JP2008542977A - 管状の固体酸化物燃料電池のためのスタック構成 - Google Patents

Abstract

燃料電池ユニット１は、固体酸化物燃料電池チューブ（１８）のアレイを備える。固体酸化物燃料電池チューブ（１８）は、多孔性金属外面（１１６）、内部燃料電池層（１１２〜１１４）、および内面（１１８）を有する。固体酸化物燃料電池チューブ（１８）の各々は、少なくとも１つの開放端を有する。少なくとも１つのヘッダ（２８）は、第１反応ガスを多孔性金属外面（１１６）と接触するように導き、第２反応ガスを内面（１１８）と接触するように導くために、固体酸化物燃料電池チューブ（１８）のアレイと作用可能に連通している。ヘッダ（２８）は、多孔性金属外面（１１６）および内面（１１８）のうちから選択された少なくとも１つの表面と電気的に接触して配置された少なくとも１つのバスバーをさらに備える。

Description

本発明は、管状固体酸化物燃料電池（tubular solid oxide fuel cells: ＴＳＯＦＣ）のためのスタック構成に関するものであり、特に内部燃料電池膜を備えた金属支持チューブを有するＴＳＯＦＣのためのスタック構成に関する。

一般に燃料電池として知られている装置は、水素の酸化によって放出されたエネルギーを電力に直接変換するプレートまたはチューブを備える。燃料電池は、汚染物質を発生しない、静かで、効率的な携帯用発電装置用動力源の可能性を提供する。固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）、特に管状固体酸化物燃料電池（ＴＳＯＦＣ）は、分散型または集中型の電源供給の用途において特に魅力的な候補である。

ＳＯＦＣ技術は、高い出力密度、長く安定した性能寿命、高価な改質またはガス浄化を行うことなく広範な燃料の供給源を利用する能力を提供する可能性を有し、広範囲の輸送手段用の発電装置に対して高いシステム効率を提供する。

起動時間が長いこと（概して数分から数時間）や、材料製造のコストが高いことなどのＳＯＦＣ技術の現況における重大な制限は、該技術の自動車用途への検討に著しい影響を与えてきた。

従って、本発明の目的は、高価な材料の使用を最小限にし、製造コストを最小限にし、起動時間を最短にし、発電効率を最大にするＳＯＦＣ構成を提供することを含む。本発明のさらなる他の目的は、本願に含まれる説明から明らかとなるであろう。

本発明の一態様によれば、前述の目的および他の目的は、多孔性金属外面と、内部燃料電池層と、内面とを有する固体酸化物燃料電池チューブのアレイを備える燃料電池ユニットによって達成される。前記チューブの各々は、少なくとも１つの開放端を有する。少なくとも１つのヘッダは、固体酸化物燃料電池チューブのアレイと作用可能に連通しており、第１反応ガスを多孔性金属外面と接触するように導くための構造と、第２反応ガスを前記内面と接触するように導くための構造とを備える。ヘッダは、前記多孔性金属外面および内面のうちから選択される少なくとも１つの表面と電気的に接触して配置された少なくとも１つの電気伝導性バスバーをさらに備える。

図中の同等な要素は同一の数字によって識別される。
本発明、並びに本発明の他の目的およびさらなる目的、利点および能力についてよりよく理解するために、上述の図面に関連して、以下の開示および添付した特許請求の範囲について述べる。

本発明は、外側の、好ましくは金属の、支持構造と、内側の膜との組み合わせを、独特なスタック構成で用いることにより、ＴＳＯＦＣを改善する。図８を参照すると、円形断面を有するＴＳＯＦＣチューブ１８の例が示されている。チューブ１８は両端において開放されている。外面１１６を有する多孔性金属支持チューブ１１１は、その内側において、例えばＮｉ−Ｎｉイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のような多孔性アノード１１
２によって被覆されている。アノード１１２は、その内側において、例えばＹ２Ｏ３−ＺｒＯ２のような濃厚電解質１１３によって被覆されている。濃厚電解質１１３は、その内側において、例えば、ＬａＭｎＯ３のような多孔性カソード１１４によって被覆されている。多孔性カソード１１４は内面１１８を提供する。ＴＳＯＦＣチューブを製造するために用いられる組成物は、本発明において重要ではない。さらに、アノードがカソードの半径方向内側に位置するように、アノード層およびカソード層の位置を交換することができる。

