(57)【要約】本発明は、燃料電池スタックアセンブリ及び燃料電池スタックアセンブリの運転方法の改良に関するものであり、特にガスの流れ及び熱の管理の改良に関するものである。
2010519716.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中間温度固体酸化物燃料電池スタックアセンブリであって、
（ｉ）ベースプレートと、
（ｉｉ）前記ベースプレートに密封して取り付けられ、前記ベースプレートと自体との間にフード空間を形成するフードと、
（ｉｉｉ）前記ベースプレート上に設けられ、前記フードにより取り囲まれる、少なくとも１つの中間温度固体酸化物燃料電池スタックと、
（ｉｖ）前記フード空間の中に向かう少なくとも１つのガス流入口と、
（ｖ）酸化剤供給源及び前記少なくとも１つのガス流入口と連通し、前記酸化剤供給源の酸化剤を前記ガス流入口を通じて前記フード空間に供給するように構成された予熱器と、を備えており、
各燃料電池スタックが少なくとも１つの燃料電池スタック層を有し、各燃料電池スタック層が少なくとも１つの中間温度固体酸化物燃料電池を有し、各燃料電池には酸化剤流入口端部及び排出酸化剤流出口端部が設けられており、
前記少なくとも１つの燃料電池スタックが、
（ａ）前記少なくとも１つの燃料電池スタックの開放マニホールド端部を形成する少なくとも１つの開放マニホールド形ガス流入口と、
（ｂ）少なくとも１つの内部マニホールド形ガス流出口と、を有しており、
使用時に、酸化剤が前記フード空間の中に前記少なくとも１つのガス流入口を通って流れ込み、前記少なくとも１つの燃料電池スタックの外側をまわって前記少なくとも１つの開放マニホールド形ガス流入口へ流れるように、前記フード空間の中に向かう前記少なくとも１つのガス流入口が、前記少なくとも１つの燃料電池スタックの前記開放マニホールド端部から遠く離れた位置に設けられており、前記酸化剤の前記開放マニホールド形ガス流入口への流れ込みに先立って、前記酸化剤と前記少なくとも１つの燃料電池スタック層との間で直接の熱伝達が起こるように構成されており、前記予熱器が、使用時に、前記酸化剤供給源からの酸化剤が、加熱され、前記少なくとも１つの開放マニホールド形に最も近い前記燃料電池の前記流入口端部の前記使用時の運転温度よりも１００℃以下低い温度で前記少なくとも１つのガス流入口を通じて前記フード空間に供給されるように構成されてなる、燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項２】
前記フード空間内に流入口ガス予熱器が設けられていない、請求項１に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項３】
前記少なくとも１つの中間温度固体酸化物燃料電池スタックが、金属担体を有する中間温度固体酸化物燃料電池スタックである、請求項１乃至２のうちのいずれかに記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項４】
前記少なくとも１つの燃料電池スタックが少なくとも１つの内部マニホールド形燃料流入口をさらに有してなる、請求項１乃至３のうちのいずれかに記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項５】
前記少なくとも１つの内部マニホールド形ガス流出口が内部マニホールド形排出燃料流出口であり、前記燃料電池スタックが少なくとも１つの内部マニホールド形排出酸化剤流出口をさらに有してなる、請求項４に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項６】
前記少なくとも１つの内部マニホールド形ガス流出口が、少なくとも１つの内部マニホールド形排出燃料・酸化剤混合流出口を有してなる、請求項４に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項７】
前記少なくとも１つの燃料電池スタック層の外面が、使用時に前記ガスと自体との間で熱伝達を行うように構成された少なくとも１つの突出部をさらに有してなる、請求項１乃至６のうちのいずれかに記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項８】
前記フードの内面及び前記少なくとも１つの燃料電池スタック層の外面のうちの少なくとも１つが、使用時に乱流を引き起こすように構成された少なくとも１つの突出部をさらに有してなる、請求項１乃至７のうちのいずれかに記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項９】
前記燃料電池スタックが、４５０〜６５０℃の使用時運転温度を有してなる、請求項１乃至８のうちのいずれかに記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの中間温度固体酸化物燃料電池スタックが金属により支持されてなる、請求項１乃至９のうちのいずれかに記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のうちのいずれかに記載の燃料電池スタックアセンブリを備えてなる燃料電池スタックシステムアセンブリ。
【請求項１２】
中間温度固体酸化物燃料電池スタックアセンブリの運転方法であって、
前記燃料電池スタックアセンブリが、
（ｉ）ベースプレートと、
（ｉｉ）前記ベースプレートに密封して取り付けられ、前記ベースプレートと自体との間にフード空間を形成するフードと、
（ｉｉｉ）前記ベースプレート上に取り付けられ、前記フードにより取り囲まれる少なくとも１つの中間温度固体酸化物燃料電池スタックと、
（ｉｖ）前記フード空間の中に向かう少なくとも１つのガス流入口と、
（ｖ）酸化剤供給源および前記少なくとも１つのガス流入口と連通し、酸化剤を前記ガス流入口を通じて前記フード空間に供給するように構成された予熱器と、を備えており、
各燃料電池スタックが少なくとも１つの燃料電池スタック層を有し、各燃料電池スタック層が少なくとも１つの中間温度固体酸化物燃料電池を有し、各燃料電池には酸化剤流入口端部及び排出酸化剤流出口端部が設けられ、
前記少なくとも１つの燃料電池スタックが、
（ａ）前記少なくとも１つの燃料電池スタックの開放マニホールド端部を形成する少なくとも１つの開放マニホールド形ガス流入口と、
（ｂ）少なくとも１つの内部マニホールド形ガス流出口と、を有しており、
前記フード空間の中に向かう前記少なくとも１つのガス流入口が前記少なくとも１つの燃料電池スタックの前記開放マニホールド端部から遠く離れた位置に設けられており、
酸化剤を前記フード空間の中に前記少なくとも１つのガス流入口を通して流れ込ませるステップと、
前記少なくとも１つの燃料電池スタックの外側をまわして前記少なくとも１つの開放マニホールド形ガス流入口へ流すステップと、を有しており、
前記酸化剤の前記開放マニホールド形ガス流入口への流れ込みに先立って、前記酸化剤と前記少なくとも１つの燃料電池スタック層との間で直接の熱伝達が起こり、
前記予熱器が、使用時に、前記酸化剤供給源からの酸化剤が、加熱され、前記開放マニホールド形に最も近い前記燃料電池の前記流入口端部の前記使用時の運転温度よりも１００℃以下低い温度で前記ガス流入口を通じて前記フード空間に供給される、中間温度固体酸化物燃料電池スタックアセンブリの運転方法。
【請求項１３】
熱及び電気を生成するために、前記少なくとも１つの中間温度個体酸化物燃料電池上で酸化剤と燃料との電気化学反応を行なうステップをさらに有する、請求項１２に記載の中間温度固体酸化物燃料電池スタックアセンブリの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックアセンブリ及び燃料電池スタックアセンブリの運転方法の改良に関するものであり、特にガス流路及び熱の管理に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本明細書に記載の用語「燃料電池スタックアセンブリ」とは少なくとも１つの燃料電池スタックのことをいい、この少なくとも１つの燃料電池スタックは少なくとも１つの燃料電池スタック層を備え、この少なくとも１つの燃料電池スタック層は少なくとも１つの燃料電池と、燃料及び酸化剤の流入口／流出口の接続部と、燃料及び酸化剤が通流するための流路、または燃料が通流するための流路及び酸化剤が通流するための流路と、使用された燃料及び酸化剤が通流するための流路、または使用された燃料が通流するための流路及び使用された酸化剤が通流するための流路と、燃料電池スタックベースプレートと、この燃料電池スタックベースプレートに密封して取り付けられたフードと、を備えている。燃料電池スタックアセンブリの他の任意選択的な構成部品には、燃料側シールアセンブリ、酸化剤側シールアセンブリ、端板、圧縮システム、燃料電池スタック絶縁体、電気的制御／モニタリング接続部が適宜含まれる。
【０００３】
