(57)【要約】移動式電源供給システムで使用する固体酸化物形燃料電池モジュールが提供される。固体酸化物形燃料電池モジュールは、実質的に閉鎖された内部キャビティを画定する壁構造体を備えたハウジングを有し、このハウジングは、外壁面および内壁面を有する。また、固体酸化物形燃料電池モジュールは、ハウジングの外壁面から内壁面に壁面を貫通して延び、かつ内部キャビティと流体連通する開口部を有する。３層固体酸化物形燃料電池をハウジングに取り付け、開口部を実質的に覆うように位置決めする。
2009505370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に閉鎖された内部キャビティを画定する壁構造体を備え、外壁面と、内壁面と、を有するハウジングと、
前記ハウジングの前記外壁面から前記内壁面に前記壁構造体を貫通して延び、かつ前記内部キャビティと流体連通する開口部と、
前記ハウジングに取り付けられて前記ハウジングとともに気密シールを形成し、かつ前記開口部を実質的に覆うように位置決めされた３層固体酸化物形燃料電池と、
を有する固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記３層固体酸化物形燃料電池が、
金属支持体に積層された第１の電極層と、
前記第１の電極層の上面に積層された電解質層と、
前記電解質層の上面に積層された第２の電極層と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記第１の電極層はアノード電極であり、前記第２の電極層はカソード電極であることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記第１の電極層はカソード電極であり、前記第２の電極層はアノード電極であることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記金属支持体は、非多孔質領域と接する多孔質領域を有することを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記第１の電極層、前記電解質層および前記第２の電極層は、前記金属支持体の前記多孔質領域を実質的に覆う大きさに形成されることを特徴とする請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項７】
前記３層固体酸化物形燃料電池は、前記ハウジングの外側面に取り付けられて気密シールを形成し、かつ前記開口部を実質的に覆うように位置決めされることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項８】
前記気密シールは、ガラスシール材料を含むことを特徴とする請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項９】
前記気密シールは、ろう付けシール材料を含むことを特徴とする請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項１０】
前記３層固体酸化物形燃料電池は、前記ハウジングの内側面に取り付けられて気密シールを形成し、かつ前記開口部を実質的に覆うように位置決めされることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項１１】
前記気密シールは、ガラス材料を含むことを特徴とする請求項１０に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項１２】
前記気密シールは、ろう付けシール材料を含むことを特徴とする請求項１０に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項１３】
前記ハウジングの前記外壁面から前記内壁面に前記壁構造体を貫通して延び、かつ前記内部キャビティと流体連通する複数の開口部と、
前記金属支持体の前記非多孔質領域と前記外壁面との間に実質的にガス不浸透性のシールを形成するシール材料によってハウジングに結合されるとともに、それぞれが前記複数の開口部の各々と整列された複数の３層固体酸化物形燃料電池と、
をさらに有することを特徴とする請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項１４】
前記複数の３層固体酸化物形燃料電池の第１番目の前記第１の電極層から、前記複数の３層固体酸化物形燃料電池の第２番目の第２の電極層に電子流路を形成するように構成された電気インタコネクトをさらに有することを特徴とする請求項１３に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項１５】
前記電気インタコネクトは、実質的に前記ハウジング外にあることを特徴とする請求項１４に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項１６】
前記電気インタコネクトは、前記複数の３層固体酸化物形燃料電池の第１番目の前記金属支持体に連結され、かつ前記複数の３層固体酸化物形燃料電池の第２番目に取り付けられた集電器に連結されることを特徴とする請求項１５に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項１７】
前記ハウジングの前記外壁面から前記内壁面に前記壁構造体を貫通して延び、かつ前記内部キャビティと流体連通する複数の開口部と、
前記金属支持体の前記非多孔質領域と前記外壁面との間に実質的にガス不浸透性のシールを形成するシール材料によってハウジングに結合されるとともに、それぞれが前記複数の開口部の各々と整列された複数の３層固体酸化物形燃料電池と、
をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項１８】
前記電気インタコネクトは、実質的に前記ハウジング外にあることを特徴とする請求項１７に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項１９】
