特開 2023-63254 グロープラグ及び固体酸化物燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023063254

(43)【公開日】2023-05-09

(54)【発明の名称】グロープラグ及び固体酸化物燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   F23Q 7/22 20060101AFI20230427BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20230427BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20230427BHJP

   B60L 50/70 20190101ALN20230427BHJP

【ＦＩ】

F23Q7/22 620C

H01M8/04 Z

H01M8/12 101

B60L50/70

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2022167256

(22)【出願日】2022-10-19

(31)【優先権主張番号】202141048332

(32)【優先日】2021-10-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】IN

(31)【優先権主張番号】17/965,334

(32)【優先日】2022-10-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】514116578

【氏名又は名称】ブルーム エネルギー コーポレイション

(74)【代理人】

【識別番号】100137338

【弁理士】

【氏名又は名称】辻田 朋子

(72)【発明者】

【氏名】シン， ビベック クマール

(72)【発明者】

【氏名】パテル， シッダールト

(72)【発明者】

【氏名】ペトルーチャ， マイク

(72)【発明者】

【氏名】アルセロナ， ニック

(72)【発明者】

【氏名】リー， ジュンイ

【テーマコード（参考）】

5H125

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H125AA01

5H125AC07

5H125FF08

5H126BB06

5H127AA07

5H127AC06

5H127BA02

5H127EE16

(57)【要約】      （修正有）

【課題】高温に適したグロープラグの耐用期間をより長くなるように設計することを目的とする。
【解決手段】グロープラグは、第一の端部と第二の端部を有するハウジング６１０と、前記ハウジング内に長手方向に配置され、前記ハウジングの第二の端部から前記第一の端部に向けて延び、前記ハウジングの外側に伸びて燃料を着火する加熱体６０８と、前記加熱体と電気的に接続する一対のコイル状ワイヤ６１６と、を備え、前記一対のコイル状ワイヤは、前記ハウジングの前記第二の端部から延び、前記ハウジングの前記第二の端部の内部には、前記一対のコイル状ワイヤと前記加熱体との電気的接続を確保するポッティングコンパウンド６１４が配置してあり、前記ハウジングと前記加熱体とを気密にするように設けられる封止部材６１２とを備え、前記封止部材は、前記ポッティングコンパウンドの上に配置されているグロープラグ。
【選択図】図６Ｂ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

固体酸化物燃料電池システム用のグロープラグであって、
第一の端部と第二の端部を有するハウジングと、
前記ハウジング内に長手方向に配置され、前記ハウジングの第二の端部から前記第一の端部に向けて延び、前記ハウジングの外側に伸びて燃料を着火する加熱体と、
前記加熱体と電気的に接続する一対のコイル状ワイヤと、を備え、
一対の前記コイル状ワイヤは、前記ハウジングの前記第二の端部から延び、
前記ハウジングの前記第二の端部の内部には、一対の前記コイル状ワイヤと前記加熱体との電気的接続を確保するようにポッティングコンパウンドが配置してあり、
前記ハウジングと前記加熱体とを気密にするように設けられる封止部材とを備え、
前記封止部材は、前記ポッティングコンパウンドの上に配置されているグロープラグ。

【請求項2】

前記ポッティングコンパウンド内において、前記封止部材の下方に配置された絶縁体リングをさらに備える請求項1に記載のグロープラグ。

【請求項3】

前記封止部材がリング状構造またはアングルドスリーブ構造である、請求項1に記載のグロープラグ。

【請求項4】

前記ハウジングは、オーステナイト系ニッケル・クロム超合金製である請求項1に記載のグロープラグ。

【請求項5】

前記封止部材は、前記ハウジング及び前記加熱体とろう付けにより取り付けられている請求項1に記載のグロープラグ。

【請求項6】

グロープラグが設けられる固体酸化物燃料電池システムであって、
前記グロープラグは、第一の端部と第二の端部を有するハウジングと、
前記ハウジング内に長手方向に配置され、前記ハウジングの第二の端部から前記第一の端部に向けて延び、前記ハウジングの外側に伸びて燃料を着火する加熱体と、
前記加熱体と電気的に接続する一対のコイル状ワイヤと、を備え、
一対の前記コイル状ワイヤは、前記ハウジングの前記第二の端部から延び、
前記ハウジングの前記第二の端部の内部には、一対の前記コイル状ワイヤと前記加熱体との電気的接続を確保するポッティングコンパウンドが配置してあり、
前記ハウジングと前記加熱体とを気密にするように設けられる封止部材とを備え、
前記封止部材は、前記ポッティングコンパウンドの上に配置されている固体酸化物燃料電池システム。

【請求項7】

前記封止部材は、下方の前記ポッティングコンパウンドの中に配置される絶縁体リングをさらに備える、請求項6に記載の固体酸化物燃料電池システム。

【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するものであり、より具体的には、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システム用のグロープラグに関するものである。

