(57)【要約】燃料電池スタックが格納構造の内部に配置される。格納構造の内部には、ガスディストリビュータが設けられる。スタックに亘って、所望のガスフロー分配及びガス圧力差を実現するように、ガスディストリビュータが受け取った燃料ガス及びオキシダントガスをスタックに分配しかつスタックから使用済み燃料及び使用済みオキシダントガスを受け取るモジュラーマルチスタック燃料電池構体が提供される。ガスディストリビュータは、それ自体が所望のガスフロー分配及び圧力差の実現を促進するように、スタックに対して中央に対称に配置される。
2008510277.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池スタックと、
前記複数の燃料電池スタックの中央に配置されたガスディストリビュータとを具備し、前記ガスディストリビュータは、受け取った燃料を前記複数の燃料電池スタックの各々に分配し、前記複数の燃料電池スタックの各々から使用済み燃料ガス及び使用済みオキシダントガスを受け取ることを特徴とするモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項２】
前記ガスディストリビュータは、前記複数の燃料電池スタックに関して対称に配置されることを特徴とする請求項１記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項３】
前記ガスディストリビュータは、第１の部分、第２の部分及び第３の部分を含み、前記第１の部分は、受け取った燃料を前記燃料電池スタックの各々に分配し、前記第２の部分は、前記複数の燃料電池スタックの各々から使用済み燃料ガスを受け取り、前記第３の部分は、前記複数の燃料電池スタックの各々から使用済みオキシダントガスを受け取ることを特徴とする請求項２記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項４】
前記ガスディストリビュータは、該ガスディストリビュータの前記第１の部分から前記マルチスタック燃料電池構体の各々に至る同一の第１の所定の長さの第１の配管と；前記ガスディストリビュータの前記第２の部分から前記マルチスタック燃料電池構体の各々に至る同一の第２の所定の長さの第２の配管と；前記ガスディストリビュータの前記第３の部分から前記マルチスタック燃料電池構体の各々に至る同一の第３の所定の長さの第３の配管とをさらに含むことを特徴とする請求項３記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項５】
前記モジュラーマルチスタック燃料電池構体は、格納構造をさらに含み、
前記ガスディストリビュータは、前記第１の部分から前記格納構造のオキシダントガス出口ポートに至る第１の導管と；前記第２の部分から前記格納構造の燃料ガス出口ポートに至る第２の導管と；前記第３の部分から前記格納構造の燃料ガス入口ポートに至る第３の導管とをさらに含むことを特徴とする請求項４記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項６】
前記ガスディストリビュータの前記第１の部分、前記第２の部分及び前記第３の部分は、垂直に整列され、
前記オキシダントガス出口ポート、前記燃料ガス出口ポート及び前記燃料ガス入口ポートは、垂直に整列され、
前記第１の導管、前記第２の導管及び前記第３の導管は、垂直に整列されることを特徴とする請求項５記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項７】
前記第１の導管は、前記第１の部分の中へ延出する部分を有することを特徴とする請求項５記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項８】
前記第１の導管の前記部分は、部分円筒形の形状を有することを特徴とする請求項７記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項９】
前記複数の燃料電池スタックを封入する格納構造をさらに具備し、前記格納構造は、前記複数の燃料電池スタックを所定の位置に支持するベース部分と、前記ベース部材と係合しかつ前記複数の燃料電池スタックを封入する筐体とを有することを特徴とする請求項１記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項１０】
前記筐体は、深皿形である上部カバーと加圧容器である本体とを含むことを特徴とする請求項９記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項１１】
前記ベース部分は、前記筐体を支持する上部及び下部を有する支持リングと；前記支持リングの前記底部に装着されかつ前記複数の燃料電池スタックを支持する構造ベースとを含むことを特徴とする請求項９記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項１２】
前記ベース部分は、前記リングの前記上部の広がりに対応して延出しかつ前記上部の下方の前記リング内部の空間を前記筐体の内部から熱絶縁する床をさらに含むことを特徴とする請求項１１記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項１３】
前記リングの前記上部と前記下部との間の部分は、前記筐体に挿入するための複数の領域を含むことを特徴とする請求項１２記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項１４】
前記リングの前記上部と前記下部との間の部分は、前記筐体の中へ計装、電気制御部及びプロセス制御部を挿入するための全ての領域を含むことを特徴とする請求項１３記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項１５】
前記床は、前記構造ベースにより支持される前記複数の燃料電池スタックを通過させるための複数の貫通開口部を有することを特徴とする請求項１２記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項１６】
前記構造ベースは、前記複数の燃料電池スタックの各々に対して支持フレームを規定するグリルパターンを形成する複数のビームを含む請求項１５記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項１７】
