(57)【要約】【課題】高温燃料電池用途で有効なシールを維持する高温シールを提供すること。【解決手段】高温燃料電池システム(100)の２つ又は３つ以上の構成要素間に配置されたエーロゲルガスケット(130)を含む、高温シール。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温燃料電池システム(100)の２つ又は３つ以上の構成要素間に配置されたエーロゲルガスケット(130)を含む、高温シール。
【請求項２】
前記エーロゲルガスケット(130)が、燃料電池ハウジング(104)と固体酸化物型燃料電池(102)との間に配置される、請求項１に記載のシール。
【請求項３】
前記エーロゲルガスケット(130)が、燃料電池(102)の入力部(106/108)又は排出部(110/112)の周りに配置される、請求項１に記載のシール。
【請求項４】
前記エーロゲルガスケットが環状形状(240)を有する、請求項１に記載のシール。
【請求項５】
前記エーロゲルガスケットが、矩形の燃料電池(402)の周囲に適合する矩形形状(440)を有するものである、請求項４に記載のシール。
【請求項６】
前記エーロゲルガスケット(130)が、粉砕され再構成されたエーロゲルから作製される、請求項１に記載のシール。
【請求項７】
ハウジング(104)内の高温燃料電池(102)と、
該燃料電池(102)に燃料を提供するための燃料供給部(106)と、
該燃料電池(102)に酸素を提供するための酸素供給部(108)と、
該燃料電池(102)からの排出のための排出経路(110/112)と、
前記ハウジング(104)と前記燃料電池(102)との間に配置された第１のエーロゲルシール(130)とを含む、燃料電池システム。
【請求項８】
エーロゲルシートを切断してガスケット(130/240/440)を作製するステップを含む、高温シールの作製方法。
【請求項９】
固体酸化物型燃料電池(102)の２つの構成要素間の界面(127)と一致するように前記ガスケット(130/240/440)を切断するステップを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
高温燃料電池システムの２つの構成要素間にエーロゲルガスケットを挿入するステップを含む、高温シールの使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムのための高温シールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池は一般的なものになり高性能となった。燃料電池は、酸素と燃料の電気化学反応を行って電気と熱を生成する。燃料電池は、バッテリと似ているが、電力を提供しつつ「再充電」することが可能なものであり、また通常は従来の炭化水素の燃焼よりも遙かにクリーンに動作するものである。
【０００３】
燃料電池は、モータ、照明、コンピュータ、又は多数のあたゆる電気器具に電力を供給するために使用することが可能なDC（直流）電圧を提供する。幾つかの異なるタイプの燃料電池が存在し、それぞれ異なる化学作用を用いている。燃料電池は、一般に、使用される電解質のタイプによって分類される。燃料電池のタイプは一般に５つのグループ、すなわち、プロトン交換膜型（PEM）燃料電池、アルカリ型燃料電池（AFC）、リン酸型燃料電池（PAFC）、固体酸化物型燃料電池（SOFC）、及び溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC）の何れかに分類される。
【０００４】
多くの燃料電池は、その燃料として水素を使用する。これは、唯一の理論的な副生成物として水をクリーンに且つ効率的に電気生成することを容易にする。しかし、水素は、その生成及び貯蔵が困難で高コストとなることが多いものである。それ故、燃料として純粋な水素源を必要としないSOFCは、特に前途有望な燃料電池タイプである。SOFCは、水素で動作可能であるが、他の様々な燃料を使用することも可能である。SOFCは、炭化水素やアルコール等のあまり高価でなくまた水素よりも入手し易い燃料で動作することが多い。
【０００５】
