(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物セルの接触装置であって、
各固体酸化物セルは、
前記セル内でガスフローを配置するための少なくとも２つの流れ場プレート（１２１）と、
活性電極構造（１３０）と、
を含み、前記活性電極構造（１３０）は、燃料側（１００）、酸素側（１０２）と、前記燃料側と前記酸素側との間に電解質要素（１０４）と、を含み、
当該接触装置は、
前記固体酸化物セル内でシール機能を行うためのガスケット構造（１２８）と、
前記流れ場プレート（１２１）と前記活性電極構造（１３０）の前記酸素側（１０２）との間に位置する接触構造（１３２）と、
を含み、前記接触構造（１３２）は穿孔金属から構成されており、前記前記接触構造（１３２）は、穿孔穴を含む少なくとも部分的にガス透過性構造である、固体酸化物セルの接触装置。
【請求項２】
前記接触構造（１３２）は、穴（１３４）の形態、穴（１３４）のサイズ、穴（１３４）どうしの距離の少なくとも１つにより最適にガス透過性であることを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物セルの接触装置。
【請求項３】
前記接触構造（１３２）の厚さは、前記接触構造（１３２）の熱伝導特性、当該接触装置の電気特性、及びガス分布特性の少なくとも１つに応じて最適化されていることを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物セルの接触装置。
【請求項４】
固体酸化物セルの接触方法であって、当該方法は、ガスがセル内を流れるように配置され、当該方法において：
−ガスケット構造（１２８）により固体酸化物セルにおいてシール機能が行われ、且つ、流れ場プレート（１２１）と活性電極構造（１３０）の酸素側（１０２）との間に位置する接触構造（１３２）が確立され、前記接触構造（１３２）は、穿孔金属から構成されていることを特徴とする、固体酸化物セルの接触方法。
【請求項５】
当該方法において、穴（１３４）の形態、穴（１３４）のサイズ、穴（１３４）どうしの距離、の少なくとも１つに基づき、前記接触構造（１３２）のガス透過性構造は、最適に利用されることを特徴とする、請求項４に記載の固体酸化物セルの接触方法。
【請求項６】
当該方法において、前記接触構造（１３２）の厚さは、前記接触構造（１３２）の伝熱特性、接触装置の電気特性、及びガス分布特性の少なくとも１つに応じて最適化されることを特徴とする、請求項４に記載の固体酸化物セルの接触方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
世界のエネルギーの大部分は、オイル、石炭、天然ガスや原子力によって製造される。例えば、入手可能性及び環境への優しさに関する限り、すべてのこれらの製造方法は、彼らの特定の問題を抱えている。環境に関する限り、特にオイル及び石炭は、これらが燃やされるとき、汚染の原因となる。原子力の問題は、少なくとも、使用済み燃料の貯蔵である。
【０００２】
特に環境問題を理由として、もっと環境に優しく、上述したエネルギー源よりも優れた効率を有する新しいエネルギー源が開発されてきた。燃料電池による、燃料、例えばバイオガス、のエネルギーは、環境に優しいプロセスにおける化学反応を介して、直接電気に変換され、且つ、電気が燃料に変換される電解槽は、将来有望なエネルギー変換デバイスである。
【背景技術】
【０００３】
その電力生産が環境効果によって制限されているため、太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギー生産方法は、季節による製造ばらつきの問題に直面している。生産過剰の場合において、水の電気分解による水素製造は、将来のエネルギー貯蔵の選択肢の一つであることが示唆される。さらにまた、電解セルは、再生可能バイオガス貯蔵(stores)から高品質のメタンガスを生成するために利用することができる。
【０００４】
本発明は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックにおける、又は固体酸化物電解槽セル（ＳＯＥＣ）スタックにおける入力反応物質分布を配置することに関する。燃料電池は、電気を生産するために反応する、アノード電極において入力反応物質の、カソード電極においてガス状の酸化剤（酸素）の原因となる。
