(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池相互接続板組立体において、
外周、燃料側、酸化剤側を有する平面状本体と、
前記燃料側が中央領域及び流れ偏向器を備えることと、
前記燃料側に燃料出口を有する燃料供給導体管であって、前記燃料出口は、前記中央領域及び前記外周から隔てられ、かつ前記中央領域及び前記外周の間に配置される、燃料供給導体管とを備え、
これにより、前記流れ偏向器により、前記燃料出口からの燃料の流れが完全な半径方向以外の方向に流動するようにする、燃料電池相互接続板組立体。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池相互接続板組立体において、前記外周が略円形である、燃料電池相互接続板組立体。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池相互接続板組立体において、前記燃料供給導管が、前記燃料出口を複数、備える、燃料電池相互接続板組立体。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池相互接続板組立体において、前記燃料出口が、中央部分と外周との略中間に配置される、燃料電池相互接続板組立体。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池相互接続板組立体において、前記中央領域に反応生成物の入口を有する燃料電池反応生成物の集め導体管を更に備える、燃料電池相互接続板組立体。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池相互接続板組立体において、前記酸化剤側に排ガス入口を有する排ガス回収導体管を更に備える、燃料電池相互接続板組立体。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池相互接続板組立体において、前記酸化剤側が中央領域を有する、燃料電池相互接続板組立体。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池相互接続板組立体において、前記排ガス入口が、前記酸化剤側の前記中央領域にある、燃料電池相互接続板組立体。
【請求項９】
請求項１に記載の燃料電池相互接続板組立体において、前記酸化剤側が、半径方向に方向決めされた流れ偏向器を備える、燃料電池相互接続板組立体。
【請求項１０】
請求項１に記載の燃料電池相互接続板組立体において、前記流れ偏向器が、半径方向に方向決めされた流れ偏向器と、環状方向に方向決めされた流れ偏向器とから成る、燃料電池相互接続板組立体。
【請求項１１】
請求項１に記載の燃料電池相互接続板組立体において、前記酸化剤側が流れ偏向器を備える、燃料電池相互接続板組立体。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池相互接続板組立体において、前記燃料側及び前記酸化剤側の前記流れ偏向器が柔軟な電気的接触面を備える、燃料電池相互接続板組立体。
【請求項１３】
請求項１２に記載の燃料電池相互接続板組立体において、前記燃料側及び前記酸化剤側における前記偏向器の前記柔軟な電気的接触面がそれぞれ銀及び金である、燃料電池相互接続板組立体。
【請求項１４】
請求項１１に記載の燃料電池相互接続板組立体において、前記平面状本体が、前記酸化剤側及び前記燃料側に前記流れ偏向器を形成する波形の本体である、燃料電池相互接続板組立体。
【請求項１５】
燃料電池積重ね体において、
各々の電池が陽極面及び陰極面を有する複数の電池と、
各々の相互接続板組立体が、外周、１つの前記電池の前記陰極側に隣接する酸化剤側、別の前記電池の前記陽極側に隣接する燃料側を備える、複数の相互接続板組立体と、
前記燃料側及び酸化剤側が、燃料側及び酸化剤側の中央領域を備えることと、
前記相互接続板組立体の各々の前記燃料側に燃料出口を備える燃料供給導体管であって、前記燃料出口は、前記燃料側の中央領域及び前記外周から隔てられ、かつ、前記燃料側の中央領域及び前記外周の間に配置される、燃料供給導体管と、
前記電池及び相互接続板組立体が、前記酸化剤側に流体的に結合された酸化剤供給領域を画成することとを備える、燃料電池積重ね体。
【請求項１６】
請求項１５に記載の燃料電池積重ね体において、前記燃料供給導体管が、前記燃料出口を複数、備える、燃料電池積重ね体。
【請求項１７】
請求項１５に記載の燃料電池積重ね体において、前記燃料出口が、前記中央部分と前記外周との略中間に配置される、燃料電池積重ね体。
【請求項１８】
請求項１５に記載の燃料電池積重ね体において、前記燃料側の前記中央領域に反応生成物の入口を有する燃料電池の反応生成物の集め導体管を更に備える、燃料電池積重ね体。
【請求項１９】
請求項１５に記載の燃料電池積重ね体において、前記酸化剤側に排ガス入口を有する排ガスの集め導体管を更に備える、燃料電池積重ね体。
【請求項２０】
請求項１９に記載の燃料電池積重ね体において、前記排ガス入口が、前記酸化剤側の前記中央領域にある、燃料電池積重ね体。
【請求項２１】
