JP5922267B2 - 筒型のｓｏｆｃアセンブリ及びこれを使用する燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池（Fuel Cell）に関し、特に、筒型の固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, ＳＯＦＣ）アセンブリ及び前記アセンブリを使用した装置に関する。

燃料電池は、電気化学反応によって、燃料の位置エネルギーを電気に変換する電気装置である。一般的には、燃料電池ユニットは、一対の極（アノード極、カソード極）と、極を分離する電解質とによって構成される。電解質は、特定の種類のイオンのみを通過させる。電解質に配置されたイオンの選択的通路によって、２つの電極の間にポテンシャルが発生する。このポテンシャルによって、有意義な作動を行うことが可能となる。直接変換処理によって、エンジン駆動式の内部燃焼型発電機など、従来の発電装置においては必要な機械的手順を排除し、発電効率を向上させる。さらに、高い効率と電気化学工程の向上によって、エネルギー効率が良く、資源を保持し、環境に良い電気が供給される。

一般的な固体酸化物型燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という。）は、電子を生成するアノード層と、電子を消費するカソード層と、イオンを導電するが電子の通過を防止する電解質と、によって構成される。作動時において、水素、炭化水素、アルコール、一酸化炭素、またはこれらの混合物等の燃料は、アノード層の内部で酸素アニオンと結合し、水及び／または二酸化炭素及び電子を生成する。アノード層の内部で生成された電子は、外部荷重を移動してカソード層に戻り、一般的には空気の流れよって供給される酸素と電子とが結合し、選択的に電解質層を通じてアノード層に移動する酸素アニオンを生成する。

ＳＯＦＣの形状は、一般的にモノリシック型、筒型、平板型の３種類に分類され、モノリシック型ＳＯＦＣは薄いセラミック素材を溶解してモノリシック台によって構成される蜂の巣形状のＳＯＦＣであり、筒型ＳＯＦＣはその名の通り、一般的にはシリンダー形状であり、平板型ＳＯＦＣは平面の平板形状である。ＳＯＦＣは、例えば摂氏８５０℃から１０００℃など、比較的高温で作動する。これらの比較的に高温における作動の結果として、平板型ＳＯＦＣはクラック及び熱サイクルによる封止の問題が発生する事がある。上述の点においては、筒型ＳＯＦＣは一般的に性能が良いが、作動時において、電気接続面との分離が起こり、結果としてオーム損などの集電に関する作動的な問題が起こる事がある。細かい要素、複数層及びインターコネクトによって構成されるモノリシック型ＳＯＦＣは、安定性が懸念材料となる。

特開２００８−１６６２０４号公報

筒型ＳＯＦＣアセンブリ及び筒型ＳＯＦＣアセンブリを使用する燃料電池装置の場合、オン−オフサイクルが引き起こす熱ストレスにより、作動時において発生する、関連する電極から引き離されたり分離されたりする集電装置の要素の傾向によって、オーム損を引き起こすことがある。金属または金属を含有する集電装置要素と比較すると、筒型ＳＯＦＣアセンブリのセラミック電極要素は熱膨張の差異の影響を受けるため、電気的に接続する面積の減少が発生する。電極の熱膨張と集電装置の熱膨張との差異によって引き起こされる機械力は、それぞれは小さくても、時間の経過と共に蓄積効果を及ぼし、集電装置とセラミック電極との間を電気的に接続した面積の減少と、オーム損による電力低下とを及ぼす。

従って、作動時において、アセンブリの集電装置要素が関連する電極から離れたり分離したりする傾向に対抗する筒型ＳＯＦＣアセンブリが必要となる。

本発明によると、筒型のＳＯＦＣアセンブリは：
（ａ）少なくとも１つの外部集電装置（external current collector）を共有しており、それぞれ；
ｉ）第１端部と、第２端部と、第１端部及び第２端部の間に配置される中間部と；
ｉｉ）内部の電極層と、外部の電極層と、内部の電極層及び外部の電極層の間の電解質層と；を有する、
軸方向に延伸した少なくとも２本の筒型のＳＯＦＣユニットと、
ｂ）少なくとも２つの燃料電池ユニットの電極層に電気的に接続する共有集電装置であって、前記共有集電装置の熱膨張係数は燃料電池ユニットの熱膨張係数よりも大きく、前記集電装置と電気的に接続する各電極層とは、ほぼ適合する電気接続面を有する、外部に配置された少なくとも１つの共有集電装置と、
ｃ）少なくとも２つの燃料電池ユニットのうちの少なくとも１セクションと共有集電装置の一部とを密着して保持する少なくとも１つのリテーナーであって、前記リテーナーの熱膨張係数は前記集電装置の熱膨張係数よりも低いまたは同等であり、熱によってリテーナーの内側で膨張した前記集電装置の一部は、各燃料電池ユニットの電極表面に対して電気的に接続して圧縮力を掛けるリテーナーを有する。

本発明の筒型ＳＯＦＣアセンブリを使用した燃料電池装置は、作動時において、集電装置と電気的に接続した状態にある燃料電池ユニットの熱膨張係数よりも高い熱膨張係数を有する集電装置の熱膨張によって、燃料電池ユニットの電極層の電気接続面に対して圧縮力が掛けることができる。圧縮力の発生によって、作動中にオン−オフのサイクルが複数回行われても、集積装置と関連する電極との電気接続面の面積は一定の状態に保たれるため、本発明の筒型ＳＯＦＣアセンブリを使用する燃料電池装置は、オーム損を減少又は緩和する。

