(57)【要約】種々の観点から固体電解質型燃料電池(SOFC)の技術について述べている。一つの適用例は、燃料電池を保持し、燃料電池の内側部分へ燃料混合物を移送するための電池マニホールドへ、燃料電池の外側表面を接続するためのシールに係るものである。このシールは、シール部分において燃料電池の外側表面に燃料混合物が流出しないよう密封するものである。また、このシールは、燃料電池の外側表面と電池マニホールドとの間に電流を流すことができるように導電性を持たせたものである。
2005518645.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のシールであって、
燃料電池のアノード表面を、燃料電池を保持し燃料混合物を燃料電池の内側部分に移送する電池マニホールドに接続すると共に、シール部において燃料混合物をアノード表面から分離させるよう構成されたシールであり、
当該シールは、アノード表面と電池マニホールドとの間に電流が流れるようにするために導電性を有することを特徴とする燃料電池のシール。
【請求項２】
請求項1に記載のシールであって、前記燃料電池が固体電解質型燃料電池(SOFC)であることを特徴とする燃料電池のシール。
【請求項３】
請求項1に記載のシールであって、前記シールが金、銀、パラジウム、そしてニッケルの内の少なくとも一つを含む合金から成ることを特徴とする燃料電池のシール。
【請求項４】
請求項3に記載のシールであって、前記シールが前記合金を使用した誘導加熱によるロー付けによって形成されていることを特徴とする燃料電池のシール。
【請求項５】
請求項1に記載のシールであって、燃料電池の前記アノード表面がセラミック複合材料で形成されていることを特徴とする燃料電池のシール。
【請求項６】
請求項5に記載のシールであって、前記セラミック複合材料がイットリア安定化ジルコニア（YSZ）であることを特徴とする燃料電池のシール。
【請求項７】
燃料電池システムであって、
燃料混合物を化学的に電流に変換するための複数の燃料電池と、
当該複数の燃料電池を保持し、燃料混合物を当該燃料電池の内側部分へ移送するための電池マニホールドと、
複数のシールであって、各シールが燃料電池のアノード表面を当該電池マニホールドに接続させ、シール部分において燃料混合物を当該アノード表面から分離させ、各シールは当該アノード表面と当該電池マニホールドとの間に電流が流れるようにするために導電性を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項7に記載の燃料電池システムであって、前記複数の燃料電池が固体電解質型燃料電池(SOFC’s)であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項7に記載の燃料電池システムであって、前記各シールが金、銀、パラジウム、そしてニッケルの内の少なくとも一つを含む合金から成ることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項9に記載の燃料電池システムであって、前記各シールが前記合金を使用した誘導加熱によるロー付けによって形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項7に記載の燃料電池システムであって、燃料電池の前記アノード表面がセラミック複合材料で形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項11に記載の燃料電池システムであって、前記セラミック複合材料がイットリア安定化ジルコニア（YSZ）であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項7に記載の燃料電池システムであって、各燃料電池が更に外側のカソード層を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項13に記載の燃料電池システムであって、前記外側カソード層がランタン・マンガナイトで形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項7に記載の燃料電池システムであって、更に複数の電池マニホールドを備え、各マニホールドが一つの面内において複数の燃料電池を保持し、各マニホールドに取り付けられた当該燃料電池が電気的に並列に接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項15に記載の燃料電池システムであって、前記複数の電池マニホールド
が、燃料電池のスタックが垂直になるように配置され、前記複数の電池マニホールドが電気的に直列になるように接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１７】
請求項7に記載の燃料電池システムであって、各燃料電池が誘導加熱によりロー付けされたエンドキャップによって電池マニホールドに接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１８】
