(57)【要約】  モジュールの燃料電池ベーススタック構造は、高いコンパクト性、減少した抵抗損失、を示し、容易にアセンブリを封止することを可能にする。前記構造は、複数の燃料電池の同心円状のスタックを備える。各々の燃料電池は、アノード（２１）、電解質（２２）、及び、カソード（２３）を挟んでいる両側の相互接続部（２４）を備える。各燃料電池は互いに相互接続部上に配置される。このモジュールは、燃料ガスを分配するための牽引用ハウジングで完成される。前記発明は、ＳＯＦＣ型の気体燃料セルに対して用いられる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のモジュールであって、
相互接続部（２４、３４、４４）を介して接続される管状構造の燃料電池を有し、各々の燃料電池は、アノード（２１）、電解質（２２）、カソード（２３）を備える同心円状のベーススタックからなり、
前記相互接続部によって離隔された複数の同心円状の燃料電池の同心円状のスタックからなり、前記スタック側部（３１）の各表面に開口しており放射状チャネル（３５）を備える２種類のガス供給手段を有する分配ケースで各側面を完成されることを特徴とする、モジュール。
【請求項２】
各モジュールの区域は、円筒状であることを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項３】
前記ケース（３１）の各々と前記スタックとの間には、分配ポートを除いて、シールガスケットを備えていることを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項４】
前記アノード（２１）及び前記カソード（２３）は、多孔性であることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。
【請求項５】
前記スタックのいずれかの側面において、ガスが供給される電極に対向する孔の貫通した分配プレート（３３）を備え、
前記スタックの相互接続部（３４）は、長手方向に変位してそして互い違いに形成された、入口分配チャネル及び出口分配チャネルを有することを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。
【請求項６】
前記相互接続部は、螺旋形状を有することを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。
【請求項７】
前記ケース（３１）は、ジルコニアで形成されることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。
【請求項８】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のモジュールの製造方法であって、
このモジュールは、単一のピースであり、
相互接続機能を有する中心管からのプラズマ噴射によって製造が行われ、
異なる連続した段階は、
多孔質材料のアノード（２１）及びカソード（２３）のいずれか１つを相互接続部（２４、３４、４４）上に噴射すること、
高密度電解質（２２）を噴射すること、
前記アノード（２１）及び前記カソード（２３）のもう１つを噴射すること、
相互接続部（２４）を噴射すること、
そして、これらの段階を、所望の燃料電池にスタックされるまで繰り返すこと、である、方法。
【請求項９】
単数又は複数の相互接続部（３９）は、燃料分配チャネル（３９）を長手方向に形成できるように溝付にするために、次の層を噴射する前にこれらのチャネルがブロックされることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の複数のモジュール（６０）からなる燃料電池ユニットであって、断熱されたチャンバ（６１）中に制限されて、少なくとも可燃性ガス用の入口通路及び出口通路を有する、燃料電池ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、高温で作動する固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）に関するが、他の系統の燃料電池にも適用しうる。
【０００２】
本発明は、このような燃料電池の製造方法、及び、いくつかの燃料電池のユニットを形成するための組立体にも関する。
【背景技術】
【０００３】
ＳＯＦＣ型の燃料電池は、燃料としての水素、又は、例えばメタン型の他の可燃性ガス、及び、酸素によって、５００℃及び１０００℃の間の温度で作動する。これらの電池（セル）は、例えば相互接続部又はバイポーラプレートといった連結エレメントで連結される複数の単位セルのスタックから成る。単位セルは、カソード、電解質、及び、アノードのスタックで形成される。Ｏ２−イオンに対して電解質の充分な誘電率を得るためには高温が必要である。