【０００５】
電解槽反応は、燃料電池の逆であり、すなわち、電気は、燃料と酸素を生成するために使用される。ＳＯＦＣ及びＳＯＥＣスタックは、積層したセル要素と、サンドイッチされたセパレータとを含み、各セル要素は、アノード側及び陰極側が電解質を挟むことにより構成される。反応物質は、流れ場プレート(flow  field  plates)によって多孔質電極にガイドされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
技術水準
燃料電池は、図１に示すように、アノード側１００及びカソード側１０２と、それらの間の電解質材料１０４とを含む。固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）において、酸素１０６はカソード側１０２に供給され、それは負の酸素イオンに還元される。負の酸素イオンが、電解質材料１０４貫通してアノード側１００に行き、そこで、負の酸素イオン(it)が、燃料１０８と反応して、電子、水、また典型的には二酸化酸素（ＣＯ２）を生成する。アノード１００及びカソード１０２は、システムから熱と一緒に電気エネルギーを取り出す燃料電池用負荷１１０を備える外部電気回路１１１を介して接続されている。メタン、一酸化炭素及び水素燃料の場合の燃料電池反応は以下の通りである。：
【０００７】
アノード：ＣＨ４  ＋  Ｈ２Ｏ  ＝  ＣＯ  ＋  ３Ｈ２
ＣＯ  ＋  Ｈ２Ｏ  ＝  ＣＯ２  ＋  Ｈ２
Ｈ２  ＋  Ｏ２−  ＝  Ｈ２Ｏ  ＋  ２ｅ−
カソード：Ｏ２  ＋  ４ｅ−  ＝  ２Ｏ２−
正味の(net)反応：ＣＨ４  ＋  ２Ｏ２  ＝  ＣＯ２  ＋  ２Ｈ２Ｏ
ＣＯ  ＋  １／２Ｏ２  ＝  ＣＯ２
Ｈ２  ＋  １／２Ｏ２  ＝  Ｈ２Ｏ
【０００８】
電気分解運転モード（固体酸化物電解セル（ＳＯＥＣ））において、反応が逆転し、すなわち熱、ならびにソース１１０からの電気エネルギーを、セルに供給する。そこで、水、及び多くの場合、二酸化炭素がカソード側１００において還元され、酸素イオンを形成し、その酸素イオンは、電解質材料１０４を貫通して、アノード側１０２に移動する。アノード側において、酸素酸化反応が行われる。ＳＯＦＣモードとＳＯＥＣモードの両方において、同一の固体電解質セルを使用することが可能である。
【０００９】
高温電気分解反応が起こることを可能にする温度において、固体酸化物電解槽セルは動作する。前記温度は典型的には、５００〜１０００℃であるが、１０００℃を上回る温度が有用であり得る。これらの動作温度は、ＳＯＦＣのそれらの条件に類似する。正味の電池反応は、水素及び酸素ガスを生成する。水１モルに対しての反応は、以下の通りである。：
カソード：Ｈ２Ｏ  ＋  ２ｅ−  ---->  ２Ｈ２  ＋  Ｏ２−
アノード：Ｏ２−  ---->  １／２Ｏ２  ＋  ２ｅ−
正味の反応：Ｈ２Ｏ  ---->  Ｈ２  ＋  １／２Ｏ２
【００１０】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）及び固体酸化物電解槽（ＳＯＥ）スタックにおいて、各セルにおける内部的なアノードガスに対するカソードガスの流れ方向と、並びに隣接セル間のガスの流れ方向とは、スタックの異なるセル層を通して合成される。さらに、カソードガスもしくはアノードガスもしくはその両方は、排気される前に、２つ以上のセルを通過することができる。且つ、複数のガス流は、一時電池を通過した後、及び二次電池を通過する前に、分割又は併合することができる。これらの組合せは、電流密度を増加させ、セル及びスタック全体を横切る温度勾配を最小化するのに役立つ。
【００１１】
ＳＯＦＣは、通常動作時に約０．８Ｖの電圧を提供する。合計電圧出力を増大させるために、燃料電池は、通常、スタックに組み立てられ、前記スタックにおいて、燃料電池は、流れ場プレート（また、：  インターコネクタプレート、バイポーラプレートも）を介して電気的に接続さる。電圧の所望のレベルは、必要とされるセルの数を決定する。
【００１２】
