(57)【要約】  可撓性シートおよび剛性の断熱エンドブロックを含む、平板型の固体酸化物型燃料電池スタックのためのクランプ構造であり、可撓性シートはおおむね凸形状に曲がることができ、断熱エンドブロックは、平坦面と、おおむね凸形状の対向面とを備える四辺形の基台として造形され、可撓性シートは、剛性の断熱エンドブロックの対向面に隣接して配置され、可撓性シートは、それにより、おおむね凸状の形状を得るように曲がる。本発明はまた、固体酸化物型燃料電池スタック、および該スタックを圧迫する方法にも関する。
2010517230.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性シートおよび剛性の断熱エンドブロックを含む、平板型の固体酸化物型燃料電池のためのクランプ構造であり、該可撓性シートは、おおむね凸形状に曲がることができ、該剛性の断熱エンドブロックは、平坦面と、おおむね凸形状の対向面とを備える四辺形の基台として造形され、該可撓性シートは、該剛性の断熱エンドブロックの上記対向面上に配置され、該可撓性シートは、それにより、圧迫されるとおおむね凸状の形状を得るように曲がる、前記クランプ構造。
【請求項２】
前記可撓性シートが、一方向でのみ湾曲された形状を得るように曲げられる、請求項１に記載のクランプ構造。
【請求項３】
前記可撓性シートが、全ての方向で湾曲された形状を得るように曲げられる、請求項１に記載のクランプ構造。
【請求項４】
前記剛性の断熱エンドブロックの対向面が、外側に向かってなだらかにもしくは階段的に丸みがつけられ、おおむね凸形状にされている、請求項２または３のいずれかに記載のクランプ構造。
【請求項５】
前記可撓性シートが金属製である、請求項１に記載のクランプ構造。
【請求項６】
前記金属が、鋼であるか、またはチタン、アルミニウムもしくはニッケルの合金である、請求項５に記載のクランプ構造。
【請求項７】
前記可撓性シートが、セラミック繊維の布もしくは金属ワイヤーメッシュであるか、またはポリエステルもしくはエポキシ樹脂中に埋め込まれたガラス繊維、ケブラー（登録商標）繊維もしくは炭素繊維をベースとする複合材料から作製される、請求項１または５に記載のクランプ構造。
【請求項８】
前記剛性の断熱エンドブロックが、０．０１〜２．０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する、請求項１に記載のクランプ構造。
【請求項９】
前記剛性の断熱エンドブロックが、アルミナ、ケイ酸カルシウム、またはバーミキュライトをベースとする材料から作製される、請求項１に記載のクランプ構造。
【請求項１０】
前記剛性の断熱エンドブロックの対向面が、段のある形状もしくは角錐形状である、請求項４に記載のクランプ構造。
【請求項１１】
前記可撓性シートが、前記スタック中の固体酸化物型燃料電池の対応する長さと幅の１〜２倍の長さと幅を有する、請求項１に記載のクランプ構造。
【請求項１２】
前記曲げられた可撓性シートが、前記固体酸化物型燃料電池の幅の０．６〜５倍の半径を有する、請求項１に記載のクランプ構造。
【請求項１３】
請求項１のクランプ構造を含む固体酸化物型燃料電池スタックであり、該スタックは、エンドプレート間に配置された１個またはより多くの平板型の固体酸化物型燃料電池を含み、少なくとも１個のエンドプレートは可撓性シートと断熱エンドブロックを含む前記クランプ構造に隣接して位置し、前記可撓性シートは、おおむね凸形状に曲がることができ、前記断熱エンドブロックは、平坦面と、おおむね凸形状の対向面とを備える四辺形の基台として造形され、該可撓性シートは、前記断熱エンドブロックの対向面に隣接して配置され、前記可撓性シートは、それにより、おおむね凸状の形状を得るように曲がり、そして前記少なくとも1個のエンドプレートは、前記断熱エンドブロックの四辺形の基台の平坦面と接触している、前記固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項１４】
前記クランプ構造が各エンドプレートに配置される、請求項１３に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項１５】
1個またはそれより多くの平板型の固体酸化物型燃料電池をエンドプレート間に配置するステップ、少なくとも1個のエンドプレートに隣接して、可撓性シートと断熱エンドブロックを含むクランプ構造を配置するステップであって、該可撓性シートはおおむね凸形状に曲がることが可能であり、該断熱エンドブロックは平坦面と、おおむね凸形状の対向面とを有する四辺形の基台として造形された、前記ステップ、該可撓性シートを該断熱エンドブロックの対向面に隣接して配置するステップ、該可撓性シートをおおむね凸形状が得られるように曲げるステップ、および前記少なくとも１個のエンドプレートを、該断熱エンドブロックの四辺形の基台の平坦面に接触させて配置するステップ、およびそれぞれの固体酸化物型燃料電池面に圧迫力を及ぼすステップ、を含む、請求項１３の固体酸化物型燃料電池スタックを圧迫する方法。
【請求項１６】
前記圧迫力が、ナット、ばねおよびタイロッドを使用して得られる、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池スタックのためのクランプ構造に関する。より詳細には、本発明は、四辺形の平坦な可撓性シートを備えるクランプ構造を用いて圧迫される、平板型の固体酸化物型燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
