JP6075742B2

JP6075742B2 - 燃料電池又は電解セル内へ反応物を分配するための方法及び構成

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Publication number: JP6075742B2
Application number: JP2016542279A
Authority: JP
Inventors: ノポネン，マッティ; ヒマネン，オッリ; ペンナネン，ヤリ
Original assignee: エルコーゲンオサケユキチュア
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2033-12-27
Also published as: WO2015097336A1; US10777824B2; EP3087632B1; JP2017501545A; PL3087632T3; KR20160120279A; US10559836B2; US20180019482A1; US20160308225A1; EP3087632A1; KR101740873B1

Description

世界のエネルギーの大部分は、石油、石炭、天然ガス又は原子力を用いて生産される。全てのこれらの製造方法は、例えば、利用可能性及び環境への優しさ（friendliness）に関する限り、それらの特定の問題を抱えている。環境に関する限り、特に石油や石炭は、それらが燃焼するときに汚染を引き起こす。原子力の課題は、少なくとも、使用済み燃料の貯蔵である。

特に環境問題のために、より環境に優しく、また例えば上述のエネルギー源よりも良好な効率を有する新しいエネルギー源が開発されてきた。それを用いて燃料、例えばバイオガスのエネルギーが、環境に優しいプロセスでの化学反応を介して直接的に電気に変換される燃料電池、及び電気が燃料に変換される電解槽は、有望な将来のエネルギー変換装置である。

太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギー生産方法は、それらの電力生産が環境効果（environmental effects）によって制限されるために、季節生産変動の問題に直面する。過剰生産の場合に、水の電気分解を通じた水素生産は、将来のエネルギー貯蔵の選択肢の一つであることが示唆される。その上に、電解セルはまた、再生可能なバイオガス貯蔵から高品質のメタンガスを生産するために利用されることができる。

本発明は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）スタック内又は固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）スタック内の流入反応物分配を構成すること（arranging）に関する。燃料電池は、電気を生み出すために、アノード電極上の入力反応物燃料ガスとカソード電極上のガス状酸化剤（酸素）を反応させる。電解反応は燃料電池に対して逆転する。すなわち、燃料及び酸素を生み出すために電気が使用される。ＳＯＦＣスタック及びＳＯＥＣスタックはサンドイッチ状に積み重ねられた電池（セル）要素及びセパレータを有し、電池（セル）の各要素は、電解質、アノード側及びカソード側を挟み込むこと（sandwiching）によって構成される。反応物は、流れ場プレート（flow field plates）によって多孔質の電極へガイドされる。

燃料電池は、図１に示されるように、アノード側１００及びカソード側１０２並びにそれらの間の電解質材料１０４を有する。固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣｓ）において、酸素１０６はカソード側１０２に供給され、それはカソードから電子を受け取ることによってマイナスの酸素イオンに還元される。マイナスの酸素イオンは、電解質材料１０４を通り抜け、アノード側１００へ行く。アノード側１００において、それは、燃料１０８と反応し、電子、水及び典型的には二酸化炭素（Ｃ０２）を生み出す。アノード１００及びカソード１０２は、外部の電気回路１１１を通じて接続される。電気回路１１１は、システムの外に熱と一緒に電気エネルギーを引き出す燃料電池のための負荷１１０を有する。メタン、一酸化炭素及び水素燃料の場合の燃料電池反応は、以下の（数１）に示される。

電気分解動作モード（固体酸化物型電気分解セル（ＳＯＥＣ））において、反応は逆転する。すなわち、熱及び電源１１０からの電気エネルギーがセルに供給される。セルにおいて、水及びしばしば二酸化炭素もアノード側において還元され、酸素イオンを形成する。酸素イオンは電解質材料を通ってカソード側へ移動し、カソード側において酸素への脱イオン化が起こる。ＳＯＦＣモード及びＳＯＥＣモードの両方において、同じ固体電解質セルを使用することが可能である。そのような場合において及びこの説明の文脈において、電極は、燃料電池動作モードに基づいてアノード及びカソードと典型的に名付けられる。一方で、純粋にＳＯＥＣ用途においては、酸素電極がアノードと名付けられてもよく、反応物電極がカソードとして名付けられてもよい。

固体酸化物型電解セルは、高温電気分解反応が起こることを可能にする温度で動作する。その温度は、典型的には５００℃と１０００℃との間であるが、１０００℃を越える温度であっても有用であり得る。これらの動作温度は、ＳＯＦＣｓのそれらの条件に類似する。正味のセル反応は、水素ガス及び酸素ガスを生み出す。１モルの水のための反応物は、アノードで生じる水の還元と共に以下の（数２）に示される。

