JP4555225B2 - 燃料電池用の改良された電解質管理と電気接触のための不活性な端部セルアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、溶融炭酸塩燃料電池などの液体電解質燃料電池に関連し、特に、このような燃料電池積層体の正極および負極の端部で使用するための端部セルアセンブリに関する。

関連出願に対するクロスリファレンス
本出願は、２００２年１２月２４日に出願された米国特許出願第１０/３２９，３０５号の一部継続である。

図１に示されるように、一般に燃料電池は、電解質によって分離されたアノードとカソードとを有する。アノード電流コレクタは、アノードに隣接し、電解質の反対側に提供され、その中を燃料が通ることが許容される。同様に、酸素の通過を許容するカソード電流コレクタは、カソードに隣接し電解質の反対側に提供される。

電解質として炭酸塩を使用するこの型の燃料電池は周知であり、多数の刊行物や特許に記載されている。溶融炭酸塩燃料電池では、炭酸塩電解質は、アルミン酸リチウムなどの不活性なセラミック材料微粒子のマトリクス中に、炭酸リチウムや炭酸カリウムなどのアルカリ金属炭酸塩の材料を含む。約６５０℃（１２００°Ｆ）の溶融炭酸塩燃料電池の動作温度では、炭酸塩電解質はイオン導電性の溶融液体である。

アノード電極に導入される燃料とカソード電極に導入される酸化剤を用い、燃料は電極と電解質との界面で電気化学的反応により酸化される。これはアノードとカソード間で電子の流れを解放し、その結果、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。アノードとカソード電極は、好ましくは、アノードおよびカソード反応用の触媒としてそれぞれ働くために、燃料電池の動作温度で十分に活性である多孔性のニッケル粉や酸化ニッケルなどの多孔性金属でそれぞれ作られている。

図１で示す単一の燃料電池は、比較的低い電圧を生成する。より高い電圧を発生するために、個々のセルは燃料電池積層体として直列に配置される。図１で示されるように、好ましくはステンレスで作られた分離プレート、は、積層体中の隣接するセルから各燃料電池を分離するために提供される。ここで使用されるように、用語「端部セル（end cell）」は、それぞれ構造的な終端を提供する、積層体の正極端すなわちカソード端部および負極端すなわちアノード端部の燃料電池のいずれかとして定義される。

燃料電池積層体の構成と関連づけられる重要な問題は、積層体の正極端部に最も近いセルからの優先的な電解質の損失と、積層体の負極端部に最も近いセルによる主として電解質の増加である。主に、２つのプロセスが、正極端部から中央部セルより多くの電解質の損失を引き起こす。第１のプロセスは、端部のセルに隣接している構造的な終端の端部プレート上への液体電解質の表面漏れである。第２のプロセスは、電解質の移動であり、負極端すなわちアノード端に向かって積層体表面に沿って電解質を膜中で流れさせる。その結果として、燃料電池は、積層体の正極端部で中央部セルに比較して多くの電解質を失い、燃料電池の負極端部で電解質を増加させる。電解質移動の影響は、積層体の正極端部および負極端部に近接して配置される端部セル中で最も厳しい。表面漏れと移動による正極端部のセルからの電解質の減少は、電解質マトリクス中にガスポケットを残す。これは、端部セルの内部電気抵抗の不可逆的な増加、かなりの電圧低下、および長期間の端部セル性能の劣化をもたらす。また、負極端部に向かう電解質移動は、負極端部のセルでのあふれ出し（flooding）および性能と長期安定性の損失を引き起こすかもしれない。

従って、電解質移動と端部セルの電気抵抗における関連づけられる増加を抑制することは、炭酸塩燃料電池の耐久性を高めることができると認められている。電解質移動を遅くするあるいは禁止する様々な構造が提案された。特に、この点で、アノード反応ガス流れ経路、アノード電極および端部カソードに隣接するガスシール構造を含む燃料電池のアノード部に適用される「半セル」アノード（”half-cell” anode）と、燃料電池積層体の端部アノードに隣接する「半セル」カソード（”half-cell” cathode）(「半セル」アノードに似た構造を有する)とを提供するために多くの努力がなされた（ミツダらの米国特許第５，０１９，４６４号）。このデザインにおける「半セル」アノードは、移動および他のメカニズムによって積層体の正極端部に最も近いセルからの電解質の損失を補給する追加の電解質を貯蔵する。負極端部の通常のセルアノードに隣接して配置された「半セル」カソードは、積層体の負極端部まで移動する余分の電解質を吸収する。この配置は積層体の負極端部に最も近いセルからの溢れ出しを防いで、カソード端部で端部セルからの電解質の減少を遅らせるが、 電解質の移動は除けなくて、「半セル」アノードは電解質で定期的に補給されなければならない。その上、積層体の正極端部に置かれた「半セル」アノードは、電解質の貯蔵容量を制限する。アノードは、電解質に濡れないあるいはアノードを横切って流れる電解質に対して伝導性のないＮｉで作られ、アノードの多孔性は構造的な強度を考慮して５５％未満と低い。

溶融炭酸塩電解質の表面漏れを実質的に遮断する他の努力がなされた、例えば、液体電解質とほとんど濡れない薄い材料層、例えば、積層体の負極端すなわちアノード端部でセラミック層間に挟まれた金箔を有する電解質表面漏れバリア（クンツの米国特許第４，７０４，３４０号）を提供する、および、毛管力が貯蔵用電極の分離した部分に電解質を向かわせるようなセラミック粒子を有するアノードまたはカソード電極を形成する(イワコバンゲロらの米国特許第４，５４８，８７７号)などである。米国特許特許５，１１０、６９２号は、ガスケット基体中にセラミック電解質流れのバリアを組み込むことによって、正極端部から負極端部への電解質移動を遅らせることを教示する。