図１は、組み立てられたＴＳＯＦＣユニット１を示す。ＴＳＯＦＣユニット１は、ハウジング（ケース）２およびエンドキャップ４，１０を備える。取入口エンドキャップ４は、ユニット１に空気を取り入れるための開口６、燃料注入口８、および「内部」電気端子１４のためのフランジ状ポート９を有する。前記フランジは、シールおよび／または電気的絶縁を提供する。排出口エンドキャップ１０は、燃料排出口１２と、参照符号６で示した開口に類似した排気開口とを有する。ケース２は、「外部」集電装置１６のためのフランジ状ポート３を有し、該フランジはシールおよび／または電気的絶縁を提供する。取入口エンドキャップ４および排出口エンドキャップ１０は、内部電気端子１４の収容を除いて同一である。内部電気端子１４は、エンドキャップ４，１０のいずれか一方または双方のように、好都合であり得るところならばどこに位置してもよい。

図２ａ〜図４は、チューブ１８の外側の金属表面（多孔性金属支持チューブ１１１）が互いに接触した状態の稠密充填配列でチューブ１８が積み重ねられている本発明の実施形態を示す。図２ｂおよび図２ｃは、それぞれ、本発明に従った燃料電池アセンブリのための矩形稠密充填配列１７およびハニカム稠密充填配列１７’を示す。また、それぞれの隙間１９，１９’も示されている。

稠密充填配列において、チューブ１８のスタック１５を支持するのを助けるために、１本以上の金属バンド２２を使用することができる。バンド２２は、ケース２から電気的に絶縁されている。このような絶縁は、空隙、あるいはバンド２２および／またはケース２に取り付けられる電気絶縁体のような従来の手段によって行うことができる。さらに、前記スタックを電気絶縁体で被覆することができる。

チューブ１８の金属外面は、それぞれの隣接したチューブ１８と軸線方向においてすべて接触しているので、チューブ１８はスタック１５の全体にわたって連続した電流フローを提供する。バンド２２および／または集電板２０は、「外部」電気端子１６への共通の電気的接続（バスバー）を提供する。「外部」電気端子１６は、ケース２の開口３を通って延びており、絶縁体２４によってケース２の開口３から電気的絶縁されている。

スタック１５は、各端部において、様々な機能部品によってさらに支持されている。第１のそのような部品は、チューブ１８の端とヘッダ２８との間の接触を防止する、酸化アルミニウムまたは他の高温材料のような断熱材３０である。断熱材３０は、チューブ１８の内部への通路を提供する孔４０の第１アレイと、隙間１９への通路を提供する孔４２の第２アレイとを画定する。本発明の当該実施形態において、隙間１９は、スタック１５の外部の周囲であり、かつケース２の内部である空間を含む。

第２の部品は、燃料プレナム４８によって分離された２つの一体的な表面板４４，４６を有する電気伝導性ヘッダ２８である。外側表面板４４は取入口エンドキャップ４と向かい合っており、外側表面板４４と取入口エンドキャップ４との間の空間は空気プレナム５４である。内側表面板４６は断熱材３０と向かい合っている。ヘッダはまた、空気プレナム５４と、すべてのチューブ１８の内部とを流体が流れるように連通させる通路５０を有する。燃料プレナム４８は、断熱材の第２の孔４２と整合されている内側表面板４６の孔
５２を介して、隙間１９のすべてを相互に連結する。通路５０は、内側表面板４６から延び、かつチューブ１８の中へ挿入されてチューブ１８の内面と接触する延長部分５６を有する。