固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）スタック及び固体酸化物型電解電解槽（ＳＯＥ）スタックにおいて、各電池（セル）の内部のアノードガスに対するカソードガスの流れ方向及び隣接する電池（セル）の間のガスの流れ方向は、スタックの異なる電池（セル）層を通じて組み合される。さらに、カソードガス若しくはアノードガス又は両方は、それが排気される前に一つより多くのセルを通り抜けてもよく、第一のセルを通り抜けた後且つ第二のセルを通り抜ける前に複数のガス流が分割又は併合されてもよい。これらの組み合わせは、電流密度を高めるため並びに複数のセル及び全スタックにわたって熱勾配を最小化するために役立つ。

ＳＯＦＣは、通常の動作において、およそ０．８Ｖの電圧を発する。総電圧出力を高めるために、燃料電池は普通、燃料電池が流れ場プレート（又は：インターコネクタ（相互接続）プレート、バイポーラプレート）を介して電気的に接続されるスタックに組み立てられる。所望の電圧のレベルは、必要とされるセルの数を決定する。

バイポーラプレートは、隣接するセルユニットのアノード側とカソード側とを隔離し、同時にアノードとカソードとの間の電子伝導を可能にする。相互接続部又はバイポーラプレートには、インターコネクタプレートの片側の燃料ガス及び他方の側の酸化剤ガスの通路のための複数のチャネルが通常設けられる。燃料ガスの流れ方向は、セルユニットの燃料流入部から燃料流出部への実質的な方向（substantial direction）として規定される。同様に、酸化剤ガス、カソードガスの流れ方向は、セルユニットのカソード流入部からカソード流出部への実質的な方向として規定される。

従来、セルは、完全に重複して各々の上に積み重ねられ、例えば、全ての燃料流入口及び酸化剤流入口をスタックの片側に有し、全ての燃料流出口及び酸化剤流出口をスタックの反対側に有する、並行流（co-flow）を伴うスタックに結果する。動作中に構造の温度に影響を及ぼす一つの特徴は、セル内に供給される燃料の蒸気再形成（steam reformation）である。蒸気再形成は吸熱反応であり、セルの燃料流入端を冷却する。

電気化学的プロセスの発熱性に起因して、流出ガスは、流入温度よりも高い温度で出ていく。ＳＯＦＣスタック内で吸熱反応及び発熱反応が組み合わされる場合、スタックにわたって（over）有意な温度勾配が作り出される。大きな熱勾配は、非常に望ましくないスタック内の熱ストレスを誘発し、それらは電流密度及び電気抵抗の差を必然的に伴う。したがって、受入れられないストレスを回避するために十分に熱勾配を低減し、同質な電流密度プロファイルを通じて電気効率を最大化するために、ＳＯＦＣスタックの温度管理の課題が存在する。

従来技術の燃料電池又は電解セルは、電解質要素上の不均一なガス分配による熱勾配を受ける。これは、セルのより低いデューティ比を生じさせ、不均一な熱負荷及び動作負荷に起因する熱ストレスもまたセルを劣化させる。

本発明の目的は、セル内の電解質要素上に実質的に均一な燃料又は流入反応物分配を達成することによって、燃料電池又は電解セルの動作性能及び寿命を改良することである。

これは、固体酸化物型燃料電池用の燃料流れガイド構成であって、電池は、燃料側、酸素リッチ側、及び燃料側と酸素リッチ側との間の電解質要素を有し、構成は、酸素リッチ側ガスを電解質要素へ及び電解質要素からガイドするための手段、電池内の流れを構成する、各電池のための流れ場プレート、流れ場プレート上の流れ分配領域、及び流れ場プレート上の流出口領域を有する、流れガイド構成によって達成される。燃料流れガイド構成は、燃料供給流れを燃料電池の側方部から流れ分配領域へガイドするための手段を有し、且つ、構成は、電解質要素上の流れ分配を均質化するために流れ分配領域上の燃料供給流れ及び流出口領域上の燃料流出流れの少なくとも一つを曲げるための手段、及び、少なくとも一つの幾何学的形状を有する燃料流れ調節構造であり、燃料流れ調節構造の少なくとも一つの幾何学的形状の流れ機能効果に基づいて、電解質要素上の実質的に同質な燃料供給流れ及び燃料流出流れの少なくとも一つを調節する、燃料流れ調節構造、を有する。

本発明の目的はまた、固体酸化物型電解セルのための流入反応物流れガイド構成であって、セルは、流入反応物側、酸素リッチ側、及び流入反応物側と酸素リッチ側との間の電解質要素を有し、構成は、セル内の流れを構成する、各セルのための流れ場プレート、流れ場プレート上の流れ分配領域、及び流れ場プレート上の流出口領域を有する、流れガイド構成によって達成される。流入反応物流れガイド構成は、流入反応物流れを電解セルの側方部から流れ分配領域へガイドするための手段を有し、且つ、構成は、電解質要素上の流れ分配を均質化するために流れ分配領域上の流入反応物供給流れ及び流出口領域上の流出口流れの少なくとも一つを曲げるための手段、及び、少なくとも一つの幾何学的形状を有する反応物流れ調節構造であり、反応物流れ調節構造の少なくとも一つの幾何学的形状の流れ機能効果に基づいて、電解質要素上の実質的に同質な流入反応物供給流れ及び流出口流れの少なくとも一つを調節する、反応物流れ調節構造、を有する。

