(57)【要約】  燃料電池ユニット（５０）であって、多孔性の金属の外部（１１）の表面と内部の燃料電池層（１２、１３、１４）と内面とを有している固体酸化物型燃料電池の管板群（１０）のアレイと、第１の反応性ガスを多孔性の金属の外部の表面に接触させ第２の反応性ガスを内面に接触させる為に固体酸化物型燃料電池の管板群（１０）のアレイと動作可能に通信している少なくとも１つのヘッダとを備えている。ヘッダは更に、多孔性の金属の外部の表面と電気的に接触している状態に配置された外部バスバー（１２４）と、内面と電気的に接触している状態に配置された内部バスバー（１３２）とからなるグループから選択された、少なくとも１つのバスバーを備えている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．  多孔性の金属の外部（１１）の表面と、内部の燃料電池層（１２、１３、１４）と、内面とを有する固体酸化物型燃料電池の管板群（１０）のアレイ（１２０）と、  ｂ．
第１の反応性ガスを前記多孔性の金属の外部（１１）の表面に接触させ第２の反応性ガスを前記内面に接触させる固体酸化物型燃料電池の管板群（１０）の前記アレイと動作可能に通信している少なくとも１つのヘッダ（３０２）と、前記ヘッダが更に、少なくとも１つのバスバーが、前記多孔性の金属の外部（１１）の表面と電気的に接触している状態に配置されている外部バスバー（１２４）と、前記内面と電気的に接触している状態に配置されている内部バスバー（１３２）とからなるグループから選択されることを特徴とするヘッダであることとからなる、燃料電池ユニット（５０）。
【請求項２】
前記ヘッダが、固体酸化物型燃料電池の管板群（１０）の前記アレイを物理的に支持する、請求項１に記載の燃料電池ユニット（５０）。
【請求項３】
前記ヘッダが前記外部バスバー（１２４）と一体化されている、請求項１に記載の燃料電池ユニット（５０）。
【請求項４】
前記ヘッダが前記外部バスバー（１２４）を支持する、請求項１に記載の燃料電池ユニット（５０）。
【請求項５】
前記ヘッダが前記内部バスバー（１３２）と一体化されている、請求項３に記載の燃料電池ユニット（５０）。
【請求項６】
前記ヘッダが前記内部バスバー（１３２）を支持する、請求項１に記載の燃料電池ユニット（５０）。
【請求項７】
前記固体酸化物型燃料電池の管板群（１０）が互いに電気的に並列に接続されている、請求項１に記載の燃料電池ユニット。
【請求項８】
前記固体酸化物型燃料電池の管板群（１０）が互いに電気的に直列に接続されている、請求項１に記載の燃料電池ユニット（５０）。
【請求項９】
前記内部バスバー（１３２）が更に、複数の内部バスバー部品（１３６）を備えている、請求項８に記載の燃料電池ユニット（５０）。
【請求項１０】
前記ヘッダが更に、前記内部バスバー部品（１３６）を物理的に支持する電気絶縁性の材料（１３０）を備えている、請求項９に記載の燃料電池ユニット（５０）。
【請求項１１】
前記外部バスバー（１２４）が更に、複数の外部バスバー（１２５）部品を備えている、請求項８に記載の燃料電池ユニット（５０）。
【請求項１２】
前記ヘッダが更に、前記外部バスバー（１２５）部品を支持する絶縁材料（１３０）を備えている、請求項１１に記載の燃料電池ユニット（５０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）のスタック構成に関し、特に、燃料電池の膜を内部に複数備えた金属の支持管板を有するＳＯＦＣのスタック構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に燃料電池として知られている装置には、水素の酸化により放出されるエネルギーを直接電気に変換する板又は管がある。燃料電池には、電気を携帯用に生成する為のきれいで静かで効率的な電源をもたらす可能性がある。分散型又は集中型の電力応用での応用の特に魅力的な候補は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、特に円筒形状固体酸化物型燃料電池（ＴＳＯＦＣ）である。
【０００３】
ＳＯＦＣ技術には、高い電力密度と、安定した長い耐用年数と、高価な改質やガスクリーンアップが不要な広範な燃料源を利用する能力と、輸送用の発電に関し広範囲に亘り高いシステム効率を提供する能力とをもたらす可能性がある。
【０００４】
現況のＳＯＦＣ技術の決定的な制限、例えば長い起動時間（一般に数分から数時間）や高コストの材料の製造などは、自動車用途などの重要な商用利用に関して、ＳＯＦＣ技術の検討に多大な影響を与えてきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
