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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-04-24
(45)【発行日】2023-05-02
(54)【発明の名称】平面状固体酸化物燃料ユニットセルおよびスタック
(51)【国際特許分類】
H01M 8/2432 20160101AFI20230425BHJP
H01M 8/12 20160101ALI20230425BHJP
H01M 4/86 20060101ALI20230425BHJP
H01M 8/02 20160101ALI20230425BHJP
H01M 8/021 20160101ALI20230425BHJP
H01M 8/0232 20160101ALI20230425BHJP
H01M 8/0247 20160101ALI20230425BHJP
H01M 8/0258 20160101ALI20230425BHJP
H01M 8/0273 20160101ALI20230425BHJP
H01M 8/0276 20160101ALI20230425BHJP
H01M 8/0282 20160101ALI20230425BHJP
H01M 8/04 20160101ALI20230425BHJP
H01M 8/04014 20160101ALI20230425BHJP
H01M 8/1213 20160101ALI20230425BHJP
H01M 8/2465 20160101ALI20230425BHJP
H01M 8/2483 20160101ALI20230425BHJP
【ＦＩ】
H01M8/2432
H01M8/12 101
H01M4/86 M
H01M8/02
H01M8/021
H01M8/0232
H01M8/0247
H01M8/0258
H01M8/0273
H01M8/0276
H01M8/0282
H01M8/04 Z
H01M8/04014
H01M8/12 102A
H01M8/1213
H01M8/2465
H01M8/2483
【請求項の数】
15
(21)【出願番号】P 2019529144
(86)(22)【出願日】2017-08-10
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2019-10-03
(86)【国際出願番号】 US2017046246
(87)【国際公開番号】W WO2018031742
(87)【国際公開日】2018-02-15
【審査請求日】2020-06-24
(31)【優先権主張番号】62/373,420
(32)【優先日】2016-08-11
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】519044667
【氏名又は名称】アップスタート パワー、インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000855
【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】パルンボ、ネイサン
(72)【発明者】
【氏名】パースキー、ジョシュア、イー．
【審査官】川口 由紀子
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－０９１８６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００３－５０１７９６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－２３１１７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００７－５０６２５６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－１４０６５６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－２１７９５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００３／００６４６１２（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ８／２４３２
Ｈ０１Ｍ ８／１２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＳＯＦＣセルユニット（１０１０、３０１０、４０１０）であって、セル室（１１２０、１４００）を囲むように形成されたスペーサプレート（１１００）と、
前記セル室の内側に支持されており、ＳＯＦＣ動作温度で動作しながら、電気化学エネルギー発生用に構成された固体酸化物燃料セル（２０００、２１００、２２００）と、
前記スペーサプレート（１１００）に隣接して配置され、前記固体酸化物燃料セル（２０００、２１００、２２００）のアノード表面（２０２０）に対向されたアノードフロープレート（１２００）であって、前記アノードフロープレートの表面は、前記セル室の第１の端の上全体に延在する、アノードフロープレート（１２００）と、
前記スペーサプレート（１１００）に隣接して配置され、前記固体酸化物燃料セル（２０００、２１００、２２００）のカソード表面（２０４０）に対向されたカソードフロープレート（１３００）であって、前記カソードフロープレートの表面は、前記セル室の第２の端の上全体に延在する、カソードフロープレート（１３００）と、を備え、
前記スペーサプレートおよび前記カソードフロープレートは、熱伝導的に結合され、共に固体体積部を形成しており、
前記固体体積部は、３５０℃で１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する材料を含む、ＳＯＦＣセルユニット。
【請求項2】
前記固体体積部が、６００～１２００℃のＳＯＦＣ動作温度範囲にわたって、前記固体体積部を１０００℃以下に維持するのに十分な熱質量を含む、請求項１に記載のＳＯＦＣセルユニット。
【請求項3】
前記固体体積部が、３５０℃で３３０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する銅を含む、請求項２に記載のＳＯＦＣセルユニット。
【請求項4】
前記固体体積部が、３５０～５５０℃のＳＯＦＣ動作温度範囲にわたって、前記固体体積部を５００℃以下に維持するのに十分な熱質量を含む、請求項１に記載のＳＯＦＣセルユニット。
【請求項5】
前記固体体積部が、３５０℃で１６５Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有するアルミニウムを含む、請求項４に記載のＳＯＦＣセルユニット。
【請求項6】
前記固体酸化物燃料セルが、固体アノード電極層（２０２０）と固体カソード電極層（２０４０）との間に挟まれた固体電解質層（２１００）を含み、前記アノード電極層および前記固体カソード電極層の各々が、前記固体電解質層の対向表面と接触している、請求項１に記載のＳＯＦＣセルユニット。
【請求項7】
前記固体酸化物燃料セル（２０００）を前記セルユニットの内側に支持するシールをさらに含む、請求項１に記載のＳＯＦＣセルユニット。
【請求項8】
前記セル室が、前記固体酸化物燃料セルによって支持されたアノード表面と、前記アノードフロープレートの表面とによって囲まれている、アノードガス供給室（１４２０）と、
前記固体酸化物燃料セルによって支持されたカソード表面と、前記カソードフロープレートの表面とによって囲まれている、カソードガス供給室（１４３０）と、
アノードガス流を前記アノードガス供給室に送達するためのアノードガスマニホールド（１６２０）から延在する、アノードガス入口チャネル（１２２０）と、
カソードガス流を前記カソードガス供給室に送達するためのカソードガスマニホールド（１６２０）から延在する、カソードガス入口チャネル（１３２０）と、
前記アノードガス供給室から前記アノードガス流を除去するために、前記アノードガス供給室から排気ガスマニホールド（１６５０）まで延在する、アノードガス出口通路（１２３０）と、
前記カソードガス供給室から前記排気ガスマニホールド（１６５０）まで延在する、カソードガス出口通路（１３３０）であって、前記排気ガスマニホールド（１６５０）が、前記アノードガス供給室から前記カソードガス流を除去するために、前記カソードガス出口通路（１３３０）に整列した穴を有する、前記カソードガス出口通路（１３３０）とを備え、
前記アノードガス入口チャネル、前記アノードガスマニホールド、前記アノードガス出口通路、前記カソードガス入口チャネル、前記カソードガスマニホールド、前記カソードガス出口通路、および前記排気ガスマニホールドの各々は、前記固体体積部および前記アノードフロープレートの両方を通過する、請求項１に記載のＳＯＦＣセルユニット。
【請求項9】
前記カソードフロープレート（１３００）の内側に形成された排気ガス燃焼室（１３４０）をさらに備え、前記排気ガス燃焼室は、第１のセルユニットの前記カソードガス出口通路（１３３０）、第２のセルユニットの前記アノードガス出口通路（１２３０）、および前記排気ガスマニホールド（１６５０）の各々と流体連通し、前記排気ガス燃焼室は、前記第１のセルユニットからの前記カソードガス流、および前記第２のセルユニットからの前記アノードガス流を受け取る、請求項８に記載のＳＯＦＣセルユニット。
【請求項10】
前記アノードフロープレートと前記固体酸化物燃料セルとの間の前記アノードガス供給室の内側に配置され、かつ前記アノードガス供給室の周縁部を封止するように形成されている、第１のコンプライアントシール要素（１８００）と、前記カソードフロープレートと前記固体酸化物燃料セルとの間の前記カソードガス供給室の内側に配置され、前記カソードガス供給室の周縁部を封止するように形成されている、第２のコンプライアントシール要素（１８００）と、をさらに備え、
前記第１および第２のコンプライアントシール要素の各々が、前記ＳＯＦＣセルユニットの表面と前記セル室の表面との間の接触を伴わずに前記セル室の内側で前記固体酸化物燃料セルを支持する、請求項８に記載のＳＯＦＣセルユニット。
【請求項11】
前記第１および第２のコンプライアントシール要素の各々が、０．３ＭＰａ以下の弾性率を有するマットセラミックウールを含むコンプライアント不織布を含む、請求項１０に記載のＳＯＦＣセルユニット。
【請求項12】
前記アノードフロープレートと前記アノード表面との間の前記アノードガス供給室の内側に配置された第１のコンプライアントシール要素であって、前記第１のコンプライアントシール要素が前記アノード表面に直交する方向に向けられた圧縮力を加えるように構成されており、かつ前記アノード表面から前記アノードフロープレートまで延在する導電性および熱伝導性経路を提供するようにさらに構成されている、第１のコンプライアントシール要素と、前記カソードフロープレートと前記カソード表面との間の前記カソードガス供給室の内側に配置された第２のコンプライアントシール要素であって、前記第２のコンプライアントシール要素が前記カソード表面に直交する方向に向けられた圧縮力を加えるように構成されており、かつ前記カソード表面から前記カソードフロープレートまで延在する導電性および熱伝導性経路を提供するようにさらに構成されている、第２のコンプライアントシール要素と、をさらに備える、請求項８に記載のＳＯＦＣセルユニット。
【請求項13】
前記第１のコンプライアントシール要素と第２のコンプライアントシール要素とが同じであり、かつ各々のコンプライアントシール要素が、銅を含む多孔質メッシュおよび多孔質フォームのうちの１つ、または
０．０５～２．３ｍｍ（０．００２～０．０９インチ）の厚さを有する金属シートから形成されており、かつ基部と、前記基部から延在する複数の可撓性タブ部（３５３５）とを含むように形成されている形成プレート（３５３２）であって、前記形成プレートが銅を含む、前記形成プレート
を含む、請求項１２に記載のＳＯＦＣセルユニット。
【請求項14】
ＳＯＦＣスタックであって、上下に積み重ねられている、請求項１２に記載の複数の前記ＳＯＦＣセルユニットと、
各スペーサプレートと、それに隣接して位置付けられた前記アノードフロープレートとの間に配置された電気絶縁層（１８５０）と、
各ユニットセルの前記カソードフロープレートに直列に接続された第１の電気端子（７１１２）と、
各ユニットセルの前記アノードフロープレートに直列に接続された第２の電気端子（７１１４）と、を備える、ＳＯＦＣスタック。
【請求項15】
前記ＳＯＦＣスタック内の各アノードフロープレートの第１の表面と接触して配置された第１のライナプレート（４７１０）と、前記アノードフロープレートとそれに対応する前記スペーサプレートとの間の、前記ＳＯＦＣスタック内の各アノードフロープレートの第２の表面と接触して配置された第２のライナプレート（４７２０）と、
前記カソードフロープレートとそれに対応する前記スペーサプレートとの間の、前記ＳＯＦＣスタック内の各カソードフロープレートの第１の表面と接触して配置された第３のライナプレート（４７３０）と、をさらに備え、
前記第１のライナプレート、前記第２のライナプレート、および前記第３のライナプレートの各々が、ニッケルおよび銅を含むか、またはニッケル、モリブデン、クロム、および鉄を含む、高温耐酸化性合金を含む、請求項１４に記載のＳＯＦＣスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
１ 著作権表示
本特許文書の開示の一部は、著作権保護の対象である資料を含み得る。著作権の所有者は、特許商標庁の特許ファイルまたは記録に現れる、特許文書または特許開示のいずれかの者によるファクシミリ複製には異議を唱えないが、それ以外の場合は全ての著作権を留保する。以下の通知が本文書に適用される。著作権（著作権）Ｐｒｏｔｏｎｅｘ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐ．、Ｂａｌｌａｒｄ Ｃｏｒｐ．の一部門
本特許文書の開示の一部は、著作権保護の対象である資料を含み得る。著作権の所有者は、特許商標庁の特許ファイルまたは記録に現れる、特許文書または特許開示のいずれかの者によるファクシミリ複製には異議を唱えないが、それ以外の場合は全ての著作権を留保する。以下の通知が本文書に適用される。著作権（著作権）Ｐｒｏｔｏｎｅｘ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐ．、Ｂａｌｌａｒｄ Ｃｏｒｐ．の一部門
【0002】
２．１技術分野
本明細書における例示的で具体的な技術は、平面状要素から形成されたユニットセル、およびそのユニットセルのスタックに関する。
本明細書の技術は、電気化学発電に適用される。
本明細書における例示的で具体的な技術は、平面状要素から形成されたユニットセル、およびそのユニットセルのスタックに関する。
本明細書の技術は、電気化学発電に適用される。
【背景技術】
【0003】
２．２ 関連技術
厳密に関連する従来のデバイスは、２０１３年１１月１２日に公開されたＹａｇｕｃｈｉらの米国特許第８，５８０，４５２号（Ｂ２）に開示されている。Ｙａｇｕｃｈｉは、各々オーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６から作製されたケース（２０）およびガスガイド部材（５０）を含む燃料セルスタックを囲む熱伝導性要素、ならびにガスガイド部材（６０）および（２００）を開示している。ガスガイド部材（６０）および（２００）は、燃料セルスタックとガスガイド部材（５０）との間で燃料セルスタックを囲む。両方の部材（６０）および（２００）は、ガスガイド部材への熱伝達の効率を改善すると言われている。各ガスガイド部材を形成するために使用される材料は、電気絶縁性および熱伝導性として記載されている。しかしながら、Ｙａｇｕｃｈｉの図２Ａに示されているガイド部材（６０）の形態および材料組成は開示されておらず、Ｙａｇｕｃｈｉの図１２Ｂに示されている層（２００）の材料はセラミック絶縁材料として記載されている。Ｙａｇｕｃｈｉによって開示されたこのシステムに関する１つの問題は、部材（６０）および（２００）が銅などの材料と比較して比較的低い、または開示されていない熱伝導率を有し、したがって比較的貧弱な熱伝導体であることである。別の問題は、開示されたガスガイド部材が０．１ｍｍの厚さを有し、これは熱伝導のための多くの熱質量を提供しないことである。当該技術分野では、熱伝導を改善することによってＳＯＦＣスタック内の熱エネルギー管理を改善する必要がある。
