(57)【要約】  単純な構成要素からなる燃料電池。この燃料電池は、アノード支持型固体酸化物型燃料電池として構築されることが好ましいが、電解質支持型及び金属支持型固体酸化物型燃料電池との併用も可能である。アノードと電解質はカソードよりも大きく、アノード／電解質の、カソードよりも突出している部分には、周辺シールが設けられている。アノード／電解質／カソードの結合体には、アノード側とカソード側の両方に、流体／ガス分配グリッドが設けられている。流体／ガス分配グリッドを含むアノード／カソードの結合体は、２枚の分離板、補助板、及びスペーサーの間で密閉されている。周辺シールがある。補助板がカソードガスの外部供給及び放出のために設計されているのに対し、分離板と補助板には、アノードガスの内部供給及び放出用開口部が開けられている。補助板とスペーサーは、はんだ接合によって分離板に接合されている。他の２ヶ所のシールは、銀製ワイヤなどの金属シールによって行われている。このようにして製造された少なくとも２５個の燃料電池からなる電池スタックを、例えばシートからの打ち抜きによって得られる単純な構成要素を用いて、このように構築することができる。本発明は、アノードガスの内部分配及びカソードガスの外部分配を利用して実施されることが好ましく、その結果、コンパクトで安全な電池スタックが得られる。
2008510288.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面にアノード（８）、もう一方の面にカソード（１０）を備えており、そのそれぞれがガス供給／放出部（２１、２２；２３、２４）を有する流体／ガス分配グリッド（５、６；１４、１５）を具備している電解質（９）を含む固体酸化物型燃料電池ユニット（１）であって、分離板（３）は、該分離板に作用するシールと同様に各グリッドに隣接しており、アノード用のガス供給／放出部が、分離板を介して延びるチャネルを含むという点、カソード用のガス供給／放出部が、カソードから分離板の周辺境界の先まで延びるチャネルを含むという点に特徴があり、カソードガス及びアノードガス用のガス供給部及び放出部は、電池ユニットの同じ側に配置され、前記シールは金属製ワイヤを含み、該金属製ワイヤとの接触点に絶縁体があることを特徴とする固体酸化物型燃料電池ユニット（１）。
【請求項２】
分離板とほぼ同じ大きさの、分離板と分離板との間に配置されている補助板（１６）を有し、該補助板が、カソードグリッドが収納される開口部を備えていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池ユニット。
【請求項３】
補助板が、カソードガス用のガス供給／放出部を区切るスロット（１７）を備えていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池ユニット。
【請求項４】
補助板（１６）と分離板（３）との間のはんだ接合が、一方では、カソードガスと内部アノードマニホールドからのアノードガスとの間のシールを、他方では、カソードガスとその周囲との間のシールを形成することを特徴とする請求項２又は３記載の燃料電池ユニット。
【請求項５】
分離板（３）上に配置されたスペーサーを有し、前記スペーサー（１２）と分離板（３）との間のはんだ接合が、アノードガスの、その周囲に対するシールの一部を形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載の燃料電池ユニット。
【請求項６】
カソードの流体／ガス分配グリッドの大きさが、アノード／電解質、及びアノードの流体／ガス分配グリッドの大きさよりもそれぞれ小さいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか記載の燃料電池ユニット。
【請求項７】
補助板とアノード（支持体）上に配置された電解質との間に周辺シール（１１）が存在し、補助板と電解質とはお互いに電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか記載の燃料電池ユニットに請求項３記載の燃料電池ユニットを組み合わせた燃料電池ユニット。
【請求項８】
カソードが、アノードの周辺境界内にあり、金属製の周辺シール（１１）が、アノードの周辺部と分離板との間に配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか記載の燃料電池ユニット。
【請求項９】
分離板と補助板とが、打ち抜き部品であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか記載の燃料電池ユニット。
【請求項１０】
金属製ワイヤが銀であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか記載の燃料電池ユニット。
【請求項１１】
スペーサー（１２）が、補助板と分離板との間に配置されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか記載の燃料電池ユニット。
【請求項１２】
絶縁体が雲母製であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか記載の燃料電池ユニット。
