(57)【要約】連続下板、第一の浸透層又はインターコネクト層、連続電池、第二の浸透層又はインターコネクト層、連続上板、燃料供給部材及び酸化体ガス供給部材を含むシールレス平板型燃料電池スタック系が提供される。本発明の燃料電池系は、その平板型構成部品を封止するためのガラス系シーラントを必要としない。本発明の系では、系の連続電池は第一の浸透層で支持される。第二の浸透層は連続電池で支持される。燃料供給部材は第一の浸透層中に燃料を供給する。燃料供給部材は、第一の浸透層の外縁と中心領域の間に延在し、半径方向への燃料の分配を可能にする。さらに、燃料供給部材は外縁に隣接した外部燃料マニホルドに連結される。酸化体ガス供給部材は第二の浸透層中に酸化体ガスを供給する。酸化体ガス供給部材は、第二の浸透層の外縁と中心領域の間に延在し、半径方向への酸化体ガスの分配を可能にする。酸化体ガス供給部材は外縁に隣接した外部酸化体ガスマニホルドに連結される。【選択図】図１
2004507060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一のインターコネクト層、第二のインターコネクト層、第一のインターコネクト層と第二のインターコネクト層との間に配置された連続電池、第一のインターコネクト層の第一の外縁と第一の内部キャビティとの間に延在して第一のインターコネクト層中に燃料を供給するための燃料供給部材、及び第二のインターコネクト層の第二の外縁と第二の内部キャビティとの間に延在して第二のインターコネクト層中に酸化体ガスを供給するための酸化体ガス供給部材を含む燃料電池スタック。
【請求項２】
燃料供給部材が第一の外縁に隣接した外部燃料マニホルドに連結される、請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
酸化体ガス供給部材が第二の外縁に隣接した外部酸化体ガスマニホルドに連結される、請求項２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
第一のインターコネクト層を支持する第一の連続隔離板をさらに含む、請求項３記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
第二のインターコネクト層で支持された第二の連続隔離板をさらに含む、請求項３記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
第一の連続隔離板又は下部連続隔離板が連続端板である、請求項４記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
第二の連続隔離板又は上部連続隔離板が連続端板である、請求項５記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
第一のインターコネクト層が上面及び下面を有する、請求項４記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
第二のインターコネクト層が上面及び下面を有する、請求項５記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
第一のインターコネクト層の第一の内部キャビティが第一のインターコネクト層の第一の内壁で画成され、第一の内壁が第一のインターコネクト層の下面内の下部開口と上面内の上部開口とを連結する、請求項８記載の燃料電池スタック。
【請求項１１】
第二のインターコネクト層の第二の内部キャビティが第二のインターコネクト層の第二の内壁で画成され、第二の内壁が第二のインターコネクト層の下面内の下部開口と上面内の上部開口とを連結する、請求項９記載の燃料電池スタック。
【請求項１２】
第一の連続隔離板をなす端板が第一のインターコネクト層の下面及び下面内の下部開口を覆い、電池が第一のインターコネクト層の上面及び上面内の上部開口を覆い、それによって第一のインターコネクト層の第一の内部キャビティを密閉する、請求項１０記載の燃料電池スタック。
【請求項１３】
第二の連続隔離板が第二のインターコネクト層の上面及び上面内の上部開口を覆い、電池が第二のインターコネクト層の下面及び下面内の下部開口を覆い、それによって第二のインターコネクト層の第二の内部キャビティを密閉する、請求項１１記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術的背景】
本発明は、一般に燃料電池製造技術に関し、さらに具体的には固体電解質型平板型燃料電池の製造に関する。
【０００２】
燃料電池は、基本的には、燃料と酸化体とを電気化学的に反応させて直流を発生させるガルバニック変換装置である。燃料電池は、通例、カソード材料、電解質材料及びアノード材料を含んでいる。電解質は、カソード材料とアノード材料との間にはさまれた非多孔質材料である。個々の電気化学的電池で発生する電圧は通常比較的小さい。そこで、実用上有用な高電圧を得るには、個々の電気化学的電池同士を直列に接続してスタックを形成する。電池間の電気接続は、隣接する電池のカソードとアノードの間に電気的インターコネクト層を使用することで達成される。かかる電気的インターコネクト層は、酸化体流体及び燃料流体を分離状態に保ちながら、酸化体流体をカソードに沿って流し、燃料流体をアノードに沿って流すための通路をも提供する。また、スタック中には通例、燃料及び酸化体をスタックに導入又は導出するためのダクト又はマニホルドも含まれている。
【０００３】
燃料流体及び酸化体流体は典型的にはガスであり、独立の通路を通して連続的に流される。電気化学的変換は、各電極（カソード及びアノード）と電解質との三相境界又はその付近で起こる。燃料は酸化体と電気化学的に反応してＤＣ電気出力を生じる。アノード又は燃料電極は、燃料側で電気化学的反応が起こる速度を向上させる。カソード又は酸化体電極は、酸化体側で同様に機能する。
【０００４】
