JP2004349262A - 発泡ニッケルと展伸ニッケルスクリーンとを組み合わせた固体酸化物電解質燃料電池用の電気コネクタ兼支持体 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池間に金属フェルトが存在しない固体酸化物燃料電池組立体を提供する。
【解決手段】
各々が外側相互接続部（２０）及び外側電極（３２）を有する燃料電池（１７、１９、２１、２７、２９、３１）の列（１４、２５）を、各列の間に波形の導電性展伸金属メッシュ（２２）が介在するように隣り合わせて配置する。波形メッシュ（２２）は最頂部と下方の肩部とを有し、最頂部（４０）には燃料電池の外側相互接続部（２０）と接触し頂面が接着された連続気泡発泡ニッケル（５１）が設けられ、メッシュと発泡ニッケルとが燃料電池の各列を電気的に接続する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、燃料電池発電装置の管状固体酸化物電解質燃料電池のための安価で、高強度を有し、可撓性で、薄い改良型電気コネクタ兼支持体に関する。

従来技術の説明

固体酸化物燃料電池のニッケル被覆相互接続部への正方形ピッチの直並列接続用ニッケルフェルトは周知であり、米国特許第４，４９０，４４４号（発明者：Isenberg）及び第４，８３３，０４５号（発明者：Reichner）に記載されている。燃料電池発電装置の主要な集電バスへのそれらの接続も、米国特許第４，６４８，９４５号（発明者：Isenberg）に記載されている。使用される燃料電池は通常、約３００度にわたって固体電解質の薄膜により覆われた自己支持型空気電極を含んでいる。従って、幅６０度で燃料電池の長さ方向に延びる軸方向延伸部分が存在する。空気電極表面のこの残りの６０度の部分は、通常はニッケルメッキを施した亜クロム酸ランタンである相互接続用延伸部分により覆われている。最上層としての燃料電極は、電解質表面の約２８０度にわたり固体電解質を覆っている。

これらの円筒状電池は通常、正方形ピッチの直並列接続アレイを形成するように配置されるが、１つの電池の空気電極と直列接続の隣接電池の燃料電極とは、メッキを施した相互接続用延伸部分と、厚さが約０．１インチ（０．２５ｃｍ）で気孔率が８０％乃至９５％の焼結ニッケルのフェルトの延伸部材とにより接続される。他のニッケルフェルトにより、隣接する電池の燃料電極間の並列接続が行われる。直列経路は、実用的な直流スタック電圧を発生する上で絶対に必要なものである。並列接続部は、電流が開路状態の不良電池を迂回して流れるようにする経路を提供する。燃料は電池群間の通路を軸方向に流れる。これは、長年の間、管状燃料電池の設計の１つとされてきた。

この設計では、固体酸化物燃料電池発電装置を構成する一次的な副組立体を、「電池束」と呼ぶ。通常、電池束は８×３の行列を形成する２４個の電池を含む。８個の電池が直列接続されて、３列より成る束のうちの１つの列を形成する。１つの列の各電池を次の列の隣接電池を接続することにより、３つの列が並列接続される。１つの列の１つの電池のニッケルメッキ相互接続用延伸部分と、次の電池のニッケル燃料電極との間では、現在は、２つの電池が矩形断面（約１０ｍｍ×１４ｍｍ）のニッケルフェルトにより直列接続されている。現在、並列接続もまた、同様なフェルト延伸部材により行われている。この場合、それらのフェルトは隣接する電池の燃料電極を接続する。１つの電池の長さ方向において、長さ約１８５ｍｍの８個のフェルトにより直接接続が行われ、長さ１８５ｍｍの４個のフェルトにより並列接続が行われる。１つの束で合計２８０個のフェルト延伸部材が使用される。この電気接続手段は有効であるが、材料コストが高く、労働集約的である。さらに、この構成は余り自動化に適しているとはいえない。

この標準型設計に対する種々の改良が提案されている。米国特許第５，２７３，８３８号（発明者：Draper/Zymboly）は、４個の電池よりなる各電池群から１個のニッケルフェルト製コネクタを不用にするもので、第１列の１つおきの電池の相互接続部は隣接列の電池に電気的に接続されていない。この設計は、新型で長尺１ｍの電池を使用する際に電池が撓曲する可能性を減少する助けとなる。しかしながら、この設計によると、２４個の電池より成る副組立体の全体強度が減少する。

