(57)【要約】      （修正有）【課題】固体酸化物燃料電池スタックなどの高温燃料電池スタックに特に有用な圧縮システムを提供する。【解決手段】固体酸化物燃料電池スタックに外的圧縮力を分配するための圧縮アセンブリであって、前記圧縮アセンブリは、力分配プレート及び力分配層を含み、圧縮アセンブリを固体酸化物燃料電池スタックと一緒に設置した際、外的圧縮力が力分配プレート上に負荷され、力分配層は、固体酸化物燃料電池５に面する表面の反対側で、少なくとも一つのエンドプレート６の表面上に設けられる。力分配層は、固体酸化物燃料電池スタックのシール面１７の領域上に伸びる硬質フレーム２と、この硬質フレームに囲まれかつ固体酸化物燃料電池スタックの電気化学的有効面上に位置する空間４内に置かれる一つもしくはそれ以上の弾性要素３とを有する。【選択図】図１
2008060072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固形酸化物燃料電池スタックに外的圧縮力を分配するための圧縮アセンブリであって、
前記圧縮アセンブリは力分配プレート及び力分配層を含み、前記圧縮アセンブリを固体酸化物燃料電池スタックと一緒に設置した際に、外的圧縮力が上記の力分配プレートに負荷され、そして上記の力分配層は、固体酸化物燃料電池に面する表面とは反対側に少なくとも一つのエンドプレートの表面上に設けられており、この際、上記の力分配層は、固体酸化物燃料電池スタックのシール面の領域上に伸びる硬質フレームと、上記硬質フレームによって囲まれかつ固体酸化物燃料電池スタックの電気化学的有効面上に位置する空間内に置かれた一つもしくはそれ以上の弾性要素とを有し、それによって、固体酸化物燃料電池と一緒に設置された前記圧縮アセンブリの使用時には、上記の力分配層が、シール面及び電気化学的有効面の領域に渡って不均一な圧力分布を供する、上記圧縮アセンブリ。
【請求項２】
上記の一つもしくはそれ以上の弾性要素による圧力分配が、固体酸化物燃料電池の使用時におよそ８７５ＰＡである、請求項１の圧縮アセンブリ。
【請求項３】
上記の一つもしくはそれ以上の弾性要素が、力分配層の中央部の領域において、力分配層の側面付近よりも０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ大きい圧縮を可能する、請求項１の圧縮アセンブリ。
【請求項４】
上記の一つもしくはそれ以上の弾性要素が、一つもしくはそれ以上の位置決め要素中に配置される、請求項１の圧縮アセンブリ。
【請求項５】
上記の一つもしくはそれ以上の弾性要素が、圧縮空気、繊維状セラミック材料及び繊維状金属材料の群から選択される、請求項１の圧縮アセンブリ。
【請求項６】
上記の一つもしくはそれ以上の弾性要素が、雲母に基づく材料からなる、請求項１の圧縮アセンブリ。
【請求項７】
上記の一つもしくはそれ以上の弾性要素のうちの少なくとも一つが、雲母から作製したシートである、請求項６の圧縮アセンブリ。
【請求項８】
雲母シートの厚さが０．８〜１．２ｍｍである、請求項７の圧縮アセンブリ。
【請求項９】
上記の一つもしくはそれ以上の弾性要素が、少なくとも一つの金属バネを含む、請求項１の圧縮アセンブリ。
【請求項１０】
上記の一つもしくはそれ以上の弾性要素が少なくとも一つの金属バネであり、この際、この少なくとも一つの金属バネが一つもしくはそれ以上の位置決め要素中に配置される、請求項１の圧縮アセンブリ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかの圧縮アセンブリを含む、固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１２】
エンドプレート、一つもしくはそれ以上の固体酸化物燃料電池、及び圧縮アセンブリを含む、固体酸化物燃料電池スタックであって、前記圧縮アセンブリは、外的圧縮力がその上に負荷される力分配プレートと、上記の一つもしくはそれ以上の固体酸化物燃料電池に面する表面とは反対側で上記エンドプレートの表面上に設けられる分配層とを有し、前記力分配層は、上記固体酸化物燃料電池スタックのシール面の領域上に伸びる硬質フレームと、上記の硬質フレームによって囲まれかつ前記固体酸化物燃料電池スタックの電気化学的有効面上に位置する空間内に置かれる一つもしくはそれ以上の弾性要素とを有し、それによって、上記固体酸化物燃料電池の使用時に、上記の力分配層が、シール面及び電気化学的有効面の領域に渡って不均一な圧力分布を供する、前記固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１３】
