JP2005531107A - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

本発明は、外側管状固体酸化物形燃料電池と、該外側燃料電池の内部に配され、その内側電極層に取り付けられる固相多孔質マトリクスと、該マトリクスに埋設される少なくとも1個の内側管状固体酸化物形燃料電池とを含む燃料電池システムに関する。前記外側燃料電池は、第1の反応液を受容する形状を有する内側電極層と、第2の反応液を受容する形状を有する外側電極層と、前記電極層に挟持される電解質層とを有する。前記内側燃料電池は、第1の反応液を受容する形状を有する外側電極層と、第2の反応液を受容する形状を有する内側電極層と、前記内側および外側電極層に挟持される電解質層とを有する。前記マトリクスは、前記内側燃料電池を支持するのに十分な機械的強度と、第1の反応液が前記マトリクスを通って、前記外側および内側燃料電池にそれぞれ流れることを可能にするのに十分な多孔度を有する。

Description

本発明は管状固体酸化物形燃料電池の積層体を有する燃料電池システムに関する。
一般的に、固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、セラミックの固相電解質で隔てられた、1対の電極(陽極および陰極)を含む。かかるセラミック電解質において適切なイオン導電性を達成するため、SOFCは、典型的には、約1000°C台の高温で稼働する。典型的なSOFC電解質の材料は、負荷電酸素(酸化物)イオンの高温での優れた導電体である、高密度(すなわち、非多孔質)イットリア安定化ジルコニア(YSZ)である。また、典型的なSOFC陽極は多孔質ニッケル/ジルコニア・サーメットから作られ、典型的な陰極は、マグネシウム・ドープ・マンガン酸ランタン(LaMnO)またはストロンチウム・ドープ・マンガン酸ランタン(マンガン酸ランタン・ストロンチウム(LSM)ともいう)から作られる。稼働時には、陽極上を通過する燃料流の中の水素または一酸化炭素(CO)が、電解質中を伝導した酸素イオンと反応し、水および/またはCOと電子とを生成する。前記電子は陽極から外部回路を経由して燃料電池の外部に出て、前記回路上の負荷を経て陰極に戻り、そこで空気流の中の酸素に受け取られ、酸化物イオンに変換された後、電解質中に注入される。このとき進行するSOFC反応は、下記の通りである。
Figure 2005531107
既知のSOFCの設計は、平板型燃料電池と管型燃料電池とを含む。本願出願人自身の特許文献1は、電解析出(EPD)法による管型燃料電池の製造方法を説明している。前記燃料電池は、複数の同心円状層、すなわち内側電極層と中間電解質層と外側電極層とを含む。前記内側電極層および外側電極層は、それぞれ陽極および陰極であることが適当で、かかる場合、燃料は管を通って陽極に供給され、前記管の外面を通って陰極に供給される。
国際出願第PCT/CA01/00634号明細書
また、電気出力を増大させるために、複数の管型燃料電池をアレイ状または「積層体」状に配置することも知られている。直径が比較的大きく(≧5mm)肉厚の、本質的に自立型の管型燃料電池を互いに積層するためのデザインが提唱されてきた。例えば、大口径の管型燃料電池を格子状パターンに積層し、前記燃料電池をニッケル・フェルト・スペーサーで相互に連結することが知られている。これおよびその他の既知の大口径自立型管型燃料電池のデザインは、小口径(≦5mm)燃料電池には特別適してはおらず、特にかかる小口径燃料電池が密に詰め込まれたアレイ状に配列される場合には適さない。したがって、複数の小口径燃料電池を密に配列することを可能にする新たな積層デザインと、かかる積層体用のシステムとが望ましい。
本発明の1つの側面によれば、外側管状固体酸化物形燃料電池と、該外側燃料電池の内部に配置され、その内側電極層に取り付けられる固相多孔質マトリクスと、前記外側燃料電池の実質的に内側の前記マトリクスに埋め込まれる、少なくとも1つの内側管状固体酸化物形燃料電池とを含む燃料電池システムが提供される。前記外側燃料電池は、第1の反応液を受容するような形状を有する内側電極層と、第2の反応液を受容するような形状を有する外側電極層と、前記電極層に挟持される電解質層とを有する。前記内側燃料電池は、第1の反応液を受容する外側電極層と、第2の反応液を受容する内側電極層と、これら内側および外側電極層に挟持される電解質層とを有する。前記マトリクスは、前記外側燃料電池の中の前記内側燃料電池を支持するのに十分な機械的強度と、第1の反応液が、マトリクスを通過して、外側燃料電池の内側電極層と内側燃料電池の外側電極層とに流れることを可能にするのに十分な多孔度とを有する。
前記マトリクスは、固体多孔質発泡体または金属メッシュとすることができる。前記マトリクスが発泡体のとき、電子導電性または混合(電子およびイオン)導電性を有する材料の場合があり、内側および外側の燃料電池の陰極に電気的に結合することができる。発泡体の組成は、マンガン酸ランタン・ストロンチウム、La1−xSrCrO、La1−xCaCrO、La1−xMgCrO、LaCr(Mg)O、LaCa1−xCr、ステンレス鋼316および316L、Ni−イットリア安定化ジルコニア、Niおよびドープ・ジルコニアサーメット、Niドープ・CeOサーメット、Cuドープ・セリアサーメット、銀−(Bi−Sr−Ca−Cu−O)−酸化物サーメット、銀−(Y−Ba−Cu−O)−酸化物サーメット、銀合金−(Bi−Sr−Ca−Cu−O)−酸化物サーメット、銀合金−(Y−Ba−Cu−O)−酸化物サーメット、銀およびその合金、インコネル鋼およびスーパーアロイ全般、フェライト鋼、SiCおよびMoSiからなるグループから選択される1腫または2腫以上の材料を含む場合がある。
前記内側燃料電池の内側電極層は陽極とすることができ、この場合の外側電極層は陰極となる。これに対応して、前記外側燃料電池の内側電極層は陰極となり、その外側電極層は陽極となる。かかる構成では、第1の反応液は燃料で、第2の反応液は酸化剤である。
前記内側燃料電池の直径は、10μmないし10,000μmか、あるいは、より具体的には、10μmないし5,000μmかの場合がある。
前記マトリクスは、前記内側および外側の燃料電池の陰極への酸化剤の送達を増強するための少なくとも1個の細長い空隙を有してもよい。酸化剤供給源に流体連通可能な入口と、前記マトリクスに流体連通可能な複数の出口とを有する酸化剤拡散器があってもよい。
前記燃料電池システムは、前記内側燃料電池の外側電極および電解質を貫通する複数のタブ開口と、各開口の中に配置され該開口をシールするガス非透過性導電性タブとを備えていてもよい。前記タブ開口は、前記内側燃料電池の長さ方向に沿って間隔を置いて設置される。各タブは、前記内側燃料電池の内側電極層に電気的に結合され、外部回路に電気的に接続可能である。各タブは、SOFC稼働条件下での使用に適した不活性金属被膜の場合がある。少なくとも1個の集電体ロッドは前記マトリクスに埋設され、少なくとも1個のタブに電気的に接続され、外部回路に接続可能な場合がある。代替的には、集電体板が前記外側燃料電池の内側のマトリクスに横方向に埋設される場合がある。前記集電体板は、該集電体板および前記マトリクスの間の高温断熱材により、あるいは、前記集電体板と前記マトリクスとの間の間隙によって前記マトリクスから電気的に絶縁すなわち分離されている。前記集電体板は、前記内側燃料電池を受容する開口と、反応液が前記内側燃料電池の外側電極層と前記外側燃料電池の内側電極層とへ流れることを可能にするパーフォレーション(perforation)とを有する。この場合の集電体板は、前記タブの少なくとも1個に電気的に接続され、かつ、外部回路に電気的に接続可能である。
前記燃料電池システムは、未改質燃料供給源に流体連通するための燃料入口と、前記内側および外側燃料電池の陽極に流体連通される燃料出口とを備えた改質チャンバを有する燃料改質装置を含む場合がある。前記改質チャンバは、前記燃料電池で生成した熱を未改質燃料の改質に利用するように、前記燃料電池の少なくとも1つに熱的に結合される。前記改質チャンバは二重壁カップ状とすることができ、この場合には前記燃料電池は前記カップの空洞内に配置される。触媒コーティングされた固体多孔質マトリクスが前記改質チャンバの内側に配置することができる。代替的に前記改質チャンバは、前記外側燃料電池の周りをコイル状に取り巻く改質チューブとすることができ、前記燃料入口および燃料出口は前記チューブの両端に位置する。前記改質チューブはその内側に沿って分散された触媒材料を含む場合がある。
前記内側燃料電池は多孔質導電性集電体を含む場合があり、該多孔質導電性集電体は、前記内側燃料電池の内側に配置され、その内側電極層に電気的に結合され、第2の反応液が前記集電体を通って前記内側燃料電池の内側電極層に流れることができるのに十分な多孔度を有する
本発明の別の側面によれば、少なくとも1個の管状固体酸化物形燃料電池と、該燃料電池の内側に配置される多孔質導電性集電体と、前記燃料電池が埋設される固相多孔質支持マトリクスとを含む燃料電池システムが提供される。前記燃料電池は、第1の反応液を受容する形状を有する外側電極層と、第2の反応液を受容する形状を有する内側電極層と、前記電極層に挟持される電解質層とを有する。前記集電体は、前記内側電極層に電気的に結合され、第2の反応液が前記集電体を通って前記内側電極層に流れることを可能にするのに十分な多孔度を有する。前記支持マトリクスは、前記システムの内部にある前記燃料電池を支持するのに十分な機械的強度と、第1の反応液が前記マトリクスを通って前記外側電極層に流れることを可能にするのに十分な多孔度とを有する。
前記集電体は、前記内側電極層の表面の少なくとも一部を裏打ちする固体多孔質マトリクスの場合がある。代替的には、前記集電体は、
・重なり合う金属、セラミックまたはサーメット繊維の結束体か、
・金属、導電性セラミックまたはサーメット・ウールの結束体、
