(57)【要約】燃料電池スタック中の燃料電池をバイパスするための具体化方法は、バイパスする燃料電池を特定する工程と、導電性バイパスが、燃料電池スタック中の第一のインターコネクトと燃料電池スタック中の第二のインターコネクトとを電気的に接続し、特定された燃料電池を電気的にバイパスするように、該導電性バイパスを燃料電池スタックに接続する工程とを含む。さらなる具体化方法は、導電性封止材料により、特定された燃料電池のカソードの入口または出口を封止するように、かつ該導電性封止材料が、該特定された燃料電池を電気的にバイパスするように、導電性封止材料を燃料電池スタックに適用する工程を含む。2015534227.tif 000003
2015534227.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイパスする燃料電池を特定する工程と、
導電性バイパスが、燃料電池スタック中の第一のインターコネクトと該燃料電池スタック中の第二のインターコネクトとを電気的に接続し、特定された燃料電池を電気的にバイパスするように、該導電性バイパスを該燃料電池スタックに接続する工程と
を含む、燃料電池スタック中の燃料電池をバイパスする方法。
【請求項２】
導電性バイパスを接続する工程が、ジャンパを溶接する工程を含む、請求項1記載の方法。
【請求項３】
ジャンパ接続部位を準備する工程をさらに含む、請求項2記載の方法。
【請求項４】
ジャンパ接続部位を準備する工程が、第一および第二のインターコネクトからペロブスカイトコーティングを除去する工程を含む、請求項3記載の方法。
【請求項５】
第一および第二のインターコネクトからペロブスカイトコーティングを除去する工程が、該ペロブスカイトコーティングを除去するためにガスレーザを使用する工程を含む、請求項4記載の方法。
【請求項６】
ジャンパを溶接する工程が、ジャンパを燃料電池スタックの第一のインターコネクトおよび第二のインターコネクトにスポット溶接する工程を含む、請求項2記載の方法。
【請求項７】
ジャンパを溶接する工程が、ジャンパを燃料電池スタックの第一のインターコネクトおよび第二のインターコネクトにレーザ溶接する工程を含む、請求項2記載の方法。
【請求項８】
ジャンパが金属のストリップを含む、請求項2記載の方法。
【請求項９】
ジャンパが、複数の燃料電池を電気的にバイパスするように構成されている、請求項2記載の方法。
【請求項１０】
特定された燃料電池のカソードの入口または出口を封止材料で封止する工程をさらに含む、請求項1記載の方法。
【請求項１１】
封止材料がガラスまたは複合金属混合物を含む、請求項10記載の方法。
【請求項１２】
封止材料が、ランタンストロンチウムマンガネート、マンガンコバルト混合物、またはアルミナペースト組成物を含む、請求項10記載の方法。
【請求項１３】
過剰な封止材料を除去する工程をさらに含む、請求項10記載の方法。
【請求項１４】
特定された燃料電池のアノードの入口または出口を封止材料で封止する工程をさらに含む、請求項1記載の方法。
【請求項１５】
特定された燃料電池が欠陥品燃料電池である、請求項1記載の方法。
【請求項１６】
導電性バイパスを接続する工程が、導電性封止材料により、特定された燃料電池のカソードの入口または出口を封止するように、かつ該導電性封止材料が、該特定された燃料電池を電気的にバイパスするように、導電性封止材料を燃料電池スタックに適用する工程を含む、請求項1記載の方法。
【請求項１７】
導電性封止材料を適用する工程が、燃料電池スタックの第一のインターコネクトと第二のインターコネクトとを接続するために導電性封止材料をプラズマ溶射する工程を含む、請求項16記載の方法。
【請求項１８】
導電性封止材料が、金属合金、導電性ガラス、または複合金属混合物を含む、請求項16記載の方法。
【請求項１９】
導電性封止材料が、ランタンストロンチウムマンガネート、マンガンコバルト混合物、またはアルミナペースト組成物を含む、請求項16記載の方法。
【請求項２０】
導電性封止材料を適用する工程が、特定された燃料電池のカソードの入口または出口を封止材料で封止する工程を含む、請求項16記載の方法。
【請求項２１】
複数の燃料電池の少なくとも1つが、第一のインターコネクトと第二のインターコネクトとの間に位置する欠陥品燃料電池を含み、
導電性バイパスが、前記第一のインターコネクトと前記第二のインターコネクトとを電気的に接続し、前記欠陥品燃料電池を電気的にバイパスするように、該導電性バイパスが、燃料電池スタックに接続され、かつ
複数の燃料電池のうちの非欠陥品燃料電池によって分けられる複数のインターコネクトの各2つの隣接するインターコネクト間では導電性バイパスがスタックに接続されていない、
複数の燃料電池および複数のインターコネクトを含む燃料電池スタック装置。
【請求項２２】
バイパス導体がダイオードを含まない、請求項21記載の装置。
【請求項２３】
導電性バイパスが、第一および第二のインターコネクトに溶接されたジャンパを含む、請求項21記載の装置。
【請求項２４】
燃料電池のカソードまたはアノードの入口または出口を封止する封止材料をさらに含む、請求項23記載の装置。
【請求項２５】