上記の力伝達プレートにクランプ圧が供され、それによって、上記の力伝達プレートを介して上記の硬質フレームに、上記の力伝達プレートの上記クランプ圧の７０％〜９０％のクランプ圧が供される、請求項１２の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１４】
固体酸化物燃料電池スタックをその両端から圧縮する方法であって、該方法は、
複数の固体酸化物燃料電池を電気的直列式に積み重ねて、電気化学的有効面及びシール面の領域を供し；
この固体酸化物燃料電池スタックの各端部をエンドプレート表面に隣接させて配置し、但しこの際、これらのエンドプレートのうちの少なくとも一つのプレートの表面が、固体酸化物燃料電池に面する表面とは反対側になるようにし；
一つもしくはそれ以上の弾性要素及び硬質フレームからなる力分配層を、固体酸化物燃料電池スタックの電気化学的有効面及びシール面の領域の上方に供し；及び
上記の力分配層に外力を加える、
ことを含み、この際、生ずる圧縮圧は、シール面及び電気化学的有効面の領域にわたって不均一に分配され、そしてシール面の領域に負荷される圧縮圧が、固体酸化物燃料電池スタックの電気化学的有効面に負荷される圧縮圧よりも大きい、前記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの圧縮方法、及び固体酸化物燃料電池スタックなどの高温燃料電池スタックに特に有用な圧縮システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気を生産する電子化学的なデバイスである。燃料（通常、水素）を燃料アノードで酸化しそして酸素（通常、空気）をカソードで還元して電流を発生させ、そして副生成物として水及び熱を生成する。水素は、燃料電池中でメタンなどの炭化水素の内部改質によって得ることもできる。アノード及びカソードと接触する電解質が必要であり、これはアルカリ性もしくは酸性の液体または固体であることができる。
【０００３】
固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）では、電解質は固体の非孔質の金属酸化物材料である。ＳＯＦＣは、６５０〜１０００℃の温度で稼働される高温燃料電池である。これらは、メタン等の燃料の内部改質に特に有用である。
【０００４】
発電におけるＳＯＦＣの使用は、内燃機関における化石燃料の燃焼などの源からの発電と比べて潜在的に環境的な利点を供する。
【０００５】
平板の形のＳＯＦＣスタックは、一つ目の固体酸化物燃料電池に隣接する第一のエンドプレートと最後の酸化物燃料電池に隣接する第二のエンドプレートからなる二つの平坦なエンドプレートの間に挿入された、積み重ねられた複数の平坦なプレート型固体酸化物燃料電池から構成される。固体酸化物燃料電池は、スタックの側面からガスが漏れるのを防ぐために、それらの縁のところで典型的にはガラスまたは他の脆い材料のガスシールによってシールされる。個々の固体酸化物燃料電池の間には、電流の収集及びガスの分配のためのインターコネクタが供される。
【０００６】
ＳＯＦＣスタックは、上記の二つのエンドプレートに力を加えることによって機械的に圧縮される。エンドプレートは、例えば金属から作ることができる。エンドプレートの圧縮は、稼働中に、ＳＯＦＣ電池の縁のところのガスシールが気密なままに保持され、ＳＯＦＣスタックの異なる層間での電気的接触が維持されることが保証されるのに充分な強さである一方で、これと同時に、ＳＯＦＣスタックの電子化学的有効部材が過度に変形しないことを保証するのに充分に低い強さである。
【０００７】
稼働中は、ＳＯＦＣスタックは、６５０℃〜１０００℃の温度に付され、その結果、ＳＯＦＣスタックには温度勾配が生じ、それによりＳＯＦＣスタックの各部材の熱膨張が起こる。ＳＯＦＣスタック中で最大の膨張が起こる区域は稼働条件に依存し、例えば、スタックの中央や、または例えばコーナーにおけるスタックの縁の所などで起こり得る。また、生ずる熱膨張は、ＳＯＦＣスタック中の各層間での電気的接続を弱める恐れがある。更に、熱膨張は、各層間でのガスシールにおける亀裂や漏れも招く恐れもあり、その結果、ＳＯＦＣスタックの機能が低下し、電力の出力が下がる。
【０００８】
