(57)【要約】  本発明は、少なくとも１つの燃料電池スタック（３０）がその上に取り付けられる金属ベースプレート（２０）および金属エンドプレート（４０）を備える改善された燃料電池スタックアセンブリ（１０）に関し、各スタックは、少なくとも１つの燃料電池（１０１、１０２）および少なくとも１つの電気絶縁性圧縮ガスケット（１１０）を備える少なくとも１つの燃料電池スタック層（５０）を備え、スカート（１３０）が、ベースプレートおよびエンドプレートに付着されてスタックを封入し、スタックを通る圧縮力を維持するようにそれらの間での張力下にあり、それによってタイバーの必要性を取り除く。
2020525979.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ｉ）金属ベースプレートと、
（ｉｉ）前記金属ベースプレート上に取り付けられた少なくとも１つの燃料電池スタックと、
（ｉｉｉ）金属エンドプレートと、
を備える金属担持固体酸化物燃料電池スタックアセンブリであって、
各少なくとも１つの燃料電池スタックは、前記金属ベースプレートと前記金属エンドプレートとの間に取り付けられて配置され、少なくとも１つの燃料電池スタック層を備え、各少なくとも１つの燃料電池スタック層は、少なくとも１つの燃料電池および少なくとも１つの電気絶縁性圧縮ガスケットを備え、
スカートが、前記少なくとも１つの燃料電池スタックを封入するために前記金属ベースプレートおよび前記金属エンドプレートに付着され、かつ前記金属ベースプレートと前記金属エンドプレートとの間に付着され、前記少なくとも１つの燃料電池スタックを通る圧縮力を維持するために前記金属ベースプレートおよび前記金属エンドプレートへの張力及び前記金属ベースプレートと前記金属エンドプレートとの間の張力下にあることを特徴とする、金属担持固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項２】
前記スカートは、前記少なくとも１つの燃料電池スタックの熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有し、
前記金属担持固体酸化物燃料電池スタックアセンブリはさらに、前記金属ベースプレートと前記金属エンドプレートとの間に位置する少なくとも１つの膨張板を備え、
前記少なくとも１つの膨張板は、前記スカートのそれよりも大きい熱膨張係数を有する、請求項１に記載の金属担持固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項３】
前記少なくとも１つの燃料電池スタックの外部表面と前記スカートの隣接内部表面との間に位置する少なくとも１つの電気絶縁性ガスケットをさらに備える、請求項１または２に記載の金属担持固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項４】
前記少なくとも１つの燃料電池スタックと電気接触する第１および第２のエンドポールをさらに備え、前記金属ベースプレートおよび前記金属エンドプレートは、前記少なくとも１つの燃料電池スタックから電気的に分離される、請求項１から３のいずれか一項に記載の金属担持固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項５】
前記スカートは、金属スカートである、請求項１から４のいずれか一項に記載の金属担持固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項６】
前記スカートは、溶接によって、前記金属ベースプレートおよび前記金属エンドプレートに付着され、かつ前記金属ベースプレートと前記金属エンドプレートとの間に付着される、請求項１から５のいずれか一項に記載の金属担持固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項７】
（ａ）（ｉ）金属ベースプレート、
（ｉｉ）前記金属ベースプレート上に取り付けられた少なくとも１つの燃料電池スタック、および
（ｉｉｉ）金属エンドプレートをアセンブルするステップであって、
各少なくとも１つの燃料電池スタックは、前記金属ベースプレートと前記金属エンドプレートとの間に取り付けられて配置され、少なくとも１つの燃料電池スタック層を備え、各少なくとも１つの燃料電池スタック層は、少なくとも１つの燃料電池および少なくとも１つの電気絶縁性圧縮ガスケットを備える、ステップと、
（ｂ）圧縮手段を使用して前記少なくとも１つの燃料電池スタックを通って圧縮力を印加するステップと、
（ｃ）前記少なくとも１つの燃料電池スタックを封入するためにスカートを前記金属ベースプレートおよび前記金属エンドプレートに付着し、かつ前記金属ベースプレートと前記金属エンドプレートとの間に付着するステップと、
（ｄ）前記少なくとも１つの燃料電池スタックへの圧縮荷重が、前記スカート内の張力を通じて維持されるように、前記圧縮手段を除去するステップと、
を含む、金属担持固体酸化物燃料電池スタックアセンブリを形成する方法。
【請求項８】
前記スカートは、前記少なくとも１つの燃料電池スタックの熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有し、
前記金属担持固体酸化物燃料電池スタックアセンブリはさらに、前記金属ベースプレートと前記金属エンドプレートとの間に位置する少なくとも１つの膨張板を備え、
前記少なくとも１つの膨張板は、前記スカートのそれよりも大きい熱膨張係数を有する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
ステップ（ａ）はさらに、前記少なくとも１つの燃料電池スタックの外部表面と前記スカートの隣接内部表面との間に位置する少なくとも１つの電気絶縁性ガスケットを挿入するステップを含む、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
前記スカートは、複数のスカートセクションを備える、請求項７から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記スカートは、第１のスカートセクションおよび第２のスカートセクションを備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記スカートは、金属スカートである、請求項７から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記スカートは、溶接によって、前記金属ベースプレートおよび前記金属エンドプレートに付着され、かつ前記金属ベースプレートと前記金属エンドプレートとの間に付着される、請求項７から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
（ａ）（ｉ）金属ベースプレート、
（ｉｉ）前記金属ベースプレート上に取り付けられた少なくとも１つの燃料電池スタック、および
（ｉｉｉ）金属エンドプレートをアセンブルするステップであって、
各少なくとも１つの燃料電池スタックは、前記金属ベースプレートと前記金属エンドプレートとの間に取り付けられて配置され、少なくとも１つの燃料電池スタック層を備え、各少なくとも１つの燃料電池スタック層は、少なくとも１つの燃料電池および少なくとも１つの電気絶縁性圧縮ガスケットを備える、ステップと、
（ｂ）前記少なくとも１つの燃料電池スタックを通って第１の圧縮力を印加するステップと、
（ｃ）前記少なくとも１つの燃料電池スタックを封入するためにスカートを前記金属ベースプレートおよび前記金属エンドプレートに付着し、かつ前記金属ベースプレートと前記金属エンドプレートとの間に付着するステップと、
（ｄ）前記第１の圧縮力を除去するステップであって、それによって前記少なくとも１つの燃料電池スタックへの圧縮荷重が、前記スカート内の張力を通じて維持される、ステップと、
