＦＣの始動時及び運転時において不安定な状態の発生を避けるために格段の配慮が必要なこと（これは１気圧ではそれ程問題とならない。大気圧動作モードでは、予想される爆発性過剰圧力は約１１５ｐｓｉ（７９２ｋＰＡ）であり、これは既存の設計では機械強度だけで対応することができる。しかしながら、２０気圧での予想爆発性過剰圧力は約２３１５ｐｓｉ（１５９５０ｋＰＡ）であるため、爆発性ガス混合物の蓄積を防止するための閉じ込めシステムが必要である）、さらに、（３）加圧閉じ込め構造の設計は大気圧システムの場合と比較すると、通常は格段に複雑且つ高コストとなることがある。

ＳＯＦＣ発電プラントの全体構成において、回収熱交換器／ダクトバーナーモジュールに結合されて大気圧ユニットとして動作するか、またはガスタービンに結合されて加圧モードで動作できるように、入口及び排気ダクトの配管を容易に変更することが可能な標準型発電モジュールを維持することにより新しいパッケージ方式を提供するが求められている。

以上に鑑みて、本発明の主要目的は、（１）大気圧型及び加圧型の両ＳＯＦＣモジュールのための標準型スタック構成を提供し、（２）両システムに共通のタンク設計を提供し、（３）取り付け部品の数を減らすことによって発電機スタックの組立て時間を短縮し、（４）部品の在庫を減らし、（５）システムの機能を改善し、（６）タンク内のスタックの挿入／取り出しのための簡単な手段を提供することにより発電機の修理／保守容易性の問題を改善し、（７）燃料電池発電装置の利用率を増加させ、（８）発電システムの全体効率及び性能を向上させ、（９）コンパクトな標準型低コストＳＯＦＣシステムへの大きな要望に対するコスト性の優れた解決法を最終的に提供することである。

発明の概要

上記ニーズ及び目的は、各々が酸化剤電極と燃料電極との間に電解質を有する複数の燃料セルを有する少なくとも２つの並置関係にある副組立体より成り、副組立体がそれぞれそれらの基部で燃料分配マニホルドに接続された燃料供給予改質器に固着された燃料供給インジェクターから燃料を供給される少なくとも１つの燃料電池組立体と、６００℃を超える温度に耐えることが可能であり、燃料電池組立体モジュールを取り囲むモジュールハウジングと、モジュールハウジングを取り囲み、２つの端部を有する軸方向に長い薄壁容器と、モジュールハウジングと容器との間のパージガス空間と、容器を貫通し、燃料供給インジェクターに接続する少なくとも１つの燃料ガス供給入口と、容器を貫通する酸化剤−パージガス共通供給入口と、半可撓性ダクトを介して燃料電池組立体モジュールに関連の燃焼済みガスプレナムに接続する、容器を貫通する排気ガス出口と、パージガス空間の少なくとも一部の内部で容器の内側に接触する断熱材とより成り、容器は大気圧のガス供給または加圧状態のガス供給を行うために使用される燃料電池発電装置の提供により充足される。これらの燃料電池は一般的に、通常は６５０℃以上、最高約１１００℃の温度で動作する。モジュールハウジング及び燃料電池は、少なくとも約２気圧、あるいは約２８．５ｐｓｉ（ポンド／平方インチ−１９６．４ｋＰＡ）、好ましくは約２乃至１０気圧の加圧モードで動作することができる。動作時、パージエリア全体に気体状の酸化剤が充満し、この酸化剤がモジュールハウジングの周りを流れて均一な温度分布を与えるため、複雑な一体型冷却ダクトが不要になる。モジュールハウジングを取り囲む容器は円筒状であるのが好ましい。

本発明はまた、燃料電池発電装置の動作方法であって、（１）共通の酸化剤−パージガスと供給燃料ガスとを入口を介して、各々が酸化剤電極と燃料電極との間の電解質を有する複数の燃料電池より成る２つの並置関係にある副組立体を有する少なくとも１つの燃料電池組立体モジュールへ送り込み、モジュールはそれぞれ６００℃を超える温度に耐えることができるモジュールハウジングにより取り囲まれ、モジュールハウジングは容器との間にパージガス空間が存在するように２つの端部を有する軸方向に長い容器により取り囲まれており、（２）共通の酸化剤−パージガスを容器を介して送り込んで、パージガス空間内を循環させることにより、ガスがモジュールからの未反応燃料ガスを希釈化するようにし、（３）排気ガス、循環するパージガス及び未反応燃料ガスを容器から送り出すことにより、容器が大気圧のガス供給または加圧状態のガス供給の何れかに使用できるようにするステップより成る方法にある。

