(57)【要約】【課題】  本発明は、ＳＯＦＣの作動に伴う昇降温の繰り返しによって生じる応力を、それがセラミックセルに達する前に、吸収し得る新規なシールを製造することを課題とする。【解決手段】  本発明の燃料電池用シール（３６０、７６０）は、燃料電池の作動温度にて構造的に降伏することによって、燃料電池に伝わる熱及び酸化還元による応力を吸収するように構成されている合金を含んでいる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用のシール（３６０、７６０）であって、
前記燃料電池の作動温度において構造的に降伏可能となることによって、前記燃料電池に伝達される熱及び酸化還元による応力を吸収するように構成されている合金からなるシール。
【請求項２】
前記燃料電池が、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）からなる、請求項１に記載のシール（３６０、７６０）。
【請求項３】
前記合金が、前記ＳＯＦＣの作動温度よりもわずかに高い融点温度を有する、請求項２に記載のシール（３６０、７６０）。
【請求項４】
前記合金が、銀合金からなる、請求項３に記載のシール（３６０）。
【請求項５】
前記シール（３６０、７６０）が、燃料電池スタック構成においてＳＯＦＣハウジング（１００）間の電気的インターコネクタとして機能するように構成されている、請求項４に記載のシール（３６０、７６０）。
【請求項６】
前記シール（３６０、７６０）が、湿潤性繊維（８１０）をさらに含む、請求項１に記載のシール（３６０、７６０）。
【請求項７】
ハウジング（１００）と、
前記ハウジング（１００）内に配置されている燃料電池と、
前記ハウジング（１００）と前記燃料電池との間に配置されている複合物シール（３６０、７６０）とからなり、
前記複合物シール（３６０、７６０）が、前記燃料電池の作動温度において構造的に降伏可能となることによって、前記ハウジング（１００）の熱膨張及び熱収縮によって生じる熱応力を吸収するように構成されている、燃料電池。
【請求項８】
電力消費装置（４００）に電力を供給する電気化学電池を備える電子機器であって、
前記電気化学電池が、ハウジング（１００）と、前記ハウジング（１００）内に配置されている燃料電池と、前記ハウジング（１００）と前記燃料電池との間に配置され且つ前記燃料電池の作動温度において構造的に降伏可能となる複合物シール（３６０、７６０）とを備える燃料電池からなり、前記複合物シール（３６０、７６０）が、前記複合物シール（３６０、７６０）が構造的に降伏可能となるときに、前記ハウジング（１００）の熱膨張及び熱収縮によって生じる熱応力を吸収するように構成されている、電子機器。
【請求項９】
燃料電池への熱応力の伝達を低減させる方法であって、
前記燃料電池と燃料電池ハウジング（１００）との間に複合物シール（３６０、７６０）を配置するステップを包含し、
前記複合物シール（３６０、７６０）が、前記燃料電池の作動温度において構造的に降伏可能となり、それによって、前記複合物シール（３６０、７６０）が、前記燃料電池ハウジング（１００）からの前記熱応力の伝達を吸収するようになる、方法。
【請求項１０】
燃料カートリッジを製造する方法であって、
第１のハウジング（１００）を形成するステップと、
前記ハウジング（１００）内に複合物シール（３６０、７６０）を配置するステップと、
前記複合物シール（３６０、７６０）内に燃料電池を設置するステップと、
を包含し、前記複合物シール（３６０、７６０）が、前記燃料カートリッジの作動温度において構造的に降伏可能となる、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、燃料電池の分野に関し、詳細には、燃料電池の作動温度において構造的に降伏可能となり、それによって熱及び酸化還元によって生じる応力を吸収できる燃料電池用シールに関する。
【背景技術】
【０００２】
ここ数年間で、大規模及び小規模発電用両方の燃料電池の人気と実現性が大幅に高められた。燃料電池は、水素と酸素とのような化学物質間の電気化学反応を実施して、電気及び熱を生成する。燃料電池は、本質的に電気化学的である点でバッテリに似ているが、それは燃料がある限り作動し続ける。さらに、燃料電池は、炭化水素を燃焼させる装置よりも清浄である。
【０００３】
燃料電池は、モータ、ライト、コンピュータ、又は任意の多数の電気機器に使用し得る直流電流（ＤＣ）を提供する。それぞれ異なる化学反応を使用するいくつかの異なる種類の燃料電池があるが、ほぼ全ての燃料電池は、燃料極、空気極、及び電解質という３つの構成部分からなる。燃料電池は、通常、使用される電解質の種類によって、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池、アルカリ燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）、及び溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）からなる５つのグループのうちの１つに分類される。