前記床は、前記ガスディストリビュータを通過させるための開口部を有し、
前記グリルパターンは、前記ガスディストリビュータを支持するための中央領域を規定することを特徴とする請求項１６記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項１８】
前記グリルパターンにより規定される前記支持フレームは、前記グリルパターンにより規定される前記中央領域に関して対称に配置されることを特徴とする請求項１７記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項１９】
前記スタックの各々は、使用済み燃料ガスを受け取る第１の面及び前記第１の面に対向しかつ使用済み燃料ガスを排出する第２の面と、使用済みオキシダントガスを受け取る第３の面及び前記第３の面に対向しかつ使用済みオキシダントガスを排出する第４の面と、前記第１の面に当接する第１のマニホルド、前記第２の面に当接する第２のマニホルド及び前記第４の面に当接する第３のマニホルドとを有し、
前記格納構造は、オキシダントガスを受け取る前記複数の燃料電池スタックの各々に対してマニホルドとして作用することを特徴とする請求項９記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項２０】
前記複数の燃料電池スタックの各々は、第１の端板及び第２の端板を含み、
前記ガスディストリビュータは、前記複数の燃料電池スタックの各々に前記燃料電池の前記端板を介して燃料を分配し、前記複数の燃料電池スタックの各々から前記燃料電池の前記端板を介して使用済み燃料ガス及び使用済みオキシダントガスを受け取ることを特徴とする請求項１９記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項２１】
前記筐体の内壁に配置された熱絶縁体をさらに具備することを特徴とする請求項９記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項２２】
前記熱絶縁体は複数の熱絶縁層を含み、前記熱絶縁層の各々は互いに当接する複数のセグメントを具備し、各熱絶縁層の前記セグメントが当接する位置は層ごとにずれていることを特徴とする請求項２１記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項２３】
前記熱絶縁層を一体に接合すると共に、前記熱絶縁層を前記筐体の前記内壁に接合する複数のピン及びクリップをさらに具備することを特徴とする請求項２２記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項２４】
前記熱絶縁体と前記筐体の前記内壁との間に配置された結露蓄積層の次に続く疎水性層をさらに具備することを特徴とする請求項２２記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項２５】
前記筐体の前記内壁から最も遠い位置にある前記絶縁体の面に配置されたステンレス鋼ライニングをさらに具備することを特徴とする請求項２２記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項２６】
前記筐体は配管を受け入れる複数のポートを含み、前記ポートの各々は段付構成を有することを特徴とする請求項９記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項２７】
前記ポートの内部領域の一部に配置された熱絶縁体をさらに具備することを特徴とする請求項２６記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項２８】
前記複数のポートは、燃料を受け入れる第１のポート及びオキシダントガスを受け入れる第２のポートと、使用済み燃料を排出する第３のポート及び使用済みオキシダントガスを排出する第４のポートとを含むことを特徴とする請求項２６記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項２９】
前記ポートは、第１の方向に沿って整列されることを特徴とする請求項２８記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項３０】
前記ガスディストリビュータは、第１の部分、第２の部分及び第３の部分を含み、前記第１の部分は、受け取った燃料を前記複数の燃料電池スタックの各々に分配し、前記第２の部分は、前記複数の燃料電池スタックの各々から使用済み燃料ガスを受け取り、前記第３の部分は、前記複数の燃料電池スタックの各々から使用済みオキシダントガスを受け取り、
前記ディストリビュータの前記第１の部分、前記第２の部分及び前記第３の部分は、第２の方向に沿って整列されることを特徴とする請求項２９記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項３１】
前記第２の方向は、前記第１の方向と平行であることを特徴とする請求項３０記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項３２】
前記第１の方向及び前記第２の方向は垂直方向であることを特徴とする請求項３１記載のモジュラーマルチスタック燃料電池構体。
【請求項３３】
オキシダントガス及び燃料を供給されかつ燃料排気ガス及びオキシダント排気ガスを生成する燃料電池スタックの端板構体であって、排気ガスを受け取るための入口領域と、出口領域と、前記入口領域に接続し、前記入口領域で受け取った排気ガスを前記入口領域から前記出口領域へ搬送する流路とを有することを特徴とする端板構体。
【請求項３４】
前記端板構体は、上壁及び下壁と、前記上壁及び前記下壁を結合する複数の側壁とを有する中空の本体を具備することを特徴とする請求項３３記載の端板構体。
【請求項３５】
前記入口領域は前記中空の本体の第１の側壁にあり、前記出口領域は前記中空の本体の第２の側壁にあり、前記流路は前記本体の内部により規定されることを特徴とする請求項３４記載の端板構体。
【請求項３６】
前記中空の本体の前記第１の側壁は、前記燃料電池スタックのマニホルドのシールと係合するための複数の領域を有することを特徴とする請求項３４記載の端板構体。
