JP2007524956A - 固体酸化物燃料電池スタック用の柔軟性耐歪み性の相互接続部 - Google Patents
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Abstract
固体酸化物燃料電池（１２）のための相互接続部（３０、３２）は、セパレータ板接触領域を画成する第一の部分と、電極接触領域を画成する第二の部分とを有する柔軟性上部構造を含み、この上部構造は、多孔質である。一実施態様において、この上部構造は、織られた構造を画成するように、第一の方向に設けられた複数の柔軟性下部構造と、第二の方向に設けられた複数の柔軟性下部構造とによって画成される。
Description
本発明は、固体酸化物燃料電池（ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）（ＳＯＦＣ）スタックに関し、より詳細には、ＳＯＦＣの寿命を延ばす相互接続部に関する。
（関連ケースの相互参照）
本出願は、「固体酸化物燃料電池スタック用の柔軟性耐歪み性の相互接続部およびシール」という名称で２００３年１月３１日に出願された出願番号第６０／４４４，０２５号および「固体酸化物燃料電池スタック用の柔軟性相互接続部およびシール」として２００３年３月１４日に出願された出願番号第６０／４５４，８９９号である先に出願された仮特許出願の利益を請求するものであり、また、２００２年１１月２７日に出願された米国出願第１０／３０７，００８号の一部継続出願である。
本出願は、「固体酸化物燃料電池スタック用の柔軟性耐歪み性の相互接続部およびシール」という名称で２００３年１月３１日に出願された出願番号第６０／４４４，０２５号および「固体酸化物燃料電池スタック用の柔軟性相互接続部およびシール」として２００３年３月１４日に出願された出願番号第６０／４５４，８９９号である先に出願された仮特許出願の利益を請求するものであり、また、２００２年１１月２７日に出願された米国出願第１０／３０７，００８号の一部継続出願である。
燃料電池は、燃料を酸化剤と電気化学的に反応させて直流を生成する装置である。燃料電池は一般に、カソードと、電解質と、アノードとを含み、電解質は、カソード材料とアノード材料との間に配置された非多孔質の材料である。所望の電圧レベルを達成するために、このような電池は一般に、相互接続部または二極性（ｂｉｐｏｌａｒ）板を用いて一緒に接続されてスタックまたは燃料電池スタックを形成し、このスタックを通して、燃料流体および酸化剤流体が流される。電気化学変換が生じ、燃料は、酸化剤と電気化学的に反応して、ＤＣ電気出力を生成する。
ＳＯＦＣスタックのカソード側の相互接続部材料のための基本的かつ最も重要な必要条件は、スタック作動温度における空気中での十分な酸化および腐食抵抗性、十分な電子伝導性、およびセラミックセルの熱膨張挙動に対する熱膨張挙動の接近した整合である。金属製相互接続部の場合は、十分な電子伝導性の必要条件は、金属表面に形成する酸化物スケールの電子伝導性に本質的に等しいが、その理由は、酸化物スケールが限界抵抗となる傾向があるからである。現在、スタックのカソード側のための安定した長寿命（＞４０，０００時間）の金属製相互接続部が欠如していることは、平面固体酸化物燃料電池の深刻な弱点であるが、その理由は、既存の金属合金が、熱膨張性、耐酸化性、および電子伝導性の必要条件を同時に満たすことができないからである。
現在まで使用されてきたカソード相互接続部材料としては、例えば亜クロム酸ランタンなどのペロブスカイト基セラミックスが挙げられ、高温クロム基合金またはその複合材、および、ニッケル基合金または金属間化合物が一般に、８００〜１０００℃の範囲で作動するセル用に一般に使用されてきた。
亜クロム酸ランタンなどのセラミック基相互接続部に関する従来技術は、この材料が、セルに整合する有用な高温伝導性と熱膨張挙動との両方を示すことを示している。しかしながら、セラミックは、非常に高価であり、靭性が低く、適切な相互接続部として製造するのが困難である。クロム基相互接続部材料も同様の欠点を有している。
平面アノード支持セルを用いる、より低い作動温度（６５０〜８００℃）では、Ｎｉ基合金に比較してセルとのいっそう良好な熱膨張係数（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）（ＣＴＥ）整合性を有するフェライトステンレス鋼などといったより低い費用の材料の使用が可能となる。商業的な等級のフェライト鋼は、約６００℃より低い温度においてあるいは短寿命用に適した耐酸化性を有し得るとはいえ、荷重下に時間とともに酸化物スケールに亘る増加するオーム抵抗に起因して４０，０００時間またはそれより長い時間耐えるのに必要な耐酸化性は有していない。