【０００４】
全ての燃料電池は何らかの望ましい特徴を有するが、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、他の種類の燃料電池よりも優れた多数の固有の利点を有する。ＳＯＦＣの利点には、電解質管理に関する問題の軽減、他の燃料電池よりも高い効率（最大効率６０％）、副生熱を利用するコジェネレーションの可能性、燃料不純物に対する高い耐性、炭化水素燃料を内部改質（水素及びメタンの生成のために）し得ること、が包含される。
【０００５】
ほとんどのＳＯＦＣは、高速酸素イオン伝導セラミックなどの固体材料からなる電解質を含む。電解質の各々の側に電極があり、一方の側に燃料極、他方の側に空気極がある。空気極には、電解質に酸素イオンを供給する空気のような酸化剤が送られる。燃料極には、水素やメタンのような燃料が送られ、そこで燃料は、電解質に送られて酸素イオンと反応する。この反応によって電子が生成し、この電子は次に有効電力として外部回路に導かれる。使用可能な量の電力を生成し且つ効率を高めるために、一般に、ＳＯＦＣ燃料電池は、積み重ねられて、ＳＯＦＣスタックが構成されている。
【０００６】
ＳＯＦＣ技術の最近の進歩によって、ＳＯＦＣ燃料電池の作動温度は約１０００℃から６００〜８００℃の範囲にまで低下した。この作動温度の低下によって、ＳＯＦＣの構造ハウジングを、ステンレス鋼などの比較的安価な材料で構成できるようになった。安価な材料を使用することは、燃料電池の開発コスト及び製造コストにきわめて有利であるが、安価な材料の使用はまた、多数のさらなる問題を生むこととなった。
【０００７】
ＳＯＦＣの作動中、燃料電池は、多くの場合、室温と最大作動温度との間を何度も繰り返し昇降温させられる。この熱サイクルによって、ハウジング材料は、その熱膨張率（ＴＣＥ）に応じて収縮し膨張する。この膨張と収縮によって熱応力が生じ、それは従来の剛体シールや他の構造部品を介してセラミックセルに直接伝達され得る。そのような熱応力は、シールを傷つたり構造的に脆いセラミックセルを破壊したりするため、ＳＯＦＣの有効寿命を実質的に短くする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、燃料電池の作動に伴う昇降温の繰り返しによって生じる応力を、それが電池に達する前に、吸収し得る新規なシールを製造することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料電池用シールは、燃料電池の作動温度にて構造的に降伏可能となることによって、燃料電池に伝達される熱応力及び酸化還元（ｒｅｄｏｘ）力を吸収するように構成されている合金からなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のシールは、熱及び酸化還元による膨張及び収縮の影響を低減させると共に燃料の漏れを防止する。具体的には、本発明のシールは、燃料通路と燃料電池ハウジング内の他の構成要素との間にシールを形成する構造的に降伏可能な合金複合物をもたらすものである。その結果、本発明のシールは、燃料電池システムの熱サイクル全体にわたって、従来のシールよりも高い耐久性及び応力吸収性を実現する。本発明のシールによって、ステンレス鋼やその他の低コストの合金の使用が容易となるため、ＳＯＦＣハウジングのコスト削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
添付の図面は、本発明の様々な実施形態を示すものであり、本明細書の一部である。図示する実施形態は、単に本発明を例示するものであり、本発明の範囲を限定するものではない。図面全体にわたって、同一の参照符号は、少なくとも類似はするが必ずしも同一とは限らない要素を示す。
【００１２】
本明細書では、熱又は酸化還元（ｒｅｄｏｘ）による収縮及び膨張によって生じる熱応力の、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）ハウジングからＳＯＦＣへの伝達を低減させるための装置を説明する。後により詳しく説明する例示的な一実施形態によれば、ＳＯＦＣの作動温度において構造的に降伏可能ないくつかの複合物シールを、燃料電池ハウジングとセラミック燃料電池との間に導入することができる。単に説明を容易にするために、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）の文脈において本システムを説明する。しかしながら、本明細書に示す低融点複合物シールは、いくらか剛性のあるシールを介する熱応力の伝達が問題となり得る繰り返し加熱されるシステムの多くにおいて使用することができる。用語「低融点」は、本明細書及び添付の特許請求の範囲の両方において、繰り返し加熱されるシステムの作動温度において構造的完全性を失う材料（合金又は複合物）を説明するものと理解されたい。
