JP2012506131A - 波形部位セパレートプレートを備えるｓｏｆｃスタック - Google Patents

Abstract

それぞれ、アノードとカソードの直接的に接触して支持して適合される波形部位を備える固体酸化物型燃料電池(SOFC)内のセパレートプレートを提供する。望ましくは、アノードガス及びカソードガスが同じ方向に移動し、且つアノードガスがセルスタックを貫通して伸びる多数のアノードガス供給開口から供給される。これらのアノードガス供給開口は、波形部位によって形成されたダクトの伸びる方向に対して平行する側に配置される。カソードガスは、波形部位内を直線的に供給される。このような手法により、高効率なセルで且つ、簡易な方法で対応する小型セルスタックを提供することが可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の序文に従ったＳＯＦＣセルユニットの個々のスタックに関する。

このような構造は、例えば、特許ＮＬ１０２６８６１又は、ＷＯ２００４／０４９４８３Ａ２により公知である。このセルユニットは、それ以前の他の先行技術から知られているものに比べて有利性を有していても、これらは、スタックの受容能力においては制限されている。

本発明の目的は、セルスタックの受容能力を増大させ、セルスタックを簡易な構造にすることである。
アノードからなる適切なセルから始めに、電解質及びカソードがアノード側に構成され、２つのスロットプレートからなる構造体は、スタッガード方法において、一方に接するように前記スロットがプレイシングの際にアノードガスのためのガス管を備える点で用いられている。

これで知られている構造、格子型構造は、電流制御部及びガス配給素子（展伸金属：expanded metal）を構成する２つのプレートからなるカソード側に用いられている。
加えて、アノードガスの縦断的な流れのための開口と、カソードガスを横方向に供給するために設けられたスロットである予備プレートを作成するのに用いられる。

このセルユニットは、原則的には満足できるが、多数の欠点も有している。
まず、多数の構成要素は、相対的に大型化する。
製造コストの増加する結果を別として、シーリングに関する問題をも引き起こし、各構成要素が許容誤差を有しており、多数の構成要素は、一方に接するように積み重ねられ、このようなシーリングによる総許容誤差は、もはや安易ではない。

本発明の目的は、適正に制御された状況下で非常に高効率を実現するために可能な手段によって、簡素化されたセルユニットを提供することである。
さらに、本発明の目的は、多数の電気的接続箇所を改善し、且つセルスタックの抵抗を改善することである。また、ガス配給の改善をも実現し、特に、アノードガス及びカソードガスの配給を改善する。
さらに、容易な実施形態でシーリングを作製して、よって特にセルスタックにおけるリークの危険を改善する。

本目的は、請求項１の特徴を有するセルユニットより実現される。
本発明の手段によって、それぞれのガスが分配でき、且つ流れ抵抗が小さくできることから、これらの開口の各々に対して開口の断面積を大きくすることができる結果、一方に対して垂直方向の位置にアノードとカソードが配置されることがない。

むしろ、セルの動作をできるだけ利用する結果として、アノード及びカソードガスの流れは、同じ方向（ＣＯフロー）に設置する。
さらに、できるだけ多く、種々のシーリングの実施形態を簡易にすること、及びこれらの長さ及びシーリング数を制限すること、が可能であり、操作上の信頼がますます増加する。

本発明に従えば、本発明は、平易な先行技術から知られている具体化されたセパレートプレートではなく、うねり部位又は波形部位を有するガス流分配手段を提供する。ガス流分配手段の波形部位の間のスペースは、アノードガス又はカソードガスのいずれかのためのダクトとして機能する。

本発明に従えば、この波形部位は、アノードガス又はカソードガスを直線的に反対側へ搬送することができる方式で実現する。これらの結果として、上述したアノード側の２つのスロットプレート及びカソード側の延伸された金属などの多数の現在の構成部材が不必要となる。

この結果、密封可能なさらに小型セルユニットは、より小型を図る必要があるシーリングの許容誤差であるため、より簡易になる。加えて、これらは、少数の電気的接点であり、結果として、セルユニットの高性能化となる。

