(57)【要約】【課題】  熱サイクリングに耐え、ほぼ漏れのない燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料電池（１２）は少なくとも１つの中空マニホルド（２０）、陽極（８２）、電解質（８４）及び陰極（８６）を具備する。少なくとも１つの中空マニホルドは、内部にチャンバ（３６）を規定する壁を具備する。少なくとも１つの開口部がマニホルド壁を貫通し、チャンバと流れ連通している。陽極はマニホルド壁の上に形成されている。電解質は陽極の上に付着され、陰極は電解質の上に付着されている。【選択図】図１
2004193125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端部（３８）と第２の端部（４０）との間に延出する壁を具備し、前記壁がその内部にチャンバ（３６）を規定し、前記壁が、それを貫通して前記チャンバと流れ連通する少なくとも１つの開口部（５４）を具備する少なくとも１つの中空マニホルド（２０）と、
前記マニホルド壁の上に位置する陽極（８２）と、
前記陽極の上に位置する電解質（８４）と、
前記電解質の上に位置する陰極（８６）とを具備する燃料電池（１２）。
【請求項２】
前記少なくとも１つのマニホルド壁は上壁（３０）、底壁（３２）及び複数の側壁（３４）を具備し、前記複数の側壁は前記上壁と前記底壁との間でほぼ垂直に延出し、前記マニホルド開口部（５４）は前記上壁を貫通している請求項１記載の燃料電池（１２）。
【請求項３】
前記少なくとも１つの中空マニホルド（２０）は導電性材料を更に具備する請求項１記載の燃料電池（１２）。
【請求項４】
前記陽極（８２）は前記少なくとも１つのマニホルド（２０）に直接に接着されている請求項１記載の燃料電池（１２）。
【請求項５】
前記電解質（８４）は少なくとも前記陽極（８２）と同じ広さであり、前記電解質は前記少なくとも１つのマニホルド（２０）に直接に接着されている請求項１記載の燃料電池（１２）。
【請求項６】
前記電解質（８４）はガスをほぼ透過せず、且つ前記陰極（８６）と前記陽極（８２）との間で酸素イオンを伝導するように構成されている請求項１記載の燃料電池（１２）。
【請求項７】
燃料電池アセンブリ（１０）と共に使用するためのマニホルド（２０）において、前記マニホルドは、内部にチャンバ（３６）を規定する本体を具備し、前記本体は第１の端部（３８）と第２の端部（４０）との間に延出し、前記本体は配線部（３２０）及び電極（８２）のうちの少なくとも一方と、前記本体を貫通して前記チャンバと流れ連通する少なくとも１つの開口部（５４）とを具備するマニホルド（２０）。
【請求項８】
上壁（３０）と、底壁（３２）と、前記上壁と前記底壁との間でほぼ垂直に延出する少なくとも１つの側壁（３４）とを更に具備し、前記少なくとも１つのマニホルド開口部（５４）は前記上壁を貫通している請求項７記載のマニホルド（２０）。
【請求項９】
前記側壁（３４）はほぼ連続しており、前記底壁（３２）の境界を規定している請求項８記載のマニホルド（２０）。
【請求項１０】
導電性材料を更に具備する請求項７記載のマニホルド（２０）。
【請求項１１】
前記マニホルド上に付着された、陽極（８２）、電極（８６）又は陰極（８６）のいずれか一つを更に具備する請求項７記載のマニホルド（２０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に発電に関し、特に、固体酸化物燃料電池を組み立てる方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくともいくつかの周知の発電システムは、電力を発生するために燃料電池を使用している。周知の燃料電池は、通常、燃料電極としても知られる陽極と、オキシダント電極としても知られる陰極と、電解質を含む。そのような燃料電池は、燃料とオキシダントを反応させて電気を発生する、バッテリに似た電気化学装置である。しかし、バッテリとは異なり、反応物が供給されている限り、燃料電池は電力を発生し続けるように、水素などの燃料と空気などのオキシダントは燃料電池に絶えず供給される。