別の努力が、消費された電解質を補給して一定の組成で電解質を維持することによって電解質の移動と消費を低減するという点でなされた。特に、フジタの米国特許第４，９８０，２４８号は、リチウム含有複合酸化物が酸化ガスの流れと反応し、消費された電解質が補給されて一定の組成を維持するような溶融炭酸塩燃料電池を教示する。さらに、クンズの米国特許第４，５９１，５３８号は、動作中燃料電池積層体の長さに沿って、均質なリチウム・カリウムモル比を持つ２つの電解質を教示する。

燃料電池積層体中の端部セルと関連づけられる第２の問題は、積層体動作温度における燃料電池の構成要素の収縮または変形による端部セルの電気抵抗の増加である。共通の溶融炭酸塩積層体のデザインは、積層体中で隣接するセルと構成要素間の十分なシール性、良好な電気伝導率および熱伝導率のために適切な圧縮荷重力を直接印加するために、堅く、厚い端部プレートを含んでいる。標準の積層体動作温度において、特に、燃料電池積層体の始動と停止の間において、端部プレートの向かい合う表面間の温度勾配の形態は、端部プレートを変形させるかもしれない。別の機械的なミスマッチは、積層体の動作時に、特に、カソードの収縮により、カソードすなわち正極側の端部セルにおいて、起こり得る。炭酸塩燃料電池カソードの収縮は動作時にゆっくり起こることが知られている。

「半セル」 カソードは、通常、カソードが取り付けられている波形の電流コレクタから組み立てられる。波形の電流コレクタは、セル全体の領域に広がっている。しかしながら、カソードは、ウェットシール端部まで広がらないので、その全領域より少なく広がる。したがって、ウェットシールの厚みは、セル構造の平たんさを維持するために、カソード厚みに合わせられなければならない。従来技術において、金属シートで作られた平らなシム（flat shim）が活性領域（active area）とウェットシールの厚みの違いを補償する（account）ためにウェットシールのフラップの下に挿入される。カソードが収縮するとき、セルの圧縮圧力がセルの活性部分からからウェットシール部に移行する。活性領域における圧縮力のこの低下は、端部セル内の様々な位置において電気接触の損失を引き起こし、燃料電池を横切る圧縮力が不均等に印加されるという結果になる。電気接触の低下がいったん発生すると、たとえ圧縮力の最初の分配が戻っても界面における最初の電気伝導率の回復はありそうもない。
米国特許第５，０１９，４６４号公報 米国特許第４，５４８，８７７号公報 米国特許第５，１１０、６９２号公報 米国特許第４，５９１，５３８号公報

端部セルにおける電気接触の損失を抑えるための努力がなされた。特に、熱ひずみにもかかわらず、通常の動作の間、燃料電池の平面を横切る実質的に均質な圧縮荷重圧を維持するために、燃料電池積層体の正極端部および負極端部でやや堅い絶縁層と組み合わせて電気伝導性の伸縮自在な薄い端部プレート膜を使用することが提案された（ガスリー他の米国特許第５，００９，９６８号）。それによって、電気接触が端部セル中の伸縮自在の伝導性端部膜と電極間で維持される。しかしながら、電解質移動および関連する抵抗増加は、この特許の端部セル構造によっては抑制されない。

したがって、本発明の目的は、上記の欠点に苦しまない溶融炭酸塩燃料電池中の電解質を蓄えるための端部燃料電池を提供することである。

本発明の更なる目的は、溶融炭酸塩燃料電池積層体の正極端部および負極端部で使用するための端部セルを提供することであり、この端部セルの正極端部は、電解質の貯蔵容量を最大にするリブ付き電極リザーバ（ribbed electrode reservoir）を有し、端部セルの負極端部は、シンク容量を最大にするリブ付き電極シンク（ribbed electrode sink）を有する。

本発明の更なる目的は、端部セルにおける接触損失を排除して、接触する固い端部プレートとセルパッケージとの間のゆがみと不十分な接触によって引き起こされる抵抗増加を軽減するために、柔軟で（soft）、追従性のある（compliant）、弾力性があり高い電気的伝導性の分離表面であって、積層体の正極端部で端部プレートと電解質リザーバとの間の、および積層体の負極端部で端部プレートと電解質リザーバとの間の分離表面を提供することである。

本発明の更なる目的は、不活性な端部セルのカソード側において、燃料電池の動作中に不活性なカソードが収縮するときに、セルの圧縮力がセルの活性領域に分配されて、ウェットシール部に不均一に移されないことを確実にするための、柔軟で、追従性のある弾力的な濡れたシールを提供することである。

本発明の更なる目的は、電解質移動に関連づけられる上記説明した問題を解決し、長期の端部セル性能を高めてかつ延ばす電解質貯蔵用の改良された端部セルを提供することである。

