(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022159996
(43)【公開日】2022-10-18
(54)【発明の名称】燃料電池スタック用のガラスセラミックシール材
(51)【国際特許分類】
H01M 8/0282 20160101AFI20221011BHJP
H01M 8/12 20160101ALI20221011BHJP
H01M 8/021 20160101ALI20221011BHJP
H01M 8/0286 20160101ALI20221011BHJP
C03C 8/02 20060101ALI20221011BHJP
C03C 8/22 20060101ALI20221011BHJP
C03C 10/04 20060101ALI20221011BHJP
C03C 10/14 20060101ALI20221011BHJP
【ＦＩ】
H01M8/0282
H01M8/12 101
H01M8/021
H01M8/0286
C03C8/02
C03C8/22
C03C10/04
C03C10/14
【審査請求】未請求
【請求項の数】20
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2022053285
(22)【出願日】2022-03-29
(31)【優先権主張番号】63/170,764
(32)【優先日】2021-04-05
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】514116578
【氏名又は名称】ブルーム エネルギー コーポレイション
(74)【代理人】
【識別番号】110002354
【氏名又は名称】弁理士法人平和国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ガスダ，マイケル ディー
(72)【発明者】
【氏名】ミュール，トゥイ タイン
(72)【発明者】
【氏名】エル バタウィ，エマッド
【テーマコード（参考）】
4G062
5H126
【Ｆターム（参考）】
4G062AA09
4G062AA11
4G062BB05
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5H126AA13
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5H126JJ08
(57)【要約】 （修正有）
【課題】個体酸化物形燃料電池用のガラスセラミックシール材、燃料電池スタック及びその製造方法の提供。
【解決手段】ガラスセラミックシールは、酸化物ベースの重量で、４０～６０％のＳｉＯ２、２５～２８％のＢａＯ、１０～２０％のＢ２Ｏ３、８～１２％のＡｌ２Ｏ３、０～２％のＺｒＯ２、０～１％のＹ２Ｏ３、０～１％のＣａＯ及び０～１％のＭｇＯを含む。スタックを製造する方法は、２５重量％未満の酸化バリウム含有量を有する第１のガラス粉末を、少なくとも４５重量％の酸化バリウム含有量を有する第２のガラス粉末と混合する工程と、インターコネクトと固体酸化物形燃料電池との間に、混合された第１及び第２のガラス粉末を含む組成物をコーティングして、燃料電池スタックを形成する工程と、燃料電池スタック内の組成物を高められた温度で焼結して、インターコネクトと固体酸化物形燃料電池との間にガラスセラミックシールを形成する工程とを含む。
【選択図】図３Ｂ
【解決手段】ガラスセラミックシールは、酸化物ベースの重量で、４０～６０％のＳｉＯ２、２５～２８％のＢａＯ、１０～２０％のＢ２Ｏ３、８～１２％のＡｌ２Ｏ３、０～２％のＺｒＯ２、０～１％のＹ２Ｏ３、０～１％のＣａＯ及び０～１％のＭｇＯを含む。スタックを製造する方法は、２５重量％未満の酸化バリウム含有量を有する第１のガラス粉末を、少なくとも４５重量％の酸化バリウム含有量を有する第２のガラス粉末と混合する工程と、インターコネクトと固体酸化物形燃料電池との間に、混合された第１及び第２のガラス粉末を含む組成物をコーティングして、燃料電池スタックを形成する工程と、燃料電池スタック内の組成物を高められた温度で焼結して、インターコネクトと固体酸化物形燃料電池との間にガラスセラミックシールを形成する工程とを含む。
【選択図】図３Ｂ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
酸化物ベースの重量で、
４０～６０％のＳｉＯ２、
２５～２８％のＢａＯ、
１０～２０％のＢ２Ｏ３、
８～１２％のＡｌ２Ｏ３、
０～２％のＺｒＯ２、
０～１％のＹ２Ｏ３、
０～１％のＣａＯ及び
０～１％のＭｇＯ
を含む、ガラスセラミックシール。
４０～６０％のＳｉＯ２、
２５～２８％のＢａＯ、
１０～２０％のＢ２Ｏ３、
８～１２％のＡｌ２Ｏ３、
０～２％のＺｒＯ２、
０～１％のＹ２Ｏ３、
０～１％のＣａＯ及び
０～１％のＭｇＯ
を含む、ガラスセラミックシール。
【請求項2】
酸化物ベースの重量で、
４５～５５％のＳｉＯ２、
２５．５～２７％のＢａＯ、
１１～１５％のＢ２Ｏ３、
９～１１％のＡｌ２Ｏ３、
０．１～１％のＺｒＯ２、
０．１～０．７５％のＹ２Ｏ３、
０．１～０．７５％のＣａＯ及び
０．１～０．７５％のＭｇＯ
を含む、請求項１記載のガラスセラミックシール。
４５～５５％のＳｉＯ２、
２５．５～２７％のＢａＯ、
１１～１５％のＢ２Ｏ３、
９～１１％のＡｌ２Ｏ３、
０．１～１％のＺｒＯ２、
０．１～０．７５％のＹ２Ｏ３、
０．１～０．７５％のＣａＯ及び
０．１～０．７５％のＭｇＯ
を含む、請求項１記載のガラスセラミックシール。
【請求項3】
酸化物ベースの重量で、
約５０％のＳｉＯ２、
約２６％のＢａＯ、
約１３％のＢ２Ｏ３、
約１０％のＡｌ２Ｏ３、
約０．５％のＺｒＯ２、
約０．５％のＹ２Ｏ３、
約０．１％のＣａＯ及び
約０．５％のＭｇＯ
を含む、請求項２記載のガラスセラミックシール。
約５０％のＳｉＯ２、
約２６％のＢａＯ、
約１３％のＢ２Ｏ３、
約１０％のＡｌ２Ｏ３、
約０．５％のＺｒＯ２、
約０．５％のＹ２Ｏ３、
約０．１％のＣａＯ及び
約０．５％のＭｇＯ
を含む、請求項２記載のガラスセラミックシール。
【請求項4】
前記ガラスセラミックシールが、アモルファスガラスマトリックス相に分散された少なくとも１つの結晶相を含む、請求項１記載のガラスセラミックシール。
【請求項5】
前記少なくとも１つの結晶相が、クリストバライト結晶及びケイ酸バリウム結晶を含む、請求項４記載のガラスセラミックシール。
【請求項6】
前記アモルファスガラスマトリックス相が、酸化ホウ素及び酸化ケイ素を含む、請求項５記載のガラスセラミックシール。
【請求項7】
前記ガラスセラミックシールが、４～８重量％のバリウムを含む、請求項１記載のガラスセラミックシール。
【請求項8】
前記ガラスセラミックシールが、５～７重量％のバリウムを含む、請求項７記載のガラスセラミックシール。
【請求項9】
前記ガラスセラミックシールが、８５０℃で、７．５ｄＰａ・ｓ未満の粘度（ｌｏｇ ｈ）を有する、請求項１記載のガラスセラミックシール。
【請求項10】
前記ガラスセラミックシールが、８５０℃で、５．７５～７ｄＰａ・ｓの粘度を有する、請求項９記載のガラスセラミックシール。
【請求項11】
互いに積層されたインターコネクトと、
前記インターコネクトの間に配置された固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池と前記インターコネクトとの間に配置された請求項１記載のガラスセラミックシールと
を備える、燃料電池スタック。
前記インターコネクトの間に配置された固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池と前記インターコネクトとの間に配置された請求項１記載のガラスセラミックシールと
を備える、燃料電池スタック。
【請求項12】
前記インターコネクトの熱膨張係数が、前記固体酸化物形燃料電池の熱膨張係数と１～５％異なる、請求項１１記載の燃料電池スタック。
【請求項13】
前記インターコネクトが、４～６重量％の鉄と９４～９６重量％のクロムとを含むクロム鉄合金を含み、
前記インターコネクトの熱膨張係数が、前記固体酸化物形燃料電池の熱膨張係数より２～３％大きい、
請求項１２記載の燃料電池スタック。
前記インターコネクトの熱膨張係数が、前記固体酸化物形燃料電池の熱膨張係数より２～３％大きい、