特定の変形性を有する材料を選択することによってこの問題の解決を図ることは非常に困難であることが判明している。なぜならば、ＳＯＦＣスタックの各部材は異なる温度プロフィルにおいて電気的接触を有する必要があるのと同時に、妥当な寿命を有する必要があるからである。
【０００９】
この問題を解決するための他の方法には、ＳＯＦＣスタックを圧縮する様々な方法が挙げられる。機械バネの使用は周知である。例えば、米国特許第7001685号を参照されたい。この場合、バネは、スタックの全表面を圧縮しそして電気的に直列に置かれた二つのスタックの高さの差を相殺するために使用される。
【００１０】
しかし、エンドプレート上に圧縮力を供するためにバネを使用することは、
燃料電池スタックの異なる区域が、稼働条件によって必要とされるような膨張をすることができないという欠点を有する。これは、電気的接触のロスや、ガスシールを介してのガスの漏れを引き起こす。
【００１１】
本発明の課題の一つは、固形酸化物燃料電池スタックの異なる部分のための異なる圧縮圧をスタック上で同時に及ぼす、固形酸化物燃料電池スタックのための圧縮アセンブリを提供することである。
【００１２】
更に別の本発明の課題の一つは、固形酸化物燃料電池の電気化学的に有効な面及びシール面のための圧縮圧が互いに同一ではない、圧縮アセンブリを提供することである。
【００１３】
本発明の更に別の課題は、稼働中にスタック内に良好な電気的接触が確立及び維持される、固体酸化物燃料電池スタックを提供することである。
【本発明の概要】
【００１４】
以下には、幾つかの技術用語を使用する。これらの用語の使用は、これらの用語の通常の使用と矛盾するものではないと信じられるが、本発明の理解を容易にするために、以下には、幾つかの用語の短いリストを、これらの言葉の意味と一緒に記載する。
シール面(sealing area)：  酸化剤を燃料からシールする、スタック中の電池間の面。
電気化学的有効面(electrochemically active area)：  固形酸化物燃料電池スタック中の一つまたはそれ以上の電池の表面を覆う電気化学的反応が起こる領域。
圧縮圧（Compression pressure）: 正圧、すなわちこの圧力は、固体酸化物燃料電池スタックを囲む環境の圧力よりも大きく、その結果、この圧縮圧は、実際に負荷された圧力と、固形酸化物燃料電池スタックを囲む環境の圧力との差として示される。
弾性要素（Resilient element）: 負荷時に変形することができ、そして負荷を解放した時には、それの元の形状を回復するかまたは殆ど回復する要素。例えば、圧縮空気を弾性要素として使用できるが、漏れがあると、これは当然にその元の形を回復できない。他の弾性要素は、それに適用された圧縮圧には直ぐには反応せずにゆっくりと反応するものか、または元の状態には完全には戻らないものであることができる。
【００１５】
本願の第一の発明では、上記及び他の課題の一部は、外的圧縮力を固体酸化物燃料電池スタックに分配するための圧縮アセンブリであって、この圧縮アセンブリは力分配プレート及び力分配層を含み、それによって、上記の圧縮アセンブリが固体酸化物燃料電池スタックと一緒に設置された際には、外的圧縮力が上記の力分配プレート上に負荷され、そして上記の力分配層は、固体酸化物燃料電池と面する表面とは反対側で少なくとも一つのエンドプレートの表面上に配置され、この際、上記の力分配層は、固体酸化物燃料電池スタックのシール面の領域上に伸びる硬質のフレームと、上記の硬質フレームに囲まれかつ固体酸化物燃料電池スタックの電気化学的有効面上に位置する空間内に置かれる一つもしくはそれ以上の弾性要素とを有し、それによって、固体酸化物燃料電池と一緒に設置された上記圧縮アセンブリの使用時には、上記力分配層が、シール面及び電気化学的有効面の領域に渡って不均一な圧力分布を供する、上記圧縮アセンブリを提供することによって解決される。
【００１６】
上記の一つもしくは二つ以上の弾性要素による該圧縮アセンブリの圧力分配は、固体酸化物燃料電池の使用時に約８７５ＰＡであることができる。例えば、圧縮力は、２８００ｃｍ2〜２１０００ｃｍ2の面積上で２５ｋｇ〜２００ｋｇであることができる。
【００１７】
該圧縮アセンブリは、上記の一つもしくはそれ以上の弾性要素が、力分配層の中央の領域において、力分配層の側面に近いところよりも０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ、例えば０．１ｍｍ大きい圧縮を可能にするようなものであることができる。