固体電解質を有する燃料電池は、発電用として最も有望な技術である。固体電解質は、イオン伝導性セラミック又は高分子膜である。前者の例では、電解質は電子の不導体であるセラミック〔緻密なイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）など〕からなるのが通例で、これは電子が有用な仕事をするために外部回路を通過しなければならないことを保証する。かかる電解質の場合、アノードはしばしばニッケル／ＹＳＺサーメットからなり、カソードはしばしばドープ亜マンガン酸ランタンからなる。
【０００５】
恐らく、セラミック膜を有する最も進んだ構造は、立方晶ジルコニア電解質に基づく円筒型固体電解質型燃料電池である。円筒型構造はシールレスで比較的大形のユニットに組立てることができ、これがその最大の技術的利点である。しかし、円筒型固体電解質型燃料電池は遅くて費用のかかる電気化学的蒸着方法で製造される。また、これらの燃料電池の円筒型形状は、重量基準及び堆積基準の比出力密度を低い値に制限する。電子伝導路も長く、内部抵抗加熱による大きいエネルギー損失をもたらす。これらの理由のため、平板型電池に基づく他の構造が活発に研究されている。
【０００６】
平板型スタック構造を有する一つの代替手段は、立方構造の直交流式熱交換器に似ている。平板型の直交流式燃料電池は、（アノード／電解質／カソード三層構造物である）平らな単一電池膜と（電池から電池に電流を伝導すると共に立方構造又はスタック中にガスを流すための流路を提供する）双極板とを交互に配置して構成される。双極板は、適当な金属材料からなることが多い。直交流式スタックでは、燃料及び酸化体ガス取扱いのため、四面上に外部マニホルドが設けられる。
【０００７】
しかし、直交流式又は立方体状の構造は、シール部界面の数及びかかる界面の線寸法の両方の点からみて大規模なシールを必要とする。後者はスタックのフットプリントと共に増大し、もし金属及びセラミック電池部品がぴったりと一致した熱膨張率を有していなければ重大な問題を引起こす。熱膨張率の顕著な不一致は、スタックの動作温度からの冷却時に突発的な破損を引起こすことのある熱応力を招く。
【０００８】
平板型直交流式又は立方構造に代わる手段は、平板型ラジアルフロー構造である。例えば米国特許第４７７０９５５号には、環状形状のアノード、カソード、及びその間にはさんだ電解質が開示されている。環状形状の隔離板が、アノード、カソード及び電解質の組合せをはさんでいる。上述の構成部品はそれぞれ、二つの穴、従って二つの管を画成している。一方の管は燃料の流れを可能にし、他方の管は酸化体の流れを可能にする。カソードは、一方の隔離板及び電解質と共にシール部を形成する管状ガスケットにより、一方の管内での燃料との直接接触から保護されている。アノードは、他方の隔離板及び電解質と共にシール部を形成する別の管状ガスケットにより、他方の管内での酸化体との直接接触から保護されている。しかし、流れの制御は電極の多孔性及び管からの多孔質電極の半径方向長さに依存するので、この構造は本質的に良好な流れの制御に欠けると思われる。また、管の非対称的な位置のため、流路長さが中心にある管に対する中心角の関数として異なり、従って不均一な流れ分布が生じる。米国特許第５５８９２８５号は上述のものと同様である。
【０００９】
ラジアル燃料電池スタック構造の別の例では、米国特許第４４９０４４５号が円形電池と導体板とを交互に配置したものを提供している。かかる電池及び板には、その周辺に沿って穴が設けられて燃料及び酸化体の入口及び出口を生み出す。導体板には、電池と共にシール部を形成するため、縁端に沿って円周方向の隆起が設けられている。導体板には、半径方向及び円周方向（主として後者）の流れを可能にする溝も両面上に設けられている。可能な流路がややランダムであるため、不均一な流れの分布が予想できる。
【００１０】
米国特許第４９１０１００号には、スタックの中心領域に燃料及び酸化体流路を含むラジアル燃料電池スタック構造の様々な実施形態が開示されている。燃料及び酸化体流路中のガス穴が、環状単一電池と共に交互に配置された環状隔離板の両面を横切って流れを供給する。隔離板の両面上の案内羽根により、燃料及び酸化体の流れがスタックの中心領域から周辺領域に向かって導かれる。かかる板及び電池はガスシールなしに積み重ねできることが主張されている。しかし、この構造の欠点の一部として、二つの内部マニホルド管の使用のために酸化体及び燃料ガスが不均一な分布を示すこと、並びに個々の部品が重いオールセラミック製であることが挙げられる。
【００１１】
さらに最近に至り、米国特許第５５４９９８３号では、固体電解質用の共流式平板型燃料電池スタックが燃料キャビティ及び酸化体キャビティを有する内部マニホルドを含んでいる。半径方向の燃料流れ及び酸化体流れを制御するため、管状多孔質部材がマニホルドを包囲している。管状多孔質部材は、フローディストリビューター部材又は簡単にフローディストリビューターと呼ばれることもある。多孔質部材の回りには、アノード／電解質／カソードからなる環状平板電池が配置される。各単一電池と各電流伝導部材との間には環状隔離板がはさまれる。単一電池及び隔離板は、その内径の位置で内部マニホルドまで延在している。従って、隔離板及び単一電池をマニホルド及び多孔質部材に封止するためにシーラントが必要とされる。
【００１２】
内部マニホルドを有するラジアルスタック構造では、特に所要のガス流が中央の二重キャビティ式マニホルドを介してスタック内に導入される場合、必要とされるガラス系シール部は直交流式構造よりも実質的に少ない。最新のラジアルスタック構造では、必要なガラスシールの数は各電池当たり二箇所及び各隔離板当たり一箇所に減少している。しかし、これらのシールの二つはスタック組立て中に形成しなければならず、ブラインドシールであり、その健全性を点検補修することができない。
【００１３】