さらに、セルの脇に対してアノードガス供給ダクトを移動させることにより、アノード及びカソードガスがセルを横切るように改善される。
この格別な実施形態は、アノード及びカソードガス（及び、それぞれの排気）は、実質的に長方形の両側に供給される。但し、流れは波形部位を流れている。

より特には、この置き換えは、実行することができるセルの最高効率となるように、coフローにおける空間を得る。
この手段は、使用（アノード）ガスの消耗（均一）の度合いのみならず、温度分布が高効率に利用される手段である。

これらの結果として、転換の高い度合いと、高い効率が実現される。
カソードガスの供給は、セルユニットの両端側に配置された供給／排気手段によって（大型セルスタックを伴い）、一方の近傍に置かれて、セパレートプレート内にそれぞれ配置された開口を共に経由する空間（小型セルスタックを伴い）に行うことができる。

後者の場合（外部分岐管を伴い）に、カソードガスの特に大きい流量は、セルを横切るように通過させることができ、その結果、カソードガスは、電気化学的作用だけできなく、作用効果をも有している。

カソードガスは過剰に供給することができる。前述したセルは、アノード支持及び電解物支持の双方ができる。本発明の格別な実施形態によれば、アノード及び／又はカソード導入ダクト及び／又は排出ダクトの波形部位は広がり、及びシーリング等を支持する。換言すれば、波形部位は多数の平行なダクトを提供すると同時に、他方では、波形部位によって、パッキングが支持される。

セルスタックが比較的大きくなれば、シーリングに関する問題が発生する。それは、不十分である各パッキングの押圧が実質的に起因していることが見いだされている。
これは、２つの構成部品（シート状金属）の間に実際に仕掛けられたパッキングが実質的に起因しているが、ガスの供給及び／又は排気のための構成部品の１つの現況下の構造によって生じる空洞である。

これらの結果として、常に現状の開口として堅固なユニットを形成しない他の１つの裏面側に積み重ねられたパッキングの連続である。それは、特許公報WO 2004/049483 Aに開示されるように、それぞれの開口及び／又はダクトを閉鎖することのない密閉を提供するために、押圧された十分に大きいパッキングを作り出す必要はない。

逆に、本発明によれば、各パッキングは、基礎をなすパッキングにより積層の方向において支持され、その結果、十分に大きなパッキング圧力は満足する密封を確実に実現する。

本発明のさらなる実施形態によれば、電流制御部は、セパレートプレートと直線的に反対側に持って行くようにカソードを配置することにより回避される。この例では、収容されたセル内のプレート（カソードガス供給プレート）は、本実施形態では平坦プレートが好ましく、言い換えれば、ダクトとは一体的ではない。

本実施形態においては、カソード及びカソードの導入口及び／又は放出口の間の接続箇所を提供するダクトは、セパレートプレート内に配置され、このため、付加的な波形部位が一緒に提供され、押圧により好ましく作製される。加えて、さらなる有利な実施形態によれば、セパレートプレートは、電流制御部の役割を引き受けるために、付加的な向上を伴って提供される。
本発明もまた、共通のセパレートプレートで構成され、上述した一方の上部の積み重ねられたかなりのユニットＳＯＦＣセルスタックに関連する。

本発明は、図面で示す代表的な実施形態のために参照して以下に記述する。
図１は、セルユニットを形成するための種々の構成部品を示す図である。 図２は、セルと一体化するセパレートプレート及び 詳細なシーリングを示す図である。 図３は、詳細なカソードガス供給プレートの平面図である。 図４は、詳細なカソードガス供給プレートの下面から見た図である。 図５（ａ），（ｂ）は、前の図に示した構造の変形例を示す図である。 図６は、図５に示した変形例の格別な実施形態を示す図である。 図７は、図１に示した構造のさらなる変形例を示す図である。 図８は、図７に示した部分の詳細な構成を示す図である。 図９は、図６に示した変形例のさらなる変形例を示す図である。