【０００４】
いくつかの種類の構造は、これらの燃料電池の設計を以下のように規定する。それらは、以下の通りに４つの主なタイプに分けられる。
・管状構造
・一体型（モノリシック）構造
・ストリップ構造
・平板状構造
【０００５】
図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃを参照すると、管状構造は公知である。これは、管状であり、一端で閉止されていてもよく、又はされていなくてもよい（図１Ｂ参照）。図１Ｃに示すように、いくつかのセル６は、チャンバ７内に配置され、直列及び／又は並列に接続される。図１Ａを参照すると、酸素は、図示されない内側管によって各セルの底部に注入されて、配置されている支持管５を通過するときにカソード３に沿って移動する。燃料は、主チャンバ７中のセルの外側に注入され（図１Ｃ参照）、従って、カソード上部に配置されるためそれ自体が管状をなす、電解質２の外面にあるアノード１に接触する。カソード３は、また、電解質２の外面に開かれたコネクタ４に連結される。残留ガスは、排出され、そして、流入ガスの予備加熱を許容するために、燃焼チャンバで場合により混合される。
【０００６】
前記構成において、何らかの管理を必要とするシーリングは存在していない。このセルの機械強度は、第１の燃料が通過可能でカソードの方へ拡散可能な、多孔性の支持管によって、確保される。アセンブリの機械強度を確保するためにカソードを残し、この支持管を排除することが後で考察された。
【０００７】
一旦直列に一緒に接続されると、これらのセルは、電流集電プレート間に所望の電圧を得ることを可能にする。図１Ｃにおけるセル６の接続は並列であり、そして、所望の電力を得ることが可能になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
いくつかの欠点は、この管状構造物に関係している。これらの欠点は以下のものである。
・電流ラインが長い。これは、電流がハーフチューブを介して長手方向に通らなければならないためである（図１Ｃ参照）。従って、抵抗損失が高くなる。
・管の製作が、複雑で高コストである。
・セル同士の間の損失スペースを考慮すると、容積効率が低い。
・反応物ガス中で消耗されることによる、管の長さの熱勾配は、その機械強度に非常に有害である。
【０００９】
いくつかの技術は、この管状構造物の機械強度を改良するために用いられる。これらの技術は、
・応力を減らすために管の寸法を減らすこと、
・異なる高さ（レベル）でガスを注入することによって熱勾配を低下させること、
・支持管を補強すること、
である。
【００１０】
また、電流ラインの長さの減少は、以下によって得られる。
・より高い電力を示すように、燃料電池の内部抵抗を減らすこと、
・ブリッジの存在下で作製可能になる、アノードを薄くすることによって、電極の分極損失を減少すること、
・円筒状形状を平坦化してコンパクト性を改良すること、
・そして、空気供給管を削除すること。
【００１１】
しかしながら、全てのこれらの構造は、電流ラインの長さによる貧弱なコンパクト性及び高い抵抗損失という主な欠点を部分的に解決するだけである。
【００１２】
図２を参照すると、平板状構造は、広く使用されている。スタックは、それ故平面であるが、連続してアノード１１、電解質１２及びカソード１３で構成されるスタックを挟んでいる２つのバイポーラプレート１４から成る。バイポーラプレート１４は、コネクタとして作用し、２つの燃料の交差流を組織化するために例えば垂直に配向された流路チャネルをも有する。ガスの供給及び排出は、スタックの４つの側面に配置されるケース（図示せず）によってなされる。
【００１３】
電流は層の厚さ方向に通るだけであるため、電流ラインは減少される。加えて、この構造のコンパクト性は、確かな効果を与える。一方では、シーリングの問題は、管状構造よりも大きくなり、吸気相及び排気相の間の各々のガスの通路及びそれらのガスの分離を確実にするために、セルのスタックにおける４つの側面上で管理しなければならない。これは、電極が多孔性であるという事実に起因する。また、シーリングは、４つのケースの周辺にも確実にされなければならない。
【００１４】
要約すると、平板状構造は、良好なコンパクト性及び非常に縮小した電流ラインを有するが、シーリングに関しては多くの努力を必要とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この種のいずれもの燃料電池構造に関連する上述した欠点を回避する目的で、本発明の第１の対象は、管状構造の燃料電池を有し、各々の燃料電池は、カソード、電解質、アノードを備える同心円状のベーススタックからなり、これらの燃料電池は、相互接続部を介して接続される、燃料電池モジュールである。このモジュールは、いくつかの同心円状の燃料電池からなり、各側面上の分配ケースで完成される。