請求項１５に記載の燃料電池積重ね体において、前記酸化剤側が、半径方向に方向決めされた流れ偏向器を備える、燃料電池積重ね体。
【請求項２２】
請求項２１に記載の燃料電池積重ね体において、前記燃料側が半径方向に方向決めされた流れ偏向器と、還状方向に方向決めされた流れ偏向器とを備える、燃料電池積重ね体。
【請求項２３】
請求項２２に記載の燃料電池積重ね体において、前記流れ偏向器が柔軟な電気的接触面を備える、燃料電池積重ね体。
【請求項２４】
請求項１５に記載の燃料電池積重ね体において、前記酸化剤供給領域が、前記電池と前記相互接続板組立体との間に周縁空隙領域を備える、燃料電池積重ね体。
【請求項２５】
請求項１５に記載の燃料電池積重ね体において、前記電池が、固体の酸化物電池である、燃料電池積重ね体。
【請求項２６】
燃料電池積重ね体において、
各々の電池が陽極面及び陰極面を有する複数の電池と、
各々の相互接続板組立体が、外周、前記１つの電池の前記陰極側に隣接する酸化剤側、前記別の電池の前記陽極側に隣接する燃料側を備える、複数の相互接続板組立体と、
前記燃料側及び酸化剤側が中央領域を備えることと、
前記各相互接続板組立体の前記燃料側に燃料出口を有する燃料供給導体管であって、前記燃料出口の各々は、前記各相互接続板組立体の前記中央領域と前記外周との間の中間に配置される、燃料供給導体管と、
前記各相互接続板組立体の前記燃料側の前記中央領域に反応生成物の入口を有する反応生成物集め導体管と、
前記各相互接続板組立体の前記酸化剤側の前記中央領域に入口を有する排ガスの集め導体管と、を備える、燃料電池積重ね体。
【請求項２７】
請求項２６に記載の燃料電池積重ね体において、前記各相互接続板組立体の前記酸化剤側の前記中央領域に入口を有する排ガスの集め導体管を更に備える、燃料電池積重ね体。
【請求項２８】
請求項２７に記載の燃料電池積重ね体において、前記相互接続板組立体の前記燃料側が、半径方向に方向決めされた流れ偏向器と、環状方向に方向決めされた流れ偏向器とを備える、燃料電池積重ね体。
【請求項２９】
請求項２８に記載の燃料電池積重ね体において、前記酸化剤側が半径方向に方向決めされた流れ偏向器を備える、燃料電池積重ね体。
【請求項３０】
請求項２９に記載の燃料電池積重ね体において、前記各相互接続板組立体の前記中央領域と、前記外周との略中間に配置された燃料出口とを有する、複数の前記燃料供給導体管を更に備える、燃料電池積重ね体。
【請求項３１】
シールレス燃料電池組立体において、
内部を画成する容器と、
前記容器の内部に流体的に結合された酸化剤ガス供給源と、
前記容器の内部に収容され、１つの内部を画成するガス透過性の多孔質ハウジングであって、前記酸化剤ガスが該ハウジングを通って前記内部に入る、多孔質ハウジングと、
前記多孔質ハウジングの内部に収容された燃料電池積重ね体とを備え、該燃料電池積重ね体が、
各々の電池が陽極面及び陰極面を有する複数の電池と、
各々の相互接続板組立体が、外周、前記１つの電池の陰極面に隣接する酸化剤側、前記別の電池の陽極面に隣接する燃料側を備える、複数の相互接続板組立体と、
前記燃料側及び酸化剤側が燃料側及び酸化剤側の中央領域を備えることと、
前記相互接続板組立体の各々の燃料側に燃料出口を有する燃料供給導体管と、
前記各相互接続板組立体の燃料側に反応生成物の入口を有する反応生成物の集め導体管と、
前記相互接続板組立体の各々の酸化剤側に排ガス入口を有する排ガス回収導体管とを備える、シールレス燃料電池組立体。
【請求項３２】
請求項３１に記載の燃料電池積組立体において、前記ハウジング及び前記燃料電池積重ね体が、その間に残留反応生成物の燃焼領域を画成する、燃料電池組立体。
【請求項３３】
請求項３１に記載の燃料電池組立体において、前記電池の各々が、外周を備え、前記陰極面が該外周から隔てられた外縁部を有し、前記電池の各々が、燃料が前記陰極面と反応することを防止するのに役立ち得るように前記外縁部と前記外周との間に配置されたリングを備える、燃料電池組立体。
【請求項３４】
請求項３３に記載の燃料電池組立体において、前記リングが金属製リングである、燃料電池組立体。
【請求項３５】
請求項３１に記載の燃料電池組立体において、
前記燃料供給導体管が、前記相互接続板組立体の各々の前記燃料側の中央領域及び前記外周から隔てられた複数の燃料出口を備えることと、
前記反応生成物の入口が燃料側の中央領域にあることと、
前記排ガス入口が酸化剤側の中央領域にあることとを備える、燃料電池組立体。
【請求項３６】
請求項３１に記載の燃料電池組立体において、前記燃料側及び前記酸化剤側が、半径方向流れ偏向器と、環状方向流れ偏向器とを備える、燃料電池組立体。
【請求項３７】
シールレス燃料電池組立体において、
内部を画成するハウジングと、
容器の内部に流体的に結合された酸化剤ガス供給源と、
前記ハウジングの前記内部に収容された燃料電池積重ね体とを備え、該燃料電池積重ね体が、
各々の電池が陽極面及び陰極面を有する複数の電池と、
各々の相互接続板組立体が、外周、前記１つの電池の陰極側に接触するが、該陰極側に固着されない酸化剤側、前記別の電池の陽極側に接触するが、該陽極側に固着されない燃料側を備える、複数の相互接続板組立体と、
前記燃料側及び酸化剤側の各々が燃料側及び酸化剤側の中央領域を備えることと、