を含む、金属担持固体酸化物燃料電池スタックアセンブリを形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改善された燃料電池スタックアセンブリ配置に関し、より詳しくは燃料電池スタック圧縮配置、およびそれを形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、燃料電池スタック、燃料電池スタックアセンブリ、ならびに熱交換器システム、配置および方法の教示は、当業者によく知られており、特に国際公開第０２／３５６２８、国際公開第０３／０７５８２、国際公開第２００４／０８９８４８、国際公開第２００５／０７８８４３、国際公開第２００６／０７９８００、国際公開第２００６／１０６３３４、国際公開第２００７／０８５８６３、国際公開第２００７／１１０５８７、国際公開第２００８／００１１１９、国際公開第２００８／００３９７６、国際公開第２００８／０１５４６１、国際公開第２００８／０５３２１３、国際公開第２００８／１０４７６０、国際公開第２００８／１３２４９３、国際公開第２００９／０９０４１９、国際公開第２０１０／０２０７９７、国際公開第２０１０／０６１１９０、国際公開第２０１５／００４４１９、国際公開第２０１５／１３６２９５、国際公開第２０１６／１２４９２９、国際公開第２０１６／１２４９２８、国際公開第２０１６／１２８７２１および国際公開第２０１６／０８３７８０を含む。本明細書で参照されるすべての刊行物およびそれらの参考文献は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。本明細書で使用される用語の定義は、必要に応じて上記の刊行物において見つけることができる。特に、本発明は、国際公開第２０１５／１３６２９５において開示されるシステムおよび方法を改善しようと努める。
【０００３】
ＳＯＦＣ（固体酸化物燃料電池）スタックを設計するとき、スタックは、電気的接続性、ガス封止、ならびにアセンブリ、動きおよび動作のための構造的完全性の維持のために圧縮状態にあることを必要とされ、著しい熱循環を受け、動作の寿命にわたって完全性を維持する必要があるので、機械的、電気的かつ熱的設計において重大な課題に遭遇する。
【０００４】
金属担持固体酸化物燃料電池スタックアセンブリは典型的には、金属ベースプレートと、ベースプレート上に取り付けられた少なくとも１つの固体酸化物燃料電池スタックと、金属エンドプレートとを備え、各少なくとも１つの燃料電池スタックは、前記ベースプレートと前記エンドプレートとの間に取り付けられて配置され、（各少なくとも１つの燃料電池スタックは）少なくとも１つの燃料電池スタック層を備え、各少なくとも１つの燃料電池スタック層は、少なくとも１つの燃料電池および少なくとも１つの電気絶縁性圧縮ガスケットを備える。
【０００５】
各少なくとも１つの燃料電池は典型的には、金属基板上に担持されるアノード、電解質およびカソード層を備える。
【０００６】
金属担持固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックアセンブリのそのような固体酸化物燃料電池コンポーネントはしばしば、ベースプレートから少なくとも１つの燃料電池スタック内の案内穴を通りかつそれらがロックナットを用いて固定されるエンドプレートを通り抜ける多数のタイバーを使用して圧縮状態に保持される。
【０００７】
タイバーが案内穴のエッジに（すなわち少なくとも１つの燃料電池スタック内の案内穴を規定する金属コンポーネントのエッジに）近いことに起因して、コンポーネントが、蒸気、反応炭化水素および未反応炭化水素ならびに空気を伴う潜在的混合大気内で高温において膨張するとき、タイバーとスタックとの間に短絡のリスクがあるので、注意深い設計考察が、必要とされる。
【０００８】
燃料電池スタックアセンブリの製造中に、スタックが、最初にアセンブルされる間に、アセンブリバー（タイバーよりも大きい直径を有する）が、燃料電池の位置合わせを達成するために少なくとも１つの燃料電池スタック内の案内穴を通って挿入される。アセンブリバーは次いで、除去され、アセンブリバーよりも小さい直径を有するタイバーと置き換えられる。エンドプレートが次いで、少なくとも１つの燃料電池スタックの上部に追加され、圧縮手段が、燃料電池スタックアセンブリを圧縮するために使用される。燃料電池スタックアセンブリが圧縮されると、ロックナットが次いで、追加される。圧縮荷重が次いで、スタックから除去され、スタック圧縮を維持するためにタイバーをそのままにしておく。燃料電池スタックの動作温度範囲にわたって圧縮荷重を維持することは、必要とされる圧縮荷重、燃料電池スタック層の数−それ故にタイバーの長さ、およびタイバーを作るための適切な材料に応じて課題である可能性がある。異なるスタック設計のために異なる設計のタイバーを有しなければならないことは、複雑さおよびコストを追加する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第０２／３５６２８
【特許文献２】国際公開第０３／０７５８２
【特許文献３】国際公開第２００４／０８９８４８
【特許文献４】国際公開第２００５／０７８８４３
【特許文献５】国際公開第２００６／０７９８００
【特許文献６】国際公開第２００６／１０６３３４
【特許文献７】国際公開第２００７／０８５８６３
【特許文献８】国際公開第２００７／１１０５８７
【特許文献９】国際公開第２００８／００１１１９
【特許文献１０】国際公開第２００８／００３９７６
【特許文献１１】国際公開第２００８／０１５４６１
【特許文献１２】国際公開第２００８／０５３２１３
【特許文献１３】国際公開第２００８／１０４７６０
【特許文献１４】国際公開第２００８／１３２４９３
【特許文献１５】国際公開第２００９／０９０４１９
【特許文献１６】国際公開第２０１０／０２０７９７
【特許文献１７】国際公開第２０１０／０６１１９０
【特許文献１８】国際公開第２０１５／００４４１９
【特許文献１９】国際公開第２０１５／１３６２９５
【特許文献２０】国際公開第２０１６／１２４９２９
【特許文献２１】国際公開第２０１６／１２４９２８
【特許文献２２】国際公開第２０１６／１２８７２１
【特許文献２３】国際公開第２０１６／０８３７８０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、従来技術を改善しかつ／または従来技術の不都合の少なくとも１つに取り組み、克服しもしくは軽減しようと努める。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によると、
（ａ）（ｉ）金属ベースプレート、
（ｉｉ）金属ベースプレート上に取り付けられた少なくとも１つの燃料電池スタック、および
（ｉｉｉ）金属エンドプレートをアセンブルするステップであって、
各少なくとも１つの燃料電池スタックは、前記ベースプレートと前記エンドプレートとの間に取り付けられて配置され、少なくとも１つの燃料電池スタック層を備え、各少なくとも１つの燃料電池スタック層は、少なくとも１つの燃料電池および少なくとも１つの電気絶縁性圧縮ガスケットを備える、ステップと、
（ｂ）圧縮手段を使用して少なくとも１つの燃料電池スタックを通って圧縮力を印加するステップと、
（ｃ）スタックを封入するためにスカートをベースプレートおよびエンドプレートにかつベースプレートとエンドプレートとの間に付着するステップと、
（ｄ）少なくとも１つの燃料電池スタックへの圧縮荷重が、スカート内の張力を通じて維持されるように、圧縮手段を除去するステップとを含む金属担持固体酸化物燃料電池スタックアセンブリを形成する方法が、提供される。
【００１２】
スカート内の張力を通じて少なくとも１つの燃料電池スタックへの圧縮荷重を維持することによって、タイバーの存在の必要性が、除去される。タイバーの除去は、燃料電池スタックアセンブリの熱質量の減少をもたらし、それは次に、燃料電池スタックアセンブリの性能を増加させ−特に、それは、少なくとも１つの燃料電池を動作温度に至るまで持ち上げるのに必要とされるエネルギーを低減することができ、すなわち動作温度に達するのにかかる時間を低減することができる。これは次に、燃料電池スタックアセンブリの動作効率を増加させることができる。これはまた、簡略化された製造プロセス、簡略化されたコンポーネントももたらし、最終製品において起こる短絡のリスクも低減する。
