(57)【要約】  クロスフロー型のインターコネクト及び同インターコネクトを含む燃料電池スタックであって、インターコネクトは、インターコネクトの互いに反対側の第１及び第２の周縁部に隣接してインターコネクトを通って延在する燃料入口及び燃料出口と、空気側と、反対側の燃料側とを備える。空気側は、インターコネクトの第３の周縁部からインターコネクトの反対側の第４の周縁部まで第１の方向に延在する空気通路を含む空気流れ範囲と、空気流れ範囲の互いに反対側の２つの側面に配置され、燃料入口及び燃料出口が形成されるライザシール面とを備える。燃料側は、燃料入口と燃料出口との間で、第１の方向に対して実質的に直交する第２の方向に延在する燃料通路を含む燃料流れ範囲と、燃料流れ範囲並びに燃料入口及び燃料出口を取り囲む周囲シール面とを備える。【選択図】  図３Ｃ
2021525949.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クロスフロー型の燃料電池のインターコネクトであって、
前記インターコネクトの互いに反対側の第１及び第２の周縁部に隣接して前記インターコネクトを通って延在する燃料入口及び燃料出口と、
空気側であって、
前記インターコネクトの第３の周縁部から前記インターコネクトの反対側の第４の周縁部まで第１の方向に延在する空気通路を含む空気流れ範囲と、
前記空気流れ範囲の互いに反対側の２つの側面に配置され、前記燃料入口及び前記燃料出口が形成されるライザシール面と、
を備える前記空気側と、
前記空気側と反対側の燃料側であって、
前記燃料入口と前記燃料出口との間で、前記第１の方向に対して実質的に直交する第２の方向に延在する燃料通路を含む燃料流れ範囲と、
前記燃料流れ範囲並びに前記燃料入口及び前記燃料出口を取り囲む周囲シール面と、
を備える前記燃料側と、
を備える前記インターコネクト。
【請求項２】
前記ライザシール面に配置された誘電体層をさらに備える、請求項１記載のインターコネクト。
【請求項３】
各誘電体層がＣ字形であり、前記インターコネクトの外周に隣接する対応するライザシール面の一部を覆うか、又は各誘電体層がＤ字形であり、前記対応するライザシール面を完全に覆う、請求項２記載のインターコネクト。
【請求項４】
前記空気流れ範囲の前記空気通路には直接配置されるが、前記インターコネクトの前記ライザシール面には配置されない、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）及び（Ｍｎ，Ｃｏ）３Ｏ４スピネル（ＭＣＯ）の少なくとも一方を含むコーティング層をさらに備え、
各誘電体層が、前記インターコネクトの前記対応するライザシール面に直接、かつ前記ライザシール面に隣接して配置される前記コーティング層の縁部分のみに直接、大気プラズマ溶射により形成されるアルミナ層を備える、請求項３記載のインターコネクト。
【請求項５】
前記誘電体層が、耐食性のガラス、アルミナ、ジルコニア、ＳｉＣ、又はこれらの組み合わせを含む、請求項２記載のインターコネクト。
【請求項６】
各インターコネクトが、少なくとも２つの燃料入口及び少なくとも２つの燃料出口を備える、請求項１記載のインターコネクト。
【請求項７】
前記空気流れ範囲が、前記空気通路を少なくとも部分的に画定しかつ前記第３の周縁部から前記第４の周縁部まで延在する空気側リブを備える、請求項１記載のインターコネクト。
【請求項８】
前記ライザシール面が、前記空気側リブの先端にわたって延在する平面に対して約３０μｍ〜約５０μｍだけ凹まされている、請求項７記載のインターコネクト。
【請求項９】
前記燃料入口及び前記燃料出口の前記縁部が、面取りされている、請求項１記載のインターコネクト。
【請求項１０】
ランタンストロンチウムマンガナイト、Ｍｎ２−ｘＣｏ１＋ｘＯ４（０≦ｘ≦１）材料、又はそれらの組み合わせを含み、前記空気流れ範囲に配置されたコーティングをさらに含み、
前記コーティングが前記ライザシール面には形成されない、請求項１記載のインターコネクト。
【請求項１１】
燃料電池スタックであって、
互いに積層された請求項１記載のクロスフロー型のインターコネクトと、
前記インターコネクト間に配置され、隣接するインターコネクトの前記燃料流れ範囲及び前記空気流れ範囲に面する燃料電池と、
前記燃料入口によって少なくとも部分的に画定され、燃料を前記燃料流れ範囲に提供するように構成された燃料入口ライザと、
前記燃料出口によって少なくとも部分的に画定され、前記燃料流れ範囲からのアノード排気を受け取るように構成された燃料出口ライザと、
各インターコネクトのライザシール領域に配置され、前記燃料入口ライザ及び前記燃料出口ライザの燃料が前記空気流れ範囲に入るのを防止するように構成されたライザシールと、
各インターコネクトの周囲シール領域に配置され、空気が前記燃料流れ範囲に入るのを防止するように構成された周囲シールと、
を備える前記燃料電池スタック。
【請求項１２】
各燃料電池が、
互いに隣接する第１及び第２のインターコネクト間に配置された電解質と、
前記電解質の第１の表面を覆い、前記第１のインターコネクトの空気流れ範囲に面するカソードと、
前記電解質の反対側の第２の表面を覆い、前記第２のインターコネクトの前記燃料流れ範囲に面するアノードと、
を備え、
前記カソードによって覆われていない前記電解質の前記第１の表面の部分に、隣接するマニホールドシールが接触し、
各燃料電池が、前記アノードから延在しかつ前記インターコネクトの積層方向で前記マニホールドシールと重なる電解質補強層をさらに備える、請求項１１記載の燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記燃料電池が、固体酸化物形燃料電池を備え、
前記電解質補強層が、セラミック材料を含み、
前記インターコネクトの熱膨張率が、前記燃料電池の熱膨張率の±１０％以内である、請求項１２記載の燃料電池スタック。
【請求項１４】
前記燃料電池が貫通孔を有していない、請求項１１記載の燃料電池スタック。
【請求項１５】
前記燃料電池と、隣接する燃料流れ範囲との間に配置された導電層をさらに備え、
各導電層の部分が、前記隣接する流れ範囲を越えて延在し、前記インターコネクトの積層方向で、隣接するマニホールドシールと重なる、請求項１１記載の燃料電池スタック。
【請求項１６】
前記導電層がニッケルメッシュを含む、請求項１５記載の燃料電池スタック。
【請求項１７】
前記ライザシール及び前記周囲シールが、重量比で
約４０％〜約６０％の範囲の量のＳｉＯ２と、
約１０％〜約３５％の範囲の量のＢａＯと、
約５％〜約２０％の範囲の量のＣａＯと、
約１０％〜約２０％の範囲の量のＡｌ２Ｏ３と、
約０．２５％〜約７％の範囲の量のＢ２Ｏ３と、
を含むシール材から形成される、請求項１１記載の燃料電池スタック。
【請求項１８】
前記シール材が、重量比で約０．５％〜約１．５％の範囲の量のＫ２Ｏをさらに含む、請求項１７記載の燃料電池スタック。
【請求項１９】
前記ライザシール及び前記周囲シールが、重量比で
約３０％〜約６０％の範囲の量のＳｉＯ２と、
約０．５％〜約１５％の範囲の量のＢ２Ｏ３と、
約０．５％〜約５％の範囲の量のＡｌ２Ｏ３と、
約５％〜約３０％の範囲の量のＣａＯと、
約２％〜約２５％の範囲の量のＭｇＯと、
約２％〜約１２％の範囲の量のＬａ２Ｏ３と、
を含むシール材から形成される、請求項１１記載の燃料電池スタック。
【請求項２０】
前記シール材が、重量比で
約０．５％〜約３５％の範囲の量のＢａＯ、
約０．５％〜約２０％の範囲の量のＳｒＯ、又は
約０．５％〜約３５％の範囲の量のＢａＯ及び約０．５％〜約２０％の範囲の量のＳｒＯ、
をさらに含む、請求項１９記載の燃料電池スタック。
【請求項２１】
前記燃料電池スタックが、少なくとも４０個の燃料電池を備え、アノードスプリッタプレートを備えていない、請求項１１記載の燃料電池スタック。
