(57)【要約】  典型的な燃料電池装置アセンブリは、(1) １枚の電解質シート、(2) 電解質シートの一方の側に配置された複数の陰極、(3) 電解質シートの他方の側に配置された複数の陽極、および(4) 電解質シートを支持する１個のフレームを備え、フレームは複数の流路を備えている。フレームの断面積は、少なくとも３．１流路／ｃｍ２（２０流路／平方インチ）の流路密度および１．２７ｍｍ（５０ミル）以下の流路壁の厚さを有するのが好ましい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
(1) 少なくとも１枚の電解質シート、(2) 該電解質シートの一方の側に配置された複数の陰極、(3) 前記電解質シートの他方の側に配置された複数の陽極、および(4) 少なくとも１個のフレームを備え、該フレームは、前記電解質シートを支持しかつ複数の平行な流路を備えて、反応物が前記陰極および／または前記陽極に接触する態様で、反応物が前記フレームを通って流れるのを可能にすることを特徴とする燃料電池装置アセンブリ。
【請求項２】
前記フレームの断面積は、少なくとも１．５５流路／ｃｍ２（１０流路／平方インチ）の流路密度および１．２７ｍｍ（５０ミル）以下の流路壁の厚さを有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置アセンブリ。
【請求項３】
(1)各々が、前記電解質シートの両側に位置する陰極および陽極を含む複数の相互接続された電極を有する、少なくとも２個の燃料電池アレーを備え、
前記フレームは、前記複数の燃料電池アレーが互いに隔離されかつそれら間に少なくとも１個の室を形成するように前記複数の燃料電池アレーを支持し、前記フレームは、反応物が該フレームを通って流れかつ前記少なくとも２個の燃料電池アレーのそれぞれの電極に接触するために前記室を通って流れる複数の平行な流路を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置アセンブリ。
【請求項４】
前記フレームは、燃料分配末端部材に結合された少なくとも１個の取入れ口と、少なくとも１個の排出口とを備えていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池装置アセンブリ。
【請求項５】
陽極に供給された燃料が、排出燃料流とは反対方向に流れることを特徴とする請求項４記載の燃料電池装置アセンブリ。
【請求項６】
前記燃料電池装置アセンブリが少なくとも４個の燃料電池アレーを備え、(1) 該４個の燃料電池アレーのうちの少なくとも２個の燃料電池アレーの陽極が互いに対向し、これにより１個の陽極室を形成し、かつ(2) 前記４個の燃料電池アレーのうちの少なくとも２個の燃料電池アレーの陰極が互いに対向し、これにより１個の陰極室を形成することを特徴とする請求項３記載の燃料電池装置アセンブリ。
【請求項７】
前記少なくとも１個のフレームが、前記陰極室へ酸素流を提供する複数の流路と、前記陰極室から排気ガスを排出させる複数の流路とを備えていることを特徴とする請求項６記載の燃料電池装置アセンブリ。
【請求項８】
前記フレームが第１および第２の電解質シートに取り付けられ、該フレームが、少なくとも７．８流路／ｃｍ２（５０流路／平方インチ）の流路密度および０．５ｍｍ（２０ミル）以下の流路壁の厚さを伴う断面積を有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池装置アセンブリ。
【請求項９】
前記反応物が前記フレームおよびフレーム間を通って流れることが可能なように、(1)前記第１の電解質シート上に位置する陽極が前記第２の電解質シート上に位置する陽極に対向し、または、(2) 前記第１の電解質シート上に位置する陰極が前記第２の電解質シート上に位置する陰極に対向していることを特徴とする請求項８記載の燃料電池装置アセンブリ。
【請求項１０】
前記フレームが、少なくとも０．５の中実でない部分の幾何学的面積比率を有するセラミックフレームであることを特徴とする請求項９記載の燃料電池装置アセンブリ。
【請求項１１】
(1) 前記フレームが触媒分散のための十分な面積を提供する、
(2) 前記フレーム内の前記流路の少なくとも一部が排気のための通路を提供する、
(3) 前記フレーム内の前記流路の少なくとも一部が熱交換のための通路を提供する、
(4) 前記フレーム内の前記流路の少なくとも一部が燃料のための通路を提供する、
(5) 前記電解質シートは、ハーメチック・シール部材によって前記フレームに対し封止される、
(6) 前記フレームが９から１３ppm/℃までのＣＴＥを有する、
諸条件のうちの少なくとも一つを満足することを特徴とする請求項８記載の燃料電池装置アセンブリ。
【請求項１２】
電解質シートのためのフレームであって、
(1)前記フレームの断面積が少なくとも７．８流路／ｃｍ２（５０流路／平方インチ）の流路密度および０．５ｍｍ（２０ミル）以下の流路壁の厚さを伴う断面積を有する態様で、複数の流路を有し、かつ少なくとも０．５の中実でない部分の幾何学的面積比率を有することを特徴とするフレーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して燃料電池装置に関し、特に燃料電池装置のためのフレームに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体酸素燃料電池は近年におけるかなりの量の研究の対象になって来ている。固体酸素燃料電池（ＳＯＦＣ）の一般的な構成要素は、二つの電極間に挟まれた負電荷を有する酸素イオン導電性電解質を含んでいる。電解質に導通される酸素イオンと反応する例えば水素のような燃料物質の陽極における酸化によって電池内に電流が発生する。酸素イオンは、陰極における分子酸素の還元によって形成される。
【０００３】
