(57)【要約】【課題】燃料電池スタック組立体を提供すること。【解決手段】燃料電池スタック組立体は、複数の燃料電池と、複数の相互接続プレートとを備える。燃料電池スタック組立体には、複数の相互接続プレートの各相互接続プレートが、複数の燃料電池のうちの一対の燃料電池の間に配設される。燃料電池スタック組立体は、複数の相互接続プレートによって画定される複数の反応物マニホールドと、複数の反応物マニホールドのうちの一の反応物マニホールド内に配設される加熱要素とをさらに備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池（１２０）と、
複数の相互接続プレート（１４０）であって、前記複数の相互接続プレート（１４０）の各相互接続プレートが前記複数の燃料電池（１２０）のうちの一対の燃料電池の間に配設される複数の相互接続プレート（１４０）と、
前記複数の相互接続プレート（１４０）によって画定される複数の反応物マニホールド（２００）と、
前記複数の反応物マニホールド（２００）のうちの一の反応物マニホールド内に配設される加熱要素（２５０）と
を備える燃料電池スタック組立体（１００）。
【請求項２】
前記複数の燃料電池（１２０）の各燃料電池は、固体酸化物燃料電池で構成される、請求項１記載の燃料電池スタック組立体（１００）。
【請求項３】
前記複数の反応物マニホールド（２００）は、少なくとも一対の燃料マニホールド（２１０）と、少なくとも一対の酸化剤マニホールド（２２０）とで構成される、請求項１記載の燃料電池スタック組立体（１００）。
【請求項４】
前記少なくとも一対の燃料マニホールド（２１０）は、前記複数の燃料電池（１２０）の各燃料電池のアノード層（１２６）に流体的に結合されているとともに、前記少なくとも一対の酸化剤マニホールド（２２０）は、前記複数の燃料電池（１２０）の各燃料電池のカソード層（１２７）に流体的に結合されている、請求項３記載の燃料電池スタック組立体（１００）。
【請求項５】
前記複数の反応物マニホールド（２００）は、前記燃料電池スタック組立体（１００）の高さに沿って延びる、請求項１記載の燃料電池スタック組立体（１００）。
【請求項６】
前記加熱要素（２５０）は、前記反応物マニホールド（２００）の長さに沿って延びる、請求項１記載の燃料電池スタック組立体（１００）。
【請求項７】
前記加熱要素（２５０）は、前記反応物マニホールド（２００）の前記長さに沿って段階的な断面積を有する、請求項６記載の燃料電池スタック組立体（１００）。
【請求項８】
複数の加熱要素（２５０）が、前記複数の反応物マニホールド（２００）内に配設される、請求項１記載の燃料電池スタック組立体（１００）。
【請求項９】
複数の燃料電池（１２０）と、
複数の相互接続プレート（１４０）であって、前記複数の相互接続プレート（１４０）の各相互接続プレートが前記複数の燃料電池（１２０）のうちの一対の燃料電池の間に配設される複数の相互接続プレート（１４０）と、
前記複数の相互接続プレート（１４０）によって画定される複数の反応物マニホールド（２００）と、
前記複数の反応物マニホールド（２００）のうちの一の反応物マニホールド内に配設される縦要素（３５０）であって、前記反応物マニホールド（２００）の長さに沿って延び、前記長さに沿って可変断面積を有する縦要素（３５０）と
を備える燃料電池スタック組立体（３００）。
【請求項１０】
前記縦要素（３５０）は、前記反応物マニホールド（２００）の前記長さに沿って増大する段階的な断面積を有する、請求項９記載の燃料電池スタック組立体（３００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の実施形態は、一般に、燃料電池、例えば固体酸化物燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、発電についての有望な技術の１つである。燃料電池は、反応により発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する電気化学デバイスである。典型的には、燃料電池は、アノード（または燃料極）、カソード（または酸素極）、および電解質を備える。バッテリなどのこれらの燃料電池は、燃料と酸化剤を反応させて電気を生成する。しかしながら、バッテリとは異なり、水素などの燃料および空気などの酸化剤は、燃料電池に継続的に供給され、このため燃料電池は、そのような反応物が供給される限り電力を発生させ続ける。
【０００３】
