JP2008522383A - 燃料電池スタックアセンブリ - Google Patents
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Abstract
例示の燃料電池スタックアセンブリは、（ｉ）それぞれ（ａ）フレームと（ｂ）２つの平面電解質支持燃料電池アレイを含む、複数の燃料電池パケットであって、ある燃料電池アレイの陽極側が別の燃料電池アレイの陽極側に面するように燃料電池アレイが配列されており、フレームが燃料電池アレイと組み合わさって燃料チャンバを画成している燃料電池パケット、（ｉｉ）複数のパケットが複数の酸化体チャンネルを形成するように、複数のパケットを取り囲んでいる主要外囲器、（ｉｉｉ）主要外囲器と共に、複数の酸化体チャンネルを形成する取外可能なレストリクタープレート、（ｉｖ）酸化体チャンネルの一方の側に連結された酸化体入口プレナムマニホールド、（ｖ）酸化体チャンネルの他方の側に連結された酸化体出口プレナムマニホールド、（ｖｉ）各燃料チャンバの一方の側に連結された燃料入口マニホールド、および（ｖｉｉ）各燃料チャンバの他方の側に連結された燃料出口マニホールドを備えた燃料電池スタックアセンブリである。
Description
本出願は、米国法典第３５編第１１９条（ｅ）項の下で、２００４年１１月３０日に出願された米国仮特許出願第６０／６３２０４２号の優先権の恩恵を主張するものである。
本発明は広く、多数の燃料電池アレイが組み込まれた燃料電気スタックに関する。
固体酸化物燃料電池の使用が、近年におけるかなりの量の研究の主題となっている。固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）の典型的な部材は、２つの電極の間に挟まれた負に荷電した酸素イオン伝導性電解質を含む。電流は、電解質を通って伝導される酸素イオンと反応する燃料、例えば、水素の陽極での酸化により、そのような電池において生成される。酸素イオンは、陰極で酸素分子の還元により形成される。
特許文献１および２には、改良された電極−電解質構造を含む固体電解質燃料電池が記載されている。この構造は、薄く柔軟な無機電解質シートの両側に接合された、複数の陽極および陰極を備えた固体電解質シートを含む。ある実施例には、電極が、電解質シート上に連続層を形成せず、代わりに、多数の別個の領域またはバンドを画成することが示されている。これらの領域は、電解質シート内のバイアを通って延在する、それに接触した導電体により電気接続されている。このバイアには、導電性材料（相互接続により）が充填されている。
特許文献３には薄く滑らかな無機焼結シートが開示されている。開示された焼結シートは、破壊せずに曲げることのできる強度と柔軟性並びに幅広い温度範囲に亘る優れた安定性を有する。イットリア安定化ジルコニアＹＳＺ（Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2）などの開示された組成物のあるものは、燃料電池用の電解質として有用であろう。十分な温度では（例えば、約７２５℃以上）、ジルコニア電解質は良好なイオン伝導性および非常に低い電子伝導性を示すことが知られている。特許文献４には、そのような組成物を使用して耐熱衝撃性の固体酸化物燃料電池を形成することが記載されている。
特許文献５には、粗い中間表面層を有する、実質的に平板状の滑らかな電解質シートを用いた固体電解質燃料電池が記載されている。この文献には、４５マイクロメートル未満の電解質シート厚が開示されている。そのセラミック電解質シートはそのような厚さで柔軟性である。
さらに、燃料電池は多くの熱サイクルおよび大きな熱勾配を経験し、このために、電解質シートに熱応力が誘発される。さらに、取り付けられた電解質シートは、そのフレームの熱膨張率とは異なる率で膨張し、これにより、電解質シートに亀裂が生じるかもしれない。電解質シートに欠陥があると、電池全体または電解質素子を交換する必要が生じるであろう。