前記電気インタコネクトは、前記複数の３層固体酸化物形燃料電池の第１番目の前記金属支持体に連結され、前記複数の３層固体酸化物形燃料電池の第２番目に取り付けられた集電器に連結されることを特徴とする請求項１８に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項２０】
前記複数の３層固体酸化物形燃料電池の第１番目の前記第１の電極層と、該複数の３層固体酸化物形燃料電池の第２番目の第２の電極層との間に電子流路を形成するように構成された電気インタコネクトをさらに有することを特徴とする請求項１７に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項２１】
前記ハウジングは、細長い平らな箱状の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項２２】
前記細長い平らな箱状の形状が、
少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池アッセンブリを収容する寸法の幅と、
少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池アッセンブリに反応ガスを供給するのに十分なガス浸透性空間を前記内部キャビティが有することを可能にする寸法の厚さと、
複数の並んだ固体酸化物形燃料電池アッセンブリを収容する寸法の長さと、
を含むことを特徴とする請求項２１に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項２３】
少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池モジュールと結合するように構成されたフレームと、
前記フレームに結合された固体酸化物形燃料電池モジュールと、
を有し、
前記固体酸化物形燃料電池モジュールが、
反応ガス用のキャビティを形成するとともに、外側面と、前記フレームと結合するように構成された取付構造体と、を有するハウジングと、
前記ハウジングの前記反応ガス用キャビティおよび前記外側面と流体連通する前記ハウジング内の少なくとも１つの開口部と、
前記ハウジングの前記面に取り付けられるとともに、前記開口部を実質的に覆い、これによって、前記反応ガス用キャビティをシールする少なくとも１つの燃料電池アッセンブリと、
を有する固体酸化物形燃料セルスタック。
【請求項２４】
前記フレームが、
前記フレームを前記ハウジングに結合するように構成されたハウジング結合部と、
前記ハウジング結合部に取り付けられるとともに、前記固体酸化物形燃料セルスタックを移動式発電システム内に吊り下げるように構成された少なくとも１つの懸架部材と、
を有することを特徴とする請求項２３に記載の固体酸化物形燃料セルスタック。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの燃料電池アッセンブリが、
金属支持体に積層された第１の電極層と、
前記第１の電極層の上面に積層された電解質層と、
前記電解質層の上面に積層された第２の電極層と、
を有することを特徴とする請求項２３に記載の固体酸化物形燃料セルスタック。
【請求項２６】
前記金属支持体は、非多孔質領域と接する多孔質領域を有することを特徴とする請求項２５に記載の固体酸化物形燃料セルスタック。
【請求項２７】
前記第１の電極層、前記電解質層および前記第２の電極層は、前記金属支持体の前記多孔質領域を実質的に覆う大きさに形成されることを特徴とする請求項２５に記載の固体酸化物形燃料セルスタック。
【請求項２８】
多孔質領域および非多孔質領域を有する金属支持体と、
前記金属支持体に積層され、アノード、カソードおよび電解質が前記金属支持体の前記多孔質領域を実質的に覆う固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池の前記カソードに取り付けられた集電器と、
前記集電器に取り付けられ、かつ電子用の電流路をもたらすように構成された電気インタコネクトと、
電流を阻止するように構成された絶縁ハウジングであって、
前記金属支持体の前記多孔質領域とほぼ境界線をともにする大きさに形成された少なくとも１つの開口部を有し、
ガス流を伝達するように構成されたキャビティを画定し、
前記金属支持体の前記非多孔質領域が、前記絶縁ハウジングに接合され、該金属支持体の前記多孔質領域が前記ガス流と連通する絶縁ハウジングと、
を有する燃料セルスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、固体酸化物形燃料セルスタックに関し、より詳細には、面実装式の中温作動型固体酸化物燃料電池を有する固体酸化物形燃料セルスタック構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電力範囲が１ｋｗ未満の移動式電源を提供する実現可能な解決手段として追求されてこなかった。固体酸化物形燃料電池は高温で作動し、一般的には、固定発電用途に適していると考えられている。移動式の電源供給用途に固体酸化物形燃料電池を使用しない理由の１つは、通常、固体酸化物形燃料電池システムを動作温度にするために要する数十分になることがある時間の長さにあり、この動作温度は、６５０〜９００℃の範囲である。この長い立ち上げ時間と、熱サイクルが繰り返されるために固体酸化物形燃料電池で発生し得る劣化と、が相まって、固体酸化物形燃料電池を固定発電用途などの定常運転状態までゆっくりと上昇させることを許容できる用途に適したものにしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
移動式の用途で固体酸化物形燃料電池を使用するために、熱サイクルによる劣化に対して高い耐性を有する小型のスタック構造体を開発する必要がある。セラミック電極支持式設計に基づく典型的な固体酸化物形燃料電池では、必要とされる熱サイクルに対する耐久性を得るために、小型のスタック構造に適さない形状にしなければならない場合がある。
【０００４】
