JP4191048B2 - 小型化されたインターコネクタを備える高温燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関し、より詳細には、固体酸化物形燃料電池モジュールに関する。
電気的に直列に接続された複数の固体酸化物形燃料電池を備える固体酸化物形燃料電池モジュールが知られている。

出願人による欧州特許において、固体酸化物形燃料電池モジュールは、中空の支持部材の平らな表面上に配置された複数の固体酸化物形燃料電池を含む。固体酸化物形燃料電池は、中空の支持部材の表面の横方向の範囲全体にわたって横方向に広がり、中空の支持部材の表面上に縦方向に間隔を空けて配置される。隣接する固体酸化物形燃料電池は、インターコネクタにより電気的に直列に接続される。各インターコネクタは、一つの固体酸化物形燃料電池のアノード電極を隣接する固体酸化物形燃料電池のカソード電極に電気的に接続するために、中空の支持部材の表面の横方向の範囲全体にわたって横方向に延びる。

固体酸化物形燃料電池モジュールの主なパラメータは、燃料電池の有効長、燃料電池のピッチ、及び燃料電池の間隔である。燃料電池の有効長は、中空の支持部材の縦方向の固体酸化物形燃料電池の長さである。燃料電池の間隔は、隣接する固体酸化物形燃料電池間の距離である。燃料電池のピッチは、燃料電池の有効長と燃料電池の間隔との和である。

燃料電池の有効長及び燃料電池のピッチは、固体酸化物形燃料電池モジュールの性能を最適化するよう選択される。燃料電池の間隔は、燃料電池のピッチの部分としての燃料電池の長さを最大化するために、可能な限り小さくされるべきである。しかし、燃料電池の間隔は、インターコネクタが隣接する固体酸化物形燃料電池を電気的に直列に接続し、インターコネクタと隣接する固体酸化物形燃料電池の電極との間に空間を提供する必要があることにより支配される。燃料電池の間隔は、インターコネクタ及び空間の長さを減らすことにより縮められ得る。しかし、これは、燃料電池構造の電気的障害を避けるためにインターコネクタ及び電極を正確に整列させることを困難にする。従って、燃料電池の間隔の最小サイズはこの要件の制約を受け、そのために、燃料電池のピッチの部分としての燃料電池の有効長は最大化されない。

それゆえ、本発明は、上記の問題を軽減し、望ましくは克服する、新しい燃料電池スタックを提供することを目的とする。
従って、本発明は、複数の縦方向に間隔を空けて配置された固体酸化物形燃料電池と、燃料電池を電気的に直列に接続する複数のインターコネクタとを備える固体酸化物形燃料電池モジュールであって、各燃料電池が、第１の電極、電解質及び第２の電極を備え、少なくとも一つの燃料電池の第１の電極が、横方向に間隔を空けて配置された複数のインターコネクタにより、隣接する燃料電池の第２の電極に電気的に接続され、前記隣接する燃料電池の第１の電極の横方向に延びる端部が複数の横方向に間隔をあけて設けられた凹部を有し、前記少なくとも一つの燃料電池の第１の電極を前記隣接する燃料電池の第２の電極に接続する各インターコネクタが、前記隣接する燃料電池の第１の電極の横方向に延びる端部における複数の凹部のうちのそれぞれの一つに配置される。

複数の燃料電池のそれぞれの第１の電極は、複数の横方向に間隔を空けて配置されたインターコネクタにより、複数の隣接する燃料電池のそれぞれの第２の電極に電気的に接続され、前記隣接する燃料電池の第１の電極のそれぞれの横方向に延びる端部は、横方向に間隔を空けて配置された複数の凹部を有し、個々の燃料電池の第１の電極を前記隣接する燃料電池の第２の電極に接続するインターコネクタのそれぞれは、前記隣接する燃料電池の第１の電極の横方向に延びる端部における凹部のそれぞれ一つに配置されることが望ましい。

燃料電池モジュールは支持部材を備え、燃料電池は支持部材の少なくとも一つの表面上に縦方向に間隔を空けて配置され、インターコネクタは支持部材に対して横方向に間隔を空けて配置される。支持部材は、中空の支持部材であり得る。