導電性バイパスが、第一および第二のインターコネクトを電気的に接続すると同時に燃料電池のカソードまたはアノードの入口または出口を封止する導電性封止材料を含む、請求項21記載の装置。
【請求項２６】
バイパスする燃料電池スタックを特定する工程と、
導電性バイパスが、特定された燃料電池スタックの第一の側に位置する第一の燃料電池スタックと、該特定された燃料電池スタックの第二の側に位置する第二の燃料電池スタックとを電気的に接続するように、該導電性バイパスを、カラムに接続する工程と
を含む、燃料電池スタックのカラム中の燃料電池スタックをバイパスする方法。
【請求項２７】
第一の燃料電池スタックが、特定された燃料電池スタックの下に位置し、第二の燃料電池スタックが、該特定された燃料電池スタックの上に位置する、請求項26記載の方法。
【請求項２８】
特定された燃料電池スタックが複数の隣接する燃料電池スタックを含む、請求項26記載の方法。
【請求項２９】
導電性バイパスを接続する工程が、第一の燃料電池スタックの上部エンドプレートを第二の燃料電池スタックの下部エンドプレートに電気的に接続する工程を含む、請求項26記載の方法。
【請求項３０】
導電性バイパスを接続する工程が、第一の燃料分配マニホルドを第二の燃料分配マニホルドに電気的に接続する工程を含み、該第一の燃料分配マニホルドが特定された燃料電池スタックの下に位置し、該第二の燃料分配マニホルドが該特定された燃料電池スタックの上に位置する、請求項26記載の方法。
【請求項３１】
複数の燃料電池スタックのそれぞれが複数の燃料電池および複数のインターコネクトを含み、
複数の燃料電池スタックが、第一の導電性構造と第二の導電性構造との間に位置する少なくとも1つの欠陥品燃料電池スタックを含み、
導電性バイパスが、前記第一および第二の導電性構造を電気的に接続し、前記少なくとも1つの欠陥品燃料電池スタックを電気的にバイパスするように、該導電性バイパスが、カラムに接続されている、
複数の燃料電池スタックを含む燃料電池スタック装置のカラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照により全体として本明細書に組み込まれる、2012年9月21日に出願された米国特許仮出願第61/703,832号の恩典を主張する。
【背景技術】
【０００２】
背景
燃料電池は、燃料中に貯蔵されたエネルギーを高効率で電気エネルギーに変換することができる電気化学的装置である。高温型燃料電池には、固体酸化物型燃料電池および溶融炭酸塩型燃料電池が含まれる。これらの燃料電池は、水素および／または炭化水素燃料を使用して作動し得る。電気エネルギーを入力として使用して水または他の酸化燃料を非酸化燃料に還元することができるような逆作動をも可能にする固体酸化物型リバーシブル燃料電池のような燃料電池のクラスがある。
【０００３】
固体酸化物型燃料電池（SOFC）システムのような高温型燃料電池システムにおいては、酸化流が燃料電池のカソード側を通過し、一方、燃料流が燃料電池のアノード側を通過する。酸化流は一般に空気であり、一方、燃料流は一般に、炭化水素燃料源を改質することによって創製される、水素に富むガスである。750℃〜950℃の一般的温度で作動する燃料電池は、負荷電酸素イオンをカソード流からアノード流に運ぶことができ、そこで、そのイオンは、遊離水素または炭化水素分子中の水素と結合して水蒸気を形成したり、および／または一酸化炭素と結合して二酸化炭素を形成したりする。負電荷イオンからの過剰な電子は、アノードとカソードとの間で完成する電気回路を介して燃料電池のカソード側に戻され、その結果、回路を通過する電流の流れが生じる。
【０００４】
燃料電池スタックは、燃料および空気のために内部的または外部的のいずれかにマニホルド化され得る。内部的にマニホルド化されたスタックにおいて、燃料および空気は、スタック内に収容されたライザを使用して各電池に分配される。換言するならば、ガスは、各燃料電池の支持層、たとえば電解質層および各電池のガスセパレータ中の開口または穴を通って流れる。外部的にマニホルド化されたスタックにおいて、スタックは、燃料および空気の入口側および出口側で開いており、燃料および空気は、スタックハードウェアから独立して導入され、集められる。たとえば、入口および出口の燃料および空気は、スタックと、そのスタックが位置するマニホルドハウジングとの間で別々のチャネルの中を流れる。
【０００５】
燃料電池スタックは、多くの場合、平面的要素、管、または他の形状の多数の電池から構築される。燃料および空気が電気化学的に活性な面に提供されなければならず、その面は大きいものであることができる。燃料電池スタックの1つの部品が、スタック中の個々の電池を分離する、いわゆるガス流セパレータ（平面的スタックにおいてはガス流隔離板とも呼ばれる）である。ガス流隔離板は、スタック中の1つの電池の燃料電極（すなわちアノード）に流れる燃料、たとえば水素または炭化水素燃料を、スタック中の隣接する電池の空気電極（すなわちカソード）に流れる酸化体、たとえば空気から分離する。多くの場合、ガス流隔離板は、1つの電池の燃料電極を隣接する電池の空気電極に電気的に接続するインターコネクトとしても使用される。この場合、インターコネクトとして機能するガス流隔離板は、導電性材料でできているか、または導電性材料を含む。