バイポーラプレートは、隣接するセルユニットのアノード側及びカソード側を分離すると同時に、アノードとカソードとの間の電子伝導を可能にする。インターコネクト、又はバイポーラプレートは、通常、インターコネクトプレートの一方の側において燃料ガスが通過するため、複数のチャネルが設けられている。燃料ガスの流れ方向は、セルユニットの燃料入口部から燃料出口部に実質的な方向として定義される。同様に、酸化剤ガス、カソードガスの流れ方向は、セルユニットのカソード入口部からカソード出口部に、実質的な方向として定義される。
【００１３】
従来、セルは、完全オーバーラップして互いの上に積み重ねており、その結果、例えば、スタックの一方の側においてすべての燃料及び酸化剤入口と、反対側のすべての燃料及び酸化剤出口とを有する平行フロー（co-flow）を持つスタックとなる。運転中の構造の温度に影響を与える一つの特徴は、セル内に供給される燃料の水蒸気改質(steam  reformation)である。水蒸気改質を吸熱反応であり、セルの燃料入口縁部(edge)を冷却する。電気化学的プロセスの発熱に起因して、出口ガスは、入口温度よりも高い温度において出ていく(leave)。吸熱及び発熱反応がＳＯＦＣスタックにおいて組み合わされている場合、スタックを横切る有意な温度勾配が発生する。大きな温度勾配は、スタックにおいて熱応力を誘発する。熱応力は、非常に望ましくなく、且つ、これらは電流密度及び電気抵抗の差を伴う。したがって、ＳＯＦＣスタックの熱管理の問題が存在する。：許容できないストレスを回避するのに十分な温度勾配を低減し、且つ、均一な電流密度プロファイルを介して電気効率を最大にするために、である。
【００１４】
これは、金属の腐食を遅くするために、流れ場プレート保護的に被覆する従来技術の実施形態において、しばしば必要である。一般的には、固体酸化物型燃料電池と電解槽に対して、老化する原因となる２つの腐食メカニズムがある。１つは、金属表面上に不十分な電気を伝導する酸化物層の形成であり、別の１つは、金属から、ユニットセルの活性表面へ蒸発するクロム化合物の沈降、活物質の電気化学、化学、電気伝導性及び／又はガス透過性特性を弱める電気化学的に活物質との反応である。酸化物の構造は、一般に、一方で金属の表面上で酸化剤拡散を、他方で酸化物構造を介して合金原子及び化合物の拡散を遅くする保護コーティングとして使用される。保護コーティングの価格は、セルスタックの総費用以内で典型的には顕著であり、保護コーティングのコストは、一方で保護コーティング、材料及び保護コーティングされる表面のために使用される製造プロセスにより影響を受ける。加えて、セルスタックをシールするために使用される、領域へ保護コーティングを拡張することは好ましくない。なぜなら、シーラントとして一般的に使用されるガラス、セラミック材料又は鉱物が、例えば、増大したガス漏れ及び／又は増大した電気伝導のため、セルスタック構造に老化作用を引き起こす保護コーティングと反応できるためである。
【００１５】
従来技術の燃料電池スタック又は電解セルスタックは、スタック内のセル構造間の電解質の要素構造体の厚さの公差のばらつき(tolerance  variations)を有する。例えば、セラミック材料が使用されるセルスタック構造において、従来技術の実施形態では、わずかマイクロメートルの尺度での厚さの変動のみが、便利であろう。これは、例えば、セル間に、スタック構造において異なるセル電圧プロファイルを引き起こす差動流動抵抗状態を生じ、セルとスタックの減少した電力密度との間に熱勾配を生じさせ、且つ、活性電解質用途と流れ場プレートとの間に不均一な圧縮特性に起因する接触特性を変化させる。したがってスタックのデューティ比の両方が減少し、且つ、スタックの寿命が短くなり、生産される電力出力当たりのスタックの資本コストを先ず増加させ、且つ、スタック構造の運用コストをその後増加させる。例えば、スタック交換時間が燃料電池システムにおいて短縮され、且つ、電気のコストは、電解槽スタックにおいて増加するためである。
【００１６】