しかし、民生用電子機器に電力を供給するための市販の固体酸化物型燃料電池の開発には幾つかの課題が残っている。SOFCは、燃料電池システムの様々な構成要素間でゴムやプラスチック等のシール材料を使用することを不可能にする温度範囲（400〜1000℃）で動作する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
結果的に、SOFCシステムの様々な構成要素のためのシールは、雲母、ガラス、又はガラス・セラミックスから作製されてきた。これらのシールは、高動作温度においても燃料電池システムから燃料及び副生成物が漏れるのを防ぐために使用される。
【０００７】
しかし、雲母は、極めて限られたコンプライアンス特性を有するものであり、その結果としてシールが不十分になることがある。ガラスは、雲母よりも更にコンプライアンスが低いものであり、シールの亀裂及び／又は燃料電池システムの構成要素の破損が生じることになることが多い。
【０００８】
更に、シールと燃料電池システムの構成要素との間の熱膨張係数の差は、固体酸化物型燃料電池その他の高温燃料電池用途で有効なシールを作製し維持することを極めて困難にする。これもまた、燃料電池システムの高い動作温度に起因するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
多くの考え得る実施形態のうちの１つでは、エーロゲルガスケットを含む高温シールが、高温燃料電池システムの２つ又は３つ以上の構成要素間に配置される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図面は、本発明の様々な実施形態を示し本書の一部をなすものである。図示の実施形態は、本発明の単なる例であって、本発明の範囲を限定するものではない。全図を通して、同一の符号は、類似した（但し必ずしも同一とは限らない）構成要素を示している。
【００１１】
固体酸化物型燃料電池および溶融炭酸塩型燃料電池といった高温燃料電池は、約400〜1000℃の温度で動作する。本書で使用する「高温」という用語は、約400〜1000℃の範囲の温度を示している。背景技術の欄で述べたように、高温燃料電池システムの様々な構成要素間の界面におけるシールは、最良の場合であってもその作製及び維持が困難なものであり、多くの場合、高温燃料電池システム間のシール界面には、抑制できない漏れが生じる。したがって、以下では、特に、高温燃料電池用途のための一層信頼性の高いシールについて説明する。
【００１２】
ここで図面、特に図１を参照する。同図は、一般的な高温燃料電池システム(100)を示したものであり、該システムの様々な構成要素間の幾つかの重要な界面が示されている。この実施形態の高温燃料電池システム(100)は燃料電池(102)を含む。該燃料電池(102)はまた、燃料電池スタックを表すことが可能なものである。単一の燃料電池は通常は極めて低い電圧(〜0.7V)しか生成しない。このため、燃料電池は、生成される電圧を高め、ひいては使用可能な電流を増大させるために、スタックされるることが多い。
【００１３】
高温燃料電池システム(100)の他の構成要素は、例えば、ハウジング(104)、燃料供給路又はマニホルド(106)、酸素又は空気供給路又はマニホルド(108)、燃料用の第１の排出経路又はマニホルド(110)、及び酸素又は空気用の第２の排出経路又はマニホルド(112)を含む（但しこれらには限定されない）。しかし、実施形態によっては、図１に示した２つではなく１つの排出経路又はマニホルド(110)のみを含むことが可能であることが理解されよう。システム(100)はまた、負の電気接続部(114)や正の電気接続部(116)といった電気接続部を含む。これら接続部を使用して、燃料電池を電気回路に接続し、生成した電力を電気的な装置又は電子的な装置に提供することができる。
【００１４】
燃料電池(102)はハウジング(104)により収容される。燃料電池(102)は、例えば、固体酸化物型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、又はその他の高温燃料電池とすることが可能である。燃料電池(102)は、３つの基本的な燃料電池構成要素、すなわち、燃料極(118)、空気極(120)、及び該燃料極(118)と該空気極(120)との間に配置された電解質(122)を含む。燃料電池システム(100)の電気化学反応を促進させるために、燃料極(118)及び空気極(120)の両者に触媒が存在することが可能である。
【００１５】
