(57)【要約】  本発明は、第１と第２の面を画成する電解質層で、前記第１の面が第１の電極上に載って、それと電気化学的に接触し、前記第２の面が第２の電極上に載って、それと電気化学的に接触しているものと、前記第２の電極と接合もしくはその上に搭載又はその中にあり、前記第２の電極と電気的に接触している導電性の電流コレクタで、前記第１及び第２の電極と電解質とによって画成されたペリメータの外側に延在する少なくとも１つの拡張部を有するものとを備える燃料電池、これを備える燃料電池スタック組立体並びにその製造方法に関するものである。
2009525564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ｉ）第１と第２の面を画成する電解質層で、前記第１の面が第１の電極上に載って、それと電気化学的に接触しており、前記第２の面が第２の電極上に載って、それと電気化学的に接触している電解質層、及び
（ii）前記第２の電極と接合もしくはその上に載る又はその中にあり、前記第２の電極と電気的に接触している導電性の電流コレクタで、前記第１及び第２の電極と前記電解質によって画成されたペリメータの外側に延在する少なくとも１つの拡張部を有する導電性電流コレクタ
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記電解質層、第１の電極、第２の電極、そして電流コレクタを第１の軸上に配置し、前記電流コレクタが前記第２の電極から前記第１の軸に直角な軸上に延在する請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１の電極を接合もしくは搭載する導電性の基板をさらに備える前記請求項のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項４】
前記導電性の基板と前記少なくとも１つの電流コレクタ拡張部の間に搭載した非導電性の構造体をさらに備える請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記非導電性の構造体を前記第２の電極で画成されたペリメータの外側に配置する請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記非導電性の構造体が前記第１及び第２の電極と前記電解質を完全又は部分的に囲む前記請求項のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記非導電性の構造体がガス不透過性あるいは透過性である前記請求項のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記非導電性の構造体が非導電性のスペーサーと、非導電性のガスケットとからなる群の少なくとも１つを備える前記請求項のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記非導電性の構造体が圧縮性と非圧縮性のガスケットからなる群から選択した非導電性のガスケットを備える請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記第１の電極を頂部に搭載する導電性のインターコネクトをさらに備える前記請求項のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記導電性のインターコネクトが導電性のインターコネクトと導電性のスペーサーを備える請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記導電性のインターコネクトと前記導電性の基板を金属、フェライト系ステンレス鋼及び導電性セラミックスからなる群から独立して選択した材料から形成する請求項３に従属する請求項１０又は１１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記導電性のインターコネクトが上面と下面を有し、該上面が前記第１の電極の方に向き、前記上面と下面の少なくとも１つが少なくとも１つの突出部を備える請求項１０−１２のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの突出部がディンプルからる請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記第２の電極が複数の電極層からなる前記請求項のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記第２の電極が活性電極層と機能性電極層とからなる請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記電流コレクタが金属製である前記請求項のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１８】
前記電流コレクタが鋼からなる請求項１７に記載の燃料電池。
【請求項１９】
前記電流コレクタがフェライト系ステンレス鋼からなる請求項１８に記載の燃料電池。
【請求項２０】
前記電流コレクタが導電性の元素を備える材料からなる前記請求項のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項２１】
前記電流コレクタが、メッシュ、織りメッシュ、編みメッシュ、有孔金属、機械的に穿孔した金属、化学的にエッチングした金属、エキスパンドメタル、金属フォーム、金属ウール、少なくとも１本の金属線ストランド、あるいはそれらの組み合わせの形状である請求項２０に記載の燃料電池。
【請求項２２】
前記電流コレクタが可撓性セクションを有し、該可撓性が折り曲げ、空隙率の増大、伸縮継ぎ手の設置、材料の薄肉化、可撓性セクションで別の導電性の材料を組み込み又は使用からなる群のいずれかにより付与される前記請求項のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項２３】
前記第２の電極の上あるいはそれに隣接してディフューザー構造体をさらに備える前記請求項のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項２４】
前記ディフューザー構造体をメッシュ、メッシュ状の構造体、複数のメッシュ層、織り材料及びフォームからなる群から選択する請求項２３に記載の燃料電池。
【請求項２５】
（ａ）  少なくとも１つの燃料電池スタックを画成する前記請求項のいずれかに記載の少なくとも１つの燃料電池、及び
（ｂ）  前記少なくとも１つのスタックの周り配置した被覆手段
を備えることを特徴とする燃料電池スタック組立体。
【請求項２６】
互いに電気的に直列に配置された少なくとも２つの燃料電池を備える請求項２５に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項２７】
（ａ）  少なくとも１つの燃料電池スタックを画成する請求項１−２４のいずれかに記載の少なくとも２つの燃料電池、及び
（ｂ）  前記少なくとも１つのスタックの周りに配置した被覆手段
を備え、前記少なくとも２つの燃料電池を互いに電気的に並列に配置することを特徴とする燃料電池スタック組立体。
【請求項２８】
前記少なくとも２つの燃料電池のうちの少なくとも１つと電気的に直列に配置された請求項１−２４のいずれかに記載の少なくとも１つの追加燃料電池をさらに備える請求項２７に記載の燃料電池。
【請求項２９】
前記被覆手段に圧縮力を加えるのに適合したクランプ手段をさらに備える請求項２５−２８のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項３０】
前記圧縮力を前記燃料電池に前記第２の電極と前記電解質のペリメータの外でのみ加えるように配置する請求項２５−２９のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項３１】
前記クランプ及び被覆手段が非固形のエンドプレートやクランプフレーム構造体を含む請求項３０に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項３２】
前記ディフューザー構造体が隣接する導電性のインターコネクトに従属する請求項２３又は２４に従属した請求項２５−３１のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項３３】
前記ディフューザーを前記インターコネクトにおけるステップリストリクション、Ｖ字型の断面を有する拡張領域、及び複数の成形された領域からなる群から選択する請求項３２に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項３４】
開いた酸化剤吸気口と、閉じた酸化剤排気マニホールドと、閉じた燃料吸気・排気マニホールドとを備える請求項２５−３３のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項３５】
（ｉ）  第１と第２の面を画成する電解質層で、前記第１の面が第１の電極上に載って、それと電気化学的に接触しており、前記第２の面が第２の電極上に載って、それと電気化学的に接触している電解質層を設ける工程、および
（ii）  導電性の電流コレクタを前記第２の電極と接続、もしくはその上に載る又はその中に前記第２の電極と電気的に接触するように設け、該導電性電流コレクタを前記第１及び第２の電極と前記電解質によって画成されたペリメータの外側に延在させる工程
を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項３６】
前記第２の電極層を湿潤電極層の形態にし、前記導電性の電流コレクタを第２の電極の上もしくはその中に配置する工程が、
（Ａ）  前記湿潤第２電極層を前記導電性の電流コレクタと接触させ、該導電性の電流コレクタが展開した形状では前記第１及び第２の電極と電解質で画成されたペリメータの外側に延在するような大きさにされ、
（Ｂ）  前記燃料電池を焼結プロセスで前記電流コレクタを前記第２の電極に結合させるように焼成する
工程を備える請求項３５に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項３７】
（ａ）  少なくとも１つの燃料電池スタックを画成する少なくとも１つの燃料電池を請求項３５−３６のいずれかに記載の方法に従って設ける工程、および
（ｂ）  前記少なくとも１つのスタックの周りに被覆手段を配置する工程
を備えることを特徴とする燃料電池スタック組立体の製造方法。
【請求項３８】
少なくとも２つの燃料電池を互いに電気的に直列に配置して設ける請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
（ａ）  少なくとも１つの燃料電池スタックを画成する少なくとも２つの燃料電池を請求項３５−３６のいずれかに記載の方法で設け工程、
（ｂ）  前記少なくとも１つのスタックの周りに被覆手段を配置する工程、および
（ｃ）  前記少なくとも２つの燃料電池を互いに電気的に並列に配置する工程
を備えることを特徴とする燃料電池スタック組立体の製造方法。
【請求項４０】
前記少なくとも２つの燃料電池の少なくとも１つと電気的に直列に配置した請求項３３−３４のいずれかに記載の少なくとも１つの追加の燃料電池を設けることをさらに備える請求項３９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用の優れた電流コレクタ、また燃料電池及びそれを備える燃料電池スタック組立体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池と燃料電池スタック組立体（該用語は一つ以上の燃料電池を有するスタック体を含む）は、電流を各燃料電池のアノードとカソードから効率的に収集することができるように設計されている。燃料電池スタック組立体は、通常複数の直列に接続した燃料電池からなり、隣接する燃料電池間の接続が、第１の燃料電池の電極（アノードもしくはカソード）を隣接するインターコネクト板に接続し、順に第２の燃料電池の対向電極（すなわちカソードもしくはアノード）と接続する導電性の媒体（電流コレクタ）によって達成される。スタック中の燃料電池を電気的に短絡させること無く電流がスタック中を電流コレクタを介して制御された方法で流れることを確実にするため、通常、各燃料電池層のペリメータの周りに、各燃料電池層を隣接する燃料電池層もしくは隣接するインターコネクト層から隔離する非導電性層を設ける。導電性媒体とインターコネクト板の接触面は一般に、導電性媒体と電極の接触面と平行であり、同一の広がりをもつ。同様に、追加の燃料電池が接続される。燃料電池で発生した電流を取り出すための低電気抵抗接続を付与するためには、接続媒体が接触燃料電池面上に接触圧力を加えて、接続媒体と電極の間の最大電気接触面積を確実にし、個々の電流流れの抵抗を最小にする。
【０００３】
