(57)【要約】  固体酸化物燃料電池スタックおよび平面状の固体酸化物燃料電池を密封する方法。スタック内のユニットセルは各々、膜電極アセンブリ用の支持面を提供すること、ならびに接着されたセパレータプレートで液密シールを形成することの両方を行うことができる、周辺を有する金属フレームを含む。セパレータプレートは、体積領域がセパレータプレート内に形成するようにセル受容空洞を境界付けて、膜電極アセンブリの少なくとも一部を受容し、膜電極アセンブリの対応するアノード層またはカソード層に導入される反応物の少なくとも１つの液密経路を作り出すようにする、周辺リップを含む。
2021527298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタッキング寸法に沿って整列された複数のユニットセルであって、前記複数のユニットセルのうちの少なくとも１つは、
平面状の取り付け面を含む金属フレームと、
アノード層から電解質層によって分離されたカソード層を含む膜電極アセンブリであって、実質的に平面状のプロファイルを画定し、前記平面状の取り付け面上に配設される、膜電極アセンブリと
を備える金属担持セルと、
前記アノード層を通じた燃料の搬送および前記カソード層を通じた空気の搬送のそれぞれのための、複数の流動的に分離された反応物通路と、
前記金属担持セルの少なくとも一部が、空洞および周辺リップによって画定される体積領域内に受容されるような前記空洞を境界付ける前記周辺リップを備えるセパレータプレートであって、前記金属フレームの前記平面状の取り付け面が、それらの間に液密シールが形成されるように前記周辺リップに接着され、一方で、前記セパレータプレートと前記金属担持セルとの間の協働が、前記体積領域内の反応物流垂直間隙および前記膜電極アセンブリと前記金属フレームの前記平面状の取り付け面が前記周辺リップに接着される場所によって画定される場所との間の熱障壁水平間隙の両方を画定する、セパレータプレートと、
を含む複数のユニットセルと、
スタック上側セッタープレートと、
前記スタック上側セッタープレートと協働して、前記スタッキング軸に沿って前記複数のユニットセルに固定圧力を加えるスタック下側セッタープレートと、を含む固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項２】
前記平面状の取り付け面が多孔質構造を含む、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項３】
前記膜電極アセンブリが、前記スタッキング軸に対して直角の平面内で金属フレームの露出した外縁から横方向内側に離間されて、体積領域内に熱障壁水平間隙を画定する、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項４】
前記カソード層の最上部が、前記膜電極アセンブリの対応する上面を形成する、請求項３に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項５】
前記金属フレームが、前記平面取り付け面の周りに形成される周辺境界領域の一部として形成されるタブをさらに含む、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項６】
前記液密シールが溶接部を含む、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項７】
前記反応物流垂直間隙が、前記スタッキング軸に沿って約１ミリメートル未満の厚さを画定する、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項８】
前記液密シールが、前記熱障壁水平間隙に対して少なくとも約０．５の横幅比を画定する、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項９】
前記熱障壁水平間隙が約５ミリメートルの横幅を画定し、前記液密シールが約４ミリメートルの横幅を画定する、請求項８に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記複数の流動的に分離された反応物通路が、前記周辺リップの前記スタッキング寸法に沿って形成される、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記金属フレームの熱膨張係数が、前記金属フレームの取り付け面に接着されている前記周辺リップの少なくとも一部の熱膨張係数と実質的に同一である、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１２】
前記セパレータプレートのうちの少なくとも１つが、中間セパレータプレートおよびエンドセパレータプレートのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記体積領域内に配設されたチャネルプレートと、
前記スタッキング寸法に沿って前記セパレータプレートの表面に対向し隣接して配設されたガスケットであって、前記ガスケットがその中に複数の開口を画定し、前記複数の開口が、
前記スタッキング寸法に沿って前記膜電極アセンブリのサイズおよび形状と実質的に同一であるサイズおよび形状を画定する表面積を有する第１の開口と、
前記スタッキング寸法に沿って流動的に分離された複数の反応物通路に整列された複数の第２の開口と、を含むガスケットとの、
少なくとも１つをさらに含む、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１４】
前記金属フレームの前記チャネルプレートおよび平面状の取り付け面が多孔質構造を含む、請求項１３に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１５】
平面状の固体酸化物燃料電池を密封する方法であって、
平面状の取り付け面を含むように金属フレームを配置することと、
金属担持セルが形成されるように、アノード層から電解質層によって分離されたカソード層を含む実質的に平面のプロファイルの膜電極アセンブリを前記金属フレームに固定することと、
前記金属担持セルをセパレータプレートに接着することであって、前記金属担持セルの少なくとも一部が空洞および周辺リップによって画定される体積領域内に受容されるように、前記セパレータプレートが、前記空洞を境界付ける前記周辺リップを含み、前記金属フレームの平面状の取り付け面が前記周辺リップに接着されて、そのためにそれらの間に液密シールを形成し、他方、前記セパレータプレートと前記金属担持セルとの間の協働が、前記体積領域内の反応物流垂直間隙および前記膜電極アセンブリと前記金属フレームの平面状の取り付け面が周辺リップに接着される場所によって画定される場所との間の熱障壁水平間隙を画定することと、を含む方法。
【請求項１６】
