特開2022-187996燃料プレナム及び該燃料プレナムを含む燃料電池スタック
(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】P2022187996
(43)【公開日】2022-12-20
(54)【発明の名称】燃料プレナム及び該燃料プレナムを含む燃料電池スタック
(51)【国際特許分類】
H01M 8/2484 20160101AFI20221213BHJP
H01M 8/2485 20160101ALI20221213BHJP
H01M 8/2483 20160101ALI20221213BHJP
H01M 8/2465 20160101ALI20221213BHJP
H01M 8/12 20160101ALI20221213BHJP
【ＦＩ】
H01M8/2484
H01M8/2485
H01M8/2483
H01M8/2465
H01M8/12 101
H01M8/12 102A
【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 2022089574
(22)【出願日】2022-06-01
(31)【優先権主張番号】63/208,178
(32)【優先日】2021-06-08
(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】エドモンストン，デビッド
(72)【発明者】
【氏名】ペトルーチャ，マイケル
(72)【発明者】
【氏名】ペリー，マーチン
(72)【発明者】
【氏名】ゴットマン，マティアス
(72)【発明者】
【氏名】シルバ，ビクター
(72)【発明者】
【氏名】ベイム，ジョシュア
(57)【要約】 （修正有）
【課題】燃料プレナムを含む燃料電池スタックの燃料流構造体を提供する。
【解決手段】燃料電池スタックの燃料プレナム３５０は、入口孔及び出口孔を有するベースプレート３６０と、ベースプレート上に配置され、入口孔及び出口孔を有する誘電体層３６４と、誘電体層上に配置され、入口孔及び出口孔を有するカバープレート３６６と、カバープレート上に配置され、入口孔及び出口孔を有するシールプレート３７０と、シールプレート上に配置されたマニホールドプレート３８０を含んでいる。マニホールドプレートは、マニホールドプレートの下面に形成された下部入口孔３８４Ａ及び下部出口孔と、マニホールドプレートの反対の側の上面に形成された上部出口孔３９０Ｂ及び上部入口孔３９０Ａと、上部出口孔を下部入口孔に流体接続する出口通路と、上部入口孔を下部出口孔に流体接続する入口通路とを有している。
【選択図】図５Ａ
【解決手段】燃料電池スタックの燃料プレナム３５０は、入口孔及び出口孔を有するベースプレート３６０と、ベースプレート上に配置され、入口孔及び出口孔を有する誘電体層３６４と、誘電体層上に配置され、入口孔及び出口孔を有するカバープレート３６６と、カバープレート上に配置され、入口孔及び出口孔を有するシールプレート３７０と、シールプレート上に配置されたマニホールドプレート３８０を含んでいる。マニホールドプレートは、マニホールドプレートの下面に形成された下部入口孔３８４Ａ及び下部出口孔と、マニホールドプレートの反対の側の上面に形成された上部出口孔３９０Ｂ及び上部入口孔３９０Ａと、上部出口孔を下部入口孔に流体接続する出口通路と、上部入口孔を下部出口孔に流体接続する入口通路とを有している。
【選択図】図５Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料プレナムを含む燃料電池スタックの燃料流構造体であって、前記燃料プレナムは、
入口孔及び出口孔を有するベースプレートと、
該ベースプレート上に配置され、入口孔及び出口孔を有する誘電体層と、
該誘電体層上に配置され、入口孔及び出口孔を有するカバープレートと、
該カバープレート上に配置され、入口孔及び出口孔を有するシールプレートと、
該シールプレート上に配置されたマニホールドプレートであって、
該マニホールドプレートの下面に形成された下部入口孔及び下部出口孔と、
前記マニホールドプレートの反対の側の上面に形成された上部出口孔及び上部入口孔と、
前記上部出口孔を前記下部入口孔に流体接続する出口通路と、
前記上部入口孔を前記下部出口孔に流体接続する入口通路と
を有するマニホールドプレートと
を含んでおり、
前記ベースプレート、前記カバープレート、前記シールプレート及び前記マニホールドプレートの前記入口孔は、整合させられて入口導管通路を形成しており、かつ
前記ベースプレート、前記カバープレート、前記シールプレート及び前記マニホールドプレートの前記出口孔は、整合させられて出口導管通路を形成している、
前記燃料流構造体。
入口孔及び出口孔を有するベースプレートと、
該ベースプレート上に配置され、入口孔及び出口孔を有する誘電体層と、
該誘電体層上に配置され、入口孔及び出口孔を有するカバープレートと、
該カバープレート上に配置され、入口孔及び出口孔を有するシールプレートと、
該シールプレート上に配置されたマニホールドプレートであって、
該マニホールドプレートの下面に形成された下部入口孔及び下部出口孔と、
前記マニホールドプレートの反対の側の上面に形成された上部出口孔及び上部入口孔と、
前記上部出口孔を前記下部入口孔に流体接続する出口通路と、
前記上部入口孔を前記下部出口孔に流体接続する入口通路と
を有するマニホールドプレートと
を含んでおり、
前記ベースプレート、前記カバープレート、前記シールプレート及び前記マニホールドプレートの前記入口孔は、整合させられて入口導管通路を形成しており、かつ
