(57)【要約】【課題】高温にて酸化耐性があり、電気抵抗が低く、安価であり、軽量であり、熱膨張応力に適合し、かつ強力な電気接触を提供するのに十分にフレキシブルな相互接続構成部材を提供する。【解決手段】アノード支持形管状燃料電池スタックは、相互接続構造を含み、高温にて酸化耐性があり、熱膨張応力に適合するべくフレキシブルで、強い電気接触を提供し、電気的抵抗が低く、安価で軽量である。相互接続構造は、金属板から形成されることがあり、金属の高い熱伝導性のため、燃料電池スタック全体に改善された熱均一性を提供する。相互接続構造は更に、管状電池間で動作可能となるように弾性或いはバネのようなな機能を提供する形状に作られる。従って、良好な電気接触、熱応力の解放及び衝撃吸収が、同時に達成される。【選択図】図２
2008509532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックであって、
各々が、アノード及びカソード、及び前記アノード及び前記カソードの各々と電気的接続をするための接触面を有する、複数の管状燃料電池と、
金属板から形成される、１つ以上の前記燃料電池の前記接触面と接触する相互接続構造とを含むことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記各管状燃料電池が、導電性の支持管を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記各管状燃料電池が、０．２５インチ乃至１インチの外径を有していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記各管状燃料電池が、０．２５インチ乃至０．７５インチの外径を有していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記各管状燃料電池が、０．１ｍｍ乃至３ｍｍの肉厚を有していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記各管状燃料電池が、０．５ｍｍ乃至２ｍｍの肉厚を有していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
電解質層の厚さが、１乃至５０ミクロンであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
電解質層の厚さが、５乃至３０ミクロンであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
外側電極層の厚さが、１０乃至７０ミクロンであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
外側電極層の厚さが、２０乃至５０ミクロンであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記管状燃料電池は、アノード支持形固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１２】
前記アノードの厚さが、２０乃至１００ミクロンであることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記アノードの厚さが、３０乃至７５ミクロンであることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１４】
前記相互接続構造は、孔が開けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１５】
前記相互接続構造は、１平方インチ当たり１乃至１０００個の複数の孔が開けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１６】
前記相互接続構造は、１平方インチ当たり１０乃至１００個の複数の孔が開けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１７】
前記相互接続構造は、１平方インチ当たり２０乃至５０個の複数の孔が開けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１８】
前記相互接続構造は、前記管状燃料電池の湾曲した外側形状に適合するように形成された湾曲部を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１９】
前記湾曲部は、孔が開けられていることを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池スタック。
【請求項２０】
前記湾曲部の孔は、前記金属板を完全に切断しないように前記金属板をカットすることによって作成され、前記孔を作成するために切出された材料は、前記管状燃料電池の前記接触面の１つと接触するように適合されたフィンガ形状に折り曲げられることを特徴とする請求項１９に記載の燃料電池スタック。
【請求項２１】
前記相互接続構造は、平面部を更に含むことを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池スタック。
【請求項２２】
前記湾曲部及び前記平面部は、１枚の金属板から形成されることを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池スタック。
【請求項２３】
前記湾曲部は、溶接及びろう付けからなる群から選択されるプロセスによって平面部に取り付けられることを特徴とする請求項２１に記載の燃料電池スタック。
【請求項２４】
前記平面部は、孔が開けられていることを特徴とする請求項２１に記載の燃料電池スタック。
【請求項２５】
前記湾曲部は、複数のフィンガを含むことを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池スタック。
【請求項２６】