これらの問題に関する従来技術の大部分は、酸化物スケールにより生じる劣化を防止または改善しようと試みている。特に、フェライト鋼のいっそう低い費用および望ましいＣＴＥを利用するために、副次的な合金添加物と表面被覆との一方または両方が、耐酸化性および伝導性を向上させるのに研究されてきた。Ｍｎなどの特定元素は、酸化物スケールの伝導性を増加させる亜クロム酸マンガンを形成するのに有利と思われるとはいえ、伝導性と耐酸化性との両方が長期間の適用に十分かどうかを決定するにはより多くのデータが必要である。しかしながら、ＡｌおよびＳｉなどといった耐酸化性を向上させると知られている元素も、不利なことには、合金の酸化物伝導性を低減しかつそのＣＴＥを増加させる傾向がある。Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ型鋼においては、優れた酸化特性が、結果として得られるアルミナフィルムの高い抵抗性と交換される。従って、低費用のＦｅ−Ｃｒ基鋼に関する現在の最新技術では、長期間の接触および酸化の問題は十分には解決されていない。
Ｎｉ−ＣｒまたはＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ基合金などといった他の材料は、設計によって良好な酸化／腐食抵抗性を有するとはいえ、一般に、セラミックセルのＣＴＥにより良好に整合するフェライト鋼の１２ｐｐｍ／℃に比較して１５〜１８百万分率（ｐｐｍ）／℃にあるＣＴＥ値を有する。
酸化物の好ましい除去と、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、およびＲｈなどの貴金属での合金表面の被覆／ドーピングとの一方または両方が、相互接続部の接触点内への酸素拡散を低減することにより伝導性損失を軽減するように使用されてきたとはいえ、貴金属は、あまりにも高価で発電装置および商業的用途には使用されない。
耐酸化性は明らかに、相互接続部のカソード／酸化剤側の問題である。しかしながら、アノード／燃料電極における酸素分圧もＣｒ2Ｏ3を形成するのに十分に高くなることがあり、酸化物が、相互接続部のカソード側よりいっそう厚くなること（すなわち、電気化学的に形成される水の存在）があり、それによって、相互接続部の抵抗が両側で増加し得る。相互接続部のアノード側の構成材料は、カソードと同じものとすることができるとはいえ、従来技術では、ニッケルアノード接触部と接触するフェライト鋼相互接続部の場合は、鋼とニッケルとの間に形成される溶接点が依然として、時間とともに薄い電気的に絶縁性のＣｒ2Ｏ3層を形成しており、この層が性能を低下させたことが示されている。
上述した背景技術の概観から明らかなように、隣接するセル間の実質的に向上された相互接続部であって、それによって、熱サイクル中のＣＴＥの不整合により生じる界面歪みが実質的に除去されるとともに、材料は長期間の耐酸化性と酸化物スケールに亘る高い電子伝導性とを提供する、相互接続部の必要性が依然として存在している。
従って、本発明の主な目的は、上述した必要性を満たす相互接続部または二極性板を提供することである。
本発明の他の目的よび利点は、以下に明らかになるであろう。
本発明に従うと、上述した目的および利点が容易に達成された。
本発明は、カソードのためのいっそう高い熱膨張酸化抵抗性相互接続部の金属および合金の一方または両方によって一般に生成される熱膨張不整合応力を軽減する柔軟性多孔質相互接続部を有する固体酸化物燃料電池構成を提供する。
本発明の相互接続部は有利には、セパレータ板のためのいっそう高い熱膨張酸化抵抗性金属または合金の使用を可能とする。
本発明の相互接続部は、全ての三次元において柔軟であり、かつ、寸法変動を吸収するように応力の最小の増加で変位を可能とするので、さらに有利には、スタック構成部材のいっそう厳格でない寸法公差を可能とする。
本発明に従うと、全ての三次元において柔軟であり、かつ、セパレータ板接触領域を画成する第一の部分と、この第一の部分から離間するとともに電極接触領域を画成する第二の部分とを有する、柔軟性多孔質部材から成る相互接続部が提供される。
本発明にさらに従うと、固体酸化物燃料電池のための相互接続部アッセンブリが提供され、このアッセンブリは、二つの互いに逆向きの表面を有するセパレータ板と、この二つの互いに逆向きの表面の一方または両方に隣接して配置される少なくとも一つの相互接続部とを備えており、この相互接続部は、全ての三次元において柔軟であり、かつ、セパレータ板接触領域を画成する第一の部分と、この第一の部分から離間するとともに電極接触領域を画成する第二の部分とを有する、柔軟性多孔質部材から成る。