ガラス系シーラントによる直交流式又はラジアルスタックの封止の物理的健全性及び機械的信頼性は、現時点では十分でない。さらに、ガラス系シーラントはケイ酸塩ガラスであり、これはその組成中にアルカリ金属イオン及びアルカリ土類金属イオンを含有する。かかるガラスは、ジルコニア系固体電解質型燃料電池の動作温度で粘稠状態の電解質となる。実際、かかるガラス系シーラントはスタックの金属インターコネクト層及び電池を攻撃する傾向があり、スタック性能の低下を招いてスタックの寿命を著しく制限する。換言すれば、現行のスタック構造で必要なガラス系シーラントはスタック性能に望ましくない影響を及ぼすので望ましくない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
以上から明らかな通り、改良された燃料電池スタック構造に対するニーズが存在する。特に、必要とされたシール及びシーラント材料を用いて燃料ガス流と酸化体ガス流を分離する必要性を排除するラジアルフロー燃料電池スタックに対するニーズが存在する。また、さらに均一な流れの場を提供し、それによってさらに均一な電流密度及び温度分布を提供する燃料電池スタックも要望されている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、平板型固体電解質に基づく燃料電池用の新規な燃料電池スタック構造を提供する。公知の平板型固体電解質を用いた燃料電池は、高分子電解質膜（ＰＥＭ）型及び固体酸化物型燃料電池である。特に本発明は、軸対称であり、反応体ガスが半径方向に流れ、反応体ガス流を分離するためのシーラントの必要性を排除する燃料電池スタック構造を提供する。
【００１６】
本発明の一つの態様では、燃料電池スタック系は第一の浸透層又はインターコネクト層、第二の浸透層又はインターコネクト層、連続電池、燃料供給部材及び酸化体ガス供給部材を含んでいる。連続電池は第一及び第二のインターコネクト層の間に配置され、シーラントを使用せずに燃料ガス流と酸化体ガス流を分離する。燃料供給部材は、連続電池のアノード電極に接触する第一のインターコネクト層中に燃料を供給するためのものであり、第一のインターコネクト層の外縁と内部キャビティとの間に延在している。燃料供給部材は、第一のインターコネクト層の外縁に隣接した外部燃料マニホルドに連結される。さらに、酸化体ガス供給部材は、連続電池のカソード電極に接触する第二のインターコネクト層中に酸化体ガスを供給するためのものであり、第二のインターコネクト層の外縁と内部キャビティとの間に延在している。酸化体ガス供給部材は、外縁に隣接した外部酸化体ガスマニホルドに連結される。
【００１７】
本発明の別の態様では、燃料電池スタックの製造方法は、内部キャビティを有する第一のインターコネクト層又は浸透層を用意する段階と、第一のインターコネクト層上に連続電池を配置する段階と、連続電池上に内部キャビティを有する第二のインターコネクト層又は浸透層を配置する段階と、第一のインターコネクト層の内部キャビティを燃料電池外部の燃料マニホルドに連結する段階と、第二のインターコネクト層の内部キャビティを燃料電池外部の酸化体ガスマニホルドに連結する段階とを含んでいる。
【００１８】
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点は、以下の図面、説明及び特許請求の範囲を参照することでさらに明確に理解されよう。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明は平板型固体電解質に基づく新規な燃料電池スタック構造を提供する。公知の平板型固体電解質を有する燃料電池には、高分子電解質膜（ＰＥＭ）型燃料電池及び固体酸化物型燃料電池がある。特に本発明は、軸対称であり、反応体ガス流が半径方向に流れ、反応体ガス流を分離するためのシーラントの必要性を排除する燃料電池スタック構造を提供する。本明細書中「シールレススタック」構造という用語は、スタック構造中に反応体ガス分離用のシーラントが存在しないことを表すために使用される。
【００２０】
本発明のスタック構造の軸対称特性は、連続電池、連続隔離板、及びスタック製造用のインターコネクト層のために使用した丸いフットプリント、並びに連続電池の中心又はその付近での反応体ガス流の導入及びガス流がスタック構造から出る連続電池の縁端に向かうガス流の半径方向流れの結果である。連続電池及び連続隔離板の丸いフットプリント、並びに反応体ガスの半径方向流れは、スタック内での電流及び温度分布の軸対称性並びに起こり得る熱応力の緩和につながる。本明細書中「連続」という属性用語は、開口及び厚さ方向を貫通する気孔が存在しないことを意味するものと定義される。
【００２１】
すべての燃料電池と同じく、反応体ガス流は二つ、すなわちアノード電極に沿って流れる燃料ガス流及びカソード電極に沿って流れる酸化体ガス流である。固体酸化物型燃料電池では、燃料ガス流は純水素、水素と一酸化炭素の混合物、水素と一酸化炭素と不活性希釈剤の混合物、水素と一酸化炭素と軽質炭化水素と不活性希釈剤の混合物、又は水素と一酸化炭素と軽質炭化水素と軽質アルコールと不活性希釈剤の混合物であり得る。酸化体ガス流は、空気、酸素富化空気又は純酸素であり得る。
【００２２】
以下、図面を参照して説明を行うが、図面全体を通して同じ番号は類似の部分を示す。本発明の燃料電池スタック系は、連続電極又は電池、連続隔離板及び集電層と共に外部マニホルド系を使用する新規なラジアルフロー燃料電池スタックを提供する。外部マニホルド系と連続層とを併用すると、ガラス系シーラントの使用が排除される。先行技術では、一般に、その内部マニホルド構造を封止するためにガラス系シーラントが使用される。かかる先行技術の系では、ガラス系シーラントは動作温度でシーラント組成物中に存在する活性イオンのために様々な電池構成部品と反応し、電池の劣化を引起こす。しかし、内部マニホルドを有する先行技術の系とは対照的に、本発明の燃料電池系は、燃料電池スタックの回りに位置する外部マニホルド系に連結され、それによってさもなければ必要であったシール部を排除する半径方向分布系が有利に使用される。