個々の燃料電池は、例えばセル当たり約１ボルト未満の低い電圧で電力を発生させるので、典型的には、複数の燃料電池を組み立てて燃料電池スタックにして有効な電圧で電力を発生させる。平坦な燃料電池を用いたスタック配置では、層状の燃料電池構造と１つの燃料電池から別の燃料電池へ電流を伝導する個々の相互接続とを備える個々の燃料電池は、交互に配置される。燃料電池のスタッキングは、内部マニホールドを通じてのスタック内の反応物（燃料と酸化剤）流れ分布に対処することができる。平坦なスタック配置における最も一般的な設計は、直交流配置および平行流配置である。加えて、典型的には、固体酸化物燃料電池などの燃料電池は、（例えば、摂氏６００度よりも高い）高温で動作するので、始動するためにおよび／または必要に応じて燃料電池の動作に十分な温度まで反応物を加熱するために外部熱源が使用され得る。
【０００４】
しかしながら、燃料電池スタックの性能は、反応物の不均一な流れ分布およびスタック全体にわたっての温度によって制限され得る。一般に、マニホールドの入口に近い燃料電池は、入口から遠い燃料電池よりも多くの流れを受け取ることができる。この反応物の不均一な流れ分布によって、スタック全体にわたって不均一な温度がもたらされる可能性があり、これによってスタックが標準を下回る動作状態になる。
【０００５】
燃料電池の動作について改善された性能をもたらす燃料電池スタック組立体の代替構成が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１７／００９２９６４号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様では、本明細書において、燃料電池スタック組立体が提供される。燃料電池スタック組立体は、複数の燃料電池と、複数の相互接続プレートであって、複数の相互接続プレートの各相互接続プレートが複数の燃料電池のうちの一対の燃料電池の間に配設される複数の相互接続プレートと、複数の相互接続プレートによって画定される複数の反応物マニホールドと、複数の反応物マニホールドのうちの一の反応物マニホールド内に配設される加熱要素とを備える。
【０００８】
一態様では、燃料電池スタック組立体は、複数の燃料電池と、複数の相互接続プレートであって、複数の相互接続プレートの各相互接続プレートが複数の燃料電池のうちの一対の燃料電池の間に配設される各相互接続プレートと、複数の相互接続プレートによって画定される複数の反応物マニホールドと、複数の反応物マニホールドのうちの一の反応物マニホールド内に配設される縦要素とを備える。縦要素は、反応物マニホールドの長さに沿って延び、長さに沿って可変断面積を有する。
【０００９】
本開示のこれらおよび他の特徴、実施形態、および利点は、以下の詳細な説明を参照することでより容易に理解できる。
【００１０】
本開示のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むとより良く理解されよう。以下の図面全体を通じて同様の符号は同様の部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本開示の一実施形態による燃料電池スタック組立体の概略縦断面図である。
【図２】本開示の一実施形態による燃料電池スタック組立体の概略横断面図である。
【図３】本開示の一実施形態による図１の燃料電池スタック組立体の一部の概略分解組立図である。
【図４】本開示の一実施形態による燃料電池スタック組立体の概略縦断面図である。
【図５】本開示の一実施形態による燃料電池スタック組立体の概略横断面図である。
【図６】本開示の一実施形態による燃料電池スタック組立体の概略縦断面図である。
【図７】本開示の別の実施形態による燃料電池スタック組立体の概略縦断面図である。
【図８】本開示のさらに別の実施形態による燃料電池スタック組立体の概略横断面図である。
【図９】本開示のさらに別の実施形態による燃料電池スタック組立体の概略縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本明細書に記載されている燃料電池スタック組立体の本構成は、スタック組立体内の燃料電池（例えば、固体酸化物燃料電池）を動作させるための反応物の加熱の改善をもたらす。いくつかの実施形態では、燃料電池スタック組立体は、一体化された加熱要素を備える。加えて、本構成のいくつかの実施形態は、燃料電池スタック組立体内の反応物の流れ管理の改善をもたらし、このようにして燃料電池の性能を改善する。用語「燃料電池スタック組立体」および「スタック組立体」は、本明細書の全体にわたって本明細書中で交換可能に使用されている。
