JP2016015321A - 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

【課題】セルスタック抵抗の低減、カソードガス／アノードガスの分配性およびガスシーリング性が改善された高効率な固体酸化物型燃料電池の提供。
【解決手段】アノード８と、電解物９と、カソード１０と、それぞれアノードガス及びカソードガスのためのガス流分配手段である波形部分１７を有するセパレータプレート３、波形部分１７で構成される流路のガスの流通方向に対して直交する方向のセパレータプレート３の二つの対向する辺に設けられたアノードガス吸排気口４とアノードガス流路を構成する波形部分１７を流体的に接続し、アノードガス給排気口４が設けられていないセパレータプレート３の二つの対向する辺に設けられたカソードガス給排気口１４とカソードガス流路を構成する波形部分１７を流体的に接続し、アノードガス及びカソードガスが並行流となるようにする固体酸化物型燃料電池１。
【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セルスタックに関する。

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、電解物及びカソードからなる適切なセルから始めて、アノード側には、２つのスロットプレートからなる構造体が、その中に、互い違いに置かれるようにして前記スロットを互いに重なり合うように配置した際にアノードガスのためのガス管を備えるように用いられている。

この知られている構造について、格子型構造は、電流コレクタ及びガス配給素子（展伸金属：expanded metal）を有する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のスロットとが設けられた予備プレートが用いられる。

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、構成要素の数は、相対的に多い。
製造コストの増加する結果を別として、各構成要素が許容誤差を有しているため、密閉に関する問題をも引き起こし、複数の構成要素が互いに重なり合っていると、このような総許容誤差により、密封はもはや容易ではない。

本発明の目的は、適正に制御されることができる状況下で非常に高効率を実現することを可能にした、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、電気的接続箇所の数を改善し、よってセルスタックの抵抗を改善することである。また、ガス分配の改善を、特に、アノードガス及びカソードガスの分配の改善を実現することを意図している。
さらに、容易な実施形態で密閉を作り出すことを意図し、よって特にセルスタックにおけるリークの危険性を低減する。

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。
本発明によって、互いに対して垂直方向の位置にアノード及びカソード開口が配置されることができ、その結果、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ので、流れ抵抗が小さくでき、且つ、ガスの均等な分配が可能となる。

好ましくは、アノード及びカソードガスの流れは、同じ方向（並行流）で発生し、その結果、セルの作用が最適化される。さらに、このようにして、種々のシーリングの実施形態をできるだけ簡易にすること、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、第１のステップとして、先行技術から平坦であると知られているセパレートプレートを具体化するのではなく、これらにうねり部位又は波形部位を提供することを提案する。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、アノード又はカソードに直接的に接して保つことが可能な方式で実現される。これらの結果として、既存の概念の複数の部品、すなわち、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展伸金属が不必要となる。

この結果、シーリングが収容しなければならない許容誤差が小さくなるため、より簡易にシールされることができるより小型のセルユニットとすることができる。加えて、電気的接点がより少なくなり、結果として、セルユニットの高性能化となる。

さらに、セル側にアノードガス供給ダクトを移動させることにより、セルを横切るアノード及びカソードガスのガス分配が改善される。
この格別な実施形態において、アノードガス及びカソードガス（及び、それぞれの排気）は、実質的に長方形セルの異なる側に供給されるが、流れは波形部位に従う。

より詳細には、この移動は、セルの最適な効率が達成されるように、並行流で発生する。
これは、使用された（アノード）ガスの消耗（均一）の度合いの均一のみならず、温度分布が最適化されることを意味する。

これらの結果として、高度な変換、よって高い効率が実現されることができる。
カソードガスの供給は、セパレートプレート内に配置され、互いが重なり合う開口を介して、小型セルスタックを伴い行うことができる。及び、セルユニットの外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う、両方において行われる。

後者の場合（外部分岐管を伴い）に、特に大量のカソードガスを、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はなく、冷却作用をも有している。

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、その上にシーリングを支持する。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、密閉に関する問題が発生する。それは、各パッキングの押圧が不十分であるという事実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）の間にパッキングが実際に仕掛けられているが、構造によって生じる空洞がガスの供給及び／又は排気のための構成部品の１つに依存するという事実による。

これらの結果として、互いにに積み重ねられた一連のパッキングは、常に穴あきを引き起こすので堅固なユニットを形成しない。特許公報ＷＯ２００４／０４９４８３Ａに開示されるように、それぞれの開口及び／又はダクトを閉じることなく密閉を提供するために十分に大きなパッキング圧力を作り出すことが可能ではない。

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、電流コレクタは、セパレートプレートと直接的に接するようにカソードを配置することにより回避される。この場合には、セルが収容されたプレート（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であることが好ましく、言い換えれば、ダクトとしては提供しない。

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、このセパレートプレートには付加的な波形部位が提供され、このセパレートプレートは好ましくは圧力により作製される。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には、電流コレクタの役割を引き受けるために、付加的な段差部が提供される。
本発明は、共通のセパレートプレートで構成された複数のセルユニットが上述のように互いに積み重ねられたＳＯＦＣセルスタックに関する。

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される。
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、セルとシーリングを有するセパレートプレートを詳細に示す図である。 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されている。
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。

これは、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ことを意味する。望ましいならば、電流コレクタプレート３５は、カソード１０と、それぞれの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、より詳細にはこれらの外周は、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上に配置されることができ、これらによりカソード１０が取り囲まれている。

電流コレクタプレート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と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ことを可能にするために、本発明に従ったセパレートプレート３は、特別なやり方で設計される。図１乃至４に示す本実施形態においては、後者は、周囲に沿って平坦であるプレートを構成し、これらの中心には波形部位１７を有する。

