JP5090921B2 - 外部マニホルドを有する固体酸化物燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、外部マニホルドを備えた固体酸化物燃料電池に関する。

従来の固体酸化物燃料電池スタックは、バイポーラプレートとも呼ばれる積み重ねた相互接続プレート、膜と電極を含む燃料電池、及びシールで形成される。相互接続部と燃料電池は、一般的に平面的であり、空気及び燃料吸入及び排出開口部を形成する。垂直に積み重ねられると、これらの開口部は、吸入及び排出マニホルドを形成する。相互接続プレートは、その吸入マニホルドから燃料電池電極を横切って排出マニホルド中に空気又は燃料を導く中央障壁のいずれの側にも内部通路を有する。一般的に、燃料電池は正方形であり、燃料ガスは、電池を横切る空気流の方向に対して垂直な方向に流れる。

相互接続部のいずれの側にも５つまでのガスケットシールが必要とされ、すなわち、各マニホルドに対して１つ、及び燃料電池の電極表面を取り囲むために１つである。シールは、それらが適度なガスシールをもたらし、同時にある程度圧縮性であり、可撓性であり、かつ燃料電池スタック内の熱サイクルに耐えるべきであるという理由で、効率的な燃料電池作動に対して大きな困難を呈している。従来技術の燃料電池の内部マニホルドが必要とする相互接続部とシールのこの組合せは、高コストで複合的なソリューションを要求する多くの困難を生じている。

外部マニホルドが公知であるが、同じく欠点がある。大きな問題は、セルサイズの固有の変動性のためにスタックの側面上の密封表面が不規則なことである。この不規則な表面は、それに対して密封することが困難であり、作製されるどのシールも、熱膨張の不一致のためにいずれの熱サイクル中にも損なわれることが多い。
多くの外部マニホルド設計の大きな欠点は、それらが、スタックを密封するためにＸ、Ｙ、及びＺ軸の３つ全てに沿った圧縮、すなわち、流れセパレータに対して及び電極接点に対してセルを密封するための垂直Ｚ軸方向の圧縮荷重、並びにスタックに対してマニホルドを密封するためのＸ及びＹ軸方向の圧縮を必要とすることである。Ｘ−Ｙ圧縮技術は、バンドクランプと熱膨張が少ないボルトとを含むが、これらの技術は、時間と共に材料クリープを受け、スタックに対するマニホルドの緊密な保持に最終的に失敗する場合がある。
従って、従来技術の困難を緩和することができる外部マニホルドを備えた燃料電池スタックに対する必要性が当業技術に存在する。

米国特許出願第０９／９３１，４７５号

本発明は、外部的に多岐管連結した燃料電池スタックに関し、各マニホルドは、水平スタック構成要素の延長部で形成した垂直コラムと、別々の垂直マニホルドプレートとの組合せによって封入される。
１つの態様では、本発明は、複数の反復する水平燃料電池ユニットと、外部垂直燃料吸入マニホルド、燃料排出マニホルド、酸化剤吸入マニホルド、及び酸化剤排出マニホルドとを含む燃料電池スタックを含むことができ、各燃料電池ユニットは、（ａ）カソードと電解質とアノードとを含む燃料電池要素、（ｂ）多孔性カソード接点要素と、燃料電池要素を超えて延びるマニホルド延長部を有する対向する密封ストリップとを含むカソード流動フィールド層、（ｃ）多孔性アノード接点要素と、燃料電池要素を超えて延びてカソードマニホルド延長部と垂直に整列したマニホルド延長部を有し、カソード密封ストリップと実質的に直交する対向する密封ストリップとを含むアノード流動フィールド層、及び（ｄ）各々がアノードマニホルド延長部及びカソードマニホルド延長部と垂直に整列した４つのマニホルド延長部を含む障壁プレートを含み、各燃料電池ユニットのカソードマニホルド延長部、アノードマニホルド延長部、及び障壁プレートマニホルド延長部は、垂直に積み重なってマニホルドの垂直側壁を形成するコラムを形成し、かつ２つの隣接するコラムに当接することによってマニホルドの各々を封入するマニホルドプレートを更に構成する。