【００１３】
以下の説明では、説明目的で、本発明の完全な理解をもたらすために多数の特定の詳細例を説明する。しかしながら、当業者が、そのような特定の詳細例なしに本発明を実施し得ることは明らかである。本明細書において「一実施形態（ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」又は「ある実施形態（ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」の参照は、実施形態と関連して説明する特定の特徴、構造又は特性が、少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書の様々な場所において使用する句「一実施形態では（ｉｎ  ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」は、必ずしも全て同じ実施形態を参照するものではない。
【００１４】
例示的な構造
図１Ａは、例示的な一実施形態による固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）ハウジングの下面図を示している。図１に示すように、当該ハウジング（１００）は、複数のスタック固定穴（１１０）、複数の燃料供給貫通路（１２０）、及び複数の空気通路押出し成形部（１４０）を備える本体部分を有する。
【００１５】
図１Ａに示すハウジング（１００）本体は、他の類似のハウジング上に積み重ね得るように構成することができ、それによってＳＯＦＣスタックを構成し得る。積み重ねたとき、空気通路押出し成形部（１４０）は、ＳＯＦＣの空気極の真上に多数の空気通路を形成する。ハウジング（１００）は、例示的な一実施形態では、ＳＯＦＣに対する構造的支持を与えるだけでなく、ハウジング間の電気的インターコネクタとしても機能する。ハウジング（１００）は、熱サイクル全体にわたってＳＯＦＣの構造的支持を提供し同時にハウジング間の電気的インターコネクタとして機能し得る任意の材料から構成することができ、当該材料として、限定はしないが、高温燃料電池の場合はドープドランタンクロマイト、及び作動温度が６００〜８００℃の燃料電池の場合はフェライトステンレス鋼が挙げられる。以下の燃料カートリッジは、単に説明を容易にするために、フェライトステンレス鋼からなるハウジングの文脈において説明される。さらに、この低融点複合物シールは、平面構造又は任意の特定の幾何学形状のハウジングに決して限定されるものではない。
【００１６】
図１Ａに示すスタック固定穴（１１０）は、第１のハウジング（１００）を第２のハウジングに固定し、それによりスタックを構成するのを支援する固定装置（図示せず）を受けるように構成されている。図１Ａに示すように、スタック固定穴は、ボルトやピンなどの機械式固定装置を受けることができる穴とすることができる。図１Ａに示すスタック固定穴（１１０）は、円筒形のピン又はボルトを受けるのを容易にする円形断面を有するように示されているが、スタック固定穴は、スタック固定装置を受けるのに必要な任意の形状とすることができる。
【００１７】
図１Ａに示す燃料供給貫通路（１２０）は、ＳＯＦＣハウジング（１００）内を貫通する流体的に封止されている穴であり、ハウジング（１００）がＳＯＦＣスタックに接続されたときに、隣の任意のハウジング（１００）の燃料供給貫通路（１２０）に接続することができる。燃料供給貫通路は、加圧した燃料を収容し且つハウジング（１００）間に分配するように構成されており、それによって、燃料はＳＯＦＣ燃料スタック内のＳＯＦＣの一部分を構成する燃料極に供給され得る。
【００１８】
図１Ｂは、ＳＯＦＣハウジング（１００）の上面図であり、それは、例示的な実施形態のいくつかの追加の構成要素を図示している。図１Ｂに示すように、ＳＯＦＣハウジング（１００）の上面は、チャネル押出し成形部（２２０）によって画定された燃料チャネル（２００）、燃料チャネル内に配置されている燃料マニホルド（１３０）、及び燃料電池支持棚（２１０）を備える段状構造をさらに含む。
【００１９】
燃料チャネル（２００）内に配置されている燃料マニホルド（１３０）は、燃料供給貫通路（１２０）と流体連通している。燃料マニホルド（１３０）は、燃料供給貫通路（１２０）から供給される燃料を、燃料チャネル（２００）内に導くように構成することができ、そこで、燃料はＳＯＦＣと接触することができる。
【００２０】
図２は、例示的な一実施形態による燃料電池ハウジングに組み込み得る絶縁板（２５０）を示している。図２に示すように、当該絶縁板（２５０）は、本体（２６０）、中央穴（２７０）、スタック固定穴（１１０）及び燃料供給貫通路（１２０）を備える。
【００２１】