以下の図面において、同じ番号は同じ要素を示している。
本発明による筒型ＳＯＦＣユニットの一実施例の斜視図であり、両端部には電極の表面が露出された状態で図示されている。 図１Ａの筒型ＳＯＦＣ装置の端部の拡大図である。 本発明による筒型ＳＯＦＣユニットの他の実施例の斜視図であり、両端部の断面の形状が中間部の断面の形状とは異なっている。 図１Ｃの筒型ＳＯＦＣユニットの端部の拡大図であり、燃料電池ユニットを端部から見た場合において、凹凸が形成された端部から円形が形成された中間部に変形する断面が図示されている。 図１Ａに図示された隣接する一対の筒型ＳＯＦＣユニットの概要図であり、それぞれ、環状の集電装置と燃料電池ユニットの端部とが電気的に接続して一対となっている。そして、長さが燃料電池ユニットの長さとほぼ同じであり、開口部を有する筒型の集電装置と、燃料電池ユニットとが一対となっている。 図１Ａに図示された隣接する一対の筒型ＳＯＦＣユニットの概要図であり、それぞれ、環状の集電装置と燃料電池ユニットの端部とが電気的に接続して一対となっている。そして、長さが燃料電池ユニットの長さとほぼ同じであり、開口部を有する筒型の集電装置と、燃料電池ユニットとが一対となっている。 図２Ａに図示された一対の筒型ＳＯＦＣユニットの端部の拡大図である。一対の燃料電池ユニットに配置されている内部アノードと外部カソードとが共有集電装置によって電気的に接続されており、燃料電池ユニットを直列で電気接続する。 図２Ａ及び２Ｃに図示された一対の筒型ＳＯＦＣユニットが直列で電気接続された、本発明における筒型ＳＯＦＣユニットアセンブリの長さ方向断面の一部を拡大した図である。各燃料電池ユニットの端部、共有集電装置及びリテーナーが密接して配置されている状態を示している。 図２Ｄの筒型ＳＯＦＣアセンブリの斜視図であり、燃料電池ユニットと、共有集電装置と、リテーナーを保持する内部構造とを詳しくした図である。２つのリテーナーのうちの一方がアセンブリから離れた状態であり、外枠が薄い線で描かれている。 図２Ｅに図示されているリテーナーの長さ方向断面図である。 図２Ａに図示された、一対の筒型ＳＯＦＣユニットの端部の拡大図である。それぞれ隣接する内部アノードは、一端に配置されている共有集電装置によって電気的に接続され、隣接する外部カソードは他端に配置されている共有集電装置によって電気的に接続されることにより、燃料電池ユニットが並列接続される。 図２Ａに図示された、一対の筒型ＳＯＦＣユニットの端部の拡大図である。それぞれ隣接する内部アノードは、一端に配置されている共有集電装置によって電気的に接続され、隣接する外部カソードは他端に配置されている共有集電装置によって電気的に接続されることにより、燃料電池ユニットが並列接続される。 図２Ａに図示された一対の筒型ＳＯＦＣユニットアセンブリが並列接続された状態における、長さ方向断面の拡大図である。燃料電池ユニット、共有集電装置及びリテーナーの端部がそれぞれ密着して配置されている状態を図示している。 本発明における筒型ＳＯＦＣアセンブリの他例の一部を拡大した図である。燃料電池及び共有集電装置と、リテーナーを保持する内部構造とを詳しく図示するために、２つのリテーナーのうちの１つがアセンブリから離れた状態で図示されており、外枠が薄い線で描かれている。 図３Ａに図示されたリテーナーの長さ方向断面図である。 図３Ａに図示されている筒型ＳＯＦＣアセンブリの長さ方向断面の一部を拡大した図であり、燃料電池ユニットが交互に電気接続されている。 本発明における筒型ＳＯＦＣの他例の斜視図であり、リテーナー要素の配置例について図示している。 本発明における筒型ＳＯＦＣの他例の斜視図であり、リテーナー要素の配置例について図示している。 本発明における筒型ＳＯＦＣの他例の斜視図であり、リテーナー要素の配置例について図示している。 本発明における燃料電池ユニットを別の配置方法で配置した場合の斜視図である。 図５Ａに図示された配置方法によって使用される燃料電池ユニットにおける共有集電装置の一部の斜視図である。集電装置は図７Ｇの拡大断面図に図示されている、曲線状の平行四辺形の形状を有している。 図５Ａに図示された配置方法によって使用される燃料電池ユニットの長さ方向断面の拡大図である。 本発明における筒型ＳＯＦＣアセンブリの他例の拡大斜視図である。カソード空気伝送管が燃料電池ユニットの軸方向に沿って配置されている。 図６Ａに図示された本発明における筒型ＳＯＦＣアセンブリの平面図及び長さ方向断面の一部の拡大図をそれぞれ示している。各集電装置に環状の空間内にカソード空気伝送管の一部が配置されている状態を示している。 図６Ａに図示された本発明における筒型ＳＯＦＣアセンブリの平面図及び長さ方向断面の一部の拡大図をそれぞれ示している。各集電装置に環状の空間内にカソード空気伝送管の一部が配置されている状態を示している。 本発明における燃料電池ユニット及びその集電装置の実施例である。 本発明における燃料電池ユニット及びその集電装置の実施例である。 本発明における燃料電池ユニット及びその集電装置の実施例である。 本発明における燃料電池ユニット及びその集電装置の実施例である。 本発明における燃料電池ユニット及びその集電装置の実施例である。 本発明における燃料電池ユニット及びその集電装置の実施例である。 本発明における燃料電池ユニット及びその集電装置の実施例である。 本発明における燃料電池ユニット及びその集電装置の実施例である。 本発明における燃料電池ユニット及びその集電装置の実施例である。 本発明における筒型ＳＯＦＣアセンブリを使用する燃料電池装置の斜視図及び上面図（断面図）をそれぞれ図示している。アセンブリの内部を通過する空気が燃料電池ユニットの長軸方向に流れる状態を図示している。 本発明における筒型ＳＯＦＣアセンブリを使用する燃料電池装置の斜視図及び上面図（断面図）をそれぞれ図示している。アセンブリの内部を通過する空気が燃料電池ユニットの長軸方向に流れる状態を図示している。 本発明によるカソード空気伝送管を有する筒型ＳＯＦＣアセンブリを使用する燃料電池装置の上面図（断面図）である。カソード空気伝送管によってアセンブリの内部に空気が供給され、空気は燃料電池ユニットの長軸方向に流れる状態を図示している。 それぞれ常温時（摂氏２０°Ｃ）及び通常の作動温度（摂氏６００〜８５０°Ｃ）における、公知の筒型ＳＯＦＣアセンブリの断面図（公知技術）である。 それぞれ常温時（摂氏２０°Ｃ）及び通常の作動温度（摂氏６００〜８５０°Ｃ）における、公知の筒型ＳＯＦＣアセンブリの断面図（公知技術）である。 図１０Ｂに図示された筒型ＳＯＦＣアセンブリの燃料電池ユニットの拡大図である。金属製の集電装置と関連するセラミック製の燃料電池ユニットとの熱膨張係数のミスマッチによって、電気接続面の一部が分離している状態（公知技術）を示している。 常温時（摂氏２０°Ｃ）における、他の種類の筒型ＳＯＦＣアセンブリの当初の状態の断面図（公知技術）である。 作動温度（摂氏６００〜８５０°Ｃ）における図１１Ａに図示された筒型ＳＯＦＣアセンブリの拡大図である。金属製の集電装置と関連するセラミック製の燃料電池ユニットとの熱膨張係数のミスマッチによって、電気接続面の一部が分離している状態（公知技術）を示している。