基板タイプの固体酸化物燃料電池ではときどき、セパレータとして合金が用いられることが知られている。そのような構成が、例えば、非特許文献１に記載されている。
固体酸化物燃料電池も、例えば、特許文献６に開示されたような、多孔質支持構造体により支持されていてもよい。多孔質支持構造体の内側は、酸素または燃料いずれかのための通路を形成する波形セラミックプレートが封止されている。より具体的には、特許文献６には、それぞれが複数の電極を支持する多孔質基板を有する燃料電池モジュールが開示されている。これらの電極の上に電解質層が位置し、電解質層の上に別の電極層が位置している。多孔質支持構造体は、これらの層と一体となって全体を形成し、これらの層からは分離できない。この文献には、燃料電池層は多孔質支持構造体に直接接合されており、したがって、製造上の制約により燃料電池の構造が制限されることが開示されている。例えば、電池層は、一般に、異なる温度で焼成される。一般に、陽極と電解質は１４００℃以上の温度で焼結され、一方で、陰極は理想的には１２００℃以下の温度で焼結される。それゆえ、燃料電池層は、焼成温度が低くなる順に堆積しなければならない。しかしながら、製造上の制約を気遣わずに、燃料電池のアレイの他の設計構造を有することが都合よいであろう。さらに、多孔質支持構造体は比較的厚く、したがって、製造するのが高くつく。特許文献７には、電解質膜により電池と電池とが電気的に相互接続された、電解質含浸多孔質プラスチック誘電シート上に形成された燃料電池アレイを含有する燃料電池スタックが開示されている。開示された設計では、燃料電池アレイの間に組み立てられた通気マニホールドユニット並びに燃料マニホールドユニットが用いられる。通気および燃料マニホールドユニットを追加に備え、それらを燃料電池アレイの間に組み立てることにより、燃料電池スタックの複雑さと費用が増す。
特許文献８には、被覆された交互流熱交換器装置およびその製造方法が開示されている。この熱交換器は、セラミック体内に配置された複数の通路を備えている。この文献には、この装置を燃料電池用途に使用することが開示されていない。
米国特許出願公開第２００２／０１０２４５０号明細書
米国特許出願公開第２００１／００４４０４１号明細書
米国特許第５０８５４５５号明細書
米国特許第５２７３８３７号明細書
米国特許出願公開第２００１／００４４０４３号明細書
米国特許第５４８６４２８号明細書
米国特許第６１９４０９５号明細書
米国特許第５４１６０５７号明細書
"Electrochemical properties of a SOFC cathode in contact with a chromium-containing alloy separator", by Yoshido Matsuzaki and Isami Yasuda, Solid state Ionics 132 (2000) 271-278
本発明のある態様は、燃料電池スタックアセンブリであって、（ｉ）それぞれ（ａ）フレームと（ｂ）２つの平面電解質支持燃料電池アレイを含む、複数の燃料電池パケットであって、ある燃料電池アレイの陽極側が別の燃料電池アレイの陽極側に面するように燃料電池アレイが配列されており、フレームが燃料電池アレイと組み合わさって燃料チャンバを画成している燃料電池パケット、（ｉｉ）複数のパケットが複数の酸化体チャンネルを形成するように、複数のパケットを取り囲んでいる主要外囲器、（ｉｉｉ）主要外囲器と共に、複数の酸化体チャンネルを形成する少なくとも１つの取外可能なレストリクタープレート、（ｉｖ）酸化体チャンネルの一方の側に連結された酸化体入口プレナムマニホールド、（ｖ）酸化体チャンネルの他方の側に連結された酸化体出口プレナムマニホールド、（ｖｉ）各燃料チャンバの一方の側に連結された燃料入口マニホールド、および（ｖｉｉ）各燃料チャンバの他方の側に連結された燃料出口マニホールドを備えた燃料電池スタックアセンブリである。
