JP2017517091A - 燃料電池又は電解槽セルスタックのための接触方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
Description
燃料電池は、図1に示すように、アノード側100及びカソード側102と、それらの間の電解質材料104とを含む。固体酸化物燃料電池(SOFC)において、酸素106はカソード側102に供給され、それは負の酸素イオンに還元される。負の酸素イオンが、電解質材料104貫通してアノード側100に行き、そこで、負の酸素イオン(it)が、燃料108と反応して、電子、水、また典型的には二酸化酸素(CO2)を生成する。アノード100及びカソード102は、システムから熱と一緒に電気エネルギーを取り出す燃料電池用負荷110を備える外部電気回路111を介して接続されている。メタン、一酸化炭素及び水素燃料の場合の燃料電池反応は以下の通りである。:
CO + H2O = CO2 + H2
H2 + O2− = H2O + 2e−
カソード:O2 + 4e− = 2O2−
正味の(net)反応:CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
CO + 1/2O2 = CO2
H2 + 1/2O2 = H2O
カソード:H2O + 2e− ----> 2H2 + O2−
アノード:O2− ----> 1/2O2 + 2e−
正味の反応:H2O ----> H2 + 1/2O2
本発明の目的は、改善されたガス流条件特性及び改善された公差特性を有する高度な固体酸化物セル構造を実現することである。これは、固体酸化物セルの接触装置(contacting arrangement)によって達成され、各固体酸化物セルは、セル内にガス流を配置するための少なくとも2つの流れ場プレートと、活性電極構造とを含む。活性電極構造は、アノード側、カソード側、及び前記アノード側と前記カソード側との間の電解質要素を含む。接触装置は、固体酸化物セルにおいてシール機能を実行するためのガスケット構造と、流れ場プレートと活性電極構造体との間に位置する接触構造とを含み、前記接触構造は、流れの構造に応じて、且つ、活性電極構造の構造に応じて、適合されている、少なくとも部分的にガス透過性構造である。
本発明によれば、燃料電池又は電解槽スタックは、少なくとも1つの単一の(single)繰り返し構造を含む。単一の繰り返し構造は、少なくとも2つの流れ場プレートの間に配置された、燃料側と、その間の(in between)電解質と、酸素リッチ側とを含む少なくとも1つの電気化学的に活性な電解質要素を含む。他方は(the other)、電解質要素構造の酸素リッチ側において酸素リッチガスを分配し、且つ、他方は(the other)、電解質要素の燃料側において燃料ガスを分配し、且つ、少なくとも1つのシール手段は、その意図されたエンクロージャにおけるガス雰囲気を封止する。流れ場プレートは、燃料ガス及び/又は酸素リッチガスのための少なくとも1つの入口開口部と、使用済み(used)燃料ガス及び/又は酸素リッチガスのための少なくとも1つの出口開口部とを有する。
セル内のガスの流れを配置する少なくとも2つの流れ場プレート121と、
アノード側100、カソード側102、及び前記アノード側と前記カソード側との間の電解質要素104を含む、図1により詳細に示される、活性電極構造130と、
を含む。接触装置は、
固体酸化物セル内でシール機能を行うためのガスケット構造128と、
流れ場プレート121と活性電極構造130との間に位置する接触構造132と、
を含む。接触材料は、金属又はセラミックスなどの導電性材料から構成され得る。接触構造132は、少なくとも部分的には、流れ場プレート121の構造に応じて、且つ、活性電極構造130の構造に応じて、適合されているガス透過性構造である。本発明の好ましい実施形態において、接触構造132は、平面状(planar)且つ平ら(platy)であるが、他の形態を利用することもできる。
電気化学的に活性な領域内部における燃料電池反応なしに、酸化剤と燃料とが直接混合されないこと、
前記燃料と酸化剤とが、電気化学セルから漏出されないこと、
隣接する電気化学セルが、互いに電気接触していないこと、及び
酸化剤と燃料とが、所望の流れ場プレート121に供給されること、
を補償するためである。2つの対向する流れ場プレート121a、121b、121c、及びそれらの間の電解質要素構造104は、単一の繰り返し構造を形成する。流れ場プレート121は、燃料電池内に存在する、化学的、熱的及び機械的ストレスに耐えることができる、金属合金、セラミック材料、サーメット材料又は他の材料で作られている平面状の薄板である。本発明によれば、流れ場プレート121は、プレート121の縁部(edges)において配置された流入オリフィス及び流出オリフィスを含む。この例において、プレート121は、矩形であり、且つ、フローオリフィスは、わずかに短い縁部19の上に配置される。