本発明は、説明されている特定の手順、素材及び変形例に限定されるものではなく、これらは様々であってよい。
本発明は特定の方法、材料及び記載された変形例に限られず、これらは変形可能である。さらに、使用される用語は特定の実施例を説明するためにのみ使用され、添付の請求の範囲によってのみ限定される発明の内容を限定するものではない。

明細書及び請求の範囲において、下記の用語及び表現は、以下説明されるとおりに理解される。

“a”、“an”及び“the”などの単数形を意味する冠詞が付された用語は、複数形も含まれる。

記述される全ての方法は、文脈上説明されている場合を除き、別途適切な順番で行われてよい。任意及び全ての例、または例えば“〜等”などの例を挙げる用語は、発明の実施形態を詳しくするものであり、特に説明されていない限り、発明の内容を限定するものではない。明細書に記述されている用語は発明を実施するために重要な要素となるため、請求の範囲に記述されていない要素であるとは一切解釈されるべきでない。

本明細書における“comprising”、”including”、”containing”、”characterized by”（〜を含む）並びに同様の意味を持つ用語は、記載されていない追加ステップを排除するものではなく、“consisting of”及び“consisting essentially of”（〜等から成る）等、要素を限定する用語の意味も含むと理解される。

用語「共有集電装置」とは、集電装置の電気接続面が、少なくとも２つの燃料電池ユニットの電極層の電気接続面に電気的に接続する集電装置をいう。

実施例または記述されている場合を除き、全ての数字は、数量、反応時の状態、経過時間、材料の数量などを示しており、明細書及び請求の範囲に示されている数字は、全ての状況において、“about”（約）に置き換えても良い。

用語「セラミック」には、公知の意味に加えて、ガラス、ガラス製のセラミック及びサーメットが含まれる。

本発明に記載されている数字の範囲は、その数字の範囲内における部分範囲、並びに範囲及び部分範囲の様々な端点も含まれる。

さらに、本明細書及び／または請求の範囲に明確に開示され、または明確に開示されていなくても、構造的、構成的、及び／または機能的に関連するグループに属するとされる合成物、材料及び物質には、当該グループのそれぞれの代表的な合成物、材料及び物質及びその組み合わせが含まれる。

全ての先行特許、係属中の特許及び公開された文献は、参照文献として用いられる。

同じ符号は同じ箇所を指している図を参照すると、図１Ａ及び図１Ｂにおける筒状の燃料電池ユニット１００は、本発明における筒型ＳＯＦＣアセンブリを構築する際に使用される筒状の燃料電池の複数の実施例のうちの１つである。燃料電池ユニットは、実質的に同一である第１端部１０１及び第２端部１０２と、中間部１０３と、燃料電池ユニットの長さ方向に伸びる凸状表面１０４と、凹状表面１０５と、を有する。燃料電池ユニット１００の端部１０１及び１０２の一部は、アノード層１０６、カソード層１０７及び中間の電解質層１０８の構成を示すために、一部を露出して図示している。内部のアノード層１０６と接続するボア１０９によって、燃料電池ユニット１００の長さ方向に燃料が供給される。燃料電池ユニット１００の断面は一般的に左右対称であるが、例えば図７Ｉに示す実施例のように、凸状表面の一方側が反対側より大きくてもよい。