金属支持式の中温作動型固体酸化物形燃料電池（Ｎ・ブランドン（Ｎ．Ｂｒａｎｄｏｎ）他「５００〜６００℃で作動する金属支持式固体酸化物形燃料電池の開発（Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ   ｍｅｔａｌ  ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ  ｓｏｌｉｄ  ｏｘｉｄｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌｓ  ｆｏｒ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ａｔ  ５００−６００℃）」米国金属学会マテリアルズソリューションコンファレンス、２００３年８月１３日〜１５日、ペンシルベニア州ピッツバーグ）の出現は、小型で、かつ熱サイクルによる劣化に対して耐性のあるスタック構造を可能にした。本明細書では、１ｋｗ未満の用途に適したスタック構造について説明する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
移動式電源供給システムで使用する固体酸化物形燃料電池モジュールが提供される。固体酸化物形燃料電池モジュールは、実質的に閉鎖された内部キャビティを画定する壁構造体を備えたハウジングを有し、このハウジングは、外壁面および内壁面を有する。また、固体酸化物形燃料電池モジュールは、ハウジングの外壁面から内壁面に壁構造体を貫通して延び、かつ内部キャビティと流体連通する開口部を有する。３層固体酸化物形燃料電池をハウジングに取り付け、開口部を実質的に覆うように位置決めする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１を参照すると、本発明の実施形態によるスタックリピートユニット１０を示している。スタックリピートユニット１０は、本明細書で説明するように、高比出力を発生させ、かつ急激な熱サイクルに耐えるように構成された面実装式の中温作動型固体酸化物形燃料セルスタック構造の基本部を形成する。スタックリピートユニット１０は、固体酸化物形燃料電池モジュールと呼ばれることもある。
【０００７】
スタックリピートユニット１０は、複数の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）アッセンブリ１４を支持するように構成されたハウジング１２と、隣接する固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４と連結し、かつ電気的に接続する電気インタコネクト１６と、を有する。各固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４は、図１および図１Ａに示すように、このアッセンブリに取り付けられ、かつ電気インタコネクト１６と電気的に接続するように接続された集電器１８を有する。各固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４は、固体酸化物形燃料電池用の金属支持体でもある集電器１８を有する。
【０００８】
ハウジング１２は、壁構造体を有する。ハウジング１２の壁構造体は、内部キャビティ２６を画定する。ハウジング１２の壁構造体は、内側面１３および外側面１５を有する。
【０００９】
図１では、ハウジング１２は、燃料入口２０を通じて反応ガスをハウジング１２内に取り込み、排気出口２２を通じて使用済みの反応ガスを排出するように構成される。図１Ａに示すように、ハウジング１２は、複数の開口部２４および少なくとも１つの内部キャビティ２６を有する。固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４は、開口部２４を覆い、ハウジング１２の外側面の一部とオーバラップするような大きさとされる。以下に説明するように、固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４をハウジング１２に接合するのに、このオーバラップが適している。図１Ｂに示すように、ハウジング１２は、両側に開口部２４を有する。固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４は、各開口部２４を実質的に覆うように配置される。
【００１０】
ハウジング１２は、本技術分野において公知の高温での酸化処理を経て絶縁スケールを形成した合金または積層した絶縁スケールを有する合金から形成される。例えば、アルクロムＹ、アルクロムＹＨｆ、カンタル合金、１８ＳＲステンレス鋼などの商品名で市販されているＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金つまりフェクラロイ（ｆｅｃｒａｌｌｏｙ）および酸化によってアルミナスケールを形成できる他のアルミニウム含有合金をハウジング１２に使用する。同様に、アルミナまたは適切な熱膨張係数を有するフェライト系ステンレス鋼およびニッケル基合金などの他の絶縁材料で形成できる合金またはこれらをコーティングできる合金を使用して、ハウジング１２を形成してもよい。ハウジング１２は、合金で形成する場合、薄いシートつまりホイルから形成される。ハウジング１２の絶縁スケールは、固体酸化物形燃料電池アッセンブリの間の電気的なショートを防止する。当業者ならば、ハウジング１２は各種の適切な材料から形成されることを理解できるであろう。
【００１１】
ハウジング１２はセラミック材料から形成されてもよい。例えば、イットリア安定化ジルコニア材料を使用して、ハウジング１２を形成する。ストロンチウムを添加したチタン酸バリウムを使用して、ハウジング１２を形成してもよい。ストロンチウムを添加したチタン酸バリウムの組成を変えて、熱膨張係数を固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４の熱膨張係数に合わせてもよい。また、ハウジング１２は、絶縁バリアつまり絶縁スケールの有無を問わず、ガラスセラミック複合材料、金属セラミック複合材料から形成されてもよい。ハウジング１２がセラミック材料からなる実施形態では、開口部２４との連通によって反応ガスを固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４に供給するために、少なくとも１つの内部キャビティ２６または反応ガス流路（図示せず）によって連通した複数の内部キャビティを使用する。ハウジング１２がセラミックからなる実施形態では、隣接する固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４の間のショートを本質的に防止する電気絶縁体を提供する。