発明の要約
上記および他の目的は、活性電極部、電極リザーバまたはシンク、不活性なアノード部分および端部プレートを含む、溶融炭酸塩燃料電池積層体中に電解質を貯蔵するアセンブリで実現される。ここで使用される「リサーバ」は、電解質を保持するまたは貯蔵し、必要な場合、必要とする場所に電解質を分配することができる構造に適用される。「シンク」と「スポンジ」は、過剰の電解質を集めて、吸収して、保つことができる構造に関して使用される。各活性な電極部は、少なくとも電極と電流コレクタとを有する。電解質貯蔵容量を最大にするリザーバは、シンクと同様にリブ付きカソードを有する。各不活性アノード部は、少なくとも発泡体アノード層（foam anode layer）とアノード電流コレクタを含む。積層体の負極側の端部セルは、その隣の不活性なアノード部分を含む。積層体の正極すなわちカソード側の端部セルは、好ましくは、リブ付き電極リザーバの両側に隣接して不活性なアノード部分を含む。

詳細な説明
本発明の上記および他の特徴および態様は付属の図面と関連して以下の詳細な説明を読むとき、より明白となるであろう。図２は、一般に、本発明の原理に従って燃料電池積層体の正極部および負極部の両極部の端部セルアセンブリを例示する。示されるように、不活性なアノード部１２、２２は、積層体の両端で端部プレート１４、２４に隣接して配置される。燃料電池積層体の正極すなわちカソード側上に、端部セル１０はさらに第２の不活性なアノード１２によって活性カソード部１８から分離されたリブ付き電極リザーバ１６を含む。積層体の負極すなわちアノード側上の端部セルアセンブリ２０は、活性アノード部２８に隣接したリブ付き電極シンク２６を含む。積層体の両端部における端部セル構造において、不活性なアノード部１２、２２は、リブ付き電極リザーバ１６あるいはシンク２６と端部プレート１４、２４との間で、および正極端部セル１０中の活性カソード部１８とリブ付き電極リザーバ１６との間で、電気伝導性の分離界面を供給する。

図３は、本発明に従う溶融炭酸塩燃料電池積層体の両端部上の端部セルのそれぞれの層の構造を示す分解透視図である。最初に、燃料電池積層体中の正極すなわちカソード端部の構造は、図３の上部および図４Ａおよび４Ｂに記載されている。

正極の端部セルアセンブリ
図３、図４Ａおよび４Ｂで示されるように、燃料電池積層体は、好ましくはステンレスで作られている厚く、堅い端部プレート１４、２４の両端で終わる。リブ付き電極リザーバ１６から正極端部プレート１４を分離する正極端部セルアセンブリ１０中の不活性アノード部１２は、発泡体アノード層４４(図４Ｂで示される)とアノード電流コレクタ５０を含む。

不活性アノード部１２中で、発泡体アノード層４４は積層体の正極端部上の端部プレート１４に隣接して配置される。特に、発泡体アノード層４４は、２つのマトリクス帯（strip）４８間に配置されたニッケル発泡体の不活性アノード４６を含む。ニッケル発泡体アノード４６は、端部プレート１４とリブ付き電極リザーバ１６間で導電性の分離界面として働く。マトリクス帯４８は、好ましくは多孔性のセラミックから形成されて、還元ガス(例えば水素) の流れに平行にニッケル発泡体のアノード４６どちらかの側面に沿って配置され、液体電解質は、マトリクス帯４８を満たし得る。電解質で満たし、他の流れから燃料ガスを遮断することによって、マトリクス帯４８は、同時に燃料電池積層体を通って流れる水素と酸素ガス間のガスシールを維持するのを助ける。

アノード電流コレクタ（ＡＣＣ）５０は、好ましくはオーステナイト系ステンレス鋼で作られており、不活性なアノード部１２中の発泡体アノード層４４の真下に配置される。ＡＣＣ５０は、三次元的な「Ｓ」形状の構成を持っているバイポーラプレート５２の上部ポケット中に含まれる。バイポーラプレート５２は、好ましくはＮｉのコーティングされたオースチナイト系ステンレス鋼で作られており、還元ガスの流れおよび酸化ガスの流れに沿ってそれぞれ配置され、上下部ポケット５４、５６（図４Ａと４Ｂで示す）を画定する。「Ｓ」形状のバイポーラプレートの上下部ポケット５４、５６は、それぞれその端部に沿って上部下部ポケットの一部の上に折り重なるリップ（lip）を形成する。バイポーラプレート５２の上リップは、発泡体アノードが、図示されるように、バイポーラプレート５２の上の端部間でＡＣＣ５０の直接上に配置されるように、還元ガスの流れの方向に平行にその端部に沿ってＡＣＣ５０の上に折り重なり、ニッケル発泡体アノード４６の端部と一致する。その結果、ＡＣＣ５０は、ニッケル発泡体不活性なアノード４６と直接接触して電流を集める。発泡体アノード層４４中の両方のマトリクス帯４８は、バイポーラプレート５２の上リップと正極端部プレート１４で挟まれている。

バイポーラプレート５２の中心部は、ＡＣＣ５０をバイポーラプレートの下部ポケット５６中に含まれる構造から分離する。発泡体アノード層４４とアノード電流コレクタ５０とは、共に不活性なアノード部１２を形成し、以下に詳細に記載するように、リブ付き電極リザーバ１６から正極端部プレート１４を分離する。

バイポーラプレート５２の下リップは、酸化ガスの流れの方向に平行に端部に沿って下部ポケットの下に折り重なる。しかしながら、ＡＣＣ５０が完全に配置されているバイポーラプレート５２によって形成された上部ポケット５４と異なって、バイポーラプレート５２の下部ポケット５６は、柔軟で、追従性のあるカソード電流コレクタ（ＣＣＣ）６０とリブ付きカソード６４の両方を含んでいる。