本発明の追加の特徴および利点は、以下の詳細に述べられており、一部は、その説明から当業者には容易に明白であり、または以下の詳細な説明、特許請求の範囲、並びに添付の図面を含むここに記載された本発明を実施することによって認識されるであろう。
先の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方は、本発明の実施の形態を提示し、特許請求の範囲に記載された本発明の性質および特徴を理解するための概要または構成を提供することが意図されているのが理解されよう。添付の図面は、本発明をさらに理解するために含まれており、本明細書に包含され、その一部を構成する。それらの図面は、本発明の様々な実施の形態を示し、説明と一緒になって、本発明の原理および動作を説明するように働く。
ここで、その実施例が添付の図面に示されている、本発明の現在好ましい実施の形態を詳しく参照する。可能なときはいつも、同じまたは同様の部品を言及するために、図面に亘り同じ参照番号を用いる。
本発明のある実施の形態が、図１Ａおよび１Ｂに示されており、概して全体に亘り参照番号１００で指し示されている。図１Ａは、燃料電池スタックアセンブリ１００の分解図である。図１Ｂは、図１Ａに示した燃料電池スタックアセンブリのある実施の形態の断面図である。図１Ａは、燃料電池パケット１１０の分解図も示している。より具体的には、図１Ａは、パケット１１０内に位置し、燃料電池アレイの対の間に形成された隔離された個々の燃料チャンバを含む平板状ＳＯＦＣ（固体酸化物燃料電池）スタック設計を用いた燃料電池スタックアセンブリ１００を示している。図２Ａは、図１Ａの燃料電池スタックに用いられる１つの燃料電池パケット１１０の斜視図である。
図１Ａおよび１Ｂの燃料電池スタックアセンブリ１００の実施の形態は、複数の燃料電池パケット１１０を取り囲む主要外囲器を含む。各燃料電池パケット１１０は、（ａ）スルーボルト１２０Ｃ（描写を容易にするために１つしか示されていない）のための孔１２０Ｂを有するアライメント固定具１２０Ａ並びにパケットフレーム燃料入口および排出開口部１２１，１２１’を含むパケットフレーム１２０、および（ｂ）それぞれ、電解質シートおよびその電解質シートの両側に配列された複数の電極を含む、２つの平面電解質支持燃料電池アレイ１２５を備えている。一組のナット１２０Ｄがボルト１２０Ｃに係合し、圧縮力を印加し、パケットをそれぞれの位置に保持する。燃料電池アレイ１２５は、ある燃料電池アレイ１２５の陽極側１２５Ａが別の燃料電池アレイ１２５の陽極側１２５Ａに面するように配列されている。パケットフレーム１２０は、２つの燃料電池アレイ１２５と組み合わさって、燃料チャンバ１３０を形成する。
この実施の形態において、主要外囲器１５０は、酸化体（例えば、空気）チャンバ１５５の壁を形成する、２つのＬ字形パネル（終板）１５２を備えている。主要外囲器１５０は酸化体チャンバ１５５内に複数の電池パケット１１０を取り囲み、よって、複数のパケット１１０は複数の酸化体チャンネル１６０を形成する。Ｌ字形パネル１５２は、燃料電池パケット１１０内に位置する燃料チャンバ１３０に燃料を提供できるように、燃料電池パケットを適切な位置に係合させるためのアライメントスロット２２０’および燃料パケット管孔２２１も有している。主要外囲器１５０は、少なくとも１つの、好ましくは２つの取外可能なレストリクタープレート１７０も有している。レストリクタープレート１７０は、主要外囲器の側壁を形成し、したがって、Ｌ字形パネル（終板）と一緒になって、酸化体チャンバ１５５を形成する。レストリクタープレート１７０は、それぞれがそれぞれの酸化体チャンネル１６０に対応する、複数のスロット１７２を有している。それゆえ、この実施の形態において、レストリクタープレートは、主要外囲器１５０の残りと一緒になって、通気チャンバ１５５内部に位置する複数の酸化体チャンネル１６０を形成する。
