JP7064678B2 - 燃料電池スタックにおける熱管理のための選択的に回転される流れ場 - Google Patents

燃料電池スタックにおける熱管理のための選択的に回転される流れ場 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年６月２９日に出願された「Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙ Ｒｏｔａｔｅｄ Ｆｌｏｗ Ｆｉｅｌｄ ｆｏｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｉｎ ａ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔａｃｋ」というタイトルの米国仮特許出願第６２／５２６，６８３号に対する優先権およびその利益を主張し、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。
技術分野
本開示は高温燃料電池スタックおよび電解スタックに関し、詳細には固体酸化物（ＳＯＦＣ）および固体酸化物電解セル（ＳＯＥＣ）に関し、より詳細には、熱管理を含む高出力密度小型ＳＯＦＣスタックに関する。
固体酸化物燃料電池は、陰極と陽極との間に挟まれた電解質を含む。陰極で酸素が電子と反応して酸素イオンを形成し、それらは、イオン伝導性セラミックス電解質を通って陽極に伝導される。陽極では、酸素イオンは利用可能な燃料（例えば、水素と一酸化炭素）と結合して生成物（例えば、水と二酸化炭素）を形成し、それにより電子を遊離して電力を生成する。適切な反応物（例えば、水と二酸化炭素）および電力が供給される場合、その技法は逆向きに同様に実行されて燃料ガスと酸素を形成する。この場合、その技法は固体酸化物電解セルと呼ばれる。ＳＯＦＣ開発は多数のアプローチ（陽極、陰極または電解質支持型、一体構造セラミック対金属相互接続、平面状対管状およびその変形）を経験している。その技法を営利化するための主要な挑戦は、市場性のある価格、妥当な性能、および使用寿命を同時に達成することである。これらの推進力は密接に関連している。
本出願者によって２０１７年５月４日に出願された、米国仮出願第６２／５０１，６３３号に対する優先権を主張する、２０１８年５月４日に出願された、国際特許出願第ＰＣＴ／ＩＢ２０１８／０５３０９９号は、気密密閉された燃料電池ユニットを有する燃料電池スタックを記述する。燃料電池スタックは、複数の相互接続と交互になった複数の固体酸化物燃料電池を含む。各燃料電池は、陰極、電解質、陽極、および任意選択として、陽極支持を含む。スタックが形成される場合に、縦方向チャネルが燃料電池スタックを通して縦方向に延在するように、燃料電池および相互接続が成形される。いくつかの実施形態では、燃料電池および相互接続は円環形状を有し、縦方向チャネルはスタックの軸中心に配置された中央チャネルである。国際特許出願第ＰＣＴ／ＩＢ２０１８／０５３０９９号（「０９９出願」）は、前述の燃料電池スタックの実施形態に関するその開示に関してを含め、その全体として参照により本明細書に組み込まれる。
本明細書で説明する実施形態は一般に、熱管理に対して構成された電気化学電池スタックに関し、詳細には、電気化学電池スタックの複数の電気化学電池ユニットの各々の間に配置された相互接続を含む電気化学電池スタックに関する。酸化剤入口吸熱を電気化学電池面積のより大きな割合にわたって拡散して、複数の電気化学電池ユニットにわたる温度差を減らすために、各相互接続は、隣接した相互接続に関して回転してオフセットされる。
いくつかの実施形態では、電気化学電池スタックは、各々が陰極、陽極、および陰極と陽極との間に配置された電解質を含む、複数の電気化学電池ユニットを含む。電気化学電池スタックは複数の相互接続も含み、各相互接続は隣接した燃料電池ユニット間に配置される。各陽極とそれぞれ隣接した相互接続との間に燃料チャネルが画定され、燃料チャネルは、燃料入口および燃料出口を有する。各陰極とそれぞれ隣接した相互接続との間に酸化剤チャネルが画定され、酸化剤チャネルは酸化剤入口および酸化剤出口を有する。複数の電気化学電池ユニットおよび相互接続は、第１の燃料電池ユニット、第１の燃料電池ユニットに隣接した第１の相互接続、第１の相互接続に隣接した第２の燃料電池ユニットおよび第２の燃料電池ユニットに隣接した第２の相互接続を含む。第２の相互接続は、燃料電池スタックの縦軸に関して第１の相互接続から回転してオフセットされる。
いくつかの実施形態では、第２の相互接続は、第１の相互接続から１０度～１７０度の範囲の角度で回転してオフセットされる。特定の実施形態では、第２の相互接続は、第１の相互接続から６０度の角度で回転してオフセットされる。いくつかの実施形態では、複数の相互接続の各相互接続は、隣接した相互接続から１０度～６０度の角度で回転してオフセットされる。いくつかの実施形態では、複数の相互接続の各々は、燃料入口に流体連結された燃料入口チャネルを含み、燃料入口チャネルは、第１の角度を約２度～１０度の範囲で内接させる電気化学電池ユニットの円弧セグメントにわたって配置されている。特定の実施形態では、第１の角度は約５度である。いくつかの実施形態では、複数の相互接続の各々は、酸化剤入口に流体連結された酸化剤入口チャネルを含み、酸化剤入口チャネルは、第２の角度を約１５度～３０度の範囲で内接させる電気化学電池ユニットの円弧セグメントにわたって配置されている。特定の実施形態では、第２の角度は約２０度である。いくつかの実施形態では、複数の相互接続の各々は、縦軸に沿って回転パターンで回転してオフセットされ、回転パターンは２～１０の相互接続のグループごとに繰り返される。
いくつかの実施形態では、複数の相互接続の各々は、複数の燃料チャネルおよび複数の酸化剤チャネルを含む。複数の相互接続の各々は、その縦軸に沿って縦方向チャネルを画定する相互接続本体を含み、相互接続本体は、第１の電気化学電池ユニットに面した相互接続本体の第１の表面上に複数の燃料チャネル、および第２の電気化学電池ユニットに面した相互接続本体の第２の表面上に複数の酸化剤チャネルを画定する複数の波形を含み、複数の燃料チャネルおよび複数の酸化剤チャネルの各々は縦方向チャネルの周辺に位置付けられている。いくつかの実施形態では、複数の燃料チャネルの各々の燃料チャネルベースは対応する第２の電気化学電池ユニットの陽極と電気的に接触し、複数の酸化剤チャネルの各々の酸化剤チャネルベースは対応する第１の電気化学電池ユニットの陰極と電気的に接触する。いくつかの実施形態では、複数の相互接続の各々は、燃料入口チャネル、燃料出口チャネル、酸化剤入口チャネルおよび酸化剤出口チャネルを含み、燃料入口チャネルおよび燃料出口チャネルの各々は、複数の相互接続の対応する相互接続の複数の燃料チャネルの各々に流体連結されており、酸化剤入口チャネルおよび酸化剤出口チャネルの各々は、複数の相互接続の対応する相互接続の複数の酸化剤チャネルの各々に流体連結されている。
別の実施形態では、燃料電池スタックは、各々が陰極、陽極、および陰極と陽極との間に配置された電解質を含む、複数の燃料電池ユニットを含む。燃料電池スタックは、複数の相互接続も含み、各相互接続は隣接した燃料電池ユニット間に配置される。各陽極とそれぞれ隣接した相互接続との間に燃料チャネルが画定され、燃料チャネルは、燃料入口チャネルおよび燃料出口チャネルを有する。各陰極とそれぞれ隣接した相互接続との間に酸化剤チャネルが画定され、酸化剤チャネルは酸化剤入口チャネルおよび酸化剤出口チャネルを有する。複数の燃料電池ユニットおよび相互接続は、第１の燃料電池ユニット、第１の燃料電池ユニットに隣接した第１の相互接続、第１の相互接続に隣接した第２の燃料電池ユニット、および第２の燃料電池ユニットに隣接した第２の相互接続を含む。第２の燃料電池ユニットに対応する燃料入口チャネルは、燃料電池スタックの縦軸に関して第１の燃料電池ユニットに対応する燃料入口チャネルから回転してオフセットされる。