この実施形態の燃料電池(102)は、ハウジング(104)を少なくとも２つの部分に分ける。この実施形態によれば、ハウジングは、燃料極チャンバ(124)と空気極チャンバ(126)とに分かれる。しかし、ハウジング(104)内に任意数の別のチャンバを作成することも可能である。
【００１６】
高温燃料電池システム(100)は、該システムの構成要素間に多数の界面を含み、該界面の１つ又は２つ以上は、シール又はガスケットを使用して漏れを防止することができる。例えば、図示の実施形態では、燃料電池(102)とハウジング(104)との間に第１の界面127及び第２の界面128が存在する。また、例えば、図示するような、燃料供給部(106)とハウジング(104)との界面、酸素供給部(108)とハウジング(104)との界面、排出経路(110,112)とハウジング(104)との界面、及び電気相互接続部(114,116)とハウジング(104)との界面といった（但しこれらには限定されない）シールが有用となり得る更なる界面が存在する可能性がある。更に、高温燃料電池システムの構成要素間における任意数の他の界面もまたシール対象として考え得る。
【００１７】
図示の高温燃料電池システム(100)やその他の高温燃料電池システムに関し、その様々な構成要素間の１つ又は２つ以上の界面(127等)を適切にシールすることが望まれる場合がある。特に重要なのは、例えばハウジング(104)と燃料電池(102)との間のシールである。このため、燃料電池(102)とハウジング(104)との間に配置された第１のシール又はガスケット(130)が示されている。
【００１８】
第１のシール(130)及び／又はそれと類似した又は同一の第２のシール(132)が、燃料極チャンバ(124)内の燃料を、空気極チャンバ(126)内の酸素と混合しないよう隔離する。これらのシール(130と132)はまた、高温になり得るあらゆる反応物、生成物、又はその他の材料が大気中に漏れるのを防止する。
【００１９】
図１に示したシステム(100)等の多くの高温燃料電池システムでは、ハウジング(104)は、ステンレス鋼その他の構造材料からなり、燃料電池(102)は、セラミックその他の材料を含む。ステンレス鋼ハウジングとセラミック燃料電池構成要素との間の界面(127,128)は、高温状態で維持することが極めて困難である。しかし、エーロゲルで作成したガスケットは燃料電池システムの構成要素間に所望のシールを提供することが可能であることが分かった。
【００２０】
エーロゲルは、高温にも耐える極度に低密度の最新の従動性材料である。エーロゲルは、最高1400℃の温度までの熱に耐える。通常は、エーロゲルの体積の96％以上は空気であり、残りの部分は、シリカ(二酸化ケイ素)の細いマトリクスを含む。エーロゲルの中には、体積の最大99.9％が空気で、0.1％だけがシリカのものもある。本書で用いるように、低密度材料は、体積の90％以上が空気又は空きスペースとなっている材料である。エーロゲル及びエーロゲルシートは、様々な供給元から市販されている。本書で用いる用語「エーロゲル」は、主成分又は副成分としてエーロゲルを使用するあらゆる生成物を含む。エーロゲルガスケット(130,132)は、シリコンを主成分とするエーロゲルで作成されることが好ましい。
【００２１】
エーロゲルは典型的には多孔質かつ透明のものである。このため、実施形態によっては、エーロゲルは、高温燃料電池のシール用途のために透過性を低くし又は透過性をなくすよう粉砕し再構成することが可能である。代替的又は追加的に、高温燃料電池での使用に先立ち、エーロゲルを皮膜（例えばガス非透過性皮膜）で覆って、その透過性を低くすることが可能である。
【００２２】
ハウジング(104)と燃料電池(102)との間に示したエーロゲルガスケット(130,132)に加えて、他の燃料電池システム(100)の構成要素間に、エーロゲルからなる任意数の追加のシール又はガスケットを使用することが可能である。図１の実施形態によれば、燃料供給部(106)とハウジング(104)との間の界面に第３のエーロゲルシール(134)が存在し、酸素供給部(108)とハウジング(104)との間に第４のエーロゲルシール(136)が存在し、排出経路(110,112)とハウジング(104)との間に第５及び第６のエーロゲルシール(138,140)が存在し、及び電気相互接続部(114,116)とハウジング(104)との間に第６及び第７のエーロゲルシール(142,144)が存在する。更に、特定の必要性に従って、高温燃料電池システムの構成要素間に任意数の他のエーロゲルシール又はガスケットを使用することが可能である。