【請求項２２】
前記燃料電池スタックの互いに反対側の側面に配置され、前記燃料電池スタックの縁部を取り囲むように湾曲する、湾曲したセラミックバッフルプレートをさらに含む、請求項１１記載の燃料電池スタック。
【請求項２３】
燃料電池スタックであって、
互いに積層されたインターコネクトと、
前記インターコネクト間に配置され、隣接するインターコネクトの燃料流れ範囲及び空気流れ範囲に面する燃料電池と、
燃料入口によって少なくとも部分的に画定され、燃料を前記燃料流れ範囲に提供するように構成された燃料入口ライザと、
燃料出口によって少なくとも部分的に画定され、前記燃料流れ範囲からのアノード排気を受け取るように構成された燃料出口ライザと、
各インターコネクトのライザシール領域に配置され、前記燃料入口ライザ及び前記燃料出口ライザの燃料が前記空気流れ範囲に入るのを防止するように構成されたライザシールと、
各インターコネクトの周囲シール領域に配置され、空気が前記燃料流れ範囲に入るのを防止するように構成された周囲シールと、
を備え、前記ライザシール及び前記周囲シールが、重量比で
約３０％〜約６０％の範囲の量のＳｉＯ２と、
約０．５％〜約１５％の範囲の量のＢ２Ｏ３と、
約０．５％〜約５％の範囲の量のＡｌ２Ｏ３と、
約５％〜約３０％の範囲の量のＣａＯと、
約２％〜約２５％の範囲の量のＭｇＯと、
約２％〜約１２％の範囲の量のＬａ２Ｏ３と、
少なくとも０．５％の、ＢａＯ及びＳｒＯの少なくとも一方と、
を含むシール材から形成される、前記燃料電池スタック。
【請求項２４】
前記シール材が、重量比で
約０．５％〜約３５％の範囲の量のＢａＯ、
約０．５％〜約２０％の範囲の量のＳｒＯ、又は
約０．５％〜約３５％の範囲の量のＢａＯ及び約０．５％〜約２０％の範囲の量のＳｒＯ、
を含む、請求項２３記載の燃料電池スタック。
【請求項２５】
前記シール材が、重量比で
約２０％〜約３０％の範囲の量のＢａＯ、
約１０％〜約２０％の範囲の量のＳｒＯ、又は
約２０％〜約３０％の範囲の量のＢａＯ及び約１０％〜約２０％の範囲の量のＳｒＯ、
を含む、請求項２３記載の燃料電池スタック。
【請求項２６】
前記ライザシール領域の前記インターコネクトのライザシール面に配置された誘電体層と、
前記空気流れ範囲の空気通路及びリブには直接配置されるが、前記インターコネクトの前記ライザシール面には配置されない、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）及び（Ｍｎ，Ｃｏ）３Ｏ４スピネル（ＭＣＯ）の少なくとも一方を含むコーティング層と、
をさらに備える、請求項２３記載の燃料電池スタック。
【請求項２７】
各誘電体層が、前記インターコネクトの対応する前記ライザシール面に直接、かつ前記ライザシール面に隣接して配置される前記コーティング層の縁部分のみに直接、大気プラズマ溶射により形成されるアルミナ層を備える、請求項２６記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［背景技術］
高温形燃料電池システム、例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムでは、酸化剤流が燃料電池のカソード側を通過し、燃料流が燃料電池のアノード側を通過する。酸化剤流は典型的には空気であり、燃料流は炭化水素燃料、例えばメタン、天然ガス、ペンタン、エタノール、又はメタノールであってよい。燃料電池は、７５０℃〜９５０℃の典型的な温度で稼働し、負に帯電した酸素イオンの、カソードフローストリームからアノードフローストリームへの移動を可能にし、ここでイオンは、自由水素又は炭化水素分子中の水素と結合して水蒸気を生成し、及び／又は、一酸化炭素と結合して二酸化炭素を生成する。負に帯電したイオンからの過剰電子は、アノードとカソードとの間に完成された電気回路を介して燃料電池のカソード側に戻され、その結果、回路を介して電流が流れるようになる。
【０００２】
燃料電池スタックは、内部又は外部に燃料及び空気用のマニホールドを備えることができる。内部マニホールド型のスタックでは、燃料及び空気は、スタック内に含まれるライザを用いて各セルに分配される。換言すれば、ガスは、各燃料電池の支持層、例えば電解質層の開口部又は孔、及び各セルのガスフローセパレータを介して流れる。また、外部マニホールド型のスタックでは、スタックは燃料及び空気の入口側及び出口側で開口しており、燃料及び空気は、スタックのハードウェアとは独立して導入及び回収される。例えば、入口及び出口の燃料並びに空気は、スタックと、スタックが配置されるマニホールドハウジングとの間の別個の通路を流れる。
【０００３】
燃料電池スタックは、多くの場合、プレーナ形の要素、チューブ、又は他のジオメトリの形態の複数のセルから製造される。燃料と空気とは、電気化学的に活性な表面に供給されなければならず、その表面は大きくなり得る。燃料電池スタックの構成要素の１つは、スタック内の個々のセルを分離する、いわゆるガスフローセパレータ（プレーナ形のスタックではガスフローセパレータプレートと呼ばれる）である。ガスフローセパレータプレートは、スタック内の１つのセルの燃料極（つまり、アノード）に流れる燃料、例えば水素又は炭化水素燃料を、スタック内の隣接するセルの空気極（つまり、カソード）に流れる酸化剤、例えば空気から分離する。多くの場合、ガスフローセパレータプレートは、一方のセルの燃料極と、隣接するセルの空気極とを電気的に接続するインターコネクトとしても使用される。この場合、インターコネクトとして機能するガスフローセパレータプレートは、導電性材料で製造されるか、又は導電性材料を含む。
【発明の概要】
【０００４】
本開示の様々な実施形態によれば、クロスフロー型のインターコネクト及び同インターコネクトを含む燃料電池スタックが提供され、インターコネクトは、インターコネクトの互いに反対側の第１及び第２の周縁部に隣接してインターコネクトを通って延在する燃料入口及び燃料出口と、空気側と、反対側の燃料側とを備える。空気側は、インターコネクトの第３の周縁部からインターコネクトの反対側の第４の周縁部まで第１の方向に延在する空気通路を含む空気流れ範囲と、空気流れ範囲の互いに反対側の２つの側面に配置され、燃料入口及び燃料出口が形成されるライザシール面とを備える。燃料側は、燃料入口と燃料出口との間で、第１の方向に対して実質的に直交する第２の方向に延在する燃料通路を含む燃料流れ範囲と、燃料流れ範囲並びに燃料入口及び燃料出口を取り囲む周囲シール面とを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の例示的な実施形態を示しており、上記の一般的な説明及び下記の詳細な説明とともに、本発明の特徴を説明するのに役立つ。
【図１Ａ】従来の燃料電池コラムの斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａのコラムに含まれる１つのカウンタフロー型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックの斜視図である。
【図１Ｃ】図１Ｂのスタックの一部の側断面図である。
【図２Ａ】図１Ｂのスタックの従来のインターコネクトの空気側の平面図である。
【図２Ｂ】従来のインターコネクトの燃料側の平面図である。
【図３Ａ】本開示の様々な実施形態による燃料電池スタックの斜視図である。
【図３Ｂ】図３Ａのスタックの一部の分解斜視図である。
【図３Ｃ】図３Ａのスタックに含まれるインターコネクトの燃料側の平面図である。
【図３Ｄ】図３Ａのスタックに含まれる燃料電池の概略図である。
【図４Ａ】本開示の様々な実施形態による図３Ｃのクロスフロー型のインターコネクトの空気側を示す平面図である。