【００１２】
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４をハウジング１２に接合して、シール２８を形成する。ハウジング１２と固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４の接合は、ハウジング１２と固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４との間の開口部２４を囲むオーバラップ部で行われる。シール２８は、キャビティ２６内の反応ガスがハウジング１２外の反応ガスと反応することを防止する。通常、作動中に、水素を含む燃料ガスが燃料入口２０を通ってキャビティ２６内に流入する。空気などの酸化ガスは、ハウジング１２の外側面のまわりを流れる。固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４は、制御された電気化学反応が起こり、この制御された反応から電力が発生することをそのイオン伝導性および電子伝導性によって可能にする。各反応ガスを直接混合すると、システムに損傷を与え得る燃焼反応が生じることがある。
【００１３】
図１Ａは、スタックリピートユニット１０の断面図を示している。図１Ａを参照すると、固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４は、非多孔質領域３２および多孔質領域３４を有する金属支持体３０を含む。さらに、固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４は、電極層３６、電解質層３８および電極層４０を有する。固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４は、中温作動型固体酸化物形燃料電池として文献で公知の固体酸化物形燃料電池システムの一種に属する。中温作動型固体酸化物形燃料電池は通常、７００℃より低い温度で作動する（Ｎ・ブランドン他「５００〜６００℃で作動する金属支持式固体酸化物形燃料電池の開発」米国金属学会マテリアルズソリューションコンファレンス、２００３年８月１３日〜１５日、ペンシルベニア州ピッツバーグ；Ａ・ウェーバ（Ａ．Ｗｅｂｅｒ）他、電源誌（Ｊ．Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ）、ｖｏｌ．１２７，２７３、２００４年）。
【００１４】
金属支持体３０は、非多孔質領域３２が多孔質領域３４を囲むように構成された任意の適切な合金である。非多孔質領域３２は、シール材料を使用して固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４をハウジング１２に接合および封止するのに適している。シール材料の例は、活性金属ろう付け材、反応性酸化物成分を有する合金、ガラス、ガラスセラミックまたは本技術分野で公知の他の材料を含む。化学エッチング、レーザ穴加工、電子ビーム穴加工、ワイヤ放電加工（ＥＤＭ）および本技術分野で公知の他の方法を含む様々な方法によって多孔質領域３４を製造する。多孔質領域３４により、内部キャビティ２６内の反応ガスが電極層３６と接触できるようになり、電気化学反応を進める。適切な合金は、限定するものではないが、フェライト系ステンレス鋼、４００系ステンレス鋼、ニッケル基超合金、オーステナイト鋼およびクロミアなどの電子伝導性保護スケールを形成する他の合金を含む。適切なバイメタル材料を金属支持体３０として使用してもよい。非多孔質領域３２によって囲まれた多孔質領域３４を含む金属支持体３０の構造により、固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４をハウジング１２の外側面に面実装することが可能になる。
【００１５】
金属支持体３０の多孔質領域３４に電極層３６を積層する。通常、電極層３６は、多孔質サーメット材料で形成されたアノード電解質である。例えば、ニッケル、銅、ルテニウムまたは他の金属と、任意の中温作動型固体酸化物電解質系である電解質材料と、を使用する。さらに、アノード系は、混合した電子／イオン伝導性材料で形成される。例えば、ドープされたチタン酸塩を微量の金属成分とともに使用する。当業者であれば、電極層３６をカソード層とし、かつキャビティ２６内の反応ガスを酸化反応物とすることができることを理解できるであろう。
【００１６】
高密度電解質層３８は、電解質が電極層３６を実質的に覆うように電極層３６に積層される。高密度電解質層３８は、反応ガスが拡散し、ハウジング１２外に漏れる可能性のある流路を閉鎖するために、ある程度まで非多孔質領域３２とオーバラップする。任意の適切なセラミック積層技術を使用して、電解質層３８を積層する。通常、電気泳動を使用して電解質層３８を積層でき、次いで、固化および焼結を行う。電解質層３８は、希土類を添加したセリア、好ましくはガドリニアを添加したセリア材料である。他の電解質材料は、限定するものではないが、ドープしたランタン没食子酸塩材料群、例えば、マグネシウムおよびストロンチウムを添加したランタン没食子酸塩を含む。さらに、電解質層３８として、薄膜スカンジウム安定化ジルコニアを使用してもよい。通常、中温作動型固体酸化物電解質系は、約５００〜７００℃の範囲の温度で所望の酸素イオン伝導性を得ることができる。
【００１７】
電極層４０は電解質層３８上に積層される。通常、電極層４０は、電解質層３８および電極層３６が積層され、焼き付けつまり焼結された後で積層される。電極層４０は、多孔質カソード電極である。多数の適切なカソード系を使用してもよい。カソード系は、イオン伝導相および電子伝導相を有する複合セラミックであり、マイクロ構造がイオンおよび電子の両方の３次元浸透を可能にする。例えば、カソード電極層４０は、ガドリニアを添加したセリアをイオン伝導相とし、ドープしたランタンフェライトを電子伝導相とする。通常、イオン伝導相は、電解質系から得られ、電子伝導相は、良好な電子伝導性および酸化還元に対する良好な活性を有する任意の適切な無機酸化物である。固体酸化物形燃料電池の動作温度範囲で、良好なイオンおよび電子伝導体となる混合材料を電極として単独で使用することができるので、この層にイオン伝導材料を使用する必要がなくなる。当業者であれば、電極層４０をアノード電極とし、アノードに供給される反応ガスを水素含有燃料とすることができることを理解できるであろう。