【００１３】
好ましくは、圧縮力は、ベースプレートおよびエンドプレートに印加される。好ましくは、圧縮力は、ベースプレートおよびエンドプレートを通って印加される。
【００１４】
好ましくは、圧縮手段が、除去されるとき、スカートは、少なくとも１つの燃料電池スタックへの圧縮荷重を維持するためにベースプレートおよびエンドプレートへのかつベースプレートとエンドプレートとの間の張力下にある。
【００１５】
少なくとも１つの燃料電池スタック内にタイバーのための案内穴を有さないことによって、アノード、電解質およびカソード層が置かれてもよい金属基板の利用可能な表面積の増加がある、すなわち少なくとも１つの燃料電池は、より大きい表面積を有することができ、従って電力出力が、増加可能である。
【００１６】
好ましくは、スカートは、金属スカートである。以下で述べられるように、（金属）スカートは、ベースプレートおよびエンドプレートに溶接によって付着されてもよい。
【００１７】
好ましくは、スカートは、少なくとも１つの燃料電池スタックの熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有し、固体酸化物燃料電池スタックアセンブリはさらに、ベースプレートとエンドプレートとの間に位置する少なくとも１つの膨張板を備え、少なくとも１つの膨張板は、スカートのそれよりも大きい熱膨張係数を有する。
【００１８】
ある実施形態では、燃料電池スタックアセンブリは、複数の膨張板を備える。
【００１９】
好ましくは、熱膨張係数は、熱膨張の線形係数（面積膨張または体積膨張と対照的に）である（すなわち線形係数として測定されまたは定義される）。
【００２０】
従来の金属担持固体酸化物燃料電池スタックアセンブリでは、金属担持固体酸化物燃料電池スタックアセンブリが動作する高温は、構成部品を膨張させる。タイバーは典型的には、金属構築物から成り、少なくとも１つの燃料電池スタックの他のコンポーネント、特に電気絶縁性圧縮ガスケットよりも大きい熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。そのようなアセンブリでは、ＣＴＥのこの差の結果は、作業条件（典型的には４５０〜８００℃、より典型的には約４５０〜６５０℃）の下では、燃料電池スタックアセンブリの膨張が起こり、燃料電池スタックアセンブリのその他のコンポーネント、特に少なくとも１つの固体酸化物燃料電池スタックに対してタイバーのより大きい膨張に起因して少なくとも１つの燃料電池スタックへの圧縮力の減少をもたらすということである。圧縮力の小さい減少でさえ、ガス封止の低下および燃料電池スタックコンポーネント間の、特に燃料電池スタック層と隣接コンポーネント（例えば他の燃料電スタック層、または電力取り出し口）との間のより低い電気伝導性を引き起こす可能性がある。これは次に、少なくとも１つの燃料電池スタックの作業効率を低減する可能性があり、最終的に少なくとも１つの燃料電池スタックの故障をもたらすこともあり得る。
【００２１】
スカートは、ベースプレートおよびエンドプレートに付着され、それ故にベースプレートおよびエンドプレートの熱膨張もまた、少なくとも１つの燃料電池スタックに及ぼされる圧縮力に影響を及ぼす。好ましくは、少なくとも１つの膨張板の熱膨張係数は、ベースプレートの熱膨張係数およびエンドプレートの熱膨張係数よりも大きい。好ましくは、スカートのＣＴＥは、ベースプレート、少なくとも１つの燃料電池スタック、およびエンドプレートの全体的ＣＴＥ  （またそれらの「全ＣＴＥ」または「ベースプレート、少なくとも１つの燃料電池スタック、およびエンドプレートのＣＴＥ」とも呼ばれる）よりも大きい。より好ましくは、ベースプレート、少なくとも１つの燃料電池スタック、およびエンドプレートの全体的ＣＴＥに言及される場合、結果として得られるＣＴＥは、ベースプレート、エンドプレート、および少なくとも１つの燃料電池スタックの長さ（または相対的長さ）の関数である。その上、好ましくは、ベースプレートおよびエンドプレートの長さ（または相対的長さ）が、ベースプレート、少なくとも１つの燃料電池スタックおよびエンドプレートの全体的ＣＴＥを決定するために使用される場合、ベースプレートおよびエンドプレートの長さは、少なくとも１つの燃料電池スタックの近位にあるベースプレートまたはエンドプレートの端部からスカートがベースプレートまたはエンドプレートに付着される点までのベースプレートおよびエンドプレートの長さとして決定される。
【００２２】
好ましくは、膨張板は、エンドプレートと隣接燃料電池スタック層との間に位置する。ある実施形態では、たった１つの膨張板がある。他の実施形態では、多数の膨張板、例えばベースプレートと隣接燃料電池スタック層との間に位置する第１の膨張板、およびエンドプレートと隣接燃料電池スタック層との間に位置する第２の膨張板がある。ある実施形態では、燃料電池スタックアセンブリは、（順番に）エンドプレート、圧縮プレート、電気絶縁性圧縮ガスケット、および少なくとも１つの燃料電池スタックを備える。
【００２３】
ある実施形態では、少なくとも１つの膨張板は、燃料電池スタック層の間に、例えば、燃料電池スタックアセンブリの中央、中心または中間領域内に位置する。
【００２４】
好ましくは、熱膨張係数は、ベースプレートとエンドプレートとの間で規定されかつベースプレートの主平面（ｇｅｎｅｒａｌ  ｐｌａｎｅ）およびエンドプレートの主平面に垂直な軸に沿った熱膨張の線形係数である。
【００２５】
好ましくは、スカートは、ベースプレートとエンドプレートとの間で規定されかつベースプレートの主平面およびエンドプレートの主平面に垂直な縦方向（膨張の縦方向）に沿って膨張する。好ましくは、そのような膨張は、膨張の縦方向に沿ったスカートの拡大長さを規定する。好ましくは、少なくとも１つの膨張板は、膨張の縦方向に沿った拡大長さを規定する。好ましくは、拡大方向に沿った少なくとも１つの膨張板の拡大長さは、拡大方向に沿ったスカートの拡大長さを補償する。好ましくは、補償は、４５０から６５０℃の間の温度においてである。好ましくは、補償は、少なくとも１つの燃料電池スタックの拡大長さ（またはベースプレート、少なくとも１つの燃料電池スタック、およびエンドプレートの拡大長さ）と比較してスカートの拡大長さの少なくとも５０％である。より好ましくは、補償は、少なくとも６０、７０、８０、９０または９５％である。
【００２６】
好ましくは、少なくとも１つの膨張板は、第１の隣接固体酸化物燃料電池スタック層と第２の隣接固体酸化物燃料電池スタック層との間に位置する。
【００２７】
好ましくは、少なくとも１つの膨張板は、金属エンドプレートに付着されて位置する。
【００２８】
それ故に、スカートの膨張は、少なくとも１つの膨張板の膨張によって補償され、それは次に、少なくとも１つの燃料電池スタックへの圧縮荷重が、維持されることを確実にし、次にガス封止および燃料電池スタックコンポーネント間の、特に隣接燃料電池スタック層間の電気伝導性を維持するのに役立つ。
【００２９】
従来のアセンブリでは、スタック圧縮荷重（およびそれ故に燃料電池スタック位置合わせ）を維持するためのタイバーの使用は、多くの層を有するスタック、またはより大きい活性領域の燃料電池についてより明らかになり、その場合圧縮荷重またはスタックの高さ（すなわちベースプレートからエンドプレートまで測定されるスタックの長さ）は、タイバーの直径および長さが、スタックアセンブリおよび圧縮荷重印加の原則から管理することが困難になることを意味する。
【００３０】
それ故に、（ａ）タイバーを燃料電池スタックアセンブリから除去すること、および（ｂ）少なくとも１つの膨張板を組み込むことの両方によって、燃料電池スタックアセンブリの全体的性能および寿命は、増大する。
【００３１】