前記燃料電池積重ね体が積重ね体の軸線を画成し、該積重ね体の軸線が略水平に配置され、前記相互接続板組立体の前記酸化剤側及び燃料側が略垂直に配置されることと、
前記燃料電池積重ね体の温度が作動温度の約５０℃以下の範囲内にあるとき、前記燃料電池積重ね体を前記積重ね体の軸線に沿って圧縮する手段とを備える、シールレス燃料電池組立体。
【請求項３８】
請求項３７に記載のシールレス燃料電池組立体において、前記燃料側及び前記酸化剤側が、隣接する電池の前記陽極面及び陰極面に接触する、陽極接触面及び陰極接触面を有する弾性的な流れ偏向器を備える、シールレス燃料電池組立体。
【請求項３９】
請求項３８に記載のシールレス燃料電池組立体において、前記陽極接触面及び陰極接触面が柔軟な電気的接触面を備える、シールレス燃料電池組立体。
【請求項４０】
請求項３９に記載のシールレス燃料電池組立体において、前記陽極接触面及び陰極接触面がそれぞれ銀及び金の面を備える、シールレス燃料電池組立体。
【請求項４１】
燃料電池組立体の作動方法において、
ハウジング内にて複数の相互接続板が交互に現れる複数の燃料電池を備え、該相互接続板が燃料側及び酸化剤側を備える燃料電池積重ね体であって、外周を備え、前記ハウジングが、前記積重ね体の前記外周を取り巻き、その間に１つの領域を画成するガス透過性の多孔質壁を備える燃料電池積重ね体を提供するステップと、
前記積重ね体の温度を始動温度まで上昇させるステップと、
前記相互接続板の前記燃料側に燃料を供給するステップと、
前記ガス透過性の多孔質壁を通じて前記領域まで酸素を含むガスを流すステップと、
前記燃料側から反応生成物を除去するステップと、
前記酸化剤側から排ガスを除去するステップとを備える、方法。
【請求項４２】
請求項４１に記載の方法において、前記燃料供給ステップが、前記相互接続板の前記外周から及び前記燃料側の中央領域から隔てられた位置に対し燃料を導入することにより行われる、方法。
【請求項４３】
請求項４２に記載の方法において、前記位置が、前記中央領域及び前記外周から略等距離であるように選択される、方法。
【請求項４４】
請求項４１に記載の方法において、前記燃料を供給するステップが、前記燃料側の各々に隣接する複数の位置に対し燃料を導入することにより行われ、前記位置の各々が、前記中央領域及び前記外周から略等距離であるように選択される、方法。
【請求項４５】
請求項４１に記載の方法において、前記ガスを流すステップが、前記ガス透過性の多孔質壁を通じて流す行為により前記酸素を含むガスを第一の温度まで加熱するステップを備える、方法。
【請求項４６】
請求項４１に記載の方法において、前記燃料側から領域に入る任意の残留反応生成物を該領域内にて燃焼させるステップを更に備える、方法。
【請求項４７】
請求項４１に記載の方法において、前記反応生成物を除去するステップが、前記相互接続板の前記燃料側の中央領域から反応生成物を除去することにより行われる、方法。
【請求項４８】
請求項４１に記載の方法において、前記排ガスを除去するステップが、前記相互接続板の前記酸化剤側の中央領域から排ガスを除去することにより行われる、方法。
【請求項４９】
請求項４１に記載の方法において、前記燃料側及び酸化剤側が略垂直に配置され、前記積重ね体が略水平軸線を画成するように前記積重ね体を略水平に方向決めするステップを更に備える、方法。
【請求項５０】
請求項４９に記載の方法において、前記積重ね体が作動温度の約５０℃以下となる迄、前記積重ね体が軸方向に略自由に膨張することを許容するステップを更に備える、方法。
【請求項５１】
請求項５０に記載の方法において、前記積重ね体が作動温度の約５０℃以下の範囲にあるとき、前記積重ね体を弾性的に軸方向に圧縮するステップを更に備える、方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
燃料電池は、典型的に水素である燃料の化学エネルギを連続的な工程にて、直接、電気エネルギに変換する電池である。燃料電池は、種々の燃料及び酸化剤を使用することができるが、これらの燃料電池は、略専ら水素と酸素とを組み合わせて水蒸気を形成する。燃料電池は、燃料と接触した陽極と、酸素に接触した陰極と、陽極及び陰極の間に保持された電解液とを有している。電池の各々は、１ボルト以下の電圧を発生させ、このため、一連の燃料電池又は燃料電池の積層体を使用して、燃料を有用なエネルギに変換する。燃料及び酸素を分離した状態に保ち、また、１つの電池の陽極を隣接する電池の陰極に電気的に接続するために各電池の間に、相互接続板が使用される。
水素の１つの供給源は、天然ガスである。天然ガスから水素を得る１つの一般的な方法は、天然ガスと蒸気とを760℃のような高温にて組み合わせて、水素を得るリホーマ装置を使用することである。かかる燃料電池は、別個の外部のリホーマ装置を使用して作動し、水素を発生させる。他の燃料電池は、燃料電池を十分な高温度にて作動させることにより、及びその他の適当な設計上の考慮を行うことにより、リホーマ装置の機能を燃料電池自体に組み合わせる。