平板型の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックは、インターコネクタと交互する固体酸化物型燃料電池の繰り返し配列からなり、これを横断して電圧が生成する。
【０００３】
スタックは、通常、５〜２００個の燃料電池を備え、アノード、カソード、および固体酸化物電解質を含む燃料電池の配列からなり、各燃料電池はインターコネクタと交互している。燃料電池には、マニホールドシステムにより、内部チャネル系を介して燃料と酸化剤が提供される。燃料と酸化剤は、チャネル系により燃料電池スタック内の層から層へと分配される。作動中、電気化学的電圧が、個々の燃料電池で発生する。インターコネクタは、酸化剤と燃料を別々のチャネルで燃料電池へ誘導し、１個の燃料電池からの電子を集めて隣接する燃料電池に伝達して送るよう機能する。
【０００４】
内部チャネル系の壁は、外部環境にガスが漏れたり、酸化剤と燃料とが誤った時に混ざったりするのを避けるために気密性でなければならない。このことは、例えばガラスのシール材を用いることにより、および／または使用可能なシール面上で燃料電池とインターコネクタとの間に密で直接的な結合を設けることにより確保される。
【０００５】
燃料電池とインターコネクタとの間の気密性、および所望の電気的接触は、クランプ構造を用いて適切な圧迫力で燃料電池とインターコネクタとを一緒に加圧することにより、ＳＯＦＣスタックにおいて確保される。いくつかの場合、必要な圧迫力が、燃料電池スタックの作動中、各燃料電池の表面にわたって１００Ｎ／ｃｍ２もの大きさになる場合がある。圧迫力の大きさは、インターコネクタと燃料電池の実際の設計、および作動中のガス圧に依存する。圧迫力は、スタックの両端面上に対して付与される。
【０００６】
ＳＯＦＣスタックは、通常、６００〜８５０℃の温度で作動する。そのように高い温度は、そのような大きさの圧迫力を生じさせるのに必要な機械的なクランプ構造の設計における課題である。
【０００７】
圧迫力が、スタック中の燃料電池の表面積に相当する表面積に対して及ぼされることが重要である。スタックの末端面の内側部分は電気的接触を維持するように圧迫されなければならず、また、末端面の周囲は、スタックが気密性となるように圧迫されなければならない。従来的には、燃料電池は、８０〜１０００ｃｍ２の表面積を有しているため、１００，０００Ｎまでの圧迫力が必要な場合がある。様々なタイプのクランプ構造やアッセンブリ、例えば、平板型の燃料電池スタックを圧迫するためのバンドを用いるアッセンブリが公知である。米国特許第５９９３９８７号明細書（特許文献１）は、エンドプレートと、それらの間に配置された電気化学的燃料電池の周囲を取り囲む少なくとも１つのバンドを含む燃料電池スタックを開示している。バンドと協働する弾性部材が、エンドプレートを互いに向かう方向に締めることによって、燃料電池スタックを形成する層間の封止と電気的接触を助長するよう燃料電池に圧迫力を付与する。
【０００８】
米国特許出願公開第２００６／０９３８９０号明細書（特許文献２）は、燃料電池スタックのエンドプレートの周囲に延びる圧迫バンドを備えるストラップアッセンブリによって圧迫状態が維持された燃料電池スタックを開示している。
【０００９】
典型的なクランプ構造は、ＳＯＦＣスタックの両方の末端面に配置され、スタック中の燃料電池によって画定される表面積を超えて延びている金属製の平板型のエンドプレートフランジの圧迫に基づく。２個のエンドプレートフランジは、スタック中で圧迫力を生じさせるタイロッド、管セクション、ばね、およびナットのクランプ構造によって、燃料電池の外側にあるそれらの領域において相互に連結される。
【００１０】
タイロッドが受ける力は、円板ばね、コイルばね、ガスばねを用いるか、あるいは空圧シリンダーや油圧シリンダーを用いる、タイロッドの弾性の助けでもたらされ得る。
【００１１】
ＳＯＦＣスタックは、通常、６００〜８５０℃の温度で作動する。この温度では、機械応力を受ける時に、ほとんどの金属材料が経時的にクリープする。従って、機械応力を受ける金属の部分をできる限り低い温度に維持することが有利である。
【００１２】
タイロッドは、通常、２個の平板状のエンドプレートフランジを通り、その後、ＳＯＦＣスタックを超えて延びる特定の長さの管セクションを通り、そして管セクションの末端に配置されたばねを通して挿入される。管セクションは、ばねが、スタックの作動中に経験する高温よりも過酷でない作動温度に維持されるよう、燃料電池スタックからばねを遠ざけるスペーサとして機能する。ばねの後に配置されるナットは、これらの構成要素を組み立て、それにより、ＳＯＦＣスタックに対する圧迫力を調整するのに用いられる。
【００１３】
ＳＯＦＣスタックの作動中、タイロッドはスタックの作動温度とほぼ同等の温度である。それによってタイロッドに生じる張力が、タイロッドがクリープする傾向を招く。
【００１４】
ＳＯＦＣスタックの作動中、平板状のエンドプレートフランジもまた、クランプ装置のタイロッドとスタックの両方からの力の影響を受ける間に、機械的張力を受け、平板状のフランジのクリープを招く。従って、平板状のフランジは、凸状の形状になる傾向がある。