【背景技術】

【0002】

固体酸化物燃料電池などの燃料電池は、燃料に蓄えられたエネルギーを高い効率で電気エネルギーに変換できる電気化学デバイスである。高温型燃料電池には、固体酸化物燃料電池と溶融炭酸塩形燃料電池がある。これらの燃料電池は、水素および/または炭化水素燃料を使用して動作することができる。また、固体酸化物形再生燃料電池のように、電気エネルギーを入力として酸化した燃料を還元して酸化していない燃料に戻す逆方向の操作が可能な燃料電池もある。

【0003】

燃料電池は、燃料に点火するためのグロープラグを有する。現在のグロープラグは、特に自動車用として設計され、主に自動車で燃料に点火するためのものある。一方、市販されているグロープラグの多くは、単電極方式である。また、ＳＯＦＣシステムでは、グロープラグ本体は加熱体から完全に絶縁されている必要がある。

【0004】

高温に適したグロープラグの耐用期間をより長くなるように設計する技術的ニーズがある。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0005】

以下の様々な実施形態は、固体酸化物燃料電池（SOFC）システム用のグロープラグに関するものである。前記グロープラグは、第一の端部と第二の端部とを有するハウジングを備える。前記グロープラグは、前記ハウジング内の長手方向に配置され、前記ハウジングの第二の端部から第一の端部に向かって延び、燃料に点火するために前記ハウジングから外側に延びる加熱体をさらに含む。さらに、前記グロープラグは、前記加熱体に電気的に接続された一対のコイル状ワイヤを含む。前記一対のコイル状ワイヤは、ハウジングの第二の端部から延びている。さらに、前記グロープラグは、前記一対のコイル状ワイヤと前記発熱部材との電気的結合を確保するために、前記ハウジングの第二の端部内に配置されたポッティングコンパウンドを含む。さらに、前記グロープラグは、前記ハウジングと前記加熱体との間に気密に接続を形成するように配置された封止部材を含む。前記封止部材は、前記ポッティングコンパウンドの上に配置される。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1A】本発明の実施形態に係るＳＯＦＣシステムのベース部を示す三次元切断面図である。

【図1B】本発明の実施形態に係るＳＯＦＣシステムの断面を模式的に示す図である。

【図2】本発明の他の実施形態に係るＳＯＦＣシステムのベース部を示す三次元切断面図である。

【図3】本発明の他の実施形態に係るＳＯＦＣシステムのベース部を示す三次元切断面図である。

【図4】本発明の様々な実施形態に係るＳＯＦＣシステムのベース部を示す三次元切断面図である。

【図5】本発明の様々な実施形態に係るＳＯＦＣシステムのガスケット及びフレームの分解斜視図である。

【図6A】本発明の実施形態に係るＳＯＦＣシステムのグロープラグを示す説明図である。

【図6B】本発明の実施形態に係るグロープラグの要素の説明図である。

【図6C】本発明の実施形態に係る、グロープラグの要素のｍｍ単位での物理的測定をした結果を示す説明図である。

【図6D】本発明の実施形態に係る、グロープラグの内部形状の詳細を示す図である。

【図7A】本発明の実施形態に係る、グロープラグと異なる要素を示す図である。

【図7B】本発明の実施形態に係る、グロープラグと異なる要素を示す図である。

【図7C】本発明の実施形態に係る、グロープラグと異なる要素を示す図である。

【図7D】本発明の実施形態に係る、グロープラグと異なる要素を示す図である。

【図8A】本発明の他の実施形態に係る、グロープラグの要素を示す図である。

【図8B】本発明の他の実施形態に係る、グロープラグの要素を示す図である。定をした結果を示す説明図である。

【図9A】本発明の実施形態に係る、グロープラグと異なる要素を示す図である。

【図9B】本発明の実施形態に係る、グロープラグと異なる要素を示す図である。

【図9C】本発明の実施形態に係る、グロープラグと異なる要素を示す図である。

【図9D】本発明の実施形態に係る、グロープラグと異なる要素を示す図である。

【図10A】本発明の他の実施形態に係る、グロープラグの要素を示す図である。

【図10B】本発明の他の実施形態に係る、グロープラグの要素のｍｍ単位での物理的測定をした結果を示す説明図である。

【図11A】本発明の実施形態に係る、グロープラグの異なる要素を示す図である。

【図11B】本発明の実施形態に係る、グロープラグの異なる要素を示す図である。

【図11C】本発明の実施形態に係る、グロープラグの異なる要素を示す図である。

【図11D】本発明の実施形態に係る、グロープラグの異なる要素を示す図である。

【図12A】本発明の他の実施形態に係る、グロープラグの要素を示す図である。

【図12B】本発明の他の実施形態に係る、グロープラグの要素をｍｍ単位での物理的測定をした結果を示す説明図である。

【図13A】本発明の他の実施形態に係る、グロープラグの異なる要素を示す図である。

【図13B】本発明の他の実施形態に係る、グロープラグの異なる要素を示す図である。

【図13C】本発明の他の実施形態に係る、グロープラグの異なる要素を示す図である。

【図13D】本発明の他の実施形態に係る、グロープラグの異なる要素を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

