JP4970275B2 - 可撓性の相互接続部を有する燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、高温で作動する固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）に関するが、他の燃料電池系統及び電解槽にも適用しうる。

ＳＯＦＣ型の燃料電池は、燃料としての水素、又は、例えばメタン型の他の可燃性ガス、及び、酸素によって、５００℃及び１０００℃の間の温度で作動する。これらの電池（セル）は、例えば相互接続部又はバイポーラプレートといった連結エレメントで連結される複数の単位セルのスタックから成る。単位セルは、カソード、電解質、及び、アノードのスタックで形成される。電解質の充分なＯ^２−イオン誘電率を得るためには高温が必要である。

いくつかの種類の構造は、これらの燃料電池の設計を以下のように規定する。それらは、以下の通りに４つの主なタイプに分けられる。
・管状構造
・一体型（モノリシック）構造
・ストリップ構造
・平板状構造

図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃを参照すると、管状構造は公知である。これは、管状であり、一端で閉止されていてもよく、又はされていなくてもよい（図１Ｂ参照）。図１Ｃに示すように、いくつかのセル６は、チャンバ７内に配置され、直列及び／又は並列に接続される。酸素は、内側管によって各セルの底部に注入されて、カソード３に沿って移動して、配置されている支持管５を通過する。第２の燃料は、主チャンバ７中のセルの外側に注入され、従って、カソード上部に配置されるためそれ自体が管状をなす、電解質２の外面にあるアノード１に接触する。カソードは、また、電解質２の外面に配置されるコネクタ４に連結される。残留ガスは、排出され、そして、第１の流入ガスの予備加熱を許容するために、燃焼チャンバに任意に加えられる。

前記構成において、何らかの管理を必要とするシーリングは存在していない。このセルの機械抵抗は、酸素が通過可能でカソードの方へ拡散可能な多孔性の支持管によって、確保される。アセンブリの機械抵抗を確保するためにカソードを残し、この支持管を排除することが後で考察された。

一旦直列に一緒に接続されると、これらのセルは、電流集電プレート間に所望の電圧を得ることを可能にする。図１Ｃにおけるセルの接続は並列であり、そして、所望の電力を得ることが可能になる。

いくつかの欠点は、この管状構造物に関係している。これらの欠点は以下のものである。
・電流ラインが長い。これは、電流がハーフチューブを介して長手方向に通らなければならないためである（図１Ｃ参照）。従って、抵抗損失が高くなる。
・管の製作が、複雑で高コストである。
・セル同士の間の損失スペースを考慮すると、容積効率が低い。
・反応物ガス中で消耗されることによる、管の長さの熱勾配は、その機械抵抗に非常に有害である。

いくつかの技術は、この管状構造物の機械抵抗を改良するために用いられる。これらの技術は、
・応力を減らすために管の寸法を減らすこと、
・異なる高さ（レベル）でガスを注入することによって熱勾配を低下させること、
・支持管を補強すること、
である。

また、電流ラインの長さの減少は、以下によって得られる。
・より高い電力を示すように、燃料電池の内部抵抗を減らすこと、
・ブリッジの存在下で作製可能になる、アノードを薄くすることによる電極の分極によって損失を減少すること、
・円筒状形状を平坦化してコンパクト性を改良すること、
・そして、空気供給管を廃止すること。

しかしながら、全てのこれらの構造は、電流ラインの長さによる貧弱なコンパクト性及び高い抵抗損失という主な欠点を部分的に解決するだけである。

平板状構造は、広く使用されている。スタックは、それ故平面であるが、連続してアノード、電解質及びカソードで構成されるスタックを挟んでいる２つのバイポーラプレートから成る。バイポーラプレートは、コネクタとして作用し、２つの燃料の交差流を組織化するために例えば垂直に配向された循環チャネルをも有する。ガスの供給及び排出は、スタックの４つの側面に配置されるマニホルドによってなされる。

電流は層の厚さ方向に通るだけであるため、電流ラインは減少される。加えて、この構造のコンパクト性は、確かな効果を与える。一方では、シーリングの問題は、管状構造よりも大きくなり、吸気相及び排気相の間の各々のガスの通路及びそれらのガスの分離を確実にするために、セルのスタックにおける４つの側面上で管理しなければならない。これは、電極が多孔性であるという事実に起因する。また、シーリングは、４つのマニホルドの周辺にも確実にされなければならない。