柔軟で、追従性のあるＣＣＣ６０は、好ましくは、オースチナイト系ステンレス鋼あるいは超合金で作られていて、酸化ガスの流れに平行に、下リップと、下リップの長さに沿ったバイポーラプレート５２の中央部に配置される。柔軟なＣＣＣは、追従性がある弾力があって、燃料電池積層体の動作温度で端部セル中の機械的変化に適応した後に、その元の形あるいは形態に戻ることができる。バイポーラプレート５２との柔らかいＣＣＣ６０の接触を維持するために、金属シム（metal shim）６２は、その長さに沿って柔らかいＣＣＣ６０と下リップ間に配置され得る。柔軟で、追従性のあるＣＣＣ６０は、端部セルの活性領域に関して、低い生成応力と低いバネ定数（約５０％未満）を持つ。本発明の端部セルデザインで使用される追従性があり弾力のあるＣＣＣ６０は、端部セル、特に、カソードに関して、燃料電池積層体の動作中の深い熱サイクルによる圧縮力に屈して機械的変化に順応させる、および、圧縮された後で要求された形状に一致させることによって、端部セルにおける接触損失をかなりに減少するあるいは排除する。

バイポーラプレート５２の下部ポケット５６の柔軟で、追従性のあるＣＣＣ６０と不活性なアノード部１２によって供給される導電性分離界面の結合した効果によって、上記記載されたように、特に、機械的なミスマッチが通常最大となる燃料電池積層体のカソード側に関する、接触損失と対応する端部セル内の電気抵抗の不可逆な増加を避けることができる。

リブ付きカソード６４は、バイポーラプレートの下部ポケット５６にも配置される。好ましくはＮｉで作られているリブ付きカソード６４は、図３で示されるように構造的な山（peak）と谷（valley）を持っている。カソードのリブ付き構造は、酸化ガスが流れてリブ付きカソード６４が主として作られているニッケル材料を均質に酸化させるための溝（channel）を提供する。バイポーラプレート５２の下リップは、酸化ガスの流れの方向に平行に、柔軟で、追従性のあるＣＣＣ帯６０の下で折りかさなっており、リブ付きカソードが柔軟なＣＣＣ６０とバイポーラプレート５２の下リップ部分の間であって、平たんなカソード層６８の直接上に配置されるように、リブ付きカソード６４の端部と一致する。リブ付きカソード６４の山は、好ましくはＮｉで作られている平坦なカソード７０と直接接触している。

マトリクス帯７２は平たんなカソード７０のそれぞれの側で、バイポーラプレート５２の下リップ部の下に配置され、上記記載した発泡体アノード層４４の中のマトリクス帯４８の構造と同様の構造を有する。発泡体アノード層中のように、マトリクス帯７２は液体電解質で満ちている。しかしながら、平たんなカソード層６８中では、ここで記載するように、マトリクス帯７２は酸化ガス流れの方向に平行に配置される。

リブ付きカソード６４と平たんなカソード７０の組み合わせは、燃料電池積層体の上側端部で、電極リザーバ１６として機能する。上記議論したように、燃料電池積層体の動作中の固有の様々な問題に関して、溶融電解質材料は、動作中に積層体の負極すなわちアノード端部に移動する傾向がある。本発明では、リブ付きカソード６４は、好ましくは約６５％の気孔率をもつＮｉ材料で作られている。平たんなカソード７０は、好ましくは最大約７０％の気孔率をもつＮｉ材料で作られている。本発明の積層体の端部セル中のリブ付きおよび平らなカソード構造は、かなりの量の電解質材料を蓄えて保つことができるので、それにより、積層体の上部正極すなわちカソード端部から電解質移動と損失を緩和することができる。

図４Ｂに示されるように、リブ付き電極リザーバ１６の下に配置された第２の不活性アノード部８２（図２の１２に一般に示される）は、活性カソード部１８から電極リザーバ１６を分離する。正極端部セル１０中の第２の不活性アノード部１２は、不活性アノード部１２と同じ構造を有する、すなわち、発泡体アノード８６を含む発泡体アノード層８４は、マトリクス帯８８と第２の三次元「Ｓ」形状バイポーラプレート９２の上部ポケット９４中のアノード電流コレクタ（ＡＣＣ）９０との間に挟まれている。

ガス流れ、例えば、電極リザーバ１６を通る酸素および第２の不活性なアノード部８２を通る水素を隔離するために、３１０ステンレス鋼シート７６は、電極リザーバ１６と第２の不活性なアノード部８２の間に配置される。ステンレス鋼シート７６は、腐食保護のためにその端部がアルミニウム処理され得る。

オースチナイト系ステンレス鋼材料のカソード電流コレクタ(ＣＣＣ)９８は、第２の不活性アノード半セル８２の下で、第２の「Ｓ」形状バイポーラプレート９２の下部ポケット９６中に配置されており、バイポーラプレート５２、９２の上部ポケット５４、９４中のアノード電流コレクタ５０、９０と同様の構造を持つことができる。ＣＣＣ９８は、バイポーラプレート９２の全体の下部ポケット９６を占有し、酸化ガス流れの経路に置かれて、それは柔軟なＣＣＣ６０の約半分のコンプライアンス（compliance）あるいは弾性（resilience）を持っている。

