JP-2026514680-A - フラットセパレータを有する電解セルユニットおよび電解セルユニットの製造方法

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Abstract

本願は、電気化学的に活性なセル領域（１３５０）を備えるセル層（１３１４）であって、第１の側（１３１５ａ）および第２の側（１３１５ｂ）を有するセル層（１３１４）を有する電解槽セルユニットに関する。セルユニットは、セル層（１３１４）の第１の側（１３１５ａ）に燃料を送達するための第１の流体流れ領域（１３６０）と、セル層（１３１４）の前記第２の側（１３１５ｂ）から流体を排出するための第２の流体流れ領域（１３６５）とを画定する。第２の流体流れ領域（１３６５）の断面積は、第１の流体流れ領域（１３６０）の断面積よりも小さい。【選択図】図１３Ａ

Inventors

ヘルツ，ゾルタン
ヒャルマルソン，ペル
ノブス，クリストファージェームズ
ガヴェル，ダンカンアルバートヴォイチェフ

Assignees

セレスインテレクチュアルプロパティーカンパニーリミテッド

Dates

Publication Date: 20260513
Application Date: 20240405
Priority Date: 20230406

Claims (20)

電気化学的に活性なセル領域を備えるセル層であって、第１の側および第２の側を有するセル層と、前記セル層の前記第１の側に燃料を送達するための第１の流体流れ領域と、前記セル層の前記第２の側から流体を排出するための第２の流体流れ領域であって、前記第２の流体流れ領域の断面積が前記第１の流体流れ領域の断面積よりも小さい、第２の流体流れ領域とを備える電解セルユニット。
第１の側および第２の側を有するセパレータプレートであって、前記セパレータプレートの前記第２の側は、前記セル層の前記第１の側の上に重なり、前記第１の流体流れ領域を形成するように離隔配置された状態で前記セル層の前記第１の側に対向している、セパレータプレートをさらに備える、請求項１に記載の電解セルユニット。
前記第２の流体流れ領域は、前記セル層の前記第２の側と、近接電解セルユニットのセパレータプレートの第１の側との間の領域によって画定される、請求項２に記載の電解セルユニット。
第１の側および第２の側を有するセパレータプレートであって、前記セパレータプレートの前記第１の側は、前記セル層の前記第２の側の上に重なり、前記第２の流体流れ領域を形成するように離隔配置された状態で前記セル層の前記第２の側に対向している、セパレータプレートをさらに備える、請求項１に記載の電解セルユニット。
前記第１の流体流れ領域は、前記セル層の前記第１の側と、近接電解セルユニットのセパレータプレートの第２の側との間の領域によって画定される、請求項４に記載の電解セルユニット。
前記第２の流体流れ領域は、前記セパレータプレートの前記第１の側の層のトポロジによって画定される、請求項２～請求項５のいずれか一項に記載の電解セルユニット。
前記セパレータプレートの前記第１の側は、前記第２の流体流れ領域を形成するために、その上に堆積または印刷された特徴部を備える、請求項２～請求項６のいずれか一項に記載の電解セルユニット。
前記セパレータプレートの前記第１の側は、前記第２の流体流れ領域を形成するために、その上の層に形成された特徴部を備える、請求項２～請求項６のいずれか一項に記載の電解セルユニット。
前記特徴部は、前記セパレータの前記第２の側から前記セル層の前記第１の側に向かって延びる複数のリブ、前記セパレータの前記第２の側から前記セル層の前記第１の側に向かって延びる複数の離散突起、または多孔質層のうちの少なくとも１つを備える、請求項７または請求項８に記載の電解セルユニット。
前記セパレータプレートは、平面状の前記電気化学的に活性なセル領域の少なくとも一部の上に重なる領域を有し、その領域は、前記セル層の前記第１の側から離れる方向に向けられた、プレス加工または成形突起を有さない、請求項２～請求項９のいずれか一項に記載の電解セルユニット。
前記セパレータプレートは、前記電気化学的に活性なセル領域の少なくとも一部の上に重なる領域を有し、その領域には、前記第１の流体流れ領域を形成するために前記セル層の前記第１の側に向けられた複数のプレス加工または成形突起が設けられ、これらのプレス加工または成形突起は、前記セパレータプレートの前記第２の側から外方に延び、そのことにより、前記セパレータプレートの前記第２の側に凸状突起を形成し、前記セパレータプレートの前記第１の側に凹状窪みを形成する、請求項２～請求項１０のいずれか一項に記載の電解セルユニット。
前記セパレータプレートには、前記第１の流体流れ領域を形成するために前記セパレータプレートの前記第２の側から前記セル層の前記第１の側に向かって延びる複数のプレス加工または成形リブが設けられ、各リブの対応する凹状側は、前記第２の流体流れ領域を形成するために前記セパレータプレートの前記第１の側にチャネルを形成する、請求項２～請求項５のいずれか一項に記載の電解セルユニット。
前記セパレータプレートは、前記電気化学的に活性なセル領域の少なくとも一部の上に重なる領域を有し、その領域には、前記セル層の前記第１の側に向けられた複数のプレス加工または成形突起が設けられ、各リブの凹状側は、前記突起を流体接続し、そのことにより、前記リブおよび前記突起が前記第２の流体流れ領域を形成する、請求項１２に記載の電解セルユニット。
前記突起は、前記セル層の前記第１の側に接触するように適合され、前記リブは、前記セル層の前記第１の側に接触しないように適合される、請求項１３に記載の電解セルユニット。
前記セパレータプレートは、少なくとも前記電気化学的に活性なセル領域にわたって延在する領域を有し、前記領域は、前記セル層に向けられた突起、または前記セパレータプレートを前記セル層から分離するための他の構成要素を含まない、請求項２～請求項１４のいずれか一項に記載の電解セルユニット。
前記セパレータプレートは、前記第１の流体流れ領域を形成する前記離隔配置を維持するために、前記セパレータプレートの前記第１の側と前記第２の側との圧力差に曝されるように適合される、請求項１５に記載の電解セルユニット。
前記第１の流体流れ領域は、前記セパレータプレートの前記第２の側の層のトポロジによって画定される、請求項２～請求項１０のいずれか一項に記載の電解セルユニット。
前記セパレータプレートの前記第２の側は、前記第１の流体流れ領域を形成するためにその上に堆積された特徴部を備える、請求項１７に記載の電解セルユニット。
前記セパレータプレートの前記第２の側は、前記第２の流体流れ領域を形成するためにその中に形成された特徴部を備える、請求項１７に記載の電解セルユニット。
前記特徴部は、前記セパレータの前記第２の側から前記セル層の前記第１の側に向かって延びる複数のリブ、前記セパレータの前記第２の側から前記セル層の前記第１の側に向かって延びる複数の離散突起、または多孔質層のうちの少なくとも１つを備える、請求項１８または請求項１９に記載の電解セルユニット。