発電装置の設計を単純化し組み立てコストを減少させようとして、DiCroceとDrapwerとは、米国特許第５，２５８，２４０号において、最頂部が接触する燃料電池表面に合致する、厚くて、裏が平坦であり、多孔性金属繊維のフェルトコネクタ延伸部材を教示している。この多孔性フェルトコネクタは、燃料電池の長さ方向の小さな部分にわたる一連の薄い延伸部材として、または燃料電池の軸方向長さ全体に沿って延びる多孔性シートとして用いることができる。構造的一体性を付与するには、側方に接続部が存在しないため、厚さが０．１２５インチ（０．６２ｃｍ）となるように複数の電池を積層して、気孔率を約５乃至１０％に減少する必要がある。これらの延伸部材は、中実のニッケルフォイル、またはフォイルと多孔性フェルトの複合物により形成することが可能であり、また、その特許の図３に示すように燃料電池が合致する２つの対向表面を備えるようにすればよい。繊維のフェルトを使用すると、長期間使用する間に緻密化する可能性がある。さらに、かかるフェルトを正確な寸法にするのは容易でなく、フェルトは弾力性を保持している。逆に、フォイルを用いると適当な強度が得られず、乾燥プロセス時に、電池束製造の重要な特徴であり必要な電池束へ高温空気の浸透が阻止される。

Draper 他は、米国特許第６，３７９，８３１Ｂ１号において、最頂部と下方の肩部とを備えた波形メッシュ電気コネクタを提供することによりこれら全ての問題を解決しようとしている。このコネクタでは、燃料電池間のメッシュを剛性を付与するために真直ぐにするか、またはその特許の図５に示すように、燃料電池間のメッシュも波形にしているが、全ての場合で、最頂部がニッケル被覆相互接続部に直接接続されるためニッケルフェルトコネクタが完全に省略され、各電池束を組み立てのための部品点数を劇的に減少する。この設計は、安価であるが極めて高品質のコネクタの電気メッキを必要とする。また、相互接続部のニッケルメッキとの物理的接触が望ましいレベルに達せず、スクリーンとニッケルメッキ相互接続部の結合部にかかる所与の力により、メッシュとメッキとの間の接触点に非常に大きい局部的応力がかかることになる。

関連性が全くない領域であるが、D. P. Haack et al. in “Novel Lightweight Metal Foam heat Exchangers”, 2001 ASME Congress Proceedings, New York, November 2001において教示されるように、発泡金属が熱交換用媒体として使用されており、また、www. porvairfuelcells. com に述べられているように、発泡金属が、セラミック構造よりも迅速な熱エネルギーの伝達を可能にする、水管理、熱交換用の燃料電池コンポーネントとして、また改質器の流れプレート及び触媒担体として用いられている。使用する金属には、とりわけ白金、銅、スチール、ニッケル、銀、コバルト、ロジウム、チタンが含まれる。発泡セラミックのフィルターも、米国特許第５，４５６，８３３号（発明者：Butcher et al.）に教示されている。

接触する全ての燃料電池を電気的に接続するだけでなく、接触する全ての燃料電池に合致してそれらを支持する気孔率の高いニッケルの電気コネクタ兼支持体であって、コネクタとニッケルメッキ相互接続部との間の接触強度が格段に改善され、同じ接触点における導電性も格段に改善された電気コネクタ兼支持体が求められている。このコネクタ兼支持体は高い強度を持ち、金属フェルトを使用することなく適当な形状を選択することにより所望の可撓性をさらに増加させ得るものでなければならない。

発明の概要

従って、本発明の主要目的は、燃料電池発電装置の管状固体酸化物燃料電池束の内部に安価で、薄く、高強度で、多孔性の電気コネクタ兼支持体を提供することにある。

本発明の主要目的はまた、燃料電池発電装置の燃料電池束を正及び負の電力リードに接続し、また電池束の列間を接続する改良型方法を提供することにある。

本発明の上記及び他の目的は、各々が外側相互接続部及び外側電極を有する燃料電池をそれらの列の間に導電性金属の波形メッシュを介在させて隣接配置した固体酸化物燃料電池組立体であって、波形メッシュは最頂部と下方の肩部とを有し、最頂部と第１列の燃料電池の外側相互接続部との間には可撓性の連続気泡発泡ニッケルが両者と接触するように配置され、メッシュの肩部は第２列の燃料電池の外側電極と直接に接触し、発泡ニッケル及びメッシュは燃料電池の各列に電気的に接続され、メッシュは１つの列の電池間に位置する単一の最頂部分を有し、燃料電池の間には金属フェルトの接続部が存在しない固体酸化物燃料電池組立体を提供することにある。

