JP2016526773A5 - - Google Patents

Description

次に図１Ａおよび１Ｂを参照すると、例示的な従来型ＳＯＦＣスタック（１００）は、カップ形の対向するエンドプレート（１１０）を備え、複数の電解質ロッド（１５０）が対向するエンドプレートの間に支持されている。各ロッドは、ニッケル酸化物などで形成された、セラミック電極を備え、各ロッドは、複数のロッドを備える燃料電池スタック（１００）において単一の燃料電池として作用する。各ロッド（１５０）は、外壁（１５４）に包囲された中空導管路（１５２）を含み、この導管路は、対向する開口端（１５６）を有する。各導管路は、入力端から出力端まで気体燃料または蒸発燃料を移送する。各ロッドの外部表面（１５８）は、カソード材料で被覆されており、各ロッドの内部表面（１５９）はアノード材料で被覆されている。１つの例示的な従来型ＳＯＦＣ装置が、共通に譲渡された米国特許出願第１２／３６７１６８号、現在では、本明細書にその全文が参照により組み入れられている、２００９年２月６日付けで出願された、「Solid oxide fuel cell system with hot zones having improved reactant distribution」という名称の、Ｐｏｓｈｕｓｔａらへの米国特許第８３０４１２２号に開示されている。

燃料は、酸化剤が（例えば、ファン、ブロワ（blower）、自然対流、その他によって）外側表面（１５８）の上に流されるときに、中空導管路（１５２）のそれぞれを通して同時に流される。

動作において、ロッドは、（例えば、導管路を通って）アノード（１５２）の上を流れる燃料、およびカソード（１５８）（例えば、ロッドの外表面）の上を通過した酸化剤と、電気化学的に反応する。電気化学反応は、各ロッドの縦方向表面に沿った電流の流れを発生させる。それぞれのロッドにおいて発生した電流の流れを燃料電池の外に配送するために必要とされるので、ロッドのそれぞれは、第１端においてアノード端子に、対向端（図示せず）においてカソード端子に接続されている。

一例において、固体酸化物形燃料電池は、燃料ロッド組立体を備える。このロッド組立体は、中空の縦方向導管路を囲む外壁が形成された、燃料ロッドを含む。外側ロッドおよび導管路の両方とも、好ましくは円筒形である。円筒形チューブスタブが、外壁の各端から延びて、中空の縦方向導管路は、外壁全長およびそれぞれのチューブスタブ全体を完全に貫通する。

１．４ 項目番号リスト
以下の項目番号を、特に断らない限り、全体を通して使用する。

ロッド（２５０）のそれぞれは、内壁表面（２５９）と外壁表面（２５８）とを有する、環状チューブ壁を含む。内壁表面（２５９）は、端から端までロッドの全縦方向長さを縦方向に貫通する、中空空洞または導管路（２５２）の境界を定める。ロッド（２５０）の内部表面（２５９）は、例えば、中空空洞を通過する燃料に露出されるアノード材料層によってロッドの内側表面を被覆することによって形成してもよい、アノード領域を含む。ロッドの外部表面（２５８）は、例えば、外部表面を横切って流れる酸化剤に露出されるカソード材料層によってロッドの外側表面を被覆することによって形成してもよい、カソード領域を含む。いくつかの態様においては、カソード領域およびアノード領域は、それぞれ、実質的に内部ロッド表面全体および外部ロッド表面全体を含む。さらなる代替的態様において、ＳＯＦＣロッドは、ロッドの内部表面上のカソード領域、およびロッドの外部上のアノード領域が構成されている。これらのロッドの内部は酸化剤に露出され、これに対して、外部は燃料に露出される。