前記平面部は、前記金属板を”Ｕ”形状に折ることによって形成される折り曲げ部の一部であり、前記平面部が前記”Ｕ”形状の底部となることを特徴とする請求項２１に記載の燃料電池スタック。
【請求項２７】
前記”Ｕ”形状の突起部は、前記金属板の壁を非平行に対向させることによって形成されることを特徴とする請求項２６に記載の燃料電池スタック。
【請求項２８】
前記”Ｕ”形状の前記対向する壁は、内側に傾斜していることを特徴とする請求項２７に記載の燃料電池スタック。
【請求項２９】
更に固体導電プレートを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３０】
前記相互接続構造は、１つ以上の指定位置にて、前記管状燃料電池の１つ以上の前記接触面と接触し、指定位置の間にある部分は、弾性を提供するために所定の形状に折り曲げられることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３１】
前記相互接続構造は、長方形の断面をもつ管状構造を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３２】
前記管状構造は、金属板を４つの面をもつように折ることによって形成されることを特徴とする請求項３１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３３】
前記管状構造は、金属板を５つの面をもつように折ることによって形成されることを特徴とする請求項３１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３４】
前記管状構造は、金属板を６つの面をもつように折ることによって形成されることを特徴とする請求項３１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３５】
前記相互接続構造は、４点星形断面及び湾曲面を備える管状構造を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３６】
前記管状構造は、金属板を４つの面をもつように折ることによって形成されることを特徴とする請求項３５に記載の燃料電池スタック。
【請求項３７】
前記金属板の厚さは、１０乃至５０００ミクロンであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３８】
前記金属板の厚さは、２０乃至１０００ミクロンであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３９】
前記金属板の厚さは、５０乃至２５０ミクロンであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項４０】
前記金属板は、耐高温酸化合金製であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項４１】
前記金属板は、インコネル、ハステロイ、ヘインズ及びステンレス鋼からなる群から選択される耐高温酸化合金製であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項４２】
前記折り曲げ部は、前記相互接続構造に複数提供され、前記折り曲げ部を１つ以上の燃料電池と接触させることを特徴とする請求項２６に記載の燃料電池スタック。
【請求項４３】
前記アノードは、前記導電性の支持管の表面に形成されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４４】
前記電解質層は、前記アノード表面に形成され、前記管状燃料電池の長さ方向に沿って延在するストライプ形状をしたアノードの一部を除いて、実質的にアノードを覆うことを特徴とする請求項４３に記載の燃料電池スタック。
【請求項４５】
前記カソードは、前記電解質層の表面に形成され、実質的に前記電解質層の表面全体を覆うことを特徴とする請求項４４に記載の燃料電池スタック。
【請求項４６】
導電材料が、前記ストライプに沿って前記アノードの上に供給され、前記接触面の１つを提供することを特徴とする請求項４４に記載の燃料電池スタック。
【請求項４７】
前記管状燃料電池は、整合された列に配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項４８】
前記管状燃料電池は、複数の列に配置され、近接する列は、所定の距離でオフセットされることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質の電気化学的な電池に関するものである。更に詳しくは、本発明は、アノード支持形の管状の電気化学的な電池及び様々な用途で要求される様々な電圧及び電流を提供するべく、そのような電気化学的な電池を様々な配置で電気的接続するための方法に関している。
【０００２】
相互参照のための関連出願
【０００３】
本出願は、２００３年８月６日付け出願の米国特許出願第６０／４９３，３７９号の表題「管状固体酸化物形燃料電池」の優先権を主張する。
【背景技術】
【０００４】
燃料電池は電気化学的な装置であり、化学燃料を燃焼することなく直接電気に変換する。燃料電池は、通常２つの電極の間に挟まれた電解質膜を含んでいる。２つの電極とは、大気源（空気電極）と接触するカソード及び化学燃料（燃料極）と接触するアノードである。様々な種類の周知の燃料電池の中で、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）は、非常に効率的であり、従って固定発電及び輸送用途に適している。また、ＳＯＦＣは、ほとんど汚染物質を排出しない。
【０００５】
