(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学変換器集成体であって、
酸化剤電極材を一方の面に備え、燃料電極材を反対の面に備える電解質プレートと、前記電解質プレートに電気接続を提供する連結プレートと、を交互に積層してなる非密封外周部を備えた積層変換プレート要素と、
前記積層変換プレート要素内にマニホールドを形成する反応体流動路からなり、
更に、前記反応体流動路は、燃料反応体および酸化剤反応体を前記電解質プレート上に対称にそして均一に分配し、
かつ、前記反応体流動路は、使用済み燃料反応体および酸化剤反応体が、前記積層変換プレート要素における電解質プレートと連結プレートとの間の前記非密封外周部の少なくとも大部分から放出させ、前記積層変換プレート要素の中に反応体を十分均一に流動させることで、前記電気化学変換器集成体の中に十分に低い圧力差状態を発生させ、
かつ、前記反応体流動路のマニホールドが、
前記積層変換プレート要素の中央に配置された第１通路を含むとともに、前記燃料反応体および前記酸化剤反応体の一方を前記積層変換プレート要素に導入し、
更に、前記積層変換プレート要素において前記第１通路から外方向にそして対称に間隔を空けて同心円状に配置された複数の第２通路を含むとともに、前記２つの内の他方の反応体を導入する、
電気化学変換器集成体。
【請求項２】
前記連結プレートに、前記電気化学変換器集成体に導入された燃料反応体および酸化剤反応体を分配するための反応体流動通路を形成する型押模様が形成され、前記流動通路が前記燃料反応体を前記燃料電極表面上に導き、また前記酸化剤反応体を前記酸化剤電極表面上に導く、請求項１に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項３】
前記連結プレートと前記電解質プレートの間に挿入されたスペーサプレートであって、前記電気化学変換器集成体に導入された燃料反応体を前記燃料電極表面上で分配し、前記電気化学変換器集成体に導入された酸化剤反応体を前記酸化剤電極表面上で分配するスペーサプレートを更に含む、請求項１に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項４】
前記連結プレートと前記電解質プレートの間に挿入され、前記反応体流動通路の中の前記反応体の圧力降下を調節する流動調節手段を更に備える、請求項２に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項５】
前記流動調節手段がワイヤーメッシュである、請求項４に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項６】
前記反応体流動通路が前記電解質プレートの少なくとも一方の面によって形成されている、請求項１に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項７】
前記反応体流動路のマニホールドが、前記第２通路から外方向に間隔を空けて配備された、使用済み燃料を前記積層変換プレート要素から取り除く少なくとも１つの第３通路を更に含んでいる請求項６に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項８】
前記第１通路が前記酸化剤反応体を受け取るよう構成されている請求項７に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項９】
前記第２通路が前記燃料反応体を受け取るよう構成されている請求項８に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項１０】
前記第３通路が、前記変換器外周部から排出する以前に、前記電気化学変換器集成体からＣＯ２の除去を促進することを特徴とする請求項７に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項１１】
前記燃料反応体をＨ２およびＣＯに改質する改質手段を更に含む請求項７に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項１２】
前記連結プレートと前記電解質プレートの間に、前記燃料反応体および酸化剤反応体のうち少なくとも一方が他方の反応体に係る前記反応体流動通路に流入するのを防ぐシールを形成する封止手段を更に含む請求項１に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項１３】
前記封止手段が溶加材である請求項１２に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項１４】
前記封止手段が前記連結プレートの所定の部分に沿って前記第１通路と第２通路のうち少なくとも一方に配置されている請求項１２に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項１５】
前記型押模様が、前記反応体流動通路を形成するディンプル加工表面からなる請求項２に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項１６】
前記電気化学変換器集成体を囲い、前記積層変換プレート要素の前記外周部から排出される前記使用済み反応体を収集する、熱閉鎖手段を更に含む請求項１に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項１７】