【００２３】
図１は、第一の燃料電池サブシステム１０１及び第二の燃料電池サブシステム１０２を含む燃料電池スタック系１００を示す。第二の燃料電池サブシステム１０２は、第一の燃料電池サブシステム１０１上に積み重ねられている。燃料電池スタック１００及びその構成部品は好適な実施形態では総合形状が円形のものとして記載されるが、本発明では、多角形のような他の形状も本発明の範囲内で利用し得ることが意図されている。燃料電池スタック１００は、固体電解質の使用に広く適用できる。従って、本発明では、燃料電池スタック１００は少なくとも固体酸化物型燃料電池及びプロトン交換膜型燃料電池（いずれも当該技術分野で公知である）に関連して使用できることが意図されている。
【００２４】
この実施形態では、その構造特性及び及び設計特性の点からみると、第一の燃料電池サブシステム１０１は第二の燃料電池サブシステム１０２のコピーである。わかり易くするため、この実施形態では、スタック１００は二つの電池サブシステムだけを有し、ハウジング１０３内に収容できる。しかし、複数の燃料電池サブシステムを鉛直方向に積み重ねて直列に接続された燃料電池スタック系のアレイを形成できることも本発明の技術的範囲内に含まれる。３以上の電池を有するスタックについては、電池はＡＢＡＢＡＢパターン〔Ａは電池（例えば、図３中の１９８）、Ｂはインターコネクトアセンブリ（例えば、図３中の１９６）、以下同様である〕を有するスタック配列をなして配置される。しかし、スタック中の電池は外部配線系統又は当該技術分野で公知の何か他の手段を利用して他のスタック中の他の電池と並列に接続することもできる。
【００２５】
第一の燃料電池サブシステム１０１は、連続隔離板１０４で第二の燃料電池サブシステム１０２から物理的に隔離されている。連続隔離板１０４は、第一の燃料電池サブシステム１０１を第二の燃料電池サブシステム１０２から隔離し、それによって燃料ガス流及び酸化体ガス流を分離する連続層である。本願との関連では、「連続」という用語はその全体にわたって厚さ方向を貫通する開口又は穴を有しない層構造をいう。
【００２６】
電池サブシステム１０１及び１０２の各々は、第一及び第二のインターコネクト層又は浸透層１０８及び１１０の間に挿入された連続電池１０６を含んでいる。本発明の原理に従えば、電池１０６は連続構造を有している。第一及び第二のインターコネクト層１０８及び１１０は、インターコネクト層１０８及び１１０中の流路を通して燃料及び酸化体ガスを移動させる流体透過性材料からなっている。好ましい実施形態では、第一及び第二のインターコネクト層はガスの流れに対し極めて僅かな抵抗しか示さないように高い多孔性を有する。下部及び上部端板１１２及び１１４は連続構造のものであり、スタック１００の底部１１６及び頂部１１８を形成する。下部端板１１２及び上部端板１１４は、系１００中で集電体として機能し、系１００で発生した電流を集める。そこで、端板１１２及び１１４は外部配線網（図示せず）を介して外部負荷にも接続される。端板又は集電体１１２、１１４及び連続隔離板１０４は、当該技術分野で公知のものに従って構成されて機能を果たす。特に、それらは少なくとも電流負荷の支持に関する最小要件を満たすように設計される。燃料電池スタック系１００が好ましい円筒形の形状を有するため、連続隔離板１０４、電池１０６、インターコネクト層１０８及び１１０、集電体層１１２及び１１４のような積層構成部品のすべてが円形をなしている。
【００２７】
図１にもどって説明すれば、スタック１００の酸化体ガスマニホルド１２２及び燃料マニホルド１２４（外部マニホルド）はスタック１００の供給サブシステム１２６に連結される。供給サブシステム１２６は、酸化体ガス供給部材１２８及び燃料供給部材１３０からなり得る。この点に関しては、酸化体ガス供給マニホルド１２２は酸化体ガス供給部材１２８に連結され、燃料マニホルド１２４は燃料供給部材１３０に連結される。以下にさらに詳しく記載される通り、酸化体ガス供給部材１２８及び燃料供給部材１３０は、インターコネクト層１０８及び１１０中の適当な通路又は流路を通って、スタック１００の外端１３２からスタック１００の中心区域１３４まで延びている。従って、燃料及び酸化体ガスがひとたび中心区域１３４に到達すると、それらはインターコネクト層１０８及び１１０を通って一様に浸透し又は流れる。使用済みの酸化体ガス及び燃料は、ハウジング１０３の出口１３５を通して取出される。わかり易くするため、図１では酸化体ガス供給部材１２８と燃料供給部材１３０が１８０°だけ離隔しているように示されているが、その他任意の可能な環状離間距離で十分である。
【００２８】
外部酸化体ガス供給マニホルド１２２及び燃料マニホルド１２４は、燃料供給源及び酸化体ガス供給源（図示せず）にも連結される。外部マニホルド１２２及び１２４は、外部マニホルドと供給部材１２８及び１３０との間に取付けられた閉鎖手段１３６（例えば、弁）を含むこともできる。弁１３６を使用すれば、電池サブシステム１０１及び１０２への酸化体ガス又は燃料の流れを開始又は停止することができる。各電池サブシステム１０１、１０２は独自の酸化体ガス供給部材１２８及び燃料供給部材１３０を有するので、機能不全の電池サブシステムへの酸化体ガス又は燃料の流れは弁１３６を用いて遮断できる。例えば、上述のスタック配列及びスタック系間の外部配線を用いれば、電池サブシステム１０１、１０２への燃料の流れを遮断し、次いで遮断した電池サブシステムを適当な外部配線系統（図示せず）を介して同じ又は異なるスタック中の別の電池サブシステムにジャンプ配線することができる。このような能力は、ひいては、１以上の電池サブシステムが機能不全を生じた場合にスタック系を点検して省く機会を提供する。弁１３６が存在しない場合には、供給部材の管を潰して電池サブシステムへの燃料又は酸化体ガス供給を遮断できる。
【００２９】