好ましくは、スカート内の張力によって維持される、少なくとも１つの燃料電池スタックへの圧縮荷重は、ガスケット封止荷重であり、すなわち各少なくとも１つの電気絶縁性圧縮ガスケットと隣接コンポーネントとの間、すなわち現在の燃料電池スタック層と隣接コンポーネント、例えば別の燃料電池スタック層、または電力取り出しプレート（また「電流コレクタ」もしくは「エンドポール」とも呼ばれる）との間のガスシールを維持するのに十分である。
【００３２】
好ましくは、各燃料電池スタック層は、金属基板を備え、その上に少なくとも１つの燃料電池、金属スペーサ層、および金属相互接続プレートが、取り付けられる。好ましくは、各少なくとも１つの燃料電池は、アノード、電解質およびカソード層を備える。好ましくは、酸化剤流路（すなわち流体流路）が、酸化剤入口から排出酸化剤出口まで規定され、燃料流路（すなわち流体流路）が、燃料入口から排出燃料出口まで規定される。好ましくは、各燃料電池は、（順番に）金属相互接続プレート、金属スペーサ層、金属基板、ならびに前記金属基板上に取り付けられたアノード、電解質およびカソード層を備える。
【００３３】
好ましくは、燃料入口から排出燃料出口までの燃料流路は、内部で多岐化される（ｍａｎｉｆｏｌｄｅｄ）、すなわち少なくとも１つの燃料電池スタック内で多岐化される。好ましくは、酸化剤入口から排出酸化剤出口までの酸化剤流路は、外部で多岐化される、すなわち少なくとも１つの燃料電池スタックの外部で多岐化される。より好ましくは、それは、少なくとも１つの燃料電池スタックの外部で、かつ燃料電池スタックアセンブリの内部で多岐化される。より好ましくは、体積が、ベースプレート、エンドプレート、スカート、および少なくとも１つの燃料電池スタックの間で規定される。そのような体積は、酸化剤多岐化体積であると考えることができる。
【００３４】
以下で詳述されるように、複数のそのような燃料電池スタック層を備える燃料電池スタックでは、第１の層の少なくとも１つの電気絶縁性圧縮ガスケットは、第１の層の金属基板と隣接する第２の燃料電池スタック層の金属相互接続プレートとの間に挟まれる。
【００３５】
好ましくは、少なくとも１つの燃料電池スタックへの圧縮荷重は、少なくとも０．５ｋＮである。
【００３６】
好ましくは、各少なくとも１つの電気絶縁性圧縮ガスケットへの圧縮荷重は、室内温度および室内圧力（ＲＴＰ）において少なくとも１平方センチメートル当たり１５ＭＰａ（すなわち１５ＭＰａ．ｃｍ−２）である。より好ましくは、ＲＴＰにおける圧縮荷重は、少なくとも２５ｋＮ、より好ましくは少なくとも３０ｋＮ、より好ましくは３０から４０ｋＮの間、より好ましくは３０から３５ｋＮの間である。
【００３７】
ステップ（ａ）（アセンブリステップ）では、燃料電池スタックは、タイバーなしであるが、例えば国際公開第２０１５／１３６２９５などの従来技術刊行物の通りの従来の手法を使用してアセンブルされる。
【００３８】
好ましくは、ステップ（ａ）はさらに、前記少なくとも１つの燃料電池スタックの外部表面とスカートの隣接内部表面との間に位置する少なくとも１つの電気絶縁性ガスケット（例えばマイカガスケット）を挿入するステップを含む。これは、酸化剤入口から排出酸化剤出口までの酸化剤流路が外部で多岐化される実施形態において特に好ましい。
【００３９】
好ましい電気絶縁性圧縮ガスケット材料は、バーミキュライト、より好ましくはサーミキュライト（Ｔｈｅｒｍｉｃｕｌｉｔｅ）、より好ましくはサーミキュライト８６６である。好ましい電気絶縁性ガスケット材料は、マイカである。
【００４０】
好ましくは、ステップ（ｂ）において、圧縮力が、圧縮手段を使用してベースプレート、エンドプレートおよび少なくとも１つの燃料電池スタックを通って及ぼされる。それ故に、ステップ（ａ）においてベースプレート、少なくとも１つの燃料電池スタックおよびエンドプレートをアセンブルした後、圧縮力が次いで、及ぼされてもよい。
【００４１】
好ましくは、スカートは、複数のスカートセクションを備える。より好ましくは、スカートは、第１および第２のスカートセクションを備える。好ましくは、各スカートセクションは、全体的にＵ字形の横断面を有し、全体的にＵ字形の横断面に垂直に細長い、すなわちアーチ形またはボールト形状、より詳しくは筒型ボールト形状である。好ましくは、全体的にＵ字形の横断面は、アセンブルされた金属ベースプレート、少なくとも１つの燃料電池スタック、および金属エンドプレートの一部、すなわち金属ベースプレート、少なくとも１つの燃料電池スタック、および金属エンドプレートの各々の一部を補完する、すなわち一部を受け取るように成形される。
【００４２】
それ故に、縦方向が、ベースプレートとエンドプレートとの間で規定されると、各少なくとも１つの燃料電池スタック層は、縦方向に垂直に延び、各スカートセクションのＵ字形の横断面は、縦方向に垂直である。
【００４３】
それ故に、第１のスカートセクションは、ベースプレートおよびエンドプレートに（かつベースプレートとエンドプレートの間に）付着され、同様に第２のスカートセクションは、ベースプレートおよびエンドプレートに（かつベースプレートとエンドプレートとの間に）付着される。
【００４４】
それ故に、体積が、ベースプレート、エンドプレートおよびスカートの間に規定され（仮にスカートが単一のスカートセクションまたは複数のスカートセクションを有するとしても）、その中に少なくとも１つの燃料電池スタックが、含有される。それ故に、スカートは、少なくとも１つの燃料電池スタックを取り囲む。
【００４５】
スカートは好ましくは、溶接によってベースプレートおよびエンドプレートに付着される。好ましくは、溶接は、隅肉溶接であり、より詳しくはＴＩＧ溶接による。他のタイプの溶接、例えばレーザ重ね溶接およびロウ付けがまた、行われてもよい。
【００４６】
スカートが、複数のスカートセクションを備える場合、好ましくは、スカートセクションは、一緒に溶接される。この場合もやはり、好ましくは、溶接は、隅肉溶接である。より好ましくは、溶接（例えば隅肉溶接）は、ＴＩＧ溶接を使用して行われる。他のタイプの溶接、例えばレーザ重ね溶接、およびロウ付けがまた、行われてもよい。スカート（または各スカートセクション）は、縦方向に（すなわち各スカートセクションのＵ字形の横断面に垂直に）異なるセクションおよび材料で構成されてもよい。そのようなセクションおよび材料は、コストおよび／またはＣＴＥ設計理由のために選ばれてもよい。
【００４７】
ある実施形態では、アセンブリステップ（ａ）は、少なくとも２つの燃料電池スタックをアセンブルするステップを含む。好ましくは、燃料電池スタックは、適切に位置する電力取り出し口（エンドポール）とともに背中合わせの対でアセンブルされる。
【００４８】
それ故に、例えば、一実施形態では、第１および第２の燃料電池スタックが提供され、その場合各燃料電池スタック層は、単一の燃料電池を備え、燃料電池スタックは、背中合わせに配置される。それ故に、燃料電池スタックアセンブリは、（順番に）ベースプレート、第１の燃料電池スタック、第２の燃料電池スタック（第１の燃料電池スタックに対して逆に配向され）、およびエンドプレートを備える。第１および第２の燃料電池スタックを背中合わせの仕方で配置することによって、単一の正電力取り出しプレートが、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとの間に提供可能であり、第１の負電力取り出しプレートが、ベースプレートに隣接する第１の燃料電池スタックの端部に提供可能であり、第２の負電力取り出しプレートが、エンドプレートに隣接する第２の燃料電池スタックの端部に提供可能である。
【００４９】