本明細書に記載の用語「燃料電池スタックシステムアセンブリ」は、システムエレクトロニクスを備えた燃料電池スタックアセンブリのことを意味する。他の任意選択的な構成部品には、改質器（流入燃料が改質される場合）、水回収システム、蒸気発生器ユニット、熱交換器を通流する一方の相変化を選択的に含む少なくとも１つの熱交換器、システムエレクトロニクス及びシステム制御手段、断熱材料、スタートアップバーナ及び排ガス燃焼器が含まれる。
【０００４】
用語「システムエレクトロニクス」には、制御エレクトロニクス及び／又は任意のパワーエレクトロニクスが含まれており、ここでは、少なくとも１つのエレクトロニクスボード及び／又はユニットが、燃料電池スタックアセンブリと一緒に又は別に、または燃料電池スタックアセンブリ内に又は近接して載置される。
【０００５】
用語「システム制御手段」には、ガス及び流体の制御弁及びポンプ、送風器ユニットならびに安全設備が含まれる。
【０００６】
燃料電池スタックアセンブリは、流入口から酸化剤及び燃料を取り入れ、酸化生成物（本明細書では、排出ガスストリームと呼んだり、アノードオフガス及びカソードオフガスと呼んだりする）、熱、及びＤＣ電流の形態をとる電気を生成するように動作する。全体として、燃料電池スタックシステムアセンブリは、システム制御手段と、ＤＣ燃料電池出力を第１の電圧から第２の電圧に変換する及び／又はＤＣ燃料電池出力をＡＣ波形に変換するパワーエレクトロニクスを含むシステムエレクトロニクスとを含む追加の部品をさらに備えることができる。
【０００７】
燃料に対する酸化剤の比が１：１と１０：１との間、さらに一般的には２：１と５：１との間、さらに一般的には２．５：１と４：１との間において、燃料電池スタックを運転させることが一般的である。したがって、運転時、燃料電池スタックを流れる燃料よりも燃料電池スタックを流れる酸化剤ガスの方が多い。過剰な量の酸化剤ガスストリームは、通常、燃料電池の電気化学反応サイトの近くで燃料電池スタックの冷却を可能とすべく用いられる。
【０００８】
当業者にとって、燃料電池の運転効率は燃料電池の電気化学反応時における局部温度と関係があることはよく知られていることである。燃料電池スタックアセンブリの動作では、流入ガスストリームは燃料電池に流れ込む前に加熱される。燃料電池の温度が低すぎるときに流入ガスストリームが流れ込んだ場合、電気化学反応部分の局部温度もまた低いために、燃料電池の効率性及び電力出力が悪影響を受ける場合もある。燃料電池スタックの温度を管理する機能は、燃料電池スタック及びその定格出力の運転効率に重要な影響を与える。ある範囲の運転条件にわたり最も有効な電気化学反応のために正しい温度を確実に維持するために、相当量の技術的努力が、燃料電池スタックの設計及びプラント構成部品と制御プロセスとのバランスの設計に費やされている。典型的な運転条件には、システム始動、定常状態運転、動的負荷変更及びシステム停止が含まれる。
【０００９】
例えば、中間温度固体酸化物燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）デバイスの場合、燃料電池スタックアセンブリ内の燃料電池スタックの燃料電池の電気化学反応は、燃料電池局部温度が４５０−６５０℃の間で最も効率的に動作しうる。燃料電池スタック運転温度は、４５０−６５０℃の範囲であるのが一般的である。燃料電池スタックの有効な運転についていえば、燃料電池スタックの運転温度の温度に近い温度（例えば、℃の単位で、燃料電池スタック運転温度の０−２０％以内に、さらに好ましくは０−１０％以内に、さらに好ましくは０−５％）まで酸化剤及び燃料流入流を加熱することが望ましい。このようなＩＴ−ＳＯＦＣの一例として、セリア−ガドリニウム酸化物（ＣＧＯ）を担持した少なくとも１つの金属をベースにした電解質燃料電池を組み入れた燃料電池スタックが挙げられる。このようなＩＴ−ＳＯＦＣシステムの一例は、燃料電池スタックに流れ込む酸化剤ストリームを約４８０℃の温度まで加熱することができる少なくとも１つの熱交換システムを有しうる。典型的な燃料電池システム設計では、熱交換器システムの出口の酸化剤ストリームの温度は、要求された燃料電池スタックの酸化剤ストリームの流入口温度と実質的に同一となるように設計されているので、燃料電池の流入酸化剤ストリームに対する熱交換は、これ以上必要ではない。典型的なＩＴ−ＳＯＦＣシステムでは、熱交換システム用の加熱ガスは、熱交換器システム流入口の温度が約５１０℃に相当する熱を有しうる。約４８０℃の温度で燃料電池スタックに流れ込む酸化剤ストリームと約５１０℃の熱交換システムの加熱ガス流入口温度との間の熱ポテンシャルが低いので、熱交換器の設計はサイズが大きく、質量が大きいことが必要となる。電力出力が約１ｋＷの燃料電池システムのためのこのような熱交換システムの一例としては、効率は高いが複雑で、かつ、高価であり、重さ約３．５ｋｇの熱交換ユニットが挙げられる。
【００１０】
燃料電池スタックの酸化剤ストリームを加熱するための熱交換システムは、少なくとも二つの熱交換器ユニットから構成されうる。これら少なくとも二つの熱交換ユニットは、燃料電池スタックの酸化剤ストリームのための加熱流体として、少なくとも二つの燃料電池システムガスストリーム（たとえば、アノードオフストリーム及び排ガスバーナオフストリーム）を用いうる。
【００１１】
燃料電池スタックのガス流入ストリームの加熱を可能とするさまざまな熱交換装置が、従来技術（たとえば、米国特許第ＵＳ５９０２６９２号、米国特許第ＵＳ６０４２９５６号及び欧州特許第ＥＰ０５８０９１８号）に記載されている。しかしながら、このようなデバイスについていえば、複雑であり、高価であり、製造が困難であり、とくに、ガスストリームの混合を防ぐためのシール、熱交換面積の制限が問題となっている。
【００１２】
米国特許出願公開第ＵＳ２００５／００８９７３１号には、前改質器及び一体化熱交換器が組み込まれた固体酸化物燃料電池の基本的な特徴を有したシステムが記載されており、この一体化熱交換器には、断熱容器ですべてが取り囲まれた二つの熱交換器及びＳＯＦＣスタックオフガス燃焼器が組み込まれている。
【００１３】
オフガス燃焼器から放出された熱エネルギは、熱交換器内の発熱源として用いられる。ＳＯＦＣは、６５０〜８５０℃の運転範囲が記載されているものの、７５０℃で運転するものとして説明されている。燃料は、３００〜６００℃の温度でプレ改質される（段落［００６３］）。記載された実施形態のほとんどでは、燃料及び空気は、一体化熱交換器内の触媒燃焼器からの熱を用いて（段落［００７９］）、または燃焼器の熱及び燃料電池スタックから排出される空気もしくは燃料からの熱エネルギを用いて（段落［００８０］）、１つ又は複数の熱交換器内で加熱される。
【００１４】
図２１及び図２２には、燃料ガスが、直接スタックに供給される代わりに、スタックの周囲に供給され、燃料電池スタックに流れ込む前に余剰の熱を取得する状況が示されている。しかしながら、この教示の詳細は実施可能ではない。燃料は、当該燃料が燃料電池スタックに流れ込む前に、３００〜６００℃の間（３９５℃、段落［０１２５］）の温度でプレ改質器から燃料電池スタックの周囲に直接供給される。燃料電池スタックは、６５０〜８５０℃の温度、たいがい７５０℃の温度の燃料を必要とする。燃料が、プレ改質器を離れて、燃料電池スタックに流れ込む間にどのようにして充分な熱エネルギを得るのかについての記載はない。１００℃を超える温度上昇を実現するために、燃料は、充分な熱エネルギを得るために充分な時間、スタック領域の空洞に停滞しなければならず、また、このことがどのように達成されるかについての示唆もなければ教示もない。これに加えて、スタックの周囲の空洞がどのように構成されるのか、また、断熱容器を構成する断熱材料からガスの漏れを止めるためにどのように空洞が気密に形成されるのかについての説明はない。このことは些細なことではない。というのは、高温であること及び水素を含む爆発性のガスが存在することは、広い運転温度範囲にわたって完全な気密性を担保するという重大な技術的課題、スタックの周囲と断熱容器の断熱材との間の空洞内の６５０℃を超えるガスに対してでさえ可能でないかもしれないという技術的な課題を呈するからである。
【００１５】
段落［０１０５］では、燃料を燃料電池スタックの周囲で加熱することに代えて、空気を燃料電池スタックの周囲で熱することが述べられている。空気が送風機から燃料電池スタックの周囲に直接供給されることが教示されている。先の場合と同様に、このことは実施可能ではない。第１に、空気は、周囲温度に近い温度で周囲の空洞に流れ込み、その温度を少なくとも６００℃にまで上昇させる必要がある。このことが、どのようにして達成されるかについての示唆または開示はない。また、このことが達成されない場合には、燃料電池スタックは単に運転を停止するだけである。このような温度差のある空気を導入することにより、燃料電池スタックの表面にもたらされた熱衝撃は、深刻な局部的ストレスを生じさせることとなる。このストレスは、その領域内で運転中の燃料電池構成部品の急激な局部冷却及び／又は気密性の完全性もしくはセラミック材料の完全性の損失により、スタックの故障及び／又はスタック性能の損失を引き起こすことになる。