本発明の焦点はまた、固体酸化物燃料電池のための燃料流れガイド方法であって、方法において、酸素リッチ側ガスは電解質要素へ及び電解質要素からガイドされ、燃料は流れ場プレート上で分配され、燃料は流れ場プレートから流出する、流れガイド方法である。方法において、燃料供給流れは燃料電池の側方部から流れ分配領域へガイドされ、燃料供給流れ及び燃料流出流れの少なくとも一つは、電解質要素上の流れ分配を均質化するために曲げられ、燃料流れは、電解質要素上の実質的に同質な燃料供給流れ及び燃料流出流れの少なくとも一つを調節するための少なくとも一つの幾何学的形状によって引き起こされ、引き起こすことは、少なくとも一つの幾何学的形状の流れ機能効果に基づいてなされる。

本発明の焦点は更に、固体酸化物型電解セルのための流入反応物流れガイド方法であって、方法において、燃料は流れ場プレート上で分配され、燃料は流れ場プレートから流出する、流れガイド方法である。方法において、流入反応物供給流れは電解セルの側方部から流れ分配領域へガイドされ、流入反応物供給流れ及び流出口流れの少なくとも一つは、電解質要素上の流れ分配を均質化するために曲げられ、反応物流れは、電解質要素上の実質的に同質な流入反応物供給流れ及び流出口流れの少なくとも一つを調節するための少なくとも一つの幾何学的形状によって引き起こされ、引き起こすことは、少なくとも一つの幾何学的形状の流れ機能効果に基づいてなされる。

本発明は、流入反応物供給流れがセルの側方部から流れ分配領域へガイドされる実施形態において、電解質要素上の流れ分配を均質化するために流入反応物（例えば、燃料）供給流れ及び流出口流れを曲げることに基づく。本発明は更に、反応物流れを、電解質要素上の実質的に同質な流入反応物供給流れ及び流出口流れの少なくとも一つを調節するための少なくとも一つの流れ構造幾何学的形状によって引き起こすことに基づく。流れ構造幾何学的形状は、反応物流れが電解質要素上でより同質的に分配されるような、反応物流れへの流れ機能効果を達成する。

本発明はまた、燃料電池及び電解セルスタックの組立てプロセス中に電解質要素配置を容易にすることを可能にする。ガスケット構造は、ガスケット構造内の穴に電解質要素が置かれ、その後組立てプロセス中に電解質要素をその望ましい位置にロックし、燃料電池及び電解スタック動作中に電解質要素のための支持を与えることの両方ができるように、形作られてもよい。

本発明の利点は、従来技術の実施形態と比較して、セルのデューティ比が改良され、セルの寿命が長くなり、そのため全セルシステムの動力操作（power operation）をより良く、より経済的にすることである。

単一の燃料電池構造を示す。燃料電池スタックのための流れ場プレートの構成を示す。本発明による、一つの好ましい燃料流れガイド構成を示す。本発明による、一つの好ましいガスケット構造を示す。一つの好ましい燃料電池スタック構造を示す。他の例示的な燃料電池スタック構造を示す。本発明による、他の好ましい燃料流れガイド構成を示す。

本発明によれば、燃料電池又は電解スタックは、少なくとも二つの単一繰り返し構造を有する。単一繰り返し構造は、燃料側、中間の電解質、及び酸素リッチ側を含む少なくとも一つの電気化学的に活性な（active）電解質要素構造であり、少なくとも二つの流れ場プレートの間に配置され、他方は電解質要素構造の酸素リッチ側の酸素リッチガスを分配し、他方は電解質要素の燃料側の燃料ガスを分配する、電解質要素構造、及び、ガス雰囲気をその意図される封入状態で密閉する少なくとも一つの密閉（sealing）手段を有する。流れ場プレートは、燃料ガス及び／又は酸素リッチガスのための少なくとも一つの流入オリフィス、及び使用された燃料ガス及び／又は酸素リッチガスのための少なくとも一つの流出オリフィスを有する。少なくとも一つの単一繰り返し構造における燃料ガス及び酸素リッチガスの少なくとも一つの流れ方向は、密閉手段を適用することによって、少なくとも一つの他の単一繰り返し構造と比較して変えられる。その密閉手段は、流入オリフィスからのガスの利用、及び反応生成物ガスを流出オリフィスへ送ることを可能にする。その流出オリフィスは、流入オリフィス及び少なくとも一つの他の単一繰り返し構造の流出オリフィスと異なる。