前記接着することが溶接することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記溶接することが、前記金属フレームの前記平面状の取り付け面の外縁に形成されたタブと前記周辺リップとの間で行われる、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年６月５日に出願された米国出願第１６／０００，１７１号の優先権を主張し、その開示全体が、参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
本開示は、概して、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）に関し、より具体的には、個々のユニットが、対応する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）が反応物漏洩を低減する方法として、隣接するフローセパレータプレートに密封接着されることを可能にする金属フレームを備えるＳＯＦＣ燃料電池のスタックに関する。
【発明の概要】
【０００３】
平面ＳＯＦＣスタックは、複数のユニットセルが互いに重なり合って構成されており、各ユニットセルには、アノード、カソード、およびＭＥＡとして一緒に挟まれた固体酸化物電解質が含まれている。個々のユニットセルは、２つの個々のユニットセル間の電気的接続を提供することに加えて、空気または燃料の形態で反応物を受容するための通路を含むセパレータプレートによって互いに物理的に分離されている。反応物流に関しては、燃料電池の性能に悪影響を与えることがあるので、ＭＥＡのアノードまたはカソードのそれぞれに各反応物を導入する前に、燃料も空気も互いに混合されるべきではない。このような混合および関連する漏洩を防止するために、ＭＥＡが取り付けられた金属フレームが隣接するセパレータプレートに接着されて、小さい振動または衝撃を受けたときに割れやすいガラスシーラントまたは他の材料、ならびに、通常のＳＯＦＣ動作温度に耐えられない低温シーラント材料（ポリマーベースのものなど）の使用を回避する。
【０００４】
本開示の一実施形態によれば、ＳＯＦＣスタックは、スタッキング寸法または軸に沿って整列された多数のユニットセルを含む。ユニットセルの各々は、ＭＥＡが固定されて金属支持セル（ＭＳＣ）を形成する取り付け表面で構成された金属フレーム、ならびに、ＭＥＡアノード層を通じた燃料の搬送およびＭＥＡカソード層を通じた空気の搬送をそれぞれ可能にする多数の流動的に分離された反応物通路を含む。ユニットセルの各々は、少なくともＭＥＡのアノード層が空洞と周辺リップによって画定される体積領域内に受容されるように、空洞を境界付ける周辺リップを有するセパレータプレートをさらに含む。金属フレームの取り付け表面の少なくとも一部は、周辺リップに接着されて、それらの間に液密シールが形成される。スタックの上側および下側のセッタープレートなどの追加の構成要素は、ＳＯＦＣスタックを形成するために、互いに協働させられてスタック寸法に沿って様々なユニットセルに固定圧力を加えることができる。
【０００５】
本開示の別の実施形態によれば、平面ＳＯＦＣをシールする方法は、取り付け表面を有するように金属フレームを配置することと、取り付け表面によって画定される開口内に実質的に嵌合するようにＭＥＡを載置することと、金属フレームの取り付け表面がセパレータプレートの外周リップに接着されて、それらの間に液密シールを形成するようにセパレータプレートを接続することと、を含む。セパレータプレートは、空洞と周辺リップによって画定される体積領域内に少なくともＭＥＡのアノード層が受容されるように空洞を境界付ける、周辺リップを含む。
【０００６】
本明細書に記載の実施形態のさらなる特色および利点は、次の詳細な説明に記載され、部分的には、記載から当業者には容易に明らかになるか、または次の詳細な説明、特許請求の範囲、ならびに添付の図面を含む、本明細書に記載の実施形態を実施することによって認識されるであろう。
【０００７】
本開示の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照番号で示されている以下の図面と併せて読むと最もよく理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示の１つ以上の実施形態による２セルＳＯＦＣの分解図である。
【図２Ａ】図１のＳＯＦＣスタックで使用されているガスケットの上面斜視図である。
【図２Ｂ】図１のＳＯＦＣスタックで使用されている上側エンドセパレータプレートの上面斜視図である。
【図２Ｃ】図１のＳＯＦＣスタックで使用される中間セパレータプレートの上面斜視図である。
【図２Ｄ】図１のＳＯＦＣスタックで使用される下側エンドセパレータプレートの上面斜視図である。
【図３】図１のＳＯＦＣスタックで使用されるＭＳＣの上面斜視図である。
【図４Ａ】図１のＳＯＦＣスタックで使用されるエンドセパレータプレートに接着されたときの図３のＭＳＣから作製されたアセンブリの上面斜視図である。
【図４Ｂ】図４ＡのＭＳＣおよびセパレータプレートアセンブリの側面図であり、ＭＳＣおよびセパレータプレートが分解図で示されている。
【図４Ｃ】図４Ａの局線Ｃ−Ｃに沿ったＭＳＣおよびセパレータプレートアセンブリの側面断面図である。
【図５】本開示の１つ以上の実施形態による、上側エンドプレートを通る反応物の１つの分布した流れを示す、図１のＳＯＦＣスタックの最上部の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本開示の実施形態は、接着接続が、空気（周囲環境またはＭＥＡのカソード流路からの空気など）がＭＥＡのアノード層の周りの領域で燃料と混合することを実質的に防止するために、金属フレームに支持されたＭＥＡと隣接するセパレータプレートとの間に液密シールを形成可能にする改良されたＳＯＦＣを対象とする。このようにして、空気漏洩を最小化することができ、これにより、ＭＥＡのアノード層の還元酸化安定性が促進され、よって、アノード層の損傷の可能性が減少する。特に、接着接続は、類似した熱膨張係数（ＣＴＥ）または熱化学的適合性の一方または両方を介して、長期的なスタックの耐久性を向上させるために、物理的および熱的衝撃の影響を一般的に受けない液密シールを実現する金属構造を使用する。さらに、このような接着はまた、ＳＯＦＣスタックの形成に関連する製造プロセスを単純化することもできる。
【００１０】
最初に図１を参照すると、ＳＯＦＣスタック１０の分解図が、概念的な２セルプレートタイプの構成で示されている。したがって、２つのユニットセル２０は、直交座標空間におけるＹ軸（すなわち、垂直）スタッキング寸法に沿って互いにスタックされる実質的に平面状の（すなわち、平坦な）プロファイルを含む。本文脈内で、特定のスタッキング、位置、または寸法方向への参照は、図１に示される直交座標の文脈内であると理解され、このような空間参照系に対するわずかな不整合による同じものからのわずかな逸脱は一般性を損なうことなく許容される。さらに、本開示内で使用される場合、上側の方向または下側の方向の属性を有しているとして特定の構成要素または特徴に頼ることは、図１の直交座標の描写に基づいて、いわゆる「上側の」属性を示す構成要素は、いわゆる「下側の」属性を示す構成要素よりも図示された正のＹ軸に沿って直交軸の原点から遠くにあると理解されるであろう。例えば、ＳＯＦＣスタック１０は、概念的には、垂直なＹ軸に沿って構築されているように示されているが、ＳＯＦＣスタック１０は、任意の好適な配向に配向させることができ、このような配向に関連する直交または他の方向属性の考察は、同様に、ＳＯＦＣスタック１０の対応する表面、構成要素、または他の部分に起因することが理解されよう。さらに、スタック１０は、２つのユニットセル２０を含むものとして示されているが（以下でより詳細に考察されるように）、より多くのユニットセルが提供され得ること、およびこのようなすべての変形は、本開示の範囲内にあると見なされることが理解されよう。
