(57)【要約】  本発明によるモジュールの寿命は、弾性部品を含まないため、長い。作動スタックは、管状および同軸の構造を有している。基本電気化学セル（１５）、および、第一にガス分離管（２２）、第二にガス分離管（２２）および基本セル（１５）の間の空間を占める多数のボール（２０）から成る、インターコネクタが、交互に挿入される。ボール（２０）が、セル作動表面におけるガスの分配を均一とし、分離管（２２）と基本セル（１５）との間の電気的接点の数を増加する。SOFC型の燃料電池およびSOEC型の電解槽に適用される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管状形状の基本セル（１５）から成る、軸性構造を備えたSOFC（固体酸化物型燃料電池）型の燃料電池モジュールであって、
各セル（１５）は、アノード、電解質、およびカソードから成る基本中心性スタックから成り、
各セルは、２つのインターコネクタにより囲まれ、
前記モジュールは、多数のセル（１５）の中心性スタックから成り、それぞれの側で、分配および排出器具、すなわち、ベース（５０）およびフランジ（４０）により補完され、
前記各インターコネクタは、同軸上で前記セル（１５）と交互にスタックされた分離管（２２）の各面で前記セル（１５）との間に詰め込まれた多数の金属ボール（２０）から成ること、
を特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記モジュールの断面が、円筒状であること、
を特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項３】
前記分離管（２２）の基部に、リング（２４）が備えられており、前記ベース（５０）を通じて前記セル（１５）および前記分離管（２２）により形成される間隔に流入するガスフローを分配すること、
を特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項４】
前記リング（２４）は、前記ボール（２０）を支持し、分配するために、僅かに傾斜した肩部を有すること、
を特徴とする請求項３記載のモジュール。
【請求項５】
前記ボール（２０）が、異なるコーティングでコーティングされること、
を特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項６】
前記ベース（５０）と前記スタックとの間に挿入された底部プレート（５２）を有し、前記ベースの上面にシールが施されること、
を特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項７】
前記シールが、ガラスセラミックシールであること、
を特徴とする請求項６に記載のモジュール。
【請求項８】
前記ベースの前記シールが、スリップガラスシールであること、
を特徴とする請求項６に記載のモジュール。
【請求項９】
ガラスシールが、前記底部プレート（５２）の上面に施されること、
を特徴とする請求項６に記載のモジュール。
【請求項１０】
管状形状の基本セル（１５）から成る、軸性構造を備えたSOEC（固体酸化物型電解セル）型の電解槽モジュールであって、
各セル（１５）は、アノード、電解質、およびカソードから成る基本中心性スタックから成り、
各セルは、２つのインターコネクタにより囲まれ、
前記モジュールは、多数のセル（１５）の中心性スタックから成り、それぞれの側で、分配および排出器具、すなわち、ベース（５０）およびフランジ（４０）により補完され、
前記各インターコネクタは、同軸上で前記セル（１５）と交互にスタックされた分離管（２２）の各面で前記セル（１５）との間に詰め込まれた多数の金属ボール（２０）から成ること、
を特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項１１】
円筒状断面を有すること、
を特徴とする請求項１０に記載のモジュール。
【請求項１２】
前記分離管（２２）の基部に、リング（２４）が備えられており、前記ベース（５０）を通じて前記セル（１５）および前記分離管（２２）により形成される間隔に流入するガスフローを分配すること、
を特徴とする請求項１０に記載のモジュール。
【請求項１３】
前記リング（２４）は、前記ボール（２０）を支持し、分配するために、僅かに傾斜した肩部を有すること、
を特徴とする請求項１２記載のモジュール。
【請求項１４】
前記ボール（２０）が、異なるコーティングでコーティングされること、
を特徴とする請求項１０に記載のモジュール。
【請求項１５】