【００１８】
該圧縮アセンブリにおける一つもしくはそれ以上の弾性要素は、更に、一つもしくはそれ以上の位置決め要素中に配置することができる。更に、この一つもしくはそれ以上の弾性要素は、圧縮空気、繊維状セラミック材料及び繊維状金属材料の群から選択される。また、上記の一つもしくはそれ以上の弾性材料は雲母に基づく材料からなることができる。例えば、上記の一つもしくはそれ以上の弾性要素のうちの少なくとも一つは雲母製のシートであり、これは０．８〜１．２ｍｍの厚さを有することができる。
【００１９】
他の態様では、上記の一つもしくはそれ以上の弾性要素は、少なくとも一つの金属バネからなることができる。この金属バネは、８５０℃で２００００時間を超える使用の後でさえその弾性を保持するように耐熱性でなければならない。この少なくとも一つの金属バネは、一つもしくはそれ以上の位置決め要素中に配置することができる。位置決め要素には、例えば一つもしくはそれ以上の孔を供して、上記の少なくとも一つの金属バネが、この一つもしくはそれ以上の孔中に配置されるようにすることができる。上記の一つもしくはそれ以上の位置決め要素は、例えば位置決めプレートであることができる。
【００２０】
本願の第二の発明では、固体酸化物燃料電池スタックは、エンドプレート；一つもしくはそれ以上の固体酸化物燃料電池；  外的圧縮力が負荷される力分配プレートを有する圧縮アセンブリ；  及び上記の一つもしくはそれ以上の固体酸化物燃料電池に面する表面とは反対側で上記エンドプレートの表面上に配置された分配層を含み、この際上記の力分配層は、上記の固体酸化物燃料電池スタックのシール面の領域上に伸びる硬質のフレームと、この硬質フレームで囲まれかつ上記固体酸化物燃料電池スタックの電気化学的有効面上に位置する空間内に配置される一つもしくはそれ以上の弾性要素とを有し、それによって、上記固体酸化物燃料電池の使用時に、上記の力分配層は、シール面及び電気化学的有効面の領域に渡って不均一な圧力分布を供する。
【００２１】
本発明の態様の一つでは、該固体酸化物燃料電池スタックの一つもしくはそれ以上の弾性要素は圧縮空気からなることができる。圧縮空気は、例えば、１００〜１０００ｍｂａｒ、好ましくは１００ｍｂａｒの正圧であることができる。またその代わりに、これは、スタックの高さとは無関係に、２５０〜１０００ｍｂａｒ、例えば２５０ｍｂａｒ、５００ｍｂａｒまたは１０００ｍｂａｒであることができる。圧縮空気を使用することが有利である。なぜならば、これは、電気化学的有効面の変化に直ぐに応答するからである。同じ範囲の圧縮圧を、電気化学的有効面からは独立して使用することができる。
【００２２】
本発明の他の態様では、上記の一つもしくはそれ以上の弾性要素が、力分配層の中央部の領域において力分配層の側面近くのところよりも０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ大きい圧縮を可能にする固体酸化物燃料電池スタックが提供される。例えば、力分配層の中央部での圧縮は、固体酸化物燃料電池の高さに対して直線的に変化し得る。また、力分配層の中央部における圧縮は、固体酸化物燃料電池スタックのシール面及び電気化学的面上の温度分布にも依存して変化し得る。例えば、力分配層の中央部における温度は、これがシール面における温度よりも約１００℃高くなる程に変化し得る。高さが１００ｍｍの固形酸化物燃料電池スタックの場合は、これは、電気化学的面及びシール面における高さ間で０．１２ｍｍの差を引き起こす。
【００２３】
例えば、上記の一つもしくはそれ以上の弾性要素は、上記の力分配層の中央部においてその側面付近のところよりも０．１ｍｍ大きい圧縮を可能にする。約７５基の燃料電池からなる固体酸化物燃料電池スタックでは、その差は、例えば少なくとも０．２ｍｍであることができる。
【００２４】
該固体酸化物燃料電池スタックの更に別の態様では、上記の一つもしくはそれ以上の弾性要素は、一つもしくはそれ以上の位置決め要素中に配置される。上記一つもしくはそれ以上の弾性要素は、繊維状のセラミック材料及び繊維状の金属材料の群から選択することができる。またその代わりに、上記の一種もしくはそれ以上の弾性要素は、雲母に基づく材料からなる。例えば、この材料がフレーム中の空間を満たすことができる。上記の一つもしくはそれ以上の弾性要素のうちの少なくとも一つは、雲母のシートである。例えば、フレーム内の空間を埋め尽くすようにシートの数を選択するか、または雲母シートを、他の材料の一つもしくはそれ以上のシートと組み合わせることができる。このような他の材料のシートは、例えば、必ずしも弾性ではないが、電子化学的面の中央領域とシール面の高さの違いに応じて曲がることができる程度に可撓性であることができる材料のシートである。雲母シートの数は、例えば１〜７枚であり、それらの厚さは０．８〜１．２ｍｍであることができる。