【０００３】
燃料電池は、燃料とオキシダントに対して陽極と陰極でそれぞれ触媒作用を及ぼして、イオン化原子水素及びイオン化原子酸素を発生することにより、電気を発生する。陽極におけるイオン化プロセスで水素から除去された電子は陰極へ伝導され、そこで酸素をイオン化する。固体酸化物燃料電池の場合、酸素イオンは電解質を通って伝導され、電解質においてイオン化水素と組み合わされて、廃棄生成物として水を形成し、プロセスを完了する。電解質はそれ以外の燃料及びオキシダントを全く透過せず、酸素イオンのみを伝導する。この一連の電気化学反応は燃料電池内部で電力を発生する唯一の手段である。従って、電力を発生せず、その結果、燃料電池の効率を低下させる燃焼などの異なる組み合わせをもたらすと考えられる反応物の混合を減少させるか、又は排除することが望ましい。
【０００４】
個々の燃料電池は低電圧の電力、通常は電池ごとに約１ボルトを発生する。従って、通常、有用な電圧の電力を発生するために、電池は燃料電池スタックとして電気的に直列に組み立てられる。燃料電池スタックを製造するときには、隣接する燃料電池を電気的に直列に互いに接続するために、配線部材が使用される。多くの場合、この配線部材は燃料電池スタックを通って流れる反応物を分離する機能も果たす。一体に結合できる燃料電池の数及び／又は燃料電池スタックの動作効率が配線部材により悪影響を受けることがある。例えば、少なくともいくつかの周知の燃料電池配線部材は、燃料電池が約摂氏６００℃から１０００℃のような高い温度で動作されたときに、燃料電池を流れる反応物の分離を適切に維持できないであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
反応物の分離を維持することを容易にするために、少なくともいくつかの周知の燃料電池はシールアセンブリを有する。例えば、少なくともいくつかの周知の燃料電池のシールはガラス又はガラスセラミックを使用して製造されているが、ガラス又はガラスセラミックのシールは熱サイクリングの下では信頼性に欠けるであろう。周知の他の燃料電池は、マイカ材料、金属材料、セラミック材料又は複合材料を使用して製造されたシールを有する。そのようなシールは一般にガラスで製造されたシールよりは熱サイクリングに耐えるが、ほぼ漏れのないシールを提供するとは判明していない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの面においては、燃料電池が提供される。燃料電池は少なくとも１つの中空マニホルド、陽極、電解質及び陰極を具備する。少なくとも１つの中空マニホルドは、第１の端部と第２の端部との間に延出する壁を具備し、前記壁によりその内部にチャンバが規定されている。少なくとも１つの開口部がマニホルド壁を貫通し、チャンバと流れ連通している。陽極はマニホルド壁の上に形成されている。電解質は陽極の上に付着され、陰極は電解質の上に付着されている。
【０００７】
本発明の別の面においては、燃料電池アセンブリが提供される。燃料電池アセンブリは第１の燃料電池と、第２の燃料電池とを含む。第１の燃料電池と第２の燃料電池は、第１の燃料電池と第２の燃料電池との間に少なくとも１つの密閉通路が延出するように互いに電気的に結合される。第１及び第２の燃料電池は、それぞれ、中空マニホルド、陽極、電解質及び陰極を具備する。マニホルドは、第１の端部と第２の端部との間に、内部にチャンバが規定されるように延出する連続する壁を具備する。壁は、それを貫通してチャンバと流れ連通する少なくとも１つの開口部を含む。陽極はマニホルド壁の上にある。電解質は陽極の上にあり、陰極は電解質の上にある。
【０００８】
別の面においては、燃料電池アセンブリを製造する方法が提供される。方法は、内部にチャンバが規定されるように壁から形成された中空マニホルドを含む燃料電池を形成することと、マニホルド壁を貫通するように少なくとも１つの開口部を形成することと、陽極が少なくとも１つの開口部を覆って延出するようにマニホルド壁の上に陽極を形成することから成る。方法は、陽極の上に電解質を付着させることと、電解質の上に陰極を付着させることを更に含む。