厳密に関連する従来のデバイスは、２０１３年１１月１２日に公開されたＹａｇｕｃｈｉらの米国特許第８，５８０，４５２号（Ｂ２）に開示されている。Ｙａｇｕｃｈｉは、各々オーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６から作製されたケース（２０）およびガスガイド部材（５０）を含む燃料セルスタックを囲む熱伝導性要素、ならびにガスガイド部材（６０）および（２００）を開示している。ガスガイド部材（６０）および（２００）は、燃料セルスタックとガスガイド部材（５０）との間で燃料セルスタックを囲む。両方の部材（６０）および（２００）は、ガスガイド部材への熱伝達の効率を改善すると言われている。各ガスガイド部材を形成するために使用される材料は、電気絶縁性および熱伝導性として記載されている。しかしながら、Ｙａｇｕｃｈｉの図２Ａに示されているガイド部材（６０）の形態および材料組成は開示されておらず、Ｙａｇｕｃｈｉの図１２Ｂに示されている層（２００）の材料はセラミック絶縁材料として記載されている。Ｙａｇｕｃｈｉによって開示されたこのシステムに関する１つの問題は、部材（６０）および（２００）が銅などの材料と比較して比較的低い、または開示されていない熱伝導率を有し、したがって比較的貧弱な熱伝導体であることである。別の問題は、開示されたガスガイド部材が０．１ｍｍの厚さを有し、これは熱伝導のための多くの熱質量を提供しないことである。当該技術分野では、熱伝導を改善することによってＳＯＦＣスタック内の熱エネルギー管理を改善する必要がある。
【0004】
従来の平面状ＳＯＦＣスタックは、アノードガスおよびカソードガスがセルおよび他のスタック構成要素を越えて漏出することを防止するための気密シールを含み、これは、ガスの混合および燃焼をもたらし、局所的なホットスポットを引き起こし、最終的にスタックの故障を引き起こす。従来の気密シールには、硬質結合ガラスまたはガラスセラミック複合シール、順応的結合シール、および圧縮ガスケットシールが含まれる。気密シールは、形成するのが困難であり、注意深く設計し、ＳＯＦＣスタックを組み立てる必要がある。従来の気密シールに伴う１つの問題は、製造時の欠陥に起因するか、またはスタックの動作中の熱的および機械的応力による損傷によって引き起こされるかのいずれかで、それらが漏出を含む、または漏出を発生する可能性があることである。名目上気密シールに漏出があると、スタック性能が低下する可能性がある。スタックの設計に依存して、漏出が発生するとスタックが役に立たなくなるか、困難で費用のかかるスタックの修復が必要になる場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】米国特許第８，５８０，４５２号明細書
【文献】米国特許第７，５５３，５７９号明細書
【文献】米国特許第６，９０２，７９８号明細書
【文献】米国特許出願公開第２００９／０１４２６３９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
従来の平面状ＳＯＦＣスタックは、例えば、スタック構成要素間で圧縮されたメタルガスケットおよびマイカシートシールを含む圧縮シールを含むことができる。従来の圧縮シールに関する１つの問題は、圧縮シールを気密にするために大量の圧縮力が必要とされることである。従来の圧縮シールに関する別の問題は、金属ガスケット圧縮シールが短絡を引き起こす可能性があることである。
【0007】
従来の平面状ＳＯＦＣスタックは、スタック構成要素に接合された、ガラス、またはガラスとセラミックとの組み合わせなどの硬質の気密シール材料を含むことができる。硬質気密シール複合ガラス／セラミック材料の例には、ＣａＯ－ＳｉＯ２およびＢａＯ－Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２が含まれる。接着された硬質気密シールに関する１つの問題は、ＳＯＦＣシステムまたはＳＯＦＣスタックへの振動および機械的衝撃によって引き起こされる応力が、硬質シールによってセルに伝達され、それによってセルが割れまたは破損することがあることである。硬質気密ＳＯＦＣシールが使用されるとき、ＳＯＦＣスタック全体が単一のユニットとして形成されることが多く、１つのセルが破損するとスタック全体がもはや使用可能ではないようになる。硬質気密シールに関する別の問題は、シール材料の熱膨張係数がスタック動作温度範囲下での平面状ＳＯＦＣの熱膨張係数と厳密に一致するように、シール材料を慎重に選択しなければならないことである。熱膨張係数の整合は、ＳＯＦＣスタックの熱サイクル中のシールおよびＳＯＦＣ材料の膨張および収縮の差による機械的応力および亀裂を低減するために必要である。接着気密ＳＯＦＣシールのさらなる問題は、ＳＯＦＣとシール材料の熱膨張係数が密接に一致している場合であっても、ＳＯＦＣスタックの熱サイクル中に、厳密にまたは順応的に接着したセルが大きな剪断応力および主応力を受けることがあることである。例えば、硬質シールで接着されたＳＯＦＣは、熱膨張係数が厳密に一致しているにもかかわらず、１４５ＭＰａもの高い剪断応力および２０～２５ＭＰａの最大主応力を受けることがある。コンプライアントシールで接着した場合でも、最大ＳＯＦＣ応力は約２３ＭＰａになることがある。
【0008】
２００９年６月３０日に公開されたＣｏｕｓｅおよびＴａｎｇの米国特許第７，５５３，５７９号（Ｂ２）は、２００９年６月３０日に公開されたＧｈｏｓｈおよびＴｈｏｍｐｓｏｎの米国特許第６，９０２，７９８号（Ｂ２）にさらに詳細に記載されるコンプライアントシールを含む平面状ＳＯＦＣスタックを記載する。ＣｏｕｓｅおよびＴａｎｇは、ＳＯＦＣが硬質ＳＯＦＣスタック構成要素と接触しないようにコンプライアントシールによって支持されている「浮遊」平面状固体酸化物燃料セルを記載している。ＧｈｏｓｈおよびＴｈｏｍｐｓｏｎに記載されたコンプライアントシールは、アルミナフェルトまたはマットにセラミックまたはガラス粒子を含浸させ、それがＳＯＦＣスタックに組み立てられるときに、シールするときに加えられる力よりも大きい圧縮力を加えるために油圧プレスを使用して、複合構造を予備圧縮することによって形成される。セラミックまたはガラス粒子は、複合シール材料を通るガスの通過を妨げることを目的としている。記載されたシールに関する１つの問題は、それらが未処理および未圧縮アルミナフェルトまたはマットのコンプライアンスを保持しないことである。ＧｈｏｓｈおよびＴｈｏｍｐｓｏｎは、形成されたシールの圧縮率を開示していないが、それは、含浸されていない、および圧縮されていないアルミナフェルトまたはマット材料ほどには順応的ではないことを認め、シールが「ある程度の順応性を保持する」と述べている。記載されたシールに関する別の問題は、それらが支持する平面状ＳＯＦＣの厚さの約４分の１であり、その結果、シールが機械的負荷を吸収するためにコンプライアンスを保持する場合であっても、比較的薄いシールは、変形に適応するために限られた厚さを保持し、それによって機械的負荷を吸収する。
【0009】
２００９年６月４日に公開されたＧｒｅｇｏｒｓｋｉの米国特許出願公開第２００９／０１４２６３９号（Ａ１）は、実質的に気密シールを提供するために指定された厚さに圧縮されたアルミナフェルトシールによって支持された平面状ＳＯＦＣを記載している。Ｇｒｅｇｏｒｓｋｉの１つの問題は、フェルトシールが元のシールの高さの約４２％圧縮されて実質的に気密シールが得られることである。圧縮アルミナフェルトシールは、圧縮されていないか、またはより少ない程度に圧縮されているかのいずれかであるシールほど順応的ではない。フェルトシールに関する別の問題は、シールが実質的に気密のシールを得るのに必要とされるよりもわずかに大きく、例えば４７～５２％の圧縮で変形するとき、ＳＯＦＣ亀裂が本発明者らによって認められたことである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の特徴は、例示の目的のために選択され添付の図面に示された、本発明の詳細な説明およびその例示的な実施形態から最もよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本技術に従う、非限定的な例示的な固体酸化物燃料セルスタックアセンブリを通って取られた概略側面断面図を示す。
【図2A】本技術に従う、非限定的な例示的な電解質支持固体酸化物燃料セルを通って取られた概略側面断面図を示す。
【図2B】本技術に従う、非限定的な例示的なアノード支持固体酸化物燃料セルを通って取られた概略側面断面図を示す。
【図2C】本技術に従う、非限定的な例示的な金属支持固体酸化物燃料セルを通って取られた概略側面断面図を示す。
【図3A】本技術に従う、非限定的な例示的な形成プレート相互接続部の概略図を示す。
【図3B】本技術に従う、非限定的な例示的な固体酸化物燃料セルスタックアセンブリを通って取られた概略側面断面図を示す。
【図4】本技術に従う、非限定的な例示的な固体酸化物燃料セルスタックアセンブリを通って取られた概略側面断面図を示す。
【図5】本技術に従う、固体酸化物燃料セルスタックアセンブリの例示的なガス流経路の概略図を示す。
【図6】本技術に従う、固体酸化物燃料セルスタックアセンブリの例示的なガス流経路の概略図を示す。
【図7】本技術に従う、非限定的な例示的な固体酸化物燃料セルシステムの概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【0012】
４．１ 定義
別段の指示がない限り、以下の定義が全体を通して使用される。
別段の指示がない限り、以下の定義が全体を通して使用される。
【表1】
【0013】
４．２ 項目番号リスト
別段の指示がない限り、以下の項目番号は全体を通して使用される。
別段の指示がない限り、以下の項目番号は全体を通して使用される。
【表2-1】
【表2-2】
【0014】
４．３ 例示的なシステムアーキテクチャ
図１、３Ｂ、および４を参照すると、複数のセルユニット（１０１０、３０１０、４０１０）を備える高出力固体酸化物燃料セル（ＨＰ－ＳＯＦＣ）スタック（１０００、３０００、４０００）が概略側面断面図で示されている。ＨＰ－ＳＯＦＣスタックは、描かれているよりも多いまたは少ないセルユニットを含むことができ、例えば、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックは、３、４、１０個、またはそれ以上のセルユニットを含むことができる。好ましい実施形態において、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックは１８個のセルユニットを含む。
図１、３Ｂ、および４を参照すると、複数のセルユニット（１０１０、３０１０、４０１０）を備える高出力固体酸化物燃料セル（ＨＰ－ＳＯＦＣ）スタック（１０００、３０００、４０００）が概略側面断面図で示されている。ＨＰ－ＳＯＦＣスタックは、描かれているよりも多いまたは少ないセルユニットを含むことができ、例えば、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックは、３、４、１０個、またはそれ以上のセルユニットを含むことができる。好ましい実施形態において、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックは１８個のセルユニットを含む。
【0015】
各セルユニット（１０１０、３０１０、４０１０）は平面状ＳＯＦＣ（２０００、２１００、または２２００）を含む。図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃを参照すると、平面状ＳＯＦＣは、電解質支持ＳＯＦＣ（２０００）、アノード支持ＳＯＦＣ（２１００）、または金属支持ＳＯＦＣ（２２００）を含むことができる。セルユニット（１０１０および１０３０）は、電解質支持ＳＯＦＣ（２０００）を各々含むものとして示されており、セルユニット（３０１０）はアノード支持ＳＯＦＣ（２１００）を含むものとして示されている。開示された技術の概念から離れることなく、各セルユニット（１０１０、３０１０、４０１０）は、任意の平面状ＳＯＦＣ（２０００、２１００、２２００）または他の好適な平面状ＳＯＦＣ（図示せず）を含むことができることが認識される。
【0016】
図２Ａを参照すると、平面状電解質支持ＳＯＦＣ（２０００）が側面断面図で示されている。平面状電解質支持ＳＯＦＣ（２０００）は、完全にまたは部分的に安定化されたジルコニア、ドープセリア、ドープＬａＧａＯ３およびドープＢｉ２Ｏ３、例えば、イットリア安定化ジルコニア（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ（ＹＳＺ））に基づく電解質材料などの任意の好適なＳＯＦＣ電解質材料を含む電解質層（２０１０）を含む。
【0017】
電解質支持平面状ＳＯＦＣ（２０００）のアノード表面（２０２２）は、電解質（２０１０）上に配置され、それによって支持されているアノード電極（２０２０）を含む。アノード電極層は、例えば、ＮｉまたはＮｉドープセリアを含む任意の好適なＳＯＦＣアノード電極材料から形成することができる。
【0018】
アノード表面に対向するカソード表面（２０４２）は、電解質上に配置され、電解質によって支持されたカソード電極（２０４０）を含む。非限定的な例において、カソード電極は、ストロンチウムドープランタンマンガナイト（Ｌａ１－ｘＳｒｘＭｎＯ３（ＬＳＭ））、Ｂａ０．５Ｓｒ０．５Ｃｏ０．６Ｆｅ０．４Ｏ３－５（ＢＳＣＦ）、Ｌａ１－ｘＳｒｘＦｅ１－ｙＣｏｙＯ３（ＬＳＣＦ）およびＰｒ１－ｘＳｒｘＦｅＯ３（ＰＳＦ）グループカソード材料、および他の任意の好適なＳＯＦＣカソード材料を含む１つ以上の従来のＳＯＦＣカソード電極材料から形成される。
【0019】
集電体層（２０５０）は、カソード電極のカソード表面（２０４２）上に配置され、かつ部分的にそれを覆う。集電体層（２０５０）は、スクリーン印刷または他の任意の好適な材料層堆積方法を使用して導電性材料をカソード表面（２０４２）上に堆積することによって形成することができる。非限定的な例示的な実施形態において、集電体（２０５０）はステンレス鋼から形成される。
【0020】
さらなる実施形態において、セルユニット（１０１０、３０１０、４０１０）は、例えばアノードまたは金属支持平面状ＳＯＦＣなどの異なる構成を有するＳＯＦＣを含むことができる。図２Ｂおよび図２Ｃを参照すると、アノード支持ＳＯＦＣ（２１００）および金属支持ＳＯＦＣ（２２００）が側面断面図で示されている。
【0021】
アノード支持平面状ＳＯＦＣ（２１００）は、アノード表面（２１２２）を含むアノード電極（２１２０）を含む。アノード電極（２１２０）は、カソード表面（２１４２）上に配置された電解質層（２１１０）、カソード層（２１４０）、および集電体層（２１５０）を支持する。アノード電極（２１２０）は、任意の好適なＳＯＦＣアノード電極材料、例えば、ＮｉＯ－ＹＳＺサーメット、チタン酸ストロンチウムをベースとするペロブスカイト材料、クロム酸ランタン、およびセリアをベースとする蛍石材料を含むことができる。アノード電極（２１２０）は、テープキャスティングまたはダイプレスなどの方法を使用して形成することができる。薄膜堆積技術を使用して、アノード電極（２１２０）上に電解質（２１１０）の薄層を堆積させることができる。
【0022】
金属支持平面状ＳＯＦＣ（２２００）は、電解質層（２２１０）、カソード層（２２４０）、およびカソード表面（２２４２）上に配置された集電体層（２２５０）を支持する多孔質金属プレート（２２６０）を含む。実施形態において、多孔質金属プレート（２２６０）は多孔質ステンレス鋼を含む材料から形成される。多孔質金属プレート（２２６０）はアノード電極として機能することができるので、金属支持ＳＯＦＣ（２２００）は別個のアノード電極層を必要としなくてもよく、金属プレート表面（２２６２）はアノード表面（２０２２、２１２２）と等価である。追加の非限定的な実施形態（図示せず）において、アノード電極材料の層が多孔質金属プレート（２２６０）と電解質層（２２１０）との間に配置される。
【0023】
さらなる例示的な平面状ＳＯＦＣ（図示せず）は、金属支持平面状ＳＯＦＣ（２２００）と実質的に同様の構成を有するセラミック支持ＳＯＦＣを含み、多孔質セラミックプレートが金属プレート（２２６０）の代わりに用いられ、アノード層が多孔質セラミックプレートとカソード電極層（２２４０）の間に配置される。
