JP2022000847A - コンパクトな高温電気化学セルスタックアーキテクチャ - Google Patents

Abstract

【課題】市場性のある価格、合理的な性能／耐用年数を同時に達成する燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１１０は複数の電気化学セル１５４、複数の電気化学セル１５４の間に介挿された相互接続部１５２から成る。相互接続部１５２は燃料電池スタック１１０の積層方向に沿った長手方向チャネル１２０を画定する相互接続部主要本体１５２ａを有し、一方の電気化学セル１５４に面する相互接続部主要本体１５２ａの第１の表面上に複数の燃料チャネル、および他方の電気化学セル１５４に面する相互接続部主要本体１５２ａの第２の表面上に複数の酸化剤チャネルを画定する複数のコルゲーションを含み、前記複数の燃料チャネルおよび前記複数の酸化剤チャネルの各々が、長手方向チャネル１２０の周りに位置している。【選択図】図１Ａ

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年５月４日に出願された、「Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｃｏｍｐａｃｔ ＳＯＦＣ Ｓｔａｃｋ」という名称の米国仮特許出願第６２／５０１，６３３号の優先権および利益を主張し、その開示全体は参照により本明細書に組み込まれる。

政府の権利の陳述
本発明は、ＤＯＥにより授与された賞番号ＤＥ−ＦＥ００２６０９３の下で政府の支援を受けて作製された。政府は、本発明において一定の権利を有する。

本開示は、高温燃料電池スタックおよび電解スタックに関し、特に、固体酸化物（ＳＯＦＣ）および固体酸化物電解セル（ＳＯＥＣ）スタックに関し、より具体的には、高出力密度コンパクトＳＯＦＣスタックに関する。

固体酸化物燃料電池は、カソードとアノードとの間に挟まれた電解質を含む。酸素は、カソードで電子と反応して、酸素イオンを形成し、酸素イオンは、イオン伝導性セラミック電解質を通じてアノードに伝導される。アノードでは、酸素イオンが、利用可能な燃料（例えば、水素および一酸化炭素、メタン、いくつかの他の炭化水素、または他の適切な燃料）と結合して、生成物（例えば、水および二酸化炭素）を形成し、それにより、電子を解放して、電力を生成する。そのような技術は、逆に操作して電気分解を実行し、適切な反応物（例えば、水および二酸化炭素）および電力が供給されると燃料ガスおよび酸素を形成する。このような実装形態では、この技術は、固体酸化物電解セルと呼ばれる。ＳＯＦＣの開発では、多数のアプローチ（アノード、カソード、または電解質のサポート、モノリシックセラミック対金属の相互接続、平面対管状、およびそれらの変形）が見られた。この技術を商業化するための最大の課題は、市場性のある価格、合理的な性能、および耐用年数の同時達成である。これらのドライバは密接に関連している。

本明細書に記載の実施形態は、一般に、燃料電池または電解セルなどの電気化学セルに関し、特に、隣接する電気化学セルの間に介挿され、かつそれらに電気的に結合されたコルゲート相互接続部を含む、電気化学セルスタックに関し、コルゲーションは、シール部材を介して流体的に隔離される、一方の側に複数の燃料チャネル、および対向する側に複数の酸化剤チャネルを形成し、相互接続部は、電気化学セルスタックにコンプライアンスを提供するように構成されている。

いくつかの実施形態では、電気化学セルユニットは、第１の酸化剤電極および第１の燃料電極を含む第１の電気化学セルと、第２の酸化剤電極および第２の燃料電極を含む第２の電気化学セルと、を含む。相互接続部は、第１の電気化学セルと第２の電気化学セルとの間に介挿される。相互接続部は、その長手方向軸に沿って長手方向チャネルを画定する相互接続部主要本体を含む。相互接続部主要本体は、第１の電気化学セルに面する相互接続部主要本体の第１の表面に複数の燃料チャネル、および第２の電気化学セルに面する相互接続部主要本体の第２の表面に複数の酸化剤チャネルを画定する、複数のコルゲーションを含む。複数の燃料チャネルおよび複数の酸化剤チャネルの各々は、長手方向チャネルの周りに位置付けられている。

いくつかの実施形態では、複数の燃料チャネルの各々の燃料チャネル基部は、第２の酸化剤電極に電気的に接触しており、複数の酸化剤チャネルの各々の酸化剤チャネル基部は、第１の燃料電極に電気的に接触している。いくつかの実施形態では、電気化学セルユニットは、第１の表面上の相互接続部の外周に位置付けられた、外側シール部材と、長手方向チャネルの周りの第２の表面上の相互接続部の内周に位置付けられた、内側シール部材と、をさらに含む。外側シール部材は、外周の外側の体積から、複数の燃料チャネルまたは複数の酸化剤チャネルのうちの一方を流体的に密封し、内側シール部材は、長手方向チャネルから、複数の燃料チャネルまたは複数の酸化剤チャネルのうちの他方を流体的に密封する。いくつかの実施形態では、相互接続部主要本体は、複数の燃料チャネルの各々に流体的に結合された、少なくとも１つの燃料入口チャネルおよび少なくとも１つの流体出口チャネルを画定し、複数の酸化剤チャネルの各々に流体的に結合された、少なくとも１つの酸化剤入口チャネルおよび少なくとも１つの酸化剤出口チャネルをさらに画定する。

いくつかの実施形態では、外側シール部材は、外周の外側の体積から、複数の燃料チャネルを流体的に密封し、少なくとも１つの燃料入口チャネルおよび少なくとも１つの燃料出口チャネルは、長手方向チャネルの第１の部分から燃料を受容し、かつ長手方向チャネルの第２の部分内に使用済みの燃料を排出するように、長手方向チャネルに流体的に結合されている。いくつかの実施形態では、内側シール部材は、長手方向チャネルから、複数の酸化剤チャネルを流体的に密封してもよく、少なくとも１つの酸化剤入口チャネルおよび少なくとも１つの酸化剤出口チャネルは、外周の外側の体積の第１の部分から酸化剤を受容し、かつ外周の外側の体積の第２の部分から使用済みの酸化剤を排出するように、相互接続部の外周に流体的に結合されている。いくつかの実施形態では、電気化学セルユニットは、相互接続部の外周に近接する第１の電気化学セルおよび第２の電気化学セルの各々の外側エッジ、または長手方向チャネルに近接する第１の電気化学セルおよび第２の電気化学セルの各々の内側エッジのうちの少なくとも１つに配置された、エッジシール部材をさらに含む。

いくつかの実施形態では、電気化学セルスタックは、複数の電気化学セルユニットのスタックを含む。複数の電気化学セルユニットの各々は、第１の酸化剤電極および第１の燃料電極を含む、第１の電気化学セルと、第２の酸化剤電極および第２の燃料電極を含む、第２の電気化学セルと、第１の電気化学セルと第２の電気化学セルとの間に介挿された相互接続部と、を含む。相互接続部は、その長手方向軸に沿って長手方向チャネルを画定する相互接続部主要本体を含む。長手方向チャネルは、電気化学セルスタックの高さに跨っている。相互接続部主要本体は、第１の電気化学セルに面する相互接続部主要本体の第１の表面に複数の燃料チャネル、および第２の電気化学セルに面する相互接続部主要本体の第２の表面に複数の酸化剤チャネルを画定する、複数のコルゲーションを含み、複数の燃料チャネルおよび複数の酸化剤チャネルの各々は、長手方向チャネルの周りに位置付けられている。

いくつかの実施形態では、複数の電気化学セルユニットの各々は、第１の表面上の相互接続部の外周に位置付けられた、外側シール部材と、長手方向チャネルの周りの第２の表面上の相互接続部の内周に位置付けられた、内側シール部材と、をさらに含む。外側シール部材は、外周の外側の体積から、複数の燃料チャネルまたは複数の酸化剤チャネルのうちの一方を流体的に隔離し、内側シール部材は、長手方向チャネルから、複数の燃料チャネルまたは複数の酸化剤チャネルのうちの他方を流体的に隔離する。いくつかの実施形態では、複数の電気化学セルユニットの各々に含まれる相互接続部は、電気化学セルスタックがコンプライアンスを有するように、ベローズ状構造体を協働して形成する。いくつかの実施形態では、電気化学セルスタックは、長手方向チャネル内に配置されたポストをさらに含み、ポストは、燃料または酸化剤のうちの一方を受容するように構成された少なくとも１つのポスト入口と、電気化学セルスタックから使用済みの燃料または使用済みの酸化剤のうちの他方を受容および排出するように構成された少なくとも１つのポスト出口と、を画定し、ポスト入口およびポスト出口は、互いに流体的に隔離されている。

いくつかの実施形態では、電気化学セルスタックは、隙間が上端部プレートとポストとの間に提供されるように、ポストの周りの電気化学セルスタックの上端部に位置付けられた上端部プレートをさらに含み、隙間は、熱的応力を緩和するために、その内部におけるポストの移動を可能にするように構造化されている。いくつかの実施形態では、電気化学セルスタックは、隙間内に位置付けられたコンプライアントなシール部材をさらに含み、コンプライアントなシール部材は、ポストの移動を可能にするように十分なコンプライアンスを提供する。いくつかの実施形態では、電気化学セルスタックは、上端部プレート上に位置付けられた上端部キャップと、上端部プレートと上端部キャップとの間に介挿された２次シール部材と、をさらに含む。いくつかの実施形態では、上端部プレートは、ポストから離れて上端部プレートの表面から軸方向に延在する、ポストインターフェース管を含み、ポストインターフェース管の少なくとも一部分は、ポストの一部分の周りに位置付けられている。

いくつかの実施形態では、電気化学セルスタックは、上端部とは反対の電気化学セルスタックの下端部上に位置付けられた、下端部プレートをさらに含む。上部圧迫プレートは、上端部プレート上に位置付けられている。バイアス部材は、電気化学セルスタックの上端部に近接して位置付けられており、かつ複数の電気化学セルユニットのスタックに圧迫力を及ぼすように構成されている。少なくとも１つの圧迫部材は、上部圧迫プレートに結合されており、かつ上部圧迫プレートから下端部プレートに圧迫力を伝達するように構成されている。いくつかの実施形態では、電気化学セルスタックは、電気化学セルスタックの下端部に位置付けられた下部圧迫プレートをさらに含み、少なくとも１つの圧迫部材は、下部圧迫プレートに結合されている。いくつかの実施形態では、バイアス部材は、上部圧迫プレートと上端部プレートとの間に介挿されたベレヴィルばねのスタックを含む。

いくつかの実施形態では、電気化学セルスタックは、電気化学セルスタックの下端部上に位置付けられた、基部プレートアセンブリをさらに含む。基部プレートアセンブリは、少なくとも１つの燃料ポートおよび少なくとも１つの酸化剤ポートを画定する、下端部プレートを含む。高強度シーリングプレートは、下端部プレートと軸方向に整列されており、かつ下端部プレートに対して降伏して、高強度シーリングプレートから下端部プレートへの機械的応力の伝達を低減するように構成されている。いくつかの実施形態では、高強度シーリングプレートは、複数の電気化学セルユニットのスタックと下端部プレートとの間に位置付けられており、基部プレートアセンブリは、高強度シーリングプレートと下端部プレートとの間に位置付けられた複数の短い管をさらに含む。いくつかの実施形態では、下端部プレートは、複数の電気化学セルユニットのスタックと高強度シーリングプレートとの間に介挿されており、基部プレートアセンブリは、高強度シーリングプレートと下端部プレートとの間に位置付けられた、複数の短い管をさらに含む。短い管は、高強度シーリングプレートが、下端部プレートへの応力伝達を低減するために、下端部プレートに対して横方向に自由に移動するように、熱的応力に応答して降伏するように構成されている。

いくつかの実施形態では、電気化学セルスタックは、複数の電気化学セルユニットのスタックの周りに配置されたマニホルドを含む。マニホルドは、外周の周りの体積を画定する。体積の第１の部分は、電気化学セルスタック内への燃料または酸化剤のうちの１つのための入口を提供し、体積の第２の部分は、電気化学セルスタックからの使用済みの燃料または酸化剤のための出口を提供する。いくつかの実施形態では、電気化学セルスタックは、体積内に位置付けられており、かつ体積の第１の部分を、体積の第２の部分から流体的に密封するように構成されている、誘電性シール部材をさらに含む。

いくつかの実施形態では、電気化学セルアセンブリは、ハウジング基部を含むハウジングを含む。電気化学セルスタックのアレイは、ハウジング内のハウジング基部上に配置されている。アレイ内に含まれる電気化学セルスタックの各々は、複数の電気化学セルユニットのスタックを含む。複数の電気化学セルユニットの各々は、第１の酸化剤電極および第１の燃料電極を含む、第１の電気化学セルと、第２の酸化剤電極および第２の燃料電極を含む、第２の電気化学セルと、第１の電気化学セルと第２の電気化学セルとの間に介挿された相互接続部と、を含む。相互接続部は、その長手方向軸に沿って長手方向チャネルを画定する相互接続部主要本体を含み、長手方向チャネルは、電気化学セルスタックの高さに跨っている。相互接続部主要本体は、第１の電気化学セルに面する相互接続部主要本体の第１の表面に複数の燃料チャネル、および第２の電気化学セルに面する相互接続部主要本体の第２の表面に複数の酸化剤チャネルを画定する、複数のコルゲーションを含み、複数の燃料チャネルおよび複数の酸化剤チャネルの各々は、長手方向チャネルの周りに位置付けられている。

いくつかの実施形態では、電気化学セルアセンブリは、電気化学セルスタックの各々の周りに位置付けられた、リングセパレータと、電気化学セルスタックのアレイ内に含まれる４つの電気化学セルスタックの各セット間に位置付けられた、クロスセパレータと、をさらに含む。いくつかの実施形態では、電気化学セルアセンブリは、４つの電気化学セルスタックの各セット間に、対応するクロスセパレータを介して位置付けられた、酸化剤予熱管をさらに含む。いくつかの実施形態では、電気化学セルアセンブリは、ハウジング基部を通じて電気化学セルスタックのアレイに流体的に結合された、燃料入口、燃料出口、酸化剤入口、および酸化剤出口をさらに含む。ハウジング基部は、燃料入口を通じてハウジング基部に入る燃料と、燃料出口を通じてハウジング基部から出る使用済みの燃料との間の熱交換を提供するように構成されている、少なくとも１つの熱交換チャネルを画定する。いくつかの実施形態では、電気化学セルアセンブリは、ハウジング基部を通って電気化学セルスタックのアレイに流体的に結合された、燃料バイパス入口をさらに含み、燃料バイパス入口は、少なくとも１つの熱交換チャネルをバイパスする。

