JP2007005296A

JP2007005296A - Ｓｏｆｃモジュール及びスタックのための複合シーリング構造並びにそれに関連する方法

Info

Publication number: JP2007005296A
Application number: JP2006161516A
Authority: JP
Inventors: Dacong Weng; デイコン・ウェン; Jie Guan; ジー・グアン; Xiwang Qi; シーワン・チ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-06-20
Filing date: 2006-06-09
Publication date: 2007-01-11
Also published as: EP1737059A1; CA2549715A1; KR20060133492A; CN1885603A; US20060286428A1

Abstract

【課題】燃料電池スタック／モジュールのための複合シーリング構造を提供する。
【解決手段】燃料電池スタック／モジュールは、固体電解質（１８）を挟んだカソード（１４）及びアノード（１６）を含むセル（１２）と、カソード（又は、電解質）に隣接するカソード側相互接続部（２０）と、アノード（又は、電解質）に隣接するアノード側相互接続部（２２）とを含み、本複合シーリング構造は、カソード側及びアノード側相互接続部のそれぞれの周辺部の周りで延びる１対の複合シーラント構造（２８、３０）を含み、各複合シーラント構造は、カソード側相互接続部及びカソード（又は、電解質）の縁部間並びにアノード側相互接続部及びアノード（又は、電解質）の縁部間に配置されたシーリング部（３４）と、それぞれの周辺部の外側に設置されてシーリング部に追加シーラントを供給するようになった隣接するシーラント貯蔵部（３６）とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、総括的には固体電解質型燃料電池スタック及びその製造方法に関し、より詳細には、作動温度での固体電解質型燃料電池モジュール及びスタックからの反応材の漏洩を防止するためのシーリング構造およびシーリング方法に関する。

固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）のためのシーラントは、ＳＯＣＦスタック構成要素と一致する熱膨張係数、セルと相互接続部との間のシールギャップを充填しかつ使用温度においてＳＯＦＣスタックのシーリング表面に保持されるような適切な粘度並びに良好な熱的安定性及び化学的安定性のような特別な性質を必要とする。

米国特許第５，４５３，３３１号、第６，２７１，１５８号、第６，５４１，１４６号及び第６，６５６，５２５号には、固体電解質型燃料電池のためのガラス系シーラント組成物が開示されている。これらの特許の全ては、ＳＯＦＣ作動温度での必要な特性を有するシーラントの組成にのみ焦点を当てているが、それら特許は、ＳＯＦＣシールにおける追従性、ギャップ充填性及び寸法交差のような望ましい特性に有効に対処するものではなかった。米国特許出願第２００２／００２４１８５号、国際特許出願第２００４／０１０５２３号及び米国特許第５，５９５，８３３号のような他の特許／特許出願には、固体粒子を充填した圧縮セラミック繊維を用いるシーラントの概念が記載されているが、これらの種類のシールは低い漏れ率を達成するためには非常に高い圧縮力を必要とし、そのため脆いセラミックセルを破壊する危険性が高くなる。従って、ＳＯＦＣシーラントの能力及びスタックとの親和性を向上させるため、追従性のある複合構造体を使用する機会が存在する。
米国特許第５，４５３，３３１号公報米国特許第６，２７１，１５８号公報米国特許第６，５４１，１４６号公報米国特許第６，６５６，５２５号公報米国特許出願公開第２００２／００２４１８５号公報国際特許出願公開第２００４／０１０５２３号公報米国特許第５，５９５，８３３号公報

本発明は、ＳＯＦＣモジュール及びスタックに有用なシーリング構造およびシール方法の提供を目的の一つとする。

本発明の例示的な実施形態によれば、ＳＯＦＣを積み重ねてスタックにし且つそのＳＯＦＣスタックのセルと相互接続部との間の離脱を防止するためのシールを形成する複合シーラント構造体が提供される。より具体的には、この複合シーラント構造体は、端部シーラント貯蔵部とシーリング部との両方を含むように形成された不活性基質と組合せて、作動温度でのＳＯＦＣモジュール及びスタックからの反応材の漏洩を防止するシーラントを含む。

複合シーラント構造体の不活性基質の構成要素は、セラミックの繊維／メッシュ／フェルト又は合金のメッシュ／ウール／フェルトのような、あらゆる適切な耐熱材料で作ることができる。シーラント自体は、ガラスセラミック又はガラスシールのようなあらゆる適切な耐熱シール材料で作ることができる。複合シーラント構造体の製造は、射出成形法、圧縮成形法、湿潤法及び注型法のような幾つかの公知の方法の何れかを利用して実施することができる。

