(57)【要約】【課題】【解決手段】固体酸化物燃料電池スタック１０は、複数のモジュール１２を備えている。モジュール１２の各々は、細長い中空部材１４を備えている。中空部材１４の各々は、反応剤が流れるため中空部材１４を貫通して長手方向に伸びる少なくとも１つの通路３２を有している。中空部材１４の各々は２つの平行な平坦面１６、１８を有している。モジュール１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃの少なくとも１つは、複数の固体酸化物燃料電池２０を有している。固体酸化物燃料電池２０はモジュール１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃの平坦面１６、１８上に配置されている。モジュール１２の各々の少なくとも一端３４は、反応剤がモジュール１２を通って連続的に流れるのを許容し得るよう隣接するモジュール１２の一端３６に接続されている。モジュール１２の配置は、固体酸化物燃料電池スタック１０内に順応性を提供し、固体酸化物燃料電池スタック１０内の熱的及び機械的応力は減少する。
2004537143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々のモジュール（１２）が細長い中空部材（１４）を有する複数のモジュール（１２）を備え、中空部材（１４）の各々が、反応剤が流れるため中空部材（１４）を貫通して長手方向に伸びる少なくとも１つの通路（３２）を有し、中空部材（１４）の各々が、２つの平行な平坦面（１６、１８）を有し、モジュール（１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ）の少なくとも１つが、複数の固体酸化物燃料電池（２０）を有し、固体酸化物燃料電池（２０）が、少なくとも１つのモジュール（１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ）の平坦面（１６、１８）の少なくとも１つに配置され、隣接するモジュール（１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ）の面（１６、１８）が、実質的に平行に且つ隔てて配置された固体酸化物燃料電池スタック（１０）において、モジュール（１２）の各々の少なくとも一端（３４）が隣接するモジュール（１２）の一端（３６）に接続され、反応剤がモジュール（１２）を通って連続的に流れるのを許容し、また、固体酸化物燃料電池スタック（１０）内の熱的及び機械的応力が減少するようにしたことを特徴とする、固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項２】
反応剤を供給するマニホルド（３８）と、反応剤を除去するマニホルド（４０）とを備え、モジュール（１２）の各々が、第一の端部（３４）及び第二の端部（３６）を有し、モジュール（１２Ａ）の第一のものの第一の端部（３４）がモジュール（１２Ａ）の第一のものに反応剤を供給し得るようマニホルド（３８）に接続され、マニホルド（１２Ｂ）の第二のものの第二の端部（３６）が反応剤をマニホルド（１２Ｂ）の第二のものから除去し得るようにマニホルド（４０）に接続され、モジュール（１２Ａ）の第一のものの第二の端部（３６）が隣接するモジュール（１２Ｃ）の第一の端部（３４）に接続され、モジュール（１２Ｂ）の第二のものの第一の端部（３４）が隣接するモジュール（１２Ｃ）の第二の端部（３６）に接続される、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項３】
モジュール（１２Ａ）の第一のものの第二の端部（３６）が、モジュール（１２Ｃ）の第二のものの第一の端部（３４）に接続される、請求項２に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項４】
中空部材（１４）の各々が複数の通路（３２）を有する、請求項１、２又は３に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項５】
少なくとも１つの中空部材（１４）が、中空部材（１４）の他のものと異なる長さを有する、請求項１から４の何れかに記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項６】
該少なくとも１つのモジュール（１２）が、該モジュール（１２）の平坦面（１６、１８）の双方に複数の燃料電池（２０）を有する、請求項１から５の何れかに記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項７】