【００１６】
本発明によれば、前記分配ケースは、２種類（すなわち燃料及び酸化剤）のガスを供給するための手段、及び、前記スタック側部上の表面に開口している放射チャネルを有する。
【００１７】
主要な実施の形態では、前記モジュールの区域が円筒状でなければならないと定める。
【００１８】
この実施の形態は、分配ポートを除いた、前記ケース及び前記スタック間の密封ガスケットで有利に完成される。
【００１９】
本発明による前記モジュールの特殊性は、燃料を分配できるように前記アノード及び前記カソードが多孔性であるということである。
【００２０】
前記モジュールの主要な実施の形態は、前記スタックのいずれかの側部上で、ガスが供給される前記電極に対向する孔の貫通した分配プレートの用法を提供する。前記スタックの相互接続部は、長手方向に変位してそして互い違いの、入口分配チャネル及び出口分配チャネルを有する。
【００２１】
螺旋状部材を対象に提供することが望ましい場合には、前記相互接続部が螺旋形状を有すると、有利である。
【００２２】
前記スタックが単一の要素でなければならないという目的に対しての、本発明の他の主要な対象は、ちょうど今要約されたようなモジュールの製造方法である。
【００２３】
本発明によれば、この製造は、相互接続機能を有する中心管からのプラズマ噴射によって行われ、異なる連続した段階は、以下のものである。
・多孔質材料のアノード及びカソードのいずれか１つを噴射すること、
・高密度電解質を噴射すること、
・前記アノード及びカソードのもう１つを噴射すること、
・相互接続部を噴射すること、
そして、これらの段階を、所望の燃料電池にスタックされるまで繰り返されること。
【００２４】
この方法は、長手方向の燃料分配チャネルを形成するために相互接続部が溝付きでなければならない場合、次の層を噴射する前にこれらのチャネルが遮蔽されるという事実によって、有利に完了される。
【００２５】
モジュールを得るためのこの方法において、腐食に耐えるために、ケースは、ジルコニアで提供される。
【００２６】
本発明、その異なる特徴及び実施の形態は、それぞれ例示のいくつかの図面が添付された以下の詳細な説明を読むことで、より良好に理解される。
参照によって
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図３を参照すると、本発明による単位燃料電池モジュールは、少なくとも２つの単位燃料電池の同心円状のスタックからなる。各単位燃料電池自体は、アノード２１、電解質２２、そして、カソード２３からなる。従って、この図３において、２つの相互接続部を介して接続された、３つの単位燃料電池、加えて、管状に形成された内側及び外側に２つの追加的な相互接続部２４が例示されている。
【００２８】
より具体的には、中心管は、第１の相互接続部２４からなり、電流コレクタの役割を担い、同時に、機械的支持材の役割を担う。この接続部は、燃料電池の第１の極を形成する。この中心管上には、電極（ここではアノード２１）が配置され、そして、電解質２２及び第２電極（カソード２３）が続く。この相互接続部２４は、次の単位燃料電池との接触部を提供して、これらの２つの単位燃料電池間に隙間を残さない。従って、各単位燃料電池は、同じスタックで作られる。
【００２９】
アセンブリの周縁部で、付加的な相互接続部２４が電流コレクタとして使用され、そして、燃料電池の第２の極を形成する。
【００３０】
第１の相互接続部２４によって形成される内部管の直径は、５ｍｍ及び１，０００ｍｍの間であってもよい。これにより積層された単位燃料電池の数は、２及び１００の間にあってもよい。スタックの外部寸法は、セルの数、そして、それを形成している層の厚さに依存する。管の長さは、１０ｍｍ及び１，０００ｍｍの間にあってもよい。同心の単位燃料電池は、全て同じ表層を有している訳ではなく、これにより、そして、一の燃料電池から他のものへの動作基点が異なってくる。必要であれば、異なる連続した表面間のギャップを減らすために、アセンブリ周縁部に対向して位置する燃料電池の表面を減らすように、設備が作製されうる。これは、半径が増大するにつれて管の高さを減らすことによって、又は、もはや作動しないように電極の一部の表面をマスキングすることによって、達成されうる。
【００３１】
円筒管の形状は、本願説明の一例として選択されている。しかしながら、非円筒状の、他の種類の管状区域、すなわち、正方形、四角形、又は多角形のものは、本発明の範囲内で想定されうる。
【００３２】