本発明はまた、燃料電池の束を構成する請求項１の固体酸化物燃料電池組立体であって、各電池束は、各々が外側電極及び外側相互接続部を有し、互いに離隔して軸方向に長い管状燃料電池の第１列と、各々が外側電極及び外側相互接続部を有し、互いに離隔して軸方向に長い管状燃料電池の第２列であって、第１列から離隔し、第１列の燃料電池の全ての外側相互接続部が第２列の燃料電池の全ての外側電極に対向する第２列と、第１列と第２列の燃料電池間を延びてそれらと接触する、燃料電池の導電性コネクタ兼支持体とより成り、コネクタ兼支持体は気孔率が約６０％以上で、厚さが０．０１２ｃｍ乃至０．０７６ｃｍの展伸メッシュより成り、コネクタ兼支持体は下方の肩部に連結する一連の最頂部を有する波形構造を有し、肩部はそれらが接触する管状燃料電池の形状に合致し、各肩部は隣接する肩部に連結し、可撓性連続気泡発泡ニッケルは最頂部と第１列の燃料電池の相互接続部との間に位置して両者に接触し、全てのコネクタ兼支持体の肩部は第２列の燃料電池の外側電極に直接に接触し、メッシュは１つの列の燃料電池間に頂部がある単一の波形部分を備えており、燃料電池間には金属フェルトの接続部が存在しない固体酸化物燃料電池組立体より成る。コネクタ兼支持体はニッケルより成るのが好ましい。

本発明はまた、各組立体が下方及び上方の束を含む上記したような燃料電池束より成り、各束間の接続部では、各束のコネクタ兼支持体が隣接する束のコネクタ兼支持体と接触し、隣接するメッシュの単一の波形部分と、対向する波形部分とが可撓性連続気泡発泡ニッケルが充填される空所を形成し、空所内の発泡材は束間の電気的接続を改善する燃料電池組立体より成る。この発明において、電池束と電力リードとの接続は、最後の束のコネクタ兼支持体を、平らな表面が電力リードに固着され、波形表面が電力リード内に位置する波形展伸メッシュに固着することにより行う。最後の束のコネクタ兼支持体の波形部分と電力リード内の波形表面とは対向し、これら対向する波形部分間の空間は可撓性連続気泡発泡ニッケルを充填する。

本発明はさらに、固体酸化物燃料電池組立体の製造方法であって、（１）各々が外側電極及び外側相互接続部を有し、互いに離隔し、軸方向に長い管状燃料電池の第１及び第２列であって、第２列が第１列から離隔し、第１列の燃料電池の全ての外側相互接続部が第２列の燃料電池の全ての外側電極に対向する第１及び第２列の燃料電池を用意し、（２）気孔率が約６０％以上であり、厚さが０．０１２ｃｍ乃至０．０７６ｃｍの展伸ニッケルメッシュの平らなシートを用意し、（３）一連の最頂部が下方の肩部に連結し、肩部の間のメッシュが単一の上向き波形部分を有し、少なくとも肩部が第１及び第２列の管状燃料電池の形状に合致する波形構造の可撓性のコネクタ兼支持体を構成するように、平らな展伸ニッケルメッシュのシートを成形し、（４）波形ニッケルメッシュのコネクタ兼支持体の最頂部及び肩部が覆われるようにニッケル粉末を混合した有機接着剤を適用し、（５）コネクタ兼支持体の最頂部が覆われるように可撓性連続気泡発泡ニッケルの延伸部材を接着剤の上に配置し、（６）ニッケル粉末を混合した有機接着剤を可撓性連続気泡発泡ニッケルの延伸部材に適用し、（７）波形のコネクタ兼支持体を、その上の発泡ニッケルの上と、燃料電池の第１列と第２列との間の肩部の上とに接着剤が位置し、コネクタ兼支持体の最頂部上の全ての発泡ニッケル延伸部材が第１列の燃料電池の相互接続部と接触して接着し、コネクタ兼支持体の全ての肩部が第２列の燃料電池の外側電極と接触して接着するように配置し、（８）高温空気を多孔性のコネクタ兼支持体に通すことにより接着剤を乾燥させ、（９）燃料電池組立体を焼結して、接着剤の有機部分を気化させ、一体的な燃料電池組立体を形成するステップより成る製造方法である。焼結は、電池束の製造または組立体を含む燃料電池発電装置の始動時に実施可能である。エポキシは気化し易く燃料電池のコンポーネントに何の悪影響も与えないことが判明している。さらに、最頂部と肩部との間の部分を波形にして可撓性を増加させる。

本発明の前の実施例に用いた可撓性の連続気泡発泡ニッケルは、密度対表面積が高比率で、曲がりくねった流れチャンネル及び中間の強度特性を有する。この発泡ニッケルは高い強度を有すると共に可撓性でなければならない。発泡ニッケルの密度は、２０ｋｇ／ｍ³乃至４０ｋｇ／ｍ³の範囲にあるのが好ましい。比表面積は、１００００ｍ²／ｍ³乃至１５０００ｍ²／ｍ³の範囲内にある。押しつぶすための圧縮強度は、０．１５ＭＰａ（２２ポンド／インチ²）乃至０．２５ＭＰａ（３６．７ポンド／インチ²）の範囲にあり、完全に引きちぎるための引張り強度は、０．５ＭＰａ（７３．５ポンド／インチ²）乃至１ＭＰａ（１４７ポンド／インチ²）の範囲内にある。この発泡構造は、相互に繋がった気泡の網状組織を形成する結合部がランダムに向いているが、そのサイズ及び形状がおおむね均質なものである。有用な発泡材は網状構造を有し、直線１インチ当たり約７５個乃至約１０５個の気孔を有する上質発泡材である。直線１インチ当たりの気孔は拡大写真でカウントすることができる。

