JP2004535049A - 固体酸化物燃料電池の積層構造体 - Google Patents
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Abstract
Description
(発明の属する技術分野)
本発明は、固体酸化物燃料電池(SOFC)の積層構造体に関し、特に、本発明は、改良したマニホルドを備えた平板型SOFCの積層体配列に関する。
【0002】
(従来技術)
平板型の固体酸化物燃料電池は、単セルに関しては実績のある技術であるが、その単セルを、妥当な価格で、許容範囲の耐久性を備え、且つ集合体として有用な出力の積層体に一体化することに問題があるので、当業者にとって手の届きにくい目標になっている。その原因には、具体的に、燃料及び酸素含有ガスを導入及び排気する納得のいくマニホルドシステムの提供と同時に、商業的に受け入れられる価格で信頼できるシステム用封止部品の提供、さらに熱サイクルに強い構造体の提供が困難であることが含まれる。
【0003】
他の多くの特許において、SOFCと、溶融炭酸塩形燃料電池のような別の燃料電池技術との両方に、燃料電池部品とガス分離部品とを交互に積層したマニホルド型の燃料電池システムが提案されている。それらの多くは、全て内部マニホルドにして燃料ガス及び酸素含有ガスを供給し排気するものであり、すなわち、全マニホルドが、燃料電池部品及びガス分離部品中の開口部を通過している。このような燃料電池システムでは、燃料電池積層体動作中及び熱サイクル中に、燃料ガスと酸素含有ガスとが互いに分離されるように、各開口部の周囲に信頼できる複雑な封止処理を要求される。
【0004】
簡単な例示としては、米国特許US6103415、US6040076、US5945232、US4963442、欧州特許EP959511、EP459940、WO95/16287、WO92/09116、日本特開2001−202984、特願平06−275304、特願平04−149966の明細書が、内部マニホルドの燃料電池システムに関連している。
【0005】
内部マニホルドを備えた別の燃料電池システムが、米国特許US5288562及び5230966、欧州特許EP425939、日本特開平08−190921に提案されている。
【0006】
一方、外部マニホルドを備えたプロトン交換膜形燃料電池が、WO01/99219に提案されている。また、米国特許US5688610は、平板型SOFC積層体用の外部マニホルドについて述べている。これらの提案では、燃料ガス及び燃料の排出ガスは、積層体側面の各マニホルドにより積層体に流入され排出される。排気する空気ガスは、通常のマニホルドを通って積層体から排出されるが、流入する空気は、積層体全体を封入しているハウジング内からスタックへ自由に流入できるようにされている。
【0007】
米国特許US5688610の従来技術によれば、マニホルドに関する類似の提案が、ドイツ特許4324907及び欧州特許EP450336に開示されていると思われる。
【0008】
しかし、上記の米国特許US6040076は、内部マニホルドを形成したガス分離用プレートを対象にしているにもかかわらず、内部マニホルドにより燃料ガス又はオキシダント伝達体のいずれか一方をガス分離用プレートの片面に提供し、外部マニホルドにより燃料ガス又はオキシダントガスのうちの他方をガス分離用プレートの反対面に提供することにも言及している。しかしながら、それをどのようにして達成するのかは、何ら示されていない。
【0009】
本発明の目的は、SOFC積層体のマニホルドを単純化して、積層体の封止部品を簡単にすることである。
【0010】
(本発明の概要)
本発明は、ハウジング内に、固体酸化物燃料電池用プレートとガス分離用プレートとを対向させて交互に積層した積層体を含む燃料電池積層体を提供するものである。燃料電池用プレートは、片面上にアノード層を、反対面上にカソード層を備えた電解質層を有している。燃料電池用プレートには、貫通した開口部があり、この開口部が、隣接したガス分離用プレートを貫通した開口部のうち対応するものと位置合わせして配置されている。燃料電池用プレート及びガス分離用プレートの開口部による第1配列は、各燃料電池用プレートのアノード側に開口しており、流入する燃料ガスを分配する第1のマニホルドを形成している。燃料電池用プレート及びガス分離用プレートの開口部の第2配列は、各燃料電池用プレートのアノード側に開口しており、積層体からの燃料ガスを排気する第2のマニホルドを形成している。第3のマニホルドは、上記のプレートとハウジングとの間に形成されており、燃料電池用プレートのカソード側に開口して、酸素含有ガスを燃料電池用プレートに分配する。第4のマニホルドも、上記のプレートとハウジングとの間に形成されており、燃料電池用プレートの各カソード側に開口して、積層体から酸素含有ガスを排気する。