・辺縁で前記内側電極層の表面に取り付けられる複数のパーフォレーションシート、
・前記燃料電池の内部を長手方向に通って伸びる導電性ロッドまたはワイヤと、、集電体の前記ロッドと前記内側電極層との間に概ね横方向に伸びる複数の導電性フィラメントと
のうちの1つである。
前記集電体の多孔度は25ないし95%、より具体的には40ないし95%、さらに具体的には約60%とすることができる。
前記集電体は触媒材料でコーティングされる場合がある。少なくとも1つの集電体ロッドまたはワイヤが、前記燃料電池の内側の集電体マトリクスに埋設される場合がある。前記集電体ロッドまたはワイヤは、外部回路に電気的に接続可能なを少なくとも1個の端を有する場合がある。前記集電体マトリクスは、該マトリクスを通じた反応物の流れを増強するための細長い空隙を少なくとも1個有する場合がある。
前記集電体発泡体は固体発泡体の場合があり、前記発泡体は、マンガン酸ランタン・ストロンチウム、La1−xSrCrO、La1−xCaCrO、La1−xMgCrO、LaCr(Mg)O、LaCa1−xCr、La1−xSrFeO、(La1−xSr)(Fe1−yCo)O、ステンレス鋼316および316L、Ni−イットリア安定化ジルコニア、Niおよびドープ・ジルコニアサーメット、Niドープ・CeOサーメット、Cuドープ・セリアサーメット、銀−(Bi−Sr−Ca−Cu−O)−酸化物サーメット、銀−(Y−Ba−Cu−O)−酸化物サーメット、銀合金−(Bi−Sr−Ca−Cu−O)−酸化物サーメット、銀合金−(Y−Ba−Cu−O)−酸化物サーメット、銀およびその合金、インコネル鋼およびスーパーアロイ全般、フェライト鋼、SiCおよびMoSiからなるグループから選択される1種または2種以上の材料から作られる場合がある。
前記支持マトリクスは固体発泡体の場合がある。前記支持発泡体は、電子導電性材料または混合(電子およびイオン)導電性材料で作られる場合があり、前記外側燃料電池の内側電極層と前記内側燃料電池の外側電極層とに電気的に結合される場合がある。前記支持発泡体は、前記集電体発泡体と同じ材料でつくられる場合がある。
本発明の別の側面によれば、
(a)複数の管型固体酸化物形燃料電池と、該燃料電池のそれぞれに取り付けられた積層体支持構造とを含み、前記燃料電池はそれぞれ陽極と、陰極と、前記陽極および陰極の間に挟持される電解質とを含む、燃料電池積層体と、
(b)燃料供給源に流体連通可能な改質装置燃料入口と、少なくとも1個の燃料電池の陽極に流体連通される改質装置燃料出口とを有する改質チャンバを含む燃料改質チューブと、
(c)少なくとも1個の前記燃料電池の前記陽極および陰極に電気的に結合され、外部電気回路に電気的に結合可能な外部回路通電リード線線と、
(d)前記積層体および改質チューブを収容し、改質装置燃料入口に流体連通される燃料入口と、少なくとも1個の前記燃料電池の陽極に流体連通される燃料出口と、少なくとも1個の前記燃料電池の陰極に流体連通される酸化剤入口および出口とを含む熱容器容組立体を含む燃料電池システムが提供される。
本発明のさらに別の側面によれば、少なくとも1個の管型固体酸化物型燃料電池と、外部回路に電気的に結合される導電性タブと、前記燃料電池のそれぞれに取り付けられる積層体支持構造とを含む燃料電池システムが提供される。前記燃料電池は、内側電極層と、外側電極層と、該電極層に挟持される電解質と、前記外側電極層およびその下の前記電解質層を貫通するタブ開口とを含む。前記タブは、前記内側電極層の露出部分をコーティングする導電性材料を含む。
定義
本発明を説明するとき、以下の用語は特記しないかぎり、以下の意味に使用する。ここに定義されない用語については、それらの技術分野において通常認識されている意味で用いるものとする。
「繊維」または「フィラメント」は、繊維状材料の1本を指すものとし、「繊維トウ」または「繊維束」は、多フィラメントによる撚り糸または繊維の配列を指し、「繊維コア」は、繊維、フィラメント、繊維トウ、または繊維束を指す。全ての場合で前記繊維コアは、電極として使用できるように、導電性であるか、あるいは、導電性を付与する処理が施されている。
「セラミック」とは、金属酸化物(アルミニウム、シリコン、マグネシウム、ジルコニウム、チタン、クロム、ランタン、ハフニウム、イットリウムの酸化物およびこれらの混合物)を含むがこれらに限定されない、優勢な共有結合またはイオン結合を有する無機非金属固体材料と、(チタン、タングステン、ホウ素、シリコンのような)カーバイド、(モリブデン・シリサイドのような)シリサイド、(ホウ素、アルミニウム、チタン、シリコンのような)窒化物、(タングステン、チタン、ウランのような)ホウ化物およびこれらの混合物、スピネル、(バリウム・チタネート、鉛チタネート、鉛ジルコニウム・チタネート、ストロンチウム・チタネート、鉄チタネートのような)チタネート、セラミック超伝導体、ゼオライト、および(イットリア安定化ジルコニア、β−アルミナおよびセラートのような)セラミック固体イオン導電体を含むが、これらに限定されない、非酸化物型化合物とを指す。
「サーメット」とは、典型的には焼結金属であるが必ずしもこれに限らない金属と組み合わされたセラミックを含み、典型的には温度、腐食および摩擦に対して優れた耐性を示す、複合材料を指す。
中空のセラミック、金属およびサーメットの膜およびマトリクスについて用語「多孔質」は、前記材料が細孔(空隙)を含むことを意味する。したがって、前記多孔質材料の密度は該材料の理論密度よりも低い。前記多孔質膜およびマトリクスの空隙は、連通している場合(すなわち、チャネル型)も、分断されている場合(すなわち、孤立型)もある。多孔質中空膜またはマトリクスにおいては、空隙の大部分は連通している。膜に関してここでで多孔質と考えられるためには、膜は前記材料の理論密度の最大約95%の密度を有するべきである。多孔度は、多孔質体のバルク密度の測定値と、多孔質体の材料の理論密度とから決定することができる。多孔質体における細孔サイズおよびその分布は、当業者に周知の水銀式または非水銀式の多孔度計、BETまたは微細構造画像解析により測定することができる。
本明細書において、底部、頂部、上向き、下向き等のような方向に関連する用語は、便宜的に言及するためだけに用いられ、ここに説明される装置の組立または使用に対する限定として解釈されるべきではないことを理解されるべきである。
図1を参照して、小口径管型固体酸化物形燃料電池12は、互いに連続的に接触して多層膜構造を形成する同心状の3つの中空無機膜(HIM)を含む。内側膜層は陽極14、外側膜は陰極16、中間膜は電解質18である。陽極14または陰極16の膜は、当該技術分野において知られているとおり、単層構造であっても多層構造であってもよい。後者の場合前記多層構造は、機能的または電気化学的に活性な電極サブ層と、電極集電体サブ層(いずれも図示せず)を含む場合がある。前記集電体サブ層は電極サブ層の全面を覆っていてもよいし、帯状に形成されていてもよい。前記集電体サブ層は、Ni、Cu、Ag、AuまたはCu−Ni合金、Ag−Ni合金または他のいずれかの金属または電子導電体から作られる場合がある。
電極としての役割を果たすために、内側膜14および外側膜16は、多孔質で、触媒作用、電気導電性およびイオン導電性を有する材料で作られる。これは、電極14、16が集電し、反応物を電解質18へ流れさせ、電気化学反応を促進し、電解質18を透過してイオンを伝導させることを可能にする。本実施態様では、陽極14はニッケルおよびジルコニア・サーメットで作られる。陽極14は任意的に、2層陽極構造が設けられるように、サーメット層の表面にニッケルの薄層を有する場合がある。陰極16はLSMで作られる。電解質18はジルコニア・セラミック材料で作られる。陽極14の厚さは1μmないし800μmであることが好ましい。陰極16の厚さは1μmないし200μmであることが好ましい。電解質18の厚さは0.5μmないし25μmであることが好ましい。燃料電池12の全直径は10μmないし3000μmであることが好ましいが、最大10,000μmである。また、上記燃料電池の長さは直径の50倍以上である。
これらの特性、特に、所望の寸法を備える管型燃料電池12を提供するために、内側陽極層14は、電解析出法(EPD)を用いてサーメット材料を可燃性導電性コア(図示せず。一般に「析出電極」と呼ばれる)上に析出させることにより形成される場合がある。電解質層18は、EPDによりYSZ材料を内側電極層14上に析出させることにより形成することができる。EPDによる内側電極および電解質の好適な1つの作成方法は、本願出願人による国際出願第PCT/CA01/00634号明細書に記載されている。外側電極層16は、浸漬コーティング法または塗布により、あるいはEPDにより、電解質18上に形成することができる。その後、導電性コアを焼失させるために焼結工程を1回または2回以上行う。
一部の商業的な用途では、電力密度が比較的高い、すなわち、電力電圧比の大きい燃料電池システムを提供することが望ましい。かかる高電力密度は、燃料電池12を互いに密着させて組み立て、燃料電池積層体10を形成することによって達成される場合がある。また、高電力密度は、単位体積当たりの活性表面積を増大させることによっても達成することが可能であり、該単位体積当たりの活性表面積は、例えば各管型燃料電池12の直径を縮小して規定の体積内に積層できる燃料電池12の数を増やすことによって増大できる。したがって、直径10−10,000μm、より好ましくは10ないし5,000μmの小口径管型燃料電池12を用いることが好ましい。かかる小口径の燃料電池12は、特にセラミックまたはいずれかのセラミック複合材で作られる場合に壊れやすく、密に充填したアレイとして組み立てる場合に損傷しやすい。つまり、セラミック構造体は脆く、急激に崩壊しやすい。肉薄で細長いセラミック構造体は特に壊れやすく、前記セラミックの破壊応力を超えた曲げ力や振動に曝されると崩壊する場合がある。したがって燃料電池12は、固相多孔質発泡体マトリクス20(たとえば図6に示す。)に埋設される。本明細書中で用いられる「マトリクス」は、本実施態様で用いる固相発泡体か、金属メッシュかのような、別の材料がその中に埋設される固相材料を意味する。