縁部19の両者は、4つのオリフィス、酸素リッチガス(以下の例示的実施形態においては、空気)のための1つの流入オリフィス7、11、空気のための1つの流出オリフィス10、14、燃料のための1つの流入オリフィス8、11、燃料のための1つの流出オリフィス9、13を有する。酸素リッチガスは、酸素の測定可能な量を含むいずれのガス又はガス混合物であることできる。縁部19の両方において、オリフィスが、シーケンスに配列される。シーケンス(that)は、7、11に入る(in)第1の空気、次いで、8、12に入る(in)燃料、次いで9、13から出ていく(out)空気、及び次いで10、14から出ていく空気を有する。第1の面20(図面において、最上部表面)及び第2の面21(下側表面、図示せず)の表面は、効率的なシールを可能にするように成形され、且つ、それらは、電解質要素104の表面にわたって燃料ガス及び空気をガイドするための特定の輪郭を有する流れ場プレートの真ん中において、輪郭表面15〜18を制限する。図1におけるガスフロー経路を説明するシール手段3〜6に関連した矢印を描く参照番号15〜18は、問題のシール要素もしくは構造に面しているシール手段3〜6に向けられている、流れ場プレート121a、121b、121cの面及び輪郭表面15〜18を意味することにも使用されることに留意されたい。
Claims (12)
- 本発明の目的は、固体酸化物セルの接触装置であって、
各個体酸化物セルは、
前記セル内でガスフローを配置するための少なくとも2つの流れ場プレート(121)と、
活性電極構造(130)と、
を含み、前記活性電極構造(130)は、アノード側(100)、カソード側(102)と、前記アノード側と前記カソード側との間に電解質部材(104)と、を含み、当該接触装置は、
前記固体酸化物セル内でシール機能を行うためのガスケット構造(128)と、
前記流れ場プレート(121)と前記活性電極構造(130)との間に位置する接触構造(132)と、
を含み、前記接触構造は、少なくとも部分的には、前記流れ場プレート(121)の構造に応じて、且つ、前記活性電極構造(130)の構造に応じて、適合されているガス透過性構造であることを特徴とする、固体酸化物セルの接触装置。 - 前記接触構造(132)は、穴(134)の形態、穴(134)のサイズ、穴(134)どうしの距離、前記構造(132)の多孔性、及び前記構造(132)の屈曲度の少なくとも1つにより最適にガス透過性であることを特徴とする、請求項1に記載の固体酸化物セルの接触装置。
- 前記接触構造(132)の材料は、保護コートされた金属を含み、前記保護コートされた金属は、前記流れ場プレート(121)と前記活性電極構造(130)との間に位置することを特徴とする、請求項1に記載の固体酸化物セルの接触装置。
- 前記接触構造(132)の厚さは、熱伝導特性、当該接触装置の電気特性、及びガス分布特性の少なくとも1つに応じて最適化されていることを特徴とする、請求項1に記載の固体酸化物セルの接触装置。
- 前記ガスケット構造(128)の厚さは、固体酸化物セルの厚さに対して公差のばらつきを許容する前記接触構造(132)の厚さに応じて適合されていることを特徴とする、請求項4に記載の固体酸化物セルの接触装置。
- 当該装置は、前記流れ場プレート(121)と、前記活性電極構造(130)のカソード側(102)との間に位置する前記接触構造(132)を含むことを特徴とする、請求項1に記載の固体酸化物セルの接触装置。
- 固体酸化物セルの接触方法であって、当該方法は、ガスがセル内を流れるように配置され、当該方法において:
−封止機能が固体酸化物セル内で行われ、接触構造が、セル内のガスフローと、活性電極構造との間に確立され、及び、
−前記接触構造(132)が、セル内のガスフローに応じて、且つ、活性電極構造(130)の構造に応じて、ガス透過性構造により、少なくとも部分的に適合されることを特徴とする、固体酸化物セルの接触方法。 - 当該方法において、穴(134)の形態、穴(134)のサイズ、穴(134)どうしの距離、構造(132)の多孔性、及び構造(132)の屈曲度の少なくとも1つに基づき、前記接触構造(132)のガス透過性構造は、最適に利用されることを特徴とする、請求項7に記載の固体酸化物セルの接触方法。
- 前記接触構造(132)の保護コートされた金属は、流れ場プレート(121)と、活性電極構造(130)との間に位置決めされることを特徴とする、請求項7に記載の固体酸化物セルの接触方法。
- 当該方法において、前記接触構造(132)の厚さは、熱伝導特性、接触装置の電気特性、及びガス分布特性の少なくとも1つに応じて最適化されることを特徴とする、請求項7に記載の固体酸化物セルの接触方法。
- 当該方法において、前記接触構造(132)の厚さにガスケット構造(128)の厚さを適合させることにより、固体酸化物セルの厚さに対する公差のばらつきは許容されることを特徴とする、請求項10に記載の固体酸化物セルの接触方法。
- 前記接触構造(132)が、流れ場プレート(121)と、活性電極構造(130)のカソード側(102)との間に位置することを特徴とする、請求項7に記載の固体酸化物セルの接触方法。
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