波形部位１７の表面は、アノードの表面と一致する。
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ので、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、波形部位１７と一致する方向に沿って、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、電流コレクタ３５がその中に収容されることを可能にするための内部開口３６を備える。

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、他方で、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。

さらなるシーリング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、アノードガスの流れを作るために、参照符号３８で示されるシーリングの内側部分は、連結しない形態で設計されている。アノードガスは、矢印７に従って搬送される。

間隔を介在して設けられた多数のカソードガスダクト５７及び、間に挟まれて設置されたウエブの存在によって、端部からセルスタックに伝えられるパッキング圧力は、ダクト５７間に位置しているウエブを通じてセルスタックの次の構成要素に伝えられる。
これらの結果として、及び、いずれの場合でも、すべてのパッキングに十分なパッキング圧力があり、よって相対的に大きなセルスタックを横切って密閉す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。これは、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ということを意味する。セパレートプレート３は、好ましくは、複数の波形が押し型成型された金属プレートであり、実質的に波形は、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、長手方向）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４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１４の断面積を形成することは可能である。

これは、カソードガスは、電気化学的作用に加えて、冷却ガスの作用をも有しているという事実による。
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。

使用されるシーリング材料は、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は、起こり得る多くのアノードガス流を概略的に示している。
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に至る。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を経て対称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。
比較的大きなセルスタックと共に、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、前述した図面に示したカソードガス開口１４は、セパレートプレート３に組み込まれない。これは、例えば、図１に示したような実施形態では、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とを意味する。

これらの結果として、特に、小型セルユニットが形成されることができ、カソードガスが外部マニホールドとを経て供給される。このような変形例はまた、図５ｂに示すガス流れで用いられることができる。これは、図６に一例として示されている。

この場合、シーリングは、最下部のセルユニットと、アノードガス供給開口２１と、アノードガス排気開口２２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の周囲に対して開放されている（図１参照）。
多数のセルユニットは、互いに積み重ねられて、セルスタック２７を形成する。カソードガスは、閉じられているキャビネット２により供給される。

セルスタック２７は、このキャビネットを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とに分割し、提供される後者のスペースは、排気開口２４を含む。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利点を有する、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。
以下で用いられる参照符号は、適用できる限り、図１で用いられたものに６０を加えたものを除いて、図１で用いられたものと一致する。これは、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、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ことを意味する。

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に示したダクトはそこには存在しない。この実施形態には、電流コレクタもない。

ガスを搬送可能にするために、プレート６３には、うねり形状又は波形部位７７が設けられている。一番上側に示すように、後者は、底面側でパッキングによって密閉され、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には、詳細を図示する図８から見られることができるように、カソードの位置に局部的な段差部が設けられている。結果として、別途、セパレート電流コレクタは、必要ではない。

図９は、外部マニホールドを備え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、当業者は、直ちに付属する請求項の範囲に含まれる変形例、及び上述した明確な変形例を送達することができるであろう。

Claims (11)

1. アノード（８）と、電解物（９）と、カソード（１０）と、アノードガス及びカソードガスのためのガス分配手段と、を備え、実質的に矩形形状であるＳＯＦＣセルユニット（１）であって、前記ガス流分配手段は、その中央部分に波形部分を有し、前記波形部分のダクトが、それぞれ、アノード及びカソードガスを搬送するように機能し、前記波形部分は、前記アノード又は前記カソードのいずれかに直接的に接して保持され、
   セパレートプレートが、アノード吸気開口と、反対側のアノード排気開口とを有し、アノード吸気ダクトが、前記アノード吸気開口に接続され、アノード排気ダクトが、前記セパレートプレート中の開口及び前記セパレートプレート上のシーリングによって形成された前記アノード排気開口に接続され、
   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、該セルユニット及びセパレートプレートの異なる側に供給されるセルユニット（１）において、
   前記アノード吸気ダクト及びカソード吸気ダクトは、アノードガス及びカソードガスの並行流が実現されるように配置されていることを特徴とするセルユニット。
2. 前記アノード及び前記カソードの双方は、前記波形部位に直接的に接触するように保っている請求項１に記載のセルユニット。
3. 電流コレクタが、前記カソードと前記波形部位との間に設けられている請求項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離れた構成部品を有する請求項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の中央平坦面から前記セパレートプレート（３）の両側まで延びている波形パターンを備え、前記波形部位によって境界が定められたダクトの前記横断面の寸法は、前記アノードガスダクトの前記横断面の寸法に対してよりも前記カソードガスダクトに対して少なくとも１０％大きい請求項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、変形部を有する請求項５に記載のセルユニット。
7. ２つのセパレートプレート（３）の間に配置され、前記アノード、電解物及び前記カソードをその中に収容するガス供給プレートを具備する請求項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. 前記カソードに対するガス供給ダクトが前記セパレートプレート内に配置され、前記ガス流分配手段は、前記セルユニットの周囲に平坦部分を備え、パッキングがその上にある請求項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. 前記カソードは、前記セパレートプレートに直接的に接するように保たれ、前記セパレートプレートには、それぞれ、前記アノードとカソードの吸気ダクトと排気ダクトに近接して波形部位が設けられている請求項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. 前記セパレートプレート（３）とカソードガス分配プレート（１５）との間のみで作用するシーリング（３７）と、
    前記カソード（１８）と前記セパレートプレート（３）との間で作用するシーリング（１１）と、
    を具備する請求項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. 請求項１乃至１０のうちのいずれか１つに記載のセルユニットを具備するセルスタックであって、
    カソードガス供給マニホールド（２９）とカソードガス排気マニホールド（２９）とを備えたハウジング（２７）内に収容されるセルスタック。

Images