【図４Ｂ】本開示の様々な実施形態による図３Ｃのクロスフロー型のインターコネクトの燃料側を示す平面図である。
【図５Ａ】図３Ｃのインターコネクトの空気側を示す平面図である。
【図５Ｂ】図５Ａのインターコネクトの変形バージョンを示す平面図である。
【図６Ａ】本開示の様々な実施形態による図４Ａ及び４Ｂの２つのインターコネクト、並びに図３Ａの燃料電池スタック内に組み立てられた燃料電池を示す断面斜視図である。
【図６Ｂ】図６Ａのインターコネクトの燃料側の燃料電池及びシールの重なりを示す平面図である。
【図７】本開示の様々な実施形態によるインターコネクトの燃料側の一部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
様々な実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。図面は、必ずしも原寸大ではなく、本発明の様々な特徴を説明することを意図している。可能な限り、同じ又は類似の部材を参照するために、図面全体にわたって同じ参照番号が使用される。特定の実施例及び実施形態への言及は、例示目的であり、本発明又は特許請求の範囲を限定することを意図するものではない。
【０００７】
図１Ａは、従来の燃料電池コラム３０の斜視図であり、図１Ｂは、図１Ａのコラム３０に含まれる１つのカウンタフロー型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）スタック２０の斜視図であり、図１Ｃは、図１Ｂのスタック２０の一部の側断面図である。
【０００８】
図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、コラム３０は、１つ又は複数のスタック２０、燃料入口導管３２、アノード排気導管３４、及びアノードフィード／リターンアセンブリ３６（例えばアノードスプリッタプレート（ＡＳＰ）３６）を含んでよい。また、コラム３０は、サイドバッフル３８及び圧縮アセンブリ４０を含んでもよい。燃料入口導管３２は、ＡＳＰ３６に流体接続され、各ＡＳＰ３６に燃料供給を提供するように構成され、アノード排気導管３４は、ＡＳＰ３６に流体接続され、各ＡＳＰ３６からアノード燃料排気を受け取るように構成されている。
【０００９】
ＡＳＰ３６は、スタック２０間に配置され、スタック２０に、炭化水素燃料を含む燃料供給を提供するように、また、スタック２０からアノード燃料排気を受け取るように構成されている。例えば、ＡＳＰ３６は、以下に述べるように、スタック２０内に形成された内部燃料ライザ通路２２に流体接続されてよい。
【００１０】
図１Ｃを参照すると、スタック２０は、ガスフローセパレータプレート又はバイポーラプレートと呼ばれることもあるインターコネクト１０によって分離された複数の燃料電池１を含む。各燃料電池１は、カソード電極３、固体酸化物電解質５、及びアノード電極７を含む。
【００１１】
各インターコネクト１０は、スタック２０内の隣接する燃料電池１同士を電気的に接続する。特に、インターコネクト１０は、１つの燃料電池１のアノード電極７を、隣接する燃料電池１のカソード電極３に電気的に接続することができる。図１Ｃは、下側の燃料電池１が２つのインターコネクト１０の間に配置されていることを示している。
【００１２】
各インターコネクト１０は、燃料通路８Ａ及び空気通路８Ｂを少なくとも部分的に画定するリブ１２を含む。インターコネクト１０は、スタック内の１つのセルの燃料極（つまり、アノード７）に流れる燃料、例えば炭化水素燃料を、スタック内の隣接するセルの空気極（つまり、カソード３）に流れる酸化剤、例えば空気から分離するガス−燃料セパレータとして作用することができる。スタック２０の一方の端部には、空気又は燃料をそれぞれ端部電極に供給するための空気エンドプレート又は燃料エンドプレート（図示せず）が設けられてよい。
【００１３】
図２Ａは、従来のインターコネクト１０の空気側の平面図であり、図２Ｂは、インターコネクト１０の燃料側の平面図である。図１Ｃ及び図２Ａを参照すると、空気側は、空気通路８Ｂを含む。空気は、空気通路８Ｂを通って、隣接する燃料電池１のカソード電極３に流れる。特に、空気は、矢印で示される第１の方向Ａにインターコネクト１０を横切って流れることができる。
【００１４】
燃料がカソード電極に接触するのを防止するために、インターコネクト１０の燃料孔２２Ａをリングシール２３が取り囲んでよい。インターコネクト１０の空気側の周囲部分には、帯状の周囲シール２４が配置される。シール２３，２４は、ガラス材料から形成されてよい。周囲部分は、リブ又は通路を含まない隆起した部分のうちの平坦部分の形態であってよい。周囲領域の表面は、リブ１２の頂部と同一平面であってよい。
【００１５】
図１Ｃ及び図２Ｂを参照すると、インターコネクト１０の燃料側は、燃料通路８Ａ及び燃料マニホールド２８（例えば燃料プレナム）を含んでよい。燃料は、燃料孔２２Ａのうちの１つから、隣接するマニホールド２８に流入し、燃料通路８Ａを通って、隣接する燃料電池１のアノード７に流れる。過剰な燃料は、他方の燃料マニホールド２８に流入し、次に、隣接する燃料孔２２Ａに流入可能である。特に、燃料は、矢印で示されるように、第２の方向Ｂにインターコネクト１０を横切って流れることができる。第２の方向Ｂは、第１の方向Ａに対して直交していてよい（図２Ａ参照）。
【００１６】
インターコネクト１０の燃料側の周囲領域には、枠状のシール２６が配置される。周囲領域は、リブ又は通路を含まない隆起した部分のうちの平坦部分であってよい。周囲領域の表面は、リブ１２の頂部と同一平面であってよい。
【００１７】
したがって、図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、図２Ａ、及び図２Ｂに示すような従来のカウンタフロー型の燃料電池コラムは、複雑な燃料分配システム（燃料レール及びアノードスプリッタプレート）を含み得る。さらに、内部燃料ライザの使用は、燃料電池及び対応するシールに孔を必要とすることがあり、それにより、燃料電池の作用面積を減少させ、燃料電池１のセラミック電解質にクラックを発生させるおそれがある。
【００１８】
燃料マニホールド２８は、インターコネクト１０の比較的大きな領域を占める可能性があり、これにより、インターコネクト１０と、隣接する燃料電池との間の接触面積が約１０％減少する可能性がある。また、燃料マニホールド２８は比較的深いので、燃料マニホールド２８は、インターコネクト１０の比較的薄い領域に相当する。インターコネクト１０は、一般的に粉末冶金圧縮工程によって形成されるので、燃料マニホールド領域の密度は、インターコネクト材料の理論密度限界に近づく可能性がある。したがって、高密度の燃料マニホールド領域をさらに圧縮することができないため、圧縮工程で使用される圧縮プレスのストロークの長さが制限されることになる。その結果、圧縮ストロークの制限によって、インターコネクト１０の他の場所で達成される密度が、より低いレベルに制限される可能性がある。結果として生じる密度のばらつきは、局所的な変動につながる可能性があり、これは、インターコネクト１０と燃料電池１との間の接触量を減少させ、スタックの歩留まり及び／又は性能を低下させる可能性がある。
【００１９】