【００２５】
該固体酸化物燃料電池スタックの他の態様では、上記の一つもしくはそれ以上の弾性要素は、固体酸化物燃料電池の使用時に、電気化学的有効面における圧縮圧が、０．２５ｂａｒ〜２ｂａｒ、例えば０．５ｂａｒ〜１ｂａｒであるような圧力分配を供する。
【００２６】
該固体酸化物燃料電池の更に別の態様では、上記の力伝達プレートにクランプ圧を供することによって、上記の力伝達プレートを介して上記の硬質フレームに、このプレートの上記クランプ圧の７０％〜９０％、例えば８５％のクランプ圧を供する。例えば、力伝達プレートは、２０５０００Ｐａ〜８１８０００Ｐａ、例えば約４０９０００Ｐａのクランプ圧を有することができる。例えば、１２×１２ｃｍ2の電気化学的面及びシール面の面積を有する固体酸化物燃料電池スタック上でのクランプ圧は、３００ｋｇ〜１２００ｋｇ、例えば６００ｋｇであることができる。
【００２７】
本願の第三の発明では、固体酸化物燃料電池スタックをその両端で圧縮する方法であって、複数の固体酸化物燃料電池を電気直列式に積み重ね、それによって電気化学的有効面及びシール面の領域を供し、エンドプレート表面に隣接する固体酸化物燃料電池スタックの各端部を、エンドプレートのうちの少なくとも一つのプレートの表面が固体酸化物燃料電池と面する表面とは反対側となるように置き、固体酸化物燃料電池スタックの電気化学的有効面及びシール面の領域の上方に一つもしくはそれ以上の弾性要素及び硬質フレームを含む力分配層を供し、そしてこの力分配層に外力を適用する段階を含み、この際、生ずる圧縮圧が、シール面及び電気化学的有効面の領域にわたって不均一に分配され、そしてシール面の領域に負荷される圧縮圧が、固体酸化物燃料電池スタックの電気化学的有効面に負荷される圧縮圧よりも大きい、前記方法が提供される。
【００２８】
本願の第四の発明では、該固体酸化物燃料電池スタックの使用は発電のためである。例えば、該固体酸化物燃料電池スタックは、８５０℃以下の温度で稼働させることができる。該固体酸化物燃料電池スタックは、更に、電池電流密度の変化が、１〜４分間の期間で０．２５〜０．５Ａ／ｃｍ2となるようにも使用できる。これは特に、例えば一つもしくはそれ以上の弾性要素が雲母からなる場合である。
【００２９】
上記の課題の一部は、固体酸化物燃料電池スタックに外的圧縮力を分配するための圧縮アセンブリであって、この際、この外的圧縮力は、固体酸化物燃料電池スタックの両端部に負荷され、この固形酸化物燃料電池スタックは、複数の固形酸化物燃料電池を電気的直列式に含み、前記固体酸化物燃料電池の各端部は、エンドプレートの表面に隣接して配置され、この際、固体酸化物燃料電池に面する表面の反対側においてエンドプレートのうちの少なくとも一つプレートの表面には、固体酸化物燃料電池スタックのシール面領域の上に伸びる硬質フレームと、このフレームによって囲まれかつ固体酸化物燃料電池スタックの電気化学的有用面の上に位置する空間内に置かれた一つもしくはそれ以上の弾性要素とを含む力分配層、及びこの力分配層の上に、外的圧縮力が負荷される力伝達プレートが供される、上記圧縮アセンブリを提供することによって達成される。
【００３０】
上記課題は、更に、固体酸化物燃料電池スタックをそれの両端で圧縮するための方法であって、複数の固体酸化物燃料電池を電気直列式に積み重ね、固体酸化物燃料電池スタックの各端部を、エンドプレート表面に隣接するように配置し、固体酸化物燃料電池に面する表面とは反対側においてエンドプレートのうちの少なくとも一つのプレートの表面に、可撓性要素及び硬質フレームからなる力分配層を供し、この際、前記力分配層は、固体酸化物燃料電池スタックの電気化学的有効面及びシール面の領域の上方に置き、上記力分配層に外力を適用することを含み、この際、生ずる圧縮圧は、シール面及び電気化学的有効面の領域に渡って不均一に分配され、そしてシール面の領域に負荷される圧縮圧は、固体酸化物燃料電池スタックの電気化学的有効面に負荷される圧縮圧よりも大きい、上記方法を提供することによって達成される。