【００１６】
したがって、米国特許出願公開第ＵＳ２００５／００８９７３１号は、関連性はあるものの、その開示内容には基本的に欠陥がある。
【００１７】
他の従来技術としては、米国特許第ＵＳ６６７００６９号、米国特許第ＵＳ６８６６９５４号、米国特許出願公開第ＵＳ２００３／０２３５７５１号、米国特許出願公開第ＵＳ２００４／００４３２６７号、米国特許出願公開第ＵＳ２００５／００１４０４６号、米国特許出願公開第ＵＳ２００５／００７４６５９号、米国特許出願公開第ＵＳ２００６／０２０４７９６号および米国特許出願公開第ＵＳ２００６／０２５７６９６号が挙げられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、従来技術の欠点を克服しようとしたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明によれば、中間温度固体酸化物燃料電池スタックアセンブリが提供されている。この中間温度固体酸化物燃料電池スタックアセンブリは、
（ｉ）ベースプレートと、
（ｉｉ）前記ベースプレートに密封して取り付けられ、前記ベースプレートと自体との間にフード空間（フードボリューム）を形成するフードと、
（ｉｉｉ）前記ベースプレート上に設けられ、前記フードにより取り囲まれる、少なくとも１つの中間温度固体酸化物燃料電池スタックと、
（ｉｖ）前記フード空間に向かう少なくとも１つのガス流入口と、
（ｖ）酸化剤供給源及び前記少なくとも１つのガス流入口と連通し、前記酸化剤供給源からの酸化剤を前記ガス流入口を通じて前記フード空間に供給するように構成された予熱器と、を備えており、
各燃料電池スタックが少なくとも１つの燃料電池スタック層を有し、各燃料電池スタック層は少なくとも１つの中間温度固体酸化物燃料電池を有し、各燃料電池には酸化剤流入口及び排出酸化剤流出口が設けられており、
前記少なくとも１つの燃料電池スタックが、
（ａ）前記少なくとも１つの燃料電池スタックの開放マニホールド端部を形成する少なくとも１つの開放マニホールド形ガス流入口と、
（ｂ）少なくとも１つの内部マニホールド形ガス流出口と、を有しており、
使用時に、酸化剤が前記フード空間の中に前記少なくとも１つのガス流入口を通って流れ込み、前記少なくとも１つの燃料電池スタックの外側をまわって前記少なくとも１つの開放マニホールド形ガス流入口へ流れるように、前記フード空間に向かう前記少なくとも１つのガス流入口が、前記少なくとも１つの燃料電池スタックの前記開放マニホールド端部から遠く離れた位置に設けられており、酸化剤の前記開放マニホールド形ガス流入口への流れ込みに先立って、前記酸化剤と前記少なくとも１つの燃料電池スタック層の外面との間で直接の熱伝達が起こり、前記予熱器は、使用時に、前記酸化剤供給源からの酸化剤が加熱され、前記酸化剤が、少なくとも１つの開放マニホールド形流入口に最も近い燃料電池の流入口端部の使用時の運転温度よりも１００℃以下の温度分だけ低い温度で（すなわち、少なくとも１つの開放マニホールド形流入口に最も近い燃料電池の流入口端部での使用時の運転温度よりも１００℃分だけ低い温度、又は１００℃より小さい温度分だけ低い温度で）、前記少なくとも１つのガス流入口を通じて前記フード空間に供給するように構成されている。
【００２０】
本発明は、指定された温度範囲で酸化剤をフード空間に供給し、フード空間内を加熱することにより、複数の重要な利点を達成しようとするものである。まず、本発明は、酸化剤が燃料電池スタックに流れ込む前に酸化剤を加熱するために用いられる予熱器の構成部品のサイズ及び質量を著しく削減することを可能とすることによって、最終製品のサイズ及びコストを削減しようとしている。少なくとも１つの燃料電池スタックの開放マニホールド形端部から遠く離れたフード空間の中へ酸化剤を供給し、酸化剤が少なくとも１つの燃料電池スタックの表面を冷却し、それにより、酸化剤を加熱することを可能にする。これにより、本発明は、燃料電池スタックを横切る温度勾配を著しく小さくし、それにより、燃料電池スタックの効率を上げ、燃料電池スタックに対する機械的ストレスを減らし、寿命を延ばそうとしている。このことは従来技術により示唆もされていなければ開示もされていない。
【００２１】
出力電力が約１ｋＷの燃料電池システムに必要な熱交換器システムのための上述の具体例とは対照的に、熱交換器システムから流れ出る燃料電池スタックの酸化剤ガスストリームの要求温度が約４８０℃から約４５５℃まで下がった場合、熱交換流体間における熱ポテンシャルの上昇は、熱交換器システムに必要な効率が相当減少し、また、その分だけ複雑さ、コスト及び質量が減少しうることを意味する。上記１ｋＷの出力電力の燃料電池システムの具体例では、質量を約２．５ｋｇにまで削減することができる。ほとんど３０％の削減である。同様に、このような熱交換器システムの物理的な寸法も相当に削減することができ、このことは、空間と重量とが高価であることが多い、燃料電池スタックシステムアセンブリにおいてもう１つの非常に望ましい特徴である。
【００２２】
少なくとも１つの燃料電池を備えた燃料電池スタックは、使用時に、燃料電池において発生する電気化学反応により熱、電気及び水を生成する。燃料電池スタックの構成部品の内部電気抵抗に起因して、電流が燃料電池スタックの構成部品を流れると、さらなる熱が生成される。このことは、燃料電池及びその周囲の燃料電池の構成部品の温度が流入口から流出口までのガス流路に沿って上昇することを意味する。したがって、燃料電池スタックのガス（流体）流路の流入口端部における温度がガス（流体）流出口端部における温度よりも低いということがしばしば観察される。この温度差により、ガス流路に沿って温度勾配が生じ、燃料電池スタック及びその構成部品がガス流の流入口端部と流出口端部との間で異なる温度を有することとなる。したがって、燃料電池スタックの外面は、そのガス流路流入口端部（例えば、開放マニホールド形流入口端部）とその流出口端部（例えば、内部マニホールド形流出口端部）とにおいて温度が異なることになる。
【００２３】
燃料電池スタックの効率的な運転を可能にまたは最適化するために燃料電池スタック内の熱勾配を最小限に抑えることが望ましい。燃料電池スタックにおける、すなわち、少なくとも１つの燃料電池スタック層における温度勾配を削減すると、燃料電池スタックの構成部品に対する熱により誘発された機械的ストレスが削減されることになる。したがって、燃料電池の電気化学的に活性な領域を横切る温度勾配を最小限に抑えることは、燃料電池運転の有効性及び効率に対して有益なだけでなく、システムの複雑さを減らし、システム全体のコストを減らすことができ、そして、システムの信頼性をより向上させることができる。
【００２４】
好ましくは、フード空間の外側に予熱器が設けられる。
【００２５】
好ましくは、燃料電池スタックアセンブリは、フード空間内に流入ガス予熱器も備えなければ流入熱交換システムも備えない。具体的には、フード及び／又はベースプレートは、使用時にフード空間の内側に冷却面とフード空間の外側に加熱面を有し、燃料電池スタックアセンブリ流体流出口、特に、燃料電池スタックの酸化剤側流出口と熱伝達する熱交換器の熱交換面を備えていないことが好ましい。最も好ましくは、フード空間内に設けられた流入ガス予熱器は、酸化剤予熱器ではない。
【００２６】
好ましくは、予熱器は、使用時に、酸化剤供給源からの酸化剤が加熱され、少なくとも１つの開放マニホールド形ガス流入口に最も近い燃料電池の流入口端部における使用時の運転温度よりも８０℃以下の温度分だけ、さらに好ましくは７０℃以下の温度分だけ、さらに好ましくは６０℃以下の温度分だけ、さらに好ましくは５０℃以下の温度分だけ低い温度で、少なくとも１つのガス流入口を通じてフード空間に供給されるように構成される。
【００２７】
明らかなように、燃料電池スタックアセンブリが異なるモード（例えば、始動動作、定常状態動作など）で動作している場合、予熱器は、少なくとも１つの開放マニホールド形ガス流入口に最も近い燃料電池の流入口端部での使用時の運転温度よりも高い温度でフード空間に酸化剤を供給してもよい。
【００２８】
好ましくは、少なくとも１つの燃料電池スタックは、少なくとも１つの内部マニホールド形燃料流入口をさらに有している。
【００２９】
好ましくは、上記の燃料電池スタックは、少なくとも１つの内部マニホールド形排出燃料流出口をさらに有している。
【００３０】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの内部マニホールド形ガス流出口は少なくとも１つの内部マニホールド形排出燃料・酸化剤混合流出口を有している。
【００３１】
用語「直接熱伝達」とは、酸化剤が少なくとも１つの燃料電池スタックの外面と直接接触することを意味する。具体的には、この外面は、少なくとも１つの燃料電池スタック層の面を含むことができる。また、この外面は、相互接続プレート及び／又はスタック層ガスケット又は非伝導性スペーサのような、さらなる燃料電池スタック構成部品の面を含むことができる。
【００３２】
