(57)【要約】  連続するセルユニットからなる燃料電池スタック１０が提供され、各セルユニット１２は、アノード側２０およびカソード側を有する燃料電池と、アノード側フレーム１８と、カソード側フレーム２８と、隣接するセルユニットのアノード側フレーム２８に隣接するアノード側インタコネクトおよびカソード側フレーム２８に隣接するカソード側インタコネクトを有するバイポーラプレート２４と、燃料電池とカソード側フレームとの間におけるカソード側シール２６と、燃料電池とアノード側フレームとの間におけるアノード側シール２２と、を備え、アノード側インタコネクト、カソード側インタコネクト、アノード側シール２２およびカソード側シール２６の少なくとも１つは追従性を有する。
2007507834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続するセルユニットからなる固体酸化物形燃料電池スタックであって、各セルユニットが、
アノード側およびカソード側を有する固体酸化物形燃料電池と、
アノード側フレームと、
カソード側フレームと、
隣接の連続するセルユニットの前記アノード側フレームに隣接するアノード側インタコネクトおよびカソード側フレームに隣接するカソード側インタコネクトを有するバイポーラプレートと、
前記燃料電池と前記カソード側フレームとの間におけるカソード側シールと、
前記燃料電池と前記アノード側フレームとの間におけるアノード側シールと、
を備え、
前記アノード側インタコネクト、カソード側インタコネクト、アノード側シールおよびカソード側シールの少なくとも１つが追従性を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項２】
前記アノード側インタコネクトおよび前記カソード側インタコネクトが、３次元において追従性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スタック。
【請求項３】
前記アノード側インタコネクト、カソード側インタコネクト、アノード側シールおよびカソード側シールの各々が、追従性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スタック。
【請求項４】
前記アノード側フレームおよび前記カソード側フレームが、燃料電池が保持される開口部を画定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スタック。
【請求項５】
前記開口部が、少なくとも約４インチ×４インチの大きさを有することを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項６】
前記開口部が、少なくとも約８インチ×８インチの大きさを有することを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項７】
前記アノード側フレームが、アノードの対面する側に形成された溝を備え、前記アノード側シールが、前記溝に配置される追従性シールであ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スタック。
【請求項８】
前記カソード側シールが、実質的に平坦な追従性部材を備え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スタック。
【請求項９】
前記アノード側フレームが、アノード側シールおよび燃料電池が配置される複数の開口部を備え、前記カソード側フレームおよび前記カソード側シールが、前記アノード側フレームの前記開口部と一致する開口部を備えることを特徴とする請求項８に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記カソード側フレームが、燃料電池が配置される複数の開口部を備え、前記アノード側フレームおよびアノード側シールが、前記カソード側フレームの前記開口部と一致する開口部を備えることを特徴とする請求項８に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記アノード側フレームおよび前記カソード側フレームが、反応物の流れを前記燃料電池に許容するスロットをさらに備え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スタック。
【請求項１２】
前記アノード側フレームおよび前記カソード側フレームが、燃料電池エレメントが配置される開口部を備え、前記スロットが前記開口部の周囲に配置されることを特徴とする請求項１１に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記アノード側フレームおよび前記カソード側フレームにおける冷却流体チャネルをさらに備え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スタック。
【請求項１４】
前記燃料電池スタックが、前記冷却流チャネルにおいて吸熱処理を実行するように適応され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スタック。
【請求項１５】
前記カソード側シールが、フローティングシールを含む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スタック。
【請求項１６】
前記アノード側シールが、フローティングシールを含む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スタック。