【００１１】
第１および第２のユニットセル２０の各々は、Ｙ軸のスタッキング寸法に沿って互いに離間されている。散在する追加的な構成要素には、中間セパレータプレート３０、エンドセパレータプレート４０、スタックの上側および下側のセッタープレート５０、金属フレーム６０、ＭＥＡ７０、チャネルプレート８０、ガスケット９０、ガスケットリング１００、金属フレーム６０を対応するＭＥＡ７０に接合することによって形成されるアセンブリであるＭＳＣ１１０、および反応物通路１２０が含まれ、これらはすべて、本開示の他の場所でより詳細に考察される。
【００１２】
１つの反応物として燃料を使用し、他の反応物として空気を使用する電気化学的相互作用がＭＥＡ７０で起こり、次に、これらの相互作用が、モータ、補助動力装置（ＡＰＵ）などの負荷が使用するための電流の形で電力を提供することが理解されよう。同様に、ＭＥＡ７０は、単純化のために単層構造を有するものとして図１に示されているが、実際には、略平面状の主表面と縁方向の副表面を有する３層構造（図４Ｂおよび４Ｃに示されるような）から構成され、電解質層７４がアノード層７２とカソード層７６の形態で電極間に挟まれ、カソード層７６で生成されたＯ２イオンが電解質層７４を通って流れ、アノード層７２で燃料（Ｈ２またはＣＯなどの）空気と反応し、一方、空気中の酸素の還元からカソード層７６で生成された自由電子の流れによって生成され、アノード層７２で燃料の酸化中に消費される電流が、１つ以上の外部デバイス負荷に電力を供給するために使用することができることが理解されるであろう。本文脈において、「主」および「副」という用語は、表面を説明するために使用されるとき、一般的なＳＯＦＣスタック１０または特にその構成要素のうちの１つの構造または動作に対するこのような表面の相対的な重要性ではなく、表面積の量を指す。したがって、より大きな表面積を投影する表面（例えば、セパレータプレート３０、４０のいずれかと対面して隣接する関係を形成するＭＥＡ７０のアノード層７２またはカソード層７６の平面状の表面など）は、他の構成要素または特徴が取り付けられ、固定され、または他の方法で固定され得る表面などの主表面であると見なされ、他方、より小さな領域を投影する表面（ＭＥＡ７０または金属フレーム６０上に形成される縁に対応するものなど）は、副表面であると見なされる。したがって、「略平面状の」、「縁」などの用語は、本文脈内で、このような主表面および副表面を説明する用語とそれぞれ置き換え可能であると理解される。
【００１３】
ＳＯＦＣスタック１０を構成する残りの構成要素は、ＭＥＡ７０に機械的、電気的、または流体搬送の支援を提供するために使用される。例えば、各ＭＥＡ７０の接近した構造的カップリングは、それらが、互いに接合されるときに、組み立てられたＭＳＣ１１０の形態で実質的に単一の構造的カップリングを形成するように、金属フレーム６０を介してなされる。同様に、各ＭＥＡ７０への、および各ＭＥＡ７０からの反応物の搬送は、整列された反応物通路１２０を介してなされ得る。一形態では、反応物通路１２０は、それぞれの中間セパレータプレート３０、エンドセパレータプレート４０、ガスケット９０、およびガスケットリング１００内に形成され、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、および図５と併せてより詳細に説明される、整列可能な一組の開口として画定される。このような形態では、反応物は、それらが垂直マニホルドとして機能するように、通路１２０を通ってスタッキング寸法に沿って流れるようにすることができる。別の形態では、反応物通路は、整列されスタックされた様々な構成要素の統合されたアセンブリによって形成されるのではなく、例えば、構造的に切り離された導管の形態に、ＳＯＦＣスタック１０の外側に位置され得る。反応物通路１２０とＳＯＦＣスタック１０の残部との間の構造的統合の程度に関するこれらおよび他の構成はすべて、本開示の範囲内であると見なされることが理解されよう。図１に示される形態では、これらの反応物通路１２０の整列は、各対（例えば、対向する隅部セクションが流動的に連続するカプレットに流体接合することによって形成される）が、アノード層７２を通して燃料を、ＭＥＡ７０のカソード層７６を通して空気を、それぞれ搬送する流動的に分離された方法を促進するようなものである。それらを流動的に分離しておくことにより、異なる反応物の不注意な混合の可能性が最小化される。一形態では、反応物通路１２０は、十分な量のそれぞれの反応物（すなわち、ＭＥＡ７０のアノード層７２用の燃料およびＭＥＡ７０のカソード層７６用の空気）を搬送するために、主としてスタッキング寸法に沿って突出する。これは、図１の「燃料イン」および「燃料アウト」、ならびに「空気イン」および「空気アウト」に対応する流路によって概念的に示されている。図２Ｃ、図４Ａ〜４Ｃ、および図５と併せてより詳細に考察されるように、反応物通路１２０はまた、通路１２０の主部分から各ＭＥＡ７０のアノード層７２側またはカソード層７６側の対応する１つへの反応物の少なくともいくらかの迂回を可能にする横方向に方向付けられた分岐ゲート１３０を含む。本文脈内では、反応物の流れの横方向は、ＳＯＦＣスタック１０に対してＸ軸またはＺ軸に沿って（またはＸＺ軸によって形成される平面に沿って）進む方向である。
【００１４】
図２Ｃ（中間セパレータプレート３０）ならびに図２Ｄおよび図４Ａ〜図４Ｃ（エンドセパレータプレート４０）と併せて考察されるように、周辺リップ３４、４４は、略平面状の主表面３６、４６から上方に突出して、対応するＭＳＣ１１０の主表面の載置を可能にするためのトラフ様の体積領域３８、４８を画定する、直立壁を形成する。この体積領域３８、４８は、主表面４６うちの一方（エンドセパレータプレート４０）または主表面３６の両方（中間セパレータプレート３０）に略Ｕ字形の受容空洞として形成される。本開示の他の場所で考察されるように、体積領域３８、４８は、反応物うちの一方（すなわち、燃料または空気）が、それらの相互作用の一部として流入および流出して、ＭＥＡ７０に電流を生成する場所である。一形態では、横方向に方向付けられた分岐ゲート１３０は、反応物を反応物通路１２０から体積領域３８、４８へ横方向に導入することを可能にするために、体積領域３８、４８を境界付けるそれぞれのセパレータプレート３０、４０の直立した周辺リップ３４、４４のうちの１つ以上に比較的小さな切り欠きとして形成される。図１に示されるような一形態では、これらの横方向に方向付けられた分岐ゲート１３０は、対応する反応物を、反応物通路１２０の主部分を通る反応物の流れに直交するＸＺ平面内に流れるようにする。