【０００９】
本発明の更に別の面においては、燃料電池アセンブリを製造する方法が提供される。方法は、内部にチャンバが規定されるように壁から形成された中空マニホルドをそれぞれが含む第１の燃料電池及び第２の燃料電池を形成することと、各々のマニホルド壁を貫通するように少なくとも１つの開口部を形成することから成る。方法は、陽極がそれぞれ対応するマニホルド壁の開口部を覆って延出するように各々のマニホルド壁の上に陽極を形成することと、各々の陽極の上に電解質を付着させることと、各々の電解質の上に陰極を付着させることを更に含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、複数の燃料電池１２を含む燃料電池スタック１０の一例の横断面図である。隣接する燃料電池１２は、複数の入口シール通路１４及び複数の出口シール通路１５により分離されている。シール通路１４及び１５は、通常、セラミック材料から製造可能である中空の電気絶縁体（図示せず）から構成されているが、絶縁体はセラミック材料に限定されない。一実施例では、絶縁体は、ガラス又はガラスセラミック材料から製造可能であるシールによりマニホルド２０と、エンドプレート１６及び１８とに結合されている。尚、シールの材料はガラス又はガラスセラミック材料に限定されない。あるいは、絶縁体は、ろう付け（これに限定されない）などの他の製造方法によりマニホルド２０及びエンドプレート１６、１８に結合されても良い。燃料電池スタック１０は上スタックプレート１６、底スタックプレート１８、及び上スタックプレート１６と底スタックプレート１８との間に位置する複数のマニホルド２０とを含む。各マニホルド２０は外面２２を含む。
【００１１】
一実施例では、上スタックプレート１６と、底スタックプレート１８と、マニホルド２０はそれぞれ全く同じ大きさである。別の実施例においては、上スタックプレート１６、底スタックプレート１８及び／又はマニホルド２０のうちの少なくとも１つはその他の燃料電池スタック構成要素とは異なる大きさである。上スタックプレート１６はほぼ中実であり、底スタックプレート１８はほぼ中空である。スタックプレート１６及び１８は共に導電性材料から製造されている。例えば、スタックプレート１６及び１８は、ここで説明するような高い温度で動作することが可能である、導電性の何らかの材料、又は酸化されたときに酸化物が導電性である何らかの材料などの導電性材料から製造されれば良い。各マニホルド２０も、ステンレス鋼（これに限定されない）などの、ここで説明するような高い温度で動作することが可能である導電性材料（これに限定されない）のような導電性材料から製造されている。
【００１２】
図２は、燃料電池スタック１０（図１に示す）と共に使用できる燃料電池１２の一部である。特に、図２は、初期製造段階にある燃料マニホルド２０を示す。各燃料マニホルド２０は上壁３０、底壁３２、及び上壁３０と底壁３２とを接続する複数の側壁３４を含む。この実施例では、マニホルド２０はほぼ矩形であり、側壁３４は上壁３０と底壁３２との間でほぼ垂直に延出している。別の実施例においては、マニホルド２０は矩形ではなく、少なくとも１つの側壁３４は上壁３０と底壁３２との間で斜めに延出している。
【００１３】
燃料マニホルド２０は中空であり、マニホルド２０の第１の端部３８からマニホルド２０の第２の端部４０まで延出する流路３６を含む。特に、この実施例では、流路３６は上壁３０、底壁３２及び側壁３４それぞれの内面４２、４４及び４８により規定されている。従って、この実施例においては、流路３６はほぼ矩形の横断面形状を有する。別の実施例では、流路３６は矩形ではない横断面形状を有する。別の実施例においては、燃料マニホルド２０内部の燃料の分配を容易にするために、燃料マニホルド２０は流れガイド、そらせ板又は流れ誘導溝形状のうちの少なくとも１つを含む。
【００１４】