【請求項３７】
前記端板構体を補強するために、前記中空の本体の前記上壁及び前記下壁を結合する複数の支持部材をさらに具備することを特徴とする請求項３５記載の端板構体。
【請求項３８】
前記支持部材は、前記流路を通る排気ガスの流れを制御するようにさらに構成されることを特徴とする請求項３７記載の端板構体。
【請求項３９】
前記支持部材は支柱であることを特徴とする請求項３７記載の端板構体。
【請求項４０】
受け取られる前記排気ガスはオキシダント排気ガスであることを特徴とする請求項３７記載の端板構体。
【請求項４１】
前記上壁に装着され、前記燃料電池スタックに対して電気出力端子として機能する端子をさらに具備することを特徴とする請求項４０記載の端板構体。
【請求項４２】
前記中空の本体の前記第１の側壁と前記第２の側壁とは、互いに対向することを特徴とする請求項４１記載の端板構体。
【請求項４３】
前記中空の本体は、矩形の形状を有することを特徴とする請求項４２記載の端板構体。
【請求項４４】
前記排気ガスは、燃料排気ガスであることを特徴とする請求項３５記載の端板構体。
【請求項４５】
前記端板構体は、燃料を受け取るための別の入口領域と、別の出口領域と、前記別の入口領域及び前記別の出口領域に接続し、前記別の入口領域で受け取った燃料を前記別の入口領域から前記別の出口領域へ搬送する別の流路とを有することを特徴とする請求項４４記載の端板構体。
【請求項４６】
前記別の入口領域は、前記中空の本体の前記第２の側壁にあり、前記別の出口は、前記中空の本体の第３の側壁にあることを特徴とする請求項４５記載の端板構体。
【請求項４７】
前記下壁に装着され、前記燃料電池スタックに対して電気出力端子として機能する端子をさらに具備することを特徴とする請求項４６記載の端板構体。
【請求項４８】
前記中空の本体の前記第１の側壁と前記第３の側壁とは、互いに対向することを特徴とする請求項４７記載の端板構体。
【請求項４９】
前記中空の本体は、矩形の形状を有することを特徴とする請求項４８記載の端板構体。
【請求項５０】
燃料電池スタックを封入する格納構造であって、前記格納構造は、前記燃料電池スタックを所定の位置に支持するベース部分と、前記燃料電池スタックを封入するために前記ベース部材と係合する筐体とを有し、前記ベース部分は、前記筐体を支持する上部及び下部を有する支持リングと、前記支持リングの前記下部に装着されかつ前記燃料電池スタックを支持する構造ベースと、前記リングの前記上部の広がりに対応して延出しかつ前記リング内部の前記上部の下方の空間を前記筐体の内部から熱絶縁する床とを含むことを特徴とする格納構造。
【請求項５１】
前記筐体は、深皿形であるトップカバーと加圧容器である本体とを含むことを特徴とする請求項５０記載の格納構造。
【請求項５２】
前記リングの前記上部と前記下部との間の部分は、前記筐体の中へ挿入するための複数の領域を含むことを特徴とする請求項５１記載の格納構造。
【請求項５３】
前記リングの前記上部と前記下部との間の部分は、前記筐体の中へ電気制御部を挿入するための全ての領域を含むことを特徴とする請求項５２記載の格納構造。
【請求項５４】
前記床は、前記構造ベースにより支持される前記燃料電池スタックを通過させるための複数の貫通開口部を有することを特徴とする請求項５０記載の格納構造。
【請求項５５】
前記床は、内部で形成される結露から回収された水を通すための排水路を有することを特徴とする請求項５４記載の格納構造。
【請求項５６】
前記構造ベースは、前記燃料電池スタックの各々に対して支持フレームを規定するグリルパターンを形成する複数のビームを含むことを特徴とする請求項５０記載の格納構造。
【請求項５７】
前記床は、ガスディストリビュータを通過させるための開口部を有し、
前記グリルパターンは、前記ガスディストリビュータを支持するための中央領域を規定することを特徴とする請求項５４記載の格納構造。
【請求項５８】
前記グリルパターンにより規定される前記支持フレームは、前記グリルパターンにより規定される前記中央領域に関して対称に配置されることを特徴とする請求項５７記載の格納構造。
【請求項５９】
燃料電池スタックを封入する格納構造であって、前記燃料電池スタックを所定の位置に支持するベース部分と、前記燃料電池スタックを封入するために前記ベース部材と係合する筐体と、前記筐体の内壁に配置された熱絶縁体とを有することを特徴とする格納構造。
【請求項６０】
前記熱絶縁体は複数の熱絶縁層を含み、前記熱絶縁層の各々は互いに当接する複数のセグメントを具備し、各熱絶縁層の前記セグメントが当接する位置は層ごとにずれていることを特徴とする請求項５９記載の格納構造。
【請求項６１】
前記熱絶縁層を一体に接合すると共に、前記熱絶縁層を前記筐体の前記内壁に接合する複数のピン及びクリップをさらに具備することを特徴とする請求項６０の格納構造。
【請求項６２】
前記熱絶縁体と前記筐体の前記内壁との間に配置された結露蓄積層の次に続く疎水性層をさらに具備することを特徴とする請求項６０記載の格納構造。
【請求項６３】
前記筐体の前記内壁から最も遠い位置にある前記熱絶縁体の面に配置されたステンレス鋼ライニングをさらに具備することを特徴とする請求項６２記載の格納構造。
【請求項６４】
スタックとして配列された複数の燃料電池と；
前記スタックの一端部で前記燃料電池に当接する端板構体とを具備し、前記端板構体は、前記スタックから排気ガスを受け取るための入口領域と、出口領域と、前記入口領域及び前記出口領域を接続し、前記入口領域で受け取った前記排気ガスを前記入口領域から前記出口領域へ搬送する流路とを有することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６５】
前記スタックの前記端部に対向する別の端部で前記燃料電池に当接する別の端板構体をさらに具備し、前記別の端板構体は、前記スタックからの別の排気ガスを受け取るための別の入口領域と、別の出口領域と、前記別の入口領域及び前記別の出口領域を接続し、前記別の入口領域で受け取った前記別の排気ガスを前記別の入口領域から前記別の出口領域へ搬送する別の流路とを有することを特徴とする請求項６４記載の燃料電池スタック。
【請求項６６】
前記排気ガスはオキシダント排気ガスであり、前記別の排気ガスは燃料排気ガスであることを特徴とする請求項６５記載の燃料電池スタック。
【請求項６７】