【００１５】
代替的なクランプ構造において、タイロッドと平板状のエンドプレートフランジは、作動中、ＳＯＦＣスタックの作動温度と比較して、ずっと低い温度である。これは、ＳＯＦＣスタックを、断熱材を用いてスタックの側面で熱的に絶縁することによって可能となる。平板状のエンドプレートに隣接してスタックの両末端に追加の断熱材を配置すると、クランプ中に得られる圧迫力が追加の断熱材を介して伝達されるようになる。そのため、タイロッドと平板状のエンドプレートフランジは、より大きな張力を受け、望ましくないクリープを起こす恐れがある。タイロッドを用いるこれらのタイプのクランプ構造の不利点は、ＳＯＦＣスタックの両末端面に配置され、スタック中の燃料電池によって画定された表面積を超えて延びる平板状のエンドプレートフランジに付随して生ずる。それぞれの平板状のエンドプレートフランジは、タイロッドとスタックに由来する機械的な力にさらされる時に曲げ力を受ける。
【００１６】
これらの望ましくない影響によって、スタック全体に対する圧迫力が減少するか、あるいはスタックに対する圧迫力の分布が不均一となり、電気的接触が乏しくなる、および／またはスタックの気密性が低下し、外部環境へのガス漏れが避けられなくなる。
【００１７】
従って、使用されるフランジは、これらの力を吸収してフランジの変形を最小限にする一方で、同時にガス漏れと、スタック中の電気的接触の損失を防ぐために相当な厚さのものであり、典型的には、５〜２０ｍｍである。
【００１８】
国際公開第２００６／０１２８４４号パンフレット（特許文献３）は、クランプデバイスと断熱デバイスを備えた固体酸化物型燃料電池の燃料電池スタックを開示している。断熱デバイスは、燃料電池とクランプデバイスとの間に配置され、相互に平行なフラットプレート、半球形のシェル、あるいは半円筒形のいずれかの形態の圧力分配要素を有する。圧力分配要素は、圧力を断熱要素の全表面上に均一に分配させることを確実にする。
【００１９】
圧力分配要素の構成に関して細部は記載されていないが、当該分野において、金属製のフラットプレートを使用することは公知である。さらに、半球形シェルの適用は、半球形に造形された剛性または硬質な材料の使用を暗に示している。
【００２０】
一般に、フラットプレートの形態の圧力分配要素は金属から作製される。金属製の圧力分配シェルまたはシリンダーは、フラットプレートを作製するのに使用される工程よりも複雑な工程である深絞りなどの金属成形加工によって作製することができる。
【００２１】
固体酸化物型燃料電池に付随する経済性は高く、様々なスタック構成要素の化学的および／または物理的な特性を全く損失することなく、ＳＯＦＣスタックのコストを削減することが絶えず要求されている。
【００２２】
さらに、スタックの重量および／または体積の減少に貢献しながらも許容可能な物理特性を示す、固体酸化物型燃料電池構成要素もまた必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】米国特許第５９９３９８７号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００６／０９３８９０号明細書
【特許文献３】国際公開第２００６／０１２８４４号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明の課題の一つは、ＳＯＦＣスタックの作動中の圧迫力の不均一な分布に起因する変形が回避される、平板型のＳＯＦＣスタックのためのクランプ構造を提供することである。
【００２５】
本発明のさらなる課題は、低減された重量と体積を有する平板型のＳＯＦＣスタックを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明は、平坦な可撓性シート、および剛性の断熱エンドブロックを含む、平板型の固体酸化物型燃料電池スタックのためのクランプ構造に関するものであり、上記平坦な可撓性シートはおおむね凸形状に曲がることができ、上記剛性の断熱エンドブロックは、平坦面と、おおむね凸形状な対向面とを有する四辺形（ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ）の基台として造形され、上記可撓性シートは剛性の断熱エンドブロックの上記対向面上に配置され、それにより、可撓性シートは、それぞれの固体酸化物型燃料電池面にわたって圧迫力が及ぼされると、おおむね凸状の形が得られるように曲がる。
【００２７】
本発明はまた、クランプ構造を含むＳＯＦＣスタックに関するものであり、該スタックは、エンドプレートの間に置かれた１個またはそれより多くの平板型の固体酸化物型燃料電池を含み、少なくとも１個のエンドプレートは、可撓性シートと断熱エンドブロックを含むクランプ構造に隣接して置かれており、上記可撓性シートはおおむね凸形状に曲がることができ、上記断熱エンドブロックは、平坦面と、おおむね凸形状の対向面とを有する四辺形の基台として造形され、上記可撓性シートは、断熱エンドブロックの上記対向面に隣接して配置され、それにより、それぞれの固体酸化物型燃料電池面にわたって圧迫力が及ぼされると、上記可撓性シートは、おおむね凸状の形が得られるように曲がり、そして少なくとも1個のエンドプレートは上記断熱エンドブロックの四辺形の基台の上記平坦面と接触する。
【００２８】