【0024】
図１、３Ｂ、および４を参照すると、各セルユニット（１０１０）はスペーサプレート（１１００）を含む。スペーサプレートは、環状側壁（１１１０）によって囲まれた中央空洞（１１２０）を含むように形成されている。中央空洞は、固体円形スペーサプレート（１１００）を貫通する円形スルーホールによって形成されてもよい。円形孔は、スペーサプレートの対向表面上に頂部および底部円形開口部を形成する。他の実施形態において、開口部およびプレートの形状は異なってもよく、例えば正方形、長方形または他のプレートおよび開口部の形状および寸法が、本発明から逸脱することなく使用可能である。各セルユニット（１０１０）は、アノードフロープレート（１２００）およびカソードフロープレート（１３００）を含む。アノードフロー（１２００）プレートは、スペーサプレート（１１００）に隣接し、かつＳＯＦＣ（２０００）のアノード表面（２０２０）に対向して配置されている。カソードフロープレート（１３００）は、スペーサプレート（１１００）に隣接し、かつＳＯＦＣのカソード表面（２０４０）に対向して配置されている。アノードフロープレート（１２００）、カソードフロープレート（１３００）、およびスペーサプレート（１１００）は一緒になってセル室（１４００）を形成する。平面状ＳＯＦＣ（２０００）がセル室（１４００）内に配置されている。図１および図４は電解質支持平面状ＳＯＦＣ（２０００）を含み、図３はアノード支持ＳＯＦＣ（２１００）を含むが、セルユニット（１０１０、３０１０、４０１０）は、例えばセラミック支持ＳＯＦＣ、アノード支持ＳＯＦＣ（２１００）、または金属支持ＳＯＦＣ（２２００）などの任意の好適な平面状ＳＯＦＣを含むことができることに留意されたい。スペーサプレート（１１００）の環状側壁（１１１０）はセル室の壁を形成する。アノードおよびカソードフロープレート（１２００、１３００）はセル室の頂部壁および底部壁を形成する。
【0025】
各ユニットセル（１０１０）において、少なくともカソードフロープレートは、各カソードフロープレートが２つの艶消しプレート間の平面状の境界を横切って熱伝導的に結合されるようにスペーサプレートと嵌合接触する。スペーサプレートとアノードフロープレートとの間に形成された平面状の境界の場合、この境界は、図１に示され以下に記載される実質的に平面状の電気絶縁体（１８５０）によって電気的に絶縁される。電気絶縁体もまた断熱性であるので、スペーサプレートとアノードフロープレートは、２つの艶消しプレートの間の平面状の境界を横切って熱伝導的に結合されていない。しかしながら、図１にさらに示されるように、各スタックユニット（１０２０）は、スペーサプレート（１１００）、カソードフロープレート（１３００）およびアノードフロープレート（１２００）を含み、これらは全て３つの艶消しプレートの間に形成される平面状の境界を横切って熱伝導的に結合される。したがって、各スタックユニット（１０２０）は、中央空洞からスタックユニット（１０２０）の周縁部まで延在する実質的に連続した熱伝導経路として形成された、プレート材料の実質的に固体の体積を提供し、以下にさらに記載するように、プレート材料の実質的に固体の体積は、プレート材料の実質的に固体の体積は、１００～４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の間の熱伝導率を有する１つ以上の材料から形成され、かつ十分な熱質量で形成されるとき、プレート材料の実質的に固体の体積全体に熱エネルギーを一様に迅速に分配し、かつ平面状ＳＯＦＣの定常状態の運転中に固体の体積を実質的に一定の温度に維持することを可能にする。スペーサプレート（１１００）、アノードフロープレート（１２００）、およびカソードフロープレート（１３００）は各々、例えば１００～３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の間、好ましくは２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）超の高い熱伝導率を有する１つ以上の材料から形成される。したがって、スペーサプレート（１１００）、アノードフロープレート（１２００）、およびカソードフロープレート（１３００）は各々、銅、モリブデン、アルミニウム、銅ニッケル合金、またはそれらの組み合わせのうちの１つ以上から製作される。実施形態において、スペーサプレート（１１００）、アノードフロープレート（１２００）、およびカソードフロープレート（１３００）は各々、材料の温度および合金の組成に依存して、好ましくは３３０（ｍ・Ｋ）～４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の範囲の熱伝導率、および約１０８５℃以下の溶融温度を有する銅を含む材料から製作される。
【0026】
低温ＳＯＦＣ、例えば約５００℃以下の温度で動作するＳＯＦＣを含むさらなる実施形態において、スペーサプレート（１１００）、アノードフロープレート（１２００）、およびカソードフロープレート（１３００）は各々、約５００℃以下の温度で動作することが可能であるアルミニウム合金、すなわち５００℃を超える融点を有する合金から製作される。実施形態において、アルミニウム合金は、約５８２～６５２℃の融点および１６７Ｗ／ｍ－Ｋの熱伝導率を有するＡｌ６０６１である。さらに、スペーサプレート（１１００）、アノードフロープレート（１２００）、およびカソードフロープレート（１３００）は、各プレート全体、および各プレート間で熱エネルギーを迅速に伝導するのに十分な熱質量を含む。本明細書で使用するとき、熱伝導プレートという用語は、スペーサプレート（１１００）、アノードフロープレート（１２００）、およびカソードフロープレート（１３００）、または１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有し、熱エネルギーを迅速に伝導するのに十分な熱質量を有する１つ以上の材料から形成された、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（１０００、３０００、４０００）を含む、任意の他のプレートを指すものとする。
【0027】
本発明の特定の利点は、十分な熱質量を有するように形成された高熱伝導率プレートでセル室を囲むことによって、セル室内で動作する平面状ＳＯＦＣによって発生する熱エネルギーが迅速に吸収され、スタックユニット全体に均一に分配され、さらにスタックユニットの大きなスタック内のスタックユニットと熱伝導接触している他のスタックユニットに分配されることである。
【0028】
各ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（１０００、３０００、４０００）は複数のセルユニット（１０１０、３０１０、４０１０）から構成され、各セルユニットは熱伝導プレートを含む。具体的には、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（１０００、３０００、４０００）の各熱伝導プレートは、スタック内のある位置からスタック全体の他の位置に熱エネルギーを迅速に伝達させて温度勾配をより迅速に減少させ、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック全体を実質的に同じ温度に維持するため、各セル室から局所的スタックユニットの全熱質量まで延在する実質的に連続した熱伝導経路を提供するように構成される。ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（１０００、４０００）は、燃料セルスタックの固体材料層の組成およびアノードガスとカソードガスの特性に依存して、高い動作温度（例えば、３５０～１２００℃の範囲内に）維持される。さらに、熱エネルギーは、ＨＰ－ＳＰＦＣスタック全体の外表面から周囲の空気に連続的に放出される。好ましい動作温度は、効率的な電気化学エネルギー発生を支援するために選択される。
【0029】
セル室（１４００）は、ＳＯＦＣ（２０００）のアノード表面（２０２２）に対向するアノード供給室（１４２０）と、ＳＯＦＣのカソード表面（２０４２）に対向するカソード供給室（１４３０）とを含む。アノード供給室（１４２０）は、スペーサプレートの環状側壁（１１１０）、ＳＯＦＣ（２０２０）のアノード表面、およびアノードフロープレート（１２００）によって囲まれている。カソード供給室（１４３０）は、スペーサプレートの環状側壁（１１１０）、ＳＯＦＣ（２０４０）のカソード表面、およびカソードフロープレート（１３００）によって囲まれている。
【0030】
アノードメッシュまたはフォーム相互接続部（１５２０）が、アノード供給室（１４２０）内に配置され、セルのアノード電極（２０２０）とアノードフロープレート（１２００）との間にそれらと電気的に接触して配置される。カソードメッシュまたはフォーム相互接続部（１５３０）が、カソード供給室（１４３０）内に配置され、セルのカソード電極（２０４０）および／または集電体（２０５０）とカソードフロープレート（１３００）との間にかつそれらと電気的に接触して配置される。アノードおよびカソードメッシュまたはフォーム相互接続部（１５２０、１５３０）は各々、電気的および熱的に伝導性の材料、例えば、銅および／またはニッケルを含む材料から作製される。アノードメッシュまたはフォーム相互接続部（１５２０）は、アノード電極（２０２０）とアノードフロープレート（１２００）との間に導電経路を提供し、カソードメッシュまたはフォーム相互接続部（１５３０）は、カソード電極（２０４０）および／または集電体（２０５０）とカソードフロープレート（１３００）との間に導電経路を提供する。非限定的な例示的な実施形態において、アノードおよびカソードメッシュまたはフォーム相互接続部は、材料の温度および合金の組成に依存して、約１．６８×１０－８Ｏｈｍ－ｍの電気抵抗率、および約３３０（ｍ・Ｋ）～４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する銅から作製される。
【0031】
アノードおよびカソードメッシュまたはフォーム相互接続部（１５２０、１５３０）には、アノードおよびカソードガスが流れることができる通路またはチャネルが形成されている。さらに、アノードおよびカソードメッシュまたはフォーム相互接続部は各々、圧縮時に撓むまたは変形するよう適合するように構成されている。ＨＰ－ＳＯＦＣスタックが組み立てられると、メッシュまたはフォーム相互接続部（１５２０、１５３０）は機械的に圧縮荷重されている。各メッシュまたはフォーム相互接続部（１５２０、１５３０）は、メッシュまたはフォーム相互接続部（１５２０、１５３０）、ＳＯＦＣ（２０００）のアノードおよびカソード表面、ならびにおよび各アノードおよびカソード表面に対向するフロープレート（１２００、１３００）の間で、電気的接触が維持されるように、圧縮力が増加すると変形し、圧縮力が減少すると拡張するように構成されている。
【0032】
実施形態において、アノードおよびカソードメッシュまたはフォーム相互接続部（１５２０、１５３０）は、ガスが通過することができる相互接続された空隙空間を有する、銅または他の適切な金属の非剛性オープンセルフォームを含む。各フォームまたはメッシュ相互接続部（１５２０、１５３０）は、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックが組み立てられるとき、およびＨＰ－ＳＯＦＣスタックの動作中に、その中の空隙空間を完全に崩壊させることなく、圧縮されるときに変形するように構成される。
【0033】
図３Ａ、図３Ｂ、および図４を参照すると、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（３０００）のさらなる例示的で非限定的な実施形態は、形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）を含む。形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）は、材料の形成プレート（３５３２）、例えば、０．００２～０．０９０インチの厚さを有する金属プレートから製作される。非限定的な例示的な実施形態において、形成プレート（３５３２）は、約０．０１インチの厚さを有する金属プレートから製作される。形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）は、導電性メッキまたはコーティングを有する導電性材料または基材から形成される。例えば、形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）は、ニッケルを含有する合金または鉄を含有する合金を含む材料から形成することができ、この合金は、例えば銀、白金、パラジウム、金、またはスピネルコーティングなどの導電性セラミックコーティングを含む１つ以上の導電性材料で被覆される。実施形態において、形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）は、材料の温度および合金の組成に応じて、約１．６８×１０－８Ｏｈｍ－ｍの電気抵抗率、および約３３０（ｍ・Ｋ）～４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する銅を含む。
【0034】
形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）各々は、プレート（３５３２）の部分切り欠き部（３５３７）から形成された可撓性タブ（３５３５）を含む。各形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）の金属プレート（３５３２）は、アノードフロープレート（１２００）またはカソードフロープレート（１３００）に隣接して接触して配置されている。形成プレート相互接続部（３５２０）の可撓性タブ（３５３５）は、アノードフロープレート（１２００）と接触している金属プレート（３５３２）からアノード表面（２１２２）と接触するように延在する。形成プレート相互接続部（３５３０）の可撓性タブ（３５３５）は、カソードフロープレート（１３００）と接触している金属プレート（３５３２）からカソード表面（２１４２）および／または集電体（２１５０）に接触するように延在する。可撓性タブ（３５３５）は、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックが組み立てられたときに可撓性タブを部分的に曲げる圧縮力を受けるように構成され配置されている。
【0035】
可撓性タブ（３５３５）は、可撓性タブ（３５３５）がＳＯＦＣ（２１００）および対向するプレート（１２００、１３００）と物理的および電気的に接触したままであるように、スタック組み立ておよびスタック動作中に圧縮荷重の変化下で曲がり、かつ撓むように構成される。タブは、それらの間を通るアノードおよびカソードガスの流れを可能にするようにそれらの間に開放空間を有して構成され配置される。図３Ａを参照すると、アノード形成プレート相互接続部（３５２０）は、アノード電極（２１２０）とアノードフロープレート（１２００）との間に導電経路を提供し、カソード形成プレート相互接続部（３５３０）は、カソード電極（２１４０）および／または集電体（２０５０）とカソードフロープレート（１３００）との間に導電経路を提供する。図４を参照すると、アノード形成プレート相互接続部（３５２０）は、アノード電極（２１２０）とアノードフロー覆工プレート（４７２０）との間に導電経路を提供し、カソード形成プレート相互接続部（３５３０）は、カソード電極（２１４０）および／または集電体（２０５０）とカソードフロー覆工プレート（４７３０）との間に導電経路を提供する。
【0036】