前記別の端板構体は、燃料を受け取るためのさらに別の入口領域と、さらに別の出口領域と、前記更に別の入口領域及び前記更に別の出口領域を接続し、前記更に別の入口領域で受け取った燃料を前記更に別の入口領域から前記更に別の出口領域へ搬送するさらに別の流路とを有することを特徴とする請求項６６記載の燃料電池スタック。
【請求項６８】
前記スタックは、燃料ガスを受け取る第１の面及び前記第１の面に対向しかつ使用済み燃料ガスを排出する第２の面と、オキシダントガスを受け取る第３の面及び前記第３の面に対向しかつ使用済みオキシダントガスを排出する第４の面とを有し、
前記燃料電池スタック構体は、前記第１の面に当接する第１のマニホルド、前記第２の面に当接する第２のマニホルド及び前記第４の面に当接する第３のマニホルドをさらに具備し、
前記第３のマニホルドは、前記端板構体の前記入口領域と連通し、前記第１のマニホルドは、前記別の端板構体の前記更に別の出口領域と連通し、前記第２のマニホルドは、前記別の端板構体の前記別の入口領域と連通することを特徴とする請求項６７記載の燃料電池スタック。
【請求項６９】
前記第３のマニホルドは、前記端板構体の前記入口領域と重なり合い、前記第１のマニホルドは、前記別の端板構体の前記更に別の出口領域と重なり合い、前記第２のマニホルドは、前記別の端板構体の前記別の入口領域と重なり合うことを特徴とする請求項６８記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、マルチスタック型の燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
建築物の燃料電池システムにおいては、従来、燃料電池が、互いに積み重ねられて、燃料電池スタックを形成していた。燃料電池の数によって、スタックの電力定格が確定する。システムの電力定格を増加するためには、複数の燃料電池スタックを利用すればよい。所望の出力を供給するために燃料電池スタックの出力が結合される。
【０００３】
マルチスタック型の燃料電池システムの１種によれば、各々が筐体の内部に収納された複数の燃料電池スタックを含む複数のモジュラーマルチスタック燃料電池構体を形成することにより、システムをモジュール化することが提案されている。高温燃料電池スタック、特に炭酸塩燃料電池スタックのために開発されたこのような構造のシステムでは、筐体として矩形又は箱形の格納構造が採用され、スタックは、構造の長辺に沿って１列に整列される。構造内部の各スタックは、スタックを動作させるために必要とされる燃料及びオキシダントガスを受け取るための入口マニホルドと、排出燃料ガス及び排出オキシダントガスをスタックから排出するための出口マニホルドとを有する。
【０００４】
格納構造は、配管又は導管を介してスタックの対応する燃料ガス入口マニホルドと連通する燃料ガス入口ポート及び対応するオキシダントガス入口マニホルドと連通するオキシダントガス入口ポートを含む。この構造は、配管を介してオキシダントガス出口マニホルドと連通するオキシダントガス出口ポート及び燃料ガス出口マニホルドと連通する燃料ガス出口ポートをさらに有する。燃料入口ポートは、構造の長辺に沿って１列に整列され、ヘッダは、各燃料入口ポートへ燃料を送り出す。オキシダントガス入口ポートに関しても、類似の種類の構成が使用される。燃料ガス出口ポート及びオキシダントガス入口ポートも、モジュラー構体からの排気ガスを搬送するための対応するヘッダとそれぞれ連通する。
【０００５】
スタックを通るガス流（フロー）の分配の均一さを適切にし、かつ、所望の圧力差を確保するために、燃料ガス入口ポート及びオキシダントガス入口ポートをそれぞれ対応するスタック入口マニホルドに接続する配管又は導管に、フローそらせ板が設けられる。さらに、スタックを格納構造から熱絶縁するために、筐体の内部の各スタック及び配管が絶縁される。
【０００６】
格納構造を低温の筐形構造とするためには、燃料シール及びオキシダントシールの両側の圧力差を最小限にするように、格納構造の内側及び外側に熱膨張継手を設ける必要がある。また、燃料電池スタックから筐体内部へのごく少量の漏れを全て排除するために、窒素も供給される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した種類のモジュラーマルチスタック燃料電池構体は要望通りの性能を示した。しかしながら、配管及びそらせ板が必要であるため、各構体は複雑かつ高価でもあった。また、要求される熱絶縁も厳格であるため、各構体のコストはさらに増加した。加えて、パージング（漏れの浄化）のための窒素ガスが必要であるため、別のガスフローが追加され、プロセス制御の必要性が増していた。これらの要因により、設計の際に、従来の構造に代わる複雑でない低コストの構造が求められるようになった。
【０００８】
従って、本発明の目的は、改良されたモジュラーマルチスタック燃料電池構体（アセンブリ）を提供することである。
【０００９】
本発明の別の目的は、スタック間のフロー分配及び差圧に課される必要条件がより単純で費用効率のよい方法により実現されるようなモジュラーマルチスタック燃料電池構体を提供することである。
【００１０】
本発明のさらに別の目的は、入口ポート、出口ポート及び配管に課される必要条件が著しく軽減されるモジュラーマルチスタック燃料電池構体を提供することである。
【００１１】
本発明のさらに別の目的は、構体を絶縁する方法が改善されたモジュラーマルチスタック燃料電池構体を提供することである。
【００１２】
本発明のさらに別の目的は、構体の筐体、並びに筐体への接続及び筐体からの接続が簡単であるモジュラーマルチスタック燃料電池構体を提供することである。
【００１３】
本発明のさらに付加的な目的は、窒素パージを使用する必要がなく、熱絶縁を最小限に抑えかつ配管及び関連する膨張継手の数を減らした上述の種類のモジュラーマルチスタック燃料電池構体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の原理に従えば、上記の目的及び他の目的は、燃料電池スタックが格納構造の内部に配置され、その格納構造内部にガスディストリビュータが設けられ、燃料電池スタックに亘って所望のガスフロー分配及び所望のガス圧力差を実現するように、ディストリビュータが受け取った燃料ガス及びオキシダントガスをスタックに分配すると共に、スタックから排出される燃料ガスを受け取るモジュラーマルチスタック燃料電池構体において実現される。ガスディストリビュータ自体がガスフローを所望の均一な分配としかつ小さな圧力差の実現を促進するように、ディストリビュータは、燃料電池スタックに対して中央で対称に配置されるのが好ましい。