ヘッダ２８は、内部バスバーとして機能するか、または内部バスバーを支持し、内部電気端子１４を備える。内部電気端子１４は、ヘッダ２８と一体的であることが好ましいが、個別部品であってもよい。延長部分５６は集電体である。

ヘッダ２８は、本発明にとって重要であり、空気をチューブ１８内に導き、燃料をチューブ１８の周囲に導き、チューブ１８の内側に電気的接続を提供する。上記に記載した構成において、チューブ１８の外側は、その金属成分の酸化を妨げる燃料（水素）中に晒される。チューブ１８の内側は空気に晒される。電力を生成する電気化学反応は、チューブ１８（燃料電池）の膜を介した酸素輸送、およびチューブ１８の燃料側の膜界面における酸素の水素との反応の結果である。

第３の部品は、ヘッダ２８をケース２およびエンドキャップ４との電気的接触から保護する絶縁体３２である。絶縁体３２は、内部電気端子１４のための延長部分６２と、燃料開口６４とを備える。該絶縁体はまた、燃料プレナム４８をシールする。

第４の部品はエンドキャップ４である。エンドキャップ４は、ユニット１に空気を取り入れるための開口６と、燃料注入口８と、内部電気端子１４のためのポート９と、スロット６８のようなケース２への密封接続部とを備える。エンドキャップ４が絶縁材から製造されている場合、エンドキャップ４および絶縁体３２は一体であってもよいし、かつ／またはキャップが絶縁体として機能してもよい。支持手段はまた、ケース２を含む。

図５〜図７は、チューブ１８が開放充填配列で積み重ねられている本発明の実施形態を示す。開放充填配列スタック１２０において、チューブ１８の外側の金属表面は離間されており、互いに接触していない。チューブ１８は、その各端部に位置する部品によって、スタック１２０内のそれぞれの位置に保持される。スタック１２０はケース１２２によって包囲されている。

スタック１２０は、各端部において、様々な機能部品を備え得る支持手段によって取り囲まれている。第１のそのような部品は、チューブ１８の外側の金属部品と電気的に導通している外部バスバー１２４である。外部バスバー１２４は、チューブ１８と整合して、それを介して空気の進入を可能にする開口１２６を有する。外部バスバー１２４は、開口１２６と関連付けられ、かつチューブ１８上に延びて、チューブ１８の外面と接触し、同外面との電気的導通を提供する、柱、翼、フランジ、または他の種類の延長部分１２５を有し得る。外部バスバー１２４は、スタック１２０をまとめて保持するため、および／または信頼できる電気的接続を提供するために、各チューブ１８上にろう付けされるか、溶接されるか、締り嵌めされるか、またはそうでなければ頑健に取り付けられ得る。チューブの両端の間でチューブを支持するために、外部バスバー１２４に形状が類似した伝導性または非伝導性の他のプレート（図示せず）を用いることができる。外部バスバー１２４は、例えば、タブ、突起または柱のような一体的な端子１２７を有し得る。

次の部品は、チューブ１８と整合して、それを介して空気の進入を可能にする開口１３０を有する絶縁体１２８である。絶縁体１２８は外部バスバー１２４に対してシールを行う。

次の部品は、チューブ１８と整合して、それを介して空気の進入を可能にする開口１３４を有する内部バスバー１３２である。内部バスバー１３２は、外部バスバー１２４と内
部バスバー１３２との間における電気的接触を防止する絶縁体１２８に対してシールを行う。内部バスバー１３２は、開口１３４に関連付けられ、かつチューブ１８内に延びて、チューブ１８の内面と接触し、同内面との電気的導通を提供する、柱、翼、フランジ、または他の種類の延長部分１３６を有する。内部バスバー１３２は、スタック１２０をまとめて保持するため、および／または信頼できる電気的接続を提供するために、各チューブ１８内にろう付けされるか、溶接されるか、締り嵌めされるか、またはそうでなければ頑健に取り付けられ得る。内部バスバー１３２は、例えば、タブ、突起または柱のような一体的な端子１３７を有し得る。