第２の電極は支持部材の上に配置され、電解質は第２の電極の上に配置され、第１の電極は電解質の上に配置されることが望ましい。
第２の電極はアノード電極であり、第１の電極はカソード電極であることが望ましい。

電解質は、全ての燃料電池を通して連続的に広がってもよく、各インターコネクタは電解質の一部として形成されてもよい。
燃料電池の第１の電極を隣接する燃料電池の第２の電極に接続するインターコネクタは、支持部材に対し縦方向に広がる複数の平行な面に配置される。

２つの隣接する燃料電池を接続するインターコネクタは、他の２つの燃料電池を接続するインターコネクタと同一の面に配置されてもよい。代わりに、２つの隣接する燃料電池を接続するインターコネクタは、他の２つの燃料電池を接続するインターコネクタとは異なる面に配置されてもよい。

インターコネクタは支持部材に対し横方向に等間隔で配置され、凹部は支持部材に対し横方向に等間隔に配置され得る。支持部材は中空の支持部材であり得る。
本発明は、添付の図面を参照した例示により、更に詳細に説明される。

従来技術による固体酸化物形燃料電池モジュール１０は、図１及び２に示されるように、中空の支持部材１２の平らな表面１４上に配置された複数の固体酸化物形燃料電池１６を備える。固体酸化物形燃料電池１６は、中空の支持部材１２の表面１４の横方向の範囲全体にわたって横方向に広がり、中空の支持部材１２の表面１４上に縦方向に間隔をあけて配置される。隣接する固体酸化物形燃料電池１６は、インターコネクタ１８により電気的に直列に接続される。各インターコネクタ１８は、一つの固体酸化物形燃料電池１６のアノード電極２２を隣接する固体酸化物形燃料電池１６のカソード電極２０に電気的に接続するために、中空の支持部材１２の表面１４の横方向の範囲全体にわたって横方向に延びる。

固体酸化物形燃料電池モジュール１０の主なパラメータは、燃料電池の有効長Ｘと、燃料電池のピッチＹと、燃料電池の間隔Ｚである。燃料電池の有効長Ｘは、中空の支持部材１２の縦方向の固体酸化物形燃料電池１６の長さである。燃料電池の間隔Ｚは、隣接する固体酸化物形燃料電池１６間の距離である。燃料電池のピッチＹは、燃料電池の有効長Ｘと燃料電池の間隔Ｚとの和である。

上記の通り、燃料電池の有効長Ｘ及び燃料電池のピッチＹは、固体酸化物形燃料電池モジュール１０の性能を最適化するよう選択される。燃料電池の間隔Ｚは、燃料電池の長さＸを燃料電池のピッチＹの部分として最大化するために、可能な限り小さくされるべきである。しかし、燃料電池の間隔Ｚは、インターコネクタ１８が隣接する固体酸化物形燃料電池１６を電気的に直列に接続し、インターコネクタ１８と隣接する固体酸化物形燃料電池１６の電極２０、２２との間に空間を提供する必要があることによって支配される。燃料電池の間隔Ｚは、インターコネクタ１８及び空間の長さを小さくすることにより縮められ得る。しかし、これは、燃料電池構造１６の電気的障害を防ぐためにインターコネクタ１８及び電極２０、２２を正確に整列させることを困難にする。従って、燃料電池の間隔Ｚの最小サイズはこの要件による制約を受け、そのために、燃料電池のピッチＹの部分としての燃料電池の有効長Ｘは最大化されない。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池モジュール３０が、図３〜５に示される。固体酸化物形燃料電池モジュール３０は、中空の支持部材３２と、中空の支持部材３２の少なくとも一つの表面３４上に縦方向に間隔を空けて配置された複数の固体酸化物形燃料電池３６とを備える。複数のインターコネクタ３８は、固体酸化物形燃料電池３６を電気的に直列に接続する。個々の固体酸化物形燃料電池３６は、第１の電極４０、電解質４２及び第２の電極４４を備える。この例において、第１の電極４０はカソード電極であり、第２の電極４４はアノード電極である。