燃料電池システムの設計における別の重要な検討事項は、稼働効率の領域である。稼働効率を達成するためには、燃料利用率を最大化することが重要な要素である。燃料利用率とは、稼働中に消費される燃料の量と、燃料電池に供給される燃料の量との比である。燃料電池のサイクル寿命を維持するための重要な要素は、作用面積に燃料を適切に分配することにより、燃料電池の作用面積での燃料欠乏を回避することであり得る。いくつかの流れ範囲通路が、その通路の領域で生じる電気化学反応をサポートするのに十分な燃料を受け取れないような燃料の不均一な分配がある場合、その通路に隣接する燃料電池領域で燃料欠乏をもたらす可能性がある。燃料をより均一に分配するために、従来のインターコネクトの設計は、流れ範囲全体にわたる通路の深さの偏差を含む。これは、製造プロセスの複雑さをもたらすだけでなく、これらの寸法を正確に測定するために複雑な計測を必要とする可能性がある。燃料が燃料孔及び分配マニホールドを通して分配されることによって、様々な通路ジオメトリが制約される可能性がある。
【００２０】
この複雑なジオメトリと燃料マニホールドとを解消するための１つの可能な解決策は、より広い燃料開口部を有し、燃料流れ範囲全体にわたってより一層均一な燃料分配を確保することである。燃料マニホールドの形成が密度のばらつきの要因であるため、燃料マニホールドを排除することで、インターコネクトのより均一な密度と透過性とが可能になるはずである。したがって、従来の燃料マニホールドを使用することなく燃料電池に均一に燃料を分配する一方で、燃料電池との均一な接触を提供する改良されたインターコネクトが求められている。
【００２１】
燃料電池システムのホットボックスのサイズを拡大する際の全体的な制約のために、ホットボックスの設置面積を増加させることなく、燃料利用率及び燃料電池の作用面積を最大化するように設計された改良されたインターコネクトもまた必要とされている。
【００２２】
クロスフロー型の燃料電池システム
図３Ａは、本開示の様々な実施形態による燃料電池スタック３００の斜視図である。図３Ｂは、図３Ａのスタック３００の一部の分解斜視図である。図３Ｃは、スタック３００に含まれるインターコネクト４００の燃料側の平面図である。図３Ｄは、スタック３００に含まれる燃料電池の概略図である。
【００２３】
図３Ａ〜図３Ｄを参照すると、ＡＳＰを有さないがゆえに燃料電池コラムと呼ぶこともできる燃料電池スタック３００は、ガスフローセパレータプレート又はバイポーラプレートと呼ぶこともできるインターコネクト４００によって分離される複数の燃料電池３１０を含む。１つ又は複数のスタック３００は、共通のエンクロージャ又は「ホットボックス」内で燃料電池発電システムの他の構成要素（例えば、１つ又は複数のアノード排ガス酸化剤、燃料改質器、流体導管及びマニホールドなど）と熱的に一体化されてよい。
【００２４】
インターコネクト４００は、導電性の金属材料から製造される。例えば、インターコネクト４００はクロム合金、例えばＣｒ−Ｆｅ合金を含んでよい。インターコネクト４００は、典型的には、Ｃｒ粉末とＦｅ粉末との混合物又はＣｒ−Ｆｅ合金粉末であってよいＣｒ−Ｆｅ粉末のプレス及び焼結を含む粉末冶金技術を用いて製作することにより、所望のサイズ及び形状のＣｒ−Ｆｅインターコネクトを形成することができる（例えば、「ネットシェイプ」又は「ニアネットシェイプ」工程）。典型的なクロム合金インターコネクト４００は、重量比で約９０％を超えるクロム、例えば重量比で約９４〜９６％（例えば９５％）のクロムを含む。インターコネクト４００はまた、重量比で約１０％未満の鉄、例えば重量比で約４〜６％（例えば５％）の鉄、重量比で約２％未満、例えば重量比で約０〜１％の他の材料、例えばイットリウム又はイットリア、及び残留不純物又は不可避の不純物を含んでもよい。
【００２５】
各燃料電池３１０は、固体酸化物電解質３１２、アノード３１４、及びカソード３１６を含んでよい。いくつかの実施形態では、アノード３１４及びカソード３１６は、電解質３１２に印刷可能である。他の実施形態では、導電層３１８、例えばニッケルメッシュが、アノード３１４と、隣接するインターコネクト４００との間に配置されてよい。燃料電池３１０は、従来の燃料電池の燃料孔のような貫通孔を備えない。したがって、燃料電池３１０は、そのような貫通孔の存在に起因して発生し得るクラックを回避する。
【００２６】
スタック３００の最上部のインターコネクト４００及び最下部のインターコネクト４００は、それぞれ、空気又は燃料を、隣接する端部の燃料電池３１０に提供するための特徴を有する異なる形態の空気側エンドプレート又は燃料側エンドプレートであってよい。本明細書で使用されている場合、「インターコネクト」とは、２つの燃料電池３１０の間に配置されたインターコネクト、又はスタック端部に配置され、１つの燃料電池３１０のみに直接隣接するエンドプレートのいずれかを意味し得る。スタック３００は、ＡＳＰ及びそれに関連するエンドプレートを含まないので、スタック３００は、２つのエンドプレートしか含み得ない。その結果、コラム内ＡＳＰの使用に関連したスタック寸法の偏差を回避することができる。
【００２７】
スタック３００は、サイドバッフル３０２、燃料プレナム３０４、及び圧縮アセンブリ３０６を含んでよい。サイドバッフル３０２は、セラミック材料で形成可能であり、積層された燃料電池３１０及びインターコネクト４００を含む燃料電池スタック３００の互いに反対側の側面に配置されてよい。サイドバッフル３０２は、圧縮アセンブリ３０６がスタック３００に圧力を加えることができるように、燃料プレナム３０４と圧縮アセンブリ３０６とを接続してよい。サイドバッフル３０２は、各バッフルプレートが燃料電池スタック３００の三辺の少なくとも一部を覆うような、湾曲したバッフルプレートであってよい。例えば、一方のバッフルプレートは、スタック３００の燃料入口ライザ側を完全に覆い、スタックの隣接する表側及び裏側を部分的に覆ってよく、他方のバッフルプレートは、スタックの燃料出口ライザ側を完全に覆い、スタックの表側及び裏側の隣接する部分を部分的に覆う。スタックの表側及び裏側のカバーされていない残りの部分によって、空気がスタック３００を貫流することが可能になる。湾曲したバッフルプレートは、スタックの片側のみを覆う従来のバッフルプレート３８と比較して、スタックを通過する空気流の制御を改善する。燃料プレナム３０４は、スタック３００の下方に配置されてよく、スタック３００に水素含有燃料供給を提供するように構成されてよく、スタック３００からアノード燃料排気を受け取ってよい。燃料プレナム３０４は、燃料プレナム３０４の下方に配置された燃料入口兼出口導管３０８に接続されてよい。
【００２８】
各インターコネクト４００は、スタック３００内の隣接する燃料電池３１０同士を電気的に接続する。特に、インターコネクト４００は、１つの燃料電池３１０のアノード電極を、隣接する燃料電池３１０のカソード電極に電気的に接続することができる。図３Ｃに示すように、各インターコネクト４００は、空気を第１の方向Ａに流して、空気を、隣接する燃料電池３１０のカソードに提供することができるように構成することができる。また、各インターコネクト４００は、燃料を第２の方向Ｆに流して、燃料を、隣接する燃料電池３１０のアノードに提供することができるように構成することもできる。方向ＡとＦとは、互いに直交していてよいか、又は実質的に互いに直交していてよい。したがって、インターコネクト４００をクロスフロー型のインターコネクトと呼ぶことができる。
【００２９】
インターコネクト４００は、燃料分配のために構成された貫通孔を含んでよい。例えば、インターコネクト４００は、１つ又は複数の燃料入口４０２、及びアノード排気出口４０４と呼ぶこともできる１つ又は複数の燃料出口４０４を含んでよい。燃料入口４０２及び燃料出口４０４は、燃料電池３１０の周囲の外側に配置可能である。したがって、燃料電池３１０は、燃料流れのための対応する貫通孔なしに形成可能である。燃料入口４０２の合計長さ及び／又は燃料出口４０４の合計長さは、インターコネクト４００の対応する長さ、例えば方向Ａに占める長さの少なくとも７５％であってよい。
【００３０】