本明細書で参照される図面は、特に注記される場合を除き、縮尺通りに描かれていると理解されるものではなく、かかる図面は、本質的に例示的なものに過ぎない。
以下の説明では、説明のために、本開示の完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が記載されている。しかしながら、当業者には、これらの具体的な詳細がなくても本開示を実施できることは明らかである。周知の構成要素及び処理技術の説明は、本明細書の実施形態を不必要に不明瞭にしないように省略される。本明細書で使用される例は、単に、本明細書の実施形態が実施され得る方法の理解を促進し、当業者が本明細書の実施形態を実践することをさらに可能にすることを意図している。したがって、実施例は、本明細書の実施形態の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

【0008】

本明細書における「一の実施形態」又は「ある実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、又は特性が、本開示の少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書の様々な個所に現れる「一の実施形態において」という言及は、必ずしも全てが同一の実施形態を言及しているものではなく、また、別個のまたは代替の実施形態が同一の実施形態と相互に区別されているものでもない。さらに、ある実施形態によって示され、他の実施形態によって示されない様々な特徴が記載されていてもよい。同様に、ある実施形態の要件であって他の実施形態の要件でない様々な要件が記載されていてもよい。

【0009】

さらに、以下の説明には、図面に対する例示の目的で多くの詳細が含まれているが、当業者であれば、当該詳細部分に対する多くの変形および／または変更が本開示の範囲内であることを理解するであろう。同様に、本開示の特徴の多くは、互いに、または相まって説明されているが、当業者であれば、これらの特徴の多くが、他の特徴から独立して提供され得ることを理解しうる。したがって、本開示のこの説明は、本開示に対する一般性を損なうことなく、また、本開示に制限を課すことなく記載される。

【0010】

例示的な実施形態の以下の詳細な説明は、添付の図面と共に読むとより良く理解される。本開示を説明する目的で、本開示の例示的な構造が図面に示されている。しかしながら、本開示は、本明細書に開示された特定の装置または用具および器具に限定されるものではない。さらに、当業者であれば、図面が縮尺通りでないことを理解されよう。可能な限り、同様の要素は、同一の番号で示されている。

【0011】

高い動作効率を維持するためには，燃料電池の動作中に適温を維持する必要がある。しかし、燃料電池のホットボックス内における層内の隙間や計装用フィードスルー穴は、大きな熱漏れを引き起こし、望ましくない温度変動をもたらす可能性がある。さらに、高温動作や温度の変動によって、燃料電池の部品にストレスや損傷を与える可能性がある。

【0012】

グロープラグなどの部品は、貫通孔から挿入することができる。
グロープラグは、ＳＯＦＣの運転を維持するための熱を供給する発熱部材を有する燃料電池の部品である。グロープラグは通常、グロープラグアセンブリのハウジング内に収容された反応チャンバに挿入されることが多い。グロープラグは、貫通孔を通してＳＯＦＣ反応室に供給されるため、反応室に挿入されるグロープラグまたは発熱部材は、発熱部材と、発熱部材を支持し挿入を容易にするハウジングとの間で発生し得る熱の漏れを防止するために密閉される必要がある。
さらに、反応チャンバ内またはその近傍の部品は、極端な動作温度や極端な温度変動にさらされることがある。極端な温度条件や温度変化のため、ハウジング部品と加熱体との間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の差は、発熱部材にマイクロクラックの形成につながる応力を引き起こすことがあり、発熱部材の寿命を短くし、漏れを生じさせ、ＳＯＦＣの動作信頼性と寿命を低下させる可能性がある。

【0013】

本発明の実施形態は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システム、並びにグロープラグ及び／又はグロープラグアセンブリを密封する方法にとして記載され、高温ＳＯＦＣシステムの動作中の温度サイクル又は変動に対する耐性を提供し、グロープラグの故障を低減する。さらに、本明細書に開示されるような断熱材を使用して高温ＳＯＦＣシステムの動作中に安定した温度を維持することによって、熱効率及び電気効率の両方が改善され、これらのシステムにおいてグロープラグ故障の可能性が低減され得る。実施形態からは、熱効率を向上させるために注液式断熱材を含むＳＯＦＣシステムを任意に得られる。注入可能な断熱材の1つのタイプは、ＳＯＦＣハウジングの開口部に注入することができるが、硬化すると高温耐性材料に固化する流体である「フリーフロー」断熱材であってよい。あるいは、注液式断熱材は、硬化させる必要のない流動性のある断熱材であってもよい。
高温燃料電池システムのベース部分を絶縁する1つの方法は、２０１２年１月５日に出願された米国特許出願第１３／３４４，３０４号に開示されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。この方法から得られる結果は、図１Ａに示されている。燃料電池スタック（図示せず）は、ベース断熱材５０１で満たされたベースパン５０２の上に位置するスタック支持ベース５００の上に配置される。スタック支持ベース５００は、シール要素のうちの1つを不要にする橋渡し管９００を含む。橋渡し管９００は、セラミックのような電気絶縁材料で作られてもよく、あるいは、ベースパン５０２の外側でセラミックチューブに接合される導電材料で作られてもよい。橋渡し管９００を用いることで、空気が漏れる経路をなくすことができる。スタックからの集電体／電気端子９５０は、スタック支持ベース５００の上から、微多孔質板からなるベース断熱材５０１を通り、ベースパン５０２の外に出て、橋渡し管９００内に配線される。橋渡し管９００をベースパン５０２に固定するために、板金製のリテーナ５０３を用いてもよい。以下にさらに詳細に説明する実施形態では、グロープラグの電気配線のための挿入点及びルーティングを提供するために、同様の構成が採用されてもよい。グロープラグが挿入される実施形態では、電気配線は、グロープラグの外部側からホットボックスの外側ハウジング３００の側壁３３０を通って、またはベースパン５０２を通って延びてもよい。