本発明になおさらに従うと、相互接続部アッセンブリは、一つまたは複数の層から成り、この層の少なくとも一つが、ここに説明するように柔軟である。この実施態様においては、柔軟な層は、セパレータ板または電極と接触することも、接触しないこともできる。
本発明になおさらに従うと、スタック内に配置された複数の燃料電池と、このスタックの隣接するセル間に配置された複数の相互接続部アッセンブリとを備える固体酸化物燃料電池アッセンブリが提供され、この相互接続部アッセンブリは、二つの互いに逆向きの表面を有するセパレータ板と、この二つの互いに逆向きの表面の一方または両方に隣接して配置される少なくとも一つの相互接続部とを備えており、この相互接続部は、全ての三次元において柔軟であり、かつ、セパレータ板接触領域を画成する第一の部分と、この第一の部分から離間するとともに電極接触領域を画成する第二の部分とを有する、柔軟性多孔質部材から成る。
相互接続部の特に望ましい構成は、ワイヤー織物または他の柔軟性下部構造（ｓｕｂｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）から作成される三次元柔軟性上部構造（ｓｕｐｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を含む。
本発明の好ましい実施態様の詳細な説明は、添付の図面を参照して以下の通りである。
本発明は、燃料電池アッセンブリに関し、より詳細には、他のスタック構成部材との良好な熱膨張係数（ＣＴＥ）整合性の必要性を、耐酸化性および酸化物スケール電子伝導性などといった他の必要条件から切り離す、改良された金属製相互接続部を有する固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックに関する。
本発明はさらに、燃料電池スタックに関し、より詳細には、改良された相互接続部を有する固体酸化物燃料電池スタックに関し、それによって、隣接する燃料電池スタック構成部材間、特にカソードまたはアノード相互接続部と、隣接する燃料電池またはセパレータ板との間の熱膨張係数の差に起因する応力が最小化されて、定常状態および熱サイクル下での増加された燃料電池スタックの寿命および堅牢性が可能となる。
応力の低減は、柔軟性下部構造から提供される柔軟性相互接続部上部構造によって達成され、一方の側にセパレータ板と、他方の側に燃料電池の電極と接触するための離間した接触領域を画成するような輪郭を有する相互接続部上部構造が提供され、下部構造は、ワイヤーメッシュ内に存在するような高度に柔軟性の予め座屈された構造によって提供される。本発明に従って離間した接触領域を提供する二つのものの、すなわち柔軟性上部構造と柔軟性下部構造との、組み合わせは有利には、燃料電池の流体の流れおよび電気的な機能を向上させながら、スタックのさまざまな構成部材に、またはこれらの間の接合部または他の種類の接続部に過剰な応力を掛けずに、スタックのさまざまな構成部材間のＣＴＥ不整合を可能とする。
ここに説明する柔軟性相互接続部は、面内および面外コンプライアンスの両方の高い値が達成されるように設計される。当業者は、面内コンプライアンスまたは面外コンプライアンス、またはこれらの両方の許容可能なレベルを可能とする任意のこのような相互接続部が、本発明の広い範囲内にあることを理解するであろう。好ましくは、柔軟性上部構造は、少なくとも三つの直交軸において柔軟であり、また、任意の方向から加えられた荷重に関して柔軟である。これを達成するさまざまな方法としては、上述したようなワイヤー織物に基づく上部構造、３次元編みワイヤー構造、予め座屈された高度に柔軟性の下部構造により提供される傾斜した螺旋コイルなどといったさまざまな構成での螺旋コイル、組み込まれた（ｉｎ−ｂｕｉｌｔ）高度に柔軟性のコンプライアンス・ループを有するワイヤー、上部構造へと形成されたシートメタル、フォイル、フォーム（ｆｏａｍ）、発泡（ｅｘｐａｎｄｅｄ）金属から作成された類似の相互接続部、その他などが挙げられる。相互接続部の好ましいコンプライアンス値は、室温で典型的な相互接続部に対して５×１０-6ｍｍ2／Ｎ（歪み／応力単位で）およびそれを超える。より好ましいコンプライアンス値は、典型的な相互接続部に対して５×１０-5ｍｍ2／Ｎおよびそれを超える。最も好ましいコンプライアンス値は、典型的な相互接続部に対して５×１０-4ｍｍ2／Ｎおよびそれを超えるとはいえ、当業者は、他のコンプライアンス値が許容可能でありかつ本発明の範囲内にあり得ることを理解するであろう。
図１に向かうと、本発明に従う燃料電池スタックアッセンブリ１０が概略例示されている。アッセンブリ１０は好ましくは、間に配置された二極性板１４を有するスタック内に配置された複数の燃料電池１２を含む。