当該絶縁板（２５０）の本体（２６０）は、スタック構造内の２つのハウジング（図１Ａの１００）の間又はハウジングと上板との間に配置し得るように構成されている。絶縁板（２５０）の本体は、ＳＯＦＣを短絡させ得る回路が形成されるのを防止する。絶縁板の本体は、ＳＯＦＣの作動サイクル中に、２つのハウジング間又はハウジングと上板との間に絶縁障壁を与え得る任意の材料から構成することができ、当該材料には、限定はしないが、セラミック材料が含まれる。
【００２２】
絶縁板（２５０）の中央穴（２７０）は、積み重ねられた構成において、燃料電池間のインターコネクタとしても機能し得る、ＳＯＦＣハウジング（図１Ａの１４０）の空気通路押出し部を受けるように構成されている。図２に示すように、中央穴は、組み立てられたときに、空気通路押出し部（図１Ａの１４０）が中央穴を通り抜けてＳＯＦＣの空気極側に連通可能な状態で接続されるように構成することができる。
【００２３】
図３は、組み立てられた例示的なＳＯＦＣシステムの分解組立断面図である。図３に示すように、組み立てられたＳＯＦＣシステムは、いくつかの燃料供給貫通路（１２０）と、各燃料供給貫通路（１２０）に接続されている燃料マニホルド（１３０）とを有するＳＯＦＣハウジング（１００）を備える。燃料マニホルド（１３０）は、燃料チャネル（２００）と流体連通するように構成されている。燃料チャネル押出し成形部（２２０）と燃料電池支持棚（２１０）の上には、空気極（３００）、燃料極（３２０）、及び中央の電解質（３１０）からなるＳＯＦＣが設置されている。ＳＯＦＣハウジング（１００）と上板又は次のハウジング（１００’）との間には、絶縁板（２５０）が配置されている。
【００２４】
図３に示すＳＯＦＣの空気極（３００）は、酸素又は空気と電子とを酸素イオンに変換することのできる任意の空気極とすることができ、当該空気極には、決して限定するものではないが、マンガン酸ランタン（ＬａＭｎＯ３）のような混合導電性ペロブスカイトが含まれる。図３に示す燃料極（３２０）は、水素やメタンなどの燃料を受け取り、酸素イオンと反応させるときに、外部回路に電子を放出することのできる任意の燃料極とすることができる。燃料極（３２０）を形成するのに使用される材料として、限定はしないが、電子導電性のニッケル／イットリア安定化ジルコニアサーメットなどのセラミック／金属複合物を挙げることができる。図３に示す電解質（３１０）は、酸素イオンを伝導する任意の電解質とすることができ、当該電解質として、限定はしないが、イットリア安定化ジルコニア、ガドリニウムドープド二酸化セリウム、Ｂａ２Ｉｎ２Ｏ５、（ストロンチウム、マグネシウム）ドープドＬａＧａＯ３（ＬＳＧＭ）などのジルコニアベースの電解質が挙げられる。
【００２５】
図３に示すように、燃料電池支持棚（２１０）上に直にＳＯＦＣを設置するのではない。より正確に言うと、ＳＯＦＣと燃料電池支持棚（２１０）は、低融点複合物シール（３６０）と任意選択の接着湿潤性材料（ａｄｈｅｒｅｎｔ  ｗｅｔｔａｂｌｅ  ｍａｔｅｒｉａｌ）（３５０）とによって隔てられている。接着湿潤性材料（３５０）は、必要に応じて、図３に示すように、低融点複合物シール（３６０）、燃料電池支持棚（２１０）、及びＳＯＦＣの間に配置することができる。接着湿潤性材料（３５０）は、ＳＯＦＣのセラミック構成要素など、ＳＯＦＣの作動中に低融点複合物シール（３６０）と任意の接触構成要素との間で接着性シールとして機能し得る安定した化学境界面を与えるように構成されている。接着湿潤性材料（３５０）には、ＳＯＦＣ及び／又はハウジングのセラミック表面を濡らし、それによって低融点複合物シール（３６０）に接着面をもたらし得る任意の材料を用いることができ、当該材料として、限定はしないが、モリブデン／マンガン合金（Ｍｏ／Ｍｎ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）、又はこれらの任意の適切な組合せが挙げられる。
【００２６】
図３に示す例示的な実施形態による低融点複合物シール（３６０）は、適切に設置されたＳＯＦＣとＳＯＦＣハウジング（１００）内壁との間にできる隙間を埋めるように配置される。前述の隙間を埋めることによって、低融点複合物シールは、燃料チャネル（２００）から空気極領域にガスが浸透するのを防ぐ。低融点複合物シール（３６０）には、融点又は融点近くになることによってＳＯＦＣの標準的な作動温度にてガスシールをもたらし得る任意の複合物又は合金を用いることができ、それらには、銀（Ａｇ）、スズ（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、又はこれらの任意の適切な組合せが含まれる。単に説明を容易にするために、以下、低融点合金シール（３６０）を、銀合金の複合物シールの文脈において説明する。
【００２７】