一つを除き全ての固体酸化物形燃料電池３６の第１の電極４０のそれぞれは、複数のインターコネクタ３８により、それぞれの隣接する固体酸化物形燃料電池３６の第２の電極４４に電気的に接続される。一つの固体酸化物形燃料電池３６の第１の電極４０を隣接する固体酸化物形燃料電池３６の第２の電極４４に電気的に接続する複数のインターコネクタ３８は、中空の支持部材３２に対し横方向に間隔を空けて配置される。

前記隣接する固体酸化物形燃料電池３６のそれぞれの第１の電極４０の横方向に延びる端部４６は、中空の支持部材３２に対して横方向に間隔を空けて設けられた複数の凹部４８を備える。前記固体酸化物形燃料電池３６の第１の電極４０を前記隣接する固体酸化物形燃料電池３６の第２の電極４４に電気的に接続する各インターコネクタ３８は、前記隣接する固体酸化物形燃料電池３６の第１の電極４０の横方向に延びる端部４６における複数の凹部４８のそれぞれに位置する。

第２の電極４４は、中空の支持部材３２の表面３４上に配置され、電解質４２は第２の電極４４上に配置され、第１の電極４０は電解質４２上に配置されることに注意すべきである。

固体酸化物形燃料電池３６の第１の電極４０を隣接する固体酸化物形燃料電池３６の第２の電極４４に接続するインターコネクタ３８は、図３の面Ｓにより示されるように、中空の支持部材３２に対して縦方向に広がる複数の平行な面に配置される。２つの隣接する固体酸化物形燃料電池３６を接続するインターコネクタ３８は、他の２つの固体酸化物形燃料電池３６を接続するインターコネクタ３８と同一の面Ｓに配置される。

図３からわかるように、燃料電池の有効な間隔Ｚ_２は、複数の横方向に間隔を空けて配置されたインターコネクタ３８と、第１の電極３６の横方向に延びる端部４６における凹部４８とを設けることにより低減されたことに注意すべきである。こうして、燃料電池の間隔Ｚ_２の大きさは最小化されたので、燃料電池のピッチＹ_２の部分としての燃料電池の有効長Ｘ_２は最大化される。

従って、複数の横方向に間隔を空けて配置されたインターコネクタ３８、及び固体酸化物形燃料電池３６の第１の電極３６の横方向に延びる端部４６における複数の凹部４８は、インターコネクタ３８及び凹部４８を含む面と面との間において固体酸化物形燃料電池３６の有効長を増加させた。しかし、インターコネクタ３８及び凹部４８を含む面における固体酸化物形燃料電池３６の有効長は同じままである。

本発明に係る更なる固体酸化物形燃料電池モジュール５０が、図６〜８に示される。図６〜８における構成は、図３〜５に示された構成と実質的に同じであり、同様の要素は同じ番号により指示されている。図６〜８における実施の形態は、電解質４２が全ての固体酸化物形燃料電池３６を通して連続的に広がり、各インターコネクタ３８が電解質４２の一部として形成される点において異なる。全ての固体酸化物形燃料電池３６を通して連続的に広がる電解質４２は、固体酸化物形燃料電池３６の間にイオン電流経路を作り出すが、電解質は約２０マイクロメートルの比較的薄い層であるために、この構造は比較的高い電気抵抗を有すると考えられる。

本発明に係る更なる固体酸化物形燃料電池モジュール６０が、図９に示される。図９における構成は、図３〜５に示された構成と実質的に同じであり、同様の要素は同じ番号で指示されている。図９の実施の形態は、２つの隣接する固体酸化物形燃料電池３６を接続するインターコネクタ３８が第１の面の組Ｔに配置され、他の２つの隣接する固体酸化物形燃料電池３６を接続するインターコネクタ３８が第２の面の組Ｕに配置される点において異なる。面Ｔ及びＵは互い違いに配置され、中空の支持部材３２の横方向に等間隔で配置される。

図３〜９において、インターコネクタ３８は中空の支持部材３０に対し横方向に等間隔で配置され、凹部４８は中空の支持部材３０に横方向に等間隔で配置される。しかし、インターコネクタ３８を中空の支持部材３０に対し横方向に異なる間隔で配置し、凹部４８を中空の支持部材３０に対し横方向に異なる間隔で配置することも可能である。