【請求項１７】
連続するセルユニットからなる固体酸化物形燃料電池スタックであって、各セルユニットが、
アノード側およびカソード側を有する固体酸化物形燃料電池と、
アノード側フレームと、
カソード側フレームと、
隣接の連続するセルユニットの前記アノード側フレームに隣接するアノード側インタコネクトおよびカソード側フレームに隣接するカソード側インタコネクトを有するバイポーラプレートと、
前記燃料電池と前記カソード側フレームとの間におけるカソード側シールと、
前記燃料電池と前記アノード側フレームとの間におけるアノード側シールと、
を備え、
前記アノード側インタコネクトとアノード側シール、およびカソード側インタコネクトとカソード側シール、のうち少なくとも一方のペアが追従性を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００３年９月２９日に出願された仮出願第６０／５０６，９３６号に係る優先権の主張を伴うものである。
【０００２】
本発明は、平面的な固体酸化物形燃料電池スタックに関し、特に、スタックのフットプリントを増大させる固体酸化物形燃料電池スタックの設計に関する。
【背景技術】
【０００３】
コスト削減の見地から、セルの平面における固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックのフットプリントを増大させることが不可欠である。平面上のフットプリントの増大を実現する１つの方法としては、スタックにおける長さや幅がより大きいＳＯＦＣセルを製造および使用することが挙げられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
寸法が増大したセラミックスのＳＯＦＣセルを製造すること、および該ＳＯＦＣセルを許容公差内に維持することは、基本的に困難である。現時点において、いくつかのセル製造業者は、許容寸法公差内にある４インチ×４インチ（１０ｃｍ×１０ｃｍ）のセルを製造している。セル製造業者は、現在、許容寸法公差内の８インチ×８インチ（２０ｃｍ×２０ｃｍ）のセルの製造を試みている。許容公差は、スタックの組付時や作動時におけるセルの破損を防ぐために必要である。基本的には、セラミックスの工程の見地から、大きさをさらに増大させることは、非常に困難であり、おそらく費用効果的ではない。さらに、より長いセルを用いることにより、平面上のセルの寸法を増大させるにつれてセルに亘る温度が上昇するため、電気化学的作動時における熱管理の問題が生じてしまう。従来のスタック構造は、通常、ボンドガラスシールまたは追従性を備えていない（ｎｏｎ−ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）インタコネクトを用いており、そのため、平面上のフットプリントのスケールアップに容易に適応され得ない。
【０００５】
平面上のフットプリントのスケールアップを確実にもたらす燃料電池スタックの構造に対する必要性が生じていることは明らかであり、本発明の主要な目的は、そのような構造を提供することである。
【０００６】
本発明の他の目的および利点は、以下に記す本明細書において明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によると、前述の目的および利点は容易に実現される。
【０００８】
本発明によると、連続するセルユニットからなる燃料電池スタックが提供される。各セルユニットは、アノード電極、電解質およびカソード電極の三層構造を有する燃料電池と、アノード側フレームと、カソード側フレームと、隣接するセルユニットのアノード側フレームに隣接するアノード側インタコネクトおよびカソード側フレームに隣接するカソード側インタコネクトを有するバイポーラプレートと、燃料電池とカソード側フレームとの間におけるカソード側シールと、燃料電池とアノード側フレームとの間におけるアノード側シールと、を備える。アノード側インタコネクト、アノード側シール、カソード側インタコネクトおよびカソード側シールの少なくとも１つは追従性（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）を有しており、あるいは、アノード側インタコネクトとアノード側シールのペアが追従性を有していてもよく、カソード側インタコネクトとカソード側シールのペアが追従性を有していてもよい。
【０００９】
本発明によると、アノード側フレームは、１つまたは複数の燃料電池が配置される１つまたは複数の開口部を有する。これらの開口部の各々は、その外周に沿って溝つまり凹型のランディングを備える。アノード側シールおよび燃料電池は、アノードフレーム開口部の凹型ランドに位置し、燃料電池のアノード電極は、該アノードシールに面している。カソード側フレームおよびカソード側シールは、１つまたは複数の開口部を備え、これらの開口部は、アノード側フレームの開口部と一致する。
【００１０】
追従性を有するシールおよびインタコネクトを用いることにより、より大きな平面上のフットプリントにおいてさえも応力に抵抗する傾向が強いフローティング燃料電池が許容されるとともに、セルに加わる過度の圧縮加重によるセルの破損を回避することが可能となる。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態の詳細な説明は、添付の図面を参照することにより理解され得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、燃料電池アッセンブリに関し、特に、改善された追従性を有するインタコネクトおよびシールを有する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に関する。