請求項１２記載の燃料電池スタック。
【請求項14】
酸化物ベースで２５重量％未満の酸化バリウム含有量を有する第１のガラス粉末を、酸化物ベースで少なくとも４５重量％の酸化バリウム含有量を有する第２のガラス粉末と混合する工程と、
インターコネクトと固体酸化物形燃料電池との間に、前記混合された第１及び第２のガラス粉末を含む組成物をコーティングして、燃料電池スタックを形成する工程と、
前記燃料電池スタック内の前記組成物を高められた温度で焼結して、前記インターコネクトと前記固体酸化物形燃料電池との間にガラスセラミックシールを形成する工程と
を含む、燃料電池スタックを製造する方法。
インターコネクトと固体酸化物形燃料電池との間に、前記混合された第１及び第２のガラス粉末を含む組成物をコーティングして、燃料電池スタックを形成する工程と、
前記燃料電池スタック内の前記組成物を高められた温度で焼結して、前記インターコネクトと前記固体酸化物形燃料電池との間にガラスセラミックシールを形成する工程と
を含む、燃料電池スタックを製造する方法。
【請求項15】
前記第２のガラス粉末が、酸化物ベースの重量で、４５％～６０％のＢａＯ、２５％～４０％のＳｉＯ２、５％～１５％のＢ２Ｏ３、０～２％未満のＡｌ２Ｏ３、２％～１５％のＭｇＯ及び３％～１５％のＹ２Ｏ３を含む、請求項１４記載の方法。
【請求項16】
前記混合する工程が、８５～９７．５重量％の前記第１のガラス粉末を２．５～１５重量％の前記第２のガラス粉末と混合することを含む、請求項１４記載の方法。
【請求項17】
前記混合する工程が、９２．５～９７．５重量％の前記第１のガラス粉末を２．５～７．５重量％の前記第２のガラス粉末と混合することを含む、請求項１６記載の方法。
【請求項18】
前記ガラスセラミックシールが、酸化物ベースの重量で、
４０～６０％のＳｉＯ２、
２５～２８％のＢａＯ、
１０～２０％のＢ２Ｏ３、
８～１２％のＡｌ２Ｏ３、
０～２％のＺｒＯ２、
０～１％のＹ２Ｏ３、
０～１％のＣａＯ及び
０～１％のＭｇＯ
を含む、請求項１４記載の方法。
４０～６０％のＳｉＯ２、
２５～２８％のＢａＯ、
１０～２０％のＢ２Ｏ３、
８～１２％のＡｌ２Ｏ３、
０～２％のＺｒＯ２、
０～１％のＹ２Ｏ３、
０～１％のＣａＯ及び
０～１％のＭｇＯ
を含む、請求項１４記載の方法。
【請求項19】
前記ガラスセラミックシールが、酸化ホウ素及び酸化ケイ素を含むアモルファスガラスマトリックス相に分散されたクリストバライト結晶及びケイ酸バリウム結晶を含み、
前記ガラスセラミックシールが、４～８重量％のバリウムを含み、
前記ガラスセラミックシールが、８５０℃で、７．５ｄＰａ・ｓ未満の粘度（ｌｏｇ ｈ）を有する、
請求項１８記載の方法。
前記ガラスセラミックシールが、４～８重量％のバリウムを含み、
前記ガラスセラミックシールが、８５０℃で、７．５ｄＰａ・ｓ未満の粘度（ｌｏｇ ｈ）を有する、
請求項１８記載の方法。
【請求項20】
前記インターコネクトの熱膨張係数が、前記固体酸化物形燃料電池の前記熱膨張係数と１～５％異なる、請求項１４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、概して、ガラスセラミックシール材、特に、燃料電池スタック用のガラスセラミックシール材を対象とする。
【背景技術】
【0002】
高温形燃料電池システム、例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムでは、酸化剤流が燃料電池のカソード側を通過し、燃料流が燃料電池のアノード側を通過する。酸化剤流は典型的には空気であり、燃料流は炭化水素燃料、例えばメタン、天然ガス、ペンタン、エタノール又はメタノールであってよい。燃料電池は、７５０℃～９５０℃の典型的な温度で動作し、負に帯電した酸素イオンの、カソードフローストリームからアノードフローストリームへの移動を可能にし、ここでイオンは、自由水素又は炭化水素分子中の水素と結合して水蒸気を生成し、及び／又は、一酸化炭素と結合して二酸化炭素を生成する。負に帯電したイオンからの過剰電子は、アノードとカソードとの間に完成された電気回路を介して燃料電池のカソード側に戻され、その結果、回路を介して電流が流れるようになる。
【0003】
燃料電池スタックは、内部又は外部に燃料及び空気用のマニホールドを備えることができる。内部マニホールド型のスタックでは、燃料及び空気は、スタック内に含まれるライザを用いて各セルに分配される。換言すれば、ガスは、各燃料電池の支持層、例えば電解質層の開口部又は孔、及び各セルのガスフローセパレータを介して流れる。また、外部マニホールド型のスタックでは、スタックは燃料及び空気の入口側及び出口側で開口しており、燃料及び空気は、スタックのハードウェアとは独立して導入及び回収される。例えば、入口及び出口の燃料並びに空気は、スタックと、スタックが配置されるマニホールドハウジングとの間の別個の通路を流れる。
【0004】
燃料電池スタックは、多くの場合、プレーナ形の要素、チューブ又は他のジオメトリの形態の多数のセルから構築される。燃料と空気とは、電気化学的に活性な表面に供給されなければならず、その表面は大きくなり得る。燃料電池スタックの構成要素の１つは、スタック内の個々のセルを分離する、いわゆるガスフローセパレータ（プレーナ形のスタックではガスフローセパレータプレートと呼ばれる）である。ガスフローセパレータプレートは、スタック内の１つのセルの燃料極（つまり、アノード）に流れる燃料、例えば水素又は炭化水素燃料を、スタック内の隣接するセルの空気極（つまり、カソード）に流れる酸化剤、例えば空気から分離する。多くの場合、ガスフローセパレータプレートは、一方のセルの燃料極と、隣接するセルの空気極とを電気的に接続するインターコネクトとしても使用される。この場合、インターコネクトとして機能するガスフローセパレータプレートは、導電性材料で製造されるか、又は導電性材料を含む。
【発明の概要】
【0005】
本開示の様々な実施形態によると、ガラスセラミックシールは、酸化物ベースの重量で、４０～６０％のＳｉＯ２、２５～２８％のＢａＯ、１０～２０％のＢ２Ｏ３、８～１２％のＡｌ２Ｏ３、０～２％のＺｒＯ２、０～１％のＹ２Ｏ３、０～１％のＣａＯ及び０～１％のＭｇＯを含む。
【0006】
本開示の様々な実施形態によると、燃料電池スタックを製造する方法は、酸化物ベースで２５重量％未満の酸化バリウム含有量を有する第１のガラス粉末を、酸化物ベースで少なくとも４５重量％の酸化バリウム含有量を有する第２のガラス粉末と混合する工程と、インターコネクトと固体酸化物形燃料電池との間に、混合された第１及び第２のガラス粉末を含む組成物をコーティングして、燃料電池スタックを形成する工程と、燃料電池スタック内の組成物を高められた温度で焼結して、インターコネクトと固体酸化物形燃料電池との間にガラスセラミックシールを形成する工程とを含む。
【図面の簡単な説明】
【0007】
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の例示的な実施形態を示しており、上記の一般的な説明及び下記の詳細な説明とともに、本発明の特徴を説明するのに役立つ。
【図1A】従来の燃料電池コラムの斜視図である。
【図2B】従来のインターコネクトの燃料側の平面図である。
【図3A】本開示の様々な実施形態による燃料電池スタックの斜視図である。
【図7】本開示の様々な実施形態による燃料電池スタックの一部の側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
様々な実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。図面は、必ずしも原寸に比例しておらず、本発明の様々な特徴を説明することを意図している。可能な限り、同じ又は類似の部材を参照するために、図面全体にわたって同じ参照番号が使用される。特定の実施例及び実施形態への言及は、例示目的であり、本発明又は特許請求の範囲を限定することを意図するものではない。
【0009】
本明細書では、範囲は、「約」が付いている特定の値から、及び／又は「約」が付いている別の特定の値までとして表され得る。そのような範囲が表される場合、例は、ある特定の値から、及び／又は他の特定の値までを含む。同様に、先行する「約」又は「実質的に」を使用することによって値が近似値として表される場合、特定の値が別の態様を形成すると理解されるであろう。いくつかの実施形態では、「約Ｘ」の値は、Ｘ±１％の値を含み得る。さらに、各範囲の終点は、他の終点との関連で、また他の終点とは独立的に、有意であると理解される。