図３は、第１の製造段階の間の燃料電池１２の一部を示す。この製造段階の間に、燃料電池２０には供給開口部５０及び戻し開口部５２が形成される。特に、供給開口部５０と戻し開口部５２は、燃料マニホルド上壁３０、流路３６、及び燃料マニホルド底壁３２をそれぞれ貫通する。この実施例では、開口部５０及び５２は全く同じ大きさである。あるいは、開口部５０と開口部５２は異なる大きさに形成される。加えて、この実施例では、開口部５０及び５２は、それぞれ、ほぼ円形の横断面形状を有する。あるいは、開口部５０及び／又は開口部５２のうちの少なくとも一方は円形ではない横断面形状を有する。
【００１５】
この製造段階の間には、燃料マニホルド２０に少なくとも１つの開口部５４が更に形成される。特に、この実施例では、複数の開口部５４は燃料マニホルド上壁３０を貫通して流路３６まで延出しているが、開口部５０及び５２とは異なり、開口部５４はマニホルド底壁３２を貫通していない。この実施例では、開口部５４はほぼ共直線構成で配置されている。すなわち、開口部５４は複数の列５６を成して配置されており、各々の列５６は一直線上に配列された複数の開口部５４を含む。更に、この実施例においては、各開口部５４はほぼ円形の横断面形状を有する。あるいは、各開口部５４は円形ではない横断面形状を有する。
【００１６】
図４は、第２の製造段階の間の燃料電池１２の一部を示す。この製造段階の間に、一対の全く同じエンドプレート６０及び６２がマニホルドの第１の端部３８と、第２の端部４０にそれぞれ機械的に結合される。特に、この実施例では、各エンドプレート６０及び６２は、エンドプレート６０及び６２がマニホルドの上壁３０と底壁３２との間でほぼ垂直に延出するようにマニホルド２０に結合される。別の実施例においては、エンドプレート６０及び／又はエンドプレート６２のうちの少なくとも一方は上壁３０及び／又は底壁３２に関して斜めにマニホルド２０に結合される。エンドプレート６０及び６２は、ステンレス鋼（これに限定されない）などの、ここで説明する高い温度で動作することが可能である導電性材料（これに限定されない）のような導電性材料から製造されている。別の実施例においては、エンドプレート６０及び６２は不導電性材料から製造されている。
【００１７】
図５は、第３の製造段階の間の燃料電池１２の一部を示す。この製造段階の間に、複数の分流要素７２を含む陰極流れフィールド７０がマニホルド底壁３２に結合される。一実施例では、陰極流れフィールド７０はマニホルド２０に機械的に結合される。分流要素７２は、各々の分流要素７２が開口部５４のそれぞれ隣接する列５６に対向して位置し、それらの間でほぼ平行であるように、側壁３４の間で底壁３２に沿って延出する。この実施例では、分流要素７２は隣接するマニホルド２０の間で電気的配線部として機能する。例えば、分流要素７２は、燃料電池１２が積み重ね構造（図１に示す）にされたときに、分流要素７２が１つの電池１２の陽極から隣接する電池１２の陰極へ電気を導通するように構成されている。一実施例においては、分流要素７２は、ステンレス鋼（これに限定されない）などの、ここで説明する高い温度で動作することが可能である導電性材料（これに限定されない）のような導電性材料から製造されている。一実施例では、分流要素７２は底壁３２と一体に形成されている。
【００１８】
図６は、第４の製造段階の間の燃料電池１２の一部を示す。この製造段階の間には、開口部５４の中に膨張自在の材料８０、すなわち、漏れマスクがマニホルド上壁３０の外面２２とほぼ同一の平面に位置するように挿入される。一実施例では、膨張自在の材料８０はエポキシ材料を含むが、これを含むことに限定されない。
【００１９】
図７は、続く第５の製造段階の間の燃料電池１２の一部を示す。この製造段階の間には、マニホルド上壁３０を覆い、且つ開口部５４に形成された膨張自在の材料８０の露出部分を覆うように陽極８２が形成される。特に、開口部５４（図３〜図６に示す）は膨張自在の材料８０（図６に示す）で充満されているので、陽極８２はマニホルド上壁３０を覆って形成されたままであり、開口部５４及び／又は流路３６の中まで付着されることはない。陽極８２は一般に開口部５４を覆うように延出しているが、外面２２に沿って開口部５０及び５２まで覆うことはない。更に、陽極８２は側壁３４に隣接するマニホルド上壁３０の外周部分までは延出しない。