図１Ｂに示す通り、燃料電池ユニット１００には内部アノード層１０６に露出した状態で電気的に接続される表面１１０が形成される。これにより、図２Ｃ及び図２Ｄに示される通り、関連する集電装置の表面との電気的接続が可能となる。内部アノード層１０６が露出した状態で電気的に接続される表面１１０は、例えば第一端部１０１、第二端部１０２、及び／または中間部１０３のみ等、燃料電池ユニット１００の凹状表面１０５の長さ方向の一部のみに伸びてもよく、また、例えば第一端部１０１の端部から第二端部１０２の端部にまで等、長さ方向全体的に伸びてもよい。

図１Ｃの筒状燃料電池ユニットの実施例に記載されている通り、燃料電池ユニット１２０は、図１Ａの燃料電池ユニット１００に図示されている第１端部１０１及び第２端部１０２と同様の形状を有する第１端部１２１及び第２端部１２２と、中間部１２３に形成された環状の断面図１２４と、を有する。従って、断面の形状が長さ方向全体において一定である燃料電池ユニット１００とは対照的に、燃料電池ユニット１２０の断面の形状は一定ではなく、例えば同一形状の第１端部１２１から第２端部１２２（図示しない）に伸びる長さ方向の中間部１２３において、断面が環状の断面１２４に変形する。

燃料電池ユニット１００、１２０及びこれらの変形例は、例えば米国特許第6,228,521号、第6,436,565号、第7,498,095号等に開示されている従来技術による、アノード層形成組成物、電解質層形成組成物、カソード層形成組成物などによって形成される。さらに、図５Ｃの実施例に開示される筒状のＳＯＦＣアセンブリの実施例のように、例えば任意の導電層を１層以上追加してもよく、及び／または米国特許第5,993,989号に開示されている通り、カソード層と電解質層との間に任意の混合層を配置し、分極を防いでもよい。燃料電池ユニットは、例えば米国特許公開第2009/0023050号の様に、内部改質型でもよい。

筒状の燃料電池ユニット１００、１２０は、押出加工、成形加工、ゲルキャスト、焼流し加工、ディップコーティング等、従来技術の成形技術を用いて成形される。図１Ａの燃料電池ユニット１００及び断面が一定の燃料電池ユニットを成形する場合、２０１１年９月１日に米国特許商標庁に出願された米国特許出願第13/223,349号及び13/223,359号に記載された、筒状のセラミック構造体を形成する方法は、特に有用である。図１Ｄの燃料電池ユニット１２０及び断面が一定ではない燃料電池ユニットを形成する有用な方法としては、米国特許第5,824,250号に開示された、散逸モールドを使用したゲルキャスティング方法、または米国特許第6,547,210に開示されている、犠牲インサートを使用したセラミック成形方法が挙げられる。

燃料電池ユニット１００、１２０は、内部アノード（燃料電極）支持型及び外部カソード（空気極）型である。但し、本発明の筒型ＳＯＦＣアセンブリの構築においては、内部カソード層と外部アノード層とを有する筒状燃料電池ユニット、並びにカソード支持型または電解質支持型の筒状燃料電池ユニットの使用も適用される。

図２Ａに示す通り、図１Ａの燃料電池ユニット１００が隣接して配置されている一組の燃料電池ユニット２００は、それぞれの燃料電池ユニットの端部１０１、１０２に配置される、環状の共有集電装置２０１を有する。各集電装置の凸状の電気接続面２０２は、各燃料電池ユニットの端部１０１、１０２に配置されている、露出された電極の凹状の電気接続面２０３と電気的に接続する。

図２Ｂに図示されている一組の燃料電池ユニット２１０の構成は、下記点を除いて図２Ａの一組の燃料電池ユニット２００に似ている。燃料電池ユニットの端部１０１及び１０２に配置されている環状の集電装置２０１には、一組の燃料電池ユニット２１０は、その長さ方向に延伸する１つの共有集電装置２１１を配置している。集電装置２１１には、例えば長さ方向スリット２１２による開口部が形成されているため、両方の燃料電池ユニットの外部カソード層との空気接続が向上する。

以下において詳しく説明される通り、筒型ＳＯＦＣアセンブリの燃料電池ユニットの構成要素においては、様々な電気的接続のアレンジが行える。

図２Ｃ及び図２Ｄに示される通り、図２Ａの一組の燃料電池ユニット２００は直列で電気接続される。環状の共有集電装置２０１における一方の凸状の電気接続面２０２は、内部アノード層１０６に対応する露出した凹状の電気接続面２０３と接続する。環状の共有集電装置２０１における他方の凸状の電気接続面２０２は、外部カソード層１０７に対応する露出した凹状の電気接続面２０３と接続する。