【0014】

橋渡し管９００は、スーパーウール９０１及び／又は注型断熱材９０２で基部を断熱してもよい。注型断熱材９０２は、橋渡し管９００の周囲のスタック支持ベース５００の開口部に注がれ、硬化すると耐熱材料に固化する、「フリーフロー」断熱材であってもよい。注型断熱材９０２は、橋渡し管９００の周りのベースキャビティの１０体積％未満を充填する。他の実施形態では、注型断熱材９０２は、乾燥した固体粒状粒子でできている。グロープラグアセンブリのための導管およびグロープラグアセンブリへの電気接続も、グロープラグ要素への熱変動および熱曝露を低減するために、同様の方法で絶縁することができる。

【0015】

図１Ｂは、ＳＯＦＣシステム１００の第１実施形態を示す断面図である。ＳＯＦＣシステム１００は、スタック支持ベース５００（又はベースプレート）上に配置された燃料電池スタック９の１つ以上のカラム１１を含む。各燃料電池スタックは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許出願１３／３４４，３０４に記載されているように、１つ以上の燃料電池を含む。燃料マニホールド４０４は、カラム１１の燃料電池スタック９の間に配置されてもよい。燃料電池スタック９のカラム１１は、スタック支持ベース５００上に位置し、中央プレナム１５０を中心に配列されてもよい。中央プレナム１５０は、アノード冷却器熱交換器及び／又はアノード排気ガス回収器（図示せず）などの改質器及び／又は熱交換器などの様々なプラント調整用構成要素を含んでもよい。ＳＯＦＣシステム１００の中央プレナム１５０は、燃料注入管１５２、酸化剤注入管１５４、及び燃料／酸化剤排出管１５６（例えば、酸化剤排気によって酸化された燃料排気を含むアノードテールガス酸化剤の排出）も含む。

【0016】

また、ＳＯＦＣシステム１００は、燃料電池スタック９のカラム１１の外周部付近に配置されたカソードレキュペレータ２００を含む。ＳＯＦＣシステム１００の熱損失を防ぐために、カソードレキュペレータ２００とＳＯＦＣシステム１００の外側ハウジング３００（例えば、ホットボックス）の側壁３３０との間の隙間に、弾力性断熱層２１０が設けられてもよい。ＳＯＦＣシステム１００をさらに断熱するために、弾力性断熱層２１０とＳＯＦＣシステム１００の外側ハウジング３００の側壁３３０との間の隙間２５０に、コンプライアント断熱層２６０が設けられてもよい。弾力性断熱層２１０は、任意の適切な断熱性弾力的材料、例えば、注入可能な材料、フリーフロー材料又は固体粒状材料で作られている。
コンプライアント断熱層２６０は、任意の適切な材料、例えば、耐熱フェルト、紙、又はウールで作られている。本明細書で使用される、「コンプライアント」材料は、損傷なしに少なくとも１０体積％圧縮及び膨張する材料である。スタック支持ベース５００、外側ハウジング３００のベースパン５０２の底壁３３２、および外側ハウジング３００の側壁３３０によって少なくとも部分的に規定されるベースキャビティ１０２（図３にも図示）は、以下に詳細に記載するように、マイクロポーラスボード、注型断熱材９０２、またはこれらの組み合わせなどのベース断熱材（スーパーウール９０１）で充填されてもよい。例示的な実施形態では、マイクロポーラスボードは、ベース断熱材５０１として外側ハウジング３００のベースキャビティ１０２の体積の１／４以下を充填する。