発電装置はまた、制御装置、酸素または空気予熱器、燃料ガス圧縮機、燃料脱硫器、発電機に結合された電力タービンに作動的に接続可能な酸素または空気圧縮機、空気圧縮機と同じでよいパージガス圧縮機、燃料ガス及びパージガス供給源、熱交換器、高温の燃料電池排気ガスから熱を回収する熱回収ユニット、及びトッピング燃焼器のようなよく知られた関連の副次的コンポーネントとともに動作する。

本発明の発電装置の内部に使用する燃料電池は、固体酸化物電解質燃料電池または溶融炭酸塩燃料電池もしくは任意タイプまたは構成のものでよい。しかしながら、単純化の目的で、管状固体酸化物電解質燃料電池を本発明に用いる１つのタイプとして説明する。以下の説明は一般的にそのタイプに関連するが、これは本発明の範囲を限定するものと考えるべきではない。

固体酸化物電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）は、化学エネルギーを電気に変換する高効率の装置である。この燃料電池は約１０００℃の温度で、大気圧または高圧モードで動作し、石炭から取り出される燃料ガス、天然ガスまたは留出燃料のような種々の化石燃料で発電を行う。燃料電池からの排気ガスの温度は８５０℃と９５０℃の間にあるが、これはコジェネレーションの用途または全てが電気的な中央発電所の発電プラントの基底サイクルにとって有利な温度である。

動作中のＳＯＦＣは、酸素イオンをそれらが形成される空気電極（空気または酸化剤が接触するカソード電極）から固体電解質を介して燃料電極（燃料が接触するアノード電極）へ容易に導通させる。酸素イオンは燃料電極で、燃料ガスに含まれる一酸化酸素（ＣＯ）及び水素（Ｈ₂）と反応して電子を放出し、電流を発生する。管状ＳＯＦＣは、ドーピングを施した亜マンガン酸ランタンで製造した多孔質空気電極に特徴がある。イットリア安定化ジルコニアの気密性電解質（厚さ約４０マイクロメートル）は、電池の活性長全体に沿う幅約９ミリメートルのストリップ部分を除いて空気電極を覆っている。空気電極のこの露出ストリップ部分は、ドーピングを施した亜クロム酸ランタンである気密性の薄い緻密な層により覆われている。セル相互接続部と呼ぶこの層は、隣接する電池または電力接点への電気接触領域として働く。燃料電極はニッケルジルコニアサーメットであり、相互接続部の近傍を除き電解質の表面を覆っている。

動作については、酸化剤ガス、通常は空気が空気供給管を介して燃料電池に導入される。空気は電池の閉端部近くに放出された後、電池と同軸配置の供給管とより形成される管状空間を流れる。燃料ガスは電池の外側を流れる。通常、燃料の８５％が燃料電池の活性部分で電気化学的に利用される（反応する）。ガス不透過性の電解質は空気側から燃料側へ窒素を通過させないため、燃料が窒素のない環境で酸化され、ＮＯ_xの形成が回避される。電池の開端部では、未利用の燃料が電池を出る空気流と反応するため、有用な熱がさらに発生する。天然ガス及び炭化水素を含む他の燃料の改質は、所望に応じて、外部または発電装置内部で行うことができる。導入される燃料は発電装置内で水素または一酸化炭素へ改質できるため、外部に改質器を設ける必要がない。全てのガス流及び反応は発電装置内で制御される。

ＳＯＦＣ発電装置を構成するには、個々の電池を束ねて直並列接続の燃料電池の配列体を形成し、これを発電装置の基本的構成要素となる構造とする。燃料電池の個々の束は直列に接続して発電装置の電圧が提供されるようにし、これをサブモジュールとする。１つ束に含まれる燃料電池は電気的に並列接続されるため、発電装置の信頼性が向上する。サブモジュールはさらに並列または直列に結合されて燃料電池モジュールとなる。管状燃料電池及びその動作のさらに完全な説明については、米国特許第４，３９５，４６８号（発明者:Isenberg）を参照されたい。