燃料電池１２は一般に、電解質１６と、電解質１６の一方の側面に配置されたカソード層１８と、電解質１６の他方の側面に配置されたアノード層２０とを含む。接合または通電層２２が、両側面に使用され得る。
本発明に従う二極性板１４は有利には、カソード向き表面２６と、アノード向き表面２８とを有するセパレータ板２４と、カソード向き表面２６と隣接する燃料電池１２のカソード層１８（または層２２）との間に配置されたカソード側相互接続部３０と、アノード向き表面２８と隣接する燃料電池１２のアノード層２０（または層２２）との間に配置されたアノード側相互接続部３２とを含む。相互接続部３０、３２は有利には、電子伝導性材料から提供され、セパレータ板２４と電気的に連通する。
図２を参照すると、本発明の特定の態様は、カソード側相互接続部３０およびアノード側相互接続部３２の構成であり、相互接続部は、電極接触領域を画成する複数の第一の部分３４または３８と、この電極接触領域から離間したセパレータ板接触領域を画成する複数の第二の部分３６とを有するように形成された織られたワイヤー材料のシートとして提供される。
さらに図２を参照すると、本発明に従う相互接続部３０、３２、特にカソード側相互接続部３０は、上述したような柔軟性下部構造、好ましくはワイヤー織物、の材料から成り、この材料は、例えばダイ・スタンピング、圧延加工、曲げ加工、または同様のものなどによって、第一および第二の部分３４、３６を画成する三次元上部構造を有するように形成される。
本発明に従う相互接続部３０、３２の柔軟性ワイヤー織物下部構造は有利には、図２に例示されるものなどのようなワイヤー織物であり、このワイヤー織物は有利には、相互接続部３０、３２のコンプライアンスを増加させる予め座屈された構造を提供する。このコンプライアンスは、熱サイクル中および同様のものなどの間に第二の部分３６に対して第一の部分３４の応力印加なしに移動または撓みを可能とし、これは有利には、さまざまな構成部材間のＣＴＥ不整合により生じる応力を除去するのに役立つ。このような下部構造および上部構造から形成された柔軟性相互接続部も有利には、組み立て中に応力印加なしに第二の部分３６に関して第一の部分３４との間の移動を可能とし、それによって、より大きな寸法公差変動を許容する。
図２に示されるようなワイヤー織物は、織られたワイヤー構造を画成するように、一つの方向に配置された第一の複数のワイヤーまたは下部構造と、異なる方向に配置された第二の複数のワイヤーまたは下部構造とを含むことができ、この織られたワイヤー構造は、本発明に従って、作動する燃料電池の気体状物質に対して多孔質であり、さまざまな方向に所望のように柔軟である。
図３は、相互接続部のさらに好ましい下部構造および上部構造をさらに例示する、相互接続部３０、３２の斜視図を示す。
図１、図２、および図３は、実質的に正弦曲線の断面を有する部材として相互接続部３０、３２を例示しており、中心線４０の一方の側のピーク３８は、電極接触領域を画成し、中心線４０の他方の側のピーク４２は、セパレータ板接触領域を画成する。本発明の好ましい態様に従い、また図３に例示されるように、相互接続部３０、３２の波形の（ｕｎｄｕｌａｔｅ）または垂直方向に所定輪郭を有する形状は、図１および図２に例示される断面に対して横断する方向に延在して、一連の離間したピーク３８、４２を画成し、このピーク３８、４２はそれぞれ中心線４０から反対の方向に延在して、上に述べた離間した接触領域を画成する。
勿論、本発明の広い範囲内で相互接続部３０、３２のための他の構造が提供され得ることは理解されるはずであり、これらの構造は同様に、本発明に従って所望のように構成部材間の応力の有利な低減を可能とする柔軟性部材によって接続される離間した接触領域を可能とすることができる。
図４は例えば、柔軟性下部構造材料、好ましくはワイヤー織物から作成された実質的に直交した、例えば正方形または長方形の流路パターンの形状とされた柔軟性上部構造を有する相互接続部３０、３２を例示しており、相互接続部は、断面図において離間した接触領域を形成する。図４はさらに、本発明に従う好ましいワイヤー織物構造を例示する。図５は、二極性板１４上のこのような相互接続部３０、３２の斜視図を示す。
別の例である図６は、実質的に正方形の流路付きの上部構造相互接続部３０、３２を示しており、離間した接触領域が、断面および横断方向の両方に存在する。
別の例である図７は、柔軟性下部構造から作成された実質的に台形の上部構造相互接続部３０、３２を示す。
別の例である図８は、円形または螺旋、好ましくは傾斜した、構造へと作成された上部構造相互接続部３０、３２を例示し、予め座屈されたワイヤーまたはワイヤー織物などといった柔軟性下部構造が、三次元上部構造を形成する。