【００１３】
本発明の３Ｄ追従性スタック（すなわち、３本の直交軸全てにおいて追従性を有する）は、本質的により大きなセルの寸法偏差を許容し、それにより、従来技術のシステムより寸法精度の低いより大きなセルを用いることが可能となり、また、３Ｄ追従性スタックにより、以前には達成され得なかった方法で平面上のフットプリントのスケールアップが可能となる。平面上のフットプリントのスケールアップ能力の増加の主な理由としては、スタックが、追従性インタコネクト、追従性シールおよび結果得られたフローティングセルの少なくとも１つ、好ましくは全てに亘って、３Ｄ追従性を有することが挙げられる。その結果、追従性を有する構造により脆性のセラミックスセルの破壊を回避するように局所的な曲げ応力が制限されるため、セル間に存在する寸法偏差が許容され得る。本明細書において用いているフローティングとは、力が一方の構成要素から他方に伝わらないように機械的に分断されていることを意味する。例えば、フローティングは、構造の部分間の相対的な動きを許容することにより実現される。
【００１４】
さらに、シールは、フローティングであり、合わせ面に付着しない。その結果、シール領域における相対的な動きまたは滑りにより、過渡条件時におけるセルの温度勾配および熱応力が対応される。
【００１５】
追従性構造は、同一出願人による２００４年１月１６日に出願された米国特許出願第１０／７５８，８４３号明細書において詳細に記載されており、参照により本願に組み込まれる。さらに、追従性シールは、同一出願人による２００３年７月１８日に出願された米国特許出願第１０／６２２，８８１号明細書に記載されており、参照により本願に組み込まれる。
【００１６】
本発明により、平面上のフットプリントの増大に対する性能を有するスタックの設計がもたらされ、それにより、費用効果的なＳＯＦＣスタックのスケールアップが可能となる。付加的な利点としては、このスタック設計により、冷却チャネルがアッセンブリと一体的に形成され、それにより、セルに亘る温度勾配が最小限に抑えられるとともに、スタック構造の耐性および電気化学的な安定性が向上する。
【００１７】
燃料電池スタックは、連続するセルユニットからなり、各セルユニットは、アノード電極、電解質およびカソード電極の三層構造を備える燃料電池と、アノード側フレームと、カソード側フレームと、隣接するセルユニットのアノード側フレームに隣接するアノード側インタコネクトおよびカソード側フレームに隣接するカソード側インタコネクトを有するバイポーラプレートと、燃料電池とカソード側フレームとの間におけるカソード側シールと、燃料電池とアノード側フレームとの間におけるアノード側シールと、を備える。アノード側インタコネクト、アノード側シール、カソード側インタコネクトおよびカソード側シールの少なくとも１つは、追従性を有し、または、アノード側インタコネクトとアノード側シールのペアが追従性を有していてもよく、カソード側インタコネクトとカソード側シールのペアが追従性を有していてもよい。
【００１８】
本発明によると、アノード側フレームは、１つまたは複数の燃料電池が配置される１つまたは複数の開口部を有する。これらの開口部の各々は、その外周に沿って溝つまり凹型のランディングを備える。アノード側シールおよび燃料電池は、アノードフレーム開口部の凹型ランドに位置し、燃料電池のアノード電極は、該アノードシールに面している。カソード側フレームおよびカソード側シールは、１つまたは複数の開口部を備え、これらの開口部は、アノード側フレームの開口部と一致する。
【００１９】
図１には、連続するセルユニット１２の複数の層からなるクロスフロースタック１０が図示されている。４つの燃料電池１４が実質的に正方形の幾何学形状で配置された状態で、スタック１０の１つの平面が図示されている。４つの開口部を備えたアノード側フレーム（窓枠に似ている）により、開口部の外周に４つのセルが支持される。アノード側フレームは、窓枠に似ており、各開口部は、その外周全体に沿って凹型のランドつまり溝を有する。凹型のランド（溝と呼ぶ）は、１つのアノード側シールの座部（シート）として機能し、その上に１つの燃料電池が、アノード電極がシールに面した状態で位置する。この配置において、燃料電池は窓ガラスのように見える。
【００２０】
図２では、スタック１０の連続するセルユニット１２の拡大図が示されている。燃料電池１４は、アノードフレーム１８の溝１６に位置し、アノード側２０の電池１４は、追従性シール２２を用いてシールされる。３Ｄ追従性を有するバイポーラプレート２４、追従性を有するカソードシール２６およびカソードフレーム２８は、図２のように組立られる。燃料電池１４は、溝１６の内側に位置し、２つの追従性シール２２，２６を用いてシールされるため、セルは、通常フレームに及ぶクランプ負荷を受けない。そのようなセルはフローティングセルと呼ばれる。インタコネクト、シール、溝およびフレームの高さは、公称厚さのセルの厚さを受けるように形成され、ネットシェイプ加工され、または機械加工される。フローティングセル、ならびにシールおよびインタコネクトの３Ｄ追従性により、セルが破損または破壊することなく、セルの厚さおよびセルの曲率の変動が有利に吸収され得る。
【００２１】