【0011】
上記プレート内部に燃料の導入用及び排気用マニホルドを、プレート外部に酸素含有ガス(通常は空気)の導入用及び排気用マニホルドを備えることにより、経済性及び発生出力の点で最適化されたプレート構造が得られる。マニホルドを全て内部形にすることにより、プレートの構造が複雑になり、またプレートの大部分がマニホルド形成に費やされることになるだろう。つまり、そのようなプレートには、本発明の積層体用プレートに比べて、多くの開口領域が形成されるだろう。プレートの機能領域を相対的に増加すれば、積層体の発電量を最大化することができる。
空気用マニホルドを外部形にすることにより、プレートを貫通して形成され周囲に個別の封止部品を備えた空気用開口部が不要になるので、プレート間の封止部品を単純化できる。さらに、プレートとハウジングとの間に空気用マニホルドを備えることにより、空気用マニホルドの間の封止部品を簡単にできる。しかしながら、燃料マニホルドを内部化することは、疲労や漏れの原因にもなる外部との接続部分を少なくできるので、総合的にしっかりした構造物にできることも意味している。
【0012】
1つ以上の燃料ガス導入用マニホルド及び/又は1つ以上の燃料ガス排気用マニホルドを備えて、積層体を通過する燃料ガス流を増加することができる。好ましい実施形態では、燃料電池用プレート及びガス分離用プレートの開口部の第3配列は、各燃料電池用プレートのアノード側に開口して、別の燃料ガス排気用マニホルドを形成している。好ましくは、第1及び第2のマニホルドと、別の燃料ガス排気用マニホルドとが、燃料電池用プレートとガス分離用プレートとのまわりに角度をあけて形成される。この配置では、燃料電池用プレートとガス分離用プレートとを、延在する3つの突出部(lobe)を備えた略円形にすることができる。第1、第2、及び第3配列の開口部は、この突出部を貫通して各々に伸びている。第1配列の開口部の断面積が、第2及び第3配列の開口部に比べて大きいのが有利である。
【0013】
流入用及び排気用の燃料ガスマニホルドは、燃料ガスが燃料電池用プレートのカソード側に漏れないように封止しなければならない。気密封止部品は、各燃料電池用プレートの裏面側と、隣接したガス分離用プレートとの間に、一連の開口部の各々の周囲に延設されるのが有利である。気密封止部品は、ガスケット型の封止部品やプレート内部の阻害構造(oppose formations)等を含めた何れの適した形状でもよい。ある実施形態では、気密封止部品が、底面にガラスのシーリング剤を有する溝部と、溝部の上部開口を閉止してシーリング剤を溝部内に保持するリブと、を含んでいる。溝部は、燃料電池用プレート及び隣接したガス分離用プレートのいずれか片方のプレートの上面に形成される。リブは、上記燃料電池用プレートと上記隣接したガス分離用プレートのうちの他方のプレートに、上記いずれか一方のプレートと対向する面上に形成されている。リブ又はリブが突出したプレートは、溝部の上部開口を閉じて、溝部内にシーリング剤を保持するのが都合がよい。溝部が、上記上面の各開口部の周囲に延設されている離間した一対のリブの間に形成されるのが都合がよい。
【0014】
流入及び排気空気が、燃料電池用プレートのアノード側に漏れないようにすることが重要であり、各燃料電池用プレートの片面と、隣接したガス分離用プレートとの間で、上記プレートを貫通する一連の開口部より外側のプレートの周囲に、気密封止部品を備えるのが有利である。この気密封止部品は、各燃料電池用プレートの片面及び隣接したガス分離用プレートの全周囲に伸びているが、さらに、燃料ガス流を、アノードを横切るように方向付けるのにも利用するのがよい。
【0015】
各燃料電池用プレートの一方の面と隣接したガス分離用プレートとの間の気密封止部品に関する選択は、上述の各燃料電池用プレートの反対面と隣接したガス分離用プレートとの間の開口部の周囲に延設する気密封止部品についても同様に適用できる。