固体酸化物形燃料電池３６は、電極、電解質、インターコネクタ等の層のスクリーン印刷により製造される。
インターコネクタ３８は、図１０及び１１にそれぞれ示されるように、断面が円形又は八角形であり得るが、他の適切な形状も利用され得る。八角形のインターコネクタ３８は、スクリーン印刷技術を用いた製造に適する。

本発明は、また、燃料電池のピッチＹ_２をかなり小さくすることができるため、より多くの数の固体酸化物形燃料電池３６を中空の支持部材３２の表面３４上に配置することを可能とする。

本発明は２つの主要な利点を有する。第１に、固体酸化物形燃料電池パターンの所与の面積に対する固体酸化物形燃料電池の有効面積を増加させることにより、所与の長さの中空の支持部材に対する電力を増加させることができる。これは、また、個々の固体酸化物形燃料電池に対する実際の起動抵抗及びオーム抵抗の相対的な大きさを改善する。第二に、所与の長さの中空の支持部材に対する固体酸化物形燃料電池の数を増加させることができる。これは、より多くの固体酸化物形燃料電池を含み、高電圧の電力を生成する固体酸化物形燃料電池モジュールを組立てることを可能とする。これは、固体酸化物形燃料電池構造により引かれるセル電流を低減し、電極において要求される側方導電性のレベルを実質的に低減する。これにより、固体酸化物形燃料電池の製造に使用される材料量の削減が可能となり、それによりコスト削減が可能となる。

本発明は、固体酸化物形燃料電池モジュールの単純且つ概略的な表現を参照して説明された。実際には、各固体酸化物形燃料電池の第１の電極、第２の電極及び電解質は、特定の属性に合わせた１つ又はそれ以上の層を含み得る。固体酸化物形燃料電池の第１の電極及び第２の電極からの反応物の漏出を防ぐために、密閉を施してもよい。本発明は、これらの実用的な固体酸化物形燃料電池モジュールに適用可能である。

図１は、従来技術による燃料電池モジュールの概略的な平面図である。 図２は、図１の直線Ａ−Ａに沿った概略的な断面図である。 図３は、本発明に係る燃料電池モジュールの概略的な平面図である。 図４は、図３の直線Ｂ−Ｂに沿った概略的な断面図である。 図５は、図３の直線Ｃ−Ｃに沿った概略的な断面図である。 図６は、本発明に係るもう一つの燃料電池モジュールの概略的な平面図である。 図７は、図６の直線Ｄ−Ｄに沿った概略的な断面図である。 図８は、図６の直線Ｅ−Ｅに沿った概略的な断面図である。 図９は、本発明に係る更なる燃料電池モジュールの概略的な平面図である。 図１０は、図３〜９に示されたインターコネクタの代替の拡大された断面図である。 図１１は、図３〜９に示されたインターコネクタの代替の拡大された断面図である。

Claims (11)