１つの型式の燃料電池は、1994年、3月22−23日、ジョージア州、アトランタで開催された、燃料電池技術の研究開発に関するＥＰＲＩ／ＧＲＩ燃料電池技術研究会（Fuel Cell Workshop）にて、エム・パトリック（M．Petrik）及びその他の者による、「科学間の半径方向流れ（ＩＲＦ）ＳＯＦＣの積重ね体の開発状況（Stack Development Status of the Interscience Radial Flow（IRF）SOFC）」において固体酸化物の燃料電池に対して半径方向への流れ形態を使用する１つの設計において、燃料及び空気は、該電池の中央領域にて一対の穴を通じて各電池に供給される。次に、燃料及び空気は、電池の縁部まで半径方向外方に流れる。この流れの形態は、供給箇所にて燃料と空気を分離するためシールを必要とし、また、濃厚な燃料及び濃厚な空気の双方が存在する、電池の中央にて温度が急上昇する虞れを生じる。1996年5月6−10日、ノルウェー、オスロで開催された、第二回欧州燃料電池フォーラムの会議録Ｖｏl．１、393−402頁に、エム・プリカ（M．Prica）及びその他の者による「ＳＯＦＣにおける改良された熱機械的性能用の所要形状ＰＥＮ板（Contoured PEN Plates for Improved Thermomechanical Performance in SOFCs）」に開示された別の形態において、燃料及び電気は、一対の針を通じて各電池の中心部に供給される。次に、これらのガスは、電池の縁部まで半径方向に流れる。この流れ形態は、ガスシールを不要にするが、依然として、温度の急上昇に関して問題がある。欧州特許第0,635,896号に開示された、別の形態において、燃料は、供給針によって電池の中心部に供給される一方、空気は、分配ノズルによって陰極の全面積に供給される。使用済みの燃料及び使用済みの空気は、電池の縁部に集められる。この形態は、ガスシールを不要にし、また、温度の急上昇の問題もない。しかしながら、この形態は、複雑なガスノズルの分配装置を必要とする。
発明の概要
本発明は、ガスシール、大きい軸方向締め付け力、別個のエアヒータ、外部のリホーマ装置、前置リホーマ装置、リホーミングするための外部の蒸気供給源を何ら必要としない、典型的に、固体酸化物の燃料電池組立体である、燃料電池組立体に関する。この組立体は、ガス漏洩が全くない。電池の亀裂又はその他の電池の損傷が最小とされ、装置全体の簡易さが著しく向上する。本発明は、比較的低コストで且つ信頼性の高い燃料電池組立体を提供するものである。
この燃料電池組立体は、内部を画成する容器を備えている。ガス透過性の多孔質ハウジングが容器内に配置されることが好ましい。燃料電池積重ね体は、多孔質ハウジングの内部に収容されている。空気、又はその他の酸素を含むガスが容器と多孔質ハウジングとの間の領域内に空気を供給することによって燃料電池積重ね体に供給される。空気は、多孔質ハウジングの壁を貫通して流れ、燃料電池積重ね体に達することが好ましい。
燃料電池積重ね体は、交互に設けられた複数の電池と相互接続板とを備えている。電池の各々は、陽極面と、陰極面とを有している。相互接続板組立体の各々は、電池の陰極面に隣接する酸化剤側と、別の電池の陽極面に隣接する燃料側とを有している。燃料は、燃料側の中央領域と燃料側の外周との間の中間に配置された複数の燃料出口にて燃料側に供給されることが好ましい。
反応生成物の集め導体管が反応生成物を燃料側から吸引し得るように、燃料側の中央領域に反応生成物の入口を有している。燃料ガス集め導体管は、燃料ガスが酸化剤側から流れ出るようにするため、酸化剤側の中央領域に燃料入口を有している。
多孔質ハウジングは、燃料電池積重ね体によって発生された熱で加熱される。このことは、空気が、多孔質ハウジングの内部と積重ね体の外部又は、外周との間に画成された、残留反応生成物の燃焼領域に入るとき、多孔質ハウジングを通って流れる空気を例えば、500℃乃至800℃まで予熱することを可能にする。相互接続板組立体の周縁から半径方向外方に進む残留生成物は、多孔質ハウジングを通って流れる加熱した空気と共に燃焼する。このことは、相互接続板の酸化剤側まで流れる空気を典型的に、約700℃乃至1000℃の望ましい温度まで加熱し、組立体に入る空気を予熱することを何ら不要にする。この望ましい温度は、積重ね体にとって望まれ又は必要とされる作動温度によって決まる。また、空気は多孔質ハウジングを通過するから、多孔質ハウジングは、外面にて比較的低温度状態を保ち、安全性及び効率さの双方にとって都合がよい。
相互接続板の燃料側及び酸化剤側の双方に沿ったガスの流れは、流れ偏向器によって導かれることが好ましい。これらの流れ偏向器は、相互接続板を波形にすることにより形成されることが好ましい。これら波形部分は、流れ偏向器として機能するのみならず、隣接する電池の陰極面及び陽極面との電気的接触面を形成する。この酸化剤側は、半径方向に方向決めした流れ偏向器を有する一方、燃料側は、半径方向決めした流れ偏向器及び環状方向に方向決めした偏向器の双方を有することが好ましい。