前記熱閉鎖手段が熱導管である請求項１６に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項１８】
前記熱閉鎖手段が前記の収集された使用済み反応体をボトミングプラントに移送する請求項１６に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項１９】
前記第１通路に、前記電気化学変換器集成体を構造的に圧縮保持する支持手段が取り付けてある請求項６に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項２０】
前記支持手段が、少なくとも１つのばね荷重式の引棒集成体からなり、この引棒集成体が前記電気化学変換器集成体に所定の圧縮力をかけ、前記連結プレートと前記電解質プレートを互いに押し付ける請求項１９に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項２１】
前記積層変換プレート要素が熱交換表面となるように構成されている外面を備える請求項１に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項２２】
前記熱交換表面が、外部環境との間で放射により熱交換を行なう請求項２１に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項２３】
前記熱交換表面が、外部環境との間で伝導により熱交換を行なう請求項２１に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項２４】
前記熱交換表面が、外部環境に熱を対流により伝導する請求項２１に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項２５】
前記電気化学変換器集成体がおおむね円柱形状である請求項４に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項２６】
前記電気化学変換器集成体がおおむね直線で囲まれた形状である請求項４に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項２７】
電気化学変換器集成体であって、
酸化剤電極材を一方の面に備え、燃料電極材を反対の面に備える電解質プレートと、前記電解質プレートに電気接続を提供する連結プレートと、を交互に積層してなる非密封外周部を備えた積層変換プレート要素と、
前記積層変換プレート要素内にマニホールドを形成する反応体流動路と、
使用済み酸化物および燃料反応体を前記電気化学変換器集成体における電解質プレートと連結プレートとの間の前記非密封外周部の少なくとも大部分から放出する使用済み燃料反応体および酸化剤反応体除去手段と、
前記連結プレートと前記電解質プレートに接触し、前記連結プレートと前記電解質プレートの間に前記燃料反応体および酸化剤反応体のうち少なくとも一方が他方の反応体に係る前記反応体流動路に流入するのを防ぐ封止を形成する封止手段と、からなり、
更に、前記反応体流動路は、前記燃料反応体および前記酸化剤反応体を前記電解質プレート上に対称にそして均一に分配し、
かつ、前記反応体流動路のマニホールドは、
前記積層変換プレート要素の中央に配置された第１通路を含むとともに、前記燃料反応体および前記酸化剤反応体の一方を前記積層変換プレート要素に導入し、
更に、前記積層変換プレート要素において前記第１通路から対称にそして外方向に間隔を空けて同心円状に配置された複数の第２通路を含むとともに、前記２つの内の他方の反応体を導入する、
電気化学変換器集成体。
【請求項２８】
前記連結プレートに、前記電気化学変換器集成体に導入された燃料反応体および酸化剤反応体を対称にそして均一に分配するための反応体流動通路を形成する型押模様が形成され、前記反応体流動通路が前記燃料反応体を前記燃料電極表面上に導き、また前記酸化剤反応体を前記酸化剤電極表面上に導く、請求項２７に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項２９】
前記連結プレートと前記電解質プレートの間に挿入されたスペーサプレートであって、前記電気化学変換器集成体に導入された燃料反応体を前記燃料電極表面上で分配し、前記電気化学変換器集成体に導入された酸化剤反応体を前記酸化剤電極表面上で分配するスペーサプレートを更に含む、請求項２７に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項３０】
前記連結プレートと前記電解質プレートの間に挿入され、前記反応体流動通路の中の前記反応体の圧力降下を調節する流動調節手段を更に備える、請求項２８に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項３１】
前記流動調節手段がワイヤーメッシュである、請求項３０に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項３２】
前記反応体流動路のマニホールドが、使用済み燃料を前記積層変換プレート要素から取り除く、前記第２通路から外方向に間隔を空けて配備された第３通路を更に含む請求項２７に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項３３】