図１において、セルユニットは、参照符号１により全体構成を示している。
図６から明らかなように、セルスタックを形成するために、多数のセルユニットが好ましく組み合わされている。実際のセルは、アノード８によって一面側の範囲が定められ、カソード１０によって他面側の範囲が定められた電解物９によって形成されている。

本発明によれば、セパレートプレート３は、実際のセルユニットのいずれか一方の面上に存在している、と共に、最上に位置するセパレートプレート３は、カソード１０に直接的に接し、及び、最下に位置するセパレートプレート３は、アノード８に直接的に接する。

この手段は、セパレートプレートとアノードとカソードとのそれぞれの間には、さらなる構成部品は設けられていない。望ましいならば、電流制御プレート３５は、カソード１０と、それぞれのセパレートセパレートプレート３との間に存在している。

カソード１０の表面及び、より特にはこれらの外円周は、電解物９及び／又はアノード８のそれよりも小さい。これらの結果として、パッキング（梱包）１１は、電解物９上に配置することができ、これらによりカソード１０が取り囲まれている。

電流制御プレート３５が存在していたならば、これもまた、シーリング１１によって取り囲まれる。このシーリング１１は、アノードガスとカソードガスの間を気密になるように密封する。

ガスと電子が搬送されるようになるために、本発明に従ったセパレートプレート３は、特別な通路が設計される。図1乃至４に示す本実施形態においては、後者は、周囲に平坦に沿ったプレートを構成し、及びこれらの中心には波形部位１７有している。

波形部位１７の表面は、アノードの表面と一致する。
なぜならば、カソードの表面は、アノードよりも小さく、波形部位は、セパレートプレート３の両側上に展開している。波形の表面は、カソードのそれよりも大きくなっている。

セパレートプレート３の外周上は、アノードガス供給／排気開口４と、これらとは直角な位置、即ち、直線上の方向に沿って、波形部位１７とカソードガス供給／排気開口１４が配置される。
カソードガス供給プレート１５は、２つのセパレートプレートの間に設けられる。それは、電流制御部３５が嵌め込まれた内部開口３６が提供される。

図３に示す平面図から見て取れるように、一方の面上に、複数のカソードガスダクト５７が形成され、その上、図４に示すように、このカソードガス供給プレート１５の底面側は平坦である。
図１及び図２から見て取れるように、多数のシーリングが設けられる。環形状シーリング１２は、カソードガスダクト１４を密閉する。

さらに、シーリング３７は、アノードガスダクト４を密閉するために設けられている。

しかしながら、シーリング３７において、アノードガスの流れを作るために、シーリングの内側部分に、参照符号３８で表示する、連結しない形態の端部を計画的に作成している。

隙間を介在して設けられた多数のカソードガスダクト２７及び、間に挟まれて設置されたウエブによって、梱包圧力は、ダクト５７間に位置しているウエブを通じてスタックセルの次の構成要素に対して移動して、セルスタックの端部から伝えられる。
これらの結果として、相対的に大きいセルストックを横切って密閉すること及び、いずれの場合でも、すべての梱包で十分な梱包圧力であることの保証を可能とする。

マニホールド６は、いずれの場合でも開口４に隣接している。この手段においては、セルのアノード側に沿った上述した波形部位５７によって供給される方向に対して直角方向にアノードガスが移動する。好ましいセパレートプレート３としては、複数の波形が押し型成型された金属プレートであり、実質的な波形は、プレートの両側端における同じ位置で同じ方向（例として、縦方向）を有している。

波形の形状の影響により、アノードガスダクトの断面積よりもわずかに大きい（例えば、１０−５０％より大きい）カソードガスダクトの断面積に形成することは可能である。

これは現実的には、カソードガスにより、電気的作用に加えて、冷却ガスの作用をも有している。カソードガスは、アノードガスと同じ方向に流れることができる。

使用されるクーリング材料は、先行技術から公知な如何なる材料を用いてもよい。本発明の代表的な実施形態に従って、ガラス材料及び、より特には、ガラス／セラミック材料がこの目的のために用いられる。好ましくは、マイカとの組み合わせが考えられる。