【００１３】
本明細書中で使用されるとき、用語「一体化された加熱要素」は、燃料電池スタック組立体の一部内に配設されている加熱要素を指す。いくつかの実施形態では、加熱要素は、燃料電池スタックの反応物マニホールド内に配設されている。すなわち、加熱要素は、スタック組立体の一部と一体化されている。
【００１４】
以下の明細書中および特許請求の範囲では、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」には、文脈上明確に別段の指示がない限り、複数の指示対象が含まれる。近似表現は、本明細書および特許請求の範囲の全体にわたって本明細書中で使用されるとき、任意の定量的表現を修正するために適用することができ、これはそれと関連している基本機能を変更する結果となることなく許容可能に変化し得る。したがって、「約」および「ほぼ」などの１つまたは複数の用語によって修正される値は、特定された精確な値に限定されない。いくつかの例では、近似表現は、この値を測定する道具の精度に対応し得る。
【００１５】
用語「第１の」、「第２の」などは、本明細書中で使用されるとき、何らかの順序、量、または重要度を示すのではなく、むしろ、ある要素を別の要素と区別するために使用される。
【００１６】
本明細書中で使用されるとき、用語「高い動作温度」、「高温」、および「昇温」は、燃料電池、例えば固体酸化物燃料電池の摂氏６００度よりも高い動作温度を指す。いくつかの実施形態では、燃料電池の動作温度は、摂氏７００度よりも高い。いくつかの実施形態では、動作温度は、摂氏約８００度から摂氏１０００度までの範囲内である。
【００１７】
用語「反応物マニホールド」は、本明細書中で使用されるとき、燃料電池スタック組立体の少なくとも１つの燃料電池に反応物を供給する通路、チャネル、または導管を指す。いくつかの実施形態では、反応物マニホールドは、スタック組立体内の複数の相互接続プレートによって画定される内部マニホールドである。反応物マニホールドは、燃料マニホールドまたは酸化剤マニホールドであり得る。
【００１８】
本開示のいくつかの実施形態は、燃料電池スタック組立体に向けられている。燃料電池スタック組立体は、複数の燃料電池と、複数の相互接続プレートであって、複数の相互接続プレートの各相互接続プレートが複数の燃料電池のうちの一対の隣接した燃料電池の間に配設される複数の相互接続プレートと、複数の相互接続プレートによって画定される複数の反応物マニホールドと、複数の反応物マニホールドのうちの少なくとも１つの反応物マニホールド内に配設される加熱要素とを備える。すなわち、本明細書中に記載されるようないくつかの実施形態では、燃料電池スタック組立体は、一体化された加熱要素を備える。いくつかの実施形態では、複数の加熱要素は、複数の反応物マニホールド内に配設される。いくつかの実施形態では、複数の加熱要素のうちの１つの加熱要素は、複数の反応物マニホールドの各反応物マニホールド内に配設される。
【００１９】
図１は、いくつかの実施形態における燃料電池スタック組立体１００の概略縦断面図である。図２は、いくつかの実施形態における燃料電池スタック組立体１００の概略横断面図である。燃料電池スタック組立体１００は、複数の燃料電池１２０と、複数の相互接続プレート１４０とを備える。複数の相互接続プレートのうちの一の相互接続プレート１４０は、複数の燃料電池のうちの一対の燃料電池１２０の間に配設される。燃料電池スタック組立体１００は相互接続で支持された平坦タイプの燃料電池スタックであり、複数の燃料電池のうちの各一対の隣接した燃料電池１２０は、複数の相互接続プレートのうちの一の相互接続プレート１４０によって隔離されている。言い換えると、各燃料電池１２０は、複数の相互接続プレートのうちの２つの隣接した相互接続プレート１４０の間に延在する。
【００２０】
いくつかの実施形態では、燃料電池スタック組立体１００は、上スタックプレート１６０と、下スタックプレート１８０とを備える。いくつかの実施形態では、上スタックプレート１６０、下スタックプレート１８０、および複数の相互接続プレート１４０は、それぞれ同じ大きさに作製されている。いくつかの他の実施形態では、上スタックプレート１６０、下スタックプレート１８０、および複数の相互接続プレート１４０の少なくとも１つは、異なる大きさに作製されている。上および下スタックプレート１６０および１８０は、導電性材料から製造される。例えば、上および下スタックプレート１６０および１８０は、導電性である任意の材料、または酸化を受けた場合にその酸化物が伝導性である任意の材料などの本明細書中に記載されるような高温で動作できる伝導性材料から製造することができる。各相互接続プレート１４０は、限定されるものではないがステンレス鋼などの本明細書中に記載されるような高温で動作できる導電性材料から製造することもできる。