燃料電池は、電解質層或いは電極の１つのいずれかから機械的支持を得るような構造であって良い。電解質支持形燃料電池では、電解質層（例えば、安定化ジルコニア）が、高温にて酸素イオンに対する透過性の膜として機能し、燃料電池のための機械的支持を提供する。そのような電解質層は、通常１００μｍ或いはそれ以上の厚さが必要である。燃料極及び空気電極は、電解質層の２つの側面に薄膜として蒸着される。電解質支持形燃料電池の１つの不利な点は、厚い電解質層のオーム抵抗が大きいため、低出力なことである。オーム抵抗を減少させるため、電解質支持形電池は、通常極めて高温（９００℃以上）で動作させる。
【０００６】
それに比較して、電極支持形電池は、低い動作温度であっても有意な高出力を行う。電極支持形電池では、厚い電極が機械的支持を提供し、電解質層は２０μｍ以下の薄さで提供されることがある。アノード支持形電池は、８００℃にて１Ｗ／ｃｍ２より大きい出力密度を達成し得るので、電解質支持形電池が達成する凡そ０．３Ｗ／ｃｍ２の通常の出力密度を有意に上回る。カソード支持形燃料電池は、通常アノード支持形燃料電池より出力密度は低く、カソード及び電解質材料の間で副作用を生じることがある。カソードは、ドープランタンマンガナイトから作られることがあり、ニッケル及び安定化ジルコニアのセラミック金属複合材から作られることがあるアノードより、機械的に弱く、かつ高価である。
【０００７】
何故なら、１つの電池が提供できるのは、各々わずか１ボルト以下の電圧であり、使用可能な電圧及び電流レベルを生成するべく、通常多くの電池が直列及び並列に接続される。一般にＳＯＦＣは、所要の電圧及び電流を供給するべく様々な配置（スタック）で構成される。存在している配置の中で、主に関心がもたれている構造は、平面及び管状である。様々な配置の詳細な説明は、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｓｏｃｉｅｔｙ、ｖｏｌ．７６（１９９３年）の、５６３ページ以降のＭｉｎｈによる「Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ」で見られるであろう。
【０００８】
図１は、従来技術の平面固体酸化物形燃料電池１００を図式的に示している。図１に示されているように、平面固体酸化物形燃料電池１００は、アノード１０２（燃料極）、カソード１０４（空気電極）及びその２つの電極の間に提供された固体電解質層を含んでいる。電解質支持形電池では、電解質層は８０乃至数百ミクロンの厚さであって良く、それに対して、２つの電極は通常４０ミクロンより薄い厚さである。電極支持形電池では、機械的支持を提供する電極が最も厚い構成部材であり、それに対して、電解質層及びその他の電極は、実質的にそれより薄くされ得る。アノード支持形配置は、一般に望ましい配置である。何故なら、サーメット（ニッケル及びイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のセラミック金属複合材）が、丈夫な機械的信頼性及び高い電気化学的性能をもたらすからである。各平面燃料電池は、通常は、生成された電気を伝達する２つの相互接続プレートの間に挟まれている。
【０００９】
燃料電池が各々平面燃料電池１００の構造を有し、複数のその燃料電池が、高電気容量を提供するべく積み重ねられることがある。導電性バイポーラ相互接続プレート１０８は、近接する電池と直列に接続する。プレートの一方の側面で１つの電池のカソードと物理的に接触し、反対側の側面で別の電池のアノードと物理的に接触する。また、プレートは、空気及び燃料流の両者のためのガス流路も提供する。相互接続プレート１０８は、電池で生成された電流が電池間を流れるようにし、収集されることを可能にする。これら相互接続プレートはマニホールドを形成し、それを介して空気及び燃料が各電極に供給されることがある。燃料及び空気間の不要な混合及び反応を避けるため、相互接続プレートは平面電池の辺縁にて密封される。
【００１０】
相互接続プレートは、通常はランタンクロマイト、即ち耐高温酸化性合金のようなセラミックを使用して作られる。セラミックプレートは、通常は高価で、脆く、機械加工が難しい。しかしながら、金属相互接続プレートは、高温にて金属酸化するため導電性を損なう。高性能アノード支持形電池を使用することによって、金属相互接続構造は、５００℃乃至８００℃の温度において動作を支持し得る（即ち、セラミックプレートを使用する通常のＳＯＦＣの１０００℃より温度が低くなる）。
【００１１】
平面燃料電池の金属相互接続プレートは、低膨張のセラミック及び高膨張の合金間の不整合及び、空気及び燃料環境における合金の酸化及び腐食によって生じる高い機械的応力を受ける。平面セラミックプレートは、通常１ｍｍより薄く、それに対してアスペクト比は１００より大きいので、容易に破砕しやすい。平面燃料電池スタックにおいて、広範な領域の密閉及び効果的な密閉の欠如は、主要な技術課題である。平面燃料電池は、高温密閉を必要とし、脆いセラミック燃料電池及び相互接続構成部材間の不整合な熱膨張係数がもたらす高い機械的応力に耐えなければならない。熱サイクル中のセラミック燃料電池構成部材及び金属相互接続間の熱膨張の差は、破砕及び密閉漏れの一因にもなる。
【００１２】
管状燃料電池は、同程度の寸法の平面燃料電池より機械的に強く、一方の端部で管の外周周囲を密閉するだけで良い。これは管のもう一方の端部が閉じられていることがあり、管の長さ方向に沿って湾曲した表面が、管自身を密閉する機能を果たしているからである。カソード支持形管状燃料電池は製作費が高い。何故ならカソード材料が高価であり、最大で４０μｍの厚さの電解質層を提供するには複雑な製造技術（例えば、化学蒸着）が必要だからである。
【００１３】