外部マニホルド１２２及び１２４は、合金、金属間化合物、セラミック、金属−セラミック複合材料及びその他適宜の材料から形成できる。以下にさらに詳しく記載されるように、本発明の燃料電池スタック系１００では、連続電池１０６、端板１１２、１１４及び連続隔離板１０４と共に外部マニホルド１２２及び１２４並びに供給部材１２８及び１３０を使用することでガラスシーラントの使用は完全に排除できる。前述の通り、ラジアルフロースタック系に関する先行技術では、内部マニホルド及び環状開口をもった構成部品が使用されるが、これは構成部品同士を封止すると共に反応体ガス流を互いに分離するためにガラスシーラントの実質的な使用を必要とする。このような環状開口をもった先行技術の構成部品とは、一般に電池、セパレーター、端板及び隔離板であり得る。
【００３０】
図２Ａは、燃料電池サブシステム１０１を詳しく示す部分分解図である。電池サブシステム１０１及び１０２はいずれも同じ繰返し構造を有するので、わかり易くするため、第一の燃料電池サブシステム１０１のような一方の電池サブシステムを用いて電池サブシステムをさらに詳しく説明しよう。図２Ａについて説明すれば、端板１１２は燃料電池スタック系１００及び電池サブシステム１０１の第一の構成部品をなしている。端板１１２は、好ましくは円形の形状を有する連続金属板である。加えて、端板１１２は、熱、スタック１００の重量、及び変動する電流特性のような動作条件がもたらすすべての力に耐えるように設計され、通常は連続隔離板１０４より厚い横断面を有している。端板１１２及び１１４（図１）はいずれも、電池１０６で発生した電流を集めるために役立ち、金属、耐酸化性合金、ステンレス鋼、金属間化合物、セラミック、金属−セラミック複合材料又は超合金から形成できる。
【００３１】
図２Ａ及び２Ｂについて説明すれば、好ましい実施形態では、端板１１２上に第一のインターコネクト層又は集電部材１０８を配置できる。この実施形態では、第一のインターコネクト層１０８は端板１１２と電池１０６のアノード層１５８との間にはさまれ、それによって第一の電池サブシステム１０１のアノードインターコネクト側をなしている。第一のインターコネクト層１０８は、下面１３６、上面１３８、周縁１４０、及び下面１３６と上面１３８とを連絡する円形開口１４２又は内部キャビティで画成された環状板である。この実施形態では、下面１３６及び上面１３８は互いにほぼ平行である。周縁１４０は、上面１３６及び１３８に対して垂直である。円形開口１４２は、側壁１４４を有する開放円筒開口である。側壁１４０及び１４４は、インターコネクト層１０８と同じく透過性を有する。必ずしも必要ではないが、第一のインターコネクト層又は浸透層１０８をその隣接構成部品である端板又は連続隔離板にろう付け又はボンディングのような手段で固定してもよい。第一のインターコネクト層１０８の周縁１４０は、実質的に端板１１２の外周まで延在している。この実施形態では、第一のインターコネクト層１０８は燃料の流れを可能にする複数の開放流路を有する環状板として形成すればよい。
【００３２】
第一のインターコネクト層１０８は、金属又は他の導電性材料のような電子伝導材料からなる。第一のインターコネクト層１０８は、後述のように、妨げられない酸化体ガス及び燃料の流れを可能にするように骨格構造を有するのが好ましい。第一のインターコネクト層１０８をなす材料は、燃料の半径方向流れを容易にするため、各電池と連続隔離板（又は端板）との間の空間内であらゆる方向に一様に分布すべきである。インターコネクト層１０８は、軽量スタックを生み出すため、金属箔（すなわち、金属薄板）からなるのが好ましい。しかし、これらの構成部品は、十分な電流伝導容量及びスタック１００の所望寿命を与えるのに十分な厚さを有する必要がある。金属箔は、半径方向で一様な流体の流れを可能にすると共に長手方向で十分な電流伝導容量を与える種々の幾何学的形状に形成できる。インターコネクト層１０８の構造の好ましい一例は、薄い金属箔をオフセットフィン形状に成形し、スライスし、燃料ガスの半径方向流れを容易にするように配列したものである。インターコネクト層１０８は導電性材料からなる。インターコネクト層１０８用として適する材料には、合金、金属間化合物、金属−セラミック複合材料及び電子伝導性セラミックがある。
【００３３】
図２Ａ〜２Ｃに示す通り、燃料供給部材１３０は周縁１４０と本質的に円形の開口１４２との間に延在している。円形開口１４２は、インターコネクト層１０８の内部キャビティともいう。燃料供給部材１３０は、流れ分配部分１４６及び管部分１４８からなり得る。この実施形態では、流れ分配部分１４６は円形開口１４２内に配置され、管部分１４８は流れ分配部分１４６を燃料マニホルド１２４に連結している。図２Ｂ及び２Ｃについて説明すれば、分配部分１４６は好ましくは上面１５２及び下面１５４で密閉された多孔質側壁１５０を有する円筒体からなり得る。好ましい実施形態では、流れ分配部分１４６は本質的に３６０度の分配一様性をもってインターコネクト層１０８中への燃料の一様な半径方向分配を可能にする多孔質材料からなり得る。上面１５２及び下面１５４は金属箔からなり得る。流れ管１４８は、当該技術分野で公知のろう付け又はボンディング技術を用いて流れ分配部分１４６に連結できる。管１４８は金属材料又はセラミックからなり得る。流れ分配部分１４６は、単一又は複数のオリフィスとして形成してもよいし、或いはガスディフューザーとして作用して流出するガス流の線流速を緩和する多孔質材料として形成してもよい。
【００３４】
設計上の一選択肢では、管１４８は金属材料からなる。この場合、管は有孔セラミック板又は短いセラミック管からなる一体セラミック絶縁体を有していてもよいし、或いは好ましくは電子伝導性のインターコネクト層及び連続隔離板又は端板から管１４８を電気的に絶縁するため管１４８にセラミックスリーブを装着してもよい。図２Ａ及び２Ｂについて説明すれば、一実施形態では、流れ管１４８はインターコネクト層１０８中に形成されて円形開口１４２と周縁１４０との間に延在する通路１５６内にはめ込むことができる。通路１５６はインターコネクト層１０８の表面１３６及び１３８の間に配置され、表面１３６及び１３８に平行に走っていればよい。かかる通路は、インターコネクト層１０８の長さ及び厚さを横断する流路の形態を有していてもよい。しかし、流れ管１４８をインターコネクトアセンブリ１９６（図３）の一体部分として形成すると共に、上面１５２及び下面１５４なしに分配部分１４６を形成することも本発明の範囲内にある。
