(57)【要約】      （修正有）【課題】熱伝達を制御し均一な電池の温度をもたらすための、シールの優先的冷却機能を有する固体酸化物型燃料電池を提供する。【解決手段】この固体酸化物型燃料電池モジュールは、マニホールド１２と、プレートと、カソード電極と、燃料電池と、アノード電極とを備える。マニホールドは、電池の周縁部の上方で互いに分岐する通路と連通する空気または酸素の入口２４を備え、それらの通路は、合流して、空気または酸素を、径方向または内側に流して、それがカソード流動フィールド１４の中央で受け取られる。カソード流動フィールドは、ほぼ径方向外側に、燃料電池を冷却する曲がりくねった冷却通路をもたらす複数の相互接続部４０を有し、それらの相互接続部は、優先的な冷却をもたらすために、熱伝導性の異なる材料で形成される。【選択図】図２
2007123241.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マニホールド（１２）と、カソード流動フィールド（１４）と、アノード電極およびカソード電極を電解質層の両側に備えた電池（１８）を形成する電解質層と、アノード流動フィールド（２０）と、アノード流動フィールド閉鎖部材（１２）とからなる層状のアレイを備える固体酸化物型燃料電池モジュール（１０）において、
前記カソード流動フィールド（１４）が、中央の酸化剤流入口（３６）と、前記カソード流動フィールド入口と連通する複数の酸化剤流路（３８）とを備え、
前記マニホールド（１２）が、酸化剤入口（２４）と、前記カソード流動フィールドの前記酸化剤流入口と連通する酸化剤出口（２８）とを備え、
前記マニホールド（１２）、前記カソード流動フィールド（１４）、および前記電池（１８）が、固体酸化物型燃料電池の周縁部にシールを有し、
前記マニホールドが、カソードの酸化剤の流れが優先的に前記シールの周囲をめぐって誘導されて前記シールを冷却するように、前記マニホールド酸化剤入口から前記電池の周縁部をめぐって延びて、前記マニホールド出口と連通する通路（２２）を有する、燃料電池モジュール（１０）。
【請求項２】
前記酸化剤流路（３８）が、前記カソード流動フィールドの周縁部に隣接するそれぞれの出口で終端する、請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記カソード流動フィールド通路（３８）のそれぞれが、前記カソード流動フィールドの前記酸化剤流入口とそれに関連するカソード流動フィールド出口との間で、一般的なジグザグの構成を有する、請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記カソード流動フィールド通路（３８）が、前記酸化剤を互いに逆の方向に流すセグメント（４０）を備える、請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
酸化剤を一方向に流すための前記セグメントの１つが、酸化剤を逆の方向に流すための前記セグメントの別の１つよりも、前記カソード流動フィールドの酸化剤入口からさらに離隔される、請求項４記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記カソード流動フィールド通路が、ほぼ同心円を成すセグメント（４０）内に延び、それにより前記セグメント内で、酸化剤が互いに円周上を逆の向きに流れることが可能になる、請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項７】
前記カソード流動フィールドがほぼ環状構造である、請求項６記載の燃料電池モジュール。
【請求項８】
前記カソード流動フィールドが、前記流路を一部画定する複数の相互接続部（４０）を備え、前記相互接続部が、互いに異なる熱伝導性を有する異なる材料で形成される、請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項９】
前記マニホールド酸化剤入口に隣接する前記相互接続部が、前記カソード流動フィールドの他の相互接続部よりも低い熱伝導性を有する材料で形成される、請求項６記載の燃料電池モジュール。
【請求項１０】
前記マニホールド酸化剤入口に隣接する前記相互接続部（４０）がセラミック材料で形成され、残りの相互接続部が金属材料で形成される、請求項９記載の燃料電池モジュール。