本発明はまた、1個またはそれより多くの平板型の固体酸化物型燃料電池をエンドプレート間に配置するステップ、少なくとも1個のエンドプレートに隣接して、可撓性シートと断熱エンドブロックを含むクランプ構造を配置するステップであって、該可撓性シートがおおむね凸形状に曲がることが可能であり、断熱エンドブロックが平坦面と、おおむね凸形状の対向面とを有する四辺形の基台として造形された、上記ステップ、可撓性シートを断熱エンドブロックの上記対向面に隣接して配置するステップ、可撓性シートをおおむね凸形状が得られるように曲げるステップ、および少なくとも１個のエンドプレートを、断熱エンドブロックの四辺形の基台の上記平坦面に接触させて配置するステップ、およびそれぞれの固体酸化物型燃料電池面に圧迫力を及ぼすステップ、を含んでなる、固体酸化物型燃料電池スタックの圧迫方法に関するものである。
【００２９】
おおむね凸状の形状とは、湾曲させて外側に向けて丸みがつけられた形状であると定義される。おおむね凸形状は、一方向にのみ曲げられる、すなわち、単曲面であるか、あるいは全ての方向に曲げられる、すなわち複曲面であってよい。湾曲と、それゆえ形状は、なだらかに、もしくは階段的に外側に向けて丸みがつけられていることができる。好ましいのは、一方向にのみ湾曲させた形状、すなわち、単曲面形状である。可撓性であるということは、容易に曲がる、あるいは屈曲する能力、すなわち、非剛性であることを意味する。
【００３０】
本発明のクランプ構造を平板型のＳＯＦＣスタックに適用するとき、平板状のエンドプレートフランジの使用を完全に避けることができる。これは、そのために比較的低重量のＳＯＦＣスタックが得られるため有利である。
【００３１】
本発明のクランプ構造は可撓性の性質であり、スタック中の種々の構成要素の歪を生じさせることなく、作動中にスタックに存在する力に適応することができる。
【００３２】
それにより、スタック中の種々の層間の電気的接触が維持され、スタックは気密性のままであり、外部環境へのガス漏れが回避される。
【００３３】
さらに、厚みのある平板状のエンドプレートが避けられるため、本発明のＳＯＦＣスタックは、従来のＳＯＦＣスタックよりも小型である。平板状のエンドプレートは、通常金属製であるため、それらがない本発明のＳＯＦＣスタックは軽量で、その製造には材料や金属がそれほど必要とされない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、分解された従来のＳＯＦＣスタックを示す。
【図２】図２は、組み立てられた従来のＳＯＦＣスタックを示す。
【図３】図３は、組み立てられた従来のＳＯＦＣスタックを示す。
【図４】図４は、分解された従来のＳＯＦＣスタックを示す。
【図５】図５は、分解された本発明のＳＯＦＣスタックを示す。
【図６】図６は、組み立てられた本発明のＳＯＦＣスタックを示す。
【図７】図７ａ，図７ｂ，図７ｃ，図７ｄ，および図７ｅは、断熱エンドブロックの様々な幾何学的実施形態の横断面図を示す。
【図８】図８ａと図８ｂは、スタックの上面から見た可撓性シートの、異なる幾何学的実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本発明のクランプ構造は、構造上非常に簡単であり、曲げることができ、そしておおむね凸形状となることができる可撓性の平坦なシートを含む。また、断熱性を供し、外側表面が凸状に造形された断熱エンドブロックも含む。この断熱エンドブロックのおおむね凸状の形状は、可撓性シートが断熱エンドブロックと接触して圧迫下の時、可撓性シートを凸形状にする。平坦な可撓性シートの形状は、断熱エンドブロックの形状に適合する。そのため、可撓性シートに隣接する断熱エンドブロックのおおむね凸状の面は、凸状の可撓性シートにぴったりとはまる。
【００３６】
断熱エンドブロックは、可撓性シートと、ＳＯＦＣスタックの一方の末端面との間に直接配置される。ＳＯＦＣスタックとエンドブロックとの間には、平板状のエンドプレートフランジは必要ではない。ＳＯＦＣスタックに隣接する断熱エンドブロックの面は平面であり、ＳＯＦＣスタックの表面積と同じ表面積を有する、すなわち、これらの２つの表面は全寸法が同じである。ＳＯＦＣスタックはまた、その残りの面を熱的に絶縁することができる。
【００３７】
断熱エンドブロックのおおむね凸状の面は、圧迫の際に、可撓性シートを平坦状から凸状へとその形状を変化させる。従って、結果として得られる凸状の可撓性シートは、ＳＯＦＣスタックとは反対側に湾曲する。それにより、可撓性シートの機械的張力は、可撓性シートの平面上に存在する。可撓性シートは曲げ力に耐える必要はない。これによって、可撓性シートをずっと薄い厚さの寸法形状とすることができるため、従来の平板状のエンドプレートフランジと比較してずっと軽量である。可撓性シートと断熱エンドブロックとの間の力は、従って、断熱エンドブロックを確実に圧迫状態にするように分配される。
【００３８】
平坦な可撓性シートは、スタックの固体酸化物型燃料電池の辺長の１〜２倍の長さと幅を好ましく有することができる。可撓性シートが、一方向にのみ湾曲させた形状、すなわち、単曲面形状を得るように曲げられる場合、シートは、薄い金属シートのスタンピングまたはレーザー切断によって好ましく作製され、その後、断熱材の湾曲に沿って曲げられる。シートは、曲げるのに道具を必要としないほどに薄いものとすることができるが、これは、シートが全ての方向に湾曲させた形状、すなわち、複曲面形状に曲げられる場合には当てはまらない。この形状は深絞りが必要である。