図１Ａおよび１Ｂの燃料電池スタックアセンブリ１００は、酸化体入口および出口マニホールド１８０，１９０、並びに燃料入口および出口マニホールド２００，２１０をさらに備えている。パケット１１０は、酸化体が、入口マニホールド１８０から燃料電池パケット１１０の間に直接流入し、酸化体出口マニホールド１９０から流出するように、酸化体入口マニホールド１８０および酸化体出口マニホールド１９０に動作可能に接続されている。酸化体入口マニホールド１８０は、取外可能なレストリクタープレート１７０に隣接して位置し、各酸化体チャンネル１６０の入口側に動作可能に接続されている。酸化体入口マニホールド１８０は、酸化体（矢印Ａの方向に流動する）を、レストリクタープレート１７０のレストリクタープレートスロット１７２に通して、燃料電池パケット１１０により形成される酸化体チャンネル１６０に提供する。それゆえ、酸化体は、酸化体入口マニホールド１８０および取外可能なレストリクタープレート１７０を通って主要外囲器１５０に流入し、酸化体チャンネル１６０に入る。酸化体出口マニホールド１９０は、各酸化体チャンネル１６０の他方の側（出口側）に動作可能に接続されている。チャンネル１６０からの酸化体の流出を制御するために第２のレストリクタープレート１７０（図示せず）を使用する場合、酸化体は、第２のレストリクタープレート１７０（酸化体チャンネル１６０の出口側に位置する）を通って流動し続け、この第２のレストリクタープレート１７０に隣接して位置する出口マニホールド１９０を通って流出する。
燃料入口マニホールド２００は、Ｌ字形終板１５２の頂部に隣接し、燃料マニホールド入口管７０Ａから、パケットのフレームの入口開口部１２１を通って、各燃料チャンバ１３０（燃料電池パケット１１０の内側に位置している）に接続されている。燃料出口マニホールド２１０の接続管（出口管）７０Ｂは、フレームの排出開口部１２１’を通って、各燃料チャンバ１３０の他方の側（燃料の排出側）に接続されている。
燃料は、燃料電池スタックアセンブリ１００に使用するために、例えば、溶接または適切な封止材料（図示せず）によりパケットフレーム１２０に封止されたガス分配入口管７０Ａを通して、フレーム１２０に向けて供給される。この実施の形態のパケットフレーム１２０は、入口および排出開口部１２１，１２１’を含んでいる。より具体的には、その燃料は、燃料入口マニホールド２００から、ガス分配入口管７０Ａを通って、パケットフレーム１２０の入口開口部１２１中に流入し、次いで、フレーム１２０を通って、内部燃料分配ノズル１２２（図２Ｂに示されている）を介して燃料チャンバ１３０（２枚の電解質シートにより形成された陽極チャンバ）に通過する（矢印の方向を参照）。排出された燃料は、燃料チャンバ１３０から、フレーム１２０の内部燃料分配ノズル１２２を通り、フレーム排出開口部１２１’を通過し、接続管７０Ｂを通って燃料出口マニホールド２１０中に排出される。
入口管７０Ａは、入口開口部１２１に直接嵌るようなサイズである。同様に、出口管７０Ｂは、排出開口部１２１’に直接嵌るようなサイズである。この実施の形態において、管７０Ａ，７０Ｂは、フレーム形成材料のものよりも高い熱膨張を有し、高温（燃料電池スタックの動作温度）で気密シールを形成する。このシールを別の封止材料により補強してもよい。
上述した酸化体および燃料の流れは、酸化体流および燃料流がパケット１１０を通る／に沿った同じ方向に沿って移動するので、共伝搬性である。他の実施の形態では、向流の酸化体および燃料の流れ方向並びに交差流の酸化体および燃料の流れ方向を用いてもよい。
あるいは、燃料入口マニホールド２００は、燃料マニホールド入口管７０Ａに係合する随意的な燃料入口パケット管７０Ａ’を使用することによって、各燃料チャンバ１３０のパケットフレームの入口開口部１２１に接続されてもよい（これが図１Ｃに示されている）。この実施の形態では、各パケット１１０から延在し、接続管７０Ｂに嵌って、燃料出口マニホールド２１０と各パケット１１０との間を接続する燃料出口パケット管７０Ｂ’も用いられる。この実施の形態において、燃料は、燃料入口マニホールド２００、マニホールド入口管７０Ａおよび燃料入口パケット管７０Ａ’を通って主要外囲器中に流入し、燃料チャンバ１３０’に入る。次いで、その燃料は、出口パケット管７０Ｂ’、マニホールド出口管７０Ｂを通って流動し続け、燃料排出（出口）マニホールド２１０に入る。