前記ベースプレート、前記カバープレート、前記シールプレート及び前記マニホールドプレートの前記出口孔は、整合させられて出口導管通路を形成している、
前記燃料流構造体。
【請求項2】
前記入口導管通路内に配置され、前記マニホールドプレートの前記下部入口孔に燃料を供給するように構成された入口導管と、
前記出口導管通路内に配置され、前記マニホールドプレートの前記下部出口孔から燃料排気を受け取るように構成された出口導管と
をさらに有している、請求項１記載の燃料流構造体。
前記出口導管通路内に配置され、前記マニホールドプレートの前記下部出口孔から燃料排気を受け取るように構成された出口導管と
をさらに有している、請求項１記載の燃料流構造体。
【請求項3】
前記マニホールドプレートは、
該マニホールドプレートの前記下面に形成され、前記マニホールドプレートの前記入口孔を取り囲む入口凹部と、
前記マニホールドプレートの前記下面に形成され、前記マニホールドプレートの前記出口孔を取り囲む出口凹部と
を有している、請求項２記載の燃料流構造体。
該マニホールドプレートの前記下面に形成され、前記マニホールドプレートの前記入口孔を取り囲む入口凹部と、
前記マニホールドプレートの前記下面に形成され、前記マニホールドプレートの前記出口孔を取り囲む出口凹部と
を有している、請求項２記載の燃料流構造体。
【請求項4】
前記燃料流構造体は、
前記入口凹部内に配置され、前記入口導管と前記シールプレートとに溶接された第１のシールリングと、
前記出口凹部内に配置され、前記出口導管と前記シールプレートとに溶接された第２のシールリングと
をさらに有している、請求項３記載の燃料流構造体。
前記入口凹部内に配置され、前記入口導管と前記シールプレートとに溶接された第１のシールリングと、
前記出口凹部内に配置され、前記出口導管と前記シールプレートとに溶接された第２のシールリングと
をさらに有している、請求項３記載の燃料流構造体。
【請求項5】
前記シールプレートを被覆する第１のコーティングと、
前記マニホールドプレートを被覆する第２のコーティングと
をさらに有している、請求項４記載の燃料流構造体。
前記マニホールドプレートを被覆する第２のコーティングと
をさらに有している、請求項４記載の燃料流構造体。
【請求項6】
前記第１及び第２のコーティングは、金属酸化物材料を含んでおり、約７５μｍ～約２００μｍの範囲の厚さを有している、請求項５記載の燃料流構造体。
【請求項7】
前記シールプレートは、
前記入口孔を取り囲み、前記第１のコーティングを貫通して露出させられた入口シール領域と、
前記出口孔を取り囲み、前記第１のコーティングを貫通して露出させられた出口シール領域と
を有している、請求項５記載の燃料流構造体。
前記入口孔を取り囲み、前記第１のコーティングを貫通して露出させられた入口シール領域と、
前記出口孔を取り囲み、前記第１のコーティングを貫通して露出させられた出口シール領域と
を有している、請求項５記載の燃料流構造体。
【請求項8】
前記シールプレートの前記入口シール領域内に配置された第１のガラス又はガラスセラミックシールと、
前記シールプレートの前記出口シール領域内に配置された第２のガラス又はガラスセラミックシールリングと
をさらに有しており、
前記第１のガラス又はガラスセラミックシールと前記第２のガラス又はガラスセラミックシールとは、前記シールプレートと前記マニホールドプレートとを流体接続するように構成されている、請求項７記載の燃料流構造体。
前記シールプレートの前記出口シール領域内に配置された第２のガラス又はガラスセラミックシールリングと
をさらに有しており、
前記第１のガラス又はガラスセラミックシールと前記第２のガラス又はガラスセラミックシールとは、前記シールプレートと前記マニホールドプレートとを流体接続するように構成されている、請求項７記載の燃料流構造体。
【請求項9】
前記マニホールドプレートは、
前記入口孔を取り囲み、前記第２のコーティングを貫通して露出させられた入口シール領域と、
前記出口孔を取り囲み、前記第２のコーティングを貫通して露出させられた出口シール領域と
を有しており、
前記燃料流構造体は、
前記マニホールドプレートの前記入口シール領域内に配置された第３のガラス又はガラスセラミックシールと、
前記マニホールドプレートの前記出口シール領域内に配置された第３のシールリングと
をさらに有しており、
前記第３のガラス又はガラスセラミックシールは、前記第１のガラス又はガラスセラミックシール上に積層されており、前記第４のガラス又はガラスセラミックシールは、前記第２のガラス又はガラスセラミックシール上に積層されており、前記第１、第２、第３及び第４のガラス又はガラスセラミックシールは、前記シールプレートと前記マニホールドプレートとを流体接続するように構成されている、請求項８記載の燃料流構造体。
前記入口孔を取り囲み、前記第２のコーティングを貫通して露出させられた入口シール領域と、
前記出口孔を取り囲み、前記第２のコーティングを貫通して露出させられた出口シール領域と
を有しており、
前記燃料流構造体は、
前記マニホールドプレートの前記入口シール領域内に配置された第３のガラス又はガラスセラミックシールと、
前記マニホールドプレートの前記出口シール領域内に配置された第３のシールリングと
をさらに有しており、
前記第３のガラス又はガラスセラミックシールは、前記第１のガラス又はガラスセラミックシール上に積層されており、前記第４のガラス又はガラスセラミックシールは、前記第２のガラス又はガラスセラミックシール上に積層されており、前記第１、第２、第３及び第４のガラス又はガラスセラミックシールは、前記シールプレートと前記マニホールドプレートとを流体接続するように構成されている、請求項８記載の燃料流構造体。
