(57)【要約】セパレータプレートをスタンピングし、フレームをスタンピングし、PEN電池をフレームに取り付け、フレームをセパレータプレートに取り付けることによって形成される、SOFCスタックのためのカセット。好ましくはガラスで形成された絶縁シールがPEN電池とフレームとの間に設けられて、フレームとセパレータプレートとの間に電気的分離を提供する。電気的分離は、好ましくはガラスで形成された絶縁シールをフレームとセパレータプレートとの間に形成することによってさらに提供される。一連のカセットを、各カセットのアノード側が各隣接するカセットのカソード側と電気的に連絡するように互いの上にシールし、かつ各カセットのフレームと各隣接するカセットのセパレータプレートとの間に電気的に分離した気密シールを形成することにより、複数の形成されたカセットをSOFCスタックに形成することができる。セパレータプレートおよびフレームは、PEN電池を有する一連のセパレータプレートおよびフレームが積み重ねられた(それによって二つを交互に繰り返すスタックを形成する：セパレータプレート／フレーム／セパレータプレート／フレームなど)とき、ガス流の二つの別々の経路が形成されるように構成される。2008505471.tif 000003
2008505471.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の工程を含む、SOFCスタックのためのカセットを製造する方法：
a. セパレータプレートをスタンピングする工程、
b. フレームをスタンピングする工程、
c. PEN電池を該フレームに取り付ける工程、および
d. 該フレームを該セパレータプレートに取り付ける工程。
【請求項２】
セパレータプレートおよびフレームが400シリーズステンレス鋼で形成される、請求項1記載の方法。
【請求項３】
集電装置をセパレータプレートの各側面と連絡させて設ける工程をさらに含む、請求項1記載の方法。
【請求項４】
集電装置が可撓性の導電性材料として設けられる、請求項3記載の方法。
【請求項５】
可撓性の導電性材料がスクリーンである、請求項4記載の方法。
【請求項６】
カソード、すなわちセパレータプレートの酸化側に設けられたスクリーンが400シリーズステンレス鋼から製造される、請求項5記載の方法。
【請求項７】
アノード、すなわちセパレータプレートの還元側に設けられたスクリーンがニッケルから製造される、請求項5記載の方法。
【請求項８】
以下の工程を含む、SOFCスタックを製造する方法：
a. 請求項1記載の方法にしたがって複数のカセットを製造する工程、
b. 該複数のカセットを、各カセットのアノード側が各隣接するカセットのカソード側と電気的に連絡するように互いの上に積み重ねる工程、および
c. 各カセットのフレームと各隣接するカセットのセパレータプレートとの間に電気絶縁性気密シールを形成する工程。
【請求項９】
電気絶縁性気密シールが、ガラスおよび絶縁性ガスケットからなる群より選択される、請求項8記載の方法。
【請求項１０】
絶縁性ガスケットがアルミナである、請求項9記載の方法。
【請求項１１】
蝋付け結合を使用して絶縁性ガスケットが密閉して接着される、請求項10記載の方法。
【請求項１２】
ガラスを使用して絶縁性ガスケットが密閉して接着される、請求項10記載の方法。
【請求項１３】
a. スタンピングされたセパレータプレートと、
b. スタンピングされたフレームと、
c. 該フレームに取り付けられたPEN電池とを含み、
各カセットのフレームが、各PEN電池のアノード側とカソード側との間に電気的分離を維持する気密性の非導電性シール内で、各連続するカセットのセパレータプレートに取り付けられている、複数のカセットから形成された固体酸化物型燃料電池。
【請求項１４】
電気絶縁性の気密シールが、ガラスおよび絶縁性ガスケットからなる群より選択される、請求項13記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項１５】
絶縁性ガスケットがアルミナである、請求項14記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項１６】
セパレータプレートおよびフレームが400シリーズステンレス鋼で形成される、請求項11記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項１７】