一実施形態では、各マニホルドプレートは、平面的であり、スタックの外部的に流体密封的にボルト留めされるか又は他の方法で固定される。代替的な実施形態では、アノードマニホルド延長部、カソードマニホルド延長部、及び障壁プレートマニホルド延長部は、実質的に垂直かつ対向する溝を形成し、各マニホルドプレートは、対向する溝に流体密封的に嵌合する垂直縁部を含む。作動時に、各マニホルドは、マニホルドプレートが外側に押されてマニホルドプレートを溝内に密封するように加圧される。

別の態様では、本発明は、（ａ）密封材料の各層がアノード又はカソード密封ストリップの延長部である密封材料の垂直コラムと障壁プレート延長部とを各コーナに沿って形成する段階、及び（ｂ）２つの隣接コラムとスタックの間の空間をマニホルドプレートで封入する段階を含む、４つのコーナを有する固体酸化物燃料電池スタック上に外部マニホルドを形成する方法を含むことができる。マニホルドプレートは、好ましくは平面的である。一実施形態では、本方法は、各マニホルドプレートをスタックにボルト留めするか又は他の方法で固定する段階を含むことができる。代替的な実施形態では、隣接するコラムの各対は、対向する垂直溝を形成し、本方法は、マニホルドプレートを溝に挿入する段階を含む。

別の態様では、本発明は、密封ストリップと平面障壁プレートとによって形成された流動フィールドを含む複数の垂直方向に反復する燃料電池ユニットと垂直外部マニホルドとを含む平面的固体酸化物燃料電池スタックを含むことができ、各マニホルドは、（ａ）各々が密封ストリップ延長部及び障壁プレート延長部の交互の層で形成された２つの垂直コラム、及び（ｂ）２つの垂直コラム間に延びる垂直方向に平面的なマニホルドプレートの組合せによって封入される。好ましくは、マニホルドプレートは、正方形又は矩形であり、各コラムは、マニホルドプレートの垂直縁部を受け入れるための実質的に垂直な溝を形成する。
ここで、添付の単純化した概略的な縮尺通りでない図面を参照して、本発明を以下に例示的な実施形態によって説明する。

本発明は、外部マニホルドを備えた平面燃料電池スタックを提供する。本発明を説明する場合、本明細書に定義されていない全ての用語は、それらの一般的な当業技術で認識された意味を有する。本明細書で使用される場合、「垂直の」又は「垂直に」は、燃料電池スタックの平面的要素と直交する方向を指すものとする。従って、「水平な」又は「水平に」は、平面的要素と平行な方向を指すものとする。

外部的に多岐管連結した燃料電池スタックは、内部的に多岐管連結したスタックから区別される。内部マニホルド燃料電池スタック設計は、積み重ねた時にユニットセルへの反応ガスの分配とユニットセルからの収集とを可能にする垂直プレナムを形成する相互接続部を通る孔又は個別の開口部を組み込んでいる。内部マニホルドは、基本的に、スタックを形成する垂直に積み重ねた要素によって全体的に封入される。外部マニホルド燃料電池スタックには、典型的に、垂直方向のガス分配又は収集のために相互接続部に内蔵された機能がない。外部マニホルドは、典型的に、ユニットセルのスタックが組み立てられた状態でスタックに取り付けられ、ユニットセルに対して反応ガスを送出及び収集する手段を提供する。