【００３９】
可撓性シートは、なだらかにまたは階段的に外側に向けて丸みをつけることができる。曲げると得られるおおむね凸形状は、全ての方向に湾曲させるか（すなわち、複曲面）、あるいは一方向にのみ湾曲させることができる（すなわち、単曲面）。可撓性シートは、全方向に湾曲させた形状に曲げることができ、球形の一部、例えばドーム形状を形成する。好ましくは、可撓性シートは、一方向にのみ湾曲させた（すなわち、単曲面）形状である、おおむね凸形状を形成するように曲げられる。例えば、可撓性シートは、一方向にのみ湾曲させた形状に曲げることができ、円筒形の一部、例えばアーチ型形状を形成する。
【００４０】
図７ａ、図７ｂ、図７ｃ、図７ｄおよび図７ｅは、断熱エンドブロックの様々な幾何学的形状の横断面、すなわち垂直方向の断面図を示している。全ての場合において、断熱エンドブロックは、平坦面と、おおむね凸形状の対向面とを備える四辺形の基台を有し、この対向面は、なだらかにまたは階段的に外側に向けて丸みをつけることができ、例えば、階段状、アーチ形、ピラミッド型にすることができる。これらの断熱エンドブロックの様々な幾何学的実施形態は全て、可撓性シートが、おおむね凸形状になり、一方向にのみ湾曲するのを確実にする。図７ａ、図７ｄおよび図７ｅにおいては、可撓性シートは外側に向けてなだらかに丸められており、一方、図７ｂと図７ｃは可撓性シートが階段的に外側に向けて丸められている。
【００４１】
本発明のクランプ構造を用いる時には、燃料電池の構成要素を曲げる変形が回避される。厚みのあるエンドプレートフランジもまた不要であるため、フランジの製造に必要な材料の体積と量が減少し、それにより燃料電池スタックのコストを低減することができる。最終的には、これにより所望されるＳＯＦＣスタックの重量が減少される。
【００４２】
本発明のクランプ構造は、燃料電池スタックの側部でのガスマニホールドを考慮するものである。クランプ構造は、燃料電池のいずれの末端においても使用することができる。さらに、断熱体を、燃料電池スタックの四面のうちの２つの対向する面上に配置することができ、有利には、燃料電池スタックへの燃料および空気のための入口および出口の設置に利用できるように、他の二つの相対面は残しておく。
【００４３】
クランプ構造は、ＳＯＦＣスタックを締結する際に圧迫力を付与するのに有用な当業界で公知のタイロッド、ばねおよびナットをさらに含むことができる。従って、可撓性シートには、ＳＯＦＣスタックの組み立てに用いられる例えばタイロッドを通すために、その境界に取り付け手段を設けることができる。
【００４４】
断熱エンドブロックの存在により、可撓性シートはスタック温度よりも低い温度で存在することができる。断熱エンドブロックは、５〜１００ｍｍの好ましい厚さと、０．０１〜２．０Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率を有する。断熱エンドブロックの厚さ、その熱伝導率、および周囲環境の温度は、ＳＯＦＣスタック作動中の可撓性シートの温度を決定する。断熱エンドブロックの寸法を、作動中に可撓性シートが１００〜６５０℃の温度を有するようにする値とすることが有利である。
【００４５】
可撓性シートの寸法は、少なくともスタック中のセルの寸法に等しいが、湾曲させることから、２辺のうちの一方をいく分長く、好ましくは対応するセルの辺長より１〜２倍長くする。
【００４６】
可撓性シートは好ましくは鋼から作製される。しかしながら、その他の種類の金属合金、例えば、チタン、アルミニウム、またはニッケルベースの合金もまた有用である。適切な合金はインコネルであり、これは、その耐熱性により、スタックの作動中に使用される高温下に有用である。可撓性シートは、例えば、０．０５〜５ｍｍの厚さを有する薄い金属プレートの形態とすることができ、それにより可撓性が維持される。
【００４７】
あるいはまた、可撓性シートは、金属ワイヤーメッシュ、セラミック布または複合材料から作製することができる。適したセラミック布は、例えば、ガラス繊維や、３Ｍ（商標）のＮｅｘｔｅｌ（商標）などのセラミックファイバーテープをベースとするものであってよい。適した複合材料は、ポリエステルやエポキシ樹脂中に埋め込んだ炭素繊維、ケブラー（Ｋｅｖｌａｒ（登録商標））繊維またはガラス繊維をベースとするものであってよい。これらの材料を用いることは、それらの増大された可撓性のために有利である。
【００４８】
可撓性シートは、おおむね凸形状である断熱エンドブロックの対向面に配置して用いる時、断熱エンドブロックの対向面の湾曲に起因して、一方向にのみ湾曲した形状、すなわち、単曲面の形状を得る。対向面の湾曲が、セル幅の０．６〜５倍の半径を有するのが好ましい。アッセンブリの全高さが低減されるので、対向面は大きい半径を有するのが有利である。
【００４９】
可撓性シートを、おおむね凸状で最上面が平坦な階段状の断熱エンドブロックの対向面に配置して用いる時は、可撓性シートと断熱エンドブロックの段との間に中空の部分が生じ得る。これら中空の部分には、断熱エンドブロックより良好な断熱性を有する第二の断熱材料を有利に充填することができ、それにより、全体的な断熱効果を向上させることができる。