【０００６】
燃料電池が故障すると、その抵抗が高くなる。SOFCスタックの場合、スタックの作動は継続し得るが、故障した電池によって形成される高抵抗界面をはさんでの電圧降下によってスタックの電圧がますます消費される。電流が欠陥品燃料電池をバイパスすることを可能にするバイパスダイオードが燃料電池システムにおいて使用されてきたが、そのようなダイオードは、多くの場合、約600℃よりも高い温度で作動するシステムのホットボックス部の内側では化学的および熱的劣化を起こす。
【発明の概要】
【０００７】
概要
様々な態様が、燃料電池スタック中の燃料電池をバイパスするためのシステムおよび方法を提供する。燃料電池スタック中の燃料電池をバイパスするための具体化方法は、バイパスする燃料電池を特定する工程と、導電性バイパスを接続する、たとえば、ジャンパが特定された燃料電池を電気的にバイパスするよう構成されるようにジャンパを燃料電池スタックに溶接する工程とを含む。
【０００８】
さらなる具体化方法は、バイパスする燃料電池を特定する工程と、導電性封止材料が、特定された燃料電池のカソードの入口または出口を封止するように、かつこの導電性封止材料が、特定された燃料電池を電気的にバイパスするように、前記導電性封止材料を燃料電池スタックに適用する工程とを含む。
【０００９】
さらなる具体化方法は、バイパスする燃料電池スタックを特定する工程と、導電性バイパスが、特定された燃料電池スタックの第一の側に位置する第一の燃料電池スタックと、特定された燃料電池スタックの第二の側に位置する第二の燃料電池スタックとを電気的に接続するように、導電性バイパスをカラムに接続する工程とを含む。
【００１０】
別の態様において、燃料電池スタック装置は複数の燃料電池および複数のインターコネクトを含む。複数の燃料電池の少なくとも1つは、第一のインターコネクトと第二のインターコネクトとの間に位置する欠陥品燃料電池を含み、導電性バイパスが、第一のインターコネクトと第二のインターコネクトとを電気的に接続し、そして欠陥品燃料電池を電気的にバイパスするように、前記導電性バイパスは、燃料電池スタックに接続されている。しかし、複数の燃料電池のうちの非欠陥品燃料電池によって分けられる複数のインターコネクトのうちの各2つの隣接するインターコネクト間では導電性バイパスはスタックに接続されない。
【００１１】
別の態様において、燃料電池スタック装置のカラムは複数の燃料電池スタックを含み、複数の燃料電池スタックそれぞれは複数の燃料電池および複数のインターコネクトを含み、かつ複数の燃料電池スタックは第一の導電性構造と第二の導電性構造との間に位置する少なくとも1つの欠陥品燃料電池スタックを含み、かつ導電性バイパスが、第一および第二の導電性構造を電気的に接続し、そして少なくとも1つの欠陥品燃料電池スタックを電気的にバイパスするように、導電性バイパスはカラムに接続されている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本明細書に組み入れられ、かつ本明細書の一部を構成する添付図面が、本発明の例示的態様を説明し、上記の概要および下記の詳細な説明とともに、本発明の特徴を説明するのに役立つ。
【００１３】
【図１】SOFCスタックの断面図を示す。
【図２Ａ】ジャンパを有する燃料電池スタックの斜視断面図を示す。
【図２Ｂ】延長ジャンパを有する燃料電池スタックの斜視断面図を示す。
【図３】ジャンパを燃料電池スタックに取り付ける具体化方法の流れ図である。
【図４】封止されたカソードガス流路を有する燃料電池スタックの斜視断面図を示す。
【図５】ガス流路を封止し、かつジャンパを燃料電池スタックに取り付ける具体化方法の流れ図である。
【図６】カソードガス流路を封止し、かつ燃料電池をバイパスするために適用される導電性封止材料を有する燃料電池スタックの正面断面図である。
【図７Ａ】隣接しない燃料電池スタックのエンドプレートに接続されたジャンパを用いて構成された燃料電池スタックの態様カラムの斜視正面図を示す。
【図７Ｂ】2つの燃料分配マニホルドに接続されたジャンパを用いて構成された燃料電池スタックの態様カラムの側面図を示す。
【図８】導電性封止材料を燃料電池スタックに適用するための具体化方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
詳細な説明
添付図面を参照しながら様々な態様を詳細に説明する。可能な限り、全図を通して同一または類似のパーツを指すために同じ参照番号を使用する。特定の例および態様の参照は、例示目的のためであり、発明の範囲または特許請求の範囲を限定することを意図したものではない。
【００１５】
図1は固体酸化物型燃料電池（SOFC）スタックを示し、スタック中、各SOFC 1は、カソード電極3（たとえばLSMまたは他の導電性ペロブスカイト）、固体酸化物電解質5（たとえばYSZ、ScSZまたはドープされたセリア）、およびアノード電極7（たとえば、ニッケルで安定化されたジルコニアおよび／またはドープされたセリアサーメットのようなサーメット）を含む。