電解質要素上の燃料及び酸素リッチガスの互いに対する流れ方向は、両方のガス流れが基本的に同じ方向を有する、いわゆる並行流（co-flow）構成となるように構成されてもよく、又は、ガス流れ方向が互いに基本的に１８０°だけ異なる、いわゆる対向流（counter-flow）構成となるように構成されてもよい。

以下では、本発明は主に固体酸化物型燃料電池技術に関して説明される。固体酸化物型電解スタックは、背景技術で説明した燃料電池反応に対する逆反応によって電気が燃料を生み出すために使用されることで、固体酸化物型燃料電池スタックから異なるのみである。

図２は、燃料電池の流れ場プレート１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃを示す。完全な燃料電池スタックは、図示されるように互いに連続的に配置される数枚のプレート１２１を有する。本実施形態におけるプレートは、長方形且つ対称である。アノード電極とカソード電極との間に電解質層を有する電解質要素構造１０４は、プレート１２１の間に、概してプレートの中央に配置される。電解質要素構造１０４は、如何なる適切な電解質要素構造であってもよく、従って、本明細書において更なる詳細は記述されない。流れ場プレート１２１及び電解質要素構造１０４は、密閉手段３−６によって密閉される。密閉手段３−６の目的は、電気化学的に活性な領域の内側の燃料電池反応なしに、酸化剤及び燃料が直接的に混合されないこと、燃料及び酸化剤が電気化学セルから漏出しないこと、隣接する電気化学セルが互いに電気的に接触しないこと、並びに、酸化剤及び燃料が所望の流れ場プレート平面１２１に供給されることを確かにすることである。二つの向かい合う流れ場プレート１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ及びそれらの間の電解質要素構造１０４は、単一繰り返し構造（single repetitious structure）を形成する。流れ場プレート１２１は、平面的な、金属合金、セラミック材料、サーメット材料、又は燃料電池に存在する化学的、熱的及び機械的ストレスに耐えることができる他の材料で作られた薄いプレートである。本発明によれば、流れ場プレート１２１は、プレート１２１の端に配置された流入オリフィス及び流出オリフィスを有する。本実施例において、プレート１２１は長方形であり、流れオリフィスはプレート１２１のわずかに短い端１９に配置される。両方の端１９は４つのオリフィスを有する。すなわち、酸素リッチガス（以下の例示的な実施形態においては：空気）のための一つの流入オリフィス７，１１、空気のための一つの流出オリフィス１０，１４、燃料のための一つの流入オリフィス８，１２及び燃料のための一つの流出オリフィス９，１３を有する。酸素リッチガスは、測定可能な量の酸素を有する、如何なるガス又はガス混合物であってもよい。複数の端１９の両方で、オリフィスは、第一に空気入口７，１１、次いで燃料入口８，１２、次いで燃料出口９，１３、そして空気出口１０，１４の順序で構成される。流れ場プレートの端の周りの第一面２０（図中では上面）及び第二面２１（下面、図示なし）の表面は、効果的な密閉を可能にするように形作られ、それらは、流れ場プレートの中央の起伏のある表面１５−１８を限定する。その表面１５−１８は、電解質要素１０４の表面の上で燃料ガス及び空気をガイドするための特有の外形を有する。図１におけるガス流路を例示する密閉手段３−６に関連する矢印を表す参照番号１５−１８は、問題の密閉要素又は構造に面する密閉手段３−６に向かって面する流れ場プレート１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃの面及び起伏のある表面１５−１８を参照するためにも使用されることが、留意されるべきである。

燃料電池スタック上にガス流れを構成するためのオリフィスの数は、ガス流れが構成される方法と同様に変化してもよい。基本的な発想は、重ね合わせられた流れ場プレート１２１上のオリフィス７−１４が、それらの位置が一致し、同じ線内のオリフィスがスタックを通るガスマニフォールドチャネルを形成するように構成されることである。密閉要素３−６は、電解質要素と流れ場プレートとの間の誤った層への燃料及び空気の供給を防ぐために使用される。密閉手段は、流れ場プレート１２１上の各オリフィス７−１４を取り囲むように構成される。流れ場プレート１２１及び密閉要素３−６は、全燃料電池スタックを貫通するダクト（すなわち、チャネル）を形成するために使用される。流れ場プレート内のオリフィスは、そのようなダクトを形成するために、特別に配置される（super positioned）。