請求項17に記載の燃料電池システムであって、前記エンドキャップがネジ結合または圧入により電池マニホールドに結合されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１９】
燃料電池システムであって、
燃料混合物を化学的に電流に変換するための複数の燃料電池と、
反対側側面を有し、各燃料電池の一部によって貫通されるインシュレーションブロックとを備え、
燃料電池システムが作動中に燃料電池とインシュレーションブロックが、
(1) インシュレーションブロックの一方の側において、燃料電池が正常に作動する程度に周囲の温度が充分高く、
(2) インシュレーションブロックの他方の側において、燃料電池の外側表面から燃料電池の内部へ入る燃料混合物を遮断するシールであって、各燃料電池に設けた従来技術タイプのメカニカルシールが耐えうるよう、周囲の温度が稼動側より充分低くなる、
ように配置されたことを特徴とする燃料電池システム
【請求項２０】
請求項19に記載の燃料電池システムであって、前記複数の燃料電池が固体電解質型燃料電池(SOFC’s)であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２１】
請求項20に記載の燃料電池システムであって、各燃料電池が管状体であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２２】
請求項19に記載の燃料電池システムであって、各燃料電池の外側表面がセラミック複合材料で形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２３】
請求項22に記載の燃料電池システムであって、前記セラミック複合材料がイットリア安定化ジルコニア（YSZ）であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２４】
請求項19に記載の燃料電池システムであって、各燃料電池が更に外側のカソード層を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２５】
請求項24に記載の燃料電池システムであって、前記外側カソード層がランタン・マンガナイトで形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２６】
請求項19に記載の燃料電池システムであって、前記複数の燃料電池が複数の平面状を成す層に配置され、各層内に配置された前記燃料電池は電気的に並列に接続され、そして前記複数の層は電気的に直列に接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２７】
燃料電池システムであって、
燃料混合物を化学的に電流に変換するための複数の管状燃料電池を備え、
当該燃料電池は複数の平面状を成す層に配置され、各平面状を成す層は同一の平面内に配置された複数の燃料電池から成ることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２８】
請求項27に記載の燃料電池システムであって、前記複数の管状燃料電池が固体電解質型燃料電池(SOFC’s)であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２９】
請求項27に記載の燃料電池システムであって、各燃料電池の外側表面がセラミック複合材料で形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３０】
請求項29に記載の燃料電池システムであって、前記セラミック複合材料がイットリア安定化ジルコニア（YSZ）であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３１】
請求項27に記載の燃料電池システムであって、各燃料電池が更に外側のカソード層を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３２】
請求項31に記載の燃料電池システムであって、前記外側カソード層がランタン・マンガナイトで形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３３】
請求項27に記載の燃料電池システムであって、各層内に配置された前記燃料電池は電気的に並列に接続され、そして前記複数の層は電気的に直列に接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３４】
燃料電池システムであって、
投入される低分子炭化水素を加熱するためのバーナ組み立てと、
投入される低分子炭化水素ガスを水素と一酸化炭素を多く含み、酸素分圧の低い燃料混合物へ変換するためにバーナ組み立てによって加熱される燃料改質組み立てと、
燃料混合物を化学的に電流に変換するための複数の燃料電池を含んだ燃料電池スタック組み立てと、
からなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３５】
請求項34に記載の燃料電池システムであって、前記燃料改質組み立てが投入される低分子炭化水素を変換するための触媒要素を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３６】