【請求項10】
前記入口導管及び前記出口導管はそれぞれ、金属管と、金属ベローズと、誘電体リングとを有している、請求項２記載の燃料流構造体。
【請求項11】
前記誘電体層は、前記カバープレート及び前記ベースプレートよりも高い絶縁耐力を有するセラミック基複合材料を含んでいる、請求項１記載の燃料流構造体。
【請求項12】
前記ベースプレート及び前記カバープレートは、約９７％～約９９．５％の範囲の密度を有するセラミック材料を含んでいる、請求項１１記載の燃料流構造体。
【請求項13】
前記ベースプレート及び前記カバープレートは、アルミナを含んでいる、請求項１２記載の燃料流構造体。
【請求項14】
前記カバープレートは、前記シールプレートから前記誘電体層内へのクロム種の拡散を防止するように構成されている、請求項１２記載の燃料流構造体。
【請求項15】
前記シールプレート及び前記マニホールドプレートは、２３～２７重量パーセントのクロムを含有するステンレス鋼材料を含んでいる、請求項１記載の燃料流構造体。
【請求項16】
前記シールプレート及び前記マニホールドプレートはそれぞれ、それぞれが互いにろう接されたステンレス鋼サブプレートを有している、請求項１５記載の燃料流構造体。
【請求項17】
前記ベースプレートは、燃料電池スタックのセラミックコネクタと嵌合するように構成された突起を有しており、かつ
前記マニホールドプレートは、該マニホールドプレートを集電回路に接続するための接続点を提供するように構成された電気コンタクトを有している、請求項１記載の燃料流構造体。
前記マニホールドプレートは、該マニホールドプレートを集電回路に接続するための接続点を提供するように構成された電気コンタクトを有している、請求項１記載の燃料流構造体。
【請求項18】
燃料電池スタックであって、
請求項１記載の燃料プレナムと、
該燃料プレナム上に積層されたインターコネクトと、
該インターコネクト間に配置された燃料電池と
を含んでいる、前記燃料電池スタック。
請求項１記載の燃料プレナムと、
該燃料プレナム上に積層されたインターコネクトと、
該インターコネクト間に配置された燃料電池と
を含んでいる、前記燃料電池スタック。
【請求項19】
前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池を含んでおり、
前記上部出口孔は、前記インターコネクトの燃料入口に流体接続されており、かつ
前記上部入口孔は、前記インターコネクトの燃料出口に流体接続されている、
請求項１８記載の燃料電池スタック。
前記上部出口孔は、前記インターコネクトの燃料入口に流体接続されており、かつ
前記上部入口孔は、前記インターコネクトの燃料出口に流体接続されている、
請求項１８記載の燃料電池スタック。
【請求項20】
前記入口導管通路内に配置され、前記マニホールドプレートの前記下部入口孔に燃料を供給するように構成された入口導管と、
前記出口導管通路内に配置され、前記マニホールドプレートの前記下部出口孔から燃料排気を受け取るように構成された出口導管と
をさらに有している、請求項１９記載の燃料電池スタック。
前記出口導管通路内に配置され、前記マニホールドプレートの前記下部出口孔から燃料排気を受け取るように構成された出口導管と
をさらに有している、請求項１９記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、概して、燃料電池スタック及び特に燃料プレナムを含む燃料電池スタック用の燃料プレナムに関する。
【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℃の典型的な温度で稼働し、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複数のセルから製造される。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れば、燃料プレナムを含む燃料電池スタックの燃料流構造体であって、燃料プレナムは、入口孔及び出口孔を有するベースプレートと、ベースプレート上に配置され、入口孔及び出口孔を有する誘電体層と、誘電体層上に配置され、入口孔及び出口孔を有するカバープレートと、カバープレート上に配置され、入口孔及び出口孔を有するシールプレートと、シールプレート上に配置されたマニホールドプレートであって、マニホールドプレートの下面に形成された下部入口孔及び下部出口孔と、マニホールドプレートの反対の側の上面に形成された上部出口孔及び上部入口孔と、上部出口孔を下部入口孔に流体接続する出口通路と、上部入口孔を下部出口孔に流体接続する入口通路とを有するマニホールドプレートとを含んでいる、燃料電池スタックの燃料流構造体が提供される。ベースプレート、カバープレート、シールプレート及びマニホールドプレートの入口孔は、整合させられて入口導管通路を形成しており、ベースプレート、カバープレート、シールプレート及びマニホールドプレートの出口孔は、整合させられて出口導管通路を形成している。
【0006】
本開示の様々な実施形態によれば、燃料プレナムと、燃料プレナム上に積層されたクロスフロー型のインターコネクトと、インターコネクト間に配置された固体酸化物形燃料電池とを含んでいる燃料電池スタックが提供される。