マトリクス20は、例えば鋼または超合金ような典型的なSOFC稼働温度に耐える、セラミックまたは別の材料から作られる。マトリクス20は、1000°C付近までの温度で稼働し、集電し、酸素をイオン化して酸化物イオンを生成させ、これらのイオンを電解質に伝導ことを可能にするために、LSMで作られる場合がある。マトリクス20は、燃料電池12間の空間を埋め、各燃料電池12の外表面、すなわち、各燃料電池12の陰極層16と接する。マトリクス20は陰極層16と同じ材料でできており、燃料電池12間の連続的な導電経路を形成するため、マトリクス20は陰極16の有効表面積を増大させる役割を果たし、これにより電子を集め酸素をイオン化させる面積が増大する。
LSMの代わりに、マトリクス20は、代替的に、いずれかの適当な電子導電性または混合(電子およびイオン)導電性の多孔質固体材料で作られる場合がある。電子導電性材料(例えば金属)から作られるとき、、マトリクス20は電子の輸送により電気を伝える。また、混合導電性材料(例えばLSMまたは金属/セラミック複合材料)から作られる場合、マトリクス20は電子およびイオンの輸送により電気を伝える。イオン導電性材料(例えばイットリア−ドープ・ジルコニア)を用いる場合、マトリクス20はイオンの輸送により電気を伝える。前記マトリクスの適当な代替的な材料は、ドープLaCrO (例えばLa1−xSrCrO、La1−xCaCrO3、La1−xMgCrO、LaCr(Mg)O、LaCa1−xCr)、ステンレス鋼(例えば316,316L)、Ni−イットリア安定化ジルコニア、Niおよびドープ・ジルコニアサーメット、Niドープ・CeOサーメット、Cuドープ・セリアサーメット、銀−(Bi−Sr−Ca−Cu−O)−酸化物サーメット、銀−(Y−Ba−Cu−O)−酸化物サーメット、銀合金−(Bi−Sr−Ca−Cu−O)−酸化物サーメット、銀合金−(Y−Ba−Cu−O)−酸化物サーメット等のサーメット類、銀およびその合金、インコネル鋼または超合金、フェライト鋼、SiC、およびMoSiを含む。代替的には、燃料電池の外表面が陽極14の場合には、マトリクス20は、Ni/YSZ、Ni/3価または2価カチオンドープ酸化セリウム、サーメット、Ni、Cu、またはCu/YSZ、Cu/3価または2価カチオンドープ酸化セリウムから作られる場合がある。
マトリクス20全体が鋼または超合金で作られるとき、単一の電池を一括保持するための機械的な支持体を提供する役割と、集電体の役割とを果たす。マトリクス20が触媒コーティングされた鋼または超合金で作られる場合、マトリクス20は、機械的支持を提供し、集電し、イオン化のような化学反応を促進する役割を果たす。マトリクス20が触媒と、イオンまたは混合導電体とでコーティングされた鋼または超合金で作られる場合、機械的支持を提供し、集電し、化学反応を促進し、イオン導電経路を提供する役割を果たす。
マトリクス20は、酸化剤が、積層体10を通って、(外側層が陽極14であり、マトリクス20は、燃料が陽極14へ流れることを可能にするのに十分な多孔度を有する実施態様の場合では)各燃料電池12の外側陰極層16に流れることを可能にするために、(チャネル型連通細孔を有する)多孔質である。マトリクス20の多孔度は、酸化剤の十分な通過速度と、燃料電池積層体10用の支持構造体としての役割を果たすにに十分な機械的強度を提供するように選択される。これと関連して、マトリクス20は、25ないし95%、より好ましくは約60%の多孔度を有する。本実施態様のマトリクス20は、発泡剤を有する発泡体スラリーを焼結することによって作られる固体発泡体である。代替的には、各燃料電池12の周りを覆う金属ワイヤか、金属、セラミックまたはサーメットで作られた、燃料電池を埋設するウールか、「綿飴」と視覚的に似ている複数のからまった繊維を含む繊維束(図示せず。)かのような他の構造が、マトリクス20と置換される場合がある。
任意的には、図2を参照して、燃料電池12はその内面が多孔質導電性陽極マトリクス21によって裏打ちされている場合がある。陽極マトリクス21は陽極の触媒作用と集電とを促進する役割を果たす。陽極マトリクス21は、下記の材料を用いて構成することができる。
(a)発泡金属、例えば銀、ニッケル、銅、ステンレス鋼、超合金。主な機能:集電。
(b)触媒で被覆された発泡金属。主な機能:集電、化学反応促進。
(c)触媒コーティングされた発泡金属およびイオン導電性または混合導電性材料。主な機能:集電、化学反応促進、イオン導電経路の提供。
(d)陽極材料、例えばニッケル/ジルコニア・サーメット。ここで、サーメットは陽極層よりも大きな多孔度を有し、その多孔度は燃料ガス流路を提供するに十分な大きさである。主な機能:集電、反応促進、イオン導電経路の提供。
本実施態様の燃料電池12は細長い円筒管であるが、他の断面あるいは長手方向の形状、例えばU字状またはコイル状の形状を有する燃料電池12も本発明の範囲に含まれることが理解されるべきである。円形の断面形状を有する細長い管のとき、燃料電池12は、図1および図2に示すように、両端が開いていてもよいし、図3に示すように一方の端が閉じていてもよい。両端が開いている場合、燃料は燃料電池12の入口端22から供給され、この管の長さ方向に沿って流れる間に電気化学反応を起こす。未反応の燃料と反応生成物とは、燃料電池12の反対側の出口端24から排出される。一方の端だけが開いた管の場合、SOFC稼働条件に耐えうるニッケル、ステンレス鋼または超合金のような金属で作られた供給管26が陽極マトリクス21に埋設され、供給管26は、燃料を受け入れる入口28と、燃料電池12の閉じた端の底部付近に出口29とを有する。管26は、ガスの送達と集電との役割を果たす。燃料は供給管入口28から導入され、供給管26の底部に向かって下降し、出口29から排出され、管の頂部に向けて上昇して、燃料が上昇する間に、燃料が陽極14で電気化学反応を起こす。未反応の燃料と反応生成物とは、燃料電池12の頂部、すなわち燃料電池12の開いた端から排出される。代替的には、供給管26はセラミック材料(例えばアルミナ)で作られる場合があり、前記管の外側は、SOFC稼働条件に耐えるように選択された電子導電性材料でコーティングされる場合がある。かかる供給管26は、ガス送達とともに集電の役割も果たす。
陽極層の一端あるいは両端は、電流を流すための外部回路に電気的に接続することができる。しかし集電中のIR損失を低減するために、一連の集電体タブ30が、燃料電池12の長さ方向に沿って分散配置される。図4および図5を参照して、これらのタブ30は、電気経路長を短縮し、これによって損失を低減するために、燃料電池12の長さ方向に間隔を空けて配置される。タブ30は、SOFC稼働条件下での使用に適する陽極層の露出部に形成された、銀その他の不活性金属による被膜である。タブ30は、下記の様にして作製される。陽極層14の上に電解質層18を析出させた後であって、電解質18上に外側陰極層16を設ける前に、かつ、電解質18を焼結する前に、該電解質層18のセクションを除去して内側陽極層14の一部を露出させる。この電解質層の部分は、乾燥状態であれば紙やすり、綿布等を用いて除去することができ、また完全に乾燥する前に、湿らせた、または乾いた綿布、紙等で軽くこすることにより除去することができる。陽極と電解質層14,18とを焼結した後、陽極の露出部を銀塗料(または、他の導電性材料)でコーティングする。このときのコーティングは、タブ開口がガス透過性を保持し得るように適用される。続いて、乾燥および焼結の工程を行い、銀を陽極表面に結合させる。次に、外側陰極層16が電解質18に適用され、タブを取り付けた燃料電池12が700ないし1300°Cで焼結される。
燃料電池12は、他の燃料電池12とともにマトリクス20に埋設され、燃料電池積層体10を形成する場合がある。図6に示す1つの任意的な実施態様では、陽極集電体ロッド32がマトリクス20に埋設される場合もある。集電体ロッド32は、SOFC稼働条件に耐える導電性の適当な材料から作られ、適当な材料は、ステンレス鋼、超合金および銀を含む。集電体ロッド32は陽極タブ30に電気的に結合される。集電体ロッド32は、タブ30から集電された電流を外部回路(図示せず。)に伝導するために、外部回路に接続できる。タブ30およびロッド32は、陰極16および該陰極16と電気的に接続するマトリクス20の部分とからタブ30およびロッド32を電気的に絶縁するために、電気絶縁体31に被覆される。
図7を参照して、マトリクス20は、各燃料電池12の陰極16への酸化剤/空気の伝達を促進するために役立つ、多数の酸化剤分配チャネル33を任意的に有する場合がある。かかる分配チャネル33は、マトリクス20の形成過程で細長い可燃性コアを前記マトリクスの材料中に挿入し、続いて前記コアを焼失させ、マトリクス20中に細長い空隙を残すことにより形成される場合がある。酸化剤または空気は、拡散器35を介して分配チャネル33に供給される場合があり、かかる拡散器35は、マトリクス20内の積層体の一端で横方向に伸び、酸化剤供給源に接続される入口と、酸化剤または空気をマトリクス20内に放出するとともに酸化剤または空気を分配チャネル33内に放出する、パーフォレーションとを有する場合がある。使用済みの酸化剤と反応生成物とは、出口37を通じて排出される。