前記ベース（５０）と前記スタックとの間に挿入された底部プレート（５２）を有し、前記ベースの上面にシールが施されること、
を特徴とする請求項１０に記載のモジュール。
【請求項１６】
前記シールが、ガラスセラミックシールであること、
を特徴とする請求項１５に記載のモジュール。
【請求項１７】
前記ベースの前記シールが、スリップガラスシールであること、
を特徴とする請求項１５に記載のモジュール。
【請求項１８】
ガラスシールが、前記底部プレート（５２）の上面に施されること、
を特徴とする請求項１５に記載のモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、および電解槽、特に、SOFC（固体酸化物型燃料電池）型の燃料電池およびSOEC（固体酸化物型電解セル）型の電解槽等の、高温で作動する燃料電池に関する。
【０００２】
本発明は、燃料電池および電解槽の他の群に対しても適用可能である。
【背景技術】
【０００３】
SOFC型の燃料電池は、酸化剤としての酸素と燃料としての水素で、または、例えばメチレン等の他の可燃性ガスで、500〜1,000℃の温度で作用する。これらの燃料電池は、インターコネクタまたはバイポーラプレート等の結合エレメントで結合された、複数の基本セルのスタックで構成されている。基本セルは、カソード、電解質、およびアノードのスタックで構成されている。O2イオン中での電解質の十分な伝導性を得るためには、高い温度が必要である。SOEC電解槽は、反転SOFC燃料電池のように機能する。それは、蒸気と電気エネルギーから、水素を生じる。
【０００４】
燃料電池の設計では、複数のタイプの構造が用いられる。４つのメインタイプがある。
−管状または同軸構造、
−モノリシック構造、
−帯状構造、
−平面構造。
【０００５】
固体酸化物型電気化学セルに用いられる材料の進化は、現行の性能を犠牲にすることなく、これらのユニットの作動温度を下げることを可能とする。これらの条件下では、インターコネクタに対しては金属コンポーネントの使用が適しており、製造コストを低減する。さらに、同一出願人により出願されたフランス特許出願の特許文献１は、電気化学セルを電気的に互いに直列とすることができる軸性燃料電池構造を開示している。図１は、このタイプの燃料電池構造を示している。それは、主に、インターコネクタ１により互いに分離した、複数の基本燃料電池の中心性スタック２から成る。このインターコネクタは、フレキシブルな扇型カラーが取り付けられた中心性金属隔壁から成る。ボックスは、ベース５とフランジ４とで補完され、それら２つは、スタック２を共に固定し、可燃性ガスとその残留物を分配および回収する。
【０００６】
図２は、使用されるインターコネクタのタイプの詳細を示す。実際には、本図は、インターコネクタの半分を示している。このインターコネクタは、主に、半円筒状金属プレートから成る中心性隔壁１３から成る。カラー１１が、互いに間隔を置いて、その両面に取り付けられ、密閉された隔壁１３の各面に傾斜して突出している。管形状の密閉された隔壁１３は、使用される２つのガスを分離し、多数のセルを直列とするようにデザインされている。カラー１１の機能は、電気化学セルを接触により直列とするものである。これらは、セルとインターコネクタとの間の膨張差を吸収し、高温時に接触を維持するアセンブリを可能とする。
【０００７】
カラーまたはストリップを備えたこのようなインターコネクタの製造は、長期間の接触を維持するために、高いクリープ抵抗値を備えた合金の使用が必要であるため、かなり高価である。さらに、接触ポイントが相対的に十分な間隔があり、電極での電子の循環における抵抗性損失につながる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】FR 2 877 498
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、インターコネクタを形成する材料の弾力性に頼ることなく、このタイプの機器の寿命の延長に貢献し、製造コストを低減することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
これを達成するために、本発明の主目的は、管状形状の基本セルから成る、軸性構造を備えたSOFC（固体酸化物型燃料電池）モジュールおよびSOEC（固体酸化物型電解セル）であって、各セルは、アノード、電解質、およびカソードから成る中心性スタックから成り、各セルは、２つのインターコネクタにより囲まれ、前記モジュールは、多数の中心性セルの中心性スタックから成り、それぞれの側で、分配および排出器具、すなわち、ベースおよびフランジにより補完される。