図５には、起こり得る多くのアノードガス流を示している。
図５（ａ）は、図１乃至４で示した実施形態における、セパレートプレートの全体幅を横切るアノードガス流を示している。アノードガスは、単一の開口４から単一のマニホールド６を経て分配され、波形部位１７を通じて、反対側のマニホールド６を至る。そして、対応する開口４を経て、さらに排気される。

図５（ｂ）は、ダクト４が２つのダクト４４と４５に分離され、ダクト４４が供給ダクトとなり、ダクト４５が排気ダクトとなる変形例を示している。
本実施形態において、ガスは、マニホールド６を経て対照的に供給及び排気され、その結果、セルを横切るアノードガスの配給が均一になるように改善される。比較的大きいセルストックと共に、外部マニホールドを経て、カソードガスの供給が実行される必要がある。

本実施形態のような場合には、カソードガス開口１４は、セパレートプレート３に組み込まれて、前述した形態が大型化しない。この手段は、例えば、図１に示したような実施形態と共に、セパレートプレートの外境界線は、シーリング３７の外境界線によって形成される。

これらの結果として、特に、小型セルユニットが提供でき、カソードガスが外部間にホールとを経て供給される。このような変形例は、図５に示すガス流れも併せて用いることができる。これは、図６に示す一例の方式により示されている。

この場合、シーリングは、セルユニット底と、アノードガス供給開口２１と、アノードガス排気開口２との間でアノード側に設けられている。カソード側において、波形は、ダクト５７の周囲（図１に示す）を経て開放されている。
多数のセルユニットは、一方に接するように積み重ねられて、セルスタック２７が形成される。カソードガスは、閉じられているキャビネット２６の手段により供給される。

セルスタック２７は、排気開口２４を含み提供される後者のスペースと一緒に、カソードガス分配供給スペース２９とカソードガス分配排気スペース２９とにこのキャビネットに分割される。アノードガスは、開口２１を介して供給され、開口２２を経て排気される。これらの開口は、前述した開口４の端部である。
図６に示す本実施形態は、簡易な方法を通じて、多量のカソードガス（空気）を与えることができる優位性を有する、即ち、冷却作用を有することができる。

図７は、本発明のさらなる変形例を示している。
参照符号は、６０によって追加されたもの以外で図１に用いたものと一致する限りにおいて適用できる。本変形例のセルユニットは、参照符号６１によって全体的に示されている。実際のセルは、アノード６８による一方側と、カソード７０による他方側で範囲が定められている電解物６９によって形成されている。

本変形例において、プレート６３と７５は、異なっている形態である。ここで、プレート７５は、平坦なプレートであり、換言すれば、図３に示したダクトとは異なっている。この実施形態で設けられた電流制御部でもない。

ガスを搬送可能にするために、プレート６３は、うねり形状又は波形７７を提供する。一番上側に示すように、後者は、底面側で梱包によって密閉され、この作用は、図３に示したダクト５７によって実現される。
さらに、波形部位７７は、カソードの指定区域で局部的な高さを提供する。図８の詳細な図面として図示するように、結果として、セパレート電流制御部は、必須ではない。

図９は、外部マニフォールドを伴ったセルスタックを示している。図７に示した構成において、上方部分を切り取ったところの構成部品を示している。ここでは、ダクト６４が設置され、ダクト７４は設置されていない。
以上説明したように、これらの技術は、直接的に、付属する請求項の範囲に含まれる変形例の可能性について考えることができ、及び上述した事項から読み取ることを明らかに支持されている。