【0017】

ＳＯＦＣの動作中の熱変動によって、薄い外側ハウジング３００（例えば、金属ハウジング）は、ＳＯＦＣシステムのより巨大な内部構成要素（例えば、スタック）よりも急速に膨張及び収縮する可能性がある。また、断熱シェル／コンプライアント、及び／又は外側ハウジング３００、及び／又はカソードレキュペレータの疲労及び損傷をもたらす可能性がある。さらに、弾力性断熱層２１０と外側ハウジング３００の側壁との間の隙間２５０にコンプライアント断熱層２６０がない場合、外側ハウジング３００の側壁３３０がＳＯＦＣシステムの内部コンポーネントよりも速く膨張すると、耐圧縮性（すなわち、弾力性）のある注型の弾力性断熱層２１０がＳＯＦＣシステムから抜け出すのに十分なギャップが発生しうる。しかし、弾力性断熱層２１０と外側ハウジング３００の側壁との間の隙間２５０にコンプライアント断熱層２６０を追加することによって、ＳＯＦＣシステムの内部構成要素の膨張によって生じる応力を吸収し、それによって外側ハウジング３００、カソードレキュペレータ２００を保護し、外側ハウジング３００がＳＯＦＣシステムの内部構成要素より速く膨張する場合、弾力性断熱層２１０及び／又はコンプライアント断熱層２６０が膨張して形成される隙間を充填する。
他の実施形態では、ベースキャビティの少なくとも３０ｖｏｌ．％、好ましくは少なくとも５０％、より好ましくは３０〜１００ｖｏｌ．％、例えば５０〜７５ｖｏｌ．％が注型断熱材で充填される。

【0018】

図２は、ＳＯＦＣシステムの別の例示的な実施形態を示している。この実施形態では、スタック支持ベース５００の下方のベースパン５０２内のベースキャビティ１０２は、注型断熱材９０２で充填されている。注型断熱材９０２は、ＳＯＦＣホットボックスの基部に挿入されるチューブ（例えば、橋渡し管９００）又は計装の周囲に流れるという意味で、「自己修復性」であってよい。このようにして、注入可能な注型断熱材９０２は、ＳＯＦＣにチューブまたは計装を導入するために作られたフィードスルー孔による漏れを防止する。例示的な実施形態では、側部断熱材（例えば弾力性断熱層２１０及び／又は２６０）と基部との間の空洞にアクセスして、単一ステップでベースキャビティ１０２を注型断熱材９０２で充填する。例示的な実施形態では、弾力性断熱層２１０は、注型断熱材９０２と同じ材料で作られ、コンプライアント断熱層２６０を形成した後1つの充填ステップで形成される。なお、注型断熱材９０２は、システムの外側ハウジング３００の側壁３３０の開口部３３４（例えば、ベースパン５０２の開口部３３４）を介してベースキャビティ１０２に供給されてもよい。

【0019】

図３は、ベースキャビティに注型断熱材を充填する方法の別の例示的な実施形態を示す図である。充填チューブ３３６の一端は、外側ハウジング３００の側壁３３０の開口部３３４を通って外側ハウジング３００の外に延びる。他端は、ベースキャビティ１０２の頂部付近のベースキャビティ１０２内に配置されている。例えば、他端は、ベースキャビティ１０２の中央部近傍（すなわち、中央プレナム１５０の下）に配置されてもよい。本実施形態では、例えば、カソードレキュペレータ２００と外側ハウジング３００との間の隙間を通して、ベースキャビティ１０２に注型断熱材９０２を充填することを補助するために、充填チューブ３３６が真空となっていてもよい。

【0020】

別の例示的な実施形態が、図４に示されている。この実施形態では、ベースキャビティ１０２の中央部分は、マイクロポーラスボード９０４のような固体断熱材で充填されている。ベースキャビティ１０２の残りの部分は、注入可能な注型断熱材９０２で満たされている。

【0021】

図５は、別の例示的な実施形態を示している。この実施形態では、ガスケット６０２及びフレーム６０４が、グロープラグ挿入及び付随する配線のための開口を含む外側ハウジング３００を通る燃料注入又は酸化剤注入パイプ又は導管、橋渡し管９００、及び／又は計器を貫通する部分などの配管の密閉を支援するために提供される。ガスケット６０２は、シリコンコーティングされたガラス繊維など、任意の適切な材料で作られる。ガラス繊維は、高温耐性を有し、シリコンコーティングは、注型断熱材９０２の微粒子がベースキャビティ１０２から流出するのを抑制する。いくつかの実施形態では、ガスケット６０２は、可撓性材料で作られており、ＳＯＦＣシステムの動作中に、外側ハウジング３００の側壁３３０の膨張及び収縮に対応するためにわずかに伸びるように設けられる。

【0022】

フレーム６０４は、ガスケット６０２を外側ハウジング３００の側壁３３０に（例えば、外側ハウジング３００のベースパン５０２側壁部分に）固定するために設けられてもよい。例えば、ガスケット６０２は、フレーム６０４と側壁３３０との間に配置され、フレーム６０４を側壁３３０にボルト止めしつつ、側壁３３０に固定されてもよい。例えば、グロープラグまたは加熱体および関連する配線、熱電対、パイプ、チューブなどを含む計装は、ガスケット６０２（複数あっても可）の開口６０６を通過している。

【0023】

図６Ａは、本開示の実施形態に係るＳＯＦＣシステムのグロープラグ６００を示す図である。グロープラグ６００は、グローイングチップの周囲に反応性ガスの漏れを生じさせず、その有効な寿命を通じて９００℃に近い高温を維持するように、独自に設計されている。

【0024】

図６Ｂは、本開示の一実施形態によるグロープラグ（以下、グロープラグ６００と称する）の要素を示す図である。グロープラグ６００は、加熱体６０８と、ハウジング６１０と、封止材又は封止部材６１２と、絶縁体ポッティングコンパウンド６１４と、一対の端子付きコイル状ワイヤ６１６と、を含む。