従来技術の燃料電池スタック又は電解セルスタックは、高い圧力損失特性をもたらす、流れ場プレートと、例えばカソード材料などの活性電極材料との間の低ガスチャネル条件に起因する、制限されたフロー条件にも悩まされる。インターコネクトのための最適な構造は、プレートの両側のフロー面積を最大にするために可能な限り矩形に近いチャネル形態を有するフローチャネル高さを最大にすることであろう。インターコネクトプレート構造と、流れ場プレートのチャネルの最上部に形成された活性電極との間の接触表面は、２つの構造間に十分な接触表面を形成できるように可能な限り平坦であるべきである。チャネルの幅及び接触表面のための最適な寸法は、電気伝導性及びガス透過性のように、典型的には、活性電解質材料の特性に依存するが、典型的にはミリメートル範囲内にある。技術水準のインターコネクト構造は、シートメタルプレートから形成プロセスを用いて作製される。金属の最大の成形性は、その機械的特性により制限され、且つ、典型的には、チャネル面積(area)と接触表面の両方が、上述のように最適ではない。形成プロセスに関連する制限のため、インターコネクトプレート構造は、いずれか主要な圧力損失特性を引き起こし、及び／又は接触表面は、燃料電池における電子移動を制限する。両者は、燃料電池又は電解槽スタックのデューティ比に対して制限を引き起こす。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の簡単な説明
本発明の目的は、改善されたガス流条件特性及び改善された公差特性を有する高度な固体酸化物セル構造を実現することである。これは、固体酸化物セルの接触装置(contacting  arrangement)によって達成され、各固体酸化物セルは、セル内にガス流を配置するための少なくとも２つの流れ場プレートと、活性電極構造とを含む。活性電極構造は、アノード側、カソード側、及び前記アノード側と前記カソード側との間の電解質要素を含む。接触装置は、固体酸化物セルにおいてシール機能を実行するためのガスケット構造と、流れ場プレートと活性電極構造体との間に位置する接触構造とを含み、前記接触構造は、流れの構造に応じて、且つ、活性電極構造の構造に応じて、適合されている、少なくとも部分的にガス透過性構造である。
【００１８】
本発明の焦点はまた、固体酸化物セルの接触方法であり、当該方法は、セル内において配置されたガス流である。当該方法において、固体酸化物セル中のシール機能は行われ、且つ、セル内のガス流と活性電極構造との間の接触構造を確立し、且つ、前記接触構造は、気体透過性構造に応じて、及び活性電極構造に応じて、ガス透過性構造により少なくとも部分的に適合される。
【００１９】
本発明は、流れ場プレートと活性電極構造との間に配置するための接触構造を達成するに基づき、及び、流れ場プレートの構造に応じて、又は活性電極構造体の構造に応じて、又はその両方の構造に応じて、適合されているガス透過性構造を達成することに基づく。
【００２０】
本発明の利点は、固体酸化物型セルの動作のより良好なデューティ比を達成することができること、且つ、固体酸化物電池の長寿命化を達成することができることであり、従って、先行技術の実施形態と比較して、より良好で、且つ、より経済的な電池システム全体の電力動作を行う。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】単一の燃料電池の構造を示す。
【図２】本発明に係る好適な固体酸化物セル構造を示す。
【図３】Ｆｉｇ．３Ａ−Ｂは、Ａ）従来のセル構造とＢ）本発明に係るセル構造体との間の例示的な比較を示す。
【図４】例示的なガスケット構造を提示する。
【図５】例示的なフローフィールドプレートを提供する。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
発明の詳細な説明
本発明によれば、燃料電池又は電解槽スタックは、少なくとも１つの単一の(single)繰り返し構造を含む。単一の繰り返し構造は、少なくとも２つの流れ場プレートの間に配置された、燃料側と、その間の(in  between)電解質と、酸素リッチ側とを含む少なくとも１つの電気化学的に活性な電解質要素を含む。他方は(the  other)、電解質要素構造の酸素リッチ側において酸素リッチガスを分配し、且つ、他方は(the  other)、電解質要素の燃料側において燃料ガスを分配し、且つ、少なくとも１つのシール手段は、その意図されたエンクロージャにおけるガス雰囲気を封止する。流れ場プレートは、燃料ガス及び／又は酸素リッチガスのための少なくとも１つの入口開口部と、使用済み(used)燃料ガス及び／又は酸素リッチガスのための少なくとも１つの出口開口部とを有する。