図２は、従来技術のカソード支持形管状ＳＯＦＣの側面図及び断面図を示している。図２に示されているように、カソード又は空気電極２０２は、ランタンマンガナイトのようなセラミック材料から内側管として形成されることがある。図２において、カソード２０２は、絶縁材料から形成されることがある多孔質の支持管の上に形成される。カソード２０２は、カソードの長さ方向に沿った細いストライプとして図２に示されている相互接続構造２０８の下部領域を除き、その湾曲した表面のほとんどを固体電解質（層２０４）でコーティングされることが図示されている。電解質層２０２は、アノード又は燃料極２０６のための材料でコーティングされる。動作中、空気は管の一方の端部から内側管に注入され、それに対して、燃料ガスは管の外側を流れる。燃料電池の管のもう一方の端部が閉じられていれば、注入された空気は、アノード及び支持管の間の環状空間において開口端に還流する。電流経路が長いため、カソード支持形管状燃料電池は低出力を提供し、１０００℃でも０．３Ｗ／ｃｍ２より小さい出力である。
【００１４】
この詳細な説明において、用語「空気」は、様々な酸素含有ガスという意味で用いられている。
【００１５】
相互接続構造２０８は、高密度な導電性材料（例えば、ドープランタンクロマイト）であり、カソード２０２の、電解質層２０４によって覆われていない部分に蒸着される。相互接続構造２０８の高密度材料は、燃料区画から空気を分離し、カソード２０２から電流を取り出すための接点を提供し、空気及び燃料環境の両者において安定的であることが要求される。
【００１６】
アノード２０６は、通常はスラリーディッピングによって、電解質層の外側表面に形成される。図３は、直列及び並列配置で電気的に相互接続された複数の管状ＳＯＦＣ（例えば、図２の管状燃料電池２００）を有する従来技術の燃料電池スタックの一部を示している。図３に示されているように、ニッケルフェルト、通常はニッケル繊維が、近接する管の間に挿入され、相互接続としての機能を果たす。フレキシブルなフェルトは、真直度及び表面平面度が不完全であり得る管の、管間の電気接触を強化し、管のスタックにおいて発生し得る応力を解放する。ニッケルフェルトは高価な材料である。
【００１７】
図２に示されているような、細いストライプの上に提供されたニッケルフェルトの他に、管への電気的接続は多くの変化に富んでいる。Ｔｏｍｌｉｎｓ他による米国特許第６,４１６,８９７号は、多孔質の中空の金属導体を形成するように巻かれたニッケルメッシュを使用することを開示している。Ｄｒａｐｅｒ他による米国特許第６,３７９,８３１号は、クラウン部及びショルダ部を形成するように波形が付けられた膨張ニッケルメッシュを使用し、それを燃料電池管の層全体にわたって配置することを開示している。そのような構造は、同一列の２つの近接する管間を並列接続するために、個別に接触させる必要性を排除する可能性がある。Ｄｉ  Ｃｒｏｃｅ他による米国特許第５,２５８,２４０号は、厚く、平らな裏板の、多孔質の金属繊維フェルトの帯状のコネクタを使用することを開示しており、接触する燃料電池の表面に適合する金属繊維フェルトのクラウン部を有している。これら多孔質のフェルトのコネクタは、燃料電池の軸線方向全長にわたって延在する多孔質の箔として使用され得る。
【００１８】
カソード支持形管状燃料電池は、一般にカソードに電解質層を蒸着するための高価な真空製造技術を必要とする。安価なスラリー塗装技術は、高温焼結中にカソード及び電解質層の間で不要な反応を生じるため使用できない。更に、カソード支持形管状構造は、カソード管外周に沿った長い電流経路により、高いオーム抵抗損を生じる。図３で見られるように、管全周を流れる電流は、相互接続構造２０８にて収集される。それ故に、電流経路は最長で管外周の凡そ半分であり、平面燃料電池のミクロン単位の長さとは対照的に、センチメートル単位の長さであり得る。結果として、カソード支持形管状燃料電池は、平面燃料電池よりはるかに低い出力密度となる（例えば、通常の出力密度は１０００℃にて３００ｍＷ／ｃｍ２であるが、それに対して、平面アノード支持形電池は、数１００℃低い温度にて１０００ｍＷ／ｃｍ２より高い出力密度であり得る）。
【００１９】
アノード支持形管状燃料電池は、アノード及び電解質材料の間で不要な反応が生じないため、従来のセラミック処理技術を用いて製作されることがある。米国特許第６,４３６,５６５号及び米国特許出願第２００２００２８３６７号は、セラミック押し出し或いは同様の技術を用いた管状燃料電池の製造について開示している。アノード支持形燃料電池は高出力密度でもあり、同程度のカソード支持形燃料電池よりも低い動作温度にて動作する。アノード支持形管状ＳＯＦＣは、Ｉｓｅｎｂｅｒｇによる米国特許第４,４９０,４４４号で提案されている。
【００２０】
アノード支持形燃料電池に共通して、電気的接続は非常に難しい。アノード支持形構造において、電気的コネクタは、高温での空気流中における酸化耐性及び、低温及び高温を介する熱サイクルで管状電池と良好な電気的接触を維持するようなフレキシブルさの両者を有していることが求められる。ニッケル金属フェルトは、カソード支持形燃料電池の電気的コネクタとして使用されるが、アノード支持形燃料電池には使用されない。何故ならニッケルは空気中で酸化し、低導電性ニッケル酸化物を形成するからである。上述の米国特許第４,４９０,４４４号は、高温酸化問題を排除するため、アノード支持形燃料電池にインジウム酸化物繊維を使用することを提案している。しかしながらインジウム酸化物は高価な材料であり、フレキシブルなインジウム酸化物繊維又はフェルトを製作するための信頼性のある技術がまだ実証されていない。Ｓｏｎｇ他による米国特許第６,４３６,５６５号は、アノード支持形電池を並列接続するための電気的コネクタとして、ドープランタンマンガナイトのペーストを使用することを開示している。この構造は、ニッケルメッシュの酸化問題を回避するが、セラミックランタンマンガナイトのフレキシブルさの欠如に伴う機械的問題が発生する。この構造は、全ての管の間で並列に電気的接続させるものでもあり、それ故に極めて低い電圧であっても極めて多くの電流が生成されるが、制限された電流のみシステムから取り出され得る。そのような構造は、高出力機器（例えば、数キロワット）に対する拡張性がない。
【００２１】