スタックの組立工程においては、電子の移動を向上させかつインタフェースのオーム抵抗を最小限にするように、接触または接着材料の薄層が燃料電池１４のアノード電極とアノード側インタコネクトとの間に用いられる。同様に、燃料電池電極とカソード側インタコネクトとの間に、接触または接着材料の薄層を用いてもよい。
【００２２】
図２においては、明瞭に図示するため、バイポーラプレート２４、アノードフレーム１８およびカソードフレーム２８を別々の部品として示しているが、これらの部品は、単一の部品を形成するように当業者に周知の金属接合加工の１つを用いて互いに有利に接着され得る。スタックを組立てる際に、バイポーラプレート２４、ならびにアノードおよびカソードのフレームを別個の部品として用いる場合には、アノードフレームセパレータプレートおよびカソードフレームセパレータプレートのペアの間に、図２に示されたカソード側シールと同様の平坦な追従性シールを用いてもよい。
【００２３】
図２に示された窓枠状スタックの構造は、いくつかの種類のマニホールド構成とすることができ、例えば、（１）外部燃料および外部空気マニホールド、（２）内部燃料および外部空気マニホールド、（３）内部燃料および内部空気、ならびに他の同様の組合せがある。窓枠の構造においては、スタックの外側表面は、実質的にフレームおよびセパレータプレートの薄い外側平面からなり、これらのフレームおよびセパレータプレートは、金属材料からなる。金属材料の部品の寸法制御は、セラミック材料より優れており、窓枠状スタックの構造により、外部燃料および外部空気マニホールドの適用が可能となり、外部マニホールドにより、スタックのコスト低下につながることが見込まれる。図２では、スタックが外部からマニホールドで供給されることを前提として、セルおよびスタックを横切るガス流用のスロット３０が図示されている。これらのスロットは、セル平面に亘るとともにセル平面間におけるフロー制御のため、所定のサイズで適切に形成されることが望ましい。
【００２４】
図３においては、冷却流体をもたらしかつ冷却流体を排出するようにアノードフレームおよびカソードフレームに形成されたチャネル３２の用途が図示されている。これらの冷却流体は、空気、燃料、水蒸気、ヘリウム、液体金属、あるいはスタックに冷却効果をもたらす他の媒体であってもよい。一実施例においては、燃料改質などの吸熱処理がこれらのチャネルにおいて行われる場合がある。これらの流体チャネルは、熱電気併合利用（ＣＨＰ）、多くのボトミングサイクル、または他の熱管理一体型のオプションとスタックを一体化するように用いられ得る。これらのチャネルは、当分野に一般的に知られている手段を用いてマニホールド化される。当業者であれば、反応物および冷却流体の流れ場を配置する多くの他の方法を理解されるであろう。これらの一般的に知られている他の方法は、本発明の範囲内にある。
【００２５】
スタックの平面上のフットプリントおよび燃料電池は、実質的に正方形で「２×２」アレイ（配列）の幾何学形状を有して図面に示され、かつ実施例に記載されている。窓枠状構造における燃料電池の配置を「Ｍ×Ｎ」アレイ（ここで、「Ｍ」個の燃料電池が、一方向に配設され、「Ｎ」個の燃料電池が、実質的に直交する方向に配設され、全てのスペースが充填される。）とすることができることを当業者であれば理解されるであろう。
【００２６】
別の実施例においては、スタックは、長方形（４×２セル配置）である平面上のフットプリント幾何学形状を有してもよい。別の実施例においては、スタックは、均等なマトリックス（例えば、４×４）または不均等なマトリックス（例えば、４×２）で配置された長方形のセルからなる。別の実施例においては、スタックは、実質的に円形または楕円形の平面上のフットプリントを有していてもよいし、実質的に円形または楕円形状のセルを用いてもよい。４×４および４×２のマトリックスを実施例として用いているが、平面上のフットプリントは、あらゆる数のセルを有していてもよい。当業者であれば、セルおよび平面上のフットプリントを配置する多くの他の方法を理解されるであろう。これらの一般的に知られている他の方法もまた、本発明の範囲内にある。
【００２７】
本明細書に記載された本発明は、スタックのコストを低減させ、窓枠状の構造を用いてスタックの平面上のフットプリントを増大するように複数のセルが組立られることを許容し、冷却流体の流れが温度勾配を軽減しかつ平面上のフットプリントに亘る熱を管理することを許容するように機能する。本発明において開示された平面のＳＯＦＣスタックの設計により、より大きいネームプレート容量（キャパシティ）のスタックの製造が可能となるとともに、商業建築物用の冷却熱および電気（ＣＨＰ）製品などの大きい容量一体型エネルギーシステムならびに高効率の電力分散型生成のためのＳＯＦＣガスタービンハイブリッドシステムのアッセンブリに至る。
【００２８】
本発明は、本明細書において図示、説明した記載に限定されない。本発明の記載は、発明を実施するための最良の形態を単に説明したにすぎず、形状、大きさ、部品の配置、および作動の細部の変更がなされ得る。本発明は、そのような変更形態が添付の特許請求の範囲に記載された精神および範囲内に全て含まれることを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による固体酸化物形燃料電池スタックの斜視図。
【図２】本発明による燃料電池スタックアッセンブリの分解図。
【図３】本発明による別の実施例の燃料電池スタックアッセンブリの分解図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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