一実施形態では、図３Ｂに示すように、各インターコネクト４００は、インターコネクト４００のネック部分４１２によって分離された２つの燃料入口４０２を含む。しかし、２つよりも多くの燃料入口４０２が含まれてよく、例えば、２つ〜４つのネック部分４１２によって分離された３つ〜５つの入口が含まれてよい。一実施形態では、図３Ｂに示すように、各インターコネクト４００は、インターコネクト４００のネック部分４１４によって分離された２つの燃料出口４０４を含む。しかし、２つよりも多くの燃料出口４０４が含まれてよく、例えば、２つ〜４つのネック部分４１４によって分離された３つ〜５つの出口が含まれてよい。
【００３１】
互いに隣接するインターコネクト４００の燃料入口４０２は、スタック３００内で整列させられて、１つ又は複数の燃料入口ライザ４０３を形成することができる。互いに隣接するインターコネクト４００の燃料出口４０４は、スタック３００内で整列させられて、１つ又は複数の燃料出口ライザ４０５を形成することができる。燃料入口ライザ４０３は、燃料プレナム３０４から受け取った燃料を燃料電池３１０に分配するように構成することができる。燃料出口ライザ４０５は、燃料電池３１０から受け取ったアノード排気を燃料プレナム３０４に提供するように構成することができる。
【００３２】
図１Ａに示した関連技術の平坦なサイドバッフル３８とは異なり、サイドバッフル３０２は、インターコネクト４００の縁部を取り囲むように湾曲させることができる。特に、サイドバッフル３０２は、インターコネクト４００の燃料入口４０２及び燃料出口４０４を取り囲むように配置することができる。したがって、サイドバッフルは、サイドバッフル３０２間で露出しかつ図４Ａ及び図４Ｂに関して詳細に記載されるインターコネクト４００の空気通路を通る空気流をより効率的に制御することができる。
【００３３】
様々な実施形態では、スタック３００は、少なくとも３０個、少なくとも４０個、少なくとも５０個、又は少なくとも６０個の燃料電池を含んでよく、これらの燃料電池には、燃料ライザ４０３，４０５のみを使用して燃料を提供することができる。換言すれば、従来の燃料電池システムと比較して、クロスフロー型の構成は、図１Ａに示されたＡＳＰ又はスタックの外部燃料マニホールド、例えば外部導管３２，３４を必要とせずに、多数の燃料電池に燃料を提供することができる。
【００３４】
各インターコネクト４００は、導電性材料、例えばセルの固体酸化物電解質と同様の熱膨張率（例えば０〜１０％の差）を有する金属合金（例えばクロム鉄合金）で製造されてよいか、又は同導電性材料を含んでよい。例えば、インターコネクト４００は、金属（例えば、４〜６重量％の鉄、選択的には１重量％以下のイットリウム及び平衡クロム合金などのクロム鉄合金）を含んでよく、所定の燃料電池３１０のアノード側、つまり燃料側と、隣接する燃料電池３１０のカソード側、つまり空気側とを電気的に接続してよい。アノードと各インターコネクト４００との間に導電性接触層、例えばニッケル接触層（例えばニッケルメッシュ）が設けられてよい。別の任意の導電性接触層が、カソード電極と各インターコネクト４００との間に設けられてよい。
【００３５】
稼働中に酸化環境（例えば空気）にさらされるインターコネクト４００の表面、例えばインターコネクト４００のカソードに面する側は、インターコネクトの酸化クロム表面層の成長速度を減少させて、燃料電池のカソードを劣化させてしまうクロム蒸気種の蒸発を抑制するために、保護コーティング層でコーティングされていてよい。典型的には、ペロブスカイト、例えばランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）を含むことができるコーティング層を溶射コーティング又は浸漬コーティング工程を用いて形成することができる。代替的には、スピネル、例えば（Ｍｎ，Ｃｏ）３Ｏ４スピネル（ＭＣＯ）などの他の金属酸化物コーティングをＬＳＭの代わりに又はＬＳＭに加えて使用することができる。Ｍｎ２−ｘＣｏ１＋ｘＯ４（０≦ｘ≦１）、又はｚ（Ｍｎ３Ｏ４）＋（１−ｚ）（Ｃｏ３Ｏ４）と表記され、式中、（１／３≦ｚ≦２／３）であるか、又は（Ｍｎ，Ｃｏ）３Ｏ４と表記される組成を有する任意のスピネルを使用することができる。他の実施形態では、ＬＳＭとＭＣＯとの混合層又はＬＳＭ層とＭＣＯ層とのスタックをコーティング層として使用してよい。
【００３６】
図４Ａ及び図４Ｂは、本開示の様々な実施形態によるクロスフロー型のインターコネクト４００の空気側及び燃料側をそれぞれ示す平面図である。図４Ａを参照すると、インターコネクト４００の空気側は、載置された燃料電池３１０のカソードに空気を提供するように構成された空気通路４０８を少なくとも部分的に画定するように構成されたリブ４０６を含んでよい。インターコネクト４００の空気側は、空気通路４０８を含む空気流れ範囲４２０と、空気流れ範囲４２０の互いに反対側の２つの側面に配置されたライザシール面４２２とに分けることができる。ライザシール面４２２の一方は、燃料入口４０２を取り囲んでよく、他方のライザシール面４２２は、燃料出口４０４を取り囲んでよい。空気通路４０８及びリブ４０６は、空気通路４０８及びリブ４０６がインターコネクト４００の互いに反対側の周縁部で終端するように、インターコネクト４００の空気側を完全に横切って延在可能である。換言すれば、スタック３００に組み立てられたとき、空気通路４０８及びリブ４０６の互いに反対側の端部は、スタックの互いに反対側の（例えば表側及び裏側）外面に配置され、吹き付けられた空気がスタックを貫流することを可能にする。したがって、スタックは、外部に空気用のマニホールドを備えてよい。
【００３７】
ライザシール面４２２上にライザシール４２４が配置されてよい。例えば、１つのライザシール４２４は、燃料入口４０２を取り囲んでよく、１つのライザシール４２４は、燃料出口４０４を取り囲んでよい。ライザシール４２４は、燃料及び／又はアノード排気が空気流れ範囲４２０に入って、燃料電池３１０のカソードに接触してしまうのを防止することができる。また、ライザシール４２４は、燃料が燃料電池スタック１００（図３Ａ参照）から漏れ出してしまうのを防止するように機能することもできる。
【００３８】
図４Ｂを参照すると、インターコネクト４００の燃料側は、載置された燃料電池３１０のアノードに燃料を提供するように構成された燃料通路４１８を少なくとも部分的に画定するリブ４１６を含んでよい。インターコネクト４００の燃料側は、燃料通路４１８を含む燃料流れ範囲４３０と、燃料流れ範囲４３０並びに燃料入口４０２及び燃料出口４０４を取り囲む周囲シール面４３２とに分けることができる。リブ４１６及び燃料通路４１８は、空気側通路４０８及びリブ４０６が延在する方向に対して直交する方向又は実質的に直交する方向に延在してよい。
【００３９】
周囲シール面４３２上に枠状の周囲シール４３４が配置されてよい。周囲シール４３４は、空気が燃料流れ範囲４３０に入って、隣接する燃料電池３１０のアノードに接触してしまうのを防止するように構成可能である。また、周囲シール４３４は、燃料が燃料ライザ４０３，４０５を出て、燃料電池スタック３００（図３Ａ及び図３Ｂ参照）から漏れ出してしまうのを防止するように機能することができる。
【００４０】
シール４２４，４３４は、ガラス又はセラミックのシール材を含んでよい。シール材は、低い導電率を有してよい。いくつかの実施形態では、シール４２４，４３４は、インターコネクト４００上にシール材の１つ又は複数の層を印刷し、その後、焼結することによって形成可能である。
【００４１】