【００１８】
反応物燃料の存在下で、必要な活動温度にある固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４の電気化学反応中に、電極層４０に向かう、または電極層４０から来る電子流用の低抵抗流路を設けるために、集電器１８を電極層４０に取り付ける。電気インタコネクト１６は、ハウジング１２の外側面に取り付けた隣接する固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４のアノードとカソードとの間に電気接続を形成する。固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４が面実装構成であるので、電気インタコネクト１６は、１つまたは複数の固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４を電気的に接続するために、反応物含有バリアつまりハウジング壁と交差する必要がない。
【００１９】
図１Ａの実施形態によれば、固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４は、ハウジング１２の外側面に取り付けられている。上記のように、ハウジング１２は、各固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４を電気的に絶縁するために、適切な絶縁スケール４２を有さなければならない。絶縁スケール４２は、固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４を絶縁して、隣接する固体酸化物形燃料電池アッセンブリの間の電気的な流路が、電気インタコネクト１６のみであることを保証する。例えば、セラミック製ハウジングなどの導電性ではないハウジングを使用する本発明の実施形態では、絶縁スケール４２を削除することができる。
【００２０】
図１および図１Ａを参照すると分かるように、作動時、反応ガス即ち水素含有燃料は、燃料入口２０からハウジング１２に流入し、内部キャビティ２６、開口部２４および多孔質領域３４を流れ、本技術分野において公知のように、水素は、三相界面（ＴＰＢ）領域で酸素イオンと反応する。三相界面領域は、電極層３６および電解質層３８の界面付近にある。一般的に、水素含有ガスは、水素および一酸化炭素を含む改質ガスである。電極層４０で、酸化剤即ち空気ガス内の酸素を集電器１８によって送出された電子を捕捉した酸素イオンに還元する。酸素イオンは、イオン伝導プロセスによって電極層４０および電解質層３８を通って移送されて、三相界面で水素と反応し、電子を放出する。放出された電子は、電極層３６を通って金属支持体３０に進み、次いで、電気インタコネクト１６を通って次の固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４の集電器１８に進むなどして、外部負荷を備えた回路を完結する。アノード層３６およびカソード層４０を逆にすることが望ましい場合もあり、この場合に、本技術分野において公知のように、ハウジング１２の内部または外部にある反応ガスを置き換える必要があることを理解されたい。
【００２１】
図１Ｂは、低製造コストをもたらす対称設計のハウジング１２を示している。しかし、他の非対称設計も本発明の範囲内である。集電器１８および固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４の各層の詳細は、図１Ｂの図を分かりやすくするために省略される。内部キャビティ２６により、キャビティ内の反応ガスは、ハウジング１２の両面に取り付けた固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４と流体連通する。各反応ガスが混ざって固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４を損傷させる形態で反応することを防止するシール２８を形成するように、各固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４をハウジング１２に接合する。ハウジング１２の平らで細長い箱状構造によって、一連の固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４をハウジング１２の両面に取り付けることが可能になる。これは、サイズが小型で、他のリピートユニットとともに吊り下げられて、移動式発電システムの電力発生要素となる頑強で軽量のスタックを形成するスタックリピートユニット１０の構築を可能にする。内部キャビティ２６は、完全に空にしてもよいし、またはガスを再分散させることと、速度場をより一様にすることと、ガスの停滞領域をなくすことと、を強化する軽量構造体を含んでもよい。
【００２２】
図１Ｄは、図１の線Ａ−Ａに沿った断面図を示し、リピートユニット１０の完結した電気回路がどのように構成されているかを示している。この実施形態では、燃料反応物は、リピートユニットの内部キャビティ２６を通って流れており、空気即ち酸化剤ガスは、リピートユニット外を流れている。本技術分野において公知のように、固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１４の電極を逆に取り付けた場合、ガス流を反対にする必要がある。
【００２３】
図１Ｃは、本発明によるリピートユニット１１０の他の実施形態を示している。リピートユニット１１０は、ハウジング１１２、固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１１４、電気インタコネクト１１６、集電器１１８、燃料入口１２０、排気出口１２２、開口部１２４、内部キャビティ１２６、シール１２８、金属支持体１３０、非多孔質領域１３２および多孔質領域１３４を有する。複数の固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１１４、複数の燃料入口１２０および複数の排気出口１２２とすることも本発明の範囲内であることを理解されたい。