前記酸化剤反応体が前記積層変換プレート要素に前記第１通路を介して導入される請求項３２に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項３４】
前記燃料反応体が前記積層変換プレート要素に前記第２通路を介して導入される請求項３３に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項３５】
前記第３通路が、前記積層変換プレート要素の外周部から排出する以前に、前記電気化学変換器集成体からＣＯ２の除去を促進することを特徴とする請求項３２に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項３６】
前記燃料反応体をＨ２およびＣＯに改質する改質手段を更に含む請求項３５に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項３７】
前記封止手段が溶加材である請求項２７に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項３８】
前記封止手段が前記連結プレートの所定の部分に沿って前記第１通路と第２通路のうち少なくとも一方に配置されている請求項２７に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項３９】
前記型押模様が、前記反応体流動通路を形成するディンプル加工表面からなる請求項２８に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項４０】
前記電気化学変換器集成体を囲い、前記積層変換プレート要素の前記外周部から排出される前記使用済み反応体を収集する、熱閉鎖手段を更に含む請求項２７に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項４１】
前記熱閉鎖手段が熱導管である請求項４０に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項４２】
前記熱閉鎖手段が前記の収集された使用済み反応体をボトミングプラントに移送する請求項４０に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項４３】
前記燃料反応体および酸化剤反応体が前記ボトミングプラントにおいて予熱されている請求項４２に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項４４】
前記ボトミングプラントが前記燃料反応体の前駆体を改質して燃料反応体を生成する請求項４２に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項４５】
前記電気化学変換器集成体がおおむね円柱形状である請求項２７に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項４６】
前記電気化学変換器集成体がおおむね直線で囲まれた形状である請求項２７に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項４７】
前記反応体流動路が、
前記電解質プレートと前記連結プレートの一方に沿って形成され、前記燃料反応体および前記酸化剤反応体のうち一方をそこに分配し、
前記燃料反応体および前記酸化剤反応体が導入されるように前記積層変換プレート要素内部に軸方向に形成され、所定の流体サイズをもち、
前記積層変換プレート要素の前記外周部からの前記使用済み反応体の放出が、前記反応体流動路の前記流体サイズより十分大きな流体サイズを持つ排気マニホールドを形成する、請求項１に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項４８】
前記積層変換プレート要素が約６９００パスカルあるいはそれ未満の圧力降下を持つ請求項１に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項４９】
前記反応体流動通路が、前記プレートの一方に形成されている型押模様を含む請求項４７に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項５０】
前記使用済み燃料反応体および酸化剤反応体除去手段が、所定の大きな流体サイズを持つ排気マニホールドを含む請求項２７に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項５１】
前記電解質プレートと前記連結プレートの一方に沿って形成され、前記燃料反応体および前記酸化剤反応体のうち一方をそこに分配する反応体流動通路と、
前記燃料反応体および前記酸化剤反応体が導入されるように前記積層変換プレート要素内部に軸方向に形成され、前記排気マニホールドよりかなり小さな所定の流体サイズをもつ反応体流動路とを更に含む請求項５０に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項５２】
前記反応体流動通路、反応体流動路および前記比較的大きい排気マニホールドが協同し、反応体を前記積層変換プレート要素中に十分に均一に流動させ、前記電気化学変換器集成体中に十分に低い圧力差状態を発生させる請求項５１に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項５３】