図8ないし図10を参照して、各燃料電池12の陽極から集電するための代替的なアプローチが例示される。この代替的な実施態様では、一連の陽極集電板34が、各燃料電池12の長さ方向から横断方向に伸びるように、タブ30に取り付けられている。陽極集電板34は、で、SOFC稼働条件に耐える導電性の適当な材料で作られ、適当な材料は、ステンレス鋼、超合金および銀を含む。陽極集電板34は、各燃料電池12を受容するための間隔を置いて配置された開口(図示せず。)と、空気/酸化剤ガスが陽極集電板34を通って流れることができるようにするパーフォレーションとを有する。陽極集電板34はタブ30から電気を集電し、その電流を陽極集電板34の外側の辺に接続された外部回路(図示せず。)に伝達する役割を果たす。陽極集電板34はかかる特性を備えて構築され、マトリクス20によって提供される支持を補強する燃料電池12への構造的支持を陽極集電板34が提供するようなやり方で、陽極集電板34が各燃料電池12に物理的に取り付けられる場合もある(図8および図10)。陽極集電板34は、各陽極集電板34の両面を被覆する多孔質電気絶縁体層36によりマトリクス20から電気的に絶縁される。したがってマトリクス20は、各燃料電池12の陰極のみに物理的および電気的に結合されるのに対し、陽極集電板34は各燃料電池12の陽極にのみ物理的および電気的に結合される。
代替的には、図9示すとおり、横方向の板が、燃料電池12の構造的支持の全てを提供する役割を果たす、すなわち、前記横方向の板がマトリクス20と置換する。この場合、陰極板35は各燃料電池12の陰極16に物理的および電気的に接続するように提供される。陽極陽極集電板34と同様に陰極板35は、SOFC稼働条件に耐える導電性の適当な材料から作られ、燃料電池12を受容するために間隔を置いて配置された開口と、空気/酸化剤ガスが陰極板35を通って伝達されるためのパーフォレーションとを有する。陰極板35は、電流を電気化学的過程のために外部回路を通って各燃料電池12の陰極16に戻すために、外部回路に電気的に接続される。
図11ないし25を参照して、複数の燃料電池12が、商業的に有用な電力レベルを発生するために、積層体10に組み立てられる場合がある。これらの図は、特定の要求性能に特に適する積層体の構成を示す。
図11を参照して、燃料電池積層体10は、マトリクス20に埋設された複数の燃料電池12を含む場合がある。マトリクス20は、導電性があり、積層体10の各燃料電池12の陰極16に電気的に結合されているので、この積層体10の中の各燃料電池12は電気的に並列接続されている。その結果、積層体10の有効電圧は、最大電圧を有する積層体10中の単一の燃料電池12の電圧に等しく、積層体10の有効電流は、各燃料電池12により発生する電流の加法和である。
別の積層体の構成が図12に示される。ここでは、燃料電池積層体10は、マトリクス20に全て埋設されている、個別の燃料電池12と、燃料電池サブ積層体40との混成体を含む。燃料電池サブ積層体40は、サブ積層体40が積層体10中の他のサブ積層体40または燃料電池12と電気的に直列に接続されているやり方で、積層体10中の他の燃料電池12から電気的に絶縁された1個または2個以上の燃料電池12である。各サブ積層体40は、電気絶縁体または熱および電気の絶縁体42に収容される。絶縁体42は、サブ積層体40内部のマトリクス20(サブ積層体マトリクス)がサブ積層体40の外部のマトリクス20(積層体マトリクス)と電気的に接続することを防止し、これによってサブ積層体40内部の燃料電池12が、積層体10中の他の燃料電池12またはサブ積層体40と短絡することを防止する。電流は各燃料電池12の端から集電される場合がある。
絶縁体42はサブ積層体40の周りを覆う可撓性のシートであり、該シートは燃料電池12の長さ方向に伸び、Al(稠密または多孔質)、セラミック・フェルト、または、外側の金属シェルと、内側の絶縁セラミックの裏打ちとの複合材料で作られる場合がある。代替的には、絶縁体42は、外側のセラミック層と内側の導電性金属の裏打ちを有する剛性2層シェルの場合がある。
別の積層体の構成が図13に示される。ここでは積層体44は、図11に示したと同様の、並列接続された状態でマトリクス20に埋設される複数の小口径管型燃料電池12を含む。しかしこの積層体の構成は、小口径燃料電池12(内側燃料電池)が大口径燃料電池13(外側燃料電池)の内部に配されている点で、図11に示された構成と異なる。外側燃料電池13は、内側燃料電池と同じ材料および方法(後述)、あるいは、大口径燃料電池を作るための当業者に知られた材料および方法、例えば押出成型によって作ることができる場合がある。外側燃料電池13は、内側電極層が陰極16であり、物理的・電気的にマトリクス20に接続され、外側電極層が陽極14である点で、内側燃料電池12と異なる。容器46は、容器内壁と外側燃料電池13の陽極表面との間に空間が設けられ、燃料が外側燃料電池13の陽極表面へ流れるための燃料分配チャネル48を形成するやり方で、外側燃料電池13を収容する。スペーサ(図示せず。)が、積層体10を容器46に固定するために設けられる場合がある。
図14に示す燃料電池積層体50は、多孔質マトリクスが燃料分配チャネル48中のスペーサで置き換えられた点を除いて、図13に示した積層体44と同じである。
容器46が図13および14の燃料電池積層体10から除去される場合には、積層体10は「入れ子式の管(tube−within−a−tube)」型の燃料電池組立体に似ており、既知の燃料電池システムに用いられる大口径管型燃料電池に置き換わる場合がある。大口径燃料電池13内に複数の小口径燃料電池12が配置されるため、入れ子式の管型の燃料電池組立体は、従来の単管型大口径燃料電池よりも大きな電力出力を提供することが期待される。
図15および16は、別の1対の積層構成52,54が示される。基本的にこれらは入れ子式の管が追加された入れ子式の管型デザインであるが、ここでは小口径燃料電池12は図12に示すのと同じやり方で配置される。図15に示す積層体10はスペーサにより容器46に取り付けられ、図16に示す積層体10は前記多孔質マトリクス材料により容器46に取り付けられている。
図17および18には、別の入れ子式の管型の燃料電池組立体56、58を示す。入れ子式の管型の燃料電池組立体56,58は、複数の小口径燃料電池12と燃料電池サブ積層体60とが概ね図15および16に示したと同じやり方で配置されている。しかし本構成におけるサブ積層体60は、下記の点で図15および16に示したサブ積層体40と異なっている。すなわち、燃料電池12を取り囲む絶縁体42の代わりに、各サブ積層体60は、大口径外側燃料電池13よりも小さい直径で小口径内側燃料電池12よりは大きい直径の中口径燃料電池15の内側に収容されている。
燃料電池積層体56,58は、それぞれ上記積層体52,54と同様に容器46の内側に配置される。代替的には、容器46のない積層体56,58が、入れ子式の管型の燃料電池組立体の役割を果たして、上述したように従来の大口径管型燃料電池システムにおける他の積層体とともに組立てられる場合がある。図19は、図17および18の燃料電池組立体を大型の熱容器に直列または並列に配置した積層体を示す。
図20ないし24を参照して、小口径燃料電池12は、積層体10の長さ方向に伸び、各内側燃料電池12の端部が該積層体10の端部に向けてマトリクス材料に覆われることなく開放され、外部回路に電気的に接続される場合がある。図21および22を参照して、マトリクス20は、(図7にも示すように)マトリクス20を通って各小口径燃料電池12の電極表面への反応物の流れを促進する分配チャネル33が設けられる場合がある。図21は、小口径燃料電池12と実質的に平行な長手方向の一連の分配チャネル33を示し(図24も参照)、図22は、小口径燃料電池12に対して実質的に垂直な一連の横方向分配チャネル33を示す。後述するように、これらチャネル33は、焼結処理により焼失した後にチャネル33を残す可燃部材を挿入することにより、あるいは、図23に示すように燃料電池12の長さ方向に沿って不連続な多孔質マトリクスによって残される間隙から形成される場合がある。長手方向に伸び、燃料電池12の中に分散配置される一連のチャネル33の平面図が図24に示される。
図25を参照して、25個のサブ積層体を有する六角形の燃料電池積層体62が提供される。各サブ積層体64は7個の単燃料電池12を有する。例示として、各燃料電池の定格を0.7V、1.43Aおよび1Wとすると、7個のサブ積層体64の各々は7Wを発電する。前記7個のサブ積層体64中の単電池は並列に接続されるので、サブ積層体64の電圧出力は単電池12の電圧出力、すなわち、0.7Vと等しく、電流は各電池12で発生する電流の加法和、すなわち1.43x7=10Aとなる。
ここで、サブ積層体64が互いに電気的に絶縁されているとすると、積層体62は電気的接続方法を変えることによって出力を変化させることができる。この電気的接続は各電池の端部にて、公知の方法で達成される。
1つの実施態様として、25個全てのサブ積層体64を並列接続することができ、この場合、積層体の定格は下記のとおりとなる。
積層体電力 7W × 25 サブ積層体 = 175W
積層体電圧 0.7V
積層体電流 10A × 25サブ積層体 = 250A
別の実施態様として、上記積層体62を電気的に絶縁された5個のサブグループに分割し、各グループが5個のサブ積層体を有してもよい。各グループ内の5個のサブ積層体は並列に接続され、5個のグループは直列に接続される。この場合、各サブ積層体の定格は7W、0.7Vおよび10Aとなり、各グループの定格は35W、0.7Vおよび50Aとなり、積層体の定格は下記のとおりとなる。
積層体電力 35W × 5 グループ= 175W
積層体電圧 0.7V × 5 グループ = 3.5V
積層体電流 50A
別の実施態様では、各グループの5個のサブ積層体が直列に接続され、各グループの定格は電力出力35W、電圧3.5Vおよび電流10Aとなる。これらグループを直列にすると、積層体の定格は下記のとおりとなる。
積層体電力 35W × 5グループ= 175W
積層体電圧 3.5V × 5グループ = 17.5V
積層体電流 10A
また、これらグループを並列に接続すると、積層体の定格は下記のとおりとなる。