【００１５】
反応物通路１２０によって形成される流路の直径寸法に応じて、ガスケットリング１００は、中間セパレータプレート３０、エンドセパレータプレート４０またはガスケット９０に対応する開口３２、４２、または９２によって画定される通路１２０の部分内に嵌合するような寸法にされて、中間セパレータプレート３０、エンドセパレータプレート４０またはガスケット９０が、このような開口３２、４２、または９２内に形成され得るリップ、レッジまたは関連する支持構造上に載ることができるようにする。中間セパレータプレート３０またはエンドセパレータプレート４０の横方向に方向付けられた分岐ゲート１３０とその周辺に同じ横方向の切り欠きまたは関連するブリーチを持たないことにより、ガスケット９０およびガスケットリング１００は、対応する通路１２０からの半径方向に方向付けられた流れを阻止し、これは、次に、反応物通路１２０のスタッキング寸法を通る反応物の流れを維持しつつ、反応物通路１２０と隣接する体積領域３８、４８との間の強化されたシーリングを提供するのに役立つ。さらに、ガスケット９０は、中間セパレータプレート３０またはエンドセパレータプレート４０と同じサイズおよび形状の（例えば、同じ一般的な長方形のフットプリントを有する）全周構造を画定することができる。このようにして、１つ以上のスタックされた中間セパレータプレート３０とエンドセパレータプレート４０の隣接して面する表面の間で圧縮されるとき、ガスケット９０は、反応物、ならびに周囲環境からの副生成物の流体および空気の漏洩をさらに低減させるのに役立つ。ガスケット９０は、非導電性の圧縮性材料で構成することができる。一形態では、ガスケット９０と、ガスケットリング１００および中間セパレータプレート３０と、エンドセパレータプレート４０との間のサンドイッチ状の位置合わせおよび順応性のある協働は、スタックの上側および下側のセッタープレート５０のボルト締結作用からの圧縮クランプ力によって提供することができる。ガスケットリング１００は、例えば、ガラス、ガラス−セラミック、アルミナ−フェルト、セラミック−セラミック、金属−セラミック、マイカ、およびサーミキュライトを含む、燃料電池アセンブリでの使用に好適な様々な従来のまたはまだ開発されていない材料のいずれかから製作することができる。
【００１６】
ガスケット９０は、このような構成要素間に最小の固定距離を提供することにより製造公差を補償する方法として隣接する構成要素間に順応性インターフェースを提供することに加えて、このような構成要素間の電気的絶縁を提供することもできる。実際、隣接して面する構成要素間の最小固定距離を維持することは、このような電気的絶縁を確実にするのに役立ち、ある特定の形態では、最小固定距離は、それぞれのセパレータプレート３０、４０が互いに電気的に接触するのを防止することができる。当然のことながら、ＳＯＦＣスタック１０およびガスケット９０上に生じる圧縮作用は、ガスケット９０を構成する材料の過度のまたは望ましくない塑性変形を回避するために、それらの圧縮限界を超えてはならない。なぜなら、このような変形は、とりわけ、このような電気的絶縁の損失を導き得るからである。
【００１７】
中間セパレータプレート３０について示されるような構造は、それが隣接してスタックされた２つのユニットセル２０の間の境界として機能することを可能にすることができる。このような構成では、中間セパレータプレート３０は、体積領域３８が両方の対向する側の主表面３６上に形成され得るという点で、バイポーラプレートとして機能することができる。さらに、各対向側およびコンパニオン体積領域３８は、バイポーラプレート技術の当業者が理解する方法で、一方の側の第１の反応物（燃料など）および他方の側の第２の反応物（空気など）の対応する体積領域３８への送達およびそこからの除去を制御するために、ＭＳＣ１１０の金属フレーム６０およびＭＥＡ７０のうちの対応する１つと協働する。一形態では、中間セパレータプレート３０およびエンドセパレータプレート４０は、導電性材料で構成され、ユニットセル２０間の物理的障壁として機能し、また、外部回路は、好適な直列または並列接続を使用してユニットセル２０の上側のものをユニットセル２０の下側のものに電気的に接続することができる。エンドセパレータプレート４０の同様に構成された体積領域４８もまた、ＭＳＣ１１０の金属フレーム６０および挿入されたＭＥＡ７０のうちの対応する１つに対面して隣接するように配置された主表面上に提供され得る。
【００１８】
チャネルプレート８０は、それらがＭＥＡ７０と中間セパレータプレート３０またはエンドセパレータプレート４０の対応する１つとの間に配設されるように、ＭＥＡ７０のカソード層に対して対面して隣接する関係に載置され得る。チャネルプレート８０はそれぞれ、ＭＳＣ１１０のうちの１つの対応する表面（アノード表面またはカソード表面など）に隣接して位置決めされる。一形態では、チャネルプレート８０はそれぞれ、カソード層への空気の流れを促進するのを助けるために示されるような、１つ以上のそれぞれの蛇行チャネルを含むことができる（これは、図４Ｂおよび図４Ｃと併せてより詳細に考察される）。蛇行した構成が図１に示されているが、これは本質的に単なる例示であり、並列チャネル配置などの他の構成も本開示の範囲内であると見なされることを理解されたい。一形態では、チャネルプレート８０は、代わりに、多孔性を促進するために、多孔性、発泡体様、またはメッシュ状の構造で形成され得、これは、次に、対応する反応物通路１２０から各ＭＥＡ７０のカソード層への空気の流れを促進する。さらに、チャネルプレート８０は、ユニットセル２０から電流を搬送するための外部負荷または他の電気回路との電気的導通を確立するために使用され得る。
【００１９】
一形態では、ＳＯＦＣスタック１０は、比較的高い動作温度（すなわち、最大約１０００℃）を経験し得る。ＳＯＦＣスタック１０の様々な構成要素は、比較的高い動作温度にさらされると熱膨張を受けることがあり、その結果、第１および第２のユニットセル２０およびそれらの対応する支持構成要素のうちの１つ以上が変形することがあることを理解されたい。上側および下側セッタープレート５０は、ユニットセル２０に固定圧力を生成して、ユニットセル２０の熱膨張を低減または実質的に無くすことができる。より具体的には、上側および下側セッタープレート５０はそれぞれ、ボルトまたは他の固定または固定手段の使用を通じて、スタッキング寸法に沿って圧縮力を発揮することができる。様々なユニットセル２０に加えられる固定圧力の量は、ＳＯＦＣスタック１０の垂直高さに基づき得、これは、ユニットセル２０の数に依存することができる。より具体的には、ＳＯＦＣスタック１０の熱膨張を低減または実質的に無くすために必要な固定圧力は、ＳＯＦＣスタック１０の高さが増加するにつれて増加し得る。言い換えれば、ユニットセル２０の数を増加させると、熱膨張の影響を低減または実質的に無くすために、ＳＯＦＣスタック１０によって必要とされるより高い固定圧力がもたらされる。同様に、ユニットセル２０の数を減らすと、ＳＯＦＣスタック１０に必要な固定圧力が低くなる。