Ｋｅｎｄａｌｌによる米国特許第５,８２７,６２０号は、管状電池周囲に巻き付ける電気的コネクタとして、管状電池間に金属ワイヤを使用することを開示している。（Ｔｏｍｓｅｔｔ他によるＰＣＴ特許公開ＷＯ０２０９９９１７号も参照されたい。）この構造は、ワイヤに沿って電流経路が長くなるため非効率であり、制限された電流のみ過度の抵抗損失なく提供され得る。更に、管が直列に接続されている場合、１つの燃料電池の故障は、スタック全体の故障の原因となることがある。
【００２２】
それ故に、アノード支持形管状構造燃料電池は、出力密度、機械的強度及び構造強度において高性能である可能性がある。しかしながら相互接続構造は、信頼性があって、高出力な燃料電池スタックを作り出すことに依然として限界がある。高温にて酸化耐性があり、電気抵抗が低く、安価であり、軽量であり、熱膨張応力に適合し、かつ強力な電気接触を提供するのに十分にフレキシブルな相互接続構成部材が求められている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の一実施態様に基づく、アノード支持形管状燃料電池スタックは、高温にて酸化耐性があり、熱膨張応力に適合し、かつ強力な電気接触を提供するのに十分にフレキシブルで、電気抵抗が低く、安価で、軽量な相互接続構成部材を有して提供されている。
【００２４】
本発明の金属相互接続構成部材は、例えば、孔が開けられた、高温酸化に対して耐性がある金属板から形成されることがある。金属相互接続構成部材は、金属板を折り重ねる、スタンピングする或いは折り曲げることによって得られる様々な形状の内の１つであって良い。金属の高い導電性により、金属相互接続構成部材は、燃料電池スタック全体の熱均一性を改善する。金属相互接続構成部材は、金属板から形成され、管状電池の表面に適合するようなフレキシブルな接触面を有して良く、管状電池間を並列及び直列に電気的接続するべく使用されることがある。フレキシブルな接触面は、良好な電気的接触を提供し、熱応力を解放し、その一方で、電池スタックの振動及び衝撃に対する耐性を増加させる。金属相互接続構成部材は、管状電池の外側湾曲表面に適合するような湾曲部があって良い。湾曲表面は、管状電池を所定の位置に保持し、燃料電池の電極との接触領域を最大限にするので、スタックの電気的抵抗損失を低減させる。
【００２５】
また、本発明は、触媒の存在下で間接的に内部で燃料改質を行い、燃料改質及び電気化学的酸化の間で良好な熱交換を伴う管状燃料電池を提供する。本発明は、以下の詳細な説明及び添付図面を参照することによって、より明確に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明は、従来技術の平面燃料電池よりも、高出力密度で、機械的強度の強いアノード支持形管状燃料電池を提供する。本発明は更に、アノード支持形燃料電池を相互接続させるための、フレキシブルで、軽量で、経済的な、電気的に相互接続させる構成部材を提供する。
【００２７】
図４は、本発明の一実施態様に基づくアノード支持形ＳＯＦＣ４００を示している。図４に示されているように、ＳＯＦＣ４００は多孔質の支持管４０２を含んでおり、支持管の厚さは０．１乃至４ｍｍ（更に好ましくは、厚さ０．５乃至２ｍｍ）及び直径は１／４インチ乃至１インチ（好ましくは１／４乃至３／４インチ）であり得る。直径が小さいほど電流経路が短くなるので、オーム抵抗損失を低減させる。支持管４０２は、様々な材料から作られることがあり、アルミナ、ドープジルコニア、ドープランタンクロマイトが含まれる。管外周に沿った電気伝導によって生じるオーム抵抗損失を最低限にするため、管の材料は、好ましくは導電性材料（例えば、アルミナ複合材料、ニッケルのような導電金属相を備えたドープジルコニア或いはインコネル６００のような高温合金）である。導電性材料は、別の導電セラミック、例えば、酸化セラミック、炭化セラミック或いは窒化セラミックであっても良い。
【００２８】
例えばニッケル複合材料及びイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のような活性多孔質からなるアノード層４０４は、支持管４０２の外側表面全体に、アノード層が２０乃至１００ミクロン（更に好ましくは、２０乃至７５ミクロン）の厚さに蒸着される。次に、薄膜電解質４０６が、活性アノード層４０４の大部分を覆うように、１乃至５０ミクロン（更に好ましくは、５乃至３０ミクロン）の厚さでコーティングされ、狭い幅のアノード層４０４を管の長さ方向に沿って露出したままにし、アノードに対する電気接触領域として提供する。電解質膜４０６は、様々な周知の電解質材料或いは電解質材料の組合せであって良く、イットリア安定化ジルコニア或いはドープセリア等が含まれる。カソード又は空気電極４０８は、電解質層の大部分を１０乃至１００ミクロン（更に好ましくは、２０乃至５０ミクロン）の厚さでコーティングし、露出したアノード接触領域だけは覆われないままにしておく。高密度な導電性材料の細いストライプ４１０が、露出したアノード接触領域を覆うように、５乃至１００ミクロン（更に好ましくは、１０乃至５０ミクロン）の厚さで提供される。高密度な導電性材料の細いストライプ４１０のための適切な材料は、ドープランタンクロマイト或いは、更に一般に、（Ｌａ，Ｓｒ，Ｃａ）（Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３の組成を有するペロブスカイトであり得る。最大限の発電をさせるため、電極４０４及び４０８、及び電解質膜４０６は、一般に支持管４０２の略全長にわたって延在する。
【００２９】
本発明は更に、容易に製作できる低コストの金属板相互接続を備えるアノード支持形管状燃料電池スタックを提供する。金属板相互接続は、高温にて酸化耐性があり、強力な電気接触を提供するための熱膨張応力に適合するようにフレキシブルであり、電気抵抗が低く、安価で軽量である。金属板相互接続は、弾性（或いは”バネのような”性質）を提供するように形成され、管状電池間で良好な電気接触を可能にするのと同時に熱応力を解放し、電池スタックの衝撃或いは振動耐性を改善する。弾性による電気接触は様々な形状をとることができ、折り曲げられた帯状の金属板、折り重ねられた金属板及び湾曲した金属板等が含まれる。