したがって、直接熱伝達は、少なくとも１つの燃料電池スタックの外部からそこを流れる酸化剤へなされ、このことが、少なくとも１つの燃料電池スタックの中へ酸化剤が流れ込む前に酸化剤に最終的に必要な加熱を行うことができる。
【００３３】
フード空間内に向かうガス流入口は、少なくとも１つの燃料電池スタックの開放マニホールド端部から遠く離れた位置に設けられている。好ましくは、フード空間の中に向かうガス流入口は、少なくとも１つの燃料電池スタックの開放マニホールド端部とは反対側の端部に設けられる。少なくとも１つの燃料電池スタックの中に向かう複数の開放マニホールドがある場合、フード空間の中に向かうガス流入口は、これらの開放マニホールドから遠く離れ、かつ、おおむね等距離の位置に設けられていてもよい。
【００３４】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つのガス流入口は単一のガス流入口から構成される。他の実施形態では、少なくとも１つのガス流入口は複数のガス流入口から構成される。
【００３５】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つのガス流入口はベースプレート内に設けられている。他の実施形態では、少なくとも１つのガス流入口はフード内に設けられている。他の実施形態では、ガス流入口は、フード内及びベースプレート内に設けられている。様々な実施形態では、ガス流入口の位置及び数について、燃料電池スタックアセンブリは、ガス流入口からフード空間の中に流れ込むガスの必要な流体分配を促進するために、少なくとも１つのガス流入口と連通して設けられる、少なくとも１つのバッフル、機構又は構成部品をさらに有していることが好ましい。具体的には、少なくとも１つのガス流入口がベースプレート内に設けられている実施形態では、使用時に、燃料電池スタックアセンブリの加熱面全体に亘って流入ガスが通流するように、マニホールド又は構成部品を設けてもよい。これにより、フード空間内における流体の停滞領域の形成の阻止を促進し、また、ガス流の不必要なチャネリングの阻止を促進する。燃料電池スタックの不均一な表面温度を考慮するように流入ガス流の分配を設計することができる。
【００３６】
フードは、少なくとも１つの燃料電池スタックとフード内面との間にクリアランス空間を設けて少なくとも１つの燃料電池スタックを取り囲むように載置される。少なくとも１つの燃料電池スタック、燃料電池スタックベースプレート及びフード内面の間の空間がフード空間を形成している。
【００３７】
好ましい実施形態が下記に記載されている。少なくとも１つの燃料電池スタックの開放マニホールド端部から離れた位置に、フード空間の中に向かうガス流入口を設けることにより、使用時の流入ガスが、開放マニホールド端部に到着する前に少なくとも１つの燃料電池スタック外面の周囲を通流し、この開放マニホールド端部で少なくとも１つの開放マニホールド形ガス流入口の中に流れ込み、少なくとも１つの燃料電池へ通流する。
【００３８】
この構成によれば、従来技術デバイスと比較して拡大された表面領域上の流入ガスと少なくとも１つの燃料電池スタックとの間での熱交換を可能なものとすることにより、簡単で便利な燃料電池スタックアセンブリ設計を通じて最終的に望ましい温度上昇を実現しようとしている。
【００３９】
これに加えて、フード空間の中に向かう少なくとも１つのガス流入口は、少なくとも１つの燃料電池スタックの少なくとも１つの開放マニホールド端部から離れて設けられているので、ガス流入口は、少なくとも１つの燃料電池スタックの少なくとも１つのガス流出口端部に隣接して設けられるのが一般的である。通常、ガス流出口端部は、運転時において少なくとも１つの燃料電池スタックの最高温度領域である。したがって、フード空間の中に向かう酸化剤流入口を通じて流れ込む酸化剤と、少なくとも１つの燃料電池スタックの隣接部と、の間の熱ポテンシャルが高くなり、また、熱交換速度が速くなる。これらのことは、熱交換が比較的高い比率で行われることを意味している。フード空間内のガスが加熱され、少なくとも１つの燃料電池スタックのより冷たい開放マニホールド端部の方向に向けて流れるにつれて、酸化剤と少なくとも１つの燃料電池スタックの隣接部との間の熱ポテンシャルが低くなり、したがって熱交換速度が遅くなり、また、熱交換が少なくなる。全体として、このことは、少なくとも１つの燃料電池スタックのより冷たい開放マニホールド端部では、生じる熱交換が少なく、より熱く、かつ、離れた端部で熱交換がより多く生じることを意味し、このことは、燃料電池スタックを横切る温度勾配が減少しうるということを意味する。
【００４０】
好ましくは、使用時における、フード空間に向かうガス流入口から少なくとも１つの燃料電池スタックの開放マニホールド端部への酸化剤流が、少なくとも１つの燃料電池スタック頂部の上方ではなく、少なくとも１つの燃料電池スタック側面の周囲で主として生じるように、少なくとも１つの燃料電池スタック及びフードは構成されている。
【００４１】
例えば、少なくとも１つの燃料電池スタックの頂部とフードとの間に狭いギャップを形成することにより、使用時に、少なくとも１つの燃料電池スタックの頂部を横切って通流する酸化剤を、このギャップが抑制するように、少なくとも１つの燃料電池スタック及びフードが寸法付けされる。これに代えて、壁を少なくとも１つの燃料電池スタックの頂部とフードとの間をシールするように、該燃料電池スタックの頂部の周囲に形成し、酸化剤流を遮断するように構成することができる。好ましくは、このような壁は、少なくとも１つの燃料電池スタックからフードへの熱伝達を削減又は最小限に抑えるために断熱される。また、これに代えて、少なくとも１つの燃料電池スタックの頂部を横切って通流する酸化剤流を減少又は阻止するように、燃料電池スタックの頂部とフードとの間に断熱ブロックが設けられていてもよい。好ましくは、少なくとも１つの燃料電池スタックとフードとの間でシールを形成し、燃料電池スタック頂部の上方の酸化剤流を阻止するように、このような断熱ブロックがフードと接触する。これに代えて、少なくとも１つの燃料電池スタックとフードとの間にシールを形成し、燃料電池スタックの頂部上の酸化剤流を阻止するように、フードが燃料電池スタックの頂部と接触するようにしてもよい。
【００４２】
好ましくは、少なくとも１つの燃料電池スタックがその頂部に端板を備えており、このような端板を、例えば、使用時の流体流に影響を与える腕部、指部、壁部又は本体を規定することによって、少なくとも１つの燃料電池スタック頂部の上方の酸化剤流を制御するような形状及び寸法に形成することができる。
【００４３】
このことは、燃料電池スタックの中央部と端部との間の温度勾配を小さくする上で非常に有利となりうる。複数の燃料電池スタック層、すなわち、複数の燃料電池からなる燃料電池スタックは、積層方向に沿った電池間の温度勾配を最小限に抑えた場合、高い効率で運転することとなる。この目的達成のため、燃料電池スタックの頂部及び底部の燃料電池スタックの端板からの熱損失の削減が重要な利点であると証明されている。したがって、燃料電池スタックの端板上方のフード空間内の酸化剤流を最小限に抑えることは、端板からフード空間の酸化剤へ放出される熱量を減らすことにより、この目的の達成を補助することになる。端板とフードとの間の断熱材料からなりうる物理的バリアを用いることにより、頂部における端板の上方の通流を最小限に抑えることができる。
【００４４】
燃料電池スタックは、使用時には、大量の熱を発生するが、効率的な燃料電池の電気化学動作を可能とするためには、当該熱は、取り除かなければならない。少なくとも１つの燃料電池スタックに流れ込む流入ガスは、スタック内を冷やす重要な役割を果たしている。このことは、燃料電池スタックを横切って過剰の量の酸化剤（たとえば、燃料の酸化に必要となる量の少なくとも、例えば２倍、３倍又は４倍量のモル体積の酸素）を流すことにより通常達成される。しかしながら、このことは、酸化剤を燃料電池スタックシステムアセンブリに流すための、例えば、送風機に対してエネルギを消費することが必要となる。このため、少なくとも１つの燃料電池スタックから流入ガス、特に、酸化剤、への熱交換総量に対して何らかの改善があれば、要求される熱交換に必要となるガス量を削減することができ、これにより、燃料電池スタックシステムアセンブリの電力消費量を削減することができる。少なくとも１つの燃料電池スタックの外面を熱交換面として提供することは、流入ガスの単位体積当たりの熱交換量を増やすという点で有利となり、このため、必要となる流入ガスの量を減らすことができるという点においてさらに有利となりうる。
【００４５】
フードの基部をベースプレートに密封して接続することは、溶接、ろう付け又は接着により行われることが好ましい。燃料電池スタックアセンブリは、ベースプレートとフードとの間に設けられる断熱材料をさらに有していることが好ましい。これは、ガスケットの形態をとることが好ましい。したがって、ガスケットは、フードとベースプレートとの間に配置される。ガスケット圧縮手段が必要なシールを形成するために用いられる。このようなガスケットは、蛭石ガスケット又はバイトン（ｖｉｔｏｎ）ガスケットのような断熱性及び気密性を有したガスケットであることが好ましい。したがって、フードは、ベースプレートを通じて少なくとも１つの燃料電池スタックからの熱伝達を遮断することができる。
