(57)【要約】  固体酸化物燃料電池スタックは、電池保持板と上部及び下部クッションエレメントで枠にはめられた燃料電池から成る燃料電池ユニットを含む。燃料電池ユニットは、流れ場シールと固体流れ隔離板と共に積み重ねられる。従って、燃料電池は直接剛性スタックエレメントと接触せずに浮動する。
2007515749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物燃料電池スタックで使うための平面燃料電池ユニットであって、以下の要素：
（ａ）上部クッションエレメント及び下部クッションエレメントの少なくとも１つ又は両方であって、前記上部及び下部の各クッションエレメントが、中心電池開口を形成するエレメント；及び
（ｂ）中心電池開口を有する電池保持板；及び
（ｃ）上部電極と、下部電極と、中心電解質とを含み、かつ前記電池保持板の電池開口内に配置された燃料電池；
を含んでなり、
（ｄ）前記上部電極が前記上部クッションエレメントの電池開口を通じて露出され、及び／又は前記下部電極が前記下部クッションエレメントの電池開口を通じて露出されている、燃料電池ユニット。
【請求項２】
前記上部クッションエレメント及び下部クッションエレメントの１つ又は両方が、可撓性の圧縮性シール材料を含む、請求項１の燃料電池ユニット。
【請求項３】
前記シール材料が、セラミック繊維とセラミック粒子を含む多孔性の複合材料である、請求項２の燃料電池ユニット。
【請求項４】
前記上部クッションエレメント又は下部クッションエレメントの一方だけが存在し、かつ電池シム板をさらに含んでなる、請求項１の燃料電池ユニット。
【請求項５】
固体酸化物燃料電池スタックであって、以下の要素：
（ａ）空気吸込みマニホールド開口及び空気排出マニホールド開口と、燃料吸込みマニホールド開口及び燃料排出マニホールド開口とを有する流れ隔離板；
（ｂ）カソード流れ場と、個々の燃料吸込みマニホールド開口及び燃料排出マニホールド開口とを形成する下部シールエレメント；
（ｃ）前記カソード流れ場内に配置されたカソード接触媒体；
（ｄ）以下の要素：
（ｉ）上部クッションエレメント及び下部クッションエレメントの少なくとも１つ又は両方であって、前記上部及び下部の各クッションエレメントが、中心電池開口と、空気吸込みマニホールド開口及び空気排出マニホールド開口と、燃料吸込みマニホールド開口及び燃料排出マニホールド開口とを形成するエレメント；
（ii）中心電池開口と、空気吸込みマニホールド開口及び空気排出マニホールド開口と、燃料吸込みマニホールド開口及び燃料排出マニホールド開口とを有する電池保持板；
（iii）上部電極と、下部電極と、中心電解質とを含み、かつ前記電池保持板の電池開口内に配置された燃料電池；
を含んでなり、
（iv）前記上部電極が前記上部クッションエレメントの電池開口を通じて露出され、前記下部電極が前記下部クッションエレメントの電池開口を通じて露出されている、
燃料電池ユニット；
（ｅ）アノード流れ場と、個々の空気吸込みマニホールド開口及び空気排出マニホールド開口と、前記アノード流れ場内に配置されたアノード接触媒体とを形成する上部シールエレメント；
を含んでなり、
（ｆ）前記燃料吸込みマニホールド開口及び燃料排出マニホールド開口とアノード流れ場が垂直に整列して、燃料吸込みマニホールド及び燃料排出マニホールドを形成し、かつ前記空気吸込みマニホールド開口及び空気排出マニホールド開口とカソード流れ場が垂直に整列して、空気吸込みマニホールド及び空気排出マニホールドを形成している、
固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項６】
前記カソード接触媒体がランスドオフセット板を含む、請求項５の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、浮動電池を組み込んだ固体酸化物燃料電池スタック構成に関する。