【0025】

加熱体６０８は、作動端と、作動端と対向する電気結合端とを含んでもよい。加熱体６０８は、ハウジング６１０から延びている。加熱体６０８の作動端は、ＳＯＦＣの反応チャンバに挿入され、反応チャンバ内の燃料と相互作用して燃焼を促進してもよい。加熱体６０８は、セラミックヒータと称されるグローイングチップ（すなわち、グロープラグチップ）を有する。グローイングチップは、高温の酸化環境だけでなく、還元環境でも安定である。セラミックヒータは、窒化ケイ素製の本体（すなわち、ハウジング６１０）に封入されている。グロープラグ６００の動作中、グロープラグチップから十分な量の熱が放出され、ＳＯＦＣシステムにおける触媒反応が開始され、維持される。加熱体６０８は、インコネル合金からなるハウジング６１０内に設置され、ハウジング６１０の前端は、グロープラグ先端に近接している。さらに、グロープラグ先端部は、９００℃前後の温度に曝される。その熱は、グロープラグ６００の前端から後端へと伝導される。グロープラグ６００の後端部の温度は、グロープラグ６００が長尺体（例えば１００ｍｍ）の場合、グロープラグ６００の前端部の３０〜４０％程度となる。グロープラグ６００の後端部の温度分布を小さくするために、加熱体６０８を長くすることが選ばれる。グロープラグ６００は、室温から１０００℃まで密閉されていることが好ましい。加熱体６０８は、円柱状であってもよい。加熱体６０８は、対向する電気的結合端において、一対の端子付きコイル状ワイヤ６１６とろう付けされている。加熱体６０８は、内部に存在する通電用導体を含む。加熱体６０８は、５００ＶＤＣまで優れた絶縁耐力を発揮する窒化珪素で形成されている。

【0026】

ハウジング６１０は、前端部分と後端部分とを有する。加熱体６０８は、ハウジング６１０内に配置され、加熱体６０８の作動端は、前端部分から外部に突出している。ハウジング６１０は、封止部材６１２、絶縁体ポッティングコンパウンド６１４、および、一対の端子付きコイル状ワイヤ６１６による加熱体６０８の電気的接続を囲むように設けられる。一対の端子付きコイル状ワイヤ６１６は、ハウジング６１０の後端部分から突出している。ハウジング６１０は、インコネル超合金で形成されていてもよい。
インコネルは、オーステナイト系ニッケル・クロム基超合金の一種であり、ハウジング６１０は、定格動作電力で優れた絶縁耐力を発揮する。

【0027】

封止部材６１２は、グロープラグ６００を温度範囲において気密にするために、後端部近傍のハウジング６１０の内部に配置されている。封止部材６１２は、グロープラグ６００の後端部に配置されることで、封止部材６１２の周囲の温度分布を小さくしている。封止部材６１２は、封止部材６１２の温度分布がグロープラグ６００の前端部の温度の３０〜４０％の範囲となるように、グロープラグ６００の前端部から約７０ｍｍの位置に配置されている。
封止部材６１２は、内径（ＩＤ）と外径（ＯＤ）で形状が決定されるリング状の構造体である。さらに、封止部材６１２は、ＯＤ側でハウジング６１０にろう付けされ、さらに封止部材６１２は、ＩＤ側で加熱体６０８にろう付けされている。封止部材６１２を後端部に配置することで、封止部材６１２が反応性ガスや酸化環境に直接さらされない効果を得られる。この結果、封止部材６１２のろう付けによる高温腐食が無視できるほど少なくなる。グロープラグ６００の気密性は、その設計を通じて維持されることになる。

【0028】

封止部材６１２の下には、絶縁体ポッティングコンパウンド６１４（以下、ポッティングコンパウンドと称する）が設けられる。一対の端子付きコイル状ワイヤ６１６のろう付け部近傍の周囲は、アルミナからなるポッティングコンパウンド６１４で満たされている。ポッティングコンパウンド６１４は、グロープラグ６００の装着時および非装着時における一対の端子付きコイル状ワイヤ６１６の移動を防止するように構成されている。また、ポッティングコンパウンド６１４は、コイル線と導体とのろう付け界面付近において、一対のターミナルコイル線の絶縁体として機能する。さらに、ポッティングコンパウンド６１４は、ハウジング６１０及び加熱体６０８と接合するように構成されている。ポッティングコンパウンド６１４は、グロープラグ６００の気密性をさらに高めている。一対の端子付きコイル状ワイヤ６１６は、ハウジング６１０との短絡を防ぐために、グラスファイバーシースで覆われている。

【0029】

一対の端子付きコイル状ワイヤ６１６は、加熱体６０８に電気的に接続された端部と結合されている。一対の端子付きコイル状ワイヤ６１６は、加熱体６０８に電気的に接続された端部とろう付けされるニッケル（Ｎｉ）の中実線である。