低融点複合物シール（３６０）を形成するために使用される基本成分が、銀（又は、蒸気圧が比較的低い任意の他の低融点金属）の場合、実質的に、導電性シール及び非導電性シールという２つの様相が起こり得る。シールの主成分が銀の場合、低融点複合物シールは導電性になる。ＳＯＦＣの作動温度において、銀は、互いに融合し合うネットワークを構成する。このネットワークは電気を通すことができ、低融点複合物シールは、ＳＯＦＣハウジング間の電気的インターコネクタとして機能し得る。しかしながら、低融点複合物シール（３６０）を形成する複合物の主成分が、ホウケイ酸アルミン酸ガラスなどの低融点ガラスの場合、シールは非導電性になる。この実施形態によれば、ＳＯＦＣシステムが作動温度に達すると、ホウケイ酸アルミン酸ガラス又は他のセラミックは合着し、非導電性のネットワークとなる。非導電性シールを使用する場合は、他の装置を用いてハウジング間の電気的インターコネクタを実現することができる。
【００２８】
低融点複合物シール（３６０）はまた、多数の微粒子、繊維、ロッド、球体、又は他の形態の「充填材」を含むことができる。当該「充填材」は、シールの熱膨張係数（ＴＣＥ）を、燃料電池を包囲し得る燃料電池ハウジング（１００）や他の材料の熱膨張係数（ＴＣＥ）により近づけるために、低融点複合物シール（３６０）に混入させることができる。さらに、「充填材」は、ＳＯＦＣが、低融点複合物シール（３６０）の融点温度より高い温度で作動するときにシールを適所に維持する追加の表面張力を与えることができる。「充填材」は任意の多数の導電性材料又は絶縁性材料とすることができ、それらには、限定はしないが、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、又は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が含まれる。「充填材」を含む低融点複合物シール（３６０）に関しては、図８Ａ及び図８Ｂを参照して後にさらに詳しく説明する。
【００２９】
ＳＯＦＣ及びＳＯＦＣハウジング（１００）の上部に、空気通路（３３０）を形成する空気通路押出し成形部（１４０）を備え得る第２のハウジング又は上板（１００’）の下面が配置される。第２のハウジング又は上板（１００’）の下面は、燃料供給貫通路（１２０）が互いに位置合わせされ、且つ空気通路押出し成形部（１４０）がＳＯＦＣの空気極（３００）に電気的に接続されるように、第１のハウジング（１００）に結合させることができる。空気通路押出し成形部（１４０）を空気極（３００）と電気的に接続させることで、空気通路押出し成形部を、積み重ねられたハウジング（１００）間の電気的インターコネクタとして機能するように構成することができる。
【００３０】
図４は、例示的な一実施形態に従って電子機器に有効電力を提供するように構成されている、組み立てられたＳＯＦＣスタックを示す断面図である。図４に示すように、燃料供給貫通路（１２０）が流体連通するように、いくつかの例示的な燃料カートリッジ（１００）を互いに積み重ねることができる。
【００３１】
図４に示す構成によれば、燃料供給貫通路（１２０）は、１つの加圧された燃料源（図示せず）によって充填され、燃料スタック内の全ての燃料マニホルド（図１Ｂの１３０）に燃料を供給することができる。また、結合されるＳＯＦＣハウジング（１００）の底面に、いくつかの空気通路押出し成形部（１４０）を形成することができる。これらのＳＯＦＣハウジング（１００）が互いに結合されたときに、当該空気通路押出し成形部（１４０）は空気通路（３３０）を画定する。図４に示すように、それぞれのＳＯＦＣハウジング（１００）の間に絶縁板（２５０）を配置することができる。非導電性の絶縁板（２５０）は、隣のハウジング（１００）との間の接続を絶縁することによってＳＯＦＣの短絡を防止する。
【００３２】
図４はまた、ＳＯＦＣハウジング（１００）内に配置されている、いくつかの固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を示している。図４に示すＳＯＦＣは、ＳＯＦＣの空気通路（３３０）側の空気極（３００）、燃料極と空気極との間に配置されている電解質（３１０）、及びＳＯＦＣの燃料チャネル（２００）側に配置されている燃料極（３２０）からなる。燃料極と空気極は、図４に示すように、電子機器（４００）と連通状態で接続されており、それによって電力を生成することができる。図４に示す電子機器（４００）は、単なる例示目的であり、それは、ラップトップコンピュータ、テレビ、モータ、ライトのような任意の電力消費装置とすることができる。
【００３３】
例示的な実施形態及び作動
図５は、例示的な一実施形態によって、当該低融点複合物シールの製造方法、並びにＳＯＦＣハウジング（図３の１００）への組み込み方法を示すブロック図である。図５に示すように、当該低融点複合物シールの製造及び組み込みは、燃料電池ハウジングを製造するステップ（ステップ５００）と、任意選択的にＳＯＦＣの周囲を接着湿潤性材料で金属化する（ｍｅｔａｌｉｚｅ）ステップ（ステップ５１０）と、任意選択的にＳＯＦＣを受けるように設計されている燃料電池受け棚を接着湿潤性材料で金属化するステップ（ステップ５２０）と、燃料電池が設置されるハウジング内に低融点複合物シールを配置するステップ（ステップ５３０）と、低融点複合物シール上に燃料電池を設置するステップ（ステップ５４０）と、ＳＯＦＣスタック上に上板又は次のハウジングを固定するステップ（ステップ５５０）と、を包含する。