図２Ｄは、図２Ａに図示された一組の燃料電池ユニット２００が接続され、筒型ＳＯＦＣアセンブリ２２０に統合された実施例である。
燃料電池ユニット１００の各端部１０１、１０２にそれぞれ配置されるリテーナー２２１、２２２は、例えば摩擦などによって各端部と環状の共有集電装置２０１とを密着させて保持する。図２Ｅ及び図２Ｆは、図２Ｄの筒型ＳＯＦＣアセンブリ２２０におけるリテーナー２２１の構造を詳細に示している。リテーナー２２１は、各燃料電池ユニット１００の第一端部１０１を保持する通路２２３と、共有集電装置２０１を前述の密接した状態で保持する隣接した凹み部２２４と、を有する。共有されていない集電装置と隣接して配置されて電気的に接続されたスロット２２５は、外部荷重（図示しない）に対して電気的に導電する導電リードとして配置されている。

筒型ＳＯＦＣアセンブリのリテーナー要素は、複数の重要な機能を実行する。まず、燃料電池ユニットの少なくとも一部と共有集電装置の少なくとも一部とを電気的に接続し、密接して保持する。これにより、リテーナー要素は燃料電池ユニット及び共有集電装置をアセンブリの内部に固定し、隣接する燃料電池ユニットの空間位置を保持する。さらに、集電装置要素は関連する部分の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有しており、例えば隣接する燃料電池ユニット及びリテーナー要素は、燃料電池ユニットが有する熱膨張係数よりも低いまたは同等の熱膨張係数を有している。本発明の筒型ＳＯＦＣアセンブリを使用する燃料電池装置の作動中においては、集電装置に熱膨張が発生し、集電装置はリテーナー要素によって押さえつけられている。このため、熱膨張によって発生する圧縮力は燃料電池ユニットに関連する電極要素の電気接続面に対して掛かるため、集電装置が電極の電気接続面から分離され、または引き離される傾向を抑えられる。燃料電池の作動において、オン−オフのサイクルが複数回繰り返されても、圧縮力によって、集電装置と関連する電極要素との間の電気的な接続が維持される。

一般的に、集電装置の熱膨張係数は摂氏８００°Ｃにおいて１．６〜２％の範囲であり、リテーナーは摂氏８００°Ｃにおいて０．６〜０．７２％の範囲であり、燃料電池ユニットは摂氏８００°Ｃにおいて１〜１．２２％の範囲である。

本発明における筒型ＳＯＦＣのリテーナー要素は、リテーナー要素の熱膨張係数が関連する集電装置の熱膨張係数を超えない限りにおいて、例えばアルミニウム、ジルコニウムが硬化されたアルミニウム、ジルコニア、正方晶系イットリアジルコニア等、電気的に中性である公知のセラミック等、実質的に導電性が無い材料から製造されてよい。リテーナー要素は、グリーン（green）強度が高い材料のモールド成形またはモールド成形及び機械成形の後、ダイカットまたはレーザーカットの切り欠きを有するグリーンセラミック（未焼結セラミック）テープの部分の焼結及びラミネートを行う等、複数の公知技術によって成形される。

図２Ｇ、図２Ｈ、図２Ｉは、本発明による筒型ＳＯＦＣアセンブリの他例であり、燃料電池ユニットは並列接続される。図２Ｇにおいて、一組の燃料電池ユニット２３０は、第１端部２３１に配置された共有集電装置２０１によって、図２Ｉに図示される通り、アノードからアノードに電気的に接続し、図２Ｈにおいて、第２端部２３２に配置された共有集電装置２０１によって、図２Ｉに図示される通り、カソード同士が電気的に接続する。

さらに、図２Ｉに示される通り、筒型ＳＯＦＣアセンブリ２４０の端部２４３及び２４４にそれぞれ配置されるリテーナー２４１及び２４２は、図２Ｄの筒型ＳＯＦＣアセンブリ２３０と同様に、端部と共有集電装置とを密接して保持し、それぞれの電気接続面における相対的運動を抑えることにより、オーム損の発生を防ぎ又は抑える。

図３Ａ及び３Ｃに図示されている筒型ＳＯＦＣアセンブリ３００は、燃料電池ユニット１００と共有集電装置２０１とが交互に配置され、それぞれ電気的に接続されている。図３Ｂに示す通り、リテーナー３０１（並びにその対称物であるリテーナー３０２）は、各燃料電池ユニット１００の第一端部１０１を保持する通路３０３と、共有集電装置２０１を保持するための凹み部３０６とを有する。リテーナー３０２の凹み部３０６の内部に配置される、共有されていない集電装置３０７に隣接するスロット３０５は、導電線３０８（図３Ｃ）に電気的に接続し、導電線３０８は外部荷重（図示しない）に対して電気的に導電する。

図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃは、筒型ＳＯＦＣアセンブリの実施例を図示しており、それぞれ、燃料電池ユニットの一方にリテーナーが配置された例（図４Ａの筒型ＳＯＦＣアセンブリ４００）と、燃料電池ユニットの中間部にリテーナーが配置された例（図４Ｂの筒型ＳＯＦＣアセンブリ４１０）と、燃料電池ユニットの両方と中間部とにリテーナーがそれぞれ配置された例（図４Cの筒型ＳＯＦＣアセンブリ４２０）と、を示している。

図５Ａ及び図５Ｃは、本発明における筒型ＳＯＦＣアセンブリ５００の実施例を示している。燃料電池ユニット１００の凸状の表面１０４は隣接する燃料電池ユニット１００の凹状表面１０５に向けて配置されており、その間には共有集電装置５０１が配置されている。図５Ｂに示される通り、集電装置５０１は曲がった平行四辺形の断面によって構成されている。図５Ｃは、外部カソード層１０７と集電装置２０１との間に配置された、任意の導電層５０２が図示されている。