積層体電力 35W × 5 グループ= 175W
積層体電圧 3.5V
積層体電流 175W / 3.5V = 50A
図26ないし30は、上記の燃料電池積層体の構成の1つを取り込むさまざまな燃料電池システムのデザインを示す。一般的に前記燃料電池システムは、酸化剤と燃料との送達および排出手段と、前記燃料電池積層体と、該積層体用の熱容器と、前記積層体を外部電気回路に接続するためのリード線とを含む。
図26に、単一終端型燃料電池12の積層体10がマトリクス20に埋設された、シンプルな燃料電池システム70のデザインを示す。積層体10は、エアロゲルのような適当なセラミックか、多孔質セラミックのような他の材料か、セラミック・フェルトまたはサフィル(Saffil)のような他の材料かで作られたカップ型の断熱層72の内側に収容される。積層体10および断熱層72は、カップ型のケース74の内部に収容される。ケース74の適当な材料は、アルミナ、ジルコニア、アルミナ−ジルコニア複合体、スピネル、シリカ、セラミック・エアロゲル、または、前記細孔が分断された多孔質セラミックである。ケース74は、鋼またはアルミナで作られる外層と、セラミックで作られる内層との2層を有する場合がある。空気導入管および送出管76,78が、積層体10に対する空気/酸化剤の流出入を行うための断熱層72およびケース74を貫通して設けられる。
ケース74は、ケース74の縁の周りに沿って外向きに伸びる環状のリップ80を有する。リップ80は、蓋82とケース74との間に流体シールが形成されるやり方で、複数の非導電性ファスナ84を介した蓋82の装着を可能にする。蓋82は、断熱層72と類似の構成の絶縁断熱層86と、該断熱層86に接触隣接し反応物を透過させない導電性金属層88とを有する。金属層88は、陽極コネクタ90を介して各燃料電池12の陽極に電気的に接続され、陽極リード線91を介して外部回路に電気的に接続される。ケース74は、陰極リード線92を介して外部回路に電気的に接続され、また、ケース74とマトリクス20とに電気的に接続された陰極コネクタ94を介して各燃料電池12の陰極に結合される。
ドーム状の燃料排出チャンバ・カバー96が、カバー96と蓋82との間で流体シールを形成するために、蓋82を越えてファスナ84によって締められる。カバー96が、各燃料電池12の供給管26を受容する開口と、燃料出口98とともに設けられる。燃料排出チャンバ99は、カバー96と蓋82との内側の空間によって画定される。チャンバ99は、各燃料電池12の燃料出口と流体連通する。
稼働中は、燃料が各燃料電池供給管26の入口28を介してシステム70内の各燃料電池12に供給される。酸化剤は酸化剤供給管76を通じてマトリクス20に供給される。燃料および酸化剤は、各燃料電池12の陽極および陰極でそれぞれ電気化学反応を起こす。未使用の燃料および反応生成物は燃料電池12から燃料排出チャンバ99へ排出され、さらに燃料電池システムから燃料出口98を通って排出される。未反応の酸化剤および反応生成物は、排出チャネル78を通じて排出される。上記電気化学反応の結果生じた電流は、陽極リード線91および陰極リード線92を介して電気回路を導通する。
図27を参照して、下記の点で顕著に異なることを除いて、図26に示したシステム70と同様の設計である燃料電池システム100が提供される。第一に、空気/酸化剤入口102はシステム100の頂部からマトリクス20内部に伸びる。第二に、適当な供給ガス(例えば天然ガス)を水素に改質するための燃料ガス改質装置104が提供される。供給燃料は、改質装置104に流体連通される燃料供給導入管106を介して改質装置104に分配され、燃料供給導入管106は、上記改質装置104の底部に向けて燃料を排出する複数のパーフォレーションを含む排出部を有する。改質装置104はカップ型の層、すなわち、断熱層72とカップ型の金属集電層108とに挟まれた空間である改質改質チャンバを有する。改質チャンバの頂部は蓋82で閉じられている。前記チャンバは触媒コーティングされた発泡体様の多孔質マトリクス構造で満たされている。改質装置104の頂部の縁付近には、改質された燃料を改質チャンバから燃料供給管114(図27に、改質装置出口110に結合された状態を破線で示す。)を介して燃料供給チャンバ112に向けて排出する改質装置出口110がある。燃料供給チャンバ112は、ドーム形状の燃料供給チャンバ・カバー116と燃料排出チャンバ・カバー96との間の空洞である。
陰極集電層108は、燃料電池積層体10に接触隣接し、より具体的には、支持構造20と電気的に接続されている。また、陰極集電層108は陰極リード線92にも電気的に接続されている。積層体10、陰極集電層108、改質装置104および断熱層72は、外側ケース74と蓋82との内側にすべて収容される。
稼働中は天然ガス(または別の適当な炭化水素燃料)供給燃料が、燃料導入管106により前記改質チャンバの底部に分配される。燃料が前記改質チャンバ内の前記触媒コーティングされたマトリクスを通って上昇する間に、前記燃料は水素に改質され、改質装置104から改質装置出口110を通って燃料供給チャンバ112に放出される。次に、燃料供給チャンバ112内の水素燃料は、供給管26を通じて各燃料電池12に供給される。電気化学反応からの熱が、天然ガス供給燃料を水素に改質され、これとの関連で、集電層108は熱の良導体である材料で作られる。改質反応は吸熱反応なので、改質装置104は上記積層体10の冷却という、別の有用な機能も果たす。前記システムの動作の残る部分は、図26に示したシステム70と同様である。
別の燃料電池システム120が図28に示される。このシステム120は、前記改質チャンバの周りを取り巻く改質装置チャネル122が設けられていることを除いて、図27に示したシステムと同様である。この形状は、改質装置の流路長を長くするため意図的に選択されたものであり、これによって改質過程の効率を高めている。改質装置チャネル122の上流端に流体連通された燃料供給口124が、図27に示された燃料供給口106に置換される。改質装置チャネル122の下流端は、燃料供給チャンバ122に流体連通される。
図29に示す燃料電池システム130は、改質装置の筐体から改質装置チャネル122への熱伝導を改善するために改質装置チャネル122がマトリクス材料132に埋設されることを除いて、図28に示したシステム120と同一である。
図30は、マトリクス20に埋設された、両端を有する細長い燃料電池12の積層体10を有する別の燃料電池システム140のデザインを示す。積層体10の両端は、燃料分配マニホールド142と燃料排出マニホールド144とが冠着している。マニホールド142、144は、各燃料電池12の内部と個々のマニホールド142、144との間に流体シールが形成されるように、積層体10内の各燃料電池12の各端を受容する開口を有する。これは、燃料が、酸化剤流路流体的に隔離された各燃料電池12に対して入口145および出口147を通じて出入りすることを可能になる。酸化剤は酸化剤入口146および出口148をそれぞれ介して燃料電池積層体に供給および排出される。前記積層体は円筒形の断熱層72および外側ケース74に囲まれている。前記断熱層と金属陰極集電層108との間には、渦巻型の改質装置チャネル122がある。
製造
管型燃料電池12の製造方法と、これら燃料電池12を多孔質マトリクス20に埋め込む方法が以下の段落で説明される。
A.管型燃料電池の形成
上述したとおり、内側電極および電解質をEPDによって製造する小口径管型SOFCの製造方法は、本願出願人による国際出願第PCT/CA01/00634号明細書に説明される。前記燃料電池の外側電極層は、当業者に知られている浸漬コーティング法および塗布法のうちの1つか、EPDかによって、LSM層を電解質18に適用することにより形成される場合がある。
B.燃料電池の積層体およびサブ積層体の製作
燃料電池システムとして使用するために、複数の燃料電池12が積層体10あるいはサブ積層体40に組み立てられる場合がある。燃料電池12を固定するために、燃料電池12は、剛性が比較的高く多孔質であり、支持構造体として機能する固体発泡体マトリクス20に埋設される。ある種の材料で作られるとき、マトリクス20は、集電し、酸素(酸化物)イオンを電解質18へ伝導することによって、陰極16として機能する場合もある。
燃料電池を多孔質マトリクスに埋め込むための異なる方法がある。1つの方法によると、図31および図32を参照して、マトリクス材料のスラリーに複数の燃料電池12を浸漬させる装置152が提供される。装置152は、焼結に耐えうるセラミック、超合金あるいはその他の材料で作られた1対の端板154と、可燃性の可撓性シート156と、前記スラリーを前記容器(図示せず。)に供給する手段とを含む。端板154は、各々の主面の1つの上に複数の窪み158を有し、複数の窪み158は燃料電池12の端部を受容できる形状および寸法を有する。可撓性シート156は、板紙または適当なプラスチック材料で作られる場合がある。焼結(後述)を行うと、可撓性シート156は焼失する。代替的には、可撓性シート156はアルミナやジルコニアのようなセラミクスか、金属かの不燃性の器壁(図示せず。)に置換される場合がある。かかる容器は、熱処理/焼結中にスラリーを収容する役割を果たすが、燃料電池積層体10の一体となった部品として機能する場合もある。
各燃料電池12のそれぞれの端は保護マスキング・テープ(図示せず。)または適当な可燃性コーティングで封止され、前記端へのスラリーの付着を防いでいる。また、各端板154は各燃料電池12の各端に締結され、各燃料電池12を保持固定する。可撓性シート156は、燃料電池12の周りを覆い、燃料電池12の周りを完全に覆い、各端板154に取り付けるのに十分な大きさを有する。覆われるとき、シート156と端板とは、燃料電池12を収容する円筒形容器を形成する。スラリー注入口160が基板の1つに設けられる。