いくつかの実施形態では、シール４２４，４３４は、ＳｉＯ２、ＢａＯ、ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｋ２Ｏ及び／又はＢ２Ｏ３を含むケイ酸塩ガラスシール材で形成することができる。例えば、シール材は、重量比で、約４０％〜約６０％、例えば約４５％〜約５５％の範囲の量のＳｉＯ２、約１０％〜約３５％、例えば約１５％〜約３０％の範囲の量のＢａＯ、約５％〜約２０％、例えば約７％〜約１６％の範囲の量のＣａＯ、約１０％〜約２０％、例えば約１３％〜約１５％の範囲の量のＡｌ２Ｏ３、及び約０．２５％〜約７％、例えば約０．５％〜約５．５％の範囲の量のＢ２Ｏ３を含んでよい。いくつかの実施形態では、シール材は、約０．５％〜約１．５％、例えば約０．７５％〜約１．２５％の範囲の量のＫ２Ｏをさらに含んでよい。
【００４２】
いくつかの実施形態では、シール４２４，４３４は、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｌａ２Ｏ３、ＢａＯ及び／又はＳｒＯを含むケイ酸塩ガラスシール材で形成することができる。例えば、シール材は、重量比で、約３０％〜約６０％、例えば約３５％〜約５５％の範囲の量のＳｉＯ２、約０．５％〜約１５％、例えば約１％〜約１２％の範囲の量のＢ２Ｏ３、約０．５％〜約５％、例えば約１％〜約４％の範囲の量のＡｌ２Ｏ３、約２％〜約３０％、例えば約５％〜約２５％の範囲の量のＣａＯ、約２％〜約２５％、例えば約５％〜約２０％の範囲の量のＭｇＯ、及び約２％〜約１２％、例えば約５％〜約１０％の範囲の量のＬａ２Ｏ３を含んでよい。いくつかの実施形態では、シール材は、約０％〜約３５％、例えば約２０％〜約３０％を含む約０％〜約３０％又は約０．５％〜約３０％の範囲の量のＢａＯ、及び／又は約０％〜約２０％、例えば約１０％〜約数１５％を含む約０％〜約１５％又は約０．５％〜約１５％の範囲の量のＳｒＯをさらに含んでよい。いくつかの実施形態では、シール材は、ゼロでない量、例えば少なくとも０．５重量％の量のＢａＯ及び／又はＳｒＯの少なくとも一方、例えば、ゼロでない量、例えば少なくとも０．５重量％の量のＢａＯ及びＳｒＯの両方をさらに含んでよい。
【００４３】
図５Ａは、本開示の様々な実施形態による、ライザシール４２４を有さないインターコネクト４００の空気側を示す平面図であり、図５Ｂは、図５Ａのインターコネクト４００の変形バージョンを示す平面図である。
【００４４】
従来のカウンタフロー型の燃料電池システムの設計では、燃料電池電解質は、燃料電池電解質が、互いに隣接するインターコネクト間の誘電体層として機能するように、インターコネクトを完全に覆う。クロスフロー型の設計では、インターコネクトは燃料電池の周囲を越えて延在してよい。このことは、スタックが傾斜している場合に、又はシールが時間の経過とともに導電性になる場合に、インターコネクト間の電気的な短絡をもたらすおそれがある。
【００４５】
図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、インターコネクト４００は、ライザシール面４２２上に配置された誘電体層４４０を含んでよい。例えば、図５Ａに示すように、各誘電体層４４０は、環状であってよく、対応するライザシール面４２２の全て又は実質的に全てを覆ってよい。例えば、図５Ａの実施形態では、誘電体層４４０は、Ｄ字形であってもよく、図４Ａに示された載置されるライザシール４２４と実質的に同じ形状を有してよい。他の実施形態では、図５Ｂに示すように、誘電体層４４０は、Ｃ字形であってよく、対応するライザシール面４２２の一部、例えばインターコネクト４００の外周に隣接する部分しか覆わなくてよい。誘電体層４４０は、隣接するインターコネクト４００間に電気的な絶縁バリアを形成し、対応するスタックが傾斜している場合に、又はシールが導電性になる場合に、電気的な短絡を防止する。
【００４６】
誘電体層４４０は、アルミナ、ジルコン（ケイ酸ジルコニウム）、炭化ケイ素、結晶性ガラス（例えば石英又はガラスセラミック）、又は他の高温誘電体材料を含んでよい。いくつかの実施形態では、誘電体層４４０は、腐食バリア材料又は腐食バリア層を含んでよい。例えば、誘電体層４４０は、耐食性ガラス、アルミナ、ジルコンなどを含む複合材料を含んでよい。例えば、いくつかの実施形態では、誘電体層４４０は、ＳＯＦＣスタック３００のインターコネクト４００の表面に被着された、少なくとも９０重量％のガラス（例えば、約９９〜１００重量％の非晶質ガラス及び０〜１重量％の結晶相などの９０〜１００重量％のガラス）を含む、実質的にガラスバリア前駆物質層から形成されたガラスセラミック層を含む。一実施形態では、少なくとも９０重量％のガラスを含むガラスバリア前駆物質層は、酸化物重量ベースで、４５〜５５重量％のシリカ（ＳｉＯ２）、５〜１０重量％の酸化カリウム（Ｋ２Ｏ）、２〜５重量％の酸化カルシウム（ＣａＯ）、２〜５重量％の酸化バリウム（ＢａＯ）、０〜１重量％の三酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）、１５〜２５重量％のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、及び２０〜３０重量％ジルコニア（ＺｒＯ２）を含む。
【００４７】
いくつかの実施形態では、ガラスバリア前駆物質層は、重量比で、少なくとも９０％のガラス（例えば、約９９〜１００重量％の非晶質ガラス及び０〜１重量％の結晶相などの約９０〜１００重量％のガラス）を含む。例えば、ガラスバリア前駆物質層は、酸化物重量ベースで、約３０％〜約６０％、例えば約３５％〜約５５％のシリカ（ＳｉＯ２）、約０．５％〜約１５％、例えば約１％〜約１２％の三酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）、約０．５％〜約５％、例えば約１％〜約４％のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、約２％〜約３０％、例えば約５％〜約２５％の酸化カルシウム（ＣａＯ）、約２％〜約２５％、例えば約５％〜約２０％の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、約０％〜約３５％、例えば約２０％〜約３０％の酸化バリウム（ＢａＯ）、約０％〜約２０％、例えば約１０％〜約１５％の酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、及び約２％〜約１２％、例えば約５％〜約１０％の酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）を含んでよい。いくつかの実施形態では、ガラスバリア前駆物質材料は、ゼロでない量、例えば少なくとも０．５重量％の量のＢａＯ及び／又はＳｒＯの少なくとも一方、例えば、ゼロでない量、例えば少なくとも０．５重量％の量のＢａＯ及びＳｒＯの両方を含んでよい。
【００４８】
いくつかの実施形態では、ＬＳＭ／ＭＣＯコーティングの一部又は全部を、インターコネクト４００の空気側においてライザシール４２４の周囲の領域で除去して、ＬＳＭ／ＭＣＯ材料からライザシール４２４へのＭｎの拡散を防止し、それにより、ライザシール４２４が導電性になってしまうのを防止してよい。他の実施形態では、ライザシール４２４は、ＬＳＭ／ＭＣＯコーティング、例えば上述したホウケイ酸ガラスセラミック組成物と反応しない結晶性ガラス又はガラスセラミック材料で形成されていてよい。
【００４９】
誘電体層４４０は、独立した層、例えばテープ形成層及び焼結層から形成されてよく、燃料電池スタックの組み立て中にインターコネクト４００間に配置されてよい。他の実施形態では、誘電体層４４０は、誘電体材料をインク、ペースト、又はスラリーの形態で分散させ、その後、インターコネクト４００上にスクリーン印刷、パッド印刷、エアロゾルスプレーすることによって形成可能である。いくつかの実施形態では、誘電体層４４０は、溶射工程、例えば大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）工程によって形成可能である。例えば、誘電体層４４０は、ＡＰＳ工程によって堆積させられたアルミナを含んでもよい。