上記は開示の要約であり、したがって、必然的に簡略化、一般化、および詳細の省略を含んでいる。結果として、当業者は、要約が例示にすぎず、決して限定することを意図していないことを認識するであろう。特許請求の範囲によって定義される、本明細書に記載のデバイスおよび／またはプロセスの他の態様、特徴、および利点は、本明細書に記載され、添付図面と併せて解釈される詳細な説明で明らかになるであろう。

本開示の前述および他の特徴は、添付の図面と併せて得られる以下の説明および添付の特許請求の範囲からより完全に明らかになるであろう。これらの図面は、本開示によるいくつかの実装形態のみを示し、したがって、その範囲を限定するものと見なされるべきではないことを理解し、本開示は、添付の図面の使用を通じて追加の特異性および詳細で説明されることになる。

一実施形態による、密封封止された燃料電池ユニットを有する燃料電池スタックの一部分の断面斜視図である。

一実施形態による、図１Ａの電気化学セルスタックに含まれ得る、燃料電池ユニットの概略図である。

一実施形態による、製造された燃料電池スタックの正面図である。

内部燃料マニホルドの上部概略図であり、燃料インから燃料アウトへの潜在的な漏れ経路を示している。

、 、 一実施形態による燃料電池ユニットの上部概略図であり、内部および外部マニホルド設計の異なる組み合わせに基づいて、燃料および酸化剤ガスの異なる可能な流路を各々示している。図４Ａは、単一の燃料入口、単一の燃料出口、単一の酸化剤入口、および単一の酸化剤出口を備えた燃料電池ユニットを示す。図４Ｂは、２つの燃料入口、２つの燃料外形、２つの酸化剤入口、および２つの酸化剤出口を備えた燃料電池ユニットを示す。図４Ｃは、単一の燃料入口、単一の燃料出口、２つの酸化剤入口、および２つの酸化剤出口を備えた燃料電池ユニットを示す。

一実施形態による、燃料電池スタックのアレイの斜視図である。

図５に示すアレイの一部分の斜視図を示し、酸化剤予熱管を示すために、いくつかの燃料電池スタックが取り外されている。

、 ２つの異なる実施形態による、燃料電池スタックのアレイの斜視図である。

図７Ａに示す燃料電池スタックの漸進的なアレイに基づいて、４０ｋＷ〜３５０ｋＷの配備スケールを示す。

、 図７Ａおよび図７Ｂに示されるアレイの基部部分の斜視図であり、アレイの燃料および酸化剤の入口および出口を示している。

、 図７Ａおよび図７Ｂに示されるアレイの一部分の上部図であり、酸化剤予熱管およびスタック装着点を示している。

当技術分野で知られている、重なり合うシール設計を有する燃料電池スタックの斜視図である。

一実施形態による、相互接続部の断面斜視図である。

、 図１１に示された相互接続部のそれぞれの上部図および下部図である。図１２Ａは、相互接続部の上部の燃料側面を示す。図１２Ｂは、相互接続部の下部の酸化剤側面を示す。

一実施形態による、ベローズ状構造体を有する燃料電池スタックの概略断面図である。

電気化学セルのエッジを密封するためにエッジがスプレーされた、電気化学セルの断面を示す写真である。

、 、 ３つの異なる実施形態による、燃料電池スタックの一部分の上部断面図であり、スタックの長手方向チャネルに置かれたポストを示している。

、 それぞれ図１５Ａおよび図１５Ｃの燃料電池スタックの上部部分の断面斜視図であり、上部プレートおよび上部キャップとともに中央ポストを示している。

、 、 実施形態による、基部プレートアセンブリの３つの異なる設計の下部斜視図である。

一実施形態による、上部圧迫プレートアセンブリの主要上部プレートおよびポスト界面管の上部斜視図である。

、 ２つの異なる実施形態による、上部圧迫プレートアセンブリの上部斜視図である。

一実施形態による、図１９Ａの上部圧迫プレートアセンブリで使用され得る、ベレヴィルばねパックのばね応答を示すグラフである。 別の実施形態による、図１９Ｂの上部圧迫プレートアセンブリで使用され得る、コイルばねのクリープを示すグラフである。

、 ２つの異なる実施形態による、外側マニホルドを含む燃料電池スタックの下部斜視図である。

典型的な天然ガス燃焼システムの適用を代表するガス組成物で動作する、２２５セル（〜１ｋＷ）のスタックを使用して実行した試験から得られた試験データを示す。

蒸気を水素に変換する電解槽として動作する図７Ａの燃料電池スタックアレイによる、２０セル実装形態を使用して実行した試験から得られた試験データを示す。

様々な水素燃料電池条件を実行する図７Ａの燃料電池スタックアレイによる６０セルの実装形態の結果を示しており、ここにおいて、総試験時間は１年を超えている。

０．２５Ａ／ｃｍ^２の燃料電池条件（発電）で動作している図７Ｂの燃料電池スタックアレイによる、４５セル実装形態の結果を示す。

−１Ａ／ｃｍ^２の電気分解（水素生成）条件で動作している燃料電池スタックアレイによる、４５セル実装形態の結果を示す。

以下の詳細な説明全体を通じて、添付の図面を参照する。図面において、文脈からそうでないことが示されない限り、同様の記号は通常、同様の構成要素を識別する。詳細な説明、図面、および特許請求の範囲に記載されている例示の実装形態は、限定することを意味していない。本明細書に提示される主題の趣旨または範囲から逸脱することなく、他の実装形態が利用されてもよく、他の変更が行われてもよい。本開示の態様は、本明細書で一般的に説明され、図面に示されるように、多種多様な異なる構成で配設され、置換され、組み合わされ、かつ設計されてもよく、そのすべてが、明示的に企図され、本開示の一部をなすことが容易に理解されよう。

本明細書に記載の実施形態は、一般に、燃料電池および電解セルなどの電気化学セルに関し、特に、隣接する電気化学セルの間に介挿され、かつそれらに電気的に結合されたコルゲート相互接続部を含む、電気化学セルスタックに関し、コルゲーションは、シール部材を介して流体的に隔離される、一方の側に複数の燃料チャネル、および対向する側に複数の酸化剤チャネルを形成し、相互接続部は、電気化学セルスタックにコンプライアンスを提供するように構成されている。

特定の実施形態によれば、現在のスタック技術に対する設計全体の実現可能性を維持する（多くの場合、改善する）一方で、スタック内の材料含有量を減らすことに焦点を当てた設計アプローチを表す、機械的スタックレイアウトが提供される。特定の実施形態は、比較的小さい一般に環状の固体酸化物燃料電池および薄い相互接続部を使用し、それらの統合により、現在のベースラインよりも電力密度（Ｗ／ｋｇ）が１桁分の増加がもたらされる。これは、セルの活性面積（発熱位置）とスタック環境との間の最大限の熱的通信を確実にするために、慎重な熱的設計によって達成され得る。

価格を下げる努力は、寿命を直接的に短くする傾向がある。これは、燃料電池をより強く運転する戦略を伴うためである。性能を向上させる（高出力）努力は、寿命および効率性を低下させる傾向がある。寿命を延ばすための努力は、多くの場合、高価な材料および／または低電力密度での動作を伴い、それはどちらも価格を高くする。例えば、管状技術は、長期間（５年以上）にわたって実証されてきたが、実際の市場用途では受け入れられないと一般に認められている価格および性能レベルである。逆に言えば、平面ＳＯＦＣ技術は、価格および性能の目標を達成するのに近いが、実用的な耐用寿命の目標を達成するという課題に直面している。この価格／性能／耐用寿命のギャップを埋めるための一般的な焦点は、主に製造コストを削減するためにサイズを大きくしながら、高性能のセルを開発することである。これは、表面積の大きい管状設計の開発であっても、または平面設計の開発であっても、ほとんどすべてのＳＯＦＣ開発活動で明らかである。この傾向の例外は、微小管ＳＯＦＣセルの形態で存在し、急速な熱過渡現象が必要な用途のために、主に大学の研究所によって提唱されている。微小管システムは、大規模システム（通常は、最大数百Ｗの出力の範囲）の実行可能な解決策として進歩していない。

一般に、モバイルアプリケーションには追加の制約セットが存在する。現在のＳＯＦＣ技術は、体積および質量指数の出力密度が２００ Ｗ／Ｌおよび１００Ｗ／ｋｇ程度であることを示している。したがって、７０ｋＷの電源ユニットは、スタックのみで〜３５０Ｌおよび重量約７００ｋｇを占有し、電源システム全体で大幅に増加する。小型車は、これらの重量および容積ではＳＯＦＣベースのプライムパワーシステムに適応できなかった。自動車用途の第２の制約は、昇温時間である。現在のスタックは、周囲温度から摂氏約７５０度の動作温度に達するのに約１時間必要とする。実際のモバイルアプリケーションでは、通常、数秒程度の起動時間が予期されるが、数分程度の起動時間は、期待値の変更および／または最初の数分間の動作をカバーするためのバッテリーなどの二次電源で許容される場合がある。

最後に、多くの燃料電池技術の重要な課題の１つは、スタック内の廃熱および温度分布を管理することである。スタックのサイズが大きくなると、環境への直接的な熱除去は、ますます実行できなくなる。代わりに、大きなスタックは、吸熱反応（改質）および／またはガス流への対流冷却に依存している。実際の経験は、合理的なスタック内温度差で対流冷却を実現するには、流量を高くする必要があることを示す。

本明細書に記載の実施形態は、主要な課題に対処しながら、電気化学セル（例えば、燃料電池または電解セル）の価格、性能および／または寿命目標を満たすための異なるアプローチを提供する。本明細書に記載の実施形態はまた、電気化学セルのモバイルアプリケーションによってもたらされる重量および体積の課題に対処する一方で、昇温時間は数分程度と予測される。

簡単に説明すると、本明細書に記載の実施形態は、セルのサイズおよび性能を徐々に大きくするという現在の傾向を逆転することを提案し、代わりに、セルのサイズを小さくし、セルの性能への依存を減らし、小さなセルでの動作に最適化された構成要素の緊密な統合に焦点を当てることを提案する。慎重な統合により、本明細書に記載の特定の実施形態は、体積の１／７、および重量の１／１０で、現在のスタックと同じかそれよりも大きい出力のスタックをもたらすことができる。

本明細書に記載の様々な実施形態は、例えば、以下を含む利点を提供し得る。（１）セル性能の向上を必要としない単位電力出力あたりの体積の削減（例えば、７倍以上の削減）、（２）セル性能の向上を必要としない単位電力出力あたりの重量の削減（例えば、１０倍以上の削減）、（３）おおよそのコスト削減に対応する期待（例えば、１０倍以上の削減）、（４）急速な過渡応答（例えば、現在の電気化学セルスタックよりも１０倍高速であり、数時間ではなく数分程度の加熱時間を提供する）、（５）モバイルおよび固定アプリケーションの両方で同じスタックで、例えば、１ｋＷから多くのＭＷまでの電力範囲をサポートするモジュール性のレベル、（６）アノードからカソードへの漏れを大幅に削減して、効率性を高め、用途の可能性を広げること、（７）より高い電圧およびより低い電流出力（パワーエレクトロニクス内でより高い効率を提供する）、（８）より大きなｋＷ定格（例えば、１０ｋＷ以上）での固有の負荷分散および冗長性、（９）スタックコアとスタックエッジとの間の伝導距離が短く、熱を環境に放出できるため、スタック内部の間接的な熱的管理を可能にすること、ならびに（１０）より少ない空気流、より簡単な圧迫要件、より高い電圧／より低い電流電力、および／またはより短い過渡現象による、プラント要件のバランスの低下。

例えば、本明細書に記載の実施形態は、物理的ハードウェアおよび試験結果が利用可能な本明細書に記載のＳＯＦＣスタックの２つの特定のサイズおよび実装を説明する。これらは、本明細書に記載の実施形態の用途の具体例として提供されるが、これらの実施形態のより小さい、より大きい、およびサイズ間の変形も同様に可能である。重要なサイズの考慮事項は、セルサイズおよびセルカウントである。本明細書に記載のいくつかの実施形態は、２１ｃｍ^２または２５ｃｍ^２の活性面積を有するセルを含み、スタックあたり最大２３４セルで実証された。本明細書に記載の他の実施形態は、８１ｃｍ^２の活性面積を有するセルを有し、スタックあたり３５０セル以上で動作するように設計され、スタックあたり最大４５セルで実証された。

本明細書に記載の様々な実施形態は、それぞれ電気化学セルユニットおよび電気化学セルスタックを、燃料電池ユニットおよび燃料電池スタックと呼ぶが、本明細書に記載の電気化学セルユニットおよび電気化学セルスタックの様々な実施形態は、電解セルユニットおよび電気化学セルスタックを含むように、または任意の他の電気化学セルユニットもしくはスタックを含むように、逆流で動作し得ることを理解されたい。

図１Ａは、一実施形態による、図２に示す燃料電池スタック１１０の一部分の断面斜視図である。燃料電池スタック１１０は、一実施形態によれば、複数の燃料電池ユニット１５０、より詳細には、密封封止された燃料電池ユニット１１０のスタックを含む。燃料電池スタック１１０は、複数の相互接続部１５２と交互する、複数の固体酸化物燃料電池ユニット１５０を含む。例えば、図１Ｂは、燃料電池スタック１１０に含まれ得る、燃料電池ユニット１５０の概略図を示す。各燃料電池ユニット１５０は、第１の燃料電極１５３ａ（例えば、アノード）および第１の酸化剤電極１５５ａ（例えば、カソード）を含む、第１の電気化学セル１５４ａを含み、第１の燃料電極１５３ａと第１の酸化剤電極１５５ａとの間に介挿された、電解質を含み得る。第２の電気化学セル１５４ｂはまた、第２の燃料電極１５３ｂ、第２の酸化剤電極１５５ｂを含み、第２の燃料電極１５３ａと第２の酸化剤電極１５５ａとの間に介挿された、電解質も含み得る。いくつかの実施形態では、アノードの各々は、任意選択的にアノード支持体を含む。いくつかの実施形態では、燃料電池スタック１１０は、逆流で、すなわち、電解セルスタックとして動作することができる。そのような実施形態では、電気化学セル１５４ａ／ｂの燃料電極１５３ａ／ｂは、カソードを含むことができ、電気化学セル１５４ａ／ｂの酸化剤電極１５５ａ／ｂは、アノードを含むことができる。