特許文献１および特許文献２には、改良された電極・電解質構造を備えた固体電解質燃料電池が記載されている。この構造は、薄い可撓性を有する無機電解質シートの両側に接着された複数の陽極および陰極を組み込んだ固体電解質シートを備えている。一つの実施例では、電極が電解質シート上で連続した層を形成しておらず、多数の独立した領域または帯を画成していることを示している。これら複数の領域は、電解質シート内の経路を通って延びる導体と接触することによって電子的に接続されている。これらの経路は、導電性の材料で満たされている（経路相互接続）。
【０００４】
特許文献３には、薄く滑らかな無機焼結シートが開示されている。この開示されたシートは、強くかつ可撓性を有して、破壊を伴わずに曲げることができるとともに、広範囲の温度に亘って優れた安定性を有する。イットリアで安定化されたジルコニアＹＳＺ（Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２）のような開示された組成物が燃料電池の電解質として有用である。高い温度〈例えば７２５℃以上〉において、ジルコニア製電解質は、良好なイオン伝導度と極めて低い電子伝導度を有することが知られている。特許文献４には、熱衝撃に耐性を有する固体燃料電池にこのような組成物を用いることが記載されている。
【０００５】
特許文献５には、粗にされた界面層を備えたほぼ平板状の滑らかな電解質シートを用いた固体燃料電池が記載されている。この特許文献は、厚さが４５μｍ未満の電解質シートが開示されている。このセラミック電解質シートはこのような厚さにおいて可撓性を有する。
【０００６】
さらに、燃料電池は熱サイクルおよび大きな熱勾配に耐え、これにより電解質内に熱歪みが導入される。これに加えて、取り付けられた電解質シートは、そのフレームの熱膨張率とは異なる率で膨張し、電解質シートのひび割れを招く。電解質シートが不良になると、電池全体または電解質素子の交換が必要になる。
【０００７】
基板形式の固体酸化物燃料電池はセパレータとして合金を用いることもあることが知られている。このような構造は、例えば非特許文献１に記載されている。
【０００８】
固体酸化物燃料電池はまた、例えば特許文献６に開示されているように、多孔質支持構造体によって支持されることが可能である。この多孔質支持構造体の内部は、酸素または燃料のための通路を形成する波形セラミックプレートで封止されている。さらに詳細に述べると、特許文献６には、複数の電極を支持する多孔質基板をそれぞれ備えた燃料電池モジュールが開示されている。一つの電解質層がこれら複数の電極に亘って位置しており、かつ別の電極層が電解質層上に位置している。多孔質支持構造体は、これらの層とともに一体化され、これら層から切り離せないようになっている。この特許文献には、燃料電池層が多孔質支持構造体に直接接着され、したがって組立て上の制約が燃料電池構造を制限することが開示されている。例えば電池層は一般に異なる温度で焼成される。典型的には、陽極および電解質は１４００℃以上の温度で焼成されるが、陰極は１２００℃以下の温度で焼成されるのが理想的である。それ故に、燃料電池層は焼成温度を順に下げながら堆積されなければならない。しかしながら、組立て上の制約から解放された燃料電池アレーの構造が得られるとするならば有利である筈である。さらに、多孔質支持構造体は比較的太く、したがって作成に費用がかかる。特許文献７には、電解質を含浸させた多孔質プラスチック誘電体シート上に形成された複数の燃料電池アレーを備えた燃料電池スタックが開示され、セル同士の相互電気的接続は電解質膜を通して形成されている。この開示された構成は、複数の燃料電池アレー間に組み付けられた空気流マニフォルド・ユニットならびに燃料マニフォルド・ユニットを用いている。付加的な空気流マニフォルド・ユニットおよび燃料マニフォルド・ユニットを有しかつそれらを燃料電池アレー間に組み付けることは、燃料電池スタックを複雑にしかつコストを増大させる。
【０００９】
特許文献８には、被覆された交互熱交換器およびその作成方法が開示されている。この熱交換器は、セラミック本体内に位置する複数の通路を備えている。この特許文献には、この装置を燃料電池の用途に用いることは開示されていない。
【特許文献１】米国特許公開第２００２／０１０２４５０号明細書
【特許文献２】米国特許公開第２００１／００４４０４１号明細書
【特許文献３】米国特許第５,０８５,４５５号明細書
【特許文献４】米国特許第５,２７３,８３７号明細書
【特許文献５】米国特許公開第２００１／００４４０４３号明細書
【特許文献６】米国特許第５,４８６,４２８号明細書
【特許文献７】米国特許第６,１９４,０９５号明細書
【特許文献８】米国特許第５,４１６,０５７号明細書
【非特許文献１】「クロム含有合金セパレータと接触するＳＯＦＣ陰極の電磁特性」Y.マツザキ、I.ヤスダ著「ソリッドステート・イオニクス」 132(2002) 271-278頁
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一つの態様は燃料電池装置アセンブリであって、この燃料電池装置アセンブリは、(1) １枚の電解質シート、(2) この電解質シートの一方の側に配置された複数の陰極、(3) 上記電解質シートの他方の側に配置された複数の陽極、および(4) 上記電解質シートを支持する１個のフレームを備え、このフレームは、フレームの断面積が、少なくとも１．５５流路／ｃｍ２（１０流路／平方インチ）の流路密度および１．２７ｍｍ（５０ミル）以下の流路壁の厚さを有する態様で、複数の流路を備えている。上記流路密度は、少なくとも３．１流路／ｃｍ２（２０流路／平方インチ）がより好ましく、少なくとも７．８流路／ｃｍ２（５０流路／平方インチ）がより好ましく、少なくとも１５．５流路／ｃｍ２（１００流路／平方インチ）が最も好ましい。流路壁の厚さは０．７８ｍｍ（３０ミル）未満がより好ましく、０．５ｍｍ（２０ミル）未満が最も好ましい。