図４を参照すると、本発明による完全な燃料電池モジュールは、図３を参照して前述されたように、中央に配置される、構造体２０を主として備える。この構造体は、ガスの流れを確実にするための２つの分配又は再生用ケース３１によって囲まれる。右側の分配又は再生用ケース３１には、２つの穴３７がその表面に提供されるということが理解される。これらの穴は、ガス（すなわち水素及び空気形態の酸素）を入れるために使われる。環状チャネル３６及び放射状チャネル３５によって、これらのガスの両方とも、ベース構造体２０のいずれかの側面に配置される分配プレート３３に形成される大きい一連の穴に向かって輸送されうる。この構造体が、基本的な燃料電池のいくつかの単位燃料電池のスタックを形成する、全体的に３０で参照される多くの層からなっているため、分配プレート３３の穴は、これらの燃料電池におけるそれぞれの多孔性カソード及びアノードに、ガスが供給されるエレメントに対向して位置している。様々なガスが収集されうる同一の環状チャネル３６及び放射状チャネル３５が左側の分配又は再生用ケース３１中に配置されており、これにより電流の生成がもたらされる。第２の分配ケース３１に位置する少なくとも一つの放出穴３８で、これらの残留ガスは、モジュールから放出されうる。これらの分配プレート３３は、ケース３１及び構造物２０との封止を提供するために使用されるため、ガスケットとして作用する。
【００３３】
この図４は断面図であるので、相互接続部の可能な構造が示されうる。実際、長手方向の分配チャネル３９は、分配プレート３３のそれぞれの穴に対向して配置される。同じ相互接続部において、これらの長手方向分配チャネル３９は、両方の分配プレート３３に交互に埋設される。このように、電極が多孔性であるので、２本の傾斜した矢印で例示される方法で、導入された気体燃料は、これらの電極の各々を形成している材料内で拡散しうる。
【００３４】
この図４において例示されるものとは異なった他の構成において、プレート３３にガスを供給するための単一の穴が各電極に対して提供されなければならないことも考察されうる。
【００３５】
このように例示されるものの場合には、ガスの流れは主に軸方向で生じ、これは、相互接続部において提供される長手方向の分配チャネル３９によって容易になされる。しかしながら、これらの相互接続部の螺旋形状は、電極中のガスの全体の流れに対して僅かに螺旋状の部材を付与するために、考慮されうる。
【００３６】
図４の場合、これらのガスの流れは、平行に、そして、同じ向きに生じる。これにより、残留ガスは、同時に同じ場所で単一の復帰（リカバリ）ケース３１中に放出されうる。しかしながら、残留ガスが各々の２つの分配ケース３１において個々に復帰される対向流（すなわち両方のガスの交差流）も、もちろん考えられる。
【００３７】
この種の構造は、２つの主な利点を有する。すなわち、抵抗損失に対する著しい増大及びシールの容易性、である。実際、電流ラインが放射状であるので、図２において例示される平板状構造と同様の方法で、電流はそれらの層を厚さ方向に通過する。これにより、図１Ａ、図１Ｂ、そして、図１Ｃにおいて、記述される管状構造のような半円周状の移動が避けられる。これにより、スタック中における抵抗損失の著しい減少が、成し遂げられる。更に、シーリングの問題は、分配プレート３３に対向する、分配ケース３１の両方の内面へと戻される。
【００３８】
図５は、やや簡略化した方法で、分配ケース３１の内面を示す。実際、図４における放射状チャネル３５及び環状チャネル３６は、図５でも再度見出される。この種の分配ケースは、膨張率が燃料電池の他の部材のものと近い材料で提供されなければならない。更に、このケースは、耐食性でなければならない。この種の分配ケース３１の例示的な実施の形態は、ジルコニア・ブロックを機械加工して、可能であれば絶縁性及び耐食性材料で被覆することから成る。
【００３９】
標準的な材料の使用は、金属で、すなわち、ニッケルを主成分としてタイプの合金で相互接続部を作製することによって、提供される。多孔質アノードは、セラミック金属、いわゆる「サーメット」である（典型的には、イットリウム化されたジルコニア＋ニッケル）。イットリウム化されたジルコニアが電解質を形成するために使用されうるが、ストロンチウムをドープされたランタン亜マンガン酸塩がカソードを製造するために用いられうる。これは単に例示的な実施の形態であり、他の材料も使用されうる。
【００４０】
図３にて図示したように、スタックを作製するために考察された方法は、単一ピースのモジュールを得るために連続して層を作製することから成る。
【００４１】