【００３０】
図５は、本発明の一実施態様に基づく、２つの管状燃料電池５０４及び５０６を接続している折られた金属板からなる相互接続構成部材５０２の断面図を示している。相互接続構成部材５０２は、耐高温酸化性合金の薄板から形成されることがある。図５に示されているように、相互接続構成部材５０２は、管状電池５０４の相互接続ストライプ４１０及び管状電池５０６の外側表面を物理的に接触し、それによって、管状電池５０４のアノード及び近接する管状電池５０６のカソード４０８間の電気的接続を形成する。従って、管状燃料電池５０４及び５０６は、管状電池の長さ方向にわたって直列に接続される。図５に示されているように、その薄板は正方形の断面を有する細長い棒状物を形成するように加工されて良い。
【００３１】
図６ａ、ｂ及びｃの各々は、金属板相互接続構成部材６０１、６０２及び６０３を示しており、それぞれ金属板を折ることによって形成され、本発明の実施態様に基づく図５の相互接続構成部材５０２として使用されて良い。相互接続構成部材６０１、６０２及び６０３は、各々金属板を、正方形又は長方形の断面を有する中空の棒状物となるように折ることによって形成されることがある。図６ａの相互接続構成部材６０１は、４つの面をもつように金属板を折ることによって形成されることがあり、図６ｂの相互接続構成部材６０２は、５つ以上の面をもつように金属板を折ることによって形成されることがあり、１つ以上の面を正方形又は長方形断面の対角面に沿って重ね合わせ、連結機構との良好な電気接触を提供する。更に、図６ｃの相互接続構成部材６０３に示されているように、相互接続構成部材の側面は湾曲していることがあり、管状電池の湾曲した表面に適合させることによって、より広い電気接触領域を得る。更に、相互接続構成部材６０３の、管状電池と接触しない湾曲側面は、電池との接触を達成するような弾性或いはバネのような効果を提供すると同時に、衝撃吸収物としても機能する。相互接続構成部材６０３のバネ作用は、主にセラミック管に過度の機械的応力を生成することなく、良好な電気接触を提供する。
【００３２】
相互接続構成部材６０１、６０２及び６０３の各々は、金属板から形成されることがあり、良好なガス交換を提供するため、好ましくは孔が開けられ、孔が一定の距離をおいて互いに離隔して配置されている。孔は燃料電池スタック全体のガス供給において高い均一性を保証する。シートの１平方インチ当たりの孔の数は、実質的に１乃至１０００個の間で変化し、好ましくは２乃至１００個（更に好ましくは、５乃至５０個）である。孔は様々な形状であって良く、円形、正方形、長方形及び三角形を含む。相互接続構成部材５０２を形成するための金属板の厚さは、１０乃至５０００ミクロン（好ましくは、２０乃至１０００ミクロン、更に好ましくは５０乃至２５０ミクロン）である。薄すぎる金属板は、相互接続構成部材内の大きな抵抗降下の原因となり得る。何故なら、電流は金属板の平面を横断して流れるのではなく、平行に流れるからである。反対に、厚すぎる金属板は、機械的応力を解放するための弾性を提供するのに十分なフレキシブルさをもたない金属板となってしまう結果をもたらす。本発明の範囲内で、相互接続構成部材５０２の様々な変更が可能である。
【００３３】
相互接続５０２は、様々な耐高温酸化性合金から作られることがあり、例えば、インコネル６００、ハステロイＸ、ヘインズ合金及びステンレス鋼等が含まれる。相互接続構成部材５０２のバネのような弾性は、平面燃料電池に関して上述されたようなセラミック燃料電池及び金属相互接続間の膨張係数の不整合によって生じる熱膨張問題を排除する。また、カソード支持形管状燃料電池とは異なり、アノード支持形燃料電池は、ここで説明されるように、空気環境にのみ金属板相互接続構成部材を露出するため、燃料ガス（即ち、水素、蒸気及び炭化水素燃料）にさらされることに伴って生じる腐食及び炭化の問題を回避する。結果として、様々な金属が相互接続構成部材５０２を形成するために使用できて良い。本発明の金属板相互接続は、従来技術で使用されていたような従来のニッケルフェルト及びニッケルメッシュと比較して大きなコスト優位性も得られる。
【００３４】
図７は、管状燃料電池スタック７００を示しており、本発明の金属板相互接続を用いて電池が直列に電気的接続されている。金属板相互接続は、１つの電池のアノードを隣の電池のカソードに電気的接続している。直列接続の終端にて、外部接続をしやすくするための正及び負端子を提供するため、２つの耐高温合金棒状物（例えば、合金棒状物７０１）が配置されることがある。この方法では、広範囲の電流及び高電圧が、燃料電池スタック７００から出力され得る。
【００３５】
図８は、本発明の一実施態様に基づく、金属板８０１及び８０２を有する管状燃料電池スタック８００を示しており、金属板相互接続構成部材が、燃料電池スタック８００の燃料電池を直列及び並列に相互接続している。金属板８０１及び８０２は、燃料電池スタック８００の正及び負端子を形成し、最上列及び最下列において燃料電池のカソードの並列接続を提供する。金属板８０１及び８０２は、耐高温酸化性合金プレートから形成されることがある。並列接続であるため、１つの不良電池が、管状燃料電池スタック８００の接続障害を引起すことはない。
【００３６】