相互接続部１５２は、第１の電気化学セル１５４ａと第２の電気化学セル１５４ｂとの間に介挿されている。相互接続部１５２は、その長手方向軸（例えば、電気化学セルスタック１１０の長手方向軸、そのため、長手方向チャネル１２０が燃料電池スタック１１０に跨り得る）に沿って長手方向チャネル１２０を画定する、相互接続部主要本体１５２ａを含む。相互接続部主要本体１５２ａは、第１の電気化学セル１５４ａに面する相互接続部主要本体１５２ａの第１の表面に複数の燃料チャネル１５７、および第２の電気化学セル１５４ｂに面する相互接続部主要本体の第２の表面に複数の酸化剤チャネル１５９を画定する、複数のコルゲーションを含む。複数の燃料チャネル１５７および複数の酸化剤チャネル１５９の各々は、例えば、対称的および／または環状構成で、長手方向チャネル１２０の周りに位置付けられ得る。複数の燃料チャネル１５７の各々の燃料チャネル基部は、第２の酸化剤電極１５５ｂに電気的に接触し得、複数の酸化剤チャネル１５９の各々の酸化剤チャネル基部は、第１の燃料電極１５３ａに電気的に接触し得る。

例えば、電気化学セル１５４ａ／ｂおよび相互接続部１５２は、燃料電池スタック１１０が形成されると、長手方向チャネル１２０が燃料電池スタック１１０を通じて長手方向に延在するように成形される。図１Ａの実施形態では、電気化学セル１５４ａ／ｂおよび相互接続部１５２は、環状の形状を有し、長手方向チャネル１２０は、燃料電池スタック１１０の軸中心に置かれる中央チャネルである。燃料電池スタック１１０は、環状形状を有するものとして説明されているが、任意の他の適切な形状、例えば、卵形、六角形、正方形もしくは非正方形を有していてもよく、または長手方向チャネル１２０が燃料電池スタック１１０を通じて長手方向に延在する限り、他の形状を有していてもよい。さらに、長手方向チャネル１２０は燃料電池スタック１１０の幾何学的中心に沿って延在するものとして説明されているが、他の実施形態では、長手方向チャネル１２０は、長手方向チャネル１２０が燃料電池スタック１１０の外側エッジと部分的に重ならない限り、燃料電池スタック１１０の幾何学的中心からオフセットされてもよい。

電気化学セル１５４ａ／ｂは、図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、内周および外周で交互に各相互接続部１５２に封止される。これにより、密封封止されるが、熱応力が蓄積する可能性を減らすために、ユニットセルレベルでコンプライアントな構造体が得られる。

燃料または酸化剤のうちのいずれかの一方のガスは、長手方向チャネル１２０を介して燃料電池ユニット１５０に流入し、および燃料電池ユニット１５０から抽出され、一方で、他方のガスは、燃料電池スタック１１０の外周で燃料電池ユニット１５０に流入し、および燃料電池ユニット１５０から抽出される。特定の実施形態では、燃料は、長手方向チャネル１２０に流入し、および、長手方向チャネル１２０から抽出され、酸化剤は、燃料電池スタック１１０の外周で受け入れられ、および抽出される。密閉セルと相互接続部のシールは、ガスの混合を防止する。例えば、図１Ａに示すように、第１の電気化学セル１５４ａに近接する第１の表面上の相互接続部１５２の外周に、外側シール部材１５８が位置付けられてもよく、長手方向チャネル１２０の周りの第２の電気化学セル１５４ｂに近接する第２の表面上の相互接続部１５２の内周に、内側シール部材１５６が位置付けられてもよい。外側シール部材１５８は、燃料電池スタック１１０の外周の外側の体積から複数の燃料チャネル１５７または複数の酸化剤チャネル１５９のうちの一方を流体的に密封することができ、内側シール部材１５６は、長手方向チャネル１２０から複数の燃料チャネル１５７または複数の酸化剤チャネル１５９のうちの他方を流体的に密封することができる。特に、図１Ａに示すように、外側シール部材１５８は、燃料チャネル１５７を外周の外側の体積から流体的に密封し、内側シール部材１５６は、酸化剤チャネル１５９を長手方向チャネル１２０から流体的に密封する。

燃料と酸化剤の混合および燃焼をもたらす漏れを回避することにより、（ｉ）システムへの反応物の損失の減少、（ｉｉ）スタック上の熱負荷（および特に、スタック構成要素を損傷する可能性のある局所的な加熱）の減少、（ｉｉｉ）酸化剤側の蒸気生成の減少（これは酸化剤電極の重大な劣化メカニズムとなり得るクロムの揮発と輸送を減少する）、（ｉｖ）昇温および冷却中のクロスリークの低減による、保護カバーガスの使用量の減少を含む、いくつかの利点が得られる。

燃料電池スタック１１０は、例えば、２０〜４００個の燃料電池ユニット１５０を含むことができ、アスペクト比が高すぎると製造および包装が困難になる可能性がある完成スタックのアスペクト比（直径または幅に対する高さ）によってのみ制限される。様々な実施形態において、アスペクト比は、４：１〜５：１の範囲であり得るが、より短いスタックは、特定の用途および開発目的に有用であり得る。複数の燃料電池ユニット１５０は、中間の金属相互接続部１５２とともにタワーに垂直に積み重ねられてもよい。

各燃料電池スタックの出力範囲は、動作条件およびスタックサイズに応じて、約５０Ｗ〜２０ｋＷ（例えば、それらの間のすべての範囲と値を含む、０．５ｋＷ〜２０ｋＷ、１ｋＷ〜１５ｋＷ、または５ｋＷ〜１０ｋＷ）である。一実施形態では、スタックは約７ｋＷの電力範囲を有する。セルカウントを減らして、動作条件を調整することによって、約５０Ｗの実用的なスタックを製造することができる。

本明細書に記載の燃料電池スタック１１０または任意の他の電気化学セルスタックは、適切な幾何学的配置を利用して、電気化学セルスタックを熱的制御する能力を向上させ、一方で、セルの製造中およびその後のスタック動作中に誘発される機械的応力を軽減する、セル設計を提供する。これらの２つの利点により、相互接続部１５２およびセルの両方を、それらの構造体を損なうことなく薄くすることが可能になる。

相互接続部１５２の厚さは、０．０５〜０．７ｍｍの範囲（例えば、その間のすべての範囲および値を含む、０．０７５〜０．４ｍｍ、または０．０８ｍｍ〜０．１５ｍｍの範囲）であることができる。電気化学セルユニットの厚さは、０．２〜０．４ｍｍの範囲であり得る。特定の実施形態では、厚さは、０．２５〜０．３５ｍｍの範囲であり得る。０．１２ｍｍの相互接続部１５２と０．３ｍｍのセルを組み込んだこの設計のスタックで、１年以上の動作が実証されている。これは、相互接続部の材料の厚さのおおよそ１／１０であり、一般的なＳＯＦＣスタック設計で使用されるセルの厚さの１／２である。完全なスタックを形成する端部プレート、圧迫システム、および他のすべての部品が含まれる場合、１つの実施形態で提案されるスタック重量は、活性面積ごとに従来のスタックの重量の約１／１０で確認された。

言い換えれば、電気化学セルスタックの材料含有量が減少し、その減少は有意である。この設計では、特殊な材料を使用する必要がなく、多くの分野で、従来の電気化学セルスタックに比べて材料の要件が簡素化されている。圧迫システムは、以下でより詳細に説明するように、負荷が低いため簡素化される場合がある。以下でまたより詳細に説明するように、シーリング要件が低いため、マニホルドも簡素化される。この材料含有量の低下により、電気化学セルスタックの本質的なコストが削減される。ｋＷあたりの部品数は増加するが、小さな部品の使用、層ごとの異なる部品の削減、および操作者の介入を必要とする大きな許容誤差の欠如により、自動化に対する部品の適合性も向上する。したがって、材料の含有量が少ないことのコスト上の利点は、全体的な部品数の増加を上回る場合がある。

図２に示される燃料電池スタック１１０は、２３４個のセルを含む。各燃料電池ユニット１５０は、形状が環状であり、６０ｍｍの外側セル直径、３００ミクロンの厚さ、および２１ｃｍ^２の活性面積を有していた。各相互接続部１５２は、材料の厚さが１００ミクロン、流れチャネルの高さが３９０ミクロンのスタンプされた金属相互接続部であった。燃料電池スタック１１０はまた、複数の燃料電池ユニット１５０のスタックの周りに位置付けられたマニホルド１１２を含み、燃料電池スタック１１０の外周の周りの燃料および酸化剤のうちの１つを導入および排出するために使用され得る、燃料電池スタック１１０の外周の周りの体積を画定し得る。例えば、体積の第１の部分は、燃料電池スタック１１０内への燃料または酸化剤のうちの１つのための入口を提供し得、体積の第２の部分は、燃料電池スタック１１０からの使用済みの燃料または酸化剤のための出口を提供し得る。

本明細書に記載の実施形態は、材料含有量を一桁分減らすことができる一方で、例えば、スタックおよびシステムレベルでのｋＷあたりのコストを削減するなど、他の多くの利点を提供する。改善された熱的レイアウトにより、改善された温度制御によって、同時に性能が向上し、かつ劣化が減少し得る。さらに、本明細書に記載の実施形態は、電気化学セルスタックの熱的制御を改善し得、それにより、冷却空気流を低くし、かつ入口温度を低くすることができ、その両方は、プラント効率性のバランスを改善することができる。

燃料入口／出口シールおよび酸化剤入口／出口シール
燃料アウトからの燃料インと酸化剤アウトからの酸化剤インの分離は、スタックコアとは別個である構造的に独立したマニホルド（例えば、マニホルド１１２）を通じて達成され、圧迫可能で、かつスタックコアとマニホルドとの間の相対運動を可能にするコンプライアントなシールを介してそれはシールされ得る。これにより、マニホルドとは無関係に熱的誘導負荷によりスタックコアが成長および屈曲し、そのことは、構造全体の熱的誘導機械的応力を防止または低減し、それにより個々の構成要素を保護する。例えば、セラミックセルは、過度に応力がかかると、脆性破壊を受けやすくなる。コンプライアントなシールは、同じガス流の入口と出口との間を密封する。言い換えれば、コンプライアントなシールは、燃料入口を燃料出口から分離し、かつ酸化剤入口を酸化剤出口から分離する。好ましくは、コンプライアントなシールは、いかなる場所においても、燃料と酸化剤ガスとの間を密封しない。コンプライアントな高温セラミックシールは、それらが典型的には、多孔性が含まれ、接続された充填セラミック構造体ことであることによってコンプライアンスを達成するので、漏れがあることが知られている。本明細書に記載の実施形態では、そのような漏れは、燃焼をもたらさず、漏れ率が低い限り（例えば、総流量の約５％未満）、全体的な効率性にわずかな影響しか及ぼさないため、許容可能であり得る。これにより、外部マニホルド設計手法の有利な使用が可能になり、コスト、重量、および体積の利点を提供する。図３は、燃料マニホルド２３０、例えば、電気化学セルスタックの長手方向チャネル内に置かれるポスト（例えば、中央ポスト）、および結果として生じる燃料インから燃料アウトまでの漏れ経路の表示を示す。

スタックの周囲の周りの入口ガスと出口ガスの分離は、コンプライアントなシールをスタックコア（「スタックコア」は、セル、相互接続部、シール、ならびに端部プレートなどの繰り返されたスタック部品のアセンブリを意味する）に圧迫する、シート金属マニホルド（例えば、マニホルド１１２）構造体を通じて達成され得る。金属ガス分離構成要素は、スタックがマニホルドに短絡するのを防ぐために誘電性コーティングで被覆されていてもよい。

環状セル設計により、セルの発熱面積の任意の部分から、スタックの外側表面までの伝導経路が最小限に保たれ、それは、スタックの熱的制御の維持を支持する。

図４Ａ〜図４Ｃは、様々な実施形態による燃料電池ユニット２５０ａ／ｂ／ｃの上部概略図であり、内部および外部マニホルド設計の異なる組み合わせに基づいて、燃料および酸化剤ガスの異なる可能な流路を各々示している。他の実施形態では、燃料電池ユニット２５０ａ／ｂ／ｃは、電解セルユニットとして動作するように逆に動作する、電気化学セルユニットを含んでもよい。図４Ａは、単一の燃料入口、単一の燃料出口、単一の酸化剤入口、および単一の酸化剤出口を備えた燃料電池ユニット２５０ａを示す。図４Ｂは、２つの燃料入口、２つの燃料出口、２つの酸化剤入口、および２つの酸化剤出口を備えた燃料電池ユニット２５０ｂを示す。図４Ｃは、単一の燃料入口、単一の燃料出口、２つの酸化剤入口、および２つの酸化剤出口を備えた燃料電池ユニット２５０ｃを示す。これらの異なる流れ戦略は、スタックに対して異なる熱および圧力降下プロファイルを提供し、特定の用途に最適なものを選択され得る。

例えば、燃料電池ユニット２５０ａ／ｂ／ｃの各々に含まれる相互接続部（例えば、相互接続部１５２）の相互接続部主要本体（例えば、相互接続部主要本体１５２ａ）は、複数の燃料チャネル（例えば、燃料チャネル１５７）の各々に流体的に結合された、少なくとも１つの燃料入口チャネルおよび少なくとも１つの流体出口チャネルを画定し得る。相互接続部主要本体は、複数の酸化剤チャネル（例えば、酸化剤チャネル１５９）の各々に流体的に結合された、少なくとも１つの酸化剤入口チャネルおよび少なくとも１つの酸化剤出口チャネルをさらに画定し得る。少なくとも１つの燃料入口チャネルおよび少なくとも１つの燃料出口チャネルは、長手方向チャネルの第１の部分から燃料を受容し、使用済みの燃料を長手方向チャネルの第２の部分に排出するように、長手方向チャネルに流体的に結合され得る。外側シール部材（例えば、外側シール部材１５８）は、外周の外側の体積から複数の燃料チャネルを流体的に密封してもよい。さらに、少なくとも１つの酸化剤入口チャネルおよび少なくとも１つの酸化剤出口チャネルは、第１の部分から酸化剤を受容し、外周の外側の体積の第２の部分から使用済みの酸化剤を排出するように、相互接続部の外周に流体的に結合されてもよい。内側シール部材（例えば、内側シール部材１５６）は、複数の酸化剤チャネルを、長手方向チャネルから流体的に密封してもよい。