次の部品は、バスバー１２４，１３２の電気的接触およびそれに続く短絡を防止するために、絶縁性であるか、絶縁性（すなわち、電気絶縁性）内側ライナーを備えるエンドキャップ１３８である。上記に記載した絶縁体３２のような部品を用いることができる。エンドキャップ１３８は、上記に記載したエンドキャップ４と同一または類似の特徴を有し得る。エンドキャップ１３８は、端子１２７，１３７を収容するために絶縁端子支持体１３９を有し得る。絶縁端子支持体１３９は、組立易さ、端子の支持、絶縁、補強および固定のうちの少なくとも１つを提供するグロメット、インターロックコネクター、または他の構造であり得る。

外部バスバー１２４、絶縁体１２８、および内部バスバー１３２は、複数の層を有する単一部品に一体化されてもよい。絶縁体はチューブの支持体として機能することができるとともに、バスバー１２４，１３２として機能する導電性（例えば金属）コーティングを両側に有することができる。

図９および図１０は、間隙２１２によって分離されたサブスタック２１０においてチューブ１８の外側の金属表面が互いに接触した状態の半稠密充填配列で、チューブ１８が積み重ねられている本発明の実施形態を示す。サブスタック２１０は、ユニットを通じてより高い電流フローを生じる並列抵抗器として作用することができる。機能端部部品は、間隙２１２を収容するためにより幅広の外形を有していること以外は、稠密充填配列について上記に記載したものと本質的に同一であり得、絶縁体３０’、ヘッダ２８’、絶縁体３２’、およびエンドキャップ４’を含む。

図１１〜図１３は、上記に記載したものに類似した半稠密充填配列でチューブ１８が積み重ねられているが、該ユニットによって供給される合計の電圧およびアンペア数に対する制御を向上するために、サブスタック２１０は直列に接続されている、本発明の実施形態を示す。各サブスタック２１０におけるチューブ１８の数は、該ユニットによって供給される利用可能なアンペア数を決定する。また、直列に接続されたサブスタック２１０の数は、該ユニットによって供給される利用可能な電圧を決定する。

外部バスバーは直列接続を提供するために複数の部品を備える。任意の適切な直列接続手段を用いることができ、例として、半田付けまたはろう付けされたタブ２２０が示されている。他の適切な接続手段としては、ワイヤ、細片、板、ロッド、鍍金(overlay) 、象眼などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。外部電気端子１６’は、サブスタック２１０の列の端のうちの１つに対して、直接接続されるか、または図のように半田付けまたはろう付けされたタブ２２２として示されている、任意の適切な接続手段によって接続され得る。

内部バスバーは、直列接続を提供するために複数の導電性部材を備える。任意の適切な直列接続手段を用いることができ、例として、絶縁ヘッダ２８’，２９と一体になった導電性象眼部２２４，２２８が示されている。最初および最後のサブスタック２１０の自由端は、単列の象眼部２２４によって並列に接続され得る。単列の象眼部２２４のうちの一
方は、「内部」電気端子１４’に接続する延長部分２２６を有する。サブスタック２１０は、二列の象眼部２２８によって直列に接続され、象眼部２２８はまた、各サブスタック２１０内に並列接続も提供する。導電性部品２２４，２２８は任意の適切な構造を備えることができる。導電性部品の他の例としては、タブ、ワイヤ、細片、板、ロッド、鍍金などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。他の機能端部部品は、半稠密充填配列について上記に記載したのと本質的に同じものであり得、各絶縁体３０’、ヘッダ２８’，２９、絶縁体３２”，３３およびエンドキャップ４’，１０’を含む。

本発明の別の実施形態において、図５〜７に示されている開放充填配列は、直前の実施形態に類似した変更によって直列に接続され得る。当業者であれば、個々のチューブはスタック全体にわたって直列または並列のいずれにも接続され得るので、燃料電池チューブを並列および直列に接続するために利用可能な選択肢および組み合わせは多数あることが分かるであろう。