【００５０】
さらに、平坦な最上面を有する段になった面の存在により四辺形の基台の平坦な面の中心から、対向面の平坦な最上面まで測定した断熱エンドブロックの高さは、外側に向けてなだらかに丸みがつけられた実施形態で得られる高さよりも小さい。
【００５１】
断熱エンドブロックは、その一部または全部を、商業的に入手可能な剛性断熱材料、例えば、アルミナ、ケイ酸カルシウム、またはバーミキュライトをベースとするブロックから作製することができる。好ましい断熱材料は、良好な加工性を与え、軽量で、低い伝熱特性と良好な圧迫力を有するため、ケイ酸カルシウムタイプである。
【００５２】
可撓性シートと接触している断熱エンドブロックのおおむね凸状の面は、その２つの面が相互に接触した時に可撓性シートがおおむね凸形状となることを保証できる様々な幾何学的形状を有することができる。断熱エンドブロックの垂直方向の断面は、おおむね凸状面が、例えば、一定の半径を有することができ、湾曲して作られた開口部である（ｓｐａｎｎｉｎｇ  ａｎ  ｏｐｅｎｉｎｇ）、ローマ式アーチの外観を有することができることを示している。この実施形態において、可撓性シートは凸形状になり、一方向においてのみ湾曲して、外側に向けてなだらかに丸められている。おおむね凸状の面は、一定の半径に限定されない。しかしながら、セル幅の０．６〜５倍の半径であることが好ましい。
【００５３】
別の実施形態においては、断熱エンドブロックの垂直方向における断面は、１つまたはより多くの段を設けた面と平らな最上面とを有する断熱エンドブロックのおおむね凸状面を示している。この実施形態において、可撓性シートは、おおむね凸形状となり、外側に階段的に丸みをつけられている。それは一方向にのみ湾曲している。
【００５４】
本発明の一実施形態において、ＳＯＦＣスタックは、可撓性シートと、おおむね凸状の面を備えた断熱エンドブロックを有する、すなわち、スタックの一方の端部にのみ本発明のクランプ構造を有する。本発明の別の実施形態においては、ＳＯＦＣスタックは、可撓性シートと、おおむね凸状の面を備える断熱エンドブロックを有する、すなわち、スタックの両端部において本発明のクランプ構造を有する。
【００５５】
図１は、２個の燃料電池を有する、従来のクロスフロー式ＳＯＦＣスタックの配置の分解図を示している。ＳＯＦＣスタックは、インターコネクタ２と交互に配置された２個の固体酸化物型燃料電池１を含む。ＳＯＦＣスタックは、典型的に、金属製またはセラミック製のエンドプレート３を一方の端部に有し、対向する端部には、典型的に金属製のマニホールドプレート４を有し、これは燃料電池１へのガスの移動を助ける。ＳＯＦＣスタックの構成要素が組み立てられる時、剛性タイロッド６、ばね７およびナット８からなるシステムを用いて平坦なエンドプレートフランジ間でスタックを締結することによって圧迫力が得られる。このタイプのアッセンブリにおいて、タイロッド６は、ばね７をスタック温度よりも低い温度に保つために、燃料電池スタックからばね７を遠ざけるのに有用な管セクション９に通して挿入される。
【００５６】
図２は、組み立てた際の図１の従来のＳＯＦＣスタックを示している。管セクション９が、ばね７を確実にＳＯＦＣスタックから引き離していることがわかる。
【００５７】
図３は、従来の組み立てられたＳＯＦＣスタックの別の例を示している。この型のクランプ構造において、タイロッド６と平坦なエンドプレートフランジ５は、作動中、ＳＯＦＣスタックの作動温度よりもずっと低い温度にある。これは、断熱材料１０を用いて、ＳＯＦＣスタックをその側面において断熱することによって可能となる。追加の断熱材料１１が、平坦なエンドプレートフランジ５に隣接してスタックの両端部に配置されることにより、締結中に得られる圧迫力が追加の絶縁材料１１を介して伝達され得る。そのため、タイロッド６と平坦なエンドプレート５は、より大きな張力を受けて、望ましくないクリープが起こる恐れがある。
【００５８】
図４は、分解された図３の従来のＳＯＦＣスタックを示している。スタックの側面にある断熱材料１０と、平坦なエンドプレートフランジ５に隣接してスタックの両端部にある追加の断熱材料１１は、全て平板形状である。
【００５９】
上述したように、これら従来のクランプ構造における平板状のエンドプレートフランジは、タイロッド６とスタックから生じる機械力にさらされるとき、曲げ力を受ける。もしこれら曲げ力によってエンドプレートフランジが曲がる場合、電気的接触がより乏しくなり、ガス漏れが生じる可能性がある。
【００６０】
図５は、本発明の一実施形態を示しており、ＳＯＦＣスタッククランプ構造の様々な構成要素が分解されている。ＳＯＦＣスタックは、２個の断熱エンドブロック１２間に挿入される。それぞれの断熱エンドブロック１２は、ＳＯＦＣスタックに隣接する平坦面１３と、可撓性シート１５に隣接するおおむね凸状面の対向面１４とを有する。断熱エンドブロック１２の垂直方向の断面は、半円筒形を有し、ＳＯＦＣスタックと全寸法が同一の四辺形の基台上に位置するおおむね凸状の面を示している。ＳＯＦＣスタックの側部もまた、この実施形態において断熱材１０で断熱されている。
【００６１】