最後に、正極端部セルアセンブリ１０の下部端部において、平たんな標準カソード１００は、ＣＣＣ９８の真下に配置され、第２のバイポーラプレート９２の下リップ部の間に挟まれている。平たんな標準カソード１００は、好ましくはＮｉで作られていて、正極端部セル１０と溶融炭酸塩燃料電池積層体中の最初の通常の燃料電池の間に界面を提供する。

負極端部セルアセンブリ
アノードすなわち負極端部セル２０の構造は、上記説明した正極端部セル１０が同様の構造と同様であるが、図３の下部分と図５Ａおよび５Ｂに関して以下詳細に記載するように、１つの不活性アノード部２２を含んでいる。

負極端部セルアセンブリ２０において、一般に図２で示されるように、不活性なアノード部２２は、リブ付き電極シンク２６から端部プレートを分離し、負極端部プレート２４に接している。図３の下部分と図５Ａおよび５Ｂに示される負極端部セルアセンブリ２０の詳細な図を参照すると、不活性なアノード部２２もまたは、発泡体アノード層１４４とアノード電流コレクタ１５０を有しており、その他のほとんどの点は、正極端部セルアセンブリ１０中の不活性なアノード部１２と同じである。しかしながら、負極端部セルアセンブリ２０中において、ニッケル発泡体アノード１４６とマトリクス帯１４８を含む発泡体アノード層１４４は、負極端部プレート２４に隣接してすぐに配置されており、したがって、ＡＣＣ１５０の下に配置され、その上に配置されるのではなく正極端部セルアセンブリ１０中に配置される。

ＡＣＣ１５０は、還元ガスの流れの方向に平行に端部に沿ってＡＣＣ１５０の下に折り重なっている下リップだけを有する単層のバイポーラプレート１５２のポケット１５６中に含まれる。発泡体アノード１４６が図に示されるようにＡＣＣ１５０の直下で、単層バイポーラプレート１５２の下リップ部の間に配置されるように、下リップは、発泡体アノード層１４４中のニッケル発泡体アノード１４６の端部と接触する。従って、ＡＣＣ１５０はニッケル発泡体アノード１４６と直接接触して電流を集める。発泡体アノード層１４４中のマトリクス帯１４８は、バイポーラプレート１５２の下部リップ部と負極端部プレート２４の間に挟まれている。例えば銀などの伝導性金属で作られた帯は、図５Ａおよび５Ｂで示されるように、マトリクス帯１４８と負極端部プレート２４の間に供給され、端部プレート表面に腐食保護を提供し得る。それにより、アセンブリ２０中の不活性アノード部２２は、以下に詳細に記載するように、負極端部セルプレート２４とリブ付電極リザーバ２６の間に導電性分離界面を提供する。

単層バイポーラプレート１５２の上部は、その真上のリブ付き電極シンク２６中の不活性なアノード部２２のＡＣＣ１５０を平たんなカソード層１６８から分離する。正極端部セルアセンブリ１０におけるリブ付き電極リザーバ１６のように、電極シンク２６は、平たんなカソード１７０とリブ付きカソード１６４とを含む。

平たんなカソード層１６８は、平たんなカソード１７０（好ましくは、Ｎｉで作られている）と平たんなカソード１７０のそれぞれの側面に配置された２つのマトリクス帯１７２を含み、上記記載された不活性なアノード部２２中の単層のバイポーラプレート１５２のトップ部と、「Ｓ」形状バイポーラプレート１９２の下リップ部の間で挟まれている。平たんなカソード層１６８中のマトリクス帯１７２は、マトリクス帯が還元ガスから酸素ガスをシールするように酸化ガスの流れの方向に平行に配置される。

負極端部セルアセンブリ２０中の「Ｓ」形状バイポーラプレート１９２は、正極端部セルアセンブリ１０中のバイポーラプレート５２、９２と同じ構造を持ち、それは還元ガスの流れと酸化ガスの流れに沿ってそれぞれ配置される上部ポケット１９４と下部ポケット１９６を画定する。「Ｓ」形状バイポーラプレート１９２の上部と下部はそれぞれその両端部に沿ってそれぞれ上部ポケット１９４と下部ポケット１９６の一部をこえて折り重なっているリップを形成する。「Ｓ」形状バイポーラプレート１９２の下リップは、端部に沿って、酸化ガスの流れの方向に平行に、下部ポケット１９６の下に折り重なっている。正極端部セルアセンブリ１０の電極リザーバ１６中のバイポーラプレート５２の下部ポケット５６と同様に、電極リザーバ１６中のバイポーラプレート１９２の下部ポケット１９６は、追従性があり、柔軟性のあるカソード電流コレクター１６０（柔軟なＣＣＣ）とリブ付カソード１６４の両方を含んでいる。

柔軟なＣＣＣ１６０は、酸化ガスの流れの方向に平行に、下リップの長さに沿って、下リップとバイポーラプレート１９２の中央部の間の下部ポケット中に配置される。リブ付きカソード１６４もまたバイポーラプレート１９２の下部ポケット中に配置される。正極端部セルアセンブリ１０の電極リザーバ１６中のように、カソード１６４のリブ付き構造は、酸化ガスが中を流れてリブ付カソード１６４が主に作られているニッケル材料を均質に酸化するための溝を提供する。バイポーラプレート１９２の下リップは、酸化ガスの流れの方向に平行に柔軟で追従性のあるＣＣＣ帯１６２の下で折り重なっており、リブ付きカソードが柔軟なＣＣＣ６０の帯とバイポーラプレート１９２の下リップ部の間に配置されるように、リブ付きカソード６４の端部と調和する。他のすべての点で、負極端部セルアセンブリ２０におけるリブ付電極シンク２６の構造は、正極端部セルアセンブリ１０におけるリブ付電極リザーバ２６の構造と同一である。