本発明は、管状固体酸化物燃料電池用の気孔率が高く、薄く、極めて強靭な電気コネクタ兼支持体を提供するが、これにより、多くの手作業が不要になり、２４個の電池より成る束の合計部品点数が４４０から約６０に減少し、製造時間を約５０％削減できるだけでなく、組み立ての自動化が可能になる。また、この設計により発泡ニッケルによる導電率が改善され、電池間の導電性が増加し、可撓性が総合的に増加し、発泡材使用により任意所与の力について上部及び下部の燃料電池接続部にかかる応力が減少する。この特徴は、発泡材と相互接続部の延伸部分のメッキとの間の接続性の大いなる増加によるものであり、これは多数の接触点により可能となる。局部的な応力も、任意所与の荷重について大きく減少する。これとは対照的に、メッシュと相互接続部とを直接接続する場合、接触点が少数になるため電気的コンダクタンスが減少し、接合部の強度が劣るものとなる。

本発明の好ましい実施例では、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）発電装置のプレナム側の燃料ガスとして、天然ガスまたは不完全燃焼ガスを用いる。管状燃料電池内を流れる酸化ガスとしては、空気を用いるのが好ましい。また、天然ガス及び空気の代わりに他の燃料ガス及び酸化ガスを使用することが可能である。

図１は、ニッケル繊維延伸部材を使用せず肩部導電部材２２により接続した一連の燃料電池３４の従来型設計を示す。この図は、自己支持型内側空気電極１６、固体酸化物電解質１８、通常はニッケル被覆を施した相互接続部２０及び外側燃料電極３２を示す。１つの列の中心を破線２５で示す。図２は、波形の肩部導電部材２２により接続された一連の燃料電池３４の別の従来型設計であり、肩部コネクタ部分２３は少なくとも２つの波形部２４と最頂部分４０とを備えており、この最頂部分４０には別の波形部４１があり、これら全てにより高弾性の構成が得られる。

図３は、発電装置のプレナム内に配置される、本発明による８×３の燃料電池束アレイを示す。このアレイは、例えば、燃料電池１７、１９、２１を含む第１列１４のような燃料電池列より成り、これらの燃料電池は電池間を延びる導電部材により電気的に並列接続されている。燃料電池１７、１９、２１はまた、燃料電池２７、２９、３１を含む隣接する第２列の燃料電池に、その部材２２だけでなく連続気泡発泡ニッケル５１の延伸部材（図５及び９のさらに詳示）により直列接続されている。

図４は、本発明の発泡ニッケル延伸部材１１を用いた燃料電池群３４を詳示する。導電部材２２は、展伸または織込みニッケルメッシュまたはスクリーンのような薄い多孔性ニッケルシートであり、そのメッシュまたはスクリーンは燃料電池列２５の燃料電池２７及び２９の外側電極３２及びその上方列の燃料電池１７、１９の連続気泡発泡ニッケル５１と接触する。燃料電池間のこの導電部材には、上向き波形部５３を有する単一の波形部分５２がある。この図はまた、発泡ニッケル材５１と、導電部材２２の最頂部４０内の外側電極３２との間の中空未充填容積部３８を示すが、これは多孔性の連続気泡発泡ニッケル５１と共に可撓性コネクタ兼支持体として働く。

導電部材２２は下方の肩部４２も有するが、この肩部は波形最頂部の側壁４３により最頂部４０に接続されている。これら最頂部及ぶ肩部はそれらが接触する管状燃料電池の形状に合致し、肩部４２はそれぞれ導電部材２２により隣接する肩部に接続されている。最頂部と肩部を連結する部分は真直ぐではなく、組立て時における電池束の取り扱いを容易にするために十分な剛性を与えると共に電池束とその束に接続されるセラミック構造との熱膨張率の相違により生じる電池束構造の寸法変化を吸収するためにその構造に十分な可撓性を付与する単一の波形部５３を有する。また、燃料電池１７及び１９のような第１列１４の燃料電池の全ての外側相互接続部２０は、２７及び２９のような燃料電池の第２列２５の全ての外側電極に対向している。図示のように、任意の燃料電池間には金属フェルトの接続部は存在せず、それらは、ニッケルフェルトよりも実質的に安価で構造的安定性が高いという利点を有する連続気泡発泡ニッケル５１より完全に置き換えられている。