例えば、図１４〜図１８を参照すると、開放充填配列の直列接続は、スタックの両端においてチューブを支持するために強健な絶縁支持板３０２，３５２を用いることによって行うことができる。絶縁支持板のうちの一方は、電気端子の収容設備をさらに備えており、示した例においては、端子タブ３０８が用いられている。

チューブ１８は、チューブの端を絶縁するために肩３０６を有する座ぐり穴３０４内に嵌入する。外部バスバー３１０および内部バスバー３１２は、支持板３０２，３５２のそれぞれの側面において、図示したような間隙３２２を有して所望によりチューブ１８を直列および並列に接続するパターンで、付着して配置される。図示したパターンは、チューブ１８を並列の垂直スタックに接続し、それらの垂直スタックは水平方向において直列に接続される。さらに、バスバー３１０，３１２を水平方向に分割することにより、より少数の並列接続およびより多くの直列接続を生じるであろう。外部バスバー３１０および内部バスバー３１２は、端子タブ３０８のそれぞれの側面上に延在して、嵌合コネクタ（図示せず）に外部電気接続を提供する。

はんだ接合部３１６を用いて、外部バスバー３１０をチューブ１８の外側に固定し、そのチューブ１８の外側に電気的接続を提供することができる。リベット３２０のような中空ピンを、孔３０４に通して、チューブ１８の内部に電気的接続を提供するために用いることができる。はんだ接合部３１６を用いて、リベット３２０を内部バスバー３１２に固定してもよい。

当業者には、上記に記載した燃料注入口および空気注入口は代表的な性質のものであり、任意の適切な大きさ、形状、構成、および／またはユニット上の位置を有し得ることが分かるであろう。さらに、当業者には、上記のすべての実施形態に記載した電気端子が代表的かつ従来の性質のものであり、任意の適切な大きさ、形状、構成、および／またはユニット上の位置を有し得ることが分かるであろう。端子はバッテリーポストであってもよし、または１つ以上の電気プラグ、コネクター、ソケット、および／または同種のものに組み込まれてもよい。端子は、例えば、ワイヤ、板、細片などのような任意の適切な従来手段によって、集電体に接続することができる。

本発明の特徴は、金属支持体がろう付けおよび溶接の使用を可能にするので、密閉の効果を提供する。
現時点において本発明の好ましい実施形態と思われるものについて示して説明してきたが、当業者には、添付した特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更および修正をなすことができることは明白であろう。

本発明に従った燃料電池アセンブリの斜視図。 本発明に従った稠密充填配列を有する燃料電池アセンブリの分解斜視図。 本発明に従った稠密充填配列の燃料電池チューブアセンブリの概略部分端面図。 本発明に従った稠密充填配列の燃料電池チューブアセンブリの概略部分端面図。 本発明に従った燃料電池アセンブリの部分分解斜視図。 本発明に従った燃料電池アセンブリの部分切断斜視図。 チューブが開放充填配列で積み重ねられている本発明に従った燃料電池アセンブリの分解斜視図。 チューブが開放充填配列で積み重ねられている本発明に従った燃料電池アセンブリの部分分解斜視図。 チューブが開放充填配列で積み重ねられている本発明に従った燃料電池アセンブリの部分切断斜視図。 本発明に従った燃料電池チューブの正確な縮尺ではない斜視図。 チューブが半稠密充填配列で積み重ねられている本発明に従った燃料電池管アセンブリの概略端面図。 チューブが半稠密充填配列で積み重ねられている本発明に従った燃料電池アセンブリの部分分解斜視図。 チューブが半稠密充填配列で積み重ねられ、かつ直列に接続されている本発明に従った燃料電池アセンブリの部分分解斜視図。 図１１に示した燃料電池アセンブリの他端の部分分解斜視図。 図１１の切断断面Ａおよび図１２の切断断面Ｂを通る部分平面図。 チューブが開放充填配列で積み重ねられ、かつ直列に接続されている本発明に従ったヘッダの斜視図。 図１４に示したヘッダの反対側の斜視図。 図１４に示したヘッダからの、燃料電池アセンブリの他端のヘッダの斜視図。 図１６に示したヘッダの反対側の斜視図。 図１４に示したヘッダの孔のうちの１つを通る軸方向切断図。