【0010】
図１Ａは、従来の燃料電池コラム３０の斜視図であり、図１Ｂは、図１Ａのコラム３０に含まれる１つのカウンタフロー型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）スタック２０の斜視図であり、図１Ｃは、図１Ｂのスタック２０の一部の側断面図である。
【0011】
図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、コラム３０は、１つ又は複数のスタック２０、燃料入口導管３２、アノード排気導管３４及びアノードフィード／リターンアセンブリ３６（例えばアノードスプリッタプレート（ＡＳＰ）３６）を含んでよい。また、コラム３０は、サイドバッフル３８及び圧縮アセンブリ４０を含んでもよい。燃料入口導管３２は、ＡＳＰ３６に流体接続され、各ＡＳＰ３６に燃料供給を提供するように構成され、アノード排気導管３４は、ＡＳＰ３６に流体接続され、各ＡＳＰ３６からアノード燃料排気を受け取るように構成されている。
【0012】
ＡＳＰ３６は、スタック２０の間に配置され、スタック２０に、炭化水素燃料を含む燃料供給を提供するように、また、スタック２０からアノード燃料排気を受け取るように構成されている。例えば、ＡＳＰ３６は、以下に述べるように、スタック２０内に形成された内部燃料ライザ通路２２に流体接続されてよい。
【0013】
図１Ｃを参照すると、スタック２０は、ガスフローセパレータプレート又はバイポーラプレートと呼ばれることもあるインターコネクト１０によって分離された複数の燃料電池１を含む。各燃料電池１は、カソード電極３、固体酸化物電解質５及びアノード電極７を含む。
【0014】
各インターコネクト１０は、スタック２０内の隣接する燃料電池１同士を電気的に接続する。特に、インターコネクト１０は、１つの燃料電池１のアノード電極７を、隣接する燃料電池１のカソード電極３に電気的に接続することができる。図１Ｃは、下側の燃料電池１が２つのインターコネクト１０の間に配置されていることを示している。
【0015】
各インターコネクト１０は、燃料通路８Ａ及び空気通路８Ｂを少なくとも部分的に画定するリブ１２を含む。インターコネクト１０は、スタック内の１つのセルの燃料極（つまり、アノード７）に流れる燃料、例えば炭化水素燃料を、スタック内の隣接するセルの空気極（つまり、カソード３）に流れる酸化剤、例えば空気から分離するガス－燃料セパレータとして作用することができる。スタック２０の一方の端部には、空気又は燃料をそれぞれ端部電極に供給するための空気エンドプレート又は燃料エンドプレート（図示せず）が設けられてよい。
【0016】
図２Ａは、従来のインターコネクト１０の空気側の平面図であり、図２Ｂは、インターコネクト１０の燃料側の平面図である。図１Ｃ及び図２Ａを参照すると、空気側は、空気通路８Ｂを含む。空気は、空気通路８Ｂを通って、隣接する燃料電池１のカソード電極３に流れる。特に、空気は、矢印で示される第１の方向Ａにインターコネクト１０を横切って流れることができる。
【0017】
燃料がカソード電極に接触するのを防止するために、インターコネクト１０の燃料孔２２Ａをリングシール２３が取り囲んでよい。インターコネクト１０の空気側の周囲部分には、帯状の周囲シール２４が配置される。シール２３，２４は、ガラス材料から形成されてよい。周囲部分は、リブ又は通路を含まない隆起した部分のうちの平坦部分の形態であってよい。周囲領域の表面は、リブ１２の頂部と同一平面であってよい。
【0018】
図１Ｃ及び図２Ｂを参照すると、インターコネクト１０の燃料側は、燃料通路８Ａ及び燃料マニホールド２８（例えば燃料プレナム）を含んでよい。燃料は、燃料孔２２Ａのうちの１つから、隣接するマニホールド２８に流入し、燃料通路８Ａを通って、隣接する燃料電池１のアノード７に流れる。過剰な燃料は、他方の燃料マニホールド２８に流入し、次に、隣接する燃料孔２２Ａに流入してよい。特に、燃料は、矢印で示されるように、第２の方向Ｂにインターコネクト１０を横切って流れることができる。第２の方向Ｂは、第１の方向Ａに対して直交していてよい（図２Ａ参照）。
【0019】
インターコネクト１０の燃料側の周囲領域には、枠状のシール２６が配置される。周囲領域は、リブ又は通路を含まない隆起した部分のうちの平坦部分であってよい。周囲領域の表面は、リブ１２の頂部と同一平面であってよい。
【0020】
したがって、図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、図２Ａ及び図２Ｂに示すような従来のカウンタフロー型の燃料電池コラムは、複雑な燃料分配システム（燃料レール及びアノードスプリッタプレート）を含み得る。さらに、内部燃料ライザの使用は、燃料電池及び対応するシールに孔を必要とすることがあり、それにより、燃料電池の作用面積を減少させ、燃料電池１のセラミック電解質にクラックを発生させるおそれがある。
【0021】
燃料マニホールド２８は、インターコネクト１０の比較的大きな領域を占める可能性があり、これにより、インターコネクト１０と、隣接する燃料電池との間の接触面積が約１０％減少する可能性がある。また、燃料マニホールド２８は比較的深いので、燃料マニホールド２８は、インターコネクト１０の比較的薄い領域に相当する。インターコネクト１０は、一般的に粉末冶金圧縮工程によって形成されるので、燃料マニホールド領域の密度は、インターコネクト材料の理論密度限界に近づく可能性がある。したがって、高密度の燃料マニホールド領域をさらに圧縮することができないため、圧縮工程で使用される圧縮プレスのストロークの長さが制限され得る。その結果、圧縮ストロークの制限によって、インターコネクト１０の他の場所で達成される密度が、より低いレベルに制限される可能性がある。結果として生じる密度のばらつきは、局所的な偏差につながる可能性があり、これは、インターコネクト１０と燃料電池１との間の接触量を減少させ、スタックの歩留まり及び／又は性能を低下させる可能性がある。
【0022】
燃料電池システムの設計における別の重要な検討事項は、稼働効率の領域にある。稼働効率を達成するためには、燃料利用率を最大化することが重要な要素である。燃料利用率とは、稼働中に消費される燃料の量と、燃料電池に供給される燃料の量との比である。燃料電池のサイクル寿命を維持するための重要な要素は、作用面積に燃料を適切に分配することにより、燃料電池の作用面積での燃料欠乏を回避することであり得る。いくつかの流れ範囲通路が、その通路の領域で生じる電気化学反応を維持するのに十分な燃料を受け取れないような燃料の不均一な分配がある場合、その通路に隣接する燃料電池領域で燃料欠乏をもたらす可能性がある。燃料をより均一に分配するために、従来のインターコネクトの設計は、流れ範囲全体にわたる通路の深さの変動を含む。これは、製造プロセスの複雑さをもたらすだけでなく、これらの寸法を正確に測定するために複雑な計測を必要とする可能性がある。燃料が燃料孔及び分配マニホールドを通して分配されることによって、様々な通路ジオメトリが制約される可能性がある。
【0023】
この複雑なジオメトリと燃料マニホールドとを解消するための１つの可能な解決策は、より広い燃料開口部を持たせ、燃料流れ範囲全体にわたってより一層均一な燃料分配を確保することである。燃料マニホールドの形成が密度のばらつきの要因であるため、燃料マニホールドを無くすことで、インターコネクトのより均一な密度と透過性とが可能になるはずである。したがって、従来の燃料マニホールドを使用することなく燃料電池に均一に燃料を分配する一方で、燃料電池との均一な接触を提供する改良されたインターコネクトが必要とされている。
【0024】
燃料電池システムのホットボックスのサイズを拡大する際の全体的な制約のために、ホットボックスの設置面積を増加させることなく、燃料利用率及び燃料電池の作用面積を最大化するように設計された改良されたインターコネクトもまた必要とされている。
【0025】
クロスフロー型の燃料電池システム