【００３５】
第一のインターコネクト層１０８及び燃料供給部材１３０を配置した後、連続電池１０６が第一のインターコネクト層１０８上に配置される。電池１０６は、アノード層１５８、カソード層１６０、及びアノード１５８とカソード１６０との間にはさまれた固体電解質層１６２からなる。カソード板１６０は、下方の固体電解質１６２を第二のインターコネクト層１１０中に分配された酸化体ガスに暴露させる円形開口を有していてもよい。アノード−電解質−カソードの三層構造は当該技術分野で公知である。アノード層１５８はニッケル／ＹＳＺサーメットからなることができ、電解質層１６２はイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からなることができ、カソード層１６０はストロンチウムをドープした亜マンガン酸ランタンからなることができる。必ずしも必要ではないが、電池１０６を第一のインターコネクト層１０８及び第二のインターコネクト層１１０にろう付け又はボンディングで固定してもよい。電池をインターコネクト層に結合するために使用し得る材料には、スタックの動作中に相変化を受けても受けなくてもよいセラミック及び無機材料、並びに卑金属又は貴金属がある。
【００３６】
第二のインターコネクト層１１０は、電池１０６のカソード側に配置される。酸化体ガスが供給され、酸化体ガス供給部材１２８を通して分配される。第二のインターコネクト層１１０は、下面１６６、上面１６８及び周縁１７０で画成される。第二のインターコネクト層１１０の円形開口１７２は、下面１６６と上面１６８との間に延在している。酸化体ガス供給部材１２８は酸化体ガスマニホルド１２２に連結される。酸化体ガス供給部材１２８は、周縁１７０と円形開口１７２との間に延在している。酸化体ガス供給部材１２８は、流れ分配部分１７４及び管部分１７６からなり得る。この実施形態では、流れ分配部分１７４は円形開口１７２内に配置され、管部分１７６は流れ分配部分１７２を酸化体ガスマニホルド１２２に連結している。好ましい実施形態では、流れ分配部分１７４は完全に３６０度の分配効率をもってインターコネクト層１１０中への酸化体ガスの一様な半径方向分配を可能にする多孔質材料からなり得る。分配部分１７４の多孔質側壁１７６は、多孔質金属又はセラミックからなり得る。上面１７８及び下面１８０は金属箔からなり得る。第二のインターコネクト層１１０及び酸化体ガス供給部材１２８の構造の細部が、第一のインターコネクト層１０８及び燃料供給部材１３０の構造の細部と同じであることは言うまでもない。従って、その構造の細部を繰返し説明することはしない。
【００３７】
第二のインターコネクト層１１０上には連続隔離板１０４が配置されるが、これは平板型形状を有する。連続隔離板１０４は、スタック内で酸化体及び燃料がインターコネクト層を通過する際、酸化体及び燃料の流れを電池サブシステム１０１及び１０２の間で分離するために役立つ。連続隔離板１０４は、発生した電流を一つの単一電池から次の単一電池に伝達するため、電子伝導材料からなることが必要である。従って、連続隔離板１０４は合金、金属間化合物、金属−セラミック複合材料及び電子伝導性セラミックから形成できる。
【００３８】
一実施形態では、本発明のスタック系１００がシーラントを全く必要としないので、部分的に統合された系構成部品を用いてスタック系１００を構成することができる。図３は、下部インターコネクト端板１９２、上部インターコネクト端板１９４、インターコネクトアセンブリ１９６、並びに二つの電池１９８及び２００からなる系１００のスタックアセンブリ１９０を示している。下部インターコネクト端板１９２は、系１００の第一のインターコネクト層１０８と端板１１２（図１〜２Ｃ）の集合体からなる。ここで、インターコネクト層１０８は端板１１２上に固定されている。同様に、上部インターコネクト端板１９４は、系１００の第二のインターコネクト層１１０と端板１１４（図１〜２Ｃ）の集合体からなる。端板１１４はインターコネクト層１１０上に固定されている。電池１９８及び２００はいずれも、アノード１５８、カソード１６０及び固体電解質１６２（図１〜２Ｃ）からなる。インターコネクトアセンブリ１９６は、連続隔離板１０４を第一のインターコネクト層１０８と第二のインターコネクト層１１０との間にはさんだ集合体からなる。上述のようにして、また図１〜３に示すようにして、アセンブリ１９０の系構成部品１９２、１９４、１９６、１９８及び２００を組立てれば、本発明の燃料電池スタック系１００を形成することができる。
【００３９】
スタックの電気化学的性能をさらに良好に制御するため、電池１０６のアノード側のインターコネクト層１０８の周囲及び電池１０６のカソード側のインターコネクト層１１０の周囲にいわゆるガスバリヤーリングを設置するのが有利なこともある。ガスバリヤーリングは、インターコネクト層１０８又は１１０の空隙内へのガスの逆流を妨げる。特に、インターコネクト層１０８の周囲のガスバリヤーリングは、インターコネクト層の空隙内への酸化体ガスの逆流又は拡散流れを妨げる。さもないと、それは燃料の濃度を局部的に変化させ、スタックの電気化学的性能に影響を及ぼす。バリヤーリングは、セラミック、金属、セラミック−金属複合材料又はセラミック繊維からなり得る。
【００４０】