【００４６】
好ましくは、フードには、その内面及び外面のうちの少なくとも１つに配置された絶縁材料が設けられている。このことは、少なくとも１つの燃料電池スタックからフードを断熱するようにさらに作用し、フードからその外側の構成部品への熱伝達を削減するようにも作用する。
【００４７】
フード空間内のガス流をさらに促進するために、フード空間の中に向かうガス流入口には少なくとも１つのバッフルが設けられていることが好ましい。
【００４８】
好ましくは、フードにはフード空間の中へ延びている少なくとも１つのバッフルが設けられており、この少なくとも１つのバッフルは、フード空間内の流体の流れを制御するような形状及び寸法に形成されている。具体的には、少なくとも１つのバッフルは、少なくとも１つの燃料電池スタック頂部の上方での流体の流れの発生を阻止することができる。
【００４９】
これに代えて、フードには、流体の流れの方向を制御し、及び／又は、少なくとも１つの燃料電池スタック頂部の上方とは反対に、少なくとも１つの燃料電池スタックの周囲の流体の流れを促進するために、リブ部又は指部のような、少なくとも１つの更なる表面特徴機構を設けることができる。
【００５０】
上述のように、少なくとも１つの燃料電池スタック及びフードは、フード空間内の流体の流れを制御するような寸法に形成されていることが好ましく、少なくとも１つの燃料電池スタック頂部の上方ではなく、その周囲で流体の流れを促進するような寸法に形成されていることが好ましい。
【００５１】
フードがプレス加工した製品として製造される場合、使用時の流体の流れの制御を行うためのフード内の適切な表面特徴機構を規定するために絞り角度（ｄｒａｗ  ａｎｇｌｅ）を用いることができる。
【００５２】
少なくとも１つのバッフルは、少なくとも１つの燃料電池スタック面の近傍にガス流を案内するように設計されることが好ましい。
【００５３】
燃料電池スタックアセンブリは、少なくとも１つの燃料電池スタックの開放マニホールド端部と、該開放マニホールド端部から遠く離れた位置に配置されフード空間の中に向かう少なくとも１つのガス流入口と、の間の位置に設けられ、フード空間の中に向かう少なくとも１つの更なるガス流入口を備えることが好ましい。このような少なくとも１つの更なるガス流入口は、少なくとも１つの燃料電池スタックの開放マニホールド端部の方向に向かうガス流を促進するように、位置決めされ、寸法決めされ、形状決めされ、その使用時のガス流が制御されうる。また、更なるガス流は、フード空間中のガス流量を制御し、変更し、また、少なくとも１つの燃料電池スタックにおける、少なくとも１つの開放マニホールド端部へ流れ込むガスの温度を変更するために用いられうる。例えば、燃料電池システムの停止中、少なくとも１つの更なるガス流入口ポイントに流れ込むガスは、少なくとも１つのガス流入口ポイントから流れ込むガスよりも著しく冷たくなり得る。これにより、燃料電池スタックの温度の低下を著しく促進し、システム停止時間を短縮することとなる。
【００５４】
少なくとも１つの燃料電池スタック層の外面からの伝熱をさらに促進するために、さらなる特徴機構を提供することができる。これらのさらなる特徴機構には、例えば、少なくとも１つの燃料電池スタック層（少なくとも１つの燃料電池を有していることが好ましい）から延びるフィン、指部又は腕部のような突出部が含まれ、熱交換が起こるさらなる面を提供し、及び／又は、スタック表面の近傍のガス流内に乱れを促進して伝熱を向上させる。
【００５５】
フードと少なくとも１つの燃料電池スタック層又はそこからの任意の突出部もしくはその表面の特徴機構との間のクリアランスは、その特徴機構を横切るガス流、すなわち熱伝達を促進するように構成されていることが好ましい。
【００５６】
好ましくは、少なくとも１つの成型された形（ｆｏｒｍｅｄ  ｓｈａｐｅ）が、ガス流内の乱れを促進するために、少なくとも１つの燃料電池スタック層の縁部上に設けられる。
【００５７】
運転温度が低いためにシステム運転効率が最適なものになっていないシステムの始動を促進するために、フードには、フード空間内の使用時の流体（具体的には、ガス）が少なくとも１つの燃料電池スタックの開放マニホールド端部に流れ込む前に、さらに具体的には、フード空間の中へ放出される前に加熱されるように構成されたヒータ、好ましくは電気ヒータが設けられている。好ましくは、ヒータは、フードの内面上、又はフードの外面上に取り付けられる。ヒータは、ケトル要素（ｋｅｔｔｌｅ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ）に用いられている材料に類似する材料から作られてもよい。これに代えて、フードは、電流を流すと温かくなる誘電体材料から作られてもよい。
【００５８】
いくつかの実施形態では、このような電気ヒータは、フード空間の中に流れ込む使用時の酸化剤（例えば、空気）がヒータ要素上を流れるように、ガス分配構成部品（例えば、フード空間の中に向かう酸化剤流入口又は流れ分配デバイス）に包まれ、その回りに載置されもしくは配設され、またはその中に収容されるヒータ要素の形態をとっている。いくつかの実施形態では、ヒータは予熱器の構成部分である。
【００５９】
好ましくは、フードの内面には、少なくとも１つの開放マニホールド形ガス流入口の中に流れ込む前に、使用時の酸化剤から硫黄を取り除くための硫黄吸収材料又は硫黄吸着材料が設けられている。例えば、自動車用補助電源に用いるために残留硫黄を取り込むにあたって、硫黄吸収材料または硫黄吸着材料は、都市の汚れた空気内で燃料電池システムを動作させることに伴うレベルの硫黄を取り込むことができる。
【００６０】
好ましくは、フードの内面には、使用時に供給される酸化剤からクロム種を取り除くことにより燃料電池カソードのＣｒ毒作用の可能性を小さくするためのＣｒ吸着材料又はＣｒ吸収材料物質が、例えばコーティングの形態で設けられている。
【００６１】
好ましくは、フード空間は、使用時に少なくとも１つの燃料電池スタックとガスとの間の熱伝達を増強させる熱伝導性を有するメッシュ状又は網目状の繊維、又はフィラーにより少なくとも部分的に充填されている。より好ましくは、このような材料は電導性を有していない。より好ましくは、このような材料は、硫黄吸収材料及び硫黄吸着材料のうちの少なくとも１つで被膜されている。
【００６２】
好ましくは、燃料電池スタックアセンブリには、フード空間の外側に少なくとも１つのガス熱交換システムがさらに設けられている。より好ましくは、少なくとも１つのガス熱交換システムは、少なくとも１つの内部マニホールド形ガス流出口と連通している熱交換デバイスを備えており、また、使用時に、流出ガス流を加熱流体として用いる。フード空間の中に流入するガスは冷却流体として用いられる。このことは、流入ガス及び内部マニホールド形ガス流出口によって、少なくとも１つのガス熱交換システムの密接に特殊で、かつ、熱的な結合（ｃｌｏｓｅ  ｓｐｅｃｉａｌ  ａｎｄ  ｔｈｅｒｍａｌｃｏｕｐｌｉｎｇ）を可能とすることができる。
【００６３】
好ましくは、燃料電池スタックの性能をさらに向上させるために、流入燃料も燃料電池スタックに流れ込むまえに加熱される。好ましくは、このことは、排出燃料流を内部マニホールド形燃料流出口に沿って、ガス対ガス熱交換器と、水蒸気を取り除き熱を回収するための少なくとも１つの凝縮熱交換器と、を通流することにより達成される。したがって、現在乾燥している排出燃料流は未反応の燃料ガスを含んでおり、未使用の化学エネルギ内に保持されている熱エネルギは、未反応の燃料ガスをバーナへ通流させ、バーナで、内部マニホールド形酸化剤流出口に沿って通流した排気酸化剤と混合し、燃焼させることによって回収される。このことにより、高温のバーナオフガスが生成され、その後、好ましくは流入燃料を加熱するための熱源を提供するために用いられる。いくつかの実施形態では、この熱エネルギは流入燃料の吸熱性水蒸気改質をサポートするために用いられる。そして、バーナオフガスは、任意の始動バーナユニットに流れ込み、ついで、流入ガス熱交換システムに流れ込む前に、吸熱性水蒸気改質に必要な蒸気を生成するための蒸気生成ユニットに通流されることが好ましい。
【００６４】
このような複数の熱交換ステップが提供される場合、できるだけ多くそれらを熱的に直結（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ  ｃｌｏｓｅ  ｃｏｕｐｌｅ）することが、特に有利であり、かつ、望ましい。例えば、上述の熱交換ユニットと化学反応ユニットとを少なくとも１つの組み合わされたユニットとして提供すると、燃料電池スタックシステムアセンブリのサイズを縮小することが可能となる。例えば、蒸気発生器、燃料改質装置及び改質流体冷却器を組み合わせて１つのユニットとして提供することができる。好ましくは、このような一又は複数デバイスは、ベースプレートの燃料電池スタック側とは反対側の下面に直接接続される。したがって、ガス流路の長さが著しく縮小され、ガス管接続部品の数が最小限に抑えられることにより、部品の数及び接続部からの漏洩の危険性が抑えられ、システムアセンブリが単純化される。