モジュール（１２）の各々が複数の固体酸化物燃料電池（２０）を有する、請求項１から６の何れかに記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項８】
モジュール（１１２Ｅ）の少なくとも１つが熱交換器（１２１）を備える、請求項１から７の何れかに記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項９】
モジュール（１１２Ｆ）の少なくとも１つが燃料改質器（１２３）を備える、請求項１から７の何れかに記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１０】
少なくとも１つのモジュール（１１２Ｆ）が、中空部材（１１４）を通る少なくとも１つの通路（１３２）内に配置された触媒（１４４）を有する、請求項９に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１１】
該触媒（１４４）が、中空部材（１１４）を通る少なくとも１つの通路（１３２）の面に配置される、請求項１０に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１２】
１つの部材（１４６）が中空部材（１１４）を通る少なくとも１つの通路（１３２）内に配置される、請求項１から１１の何れかに記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１３】
該部材（１４６）がワイヤのコイルである、請求項１２に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１４】
部材（１４６）が、中空部材（１１４）と共に通路（１３２）を通るヘリカル流路を画成する配置及び形態とされる、請求項１２に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１５】
触媒（１４４）が部材（１４６）に配置される、請求項１２、１３又は１４に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１６】
モジュール（１２）の各々が端部キャップ又はスペーサにより隣接するモジュール（１２）に接続される、請求項１から１５の何れかに記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１７】
隣接するモジュール（１２Ａ、１２Ｂ）の中心線（ｘ）が、モジュール（１２）の波状の配置を形成し得るよう実質的に同一平面内に配置される、請求項１から１６の何れかに記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１８】
隣接するモジュール（３１２Ａ、３１２Ｂ）の中心線（ｘ）がモジュール（３１２）のヘリカルな配置を形成し得るよう異なる平面内に配置される、請求項１から１６の何れかに記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１９】
隣接するモジュール（３１２Ａ、３１２Ｂ）の中心線（ｘ）が、４５°、６０°、７２°又は９０°の角度にて配置される、請求項１８に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項２０】
少なくとも１つの減衰部材（３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ）が隣接するモジュール（１２）の間に配置される、請求項１から１９の何れかに記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項２１】
該減衰部材（３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ）が、弾性的な波形部材（３７Ａ）、又は弾性的なＣ字形部材（３７Ｂ）である、請求項２０に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項２２】
該減衰部材（３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃ）が金属（３７Ａ、３７Ｂ）である、請求項２０に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項２３】
該減衰部材（３７Ａ、３７Ｂ）が電気絶縁性被覆を有する、請求項２２に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項２４】