【００２０】
その後、加熱又は燃焼などの周知の除去方法を使用して膨張自在の材料８０は除去される。尚、除去方法はこれに限定されない。別の実施例では、陽極８２はマニホルド２０及び開口部５４の上に形成されるが、陽極８２を形成する前に膨張自在の材料８０は開口部５４に挿入されない。一実施例においては、陽極８２は、ニッケル酸化物材料を含むイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの多孔性材料から製造されていても良いが、材料はＹＳＺに限定されない。
【００２１】
図８は、第６の製造段階の間の燃料電池１２の一部を示す。この製造段階の間には、陽極８２の上に電解質層８４が形成される。特に、電解質層８４は、電解質層８４がマニホルド上壁の外面２２の少なくとも一部に直接に接着されるように、陽極８２の表面積と少なくとも等しいか、それより大きい表面積を有するように形成される。更に特定すれば、電解質層８４は陽極８２と各々の開口部５０及び５２との間の面２２に接着されると共に、陽極８２と側壁３４との間の面２２にも接着される。この実施例においては、電解質層８４は外面２２に沿って側壁３４に隣接して形成された外周部まで延出している。一実施例では、電解質層８４はイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの材料から製造されていても良いが、材料はこれに限定されない。
【００２２】
図９は、第７の製造段階の間の燃料電池１２の一部を示す。図１０は、線１０−１０（図９に示す）に沿った燃料電池１２の横断面図である。この製造段階の間には、電解質層８４の上に陰極８６が形成される。この実施例においては、陰極８６は、電解質８４にのみ接着されるように、電解質８４の表面積より小さい表面積で形成されている。陰極８６はマンガン酸ランタンストロンチウム（ＬＳＭ）を含んでいても良いが、これに限定されない。
【００２３】
以下に更に詳細に説明するが、使用中、開口部５０を介してマニホルド２０に流体が入ると、流体の流れは流路３６を通って導かれ、開口部５４を介して陽極８２と接触する。その後、流体の流れは開口部５２を介してマニホルド２０から排出される。
【００２４】
図１１は、先に説明したように製造されたマニホルド２０を複数含む燃料電池スタック１０の横断面図である。隣接する燃料電池１２は、それらの燃料電池１２が固体酸化物燃料電池の平坦な構造、すなわち、燃料スタック１０を形成し、その中で隣接する燃料電池１２が相互間にオキシダント流通領域１００を規定するように、複数の入口シール１４及び出口シール１５によりそれぞれ分離されている。一実施例では、密封性及び密閉性を容易に向上できるようにするために、シール１４及び１５は圧縮状態で設置される。更に、マニホルドの密封は完全に金属対金属で行われているため、シール１４及び１５は開口部５０及び５２の周囲にのみ設けられているので、シール１４及び１５の全長は短縮されている。従って、シール１４及び１５はスタック１０の組み立て費用を低減させるのを助ける。
【００２５】
事前改質燃料及び／又は燃料電池スタック１０内部で改質される炭化水素（これらには限定されない）などの燃料は、入口接続部９０を介して燃料電池スタック１０に供給される。入口接続部９０に入った後、燃料は各入口シール１４を通って送り出され、対応する開口部５０を介して各々の燃料マニホルド２０に入る。
【００２６】