ガス流れを構成するための一つの可能な構成は、以下に記述される。本明細書において、上及び底、並びに上方及び下方の定義は、図２のみと関連して使用され、一切の他の構造的な意味を含まない。第一に、スタック内の最初の流れ場プレートの上に空気が供給される。このプレート１２１ｃは、図２の分解図の底に示される。さて、空気経路は空気流入チャネル７から始まるように構成され、出口は流出口チャネル１４に構成される。空気は、流れ媒体１８に沿って流れ、電解質要素構造１０４の底面上で分割される。電子経路は、電解質要素構造に対して設定され、表面上のガスをガイドすること並びに有意に広い領域上での熱及び電子の伝達を提供する。流れ媒体は、好ましくは真っ直ぐなチャネル構造であるが、例えば正弦曲線、放物線状曲線若しくはジグザグ曲線又はネット型構造のような、如何なる他の形式が使用されてもよい。電解質要素構造１０４の反対側には、第二流れ場プレート１２１ｂがある。ここで、燃料は電解質要素上でガイドされる。これは、流路を流れ媒体１７内で第二流れ場プレートの下側及び電解質要素構造を覆う燃料流入チャネル８から構成することによって達成される。燃料は、流出オリフィス１３を通って排出される。本実施形態において、空気及び燃料ガスは同じ流れ方向を有する。続く層においてガス流れは以下のように構成される：空気はオリフィス１１からガス分配媒体１６を通ってオリフィス１０へ、燃料はオリフィス１２からガス分配媒体１５を通ってオリフィス９へ。様々な流入位置及び排出位置を有する流れ構成が、用途のために要求される数の層だけ続けられてもよい。様々な流入位置及び排出位置の目的は、燃料電池及び燃料電池スタック上の温度が可能な限り一定に保たれ、温度勾配が小さくなるように、ガス流入を構成する手段を提供することである。燃料電池が組み立てられた後及び動作中には流れ構成は変更できないため、流れ特性の設計は、計算及びシミュレーションモデルを使用することによって行われる。さらに、各ガス流れは、流入チャネルを通って二つの流れ場プレート１２１ａ−１２１ｃの間の空間に流れ込み、出口チャネルを介してそこから出ることが留意されなければならない。各流入チャネルは新鮮なガスを電解質要素構造１０４に供給し、各流出チャネルはスタックから直接外に排出ガスを導く。このように、ガス流れは更なる電解質要素に向け直されない。さらに、流入オリフィス及び流出オリフィスは、流れ場プレート上に形成されなくてもよく、それらは別個の手段、例えば閉じたガスコンパートメントに構成されてもよいことが留意されなければならない。

ガス供給のために使用されるオリフィスの数は、燃料電池の設計に従って変化してもよい。最小の数は、ガスのための一つの流出オリフィス及び一つの流出オリフィスであり得る。より多くのオリフィスを使用することは、より多くの流れパターンを可能にするが、必然的に設計を複雑化する。一つの実施形態によれば、燃料ガス及び空気流れは、互いに交差するように構成されてもよい。これは、全ての他の流れ場プレートを９０°回転することによって、単純に行われ得る。上述した長方形の形は、製造及び組み当てプロセスを単純化するために使用されてもよい。しかしながら、多角形、円形、楕円形等のように、望まれる如何なる幾何学的な形であっても使用され得る。

起伏のある（例として、波型の）表面を形成するための好ましい製造方法は、材料の形状が変えられるが一切の材料が追加又は除去されない、スタンピング、プレス等のような塑性変形を使用する方法、又は、溶接のような材料が加えられる方法若しくはエッチングのような材料が除去される方法である。流れ場材料がもろい場合は、押出成形、鋳造、印刷、型成形のような他の製造方法が利用されてもよい。燃料及び空気のためのオリフィスは、通常同じ製造ステップで作られてもよい。

各流れ場プレート１２１は、スタックアセンブリ構造において、同様に作られてもよい。したがって、所望の量の繰り返しの電解質要素構造１０４を有する燃料電池スタックを生産するために、一種類のプレートのみが必要とされる。これは、構造を単純化し、燃料電池の製造を容易にする。

流入空気及び燃料は流入側から電解質要素を冷却するので、ＳＯＦＣの中に空気及び燃料を供給することは、通常は不均一な温度分配を引き起こす。他方で、発熱性の燃料電池反応は、電解質要素の排出口側に向かう途中のガスを加熱する。熱分配はＳＯＦＣ構造に熱機械的ストレスを引き起こし、それは電解質要素の破損を引き起こし得る。ＳＯＦＣの性能は温度が上昇するにつれて向上するが、上昇した温度は電池の経年劣化を加速する。電池の性能及び寿命を最大化するために、セルを可能な限り正確に全セル構造上の最適な温度で使用できることが重要である。本発明によって提供される流れガイド構成構造は、セルの温度差を小さくし、従って信頼性、性能及び寿命を改良する。本発明はまた、スタック製造において経済的に有用である。構造が単純であるので、設計及び生産において利益が得られ得る。