別の実施形態では、燃料電池スタックは、各々が陰極、陽極、および陰極と陽極との間に配置された電解質を含む、複数の燃料電池ユニットを含む。燃料電池スタックは、複数の相互接続も含み、各相互接続は隣接した燃料電池ユニット間に配置される。各陽極とそれぞれ隣接した相互接続との間に燃料チャネルが画定され、燃料チャネルは、燃料入口チャネルおよび燃料出口チャネルを有する。各陰極とそれぞれ隣接した相互接続との間に酸化剤チャネルが画定され、酸化剤チャネルは酸化剤入口チャネルおよび酸化剤出口チャネルを有する。複数の燃料電池ユニットおよび相互接続は、第１の燃料電池ユニット、第１の燃料電池ユニットに隣接した第１の相互接続、第１の相互接続に隣接した第２の燃料電池ユニット、および第２の燃料電池ユニットに隣接した第２の相互接続を含む。第２の燃料電池ユニットに対応する酸化剤入口チャネルは、燃料電池スタックの縦軸に関して第１の燃料電池ユニットに対応する酸化剤入口チャネルから回転してオフセットされる。
前述は本開示の概要であり、従って必然的に、詳細の単純化、一般化、および省略を含む。それ故に、当業者は、概要は例示にすぎず、制限することを全く意図していないことを理解するであろう。クレームによって定義されるとおり、本明細書で説明する装置および／またはプロセスの他の態様、特徴、および利点は、本明細書に記載される詳細な説明で、付随する図面と併せて解釈すると、明らかになるであろう。
本開示の前述および他の特徴は、付随する図面と併せて解釈すると、以下の記述および添付のクレームからより完全に明らかになるであろう。これらの図面は、本開示に従ったいくつかの実施態様だけを示しており、従って、その範囲を制限すると解釈されるべきでないことを理解して、本開示は付随する図面の使用を通して追加の特異性および詳細と共に説明される。
一実施形態に従い、気密密閉された燃料電池ユニットを有する燃料電池スタックの部分の断面斜視図である。 一実施形態に従い、図１Ａの燃料電池スタックに含まれ得る燃料電池ユニットの略図である。 いくつかの実施形態に従った燃料電池ユニットの上面概略図であり、各々は、内部および外部マニホールド設計の異なる組合せに基づき、燃料および酸化剤ガスの異なる可能な流路を示す。図２Ａは、単一の燃料入口、単一の燃料出口、単一の酸化剤入口、および単一の酸化剤出口を備えた燃料電池ユニットを示す。 いくつかの実施形態に従った燃料電池ユニットの上面概略図であり、各々は、内部および外部マニホールド設計の異なる組合せに基づき、燃料および酸化剤ガスの異なる可能な流路を示す。図２Ｂは、２つの燃料入口、２つの燃料出口、２つの酸化剤入口、および２つの酸化剤出口を備えた燃料電池ユニットを示す。 いくつかの実施形態に従った燃料電池ユニットの上面概略図であり、各々は、内部および外部マニホールド設計の異なる組合せに基づき、燃料および酸化剤ガスの異なる可能な流路を示す。図２Ｃは、単一の燃料入口、単一の燃料出口、２つの酸化剤入口、および２つの酸化剤出口を備えた燃料電池ユニットを示す。 いくつかの実施形態に従った燃料電池ユニットの上面概略図であり、各々は、内部および外部マニホールド設計の異なる組合せに基づき、燃料および酸化剤ガスの異なる可能な流路を示す。図２Ｄは、２つの燃料入口、２つの燃料出口、単一の酸化剤入口、および単一の酸化剤出口を備えた燃料電池ユニットを示す。 一実施形態に従った、燃料電池スタックのアレイの斜視図である。 ２つの異なる実施形態に従った、燃料電池スタックのアレイの斜視図である。 ２つの異なる実施形態に従った、燃料電池スタックのアレイの斜視図である。 図４Ａおよび図４Ｂに示すアレイのベース部分の斜視図であり、アレイの燃料および酸化剤の入口および出口を示す。 図４Ａおよび図４Ｂに示すアレイのベース部分の斜視図であり、アレイの燃料および酸化剤の入口および出口を示す。 一実施形態に従った、相互接続の断面斜視図である。 図６に示す相互接続の、それぞれ、上面図および底面図である。図７Ａは相互接続の上面の、燃料側を示す。 図６に示す相互接続の、それぞれ、上面図および底面図である。図７Ｂは相互接続の底面の、酸化剤側を示す。 一実施形態に従った、蛇腹のような構造を有する燃料電池スタックの概略断面図である。 燃料電池スタックの部分の上面断面図であり、３つの異なる実施形態に従った、スタックの縦方向チャネル内に配置されたポストを示す。 燃料電池スタックの部分の上面断面図であり、３つの異なる実施形態に従った、スタックの縦方向チャネル内に配置されたポストを示す。 燃料電池スタックの部分の上面断面図であり、３つの異なる実施形態に従った、スタックの縦方向チャネル内に配置されたポストを示す。 燃料入口（α）および酸化剤入口（β）のおおよその角度の例を示す燃料電池ユニットおよび相互接続の上面概略図である。 単一の燃料入口、単一の燃料出口、単一の酸化剤入口、および単一の酸化剤出口を有する燃料電池ユニットの流れ軸を示す燃料電池ユニットの上面概略図である。 図１１に示す燃料電池ユニットおよび相互接続の５つの例を示し、例中、５つの相互接続全てが、一実施形態に従い、燃料電池スタックの縦軸に関して相互から回転してオフセットされている。図１２Ａ～図１２Ｅは各燃料電池ユニットを個別に示しており、図１２Ｆは、図１２Ａ～図１２Ｅの５つ全ての相互接続の燃料入口の半分を示している断面斜視図である。 図１１に示す燃料電池ユニットおよび相互接続の５つの例を示し、例中、５つの相互接続全てが、一実施形態に従い、燃料電池スタックの縦軸に関して相互から回転してオフセットされている。図１２Ａ～図１２Ｅは各燃料電池ユニットを個別に示しており、図１２Ｆは、図１２Ａ～図１２Ｅの５つ全ての相互接続の燃料入口の半分を示している断面斜視図である。 図１１に示す燃料電池ユニットおよび相互接続の５つの例を示し、例中、５つの相互接続全てが、一実施形態に従い、燃料電池スタックの縦軸に関して相互から回転してオフセットされている。図１２Ａ～図１２Ｅは各燃料電池ユニットを個別に示しており、図１２Ｆは、図１２Ａ～図１２Ｅの５つ全ての相互接続の燃料入口の半分を示している断面斜視図である。 図１１に示す燃料電池ユニットおよび相互接続の５つの例を示し、例中、５つの相互接続全てが、一実施形態に従い、燃料電池スタックの縦軸に関して相互から回転してオフセットされている。図１２Ａ～図１２Ｅは各燃料電池ユニットを個別に示しており、図１２Ｆは、図１２Ａ～図１２Ｅの５つ全ての相互接続の燃料入口の半分を示している断面斜視図である。 図１１に示す燃料電池ユニットおよび相互接続の５つの例を示し、例中、５つの相互接続全てが、一実施形態に従い、燃料電池スタックの縦軸に関して相互から回転してオフセットされている。図１２Ａ～図１２Ｅは各燃料電池ユニットを個別に示しており、図１２Ｆは、図１２Ａ～図１２Ｅの５つ全ての相互接続の燃料入口の半分を示している断面斜視図である。 図１１に示す燃料電池ユニットおよび相互接続の５つの例を示し、例中、５つの相互接続全てが、一実施形態に従い、燃料電池スタックの縦軸に関して相互から回転してオフセットされている。図１２Ａ～図１２Ｅは各燃料電池ユニットを個別に示しており、図１２Ｆは、図１２Ａ～図１２Ｅの５つ全ての相互接続の燃料入口の半分を示している断面斜視図である。 各々が単一の燃料入口、単一の燃料出口、２つの酸化剤入口、および２つの酸化剤出口を持つ、５つの燃料電池ユニットおよび対応する相互接続を有する燃料電池スタックの例を示しており、例中、５つの相互接続全ては、一実施形態に従い、燃料電池スタックの縦軸に関して相互から回転してオフセットされている。 各々が単一の燃料入口、単一の燃料出口、２つの酸化剤入口、および２つの酸化剤出口を持つ、５つの燃料電池ユニットおよび対応する相互接続を有する燃料電池スタックの例を示しており、例中、５つの相互接続全ては、一実施形態に従い、燃料電池スタックの縦軸に関して相互から回転してオフセットされている。 燃料電池スタックの縦軸に関して相互から回転してオフセットされている燃料電池ユニットを含む燃料電池スタックの熱計算流体力学（ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ）（ＣＦＤ）モデルを５の周期で示す。 周期２を持つ回転オフセット層を組み込んでいるスタックの動作を示しており、電解モードで２Ａ／ｃｍ２で１２００時間にわたって動作する。 燃料電池モードで０．２５Ａ／ｃｍ２で１，０００時間にわたって動作する、周期５を持つ回転オフセット層を組み込んでいるスタックの動作を示す。 電解モードで１Ａ／ｃｍ２で１，９００時間にわたって動作する、周期５を持つ回転オフセット層を組み込んでいるスタックの動作を示す。
