JP2009522745A - シームレス固体酸化物型燃料電池 - Google Patents

Abstract

本発明には、アノード層（１０）、電解質層（８）、及び、カソードを具備するシームレス平板状固体酸化物型燃料電池が含まれる。カソードには一連の楕円環状空間（２）が含まれており、この一連の楕円環状空間は開放端と閉鎖端を備えている。リブ（６）によって楕円環状空間（２）が分割されており、閉鎖端は丸いエッジだけを備えている。

Description

米国政府は、本発明に関して一括払いによる実施権を有しており、ＤＯＥによって裁定されたＤＥ−ＦＣ２６−０２ＮＴ４１２４７の条件によって規定の妥当な条件で特許権者に他の実施許諾を要求する限定された状況における権利を有するものである。

本発明の分野は燃料電池、とりわけ、固体酸化物燃料電池の形状及び構造に関するものである。

固体酸化物電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、当該技術において既知のところであり、米国特許第４，３９５，４６８号においてＩｓｅｎｂｅｒｇによって例証されている。設計は管状または平板状とし、薄膜状固体電解質材料によって被覆された、開放端または閉鎖端を備えた軸方向に細長いセラミックチューブ空気極材料を含むことが可能である。電解質層が、薄い軸方向に細長い相互接続材料を除いてサーメット燃料極材料によって被覆されている。平板状燃料電池には、電解質及び相互接続壁またはリブからなる平板状アレイが含まれており、電解質壁には電解質を間に挟んだカソード及びアノード材料の薄い平らな層が含まれている。

図１には平板状ＳＯＦＣの１タイプに関する一例が示されている。平板状燃料電池は、空気が流れる環状空間２から構成され、キャップ付きの場合、給気管４を含んでいる。環状空間の間には、セラミック材料から構成されるリブ６が配置されている。この上には、相互接続部１２のまわりに形成された固体電解質８とアノード１０が設けられている。各環状空間の断面は、酸化と拡散との最高のバランスがとれるように、同時に重量を考慮してバルク材の量が減少するように細長い。しかしながら、この設計による燃料電池は、電池の性能を妨げる熱応力を受けることになる。熱応力が大きい場合には、突発的故障を生じて、電池に亀裂が入ることになる。

必要なのは熱応力に対してより頑強で耐性のある装置である。先行技術に関する他の問題も存在するが、そのいくつかについてはさらに読み進めることによって明らかになるであろう。

上記を考慮に入れて、とりわけ平面状設計の固体酸化物型燃料電池内における応力に耐えるのを促進する方法及び装置が本発明に合致する。先行技術による燃料電池は、応力が蓄積する可能性のある尖った内部エッジを備えているのでシームレスではなかった。丸いエッジを設けることによって、燃料電池は応力を蓄積しなくなり、従ってより頑強になる。シームレス設計は、断面形状並びにキャップ付き端部にも適用可能である。

本発明によるこれらの及びその他の目的、特徴、及び、利点については、一連の楕円環状空間を含む平板状固体酸化物型燃料電池に楕円環状空間を分割するリブ並びに電解質層及びアノード層を設けることによる特定の実施形態によって示される。楕円環状空間は丸いエッジだけを備えた楕円形断面を有している。

特定の実施形態において、燃料電池は閉鎖端と開放端を備え、空気管が環状空間の全長に沿って給気する。閉鎖端は丸いエッジだけを備え、燃料電池本体の他の部分と一体成形することが可能である。実施形態によっては、閉鎖端の壁厚が燃料電池の他の部分の壁厚より厚く、約１．５〜２．０ｍｍとなる場合もある。

他の特定の実施形態では、楕円形断面は丸みのある矩形をなす。他の形状には、真の楕円形及び卵形が含まれる。楕円形断面の長さ対幅比は約１：２〜１：３である。

もう１つの実施形態では、本発明に、リブによって分割された一連の環状空間並びに電解質層及びアノード層を具備する平板状固体酸化物型燃料電池が含まれる。環状空間は開放端と閉鎖端を備えており、閉鎖端は丸いエッジだけを備えている。

さらにもう１つの実施形態では、本発明に、アノード層、電解質層、及び、カソードを具備するシームレス平板状固体酸化物型燃料電池が含まれる。カソードには、一連の楕円環状空間が含まれており、この一連の楕円環状空間は開放端と閉鎖端を備えている。リブによって楕円環状空間が分割されており、閉鎖端は丸いエッジだけを備えている。実施形態によっては、燃料電池が４〜６個の楕円環状空間を備える場合もある。