モジュラアレイ
大規模なシステムの場合、スタックは、モジュラアレイに配備され、例えば、図５のアレイ１００もしくは図７Ａに示すアレイ２００に示すような２０ｋＷ〜２５０ｋＷ以上のアレイに、または図７Ｂのアレイ３００に示すような４０ｋＷ〜５００ｋＷのアレイに配備される。大規模なシステムは、複数のアレイで構成されてもよい。スタック設計は、統合された圧迫システム、統合されたガス接続を備えた直接ボルト接続、環境への短い伝導経路、および高電圧−低電流出力のため、配列されたレイアウトに特に適している。スタックからモジュールへのインターフェースを単純化または削除することにより、スタックは、大規模なシステムの設計を単純化する可能性がある。図２のスタック１１０に基づくスタックアレイの２つの実施形態を以下に説明する。スタックは、用途に応じて異なるパッケージサイズに配列され得る。可能なサイズの範囲は、単一のスタック（〜１．２ｋＷ）から１５ｘ１５アレイのスタック（２５０ｋＷ）以上である。実施例として、１０ｘ１０、１００ｋＷのパッケージは、圧迫、電流収集、ダクトを含めて約０．６ｍｘ０．６ｍｘ０．３ｍ（１１３Ｌ）を測定し、それは内燃エンジンと競争力がある。

図５は、一実施形態による、燃料電池スタック１１０のアレイ１００の斜視図である。この実施形態では、燃料は、燃料電池スタック１１０の基部から供給および抽出され、一方で、酸化剤ガス（例えば、空気）は、スタックの上方の収容体積に入れられ、燃料電池スタック１１０の基部から抽出される。空気は一般に、対流熱容量が高いため、電気化学セルスタック１１０を冷却する主な手段として使用され得る。空気は、比較的低い温度で燃料電池スタック１１０（またはスタックアレイ）の上方に入り、燃料電池スタック１１０の上方の面積を冷却する。ばね圧迫および電流収集は、この領域に統合され得、この領域では、温度が低いと、適切な強度および電流容量を維持しながら、特殊な材料の使用および／または全体的な材料の使用がより少なくなる。

いくつかの実施形態では、空気は、図６に示すように、上部低温領域から、酸化剤予熱管１１６または入口管を通じて、スタック１１０を囲む体積に流れる間、適切な入口温度まで加熱される。上部ゾーンとスタックゾーンとの間のシーリングは、完全ではない場合があり、全体的なレイアウトが大幅に簡素化される。図６は、上部冷却ゾーンと下部スタックゾーンとの間の分離が、個々の燃料電池スタック１１０に装着されたセパレータを重ね合わせることによって行われることを示している。図６に示す実施形態では、２つのセパレータタイプ、各スタックの周りのリングセパレータ１１４、および４つの燃料電池スタック１１０の各グループの間に位置するクロスセパレータ１１５がある。例えば、リングセパレータ１１４は、アレイ１００に含まれる燃料電池スタック１１０の各々の周りに位置付けられてもよく、クロスセパレータ１１５は、アレイ１００に含まれる４つの燃料電池スタック１１０の各セットの間に位置付けられてもよい。酸化剤予熱管１１６は、対応するクロスセパレータ１１５を通じて位置付けられてもよい。

セパレータ１１４、１１５は、重なり合って、ガスを酸化剤予熱管１１６に優先的に導く障壁を提供する。この重なり合うセパレータの幾何学的配置は、燃料電池スタック１１０に横荷重を追加したり、ゾーン間の分離を壊したりすることなく、燃料電池スタック１１０が熱的負荷の下で揺れる完全な自由を維持する。酸化剤予熱管１１６は、放射熱伝達表面として作用し、酸化剤（例えば、空気）をスタック空気マニホルドに直接接触させる前に、高温燃料電池スタック１１０からの放射を使用して入口空気を加熱する。燃料電池スタック１１０への空気入口は、垂直面全体に沿った空気マニホルドの開口部であり得、ここで、最初に上部ゾーンで、２番目に酸化剤予熱管１１６で、３番目にスタックマニホルドとの直接接触により予熱された空気が、最終的に適切に燃料電池スタック１１０に入ることができる。大きなＳＯＦＣスタックの主な課題であるスタック冷却は、酸化剤の流れを加熱することによって達成され得る。直接対流冷却とは異なり、多段式入口アプローチでは、酸化剤（例えば、空気）を燃料電池スタック１１０コアに直接入れる場合よりもはるかに大きな温度上昇が可能である。適切なサイズ設定を行うと、従来のスタックの摂氏６００度と比較して、摂氏２００度程度（例えば、摂氏１５０〜２５０度）の入口温度が達成され得る。この大きな温度デルタ許容値により、空気の流れが少なくなり、予熱負荷が少なくなり、アレイ１００を含む電気化学セルアセンブリ（例えば、燃料電池アセンブリまたは電解セルアセンブリ）の構成要素のバランスの効率性が単純化し、かつ向上する。

各燃料電池スタック１１０は、空気入口ダクトおよび外側断熱を除いて自己内蔵型であってもよい。本明細書に記載のパッケージング解決策は、複数の燃料電池スタック１１０間で空気入口と外側断熱シェルを共有することにより効率性を提供する。いくつかの実施形態において、燃料電池アセンブリ（例えば、図７Ａの燃料電池アセンブリ２０）は、以下の繰り返しユニットを含み得る。（１）ユニットセル（セル＋相互接続部）：〜８Ｗ、〜０．８Ｖ、（２）燃料電池スタック（数百セル＋マニホルド、圧迫など）：〜１２００Ｗ、１６０Ｖ〜２５０Ｖ、（３）アレイ（可変、最大２００以上のスタック、エンクロージャ、断熱など）：〜２０〜２５０＋ｋＷ、ｋＶ範囲、および（４）モジュール（可変、道路で輸送可能なサイズのアレイの構造体）：１ＭＷ＋、ｋＶ範囲。他の実施形態において、燃料電池アセンブリ（例えば、図７Ｂの燃料電池アセンブリ４０）は、以下の繰り返しユニットを含み得る。（１）ユニットセル（セル＋相互接続部）：〜２０Ｗ、〜０．８Ｖ、（２）スタック（数百セル＋マニホルド、圧迫など）：７，０００Ｗ、１６０Ｖ〜３５０Ｖ、（３）４０〜３５０＋ｋＷ、ｋＶ範囲、（４）モジュール（可変、道路で輸送可能なサイズのアレイの構造体）：１ＭＷ＋、ｋＶ範囲。

大電力の実装（〜１０ｋＷ以上）では、モジュラアプローチが追加の利点を提供する。第１に、スタック電圧は十分に高いため、それらは、並列または直列−並列電気構成で接続され得る。これにより、自動負荷制限が提供される。性能が低下するいくつかのスタックは、現在の負荷を電気的に並列のスタックに自動的に流す。大規模なマルチスタックアレイでスタックが完全に失われても、ほとんど悪影響はない。第２に、故障したスタックは、他のスタックに影響を与えることなく、比較的低コストで交換され得る。スタックが比較的少ない従来のシステムでは、単一の脆弱性が発生した場合に管理が困難な大きなスタックの取り外しおよび改修が必要になる場合があるが、小さいスタックのアレイでは、弱いスタック、より小さなデバイス、およびより迅速で低コストのプロセスのみを交換することにより、局所的な弱点を修正することができる。

図７Ａおよび図７Ｂは、２つの異なる実施形態による、電気化学セルスタックのアレイを含む電気化学セルアセンブリの斜視図である。実施形態は、入口空気を含むすべてのガスサービスが下部から供給されることを除いて、図５および図６の実施形態と同様である。これにより、スタックアレイの最上部の複雑さが軽減され、初期アセンブリおよびサービスに利点がもたらされ得る。また、システムへの統合が容易であるという点で利点が提供され、流入気流と流出気流との間の追加の熱伝達の可能性が提供される。本明細書で説明されるように、図７Ａおよび図７Ｂの電気化学セルアセンブリは、燃料電池スタックのアレイを有する燃料電池アセンブリを含む。他の実施形態では、図７Ａおよび図７Ｂの電気化学セルアセンブリは、電解セルスタックのアレイを含む電解セルアセンブリとして動作するように逆流で動作されてもよい。

図７Ａは、一実施形態による燃料電池アセンブリ２０を示す。燃料電池アセンブリ２０は、ハウジング基部３０を有するハウジング２２を含む。燃料電池スタック（例えば、電気化学セルスタック１１０）のアレイ２００は、ハウジング基部３０上に配置される。アレイ２００は、燃料電池スタックの６×６アレイ（４０＋ｋＷアレイ）を含み、すべてのガスサービスが下部から供給される。図７Ｂは、別の実施形態による燃料電池アセンブリ４０を示す。燃料電池アセンブリ４０は、燃料電池スタック（例えば、燃料電池スタック１１０）のアレイ３００が位置付けられるハウジング基部５０を有する、ハウジング４２を含む。アレイ３００は、８×５アレイ（２８０＋ｋｗアレイ）を含み、すべてのガスサービスが下部から供給される。これらのレイアウトでは、ハウジング基部３０、５０は、熱交換機能を組み込み、すべての燃料電池スタックに均等にガスを分配および収集する。図８Ａは、図７Ａに示す燃料電池アセンブリ２０の基部部分の斜視図であり、アレイの燃料および酸化剤の入口および出口を示している。図７Ａの左側では２つのスタックが省略されているため、酸化剤予熱管のうち２つを見ることができる。図８Ａに示すように、電気化学セルアセンブリ２０は、ハウジング基部３０を通じて電気化学セルスタックのアレイ２００に流体的に結合された、燃料入口２２、燃料出口２４、酸化剤入口２６、および酸化剤出口２８を含む。ハウジング基部３０はまた、燃料入口２２を通じてハウジング基部３０に入る燃料と、燃料出口２４を通じてハウジング基部３０から出る使用済みの燃料との間の熱交換を提供するように構成されている、少なくとも１つの熱交換チャネル３４を画定する。アレイ２００とハウジング基部３０との間で燃料および酸化剤を連通させるための複数のスタックインターフェース３２（例えば、貫通穴）、ならびに１つ以上のガス分配チャネル３６がまた、ハウジング基部３０内に設けられてもよい。さらに、燃料バイパス入口２９は、燃料バイパス入口２９が少なくとも１つの熱交換チャネルをバイパスするように、ハウジング基部３２を介して電気化学セルスタックのアレイ２００に流体的に結合される。したがって、燃料入口２２および燃料バイパス入口２９は、二重燃料入口を提供し、その燃料バイパス入口２９は、燃料電池スタックのアレイ２００にまっすぐに進み、燃料入口２２は、熱交換および改質セクションを通じて移動する。これらの二重入口は、選択的であるが、スタック入口温度およびスタック内改質の付加的な制御可能性を提供する。

図７Ｃは、全体的なモジュールの単純性を維持しながら、アレイサイズの柔軟性を示している。図７Ｂに示される燃料電池スタックのアレイ３００に基づいて、４０ｋＷから３５０ｋＷまでの概念的なアレイを示している。

図８Ｂは、図７Ｂに示される燃料電池アセンブリ４０の基部部分の斜視図であり、アレイ３００に流体的に結合された、燃料入口４２、燃料出口４４、酸化剤入口４６、および酸化剤出口４８を示している。これらの実施形態では、ハウジング基部５０の上側部分５６は、燃料を取り入れて熱交換を燃料排出し、燃料改質セクションも含むことができる。複数のスタックインターフェース５２がまた、ハウジング基部５０に設けられている。図７Ｂに示される燃料電池アセンブリ４０は、二重入口を有していない。

これらの実施形態では、冷気入口は、下部からスタック高温ゾーンに入る。図９Ａは、図７Ａに示される燃料電池スタック２００の一部分の上面図であり、酸化剤予熱管２１６およびスタック装着インターフェース３２を示している。図９Ｂは、図７Ｂに示される燃料電池スタック３００の一部分の上面図であり、酸化剤予熱管３１６、燃料予熱管３１８、およびスタック装着インターフェース５２を示している。図９Ａおよび図９Ｂに見られるように、これらの実施形態のアレイ２００、３００はまた、燃料電池スタックから熱を吸収し、それを使用して入ってくるガスを予熱するために放射表面として機能する、酸化剤予熱管３１６を含む。しかしながら、これらの実施形態では、酸化剤予熱管３１６は、（アレイの上部から下にではなく）高温ゾーンに通じる。アレイのこれらの実施形態では、上部からの唯一の接続は、上部電流収集接続である。これらは、各スタックで流れる電流が小さい（通常、燃料電池動作では３０Ａ未満、および通常、電解動作では１５０Ａ未満）ため、比較的単純な接続である。

相互接続設計
小さなセル用に設計する場合、課題のうちの１つはシーリングである。シール面積に比例し、かつ漏れ方向のシールの厚さに反比例するいくつかの特徴的な漏れがあるシールが与えられる場合、漏れを最小限に抑えるように設計すると、より大きなセルが有利になる。第１に、セルの活性面積とエッジの長さ（シールされた長さ）の比率は、おおよそセルサイズを基準にする。

第２に、大きなセルの場合、所与のシール幅に対して、比例的に少ない活性面積がシーリングにわたって与えられる。

これは、合理的な活性面積比を維持するために、より小さなセルはより狭いシールを必要とし、同じ全体の漏れ率を維持するために、単位シール長さあたりのより低い漏れも必要とすることを意味する。

これらの制約は、小さなセルの周囲に基づく高性能で低い漏れのスタックをサポートするために、低い漏れ率の狭いシールが望ましいことを意味している。このタイプのシーリングは、ガラスセラミックシール、ろう付け接合部、または溶接接合部の形態で存在する。このようなシールの１つの欠点は、コンプライアントではないことである。ＳＯＦＣスタックではコンプライアンスが望ましい場合があり、これは、ＳＯＦＣスタックが広い温度範囲で動作し、昇温中または動作条件の変更中にスタックの部品が相互に移動して、応力の蓄積の損傷を防ぐからである。いくつかのスタック設計は、剛性接合部を可能にするために、シート金属相互接続にコンプライアント機能を構築するが、コンプライアント機能自体は、比較的かさばり、幅広シールと同じ問題を抱えている。それらは、小さなセル設計では空間効率が悪くなる。

図１０は、当技術分野で知られている重なり合うシール設計を有する燃料電池スタックの斜視図であり、クロスフロースタック構成における典型的なコンプライアンスの課題を示している。議論のために、燃料が左下から右上に流れ、酸化剤が右下から左上に流れていると仮定する。スタック外部の酸化剤から燃料を分離するマニホルドは、示されていない。

１番上の可視的なシールは、スタックの右下の面に対する酸化剤からセルを通過する燃料を分離する、燃料シールである。上部セルの真下には、左端に沿って酸化剤シールがある。これにより、セルを流れる酸素と、左端に露出した燃料が分離される。パターンは、スタック全体にわたって繰り返され、何百ものセル層を含み得る。

図１０の前景のように、シールが重なり合う場所で、コンプライアンスの問題が発生する。中央の前景の構造体は、シール、セル、シール、および相互接続の繰り返し層で作製される。構成要素のうちの１つ以上が降伏しない限り、この領域の歪み（Ｘ、Ｙ、またはＺ）を吸収する能力は存在しない。目標が非コンプライアントな密封シールまたはほぼ密封のシールの使用である場合、セルは多くの場合、構造体の最も弱い構成要素である。この場合、ほとんどの場合で、応力が蓄積すると、セルは降伏する前に破損する。このタイプの構造体は、実世界の状況に対して堅牢ではない。