燃料電池スタック中の接触圧力の発揮は、スタック中に圧縮負荷を発生させることのできるスタック構造を形成することによって行われる。例えば、通常用いる技術は、燃料電池スタックの各端に固形の硬いエンドプレートを有する燃料電池スタックを作成するもので、各エンドプレートを少なくとも１つの燃料電池とインターコネクト板の幅と広さ全体にかつ同一面上に、ほぼ一様な圧縮力をスタックの幅と広さ全体で該スタック層の間ずっと加える圧縮システムと共に配置する。かかる圧縮システムは内部及び外部ボルト配列並びにクランプ圧縮システムを含み、これらがすべてスタック層を圧縮するのに役立つ。
【０００４】
燃料電池スタック全体にわたって十分な大きさのほぼ一様な力を発生させることは、重大な工学的かつ設計上の挑戦と、燃料電池スタック構成材及びスタック組立体に対する生産許容限度と、燃料電池スタックの運転条件をもたらす。例えば、スタック層の幅と広さ全体にわたるインターコネクト板の厚さの微少なばらつき、インターコネクト板の平坦さのばらつき、圧縮荷重適用のばらつき、燃料電池スタックの運転領域に対する材料及び構成材の熱膨張ばらつき、そしてシールやガスケットの厚さ、インターコネクトの厚さにおける材料の圧縮ばらつきが、構成材により見られる全体及び／又は局所的応力の顕著なばらつきを生成し得る。かかる応力レベル（及びそのばらつき）があまりに大きすぎると、燃料電池スタック構成材の故障につながり、もし小さすぎれば、不十分な接触圧力をインターコネクト層、電流コレクタ及び第２の電極との間に生じて、電気接触抵抗の上昇と運転中の燃料電池スタック性能の低下を引き起こす。これらばらつきの許容差と、これらばらつきの加算効果が、スタック構成材の設計と製造（例えばばらつきを最小限にするために高い許容度で製造された構成材の形態で）、スタックの組立体及び用いる組立てプロセス、かつまたスタックが使用中の起動、停止、そして負荷サイクルで熱膨張収縮を受ける際のスタックの操作に行われる必要がある。
【０００５】
この燃料電池スタック組立体の形態は一般的に用いられているが、前記ばらつきが上述したような種々のスタック層内に過大もしくは過小な応力を生起するので、所要の厳しい構成材許容度によって課される製造制約からくるコストの増大と複雑さの問題、その構成に生ずる工学的制約、そして燃料電池スタックと燃料電池スタック構成材の運転性能の劣化に悩まされる。
【０００６】
従来の燃料電池スタック組立体の例としては米国特許公開公報第２００３／０２３５７４３（例えばパラグラフ３０参照）のものがあり、そこでは導電性のインターコネクトにより隔てられた燃料電池を開示しており、この場合第１の燃料電池のアノードを第１の複数のフィラメントによりインターコネクトに接続し、該インターコネクトを第２の複数のフィラメントにより隣接する燃料電池のカソードに接続している。該公報の図１に示されるように、非導電性のスペーサー３６，３８が燃料電池の部品を隔て、セラミック電解質１４、カソード１８及びアノード１６がスペーサー３６，３８上に延在する。電解質、カソード及びアノードをスペーサーで密閉する手段は開示されておらず、もし圧縮力を用いて密閉を行う必要がある場合、電解質とカソードの損傷と寿命の減少につながることが予測される。さらに、電解質とアノードが燃料電池の外部に露出されると、水素イオンが電解質を通して燃料電池の外部に流れるのを防がなければならないことも教示していない。さらに、多数の「フィラメント」を該当するアノード、カソード及びインターコネクトにどのように接続するかについての説明もなく、これは複雑で不都合な作業であるように思われる。注意すべきなのは、フィラメントがアノード／カソードの周辺の外に延在せず、フィラメントは取り外せないようにインターコネクトに接続されている。前記米国特許公開公報第２００３／０２３５７４３に記載された「電流コレクタ」は本明細書に記述した「カバープレート」や「エンドプレート」に対応するもので、本明細書に記載した「電流コレクタ」には対応しないことに注意されたい。
【０００７】
ＥＰ特許１４３４２９４／米国特許公開公報第２００４／０１０１７４２には、導電性のインターコネクト板に接続した導電性のメッシュスペーサーで個々に隔てられた燃料電池を有する燃料電池スタック組立体が開示されている。燃料電池スタックの組立て中に、これらスペーサーが隣接する燃料電池のアノードとカソードとを接触させることにより圧縮されて、電気的接続を達成するためにアノードとカソードに圧縮力が作用する。
【０００８】
燃料電池の一般的な構造が、上記文献並びにたとえばLeah, RT, Bandon, NP, Aguiar, P, Journal of Power Sources, 2005, 145(2): 336-352; ＷＯ ０２／３５６２８； ＷＯ  ０３／０７３５８; ＧＢ  ２３９４１１４；ＷＯ  ２００４／０８９８４８；ＧＢ  ２４００７２３；ＧＢ  ２４０５０２８；ＷＯ  ２００５／０７８８４３に教示されている。ここで挙げている参考文献の内容は、そこに引用されている参考文献も含めて、ここで言及したことによりその全体を本文書に内包することとする。
【０００９】
従って、良好な電流収集特性を有し、従来技術の不利を解消する優れた燃料電池スタック組立体を提供する必要がある。よって、本発明の目的は従来の技術の欠点を克服することである。特に、燃料電池スタックの接触圧力と密閉の要件を構成材許容度と燃料電池の活性範囲内の操作許容ばらつきとから切り離し、これによって圧縮負荷の要件を燃料電池スタックの外側領域に移動して負荷がガスケットの密閉のみに要求され、従って所要のスタック圧縮負荷の大きさを低減し、それによって構成材の製造許容度とエンドプレートの剛性要件を緩和して優れた操作性能を有するより低コストのスタック組立体を生ずるような設計を提供することを目的とする。
【発明の開示】
【００１０】
本発明は、
（i）  第１と第２の面を画成する電解質層で、前記第１の面が第１の電極上に載って、それと電気化学的に接触しており、前記第２の面が第２の電極上に載って、それと電気化学的に接触している電解質層、及び
（ii）  前記第２の電極と接合、もしくはその上に載る又はその中にあり、前記第２の電極と電気的に接触している導電性の電流コレクタで、前記第１及び第２の電極と前記電解質によって画成されたペリメータの外側に延在する少なくとも１つの拡張部を有する導電性電流コレクタ
を備えることを特徴とする燃料電池を提供する。
【００１１】
したがって、電極と電解質のペリメータを超えて延在する電流コレクタを有することにより、該ペリメータ超える少なくとも１つの拡張部と電流コレクタとの電気的接触を形成して燃料電池との電気的接触を達成することができ、これは第２の電極や電解質に圧力を加えることを必要としない。従って、これは、燃料電池電極上もしくはその内側の領域と接触させることによって電気的接触を行う従来の燃料電池設計で用いるものと較べて、燃料電池および燃料電池スタック構成材に関する厳しい設計及び製造許容度の要件を緩和することができる。
【００１２】
第１の電極を導電性基板上に載せることが好ましい。該導電性基板は第１及び第２の電極と電解質で画成されたペリメータを超えて延在する。この導電性基板を導電性のインターコネクト板と接続するのが好ましい。従って、燃料電池は導電性のインターコネクト板をさらに有することが好ましい。すなわち、本発明を用いると、あらゆる圧縮力を電極のいずれか又は電解質に加えることなく燃料電池との電気的接触を行うことができる。本発明の或る実施態様では、燃料電池がさらに隣接する燃料電池スタック層の電流コレクタと結合する導電性のインターコネクトを備える。
【００１３】
導電性基板は、金属板又は非孔質領域によって囲まれた多孔質な領域を有する金属箔であるのが好ましい。
【００１４】
導電性基板は、その上に第１の電極、電解質、そして第２の電極を載せる気体浸透性区域を画成し、該区域が気体非浸透性区域で囲まれていることが好ましい。
【００１５】
電解質は、第１の電極上のガスシールとなるように第１の電極全体上に延在することが好ましい。
【００１６】
第１及び第２の電極と電解質とを導電性基板に密閉するように取り付けるのが好ましい。
【００１７】
好適実施態様では、導電性基板が複数のセクションを画成し、各セクションがその上に搭載した第１の電極、電解質、そして第２の電極を有する。かかる実施態様では、第１及び第２の電極と電解質で画成されたペリメータが、燃料電池セクション全体としてみたときの最外ペリメータであることが好ましい。より好ましくは、各セクションが気体非浸透性区域で囲まれた気体浸透性区域を画成する。
【００１８】
更に、燃料電池は、
（i）  導電性のインターコネクト
（ii）  第１の電極、電解質、第２の電極、そして導電性の電流コレクタを載せ、少なくとも１つの電流コレクタ拡張部が延在する導電性基板、及び
（iii）  使用時にその頂部上に置いた構成材用の機械的支持を付与する少なくとも１つの非導電性構造（例えばスペーサーやガスケット）
を備えるのが好ましい。
【００１９】
そのような燃料電池はまた、燃料電池スタック層とも呼ぶ。
【００２０】
前記少なくとも１つの非導電性構造（iii）は、燃料電池の短絡を防ぎ、機械的支持を付与するために導電性基板と少なくとも１つの電流コレクタ拡張部との間に配置した非導電性のスペーサーからなることが好ましい。
【００２１】
かかる燃料電池は、（i）導電性のインターコネクトから（ii）導電性の基板、そして第１の電極、電解質、第２の電極を介して電流コレクタと少なくとも１つの電流コレクタ拡張部に至る電気流路を画成する。次いで、電流を燃料電池の上に配置した構成材、例えば導電性のエンドプレート又は隣接する燃料電池スタック層の導電性のインターコネクトに流すことができる。
【００２２】
本発明の燃料電池の複数の層からなる燃料電池スタックの場合、第１（下側）の燃料電池スタック層の第１もしくは第２の電極や電解質に圧力を加える必要なしに、前記第１燃料電池スタック層の電流コレクタの少なくとも１つの拡張部と、隣接する燃料電池スタック層の導電性インターコネクトの下側（下側の面）との間の良好な電気的接触を形成することにより、隣接する燃料電池スタック層間の電気的接触を達成することができる。従って、ある燃料電池スタック層から隣接する燃料電池スタック層への電気的接続を、燃料電池スタック層を隣接する燃料電池スタック層に押し付ける必要性とは関係なく行うことができる。特に、本発明の燃料電池では、第１と第２の電極と電解質のペリメータで画成された領域内に電気的接触を行う必要がないこともある。特に、本発明の電流コレクタは隣接するインターコネクトと取り外せないように取付けたり、それに従属していなくても良い。
【００２３】
第１及び第２の電極と電解質のペリメータを越える領域における少なくとも電流コレクタの拡張部の最外側部分は、前記第１及び第２の電極と電解質のペリメータ内の領域における電流コレクタの最外側部分より鉛直方向に高いことが好ましい。
【００２４】
前記少なくとも１つの電流コレクタ拡張部と隣接する導電性のインターコネクトまたはエンドプレートとの間の電気的接触は様々な手段によって行うことができ、これは溶接、スポット溶接、ろう付け、摩擦溶接、接着、導電性ペーストの利用及びボルト締めのような古典的な金属の接合／結合技術を含むが、それに制限されるわけではない。
【００２５】
もう１つの電気的接触の技術は、第１の燃料電池スタック層の少なくとも１つの電流コレクタ拡張部を
（i）  第１及び第２の電極と電解質で画成された第１の燃料電池スタック層燃料電池ペリメータの外側の領域における隣接した第２の燃料電池スタック層の導電性のインターコネクトと、
（ii）  第１及び第２の電極と電解質で画成された第１の燃料電池スタック層燃料電池ペリメータの外側の領域において第１の燃料電池スタック層に配置した非導電性の構造体との間に挟み込むか、もしくは固定することにある。
【００２６】
従って、本発明の燃料電池は、更に導電性の基板と電流コレクタとの間に設けた非導電性の構造体を備えることが好ましい。より好ましくは、非導電性の構造体は第１もしくは第２の電極や電解質と接触しない。これは、第１及び第２の電極と電解質で画成されたペリメータの外、すなわち導電性の基板と少なくとも１つの拡張部の間に位置させることがより好ましい。
【００２７】
従って、１つの燃料電池スタック層から隣接する燃料電池スタック層への良好な電気的接触を達成するのに燃料電池スタックに要求される圧縮は、あらゆる圧縮力を燃料電池スタック層のアノード、電解質、そしてカソード構造体に加えることを要求しない。
【００２８】
或る実施態様では、非導電性の構造体が連続的で、電流コレクタ、第１と第２の電極、そして電解質を囲み、それらを含有する容積を画成する。非導電性の構造体は、更に、前記容積、特に燃料電池電極のいずれか一方または両方の電極に供給されるガスの吸気口及び排気口と流体の伝達を行うことのできる少なくとも１つの開口部を画成することができる。他の実施態様では、非導電性の構造体は不連続で、第１及び第２の電極と電解質を部分的にのみ囲む。
【００２９】
すなわち、少なくとも１つの開口部もしくは不連続な非導電性の構造体は、少なくとも１つのマニホールドを画成することができる。かかるマニホールドは、少なくとも１つの燃料吸気口と、少なくとも１つの燃料排気口と、少なくとも１つの酸化剤排気口を画成するのが好ましい。
【００３０】
非導電性の構造体と電流コレクタ両方の寸法と材料物性を調整して所望のクランプ効果を達成し、熱膨張効果を許容し、組立中及び燃料電池スタック組立体の寿命稼働中わたり１つの燃料電池スタック層と隣接する燃料電池スタック層との間に少なくとも一つの有効な電流収集経路を確実にする。