以下の詳細な説明全体にわたり、付随する図面が参照される。図面では、特に断らない限り、同様の記号は典型的には同様の構成要素を識別する。詳細な説明、図面、およびクレームで記述する例示的な実施態様は制限することを意図していない。本明細書で提示する主題の精神または範囲から逸脱することなく、他の実施態様が利用され得、他の変更が行われ得る。本明細書で大まかに説明して図面で例証される、本開示の態様は、多種多様な異なる構成で配置、置換、統合および設計でき、その全ては明示的に企図されて、本開示の一部を成していることが容易に理解される。
本明細書で説明する実施形態は一般に、熱管理に対して構成された電気化学電池スタックに関し、詳細には、電気化学電池スタックの複数の電気化学電池ユニットの各々の間に配置された相互接続を含む電気化学電池スタックに関する。酸化剤入口吸熱を電気化学電池面積のより大きな割合にわたって拡散させて、複数の電気化学電池ユニットにわたる温度差を減らすために、各相互接続は、隣接した相互接続に関して回転してオフセットされる。
電気化学電池スタック（本明細書で「スタック」とも呼ばれる）コストを削減するために、スタックの材料含量を削減する戦略が追求されてきた。結果として作製されたスタックプラットフォームは、コスト節約戦略として、生成されるｋＷあたりの、材料含量および体積における削減を達成する。しかし、これは電池およびスタック内部に比較的高い熱負荷（単位体積および単位質量あたりの熱）を課し、そのため、熱管理に対する新しい戦略を必要とする。図１～図１０は「０９９出願」で説明するスタック設計を示す。
図１Ａは、一実施形態に従った、燃料電池スタック１１０の部分の断面斜視図である。燃料電池スタック１１０は、複数の燃料電池ユニット１５０のスタック、より具体的には、一実施形態に従い、気密密閉された燃料電池ユニット１１０を含む。燃料電池スタック１１０は、複数の相互接続１５２と交互になった複数の固体酸化物燃料電池ユニット１５０を含む。例えば、図１Ｂは、燃料電池スタック１１０内に含まれ得る、燃料電池ユニット１５０の略図を示す。各燃料電池ユニット１５０は、第１の燃料電極１５３ａ（例えば、陽極）、第１の酸化剤電極１５５ａ（例えば、陰極）を含む第１の電気化学電池１５４ａを含み、第１の燃料電極１５３ａと第１の酸化剤電極１５５ａとの間に挟まれた電解質を含み得る。第２の電気化学電池１５４ｂも、第２の燃料電極１５３ｂ、第２の酸化剤電極１５５ｂを含み、第２の燃料電極１５３ａと第２の酸化剤電極１５５ａとの間に挟まれた電解質も含み得る。いくつかの実施形態では、陽極の各々は任意選択として、陽極支持を含む。いくつかの実施形態では、燃料電池スタック１１０は、逆流に対して、すなわち、電解セルスタックに対して動作し得る。かかる実施形態では、電気化学電池１５４ａ／ｂの燃料電極１５３ａ／ｂは陰極を含み得、電気化学電池１５４ａ／ｂの酸化剤電極１５５ａ／ｂは陽極を含み得る。
相互接続１５２は第１の電気化学電池１５４ａと第２の電気化学電池１５４ｂとの間に挟まれる。相互接続１５２は、その縦軸（例えば、縦方向チャネル１２０が燃料電池スタック１１０に及び得るように、燃料電池スタック１１０の縦軸）に沿って縦方向チャネル１２０を画定する相互接続本体１５２ａを含む。相互接続本体１５２ａは、第１の電気化学電池１５４ａに面した相互接続本体１５２ａの第１の表面上に複数の燃料チャネル１５７、および第２の電気化学電池１５４ｂに面した相互接続本体の第２の表面上に複数の酸化剤チャネル１５９を画定する複数の波形を含む。複数の燃料チャネル１５７および複数の酸化剤チャネル１５９の各々は縦方向チャネル１２０の周辺に、例えば、対称的に、および／または環状構成で、位置付けられ得る。複数の燃料チャネル１５７の各々の燃料チャネルベースは第２の酸化剤電極１５５ｂと電気的に接触し得、複数の酸化剤チャネルの各々の酸化剤チャネルベースは第１の燃料電極１５３ａと電気的に接触し得る。
例えば、電気化学電池１５４ａ／ｂおよび相互接続１５２は、燃料電池スタック１１０が形成される場合に、縦方向チャネル１２０が燃料電池スタック１１０を通して縦方向に延在するように、成形される。図１Ａの実施形態では、電気化学電池１５４ａ／ｂおよび相互接続１５２は円環形状を有し、縦方向チャネル１２０は燃料電池スタック１１０の軸中心に配置された中央チャネルである。円環形状を有するとして説明されているが、縦方向チャネル１２０が燃料電池スタック１１０を通して縦方向に延在する限り、燃料電池スタック１１０は任意の他の適切な形状、例えば、卵形、六角形、正方形もしくは非正方形（ｏｆｆ－ｓｑｕａｒｅ）、または任意の他の形状を有し得る。さらに、縦方向チャネル１２０は燃料電池スタック１１０の幾何学的中心に沿って延在していると説明されているが、他の実施形態では、縦方向チャネル１２０が燃料電池スタック１１０の外縁と重ならない限り、縦方向チャネル１２０は燃料電池スタック１１０の幾何学的中心からオフセットされ得る。
電気化学電池１５４ａ／ｂは、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、各相互接続１５２に対して内周および外周で交互に密封される。これは、気密密閉されるが、単位電池レベルで熱応力蓄積の可能性を減らすのに準拠している、構造をもたらす。
燃料または酸化剤のいずれかの、１つのガスが縦方向チャネル１２０を通って燃料電池ユニット１５０に入れられて燃料電池ユニット１５０から取り出され、一方、他のガスは燃料電池スタック１１０の外周で燃料電池ユニット１５０に入れられて燃料電池ユニット１５０から取り出される。特定の実施形態では、燃料は縦方向チャネル１２０に入れられて縦方向チャネル１２０から取り出され、酸化剤は燃料電池スタック１１０の外周で入れられて取り出される。気密性の電池－相互接続の密閉によってガスの混合を防ぐ。例えば、図１Ａに示すように、第１の電気化学電池１５４ａに近接した第１の表面上の相互接続１５２の外周上に外側シール部材１５８が位置付けられ得、第２の電気化学電池１５４ｂに近接した第２の表面上の相互接続１５２の内周上に縦方向チャネル１２０の周囲に内側シール部材１５６が位置付けられ得る。外側シール部材１５８は、複数の燃料チャネル１５７または複数の酸化剤チャネル１５９の１つを燃料電池スタック１１０の外周外部の容積から流体的に密封し得、内側シール部材１５６は、複数の燃料チャネル１５７または複数の酸化剤チャネル１５９の他方を縦方向チャネル１２０から流体的に密封し得る。具体的には、図１Ａに示すように、外側シール部材１５８は燃料チャネル１５７を外周外部の容積から流体的に密封し、内側シール部材１５６は、酸化剤チャネル１５９を縦方向チャネル１２０から流体的に密封する。
燃料および酸化剤の混合および燃焼という結果となり得る漏れを回避することにより、いくつかの利益が得られ、それは（ｉ）システムに対する反応物の損失の減少、（ｉｉ）スタック上の熱負荷（および特に、スタック構成要素を損傷し得る局部加熱）の減少、（ｉｉｉ）酸化剤側上での蒸気形成の減少、それは、酸化剤電極に対する著しい劣化メカニズムであり得る、クロムの揮発および輸送を減少させる、ならびに（ｉｖ）使用される保護カバーガス量の減少を可能にする、加熱および冷却中のクロスリークの減少、を含む。
燃料電池スタック１１０は、例えば、２０～４００の燃料電池ユニット１５０を含み得、それは、完成したスタックのアスペクト比（高さ対直径または幅）によってだけ制限され、高すぎるアスペクト比は製造およびパッケージングの困難さを提示し得る。様々な実施形態では、アスペクト比は４：１～５：１の範囲であり得るが、特定の用途および開発目的に対して、もっと低いスタックも有用であり得る。複数の燃料電池ユニット１５０は、中間の金属製相互接続１５２と共に、垂直方向にタワーに積み重ねられ得る。
各燃料電池スタックは、動作条件およびスタックサイズに応じて、約５Ｗ～２０ｋＷ（例えば、０．５ｋＷ～２０ｋＷ、１ｋＷ～１５ｋＷ、または５ｋＷ～１０ｋＷ、それらの間の全ての範囲および値を含む）の範囲の出力を有する。一実施形態では、スタックは約７ｋＷの出力範囲を有する。略５０Ｗほど小さい実用的なスタックは、電池数を減らして、動作条件を調整することにより製作され得る。
燃料電池スタック１１０または本明細書で説明する任意の他の電気化学電池スタックは、電池の製造中および後のスタック動作中に誘発される力学的応力を低減する電池設計を提供しながら、電気化学電池スタックを熱的に制御する能力を改善するために適切な幾何形状を利用する。これらの２つの利点は、相互接続１５２および電池の両方を、それらの構造を妥協することなく、薄くするのを可能にする。