本発明は、外部的に多岐管連結された燃料電池スタックに関し、各マニホルドは、水平スタック構成要素及び別々の垂直マニホルドプレートの延長部から形成された垂直コラムの組合せによって封入されている。マニホルドプレートは、垂直コラムと協働するか又はそれとインタフェース接続して気密シールを提供する。
図１に見るように、本発明の燃料電池スタック（１０）は、平面燃料電池（１２）、相互接続部（１４）、及び密封ストリップ（１６）を含む反復する一連の燃料電池ユニットを含む。相互接続部と密封ストリップは、スタック（１０）の各コーナに位置決めされた垂直コラム（２０）を形成するように積み重なる水平延長部（１８）を含む。従って、本発明のスタックは、好ましくは、四辺形の水平フットプリントを有し、より好ましくは、正方形のフットプリントを有する。スタック自体は、必ずしも必要ではないが、好ましくは実質的に平面の４つの垂直面を含む。マニホルドは、各スタック面を取り囲み、スタックに対してガスを供給及び除去する。

各燃料電池（１２）は、アノード側とカソード側を含む。アノード接触層（２２）は、アノードと直接接触し、アノード流動フィールドをその間に形成する対向する密封ストリップ（１６Ａ）の間に位置決めされる。燃料吸入マニホルド（２４）に入る燃料ガスは、多孔性アノード接触層を通って対向する密封ストリップの間を流れ、反対側のスタック面上の燃料排出マニホルド（２６）に出る。同様に、カソード接触層（２８）は、カソードと直接接触し、カソード流動フィールドを形成する対向する密封ストリップ（１６Ｂ）の間に位置決めされる。カソード密封ストリップ（１６Ｂ）は、燃料電池（１２）が正方形又は矩形の場合には、アノード密封ストリップ（１６Ａ）に対して直角に位置決めされる。酸化剤吸入マニホルド（２９）からの空気又は酸素は、カソード密封ストリップ（１６Ｂ）間の多孔性カソード接触層（２８）を通過し、酸化剤排出マニホルド（３２）内に通される。

相互接続部（１４）の各コーナと各密封ストリップの各端部は、燃料電池（１２）及び流動フィールドを超えて延びる延長部（１８）で終端する。延長部（１８）は、各々の上に積み重なって連続した垂直コラム（２０）を形成する。すなわち、スタックの各コーナは、コラムのいずれの側にもマニホルドの１つの壁を形成する垂直コラム（２０）を含む。
各垂直コラム（２０）は、圧縮ボルト（図示せず）が通過することができる中央開口部を形成することができる。圧縮ボルトは、垂直方向にスタックを圧縮する手段の一部を形成することができる。

密封ストリップ（１６）は、好ましくは、可撓性かつ圧縮性である。適切な密封ストリップは、マイカ又はセラミック材料を含むことができる。好ましい密封材料は、金属、ガラス、又はセラミックとすることができる小さな粒子で含浸したセラミックフェルト又は紙を含むことができる。好ましい圧縮性シール材料は、本明細書においてその内容が引用により組み込まれている２００１年８月１７日出願の本出願人による現在特許出願中の「高温ガスシール」という名称の米国特許出願第０９／９３１，４７５号に説明されている。流動フィールド内にガスを保持する以外に、シールは、スタックを電気絶縁し、隣接する燃料電池ユニット間にスリップ層を提供し、熱膨張のあらゆる差異を吸収する働きをする。

相互接続部（１４）は、電流コレクタとして作用するように導電性の単純な平面障壁プレートを含むことができる。代替的に、場合によってはアノード又はカソードと面する相互接続部の区域は、波形にするか、皺を付けるか、又はその他の方法できめを付け、アノード又はカソード接触層との電気接触を維持するガス流を促進するか又はそれを誘導することができる。
アノード及びカソード接触層の各々は、多孔性かつ導電性である。適切な接触層材料は、当業技術で公知であり、多孔性セラミック材料、ニッケル発泡体のような金属発泡体、又は展伸金属を含むことができる。