【００５０】
誘電体層４４０は、インターコネクト４００上に直接堆積させられてよい。例えば、誘電体層４４０は、ライザシール面４２２上（つまり、ライザシール面４２２が空気流れ範囲４２０と接触し、誘電体層４４０がＬＳＭ／ＭＣＯコーティングと重なり合う小さなオーバラップ領域（例えば継ぎ目）を除いた、ライザシール４２４では覆われるが、ＬＳＭ／ＭＣＯコーティングでは覆われない領域内の燃料入口４０２及び燃料出口４０４の周囲のインターコネクト４００の部材）に直接配置されてよく、それにより、インターコネクト４００の露出面からのＣｒ蒸発が防止される。このように、ＬＳＭ／ＭＣＯコーティングは、空気通路４０８及びリブ４０６を含む空気流れ範囲４２０のインターコネクト４００の表面には配置されるが、燃料入口４０２及び燃料出口４０４を取り囲むインターコネクト４００のライザシール面４２２には配置されない。誘電体層４４０は、ＬＳＭ／ＭＣＯコーティングによって覆われていない燃料入口４０２及び燃料出口４０４を取り囲む領域のインターコネクト４００のライザシール面、並びにライザシール面４２２に隣接する空気流れ範囲４２０内のＬＳＭ／ＭＣＯコーティングの縁部に配置される。代替的には、誘電体層４４０は省略可能であり、燃料ライザ開口部の周囲には誘電体層４４０が堆積させられない。
【００５１】
図６Ａは、本開示の様々な実施形態による、図４Ａ及び図４Ｂの２つのインターコネクト４００、並びに図３Ａの燃料電池スタック３００に組み立てられた燃料電池３１０を示す断面斜視図である。図６Ｂは、図６Ａのインターコネクト４００の燃料側の燃料電池３１０、及びシール４２４，４３４の重なりを示す平面図である。
【００５２】
図４Ａ、図４Ｂ、図６Ａ及び図６Ｂを参照すると、燃料電池スタックに組み立てられたとき、燃料電池３１０は、各インターコネクト４００の空気流れ範囲４２０及び燃料流れ範囲４３０に面するように、インターコネクト４００間に配置される。ライザシール４２４は、燃料電池３１０の空気側の第１の対向する側面に接触してよく、周囲シール４３４は、燃料電池３１０の燃料側の第２の対向する側面に接触してよい。したがって、シール４２４，４３４の部分は、燃料電池３１０の周囲の（例えば燃料電池３１０と重なる）内側よりも、燃料電池３１０の周囲の外側で厚くなり得る。燃料入口４０２及び燃料出口４０４に隣接する周囲シール４３４の部分は、ライザシール４２４の対応する部分と重なり得る。さらに、燃料電池３１０の一部は、シール４２４，４３４の重なり合う部分、例えば燃料電池３１０の角隅の間に配置可能である。したがって、燃料電池３１０及びシール４２４，４３４の重なり合う部分の合計厚さは、シール４２４，４３４の重なり合う部分の厚さよりも大きくなり得る。
【００５３】
この厚さの差異を考慮するために、及び／又は、燃料電池スタックを適切に密封するために、燃料電池３１０の周囲の外側に配置されるインターコネクト４００の部分の厚さは、燃料電池３１０の焼結後の厚さに等しい厚さ（例えば、図３Ｄに示すように、電極３１４，３１６、電解質３１２、及びニッケルメッシュ３１８の焼結後の厚さ）だけ増加させてよい。
【００５４】
シール４２４，４３４が燃料電池３１０の角隅に重なっているので、角隅間でライザシール４２４の各々の下（例えば電解質３１２の下）にギャップＧが形成されてよい。スタック３００が圧縮されると、インターコネクト４００及びライザシール４２４を介して、ギャップＧに隣接する燃料電池３１０の支持されていない縁部に下向きの力が伝達される可能性があり、この下向きの力は、ライザシール４２４の下の隣接するギャップＧによって、レバーアーム効果を生じさせ得る。
【００５５】
従来、燃料電池の電極及び導電層は、燃料電池の作用領域（例えば、燃料電池が燃料及び空気にさらされる部分）にのみ配置される。換言すれば、電極及び／又は導電層で覆われていない電解質部分にシールが配置され得る。
【００５６】
本開示の様々な実施形態によれば、燃料電池３１０の縁部を支持するために、導電層３１８（例えばニッケルメッシュ）がギャップＧ内に延在させられてよい。いくつかの実施形態では、アノード３１４及び／又はカソード３１６は、導電層３１８をギャップＧ内に延在させることと組み合わせて、ライザシール４２４の下の電解質を覆うように延在させられてもよい。他の実施形態では、ライザシール４２４の下の電解質３１２の片側又は両側に１つ又は複数の電解質補強層３２５が形成されてよく、セラミック材料、例えばアルミナ及び／又はジルコニアから形成されてよい。電解質補強層３２５は、アノード３１４及び／又はカソード３１６と実質的に同じ厚さを有してよく、導電層３１８とともに燃料電池３１０の縁部をさらに支持してよい。いくつかの実施形態では、電解質補強層３２５は、燃料電池３１０のカソード側に配置されてよく、クロムゲッタリング材料、例えばマンガン酸化コバルトスピネルから形成されてよい。このように、電解質補強層３２５は、燃料電池３１０に供給される空気からクロムを除去するように構成されてよい。
【００５７】
燃料電池スタック３００及び／又はその構成要素は、コンディショニング及び／又は焼結されてよい。「焼結」は、燃料電池スタックにシールを形成するために、ガラスシール前駆物質又はガラスセラミックシール前駆物質を加熱、溶融及び／又はリフローする工程を含み、このことは、空気／不活性ガス中において、高められた温度（例えば６００〜１０００℃）で実施可能である。「コンディショニング」は、アノード電極中の金属酸化物（例えば酸化ニッケル）をサーメット電極（例えばニッケル、及び安定化ジルコニア又はドープセリアなどのセラミック材料）中の金属（例えばニッケル）に還元する工程、及び／又は性能特性化／試験中にスタック３００を加熱する工程を含み、燃料がスタックを通って流れる間、高められた温度（例えば７５０〜９００℃）で実施可能である。燃料電池スタック３００の焼結及びコンディショニングは、同じ熱サイクル中に（つまり、焼結とコンディショニングとの間にスタックを室温まで冷却することなく）実施可能である。
【００５８】
そのような高温操作中に、ライザシール４２４に過度の圧力が加えられると、ライザシール４２４は、ライザシール面４２２から、燃料電池３１０の縁部を越えて、燃料入口４０２、燃料出口４０４、及び／又は隣接するインターコネクト４００の燃料通路４１８に押し出されるおそれがある。深刻な場合には、このことは、燃料流れの圧力低下を増大させ、セルからセルへの燃料の不均一な分配を引き起こし、さらにはスタック３００を使用不能にすることさえある。
【００５９】
したがって、いくつかの実施形態では、ライザシール面４２２は、空気側リブ４０６の頂部に対して凹まされていてよい。換言すれば、インターコネクト４００の空気側を上から見た場合、ライザシール領域は、リブ４０６の先端よりも低くてよい。例えば、ライザシール面４２２は、リブ４０６の先端を横切って延在する平面に対して約３０〜約５０μｍだけ凹まされていてよい。したがって、例えば約２０〜３０μｍの範囲の厚さを有することができる燃料電池３１０が、インターコネクト４００の空気側に接触すると、リブ４０６が燃料電池３１０に接触し、燃料電池３１０と各々のライザシール面４２２との間に空間又は凹部が形成され得る。
【００６０】
燃料電池スタック３００が組み立てられると、凹まされたライザシール面４２２は、ライザシール４２４を収容するための追加の空間を提供する。その結果、ライザシール４２４に加えられる力を減少させることができ、それにより、高温操作中、例えば焼結中に、ライザシール４２４をライザシール面４２２内に残すことができる。
【００６１】