【００１１】
別の態様において、本発明は電解質シートのための支持体を備え、この支持体はフレームを有し、このフレームは、(1) 少なくとも３．１流路／ｃｍ２（２０流路／平方インチ）の流路密度および０．５ｍｍ（２０ミル）以下の流路壁の厚さを伴う断面積を有する態様で、複数の流路を内部に備えている。
【００１２】
本発明のいくつかの実施の形態によれば、上記フレームはセラミックであり、かつガラスフリット・シールによって電解質シートに取り付けられている。
【００１３】
本発明のさらなる特徴および利点は、下記の詳細な記載において説明されており、その一部は、下記の詳細な記載、請求項および添付図面を含んでここに説明されている本発明を実施することによって、当業者には直ちに明らかになるであろう。
【００１４】
上述した概要説明および下記の本発明の実施例の説明の双方は、請求項に記載された本発明の性質および特徴を理解するための概観または骨組の提供を意図するものであることを理解すべきである。添付図面は、本発明のさらなる理解のために用意されたものであって、本明細書に組み入れられ、かつ本明細書の一部を構成するものである。図面は本発明の種々の実施の形態を示すもので、記述内容とともに、本発明の原理および動作の説明に資するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面に示されている実施例を参照して、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。全図面を通じて、同一部品には可能な限り同一の参照番号を用いることにする。燃料電池装置の一実施の形態は、(1) 少なくとも１枚の電解質シート、(2) この電解質シートの一方の側に配置された複数の陰極、(3) 上記電解質シートの他方の側に配置された複数の陽極、および(4) 上記電解質シートを支持する１個のフレームを備え、このフレームは複数の平行な流路を備えている。複数の流路は、所望の反応物を陽極および／または陰極に提供するのに利用することができる。フレームの断面積は、少なくとも１．５５流路／ｃｍ２（１０流路／平方インチ）が好ましく、少なくとも３．１流路／ｃｍ２（２０流路／平方インチ）がより好ましく、少なくとも１５．５流路／ｃｍ２（１００流路／平方インチ）が最も好ましい。流路壁の厚さは、１．２７ｍｍ（５０ミル）以下が好ましく、０．７８ｍｍ（３０ミル）がより好ましく、０．５ｍｍ（２０ミル）以下が最も好ましい。
【００１６】
この燃料電池装置は、さらに上記フレームに取り付けられた第２の電解質シートを備えており、第２の電解質シートも、この第２の電解質シートの両側に位置する複数の陰極および陽極を支持している。これら２枚の電解質シートは、(1) 第１の電解質シート上に位置する複数の陽極が第２の電解質シート上に位置する複数の陽極に対向し、あるいは(2) 第１の電解質シート上に位置する複数の陰極が第２の電解質シート上に位置する複数の陰極に対向して、反応物が上記フレームを通って両電解質シート間に流れるのを可能にしている。
【００１７】
本発明の一実施の形態が、全体として符号１０で図１に示されている。本発明のこの実施の形態によれば、燃料電池装置アセンブリ１０は、(1) １枚の電解質シート２０と、この電解質シート２０の一方の側に配置された複数の陰極３０と、電解質シート２０の反対の側に配置された複数の陽極４０とを備えた少なくとも一つの燃料電池アレー１５、および(2) 上記電解質シート２０を支持する１個のフレーム５０を備えている。上記陽極４０および陰極３０は、電解質シート内の複数の孔を通って延びる相互接続部材３５によって相互接続されている。上記フレーム５０は、中実壁５４で囲まれた複数の流路５２を備えている。このフレーム５０はハニカムフレームであることが好ましい。すなわち、多数のセルを有する薄い壁のために高い強度・重量比を備えた多セル構造であり、セルの断面は、六角形、四角形、正方形または円形であることが好ましい。図２Ａ〜図２Ｃは、フレームのセル形状を示している。これらの断面は、図１に示されたフレーム５０の断面に対し垂直である。フレーム５０はハニカム構造を有することが好ましい。また、フレーム５０は、電解質シート２０の膨張に類似する膨張を呈するようにするために、電解質シート２０のＣＴＥ〈熱膨張率〉に近いＣＴＥを備えていることが好ましい。もし電解質シート２０が部分安定化ジルコニア（例えば、３ＹＳＺ）からなる場合には、フレーム５０は、約９から１３ppm/℃までの、好ましくは１０から１２ppm/℃までのＣＴＥ（ＣＴＥ＝ΔＬ／ＬΔＴ）を有することが好ましい。このようなＣＴＥは、例えばマグネシア（ＭｇＯ）・スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）系内のセラミック組成物によって実現可能である。
【００１８】
多数の流路５２を備えたフレーム５０の作成は、その高いＯＦＡ（前面解放面積）のために、フレーム密度を低減し、かつ表面積を増大させる。「前面解放面積」とは、中実材料〈壁〉によって塞がれていないフレーム５０の断面積の形状比率を意味する。ＯＦＡは０．４よりも高いことが好ましく、ＯＦＡが０．５よりも高ければより好ましい。フレーム５０の壁の幾何学的表面積（ＧＳＡ）は５よりも高いことが好ましく、１０よりも高いことがより好ましく、ＧＳＡが１５と１００の間が最も好ましい。表１は、ハニカムフレームの幾何学的性質の複数の実施例を提供している。この表において、ρｈｃ／ρｓｏｌｉｄ比は、フレームが中実材料のみで作成されたとした場合の密度に対する「見かけの」すなわち有効ハニカムフレーム密度の比を表す。例えば、表１は、１４０流路／ｃｍ２（９００流路／平方インチ）のセル密度と０．０５ｍｍ（２ミル）の壁の厚さとを備えたフレームは、４４．４の大きな幾何学的表面積ＧＳＡと、０．８８のＯＦＡを有しながら、同一の中実材料で作成された場合に対して密度が僅か０．１２倍であることを示している。