【００３４】
図５に示す例示的な方法によって低融点複合物シールを製造し実装する最初のステップは、燃料電池ハウジングを製造するステップ（ステップ５００）である。燃料電池ハウジングの製造（ステップ５００）は、限定はしないが、鋳造、切削、鍛造、圧延、溶接、プラズマ切断、打抜きなどを含む、当該技術分野で現在既知の又は使用されている任意の製造方法によって実施することができる。さらに、この低融点複合物シールは、その構造や製造方法に関係なく、任意の燃料電池ハウジング（図３の１００）に組み込むことができる。
【００３５】
燃料電池ハウジングを製造した後に、ＳＯＦＣの周囲（段階５１０）と燃料電池受け棚を接着湿潤性材料を用いて金属化することができる（ステップ５２０）。ハウジング又はＳＯＦＣは、付加的な当該金属化ステップを施すことなくシール材料で濡らすことができるので、ＳＯＦＣと燃料電池受け棚の金属化は任意選択のステップである。金属化は、１つの製造工程又は独立した工程として実施することもできる。前述の接着湿潤性材料（図３の３５０）は、前述の構成要素を適切に被覆するように構成されている処理方法によって、ＳＯＦＣの周囲又は燃料電池受け棚（図３の２１０）に適用することができ、当該処理方法には、決して限定はしないが、刷毛塗り、噴霧塗布、又は化学析出が含まれる。さらに、接着湿潤性材料（図３の３５０）は、溶融された後に、受け構成要素の表面上に自由に流すことができる。
【００３６】
ＳＯＦＣの周囲（ステップ５１０）及び燃料電池受け棚（段階５２０）を金属化させることによって、ＳＯＦＣ及びそのハウジング（図３の１００）を組み立てることができる。ＳＯＦＣ及びそのハウジングを組み立てるために、前述のもののような低融点複合物シール（図３の３６０）を、ＳＯＦＣが設置されることになる燃料電池受け棚（図３の２１０）上に配置する（ステップ５３０）。低融点複合材料を適所に固定した後に、ＳＯＦＣを、ハウジング内の低融点複合材料上に設置することができる（ステップ５４０）。ＳＯＦＣは、予め形成又は機械加工されたシート又はチャネル内の低融点複合物シール内に収容することができる。あるいはまた、ＳＯＦＣは、単に低融点複合物シール上に配置してもよい。ＳＯＦＣが収容され、低融点複合物シールと確実に結合された後に、ＳＯＦＣスタックの上板又は次のハウジングをＳＯＦＣハウジングに結合させることができる（ステップ５５０）。上板又は次のハウジングは、機械式留金具又は接着剤を含むがこれらに決して限定されないいくつかの固定装置によってＳＯＦＣハウジング（図３の１００）に結合させることができる。燃料供給貫通路（図３の１２０）及び／又は空気通路押出し成形部（図３の１４０）を備え得る上板又は次のハウジングは、ＳＯＦＣハウジング（図３の１００）の燃料供給貫通路（図３の１２０）が、上板又は次のハウジングの燃料供給貫通路と流体連通するように、ＳＯＦＣハウジング（図３の１００）に結合させることができる。さらに、空気通路押出し成形部が、ＳＯＦＣの空気極（図３の３００）に電気的に接続されるように、上板又は次のハウジングをＳＯＦＣハウジングに結合させることができる。この構成によって、空気通路押出し成形部（図３の１４０）は、ハウジング間の電気的インターコネクタとして機能することができる。上板又は次のハウジングをＳＯＦＣハウジングに結合させることによって、ＳＯＦＣスタックを構成することができる。
【００３７】
図６は、例示的な一実施形態による、ＳＯＦＣの運転サイクル全体にわたる低融点複合物シールの作動を示す。図６に示すように、燃料を電気に変換するプロセスが開始し（ステップ６００）、実施される反応の結果としてハウジングの温度が上昇し（ステップ６１０）、低融点複合物シールが軟化して金属化領域を濡らし（ステップ６２０）、軟化した複合物がシール両側の差圧を維持し（ステップ６３０）、軟化した複合物が、金属化領域が膨張し収縮するときに降伏する（ステップ６４０）。サイクル完了後、装置は冷却され、低融点複合材料は、その前の物理位置及び状態に戻される（ステップ６５０）。
【００３８】
前述のように、ＳＯＦＣを用いて燃料を電気に変換するプロセスは、水素又はメタン燃料を、燃料チャネル（図３の２００）に、次いでＳＯＦＣの燃料極（図３の３２０）に供給し、同時に、空気又は酸素を、空気極通路（図３の３３０）に、次いでＳＯＦＣの空気極（図３の３００）領域に供給することによって開始される（ステップ６００）。前述の空気と燃料がＳＯＦＣの各部分に供給されるとき、この空気と燃料は材料内を通り、電解質（図３の３１０）に供給される。燃料極と空気極との間にある電解質は、酸素イオンを空気極側から燃料極側に導き、そこで酸素イオンは燃料と反応する。水素又はメタン燃料と反応すると、水と電気が生成される。次に、電気を、有効電力として外部回路に送ることができる。前述の電気生成プロセスの全体にわたって、電気化学的プロセス及び固体セラミック電解質に固有の抵抗によって熱が生成される（ステップ６１０）。