【００２１】
複数の燃料電池１２０および複数の相互接続プレート１４０は、別々に、任意の断面形状、例えば、円、楕円、正方形、長方形、五角形、または六角形などの多角形を有し得る。いくつかの実施形態では、複数の相互接続プレート１４０は、複数の燃料電池１２０とは形状およびサイズが異なる。いくつかの実施形態では、複数の相互接続プレート１４０は、複数の燃料電池１２０よりもサイズが大きい。
【００２２】
いくつかの実施形態では、各燃料電池１２０は、（図３に示される）アノード層、カソード層、およびアノード層とカソード層との間に介在する電解質層を備える。いくつかの実施形態では、複数の燃料電池１２０は、固体酸化物燃料電池で構成される。各燃料電池１２０の電解質層は、酸化物イオンを輸送することができる材料から製造することができる。一実施形態では、電解質層は、限定するものではないが、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ：Ｙｔｔｒｉｕｍ−Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ  Ｚｉｒｃｏｎｉａ）などの材料から製造され、カソード層は、限定するものではないが、ランタンストロンチウムマンガン酸塩（ＬＳＭ：Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  Ｍａｎｇａｎａｔｅ）を含有することができる。
【００２３】
燃料電池スタック組立体１００において、複数の燃料電池１２０は、共に直列に電気的に結合されている。複数の燃料電池１２０は、ある燃料電池から隣接した燃料電池へそれらの間の相互接続プレート１４０を介して電気が伝導されることを可能にするように結合されている。燃料電池スタック組立体１００における複数の相互接続プレート１４０は、複数の反応物マニホールド２００が複数の相互接続プレート１４０によって画定されるように配置されている。
【００２４】
図３は、いくつかの実施形態における図１および図２の燃料電池スタック組立体１００の一部の分解組立図である。図３は、複数の燃料電池１２０のうちの２つの燃料電池、すなわち、第１の燃料電池１２２および第２の燃料電池１２４と、２つの相互接続プレート、すなわち、燃料電池スタック組立体１００内に配置された第１の相互接続プレート１４２および第２の相互接続プレート１４６とを示す。ある実施形態では、第１の燃料電池１２２および第２の燃料電池１２４は、個々に、アノード層１２６、カソード層１２７、およびアノード層１２６とカソード層１２７との間に介在する電解質層１２８で構成される。燃料電池スタック組立体１００において、第１の相互接続プレート１４２は、第１の燃料電池１２２のアノード層１２６と第２の燃料電池１２４のカソード層１２７との間に配設される。第１の相互接続プレート１４２は、第１の相互接続プレート１４２の第１の表面１４３と第１の燃料電池１２２のアノード層１２６との間のアノードチャンバ（図示せず）と、第１の相互接続プレート１４２の第２の表面１４４と第２の燃料電池１２４のカソード層１２７との間のカソードチャンバ（図示せず）とを画定する。同様に、第２の相互接続プレート１４６は、第２の相互接続プレート１４６の第１の表面１４７と隣接した燃料電池（図３には図示せず）のアノード層との間のアノードチャンバと、第２の相互接続プレート１４６の第２の表面１４８と第１の燃料電池１２２のカソード層１２７との間のカソードチャンバとを画定する。
【００２５】
図３に示されるように、第１および第２の相互接続プレート１４２および１４６は、形状およびサイズが同一であるとともに、第１および第２の燃料電池１２２および１２４とは形状およびサイズが異なる。第１および第２の相互接続プレート１４２および１４６は、スタック組立体１００における第１および第２の燃料電池１２２および１２４と交互に配置されるときに延長部分１４９を有する。第１および第２の相互接続プレート１４２および１４６の各延長部分１４９の間には、第１および第２の燃料電池１２２および１２４の部分は存在しない。第１および第２の相互接続プレート１４２および１４６の各延長部分１４９は、複数の開口１５０を備える。第１の相互接続プレート１４２の複数の開口１５０および第２の相互接続プレート１４６の複数の開口は、スタック組立体１００内で一直線上に揃えられている。