【００６５】
好ましくは、少なくとも１つの燃料電池スタックは、金属担体を有する中間温度固体酸化物燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）スタックであり、さらに好ましくは米国特許第ＵＳ６７９４０７５号に教示されたものである。
【００６６】
好ましくは、フードは、少なくとも１つの層のプラスチック、セラミック又は金属、もしくは少なくともこれらの材料のうちの２つ、例えば、プラスチックで被覆された金属製フードから作られる。さらに好ましくは、フードは、ステンレス鋼から造られる。例えば、深絞り、曲げ加工及び溶接、ろう付又は鋳造により形成される燃料電池が低温用途の場合、フードは適切なプラスチック材料から射出成形されることが望ましい。
【００６７】
好ましくは、フードは、その内側及び外側のうちの少なくとも一方側で、さらに好ましくは外側で断熱される。適切な断熱層は、限定するわけではないが、巻きつけられた層又は対向するように形成されている層が含まれる。また、適切な断熱層は、複数の層及び複数の断熱材料から造られてもよい。好ましくは、中間温度又は高温の燃料電池システムの場合、多重の層からなる断熱部材が提供されており、この多重の層からなる断熱部材は、運転温度に耐えることができる第１の比較的嵩高の内側層（たとえば、Ｍｉｃｒｏｔｈｅｒｍ社（米国、テネシー州）より販売されている断熱材）と、この第１の又は内側断熱層の外側の運転状態に耐えることができるＡｓｐｅｎ  Ａｅｒｏｇｅｌ（Ａｓｐｅｎ  Ａｅｒｏｇｅｌ社、米国、マサチューセッツ州）を有する第２の薄い外側層とを備えている。全体として、これは、全体的な断熱容積を削減するとともに、外側層の断熱運転温度範囲外の温度に耐えることができる断熱を実現するという利点を提供することができる。
【００６８】
本発明は、並行流、対向流及び直交流を含むさまざまなガス流路構成を用いる燃料電池スタックアセンブリに同様に適用可能である。
【００６９】
また、本発明により、本発明に係る燃料電池スタックアセンブリを備えた燃料電池スタックシステムアセンブリが提供されている。
【００７０】
また、本発明に係る中間温度固体酸化物燃料電池スタックアセンブリの運転方法が提供されている。当該方法は、中間温度固体酸化物燃料電池スタックアセンブリの運転方法であって、
この燃料電池スタックアセンブリが、
（ｉ）ベースプレートと、
（ｉｉ）前記ベースプレートに密封して取り付けられ、前記ベースプレートと自体との間にフード空間（フードボリューム）を形成するフードと、
（ｉｉｉ）前記ベースプレート上に設けられ、前記フードにより取り囲まれる、少なくとも１つの中間温度固体酸化物燃料電池スタックと、
（ｉｖ）前記フード空間に向かう少なくとも１つのガス流入口と、
（ｖ）酸化剤供給源及び前記少なくとも１つのガス流入口と連通し、前記酸化剤供給源からの酸化剤を前記ガス流入口を通じて前記フード空間に供給するように構成された予熱器と、を備えており、
各燃料電池スタックが少なくとも１つの燃料電池スタック層を有し、各燃料電池スタック層は少なくとも１つの中間温度固体酸化物燃料電池を有し、各燃料電池には酸化剤流入口及び排出酸化剤流出口が設けられており、
前記少なくとも１つの燃料電池スタックが、
（ａ）前記少なくとも１つの燃料電池スタックの開放マニホールド端部を形成する少なくとも１つの開放マニホールド形ガス流入口と、
（ｂ）少なくとも１つの内部マニホールド形ガス流出口と、を有しており、
前記フード空間の中に向かう少なくとも１つのガス流入口が、前記少なくとも１つの燃料電池スタックの開放マニホールド端部から離れた位置に設けられており、前記酸化剤をフード空間の中に前記少なくとも１つのガス流入口を通して流れ込ませるステップと、前記少なくとも１つの燃料電池スタックの外側をまわって前記少なくとも１つの開放マニホールド形ガス流入口へ通流するステップと、を有しており、前記酸化剤が開放マニホールド形ガス流入口への流れ込みに先立って、前記酸化剤と前記少なくとも１つの燃料電池スタック層との間で直接の熱伝達が起こり、前記予熱器は、使用時に、前記酸化剤供給源からの酸化剤が加熱され、開放マニホールド形に最も近い燃料電池の流入口端部の使用時の運転温度よりも１００℃以下低い温度でガス流入口を通じてフード空間に供給される。（すなわち、少なくとも１つの開放マニホールド形に最も近い燃料電池の流入口端部での使用時の運転温度よりも１００℃分だけ低い温度又は１００℃より小さい温度分だけ低い温度で）。
【００７１】
好ましくは、係る方法は、熱及び電気を生成するために、少なくとも１つの中間温度固体酸化物燃料電池上で酸化剤と燃料との電気化学反応を行なうステップを有している。
【００７２】
本発明は、例示のみを意図して燃料電池スタックアセンブリの形式を示す添付の図面のいくつかの図を参照する下記の記載からさらに明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明に係る燃料電池スタックアセンブリを示す部分切り欠き側面図である。
【図２】図１の燃料電池スタックアセンブリ内の酸化剤流体の流れ示す図である。
【図３】図１の燃料電池スタックアセンブリ内の酸化剤流体の流れを示すＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図４】単一の燃料電池スタック層を示すＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。
【図５】酸化剤熱交換システムをさらに組み入れた、さらなる燃料電池スタックアセンブリを示す部分切り欠き側面図である。
【図６】酸化剤流入口がフード内に設けられた、他の燃料電池スタックアセンブリを示す図である。
【図７】酸化剤流入口がフードとベースプレートとの内部に設けられた、他の燃料電池スタックアセンブリを示す図である。
【図８】酸化剤流入口がベースプレート内に設けられた、流れ分布デバイスをさらに備えている他の燃料電池スタックアセンブリを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００７４】
燃料電池および燃料電池スタックアセンブリの教示は、当業者にとって周知となっており、米国特許第ＵＳ６７９４０７５号、国際特許出願公開第ＷＯ０２／３５６２８号、国際特許出願公開第ＷＯ０３／０７５３８２号、国際特許出願公開第ＷＯ２００４／０８９８４８号、国際特許出願公開第ＷＯ２００５／０７８８４３号、国際特許出願公開第ＷＯ２００６／０７９８００号および国際特許出願公開第ＷＯ２００６／１０６３３４号に開示されている。これらは、ここで参照することによってそれらの全内容を本明細書に援用するものとする。
【００７５】
燃料電池スタックアセンブリ１の第１の実施形態では、固体酸化物燃料電池１０が複数の燃料電池スタック層２０から組み立てられている。各燃料電池スタック層２０は１つの燃料電池３０を収容している（他の実施形態では、図示していないが、各燃料電池スタック層２０は複数の燃料電池３０を収容している）。各燃料電池は、燃料電池金属基板３４上に取り付けられ、燃料電池基板多孔質領域３６を覆うアノード３１と、電解質３２と、カソード３３と、を備えている。燃料電池基板多孔質領域３６は燃料電池基板非多孔質領域３５に取り囲まれている。導電性のある相互接続プレート３７は燃料が通流するためのマニホールドを提供している。第１の燃料電池スタック層２０の金属基板３４は、絶縁ガスケット３８によって、隣接する第２の燃料電池スタック層の相互接続プレート３７に直接電気的接触をしないようにされている。
【００７６】
燃料電池スタック１０はベースプレート４０上に取り付けられている。また、フード５０は、燃料電池スタック１０の上方に置かれ、ベースプレート４０と密封して係合し、ベースプレート４０とフード５０との間にフード空間６０を形成し、その内部に燃料電池スタック１０を収容している。
【００７７】
燃料電池スタック１０には、開放マニホールド形酸化剤流入口７０が設けられ、これは、燃料電池スタック１０の開放マニホールド端部８０を形成している。また、各燃料電池スタック層２０も、（燃料電池の排出酸化剤流出口端部に対応する、単一の燃料電池を有する燃料電池スタック層のための）内部マニホールド形酸化剤流出口９０を有している。各燃料電池スタック層２０は、この流出口９０と共に、各々がベースプレート４０内のチャネル（図示せず）を貫通する内部マニホールド形燃料流入口１００及び内部マニホールド形燃料流出口１１０を有している。
【００７８】
ベースプレート４０には、開放マニホールド端部８０とは反対側にある燃料電池スタック１０の端部に設けられているフード空間６０の中に向かう酸化剤流入口１２０がさらに設けられている。
【００７９】