【０００２】
（発明の背景）
固体酸化物燃料電池のような高温燃料電池は、カソードとアノードの間に挟まれた電解質を含む。以下の反応に従ってカソードで酸素が電子と反応して酸素イオンを生成し、それがイオン伝導性セラミック電解質を通じてアノードに伝導される。
1/2Ｏ2＋２ｅ→Ｏ2-        （１）
アノードでは、以下の発熱反応に従って酸素イオンが水素及び一酸化炭素と結合して水と二酸化炭素を生成し、それによって電子を遊離させる。
Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-    （２）
ＣＯ＋Ｏ2-→ＣＯ2＋２ｅ-   （３）
この燃料電池を積み重ね、気体を電極／電解質界面に分配し、かつ集電器としても作用する相互連結板と交互に配置する。
【０００３】
平面固体酸化物燃料電池は、管状デザインに比べて単位体積当たりのコストを低減し、かつ高出力密度を提供できると考えられる。しかし、平面ＳＯＦＣデザインは、材料開発、加工、及びシステム統合において克服しなければならない多くの難題に直面する。平面ＳＯＦＣスタックのシーリングは特に困難な問題である。シールは十分に低い漏れ速度を与えて、スタックの構造不良につながりうる空気流内での燃料消費を妨げなければならない。シールは長い有効寿命にわたって安定でなければならず、かつシールと接触する物質の分解又は変化を生じさせてはならない。
最後に、シールは日常の操作の間に該スタックの熱循環に生き残れなければならない。
【０００４】
熱循環によく対処しうる複合可撓性シールが開発されているが、これらシールは十分なシーリング性能を与えるためには圧縮しなければならない。従来、平面ＳＯＦＣスタックデザインでは、シーリング層は燃料電池電極と相互連結板又は集電板との間の接触媒体と一緒にシールを構成している。そして、燃料電池のシールと接触媒体の両者の上に釣り合いのとれた圧縮荷重が必要である。圧縮荷重が接触媒体よりシール上で大きいと、良い電子泳動を達成するための電極、接触媒体及び相互連結板又は集電板との間の電気的接触が不十分になりうる。他方、圧縮荷重がシールより接触媒体上で大きいと、せん断力が燃料電池にクラックを生じさせ又は不十分なシーリングによる漏れを生じさせうる。
さらに、燃料電池スタックが“釣り合った様式(balanced manner)”で構築されている場合でさえ、スタック及び熱循環の操作がスタック内の圧縮力を急速に不均衡にし、電気接触の損失、シール漏れ若しくは燃料電池クラッキング、又は他の問題を引き起こしうる。
さらに、本技術では、先行技術の困難を和らげる燃料電池スタック構成が要望されている。
【０００５】
（発明の概要）
本発明は、燃料電池スタック構成の一部を形成し、かつ燃料電池スタック構築を容易にする燃料電池ユニットを提供する。従って、一局面では、本発明は、固体酸化物燃料電池スタックで使うための平面燃料電池ユニットであって、以下の要素：
（ａ）上部クッションエレメント(構成部材)及び下部クッションエレメントの少なくとも１つ又は両方であって、前記上部及び下部の各クッションエレメントが、中心電池開口を形成するエレメント；及び
（ｂ）中心電池開口を有する電池保持板；及び
（ｃ）上部電極と、下部電極と、中心電解質とを含み、かつ前記電池保持板の電池開口内に配置された燃料電池；
を含んでなり、
（ｄ）前記燃料電池と前記電池保持板が、前記上部電極が前記上部クッションエレメントの電池開口を通じて露出され、前記下部電極が前記下部クッションエレメントの電池開口を通じて露出されるように、前記上部及び／又は下部クッションエレメント間に配置されている、
平面燃料電池ユニットを含む。
一実施形態では、上部又は下部の１つだけのクッションエレメントを備える。
【０００６】
別の局面では、本発明は、固体酸化物燃料電池スタックであって、以下の要素：