固体酸化物燃料電池（２０）の各々が、アノード電極（２２）と、カソード電極（２６）と、固体酸化物電解質（２４）とを備える、請求項１から２３の何れかに記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項２５】
アノード電極（２２）が、細長い中空部材（１４）の平坦面（１６、１８）上に配置される、請求項２４に記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項２６】
少なくとも１つの細長い中空部材（１４）の少なくとも１つの通路（３２）がその長さの全体に亙って異なる断面積を有する、請求項１から２５の何れかに記載の固体酸化物燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物燃料電池スタックに関する。
固体酸化物燃料電池の主要な変形例は、管状固体酸化物燃料電池（Ｔ−ＳＯＦＣ）、平面状固体酸化物燃料電池（Ｐ−ＳＯＦＣ）及び一体構造の固体酸化物燃料電池（Ｍ−ＳＯＦＣ）である。
【０００２】
管状固体酸化物燃料電池は、内側電極及び外側電極を有する管状の固体酸化物電解質部材を備えている。
一体構造の固体酸化物燃料電池は、２つの変形例を有する。第一の変形例は、その２つの主要面に電極を有する平面状固体酸化物電解質部材を備えている。第二の変形例は、その２つの主要面に電極を有する波形固体酸化物電解質部材を備えている。
【０００３】
我々の欧州特許第０６６８６２２Ｂ１号には、複数のモジュールを備える新規な固体酸化物燃料電池が開示されている。これらモジュールの幾つかは、その上に固体酸化物燃料電池が配置される２つの平行な平坦面を有する中空部材を備えている。各モジュールの両端は、可撓性のベローズ接続部によって反応剤マニホルドに接続されている。
【０００４】
しかし、かかる配置は、固体酸化物燃料電池スタック内の機械的及び熱的応力を最小限にするため固体酸化物燃料電池内で十分な熱的及び機械的可撓性を提供しない。
従って、本発明は、上述した問題点を軽減し、好ましくは解決する新規な固体酸化物燃料スタックを提供しようとするものである。
【０００５】
従って、本発明は、各々のモジュールが細長い中空部材を有する複数のモジュールを備え、中空部材の各々が、反応剤が流れるため中空部材を貫通して長手方向に伸びる少なくとも１つの通路を有し、中空部材の各々が２つの平行な平坦面を有し、モジュールの少なくとも１つが複数の固体酸化物燃料電池を有し、固体酸化物燃料電池が少なくとも１つのモジュールの平坦面の少なくとも１つに配置され、隣接するモジュールの面が実質的に平行に且つ隔てて配置され、モジュールの各々の少なくとも一端が隣接するモジュールの一端に接続され、反応剤がモジュールを通って連続的に流れるのを許容し、また、固体酸化物燃料電池スタック内の熱的及び機械的応力が減少するようにした、固体酸化物燃料電池スタックを提供する。
【０００６】
好ましくは、固体酸化物燃料電池スタックは、反応剤を供給するマニホルドと、反応剤を除去するマニホルドとを備え、モジュールの各々が、第一の端部及び第二の端部を有し、モジュールの第一のものの第一の端部がモジュールの第一のものに反応剤を供給し得るようマニホルドに接続され、マニホルドの第二のものの第二の端部が反応剤をマニホルドの第二のものから除去し得るようにマニホルドに接続され、モジュールの第一のものの第二の端部が隣接するモジュールの第一の端部に接続され、モジュールの第二のものの第一の端部が隣接するモジュールの第二の端部に接続されるようにする。
【０００７】
モジュールの第一のものの第二の端部は、モジュールの第二のものの第一の端部に接続することができる。
好ましくは、中空部材の各々は複数の通路を有するようにする。
【０００８】
少なくとも１つの中空部材は、中空部材の他のものと異なる長さを有するようにすることができる。
好ましくは、該少なくとも１つのモジュールは、該モジュールの平坦面の双方に複数の燃料電池を有するようにする。
【０００９】
モジュールの各々は複数の固体酸化物燃料電池を有することができる。
モジュールの少なくとも１つは熱交換器を備えることができる。
モジュールの少なくとも１つは燃料改質器を備えることができる。該少なくとも１つのモジュールは、中空部材を通る少なくとも１つの通路内に配置された触媒を有することができる。該触媒は、中空部材を通る少なくとも１つの通路の面に配置することができる。
【００１０】
１つの部材を中空部材を通る少なくとも１つの通路内に配置することができる。該部材は、ワイヤのコイルとすることができる。部材は、中空部材と共に通路を通るヘリカル流路を画成する配置及び形態とすることができる。触媒を部材に配置することができる。
【００１１】
モジュールの各々は、端部キャップにより隣接するモジュールに接続することができる。