可撓性シート１５は、断熱エンドブロック１２と接触させてＳＯＦＣスタックを締結するために組み立てた時、凸状の形状になる。可撓性シート１５は、全体として四辺形であり、ここで長い方の辺１６は、断熱エンドブロック１２と部分的に、かつ断熱エンドブロックの横で断熱材１０と部分的に接触しており、可撓性シート１５の短い方の辺１７はＳＯＦＣスタック側に下方に伸びている。短い方の辺１７は、所定の角度と長さで曲げられており、タイロッド６を通すための穿孔１８を有する。可撓性シート１５は、一方向でのみ湾曲されており、なだらかに丸みがつけられている。
【００６２】
図６は、図５におけるのと同じ実施形態を示している。しかしながら、ＳＯＦＣスタックのクランプ構造の様々な構成要素は組み立てられている。クランプ後に可撓性シート１５が凸形状であることがわかる。そのため、可撓性シート１５は、曲げ力に耐える必要がなく、機械的張力は可撓性シートの平面に存在する。圧迫力は、ナット８、ばね７、および可撓性シート１５中の穿孔１８を通って延びるタイロッド６を用いて締結した後に得られる。
【００６３】
本発明のさらなる実施形態において、図７ａ、図７ｂ、図７ｃ、図７ｄおよび図７ｅは、様々な幾何学形状の断熱エンドブロックの横断、すなわち、垂直方向の断面図を示している。全ての場合において、断熱エンドブロック１２は、平坦面１３と、おおむね凸状形状で、様々な方法で幾何学的に造形できる対向面１４とを有する四辺形の基台を有する。これらの断熱エンドブロック１２の異なる幾何学的実施形態は全て、可撓性シート１５をおおむね凸形状にし、ＳＯＦＣスタック側とは反対側になだらかにもしくは階段状に一方向でのみで湾曲させることを保証するものである。
【００６４】
図７ａにおいて、断熱エンドブロック１２の横断、すなわち、垂直方向断面図は、一定の半径を有し、アーチ状の外観を有する、おおむね凸状の面を有する対向面１４を示している。そのため、可撓性シート１５は凸状であり、外側になだらかに丸みがつけられており、一方向でのみ湾曲している。
【００６５】
図７ｂにおいて、断熱エンドブロック１２の横断、すなわち、垂直方向断面図は、一定の半径を有し、２個の段１９と平らな最上面２０を有する、おおむね凸状の面を有する対向面１４を示している。すなわち、対向面１４が階段状である。この実施形態において、可撓性シート１５は、おおむね凸状の形状であり、外側の方向に階段的に丸みがつけられており、一方向でのみ湾曲している。この実施形態は、段１９と可撓性シート１５の間に中空部分２１を有する。中空部分２１の存在は、断熱エンドブロック１２よりも良好な断熱性を有する第二の断熱材（図示せず）で有利に充填することができ、それにより全体的な断熱効果を改善できる。
【００６６】
図７ｃにおいて、断熱エンドブロック１２の横断、すなわち、垂直方向断面図は、対角線的に傾斜する側面２１と平坦な最上面２０を有するおおむね凸状の面を有する対向面１４を示している。この実施形態において、可撓性シート１５はおおむね凸形状であり、一方向でのみ湾曲しており、そして、外側に向かって階段的に丸みがつけられている。
【００６７】
図７ｂと図７ｃに示す実施形態は、外側に階段的に丸みがつけられており、平らな最上面を有し、一方向でのみ湾曲した可撓性シートを有する。平坦な面を備える四辺形の基台の中心から対向面の平らな最上面まで測定した断熱エンドブロックの高さは、図７ａで示した実施形態などで得られる外側に向かってなだらかに丸みがつけられた実施形態で得られる高さよりは低い。平らな最上面を有する段状である断熱エンドブロックを有する固体酸化物型燃料電池スタックは、そのため、外側に向かってなだらかに丸みがつけられたスタックよりも小さい体積と重量を有利に有する。
【００６８】
図７ｄにおいて、断熱エンドブロック１２の横断、すなわち、垂直方向断面図は、図７ａにおけるアーチの半径よりも大きい半径を有するおおむね凸状の面を有する対向面１４を示している。そのため可撓性シートは凸形状であり、一方向でのみ湾曲しており、そして外側に向かってなだらかに丸みがつけられている。好ましいのは、セル幅の０．６〜５倍の半径である。
【００６９】
図７ｅにおいて、断熱エンドブロック１２の横断、すなわち、垂直方向断面図は、丸みを帯びた先端を備えた三角形状もしくは角錐形状である、おおむね凸状の面を有する対向面１４を示している。この実施形態において、可撓性シート１５もまた、おおむね凸形状であり、一方向でのみ湾曲して、外側になだらかに丸みがつけられている。
【００７０】
本発明のさらに別の実施形態において、図８ａと図８ｂは、スタックの上から見た可撓性シートの異なる幾何学形状を示している。図８ａは、可撓性シート１５を示し、図８ｂは、断熱エンドブロック１２上に配置された図８ａの可撓性シート１５を示している。断熱エンドブロック１２は、スタックの一方の側から見て凸状であり、同時に、最初の視角に対して垂直の角度から見たときに凸状である。従って、この凸形状は、半円筒形よりもより半球に類似している。この凸状は、図７ａ〜図７ｅに示す幾何学形状の組み合わせによって得ることができる。これらの実施形態において、可撓性シート１５は全ての方向において湾曲されている、すなわち、複曲面である。
【図１】
2010517230.tif 000003
【図２】
2010517230.tif 000004
【図３】
2010517230.tif 000005
【図４】
2010517230.tif 000006
【図５】
2010517230.tif 000007
【図６】
2010517230.tif 000008
【図７ａ】
2010517230.tif 000009
【図７ｂ】