１…セルユニット、２…アノードガス排気開口、３…セパレートプレート、４…アノードガス供給／排気開口（アノードガスダクト）、６…マニホールド、８…アノード、９…、１０…カソード、１１，３７…シーリング、１２…環形状シーリング、１４…カソードガス供給／排気開口（カソードガスダクト）、１５…カソードガス供給プレート、１７…波形部位、２１…アノードガス供給開口、２４…排気開口、２６…キャビネット、２７…カソードガスダクト、２９…カソードガス分配供給スペース，カソードガス分配排気スペース、３５…電流制御プレート（電流制御部）、３６…内部開口、５７…カソードガスダクト。

Claims (11)

1. 実質的な矩形形状のＳＯＦＣセルユニットは、
   アノード（８）、電解物（９）及びカソード（１０）と、
   アノードガス及びカソードガスを分配するガス流分配手段と、を具備し、
   前記ガス流分配手段は、
   前記アノード（８）、前記電解物（９）及び前記カソード（１０）における中央部分に対応して配置され、前記アノード又は前記カソードのいずれかに対して、直線的に反対側に、前記アノードガス及び前記カソードガスを搬送する波形部位と
   アノード吸気開口と、その対向側に設けられたアノード排気開口と備えるセパレートプレートと、
   前記アノード吸気開口に接続されたアノード吸気ダクトと、前記アノード排気開口と接続されたアノード排気ダクトと、
   セパレートプレート上で複数の開口とシーリングによって形成され、前記アノードガス供給／排気及びカソードガス供給／排気は、それぞれに、前記ユニット及びセパレートプレートの異なる側に提供され、前記アノード吸気ダクト及びカソード吸気ダクトは、アノード及びカソードガスのＣＯフローが実施されることを特徴とする。
2. 前記セルユニットにおいて、前記アノード及び前記カソードの双方は、前記波形部位の直線的に反対側に支持されることを特徴とする請求項１に記載のセルユニット。
3. 前記カソードと前記波形部位の間に設けられる電流制御部を具備することを特徴とする請求項２に記載のセルユニット。
4. 前記カソード吸気ダクトとカソード排気ダクトは、前記セルユニットからのセパレートによる構成部品で構成することを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれか１つに記載のセルユニット。
5. 前記波形部位は、前記セパレートプレート（３）の両側に対して該セパレートプレートの中央面から延伸する波状模様を備えると共に、前記アノードガスダクトの断面積より、カソードガスダクトが少なくとも１０％以上大きい波形部位によって、ダクトの断面積が定められていることを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれか１つに記載のセルユニット。
6. 前記波形部位は、変形(deformation)で形成されていることを特徴とする請求項５に記載のセルユニット。
7. 前記セルユニットにおいて、
   ２つの前記セパレートプレート（３）の間に位置し、前記アノード、電解物及び前記カソードの間に配置されるガス供給プレートを具備することを特徴とする請求項１乃至６のうちのいずれか１つに記載のセルユニット。
8. 前記セルユニットにおいて、
   前記セパレートプレート及び前記ガス流分配手段の中に設けられた前記カソードのための前記ガス供給ダクトは、梱包ラインの前記セルユニットの周囲上の平坦部分を備えることを特徴とする請求項１乃至７のうちのいずれか１つに記載のセルユニット。
9. 前記セルユニットにおいて、
   前記カソードは、前記セパレートプレートとは反対方向に位置し、前記セパレートプレートは、前記アノード及びカソードの吸気ダクト及び排気ダクトのそれぞれに接して、波形部位が設けられていることを特徴とする請求項１乃至８のうちのいずれか１つに記載のセルユニット。
10. 前記セルユニットにおいて、
    前記セパレータプレート（３）と前記カソードガス分配プレート（１５）の間で作用するシーリング（３７）と、
    前記カソード（１８）と前記セパレータプレート（３）の間で作用するシーリング（１１）と、
    を具備することを特徴とする請求項１乃至９のうちのいずれか１つに記載のセルユニット。
11. 前記セルユニットにおいて、
    ハウジング（２７）内にカソードガス供給マニホールド（２９）とカソードガス１０のうちのいずれか１つに記載のセルユニット。

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