【００１５】
本発明の別の面においては、格納構造は、燃料電池スタックに対してオキシダントガス入口マニホルドとして作用し、各燃料電池スタックの端板は、燃料を燃料電池スタックへと導き、燃料電池スタックから排出燃料ガス及び排出オキシダントガスを受け取るように作用する。本発明のさらに別の面は、燃料電池スタック及びフロー分配配管を絶縁する必要性を軽減するように、格納構造の内面の複数の部分において構体を熱絶縁することと、燃料電池スタックを取り囲む上部筐体及び上部筐体と係合して燃料電池スタックを支持するベース部材から格納構造を形成することと、燃料入口ポート、燃料出口ポート、オキシダントガス入口ポート及びオキシダントガス出口ポートとして個別のポートを使用することと、段付中間部分を有する外壁によりそれらのポートの各々を構成することとを含む。
【００１６】
以下に開示される本発明の実施形態においては、上部筐体は、深皿形であるのが好ましいヘッドと、当該ヘッドから延出しかつ円形又は楕円形の加圧容器であるのが好ましい本体とを含む。ベース部材は、ベースフレームを収容するベースプレートを含む。ベースフレームは、数が４つでありかつ２組の互いに対向するスタックを形成するように配置された燃料電池スタックを支持する。これにより、ガスディストリビュータを、燃料電池スタックの中央に配置し、燃料電池スタックに対して対称に構成することが可能になる。各燃料電池スタックは、３つの面にマニホルドを有する。すなわち、燃料ガスに対して１つの入口マニホルドが設けられ、排出燃料ガス及び排出オキシダントガスに対して、２つの出口マニホルドが設けられる。上部筐体自体は、各スタックの第４の面に対して、オキシダントガス入口マニホルドとして機能する。
【００１７】
ガスディストリビュータは、３つの連続して繋がった部分（セクション）を有する。１つの部分は、燃料を受け取り、各スタックの第１の端板（エンドプレート）に結合された配管に燃料を分配する。その他の部分は、各スタックの第２の端板及び第１の端板に結合された配管を経て、排出オキシダントガス及び排出燃料ガスをそれぞれ受け取る。
【００１８】
格納構造に対する絶縁体が、上部筐体の内壁に設けられ、絶縁体は、複数の層を具備する。絶縁体の各層は、互いに当接する複数の部分に分割（セグメント化）される。セグメントが当接する位置は、層ごとにずれている。層を一体に固定すると共に、層を筐体の内壁に固定するために、クリップ及びピンによる固定構造が使用される。絶縁体において、オキシダントガスとの直接接触を防止するために、薄い板金ライナが使用される。
【００１９】
構造をコンパクトにしかつ絶縁を容易にするために、筐体の壁に設けられる段付燃料入口ポート、段付燃料出口ポート、段付オキシダント入口ポート及び段付オキシダント出口ポートは、筐体の一方の側面に１列に配列される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１〜図１１は、本発明の原理に従ってモジュール化されたモジュラーマルチスタック燃料電池構体１の種々の図を示す。構体（アセンブリ）１は、対向するスタック２及び３、並びに対向するスタック４及び５として示される複数の同様の燃料電池スタックを含む。構体１のその他の構成要素を見ることができるように、図２には、スタック２及び５の図示が省略されている。図３及び図８〜図１０においては、スタック２及び５も見ることができる。
【００２１】
スタック２〜５の各々は、垂直の高さ方向に延出し、格納構造６のベース部分（ベースセクション）７の上に支持される。格納構造は、上部筐体８（図１に示される）をさらに含み、上部筐体８は、燃料電池スタックを取り囲みかつ封入する。ガスフローを分配するためのディストリビュータ（分配器）９は、筐体８内部のスタックに対して中央の位置に配置される。ディストリビュータ９は、燃料電池スタックに対して燃料及びオキシダントを分配するための装置として機能する。
【００２２】
特に、図２を参照すると、ディストリビュータ９は、オキシダント排気ガス部分１１、燃料入口部分１２及び燃料排気ガス部分１３を含み、これらの部分（セクション）は全て垂直方向に整列して配置される。さらに、ディストリビュータ９は、ディストリビュータの各部分に対して、それぞれ対応する燃料成分又はオキシダント成分を導くための配管又は導管を含む。特に、図２及び図８に示されるように、導管１４、１５、１６及び１７は、それぞれ対応するスタック２、４、３及び５からの排出オキシダントガスをオキシダント排気ガス部分１１に導く。導管１８、１９、２１及び２２は、図９に示されるように、燃料入口部分１２からの燃料をスタック４、５、３及び２にそれぞれ導き、導管２３、２４、２５及び２６は、図１０に示されるように、スタック４、５、３及び２からの排出燃料ガスを燃料排出部分１３にそれぞれ導く。
【００２３】
図２及び図７に示されるように、ディストリビュータは、別の導管２７、２８及び２９をさらに含む。これら２つの図及び図１を参照すると、部分１１からのオキシダント排気ガスを搬送する導管２７は、上部筐体８のオキシダントガス排出ポート３１に接続する。上部筐体８の燃料入口ポート３２から燃料を受け取る導管２８は、部分１２に接続する。部分１３からの燃料排気ガスを搬送する導管２９は、上部筐体の燃料ガス排出ポート３３に接続する。
【００２４】
図示される構造の場合、各々の燃料電池スタック２〜５は、例えば、溶融炭酸塩燃料電池スタックのような高温燃料電池スタックである。
【００２５】
本発明によれば、部分（セクション）１１〜１３及び導管１８、１９及び２１〜２９を含むディストリビュータ９は、それ自体、スタック２〜５を通過する所望の均一なガスフロー及び所望の均一な圧力差を促進するのに適している。図示される構造の場合、これは、ディストリビュータ９をスタックの中央に対称に配置することにより実現される。
【００２６】
特に、燃料入口導管２８及び燃料分配部分１２は、全てのスタックに対して共通して使用され、分配部分１２からそれぞれのスタックへ燃料を搬送するために、等しい長さの導管１８、１９、２１及び２２が使用される。同様に、等しい長さの導管１４〜１７が、スタックから共通のオキシダント排気ガス分配部分１１に排出オキシダントガスを導き、このガスは、分配部分１１から共通の導管２７を通って排出される。同様に、等しい長さの導管２３〜２６が、スタックから共通の燃料排気ガス分配部分１３へ燃料排気ガスを搬送し、ガスは、分配部分１３から共通の導管２９を通って排出される。