いくつかの実施形態では、複数のシール部材１５５が、隣接した第１および第２の相互接続プレート１４２および１４６の間に配設される。複数のシール部材１５５は、第１の燃料電池１２２と第２の燃料電池１２４との間の短絡を防ぐように第１の燃料電池１２２と第２の燃料電池１２４とを電気的に隔絶するのを助ける。各シール部材１５５は、限定するものではないがセラミック、ガラス、複合材、または雲母から製造することができる中空の電気絶縁体で構成される。一実施形態では、複数のシール部材１５５は、ＣａＯ−ＳｉＯ２およびＢａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２などのセラミックとガラスの複合材料で構成することができる。
【００２６】
図１〜図３を参照すると、複数のシール部材１５５が複数の相互接続プレート１４０の隣接した相互接続プレートの各延長部分１４９の間で結合されるとき、複数の反応物マニホールド２００が画定される。これらの例では、複数の反応物マニホールド２００は、下スタックプレート１８０から上スタックプレート１６０、すなわち燃料電池スタック組立体１００の（矢印１０１で示される）高さまで延びる。いくつかの実施形態では、燃料電池１２０の反応物（例えば、燃料および空気）は、複数の反応物マニホールド２００を通じて燃料電池スタック組立体１００へ供給されるとともにそこから流される。すなわち、反応物は、燃料電池スタック組立体１００においてマニホールドで内部的に集配される。燃料電池スタック組立体１００内で複数の相互接続プレート１４０の直線上に揃えられた開口によって画定されるそのような複数の反応物マニホールド２００は、内部マニホールドと呼ばれ得る。
【００２７】
図２を参照すると、複数の反応物マニホールド２００は、少なくとも一対の燃料マニホールド２１０と、少なくとも一対の酸化剤マニホールド２２０とを備えることができる。いくつかの実施形態では、少なくとも一対の燃料マニホールド２１０は、スタック組立体１００内の各燃料電池１２０のアノード層に流体的に結合されている。いくつかの実施形態では、少なくとも一対の酸化剤マニホールド２２０は、スタック組立体１００内の各燃料電池１２０のカソード層に流体的に結合されている。いくつかの実施形態では、複数の反応物マニホールド２００は、２つ以上の一対の燃料マニホールド、２つ以上の一対の酸化剤マニホールド、または両方で構成することができる。少なくとも一対の燃料マニホールド２１０は、各燃料電池１２０に燃料を供給する燃料入口マニホールドと、燃料電池スタック組立体１００の動作中に各燃料電池１２０から反応生成物および未反応の燃料を排出する燃料出口マニホールドとを含む。少なくとも一対の酸化剤マニホールド２２０は、各燃料電池１２０に酸化剤（例えば、空気）を供給する酸化剤入口マニホールドと、各燃料電池から酸化剤を排出する酸化剤出口マニホールドとを含む。燃料電池スタック組立体１００は、燃料電池スタック組立体１００内で各燃料電池のアノードチャンバおよびカソードチャンバに反応物を分配するのを助ける特徴、例えばチャネルまたは導管をさらに備える。また、燃料電池スタック組立体が、例えば、相互接続プレートの異なる形状およびサイズ、２つ以上の一対の燃料マニホールド、または２つ以上の一対の酸化剤マニホールドなどの異なる構成を備え得る実施形態は、本明細書中に示した実施形態の範囲内と考えられる。
【００２８】
いくつかの実施形態では、燃料電池スタック組立体１００は、摂氏６００度よりも高い温度で動作する。いくつかの実施形態では、複数の燃料電池１２０は、摂氏約７００度から摂氏約９００度までの範囲内の温度で動作する固体酸化物燃料電池で構成される。
【００２９】
動作中、燃料、例えば、改質前の炭化水素または燃料電池スタック組立体１００内で改質される炭化水素は、一対の燃料マニホールド２１０の燃料入口マニホールドを通じて燃料電池スタック組立体１００に供給される。燃料入口マニホールドに入った後、燃料は、複数の相互接続プレート１４０の各相互接続プレートを通じて各アノードチャンバに流される。燃料は、一対の燃料マニホールド２１０の燃料出口マニホールドを通じて燃料電池スタック組立体１００から排出される前に、各アノード層１２６にわたって流れるとともにそれを用いて反応する。燃料および酸化剤は、スタック組立体１００内で直列に接続されている複数の燃料電池１２０の各燃料電池において反応して、実用的なレベルに電圧を高める。燃料は、一対の酸化剤マニホールド２２０の空気入口マニホールドを通じてスタック組立体１００に供給される酸素と電気化学的に反応し、それによって主生成物としての水と共に所望の電気を発生させる。いくつかの実施形態では、複数の反応物マニホールド２００は、反応物がスタック組立体１００を通じて反対方向に流れるように配置される。いくつかの他の実施形態では、複数の反応物マニホールド２００は、スタック組立体１００を通じて流れる反応物の方向がほぼ平行かつ同じ方向であるように配置される。電流は燃料と酸化剤が反応するときに発生し、電位は、スタック組立体１００にわたって生じる。