【００１６】
様々な材料をカソード電極3、電解質5、およびアノード電極7のために使用してもよい。たとえば、アノード電極は、ニッケル含有相およびセラミック相を含むサーメットを含み得る。ニッケル含有相は還元状態のニッケルのみからなり得る。この相は、酸化状態にあるとき、酸化ニッケルを形成し得る。したがって、アノード電極は、好ましくは、酸化ニッケルをニッケルに還元するための処理の前に、還元性雰囲気中でアニールされる。ニッケル含有相は、ニッケルおよび／またはニッケル合金に加えて他の金属を含み得る。セラミック相は、安定化されたジルコニア、たとえばイットリアおよび／もしくはスカンジアで安定化されたジルコニア、ならびに／またはドープされたセリア、たとえばガドリニア、イットリアおよび／またはサマリアでドープされたセリアを含み得る。
【００１７】
電解質は、安定化されたジルコニア、たとえばスカンジアで安定化されたジルコニア（SSZ）またはイットリアで安定化されたジルコニア（YSZ）を含み得る。または、電解質は、別のイオン伝導性材料、たとえばドープされたセリアを含み得る。
【００１８】
カソード電極は、導電性材料、たとえば導電性ペロブスカイト材料、たとえばランタンストロンチウムマンガナイト（LSM）を含み得る。他の導電性ペロブスカイト、たとえばLSCoなど、または金属、たとえばPtを使用してもよい。カソード電極はまた、アノード電極と同様にセラミック相を含有し得る。電極および電解質は、それぞれ、上記材料の1つまたは複数から作られた1つまたは複数のサブレヤーを含み得る。
【００１９】
燃料電池スタックは、多くの場合、平面的要素、管、または他の形状の多数のSOFC 1から構築される。図1の燃料電池スタックは垂直に向けられているが、燃料電池スタックは、水平または任意の他の方向に向けられてもよい。燃料および空気は電気化学的に活性な面に提供され得、その面は大きなものであることができる。
【００２０】
リブ10の間にガス流路またはチャネル8を含むガス流セパレータ9（平面的スタックの一部である場合、ガス流隔離板と呼ばれる）がスタック中の個々の電池を分離する。ガス流隔離板は、スタック中の1個の電池の燃料電極（すなわちアノード7）へと流れる燃料、たとえば炭化水素燃料を、スタック中の隣接する電池の空気電極（すなわちカソード3）へと流れる酸化体、たとえば空気から隔離する。スタックのいずれかの端に、それぞれ空気または燃料を末端電極に提供するための空気エンドプレートまたは燃料エンドプレート（図示せず）があってもよい。
【００２１】
多くの場合、ガス流隔離板9は、1つの電池のアノードまたは燃料電極7を隣接する電池のカソードまたは空気電極3に電気的に接続するインターコネクトとしても使用される。この場合、インターコネクトとして機能するガス流隔離板は、導電性材料でできている、または導電性材料を含有する。図1は、下寄りのSOFC 1が2つのインターコネクト9の間に位置する状態を示す。
【００２２】
インターコネクトは、導電性材料、たとえば金属合金（たとえばクロム鉄合金）または場合によっては電池中の固体酸化物電解質と同様な熱膨張係数（たとえば0〜10％の差）を有する導電性セラミック材料で作られ得るかまたはそれを含有し得る。導電性コンタクト層、たとえばニッケルコンタクト層がアノード電極とインターコネクトとの間に提供されてもよい。別の任意選択の導電性コンタクト層がカソード電極とインターコネクトとの間に提供されてもよい。
【００２３】
燃料電池スタック中の複数の燃料電池は共通の燃料入口および排出路またはライザを共用し得る。燃料電池スタックは別個の電気的実体を含んでもよく、これは、パワーコンディショニング装置およびスタックのパワー（すなわち電気）出力に接続される、スタックの両端の2つのエンドプレートを含む。したがって、いくつかの構成において、そのような別個の電気的実体からの電気出力は、他のスタックとは別々に制御され得る。他の態様においては、複数のスタックが同じエンドプレートを共用してもよい。この場合、スタックは共に別個の電気的実体を含み得る。
【００２４】
燃料電池スタックは、パワーを生成するためのより大きな燃料電池システムの一部であり得る。燃料電池スタックは、そのようなシステム内のホットゾーンに位置し得る。通常の作動中、このホットゾーンは、高温、たとえば約600℃以上、たとえば600〜1000℃、たとえば750〜950℃の温度で作動し得る。
【００２５】
燃料電池は一般に、システム中の電圧源として働く。しかし、燃料電池は、燃料電池が欠陥品電池かつ抵抗性寄生負荷になる故障モードを有し得る。たとえば、燃料電池が割れる、または他のやり方で損傷するならば、燃料電池の故障が起こり得る。故障した、または本来の性能を発揮しない燃料電池は、電圧損失を回避するためにバイパスされ得る。様々な態様が、燃料電池スタック中の欠陥品燃料電池をバイパスするためのシステムおよび方法を提供する。
【００２６】
図2Aは、態様にしたがってバイパスされる欠陥品燃料電池1aを有する燃料電池スタック200の断面図を示す。燃料電池スタック200は、カソード電極3、電解質5、およびアノード電極7を含む燃料電池1を含む。燃料電池1は、インターコネクト9によって直列に接続されている。電気絶縁シール102がインターコネクト9の間の複数の側面で燃料電池1を包囲し得る。