図５は、最頂部と肩部との間の波形部分４３と、上向き波形部５３を有する単一の波形部５２とを備えた導電部材のコネクタ兼支持体を示す。図５に示すように、燃料電池は互いに離隔関係にあり、軸方向に延びる管状燃料電池（図示を簡単にするため詳細は示さない）の一部である。図４から最もよくわかるように、燃料電池は全て、内側の自己支持型空気電極１６と、固体電解質１８（６５０℃を超える温度で酸素イオン伝導性である）と、外側燃料電極３２と、外側相互接続部２０とを備えている。

上向き波形部分５３を有する単一の波形部５２を備えた導電部材は、気孔率が約６０％以上（好ましくは６５％乃至８０％）であり、厚さが０．０２５ｃｍ（０．０１インチ）と０．０７６ｃｍ（０．０３インチ）との間（好ましくは０．０１２ｃｍ（０．００５インチ）乃至０．０７６ｃｍ（０．０３インチ））にある、好ましくはニッケルの高強度展伸メッシュより成る。材料の厚さが０．０１２ｃｍ乃至０．０７６ｃｍの範囲を実質的に外れると、波形にして最頂部４０、最頂部の波形部分４３及び肩部４２を形成するのが非常に困難になる。０．０１２ｃｍ未満であると、構造的一体性が損なわれる。メッシュは、燃料が燃料電極３２に近い所で燃料電池から外方に容易に流れることができると共にニッケル粒子を充填した有機系接着剤（図示せず）を乾燥できるように、気孔率が少なくとも６０体積パーセントであるのが好ましい。この接着剤は、最初に導電部材２２を燃料電池の各列に接合し、そして発泡ニッケル５１を最頂部４０に接合するために使用される。好ましくは約４０重量パーセント乃至８０重量パーセントの細かいニッケル粒子を充填したエポキシ樹脂である接着剤の有機部分は、燃料電池束を発電装置内に配置する、即ち、発電装置の始動時に焼結が起こる前または後に、約１０００℃乃至１２００℃で加熱／焼結する間に焼尽される（または気化する）。特に、エポキシ樹脂の揮発成分は燃料電池の特性に悪影響を及ぼさないことが判明している。

導電部材２２は、単一の波形部５２と共にばねのような効果を発揮し、金属フェルトより優れた衝撃吸収特性を有する。さらに、この導電部材２２は最高１２００℃の温度で１２ヶ月またはそれ以上の長期間動作させてもその影響を受けず、発泡金属５１には金属フェルトのような収縮または崩壊（即ち、緻密化及び厚さの減少）が生じない。発泡金属のこの特異な性質は本発明の重要な特徴であるが、その理由は、電池束の収縮を防止することにより電池が脆弱なセラミックの上方電池位置決めボードを破壊する現在の傾向がなくなるからである。

従って、本発明は、固体酸化物燃料電池を束ねる時にそれらの燃料電池間に必要な直列及び並列の電気的接続を行う手段を提供する。この接続手段は、薄い展伸ニッケルと発泡材の組立体である。発泡ニッケルの延伸部材は最頂部に接合される。これらの発泡延伸部材は、コネクタと電池の相互接続部との間の焼結後の接合性を実質的に改善する。コネクタユニット全体を、「頂部に発泡材を備えたスクリーン」と呼ぶ。本発明では、電池束内の管状固体酸化物燃料電池の直列及び並列の接続を、薄い展伸発泡ニッケルを頂部に備えたスクリーンにより行う。テスト用の組立体では、頂部に発泡材を備えたスクリーンの長さは３６５ｍｍであった。束の長さをカバーするために、発泡材を頂部に備えたスクリーンを４個使用する。公称長さ１４５ｃｍの単一スクリーンを各接合部に用いることができる。発泡材延伸部材のスクリーンの３つの最頂部への接合は、ニッケルを充填したエポキシにより行う。ニッケル充填エポキシはまた、スクリーンの６つの肩部を３つの電池の燃料電極への接合に、また３つの発泡材延伸部材の３つの電池のニッケルメッキ相互接続延伸部材への接合に使用する。エポキシは電池束に優れた焼結前強度を与える。１０５０℃で焼結すると、エポキシの結合剤が焼き尽くされて充分焼結された高強度の接合部が残る。エポキシは、相互接続部と接着させる３つの発泡材延伸部材のそれぞれに沿って単一のビーズとして適用する。ビーズはスクリーンの各肩部に適用する。２つの肩部は３つの燃料電極のそれぞれに接続する。本発明は、従来技術に比べて３つの重要な改良点を有する。これらは、（１）スクリーンの屈曲部が直列（８個の電池）方向及び並列（３個の電池）方向の両方向の可撓性を増加させる。この可撓性は、束内の電池が他の電池に実質的な力を加えずに相対的に移動できることを意味する。この属性により、電池の開放端に燃料の再循環及び排気ガス空間を形成するセラミック構造の係合が容易になる。（２）スクリーンの最頂部に接合される発泡ニッケルは、焼結後のコネクタ・相互接続部間の接合強度及び導電性を実質的に改善する。この改善は、細かい網状構造の発泡材の使用により得られる相互接続部のメッキとの間の接続点が大きく増加したためである。（３）頂部発泡材が外側の並列接続群の３つの電池の燃料電極に接続されるように９番目のコネクタが逆になっているため、１つの電池列内の隣接する束間の接続、電池束と正と負の電力リードとの接続及び束列間の接続が容易になる。