【００３１】
本願の他の発明では、上記圧縮アセンブリを含む固体酸化物燃料電池、及び発電のためのこの固体酸化物燃料電池スタックの使用が提供される。
【００３２】
本発明の他の態様は、固体酸化物燃料電池スタックに外的圧縮力を分配するための圧縮アセンブリであって、上記外的圧縮力は、固体酸化物燃料電池スタックの両端部に負荷され、該固体酸化物燃料電池スタックは、複数の固体酸化物燃料電池を電気的直列式に含んでなり、固体酸化物燃料電池スタックの各端部は、エンドプレート表面に隣接して配置され、この際、固体酸化物燃料電池に面する表面の反対側においてエンドプレートのうちの少なくとも一つのプレートの表面には硬質フレーム及び一つもしくはそれ以上の弾性要素を含む力分配層が供され、この際、前記硬質フレームは、該固体酸化物燃料電池スタックのシール面の領域上に伸び、及び前記の一つもしくはそれ以上の弾性要素は、上記フレームによって囲まれかつ該固体酸化物燃料電池スタックの電気化学的有効面の上に位置する空間内に置かれ、及び前記力分配層の上には、力伝達プレートが配置されて、それに対して外的圧縮力が負荷される、上記圧縮アセンブリである。
【００３３】
好ましい態様は、上記の一つもしくはそれ以上の弾性要素が可撓性であるものか、あるいは上記の一つもしくはそれ以上の弾性要素が、圧縮空気、雲母に基づく材料、繊維状セラミック材料、繊維状金属材料及び金属バネの群から選択されるものである、圧縮アセンブリである。
【００３４】
他の好ましい態様の一つは、フレームが金属製のものか、あるいはフレームが力伝達プレートと統合されているものである、圧縮アセンブリである。更に別の好ましい態様の一つは、一つもしくはそれ以上の弾性要素が、電気化学的有効面の領域の上に置かれた一つもしくはそれ以上の有孔位置決め要素中に配置されている圧縮アセンブリである。
【００３５】
好ましくは、上記弾性要素はバネであり、そして上記位置決め要素は、バネ位置決めプレートである。
【００３６】
更に本発明は、固体酸化物燃料電池スタックをその両端において圧縮する方法であって、複数の固体酸化物燃料電池を電気直列式に積み重ね、固体酸化物燃料電池スタックの各端部を、エンドプレートの表面に隣接するように配置し、固体酸化物燃料電池に面する表面とは反対側においてエンドプレートのうちの少なくとも一つのプレートの表面に、可撓性要素及び硬質フレームを含む力分配層を供し、この際、この力分配層は、固体酸化物燃料電池スタックの電気化学的有効面及びシール面の領域の上に配置し、そして上記力分配層に外力を加えることを含み、この際、生ずる圧縮力は、シール面及び電気化学的有効面の領域に渡って不均一に分配され、そしてシール面の領域に負荷される圧縮力は、固体酸化物燃料電池スタックの電気化学的有効面に負荷される圧縮よりも大きい、上記方法を提供する。
【発明の詳細な説明】
【００３７】
ＳＯＦＣでは、多くのシール材料が、電気化学的有効面上での電気的接触を供するために必要な圧縮圧よりも大きな圧縮圧を気密なシールを得るために必要とする。電気化学的有効面を大きすぎる圧縮力に付すとそれの変形が起こる。本発明の圧縮アセンブリを使用することによって、圧縮力が幾つかの領域に分離されて、電気化学的有効面を、例えばシール領域における圧力よりも小さな圧力で圧縮することができる。
【００３８】
圧縮力の分離は、シール材料の領域に必要な圧縮力とは独立して、電気化学的有効面のための適当な圧縮圧を選択すること可能にするので、このことは非常に利点がある。
【００３９】
本発明の方法では、燃料電池スタック上への全圧縮力は、燃料電池スタックの各端部に配置された力伝達プレートに外力を負荷することによって供される。この外力は、力伝達プレートを通して伝達され、そして燃料電池スタックの一方もしくは両方の端部において、フレーム及び一つもしくはそれ以上の弾性要素を含む力分配層に分配される。この際、前記フレームは、ＳＯＦＣのシール面の領域に伸びており、そして前記の一つもしくはそれ以上の弾性要素は、上記フレームによって囲まれかつＳＯＦＣの電気化学的有効面の上に位置する空間内に置かれる。力分配層と第一の固体酸化物燃料電池との間には、エンドプレートが配置される。
【００４０】
上記フレームの外法寸法、すなわち長さと幅は、単一の固体酸化物燃料電池のそれと同じである。一つの態様では、内法寸法、すなわちフレームの内長及び幅は、フレームによって覆われる表面積が固体酸化物燃料電池のシール面に一致するように選択される。
【００４１】