【００３１】
非導電性の構造体の例としては、非導電性のスペーサーや非導電性のガスケットがある。非導電性の構造体は、少なくとも１つの非導電性のスペーサーおよび／または少なくとも１つの非導電性のガスケットからなることが好ましい。これは、導電性の基板と少なくとも１つの電流コレクタ拡張部の間に配置した少なくとも一つの非導電性のスペーサーと、少なくとも１つの非導電性のガスケットからなることが好ましい。
【００３２】
非導電性のスペーサーとして用いるのに適する設計としては、一般に二つの主として平坦かつ平行な面を有する様々な形状があり、その使用中の各面は導電性のインターコネクトや導電性のエンドプレートのような隣接する構成材の下で導電性の基板もしくは少なくとも１つの拡張部領域と接する。
【００３３】
非導電性のスペーサーに適した形状としてはストリップ、ブロック、円盤、楕円及びひし形があげられる。
【００３４】
非導電性のスペーサーの形状設計は、電極から少なくとも１つの拡張部を介して隣接する導電性のインターコネクトへの電流流れが大きな面積にわたり生起し、電気抵抗及び小さなピックアップ面積を流れる大きな電流の結果としての局所的な発熱効果を低減させるように上部が平らであることが好ましい。
【００３５】
非導電性のスペーサーを少なくとも１つのセクション、例えば１、２、３、４もしくは５のセクションに設けるのが好ましい。セクションの数は電流コレクタ設計の要件に依存し：１つの拡張部当たり１つのみ、各端に１つ、数ｍｍごとに、数ｃｍごとに、もしくは燃料電池の各角にもしくはその角近くとする。以下に詳述する本発明のさらなる実施態様では、燃料電池スタック組立体が、１つの燃料電池当たり少なくとも１つの非導電性のスペーサーセクションを備えることが好ましい。
【００３６】
非導電性の構造体を書体の場所にテープキャストもしくはスクリーン印刷するか、又は基板上にスタンピングして配置することができる。
【００３７】
非導電性のスペーサーの厚さは、最終的な燃料電池構成材の厚さ、連結した電極上の容積間隙、導電性のインターコネクトの下側の機構の奥行、燃料電池を横切る計画的な使用時のガス圧低下、非導電性のスペーサーの圧縮率、そして少なくとも１つの拡張部の圧縮率を含む多数の因子から決定される。
【００３８】
好ましい実施態様では、導電性の基板を用意し、その上に電流コレクタを含むアノード、電解質、カソード構造体を搭載して有し、該構造体の高さは０．１５ｍｍで、電流コレクタの厚さは０．１ｍｍである。非導電性のスペーサーは、電池を焼結し、圧縮したスタックの状態になったときに０．４−０．５５ｍｍの高さになるように設計する。この場合は、第２の電極と隣接する導電性のインターコネクトの下側との間に０．３５−０．５０ｍｍの空気ギャップを存在させることができる。
【００３９】
かかる非導電性の構造体を所定の場所にスクリーン印刷することができる。非導電性のスペーサーはまた、基板上に配置し得る非導電性のスペーサーを鋳造、成型もしくは押し出し加工することによって形成することができる。
【００４０】
非導電性の構造体は、非導電性の圧縮ガスケットからなるのが好ましい。ガスケット材料の例としては、Ｆｌｅｘｉｔａｌｌｉｃ  ＸＪ７６６バーミキュライト型ガスケットのような柔軟な非導電性ガスケットが挙げられる。導電性の基板に接着するように設計した非導電性の構造体（例えばスクリーン印刷のために）に関して、熱膨張特性が導電性基板のものと厳密に合致させなければならない。すなわち、ＣＧＯ（セリアガドリニウムオキサイド）系燃料電池の導電性の基板に関して、導電性の基板がフェライト系ステンレス鋼からなる場合、非導電性の構造体は主にセリアかＣＧＯとすることができる。非導電性の構造体を基板に接着する必要がないときは、その構成に適する材料としては、ＣＧＯやＹＳＺやガラスフリットを挙げることができる。
【００４１】
非導電性の構造体は気体不透過性又は気体透過性とすることができる。非導電性の構造体は圧縮性又は非圧縮性とすることができる。非導電性の構造体は、第１及び第２の電極と電解質により画成した燃料電池ペリメータを完全にもしくは部分的に囲むことができる。
【００４２】
非導電性のスペーサーの材料は、非導電性のガスケットの材料とは異なることが好ましい。このようなものとして、非導電性のガスケットと非導電性のスペーサーとが接触するか又は近接しそうになるときは、それらの間のギャップに対し厳しい許容度を設ける必要がある。この許容度は、ギャップを介した最小の気体バイパスがあるが、同時に組立て又は運転中に接触領域に応力の蓄積を生じ得る干渉がないように制御することが好ましい。構成材間に画成したギャップと、スタック組立体中の構成材の相対的な位置決めとを制御するためには、非導電性スペーサーとガスケットの一つ以上をディンプルやニップルのような位置特性で設けることが好ましい。
【００４３】
非導電性の構造体を導電性の基板と少なくとも１つの電流コレクタ拡張部との間に配置しない場合、少なくとも１つの電流コレクタ拡張部を隣接するインターコネクトに様々な方法で接続でき、それは溶接、スポット溶接、ろう付け、摩擦溶接、接着、導体ペーストの利用、ボルト締め、又は締まり嵌め構成材若しくは電流コレクタを２つの構成材界面間に捕捉する際の他の厳しい許容度構成材のかみ合わせ設計又は構成材締め付け点やスロットを用いたクランプ装置のような古典的な金属の接合／結合技術を含むが、それに制限されるわけではない。
【００４４】
そのような構造体の例としては、開マニホールドカソードスタックデザインがあり、この場合燃料供給流れと反応した燃料の流れを非導電性の圧縮性ガスケットを用いるスタック内に多岐に通し、酸化剤ガスが第２の電極側を横切って自由に流れ、スタック中に多岐に通されない。
【００４５】
また、燃料電池は、燃料と酸化剤をそれに供給するための燃料と酸化剤の注入手段を備えることが好ましい。
【００４６】
或る実施態様では、導電性のインターコネクトを単一の構成材部品として設ける。他の実施態様では、別々の構成材、すなわち導電性のインターコネクトと、使用中に導電性のインターコネクトと導電性の基板との間に位置する導電性のスペーサーとして設ける。すべての実施態様において、これは気体を導電性の基板に流すことができる容積を画成する。導電性のインターコネクトは、導電性のインターコネクト板であることが好ましい。導電性のスペーサーは、導電性のスペーサー板であることが好ましい。
【００４７】
導電性の基板と導電性のインターコネクトが共にフェライト系ステンレス鋼からなる好ましい実施態様では、導電性のスペーサーもまた、同一もしくは類似のフェライト系ステンレス鋼で作成することができる。
【００４８】
導電性のスペーサーを導電性のインターコネクトと同じ材料から作成することができ、導電性のインターコネクトと、導電性のスペーサーと、導電性の基板との接合をレーザー溶接のような１つの接合プロセスで行うことができることが好ましい。
【００４９】
導電性のインターコネクト、導電性のスペーサー、そして導電性の基板の好ましい材料は、金属、フェライト系ステンレス鋼、導電性セラミックからなる群から独立して選択することができる。後述するような燃料電池もしくは燃料電池スタック組立体の製造法では、かかる構成材の接合はたとえば単一の金属接合プロセスの使用、処理時間の低減、製造コストの低減、そしてガス漏れリスクの低減という利点を付与するレーザー溶接によって１つのステップで行うことができる。
【００５０】
本発明の好ましい燃料電池では、導電性の基板は通常厚さ０．１−０．３ｍｍで、導電性のスペーサーは厚さ０．１−０．３ｍｍで、導電性のインターコネクトは厚さ０．１−０．５ｍｍである。より好ましくは、導電性の基板、スペーサー、そしてインターコネクト板はそれぞれ厚さ０．２ｍｍである。
【００５１】
導電性のインターコネクトの上側と導電性の基板の下側が、燃料、特に炭化水素や水素または空気や酸素のような酸化剤を通すことのできる第１の空間を画成するのが好ましい。燃料と酸化剤のもう一方は、第２の電極を横切って、導電性の基板の上側と、非導電性の構造体と、隣接する導電性のインターコネクトの下側とで画成された第２の空間に通すことができる。
【００５２】
燃料電池スタック組立体（下記）において、これは燃料と酸化剤が通る別々の容積を規定して燃料電池を運転することができることを意味する。出口／排気手段も設けることができるが、或る配置ではこれらが不要である。例えば、或る実施態様では、燃料電池への空気の流入と、空気と排気ガスの流出のための単一の開口部を設けることができる。燃料と酸化剤の適切な流れを可能にするための燃料電池とその構成材部品の構成は当分野の他の文献で広く説明されており、当業者にはすぐに分かるものであるので、ここではこれ以上言及しない。
【００５３】
本発明によると、電極面上に圧縮負荷をかけること無く電流収集を行うことができるが、それでも、負荷が加わる場合がある。このような状況としては、車が凸凹の路面を走っているときのような燃料電池スタックに電極面と平行でない面での急激な物理的移動を施す場合が挙げられる。かかる状況では、第１及び第２の電極と電解質（燃料電池の「活性領域」とも呼ぶ）を支持することが望ましい。
【００５４】
これは、燃料電池の活性領域の下の導電性の基板の領域と、隣接する導電性のインターコネクトの下側にディンプルのような突起部を設けて、干渉する構成材の動きを制限しながら、負荷を分散させることによって行うことができる。実際、導電性のインターコネクトに関しては、その両側にディンプルを設けることが可能である。ディンプルを設けるための便利な方法としては、金属プレス加工があり、単一もしくは２ステップのプロセスを用いることができる。ディンプルは電流収集のために設計しないが、燃料電池の第２の電極面と接触したときに、最低限の圧力低下を許容し、また過度の応力を生じさせないように設計されている。
【００５５】
ディンプルの高さは燃料電池中の圧力低下に影響を及ぼす。上方に延在するディンプルの高さは、導電性のインターコネクトと、導電性の基板との間に画成された隙間の高さ以下である。
【００５６】
燃料電池が導電性のスペーサーを備える場合、上方に延在するディンプルの高さは導電性のスペーサーの高さ未満であることが好ましい。下方に延在するディンプルの高さは第２の電極までの距離以下である。
【００５７】
ディンプルの横方向の間隔は、予期される使用時の負荷−撓み特性に合わせることが好ましい。これは、当業者によって簡単にモデル化することができ、ディンプルをそれに従って配置することができる。すなわち、ディンプルパターンは一様である必要はない。
【００５８】
好ましい燃料電池設計では、燃料電池への燃料流の途絶を最小限にするため、上向きのディンプルは鋭いもしくは丸い頂点を有する。燃料電池の第２の電極に面している下向きのディンプルは、燃料電池の第２の電極と接触する可能性がより高いので、平坦な頂部を有することが好ましく、この平坦な頂部が丸い又は先のとがったディンプルにより達成されるものより大きな面積にわたって接触負荷を分散させて局所的な応力を低減する。更に、ディンプルはインターコネクト板の両側に気体、すなわち酸化剤と燃料両方の非線形流れを促進して、燃料と反応した燃料ガスとの混合、また酸化剤と反応した酸化剤ガスとの混合を高めることができる。
【００５９】
実際には、突起部、例えばディンプルの大きさと配置は、燃料電池の対応する側で要求される圧力低下、導電性のインターコネクト板の厚さと材料、そして予想される燃料電池スタック組立体の運転環境によって決定される。
【００６０】
少なくとも１つの電流コレクタ拡張部は、第１及び第２の電極と電解質との面と通常平行な面内で前記第１及び第２の電極と電解質から離れる方向に延在するのが好ましい。すなわち、鉛直（Ｚ）軸上に第１の電極層、電解質、第２の電極層、電流コレクタの順に配置して得た燃料電池では、少なくとも１つの拡張部がＸ／Ｙ軸上で第１及び第２の電極と電解質により画成されたペリメータから離れる方向に延在する、すなわちそれを越えて延在するか、又はそこから突出する。もちろん、電流コレクタもＺ軸上に延在することができる。ここで軸とは幾何学軸のことを指す。
【００６１】
よって、電流コレクタが燃料電池から離れるようにＸ／Ｙ軸上に延在すると、第２の電極との電気的接触（例えば隣接する導電性インターコネクトによる）が電流コレクタを介して第２の電極から離れる少なくとも１つの拡張部に作用し、従って第２の電極に圧力（すなわち圧縮力）を加えることなく行われる。
【００６２】
或る実施態様において、燃料電池は固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）である。他の実施態様において、燃料電池はプロトン交換膜型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）、もしくはその他のアノード―電解質―カソード構造の燃料電池である。
【００６３】
導電性のインターコネクトは、他の燃料電池構成材用の支持体として働き、また燃料と酸化剤ガスの流れを分離する役目も持つ。
【００６４】
第１の電極はアノードでもカソードでもよい。アノードであることが好ましい。
【００６５】