図３Ａは、本開示の様々な実施形態による燃料電池スタック３００の斜視図である。図３Ｂは、図３Ａのスタック３００の一部の分解斜視図である。図３Ｃは、スタック３００に含まれるインターコネクト４００の燃料側の平面図である。図３Ｄは、スタック３００に含まれる燃料電池の概略図である。
図３Ａは、本開示の様々な実施形態による燃料電池スタック３００の斜視図である。図３Ｂは、図３Ａのスタック３００の一部の分解斜視図である。図３Ｃは、スタック３００に含まれるインターコネクト４００の燃料側の平面図である。図３Ｄは、スタック３００に含まれる燃料電池の概略図である。
【0026】
図３Ａ～図３Ｄを参照すると、ＡＳＰを有さないがゆえに燃料電池コラムと呼ぶこともできる燃料電池スタック３００は、ガスフローセパレータプレート又はバイポーラプレートと呼ぶこともできるインターコネクト４００によって分離される複数の燃料電池３１０を含む。１つ又は複数のスタック３００は、共通のエンクロージャ又は「ホットボックス」内で燃料電池発電システムの他の構成要素（例えば、１つ又は複数のアノード排ガス酸化剤、燃料改質器、流体導管及びマニホールドなど）と熱的に一体化されてよい。
【0027】
インターコネクト４００は、導電性の金属材料から製造される。例えば、インターコネクト４００はクロム合金、例えばＣｒ－Ｆｅ合金を含んでよい。インターコネクト４００は、典型的には、Ｃｒ粉末とＦｅ粉末との混合物又はＣｒ－Ｆｅ合金粉末であってよいＣｒ－Ｆｅ粉末のプレス及び焼結を含む粉末冶金技術を用いて製作することにより、所望のサイズ及び形状のＣｒ－Ｆｅインターコネクトを形成することができる（例えば、「ネットシェイプ」又は「ニアネットシェイプ」工程）。典型的なクロム合金インターコネクト４００は、重量で約９０％を超えるクロム、例えば重量で約９４～９６％（例えば９５％）のクロムを含む。インターコネクト４００はまた、重量で約１０％未満の鉄、例えば重量で約４～６％（例えば５％）の鉄、重量で約２％未満、例えば重量で約０～１％の他の材料、例えばイットリウム又はイットリア、及び残留不純物又は不可避の不純物を含んでもよい。
【0028】
各燃料電池３１０は、固体酸化物電解質３１２、アノード３１４及びカソード３１６を含んでよい。いくつかの実施形態では、アノード３１４及びカソード３１６は、電解質３１２に印刷されてもよい。他の実施形態では、導電層３１８、例えばニッケルメッシュが、アノード３１４と、隣接するインターコネクト４００との間に配置されてよい。燃料電池３１０は、従来の燃料電池の燃料孔のような貫通孔を備えない。したがって、燃料電池３１０は、そのような貫通孔の存在に起因して発生し得るクラックを回避する。
【0029】
スタック３００の最上部のインターコネクト４００及び最下部のインターコネクト４００は、それぞれ、空気又は燃料を隣接する端部の燃料電池３１０に提供するための特徴を有する異なる形態の空気側エンドプレート又は燃料側エンドプレートであってよい。本明細書で使用されている場合、「インターコネクト」とは、２つの燃料電池３１０の間に配置されたインターコネクト、又はスタック端部に配置され、１つの燃料電池３１０のみに直接隣接するエンドプレートのいずれかを意味し得る。スタック３００は、ＡＳＰ及びそれに関連するエンドプレートを含まないので、スタック３００は、２つのエンドプレートのみを含み得る。その結果、コラム内ＡＳＰの使用に関連したスタック寸法の変化を回避することができる。
【0030】
スタック３００は、サイドバッフル３０２、燃料プレナム３０４及び圧縮アセンブリ３０６を含んでよい。サイドバッフル３０２は、セラミック材料で形成可能であり、積層された燃料電池３１０及びインターコネクト４００を含む燃料電池スタック３００の互いに反対側の側面に配置されてよい。サイドバッフル３０２は、圧縮アセンブリ３０６がスタック３００に圧力を加えることができるように、燃料プレナム３０４と圧縮アセンブリ３０６とを接続してよい。サイドバッフル３０２は、各バッフルプレートが燃料電池スタック３００の３つの側面の少なくともそれぞれの一部を覆うような、湾曲したバッフルプレートであってよい。例えば、一方のバッフルプレートは、スタック３００の燃料入口ライザ側を完全に覆い、スタックの隣接する表側及び裏側を部分的に覆ってよく、他方のバッフルプレートは、スタックの燃料出口ライザ側を完全に覆い、スタックの表側及び裏側の隣接する部分を部分的に覆う。スタックの表側及び裏側のカバーされていない残りの部分によって、空気がスタック３００を貫流することが可能になる。湾曲したバッフルプレートは、スタックの一側面のみを覆う従来のバッフルプレート３８と比較して、スタックを通過する空気流の制御を改善する。燃料プレナム３０４は、スタック３００の下方に配置されてよく、スタック３００に水素含有燃料供給を提供するように構成されてよく、スタック３００からアノード燃料排気を受け取ることができる。燃料プレナム３０４は、燃料プレナム３０４の下方に配置された燃料入口兼出口導管３０８に接続されてよい。
【0031】
各インターコネクト４００は、スタック３００内の隣接する燃料電池３１０同士を電気的に接続する。特に、インターコネクト４００は、１つの燃料電池３１０のアノード電極を、隣接する燃料電池３１０のカソード電極に電気的に接続することができる。図３Ｃに示すように、各インターコネクト４００は、空気を第１の方向Ａに流して、空気を、隣接する燃料電池３１０のカソードに提供することができるように構成することができる。また、各インターコネクト４００は、燃料を第２の方向Ｆに流して、燃料を、隣接する燃料電池３１０のアノードに提供することができるように構成することもできる。方向ＡとＦは、互いに直交していてよいか、又は実質的に互いに直交していてよい。したがって、インターコネクト４００をクロスフロー型のインターコネクトと呼ぶことができる。
【0032】
インターコネクト４００は、インターコネクト４００にわたって延在して燃料分配のために構成された燃料孔を含んでよい。例えば、燃料孔は、１つ又は複数の燃料入口４０２、及びアノード排気出口４０４と呼ぶこともできる１つ又は複数の燃料出口４０４を含んでよい。燃料入口４０２及び燃料出口４０４は、燃料電池３１０の周囲の外側に配置可能である。したがって、燃料電池３１０は、燃料を流すための対応する貫通孔なしに形成可能である。燃料入口４０２の合計長さ及び／又は燃料出口４０４の合計長さは、インターコネクト４００の対応する長さ、例えば方向Ａに占める長さの少なくとも７５％であってよい。
【0033】
一実施形態では、図３Ｂに示すように、各インターコネクト４００は、インターコネクト４００のネック部分４１２によって分離された２つの燃料入口４０２を含む。しかし、２つよりも多くの燃料入口４０２が含まれてよく、例えば、２つ～４つのネック部分４１２によって分離された３つ～５つの入口が含まれてよい。一実施形態では、図３Ｂに示すように、各インターコネクト４００は、インターコネクト４００のネック部分４１４によって分離された２つの燃料出口４０４を含む。しかし、２つよりも多くの燃料出口４０４が含まれてよく、例えば、２つ～４つのネック部分４１４によって分離された３つ～５つの出口が含まれてよい。
【0034】
隣接するインターコネクト４００の燃料入口４０２は、スタック３００内で整列されて、１つ又は複数の燃料入口ライザ４０３を形成することができる。隣接するインターコネクト４００の燃料出口４０４は、スタック３００内で整列されて、１つ又は複数の燃料出口ライザ４０５を形成することができる。燃料入口ライザ４０３は、燃料プレナム３０４から受け取った燃料を燃料電池３１０に分配するように構成することができる。燃料出口ライザ４０５は、燃料電池３１０から受け取ったアノード排気を燃料プレナム３０４に提供するように構成することができる。
【0035】
図１Ａに示した関連技術の平坦なサイドバッフル３８とは異なり、サイドバッフル３０２は、インターコネクト４００の縁部を取り囲むように湾曲させることができる。特に、サイドバッフル３０２は、インターコネクト４００の燃料入口４０２及び燃料出口４０４を取り囲むように配置することができる。したがって、サイドバッフルは、サイドバッフル３０２間で露出しかつ図４Ａ及び図４Ｂに関して詳細に記載されるインターコネクト４００の空気通路を通る空気流をより効率的に制御することができる。
【0036】