請求項35に記載の燃料電池システムであって、前記燃料改質組み立てがシステムをクールダウンする際に触媒チューブから冷却空気をそらせるためのバイパス機構を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３７】
請求項34に記載の燃料電池システムであって、燃料電池スタック組み立てから高温の排気ガスを受けると共に、燃料電池スタック組み立てへ投入される空気を予加熱するための熱交換器組み立てを更に備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３８】
請求項34に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池が固体電解質型燃料電池(SOFC)であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３９】
燃料電池システムの操作方法であって、
投入される低分子炭化水素ガスを加熱するステップと、
投入される低分子炭化水素ガスを水素と一酸化炭素を多く含み、酸素分圧の低い燃料混合物へ変換するステップと、
複数の燃料電池を含んだ燃料電池スタック組み立てを使用して燃料混合物を化学的に電流に変換するステップと、
からなることを特徴とする燃料電池システムの操作方法。
【請求項４０】
請求項39に記載の方法であって、投入される前記低分子炭化水素ガスの変換において、触媒要素を使用することを特徴とする燃料電池システムの操作方法。
【請求項４１】
請求項40に記載の方法であって、低分子炭化水素ガスを変換するためのステップがシステムをクールダウンする際に触媒チューブから冷却空気をそらせるためのステップを含むことを特徴とする燃料電池システムの操作方法。
【請求項４２】
請求項39に記載の方法であって、燃料電池スタック組み立てから高温の排気ガスを受けると共に、燃料電池スタック組み立てへ投入される空気を予加熱するステップを更に備えることを特徴とする燃料電池システムの操作方法。
【請求項４３】
請求項39に記載の方法であって、前記燃料電池が固体電解質型燃料電池(SOFC)であることを特徴とする燃料電池システムの操作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質型燃料電池に係り、更に詳細には燃料電池スタックにおける電気的な接続とガスの分配および管理方法に係る。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質型燃料電池(SOFC)は、燃料と酸化体との電気化学的な結合により、直流電流を作り出す電気化学的な装置である。SOFCでは、空気極（カソード）と燃料極（アノード）を分離させるために酸素イオンの導体である電解質を使用している。燃料はアノードで酸化され、電子は外部の回路を通ってカソードへ流れ込む。カソードにおける反応によって、酸化体ガスが減少し酸素イオンを発生させる。この酸素イオンは、酸素イオンの導体である電解質を通ってアノードへ移動する。外部の回路を通って流れる電子は起電力を生じさせる。（典型的には、1セル当り1ボルトの起電力である。）セルに負荷を掛けることにより流れる電流、即ち生成される電力は、セルの設計とそれに使用されている材料に依存する。セルは典型的には700〜1000℃の間で運転される。Science and Technology of Ceramic Fuel Cell, by N. Q. Minh and T. Takahashi, Elsevier, Amsterdam, 1995 (これを参照することにより本明細書の一部として組み入れるものである)には、SOFCの基本的な反応について更に詳細に説明されており、係る方法によって電気が発生する。
【０００３】
図1は、複数の管状燃料電池2の典型的な配列を示したものである。各電池2の本体は、典型的には押出成形され焼結された金属セラミック複合材料からできている。ある応用例では、この管状体はニッケルをコーティングしたセラミックを使用している。このセラミック製の管状体は、アノードとして使用される。電解質の層として、イットリア安定化ジルコニア（YSZ）のような材料がアノードの外表面に使用される。またカソード層としてドーピングしたランタン・マンガナイト（LaMnO3）のような材料が電解質を覆うような形態で使用される。外側のカソードは空気のように酸素を含んだガスで覆われている。典型的なシステムにおいては、各燃料電池の直径は1−50mm、長さは200−2000mmである。
【０００４】
燃料電池2は、エンドキャップ14を介して保持マニホールド5に取り付けられる。典型的には、外側のカソード層は燃料電池2の全長にわたって設けられておらず、エンドキャップが装着された際に、エンドキャップが機械的にアノードまたは電解質層に直接接触するように、エンドキャップ14が装着される位置よりも短い位置までしか外側のカソード層は設けられていない。燃料電池2は電極構造(即ち、アノード)を保持することによって固定するか、あるいは電解質を保持することによって固定されている。保持マニホールド5には、各燃料電池2の内部に燃料混合物を移送させる燃料分配空間が設けられている。燃料電池2からの高温排気は穿孔板24（保持ロッド26によって保持されている）を通って穿孔板24の他端から排気空間の中へ排出される。典型的には、排気空間は燃料電池2の外側へ流入する空気を予加熱するために排気の熱を利用する熱交換器を備えている。