燃料電池スタック系１００の動作に際しては、酸化体ガス供給部材１２８の酸化体ガス流れ分配部分１７４内に（矢印１８２の方向に）酸化体ガスが流される一方、燃料供給部材１３０の燃料流れ分配部分１４６内に（矢印１８４の方向に）燃料が流される。酸化体は、部分１７４から多孔質の開口を通って第二のインターコネクト層１１０中に流れ込む。次いで、酸化体は実質的に半径方向の流れをなしながら電池１０１のカソード１６０に沿って第二のインターコネクト層１１０中を一様に移動する。同様に、燃料は部分１４６から多孔質の開口を通って第一のインターコネクト層１０８中に流れ込む。やがて、燃料はやはり実質的に一様な半径方向の流れをなしながら電池サブシステム１０１のアノード１５８に沿って第一のインターコネクト層１０８中を移動する。
【００４１】
始動時には、必要ならば適当な手段でスタック系１００が動作温度又は結合温度に加熱される。例えば、実験室での試験には、スタックの加熱は電気加熱炉を用いて静止空気中で行われる。実際のスタック動作では、燃焼ガスを用いてスタックを加熱できる。スタック１００がその動作温度に達した後、アノード１５８の酸化ニッケル相を徐々にニッケルに還元させるように燃料の流れを増加させる。これは、還元に伴う体積変化から生じることのある突発的な応力を避けるためである。アノード還元の完了後、電池１０６のアノード電極１５８に沿って燃料を流し、電池１０６のカソード電極１６０に沿って酸化体ガスを流し、スタック系１００の両端に抵抗負荷を配置しさえすれば、電池サブシステム１０１を横切って起こる電気化学的反応で電流が生じる。使用済みの燃料及び酸化体ガスは、出口１３５（図１参照）を通して燃料電池スタック系１００から排出される。
【００４２】
【実施例】
本発明を種々の用途及び条件に適合させるため、本発明に様々な変更を加え得ることは言うまでもない。以下の実施例は例示を目的とした示すものにすぎず、本発明に制限を加えるものではない。
【００４３】
スタックの製造及び組立て
図１及び３について説明すれば、本発明に従って設計された二つの電池サブシステムを含む完全なシールレスラジアルスタック１９０を幾つかの段階で製造した。第一の段階は、金属製の上部インターコネクト端板１９４、下部インターコネクト端板１９２、及び一つのインターコネクトアセンブリ１９６をろう付けで製造することに係わっていた。各インターコネクト端板１９２又は１９４は、インターコネクト層１０８又は１１０と端板１１２又は１１４とからなっている。前述の通り、インターコネクト層１０８及び１１０は、金属箔をオフセットフィン構造に成形し、扇形の形状を有するセグメントに切断したものからなっていた。
【００４４】
図２Ｃについて説明すれば、第二の段階は酸化体ガス供給アセンブリ１４６の製造に係わっていた。この特定の実施例では、中空のセラミック絶縁体を酸化体ガス供給アセンブリ１４６の管１４８中にろう付けでスプライスした。図３について説明すれば、第三の段階は、電極の外面に貴金属の金属有機物ペイントを塗布し、電池を空気炉内で約９００℃に焼成することで電池電極１５８及び１６０を金属被覆することに係わっていた。電池１９８又は２００は、イットリア安定化ジルコニアの層（電解質層１６２）と酸化ニッケルを混合したイットリア安定化ジルコニアの第二層（アノード層１５８）とからなるセラミック二層を用意し、ストロンチウムをドープした亜マンガン酸ランタン層（カソード層１６０）を電解質層１６２上に蒸着して焼成することで予め形成した。セラミック二層は、アノード層テープ及び電解質層テープを一緒にカレンダー加工することで未焼成状態で形成した。焼成したセラミック二層中での電解質層は、約５〜１０マイクロメートルの厚さを有していた。
【００４５】
図２Ｂ及び３について説明すれば、第四の段階は、インターコネクト端板１９２及び１９４又はインターコネクトアセンブリ１９６に伴う各インターコネクト層１０８及び１１０中の適当な半径方向通路内に各々の酸化体ガス又は燃料供給部材又はアセンブリ１４６を挿入することに係わっていた。第五の段階は、インターコネクト層１０８及び１１０の上面と電池電極に適当な結合剤を塗布することに係わっていた。図３について説明すれば、第六の段階はスタック１００の組立てに係わっていた。ニッケル超合金からなるスタンド上に載せられたアルミナ板上に下部インターコネクト端板１９２を配置した。次いで、電池のアノード層を下向きにして、第一の電池１９８を下部インターコネクト端板上に配置した。次に、インターコネクトアセンブリ１９６を第一の電池１９８上に配置した。次いで、第二の電池２００をインターコネクトアセンブリ１９６上に配置した後、上部インターコネクト端板１９４を第二の電池２００上に配置した。最後に、各電池のアノード側の周囲にバリヤーリングを配置した。
【００４６】
スタックの設置及び焼成
組立済みのスタック１００（図１）を周囲温度下で電気加熱炉内に配置した。ニッケル超合金管及びＳｗａｇｅｌｏｋ（商標）取付部品を用いて、各電池のカソード側の酸化体ガス供給アセンブリ又は部材１２８をマニホルド１２２を介して空気供給源（酸化体ガスボンベ又は濾過した室内空気など）に連結した。ニッケル超合金管及びＳｗａｇｅｌｏｋ（商標）取付部品を用いて、各電池のアノード側の燃料供給アセンブリ又は部材１３０をマニホルド１２４を介して水素供給源（水素ガスボンベなど）に連結した。スタックの下部端板１１２（スタックの負極）の周囲に位置する、直径に沿って対向した二つのスポット及び炉外の溶接用銅ケーブルの一端に１束の白金線をスポット溶接した。スタックの上部端板１１４（スタックの正極）についても同様な電気接続を行った。スタックの試験時には、溶接用銅ケーブルの他端は電子負荷の負端子及び正端子にそれぞれ接続した。
【００４７】
図３について説明すれば、動作時及び試験時に各電池及びスタックの電圧をモニターするため、インターコネクト端板１９２及び１９４の周囲並びにインターコネクトアセンブリ１９６の連続隔離板１０４の周囲に単一の白金線をスポット溶接した。インターコネクト端板１１２及び１１４並びにインターコネクトアセンブリ１９６の周囲から約１インチで互いに約６０度ずつ離れた位置で、非接地接点及びインコネル外装を有する４本１組の熱電対を第一の電池のカソード側のインターコネクト層１１０の空隙内に半径方向に沿って配置した。同様に、２本１組の熱電対を第二の電池のカソード側のインターコネクト層１１０の空隙内に配置したが、それらは１８０度だけ離して配置した。