図１、３Ｂ、および４を参照すると、熱エネルギーは、ＳＯＦＣ（２０００、２１００）、または代替的に、ＳＯＦＣ（２２００）もしくは他の好適な平面状ＳＯＦＣと、セル室（１４００）を形成する周囲の熱伝導プレート（１１００、１２００、１３００）との間で交換される。実施形態において、各ＳＯＦＣ（２２００）は、約２４グラムの質量を有し、かつ約３４０グラムの総質量を有し、例えば１００～３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の間、好ましくは２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）超の高い熱伝導率を有する材料を含む熱伝導プレートによって囲まれる。熱エネルギーは、例えば、放射熱伝達を介して、アノードおよびカソードメッシュもしくはフォーム相互接続部（１５２０、１５３０）もしくは形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）を通じた伝導熱伝達を介して、または放射と伝導の組み合わせを介して、ＳＯＦＣ（２０００、２１００）と熱伝導プレート（１１００、１２００、１３００）との間で伝達される。熱エネルギーは、熱伝導プレートによって加温され得る、アノードガスおよびカソードガスを介した対流によってＳＯＦＣ（２０００、２１００）に伝達することもできる。
【0037】
熱伝導プレート（１１００、１２００、１３００）は、システム起動中に熱エネルギーがＳＯＦＣ（２０００）に導かれて、ＳＯＦＣの温度を動作温度にする熱伝導経路を提供する。システム動作中、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックは、実質的に一定かつ均一な温度に維持され、ＳＯＦＣ（２０００、２１００）と周囲の熱伝導プレート（１１００、１２００、１３００）との間で熱エネルギーが交換されて、ＳＯＦＣを望ましい動作温度に維持する。各ＳＯＦＣ（２０００、２１００）は、熱エネルギーの急速な伝導によって本質的に均一かつ一定の温度に維持されるスタック構成要素によって囲まれている。したがって、セルの効率に影響を及ぼし、セルの熱膨張および収縮の差に起因して機械的応力を引き起こす可能性がある、各ＳＯＦＣにわたる温度勾配は、実質的に減少または解消される。
【0038】
アノードフロープレート（１２００）、カソードフロープレート（１３００）、およびスペーサプレート（１１００）は各々、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック内に組み立てられて、カソードガスマニホールド（１６３０）、アノードマニホールド（１６２０）、および排気ガスホールドマニホールド（１６５０）を形成するときに整列して通る穴を含む。実施形態において、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックは、各種類の１つ以上のマニホールドを含む。例示的な実施形態において、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックは、３つのアノードガスマニホールド、３つのカソードガスマニホールド、および６つの排気ガスマニホールドを含む。
【0039】
アノードガスマニホールドおよびカソードガスマニホールド（１６２０、１６３０）は、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックの熱伝導プレート（１１００、１２００、１３００）内に形成され、それによって高い熱伝導率を有する材料を含む。アノードガスマニホールドおよびカソードガスマニホールド（１６２０、１６３０）は、実質的に均一なスタック動作温度に維持される。アノードガスマニホールド（１６２０）を通過するアノードガス（１９００）、例えば、触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）反応器、水蒸気改質器、自動熱改質器またはそれらの組み合わせによって処理された燃料／空気混合物と、カソードガスマニホールド（１６３０）を通過する、カソードガス（１９１０）、例えば、酸素、空気または酸素を含む他のガス混合物は、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックと熱エネルギーを交換する、例えば、カソードガスは、それがスタック温度に達し、ＳＯＦＣを含むスタック構成要素と実質的に同じ温度になるまで、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックを通過するときに連続的に加温される。熱伝導プレート（１１００、１２００、１３００）、ＳＯＦＣ（２０００、２１００）、ならびにアノードおよびカソードガス（１９００、１９１０）は実質的に均一な温度に維持され、それによってスタック動作中の温度勾配および熱応力を低減する。
【0040】
カソードフロープレート（１３００）は、カソードガスマニホールド（１６３０）とカソード供給室（１４４３）とを接続するように配置された少なくとも１つのカソードガス入口通路（１３２０）またはチャネルを含む。カソードフロープレート（１３００）は、プレート内またはプレートの表面上に形成された少なくとも１つの排気ガス燃焼室（１３４０）、カソード供給室（１４３０）を排気ガス燃焼室（１３４０）に接続するように配置されたカソード出口通路（１３３０）またはチャネル、および排気ガス燃焼室と排気ガスマニホールドとを接続するように配置された排気ガス通路（１３５０）をさらに含む。
【0041】
アノードフロープレート（１２００）は、アノードガスマニホールド（１６２０）をアノード供給室（１４２０）と接続するように配置された、少なくとも１つのアノードガス入口チャネル（１２２０）または通路を含む。アノードフロープレート（１２００）は、アノード供給室（１４２０）を隣接するカソードフロープレート（１３００）の排気ガス燃焼室（１３４０）に接続するように配置された、少なくとも１つのアノード出口チャネル（１２３０）または通路をさらに含む。代替的な実施形態において、排気ガス燃焼室がアノードフロープレート内に形成され、なおさらなる実施形態において、排気ガス燃焼室がアノードフロープレートおよびカソードフロープレートの各々の一部に形成される。
【0042】
各セルユニット（１０１０、４０１０）は、スペーサプレート（１１００）とアノードフロープレート（１２００）との間に配置されて電気絶縁層（１８５０）を形成する耐熱性電気絶縁材料の層を含む。電気絶縁層は、ＳＯＦＣ（２０００）のアノード電極（２１２０）とカソード電極（２１４０）とが電気的に短絡するのを防止する。
【0043】
４．３．１ 酸化保護
熱伝導プレート（１１００、１２００、１３００）および形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）の一部は、腐食性のアノード、カソード、および排気ガスにさらされる。実施形態において、熱伝導プレート（１１００、１２００、１３００）および形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）は各々、プレートを酸化から保護するためにニッケルなどの耐腐食性金属で被覆されている。さらなる実施形態において、プレートに形成された通路壁は、保護コーティングを提供するために、蝋付け材料で被覆されている。なおさらなる実施形態において、通路壁は、高温耐腐食性金属インサート、例えばモネル（Ｍｏｎｅｌ）またはインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）から製作されたインサートで裏打ちされている。なおさらなる実施形態において、保護コーティングおよび／または覆工もしくはカバーの組み合わせは、プレートの表面を保護するために使用される。
熱伝導プレート（１１００、１２００、１３００）および形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）の一部は、腐食性のアノード、カソード、および排気ガスにさらされる。実施形態において、熱伝導プレート（１１００、１２００、１３００）および形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）は各々、プレートを酸化から保護するためにニッケルなどの耐腐食性金属で被覆されている。さらなる実施形態において、プレートに形成された通路壁は、保護コーティングを提供するために、蝋付け材料で被覆されている。なおさらなる実施形態において、通路壁は、高温耐腐食性金属インサート、例えばモネル（Ｍｏｎｅｌ）またはインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）から製作されたインサートで裏打ちされている。なおさらなる実施形態において、保護コーティングおよび／または覆工もしくはカバーの組み合わせは、プレートの表面を保護するために使用される。
【0044】
図４を参照すると、特定の実施形態において、熱伝導プレート（１１００、１２００、１３００）の腐食保護は、熱伝導プレートの表面を高温の耐酸化性材料、例えばハステロイ（Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ）やモネルのような超合金から形成された覆工プレート（４７１０、４７２０、４７３０）で覆うことによって提供される。実施形態において、覆工プレートはモネルから形成される。覆工プレートは、セパレータ覆工プレート（４７１０）、アノードフロー覆工プレート（４７２０）、およびカソードフロー覆工プレート（４７３０）を含む。覆工プレート（４７１０、４７２０、４７３０）は、熱伝導プレート（１１００、１２００、１３００）に隣接してスタック内に配置されている。
【0045】
アノードフロー覆工プレート（４７２０）とセパレータ覆工プレート（４７１０）は、アノードフロー覆工プレート（４７２０）がアノード供給室（１４２０）に対向するように、かつ覆工セパレータプレート（４７１０）がアノードフロープレート（１２００）と隣接するカソードフロープレート（１３００）との間に積み重ねられるように、アノードフロープレート（１２００）と隣接して積み重ねられている。
【0046】
カソードフロー覆工プレート（４７３０）とセパレータ覆工プレート（４７１０）は、カソードフロー覆工プレート（４７３０）がカソード供給室（１４３０）に対向するように、かつセパレータ覆工プレート（４７１０）がカソードフロープレート（１３００）と、隣接するアノードフロープレート（１２００）との間に積層されるように、カソードフロープレート（１３００）と隣接して積み重ねられている。
【0047】
アノードフロー覆工プレート（４７２０）、カソードフロー覆工プレート（４７３０）、およびセパレータ覆工プレート（４７１０）の各々は、アノードフロープレート、カソードフロープレート、およびスペーサプレートのマニホールドスルーホールドと共に、アノード、カソード、および排気ガスマニホールド（１６２０、１６３０、１６５０）を形成するマニホールドスルーホールを含む。
【0048】
図４を参照すると、実施形態において、アノードおよびカソード入口通路（１２２０、１３２０）、アノードおよびカソード出口通路（１２３０、１３３０）、排気ガス燃焼室（１３４０）、ならびに排気ガス通路（１３５０）の側壁は、アノードフロープレート（１２００）の第１の表面（１２１０）上およびカソードフロープレート（１３００）の第１の表面（１３１０）上に形成されたチャネルによって形成されている。アノードフロー覆工プレート（４７２０）およびカソードフロー覆工プレート（４７３０）は、通路および燃焼室を形成するために溝またはチャネルを囲む頂部壁または底部壁を提供する。アノードフロー覆工プレート（４７２０）は、アノードガス入口（１２２０）をアノード供給室（１４２０）に接続するように配置された入口スルーホール（４７２２）と、アノード供給室をアノードガス出口（１２３０）に接続するように配置された出口スルーホール（４７２４）とを含む。カソードフロー覆工プレート（４７３０）は、カソードガス入口通路（１３２０）をカソード供給室（１４３０）に接続するように配置されたカソード入口スルーホール（４７３２）と、カソード供給室をカソードガス出口通路（１３３０）に接続するように配置された出口スルーホール（４７３４）とを含む。覆工セパレータプレート（４７１０）は、アノード出口チャネル（１２４０）を隣接するカソードフロープレート（１３００）の排気ガス燃焼室（１３４０）に接続するための排気ガススルーホール（４７１２）を含む。
【0049】
さらなる実施形態（図示せず）において、通路、アノードおよびカソード供給室、ならびに燃焼室は、熱伝導体のアノードおよびカソードフロープレートならびに熱伝導体スペーサプレートの全厚にわたって延在するチャネルによって形成された側壁を含む。覆工アノードフロープレートおよび覆工セパレータプレートは、アノード入口通路およびアノード出口通路の頂部壁および底部壁を形成する。覆工アノードフロープレートは、アノード入口通路をアノード供給室に接続する入口スルーホールを含む。覆工アノードフロープレートは１つ以上の出口スルーホールを含み、各出口スルーホールはアノード供給室をアノード出口通路に接続する。覆工カソードフロープレートおよび覆工セパレータプレートは、カソード入口通路、カソード出口通路、および排気ガス燃焼室の頂部壁および底部壁を形成する。覆工カソードフロープレートは、カソード入口通路をカソード供給室に接続する入口スルーホールを含む。覆工カソードフロープレートは１つ以上の出口スルーホールを含み、各出口スルーホールはカソード供給室をカソード出口通路に接続する。
【0050】
４．３．２ コンプライアントシール
図１および図４を参照すると、２つの高温対応環状シール（１８００）がセル室（１４００）内でＳＯＦＣ（２０００）を支持している。実施形態において、環状高温コンプライアントシール（１８００）は、高温フェルト、例えば艶消しセラミックウールから形成された不織布、Ｆｌｅｘａｔａｌｌｉｃ，Ｌ．Ｐ．ｏｆ Ｄｅｅｒ Ｐａｒｋ，Ｔｅｘａｓから入手可能なＦｌｅｘａｔａｌｌｉｃなどのシリカ系材料、またはそれらの組み合わせから形成される。低温ＳＯＦＣおよび比較的低い作動温度を含む実施形態において、コンプライアントシール（１８００）は、グラファイトまたは炭素繊維を含む材料から形成することができる。
図１および図４を参照すると、２つの高温対応環状シール（１８００）がセル室（１４００）内でＳＯＦＣ（２０００）を支持している。実施形態において、環状高温コンプライアントシール（１８００）は、高温フェルト、例えば艶消しセラミックウールから形成された不織布、Ｆｌｅｘａｔａｌｌｉｃ，Ｌ．Ｐ．ｏｆ Ｄｅｅｒ Ｐａｒｋ，Ｔｅｘａｓから入手可能なＦｌｅｘａｔａｌｌｉｃなどのシリカ系材料、またはそれらの組み合わせから形成される。低温ＳＯＦＣおよび比較的低い作動温度を含む実施形態において、コンプライアントシール（１８００）は、グラファイトまたは炭素繊維を含む材料から形成することができる。
【0051】
第１の高温コンプライアントシール（１８００）がＳＯＦＣ（２０００）とアノードフロープレート（１２００）またはアノードフロー覆工プレート（４７２０）との間に配置され、第２の高温コンプライアントシールがＳＯＦＣ（２０００）とカソードフロープレート（１３００）またはカソードフロー覆工プレート（４７３０）との間に配置される。高温コンプライアントシール（１８００）は、対応するアノードおよびカソードガス供給室の周縁部に沿って構成され配置され、その結果、ＳＯＦＣのアノード表面およびカソード表面の各々のかなりの部分が露出している、すなわちコンプライアントシールによって覆われていない。コンプライアントシール（１８００）は、ＳＯＦＣとスペーサプレートの環状壁（１１１０）との間に存在し得るあらゆる間隙をシールすることによって、アノード供給室とカソード供給室との間にガスシールを提供する。コンプライアントシール（１８００）は、スペーサプレート（１１００）とアノードおよびカソードフロープレート（１２００、１３００）の各々との間、または覆工プレート（４７２０、４７３０）との間に存在し得るあらゆる間隙をシールすることによって、セル室（１４００）とスタックの外側の環境との間にガスシールをさらに提供する。しかしながら、各コンプライアントシールは、フェルト、艶消し布地、および／または繊維を含むので、ガスシールは不完全なことがあり、一部のアノードおよびカソードガスが対応するシールを通過して中央セル室（１４００）の周縁部、例えば、第１と第２のコンプライアントシールの間で混合することを可能にする。
【0052】