【0016】
積層体の燃料電池とガス分離用プレートとは、物理的には柱状配列にして筒状ハウジング内に封入するのが好ましい。流入空気及び排気空気用のマニホルドは、ハウジングの壁部によって少なくとも部分的に規定される。また、空気マニホルドは、燃料電池用プレート及びガス分離用プレートの外側にあり、燃料電池用プレート及びガス分離用プレートの周縁部と、これらのプレートの間の封止部品とによっても規定される。
【0017】
プレートとハウジングとの間に形成された空気流入及び排気用マニホルドは、好ましくはプレートとハウジングとの間に積層体の積層方向に沿って伸びたシール材、より好ましくは単なる繊維状シール材により離間されている。空気流入用及び排気用マニホルドの間では、シール材を通過して少量のガス漏れが生じるであろうが、積層体の性能に顕著な影響を与えることはない。
【0018】
積層体を通過する酸素含有ガス(空気)の流量を増加させるために、1つ以上の空気流入マニホルド及び/又は1つ以上の空気排気用マニホルドを備ることができる。好ましい実施形態では、プレートとハウジングとの間に、別の空気排気用マニホルドが形成されて、各燃料電池用プレートのカソード側に開口している。上記の好ましい実施形態では、3つの空気用マニホルドは、第1、第2、及び第3の開口部の各配列が貫通している3つの突出部の間に設けられ、プレートの周縁部により部分的に規定されている。各燃料電池用プレートのアノード層を横切る燃料ガス流が、燃料電池用プレートのカソード側を横切る空気流に対して逆向き(向流)にされるのが有利である。その場合には、空気流入用マニホルドが、第2及び第3の開口部配列の貫通する突出部の間に規定され、2つの空気排気用マニホルドが、第1配列の開口部の貫通する突出部と、第2及び第3の開口部配列の各々との間に規定されるのがよい。流入空気用マニホルドは、他の2つの排気空気用マニホルドよりも広角にされるのが好ましい。
【0019】
積層体は、空気と燃料ガスとが、同じ向き(並流)又は逆向き(向流)にマニホルドを流通するように配置することができる。
【0020】
電流は、積層体の積層方向に沿って通電することができ、例えば、1つの燃料電池用プレートのアノードから、隣接したガス分離用プレートを貫通した又は周囲にあり且つプレートの間にある燃料側集電極を介して、隣接した燃料電池用プレートのカソードにある空気側の集電極へ通電できる。もし、ガス分離用プレートの周囲を介して電流を通電させるなら、導電ワイヤ又は他の手段によって達成できるだろう。もし、ガス分離用プレートを貫通して電流を通電させるなら、プレートのバルク材料によって、又はプレート中の特定の導電元素によって達成できるだろう。
【0021】
気体流量調節機構は、隣接している燃料電池用プレートとガス分離用プレートとの組合せの間のプレート面に備えることができる。この気体流量調節機構は、集電極として機能することもでき、さらにスペーサーとしても機能して、ガス分離用プレートを隣接した燃料電池用プレートから離すのを調節できる。
【0022】
燃料電池用プレート及びガス分離用プレートは、例えばジルコニアのようなセラミック材料から形成するのが好ましいが、ガス分離用プレートは、自己アルミニウム処理(self-aluminising)したステンレス鋼等の好適な金属から形成することもできる。
【0023】
本発明の燃料電池積層体の一実施例を、単なる例示として添付の図面を参照して記述する。
【0024】
(本発明の実施形態の詳細な説明)
図1、2、及び3を参照すると、固体酸化物燃料電池の積層体アセンブリ2は、筒状ハウジング4内に保持された積層体3が含まれている。積層体3は、燃料電池用プレート10及びガス分離用プレート30の形状の燃料電池構成部品を、交互に積層して形成されている。燃料電池用プレート10は、全て同じ形状であり、ガス分離用プレート30も、全て同じ形状である。通常は、各プレートは、積層体3中に20〜500個積層することができる。燃料ガス及び空気は、積層体アセンブリ2の軸方向の一方の端部から供給され、それぞれの排気ガスは、並流マニホルドシステムの他方の端部から回収される。どちらの端部も流入及び排気機能に適していて、マニホルドシステムを、並流の代わりに向流にすることもできる。記載した並流の実施形態では、燃料ガス及び空気は、共に底部から供給され、上部から排気されるが、多くの状況では、燃料を底部から供給し、空気を上部から供給して向流にするのが好ましい。あるいは、気体の供給及び排気の全てを、同じ端部から行ってもよい。