Description

本発明は、フラットセパレータを有する電気化学セルユニット、特に燃料電池ユニットおよび電解セルユニット、そのようなセルユニットを含むスタック、そのようなセルユニットで使用するためのセパレータプレート（インターコネクト）を製造する方法、そのように形成されたセパレータプレート、およびそのようなセルユニットの使用に関する。本発明のセルユニットは、固体酸化物、ポリマー電解質膜、および溶融炭酸塩型のセルを含む。本発明は、より具体的には、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）ユニットおよび固体酸化物電解セル（ＳＯＥＣ）ユニットに関し、これらは、金属支持型固体酸化物燃料電池（ＭＳ－ＳＯＦＣ）ユニットまたは金属支持型電解セル（ＭＳ－ＳＯＥＣ）ユニットを含み得る。いくつかの電気化学セルユニットは、燃料を酸化させて電気を生成する電気化学変換プロセスを使用することによって電気を生成することができる。いくつかの電気化学セルユニットは、さらに、または代わりに、例えば、水から水素および酸素を、もしくは二酸化炭素から一酸化炭素および酸素を生成するために、電解セルユニットと称されることが多い再生燃料電池（もしくは可逆燃料電池）ユニットとして動作し得る。それらは、管状または平面状の形態を有し得る。平面状電気化学セルユニットは、スタック配置（例えば、スタック内に１００個～２００個の電気化学セルユニット）で互いに重なり合うように配置され得、個々の電気化学セルユニットは、例えば、電気的に直列に配置される。電気を生成する固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質の両側に位置するカソードからアノードへ負の酸素イオンを伝導する固体酸化物電解質に基づくものである。このために、燃料または改質燃料は、アノード（燃料電極）に接触し、空気または酸素リッチ流体などの酸化剤は、カソード（空気電極）に接触する。従来のセラミック支持型（例えば、アノード支持型）ＳＯＦＣは、機械的強度が低く、破損しやすい。したがって、金属基板上に支持された活性燃料電池構成要素層を有する金属支持型ＳＯＦＣが開発されてきた。これらのセルにおいて、セラミック層は、電気化学的機能を果たすだけなので、非常に薄くすることができる。すなわち、セラミック層は、自立型ではなく、むしろ金属基板上に置かれ、金属基板によって支持される薄いコーティング／フィルムである。このような金属支持型ＳＯＦＣスタックは、セラミック支持型ＳＯＦＣよりも堅牢で、低コストで、良好な熱特性を有し、従来の金属溶接技術を用いて製造可能である。固体酸化物電解セル（ＳＯＥＣ）は、ＳＯＦＣと同じ構造を有し得るが、本質的には、ＳＯＦＣは電気エネルギーの入力によって水および／または二酸化炭素の電解を達成するために逆にまたは再生モードで動作し、固体酸化物電解質を使用して水素ガスおよび／または一酸化炭素ならびに酸素を生成する。本発明は、電気化学セルユニットを対象とし、そのためのセパレータプレートの設計に関する。したがって、本発明は、例えば、固体酸化物電解質、ポリマー電解質膜、または溶融電解質に基づく、様々なタイプの燃料および電解セルに適用可能である。便宜上、「セルユニット」は、燃料または電解セルユニットを含む「電気化学セルユニット」を指すために使用される。セルユニットのスタック内の各セルユニットは、典型的には、電気化学的に活性なセル領域（金属支持された電気化学的に活性なセル領域など）とセパレータプレートとを備えるセル層を含む。セパレータプレートは、典型的には、セルユニットのセル層の一方の側に接触し、セルユニットのスタックにおいて、近接セルユニットのセル層の反対側にも接触し得る。セルユニットのスタックにおいて、そのセルユニットのセル層の一方の側と、近接セルユニットのセル層の反対側とに接触するセパレータプレートは、「インターコネクト」と称され得る。