【００２３】
輪郭（例えば：波形の）表面を形成するための製造方法は、スタンピング、プレス、などの塑性変形を使用する方法であって、材料の形状は変化するが、いかなる材料も添加もしくは除去されない、方法、又は溶接などの材料が添加もしくは除去される方法である。流れ場材料が、押出、鋳造、印刷、成形(molding)などにおいて脆いならば、他の製造方法を利用することができる。燃料及び空気のためのオリフィスは、通常、同一の製造ステップにおいて作成することができる。
【００２４】
各流れ場プレート１２１は、スタックアセンブリ構造におけるのと同様に製造することができ、従って、わずか１タイプのプレートが、繰り返し電解質要素構造１０４の所望量を有する燃料セルスタックを生成するために必要とされる。これは、構造を簡素化し、燃料電池の製造を容易にする。
【００２５】
燃料電池及び電解槽システムにおいて、最も重要な設計機能の一つは、電力生産の効率を最大化することである。これは、一方においては、燃料電池の／電解自身の内部効率によってだけでなく、ガスを供給するために必要とされるエネルギーによっても、かなり影響を受ける。ガス及び特に空気を供給するために必要とされるエネルギーは、システムにより生成される背圧により定義され、且つ、一般にシステムにおける最も有意な圧力損失を生成する成分は、燃料電池／電解槽そのものである。従って一般的には、フィールドフロープレート１２１、すなわちフローチャネルシステムプレート、の圧力損失を低減することが追求される。これは、フローエリアの主流れ方向に垂直な表面の面積を最大化することによって達成される。それは主に単位セルの活性領域を介してのみガスを管理する(direct)ことが望まれているため、圧力損失は、典型的には、チャネルシステムの高さを増加させることによって大幅に低減することができる。
【００２６】
他方では、それは、一方の電極から別一方の電極へと生成され、且つ、必要とされる電子を移動するためのフローチャネルシステムのための必要条件である。したがってフローチャネルシステムの材料は、十分に通電されている材料で製造する必要がある。加えて、電極からインターコネクトプレート構造までの電子収集(collection)は、オーム損失の一部は、活性電極のエリアにおいてできるだけ小さく留まるように配置される必要がある。アクティブエリアの集電(current  collection)における損失の一部は、活性エリア材料の導電率、材料の厚さ、並びに、電子が(it)フローチャネルプレートから活性電極の表面上へ、及びそこから反応の場所へ、又はそれぞれの逆に、いずれかに転送するとき、１電子が移動する(travels)距離、により規定される。再び大きすぎる活性エリアの最上部の上のフローチャネルプレート内部の集電エリアは、望ましくない。その後、反応表面へのガスのアクセスが妨げられるためである。反応表面へのガスの供給、並びに電子の走行が最適化され、且つ、燃料電池の／電解槽の性能と効率が、従って最適にすることができるとき、フローチャネルプレートと活性電極との間の接触表面の最適サイズを見つけることが可能である。
【００２７】
流れ場プレート１２１、すなわちフローチャネルプレート及びインターコネクトプレート構造は、一般に、その十分な導電性、耐腐食性、単位セルと同様の熱膨張係数、及び良好な成形性の特性のため、鋼から製造される。鋼板を形成する場合、材料がストレッチし、従って形成されたエリアの場所において薄くなる。各材料は、特性を形成するための独自の特徴的な最大値を持っており、それを上回ったならば、破裂や空洞が材料内で形成される。加えて材料の過度の形成は、基材(base  material)を細らせ得る、材料腐食を過剰に増大させ、且つ、燃料電池／電解槽の寿命を短くする。したがって、材料において、優しく丸みを帯びた形状を形成することが熱望される。形成は、チャネルの設計において境界を設定するので、接触表面、又はチャネルの高さのいずれかは、小さすぎリマまであり、従って、内部オーム損失及び／又は電池スタックの流れ圧力損失を増加させる。
【００２８】