各マニホルドは、次に、図２に示すように垂直マニホルドプレート（３０）で封入することができる。マニホルドプレートは、好ましくは平面的であり、スタックの上端及び下端で上部又は下部圧縮プレート（４０、５０）にボルト留めすることができる。シール材料は、マニホルドプレートとコラムの間のインタフェースに置くことができる。
上部及び下部圧縮プレートに対するマニホルドプレート（３０）の取付は、特に適切な密封材料が設けられる場合には、マニホルドプレートの縁部に沿って気密シールをもたらすのに十分であろう。しかし、代替的な実施形態では、スタックに対してマニホルドプレートを押し付けるのに外側のガス圧を使用することができる。スタックは、実質的に気密筐体であるホットボックス（図示せず）内に収納することができる。ホットボックスは、スタックを取り囲むホットボックス内のガス圧がスタック内のマニホルド圧よりも高くなるように加圧することができる。圧力差は、約５ｐｓｉとすることができる。その結果、マニホルドプレート（３０）は、圧力差によってスタック（１０）に対して押し付けられることになる。次に、取り付けボルトを使用して、いかなる実質的な圧縮力も加えるのではなく、主としてスタックに対してマニホルドプレートを位置づけることができる。

図３、４、及び５に示す代替的な実施形態では、垂直溝を各コーナコラム（２０）に形成し、マニホルドプレートを各溝に嵌め込むことができる。上部及び底部圧縮プレートにおける水平溝（図示せず）は、マニホルドプレートの上縁及び下縁を保持する。この実施形態では、マニホルドガス圧は、マニホルドプレート（３０）の密封を助け、スタックにマニホルドプレートをボルト留めするか又は他の方法で固定する必要性を排除又は低減する。好ましい実施形態では、マニホルドプレート（１６）は、プレートの各縁部を保持する溝内に浮いている。僅かな圧力差でも各垂直及び水平溝の外側ショルダー部に対してマニホルドプレート（１６）を密封することになり、それによってマニホルドを流体密封的に封入する。本明細書で使用される場合、用語「浮く」は、マニホルドプレートが、いかなる機械的及び粘着的手段によっても溝のどれにも取り付けられていないことを意味する。

一実施形態では、マニホルドプレートと各溝の間の流体密封接触の維持を助けるために、各溝内又はマニホルドプレートの外縁に沿って薄いシール又は成層要素（図示せず）を配置することができる。
当業者には明らかなように、本明細書に特許請求した本発明の範囲から逸脱することなく、以上の具体的な開示の様々な修正、適応、及び変更を行うことができる。上述の発明の様々な特徴及び要素は、本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書に説明又は特許請求した組合せとは異なる方法で組み合わせることができる。

本発明の１つの燃料電池ユニットの分解組立図である。 上部及び下部圧縮プレートにボルト留めしたマニホルドプレートを示す本発明の一実施形態の斜視図である。 図２に示す実施形態の一部切り欠きバージョンを示す図である。 マニホルド延長部の溝に嵌合したマニホルドプレートを示す代替的な実施形態の斜視図である。 図３に示す実施形態の１つのマニホルドの断面図である。 図３に示す燃料電池スタックの実施形態の分解組立図である。

符号の説明

１２ 平面燃料電池
１４ 相互接続部
１８ 水平延長部
２０ 垂直コラム

Claims (15)