現在の手法と比較した場合の本発明の他の利点には、２４個の電池より成る束の部品点数の合計が４４０から１６８に減少すること、メッシュを用いて束を手で組み立てる時間がフェルトを用いて束を組み立てる時間の半分以下で済むこと、メッシュと発泡金属の束を用いる設計はフェルトの束を用いる設計に比べて組立てプロセスの自動化が格段に容易であること、自動化されると、メッシュと発泡金属の束の組立てをフェルトを用いる束の組立てに現在費やされる時間の１０分の１で行えること、原料及びその成型を含むメッシュのコストがフェルトのコストの約１０分の１で済むこと、また、電池間の導電率がフェルトによるよりもメッシュを用いる方が大きいことがある。

図７を参照して、該図は電池束間の接続を示すが、上方の束７４の最下列７２の導電部材の単一の波形部５２の上向き波形部分５３と、下方の束７８の最上列７６の導電部材の単一の波形部５２の下向き波形部分５３との間の空所は連続気泡発泡ニッケル５１で充填されている。図６は束間の接続を示すが、上方の束７２´の最上列８０の導電部材の単一の波形部５２の下向き波形部分５３は、連続気泡発泡ニッケル５１を充填される縦方向の空所７０´を提供するために上向き波形部分５３´を有する頂部の束間集電手段８２に接続されている。頂部の束間集電手段は、頂部の束７２´から隣接する頂部の束７２”へ束分離絶縁ボード８４を介して延びる。連続金属溶接部を点８６で示す。頂部の束間集電手段８２は頂部スクリーンを逆にしたものである。従って、スクリーン導電部材間の図６及び７の空所７０及び７０´は、導電性を改善するサンドイッチ状の連続気泡発泡ニッケル５１を充填してある。発泡延伸部材５１´を含めることにより、束間の電圧降下が、発泡材延伸部材が存在しない場合の値の約２５％に減少する。

同様に、図８においても、バスバー９０には逆向きのスクリーン導電部材８２´が取り付けられており、この導電部材は、図６のもう１つのケースと同様に、上向き波形部分５３に逆向きに整列させて、連続気泡発泡ニッケル５１が充填される縦方向の空所７０´を形成する。従って、電池束間、電池束列間及び電池束列と電力リードの間の全ての接続部において、連続気泡発泡ニッケル５１は、図６に示すような対向する波形部分５３と５３´との間の、あるいは図７に示すように５３と５３´との間、もしくはバスバー９０の切込み部分８８の間の縦方向の空所／開口７０、７０´を充填する。発泡材延伸部分５１を充填すると、電池束間の電圧降下が発泡材延伸部材を充填しなかった場合の値の約２５％に減少する。

図９は、有用な発泡ニッケルの理想化された１つの三次元表示である。発泡金属を製造する１つの方法は、ポリウレタンのような可撓性連続気泡発泡有機材料にニッケル粒子のような金属粒子を含む水溶性金属スラリーを含浸させる方法である。含浸された発泡有機材料は過剰なスラリーを押出すために圧縮される。その後、この材料を乾燥させ、焼成して有機材料を焼尽し、金属／セラミック被覆を焼結する。それにより、出発材料である発泡有機材料と実質的に同一構造の複数の相互接続用空所を有する剛性発泡材が得られる。この構造を図９に略示するが、かかる発泡材９６の理想化された１つの断面表示には、相互接続用空所と、曲がりくねった通路９７とが含まれる。その密度は中実の親金属の５乃至２０体積パーセントと低く、これは即ち、気孔率が９５乃至８０体積パーセントということであり、高い強度を有し、コンプライアンス性であることが判明している。用語「コンプライアンス性」は、ここでは、実効弾性率が、電池を損傷させる実質的な力を燃料電池に伝達せずに応力を充分吸収できる小さいものであることを意味する。それはまた、網目状の三次元ネットワーク構造を有し、密度に対する表面積の比率が大きく、融解温度が１０００℃以上（純粋な形では、通常は約１４３５℃と約１４５５℃の間）である。