Claims (19)

1. ａ．多孔性金属外面、内部燃料電池層、および内面を有する固体酸化物燃料電池チューブのアレイと、
   ｂ．前記固体酸化物燃料電池チューブのアレイと作用可能に連通している少なくとも１つのヘッダとを備え、前記ヘッダは、第１反応ガスを前記多孔性金属外面と接触するように導くための構造と、第２反応ガスを前記内面と接触するように導くための構造とを備え、前記ヘッダは、前記多孔性金属外面の各々と電気的に接触して配置された外部バスバーと、前記内面の各々と電気的に接触して配置された内部バスバーとのうちから選択される少なくとも１つのバスバーをさらに備える、燃料電池ユニット。
2. 前記ヘッダは前記固体酸化物燃料電池チューブのアレイを物理的に支持する、請求項１に記載の燃料電池ユニット。
3. 前記ヘッダは前記外部バスバーと一体である、請求項１に記載の燃料電池ユニット。
4. 前記ヘッダは前記外部バスバーを物理的に支持する、請求項１に記載の燃料電池ユニット。
5. 前記ヘッダは前記内部バスバーと一体である、請求項３に記載の燃料電池ユニット。
6. 前記ヘッダは前記内部バスバーを物理的に支持する、請求項１に記載の燃料電池ユニット。
7. 前記ヘッダは、前記第１反応ガスを導くためのプレナムを画定し、前記ヘッダは、前記第２反応ガスを導くための通路をさらに画定し、前記通路は前記プレナムを横断する、請求項１に記載の燃料電池ユニット。
8. 前記固体酸化物燃料電池チューブのアレイは、稠密充填配列に構成されている、請求項１に記載の燃料電池ユニット。
9. 前記固体酸化物燃料電池チューブのアレイは、半稠密充填配列に構成されている、請求項１に記載の燃料電池ユニット。
10. 前記固体酸化物燃料電池チューブのアレイは、固体酸化物燃料電池チューブのサブスタックを備えるようにさらに構成されており、前記サブスタックの各々のうちの固体酸化物燃料電池チューブのすべては、互いに電気的に並列に接続されている、請求項９に記載の燃料電池ユニット。
11. 前記サブスタックの少なくとも一部は、互いに電気的に直列に接続されている、請求項１０に記載の燃料電池ユニット。
12. 前記内部バスバーは、複数の内部バスバー部品をさらに備える、請求項１１に記載の燃料電池ユニット。
13. 前記ヘッダは、前記内部バスバー部品を支持する電気絶縁材をさらに備える、請求項１２に記載の燃料電池ユニット。
14. 前記外部バスバーは、複数の外部バスバー部品をさらに備える、請求項１１に記載の燃料電池ユニット。
15. 前記ヘッダは、前記外部バスバー部品を支持する電気絶縁材をさらに備える、請求項１４に記載の燃料電池ユニット。
16. 前記固体酸化物燃料電池チューブのアレイは、開放充填配列で積み重ねられている、請求項１に記載の燃料電池ユニット。
17. 前記固体酸化物燃料電池チューブの少なくとも一部は、電気的に並列に接続されている、請求項１６に記載の燃料電池ユニット。
18. 前記固体酸化物燃料電池チューブの少なくとも一部は、電気的に直列に接続されている、請求項１６に記載の燃料電池ユニット。
19. 前記固体酸化物燃料電池チューブの一部は、電気的に並列に接続されている、請求項１８に記載の燃料電池ユニット。

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