【００３９】
最近の電解質形成方法により、前述のプロセスによって生成される熱は、一般に、６００〜８００℃の最大値を越えない。この作動温度は、低融点複合物シールの融点温度よりも高いか又はそれに近いため、複合物は作動中に溶融又は軟化する（ステップ６２０）。低融点複合物は、その構造的に降伏した状態にて、ハウジング及びＳＯＦＣのあらかじめ金属化されている領域を濡らす。低融点複合物シールは、その溶融又は軟化した状態で、燃料チャネル（図３の２００）からの燃料の透過を防止することによって、シール両側の差圧を維持し、それによって燃料電池システムの化学的完全性を維持する（ステップ６３０）シールを形成する。また、低融点複合物シールは、溶融又は軟化した状態で、加えられる圧力に応じて降伏し、燃料電池ハウジングから伝達される熱応力を吸収することができる。しかしながら、低融点複合物シールは、燃料チャネル（図３の２００）からの燃料の浸透を防ぐのに十分なシールを維持できないほど構造的に損なわれることはない。
【００４０】
ＳＯＦＣの作動温度を約６００〜８００℃の範囲まで低下させた最近の開発によって、ＳＯＦＣハウジングを、従来の材料よりも安価なステンレス鋼やその他の材料で構成することが可能となった。ステンレス鋼やその他の安価な材料を使用するＳＯＦＣハウジング（図３の１００）の構造は、ＳＯＦＣスタックの全体的コストを削減するのに有利であるが、そのような材料の異なる熱伝導率及び熱膨張係数（ＴＣＥ）から問題が生じる。その結果、ハウジングをスタック構成に入れるときに不均一な熱膨張が生じることがある。ＳＯＦＣハウジングの不均一な熱膨張によって、熱応力が生じることがある。そのような熱応力は、従来、ハウジングから、剛性シールを介して、ＳＯＦＣに伝達されていた。熱応力の伝達により、ＳＯＦＣの破損、剛性シールの破損、又はこの両方が起こることによって、ＳＯＦＣシステムの作動寿命が短くなる。しかしながら、金属化領域の膨張及び収縮によって生じる熱応力が、本発明の低融点複合物シールに伝達されたとき、液状又は軟化した合金からなる低融点複合物シールが熱応力に応じて降伏する（ステップ６４０）。この熱応力に応じた降伏により、低融点複合物シールは、熱応力がＳＯＦＣハウジングから比較的脆いＳＯＦＣに伝達するのを防止する。熱応力に応じたこの降伏は、反応サイクルが終了し、ＳＯＦＣハウジングの作動温度がその最初の温度になるまで続く（ステップ６５０）。温度が下がると、低融点複合材料は、再固化し、その元の位置及び構造に戻る。
【００４１】
代替実施形態
図７Ａに示す一代替実施形態によれば、絶縁性低融点複合物シール（７６０）を組み込むことにより、使用される低融点複合物シールの丈夫さを高めることができる。図７Ａに示すように、絶縁性低融点複合物シールを含む代替の構造は、図４に示すハウジングと類似の、絶縁板（２５０）と、燃料供給貫通路（１２０）、燃料マニホルド（１３０）、燃料電池受け棚（２１０）、及び燃料チャネル押出し成形部（２２０）によって画定されている燃料チャネル（２００）を含むハウジング（７００）とを備える。しかしながら、図７Ａに示す代替の例示的な実施形態は、さらに、絶縁性低融点複合物シール（７６０）と、任意選択の接着湿潤性材料（３５０）とを含んでいる。図７Ａに示す絶縁性低融点複合物シール（７６０）は、図７Ａに示すようなＳＯＦＣとハウジング内壁との間にできた隙間全体を塞ぐことができる。絶縁性低融点複合物シール（７６０）の絶縁特性によってＳＯＦＣ層間の短絡の危険がなくなるので、より大きくかつ頑強なシール寸法を採用することができる。図７Ａに示すように、空気極層（３００）、電解質層（３１０）及び燃料極層（３２０）からなるＳＯＦＣを縁性低融点複合物シール内に配置することができる。ＳＯＦＣの空気極側に、ＳＯＦＣ間のインターコネクタとして機能するように、複数の空気通路押出し成形部（１４０）や他の二次構造を配置することができる。
【００４２】
図７Ｂは、図７Ａに示した絶縁性低融点複合物シール（７６０）を用いているＳＯＦＣスタックを示している。図７Ｂに示すように、燃料供給貫通路（１２０）を流体連通させて１つの連続した管路を形成することによって、２のハウジング（７００）を結合させてスタックを構成することができる。図７Ｂに示すように、絶縁性低融点複合物シール（７６０）は、燃料極（３２０）及び空気極（３００）が燃料スタックを短絡させることがないようにＳＯＦＣ全体の周囲に形成される。
【００４３】