相互接続構成部材を、管状燃料電池スタック８００の配置において使用する場合、最大で凡そ１０００個の管状電池まで効果的である。個々の相互接続構成部材を多数集合させることは、時間及び労働力を要する。従って、多数の燃料電池を含む構造は効率的に拡大できないことがある。個々の相互接続構成部材に関する１つの別の実施態様が、図９に示されている。図９は、相互接続構造９０１及び９０２を示しており、各々金属棒状物の形状に形成され、管状燃料電池に適合するための半円形の溝及び空気の通過を可能にするための相互接続構造の垂直方向に沿ったスリットを有している。図９に示されているように、直列及び並列の電気的接続は、二次元の面に接触することによって確実に行われ、図８に示されている管状電池の長さ方向のみに沿った接触とは異なっている。相互接続プレートの半円形の溝は、良好な電気接触を確実に行うとともに、管の動作を最低限にするための支持も提供する。スリットは、良好なガス均一性を可能にするため、一定の間隔で離隔配置された孔を提供するべく孔が開けられる金属プレートを画定する。管と接触しない場所のプレートの厚さは、０．１乃至１０ｍｍ（更に好ましくは、０．５乃至５ｍｍ）で作られることがある。高温合金以外の相互接続構造９０１及び９０２の適切な材料は、例えば、ランタンクロマイト或いは複合金属セラミックのようなセラミック材料を含む。
【００３７】
本発明の一実施態様に基づいて、図１０（ａ）は、耐高温酸化金属板から形成されることがある、相互接続構造１００１及び１００２を示している。構造１００１及び１００２の各々は、構造的な支持を提供する平面部及び管状電池を所定の位置に保持するための半円形の溝部を備えている。相互接続構造１００１及び１００２は、ガスを通過させるための孔１００３を備えて提供される。相互接続構造９０１及び９０２のように、相互接続構造１００１及び１００２は、燃料電池の電極と二次元の面にて最大限の接触領域を提供する。図１０（ｂ）は、相互接続構造１００１を断面図で詳しく示している。図１０（ｂ）に示されているように、直列に接続された管状電池を望ましい距離で確実に分離させるため、長方形の棒状スペーサ１００４が、相互接続構造１００１の溝部の底部に提供されることがある。
【００３８】
（詳細な説明をわかりやすくするため、図６−１０に示されている相互接続構造は、等しい管サイズ及び接触領域を示している。実施例において、管サイズ及び接触領域に関して制限はない。カソードと接触する広い表面積は、効率的な電流収集を提供する。）
【００３９】
図１１は、本発明の別の実施態様に基づく、管状燃料電池スタックのための金属板相互接続構造１１０１を示している。図１１に示されているように、相互接続構造１１０１は、１枚の金属板から形成されており、管状電池の横方向の動作を可能にする弾性或いはバネのような作用を提供する折り曲げ部１１０２及び燃料電池スタックの上側の列の全ての管状電池のカソードと二次元の面にて電気的接続を可能にする湾曲部１１０３を備えている。図１１に示されているように、折り曲げ部１１０２は、燃料電池スタックの下側の列のアノードと電気的に接触する。特に湾曲した形状、即ち”Ｕ”形に折り曲げられた部分は、”Ｕ”形状をなすように内側に傾斜している突起及び平面の底部を備え、管を連結するための自然で簡素な機構を提供する。相互接続構造１１０１は、ガス均一性を確保するように孔が開けられている。図１１に示されているように、管状燃料電池スタックの２つの列の間では、管状電池は互いにオフセットされる。
【００４０】
図７乃至１０の相互接続構造に関して、燃料電池スタック用の連続積み重ねブロックは正方形のユニットであり、直列に接続された２つの電池及び並列に接続された２つの電池を有するように形成された４つの管状電池より構成されている。しかしながら、図１１の実施態様では、基本的な積み重ねブロックは、４つの電池が菱形のユニットに構成されることを含み、一方の列の２つの電池は、もう一方の列の２つの電池からオフセットされる（即ち、連続積み重ねブロックユニットの角度は、９０度以外の内角を有する）。燃料電池スタックの同一列にある全ての管は並列に接続され、それに対して、近接する列の管は直列に接続される。図７乃至１０の相互接続構造を越える高充填密度が、相互接続構造１１０１を使用することによって達成されることがある。
【００４１】
本発明の別の実施態様に基づいて、図１２は相互接続構造１２０１を示しており、平面部１２０３及び各々が湾曲フィンガを有する複数の湾曲部１２０４を含んでいる。各湾曲部１２０４は、金属板から形成されることがある。湾曲部１２０４は、一定の間隔にて平面部１２０３に溶接されることがある。平面部１２０３は、構造的支持を提供し、かつ燃料電池スタックの管状電池の配置を画定する。各湾曲部１２０４の湾曲フィンガは、電池の電極と二次元の面で接触し、対応する管状電池を所定の位置に維持する。湾曲フィンガ及び平面部１２０３に孔が開けられた部分の空間は、高いガス均一性を可能にする。平面部１２０３は、０．１乃至５ｍｍの厚さで作られることがあり、それに対して、各湾曲フィンガは、０．１乃至１ｍｍの厚さで作られることがある。
【００４２】
図１３は、本発明の別の実施態様に基づく相互接続構造１３０１を示している。図１３に示されているように、相互接続構造１３０１は、複数の”Ｕ”形の折り曲げ部１３０２を含み、各々が”Ｕ”形状をなすように内側に傾斜している突起及び幅の広い平底を有している。構造１３０２は、軽量金属板から形成されて良く、それによって、管状電池の縦方向の動作（即ち、管の軸線に対して垂直方向）に弾性を提供し、熱膨張応力に適合する。相互接続構造１３０１は、ガス均一性を確保するように孔が開けられることがある。
【００４３】
図１４は、相互接続構造１４０１及び１４０２を示しており、図１０（ａ）の相互接続構造１００１及び１００２と同様に、耐高温酸化金属板から形成されることがある。図１０（ａ）の相互接続構造１００１及び１００２のように、平面部は構造的支持を提供し、半円形の溝部は管状電池を所定の位置に保持する。相互接続構造１４０１及び１４０２は、ガスを通過させるための孔１４０３を備えて提供される。各相互接続構造１４０１及び１４０２のこれらの孔は、スタンピングによって形成されることがあり、スタンピングされた金属板には、半円形の溝部の下に延在する折り曲げフィンガ１４０３が形成される。折り曲げフィンガ１４０３は、直列に接続された管状電池を望ましい距離で確実に分離させ、燃料電池スタックの近接する列において管状燃料電池の間に縦方向の動作を可能にする弾性を提供する。
【００４４】