実施形態において、シール材料は少なくともわずかに多孔質であるため、コンプライアントシール（１８００）は、完全に気密なシールを提供してもしなくてもよく、ただし、ある程度の漏出が予想される。実際には、アノードガスおよびカソードガスは各々、コンプライアントシール（１８００）を通過して漏出し、例えば中央空洞の周縁部に蓄積し、さらに電気絶縁体（１８５０）に沿って周縁部を越えて漏出し、領域（１２４４）でＨＰ－ＳＯＦＣスタックを出てもよい。アノード供給室（１４２０）内の混合ガス（１２４２）およびカソード供給室（１４３０）内の混合ガス（１２４０）は、自己点火する傾向がある。点火された混合ガスは漏出位置の近くで熱エネルギーを放出する。熱エネルギーは、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックの熱伝導体構成要素によって吸収され、スタック全体に迅速に伝導され、それによってスタック構成要素を損傷する可能性がある温度の局所的な上昇（すなわちホットスポット）を防止する。
【0053】
４．３．３ 熱エネルギー伝達
図１を参照すると、各ＳＯＦＣ（２０００）は、スペーサプレート（１１００）、アノードフロープレート（１２００）、およびカソードフロープレート（１３００）を含む熱プレートによって画定され、それらによって囲まれたセル室（１４００）内に配置される。実施形態において、スペーサプレート（１１００）、アノードフロープレート（１２００）、およびカソードフロープレートの各々は、実質的に銅を含む材料から形成される。図３を参照すると、セル室（１４００）は、実施形態において、実質的に銅を含む材料から各々形成された２つの形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）を含むこともできる。ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（１０００）の特定の実施形態において、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックを構成する熱プレートおよび相互接続部の熱質量は、ＳＯＦＣおよび他のスタック構成要素の熱質量よりもはるかに大きい。
図１を参照すると、各ＳＯＦＣ（２０００）は、スペーサプレート（１１００）、アノードフロープレート（１２００）、およびカソードフロープレート（１３００）を含む熱プレートによって画定され、それらによって囲まれたセル室（１４００）内に配置される。実施形態において、スペーサプレート（１１００）、アノードフロープレート（１２００）、およびカソードフロープレートの各々は、実質的に銅を含む材料から形成される。図３を参照すると、セル室（１４００）は、実施形態において、実質的に銅を含む材料から各々形成された２つの形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）を含むこともできる。ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（１０００）の特定の実施形態において、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックを構成する熱プレートおよび相互接続部の熱質量は、ＳＯＦＣおよび他のスタック構成要素の熱質量よりもはるかに大きい。
【0054】
各ＨＰ－ＳＯＦＣスタック構成要素の熱質量Ｃｔｈは、構成要素材料の単位（ｇ）の構成要素材料質量（ｍ）と、単位（Ｊ／ｇ℃）の比熱容量（μ）との積として定義され、ここで、質量（ｍ）は、単位（ｃｍ３）の構成要素材料の体積Ｖと、単位（ｇ／ｃｍ３）の材料密度（ρ）との積である。
ここで、ρは材料の密度（ｇ／ｃｍ３）、Ｖは材料の体積（ｃｍ３）である。
【数1】
ここで、ρは材料の密度（ｇ／ｃｍ３）、Ｖは材料の体積（ｃｍ３）である。
【0055】
μ＝材料の材料比熱容量（Ｊ／ｇ℃）。非限定的な例示的な実施形態において、セル室（１４００）を囲むスペーサプレート（１１００）、アノードフロープレート（１２００）、およびカソードフロープレート（１３００）と、セル室（１４００）内に配置された形成プレート相互接続部（１５２０、１５３０）は各々、当業者にはよく知られているように、ほとんど銅を含み、かつＳＯＦＣ（２１００）は、ほとんどイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）またはカソードおよびアノード電極材料を含む他の材料の複合体を含む。銅については、比熱容量（μ）は０．３８５Ｊ／ｇ℃である。ＹＳＺおよびＹＳＺ複合材料について、ＳＯＦＣ（２０００）の比熱容量（μ）は、約０．６Ｊ／ｇ℃であると推定することができる。銅については、密度（ρ）は８．９６ｇ／ｃｍ３であり、ＳＯＦＣ（２０００）については、密度（ρ）は約６．０１ｇ／ｃｍ３となる。
【0056】
表１を参照すると、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（１０００、３０００）の例示的で非限定的な実施形態のスタック構成要素の熱質量の、熱質量の計算の結果が示されている。
【表3】
【0057】
表１を参照すると、熱プレート（１１００、１２００、１３００）および形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）を含む、主に銅を含む材料から形成される単一セルユニット（１０１０、３０１０）の構成要素の総質量は、約３３６．１グラムであり、総熱質量は約１２９．４Ｊ／℃である。対照的に、ＳＯＦＣ（２０００）の質量は、約２４．２ｇであり、熱質量は、約１４．５Ｊ／℃である。したがって、銅を含むＨＰ－ＳＯＦＣスタック（１０００、３０００）構成要素（すなわち、１１００、１２００、１３００、１５２０、１５３０、３５２０、３５３０）の熱質量は、ＳＯＦＣ（２０００）の熱質量の約９倍である。したがって、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（２０００）の熱特性は、主に、例えば１００～３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、好ましくは２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超え、例えば銅の場合、約４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、例えば４０１Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率の高い熱伝導率を含む特性を有する熱プレートおよび形成プレート相互接続部によって左右される。高い熱伝導率を有する比較的大きな熱質量の材料は、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック内で発生した熱エネルギーを吸収するための実質的な貯蔵部を提供し、吸収された熱エネルギーを、スタック全体に迅速に伝導するための熱経路を提供する。アノードガスとカソードガスの混合ガスの燃焼によって発生する熱エネルギーは、次いで熱プレート（１１００、１２００、１３００）および形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）を含むＨＰ－ＳＯＦＣスタック構成要素によって優先的に吸収されて迅速に伝導され、これは、混合ガスが点火したときに、ＳＯＦＣに伝達される可能性がある熱応力および高温から、ＳＯＦＣ（２０００）を保護する。
【0058】
表１を参照すると、例示的な実施形態において、銅成分の熱質量は、約１２９．４Ｊ／℃であり、ＳＯＦＣ（２０００）の熱質量は、約１４．５Ｊ／℃であり、したがって銅成分の熱質量は、ＳＯＦＣ（２０００）の熱質量の約９倍であって、熱プレート（１１００、１２００、１３００）および形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）は、ＳＯＦＣ（２０００）よりも多くの熱エネルギーを吸収する。
【0059】
図４を参照すると、さらなる非限定的な例において、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックは、熱プレート（１１００、１２００、１３００）を酸化から保護するために配置された覆工プレートを含む。セルユニット（４０１０）は、セパレータ覆工プレート（４７１０）、アノードフロー覆工プレート（４７２０）、およびカソードフロー覆工プレート（４７３０）を含む。実施形態において、各覆工プレート（４７１０、４７２０、４７３０）は、約８．８ｇ／ｃｍ３の密度、および約０．４２７Ｊ／ｇ℃の比熱容量を有する、モネルを主に含む材料から形成される。表２を参照すると、モネルから形成された覆工プレート（４７１０、４７２０、４７３０）の総質量は約１３５．５ｇであり、覆工プレートの熱質量は約５７．９Ｊ／ｇ℃である。表１および２を参照すると、銅を含むＨＰ－ＳＯＦＣスタック（３０００、４０００）構成要素（すなわち１１００、１２００、１３００、１５２０、１５３０）の熱質量は、したがって、覆工プレート（４７１０、４７２０、４７３０）の熱質量の約２．２倍である。銅を含む構成要素とモネルを含むプ覆工プレートの合計の熱質量は、ＳＯＦＣ（２０００）の熱質量の約１３倍である。
【表4】
【0060】
熱エネルギー伝達率（Ｑ／ｔ）は次式で決まる。
ここで、Ｑ／ｔは熱伝達率、ｋは熱伝導率、ｄはスタックプレートの厚さ、Ｔ２－Ｔ１はスタックプレートの両面間の温度差である。
【数2】
ここで、Ｑ／ｔは熱伝達率、ｋは熱伝導率、ｄはスタックプレートの厚さ、Ｔ２－Ｔ１はスタックプレートの両面間の温度差である。
【0061】
スタックプレートの厚さを横切る、例えばスペーサプレート（１１００）、アノードフロープレート（１２００）、またはカソードフロープレート（１３００）を横切る特定の温度差（Ｔ２－Ｔ１）に対して、熱エネルギー伝導率（Ｑ／ｔ）は、プレート断面積（Ａ）、厚さ（ｄ）、および熱伝導率（ｋ）の関数である。式２を参照すると、Ｑ／ｔは（Ａ・ｋ）／ｄの関数である。表３を参照すると、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックの例示的で非限定的な実施形態について、スペーサプレート（１１００）の場合、Ｑ／ｔは、約５５３（Ｔ２－Ｔ１）に等しく、これにより、式２を使用して行われた推定によれば、熱流束に対して最大の抵抗を有する熱プレートスタック構成要素となる。
【表5】
【0062】
表１を参照すると、銅を含むスペーサプレート（１１００）は、約５０．３Ｊ／℃の熱質量を有する。スペーサプレート（１１００）と同様のスペーサプレートを含む従来のＳＯＦＣスタックは、ステンレス鋼などの従来のスタック材料またはハステロイなどの高性能超合金から形成されるプレートを含むことができる。ステンレス鋼から形成され、銅スペーサプレート（１１００）と同様の熱質量を有するスペーサプレート（１１００）（すなわち、銅スペーサプレートと比較して同様の量の熱エネルギーを吸収することが可能であるステンレス鋼スペーサプレート）は、断面積が４４．９ｃｍ２、厚さが約０．２９８ｃｍである。これらの寸法で形成されたステンレス鋼スペーサプレートの熱質量は式１に従って次のように計算される。
【数3】
【0063】
これらの寸法で形成されたステンレス鋼スペーサプレートの熱流束速度は式２に従って次のように計算される。
【数4】
【0064】
したがって、表３ならびに式３および４を参照すると、開示された技術の実施形態に従って形成されたスペーサプレート（１１００）は、速度（Ｑ／ｔ＝５５３（Ｔ２－Ｔ１））、すなわち、従来のＳＯＦＣスタック材料を使用して形成された同様の熱質量を有するスペーサプレートの速度（Ｑ／ｔ＝２２（Ｔ２－Ｔ１））の約２５倍である速度で熱エネルギーを伝達することができる。
【0065】
図４を参照すると、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（４０００）の実施形態は、耐酸性合金、例えばモネルまたはハステロイから形成され、アノードフロープレート（１２００）、カソードフロープレート（１３００）、およびスペーサプレート（１１００）を含む熱プレートを酸化から保護するように配置された、アノードフロー覆工プレート（４７２０）、カソードフロー覆工プレート（４７３０）、およびセパレータフロー覆工プレート（４７１０）を含む。表３を参照すると、実施形態において、覆工プレート（４７１０、４７２０、および４７３０）の各々は、任意の熱プレートの厚さよりも薄い厚さで構成され、スペーサプレート（１１００）が熱エネルギーを伝達することができる速度（Ｑ／ｔ＝５５３）の約１．４倍である速度（Ｑ／ｔ、約８００（Ｔ２－Ｔ１））で各々熱エネルギーを伝達することができる。したがって、熱プレート（１１００、１２００、１３００）の熱伝導率（ｋ＝４０１Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも小さい熱伝導率（ｋ＝２６Ｗ／ｍ・Ｋ）を有する材料を含むにもかかわらず、覆工プレート（４７１０、４７２０、および４７３０）は、スペーサプレート（１１００）と比較して、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（４０００）を通る伝導性熱伝達を遅くしない。
【0066】
図１、３Ｂ、４、および７ならびに式２を参照すると、主として銅から形成されたＨＰ－ＳＯＦＣユニット（例えば１０１０、３０１０、４０１０）を含む例示的なＨＰ－ＳＯＦＣ燃料セルスタック（７１００）は、第１の端部（７１０２）から第２の端部（７１０４）までの長さ（ｄ）、および断面積（Ａ）を有する。式２のＴ１は、通常のスタック動作温度、例えば約７００℃の温度を指すことができ、これはさらにＴｃｏｌｄと呼ぶことができる。式２のＴ２は、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）内の高温位置、例えば、燃焼ガス漏出（すなわち１２４０～１２４８のうちの１つ以上）と熱的に連絡している熱プレート（１１００、１２００、１３００）の一部、または高温を有する別の位置の温度を指すことができる。したがって、Ｔ２はＴｈｏｔと呼ぶことができる。したがって、式２は次のように表すことができる。
【数5】
【0067】
ほとんど銅を含むＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）の熱特性を、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）のそれと実質的に同一の長さ（ｄ）および断面積（Ａ）を有する従来のＳＯＦＣスタックの熱特性と比較するために、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）の熱伝導率は、銅の熱伝導率（ｋｃ）として近似され、ここで、ｋｃ＝４０１Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、従来のＳＯＦＣスタックの熱伝導率（ｋｃｏｖ）は、ステンレス鋼の熱伝導率（ｋｓｓ）またはセラミックの熱伝導率（ｋｃｅｒ）のいずれかとして近似され、ここで、ｋｓｓ＝１４Ｗ／（ｍ・Ｋ）およびｋｃｅｒ＝１２Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。Ａとｄが両方のスタックに対して同じであると仮定すると、従来のＳＯＦＣスタックに対するＱ／ｔは、式５に関して以下のように表されるように、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックに対するＱ／ｔ（７１００）よりも小さい。
【数6】
【0068】
したがって、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）について、温度差Ｔｈｏｔ－Ｔｃｏｌｄは、セラミック製の部品から主に形成されたスタックの場合、Ｔｈｏｔ－Ｔｃｏｌｄの３３倍小さく、ステンレス製の部品から主に形成されたスタックの場合、Ｔｈｏｔ－Ｔｃｏｌｄの２８倍小さい。ＳＯＦＣスタックの動作中、１つ以上の漏出（１２４０～１２４８）などの小さな漏出が、アノードとカソードの混合排気ガスが燃焼するにつれて熱を発生する。このような漏出が、従来の材料（例えば、セラミックまたはステンレス鋼）から形成された従来のスタックにおいて、１００℃の温度差、（Ｔｈｏｔ－Ｔｃｏｌｄ）を生じる場合の場合、実質的に同様の漏出は、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）内にわずか約３℃の温度差を生じる。
【0069】
４．３．４ 振動、機械的、および熱衝撃保護