相互接続１５２の厚さは０．０５～０．７ｍｍの範囲（例えば、０．０７５～０．４ｍｍ、または０．０８ｍｍ～０．１５ｍｍの範囲で、それらの間の全ての範囲および値を含む）であり得る。電気化学電池ユニットの厚さは０．２～０．４ｍｍの範囲であり得る。特定の実施形態では、厚さは、０．２５～０．３５ｍｍの範囲であり得る。０．１２ｍｍの相互接続１５２および０．３ｍｍの電池を組み込んだこの設計のスタックで１年以上にわたる運用が実証されている。これは、典型的なＳＯＦＣスタック設計で使用された、相互接続における材料厚さのおおよそ１／１０および電池厚さの１／２である。端板、圧縮システム、および全ての他の部品が含まれて完全なスタックを形成する場合、一実施形態で提案されたスタック重量は作用面積あたりのベースで従来のスタック重量の約１／１０で確認された。
言い換えれば、電気化学電池スタックの材料含量が削減され、その削減は著しい。本設計は特殊材料の使用を必要とせず、多くの領域において材料要件を従来の電気化学電池スタックに比べて単純化する。圧縮システムは、以下でさらに詳細に説明するように、より低い負荷に起因して単純化され得る。マニホールドも、同様に以下でさらに詳細に説明するように、より低い密閉要件に起因して単純化され得る。この削減された材料含量は、電気化学電池スタックの本質的なコストを削減する。ｋＷあたりの部品数は増加するが、小さい部品の使用、層あたり異なる部品が少ない、およびオペレータの介入を必要とする大きな許容差がないことに起因して、自動化に対する部品適合性も高まる。従って、より低い材料含量のコスト優位性は増加した全体的な部品数を上回る。
燃料入口／出口シールおよび酸化剤入口／出口シール
燃料注入の燃料排出からの分離および酸化剤注入の酸化剤排出からの分離は、スタックコアから離れていて、圧縮可能でスタックコアとマニホールドとの間の相対的な動きを可能にする準拠シール（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ ｓｅａｌ）を用いてそれに密封される浮遊マニホールドを通して達成される。これは、全体構造において熱的に誘発される力学的応力を防ぐか、または低減するマニホールドとは無関係に、スタックコアが熱的に誘発された負荷に起因して増大または曲がるのを可能にし、それにより個々の構成要素を保護する。例えば、セラミック電池は、過度に応力を加えられた場合、脆性破壊の影響を受けやすい。準拠シールは、同じガス流の入口と出口との間を密閉する。言い換えれば、準拠シールは、燃料入口と燃料出口、および酸化剤入口と酸化剤出口を分離する。好ましくは、準拠シールはいずれの場所でも燃料と酸化剤ガスとの間を密閉しない。準拠高温セラミックシールは漏れがあることが分かっており、かかる漏れは、燃焼の結果ではなく、その漏れ率が低い（例えば、総流量の約５％未満）限り、全体的な効率に小さい影響を及ぼすだけなので、容認可能であり得る。これは、外部マニホールド設計アプローチの好都合な使用を可能にして、コスト、重量および容積の優位性を提供する。
スタックの周辺近くで入口ガスを出口ガスから分離することは、準拠シールをスタックコア（「スタックコア」は、繰り返されるスタック部品－電池、相互接続、シール、および端板－組立体を意味する）に押し付ける金属薄板マニホールド構造を通して達成される。金属製ガス分離構成要素は、スタックがマニホールドに対して短絡するのを防ぐために、誘電体被覆でコーティングされ得る。
環状電池設計は、電池の発熱面積部分からスタックの外表面への伝導路を最小限にとどめ、それは、スタックの熱制御を維持するのを支援する。図２Ａ～図２Ｄは、様々な実施形態に従った燃料電池ユニット２５０ａ／ｂ／ｃ／ｄの上面概略図であり、各々は、内部および外部マニホールド設計の異なる組合せに基づき、燃料および酸化剤ガスの異なる可能な流路を示す。図２Ａは、単一の燃料入口、単一の燃料出口、単一の酸化剤入口、および単一の酸化剤出口を備えた燃料電池ユニットを示す。図２Ｂは、２つの燃料入口、２つの燃料出口、２つの酸化剤入口、および２つの酸化剤出口を備えた燃料電池ユニットを示す。図２Ｃは、単一の燃料入口、単一の燃料出口、２つの酸化剤入口、および２つの酸化剤出口を備えた燃料電池ユニットを示す。図２Ｄは、２つの燃料入口、２つの燃料出口、単一の酸化剤入口、および単一の酸化剤出口を備えた燃料電池ユニットを示す。これらの例は、可能なレイアウトを示すが、本設計は、特定の用途に対して、例えば、動作圧力降下を下げるためにもっと多くの短い流路を有することによって、望ましくあり得る任意の数の燃料および空気入口に対して適合できる。
例えば、燃料電池ユニット２５０ａ／ｂ／ｃの各々に含まれる相互接続（例えば、相互接続１５２）の相互接続本体（例えば、相互接続本体１５２ａ）は、少なくとも１つの燃料入口チャネルおよび、複数の燃料チャネル（例えば、燃料チャネル１５７）の各々に流体連結された少なくとも１つの燃料出口チャネルを画定し得る。相互接続本体は、少なくとも１つの酸化剤入口チャネルおよび、複数の酸化剤チャネル（例えば、酸化剤チャネル１５９）の各々に流体連結された少なくとも１つの酸化剤出口チャネルをさらに画定し得る。少なくとも１つの燃料入口チャネルおよび少なくとも１つの燃料出口チャネルは、縦方向チャネルの第１の部分から燃料を受け取り、使用済み燃料を縦方向チャネルの第２の部分に排出するために、縦方向チャネルに流体連結され得る。外側シール部材（例えば、外側シール部材１５８）は、外周囲外部の容積からの複数の燃料チャネルを流体的に密閉し得る。さらに、少なくとも１つの酸化剤入口チャネルおよび少なくとも１つの酸化剤出口チャネルは、外周囲外部の容積の第１の部分から酸化剤を受け取り、使用済み酸化剤を第２の部分から排出するために、相互接続の外周に流体連結され得る。内側シール部材（例えば、内側シール部材１５６）は、縦方向チャネルからの複数の酸化剤チャネルを流体的に密閉し得る。
モジュールアレイ
さらに大規模なシステムに対して、スタックはモジュールアレイで、例えば、図３のアレイ１００もしくは図４Ａに示すアレイ２００で示すような２０ｋＷ～２５０ｋＷ以上のアレイで、または図４Ｂのアレイ３００に示すような４０ｋＷ～５００ｋＷのアレイで、配備され得る。さらに大規模なシステムは複数のアレイから成り得る。スタック設計は、その統合された圧縮システム、統合されたガス連結との直接のボルト連結、環境への短い伝導経路、および高圧－低電流出力に起因して、アレイ化レイアウトに特に良く適している。スタック－モジュール接合面を単純化または除去することにより、スタックはより大規模なシステムの設計を単純化する可能性がある。図１Ａのスタック１１０に基づくスタックアレイの２つの実施形態が以下で説明される。スタックは、用途に応じて異なるパッケージサイズにアレイ化され得る。可能なサイズは、単一スタック（約１．２ｋＷ）～１５×１５アレイのスタック（２５０ｋＷ）以上の範囲である。一例として、１０×１０、１００ｋＷのパッケージは、圧縮、電流収集およびダクティングを含め、略０．６ｍ×０．６ｍ×０．３ｍ（１１３Ｌ）の大きさであり得、それは内燃エンジンとの競合力がある。
図３は、一実施形態に従った、燃料電池スタック１１０のアレイ１００の斜視図である。この実施形態では、燃料が燃料電池スタック１１０の底部から供給されて取り出され、他方、酸化剤ガス（例えば、空気）がスタックの上側の収容容積に入れられて燃料電池スタック１１０の底部から取り出される。空気は一般的に、より高い対流熱容量を有し、そのため、燃料電池スタック１１０を冷却する一次手段として使用され得る。空気は燃料電池スタック１１０（またはスタックアレイ）の上側で比較的低温で入れられて、燃料電池スタック１１０の上側の領域を冷却する。バネ圧縮および電流収集がこの領域に組み込まれ得、そこでは十分な強度および電流搬送容量を維持しながら、より低い温度はあまり特殊でない材料の使用および／または全体的により少ない材料の使用を可能にする。
スタック冷却、大規模なＳＯＦＣスタックに対する主要課題は、酸化剤流を加熱することによって達成され得る。直接対流冷却とは異なり、多段階の入口アプローチは、酸化剤（例えば、空気）が燃料電池スタック１１０コアに直接入れられた場合に可能であり得るよりもずっと大きい温度上昇を可能にする。適切なサイズにすると、従来のスタックに対するセ氏６００度と比較して、セ氏２００度ほど（例えば、セ氏１５０～２５０度）の入口温度が達成され得る。この大きな温度デルタ許容差は、より低い空気流およびより少ない予熱負荷を可能にして、アレイ１００を含む電気化学電池組立体（例えば、燃料電池組立体または電解質電池組立体）の構成要素のバランスの効率を単純化して向上させる。