第１の電極は導電性のインターコネクトと電気的に接続しており、導電性のインターコネクトを燃料電池（もしくは燃料電池スタック組立体）の第２の電極に接続することにより電気回路を形成する。当然ながら、燃料電池の運転中に回路に電気的な負荷を加えることができる。代表的には、最上段の電極を最下段の電極もしくはその付近に接続した回路を有する上述した電気回路接続を行う前に、数個の燃料電池を電気的に直列に接続する。
【００６６】
電解質は適切な燃料電池用の電解質である。電解質の例としては、イットリウムをドープした酸化ジルコニウム（ＹＳＺ）電解質や、ガドリニウムをドープした酸化セリウム（ＣＧＯ）電解質が挙げられる。その他の燃料電池電解質も周知で、当業者ならばすぐに分かるだろう。
【００６７】
第２の電極は電解質によって第１の電極から電気的に絶縁されている。
【００６８】
電流コレクタは金属、好ましくは鋼、より好ましくはフェライト系ステンレス鋼であることが好ましい。
【００６９】
電流コレクタは、柔軟で、導電性の金属構造体であることが好ましい。適切な金属構造体としては、メッシュ、特に織りこみもしくは編みこみのメッシュ、穴開き金属（例えば金属箔やシート）、レーザードリルもしくはレーザー加工された金属箔やシート、化学的にエッチングした金属構成材、エキスパンデッドメタル、金属フォーム、金属ウール、少なくとも１本の金属線ストランド、及びその組合わせが挙げられる。他の電流コレクタの形態としては、非導電性の多孔質構造体内に連続的な導電性の素子を組み込むことができ、例えばレーヨンや類似の材料の可撓性シートに１本もしくは複数の金属線ストランドを織り込んだものがある。
【００７０】
電流コレクタを所望の形に織る、編む、型打ち、化学的にエッチングする、成形する、打ち抜き、レーザー加工、もしくは水流加工することができる。
【００７１】
電流コレクタの少なくとも１つの拡張部が可撓性を持つように配置することができる。このセクションの可撓な設計が、燃料電池層もしくは燃料電池スタック組立体の容易な組み立てを可能にし、これは、電流コレクタと燃料電池とインターコネクトが燃料電池スタックの起動、運転、停止の間の熱膨張変化を調整することができ、運転中その他の機械的な負荷を吸収することができることを意味している。かかる可撓性は、いくつかの方法で実現することができ、それは、折りたたんだり、曲げ部分で空隙率を上げたり、伸縮継ぎ手を用いたり、可撓性を持たせる部分で材料を薄くしたり、曲げ部分で別の導電性の材料を組み込み又は使用（例えば化学的にエッチングした箔をワイヤと電極との接触領域への使用、もしくは箔に溶接し、次いで電極領域を超えて突出するワイヤ）することを含むが、それらに限定されない。
【００７２】
少なくとも１つの電流コレクタ拡張部と接触する導電性のインターコネクトの下側の領域は平坦であるか、少なくとも１つのリッジからなるのが好ましい。１つのリッジもしくは複数のリッジ（例えば少なくとも１、２、３、４、もしくは５個のリッジ）が下方に延在するのが好ましい。
【００７３】
平坦な領域が負荷や温度下で湾曲して、接触面積を低減し、また少なくとも１つの電流コレクタ拡張部と導電性のインターコネクト板との間の電気的接合部で見られる電気抵抗を増大する場合がある。この作用を克服するためには、接触領域を一連の一段高くしたリッジで構成することができ、ここでリッジの剛性が湾曲のための潜在力により影響されない。
【００７４】
実際には、リッジの形と数は、導電性のインターコネクト材料板の厚さ、圧縮負荷、運転温度、少なくとも１つの電流コレクタ拡張部の被覆領域、燃料電池とスタック全体から取り出される電流量、非導電性のスペーサーの圧縮率と形によって決まる。
【００７５】
一実施態様において、非導電性のスペーサーは幅８ｍｍで、少なくとも１つの電流コレクタ拡張部は通常８ｍｍの幅を覆う。インターコネクト板の対向面は一連の３つのリッジを有し、これらは非導電性のスペーサーの線と平行であり、またリッジの平坦な領域が少なくとも１つの電流コレクタ拡張部の十分な領域、従って非導電性のスペーサーの幅を被覆するように配置される。この場合、高さ０．２−２．０ｍｍの第一のリッジが非導電性のスペーサーの端縁と一致して始まり、幅は１．８−２．０ｍｍである。すると、０．５−１．０ｍｍの空間が第１のリッジとほぼ同じ形状の第２のリッジとの間に存在する。そして、第１の隙間とほぼ同じ形状の第２の隙間があり、また第１のリッジとほぼ同じ形状の第３のリッジがある。
【００７６】
これらリッジは、インターコネクト板の型打ちによるか、又は板の製造中に他の成形処理、すなわち機械加工又は成型によって形成することができる。
【００７７】
別の好ましい実施態様では、導電性のインターコネクト板の一組の金属拡張部をインターコネクト板の下の周辺で単純に折りたたみ、また非導電性のスペーサーの方向と向きをそろえるように折りたたむ。
【００７８】
別の好ましい実施態様では、リッジを非導電性のスペーサーに策定、形成する。かかるリッジを有する非導電性のスペーサーは、導電性の基板上に配置し得る加工した非導電性のスペーサーを成型、鋳造、もしくは押し出し加工することによって形成するのが好ましい。
【００７９】
電流コレクタは、燃料電池で処理する状態でかつスタック組立ての前の形に切断、予備成形するか、又は燃料電池に取り付ける際その場で成形することができる。
【００８０】
第２の電極と接触する電流コレクタセクションを第２の電極に部分的又は完全に埋設することができる。少なくとも１つの電流コレクタ拡張部は第２の電極の上に鉛直に延びることができるが、当然ながら、上記のように、第２の電極から第１及び第２の電極と電解質のペリメータを越えて延びていなければならない。
【００８１】
電流コレクタが金属構造体である場合、好ましい金属としてはステンレス鋼、特にフェライト系ステンレス鋼が挙げられる。電流コレクタが非金属構造体である場合、好ましい構造体は導電性グラファイト型の構造体を含む柔軟な導電性の材料からなる。
【００８２】
少なくとも１つの電流コレクタ拡張部は、電流コレクタと同じ材料と構造でも良いし、別の導電性の材料および／または別の構造でも良い。そのような例としては、電流コレクタ用有孔金属シート（例えばＣｒｏｆｅｒ  ２２ＡＰＵ（ドイツのティッセンクルップＶＤＭ  ＧｍｂＨから入手し得る工学的に加えたＡｌ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｌａを有する２２％Ｃｒの鉄基フェライト系ステンレス鋼））と、電流コレクタの片側に溶接した電流コレクタ拡張部として用いる単一のＣｒｏｆｅｒ  ２２ＡＰＵワイヤーメッシュのタブとが挙げられる。或いはまた、エッチングした箔電流コレクタが挙げられ、これは電流コレクタの片側もしくは両側上に同一箔構造体から延在するエッチングされた指状の少なくとも１つの電流コレクタ拡張部を有する。
【００８３】
電流コレクタを燃料電池の第２の電極の上に配置するか、もしくは電流コレクタをその中に部分的配置するか又は埋め込むステップは、更なるメリットをもたらすことができる、すなわち焼成プロセスの際、第２の電極が電流コレクタと結合して効率的で効果的な電流収集経路を付与し、その結果第２の電極と電流コレクタとの間の接触抵抗を低減して、従来の燃料電池組立体に比べて電池の出力が増加する。電流コレクタは多孔質な領域と非多孔質な領域とを有するように設計するのが好ましい。多孔質の領域は、電流コレクタを取り付けた電極の内外にガスが通れるようにする。非多孔質の領域は電流を少なくとも１つの電流コレクタ拡張部に流すようにし、電極材料が結合するための表面を提供する。多孔質と非多孔質の領域の間隔と大きさは、電極の横方向の導電率に対して電流収集を最適化するように設計することができる。横方向の導電率が高い（抵抗が小さい）電極はより大きな孔、もしくはより少ない非多孔質の領域を有することができる。横方向の導電率が低い（抵抗が大きい）電極では、好ましくは電流コレクタから電極材料までの距離を小さくするためにより高密度のより小さな孔を有する。この多孔質、非多孔質の模様は、電極の種類と厚さ、そして使用する電流コレクタの材料と設計、例えば電極に埋設した導電性メッシュの二層からなる電流コレクタに応じて２もしくは３次元の方向に延在させることができる。
【００８４】
電流コレクタの熱膨張特性は、燃料電池の加熱と冷却の間に第２の電極、電解質、第１の電極、もしくは電流コレクタにそれらの損傷を引き起こす機械的な負荷がかからないか、もしくは最低限の機械的な負荷がかかるように第２の電極のものに合致させることが好ましい。
【００８５】
電流コレクタは、例えば第２の電極や他の導電性の材料との接触抵抗を減らしたり、運転中に性能を阻害し得る有害な金属種や元素の燃料電池中への流入を防ぐための処理もしくはコーティングを行うことが好ましい。
【００８６】
また、本発明は、
（ａ）  少なくとも１つの燃料電池スタックを画成する少なくとも１つの本発明による燃料電池、及び
（ｂ）  前記の少なくとも１つのスタックの周りに配した被覆手段
を備える燃料電池スタック組立体を提供する。
【００８７】
少なくとも１つの燃料電池スタックは、少なくとも２つの互いに電気的に直列に配置した燃料電池を備えるのが好ましい。
【００８８】
被覆手段の例としては、燃料電池スタックの内部もしくは両端に位置し、負荷の分散、閉じ込め、電気のピックアップ、ガスマニホールド化、断熱、ガスシールの少なくとも一つを担うもしくは補助することのできる少なくとも１つのエンドプレートが挙げられる。
【００８９】
上述したように、少なくとも１つの燃料電池は導電性の基板に接合、もしくはその上に搭載又はその中に置いた第１の電極を備えることが好ましい。従って、これは例えば、電極を導電性の基板に接合せず、代わりに電極と導電性の基板に加えた圧縮力によって導電性の基板との電気的接触を行う低温型燃料電池にも拡張される。導電性の基板は、第１及び第２の電極と電解質によって画成されたペリメータを超えて延在するのが好ましい。好ましくは、導電性の基板を導電性のインターコネクト板に接続する。すなわち、本発明を用いると、いずれかの電極や電解質に全く圧縮力を加えることなく燃料電池との電気的接触を行うことができる。
【００９０】
従って、燃料電池スタックの少なくとも１つの燃料電池は、電気回路を画成するように接続することができる。一実施態様では、上で言及しているように、複数の燃料電池からなる燃料電池スタックは、各燃料電池が直列に配置されており、各燃料電池の電流コレクタがその上に配した燃料電池の導電性のインターコネクト板と電気的に接触している。
【００９１】
少なくとも１つの燃料電池が、少なくとも１つのマニホールドを画成することができる。好ましい実施態様では、燃料電池スタックの少なくとも１つの燃料電池に燃料ガスを供給するための吸気燃料マニホールドを設け、また反応した燃料ガスを燃料電池スタックから排気するための排気燃料マニホールドを設ける。また、燃料電池スタックを介して少なくとも１つの燃料電池へ酸化剤を流し、また反応した酸化剤ガスを少なくとも１つの燃料電池から排気するための少なくとも１つのマニホールドを設けるのが好ましい。更に好ましい実施態様では、少なくとも１つの燃料電池が、吸気する酸化剤を燃料電池スタックを囲む容積から供給し、燃料電池スタックを通して排気酸化剤マニホールドから排気するような開いた酸化剤吸気口を画成する。
【００９２】
さらに好ましい実施態様では、燃料電池スタック組立体を酸化剤ガスを供給し得る気密な断熱した筺体の中に配置し、次いで酸化剤ガスを燃料電池スタックの周囲から開いた酸化剤吸気マニホールドの領域に流すことができる。
【００９３】
被覆手段は、エンドプレートを備えることが好ましい。該被覆手段は、最初と最後の燃料電池スタック層とそれぞれ電気的に接触していることが好ましい。少なくとも１つの燃料電池を介して被覆手段間の電気回路を画成するようにこれらの間に電気的接触を行うことができる。当然ながら、回路には負荷を加えることができる。
【００９４】
或いはまた、被覆手段を最初および／または最後の燃料電池スタック層からそれぞれ電気的に絶縁しても良い。少なくとも１つの燃料電池を介して最初と最後の燃料電池スタック層間の電気回路を画成するようにこれらの間に電気的接触を行うことができる。この場合、被覆手段と最初および／または最後の燃料電池スタック層の間の電気的絶縁が断熱としても働くことが好ましい。
【００９５】
本発明の燃料電池スタック組立体は、従来の燃料電池スタック組立体に比べて多数の利点がある。特に、損傷を引き起こす接触応力を燃料電池セラミックス層の表面や中に生じさせることなく運転することができる。
【００９６】
また、燃料電池スタックは、前記被覆手段を介して前記少なくとも１つの燃料電池に、前記第１及び第２の電極と電解質それぞれの前記ペリメータの外で圧縮力を加えて各々の少なくとも１つの電流コレクタ拡張部と各々の隣接する導電性のインターコネクトの間に良好な電気的接触を持たせるのに適合した圧縮手段を備えることが好ましい。
【００９７】