【表１】
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【００１９】
表１に示された実施例から明らかなように、フレーム５０の断面積は少なくとも３．１流路／ｃｍ２（２０流路／平方インチ）の流路密度を有する。流路密度は少なくとも７．８流路／ｃｍ２（５０流路／平方インチ）がより好ましく、１５．５流路／ｃｍ２（１００流路／平方インチ）の流路密度と０．５ｍｍ（２０ミル）以下の流路壁の厚さが最も好ましい。フレーム５０の一つの利点は、中実材料のみで作成されたフレームに比較して薄い流路壁および／または高いＧＳＡの故に、フレームが、中実材料から作成された類似のフレームに比較して低い熱容量を有し、したがって、中実材料のみで作成された類似のフレームよりも速い熱サイクルレートに耐えることができることである。さらに、流路５２は、フレーム５０内部における熱交換を促進するのに利用可能である。最後に、フレーム５０が大きな表面積を有するので、流路の表面が効率的な触媒拡散のために利用可能である。
【００２０】
フレーム５０はセラミックであることが好ましい。セラミック材料に関しては、低いブロット・モデュラス(Blot modulus)の条件下で最大応力に対する熱可塑性の計算結果（実際的な伝熱速度）は、
σ＝（αＥΔＴｈｌ）／｛ｋ（１−μ）｝
ここで、αは熱膨張係数、Ｅはヤング率、ΔＴは表面温度変化、ｈは伝熱速度、ｌは固有寸法、ｋは熱伝導度、μはポアソン比である。最大応力は固有寸法ｌに正比例する。ハニカムフレーム５０の流路を通ってガスが一様に流れ、かつ温度およびガス流量がハニカム構造体の壁に対する、または壁からの伝熱速度を決定する場合を想定すると、固有寸法は壁の厚さである。類似の条件下の中実フレームに関しては、固有寸法はフレームの幅および高さであり、これは数ミリメートルまたはセンチメートルの幅（高さ）が予想される。一般的なハニカム寸法の壁の厚さ（表１に示された）を比較すると、ハニカム構造を備えたフレーム５０は、極めて薄い寸法（流路壁）のために、応力が約一桁も二桁も低くなっている（中実フレームと比較して）。
【００２１】
封止剤６０が電解質シート２０をフレーム５０に接着する。封止剤６０は、例えばガラスシールまたは蝋付け金属であるハーメチック・封止剤であることが好ましい。他のハーメチック・封止剤を用いてもよい。フレーム５０はまた、さらなる熱管理および／または燃料リサイクルのために回収される出口８５，８５′を設けてもよい。
【実施例】
【００２２】
本発明は下記の実施例によってさらに明らかになるであろう。
【００２３】
実施例１
本発明による燃料電池装置アセンブリの一つの実施例が図３Ａおよび図３Ｂに示されている。図３Ａは燃料電池装置アセンブリ１０の実施例の概略的断面図である。図３Ｂは図３Ａに示された燃料電池装置アセンブリの平面図を示す。燃料電池装置アセンブリ内における反応物（例えば燃料）の流れる方向が矢印で示してある。
【００２４】
これらの図において、燃料電池装置アセンブリ１０は１個の燃料電池モジュール１２を備えている。この燃料電池モジュール１２は、２組の電極（例えば陽極４０）が互いに対向し、それら間に反応〈例えば陽極〉室８０を形成するように配置された２個の平行な燃料電池アレー１５を支持するフレーム５０を備えている。フレーム５０は封止剤６０によって燃料電池アレー１５に接着されている。燃料電池装置アセンブリ１０に用いるための燃料は、例えば封止剤６０′でフレーム５０に封止されたガス分配末端部材７０を通じて、フレーム５０に向かって供給される。ガス分配末端部材７０から通過する〈矢印方向参照〉燃料は、複数の流路５２を通って２枚の電解質シートによって形成された陽極室８０に入り、複数の排出流路５２′に入り、次いで排出口８５を通じて排出される。この実施例においては、排出口８５が末端部材７０から最も遠くに位置するフレームセクション５０ｂ〈排出側〉上に配置されている。
【００２５】
かくして、本発明の一実施の形態によれば、燃料電池装置アセンブリ１０は、(1) 各燃料電池アレー１５が電解質シート２０の両側に配置された複数の相互接続された陰極３０および陽極４０を有する少なくとも２個の燃料電池アレー１５と、(2) ２個の燃料電池アレー１５が互いに隔離されかつそれらの間に少なくとも１個の室（例えば陽極室８０）を形成するように、フレーム５０が燃料電池アレー１５を支持している。上記室の総数は燃料電池スタック内の燃料電池アレー１５の全数に左右される。かくして、この燃料電池スタックは１個以上のモジュール１２を含み得る。ここに定義されているように、燃料電池モジュール１２は、フレーム５０に接着された２個の燃料電池アレー１５と、２個の燃料電池アレーの間を接続する付属の電気コネクタである。フレーム５０は、複数の流路５２を備えて、反応物（例えば燃料）がフレーム５０を通り、かつ反応室８０および／または８０′を通って流れることを可能にしている。本実施の形態においては、燃料は流路５２を通って反応室８に入り、燃料電池アレー１５の陽極４０に接触する。排出燃料は、排出口８５から集められるまでフレーム５０の排出流路５２′を通って同一方向へ流れ続ける。図３Ａおよび図３Ｂは、流路５２がフレームセクション５０ａに配置され、一方、排出流路５２′はフレームセクション５０ｂに配置されていることを示している。この燃料電池装置アセンブリは空気室８３内に配列され、この空気室８３は、空気取入れチューブ８８に接続された空気取入れ口８４と、排出チューブ８８′に接続された排出口８４′とを備えている。空気室８３は、陰極３０に空気または酸素を提供して、燃料電池の動作を可能にする。これは図３Ａおよび図３Ｂに概略的に示されている。
【００２６】
実施例２
図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の別の実施の形態を示す。図４Ａは、熱交換を行なう燃料電池装置アセンブリの実施例の概略的断面図である。図４Ｂは、図４Ａに示された燃料電池装置アセンブリの平面図を示す。