【００２７】
燃料電池スタック２〜５に亘って均一なオキシダントガスフロー及び均一な圧力降下を確保するために、図１１に示されるように、排気ガスディストリビュータ部分１１の内部に導管２７の延長部分１０が装着される。図示されるように、延長部分は、部分円筒形であり、特に円筒形の半分である。
【００２８】
従って、ディストリビュータ９をこのような構成にすることにより、燃料のフロー分配及びオキシダントのフロー分配が共にさらに均一になる。スタックを通るガスの圧力差もさらに均一になる。従って、ディストリビュータ９の使用によって、均一の流れ及び均一の圧力差を得るための追加構成要素を設ける必要性は著しく減少される。また、フロー分配と関連する総エネルギー損失も最小限に抑えられる。
【００２９】
オキシダント及び燃料のフロー分配を均一にすることに寄与するもう１つの要素は、燃料電池スタック２〜５の端板構体である。それらの端板構体は、従来の燃料電池スタックに採用されていた中空でない（中身の詰まった）端板構造とは異なり、中空流通構造を採用している。特に、図１２は、中空でない上部端板１２１及び下部端板１２２を有する従来の燃料電池スタック１２０を示す。マニホルド１２３は、スタック１２０の燃料電池１２０Ａに供給ガスを導き、マニホルド１２４は、燃料電池からの排気ガスを導く。上下の圧縮板１２５Ａを有する圧縮構体１２５は、スタックの電池を所定の場所に維持する。圧縮板を貫通する上部端子１２６及び下部端子１２７は、端板に接続し、スタックからの電気エネルギーの結合を可能にする。
【００３０】
図１２の従来のスタック１２０においては、端板が中空でないことが１つの原因となって、マニホルドの接続が非対称であるため、均一な流れ（フロー）を供給できない。さらに、端板の構造上、スタック１２０は、追加の電気ヒータを必要とする。
【００３１】
これとは対照的に、本発明の燃料電池スタック２〜５の各々は、上部端板構体６０１及び下部端板構体７０１を含む。図１３、図１４及び図１５Ａ〜図１５Ｄは、スタック２の端板構体を示す。スタック２と同一の構成であるスタック３〜５も、同様の端板構体を有する。以下に説明されるように、端板構体６０１及び７０１は、長さの等しい導管１８、１９、２１及び２２により燃料を容易にスタックに導き、さらに、長さの等しい導管１４〜１７及び長さの等しい導管２３〜２６を介して、排出オキシダントガス及び排出燃料ガスを同様に容易にスタックからそれぞれ導く。
【００３２】
図１３及び図１４を参照すると、スタック２は、オキシダントガスフローと関連する互いに対向する第１の面１０１及び第２の面１０２を有し、燃料ガスフローと関連する互いに対向する第３の面１０３及び第４の面１０４を有する。スタック２は、スタックの面１０２に当接する第１のマニホルド２０２、面１０３に当接する第２のマニホルド２０３及び面１０４に当接する第３のマニホルド２０４をさらに有する。保持構体（図示せず）は、それらのマニホルドをスタックの面に当接する状態に維持し、圧縮板４０２を有する圧縮構体４０１は、スタックの電池２Ａを所定の場所に維持するために、上部端板６０１及び下部端板７０１を圧縮する。圧縮板４０２を貫通する上部端子５０１及び下部端子５０２により、スタックから電気出力を得ることができる。
【００３３】
図１５Ａ〜図１５Ｂは、上部端板構体６０１をさらに詳細に示す。図示されるように、端板構体６０１は、構体の面６０２に複数の入口領域６０３を有する。構体のこの面は、それぞれのスタックの対応するオキシダント排気ガス出口マニホルド２０２からの排出オキシダントガスにより覆われ、それを受け取る。端板構体６０１は、構体を貫通して出口領域６０６まで延出する流路６０４をさらに含むか又は形成する。出口領域６０６は構体の別の面６０５に配置され、図示される構造の場合、面６０５は構体の面６０２に対向する。出口領域６０６は、それぞれのスタックからのオキシダントガスを搬送するディストリビュータ９の導管１４と結合している。構体６０１の端面６０２の縁部は、マニホルド２０２のシールに対応するシール領域を形成する。必要に応じて、長期間の動作中に起こる寸法の変化にさらに対応するために、凹部構造を使用して、それらのシール領域を拡張できる。
【００３４】
また、図示される構造の場合、端板構体６０１の内部に複数の支柱６０７が分散配置されており、それらの支柱６０７は、構体の上面６０８と下面６０９との間に延出する。支柱６０７は、端板構体に機械的強度を与えると共に、面６０８と面６０９とを電気的に接触させる。従って、端板構体は、構体の面６０８に装着されたスタック端子５０１と構体の面６０９に電気的に接触しているスタックの電池との間の電気的接触を確立させる。
【００３５】
図１３及び図１５Ａ〜図１５Ｂに示される端板構体６０１の形態において、構体は、中空の本体として構成される。これは、中空矩形の本体として図示されている。面６０２及び６０５は、本体の互いに対向する側壁により規定される。流路６０４は、本体の内部空間により規定される。面６０８及び６０９は、本体の互いに対向する上壁及び下壁により規定される。
【００３６】
端板構体６０１は中空の構成であるため、その蓄熱部材が削減されている。構体が流通構造であることにより、処理（プロセス）ガスは構体に熱を供給でき、その結果、別個の電気ヒータ及びそれに関連する寄生電力が必要なくなる。このため、端板構体は、熱応答に関して燃料電池スタックのその他の部分に対して、はるかに密接することになる。総重量及び費用は減少され、燃料電池スタックからの利用可能な正味電気出力が増加する。
【００３７】
下部端板構体７０１は、図１４及び図１５Ｃ〜図１５Ｄに詳細に示される。図示されるように、この端板構体は、第１の面７０２を有する。面７０２は、それぞれのスタックに燃料を送り出すディストリビュータ９の導管に結合されるべき入口領域７０３を含む。この面は、スタックからの排出燃料ガスを搬送するディストリビュータ９の導管に結合される出口領域７０４をさらに含む。端板構体７０１は、入口領域７０３と結合する第１の流路７０５をさらに形成する。流路７０５は、入口領域へ送り出される燃料を第２の面７０６へ搬送する。端板構体のこの面は、それぞれのスタックの燃料入口マニホルドと重なり合う。入口領域７０８を有する端板構体の第３の面７０７は、スタックの燃料排気ガス出口マニホルドと重なり合う。端板構体７０１は、入口領域７０８を出口領域７０４に結合する別の流路７０９をさらに形成する。