図１を参照して、該図は、燃料コンディショナー／予改質器部分へ接続する燃料電池組立体モジュール１１内の２つの燃料電池スタック副組立体モジュール１０、１２の一実施例を燃料供給ダクト１４と共に示す。モジュールハウジング１８は、１またはそれ以上の副組立体モジュールを関連の任意の再循環プレナム及び予改質器組立体と共に収納することができる。モジュールハウジングは、８００℃乃至１１００℃の燃料電池動作温度に耐えなければならず、鉄、鋼、ステンレス鋼またはニッケル合金のような６００℃の温度に耐えうる一般的に金属である材料で形成する必要がある。冷却フィンを備えたハウジング１８を図示したが、ハウジングを他の構成にしてもよい。また、排気ガス５６を排出する燃料電池組立体モジュールの排気出口の一例も示す。

図２は、明解を期す為、燃料電池発電装置１１０の一実施例のガス流を略示する。ガス流を示す目的で、容器６４の側部にある空気／パージガス１５の主要な酸化剤入口２４を示すが、圧力容器の端部（図示せず）または円筒形圧力容器でよい容器６４の底部に設けてもよい。モジュールハウジングの酸化剤入口は側部、上部または底部の何れにあってもよい。何れの場合でも、加圧可能な酸化剤は、例えば燃料入口ダクト１４としての任意の配管又はダクト内に捕捉されず、モジュール１８に流入する前にパージガス空間６２へ流入してその空間に充満する。燃料電池３６へ酸化剤を流入させるモジュールの酸化剤入口２２の一態様を示すが、本発明では任意適当な配管が可能である。

図２は、電極及びそれらに挟まれた電解質を有する、ここでは管状ＳＯＦＣ燃料電池より成る複数の相互接続された燃料電池の束３６を示す。ハウジング１８は内側に断熱材を設ける必要があるが、ハウジング材料として上述した金属を使用できるようにハウジングとその周りの容器６４との間の一部に外部断熱材を設けるようにしてもよい。外部断熱剤はその周りに冷却ダクトを含むようにしてもよい。図３に示す断熱材６６はガス透過性と、約４０乃至９０体積パーセントの多孔度とを有し、好ましくはアルミナ・シリカ繊維ボードである。燃料入口ダクトまたは配管１４に導入される燃料は、好ましくは１またはそれ以上のイジェクター４０へ送られて、そこで再循環ガスと噴射混合され、燃料のコンディショニングまたは予改質器４２においてその流れの少なくとも一部が改質されて、最適な動作状態が提供される。燃料流４４はその後、予改質器４２を出て燃料プレナムまたはマニホルド４６を通過し、図２に示すように、少なくとも一部が改質された燃料を燃料電池３６の外側へ送り込む燃料供給ラインへ流入する。燃料は、燃料電池３６の外側で、管状燃料電池の外側上の細長い燃料電極に沿って反応する。燃料は燃料電池の束の内部でより完全に改質できる。

図２に示すように、大気圧または加圧状態の酸化剤は任意適当な構成でよい空気／パージガスマニホルドから空気分配プレナムへ流入した後、個々の酸化剤供給管を下方に流れ、各燃料電池３６の底部内に流出する。当該技術分野でよく知られているように、酸化剤は酸化剤供給管と内側の空気電極との間の管状空間を流れる間、空気電極の内側表面に沿って反応する。反応した酸化剤は最終的に使用済み酸化剤として燃焼室部分５４へ流入する。使用済み酸化剤はその後、使用済み燃料及び残留する一部の未反応燃料と結合して燃焼し排気ガス５６となる。排気ガス５６は、燃焼または燃焼ガスプレナム５３を介して、ここでは簡潔を期するため圧力容器の頂部を流れて排気ダクト５２へ流入するが、排気ガスの流れは図１の方がより正確である。使用済み燃料の一部は図２に示すようにイジェクター４０へ再循環させてもよい。図２は電力リード線８４も示す。これらの流れパターン及びイジェクターシステムについてのさらに詳細な説明は、米国特許第５，１６９，７３０号（発明者:Reichner）を参照されたい。