図７Ｂに示すＳＯＦＣシステムが、そのエネルギー生成サイクルを実行するとき、システムの温度が上昇し始め、不均一な熱及び酸化還元による膨張及び収縮が両方生じ、システムに内部応力が生じる。また、システム温度の上昇によって、絶縁性低融点複合物シール（７６０）は、応力に応じて降伏する程度にまで構造的に降伏することができる。この場合、システムによって生成される熱及び酸化還元による膨張及び収縮は、構造的に降伏する絶縁性低融点複合物シール（７６０）によって、システムの熱サイクル全体にわたって、吸収され得る。より頑強な絶縁性低融点複合物シール（７６０）はまた、活動状態のＳＯＦＣのより広い面に固着することで、燃料電池が高い圧力によって破裂する可能性を低減させる。さらに、図７Ａ及び図７Ｂの構成に本発明の低融点複合物シールを組み込むと、本発明の低融点複合物シールによって、ハウジングの構成に関係なく任意のＳＯＦＣスタック内の熱応力を減少させることができる。
【００４４】
図８Ａ及び図８Ｂは、この低融点複合物シールのさらに他の代替実施形態を示している。図８Ａに示すＳＯＦＣシステムの構成は、図８に示す低融点複合物シール（８００）が、限定はしないがアルミニウム（Ａｌ）を含む、ＳＯＦＣシステムの作動温度よりも十分に低い融点温度を有する合金を含んでいる以外は、図３のものと類似している。標準的な作動温度で液体形態の低融点合金複合物シールは、ＳＯＦＣハウジングの熱膨張及び熱収縮によって生じる熱応力をより適切に低減させることができ、ＳＯＦＣとＳＯＦＣハウジング内壁との間にシールを収容するのが困難である場合があるＳＯＦＣシステムの標準的な作動温度では、その構造的完全性が損なわれることがある。
【００４５】
図８Ｂは、代替の低融点合金複合物シール（８００）の内部構成要素を示す分解組立図である。図８Ｂに示すように、周囲の構成要素に対する低融点合金複合物シールの接着力を高めると同時に好適な応力吸収特性を維持するために、低融点合金複合物シール（８００）に、細かい湿潤性繊維（８１０）などのバインダ材料を加えることができる。この構成により、低融点合金複合物シールを、好ましい応力吸収特性を維持しながら安価な材料を用いて作成することができる。さらに、必要に応じて、低融点合金シール（８００）に含まれる細い湿潤性繊維（８１０）の量と特性を変化させることによって、シール両側に実現される圧力差を変化させることができる。また、低融点複合物シール（８００）の表面張力は、低融点合金複合物シールにシリカや他の繊維を含めることで影響を受けることがある。
【００４６】
以上、例示的な実施形態を説明してきたが、前述の実施形態に対する多数の修正及び／又は追加が、当業者には容易に明らかとなろう。限定目的ではなく、例示目的で、前述の例示的なＳＯＦＣスタックの様々な構成要素を交換することができる。当該カートリッジの範囲は、そのようなすべての修正及び／又は追加にまで拡張されることを意図している。
【００４７】
結論として、本発明の低融点複合物シールは、その様々な実施形態において、熱及び酸化還元による膨張及び収縮の影響を小さくすると同時に燃料の漏れを防止する。具体的には、この低融点複合物シールは、燃料通路とＳＯＦＣハウジング内の他の構成要素との間にシールを形成する構造的に降伏可能な合金複合物をもたらすものである。その結果、本発明の低融点複合物シールは、ＳＯＦＣシステムの熱サイクル全体にわたって、従来のＳＯＦＣシールよりも高いシール耐久性及び応力吸収性を実現することができる。本発明の低融点複合物シールは、ステンレス鋼やその他の低コストの合金の使用を容易にすることによって、ＳＯＦＣハウジングのコストも削減することができる。
【００４８】
以上の説明は、単に例示的な実施形態を示すために提供された。当該説明は、網羅的なものではなく、例示的な実施形態を開示した厳密な形態に限定するものではない。以上の教示を鑑みて、多くの修正及び変形が可能である。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１Ａ】例示的な一実施形態による固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）ハウジングの下面図
【図１Ｂ】例示的な一実施形態によるＳＯＦＣハウジングの上面図
【図２】例示的な一実施形態による絶縁板の上面図
【図３】例示的な一実施形態による組み立てられたＳＯＦＣハウジング内に配置されている低融点複合物シールの断面図
【図４】例示的な一実施形態による低融点複合物シールを用いているＳＯＦＣスタックの断面図
【図５】例示的な一実施形態の、ＳＯＦＣの製造方法のフローチャート
【図６】例示的な一実施形態の、ＳＯＦＣの作動を示すフローチャート
【図７Ａ】ＳＯＦＣハウジングの構造の例示的な代替実施形態
【図７Ｂ】図７Ａに示した例示的な代替実施形態を用いているＳＯＦＣ燃料スタック
【図８Ａ】低融点複合物シールを用いているＳＯＦＣの代替実施形態
【図８Ｂ】低融点複合物シールを用いているＳＯＦＣの代替実施形態
【符号の説明】
【００５０】
１００  ハウジング
３６０、７６０  シール
４００  電力消費装置
８１０  湿潤性繊維
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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