【0030】

図６Ｃは、グロープラグ６００を示す説明図（図６Ａ及び６Ｂ）を、本開示の実施形態に従って、素子の物理的な実測値（ｍｍ単位）で示している。例示的な実施形態において、加熱体６０８は、セラミック製であり、グロープラグ６００のハウジング６１０は、インコネル超合金製である。封止部材６１２は、非酸化物系セラミックスからなり、ＯＤ側をガラスシールで接合し、ＩＤ側はろう付けしている。ポッティングコンパウンド６１４は、ジルコニア系セラミックスとアルミナ系セラミックスからなり、ハウジング６１０と加熱体６０８とで接合されている。一対の端子付きコイル状ワイヤ６１６は、加熱体６０８にろう付けされている。一対の端子付きコイル状ワイヤ６１６は、Ｎｉのソリッド線である。

【0031】

図６Ｄは、本開示の実施形態による、グロープラグ（６Ａ〜６Ｃに示されるグロープラグ６００と同様）の内部形状の詳細を示す図である。例示的な実施形態において、グロープラグの内部特徴は、全てのサブコンポーネント（封止部材、絶縁リング、絶縁セラミックスリーブ、加熱体、ポッティングコンパウンド、及び一対の端子コイル状ワイヤ等）を組み立てるために独自に設計されている。ハウジングの形状は、ＳＯＦＣシステムへのグロープラグの取り付け・取り外しを容易にするため、六角形状としている。また、六角形の直径は、後端部の一対の端子用コイル状ワイヤとハウジングの間に十分なクリアランスを確保できるほど大きくしている。ハウジングは、加熱体を収容するために、長手方向に沿った本体の中央部に全体的に円筒形の穴を有する。ハウジングは、長手方向軸を中心に後端に作られた直径７．５ｍｍ、１０．０ｍｍ、１４．０ｍｍの３つの円筒形の穴を持ち、それぞれアングルセラミック、シール材、ポッティングコンパウンドを収容する。これらの穴の位置は、ＳＯＦＣシステムにおけるグロープラグの動作中、フロントエンド温度の３０〜４０％の温度範囲を維持するように最適化されている。さらに、ハウジングの前端部には、グロープラグをＳＯＦＣシステム内に配置するためのネジが設けられている。

【0032】

図７Ａ－７Ｄは、本開示の実施形態に係る、グロープラグ（図６Ｂに示されるグロープラグと同様のもの）の異なる要素図を示している。図７Ｄは、図６Ｂに示されるグロープラグの内部の全要素分解図を示す。図７Ｄは、図６Ｂのハウジング６１０、封止部材６１２、加熱体６０８、及びポッティングコンパウンド６１４とそれぞれ類似するハウジング７０２、封止部材７０４、加熱体７０６、及びポッティングコンパウンド７１０を描写している。さらに、図７Ｄは、一対の端子コイル状ワイヤと加熱体７０６との間の電気接続部７０８を描写している。

【0033】

図８Ａは、本開示の一実施形態による、別のグロープラグの要素を示している。図８Ａに示されるグロープラグは、図６Ｂに示されるグロープラグと同様である。図８Ａに示されるグロープラグは、図６Ｂに示される一対の端子付きコイル状ワイヤ６１６と同様である一対の端子状のコイル状ワイヤ８１２を含む。図８Ａのグロープラグは、グロープラグ６００の要素に加えて、アングルドスリーブ８０６を含む。アングルドスリーブ８０６は、ＯＤ側でガラスシールによって接合される酸化物セラミックスで作られている。図８Ａのグロープラグの他の構成要素および働きは、グロープラグ６００と同様であるため、簡略化のために対応する説明を省略する。図８Ｂは、本開示の実施形態による、要素の物理的寸法（ｍｍ単位）を有するグロープラグ（図８Ａに示す）の説明図である。

【0034】

図９Ａ－９Ｄは、本開示の実施形態に係る、グロープラグ（図８Ａに示されるグロープラグと同様のもの）の異なる要素図を示している。図９Ｄは、図８Ａに示されるグロープラグの内部の全要素分解図を示す。図９Ｄは、図８Ａのハウジング８０４、アングルドスリーブ８０６、封止部材８０８、加熱体８０２、およびポッティングコンパウンド８１０にそれぞれ類似する、ハウジング９１０、アングルドスリーブ９１２、封止部材９１４、加熱体９１６、およびポッティングコンパウンド９２０を描写している。さらに、図９Ｄは、一対の端子状のコイル状ワイヤと加熱体９１６との間の電気接続部９１８を描写している。

【0035】

図１０Ａは、本開示の一実施形態に係る、別のグロープラグの要素を示している。図１０Ａに示されるグロープラグは、図６Ｂに示されるグロープラグと同様である。図１０Ａに示されるグロープラグは、図６Ｂに示される一対の端子付きコイル状ワイヤ６１６と同様である一対の端子状のコイル状ワイヤ１０１４を含む。図１０Ａのグロープラグは、グロープラグ６００の要素に加えて、アングルドスリーブ１００６及びセラミック絶縁体リング１０１０を含む。アングルドスリーブ１００６は、外径側がガラスシールで接合される酸化物セラミックスで作られている。セラミック絶縁体リング１０１０は、アルミナで作られている。図１０Ａのグロープラグの他の構成要素および働きは、グロープラグ６００のそれと同じままであり、それゆえ、簡潔さのために対応する説明は省略される。図１０Ｂは、本開示の実施形態による、要素の物理的な寸法（ｍｍ単位）を有するグロープラグ（図１０Ａに示す）の説明図である。