前記の十分に低い圧力差状態が約６９００パスカルあるいはそれ未満である請求項５２に記載の電気化学変換器集成体。
【請求項５４】
前記反応体流動路は、使用済み燃料反応体および酸化剤反応体が、前記積層変換プレート要素における電解質プレートと連結プレートとの間の前記非密封外周部の少なくとも大部分から放出させ、前記積層変換プレート要素の中に反応体を十分均一に流動させることで、前記電気化学変換器集成体の中に十分に低い圧力差状態を発生させる
請求項２７に記載の電気化学変換器集成体。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は電解物質を用いた電気化学変換器及びこうした構成部材を用いる集成体に関する。
電気化学変換器の最重要構成部材は電極が装着される一連の電解質ユニットと、また類似の一連の連結ユニットであり、それはシリアル電気接続を供給するために電解質ユニット間に配置されている。各電解質ユニットは典型的には低イオン抵抗をもつイオン導体で、それにより該変換器の特定な作動条件下で、イオン種がある電極と電解質のインターフェースからその反対の電極と電解質のインターフェースへ移行することが可能になる。
各種の電解質がこうした変換器に使用可能である。例えば、マグネシア、カルシア或いはイットリアといった化合物で安定化させたジルコニウムは、温度を上げた状態で、例えば摂氏１、０００度で作動させる場合、これらの必要条件を満たすことができる。これらの電解物質は酸素イオンを利用して電流を流す。一般的には、電解質は変換器に短絡を引き起こす電子は通さない。連結ユニットは、他方では、典型的な電子伝導体である。作動すると、投入された反応ガス、電極及び電解質の相互作用が、電極と電解質のインターフェースで生じる。ただしその反応が生じるには、電極が十分に多孔性であり、反応するガス種が入り、生成ガス種が出て来られることが必要である。
電気化学変換器を電解質と連結部材から製造する手法及びその本体組み込みは本発明者によって、１９８４年１２月２５日付け発行の米国特許第４、４９０、４４５号、１９８６年１２月１６日付け発行の米国特許第４、６２９、５３７号、１９８８年１月２６日付け発行の米国特許第４、７２１、５５６号に開示されていたもので、それらは参照によってここに編入されている。特に、米国特許第４、４９０、４４５号は、反応体を分配する通路となる波形パターンを備えた連結プレートを使用する電気化学変換器を開示している。その波形状のパターンは多数のスロットにより断続的に途切れる一連の同心円をなす畝に形状が似ている。その連結プレートの外側の畝は、電解質プレートに押し付けられ、密封されて実質的な耐ガス外壁を形成する。酸化剤及び燃料ガスといった投入ガスが、スタックに開口し、そこを通って長手方向に伸びるそれぞれのマニホールドポートによって電気化学変換器へ供給される。それぞれのマニホールドはその変換器から酸化剤及び燃料生成物を排出する。そのマニホールドはセルスタックの周辺付近に配置されている。
この手法及び他の従来の手法が教示するのは、電解質及び連結ユニットを放射状に生じると共に変換器のスタックの長さ方向に沿って生じる比較的大きな軸方向の圧力降下を発生させる電気化変換器である。この大きな圧力降下は使用されている排気マニホールドの限定的な寸法により発生し、そのため連結プレートの畝を通過する比較的非均等な反応剤の流れを生み出している。更に、この電気化学変換器の集成体に関してのプレート間の結合要件はかなり厳しく、この電気化学変換器の構成プレート間に、また変換器の外部に沿って、実質的に完璧な耐ガスシールを形成する必要がある。
ここに、この技術分野に一つの改良の必要性が存在する。それはコンパクトで効率の良い電気化学変換器で、プレート間の結合要件を緩和しつつ、圧力許容量と反応体の不均等な流れの改善が見られるものである。特に、変換器の長さ方向に沿って、また連結畝の中の放射方向においては発生する圧力差が小さく、またそのためプレート間の結合力を緩和しても良いような電気化学変換器は、長い間この技術分野で感じられていた必要性を満たすことになるだろう。更に、装置効率が増大した電気化学変換器も望ましいものであろう。
発明の要約
本発明は、圧力降下が低く、おおむね均一な流れの電気化学変換器を製作するシステムを提供する。低圧力降下型変換器は、投入反応体マニホールドにたいして比較的大型の排出マニホールドを使用すれば製造できる。これは、使用済み反応体を変換器のおおむね外周部に沿って排出すれば達成できる。さらに、電気化学変換器の軸方向の圧力降下を低く抑えることにより、プレート間の連結部の結合要件を緩和できる。
本発明のシステムは、外周部を備えた少なくとも１つの変換器要素を持つ電気化学変換器集成体を含む。この変換器要素は、酸化剤電極材を一方の面に備え、燃料電極材を他方の面に備える一連の電解質プレートと、電解質プレートと交互に積層され、電解質プレートに電気接続する一連の連結プレートとを含む。この連結プレートは反応体流動通路を形成する型押模様を備えている。これらの流動通路は円柱状の変換器要素の中へ導入された燃料および酸化剤反応体を選択的に分配する。例えば、これらの流動通路は、燃料反応体を電解質プレートの燃料電極面上に分配し、また酸化剤反応体を電解質プレートの酸化剤電極面上に分配する。或は、反応体が通過できる通路を設けるため、スペーサープレートを電解質プレートと連結プレートとの間に挿入してもよい。このスペーサープレートは波形または孔あき板であってもよい。