燃料電池スタックアセンブリが、いくつかの個々の燃料電池スタックを備える、この背中合わせ構成（例えば実施形態３を参照）は、燃料電池スタックの各々が、同じ総数の燃料電池スタック層を含有する単一の燃料電池スタックの電圧および／または電力出力よりも小さい規定された電圧（および／または電力出力）において動作することを可能にする。特に、これは、並列電気的配置を提供し、電圧を（直列配置と比較して）抑制し（すなわち制限し）、電力出力を（直列配置と比較して）増加させるのに有用である。このようにして、各々が例えば６０Ｖでまたは６０Ｖ未満で動作するいくつかの燃料電池スタックを単一の燃料電池スタックアセンブリ内に効率的にパッケージすることが可能である。これは、例えば、規則および設計基準が、６０Ｖを超える電圧レベルについて追加の要求を提示する、自動車用途において特に有用である。例えば、そのような燃料電池スタックアセンブリは、４８Ｖの出力電圧を有してもよい。
【００５０】
別の実施形態では、単一の燃料電池スタックが、提供され、各燃料電池スタック層は、第１および第２の燃料電池を備える。
【００５１】
別の実施形態では、第１および第２の燃料電池スタックが、提供され、各燃料電池スタック層は、第１および第２の燃料電池を備える。
【００５２】
別の実施形態では、第１、第２、第３および第４の燃料電池スタックが、提供される。より好ましくは、そのような配置における各燃料電池スタック層は、第１および第２の燃料電池を備える。
【００５３】
好ましくは、そのような配置は、二対の燃料電池スタック−第１の対を形成する第１および第２の燃料電池スタック、ならびに第２の対を形成する第３および第４の燃料電池スタックを備える。正電力取り出しプレートは、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとの間に提供され、追加の正電力取り出しプレートは、第３の燃料電池スタックと第４の燃料電池スタックとの間に提供される。負電力取り出しプレートは、燃料電池スタックの第１の対と第２の対との間に、すなわち第２の燃料電池スタックと第３の燃料電池スタックとの間に提供される。
【００５４】
好ましくは、ベースプレートおよびエンドプレートは、少なくとも１つの燃料電池スタックから電気的に分離されまたは絶縁される。好ましくは、電気絶縁性圧縮ガスケット（例えばサーミキュライト８６６）は、ベースプレートと少なくとも１つの燃料電池スタックとの間に位置し、電気絶縁性圧縮ガスケットは、エンドプレートと少なくとも１つの燃料電池スタックとの間に位置する。
【００５５】
本発明によると、
（ａ）（ｉ）金属ベースプレート、
（ｉｉ）ベースプレート上に取り付けられた少なくとも１つの燃料電池スタック、および
（ｉｉｉ）金属エンドプレートをアセンブルするステップであって、
各少なくとも１つの燃料電池スタックは、前記ベースプレートと前記エンドプレートとの間に取り付けられて配置され、少なくとも１つの燃料電池スタック層を備え、各少なくとも１つの燃料電池スタック層は、少なくとも１つの燃料電池および少なくとも１つの電気絶縁性圧縮ガスケットを備える、ステップと、
（ｂ）少なくも１つの燃料電池スタックを通って第１の圧縮力を印加するステップと、
（ｃ）少なくとも１つの燃料電池スタックを封入するためにスカートをベースプレートおよびエンドプレートにかつベースプレートとエンドプレートとの間に付着するステップと、
（ｄ）第１の圧縮力を除去するステップであって、それによって少なくとも１つの燃料電池スタックへの圧縮荷重（例えば第２の圧縮力）が、スカート内の張力を通じて維持される、ステップとを含む金属担持固体酸化物燃料電池スタックアセンブリを形成する方法が、さらに提供される。
【００５６】
本発明によるとまた、本発明の方法に従って製造される燃料電池スタックアセンブリも、提供される。
【００５７】
本発明によるとまた、
（ｉ）金属ベースプレートと、
（ｉｉ）ベースプレート上に取り付けられた少なくとも１つの燃料電池スタックと、
（ｉｉｉ）金属エンドプレートとを備える金属担持固体酸化物燃料電池スタックアセンブリであって、
各少なくとも１つの燃料電池スタックは、前記ベースプレートと前記エンドプレートとの間に取り付けられて配置され、少なくとも１つの燃料電池スタック層を備え、各少なくとも１つの燃料電池スタック層は、少なくとも１つの燃料電池および少なくとも１つの電気絶縁性圧縮ガスケットを備え、
スカートが、少なくとも１つの燃料電池スタックを封入するためにベースプレートおよびエンドプレートにかつベースプレートとエンドプレートとの間に付着され、少なくとも１つの燃料電池スタックを通る圧縮力を維持するためにベースプレートおよびエンドプレートへのかつベースプレートとエンドプレートとの間の張力下にあることを特徴とする、金属担持固体酸化物燃料電池スタックアセンブリも、提供される。
【００５８】
文脈が別段に指示しない限り、本発明の方法の態様および特徴は、製品に等しく当てはまり、逆もまた同様である。
【００５９】
維持される圧縮力に関しては、本発明の方法を使用して金属担持固体酸化物燃料電池スタックアセンブリを形成する／製造することによって、圧縮力は、製造プロセス中に及ぼされ、最終製品においては、スカート（ベースプレートおよびエンドプレートにかつベースプレートとエンドプレートとの間に付着される）が、少なくとも１つの燃料電池スタックを通るその圧縮力を維持する。
【００６０】
それ故に、好ましくは、スカートは、少なくとも１つの燃料電池スタックの熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有し、固体酸化物燃料電池スタックアセンブリはさらに、ベースプレートおよびエンドプレートとの間に位置する少なくとも１つの膨張板を備え、少なくとも１つの膨張板は、スカートのそれよりも大きい熱膨張係数を有する。好ましくは、スカートは、ベースプレートおよびエンドプレートのそれよりも大きいＣＴＥを有する。好ましくは、スカートは、ベースプレート、少なくとも１つの燃料電池スタック、およびエンドプレートの全体的ＣＴＥよりも大きいＣＴＥを有する。
【００６１】
好ましくは、少なくとも１つの膨張板は、ベースプレートもしくはエンドプレートと接触しまたはベースプレートもしくはエンドプレートに付着される。好ましくは、膨張板は、エンドプレートと接触しまたはエンドプレートに付着される。
【００６２】
それ故に、好ましくは、金属担持固体酸化物燃料電池スタックアセンブリはさらに、前記少なくとも１つの燃料電池スタックの外部表面と前記スカートの隣接内部表面との間に位置する少なくとも１つの電気絶縁性ガスケットを備える。
【００６３】
好ましくは、各少なくとも１つの燃料電池スタックは、エンドポール（電力取り出し口）と電気接触し、その場合前記ベースプレートおよび前記エンドプレートは、前記少なくとも１つの燃料電池スタックから電気的に分離される。それ故に、例えば、第１の実施形態では、第１および第２の燃料電池スタックが提供され、その場合各燃料電池スタック層は、単一の燃料電池を備え、燃料電池スタックは、背中合わせに配置される。それ故に、燃料電池スタックアセンブリは、（順番に）ベースプレート、第１の燃料電池スタック、第２の燃料電池スタック（第１の燃料電池スタックに対して逆に配向され）、およびエンドプレートを備える。第１および第２の燃料電池スタックを背中合わせの仕方で配置することによって、単一の正電力取り出しプレートが、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとの間に提供可能であり、第１の負電力取り出しプレートが、ベースプレートに隣接する第１の燃料電池スタックの端部に提供可能であり、第２の負電力取り出しプレートが、エンドプレートに隣接する第２の燃料電池スタックの端部に提供可能である。好ましくは、ベースプレートと少なくとも１つの燃料電池スタックとの間に、かつエンドプレートと少なくとも１つの燃料電池スタックとの間に位置する電気絶縁性圧縮ガスケットは、少なくとも１つの燃料電池スタックからのベースプレートおよびエンドプレートの電気的分離を提供する。
【００６４】
文脈が別段に指示しない限り、単語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および類似のものは、網羅的意味よりもむしろ包括的意味、すなわち「含むが、しかし限定はされない」の意味で解釈されるべきである。それらの用語は、さらなるコンポーネントが存在しない実施形態を含む。