【００３０】
図１を参照すると、燃料電池スタック組立体１００は、複数の反応物マニホールド２００のうちの一の反応物マニホールド内に配設された加熱要素２５０を備える。反応物マニホールド２００内に配設された加熱要素２５０は、必要に応じて、スタック組立体１００内の燃料電池の動作前または動作中に複数の燃料電池１２０の温度を増加させるのを助ける。図示するように、加熱要素２５０は、（燃料電池スタック組立体１００の高さ１０１にほぼ等しいものであり得る）反応物マニホールド２００の長さまで延びる。いくつかの実施形態では、加熱要素２５０は、反応物マニホールド２００の長さにほぼ等しい長さを有する。加熱要素２５０は、電気加熱器またはガス加熱器とすることができる。加熱要素の適切な例には、ロッドヒータ、ストリップヒータ、チューブラヒータ、カートリッジヒータ、コイル、フレキシブルヒータ、例えばケーブルヒータ、チューブヒータ、ロープヒータ、またはそれらの組み合わせが含まれる。いくつかの実施形態では、加熱要素２５０は、カートリッジヒータで構成される。カートリッジヒータは、小型でチューブ状の丈夫な産業用ジュール加熱要素である。
【００３１】
いくつかの実施形態では、加熱要素２５０は、加熱要素２５０の外面上に保護コーティング（図示せず）を有することができる。いくつかの実施形態では、加熱要素は、保護コーティングで被覆されている。保護コーティングは、耐食材料を含有し得る。耐食材料の例には、鉄の合金、クロムの合金、ニッケルの合金、チタンの合金、ジルコニウムの合金、モリブデンの合金、タンタルの合金、またはそれらの組み合わせが含まれる。いくつかの実施形態では、鉄およびクロムを含有する合金、例えばステンレス鋼が、耐食材料の適切な例である。保護コーティングは、反応物マニホールドを通じて流れる反応物（例えば、燃料または空気）から加熱要素２５０を保護する。
【００３２】
いくつかの実施形態では、図１に示すように、加熱要素２５０は、加熱要素２５０の長さ（または反応物マニホールド２００の長さ）全体にわたって均一な断面積を有する。いくつかの他の実施形態では、加熱要素２５０は、加熱要素２５０の長さに沿って可変（不均一な）断面積を有し得る。図４は、加熱要素２５０が長さに沿った段階的な断面積を有するいくつかの実施形態を示す。図示するように、加熱要素２５０の断面積は、スタック組立体１００の下スタックプレート１８０から上スタックプレート１６０まで増大する。反応物マニホールド２００の長さに沿った加熱要素２５０のこの変化した断面積は、反応物マニホールド２００内の反応物の流れについて可変断面積（例えば、減少する面積）を与え、これによってスタック組立体１００の下スタックプレートから上スタックプレート１６０へ（すなわち、高さに沿って）反応物が流れるのを制御するのを助ける。したがって、燃料電池スタック組立体の反応物マニホールドの長さに沿って不均一な断面積の加熱要素を使用することによって、スタック組立体内の個々の燃料電池に反応物を均一に供給することを可能にする。
【００３３】
いくつかの実施形態では、複数の加熱要素は、複数の反応物マニホールド２００内に配設される。例えば、いくつかの実施形態では、各反応物マニホールド２００は、図５に示すように、別々に、複数の加熱要素のうちの１つの加熱要素２５０を備える。いくつかの実施形態では、少なくとも２つの反応物マニホールド２００、例えば、燃料入口マニホールドおよび酸化剤入口マニホールドは、別々に加熱要素２５０を備える。いくつかの例では、複数の加熱要素は、反応物マニホールドの長さに沿って均一な断面積または可変断面積を有することができる。いくつかの実施形態において、複数の加熱要素２５０は、形状およびサイズが同じであり得る。いくつかの他の実施形態では、複数の加熱要素は、反応物マニホールドにおける反応物の流れ管理の要求に応じて形状およびサイズが異なり得る。例えば、図６は、反応物マニホールド２００内に配設される加熱要素２５０が燃料電池スタック組立体１００における他の反応物マニホールド２００内に配設される別の加熱要素２５２とは形状およびサイズが異なる実施形態を示す。
【００３４】