電極、電流コレクタ、そして隣接するインターコネクト板（もしくは等価な導電性の構造体）の間に良好な直接的電気接触を持たせる必要のある従来の燃料電池スタック組立体では、スタック圧縮力や構成材の製造とプロセス許容度のばらつきに起因したスタックの一端から他端までの燃料電池スタック層中及びそれを横切る接触圧力のばらつきがスタックの製造と使用中の操作性能に大きな影響を及ぼす。このような接触圧力勾配のばらつきの影響を低減することは、非常に厳しい構成材やプロセス許容度、より複雑な燃料電池スタック構築、そしてより細かく制御された操作パラメータ（例えば加熱と冷却の速度や燃料電池スタックの温度の許容変化率）を要求する。第２の電極と電流コレクタと隣接する導電性のインターコネクト板の間に良好な直接的電気接触を持たせる必要性を排除することは、燃料電池構成材と燃料電池スタック層に必要なプロセスと製造の許容度を緩めることができる。これは本発明で可能である。その理由は、燃料電池の電極で画成された領域が電流コレクタと隣接するインターコネクト板との良好な電気的接触を持つ必要がなく、それでいて燃料電池スタックの製造と使用時の操作サイクルに耐えることができるからである。電気的接触は、その代わり第１及び第２の電極と電解質のペリメータの外でなされ、隣接するインターコネクト板との接触面積を減少させて行う。接触面積を大きく減少させたことで、所望の電気的接触と密封効果を得るのに必要なスタック圧縮力が減少する。従って、スタック圧縮力は、電流コレクタ拡張部を介して十分な燃料電池スタック層間の電気的接続、必要に応じて圧縮ガスケットの密封や接触を付与するためにのみ必要となる。すなわち、現存の従来技術に較べてかかる適切な電気的接続を持たせるために作用する圧縮力に必要な面積の減少は、圧縮力の要件を大きく低減することになる。
【００９８】
従って、本発明は、従来技術の欠点を克服し、燃料電池スタックの接触圧力と密閉の要件を構成材の許容度と燃料電池の活性領域内での操作許容度のばらつきから分離し、これによって圧縮負荷の要件を燃料電池スタックの外側の領域に移動して負荷をガスケットの密閉にのみ要求し、従ってスタック圧縮負荷の必要大きさを低減し、それによって構成材の製造許容度とエンドプレートの剛性要件を緩和して優れた操作性能を有するより低コストのスタック組立体になる設計を提供することにある。
【００９９】
本発明により低減したスタック圧縮力の利点により、被覆手段を適切な形状にすることができ、燃料電池スタック組立体の全体配置により、圧力を所望領域の燃料電池に加え、電極や電解質には圧力を加えない。従来の燃料電池スタック組立体のように、固形のエンドプレートを用いることができる。或いはまた、第１及び第２の電極と電解質のペリメータ内の領域に対応した固形中央領域を有しないエンドプレートを用いても良い。従って、かかる非固形のエンドプレートは、より軽く（よってより小さな熱質量をもち）、所要に応じて等価な固形設計物に比べて、より早く加熱、冷却することができる。これに加えて、エンドプレートはかかる大きな圧縮負荷を支持する必要がないので、より単純な設計と仕様軽減材料で構成することができる。
【０１００】
燃料電池スタック組立体は、更に被覆手段に圧縮力を加えるのに適合したクランプ手段を備えることが好ましい。燃料電池スタックとクランプ手段は、圧縮力を第１及び第２の電極と電解質により画成されたペリメータの外側のみに加えるように配置するのが好ましい。クランプと被覆手段は、非固形エンドプレートか、クランプフレーム構造体を含むのが好ましい。クランプ手段の例としては、エンドプレート（すなわち被覆手段）に圧縮圧を加えるボルトが挙げられる。該ボルトは、燃料電池スタックの境界の内側、もしくは外側に配置することができる。スタック中の圧縮力の低減による一つの利点は、仕様軽減ボルト材料および／または直径の低減したボルトを使用しても所定温度に対して所望の圧縮操作性能を達成することができることである。この利点は、スタック組立体用の構成材のコスト低減につながる。
【０１０１】
上述したように、従来の燃料電池配列では、構成材の製造及び処理に起因した構成材許容度のばらつきや、スタック組立てそのものからくる許容度のばらつき、そして燃料電池スタック運転中の構成材の熱膨張のばらつきのため、スタック組立てとスタック操作の間に燃料電池の表面上に一様な接触圧力を得ることは困難である。構成材許容度のばらつきの例としては、燃料電池の電極―電解質―電極の平坦さと厚さのばらつき、板の平坦さ、圧縮負荷適用におけるばらつき、燃料電池スタックシールにおける材料圧縮のばらつき、さらにガスケットの厚さ、インターコネクトの厚さ、エンドプレートの厚さおよび平坦さと他のスタック構成材の平坦さのばらつきが挙げられる。多層スタックを組み立てる際、これら許容度は厳しく制御しなければならない。スタック構成及びスタック運転中にこのようなしばしば厳しい構成材許容度要件を逸脱してしまうと、スタックと燃料電池スタック層内に全体的あるいは局所的に過度な応力レベルを生じて燃料電池セラミックス層の障害を引き起こすか、あるいは電流コレクタと隣接するインターコネクト板の間に十分な接触圧力がない場合は、電流収集経路中の抵抗の上昇につながる。燃料電池スタックの運転中、燃料電池スタック構成材は起動、運転中、そして停止の間に熱サイクルにさらされる。これらの局面で、燃料電池スタックの構成材は、スタック中の温度が時間と共にまたＸ、Ｙ、Ｚ軸において変化すると、異なる速度と時間で熱膨張収縮を受ける。過度な応力による燃料電池の亀裂発生は、燃料電池の性能を阻害したり、局所的な加熱を引き起こしたり、燃料流と酸化剤流の混合による壊滅的な障害までも引き起こす可能性がある。構成材部品やその製造方法の許容度要件に課せられる要求を著しく低減したり、もしくは緩和するだけでも、より単純でコストパフォーマンスの良い製造プロセスで作成した構成材でより単純な構築プロセスを用いて燃料電池スタックを組立てることができ、結果として燃料電池スタック組立体の品質保証試験合格率を上昇させ、使用時の燃料電池スタックの運転障害機構を減少させることができる。
【０１０２】
更に、従来の設計では、電流コレクタから燃料電池電極への接触圧力要件が、スタックのエンドプレートの設計に難問をもたらす。スタック全体の電極の中央燃料電池領域へのほぼ一様な負荷の適用は、硬いエンドプレートに質量と複雑さを加わえる必要がある。本発明は、負荷要件をスタックのペリメータに移動し、その大きさを小さくすることにより、エンドプレートの剛性、従って質量を大きく低減することができ、より軽く、単純で、コストの低減した構成材の使用を可能にする。エンドプレートの質量を低減するということは、燃料電池スタックの熱容量も減らすことができることを意味し、これは従来のエンドプレートを組み込んだ燃料電池スタックに比べて、スタックを低温度から最適な運転温度により素早く加熱してスタックの応答性と便利さを向上し得ることを意味する。また、負荷の大きさの低減は、所要の圧縮力を減らし、したがって燃料電池スタック圧縮系の大きさと設計における問題、その複雑さ、そしてコストを低減する。例えば、圧縮負荷要件を低減することにより、運転温度に応じてより低級な仕様の材料からも構成し得る直径のより小さな圧縮ボルトを用いることができる。
【０１０３】
燃料電池スタックを構成する際、燃料電池を電気的に直列または並列に接続するようにこれらを配列するのが好ましい。通常、スタック中の燃料電池は直列に接続されており、この場合一つの燃料電池の負極側を隣接する燃料電池の正極側にある導電手段を介して取り付ける。
【０１０４】
少なくとも１つの電流コレクタ拡張部を利用することによって、電気回路中に燃料電池を便利かつ簡単に並列配置することができる。燃料電池を並列に接続する場合、複数の正極を一つの電流導体に接続し、複数の負極を他の電流導体に接続する。一般に、すべての正極を一つの電流導体に接続し、すべての負極を他の電流導体に接続する。しかしながら、並列と直列の電気的接続の混在で配列した複数の燃料電池からなる燃料電池スタックが望ましいこともあり、これは本発明で容易に達成することができる。
【０１０５】
従って、本発明は
（ａ）  少なくとも１つの燃料電池スタックを画成する少なくとも２つの本発明の燃料電池、および
（ｂ）  上記の少なくとも１つのスタックの周りに配した被覆手段
を備え、前記少なくとも２つの燃料電池を互いに電気的に並列に配置したことを特徴とする燃料電池スタック組立体をも提供する。
【０１０６】
該燃料電池スタック組立体は、更に前記少なくとも２つの燃料電池の少なくとも一方と電気的に直列に配置した少なくとも１つの追加の燃料電池を備えることが好ましい。
【０１０７】
かかる燃料電池スタック組立体は、更に第１と第２の電流導体を備えることができ、各燃料電池が正極と負極を画成すれば、該正極を第１の電流導体に並列に接続し、負極を第２の電流導体に並列に接続する。
【０１０８】
３つ以上の燃料電池を有する燃料電池スタック組立体では、直列配置と並列配置の組み合わせを採用しても良い。
【０１０９】
燃料電池の並列な電気的配置は、本発明の燃料電池で第１の電池の電流コレクタを隣接する電池の導電性のインターコネクトから電気的に絶縁することによって都合よく達成される。例えば、二重の非導電性ガスケット配列を私用することができ、この場合第１の燃料電池の少なくとも１つの電流コレクタ拡張部を第１と第２の非導電性ガスケットセクションの間に通し、第１の非導電性ガスケットセクションが導電性の基板の上面を接触し、第２の非導電性ガスケットセクションが隣接する燃料電池の非導電性インターコネクトの下面を接触する。すなわち、電流コレクタが非導電性のガスケットセクション間で隣接する導電性のインターコネクト板から電気的に絶縁される。すると、少なくとも１つの電流コレクタ拡張部を非導電性ガスケットセクションの電流導体外部に電気的に接触させることができるので、同様に複数の燃料電池を電流導体と電気的接触で並列に配置することができる。同様に、インターコネクト板を他の電流導体と電気的並列接触で配置することができ、これら電流導体間の更なる電気的接続をもたらすことによって電気回路を形成することができる。
【０１１０】
より詳しくは、並列接続のためには、少なくとも１つの電流コレクタ拡張部を電極表面から離し、隣接する燃料電池スタック層のインターコネクトに接続しない。代わりに、これを２つの非導電性スペーサー層の間に通すことができ、ここで１つの非導電性スペーサー層が少なくとも１つの電流コレクタ拡張部と基板の間の空間を占め、他の非導電性スペーサー層が少なくとも１つの電流コレクタ拡張部と隣接する燃料電池スタック層のインターコネクトの間の空間を占める。従って、この配列は一つの燃料電池スタック層を隣接するスタック層から電気的に分断する。そして、第２の電極に接続する各少なくとも１つの電流コレクタ拡張部をブスバーのような共通の電流導体に接続することができる。同様に、第１の電極を導電性のインターコネクト板に電気的に接続するので、すべてのインターコネクト板を一緒に他のブスバーのような共通の導体に接続することによって代替の電流導体を形成する。
【０１１１】
これら２つの配列で、燃料電池の一つ以上のスタック内に並列接続と直列接続との混在を配することが可能になる。
【０１１２】
一つの燃料電池スタック層を他の燃料電池スタック層から電気的に分断する他の方法は、少なくとも１つの電流コレクタ拡張部を非導電性の構造体の間に通すことにある。この一例としては、１つ以上の導電性素子（例えば導電性のワイヤ）を少なくとも１つの電流コレクタ拡張部に取り付け、次いで該ワイヤ又は複数のワイヤを非導電性層中の１つ以上の穴に通すことである。そして、これらワイヤを共通の電流導体に取り付けることができる。
【０１１３】
すなわち、本発明の燃料電池スタックでは、圧縮力をアノードもしくはカソードもしくは電解質に付与して電流収集及び一つの燃料電池スタック層から隣接する燃料電池スタック層への電気的接触を達成する必要はない。更に、個々の燃料電池の性質と、その燃料電池スタックを形成するための配列は、燃料電池スタックを個々の燃料電池を含む予備成形セクションから都合よく組立てることができることを意味する。これは、従来の燃料電池スタック設計に比べて製造許容度を緩和した構成材部品を使って行うことができ、特に本発明では燃料電池の電極面全体に一様な圧縮力を加える必要性を回避するからである。本発明の燃料電池スタック組立体はまた、通常、等価な従来技術の燃料電池スタックで行うものに比べて必要な電気伝導度を得るために加える圧縮力が全体的に少なくて済む。なぜなら、圧縮力がガスケットの領域で十分なガスシールのガスケット圧縮力を付与するのに必要であり、燃料電池の電極領域全体に良好な接触抵抗負荷を付与するのに必要ないからである。
【０１１４】
本発明の燃料電池と燃料電池スタックでは、第２の電極を当然多重層で提供するか、又は複数の構成材部品から形成することができる。例えば、これは活性電極層（イオン輸送層）と機能性電極層（露出電極層）とで構成しても良い。例えば、活性電極層はほぼ同じもしくは類似又は異なる組成および／または微細構造の更なる導電性コーティングを備えることができる。電流コレクタを上述したような第２の電極層の何れかの上、もしくは部分的又は完全にその中に配置しても良い。
【０１１５】
電流コレクタ圧縮を付与する要件を第２の電極の領域から離すことで、第２の電極の領域の真上で隣接するインターコネクト板の下に空間が解放される。これは幾つかの利点をもたらす。まず最初に、燃料電池を横切るガス流の圧力低下を低減させるための工学的な余地を大きくし、燃料電池スタック中の流動ガスに付随したシステムの寄生損失を低減することによって全体のシステム効率を改善することができる。第２の電極、従って電解質とアノードに対する圧縮負荷を低減することにより、燃料電池構造体は機械的にそれほど強くする必要がなくなり、その結果より薄く、単純で、コストを低減した構成材をその構成に用いることができる。