【００２３】
この場合も、図示のシールは、例示的なものであり、具体的に参照する特定の構成要素及び界面には限定されない。更に、高温燃料電池システム(100)が図示のエーロゲルシールを全て有している必要はなく、実施形態によってはエーロゲルシールを一層少数とすることが可能であり、例えば、高温システムの何れか２つの構成要素間にエーロゲルシールを１つだけ配設することが可能である。
【００２４】
上述したエーロゲルガスケット又はシールの各々は、エーロゲルシートをあらゆる所望の構造に打ち抜き又は切断することにより作製することが可能である。一実施形態によれば、ウォータ・ジェットによりエーロゲルシートを切断してガスケットを形成する。しかし、他のあらゆる形成、成形、打ち抜き、又は切断方法を使用することも可能である。以下、図面を参照して、高温燃料電池システムのシールにとって有用となる構造の幾つかの例について解説する。
【００２５】
図２ａ及び図２ｂを参照すると、環状シール又はガスケット(240)が示されている。該環状シール(240)は、燃料電池、例えば、管状の固体酸化物型燃料電池(202)の周りに配置されるエーロゲルガスケットである。管状の固体酸化物型燃料電池(202)は、内部通路(242)を介して燃料を受け取ることができる。図２ｂに示すように、環状シール(240)は、ハウジング(204)と管状の固体酸化物型燃料電池(202)との間に挟むことが可能である。エーロゲルから作製された環状シール(240)は、可撓性を有し、シールする空間に適合するよう変形することができる。シール(240)はまた、高い耐熱性を有する。このため、環状シール(240)は、鋼から作製することが可能なハウジング(204)といった高温燃料電池の構成要素と、セラミック材料を用いて作製することが可能な固体酸化物型燃料電池(202)との間に有利に優れたシールを提供するものとなる。環状シール(240)はまた、高温燃料電池システムの構成要素の他の界面をシールすることが可能である。図２ａ〜図２ｂの実施形態は単なる例示である。
【００２６】
次いで図３ａ及び図３ｂに移り、高温燃料電池システムのための別のエーロゲルシール構成を示す。図３ａ及び図３ｂの実施形態によれば、シールは、エーロゲルを用いて作製されたフランジガスケット(340)である。該フランジガスケット(340)は、高温燃料電池システムの平坦な固体酸化物型燃料電池管(302)とハウジング(図３ｂの符号304)との間に配置される。平坦な固体酸化物型燃料電池管(302)はフランジ端(303)を含む。エーロゲルを用いて作製されたフランジガスケット(340)は、高温燃料電池システムのハウジング(304)と平坦な固体酸化物型燃料電池管(302)のフランジ端(303)との界面をシールする。フランジガスケット(340)に含まれる従動性及び耐熱性を有するエーロゲル材料は、例えばステンレス鋼ハウジング及びセラミック固体酸化物型燃料電池管といった一般に適合性のない材料の組み合わせの間であっても極めて有効なものとなる。
【００２７】
燃料及びその他の反応物は、矢印(342)で示すように、フランジガスケット(340)を介して平坦な固体酸化物型燃料電池管(302)内へと通過することが可能である。フランジガスケット(340)は、円形、楕円形、及び多角形（但しこれらには限定されない）といった多くの異なる形状とすることが可能であり、図示の形状に限定されるものではない、ということが理解されよう。フランジガスケット(340)を任意の形状に形成して、高温燃料電池システムに見られるあらゆる界面をシールすることが可能である。
【００２８】
次いで図４ａ及び図４ｂに移り、高温燃料電池システムのためのもう１つのエーロゲルシール構造を示す。図４ａ及び図４ｂの実施形態によれば、シールは、エーロゲルを用いて作製された周囲ガスケット(440)である。該周囲ガスケット(440)は、平坦な高温燃料電池(402)の周囲(442)に配置される。周囲ガスケット(440)は、平坦な高温燃料電池(402)とハウジング（図４ｂの符号404）との間に挟むことが可能である。周囲ガスケット(440)は、燃料電池(402)とハウジング(404)との間に配置することに代えて又はそれに加えて、複数の平坦な高温燃料電池(402)の間に積み重ねて使用することが可能である。