様々な実施形態では、スタック３００は、少なくとも３０個、少なくとも４０個、少なくとも５０個又は少なくとも６０個の燃料電池を含んでよく、これらの燃料電池には、燃料ライザ４０３，４０５のみを使用して燃料を提供することができる。換言すれば、従来の燃料電池システムと比較して、クロスフロー型の構成は、図１Ａに示されたＡＳＰ又はスタックの外部燃料マニホールド、例えば外部導管３２，３４を必要とせずに、多数の燃料電池に燃料を提供することができる。
【0037】
各インターコネクト４００は、導電性材料、例えばセルの固体酸化物電解質と同様の熱膨張率（例えば０～１０％の差）を有する金属合金（例えばクロム鉄合金）で製造されてよいか、又は同導電性材料を含んでよい。例えば、インターコネクト４００は、金属（例えば、４～６重量％の鉄、任意選択的には１重量％以下のイットリウム及び平衡クロム合金などのクロム鉄合金）を含んでよく、所定の燃料電池３１０のアノード側、つまり燃料側と、隣接する燃料電池３１０のカソード側、つまり空気側とを電気的に接続してよい。アノードと各インターコネクト４００との間に導電性接触層、例えばニッケル接触層（例えばニッケルメッシュ）が設けられてよい。別の任意の導電性接触層が、カソード電極と各インターコネクト４００との間に設けられてよい。
【0038】
稼働中に酸化環境（例えば空気）にさらされるインターコネクト４００の表面、例えばインターコネクト４００のカソードに面する側は、インターコネクト上の酸化クロム表面層の成長速度を低下させて、燃料電池のカソードを劣化させ得るクロム蒸気種の蒸発を抑制するために、保護コーティング層でコーティングされていてよい。典型的には、ペロブスカイト、例えばランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）を含むことができるコーティング層を溶射コーティング又は浸漬コーティング工程を用いて形成することができる。代替的には、スピネル、例えば（Ｍｎ，Ｃｏ）３Ｏ４スピネル（ＭＣＯ）などの他の金属酸化物コーティングをＬＳＭの代わりに又はＬＳＭに加えて使用することができる。Ｍｎ２－ｘＣｏ１＋ｘＯ４（０≦ｘ≦１）、又はｚ（Ｍｎ３Ｏ４）＋（１－ｚ）（Ｃｏ３Ｏ４）と表記され、式中、（１／３≦ｚ≦２／３）であるか、又は（Ｍｎ，Ｃｏ）３Ｏ４と表記される組成を有する任意のスピネルを使用することができる。他の実施形態では、ＬＳＭとＭＣＯとの混合層又はＬＳＭ層とＭＣＯ層とのスタックをコーティング層として使用してよい。
【0039】
図４Ａ及び図４Ｂは、本開示の様々な実施形態によるクロスフロー型のインターコネクト４００の空気側及び燃料側をそれぞれ示す平面図である。図４Ａを参照すると、インターコネクト４００の空気側は、載置された燃料電池３１０のカソードに空気を提供するように構成された空気通路４０８を少なくとも部分的に画定するように構成されたリブ４０６を含んでよい。インターコネクト４００の空気側は、空気通路４０８を含む空気流れ範囲４２０と、空気流れ範囲４２０の互いに反対側の２つの側面に配置されたライザシール面４２２とに分けることができる。ライザシール面４２２の一方は、燃料入口４０２を取り囲んでよく、他方のライザシール面４２２は、燃料出口４０４を取り囲んでよい。空気通路４０８及びリブ４０６は、空気通路４０８及びリブ４０６がインターコネクト４００の互いに反対側の周縁部で終端するように、インターコネクト４００の空気側を完全に横切って延在可能である。換言すれば、スタック３００に組み立てられたとき、空気通路４０８及びリブ４０６の互いに反対側の端部は、スタックの互いに反対側の（例えば表側及び裏側）外面に配置され、吹き付けられた空気がスタックを貫流することを可能にする。したがって、スタックは、外部に空気用のマニホールドを備えてよい。
【0040】
ライザシール面４２２上にライザシール４２４が配置されてよい。例えば、１つのライザシール４２４は、燃料入口４０２を取り囲んでよく、１つのライザシール４２４は、燃料出口４０４を取り囲んでよい。ライザシール４２４は、燃料及び／又はアノード排気が空気流れ範囲４２０に入って、燃料電池３１０のカソードに接触してしまうのを防止することができる。また、ライザシール４２４は、燃料が燃料電池スタック１００（図３Ａ参照）から漏れ出してしまうのを防止するように機能することもできる。
【0041】
図４Ｂを参照すると、インターコネクト４００の燃料側は、載置された燃料電池３１０のアノードに燃料を提供するように構成された燃料通路４１８を少なくとも部分的に画定するリブ４１６を含んでよい。インターコネクト４００の燃料側は、燃料通路４１８を含む燃料流れ範囲４３０と、燃料流れ範囲４３０並びに燃料入口４０２及び燃料出口４０４を取り囲む周囲シール面４３２とに分けることができる。リブ４１６及び燃料通路４１８は、空気側通路４０８及びリブ４０６が延在する方向に対して直交する方向又は実質的に直交する方向に延在してよい。
【0042】
周囲シール面４３２上に枠状の周囲シール４３４が配置されてよい。周囲シール４３４は、空気が燃料流れ範囲４３０に入って、隣接する燃料電池３１０のアノードに接触してしまうのを防止するように構成することができる。また、周囲シール４３４は、燃料が燃料ライザ４０３，４０５を出て、燃料電池スタック３００（図３Ａ及び図３Ｂ参照）から漏れ出してしまうのを防止するように機能することができる。
【0043】
シール４２４，４３４は、以下で詳細に説明するように、ガラス又はセラミックのシール材を含んでよい。シール材は、低い導電率を有してよい。いくつかの実施形態では、シール４２４，４３４は、インターコネクト４００上にシール材の１つ又は複数の層を印刷し、その後、焼結することによって形成可能である。図５Ａは、本開示の様々な実施形態による、ライザシール４２４を有さないインターコネクト４００の空気側を示す平面図であり、図５Ｂは、図５Ａのインターコネクト４００の変形バージョンを示す平面図である。
【0044】
従来のカウンタフロー型の燃料電池システムの設計では、燃料電池電解質は、燃料電池電解質が、隣接するインターコネクト間の誘電体層として機能するように、インターコネクトを完全に覆う。クロスフロー型の設計では、インターコネクトは燃料電池の周囲を越えて延在してよい。このことは、スタックが傾斜している場合に、又はシールが時間の経過とともに導電性になる場合に、インターコネクト間の電気的な短絡をもたらすおそれがある。
【0045】
図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、インターコネクト４００は、任意選択的には、ライザシール面４２２上に配置された誘電体層４４０を含んでよい。例えば、図５Ａに示すように、各誘電体層４４０は、環状であってよく、対応するライザシール面４２２の全て又は実質的に全てを覆ってよい。例えば、図５Ａの実施形態では、誘電体層４４０は、Ｄ字形であってもよく、図４Ａに示された載置されるライザシール４２４と実質的に同じ形状を有してよい。他の実施形態では、図５Ｂに示すように、誘電体層４４０は、Ｃ字形であってよく、対応するライザシール面４２２の一部、例えばインターコネクト４００の外周に隣接する部分しか覆わなくてよい。誘電体層４４０は、隣接するインターコネクト４００間に電気的な絶縁バリアを形成し、対応するスタックが傾斜している場合に、又はシールが導電性になる場合に、電気的な短絡を防止する。
【0046】
誘電体層４４０は、アルミナ、ジルコン（ケイ酸ジルコニウム）、炭化ケイ素、結晶質ガラス（例えば石英又はガラスセラミック）、又は他の高温誘電体材料を含んでよい。いくつかの実施形態では、誘電体層４４０は、腐食バリア材料又は腐食バリア層を含んでよい。例えば、誘電体層４４０は、耐食性ガラス、アルミナ、ジルコンなどを含む複合材料を含んでよい。例えば、いくつかの実施形態では、誘電体層４４０は、ＳＯＦＣスタック３００のインターコネクト４００の表面に被着された、少なくとも９０重量％のガラス（例えば、約９９～１００重量％の非晶質ガラス及び０～１重量％の結晶相などの９０～１００重量％のガラス）を含む、実質的にガラスバリア前駆体層から形成されたガラスセラミック層を含む。一実施形態では、少なくとも９０重量％のガラスを含むガラスバリア前駆体層は、酸化物重量ベースで、４５～５５重量％のシリカ（ＳｉＯ２）、５～１０重量％の酸化カリウム（Ｋ２Ｏ）、２～５重量％の酸化カルシウム（ＣａＯ）、２～５重量％の酸化バリウム（ＢａＯ）、０～１重量％の三酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）、１５～２５重量％のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）及び２０～３０重量％ジルコニア（ＺｒＯ２）を含む。