図３に、本発明による、一つの好ましい燃料流れガイド構成が示される。その構造において、電池（セル）は、燃料側（fuel side）１００、酸素リッチ側（oxygen rich side）１０２、及び燃料側と酸素リッチ側との間の電解質要素（electrolyte element）１０４を有する。電解質要素は、好ましくは流入チャネル領域１３０を有するが、いくつかの実施形態において、それは例えば多孔質の流れ場領域（flow field area）１３０であってもよい。構成は、酸素リッチ側ガスを、電解質要素構造１０４へ及び電解質要素構造１０４からガイドするための手段、及び、電池（セル）内の流れを構成する、各電池（セル）のための流れ場プレート１２１を有する。流れ場プレート１２１上の流れ分配領域１２０、及び流れ場プレート１２１上の流出口領域１３１が存在する。燃料流れガイド構成は、燃料供給流れを燃料電池の側方部（sides）１２７から流れ分配領域１２０へガイドするための手段１２３を有する。構成は、電解質要素１０４上の流れ分配を均質化するために流れ分配領域１２０上の燃料供給流れ及び流出口領域１３１上の燃料流出流れの少なくとも一つを曲げるための手段１２５を更に有する。手段１２５は、好ましくは電解質要素１０４の下の流れ場プレート１２１及び電解質要素１０４の上のガスケット構造１２８によって構築される。

図３の好ましい実施形態は、少なくとも一つの幾何学的形状１２４を有する燃料流れ調節構造１２２であり、燃料流れ調節構造の少なくとも一つの幾何学的形状の流れ機能効果（flow functional effect）に基づいて、電解質要素１０４上の実質的に同質な（essentially homogenous）燃料供給流れ及び燃料流出流れの少なくとも一つを調節する、燃料流れ調節構造１２２を有する。図２に示される実施形態の流れ調節構造１２２は、流れ制限領域、例えばオリフィス１２６，１３６、及びガスケット構造１２８を有する。好ましくは、ガスケット構造１２８は、電解質要素上の実質的に同質な流れを調節するための少なくとも一つの幾何学的形状１２４を有する。幾何学的形状１２４は、例えば、少なくとも部分的に楕円形例えば１／２楕円形若しくは１／４楕円形、又は楕円形以外の他の幾何学的形状１２４である。図４には、本発明による、ガスケット構造の一つの好ましい実施形態が示されており、そのガスケット構造は、図３の例示的な実施形態にも示される１／４楕円形の幾何学的形状１２４を有する。ガスケット構造１２８は、好ましくは圧縮性材料（compressible material）で作られる。ガスケット構造１２８は、少なくとも流れ部１４０から、予め圧縮されていてもよい。ガスケット構造は、例えばセラミック材料で作られる。その圧縮及び／又は予め圧縮されることに基づいて、圧力損失特性はより制御可能であり、スタック内の異なる電池（セル）の間の流れ状況は、実質的に等しいものとして達成される。ガスケット材料が制限オリフィス構造まで広がることを防止するため、及び従ってガスケット材料が制限オリフィスの高さ特性を変化させることを防止するために、制限オリフィス領域１２６，１３６上のガスケット構造は、明確に規定された厚さまで予め圧縮されてもよい。

図５には、本発明による、一つの好ましい燃料電池スタック構成が示されている。燃料電池スタック構成は、流れ分配領域１２０及び流出口領域１３１に向かって開かれた流れ制限オリフィス１２６，１３６、並びに、流れ制限オリフィス１２６，１３６上のガスケット構造１２８を有する。ガスケット構造１２８は好ましくは圧縮性の材料で作られ、それは例えばセラミック材料である。本発明によるガスケット構造１２８は、電池（セル）がスタック構造に組立てられるときに圧縮される。ガスケット構造はまた、少なくとも流れ部１４０から予め圧縮されていてもよい。流れ制限オリフィス１２６，１３６の高さは、電解質要素１０４構造厚さの公差変動を有するスタックの繰り返し構造１３８内の流れ分配を安定させるように、流れ分配領域１２０及び流出口領域１３１の少なくとも一つの底１３２からガスケット１２８構造の底１３３への距離によって決定される。電池（セル）間の同様の圧力損失状況は、スタック内の電池（セル）間の均一な熱分配、すなわち同様の熱勾配を達成するために、圧縮されてもよく及び少なくとも流れ部１４０から予め圧縮されてもよいガスケット構造１２８を利用することによって、達成される。したがって、燃料電池スタックのデューティ比は改良され、燃料電池スタックの寿命はより長くなる。

制限オリフィス構造の明確に規定された高さは、電解質要素上の明確に定義された流れ分配領域と共に、スタック内の単位セル構造の顕著な圧力降下特性を規定する。制限オリフィス内の圧力降下の大きさは、例えばその高さ、オリフィス幾何学的形状及びオリフィスの長さを調節することによって、構造内で自由に調節されることができる。したがって、場合により公差変動を有しガス分配領域の高さを規定する電解質要素構造厚さは、単一セル構造の圧力降下特性に対するより顕著でない効果を結果として生じさせる。結果として生じる効果は、各単位セル構造に対する流れ分配が、制限オリフィス構造を欠く従来技術のスタック構造と比較して、実質的により同質であることである。