本発明の電気化学変換器集成体は、円柱状の変換器要素の積層中に反応体を実質的に均一に流動さる一方、反応体流動通路の中に十分に低い圧力差状態を発生させる低圧力降下構成を提供する。この集成体は、変換器要素のおおむね中央付近に配置され、一方の投入反応体が導入される少なくとも１つの通路と、他方の投入反応体が導入される少なくとも１つの第２通路を含む。第２通路は、好適には第１中央通路から外側へ間隔を空けて位置し、他方の反応体を最初の反応体のある変換器要素の反対側に移送する。使用済み反応体は変換器要素の外周部に沿って燃料電池から排出される。
本発明のさらなる様態としては、第２通路から外側に間隔を空けて配備される第３通路が、使用済み燃料を反応体流動通路から、つまり変換器要素から取り除く。取り除かれた燃料は、比較的純度の高い二酸化炭素であることが好ましい。また、第３通路内の使用済み燃料は、入力燃料反応体を改質するのに使用できる。
本発明の電気化学変換器集成体は、連結プレートと電解質プレートの間に非気密シールを形成する封止材を更に含んでもよい。この封止材は、連結プレートと第１、第２、および第３通路との間の接合部に沿って配置される。この封止材を選択的に中間プレートに塗布すると、一方の投入反応体が連結プレートの側の反応体流動通路に流入することができる。例えば、第１通路を囲う封止材が配置されてなければ、酸化剤反応体を電解質プレートの酸化電極表面上を流動させることができる。第１通路に設けられた封止材は、酸化剤が電解質プレートの燃料電極表面上に流入するのを防ぐ。同様に、第２通路と連結プレートとの接合部に封止要素材が配置されてなければ、燃料反応体を通過し、電解質プレートの燃料電極表面に接触することになる。
本発明のさらなる態様としては、連結プレートの型押模様が、反応体流動通路を形成するディンプル表面からなり、同時に隣接するプレート部材との電気的接続を確立する。第１中央通路は、円柱状変換器要素を構造的に支持する支持要素を取り付けるよう構成できる。この支持要素は、少なくとも１つのばね荷重式の引棒集成体からなり、この引棒集成体が電気化学変換器集成体に所定の圧縮力をかけ、連結プレートと電解質プレートを互いに押し付ける。
本発明のさらなる様態としては、この変換器集成体が、変換器要素の外表面から外部環境に熱を放出する。この熱伝達は、放射、伝導、または対流により達成することができる。また、円柱状変換器要素の外周部から放出された使用済み反応体は、変換器要素のを囲んで配置される熱閉鎖要素の中に収集することもできる。この熱閉鎖要素は熱伝導する熱導管が好ましい。使用済み反応体は最終的にはボトミングプラントに移送し、排気熱もボトミングプラントに移送するのが好ましい。
本発明の別の実施例では、この変換器集成体は、おおむね直線で囲まれた形状からなる。
次に、本発明を幾つかの好適な実施例との関連で説明する。しかしながら、当業者なら本発明の精神と範囲から逸脱することなく様々な変更や集成を行なうことは当然可能である。例えば、上記の第１、第２、および第３通路の数は、システムの作動証の要件により変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
本発明に係わる上記およびその他の目的、特徴、利点は以下の説明および添付図面から明らかになるはずである。この図面においては、類似の参照記号は類似の部材を表している。図面は本発明の原理を表わし、共通の尺度をもつ訳ではないが、相対寸法を示している。
図１は、組み立てられた電気化学変換器および関連した集成部材の等角図である。
図２Ａは、電解質部材および連結部材の詳細な等角図である。
図２Ｂは、電解質部材、連結部材およびスペーサ部材の詳細な等角図である。
図３は、本発明により電解質部材および連結部材の断面図である。
図４は、参考例の電気化学変換器の等角図である。
図５は、本発明による電気化学変換器要素と熱的に連通するパワー系統の略図である。
図６は、好適に熱的構成された電気化学変換器とボトミングプラントの略図である。
詳細な説明
図１は本発明の好適な一実施例の電気化学変換器１０を示す等角図である。電気化学変換器１０は図示されたように電解質プレート２０と連結プレート３０を交互に積層してなる。この電気化学変換器に設けられた穴部つまりマニホールドは、燃料と酸化剤ガス、例えば投入反応体の導管となる。図３に示した連結プレート内に設けられた反応体流動通路は、これらのガスの分配および収集を容易にする。
電気化学変換器１０のこれらのプレートは、ばね荷重式の引棒集成体１２によって圧縮保持されている。図３に示すように、引棒集成体１２は、中央酸化剤マニホールド１７内部に固定された引棒１４を含み、この引棒１４は組み立てナット１４Ａを含む。電気化学変換器要素１０の両端に取り付けられた一対の端板１６が、電解質プレートと連結プレートを圧縮する際に、プレートがこれらの固い構成部材からの損傷を受けるのを防ぐ役目を果たしている。電解質プレート２０と連結プレート３０を圧縮することで、プレート間の電気的接触が保たれ、集成体内部での適切な箇所においてガスの密閉が保たれる。
図２Ａ、図２Ｂおよび図３には、電気化学変換器の基本セル単位を示されており、該セル単位は一対の電解質プレート２０と連結プレート３０が含む。本発明の一実施例においては、電解質プレート２０を、安定化ジルコニア材料ＺｒＯ２（Ｙ２Ｏ３）などのセラミックから製作可能であり、このプレート２０に多孔質の酸化剤電極物質２０Ａおよび多孔質の燃料電極物質２０Ｂが塗布されている。酸化剤電極物質としては、例えばＬａＭｎＣｒＯ３（Ｓｒ）のような灰チタン石材料がある。燃料電極物質としては、例えばＺｒＯ２／ＮｉやＺｒＯ２／ＮｉＯのようなサーメットがある。