図９は、上述したような柔軟性ループ５４を有するワイヤー５２が提供される実施態様を例示する。この構造は、異なるＣＴＥに応答するのに必要とされるように弾力的に変形するワイヤーの能力を向上させるのに役立ち、また、所望の製造公差を提供するのにも役立つ。このコンプライアンス・ループ構造は、本発明の相互接続部の下部構造と上部構造との一方または両方に組み込むことができる。
図１０は、柔軟性下部構造から作成された実質的に砂時計形状の上部構造相互接続部３０、３２を示す。
これらの例における相互接続部３０、３２は、図１〜図４と関連して上述した実施態様と同様の仕方でスタックの構成部材間に配置できる。
明らかに、当業者は、このような柔軟性下部構造および上部構造の多数のパターンおよび配列が存在すること、また、それら全てが本発明の広い範囲内にあることを理解するであろう。
異なる材料および構造が、アノード側相互接続部３２に対してより、カソード側相互接続部３０に対して望ましくなり得る。
カソード側相互接続部３０は好ましくは、上述されかつ図１および図２に例示された構造を有して提供される。
アノード側相互接続部３２は有利には、同じ構造を有して提供され得るか、あるいは、フォーム・セルそれら自体が一方の側にセパレータ板２４との、他方の側に燃料電池１２のアノードとの接触のための接触領域を画成するフォーム・セルを画成するフォーム構造を有して提供され得る。
さらに、カソードの環境においては、耐酸化性伝導性材料の、好ましくは、選択されたステンレス鋼、ステンレス鋼合金、および、Ｎｉ−Ｃｒ−、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−、Ｆｅ−Ｃｒ−、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ、およびＣｏ基合金ばかりでなくＣｒ基合金および貴金属／合金を含む超合金から成る群より選択された材料のカソード側相互接続部３２を提供するのが望ましい。このような超合金としては、本発明において好ましいことが見出されている、ヘインズ（ＨＡＹＮＥＳ）（登録商標）合金２３０、ヘインズ（ＨＡＹＮＥＳ）（登録商標）合金２３０−Ｗ、およびハステロイＸ（Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ Ｘ）が挙げられる。他の材料としては、少なくとも二つの材料、例えば上述した金属および合金のいずれかを含む金属およびセラミック、の複合材が挙げられる。別の一組の材料としては、貴金属被覆超合金が挙げられる。
アノード側相互接続部３２は有利には、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｕ、Ｎｉ−Ｃｒ−、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ−、Ｆｅ−Ｃｒ−、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ、およびＣｏ基合金ばかりでなくＣｒ基合金および貴金属／合金、さらにはＮｉ、Ｃｕ、またはＮｉ−Ｃｕばかりでなく貴金属で被覆されたこのような合金、から成る群より選択される材料から提供される。他の材料としては、上述した金属および合金のいずれかを含む金属およびセラミックスの複合材が上げられる。
本発明に従うと、相互接続部３０、３２は、図１および図２の構成を有して提供されるとき好ましくは、ピーク３８、４２が０．１ｍｍと１００ｍｍとの間の上部構造波長と、０．１ｍｍと５０ｍｍとの間の上部構造振幅と、均一またはランダムであり得る上部構造周期とを画成する、上部構造を画成する。
さらに、本発明に従う相互接続部３０、３２のワイヤー織物下部構造は好ましくは、０．０５ｍｍと５ｍｍとの間のワイヤー直径と、０．０５ｍｍと５０ｍｍとの間の下部構造織物波長と、０．０５ｍｍと５０ｍｍとの間の織物振幅と、正方形、平織り、サテン、綾織り、または他のパターンであり得る織りパターンと、均一またはランダムであり得る織物周期とを有して提供される。
さらに、相互接続部３０、３２のワイヤー織物下部構造は、機能性を促進するように異なる位置に置かれた異なる直径と合金との一方または両方のワイヤーから成り得る。
本発明に従うと、セパレータ板２４は有利には、アノード側相互接続部３２およびカソード側相互接続部３０に、それらの間に高強度の界面を生成するようにさまざまな方法によって、接合され得る。例えば、このような接合部または構成部材は、一緒に接合、溶接、またはろう付けでき、あるいは、当業者によく知られる他の仕方で一緒に取り付けることができる。さらに、これらの構成部材を互いに隣接して、これらの間になんらの接合もなく、配置することも本発明の広い範囲内にある。