前記スラリーは、マトリクス材料、水または有機溶媒、分散剤、発泡剤、有機モノマーおよび重合開始剤の懸濁液である。この場合の前記マトリクス材料はLSM(マンガン酸ランタン・ストロンチウム)であるが、LaCrO(例えば、La1−xSrCrO、La1−xCaCrO、La1−xMgCrO、LaCr(Mg)O、LaCa1−xCr)、ステンレス鋼(例えば316、316L)、Ni−イットリア安定化ジルコニア、Niおよびドープ・ジルコニアサーメット、Niドープ・CeOサーメット、Cuドープ・セリアサーメット、銀−(Bi−Sr−Ca−Cu−O)−酸化物サーメット、銀−(Y−Ba−Cu−O)−酸化物サーメット、銀合金−(Bi−Sr−Ca−Cu−O)−酸化物サーメット、銀合金−(Y−Ba−Cu−O)−酸化物サーメットのようなサーメット、銀およびその合金、インコネル鋼またはいずれかのスーパーアロイ、フェライト鋼、SiCおよびMoSiのような、適切な性質を有するいずれかのセラミックおよび/または金属の粉であってもよい。また、前記有機モノマーは、メタクリル酸メチル、アクリル酸(arcylate)ブチル、アクリルアミド、その他のアクリル酸とすることができる。前記分散剤は、ポリアクリル酸を用いることができる。発泡剤としては、Tergiton TMN10またはTriton X114の場合がある。前記重合開始剤は、過硫化アンモニウム(APS)の場合がある。熱処理を行うとスラリーが発泡体を形成するが、前記細孔の多数は互いに連通して連続的な流体流路を形成している。焼結により、この発泡体は固体多孔質マトリクス20になる。
発泡剤に代えて、またはこれに加え、ポリマー粉末、有機粉末、鋸屑および繊維のような可燃性添加剤を添加してもよい。前記可燃性添加剤を燃焼させるのに十分な温度で焼結を行うことにより、前記添加剤は焼失し、発泡体様の多孔質微細構造を有する固体マトリクス20が後に残る。
発泡剤および可燃性添加剤の代わりに、またはこれらに加えて中空セラミック粒子を用いることによって、多孔質発泡体様微細構造が形成される場合がある。まず、市販のアルミナ・バブル(Al)のような球状セラミック粒子に、スラリー浸漬、スラリー噴霧または無電解コーティング等によりマトリクス材料がコーティングされる。次にコーティングされた前記粒子が、複数の管型燃料電池が所望の積層構成で配置された容器内に配置される。前記容器は、管型燃料電池がしっかりと固定されるように、前記粒子で充填される。それから、蓋が前記容器の上に被せられ、充填された前記容器が焼結工程に供され、これにより、前記コーティングが粒前記子と結合して、前記粒子を物理的に相互に連結する。
前記スラリーは、前記容器がスラリーで満たされ、燃料電池12がスラリーに浸漬されるまで、スラリー注入口160を通じて注射または注入される。前記スラリーは常温(または、約120°Cまでの高温)に放置し、完全に乾燥させる。
スラリーが乾燥した後、前記容器とその内容物は焼結される。焼結サイクルは、まず温度を常温から200°Cに上昇させて1−10時間保温し、続いて500°Cに昇温して1−10時間保温し、続いて650°Cに昇温して1−10時間保温し、続いて900°Cに昇温して1−10時間保温し、最後に1000−1400°Cに昇温して5時間保温することを伴う。各段階の昇温速度は20−300°Cである。温度はその後、降温速度60ないし300°Cにて常温まで降下された。
焼結中に、可燃性可撓性シート56は焼失し、その後に、固化した多孔質マトリクス20中に該マトリクスがそれぞれの燃料電池の長さ方向を取り囲むように(燃料電池の両端はスラリーでコーティングされる前にマスクされているので、ここにはマトリクスが付着しない。)、燃料電池12が埋設された燃料電池積層体10またはサブ積層体40が残る。その後、端板54が外されて、積層体10が他の部品と組み合わされて燃料電池システムを構成する準備ができるか、あるいは、サブ積層体40が他のサブ積層体と組み合わされて積層体10を構成する準備ができる。
本発明の代替的な実施態様(図示せず。)によると、前記積層体またはサブ積層体は、まず、各燃料電池をスラリーでコーティングし、次にスラリーでコーティングされた燃料電池を、各燃料電池状のスラリー被膜が隣接する燃料電池上のスラリー被膜と接触するように、プレート上に積層することによって、作製される場合がある。前記コーティングは、浸漬コーティング、噴霧、または知られた他の適当な手段により行うことができる。可燃性スペーサが積層の際に、積層体中の燃料電池間に所望の間隔を設けるために、燃料電池間に配置される場合がある。前記スペーサは、積層体の所望の幾何学的構成に応じてさまざまな形状を有する場合があり、例えば六角形のスペーサを挿入すれば、蜂の巣状構成の燃料電池積層体が形成される。そして、前記積層された電池は乾燥させられ、多孔質マトリクスに埋設された燃料電池を有するサブ積層体が形成されるように、前記焼結工程にしたがって焼結される。焼結の際に、前記可燃性スペーサは、残っている場合でも焼失する。代替的に、前記スペーサは金属のような不燃性材料から作られる場合がある。かかるスペーサは焼結後も燃料電池とともに残り、かかる場合には、前記スペーサを通って反応物が流れることができるチャネルとともに設けられる。
本発明の別の実施態様(図示せず。)では、積層体またはサブ積層体は、まず、各燃料電池をスラリーでコーティングし、次にスラリーでコーティングされた前記燃料電池を、各燃料電池のスラリー被膜が隣接する燃料電池上のスラリー被膜と接触するように、紙、プラスチックその他の適当な可撓性材料の可撓性シート上に積層することによって作製される場合がある。この場合も、可燃性スペーサは、燃料電池間に挿入される場合がある。次に、前記可撓性シートは折り畳むか、曲げるか、さもなくばサブ積層体の所望の形状に操作される場合があり、例えば前記シートは円筒形そのたの所望の形状にに曲げられて、積層体またはサブ積層体を形成する。次に、前記燃料電池、スラリー、およびシートは乾燥され、上述の各ステップにしたがって焼結される。前記シートは、焼結によって焼失する可燃性材料を用いて作られる場合がある。
本発明のさらに別の代替的な実施態様(図示せず。)では、積層体またはサブ積層体は、まずスラリーを容器に注ぎ、1本または2本以上の可燃性ロッド、その他の適当な細長い部材を前記スラリー中に浸漬することによって形成される場合がある。次に、前記スラリーとロッドは乾燥され、上述の各ステップにしたがって焼結され、前記ロッドが焼失し、焼失した前記ロッドに対応したチャネルを有する多孔質マトリクスが後に残る。次に、上記チャネルに形状と寸法とが対応した燃料電池が各チャネルに挿入される。燃料電池がチャネル内に確実に埋設されない場合は、前記燃料電池と前記チャネルとの間に追加のスラリーが注入され、追加の乾燥および焼結のステップが、スラリーを固化させ、該燃料電池を定位置に締結するために再度実施される場合がある。
上述のいずれのサブ積層体の製造方法は、前記スラリーがマトリクス中で固化するに十分な温度で該スラリーを乾燥および焼結し、さらにこれら可燃性の挿入物を焼失させることにより、該マトリクス中にチャネルを形成することができるように、乾燥前のスラリーに可燃性ロッド、フィラメント、繊維、トウその他の適当な細長い部材を挿入するステップを任意的に含む場合がある。これらのチャネルは上記燃料電池に対して平行、垂直、あるいはその他のいずれの方向を向いていてよい。
本発明のさらに別の代替的な実施態様(図示せず。)によると、積層体またはサブ積層体は、テンプレートによる加工法を用いて形成される場合がある。この技術は、まずスポンジ、カーボン・フェルト、グラファイト・フェルトのような適当なテンプレート材料に燃料電池がしっかりと固定されるように、前記燃料電池を挿入することを伴う。次に、前記テンプレート材料がスラリーに浸漬される。次に、テンプレートを含むスラリーおよび燃料電池が乾燥され、焼結される。焼結中に前記テンプレート材料は焼失し、発泡体様多孔質マトリクスが後に残る。
前記燃料電池が非常に壊れやすく、前記テンプレート材料へ直接挿入するに耐えない場合は、前記テンプレート材料中に金属またはプラスチックのチューブ(内径が前記燃料電池の外径と少なくとも同じもの)をまず挿入し、その後、前記燃料電池を前記チューブ内に挿入する。その後、前記チューブを前記テンプレート材料から引き抜くと、埋設された燃料電池が後に残る。代替的に、前記テンプレート材料中に可燃性チューブまたはロッドを挿入してもよい。前記テンプレートを続いてスラリーに浸漬し、乾燥し、焼結する。焼結時に前記可燃性チューブ/ロッドは焼失し、前記燃料電池をテンプレート材料に挿入可能とするチャネルが後に残る。前記燃料電池がこれらのチャネル内にしっかり保持されない場合には、スラリーを追加し、乾燥および焼結によって前記燃料電池を定位置に保持させてもよい。
前記テンプレートは、導電性金属フェルトのような不燃性材料であってもよい。積層体の性能を向上させるために、前記金属フェルトを、イオン導電性および/または触媒作用を有するスラリーに浸漬してもよい。この場合、結合用スラリーを前記フェルトと前記フェルト中に埋設される前記燃料電池との間に添加することができる。熱処理を行うと、前記結合用スラリーが前記燃料電池を前記金属フェルトに固定し、前記フェルトと前記燃料電池との間の導電性を改良する。前記結合用スラリーは、陰極材料またはフェルトと同じ金属でできている場合がある。また、結合用スラリーを添加する代わりに、あるいはこれに加えて、前記燃料電池を埋設したフェルトを断熱性および電気絶縁性を有する容器に収容し、前記フェルトと前記燃料電池とが適切に接触するまで前記容器を圧縮してもよい。
本発明のさらに他の実施態様では、各単電池に金属ワイヤを巻回することにより、小口径管型燃料の積層体を形成する。ここで、2個または3個以上の電池を1本の金属ワイヤで巻回することにより、機械的に相互連結することができる。前記金属ワイヤは燃料電池の支持構造体として機能するとともに、集電体でもある。前記金属ワイヤが触媒材料でコーティングされる場合には、前記金属ワイヤは燃料電池積層体の触媒作用を増強することができる。