【0025】
図1〜図6を参照すると、各燃料電池用プレート10は、電解質ベースの燃料電池板の上面に実質的に中心の矩形のアノード層を、燃料電池板の下面に実質的に中心の矩形のカソード層を、それぞれ有しており、実質的に矩形の燃料電池12を形成している。
【0026】
燃料電池用プレート10とガス分離用プレート30とは、類似の外形を有しており、一般的に3葉状(trilobular)又は円形と三角形との中間形状と記述することができる。あるいは、その形状は、一般的に、3つの丸い突出部が飛び出した円形と述べることもできる。2つの突出部74、76が同寸法で、3つ目の突出部72が、他に比べてプレートの円周方向に約50%ほど拡大されている。各突出部72、74、及び76は、インゲン豆(kidney)のような形をした開口部(燃料電池用プレートにおける符号14、16及び18と、ガス分離用プレートにおける15、17及び19)が、プレートを貫通して伸びている。大きい突出部72は、大きい開口部14、15を備えている。プレート面上に設けられたリッジ形状の封止部品は、積層体中でのガス流を方向付けている。これらの封止部品は、以下に詳しく記載するが、ガスケット型の封止部品を含む他の種類の封止部品を用いることができると理解されるであろう。
【0027】
燃料分散用及び排気回収用マニホルド5、6(図1)の各々は、燃料電池及びガス分離用プレートの開口部の3つの配列14及び15、16及び17、18及び19によって規定されている。これらのマニホルド5、6は、プレート10、30の封止部品を係合することにより形成され、燃料ガスの流入及び排気の流れが、プレートの空気側を通過してアノード側に導かれる。空気供給及び回収マニホルド7、8は、積層体3の周縁部とハウジング4の内壁との間に形成された3つの容量から成っている。マニホルド7は、通常はプレートの突出部74、76の間に形成され、2つの排気用マニホルド8は、通常はプレートの突出部72、74の間と、突出部72、76の間とにそれぞれ形成される。空気流入用マニホルドは、他の2つの排気マニホルド8のそれぞれに比べて約50%ほど広角であり、燃料流入及び分散マニホルド5と反対側に位置している。細長い繊維状封止材9は、ローブ72、74及び76近傍の積層体の積層方向に沿って、積層体3とハウジング4内壁との間に延設されており、空気供給マニホルド7を2つの空気回収マニホルド8から分離している。繊維状封止材は、マニホルド7とマニホルド8との間に、ある程度の漏れを生じるが、積層体の操作に有害にはならいと思われる。
【0028】
ハウジング4は、適当な絶縁材料で内張りした適切な耐熱鋼シート材料から構成されている。プレート10、30を互いに組立てて積層体3とした後に、ハウジング4は、積層体3を覆う所定の位置までスライドさせる。
【0029】
積層体の操作において、燃料ガスは、各燃料電池用プレート10の入口部を規定している大きい開口部14を通って上方へ流れ、燃料電池のアノード表面を(矢印A方向に)横切り、その流れが(矢印B、Cに)分けられ、各々の流れが隣接したガス分離用プレート30内の排気用の開口部17、19を通って上方へ出る。燃料電池用プレート10の反対側の面上では、空気は、積層体とハウジングとの間の入口マニホルド7を通って積層体3の側面を上方へ通過して、燃料電池のアノード面を横切る燃料流と向流方向に積層体3の周辺から流入(矢印D)して燃料電池のカソード面を横切り、その流れが(矢印E、Fに)分けられ、積層体3の周縁部から排出され、そして排気用マニホルド8を通って積層体の頂部へと続いてゆく。
【0030】
図4を参照すると、積層体に使用される一般的な燃料電池用プレート10が、非常に詳細に図示されている。プレート上の矩形の燃料電池12(アノード側が見えている)は、電解質による支持構造を有しており、電解質材料は、外方向に広がっており、燃料電池用プレート10の主体を成している。電解質は、好ましくは、イットリア安定化ジルコニアであり、当業者には安定化3Y、8Y及び10Y材料が知られている。アノードは、好ましくはニッケル−ジルコニアサーメットであり、カソードは、好ましくは、ランタニウムストロンチウムマンガナイトのような導電性ペロブスカイトである。燃料電池用プレート10の下面側及びカソードは、図3で見ることができる。