（ａ）空気吸込みマニホールド開口及び空気排出マニホールド開口と、燃料吸込みマニホールド開口及び燃料排出マニホールド開口とを有する流れ隔離板；
（ｂ）カソード流れ場と、個々の燃料吸込みマニホールド開口及び燃料排出マニホールド開口とを形成する下部シールエレメント；
（ｃ）前記カソード流れ場内に配置されたカソード接触媒体；
（ｄ）以下の要素：
（ｉ）上部クッションエレメント及び下部クッションエレメントの少なくとも１つ又は両方であって、前記上部及び下部の各クッションエレメントが、中心電池開口と、空気吸込みマニホールド開口及び空気排出マニホールド開口と、燃料吸込みマニホールド開口及び燃料排出マニホールド開口とを形成するエレメント；
（ii）中心電池開口と、空気吸込みマニホールド開口及び空気排出マニホールド開口と、燃料吸込みマニホールド開口及び燃料排出マニホールド開口とを有する電池保持板；
（iii）上部電極と、下部電極と、中心電解質とを含み、かつ前記電池保持板の電池開口内に配置された燃料電池；
を含んでなり、
（iv）前記上部電極が前記上部クッションエレメントの電池開口を通じて露出され、前記下部電極が前記下部クッションエレメントの電池開口を通じて露出されている、
燃料電池ユニット；
（ｅ）アノード流れ場と、個々の空気吸込みマニホールド開口及び空気排出マニホールド開口と、前記アノード流れ場内に配置されたアノード接触媒体とを形成する上部シールエレメント；
を含んでなり、
（ｆ）前記燃料吸込みマニホールド開口及び燃料排出マニホールド開口とアノード流れ場が垂直に整列して、燃料吸込みマニホールド及び燃料排出マニホールドを形成し、かつ前記空気吸込みマニホールド開口及び空気排出マニホールド開口とカソード流れ場が垂直に整列して、空気吸込みマニホールド及び空気排出マニホールドを形成している、
固体酸化物燃料電池スタックを含む。
【０００７】
（発明の詳細な説明）
以下、添付の単純化した一定の比率でない略図を参照して、典型的な実施形態について説明する。
本発明は、垂直に積み重ねた燃料電池ユニットを繰り返す固体酸化物燃料電池スタック構成を提供する。本明細書では、用語“水平な”又は“水平に”は、燃料電池スタックの平面エレメントに対して実質的に平行な平面又は方向を表し、用語“垂直の”又は“垂直に”は、該平面エレメントに対して実質的に垂直な平面又は方向を表すものとする。本明細書で特に定義しないすべての他の用語は、その逐語的又は技術的に一般に認められている意味を有するものとする。
一実施形態では、本発明は、内部的に分岐管で集配され、かつ実質的に四辺形の水平フットプリントを有する固体酸化物燃料電池スタックを含む。スタック自体は、複数の平面燃料電池（１０）と電気伝導性の流れ隔離板（１２）で構成される。燃料電池は、それが直接剛性の流れ隔離板（１２）と接触していない場合、本明細書では“浮動”燃料電池と称する。代わりに、それは弾性又は圧縮性コンポーネントの組合せによって幾分クッションを備える。従って、図１及び図２に示されるような一実施形態では、スタックは以下の要素で構成される：
（ａ）空気吸込みマニホールド開口（２０）及び空気排出マニホールド開口（２２）と、燃料吸込みマニホールド開口（２４）及び燃料排出マニホールド開口（２６）とを有する流れ隔離板（１２）；
（ｂ）カソード流れ場（２８）と個々の燃料吸込みマニホールド開口（２４）及び燃料排出マニホールド開口（２６）とを形成する下部シールエレメント（１４）；
（ｃ）カソード流れ場（２８）内に配置されたカソード接触媒体（３０）；
（ｄ）燃料電池ユニット（４０）；及び
（ｅ）アノード流れ場（３２）と、個々の空気吸込みマニホールド開口（２０）及び空気排出マニホールド開口（２２）と、アノード流れ場（３２）に配置されたアノード接触媒体（３４）とを形成する上部シールエレメント（１６）。
【０００８】