【００２７】
本実施の形態においては、フレーム５０が熱交換器である。このフレーム５０は２個の平行な燃料電池アレー１５を支持し、これら燃料電池アレー１５は、二組の陽極４０が互いに対向して、それら間に陽極室８０を形成している。これらの陽極室８０は、中心燃料流路５２の熱交換流路部８０ａによって互いに隔離されている。本実施の形態によれば、フレーム５０は、燃料分配末端部材７０に結合された少なくとも１個の取入れ口５１と、燃料分配末端部材７０固定されたフレームの一方側（例えば５０ａ）に配置された少なくとも１個の排出口８５′とを備えている。少なくとも１個の栓８６は、先の実施例のように中心燃料流路５２から燃料が出て行くのを防止している。燃料〈図４Ａにおいて矢印で示されているように〉は中心燃料流路５２を通って移動し、熱交換流路部８０ａに流入する。熱交換流路部８０ａを通って移動している間に、ガス燃料は陽極室８０との熱交換（流路壁５４を通じた）によって加熱される。加熱されたガス燃料は中心燃料流路５２を通って流れ続け、方向転換開口部８７を通じて周辺燃料流路５２（フレームのセクション５０ｂ）に向け直され、そこから陽極室８０に流入し、陽極室８０で陽極４０を横切るように分布される。すなわち、燃料ガスは〈中心〉燃料流路５２を出て流路壁５４の開口部８７を通り、元の方向とは反対方向に周辺燃料流路５２内を通り、周辺燃料流路５２から陽極室８０に流入する。ガス燃料は、陽極室８０内の陽極４０を横切って流れるときに加熱され、高温の排出燃料が排出燃料流路５２′（フレームのセクション５０ａ）に流入する。かくして、本実施の形態においては、最初の燃料流が反対方向に移動して排出燃料流となる。上述のように、燃料が各電池の電極を横切って移動する際に燃料は益々高温になる。燃料がフレームのセクション５０ａに再流入するときには、燃料が燃料取入れ口５１を通ってフレームセクション５０ａに流入したときの温度よりもかなり高温になる。高温の排出燃料は排出燃料流路５２′に流入し、中心流路５２内を流れる燃料に対して反対方向に移動する。周辺流路５２、５２′を通る燃料の方向は図４Ｂに矢印で概略的に示されている。高温の燃料がフレーム５０のセクション５０ａに流入するとき、流路５２′から壁５４を通じて熱が中心流路５２に転送され、これにより排出流路５２′を冷却し、かつ流入燃料を加熱する。かくして、本実施の形態のフレーム５０は熱交換器として動作する。図４Ａ、図４Ｂに示されたフレーム５０は、複数の燃料流路５２および複数の隔離した排出燃料流路５２′を備えており、双方ともフレームセクション５０ａに位置している。
【００２８】
先の実施例と同様に、この燃料電池装置アセンブリは空気室８３内に配列されており、空気室８３は、空気取入れチューブ８８に接続された空気取入れ口８４と、空気排出チューブ８８′に接続された空気排出口８４′とを備えている。空気室８３は、陰極３０に空気または酸素を提供して、燃料電池の動作を可能にする。これは図４Ａおよび図４Ｂに概略的に示されている。
【００２９】
実施例３
図５Ａおよび図５Ｂに示されているように、燃料電池装置は、(1) 少なくとも２個の燃料電池アレー１５の陽極側が互いに対向し、これにより陽極室８０を形成し、(2) 少なくとも２個の燃料電池アレー１５の陰極側が互いに対向し、これにより陰極室８０′を形成する態様で、フレーム５０によって支持された３個以上の燃料電池アレー１５を備えている。図５Ａおよび図５Ｂに示されているように、フレーム５０は、(a) 陽極室８０へは燃料ガスを提供し、(b) 陰極室８０′へは酸素流を提供する複数の平行な流路５２を有する。フレーム５０はまた、排気ガスを陽極室８０および陰極室８０′から排出させるための複数の流路５２′をも有する。先の実施例で説明したように、燃料電池アレー１５は、封止剤６０を用いてフレーム５０に接着されている。フレーム５０および多数の燃料電池アレーを用いて、それら間に反応室（パケット）を形成することによって、パケット形式の燃料電池スタックが形成される。
【００３０】
かくして、図５Ａおよび図５Ｂに示されているように、燃料電池装置アセンブリ１０は、(I) それぞれが、電解質シート２０、上記電解質シート２０の一方側に配置された複数の陰極３０からなる第１の組の電極および上記電解質シート２０の他方側に配置された複数の陽極４０からなる第２の組の電極を備えた、複数の電気的に相互接続された燃料電池アレー１５、および(II) 上記電解質シート２０を支持しかつ上記電解質シート２０に固定されたフレーム５０であって、少なくとも一組の電極へ反応物を提供する複数の平行な流路５２を備えているフレーム５０を含む。フレーム１５１が、上記電解質シート２０に固定されたフレーム５０を隔離している。フレーム１５１は封止剤１６１でフレーム５０に封止されている。フレーム５０の断面積が少なくとも１．５流路／ｃｍ２（１０流路／平方インチ）、好ましくは７．５流路／ｃｍ２（５０流路／平方インチ）の流路密度を備え、かつ流路壁の厚さが０．５ｍｍ（２０ミル）以下であることが好ましい。流路密度は１５流路／ｃｍ２（１００流路／平方インチ）が最も好ましい。複数の電解質シート２０は、(1) １枚の電解質シート上に位置する陽極４０が、他の１枚の電解質シート上に位置する陽極に対向して、反応物がフレーム５０および燃料電池アレー１５間を流通することを可能にし、かつ(2) １枚の電解質シート上に位置する陰極３０が、他の１枚の電解質シート上に位置する陰極に対向し、かくして酸素〈陰極〉室８０′を形成するように位置決めされる。空気または酸素が、通路１５３を通ってフレーム１５１を流通しかつ酸素室に流入して陰極に接触し、次いで通路１５３′を通ってフレーム１５１を流通して、フレームの排出口８５から流出することが好ましい。本実施の形態においては、排出された燃料および空気が燃焼室８５に提供され、この燃焼室８５で燃料が燃焼する。燃焼室からの熱は、必要に応じて燃料電池装置アセンブリに供給されて、より効率的な動作を可能にする。