【００２７】
インターコネクト9は、対応するカソード電極3に空気を提供し得るカソードガス流路208を含み得る。図2Aは、カソード流路208が燃料電池1の上に見えるような断面を示す。アノード流路は、図2Aには示されていないが、各インターコネクトの反対側で、アノード電極7に隣接して、かつカソードガス流路208に対して平行に（または代替態様においては垂直に）延び得る。アノード流路は、アノード流路がスタック200の側面まで延びないように内部的にマニホルド化され得、一方、空気通路は外部的にマニホルド化され得る。
【００２８】
欠陥品燃料電池1をバイパスするために、ジャンパ202が燃料電池スタック200に取り付けられている。図2Aに示すように、ジャンパ202は、燃料電池1aのどちらの側にもインターコネクト9a、9bに取り付けられ得る。ジャンパ202は、溶接、スポット溶接、またはジャンパ202をインターコネクト9に電気的に接続する他の手段によって取り付けられ得る。しかし、スタック中の非欠陥品電池に隣接して配置されたジャンパ（または他のバイパス導体）は存在せず、非欠陥品電池を挟むインターコネクトがジャンパまたは別のバイパス導体によって接続されないようになっている。
【００２９】
ジャンパ202は、電流ための代替の低抵抗路を提供し、それにより、ジャンパ202が取り付けられたインターコネクト9a、9b間で燃料電池1aをバイパスし得る。電流は、通常ならば、燃料電池1およびインターコネクト9を直列に通過するであろう。しかし、2つのインターコネクト9a、9bに電気的に接続されたジャンパ202は、該ジャンパ202を、2つのインターコネクト9a、9b間で燃料電池1aと平行に配置する。燃料電池1aが、抵抗性寄生負荷として作用する、故障した、または本来の性能を発揮しない燃料電池であるならば、電流は、燃料電池1aではなく、低抵抗ジャンパ202を通過し、それにより、電圧損失を回避し得る。
【００３０】
燃料電池スタックは複数のジャンパ202によって改変され得る。図2Aは、同じ燃料電池1aをバイパスするための、燃料電池スタック200の両側にある2つのジャンパ202を示す。代替態様は、燃料電池1をバイパスするために1つまたは複数のジャンパ202を使用し得る。さらなる態様において、燃料電池スタックは、複数の燃料電池をバイパスするために取り付けられた複数のジャンパ202を有し得る。
【００３１】
代替態様においては、複数の燃料電池が1つのジャンパによってバイパスされてもよい。図2Bは、延長型ジャンパ254を用いた燃料電池スタック250を示す。延長型ジャンパ254は、隣接しないインターコネクト9c、9dを電気的に接続し、それにより、隣接しないインターコネクト9c、9d間の燃料電池1bおよび1cをバイパスし得る。
【００３２】
図3は、燃料電池スタック中の燃料電池をバイパスするための具体化方法300を示す。ステップ302において、燃料電池スタック中の、バイパスする1つまたは複数の燃料電池が特定され得る。たとえば、故障した、もしくは本来の性能を発揮していなかった（たとえば、燃料電池が十分なパワーを生成していなかった、割れていた、または任意の他の基準を満たしていなかった）、または故障している、もしくは本来の性能を発揮していないと疑われた燃料電池1が、欠陥品でありバイパスすべきとして特定され得る。燃料電池および燃料電池スタックは、燃料電池が故障していたかどうか、または本来の性能を発揮していなかったどうかを決定するために、多様なセンサ装置、たとえば電圧、電流、または圧力プローブによってモニタしてもよい。
【００３３】
ステップ304において、ジャンパのための接続部位が準備され得る。燃料電池スタックが準備を要しないならば、このステップは任意選択でもよい。燃料電池スタックが準備を要するならば、ジャンパ接続部位は、たとえばスタックの側面のインターコネクト9から材料またはコーティング（たとえばペロブスカイトコーティング）を除去することによって準備され得る。たとえば、燃料電池スタックの側面から白金、ニッケル、インコネル、またはランタンストロンチウムマンガナイト（LSM）が除去され得る。材料またはコーティング、たとえばペロブスカイトコーティングは、レーザアブレーション法により、ガスレーザ、たとえばCO2レーザを10,000nmピーク波長範囲で使用して除去され得る。材料の除去は、インターコネクト9とジャンパ202、254との間でより良好な接触をもたらし、ベアメタルベース材料へのジャンパ202、254の溶接またはスポット溶接を容易にし得る。
【００３４】
ステップ306において、ジャンパが燃料電池スタックに溶接され得る。ジャンパ202、254は、図2Aに示すように2つのインターコネクト9に溶接され、それにより、ステップ302で特定された燃料電池1が電気的にバイパスされ得る。さらなる態様において、ジャンパ202、254の溶接は、ジャンパ202、254を燃料電池スタックの第一のインターコネクトおよび第二のインターコネクトにスポット溶接することを含む。いくつかの態様において、ジャンパ202、254の溶接は、ジャンパを燃料電池スタックの第一のインターコネクトおよび第二のインターコネクトにレーザ溶接することを含み得る。たとえば、ジャンパは、YbAG、NdAGまたはYAGレーザによってインターコネクトに溶接され得る。