使用時、燃料１３０は、ベースプレート４０を貫通する内部マニホールド形燃料流入口１００を介して燃料電池３０のアノード電極側に供給される。
【００８０】
酸化剤（空気）１４０は、燃料電池スタック１０の開放マニホールド端部８０とは反対側端部にある酸化剤流入口１２０を流れてフード空間６０に流れ込む。伝熱遮断流制限デバイス１５０は、燃料電池スタック１０の端板１６０の頂部の上方に設けられ、フード５０に接触して端板１６０とフード５０との間の空気流を防ぐような寸法に形成されている。使用時、空気流は、フード空間６０内において、酸化剤流入口１２０から燃料電池スタック１０の側面に沿って開放マニホールド端部８０へと向かい、燃料電池スタック１０の中へと流れ込む。矢印２１０は酸化剤１４０の流れを示している。
【００８１】
燃料電池スタック端板１６０は、頂部側端板であり、ベースプレート４０は底部側端板として機能する。必要なガスシール及び電気接続を担保するように、少なくとも１つの燃料電池スタックを圧縮するための圧縮手段が必要に応じて設けられている。適切な圧縮システムとしては、国際特許出願第ＷＯ２００７／０８５８６３号に教示され、参照されている圧縮システムが含まれる。
【００８２】
燃料電池スタック１０の外面１７０には、フィン（図示せず）の形態をしている突出部が設けられており、これらのフィンは、燃料電池スタック１０の側面上の空気流を促進するような、及び燃料電池スタック１０の外側と酸化剤１４０との間の熱伝達を促進するような、形状及び寸法に形成されている。
【００８３】
酸化剤１４０は約４５５℃の初期温度でフード空間６０の中に流れ込む。内部マニホールド形酸化剤流出口９０での燃料電池スタック１０の流出口運転温度は約６００℃である。開放マニホールド形酸化剤流入口７０に最も近い燃料電池３０の流入口端部は、定常状態における使用時運転温度が約５００℃である。許容できる運転効率を達成するために、酸化剤１４０は、開放マニホールド形酸化剤流入口７０の中に流れ込む前に、少なくとも４８０℃の温度まで加熱される。酸化剤１４０の加熱は、燃料電池スタック１０の外面とフード５０の内面１９０と接触し、熱交換することによって行われる。
【００８４】
この実施形態では、内部マニホールド形酸化剤流入口７０は、各燃料電池スタック層２０について別個の開放マニホールド形流入口を有している。他の実施形態（図示せず）では、内部マニホールド形酸化剤流入口７０は、各燃料電池スタック層に対して複数の開放マニホールド形流入口を有している。さらに他の実施形態（図示せず）では、内部マニホールド形酸化剤流入口７０は、複数の燃料電池スタック層に対して単一の開放マニホールド形流入口を有している。
【００８５】
少なくとも４８０℃の温度の酸化剤１４０が、開放マニホールド形酸化剤流入口７０の中に流れ込み、燃料電池３０のカソード電極側に供給され、電気化学反応が起こる。この電気化学反応では、酸化剤１４０がカソードで反応し、燃料１３０がアノードで反応し、熱、水及び電気エネルギが生成される。電気エネルギは電気回路上の負荷（図示せず）を流れる。
【００８６】
次いで、反応した燃料１３０は、燃料電池スタック１０の開放マニホールド端部８０から遠く隔れた側にある内部マニホールド形燃料流出口１１０を通じて燃料電池３０及び燃料電池スタック層２０から流れ出し、ベースプレート４０を通り抜ける。次いで、反応した酸化剤１４０は、燃料電池スタック１０の開放マニホールド端部８０から遠く隔れた側にある内部マニホールド形酸化剤流出口９０を通じて燃料電池３０および燃料電池スタック層２０から流れ出し、ベースプレート４０を通り抜ける。
【００８７】
したがって、燃料電池スタック１０のうち、内部マニホールド形燃料流出口１１０及び内部マニホールド形酸化剤流出口９０を通じてオフガス（酸化剤１２０及び燃料１３０）が燃料電池スタック１０から流れ出る側は、高温の排気ガスにより加熱されるので最高温度にあり、開放マニホールド端部８０は、流入口酸化剤１４０ストリームに熱を奪われるので最も冷たくなる。したがって、燃料電池スタック１０の開放マニホールド端部８０から遠く隔れた外側と、酸化剤流入口１２０からフード空間６０の中に流れ込む酸化剤１４０との間に、最も大きな熱ポテンシャルが存在する（そして、最も大きな熱交換が生じる）。
【００８８】
この熱交換は、燃料電池スタック１０の長さに沿った温度勾配を減らすように作用するため、燃料電池スタック１０に役立つように作用する。また、この熱交換は、燃料電池スタックアセンブリ１上の機械的ストレスを減少させ、空気を高温で開放マニホールド形の酸化剤流入口７０の中に流れ込ませるために必要となるものに比べて、予熱器２００のサイズ及び質量を縮小することを可能とする。
【００８９】
図５に示されているように、燃料電池スタック１０、ベースプレート４０及びフード５０が、大型燃料電池スタックシステムアセンブリのうちの一部を形成していて、この燃料電池スタックシステムアセンブリは、酸化剤熱交換システム（予熱器）２００を有しており、酸化剤熱交換システムは、内部マニホールド形燃料流出口１１０に沿って流れる廃棄燃料１３０を加熱流体として、酸化剤流入口１２０を経て、通流する酸化剤１４０を約４５５℃の初期流入口温度まで上昇させる。典型的な従来の燃料電池スタックシステムアセンブリの酸化剤熱交換システムでは、燃料電池スタック１０に流れ込む前に約４８０℃まで酸化剤の温度を上昇させなければならない。酸化剤予熱器に対する熱負荷を減少することにより、熱交換システム２００のサイズ、質量、コスト及び複雑さを著しく減らすことができる。
【００９０】
燃料電池スタック１０の性能をさらに向上させるため、流入口燃料１３０も燃料電池スタック１０に流れ込む前に加熱される。このことは、排出燃料１３０ａを内部マニホールド形燃料流出口１１０からガス対ガス熱交換器（２９０）、及び水蒸気を除去し、熱を回収するための少なくとも１つの凝縮熱交換器３００に通流させることにより達成される。したがって、乾燥した排出燃料１３０ｂの流れは未反応の燃料ガス１３０を含んでおり、未使用の化学エネルギ内に保持されている熱エネルギは、排出燃料１３０ｂに含まれる燃料ガスを、内部マニホールド形酸化剤流出口９０に沿って流れる排気酸化剤１４０ａと共にバーナ（３１０）へ流すことによって回収される。次いで、高温バーナオフガス３２０は、流入燃料１３０を加熱するための熱源を提供するために用いられる。いくつかの実施形態では、この熱エネルギは、流入燃料１３０の改質器ユニット３３０における吸熱水蒸気改質をサポートするために用いられている。次いで、バーナオフガスは、水供給源２７０を用いて蒸気２８０を生成するための蒸気生成ユニット３４０に通流される。バーナオフガスが蒸気生成ユニット３４０に通流されることは、選択的な始動バーナユニット（図示せず）に供給され、その後、酸化剤熱交換システム２００に供給される前に、接触改質に必要である。
【００９１】
本実施形態では、燃料電池スタック端板１６０とフード５０の下面との間に伝熱遮断流制限デバイス１５０が取り付けられている。この伝熱遮断流制限デバイスは、端板１６０を横切って流れる流体の流れを遮断し、燃料電池スタック１０からフード５０を熱的に遮断するようになっている。
【００９２】
これに加えて、フード５０のベースとベースプレート４０との間には、燃料電池スタック１０からフード５０をさらに熱的に絶縁するために、気密性及び断熱性を有した蛭石ガスケット２３０が設けられている。
【００９３】
フード５０の外側にある構成部材に対する絶縁が、Ｍｉｃｒｏｔｈｅｒｍ  Ｆｒｅｅｍｏｕｌｄｉｎｇ製品である比較的厚い内側絶縁層２４０とＡｓｐｅｎ  Ａｅｒｏｇｅｌ  Ｐｙｒｏｇｅｌ（登録商標）の比較的薄い外側絶縁層２５０とにより、さらに提供されている。これらの絶縁層全体で、フード５０に対する必要な断熱が達成されており、このような断熱が、内側絶縁層２４０の材料のみを用いた場合に必要となる容積と比べて少ない絶縁材料の容積で実現されている。
【００９４】
図４には、説明の便宜上拡大された燃料電池スタック層２０とさらなる燃料電池スタック層２１とを示すＢ−Ｂ’線（図３）に沿った断面図が示されている。図面から分かるように、空気１４０が、酸化剤流入口１２０から燃料電池スタックアセンブリ１に流れ込むようになっている。酸化剤流入口１２０は、燃料電池スタック１０の開放マニホールド形酸化剤流入口７０とは反対側（すなわち、それから遠く隔れた位置）に設けられている。次いで、空気１４０は、燃料電池スタック１０の側面をまわって通流して（燃料電池スタック１０頂部の上方の流体の流れは、燃料電池スタック端板１６０の頂面とフード５０との間に位置するとともに接触している気密性及び断熱性を有する蛭石ガスケット１５０により遮蔽されている）、加熱される。そして、空気１４０は、燃料電池スタック層２０の開放マニホールド形酸化剤流入口７０へ流れ、中間温度固体酸化物燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）３０のカソード３３上を通流し、その間に、電気化学反応により、熱、酸化物及び電気が生成され、その後、空気１４０はマニホールド９０を通じて排出される。燃料１３０は、内部マニホールド形燃料流入口１００を通じて燃料電池スタック１０に流れ込み、燃料電池基板多孔質領域３６の下を通過して、燃料電池のアノード３１を通流し、その間に、電気化学反応により、熱、酸化物（主として、酸化炭素類及び水）、及び電気を生成する。次いで、排出燃料１３０は、内部マニホールド形燃料流出口１１０を通じて燃料電池スタック１０から排出される。