【００３１】
実施例４
上述したハニカムフレームの基本的概念に対して、種々の変更または修正を行なって、異なるスタック構造を得ることが可能である。このような変形の一つが、平板状燃料電池アレーを支持するための周期的支持構造５０′を備えたフレーム５０を含む。図６Ａに示されているように、この燃料電池装置アセンブリ１０は、一列以上の平面状燃料電池アレー１５を備えることができる。これら燃料電池アレー１５は、支持構造体５０′のみでなく外縁部において封止剤６０を用いてフレーム５０に接着されている。これら燃料電池アレー１５は、陽極４０が内部陽極室８０に面するように位置決めされている。あるいは、燃料電池アレーが曲りは制限するが撓むことは許容することが望ましい場合がある。曲りは制限するが撓むことは許容するという意味は、図６Ａに示されているように、フレーム５０および支持構造体５０′は備えるが、燃料電池アレー１５を支持構造体５０′に結合する封止剤６０は省略するということである。これが図６Ｂに示されている。
【００３２】
実施例５
上記支持構造体５０′また、ガス分配機能をも提供することが可能である。図７Ａおよび図７Ｂは、燃料流の往復分配のためにフレーム５０を用いた燃料電池装置アセンブリ１０を概略的に示す。このようなフレーム５０は、より大きい燃料の利用およびより大きい熱の一様性を得ることができる効果がある。フレーム５０はハニカム構造を有し、かつ陽極室８０内に位置する支持構造体５０′および５０″を備えている。フレームセクション５０ａのハニカム流路５２の一部は燃料取入れ口の近傍において栓５３によって塞がれており、これにより、セクション５０ａの一部５０ａ′における流路を通じて注入燃料を案内する。セクション５０ａの一部５０ａ′は、フレーム５０の一つのエッジと支持構造体５０′のエッジとの間に位置する。同様に、燃料排出端の近傍には、フレームセクション５０ｂが栓５３によって塞がれており、燃料の排出を流路５２′の一部のみに制限する。支持構造体５０′および５０″は、フレーム５０の周辺部分に関して開口部８５″を有し、これら開口部８５″は燃料ガス流を往復状態に（矢印によって示されているように）排出口７０から出るまで案内する。電極を横切る燃料ガスの波状の移動は、より長い通路を燃料に提供し、したがって、複数の燃料電池アレー１５に亘る熱的一様性をより大にするのみでなく、燃料の利用率の向上が達成される。
【００３３】
実施例６
燃料電池アレー１５の製造をフレーム５０の製造と別個にすることができることは、構成の融通性をより大きくすることができる。例えば、フレームの製造と燃料電池アレーの製造とは、二つの独立した工程でるため、フレームのキャビティに対する電極の配向を異ならせることが可能である。本発明の実施例が図８Ａおよび図８Ｂに示されている。この実施例においては、複数の燃料電池アレー１５が陰極側をフレーム５０の内側に向けてフレーム５０に接着されている。この陰極対面配置においては、ハニカムフレーム５０の複数の平行な流路５２を通じて空気が内部の陰極室８０′に供給され、一方、陽極のための燃料は、燃料電池アレー１５の陽極に面する外側の室に供給される。さらに詳しく述べると、空気は空気取入れ口９０を通じて供給され、燃料電池空気取入れ中央流路５２に入る。空気は、燃料電池空気取入れ中央流路５２の末端またはその近傍において方向転換されて、空気取入れ流路５２から、空気を陰極３０に供給する周辺流路５２に分配される。排出された空気は空気排出口８５に導かれる。
【００３４】
図８Ａおよび図８Ｂは、燃料分配室１０２を形成するハウジング１００を示す。ハウジング１００に接着されたフレーム５０および複数の燃料電池アレー１５は、燃料電池アレー１５の陽極に燃料が接触するように室１０２の内部に位置決めされている。ハウジング１００は、燃料分配器１０５に連結された少なくとも１個の、好ましくは複数の燃料ガス取入れ口１１２を有する。燃料は、ハウジング１００に開けられた１個以上の燃料ガス排出口１０７を通じて室１０２から排出される。排出された燃料および空気は燃焼室内で混合されて熱を発生し、この熱は次に燃料電池スタックによって、入ってくる空気を所定の温度に加熱するのに利用される。図８Ａおよび図８Ｂに示された燃料電池装置アセンブリ１０は、フレーム５０およびこれに取り付けられた複数の燃料電池アレー１５（すなわち燃料電池モジュール）が、このモジュールの一端のみにおいて封止剤１１５によってハウジング１００に機械的に固定されているので、優れた熱機械的耐久性を有する利点がある。これらの図に示されているように、フレーム５０およびこれに取り付けられた複数の燃料電池アレー１５が、ハウジング１００とモジュール１２との間の取入れ口側の封止剤１１５によって支持されている。
【００３５】
しかしながら、上記に代わる別の構成においては、フレーム５０およびこれに取り付けられた複数の燃料電池アレー１５が柔軟な支持体１２０（図８Ａにハッチングにより示されている）上に取り付けられていてもよい。柔軟な支持体１２０は、例えば室１０２内に位置する金属発泡体とすることができる。
【００３６】
フレーム５０およびこれに取り付けられた複数の燃料電池アレー１５が、ハウジング１００の反対側端部〈空気の方向転換部〉の近傍の固定位置では支持されていないことにより、モジュールの長手方向に亘る温度勾配による過大な歪みは最小にされるかまたは完全に回避される。第１の燃料電池アレー１５に対する第１の電気的接続線１２５は、陰極接点１３０に取り付けられたＮｉまたはＡｇ線あるいはＮｉまたはＡｇリボンのような固体導体からなるものとすることができる。陽極接点パッド１３０は、例えば銀・パラディウム合金（銀・パラディウム・サーメット）から形成される。この陽極接点パッド１３０は、相互接続線を介して第１の陰極３０に接続されている。これらの図に示されている二つの燃料電池アレー１５間の電気的接続も、第１のアレー陽極４０の部分と第２のアレー１５の陰極接点１３０とに取り付けられてフレーム５０の周辺に沿って延びる、ＮｉまたはＡｇ線あるいはＮｉまたはＡｇリボンのような固体導体とすることができる。第２の燃料電池アレー１５に対する第３の電気的接続線１４２は、第２の燃料電池アレー１５の最後の陽極４０に取り付けられたＮｉまたはＡｇ線あるいはＮｉまたはＡｇリボンのような固体導体を含む。第１および第３の電気的接続線１２５，１４２は次にハウジング１００を通り抜けて多数の装置１０および電力抽出手段との結線を可能にする。