それに応じて、本発明の目的には、費用のかかる材料をできるだけ使用せず、製造コストを最小にし、起動時間を最短にし、発電効率を最大にするＳＯＦＣの構成を提供することが含まれる。更なる他の本発明の目的は、本明細書の記述から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に従って、既述の目的及び他の目的を達成するのは、多孔性の金属の外部の表面と内部の燃料電池層と内面とを有する固体酸化物型燃料電池の管板群のアレイと、第１の反応性ガスを多孔性の金属の外部の表面に接触させ第２の反応性ガスを内面に接触させる為に固体酸化物型燃料電池の管板群のアレイと動作可能に通信している少なくとも１つのヘッダとを備えた燃料電池ユニットである。ヘッダは更に、多孔性の金属の外部の表面と電気的に接触している状態に配置された外部バスバーと、内面と電気的に接触している状態に配置された内部バスバーとからなるグループから選択された、少なくとも１つのバスバーを備えている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
各図の同等の要素をそれぞれ同じ数字で識別する。  本発明をより良く理解するために、本発明の他の更なる目的や利点や可能性と共に、先に記載の各図面に関連して以下の開示及び添付の各求項について述べる。
【０００８】
本発明は、好適には金属の又は他の電気伝導性の外部の支持構造１１と内部の膜との組み合わせを、独自のスタック構成で用いることによりＳＯＦＣを改善する。例えば図１を参照すると、ＳＯＦＣ管板１０は、２つ以上の一体化された管のセットであり、断面が環状の開口部群１８を備えており一般に円筒形である。管板１０の外部支持構造１１を、頑丈な、多孔性の、導電性の金属材料又は他の電気伝導性の任意の材料で構築でき、成形、押し出し、鋳造、鍛造、静水圧圧縮などの、任意の従来の手段で作ることができる。管板内の各管は両方の端部で開放されている必要がある。各開口部１８は各管を貫通している
。  管板１０により規定されている一般に円筒形の開口部１８はそれぞれ、ＳＯＦＣ管板の各燃料電池層を構築するよう、内側が何重にも覆われている。多孔性の支持構造１１に隣接する第１のコーティングは、例えばＮｉ‐Ｎｉイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの多孔性のアノード１２でよい。アノード１２の内側を覆うのは高濃度の電解質１３であり、例えばＹ２Ｏ３‐ＺｒＯ２などである。高濃度の電解質１３の内側を覆うのは多孔性のカソード１４であり、例えばＬａＭｎＯ３などである。ＳＯＦＣ管板を作るのに用いる電極や電解質層の組成物は、本発明にとって決定的なものではない。なおまた、アノードの層とカソードの層とを入れ替えてもよい。
【０００９】
管板１０の断面の形状と、その形状によって定義される各開口部１８には、より有益な形状、特に反応性ガスと管板１０のそれぞれの表面との接触を促進する形状があると考えられるが、本発明にとって決定的なものではない。図２を参照すると、別の形のＳＯＦＣ管板１０’の例によって示されているのは、中の表面及び／又は外の表面を波状にすることもできることであり、この形状によって表面積が増え反応性ガスの乱流が促進される。
【００１０】
図３Ａが示す本発明の実施形態は、多数の管板１０が、互い違いになった構成のスタックアレイ１２０に配列されており、アレイ１２０は、曲がりくねったギャップ群２６により分離されており、ギャップ群２６は、ギャップ群２６を通して流れる反応性ガスの乱流を促進する。互い違いでない配列が好適な場合もある。直線でないギャップ群２６が好ましいが、直線のギャップ群を備えた本発明の実施形態でも動作可能である。２つ以上の管板１０によって構成されたアレイのほうが好ましいが、単一のＳＯＦＣ管板１０を用いてＳＯＦＣを構築することもできる。
【００１１】
管板の形状と、管板同士間のギャップとは、本発明に従って無限に可変である。例えば、図３Ｂ，３Ｃ，３Ｄがそれぞれ示す本発明の実施形態では、各管板３０、３４、３８の形状がさまざまであり、それによって、定義される各ギャップ３２、３６、４０の形状が異なる。
【００１２】
図４Ａ，４Ｂ，５を参照すると、管板群１０はＳＯＦＣユニット５０のスタックアレイ１２０に配列されている。ＳＯＦＣユニット５０には、ハウジング（ケース）５２と、エンドキャップである５４及び５６とがある。取入エンドキャップ５４には、ユニット５０に空気を入れる為の空気取入開口部群５８と、燃料入口６０と、電気端子ポート６２とがあり、一般にシール及び／又は絶縁材が含まれる。排出エンドキャップ５６には、燃料排出ポート６４と、空気取入開口部群５８に類似した排気開口部群とがある。取入エンドキャップ５４と排出エンドキャップ５６とは、内部電気端子ポート６２の収容に関すること以外は同一でよく、内部電気端子ポート６２は、エンドキャップ５４、５６の一方又は両方など都合のよい場所のどこにでも設置できる。管板群１０はＳＯＦＣユニット５０のそれぞれの位置に、各管板１０の端部の後述する部品によって保持されている。