【００６５】
「排出酸化剤出口」およびそれを通って流れる酸化剤はまた、「カソード排ガス」と呼ばれることもある。同様に、「排出燃料出口」およびそれを通って流れる排出燃料は、「アノード排ガス」と呼ばれることもある。
【００６６】
本発明の特定の態様および好ましい態様は、添付の独立請求項に提示される。従属請求項からの特徴の組み合わせは、要望通りに、必要に応じて、かつ請求項に明確に提示される通りにだけでなく、独立請求項の特徴と組み合わされてもよい。
【００６７】
以下の様々な図は、燃料電池スタックアセンブリを垂直配向で示す。水平配向などの他の配向は、同等に適用可能である。
【００６８】
当業者への本発明の有効な開示が、本明細書で提供される。本発明の実施形態への言及が、今から詳細になされることになり、その１つまたは複数の例が、以下で説明される。各例は、本発明の説明として与えられ、本発明の制限としてではない。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】実施形態１の固体酸化物燃料電池スタックアセンブリを通る断面を示す図である。
【図２】図１の燃料電池スタック層を通る断面を示す図である。
【図３】実施形態２の固体酸化物燃料電池スタックアセンブリを通る断面を示す図である。
【図４】実施形態３の固体酸化物燃料電池スタックアセンブリを通る断面を示す図である。
【図５】実施形態４の燃料電池スタック層を通る断面を示す図である。
【図６】実施形態４の固体酸化物燃料電池スタックアセンブリを通る断面を示す図である。
【図７】実施形態４の固体酸化物燃料電池スタックアセンブリを通る図６の断面に垂直な断面を示す図である。
【図８】実施形態５の固体酸化物燃料電池スタックアセンブリを通る断面を示す図である。
【図９】燃料および酸化剤（空気）の流れとともに燃料電池スタック層の分解斜視図を示す図である。
【図１０】図９の燃料電池スタック層の分解斜視図を示す図である。
【図１１】燃料電池スタックアセンブリの製造におけるステップを例示する図である。
【図１２】燃料電池スタックアセンブリの製造におけるステップを例示する図である。
【図１３】燃料電池スタックアセンブリの製造におけるステップを例示する図である。
【図１４】燃料電池スタックアセンブリの製造におけるステップを例示する図である。
【図１５】完了した燃料電池スタックアセンブリの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００７０】
本明細書で使用される参照符号のリストは、具体的実施形態の終わりに与えられる。本明細書および図面における参照記号の繰り返し使用は、同じもしくは類似の特徴または要素を表すことを目的としている。
【００７１】
実施形態１
この実施形態では、固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ１０は、図１に示されるように、燃料電池スタック３０がその上に取り付けられる金属ベースプレート２０、および金属エンドプレート４０を備える。燃料電池スタック３０は、複数の燃料電池スタック層５０を備える。
【００７２】
負電力取り出しプレート１４０は、ベースプレート２０と燃料電池スタック３０との間に位置し、正電力取り出しプレート１５０は、燃料電池スタック３０とエンドプレート４０との間に位置する。
【００７３】
サーミキュライトガスケット１６０（サーミキュライト８６６でできている；電気絶縁性圧縮ガスケット）は、負電力取り出しプレート１４０とベースプレート２０との間に位置する。追加のサーミキュライトガスケット１６０は、正電力取り出しプレート１５０とエンドプレート４０との間に位置する。
【００７４】
各燃料電池スタック層５０は、図２に示されるように、金属スペーサ７０がその上に取り付けられる金属相互接続プレート６０、および金属基板８０を備える。
【００７５】
金属基板８０は、レーザドリル穿孔（多孔質）領域９１、９２、ならびに多孔質領域９１、９２をそれぞれ覆って堆積された第１および第２の燃料電池１０１、１０２を有する。
【００７６】
各燃料電池１０１、１０２は、多孔質領域９１、９２（それぞれ）上に堆積されたアノード層、アノード層を覆って堆積された電解質層、および電解質層を覆って堆積されたカソード層を備える。
【００７７】
図９および図１０に示されるように、金属相互接続プレート６０は、燃料流オリフィス６１、６２を規定するように成形される。金属スペーサ７０は、燃料流オリフィス７１、７２を規定するように成形される。金属基板８０は、燃料流オリフィス８１、８２を規定するように成形される。金属スペーサ７０はさらに、燃料流スペース７３を規定し、かつ燃料流オリフィス７１、７２と燃料流スペース７３との間に開口部７１ａおよび７２ａを規定するように成形される。
【００７８】
金属スペーサ７０が金属相互接続プレート６０と金属基板８０との間に挟まれると、燃料流スペース７３に対応する燃料流ボイド７４がそれ故に、金属相互接続プレート６０の第１の（内部）表面６３、金属基板８０の第１の（内部）表面８３、および金属スペーサ７０の間に規定される。金属相互接続プレート６０の第１の（内部）表面６３は、金属基板８０の第１の（内部）表面８３に向かって延びるくぼみを有する。これらのくぼみは使用中、燃料電池スタック３０が、圧縮荷重下にあるとき、燃料流ボイド７４内の流体の流れおよび燃料流ボイド７４を維持するのを助ける。
【００７９】
燃料電池１０１、１０２は、金属基板８０の第２の（外部）表面８４上に堆積される。
【００８０】
サーミキュライトガスケット（電気絶縁性圧縮ガスケット）１１０は、燃料流オリフィス８１、８２の周囲の金属基板８０の第２の（外部）表面８４上に位置決めされる。
【００８１】
各燃料電池スタック層５０はそれ故に、燃料流オリフィス６１、７１、８１、開口部７１ａ、燃料流スペース７３、開口部７２ａ、および燃料流オリフィス６２、７２、８２の間に燃料流路（流体流路）を規定する。
【００８２】
オリフィス６１、７１、７１ａおよび８１は、燃料入口オリフィス／開口部であり、燃料電池スタック層５０の燃料入口および燃料電池スタック層５０への燃料入口側（または端部）を規定する。オリフィス６２、７２、７２ａおよび８２は、排出燃料出口オリフィス／開口部であり、燃料電池スタック層５０の排出燃料出口および燃料電池スタック層５０への排出燃料出口側（または端部）を規定する。
【００８３】
図９における細い破線矢印７００は、燃料流体流路を例示する。図９における太い破線７１０は、酸化剤（空気）流体流路を例示する。
【００８４】
金属相互接続プレート６０の第２の（外部）表面６４は、複数の外向きに延びるくぼみ６５を備える。燃料電池スタック層５０は、一緒にスタックされ、第１の燃料電池スタック層の金属相互接続プレート６０は、サーミキュライトガスケット１１０ならびに（外向きに延びるくぼみ６５によって）第１の燃料電池１０１および第２の燃料電池１０２のカソード層と接する。サーミキュライトガスケット１１０および外向きに延びるくぼみ６５の配置は、酸化剤流路が第１の燃料電池スタック層５０の金属相互接続プレート６０と隣接する第２の燃料電池スタック層５０の金属基板８０との間に規定されるという結果をもたらす。この酸化剤流路は、外部で多岐化される。それ故に、各燃料電池スタック層５０は、外部で多岐化された酸化剤入口および出口を有する。
【００８５】
燃料電池スタック３０が金属ベースプレート２０と金属エンドプレート４０との間に取り付けられて配置されると、圧縮手段６００（図１２）は、金属ベースプレート２０と金属エンドプレート４０との間の燃料電池スタック３０に圧縮力を及ぼすために使用され、すなわちそれらは、圧縮手段６００によって圧縮される。マイカガスケット１２０（電気絶縁性ガスケット）が次いで、燃料電池スタック３０の側部に沿って置かれる。第１のスカート半分１３１および第２のスカート半分１３２が次いで、ベースプレート２０（図１３）、燃料電池スタックアセンブリ３０、エンドプレート４０、およびマイカガスケット１２０の周囲に置かれる。第１のスカート半分１３１および第２のスカート半分１３２の各々は次いで、溶接点１９０において金属ベースプレート２０および金属エンドプレート４０にＴＩＧ溶接を使用して隅肉溶接される。第１のスカート半分１３１および第２のスカート半分１３２は次いで、スカート１３０を規定するために一緒に隅肉溶接される。それ故に、体積が、ベースプレート２０、エンドプレート４０およびスカート１３０の間に規定され、その中に燃料電池スタック３０が、含有される。