【００４８】
上述の接続をすべて行った後、短絡についてスタック系１００を試験したが、全く認められなかった。短絡が存在しないので、炉を閉鎖し、炉の温度、従ってスタックの温度を、インターコネクト層を電池電極に結合するための所望レベルまで上昇させた。その後、所望に応じ、炉の温度をスタックの動作温度に合わせた。
【００４９】
アノードの還元及びスタックの試験
スタック１００を所望の動作温度に合わせた後、アノード側にヘリウムガスを供給し、カソード側に空気の流れを確立した。アノード側のヘリウムガスが、水素ガス（燃料）によって３時間で直線的に置き換えられるようにプログラムを行った。ヘリウムガス流中への水素の導入は、アノードの分散酸化ニッケル成分をニッケル金属に還元する。酸化ニッケルからニッケルへの還元には、電池の両端に電圧の発生が伴う。８００℃で還元が完了したとき、この二電池ラジアルスタック（スタック１００）の開路電圧（ＯＣＶ）は、１標準リットル／分（ｓｌｐｍ）の水素流量及び２．４ｓｌｐｍの空気流量で２．１０９Ｖであった。
【００５０】
アノードの還元後、順次に高くなる電流負荷をスタック１００を加え、始動時の電池電圧応答を対応する出力密度（ＰＤ）と共に図４に示す。グラフ中の連続した線は、実験データに当てはめた回帰線を表す。各電池の面積比抵抗の推定値は最小二乗線の勾配で与えられ、それらは第一及び第二の電池についてそれぞれ０．６３５３及び０．５９６７Ω・ｃｍ２である。この実施例の各電池についての対応する最大出力密度は出力密度に関する回帰方程式から推定でき、３８３及び４１６ｍＷ／ｃｍ２である。
【００５１】
次に、４５アンペア（Ａ）又は４６０ｍＡ／ｃｍ２（ここでｍＡはミリアンペアを表す）の電流負荷をスタック１００に加え、スタック及び各電池に関する電圧応答を約１２０時間の試験期間について図５に示す。電池電圧は、試験の最初の６０時間では向上し、最後の６０時間では安定であった。二つの電池の電圧は、開始時にはやや異なっていたが、試験の最後の５０時間ではほぼ同じであった。
【００５２】
当然ながら、以上の説明は本発明の好ましい実施形態に関するものであり、特許請求の範囲に記載した本発明の技術的思想及び技術的範囲から逸脱することなく様々な変更が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】二つの電池を有する本発明のシールレス燃料電池スタック系の概略断面図である。
【図２】図２Ａは本発明のシールレス燃料電池スタック系の一電池サブシステムの略図であり、図２Ｂは図２Ａに示した一電池サブシステムに供給部材が含まれたところを示す該一電池サブシステムの概略部分平板図であり、図２Ｃは図２Ｂに示す供給部材の概略側面図である。
【図３】二つの電池を有する本発明のシールレス燃料電池スタック系の一実施形態の概略部分段階図である。
【図４】図１に示すような二電池型燃料電池スタック系中の電池の電圧、電流密度及び出力密度特性を比較するグラフである。
【図５】一定期間にわたる４５Ａの電流負荷の下での各電池及び二電池スタックの電圧特性を比較するグラフである。
【符号の説明】
１００　燃料電池スタック系
１０１　第一の燃料電池サブシステム
１０２　第二の燃料電池サブシステム
１０３　ハウジング
１０４　連続隔離板
１０６　連続電池
１０８　第一のインターコネクト層
１１０　第二のインターコネクト層
１１２　下部端板
１１４　上部端板
１１６　底部
１１８　頂部
１２２　酸化体ガスマニホルド
１２４　燃料マニホルド
１２６　供給サブシステム
１２８　酸化体ガス供給部材
１３０　燃料供給部材
１３２　外縁
１３４　中心区域
１３５　出口
１３６　閉鎖部材又は下面
１３８　上面
１４０　周縁
１４２　円形開口
１４４　側壁
１４６　流れ分配部分
１４８　管部分
１５０　側壁
１５２　上面
１５４　下面
１５６　通路
１５８　アノード層
１６０　カソード層
１６２　固体電解質層
１６６　下面
１６８　上面
１７０　周縁
１７２　円形開口
１７４　流れ分配部分
１７６　管部分又は側壁
１７８　上面
１８０　下面
１９０　スタックアセンブリ
１９２　下部インターコネクト端板
１９４　上部インターコネクト端板
１９６　インターコネクトアセンブリ
１９８　電池
２００　電池
【図１】
2004507060.tif 000003
【図２Ａ】
2004507060.tif 000004
【図２Ｂ】
2004507060.tif 000005
【図２Ｃ】
2004507060.tif 000006
【図３】
2004507060.tif 000007
【図４】
2004507060.tif 000008
【図５】
2004507060.tif 000009
【国際公開パンフレット】
2004507060.tif 000010
2004507060.tif 000011
2004507060.tif 000012
2004507060.tif 000013
2004507060.tif 000014
2004507060.tif 000015
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2004507060.tif 000022
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2004507060.tif 000039
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004507060.tif 000040
2004507060.tif 000041
【国際調査報告】
2004507060.tif 000042
2004507060.tif 000043
2004507060.tif 000044