本発明の特定の例示態様においては、燃料は、ロッド入力端において各ロッド中に配送されて、ロッド出力端において各ロッドを出て、導管路の内側表面上のアノード層と反応する。当業者には理解されるように、ロッド入力端とエンドプレートとの間の界面を液体／気体シールして、燃料成分が、各ロッドの内部の中空導管路を通過する以外に、エンドプレートを通過するのを防止することが望ましい。逆に、液体／気体シールは、ロッド出力端において必要ではないが、いくつかの態様において望ましいことがある。その代りに、ロッド出力端が、エンドプレートに対して、またはロッド出力端を支持する環状撓み部に対して、縦方向に移動することを許容するのが好ましいことがある。特に、出力端における縦方向移動は、ロッドに縦方向応力を誘発することなく、ロッド温度が上昇するとともに、ロッドの縦方向長さが伸びることを許容する。いくぶんかのロッド長さの伸びは、環状撓み部および／またはエンドプレートの変形によって吸収することができるが、好ましい態様においては、ロッド出力端と、エンドプレートを通過するか、環状撓み部を通過するかにかかわらず、ロッド出力端を受け入れる貫通穴との界面が、貫通穴に対するロッド端の移動を許容するのに十分な公差を有する、わずかな隙間嵌めをもたらす。

ロッド（２５０）自体は、金属セラミック混合物のような低熱膨張の材料で製作されている。一態様において、ロッドは、２５℃において９〜１２ミクロン毎メートル毎ケルビンの熱膨張の線形係数を有する、ニッケル酸化物セラミックで製作されている。燃料または酸化剤と不利な化学反応をすることのない、低熱膨張を有する任意のセラミックは、ロッドでの使用に十分である。本例示態様において、ロッド（２５０）は、外径が１０ｍｍ、壁厚が１ｍｍ、長さが１２０ｍｍである、実質的に円筒形チューブである。本例示態様において、ロッド端（２５１）はチューブスタブ（２５３）を含み、このチューブスタブは、ロッド（２５０）の本体よりも小さい直径を有し、例えば、１０ｍｍのロッド本体外径に対して、３ｍｍのロッドスタブ外径を有する。各チューブ端（２５３）は、貫通導管路を包囲する環状壁を含む。好ましい態様においては、各チューブスタブ（２５３）は、図１３に示されるもののような、金属エンドキャップ（１３５２）によって形成され、この金属エンドキャップは、圧入またはハンダ接合などによってロッド端に取り付けられて、ロッド端を損傷から保護する。

次に図１３を参照すると、等角断面図が、ロッドエンドキャップ（１３５２）中へのロッド端（１３５０）の挿入を示しており、このロッドエンドキャップは、そこから延びるチューブスタブ（１３５３）を含む。チューブスタブには、そこを通して延びる、縦方向流体導管路（１３２０）が形成されている。導管路（１３２０）はロッド（１３５０）を通して延びる流体導管路と流体連通して、燃料が、流体導管路（１３２０）を通り、ロッド導管路に入るか、またはそこから出るようにされている。環状電気絶縁体（１３６０）が、チューブスタブ（１３５３）を包囲している。電気絶縁体は、それを通過してロッドスタブを受け入れるための貫通ボアを含むとともに、エンドプレート（１３１０）に形成された環状撓み部（１３１６）を貫通する環状撓み部貫通穴（１３１５）と機械的に界面接続するように寸法決めされた、外部直径を備えて形成されている。ロッド端は、３つの接合部または機械的な界面を含み、１つはロッドエンドキャップをロッド端に取り付けるのに使用され、２番目（１３７５）は電気絶縁体（１３６０）をチューブスタブ（１３５３）に取り付けるのに使用され、３番目（１３７０）は電気絶縁体（１３６０）を環状撓み部（１３１６）に取り付けるのに使用される。

図１０Ａおよび１０Ｂを参照すると、本発明による代替的なロッド（１０５０）は、ロッド全体を端から端まで縦方向に貫通する、中空の空隙または導管路（１０５２）と、ロッド長の大部分に対して六角形横断面を有するロッド本体（１０５５）と、本発明のエンドプレートの環状撓み部中に嵌るように構成された、円形横断面を有するロッド端チューブスタブ（１０５３）とを含む。特定の態様において、ロッドには、多角形横断面が形成され、ロッド端またはチューブスタブには、円形横断面形状が形成されている。さらに別の態様においては、ロッド端またはチューブスタブには、多角形横断面が形成され、環状撓み部には、多角形設計の撓みが形成されるとともに、ロッド端が撓み部中に組み付けられると、気密／液密シールを形成する。本発明のロッドは、ロッドの長さに沿って縦方向に延びる、２つ以上の空隙または中空通路を備える、丸型および非丸型ロッドを含み、様々な管腔（lumen）が形成された、内部空隙を有するロッドを含む。