各PEN電池の各側面と各隣接するセパレータプレートとの間に電気的接続を維持する集電装置をさらに含む、請求項13記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項１８】
集電装置が可撓性の導電性材料である、請求項17記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項１９】
可撓性の導電性材料がスクリーンである、請求項18記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項２０】
カソード、すなわちPEN電池の酸化側のスクリーンが400シリーズステンレス鋼から製造される、請求項19記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項２１】
アノード、すなわちPEN電池の還元側に設けられたスクリーンがニッケルから製造される、請求項19記載の方法。
【請求項２２】
以下の工程を含む、SOFCスタックのためのカセットを製造する方法：
a. サポートバンプを有するセパレータプレートをスタンピングする工程、
b. フレームをスタンピングする工程、
c. PEN電池を該フレームに取り付ける工程、および
d. 該フレームを該セパレータプレートに取り付ける工程。
【請求項２３】
以下の工程を含む、SOFCスタックのためのカセットを製造する方法：
a. セパレータプレートをスタンピングする工程、
b. フレームをスタンピングする工程、
c. PEN電池を該フレームに取り付ける工程、
d. 該セパレータプレートと該フレームとの間にスペーサを挿入する工程、および
e. 該フレームを該セパレータプレートに取り付ける工程。
【請求項２４】
以下の工程を含む、SOFCスタックのためのカセットを製造する方法：
a. 酸素マニホールドカラーおよびサポートバンプを有するセパレータプレートをスタンピングする工程、
b. フレームをスタンピングする工程、
c. PEN電池を該フレームに取り付ける工程、および
e. 該フレームを該セパレータプレートに取り付ける工程。
【請求項２５】
以下の工程を含む、SOFCスタックのためのカセットを製造する方法：
a. 酸素マニホールドカラーを有するセパレータプレートをスタンピングする工程、
b. フレームをスタンピングする工程、
c. PEN電池を該フレームに取り付ける工程、
d. セパレータプレートの該酸素マニホールドカラーと該フレームとの間にスペーサを挿入する工程、および
e. 該フレームを該セパレータプレートに取り付ける工程。
【請求項２６】
a. サポートバンプを有するスタンピングされたセパレータプレートと、
b. スタンピングされたフレームと、
c. 該フレームに取り付けられたPEN電池とを含み、
各カセットのフレームが、各PEN電池のアノード側とカソード側との間に電気的分離を維持する気密性の非導電性シール内で、各連続するカセットのセパレータプレートに取り付けられている、複数のカセットから形成された固体酸化物型燃料電池。
【請求項２７】
a. サポートバンプを有する酸素マニホールドカラーを有するスタンピングされたセパレータプレートと、
b. スタンピングされたフレームと、
c. 該フレームに取り付けられたPEN電池とを含み、
各カセットのフレームが、各PEN電池のアノード側とカソード側との間に電気的分離を維持する気密性の非導電性シール内で、各連続するカセットのセパレータプレートに取り付けられている、複数のカセットから形成された固体酸化物型燃料電池。
【請求項２８】
a. スタンピングされたセパレータプレートと、
b. スタンピングされたフレームと、
c. スペーサと、
d. 該フレームに取り付けられたPEN電池とを含み、
各カセットのフレームが、各PEN電池のアノード側とカソード側との間に電気的分離を維持する気密性の非導電性シール内で、各連続するカセットのセパレータプレートに取り付けられ、該スペーサが該セパレータプレートと該フレームとの間に挿入されている、複数のカセットから形成された固体酸化物型燃料電池。
【請求項２９】
a. 酸素マニホールドカラーを有するスタンピングされたセパレータプレートと、
b. スタンピングされたフレームと、
c. スペーサと、
d. 該フレームに取り付けられたPEN電池とを含み、