従って、１つの態様では、本発明は、燃料電池スタックのための燃料電池複合シーリング構造体に関し、燃料電池スタックは、固体電解質を挟んだカソード及びアノードを含むセルと、カソードに隣接するカソード側相互接続部（カソード・インタコネクト）と、アノードに隣接するアノード側相互接続部（アノード・インタコネクト）とを含み、本複合シーリング構造体は、カソード側及びアノード側相互接続部のそれぞれの周辺部の周りで延びる１対の複合シーラント構造体を含み、各複合シーラント構造体は、それぞれカソード側相互接続部及びカソード（又は、セル及びスタック設計によっては固体電解質）の縁部間並びにアノード側相互接続部及びアノード（又は、セル及びスタック設計によっては固体電解質）の縁部間に配置されたシーリング部と、それぞれの周辺部の外側に設置されてシーリング部に追加シーラントを供給するようになった隣接するシーラント貯蔵部とを含む。

別の態様では、本発明は、互いに積み重ねられた複数のユニットを含む燃料電池に関し、各ユニットは、固体電解質を挟んだカソード及びアノードを含むセルと、カソードに隣接するカソード側相互接続部と、アノードに隣接するアノード側相互接続部と、１対の複合シーリング構造体とを含み、複合シーリング構造体は、それぞれカソード側相互接続部及びカソード（又は、セル及びスタック設計によっては固体電解質）の縁部間並びにアノード側相互接続部及びアノード（又は、セル及びスタック設計によっては固体電解質）の縁部間に配置されたシーリング部と、カソード側及びアノード側相互接続部のそれぞれの周辺部の外側に設置されてシーリング部に追加シーラントを供給するようになった隣接するシーラント貯蔵部とを含む。

さらに別の態様では、本発明は、燃料電池モジュール／スタック内において、固体電解質を挟んだアノード及びカソードを含むセルに対してそれぞれアノード相互接続部及びカソード相互接続部をシールする方法に関し、本方法は、（ａ）シーラント（３８）を埋込んだ多孔質シーリング構造体をそれぞれアノード及びアノード側相互接続部の縁部間並びにカソード及びカソード側相互接続部の縁部間に設けるステップと、（ｂ）必要に応じて追加シーラントを各縁部間の領域に供給するステップとを含む。

次に、添付の図面と関連させて、本発明を詳細に説明する。

図１は、シールした平面ＳＯＦＣスタックの複数の反復燃料電池ユニット１０の１つを概略図として示している。各ユニット１０は、固体電解質１８を挟んだカソード１４及びアノード１６で構成された燃料電池（燃料セル）１２を含む。加えて、カソード側相互接続部２０がカソード１４に接合され、またアノード側相互接続部２２がアノード１６に接合される。相互接続部２０及び２２は、それぞれ燃料及び酸化性気体を燃料電池内に導入するための複数の通路２４、２６を含む。それぞれカソード１４（又は、電解質１８）及びカソード側相互接続部２０間の接合面並びにアノード１６（又は、電解質１８）及びアノード側相互接続部２２間の接合面は、アノード相互接続部及びカソード相互接続部の通路から反応材が漏洩するのを防止するためにシールされなければならない。上述の接合面は、それぞれの構成要素の縁部の周りに設置される。

複合シーリング（シーラント）構造体２８、３０は、上述の接合面をシールするために利用される。複合シーリング構造２８、３０は同一であるので、一方のみについて詳細な説明をする。複合シーリング構造３０は、シーリング部３４（又は、シーラントテープ）及び拡大した貯蔵部３６が形成された第１の不活性基質構成要素３２を含む。不活性基質構成要素３２は、剛体でない中空の多孔質セラミック／合金材料で構成される。複合シーリング構造体の第２の構成要素は、シーラント自体である。粉末又はペースト形態のガラスセラミック又はガラスシールのようなシーラント３８が、構造体内に埋込まれ、複合シーリング構造の部分３４及び３６の両方を実質的に充填する。シーリング部３０は、例えば図１に示すように、隣接するそれぞれのシール面４０、４２の外側にすなわち相互接続部の縁部を越えて貯蔵部３６が設置された状態で、燃料電池アノード１６（又は、電解質１８）とアノード側相互接続部２２との間に係合するようになっている。さらにこの点に関しては、図１では、シーリング構造３０のシーリング部３４が相互接続部２２の縁部領域４４内の凹部又は切込み部に嵌合しているのを示している。しかしながら、このような凹部は必ずしも必要なものではなく、図３に示すように、シーリング部３４は、燃料電池アノード５０及びアノード側相互接続部５２の対向するシール面４６、４８間に直接配置することができる。燃料電池５０のシール面４６又は相互接続部５２のシール面４８が不規則な（平坦でない）場合があることに注目されたい。しかしながら、シーリング構造３０が圧縮可能な性質であるので、シーリング部３４は、不規則な表面４６又は４８に順応してシール性を高めることになる。高温の使用時の温度では、ガラスシーラントは、半溶融状態になって多孔質シーリング部又はシーラントテープ３４から流出し、隣接するシール面４６、４８に直接接触することになる。シーリング構造が不規則な表面（燃料電池のアノード、カソード又は電解質上の或いは相互接続部の表面上の或いはその両方の）に順応し、シーラント３８がシーリング部３４から移動すると、図３に示すように、貯蔵部３６からの追加シーラント３８が、構造体の不活性基質内部のウィッキング又は毛管作用によってシーリング部又はシーリングテープ３４に移送されることになる。