図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃは本発明における筒型ＳＯＦＣアセンブリ６００を図示しており、カソード空気伝送管６０１が集電装置２０１の環状の空間に配置されている。カソード空気伝送管６０１は集電装置２０１及びリテーナー２２１まで延伸しなくても筒型ＳＯＦＣアセンブリ６００は適切に機能する。しかし、一般的には、隣接する燃料電池１００の少なくとも半分の長さにまで延伸し、好ましくは２／３の長さにまで延伸することにより、筒型ＳＯＦＣアセンブリ６００には比較的に涼しい空気が放出される。筒型ＳＯＦＣアセンブリ６００の別例として、カソード空気伝送管６０１は図６Ａから図６Ｃに図示されている、筒型ＳＯＦＣアセンブリの一端側の代わりに、アセンブリの他端側に配置されてもよい。

カソード空気伝送管６０１は、外部から筒型ＳＯＦＣアセンブリ６００に最初に引き入れられた際、アセンブリの内部に常温の空気を通過させ、筒型ＳＯＦＣアセンブリを作動させるための酸素を供給する。空気は、アセンブリを作動させる温度を一定の温度に保つための冷却媒体としての機能を果たす。従って、カソード空気伝送管６０１の内部に空気を通すことにより、例えば図９に図示された燃料電池装置９００の様に、筒型ＳＯＦＣアセンブリ６００を使用した燃料電池装置の排出部の温度制御が可能となる。常温の空気を通過させることにより、集電装置２０１を冷却する効果を有するため、ダメージのリスクが減る。カソード空気伝送管６０１を通して空気を通過させる別の利点としては、現実的または希望するよりも、筒型ＳＯＦＣアセンブリ６００の燃料電池ユニット１００の充填密度を高くすることができる。燃料電池ユニット１００の充填密度を高くすることにより、筒型ＳＯＦＣアセンブリ６００の容量を減らすことが可能となり、アセンブリを使用した燃料電池装置の熱応答時間及び熱効率が向上する。

図７Ａから図７Ｉは、本発明による燃料電池ユニットと共有集電装置との様々な断面図を図示している。

本発明において必要な筒型ＳＯＦＣアセンブリの燃料電池ユニットの数は少なくとも２個であるが、その数はコスト、製造適合性及び／またはその他の現実的な問題を考慮して増やしてもよく、また例えば１組３個、１組４個などのパターンで配置してもよく、または１列、複数列などで配置してもよい。同様に、燃料電池ユニット、集電装置、リテーナーの形状及びサイズは、機能的要素を満たす限りにおいて、自由に定めてよい。

図８Ａ及び８Ｂには、本発明による筒型ＳＯＦＣアセンブリ８９０を有する燃料電池デバイス８００が開示されており、内部構造を詳しく説明するために全体的な要素は図示していない。燃料電池装置８００は、燃料ポート８９５を通じて供給される、例えば気体状の炭化水素、蒸発した液状炭化水素、アルコールなどの気体状の燃料と混合するアノード空気の流れを供給する第１送風システム８１０を有する。燃料と空気との混合物は空気燃料マニフォールド８２０に導入され、筒型ＳＯＦＣアセンブリ８９０の各燃料電池ユニット１００のボア１０９を通じて、内部アノード層１０６に接続する。第２送風システム８３０は、カソード空気の流れをカソード空気のマニフォールド８４０に供給し、カソード空気は放出部８５０から放出され、筒型ＳＯＦＣアセンブリの各燃料電池ユニット１００の外部カソード層１０７に酸素を供給する。カソード空気のマニフォールド８４０に供給される空気は、テールバーナ８６０に放出され熱交換器８７０に流入する燃焼ガスより熱を受け取る。点線はカソード空気のマニフォールド８４０の放出部８５０から放出される熱の流れを示している。一般的に熱は、筒型ＳＯＦＣアセンブリ８９０の長軸方向を横断し、アセンブリを通過してテールバーナ８６０に流入し、テールバーナ８６０にて燃料電池ユニットに残留する排気ガスに含まれる、使われていない燃料の燃焼をサポートし、マニフォールド８８０からテールバーナを通過する。最後に、高温の燃焼した気体は熱交換器８７０に流入し、前述の第２送風システム８３０から供給されたカソード空気を予熱する。形態が類似する送風システム８１０、８３０及びその作動については、２０１１年６月２４日に米国に出願された米国特許出願番号13/168,280に記載されている。外枠が薄く書かれた筒型のＳＯＦＣアセンブリ８９０のリテーナー要素８９１、８９２は、放出マニフォールド８８０及び空気燃料マニフォールド８２０の内部にそれぞれ配置されている。