本発明の他の実施形態も存在するが、それらについては、さらに詳細な説明を読むことによって明らかになるであろう。

本発明については、添付の図面に関連した例によってさらに詳述することにする。

本発明によれば、シームレス固体酸化物型燃料電池が提供される。先行技術の場合、平板状燃料電池は環状空間内に尖った角を形成するリブを備えている。このため、ＳＯＦＣの性能に悪影響を及ぼす可能性のある熱応力を受ける領域が生じることになる。さらに、燃料電池のキャップ付き端部によって、環状空間内に熱応力を生じる可能性のあるより多くの領域が形成される。

本発明によれば、シームレス環状空間を備える固体酸化物型燃料電池を提供することによって熱応力が抑えられ、燃料電池の性能が向上する。シームレスは、別様であれば平板状燃料電池の環状空間内に存在する尖った角が丸みを帯びていることを表わしている。特定の実施形態は、キャップ付き端部が丸くなっているだけではなく、リブが形成されるところも丸くなっている楕円環状空間を備えている。これらの実施形態は、独立してまたは互いに連係して実施することが可能である。

応力は直角の角及び尖った角に集中し、電池の破損を生じさせる可能性がある。存在するリブ数は所望の電力出力及び／または電池１個当たりの所望のコストによって決まる。図に示された典型的な電池設計は、材料の応力強度は約３０メガパスカル（ＭＰａ）であるが、この数値は設計及び材料が異なれば異なることになる。蓄積された応力が３０ＭＰａの範囲に近づくと、材料の破損の可能性がますます大きくなる。尖った角が生じないように電池の幾何学形状を変化させることによって、応力が容易に蓄積しなくなり、従って破損しにくくなる。留意すべきは、電池の壁厚が、細孔拡散が危うくなり、電池の性能が低下する値を超えてはならないという点である。

図２を参照すると、本発明の実施形態の１つが示されている。平板状ＳＯＦＣには環状空間２が含まれており、キャップ付きの場合には給気管４が含まれる。環状空間の間にはセラミック材料から構成されたリブ６が配置されている。この上には、相互接続部１２のまわりに形成された固体電解質８とアノード１０が設けられている。環状空間は上述のように性能向上のために細長いが、先行技術の環状空間とは異なり、これらの環状空間は断面が楕円形であり、リブに接続する丸い角１４を備えている。

本発明の環状空間は、従って楕円形の断面を備えている。しかし、図２に示すように、それらは真の楕円形である必要はなく、むしろ丸みのある矩形の形状をとることが可能である。断面全体の幅対長さ比はモデルによって異なるが、一般に約２：１〜３：１の範囲内になる。

図３には、単独で用いることもできるし、あるいは、図２に示す実施形態と併用することも可能な本発明のもう１つの実施形態が示されている。この実施形態の場合、環状空間２、リブ６、固体電解質８、及び、アノード１０を備えた電池の縦方向断面が示されている。この実施形態の場合、環状空間の両端が閉鎖されているので給気管４が存在する。電池の端部にキャップをかぶせて尖った角を形成する先行技術とは異なり、本発明では、丸い角１６が生じるようにするため、端部においてシームレス設計が継続されている。

電池のこのシームレスな閉鎖は、電池が単一構造になるように押出し成形で実施することができるし、あるいは、個別にダイカストで製造して、取り付けるように実施することも可能である。楕円形の閉鎖端によって、電池は注入燃料と電池内の空気とのより大きな温度勾配に耐えることが可能になる。閉鎖端の半径は、モデルによって異なる可能性があるが、ほぼ３．０ｍｍの範囲内になる。閉鎖端の厚さは環状空間の壁と同じ厚さにすることが可能であるが、必ずしもそうしなくてもかまわない。端壁が厚くなると、より大きい応力に耐えることができるようになる。

実施形態の１つにおいて、本発明によれば、リブによって分割された一連の楕円環状空間、並びに、電解質層及びアノード層を含む平板状固体酸化物型燃料電池が提供される。楕円環状空間の楕円形断面は丸いエッジだけを備えている。

特定の実施形態において、燃料電池は閉鎖端と開放端を備えており、空気管が環状空間の全長に沿って給気する。閉鎖端は丸いエッジだけを備えるようにし、燃料電池本体の他の部分と一体成形することが可能である。実施形態によっては、閉鎖端の壁厚が燃料電池の他の部分の壁厚より厚く、約１．５〜２．０ｍｍとなる場合もある。

他の特定の実施形態では、楕円形断面は丸みのある矩形をなす。他の形状には、真の楕円形及び長円形が含まれる。楕円形断面の長さ対幅比は約１：２〜１：３である。

もう１つの実施形態では、本発明に、リブによって分割された一連の環状空間並びに電解質層及びアノード層を具備する平板状固体酸化物型燃料電池が含まれる。環状空間は開放端と閉鎖端を備えており、閉鎖端は丸いエッジだけを備えている。