本発明に従う相互接続部のワイヤー織物下部構造および三次元上部構造は有利には、アノード界面およびカソード界面における応力を軽減するのに役立ち、界面およびセルそれ自体の破壊を最小限に抑える。
本発明にさらに従い、また図１に例示するように、二極性板１４の縁部と隣接する燃料電池１２との間の封止のための柔軟性シールがさらに有利には提供される。
本発明に従うと、シール構成は、内部に溝４６を画成するレールまたはスペーサ４４と、溝４６内に配置され二極性板１４と隣接する燃料電池１２との間に所望のシールを提供するようにこれらの間で圧縮されるシール部材４８とから成る形態で提供される。圧縮止め５０が、柔軟性シールの撓み量を制御するように、また有利には柔軟性相互接続部、柔軟性シール、および全ての他のスタックの要素を組み立てるように提供される。
本発明にさらに従うと、シール部材４８は有利には、適切な材料、好ましくはアルミナ繊維から形成された柔軟性または圧縮性部材として提供される。アルミナは、本発明に従うと最も望ましいが、その理由は、アルミナが、ガラス、ガラス−セラミックス、および同様のものなどといった従来使用されてきたその他のシール材料が汚染するようには燃料電池を汚染しないからである。
従って、本発明に従うと、シール部材４８は有利には、シール部材４８の実質的な気体不透過性を提供するようにしながらそれにもかかわらずその柔軟性または圧縮性を可能とするように選択される別の材料で好ましくは含浸され得る柔軟性アルミナ繊維として提供される。
本発明に従うシール部材４８は有利には、ジルコニア、アルミナ、イットリウム・アルミニウム・ガーネット、アルミノケイ酸塩、およびマグネシウムケイ酸塩セラミックス、および同様の酸化物、およびこれらの組み合わせから成る群より選択される材料で含浸することができ、好ましくはシール部材４８は、気体に対する透過性を低減するように提供される。
シール部材４８は有利には、トウ、ヤーン、繊維織物構造、および同様のものなどといった繊維構造を有して提供され得る。このような構造は、所望のシール特性を提供するように上述したような繊維内に第二の粒子を添加できる。さらにレール／スペーサ４４および圧縮止め５０は、従来関連するのが必要とされているさまざまなパラメータの付加的な切り離しを可能とするように選択される高さおよび溝深さを有して提供される。
重要なパラメータは、図１に概略例示されるような燃料電池スタックに加える必要がある締め付け圧縮荷重に対する相互接続部およびシールの応答であることに留意されたい。
図１は、アッセンブリ１０の上部と下部とに加えられた圧縮荷重を示し、この圧縮荷重は有利には、十分な相互接続部接合と、十分に低減されたシール内の漏れとを可能とするようにしながら、それにもかかわらず、シール領域内の微小すべりに、熱不整合応力を解放させ、また、相互接続部の圧縮クリープを最小限に抑えさせるように、選択される。
製造の観点からは、本発明のシステムは、相互接続部が、面外コンプライアンス、従って、増加した寸法自由度を提供するので、より厳格でない寸法公差を有するセルおよび相互接続部を提供する。さらに、固定された厚みレール／スペーサ４４および圧縮止め５０の提供によって、封止および相互接続の必要条件の切り離しが確実になり、従って、安定しかつ適合性のある材料に基づくスタックを構築をするための実質的な順応性が提供される。
勿論、本発明に従うと、有利には、固体酸化物燃料電池スタックの製造および組み立てにおける公差のいっそう低減された厳格さを可能し、さらにはスタックのさまざまな構成部材間に伝達される応力を低減し、それによって有利には、スタックの異なる設計の問題を切り離し、材料の選択にスタック長寿命を提供させる、相互接続部上部構造および柔軟性シールアッセンブリが提供されたことは、理解されるはずである。
理解されるように、本発明は、ここに説明しかつ示した実例に限定されるものではなく、この実例は、本発明を実施する最良の態様の単なる例示として見なす必要があり、また、部品の形態、大きさ、配置、および作動の詳細の変更が可能である。むしろ、本発明は、請求項に規定される本発明の趣旨および範囲内での全てのそのような変更を包含するように意図される。
Claims (52)
- 二つの互いに逆向きの表面を有するセパレータ板と、
このセパレータ板と電気的に連通する少なくとも一つの電子伝導性柔軟性相互接続部と、
を備える、固体酸化物燃料電池のための相互接続部アッセンブリであって、