【００２４】
リピートユニット１１０は、ハウジング１１２の内側面に取り付けた固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１１４を有する。シール材料は、金属支持体１３０の非多孔質領域１３２とハウジング１１２の内壁１１５との間に気密シール１２８を形成している。上記のように、ハウジング１１２は、固体酸化物形燃料電池アッセンブリ１１４を電気的に絶縁する絶縁スケールつまりコーティング１４２を有する。ハウジング１１２は、絶縁スケールつまりコーティングを必要としない電気絶縁材料で形成される。
【００２５】
図２は、金属支持体３０によって支持され、３層電池の最上層として見ることができる電極４０を有する３層中温作動型固体酸化物形燃料電池の上面図を示している。図２では、カソード電極層４０を明瞭に見ることができる。図３は、図２の３層中温作動型固体酸化物形燃料電池の金属支持体の底面図を示している。図３に示すように、金属支持体３０は、非多孔質領域３２によって囲まれた多孔質領域３４を有する。３層中温作動型固体酸化物形燃料電池の３つの層は、図２に示すカソード電極層４０、図示しない電解質層および図示しないアノード電極層である。３層電池の３つの層はすべて、金属支持体３０によって支持されている。この３層構造体は、金属支持体３０の多孔質領域３４を実質的に覆い、これによって、各反応ガスが混合することを防止する。
【００２６】
図４は、本発明による固体酸化物形燃料セルスタックの他の実施形態に従ったハウジング２１２を示している。ハウジング２１２は、対称の半体シェルに打ち抜いた２つの薄い合金シートから形成される。対称の半体シェル同士を結合してハウジング２１２を形成する。ハウジング２１２は、少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池アッセンブリを収容する寸法の長さを有する。ハウジング２１２の長さは、図１および図５に示すように、その長さに沿って互いに隣接して配置された複数の固体酸化物形燃料電池アッセンブリを収容する寸法であることが好ましい。ハウジング２１２は、幅内に少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池アッセンブリを収容する寸法の幅を有する。ハウジング２１２は、幅に沿って並んで配置された複数の固体酸化物形燃料電池アッセンブリを収容する寸法の幅を有することを理解されたい。ハウジング２１２は、長さおよび幅に比べて比較的小さい厚さを有し、これによって平らな箱状構造を形成する。ハウジング２１２は、ガスの流れおよび分散に関する必要条件を満たすために、１つまたは複数の反応ガス入口（図示せず）および１つまたは複数の排気出口（図示せず）を有する。
【００２７】
ハウジング２１２は、両側に配置された複数の開口部２２４を有する。ハウジング２１２は、対で整列した開口部２２４を有するように構成され、対の１番目はハウジングの前部側にあり、対の２番目は対向する後部側にある。この対の構成により、固体酸化物形燃料電池アッセンブリによって覆われた比較的大きな表面積を有する小型のリピートユニットが可能になる。ハウジング２１２により、熱サイクルに対して頑強で、かつ多くの移動式発電システム用途に対して十分な出力密度を供給できる面実装式スタック構造が可能になる。
【００２８】
ハウジング２１２は、隅部に配置された支持体２５０を有する。この支持体２５０は、取付開口部２５２またはハウジングをフレームに取り付けるように構成された同様の取付構造部を有する。図６を参照して以下に説明するように、支持体２５０および取付開口部２５２を使用して、ハウジング２１２をフレームに取り付ける。ハウジング２１２をフレームに連結するために、例えば、保持取付具、接合取付具、または留め具などの適切な取付構造体を使用することを理解されたい。
【００２９】
図４に示すように、ハウジング２１２は、面当たり３つの開口部２２４を有し、全部で６つの開口部２２４を有する。図６を参照して以下に示すように、開口部のこの構成により、リピートユニットを固体酸化物形燃料セルスタック構造に効率よく実装することができる。本発明の範囲から逸脱することなく、面当たり任意の数の開口部を使用することができることを理解されたい。
【００３０】
図４Ａは、図４の線Ａ−Ａに沿って取ったハウジング２１２の断面図を示している。図４Ｂは、図４Ａの断面図の部分拡大図を示している。図４Ｂは、ハウジング２１２に構造的な強さを付与する、ハウジング２１２内の補強曲げ部つまり補強材２１３を示している。ハウジング２１２の平面に他の補強構造を打ち抜き加工するか、エンボス加工するか、または取り付けて、構造体の変形または曲がりを最小限にする。溶接、拡散接合、摩擦溶接、ろう付けおよび本技術分野において公知の他の方法などの一般的な金属加工を使用して、ハウジング２１２の半体を接合する。さらに、図４Ｂは、ハウジング２１２を溶接するか、ろう付けするか、または他の方法でシールするために使用できる重ねフランジ２１５を示している。ハウジング２１２は、２つの打ち抜き加工されたシェルで構築されてもよい。示すように、ハウジング２１２は、開口部２２４と流体連通して反応ガスが供給されることを可能にする内部キャビティ２２６を有する。ハウジング２１２の内部キャビティでガス流を再分散させるように、補強曲げ部つまり補強材２１３を設計する。他の材料または構造を使用して、リピートユニットの幅にわたって速度場が半ば一様になるか、または速度場に停滞領域がなくなるように、ガス流の分散に影響を及ぼすようにしてもよい。このような材料および構造は、限定するものではないが、非常に高い多孔率のセラミック構造体、スケールからなる絶縁膜を有する波形エキスパンドメタル、絶縁コーティングもしくはスケールを有するワイヤメッシュつまりワイヤクロスまたはスチールウールを含む。
【００３１】
ハウジング２１２がアルミナ合金で形成される場合、ハウジングの半体同士を結合した後、ハウジングは、適切な温度、雰囲気および時間で酸化されて、積層したアルミナ絶縁スケールを形成する。あるいは、最初に半体を酸化して、積層したアルミナ絶縁スケールを形成し、次いで、酸化物面またはガラスもしくはガラスセラミック材料に積層する活性金属ろう付け材または金属ろう付け材を使用する適切な接合法によって、半体同士を接合してもよい。ハウジング２１２が非アルミナ合金で形成される場合、絶縁コーティングをその外側面に施す。