各カセットの該フレームが、各PEN電池のアノード側とカソード側との間に電気的分離を維持する気密性の非導電性シール内で、各連続するカセットのセパレータプレートに取り付けられ、該スペーサがセパレータプレートの該酸素マニホールドカラーと該フレームとの間に挿入されている、複数のカセットから形成された固体酸化物型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
発明の背景
過去10年間、欧州、日本および北米では、外国からの原油供給に対する構成諸国の依存を減らし、汚染物質放出を減らすために、自動車メーカーおよび電力会社に対し、発電のための燃料利用を改善することを求める公衆的および政治的圧力の高まりがある。これらの要因が、全世界的なエネルギー需要の莫大な成長と相まって、電力供給網の範囲外の住宅電力、トレーラー用補助電力、電気自動車および軍事用ポータブル発電機をはじめとする多様な固定および可動用途のための、燃料電池のような代替的発電方法を開発する関心の増大を招いた。燃料電池の主要な特徴は、供給される燃料の化学的エネルギーを電気化学的反応によって電気エネルギーに直接変換することである。中間の熱変換工程がないため、また、カルノーサイクル制限を伴わないため、燃料電池は、効率の高いエネルギー変換手段を提供することができる。さらには、固体酸化物型燃料電池(SOFC)として知られる高温度種の燃料電池は、用いるタイプの燃料のタイプに関して他の電池よりも大きな融通性を提供し、多様な市販燃料、たとえば天然ガス、メタノール、石炭ガスおよび液体炭化水素を、すべて汚染物質放出を今日の燃焼型動力装置の場合よりも有意に減少させながら直接利用する可能性を有する。
【０００２】
図1に示すように、固体酸化物型燃料電池は、固体電解質材料をカソード(+)とアノード(-)との間に挟んで、一般にPEN(正-電解質-負)と呼ばれる三層構造を形成したものからなる。ガス燃料流および酸化剤流が別々に電池に入る。燃料はアノードに送られ、そこで酸化され、電子を手放して外部回路に送る。外部回路からカソードに戻る電子が、装置のこのチャンバに流れ込む酸化剤を還元する。アノードとカソードとを、ひいては二つのガス流を互いに物理的に分ける電解質が一方の電極からのイオンを他方の電極に導通させて回路を完成させるように働く。たとえば典型的なSOFCでは、還元された酸素イオンがカソードから電解質を介してアノードに流れ、そこで水素と結合して水を形成し、その水が排出蒸気として燃料電池から出る。一般に、実用的な燃料電池は、単一ユニットとして作動するのではなく、バッテリのように直列に接続されて電圧を増大させる。電池の直列配列はスタックと呼ばれ、その中では、1個の電池のアノードがカセット部品によって次の電池のカソードに接続されている。これが、カセット、アノード、電解質およびカソードの反復可能単位を形成する。
【０００３】
固体電解質、典型的にはイットリア安定化ジルコニア(YSZ)を介するイオン輸送の十分な速度を生み出すためには、SOFCを高温で作動させなければならない。最近まで、大部分のSOFC設計の公称作動温度は1000℃であった。高い作動温度はいくつかの利点を有する、すなわち、内部燃料再形成を可能にし、貴金属触媒に頼ることなく速やかな電気化学的反応動態を促進し、熱電同時発生のための高品質副生成熱を生成するが、また、SOFCで使用される材料に対して厳しい要件を課す。事実、適当な低コスト材料および低コスト製造技術の開発は、旧来から将来のSOFC開発に直面する主要な技術的挑戦であり、現在でもそうである。電池部品に使用される材料は、酸化性および還元性環境におけるその安定性、熱力学的適合性、長期的導電性ならびに隣接する異種材料と接触している間の化学的適合性および位相安定性によって限定される。
【０００４】