【００２０】
次に図２Ａ〜図２Ｄを参照すると、ガスケット９０の各々の斜視分離図（図２Ａ）、上側エンドセパレータプレート４０（図２Ｂ）、ガスケット９０が挿入された中間セパレータプレート３０（図２Ｃ）、および下側エンドセパレータプレート４０（図２Ｄ）が示されている。特に図２Ａを参照すると、ガスケット９０の本体９４は、中央のボイド９６と、整列されたスタッキング時に反応物通路１２０に対応する複数の導管状の開口９２とを画定するように形作られ得る。一形態では、導管状の開口９２は、長方形の本体９４の４つの隅部の各々に配設される。特に図２Ｂを参照すると、上側エンドセパレータプレート４０の上向きの主表面は、隣接するスタック上側セッタープレート５０への薄型接合を促進するために、略円滑な平面状の構成を画定する。スタッキング寸法に沿った上側エンドセパレータプレート４０の厚さは、周辺リップ４４に沿って縁方向に見ることができる。さらに、ノッチＮが、上側エンドセパレータプレート４０の一部として一体的に形成されて、それの、ＳＯＦＣスタック１０内で上側セッタープレート５０および他の構成要素との整列したスタッキングを促進することができる。一形態では、ピンまたは他の位置合わせ固定部材が、中間セパレータプレート３０、下側エンドセパレータプレート４０、ガスケット９０などの様々な他の構成要素上に同様に形成され得る整列したノッチＮの多数のものの内に載置され得る。特に図２Ｃを参照すると、中間セパレータプレート３０が、通路１２０の一組の結合セクションの主部分からの反応物それぞれの少なくともいくらかの導入およびその後の除去を可能にする横方向に方向付けられた分岐ゲート１３０の形態の、開口３２および反応物通路１２０の一部内の横方向の迂回路を示す。周辺リップ３４および下側表面３６によって空洞として形成される体積領域３８の凹んだトラフ様の性質も見ることができる。特に図２Ｄを参照すると、下側エンドセパレータプレート４０の上向きの主表面が、液密シールＳＦを形成する方法として、下側エンドセパレータプレート４０とＭＳＣ１１０との間に協働平面を形成する方法としての周辺リップ４４および下側表面４６の協働を通じて図２Ｃの中間セパレータプレート３０と構造が略類似している空洞および対応する容積領域４８を画定する（図４Ｂおよび図４Ｃに関連しても考察されるように）。同様に、横方向に方向付けられた分岐ゲート１３０は、開口４２の一部内で横方向の迂回路として機能し、通路１２０の１組の結合セクションの主部分からの反応物それぞれの少なくともいくつかの導入およびその後の除去を可能にする。
【００２１】
次に図３を参照すると、実質的に平面状のプロファイルを画定する金属フレーム６０の平面状の主表面６２上へのＭＥＡ７０の堆積または他の載置によって形成されるＭＳＣ１１０のアセンブリの斜視図が示されている。金属フレーム６０の副表面６４に対応する縁が、時に、約１００μｍ〜５０００μｍ、またはより狭く１００μｍ〜３００μｍであり、堆積されたアノード、カソード、および電解質層の厚さが、時に、約５０μｍ〜１００μｍ、またはより狭く約２００μｍであるので、ＭＥＡ７０および金属フレーム６０の相対的な厚さは、縮尺通りに示されていないことが理解されよう。これらの寸法は、文脈のために例としてのみ提示されており、本開示または特許請求の範囲を制限するために使用されるべきではない。各ＭＥＡ７０の接近した構造的カップリングは、金属フレーム６０を介してなされ、各ＭＥＡ７０および対応する金属フレーム６０は、互いに接合されると、組み立てられたＭＳＣ１１０の形態で実質的に単一の構造的カップリングを形成する。ＭＳＣ１１０は長方形の形状を画定するものとして示されているが、任意の数の閉じた多角形を形成する他の形状（正方形、丸みを帯びた長方形など）も使用でき、すべての変形は本開示の範囲内であると見なされることを理解されたい。一形態では、金属フレーム６０は、チャネルプレート８０の発泡体ベースまたはメッシュベースの変形と同様の方法で、ガス透過性金属発泡体（クロムに富む鉄ベースの合金を有するものなど）から作製されて、反応物の空気がカソード層７６に流入すること、ならびにカソード層７６から流出することができるようにする。このような多孔質材料または金属発泡体は、粉末冶金などの既知の方法によって製造することができ、焼結が粉末冶金プロセス全体の一部として使用されて、このような多孔性の量を制御することができる。粉末金属を使用することにより、金属フレーム６０は、セラミックを妨げる耐久性の問題のいくつかを回避することができる。一形態では、ＭＥＡ７０の断面積は、カバーされていないＭＥＡ７０によって画定される表面積フットプリントを超えて延在する周辺境界領域６６を残しながら、金属フレーム６０の取り付け表面のように機能する平面状の主表面６２に嵌合するようなものである。本文脈において、多孔質構造、構造、または関連する特性を示す金属フレーム６０およびチャネルプレート８０などの構成要素は、ガス状の反応物（燃料など）の流れが、ＭＥＡ７０がそれが設計された方法で電流生成機能を果たすことを可能にするのに十分な量で、このような構成要素の厚さを通って移動することを可能にするものである。
【００２２】
次に図４Ａ〜図４Ｃを参照すると、セパレータプレート４０の１つとＭＳＣ１１０との間の協働を示す様々な図が示されている。特に図４Ａ（図１、図４Ｂおよび図４Ｃのユニットセル２０の一部を形成することができる任意選択的な上側表面チャネルプレート８０が分かり易くするために分解図で示されている）を参照すると、ＭＳＣ１１０のセパレータプレート４０上への載置は、金属フレーム６０（または任意選択的なチャネルプレート（現在は示されていない））の少なくとも下向き表面が、隣接して対面する下側エンドセパレータプレート４０の体積領域４８内に配設されるようなものである。立面斜視図は、下側エンドセパレータプレート４０とＭＳＣ１１０との間のスタックされ部分的に入れ子になった関係、ならびにセパレータプレート４０と金属フレーム６０の周辺境界領域６６の平面状の主表面６２の少なくとも一部を画定するタブ６８との間の密封結合が生じる周辺リップ４４の上側表面を画定する実質的に平面状のレッジを示す。現在は、エンドセパレータプレート４０およびＭＳＣ１１０とともに示されているが、本考察は、他の場所で開示されているように、ＭＳＣ１１０の中間セパレータプレート３０の１つへの接着、接合、または他の方法での取り付けにも当てはまる。
【００２３】