モジュールの各々は、スペーサによって隣接するモジュールに接続することができる。該スペーサは、セラミック製座金又は金属製座金を備えることができる。
【００１２】
好ましくは、固体酸化物燃料電池スタックは、２０個までのモジュールを備えている。好ましくは、これらモジュールは５０ｍｍから２０００ｍｍの長さを有するものとする。好ましくは、モジュールは２０ｍｍから３００ｍｍの幅を有するものとする。好ましくは、モジュールは３０ｍｍまでの厚さを有し、より好ましくは、モジュールは１０ｍｍまでの厚さを有するものとする。
【００１３】
隣接するモジュールの中心線は、モジュールの波状の配置を形成し得るよう実質的に同一平面内に配置することができる。
これと代替的に、隣接するモジュールの中心線はモジュールのヘリカルな配置を形成し得るよう異なる平面内に配置することができる。隣接するモジュールの中心線は垂直に配置することができる。隣接するモジュールの中心線は、４５°、５２°又は６０°の角度にて配置することができる。
【００１４】
好ましくは、少なくとも１つの減衰部材が隣接するモジュールの間に配置されるものとする。該減衰部材は、弾性的な波形部材とし、又は減衰部材は弾性的なＣ字形部材とすることができる。
【００１５】
好ましくは、固体酸化物燃料電池の各々は、アノード電極と、カソード電極と、固体酸化物電解質とを備えるものとする。
好ましくは、アノード電極は、細長い中空部材の平坦面上に配置されるものとする。
【００１６】
少なくとも１つの細長い中空部材の少なくとも１つの通路はその長さの全体に亙って異なる断面積を有するものとすることができる。該少なくとも１つの通路は拡がり通路又は先細り通路とすることができる。
【００１７】
本発明は、添付図面を参照しつつ単に一例としてより詳細に説明する。
本発明による固体酸化物燃料電池スタック１０は、図１から図５に示されている。該固体酸化物燃料電池スタック１０は、ケーシング１３内に配置された複数のモジュール１２を備えている。モジュール１２の各々は、１つの細長い中空部材１４を備えている。中空部材１４は、完全に又は部分的に安定化したジルコニア、アルミナ、炭化ケイ素、マグネシアで被覆したマグネシアアルミン酸塩又はその他の適宜なセラミック系材料にて製造される。中空部材１４の各々は、その上に固体酸化物燃料電池２０が配置される２つの平行な面１６、１８を有している。中空部材１４は、多孔質であり、燃料が固体酸化物燃料電池２０まで流れるのを許容する。
【００１８】
固体酸化物燃料電池２０は、図２及び図３に示すように、面１６、１８に沿って長手方向に隔てられており、面１６、１８の各々における固体酸化物燃料電池２０は直列に電気的に接続されている。
【００１９】
固体酸化物燃料電池２０の各々は、図３に示すように、アノード電極２２と、固体酸化物電解質２４と、カソード電極２６とを備えている。面１６、１８の各々における燃料電池２０の１つのアノード電極２２は、複数の相互接続具２８のそれぞれ１つによって隣接する燃料電池１８のカソード電極２６に電気的に接続されている。
【００２０】
中空部材１４の各々は、燃料を固体酸化物燃料電池２０に供給するため、中空部材１４を通って長手方向に伸びる通路３２を有している。燃料は中空部材１４を通って燃料電池２０のアノード電解質２２まで拡散する。中空部材１４の各々における通路３２は、その長さの全体に亙って均一な断面積を有する。
【００２１】
モジュール１２の各々は、第一の端部３４と、第二の端部３６とを有しており、モジュール１２Ａの第一のものの第一の端部３４が燃料供給マニホルド３８に接続されるようにモジュール１２が配置されている。モジュール１２Ｂの第二のものの第二の端部３６は、図１に示すように、燃料除去マニホルド４０に接続されている。モジュール１２Ｃ、及びモジュール１２Ｂの各々の第一の端部３４は、複数のコネクタ４２のそれぞれ１つによってモジュール１２Ｃ、１２Ａの隣接する１つのものの第二の端部３６に接続されている。コネクタ４２は、図１に示すように、中空部材１４と同様の、好ましくは同一の熱膨張率を有する金属又はセラミックで形成される。
【００２２】
このように、中空部材１４の面１６、１８が実質的に平行で且つ隔てて配置されるようにモジュール１２の各々が配置される。隣接するモジュール１２の面１６、１８が実質的に平行で且つ隔てて配置されるようにモジュール１２が配置される。更に、モジュール１２は波形の配置のモジュール１２を形成し得るように配置されることを認識すべきである。このように、燃料は燃料供給マニホルド３８からモジュール１２Ａ、１２Ｃ、１２Ｂを通って連続的に、図１に示すように、蛇行状流路を通って燃料除去マニホルド４０まで流れることが明らかである。