各燃料電池スタック１１０は、空気入口ダクティングおよび外部絶縁を除いて、自己完結し得る。本明細書で説明するパッケージングソリューションは、空気入口および外部絶縁シェルを複数の燃料電池スタック１１０間で共有することによって効率性を提供する。いくつかの実施形態では、燃料電池組立体（例えば、図４Ａの燃料電池組立体２０）は、次の繰返し単位、（１）単位電池（電池＋相互接続）：約８Ｗ、約０．８Ｖ、（２）燃料電池スタック（数百の電池＋マニホールド、圧縮など）：約１２００Ｗ、１６０Ｖ～２５０Ｖ、（３）アレイ（可変、最大で２００＋スタック、エンクロージャ、絶縁など）：約２０～２５０＋ｋＷ、ｋＶ範囲、および（４）モジュール（可変、道路輸送可能なサイズでのアレイ構造）：１ＭＷ＋、ｋＶ範囲、を含み得る。他の実施形態では、燃料電池組立体（例えば、図４Ｂの燃料電池組立体４０）は、次の繰返し単位、（１）単位電池（電池＋相互接続）：約２０Ｗ、約０．８Ｖ、（２）スタック（数百の電池＋マニホールド、圧縮など）：７，０００Ｗ、１６０Ｖ～３５０Ｖ、（３）４０～３５０＋ｋＷ、ｋＶ範囲、（４）モジュール（可変、道路輸送可能なサイズでのアレイ構造）：１ＭＷ＋、ｋＶ範囲、を含み得る。
より大規模な出力実施態様（約１０ｋＷ以上）では、モジュール方式は追加の利益を提供する。第１に、スタック電圧は十分に高いので、それらは並列または直並列の電気的構成で接続され得る。これは自動電力平均分配（ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｌｏａｄ ｓｈｅｄｄｉｎｇ）を提供する。その性能が低下した任意のスタックは、その電流負荷を電気的にそれと平行なスタックに自動的に流す。大規模なマルチスタックアレイでは１つのスタックが完全に失われても悪影響はほとんどない。第２に、故障したスタックは、他のスタックを阻害することなく、比較的低コストで、交換することができる。比較的少ないスタックを備えた従来のシステムが、１つの弱点の場合に大きくて管理が困難なスタックの除去および改修を必要とする場合、小さいスタックのアレイでは、局所的な弱点は、その弱いスタックだけを交換すること、より小さい装置およびより迅速でより低コストプロセスによって直すことができる。
図４Ａおよび図４Ｂは、２つの異なる実施形態に従った、電気化学電池スタックのアレイを含む電気化学電池組立体の斜視図である。これらの実施形態は、流入空気を含む、全てのガスサービスが底部から供給されることを除いて、図３の実施形態に類似している。これは、スタックアレイの上部における複雑性を減らし、それは、初期の組立体およびサービスに対して利益をもたらし得る。それは、システムへの統合の容易さの観点からも利点があり、入ってくる空気流と出ていく空気流との間での追加の熱伝達に対する可能性をもたらす。本明細書で説明するとおり、図４Ａおよび図４Ｂの電気化学電池組立体は、燃料電池スタックのアレイを有する燃料電池組立体を含む。他の実施形態では、図４Ａおよび図４Ｂの電気化学電池組立体は、電解質電池スタックのアレイを含む電解質電池組立体として動作するように逆流で操作され得る。
図４Ａは、一実施形態に従った、燃料電池組立体２０を示す。燃料電池組立体２０はハウジングベース３０を有するハウジング２１を含む。燃料電池スタック（例えば、燃料電池スタック１１０）のアレイ２００は、ハウジングベース３０上に配置される。アレイ２００は、底面からの全てのガスサービスを備えた、燃料電池スタックの６×６アレイ（４０＋ｋＷアレイ）を含む。図４Ｂは、別の実施形態に従った、燃料電池組立体４０を示す。燃料電池組立体４０は、ハウジングベース５０を有するハウジング４１を含み、ハウジングベース５０の上に燃料電池スタック（例えば、燃料電池スタック１１０）のアレイ３００が配置される。アレイ３００は、底面からの全てのガスサービスを備えた、８×５アレイ（２８０＋ｋＷアレイ）を含む。これらのレイアウトでは、ハウジングベース３０、５０は、熱交換機能を組み込んで、ガスを全ての燃料電池スタックに対して均等に分配および収集する。図５Ａは、図４Ａに示す燃料電池組立体２０のベース部分の斜視図であり、アレイの燃料および酸化剤の入口および出口を示す。図４Ａの左側で２つのスタックが省かれており、そのため酸化剤予熱管の２本を見ることができる。
図５Ａに示すように、電気化学電池組立体２０は、燃料入口２２、燃料出口２４、酸化剤入口２６および電気化学電池スタックのアレイ２００にハウジングベース３０を通して流体連結された酸化剤出口２６を含む。ハウジングベース３０は、燃料入口２２を通ってハウジングベース３０に入る燃料と、燃料出口２４を通ってハウジングベース３０から出る使用済み燃料との間に熱交換を提供するように構成された少なくとも１つの熱交換チャネル３４も画定する。アレイ２００とハウジングベース３０との間で燃料および酸化剤を交換するための複数のスタック接合面３２（例えば、スルーホール）および１つ以上のガス分配チャネル３６もハウジングベース３０に提供され得る。さらに、燃料バイパス入口２９が少なくとも１つの熱交換チャネルを迂回するように、燃料バイパス入口２９は、ハウジングベース３０を通して電気化学電池スタックのアレイ２００に流体連結される。従って、燃料入口２２および燃料バイパス入口２９は二重の燃料入口を提供し、そのうち燃料バイパス入口２９は燃料電池スタックのアレイ２００に真っ直ぐに通じ、燃料入口２２は熱交換および改質セクションを通過する。これらの二重入口は任意選択であるが、スタック入口温度およびスタック内改質の追加の制御可能性を提供する。
図５Ｂは、図４Ｂに示す燃料電池組立体４０のベース部分の斜視図であり、燃料入口４２、燃料出口４４、酸化剤入口４６およびアレイ３００に流体連結された酸化剤出口４８を示す。これらの実施形態では、ハウジングベース５０の上方部分５６は、入ってくる燃料から出る燃料への熱交換を組み込み、燃料改質セクションも含み得る。複数のスタック接合面５２もハウジングベース５０内に提供される。図４Ｂに示す燃料電池組立体４０は二重入口を有していない。これらの実施形態では、冷気入口は底面からスタック高温ゾーンに入る。
相互接続設計
図６は、一実施形態に従った、相互接続４５２の断面斜視図である。相互接続４５２は、複数の燃料チャネル４５７および複数の酸化剤チャネル４５９を画定する相互接続本体４５２ａを含む。図６では、燃料側は最上部である。燃料チャネル４５７は同時に、電池酸化剤電極に対する電気的接触面積を形成する。酸化剤チャネル４５９は同時に、燃料電池電極に対する電気的接触面積を形成する。燃料チャネル４５７は相互接続４５２の上面上の畝（ｒｉｂ）によって分離され、他方、酸化剤チャネル４５９は相互接続４５２の底面上の畝によって分離されている、すなわち、燃料側の畝は酸化剤チャネル４５９を形成し、逆も同じである。図７Ａおよび図７Ｂは、相互接続４５２の、それぞれ上面図および底面図であり、図１１には、その幾何学的中心においてそれを通ると説明される縦方向チャネル４２０を有すると示されている。図７Ａは相互接続の上面の燃料側を示し、燃料チャネル４５７の各々に流体連結された燃料入口チャネル４６３（または流れの方向に応じて燃料出口チャネル）を示している。図７Ｂは相互接続の底面の酸化剤側を示し、酸化剤入口チャネル４６５（または流れの方向に応じて酸化剤出口チャネル）を示している。図７Ａおよび図７Ｂは、相互接続４５２の燃料側用のチャネル４５７（図７Ａ）および酸化剤側用の４５９（図７Ｂ）の各々によって提供される有効な作用面積を示す。相互接続４５２上に重ねられた平らな半円形領域は、各相互接続チャネル４５７、４５９にさらされる電池の作用面積を表す。作用面積は各々、各チャネル４５７、４５９の位置およびサイズ両方の関数である。相互接続４５２は、各チャネル４５７、４５９の方へ、そのチャネル４５７、４５９によって対応される作用面積に比例する流れを提供するように設計される。これは、両方の電池電極からの適切な電流収集を提供するサイズおよび間隔制約に配慮しながら、達成される。幾何形状に対する変更は、相互接続４５２の両側の流れおよび電気的特性に影響を及ぼす。任意選択として、電気的接触を支援するために、各電池と各相互接続４５２との間に接触中間層（ｃｏｎｔａｃｔ ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ）が追加され得る。