避けられない熱的応力を緩和するためには、スタック設計にコンプライアンスを組み込む必要がある。コンプライアンスを組み込むためには、主に２つのアプローチがある。第１のアプローチでは、シールはコンプライアントに作製され、多くの場合、充填された繊維／粉末セラミック複合材、または構成要素間で移動して応力を緩和することができる、プレート状の材料（例えば、マイカ）として作製される。これらのシールは、それらの構造体の結果として必然的に漏れるため、漏れが性能を支配し始める前に、セルを小さく使用できる程度を制限する。第２のアプローチでは、コンプライアンス機能を組み込んだ特別な相互接続部または追加の構成要素が使用される。これは、例えば、薄い金属シート構成要素をセルに剛直にシールし、セルの周囲を効果的に延伸し、次にこのセル延伸構成要素を相互接続部にレーザー溶接することにより行われる。この戦略では、周囲および細胞接合部の両方から離れて置かれる周囲シールおよび内部ポートシールが存在する。例えば、周囲シールには、燃料が含まれ得、ポートシールには、酸化剤が含まれ得る。このコンプライアントな部分に必要な追加の周囲部は、小さなセルサイズが好ましくないことを意味する。

対照的に、本明細書に記載の実施形態では、相互接続部および全体的な構造体は、所望のコンプライアンスを直接的に提供するが、シール性質を損なうことなく、設計に余分な構成要素または空間を追加することはない。この設計により、幅の狭い剛性シールを使用できるようになり、構造体のサイズを増すことなく、コンプライアントなベローズ状構造体を達成する。小さな面積での良好なシーリングとコンプライアント構造体のこの組み合わせにより、小さなセルを効果的に使用することができる。

コンプライアントな相互接続設計には、多くの競合する設計制約があり得る。第１に、相互接続には次のことが望ましい場合がある。（１）制御された流量分布を、セル燃料電極およびセル酸化剤電極の両方に提供すること、（２）コンプライアンスを提供して、応力を吸収すること、（３）適切な燃料および酸化剤の圧力低下を提供すること、（４）適切な電流伝導経路を提供すること、および（５）スタックの寿命を通じて、燃料の流れを酸化剤の流れから隔離すること。

図１１は、一実施形態による、相互接続部４５２の断面斜視図である。相互接続部４５２は、複数の燃料チャネル４５７および複数の酸化剤チャネル４５９を画定する、相互接続部主要本体４５２ａを含む。図１１では、燃料側面は上にある。燃料チャネル４５７は、セル酸化剤電極への電気的接触面積を同時に形成する。酸化剤チャネル４５９は、セル燃料電極への電気的接触面積を同時に形成する。燃料チャネル４５７は、相互接続部４５２の上部面のリブによって分離され、一方で、酸化剤チャネル４５９は、相互接続部４５２の下部側のリブによって分離される。すなわち、燃料側リブは酸化剤チャネル４５９を形成し、逆もまた同様である。図１２Ａおよび図１２Ｂは、図１１に示す相互接続部４５２のそれぞれの上部図および下部図であり、それらの幾何学的中心に貫通する、長手方向チャネル４２０が記載されている。図１２Ａは、燃料チャネル４５７の各々に流体的に結合された燃料入口チャネル４６３（または流れの方向に応じる燃料出口チャネル）を示す、相互接続部の上部の燃料側面を示す。図１２Ｂは、酸化剤入口チャネル４６５（または流れの方向に応じる酸化剤出口チャネル）を示す、相互接続部の下部の酸化剤側面を示す。図１２Ａおよび図１２Ｂは、相互接続部４５２の燃料側面（図１２Ａ）のチャネル４５７および酸化剤側面（図１２Ｂ）のチャネル４５９の各々によって供給される有効な活性面積を示す。相互接続部４５２に重ねられた平坦な半円形面積は、各相互接続部チャネル４５７、４５９に露出されたセル活性面積を表す。活性面積は各々、位置およびサイズの両方、ならびに各チャネル４５７、４５９の関数である。相互接続部４５２は、各チャネル４５７、４５９の下方へ流れる流れを提供するように設計されており、各チャネル４５７、４５９は、そのチャネル４５７、４５９によって供給される活性面積に比例する。これは、両方のセル電極から適切な電流収集を提供するサイズおよび間隔の制約に関して達成される。幾何学的配置のいくつかの変更は、相互接続部４５２の両側の流れおよび電気特性に影響を与える。任意選択的に、電気的接触を支援するために、各セルと各相互接続部４５２との間に接触中間層を追加してもよい。

図１２Ａおよび図１２Ｂに示される実施例では、外側シール部材４５８は、この実施例において、外周上にある燃料シール部材である（図１２Ａ）。この実施例では、内側シール部材４５６は、酸化剤シール部材であり、燃料電池スタックの長手方向チャネル４２０の周りの内周上にある（図１２Ｂ）。空間における酸化剤シール部材からの燃料シール部材の分離およびコルゲート相互接続部設計は、スタックの周囲または厚さを増すことなく、必要なコンプライアンスを提供する。もちろん、酸化剤が長手方向チャネル４２０を通じて流れる実施形態では、内側シール部材４５６は、燃料シールとして作用し、一方で外側シール部材４５８は、酸化剤シールとして作用する。

相互接続部４５２の基部材料は、厚さ０．１ｍｍ程度（例えば、厚さ０．０７から０．１３ｍｍ）である。これは、セルの活性面積が小さく、セル上の任意の点からエッジまでの距離が比較的小さいため、スタック温度が適切に制御されることを可能にする。大規模なスタックの場合、または距離が大きい場合、スタックおよびセルの温度の制御を維持するのに十分な熱伝導率を得るために、相互接続部の厚さを増やす必要がある。

内部シール設計
相互接続部４５２とセルとの間にあり、かつ酸化剤ガスから燃料ガスを分離する内部シールは、アレイ１００、２００または３００に含まれる電気化学セルスタック内のガラスセラミックシールとして実装されてもよい。それらの位置は、相互接続部４５２を含み、かつ上部プレート４４０と下部プレート４６０との間で圧迫される燃料セルスタック４１０を含む電気化学セルスタックの概略図を示す、図１３の概略断面図で見ることができるベローズ状構造体を生成する手段において内径と外径との間で互い違いであってもよい。言い換えれば、燃料電池スタック４１０に含まれる複数の相互接続部４５２は、燃料電池スタック４１０がコンプライアンスを有するように、協働してベローズ状構造体を形成する。相互接続部４５２は、０．１ｍｍ程度の厚さであり得る。流れ場を生成するコルゲーションと結合された薄い材料は、その層内の応力を容易に緩和する相互接続部４５２を作製する。これにより、層から層への応力の蓄積を防ぐ堅牢な構造体が生成される。図１３に示されるように、応力緩和機能を提供するために、追加のセパレータまたは金属構成要素は使用されないことが好ましい。すなわち、燃料電池スタック４１０のベローズ状構造体は、セル４５４、外側シール４５８、相互接続部４５２、および内側シール４５６が交互になったもので作製されている。

内側シール４５６および外側シール４５８に加えて、エッジシール部材４６１は、相互接続部４５２の外周に近接した電気化学セル４５４（例えば、電気化学セルユニット、例えば、燃料電池ユニットまたは電解セルユニットを含む、第１の電気化学セルおよび第２の電気化学セルの各々）の外側エッジ、または長手方向チャネル４２０に近接した電気化学セル４５４の内側エッジのうちの少なくとも１つに配置されてもよい。例えば、セルアノード支持体のエッジは、通常、多孔性である。図１３に示されている実施形態では、エッジシール部材４６１は、燃料ガスと酸化剤ガスとの間の追加的なシーリングを提供するように、電気化学セル４５４の外側エッジに配置されている。図１４は、密封された電気化学セル（例えば、図１Ｂに示される電気化学セル１５４ａ／ｂ）に対応し得る、燃料電池の断面を示す写真である。

ポスト設計
長手方向チャネルを通過して電気化学セルに至るガス（燃料または酸化剤のいずれか）のマニホルドとして、ポストを使用することができる。ポストは、長手方向チャネルに置かれ、長手方向チャネルから電気化学セル内へのガス入口を、電気化学セルから長手方向チャネル内へのガス出口から分離するように構成されてもよい。ポストは、セラミックスラリー、ペースト、バットまたはそれらの組み合わせで所定の位置に密封され、入口の流れと出口の流れとの間のコンプライアントなシーリングを提供する。ポストは、コンプライアントなシール材料が追加される垂直チャネルを形成する機能を備えた、機械加工された金属、複数の部品からなるシート金属、ろう付け、またはセラミックであり得る。

図１５Ａ〜図１５Ｃは、３つの異なる実施形態による、燃料電池スタック５１０の一部分の上部断面図であり、スタック５１０の長手方向チャネル５２０に置かれた様々なポストを示している。これらの実施形態では、長手方向チャネル５２０は、スタック５１０の軸方向中心に沿って延在する中央チャネルであり、したがって、チャネル内のポストは「中央ポスト」と呼ばれる。しかしながら、他の実施形態では、ポストは、スタック５１０の中心からオフセットされたチャネルに配置されてもよい。この実施形態では、燃料ガスが長手方向チャネル４２０を通過することも仮定されている。図１５Ａは、一実施形態による円形ポスト５３０ａを示す。ポスト５３０は、燃料を受容するように構成されたポスト入口５３２ａと、使用済み燃料を受容して、電気化学セルスタック５１０に排出するように構成されたポスト出口５３４ａと、を画定するように、その周囲に軸対称に置かれた深い溝を画定する。ポスト入口５３２ａおよびポスト出口５３４ａは、シールくぼみ５３６ａを介して互いに流体的に隔離されている。図１５Ｂは、長手方向チャネル５２０に配置された、別の実施形態によるポスト５３０ｂを示す。ポスト５３０ｂは、長手方向チャネル５２０を、ポスト入口５３２ｂ、ポスト出口５３４ｂ、およびポスト入口５３２ｂをポスト出口５３４ｂから流体的に隔離するシールくぼみ５３６に分割する、２つの平行プレートを含む。図１５Ａおよび図１５Ｂの実施形態では、中央ポストであるポスト５３０ａ／ｂは、１つの燃料入口ポートおよび１つの燃料出口ポートを含む。

図１５Ｃは、互いに対向して位置付けられた２つの燃料入口プレート５３１ｃを含むポストアセンブリ５３０ｃを示す。２つの燃料出口プレート５３７ｃは、互いに対向する２つのポスト出口５３４ｃを画定するように、燃料入口プレート５３１ｃに垂直に位置付けられる。図１５Ｃの実施形態では、ポスト５３４ｃは、中央チャネル５３３ｃ、例えば、複数の開口部５３５ｃを有する燃料入口プレート５３１ｃによって２つの側面ポストチャネル５３２ｃ（例えば、側面燃料ポート）から分離された、燃料入口ポートを含む。燃料は、中央チャネル５３３ｃに流れ込み、次に開口部５３５ｃを介して側面ポストチャネル５３２ｃに流れ込む。この実施形態の中央ポストアセンブリ５３０ｃは、燃料出口ポートを含む２つのポスト出口５３４ｃを有する。セラミックコーキング材などのシール部材５３９ｃが、シールくぼみ５３６ｃに挿入されて、入口燃料を出口燃料から分離する。このシールは密閉されている必要はなく、それは、漏れ経路が燃料と空気の結合をもたらさないからである。むしろ、このシールを通過した漏れの影響は、スタック自体を通る燃料の流れを減らすことである。中程度の漏れ（全体の流れの最大数パーセント）は、スタックの性能に大きな影響を与えない。固体酸化物燃料電池システムは通常、燃料電極から反応生成物（Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２など）を掃引するために過剰な燃料で動作するため、中程度の漏れであっても、システム特性に顕著な影響はない場合がある。

ポスト５３０ｃで使用されるシール部材５３９ｃの材料は、熱的応力が構造体内で散逸することを可能にするために、いくらかコンプライアントなように設計されてもよい。コンプライアンス要件の結果として、シール部材５３９ｃは、セル層に強固に接着されておらず、密閉されていない。しかしながら、同時にコンプライアントであり、燃料がシールを介して漏れるよりも相互接続部の周りを優先的に流れるように十分に低い漏れとなるように設計することができる。

図１６Ａおよび図１６Ｂは、それぞれ図１５Ａおよび図１５Ｃの燃料電池スタック５１０の上部部分の断面斜視図であり、上部プレート５４０ａ／ｂおよび上部キャップ５４２ａ／ｂとともに中央ポスト５３０ａ、５３０ｃを示している。スタックの上部および下部のプレートに直接接着すると、不要な熱的応力が誘引する可能性がある。これを防ぐために、上部（および任意選択的に下部）接合部は、コンプライアントなフィット部として構造化されている。中央ポストと上部プレートおよび／または下部プレートとの間の隙間に、シール材（例えば、ポストの側面で使用されるものと同じシール材）が提供される。熱的応力を緩和するのに十分である限り、中央ポストと上部プレートとの間の許容される動きを大きくする必要はない。所望の相対運動の計算の大きさの程度は次の通りである。

この計算は、中央ポストが平均スタック温度より５０°Ｃ暖かい（または冷たい）場合に、１２Ｅ−６ Ｋ^−１のＳＯＦＣ材料に典型的な平均熱膨張係数で、３００ｍｍの高さのスタックは、中央ポストの上部と上部プレートとの間で０．１８ｍｍの動きを必要とすることを示す。この計算は、特定の試験事例を表すものではなく、発生する可能性のある熱膨張差の大きさを理解することのみを目的としている。

さらに拡大すると、図１６Ａおよび図１６Ｂに示すように、上部プレート５４０ａ／ｃが、ポスト５３０ａ／ｃの周りの燃料電池スタック５１０の上端部に位置付けられ、そのため上端部プレート５４０ａ／ｃとポスト５３０ａ／ｃとの間に、隙間５４１ａ／ｃが設けられている。隙間５４１ａ／ｃは、熱的応力を緩和するために、その中のポスト５３０ａ／ｃの移動を可能にするように構造化されてもよい。いくつかの実施形態では、コンプライアントなシール部材を、隙間５４１ａ／ｃ内に位置付けることができる。例えば、図１６Ｂは、ポストアセンブリ５３０ｃにわたる隙間５４１ａ／ｃに位置付けられた、コンプライアントなシール部材５４３ｃを示している。コンプライアントなシール部材５４３ｃは、隙間５４１ａ／ｃ内でポスト５３０ｃの移動を可能にするように十分なコンプライアンスを提供するように構成され得る。上端部キャップ５４２ａ／ｃは、例えば、スタックを閉じるために上端部プレート５４０ａ／ｃ上に位置付けられてもよい。２次シール部材５４４ａ／ｃは、上端部プレート５４０ａ／ｃと上端部キャップ５４２ａ／ｃとの間に介挿されてもよい。