【００２３】
更に、空気又は酸素は、モジュール１２の長手方向に対し垂直な方向に向けてモジュール１２の間の空間を通って流れる。１つ又は２つ以上の減衰部材３７Ａ、３７Ｂ又は３７Ｃが隣接するモジュール１２の間の適宜な位置に配置されることが好ましい。
【００２４】
減衰部材３７Ａの各々が、例えば、金属のような弾性的なばね材料から製造され且つ波形の形状に形成される。減衰部材３７Ａの各々は、隣接するモジュール１２の面と当接するように配置される。減衰部材３７Ａには、該部材が燃料電池２０に当接するように配置されるならば、電気絶縁性被覆が設けられる。また、減衰部材３７Ａは空気又は酸素の流れを燃料電池２０のカソード２６を横断する要求される方向に向けて導く流れ誘導器として機能するため、該減衰部材は追加的な有利な効果も有する。
【００２５】
減衰部材３７Ｂの各々は、例えば、金属のような弾性的なばね材料から製造され且つＣ字形の形状に形成される。減衰部材３７Ｂの各々は、隣接するモジュール１２の面と当接するように配置される。減衰部材３７Ｂには、該減衰部材が燃料電池２０と当接するように配置されるならば、電気絶縁性被覆が設けられる。
【００２６】
減衰部材３７Ｃの各々は、例えば、織ったセラミック紐のような弾性的なばね材料から製造される。減衰部材３７Ｃの各々は隣接するモジュール１２の面と当接するように配置される。減衰部材３７Ｃは、該減衰部材が燃料電池２０と当接するように配置される場合でさえ、電気的絶縁性被覆を必要としない。
【００２７】
相互接続具３０の間に電気的接続部を提供することにより、モジュール１２の各々の面１６、１８上で固体酸化物燃料電池２０の間に電気的接続部が提供される。図３において、燃料電池２０は、モジュール１２の各々にて対称に配置され、モジュール１２の各々の第一の端部３４における面１６の燃料電池２０の１つのもののカソード電極２６は、相互接続具３０を通じてそれぞれのモジュール１２の第一の端部３４における面１８上の燃料電池２０の１つのもののカソード電極２６に電気的に接続されている。該電気的相互接続部は、モジュール１２の周りに巻かれた導電性バンド３３を有し、また好ましくは、バンド３３は、白金を備えるものとする。同様に、モジュール１２の各々の第二の端部３６における面１６上の燃料電池２０の１つのもののアノード電極２２は、相互接続具３０を通じてそれぞれのモジュール１２の第二の端部３６における面１８上の燃料電池２０の１つのもののアノード電極２２に電気的に接続されている。電気的相互接続部は、同様に、モジュール１２の周りに巻かれた導電性バンドを備えている。この配置において、モジュール１２の各々の面１６、１８における固体酸化物燃料電池２０は、モジュール１２の第一の端部３４及び第二の端部３６にて相互接続具３０を使用して電気的に並列に電気的に接続されている。次に、隣接するモジュール１２は相互接続具３０を電気的に接続することにより、電気的に並列に接続される。
【００２８】
図示しない１つの代替的な配置において、モジュール１２の各々の面１６、１８の各々における燃料電池２０の１つのもののアノード電極２２は、相互接続具３０のそれぞれ１つによって隣接するモジュール１２の面１８、１６の１つにおける燃料電池２０の１つのカソード電極２６に電気的に接続されている。この配置において、隣接するモジュール１２の面１６、１８における固体酸化物燃料電池２０は、モジュール１２の第一の端部３４及び第二の端部３６にて相互接続具３０を使用して電気的に並列に電気的に接続されている。
【００２９】
モジュール１２の１つのものの第一の端部３４、モジュール１２の１つのものの第二の端部３６及びコネクタ４２が図４に図示されている。モジュール１２の１つのものの第一の端部３４には、中空部材１４を通って隣接するモジュール１２に向けて伸びる１つ又は２つ以上の開口４４が設けられている。モジュール１２の１つのものの第二の端部３６には、１つ又は２つ以上の開口４６が設けられている。モジュール１２の１つのものの第二の端部３６に設けられた開口４６の数は、その他のモジュール１２の第一の端部３４に設けられた開口４４の数と同数とし又は異なる数とすることができる。開口４６は、中空部材１４を通って隣接するモジュール１２に向けて伸びている。モジュール１２の開口４４、４６は整合されている。
【００３０】
コネクタ４２は、軸部５０と、該軸部５０の一端におけるフランジ５２、５４とを備える実質的にＴ字形部材４８である。Ｔ字形部材４８は１つ、２つ又は３つの片を備えることができる。例えば、軸部５０及びフランジ５２、５４は３つの別個の片とすることができる。部材４８の軸部５０がモジュール１２の端部３４、３６の間に配置されるように部材４８が配置される。部材４８は軸部５０を貫通して伸びる多数の開口５６を有している。部材４８に設けられる開口５６の数は、他方のモジュール１２の第一の端部３４及び第二の端部３６に設けられる開口４４、４６と同数とし、又は異なる数とすることができる。