非常に重要なことであるが、特に加圧動作時には、燃料の一部が利用されず、少量の未反応燃料が燃料電池組立体モジュール及びモジュールハウジング外側のガス空間６２内へ拡散または漏洩する可能性がある。モジュールハウジングの壁部１８の外側に未反応の燃料が存在すると、水素のような供給燃料の自己点火温度は約５２０℃であるため、或る状態で点火する可能性がある。前述したように、２５℃から６００℃の温度勾配を有する空間６２へ燃料が漏洩すると、不安定性／燃焼の問題が生じる可能性がある。酸化剤をパージガスとして使用すると、このような燃焼の可能性を制御する手段が提供されるが、酸素の供給が関連のタービン発電機による圧縮停止などにより中断された場合にはさらに劇的な状況が得られる。

図３に示すように、望ましくない過剰な未反応燃料の制御は、燃料電池副組立体１０及び１２の周りの燃料ハウジング１８またはキャニスター外側のガス空間６２で行われる。発電装置の燃料電池スタックモジュールは、高強度圧力閉じ込め容器として使用可能な低温容器６４内に収納されている。燃料電池スタックの周りのモジュールハウジングまたはキャニスター１８は供給燃料をパージガスから分離する。また、本発明では、加圧動作時において、燃料がパージガス中に漏洩した場合、蓄積して爆発性混合物を形成せずに局所的に点火する状態が発生する。しかしながら、パージガスの圧力は気体状の燃料ガス圧力よりも高い値に保持されるため、大抵の加圧環境の下では、パージガスが燃料ガスをパージガス空間６２から締め出す。

図３は、容器６４内の、例えば厚さが１２−１５センチメートルの断熱材６６により一部が取り囲まれたモジュールハウジング１８内のＳＯＦＣモジュールを示す。断熱材６６はその体積内に夥しい数の微細な通路を有するため、そこでは、パージ空間全体に断熱材を充填した場合でも依然としてパージ酸化剤蓄積手段として作用する。前述したように、断熱材は通常、アルミナ・シリカ系であり、多孔度は好ましくは７０乃至９０体積パーセント、即ち、理論的密度が２０％乃至３０％である。

ＳＯＦＣは１０００℃に近い温度で動作するため、内部キャニスター、即ち、モジュールハウジング１８と、容器６４の壁部との間に断熱材６６を設けて、容器の壁部が高温にならないようにする必要がある。パージガス空間６０にセラミック繊維ボードまたはブランケットの断熱材を使用し、モジュールハウジング１８を空気で冷却すると、容器壁部の温度を２５℃と１５０℃の間にすることができるため、容器を比較的安価な材料である炭素鋼で形成することが可能である。空気は、圧縮機からＳＯＦＣ内部へ、例えば流れセンサー及び空気供給管を介して供給される。燃料とプロセス空気の一部は、ＳＯＦＣ内で電気化学的に結合して直流電流、熱及び燃料酸化生成物を発生させる。消費されなかった燃料は燃料電池上方の燃焼室内の空気中で燃える。電力リード８４も示す。

動作について説明すると、燃料及び酸化剤／パージガスは上述したように全て加圧される。本発明において、酸化剤／パージガスの圧力は燃料圧力よりも高い。酸化剤／パージガスはパージガス空間６２へ流入した後、モジュールハウジング１８と容器６４との間の１０及び１２のような燃料電池スタック副組立体モジュールの周りを循環する。酸化剤／パージガスのこの組み合わせが循環すると、モジュールから移動または漏洩してきた未反応の供給燃料を希釈化するか、または通常は燃料内に漏洩する。酸化剤／パージガスの流量は、ＳＯＦＣの動作を可能にし、またパージガスと燃料ガスの爆発性混合物が生成されないようにする大きさである。図３は、モジュール支持体９０、９２と圧力容器吊上げ用孔部９４も示す。