柔軟性相互接続部は、セパレータ板接触領域を画成する第一の部分と、電極接触領域を画成する第二の部分とを有する柔軟性上部構造から成り、この上部構造は、作動する燃料電池の気体状物質に対して多孔質であることを特徴とする、相互接続部アッセンブリ。 - 前記柔軟性上部構造は、少なくとも三つの直交軸において柔軟であることを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記柔軟性上部構造は、任意の方向から加えられた荷重に関して柔軟であることを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記柔軟性上部構造は、織られた構造を画成するように、第一の方向に配置された第一の複数の柔軟性下部構造と、第一の方向とは異なる第二の方向に配置された第二の複数の柔軟性下部構造とを備えることを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
- 少なくとも一つの柔軟性下部構造は、予め座屈されることを特徴とする請求項４記載のアッセンブリ。
- 前記柔軟性下部構造は、ワイヤーから成り、前記織られた構造は、ワイヤー織物であることを特徴とする請求項４記載のアッセンブリ。
- 前記柔軟性下部構造は、予め座屈されたワイヤーから成り、前記織られた構造は、ワイヤー織物であることを特徴とする請求項４記載のアッセンブリ。
- 前記柔軟性上部構造は、ディンプルが付けられており、さらに、第一の複数のディンプルが、セパレータ板接触領域を画成し、第二の複数のディンプルが、電極接触領域を画成することを特徴とする請求項４記載のアッセンブリ。
- 前記第一の複数のディンプルは、前記第二の複数のディンプルとは実質的に反対に延在することを特徴とする請求項８記載のアッセンブリ。
- 前記相互接続部は、カソード側相互接続部であることを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記相互接続部は、アノード側相互接続部であることを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記上部構造は、少なくとも約５×１０-6ｍｍ2／Ｎのコンプライアンスを有することを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記上部構造は、少なくとも約５×１０-5ｍｍ2／Ｎのコンプライアンスを有することを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記上部構造は、少なくとも約５×１０-4ｍｍ2／Ｎのコンプライアンスを有することを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記柔軟性上部構造は、少なくとも一つの実質的に直交の流路を含むように形成されることを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記柔軟性上部構造は、少なくとも一つの実質的に傾斜した流路を含むように形成されることを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記柔軟性上部構造は、少なくとも一つの実質的に正方形の流路を含むように形成されることを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記柔軟性上部構造は、少なくとも一つの実質的に長方形の流路を含むように形成されることを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記柔軟性上部構造は、少なくとも一つの実質的に正弦曲線の流路を含むように形成されることを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記柔軟性上部構造は、少なくとも一つの実質的に砂時計形状の流路を含むように形成されることを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記柔軟性上部構造は、ステンレス鋼、ステンレス鋼合金、またはステンレス鋼超合金から成ることを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記柔軟性上部構造は、クロム基合金から成ることを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記柔軟性上部構造は、貴金属基合金から成ることを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
- 前記柔軟性上部構造は、少なくとも二つの材料の複合材から成ることを特徴とする請求項１記載のアッセンブリ。