【００３５】
様々な態様において、ジャンパは組成が異なり得る。たとえば、ジャンパは金属のストリップを含み得る。または、ジャンパは非金属導電性材料であってもよい。ジャンパの材料は、作動中の不均一な膨張および破損を防ぐために、燃料電池スタックの他の部分の熱膨張係数に合致するように選択され得る。ジャンパはまた、燃料電池スタックの複数の側面に取り付けられるように、または複数のインターコネクトに取り付けられるように、サイズおよび形状が異なり得る。さらなる態様において、ジャンパは、複数の燃料電池を電気的にバイパスするように構成され得る。
【００３６】
さらなる態様は、特定された燃料電池のカソードの入口および／または出口を封止材料で封止することを含み得る。図4は、カソード電極3、電解質5、およびアノード電極7を含む燃料電池1を有する燃料電池スタック400を示す。燃料電池1は、インターコネクト9によって、対応するカソード電極3に空気を提供し得るカソードガス流路208と直列に接続されている。図4は、図2Aおよび2Bのような断面図ではなく、燃料電池1を包囲する絶縁シール102がすべての側で見えるような正面斜視図を提示する。カソードガス流路208は、たとえばカソードガス流路208が外部的にマニホルド化される場合など、スタックの前面を通過して延び得る。バイパスされる燃料電池1に対応するカソードガス流路208は封止材料418によって封止され得る。
【００３７】
様々な態様において、封止材料418は様々な材料、たとえばガラスまたは複合金属混合物を含み得る。たとえば、封止材料418は、ランタンストロンチウムマンガネート、マンガンコバルト混合物、またはアルミナペースト組成物を含み得る。封止材料は、作動中の不均一な膨張および破損を防ぐために、燃料電池スタックの他の部分の熱膨張係数に合致するように選択され得る。
【００３８】
図5は、ガス流路208を封止し、かつ燃料電池スタック中の燃料電池をバイパスするための具体化方法500を示す。ステップ502において、燃料電池スタック中の、バイパスする1つまたは複数の燃料電池が特定され得る。欠陥品燃料電池は大きな電圧降下として作用し得、したがって、欠陥品燃料電池を特定し、かつバイパスすることが好都合であり得る。たとえば、故障した、もしくは本来の性能を発揮していなかった（たとえば、十分な電圧を生成していなかった、割れていた、または任意の他の基準を満たしていなかった）、または故障している、もしくは本来の性能を発揮していないと疑われた燃料電池が、バイパスすべきとして特定され得る。燃料電池および燃料電池スタックは、燃料電池が故障していたかどうか、または本来の性能を発揮していなかったかどうかを決定するために、多様なセンサ装置、たとえば電圧または圧力プローブによってモニタしてもよい。
【００３９】
ステップ504において、ジャンパのための接続部位が準備され得る。燃料電池スタックが準備を要しないならば、このステップは任意選択でもよい。燃料電池スタックが準備を要するならば、ジャンパ接続部位は、たとえばスタックの側面から材料を除去することによって準備され得る。たとえば、燃料電池スタックの側面から白金、ニッケル、インコネル、またはランタンストロンチウムマンガナイト（LSM）が除去され得る。材料の除去は、インターコネクト9とジャンパ202との間でより良好な接触をもたらし、ベアメタルベース材料へのジャンパの溶接またはスポット溶接を容易にし得る。ステップ504における準備はまた、必要であり得る、またはカソードガス流路208に到達することを容易にし得る。
【００４０】
ステップ506において、カソードガス流路208が封止され得る。たとえば、ステップ502で特定された燃料電池に対応するカソードガス流路208の入口および／または出口に封止材料418を適用してもよい。任意選択のステップ508において、ステップ506からの任意の過剰な封止材料を除去することができ、この部位をジャンパ202のために再び準備してもよい。
【００４１】
ステップ510において、ジャンパ202が燃料電池スタックに溶接、たとえばスポット溶接され得る。ジャンパ202は、図4に示すように2つのインターコネクト9に溶接され、それにより、ステップ502で特定された燃料電池1が電気的にバイパスされ得る。代替態様においては、アノードの入口および／または出口を封止してもよいし、あるいはアノードおよびカソード両方の入口および／または出口を封止してもよい。
【００４２】
さらなる態様は、カソードの入口および／または出口を封止し、かつ同じ構造の燃料電池をバイパスし得る。図6は、カソード電極3、電解質5、およびアノード電極7を含む燃料電池1を有する燃料電池スタック600の斜視断面図を示す。燃料電池スタック600は、図2A、2B、および4とは異なる角度で示されている。代わりに、カソードガス流路208は左右に延び、アノードガス流路608は断面図で見られ得る。燃料電池1は、インターコネクト9によって、対応するカソード電極3に空気を提供し得るカソードガス流路208と直列に接続されている。封止ジャンパ602がカソードの入口652および出口654を封止してもよく、さらに、インターコネクト9g、9hを電気的に接続し、それにより、燃料電池1eをバイパスし得る。