【００２９】
矢印(444)は、電流を生成するために使用される燃料電池反応物の燃料流路を表している。燃料、空気（酸素）、又は排出の流れは、ハウジング(404)内の１つ又は２つ以上のポート(446)を介してハウジング(404)に出入りすることが可能である。
【００３０】
次いで図５に移り、電子装置(500)を示す。この装置(500)は、電源として燃料電池システムを含む。燃料電池システムは、燃料電池システムの構成要素間のシールを提供するために、本発明の１つ又は２つ以上の実施形態を含むことが好ましい。
【００３１】
図５は、図１を参照して上述したような高温燃料電池システムを使用する電子装置(500)を示したものである。図５の実施形態によれば、高温燃料電池システム(501)は、電気的な負荷(502)と電気的に連絡している。高温燃料電池システム(501)は、図１ないし図４Ｂを参照して上述した構成要素のような任意の２つの構成要素間に１つ又は２つ以上のエーロゲルシールを含む。
【００３２】
該高温燃料電池システム(501)は、回路(506)を介して電気的な負荷(502)に電力を提供することが可能である。電気負荷(502)は、例えば、自動車用モータ（及びその他の自動車用電子回路)、照明、家庭用補助電源装置、コンピュータ、又は電気で作動するその他の装置を含む（但しこれらには限定されない）、電気で作動されるあらゆる装置を含む。電流消費回路(506)は、高温燃料電池システム(501)と電気的に並列に示す随意選択の蓄電器又はバッテリ(510)に接続することも可能である。該蓄電器又はバッテリ(510)は、電気負荷(502)に補助的な電力を提供することが可能である。
【００３３】
上記説明は、本発明の例示及び説明のみを目的として提示したものであり、全てを網羅させることを意図したものではなく、また本開示の厳密な形態に本発明を限定するものでもない。以上の教示に鑑み多くの修正及び変形が可能である。本発明の範囲が特許請求の範囲によって定義されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態を使用することが可能な一般的な高温燃料電池システムを示す説明図である。
【図２ａ】本発明の一実施形態による、高温燃料電池システムで使用するための環状エーロゲルシールを示す斜視図である。
【図２ｂ】図２ａの環状エーロゲルシールをハウジングに関連して示す断面図である。
【図３ａ】本発明の別の一実施形態による、高温燃料電池システムで使用するためのフランジガスケット・エーロゲルシールを示す斜視図である。
【図３ｂ】図３ａのフランジガスケット・エーロゲルシールをハウジングに関連して示す断面図である。
【図４ａ】本発明の別の一実施形態による、高温燃料電池システムで使用するための周辺ガスケット・エーロゲルシールを示す斜視図である。
【図４ａ】図４の周辺ガスケット・エーロゲルシールをハウジングに関連して示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態を使用することが可能な電子装置を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３５】
100         高温燃料電池システム
102         固体酸化物型燃料電池
104         ハウジング
106,108     供給部
110,112     排出経路
114,116     電気相互接続部
127         界面
130,132     エーロゲルガスケット
134,136,138,140,142,144   エーロゲルシール
240         環状シール
402         平坦な燃料電池
440         周囲ガスケット
【図１】
2004221070.tif 000003
【図２ａ】
2004221070.tif 000004
【図２ｂ】
2004221070.tif 000005
【図３ａ】
2004221070.tif 000006
【図３ｂ】
2004221070.tif 000007
【図４ａ】
2004221070.tif 000008
【図４ｂ】
2004221070.tif 000009
【図５】
2004221070.tif 000010