図１を参照すると、より最近の設計上の概念は、管状構造と平板状構造の利点を組み合わせた同軸形状を有する。それは非常にコンパクトであり、抵抗損失は非常に抑制され、そして、それはアセンブリのシーリングに対する実施の容易さを提供する。この図１に示されるモジュールは、燃料電池のいくつかの単位セルのスタックである。各単位セルは、２つの同心の相互接続部４の間に挟まれ、一連のアノード１、電解質２及びカソード３から成る。端部の相互接続部４を除いては、他のものは、２つの隣接する単位セルに共通である。前記スタックは、２つの端部（この図には示されない）に配置される、可燃性ガスのための２つの分配マニホルドによって完了される。

しかしながら、前記相互接続部４を形成するために現状で使用される材料はクロム酸ランタン型のセラミックであり、これは非常に高コストである。加えて、このタイプの相互接続部は、各単位セルを形成している異なる連続した層の一連の単一スプレーの間、プラズマ溶射によってしばしば堆積する。しかしながら、この同軸構造を維持するときに、この種の燃料電池の異なる構成要素を独立に製造することが想定される。より正確には、異なる同軸の単位セル、すなわち、アノード、電解質及びカソードで形成されるスタック、のアセンブリが互いに独立に製造可能であることが重要である。また、これらのセルの直列の電気接続を保障できること、そして、可燃性ガスの流れ及び分離を可能にすることが重要である。最後に、多少の量のセラミックを含み、熱接触（ホットコンタクト）及び冷接触（コールドコンタクト）のいずれにおいても、異なる単位セルにおける機械的応力を常に制限すると考えられる。

本発明の目的は、従って、この種の燃料電池モジュールにおける相互接続のための異なる設計を提案することによって、これらの不利な点を克服することである。

この目的のために、本発明における第一の主題は、管形状を有する単位セルで形成される燃料電池モジュールである。各々の単位セルは、アノード、電解質及びカソードを備える同心円状のスタックからなり、２つの相互接続部で覆われている。前記モジュールは、いくつかの同心のスタックからなり、可燃性ガスを分配及び排出するための装置によって各辺上に、すなわち、フランジ及びベースに、完備される。

アセンブリの半径方向の変形を許容している相互接続に弾性を付与するために、これらの相互接続部は、少なくとも一つの可撓性で切欠きのある金属カラーがフランジ付けされる部位の上に中心区分を備える。そして、この金属カラーは、この区分から間隔をおいて所定の角度で配置される。

主要な実施の形態において、前記モジュールの区域が円筒状であるものが提供される。

また、分配マニホルドが２種類の可燃性ガスに対する供給手段を備えるように、提供される。

前記ベースの一実施の形態において、前記供給手段は、前記単位セルの前記電極に供給するための分配オリフィスを介して、前記ベースの側面内にそして前記スタックにおける一面上に開口している少なくとも２つの放射状のチャネルを備えるように提供される。

前記モジュールは、前記カラー及び前記相互接続部における中心区分との間に、カソード側部上にセラミックウールの細片（ストリップ）を、そして、アノード側部上にニッケルフェルトの細片を使用することによって、完成されうる。

本発明における、その異なる特徴及び実施の形態は、以下の詳細な説明を読み込むことでよりよく理解される。そして、この説明にはいくつかの図面が添付されている。

図３は、本発明の燃料電池モジュールにおける２つの単位セル間に使用される相互接続部の片側半分を示す。その構造は、ローリング又はプロファイリングによって半円筒に成形される平板状の金属板からなる中央部パーティション１３から主に構成される。その各々の表面上には、間隔を置かれた別々のカラー１１が、シールされたパーティション１３のいずれの側部からも、いずれにしても垂直でないある角度で突出するように、フランジ付けされる。また、各カラー１１は、その端部に切欠き１２を有し、細片（ストリップ）を形成する。各々フランジ付けされたカラー１１を形成している金属プレートにおける多少の弾力的な性質と協働して、切欠き１２は、カラー１１に半径方向の弾性を持たせることを可能にして、このモジュールのアセンブリに対して使用される。また、この弾性により、接触される電極との各相互接続部の電気的接続を確実にできる。このような方法で、クリアランスは、特に熱いときに、この組立を可能として異なるエレメント間における電気的接続を確保するように、モジュールの組立時に調整できる。加えて、この種の相互接続部は、熱膨張の間、モジュールの単位セルに対する応力を制限することを可能にする。