中央ポスト５３０ａ／ｃと上部プレート５４０ａ／ｃおよび／または下部プレートとの間のコンプライアントなシール部材５４３ａ／ｃが漏れる可能性がある。２次シール部材５４４ａおよび上端部キャップ５４２ａ／ｃが、ポスト５３０ａ／ｃの上方に追加される。２次シール部材５４４ａからのコンプライアンスは望ましくない場合があるため、剛性で漏れが生じないようにすることができる。

端部プレートの設計
本明細書で説明される電気化学セルスタック（例えば、燃料電池スタックまたは電解セルスタック）はまた、上端部プレート（例えば、上端部プレート５４０ａ／ｃ）に加えて、下端部プレートを含み得る。下端部プレートは、スタックを機械的に支持し、反応物（燃料および酸化剤ガス）のガス接続を提供する。下端部プレートは、燃料スタックおよび／またはアレイインターフェースの他のシールに対するシール表面を提供し、さらにスタック外側マニホルド（例えば、酸化剤マニホルド）およびポストのシール表面を提供する。下端部プレートは、装着に余裕を与え、スタックコア（セル、相互接続部、およびシール）を、シール面およびボルトの位置で生じる応力から隔離する。また、下端部プレートは、圧迫システムからスタックに圧迫荷重を伝達する。さらに、下端部プレートは、スタックの電気接続点のうちの１つとして機能し得る。

図１７Ａ〜図１７Ｃは、実施形態による、基部プレートアセンブリ６６０ａ／ｂ／ｃの３つの異なる設計の下部斜視図である。基部プレートアセンブリ６６０ａ／ｂ／ｃの各々は、少なくとも１つの燃料ポート６６６ａ／ｂ／ｃおよび少なくとも１つの酸化剤ポート６６８ａ／ｂ／ｃを画定する、下端部エンドプレート６６２ａ／ｂ／ｃと、高強度シーリングプレート６６４ａ／ｂ／ｃと、を含む。高強度シーリングプレート６６４ａ／ｂ／ｃは、下端部プレート６６２ａ／ｂ／ｃと軸方向に整列されており、かつ下端部プレート６６２ａ／ｂ／ｃに対して降伏して、高強度シーリングプレート６６４ａ／ｂ／ｃから下端部プレート６６２ａ／ｂ／ｃへの機械的応力の伝達を低減するように構成されている。下端部プレート６６２ａ／ｂ／ｃに、複数の取り付け点６６５ａ／ｂ／ｃを設けることができ、それにより、電気化学セルスタック（例えば、燃料電池または電解セルスタック）の下端部プレート６６２ａ／ｂ／ｃへの結合が可能になる。

図１７Ａおよび図１７Ｂの実施形態では、高強度シーリングプレート６６４ａ／ｂは、（例えば、ヘインズ２３０などの高強度超合金で作製された）高強度シーリング表面を有する最上部である。これは、圧迫シーリング部材とのインターフェースに必要な表面強度を提供する。しかしながら、高強度超合金の熱膨張係数は、通常、スタック構成要素のバランスで許容されるよりも高くなる。したがって、高強度シール表面とスタックの残りの部分との間の分離が提供される。図１７Ａは、高強度シーリングプレート６６４ａが、課せられた熱的応力の下で降伏して、熱応力がスタック内に伝達されるのを制限するように設計された短い管６６３ａによって、下端部プレート６６２ａから分離されている、基部プレートアセンブリ６６０ａを示している。

図１７Ｂは、高強度シーリングプレート６６４ｂが降伏点を含み、その結果、高強度シーリングプレート６６０ｂは、下端部プレート６６２ｂを通ってスタック内に応力を伝達するのに十分な強度を有さない、基部プレートアセンブリ６６０ｂを示している。図１７Ａおよび図１７Ｂに示される実施形態では、１つの酸化剤ポートは、２つの燃料ポートと同様に、下端部プレート６６２ａ／ｂを通って送られる。燃料ではなく酸化剤がポストを介して提供される実施形態では、下端部プレートは、その代わりに、１つの燃料ポートおよび２つの酸化剤ポートを含んでもよい。下端部プレートの装着を可能にするねじ状部材が、導入されている。ねじ状部材は、スタック構造体に応力が伝わることを防ぐために設計内で隔離されている。端部プレートの内部構造体は、圧縮システムからスタックに荷重を運ぶように設計されている。この設計では、下端部プレートとシステムとの間の接続部での電流収集損失が０．１％未満であることが実証されている。上端部プレートは、酸化剤マニホルドおよびポストのシール表面を提供する。また、圧縮システムからスタック内に圧迫荷重を伝達し、圧迫システムによって誘発される応力からスタックコア（セル、相互接続部、シール）を隔離する。上端部プレートは、ポストの上部にコンプライアントな摺動接合部を提供する。上端部プレートはまた、スタックの電気接続点のうちの１つとして機能し得る。

図１７Ｃは、高強度シーリングプレート６６５ｃが機械的に分離されているが、下端部プレート６６２ｃ内に含まれており、それにより、熱膨張係数（ＣＴＥ）の不一致によりスタック構造体に熱的応力をかけることなく、スタックとそれが取り付けられているマニホルドとの間のシーリングを達成するために必要な強度を提供する、基部プレートアセンブリ６６０ｃを示している。言い換えれば、下端部プレート６６２ｃは、複数の燃料電池ユニットのスタックと高強度シーリングプレート６６４ｃとの間に介挿されている。複数の取り付け点６６５ｃが、高強度シーリングプレート６６４ｃ上に提供され得る。高強度シーリングプレート６６４ｃは、下端部プレート６６２ａに対して横方向に自由に移動して、それに対する応力伝達を低減するが、システム内のその嵌合マニホルドにボルトで固定されると、それ自体と嵌合マニホルドシステムとの間の下端部プレート６６２ｃの一部分を捕捉する。したがって、シーリングのための機械的強度は、高強度シーリングプレート６６４ｃからもたらされ、一方で、嵌合マニホルドからスタック内へのガスの輸送は、機械的に分離され、かつ熱膨張が一致した下端部プレート６６２ｃによって起こる。高強度シーリングプレート６６４ｃと、捕捉された低強度で低ＣＴＥの下端部プレート６６２ｃとの間の摩擦は、セラミック剥離層によって部分的に緩和され得るが、下端部プレート６６２ｃの捕捉された部分は、高強度シーリングプレート６６４ｃおよび下端部プレート６６２ｃに隣接して位置付けられた複数の低降伏管（例えば、短い低強度管）によって、高強度シーリングプレート６６４ｃからさらに隔離されており、それによって、熱膨張応力をスタック構造体に伝達する可能性が最小限に抑えられる。

図１８は、上端部プレートが電気化学セルスタック（例えば、燃料電池スタックまたは電解セルスタック）上に位置付けられている場合に、ポストから離れて上端部プレート７４０の表面から軸方向に延在するポストインターフェース管７４８を含む、上端部プレート７４０の上面斜視図である。いくつかの実施形態によれば、上端部プレート７４０は、上部圧迫プレートアセンブリに含まれてもよい。ポストインターフェース管７４８の少なくとも一部分は、ポスト（例えば、中央ポスト）の一部分の周りに位置付けられてもよい。ポストインターフェース管７４８は、ポストと上端部プレート７４０との間のわずかな相対運動を可能にするための滑り面を提供することができる。

いくつかの実施形態では、スタックは、一体型の圧迫システムを含む。これにより、スタックをアレイに簡単に統合することができる。小さなセル面積およびガラスセラミックシールの利点の１つは、圧迫荷重が比較的小さくてもよいことである。例えば、図７Ａ）のアレイ２００で使用される図２に示されるスタックは、３．５ｋｇｆ〜９ｋｇｆ（３４Ｎ〜８８Ｎ）で動作するように設計されており、例えば、図７Ｂのアレイ３００で使用される別のスタックは、既知の１２１ｃｍ^２および５５０ｃｍ^２のスタックのそれぞれ３６０ｋｇｆおよび９００ｋｇｆと比較して、９ｋｇｆ〜３６ｋｇｆで動作するように設計されている。これにより、圧迫要素の設計および圧迫プレートの設計の両方が簡素化される。第１に、高いレベルでの圧迫プレートの剛性要件を考慮する。ピン留めされた端部接続部を有する均一に荷重された２Ｄビームの最大撓みは、以下によって与えられる。

これは、所定の許容最大撓み（例えば、電気的接触に大きな影響を与えずに許容できる撓み）に対して、ビーム剛性は、総荷重（ｗ_０Ｌ）に正比例して、ビーム長さの３乗で増加する必要があることを示している。同様に、所与のスタックのビーム長さは、セルの活性面積の平方根として近似され得る。したがって、２つのスタックを比率で比較することができる。

これは大きさの位数の比較にすぎないことに注意して、上記の式を使用して、圧迫プレートの剛性要件を従来の５５０ｃｍ^２のスタックの剛性要件と比較することができる。計算は、図２の燃料電池スタック１１０、または図７Ａのアレイ２００に含まれる、例えば、２５ｃｍ^２の活性面積を有する燃料電池スタックは、同じ最大撓みを与えながら、約１０，０００倍剛性が低くなり得、一方で、図７Ｂのアレイ３００に含まれる燃料電池スタックは、例えば、同じ最大撓みに対して約４４０倍剛性が低くなり得ることを示唆している。これにより、圧迫プレートの設計が大幅に簡素化されることが可能になる。撓みにより電気接触が失われるため、最大許容撓みは本質的にセルサイズに依存しないことに留意されたい。

図１９Ａおよび図１９Ｂは、２つの異なる実施形態による、上部圧迫プレートアセンブリ８７０ａ／ｂの上部斜視図である。上部圧迫プレートアセンブリ８７０ａ／ｂの各々は、電気化学セルスタックおよび基部プレートアセンブリ（例えば、基部プレートアセンブリ６６０ａ／ｂ／ｃ）の上端部に位置付けられてもよく、または下端部プレート（例えば、下端部プレート６６２ａ／ｂ／ｃ）は、上端部とは反対の電気化学セルスタックの下端部に位置付けられてもよい。上部圧迫プレートアセンブリ８７０ａ／ｂは、上部端プレート８４０ａ／ｂと、上部端プレート８４０ａ／ｂ上に位置付けられた上部圧迫プレート８７２ａ／ｂと、を含む。バイアス部材８７６ａ／ｂは、電気化学セルスタックの上端部に近接して位置付けられており、かつ複数の電気化学セルユニットのスタックに圧迫力を及ぼすように構成されている。さらに、少なくとも１つの圧迫部材８７９ａ／ｂは、圧迫プレート８７２ａ／ｂを、基部プレートアセンブリ、例えば、基部プレートアセンブリの高強度シーリングプレートなどの下部圧迫プレートに結合し、かつ上部圧迫プレート８７２ａ／ｂから基部プレートアセンブリに圧縮力を伝達するように構成されている。

さらに拡大すると、図１９Ａは、図７Ａのアレイ２００に含まれる燃料電池スタックに配備される実施形態による、上部圧迫プレート８７２ａとともに上部端プレート８４０ａおよびポストインターフェース管８４８ａ（例えば、図１８の上部端プレート７４０）、基礎部材８７６ａ（例えば、ばねパック）、ならびに圧迫部材８７９ａを含む、上部圧迫プレートアセンブリ８７０の上部斜視図である。本明細書で前述したように、上端プレート８４０は、その間に隙間が存在するようにポスト８３０ａの周りに位置付けられる。コンプライアントなシーリング部材８４３ａは、ポスト８３０ａの上方の隙間に位置付けられる。この実施例では、バイアス部材８７６ａは、上部圧迫プレート８７２ａと上部端プレート８４０ａとの間に介挿されている、高温ベレヴィルばねのスタックである。他の実施形態は、コイルばね、または様々な形態の波ワッシャーを使用することができる。バイアス部材８７６ａは、スタックを圧迫するための圧迫力を生成する。２つの圧迫部材８７９ａ（例えば、テンションロッド）は、圧迫プレート（図示せず）が荷重を下端部プレートに伝えるスタックの上部から下部へ力を運ぶ。バイアス部材８７６ａの個々のベレヴィルばねは、ばねを整列させて案内するガイドシムで分離されており、その結果、ベレヴィルばねが横方向にドリフトしたり、ベレヴィルばねを過度に圧迫したりすることがない。ベレヴィルばねは、動作温度での応力が少ないように設計されている。圧迫部材８７９ａは、温度で高い強度を有する超合金で作製されている。それらは、スタックよりも熱膨張係数が高く、昇温するとばねパックがわずかに解放される効果を有する。

図１９Ｂの上部圧迫プレートアセンブリ８７０ｂは、図１９Ｂの圧迫プレートアセンブリ８７０ｂのバイアス部材８７６ｂが、ベレヴィルばねパックではなくむしろ複数のコイルばねセット（この実施形態では８つ）を含むことを除いて、図１９Ａのものと同様である。さらに、ポスト８３０ｂは、図１５Ｃに関して説明されたポストアセンブリ５３０ｃと同様であり得る、その上に位置付けられたコンプライアントなシーリング部材８４３ｂを有する。上部圧迫プレートアセンブリ８７０ｂは、図７Ｂのアレイ３００に含まれる燃料電池スタックに実装された。

図２０Ａは、一実施形態による、図１９Ａの上部圧迫プレートアセンブリ８７０ａで使用され得る、ベレヴィルばねパックのばね応答を示すグラフである。図２０Ｂは、別の実施形態による、図１９Ｂの上部圧迫プレートアセンブリで使用され得る、コイルばねのクリープを示すグラフである。テンションロッドに対するスタックの成長の違いは、昇温中にスタックをアンローディングする効果を有することである。これは設計によるものであり、温度が低く、材料のクリープが問題にならない輸送中に、よりスタック圧迫を提供するという副次的な利点がある。幾何学的配置は、動作時に圧迫が目的の圧迫まで緩和されるように選択される。円はピークの力点を表し、ばねが不安定になる場所でもある。この限界まで押されると、ばねは、力変位グラフの左側でそれ自体を反転させるリスクを生じさせる。これが発生する場合、ばねは、スタックに有効な荷重を提供しなくなり、分解しないと回復できなくなる。