【００１３】
図４Ａ，４Ｂ，５，６，７Ａ，７Ｂが示す本発明の実施形態では、管板群１０が相互に並列になるよう接続されている。管板群１０のスタック１２０は各端部で支持手段によって囲まれており、支持手段には種々の機能部品が含まれる。このような部品の第１のものは、管板群１０の外側の金属部品と電気通信している外部バスバー１２４である。外部バスバー１２４にはスロット型の開口部群１２６があり、開口部群１２６は、開口部群１２６を通じ空気を開口部群１８に入れるよう管板群１０に合わされ管板群１０と一列に並んでいる。外部バスバー１２４には、柱や翼やフランジや他のタイプの延長部群１２５があってもよく、延長部群１２５は、開口部群１２６に結合しており、管板群１０に広がっており、管板群１０と電気通信を行うべく管板群１０の外面に接触している。スタック１２０をまとめる為に及び／又は信頼できる電気的接続を供給する為に、外部バスバー１２４に対してろう付けや溶接や圧入を行ったり、外部バスバー１２４を各管板１０に頑丈に取
り付けたりできる。管板群１０を管板群１０の端部同士間で支持するには、伝導してもしなくても、形状の点で外部バスバー１２４に似た他の板（図示せず）を用いることができる。外部バスバー１２４には、例えばタブやプロングやポストなどの一体化された端子１２７を備えることもできる。
【００１４】
次の部品は絶縁体１２８であり、絶縁体１２８には、自身を通じ空気を開口部群１８に入れるよう管板群１０と一列に並んだ開口部群１３０がある。例えば、絶縁体１２８を酸化アルミニウム又は他の絶縁材料から作ることができる。絶縁体１２８は外部バスバー１２４に密着している。
【００１５】
次の部品は内部バスバー１３２であり、内部バスバー１３２には、自身を通じ空気を開口部群１８に入れるよう管板群１０と一列に並んだ開口部群１３４がある。内部バスバー１３２は絶縁体１２８に密着しており、絶縁体１２８は、外部バスバー１２４と内部バスバー１３２との間の電気的接触を防止する。内部バスバー１３２には、柱や翼やフランジや他のタイプの延長部群１３６があり、延長部群１３６は、開口部群１３４に結合しており、開口部群１８内に伸び、管板群１０と電気通信を行うべく管板群１０の内面に接触している。スタック１２０をまとめる為に及び／又は信頼できる電気的接続を供給する為に、内部バスバー１３２に対しろう付けや溶接や圧入を行ったり、内部バスバー１３２を各管板１０に頑丈に取り付けたりできる。内部バスバー１３２には、例えばタブやプロングやポストなどの一体化された端子１３７を備えることもできる。
【００１６】
次の部品はエンドキャップ５４であり、バスバー１２４とバスバー１３２との電気的接触及びそれに続く短絡を防止する為に、エンドキャップ５４は、絶縁性である、又は絶縁性の（即ち、電気絶縁性の）内側のライナを備えている。エンドキャップには、一般に燃料である第１の反応性ガスを管板群１０の多孔性の導電性の外面に接触させる為の取入開口部６０と、一般に空気である第２の反応性ガスを管板群１０の内面に接触させる為の取入口５８とを設けることができる。エンドキャップ５４には、端子１２７及び端子１３７を収容できる絶縁性端子支持部６２を設けることができる。絶縁性端子支持部６２は、グロメットや、連動するコネクタや、組み立て、端子の支持、絶縁、補強、締付けのうち少なくとも１つが容易なその他の構造などでよい。エンドキャップ５４には、溝５５や、ハウジング５２に密着するよう取り付ける為の他の手段などを備えることができる。
【００１７】
第１の反応性ガスが管板群１０の外側面に向けられ、第２の反応性ガスが管板群１０の内側面に向けられ、外部バスバー１２４及び内部バスバー１３２のうち少なくとも１つを含むよう、燃料電池ユニットのヘッダを、支持手段と１つ以上の種々の部品との任意の組み合わせと定義することができる。ヘッダは、本明細書に記載の構成にあるように、本発明にとって重要であり、管板群１０の外部は、管板群１０の金属部品の酸化を防止する水素などの燃料に浸っている。管板群１０の管の内部には、酸素を供給する空気が充満している。電気を発生する電気化学反応は、燃料と、各燃料電池層に拡散している酸素との間で生ずる。
【００１８】
外部バスバー１２４と、絶縁体１２８と、内部バスバー１３２とを、複数の層を備えた単一のヘッダユニットに一体化することができる。絶縁体は、管板群１０の支持部の役目を果たすことができ、バスバー１２４及びバスバー１３２の役目を果たすようどちらの側面にも導電性の（例えば、金属の）コーティングを有することができる。