【００３２】
図５に示す構造は、本発明の実施形態によるスタックリピートユニット２１０を概略的に示している。図５は、図４を参照して説明したハウジング２１２の平面図を示している。開口部２２４を実質的に覆うように固体酸化物形燃料電池アッセンブリ２１４をハウジング２１２に接合する。各開口部２２４を覆うように固体酸化物形燃料電池アッセンブリ２１４を接合する場合、ハウジング２１２内の反応ガスがハウジング２１２から漏れることを防止するようにハウジング２１２をシールする。
【００３３】
図５Ａは、図５の線Ａ−Ａに沿った断面図を示しており、図１Ｂを参照して上記に説明した構造と同様である。溶接、ろう付け、拡散接合などの適切な接合法によって、２つの半体同士からハウジング２１２を接合する。ハウジング２１２を酸化させるか、または別の方法で処理して、表面に絶縁スケール２４２を形成つまり積層させる。シール２２８を使用して、固体酸化物形燃料電池アッセンブリ２１４をハウジング２１２にシールする。シール２２８は、金属ろう付け材、活性金属ろう付け材、ガラス、ガラスセラミックまたは本技術分野において公知の他のシール材料である。
【００３４】
図６は、固体酸化物形燃料セルスタック２７０を示している。スタック２７０は、複数のスタックリピートユニット２１０を支持するように構成されたフレーム２７２を有する。フレーム２７２は、任意の適切な材料であってよい。例えば、フレーム２７２は、ステンレス鋼や他の適切な合金である。フレーム２７２は耐衝撃性があり、スタックリピートユニット２１０が、機械的衝撃、急激な振動または移動式発電システムにかかる他の衝撃による損傷を受けないように構成されることが望ましい。さらに、フレーム２７２を電気的に絶縁することが望ましい。図６に示すように、フレーム２７２は、概ね３次元直方体構造を形成している。以下に説明するように、複数のリピートユニット２１０をフレーム２７２で吊り下げる。スペーサ２７８は、隣接するリピートユニット２１０の間に挿入される金属製またはセラミック製のワッシャ状構造であるとともに、リピートユニット間の間隔が実質的に一定になることを保証し、これにより、電気化学反応および冷却を目的として固体酸化物形燃料電池アッセンブリ２１４に反応ガスを供給しながら、固体酸化物形燃料電池アッセンブリ２１４の外側面を流れる反応ガスの分散が実質的に一様になる。必要ならば、電気絶縁性の高多孔質材料を隣接するリピートユニット間に置いて、反応ガス流の分散に影響を及ぼしてもよい。
【００３５】
フレーム２７２は、少なくとも１つの懸架部材２７４および少なくとも１つの連結部材２７６を有する。懸架部材２７４は、フレーム２７２および複数の懸架したリピートユニット２１０を移動式発電システムの高温部に固定するように構成される。懸架部材２７４は、リピートユニット２１０の長さ寸法を突出して延びており、これによって、図７を参照して以下に説明するように、固体酸化物形燃料セルスタック２７０を移動式発電システム内に吊り下げる構造体を形成する。
【００３６】
図６に示すように、フレーム２７２は、４つの懸架部材２７４を有する。上記のように、フレーム２７２は、フレーム２７２をリピートユニット２１０の取付開口部２５２に取り付けるように構成された連結部材２７６を有する。リピートユニット２１０における長手方向の各端部に１つずつある一対の連結部材２７６は、リピートユニット２１０のハウジング２１２における各隅部に配置される取付開口部２５２を貫通するロッド状のループ構造の形態をとる。任意の適切な接合または取付機構によって、連結部材２７６を懸架部材２７２に取り付ける。連結部材は、各種留め具およびその他の取付手段を含むハウジング２１２上の対応する構造体と協働するように構成されることを理解されたい。反応ガスが、実質的に一様な態様でハウジング２１２を流れることを可能にするように、スペーサ２７８を隣接するリピートユニット２１０の間に使用して、リピートユニットを互いに離間させる。
【００３７】
図７は、低熱質量スタック構造に基づいた移動式発電システム３００を概略的に示している。発電システム３００は、速い立ち上げを可能にし、多くの移動式用途の十分な電圧および電力を達成させる。システムは、例えば、ブタンや他の炭化水素燃料などの燃料を、主にＨ2、ＣＯ、Ｈ2Ｏ、ＣＯ2と、空気流からの窒素と、を含む改質ガス流に変換するために、触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）処理に基づく改質装置３０２を有する。発電システム３００は、固体酸化物形燃料セルスタック３７０を出た残留可燃ガスの燃焼を促進させる触媒バーナ３０４を有する。
【００３８】
発電システム３００は、高温コンパートメント３０６つまりホットコンパートメントおよび周囲温度コンパートメント３０８を有する。改質装置３０２、固体酸化物形燃料セルスタック３７０、触媒バーナ３０４および１つまたは複数の回収熱交換器３１０は、高温コンパートメント３０６に収容されている。高温コンパートメント３０６からの熱損失および周囲温度コンパートメント３０８の過熱の両方を防止し、取り扱いを容易かつ安全にするために、高温コンパートメント３０６を熱的に切り離す。
【００３９】
空気の予熱およびエネルギの回収のために、高効率の回収熱交換器３１０を使用して熱を管理する。さらに、エーロゲルなどの超低熱伝導性断熱材を使用して、高温コンパートメント３０６を断熱する。作動中、熱特性を弱め、かつ安全性を向上させるために、発電システム３００を出る以前に、プロセスガスを外気で希釈することができる。
【００４０】
周囲温度コンパートメント３０８は、空気処理サブシステム３１４と、燃料制御部３１６、オプションのポンプサブシステム（図示せず）と、充電式バッテリ３２０と、電気制御およびバッテリ充電用の直流／直流変換器３２２と、プロセスコントローラ３２４と、出力調整サブシステム３２６と、を有する。
【００４１】