【０１１６】
また、本発明は
（ｉ）  第１と第２の面を画成する電解質層で、前記第１の面が第１の電極上に載って、それと電気化学的に接触しており、前記第２の面が第２の電極上に載って、それと電気化学的に接触している電解質層を設ける工程、および
（ii）  導電性の電流コレクタを前記第２の電極と接続、もしくはその上に載る又はその中に前記第２の電極と電気的に接触するように設け、該導電性電流コレクタを前記第１及び第２の電極と前記電解質によって画成されたペリメータの外側に延在させる工程
を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法を提供する。
【０１１７】
また、本発明は
（ａ）  少なくとも１つの燃料電池スタックを画成する少なくとも１つの本発明の燃料電池を設ける工程、および
（ｂ）  前記少なくとも１つのスタックの周りに被覆手段を配置する工程
を備えることを特徴とする燃料電池スタック組立体の製造方法を提供する。
【０１１８】
少なくとも２つの燃料電池を、互いに電気的に直列に配置して設けることが好ましい。
【０１１９】
また、本発明は、
（ａ）  少なくとも１つの燃料電池スタックを画成する少なくとも２つの本発明の燃料電池を設ける工程、
（ｂ）  前記少なくとも１つのスタックの周りに被覆手段を配置する工程、および
（ｃ）  前記少なくとも２つの燃料電池を互いに並列に配置する工程
を備えることを特徴とする燃料電池スタック組立体の製造方法を提供する。
【０１２０】
少なくとも１つの追加の燃料電池を、前記少なくとも２つの燃料電池のうちの少なくとも一方と電気的に直列に配置して設けることが好ましい。
【０１２１】
また、前記方法は、前記少なくとも１つのスタックと被覆手段とをクランプ手段で緊締する工程を備えるのが好ましい。
【０１２２】
燃料電池と燃料電池スタック組立体に関する本発明の様々な特徴を、燃料電池と燃料電池スタックの製造方法にも一様に適用することができる。
【０１２３】
アノードもしくはカソードのいずれかを支持した燃料電池のような導電性の基板を有しない燃料電池の実施態様では、燃料電池層の電極を導電性のインターコネクトと接触させて設けることができる。この場合、一つの燃料電池スタック層と隣接する燃料電池スタック層との接触は、前記一つの燃料電池スタック層の電流コレクタとインターコネクト層との間に非導電性の構造体を配置することによって行うことができる。すると、一つの燃料電池スタック層から隣接する燃料電池スタック層への有効な電気的接触が、スタックを圧縮する際にもたらされる。
【０１２４】
上述したように、燃料電池を燃料電池スタック中で電気的に直列および／または並列に接続するように配置することができる。
【０１２５】
一般に、固体酸化物型燃料電池のような高温型燃料電池を高温（７５０−１０００℃）や焼結温度（１２００−１４００℃）で長時間運転することは、本発明により電極（特にカソード）とステンレス鋼のような金属の間で達成される密接な接触を制止することになる。このような温度では、鋼の表面の酸化が起こり、揮発性の金属種、特に例えばフェライト系ステンレス鋼のようなステンレス鋼で容易に見出されるクロムの典型的なカソードおよび／または電解質および／またはアノード材料中への移行が燃料電池の性能低下を招くことが知られている。これらの問題を克服するためには、使用する金属は性質が風変わり（よって高価になる）および／または特定の材料で被覆されて酸化物の成長および／または金属種の移行と生成する電極および／または電解質の劣化を遅れさせるか防がなければならない。かかる金属を燃料電池層と接触して被覆する要件は、もちろん、材料処理コストの増大により燃料電池と燃料電池スタックの製造コストの上昇を招くことになる。
【０１２６】
しかし、米国特許第６７９４０７５号に開示された金属支持型ＳＯＦＣに本発明を応用する場合、非常に低い燃料電池焼結温度（＜１０００℃）と使用する低い燃料電池運転温度（５００−６００℃）により一層低級な金属を使用することができる。かかるより低い運転温度と、焼結温度＜１０００℃での比較的短い時間で、金属酸化物の成長と金属種の移行が最低限になる。
【０１２７】
前記第２の電極層を湿潤電極層の形態にし、前記導電性の電流コレクタを第２の電極の上もしくはその中に配置する工程が、
（Ａ）  前記湿潤第２電極層を前記導電性の電流コレクタと接触させ、該導電性の電流コレクタが展開した形状では前記第１及び第２の電極と電解質で画成されたペリメータの外側に延在するような大きさにされ、
（Ｂ）  前記燃料電池を焼結プロセスで前記電流コレクタを前記第２の電極に結合させるように焼成する
工程を備えることが好ましい。
【０１２８】
前記方法は、導電性のインターコネクトを設ける追加工程を備えることが好ましい。
【０１２９】
前記方法は、非導電性の構造体を前記導電性の基板と前記少なくとも１つの電流コレクタ拡張部の間に、また非導電性の構造体を前記電流コレクタと前記隣接するインターコネクトの間に配置する追加工程を備えることが好ましい。
【０１３０】
前記導電性の基板と少なくとも１つの電流コレクタ拡張部の間に配置した非導電性の構造体は、前記第１及び第２の電極と電解質で画成されたペリメータの外側に位置されるような大きさにするのが好ましい。
【０１３１】
従って、本発明の方法では、第１の電極（好ましくはアノード）と被覆電解質とを、第一電極を被覆して多孔質の領域を覆う電解質を有する非多孔質な領域により囲まれた前期多孔質領域を有する導電性の金属基板で坦持（例えば接合）して設けることができる。第２の対向電極（好ましくはカソード）を電解質の上に沈積する。これは、電気泳動塗装（ＥＰＤ）、スクリーン印刷、噴霧もしくは類似の方法で達成することができる。これは、「湿潤」電極セラミックス層の形成になる。次に 、金属構造体の形態の電流コレクタを、前記湿潤電極セラミックス層の上、もしくはその中に部分的もしくは完全に導入する。これは、電流コレクタを湿潤電極セラミックス層に軽く押しつけるか、又は電流コレクタ材料が第一鉄の場合には磁力もしくは重力により電流コレクタを湿潤電極セラミックス層に引き付けることによって達成するのが好ましい。或いはまた、湿潤電極セラミックス層の表面張力を利用して金属電流コレクタ構造体の埋め込みを行う。使用時にガス交換を促進し、構造体をさらに埋設する多孔質層を設けるために、追加のコーティングを電流コレクタの頂部に任意に塗布することができる。かかる追加のコーティングは、電極の材料または類似の電極材料からなることが好ましい。次いで、かかる配列を適当な温度、好ましくは＜１０００℃で焼成する。
【０１３２】
本発明の方法の別の実施態様では、金属構造体の形態の電流コレクタを調合した電解質の表面に置き、次いでその上に電極材料を例えばスクリーン印刷やスプレーにより沈積する。その後、かかる配列を上述したように焼成する。
【０１３３】
本発明の方法の別の実施態様では、金属構造体の形態の電流コレクタを上記のように配置し、その後更に電極、電解質、そして対向電極の処理を行う。
【０１３４】
上述したように、導電性の電流コレクタは通常金属であり、次のうちのいずれかからなることが好ましい：メッシュ（例えば織られているもしくは編まれているもの）、有孔金属（穿孔もしくは化学的エッチングによる）、エキスパンド金属、金属フォーム、金属ウール、一つ以上の個別撚り線、もしくはそれらの組み合わせ。さらに、電流コレクタは、非導電性の構造体の中に連続的な導電性の素子があるような形状とすることができる。
【０１３５】
更に、導電性の電流コレクタをその最終的な形状に型打ち、打ち抜き、エッチング、レーザーカット、レーザー穿孔および／または成形するのが好ましい。或いはまた、機械的に成形または非成形の仕上げ構造体で設けることができる。
【０１３６】
燃料電池層の周りの非導電性構造体を被覆するための少なくとも１つの電流コレクタ拡張部の形成は、電流コレクタを湿潤電極セラミックス層の上に配置する前、もしくは焼結後に生起することができ、もしくは非導電性の構造体層を成形ツールとして用いてこれらを最終的な位置に形成し、全体の構造体を焼結して他の燃料電池構成材を損傷すること無くカソードの性能を得ることができる。
【０１３７】
電流コレクタを所定の場所に埋め込む前に非導電性のスペーサーを配置することができる。予備成形した非導電性のスペーサーに関しては、燃料電池構造体の所要領域と揃えるための位置機構を用いてこれらを簡単に配置することができる。湿潤塗付に関しては、非導電性のスペーサーを所定の場所にスクリーン印刷することができる。
【０１３８】
本発明のすべての実施態様において、電流コレクタは該当する電極への適切なガス拡散を確実にし、そして物質輸送の制限を避けるに十分な開口部または孔を備える。多孔質領域は、電流コレクタを取り付けた電極の内外にガスを通すことができるようにする。非多孔質な領域は、電流を電流コレクタ拡張部に通すようにし、これに結合する電極材料用の表面を提供する。多孔質と非多孔質の領域の間隔と大きさは、電極の横向きの電流の伝導度に関して電流収集を最適化するように設計することができる。横方向の導電率が高い（抵抗が小さい）電極ではより多くの孔を有することができる、すなわち非多孔質の領域が少ない。横方向の導電率が低い（抵抗が大きい）電極では、電流コレクタから電極材料までの距離を小さくするようなより高密度のより小さな孔を有する。この多孔質と非多孔質の設計は、電極の種類と厚さ、そして使用する電流コレクタの材料と設計、例えば電極に埋設した２層の導電性メッシュからなる電流コレクタに応じて２もしくは３次元の方向に延在することができる。
【０１３９】
また、前処理やコーティングを必要に応じて電流コレクタに適用して接触抵抗を更に低減し、および／または電流コレクタから第２の燃料電池電極への有害元素の流れを阻止することができる。より具体的には、残りの燃料電池層と接合し、その後焼成する工程の前に、電極材料の一部もしくは全体を電流コレクタに沈積するのが好ましい。
【０１４０】
本発明で説明したような電流コレクタの使用と、その結果第２の電極の領域に直接圧力を加える必要がなくなるという利点を得ることにより、第２の電極領域の表面と隣接するインターコネクト板の間に隙間が存在する可能性が生じる。ガスはもっとも抵抗の小さい経路を通るので、この隙間は、前記領域に供給したガスを１つ以上の供給ポイントから１つ以上の排気ポイントまでチャンネル化することができる。
【０１４１】
本発明の様々な実施態様において、第２の電極を横切るガス流の均一なチャンネル化を低減又は最小化するために、燃料電池と燃料電池スタック装置は第２の電極上のガス流を最適化するように構成することができる。均一なチャンネル化は、燃料電池の運転、従ってその効率が十分なガス流を受けない領域（いわゆる「不活性な」もしくは「低流」領域）での低減した燃料電池の電気化学活性により損なわれることになる場合がある。
【０１４２】
上述したガスの可能なチャンネリル化を克服するために、燃料電池と燃料電池組立体は、第２の電極の上もしくはそれに隣接するディフューザー構造体を備えることができる。すなわち、本発明の燃料電池は、更に第２の電極の上もしくはそれに隣接して位置したディフューザーを備えることができる。単一のディフューザー、もしくは複数のディフューザーが、ガス流を第２の電極にわたり該第２の電極の表面の大部分でほぼ一様に生ずるように構成、配置される。
【０１４３】
いくつかの実施態様では、ディフューザーが第２の電極の表面上に位置したメッシュ状の構造体からなる。使用時、該メッシュ状の構造体は第２の電極と、隣接するインターコネクトまたはエンドプレートとの間に画成された空所（すなわち容積）を少なくとも部分的に満たし、圧縮力を第２の電極上に加えないか、もしくは十分な圧縮力を第２の電極上に加えないようなものである。「十分な圧縮力」とは、第２の電極あるいは燃料電池の損傷もしくは劣化につながり得る大きさの力を意味する。
【０１４４】
従って、メッシュ状の構造体をインターコネクト板に取り付けることができ、また取り外すことができるか、若しくは電流コレクタに取り付けるか、又はその一部分とすることができる。
【０１４５】
他の実施態様において、ディフューザーは複数のメッシュ層、織布材料、もしくは発泡構造体からなる。
【０１４６】
他の実施態様において、ディフューザーは電流コレクタ構造体の拡張部である。
【０１４７】
すべての実施態様で、ディフューザーは燃料電池の運転中に経験した熱サイクルに起因するあらゆる不都合な酸化作用や機械的障害作用なしに燃料電池の運転条件に耐えることができる。
【０１４８】
いくつかの実施態様において、ディフューザーは必ずしも第２の電極や電流コレクタと接触しない特徴の形態、例えば、インターコネクト板及び／又はエンドプレートの特徴の形態である。従って、インターコネクトそれ自身の形と構造が、ガスの流れを排気部への最も直線的な経路から遠ざけるのを促進し、いわゆる「不均一チャンネル化」を生じさせて第２の電極上に存在するあらゆる不活性もしくは低ガス流領域の機会を減らし、これにより燃料電池の運転と性能を改善することができる。いくつかの実施態様では、この成形された構造体はステップリストリクション（バッフルや堰ともいう）であり、別の実施態様では、Ｖ字型の断面を有する拡張領域または多重成形領域の形態である。ほぼ一様もしくはより一様な流れを様々な流速、ガス組成及び運転温度で実現するのに必要な他の幾何学的形状の置き換えは、当業者に容易に明らかで、３次元計算流動力学モデルのような解析ツールを利用した反復設計プロセスを用いて都合よく達成することができる。特定の燃料電池配列要件に応じて、同一又は異なる形状を有する一つ以上のリストリクターを燃料電池に組み込むことができる。