この方法は、プラズマ噴射を使用する。相互接続部材料の中心管は、支持材として使われる。図４にて図示したように、この中心管は、必要であればその外面に、そして、長手方向分配チャネルを作成するために溝付であってもよい。この場合、これらのチャネルは、以下の層を噴射するためにブロックされなければならない。設備は、それから、異なる層を連続して噴射させるように、作製されている。第１層は、多孔質材料でアノード又はカソードを形成しているものである。この層の厚さは、１０μｍ及び１，０００μｍの間にある。シール及び可燃性ガスの供給を単純化するために、端部領域の密度を高めることは、関心がありうる。これは、噴射パラメータを調整することによってなされうる。
【００４２】
次に、高密度材料の電解質層が、噴射される。この層の厚さは、１０μｍ及び５００μｍの間にある。この層は、もちろんガスを通さないものでなければならない。
【００４３】
多孔質材料のカソード又はアノード層は、そして、第一電極に対して同一の状況の下で堆積する。
【００４４】
最終的に、相互接続部は、噴射によって常時堆積される。この相互接続部がチャネル（例えば長手方向分配チャネル）を含まなければならない場合、マスクは前の層に堆積される。チャネルは、これにより、相互接続部の内側に形成される。充分な厚さを有して連続した密度の高い層が得られるまで、噴射は継続される。マスクは、相互接続部の外側上にチャネルを作るために、再び堆積される。
【００４５】
これらの４つの操作は、所望の層数に達するまで、所定の回数で繰り返される。
【００４６】
このことにより得られたスタックは、それらの厚さに関係なく、全ての単位燃料電池の機械的支持を提供する、単一のピースである。
【００４７】
図６を参照すると、燃料電池のいくつかの単位モジュール６０は、これらのモジュールを動作温度に保つために、断熱されたチャンバ６１中に組み立てられる。このチャンバ６１は、単独で放出されるか又は混合される残留ガスの、入口及び出口に対して、ガスを通すための通路を備えていなければならない。
【００４８】
これらのガスが使用前に予熱されるように、充分な長さのパイプによって、これらのガスがモジュール内に導入されるように、提供される。モジュールから出る残留ガスは、混合されて、チャンバ６１内で燃焼されるか、又は、パイプによってチャンバ外側に誘導されうる。一例において、複数の残留ガスは別々の出口で回収されるが、ガスを流入するための入口パイプは、ガスが内部で予熱されるように、燃料電池の中心で交差している。
【００４９】
モジュールの内面が燃料電池の一方の極であり、外面が他方の極であるという知識に基づいて、これらのモジュール間に電気的接続が提供される。
【００５０】
この種のアセンブリの動作温度は、７５０℃であってもよい。従って、所望の電圧及び電力を得るために、いくつかのモジュールのアセンブリからなる、完成した燃料電池を得ることは可能である。この全体物は、既存の解決法と比較して著しく損失を減少した体積中に閉じ込められる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１Ａ】従来技術による燃料電池に対する第１種のベース構造である。
【図１Ｂ】従来技術による燃料電池に対する第１種のベース構造である。
【図１Ｃ】従来技術による燃料電池に対する第１種のベース構造である。
【図２】従来技術による燃料電池の第２種のベース構造である。
【図３】底面視及び上面視における、本発明による燃料電池モジュールのベース構造の原理を示す。
【図４】分解された底面視及び上面視における、本発明による第１実施の形態の燃料電池モジュールである。
【図５】底面視及び上面視における、本発明の第１実施の形態におけるケースである。
【図６】概略断面図における、本発明によるモジュールを用いた燃料電池装置である。
【符号の説明】
【００５２】
２０  構造体
２１  アノード
２２  電解質
２３  カソード
２４  相互接続部
３１  ケース
３３  分配プレート
３５  放射状チャネル
３６  環状チャネル
３７  穴
６０  単位モジュール
６１  チャンバ
【図１Ａ】
2008519392.tif 000003
【図１Ｂ】
2008519392.tif 000004
【図１Ｃ】
2008519392.tif 000005
【図２】
2008519392.tif 000006
【図３】
2008519392.tif 000007
【図４】
2008519392.tif 000008
【図５】
2008519392.tif 000009
【図６】
2008519392.tif 000010
【国際調査報告】
2008519392.tif 000011
2008519392.tif 000012
2008519392.tif 000013
2008519392.tif 000014
2008519392.tif 000015
2008519392.tif 000016