【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共に、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5A】本開示の様々な実施形態による燃料流構造体を上から見たところを示す分解斜視図である。
【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、必ずしも原寸大ではなく、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」のある特定の値から、及び／又は「約」の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、直前に「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なす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、＋／－１％Ｘ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。サイドバッフル３８は、セラミックコネクタ３９を介して、圧縮アセンブリ４０と、下方に配置されたスタックコンポーネント（図示せず）とに結合され得る。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に流入可能である。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ることになる。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、局所的な変動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、稼働効率の領域である。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サポート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偏差を含む。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有し、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排除することで、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求められている。
【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、重量比で約９０％を超えるクロム、例えば重量比で約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、重量比で約１０％未満の鉄、例えば重量比で約４～６％（例えば５％）の鉄、重量比で約２％未満、例えば重量比で約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に印刷可能である。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しか含み得ない。その結果、コラム内ＡＳＰの使用に関連したスタック寸法の偏差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３５０、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３５０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の三辺の少なくとも一部を覆うような、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、スタックの片側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３５０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ってよい。燃料プレナム３５０は、燃料プレナム３５０の下方に配置された燃料入口兼出口導管３２０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とは、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を貫通して延び、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（例えばアノード排気）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、燃料流れの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】
互いに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内で整列させられて、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。互いに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内で整列させられて、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３５０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３５０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係数（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、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、インターコネクトの酸化クロム表面層の成長速度を減少させて、燃料電池のカソードを劣化させてしまう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可能である。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、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。
【0044】
燃料流構造体
図１Ａに示したように、従来の燃料電池システムでは金属のアノードスプリッタプレート３６を介して、燃料が燃料電池スタックに提供されかつ燃料電池スタックから燃料排気を受け取る。アノードスプリッタプレート３６は、燃料入口導管３２及びアノード排気導管３４を介して互いに流体接続されている。導管３２，３４には、アノードスプリッタプレート３６と、誘電破壊手段として働くセラミックコンポーネントとに溶接された金属管が含まれる。このように、アノードスプリッタプレート３６同士の流体接続は、高価な誘電体コンポーネントと、現場でのかなりの量の溶接とに依存している。よって、燃料を燃料電池スタックに提供しかつ燃料電池スタックから燃料排気を受け取るための、より費用対効果の高い方法が必要とされている。
図１Ａに示したように、従来の燃料電池システムでは金属のアノードスプリッタプレート３６を介して、燃料が燃料電池スタックに提供されかつ燃料電池スタックから燃料排気を受け取る。アノードスプリッタプレート３６は、燃料入口導管３２及びアノード排気導管３４を介して互いに流体接続されている。導管３２，３４には、アノードスプリッタプレート３６と、誘電破壊手段として働くセラミックコンポーネントとに溶接された金属管が含まれる。このように、アノードスプリッタプレート３６同士の流体接続は、高価な誘電体コンポーネントと、現場でのかなりの量の溶接とに依存している。よって、燃料を燃料電池スタックに提供しかつ燃料電池スタックから燃料排気を受け取るための、より費用対効果の高い方法が必要とされている。
【0045】
図５Ａは、本開示の様々な実施形態による燃料流構造体５００を上から見たところを示す分解斜視図であり、図５Ｂは、図５Ａの燃料流構造体５００を下から見たところを示す分解斜視図である。図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、燃料流構造体５００には、燃料導管３２０と燃料プレナム３５０とが含まれている。燃料プレナム３５０は、シールリング３５４と、ガラス又はガラスセラミックシール３５６と、ベースプレート３６０と、誘電体層３６４と、カバープレート３６６と、シールプレート３７０と、マニホールドプレート３８０とを有していてよい。
【0046】
燃料プレナム３５０は、燃料導管３２０と共に流体密な接続部を形成するように構成され得る。燃料導管３２０は、燃料を燃料プレナム３５０に提供するように構成された入口導管３２０Ａと、燃料プレナム３５０から燃料排気を受け取るように構成された出口導管３２０Ｂとを含んでいてよい。燃料導管３２０は、金属管３２２と、金属ベローズ３２４と、誘電体リング３２６とを有していてよい。金属管３２２は、例えばろう接、溶接又はプレス嵌めにより、ベローズ３２４と誘電体リング３２６とに結合され得る。ベローズ３２４は、燃料電池コンポーネント間の熱膨張係数の差を、変形して応力を吸収することで補償するように動作し得る。択一的な実施形態では、金属管３２２は、ベローズ３２４に結合されるよりもむしろ、金属管３２２自体が全体的にベローズを有しているか又はベローズから製造されていてもよく、これにより、金属管／ベローズ３２２は、誘電体リング３２６に直接に結合され得る。誘電体リング３２６は、誘電破壊手段として働くことができ、電流が燃料導管３２０を通って案内され、燃料プレナム３５０上に配置された燃料電池スタックを電気的に短絡することを防ぐ。
【0047】
ベースプレート３６０、誘電体層３６４、及びカバープレート３６６は、それぞれ入口孔３６１Ａ，３６５Ａ，３６７Ａ及び出口孔３６１Ｂ，３６５Ｂ，３６７Ｂを有していてよく、これらは各プレートと層とを貫通して延びる貫通孔であってよい。ベースプレート３６０は、図１Ａに示したようなセラミックコネクタ３９と嵌合するように構成された複数の突起３６２を有していてよい。ベースプレート３６０及びカバープレート３６６は、高密度化された誘電体材料で形成され得る。例えば、ベースプレート３６０及びカバープレート３６６は、実質的に非多孔質で電気を絶縁するセラミック材料、例えばアルミナ、ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）（例えば３％のイットリア安定化ジルコニア）等で形成され得る。ベースプレート３６０及びカバープレート３６６は、誘電体層３６４に支持手段を提供するように構成された剛性のプレートであってよい。
【0048】
いくつかの実施形態では、誘電体層３６４は、ベースプレート３６０及び／又はカバープレート３６６のセラミック材料よりも高い誘電率を有するセラミック材料で形成され得る。換言すると、誘電体層３６４は、絶縁破壊して導電性になることなしに、ベースプレート３６０及びカバープレート３６６よりも高い最大電界に耐えることができてよい（すなわち、より高い破壊電圧を有している）。例えば、誘電体層３６４は、高温での電気絶縁性が高い多孔質のセラミックヤーン又はセラミック織物、例えば３Ｍ社から入手可能なネクステルセラミック織物番号３１２、４４０又は６１０の１つ又は複数の層で形成され得る。