各々の開口部５０に入った後、燃料はそれぞれ対応するマニホルド流路３６へ送り出される。燃料は、燃料電池スタック１０から開口部５２を介して出口接続部９２内へ排出される前に、各陽極８２に沿って流れ、陽極と反応する。一実施例では、接続部９０及び９２はスタック１０に溶接されている。燃料とオキシダントは、スタック１０内部で直列に接続されている各々の燃料電池１２において反応し、有用なレベルまで電圧を発生させる。特に、燃料はスタック１０に供給される酸素と電気化学的に反応して、主生成物としての水と共に直流（ＤＣ）電気を発生する。スタック１０を包囲しているオキシダントは陰極８６に沿って流れ、配線部として機能する流れフィールド７０を通って導かれる。一実施例では、スタック１０は、隣接するマニホルド２０を流れる反応物の方向がほぼ平行であり且つ逆の流れ方向となるように配列されている。別の実施例においては、スタック１０は、隣接するマニホルド２０を流れる反応物の方向がほぼ平行であり且つ同じ流れ方向となるように配列されている。更に別の実施例では、マニホルド２０は、隣接するマニホルド２０を流れる反応物の方向が互いにほぼ垂直になるようにスタック１０内部に配置されている。
【００２７】
燃料とオキシダントが反応するにつれて電流が発生されると、スタックのエンドプレート９６及び９８の間に電位が発生する。エンドプレート９６は底スタックプレート１８（図１に示す）とほぼ同様であり、陰極流れフィールド７０を含まない。この実施例では、エンドプレート９６は正のエンドプレートである。エンドプレート９８は上スタックプレート１６とほぼ同様であって、ほぼ中実であるので、その内部に流路３６は延出していない。
【００２８】
複数の燃料電池１２は、垂直スタック１０を形成するために組み立てられる。特に、隣接する燃料電池の陽極８２、電解質８４及び陰極８６の相互接続を容易にするために、電池１２は平面スタック１０として組み立てられる。従って、各マニホルド２０は、各々の配線部の平面を貫通する少なくとも２つのマニホルド開口部５０及び５２を含む。エンドプレート９６及び９８はスタック１０をほぼ密封し、その内部で電流を収集できるようにしている。シール１４及び１５により分離された、相互に接続されたマニホルドを通って流れる燃料は、各マニホルド２０に形成された開口部５４を介して陽極８２を湿潤させる。一実施例では、燃料電池１２は、炭化水素からＨ２及びＣＯを形成するために、それぞれ対応する陽極領域の上流側に配置された内部リフォーマを含む。
【００２９】
水、改質生成物及び未使用の燃料はマニホルド２０を介してそれぞれ対応する排出開口部５２へ流れる。スタック１０は燃料の流れをスタック１０内部で直列に結合されている各燃料電池１２にほぼ均等に配分する。陰極側では、スタック１０の外部からのオキシダントをスタック１０の反対側から排出される前に陰極流れフィールド７０を介して誘導し、陰極８６に沿って送り出すことができるようにするために、各マニホルド２０に複数の流路が形成されているか、又は各マニホルド２０に結合された構成要素により流路が規定されている。
【００３０】
燃料電池１２が互いに積み重ねられたとき、オキシダントはスタック１０を包囲し、流れ領域開口部１００を介してスタック１０を通るように導かれる。スタック１０を流れる燃料をスタック１０を包囲し、スタック１０を通って流れるオキシダントから隔離するために、電解質８４が陽極８２に重なり合い、且つ電解質８４が燃料マニホルド２０に直接に密封されるように、電解質８４は付着されている。電解質８４はガスをほぼ透過せず、陰極８６と陽極８２との間の酸素イオンの伝導を容易にする。開口部５０及び５２の周囲にそれぞれ配置されたシール１４及び１５は、個々の燃料電池１２の密封を容易にする。更に、シール１４及び１５は、燃料電池１２の相互の短絡を防止するために隣接する燃料電池１２の電気的絶縁を容易にする。
【００３１】
使用中、スタック１０は、少なくともいくつかの他の周知の燃料電池構成と比較して、使用されるシールの量を減らすのに有用である。更に、スタック１０のマニホルド構造はほぼ平坦であるため、排気の再循環を分離できると共に、スタック１０を複数の段として積み上げることが可能になる。従って、スタック１０内部における熱伝達の最適化を容易にするために、直列に結合されるマニホルド２０の数は様々に選択される。加えて、最も長い電流経路は導電率の高い金属を通る経路であるので、スタック１０と関連する動作コストを他の周知の燃料電池スタックと比較して容易に低減できる。従って、燃料電池スタック１０は焼結組み立て法及び非焼結組み立て法により製造される燃料電池と組み合わせて使用されることが可能であろう。