フレームは、上記の一つもしくはそれ以上の弾性要素よりも硬い材料から作られる。それにより、一つもしくはそれ以上の弾性要素を介して電気化学的有効面に負荷される圧力と比べて、より大きな圧縮圧がフレームを介してシール面に負荷されるために有利である。
【００４２】
上記の一つもしくはそれ以上の弾性要素は、フレームよりも可撓性が大きいものである。それによって、力伝達プレートに負荷された力は、フレーム及び弾性要素上において、異なる圧力を持って別個の領域に分割される。上記の一つもしくはそれ以上の弾性要素のための可撓性材料は、フレームよりも可撓性が大きいものならどのような要素でもよい。その例は、雲母やセラミック繊維に基づく材料である。繊維状金属材料も好適である。圧縮空気またはバネ（例えば金属バネ）も使用することができる。
【００４３】
上記の一つもしくはそれ以上の弾性要素は、フレームの内法寸法とほぼ同じ面積を覆わなければならない。該弾性要素は可撓性であるので、その厚さは任意である。
【００４４】
圧縮力をこのように分割することによって、温度勾配がＳＯＦＣスタックの熱膨張を引き起こすような状況においても圧縮力を維持することができるので有利である。これにより、ＳＯＦＣスタックを、より大きな温度勾配、例えばより大きな電流密度で稼働させることができ、そしてスタックを、より多数の電池で作ることができる。より大きな電流密度及びより多数の電池は、ＳＯＦＣシステムの全体的なコストを下げ、そしてスタックあたりの電力出力を高める。それゆえ、本発明の圧縮アセンブリを含むＳＯＦＣスタックは、発電に特に適している。
【００４５】
本発明の態様の一つでは、力分配層は、スタック中の第一の固体酸化物燃料電池に隣接する第一のエンドプレート上だけに配置される。
【００４６】
本発明の他の態様の一つでは、力分配層は、ＳＯＦＣスタックの両エンドプレート上に配置される。本発明の態様の一つでは、力分配層は、フレームと、金属バネの形の一つもしくはそれ以上の弾性要素を含む。金属バネは、電気化学的有効面の領域において開口もしくは孔が供された一つもしくはそれ以上の位置決め要素によって支持され、これらの開口もしくは孔に金属バネを挿入することができる。金属バネは、一つもしくはそれ以上のバネ位置決め要素を介して伝達される力及びフレームを介して伝達される力の両方から独立した圧縮力を提供する。バネ位置決め要素は、例えば、電気化学的有効面の領域において金属バネの位置決めのための開口もしくは孔が供された一つもしくはそれ以上のプレートであることができる。
【００４７】
電気化学的有効面の領域に負荷し得る適当な圧縮圧は、０．０５〜３ｂａｒの範囲である。
【００４８】
電池シール面の領域に負荷し得る適当な圧縮圧は、０．０５〜４０ｂａｒの範囲である。
【００４９】
これらの圧力は、インターコネクタ形状、シール材、及び燃料電池稼働ガス圧に左右される。
【００５０】
本発明の更に別の態様の一つでは、力分配層は、フレームと、可撓性材料の複数の弾性要素とを含んでなる。
【００５１】
本発明の他の態様の一つでは、力分配層は、フレームと複数のバネとを含んでなる。この態様では、充分な数のバネが存在する場合には、バネ位置決め要素は必要ではない。バネの適当な数は４〜１００である。
【００５２】
本発明の更に別の態様では、力分配層は、フレームと、圧縮空気もしくは可撓性材料の弾性要素とを含んでなる。
【００５３】
以下の図では、本発明を例示する様々な態様を説明する。
【実施の態様】
【００５４】
図１は、本発明の態様の一つにおけるＳＯＦＣスタックの各部材を示す。外的圧縮力は、力伝達プレート１上に負荷される。この力は、フレーム２と一つもしくはそれ以上の弾性要素３とを含んでなる力分配層に伝達される。この一つもしくはそれ以上の弾性要素３は、フレーム２によって囲まれかつ固体酸化物燃料電池５の電気化学的有効面１８の上方に位置する空間４内に配置される。力分配層の後には、平坦なエンドプレート６が続き、その次には、スペース−インターコネクタアセンブリ７が、そして最後に固体酸化物燃料電池５が続く。フレーム２は、外力がフレーム２に負荷された時にその力の一部がシール面に伝達されそして他の部分が電気化学的有効面に伝達されるように、シール面１７に近接して配置される。固体酸化物燃料電池の数は、固体酸化物燃料電池スタックによって生産すべき電力に依存する。固体酸化物燃料電池の数は、例えば１〜７５、例えば５〜７５であることができる。それ故、固体酸化物燃料電池スタックの高さは、固体酸化物燃料電池の数による。例えば、７５個の燃料電池を含む固体燃料電池スタックの高さは、各々高さが約１ｃｍの各硬質フレーム２を除くと約９ｃｍとなり得る。電気化学的面は、例えば、２０００ｃｍ2〜１５０００ｃｍ2、例えば９０００ｃｍ2、そしてシール面は、８００ｃｍ2〜６０００ｃｍ2であることができる。