【発明の開示】
【０００５】
発明の概要
本発明に係る実施例は、固体電解質型燃料電池(SOFC)の技術について幅広く捕らえたものである。燃料電池の一実施例として、燃料電池の内部に燃料混合物を移送し、また燃料電池を保持するための電池マニホールドへ燃料電池のアノード表面を接続するためのシーリング技術がある。このシールは、シーリング部において燃料混合物をアノード表面から隔離させるものでもある。更に、このシールはアノードと電池マニホールドとの間に電流を流すことができるようにするため導電性を有する。
【０００６】
この実施例における燃料電池は、固体電解質型燃料電池(SOFC)である。この燃料電池は管状タイプのものである。そして、本シールは金、銀、パラジウム、そしてニッケルの内の少なくとも一つを含む合金からできており、その合金を使用して誘導加熱によるロー付けによって形成されている。燃料電池のアノード表面は、イットリア安定化ジルコニア（YSZ）のようなセラミック材料の複合材によって作られている。
【０００７】
別の類似の実施例は、燃料混合物を化学的に電流に変換する複数の燃料電池を備えた燃料電池システムに係るものである。電池マニホールドは、燃料電池を保持すると共に、燃料電池の内部に燃料混合物を移送する。各電池はアノードの表面と電池マニホールドを接続するシールを有し、シール部分において燃料混合物を外表面から隔離している。各シールはアノードと電池マニホールドの間に電流が流れるようにするために各シールは導電性を有するようになっている。
【０００８】
このような実施例では、各燃料電池は固体電解質型燃料電池(SOFC’s)であり管状の構造物からなる。これらの各シールは金、銀、パラジウム、そしてニッケルの内の少なくとも一つを含む合金からできており、その合金を使用して誘導加熱によるロー付けによって作られている。燃料電池のアノード表面は、イットリア安定化ジルコニア（YSZ）のようなセラミック材料の複合材によって作られている。各燃料電池は、例えばランタン・マンガナイトからできた更に外側のカソード層を備えるようにしても良い。このシステムは複数の電池マニホールドを備えていてもよく、これらの各電池マニホールドは同一の面内において複数の燃料電池を保持し、各電池マニホールドに取り付けられた燃料電池は電気的に並列に接続される。複数の電池マニホールドは燃料電池を垂直にスタックするように配列しても良く、また電気的に直列になるように接続しても良い。ネジ結合または圧入されたエンドキャップを誘導加熱によりロー付けすることにより、エンドキャップを介して各燃料電池を電池マニホールドに接続するようにしても良い。
【０００９】
本発明に係る実施例では更に、燃料混合物を化学的に電流に変換する複数の燃料電池を含み、また反対側側面を有し、各燃料電池が貫通するインシュレーションブロックを含む。
【００１０】
燃料電池とインシュレーションブロックは、燃料電池システムが運転されている時に、以下のような状態になるように配置されている。
【００１１】
(i)インシュレーションブロックの一方の側において、燃料電池が正常に作動する程度に周囲の温度が充分高く、
(ii)インシュレーションブロックの他方の側において、燃料電池の外側表面から燃料電池の内部へ入る燃料混合物を遮断するシールであって、各燃料電池に設けた従来技術タイプのメカニカルシールが耐えうるよう、周囲の温度が稼動側より充分低くなる、
ように配置されている。
【００１２】
係る実施例では、各燃料電池は固体電解質型燃料電池(SOFC’s)であり、そして／あるいは各燃料電池は管状の構造物からできている。各燃料電池の外側表面は、イットリア安定化ジルコニア（YSZ）のようなセラミック材料の複合材によって作られていても良い。各燃料電池は更に、例えばランタン・マンガナイトからできた外側のカソード層を備えるようにしても良い。の燃料電池は、複数の平面状の層を構成するようにして配置してもよく、各層内の燃料電池は電気的に並列に接続され、そして複数の層は電気的に直列に接続される。
【００１３】
更に、本発明に係る実施例は、燃料混合物を化学的な反応によって電流に変換するための複数の管状燃料電池を備えた燃料電池システムに関係するものである。この燃料電池は、複数の平面状の層を構成するように配置され、各平面状の層は、同一の平面上に配置された複数の燃料電池から成る。
【００１４】
更にこれらの実施例では、管状の燃料電池は固体電解質型燃料電池(SOFC’s)でも良い。各燃料電池の外側表面は、イットリア安定化ジルコニア（YSZ）のようなセラミック材料の複合材によって作られていても良い。各燃料電池は更に、例えばランタン・マンガナイトからできた外側のカソード層を備えるようにしても良い。各層内の燃料電池は電気的に並列に接続され、そして複数の層は電気的に直列に接続されても良い。
【００１５】