【００９５】
各燃料電池スタック層２０は、導電性を有する相互接続プレート３７を備えており、この相互接続プレートは、マニホールドを提供し、隣接する燃料電池スタック１０の構成部材との電気的な接触を可能とする。燃料電池金属基板３４は、相互接続プレート３７の頂部に取り付けられ、燃料電池基板非多孔質領域３５と隣接している燃料電池基板多孔質領域３６を有している。したがって、流体は多孔質領域３６を通り抜けて流れることができる。多孔質領域３６の上には、燃料電池３０が取り付けられている。燃料電池アノードが多孔質領域３６を覆っており、そして、燃料電池電解質３２がアノード３１及び多孔質領域３６の上方にまで延びていて、流体が、多孔質領域３６を通り抜けて、燃料電池３０の燃料側から燃料電池３０の酸化剤側へ流れないようになっている。燃料電池カソード３３は燃料電池電解質３２の上に取り付けられている。
【００９６】
導電性を有する電導線（図示せず）が、燃料電池カソード３３から延び、伝導性を有する相互接続プレート３７と電気的に接触し、電気回路を形成している。回路には負荷が加えられる。燃料電池スタック層２０の上にはさらなる燃料電池スタック層２１が設けられており、燃料電池金属基板３４から隣接する燃料電池スタック層２１の導電性を有する相互接続プレート３７への電気的短絡が電気絶縁ガスケット３８により防がれており、また、この電気絶縁ガスケットがさらなる燃料電池スタック層２１に機械的な支えをさらに提供している。
【００９７】
さらなる実施形態（図６）では、複数の酸化剤流入口１２０がベースプレート４０ではなくフード５０内に設けられている。この構成は、ガスの流れ及び分配、特にガスの流れにおける停滞領域の形成を阻止することを容易にしている。
【００９８】
さらなる実施形態（図７）では、複数の酸化剤流入口１２０がフード５０及びベースプレート４０設けられており、また、先の例と同様に、これは、ガスの流れ及び分配、特にガスの流れにおける停滞領域の形成を阻止することを容易にするために行われている。
【００９９】
図８の実施形態では、複数の酸化剤流入口１２０がベースプレート４０に設けられており、流れ分配デバイス２６０が、フード空間６０の全体にわたって流入口１２０からのガスの流れの分配を容易にするように設計された多孔質金属製チューブを備えたものとして提供されている。他の実施形態（図示せず）では、フード分配デバイス２６０が、高多孔性のセラミック材料で構成されていて、フード５０を形成しているセクションを構成している。
【０１００】
いうまでもなく、本発明を上述の実施形態にのみ限定することを意図しておらず、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく他の多くの実施形態が当業者にとって極めて明らかである。
【符号の説明】
【０１０１】
１  燃料電池スタックアセンブリ  
１０  固体酸化物燃料電池スタック  
２０  燃料電池スタック層  
２１  さらなる燃料電池スタック層  
３０  燃料電池  
３１  燃料電池アノード  
３２  燃料電池電解質  
３３  燃料電池カソード
３４  燃料電池金属基板
３５  燃料電池基板非多孔質領域  
３６  燃料電池基板多孔質領域  
３７  導電性を有する相互接続プレート
３８  電気的絶縁ガスケット  
４０  ベースプレート  
５０  フード  
６０  フード空間  
７０  開放マニホールド形酸化剤流入口
８０  開放マニホールド端部  
９０  内部マニホールド形酸化剤流出口  
１００  内部マニホールド形燃料流入口  
１１０  内部マニホールド形燃料流出口  
１２０  酸化剤流入口  
１３０  燃料  
１３０ａ  排出燃料
１３０ｂ  乾燥排出燃料
１４０  酸化剤（空気）  
１４０ａ  排出酸化剤
１５０  断熱ブロック  
１６０  燃料電池スタック端板  
１７０  燃料電池スタックの外面  
１９０  フードの内面  
２００  酸化剤熱交換システム  
２３０  気密性、かつ、断熱性を有する蛭石ガスケット  
２４０  内側絶縁層  
２５０  外側絶縁層  
２６０  流れ分配デバイス  
２７０  水  
２８０  蒸気  
２９０  ガス−ガス熱交換器  
３００  熱交換器の圧縮
３１０  排ガスバーナ  
３２０  バーナオフガス  
３３０  蒸気改質器  
３４０  蒸気発生器  
３５０  冷却流体流入
３６０  冷却流体流出
【図１】
2010519716.tif 000003
【図２】
2010519716.tif 000004
【図３】
2010519716.tif 000005
【図４】
2010519716.tif 000006
【図５】
2010519716.tif 000007
【図６】
2010519716.tif 000008
【図７】
2010519716.tif 000009
【図８】
2010519716.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成21年10月27日(2009.10.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６７】
好ましくは、フードは、その内側及び外側のうちの少なくとも一方側で、さらに好ましくは外側で断熱される。適切な断熱層は、限定するわけではないが、巻きつけられた層又は対向するように形成されている層が含まれる。また、適切な断熱層は、複数の層及び複数の断熱材料から造られてもよい。好ましくは、中間温度又は高温の燃料電池システムの場合、多重の層からなる断熱部材が提供されており、この多重の層からなる断熱部材は、運転温度に耐えることができる第１の比較的嵩高の内側層（たとえば、Ｍｉｃｒｏｔｈｅｒｍ社（米国、テネシー州）より販売されている断熱材）と、この第１の又は内側断熱層の外側の運転状態に耐えることができるＡｓｐｅｎ  Ａｅｒｏｇｅｌ（登録商標）（Ａｓｐｅｎ  Ａｅｒｏｇｅｌ社、米国、マサチューセッツ州）を有する第２の薄い外側層とを備えている。全体として、これは、全体的な断熱容積を削減するとともに、外側層の断熱運転温度範囲外の温度に耐えることができる断熱を実現するという利点を提供することができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９３】
フード５０の外側にある構成部材に対する絶縁が、Ｍｉｃｒｏｔｈｅｒｍ（登録商標） フリーモールドの比較的厚い内側絶縁層２４０とＡｓｐｅｎ  Ａｅｒｏｇｅｌ  Ｐｙｒｏｇｅｌ（登録商標）の比較的薄い外側絶縁層２５０とにより、さらに提供されている。これらの絶縁層全体で、フード５０に対する必要な断熱が達成されており、このような断熱が、内側絶縁層２４０の材料のみを用いた場合に必要となる容積と比べて少ない絶縁材料の容積で実現されている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９４】
図４には、説明の便宜上拡大された燃料電池スタック層２０とさらなる燃料電池スタック層２１とを示すＢ−Ｂ’線（図３）に沿った断面図が示されている。図面から分かるように、空気１４０が、酸化剤流入口１２０から燃料電池スタックアセンブリ１に流れ込むようになっている。酸化剤流入口１２０は、燃料電池スタック１０の開放マニホールド形酸化剤流入口７０とは反対側（すなわち、それから遠く隔れた位置）に設けられている。次いで、空気１４０は、燃料電池スタック１０の側面をまわって通流して（燃料電池スタック１０頂部の上方の流体の流れは、燃料電池スタック端板１６０の頂面とフード５０との間に位置するとともに接触している気密性及び断熱性を有する蛭石ガスケット２３０により遮蔽されている）、加熱される。そして、空気１４０は、燃料電池スタック層２０の開放マニホールド形酸化剤流入口７０へ流れ、中間温度固体酸化物燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）３０のカソード３３上を通流し、その間に、電気化学反応により、熱、酸化物及び電気が生成され、その後、空気１４０はマニホールド９０を通じて排出される。燃料１３０は、内部マニホールド形燃料流入口１００を通じて燃料電池スタック１０に流れ込み、燃料電池基板多孔質領域３６の下を通過して、燃料電池のアノード３１を通流し、その間に、電気化学反応により、熱、酸化物（主として、酸化炭素類及び水）、及び電気を生成する。次いで、排出燃料１３０は、内部マニホールド形燃料流出口１１０を通じて燃料電池スタック１０から排出される。
【国際調査報告】
2010519716.tif 000011
2010519716.tif 000012
2010519716.tif 000013