【0031】
平行なリブ20、21の組は、燃料電池用プレート10の平坦面24から突出しており、その間には、谷部又は溝部22が形成されている。積層体を使用状態に配置すると、表面24は、燃料電池板の上面のアノード面になる。リブは、ジルコニアで形成されており、プレートの本体と一体に又は別体に形成することができ、例えば、スクリーン印刷されたスラリーから、本体と一体にして焼成することができる。各リブ20、21は、燃料電池用プレートを貫通する開口部14、16及び18の外側と、燃料ガスが接触する領域の外周とに、連続通路又は閉鎖曲線を形成している。特に、リブ20、21で規定された閉鎖曲線は、アノード近傍で絞られて、燃料ガスを流入用の開口部14からアノードへ方向付ける。
【0032】
すべての図面において、構成部品を説明しやすいように、プレート10、30の厚さ及びリブの高さが非常に誇張されている。本実施形態では、燃料電池12が2500mm2、燃料電池用プレートの厚さが150μm、リブの高さが約500μm、幅1mmで、リブの離間距離が約2mmである。
【0033】
各燃料電池用プレート10の下面のカソード側45には、図3に示すように、各単一リブ34(これは、寸法及び製造方法が、リブ20、21と同様である)が、プレートを貫通する各開口部14、16、及び18の周囲に延設されている。開口部16、18の周囲の各リブ34は、内側方向に伸び、さらに燃料電池12のカソード層側部と平行して開口部14方向に伸びる腕部35を有しており、流入空気をカソード上に案内するのを補助する。リブ34の1つは、図7にも示されており、その図を参照してリブ封止部品の使用が説明されている。
【0034】
図5及び図6は、平板状のガス分離用プレート30を詳細に示している。図5において、表面33は、積層体を使用状態に配置したときに、ガス分離用プレート30のカソード接触上面である。平行なリブ36、37の組は、ガス分離用プレート30の平坦な表面33から突出して、それらの間には、谷部又は溝部38が形成されている。平行なリブ36、37の組は、寸法、間隔、及びその製造方法についてはリブ20、21と同様であるが、プレート30を貫通する開口部15、17、19の周囲に伸びており、隣接した燃料電池用プレートのカソード側のリブ34と協働する。開口部17、19に各々備えられたリブ36は、終端部が閉じた2重壁状腕部39を有しており、対応するリブ34の腕部と協働し且つ腕部を受容する。
【0035】
図6と図3の一部とには、単一リブ42が、各ガス分離用プレート30のアノード接触下面32の上に示されている。単一リブ42は、寸法及び製造方法がリブ20、21と同様であり、ガス分離用プレート30を貫通する開口15、17、19の外側と、燃料ガスが接触する領域の外周とに、連続通路を形成している。単一リブ42の外形は、隣接する燃料電池用プレート10のアノード表面上に形成されたリブ20、21間の溝部22と対応しており、それらのリブと協働してシールを形成している。
【0036】
図7を参照しながら以下に説明するように、ガラスのシーリング剤40は、谷部22、38に使用されて、リブの間にシールを形成する。
【0037】
各ガス分離用プレート30は、従来どおりジルコニアから製造されて、燃料電池用プレート10の本体の熱膨張率と実質的に一致させる。これにより、始動から、動作、休止までの間における集積体の熱ストレスを極めて小さくできる。ジルコニアは、イットリア安定化にすることができるが、例えばアルミナを20wt%以上添加したアルミナ添加ジルコニアにすることもできる。
【0038】
ジルコニアが導電性ではないので、ガス分離用プレート30は、垂直方向に全厚みを貫通した孔部50の配列を備えており、孔部は、導電用プラグ材料で充填されている。この孔部は、レーザー切断により形成されており、燃料電池用プレート10の燃料電池12が占有している領域と直接に向かい合っているガス分離用プレート30上の領域を占有することができる。上記のプラグ材料は、通常のメッキ法又は印刷法により、孔部内にメッキした金属の銀(市販品の純粋なもの)を用いることができる。代わりとして、孔部は、銀合金や、ガラス中の銀又は銀合金の複合物のような銀複合物で充填することができる。好適な合金元素又は材料には、金、パラジウム、白金が含まれる。或いは、銀をステンレス鋼に、例えば、孔部内で焼結する前の粉末状態で混合してもよい。