本発明の実施例においては、投入される低分子炭化水素ガスを加熱するためにバーナー組み立てと、低分子炭化水素ガスを水素と一酸化炭素を多く含み、酸素分圧の低い燃料混合物へ変換するためにバーナー組み立てによって加熱される燃料改質組み立てと、そして燃料混合物を化学反応により電流に変換するための複数の燃料電池を含んだ燃料電池スタック組み立てを備えている。
【００１６】
この実施例においては、燃料改質組み立ては投入される低分子炭化水素ガスを変換するための触媒を含んでいる。システムをクールダウンさせている間、触媒チューブから冷却空気をそらすようにするためにバイパス機構を備えるようにしても良い。また、このシステムには燃料電池スタック組み立てから高温の排出ガスを取り出し、燃料電池スタック組み立てに取り入れられる空気を予加熱するための熱交換器を備えるようにしても良い。このような実施例においては、燃料電池は固体電解質型燃料電池(SOFC’s)でも良い。
【００１７】
同様に、以下に示すような燃料電池の運転方法を含む実施例であっても良い。即ち、投入される低分子炭化水素ガスを加熱するステップと、低分子炭化水素ガスを水素と一酸化炭素を多く含み、酸素分圧の低い燃料混合物へ変換するステップと、複数の燃料電池を含む燃料電池スタック組み立てを使用して燃料混合物を化学的反応により電流に変換するステップから成る運転方法である。
【００１８】
この方法においては、投入される低分子炭化水素ガスの変換に触媒を使用するようにしても良い。投入される低分子炭化水素ガスの変換の際に、システムをクールダウンさせている間、触媒チューブから冷却空気をそらすようにするステップを備えても良い。また、この方法には燃料電池スタック組み立てから高温の排出ガスを取り出し、燃料電池スタック組み立てに取り入れられる空気を予加熱するようにしても良い。このような方法に係る実施例において、燃料電池は固体電解質型燃料電池(SOFC)でも良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施例は、固体電解質型燃料電池(SOFC)の技術に係るものである。以下の説明は、管状SOFCの設計に係るものであるが、ここで述べる種々の実施例はこのほかの燃料電池へも応用することができるものである。安定した燃料電池の性能は、燃料電池の内部に導入される燃料混合物の組成の適正さに依存する。加熱と冷却中に導入される燃料混合物の酸素分圧が十分低くないと、ニッケルが酸化を起こしアノードの微細構造を劣化させる。更に、アノードにあるニッケルまたはニッケル酸化物の体積膨張が電解質にクラックを生じさせる。このような現象を避けるため、先行技術においては容器に充填した水素、窒素、あるいはその他のイナートガスを使用する方法が研究されていた。微量の炭化水素燃料を含むか含まない程度の外部の水を取り入れて、蒸気を形成するようにした設計方法もある。
【００２０】
本発明に係る実施例では、必要な低い酸素分圧を有する燃料混合物を作り出すために、スタック状の燃料電池に全体にわたる流れを利用している。
【００２１】
図2は、スタック組み立て201へ導入される空気を予加熱するための熱交換器を備えた熱回収組み立て202へ燃料電池スタック組み立て201が排気する一つの実施例を示したものである。温まっていないシステムを立ち上げる際、バーナー203が点火され、燃料を改質するための触媒を内臓したチューブを有する燃料改質組み立て204とそのハウジングを加熱する。燃料改質組み立て204内の触媒を内臓したチューブの温度は急速に上昇し、燃料内にある低分子炭化水素を水素と一酸化炭素を多く含んだ燃料混合物に改質できるように触媒が活性化する。燃料電池スタック組み立て201の内部温度が酸化や電池にダメージを引き起こすような温度に上昇する前に、この改質された燃料混合物は、燃料電池(アノード)の内部へ移送される。
【００２２】
システムをシャットダウンさせる際、燃料電池スタック組み立て201が冷めても、燃料改質組み立て204が高温状態を維持し、触媒の活性を維持できるようにするために、空気は燃料改質組み立て204内の触媒を内臓したチューブをバイパスすることができるようになっている。従って、クールダウンの過渡的な状態の間、燃料混合物内の酸素分圧は低く維持される。このようなアプローチによって、酸素分圧の低いガスを内部で発生させることができるため、別の付加的なシステムを必要としない。そして更に、バーナー203と燃料改質組み立て204の間に隙間のない熱継手を形成する。
【００２３】
本発明の実施例は、更に一平面内に複数の燃料電池が配列され、電池が電気的に並列に接続されるようにすることに関係する。燃料電池を配列した各平面は、複数の層からなる燃料電池スタックの一つの層を形成することになる。複数の層は、燃料電池スタックとして必要な電圧を確保するため、電気的に直列に接続される。燃料電池の各層を電気的に分離させるために、層間に高温断熱のガスケットが配置されており、これは層間にある程度のシーリング性を提供することになる。ある実施例においては、燃料電池の層の複数のスタックは横方向に並ぶようにして配置しても良い。
【００２４】