図１は、電気化学セルユニットと、隆起要素を有する複数のそのような電気化学セルユニットを備えるスタックとについて論じている、本出願人の先の出願である英国特許出願公開第２６０３６６５（Ａ）号から抜粋された、２つのガスケットを有するセルユニットの分解斜視図である。図１のセルユニット１０は、セパレータプレート１２の次に積み重ねられた平坦な（すなわち、平面状の）金属支持プレート１４を備える。セパレータプレート１２は、その周縁部にフランジ付き周縁部１８を有するように示されている。フランジ付き周縁部１８は、中央流体容積領域に見られるように、シートの主平面から延びて、セパレータプレートに凹面（および外側面に凸面）を形成する。この凹面は、セルユニットの組み立て時に、このセルユニット内に流体容積を形成する。図１に示す構成では、セルユニット１０は、丸みを帯びた端部と平行な側面とを有し、セパレータプレート１２および金属支持プレート１４の両方の各端部に向かって流体ポート２２を有する。それぞれのセル特徴部の他の形状およびサイズおよび数は、必要とされる出力および最終スタックアセンブリの寸法に応じて可能である。セパレータプレート１２の流体ポートの周りに、成形ポート特徴部２４が設けられる。成形ポート特徴部２４は、フランジ付き周縁部１８の高さに対応する距離だけ流体容積の基部の平面から延びる円形ディンプルの形態の複数の要素として設けられ、すなわち、フランジ付き周縁部１８と共通の高さを有するように設けられる。これは、セルユニット１０が組み立てられたときに、フランジ付き周縁部１８と同様に、成形ポート特徴部２４が金属支持プレート１４の対向面に接触するようにするためである。その結果、フランジ付き周縁部１８が、例えば溶接によって、金属支持プレート１４に接合されると、成形ポート特徴部２４は同様に金属支持プレート１４に接触する。セルユニット１０の中央部分において、電気化学的活性層５０が金属支持プレート上に設けられる。この例では、電気化学的活性層５０は、閉鎖流体容積の外側に位置する。電気化学的活性領域５０は、アノード、カソード、およびアノードとカソードとの間に位置決めされた電解質（図示せず）を含む。アノード、電解質、およびカソードはまとめて、電気化学的活性層５０、活性電気化学セル層、または電気化学的活性領域と称され得る。電解質は、アノードとカソードとの間で負の酸素イオンまたは正の水素イオンのいずれかを伝導する。スタック２０は、固体酸化物電解質、ポリマー電解質膜、または溶融電解質、または電気化学作用が可能な他の任意の変種のうちの１つに基づくセルユニットのスタックを備え得る。凹状構造は、関連するプレートに、対応する凸状の外形（セルユニットに対して外側）および通常は平面基部を有する縁付きトレイの外観を付与することができ、したがって、凹面は、組み立てられたセルユニット内の流体容積（例えば、その一部）を画定する。この凹状構造では、フランジ付き周縁部は、セパレータプレートの元のシートおよび／または金属支持プレートの平面から、セパレータプレートおよび金属支持プレートの他方のそれぞれの対向面に向かって延びる。したがって、流体容積は、ダイプレス、ハイドロフォーミング、またはスタンピングなどを使用して、プレス加工によって形成されるフランジ付き周縁部によって境界付けられる。これらは、電気化学的活性層を介して近接セルを支持し、電気的に接続するために、従来技術のセパレータプレート上に同様に見られるような、流体容積内の中央突起の形成（以下に記載）において既に行われている単純なプロセスである。図２は、図１のセルユニットの分解下面斜視図である。金属支持プレート１４（例えば、金属箔）には、流体容積中の流体が、金属支持プレート１４に最も近い電気化学層の側と接触することを可能にするために、複数の小さな穴または細孔４８が設けられる。これらは、非多孔質領域によって境界付けられた多孔質領域を形成する。