【００４３】
さらなる態様のシステムは、それぞれが複数の燃料電池スタック（たとえばSOFCスタック）を含み得る1つまたは複数のカラムを含み得る。様々な態様において、燃料電池スタックカラムは、カラム中の1つまたは複数の燃料電池スタック全体をバイパスするように構成されている低抵抗ジャンパによって改変され得る。1つまたは複数の燃料電池スタックを回避するためにそのようなジャンパによって電気的に接続され得る構造は、カラムの構成に基づいて変化し得る。
【００４４】
図7Aは、それぞれが複数の燃料電池704（たとえば25個の燃料電池）を含み得る複数の燃料電池スタック、たとえばスタック702a、702bを含む例示的なカラム700を示す。このシステムにおいては、カソードフィードをカソード流路の中に送り、隣接するスタック間の空間を埋め、圧縮荷重を燃料電池スタック702に加えるために、1つまたは複数のセラミックサイドバッフル706がカラム700の両側に配置され得る。サイドバッフル706はまた、カラム700中の燃料電池スタックをシステム中の金属部品から電気的に分離し得る。燃料電池スタックへの荷重は、任意の1つまたは複数の荷重源、たとえばシステムの基礎、カラム下部のブロック、および／またはカラム上部のばねアセンブリから提供され得る。
【００４５】
同じくカラム700において、セラミックサイドバッフル706は、アルミナまたはアルミナ繊維／アルミナマトリックスCMCのような材料から作られ得る1つまたは複数の連結型バッフル板から構成され得る。いくつかの態様においては、プレート形セラミックインサート708が、バッフル板を、カラム下部のブロックに、および／またはカラム上部のばねアセンブリに、および／または互い（バッフル板が複数ある場合）に接続して、サイドバッフル706を形成し得る。インサート708は、バッフル板中の対応する円形または準円形の切欠きの中に嵌まって、バッフル706の全体強度を増し、かつ／またはバッフル板間の接触点の応力を減らし得る。いくつかの態様において、インサート708は絶縁材料で作られ得る。
【００４６】
カラム700中の燃料電池スタック702、たとえばスタック702a、702bは、それぞれ、スタック702を直列に接続するように機能する導電性エンドプレート710を含み得る（たとえば、1つのスタックのエンドプレートが次のスタックのエンドプレートに電気的に接続される、または1つのエンドプレートが隣接するスタックの間で共用される）。さらに、1つまたは複数の燃料分配マニホルド712が隣接する燃料電池スタックの間に提供され得る。エンドプレートは、物理的に接触する状態に配されることによって直接的に、またはたとえばエンドプレート間に位置する導電性燃料マニホルドを介して間接的に、のいずれかで、互いに電気的に接続されることができる。
【００４７】
ある態様においては、ジャンパ714aが、欠陥品スタックをバイパスするために、カラム700の1つの側で、たとえばサイドバッフル706を形成するバッフル板の間に形成され得る。別の態様においては、2つのジャンパ714aが、カラム700の両側で、サイドバッフル706を形成するバッフル板の間に形成され得る。このようにして、少なくとも1つのジャンパ714aは、燃料電池スタック702aをバイパスするために、隣接しない燃料電池スタックのエンドプレートを電気的に接続する。別の態様においては、少なくとも1つのジャンパ714bが、カラム700の前面および／または背面に形成されて、1つまたは複数の欠陥品燃料電池スタック702bの上および下に位置する燃料電池スタックのエンドプレートの露出縁を接続し得る。
【００４８】
図7Bは、燃料電池システムにおける別の例示的カラム750を示す。カラム700と同様に、カラム750は、それぞれが複数の燃料電池（たとえば1スタックあたり10〜100個、たとえば25〜50個の燃料電池）を含み得る複数の燃料電池スタック（たとえばスタック702c〜702f）を含み得る。ある態様において、1つまたは複数のジャンパが、カラム内の、異なる対の隣接スタック間に存在する燃料分配マニホルド712a、712bを電気的に接続することによって形成され得る。たとえば、燃料分配マニホルド712a（すなわち、下側の本来の性能を発揮しないスタック702cと隣接スタック702dとの間）と、燃料分配マニホルド712b（すなわち、上側の本来の性能を発揮しないスタック702eと隣接スタック702fとの間）との間にジャンパを接続することにより、1つまたは複数の欠陥品燃料電池スタック、たとえば2つ以上の本来の性能を発揮しない、または故障した隣接燃料電池スタック、たとえばスタック702c、702eをバイパスし得る。ある態様において、燃料分配マニホルド712a、712bは、カラム750の側方に突出する部分を有し得、一方または両方のジャンパ714cは、カラム750の片側または両側で燃料分配マニホルド712a、712bの突出部分の間に形成され得る。