図１Ｃに示された実施の形態において、燃料は、燃料入口マニホールド２００および管７０Ａを介して燃料電池パケット１１０に提供される。管７０Ａの燃料入口パケット管７０Ａ’を介した燃料電池パケット１１０への連結または管７０Ｂの燃料出口パケット管７０Ｂ’を介した燃料電池パケット１１０への連結は、以下に記載するいくつかの異なる様式で行われる。管７０Ａ，７０Ｂを管７０Ａ’，７０Ｂ’に接続する様式、およびこの接続を封止する様式はいくつかあり、そのいくつかの実例が以下に記載されている。
ある実施の形態において、管７０Ａおよび７０Ｂは、管７０Ａ’，７０Ｂ’のものよりも大きい外径を有し、管７０Ａ’，７０Ｂ’を受け入れるようなサイズの内径を有しており、よって、管７０Ａ，７０Ｂと管７０Ａ’，７０Ｂ’との間には滑り嵌めが行われる。さらに、機械式クランプ７９が、管７０Ａ’に取り付けられた管７０Ａ、および管７０Ｂ’に取り付けた管７０Ｂを維持する。これが、管７０Ａ内に嵌った管７０Ａ’を示す図３Ａに図示されている。あるいは、機械式クランプ７９を使用する代わりに、ガラスシール、鑞付けまたは別の適切なシールを用いて、連結管を互いに保持し封止してもよい。
別の実施の形態において、管７０Ａおよび７０Ａ’（並びに管７０Ｂおよび７０Ｂ’）は両方とも、実質的に同じ熱膨張の材料から製造され、同じ機械加工内径を有する。管７０Ａおよび７０Ａ’の両方は、管７０Ａ，７０Ａ’の内側に密接に嵌る機械加工外径のプラグ管７３を受け入れる。プラグ管７３は、高い熱膨張の材料から製造され、よって、燃料電池スタックアセンブリが加熱されたときに、プラグ管７３が管７０Ａおよび７０Ａ’（または７０Ｂおよび７０Ｂ’）よりもサイズが増し、気密シールを形成する。これが図３Ｂに示されている。
あるいは、管７０Ａ，７０Ｂが７０Ａ’，７０Ｂ’に連結されたときに圧縮シールが形成されるように、封止材料を用いてもよい。例えば、管７０Ａ，７０Ｂは、面取りされた縁で終わる機械加工外径を有するように機械加工されてもよい。これらの管は、それぞれ、平らな縁で終わる機械加工内径を有する管７０Ａ’，７０Ｂ’に連結され、よって、管７０Ａおよび７０Ａ’の間、および管７０Ｂおよび７０Ｂ’の間に滑り嵌めが行われる。柔軟な金属ワッシャー５２５を管７０Ａ，７０Ｂの取付面輪縁に挿入してもよい。面取りされた縁が柔軟な金属ワッシャー５２５に圧縮されたときに、気密シールが形成される（図３Ｃ参照）。この面取りされた縁は、ディスク５９４をクラムシェルの一方５９２の中空区域５９２’中に挿入し、次いで、管７０Ａおよびディスク５９４が回転されたときに、それらが面取りされた縁をワッシャー５２５中に押し入れるように、クラムシェルの他方（図示せず）の中空区域５９２’中にディスク５９４を挿入することにより柔軟な金属ワッシャー５２５の他方を取り付けることによって、柔軟な金属ワッシャー５２５中に圧縮される。
管７０Ａ，７０Ｂは、スウェージロック(Swagelok)タイプの接続金具を用いて、入口管７０Ａ７，７０Ｂ’に連結してもよい。あるいは、同じ内径と外径の管７０Ａおよび７０Ａ’を、互いに突合せ封止してもよい。
別の実施の形態において、管７０Ａおよび７０Ａ’，７０Ｂおよび７０Ｂ’は、同じ内径と同じ外径を有している。管７０Ａまたは７０Ａ’（７０Ｂまたは７０Ｂ’）の外径よりも大きい内径のスリーブを、管７０Ａおよび７０Ａ’，７０Ｂおよび７０Ｂ’が互いに連結するように、管上に滑り嵌めする。スリーブの端部が封止される。この手法は、鑞付け温度に応じて、高温または低温の接続連結いずれかにおいて使用できる。例えば、鑞付け温度は７００℃ほど高くても差し支えない。