【0047】
いくつかの実施形態では、ガラスバリア前駆体層は、重量で、少なくとも９０％のガラス（例えば、約９９～１００重量％の非晶質ガラス及び０～１重量％の結晶相などの約９０～１００重量％のガラス）を含む。例えば、ガラスバリア前駆体層は、酸化物重量ベースで、約３０％～約６０％、例えば約３５％～約５５％のシリカ（ＳｉＯ２）、約０．５％～約１５％、例えば約１％～約１２％の三酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）、約０．５％～約５％、例えば約１％～約４％のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、約２％～約３０％、例えば約５％～約２５％の酸化カルシウム（ＣａＯ）、約２％～約２５％、例えば約５％～約２０％の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、約０％～約３５％、例えば約２０％～約３０％の酸化バリウム（ＢａＯ）、約０％～約２０％、例えば約１０％～約１５％の酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、及び約２％～約１２％、例えば約５％～約１０％の酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）を含んでよい。いくつかの実施形態では、ガラスバリア前駆体の材料は、ゼロでない量、例えば少なくとも０．５重量％の量のＢａＯ及び／又はＳｒＯの少なくとも一方、例えば、ゼロでない量、例えば少なくとも０．５重量％の量のＢａＯ及びＳｒＯの両方を含んでよい。
【0048】
いくつかの実施形態では、ＬＳＭ／ＭＣＯコーティングの一部又は全部を、インターコネクト４００の空気側においてライザシール４２４の周囲の領域で除去して、ＬＳＭ／ＭＣＯ材料からライザシール４２４へのＭｎの拡散を防止し、それにより、ライザシール４２４が導電性になってしまうのを防止することができる。他の実施形態では、ライザシール４２４は、ＬＳＭ／ＭＣＯコーティング、例えば上述したホウケイ酸ガラスセラミック組成物と反応しない結晶質ガラス又はガラスセラミック材料で形成されていてよい。
【0049】
誘電体層４４０は、独立した層、例えばテープ形成層及び焼結層から形成されてよく、燃料電池スタックの組み立て中にインターコネクト４００間に配置されてよい。他の実施形態では、誘電体層４４０は、誘電体材料をインク、ペースト又はスラリーの形態で分散させ、その後、インターコネクト４００上にスクリーン印刷、パッド印刷、エアロゾルスプレーすることによって形成可能である。いくつかの実施形態では、誘電体層４４０は、溶射工程、例えば大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）工程によって形成可能である。例えば、誘電体層４４０は、ＡＰＳ工程によって堆積させられたアルミナを含んでもよい。
【0050】
誘電体層４４０は、インターコネクト４００上に直接堆積されてよい。例えば、誘電体層４４０は、ライザシール面４２２上（つまり、ライザシール面４２２が空気流れ範囲４２０と接触し、誘電体層４４０がＬＳＭ／ＭＣＯコーティングと重なり合う小さなオーバラップ領域（例えば継ぎ目）を除いた、ライザシール４２４では覆われるが、ＬＳＭ／ＭＣＯコーティングでは覆われない領域内の燃料入口４０２及び燃料出口４０４の周囲のインターコネクト４００の部分）に直接配置されてよく、それにより、インターコネクト４００の露出面からのＣｒ蒸発が防止される。このように、ＬＳＭ／ＭＣＯコーティングは、空気通路４０８及びリブ４０６を含む空気流れ範囲４２０のインターコネクト４００の表面には配置されるが、燃料入口４０２及び燃料出口４０４を取り囲むインターコネクト４００のライザシール面４２２には配置されない。誘電体層４４０は、ＬＳＭ／ＭＣＯコーティングによって覆われていない燃料入口４０２及び燃料出口４０４を取り囲む領域のインターコネクト４００のライザシール面、並びにライザシール面４２２に隣接する空気流れ範囲４２０内のＬＳＭ／ＭＣＯコーティングの縁部に配置される。代替的には、誘電体層４４０は省略可能であり、燃料ライザ開口部の周囲には誘電体層４４０が堆積させられない。
【0051】
燃料電池スタック及び／又はその構成要素は、コンディショニング及び／又は焼結されてよい。「焼結」は、燃料電池スタックにシールを形成するために、ガラスシール前駆体材料又はガラスセラミックシール前駆体材料を加熱、溶融及び／又はリフローするプロセスを含み、このプロセスは、空気及び／又は不活性ガス中で、高められた温度（例えば、６００～１０００℃）で実施可能である。「コンディショニング」は、アノード電極中の金属酸化物（例えば、酸化ニッケル）をサーメット電極（例えば、ニッケル、及びセラミック材料、例えば安定化ジルコニア又はドープセリアなど）中の金属（例えば、ニッケル）に還元するプロセス、及び／又は性能特性化／試験中にスタック３００を加熱するプロセスを含み、燃料がスタックを通って流れる間、高められた温度（例えば、７５０～９００℃）で実施可能である。燃料電池スタック３００の焼結及びコンディショニングは、同じ熱サイクル中に（つまり、焼結とコンディショニングとの間にスタックを室温まで冷却することなく）実施可能である。
【0052】
図６Ａは、本開示の様々な実施形態による、図４Ａ及び図４Ｂの２つのインターコネクト４００、並びに図３Ａの燃料電池スタック３００に組み立てられた燃料電池３１０を示す断面斜視図である。図６Ｂは、図６Ａのインターコネクト４００の燃料側の燃料電池３１０、及びシール４２４，４３４の重なりを示す平面図である。
【0053】
図４Ａ、図４Ｂ、図６Ａ及び図６Ｂを参照すると、燃料電池スタックに組み立てられたとき、燃料電池３１０は、各インターコネクト４００の空気流れ範囲４２０及び燃料流れ範囲４３０に面するように、インターコネクト４００間に配置される。ライザシール４２４は、燃料電池３１０の空気側の第１の対向する側面に接触してよく、周囲シール４３４は、燃料電池３１０の燃料側の第２の対向する側面に接触してよい。したがって、シール４２４，４３４の部分は、燃料電池３１０の周囲の（例えば燃料電池３１０と重なる）内側よりも、燃料電池３１０の周囲の外側で厚くなり得る。燃料入口４０２及び燃料出口４０４に隣接する周囲シール４３４の部分は、ライザシール４２４の対応する部分と重なり得る。さらに、燃料電池３１０の一部は、例えば燃料電池３１０の角隅で、シール４２４，４３４の重なり合う部分の間に配置可能である。したがって、燃料電池３１０及びシール４２４，４３４の重なり合う部分の合計厚さは、シール４２４，４３４の重なり合う部分の厚さよりも大きくなり得る。
【0054】
この厚さの変化を考慮するために、及び／又は、燃料電池スタックを適切に密封するために、燃料電池３１０の周囲の外側に配置されるインターコネクト４００の部分の厚さは、燃料電池３１０の焼結後の厚さに等しい厚さ（例えば、図３Ｄに示すように、電極３１４，３１６、電解質３１２及びニッケルメッシュ３１８の焼結後の厚さ）だけ増加させてよい。
【0055】
シール４２４，４３４が燃料電池３１０の角隅に重なっているので、角隅間でライザシール４２４の各々の下（例えば電解質３１２の下）にギャップＧが形成されてよい。スタック３００が圧縮されると、インターコネクト４００及びライザシール４２４を介して、ギャップＧに隣接する燃料電池３１０の支持されていない縁部に下向きの力が伝達され、この下向きの力は、ライザシール４２４の下の隣接するギャップＧによって、レバーアーム効果を生じさせ得る。
【0056】
従来、燃料電池の電極及び導電層は、燃料電池の作用領域（例えば、燃料電池が燃料及び空気にさらされる部分）にのみ配置される。換言すれば、電極及び／又は導電層で覆われていない電解質部分にシールが配置され得る。
【0057】