【００４９】
別の態様において、少なくとも1つのジャンパ714dは、カラム750の前面および／または背面の導電性燃料分配マニホルド712a、712bの露出縁を接続するために形成され得る。様々な態様が少なくとも1つのジャンパ714cと少なくとも1つのジャンパ714dとの組み合わせを具現化し得る。
【００５０】
図7Aおよび7Bにおけるジャンパ構成はそれぞれ1つおよび2つの燃料電池スタックをバイパスするものとして示されているが、任意のそのようなジャンパは、カラムの具体的な構成に基づいて、1つまたは複数の隣接する燃料電池スタックをバイパスするように具現化されてもよいことが当業者によって理解されよう。さらには、図7Aおよび7Bにおける態様を説明する中で「上側」および「下側」などの用語の使用は、絶対的方向とは違い、燃料電池スタックカラムの向きに関連して方向を示すとみなされるべきである。たとえば、水平な燃料電池スタックカラムに適用される場合、「上側」および「下側」という用語は、絶対的方向の「左側」および「右側」（またはその逆）と同等であるとみなされ得る。
【００５１】
図8は、ガス流路208を封止し、かつ同じ構造を有する燃料電池をバイパスする具体化方法800を示す。ステップ802において、燃料電池スタック中の、バイパスする1つまたは複数の燃料電池が特定され得る。たとえば、故障した、もしくは本来の性能を発揮していなかった（たとえば、十分な電圧を生成していなかった、割れていた、または任意の他の基準を満たしていなかった）、または故障している、もしくは本来の性能を発揮していないと疑われた燃料電池が、バイパスすべきとして特定され得る。燃料電池および燃料電池スタックは、燃料電池が故障していたかどうか、または本来の性能を発揮していなかったかどうかを決定するために、多様なセンサ装置、たとえば電圧、電流、または圧力プローブによってモニタされ得る。
【００５２】
ステップ804において、封止ジャンパ602を形成するために導電性封止材料を適用するための部位が準備され得る。燃料電池スタックが準備を要しないならば、このステップは任意選択でもよい。燃料電池スタックが準備を要するならば、ジャンパ接続部位は、たとえばスタックの側面から材料を除去することによって準備され得る。たとえば、燃料電池スタックの側面から白金、ニッケル、インコネル、またはランタンストロンチウムマンガナイト（LSM）が除去され得る。
【００５３】
ステップ806において、導電性封止材料が、特定された燃料電池のカソードの入口または出口を封止するように、かつこの導電性封止材料が、特定された燃料電池を電気的にバイパスするように、前記導電性封止材料が、燃料電池スタックに適用され得る。導電性封止材料は封止ジャンパ602を形成し得る。導電性封止材料の適用は様々な方法で実施され得る。たとえば、導電性封止材料は、燃料電池スタックにプラズマ溶射されて、燃料電池スタックの第一のインターコネクトと第二のインターコネクトとを接続し得る。
【００５４】
導電性封止材料は様々な材料を含み得る。たとえば、導電性封止材料は、金属合金、導電性ガラス、または複合金属混合物を含み得る。さらなる態様において、導電性封止材料は、ランタンストロンチウムマンガネート、マンガンコバルト混合物、またはアルミナペースト組成物を含み得る。
【００５５】
導電性封止材料は、作動中の不均一な膨張および破損を防ぐために、燃料電池スタックの他の部分の熱膨張係数に合致するように選択され得る。導電性封止材料はまた、燃料電池スタックに適用されたときに構造的支持および安定性を提供するために、導電率、ガラス転移温度、および／または様々な機械的性質に基づいて選択され得る。代替態様においては、ステップ806において、アノードの入口および／もしくは出口を封止してもよく、またはアノードおよびカソードの両方の入口および／もしくは出口を封止してもよい。
【００５６】
燃料電池1は、1つまたは複数のジャンパ202によって、または封止ジャンパ602として適用された導電性封止材料によって電気的にバイパスされ得る。これらの導電性バイパス機構は、ダイオードまたは他の電気部品を要することなく、1つまたは複数の燃料電池を電気的にバイパスし得る。
【００５７】
開示された局面の前記説明は、当業者が本発明を実施または使用することを可能にするために提供されたものである。これらの局面への様々な改変が当業者には容易に理解され、本明細書において明らかにされる一般的原理は、本発明の範囲を逸脱することなく、他の局面にも適用され得る。したがって、本発明は、本明細書に示される局面に限定されるものではなく、本明細書に開示される原理および新規な特徴と合致するもっとも広い範囲と一致する。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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８】
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【国際調査報告】
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