特に図４Ｂおよび４Ｃを参照すると、ＭＳＣ１１０および下側エンドセパレータプレート４０に関連する詳細が、接着前の分解図である図４Ｂ、および２つの構成要素が接着された後の組み立てられたままの図である図４Ｃの両方に示されている。立面切り欠き図は、ＭＥＡ７０の様々な層、ならびにＭＳＣ１１０を形成するためにＭＥＡ７０がどのように金属フレーム６０の上側表面に固定されるかを示している。一形態では、金属フレーム６０は、平面状の主表面６２の一部を形成する周辺境界領域６６の少なくとも一部を圧縮することによって、タブ６８を含むように作製され得る。特に、金属フレーム６０を構成する材料の多孔質金属構造は、スタッキング寸法に沿ったこのような圧縮を受けやすく、それにより、薄く、平坦な接着面Ｂが下側エンドセパレータプレート４０の周辺リップ４４の対応する上側表面に付着する場所の形成が可能になる。そのような構造では、タブ６６は、平面状の主表面６２を形成する中央セクションよりも、スタッキング寸法に沿って薄いプロファイルを有する。前述のように、ＭＥＡ７０は、アノード層７２の主表面が電解質層７４の１つの主表面に載置され、カソード層７６の主表面が電解質層７４の反対側の主表面に載置される３層構造を含む。一形態では、アノード層７２、電解質層７４、およびカソード層７６は、典型的には、ガス形態にある反応物の比較的自由な流れを促進するために多孔質材料で作製されている。例えば、限定としてではなく、電解質層７４は、ジルコニアベースの電解質またはセリアベースの電解質から作製され得る。特定の実施形態では、ジルコニアベースの電解質層７４は、イットリア安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ＺｒＯ２（ＳｃＳＺ）、カルシア安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）およびこれらの組み合わせから選択され得る。代替的に、セリアベースの電解質層７４は、希土類ドープセリアを含んでもよい。例えば、セリアベースの電解質層７４は、ガドリニウムドープセリア（ＧＤＣ）、イットリアドープセリア（ＹＤＣ）、サマリウムドープセリア（ＳｍＤＣ）、およびこれらの組み合わせからなる群から選択され得る。同様に、カソード層７６は、電解質層７４との相互作用を無視できるが、ＳＯＦＣのより高い動作温度範囲で低いＯ２（ｇ）還元過電圧を示す任意の材料から作製され得る。例えば、限定としてではなく、カソード層７６は、ドープランタンベースのペロブスカイト、ならびにランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）、イットリア安定化ＺｒＯ２／ランタンストロンチウムマンガナイト（ＹＳＺ−ＬＳＭ）、およびそれらの組み合わせなどの関連物質で構成され得る。さらに、アノード層７２は、ＹＳＺ骨格構造を有する金属ニッケルに基づくものなどのセラミック−金属混合物（すなわち、サーメット）から構成され得る。アノード層７２の高い多孔性は、そのそれぞれの反応物通路１２０を通って送達される燃料（ガス状の場合）の比較的自由な流れを促進するのに役立つ。一形態では、アノード層７２およびカソード層７６は、スクリーン印刷、プラズマ溶射などによって作製され得、一方、電解質層７４は、プラズマ溶射、物理蒸着（ＰＶＤ）、焼結、ゾルゲル、スクリーン印刷、湿式粉末溶射、または他の既知の薄膜プロセスによって作作製され得る。拡散バリア層（例えば、セリウム−ガドリニウムオキシド（ＣＧＯ）、ドープされたランタンベースのペロブスカイトなど）などの追加の層が、電解質−カソード界面内、またはアノード−金属基板層内などの様々な層間の界面領域で使用され得、金属フレーム６０を構成する金属基板は、反応物の透過性を促進するために使用され得るはずの多孔性の尺度を有するように作製され得る焼結粉末または他の構造の形態であり得る。このような拡散バリア層は、ＰＶＤなどの既知の技術から形成され得る。
【００２４】
セパレータプレート３０、４０のどの形態が採用されるかに関係なく、それと金属フレーム６０との間の接着面Ｂに形成された液密シールＳＦは、ＸＺ軸によって形成される平面内でそれらの表面幅の共通の接触領域の、すべてではなくとも、少なくともいくらかに延在する。一形態では、このような共通の接触領域は、セパレータプレート４０の周辺リップ４４から、金属フレーム６０の重なり合う外向きに延在するタブ６８の少なくとも一部まで延在する。一形態では、水平な液密シールＳ方向付けＦは、下側エンドセパレータプレート４０の周辺リップ４４の上側表面の全周の周りに、および、少なくとも、横方向に方向付けられた分岐ゲート１３０によって占有されていないそれぞれの中間セパレータプレート３０の開口４２および付随する通路１２０内のスタッキング寸法の部分に沿って延在する。
【００２５】
体積領域４８は、先で考察されたトラフ様の受容空洞として、ならびにどのように形成された反応物の流れの垂直間隙ＧＶが、反応物（具体的には、図示されるような燃料）の流れが金属フレーム６０への途中でチャネルプレート８０に遭遇し、次いでＭＥＡ７０のアノード層７２の下向きの主表面に当たることを可能にするかに作用する。通路１２０の主部分からの燃料の一部の迂回を可能にする通路１２０および横方向に方向付けられた分岐ゲート１３０は、図４Ｂおよび４Ｃには示されていないが、燃料の搬送（燃料流Ｆとも称される）が、通路１２０の主部分からの燃料流Ｆの一部の迂回を可能にする横方向に方向付けられた分岐ゲート１３０を通して導入された後、チャネルプレート８０の下向きの主表面と下側エンドセパレータプレート４０の上向きの下側表面４６との間に形成される反応物流の垂直間隙ＧＶ内で水平に延在するという本開示の残りの部分に頼ることで理解されるであろう。
【００２６】
金属フレーム６０の外周を形成するタブ６８は、一緒に組み立てられたときに液密シールＳＦがそれらの間に水平に形成されるように、周辺リップ４４に接着され得る。このような接着は、溶接、ろう付け、固定接合、接着剤などの形態であり得る。液密シールＳＦは、周囲環境内への導入された燃料の流れＦの外向きの漏洩を実質的に防止し、また、周囲環境からＭＥＡ７０のアノード層７２内への空気の内向きの流れを実質的に防止する。セパレータプレート４０の隣接して対面する表面が溶接によって金属フレーム６０に接着されている形態では、金属フレーム６０を構成する材料は、溶接中の変形に対して実質的に耐性がある。同様に、金属フレーム６０および接着されたセパレータプレート４０は、例えば、金属または金属合金などの同じ導電性材料で構成され得る。一形態では、セパレータプレート４０および接着された金属フレーム６０は、溶接中の亀裂または他の変形の形成を回避するのに役立つ方法として、両方とも類似したＣＴＥを含む異種の導電性材料で構成され得る。より特定の形態では、セパレータプレート４０と金属フレーム６０との間（ならびにＭＥＡ７０のアノード層７２と金属フレーム６０との間）のＣＴＥが、実質的に同一になるように調整され得、（例えば）隣接する層間の合金成分の相互拡散を抑制するために、先で考察された拡散バリア層が使用され得る。
【００２７】