図４及び５は、大気圧のガス供給または加圧状態のガス供給の何れかに使用される圧力容器及び燃料電池発電装置１１０を示す。図４及び５はそれぞれ、モジュールハウジング１８内の燃料電池（図示せず）より成る２つの並置関係にある燃料電池スタック副組立体１０、１２を備えた燃料電池組立体モジュール１１を２個及び１個示す。モジュールは、図５に示す例では高圧に耐えうる軸方向に長い薄壁容器６４により取り囲まれている。この容器は厚さが約０．５乃至１．０センチメートルで、２つの端部６５を有し、ハウジング１８と圧力容器６４との間にパージガス空間６２が存在する。容器６４は好ましくは頂部に少なくとも１つの燃料ガス供給入口１４を備え、この入口が燃料電池組立体モジュール１１の内部の燃料供給インジェクターノズル及び予改質器（図示せず）に接続している。好ましくは容器６４の端部６５を貫通する酸化剤−空気ガスの共通供給入口２４は酸化剤をパージガス空間６２へ送り込む。発電装置の容器の主要な排気ガス出口５９の一部を示すが、これは燃料電池組立体モジュールの燃焼ガス出口プレナム５３及び排気出口５８に、しかしながら、半可撓性のダクトを介して接続されている。容器の主要な排気ガス出口５９は、容器６４の端部６５を貫通している。図３において６６で示す断熱材は、パージガス空間内の圧力容器の内面と接触する。支持体９０、９２及び吊上げ用孔部９４も示す。システム１２０は、図４では空気供給システム（送風機及び回収熱交換器）を、図５ではマイクロタービン（圧縮機及びガス化器）を収納している。そして、システム１２５は、制御装置、電力コンディショナー（直流／交流インバーター）及び計測キャビネットを収納している。図４及び５の標準型燃料電池発電装置１１０は、設計の単純化、空気／排気分配システムの革新的設計及びＢＯＰコンポーネントの配置変更により達成されたコスト削減の成果である。その結果、従来型設計にとって典型的な大気圧及び加圧動作システムに通常かかってくる最初のエンジニアリングコストが劇的に減少する。さらに、２つの型の間のコンポーネントの共通性により製造コストが大きく減少する。また、１つの標準型設計が顧客の種々のニーズを満足させる、即ち、加圧型システム（図５）では高い効率、大気圧型ユニット（図４）では低いコストの利点が得られるため、製品のイメージが向上する。モジュラースタック設計により、このた標準型発電装置のコンセプトは拡大または縮小が可能であり、大型ＭＷユニットに適用して実質的にスケールの経済性を得ることができる。このアプローチを全ての製品ラインに利用することが可能である。

本発明は、少なくとも１つの１つの標準型燃料電池組立体モジュールが一般的に、各々がそれらの燃料電池の基部において共通の燃料予改質器から燃料を供給される並置関係の２つのサブスタック副組立体と、一体型の燃料分配マニホルド及び共通の再循環プレナムとにより構成されるモジューラー型標準ＳＯＦＣ発電装置を提供する。各副組立体１０及び１２は通常、各列が３個の束より成る１２列の３６個の束を含み、合計８６４個の管状燃料電池を収納する。

大気圧動作型発電装置発電プラント（図４）は通常、現在の１００キロワットクラスの３つのスタックと等価的な、合計３４５６個の燃料電池より成る２つの標準型燃料電池組立体モジュールを有する。加圧動作型発電装置発電プラント（図５）は通常、合計１７２８個の燃料電池より成る１つの標準型燃料電池組立体モジュールを有する。

発電プラントの両構成は、輸送スキッドに固定された連続するサドルによって支持される、好ましくは管状の１つの標準型水平容器またはタンク６４を利用する。このタンクは鋼製の薄壁円筒体であり、２つの楕円形容器ヘッドまたは端部６５は外殻部と同一材料で冷間成形されて一方の端部が円筒形の犠牲延長部に溶接されている。その結果、重いフランジ、ガスケット及びボルトが不要となり、重量及びタンクの製造コストが削減され、漏洩可能性が皆無となる。

燃料電池組立体モジュールの据付けが完了した時タンクの端部を閉じるために、あるいはスタックの保守／交換が必要な時に端部を開くために、一体型の切断／面取り工具を備えた簡単で低コストの自動オービタル溶接機を用いることができる。タンクの壁が薄いため、この作業はレールと工具の据付けを含んで２時間以内に完了することができる。

容器６４の内壁は、それに溶接されたスタッドに固定された多数の高性能断熱パネルによって断熱される。この断熱システムは、タンク外表面の温度を約６０℃（１４０°Ｆ）の安全な値まで減少させること、高速の導入空気による侵食に耐えること及び加圧システムでは減圧過渡状態に耐えることの３つの主要な条件を満足する意図がある。動作時には、タンクの内部空間全体にプロセス空気を充満させ、この空気をスタック金属容器の外側表面の周りに分岐させて構造全体に均一な温度分布が得られるようにし、さらに重要なことは、スタックから漏洩する燃料をスイープして空間または空洞部６２全体を事実上浄化する。排気ガスは各サブスタック燃料領域からサイドダクトへ分岐されるが、これらのサイドダクトはその後分岐されて容器の主要排気出口またはノズル５９へ耐高温セラミック材料またはその等価物により形成される半可撓性ダクトを介して接続される。