図２において、本発明に係る固体酸化物型セル構造の好適な接触装置が提示される。固体酸化物電池は、燃料電池又は電解セルであってもよい。固体酸化物セルの構造は、本発明による好ましい実施形態において平面上であるが、本発明はまた、固体酸化物型セル構造の他の種類で利用することができる。アノード支持固体酸化物型セル構造において、アノードの厚さは、典型的には２００μｍ以上であり、電解質の厚さは、典型的には１〜１０μｍであり、カソードの厚さは、典型的には３０〜１００μｍである。電解質支持固体酸化物型セル構造において、アノードの厚さは、典型的には３０μｍ以上であり、電解質の厚さは、典型的には３０μｍ以上であり、カソードの厚さは、典型的には３０〜１００μｍである。各固体酸化物セルは、
セル内のガスの流れを配置する少なくとも２つの流れ場プレート１２１と、
アノード側１００、カソード側１０２、及び前記アノード側と前記カソード側との間の電解質要素１０４を含む、図１により詳細に示される、活性電極構造１３０と、
を含む。接触装置は、
固体酸化物セル内でシール機能を行うためのガスケット構造１２８と、
流れ場プレート１２１と活性電極構造１３０との間に位置する接触構造１３２と、
を含む。接触材料は、金属又はセラミックスなどの導電性材料から構成され得る。接触構造１３２は、少なくとも部分的には、流れ場プレート１２１の構造に応じて、且つ、活性電極構造１３０の構造に応じて、適合されているガス透過性構造である。本発明の好ましい実施形態において、接触構造１３２は、平面状(planar)且つ平ら(platy)であるが、他の形態を利用することもできる。
【００２９】
Ｆｉｇ．３Ａ−Ｂは、Ａ）従来のセル構造とＢ）本発明に係るセル構造体との間の例示的な比較を示す。参照番号１３６は、流れ場プレート１２１の波形構造により形成されたガスフローチャネル１３６の高さを示す。ガスフローチャネル１３６の高さは、固体酸化物セルのガスフロー特性を改善するための本発明の実施形態において、増大することができる。ガスフローチャネル１３６のガスフロー抵抗は、ガスフローチャネルの高さ及び形状の最適化に基づいて最小にすることができる。例えば、増加したチャネルの高さは、流れ抵抗を減少させるが、同時に、インターコネクトプレートにおける集電エリアの距離を増加さる。構造において増大したオーム損失をもたらす制限を形成するためである。
【００３０】
本発明に係る好ましい装置(arrangements)において、接触構造１３２は、流れ場プレート１２１と、活性電極構造１３０のカソード側１０２との間に配置されるが、本発明のその他の実施形態においてその他の配置を利用することもできる。
【００３１】
本発明の好ましい実施形態に係る接触構造１３２は、以下の特性：  穴（holes）の形態、穴のサイズ、穴どうしの距離、構造１３２の多孔性、及び構造１３２の屈曲度、の少なくとも１つを利用することにより、ガス透過性構造により適合される。図２において示される好ましい一実施形態において、接触構造は、例えば、前記２つの隣接するガスフローどうしの間の差異を平らにする(evening  out)ことにより、ガス分布特性を改善するため、２つの隣接するガスチャネルにまで拡張することができる。ガスフローチャネル１３６から活性電極構造１３０までのガス分布は、穴の大きさを増加させることにより、及び２つの隣接する穴の間の距離を最小化することにより、改善することができる。他方において、電気伝導性、熱伝導特性及び構造物の機械的支持は、２つの隣接する穴の間の距離を増加させることにより、及び穴のサイズを最小化することにより、改善することができる。
【００３２】
コンタクト構造１２８の材料は、例えば、好ましくは、クロムの蒸発を防止するために、保護コーティングされた金属、又は流れ場プレート１２１と活性電極構造１３０との間に導電性のガス透過性セラミック焼結(sinter)構造を含む。接触構造１３２の厚さは、以下の特性：  熱伝導特性、接触装置の電気的特性及びガス分布特性、の少なくとも１つに応じて、最適化することができる。ガスケット構造１２８の厚さは、固体酸化物セルの厚さに対して、より多くの公差(tolerance)のばらつきを可能にする、接触構造１３２の厚さに応じて適合させることができる。接触構造１３２は、種々の製造方法、例えば：  穿孔(perforation)、ダイカッティング、エッチング、モールディング、ネット構造をルレッティング(rouletting)、ガス透過性接触構造１３２を形成するための多孔性焼結構造及び/又は拡張メッシュにより、製造され、処理されてよい。穿孔は、小さな穴の列と行とを切断することを意味する。ダイカッティングは、低強度の材料のウェブを剪断するため、ダイを使用するプロセス、すなわちクリックもしくは突切り(dinking)を意味する。拡張メッシュは、同時に溝削り(slitting)及び延伸することにより、拡張した金属、シートもしくはプレートを製造することを意味する。ルレッティングは、接触構造材料に小さな水平方向と垂直方向のカットを達成することを意味する。