図３Ｂを参照すると、セルユニット（１０１０、４０１０）と実質的に同様の単一セルユニット（３０１０）は、コンプライアントシール（１８００）によってスペーサプレート（１１００）に隣接する周縁部で支持され所定位置に保持される平面状のアノード支持ＳＯＦＣ（２１００）を含む。形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）の可撓性タブ（３５３５）は、アノード供給室（１４２０）およびカソード供給室（１４３０）内のＳＯＦＣ（２１００）の中央部へのさらなる支持を提供する。
図３Ｂを参照すると、セルユニット（１０１０、４０１０）と実質的に同様の単一セルユニット（３０１０）は、コンプライアントシール（１８００）によってスペーサプレート（１１００）に隣接する周縁部で支持され所定位置に保持される平面状のアノード支持ＳＯＦＣ（２１００）を含む。形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）の可撓性タブ（３５３５）は、アノード供給室（１４２０）およびカソード供給室（１４３０）内のＳＯＦＣ（２１００）の中央部へのさらなる支持を提供する。
【0070】
コンプライアントシール（１８００）は、ＳＯＦＣ（２１００）および従来の接着シールよりもはるかに剛性が低い。実施形態において、ＳＯＦＣ（２１００）は、約２２０ＧＰａの弾性率を有し、コンプライアントシール（１８００）は、約０．３ＭＰａの弾性率を有するアルミナフェルト、または艶消しセラミックウールから作製される。従来の硬質ガラスおよびガラス／セラミック複合シールは、ガラスの種類およびガラス／セラミック組成物に応じて、７５～１２０ＧＰａ以上の弾性率を有することができる。
【0071】
実施形態において、各コンプライアントシール（１８００）は、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（１０００、３０００、４０００）が組み立てられるとき、初期シール厚の約３０～４０パーセントの間で圧縮される。例えば、０．１２５インチの初期高さを有するセラミックフェルトを含むコンプライアントシール（１８００）は、組み立てられた０．０８インチの高さまで圧縮され、それによって初期シール高さの約３６％によって約６４％の圧縮までシールを圧縮する。言い換えれば、各圧縮シールは、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックが組み立てられるとき、平面状ＳＯＦＣが圧縮フェルトシール（１８００）によって約０．０９～０．１２ＭＰａの圧縮応力を受けるように、約０．３０～０．４０の圧縮歪みを受ける。セラミックフェルトなどから形成された従来のコンプライアントシールは、実質的に気密なシールを得るために初期シール厚の４０パーセントを超えるまで圧縮され、また、セラミックまたはガラス繊維を含浸させ、かつ油圧プレスで予備圧縮することができる。艶消しフェルトの圧縮は、フェルトのゆるい繊維マトリックスを固めて緻密化する傾向があり、それが材料の有効剛性を高め、材料歪の線形弾性限界を超えて材料に負荷をかける可能性がある。したがって、従来のコンプライアントシールは、開示された技術のコンプライアントシールと比較して、ＳＯＦＣスタックに組み立てられたときに、はるかに少ない残留コンプライアンスを含む。
【0072】
実施形態において、形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）は銅から形成され、それは３５０℃～５００℃のスタック動作温度範囲にわたって１０１～１０３ＧＰａの弾性率を有する。実施形態において、各形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）の高さは、相互接続部が配置されているアノードまたはカソード供給室（１４２０、１４３０）の高さよりも大きく、相互接続部の高さは約５～９５パーセント、または２５～４５パーセント減少する。例示的で非限定的な実施形態において、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（３０００）が組み立てられると、相互接続部の高さは約３０パーセント減少する。すなわち、各形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）の可撓性タブ（３５３５）は、スタックが組み立てられるときに可撓性タブに加えられる圧縮荷重に応じて撓む。スタック組み立て中に形成プレート相互接続部を着座させるために加えられる約３０ポンドの圧縮荷重の下では、可撓性タブ（１７３５）は、形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）が３０ポンド当たり約３０％、すなわち０．０２ＭＰａの圧縮荷重で撓む（すなわち、形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）各々が約０．１０ＭＰａの有効弾性率を有する。）ステンレス鋼から形成された従来のＳＯＦＣ相互接続部は、約２０５ＧＰａの弾性率を有することができる。
【0073】
同様に、メッシュまたはフォーム相互接続部（１５２０、１５３０）は、圧縮荷重下で変形して、機械的力および熱サイクルによって引き起こされる応力を吸収する。実施形態において、メッシュまたはフォーム相互接続部（１５２０、１５３０）は各々、形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）の有効弾性率よりも大きく、ステンレス鋼から形成された相互接続部よりも小さい有効弾性率を有する。
【0074】
コンプライアントシール（１８００）および相互接続部（１５２０、１５３０、３５２０、３５３０）は、ＳＯＦＣ（２０００、２１００、２２００）よりもはるかに剛性が低いので、コンプライアントシールおよび相互接続部はＳＯＦＣよりも容易に変形し、振動および機械的負荷は、ＳＯＦＣに転送されるのではなく、コンプライアントシールおよび相互接続部によって効果的に吸収される。さらに、ＳＯＦＣ（２０００、２１００、２１００）は、コンプライアントシール（１８００）および相互接続部（１５２０、１５３０、３５２０、３５３０）によって適所にしっかりと保持されていないので、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックの振動、衝撃、および剪断力は、大きな機械的応力をＳＯＦＣに伝達することなくＳＯＦＣの運動に変換することができる。コンプライアントシール（１８００）および相互接続部（１５２０、１５３０、３５２０、３５３０）は、例えば、輸送中またはその他のＨＰ－ＳＯＦＣスタック（１０００、４０００）の取り扱い中に発生する可能性がある、振動および衝撃または他のＨＰ－ＳＯＦＣスタックへの妨害による機械的応力による構造的損傷からＳＯＦＣ（２０００、２１００、２１００）を保護する。
【0075】
コンプライアントシール（１８００）、可撓性タブ（３５３５）、およびメッシュまたはフォーム相互接続部（１５２０、１５３０）は、ＳＯＦＣ室の金属壁およびＳＯＦＣ（２０００、２１００、２２００）の複合構造を、ＳＯＦＣ（２０００、２１００、２２００）に大きな応力または大きな歪をかけることなく、温度の変化に応じてＳＯＦＣ室の金属壁およびＳＯＦＣ（２０００、２１００、２２００）の複合構造を膨張および収縮させることを可能にする。コンプライアントシール（１８００）およびメッシュまたはフォーム相互接続部（１５２０、１５３０）は、圧縮および拡張するように構成され、可撓性タブ（３５３５）は、実質的な応力または歪みをＳＯＦＣ（２０００、２１００、２２００）に伝達することなく、熱サイクル中のＳＯＦＣ室壁およびＳＯＦＣ（２０００、２１００、２２００）の膨張および収縮によって引き起こされる変化する圧縮荷重の下で曲がり、および撓むように構成される。
【0076】
熱サイクルおよび熱衝撃事象中に、従来の硬質ガラスおよびガラス－セラミックシール材料に接着されているＳＯＦＣは、約１４５ＭＰａの剪断応力および２０～２５ＭＰａの最大主応力を受ける可能性がある。しかしながら、ＳＯＦＣ（２０００、２１００、２２００）は、ガラスおよびガラス－セラミックシーリング材料の場合のように、接着シールによって適所に固定されていないので、可撓性シール（１８００）、メッシュまたはフォーム相互接続部（１５２０、１５３０）、および可撓性タブ（３５３５）の表面と接触しているＳＯＦＣ（２０００、２１００、２２００）の表面は、熱サイクル中に互いに対して摺動することができ、それによって、ＳＯＦＣ（２０００、２１００、２２００）がさらされる剪断応力の大きさを防止または大幅に減らす。
【0077】
４．３．５ 耐熱電気絶縁シール
図１および図４を参照すると、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックは複数のスタックユニット（１０２０、４０２０）を含む。各スタックユニットは、後述するように、互いに接合された幾つかのプレートを含む。複数のスタックユニットを積み重ねてＳＯＦＣスタックが形成される。耐熱性電気絶縁材料の層がスタックユニット間に配置されて電気絶縁層を形成する（１８５０）。電気絶縁層（１８５０）は、第１のスタックユニットのスペーサプレート（１１００）と、隣接するスタックユニットのアノードフロープレート（１２００）またはアノードフロー覆工プレート（４７２０）との間に配置されている。例示的で非限定的な実施形態において、耐熱性電気絶縁材料の層は、マイカシール、例えばシリコンバインダ中にマイカを含むマイカシートなどを含む。電気絶縁層（１８５０）は、ＳＯＦＣのアノード電極とカソード電極とが電気的に短絡するのを防止し、マニホールド、通路、および隣接する積み重ねられたスタックユニットによって形成された室にガスシールを提供するように構成および配置されている。
図１および図４を参照すると、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックは複数のスタックユニット（１０２０、４０２０）を含む。各スタックユニットは、後述するように、互いに接合された幾つかのプレートを含む。複数のスタックユニットを積み重ねてＳＯＦＣスタックが形成される。耐熱性電気絶縁材料の層がスタックユニット間に配置されて電気絶縁層を形成する（１８５０）。電気絶縁層（１８５０）は、第１のスタックユニットのスペーサプレート（１１００）と、隣接するスタックユニットのアノードフロープレート（１２００）またはアノードフロー覆工プレート（４７２０）との間に配置されている。例示的で非限定的な実施形態において、耐熱性電気絶縁材料の層は、マイカシール、例えばシリコンバインダ中にマイカを含むマイカシートなどを含む。電気絶縁層（１８５０）は、ＳＯＦＣのアノード電極とカソード電極とが電気的に短絡するのを防止し、マニホールド、通路、および隣接する積み重ねられたスタックユニットによって形成された室にガスシールを提供するように構成および配置されている。
【0078】
電気絶縁層（１８５０）は、マイカシート材料が欠陥を含み得、かつまたはシール領域全体を完全に覆っていない場合があるので、気密シールを形成してもしなくてもよいが、ある程度の漏出が予想される。実際には、いくらかのアノードガスが、セルユニットのアノードフロープレートとスペーサプレートとの間で漏出し、ＳＯＦＣスタックを囲む環境、例えば、スタックが設けられているエンクロージャの内部に流れ込む。その後、アノードガスは、スタックの外側でガスと混合し、領域内で点火する（１２４４）。カソードガスがコンプライアントシールを通過してアノード供給室内に漏出する場合、アノードとカソードの混合ガスが、マイカシールを通過して、スタックから出て漏出し、点火する可能性がある。ＨＰ－ＳＯＦＣスタックの熱伝導体構成要素は、前述のように、燃焼によって発生した熱エネルギーを吸収して迅速に伝導する。
【0079】
対応するアノードおよびカソードガスマニホールド内のアノードまたはカソードガスは、耐熱性電気絶縁材料の層を越えて一方のマニホールドから別のマニホールドに漏出し得る。例えば、アノードガスがアノードガスマニホールドからカソードガスマニホールドに漏出し、カソードガスがカソードガスマニホールドからアノードガスマニホールドに漏出し得る。いずれの場合も、アノードガスとカソードガスは互いに混合して自己点火し（１２４６、１２４８）、それらが混合して点火する場所で熱エネルギーを発生させる。ＨＰ－ＳＯＦＣスタックの熱伝導体構成要素は、前述のように、燃焼によって発生した熱エネルギーを吸収して迅速に伝導する。
【0080】
４．３．６ 正方形または長方形のＨＰ－ＳＯＦＣスタック
図１、３、４、および５を参照すると、例示的で非限定的な実施形態において、ＨＰ－ＳＯＦＣのセルは、実質的に四辺形、例えば正方形または長方形の平面状ＳＯＦＣである。アノードおよびカソードマニホールドは、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックの第１の側に設けられ、排気ガスマニホールドはスタックの反対側の第２の側に設けられている。アノードおよびカソードガスは、アノードおよびカソードマニホールドからＳＯＦＣを横切って、それぞれ排気ガスマニホールドに流れる。さらなる実施形態において、アノードおよびカソードマニホールドは、両方ともＳＯＦＣスタックの同じ側に設けられている。アノードマニホールドおよびカソードマニホールドは、反対側、例えばスタックの前面および後面、またはスタックの左側もしくは右側に配置することができ、または、アノードガスマニホールドおよびカソードガスマニホールドの各々は、スタックの隣接する側に配置することができ、例えば、アノードガスマニホールドはスタックの前面に配置し、カソードガスマニホールドはスタックの右側に配置することができる。
図１、３、４、および５を参照すると、例示的で非限定的な実施形態において、ＨＰ－ＳＯＦＣのセルは、実質的に四辺形、例えば正方形または長方形の平面状ＳＯＦＣである。アノードおよびカソードマニホールドは、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックの第１の側に設けられ、排気ガスマニホールドはスタックの反対側の第２の側に設けられている。アノードおよびカソードガスは、アノードおよびカソードマニホールドからＳＯＦＣを横切って、それぞれ排気ガスマニホールドに流れる。さらなる実施形態において、アノードおよびカソードマニホールドは、両方ともＳＯＦＣスタックの同じ側に設けられている。アノードマニホールドおよびカソードマニホールドは、反対側、例えばスタックの前面および後面、またはスタックの左側もしくは右側に配置することができ、または、アノードガスマニホールドおよびカソードガスマニホールドの各々は、スタックの隣接する側に配置することができ、例えば、アノードガスマニホールドはスタックの前面に配置し、カソードガスマニホールドはスタックの右側に配置することができる。
【0081】
４．３．７ 正方形または長方形のＨＰ－ＳＯＦＣスタック動作モード
図４および図５を参照すると、実質的に四辺形のＨＰ－ＳＯＦＣスタック（４０００）の例示的な動作モードによるガス流れ場（５０００）が示されている。カソードマニホールドガス流（５１００）は、カソードマニホールド（１６３０）を通過し、そこからカソード入口ガス流（５１１０）としてセルユニット（４０１０）のカソード入口通路（１３２０）に入る。カソード入口ガス流（５１１０）は、カソードガス入口通路（１３２０）を横断してカソード供給室（１４３０）に入る。カソードガスは、ＳＯＦＣカソード表面ガス流（５１２０）としてＳＯＦＣ（５５００）のカソード表面（５５１０）を横切って流れる。カソードガスは、カソード排気ガスとしてカソード供給室（１４３０）から流出する。カソード排気ガスは、カソード出口通路（１３３０）を通ってＨＰ－ＳＯＦＣスタック（４０００）内に配置された排気ガス燃焼室（１３４０）に流れ、そこでカソード排気ガスはアノード排気ガスと混合してアノードとカソードの混合排気ガス（１９２０、５３１０）の成分となる。
図４および図５を参照すると、実質的に四辺形のＨＰ－ＳＯＦＣスタック（４０００）の例示的な動作モードによるガス流れ場（５０００）が示されている。カソードマニホールドガス流（５１００）は、カソードマニホールド（１６３０）を通過し、そこからカソード入口ガス流（５１１０）としてセルユニット（４０１０）のカソード入口通路（１３２０）に入る。カソード入口ガス流（５１１０）は、カソードガス入口通路（１３２０）を横断してカソード供給室（１４３０）に入る。カソードガスは、ＳＯＦＣカソード表面ガス流（５１２０）としてＳＯＦＣ（５５００）のカソード表面（５５１０）を横切って流れる。カソードガスは、カソード排気ガスとしてカソード供給室（１４３０）から流出する。カソード排気ガスは、カソード出口通路（１３３０）を通ってＨＰ－ＳＯＦＣスタック（４０００）内に配置された排気ガス燃焼室（１３４０）に流れ、そこでカソード排気ガスはアノード排気ガスと混合してアノードとカソードの混合排気ガス（１９２０、５３１０）の成分となる。