本発明の他の実施態様では、各単電池に金属メッシュを巻回することにより、小口径管型燃料の積層体を形成する。ここで、2個または3個以上の電池を1本の金属メッシュで巻回することにより、機械的に相互連結することができる。前記金属メッシュは前記燃料電池の支持構造体として機能するとともに、集電体でもある。前記金属メッシュが触媒材料でコーティングされる場合には、前記金属メッシュが前記燃料電池積層体の触媒作用を増強することができる。
本発明のさらに他の実施態様では、図33ないし40を参照して、燃料電池12の内側を多孔質集電体162で裏打ちする場合がある。特に、前記集電体は多孔質導電性内側発泡体162の場合がある。発泡体コア162は燃料電池12の陽極表面14に電気的に接続され、集電の機能を果たすとともに、燃料電池12の機械的支持体となる。発泡体コア162の多孔度は、自身の内部に燃料を流通させ、燃料電池12の陽極表面14に到達させるに十分な程度に選択される。発泡体コア162は、電気化学反応を促進するために触媒材料でコーティングされていてもよい。図36ないし38を参照して、金属ワイヤ164の一端が燃料電池12の外に突き出し、外部回路と接続可能となるように、金属ワイヤ164をコア162の中心部に埋設してもよい。かかる金属ワイヤ164は、集電の機能を果たす。あるいは図41を参照して、電極表面において、複数の金属ワイヤ164を発泡体コア162中に埋設してもよい。また、複数の流路166をコア162中に形成し、反応物の流通を増進させてもよい。
また、図39を参照して、前記集電体は内側発泡体コア162ではなく、各燃料電池12の内部に挿入され、燃料電池12の機械的支持体として機能するとともに集電も行う一連の金属シート168であってもよい。前記金属シートは、燃料電池12の陽極壁の長手方向に取り付けられる。
また、図40を参照して、前記集電体は内側発泡体コア162ではなく、長手方向(燃料電池12と平行)に伸びる中心金属ワイヤ172に巻回される複数の金属フィラメント170であってもよく、前記フィラメントは横方向に前記中心金属ワイヤに伸びて、前記陽極内壁と接触する。かかるコアは、「ワイヤ・ブラシ」に似ている。
以上、本発明の好ましい実施例について例示し説明したが、本発明の範囲および趣旨を逸脱しない限りにおいてさまざまな変更を加えることが可能であることが了解されるであろう。
管型固体酸化物形燃料電池(SOFC)の模式的縦断面図。 燃料電池の内側に多孔質マトリクス・ライニングを有する管型SOFCの模式的縦断面図。 一端が閉じた管型SOFCの模式的縦断面図。 両端が開放され、複数の導電性陽極タブを有する管型SOFCの模式的縦方向側面図。 複数の導電性陽極タブを有する図3の管型SOFCの模式的縦方向側面図。 多孔質マトリクスに埋設された一対の管型SOFCおよび陽極 集電体ロッドの模式的側断面図。 分岐酸化剤供給チャネルを有する多孔質マトリクスに埋設された一対の管型SOFCを備えた燃料電池システムの模式的側断面図。 多孔質マトリクスに埋設され、横断陽極集電体板に取り付けられる一対の燃料電池の模式的側断面図。 横断陽極集電体板と横断陰極集電体板とに取り付けられる一対の燃料電池の模式的側断面図。 横断陽極集電体板と横断陰極集電体板とに取り付けられ、多孔質マトリクスに埋設される一対の燃料電池の模式的側断面図。 マトリクスに埋設された複数の管型燃料電池から成る燃料電池積層体の模式的端面図。 マトリクスに埋設された複数の燃料電池および燃料電池のサブ積層体から成る燃料電池積層体の模式的端面図。 発泡体様多孔質マトリクスに埋設され、外側燃料電池の内側に設けられた複数の内側管型燃料電池から成る燃料電池積層体の一構成例を示す模式的端面図。 発泡体様多孔質マトリクスに埋設され、外側燃料電池の内側に設けられた複数の内側管型燃料電池から成る燃料電池積層体の他の構成例を示す模式的端面図。 発泡体様多孔質マトリクスに埋設され、外側燃料電池の内側に設けられた複数の燃料電池サブ積層体と内側燃料電池とから成る燃料電池積層体の一構成例を示す模式的端面図。 発泡体様多孔質マトリクスに埋設され、外側燃料電池の内側に設けられた複数の燃料電池サブ積層体と内側燃料電池とから成る燃料電池積層体の他の構成例を示す模式的端面図。 発泡体様多孔質マトリクスに埋設され、大口径外側管型燃料電池の内側に設けられた複数の小口径燃料電池と中口径燃料電池とからなる燃料電池積層体の一構成例を示す模式的端面図。 発泡体様多孔質マトリクスに埋設され、大口径外側管型燃料電池の内側に設けられた複数の小口径燃料電池と中口径燃料電池とからなる燃料電池積層体の他の構成例を示す模式的端面図。 図17の燃料電池積層体の複数から成る燃料電池システムの模式的端面図。 多孔質発泡体様マトリクスに埋設された複数の内側管型燃料電池から成る燃料電池積層体の模式的縦断面図。 マトリクス中に複数の縦方向流体流路を備える図20の燃料電池積層体の模式的縦断面図。 マトリクス中に複数の横方向流体流路を備える図20の燃料電池積層体の模式的縦断面図。 不連続多孔質発泡体様マトリクス中に埋設された複数の管型燃料電池を備える燃料電池積層体の模式的縦断面図。 多孔質発泡体様マトリクスに埋設された複数の管型燃料電池と、該マトリクス中の複数の縦方向流体流路とを備える燃料電池積層体の模式的端面図。 複数の管型燃料電池を各々の内部に有する複数の六角形のサブ積層体を備える燃料電池積層体の模式的端面図。 各々一端部が閉鎖された管型SOFCの積層体と、システム底部に酸化剤導入チャネルを備える燃料電池システムの模式的横断面図。 各々一端部が閉鎖された管型SOFCの積層体と、該積層体を囲繞する燃料ガス改質装置とを備える燃料電池システムの模式的横断面図。 各々一端部が閉鎖された管型SOFCの積層体と、該積層体を巻回する燃料ガス改質装置とを備える燃料電池システムの模式的横断面図。 熱伝導性マトリクス構造体中に埋設された改質チューブを備える 図30のシステムの模式的横断面図。 各々両端部が開放された管型SOFCの積層体と、該積層体を巻回する燃料ガス改質チューブとを備える燃料電池システムの模式的横断面図。 燃料電池群をマトリクスに埋め込む装置の上面図である。 燃料電池群をマトリクスに埋め込む装置の側面図である。 多孔質発泡体様内側コアを備える燃料電池の模式的縦断面図。 図33の内側コアの模式的端面図。 反応物流路が分散配置された図34の内側コアの模式的断面図。 内側コアに埋設された導電性ワイヤをさらに備える図33の燃料電池の模式的側面図。 図36の内側コアの模式的断面図。 反応物流路が分散配置された図37の内側コアの模式的断面図。 電極内表面に物理的および電気的に接続し、縦方向に延在する一群の板を備える内側コアの模式的端面図。 中心導体ロッドと、該ロッドに巻回される複数のフィラメントとを備え、電極内表面に物理的および電気的に接続する内側コアの模式的縦方向図。 複数の導電性ワイヤが埋設された図34の内側コアの模式的端面図。
符号の説明
10、44、52、54、58、62 積層体
12、70、100、120、130、140 燃料電池
13 外側燃料電池
14 陽極
15 中口径燃料電池
16 陰極
18 電解質
20 マトリクス
21 陽極マトリクス
22 入口端
24 出口端
26 供給管
28、145、146 入口
29、37、147、148 出口
30 集電体タブ
31 電気絶縁体
32 ロッド
33 分配チャネル
34 陽極集電板
35 拡散器
40、60、64 サブ積層体
42 絶縁体
46 容器
48 燃料分配チャネル
50 燃料電池積層体
56 可燃性可撓性シート
72 断熱層
74 ケース
76 空気導入管
78 排出管
80 リップ
82 蓋
84 ファスナ
86 断熱絶縁体
88 金属層
90 陽極コネクタ
91 陽極リード
92 陰極リード
94 陰極コネクタ
96 カバー
98 燃料排出口
99 燃料排出チャンバ
102 空気/酸化剤入口
104 改質装置
106 燃料供給導入管
108 金属集電層
110 改質装置出口
112 燃料供給チャンバ
114 燃料供給管
116 燃料供給チャンバ・カバー
122 改質装置チャネル
124 燃料供給入口
132 マトリクス材料
142 燃料分配マニホールド
144 燃料排出マニホールド
152 装置
154 プレート
156 可撓性シート
158 凹部
160 スラリー注入口
162 発泡体コア/コア
166 流路

Claims (39)

  1. (a)第1の反応液を受容する形状を有する内側電極層と、第2の反応液を受容する形状を有する外側電極層と、前記電極層に挟持される電解質層とを含む外側管状固体酸化物形燃料電池と、
    (b)前記外側燃料電池の内部に配置され、その内側電極層に取り付けられる固相多孔質マトリクスと、
    (c)前記外側燃料電池の実質的に内側の前記マトリクスに埋設され、第1の反応液を受容する形状を有する外側電極層と、第2の反応液を受容する形状を有する内側電極層と、前記内側電極層および外側電極層に挟持される電解質層とを有する少なくとも1つの内側管状固体酸化物形燃料電池とを含む燃料電池システムであって、
    前記マトリクスは、前記内側燃料電池を前記外側燃料電池内で支持するのに十分な機械的強度と、第1の反応液が、マトリクスを通って前記外側燃料電池の内側電極層および前記内側燃料電池の外側電極層に流れることを可能にするのに十分な多孔度とを有する、燃料電池システム。
  2. 前記マトリクスは固体多孔質発泡体である、請求項1に記載の燃料電池システム。
  3. 前記発泡体は電子導電性材料または混合(電子およびイオン)導電性材料であり、前記内部および外側燃料電池の陰極に電気的に結合される、請求項2に記載の燃料電池システム。