これまで、数千時間の運用を経ても耐久性であることが立証されている唯一のSOFC構造は、S. E. VeyoおよびC. A. Forbesの「Proceedings of the 3rd European Solid Oxide Fuel Cell Forum」、P. Stevens, ed., Switzerland: European Fuel Cell Forum, 1998, p. 79(非特許文献1)ならびにN. F. BessetteおよびJ. F. Pierreの「Abstracts of the 2000 Fuel Cell Seminar」、J. B. O'Sullivan, Chairman, 2000, p. 519(非特許文献2)に記載されている、セラミックカセットを使用し、約1000℃で作動するSiemens-Westinghouseシールレス管状設計である。この設計は、信頼性は高いが、従来の固定発電手段と競合するには費用がかかりすぎ、可動用途で考慮するには電力密度が不十分であり、熱サイクル性能が劣ることがこれまでに立証されている。しかし、薄型のアノード支持YSZ電解質電池の最近の開発およびYSZよりも低い温度でより高いイオン導電率を示す新規な電解質材料、たとえば没食子酸ランタンの出現が、より低温での作動(Toper≦800℃)を可能にしながらも、より高温の電池で達成されるものと同じ電流密度を達成する新たなSOFC概念を考慮する機会を提供する。
【０００５】
SOFCにおけるこれらの進歩および他の進歩は、このようなSOFCの開発に向けて注ぎ込まれた有意なレベルの政府および民間資金の研究によって動かされたものである。この研究を実施する間、科学者たちは、従来、電解質材料を保持し、水素および酸素を電解質材料の反対側に送るために、カスタム機械加工した金属カセットを使用してきた。このような機械加工されたカセットは通常、はじめに機械加工されてガス流のための適切な通路を形成し、次いで焼結によって接合される4個の平坦な金属片で形成されている。そして、通常はガラスのような抵抗性材料を用いて、得られたカセットにPEN電池が取り付けられる。残念ながら、このような機械加工されたカセットおよびそれを用いて形成される得られたSOFCスタックの使用から、いくつかの欠点が生じる。一つの主要な欠点は、カセットとPEN電池との間に接合を形成するために使用されるガラスが結合の形成中に収縮する傾向を示すことによって生じる。スタック中の連続するPEN電池の間に電気的接触を生じさせるためには、収縮の量を正確に見積もり、その収縮分を考慮に入れてカセットを正確に機械加工しなければならない。許容差が大きすぎるならば、一連のPEN電池は導電路を形成しない。許容差が小さすぎるならば、PEN電池は、高い圧力下で圧縮負荷を受けて、ガス流を適切に送るために必要なシールを破損させたり、カセットそのものを通じて電気的短絡を生じさせたりするおそれが生じる。カセットを機械加工する際のこの高レベルな精度は時間と費用の両方を要する。第二の欠点は、定常状態作動の前に電池を適当な温度まで加熱しなければならないことに由来する。機械加工されたカセットは典型的に、厚い金属で形成されており、その金属が他方、加熱されなければならない有意な熱質量を提示する。さらなる欠点は、機械加工されたカセットの重さによって提示される。特に、SOFCが車やトラックのエネルギーを提供するためのものである輸送用途に関して、このさらなる重量は、車両に給電するための追加的なエネルギー所要量を生じさせる。したがって、SOFCによって生成された電気が既存の燃焼技術と競合的になる点までこのようなSOFCのコストを下げなければならない場合または速やかな始動もしくは軽い重量が望まれる用途では、このような機械加工されたカセットの使用は非実用的である。したがって、速やかに加熱することができるSOFCにおける使用に適した、より低廉かつ軽量なカセットがなおも要望される。
【０００６】
カセットの部品は、発電装置の推定>30,000時間の寿命にわたっていくつかの機能を実施しなければならない：すなわち(1)燃料流と酸化剤流との間の物理的バリヤとして働いて混合および内燃を防ぎ；(2)電気化学的反応によって発生した電子が外部負荷との間で行き来するための低抵抗導管として働き；(3)スタックを構造的に支持するための何らかの手段を提供する。最近まで、カセットの主要な候補材料は、電解質支持SOFC設計の1000℃の作動温度に容易に耐えることができるセラミックである、ドープされたランタンクロマイトLaCrO3であった。しかし、妥当な焼結温度で高密度クロマイト部品を得ることの難しさ；燃料ガス／カセット界面でクロマイトカセットが部分的に縮小して、部品の厚さ方向に化学的に誘発されるひずみ勾配によって部品を反らせ、周辺シールを破損させる傾向；およびアノード支持されたミクロン厚の電解質を利用する、より低温でより費用効果的な電池を開発しようとする最近の傾向が、好適なカセット材料の選択肢としてのランタンクロマイトの地位を奪った。