【０１４９】
ステップリストリクションは、第２の電極の第１の端部にガス吸気口、第２の電極のもう一方の端部にガス排気口を有し、ガス吸気口とガス排気口の間に長さが画成され、該長さとほぼ直角に幅が画成された燃料電池中に形成することができ、該ステップリストリクションが燃料電池のはばを横切ってガス吸気口に隣接配置され、ほぼ均一なガス流を生じる部分的妨害物の形態である。燃料電池のガス排気口端に隣接するように、もう１つのステップリストリクションを、燃料電池の幅を横切って配置した部分的妨害物の形態で備えることができる。該ステップリストリクションは、第２の電極と任意の導電性の基板の上面と、導電性のインターコネクトのような隣接した構成材の下側との間の鉛直高さの縮小部の形態とすることができる。
【０１５０】
ステップリストリクションは、電極を横切るガス圧の全体的低下が比較的小さいながら所要のほぼ均一なガス流を達成し得る限り特に有利である。
【０１５１】
また、本発明は、本発明に係わる燃料電池の製造方法を提供する。さらに、本発明に係わる燃料電池スタック組立体の製造方法も提供する。
【０１５２】
また、本発明に係わる燃料電池の運転方法を提供する。さらに、本発明に係わる燃料電池スタック組立体の運転方法を提供する。かかる方法は、前記燃料電池の第１の使用時の電気的端点から燃料電池の第２の使用時の逆に帯電した電気的端点への電気回路を設け、該回路に電気的負荷を加え、前記燃料電池の運転に適した条件下で前記燃料電池の吸気口側に燃料と酸化剤の供給を行い、前記燃料と酸化剤が燃料電池を横切って流れるように前記燃料電池を運転する工程を備えることが好ましく、前記燃料を前記酸化剤により酸化し、電流を前記燃料電池を横切って発生させ、電気回路が第１の端点から導電性のインターコネクト、そして前記第１の電極、電解質、第２の電極、電流コレクタ、そして前記少なくとも１つの電流コレクタ拡張部を搭載した導電性の基板へ至り、該回路が前記導電性の基板から前記第１の電極、電解質、第２の電極、電流コレクタ、それから少なくとも１つの電流コレクタ拡張部、前記第２の端点、そして前記ワイヤと前記負荷を介して前記第１の端点に至る。
【０１５３】
本発明は、電極及び電解質支持型固体酸化物型燃料電池や、並びに高分子電解質膜型燃料電池、直接メタノール型燃料電池、リン酸型燃料電池、アルカリ型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池のような他の燃料電池や、同じ構成の酸素発生器や電解槽に一様に適用することができる。
【０１５４】
従って、本発明は、本発明に係わる燃料電池の少なくとも１つ備える酸素発生器をも提供する。
【０１５５】
また、本発明は、本発明に係わる燃料電池構造体の少なくとも１つ備える電解槽を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１５６】
以下に、本発明を添付の図に基づいてさらに明らかにする。図中、実線の矢印は空気の流れの領域を示し、破線の矢印は燃料の流れの領域を示す。
【０１５７】
第一の実施態様では、アノード１ａと被覆電解質１ｅを金属基板４に支持して設ける。カソード１ｃを電解質の上にスクリーン印刷によって沈積して「湿潤」層を形成し、次いで金属織メッシュ形状の電流コレクタ２を湿潤層１ｃに導入する。電流コレクタは、所定の大きさに切断し、電流コレクタの突出側を鉛直位置の方に折り曲げるように予備成形させることができる。電流コレクタのカソード内への導入は、該構造体を湿潤層１ｃに軽く押しつけることによって達成することができる。次いで、かかる配列を１０００℃未満の温度で焼成する。
【０１５８】
予備成形した織メッシュ２を燃料電池のカソード１ｃに上記処理とその焼結により結合する。電池の組立体を完成させるため、アノード、電解質、カソード１ａ、１ｅ、１ｃのペリメータを越えて延在する電流コレクタ２の拡張部（突出セクション）（電流コレクタ拡張部）を鉛直位置に保持し、次いで非導電性のガスケット５を金属基板４の頂部上に設置する。この後、電流コレクタ２の拡張部をガスケット５の上に折り戻し、導電性インターコネクト板３を含む隣接する燃料電池スタック層をその頂部上に、ガスケット５と隣接するインターコネクト板３の間に捕捉された突出電流コレクタ２の拡張部と共に、隣接するインターコネクト板と電流コレクタ２の拡張部が電気的接触にあるようにして配置する。図１からわかるように、この電気的接触はアノード１ａ、電解質１ｅ又はカソード１ｃに圧力をかけることなく達成される。
【０１５９】
上記組立体のプロセスを図５−８に段階的に示す。
【０１６０】
燃料電池は、図４に示すように構成される。具体的には、アノード１ａと被覆電解質１ｅを、固形（非多孔質）の領域４ｓに囲まれた多孔質領域４ｐからなる金属基板４上に担持して設ける。次に、カソードを電解質１ｅの上にスクリーン印刷により沈積していわゆる「湿潤」層を形成する。そして、電流コレクタ２を湿潤カソード層１ｃに軽く押し付けることによって該電流コレクタ２を湿潤カソード層１ｃに埋設する。次いで、この配列を１０００℃未満の温度で焼成する。
【０１６１】
第２の実施態様（図２）では、カソード１ｃを２つの層の形態で設ける。層１ｃはイオン輸送を行う活性電極層であり、一方層１ｆは高い横方向の導電性を付与する機能性電極層であり、これは導電性のサーメットで、前記活性電極層と電気的接触状態で該層内の均質な電流分布と電流コレクタとのより低抵抗の接続を促進するものである。
【０１６２】
第３の実施態様（図３）では、電流コレクタ２を隣接する燃料電池スタック層のインターコネクト層４に直接結合して低抵抗な電気的接続を付与しながらも電流収集経路を達成するためにガスケット５の必要性を排除した代替構成を示す。
【０１６３】
燃料電池スタック（図９）を形成するためには、図１又は２の燃料電池の複数個をスタックに組み立て、この場合各スタック組立体層が、前のスタック組立体層の燃料電池の頂部上に直接置いた燃料電池によって形成される。そして、全体のスタック配列をエンドプレート６の間に緊締し、締め付けボルト７からなる圧縮システムにより圧縮力を該エンドプレート６、したがってガスケット５、基板４、電流コレクタ２の拡張部、そしてインターコネクト３に加える。
【０１６４】
更なる実施態様（図示せず）では、電流コレクタ２の剛性を曲げ線に沿って軽減（例えばワイヤストランドの省略、曲げ領域での空隙率の増加、若しくは曲げ線の追加又は曲げ線のエッチング）することにより電流コレクタ拡張部の形成を容易にするように電流コレクタ２を構成する。他の実施態様では、固形金属ストリップを電流コレクタ拡張部に接合（スポット溶接やほかの一般的な接合手段により）して接触面積を増大し、スタック内の電気抵抗をさらに減少させる。
【０１６５】
スタック組立てを容易にするために、ボルト穴を有する金属基板４とガスケット５を形成する。スタックの組立てを完成するため、エンドプレート７をスタックの最上段と最下段の燃料電池の上に置き、次にボルト７を用いて組立体に圧縮力を加える。
【０１６６】
図１０と１１から分かるように、一対のリストリクター３Ａを有する第一の燃料電池組立体は、上述した実施態様のように、金属基板４に沈積したアノード、電解質及びカソード配列１と、燃料流路Ａと、空気流路Ｂと、絶縁性のガスケット５とを備える。簡単にするため、電流コレクタは図１０−１３には示していない。この燃料電池は、空気吸気ポートＣと排気ポートＤを有する（図１５）。破線は第２の電極のペリメータを示す。使用中、空気はポートＣを介して燃料電池に入り、ポートＤに向かって流れる。しかし、ステップリストリクション３Ａはガス流が燃料電池の幅を横切って広げ、第２の電極の領域上にほぼ一様な気流を発生させる。燃料電池の排気ポートＤ端では、第２のステップリストリクション３Ａが燃料電池の中央領域からガスが優先的に排気されるのを制限し、ガスを燃料電池の中央部以外の領域から排気されるようにして、第２の電極領域上にほぼ一様なガス流を維持する。
【０１６７】
図１４からわかるように、ステップリストリクション３Ａのようなリストリクションがない実施態様では、ガス流は燃料電池の中央領域に沿って優先的に生じ、燃料電池の中央領域の外側に「デッド」ゾーンを生じる。燃料電池の電気化学的活性はこのような「デッド」ゾーン領域で大幅に制限される。
【０１６８】
特に、図１０、１１及び１４のステップリストリクションは代替実施態様（以下に示す）に比べて電極領域での圧力低下を著しく低減することができる（１０００Ｐａ未満）。
【０１６９】
図１２、１３に示した実施態様では、ガスケット５によって画成されたカソードとインターコネクト板３の間の空気力学的な間隙Ｅは０．６ｍｍである。形成したリストリクター３Ａはこのギャップを中心では０．３ｍｍに狭め、両端ではおおもとの０．６ｍｍとなるように先細になる。他の実施態様（図示せず）では、狭める度合いと関連する寸法は特定の用途に適するように修正される。
【０１７０】
燃料電池スタック中の燃料電池の並列と直列配置の例を図１６と１７に示す。図１６は燃料電池スタックの一部分の断面を示し、図からわかるように、第１の金属基板（導電性基板／インターコネクト）４上に沈積したアノード１ａ、電解質１ｂ及びカソード１ｃ（合わせて参照番号１で参照する）を有する以前説明した一般的な配列を用い、多孔質の領域を介して底面層（すなわちアノード１ａ）に燃料の流れを付与し、非導電性のガスケット５、第１の金属基板４、そして隣接する第２の金属基板４／エンドプレート（図示せず）は、酸化剤が流れ、上層（すなわちカソード１ｃ）と接触する容積を画成する。
【０１７１】
各電流コレクタ２をカソード１ｃ上に沈積し、第２の金属基板４／エンドプレート（図示せず）との直接電気接触代わりに、実際はガスケット５を通して電流導体１１に延在する。すなわち、各電流コレクタ２を電流導体１１に並列に接続する。
【０１７２】
同様に、金属基板層４はガスケット５を越えて延在し、電流導体１０に並列に接続される。電気回路が電流導体１０と１１の間で完成し、燃料電池が並列に配置された回路になる。
【０１７３】
図１７は、燃料電池を電気的に直列に配置した代替配列を示す。電流導体１０が底部の金属基板４と電気的接触状態にあり、金属基板（導電性基板／インターコネクト）４上に沈積したアノード１ａ、電解質１ｂ及びカソード１ｃ（合わせて参照番号１で参照する）を有する燃料電池スタックの各層を配置し、多孔質の領域を介して底部層（すなわちアノード１ａ）に燃料の流れを付与し、非導電性のガスケット５、金属基板４、そして隣接する金属基板４／エンドプレート（図示せず）は、酸化剤が流れ、上層（すなわちカソード１ｃ）と接触する容積を画成する。
【０１７４】
各電流コレクタ２をカソード１ｃ上に沈積し、ガスケット５中に延在させて、上述した金属基板４／エンドプレート（図示せず）と直接電気的接触状態にする。燃料電池スタックの最上層から、電流コレクタは電流導体１１と直接電気的接触状態にする。
【０１７５】
電気回路を電流導体１０と１１の間で完成し、燃料電池を直列に配置した回路になる。
【０１７６】
図１８は、隣接するインターコネクト板１０５を有する燃料電池スタック層の断面側面図であり、アノード１０２、電解質１０３、そして圧力のかかっていない電流コレクタの多孔質領域を含むカソード１０４が金属基板１０１上に搭載されている。金属基板１０１は多孔質領域１１２と非多孔質領域１１３からなる。金属基板１０１を金属インターコネクト板１０５の上に搭載し、基板１０１とインターコネクト板１０５との間にスペーサー層１０６があり、溶接１０７の形状の密封シールがこれらの層を一緒に接合する。電流コレクタ拡張部１０９が非導電性のスぺーサー１０８とインターコネクト板１０５上の平坦な領域との間に固定されている。この構造により、基板１０１とインターコネクト板１０５の間に容積１１１が生じ、圧力のかかっていない電流コレクタ１０４の多孔質領域を含む電極２とインターコネクト板１０５の間に容積１１０が生じる。使用中、容積１１１は反応物である燃料ガスを含有し、容積１１０は酸化剤ガスを含有する。
【０１７７】
図１９は、図１８と同じレイアウトに従っているが、インターコネクト板１０５と電流コレクタ拡張部１０９の間の界面について代替の設計を示す。インターコネクト板１０５は、その表面に形成された一連の平坦な面にしたリッジ１１４を有し、これらは圧縮応力の結果としてインターコネクト板１０５の界面領域をたわませることなく圧縮力をスタック層の間をスタックを介して下方に伝達し得るように設計されている。この図はまた、インターコネクト板の両側に設けたディンプル構造体も示す。この実施態様では、第２の電極側に示した頂部が平らなディンプル１１５と、インターコネクト板１０５と金属基板１０１の間の側に示したドーム型のディンプル１１６がある。これらのディンプルは互いに対向しており、対抗面は接触しない。
【０１７８】