【００５５】
図２は、本発明の他の態様によるＳＯＦＣスタックの垂直断面図を示す。力伝達プレート１は外的圧縮力に付され、これは、フレーム２及び弾性要素３からなる力分配層に、そしてスぺーサーインターコネクトアセンブリ７及び電気直列式に配置された固体酸化物燃料電池５に伝達される。各スペーサーインターコネクタアセンブリ７は、水素（またはメタンなどの他の燃料）、酸素または空気のいずれかをそれぞれアノードもしくはカソードに供給するためのガス流路を有する。
【００５６】
本発明のこの態様では、二つの力分配層が存在する。力分解層は、二つの平坦なエンドプレート６の各々に隣接して配置される。弾性要素３は、可撓性材料の複数の要素から構成されることができる。
【００５７】
図３は、フレームと弾性要素としての圧縮空気とを含んでなる力分配層を示すＳＯＦＣスタックの垂直断面図である。この態様では、力伝達プレート及びフレームは一つに統合され、統合型のフレーム８を形成している。統合型フレーム８によって囲まれる空間４に圧縮空気を送るための入口９が示される。例えば１００〜１０００ｍｂａｒゲージの空気圧を使用し得る。
【００５８】
図４は、本発明の他の態様を示す。この場合は、力分配層は、フレームと金属バネ１２の形の一つもしくはそれ以上の弾性要素からなる。電気化学的有効面の領域において開口もしくは孔１１が供されたバネ位置決めプレート１０に、金属バネ１２を取り付けることができる。金属バネ１２は、バネ位置決めプレート１０を介して伝達された力及びフレーム２を介して伝達された力の両方から独立した圧縮力を供する。
【００５９】
図５は、本発明の他の態様を示す。この場合は、力分配層はフレーム２を含み、そして弾性要素は複数の金属バネ１２である。この態様においては、数多くの（例えば４〜１００個の）金属バネが互いに支え合うために、バネ位置決めプレートは不要である。
【００６０】
図６は、外力１３を力伝達プレート１に負荷して、燃料電池スタックに圧縮をかけた際のＳＯＦＣスタック内における力の分布を示す。固体酸化物燃料電池スタックの異なる部分に異なる圧縮圧がスタック上で同時に負荷される。矢印で示される圧縮圧は、固体酸化物燃料電池の電気化学的有効面１５及びシール面１４では同じではない。弾性要素３上に及ぶ圧力はフレーム２に及ぶ圧力よりも小さく、稼働中、固体酸化物燃料電池スタック内での良好な電気的接触を維持すると共に、気密なスタックを保証する。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】図１は、本発明のＳＯＦＣスタックの各部材を示す。
【図２】図２は、本発明の他の態様におけるＳＯＦＣスタックの垂直断面図を示す。
【図３】図３は、弾性要素が空気の場合の、本発明の態様におけるＳＯＦＣスタックの垂直断面図を示す。
【図４】図４は、弾性要素がバネである場合の本発明の態様を示す。
【図５】図５は、弾性要素がバネである場合の本発明の他の態様を示す。
【図６】図６は、該ＳＯＦＣスタックにおける力の分布を示す。
【図１】
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【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６】
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【外国語明細書】
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１  Ａｂｓｔｒａｃｔ
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２ Representative  Drawing
Fig.1
【図１】
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【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６】
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