【００３７】
実施例７
図９は燃料電池装置アセンブリ１０の別の実施例を概略的に示している。この実施例は、図８Ａおよび図８Ｂに示された実施例に類似しているが、２個の燃料電池モジュール１２（すなわち、各フレーム５０が２個の燃料電池アレー１５を備えた２組のフレーム５０）を備えている。この構成は、複数のモジュールが共通のハウジング１００を共有することができる利点を有し、良好な燃料利用率を伴ったコンパクトな構成を提供する。モジュール同士の電気的接続線１４３は、ニッケル製スクリーン、布、金網のような安価な基礎金属によって提供することが可能であり、その理由は、この相互接続手段が酸化環境ではない燃料室内に位置しているからである。ガス分配室１０２内には、必要に応じて、いかなる数の相互接続されたモジュールも配置することができる。さらに詳しく言えば、図９は２個の燃料電池モジュール１２（各モジュールが、フレーム５０の両側に接着された多セル平板状燃料電池アレー１５を備えている）が、ハウジング１００によって形成されたガス分配室１０２の内側に位置している。このハウジング１００は、燃料取入れ口１５０を通って燃料電池装置アセンブリ１０内に流入する燃料の分配を可能にする複数の透孔１１２を備えた燃料分配板１４５を内蔵している。燃料は、ハウジング１００の板１５５内の狭いスリット１８５を通じて排出され、室１０２から燃焼室１６０へ流入する。板１５５は、燃焼室１６０を燃料室１０２から隔離する。空気は取入れ口１６５を通って供給され、フレーム５０の流路５２を通って燃料電池モジュール１２に流入する。封止剤１７１は新鮮な空気が燃焼室１６０内へ侵入するのを低減する。ここには図示されていないが、空気分配経路は図８Ａおよび図８Ｂに示されているものに類似している。ハニカムの下端における方向転換により、空気がハニカムの内部の取入れ流路から周辺流路に分配されて電池に供給される。最終的に空気は排出スリット１７０を通じて排出される。排出空気は排出燃料と混合され、燃焼排出口１７５を通じて排出される燃焼生成物を提供する。
【００３８】
２個の燃料電池モジュール１２間の相互接続１４３は、図８Ａに示された電気接続１４２と同様の態様で、近傍のモジュール１２の上部の陽極４０に対して例えば柔軟なニッケルフェルトにより行なわれる。各燃料電池モジュール１２の２個の燃料電池アレー１５間の電気的接続は、図８Ａに示されたものと同様の態様で行なわれる。
【００３９】
フレームによって提供される他の効果
ハニカムフレーム５０の壁によって提供される高い幾何学的表面積は、炭化水素（ガス）燃料を水素の濃いガス流に変換するための燃料改質用触媒物質（例えば、ニッケル金属または貴金属）を分散させるために有利である。このことは、素晴らしいことに、触媒物質に対して反応ガスを例えば６．９kPa(１PSI)もの低い背圧（すなわち、取入れ口圧力と排出口圧力との間の低い圧力低下）において接触させることができる。したがって、触媒をハニカムフレーム５０の内部に機能的に組み込むことができる利点がある。例えば上述した固体燃料電池（ＳＯＦＣ）に関しては、陽極室８０から上流に位置するフレームセクション５０ａ内の流路５２は、燃料改質を行なうために触媒化が可能である。流路壁５４の触媒化は、ウォッシュコーティング（例えば、セラミック粒子の表面上に持ち込まれる貴金属触媒を伴った高表面積セラミック粒子（例えば高表面積アルミナ）の懸濁液中にフレーム５０の流路壁５４の多孔質部分を漬けることによるウォッシュコーティング）によって達成することができる。触媒による酸化を行なうために、貴金属触媒は、（例えば、フレーム５０の多孔質部分内の流路壁５４への上述したウォッシュコーティングによって）フレーム５０の排出端に堆積される。このことは、消費された燃料／オキシダント混合物を薄めて、効率的に燃焼させ、かつ熱交換効率を向上させることを可能にする。得られた熱は、例えば、入力されるガス燃料を燃料電池によって必要とされる動作温度（例えば約７００℃）に加熱して、燃料電池スタック・アセンブリをより効率的に動作させる。
【００４０】
或る場合には、効率的なウォッシュコーティングを施すにためは流路壁５４の密度が
高すぎる（十分に多孔質ではない）ことがある。この場合には、触媒は、形成工程においてフレーム先駆材料中に含ませることによって触媒を壁５４に組み込むことができる。例えば、フレーム先駆材料中にＮｉＯを添加することによってＮｉ改質触媒を含ませることができる。ＮｉＯは燃料ガスにより還元されて、流路５２の表面に分布されたＮｉ改質触媒を形成する。
【００４１】
ＮｉＯ成分は、完成されたフレームの構造的完全性の損失を回避するために、無機材料の３０体積％よりも少なくなければならない。ＮｉＯ成分は１０％以下が好ましい。上述のように、或る種の用途に対しては（複合サイクルシステムを含むがそれに限定されない）、還元の際に流路５２の表面に貴金属酸化触媒の分布を形成する貴金属をフレーム形成材料中に形成する含ませることによって、排出口８５の近傍に位置するフレームセクション５０ｂにおける流路壁５４を酸化触媒で触媒化するのが有利である。これは、燃料電池アセンブリが効率的に未反応燃料を利用して熱エネルギーを生成させるのを可能にする。
【００４２】