【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に関し、詳細には、カソード流動フィールド内で、異なる材料で形成されたシール、電池、および相互接続部の全域における電池の温度差を小さく維持して、熱伝達を制御し均一な電池の温度をもたらすための、シールの優先的冷却機能を有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素または炭化水素燃料を空気または酸素と電気化学的に反応させて、電気、熱、および水を発生させる、電気化学的装置である。燃料電池は一般に、酸化剤を流すためのカソード流動フィールドと、水素または炭化水素燃料を流すためのアノード流動フィールドと、カソード流動フィールドとアノード流動フィールドの間にあり、一般に硬質セラミック電解質で形成される電池とを備える。酸素イオンが、酸化剤電極すなわちカソードで形成され、水素または他の炭化水素燃料が燃料電極すなわちアノードの上を通るとき、酸素イオンが硬質セラミック電解質中を移動して燃料を酸化し、それにより水素を水に、また一酸化炭素を二酸化炭素に変換するとともに、電子を放出させる。電子は、外部回路を通って外に出て、電気を作り出す。
【特許文献１】米国特許第６，６５６，５２５号公報
【特許文献２】米国特許第６，５４１，１４６号公報
【特許文献３】米国特許第６，２７１，１５８号公報
【特許文献４】米国特許第５，４５３，３３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、シール全域でシール温度および温度勾配が高いと、燃料漏れ、またアノードの酸化および性能の低下を生じる恐れがある。シールを冷却してより低い均一な温度に維持すると、それらの問題を解消することができる。さらに、電池全域での温度勾配が高いと、高い熱応力が生じることがあり、その結果、電池のひび割れおよびスタック寿命の低下が生じる恐れがある。電池と相互接続部、すなわち酸化剤の流路を画定するカソード流動フィールドのリブとの間の熱伝達のための連絡が改善されると、温度勾配を小さくし、電池のひび割れを防止することができる。したがって、シールを改善すること、および電池全域での温度勾配を管理することが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の好ましい一実施形態では、マニホールドと、カソード流動フィールドと、アノード電極およびカソード電極を電解質層の両側に備えた電池を形成する電解質層と、アノード流動フィールドと、アノード流動フィールド閉鎖部材とからなる層状のアレイを備える固体酸化物型燃料電池において、カソード流動フィールドが、中央の酸化剤流入口と、カソード流動フィールド入口と連通する複数の酸化剤流路とを備え、マニホールドが、酸化剤入口と、カソード流動フィールドの酸化剤流入口と連通する酸化剤出口とを備え、マニホールド、カソード流動フィールド、および電池が、固体酸化物型燃料電池の周縁部にシールを有する固体酸化物型燃料電池であって、マニホールドが、カソードの酸化剤の流れが優先的にシールの周囲をめぐって誘導されてシールを冷却するように、マニホールド酸化剤入口から電池の周縁部をめぐって延びて、マニホールド出口と連通する通路を有する、固体酸化物型燃料電池が提供される。
【０００５】
本発明のさらなる好ましい一態様では、マニホールドと、カソード流動フィールドと、アノードおよびカソードを備えた電池を形成する電解質層と、アノード流動フィールドと、アノード流動フィールド閉鎖部材とからなる層状のアレイを備える固体酸化物型燃料電池において、カソード流動フィールドが、酸化剤流入口と、カソード流動フィールド入口と連通するとともにカソード流動フィールドの周縁部に隣接するそれぞれの出口で終端する複数の酸化剤流路とを備え、マニホールドが、酸化剤入口と、カソード流動フィールドの酸化剤流入口と連通する酸化剤出口とを備え、マニホールド、カソード流動フィールド、および電池が、固体酸化物型燃料電池の周縁部にシールを有する固体酸化物型燃料電池であって、マニホールドの酸化剤入口が、所定の周囲の位置と、マニホールド酸化剤入口から互いに逆の向きにマニホールドの周縁部をめぐって延び、マニホールド酸化剤入口にほぼ対向する位置で終端し、マニホールド出口と連通する通路とに隣接して配設され、この通路が、シールを冷却するようにシールに隣接して位置する、固体酸化物型燃料電池が提供される。
【０００６】
本発明の別の好ましい実施形態では、互いに接して配列された複数の燃料電池モジュールを備える固体酸化物型燃料電池モジュールのアレイであって、モジュールのそれぞれが、マニホールドと、カソード流動フィールドと、アノード電極およびカソード電極を電解質層の両側に備えた燃料電池を形成する電解質層と、アノード流動フィールドとからなる層状のアレイを備え、各モジュールのカソード流動フィールドが、中央の酸化剤流入口と、電池のカソード流動フィールド入口と連通する複数の酸化剤流路とを備え、各モジュールのマニホールドが、酸化剤入口ポートと、カソード流動フィールドの酸化剤流入口と連通する酸化剤出口とを備え、１つのマニホールドのカソード流動フィールドと、隣接するモジュールのアノード流動フィールドとの間のマニホールドがそれぞれ、隣接するモジュールのアノード流動フィールドに燃料を流すための燃料入口および燃料出口を有する、固体酸化物型燃料電池モジュールのアレイが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