バイポーラプレート１９２の下部ポケット１９６中の柔軟で追従性のあり弾力のあるＣＣＣ１６０と不活性なアノード部２２によって提供される導電性分離界面との組み合わせは、正極端部セル１０中で与えるように負極端部セルアセンブリ２０中で同じ利点を与える、すなわち、その組み合わせは、負極端部セルアセンブリ内の接触損失とそれに対応する電気抵抗の不可逆的増加をさける。１つ以上の不活性なアノード部２２が不活性な端部セルアセンブリ２０中に供給され得るが、上記説明したような１つの不活性なアノード部分２２は、一般にこれらの利点を達成することができる、なぜならば、第１セルの活性アノードは、接触抵抗の観点から不活性なアノードに対する同様の構造をもち、負極端部で、電解質シンクと第１カソード半セルとの間で伝導性界面を提供するからである。

負極端部セルアセンブリ２０において、リブ付きおよび平たんなカソード１６４、１７０の組み合わせは、燃料電池積層体の下側端部で電解質シンク２６を供給する。燃料電池積層体の動作中における固有の様々な問題に関して上記議論したように、溶融電解質材料は、動作中、積層体の負極すなわちアノード端部に向かって移動する傾向がある。リブ付きおよび平たんなカソード１６４，１７０は、正極端部セルアセンブリ１０中の電解質リザーバ１６のような同じ材料で作られており、最大７０％の気孔率を持っている。より高い気孔率のカソードは使用され得るが、動作期間中により大きい厚み減少をもたらすだろう。しかしながら、負極端部セルアセンブリ２０では、リブ付きおよび平たんなカソード１６４、１７０は、電解質材料用シンクあるいはスポンジとして機能する。シンク２６は溶融電解質を吸収してその上に保持し、それによって、溢れ出し（flooding）または腐食から積層体のアノード端部を防ぐ。正極端部セルアセンブリ１０中のリブ付電極リザーバ１６と組み合わせて、リブ付き電極シンク２６は、溶融電解質燃料電池積層体の動作中に、電解質の実質的な移動と損失を軽減する。

本端部セルデザインの他の利点は、正極および負極端部セル１０、 ２０の両方中において、リブ付きおよび平たんなカソードをもつ柔軟で追従性のあり弾力のあるＣＣＣの組み合わせは、より端部セルの活性領域中での電気接触を維持するために、リブ付き電極リザーバあるいはシンク中においてより柔軟でより追従性があり弾力のあるウェットシールを供給することである。

最後に、アノード電流コレクタ（ＡＣＣ）１９０は、三次元の「Ｓ」形状のバイポーラプレート１９２の上部ポケット１９４中で、負極端部セル２０中の電極シンク２６の上に配置される。バイポーラプレート１９２の上リップは、還元ガスの流れの方向に平行で端部に沿ってＡＣＣ１９０を超えて折り重なっており、図に示すように標準アノード２００がＡＣＣ１９０の真上でバイポーラプレート１９２の上端部に配置されるように、標準アノード２００の端部と調和している。その結果、ＡＣＣ１９０は、標準アノード２００と直接接触して標準アノード２００から電流を集める。標準アノード２００は、好ましくはＮｉ合金で作られており、負極端部セル２０と溶融炭酸塩燃料電池積層体における最後の通常の燃料電池との間の界面を供給する。

すべての場合において、上記記載された配置は、単に本発明の応用を示す多くの可能な特定の実施例の例示であることが理解される。多くの変形された配置は、本発明の精神と範囲から外れない範囲で、本発明の原理に従って容易に工夫することができる。

従来の炭酸塩燃料電池アセンブリの部品の概要を示す図である。 本発明の原理に従った溶融炭酸塩燃料電池積層体の正極および負極端部の端部セルアセンブリのブロック図である。 本発明の原理に従った燃料電池積層体の正極および負極端部上の端部セルの分解透視図である。 図３の線４Ａ−４Ａに沿った燃料電池積層体の正極端部端部セルの横断面図である。 図３の線４Ｂ−４Ｂに沿った燃料電池積層体の正極端部端部セルの横断面図である。 図３の線５Ａ−５Ａに沿った燃料電池積層体の負極端部端部セルの横断面図である。 図３の線５Ｂ−５Ｂに沿った燃料電池積層体の負極端部端部セルの横断面図である。

Claims (38)