【請求項１３】
それぞれ共有の分離板（３）をはさんで重なり合うように配置された、請求項１〜１２のいずれか記載の燃料電池ユニットを少なくとも２５枚含む電池スタック。
【請求項１４】
分離板表面に対して垂直方向に作用する圧力手段（２７）を有する請求項１０記載の電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一方の面にアノード、もう一方の面にカソードを備え、該アノード及びカソードのそれぞれがガス供給／放出部を有する流体／ガス分配グリッドを具備している電解質を含む燃料電池ユニットであって、分離板が、該分離板に作用するシールと同様に各グリッドに隣接している燃料電池ユニットに関する。燃料電池ユニットとは、付随する集電体及びその同等物、並びに分離板を備えた燃料電池と理解される。実際の燃料電池は、カソード、電解質及びアノードからなる。
【背景技術】
【０００２】
カソード用のガス供給／放出部に、カソードから分離板の周辺境界の先まで延びるチャネルが含まれている燃料電池スタックが、ＵＳ６７７７１２６号に開示されている。選択した配置図の結果として、ＵＳ６７７７１２６号に記載された概念が利用できるのは、固体ポリマー、溶融炭酸塩及び電解質支持型固体酸化物型燃料電池のような、連続的な電解質を備えた電池のみである。電解質支持型固体酸化物型燃料電池のセラミック製電解質は破損しやすいため、この種の電池をこの概念に利用することは、まず考えられない；固体酸化物型燃料電池の利用は、ＵＳ６７７７１２６号という特許の概念には述べられていない。
【０００３】
ＵＳ２００３／０２０３２６７号には、分離板に対するシールに極薄の銀箔などの金属箔と組み合わせた絶縁体が含まれている燃料電池が開示されている。
【０００４】
充分な電圧を作り出すために、このような燃料電池ユニットでスタックを作製する。このような燃料電池ユニットが一般に認められるためには、製造費用が安価であること、信頼性があること、性能が高いこと、そしてまたコンパクトであることも必要である。本発明の目的は、こうした要件を満たす燃料電池スタックを製造できるような燃料電池ユニットを提供することにある。
【特許文献１】ＵＳ６７７７１２６号
【特許文献２】ＵＳ２００３／０２０３２６７号
【発明の開示】
【０００５】
この目的は、アノード用のガス供給／放出部が、分離板を通じて延びるチャネルを含み、カソード用のガス供給／放出部が、カソードから分離板の周辺境界の先まで延びるチャネルを含む燃料電池ユニットであって、カソードガス及びアノードガス用のガス供給部及びガス放出部が電池ユニットの同じ側に配置され、シールは金属製ワイヤを含んでなり、該金属製ワイヤとの接触点に絶縁体がある燃料電池ユニットに関して実現されている。
【０００６】
金属製ワイヤを使用した結果、スタックに対しては比較的低い加重を与えつつ、ワイヤの部位に比較的高い特定圧力を加えることが可能となり、結果として、諸条件に正確に適合し、優良なシールが保証される。すなわち、電気的接触のための充分な接触力（スタックの機械強度を超えない）が残る。金属製ワイヤが変形する可能性がかなり高いため、結果的に、厚さの許容差は簡単な方法で吸収可能となり、その結果、より緩やかな要件が関連する構成部品に課されることになる。
【０００７】
本発明により、比較的安価な材料を使用できるようになる。その一例として、約８００℃の温度までは確かに非常に効果的であるフェライトステンレス鋼が挙げられる。できる限りコストを切り詰めるさらなる一歩は、打ち抜きによる製造が可能な、比較的平板な構成部品を使うことである。エキスパンデッドメタルの使用もコスト削減効果がある。さらにまた、この構造物を用いると製造のばらつきが比較的大きい状態で作業を進めることができ、その結果、製造コストがさらに下がる。
【０００８】
原則として、本発明による構造物については２ヶ所のシールで充分である。この二重のシールにより、好ましくない形でのアノードガス及びカソードガスの漏出が防止される。また、金属製ワイヤからなるそのようなシールにより、ある程度の柔軟性がもたらされる。銀などの金属製材料は、当該材料に特によく固着する。さらに、熱サイクルを数回経てもその柔軟性は基本的に保たれており、結果として、信頼性がさらに増大する。
【０００９】
本発明は、内部マニホールド及び燃料ガスのシールを利用するものである。その結果、燃料ガスの漏出はできる限り防止され、これが、高電圧ひいては高性能に寄与している。本発明の構造物により、電池に対しての、及びスタック内の電池ユニット間での優れたガス流の分配が結果的に可能となり、このことによって電圧がさらに高まり、燃料ガスの利用度を高くすることができる。ガスの平流がアノードとカソードを通過する結果、横流及び逆流の場合と比較してより良好な温度及び電流密度の分布が得られ、これにより、高電圧と高い利用度が可能になる。
【００１０】
酸素含有カソードガスを外部から供給することにより、マニホールドを使用した状態と比較して、電池スタック内の空間をかなり節約することができる。
【００１１】
上記の組み合わせにより、一方では、燃料ガスをできる限り最適な方法で使用することが可能となり、他方では、空気含有ガスの供給をできる限りコンパクトな方法で実施することが可能となる。