いくつかの実施形態は、図７に示すように、反応物マニホールド２００内に配設される縦要素３５０を備える燃料電池スタック組立体３００に向けられている。縦要素３５０は、反応物マニホールド２００の長さに沿って延びる。いくつかの実施形態では、縦要素３５０は、反応物マニホールド２００の長さとほぼ等しい長さを有する。縦要素３５０は、反応物マニホールド２００の長さに沿って可変（不均一な）断面積を有することができる。いくつかの実施形態では、図７に示すように、縦要素３５０は、長さに沿って段階的な断面積を有する。いくつかの実施形態では、縦要素３５０の断面積は、スタック組立体１００の下スタックプレート１８０から上スタックプレート１６０まで増大する。反応物マニホールド２００の長さに沿った縦要素３５０のこの段階的な断面積は、反応物マニホールド２００において反応物の流れについて可変面積（例えば、減少する面積）を与え、これによってスタック組立体３００の下スタックプレートから上スタックプレート１６０へ（すなわち、高さに沿って）反応物が均一に流れるのを制御するのを助ける。
【００３５】
縦要素３５０は、燃料電池の動作環境において熱的および化学的に安定である材料で構成される。いくつかの実施形態では、縦要素３５０は、耐食材料で作製される。いくつかの実施形態では、縦要素３５０は、摂氏約８５０度までの温度に耐えることができる任意の適切な材料で作製され、耐食材料でコーティングされ得る。耐食材料の例には、鉄の合金、クロムの合金、ニッケルの合金、チタンの合金、ジルコニウムの合金、モリブデンの合金、タンタルの合金、またはそれらの組み合わせが含まれる。いくつかの実施形態では、鉄およびクロムを含有する合金、例えばステンレス鋼が、耐食材料の適切な例である。
【００３６】
いくつかの実施形態では、複数の縦要素が、複数の反応物マニホールド２００内に配設される。例えば、いくつかの実施形態では、各反応物マニホールド２００は、図８に示されるように、複数の縦要素のうちの１つの縦要素３５０を別々に備える。いくつかの実施形態では、少なくとも２つの反応物マニホールド２００、例えば、燃料入口マニホールドおよび酸化剤入口マニホールドは、別々に、縦要素３５０を備える。いくつかの例では、複数の縦要素は、反応物マニホールドの長さに沿って可変断面積を有することができる。いくつかの実施形態において、複数の縦要素３５０は、形状およびサイズが同じであり得る。いくつかの他の実施形態では、複数の縦要素は、反応物マニホールドにおける反応物の流れ管理の要求に応じて形状およびサイズが異なり得る。例えば、図９は、反応物マニホールド２００内に配設される縦要素３５０が燃料電池スタック組立体３００における別の反応物マニホールド２００内に配設される他の縦要素３５２とは形状およびサイズが異なる実施形態を示す。
【００３７】
本開示のいくつかの特徴だけを本明細書中で図示および説明したが、当業者には多くの修正および変更が思い浮かぶであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本開示の真の要旨の範囲内にあるようなそのような修正および変更の全てを含むことが意図されることを理解されたい。
【００３８】
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
複数の燃料電池（１２０）と、
複数の相互接続プレート（１４０）であって、前記複数の相互接続プレート（１４０）の各相互接続プレートが前記複数の燃料電池（１２０）のうちの一対の燃料電池の間に配設される複数の相互接続プレート（１４０）と、
前記複数の相互接続プレート（１４０）によって画定される複数の反応物マニホールド（２００）と、
前記複数の反応物マニホールド（２００）のうちの一の反応物マニホールド内に配設される加熱要素（２５０）と
を備える燃料電池スタック組立体（１００）。
［実施態様２］
前記複数の燃料電池（１２０）の各燃料電池は、アノード層（１２６）、カソード層（１２７）、および前記アノード層（１２６）と前記カソード層（１２７）との間に介在する電解質層（１２８）を備える、実施態様１記載の燃料電池スタック組立体（１００）。
［実施態様３］
各相互接続プレート（１４０）は、前記一対の燃料電池（１２０）の第１の燃料電池のアノード層（１２６）と、前記一対の燃料電池（１２０）の第２の燃料電池のカソード層（１２７）との間に配設される、実施態様１記載の燃料電池スタック組立体（１００）。
［実施態様４］
前記複数の燃料電池（１２０）の各燃料電池は、固体酸化物燃料電池で構成される、実施態様１記載の燃料電池スタック組立体（１００）。