1. 燃料電池積層体の端部プレートと前記燃料電池積層体の活性セルとの間の前記燃料電池積層体中で使用する装置であって、
   電解質貯蔵アセンブリと、
   前記電解質貯蔵アセンブリと、前記端部プレートおよび前記活性セルのうちの少なくとも１つとの間の電気接触を促進する、弾性変形可能な電気伝導性アセンブリと、
   を有し、
   前記電解質貯蔵アセンブリは、
   前記端部プレートに向き合う第１表面と、前記第１表面から伸びる第２および第３側部表面とを有し、
   前記電解質貯蔵アセンブリは、さらに
   前記電解質貯蔵アセンブリの前記第１表面を形成する１つの表面と、前記１つの表面に対向する他の表面と、前記１つの表面と前記他の表面のうちの１つ中に形成されたリブと、前記電解質貯蔵アセンブリの前記第２および第３側部表面をそれぞれが持ちかつ前記１つの表面と前記他の表面とをそれぞれが結合する第１および第２側面と、を有するリブ付きカソードと、
   前記リブ付きカソードの前記リブと隣接して溝を形成する平らなカソードと、を有し、
   前記リブ付きカソードと前記平らなカソードとが多孔性であり、
   前記弾性変形可能な電気伝導性アセンブリは、
   前記電解質貯蔵アセンブリの前記第２および第３側部表面に隣接して配置された第１部分であって、前記リブ付カソードと前記平らなカソードに隣接して配置されている、前記第１部分を少なくとも含み、
   さらにオプションに、前記電解質貯蔵アセンブリの第１表面と前記端部プレートの間に配置された第２部分と、前記電解質貯蔵アセンブリの前記第２および第３側部表面に隣接して配置された第３部分であって、前記第２部分は、向かい合う第１および第２表面を有する発泡体アノードと、アノード電流コレクタとを含み、前記発泡体アノードは、前記発泡体アノードの第１表面で前記端部プレートと隣接し、前記発泡体アノードの第２表面で前記アノード電流コレクタに隣接している、前記第２部分と前記第３部分のうちの１つまたはそれ以上を含むことを特徴とする装置。
2. 前記電解質貯蔵アセンブリは、
   前記端部プレートに向き合う第１表面と、
   前記電解質貯蔵アセンブリの第１表面から伸びる第２および第３側部表面とを有し、
   前記弾性変形可能な電気伝導性アセンブリは、
   前記電解質貯蔵アセンブリの第１表面と前記端部プレートの間に配置された第１部分と、
   前記電解質貯蔵アセンブリの前記第２および第３側部表面にそれぞれ隣接して配置された第２および第３部分と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記アノード電流コレクタと、前記弾性変形可能な電気伝導性アセンブリの前記第２および第３部分とは、それぞれ波形構造として形成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記リブ付きカソードは、６５％の気孔率を有する材料で作られていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記平らなカソードは、７０％の気孔率を有する材料で作られていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記平らなカソードおよびリブ付きカソードの気孔中に貯蔵された電解質を更に有し、
   前記平らなカソードおよびリブ付きカソードは電解質貯蔵としての役目をすることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記平らなカソードは、前記アノード電流コレクタと前記リブ付きカソードの間に配置され、
   前記リブ付きカソードは、電解質を吸収して保つことができる電解質貯蔵部としての役目をすることを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記リブに対向する前記リブ付きカソードの前記１つの表面および前記他の表面の１つに面している更なるアノード電流コレクタと、前記更なるアノード電流コレクタに隣接して配置されたアノードとをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 内部に前記更なるアノード電流コレクタとアノードとが配置されている上部ポケットと、内部に前記リブ付きカソードと前記弾性変形可能な電気伝導性アセンブリの前記第２および第３部とが配置されている下部ポケットとを画定する第１のバイポーラプレートを更に有することを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記平らなカソードと前記端部プレートの間に配置され、内部に前記アノード電流コレクタと発泡体アノードが配置されている、前記端部プレートに面するポケットを画定する第２のバイポーラプレートを更に有することを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 前記装置は、前記燃料電池積層体の負極端部に配置されており、
    前記アノードが、前記第１のバイポーラプレートの上部ポケット中の前記更なるアノード電流コレクタと、前記負極端部で前記燃料電池積層体中の最後の燃料電池との間に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 内部に前記アノード電流コレクタが配置されている上部ポケットと、前記プレート構造を画定し、内部に前記リブ付きカソードと前記弾性変形可能な電気伝導性アセンブリの第２および第３部分とが配置されている下部ポケットとを画定するバイポーラプレートを更に有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
13. 前記バイポーラプレートが電気伝導性材料で作られていることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 前記弾性変形可能な電気伝導性アセンブリの第２および第３部分は、前記燃料電池積層体の動作中に前記リブ付きカソードの機械的な変形に対応して弾性変形することを特徴とする請求項１２に記載の装置。
15. 前記バイポーラプレートの下部ポケット中の前記弾性変形可能な電気伝導性アセンブリの第２および第３部分のそれぞれの下に配置されているシムを更に有することを特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. 前記酸化ガスが前記平らなカソードと前記リブ付きカソードとの間に形成された溝を通って流れることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