【００３１】
部材４８は、隣接するモジュール１２の端部３４、３６を分離し且つ、隣接するモジュール１２の端部３４、３６を互いに接合し且つ封止する。開口４４、４６、５６は、燃料が１つのモジュール１２の通路３２から開口４４、５６、４６を通って隣接するモジュール１２内の通路３２まで連続的に流れるのを許容する。軸部５０の端部におけるフランジ５２、５４は、モジュール１２に対する追加的な支持体を提供し且つ、モジュール１２の端部３４、３６を封止することができる。開口４４、４６、５６は、例えば、円形の開口又はスロットのような任意の適宜な形状又は寸法のものとする。
【００３２】
コネクタ４２の軸部５０の端部におけるフランジ５２、５４は、共直線状ではなく、モジュール１２の端部が完全に整合しないようにすることができる。
導電体３１が軸部５０を貫通して伸びて１つのモジュール１２における固体酸化物燃料電池２０と関係した相互接続具３０を隣接するモジュール１２における固体酸化物燃料電池２０と関係した相互接続具３０と相互接続する。
【００３３】
モジュール１２の１つのものの第一の端部３４、モジュール１２の１つのものの第二の端部３６及び１つの代替的なコネクタ４２が図５に図示されている。モジュール１２の１つのものの第一の端部３４はコネクタ４２内に伸び、モジュール１２の１つのものの第二の端部３６は、コネクタ４２内に伸びる。端部３４、３６はコネクタ４２に封止されている。
【００３４】
コネクタ４２は、内部にモジュール１２の１つのものの第一の端部３４、モジュール１２の１つのものの第一の端部３４及びモジュール１２の１つのものの第二の端部３６が位置する２つの平行なスロット６２、６４を有する中空部材６０を備えている。モジュール１２の端部３４、３６は、開放しており、燃料が１つのモジュール１２の通路３２からモジュール１２の端部３６を通って流れ、コネクタ４２内で１８０°方向変更し且つ、隣接するモジュール１２の端部３４を通って隣接するモジュール１２の通路３２内に流れるのを許容する。
【００３５】
導電体３１は、コネクタ４２の内面に沿って伸びて１つのモジュール１２における固体酸化物燃料電池２０と関係した相互接続具３０を隣接するモジュール１２における固体酸化物燃料電池２０と関係した相互接続具３０と相互接続する。図４に示したコネクタ４２における電気的接続はまた図５に示したコネクタ４２にも当て嵌まる。図５に示したコネクタ４２は、図４及び図５に示した電気的接続具の一方又は双方の何れかを備えることができる。
【００３６】
モジュール１２の１つのものの第一の端部３４、モジュール１２の１つのものの第二の端部３６及び更なるコネクタ４２が図６に図示されている。
コネクタ４２は、軸部７２と、軸部７２の一端におけるフランジ７４、７６とを備える実質的にＴ字形部材７０を備えている。部材７０の軸部７２がモジュール１２の端部３４、３６の間に配置されるように部材７０が配置されている。フランジ７４、７６は、軸部７２に隣接して最大の厚さを有し且つ、軸部７２から厚さが減少しテーパー付き面を形成する。該テーパー付き面は、任意の適宜な角度、好ましくは３０°から６０°の範囲、例えば４５°の角度とすることができる。モジュール１２の端部３４、３６はまた、任意の適宜な角度にてテーパーが付けられており、フランジ７４、７６に当接する面を備えている。１つ又は２つ以上の開口７８がフランジ７４、７６のテーパー付き面の間で部材７０を貫通して伸びている。この配置は、接合材料がせん断応力を支持することができるならば、部材７０及び細長い中空部材１４が異なる熱膨張率を有することを許容する。
【００３７】
部材７０は、隣接するモジュール１２の端部３４、３６を分離し且つ、隣接するモジュール１２の端部３４、３６を互いに接合し且つ封止する。開口７８は、燃料が１つのモジュール１２の通路３２から開口７８を通って隣接するモジュール１２の通路３２に流れるのを許容する。軸部７２の端部におけるフランジ７４、７６は、モジュール１２に対する追加的な支持体を提供し且つ、モジュール１２の端部３４、３６を封止する。開口７８は、例えば、円形の開口又はスロットのような任意の適宜な形状又は寸法のものである。
【００３８】
コネクタ４２の軸部７２の端部におけるフランジ７４、７６は、共直線状ではなく、モジュール１２の端部は完全に整合しないようにすることができる。
導電体３１は、軸部７２を貫通して伸びて１つのモジュール１２における固体酸化物燃料電池２０と関係した相互接続具３０を隣接するモジュール１２における固体酸化物燃料電池２０と関係した相互接続具３０と相互接続する。