シーラント貯蔵部３６が、シール面４０、４２、４４又は４６、４８から除去されている、すなわちそれらシール面から離れて設置されているので、シーリング部又はシーラントテープ３４を、アノード又はカソード接合材料（図示せず）の厚さの要件に適応するよう十分に薄くすることができ、故に接合材料の固化温度とシーラントの軟化温度との差によって引き起こされるセルと相互接続部と間の離脱を防止することが可能になる。その一方で、シーラント貯蔵部３６は、依然としてウィッキングメカニズムによって不活性基質を介してシール面４０、４２、４４又は４６、４８にシーラントを提供することができ、これにより、セル及び相互接続部のより大きな幾何学形状公差に対する自由度が得られ、その結果、製造コストが低減されかつＳＯＦＣスタックのシール性及び寿命が向上する。

複合シーリング構造２８（及び３０）は、ＳＯＦＣの形状に対応する形状を有することになることが分かるであろう。例えば、複合シーリング構造２８又は３０は、ＳＯＦＣスタックの形状に応じて、正方形、円形又は矩形などとすることができる。いずれにせよ、複合シーリング構造２８、３０は、必ずしもそうする必要はないが、単体構造のシーリング構造体とするのが好ましい。

現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

本発明の例示的な実施形態による複合シーリング構造を組込んだ、ＳＯＦＣスタックのための単一の反復燃料電池ユニットの概略側面図。図１で使用する複合シーリング構造の構成要素の概略分解図。図１及び図２に示すような複合シーリング構造を備えたセル／相互接続部接合面のコーナ部の拡大詳細図。

符号の説明

１０燃料電池ユニット
１２燃料電池
１４カソード
１６アノード
１８固体電解質
２０カソード側相互接続部
２２アノード側相互接続部
２４、２６通路
２８、３０複合シーリング構造
３２不活性基質
３４シーリング部
３６シーラント貯蔵部
３８シーラント
４０、４２シール面

Claims

固体電解質（１８）を挟んだカソード（１４）及びアノード（１６）を有するセル（１２）と、前記カソードに隣接するカソード側相互接続部（２０）と、前記アノードに隣接するアノード側相互接続部（２２）と、を含む燃料電池スタックのための複合シーリング構造であって、
前記カソード側及びアノード側相互接続部のそれぞれの周辺部において延びる、一対の複合シーラント構造（２８、３０）を含み、
前記各複合シーラント構造がそれぞれ、
前記カソード側相互接続部の縁部と前記カソードの縁部との間、若しくは前記アノード側相互接続部の縁部と前記アノードの縁部との間に配置されたシーリング部（３４）と、
前記カソード側若しくはアノード側相互接続部の周辺部の外側に設置されて前記シーリング部に追加シーラントを供給するための、隣接するシーラント貯蔵部（３６）と、を含む、
複合シーリング構造。
前記複合シーラント構造が、シーラント（３８）を埋込んだ不活性基質（３２）で構成される、請求項１記載の複合シーリング構造。
前記不活性基質（３２）が多孔質セラミック／合金材料を含む、請求項２記載の複合シーリング構造。
前記シーラント（３８）がガラスセラミックを含む、請求項２又は３記載の複合シーリング構造。
前記シーラント（３８）がガラスを含む、請求項２又は３記載の複合シーリング構造。
前記複合シーラント構造（２８、３０）が実質的に中空である、請求項３記載の複合シーリング構造。
互いに積み重ねられた複数のユニット（１０）を含む燃料電池（１２）であって、各ユニットが、
固体電解質（１８）を挟んだカソード（１４）及びアノード（１６）を含むセルと、
前記カソードに隣接するカソード側相互接続部（２０）と、
前記アノードに隣接するアノード側相互接続部（２２）と、
シーリング部と隣接するシーラント貯蔵部（３６）とを含む一対の複合シーリング構造（２８、３０）と、を有し、
前記シーリング部はそれぞれ、前記カソード側相互接続部の縁部とカソードの縁部との間、若しくは前記アノード側相互接続部の縁部とアノードの縁部との間に配置されており、
前記シーラント貯蔵部は、前記シーリング部に追加シーラント（３８）を供給するために前記カソード側及びアノード側相互接続部のそれぞれの周辺部の外側に設置されている、
燃料電池。
前記複合シーリング構造が、シーラントを埋込んだ不活性基質（３２）で構成される、請求項７記載の燃料電池。
前記不活性基質（３２）が多孔質セラミック／合金材料を含む、請求項８記載の燃料電池。
燃料電池（１２）内において、アノード及びカソードに対してそれぞれアノード相互接続部及びカソード相互接続部（２０、２２）をシールする方法であって、
（ａ）シーラント（３８）を埋込んだ多孔質シーリング構造（２８、３０）をそれぞれ前記アノード縁部とアノード側相互接続部の縁部との間、並びに前記カソード縁部とカソード側相互接続部の縁部との間に設け、
（ｂ）必要に応じて追加シーラントを前記縁部間領域に供給する、
方法。