【００３３】
図４に、本発明に係る実施形態において使用することができる例示的なガスケット構造を示す。ガスケット構造体１２８は、好ましくは、気密性の特性を有する圧縮性材料で作られている。セルがスタック形成に組み立てられたとき、本発明に係るガスケット構造体１２８は圧縮される。ガスケット構造体１２８はまた、少なくともフローパーツ(flow  parts)１４０から予備圧縮され得る。フロー制限オリフィス１２６、１３６の高さは、電解質要素１０４構造厚さにおける公差のばらつきを有するスタックの繰り返し構造において、流れ分布を安定させるため、流れ分布エリアの底部及び流れ出口エリアの少なくとも一方から、ガスケット構造１２８の底部までの距離により、決定される。セル間の同様の圧力損失条件が、均一な(even)熱分布、すなわちスタックにおけるセル間の同様の熱勾配、を達成するため、少なくともフローパーツ１４０から、圧縮され得る、且つ、予備圧縮され得る、ガスケット構造１２８を利用することにより、達成される。したがって、固体酸化物セルスタックのデューティ比が向上し、且つ、固体酸化物セルスタックの寿命が長くなる。
【００３４】
本発明のいくつかの実施形態において使用することができる装置において、電解質要素の上により大きいフローダクト（即ち、フローチャネル）、及び電解質要素の両サイド領域(side  areas)の上により小さいフローダクトが配置される。また、本発明のいくつかの実施形態において、少なくとも１つの単一繰り返し構造における燃料ガスと酸素リッチガスの少なくとも１法のガスの流れ方向は、入口開口部からのガスの利用を可能にするシール手段を適用すること、及び反応生成物ガスを、少なくとももう一方の単一繰り返し構造における入口開口部及び出口開口部とは異なる出口開口物に配送することにより、少なくとももう一方の単一繰り返し構造と比べて、変更することができる。
【００３５】
電解質要素の上の、互いに比較した燃料及び酸素リッチガスフローの方向は、所謂平行フロー(co-flow)配置（ここで、２つの(both)ガスフローは、実質的に同一方向を有する）に、又は、所謂向流(counter-flow)配置（ここではガスフローの方向は、実施的に１８０°互いに異なる）に、配置することができる。
【００３６】
図５は、燃料電池の、例示的な流れ場プレート１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃを示す。完全な燃料電池スタックは、示すようにして、順次相互に配置された複数のプレート１２１を含む。本実施形態におけるプレートは、長方形で対称である。アノード電極とカソード電極との間に電解質層を含む電解質要素構造１０４は、一般に、プレートの中央においてプレートとプレート(plates)１２１との間に配置される。電解素子構造１０４は、いずれの好適な電解質洋装構造であってもよく、したがって、さらなる詳細について本明細書に記載しない。流れ場プレート１２１と電解質素子構造１０４とは、シール手段３〜６によって封止されている。シール手段３〜６の目的は、
電気化学的に活性な領域内部における燃料電池反応なしに、酸化剤と燃料とが直接混合されないこと、
前記燃料と酸化剤とが、電気化学セルから漏出されないこと、
隣接する電気化学セルが、互いに電気接触していないこと、及び
酸化剤と燃料とが、所望の流れ場プレート１２１に供給されること、