相互接続部を形成するために、ニッケルを主成分とする合金又は超合金を使用することが、想定される。それらの寸法は、冷たいときに、細片のずれのおそれ無くそしてモジュールの単位セルを損傷するおそれ無く、そして、各単位セル上の熱下での力を平衡させるために、各切欠き１２によって形成されるストリップを介して良好な電気接続を確実にするために隣接する電極上に十分な力が得られるように、決定される。

相互接続の接触部の腐食に関連した任意の課題を制限するために、これらの接触部は、カソードと同一材料又はこの機能を確保する他の任意の材料でカソード側部上に覆われていてもよい。また、これらの２つのエレメントの界面での電気的損失を制限するために、スクリーンはカソード上に敷設され得るし、又は、導電性金属被覆を付与されうる。

図４を参照すると、本発明のモジュールは、以下の要素を含む。上部にスタック２０が配置されるベース５０は、詳細を後述されるように、フランジ４０を戴置している。フランジ４０及びベース５０は、ガス供給手段及びガス排出手段を備える分配器及び排出機器を形成する。

ベース５０は、２つのガス、すなわち、水素及び大気圧下での酸素、をそれぞれ受け入れる２つの放射状チャネル５１を有する。これらの２つの放射状チャネル５１中に開口している分配オリフィス５２も、モジュール２０に相対して終端する。それゆえ、この２つのガスは、各単位セルに対して分配されうる。

シーリングは、例えばガラスシール・タイプの実施の形態では、この高さ（レベル）でのシールを確実にするために、ベース５０の上面に配置される。金属キャピラリーチューブ５３は、ガラスで詰まるのを防止するために、前記ガラスを堆積させる際に分配オリフィス５２にはめ込まれる。

スタック２０の下面は、ベース５０の上面に置かれるシールと接触している。

従って、燃料電池における単位セルのスタック２０は、例えば図２に記載されているように、同心の構造を有する。しかしながら、図２に記載されるような相互接続部が、単位セル間に使用されている。このモジュール２０は、その周縁部において、外側相互接続部１０Ｅから事実上なり、そして、その中心部において内側相互接続部１０Ｉから事実上なる。各々のこれらの２つの相互接続部１０Ｅ及び１０Ｉは、アノード２１、電解質２２及びカソード２３のスタックから成る単位セル自体と接触している。他の相互接続部１０は、２つの隣接する単位セルの間に位置する。

ベース５０における分配オリフィス５２は、相互接続部ｌ０Ｅ及び１０Ｉ及び単位セルとの間の自由空間に入っている点に留意する必要がある。

従って、相互接続部１０、１０Ｅ、及び１０Ｉが電気的接続及び２つの可燃性ガスの分離の機能を確保することを確実になしうる。

供給オリフィス５２及びそのキャピラリーチューブ５３の数の増加が要求されない場合、各カソード２３と、これに対向している相互接続部１０、１０Ｉとの間に、セラミックフェルト又はウールを配置することは最も有利である。同様に、各アノード２１と、これに対向する相互接続１０Ｅ、１０との間に、電荷損失を発生させるためにニッケルフェルトを配置することも可能である。従って、可燃性ガスは、可燃性ガスの供給地点の数を増大させる必要が無く、アノード２１及びカソード２３の周囲に一様に分配されうる。

スタック２０の上面及びフランジ４０の下面との間に、セラミックウールのディスク３０が挿入され、膨張差を吸収して一旦圧縮されると、相互接続部１０、１０Ｅ及び１０Ｉと、単位セルとの間の空間における相対的なシーリングを確保するために十分な電荷損失を生成する。最終的に、このディスク３０は、スタック２０内部に残存するガスの復帰を防止する。

このフランジ４０は、ジルコニアで設計される。このフランジ４０は、残留ガスを外方に又は他の燃料電池モジュールに導くために残留ガスをそれぞれ収集する目的で、その下面に切削された環状チャンバ４５を備えている。第２のオプションは、入って来る可燃性ガスの回路を加熱するために、これらの残留ガスをモジュールの放出口で燃やすことから成る。例えば、セラミックウール等の繊維質材料は、モジュール内部で任意の炎逆流無くこれらのガスを排出するために、フランジ４０の残留ガス出口に配置されうる。他の解決手段は、フランジ４０の上面４４に環状流路４５を接続する出口オリフィス４６を介してこれらの残留ガスを放出可能とすることから成る。