次に図１および図３を参照すると、マニホールド１２と、カソード流動フィールド１４と、マニホールド１２とカソード流動フィールド１４の間に挟まれたプレート１６と、燃料電池１８と、アノード流動フィールド２０とを備える、全体を１０で示す固体酸化物型燃料電池モジュールが示されている。積層された固体酸化物型燃料電池の構成が図４に示されており、図では、燃料電池モジュール１０は、互いに接して積層され、一方のマニホールドが、隣接する燃料電池のアノード流動フィールド用の閉鎖部材を形成している。マニホールド１２と、プレート１６と、カソード流動フィールド１４と、電池１８と、アノード流動フィールド２０とを備える各燃料電池が、従来どおりのまたは後述の様々な入口および出口の所を除き、周縁部で互いに封止されていることが理解されよう。
【０００８】
図２を参照すると、空気または酸素の流れの方向および位置を示すために、マニホールド１２が概略的に示されている。マニホールド１２は、マニホールド１２の縁の周囲に、空気または酸素の外周通路２２を備える。具体的には、マニホールド１２は、入口２４から互いに分岐して、燃料電池の周縁部をめぐって互いに逆の向きに延びる通路２２に空気を供給するための、空気または酸素の入口２４を備える。図示の例では、固体酸化物型燃料電池は環状であり、したがって入口２４からの空気または酸素は、互いに逆の向きに分岐して、周縁部を約１８０度回って、空気または酸素の入口２４と対向する位置に至る。通路２２は、好ましくは、マニホールド１２の中心にあるサブマニホールド２８内へと延びる径方向通路２６と交差し連通する。サブマニホールド２８は、矢印３０で示されるように、空気または酸素をカソード流動フィールド１４の中央に向けて誘導する中央の開口を有する。
【０００９】
図１および図２を再度参照すると、カソード流動フィールド１４は、その付近に、円周方向の離隔された位置に複数の出口３４を有する周縁部３２を備える。一方、出口３４は、複数の通路３８によって、カソード流動フィールドの中央部分３６と連通している。図示の例では、通路３８は、空気または酸素の流れが径方向外側に出口３４に向かって誘導されるときに空気または酸素を円周方向で互いに逆の方向に流すための、全般的にジグザグパターンを形成する。したがって、通路３８は、曲がりくねっており、また相互接続部４０によって画定される。この例において、相互接続部４０は、全般的に径方向に延びる相互接続部４２および円周方向に延びる相互接続部４４を有し、これらの相互接続部は、中央３６から出口３４に向かって、円周方向に離隔された複数の逆さクリスマスツリーの配列を基本的に形成する。空気または酸素を流すための、他の曲がりくねった通路の構成も実現できることが理解されよう。図１を再度参照すると、プレート１６が、マニホールド１２とカソード流動フィールド１４の間に挟まれている。プレート１６は、空気または酸素が、サブマニホールド２８から開口４６を通ってカソード流動フィールド１４の中央部分３６へ流れ込み、次いで円周方向および径方向に曲がりくねって出口３４へ流れることを可能にする、中央の開口４６を備える。燃料電池１８の一方の側面が、空気または酸素を通路３８内に閉じ込め、プレート１６が、空気または酸素を通路３８の反対側に沿って閉じ込める。電池を完成させるために、アノード流動フィールド２０がその周縁部で燃料電池１８に封止される。図１に示すように、アノード流動フィールドは、水素または炭化水素燃料を流すための、様々な通路を有する。
【００１０】
上で述べたことから、マニホールド１２に入る空気または酸素の流れが、周囲のシールをめぐって、また燃料電池の周縁部をめぐって誘導されて冷却をもたらすことが理解されよう。次いで、空気または酸素は、マニホールド１２の中央の穴、およびプレート１６を貫通した穴４６を通って、カソード流動フィールドに誘導される。図示の、入口が１つで、空気または酸素が分岐してシールの周縁部を回り、次いで径方向内側に流れて、中央部分、すなわちマニホールドのサブマニホールド２８に流れ込む構成を用いると、生じる圧力降下が最小になり、それにより補助電力が低減され、効率が上がる。また、シールの上の空気の流れが、温度差を非常に大幅に低下させ、したがって電池の寿命および性能が改善される。
【００１１】
相互接続部４０、例えばカソード流動フィールド１４のリブを、熱伝導性が異なる材料で形成して、熱の流れを制御することができることもまた理解されよう。例えば、図１のカソード流動フィールド１４内に示す、径方向外側に広がり円周方向に延びる最も内側の最初の２つのリブ４８は、ステンレス鋼材料で形成することができる。このクリスマスツリー配列のうち、円周方向に延びる最も外側の２つのリブ５０は、セラミックで形成することができる。ステンレス鋼材料およびセラミック材料は異なる熱伝導性を有するので、ほぼ均一な電池の温度をもたらすように、熱伝達が制御される。
【００１２】