図3は、多層に重ねられた燃料電池スタックの一層分の分解図を示したものであり、本発明の一つの実施例に係るものである。管状の固体電解質型燃料電池300がセラミック製の排気空間310を通って水平方向に伸びている。燃料電池300の外側を循環するために取り込まれる空気を暖めるために、複数の燃料電池の排気空間310の上面を、典型的にはセラミックで作られた熱交換器で覆うようにしても良い。排気空間310(あるいは熱交換器)を通る空気または水を流すパイプであって、パイプ内を流れる空気または水を加熱することによって家庭暖房に利用するということもできる。
【００２５】
例えば、銀をコーティングしたニッケルやインコネルから作られたコルゲート状のリボンのように設計された電流コレクタ320は、固体電解質型燃料電池300の外側の層(カソード)とスナップ状に適合するようになっている。熱的にそして電気的に遮断するセラミック製のインシュレータ330が燃料電池スタックの層との間に、ガスケットシール340を挟んで配置されている。このガスケットシール340はシール材として使用するために圧縮成形されており、例えばマイカから作られている。燃料マニホールド350（例えば、ニッケルまたはステンレス鋼から作られている）は燃料電池300の内部に燃料を注入する突起部351と、上に置かれるスタックと電気的に接続するための突起部352が更に設けられている。このような形態では、燃料電池300の各層は、電気的に並列に接続され、上下の管状体の各層は電気的に直列に接続される。燃料電池300は例えば誘導加熱によるロー付けや機械的結合によって燃料マニホールド350に直接接続しても良い。
【００２６】
図4は、平面状の燃料マニホールド405の別の実施例を示すものである。マニホールド405は、個々の燃料電池を受ける共通面内に燃料電池レセプタクル401を備えている。このレセプタクル401は燃料電池300のネジを切ってあるエンドキャップを収納するためにネジを切っておいても良いし、エンドキャップを圧入できるようにしておいても良い。マニホールド405の内部には、個々の燃料電池の内部へ燃料混合物を移送するための燃料分配空間402が設けられている。マニホールド405はステンレス鋼のような電気伝導体の材料から作られており、マニホールドに接続される全ての燃料電池が電気的に並列に接続されるように燃料電池の内側の面(アノード)に電気的に接続される。
【００２７】
管状の燃料電池の積層構造をした固体電解質型燃料電池システムを使用すると、管状電池の電力は典型的には5から20ワットの間にあり、管状電池の発電密度は220−430mW/cm2である。このような配列にすることにより、37−42%の発電効率(正味ＡＣ／ＬＨＶ)で8−10kWの交流電流を作り出すことができる。コールド・スタートした後、約10から60分間でフルパワーの出力を利用することができる。
【００２８】
SOFC’sは750から1000℃の間の温度で運転されるので、材料とプロセスの選択は重要である。本発明の一つの実施例は、導電性を有し、リークのない、セラミックと金属をボンディングした燃料電池を保持することができる電極に係るものであり、燃料電池100の電極電流コレクターの機能によって燃料と空気の混合物を分離するための高温シールを一体化している。このシールは、燃料電池100の本体(即ちアノード)を燃料マニホールド405の金属製の構造物に取り付けるために、ロー付けまたはのその他の金属間接合によって作られている。このシールは、燃料マニホールド405の本体との電気的な接続として機能する一方、電池の外側を流れる空気と接触させることなく燃料電池100の内部へ燃料を流すことを狙ったものであり、またこのシールは電極のバスとしても機能する。この二つの機能を結びつけることにより、顕著なコスト低減を実現することができる。
【００２９】
管状の燃料電池100は、例えば、イットリア安定化ジルコニア（YSZ=Y2O3(Zr2O3)）をコーティングした酸化ニッケル(NiO)、あるいはYSZ複合セラミックなどで構成しても良い。ニッケル(Ni)と鉄(Fe)の金属組成物から作られるエンドキャップ14は、管状の燃料電池100に、金(Au)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、およびニッケル(Ni)を種々のパーセントで含有する合金の内の一つを使用し、ロー付けによってボンディングすることができる。ボンディングする温度は、ボンディングする金属の組成に依存し、940から1450℃の範囲である。ボンディングは、空気中、イナートガス中、高真空中、あるいは減圧下において行うことができる。例えば、前述した合金を使用し、燃料電池100の表面を誘導加熱してエンドキャップ14にロー付けしても良い。あるいは、例えば、誘導加熱方式のロー付けにより、燃料電池100のアノード表面を燃料マニホールド405へ直接ロー付けすることもできる。係る実施例においては、シールはアノードの表面に対して形成され、カソードと電解質層は燃料マニホールド405に組み込まれる位置までは伸びておらず、燃料電池の途中で中断している。
【００３０】