本開示の様々な実施形態によると、燃料電池３１０の縁部を支持するために、導電層３１８（例えばニッケルメッシュ）がギャップＧ内に延在させられてよい。いくつかの実施形態では、アノード３１４及び／又はカソード３１６は、導電層３１８をギャップＧ内に延在させることと組み合わせて、ライザシール４２４の下の電解質を覆うように延在させてもよい。他の実施形態では、ライザシール４２４の下の電解質３１２の片側又は両側に１つ又は複数の電解質補強層３２５が形成されてよく、セラミック材料、例えばアルミナ及び／又はジルコニアから形成されてよい。電解質補強層３２５は、アノード３１４及び／又はカソード３１６と実質的に同じ厚さを有してよく、導電層３１８とともに燃料電池３１０の縁部をさらに支持してよい。いくつかの実施形態では、電解質補強層３２５は、燃料電池３１０のカソード側に配置されてよく、クロムゲッタリング材料、例えばマンガン酸化コバルトスピネルから形成されてよい。このように、電解質補強層３２５は、燃料電池３１０に供給される空気からクロムを除去するように構成されてよい。
【0058】
そのような高温操作中に、ライザシール４２４に過度の圧力が加えられると、ライザシール４２４は、ライザシール面４２２から、燃料電池３１０の縁部を越えて、燃料入口４０２、燃料出口４０４及び／又は隣接するインターコネクト４００の燃料通路４１８に押し出されるおそれがある。深刻な場合には、このことは、燃料流れの圧力低下を増大させ、セルからセルへの燃料の不均一な分配を引き起こし、さらにはスタック３００を使用不能にすることさえある。
【0059】
したがって、いくつかの実施形態では、ライザシール面４２２は、空気側リブ４０６の頂部に対して凹んでいてよい。換言すれば、インターコネクト４００の空気側を上から見た場合、ライザシール領域は、リブ４０６の頂部よりも低くてよい。例えば、ライザシール面４２２は、リブ４０６の頂部を横切って延在する平面に対して約３０～約５０μｍだけ凹んでいてよい。したがって、例えば約２０～３０μｍの範囲の厚さを有することができる燃料電池３１０が、インターコネクト４００の空気側に接触すると、リブ４０６が燃料電池３１０に接触し、燃料電池３１０と各々のライザシール面４２２との間に空間又は凹部が形成され得る。
【0060】
燃料電池スタック３００が組み立てられると、凹んだライザシール面４２２は、ライザシール４２４を収容するための追加の空間を提供する。その結果、ライザシール４２４に加えられる力を減少させることができ、それにより、高温操作中、例えば焼結中に、ライザシール４２４をライザシール面４２２内に留めることができる。
【0061】
いくつかの実施形態では、燃料電池３１０の１つ又は複数の構成要素は、例えば、密着焼付けによってより肉厚にされ、より肉厚な密着焼付け燃料電池層を形成してよい。また、この肉厚の増加により、ライザシール４２４に加えられる力を減少させることができる。いくつかの実施形態では、より肉厚の燃料電池３１０は、凹まされたライザシール面４２２とともに使用可能である。
【0062】
様々な実施形態では、インターコネクト４００の空気側の燃料入口４０２及び／又は燃料出口４０４に面取り部４０７が追加されてよい。面取り部４０７は、ライザシール面４２２から逃げたシール材を捕捉するように機能してよい。また、例えば、インターコネクト４００の他の縁部、例えばインターコネクト４００の燃料側の入口４０２及び出口４０４の縁部、並びに／又はインターコネクト４００の周囲縁部に面取り部４０９が追加されてもよい。面取り部は、インターコネクト４００を形成するために利用される粉末冶金操作中の欠損を防止するなど、インターコネクト４００の形成中に利点を提供することができる。
【0063】
様々な実施形態によると、シール４２４，４３４は、高温で安定しているガラスセラミック材料から形成可能であり、スタック３００内で、インターコネクト４００と燃料電池３１０との間の結合剤として作用し、（高い燃料利用率を達成し、燃料漏れをほとんど又はまったく生じないように）気密性を提供する。シール４２４，４３４はまた、好ましくは、高められたスタック動作温度で長期間にわたって化学的に安定であり、スタック３００で使用される電解質３１２、インターコネクト４００、並びに燃料及び空気などのガスに対して不活性である。最後に、シール４２４，４３４も電気的に絶縁性であるべきであり、寄生（短絡）電流を防ぐために誘電完全性を有するべきである。
【0064】
インターコネクト４００と燃料電池３１０の電極との間に追加の接触層が存在し得ることに留意されたい。例えば、ニッケルメッシュなどのアノード接触層３１５は、図７に示されるように、スタック３００内で、アノード３１４と、隣接するインターコネクト４００との間に存在し得る。
【0065】
図７に示される一実施形態では、スタック３００内の温度勾配から生じる応力は、一定量の「柔軟性」を提供するシールによって補償される。本明細書で使用される場合、「柔軟性」とは、剪断応力などの応力下で、シール４２４，４３４が塑性変形して、スタック３００内で、燃料電池３１０を破壊、剥離又はひび割れさせることなく応力を緩和することができるように、粘度が十分に低いことを意味する。この柔軟性は、大きな温度勾配によって応力が引き起こされる大型（つまり、大きな長さ及び幅）のスタックの場合により重要である。
【0066】
例えば、幅及び長さがそれぞれ１００ｍｍ以上、例えば１００～２００ｍｍのインターコネクト４００及び燃料電池３１０の場合、８０℃超の典型的な温度勾配が、単一の燃料電池３１０にわたって隅から隅まで生じる可能性がある。そのような温度勾配は、燃料電池３１０に大きな固有応力をもたらす。さらに、燃料電池３１０とインターコネクト４００との間の熱膨張係数が、１～５％、例えば２～３％不一致である場合、応力はさらに増加する。例えば、インターコネクト４００の熱膨張係数（ＣＴＥ）は、燃料電池３１０のＣＴＥよりも、１～５％、例えば２～３％高くてよい。そのようなＣＴＥの不一致は、熱又は電流サイクル中の燃料電池のバックリング（つまり、面内圧縮）を防止又は低減し得る。しかしながら、燃料電池及びインターコネクトのＣＴＥが意図的に不一致である場合には、上記の応力は、燃料電池及びインターコネクトのＣＴＥが互いに等しい場合に比べて、１００％超増加する。さらに、不一致のＣＴＥはまた、シール４２４，４３４が、垂直に向けられた応力をインターコネクト４００から燃料電池３１０に伝達することに加えて、シールを剪断（すなわち、図７の水平矢印によって示される横方向剪断応力）にかける。
【0067】
一実施形態では、シール材組成物は、より柔軟になるように製造され、その後、これは、剪断下で変形することができる。そのような変形は、燃料電池３１０とインターコネクト４００との間のＣＴＥの不一致から応力の剪断成分を軽減するであろう。したがって、シール４２４，４３４のシール材は、化学的安定性、既存の材料との適合性、誘電性面での完全性、湿潤性及び自己修復性を維持しながら、７００～９００℃のＳＯＦＣ動作温度で比較的低い粘度を有する。比較的低い粘度は、シールが塑性変形することを可能にし、燃料電池３１０への応力を軽減する。一実施形態では、シール材は、８５０℃で、７．５ｄＰａ・ｓ未満、例えば、５．７５～７ｄＰａ・ｓの粘度（すなわち、ｌｏｇ ｈの値）を有し得る。
【0068】
以下の表Ｉには、酸化物ベースの重量で、
４０～６０％、例えば４５～５５％、例えば約５０％のＳｉＯ２、
２５～２８％、例えば２５．５～２７％、例えば約２６％のＢａＯ、
１０～２０％、例えば１１～１５％、例えば約１３％のＢ２Ｏ３、
８～１２％、例えば９～１１％、例えば約１０％のＡｌ２Ｏ３、
０～２％、例えば０．１～１％、例えば約０．５％のＺｒＯ２、
０～１％、例えば０．１～０．７５％、例えば約０．５％のＹ２Ｏ３、
０～１％、例えば０．１～０．７５％、例えば約０．１％のＣａＯ及び
０～１％、例えば０．１～０．７５％、例えば約０．５％のＭｇＯ
を含む、シール材組成物が記載されている。
４０～６０％、例えば４５～５５％、例えば約５０％のＳｉＯ２、
２５～２８％、例えば２５．５～２７％、例えば約２６％のＢａＯ、
１０～２０％、例えば１１～１５％、例えば約１３％のＢ２Ｏ３、
８～１２％、例えば９～１１％、例えば約１０％のＡｌ２Ｏ３、
０～２％、例えば０．１～１％、例えば約０．５％のＺｒＯ２、
０～１％、例えば０．１～０．７５％、例えば約０．５％のＹ２Ｏ３、
０～１％、例えば０．１～０．７５％、例えば約０．１％のＣａＯ及び
０～１％、例えば０．１～０．７５％、例えば約０．５％のＭｇＯ
を含む、シール材組成物が記載されている。
【0069】