いくつかの実施形態では、燃料電池３１０の１つ又は複数の構成要素は、例えば、密着焼付けによってより肉厚にされ、より肉厚な密着焼付け燃料電池層を形成してよい。また、この肉厚の増加により、ライザシール４２４に加えられる力を減少させることができる。いくつかの実施形態では、より肉厚の燃料電池３１０は、凹まされたライザシール面４２２とともに使用可能である。
【００６２】
様々な実施形態では、インターコネクト４００の空気側の燃料入口４０２及び／又は燃料出口４０４に面取り部４０７が追加されてよい。面取り部４０７は、ライザシール面４２２から逃げたシール材を捕捉するように機能してよい。また、例えば、インターコネクト４００の他の縁部、例えばインターコネクト４００の燃料側の入口４０２及び出口４０４の縁部、並びに／又はインターコネクト４００の周囲縁部に面取り部４０９が追加されてもよい。面取り部は、インターコネクト４００を形成するために利用される粉末冶金操作中の欠損を防止するなど、インターコネクト４００の形成中に利点を提供することができる。
【００６３】
定常状態稼働中の燃料電池３１０全体にわたる熱勾配は、ｉ２Ｒ加熱、（主に燃料入口４０２での）吸熱蒸気改質、及び対流冷却（例えば、最も冷たい空気が空気通路４０８の入口に接触する）を含む稼働状態と、スタック３００の物理的特性、例えば熱伝導率及びインターコネクト４００の厚さとの関数である。その結果、燃料電池３１０の特定の部分、例えば、燃料入口４０２に隣接する角隅（ホットコーナー）及び燃料入口角隅／空気出口角隅における空気通路４０８の出口が、定常状態稼働中に比較的高温になる可能性がある。この角隅に隣接するシール４２４，４３４の部分は、特にバリウム含有ホウケイ酸ガラスシール材料が使用されるときには、この角隅における比較的高められた温度での蒸発により、多孔質になる可能性がある、及び／又は、漏れが生じる可能性がある。
【００６４】
様々な実施形態によると、シール４２４，４３４は、高温で安定しているガラス材料、例えば上記表１に開示されたガラス材料から形成可能である。代替的な実施形態では、インターコネクト４００の厚さを増加させて、面内方向での熱伝導を改善してよい。厚さを増加させることにより、インターコネクト４００の熱勾配を減少させ、それによって、ホットコーナーの温度を低下させることができる。インターコネクト４００の厚さは、従来のスタックのアノードスプリッタプレートを必要としないため、従来のスタックと比較してスタック３００の全体の厚さを増加させることなく増加させることができる。
【００６５】
図７は、本開示の様々な実施形態によるインターコネクト４００の燃料側の一部を示す図である。図７を参照すると、燃料入口４０２の外縁を取り囲むインターコネクト４００の部分は、フランジ７０３と呼ぶことができる。別のフランジ（図示せず）が、同様に、燃料出口４０４の外縁を取り囲むように配置されてもよい。フランジ７０３は、インターコネクト４００の縁部７０５から延在してよい。フランジ７０３及び縁部７０５は、図４Ｂに示される周囲シール面４３２を含んでよい。
【００６６】
いくつかの実施形態では、縁部７０５の幅Ｘは、フランジ７０３の幅Ｙよりも大きくてよい。例えば、幅Ｘは、幅Ｙよりも約１０％〜約４０％の範囲で広幅でよい。
【００６７】
本開示の様々な実施形態は、クロスフロー型のインターコネクトを含む燃料電池システムを提供する。また、クロスフロー型の通路の設計は、品質目的のために均一な厚さ及び密度を維持するように空気側通路と燃料側通路との間に一定の関係を維持することが必要となる従来のコフロー（co-flow）型の設計の制約を取り払う。
【００６８】
また、クロスフロー型の通路の設計は、さらなる性能向上のために燃料側の流れ及び空気側の流れを独立して最適化する可能性を提供する（例えば、異なる通路数、異なるピッチ、異なる通路形状／異なるリブ形状などが可能）。また、クロスフロー型のインターコネクトは、粉末冶金工具の摩耗を最小化し、リブ先端幅を最大化して、より良好なアセンブリ頑強性のためのより大きな頂部フラット領域を提供するとともに、電解質／セルに対するより良好でより安定した接触領域を提供するように設計することができる。また、燃料電池スタックの全体の高さの制約に基づいて、インターコネクトのバルク厚さを増加させてもよく、これにより、製造品質が改善され、部品間のばらつきが最小化される。燃料入口及び燃料出口は、燃料電池への均一な燃料流れを確保するように設計することもでき、これにより、均一な出力密度を確保し、スタック製造工程のキッティング要件を簡素化することもできる。
【００６９】
従来の燃料電池システムの設計における密度勾配及び電解質の支持の欠如は、主に燃料プレナムの存在に起因するので、本開示の１つの態様は、本来燃料プレナムによって占有される領域の活性化を可能にし、したがって、全体の作用面積及び発電出力を増加させる。また、本開示の態様は、スタック燃料圧力低下の低減を可能にし、その結果、より良好な／均一な燃料利用率をもたらす。燃料入口及び燃料出口のサイズは、全てのスタックに十分な燃料の流れを提供するように構成可能であり、また、従来の燃料電池システムのスタックの外部燃料マニホールド、ＡＳＰ及びサブアセンブリを排除することも可能となる。さらに、燃料電池コラムは、燃料電池の単一スタックから形成可能であるので、従来のシステムで最も弱い領域であり、スタックの歩留まり及びフィールド性能の重大な欠陥の一因となるスタック間インタフェースを排除することができる。
【００７０】
固体酸化物形燃料電池のインターコネクト、エンドプレート、及び電解質は、様々な実施形態において上述されているが、実施形態は、任意の別種の燃料電池のインターコネクト若しくはエンドプレート、例えば、溶融炭酸塩形、リン酸形若しくはＰＥＭ形燃料電池の電解質、インターコネクト若しくはエンドプレート、又は燃料電池システムに関連しない他の任意の形状の金属物体、金属合金物体、圧縮金属粉末物体若しくはセラミック物体を含むことができる。
【００７１】
前述の方法の説明は、単に例示的な例として提供されたにすぎず、様々な実施形態の工程が提示された順序で実行されなければならないことを要求又は暗示することを意図するものではない。当業者であれば理解できるように、前述の実施形態の工程の順序は、任意の順序で実行可能である。「その後」、「次に」、「次」などの単語は、必ずしも工程の順序を限定することを意図したものではなく、これらの単語は、方法の説明を通して読者をガイドするために使用され得る。さらに、例えば冠詞「ａ」、「ａｎ」又は「ｔｈｅ」を使用した請求項の単数形の要素への言及は、要素を単数形に限定すると解釈されるべきではない。
【００７２】
さらに、本明細書に記載される任意の実施形態の任意の工程又は構成要素は、他の任意の実施形態で使用可能である。
【００７３】
開示された態様の上記説明は、当業者が本発明を製造又は使用することを可能にするために提供される。これらの態様に対する様々な変形形態は、当業者には容易に明らかであり、本明細書に定義される一般原則は、本発明の範囲から逸脱することなく、他の態様に適用され得る。したがって、本発明は、本明細書に示される態様に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示された原理及び新規の特徴と一致する最も広い範囲に従うものとする。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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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７】
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【国際調査報告】
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