【００１９】
図８〜図１２が示す本発明の実施形態では、２つ１組の管板群１０が直列になるよう相互に接続されている。頑丈な、絶縁性支持板である３０２及び３５２がそれぞれ、スタックのどちらかの端部で管板群１０を支持している。絶縁性支持板の少なくとも１つには、電気端子を収容することも含まれる。図示の例では端子タブ３０８を用いている。各絶縁
性支持板３０２、３５２には、それぞれ穴３６０、穴３６２があり、各穴は、自身を通じ空気を入れる為に管板群１０の開口部群１８と一列に並んでいる。
【００２０】
外部バスバー群３１０及び内部バスバー群３１２は、図示のように、絶縁されている分離リブ群３２２を備えたパターンで支持板３０２、支持板３５２のそれぞれの側面にしっかり接着されており、各支持板は管板群１０を要望通りに直列及び並列に接続している。図示のパターンは、管板群１０を、垂直なスタック群に並列に接続しており、スタック群は水平に直列に接続されている。外部バスバー群３１０及び内部バスバー群３１２は、端子タブ３０８の各側面に広がっており、これによりそれぞれの外部の電気的接続３１４、３１６が嵌合コネクタ（図示せず）に供給される。
【００２１】
管板群１０は、外部バスバー群及び内部バスバー群３１０の各スロット群３０４にはめ込まれ、支持板３０２、支持板３５２に接する。各はんだ接合部３２６を用いて、外部バスバー群３１０を管板群１０の外部に固定することができ、外部に電気的接続を供給することができる。リベット３２０などの中空ピンを用いて、穴３０４を通して管板群１０の内部に電気的接続を供給することができる。各はんだ接合部３２８を用いてリベット群３２０を内部バスバー群３１２に固定することができる。
【００２２】
当業者には、前述の燃料入口と空気入口とが一般的な種類のものであり、サイズ、形状、構成、及び／又はユニットにおける場所は、任意の好適なものでよいことが分かる。なおまた、当業者には、上記の実施形態のすべてに記載した電気端子が、一般的な、従来の種類のものであり、サイズ、形状、構成、及び／又はユニットにおける場所は、任意の好適なものでよいことが分かる。各端子はバッテリーポストでもよいし、１つ以上の電気プラグ、コネクタ、ソケット、及び／又は同種のものに組み込まれてもよい。各端子を、例えば、電線、板、ストリップなどの、任意の好適な従来の手段で、集電子に接続できる。
【００２３】
本発明の特質によってもたらされる密着の利点は、金属の支持によってろう付や溶接が使用可能になるということである。
好適な本発明の実施形態であると考えられるものを図示し記載したが、当業者には明らかなように、添付の請求項により規定された本発明の範囲から逸脱することなく、本発明に対し種々の変更及び修正を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の管板の部分斜視図（縮尺は正確ではない）。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池の溝付き管板の部分斜視図（縮尺は正確ではない）。
【図３Ａ】本発明の実施形態に係る燃料電池の管板アセンブリの略端面図。
【図３Ｂ】本発明の実施形態に係る燃料電池の管板アセンブリの略端面図。
【図３Ｃ】本発明の実施形態に係る燃料電池の管板アセンブリの略端面図。
【図３Ｄ】本発明の実施形態に係る燃料電池の管板アセンブリの略端面図。
【図４Ａ】本発明の実施形態に係る燃料電池アセンブリの斜視分解組立図。
【図４Ｂ】図４Ａに示す燃料電池アセンブリの一部分の拡大図。
【図５】本発明の実施形態に係る燃料電池アセンブリの斜視図。
【図６】管板群が並列に接続されている本発明の実施形態に係る燃料電池アセンブリの部分的な斜視分解組立図。
【図７Ａ】図６に示す燃料電池アセンブリの部分的な斜視破断図。
【図７Ｂ】図６に示す燃料電池アセンブリの部分的な斜視破断図。
【図８】管板群が直列に接続されている本発明の実施形態に係るヘッダの斜視図。
【図９】図８に示すヘッダの反対側の斜視図。
【図１０】図８に示すヘッダから見て燃料電池アセンブリの反対の端部のヘッダの斜視図。
【図１１】図１０に示すヘッダの反対側の斜視図。
【図１２】本発明の実施形態に係る組み立てた管板及びヘッダの軸方向の破断上面図。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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2009521793.tif 000021
2009521793.tif 000022