【００３９】
中空部材１４は、矩形の断面であり、また矩形又は円形の端部を有することが好ましい。中空部材１４の数は２から２０の範囲にある。中空部材１４は、５０ｍｍから２０００ｍｍの範囲の長さ、２０ｍｍから３００ｍｍの範囲の幅及び３０ｍｍまでの厚さを有する。最大厚さは１０ｍｍであることが好ましく、最小厚さは１ｍｍであることが好ましく、最小厚さは３ｍｍであることがより好ましいが、より薄い厚さとすることも可能である。
【００４０】
モジュールのこの配置の主たる有利な効果は、固体酸化物燃料電池スタック内の熱的及び機械的応力が減少し、好ましくは最小になる点である。特に、この配置は、モジュール１２の間に柔軟性又は可撓性を許容することにより、固体酸化物燃料電池スタック１０内の熱勾配及び熱循環に起因する製造許容公差及び熱的歪みの蓄積を許容する。これら応力は、モジュールの間の接続部を通じ且つモジュール自体を通じて分配される。固体酸化物燃料電池スタックの耐久性が向上する、また、モジュール／固体酸化物燃料電池の比較的高充填密度が可能である。
【００４１】
これと代替的に、導電体３０は、コネクタ４２の外面に沿って伸びるようにしてもよい。
図７に示したように、１つの代替的な固体酸化物燃料電池スタック１１０は図１に示した固体酸化物燃料電池スタック１０と実質的に同一である。固体酸化物燃料電池スタック１１０は、複数のモジュール１１２を備えている。モジュール１１２の各々は、細長い中空部材１１４を備えている。中空部材１１４は、完全に又は部分的に安定化したジルコニア、アルミナ、炭化ケイ素又はその他の適宜なセラミック系材料で製造される。中空部材１１４の各々は、２つの平行な面１１６、１１８を有している。中空部材１１４は、多孔質であり、燃料が固体酸化物燃料電池まで流れるのを許容する。
【００４２】
モジュール１１２Ｄの幾つかは、面１１６、１１８の双方の全てに配置された固体酸化物燃料電池１２０を有している。モジュール１１２Ｅの幾つかは、モジュール１１２Ｅの１つの半体の面１１６、１１８上の双方に配置された固体酸化物燃料電池１２０を有している。モジュール１１２Ｅの残りの半体における面１１６、１１８の双方は、熱を放散する熱交換器１２１として機能する。モジュール１１２Ｆの幾つかは、モジュール１１２Ｆの１つの半体の面１１６、１１８上の双方に配置された固体酸化物燃料電池１２０を有している。モジュール１１２Ｆの残りの半体は、燃料を改質する改質器１２３として機能するよう通路１３２内に配置された触媒１４４を有している。モジュール１１２Ｇの幾つかは、固体酸化物燃料電池を有さず、モジュール１１２Ｇは熱交換器１２１として作用する。モジュール１１２Ｈの幾つかは、固体酸化物燃料電池を有さず、モジュール１１２Ｈは燃料を改質する改質器１２３として機能するよう通路１３２内に配置された触媒１４４を有している。
【００４３】
モジュール１１２Ｆ及びモジュール１１２Ｈの通路１３２は、該通路１３２の表面に取り付けられた触媒１４４を有することができ又は触媒１４４を通路１３２内に配置された部材１４６に取り付けることができる。部材１４６は、ら旋状に巻いた線とすることができる。これと代替的に、部材１４６は、中空部材１１４と共に、それぞれの通路１３２を通るヘリカル流路を画成し得るような配置及び形態としてもよい。部材１４６は、例えば、細長い弾性部材の端部を捩ってヘリカルな通路を形成することで製造される。部材１４６は、また熱及び質量の伝達も助ける。
【００４４】
図８に示したような１つの代替的な固体酸化物燃料電池スタック２１０は、図１に示した固体酸化物燃料電池スタック１０と実質的に同様である。固体酸化物燃料電池スタック２１０は、複数のモジュール２１２を備えている。モジュール２１２Ａ、２１２Ｂの隣接する１つが異なる長さを有し、モジュール２１２Ａ又はモジュール２１２Ｂの交番的な１つがステップ状の配置を形成し得るよう同一の長さを有するようにモジュール２１２は配置される。
【００４５】
図９に示した更なる代替的な固体酸化物燃料電池スタック３１０は、図１に示した固体酸化物燃料電池スタック１０と同様である。固体酸化物燃料電池スタック３１０は、複数のモジュール３１２を備えている。モジュール３１２Ａ、３１２Ｂの隣接するものが図１のものと異なる状態に配置されるようにモジュール３１２は配置される。
【００４６】
図１において、隣接するモジュール１２Ａ、１２Ｂの面１６、１８は、互いに対し実質的に平行に配置され、隣接するモジュール１２Ａ、１２Ｂの中心線Ｘは、実質的に同一の方向に向け且つ同一の平面内で長手方向に伸びている。このように、隣接するモジュール１２Ａ、１２Ｃにおいて、燃料は反対方向に向けてであるが、平行な平面内で流れ、燃料の流れはコネクタ内にて１８０゜方向変更する。