【０００７】
より具体的には、より低温の作動温度が、カセット材料候補物質としての耐酸化性合金の必要性を生み出した。製造時のカセット部品のコストは、任意のSOFCシステムの商業的成否を決定する主要因の一つである。プラントのSOFCスタックおよびバランスが、キロワット時あたりドルのベースで他の電力供給源とで競合的でなければならないか、顧客がより高い価格を支払ってでも買うような、他の性能属性における圧倒的な利点を有さなければならない。
【０００８】
【非特許文献１】S. E. VeyoおよびC. A. Forbesの「Proceedings of the 3rd European Solid Oxide Fuel Cell Forum」、P. Stevens, ed., Switzerland: European Fuel Cell Forum, 1998, p. 79
【非特許文献２】N. F. BessetteおよびJ. F. Pierreの「Abstracts of the 2000 Fuel Cell Seminar」、J. B. O'Sullivan, Chairman, 2000, p. 519
【発明の開示】
【０００９】
発明の概要
したがって、本発明の目的は、量産技術に対応させやすい、SOFCで使用するための低コストカセットを提供することである。本発明のさらなる目的は、時間および費用を要するカスタム機械加工の必要性を除く、SOFCスタックで使用するための低コストカセットを製造するための方法を提供することである。本発明のさらに別の目的は、金属部品を量産するために一般に使用される低コストでハイスループットのスタンピング、鍛造または鋳造技術をうまく利用する、SOFCスタックで使用するための低コストカセットを製造する方法を提供することである。本発明のさらなる目的は、互いの上に積み重ねられると、二つの別々のガス流のための、それらのガス流をカセット内にシールされたPEN電池のアノード側およびカソード側(それぞれ)に通して送る経路を提供する最小数の部品を使用してカセットを形成することである。
【００１０】
本発明のこれらの目的および他の目的は、それぞれがスタンピング、鍛造、鋳造または同様もしくは同等な技術で金属を加工することによって形成される少なくともセパレータプレートおよびフレームからなるカセットを形成することによって達成される。本発明は、これらの金属部品を機械加工する費用を回避させるおかげで、従来技術のカセット形成法と比較して有意な経済的利益を導き出す。セパレータプレートおよびフレームを形成する任意の具体的な方法は、スタンピングであろうと鍛造であろうと鋳造であろうと他のいかなる同等な方法であろうと、その方法が機械加工の必要なしにこれらの部品の形成を可能にする限り、本発明の利益を達成する。したがって、本発明で使用する「スタンピング」という用語は、複雑な三次元形状を有する金属部品を、部品をSOFCスタックに積み重ねたとき気密シールを形成するのに許容しうる許容差で、かつ正しい形状および／または許容差を得るために部品を機械加工する必要なく製造することができる、鋳造、鍛造および他のいかなる同等な技術をも含むものと解釈され、理解されるべきである。
【００１１】
フレームは、各フレーム中央に穴を有するように構成され、穴の内寸は、PEN電池の外寸よりもわずかに小さく設計されている。そして、PEN電池の外縁に気密シールが取り付けられ、それにより、フレーム中央の穴がPEN電池で「埋められる」。フレームはさらに、典型的にはフレームの外縁と中央穴との間に位置する2組の穴(以下「マニホールド」と呼ぶ)を設けられている。マニホールドは埋められない。マニホールドは、ガス、たとえば酸素および水素を、一連に積み重ねられたフレームの片側に沿って上に流し、PEN電池の表面全体に行き渡せ、一連に積み重ねられたフレームの他方の側から出し、それによって発電におけるPEN電池の作動を促進するために使用される。典型的なSOFCは、水素を一連のPEN電池の表面全体に行き渡らせると同時に酸素を一連のPEN電池の反対側表面全体に行き渡らせることによって作動するため、マニホールドの一方の組を「酸素マニホールド」と呼び、マニホールドの他方の組を「水素マニホールド」と呼ぶ。ガスごとに一つの入口マニホールドおよび一つの出口マニホールドを使用することもできるが、実際には、PEN電池の表面全体でのガスの均一な分布の提供を支援するため、ガスごとにいくつかの入口およびいくつかの出口が設けられることが好ましい。