図７Ａおよび図７Ｂに示す例では、外側シール部材４５８は、この例では、燃料シール部材であり、それは外周上にある（図７Ａ）。内側シール部材４５６は、この例では、酸化剤シール部材であり、それは燃料電池スタックの縦方向チャネル４２０の周囲の内周上にある（図７Ｂ）。空間および波形相互接続設計での燃料シール部材の酸化剤シール部材からの分離は、スタックの外周または厚さに追加することなく、必要なコンプライアンスを提供する。言うまでもなく、酸化剤が縦方向チャネル４２０を通って流れる実施形態では、内側シール部材４５６は、燃料シールとして機能し、他方、外側シール部材４５８は、酸化剤シールとして機能する。
相互接続４５２のための基材は約０．１ｍｍの厚さ（例えば、０．０７～０．１３ｍｍの厚さ）である。これは、電池の作用面積が低いため、および電池上の任意の点から縁までの距離が比較的小さいために可能であり、スタック温度がうまく制御されることにつながる。もっと大規模なスタックに関して、または距離がもっと大きい場合、相互接続の厚さは、スタックおよび電池温度の制御を維持するための十分な熱伝導率を有するために、増大させる必要がある。
内部シール設計
内部シール、相互接続４５２と電池との間にあって、燃料ガスと酸化剤ガスを分けるものは、アレイ１００、２００、または３００内に含まれる電気化学電池スタック内のガラスセラミックシールとして実装され得る。それらの位置は、蛇腹のような構造を生じる方法で、内径と外径との間に交互に置かれ得、それらは図８の概略断面図で見られ、図８は、相互接続４５２を含み、上板４４０と底板４６０との間で圧縮される燃料電池スタック４１０を含む電気化学電池スタックの略図を示す。言い換えれば、燃料電池スタック４１０に含まれる複数の相互接続４５２は、燃料電池スタック４１０がコンプライアンスを有するように、協調して蛇腹のような構造を形成する。相互接続４５２は、約０．１ｍｍの厚さであり得る。薄い材料は流れ場を生じる波形と相まって、その層内部の応力を容易に緩和する相互接続４５２を作る。これは、応力が層間で増大するのを防ぐロバスト構造を生成する。図８に示すように、応力緩和機能を提供するために追加のセパレータも金属製構成要素も使用されないことは好ましい。すなわち、燃料電池スタック４１０の蛇腹のような構造は、交互に置かれた電池４５４、外側シール４５８、相互接続４５２、および内側シール４５６から作られる。
内側シール４５６および外側シール４５８に加えて、相互接続４５２の外周に近接した電気化学電池４５４（電気化学電池ユニット、例えば、燃料電池ユニットまたは電解質電池ユニット、に含まれる第１の電気化学電池および第２の電気化学電池の各々）の外縁または縦方向チャネル４２０に近接した電気化学電池４５４の内縁の少なくとも１つ上に縁部シール部材４６１が配置され得る。例えば、電池陽極支持の縁部は典型的には多孔性である。図８に示す実施形態では、縁部シール部材４６１は、燃料ガスと酸化剤ガスとの間に追加の密閉を提供するために、電気化学電池４５４の外縁上に配置される。
ポスト設計
ガス（燃料または酸化剤のいずれか）が電気化学電池まで縦方向チャネルを通過するマニホールドとして、ポストが使用され得る。ポストは縦方向チャネル内に配置されて、縦方向チャネルから電気化学電池へのガス入口を、電気化学電池から縦方向チャネルへのガス出口から離すように構成され得る。ポストは、入口流と出口流との間に準拠シールを提供するために、セラミックスラリー、ペースト、詰綿（ｂａｔｔｉｎｇ）、またはその組合せで適所に密閉され得る。ポストは、準拠シール材料が追加される垂直チャネルを形成する特徴をもつ、機械加工された金属、多面金属薄板、ろう付け（ｂｒａｚｅｍｅｎｔ）、またはセラミックであり得る。
図９Ａ～図９Ｃは、燃料電池スタック５１０の部分の上面断面図であり、３つの異なる実施形態に従った、スタック５１０の縦方向チャネル５２０内に配置された様々なポストを示す。これらの実施形態では、縦方向チャネル５２０は、スタック５１０の軸中心に沿って延在する中央チャネルであり、従って、そのチャネル内部のポストは「中央ポスト」と呼ばれる。しかし、他の実施形態では、ポストはスタック５１０の中心からオフセットされるチャネル内に配置され得る。この実施形態では、燃料ガスは縦方向チャネル４２０を通過するとも想定される。図９Ａは、一実施形態に従った、円形ポスト５３０ａを示す。ポスト５３０は、燃料を受け取るように構成されたポスト入口５３２ａおよび使用済み燃料を受け取り電気化学電池スタック５１０から排出するように構成されたポスト出口５３４ａを画定するために、その周辺に軸対称に配置された深溝を画定する。ポスト入口５３２ａおよびポスト出口５３４ａは、シール空洞５３６ａによって相互から流体的に分離される。図９Ｂは、別の実施形態に従い、縦方向チャネル５２０内に配置された、ポスト５３０ｂを示す。ポスト５３０ｂは、縦方向チャネル５２０をポスト入口５３２ｂ、ポスト出口５３４ｂ、およびポスト入口５３２ｂをポスト出口５３４ｂから流体的に分離するシール空洞５３６に分割する２つの平行板を含む。図９Ａおよび図９Ｂの実施形態では、中央ポストであるポスト５３０ａ／ｂは、１つの燃料入口ポートおよび１つの燃料出口ポートを含む。
図９Ｃは、相互に向かい合って位置付けられた２つの燃料入口板５３１ｃを含むポスト組立体５３０ｃを示す。２つの燃料出口板５３７ｃは、相互に向かい合った２つのポスト出口５３４ｃを画定するために、燃料入口板５３１ｃと垂直に位置付けられる。図９Ｃの実施形態では、ポスト５３４ｃは中央チャネル５３３ｃ、例えば、複数の開口部５３５ｃを有する燃料入口板５３１ｃにより２つの側方ポストチャネル５３２ｃ（例えば、側方燃料ポート）から分離されている燃料入口ポート、を含む。燃料は中央チャネル５３３ｃに流入し、次いで、開口部５３５ｃを介して側方ポストチャネル５３２ｃに流入する。この実施形態の中央ポスト組立体５３０ｃは、燃料出口ポートを含む２つのポスト出口５３４ｃを有する。セラミックコーキング材などの、密閉部材５３９ｃは、流入燃料を流出燃料から分離するためにシール空洞５３６ｃに挿入される。漏出経路は燃料と空気を混合する結果とならないため、このシールは気密性である必要はない。むしろ、このシールを通った漏れの影響は、スタック自体を通って流れる燃料が減ることである。総流量の２～３パーセントまでの、中程度の漏れは、スタック性能に重大な影響を及ぼさない。固体酸化物燃料電池システムは典型的には、燃料電極から反応生成物（Ｈ２Ｏ、ＣＯ２など）を掃引するために過剰な燃料で動作するので、中程度の漏れでさえ、いかなるシステム特性にも顕著な影響を及ぼさない可能性がある。
ポスト５３０ｃで使用される密閉部材５３９ｃ材料は、熱応力を構造内部に分散させるのを可能にするために、幾分準拠するように設計され得る。コンプライアンス要件の結果、密閉部材５３９ｃは電池層に強固には結合されず、それは気密性ではない。しかし、それは同時に準拠し、かつ燃料が、シールを通って漏れるのではなく、相互接続の周囲を優先的に流れる十分に低い漏れであるように設計できる。
熱管理
前述の燃料電池スタックのコンパクト設計は、電池およびスタック内部に比較的高い熱負荷（単位体積および単位質量あたりの熱）を課し、そのため、熱管理に対する新しい戦略が望まれる。例えば、図１０に示すように、燃料入口チャネル６６３ａは、第１の角度αを２～１０度の範囲で内接させる電気化学電池ユニット６５０の円弧セグメントにわたって局所化され得る。燃料出口チャネル６６３ｂも第１の角度αを内接させ得る。いくつかの実施形態では、電池層への燃料入口チャネル６６３ａは、第１の角度αが、燃料電池円弧（３６０°）の略５°に達するように、スライスにわたって配置され、燃料出口チャネル６６３ｂも同様である。いくつかの実施形態では、酸化剤入口チャネル６６５ａおよび／または酸化剤出口チャネル６６５ｂは、第２の角度βを約１５°～３０°の範囲で内接させる電気化学電池ユニット６５０の円弧セグメントにわたって配置される。特定の実施形態では、第２の角度βは電池円弧の約２０°である。
酸化剤側で、冷気が熱管理のためにスタックへ流れることができるが、冷却の大部分は入口近くで起こり、それは、総電池面積の１０％未満を占め得る。