  4. 前記発泡体の組成は、マンガン酸ランタン・ストロンチウム、La1−xSrCrO、La1−xCaCrO、La1−xMgCrO、LaCr(Mg)O、LaCa1−xCr、La1−xSrFeO、(La1−xSr)(Fe1−yCo)O、ステンレス鋼316および316L、Ni−イットリア安定化ジルコニア、Niおよびドープ・ジルコニアサーメット、Niドープ・CeOサーメット、Cuドープ・セリアサーメット、銀−(Bi−Sr−Ca−Cu−O)−酸化物サーメット、銀−(Y−Ba−Cu−O)−酸化物サーメット、銀合金−(Bi−Sr−Ca−Cu−O)−酸化物サーメット、銀合金−(Y−Ba−Cu−O)−酸化物サーメット、銀およびその合金、インコネル鋼およびスーパーアロイ全般、フェライト鋼、SiCおよびMoSiからなるグループから選択される1種または2種以上の材料を含む、請求項3に記載の燃料電池システム。
  5. 前記マトリクスは、金属メッシュと、金属、セラミックまたはサーメットのウール結束体と、金属、セラミックまたはサーメットの絡まった繊維結束体からなるグループから選択される、請求項1に記載の燃料電池システム。
  6. 前記内側燃料電池の内側電極層が陽極であり、前記内側燃料電池の外側電極層が陰極であり、前記外側燃料電池の内側電極層が陰極であり、前記外側燃料電池の外側電極層が陽極であり、第1の反応物が燃料であり、第2の反応物fが酸化剤である、請求項2ないし5のいずれかに記載の燃料電池システム。
  7. 前記内側燃料電池の直径は10μmないし10,000μmである、請求項6に記載の燃料電池システム。
  8. 前記内側燃料電池の直径が10μmないし5,000μmである、請求項7に記載の燃料電池システム。
  9. 前記マトリクスは、前記内側および外側燃料電池の陰極への酸化剤の送達を促進するための細長い空隙を少なくとも1つ含む、請求項6に記載の燃料電池システム。
  10. 酸化剤供給源に流体連通可能な入口と、前記マトリクスに流体連通可能な複数の出口とを有する酸化剤拡散器をさらに含む、請求項6に記載の燃料電池システム。
  11. 前記内側燃料電池の外側電極層および電解質層とを貫通し、前記内側燃料電池の長さ方向に間隔を置いて配置される複数のタブ開口と、
    前記内側燃料電池の内側電極層に電気的に結合され、外部回路に電気的に接続可能な各開口の中に配置され、前記各開口を密閉する、ガス非透過性で導電性のあるタブとを含む、請求項1に記載の燃料電池システム。
  12. 各タブはSOFC稼働条件下での使用に適する不活性金属被膜である、請求項11に記載の燃料電池システム。
  13. 前記マトリクスに埋設され、外部回路に電気的に接続可能な前記タブの少なくとも1つに電気的に結合される少なくとも1つの集電体ロッドを含む、請求項11に記載の燃料電池システム。
  14. 前記外側燃料電池の内側の前記マトリクスに横方向に埋設された少なくとも1つの集電体板であって、前記集電体板および前記マトリクスとの間の高温断熱材により、あるいは前記集電体板と前記マトリクスとの間の隙間によって前記マトリクスから電気的に絶縁または隔離され、前記内側燃料電池を受容する開口と、反応液が前記内側燃料電池の前記外側電極層と前記外側燃料電池の前記内側電極層へ流れることを可能にするパーフォレーションとを有し、前記タブの少なくとも1つに電気的に接続され外部回路に電気的に接続可能な、少なくとも1つの集電体板を含む、請求項11に記載の燃料電池システム。
  15. 未改質燃料供給源に流体連通される燃料入口と、前記内側および外側燃料電池の陽極に流体連通される燃料出口とを有し、前記燃料電池の反応によって発生した熱が未改質燃料の改質に利用されるように、前記燃料電池の少なくとも1つと熱的に結合される、改質チャンバを含む燃料改質装置を含む、請求項1に記載の燃料電池システム。
  16. 前記改質チャンバは二重壁カップであり、前記燃料電池は前記カップの空洞内に配置される、請求項15に記載の燃料電池システム。
  17. 前記改質チャンバの内側にある、触媒コーティングされた固体多孔質マトリクスを含む、請求項15に記載の燃料電池システム。
  18. 前記改質チャンバは前記外側燃料電池の周りにコイル状に巻かれた改質チューブであり、該改質チューブの両端に前記燃料入口および燃料出口がある、請求項15に記載の燃料電池システム。
  19. 前記改質チューブは、該改質チューブの内側に沿って分散された触媒材料を含む、請求項18に記載の燃料電池システム。
  20. 前記内側燃料電池は、該内側燃料電池の内側に配置され、その内側電極層に電気的に結合される多孔質導電性集電体を含み、該多孔質導電性集電体は、第2の反応液が前記多孔質導電性集電体を通って前記内側燃料電池の内側電極層に流れることを可能にするのに十分な多孔度を有する、請求項1に記載の燃料電池システム。
  21. (a)第1の反応液を受容する形状を有する外側電極層と、第2の反応液を受容する形状を有する内側電極層と、前記電極層に挟持される電解質層とを含む、少なくとも1つの管状固体酸化物形燃料電池と、
    (b)前記燃料電池の内側に配置され、前記内側電極層に電気的に結合される、多孔質導電性集電体であって、第2の反応液が該多孔質導電性集電体を通って前記内側電極層に流れることを可能にするのに十分な多孔度を有する多孔質導電性集電体と、
    (c)前記燃料電池が埋設される固相多孔質支持マトリクスであって、前記燃料電池をシステム内に支持するのに十分な機械的強度と、第1の反応液が前記固相多孔質支持マトリクスを通って前記外側電極層に流れることを可能にするのに十分な多孔度とを有する、固相多孔質支持マトリクスとを含む、燃料電池システム。
  22. 前記集電体は、前記内側電極層の表面の少なくとも一部を裏打ちする固体多孔質マトリクスである、請求項21に記載の燃料電池システム。
  23. 前記集電体マトリクスは固体発泡体である、請求項22に記載の燃料電池システム。
  24. 前記集電体発泡体は、マンガン酸ランタン・ストロンチウム、La1−xSrCrO、La1−xCaCrO、La1−xMgCrO、LaCr(Mg)O、LaCa1−xCr、La1−xSrFeO、(La1−xSr)(Fe1−yCo)O、ステンレス鋼316および316L、Ni−イットリア安定化ジルコニア、Niおよびドープ・ジルコニアサーメット、Niドープ・CeOサーメット、Cuドープ・セリアサーメット、銀−(Bi−Sr−Ca−Cu−O)−酸化物サーメット、銀−(Y−Ba−Cu−O)−酸化物サーメット、銀合金−(Bi−Sr−Ca−Cu−O)−酸化物サーメット、銀合金−(Y−Ba−Cu−O)−酸化物サーメット、銀およびその合金、インコネル鋼およびスーパーアロイ全般、フェライト鋼、SiCおよびMoSiからなるグループから選択される1種または2種以上の材料で作られる、請求項23に記載の燃料電池システム。
  25. 前記集電体は、金属繊維、導電性セラミックまたは導電性サーメット繊維が重なり合った結束体である、請求項21に記載の燃料電池システム。
  26. 前記集電体は、金属、導電性セラミックまたは導電性サーメットのウールの結束体である、請求項21に記載の燃料電池システム。
  27. 前記集電体は、辺縁で内側電極層の表面に取り付けられる、パーフォレーション処理された複数のシートである、請求項21に記載の燃料電池システム。
  28. 前記集電体は、前記燃料電池の内部を通って長手方向に伸びる導電性ロッドまたはワイヤと、該集電体ロッドと前記内側電極層との間に概ね横方向に伸びる複数の導電性フィラメントとを含む、請求項21に記載の燃料電池システム。
  29. 前記集電体の多孔度は25ないし95%である、請求項21ないし28のいずれかに記載の燃料電池システム。
  30. 前記集電体の多孔度は40ないし95%である、請求項29に記載の燃料電池システム。
  31. 前記集電体の多孔度は約60%である、請求項30に記載の燃料電池システム。
  32. 前記集電体は触媒材料でコーティングされる、請求項21ないし28のいずれかに記載の燃料電池システム。
  33. 前記燃料電池の内側の集電体マトリクスに埋設され、外部回路に電気的に接続可能な端を少なくとも1つ有する少なくとも1つの集電体ロッドまたはワイヤを含む、請求項22に記載の燃料電池システム。
  34. 前記集電体マトリクスは、該集電体マトリクスを通る反応物の流れを促進するための細長い空隙を少なくとも1つ含む、請求項22に記載の燃料電池システム。
  35. 前記支持マトリクスは固体発泡体である、請求項21に記載の燃料電池システム。
  36. 前記支持発泡体は、電子導電性材料または混合(電子およびイオン)導電性材料で作られ、前記外側燃料電池の内側電極層および前記内側燃料電池の外側電極層に電気的に結合される、請求項35に記載の燃料電池システム。
  37. 前記支持発泡体は、マンガン酸ランタン・ストロンチウム、La1−xSrCrO、La1−xCaCrO、La1−xMgCrO、LaCr(Mg)O、LaCa1−xCr、La1−xSrFeO、(La1−xSr)(Fe1−yCo)O3、ステンレス鋼316および316L、Ni−イットリア安定化ジルコニア、Niおよびドープ・ジルコニアサーメット、Niドープ・CeOサーメット、Cuドープ・セリアサーメット、銀−(Bi−Sr−Ca−Cu−O)−酸化物サーメット、銀−(Y−Ba−Cu−O)−酸化物サーメット、銀合金−(Bi−Sr−Ca−Cu−O)−酸化物サーメット、銀合金−(Y−Ba−Cu−O)−酸化物サーメット、銀およびその合金、インコネル鋼およびスーパーアロイ全般、フェライト鋼、SiCおよびMoSiからなるグループから選択される1種または2種以上の材料で作られる、請求項36に記載の燃料電池システム。
  38. 前記マトリクスは実質的に前記外側燃料電池の内部を充填している、請求項1に記載の燃料電池システム。
  39. 前記集電体マトリクスは実質的に前記燃料電池の内部を充填している、請求項22に記載の燃料電池システム。

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