特定の実施形態では、閉鎖端が押出し成形によって形成される。他の実施形態では、環状空間が楕円形断面を有しており、その楕円形断面は丸いエッジだけを備えており、閉鎖端の壁厚は燃料電池の他の部分の壁厚より厚い。

さらにもう１つの実施形態では、本発明に、アノード層、電解質層、及び、カソードを具備するシームレス平板状固体酸化物型燃料電池が含まれる。カソードには、一連の環状空間が含まれており、この一連の環状空間は開放端と閉鎖端を備えている。リブによって楕円環状空間が分割されており、閉鎖端は丸いエッジだけを備えている。実施形態によっては燃料電池は４〜６個の楕円環状空間を備える場合もある。

本発明の特定の実施形態について詳述してきたが、当業者には明らかなように、開示の教示全体に鑑みて、それらの詳細に対するさまざまな修正及び改変を考案することが可能である。従って、開示の特定の構成は例証だけを意図したものであって、付属の請求項の全範囲及びその任意の及び全ての同等物によって規定されることになる本発明の範囲に関する制限を意図したものではない。

先行技術の平板状燃料電池を例示した図である。 本発明の実施形態の１つによるシームレスエッジを備えた平板状燃料電池を例示した図である。 本発明のもう１つの実施形態によるシームレス端部を備えた平板状燃料電池を例示した図である。

符号の説明

２ 環状空間
４ 給気管
６ リブ
８ 固体電解質層
１０ アノード
１２ 相互接続部
１４ 丸い角

Claims (17)

1. 一連の楕円環状空間と、
   前記楕円環状空間を分割するリブと、
   電解質層と、
   アノード層とを有する平板状固体酸化物型燃料電池であって、
   前記楕円環状空間の楕円形断面が丸いエッジだけを備えている平板状固体酸化物型燃料電池。
2. 前記燃料電池が閉鎖端及び開放端を備え、空気管が前記環状空間の全長に沿って給気することを特徴とする請求項１に記載の平板状固体酸化物型燃料電池。
3. 前記閉鎖端が丸いエッジだけを備えることを特徴とする請求項２に記載の平板状固体酸化物型燃料電池。
4. 前記閉鎖端が燃料電池本体の他の部分と一体成形されていることを特徴とする請求項２に記載の平板状固体酸化物型燃料電池。
5. 前記燃料電池の壁厚が約１．５〜２．０ｍｍであることを特徴とする請求項２に記載の平板状固体酸化物型燃料電池。
6. 前記閉鎖端の壁厚が前記燃料電池の他の部分の壁厚より厚いことを特徴とする請求項２に記載の平板状固体酸化物型燃料電池。
7. 前記楕円形断面が丸みのある矩形の形状をなすことを特徴とする請求項１に記載の平板状固体酸化物型燃料電池。
8. 前記楕円形断面の長さ対幅比が約１：２〜１：３であることを特徴とする請求項１に記載の平板状固体酸化物型燃料電池。
9. 一連の環状空間と、
   前記環状空間を分割するリブと、
   電解質層と、
   アノード層とを有する平板状固体酸化物型燃料電池であって、
   前記環状空間が開放端及び閉鎖端を備えており、
   前記閉鎖端が丸いエッジだけを備えている平板状固体酸化物型燃料電池。
10. 前記閉鎖端が押出し成形によって形成されることを特徴とする請求項９に記載の平板状固体酸化物型燃料電池。
11. 前記環状空間が楕円形断面を有しており、その楕円形断面が丸いエッジだけを備えていることを特徴とする請求項９に記載の平板状固体酸化物型燃料電池。
12. 前記閉鎖端の壁厚が前記燃料電池の他の部分の壁厚より厚いことを特徴とする請求項９に記載の平板状固体酸化物型燃料電池。
13. アノード層と、
    電解質層と、
    一連の楕円環状空間を含むカソードとを有するシームレス平板状固体酸化物型燃料電池であって、
    前記一連の楕円環状空間が開放端及び閉鎖端を備えており、前記閉鎖端が丸いエッジだけを備えているシームレス平板状固体酸化物型燃料電池。
14. 前記閉鎖端が前記燃料電池本体の他の部分と一体成形されていることを特徴とする請求項１３に記載のシームレス平板状固体酸化物型燃料電池。
15. 前記楕円形断面が丸みのある矩形の形状をなすことを特徴とする請求項１３に記載のシームレス平板状固体酸化物型燃料電池。
16. 前記楕円形断面の長さ対幅比が約１：２〜１：３であることを特徴とする請求項１３に記載のシームレス平板状固体酸化物型燃料電池。
17. 前記燃料電池が４〜６個の楕円環状空間を備えていることを特徴とする請求項１３に記載のシームレス平板状固体酸化物型燃料電池。

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