【００３２】
図１２は、図１及び図１１に示す燃料電池スタックと共に使用できるマニホルドの別の実施例の側面斜視展開図である。特に、マニホルド２００は図４に示すマニホルド２０とほぼ同様であるが、異なる製造方法を使用して組み立てられている。特に、マニホルド２００も同様に、ステンレス鋼（これに限定されない）などの、ここで説明する高い温度で動作することが可能である導電性材料（これに限定されない）のような導電性材料から製造されている。
【００３３】
燃料マニホルド２００は当初はほぼ中実であり、上壁２０２、底壁２０４、及び上壁２０２と底壁２０４を接続する一対の側壁２０６を含む。マニホルド２００は、上壁２０２と底壁２０４との間に延出する一対の端壁２０８を更に含む。この実施例では、マニホルド２０はほぼ矩形であり、側壁２０６及び端壁２０８は上壁２０２と底壁２０４との間にほぼ垂直に延出している。別の実施例においては、マニホルド２００は矩形ではない。
【００３４】
マニホルド２００の内部には、上壁２０２から底壁２０４まで延在する空洞部２２０が形成されている。空洞部２２０は、上壁２０２の横断面面積より小さい横断面面積を有する。空洞部２２０は上壁２０２に関してほぼ中央に位置しているため、空洞部２２０は側壁２０６又は端壁２０８まで延出していない。一実施例では、マニホルド空洞部２２０はスタンピングにより形成される。別の実施例においては、マニホルド空洞部２２０は機械加工により形成される。
【００３５】
燃料マニホルド２００には供給開口部２３０と戻し開口部２３２が形成されており、各開口部は燃料マニホルド底壁２０４を貫通して、燃料マニホルド空洞部２２０に達している。この実施例では、開口部２３０及び２３２は同じ大きさである。あるいは、開口部２３０と開口部２３２の大きさは異なる。更に、この実施例では、開口部２３０及び２３２は、それぞれ、ほぼ円形の横断面形状を有する。別の実施例においては、開口部２３０及び／又は開口部２３２の少なくとも一方は円形ではない横断面形状を有する。
【００３６】
燃料マニホルド上壁２０２とほぼ同じ大きさである横断面形状を有する密封プレート２４０が上壁２０２に結合される。密封プレート２４０は、陽極（図１２には示さず）との連通を可能にする中央開口部２４２を含み、それぞれ対応する開口部２３０及び２３２とほぼ同じ大きさである供給開口部２４４及び戻し開口部２４６を更に含む。従って、密封プレート２４０が上壁２０２に結合された後、燃料マニホルド２００と対応する燃料電池（図１２には示さず）は先に図５〜図１１で説明したように組み立てられる。
【００３７】
別の実施例においては、燃料マニホルド２００は３つ以上の層を使用して組み立てられる。例えば、一実施例では、燃料マニホルド２００の密封プレート２４０は環状の側壁アセンブリ（図示せず）に結合され、その後、側壁アセンブリは密封プレート２４０とほぼ同様であるが、中央開口部２４２を含まない下部密封プレートに結合される。
【００３８】
図１３は、燃料電池スタック３００の別の実施例の側面図である。燃料電池スタック３００は図１及び図１１に示す燃料電池スタック１０とほぼ同様であり、スタック３００において、スタック１０の構成要素と同一である構成要素は図１３でも図１及び図１１で使用されていたのと同じ図中符号を使用して識別される。特に、燃料電池スタック３００は、複数の入口シール１４及び複数の出口シール１５により分離された複数のマニホルド３０２を含む。
【００３９】
マニホルド３０２はマニホルド２０（図１及び図１１に示す）に類似しているが、各マニホルド３０２は第１の電極として機能するように、第１の電極と一体に形成されている。一実施例では、マニホルド３０２は、流通する流体を誘導する複数の内部ガイドを含む。電解質層８４（図８に示す）に類似する電解質層３０６がマニホルド３０２の上に形成され、第２の電極３１０は電解質層３０６に沿って形成されている。一実施例では、マニホルド３０２は陽極であり、第１の反応物は燃料である。別の実施例においては、マニホルド３０２は陰極であり、第１の反応物はオキシダントである。