【0049】
別の実施形態では、誘電体層３６４は、セラミック基複合材料（ＣＭＣ）、又は表面積：体積の比が高いことにより高い絶縁耐力を有する比較可能な任意の材料で形成され得る。ＣＭＣは、例えば、酸化アルミニウム（例えばアルミナ）、酸化ジルコニウム又は炭化ケイ素の母材を含んでいてよい。別の母材材料が同様に選択されてもよい。繊維は、アルミナ、炭素、炭化ケイ素、又は別の適切な任意の材料から製造され得る。１つの実施形態では、母材と繊維とは両方共、アルミナを含んでいてよい。よって、誘電体層３６４は、燃料プレナム３５０を介した電気伝導を防ぐための誘電破壊手段として働くように構成され得る。
【0050】
カバープレート３６６及びベースプレート３６０は、誘電体層３６４よりも高い密度を有していてよい。例えば、カバープレート３６６及び／又はベースプレート３６０は、十分に高密度のセラミック材料、例えば９７％～９９．５％の高密度アルミナ等で形成され得る。カバープレート３６６は、シールプレート３７０を誘電体層３６４から隔離するように構成されている。このように、カバープレート３６６は、シールプレート３７０から誘電体層３６４内への金属種の拡散を防ぐように構成され得る。例えば、カバープレート３６６は、シールプレート３７０から誘電体層３６４内へのクロム種（例えば酸化クロム）の拡散を低減及び／又は防止することができ、これにより、クロム種が誘電体層３６４の絶縁耐力を低下させること、及び／又は、さもなければ誘電体層３６４の構造的な完全性を低下させることが防止される。
【0051】
シールプレート３７０及びマニホールドプレート３８０は、燃料導管３２０に簡単に溶接され得る金属又は金属合金、例えばステンレス鋼で形成され得る。例えば、シールプレート３７０及び／又はマニホールドプレート３８０は、４４６ステンレス鋼等で形成され得る。４４６ステンレス鋼は、２３～２７重量％のＣｒ、１．５重量％以下のＭｎ、１重量％以下のＳｉ、Ｎｉ、Ｃ、Ｐ及び／又はＳのうちの１つ以上、及び残りのＦｅを含んでいる。いくつかの実施形態では、シールプレート３７０及び／又はマニホールドプレート３８０は、複数の金属サブプレートを共にろう接することにより形成され得る。金属サブプレートを用いて形成された実施形態では、ろう接プロセスの前又は後に、サブプレートはそれぞれ様々な構造体、例えば孔及び／又は通路を形成するために切断され得る。いくつかの実施形態では、このような構造体を切断するためにレーザ切断等が使用され得る。
【0052】
シールプレート３７０及びマニホールドプレート３８０はそれぞれ、片面又は両面に、例えば少なくとも、プレート３７０，３８０の互いに面した面に、コーティング３７２，３８２を有していてよい。コーティング３７２，３８２は、約７５μｍ～約２００μｍ、例えば約１００μｍ～約１７５μｍ、約１１０μｍ～約１４０μｍの範囲の厚さ、又は約１２０μｍの厚さを有していてよい。典型的には、コーティング３７２，３８２は、金属酸化物材料、例えばペロブスカイト材料、例えばランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）を含んでいてよい。択一的に、ＬＳＭに代えて又は加えて、別の金属酸化物コーティング、例えばスピネル、例えば（Ｍｎ，Ｃｏ）３Ｏ４スピネル（ＭＣＯ）が使用されてもよい。Ｍｎ２－ｘＣｏ１＋ｘＯ４（０≦ｘ≦１）という組成を有するか又はｚ（Ｍｎ３Ｏ４）＋（１－ｚ）（Ｃｏ３Ｏ４）と表記され、（１／３≦ｚ≦２／３）であるか、又は（Ｍｎ，Ｃｏ）３Ｏ４と表記される任意のスピネルが使用されてもよい。別の実施形態では、コーティング３７２，３８２として、ＬＳＭとＭＣＯとの混合層、又はＬＳＭ層及びＭＣＯ層の積層体が使用され得る。コーティング３７２，３８２は、溶射コーティングプロセス又は浸漬コーティングプロセスを用いて形成され得、シールプレート３７０及びマニホールドプレート３８０の実質的に全ての外面に被着され得る。
【0053】
シールプレート３７０は、入口孔３７４Ａと出口孔３７４Ｂとを有していてよく、これらはシールプレート３７０の上面と下面との間に延びる貫通孔であってよい。マニホールドプレート３８０は、マニホールドプレート３８０のそれぞれ反対の側において、マニホールドプレート３８０の下面に形成された下部入口孔３８４Ａ及び下部出口孔３８４Ｂ並びにマニホールドプレート３８０の上面に形成された上部入口孔３９０Ａ及び上部出口孔３９０Ｂを有していてよい。３つの上部入口孔３９０Ａと３つの上部出口孔３９０Ｂとが図示されている一方で、本開示は如何なる特定の数の上部入口孔３９０Ａ及び上部出口孔３９０Ｂにも限定されていない。例えば、マニホールドプレート３８０は、対応する燃料電池スタックのインターコネクト４００内に含まれる燃料入口及び燃料出口の数に応じて、２つ、４つ、又は５つ以上の上部入口孔３９０Ａを有していてよく、かつ２つ、４つ、又は５つ以上の上部出口孔３９０Ｂを有していてよい。例えば、インターコネクトが３つの入口と３つの出口とを有している場合、マニホールドプレート３８０は３つの入口孔３９０Ａと、３つの出口孔３９０Ｂとを有している。
【0054】