【００１１】
本発明によれば、前記各インターコネクタは、セルと、同軸上で前記セルと交互にスタックされた分離管との間に詰め込まれた、多数の金属ボールから成る。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記モジュールの断面は、円筒状である。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態によれば、ベースとスタックとの間にリングが用いられ、分離管を終端し、セルと分離管との間の間隔において、ベースを通じて到達するガスフローを抑制する。
【００１４】
この場合、間隔がボールで充填された場合に、ボールを周囲360度に分配できるように、リングの肩部に傾斜を設けるのが有利である。
【００１５】
本発明の変形例は、異なるコーティングでコーティングされたボールから成り、作動条件およびモジュールの全長に沿って配置される位置に基づく、ボールの保護勾配を設ける。
【００１６】
さらに、ベースの上面でシールを用い、シールとスタックとの間で密閉性を維持することが有利である。このシールは、ガラスセラミックまたはスリップガラスであってもよい。
【００１７】
本発明および他の技術的特徴は、下記の複数の図を伴う以降の説明を読むことで、より良く理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】軸性構造を備えた先行技術による燃料電池を示す。
【図２】図１に示す燃料電池のタイプで使用されるストリップインターコネクタを示す。
【図３】本発明によるモジュールで用いられるボールインターコネクタのデザインを示す。
【図４】本発明によるモジュールにおける、ベース結合部と、スタックの２つのステージの詳細を示す。
【図５】セルの２つのステージを備えた本発明によるモジュール全体の半断面を示す。
【図６】本発明によるモジュールで使用されるベース及び底部プレートの分解図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図３を参照すると、本発明によるインターコネクタは、主に、フェライトステンレススティールまたは他の低膨張率の合金でできた、管状の隔壁管２２を含む。その機能は、使用されるボールを定位置に保持し、電気化学セルを互いに電気的に直列にし、ガスを分離することである。上述した材料は、ニッケルベースの材料よりも大幅に安く、その機械加工性は、従来のステンレススティールの機械加工性と同等である。分離管２２を形成する材料に酸化が観察される場合、この分離管が良好な導電体で、クロム蒸発に対する効果的なバリアを形成するように、同機能を実行するためのコーティングがなされてもよい。
【００２０】
第二の機能的エレメントは、分離管２２の各面に位置し、インターコネクタに隣り合う２つのセルの一方と接触する、多数のボール２０から成る。従って、ボール２０の機能は、複数のコンポーネント間の膨張差にかかわらずに、電気化学セルを、他の貫通分離管２２と電気的に直列にすることである。ボール２０は、ガス分配機能も果たし、材料の弾力性に依存する必要なく、アセンブリのインストールを可能にする。
【００２１】
図３は、本インターコネクタにおいて、ベース２８の直上に位置するリング２４の存在も示している。それは、はんだ付けにより付加されてもよく、機械加工されてもよい。その機能は、底部のボールを定位置でそれに接触させ、これらのボールにより、ガス流入口が塞がれてしまうことを回避し、下方に到達するガス噴射を抑制してガスの分配を均一にし、モジュールの全周囲に導くことである。リング２４には、図示しない凹部が、ガス流入口と垂直方向に並んで機械加工され、ガスの通過を可能にする。
【００２２】
わずかな傾斜がリング２４の上面に確認され、充填時のボールの良好な分配を可能とし、分離管２２と２つの隣り合うセルとの間の全空間を満たすことができる。一つまたは複数の水平パーティション２６が備えられ、使用される多数のボールを区分し、良好な分配を行い、ボール間の摩擦を低減する。この場合、じょうご状治具により、全空間がボールで充填され、空間が充填されるまでチューブを落下する。
【００２３】
クロムが、モジュールの全長に渡り均一に蒸発しない場合は、導電性を維持するために、クロムの蒸発に対するバリア機能を提供するコーティングを行うのがよい。
【００２４】
異なるコーティングを備えたボール２０の層をスタックし、存在するガスと考慮する領域の濃度に基づいて、保護勾配を設けることもできる。例えば、底部を貫通する水素流入口を備えたSOFC型の燃料電池の場合、蒸気濃度が十分に低い領域でコーティングなしのボールをスタックし、続いて、コーティングしたボールまたは導電酸化物が形成されたボールをスタックすることができる。