燃料電池ユニット（４０）は、少なくとも一面にクッションエレメントが結合しているセラミック及び金属の両エレメントを含む。好ましくは、燃料電池ユニット（４０）は上部クッションエレメント（４２）と下部クッションエレメント（４４）を両方含む。上部及び下部の各クッションエレメントは、中心電池開口と、空気の吸込みマニホールド開口及び排出マニホールド開口と、燃料の吸込みマニホールド開口及び排出マニホールド開口とを形成する。電池保持板（４６）は、上部及び下部クッションエレメント間に配置され、かつ中心電池開口と、空気の吸込みマニホールド開口及び排出マニホールド開口と、燃料の吸込みマニホールド開口及び排出マニホールド開口とを有する。燃料電池（４８）は、電池保持板の電池開口内に配置され、かつ上部電極面と、下部電極面と、中心電解質とを含む。上部電極面は上部クッションエレメントの電池開口を通じて露出され、下部電極面は下部クッションエレメントの電池開口を通じて露出されている。
図３に示されるような燃料電池ユニット（４０）の代替実施形態では、電池シム板（４５）と共に上部クッションエレメント（４２）だけを備える。下部クッションエレメントを備えず、かつ図１に示されるような下部シールエレメント（１４）と接触媒体（３０）に対して電池保持板（４６）／電池（４８）層が載っている。
燃料電池ユニット（４０）を使用すると、単一の垂直圧縮力下で自己水平になっている燃料電池ユニット（４０）のため、電気接触とシーリングの両方を維持するための単一の圧縮力による内部マニホールディングを有する平面ＳＯＦＣスタックを構築することができる。結果として、正確に釣り合った圧縮力を必要とするスタック構成の場合ほど厳密なコンポーネント公差要求を必要としない。
燃料の吸込み及び排出マニホールド開口（２４、２６）と、アノード流れ場（３２）が垂直に整列して燃料の吸込みマニホールド及び排出マニホールドを形成し、空気の吸込み及び排出マニホールド開口（２０、２２）とカソード流れ場（２８）が垂直に整列して空気の吸込みマニホールド及び排出マニホールドを形成している。
燃料電池ユニット（４０）は電池保持板（４６）と燃料電池（４８）を含む中心層で構成される。電池保持板は、中心電池開口内に燃料電池を枠にはめている。薄いクッションエレメント（４２、４４）が電池保持板と燃料電池の両面、又は一面を覆う。これらクッションエレメントは、好ましくは後述するシール（１４、１６）と同一材料から作る。一実施形態では、電池保持板の電池開口は燃料電池の寸法よりわずかに大きく、アルミナペーストを用いて電池開口と燃料電池との間の間隙をシールする。或いは、アルミナペーストシールが不要になるように、電池開口と電池自体の寸法を精密に合わせてもよい。電池保持板は、好ましくはステンレススチールのような比較的剛性の耐食性材料から作る。
【０００９】
添付図面に示されるスタック構成は、同時係属米国特許出願番号10/249,397（引用によってその内容が本明細書に取り込まれる）に記載されているようなシール-画定流れ場を示す。しかし、当業者は、本明細書で述べる複合燃料電池ユニット（４０）、又は均等構造が適切な相互連結板又は流れ隔離板と共に利用するという条件で、前記出願のスタック構成が本発明の必須エレメントでないことに気づくだろう。
下部シールエレメントは、空気吸込みマニホールドから空気排出マニホールドへの流体連絡を与えながら、燃料の吸込みマニホールド及び排出マニホールドを封鎖するように伸長している中心カソード流れ場（２８）を有する。結果として、下部シールエレメントは、燃料電池がスタック内に組み込まれているとき、空気が燃料電池のカソード（下部）側を横切るように方向づける。カソード流れ場内に多孔性の接触媒体を備え、一方の面上の流れ隔離板と他方の面上のカソードとの間の電気接触を達成し、かつカソード流れ場内に空気を分配する。一実施形態では、カソード接触媒体は、通常の熱交換板（周知かつ商業的に入手可能である）のようなランスド(lanced)オフセット板でよい。