【００８６】
圧縮手段６００は、燃料電池スタック層５０の曲がりを低減するまたは最小化するために、金属ベースプレート２０および金属エンドプレート４０のエッジの周囲に（すなわち外周の周囲に）圧縮力を印加するように配置される。第１のスカート半分１３１および第２のスカート半分１３２が金属ベースプレート２０および金属エンドプレート４０に溶接される（すなわち金属ベースプレート２０および金属エンドプレート４０の周囲に溶接される）と、エッジの周囲のこの圧縮は、圧縮手段６００が、除去されるとき、維持される。
【００８７】
圧縮手段６００は次いで、除去され（図１４）、燃料電池スタック３０への圧縮荷重は、スカート１３０内の張力を通じて維持される。それ故に、タイバーの使用は、燃料電池スタックアセンブリ１０の圧縮を達成するために必要とされない。これは、タイバーを組み込む、対応する燃料電池スタックアセンブリと比較して、燃料電池スタックアセンブリ１０の熱質量を低減し、性能を改善する。タイバーを有さないことによって、燃料電池がその上に堆積可能である金属基板８０の利用可能な表面積は、増加され、それ故にタイバーを組み込む、対応する燃料電池スタックアセンブリと比較して、性能のさらなる増加を可能にする。
【００８８】
使用中は、燃料電池スタックアセンブリ１０は、並行流（図９）または逆流の仕方で動作するように容易に構成することができる。
【００８９】
実施形態２
この実施形態（図３を参照）では、固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ２００の構築およびアセンブリは、全体的に第１の実施形態の通りである。しかしながら、固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ１０はさらに、膨張板１８１、１８２を備える。第１の膨張板１８１は、ベースプレート２０とサーミキュライトガスケット１６０との間に位置し、第２の膨張板１８２は、エンドプレート４０とサーミキュライトガスケット１６０との間に位置する。
【００９０】
本明細書で詳述される様々な実施形態において使用される材料は、以下のＴａｂｌｅ  １（表１）に示される。
【００９１】
【表１】
2020525979.tif 000003
【００９２】
Ｔａｂｌｅ  １（表１）から分かるように、様々なコンポーネントのＣＴＥ（熱膨張係数）は、著しく異なる。各燃料電池スタック層５０内に存在する少なくとも１つの電気絶縁性圧縮ガスケット（サーミキュライトガスケット１１０）の結果として、スカート１３０のＣＴＥ値は、燃料電池スタック層５０のそれよりも大きい。最終結果は、燃料電池スタックアセンブリの温度が、増加するにつれて、スカート１３０（ベースプレート２０とエンドプレート４０との間）の膨張が、ベースプレート２０とエンドプレート４０との間にアセンブルされる燃料電池スタック３０および他のコンポーネント（特にサーミキュライトガスケット１６０およびサーミキュライトガスケット１１０）の膨張よりも大きい、すなわち熱膨張に差があるということである。これは、燃料電池スタックアセンブリ１０の温度が、増加するにつれて、燃料電池スタック３０に及ぼされる圧縮力の減少をもたらす。
【００９３】
この実施形態では、膨張板１８１、１８２は、この圧縮力の減少を低減し、それ故に燃料電池スタックアセンブリ２００の性能を高める。
【００９４】
膨張板１８１、１８２は、スカート１３０のそれよりも大きい（かつベースプレート２０およびエンドプレート４０のそれよりも大きい）ＣＴＥを有し、熱膨張差を補償するようなサイズに決められる。膨張板１８１、１８２は、燃料電池スタックアセンブリ２００内の燃料電池スタック層５０の数に従ってサイズを決められる。膨張板のサイズ決定／寸法決定へのこの手法は一般に、本発明のすべての実施形態に適用可能である。
【００９５】
実施形態３
この実施形態（図４を参照）では、固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ３００は、第１および第２の燃料電池スタック１７１、１７２の背中合わせの配置を備える。構築およびアセンブリは、全体的に第２の実施形態の通りである。しかしながら、第１の実施形態では、正電力取り出しプレート１５０は、サーミキュライトガスケット１６０と接する、すなわち、
（ａ）燃料電池スタック層５０の第１の燃料電池１０１、第２の燃料電池１０２およびサーミキュライトガスケット１１０と、
（ｂ）サーミキュライトガスケット１６０との間に挟まれる。
【００９６】
代わりに、この第２の実施形態では、正電力取り出しプレート１５０は、
（ａ）第１の燃料電池スタック１７１と
（ｂ）第２の燃料電池スタック１７２との間に挟まれる。
【００９７】
それ故に、正電力取り出しプレート１５０は、
（ａ）第１の燃料電池スタック１７１の燃料電池スタック層５０の第１の燃料電池１０１、第２の燃料電池１０２およびサーミキュライトガスケット１１０と、
（ｂ）第２の燃料電池スタック１７２の燃料電池スタック層５０の第１の燃料電池１０１、第２の燃料電池１０２およびサーミキュライトガスケット１１０との間に挟まれる。
【００９８】
この配置は、同じアセンブリ設計および圧縮プロセス内でより大きい電力出力の利点を提供する。
【００９９】
実施形態４
この実施形態（図５〜図７を参照）では、固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ４００の構築およびアセンブリは、全体的に実施形態２の通りである。しかしながら、第１および第２の燃料電池（実施形態２ではそれぞれ１０１、１０２）を備える各燃料電池スタック層５０ａの代わりに、各燃料電池スタック層５０ａは、単一の燃料電池４１０を備える。
【０１００】
図７（この実施形態を例示する）は、本発明の様々な実施形態における燃料電池スタック（３０、１７１、１７２）の側部をスカート１３０の隣接内部表面から電気的に絶縁するために使用されるマイカガスケット１２０を示す。マイカガスケット１２０はそれ故に、スカート１３０と燃料電池スタック（３０、１７１、１７２）との間に挟まれ、それらの間での流体の流れを制限する（または阻止する／防止する）。これは、燃料電池スタックアセンブリ内の酸化剤（空気）流の外部多岐化を助け、少なくとも１つの燃料電池スタック（３０、１７１、１７２その他）の外部でかつ燃料電池スタックアセンブリ（１０、２００、３００、４００、５００）の内部で多岐化される、燃料電池スタックアセンブリへの酸化剤入口端部を規定するのを助ける。同様に、それは、少なくとも１つの燃料電池スタック（３０、１７１、１７２その他）の外部でかつ燃料電池スタックアセンブリ（１０、２００、３００、４００、５００）の内部で多岐化される、燃料電池スタックアセンブリへの排出酸化剤出口端部を規定するのを助ける。
【０１０１】
実施形態５
この実施形態（図８を参照）では、固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ５００の構築およびアセンブリは、全体的に実施形態３の通りである。しかしながら、実施形態４のように、各燃料電池スタック層５０ａは、単一の燃料電池４１０を備える。さらに、単一の膨張板１８３だけが、提供される。この膨張板１８３は、金属エンドプレート４０に付着される。
【０１０２】
すべての実施形態
図９および図１０は、燃料電池スタック層５０および５０ａの分解斜視図を提供し、それらの中のかつそれらのスタック内の流体流路を例示する。
【０１０３】