【００４０】
第２の電解質層３１０に沿って配線部３２０が形成されている。配線部３２０は、流れフィールド７０内部に延出して、マニホルド３０２の底壁３２２に結合された複数の分流要素７２と相互に作用する。この実施例では、配線部３２０はほぼ平坦である。
【００４１】
上スタック電流端子３３０及び下スタック電流端子３３２も燃料電池スタック３００に結合されており、上スタックプレート９６及び下スタックプレート９８（図１１に示す）と同様に機能する。燃料とオキシダントが反応するにつれて電流が発生されると、スタック電流端子３３０及び３３２の間に電位が発生する。この実施例では、端子３３０は端子３３２とほぼ同じ大きさであり、マニホルド３０２内部に形成された供給開口部及び戻し開口部（図示せず）への流れを可能にするために、一対の開口部（図示せず）を含む。
【００４２】
以上説明した燃料電池スタックは、１つの燃料電池の陰極が隣接する燃料電池の導電性燃料管と接触するように、ほぼ平坦なマニホルド構造を使用して直列に結合された複数の燃料電池によって組み立てられている。燃料管に設けられた表面の特徴的な形状により、陰極に沿ってオキシダントが流れることができる狭い間隙が形成される。燃料は、燃料電池スタックのほぼ一直線上に配列された一連の開口部から形成される内部マニホルドを介してスタックの適切な部分に供給される。絶縁された一連の部材が隣接する燃料電池を分離し、隣接する燃料電池の間の密封を行っている。その結果、費用効率良く、高い信頼性で燃料電池スタックを容易に製造できるような燃料電池が得られる。
【００４３】
以上、燃料電池スタックの実施例を詳細に説明した。燃料電池スタックはここで説明した特定の実施例に限定されず、各アセンブリの構成要素を独立して、ここで説明した他の構成要素とは別個に利用しても差し支えない。各燃料電池スタック構成要素は他の燃料電池スタック構成要素と組み合わせて使用されることも可能である。例えば、いくつかの実施例では、スタック内部における陽極と陰極の相対的位置を入れ換えても良く、同様に、燃料流れ及びオキシダント流れに対して規定された流路を入れ換えても良い。
【００４４】
特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】燃料電池スタックの一例の側面図。
【図２】初期製造段階の間に図１に示す燃料電池スタックと共に使用できる燃料電池の一部の図。
【図３】第１の製造段階の間の図２に示す燃料電池の一部の図。
【図４】第２の製造段階の間の図２に示す燃料電池の一部の図。
【図５】第３の製造段階の間の図２に示す燃料電池の一部の図。
【図６】第４の製造段階の間の図２に示す燃料電池の一部の図。
【図７】第５の製造段階の間の図２に示す燃料電池の一部の図。
【図８】第６の製造段階の間の図２に示す燃料電池の一部の図。
【図９】第７の製造段階の間の図２に示す燃料電池の一部の図。
【図１０】図９の線１０−１０に沿った燃料電池の横断面図。
【図１１】燃料電池スタックの一例の側面図。
【図１２】図１及び図１１に示す燃料電池スタックと共に使用できるマニホルドの別の実施例の側面斜視展開図。
【図１３】燃料電池スタックの別の実施例の側面図。
【符号の説明】
【００４６】
１０…燃料電池スタック、１２…燃料電池、１４…入口シール、１５…出口シール、１６…上スタックプレート、１８…下スタックプレート、２０…マニホルド、３０…上壁、３２…底壁、３４…側壁、３６…流路、５０…供給開口部、５２…戻し開口部、５４…開口部、８２…陽極、８４…電解質、８６…陰極、２００…マニホルド、３００…燃料電池スタック、３０２…マニホルド、３２０…配線部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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