さらには、必須ではないが、PEN電池の面をはさんで圧力低下を発生させやすくし、カセットのスタックを通過する均一な流れ分布を形成するため、出口マニホールドが入口マニホールドよりも大きいことが好ましい。カセットのスタックを通過する均一な流れ分布を形成するためには、出口マニホールドが入口マニホールドのサイズのπ/2 +/- 10%であることが好ましい。最後に、本発明は、SOFCスタックを形成するための廉価な方法を提供するように想定し、具現化したが、本発明は、二つの別々のガスを一連の物体の反対面に通すことが望まれるいかなる同様な問題にも一般に適用可能である。したがって、本発明は、SOFCに関連して説明するが、本発明は、この具体的な用途に限定されることはなく、二つの別々のガス流を一連のプレートの反対側全体に行き渡らせる、類似したそのような問題のいずれにも一般に適用可能である。
【００１２】
フレームと協調してセパレータプレートの組が作動する。セパレータプレートには、セパレータプレートとフレームとが互いに積み重ねられたときフレームのマニホールドとほぼ整合するマニホールドが設けられている。このように、セパレータプレートの流通穴は、一連のセパレータプレート、PEN電池およびフレームがスタックとして組み付けられたとき、フレームの流通穴と協調して、二つの別々のガス流を、その一方を一連のPEN電池のアノード面に流し、その他方を一連のPEN電池のカソード面に流すような様式で働くように構成されている。
【００１３】
したがって、概して、本発明は、セパレータプレートをスタンピングし、フレームをスタンピングし、PEN電池をフレームに取り付け、フレームをセパレータプレートに取り付けることによってSOFCスタックのためのカセットを製造する方法である。フレームをセパレータプレートに取り付ける前にPEN電池をフレームに取り付ける方が一般により簡単であるが、本発明は、実施される順序にかかわらずに前記工程を包含するものと理解されるべきである。PEN電池、フレームおよびセパレータプレートを互いに取り付け、導電性シールと非導電性シールとを組み合わせながら一連のカセットを互いに取り付る。導電性シールは、溶着および蝋付けをはじめとする方法を利用する。非導電性シールは、ガラスシール材または非導電性ガスケットの使用をはじめとする方法によって形成することができるが、それらに限定されない。非導電性ガスケットとしては、アルミナのようなセラミックスがあるが、それに限定されない。非導電性シールは、ガラスまたは蝋付け結合材料を使用する気密シールによって取り付けることもできる。
【００１４】
作動すると、PEN電池中で発生した電流が隣接するセパレータプレートを通って流れて、カセットのスタックが、直列に作動するバッテリのスタックのように働く。フレームがセパレータプレートと接触しているため、短絡の形成を防ぐために少なくとも一つの非導電性シールが存在しなければならない。好ましくは、非導電性シールは、一つのカセットのフレームと連続するカセットのセパレータプレートとの間の界面に形成される。
【００１５】
このように、セパレータプレートおよびフレームは、PEN電池を有する一連のセパレータプレートおよびフレームが積み重ねられた(それによって二つを交互に繰り返すスタックを形成する；セパレータプレート／フレーム／セパレータプレート／フレームなど)とき、ガス流のための二つの別々の経路が形成されるような方法で製造される。問題の本質が、互いの上に積み重ねられた一連のセパレータプレート、PEN電池およびフレームの切欠き側面図を示す図2に示されている。作製される二つの別々のガス経路がそれぞれ1および2とラベルされている。セパレータプレート3がフレーム4間に散在し、各フレームは、フレーム4の中に嵌め込まれたPEN電池5に取り付けられている。図1は、説明のためにフレーム4とPEN電池5との間にわずかな隙間を示すが、実際には、二つの間には気密シールが形成されてガスどうしのいかなる混合も防ぐ。図1に示すガス経路1、2は、ガスが同じ方向にPEN電池を通過して流れることを単に意味する「共流」設計を表す。本発明は、ガスが互いに対していくから角度(通常は90°)をもって流れる「交差流」設計およびガスが互いに反対方向に流れる「向流」設計をも考慮していることが理解されるべきである。どの設計が選択されようと、本発明の課題は同じであり；すなわち、セパレータプレートおよびフレームを互いに対してシールすることができ、二つの別々のガス経路が形成されるような方法でセパレータプレートおよびフレームをスタンピングすることである。