図９の燃料電池装置９００は、外枠が薄い線で描かれたカソード空気伝送管を含む筒型ＳＯＦＣアセンブリ９５０を有しており、図６Ａから図６Ｃと同様、燃料電池ユニット１００の長軸方向と平行にカソード空気の流れを供給する。燃料電池装置９００はさらに、燃料ポータル８９５を通じて供給されるガス状炭化水素、蒸発した液化炭化水素、アルコールのいずれかを含有する燃料と混合するアノード空気の流れを供給する第１送風システム９１０を有する。混合された燃料及び空気は、空気燃料マニフォールド９２０に供給され、筒型ＳＯＦＣアセンブリ９９０の各燃料電池ユニット１００のボア１０９を通り、内部アノード層１０６に接続する。第２送風システム９３０は、カソード空気のマニフォールド９４０にカソード空気の流れを供給し、筒型ＳＯＦＣアセンブリ９５０の外枠が薄く描かれた各カソード空気伝送管９５１に流れを供給する。図の矢印に書かれている通り、カソード空気がアセンブリの長さ方向に移動することにより、燃料電池ユニット１００の内部で発生する燃料と空気との反応から熱を奪う。加熱された空気は。さらに移動し、放出マニフォールド９８０において、残留酸素によって燃料電池ユニット１００から発生する未消費燃料の燃焼をサポートする。最終的に、燃焼された気体は、排出管９９０を通って燃料電池装置９００から放出される。外枠が薄く描かれたリテーナー要素９９１、９９２は、筒型ＳＯＦＣアセンブリ９５０の両端に配置され、前述通りの機能を果たす。

本発明の筒型ＳＯＦＣアセンブリとは対照的に、従来の筒型ＳＯＦＣアセンブリは、本発明のリテーナーと同様の機能を果たす要素を有していない。本発明の違いとその効果を示すために、図１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃには、米国特許公開第2008/006316号に開示された筒型ＳＯＦＣアセンブリが図示されており、図１１Ａ、１１Ｂには、米国特許第6,379,831号に開示された筒型ＳＯＦＣアセンブリが図示されている。

図１０Ａ及び１０Ｂに図示された筒型ＳＯＦＣアセンブリ１０の断面図によると、アセンブリの各セラミック製の燃料電池ユニット１２によって共有されている１つの金属製の集電装置を含む。例えば常温などの当初の状態を摂氏２０℃とした場合、集電装置１１の電気接続面は、各燃料電池ユニット１２の電気接続面に途絶えなく接続している。しかし、図１０Ｂ及び１０Ｃに図示される通り、筒型ＳＯＦＣアセンブリ１０の通常の作動温度である摂氏６００℃から８５０℃において、集電装置１１と燃料電池ユニット１２との熱膨張係数の差異またはミスマッチは、電気接続面の部分的な分離を引き起こす。この分離は、図１０Ｃの拡大された部分１３の隙間１４において図示されている。

図１０Ｃの矢印は、集電装置１１と燃料電池ユニット１２との熱膨張の一般的な方向を示している。集電装置１１は燃料電池ユニット１２の側面１に対して圧縮力を掛けるものの、集電装置は燃料電池ユニット１２の膨張と比較すると拘束力が低いため、燃料電池ユニット１２から反対側の側面１に向かって離れ、隙間１４を形成する傾向がある。集電装置１１と燃料電池ユニット１２との電気接続面に発生する部分的な分離または隙間１４によって、オーム損及び関連する電力消費が発生し、筒型ＳＯＦＣアセンブリ１０を使用する燃料電池装置としての機能を低下させ、オン−オフサイクルの頻度が増加する。集電装置要素１１には顕著な弾力が無いため、オン−オフサイクルが増えるにつれて、集電装置１１の当初の形状に戻りにくくなり、結果として電気接続面における隙間が大きくなり、関連してオーム／電力損が大きくなる。この問題は、燃料電池ユニット対して公称規格よりも大きい発電出力を持つ燃料電池ユニットを供給することによって解決できるが、この手段は集電装置と燃料電池ユニットとの間の熱のミスマッチによって、好ましくない結果となる場合がある。

図１１Ａの断面図及び図１１Ｂの拡大図に示される筒型ＳＯＦＣアセンブリ２０は、筒型ＳＯＦＣアセンブリの他例であり、作動時の温度（図１１Ｂの矢印）において、金属メッシュ製の集電装置２１と関連するセラミック燃料電池要素２２との間に拘束力が無く、熱膨張によって電気接続面に隙間２４が発生し、オーム損及び電力消費が発生する。

本発明によると、集電装置と関連する燃料電池ユニットとを密接して保持する機能を有する少なくとも１つのリテーナー要素によって、集電装置の膨張を防ぎ、燃料電池ユニットに関連する電気接続面に対する膨張力の方向をリダイレクトすることにより、電気接続面全体に圧縮力が掛かり、上述した筒型ＳＯＦＣアセンブリに対する隙間の発生を防ぐ。

以上、本発明の最適な実施形態について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明は、請求の範囲にて定義される技術範囲内において実施形態にさまざまな変更及び変形を加えてもよい。

Claims (15)