図１０は本発明の方法をブロックで略示するものであるが、第１列及び第２の列の燃料電池を用意し（１００）、第１列の燃料電池の外側相互接続部を第２列の燃料電池の外側電極に全て対向させ、展伸ニッケルメッシュの平らなシートを用意した（１０２）後、加熱されたメッシュを、一連の最頂部が肩部の間にあり、単一の波形部分がそれら肩部の間に位置する波形構造となるように成形し（１０５）、最頂部が覆われるように接着剤を被覆（１０８）し、最頂部が覆われるように連続気泡発泡ニッケルの延伸部材を接着剤の被覆上に施した（１１０）後、発泡材の上及びメッシュの肩部の上にさらに接着剤を適用し（１１２）、メッシュと発泡構造を燃料電池の列間に配置し（１１４）、接着剤を乾燥させ（１１６）、燃料電池組立体を焼結（１１８）するものである。

例
ダイアモンド形の開口を有し、気孔率が約６５％で、厚さが０．０５ｃｍ（０．０２インチ）の展伸ニッケルメッシュをローラーダイの型内に配置し、この型により、メッシュを、最頂部の外形が図４及び５に示すものと同じ束にされる管状固体酸化物燃料電池の外面にほぼ合致する波形構造に成形した。波形メッシュ構造の各最頂部に、約７０重量パーセントの小さなニッケル粒子を混合したエポキシセメントのビーズを被覆した。エポキシセメントのビーズの上に、モデル番号２００１０５０３１０１１でInco社により市販される、直線１インチあたり約８５個の気孔を有する網目構造の発泡ニッケルの薄い延伸部材（幅０．６ｃｍ、厚さ０．１７ｃｍ、長さ３６ｃｍ）を配置した。その後、同様なエポキシセメントの別のビーズを、発泡ニッケルの延伸部材の頂部に長さ方向に、またメッシュの肩部の上に被覆した。その後、成形メッシュと接着剤を施したニッケル延伸部材とを３つの燃料電池より成る燃料電池列の間に配置して相互接続部と燃料電極とを接触させ（図４に図示）、高さ８個の燃料電池構成にした。高温空気を燃料電池間の空間及びメッシュの最頂部内の空間に吹き込んでエポキシを乾燥させた。そして、電池束を１１００℃の焼結オーブンに２時間配置して、エポキシを気化させ、ニッケル粒子とメッシュ／発泡ニッケルとを接合させた。冷却した後、電池束をテストした結果、優れた構造及び電気化学的特性を有することが判明した。図４に示すものと同じ数個の電池束（しかしながら、１１×２のアレイ）を本発明の態様で構成したが、優れた構造特性だけでなく優れた電気化学的特性を示した。エポキシの気化は電気的特性に明白な悪影響を及ぼさなかった。メッシュと発泡ニッケルの組み合わせは、燃料電池を接続し支持する強力で可撓性の積層導電部材を提供する。

従来技術の燃料電池組立体の一実施例を示す断面図である。 従来技術の燃料電池組立体の別の実施例を示す断面図である。 本発明による２４個の燃料電池束を示す断面図である。 本発明による図３の燃料電池束の一部を示す詳細断面図である。 第１列と第２列の燃料電池間に位置し、頂部に発泡ニッケル延伸部材を備えた本発明の波形構造を示す三次元断面図である。 本発明の燃料電池束間接続部を示す断面図である。 本発明の燃料電池束列間の接続部を示す断面図である。 本発明の燃料電池束と燃料電池電力リードとの接続部を示す断面図である。 本発明に用いる発泡ニッケル延伸部材の拡大三次元図である。 本発明の１つの方法を示すブロック図である。

Claims (10)