【0082】
アノードガスは、アノードガスマニホールド（１６２０）を通り、そこからセルユニット（４０１０）のアノード入口通路（１２２０）に流れ、そこを通ってアノード供給室（１４２０）に流れる。アノードマニホールドガス流（５２００）は、アノードガスマニホールド（１６２０）を通って流れ、アノードガス入口（１２２０）に入る。アノードガスは、アノード入口ガス流（５２１０）としてアノードガス入口通路（１２２０）を通り、そこからアノード供給室（１４２０）に流れる。アノードガスは、アノード表面ガス流（５２２０）としてＳＯＦＣ（５５００）のアノード表面（５５２０）を横切って流れる。アノードガスは、アノード排気としてアノード供給室（１４２０）から流出する。アノード排気は、アノード出口通路（１２３０）を通り、そこを通ってアノード排気ガス流（５２３０）として排気ガス燃焼室（１３４０）に流れる。アノード排気ガスは、排気ガス燃焼室（１３４０）内でカソード排気ガスと混合してアノードとカソードの混合排気ガス（１９２０、５３１０）の成分となる。
【0083】
アノードとカソードの混合排気ガス（１９２０、５３１０）は、排気ガス燃焼室（１３４０）内で点火して燃焼する。アノードとカソードの混合排気ガス流（１９２０、５３１０）の燃焼によって発生した熱エネルギーは、排気ガス燃焼室（１３４０）の壁に伝達される。排気ガス燃焼室（１３４０）の壁の温度は、アノードとカソードの混合排気ガス（１９２０、５３１０）の自己着火温度よりも高い温度に維持され、混合排気ガスは、点火器が燃焼を開始することを必要とせずに燃焼室（１３４０）内で自己点火する。
【0084】
排気ガス燃焼室（１３４０）内でのアノードとカソードの混合排気ガスの燃焼は燃焼排気ガスを発生させる。燃焼排気ガスは、燃焼排気出口ガス流（５３２０）として、排気ガス燃焼室（１３４０）から排気ガス出口通路（１３５０）を通って排気ガスマニホールド（１６５０）へ流れる。高温燃焼排気ガスは、燃焼排気マニホールドガス流（５３００）として排気マニホールド内のスタックを通過する。熱エネルギーは、燃焼排気ガスから排気ガス燃焼室（１３４０）の壁に伝達され、カソードフロープレート（１３００）を通ってＨＰ－ＳＯＦＣスタック（４０００）の隣接するスタックプレートに、およびスタック全体にわたって迅速に伝導される。熱エネルギーは、燃焼排気マニホールドガス流（５３００）と排気ガスマニホールド（１６５０）の壁との間で伝達され、さらにＨＰ－ＳＯＦＣスタック全体に熱エネルギーを伝達する。
【0085】
４．３．８ 円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタック
図６を参照すると、例示的な円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（図示せず）の例示的な動作モードによるガス流れ場（６０００）が示されている。円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタックのセルは、実質的に円形の平面状ＳＯＦＣを含み、円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタックは実質的に円形である。円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタックは、１つ以上のアノードガスマニホールド、１つ以上のカソードガスマニホールド、および１つ以上の排気ガスマニホールドを含むことができる。マニホールドは、円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタックを構成する熱伝導プレートに形成された特徴を含むことができる。図６を参照すると、１つのアノードガスマニホールド、１つのカソードガスマニホールド、および３つの排気ガスマニホールドを含む円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタックの例示的な実施形態についてのガス流れ場（６０００）が示されている。さらなる実施形態において、円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタックは、複数のアノードおよびカソードガスマニホールド、例えば３つのアノードガスマニホールド、３つのカソードガスマニホールドを含むことができ、３つよりも多い排気ガスマニホールドを含むことができる。円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタックの例示的な実施形態は、スタックの周囲の近くに配置され、スタックの周囲に均等に離間した６つの排気ガスマニホールドを含む。より一般的には、円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタックは、少なくとも１つのアノードガスマニホールド、カソードガスマニホールド、および排気ガスマニホールドを各々含み、かつ性能または他の要件を満たすために、例えば、スタックを通るアノードまたはカソードガス流の特定の圧力降下を達成するためには、各マニホールドを２つ以上含むことができる。
図６を参照すると、例示的な円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（図示せず）の例示的な動作モードによるガス流れ場（６０００）が示されている。円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタックのセルは、実質的に円形の平面状ＳＯＦＣを含み、円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタックは実質的に円形である。円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタックは、１つ以上のアノードガスマニホールド、１つ以上のカソードガスマニホールド、および１つ以上の排気ガスマニホールドを含むことができる。マニホールドは、円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタックを構成する熱伝導プレートに形成された特徴を含むことができる。図６を参照すると、１つのアノードガスマニホールド、１つのカソードガスマニホールド、および３つの排気ガスマニホールドを含む円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタックの例示的な実施形態についてのガス流れ場（６０００）が示されている。さらなる実施形態において、円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタックは、複数のアノードおよびカソードガスマニホールド、例えば３つのアノードガスマニホールド、３つのカソードガスマニホールドを含むことができ、３つよりも多い排気ガスマニホールドを含むことができる。円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタックの例示的な実施形態は、スタックの周囲の近くに配置され、スタックの周囲に均等に離間した６つの排気ガスマニホールドを含む。より一般的には、円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタックは、少なくとも１つのアノードガスマニホールド、カソードガスマニホールド、および排気ガスマニホールドを各々含み、かつ性能または他の要件を満たすために、例えば、スタックを通るアノードまたはカソードガス流の特定の圧力降下を達成するためには、各マニホールドを２つ以上含むことができる。
【0086】
４．３．９ 円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタック動作モード
図６を参照すると、円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタックの例示的な動作モードによるガス流れ場（６０００）が示されている。カソードマニホールドガス流（６１００）およびカソード入口ガス流（６１１０）は、円形ＳＯＦＣ（６５００）のカソード面（６５１０）を横切るカソードガスの流れを提供するＳＯＦＣカソード表面ガス流（６１２０）にカソードガスを供給する。カソード表面ガス流（６１２０）は、円形ＳＯＦＣ（６５００）のカソード面（６５１０）の中央部からカソード面（６５１０）の外縁に向かって半径方向外向きに流れ、そこでカソード排気流となり、アノードとカソードの混合排気ガス（６３１０、６３１２、６３１４）の成分としてアノード排気と混合される。
図６を参照すると、円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタックの例示的な動作モードによるガス流れ場（６０００）が示されている。カソードマニホールドガス流（６１００）およびカソード入口ガス流（６１１０）は、円形ＳＯＦＣ（６５００）のカソード面（６５１０）を横切るカソードガスの流れを提供するＳＯＦＣカソード表面ガス流（６１２０）にカソードガスを供給する。カソード表面ガス流（６１２０）は、円形ＳＯＦＣ（６５００）のカソード面（６５１０）の中央部からカソード面（６５１０）の外縁に向かって半径方向外向きに流れ、そこでカソード排気流となり、アノードとカソードの混合排気ガス（６３１０、６３１２、６３１４）の成分としてアノード排気と混合される。
【0087】
アノードマニホールドガス流（６２００）およびアノード入口ガス流（６２１０）は、アノードガスをＳＯＦＣアノード表面ガス流（６２２０）に引き渡し、それは円形ＳＯＦＣ（６５００）のアノード面（６５２０）を横切るアノードガスの流れを提供する。アノード表面ガス流（６２２０）は、円形ＳＯＦＣ（６５００）のカソード面（６５２０）の中央部から円形ＳＯＦＣ（６５００）のアノード面（６５２０）の外縁に向かって半径方向外向きに流れ、そこでアノード排気流（６２３０、６２３２、６２３４）となる。アノード排気ガス流（６２３０、６２３２、６２３４）は、アノード排気ガスをアノードとカソードの混合排気ガス（６３１０、６３１２、６３１４）に引き渡す。
【0088】
アノードとカソードの混合排気ガス（６３１０、６３１２、６３１４）は各々、３つの排気ガス燃焼室（図示せず）のうちの１つの内部で点火し燃焼する。各排気ガス燃焼室は、排気ガス燃焼室（１３４０）と実質的に同様であり、１つ以上の熱伝導プレートの特徴によって形成されている。各排気ガス燃焼室は、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも大きい熱伝導率を有する材料で形成された壁を含む。アノードとカソードの混合排気ガス（６３１０、６３１２、６３１４）の燃焼によって発生した熱エネルギーは、排気ガス燃焼室の壁に伝達され、排気ガス燃焼室（図示せず）を構成する１つ以上の熱伝導プレートを通って、円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（図示せず）の熱伝導プレートとスタック全体に急速に伝導される。排気ガス燃焼室の壁の温度は、アノードとカソードの混合排気ガスの自己着火温度（６３１０、６３１２、６３１４）よりも高い温度に維持され、混合排気ガスは、点火器が燃焼を開始することを必要とせずに燃焼室内で自己点火する。
【0089】
排気ガス燃焼室内でのアノードとカソードの混合排気ガスの燃焼は高温の燃焼排気ガスを発生させる。燃焼排気ガス出口流（６３２０、６３２２、６３２４）が燃焼排気マニホールドガス流（６３００、６３０２、６３０４）に流れるにつれて、燃焼排気ガスが流れる。高温の燃焼排気ガスは、燃焼排気マニホールドガス流（６３００、６３０２、６３０４）として、排気マニホールド内の円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタックを通過する。熱エネルギーは、燃焼排気マニホールドガス流（６３００、６３０２、６３０４）と、燃焼排気ガスが流れる排気ガスマニホールドの壁（図示せず）との間で伝達され、それによって熱付加エネルギーを円形ＨＰ－ＳＯＦＣスタック全体に伝達する。
【0090】
４．４ ＨＰ－ＳＯＦＣスタックの形成方法
ＨＰ－ＳＯＦＣスタックは、アノードガスマニホールドスルーホールがアノードガスマニホールドを形成するように位置合わせされ、カソードガスマニホールドスルーホールがカソードガスマニホールドを形成するように位置合わせされ、かつ排気ガスマニホールドスルーホールが排気ガスマニホールドを形成するように整列されるように、隣接プレートのマニホールドスルーホールを整列させながら、ＨＰ－ＳＯＦＣプレートを積み重ねることによって形成される。
ＨＰ－ＳＯＦＣスタックは、アノードガスマニホールドスルーホールがアノードガスマニホールドを形成するように位置合わせされ、カソードガスマニホールドスルーホールがカソードガスマニホールドを形成するように位置合わせされ、かつ排気ガスマニホールドスルーホールが排気ガスマニホールドを形成するように整列されるように、隣接プレートのマニホールドスルーホールを整列させながら、ＨＰ－ＳＯＦＣプレートを積み重ねることによって形成される。
【0091】
図４を参照すると、第１のスタックユニット（４０２０）は、アノードフロー覆工プレート（４７２０）、熱伝導体アノードフロープレート（１２００）、セパレータ覆工プレート（４７１０）、熱伝導体カソードフロープレート（１３００）、カソードフロー覆工プレート（４７３０）、および熱伝導体スペーサプレート（１１００）を積み重ねられることにより形成され、積み重ねられたプレートを互いに接合することによってスタックユニット（４０１０）を形成する。例示的で非限定的な実施形態において、プレートは互いに、蝋付けされる。さらなる実施形態において、スタックは、例えば過渡液相（ＴＬＰ）接合、拡散接合、および溶接を含む他の既知の接合技術を使用して互いに接合することができる。
【0092】
熱伝導体スペーサプレートの環状壁（１１１０）は、環状セル空洞（１４００）の壁を形成し、覆工カソードフロープレート（４７３０）の平面状の表面は、環状セル空洞の底壁を形成する。第１の環状コンプライアントシール（１８００）およびカソード形成プレート相互接続部（３５３０）が、セル空洞（１４００）内に置かれ、平面状ＳＯＦＣ（２０００）が、セル空洞内で、カソード形成プレート相互接続部（３５３０）と対向するＳＯＦＣのカソード表面（２０４２）を有する、第１の環状コンプライアントシールの上に置かれる。第２の環状コンプライアントシールおよびアノード形成プレート相互接続部（３５２０）が、環状ＳＯＦＣ空洞（１４００）内で、平面状ＳＯＦＣ（２０００）の上に置かれる。耐熱性電気絶縁材料の層（１８５０）が、スペーサプレート（１１００）の上に積み重ねられている。
【0093】
第２のスタックユニット（４０２０）が形成され、第１のスタックユニットの熱伝導体スペーサプレート（１１００）に対向する第２のスタックユニットのアノードフロー覆工プレート（４７２０）と共に、耐熱性電気抵抗材料の層の上に積み重ねられる。平面状ＳＯＦＣ、相互接続部、およびコンプライアントシールが、第２のスタックユニットのＳＯＦＣ空洞内に配置されている。実施形態において、約３０ポンドの圧縮力が複数のスタックユニット（４０２０）のアセンブリに加えられて、コンプライアントシール（１８００）および形成プレート相互接続部（１５２０、１５３０）を着座させる、すなわちシールおよび相互接続部を形成時の高さまたは厚さから組み立て時の高さまたは厚さに圧縮する。スタックユニットを分離する耐熱性電気絶縁材料の層と、各スタックユニットの環状ＳＯＦＣ空洞内に配置されたＳＯＦＣおよびコンプライアントシールとを用いて、さらなるスタックユニットが形成および積み重ねられる。このプロセスを繰り返すことによって、さらなるスタックユニットをスタックに追加することができる。
【0094】