電力は、導電性電力テークオフリード３００を介して燃料電池パケット１１０から伝送される（図２および４参照）。各パケット１１０は複数の電気リードを有している。各リード３００は、燃料電池アレイ１２５に電気接続されており、例えば、絶縁パッド（図示せず）を介して、燃料電池アレイフレーム部材、すなわち、パケットフレーム１２０から電気的に遮蔽されている。外部の電気カプラ３２０とリード３００との間の接続は、例えば、高温（好ましくは１００℃より高く、より好ましくは１５０℃より高い）ポリマーの外筒により、雄と雌の接合部（図１Ｃに示されている）を、迅速に接続を切ることによって行ってもよい。これらのポリマーは、例えば、シリコーンまたはポリエーテルケトンであってよい。他のタイプの電気接続を用いてもよい。それらは、例えば、バネ式クランプタイプのクリップ、バネ式コンタクト・トゥー・パッド(contact-to-pad)接続、雄および雌の摺動相互接続、ピンタイプの雄および雌の接続である。導電性リードのコールドエンドを電気負荷から来る電気カプラ３２０に連結するために、ナットとボルトを用いてもよい。ボルトとナットを介するこの連結は、例えば、導電性リード３００におけるリード孔３００’および電気カプラ３２０における同様の孔を通って位置するボルトを介して、達成されてもよい（ＳＯＦＣは、最初に、室温で電源を切る必要がある）。次いで、この接続をボルトにより固定してもよい。あるいは、高温鑞付け、銀はんだ、または銀鑞付けを用いて、ワイヤをリードに接続しても差し支えなく、はんだおよび鑞付けが、バッテリータイプのクランプのように、電気カプラ３２０を導電性リード３００に連結しても差し支えない。他の導電性接合部を用いても差し支えない。
例示の燃料電池スタックアセンブリ１００において、各燃料電池パケット１１０は、フレーム１２０に取り付けられた２枚の電解質シート１２６を備えている。燃料電池アレイ１２５は、電解質支持燃料電池アレイである。これらの実例において、燃料電池アレイ１２５は、厚さが４５μｍ未満、好ましくは２０μｍ未満の電解質シート１２６から構成されている。電解質シートは、電解質シートの一方の側１２５Ａに複数の陽極１２７を、別の側１２５Ｂに複数の陰極１２８を支持している。陽極１２７および陰極１２８は、電解質シート１２６の孔を介して位置している相互接続部１２９（図示せず）により相互接続されている。熱応力を最小にするために、フレーム１２０が、電解質シート１２６のものに近いＣＴＥを有することが好ましい。電解質シート１２６が部分安定化ジルコニア（例えば、３ＹＳＺ）から製造されている場合、フレーム１２０は、約９から１３ｐｐｍ／℃、好ましくは１０から１２ｐｐｍ／℃のＣＴＥ（ＣＴＥ＝ΔＬ／ＬΔＴ）を有することが好ましい。
シーラント６０が電解質シート１２６をフレーム１２０に接合している。シーラント６０が気密シーラント、例えば、フリットガラスシールまたは金属鑞付けであることが好ましい。他の気密シーラントを用いてもよい。
本発明のある実施の形態によれば、フレーム１２０は金属フレームである。本発明の別の実施の形態によれば、フレームはセラミックフレームである。本発明のある実施の形態によれば、主要外囲器は合金から製造される。
パケット１１０は、全てのパケットに共通の単一の空気（酸化体）チャンバ１５５内に緩く保持されている。空気チャンバ１５５は、空気または酸素を陰極１２８に提供して、燃料電池の動作を可能にする。燃料入口および出口マニホールド２００，２１０およびＬ字形終板１５２は、パケット１１０を物理的に支持する。パケット１１０は、パケット１１０間を所望の間隔にするために、例えば、パケットフレーム１２０上に位置するロッド、ボルトおよび／またはナットを受け入れる、アライメント取付具を含んでもよい。酸化体チャンバ１５５内に燃料電池パケットを配列することによって、酸化体流が、パケット１１０により互いに隔てられた多数の酸化体チャンネル１６０に分割される。隣接するパケット１１０の燃料電池アレイの陰極側１２５Ｂが互いに面して、酸化体チャンネル１６０の側壁を形成する。上述したように、燃料電池スタックアセンブリ１００は、主要外囲器１５０と一緒になって複数の酸化体チャンネル１６０を形成する、取外可能なレストリクタープレート１７０も備えている。この実施の形態において、レストリクタープレート１７０は、酸化体チャンネル１６０内の空気圧を制限し、等しくするために用いられる複数のスロット１７２を備えている。