- セパレータ板接触領域を画成する第一の部分と、電極接触領域を画成する第二の部分とを有する柔軟性上部構造であって、作動する燃料電池の気体状物質に対して多孔質である上部構造を備えることを特徴とする、固体酸化物燃料電池のための相互接続部。
- 前記柔軟性上部構造は、少なくとも三つの直交軸において柔軟であることを特徴とする請求項２５記載の装置。
- 前記柔軟性上部構造は、任意の方向から加えられた荷重に関して柔軟であることを特徴とする請求項２５記載の装置。
- 前記柔軟性上部構造は、織られた構造を画成するように、第一の方向に配置された第一の複数の柔軟性下部構造と、第一の方向とは異なる第二の方向に配置された第二の複数の柔軟性下部構造とを備えることを特徴とする請求項２５記載の装置。
- 少なくとも一つの柔軟性下部構造は、予め座屈されることを特徴とする請求項２８記載の装置。
- 前記柔軟性下部構造は、ワイヤーから成り、前記織られた構造は、ワイヤー織物であることを特徴とする請求項２８記載の装置。
- 前記柔軟性下部構造は、予め座屈されたワイヤーから成り、前記織られた構造は、ワイヤー織物であることを特徴とする請求項２８記載の装置。
- 前記柔軟性上部構造は、ディンプルが付けられており、さらに、第一の複数のディンプルが、セパレータ板接触領域を画成し、第二の複数のディンプルが、電極接触領域を画成することを特徴とする請求項２８記載の装置。
- 前記第一の複数のディンプルは、前記第二の複数のディンプルとは実質的に反対に延在することを特徴とする請求項３２記載の装置。
- 前記相互接続部は、カソード側相互接続部であることを特徴とする請求項２５記載の装置。
- 前記相互接続部は、アノード側相互接続部であることを特徴とする請求項２５記載の装置。
- 前記上部構造は、少なくとも約５×１０-6ｍｍ2／Ｎのコンプライアンスを有することを特徴とする請求項２５記載の装置。
- 前記上部構造は、少なくとも約５×１０-5ｍｍ2／Ｎのコンプライアンスを有することを特徴とする請求項２５記載の装置。
- 前記上部構造は、少なくとも約５×１０-4ｍｍ2／Ｎのコンプライアンスを有することを特徴とする請求項２５記載の装置。
- 前記柔軟性上部構造は、少なくとも一つの実質的に直交の流路を含むように形成されることを特徴とする請求項２５記載の装置。
- 前記柔軟性上部構造は、少なくとも一つの実質的に傾斜した流路を含むように形成されることを特徴とする請求項２５記載の装置。
- 前記柔軟性上部構造は、少なくとも一つの実質的に正方形の流路を含むように形成されることを特徴とする請求項２５記載の装置。
- 前記柔軟性上部構造は、少なくとも一つの実質的に長方形の流路を含むように形成されることを特徴とする請求項２５記載の装置。
- 前記柔軟性上部構造は、少なくとも一つの実質的に正弦曲線の流路を含むように形成されることを特徴とする請求項２５記載の装置。
- 前記柔軟性上部構造は、少なくとも一つの実質的に砂時計形状の流路を含むように形成されることを特徴とする請求項２５記載の装置。
- 前記柔軟性上部構造は、ステンレス鋼、ステンレス鋼合金、またはステンレス鋼超合金から成ることを特徴とする請求項２５記載の装置。
- 前記柔軟性上部構造は、クロム基合金から成ることを特徴とする請求項２５記載の装置。
- 前記柔軟性上部構造は、貴金属基合金から成ることを特徴とする請求項２５記載の装置。
- 前記柔軟性上部構造は、少なくとも二つの材料の複合材から成ることを特徴とする請求項２５記載の装置。
- 電気的に接触した少なくとも三つの燃料電池アッセンブリを備える、固体酸化物燃料電池スタックであって、
少なくとも一つの燃料電池アッセンブリは、電極と、セパレータ板と、これらの電極とセパレータ板との間に配置された柔軟性相互接続部とを備えており、この柔軟性相互接続部は、セパレータ板接触領域を画成する第一の部分と、電極接触領域を画成する第二の部分とを有する柔軟性上部構造から成り、この上部構造は、作動する燃料電池の気体状物質に対して多孔質であることを特徴とする、固体酸化物燃料電池スタック。 - 前記柔軟性上部構造は、少なくとも三つの直交軸において柔軟であることを特徴とする請求項４９記載の装置。
- 前記柔軟性上部構造は、任意の方向から加えられた荷重に関して柔軟であることを特徴とする請求項４９記載の装置。
- 前記柔軟性上部構造は、織られた構造を画成するように、第一の方向に配置された第一の複数の柔軟性下部構造と、第一の方向とは異なる第二の方向に配置された第二の複数の柔軟性下部構造とを備えることを特徴とする請求項４９記載の装置。
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