別の例では、マニホールドの空気または酸素の入口に隣接するリブ４０のうち１つまたは２つをセラミック材料で形成することができ、残りのリブ４０を金属材料で形成することができる。こうすることにより、入口の領域内の電池とシールの間の温度勾配が小さくなり、それによりとりわけ電池のひび割れが抑制される。すなわち、セラミック材料の相互接続部を入口の位置に製作することによって、マニホールドの入口の低温スポットが電池上に伝達されず、したがって実際にはなくなり、そのため電池の全域で温度勾配が最小限に抑えられる。その結果、応力ひび割れが緩和される。金属材料で形成された残りの相互接続部は、電池から熱を取り去る助けとなる。
【００１３】
図４を参照すると、燃料電池モジュール１０の積層された構成が示してある。集電板５４および５６が、モジュールの両端に示されている。モジュールが、発電用燃料電池を実現するのに必要な絶縁物、電源ストリップ、端子、燃料用の管など、全て従来どおりである他の様々な部品を含む燃料電池ハウジングの一部を形成していることが理解されよう。
【００１４】
好ましいマニホールド１２が図５に示してあり、それは上層６０、２つの中間層６２および６４、ならびに下層１６を含む複数の層を有する。燃料電池モジュール１０の積層された構成において、複数の層を有するマニホールド１２は、１つの燃料電池のカソード流動フィールド１４と次に隣接する燃料電池のアノード流動フィールド２０との間にあることが理解されよう。例えば、プレート１６が、１つの燃料電池のカソード流動フィールド１４の上にあり、層６０が、隣接する燃料電池のアノード流動フィールドの下にある。中間層６２および６４は、開口４６を通ってカソード流動フィールド１４内へと酸素または空気を流すための、また層６０の開口６６を通って隣接するアノード流動フィールドへと燃料を逆の方向に流すための、径方向および円周方向に延びる、様々なリブを有する。例えば、層６２および６４が層６０と１６の間で互いに固定されている場合、層６２および６４のほぼ径方向に延びるリブ７０および７２は、円周方向に互いに食い違いに配置され、円周方向のリブは互いに位置合せされる。このようにして、空気または酸素が、空気または酸素の入口ポート７４から流れ、次いで円周方向で互いに逆の向きに分岐して、円周方向のシールを優先的に冷却し、次いで層の中央に向かって流れて、開口４６を通ってカソード流動フィールドに流れ込む。燃料は、マニホールド１２の周縁部に隣接する、層６２および６４の通路８２および８４を位置合せすることによって形成された燃料入口８０から入る。燃料は、マニホールド１２の中央に向かって流れて、燃料出口または穴６６を通って隣接する燃料電池モジュールのアノード流動フィールドへ流れ込む。したがって、中間層のリブの付いた構成、ならびに穴４６および６６の位置により、空気または酸素が、入口ポート７４から開口４６を通って隣接するカソード流動フィールドへ流れ込むとともに周縁部で優先的に電池を冷却し、燃料が入口ポート８０から穴６６を通って隣接するアノード流動フィールドに流れることが可能になる。
【００１５】
以上、本発明を、現在最も実用的で好ましい実施形態であると考えられているものに関して説明してきたが、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではなく、反対に、添付の特許請求の範囲の精神および範囲内に含まれる、様々な改変および同等の構成を包含するものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の様々な側面を示す、固体酸化物型燃料電池の分解斜視図である。
【図２】カソード流動フィールド内への酸化剤の流れを示す、マニホールドの概略斜視図である。
【図３】図４に示された積層された固体酸化物型燃料電池のうち１つの電池を示す、部分断面斜視図である。
【図４】一連の積層された燃料電池の分解斜視図である。
【図５】燃料および酸化剤をそれぞれ、隣接する電池に供給するためのマニホールドの分解斜視図である。
【符号の説明】
【００１７】
１０  燃料電池モジュール
１２  マニホールド
１４  カソード流動フィールド
１８  燃料電池
２０  アノード流動フィールド
１６  プレート
２２  酸素通路
２４  酸素入口
２６  径方向通路
２８  サブマニホールド
３０  矢印
３２  周縁部
３４  出口
３６  中央部分
３８  通路
４０、４２、４４  相互接続部
４６  中央の開口
４８  最も内側のリブ
５０  最も外側のリブ
５４、５６  プレート
６０  上層
６２、６４  中間層
１６  下層
６６  開口
７０、７２  径方向に延びるリブ
７４  酸素の入口ポート
８０  燃料入口
８２、８４  通路
【図１】
2007123241.tif 000003
【図２】
2007123241.tif 000004
【図３】
2007123241.tif 000005
【図４】
2007123241.tif 000006
【図５】
2007123241.tif 000007
【外国語明細書】
2007123241000001.pdf