シール材組成物は、他の酸化物を含有しないか、又は、０．１重量％未満の他の酸化物、例えばナトリウム、カリウム、ランタン若しくはリン酸化物などを含有し得る。代替的なシール材組成物は、０．１重量％超の他の酸化物などの、追加の成分を含み得る。
【0070】
一実施形態では、シール材は、スタック３００内のガラス粉末を焼結して、ガラス粉末を部分的に結晶化して、シール４２４，４３４を形成した後のガラスセラミック材料を含む。特定の理論に縛られることを望むものではないが、焼結後に、ガラスセラミック材料は、酸化ホウ素及びシリカを含有するアモルファスガラスマトリックス相と、当該マトリックスに埋め込まれた１つ又は複数の結晶相とを含むと考えられる。結晶相は、クリストバライト相（例えば、結晶質シリカ相）及びケイ酸バリウム相を含み得る。これらが唯一の結晶相である場合もあれば、追加の結晶相が存在する場合もある。
【0071】
柔軟性ガラスセラミックシール材は、上記の酸化物粉末を上記の重量比で混合し、混合粉末を溶融し、溶融物を固化させ、固化した溶融物を粉砕して、上記のシール材の粉末を形成することによって形成することができる。
【0072】
代替的には、柔軟性ガラスセラミックシール材は、比較的低いバリウム含有量（例えば、酸化物ベースで２５重量％未満の酸化バリウム含有量）を有する市販のガラスシール材粉末を、酸化バリウム粉末と混合するか、又は、より高い酸化バリウム含有量（例えば、酸化物ベースで少なくとも重量％の酸化バリウム含有量）を有する別の市販のガラス粉末と混合するかのいずれかによって形成することができる。例えば、比較的低いバリウム含有量を有する市販のSchott G018-281ガラス粉末を、より高いバリウム含有量を有する１つ又は複数の他の粉末と混合して、混合粉末組成物を形成することができる。混合粉末組成物は、粉末を混合した後に懸濁液又は分散液（例えば、インク）に提供されてよいか、又は、粉末が溶媒中で混合されて、１回の工程でインクが形成されてよい。次いで、混合粉末組成物（例えば、インク）は、スタック３００内で、インターコネクト４００と燃料電池３１０との間にコーティングされる。次いで、混合粉末組成物は、上記のようにスタック３００内で焼結されて、図７に示される柔軟性ガラスセラミックシール４２４，４３４を形成する。
【0073】
一実施形態では、より高いバリウム含有量を有する粉末は、酸化バリウム粉末を含むか、酸化バリウムの酸化物ベースで少なくとも４５重量％を含有する市販のSchott G018－354ガラス粉末を含むか、又は、２０１４年３月４日に発行されて参照によってその全体が本明細書に組み込まれる米国特許第８，６６４，１３４号明細書（「’１３４特許」）に記載されているように、酸化物ベースの重量％で、４５％～６０％のＢａＯ、２５％～４０％のＳｉＯ２、５％～１５％のＢ２Ｏ３、０～２％未満のＡｌ２Ｏ３、２％～１５％のＭｇＯ及び３％～１５％のＹ２Ｏ３を含有する結晶化ガラスはんだ粉末を含み得る。例えば、２．５～１５重量％、例えば、２．５～１０重量％、例えば、２．５～７．５重量％のSchott G018-354ガラス粉末又は’１３４特許の結晶化ガラスはんだ粉末を、８５～９７．５重量％、例えば９０～９７．５重量％、例えば９２．５～９７．５重量％のSchott G018-281ガラス粉末と混合して、スタック内に柔軟性ガラスセラミックシール材を形成するために使用される混合粉末組成物を形成することができる。
【0074】
一実施形態では、実施形態のシール材のバリウム含有量は、Schott G018－281シール材などの市販のガラス燃料電池シール材と比較して増加している。バリウム含有量は、シール材組成物全体の４～８重量％、例えば約５～７重量％であり得る。バリウム含有量が増加することによって、シール材の柔軟性が改善される。しかしながら、バリウム含有量が高過ぎる場合、バリウムが、Ｃｒ－Ｆｅ合金インターコネクト（例えば、４～６重量％の鉄と９４～９６重量％のクロムとを含むクロム鉄合金を含む）のクロムと反応する可能性がある、及び／又は、シールが流動的になり過ぎて構造の完全性を失う可能性がある。特定の理論に縛られることを望むものではないが、バリウム及び／又は酸化バリウムは、シール材のガラス転移温度を低下させるフラックスとして作用すると考えられる。
【0075】
特定の理論に縛られることを望むものではないが、より低いバリウム含有量及びより高いバリウム含有量の粉末を混合し、次いで、スタック内で混合された粉末を焼結すると、意外なことに、同じ組成を有するが溶融ガラスフリットから形成されたガラスセラミック材料よりもＣｒ－Ｆｅ合金インターコネクト４００中のクロムとの反応が少ないガラスセラミックシール４２４，４３４が得られると考えられる。具体的には、比較的低いバリウム含有量を有するSchott G018-281ガラス粉末をより高いバリウム含有量のSchott G018-354ガラス粉末又は’１３４特許の結晶化ガラスはんだ粉末と混合して混合粉末組成物を形成し、スタック３００の構成要素を混合粉末組成物（例えば、インク）でコーティングし、次いで、スタック３００内の混合粉末組成物を焼結すると、意外なことに、比較的高い柔軟性と、Ｃｒ－Ｆｅ合金インターコネクト４００内のクロムとの比較的低い反応性とを有する実施形態のガラスセラミックシール４２４，４３４が得られると考えられる。対照的に、Schott G018-281ガラス粉末をSchott G018-354ガラス粉末と一緒に溶融し、次いで、固溶体に固化させ、粉末に粉砕し、これをインクに提供してフリットを形成し、これをスタックにコーティングし、次いで、スタック内で焼結する場合、得られたシールは、粉末を混合することによって形成された実施形態のガラスセラミックシール４２４，４３４よりも、低い柔軟性と、Ｃｒ－Ｆｅ合金インターコネクト４００内のクロムとのより高い反応性とを有すると考えられる。
【0076】
柔軟性ガラスセラミックシール材を使用して、大型のスタック内にシール４２４，４３４を形成して、燃料電池（例えば、ＳＯＦＣ）３１０内に熱的に誘発される応力亀裂を防止又は低減することができる。シールの柔軟性を増加させることによって、経時的に生じる燃料電池内の応力亀裂などの、長期的な信頼性の問題が解決される。柔軟性シール材はまた、スタック３００のより速い電流ランピング及び／又は熱サイクルを提供し、スタック３００の配置を加速し、ダウンタイムを低減することができ、また、リアルタイムで電流を追跡する能力（すなわち、負荷追従）を提供することができる。
【0077】
固体酸化物形燃料電池のインターコネクト、エンドプレート及び電解質は、様々な実施形態において上述されているが、実施形態は、任意の別種の燃料電池のインターコネクト若しくはエンドプレート、例えば、溶融炭酸塩形、リン酸形若しくはＰＥＭ形燃料電池の電解質、インターコネクト若しくはエンドプレート又は燃料電池システムに関連しない他の任意の形状の金属物体、金属合金物体、圧縮金属粉末物体若しくはセラミック物体を含むことができる。
【0078】
前述の方法の説明は、単に例示的な例として提供されたにすぎず、様々な実施形態の工程が提示された順序で実行されなければならないことを要求又は暗示することを意図するものではない。当業者であれば理解できるように、前述の実施形態の工程の順序は、任意の順序で実行可能である。「その後」、「次に」、「次」などの単語は、必ずしも工程の順序を限定することを意図したものではなく、これらの単語は、方法の説明を通して読者をガイドするために使用され得る。さらに、例えば冠詞「ａ」、「ａｎ」又は「ｔｈｅ」を使用した単数形での請求項の要素へのいかなる言及も、要素を単数形に限定すると解釈されるべきではない。さらに、本明細書に記載される任意の実施形態の任意の工程又は構成要素は、他の任意の実施形態で使用可能である。
【0079】
開示された態様の上記説明は、当業者が本発明を製造又は使用することを可能にするために提供される。これらの態様に対する様々な変形形態は、当業者には容易に明らかであり、本明細書に定義される一般原則は、本発明の範囲から逸脱することなく、他の態様に適用され得る。したがって、本発明は、本明細書に示される態様に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示された原理及び新規の特徴と一致する最も広い範囲に従うものとする。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【外国語明細書】