【００２５】
このタイプのスタックは、底部付近に蒸気流入口を備えたSOEC型の電解槽の場合、反転可能である。
【００２６】
図４は、本発明によるモジュールのスタックのベースの詳細を示す。２つのセル１５、及び３つのインターコネクタのみが示されているが、多数のこれらのエレメントが、スタックの全範囲にわたり、構想され得る。
【００２７】
電気化学セル１５は、管状であり、半径が増加して、一方が他方の中に配置される。インターコネクタ２２では、ボール２０が、分離管２２とセル１５との間に存在する全環状空間に充填されることに留意されたい。
【００２８】
モジュールは、ガス分配ボックスのように機能するベース５０を有する。それは、フェライトステンレススティール、または低膨張率の他の合金から作られてもよい。外部供給装置、または他のセル、または他の電解槽に接続される２つのガス供給管が設けられている。底部プレート５２は、ベース５０とモジュールスタックとの間に設けられている。底部プレート５２は、ジルコニウムから作られてもよく、アノードおよびカソードチャンバーでのガスの分配に貢献する。それは、アセンブリを電気的に分離し、燃料電池のショートを回避する。それは、セルと同様に膨張し、熱過渡フェーズでは取り扱いに注意を要する。
【００２９】
ベース５０と底部プレート５２との間は、プラズマトーチにより蒸着可能なガラスセラミック接合、またはスリップガラスシールにより、シールが施される。
【００３０】
図５に、モジュールアセンブリの断面を示す。この図は、ベース５０、インターコネクタとセル１５から成るスタックを支持する底部プレート５２、ガスおよび残留物を集める全支持フランジ４０を示している。支持管５４が、セル１５およびインターコネクタのスタックを囲むことに留意されたい。本図５は、スタックの底部の分離管２２とセル１５との間に配置されたボール２０も示している。
【００３１】
図６は、上述したベース５０および底部プレート５２を、互いに分離した状態で示す。ベース５０は、ガラスセラミックまたはスリップガラスから成るシールによりカバーされた上面を有する。
【００３２】
本図６は、スタックの全周囲に渡る、全セルと対応するインターコネクタとの間の、ガス分配チャネル５３を示す。上向き矢印は、モジュールが垂直に配置される場合、アセンブリにおいて上向きのガスフローが存在することを示す。底部プレート５２には、各分離管２２のリング２４に隣り合う図４に示す溝３０を貫通する細管５６が配置される穴が備えられている。これらの細管５６は、底部プレート５２の全上面に渡って広がるシールのガラスにより、供給チャネルが詰まってしまうのを防いでいる。
【００３３】
本モジュールを作る上で、アセンブリを固定するために、締結器具が必要であることが分かる。しかしながら、この器具は図示しない。
【００３４】
全体のガス循環は、並流または逆流で軸方向である。軸方向の並流バージョンのみが上記に既述されている。ガスは、環状チャネル５５と、放射状チャネル５３に供給する中心性円筒状チャンバー５７とに流入することが分かる。そして、ガスは、底部プレート５２に形成された細管５６を備えた開口部を通じて、対応する作動チャンバーに運ばれる。ガスは、本明細書の第一部に記載した、ボールを含むチャンバーに沿った電極に接触して反応する。消費されたまたは変化したガスは、フランジ４０（図５）により集められ、出口または他のセルまたは他の電解槽に導かれる。
【００３５】
電力が、モジュール端子、言い換えれば、内部および外部インターコネクタに集められる。
【００３６】
［本発明の利点］
ボールの存在は、セルとガス分離管との間の接触点を、明らかに増加している。
【００３７】
作動チャンバーにおける、および電極の表面に渡る、ガスの配分は、ボールの存在により、たいへん改善されている。
【００３８】
本モジュールの製造コストは、先行技術に開示される製造コストに比べ、相対的に低い。
【００３９】
最終的に、アセンブリの寿命が、弾性による解決法に比べ、長い。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成21年3月3日(2009.3.3)
【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】
管状形状の基本セル（１５）から成る、軸性構造を備えたSOFC（固体酸化物型燃料電池）型の燃料電池モジュールであって、