【００３８】
端板構体７０１は、その内部に、端板構体の互いに対向する面７１２及び７１３の間に結合された複数の内部支柱７１１をさらに含む。それらの支柱は、端板構体６０１の支柱６０７と同様に、構体に機械的強度を与えると共に、面７１２と面７１３とを電気的に接触させる。この接触により、面７１３に装着されたスタック端子５０２に対する電気的接触が確立される。
【００３９】
図１５Ｃ〜図１５Ｄに示される構造の場合も、端板構体７０１は、中空の本体、特に中空矩形の本体の形態をとる。面７０２は、中空の本体の第１の側壁により形成される。面７０６及び７０７は、本体の互いに対向する第２の側壁及び第３の側壁により形成される。流路７０５は、本体の内部を貫通する管により形成される。流路７０９は、本体の内部により形成される。面７１２及び７１３は、本体の互いに対向する上壁及び下壁により形成される。
【００４０】
先に説明した通り、各スタックの端板構体６０１及び７０１がこのように構成されることにより、オキシダント及び燃料は、スタックとの間で端板構体のみを介して導かれることがわかる。ガスフローの接続部は、側面、上面又は底面のいずれに設けられてもよい。スタック２を通るオキシダント及び燃料のフローを、図１３及び図１４を参照しつつ以下で説明する。その他のスタックを通るフローも同様である。
【００４１】
特に、オキシダントガス入口ポート３４を通って上部筐体８に流入したオキシダントガスは、オキシダントガス入口マニホルドとして作用する上部筐体により、スタック２の面１０１へ搬送される。この面は、スタックの燃料電池２Ａのオキシダント流路に対する複数の入口を有する。その後、オキシダントは、燃料電池のそれらの流路を通流する。オキシダント排気ガスは、スタック２の反対側の面１０２においてそれらの流路から排出される。その後、そのスタック面に当接するマニホルド２０２は、端板構体６０１の入口領域６０３を有する面６０２へオキシダント排気ガスを搬送する。オキシダント排気ガスは、さらに、構体を貫通する流路６０４により出口領域６０６へ搬送される。出口領域は、ディストリビュータ９の導管１４（図８を参照）に結合している。導管１４は、ディストリビュータのオキシダント排気ガス部分１１へガスを搬送する。その後、オキシダント排気ガスは、導管２７を経て部分１１を離れ、出口ポート３１を通って上部筐体から出る。
【００４２】
一方、燃料は、燃料入口ポート３２を経て上部筐体に入り、導管２８（図９を参照）を経てディストリビュータの部分１２に導かれる。ディストリビュータの部分１２は、下部端板構体７０１の入口領域７０３（図１４を参照）に結合された導管２２へ燃料を搬送する。燃料は、入口領域から流路７０５を通流する。流路７０５は、燃料を燃料ガス入口マニホルド２０３に供給する。その後、燃料は、スタック２の燃料電池２Ａを通過し、燃料排気ガスは、燃料ガス出口マニホルド２０４に入る。このマニホルドは、端板構体７０１の入口領域７０８を有する面７０７に燃料排気ガスを導く。燃料排気ガスは、入口領域７０８から端板構体の流路７０９を通って流れ、出口領域７０４に到達する。
【００４３】
ガスは、出口領域７０４から出て、ディストリビュータ９の導管２６（図１０を参照）に入り、ディストリビュータの燃料排気ガス部分１３へ搬送される。排気ガスは、導管２９を通って部分１３を離れ、排気ガス出口ポート３３を通って筐体から出る。
【００４４】
端板構体６０１及び７０１がこのような構成であるため、スタック２〜５に対するガスフローの接続は端板構体のみで行われ、マニホルドでは接続は行われないことがわかる。この構成は、マニホルドをスタックから機械的に遮断するので、長期間動作により適する機械構造となっている。また、従来と比較して強度の高い端板への機械的結合は、壁の薄いスタックマニホルドに対して行われていた従来の結合より頑丈である。
【００４５】
図４及び図６は、それぞれ、図１のモジュラーマルチスタック燃料電池構体の格納構造６の立面図及び横断面図である。前述のように、格納構造６は、上部筐体８を支持するベース部分７を含む。
【００４６】
図示される構造の場合、上部筐体８は、円筒形のシェル又は容器本体８Ａと、深皿形のカバー８Ｂ又は上部とを有する。これにより、カバー８Ｂとして肉薄の構造を使用でき、しかも、上部筐体の加圧環境に対応することが可能となる。あるいは、高く積み重ねられたスタックに対応しかつよりコンパクトなレイアウトを実現するために、カバー８Ｂは、平坦な構成を有するように形成されてもよい。
【００４７】
容器本体８Ａの共通垂直線に沿って、オキシダントガス入口ポート３４、オキシダント排気ガス出口ポート３１、燃料入口ポート３２及び燃料排気ガス出口ポート３３が配置される。図４及び図６からわかるように、ポート３１〜３４は、それぞれ、段差を有する中間部分を含むノズルの形態をとる。従って、ポート３４は段の付いた段付中間部分３４Ａを有している。ポート３１は段付中間部分３１Ａを有している。ポート３２は段付中間部分３２Ａを有している。ポート３３は段付中間部分３３Ａを有している。中間部分がこのような形状であることにより、それぞれのノズルは、容器本体８Ａの膨張に対応でき、しかも、ノズルに結合された配管への有効な接続を維持できる。これにより、配管への接続を維持するために、ベローズ又は他の種類の膨張継手を使用する必要がなくなり、その結果、スペースの節約及びコスト低減が実現される。さらに、段付中間部分は、以下に説明するようにノズルを熱絶縁するのを助ける。
【００４８】
特に、図４に示されるように、段付中間部分により形成される領域の空間を円筒形の熱絶縁体の層によって充填できる。このことは、段付中間部分３４Ａを有するノズル３４を拡大して示す図１９にさらに詳細に示される。図からわかるように、円筒形の絶縁層９０１、９０２及び９０３は、段付中間部分３４Ａにより形成される領域の空間を充填する。従って、容器本体の外面を上部筐体により規定される内部空間よりはるかに低い温度に維持するように、ノズルを介して結合される配管を容器本体８Ａの面から熱絶縁できる。
【００４９】