【００１６】
セパレータプレートおよびフレームに許容可能なスタンプを設計する課題の理解は、もっとも簡単なスタンピング操作の場合は、これらの部品それぞれの上面の寸法形状がその部品の下面の表面の鏡像になると考えた場合に得られる。したがって、限定的であることを意図しない単なる例として、セパレータプレートが平坦に設計されるならば、フレームは、酸素マニホールドが片側のセパレータプレートの表面に対しては気密シールを形成するが、他方のそれに対しては気密シールを形成せず、反対側の別のセパレータプレートに対して水素マニホールドのための気密シールを形成するような方法で設計されなければならない。このような課題を解決するための方法および技術を以下の発明の詳細な説明で記載する。
【００１７】
発明の詳細な説明
一つの許容可能な設計が、セパレータプレート3およびフレーム4をそれぞれ示す図3および図4に示されている。セパレータプレート3が下からフレーム4に取り付けられると、スタンピングプロセス中にセパレータプレート3の表面から上に移動する、本明細書ではセパレータプレート3の酸素マニホールドカラー8と呼ぶ盛り上がった部分が、酸素マニホールド9を完全に包囲し、セパレータプレート3の一番上の面を形成する。(本明細書に使用する「上方」、「下方」、「盛り上がった」、「下がった」および他の同様な語は、セパレータプレート3およびフレーム4が図3および図4に示すような向きにあるものと仮定して記載する。本明細書の教示を逸することなく部品の特定の向きを変えることができることは自明であるため、このような語の使用が本発明を限定するものとみなすべきではない)。このようにして、セパレータプレート3が下からフレーム4に取り付けられると、セパレータプレート3の酸素マニホールドカラー8がフレーム4とで気密シールを形成する。それにより、酸素マニホールド9は、ガスを酸素マニホールドを通過してセパレータプレート3とフレーム4との間のこの領域に進入させることができない。逆に、セパレータプレート3のうち、水素マニホールド9の縁に隣接する領域11(以下「水素マニホールドカラー」と呼ぶ)は、スタンピングプロセス中に、下方向に移動し、それにより、ガスが水素マニホールドを通過してセパレータプレート3とフレーム4との間のこの隙間に入り、フレーム4の下面に取り付けられたセパレータプレート3と面する、フレーム4に固着されたPEN電池(図2)の表面を横切るための経路を形成する。
【００１８】
フレーム4は、上縁6がほぼ上方にカーブするように移動して、セパレータプレート3がフレーム4の上から取り付けられたとき上縁6がセパレータプレート3の下縁7(スタンピングプロセス中に下方向にカーブするように移動する)とで気密シールを形成することができるようにしていることを除き、ほぼ平坦である。セパレータプレート3がフレーム4の上から取り付けられると、水素マニホールドカラー11(スタンピングプロセス中に下方向に移動する)もまた、水素マニホールドカラー11とフレーム4の平坦面との間に気密シールを形成する。上縁6と下縁7および水素マニホールドカラー11とフレーム4の平坦面により形成されたシールの組み合わせが、ガスが水素マニホールドを通過してセパレータプレート3とフレーム4との間のこの領域に入ることを防ぐ。逆に、スタンピングプロセス中に上方向に移動するセパレータプレート3の酸素マニホールドカラー8は、それによって、セパレータプレート3がフレーム4の上から取り付けられたとき、セパレータプレート3の酸素マニホールド9とフレーム4の対応する酸素マニホールド9との間に隙間を形成する。この隙間が、ガスが酸素マニホールドを通過してセパレータプレート3とフレーム4との間に入り、フレーム4の上面に取り付けられたセパレータプレート3と面する、フレーム4に固着されたPEN電池(図2)の表面を横切るための経路を形成する。
【００１９】