燃料電池スタック層５０、５０ａ内への燃料流体流路７００は、金属基板８０内の燃料流オリフィス８１、金属スペーサ７０内の（すなわち燃料電池スタック層５０、５０ａの燃料入口側の）燃料流オリフィス７１および開口部７１ａを介して、金属基板８０、金属スペーサ７０および金属相互接続プレート６０の間の燃料流スペース７３内に規定される燃料流ボイド７４の中へ、金属基板８０の第１の（内部）表面８３および金属相互接続プレート６０の第１の（内部）表面６３を通過する。燃料電池／複数燃料電池１０１、１０２、４１０（実施形態に応じて）は、金属基板８０の第２の（外部）表面８４上に位置し、燃料電池／複数燃料電池への燃料流（およびそれらからの排出燃料の戻り）は、レーザドリル穿孔多孔質領域９１、９２、９３（実施形態に応じて）を介する。
【０１０４】
排出燃料は、金属スペーサ７０内の開口部７２ａおよび燃料流オリフィス７２、ならびに金属基板８０内の燃料流オリフィス８２（すなわち燃料電池スタック層５０、５０ａの排出燃料出口側の）を介して燃料電池スタック層５０、５０ａから出る。
【０１０５】
金属相互接続プレート６０内のオリフィス６１、６２およびサーミキュライトガスケット１１０はさらに、流体流路を隣接燃料電池スタック層５０、５０ａまで延長する。
【０１０６】
燃料流体流路７００は、内部で多岐化される。
【０１０７】
酸化剤流路７１０は、燃料電池スタック層５０、５０ａの外部でかつ燃料電池スタックアセンブリ１０、２００、３００、４００、５００の内部で多岐化される。体積が、金属ベースプレート２０、金属エンドプレート４０、スカート１３０、および燃料電池スタック３０、１７１、１７２（実施形態に応じて）の間に規定される。燃料流オリフィス８１、７１、６１に隣接する（すなわち燃料入口側に隣接する）燃料電池スタック層５０、５０ａの酸化剤入口端部から燃料流オリフィス８２、７２、６２に隣接する（すなわち排出燃料出口側に隣接する）燃料電池スタック層５０、５０ａの排出酸化剤出口端部までの酸化剤の流れは、隣接燃料電池スタック層５０、５０ａの間、すなわち第１の燃料電池スタック層５０、５０ａの金属相互接続プレート６０と隣接する第２の燃料電池スタック層５０、５０ａの金属基板８０との間である。
【０１０８】
燃料電池スタック３０、１７１、１７２の外側周囲の（すなわち燃料電池スタック層５０、５０ａの間以外の）  酸化剤入口端部から排出酸化剤出口端部までの酸化剤の流れは、スカート１３０と酸化剤入口端部から排出酸化剤出口端部までの燃料電池スタック３０、１７１、１７２との間に挟まれて位置するマイカガスケット１２０によって防止される。
【０１０９】
図９は、燃料および酸化剤の流れの並行流動作を例示する。逆流動作は、同等に可能であり、すなわち酸化剤の流れは、燃料流と逆であり、燃料流オリフィス８２、７２、６２に隣接する（すなわち排出燃料出口側に隣接する）燃料電池スタック層５０、５０ａの酸化剤入口端部から燃料流オリフィス８１、７１、６１に隣接する（すなわち燃料入口側に隣接する）燃料電池スタック層５０、５０ａの排出酸化剤出口端部までである。
【０１１０】
スタックアセンブリ方法
燃料電池スタック３０は、燃料電池スタック層５０を金属エンドプレート４０上にアセンブルすることによって形成される（図１１）。金属ベースプレート２０が次いで、燃料電池スタック３０の上部に置かれる。
【０１１１】
除去可能な圧縮手段６００が次いで、エンドプレート４０、燃料電池スタック３０およびベースプレート２０を通って圧縮力６１０を及ぼすために使用される（図１２）。
【０１１２】
圧縮力６１０がなお燃料電池スタック３０を通って及ぼされる状態で（図１３）、スカート第１の半分１３１およびスカート第２の半分１３２が次いで、エンドプレート４０、燃料電池スタック３０およびベースプレート２０の周囲に置かれる。
【０１１３】
スカート第１の半分１３１およびスカート第２の半分１３２が次いで、ＴＩＧ溶接によってベースプレート２０、エンドプレート４０に付着される。スカート第１の半分１３１およびスカート第２の半分１３２はまた、隅肉溶接１３３を用いてスカート１３０を形成するために互いにＴＩＧ溶接されもする。それ故に、燃料電池スタック３０は、ベースプレート２０、エンドプレート４０およびスカート１３０によって規定される体積内に封入される。ＴＩＧ溶接は、スカート第１の半分１３１、スカート第２の半分１３２、ベースプレート２０およびエンドプレート４０の間にガス気密シールを形成する。
【０１１４】
圧縮手段６００が次いで、除去され（図１４）、燃料電池スタック３０への圧縮荷重６１０は、スカート１３０内の張力６２０を通じて維持される、すなわち燃料電池スタック３０は、燃料電池スタック３０を通る圧縮力を維持するためにベースプレート２０およびエンドプレート４０へのかつベースプレート２０とエンドプレート４０との間の張力下にある。参照符号は、それらの理解を容易にするだけのために請求項に組み込まれ、請求項の範囲を限定しない。本発明は、上記の実施形態だけに限定されず、他の実施形態は、添付の請求項の範囲から逸脱することなく当業者に容易に明らかであることになる。
【符号の説明】
【０１１５】
１０  固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ
２０  金属ベースプレート
３０  燃料電池スタック
４０  金属エンドプレート
５０  燃料電池スタック層
５０ａ  燃料電池スタック層
６０  金属相互接続プレート
６１  燃料流オリフィス
６２  燃料流オリフィス
６３  金属相互接続プレート６０の第１の（内部）表面
６４  金属相互接続プレート６０の第２の（外部）表面
６５  外向きに延びるくぼみ
７０  金属スペーサ
７１  燃料流オリフィス
７１ａ  開口部
７２  燃料流オリフィス
７２ａ  開口部
７３  燃料流スペース
７４  燃料流ボイド
８０  金属基板
８１  燃料流オリフィス
８２  燃料流オリフィス
８３  金属基板８０の第１の（内部）表面
８４  金属基板８０の第２の（外部）表面
９１  レーザドリル穿孔（多孔質）領域
９２  レーザドリル穿孔（多孔質）領域
９３  レーザドリル穿孔（多孔質）領域
１０１  第１の燃料電池
１０２  第２の燃料電池
１１０  サーミキュライトガスケット
１２０  マイカガスケット
１３０  スカート
１３１  スカート第１の半分
１３２  スカート第２の半分
１３３  隅肉溶接
１４０  負電力取り出しプレート
１５０  正電力取り出しプレート
１６０  サーミキュライトガスケット
１７１  第１の燃料電池スタック
１７２  第２の燃料電池スタック
１８１  第１の膨張板
１８２  第２の膨張板
１８３  膨張板
１９０  溶接点
２００  固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ
３００  固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ
４００  固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ
４１０  燃料電池
５００  固体酸化物燃料電池スタックアセンブリ
６００  圧縮手段
６１０  圧縮力
６２０  張力
７００  燃料流体流路
７１０  酸化剤流体流路
７２０  燃料入口側
７３０  排出燃料出口側
７４０  酸化剤入口側
７５０  排出酸化剤出口側
【図１】
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【図２】
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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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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