燃料側で、内部改質は追加の冷却を燃料電池スタックに供給できる。内部改質燃料電池では、高価で複雑な外部改質機器を必要とすることなく、パイプライン天然ガス（ＣＨ４）、液化天然ガス（ＬＮＧ）、液化石油ガス（ＬＰＧ）、バイオガス、メタン含有石炭ガスなどの、炭化水素燃料の直接使用を可能にするために、改質触媒が燃料電池スタック内部に配置される。内部改質装置では、燃料電池によって生成された水と熱が改質反応で使用され、改質反応で生成された水素が燃料電池で使用される。燃料電池反応によって生成された熱は吸熱改質反応のために熱を供給する。従って、内部改質は燃料電池スタックを冷却するために使用される。直接内部改質（ＤＩＲ）が使用される場合、燃料入口において、燃料電池の活性陽極区画内部に改質触媒が置かれる。改質は速いが、瞬間的な反応ではない。実際には、改質反応によって課される吸熱は電池への燃料入口周辺に集中し、電池内まで幾分かの流れ距離が広がる。浸透（ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）の正確な距離および改質吸熱の面積はスタック幾何形状および動作条件に応じて異なる。一般に、改質吸熱は、主に燃料入口の周辺で生じ、冷却効果の大部分は電池面積の最初の２％～２０％以内で生じる。
本出願で説明する１つの概念は、電池にわたる温度差を低減するために、改質および空気入口吸熱を電池面積（全ての燃料電池ユニットを通した全体的なスタック入口投影における）のより大きな割合にわたって拡散させることである。電池にわたる温度差を低減することは、スタックの頑強さ（電池またはシールにクラックが生じるリスクを減らす）、電池性能（より均一な温度はより効率的な電池動作を可能にする）および増大した寿命（冷却を拡散させて高温スポットを防ぐと燃料電池ユニット材料の局所化された劣化速度を低減する）のために重要である。
図１１～図１４は、様々な実施形態に従い、前述した問題に対処できる構成を示す。これらの実施形態で使用される一般的な方策は、燃料電池スタック内部の隣接した相互接続を戦略的に回転させることである。例えば、燃料電池スタック内に含まれる複数の電気化学電池ユニットおよび相互接続は、第１の燃料電池ユニット、第１の燃料電池ユニットに隣接した第１の相互接続、第１の相互接続に隣接した第２の燃料電池ユニット、および第２の燃料電池ユニットに隣接した第２の相互接続を含み、第２の相互接続は、燃料電池スタックの縦軸に関して第１の相互接続から回転してオフセットされる。この方策は、環状および円形電池設計に特に適しているが、周期的な回転対称がある他の形状と共に使用できる。
図１１は、燃料電池ユニット７５０および対応する相互接続の上面概略図であり、単一の燃料入口、単一の燃料出口、単一の酸化剤入口、および単一の酸化剤出口を有する燃料電池ユニットの流れ軸を示している。
図１２Ａ～図１２Ｅは、図１１に示す燃料電池ユニット７５０ａ／ｂ／ｃ／ｄ／ｅおよび対応する相互接続の５つの例を示し、図中、５つの燃料電池ユニットは全て、一実施形態に従い、燃料電池スタックの縦軸に関して相互から回転してオフセットされている。様々な実施形態では、第２の相互接続（例えば、燃料電池ユニット７５０ｂ内に含まれる相互接続）は、第１の相互接続（例えば、燃料電池ユニット７５０ａ内に含まれる相互接続）から１０～１７０°の範囲の角度で回転してオフセットされ得る。図１２Ａ～図１２Ｅに示す実施形態では、各相互接続は両方の隣接した燃料電池ユニット（例えば、それに隣接した燃料電池ユニット７５０ａおよび７５０ｃを有する燃料電池ユニット７５０ｂ）から少なくとも約６０°だけ回転してオフセットされる。従って、各燃料電池ユニットに対応する燃料入口チャネルおよび酸化剤入口チャネルの両方は、隣接した燃料電池ユニットに対応する燃料入口チャネルおよび酸化剤入口チャネルから少なくとも約６０°、同様に回転してオフセットされる。
熱は、略６つの電池にわたる典型的に有用な伝達で、隣接した電池の間で垂直方向に比較的良く分散する（これは設計および動作条件の詳細によって決まり得るが）ことが知られている。図１２Ａ～図１２Ｅに示す実施形態では、任意の層５ｎ（燃料電池ユニット７５０ａ）上の改質面積は、約２０５°～２１５°の円弧セクション内であり、層５ｎ＋１（燃料電池ユニット７５０ｂ）上では２６５°～２７５°の面積内、５ｎ＋２（燃料電池ユニット７５０ｃ）では３２５°～３３５°、５ｎ＋３（燃料電池ユニット７５０ｃ）では２３５°～２４５°、および５ｎ＋４（燃料電池ユニット７５０ｄ）では２９５°～３０５°である。このパターンは、スタック内の５つの隣接した燃料電池ユニットのグループごとに繰り返され得る。従って、全ての改質をスタックを通して垂直に略１０°のバンド内で生じさせる代わりに、改質吸熱は１３０°にわたって拡散される。酸化剤入口チャネルは同様に分散される。
図１２Ｆは、図１２Ａ～図１２Ｅの５つの相互接続全ての燃料入口チャネルの半分を示している断面斜視図である。図１２Ｆに示すように、燃料電池ユニット７５０ａ／ｂ／ｃ／ｄ／ｅに含まれる複数の相互接続の各相互接続の燃料入口チャネル７６３ａ／ｂ／ｃ／ｄ／ｅは、隣接した相互接続の燃料入口チャネル７６３ａ／ｂ／ｃ／ｄ／ｅから回転してオフセットされる。
いくつかの実施形態では、複数の相互接続（例えば、燃料電池ユニット７５０ａ／ｂ／ｃ／ｄ／ｅに含まれる相互接続）の各々は、回転パターンで縦軸に沿って回転してオフセットされ得、回転パターンは、２～１０の相互接続のグループごとに繰り返す。例えば、相互接続の様々な実施形態を図１３および図１４に示す。これらの実施形態の両方は、図１１および図１２の実施形態における単一の入口－単一の出口と比較して、２つの酸化剤入口（左および右）および２つの酸化剤出口（上および下）を有する。図１３の実施形態では、燃料入口および燃料出口はそれぞれ、左側および右側にある。図１４の実施形態では、燃料入口および燃料出口はそれぞれ、上および下にある。図１２～図１４は一緒に、同じ概念の３つの異なる機能的実施態様を示し、各々は５の周期性（すなわち、相互接続の回転構成は５つの隣接した燃料電池ユニットのグループごとに繰り返す）を有する。しかし、１を上回る任意の周期性は、熱拡散の利益をもたらす。例えば、スタックは、２～１０の間、または２～８の間、または４～６の間の、回転パターンすなわち周期性を有し得る。
前述のとおり、本明細書で説明する実施形態は、このように、各層に対して同じ繰返し部品（相互接続および燃料電極ユニット）を利用して実装できるので、環状または円形燃料電池ユニットに対して特に適している。すなわち、スタック内の全ての燃料電池ユニットは同一にでき、全ての相互接続は同一にできる。スタックは、スタックを製造する際に、各燃料電池ユニットを最後のものに対して回転させることによって製造できる。しかし、他の実施形態では、相互接続は、任意の他の形状であり得、第１の燃料電池ユニットに対応する酸化剤入口が、燃料電池スタックの縦軸に関して第２の隣接した燃料電池ユニットに対応する酸化剤入口から回転してオフセットされるように、かつ／または第１の燃料電池ユニットに対応する燃料入口が、燃料電池スタックの縦軸に関して第２の隣接した燃料電池ユニットに対応する燃料入口から回転してオフセットされるように、特別に製造され得る。
図１５は、燃料電池スタックの縦軸に関して相互から回転してオフセットされている燃料電池ユニットを含む燃料電池スタックの熱計算流体力学（ＣＦＤ）モデルを５の周期で示す。このモデルは、垂直方向熱伝導率は、選択的に回転される相互接続方式と相まって、（このモデル事例では）略３００℃以下のスタック出口温度での流入空気の直接衝突にもかかわらず、改質および低温空気入口の両方の温度衝撃を均一にする仕事をうまく行うことを示す。
図１６は、周期２を持つ回転オフセット層を組み込んでいるスタックの動作を示しており、電解モードで２Ａ／ｃｍ２で１２００時間にわたって動作する。このスタックは、従来のスタックよりも著しく高い容積出力密度および熱負荷を有するだけでなく、それは活動的で激しい発熱電解条件でも動作する。それは、選択的に回転された流れ場の統合および結果として生じた熱的条件の平滑化に起因して全体的な熱的安定性で動作することができた。図１７は、燃料電池モードで０．２５Ａ／ｃｍ２で１，０００時間にわたって動作する、周期５を持つ回転オフセット層を組み込んでいるスタックの動作を示し、典型的な燃料電池用途で予期される範囲における熱負荷を表す。このスタックの安定性および高性能レベル（高電圧）は、流れ場の選択的な回転からの熱的平滑化の恩恵を示す。図１８は、電解モードで１Ａ／ｃｍ２で１，９００時間にわたって動作する、周期５を持つ回転オフセット層を組み込んでいるスタックの動作を示す。これも同様に、このわずかに吸熱性の動作条件で達成される安定性および高性能を示す。