ボンディングによって得られるセラミックと金属のジョイント部分は、例えば少なくとも40psiの圧力に耐えることができる。セラミック燃料電池100と金属エンドキャップ14の間のインターフェース面における接触抵抗を低減させることは、当該ジョイント部分を熱処理することによって実現できる。熱処理後、当該シールジョイント部分は、0.001ｍΩのオーダーの接触抵抗値を持つようになり、かつリークの無い状態にすることができる。エンドキャップ14はネジ結合されるか、あるいは圧入により燃料マニホールド405に組み付けることができる。
【００３１】
図5Aは、燃料電池100を燃料マニホールド405へ接続するためのエンドキャップ500の一実施例に係る斜視図を示し、図5Bは同じく断面図を示す。シールは、エンドキャップ500のYSZコーティングと金属構造の間の結合部を介して燃料電池100の管状体の外径上に形成される。そして、電流の集積は、燃料電池100の内径側とエンドキャップ500の間の結合部を通って行われる。エンドキャップ500の一方の端部には、燃料マニホールド405の燃料分配空間402から燃料電池100の内部へ燃料混合物を入れるための燃料入り口オリフィス501が設けられている。エンドキャップ500の接続部であるフェルール部502は、ネジ結合かまたは圧入により燃料電池レセプタクル401の側壁に適合するようになっている。 位置決め用突起部503は、エンドキャップ500が燃料マニホールド405に完全に組み込まれたときに、燃料電池レセプタクル401に隣接する燃料マニホールドの面に対して突き当てられる。
【００３２】
本発明の実施例は、更に、空気が電池の外側を通過している間、電池の内側に燃料を流し続けるようにするために、燃料電池に設けられた電解質を燃料マニホールドへ接続する低温シールに係るものである。本発明の更に別の実施例は、燃料電池がインシュレーション壁を貫通するようするために、燃料電池構造の端部の部分を燃料電池本体と一体にして構成している。これによって、相対的に低い温度領域でシールを形成できるようにしている。シール部温度として、400℃以下の温度を実現することにより、燃料電池の運転温度である800℃近辺では使用できないような、多様なシールメカニズムを使用することが可能になる。
【００３３】
従って、燃料電池スタックの内側空洞部は、イットリア安定化ジルコニア（YSZ）が電気伝導性を維持するような十分高い温度に維持され、これによって電気の発電が行われる。
【００３４】
図6は、SOFCシステムの一実施例の分解斜視図を示したものである。前にも説明したように、各燃料電池100は、燃料電池100が電池マニホールド601とインシュレーションブロック602の両方を貫通するのに十分な長さを有する端部構造部600を有する。燃料電池の管状構造物(アノードとして機能する部分)とカソードの両者は、インシュレーションブロック602と電池マニホールド601を通るように配置されている。燃料電池100の端部は従来のシール技術を使用して比較的低い温度で電池マニホールド601にシールされる。前にも説明したものと同様に、一つの実施例として、このシールは機械的なシールと電流のコレクターとしての二つの機能を果たすことができるようになっている。
【００３５】
図7は、燃料電池が金属製の燃料マニホールドと反対側に配置されたインシュレーションブロックの中に挿入された形式の別の実施例を示したものである。
【００３６】
管状体を反対側においても挿入することにより、熱バランスが良くなり、高密度に電池を配列することができるようになる。別の実施例(図示せず)では、インシュレーションブロックと燃料マニホールドの間を空気が流れる通路が設けられている。この通路に入ってきた空気が流れることにより、シールを能動的に冷却することが可能となる。この形態では、インシュレーションブロックを通ってロスとなる熱を、更に燃料電池スタックの中に入っていく前の空気によって回収することができる。
【００３７】
本発明に係る種々の好適な実施例について開示してきたが、本発明の範囲から外れることなく、本発明の幾つかの利点を実現することができるさまざまな変更や改良を行うことは、本技術の分野に精通したものであれば自明のことである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
本発明は、以下の図面に基ずく詳細な説明を参照することにより更に良く理解することができるようになる。
【図１】図1は、先行技術に係る複数の管状燃料電池の典型的な配列を示したものである。
【図２】図2は、本発明に係る一実施例であるSOFCシステムを示したものである。
【図３】図3は、一実施例であって、積層された燃料電池スタックの一層についてその分解図を示したものである。
【図４】図4は、平面状の燃料マニホールドに係る別の実施例を示したものである。
【図５】図5Aおよび5Bは、一実施例であって、本発明の一実施例において電気的な接続を行えるようにするシーリングエンドキャップを示したものである。
【図６】図6は、低温シールを使用したSOFCシステムの一実施例の分解斜視図である。
【図７】図7は、図6に示すシステムの他の実施例を示したものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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