【００１２】
本発明の電池ユニットは、アノード支持型、電解質支持型、及び金属支持型固体酸化物型燃料電池を共に含むことができる。銀製ワイヤなどのシーリングワイヤの厚さは、約０．８ｍｍであることが好ましい。柔軟性のあるシールと組み合わせた燃料電池ユニットで作製された燃料電池スタックを加圧することにより、厚さの許容差をかなり吸収することができる。シールを行う隣接する２つの面の間に関しては、約５０μｍという数値を一例として挙げておく。スタックの各種要素にはある程度の柔軟性があるため、変形が比較的わずかである場合は、即座に漏出が発生することはない。
【００１３】
シールとそれに隣接する板との間には、電気絶縁体がある。そのような絶縁体は独立した構成部品（シート状の雲母など）であってもよく、又は、板に塗布されている電気絶縁作用を有するコーティング材であってもよい。かかるコーティング材の厚さは約１００μｍであることが好ましく、厚さが約２００μｍであることがより好ましい。
【００１４】
上述のように、本発明の燃料電池ユニットは、システム中での使用に特に好適である。この場合、本発明の有利な実施形態によると、多数のスタックをお互いの隣に並べて使用する。一例としては、３つのスタックをお互いの隣に置く。第一スタックから発生したカソードガスは、必要に応じて冷却された後、直接その隣のスタックに供給される。そのような冷却は、少量の冷気を添加することによって行われることが好ましい。
【００１５】
このようにして、あるスタックから別のスタックへの（絶縁材料を経由した）燃料ガスの直接移動が可能になる。ガスを回収して再度分配する必要はない。必要に応じて冷気を添加することで、熱交換器の使用を回避することができ、酸素濃度は最後のスタックまで維持される。このように、空気の加熱が必要なのは第一スタックのみであり、その結果、熱交換器の数及びその大きさを制限することができる。
【００１６】
電池の大きさは、目的とする発生電流に応じて選択することができる。一例として、１０×１０ｃｍ、又は２０×２０ｃｍという数値を挙げておく。
【００１７】
本発明は、また、上述のように多数の燃料電池からなる燃料電池スタックにも関する。アノードガスの供給／放出は、上述の方法により、内部で行うことができる。一方、カソードガスは外部供給／外部放出が可能である。電池が設置される空間は絶縁可能であり、そのような絶縁は、同時に、気流の内部制御のために機能を果たすことができる。絶縁材料によって漏出防止用の密封が行われるのであれば、電池スタックと絶縁材料とを完全にシールする必要はない。空気がスタック全体に移動することは、当該スタックの冷却にも寄与する可能性がある。最後のスタックから発生した残気流のすべてを熱交換器経由で供給し、システム内に流入するガスを暖めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面に示された具体例を参照し、本発明をより詳しく説明する。
【００１９】
図１において、ＳＯＦＣ燃料電池ユニットが１で示されている。これは、最下部と最上部の両方において、燃料電池ユニットの部品である分離板３によって区切られている。これは、フェライトステンレス鋼などのステンレス鋼で作られた単純な打ち抜き部品であってもよい。この板には、一方でアノードガスを供給し、もう一方でそれを除去するための、内部で区切られている開口部４が備えられている。第１アノードグリッド板５及び第２アノードグリッド板６は、図中で、最下部の分離板３に配置されている。後述するアノードと開口部４とを結ぶチャネルが作られるように、これらの板の配置が行われている。矢印７は、ガスの通路の一例を示す。この通路は、他のいかなるパターンを取ることも可能であり、さらに、そうしたパターンを別の方法で実現することができる。さらにまた、これらのグリッド板は「集電体」として機能する。すなわち、アノード表面から発生した流れは、第１及び第２アノードグリッド板を経由して分離板へと伝えられる。これら２枚の板５、６を、１枚の板に置き換えることができる。図示した単純な打ち抜き部品の代わりに、そのような板を、例えばエキスパンデッドメタルで作製することが可能である。
【００２０】
この例は、アノード支持型電池に関するものである。すなわち、アノード８は、比較的厚いものになる。該アノードは、厚さが１００〜２０００μｍとなり、ニッケル製であり、これにＹＳＺを添加することが可能である。（部分的に）同じ材料で作製することができる電解質の比較的薄い層（５〜１０μｍ）を、アノード８に取り付ける。次に、薄型（１５〜５０μｍ）のカソード１０を電解質に取り付ける。当然のことながら、本発明はアノード支持型電池に限定されるものではない。電解質支持型燃料電池及び金属支持型電池の使用が可能である。
【００２１】
カソード１０の大きさがアノード／電解質結合体８、９よりも事実上小さいために周辺端部が残存することが、図から見てとれる。銀製ワイヤなどの周辺シール１１は、かかる周辺端部に作用を及ぼし、前記シールは、もう一方の面では、後述する補助板１６を支持している。
【００２２】