図５に詳細に示されるように、格納容器６の底部分７は、容器支持リング４１及び構造ベース４２を具備する。リング４１は、構造用鋼から製造され、容器本体８Ａ及び構造ベース４２がリング４１にそれぞれ装着される。構造ベース４２は、スタック支持ビーム４３及び４４を具備する。ビームは、グリルパターンを形成するように配置され、スタック２〜５の各々に対して、４本のビーム４４から成るビーム群が１つの矩形支持フレーム４５を形成する。ビーム４３は、互いに交差し、交差領域においてガスディストリビュータ９を支持するように配列される。ビーム４３は、矩形支持フレームの内側角部とも交差する。ビーム４３は、構体１が使用される設備の床に装着され、構体の主要支持構造を形成する。
【００５０】
図１６を参照すると、容器本体８Ａの下方において、スタック２〜５により容器本体８の内部で発生される熱からリング４１内部の領域４１Ａを熱絶縁するために、底部分７は、開口部を覆う熱絶縁床４６（図１６を参照）をさらに含む。この熱絶縁床（フロア）４６も、リング４１により支持される。各スタックの圧縮板が対応する支持フレーム４５のビーム４４に乗ることができるように、熱絶縁床は、スタック２〜５の下端部を通過させるための複数の貫通開口部を有する。従って、熱絶縁体４６の下方の空間は、スタックの圧縮構体の構成要素を収容するために使用される。さらに、スタックと共に使用される全ての電気構成要素、並びに、例えば電気貫入部材などの構体１に貫入される他の部材は、この熱絶縁領域に収容される。熱絶縁床４６は、内部の結露から回収された水を通すための排水路をさらに有する。
【００５１】
底部分７の領域４１Ａを上部筐体８の内部の熱から絶縁することに加えて、上部筐体の外面も筐体内部の熱から熱絶縁されるように、容器本体８Ａ及びトップカバー８Ｂはそれぞれ熱絶縁される。特に、図４、図１７、図１７Ａ、図１８及び図１９に示されるように、容器本体及びトップカバーの内壁に、熱絶縁構体４７及び４８が設けられる。
【００５２】
図からわかるように、構体４７及び４８は、細かい網状のステンレス鋼から形成された結露蓄積層４９をそれぞれ具備する。この層は、筐体の内壁に当接し、壁に付着した全ての水分を蓄積するので、凝縮しかつ滴り落ちる水分を筐体の内部から除去できる。層４９の次に、微孔性シリカなどの疎水性材料から成る層５０が続く。層５０の次に熱絶縁層５１が続き、絶縁層５１の次にステンレス鋼ライニング５２が続く。
【００５３】
図１７Ａに示されるように、熱絶縁層５１は、複数の熱絶縁セグメント５１Ａをそれぞれ具備し、それらのセグメントは、互いに当接して層を形成する。さらに、連続する層のセグメントは、互いに食い違っている。すなわち、位置がずれている（オフセットされている）。図１８及び図１９に示されるように、構体４７及び４８の層をピン５３が貫通しており、ピンは、筐体の内面への溶接などにより装着される。セグメント４７及び４８をピン５３に固定するために、クリップ５４が使用される。１つの層の各セグメントをピンに固定するために、１つのクリップ５４を使用できるが、ピンとクリップとの構成により伝達される熱損失の量を減少するために、１つの層の１つのセグメントを外側の層の重なり合うクリップ留めセグメントによって固定できるようにすることにより、ピンの数を減少できる。
【００５４】
構体４７及び４８が上述のように構成されているため、上部筐体８において発生された熱が筐体の外面に達することは阻止される。従って、燃料電池スタック２〜５が溶融炭酸塩型の燃料電池スタックである場合、その筐体内部の典型的な温度である約１，２００°Ｆという温度を、筐体の外壁では約１００°Ｆまで低下できる。
【００５５】
このように低い温度における上部筐体の外面の保守は、図１９に示されかつ先に説明された上部筐体のノズルの熱絶縁段付中間部分を採用したことにより、さらに容易になる。この絶縁体は、筐体に対して高温のオキシダント及び燃料を搬送する配管を高温ガスにより影響を受けないように絶縁し、それにより、筐体の外面を低温に維持する。
【００５６】
いずれの場合にも、以上説明された構成は、単に、本発明の適用を表現する多くの可能な特定の実施形態を例示するにすぎないことを理解すべきである。本発明の趣旨の範囲から逸脱せずに、本発明の原理に従って多くの多様な他の構成を容易に採用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
本発明の上述の特徴及び面、並びに他の特徴及び面は、添付の図面と関連して以下の詳細な説明を読むことにより、さらに明らかになるであろう。
【図１】図１は、格納構造の上部筐体が所定の場所に配置されている本発明の原理に従ったモジュラーマルチスタック燃料電池構体及びガスフローディストリビュータを示す図である。
【図２】図２は、上部格納構造が取り除かれた図１のモジュラーマルチスタック燃料電池構体を示す図である。
【図３】図３は、格納容器の上部筐体が取り除かれた図１の構体を示す平面図である。
【図４】図４は、図１の構体の格納構造を示す横断面図である。
【図５】図５は、図１の燃料電池構体の格納構造の下部支持ベース部材を示す平面図である。
【図６】図６は、図１の構体の格納構造を示す等角投影横断面図である。
【図７】図７は、図１のガスフローディストリビュータを示す立面図である。
【図８】、
【図９】、
【図１０】図８〜図１０は、図１の燃料電池構体及びガスフローディストリビュータを示す種々の平面図である。
【図１１】図１１は、排出オキシダントガス内部そらせ板が示されるガスフローディストリビュータを示す等角投影図である。
【図１２】図１２は、中実端板を含む従来の燃料電池スタック構体を示す図である。
【図１３】、
【図１４】、
【図１５Ａ】、
【図１５Ｂ】、
【図１５Ｃ】、
【図１５Ｄ】図１３、図１４及び図１５Ａ〜図１５Ｄは、スタックの中空の流通端板の詳細を示す図１の燃料電池構体のスタックを示す図である。
【図１６】、
【図１７】、
【図１７Ａ】、
【図１８】、
【図１９】図１６〜図１９は、図１の燃料電池構体の格納構造において使用される熱絶縁体の詳細を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１７Ａ】
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【図１８】
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【図１９】
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