2010517230.tif 000010
【図７ｃ】
2010517230.tif 000011
【図７ｄ】
2010517230.tif 000012
【図７ｅ】
2010517230.tif 000013
【図８ａ】
2010517230.tif 000014
【図８ｂ】
2010517230.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成20年11月28日(2008.11.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性シートおよび剛性の断熱エンドブロックを含む、平板型の固体酸化物型燃料電池のためのクランプ構造であり、該可撓性シートは、おおむね凸形状に曲がることができ、該剛性の断熱エンドブロックは、該平板型の固体酸化物型燃料電池スタックのエンドプレートと接触させるための平坦面と、おおむね凸形状の対向面とを備える四辺形の基台として造形され、該可撓性シートは、該剛性の断熱エンドブロックの上記対向面上に配置され、該可撓性シートは、それにより、圧迫されるとおおむね凸状の形状を得るように曲がる、前記クランプ構造。
【請求項２】
前記可撓性シートが、一方向でのみ湾曲された形状を得るように曲げられる、請求項１に記載のクランプ構造。
【請求項３】
前記可撓性シートが、全ての方向で湾曲された形状を得るように曲げられる、請求項１に記載のクランプ構造。
【請求項４】
前記剛性の断熱エンドブロックの対向面が、外側に向かってなだらかにもしくは階段的に丸みがつけられ、おおむね凸形状にされている、請求項２または３のいずれかに記載のクランプ構造。
【請求項５】
前記可撓性シートが金属製である、請求項１に記載のクランプ構造。
【請求項６】
前記金属が、鋼であるか、またはチタン、アルミニウムもしくはニッケルの合金である、請求項５に記載のクランプ構造。
【請求項７】
前記可撓性シートが、セラミック繊維の布もしくは金属ワイヤーメッシュであるか、またはポリエステルもしくはエポキシ樹脂中に埋め込まれたガラス繊維、ケブラー（登録商標）繊維もしくは炭素繊維をベースとする複合材料から作製される、請求項１または５に記載のクランプ構造。
【請求項８】
前記剛性の断熱エンドブロックが、０．０１〜２．０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する、請求項１に記載のクランプ構造。
【請求項９】
前記剛性の断熱エンドブロックが、アルミナ、ケイ酸カルシウム、またはバーミキュライトをベースとする材料から作製される、請求項１に記載のクランプ構造。
【請求項１０】
前記剛性の断熱エンドブロックの対向面が、段のある形状もしくは角錐形状である、請求項４に記載のクランプ構造。
【請求項１１】
前記可撓性シートが、前記スタック中の固体酸化物型燃料電池の対応する長さと幅の１〜２倍の長さと幅を有する、請求項１に記載のクランプ構造。
【請求項１２】
前記曲げられた可撓性シートが、前記固体酸化物型燃料電池の幅の０．６〜５倍の半径を有する、請求項１に記載のクランプ構造。
【請求項１３】
請求項１のクランプ構造を含む固体酸化物型燃料電池スタックであり、該スタックは、エンドプレート間に配置された１個またはより多くの平板型の固体酸化物型燃料電池を含み、少なくとも１個のエンドプレートは可撓性シートと断熱エンドブロックを含む前記クランプ構造に隣接して位置し、前記可撓性シートは、おおむね凸形状に曲がることができ、前記断熱エンドブロックは、平坦面と、おおむね凸形状の対向面とを備える四辺形の基台として造形され、該可撓性シートは、前記断熱エンドブロックの対向面に隣接して配置され、前記可撓性シートは、それにより、おおむね凸状の形状を得るように曲がり、そして前記少なくとも1個のエンドプレートは、前記断熱エンドブロックの四辺形の基台の平坦面と接触している、前記固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項１４】
前記クランプ構造が各エンドプレートに配置される、請求項１３に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項１５】
1個またはそれより多くの平板型の固体酸化物型燃料電池をエンドプレート間に配置するステップ、少なくとも1個のエンドプレートに隣接して、可撓性シートと断熱エンドブロックを含むクランプ構造を配置するステップであって、該可撓性シートはおおむね凸形状に曲がることが可能であり、該断熱エンドブロックは平坦面と、おおむね凸形状の対向面とを有する四辺形の基台として造形された、前記ステップ、該可撓性シートを該断熱エンドブロックの対向面に隣接して配置するステップ、該可撓性シートをおおむね凸形状が得られるように曲げるステップ、および前記少なくとも１個のエンドプレートを、該断熱エンドブロックの四辺形の基台の平坦面に接触させて配置するステップ、およびそれぞれの固体酸化物型燃料電池面に圧迫力を及ぼすステップ、を含む、請求項１３の固体酸化物型燃料電池スタックを圧迫する方法。
【請求項１６】
前記圧迫力が、ナット、ばねおよびタイロッドを使用して得られる、請求項１５に記載の方法。
【国際調査報告】
2010517230.tif 000016
2010517230.tif 000017
2010517230.tif 000018