スタックのセルユニット（４０１０）は、ＳＯＦＣ（２０００）、アノードおよびカソード供給室（１４２０、１４３０）、ならびにＳＯＦＣに隣接する形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）、ならびにＳＯＦＣと関連付けられたアノードおよびカソード供給室に隣接するアノードおよびカソードフロープレート（１２００、１３００）を含む。セルユニット（４０１０）は、第１のスタックユニット（４０２０）のカソードフロー（１３００）プレートおよびスペーサプレート（１１００）と、隣接する第２のスタックユニット（４０２０）のアノードフロープレート（１２００）とを含む。スペーサプレート（１１００）とアノードフロープレート（１２００）との間に配置された耐熱性電気絶縁材料（１８５０）の層は、セルユニットのアノード電極とカソード電極とが短絡するのを防止する。
【0095】
ＨＰ－ＳＯＦＣスタックは、各々がマニホールドと、アノードまたはカソード供給室との間の通路を含む、頂部および底部スタックプレート（図示せず）を含むことができる。頂部スタックの端プレートは、アノードガスマニホールドのアノード供給室までの間の第１の通路と、アノード供給室の排気マニホールドまでの間の第２の通路とを含む。底部スタックの端プレートは、カソードガスマニホールドのカソードガス供給室までの間の第１の通路と、カソード供給室の排気ガスマニホールドまでの間の第２の通路とを含む。頂部端プレートおよび底部端プレートは、各々、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも大きい熱伝導率を有する材料から製作され、各々熱エネルギーを迅速に伝導するのに十分な熱質量を含む。
【0096】
所望の数のセルユニットがＨＰ－ＳＯＦＣスタックに組み立てられるとき、頂部スタックプレートは、スペーサプレートに対向するスタックの第１の端部の上に積み重ねられ、スタックに追加された前のスタックユニットの耐熱性電気絶縁材料の層の上に積み重ねられる。実施形態において、アノード覆工フロープレートが、耐熱性電気絶縁材料と頂部スタックプレートとの間に挿入される。底部プレートが、スタックの反対側に追加されている。スタックは、頂部および底部の端プレートに加えられた締め付け力によって、一緒に保持される。実施形態において、頂部端プレートおよび底部端プレートは、圧縮力を加えるように構成および配置されたねじり部材によって接合されている。実施形態において、約２００から８００ポンドの圧縮力が、組み立てられたスタックに加えられる。
【0097】
図１を参照すると、覆工プレートを伴わないＨＰ－ＳＯＦＣスタックの実施形態は、スタックユニット間に配置された耐熱性電気絶縁材料（１８５０）の層と、各スタックユニットのセル空洞に配置されたＳＯＦＣとを伴う、複数のスタックユニット（１０２０）を積み重ねることによって同様に形成される。各スタックユニットは、アノードフロープレート（１２００）、カソードフロープレート（１３００）、およびスペーサプレート（１１００）を含むスタックユニット（１０２０）の構成要素を積み重ねて接合すること、ならびにセル空洞（１４００）内にＳＯＦＣ（２０００）、コンプライアントシール（１８００）、およびメッシュまたはフォーム相互接続部（１５２０、１５３０）を積み重ねることによって形成される。
【0098】
図３Ｂを参照すると、形成プレート相互接続部を伴うＨＰ－ＳＯＦＣスタックの実施形態は、メッシュ相互接続部またはフォーム相互接続部（１５２０、１５３０）の代わりに形成プレート相互接続部（３５２０、３５３０）を積み重ねることによって同様に形成できる。
【0099】
ＨＰ－ＳＯＦＣスタックの実施形態は、例えば電解質支持ＳＯＦＣ（２０００）の代わりに、アノード支持ＳＯＦＣ（２１００）または金属支持ＳＯＦＣ（２２００）を積み重ねることによって同様に任意の好適な平面状ＳＯＦＣで形成することができる。
【0100】
４．５ ＨＰ－ＳＯＦＣシステム
図７を参照すると、ＨＰ－ＳＯＦＣシステム（７０００）および外部負荷（７９００）が示されている。ＨＰ－ＳＯＦＣシステム（７０００）は、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）を含む。ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）は、スタックで発生した電流を外部負荷（７９００）に供給するために、スタックの第１の端部（７１０２）に配置され、頂部スタックプレート（７１２２）に電気的に結合された正電気端子（７１１２）と、スタックの第１の端部（７１０２）に対向するスタックの第２の端部（７１０４）に配置され、底部スタックプレート（７１２４）に電気的に結合された負電気端子（７１１４）と、を含む。外部負荷（７９００）の例示的で非限定的な例は、ＤＣ電力消費デバイスまたはバッテリ、ＤＣ電力網または電力共有ネットワークなどの電力網、電力管理デバイス置、およびＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）からのＤＣ電力信号をＡＣ電力信号に変換するように構成されたＡＣインバータを含む。
図７を参照すると、ＨＰ－ＳＯＦＣシステム（７０００）および外部負荷（７９００）が示されている。ＨＰ－ＳＯＦＣシステム（７０００）は、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）を含む。ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）は、スタックで発生した電流を外部負荷（７９００）に供給するために、スタックの第１の端部（７１０２）に配置され、頂部スタックプレート（７１２２）に電気的に結合された正電気端子（７１１２）と、スタックの第１の端部（７１０２）に対向するスタックの第２の端部（７１０４）に配置され、底部スタックプレート（７１２４）に電気的に結合された負電気端子（７１１４）と、を含む。外部負荷（７９００）の例示的で非限定的な例は、ＤＣ電力消費デバイスまたはバッテリ、ＤＣ電力網または電力共有ネットワークなどの電力網、電力管理デバイス置、およびＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）からのＤＣ電力信号をＡＣ電力信号に変換するように構成されたＡＣインバータを含む。
【0101】
ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）は、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックエンクロージャ（７２００）内に配置されている。ＨＰ－ＳＯＦＣスタックエンクロージャ（７２００）は、断熱材（７２１０）を含む断熱エンクロージャを含むことができる。例示的で非限定的な実施形態において、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックエンクロージャ（７２００）は、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）を囲む熱伝導性スタックエンクロージャ部を含み、熱伝導性スタックエンクロージャ部は断熱エンクロージャ部によって囲まれる。
【0102】
ＨＰ－ＳＯＦＣシステム（７０００）は、燃料（７１７０）、燃料と酸化剤の混合物（７１７４）、および／もしくはアノード燃料（７１７６）を燃焼させるための燃焼器、電気抵抗ヒータ、またはコールドスタートプロセス中にＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）の温度を動作温度まで上昇させるための熱エネルギーを供給するように配置された他の好適な熱エネルギー源を含むことができる、コールドスタートモジュール（７３００）を任意選択的に含むことができる。
【0103】
実施形態において、ＨＰ－ＳＯＦＣシステム（７０００）は、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）からのＳＯＦＣスタック排気ガス（７１５０）を含む任意の未燃焼燃料を燃焼させて、高温燃焼ＳＯＦＣスタック排気ガス（７１５２）を生成する任意選択的なテールガス燃焼器（７４００）を含む。別の実施形態において、ＨＰ－ＳＯＦＣシステム（７０００）は、テールガス燃焼器を含まず、アノードとカソードの混合排気ガスの実質的に全ての可燃性成分は、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）内、例えば排気ガス燃焼室（１３４０）内で燃焼され、その結果、ＳＯＦＣスタックを出るガスは、主に燃焼ＳＯＦＣスタック排気ガス（７１５２）を含み、未燃燃料をほとんどまたは実質的に含まない。ＳＯＦＣシステムの排気ガス（７１５４）は、排気ガス導管（７２５４）を介してＨＰ－ＳＯＦＣスタックエンクロージャ（７２００）を通過する。
【0104】
実施形態において、ＨＰ－ＳＯＦＣシステム（７０００）は、燃焼ＳＯＦＣスタック排気ガス（７１５２）と入口カソードガス（７１６０）との間で熱エネルギーを交換するように配置され、それによって冷たい入口カソードガスを加温して、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）に供給するための温かいカソードガス（７１６２）を生成する、任意選択的な熱交換器（７５００）を含む。代替的な実施形態において、ＳＯＦＣシステム（７０００）は、熱交換器（７５００）を含まず、カソードガスがＳＯＦＣスタック（７１００）を通過するときに、入口カソードガス（７１６０）は、カソードガスマニホールド（１６３０）の壁からの熱エネルギー伝達によって加温される。
【0105】
ＨＰ－ＳＯＦＣシステム（７０００）は、燃料入力モジュール（７６００）および燃料反応器（７７００）を含む燃料処理構成要素を含む。燃料入力モジュール（７６００）は、空気または他の酸素含有ガスもしくはガスの混合物を含むことができる炭化水素燃料（７１７０）の流量および酸化剤（７１７２）の流量を制御するように構成されている。燃料入力モジュールは、制御可能な弁、燃料ポンプ、酸化剤ポンプ、送風機、または他の酸化剤および燃料圧力源、ならびに体積または質量フローコントローラを含み得る。燃料入力モジュール（７６００）は、燃料（７１７０）と酸化剤（７１７２）を混合し、燃料と酸化剤（７１７４）の混合物を燃料反応器（７７００）に供給するためのミキサを含む。燃料反応器（７７００）は、燃料と酸化剤との混合物（７１７４）を反応させて、合成ガス、またはＣＯ、Ｈ２および他の反応生成物を含むガスの混合物、を含むアノード燃料（７１７６）を生成するように配置されている。例示的な実施形態において、燃料反応器（７７００）は、触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）反応器を含む。燃料反応器（７７００）は、ＣＰＯＸ反応器、オート熱反応器（ＡＴＲ）、水蒸気改質器、またはＣＰＯＸ、ＡＴＲ、および水蒸気改質器の各々の１つ以上を含むハイブリッド改質器を含むことができる。実施形態において、ＨＰ－ＳＯＦＣシステム（７０００）は、プロパンを燃料として使用するように構成されている（７１７０）。さらなる実施形態において、ＨＰ－ＳＯＦＣシステム（７０００）は、液体天然ガス、灯油、メタン、またはＪＰ－６を含むがこれらに限定されない他の炭化水素燃料（７１７０）を使用するように構成されている。
【0106】
ＨＰ－ＳＯＦＣシステム（７０００）は、制御信号およびプロセスパラメータ測定信号を含む信号を、燃料入力モジュール（７６００）、コールドスタートモジュール（７３００）を含むシステム構成要素と交換するように構成された電子コントローラ（７８００）と、燃料反応器（７７００）、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）、テールガス燃焼器（７４００）、熱交換器（７５００）、およびＨＰ－ＳＯＦＣスタックエンクロージャ（７２００）のうちの１つ以上の温度を測定するように配置され温度プローブ（図示せず）とをさらに含む。電子コントローラ（７８００）は、限定されないが、例えば、燃料反応器（７７００）の温度、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）の温度、および測定または報告された外部負荷の消費電力（７９００）を含むプロセスパラメータ測定信号に応じて、例えば燃料入力モジュール（７６００）を含むシステム構成要素の動作を制御するように構成されている。
【0107】
ＨＰ－ＳＯＦＣシステム（７０００）は、ＨＰ－ＳＯＦＣスタックエンクロージャ（７２００）の外部上に空気流を提供するように配置されたファンまたは送風機などの冷却手段（図示せず）を任意選択的にさらに含む。
【0108】
ＨＰ－ＳＯＦＣシステム（７０００）は、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）、燃料反応器（７７００）およびＨＰ－ＳＯＦＣスタックエンクロージャ（７２００）を含むシステム構成要素の温度を監視し、温度データ入力を含む信号を電子コントローラ（７８００）に通信するための温度センサ（図示せず）を含む。電子コントローラ（７８００）は、温度センサによって通信された温度データを、冷却手段の動作およびソフトウェア制御システムシャットダウンの制御を含む、システム動作パラメータを制御するための制御アルゴリズムへの入力として使用する。
【0109】
ＨＰ ＳＯＦＣシステム（７０００）は、高い熱伝導率を有する材料を含む外側エンクロージャ（図示せず）と、熱伝導外側エンクロージャに配置された温度ヒューズ（図示せず）であって、温度ヒューズが閾値温度に達するのに応答して、燃料（７１７０）の入力を遮断するように構成された温度ヒューズと、をさらに含むことができる。
【0110】
４．６ スタック電流
図７を参照すると、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）は、スタックの第１の端部（７１０２）に配置された正電気端子（７１１２）と、スタックの第２の端部（７１０４）に配置された負電気端子（７１１４）とを含み、スタックの第２の端部は、スタックの第１の端部に対向する。正子および負の端子（７１１２、７１１４）は、スタックを外部負荷（７９００）に接続するように構成されている。ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）のＳＯＦＣは、電気的に直列に一緒に接続され、かつ正および負の電気端子（７１１２、７１１４）に電気的に接続される。図４を参照すると、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）の実施形態を含むＨＰ－ＳＯＦＣスタック（４０００）は、ＳＯＦＣ（２１００）が電気的に短絡するのを防止するために配置された耐熱性電気絶縁材料（１８５０）の層を含む。
図７を参照すると、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）は、スタックの第１の端部（７１０２）に配置された正電気端子（７１１２）と、スタックの第２の端部（７１０４）に配置された負電気端子（７１１４）とを含み、スタックの第２の端部は、スタックの第１の端部に対向する。正子および負の端子（７１１２、７１１４）は、スタックを外部負荷（７９００）に接続するように構成されている。ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）のＳＯＦＣは、電気的に直列に一緒に接続され、かつ正および負の電気端子（７１１２、７１１４）に電気的に接続される。図４を参照すると、ＨＰ－ＳＯＦＣスタック（７１００）の実施形態を含むＨＰ－ＳＯＦＣスタック（４０００）は、ＳＯＦＣ（２１００）が電気的に短絡するのを防止するために配置された耐熱性電気絶縁材料（１８５０）の層を含む。
【0111】
本発明を好ましい実施形態に関して上で説明してきたが、それに限定されないことも当業者には理解されるであろう。上述の発明の様々な特徴および態様は、個別にまたは一緒に使用することができる。さらに、本発明は、特定の環境における、および特定の用途（例えば、固体酸化物燃料セルユニットセルおよびユニットセルのＳＯＦＣスタック）のために、その実装形態の文脈で記載されてきたが、当業者は、その有用性がそれに限定されず、かつ本発明が、熱伝導によって熱エネルギー分布をより効率的に管理することが望ましい、任意の数の環境および実装形態において有益に利用され得ることを認識するであろう。したがって、以下に記載の請求項は、本明細書に開示されている本発明の全範囲および精神を考慮して解釈されるべきである。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