【0036】

図１１Ａ－１１Ｄは、本開示の実施形態に係る、グロープラグ（図１０Ａに示されるグロープラグと同様）の異なる要素図を示している。図１１Ｄは、図１０Ａのグロープラグの内部の全要素分解図である。図１１Ｄは、図１０Ａのハウジング１００４、アングルドスリーブ１００６、シーリング要素１１０８、セラミック絶縁体リング１０１０、加熱体１１１０、及びポッティング化合物１０１２とそれぞれ類似するハウジング１１０２、アングルドスリーブ１１０６、シーリング要素１００８、セラミック絶縁体リング１０１０、加熱体１１１０、及びポッティング化合物１１１４を描写している。さらに、図１１Ｄは、一対の端子状のコイル状ワイヤと加熱体１１１０との間の電気接続部１１１２を描いている。

【0037】

図１２Ａは、本開示の一実施形態による、別のグロープラグの要素を示している。図１２Ａに示されるグロープラグは、図６Ｂに示されるグロープラグと同様である。図１２Ａに示されるグロープラグは、図６Ｂに示される一対の端子付きコイル状ワイヤ６１６に類似する一対の端子状のコイル状ワイヤ１２１０を含む。図１２Ａのグロープラグは、図６Ｂに示され封止部材６１２の代わりにアングルドスリーブシーラント１２０６を含む。アングルドスリーブシーラント１２０６は、ＫＯＶＡＲ製である。図１２Ａのグロープラグの他の構成要素および働きは、グロープラグ６００のそれと同様であるため、簡潔性のために対応する説明は省略する。図１２Ｂは、本開示の実施形態による、要素の物理的寸法（ｍｍ単位）を有するグロープラグ（図１２Ａに示される）の説明図である。

【0038】

図１３Ａ－１３Ｄは、本開示の実施形態による、グロープラグ（図１２Ａに示されるグロープラグと同様）の異なる要素図を示している。図１３Ｄは、図１２Ａのグロープラグの内部の全要素分解図である。図１３Ｄは、図１２Ａのハウジング１２０４、アングルドスリーブシーラント１２０６、加熱体１２０２、及びポッティングコンパウンド１２０８にそれぞれ類似するハウジング１３０２、アングルドスリーブシーラント１３０４、加熱体１３０６、及びポッティングコンパウンド１３１０を図示する。アングルドスリーブシーラント１２０６、１３０４は、アングルドスリーブ状の構造である。さらに、図１３Ｄでは、一対の端子コイル状ワイヤと加熱体１３０６との間の電気接続部１３０８を描いている。

【0039】

上述した本開示の様々な実施形態は、異なる順序のステップおよび／または操作、および／または、開示されたものとは異なる構成のハードウェア要素で実施されていてもよい。したがって、本開示は、これらの例示的な実施形態に基づいて説明してきたが、一部の修正、変形、および代替的な構成があることも明らかであり、本開示の精神および範囲内に十分に含まれ得ることに留意されたい。

【0040】

本明細書では、本開示の様々な例示的な実施形態が、構造的特徴及び／又は方法論的行為に特有の言語で説明されているが、添付の請求項に定義される主題は、必ずしも上述の特定の特徴又は行為に限定されるものではない。むしろ、上述した特定の特徴及び行為は、請求項を実施するための例示的な形態として開示されているに過ぎない。

【符号の説明】

【0041】

９ 燃料電池スタック
１１ カラム
１００ SOFCシステム
１０２ ベースキャビティ
１５０ 中央プレナム
１５２ 燃料注入管
１５４ 酸化剤注入管
１５６ 燃料／酸化剤排出管
２００ カソードレキュペレータ
２１０ 弾力性断熱層
２５０ 隙間
２６０ コンプライアント断熱層
３００ 外側ハウジング
３３０ 側壁
３３２ 底壁
３３６ 充填チューブ
４０４ 燃料マニホールド
５００ スタック支持ベース
５０１ ベース断熱材
５０２ ベースパン
５０３ リテーナ
６００ グロープラグ
６０２ ガスケット
６０４ フレーム
６０８ 加熱体
６１０ ハウジング
６１２ 封止部材
６１４ 絶縁体ポッティングコンパウンド
６１６ 端子付きコイル状ワイヤ
９００ 橋渡し管
９０１ スーパーウール
９０２ 注型断熱材
１０１０ セラミック絶縁体リング

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図7D】

【図8A】

【図8B】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図9D】

【図10A】

【図10B】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図11D】

【図12A】

【図12B】

【図13A】

【図13B】

【図13C】

【図13D】

【外国語明細書】