脱硫された天然ガスは標準スタック毎に３個のイジェクターノズルを介して注入されるが、このガスは、燃料電池スタックの上部領域から抽出される消耗した燃料ガスを同伴している。この燃料混合物はその後、図２及び３の予改質器４２へ送られ、そこの触媒ベッド内で炭化水素が改質される。一部が改質された燃料流は、この予改質器を出ると、燃料電池スタックの基部に取り付けられた水平なマニホルド網へ均等に分配される。各マニホルドは、燃料混合物をスタック内の改質器ポケットの頂部へ運ぶ多数の垂直な管体を含む。燃料の改質の残りの部分はこの領域で起こり、水素に富んだ燃料流が燃料電池スタックの直下に位置するチャンネル網に供給される。燃料はその後、燃料電池スタックを均一に供給され、燃料分配ボードにより図２の各燃料電池３６の燃料電極表面に沿って上方に流れる。各副組立体１０、１２は図２の８４で示す正及び負の電力リード８４を備えているが、これらはタンクまたは容器６４の頂部を貫通している。副組立体の直列接続は、反対の電圧端子を接続する直流バスバーを介して外部で行われる。これらの電力リードはサブスタックバスバーとタンクとの間の熱膨張の違いを吸収し、高電圧のリードと接地した金属タンクとの間の絶縁の健全性を確保するため電気的に絶縁される。別法として、内部の電気ジャンパーをスタック間の相互接続に用いることが可能である。

燃料電池組立体をタンク内に水平に挿入したり取り出したりできるように、内部支持構造が設計されている。これにより、燃料電池組立体と電力モジュールとを別個に輸送することが容易になり、スタックを改造する際の迅速な交換が可能である。本発明の実装設計の目的は、２つの構成を価格を不当に増加させずに市場に供給できる融通性のあるシステムを提供することにある。図１の燃料電池組立体モジュール１１は、大気圧動作及び加圧動作システムの両システムで同一であるため、燃料供給システム及びユニット制御モジュールも同じであり、唯一の相違点は図４の大気圧動作ユニットでは回収熱交換器／ダクトバーナー／送風機組立体を用い、図５の加圧動作ユニットではガスタービンを用いることである。提案する標準型発電装置組立体構成のさらに別の利点は、組立てが容易であること、タンク、スキッド及びコンポーネントを据付けが行われる国に発注できること、保守性及びスタック交換能力が優れていることである。

発明を好ましい実施例について説明したが、頭書の特許請求の範囲に示す本発明の範囲から逸脱することなく種々の変形例及び設計変更を行うことが可能である。

燃料予改質器が組立体モジュール間にある、モジュールハウジングに取り囲まれた燃料電池スタック組立体モジュールの三次元上面図である。 燃料電池発電装置のガス流を略示する一例を示す。 圧力容器内の幾つかの燃料電池スタック組立体モジュールの断面図である。 大気圧動作の２つの燃料電池組立体を含む燃料電池発電装置の一実施例を示す破断三次元図である。 加圧動作の１つの燃料電池組立体モジュールを含む燃料電池発電装置を示す断面図である。

Claims (20)