ベースプレート３６０と、誘電体層３６４と、カバープレート３６６と、シールプレート３７０と、マニホールドプレート３８０とは互いに積層されてよく、これにより、入口孔３６１Ａ，３６５Ａ，３６７Ａ，３７４Ａ，３８４Ａが整合させられて１つの入口導管通路３５２Ａを形成し、かつ出口孔３６１Ｂ，３６５Ｂ，３６７Ｂ，３７４Ｂ，３８４Ｂが整合させられて１つの出口導管通路３５２Ｂを形成することになる。入口導管３２０Ａ及び出口導管３２０Ｂは、それぞれ入口導管通路３５２Ａ及び出口導管通路３５２Ｂ内に挿入され得、これにより、入口導管３２０Ａ及び出口導管３２０Ｂの端部３２８は、シールプレート３７０の上面まで延びていてよく、及び／又は、シールプレート３７０の上面を越えて延びていてよい。
【0055】
【0056】
入口孔３７４Ａ及び出口孔３７４Ｂの周りには、それぞれ入口シール領域３７８Ａ及び出口シール領域３７８Ｂが形成され得る。このように、入口シール領域３７８Ａ及び出口シール領域３７８Ｂは、コーティング３７２の厚さに等しい深さＤ２、例えば約１２０μｍの深さＤ２を有していてよい。
【0057】
図７Ａは、マニホールドプレート３８０の下面図であり、図７Ｂは、図７Ａの線Ｌ４に沿った横断面図であり、図７Ｃは、本開示の様々な実施形態によるマニホールドプレート３８０を概略的に示す上面図である。図７Ａ～図７Ｃを参照すると、マニホールドプレート３８０の下面には、それぞれ下部入口孔３８４Ａ及び下部出口孔３８４Ｂを取り囲む入口凹部３８６Ａ及び出口凹部３８６Ｂが形成され得る。入口凹部３８６Ａ及び出口凹部３８６Ｂは、約０．５ｍｍ～約６ｍｍの範囲の深さＤ３を有していてよい。
【0058】
マニホールドプレート３８０の下面にコーティング３８２が被着されていない領域において、入口凹部３８６Ａ及び出口凹部３８６Ｂの周りには、それぞれ入口シール領域３８８Ａ及び出口シール領域３８８Ｂが形成され得る。このように、入口シール領域３８８Ａ及び出口シール領域３８８Ｂは、コーティング３８２の厚さに等しい深さＤ４、例えば約１２０μｍの深さＤ４を有していてよい。
【0059】
マニホールドプレート３８０は、複数の内部入口通路３９２Ａ及び内部出口通路３９２Ｂを有していてもよい。入口通路３９２Ａは、下部入口孔３８４Ａを各上部入口孔３９０Ａに流体接続していてよい。出口通路３９２Ｂは、下部出口孔３８４Ｂを各上部出口孔３９０Ｂに流体接続していてよい。入口通路３９２Ａは、共通の下部入口孔３８４Ａから各上部入口孔３９０Ａに、実質的に等量の燃料（例えば等しい流量の燃料）が供給されるように構成され得る。出口通路３９２Ｂは、各上部出口孔３９０Ｂから共通の下部出口孔３８４Ｂに、実質的に等量の燃料排気が供給されるように構成され得る。
【0060】
追加的に、マニホールドプレート３８０は、電気コンタクト３８１を有していてもよい。マニホールドプレート３８０は、燃料電池スタックの下部に電気的に接続されていてよく、電気コンタクト３８１は、マニホールドプレート３８０から横方向に延びていてよく、マニホールドプレート３８０を集電回路に接続するための接続点を提供するように構成され得る。
【0061】
図８Ａは、組み立てられた燃料プレナム３５０と入口導管３２０Ａとを示す、図５Ａの線Ｌ１に沿った鉛直方向横断面図であり、図８Ｂは、組み立てられた燃料プレナム３５０と出口導管３２０Ｂとを示す、図５Ａの線Ｌ２に沿った鉛直方向横断面図である。
【0062】
図５Ａ、図５Ｂ、図８Ａ及び図８Ｂを参照すると、ベースプレート３６０と、誘電体層３６４と、カバープレート３６６と、シールプレート３７０と、マニホールドプレート３８０とが互いに積層されており、これにより、入口導管通路３５２Ａ及び出口導管通路３５２Ｂが形成されている。入口導管３２０Ａは、下部入口孔３８４Ａに向かって入口導管通路３５２Ａ内に挿入され得る。出口導管３２０Ｂは、下部出口孔３８４Ｂに向かって出口導管通路３５２Ｂ内に挿入され得る。
【0063】
マニホールドプレート３８０の下面の入口凹部３８６Ａ内で、入口導管３２０Ａの周りには、第１のシールリング３５４Ａが配置され得る。マニホールドプレート３８０の下面の出口凹部３８６Ｂ内で、出口導管３２０Ｂの周りには、第２のシールリング３５４Ｂが配置され得る。入口導管３２０Ａ及び出口導管３２０Ｂは、シールプレート３７０に溶接され得る。特に、溶接プロセスには、入口導管３２０Ａ及び出口導管３２０Ｂへの第１のシールリング３５４Ａ及び第２のシールリング３５４Ｂの溶接並びにシールプレート３７０の表面への第１のシールリング３５４Ａ及び第２のシールリング３５４Ｂの溶接が含まれていてよく、これにより、入口導管３２０Ａ・出口導管３２０Ｂとシールプレート３７０との間に流体密なシールが形成されていることを保証する。
【0064】
シールプレート３７０の入口シール領域３７８Ａには、第１のガラス又はガラスセラミックシール３５６Ａが配置され得、マニホールドプレート３８０の入口シール領域３８８Ａには、第２のガラス又はガラスセラミックシール３５６Ｂが配置され得る。シールプレート３７０の出口シール領域３７８Ｂには、第３のガラス又はガラスセラミックシール３５６Ｃが配置され得、マニホールドプレート３８０の出口シール領域３８８Ｂには、第４のガラス又はガラスセラミックシール３５６Ｄが配置され得る。ただし別の実施形態では、単一のガラス又はガラスセラミックシールが使用されてもよい。シール３５６Ａ～３５６Ｄは、シール３５６Ａ～３５６Ｄを軟化させるように加熱されてよく、これによりシール３５６Ａ～３５６Ｄは、シールプレート３７０をマニホールドプレート３８０に物理的に結合する流体密な結合部を形成する。
【0065】