全モジュールは、フランジ４０をベース５０の方へ下方に固定する支持ロッド４１によって一緒に保持されて、スタック２０が中間に挟まれる。

電流の収集は、モジュールの端末、すなわち内側相互接続部１０Ｉ及び外側相互接続部１０Ｅでなされる。

図１Ａは、従来技術による燃料電池のための第１の型の基本的構造である。 図１Ｂは、従来技術による燃料電池のための第１の型の基本的構造である。 図１Ｃは、従来技術による燃料電池のための第１の型の基本的構造である。 図２は、円錐形状を有するモジュールに対するスタック構造型における、高視点の部分斜視図である。 図３は、本発明によるモジュールで使用する相互接続部の片側半分における、高視点の部分斜視図である。 図４は、本発明によるモジュールにおける、高視点の部分斜視断面図である。

符号の説明

１１ カラー
１２ 切欠き
１３ 中央部パーティション
２０ スタック（モジュール）
４０ フランジ
４５ 環状チャンバ（流路）
５０ ベース
５１ 放射状チャネル
５２ 分配オリフィス
５３ 金属キャピラリーチューブ

Claims (10)

1. 管状配列を有する単位電池で形成される燃料電池モジュールであって、
   各単位電池は、アノード（２１）、電解質（２２）、カソード（２３）を含む、同心円状のスタック（２０）からなり、他の相互接続部（１０）と、前記他の相互接続部（１０）、外側相互接続部（１０Ｅ）及び内側相互接続部（１０Ｉ）の何れか１つと、で囲まれて、
   前記モジュールは、複数の同心円状の単位電池の前記同心円状のスタック（２０）からなり、各側面を分配装置及び排出装置で、すなわち、ベース（５０）及びフランジ（４０）で完成され、
   前記他の相互接続部（１０）、前記外側相互接続部（１０Ｅ）及び前記内側相互接続部（１０Ｉ）は、切り欠きを有して所定の角度で拡がる少なくとも１つの可撓性の金属カラー（１１）が突設された中央のパーティション（１３）を有することを特徴とする、燃料電池モジュール。
2. 前記モジュールの区域は、円筒状であることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。
3. 前記分配及び排出のマニホルド、すなわち、ベース（５０）及びフランジ（４０）は、可燃性ガスを供給及び排出する手段を有することを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。
4. 前記ベース（５０）の供給手段は、
   前記単位電池における前記アノード（２１）及び前記カソード（２３）に供給するための、分配オリフィス（５２）を経て前記スタック（２０）における一面に開口する、少なくとも２つの放射状チャネル（５１）からなることを特徴とする、請求項３に記載のモジュール。
5. 前記他の相互接続部（１０）及び前記内側相互接続部（１０Ｉ）における前記金属カラー（１１）及び前記中央のパーティション（１３）の間の前記カソード（２３）の側面上にセラミックウールのストリップを備え、
   前記他の相互接続部（１０）及び前記外側相互接続部（１０Ｅ）における前記金属カラー（１１）及び前記中央のパーティション（１３）の間の前記アノード（２１）の側面上にニッケルフェルトのストリップを備えることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。
6. 前記フランジ（４０）における前記排出手段は、前記スタック（２０）に対向する表面上の２つの環状流路（４５）、及び、残留ガスを排出するために前記環状流路（４５）に入り込む外面上の出口オリフィス（４６）からなることを特徴とする、請求項３に記載のモジュール。
7. 前記スタック（２０）及び前記フランジ（４０）との間に圧縮されているセラミックウールディスク（３０）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。
8. 前記ベース（５０）の入口オリフィス（５２）にはめ込まれるキャピラリーチューブ（５３）を備えることを特徴とする、請求項４に記載のモジュール。
9. 前記ベース（５０）の上面上に、前記スタック（２０）に対向するように位置するシールを備えることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。
10. 前記カソード（２３）側面上の前記金属カラー（１１）は、前記カソード（２３）が作製されている材料で覆われていることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。

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