各セル（１５）は、アノード、電解質、およびカソードから成る基本中心性スタックから成り、
各セルは、２つのインターコネクタにより囲まれ、
前記モジュールは、多数のセル（１５）の中心性スタックから成り、それぞれの側で、分配および排出器具、すなわち、ベース（５０）およびフランジ（４０）により補完され、
前記各インターコネクタは、同軸上で前記セル（１５）と交互にスタックされた分離管（２２）の各面で前記セル（１５）との間に詰め込まれた多数の金属ボール（２０）から成ること、
を特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記モジュールの断面が、円筒状であること、
を特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項３】
前記分離管（２２）の基部に、リング（２４）が備えられており、前記ベース（５０）を通じて前記セル（１５）および前記分離管（２２）により形成される間隔に流入するガスフローを分配すること、
を特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項４】
前記リング（２４）は、前記ボール（２０）を支持し、分配するために、僅かに傾斜した肩部を有すること、
を特徴とする請求項３記載のモジュール。
【請求項５】
前記ボール（２０）が、異なるコーティングを有すること、
を特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項６】
前記ベース（５０）と前記スタックとの間に挿入された底部プレート（５２）を有し、前記ベースの上面にシールが施されること、
を特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項７】
前記シールが、ガラスセラミックシールであること、
を特徴とする請求項６に記載のモジュール。
【請求項８】
前記ベースの前記シールが、スリップガラスシールであること、
を特徴とする請求項６に記載のモジュール。
【請求項９】
ガラスシールが、前記底部プレート（５２）の上面に施されること、
を特徴とする請求項６に記載のモジュール。
【請求項１０】
管状形状の基本セル（１５）から成る、軸性構造を備えたSOEC（固体酸化物型電解セル）型の電解槽モジュールであって、
各セル（１５）は、アノード、電解質、およびカソードから成る基本中心性スタックから成り、
各セルは、２つのインターコネクタにより囲まれ、
前記モジュールは、多数のセル（１５）の中心性スタックから成り、それぞれの側で、分配および排出器具、すなわち、ベース（５０）およびフランジ（４０）により補完され、
前記各インターコネクタは、同軸上で前記セル（１５）と交互にスタックされた分離管（２２）の各面で前記セル（１５）との間に詰め込まれた多数の金属ボール（２０）から成ること、
を特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項１１】
円筒状断面を有すること、
を特徴とする請求項１０に記載のモジュール。
【請求項１２】
前記分離管（２２）の基部に、リング（２４）が備えられており、前記ベース（５０）を通じて前記セル（１５）および前記分離管（２２）により形成される間隔に流入するガスフローを分配すること、
を特徴とする請求項１０に記載のモジュール。
【請求項１３】
前記リング（２４）は、前記ボール（２０）を支持し、分配するために、僅かに傾斜した肩部を有すること、
を特徴とする請求項１２記載のモジュール。
【請求項１４】
前記ボール（２０）が、異なるコーティングを有すること、
を特徴とする請求項１０に記載のモジュール。
【請求項１５】
前記ベース（５０）と前記スタックとの間に挿入された底部プレート（５２）を有し、前記ベースの上面にシールが施されること、
を特徴とする請求項１０に記載のモジュール。
【請求項１６】
前記シールが、ガラスセラミックシールであること、
を特徴とする請求項１５に記載のモジュール。
【請求項１７】
前記ベースの前記シールが、スリップガラスシールであること、
を特徴とする請求項１５に記載のモジュール。
【請求項１８】
ガラスシールが、前記底部プレート（５２）の上面に施されること、
を特徴とする請求項１５に記載のモジュール。
【国際調査報告】
2010538411.tif 000009
2010538411.tif 000010
2010538411.tif 000011
2010538411.tif 000012
2010538411.tif 000013
2010538411.tif 000014