【0039】
孔部の平均の断面直径が300μmであり、電極接触領域内の1000mm2に対してプラグ材料の総断面領域0.2〜5mm2の範囲(プレート30の片面のみで測定した)で存在するように、孔部は、プラグ材料によって封止されている。各孔部に充填された導電性銀ベースプラグは、アノード側をニッケル保護被膜で、カソード側をAg−Sn被膜でメッキされるのが好ましい。被膜は、プレートの電極接触領域の全体に広げてもよい。ニッケル被膜では、Agの下塗りをして、Niがガス分離用プレートと接着するのを補助することができる。また、Ag−Sn被膜は、SnO2表面層を有することができる。例えば粉末材料をバインダ中に入れてスクリーン印刷し、続いて焼結して得られた上記の被膜は、孔部50を外側から充填するように機能するので、ガス分離用プレートの一方の外面から、孔部を介して他方の外面へ繋がる導電路を確実に提供できる。
【0040】
各ガス分離用プレート30のカソード側表面33上の電極接触領域内では、平行なリッジ48の列が、空気流と並行に配置されている。これらのリッジ48の各々は、対応する孔部50の列を覆い、Ag−Sn被膜の上に整列している。説明の補助のために、図2及び図5では、リッジ48の約半分が取り除かれている。リッジ48は、2つの主要な機能を有する。第1の機能は、孔部50のプラグ材料又はAg−Sn被膜と、燃料電池12との間の導電路を提供することであry。第2の機能は、薄く脆弱な燃料電池用プレートを補強する物理的補助材であると共に、燃料電池用プレートとガス分離用プレートとの間の狭い空間にガス流を分配する手段を提供することである。リッジ48は、高さが約500μmであり、カソードのLSM材料のような導電性ペロブスカイトから形成することができ、選択的に厚さ約50μmの金属の銀を備えてもよい。
【0041】
ガス分離用プレート30の下面(すなわち図6の表面32)では、平行なリッジ62の配列が、燃料ガス流と平行に位置しており、充填された孔部50の列とNi被膜とを覆っている。図6でも、リッジ62の約半分が取り除かれて、構造の視覚化を助けている。リッジ62は、集電極として機能しており、電流が、孔部50内のプラグ材料及びNi被膜とアノードとの間を通電する。また、リッジ62は、電極用プレートに物理的に補強して、さらに燃料電池用プレートとガス分離用プレートとの間の狭い空間にガス流を方向付け分配する手段を提供している。リッジは、高さが約500μmで、アノードと同じ材料から形成することができ、選択的にニッケルメッキ(約50μm)を備えてもよい。
【0042】
図7を参照すると、ガラスシーリング剤40のプールが、リブ36、37の間に配置され、そこにリブ34が押し込まれている。各リブは、反対方向に傾斜した側面と、端面とを備えたテーパ形状を有している。リブ20、21とリブ24との間にも、同様な配置が適用されるが、それは別記していない。要求されたシールを形成するために、製造工程では、ガラスを粉末状態で導入し、積層体に組立てられる前の積層物を加熱して、ガラスを溶融する。よって、バインダは必要ない。積層体の動作中に、ガラスシーリング剤40は、完全に溶融するが高粘度であり、図7に示されていない以下の3つの選択肢の1つによって溝部38内に保持される。
【0043】
第1の選択肢の形態は、リブ34の少なくとも1つの側部52が溝部の側面58と完全に離間し、且つリブ36、37の端面60、61がプレートの基準面54と完全に離間した状態で、リブ34の端面51が溝部38の床部56と接触している。この場合には、ガラスシーリング剤40は、間隔をあけた側面52と側面58との間の表面張力によって保持される。
【0044】
第2のより好ましい実施形態の選択肢では、側面52が側面58と完全に離間し、且つ端面51が床部56と完全に離間した状態で、端面60、61を基準面54に接触させる。この場合には、シーリング剤40は、リブ34の端面51と床部56の間に保持され、いくらかのシーリング剤は、外側に押し出されて、間隔をあけた側面52と側面58との間に出る。
【0045】
第3の実施形態の選択肢では、端面60、61が基準面54と完全に離間し、且つ端面51が床部56と完全に離間した状態で、側面52が対応する側面58と係合する。