図６は、他の例示的な燃料電池スタック構造を示す。その構造は図５の電池スタック構造とは異なる。そのため、手段１２３は、燃料電池構造又は電解セル構造の側方部からでなく末端部（end）から流れ分配領域１２０へ燃料供給流れをガイドすることができ、また、ガスケット構造１２８は、電解質要素１０４の上の実質的に同質な流れを調節するための少なくとも一つの幾何学的形状１２４として、長方形の形状を有する。

図７には、本発明による、ガスケット構造の他の好ましい実施形態が示されている。そのガスケット構造は、１／２楕円形の幾何学的形状１２４を有する。上述の１／２楕円形の幾何学的形状１２４又はガスケット構造１２８の他の形状１２４を備えた流れガイド構成を使用した電池（セル）スタック構成において、他の実施形態に関しては、送り込まれる流れ及び流出する流は、上で示されたものと異なる構成とされてもよい。

本発明のいくつかの実施形態において、電解質要素の中央領域上のより大きな流れダクト（すなわち、流れチャネル）及び電解質要素の側方領域上のより小さな流れダクトが配置される構成もまた、利用されてもよい。

本発明はまた、燃料電池及び電解セルスタックの組立プロセス中に電解質要素配置を容易にすることを可能にする。ガスケット構造は、ガスケット構造内の穴に電解質要素が置かれ、その後組立てプロセス中に電解質要素をその望ましい位置にロックし、燃料電池及び電解スタック動作中に電解質要素のための支持を与えることの両方ができるように、形作られてもよい。

このように、一つの好ましいそれらの実施形態に適用されるように本発明の基本的な新規の特徴が示され、記述され且つ指摘されてきたが、本発明の形式及び詳細における様々な省略及び置換並びに変更が、本発明の精神から逸脱することなく当業者によってなされ得ることが理解されるであろう。例えば、実質的に同じ結果を成し遂げる、それらの要素の全ての組み合わせが本発明の範囲内であることが、はっきりと意図されている。一つの記述された実施形態から他の実施形態への要素の置換もまた、完全に意図及び予期されている。図面は必ずしも一定の縮尺で描かれておらず、それらは本質的に概念的なものであることも、理解されるべきである。したがって、本出願に添付の特許請求の範囲によって示されるようにのみ限定されることが意図されている。