空気流量および空気圧降下は、燃料パケットの間隔によりある程度決まり、終板１５２の設計を変更することによって容易に調節される。酸化体チャンバ１５５は、燃料電池スタックアセンブリ１００における最終的な空気流量および空気圧降下を決定するのに役立つように、入口および出口マニホールド１８０，１９０（それぞれ、各酸化体チャンネル１６０の入口側および出口側に連結されている）を使用する。入口マニホールド１８０は、複数の酸化体チャンネル１６０内の空気圧および空気流量を均一にするような様式で設計される。マニホールドの設計は、レストリクタープレートを含んで差し支えない。本発明の実施の形態において、入口マニホールド１８０は、図１Ａおよび１Ｂに示すように、各酸化体チャンネル１６０の入口に関連する合金シートにおける狭いスロットまたは一連の孔である流動レストリクター１７２であるレストリクタープレート１７０に接している。
図４Ａおよび４Ｂは、入口および出口マニホールド１８０および１９０、２つのＬ字形終板１５２、および３つの燃料電池パケット１１０を含む主要外囲器１５０を備えた燃料電池スタックアセンブリ１００の２つの斜視図である。図４Ａは、パケットフレーム１２０の補足的なアライメント取付具２２０を受け入れるための、Ｌ字形終板１５２の１２組のアライメントスロット２２０’を含むＬ字形終板１５２を示している。それゆえ、Ｌ字形終板１５２は、共通の酸化体（空気）チャンバ１５５に１２個のパケットを支持することができる。３つのパケット１１０が図４Ａに示されている。パケット１１０の描写は、アライメントスロット２２０’を通って突出したアライメント取付具２２０により示されている。空気供給マニホールド（底部）１８０および出口マニホールド（頂部）１９０も見える。燃料入口マニホールド２００は隠れており、空気入口マニホールド１８０は底部に分かりにくくなっている。図４Ｂは、図４Ａに示した燃料電池スタックアセンブリ１００（３つのパケットを内部に有する）の別の斜視図を示している。この図は、燃料入口マニホールド２００、燃料出口マニホールド２１０、空気出口マニホールド１９０、および空気入口マニホールド１８０（分かりにくくなっている）を示している。
図５は、パケットフレーム１２０、燃料電池アレイ１２５、導電性リード３００、張力緩和留め具（１つが隠れている）３３０、および導電性接合材料３４０を含む例示の電力／電流テークオフアセンブリを示している。この実例において、導電性接合材料は、導電性、およびリード材料と陽極または陰極いずれかと連絡するパッドとの間の機械的接着の２つの機能を果たす。導電性リード３００は、導電性接合材料３４０（例えば、Ａｇ−Ｐｄサーメット）により導電性構造体（陽極または陰極いずれかと連絡するパッド空気チャンネル側または陰極上の）に接合されている。導電性リード３００も、張力緩和留め具３３０およびロッド３２０を用いて電気絶縁体／スペーサ３１０に取り付けられる。張力緩和留め具３３０は、ロッド３２０に取り付けられ、ネジ付き（例えば、ナットとボルト）配置手段または接合接着剤（例えば、サーメットまたはガラス）を用いて、導電性リード３００のための張力緩和を提供する。
図６は、パケットフレーム１２０、燃料電池アレイ１２５、導電性リード３００、張力緩和留め具３３０、セラミック絶縁体３１０、接合材料３５０、および導電性接合材料３４０を含む、図５に示された電力／電流テークオフの断面図である。導電性リード３００は、導電性接合材料３４０（例えば、Ａｇ−Ｐｄサーメット）により（ｉ）導電性構造体（陽極または陰極いずれかと連絡するパッド空気チャンネル側または陰極上の）に、また張力緩和留め具３３０およびロッド３２０を用いて（ｉｉ）電気絶縁体／スペーサに接合されている。セラミック絶縁体３１０は、接合材料（例えば、ガラスフリット）を用いてフレームに固定されている。張力緩和留め具３３０は、ロッドに取り付けられ、ネジ付き（例えば、ナットとボルト）配置手段または接合接着剤（例えば、サーメットまたはガラス）を用いて、導電性リード３００のための張力緩和を提供してもよい。