図3および図4に示し、説明した例は、水素および酸素マニホールド9、10のどちらを使用してガスをスタックに導入するかを選択するだけで、共流、交差流または向流のいずれかの設計として作動させることができる。図3および図4に示す水素および酸素マニホールド9、10は、PEN電池の面をはさんで互いに対向するように配置されているが、PEN電池の周辺における同様なマニホールドの任意の配置が可能であり、本発明は、例示のために選択され、図3および図4に開示された具体例に限定されるものと決してみなされるべきではない。
【００２０】
本発明に対するさらなる強化が、本発明を具現化する過程における本発明者らの活動によって考案された。限定的であることを意図しないが、本発明は、厚さ約0.5mmの400シリーズステンレス鋼シートを使用してフレーム4およびセパレータプレート3を製造することによって具現化した。これらの材料を使用する場合、たとえば、水素マニホールドカラー10は、フレーム4を上にシールすることができる何らかの構造を提供するが、これらの金属の可撓性がシール中に問題を起こしかねないということが見いだされた。構造的支持を強化するため、図4に示すように、酸素マニホールドカラー8の一部を下方向に移動させて、本明細書でいうところの「サポートバンプ」14を形成してもよい。酸素マニホールドカラー8の連続部分が各酸素マニホールド9を包囲し、それによって、セパレータプレート3が下からフレーム4に取り付けられたときセパレータプレート3の酸素マニホールドカラー8とフレーム4との間に連続的な気密シールを保証するならば、サポートバンプ14中に垂直方向の切欠き15を形成し、それによってガス経路を水平方向に設けてもよい。ガス流を可能にする別個のスペーサをサポートバンプ14に代えて使用することができ、サポートバンプ14という用語は、そのようなスペーサをも包含するものと理解されるべきである。
【００２１】
本発明の方法によって形成されるSOFCスタックの作動において、同じくフレームおよびセパレータプレートを形成するために典型的に使用される金属の可撓性の結果として別個の問題が起こる。当業者には自明であるように、作動中、互いの上に積み重ねられたPEN電池が電力を発生する。本発明のカセットの中に収容されているとき、各PEN電池の各側面がセパレータプレートと電気的に接触して、各PEN電池によって発生された電流を直列に接続しなければならない。本発明者らは、セパレータプレートを形成するために使用される材料の可撓性がこの電気的接触の維持を困難にするおそれがあることを見いだした。この問題に対する解決策は、可撓性の導電性材料でできた集電装置を設けることである。可撓性の導電性材料の一つの好ましい例はスクリーンである。PEN電池の酸素側とPEN電池の水素側とで異なる、形成される化学的環境のせいで、カソード、すなわち該セパレータプレートの酸化側に設けられるスクリーンが400シリーズステンレス鋼から製造され、アノード、すなわち該セパレータプレートの還元側に設けられるスクリーンがニッケルから製造されることが好ましい。
【００２２】
結び
本発明の好ましい実施態様を示し、説明したが、当業者には、本発明の広義な局面を逸することなく多くの変形および改変を加えうることが自明であろう。たとえば発明の詳細な説明は、酸素マニホールドおよび水素マニホールド両方のための位置変更がセパレータプレート上に製造される態様を記載したが、当業者は、本明細書に含まれる開示で支援されると、位置変更のいくつかまたは全部がフレーム上に製造されている等価のカセットを容易に設計することができるであろう。したがって、請求の範囲は、本発明の本質および範囲に入るようなすべての変形および改変を包含することを意図する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
図面のいくつかのビューの簡単な説明
【図１】固体酸化物型燃料電池(SOFC)スタックの一般的作動原理を説明する平坦なSOFCスタック設計の略図である。
【図２】一つの可能なガス流路を示す、互いの上に積み重ねられた一連のセパレータプレート、PEN電池およびフレームの切欠き側面図である。
【図３】本発明の好ましい態様におけるセパレータプレートの斜視図である。
【図４】本発明の好ましい態様におけるフレームの斜視図である。
【図４】セパレータプレートまたはフレームに形成することができるサポートバンプの詳細図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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