そのため、スタックが冷えているときの設計では、変位がトップダイヤモンドポイント（約９７ニュートン）以下に制限される。スタックが加熱されると、熱膨張差により、ばねセットが下のダイヤモンドポイントに弛緩することを可能にし、ここにおいて、スタックが８２ニュートンに負荷され、ばね応力は、特定の超合金（例えば、ワスパロイ、ヘインズ２８２）のクリープ制限内である５０ＭＰａ未満に低下する。「＋」ポイントは、テンションロッドの０．５％クリープ後にスタックに残る圧迫荷重を表す。このクリープ後、荷重は許容できる１８ニュートンのままであり、この時点で、ばねのピーク応力は１０ＭＰａに降下する。ばねおよび圧迫部材のこのアンローディングは、システム全体の正味のクリープ速度を遅くする。ばね特性を最大限に活用するために、材料のクリープが問題にならない室温で、より高い応力を経験することが許可されている。提供されている数字は、特定のケースを例示している。一般に、寒冷対高温条件、および動作中のシステムクリープを考慮した設計戦略は、すべての設計に適用されるが、詳細は特定のスタックの目標および要件に依存するであろう。

同様に、図１９Ｂのコイルばねは、設計負荷がより低温であり、動作中にそれらの高温圧迫目標まで緩和することができる。図２０Ｂは、純粋なクリープにおける動作温度でのサンプルコイルばねの１．５年以上の試験を示している。このばねの望ましい動作範囲は、９ｋｇｆ〜３６ｋｇｆである。この試験では、２９ｋｇｆでいくらかのクリープが発生することが示されているが、荷重が２１ｋｇｆに減少すると、ばねはさらなるクリープに対して安定している。これらの結果は、目標要件に対する高温ばね設計を確証する。

マニホルド設計
外側マニホルドは、各ユニットセルから基部プレートに酸化剤ポートを接続し、ここで、酸化剤が、燃料接続部に隣接する酸化剤接続部に（またはそこから）送られ得る。スタックの反対側の面は、酸化剤がすべてのセルから（またはすべてのセルに）直接流れることができる環境に開放されたままである。例えば、図２１Ａ（燃料電池スタック１１０、およびアレイ２００に含まれている燃料電池スタック）、および図２１Ｂ（アレイ３００の電気化学セルスタック）は、外側マニホルド９１２ａ／ｂを含む電気化学セルスタック９１０ａ／ｂ（例えば、燃料電池スタックまたは電解セルスタック）の下部斜視図である。

図２１Ａは、２つの入口（前面および後面）および２つの出口（左側および右側の面、基部接続点に経路が定められている）を備えた構成を示している。下端部プレート９６２ａは、電気化学セルスタック９１０ａの基部に位置付けらており、下部圧迫プレート９８２ａは、下端部プレート９６２ａの下に位置付けられている。圧迫部材９７９ａは、上部圧迫プレートから下部圧迫プレート９８２ａに圧迫力を伝達して、それにより、下部圧迫プレート９８２ａを付勢し、それにより、下端部プレート９６２ａが電気化学セルスタック９１０ａに向かって押され、それにより、電気化学セルスタック９１０ａが固定される。図２１Ｂは、図２１Ａに示された構造体の代替的な実装形態を示す。図２１Ａの実施形態に示されるように、取り付けボルト９８３ｂが、下部からではなく、下部圧迫プレート９８２ｂの上部から下がるような異なる構成を除いて、同じ機能部分が存在する。図２１Ａおよび図２１Ｂを参照すると、マニホルド９１２ａ／ｂは、シート金属で作製されており、ボルト止めされたクリップ９１８ａ／ｂによって所定の位置に保持されている。マニホルド９１２ａ／ｂと端部プレートおよびスタックコアとの間には、電気化学セルスタックの周囲のマニホルド９１２ａ／ｂによって画定された体積内に位置付けらており、かつ体積の第１の部分を、体積の第２の部分から流体的に密封するように構成されている、誘電性シール部材９１４ａ／ｂがある。誘電性シール部材９１４ａ／ｂは、酸化剤入口を酸化剤出口から分離する。誘電性シール部材９１４ａｂによって形成されたシールを横切る小さな漏れが、スタック動作を損なうことなく許容される場合がある。

図２１Ｂに示される特定の実施例では、酸化剤出口（または入口）ポートは、２つに分割されており、下部圧迫プレート９８２ｂと電気化学セルスタック９１０ｂとの間に位置付けられた下端部プレート（図示せず）の左下および右上の開口部からなる。これらは、下端部プレート内で、電気化学セルスタック９１０ｂの左および右のマニホルド９８２ｂに画定された体積に経路が定められている。この特定の実施例では、酸化剤の流れに対する低い寄生圧力降下を提供する、２つのポートが示されている。残りのポート（左および右の開口部）は、燃料入力ポートおよび燃料出力ポートであり、必要に応じてその位置を入れ替えることができる。

用途に応じて、開いたマニホルドまたは閉じたマニホルドが好ましい場合がある。図２１Ａに示された開いたマニホルド９１２ａは、環境への熱的結合を助ける。これは、例えば、電気化学セルスタック９１０ａが環境から熱を吸収する必要がある動作条件が存在する、電気分解システムまたはエネルギー貯蔵システムで有用である。スタックが発熱的に正味で動いているレベルに改質が制限される純粋な電気化学セルシステムでは、完全なマニホルドが好ましい場合がある。

完全な（閉じた）マニホルドは、動作中のスタックコアをその環境から効果的に隔離する。発熱動作条件の場合、これにより、環境温度を潜在的に最大１００°Ｃ下げることが可能になる。これにより、スタックまたはスタックアレイの周囲の断熱要件を削減するという点で、およびスタックの周囲で低品質の材料を使用することができるという点で、顕著な利益がもたらされ得る。これにより、システムレベルのコストの節約がもたらされ得る。また、クロムの揮発などの他のシステムレベルの課題、および他の材料の輸送または材料の酸化の課題を軽減することができる。

以下のセクションでは、本明細書に記載の実施形態による様々な電気化学セルスタックの性能の実施例を説明する。これらの実施例は、単に説明を目的とするものであり、本明細書に記載の概念の範囲を限定することを意図したものではない。

実験に基づく実施例
構成要素のサイズを小さくすることで、全体の電力密度（ｋｇあたり、およびＬあたり）を増やすことができるということは、現在の知恵に反している。容認されている知恵は、電力密度を高めてコストを下げるための行程が各部品を大きくしながら部品数を減らすことである。これは、スタックの体積およびコストがスタックの非アクティブ部分（シール面積、端部プレート、圧迫など）によって大きく左右されること、およびより大きなセルに移動することにより、これらの非アクティブ面積の全体的なスタックコストへの寄与が低下することを前提としている。セルが薄いセラミック構成要素である平面ＳＯＦＣでは、大きなセルを生成することは困難である。ＳＯＦＣセルのサイズを拡大しようとして、多くの努力が続けられている。

対照的に、本明細書に記載の実施形態は、新規設計により、部品が小さいほど電力密度が高くなり得、低コストになる可能性があることを実証している。現在の知恵に反して、より小さなセルに移動すると、活性面積全体または電力出力に比例して考慮された場合であっても、それらがより大きな対応物よりも小さくかつシンプルにできるようにすることによって、非アクティブ構成要素のコストを削減することができることが示されている。

３つの異なる既知の燃料電池スタックを、１つの実施形態による例示的な燃料電池スタックと比較する実験が行われた。すべてのスタックは、同じ基本材料を使用して製造された。各スタックは、平面固体酸化物燃料電池設計のものであった。各スタックは、同じタイプのニッケル−イットリア安定化ジルコニアセルに支持されたアノードを使用したが、サイズと厚さは特定のスタックに適している。各スタックは、フェライト系ステンレス鋼で作製された金属相互接続部を有していた。各スタックは、スタック動作に必要な圧縮力を支持する適切なサイズおよび強度の端部プレートを有していた。本明細書に記載の実施形態に従って製造されたスタックはまた、圧迫システムを含んでいた。１２１ｃｍ^２の活性面積セルを備えたベースライン２８のセルスタックは、３９０ｍＡ／ｃｍ^３で動作し、１２００Ｗの総電力を供給した。それは、総体積５．４Ｌ、および重さ１７ｋｇの１９０ｍｍ×１９０ｍｍ×１５０ｍｍの大きさで、６９Ｗ／ｋｇの電力重量比および２２５Ｗ／Ｌの電力体積比を実現することが測定される。５５０ｃｍ^２の活性面積セルを備えた１２０のセルスタックは、２９０ｍＡ／ｃｍ^２で動作し、１６，９００Ｗの総電力を供給した。それは、総体積９６Ｌ、および重さ２３８ｋｇ（エンドプレートを含む）の３９５ｍｍ×３９５ｍｍ×６１８ｍｍの大きさで、７１Ｗ／ｋｇの電力重量比および１７６Ｗ／Ｌの電力体積比を実現することが測定される。対照的に、２５ｃｍ^２の活性面積セルを各々備えた２２５のセルを有する一実施形態に従って作製されたスタックは、０．３９ｍＡ／ｃｍ^２で動作し、１７６０Ｗの総電力を供給した。それは、総体積１．４Ｌ、および重さ２．４ｋｇの７９ｍｍ×７１ｍｍ×２５４ｍｍの大きさで、７３３Ｗ／ｋｇの電力重量比および１２５７Ｗ／Ｌの電力体積比を実現することが測定される。他のスタック設計と比較すると比較的若いが、この実施形態のスタックはすでに、重量で１０倍の電力密度および体積で約７倍の電力密度を達成した。この結果は、特に、電力密度を高めてコストを下げるための行程が各部品を大きくしながら部品数を減らすことであるという容認された信念の観点から予想外であった

試験データの選択を図２２〜図２４に提示する。図２２は、典型的な天然ガス燃焼システム用途を表すガス組成物で動作する、燃料電池スタック１１０の実施形態による、アレイ２００に含まれる２２５セル（〜１ｋＷ）スタックを示す。ガス条件には、入口天然ガスを、水素、一酸化炭素、および二酸化炭素に変換するための代表的なレベルのガス利用率、代表的な電流密度および温度、ならびに代表的なレベルのスタック内蒸気改質が含まれる。スタックは５０００時間以上にわたって安定した動作を実証しており、使用されたセル材料から予想される劣化率と一致した劣化率を示す。つまり、スタック設計にリンクされ得る劣化の側面は存在しない。これにより、スタックが天然ガス燃焼システムの典型的なフローとスタック内改質を含む熱的条件を処理する能力を実証する一方で、基礎となる繰り返しセル材料の可能性を最大限に引き出すことがもたらされる。

図２３は、同じスタックの２０セルの実装形態の結果を示しており、−２Ａ／ｃｍ^２の非常に攻撃的な電解条件を実行している。プラントのバランスの障害（スタックのせいではない）に起因する一部の試験中断は、試験の初期に発生しており、約２５，１２５、および２５０時間の経過時間でデータのスパイクとして見ることができる。試験中断によって引き起こされた可能性のある初期劣化（電気分解の劣化は電圧の増加として現れる）の後、スタックは、攻撃的な条件にもかかわらず劣化なしで１０００時間より長い動作を実証した。これは、多種の熱およびフロー条件で動作するスタックの柔軟性、ならびに劣化に対するその相対的な免疫性を示している。

図２４は、様々な純粋な水素燃料電池条件を実行する同様のスタックの６０セルの実装形態の結果を示しており、ここにおいて、総試験時間は１年を超えている。条件の変化により劣化率の決定が困難になる一方で、スタックは、非常に発熱性の高い試験条件を含む、試験の年間を通じて高い安定性（低劣化）を表示した。これは、電圧曲線の相対的な平坦性として見ることができ、ステップの変化は、テスト条件の変化に対応する。これは、スタックの比較的長期の安定性と、発熱モードで、その発熱の一部を吸収するための内部改質なしで動作するときに熱を拒否するその能力を実証する。

図２３および図２４は、熱サイクルを含む結果を示しており、ここにおいて、熱サイクルの前および後で性能の変化は観察されず、ガラスセラミックシールの使用に関係なくスタックの熱サイクル能力を示している。これは、本質的にコンプライアントな構造体の成功を実証し、そのことは、密封またはほぼ密封のガラスセラミックシールの使用を可能にする一方で、他の点では、シールまたはセルの故障を引き起こす熱的応力の蓄積を防ぐ。

図２５は、０．２５Ａ／ｃｍ^２で電気化学セルモードで動作する、アレイ３００による電気化学セルスタックの４５セルの実装形態の結果を示し、１熱サイクル後の非常に低い劣化を実証している。これらの結果は、やや大きめのセルスタック（８１ｃｍ^２の活性面積）が、熱的応力を排除し、かつ材料セットからすべての可能性を引き出す能力を妨げていないケースを示している。

図２６は、−１Ａ／ｃｍ^２で電解モードで動作し、非常に低い劣化、および実際には１６００時間の試験後の全体的な性能のわずかな改善を実証する、アレイ３００による燃料電池スタックの個々の４５セルの実装形態の結果を示している。また、この試験は、スタックの性能に悪影響を及ぼさなかったプラント故障（スタック関連ではない）のバランスのために、攻撃的な熱サイクルを受け、攻撃的な過渡に対するその堅牢性を実証した。

上述の統合設計は、ＳＯＦＣ技術と現在の市場との間の主要な障壁の多くに対処し、一部には、スタックレベル（材料の含有量が減少し、部品の自動化が容易になることによる）およびシステムレベルの両方での大幅なコスト削減の機会を提供することにより、そのスタック特性は、システム簡素化（高電圧出力、低電流、コンパクトなパッケージング、低外部熱交換要件、外部圧迫負荷要件なしなど）の機会を提供する。

すべての場合において、上述の配設は、本発明の用途を表す多くの可能な特定の実施形態の単なる例示であることが理解される。本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載された概念の原理に従って、異なる電解質の使用を含む多数の様々な他の配設を容易に考案することができる。

本明細書で利用される場合、用語「およそ」、「約」、「実質的に」、および同様の用語は、本開示の主題が関係する当業者によって一般に受け入れられている使用法と調和した広い意味を有することを意図している。これらの用語が提供される正確な数値範囲にこれらの特徴の範囲を制限することなく、説明および主張される特定の特徴の説明を可能にすることを意図していることは、本開示を検討する当業者によって理解されるべきである。したがって、これらの用語は、説明および主張される主題の実質的または重要でない修正または変更が、添付の特許請求の範囲に列挙される本発明の範囲内にあると見なされることを示すと解釈されるべきである。