図４Ｂには示されていないが、当業者には、セパレータプレートが中間セパレータプレート３０として構成されている状況では、中間プレート３０が、バイポーラプレートの特徴を有するように、実質的に鏡像の下側に対面する構造が存在することが理解されるであろう。同様に、セパレータプレートが上側エンドまたは下側エンドセパレータプレート４０の一方または他方として示されるように構成されている状況では、このような実質的に鏡像の対向する表面構造または関連するバイポーラプレートの特徴は必要でなく、両方の構造の変形が文脈から、および本開示の範囲内の両方で理解されるであろう。セパレータプレートが中間セパレータプレート３０であるか、またはエンドセパレータプレート４０の１つであるかに関係なく、それぞれのセパレータプレート３０、４０内に形成される体積領域３８、４８へのＭＳＣ１１０の載置の入れ子の性質が見られ得る。ＭＳＣ１１０およびセパレータプレート３０、４０の隣接するものの入れ子になったスタッキングは、一緒に接着される（先で考察されるように溶接などによって）と、スタッキング寸法に沿った厚さがセパレータプレート３０、４０のみよりも著しく大きくないようなものである。したがって、ＳＯＦＣスタック１０が多数のユニットセル２０で構成されている構成では、ＳＯＦＣスタック１０の垂直高さは、そのような入れ子が存在しない配置と比較して低くすることができ、それにより、より多くのユニットセル２０がＳＯＦＣスタック１０の高さの所定量内に詰められることを可能にする。ユニットセル２０のこのような全体的な厚さの減少は、梱包および体積の制約が特に厳しい輸送ベースの用途（前述のＡＰＵなど）において特に有益であることが理解されよう。金属フレーム６０がＭＳＣ１１０内のＭＥＡ７０に結合される方法に関係なく、平面状の主表面６２はまた、ＭＥＡ７０の屈曲または湾曲を実質的に防止するために必要な剛性を提供することができる。
【００２８】
ＭＳＣ１１０は、実質的に多孔質の反応物流の連続体が、反応物流の垂直間隙ＧＶ内で、下側セパレータプレート４０の上方に面する下側表面４６に沿って移動する燃料流Ｆの露出によって形成されるように、下側セパレータプレート４０に対して配向される。このような連続体は、燃料流Ｆが、連続して、アノード層７２、金属フレーム６０の平面状の主表面６２、および任意選択的なチャネルプレート８０に遭遇することを意味する。一形態では、反応物流の垂直間隙ＧＶは、厚さが約１ミリメートル未満である（すなわち、スタッキング寸法に沿って）。このようなサイズ決めによって、反応物流の垂直間隙ＧＶは、燃料流Ｆが、チャネルプレート８０の受容下向き主表面および下側エンドセパレータプレート４０の上向き下側表面４６を横切って、略層状になることを可能にする。このように、燃料流Ｆは、反応物に面する表面に可能な限り多く接触するようにされている。一形態では、反応物に面する表面は、空気または燃料のそれぞれの流れに最初に遭遇する表面である。例えば、図示されるように、チャネルプレート８０は、それが、燃料流Ｆに曝される最初の部分となるセパレータプレート４０の体積領域４８内に延在するように、ＭＳＣ１１０の残りの部分から下向きに突出する。同様に、チャネルプレート８０は、ユニットセル２０の燃料側に存在しなくてもよい構成では、アノード層７２は、それが、燃料流Ｆに曝されるＭＥＡ７０の最初の部分となるセパレータプレート４０の体積領域４８内に延在するように、ＭＳＣ１１０の残りの部分から下向きに突出する。
【００２９】
さらに、図示されているように、Ｘ軸に沿った最小の横方向内側距離は、液密シールＳＦが形成されるときにＭＥＡ７０が経験し得るいかなる熱衝撃または関連する過度の熱伝達も実質的に防止するかまたは低減させるために使用される熱障壁水平間隙ＧＨを提供するように、ＭＥＡ７０の縁と液密シールＳＦとの間である。このような形態では、ＭＥＡ７０は、ＸＺ軸によって形成される平面内で金属フレーム６０のタブ６８から内側にされ、熱障壁水平間隙Ｇ離間Ｈを画定する。たとえば、溶接を使用して液密シールＳＦを作る場合は、熱障壁水平間隙ＧＨは、ＭＥＡ７０内への溶接または他の接着プロセス中に発生する熱の縁方向コンダクタンスを低減する低熱伝導率のガスリッチ「デッドゾーン」を確保するのに役立つ。いくつかの実施形態では、熱障壁水平間隙ＧＨは横方向内側に少なくとも約５ミリメートル延在することができ、一方、液密シールＳＦを構成する接着線の長さは少なくとも約４ミリメートルであり、両方ともＸＺ軸内に形成される平面でのものである。したがって、一形態では、液密シールＳＦを構成する接着線を含む共通の着座領域の幅の、熱障壁水平間隙ＧＨに対する比は、約０．８であるが、約０．５〜約１．０までの任意の横幅比もまた、本開示の範囲内である。
【００３０】
次に、図４Ｂおよび図４Ｃと併せて図５を参照すると、組み立てられた状態のＳＯＦＣスタック１０の一部の最上部ユニットセル２０の立面斜視図が示されており、今は、分かり易くするために、図１の上側セッタープレート５０は除去されている。特に、上側セパレータプレート４０の整列された載置は、次に、中間セパレータプレート３０上にスタックされるガスケット９０上にスタックされる。一形態では、スタック１０の種々のＭＥＡ７０に送達される燃料の垂直上方への移動を想定すると、燃料流Ｆは、それぞれの上側エンドセパレータプレート４０、ガスケット９０および中間セパレータプレート３０の様々な開口４２、９２および３２によってスタック１０の対向するに形成される入口部分１２０隅部Ｉおよび対応する出口部分１２０Ｏを横断することができる。同等のフローパターンが、他の反応物（空気）のための対向する隅部に形成されている他の２つの入口部分および対応する出口部分１２０Ｉ、１２０Ｏを介して行われることが理解されるであろう。燃料流Ｆは、最初に、通路１２０を通ってその入口部分１２０Ｉに入り、次いで、それぞれの中間セパレータプレート３０および上側エンドセパレータプレート４０の各々に対応する様々な横向きの分岐ゲート１３０を通ってスタッキング寸法に沿って上方に移動する。次いで、燃料流Ｆは、図示されるように、様々な垂直間隙ＧＶを水平に通過することができ、この反応物流の垂直間隙ＧＶのサイズおよび形状が、先で考察された略層状の流れを促進するのに役立つ。最後に、アノード層７２および電解質層７４を通って拡散しなかった燃料流Ｆの部分は、同様の方法でカソード層７６の搬送された空気と反応するために、上側セパレータプレート４０の反対側の隅部で横方向に方向付けられた分岐ゲート１３０を横断し、次いで、出口部分１２０Ｏを通ってスタッキング寸法に沿って下方に移動する。
【００３１】
特許請求される主題の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載の実施形態に対して様々な修正および変更がなされ得ることは、当業者には明らかであろう。したがって、本明細書は、本明細書に記載の様々な実施形態の修正および変更を網羅することが意図されるが、そのような修正および変更が、添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物の範囲内であることを条件とする。
【００３２】
以下の特許請求の範囲のうちの１つ以上は、用語「ｗｈｅｒｅｉｎ」を移行句として利用することに留意すべきである。本発明を定義する目的で、この用語は、特許請求される主題の構造の一連の特性の説明を導入するために使用される開放型移行句として特許請求の範囲に導入され、より一般的に使用される開放型前置き用語（ｐｒｅａｍｂｌｅ  ｔｅｒｍ）「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」と同様の方法で解釈されるべきであることに留意されたい。
【図１】
2021527298.tif 000003
【図２Ａ】
2021527298.tif 000004
【図２Ｂ】
2021527298.tif 000005
【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４Ａ】