燃料積重ね体は、水平方向に方向決めされる、すなわち、ウェハ状相互接続板及び電池が垂直方向に方向決めされた状態で方向決めされることが好ましい。該燃料電池積重ね体は、燃料電池積重ね体が、作動温度の50℃以下となる迄、実質的に自由な方法にて熱により膨張し且つ収縮することが許容されることが好ましい。温度変化の大部分の間、この自由な動作は、電池及び相互接続板の亀裂又はその他の損傷を最小にするのに役立つ。波形部分の外面部分は、燃料側にて銀及び酸化剤側にて金のような柔軟な金属でめっきし、隣接する電池との良好な電気的接触を可能にし且つ電池に対する亀裂又はその他の損傷を防止するのに役立ち得るようにすることが好ましい。
本発明は、燃料及び酸素の流れに関して従来の燃料電池装置と相違しており、その主たる理由は、相互接続板の燃料側に分割した燃料流れを採用し、また、相互接続板の酸化剤側に酸化剤ガス（典型的に、空気）の半径方向内方への流れを使用するからである。何れの時点にても濃厚な燃料及び濃厚な酸化剤が同時に存在することは無いため、本発明は、複雑なガス分配ノズルを必要とせずに、従来の燃料電池組立体に伴う温度の急上昇の問題を解消する。このガス分配方法は、同様にその他の有利な点ももたらす。使用済み燃料の一部分（燃料反応生成物）を燃料側の中央領域にて集め導体管により集めることができる。この使用済み燃料流れ中の反応水生成物は、リホーミング流れの供給源として使用され、このため、外部の蒸気発生及びボイラ給水の処理が全く不要である。また、分割された燃料の流れは燃料を相互接続板の燃料側の全体、従って、電池の陽極面に迅速に分配する。このことは、電池が発生する極めて吸熱的なリホーミング反応により局部的に過剰に冷却されるのを防止するのに役立つ。その結果、この積重ね体は、外部のリホーマ装置を必要とせずに、リホーミングを内部に容易に内蔵することができる。
本発明の場合、積重ね体からの廃熱を燃料電池積重ね体から多孔質ハウジングに伝達することができる。多孔質ハウジング内のこの熱は、多孔質ハウジングを貫通して流れる空気に伝達され、極めて効果的な空気の予熱を行う。空気が多孔質ハウジングを通じて半径方向に流れるため、積重ね体の長さに沿った積重ね体の冷却は均一となる。また、内方に向けた空気を提供することは、熱を積重ね体に隣接する位置に保持し、このため、実質的に熱損失ゼロの状態にて比較的低温の容器又は囲い物を使用することができる。
多くの従来の燃料電池装置の残留反応生成物（使用済み燃料）は、電池の縁部における使用済みの酸化剤を燃焼させることにより処理されている。本発明の場合、相互接続板の外周の周りから外に出る残留反応生成物の一部は、多孔質ハウジングを通過する加熱された空気と接触したときに電池の縁部にて燃焼される。このことは、空気を電池の作動温度に最終的に予熱することになる。燃焼によるこの直接的な加熱は、高価な高温熱交換器を不要にする。
多くの燃料電池積重ね体の設計において、電池は共に締め付けて、気密のガスシールを提供し且つ電気的接点抵抗を最小にする必要がある。この締付けは、積重ね体を加熱し且つ冷却する間、自由な膨張及び収縮を阻止し、熱応力を生じさせる可能性がある。このため、締め付けにより付与された機械的な力は、電池に亀裂を生じさせ又はその他、電池を不良にする可能性がある。シールレスの積重ね体の設計とすることにより、ガスシールを提供すべく締め付けることが不要となる。金及び銀の使用により、作動温度（典型的に、700乃至1000℃）にて柔軟で且つ適合性のある電気的接触表面が提供される。また、銀を使用することは、相互接続板の酸化剤側における酸化も阻止する。相互接続板の燃料側に金を使用することもできるが、銀はより低廉であり、燃料側にて酸化の問題は存在しないため、金の使用を検討する必要はない。
本発明は、燃料電池積重ね体に伴う費用の一部を節減する。従来の燃料電池積重ね体は、セラミック製電池の熱膨張率に適合し得るようにセラミック製の相互接続板を使用することがしばしばである。しかしながら、機械的な強度の必要条件に適合するため、セラミック製の相互接続板は比較的厚く形成しなければならない。この厚さの必要条件は、セラミックの材料コストが高いことと相俟って、相互接続板のコストを許容し得ない程に高価なものにする可能性がある。この問題点を解消するため、金属製の相互接続板を使用することができる。これら相互接続板は、酸化イットリウム又はアルミナのような特殊な材料でドーピングし、熱膨張率を調節する必要がある。また、これら特殊な合金は高価であり且つ弱体となる傾向がある。本発明の積重ね体の形態が自由に膨張することは、相互接続板に対して３１６のような一般的なステンレス鋼を使用することを許容することにより、従来の燃料電池組立体に伴うこの問題点を解消する。
本発明のその他の特徴及び有利な点は、添付図面と共に、以下に詳細に掲げた好適な実施の形態の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に従って製造された燃料電池組立体の簡略化した部分概略図的な断面等角図である。
図２は、一端に区画板を有する図１の多孔質ハウジングの図である。
図２Ａは、積重ね体の最初の加熱のための有孔供給管を示す、図２の多孔質ハウジングの隅部の任意の部分を切欠いた多少拡大図である。
図２Ｂは、区画板の外周における波形部分間の色々なパイプ及び管の位置を示す、図２の右側区画室の簡略化した端面図である。
図３は、４つの相互接続板及び５つの電池の多少、簡略化した図である。
図４は、多孔質ハウジングの一部分内の相互接続板の燃料側及び電池の陰極面を示す、拡大した分解等角図である。