【００４７】
図９において、隣接するモジュール３１２Ａ、３１２Ｂの面３１６、３１８は、互いに対し実質的に平行に配置され、隣接するモジュール３１２Ａ、３１２Ｂの中心線Ｘは、異なる方向に又は異なる角度にて長手方向に伸びている。図９において、隣接するモジュール３１２Ａ、３１２Ｂは、互いに対して垂直に長手方向に伸びるように配置され、交番的なモジュール３１２Ａ又は３１２Ｂは、モジュール３１２の矩形の配置を形成し得るよう実質的に同一方向に向けて長手方向に伸びるように配置される。このように、隣接するモジュール３１２Ａ、３１２Ｂにおいて、燃料は、平行な平面内で垂直方向に流れ、燃料の流れはコネクタ内で９０゜方向変更する。
【００４８】
隣接するモジュールは、五角形のモジュールの配置を形成し得るよう例えば７２゜、六角形のモジュールの配置を形成し得るよう６０゜又は八角形のモジュールの配置を形成し得るよう４５゜のようなその他の任意の適宜な角度にて配置することも等しく可能である。このように、隣接するモジュールにおいて、燃料は、適宜な角度であるが、平行な平面内を流れる。
【００４９】
このように、モジュール３１２は、ヘリカルな配置を形成し得るように配置される。２つのヘリカルな配置のモジュールを同一の軸線の周りで且つ互いに組み合うように配置することも可能である。
【００５０】
本発明は、モジュールの細長い中空部材の面上で直列に配置された複数の固体酸化物燃料電池に関して説明したが、固体酸化物燃料電池のその他の適宜な配置も可能である。
本発明は、モジュールの細長い中空部材の面上に配置された固体酸化物燃料電池のアノード電極に関して説明したが、固体酸化物燃料電池のカソード電極をモジュールの細長い中空部材の面上に配置することも等しく可能である。
【００５１】
本発明は、その長さの全体に亙って均一な断面積を有する細長い中空部材の各々における通路に関して説明したが、１つ又は２つ以上の細長い中空部材がその長さの全体に亙って変化する断面積、不均一な断面積を有するようにすることも可能である。不均一な通路は、先細り通路又は拡がり通路とすることもできる。先細り通路は、反応剤の流れ方向への流れを加速し、拡がり通路は、反応剤の流れ方向への流れを拡散する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明による固体酸化物燃料電池スタックの一部切欠き斜視図である。
【図２】図１に示した固体酸化物燃料電池スタックの１つのモジュールの側面図である。
【図３】図２に示したモジュールの部分断面図である。
【図４】２つの隣接するモジュールの端部及びコネクタの拡大断面図である。
【図５】２つの隣接するモジュールの端部及び１つの代替的なコネクタの拡大断面図である。
【図６】２つの隣接するモジュールの端部及び１つの代替的なコネクタの拡大断面図である。
【図７】本発明による１つの代替的な固体酸化物燃料電池スタックの一部切欠き斜視図である。
【図８】本発明による更なる固体酸化物燃料電池スタックの一部切欠き斜視図である。
【図９】本発明による更なる固体酸化物燃料電池スタックの一部切欠き斜視図である。
【国際公開パンフレット】
2004537143.tif 000003
2004537143.tif 000004
2004537143.tif 000005
2004537143.tif 000006
2004537143.tif 000007
2004537143.tif 000008
2004537143.tif 000009
2004537143.tif 000010
2004537143.tif 000011
2004537143.tif 000012
2004537143.tif 000013
2004537143.tif 000014
2004537143.tif 000015
2004537143.tif 000016
2004537143.tif 000017
2004537143.tif 000018
2004537143.tif 000019
2004537143.tif 000020
2004537143.tif 000021
2004537143.tif 000022
2004537143.tif 000023
2004537143.tif 000024
2004537143.tif 000025
2004537143.tif 000026
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004537143.tif 000027
2004537143.tif 000028
【国際調査報告】
2004537143.tif 000029
2004537143.tif 000030