連結プレート３０は導電性の連結部材から構成されることが好ましい。例としては、ニッケル合金、プラチナ合金、好ましくは米国Ｉｎｃｏ社製のＩｎｃｏｎｅｌのような炭化珪素Ｌａ（Ｍｎ）ＣｒＯ３の非金属合金がある。連結プレート２０は、隣接した電解質プレート間の電気コネクターとして作用し、また燃料と酸化剤反応体の仕切りとしても作用する。図３に最も明確に示されているように、連結プレート３０は中央開口部３１および複数の同心の半径方向に外側に向かって間隔をおいて配置された開口部３２を備える。さらに、もう一組の開口部３３がプレート３０の円周部に沿って配置されている。
また、連結プレート３０は型押された表面３４を備える。図３に示したように、型押された表面には、一連のディンプル３６が設けられているのが好ましい。連結プレートのディンプル加工表面は一連の連結した反応体流動通路を構成する。連結プレート３０はその両面にディンプル加工されていることが好ましい。第２および第３の組の開口部３２、３３の数はここに示したものに限定される訳でなく、当業者であればシステムと反応体流動の必要条件に応じて数量を変えることができることが分かるであろう。
同様に、電解質プレート２０には、連結プレート３０の開口部３１、３２、３３を補足する位置に開口部２１、２２、２３が設けられている。
図２Ａに示されているように、反応体流動調節部材３９を電解質プレート２０と連結プレート３０の間に挿入してもよい。流動調節部材３９は電解質プレート２０と連結プレート３０の間の流体流動インピーダンスとして作用し、反応体流動通路への投入反応体の流入を制限する。よって、流動調節部材には流動を均一にする働きがある。好適な流動調節部材としては、ワイヤーメッシュやスクリーンがあるが、反応体流動通路への投入反応体の流入を所望の割合で制限できればこれ以外の材料でもかまわない。
図２Ｂを参照すると、スペーサプレート１１を電解質プレート２０と連結プレート３０の間に挿入してもよい。スペーサプレート１１は一連の連結した反応体流動通路を構成する波形表面１１Ａを備えるのが好ましい。スペーサプレート１１の電解質プレート２０と連結プレート３０の開口部を補足する位置には、一連の開口部１１Ｂが設けられている。さらに、この構成では、連結プレート２０には反応体流動通路が設けられていない。スペーサプレート１１は、ニッケル合金やプラチナ合金や、とりわけ市販されているＩｎｃｏｎｅｌなどの導電性物質からなることが好ましい。
図３を参照すると、電解質プレート２０と連結プレート３０がそれぞれの開口部を合わせて交互に積層されると、これらの開口部は積層にたいして軸方向のマニホールドを形成し、このマニホールドはセル単位に投入反応体を供給し、使用済み燃料を排出する。そして、中央開口部３１、２１は投入酸化剤マニホールド１７を構成し、同心円開口部３２、２２は投入燃料マニホールド１８を構成し、外周開口部３３、２３は使用済み燃料マニホールド１９を構成する。
連結プレート３０のディンプル加工表面３４は、図３の断面図に示すように両表面がおおむね波形に加工されている。この波形加工は投入反応体を連結プレートの外周部に移動させる反応体流動通路を構成する。さらに連結プレート３０は、その外周に環状リップ３０Ａを備えている。これらプレートの外周部には畝などの高さのある構造物が無いので、外部環境と連通するポートがここに構成される。投入反応体マニホールドは反応体流動通路を介して、環状リップ３０Ａと流体連通しており、反応体を外部環境、または図５に示すように電気化学変換器要素１０の周囲に配置された熱容器に排出するのを可能にする。
図３を参照すると、溶加材４０が連結プレート３０のマニホールド結合部の選択された箇所に塗布されている。ここで、「溶加材」とは連結プレート材または電解質プレート材と相溶性のあり、連結プレートまたは電解質プレートの膨張率と殆ど同じ熱膨脹率を持つ不活性、非多孔性、または低多孔性の物質を含む。使用される溶加材の量は、投入反応体がマニホールドからの漏れを十分防ぐ量を用いる。好適には、「十分な量」とは溶加材が連結プレートまたは電解質プレートに結合するのを抑止する量である。溶加材が連結プレートまたは電解質プレートに結合するのは、電気化学変換器の熱サイクル能力を低下させるので好ましくない。溶加材としては、ペースト状、Ｏリングの様な固体でよく、Ｉｎｃｏｎｅｌを材料としてもよい。
図３に示すように、溶加材３０は連結プレート３０のマニホールド結合部の選択された箇所に塗布されており、特定の投入反応体が連結プレートの表面と電解質プレート２０の合せ面上を流動することになる。連結プレート底部３０Ｂは電解質プレート２０の燃料電極物質２０Ｂに接触している。この構成では、溶加材が燃料反応体のみを反応体流動通路に流入させ、燃料電極に接触させるのが好ましい。
図示されているように、溶加材４０Ａは、酸化剤マニホールド１７の周囲に配置され、酸化剤マニホールド１７の効果的な反応体流入バリアとなっている。この溶加材によって、電解質プレート２０の燃料電極物質２０Ｂに接触する燃料反応体を保全し、また使用済み燃料マニホールド１９から排出される使用済み燃料を保全する。