入口シール領域３７８Ａ，３８８Ａはオーバラップして１つの入口シール領域３５８Ａを形成していてよく、出口シール領域３７８Ｂ，３８８Ｂはオーバラップして１つの出口シール領域３５８Ｂを形成していてよい。第１のシール３５６Ａと第２のシール３５６Ｂとは、入口シール領域３５８Ａ内で互いに積層されていてよく、第３のシール３５６Ｃと第４のシール３５６Ｄとは、出口シール領域３５８Ｂ内で互いに積層されていてよい。コーティング３７２，３８２は、互いに積層されていてよい。このように、入口シール領域３５８Ａ及び出口シール領域３５８Ｂの高さは、コーティング３７２，３８２の厚さの組合せに等しくなっていてよい。
【0066】
入口シール領域３５８Ａ及び出口シール領域３５８Ｂは、ガラス又はガラスセラミックシール３５６Ａ～３５６Ｄが燃料電池システム動作温度に加熱された場合に横方向に広がるためのスペースを提供することができ、これにより、時間にわたりガラス又はガラスセラミックシール３５６Ａ～３５６Ｄに加えられる応力を低下させる。追加的に、シールプレート３７０とマニホールドプレート３８０とは同じ材料で形成され得るため、シールプレート３７０とマニホールドプレート３８０とは、一致した熱膨張係数（ＣＴＥ）を有していてよい。したがって、時間にわたりガラス又はガラスセラミックシール３５６Ａ～３５６Ｄに加えられる応力を、さらに低下させることができる。
【0067】
ガラス又はガラスセラミックシール３５６Ａ～３５６Ｄは、高温ガラス又はガラスセラミック材料、例えばシリケート又はアルミノシリケートガラス又はガラスセラミック材料で形成され得る。いくつかの実施形態では、ガラス又はガラスセラミックシール３５６Ａ～３５６Ｂは、ＳｉＯ２、ＢａＯ、ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｋ２Ｏ、及び／又はＢ２Ｏ３を含むシリケートガラス又はガラスセラミックシール材で形成され得る。例えば、シール材は、約４０重量％～約６０重量％、例えば約４５重量％～約５５重量％の範囲の量のＳｉＯ２、約１０重量％～約３５重量％、例えば約１５重量％～約３０重量％の範囲の量のＢａＯ、約５重量％～約２０重量％、例えば約７重量％～約１６重量％の範囲の量のＣａＯ、約１０重量％～約２０重量％、例えば約１３重量％～約１５重量％の範囲の量のＡｌ２Ｏ３、及び約０．２５重量％～約７重量％、例えば約０．５重量％～約５．５重量％の範囲の量のＢ２Ｏ３を含んでいてよい。いくつかの実施形態では、シール材は追加的に、約０．５重量％～約１．５重量％、例えば約０．７５重量％～約１．２５重量％の範囲の量のＫ２Ｏを含んでいてもよい。
【0068】
いくつかの実施形態では、ガラス又はガラスセラミックシール３５６Ａ～３５６Ｄは、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｌａ２Ｏ３、ＢａＯ、及び／又はＳｒＯを含むシリケートガラス又はガラスセラミックシール材で形成され得る。例えば、シール材は、約３０重量％～約６０重量％、例えば約３５重量％～約５５重量％の範囲の量のＳｉＯ２、約０．５重量％～約１５重量％、例えば約１重量％～約１２重量％の範囲の量のＢ２Ｏ３、約０．５重量％～約５重量％、例えば約１重量％～約４重量％の範囲の量のＡｌ２Ｏ３、約２重量％～約３０重量％、例えば約５重量％～約２５重量％の範囲の量のＣａＯ、約２重量％～約２５重量％、例えば約５重量％～約２０重量％の範囲の量のＭｇＯ、及び約２重量％～約１２重量％、例えば約５重量％～約１０重量％の範囲の量のＬａ２Ｏ３を含んでいてよい。いくつかの実施形態では、シール材は追加的に、約０重量％～約３５重量％、例えば約０重量％～約３０重量％、又は約０．５重量％～約３０％の、約２０重量％～約３０重量％を含む範囲の量のＢａＯ、及び／又は約０重量％～約２０重量％、例えば約０重量％～約１５重量％、又は約０．５重量％～約１５重量％の、約１０重量％～約１５重量％を含む範囲の量のＳｒＯを含んでいてよい。いくつかの実施形態では、シール材は追加的に、ゼロではない量の、例えば少なくとも０．５重量％のＢａＯ及び／又はＳｒＯのうちの少なくとも１つ、例えばゼロではない量の、例えば少なくとも０．５重量％のＢａＯ及びＳｒＯの両方を含んでいてもよい。ただし、別の適切なシール材が使用されてもよい。
【0069】
１つの燃料電池スタック、例えば図３Ａ～図３Ｃの燃料電池スタック３００に組み立てられると、上部入口孔３９０Ａは、スタック３００のインターコネクト４００の燃料入口４０２に流体接続され得、上部出口孔３９０Ｂは、図４Ａに示したようなインターコネクト４００の燃料出口４０４に流体接続され得る。流体密な接続部を提供するためには、例えば、上部入口孔３９０Ａと、隣接するインターコネクト４００の燃料入口４０２との間にガラス又はガラスセラミックシール４２４が配置され得、上部出口孔３９０Ｂと、隣接するインターコネクト４００の燃料出口４０４との間にガラス又はガラスセラミックシール４２４が配置され得る。
【0070】
上に、様々な実施形態で固体酸化物形燃料電池を説明したが、各実施形態には任意の別の燃料電池、例えば溶融炭酸塩形、リン酸形又はＰＥＭ形の燃料電池が含まれていてもよい。
【0071】
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」を使用した請求項の単数形の要素への言及は、要素を単数形に限定すると解釈されるべきではない。
【0072】
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。
【0073】
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7A】
【図7B】
【図7C】
【図8A】
【図8B】
【外国語明細書】