1. 複数の縦方向に間隔を空けて配置された固体酸化物形燃料電池（３６）と、前記燃料電池（３６）を電気的に直列に接続する複数のインターコネクタ（３８）とを備える固体酸化物形燃料電池モジュール（３０）であって、
   各燃料電池（３６）が第１の電極（４０）、電解質（４２）及び第２の電極（４４）を備え、少なくとも１つの前記燃料電池（３６）の前記第１の電極（４０）が隣接する燃料電池（３６）の前記第２の電極（４４）と電気的に接続される固体酸化物形燃料電池モジュール（３０）において、
   少なくとも１つの前記燃料電池（３６）の前記第１の電極（４０）が、複数の横方向に間隔を空けて配置された複数の前記インターコネクタ（３８）により、隣接する燃料電池（３６）の前記第２の電極（４４）に電気的に接続され、
   前記隣接する燃料電池（３６）の前記第１の電極（４０）の横方向に延びる端部（４６）が複数の横方向に間隔を空けて設けられた凹部（４８）を備え、
   前記少なくとも一つの燃料電池（３６）の前記第１の電極（４０）を前記隣接する燃料電池（３６）の前記第２の電極（３６）に接続する前記インターコネクタ（３８）のそれぞれが、前記隣接する燃料電池（３６）の前記第１の電極（４０）の前記横方向に延びる端部（４６）における前記複数の凹部（４８）のそれぞれ一つに配置されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール（３０）。
2. 請求項１記載の固体酸化物形燃料電池モジュールであって、
   複数の前記燃料電池（３６）のそれぞれの前記第１の電極（４０）が、複数の横方向に間隔を空けて配置されたインターコネクタ（３８）により、複数の隣接する燃料電池（３６）のそれぞれの前記第２の電極（４４）に電気的に接続され、
   前記隣接する燃料電池（３６）の前記第１の電極（４０）のそれぞれの横方向に延びる端部（４６）が、複数の横方向に間隔を空けて設けられた凹部（４８）を備え、
   前記燃料電池（３６）のそれぞれの第１の電極（４０）を前記隣接する燃料電池（３６）の第２の電極（４４）に接続する前記インターコネクタ（３８）のそれぞれが、前記隣接する燃料電池（３６）の前記第１の電極（４０）の前記横方向に延びる端部（４６）における前記凹部（４８）のそれぞれ一つに配置される固体酸化物形燃料電池モジュール。
3. 請求項１又は２に記載された固体酸化物形燃料電池モジュール（３０）であって、支持部材（３２）を備え、前記燃料電池（３６）が前記支持部材（３２）の少なくとも１つの表面（３４）上に縦方向に間隔を空けて配置され、前記インターコネクタ（３８）が前記支持部材（３２）に対して横方向に間隔を空けて配置される固体酸化物形燃料電池モジュール。
4. 請求項３記載の固体酸化物形燃料電池モジュールであって、前記第２の電極（４４）が前記支持部材（３２）の上に配置され、前記電解質（４２）が前記第２の電極（４４）の上に配置され、前記第１の電極（４０）が前記電解質（４２）の上に配置される固体酸化物形燃料電池モジュール。
5. 請求項４記載の固体酸化物形燃料電池モジュールであって、前記支持部材（３２）が中空の支持部材である固体酸化物形燃料電池モジュール。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載された固体酸化物形燃料電池モジュールであって、前記第２の電極（４４）がアノード電極であり、前記第１の電極（４０）がカソード電極である固体酸化物形燃料電池モジュール。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載された固体酸化物形燃料電池モジュールであって、前記電解質（４２）が全ての前記燃料電池（３６）を通して連続的に広がり、各インターコネクタ（３８）が前記電解質（４２）を通って延びる固体酸化物形燃料電池モジュール。
8. 請求項３記載の固体酸化物形燃料電池モジュールであって、前記燃料電池（３６）の前記第１の電極（４０）を前記隣接する燃料電池（３６）の前記第２の電極（４４）に接続する前記インターコネクタ（３８）が、前記支持部材（３２）に対して横方向に間隔を空けて配置された複数の平行な面に配置される固体酸化物形燃料電池モジュール。
9. 請求項８記載の固体酸化物形燃料電池モジュールであって、２つの隣接する燃料電池（３６）を接続する前記インターコネクタ（３８）が、他の２つの隣接する燃料電池（３６）を接続する前記インターコネクタ（３８）と同一の面（Ｓ）に配置され、該面が前記支持部材（３２）に対して横方向に間隔を空けて配置される固体酸化物形燃料電池モジュール。
10. 請求項８記載の固体酸化物形燃料電池モジュールであって、２つの隣接する燃料電池（３６）を接続する前記インターコネクタ（３８）が第１の面に配列され、他の２つの隣接する燃料電池（３６）を接続する前記インターコネクタ（３８）が第２の組の面に配列され、前記第１の組の面と前記第２の組の面とが交互に配置されて前記支持部材（３２）に対して横方向に間隔を空けて配置される固体酸化物形燃料電池モジュール。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載された固体酸化物形燃料電池モジュールであって、前記インターコネクタ（３８）が横方向に等間隔で配置され、前記凹部（４８）が横方向に等間隔で配置される固体酸化物形燃料電池モジュール。

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