図５は、図４の相互接続板の酸化剤側を示す、図４と同様の図である。
図５Ａは、図５の相互接続板の周縁の一部分の拡大図である。
図５Ｂは、流れを偏向する波形部分を示す、図５Ａの線５Ｂ−５Ｂに沿った断面図である。
好適な実施の形態の説明
燃料電池組立体２は、典型的に、炭素鋼で出来た、容器４を含むように図１に図示されている。容器４は、ブロア１０からの空気が容器４の内部１２に入るときに通る一対の空気入口６、８を有している。
燃料電池組立体２は、気体透過性の多孔質ハウジング１６を備える、図２に最も良く図示した燃料電池積重ね体の組立体１４を有している。ハウジング１６は、典型的に、空気又はその他の酸化剤のガスがその外周面１８を通過してハウジング１６の内部２０に入ることを許容する、ステンレス鋼のような金属スポンジ材料で出来ている。端部２２、２４は、絶縁板２６、２８によって密封されている。典型的に、セラミック材料で出来た板２６、２８は、共に、電気的且つ熱絶縁体である。燃料積重ね体の組立体１４は、絶縁体２６、２８の外面に固着された区画板３０、３２も有している。区画板３０、３２は、容器４の内面３５に係合する扇状の外縁３４を有している。板３０は、内面３５に固定される一方、板３２は、内面に摺動可能に係合する。扇状縁部３４は、空気入口６、８から容器４の内部１２に入る空気流が多孔質ハウジング１６の外面１８の周りを均一に流れることを許容する。このことは、図１に空気流の矢印で示してある。また、扇状縁部３４は、以下により詳細に説明するように、色々な管及び導体管が通るための開口部を提供する。区画板３２は、区画板から軸方向に伸長し且つ空気入口８を取り囲む領域内にて区画板３２と容器４との間に拘束された圧縮ばねを有している。ばね３６の目的については、以下に説明する。組立体１４は、３つの水平支持バー３８によって容器４内に支持されている。該支持バーは、一端にて容器４の内面３５に固着されている。
図１に戻ると、燃料電池積重ね体の組立体１４は、多孔質ハウジング１６の内部２０に収容された燃料電池積重ね体４０を含むように示してある。積重ね体４０は、交互に現れる電池４２及び相互接続板４４から成っている。電池４２は、セラミック製電池であることが好ましく、相互接続板４４は、ステンレス鋼であることが好ましい。電池４２及び相互接続板４４の各々は、図面の便宜上、その寸法に対して実質的に拡大したその軸方向寸法を有している。電池４２及び相互接続板４４の典型的な寸法は、５乃至30ｃｍ（２乃至12インチ）である。相互接続板４４の軸方向寸法４６（図５Ｂ参照）は、約0.63乃至2.54ｃｍ（0.25乃至１インチ）である一方、電池４２の軸方向寸法は、約10乃至1000μｍである。その他の寸法も使用可能である。
電池４２の各々は、陽極層４８と、陰極層５０とを有し、これら層の間に、電解液層５２が保持されている。陽極層４８及び電解液層５２の外径は、略等しい一方、陰極層５０は、より小さい外径を有し、陰極層５０の周りに周方向の環状スペース５４を形成する。典型的に、ステンレス鋼で出来た金属リング５６は、環状スペース５４内に嵌まり得る寸法とされている。リング５６は、以下に説明するように、燃料が陰極層５０の陰極面５８に接触するのを防止するために使用される。陽極層４８は、典型的に、約200μｍの厚さ、電解液層５２は、約20μｍの厚さ、及び陰極層５０は、約５乃至10μｍの厚さである。電池４２の積重ね体４０及び相互接続板４４の熱膨張及び収縮が以下に説明するように、許容される仕方のため、かかる薄い電池４２が可能となる。
次に、主として、図４、図５、図５Ａ、図５Ｂを参照すると、相互接続板４４は、隣接する電池４２（図４に図示せず）の陽極面６２に面する、図４に図示した燃料側６０と、図４に図示した隣接する電池４２の陰極面５８に面する、図５に図示した酸化剤側６４とを有するように示してある。相互接続板４４は、約500乃至1000μｍの厚さであり、その全周の周りに形成された波形部分６６、６７を有することが好ましい。図５Ｂに最も良く図示した、半径方向に方向決めされた波形部分６６は、各面５８、６２にて凸形形状と凹形形状とを交互に繰り返し、燃料側６０及び酸化剤側６４に沿った流体の流れに対して、半径方向に方向決めした流れ偏向器６６を提供する。しかしながら、燃料側６０には、環状方向に方向決めした流れ偏向器６７が形成されている。
相互接続板４４と隣接する電池４２との間の電気的接触を高めるため、波形部分の最外側部分は、金又は銀のような良導電体にてめっきされている。金及び銀は、また、陰極面５８及び陽極面６２に接触するための比較的柔軟な接触層を共に提供する点からも好ましい。陽極側６２の波形部分は、銀めっきされている一方、酸化剤側６４の波形部分は、接触面が酸化剤側にて酸化するのを防止し得るように金めっきされることが好ましい。
典型的に、天然ガス６８の形態をした燃料は、一対の燃料供給管７０、７２を通って流れ、次に、一対の気体供給針７４、７６を通って流れる。各相互接続板４４に対して一組みの針７４、７６が設けられている。気体供給針７４、７６の各々は、相互接続板４４の外周８０と燃料側６０の中央領域８２との間の途中にて、燃料側６０に沿って配置された燃料出口７８を有している。波形部分６６、６７によって、図４に色々な矢印で示すように、燃料６８は、半径方向及び環状方向の双方に向けて流れる。