1. 各々が外側相互接続部（２０）及び外側電極（３３）を有する燃料電池をそれらの列の間に導電性金属の波形メッシュを介在させて隣接配置した固体酸化物燃料電池組立体（３４）であって、波形メッシュは最頂部（４０）と下方の肩部（４２）とを有し、最頂部と第１列の燃料電池の外側相互接続部との間には可撓性の連続気泡発泡ニッケル（５１）が両者と接触するように配置され、メッシュの肩部（４２）は第２列の燃料電池の外側電極（３２）と直接に接触し、発泡ニッケル及びメッシュは燃料電池の各列に電気的に接続され、メッシュは１つの列の電池間に位置する単一の最頂部分（５２）を有し、燃料電池の間には金属フェルトの接続部が存在しない固体酸化物燃料電池組立体。
2. 燃料電池の束を構成する請求項１の固体酸化物燃料電池組立体（３４）であって、
   各電池束は、
   （１）各々が外側電極（３２）及び外側相互接続部（２０）を有し、互いに離隔して軸方向に長い管状燃料電池の第１列と、
   （２）各々が外側電極（３２）及び外側相互接続部（２０）を有し、互いに離隔して軸方向に長い管状燃料電池の第２列であって、第１列から離隔し、第１列の燃料電池の全ての外側相互接続部が第２列の燃料電池の全ての外側電極に対向する第２列と、
   （３）第１列と第２列の燃料電池間を延びてそれらと接触する、燃料電池の導電性コネクタ兼支持体とより成り、コネクタ兼支持体は気孔率が約６０％以上で、厚さが０．０１２ｃｍ乃至０．０７６ｃｍの展伸メッシュより成り、コネクタ兼支持体は下方の肩部（４２）に連結する一連の最頂部（４０）を有する波形構造を有し、肩部はそれらが接触する管状燃料電池の形状に合致し、各肩部（４２）は隣接する肩部（４２）に連結し、可撓性連続気泡発泡ニッケル（５１）は最頂部と第１列の燃料電池の相互接続部との間に位置して両者に接触し、全てのコネクタ兼支持体の肩部は第２列の燃料電池の外側電極に直接に接触し、メッシュは１つの列の燃料電池間に頂部がある単一の波形部分（５２）を備えており、燃料電池間には金属フェルトの接続部が存在しない固体酸化物燃料電池組立体（３４）。
3. 金属メッシュはニッケルより成る請求項１の固体酸化物燃料電池組立体（３４）。
4. 金属メッシュは気孔率が６５％乃至８５％であり、燃料電池へ伝達される力が小さくするばねのような効果を有する請求項１の固体酸化物燃料電池組立体（３４）。
5. 金属メッシュの厚さは０．０１２ｃｍ乃至０．０７６ｃｍである請求項１の固体酸化物燃料電池組立体（３４）。
6. 発泡ニッケル（５１）は網目構造を有し、直線１インチ当たり約７５個乃至１０５個の気孔があり、金属メッシュ及び発泡ニッケル（５１）は最高１２００℃の温度で長期間動作させても収縮または崩壊しない請求項１の固体酸化物燃料電池組立体（３４）。
7. 各組立体は下方及び上方の束を含む燃料電池束より成り、各束間の接続部では、各束のコネクタ兼支持体が隣接する束のコネクタ兼支持体と接触し、隣接するメッシュの単一の波形部分と、対向する波形部分とが可撓性連続気泡発泡ニッケルが充填される空所（７０）を形成し、空所（７０）内の発泡材は束間の電気的接続を改善する請求項２の燃料電池組立体（３４）。
8. 発泡ニッケル（５１）は網目構造を有し、直線１インチ当たり約７５乃至１０５個の気孔がある請求項７の固体酸化物燃料電池組立体（３４）。
9. コネクタ兼支持体とそれに取り付けられる発泡ニッケル（５１）とは最高１２００℃の温度で長期間動作させても収縮または崩壊しない請求項７の固体酸化物燃料電池組立体（３４）。
10. 固体酸化物燃料電池組立体の製造方法であって、
    （１）各々が外側電極及び外側相互接続部を有し、互いに離隔し、軸方向に長い管状燃料電池の第１及び第２列であって、第２列が第１列から離隔し、第１列の燃料電池の全ての外側相互接続部が第２列の燃料電池の全ての外側電極に対向する第１及び第２列の燃料電池を用意し（１００）、
    （２）気孔率が約６０％以上であり、厚さが０．０１２ｃｍ乃至０．０７６ｃｍの展伸ニッケルメッシュの平らなシートを用意し（１０２）、
    （３）一連の最頂部が下方の肩部に連結し、肩部の間のメッシュが単一の上向き波形部分を有し、少なくとも肩部が第１及び第２列の管状燃料電池の形状に合致する波形構造の可撓性のコネクタ兼支持体を構成するように、平らな展伸ニッケルメッシュのシートを成形し（１０６）、
    （４）波形ニッケルメッシュのコネクタ兼支持体の最頂部及び肩部が覆われるようにニッケル粉末を混合した有機接着剤を適用（１０８）し、
    （５）コネクタ兼支持体の最頂部が覆われるように可撓性連続気泡発泡ニッケルの延伸部材を接着剤の上に配置し（１１０）し、
    （６）ニッケル粉末を混合した有機接着剤を可撓性連続気泡発泡ニッケルの延伸部材に適用し（１１２）、
    （７）波形のコネクタ兼支持体を、その上の発泡ニッケルの上と、燃料電池の第１列と第２列との間の肩部の上とに接着剤が位置し、コネクタ兼支持体の最頂部上の全ての発泡ニッケル延伸部材が第１列の燃料電池の相互接続部と接触して接着し、コネクタ兼支持体の全ての肩部が第２列の燃料電池の外側電極と接触して接着するように配置し（１１４）、
    （８）高温空気を多孔性のコネクタ兼支持体に通すことにより接着剤を乾燥させ（１１６）、
    （９）燃料電池組立体を焼結（１１８）して、接着剤の有機部分を気化させ、一体的な燃料電池組立体を形成するステップより成る製造方法。
    

Images