図６を参照すると、ある実施の形態において、導電性リード３００が、シール６０を覆った燃料電池アレイ１２５の部分中に延在する導電性構造体に接合されている。これにより、導電性接合材料３４０に追加の機械的結着性が与えられる。あるいは、導電性リード３００は、燃料電池アレイ１２５およびシール６０の区域から離れて位置する導電性構造体に接合される。あるいは、ロッド３２０は導電性材料（例えば、ステンレス鋼またはＡｇ）から製造され、それゆえ、導電性リード３００を電気的に共通にしてもよい。
本発明の精神および範囲から逸脱せずに、本発明に様々な改変および変更を行えることが当業者には明らかである。それゆえ、本発明は、本発明の改変および変更を、それらが添付の特許請求の範囲およびその同等物に含まれるという条件で包含することが意図されている。
１００ 燃料電池スタックアセンブリ
１１０ 燃料電池パケット
１２０ パケットフレーム
１５０ 主要外囲器
１７０ レストリクタープレート
３００ 導電性リード
３１０ 電気絶縁体
３３０ 張力緩和留め具
３４０ 導電性接合材料
１１０ 燃料電池パケット
１２０ パケットフレーム
１５０ 主要外囲器
１７０ レストリクタープレート
３００ 導電性リード
３１０ 電気絶縁体
３３０ 張力緩和留め具
３４０ 導電性接合材料
Claims (7)
- 燃料電池スタックアセンブリであって、
（ｉ） それぞれ（ａ）フレームと（ｂ）２つの平面電解質支持燃料電池アレイを含む、複数の燃料電池パケットであって、ある燃料電池アレイの陽極側が別の燃料電池アレイの陽極側に面するように燃料電池アレイが配列されており、前記フレームが前記燃料電池アレイと組み合わさって燃料チャンバを画成している燃料電池パケット、
（ｉｉ） 前記複数のパケットが複数の酸化体チャンネルを形成するように、該複数のパケットを取り囲んでいる主要外囲器、
（ｉｉｉ） 前記主要外囲器と共に、前記複数の酸化体チャンネルを形成する取外可能なレストリクタープレート、
（ｉｖ） 前記酸化体チャンネルの一方の側に連結された酸化体入口プレナムマニホールド、
（ｖ） 前記酸化体チャンネルの他方の側に連結された酸化体出口プレナムマニホールド、
（ｖｉ） 前記燃料チャンバの一方の側に連結された燃料入口マニホールド、および
（ｖｉｉ） 前記燃料チャンバの他方の側に連結された燃料出口マニホールド、
を備えた燃料電池スタックアセンブリ。 - 前記燃料電池アレイが、４５μｍ未満の厚さの電解質を有する電解質支持燃料電池アレイであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックアセンブリ。
- 前記フレームが金属フレームであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックアセンブリ。
- 前記フレームがセラミックフレームであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックアセンブリ。
- 前記主要外囲器が合金から製造されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックアセンブリ。
- 前記パケットが、酸化体が前記酸化体入口マニホールドから該パケットを通って前記酸化体出口マニホールドに直接流動するように、該酸化体入口マニホールドおよび該酸化体出口マニホールドに連結されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックアセンブリ。
- 前記パケットが、前記燃料電池アレイへの電気接続を含み、前記燃料電池アレイのフレーム形成材料から電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックアセンブリ。
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