連結プレート３０の上面３０Ｃは、投入燃料マニホールド１８および使用済み燃料マニホールド１９の周囲に配置された溶加材４０を備えている。上面３０Ｃは、対向する電解質プレート２０’の酸化剤コーティング２０Ｂ’に接触している。また、酸化剤マニホールド１７を囲む溶加材４０Ａは上面３０Ｃには接触しておらず、それにより酸化剤反応体が反応体流動通路に流入できる。燃料マニホールド１８を完全に囲んでいる溶加材４０Ｂは、燃料反応体の過剰な漏れが反応体流動通路に流入するのを防いでおり、それによって酸化剤反応体と燃料反応体の混合を防ぐ。同様に、使用済み燃料マニホールド１９を完全に囲んでいる溶加材４０Ｃは、使用済み酸化剤反応体の過剰な漏れが使用済み燃料に流入するのを防ぎ、マニホールド１９に注入され通過する使用済み燃料の純度が維持される。
再度図３を参照すると、酸化剤反応体を、電解質および連結プレート２０’、２０および３０のそれぞれ開口部２１’、２１、および３１により構成される軸方向マニホールド１７を介して電気化学変換器１０に導入できる。酸化剤は、連結プレート３０Ｃの上面に分配され、また反応体流動通路を介して酸化剤電極表面２０Ａ’の上に分配される。その後、使用済み酸化剤は外側へ軸方向に環状リップ３０Ａまで流動し、最終的には変換器の外周部から排出される。溶加材４０Ｃは、酸化剤が使用済み燃料マニホールド１９に流入するのを防ぐ。図２のセル単位の中を通過する酸化剤の流動通路は、黒い実線の矢印４４で示してある。
燃料反応体は位置合わせされた開口部２２’、２２および３２により構成される燃料マニホールド１８を介して電気化学変換器１０の中へ導入される。この燃料は反応体流動通路に導入され、連結プレート３０Ｂの底部および電解質プレート２０の燃料電極コーティング２０Ｂ上に分配される。そして、図４の溶加材４０Ａは投入酸化剤反応体が反応体流動通路に進入するのを防ぎ、それによって純粋な燃料と使用済み燃料との混合を防ぐ。使用済み燃料マニホールド１９の箇所に溶加材が配備してないことにより、使用済み燃料がこのマニホールド１９に流入できる。燃料は最終的には連結プレート３０の環状リップ３０Ａから排出される。この燃料反応体の流動通路は、黒い実線の矢印４６で図２に示してある。
連結プレート表面のディンプル３６には頂部３６Ａがあり、組み立てにより電解質プレートと接触し、これらの間に電気接続が確立される。またセルスタックは、好ましくは投入酸化剤マニホールド１７内部に固定された引棒集成体１２によって固定されており、この固定方法により圧縮力を加え組み立てられていることは理解されるべきである。他の方法としては、セルスタックをその端部にあるボルト穴に差し込める水冷引張ロッド（図示せず）で固定してもよい。
本発明により電気化学変換器１０は、気体燃料を使用すれば発電機などの燃料セルとしても使用可能であり、電気を使用すれば燃料シンセサイザーのような電解槽としても使用可能である。一例としては、下記のような酸素交換を含む全ての可逆反応に使用できる。
Ｈ２＋１／２Ｏ２＝Ｈ２Ｏ、
ＳＯ２＋１／２Ｏ２＝ＳＯ３、
ＣＯ＋１／２Ｏ２＝ＣＯ２、および
ＮＨ３＋５／４Ｏ２＝ＮＯ＋３／２Ｈ２Ｏ。
さらには構成が単純で、コンパクトで、軽量で、より効果的な電気化学変換器を製作するには、比較的薄い構造で上述の形成パターンを持つセル部材を使用することが好ましい。本発明の連結プレート３０は、中央の第１反応体マニホールドおよび少なくとも一つの同心円状に配置された第２反応体マニホールドを備えている。これらのマニホールドに進入する投入反応体は電気化学変換器の外周部から排出される。反応体を外周部から排出することで、比較的大型の排出マニホールドを使用済み反応体パージのために使用できる。この比較的大型の排出マニホールドにより、反応体が電解質プレートと連結プレート上をより均一に流動できる。さらに、反応体をより均一に流動させるため、反応体流動調節部材を電解質プレートと連結プレートの間に配備してもよい。また、セルスタックの中央から反応体を投入し、使用済み反応体を外周部から排出することで、比較的低圧力の電気化学変換器を提供する。通常圧力低下は１平方インチ当たり１ポンド（ｐｓｉ）未満（約６９００パスカル未満）の値になる。
様々な種類の導電物質を、本発明の薄型の連結プレートとして使用できる。こうした物質は次の要件を満たす必要がある。その要件とは（１）高い導電性および熱伝導性だけでなく高強度、（２）使用温度に至るまで良好な耐酸化性、（３）投入反応体との化学的適合性および安定性、（４）反応体流動通路のようにプレート構成を型押しする場合の製造コスト、である。
連結プレート製造に適した材料はニッケル合金、ニッケルクロム合金、ニッケルクロム鉄合金、鉄クロムアルミ合金、プラチナ合金、これらの合金とジルコニアやアルミナのような耐火材のサーメット、シリコンカーバイド、モリブデン二珪化物などである。
連結プレートの上面および底面の型押しパターン加工は、例えば合金シートを対になった雄型、雌型で型押しできる。少なくとも一組の雄型、雌型のダイは連結プレートの所望の型押しパターンに合うように予め製造してあるのが好ましく、高い作業温度、くり返しの圧縮動作、さらに大量生産に耐えられるように熱処理によって高度を高めておくこともできる。型押しパターン加工は、気体通路ネットワーク、例えばディンプル加工連結プレート表面などの幾何学的複雑さのため、複数の工程で実行するのが好ましい。連結プレートに設けられたマニホールドは最終工程で打ち抜くのが好ましい。焼なましは、シート材料の過大応力負荷を防ぐため、これらの連続的な工程の間に行なうのが好ましい。この型押し方法によれば、材質の厚さを均等に保つ一方、幾何学的に複雑なプレートを製造できる。