【0046】
記載した実施形態は、構成が簡単であり、燃料電池電極へのガス流、電極からのガス流、及び電極上のガス流の制御にかなりの融通性のある積層構造体を提供する。本実施形態は、集電極をさまざまな代替形状にすることができる。本実施形態は、使用する部品が比較的少数であり、繊維状封止材によって提供される滑動する接合点は、熱サイクルの間の応力を非常に低減する。
【0047】
上記の記載は、本発明の好ましい実施形態を含んでいるが、これまで記載された部品の構造や配置に、本発明の本質的な特徴若しくは精神又は本発明の範囲から逸脱せずに、多数の変形、代替、改良、及び/又は追加を導入できると理解されるべきである。
【0048】
例えば、好ましい実施形態は、ジルコニア製のガス分離用プレートを有している。代わりとして、ガス分離用プレートを亜クロム酸ランタン(lanthanum chromite)から製造し、又は自己アルミメッキステンレス鋼から製造して、ガス分離用プレートを介して容易に導電することができる。
【0049】
ここに記載された他の燃料電池積層体の別の様態が、2001年7月13日に出願されたオーストラリア仮特許出願PR6345及びPR6366の各々を優先権主張している同時係属中の国際特許出願で、発明の名称"A Fuel Cell Gas Separator Plate and Seal For A Fuel Cell Stack"に開示され、特許請求の範囲に記載されている。上記係属中の国際特許出願、及びその米国国内段階の対応特許の内容を、参照して本明細書に組み込む。
【0050】
明細書中に、単語の「含む(comprise)」と、「含む(comprises)」「含んでいる(comprising)」のような変化形が使用された場合には、文脈から要求されない限り、それらの使用は、記載した特徴を含んでいることを暗示しているが、他の特徴の存在を排除すると解釈するものではないと理解されるであろう。
【0051】
本明細書中の他の先行技術の引用は、そのような先行技術が通常の一般常識を形成すると自認する又は何ら示唆するとして解釈されず、又は解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【0052】
【図1】燃料電池積層体の平面図である。
【図2】図1に示した積層体中での燃料電池用プレートとガス分離用プレートの一般的な方向を見下ろした状態で図示した分解概略斜視図である。
【図3】図2で示したのと同じ分解位置にある燃料電池用プレートとガス分離用プレートを見上げた状態の概略斜視図である。
【図4】図2に示した燃料電池用プレートの1つの上面側の斜視図である。
【図5】図2に示したガス分離用プレートの1つの上面側の切取り斜視図である。
【図6】図5に示したガス分離用プレートの1つの下面側の切取り斜視図である。
【図7】プレートの間での気体封止用アセンブリを線画にした断面図である。
Claims (24)
- ハウジング内に、固体酸化物燃料電池用プレートとガス分離用プレートとを対面させて交互に積層することを含み、上記燃料電池用プレートの各々が、片面にはアノード層を、反対面にはカソード層を備えた電解質層を有している燃料電池積層体であって、
上記燃料電池用プレートの各々が貫通した開口部を有し、該開口部が、隣接したガス分離用プレートを貫通した開口部のうち対応するものと位置合わせして配置されており、
燃料電池用プレート及びガス分離用プレートの開口部の第1の配列は、各燃料電池用プレートのアノード側に開口して、流入する燃料ガスを分配する第1のマニホルドを形成しており、
燃料電池用プレート及びガス分離用プレートの開口部の第2の配列は、各燃料電池用プレートのアノード側に開口して、燃料電池積層体から燃料ガスを排気する第2のマニホルドを形成しており、
さらに、第3のマニホルドは、燃料電池用プレート及びガス分離用プレートとハウジングとの間に形成され、当該第3のマニホルドは、燃料電池用プレートに酸素含有ガスを分配するために各燃料電池用プレートのカソード側に開口しており、
第4のマニホルドは、燃料電池用プレート及びガス分離用プレートとハウジングとの間に形成され、燃料電池積層体から酸素含有ガスを排気するために各燃料電池用プレートのカソード側に開口している燃料電池積層体。 - 燃料電池用プレート及びガス分離用プレートの開口部の第3の配列が、各燃料電池用プレートのアノード側に開口して、別の燃料ガス排気用マニホルドを形成している請求項1に記載の燃料電池積層体。