17. 還元ガスが、前記酸化ガスが流れる溝と異なる溝を通って前記酸化ガスの流れに垂直に流れることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
18. 前記酸化ガスは酸素を含み、還元ガスは水素を含むことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
19. 前記溝を通る酸化ガスの前記流れは、前記リブ付きカソードの表面を均質に酸化することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
20. 前記還元ガスの流れの方向に平行な前記発泡体アノードの向かい合わせの側面に沿って配置されたマトリクス帯を更に含むことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
21. 前記酸化ガスの流れの方向に平行な前記平らなカソードの向かい合わせの側面に沿って配置されたマトリクス帯を更に含むことを特徴とする請求項２０に記載の装置。
22. 前記マトリクス帯が前記酸化ガス流れと前記還元ガス流れの間にガスシールを供給することを特徴とする請求項２１に記載の装置。
23. 前記平らなカソードに続く更なる発泡体アノードと、前記更なる発泡体アノードに面する更なるアノード電流コレクタとを更に有することを特徴とする請求項１４に記載の装置。
24. 前記更なるアノード電流コレクタに続くカソード電流コレクタと、前記カソードに面するカソードとを更に有することを特徴とする請求項２３に記載の装置。
25. 内部に前記更なるアノード電流コレクタが配置されている上部ポケットと、内部に前記カソード電流コレクタが配置されている下部ポケットとを画定する第２バイポーラプレートを更に有することを特徴とする請求項２４に記載の装置。
26. 前記発泡体アノードから前記らなカソードを分離する金属シートを更に含むことを特徴とする請求項２５に記載の装置。
27. 前記装置が、前記燃料電池積層体の正極端部に配置され、
    カソードが、前記積層体の前記正極端部で、前記カソード電流コレクタと前記燃料電池積層体中の第１の燃料電池との間に配置されることを特徴とする請求項２６に記載の装置。
28. 電気的に直列に積層された複数の活性な燃料電池を有する燃料電池積層体と、
    前記積層体の第１端部の端部プレートと、
    前記端部プレートと前記燃料電池積層体の前記活性な燃料電池との間に配置された請求項１に記載の装置と、
    を有することを特徴とする燃料電池アセンブリ。
29. 前記アノード電流コレクタと、前記弾性変形可能な電気伝導性アセンブリの前記第２および第３部分とは、それぞれ波形構造として形成されることを特徴とする請求項２８に記載の燃料電池アセンブリ。
30. 前記リブ付きカソードが、６５％の気孔率を有する材料で作られていることを特徴とする請求項２８に記載の燃料電池アセンブリ。
31. 前記平らなカソードが、７０％の気孔率を有する材料で作られていることを特徴とする請求項２８に記載の燃料電池アセンブリ。
32. 前記装置は、前記リブ付きおよび平らなカソードの前記気孔中に貯蔵された電解質を更に有し、前記リブ付きおよび平らなカソードが電解質貯蔵器としての役目をすることを特徴とする請求項２８に記載の燃料電池アセンブリ。
33. 前記平らなカソードは、前記アノード電流コレクタと前記リブ付きカソードとの間に配置され、前記リブ付きカソードは、電解質を集めて、吸収し、貯蔵することができる電解質貯蔵部として働き、
    前記装置が更に、
    前記リブと前記更なるアノードコレクタに隣接して配置されたアノードを向かい合わせる前記リブ付きカソードの前記１つの表面と前記他の表面の１つに面するアノード電流コレクタと、
    前記更なるアノード電流コレクタと、アノードが内部に配置されている上部ポケットと、前記プレート構造を形成し、前記リブ付きカソードと前記弾性変形可能な導電性アセンブリの第２および第３部が内部に配置されている下部ポケットとを画定する第１バイポーラプレートと、
    前記平らなアノードと前記端部プレートとの間に配置され、前記アノード電流コレクタと発泡体アノードとが配置されている前記端部プレートに面する第２のバイポーラプレートと、
    を有することを特徴とする請求項２８に記載の燃料電池アセンブリ。
34. 前記装置は、前記燃料電池積層体の前記負極端部に配置され、
    前記アノードは、前記第１バイポーラプレートの上部ポケット中の前記更なるアノード電流コレクタと、前記負極端部で前記燃料電池積層体中の最後の燃料電池との間に配置されていることを特徴とする請求項３３に記載の燃料電池アセンブリ。
35. 前記装置は更に、
    前記アノード電流コレクタが内部に配置されている上部ポケットと、前記プレート構造を画定し、内部に前記リブ付きカソードと前記弾性変形可能な導電性のアセンブリの前記第２および第３部分とが配置されている下部ポケットとを画定するバイポーラプレートと、
    前記平らなカソードと前記更なる発泡体アノードに面するカソードとが後に続く更なる発泡体アノードと、
    前記更なるアノード電流コレクタと前記カソード電流コレクタに面するカソードが続くカソード電流コレクタと、
    内部に前記更なるアノード電流コレクタが配置されている上部ポケットと、前記カソード電流コレクタが内部に配置されている底部ポケットを画定する第２バイポーラプレートと、
    を有することを特徴とする請求項２８に記載の燃料電池アセンブリ。
36. 前記端部プレートは前記燃料電池積層体の前記正極端部であり、
    前記カソードは、前記積層体の正極端部で、前記カソード電流コレクタと前記燃料電池中の第１の燃料電池間に配置されることを特徴とする請求項３５に記載の燃料電池アセンブリ。
37. 前記酸化ガスが、前記平らなカソードと前記リブ付きカソードとの間に形成された溝を通って流れ、前記還元ガスが、前記酸化ガスの流れに垂直な更なる溝を通って流れ、
    前記装置は、更に、
    前記還元ガス流れの方向に平行に前記発泡体アノードと更なる発泡体アノードの各々の向かい合う側面に沿って配置されたマトリックス帯と、
    前記酸化ガス流れの方向に平行に前記平らなカソードに向かい合う側面に沿って配置されたマトリックス帯と、
    前記平らなカソードを前記更なる発泡体アノードから分離する金属シートと、を有することを特徴とする請求項３６に記載の燃料電池アセンブリ。
38. 前記装置は、更に、前記バイポーラプレートの下部ポケット中で前記弾性変形可能な導電性のアセンブリの前記第３および第４部分のそれぞれの下に配置されたシムを含むことを特徴とする請求項３７に記載の燃料電池アセンブリ。

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