Claims

固体酸化物型燃料電池用の燃料流れガイド構成であって、
前記電池は、燃料側、酸素リッチ側、及び前記燃料側と前記酸素リッチ側との間の電解質要素を有し、
当該構成は、酸素リッチ側ガスを前記電解質要素へ及び前記電解質要素からガイドするための手段、流れ場プレート上の流れ分配領域、及び前記流れ場プレート上の流出口領域、燃料供給流れを前記燃料電池の側方部から前記流れ分配領域へガイドするための手段、及び、前記電解質要素上の流れ分配を均質化するために前記流れ分配領域上の燃料供給流れ及び前記流出口領域上の燃料流出流れの少なくとも一つを曲げるための手段、を有し、
当該燃料流れガイド構成は、
各電池のための流れ場プレートであり、前記流れ場プレートの第一の面上に空気流れを構成し、前記流れ場プレートの第二の面上に燃料流れを構成する、各電池のための流れ場プレート、及び
少なくとも一つの幾何学的形状を備えた流れ制限オリフィスを有する流れ調節構造であり、前記流れ調節構造の前記少なくとも一つの幾何学的形状の流れ機能効果に基づいて、前記電解質要素上の同質な前記燃料供給流れ及び前記燃料流出流れの少なくとも一つを調節し、前記流れ調節構造は、規定可能な高さを有する流れ制限オリフィス、及び前記少なくとも一つの幾何学的形状として少なくとも部分的に楕円形の形状を有するガスケット構造、を有する流れ調節構造、
を有する、
流れガイド構成。
固体酸化物型電解セルのための流入反応物流れガイド構成であって、
前記セルは、流入反応物側、酸素リッチ側、及び前記流入反応物側と前記酸素リッチ側との間の電解質要素を有し、
当該流入反応物流れガイド構成は、流れ場プレート上の流れ分配領域、前記流れ場プレート上の流出口領域、及び、流入反応物流れを前記電解セルの側方部から前記流れ分配領域へガイドするための手段、を有し、
当該構成は、前記電解質要素上の流れ分配を均質化するために前記流れ分配領域上の流入反応物供給流れ及び前記流出口領域上の流出口流れの少なくとも一つを曲げるための手段、を有し、
当該流入反応物流れガイド構成は、
各セルのための流れ場プレートであり、前記流れ場プレートの第一の面上に空気流れを構成し、前記流れ場プレートの第二の面上に燃料流れを構成する、各セルのための流れ場プレート、及び
少なくとも一つの幾何学的形状を備えた流れ制限オリフィスを有する反応物流れ調節構造であり、前記流れ調節構造の前記少なくとも一つの幾何学的形状の流れ機能効果に基づいて、前記電解質要素上の同質な前記流入反応物供給流れ及び流入反応物流出流れの少なくとも一つを調節し、前記流れ調節構造は、規定可能な高さを有する流れ制限オリフィス、及び前記少なくとも一つの幾何学的形状として少なくとも部分的に楕円形の形状を有するガスケット構造、を有する反応物流れ調節構造、
を有する、
流れガイド構成。
前記電解質要素は、流れチャネル領域及び多孔質流れ場領域の少なくとも一つを有する、請求項１又は請求項２に記載の流れガイド構造。
前記ガスケット構造は、前記流れ調節構造の前記少なくとも一つの幾何学的形状の流れ機能効果に基づいて、前記電解質要素上の同質な流れを調節するための少なくとも一つの幾何学的形状を有する、請求項１又は請求項２に記載の流れガイド構造。
前記ガスケット構造は、少なくとも流れ部から、予め圧縮されている、請求項１又は請求項２に記載の流れガイド構造。
前記流れ制限オリフィスの高さは、電解質要素構造厚さの公差変動を有するスタックの繰り返し構造内の流れ分配を安定させるように、前記流れ分配領域及び前記流出口領域の少なくとも一つの底から前記ガスケット構造の底への距離によって決定される、請求項１又は請求項２に記載の流れガイド構造。
固体酸化物燃料電池のための燃料流れガイド方法であって、
当該方法において、酸素リッチ側ガスは電解質要素へ及び前記電解質要素からガイドされ、燃料供給流れは前記燃料電池の側方部から流れ分配領域へガイドされ、前記燃料供給流れ及び燃料流出流れの少なくとも一つは、前記電解質要素上の流れ分配を均質化するために曲げられ、燃料は流れ場プレート上で分配され、燃料は前記流れ場プレートから流出し、
当該方法において、空気流れは前記流れ場プレートの第一の面上に構成され、燃料流れは前記流れ場プレートの第二の面上に構成され、前記燃料流れは、前記電解質要素上の同質な前記燃料供給流れ及び前記燃料流出流れの少なくとも一つを調節するための流れ制限オリフィスの少なくとも一つの幾何学的形状によって引き起こされ、前記引き起こすことは、前記流れ制限オリフィスの前記少なくとも一つの幾何学的形状の流れ機能効果に基づいてなされ、前記流れ調節は、ガスケット構造の少なくとも部分的に楕円形の形状の前記少なくとも一つの幾何学的形状を利用することによって、規定可能な高さの流れ制限オリフィスを介して行われる、
流れガイド方法。
固体酸化物型電解セルのための流入反応物流れガイド方法であって、
当該方法において、流入反応物供給流れは前記電解セルの側方部から流れ分配領域へガイドされ、前記流入反応物供給流れ及び流出口流れの少なくとも一つは、電解質要素上の流れ分配を均質化するために曲げられ、燃料は流れ場プレート上で分配され、燃料は前記流れ場プレートから流出し、
当該方法において、空気流れは前記流れ場プレートの第一の面上に構成され、燃料流れは前記流れ場プレートの第二の面上に構成され、前記反応物流れは、前記電解質要素上の同質な前記流入反応物供給流れ及び流出流れの少なくとも一つを調節するための流れ制限オリフィスの少なくとも一つの幾何学的形状によって引き起こされ、前記引き起こすことは、前記流れ制限オリフィスの前記少なくとも一つの幾何学的形状の流れ機能効果に基づいてなされ、前記流れ調節は、ガスケット構造の少なくとも部分的に楕円形の形状の前記少なくとも一つの幾何学的形状を利用することによって、規定可能な高さの流れ制限オリフィスを介して行われる、
流れガイド方法。
前記電解質要素は、流れチャネル領域及び多孔質流れ場領域の少なくとも一つを有する、請求項７又は請求項８に記載の流れガイド方法。
当該方法において、前記ガスケット構造の少なくとも一つの幾何学的形状が前記少なくとも一つの幾何学的形状として利用される、請求項７又は請求項８に記載の流れガイド方法。
前記ガスケット構造は、少なくとも流れ部から予め圧縮することにより、処理されている、請求項７又は請求項８に記載の流れガイド方法。
前記流れ制限オリフィスの高さは、電解質要素構造厚さの公差変動を有するスタックの繰り返し構造内の流れ分配を安定させるように、前記流れ分配領域及び流出口領域の少なくとも一つの底から前記ガスケット構造の底への距離によって決定される、請求項７又は請求項８に記載の流れガイド方法。