1. 燃料電池発電装置であって、
   各々が酸化剤電極と燃料電極との間に電解質を有する複数の燃料セルを有する少なくとも２つの並置関係にある副組立体より成り、副組立体がそれぞれそれらの基部で燃料分配マニホルドに接続された燃料供給予改質器に固着された燃料供給インジェクターから燃料を供給される少なくとも１つの燃料電池組立体と、
   ６００℃を超える温度に耐えることが可能であり、燃料電池組立体モジュールを取り囲むモジュールハウジングと、
   モジュールハウジングを取り囲み、２つの端部を有する軸方向に長い薄壁容器と、
   モジュールハウジングと容器との間のパージガス空間と、
   容器を貫通し、燃料供給インジェクターに接続する少なくとも１つの燃料ガス供給入口と、
   容器を貫通する酸化剤−パージガス共通供給入口と、
   半可撓性ダクトを介して燃料電池組立体モジュールに関連の燃焼済みガスプレナムに接続する、容器を貫通する排気ガス出口と、
   パージガス空間の少なくとも一部の内部で容器の内側に接触する断熱材とより成り、容器は大気圧のガス供給または加圧状態のガス供給を行うために使用される燃料電池発電装置。
2. 酸化剤−パージガス及び燃料供給ガスが共に加圧され、酸化剤−パージガスは本質的に空気より成り、容器は管状である請求項１の燃料電池発電装置。
3. パージガス空間は多孔度が約７０乃至約９０体積パーセントである断熱材を含む請求項１の燃料電池発電装置。
4. 燃料電池は管状固体酸化物電解質燃料電池である請求項１の燃料電池発電装置。
5. 燃料ガス供給入口は容器の頂部を貫通する請求項１の燃料電池発電装置。
6. 酸化剤−パージガス供給入口と排気ガス出口とは容器の端部を貫通する請求項１の燃料電池発電装置。
7. 燃料電池発電装置の動作方法であって、
   （１）共通の酸化剤−パージガスと供給燃料ガスとを入口を介して、各々が酸化剤電極と燃料電極との間の電解質を有する複数の燃料電池より成る２つの並置関係にある副組立体を有する少なくとも１つの燃料電池組立体モジュールへ送り込み、
   モジュールはそれぞれ６００℃を超える温度に耐えることができるモジュールハウジングにより取り囲まれ、モジュールハウジングは容器との間にパージガス空間が存在するように２つの端部を有する軸方向に長い容器により取り囲まれており、
   （２）共通の酸化剤−パージガスを容器を介して送り込んで、パージガス空間内を循環させることにより、ガスがモジュールからの未反応燃料ガスを希釈化するようにし、
   （３）排気ガス、循環するパージガス及び未反応燃料ガスを容器から送り出すことにより、容器が大気圧のガス供給または加圧状態のガス供給の何れかに使用できるようにするステップより成る方法。
8. 酸化剤−パージガスはパージガス空間に送り込まれる未反応燃料ガスと反応する請求項７の方法。
9. 酸化剤−パージガスと燃料ガスとは共に加圧状態にあり、酸化剤−パージガスは本質的に空気より成る請求項７の方法。
10. 酸化剤−パージガスと燃料ガスとは共に約１９６．４ｋＰＡを超えて加圧され、容器は管状である請求項７の方法。
11. 燃料電池発電装置であって、
    燃料分配マニホルドに接続された供給燃料予改質器に固着された燃料供給インジェクターにより燃料の供給を受ける複数の燃料電池を有する少なくとも１つの燃料電池組立体モジュールと、
    ６００℃を超える温度に耐えることが可能であり、燃料電池組立体モジュールを取り囲むモジュールハウジングと、
    モジュールハウジングを取り囲み、モジュールハウジングとの間にパージガス空間を形成する容器と、
    燃料供給インジェクターと接続する少なくとも１つの燃料ガス供給入口と、
    酸化剤−パージガス供給入口と、燃料電池組立体モジュールに関連の燃焼済みガスプレナムに接続する排気ガス出口とより成り、
    容器は大気圧によるガス供給または加圧状態のガス供給の何れかに使用される燃料電池発電装置。
12. 燃料電池組立体モジュールは、各々が複数の燃料電池を含む少なくとも１つの並置関係にある副組立体より成る請求項１１の燃料電池発電装置。
13. 各燃料電池は酸化剤電極と燃料電極との間に電解質を有する請求項１２の燃料電池発電装置。
14. 副組立体はそれぞれ基部で燃料供給インジェクターにより燃料を供給される請求項１３の燃料電池発電装置。
15. 燃料ガス供給入口は容器を完全に貫通する請求項１１の燃料電池発電装置。
16. 酸化剤−パージガス供給入口は容器を完全に貫通する請求項１１の燃料電池発電装置。
17. 排気ガス出口は容器を完全に貫通する請求項１１の燃料電池発電装置。
18. 半可撓性ダクトは燃料済みガスプレナムへ接続している請求項１１の燃料電池発電装置。
19. 断熱材は容器の内側と接触する請求項１１の燃料電池発電装置。
20. 断熱材の少なくとも一部はパージガス空間内に位置する請求項１９の燃料電池発電装置。

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