［実施態様５］
前記複数の反応物マニホールド（２００）は、少なくとも一対の燃料マニホールド（２１０）と、少なくとも一対の酸化剤マニホールド（２２０）とで構成される、実施態様１記載の燃料電池スタック組立体（１００）。
［実施態様６］
前記少なくとも一対の燃料マニホールド（２１０）は、前記複数の燃料電池（１２０）の各燃料電池のアノード層（１２６）に流体的に結合されている、実施態様５記載の燃料電池スタック組立体（１００）。
［実施態様７］
前記少なくとも一対の酸化剤マニホールド（２２０）は、前記複数の燃料電池（１２０）の各燃料電池のカソード層（１２７）に流体的に結合されている、実施態様５記載の燃料電池スタック組立体（１００）。
［実施態様８］
前記複数の反応物マニホールド（２００）は、前記燃料電池スタック組立体（１００）の高さに沿って延びる、実施態様１記載の燃料電池スタック組立体（１００）。
［実施態様９］
前記加熱要素（２５０）は、前記反応物マニホールド（２００）の長さに沿って延びる、実施態様１記載の燃料電池スタック組立体（１００）。
［実施態様１０］
前記加熱要素（２５０）は、前記反応物マニホールド（２００）の前記長さに沿って均一な断面積を有する、実施態様９記載の燃料電池スタック組立体（１００）。
［実施態様１１］
前記加熱要素（２５０）は、前記反応物マニホールド（２００）の前記長さに沿って段階的な断面積を有する、実施態様９記載の燃料電池スタック組立体（１００）。
［実施態様１２］
前記加熱要素（２５０）は、前記加熱要素（２５０）の外面上に保護コーティングを備える、実施態様１記載の燃料電池スタック組立体（１００）。
［実施態様１３］
前記加熱要素（２５０）は、カートリッジヒータで構成される、実施態様１記載の燃料電池スタック組立体（１００）。
［実施態様１４］
複数の加熱要素（２５０）が、前記複数の反応物マニホールド（２００）内に配設される、実施態様１記載の燃料電池スタック組立体（１００）。
［実施態様１５］
前記複数の加熱要素（２５０）の各加熱要素は、前記複数の反応物マニホールド（２００）の各反応物マニホールド内に配設される、実施態様１４記載の燃料電池スタック組立体（１００）。
［実施態様１６］
複数の燃料電池（１２０）と、
複数の相互接続プレート（１４０）であって、前記複数の相互接続プレート（１４０）の各相互接続プレートが前記複数の燃料電池（１２０）のうちの一対の燃料電池の間に配設される複数の相互接続プレート（１４０）と、
前記複数の相互接続プレート（１４０）によって画定される複数の反応物マニホールド（２００）と、
前記複数の反応物マニホールド（２００）のうちの一の反応物マニホールド内に配設される縦要素（３５０）であって、前記反応物マニホールド（２００）の長さに沿って延び、前記長さに沿って可変断面積を有する縦要素（３５０）と
を備える燃料電池スタック組立体（３００）。
［実施態様１７］
前記縦要素（３５０）は、前記反応物マニホールド（２００）の前記長さに沿って増大する段階的な断面積を有する、実施態様１６記載の燃料電池スタック組立体（３００）。
［実施態様１８］
複数の縦要素（３５０）は、前記複数の反応物マニホールド（２００）内に配設される、実施態様１６記載の燃料電池スタック組立体（３００）。
［実施態様１９］
前記複数の縦要素（３５０）の各縦要素は、前記複数の反応物マニホールド（２００）の各反応物マニホールド内に配設される、実施態様１８記載の燃料電池スタック組立体（３００）。
【符号の説明】
【００３９】
１００  燃料電池スタック組立体、スタック組立体
１０１  高さ
１２０  燃料電池
１２２  第１の燃料電池
１２４  第２の燃料電池
１２６  アノード層
１２７  カソード層
１２８  電解質層
１４０  相互接続プレート
１４２  第１の相互接続プレート
１４３  第１の表面
１４４  第２の表面
１４６  第２の相互接続プレート
１４７  第１の表面
１４８  第２の表面
１４９  延長部分
１５０  開口
１５５  シール部材
１６０  上スタックプレート
１８０  下スタックプレート
２００  反応物マニホールド
２１０  燃料マニホールド
２２０  酸化剤マニホールド
２５０  加熱要素
２５２  別の加熱要素
３００  燃料電池スタック組立体、スタック組立体
３５０  縦要素
３５２  他の縦要素
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
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