使用済み燃料又は反応生成物の集め導体管８４は、燃料電池積重ね体の全体の上方になる燃料電池積重ね体４０の長さに沿って伸長する一方、供給管７０、７２は、積重ね体の一側部にて積重ね体に沿って伸長している。回収針８６は、各相互接続板４４に対して集め導体管８４から下方に伸長している。回収針の各々は、燃料側６０の中央領域８２に配置された、その末端すなわち下端に反応生成物の入口８８を有している。燃料６８が燃料出口７８から中央領域８２に進むとき迄に、燃料の大部分は消費される。反応生成物９０は、回収針８６の入口８８を通じて中央領域８２から吸引される。反応生成物９０は、二酸化炭素及び水の混合体を含み、また、一酸化炭素及び水素の形態をした未使用の燃料の量を含んでいる。この使用については、以下に説明する。
図５には、相互接続板４４の中心の下方に方向決めして設けられた排ガス回収導体管９４から上方に伸長する回収針９２が図示されている。相互接続板４４及び隣接する電池４２は、回収針９２の膨張部分又は拡張領域９５により垂直に支持されている。回収針９２は、酸化剤側６４の中央領域９８に隣接して排ガス入口９６を有している。排ガス１００は、排ガス回収導体管９４を介して積重ね体４０から吸引される。このように、酸化剤ガスは多孔質ハウジング１６の内部壁１０４と積重ね体４０との間に画成された環状領域１０２から流れる。典型的に空気である酸化剤ガスは、矢印１０６で示すように、多孔質ハウジング１６を貫通して流れる。この空気は、多孔質ハウジング１６を貫通して流れた後、多孔質ハウジング１６に伝達された燃料電池組立体４０から発生された熱によって、例えば500℃乃至800℃まで加熱される。多孔質ハウジング１６の外面１０８は、空気が壁を通るため比較的低温のままであり、空気は貫通する際に加熱される。相互接続板４４の燃料側６０から半径方向外方に流れる反応生成物１１０は、多少の可燃性ガスを含んでいる。これら可燃性ガスは、領域１０２に入ると、領域１０２内の加熱した空気と反応し且つ燃焼し、これにより、酸化剤ガス（空気）の温度を約700℃乃至1000℃まで更に上昇させる。反応生成物１１０内の比較的少量の可燃性生成物は、領域１０２内のガスの酸素含有量に著しく悪影響を与えず、そのガスは、次に、電池４２の陰極面５８と相互接続板４４の酸化剤側６４との間の領域内に吸引される。ガスは、半径方向に方向決めした流れ偏向器６６により案内されて、酸化剤側６４に沿って流れる。
金属製リング５６は、未燃焼燃料が陰極面５８に接触し、陰極を還元させることを防止するのに役立つ。反応生成物９０（使用済み燃料）は、容器４の内部１２の頂部区画室１１４内に配置されたエジェクタ１１２（図１参照）に供給される。典型的に天然ガス６８である炭化水素燃料の供給分が、エジェクタ１１２に対する作動ガスとして使用される。エジェクタ１１２の機能に関しては以下により詳細に説明する。燃料電池積重ね体４０は、燃料電池積重ね体の陽極及び陰極として機能する一対の端板１１６、１１８を有している。管１２０、１２２が燃料電池積重ね体４０により形成された電流にアクセスし得るように端板１１６、１１８に接続されている。
機械的圧縮ばね３６は、積重ね体４０が、その作動温度の約50℃以内であるとき、すなわち、予熱サイクルの終了時付近にあるときにのみ、摺動可能な板３２に圧縮力を付与するような寸法とされている。相互接続板４４の遥かに厚い軸方向厚さに対して電池４２の軸方向厚さが極めて薄いため、積重ね体４０は相互接続板でのみ出来ているかのように、軸方向に膨張し且つ収縮する。このため、多孔質ハウジング１６、管及び導体管７０、７２、８４、９４及び相互接続板４４が全て、熱膨張率の等しい材料、好ましくはステンレス鋼で出来ているから、板３２に圧縮力を付与すると、積重ね体４０に圧縮力が加わる。ばね３６は、入口８に入る空気により常に冷却されて、ばね３６がその弾性を保持することを確実にする。
始動時、積重ね体４０は、始動バーナ１２４における空気により燃焼する天然ガス６８から発生された高温のガスを使用して予熱される。図１を参照。始動バーナ１２４には、管１２６に沿った弁１２５を通じて天然ガス及び管１２８に沿って弁１２７を通じてブロア１０からの空気が供給される。予熱に使用される高温の排ガスは、管１３０を通じてバーナ１２４から流れ、該管は、絶縁板２６に隣接する位置に配置された円形の供給管１３２に接続する。図２Ａ及び図２Ｂを参照。円形の供給管１３２は、多数の開孔１３４を有しており、加熱されたガスは、これら開孔を通って内部２０の環状領域１０２に流動する。高温のガスを多孔質ハウジング１６内に保つため、ブロア１０は、十分な量の空気を容器４の内部１２内に向け、多孔質ハウジング１６の外側の空気圧力が多孔質ハウジング内の空気圧力よりも僅かに高圧であるように作動される。