全ての事例において、前述の配置は、本発明の用途を表す多くの可能な特定の実施形態の例示にすぎないことが理解される。異なる基本的なパターン周期、単一スタック内部で変化するパターン周期、交互になった基本的な幾何形状および流れ構成を含む、多数の多様な他の配置は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書で説明する概念に従って容易に考案できる。
本明細書では、用語「略」、「約」、「実質的に」、および類似の用語は、本開示の主題が関係する、一般的で当業者によって受け入れられる用法と一致した広い意味を有することを意図する。これらの用語は、説明されてクレームされるある特徴の記述を、これらの特徴の範囲を提供される正確な数値範囲に制限することなく、可能にすることを意図することが本開示を精査する当業者によって理解されるべきである。それに応じて、これらの用語は、説明されてクレームされる主題のごくわずかであるか、もしくは重要ではない修正または変更は添付のクレームで列挙される本発明の範囲内であると考えられることを示すと解釈されるべきである。
用語「連結された」、「接続された」および同様のものは本明細書では、２つの部材を直接的または間接的に相互に結合することを意味する。かかる結合は固定（例えば、永久的）または可動（例えば、取り外し可能または解除可能）であり得る。かかる結合は、２つの部材または２つの部材および単一の単体として相互にもしくは２つの部材と一体的に形成されている任意の追加の中間部材、または２つの部材および相互に取り付けられている任意の追加の中間部材で達成され得る。
本明細書では、要素の位置に対する参照（例えば、「上部」、「底部」、「上に」、「下に」など）は、図中の様々な要素の位置付けを記述するために使用されているにすぎない。様々な要素の位置付けは他の例示的な実施形態に従って異なり得ること、およびかかる変動は本開示によって包含されることを意図することに留意されたい。
様々な例示的な実施形態の構造および配置は例示にすぎないことに留意することは重要である。本開示では２、３の実施形態だけが詳細に説明されているが、本開示を精査する当業者は、本明細書で説明する主題の新規の教示および利点から著しく逸脱することなく、多くの修正が可能である（例えば、様々な要素のサイズ、寸法、構造、形状および割合、パラメータの値、取付け方法、材料の使用、色、配向など）ことを容易に理解するであろう。例えば、一体的に形成されていると示されている要素は複数の部品もしくは要素から構築され得、要素の位置は逆にされるか、もしくは別の方法で変えられ得、別個の要素の性質もしくは数または位置が修正もしくは変更され得る。任意のプロセスもしくは方法ステップの順序もしくはシーケンスは、代替実施形態に従って変更または順序を変えられ得る。他の置換、修正、変更および省略も、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な例示的な実施形態の設計、動作条件および配置において行われ得る。例えば、デッドゾーンを作り出すことなく滞留時間を増大させる意図を達成するために、穿孔バッフルがさらに最適化され得る。

Claims (14)

  1. 電気化学電池スタックであって、
    各々が陰極、陽極、および前記陰極と前記陽極との間に配置された電解質を含む、複数の電気化学電池と、
    各相互接続は隣接した電気化学電池の間に配置された複数の相互接続と、
    を含み、
    縦方向チャネルは、前記電気化学電池スタックの縦軸において、前記複数の電気化学電池と前記複数の相互接続を通って延び、
    前記複数の相互接続の各々は、相互接続本体、および前記縦方向チャネルの周りに周方向に画定された複数の波形を含み、
    前記電気化学電池スタックは、前記縦方向チャネルに配置されたポストをさらに含み、前記ポストは縦方向の燃料入口チャネルおよび１以上の縦方向の燃料出口チャネルを画定し、
    各陽極とそれぞれ隣接した相互接続との間に燃料チャネルが画定され、前記燃料チャネルは、前記縦方向の燃料入口チャネルに流体連結された燃料入口、および前記１以上の縦方向の燃料出口チャネルに流体連結された燃料出口を有し、
    各陰極とそれぞれ隣接した相互接続との間に酸化剤チャネルが画定され、前記酸化剤チャネルは酸化剤入口および酸化剤出口を有し、かつ
    前記複数の電気化学電池および前記複数の相互接続は、第１の電気化学電池、前記第１の電気化学電池に隣接した第１の相互接続、前記第１の相互接続に隣接した第２の電気化学電池および前記第２の電気化学電池に隣接した第２の相互接続を含み、前記第２の電気化学電池に対応する前記燃料入口は、前記電気化学電池スタックの縦軸に関して前記第１の電気化学電池に対応する前記燃料入口チャネルから回転してオフセットされている、
    電気化学電池スタック。
  2. 前記第２の相互接続は、前記第１の相互接続から１０度～１７０度の範囲の角度で回転してオフセットされる、請求項１に記載の電気化学電池スタック。
  3. 前記第２の相互接続は、前記第１の相互接続から６０度の角度で回転してオフセットされる、請求項２に記載の電気化学電池スタック。
  4. 前記複数の相互接続の各相互接続は、隣接した相互接続から１０度～１７０度の角度で回転してオフセットされる、請求項２に記載の電気化学電池スタック。
  5. 前記複数の相互接続の各々は、前記燃料入口に連結された燃料入口チャネルを含み、前記燃料入口チャネルは、２度～１０度の範囲の第１の中心角度を有する隣接する電気化学電池の円弧セグメントを占める、請求項１、２、または４のいずれか一項に記載の電気化学電池スタック。
  6. 前記第１の中心角度は５度である、請求項５に記載の電気化学電池スタック。
  7. 前記複数の相互接続の各々は、前記酸化剤入口に連結された酸化剤入口チャネルを含み、前記酸化剤入口チャネルは、１５度～３０度の範囲の第２の中心角度を有する隣接する電気化学電池の円弧セグメントを占める、請求項１、２、４、または５に記載の電気化学電池スタック。
  8. 前記第２の中心角度は２０度である、請求項７に記載の電気化学電池スタック。
  9. 前記複数の相互接続の各々は、前記縦軸に沿って回転パターンで回転してオフセットされ、前記回転パターンは２～１０の相互接続のグループごとに繰り返される、請求項１、２、４、または５に記載の電気化学電池スタック。
  10. 燃料チャネルの各々の燃料チャネルベースは対応する第２の電気化学電池の陽極と電気的に接触し、かつ酸化剤チャネルの各々の酸化剤チャネルベースは対応する第１の電気化学電池の陰極と電気的に接触する、請求項１、２、４、５、または９に記載の電気化学電池スタック。
  11. 前記複数の相互接続の各々は、燃料入口チャネルと、燃料出口チャネルと、酸化剤入口チャネルと、酸化剤出口チャネルとを含み、前記燃料入口チャネルおよび燃料出口チャネルの各々は、前記複数の相互接続の対応する相互接続の前記燃料チャネルに流体連結され、かつ前記酸化剤入口チャネルおよび酸化剤出口チャネルの各々は、前記複数の相互接続の対応する相互接続の前記酸化剤チャネルに流体連結されている、請求項１、２、４、５、または９に記載の電気化学電池スタック。
  12. 前記複数の相互接続は、蛇腹状構造を形成するよう協調して構成されて、前記電気化学電池スタックが前記縦軸に沿って圧縮可能である、請求項１、２、４、５、または９に記載の電気化学電池スタック。
  13. 前記第２の電気化学電池に対応する酸化剤入口チャネルは、前記電気化学電池スタックの前記縦軸に関して前記第１の電気化学電池に対応する酸化剤入口チャネルから回転してオフセットされている、請求項１、２、４、５、または９に記載の電気化学電池スタック。
  14. 前記複数の波形は、前記第１の電気化学電池に面する前記相互接続本体の第１の表面上に複数の燃料チャネル、および前記第２の電気化学電池に面する前記相互接続本体の第２の表面上に複数の酸化剤チャネルを画定し、前記複数の燃料チャネルおよび前記複数の酸化剤チャネルの各々は、前記縦方向チャネルの周りに配置される、請求項１、２、４、５、または９に記載の電気化学電池スタック。
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