本明細書で使用される「結合された」、「接続された」などの用語は、２つの部材が互いに直接または間接的に接合することを意味する。そのような接合は、固定的（例えば、恒久的）または可動的（例えば、取り外し可能または解放可能）であり得る。そのような接合は、２つの部材もしくは２つの部材および追加の中間部材が互いに単一のまとまった本体として一体的に形成されるか、または２つの部材もしくは２つの部材および追加の中間部材が互いに取り付けられることで達成され得る。

本明細書における要素の位置（例えば、「上」、「下」、「上方」、「下方」など）への言及は、単に図中の様々な要素の配向を説明するために使用される。様々な要素の配向は、他の例示的な実施形態に従って異なる場合があり、そのような変形形態は、本開示に包含されることが意図されることに留意されたい。

様々な例示的な実施形態の構築および配設は例示にすぎないことに留意することが重要である。本開示ではいくつかの実施形態のみを詳細に説明したが、本開示を検討する当業者は、本明細書に記載の主題の新規な教示および利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正（例えば、様々な要素のサイズ、寸法、構造体、形状、および比率、パラメータの値、装着配設、材料の使用、色、配向の変化など）が可能であることを容易に理解するであろう。例えば、一体的に形成されて示した要素は、複数の部品または要素で構成されてもよく、要素の位置を逆にし、または別の方法で変更してもよく、個別の要素または位置の性質または数を変え、または変更してもよい。任意のプロセスまたは方法のステップの順序またはシーケンスは、代替の実施形態に従って変更されてもよく、または並べ直されてもよい。本発明の範囲から逸脱することなく、様々な例示的な実施形態の設計、動作条件、および配設において、他の置換、修正、変更、および省略を行うこともできる。例えば、穴あきバッフルをさらに最適化して、デッドゾーンを作成せずに滞留時間を延長する意図を達成することができる。

Claims (29)

1. 電気化学セルユニットであって、
   第１の酸化剤電極および第１の燃料電極を含む、第１の電気化学セルと、
   第２の酸化剤電極および第２の燃料電極を含む、第２の電気化学セルと、
   前記第１の電気化学セルと前記第２の電気化学セルとの間に介挿された相互接続部であって、前記相互接続部が、その長手方向軸に沿って長手方向チャネルを画定する相互接続部主要本体を含み、前記相互接続部主要本体が、前記第１の電気化学セルに面する前記相互接続部主要本体の第１の表面上に複数の燃料チャネル、および前記第２の電気化学セルに面する前記相互接続部主要本体の第２の表面上に複数の酸化剤チャネルを画定する、複数のコルゲーションを含み、前記複数の燃料チャネルおよび前記複数の酸化剤チャネルの各々が、前記長手方向チャネルの周りに位置付けられている、相互接続部と、を含む、電気化学セルユニット。
2. 前記複数の燃料チャネルの各々の燃料チャネル基部が、前記第２の酸化剤電極に電気的に接触しており、前記複数の酸化剤チャネルの各々の酸化剤チャネル基部が、前記第１の燃料電極に電気的に接触している、請求項１に記載の電気化学セルユニット。
3. 前記第１の表面上の前記相互接続部の外周に位置付けられた、外側シール部材と、
   前記長手方向チャネルの周りの前記第２の表面上の前記相互接続部の内周に位置付けられた、内側シール部材と、をさらに含み、
   前記外側シール部材が、前記外周の外側の体積から、前記複数の燃料チャネルまたは前記複数の酸化剤チャネルのうちの一方を流体的に密封し、前記内側シール部材が、前記長手方向チャネルから、前記複数の燃料チャネルまたは前記複数の酸化剤チャネルのうちの他方を流体的に密封する、請求項１に記載の電気化学セルユニット。
4. 前記相互接続部主要本体が、前記複数の燃料チャネルの各々に流体的に結合された、少なくとも１つの燃料入口チャネルおよび少なくとも１つの流体出口チャネルを画定し、前記複数の酸化剤チャネルの各々に流体的に結合された、少なくとも１つの酸化剤入口チャネルおよび少なくとも１つの酸化剤出口チャネルをさらに画定する、請求項３に記載の電気化学セルユニット。
5. 前記外側シール部材が、前記外周の外側の前記体積から、前記複数の燃料チャネルを流体的に密封し、前記少なくとも１つの燃料入口チャネルおよび前記少なくとも１つの燃料出口チャネルが、前記長手方向チャネルの第１の部分から燃料を受容し、かつ前記長手方向チャネルの第２の部分内に使用済みの燃料を排出するように、前記長手方向チャネルに流体的に結合されている、請求項４に記載の電気化学セルユニット。
6. 前記内側シール部材が、前記長手方向チャネルから、前記複数の酸化剤チャネルを流体的に密封し、前記少なくとも１つの酸化剤入口チャネルおよび前記少なくとも１つの酸化剤出口チャネルが、前記外周の外側の前記体積の第１の部分から酸化剤を受容し、かつ前記外周の外側の前記体積の第２の部分から使用済みの酸化剤を排出するように、前記相互接続部の前記外周に流体的に結合されている、請求項５に記載の電気化学セルユニット。
7. 前記相互接続部の前記外周に近接する前記第１の電気化学セルおよび前記第２の電気化学セルの各々の外側エッジ、または前記長手方向チャネルに近接する前記第１の電気化学セルおよび前記第２の電気化学セルの各々の内側エッジのうちの少なくとも１つに配置された、エッジシール部材をさらに含む、請求項３に記載の電気化学セルユニット。
8. 電気化学セルスタックであって、
   複数の電気化学セルユニットのスタックを含み、前記複数の電気化学セルユニットの各々は、
   第１の酸化剤電極および第１の燃料電極を含む、第１の電気化学セルと、
   第２の酸化剤電極および第２の燃料電極を含む、第２の電気化学セルと、
   前記第１の電気化学セルと前記第２の電気化学セルとの間に介挿された相互接続部であって、前記相互接続部が、その長手方向軸に沿って長手方向チャネルを画定する相互接続部主要本体を含み、前記長手方向チャネルが、前記電気化学セルスタックの高さに跨り、前記相互接続部主要本体が、前記第１の電気化学セルに面する前記相互接続部主要本体の第１の表面上に複数の燃料チャネル、および前記第２の電気化学セルに面する前記相互接続部主要本体の第２の表面上に複数の酸化剤チャネルを画定する、複数のコルゲーションを含み、前記複数の燃料チャネルおよび前記複数の酸化剤チャネルの各々が、前記長手方向チャネルの周りに位置付けられている、相互接続部と、を含む、電気化学セルスタック。
9. 前記複数の電気化学セルユニットの各々が、
   前記第１の表面上の前記相互接続部の外周に位置付けられた、外側シール部材と、
   前記長手方向チャネルの周りの前記第２の表面上の前記相互接続部の内周に位置付けられた、内側シール部材と、をさらに含み、
   前記外側シール部材が、前記外周の外側の体積から、前記複数の燃料チャネルまたは前記複数の酸化剤チャネルのうちの一方を流体的に隔離し、前記内側シール部材が、前記長手方向チャネルから、前記複数の燃料チャネルまたは前記複数の酸化剤チャネルのうちの他方を流体的に隔離する、請求項８に記載の電気化学セルスタック。
10. 前記複数の電気化学セルユニットの各々に含まれる前記相互接続部は、前記電気化学セルスタックがコンプライアンスを有するように、ベローズ状構造体を協働して形成する、請求項８に記載の電気化学セルスタック。
11. 前記長手方向チャネル内に配置されたポストをさらに含み、前記ポストが、前記燃料または酸化剤のうちの一方を受容するように構成された少なくとも１つのポスト入口と、前記電気化学セルスタックから使用済みの燃料または使用済みの酸化剤のうちの他方を受容および排出するように構成された少なくとも１つのポスト出口と、を画定し、前記ポスト入口および前記ポスト出口が、互いに流体的に隔離されている、請求項８に記載の電気化学セルスタック。
12. 隙間が上端部プレートと前記ポストとの間に提供されるように、前記ポストの周りの前記電気化学セルスタックの上端部に位置付けられた前記上端部プレートをさらに含み、前記隙間が、熱的応力を緩和するために、その内部における前記ポストの移動を可能にするように構造化されている、請求項１１に記載の電気化学セルスタック。
13. 前記隙間内に位置付けられたコンプライアントなシール部材をさらに含み、前記コンプライアントなシール部材が、前記ポストの前記移動を可能にするように十分なコンプライアンスを提供する、請求項１２に記載の電気化学セルスタック。
14. 前記上端部プレート上に位置付けられた上端部キャップと、
    前記上端部プレートと前記上端部キャップとの間に介挿された２次シール部材と、をさらに含む、請求項１３に記載の電気化学セルスタック。
15. 前記上端部プレートが、前記ポストから離れて前記上端部プレートの表面から軸方向に延在する、ポストインターフェース管を含み、前記ポストインターフェース管の少なくとも一部分が、前記ポストの一部分の周りに位置付けられている、請求項１２に記載の電気化学セルスタック。
16. 前記上端部とは反対の前記電気化学セルスタックの下端部上に位置付けられた、下端部プレートと、
    前記上端部プレート上に位置付けられた、上部圧迫プレートと、
    電気化学セルスタックの前記上端部に近接して位置付けられており、かつ前記複数の電気化学セルユニットの前記スタックに圧迫力を及ぼすように構成されている、バイアス部材と、
    前記上部圧迫プレートに結合されており、かつ前記上部圧迫プレートから前記下端部プレートに前記圧迫力を伝達するように構成されている、少なくとも１つの圧迫部材と、をさらに含む、請求項１２に記載の電気化学セルスタック。
17. 前記電気化学セルスタックの前記下端部に位置付けられた下部圧迫プレートをさらに含み、前記少なくとも１つの圧迫部材が、前記下部圧迫プレートに結合されている、請求項１６に記載の電気化学セルスタック。
18. 前記バイアス部材が、前記上部圧迫プレートと前記上端部プレートとの間に介挿されたベレヴィルばねのスタックを含む、請求項１６に記載の電気化学セルスタック。
19. 前記バイアス部材が、前記上部圧迫プレートに動作可能に結合された複数のコイルばねを含む、請求項１６に記載の電気化学セルスタック。
20. 前記電気化学セルスタックの下端部に位置付けられた基部プレートアセンブリをさらに含み、前記基部プレートアセンブリが、
    少なくとも１つの燃料ポートおよび少なくとも１つの酸化剤ポートを画定する、下端部プレートと、
    前記下端部プレートと軸方向に整列されており、かつ前記下端部プレートに対して降伏して、高強度シーリングプレートから前記下端部プレートへの機械的応力の伝達を低減するように構成されている、前記高強度シーリングプレートと、を含む、請求項８に記載の電気化学セルスタック。
21. 前記高強度シーリングプレートが、前記複数の電気化学セルユニットの前記スタックと前記下端部プレートとの間に位置付けられており、前記基部プレートアセンブリが、前記高強度シーリングプレートと前記下端部プレートとの間に位置付けられた複数の短い管をさらに含む、請求項２０に記載の電気化学セルスタック。
22. 前記下端部プレートが、前記複数の電気化学セルユニットの前記スタックと前記高強度シーリングプレートとの間に介挿されており、前記基部プレートアセンブリが、前記高強度シーリングプレートと前記下端部プレートとの間に位置付けられた、複数の短い管をさらに含み、前記短い管は、前記高強度シーリングプレートが、前記下端部プレートへの応力伝達を低減するために、前記下端部プレートに対して横方向に自由に移動するように、熱的応力に応答して降伏するように構成されている、請求項２０に記載の電気化学セルスタック。
23. 前記複数の電気化学セルユニットの前記スタックの周りに配置されたマニホルドをさらに含み、前記マニホルドが、前記外周の周りの前記体積を画定し、前記体積の第１の部分が、前記電気化学セルスタック内への前記燃料または酸化剤のうちの１つのための入口を提供し、前記体積の前記第２の部分が、前記電気化学セルスタックからの使用済みの燃料または酸化剤のための出口を提供する、請求項９に記載の電気化学セルスタック。
24. 前記体積内に位置付けられており、かつ前記体積の前記第１の部分を、前記体積の前記第２の部分から流体的に密封するように構成されている、誘電性シール部材をさらに含む、請求項２３に記載の電気化学セルスタック。
25. 電気化学セルアセンブリであって、
    ハウジング基部を含むハウジングと、
    前記ハウジング内の前記ハウジング基部上に配置された電気化学セルスタックのアレイと、を含み、前記アレイ内に含まれる前記電気化学セルスタックの各々が、
    複数の電気化学セルユニットのスタックを含み、前記複数の電気化学セルユニットの各々は、
    第１の酸化剤電極および第１の燃料電極を含む、第１の電気化学セルと、
    第２の酸化剤電極および第２の燃料電極を含む、第２の電気化学セルと、
    前記第１の電気化学セルと前記第２の電気化学セルとの間に介挿された相互接続部であって、前記相互接続部が、その長手方向軸に沿って長手方向チャネルを画定する相互接続部主要本体を含み、前記長手方向チャネルが、前記電気化学セルスタックの高さに跨り、前記相互接続部主要本体が、前記第１の電気化学セルに面する前記相互接続部主要本体の第１の表面上に複数の燃料チャネル、および前記第２の電気化学セルに面する前記相互接続部主要本体の第２の表面上に複数の酸化剤チャネルを画定する、複数のコルゲーションを含み、前記複数の燃料チャネルおよび前記複数の酸化剤チャネルの各々が、前記長手方向チャネルの周りに位置付けられている、相互接続部と、を含む、電気化学セルアセンブリ。
26. 前記電気化学セルスタックの各々の周りに位置付けられた、リングセパレータと、
    前記電気化学セルスタックのアレイ内に含まれる４つの電気化学セルスタックの各セット間に位置付けられた、クロスセパレータと、をさらに含む、請求項２５に記載の電気化学セルアセンブリ。
27. ４つの電気化学セルスタックの各セット間に、対応するクロスセパレータを介して位置付けられた、酸化剤予熱管をさらに含む、請求項２５に記載の電気化学セルアセンブリ。
28. 前記ハウジング基部を通って前記電気化学セルスタックのアレイに流体的に結合された、燃料入口、燃料出口、酸化剤入口、および酸化剤出口をさらに含み、前記ハウジング基部が、前記燃料入口を通って前記ハウジング基部に入る前記燃料と、前記燃料出口を通って前記ハウジング基部から出る使用済みの燃料との間の熱交換を提供するように構成された、少なくとも１つの熱交換チャネルを画定する、請求項２５に記載の電気化学セルアセンブリ。
29. 前記ハウジング基部を通って前記電気化学セルスタックのアレイに流体的に結合された、燃料バイパス入口をさらに含み、前記燃料バイパス入口が、前記少なくとも１つの熱交換チャネルをバイパスする、請求項２５に記載の電気化学セルアセンブリ。

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