上部シールエレメントは、カソード流れ場に垂直に伸長し、かつ燃料吸込みマニホールドから燃料排出マニホールドへの流体連絡を与えながら空気の吸込みマニホールド及び排出マニホールドを封鎖する中心アノード流れ場を有する。結果として、上部シールエレメントは、燃料電池がスタック内に組み込まれているとき、燃料が燃料電池のアノード（上部）側を横切るように方向づける。アノード流れ場内に多孔性の接触媒体を備え、隣接している流れ分離板とアノード表面との間の電気接触を達成し、かつアノード流れ場内に燃料ガスを分配する。一実施形態では、アノード接触媒体はニッケルフォームのような高度に多孔性の金属フォーム、又はエクスパンデッドステンレススチールのようなエクスパンデッド金属でよい。
アノード及びカソードの両接触媒体は、ガスを燃料電池に流すように電気伝導性かつ多孔性でなければならない。アノード及びカソード接触媒体の一方又は両方が、好ましくは圧縮性又は弾性材料を含む。
電気伝導性のセラミックペーストを用いて燃料電池のカソード表面とカソード接触媒体との間の電気接触を向上させることができる。ランタンコバルテート又はランタンコバルテートニッケルペロブスカイトは好適なカソード接触ペーストでありうる。
スタックの構築及び圧縮時、スタックの剛性エレメント（流れ隔離板と電池保持板）は、直接脆性セラミック燃料電池（４８）と接触しない。燃料電池を燃料電池ユニット内で枠にはめるアノード及びカソード接触媒体と、上部及び下部シールエレメントと、上部及び／又は下部クッションエレメントの組合せによって燃料電池は隔離されている。従って、種々のスタックエレメントのかなりの差異は、燃料電池自体を隔離している圧縮性エレメントによって容易に吸収されるので、燃料電池スタックの圧縮の際の正確な釣り合わせは必要ない。
図４の断面図に示されるように、薄いクッションエレメント（４２、４４）は接触媒体に隣接している。一実施形態では、燃料電池及び電池保持板の厚さが約1.1mm(0.043インチ)であるのに対し、クッションエレメントは厚さ約0.28mm(約0.011インチ)である。ニッケルフォームは典型的に90％の多孔度でよく、最初の厚さが約1.3mm(0.050インチ)であり、好ましくは設置前に約0.79mm(0.031インチ)に前圧縮する。ランスドオフセット板カソード接触媒体は、約1.3mm(0.050インチ)の厚さを有し、相対的に非圧縮性である。
【００１０】
一実施形態では、シールは圧縮性シールが好ましく、共通の所有であり、かつ同時係属の米国特許出願09/931,415又は10/707,592（引用によってその内容が本明細書に取り込まれる）に記載されている当該シールが挙げられる。このようなシールは、セラミック粒子の懸濁液にアルミナフェルトを浸漬して、フェルトをセラミック粒子でしみ込ませることによって形成することができる。或いは、シールは、セラミック繊維及びセラミック粒子のスラリーからキャストしたテープでよい。本発明の好ましいシールは幾分多孔性かつ可撓性である。クッションエレメントも好ましくは同じ材料から同じ方法で作られる。
当業者には明らかなように、本出願で主張する本発明の範囲から逸脱することなく、前述した具体的な開示の種々の修正、適応及び変更を行うことができる。記載した発明の種々の特徴及びエレメントは、本発明の範囲から逸脱することなく、本出願で記載又は主張する組合せと異なる様式で組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の燃料電池スタックの実施形態の分解図である。
【図２】本発明の燃料電池ユニットの実施形態の分解図である。
【図３】燃料電池ユニットの代替実施形態の分解図である。
【図４】図１の実施形態の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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