また、波形連結プレートは、適切なマスクを使って元々は平坦な金属プレートの上に電着によって製作できる。シリコンカーバイド連結プレートは、予め一定の型に加工した基板に真空めっき、結合粉末の焼結、また材料の自己粘着により製作できる。
図４に示されたように、参考例によれば、電気化学変換器５０は、おおむね直線で構成されている。図示されたセルスタック単位では、連結プレート３０が一対の電解質プレート２０、２０’の間に配置されている。連結プレートと電解質プレートの基本的な構成は上述した通りであり、図３に示してある。
図示したように、投入酸化剤マニホールド１７はおおむね直線のチャネル４８でよい。投入燃料マニホールド１８は、投入酸化剤マニホールド１７の両側におおむね平行に配置されている。使用済み燃料マニホールド１９はマニホールド１８から外方向に間隔を空けてセルスタックの周辺部の方に配置されている。上述したように、投入マニホールド１７、１８は、それぞれ燃料および酸化剤反応体をセルスタックに送り込む。マニホールド１７、１８、および１９の位置に設けられた溶加材４０Ａから４０Ｃは、望ましくない箇所に反応体が流れ込むのを防ぐ。例えば、連結プレート３０の底部３０Ｂに投入酸化剤マニホールド１７を囲んで配備された溶加材４０Ａは、酸化剤が反応体流動通路に流入するのを防ぎ、酸化剤が電解質プレート２０の燃料電極コーティング２０Ｂに接触するのを防ぐ。同時に、開口部３１には溶加材が無く、それにより燃料反応体が反応体流動通路に流入し、燃料電極コーティング上に流入できる。
同様に、連結プレート３０Ｃの上面は電解質プレート２０’の酸化剤コーティング２０Ａ’に接触し、その上面には燃料マニホールド１８および使用済み燃料マニホールド１９の周囲に分散された溶加材４０Ｂが備わっている。投入酸化剤マニホールド１７の箇所に溶加材が配備されていないので、酸化剤反応体が反応体流動通路に流入し進入し、酸化剤コーティング２０Ｂ’と接触する。溶加材４０Ｂおよび４０Ｃは酸化剤反応体が投入燃料マニホールド１８および使用済み燃料マニホールド１９に流入させないようにしている。
図５には、熱伝導導管５４によりパワー系統６０に熱的に統合された本発明の電気化学変換器１０を示す。導管５４は電気化学変換器の外周部から排出された使用済み燃料と酸化剤反応体を収集し、その排出物をパワー系統６０に移送する。その後、排気熱はパワー系統６０の作動媒体７２（実線で示す）に移送される。例えば、この電気化学変換器が蒸気発生装置６２に熱的に統合されると、導管５４の中に収集された使用済み反応体からの排気熱は、蒸気発生装置の中に配備された水管７２に移送される。水がタンクを介して水管に供給されている。蒸気は加熱された作動媒体により発生され、ボイラ胴６８内部に収集される。この蒸気は、例えば蒸気管７０の様な適切な導管によってシステムから除去できる。この蒸気は、直接的に様々な工業的な利用が可能であり、また例えば暖房などのために住宅や商業的な利用も可能である。
さらに、第一ファン７４によって空気を蒸気発生装置６２に導入するこのもできる。ファン７４は空気加熱器７６Ａ、７６Ｂに空気を送り込む。これらの空気加熱器は、送り込まれた空気を所定の温度まで熱し、その後空気は電気化学変換器１０に導入される。よって、これらの空気加熱器は、酸化剤反応体を電気化学変換器１０に（空気導管８２を介して）送り込む前に予熱し、よって電気化学変換器の最適な作動を保証する。
燃料改質装置７８は燃料投入８０からの燃料を改質する。改質された燃料はその後、例えば燃料導管８０などの適当な手段によって変換器に供給される。
一使用例によれば、電気化学変換器１０は排出物を摂氏１８００度で熱収集蒸気発生装置６２に送る一方、予熱された空気および、予熱又は改質された燃料を受け取る。空気は空気加熱器７６Ｂによって予熱され、燃料は過熱器７３、エバポレータ６８、エコノマイザ７５によって発生された蒸気を受け入れる改質装置８０により予熱され、改質される。
本発明の電気化学変換器は、ここで示した蒸気発生器のような如何なる適当なボトミングプラントにも熱的に統合できる。尚、この蒸気発生器は米国ニュージャージー州リビングストンにあるフォスターウィラー社製の市販製品である。
さらに、図６に示したように、電気化学変換器１０は蒸気発生システムに直接熱的に統合できる。この電気化学変換器は、好ましくは蒸気発生システムに直接固定されている別個の熱ハウジング８４内に設置してある。これらの熱ハウジングは中央熱導管８６と熱的に連通している。第２熱容器８８は、図５の蒸気発生器６２を覆っている。排気筒９０は加熱した空気や反応体などを外部環境に排出する。
よって、本発明は従来技術への多くの改良点が含まれていることが分かる。上記の構成にたいして幾つかの変更が本発明の範囲を逸脱することなく可能であるから、この説明に含まれ、また添付の図面に示された全ては、実例として解釈されるべきであり、限定的な意味で解釈されるべきではない。
さらに、特許請求の範囲は、ここに説明された本発明の全ての一般的、具体的特徴を網羅するものであり、また本発明の範囲に関する言明もをも網羅する。例えば、本発明の低圧力降下型電気化学変換器は、溶融カーボネート、燐酸、および陽子交換メンブレーン交換器を使用してもよい。
以上のように本発明を説明し、新規技術として特許請求し、特許証を得ることを望む主題は特許請求の範囲に記載の通りである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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