を補償するためである。２つの対向する流れ場プレート１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、及びそれらの間の電解質要素構造１０４は、単一の繰り返し構造を形成する。流れ場プレート１２１は、燃料電池内に存在する、化学的、熱的及び機械的ストレスに耐えることができる、金属合金、セラミック材料、サーメット材料又は他の材料で作られている平面状の薄板である。本発明によれば、流れ場プレート１２１は、プレート１２１の縁部(edges)において配置された流入オリフィス及び流出オリフィスを含む。この例において、プレート１２１は、矩形であり、且つ、フローオリフィスは、わずかに短い縁部１９の上に配置される。縁部１９の両者は、４つのオリフィス、酸素リッチガス（以下の例示的実施形態においては、空気）のための１つの流入オリフィス７、１１、空気のための１つの流出オリフィス１０、１４、燃料のための１つの流入オリフィス８、１１、燃料のための１つの流出オリフィス９、１３を有する。酸素リッチガスは、酸素の測定可能な量を含むいずれのガス又はガス混合物であることできる。縁部１９の両方において、オリフィスが、シーケンスに配列される。シーケンス(that)は、７、１１に入る(in)第１の空気、次いで、８、１２に入る(in)燃料、次いで９、１３から出ていく(out)空気、及び次いで１０、１４から出ていく空気を有する。第１の面２０（図面において、最上部表面）及び第２の面２１（下側表面、図示せず）の表面は、効率的なシールを可能にするように成形され、且つ、それらは、電解質要素１０４の表面にわたって燃料ガス及び空気をガイドするための特定の輪郭を有する流れ場プレートの真ん中において、輪郭表面１５〜１８を制限する。図１におけるガスフロー経路を説明するシール手段３〜６に関連した矢印を描く参照番号１５〜１８は、問題のシール要素もしくは構造に面しているシール手段３〜６に向けられている、流れ場プレート１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃの面及び輪郭表面１５〜１８を意味することにも使用されることに留意されたい。
【００３７】
燃料電池スタックの上のガスフローを配置するためのオリフィスの数は、ガスフローを配置するやり方と同様に、変えることができる。基本的な考えは、重畳(superposed)流れ場プレート１２１の上のオリフィス７〜１４が配置され、それにより、それらの位置は一致し、且つ、同一ラインにおけるオリフィスは、スタックを貫通するガスマニホールドチャネルを形成する。シール手段３〜６は、燃料と空気とが、電解質用途と流れ場プレートとの間の間違った層に供給されることを防ぐために、使用される。シール手段は、流れ場プレート１２１上の各オリフィス７〜１４を取り囲むように配置されている。流れ場プレート１２１及びシール手段３〜６は、燃料電池スタック全体を貫通する(go  through)ダクト(即ちチャネル)を形成するのに使用される。流れ場プレートにおけるオリフィスは、このようなダクトを形成するために重畳されている(super  positioned)。
【００３８】
また、本発明は、燃料電池スタック又は電解セルスタックの組立プロセス中に、電解質要素配置が緩和されることを可能にする。ガスケット構造が成形され、それにより、電解質要素は、ガスケット構造における穴毎に(a  hole)配置され得、その後、ガスケット構造は、両方の組み立てプロセス中にその所望の位置に電解質要素をロックし、並びに、前記燃料電池及び電解槽スタック操作の間、電解質要素のためのサポートを与える。
【００３９】
従って、その好ましい実施形態に適用されたように、本発明の基本的な新規の特徴が示され、記載され、指摘されてきたが、本発明の形態及び詳細における様々な省略、置換及び変化が、本発明の精神から逸脱することなく、当業者によってなされ得ることが理解される。例えば、明示実質的に同じ結果を実行するこれらの要素の全ての組み合わせが本発明の範囲内であることが意図される。記載された一実施形態から別の実施形態への、要素の置換がまた、完全に意図され、期待される。また、図面は必ずしも一定の縮尺で描かれていないが、それらは本質的に概念的なものであることを理解されたい。したがって、示されるように、本書に添付の特許請求の範囲によってのみ、限定されることを意図する。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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