アノード（燃料電極）層は、小さな穴／細孔に近接して位置し、セルユニット内の（閉鎖）流体容積は、燃料が流体ポート２２を介して出入りすることによって供給される燃料流れ容積を備え、したがって、流体ポート２２は燃料ポート２２である。カソード（空気電極）層は、電気化学的活性層５０の反対側、すなわちその外面上にあり、セルユニット１０の使用中にその層を横切って流れる空気に曝される。図２ａは、図１および図２に示される構成の簡略化された断面図である。図１および図２に示されるセルユニットでは、２つの層（構成要素）、すなわち金属支持プレートおよびセパレータプレートのみが必要である。また、中央上向き突起３２および中央下向き突起３６が設けられ、これらは、２つのプレートの内側対向面と、外向き突起に近接するセルユニットの電気化学的活性層の外面との間に延びる、内外突起（図示されているように上下）を含む。中央上向き突起３２は、それらの間またはそれらの中に燃料のための流体経路を画定し、流体経路は、セルユニットの各端部における流体ポート間の閉鎖流体容積を通る。中央下向き突起３６は、それらの間にまたはそれらの中に、下向き突起に近接するセルユニットの電気化学的活性層の外面との間に画定された流体容積を通る酸化剤（空気など）のための流体経路を画定する。各ガスケット、例えば、ガスケット３４（「シール」とも呼ばれる）は、主要な封止機能を果たし、通常、ポートの近傍で高い圧縮力を受ける圧縮性ガスケットである。ガスケットは、各流体ポート２２の成形ポート特徴部２４の全てを覆うように寸法決めされることにより、スタック内の流体ポート２２を通って移動し得る流体（燃料など）が、セルユニット１０の外側とガスケット（例えば、ガスケット２４）との間からセルユニットの外部の領域、すなわち、セルユニット１０を取り囲む流体（酸化剤など）に浸出すること、または流体ポートの外部の流体が他の方向に、すなわち流体ポートに浸出することを防止することができる。これは、セルユニット１０の内側の流体とセルユニット１０の外側の流体（燃料と酸化剤である）とのいかなる混合も防止するために重要である。電気化学的活性層５０の極性は、これがどちらの向きになるかを決定する。ガスケットはまた、短絡を防止するように、第１のセルユニット１０と近接流体セルユニット１０との間を電気的に絶縁し得る。ガスケットは、例えば、バーミキュライト系ガスケット、例えば、Ｔｈｅｒｍｉｃｕｌｉｔｅ（商標）などの任意の適切なセルガスケット（シーリングリング）であり得る。セルスタックは、様々な内部抵抗源を有する。そのような抵抗源の１つは、セパレータプレートと近接セル層との間の接触抵抗である。セルスタックは、ボルトまたは他の手段によって互いに接続された上部圧縮プレートおよび底部圧縮プレートを有し、それらの間のセルユニット（複数含）を互いに圧縮することを可能にする。スタックに加えられる圧縮力は、セルユニット（複数含）からの浸出を防止するため、および／または流体ポートの外部の流体が流体ポートへの浸出を防止するためのシールを形成するのに十分である。電気化学的活性領域の平面視面積内のスタック内の圧縮力は、良好な電気接触、ひいてはスタックを通る良好な伝導性に必要である。中央上向き突起３２および中央下向き突起３６は、セルユニット間の必要な電気接触を生じさせ、また、中央領域においてセルユニットの支持機能を果たし、小孔または細孔４８の領域において金属支持プレート１４の下面まで上向きに、およびその下のセルの電気化学的活性層の対向面まで下向きに延びる。さらに、ポート２２の周りの成形ポート特徴部２４は、各ユニットセルの周辺端部でスタック内の圧縮力の伝達を助け、シールを形成するために必要な圧縮力を生成する。セパレータプレートと近接セル層との間の接触抵抗を最小限に抑えるために、セパレータプレートと近接セル層との間の圧力を維持する必要がある。これは、上