スペーサー１２は、分離板１３の外側に配置されている。その固着については、はんだ箔を間にはさむことで実現されるような、はんだ付けを含むものであってもよい。アノード−電解質−カソード、及び付随する第１及び第２アノードグリッド板からなるこのような実際の燃料電池は、カソード上に配置された第１カソードグリッド板１４及び第２カソードグリッド板１５と同様に、その内部に納められている。第１及び第２カソード板を、ガス分配器、集電体及び力分配器の機能を満たすことができる他の構造物で置き換えることができる。
【００２３】
銀製ワイヤなどの周辺シール１３は、スペーサー１２の上に配置されている。純銀製ワイヤ及びスペーサー１２の代わりに、中空のＯ型リング又はＣ型リングなど、他のシールを周辺シール１３に使用することができる。
【００２４】
板１６と板３との間には、電気的接触が存在してはならず、この例においてそのことは、板１６の底部とシーリングワイヤ１３との間に雲母を用いることによって、実現されている。
【００２５】
補助板１６は、スペーサー１２の上に配置されており、その間にシール１３がある。補助板１６には開口部１９が設けられており、正しい位置にある場合は、開口部１９は開口部４と位置が一致し、アノードガスのスムーズな移動にも役に立つ。さらにまた、補助板には、外側周辺部から第１及び第２カソードグリッド板１４、１５へと延びるチャネル１７が設けられている。第１及び第２カソードグリッド板は、基本的にカソードと同じ大きさである。すなわち、アノードの大きさよりも小さい。結果として、チャネル１７の開口部は、カソードより突出している電解質／アノード構成部品の位置にある。すなわち、周辺シールによって形成される空間の内部にある。その結果、カソードガスがアノードへと漏出することはありえない。供給されたガスの通路を１８で示す。
【００２６】
補助板１６は、例えばはんだ（箔）接合によって、補助板３に直接取り付けられている。この直接接合により、一方では、カソードガスとアノードガスを内部アノードマニホールドから隔てるための、もう一方では、スタックの周辺部へ向かうカソードガスのための、簡単ではあるが完璧なシールが形成されている。
【００２７】
このようにして電池ユニットが完成し、結果として得られた電池ユニットのスペーサー１２及びアノードグリッド板は、分離板３の上に配置される。補助板１６と電解質９との間にシール１１があるため、供給／放出されるアノードガスは、絶対にカソードと接触しない。分離板３と補助板１６との間には、スペーサー１２の位置にのみ隙間がある。この隙間の中で、第１及び第２アノードグリッド板を経由してアノードガスをアノードへ到達させることができ、その後、その場所から再び放出することができる。補助板１６は、周辺シール１１によってこの隙間から隔てられている。周辺シール１３によって、さらにシールが行われている。必要に応じてガスの発生が可能な重要な区域が、このように完全に封鎖される。当然のことながら、補助板１６のチャネル１７を介して「外部マニホールド」が設けられている。
【００２８】
図２において、電池スタックが７で示されている。図２が一部露出した図であるのに対し、図３は完全な構造を示している。これは多数の、例えば、６０個の、上記燃料電池ユニットからなる。それらは支持体２０の上にある。アノードガス供給部が２２で示されるのに対し、アノードガス放出部は２１で示されている。これらは、アノードガスの供給及び放出をそれぞれ行うために、燃料電池の両側で上記開口部４と接している。上述のように、カソードガスの供給は、外部マニホールドで行われる、すなわち、電池スタック１は閉ざされたチャンバー内に設置され、空気などの酸素含有ガスは一方の側に供給され、その後、もう一方の側に放出される。こうした密閉は、気密絶縁材料製の板２６を用いて完璧に行われる。電流の取り出し口が２５で示されているのに対し、圧力板は２７で示されている。２３は空気供給チャネルを示す。
【００２９】
上記電池ユニットは、製造が簡単な構成部品を用いて構築することができる。例えば、様々な板を打ち抜きによって製造することができる。特にガス分配板に用いられる代替案として、安価での入手が可能なエキスパンデッドメタルの使用がある。チャネル１７についてはすべての面を閉鎖する必要がないため、こうしたチャネルを補助板１６の中に簡単な方法で作ることも可能である。アノード支持型燃料電池の製造は、当該技術水準の一部を成すものであり、簡単な方法で実現可能である。
【００３０】
上記説明の読了後では、既知の構造と上述の燃料電池／燃料電池スタックとを使用することからなる修正は、当業者であれば即座にわかることであろう。そのような変形は、添付する特許請求の範囲に該当するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】燃料電池の各種構成部品を示すものである。
【図２】燃料電池スタックを、一部が露出した図で示すものである。
【図３】完全な燃料電池スタックを示すものである。
【図１】
2008510288.tif 000003
【図２】
2008510288.tif 000004
【図３】
2008510288.tif 000005
【国際調査報告】
2008510288.tif 000006
2008510288.tif 000007
2008510288.tif 000008