1. ａ）
   ｉ）第１端部と、第２端部と、第１端部及び第２端部の間に配置される中間部と；
   ｉｉ）内部電極層と、外部電極層と、前記内部電極層及び前記外部電極層の間の電解質層と；を有する筒型のＳＯＦＣユニットであって、
   外部に配置された少なくとも１つの共有集電装置を共有し且つ軸方向に延伸した少なくとも２本の前記筒型のＳＯＦＣユニットと、
   ｂ）少なくとも２つの前記筒型のＳＯＦＣユニットの外部電極層と電気的に接続する前記共有集電装置であって、前記共有集電装置の熱膨張係数は前記筒型のＳＯＦＣユニットの熱膨張係数よりも大きく、前記共有集電装置と電気的に接続する各電極層とは、適合する電気接続面を有する、少なくとも１つの共有集電装置と；
   ｃ）少なくとも２つの前記筒型のＳＯＦＣユニットのうちの少なくとも前記第１端部、前記第２端部、又は前記中間部と前記共有集電装置の一部とを密着して保持するリテーナーであり、前記リテーナーの熱膨張係数は前記共有集電装置の熱膨張係数よりも低いまたは同等であり、熱によってリテーナーの内側で膨張した前記共有集電装置の一部は、前記筒型のＳＯＦＣユニットの各々の電極表面に対して圧縮力を掛ける、少なくとも１つのリテーナーと、を有する、筒型のＳＯＦＣアセンブリ。
2. 前記内部電極層はアノードであり、前記外部電極層はカソードである、請求項１に記載の筒型のＳＯＦＣアセンブリ。
3. 前記ＳＯＦＣユニットはさらに、
   前記外部電極層と電気的に接続する導電性電極層を有し、前記導電性電極層は前記共有集電装置と電気的に接続する請求項１に記載の筒型のＳＯＦＣアセンブリ。
4. 隣接する前記ＳＯＦＣユニットとのみ前記共有集電装置を共有する、隣接しない前記ＳＯＦＣユニットと前記共有集電装置を共有する、または全ての前記ＳＯＦＣユニットと前記共有集電装置を共有する、請求項１に記載の筒型のＳＯＦＣアセンブリ。
5. 前記共有集電装置は少なくとも２つの電気接続面を有し、前記電気接続面に対応する前記ＳＯＦＣユニットの各々の前記外部電極層の表面は直面または曲面である、請求項１に記載の筒型のＳＯＦＣアセンブリ。
6. 前記共有集電装置は少なくとも２つの凸状の電気接続面を有し、前記ＳＯＦＣユニットの各々の前記外部電極層に適合する表面は凹状表面であり、
   又は、前記共有集電装置は少なくとも２つの凹状の電気接続面を有し、前記ＳＯＦＣユニットの各々の前記外部電極層に適合する表面は凸状表面であり、
   又は、前記共有集電装置は凸状及び凹状の少なくとも２つの電気接続面を有し、凸状の電気接続面は前記筒型のＳＯＦＣユニットの前記外部電極層の凹状の電気接続面と電気的に接続し、凹状の電気接続面は隣接する前記筒型のＳＯＦＣユニットの前記外部電極層の凸状の電気接続面と電気的に接続する、請求項５に記載の筒型のＳＯＦＣアセンブリ。
7. 外部に配置された２つの共有集電装置を有する筒型のＳＯＦＣアセンブリであって、前記共有集電装置の一方における電気接続面は前記筒型のＳＯＦＣユニットの各々の第一端部において前記外部電極層の電極表面と電気的に接続し、前記共有集電装置の他方における電気接続面は前記筒型のＳＯＦＣユニットの各々の第二端部において前記外部電極層の電極表面と電気的に接続し、さらに、２つのリテーナーが配置され、そのうちの１つは前記筒型のＳＯＦＣユニットの各々の前記第一端部及び前記共有集電装置を保持し、もう１つは前記筒型のＳＯＦＣユニットの各々の前記第二端部及び前記共有集電装置を保持する、請求項１に記載の筒型のＳＯＦＣアセンブリ。
8. 前記リテーナーは、前記ＳＯＦＣユニットの一端を保持する通路と、前記共有集電装置の少なくとも一部を保持する、隣接した凹みまたは通路と、を有する、請求項１に記載の筒型のＳＯＦＣアセンブリ。
9. 前記リテーナーは、前記筒型のＳＯＦＣユニットの一端を保持する通路と、前記共有集電装置の少なくとも一部を保持する、隣接した凹みまたは通路と、を有する、請求項７に記載の筒型のＳＯＦＣアセンブリ。
10. 隣接する前記筒型のＳＯＦＣユニットの前記外部電極層に電気的に接続する前記共有集電装置の断面は、円、楕円、凸状と凹状との連続若しくは曲がった断面である、請求項４に記載の筒型のＳＯＦＣアセンブリ。
11. 前記共有集電装置に電気的に接続しない表面における、前記筒型のＳＯＦＣユニットの断面は、円、楕円若しくは凸状と凹状である、請求項４に記載の筒型のＳＯＦＣアセンブリ。
12. 隣接する前記筒型のＳＯＦＣユニットの断面は、２つの凸状表面と２つの凹状表面とが交互に配置された断面であり、１つの前記ＳＯＦＣユニットの断面の凸状表面は、前記凸状表面の形状に適合する凹状表面を有する隣接した前記筒型のＳＯＦＣユニットの方向を向いて配置され、前記共有集電装置は曲がった断面を有する、請求項１１に記載の筒型のＳＯＦＣアセンブリ。
13. 結合された異なる表面は、熱によって引き起こされた機械的なストレスを低減するために丸みが付けられた、請求項１に記載の筒型のＳＯＦＣアセンブリ。
14. 前記共有集電装置は、開口部を有するカソード空気伝送管であり、前記開口部は内部に気体を循環させ、前記外部電極層と気体とが接続する、請求項１に記載の筒型のＳＯＦＣアセンブリ。
15. 前記共有集電装置は通路を有し、前記通路の内側にカソード空気伝送管が配置される、請求項１に記載の筒型のＳＯＦＣアセンブリ。
    

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