この予熱の間、陽極面６２の酸化を防止することが望ましい。この酸化を防止するためには、窒素貯蔵瓶１３６からの窒素を管１３８に沿って、弁１３７を介して管１２６に向け、また、管１２６から管１４０、１４２に沿って弁１３９、１４１を介して向ける。管１４０、１４２は、その長さに沿って形成された熱交換コイル１４４、１４６を有しており、コイル１４４、１４６は、導体管９４に沿って配置されている。コイル１４４、１４６内で加熱された窒素は出口管１４８を通ってエジェクタ１１２から流れ、出口管１４８は、燃料供給管７０、７２内に伸長している。次に、窒素は、燃料側６０と陽極面６２との間に配置された針７４、７６の出口７８を通って流れる。このことは、陽極面６２を窒素で覆われた状態に保ち、陽極面の酸化を防止する。ガス（瓶１３６からの窒素とバーナ１２４からの加熱された排ガスとの混合体）は、回収針９２の排ガス出口９６を通じ且つ集め導体管９４を通って多孔質ハウジング１６の内部２０から吸引される。
燃料電池積重ね体４０が作動温度に達すると、該電池積重ね体は、天然ガス６８又はその他の供給燃料を受け入れる準備が整う。しかしながら、この時点にてリホーミング流を提供し得るように再循環に利用可能な燃料電池反応生成物の水は存在しない。必要な始動リホーミング流れは、水貯蔵ドラム１５０から供給されたボイラ給水で１回、完全にフラッシングすることにより発生される。水は弁１５１及び管１５２に沿って流れる。管１５２は、導体管９４内に収容されたその長さに沿って伝熱コイル１５４を有している。水がコイル１５４を通って流れることにより、水は始動排ガス（始動バーナ１２４により発生）が通過することによりフラッシングされて蒸気となる。
燃料電池積重ね体４０が作動温度に達し、リホーミングに十分な始動蒸気が発生されたならば、弁１２７、１２５、１３７、１５１（始動工程の間にのみ開放している）が閉じられ、ブロア１０が空気入口６、８を通じて空気を容器４の内部１２内に吹き込む。天然ガス６８は、管１２６、エジェクタ１１２を貫通する管１４２、エジェクタをバイパスして且つ出口管１４８内に流れるための管１４０、１５２を通じて圧送される。管１４２に沿ってエジェクタ１１２を貫通して流れる天然ガスと管１５２に沿ってエジェクタ１１２をバイパスする天然ガスとの割合を制御するために弁１３９、１４１が使用される。
天然ガス６８は、管１４８を通って管７０、７２内に流れ、各相互接続板４４の燃料側６０に供給される。その後、天然ガスは偏向されて、環状方向及び半径方向の双方、半径方向内方及び半径方向外方の双方に向けて進む。これと同時に、空気は多孔質ハウジング１６を通じて吸引され且つ多孔質ハウジングを通じて吸引されるときに形成される。この空気１０６の最終的な予熱は、環状領域１０２内で反応生成物１１０が燃焼することで行われる。これで完全に予熱された空気は、各燃料電池の酸化剤側６４と陰極面５８との間の領域内に吸引される。この半径方向内方への動きは、各相互接続板４４の側部６４にて中央領域９８に隣接して配置された回収針９２の排ガス入口９６から排ガス１００が流れることにより行われる。排ガス１００は、典型的に約700℃乃至1000℃と極めて高温であり、天然ガスが熱交換管１４４、１４６を通って流れるとき、天然ガス６８を効果的に予熱する。熱交換器１４４、１４６を通って流れる排ガスの温度を低下させるため、排ガスの一部は管１６２に沿って熱交換器をバイパスすることができる。また、ブロア１０は、始動工程中、外気を弁１５９を通じ且つ管１６０に沿って集め導体管９４内に導入することができる。
燃料側６０からの反応生成物は回収針８６の入口８８を通じて燃料側の中央領域８２に集められる。回収針８６は、反応生成物９０を交差する反応生成物の集め導体管８４内に供給する。反応生成物９０は、エジェクタ１１２を通じて再循環され、天然ガス６８は、管１４２を経て流れる作動ガスとして使用される。管１４８からの排出物は、天然ガス６８と反応生成物９０との混合体である。
多孔質ハウジング１６は、燃料供給管７２及び反応生成物の集め導体管８４が通り得るように形成された、図２に図示した開口部１５６、１５８を有している。また、燃料供給管７０、排ガス回収導体管９４、及び管１３０に対する他の穴も形成されている。
多孔質ハウジング１６に入る管及び導体管の全ては、熱的に絶縁されている。同様に、エジェクタ１１２、始動バーナ１２４、色々な管及びラインを含む、区画室１１４内の装置も同様に全て熱的に絶縁されている。これら区画室からの熱損失は、ブロア１０から頂部区画室１１４内に流動する空気を予熱することにより回収される。
次の請求の範囲に記載された本発明の主題から逸脱せずに、開示した実施の形態に対し改変例及び変更例を為すことが可能である。例えば、積重ね体４０は、所定の温度に達したときにのみ、選択された軸方向への力を積重ね体に付与する温度作動式の偏倚要素により軸方向に圧縮することができる。また、機械的ではなくて空圧的に、軸方向への圧縮力を提供してもよい。
【図１】
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【図２】
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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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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