2021527298.tif 000009
【図４Ｂ】
2021527298.tif 000010
【図４Ｃ】
2021527298.tif 000011
【図５】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年10月25日(2019.10.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタッキング寸法に沿って整列された複数のユニットセルであって、前記複数のユニットセルのうちの少なくとも１つは、
金属支持セルであって、
平面状の主表面を含む金属フレームと、
膜電極アセンブリであって、前記金属フレームの前記平面状の主表面の上に配設され、電解質層によってアノード層から分離されたカソード層を含み、前記膜電極アセンブリが、平面状の主表面を画定する膜電極アセンブリと、を含む、金属支持セルと、
前記アノード層を通じた燃料の搬送および前記カソード層を通じた空気の搬送のそれぞれのための複数の流体的に分離された反応物通路と、
セパレータプレートであって、空洞を境界付ける周辺リップを備え、そのため、前記金属支持セルの少なくとも一部が、前記空洞および前記周辺リップによって画定される体積領域内に受容され、前記セパレータプレートの対面して隣接する表面と前記金属フレームの前記主表面との間に反応物流垂直間隙を形成し、前記金属フレームの前記平面状の主表面が、前記周辺リップに接着され、そのため、それらの間に液密シールを形成し、および前記膜電極アセンブリと前記セパレータプレートの直立壁との間の熱障壁水平間隙を提供する、セパレータプレートと、を含む、複数のユニットセルと、
スタック上側セッタープレートと、
前記スタック上側セッタープレートと協働してスタッキング軸に沿って前記複数のユニットセルに固定圧力を加えるスタック下側セッタープレートと、を含む、固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項２】
前記金属フレームの前記平面状の主表面が、多孔質構造を含む、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項３】
前記膜電極アセンブリが、前記スタッキング軸に直交する平面内で金属フレームの露出した外縁から横方向内側に離間されて、体積領域内に熱障壁水平間隙を画定する、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項４】
前記カソード層の最上部が、前記膜電極アセンブリの対応する上側表面を形成する、請求項３に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項５】
前記金属フレームが、前記金属フレームの前記平面状の主表面の周りに形成される周辺境界領域の一部として形成されるタブをさらに含む、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項６】
前記液密シールが溶接部を含む、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項７】
前記反応物流垂直間隙が、前記スタッキング軸に沿って約１ミリメートル未満の厚さを画定する、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項８】
前記液密シールが、前記熱障壁水平間隙に対して少なくとも約０．５の横幅比を画定する、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項９】
前記熱障壁水平間隙が、約５ミリメートルの横方向幅を画定し、前記液密シールが、約４ミリメートルの横幅を画定する、請求項８に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記複数の流体的に分離された反応物通路が、前記周辺リップの前記スタッキング寸法に沿って形成される、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記金属フレームの熱膨張係数が、前記金属フレームの主表面に接着されている前記周辺リップの少なくとも一部の熱膨張係数と同一である、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１２】
前記セパレータプレートが、中間セパレータプレートおよびエンドセパレータプレートのうちの少なくとも１つを含む複数のセパレータプレートを含む、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記体積領域内に配設されたチャネルプレートと、
スタッキング寸法に沿ってセパレータプレートの表面に対して隣接して配設されたガスケットであって、前記ガスケットが、その中に複数の開口を画定し、前記複数の開口が、
前記スタッキング寸法に沿って前記膜電極アセンブリのサイズおよび形状と実質的に同一であるサイズおよび形状を画定する表面積を有する第１の開口と、
前記スタッキング寸法に沿って流体的に分離された複数の反応物通路に整列された複数の第２の開口と、を含む、ガスケットと、
の少なくとも１つをさらに含む、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１４】
前記金属フレームの前記チャネルプレートおよび平面状の主表面が多孔質構造を含む、請求項１３に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１５】
平面固体酸化物燃料電池を密封する方法であって、
平面状の主表面を含むように金属フレームを配置することと、
平面状のプロファイルの膜電極アセンブリを前記金属フレームの平面状の主面に固定することであって、このようなアノード層から電解質層によって分離されたカソード層を含み、平面状の主表面を画定する膜電極アセンブリの固定によって、金属支持セルが形成されるようにする、固定することと、
前記金属支持セルをセパレータプレートに接着することであって、前記セパレータプレートが、空洞を境界付ける周辺リップを含み、前記金属支持セルの少なくとも一部が前記空洞および前記周辺リップによって画定される体積領域内に受容されるようにし、前記セパレータプレートの対面して隣接する表面と前記金属フレームの前記主表面との間に反応物流垂直間隙を形成し、前記金属フレームの主表面が前記周辺リップに接着されて、それらの間に液密シールを形成し、前記膜電極アセンブリと前記セパレータプレートの直立壁との間の熱障壁水平間隙を提供する、接着することと、を含む、方法。
【請求項１６】
前記接着することが、溶接することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記溶接することが、前記金属フレームの平面状の取り付け面の外縁に形成されたタブと前記周辺リップとの間で行われる、請求項１６に記載の方法。
【国際調査報告】
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