燃料ガスを各燃料電池に供給するため、燃料は燃料電池管内に直接流れ込んで良く、又更に好ましくは、燃料供給管を介して流れ込んでも良く、特に図１５に示されているような、一方の端部が閉鎖端である管構造であって良い。図１５に示されているように、燃料供給管１５０１は、炭化水素燃料を改質するための触媒を含んで良い（即ち、炭化水素燃料ガス及び蒸気を、燃料電池の電気化学的変換反応に使用される一酸化炭素及び水素ガスに変換する）。燃料電池の電気化学的変換プロセスで生成された熱は除去されなければならないが、この構造を使用すると、その熱は燃料改質の吸熱反応に用いられる。適切な炭化水素燃料ガスは、メタン、天然ガス或いはプロパンを含む。この構造は、供給管内部の改質反応及びその外側の電気化学的酸化の間で効率的な熱交換を可能にする。燃料供給管１５０１は、セラミックから作られることがあり、又更に好ましくは、良好な熱伝達のために高温合金から作られることがある。
【００４５】
上述の詳細な説明は、本発明のいくつかの実施態様を説明するために提供されたものであり、本発明がこれらに限定されるわけではない。各実施態様は様々な配置及び変化が可能であり、当業者が上述の詳細な説明を参照することによって、様々な用途のため、これらの実施態様に変更及び追加を加えることは、容易になし得ることである。ＳＯＦＣに加えて、電解槽、酸素ポンプ、酸素発生器及び圧縮器のような電気化学装置を、本発明に用いても良い。実施態様は、アノード支持形燃料電池を用いてその一部が説明されたが、本発明はカソード支持形燃料電池を用いる用途にも適用可能である。本発明は、特許請求の範囲に記載された請求項によって規定される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】従来技術の平面固体酸化物形燃料電池を図式的に示す図である。
【図２】従来技術のカソード支持形管状ＳＯＦＣの側面図及び断面図である。
【図３】直列及び並列配置で電気的相互接続された複数の管状ＳＯＦＣを有する従来技術の燃料電池スタックの一部を示す図である。
【図４】本発明の一実施態様に基づく、アノード支持形ＳＯＦＣ４００を示す図である。
【図５】本発明の一実施態様に基づく、２つの管状燃料電池を接続する折られた金属板からなる相互接続構成部材の断面図である。
【図６ａ】本発明の実施態様に基づく、金属板を折って形成された金属板相互接続構成部材６０１の構造を示す図である。
【図６ｂ】本発明の実施態様に基づく、金属板を折って形成された金属板相互接続構成部材６０２の構造を示す図である。
【図６ｃ】本発明の実施態様に基づく、金属板を折って形成された金属板相互接続構成部材６０３の構造を示す図である。
【図７】本発明の一実施態様に基づく、金属板相互接続構成部材が、燃料電池スタックの燃料電池を直列に相互接続する管状燃料電池スタック７００を示す図である。
【図８】本発明の一実施態様に基づく、金属板８０１及び８０２、及び燃料電池スタック８００の燃料電池を直列及び並列に相互接続する金属板相互接続構成部材を有する管状燃料電池スタック８００を示す図である。
【図９】各々が金属棒状に形成され、管状燃料電池に適合するための半円形の溝及び燃料或いは空気を通過させるための垂直方向の細い溝を有する相互接続構造９０１及び９０２を示す図である。
【図１０ａ】本発明の一実施態様に基づく、各々が構造的支持を提供する平面部及び管状電池を所定の位置に保持するための半円形の溝部を含む、耐高温酸化金属板から形成され得る相互接続構造１００１及び１００２を示す図である。
【図１０ｂ】相互接続構造１００１の詳細を示す断面図である。
【図１１】本発明の別の実施態様に基づく、管状電池の横方向の動作を可能にするための弾性或いはバネのような作用を提供する折り曲げ部１１０２及び１つの列の全ての管状電池のカソードを二次元の面にて電気的接触させる湾曲部１１０３を含む、１枚の金属板から形成される、管状燃料電池スタック用の金属板相互接続構造１１０１を示す図である。
【図１２】本発明の一実施態様に基づく、平面部１２０３及び各々が湾曲フィンガを有する複数の湾曲部１２０４を含む相互接続構造１２０１を示す図である。
【図１３】本発明の別の実施態様に基づく、各々が、”Ｕ”形状をなすように内側に傾斜している突起及び幅広の平底を有する”Ｕ”形の折り曲げ部１３０２を複数含む相互接続構造１３０１を示す図である。
【図１４】スタンピングによって形成され得る孔及びスタンピングされた金属板に形成される半円形の溝部の下側に延在する折り曲げフィンガを含む、図１０（ａ）の相互接続構造１００１及び１００２と同様な耐高温酸化金属板から形成され得る相互接続構造１４０１及び１４０２を示す図である。
【図１５】燃料供給管１５０１を用いて、燃料ガスを各アノード支持形燃料電池に供給するための一方法を示す図である。
【図１】
2008509532.tif 000003
【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６ａ】
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【図６ｂ】
2008509532.tif 000009
【図６ｃ】
2008509532.tif 000010
【図７】
2008509532.tif 000011
【図８】
2008509532.tif 000012
【図９】
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【図１０ａ】
2008509532.tif 000014
【図１０ｂ】
2008509532.tif 000015
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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2008509532.tif 000022
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