流路５２，５２′はまた、リード線またはセンサ（例えば熱電対）ワイヤのための絶縁導管として用いることも可能である。流路５２，５２′のうちのいくつかは、平板状燃料電池アレー上の種々の場所への現行のリード線および／またはセンサワイヤに提供される。流路は、絶縁を必要とするワイヤを含みかつ支持するための低価格の代替手段を提供する。
【００４３】
ハニカム／平板状燃料電池アレーの自己完結式の性質は、別の有利な構造でも得られる。長いハニカムフレームは容易に製造できるので、フレームの種々のセクションを種々の温度に保つことが可能である。例えば、フレーム５０の取入れ口を低い温度に保つことを欲するならば、取入れ口マニフォルドとフレーム５０との間に低温度ポリマー封止剤６０の使用を可能にする。
【００４４】
個々に説明され、かつ図１〜図９に示されているように、フレーム５０は３ＹＳＺから作成可能で、かつ例えば下記のステップに従う押出し成形法を利用することによって製造可能である。すなわち、
１．バインダとして３重量％のメチルセルロースを含む３ＹＳＺからなる押出し成形用バッチを水と混合して、押出し成形に適した粘度にする。
【００４５】
２．このバッチを、例えばピン間の間隔が０．４１ｍｍ（１６ミル）の３１セル／ｃｍ２（２００セル／平方インチ）のダイを通じてラム押出し成形を行なう。ダイの全面に四角のマスクを配置して、横４行、縦１７列の四角のアレーを備えた「２００／１６」未焼成押出し成形体を形成する。
【００４６】
３．部品を未焼成状態において８１ｃｍ（３２インチ）の辺りで切断する。この部品の中間部に、長さ３．８ｃｍ（１．５インチ）、幅１．９ｃｍ（０．７５インチ）（１１流路に相当する）の開口部を押出し成形体の半分まで切り込んで（２流路の深さ）、陽極室を形成する。
【００４７】
４．外皮における少数の傷を封止するために、外表面に３ＹＳＺスリップを塗る。３ＹＳＺスリップの組成および製法の実施例の詳細は、引例として本明細書に組み入れられる米国特許第６,６２３,８８１号明細書に記載されている。これに加えて、３ＹＳＺスリップは、底部の２行の流路に栓を施すのに用いられて排気を規制し、空気が陽極室に侵入するのを防止する。
【００４８】
５．未焼成部品を約１４５０℃で焼成する。４時間の焼成後、未焼成部品は直線的に収縮して、０．６ｃｍ×２．５４ｃｍ（１／４インチ×１インチ）の前面寸法と６１ｃｍ（２４インチ）の長さを有するものになる。０．６ｃｍ（１／４インチ）のステンレススティール製パイプからハニカム流路に取入れガスを分配するアルミニウム金属製の末端部材を、有機エポキシを用いて押出し成形チューブに封着する。
【００４９】
６．２．５４ｃｍ×５．０８ｃｍ（１インチ×２インチ）の寸法を有する厚さ２０μｍの３ＹＳＺ電解質シート上に、ＬＳＭ／ＹＳＺ陰極とＮｉ／ＹＳＺ陽極とＡｇ−Ｐｄ合金電流コレクタを備えた単一電池試験片をスクリーン印刷しかつ焼成する。経路相互接続が用いられて陽極電気リード接点が空気側に設けられる。
【００５０】
７．Ａｇ−Ｐｄ合金を用いて、試験片を３ＹＳＺ押出し成形フレームに封着する。Ａｇ−Ｐｄを用いて、電池に接触するＡｇ−Ｐｄ合金コンタクトパッドに銀製のリード線を接続した。水素を水に通して泡立てながらの７２５℃におけるテスト時に、開路電圧が１Ｖを超えることが測定され、交差漏洩電流は極小を示した。
【００５１】
本発明の精神および範囲から逸脱することなしに本発明に対して種々の変形、変更が可能なことは当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、添付の請求項およびそれらの均等物の範囲内でなされた変形、変更をカバーすることを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施の形態の概略的断面図
【図２Ａ】図１に示された燃料電池アレーを支持するための種々のフレームの一部の略略的断面図
【図２Ｂ】図１に示された燃料電池アレーを支持するための種々のフレームの一部の略略的断面図
【図２Ｃ】図１に示された燃料電池アレーを支持するための種々のフレームの一部の略略的断面図
【図３Ａ】１個のハニカムフレームおよびこれに接着された２個の燃料電池アレーの略略的断面図
【図３Ｂ】図３Ａに示されたハニカムフレームおよび燃料電池アレーの略略的平面図
【図４Ａ】内部で熱交換を行なうハニカムフレームを備えた燃料電池モジュールの概略図
【図４Ｂ】内部で熱交換を行なうハニカムフレームを備えた燃料電池モジュールの概略図
【図５Ａ】ハニカムフレームに連結された燃料電池スタックを備えた燃料電池装置アセンブリの概略図
【図５Ｂ】ハニカムフレームに連結された燃料電池スタックを備えた燃料電池装置アセンブリの概略図
【図６Ａ】付加的交差支持面を有するハニカムフレームを備えた燃料電池装置アセンブリの概略図
【図６Ｂ】付加的交差支持面を有するハニカムフレームを備えた燃料電池装置アセンブリの概略図
【図７Ａ】往復ガス流を伴うニカムフレームを備えた燃料電池装置アセンブリの概略図
【図７Ｂ】往復ガス流を伴うニカムフレームを備えた燃料電池装置アセンブリの概略図
【図８Ａ】ハニカムフレームを備えた燃料電池装置アセンブリの別の実施の形態の概略図
【図８Ｂ】ハニカムフレームを備えた燃料電池装置アセンブリの別の実施の形態の概略図
【図９】２個の燃料電池モジュールを備えた燃料電池装置アセンブリの概略図
【符号の説明】
【００５３】
１０    燃料電池装置アセンブリ
１２    燃料電池モジュール
１５    燃料電池アレー
２０    電解質シート
３０    陰極
４０    陽極
５０    フレーム
５２，５２′    流路
５４    壁
６０    封止剤
７０    ガス分配末端部材
８０    陽極室
８０′    陰極室
８５    燃焼室
８６    栓
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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