空気処理サブシステム３１４は、速度制御型送風機３２８を有する。送風機３２８は、希釈用供給空気３３０、カソード用供給空気３３２および改質装置用供給空気３３４を供給する。希釈用供給空気３３０は、移動式電源供給システムの熱特性を弱める。カソード用供給空気３３２は、反応空気を燃料セルスタック３７０のカソード側に供給する。改質装置用供給空気３３４は、空気を触媒部分酸化の改質装置３０２に供給する。
【００４２】
送風機３２８は、周囲温度チャンバ３０８内に配置される。希釈用供給空気は、周囲温度チャンバ３０８から生じて、回収熱交換器３１０を出た排気と混ざり、排気を希釈するとともに、冷却する。同様に、カソード用供給空気３３２は、周囲温度チャンバ３０８から生じて、反応空気を燃料セルスタック３７０のカソード側に供給する以前に予熱されるように、回収熱交換器３１０を通過する。同様に、改質装置用供給空気は周囲温度チャンバ３０８から生じ、高温チャンバ３０６内の改質装置３０２に供給される。
【００４３】
ブタン燃料タンク３３６は、反応ガスをスタック３７０のアノード側に供給する。ブタンは、その高い蒸気圧によって自動加圧されて、反応ガス流をスタック３７０に供給する。他のタイプの燃料では、燃料を改質装置３０２に供給するために、速度制御式ポンプ（図示せず）が必要である。
【００４４】
作動下で、燃料セルスタック３７０を出た任意の残留可燃ガスを触媒バーナ３０４で燃焼させる。
【００４５】
最大約１００℃／分のスタック加熱速度によって、発電システム３００の立ち上げ時間を制御する。触媒部分酸化の改質装置３０２または個別のバーナ（図示せず）もしくは電気ヒータ（図示せず）によって加熱を行う。充電可能なバッテリ３２０を使用して、負荷３４０に電力を供給し、送風機３２８およびシステムコントローラ３２４用の開始電力を供給する。
【００４６】
即時に出力できるように電力システム３００が設計される。このような設計では、充電可能なバッテリ３２０は、高温チャンバ３０６を加熱し、送風機３２８およびシステムコントローラ３２４を駆動するために必要な電力と、利用者への開始電力と、を供給できる容量である。立ち上げ後、スタック３７０から取り込んだ電力により、バッテリ３２０を再充電し、送風機３２８と、システムコントローラ３２４と、必要に応じてシステム３００の他の構成要素と、に電力を供給する。
【００４７】
本発明の典型的な実施形態を示し、特定の実施形態およびその用途に関連させて説明したが、いずれもが本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく、本明細書に記載した発明に対する多数の変更、修正または改造が可能であることが当業者には明らかであろう。したがって、このような変更、修正および改造はすべて、本発明の範囲内であるとみなすべきである。
【００４８】
本発明の前述した説明を示し、特定の実施形態およびその用途に関連させて記載したが、この説明は、例示と説明のために提示されたのであって、それに尽きるものではないし、開示した特定の実施形態および用途に本発明を限定するものでもない。いずれもが本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく、本明細書に記載した発明に対する多数の変更、修正または改造が可能であることが当業者には明らかであろう。特定の実施形態および用途は、本発明の原理とその実際の用途の最も優れた実例を提供するように選択および記載され、これによって、様々な実施形態で、企図された特定の使用に適した様々な修正とともに、当業者が本発明を利用できるようにする。したがって、このような変更、修正、変形および改造はすべて、添付の特許請求の範囲が、公正に、法律的に、公平に権利を与えられた広さに従って解釈された場合に、添付の特許請求の範囲によって決まる本発明の範囲内であるとみなすべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態による固体酸化物形燃料セルスタック内のリピートユニットの平面図である。
【図１Ａ】図１の線Ａ−Ａに沿って取った図１のリピートユニットを示す断面図である。
【図１Ｂ】図１の線Ｂ−Ｂに沿って取った図１のリピートユニットを示す断面図である。
【図１Ｃ】線Ｂ−Ｂに沿って取った、本発明の他の実施形態の断面図である。
【図１Ｄ】図１の線Ａ−Ａに沿って取った図１のリピートユニットを示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態による金属基材に積層された固体酸化物形燃料電池の上面図である。
【図３】本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池を支持するように構成された金属基材の底面図である。
【図４】本発明の実施形態による面実装式固体酸化物形燃料電池を支持するように構成されたハウジングの平面図である。
【図４Ａ】図４のハウジングの線Ａ−Ａに沿った正射投影断面図である。
【図４Ｃ】図４Ａのハウジングの部分４Ｃの拡大断面図である。
【図５】本発明による燃料セルスタックのリピートユニットにおける実施形態の平面図である。
【図５Ａ】図５の線Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図６】図５に示したリピートユニットで構成された懸架式スタックの斜視図である。
【図７】図６と同じ懸架式固体酸化物形燃料セルスタック構成を使用した移動式発電システムの概略図である。
【図１】
2009505370.tif 000003
【図１Ａ】
2009505370.tif 000004
【図１Ｂ】
2009505370.tif 000005
【図１Ｃ】
2009505370.tif 000006
【図１Ｄ】
2009505370.tif 000007
【図２】
2009505370.tif 000008
【図３】
2009505370.tif 000009
【図４】
2009505370.tif 000010
【図４Ａ】
2009505370.tif 000011
【図４Ｃ】
2009505370.tif 000012
【図５】
2009505370.tif 000013
【図５Ａ】
2009505370.tif 000014
【図６】
2009505370.tif 000015
【図７】
2009505370.tif 000016
【国際調査報告】
2009505370.tif 000017