- 第1及び第2のマニホルドと、上記別の燃料ガス排気用マニホルドとが、燃料電池用プレートとガス分離用プレートとのまわりに角度をあけて形成されている請求項2に記載の燃料電池積層体。
- 燃料電池用プレートとガス分離用プレートが、延在する3つの突出部を備えた略円形であり、第1、第2及び第3の配列の開口部が、上記突出部を貫通して伸びている請求項3に記載の燃料電池積層体。
- 第1の配列の各開口部の断面積が、第2及び第3の配列の開口部に比べて大きい請求項2ないし4のいずれかに記載の燃料電池積層体。
- 気密封止部品が、各燃料電池用プレートの上記反対面と、隣接したガス分離用プレートとの間で、一連の開口部の各々の周囲に延設されている請求項1ないし5のいずれかに記載の燃料電池積層体。
- 気密封止部品が、底面にガラスシーラントを有する溝部と、溝部の開口した上部を閉止してシーラントを溝部内に保持するリブと、を含んでおり、
上記溝部が、燃料電池用プレート及び隣接したガス分離用プレートのいずれか一方の上面に配置され、
上記リブが、燃料電池用プレートと上記隣接したガス分離用プレートのうち他方の対向面上に配置されている請求項6に記載の燃料電池積層体。 - 溝部が、上記上面の開口部周囲に延設されている離間した一対のリブの間に形成されている請求項7に記載の燃料電池積層体。
- 各燃料電池用プレートの上記片面と、隣接したガス分離用プレートとの間の気密封止部品が、上記プレートを貫通する上記一連の開口部より外側のプレート周縁に延設されている請求項1ないし8のいずれかに記載の燃料電池積層体。
- 気密封止部品が、底面にガラスシーラントを有する溝部と、溝部の開口した上部を閉止してシーラントを溝部内に保持するリブと、を含んでおり、
上記溝部が、燃料電池用プレート及び隣接したガス分離用プレートのいずれか一方の上面に配置され、
上記リブが、燃料電池用プレートと上記隣接したガス分離用プレートのうち他方の対向面上に配置されている請求項9に記載の燃料電池積層体。 - 溝部が、上記上面に配置されている離間した一対のリブの間に形成されている請求項10に記載の燃料電池積層体。
- 別の酸素含有ガス排気用マニホルドが、プレートとハウジングとの間に形成され、各燃料電池用プレートのカソード側に開口している請求項1ないし11のいずれかに記載の燃料電池積層体。
- 上記プレートとハウジングとの間に形成されたマニホルドが、上記プレートとハウジングとの間に積層体に沿って延設された封止材により離間されている請求項1ないし12のいずれかに記載の燃料電池積層体。
- 上記封止材が、繊維状封止材である請求項13に記載の燃料電池積層体。
- 各燃料電池用プレートのアノード層側を横切る燃料ガス流が、燃料電池用プレートのカソード層側を横切る酸素含有空気流に対して向流にされる請求項1ないし14のいずれかに記載の燃料電池積層体。
- ハウジングが筒状である請求項1ないし15のいずれかに記載の燃料電池積層体。
- ハウジングが、耐熱鋼のシート材料から成る請求項1ないし16のいずれかに記載の燃料電池積層体。
- 各集電極が、隣接した燃料電池用プレートとガス分離用プレートとの間に備えられている請求項1ないし17のいずれかに記載の燃料電池積層体。
- 気体流量調節機構が、隣接した燃料電池用プレートとガス分離用プレートの間で、プレートの上に備えられている請求項1ないし18のいずれかに記載の燃料電池積層体。
- 気体流量調節機構が、集電極として機能する請求項19に記載の燃料電池積層体。
- 固体酸化物電解質がイットリア安定化ジルコニアであり、ガス分離用プレートが少なくとも実質的にジルコニアから形成されている請求項1ないし20のいずれかに記載の燃料電池積層体。
- ガス分離用プレートのジルコニアが、約20wt%までアルミナを含有している請求項21に記載の燃料電池積層体。
- ガス分離用プレートが、アノードと対面している表面からカソードと対面している表面への導電路を有している請求項21又は22に記載の
- 導電路材料が、銀を含有している請求項23に記載の燃料電池積層体。
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