1. 複数の反復する水平燃料電池ユニットと、
   外部垂直燃料吸入マニホルド、燃料排出マニホルド、酸化剤吸入マニホルド、及び酸化剤排出マニホルドと、
   を含み、
   各燃料電池ユニットは、
   （ａ）カソードと電解質とアノードとを含む燃料電池要素、
   （ｂ）多孔性カソード接触層と、前記燃料電池要素を超えて延びるマニホルド延長部を有する対向するカソード密封ストリップとにより形成されるカソード流動フィールドを含むカソード流動フィールド層、
   （ｃ）多孔性アノード接触層と、前記燃料電池要素を超えて延びるマニホルド延長部を有する対向するアノード密封ストリップとにより形成されるアノード流動フィールドを含むアノード流動フィールド層であって、前記アノード密封ストリップは前記カソード密封ストリップと直交し、前記アノードマニホルド延長部は前記カソードマニホルド延長部と垂直に整列した、アノード流動フィールド層、及び
   （ｄ）各々が前記アノードマニホルド延長部及び前記カソードマニホルド延長部と垂直に整列した４つの相互接続部マニホルド延長部を含む相互接続部、
   を含み、
   各燃料電池ユニットの前記カソードマニホルド延長部、アノードマニホルド延長部、及び相互接続部マニホルド延長部は、垂直に積み重なって前記カソードマニホルド、アノードマニホルド、及び相互接続部マニホルドの壁を形成する垂直コラムを形成しており、かつ２つの隣接するコラムに当接することによって該カソードマニホルド、アノードマニホルド、及び相互接続部マニホルドの各々を封入するマニホルドプレートを更に構成する、
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 各マニホルドプレートは、スタックの外部に流体密封的にボルト留めされるか又は固定されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記マニホルドプレートは、四辺形で平面的であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
4. 前記アノードマニホルド延長部、カソードマニホルド延長部、及び相互接続部マニホルド延長部は、垂直かつ対向する溝を確定しており、更に
   各マニホルドプレートは、対向する溝に流体密封的に嵌合する垂直縁部を含む、
   ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタック。
5. 上部圧縮プレート及び下部圧縮プレートを更に含み、
   前記上部圧縮プレートは、前記マニホルドプレートの上縁部を受け入れるための溝を形成し、前記下部圧縮プレートは、該マニホルドプレートの下縁を受け入れるための溝を形成する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池スタック。
6. 前記マニホルドプレートは、ガス圧によって該マニホルドプレートの前記４つの縁部の各々の前記４つの溝の各々の中に浮かび、かつ前記４つの溝の各々によって保持されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池スタック。
7. 各コラムは、圧縮ボルトを受け入れることができる垂直開口部を画定していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
8. 前記マニホルドプレートは、少なくとも部分的に外部ガス圧によってスタックに対して保持されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック。
9. ４つのコーナを有する固体酸化物燃料電池スタック上に外部マニホルドを形成する方法であって、
   （ａ）密封材料の層と相互接続部延長部とを積み重ねて、前記コーナに沿って垂直コラムを形成する段階であって、密封材料の各層がアノード又はカソード密封ストリップの延長部である、段階、及び
   （ｂ）２つの隣接コラムとスタックの間の空間をマニホルドプレートで封入する段階、 を含むことを特徴とする方法。
10. 前記スタックは、下部及び上部圧縮プレートを含み、
    前記下部及び上部圧縮プレートに各マニホルドプレートをボルト留め又は固定し、少なくとも２つのコラムに当接させる段階、
    を更に含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 各コラムは、２つの隣接コラムが対向する溝を形成するように２つの垂直溝を形成し、 前記外部マニホルドを封入するためにマニホルドプレートを対向する溝に挿入する段階、
    を更に含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 前記スタックは、上部圧縮プレート及び下部圧縮プレートを含み、
    前記上部圧縮プレートは、前記マニホルドプレートの上縁を受け入れるための溝を形成し、前記下部圧縮プレートは、該マニホルドプレートの下縁を受け入れるための溝を形成する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
13. 前記スタックを取り囲む筐体を加圧して、該スタックに対して前記マニホルドプレートを圧迫する段階を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
14. 密封ストリップと平面相互接続部とによって形成された流動フィールドを有する内部マニホルドを含む複数の垂直方向に反復する燃料電池ユニットと、
    前記燃料電池ユニットに取り付けられる垂直外部マニホルドと、
    を含み、
    前記内部マニホルドの各々が、
    （ａ）各々が密封ストリップ延長部及び相互接続部延長部の交互の層で形成された２つの垂直コラム、及び
    （ｂ）前記２つのコラム間に垂直方向に延びる平面的なマニホルドプレート、
    の組合せによって封入されている、
    ことを特徴とする平面固体酸化物燃料電池スタック。
15. 各マニホルドプレートは、実質的に正方形又は矩形であり、各コラムは、該マニホルドプレートの垂直縁部を受け入れるための垂直な溝を形成することを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池スタック。

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