図２０は、図１８と同様の状況を示しているが、図１９のインターコネクト板上に見られるリッジは代わりに非導電性のスペーサー１１７に組み込まれている。非導電性のスペーサー１１７は鋳造、成型もしくは押し出し加工により形成される。
【０１７９】
図２１は、図１８と同様の状況を示しているが、インターコネクト接触領域の形状が燃料電池スタック中のインターコネクト板の位置に応じて変化する。
【０１８０】
図２２は、燃料電池スタックシステム組立体１０００の一部の部分分解斜視図である。この図からわかるように、
導電性のインターコネクト板１００１、
導電性のスペーサー１００４、
アノード、電解質、カソード、そして導電性の電流コレクタ１０１２をその上に搭載して有する導電性の基板１００３、及び
非導電性のスペーサー１０１０、燃料入口ガスケット１００５、そして排気側のガスケット１００２を備える非導電性の構造体
の反復を備える反復層状構造体が提供される。
【０１８１】
導電性のインターコネクト板１００１、導電性のスペーサー１００４、導電性の基板１００３をフェライト系ステンレス鋼から形成する。同様に、導電性の電流コレクタ１０１２をフェライト系ステンレス鋼から形成する。
【０１８２】
非導電性のスペーサー１０１０はＣＧＯである。ガスケット１００２と１００５はバーミキュライトである。
【０１８３】
アノードはニッケルＣＧＯである。電解質はＣＧＯである。カソードはＬＳＣＦである。
【０１８４】
燃料電池スタックシステム組立体１０００は吸気側と排気側を有する。吸気側では、燃料吸気マニホールドが切り欠き開口部１００１Ａ、１００４Ａ、１００３Ａ、そして１００５Ａによって画成される。次に、燃料は開口部１００１Ａで導電性のインターコネクト板１００１の上面と、導電性のスペーサー１００４と、導電性の金属基板１００３の下側とで画成した容積に流れる。この容積への流入で、燃料ガス流は前記容積内で非線形なガス流を促進するように作用するバッフル１０１７にぶつかる。また、導電性のインターコネクト１００１は上向きのディンプル１０１４と下向きのディンプル１０１５とを有する。下向きのディンプル１０１５は、機械的な衝撃／応力を受けた際に燃料電池層の上面や埋め込まれている電流コレクタ１０１２と接触する場合に、接触圧力と損傷を最小に抑えるながら燃料電池スタック組立体を機械的に安定化するように作用するようなほぼ平らな表面を有する。ディンプル１０１４と１０１５はまた、燃料電池を機械的に安定化させ、非線形なガス流を促進して燃料電池スタック組立体１０００の操作性能を向上させるように作用する。
【０１８５】
アノードへの燃料の流れは、導電性の金属基板１００３中の孔により達成され、反応した燃料は前記容積に排気、戻される。
【０１８６】
排気側では、排気燃料マニホールドが、切り欠き開口部１００１Ｂ、１００２Ｂ、１００３Ｂ、そして１００４Ｂによって画成される。すなわち、密閉燃料流路とプレナムが画成される。
【０１８７】
図２２では、燃料の流れを矢印１００７（燃料吸気流）と１００９（反応燃料排気流）で示す。
【０１８８】
酸化剤の流れに関しては、開放酸化剤流路を設ける、すなわち吸気側には酸化剤流れ用のマニホールドは無く、代わりに酸化剤は、吸気側の燃料電池スタックシステム組立体の外側の容積から導電性の金属基板１００３の上面と、燃料吸気口ガスケット１００５と、排気側のガスケット１００２と、導電性のインターコネクト板１００１の下側との間で画成された容積に自由に流れ込むことができる。
【０１８９】
排気側では、排気酸化剤マニホールドが切り欠き開口部１００１Ｃ、１００２Ｃ、１００３Ｃ，そして１００４Ｃにより画成される。
【０１９０】
図２２では、酸化剤の流れを矢印１００６（酸化剤側供給流）と１００８（酸化剤側排気流）で示す。
【０１９１】
すなわち、明白な燃料と酸化剤の流路が画成され、特に、酸化剤流路は開放酸化剤吸気口を備え、これは燃料電池スタック組立体により要求された大量の酸化剤の簡単で都合のよい流れを可能にし、従来の燃料電池スタック組立体で遭遇した送風機の設置で大量の電力消費を必要とする問題である質量流の問題を低減する。
【０１９２】
燃料電池スタック組立体１０００が運転している間、電位差がアノード、電解質、カソードを横切って生じる。具体的には、アノード（図示せず）が導電性の基板１００３の上方多孔質表面と電気的接触状態にある。次に、電解質（図示せず）がその下のアノード及びその上のカソードと電気的接触状態にある。カソードが電流コレクタ（図示せず）と電気的接触状態にある。電流は、アノード、カソード及び電解質からアノード、カソード及び電解質の面とほぼ平行な面に該アノード、カソード及び電解質で画成されたペリメータを超えて延在する電流コレクタ拡張部１０１１によってカソード及び電流コレクタから取り出される。
【０１９３】
電流コレクタ拡張部１０１１を導電性の基板１００３から電気的に絶縁するため、それらの間に非導電性のスペーサー１０１０を配置する。
【０１９４】
次に、電流は、導電性のインターコネクト板に沿って吸気側から排気側に縦方向に延在する複数のリッジからなる導電性のリッジ１０１３を介して、隣接する導電性のインターコネクト板１００１に伝達される。各リッジ１０１３は、電流コレクタ拡張部１０１１と接するように導電性のインターコネクト１００１から下方向に延在する。複数のリッジ１０１３の利用は、良好な電気的接触を行うに必要な点圧力を提供するのに役立ち、また燃料電池スタック組立体１０００内のガス流をしっかりと制御するために十分なガスシールを達成するのを確実にすることに役立つ。
【０１９５】
さらに密閉度を増強するために、排気側のガスケットの位置決めは、燃料電池スタック組立体１０００の熱サイクル中に生じうる接触、すなわちあらゆる接触圧力を最小にしながら、隣接する非導電性のスペーサー１０１０と電流コレクタ拡張部１０１１との必要な接触を付与し得るニップル１０１８の配設によって補助される。
【０１９６】
導電性のエンドプレート（図示せず）を燃料電池スタック組立体の両端に設け、両端での燃料と酸化剤の流路容積を画成し、電流の取り出しを可能にする。
【０１９７】
電気回路が、エンドプレート（図示せず）の間でワイヤ１０２０（図示せず）により完成する。この回路に負荷（図示せず）を加える。
【０１９８】
他の燃料電池スタック組立体１０００の構成材用の熱シールドを付与するために、燃料電池スタック組立体の両端に断熱材を配置する。
【０１９９】
最後に、燃料電池スタック組立体１０００を、アノード、カソード及び電解質のペリメータ内の領域に対応する非固形中央領域を有する非固形圧縮フレームの設置により圧縮し、該フレームの固形セクションが各燃料電池スタック組立体１０００層のアノード、カソード及び電解質で画成されたペリメータを超えて延在し、その結果非導電性のスペーサー１０１０、電流コレクタ拡張部１０１１、導電性リッジ１０１３上に延在する。圧縮システム繰り出し孔１０１６と、（排気側では）切り欠き開口部１００１Ｃ、１００２Ｃ、１００３Ｃ、そして１００４Ｃに圧縮ボルトを設ける。圧縮力を燃料電池スタック組立体１０００に加える。注意すべきなのは、本発明による従来の圧縮板に代えた圧縮フレームの使用は、熱質量の低減をもたらし、これは燃料電池スタック組立体１０００を従来の装置に比べてより速やかにサイクル化し得ることを意味する。また、このシステムはスタック中に加えなければならない圧縮力を低減して、構成材のコストを低減し、製造を単純化する。
【０２００】
この圧縮力は、所要の密閉を付与する。燃料電池スタック組立体の短絡を防ぐため、使用する圧縮ボルトを個々の構成材１００１，１００２，１００３，１００４，１００５から電気的に絶縁する。
【０２０１】
すなわち、燃料電池スタック組立体１０００層のアノード、電解質、カソードに接触したり圧力を加えたりすることなく電流コレクタ拡張部との電気的接触が行われ、同時にガス流（特に酸化剤の流れ）が強化され、ディンプル１０１４、１０１５を使用時の耐衝撃性用に設ける。
【０２０２】
当然のことながら、上記の実施例にのみ本発明を制限することを意図したのではなく、添付の請求項の範囲から逸脱していない、当業者にとって明らであるような本発明の他の実施態様についても含有する。
【図面の簡単な説明】
【０２０３】
【図１】第２の電極層に埋設した金属製電流コレクタと、非導電性のガスケットと導電性のインターコネクト板の間に緊締した電流コレクタ拡張部とを有する燃料電池を示す。
【図２】電流収集電池層に埋設した金属製電流コレクタと、非導電性のガスケットと導電性のインターコネクト板の間に圧縮／緊締した電流コレクタ拡張部を有する燃料電池を示す。
【図３】活性電極層に埋設した金属製電流コレクタと、導電性のインターコネクト板に接合した電流コレクタ拡張部とを有する燃料電池を示す。
【図４】導電性の基板上の燃料電池の部分断面図である。
【図５】燃料電池を付着した導電性の基板（土台）有し、該導電性の基板が第１及び第２の電極と電解質のペリメータの外にスタック特徴を有する初期の燃料電池製造工程を示す。
【図６】焼成する頂部（湿潤）燃料電池層に埋設した電流コレクタメッシュを用いる続きの製造工程における図５の導電性の基板と燃料電池を示す。
【図７】ガスケットの配置を可能にするために鉛直に折り曲げた電流コレクタ拡張部を有する図６の焼成燃料電池を示す。
【図８】導電性の基板の上に挿入した非導電性のガスケットと、該非導電性のガスケットの上に折戻されている電流コレクタ拡張部を有する図７の焼成燃料電池を示す。
【図９】燃料電池スタック組立体の断面図である。
【図１０】インターコネクト板から延在したステップリストリクションディフューザーを有する第１の燃料電池組立体の端面図である。
【図１１】図１０の線Ｘ−Ｘに沿った断面図である。
【図１２】Ｖ字型リストリクションを有する第２の燃料電池組立体の端面図である。
【図１３】図１２の部分拡大図である。
【図１４】リストリクターをを有さず、ガス流路とガス吸気口からガス排気口へのチャンネル化効果を矢印で示す燃料電池の平面図である。
【図１５】矢印がガス流路と、電極表面上のほぼ一様なガス流を示す図１０と図１１の第１の燃料電池の平面図である。
【図１６】個々の燃料電池を電気的に並列に接続するように構成した燃料電池スタックの側面図である。
【図１７】個々の燃料電池を電気的に直列に接続するように構成した燃料電池スタックの側面図である。
【図１８】隣接する導電性のインターコネクト板を有する燃料電池スタック層の断面側面図であり、アノード−電解質−カソード構造体を導電性の金属基板上に搭載し、これを導電性の金属インターコネクト板上に該導電性の基板と導電性のインターコネクト板の間にある導電性のスペーサー層と共に搭載し、少なくとも１つの電流コレクタ拡張部を非導電性のスペーサーと隣接する導電性のインターコネクト板の下面の平坦な部分との間に固定する。
【図１９】隣接する導電性のインターコネクト板を有する燃料電池スタック層の断面側面図であり、アノード−電解質−カソード構造体を導電性の金属基板上に搭載し、これを導電性の金属インターコネクト板上にこれらの間にある導電性のスペーサー層と共に搭載し、少なくとも１つの電流コレクタ拡張部を非導電性のスペーサーと、下面（電極）側と上面（基板）側の両方に複数のディンプルを有する隣接する導電性のインターコネクト板の下面のリッジ領域との間に固定する。
【図２０】図１９と同様の燃料電池スタック層の断面側面図であるが、リッジは導電性のインターコネクト上にある代わりに非導電性のスペーサーの一部分である。
【図２１】図１９と同様の燃料電池スタック層の断面側面図であるが、電流コレクタ拡張部に対する導電性のインターコネクトに用いる種々の固定形状を示す。
【図２２】本発明の好ましい燃料電池スタック組立体の部分分解断面斜視図である。
【図１】
2009525564.tif 000003
【図２】
2009525564.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2009525564.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2009525564.tif 000015
【図１４】
2009525564.tif 000016
【図１５】
2009525564.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
2009525564.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2009525564.tif 000021
【図２０】
2009525564.tif 000022
【図２１】
2009525564.tif 000023
【図２２】
2009525564.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成20年10月6日(2008.10.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）  （ｉ）第１と第２の面を画成する電解質層で、前記第１の面が第１の電極上に載って、それと電気化学的に接触しており、前記第２の面が第２の電極上に載って、それと電気化学的に接触している電解質層、及び
（ii）前記第２の電極と接合もしくはその上に載る又はその中にあり、前記第２の電極と電気的に接触している導電性の電流コレクタで、前記第１及び第２の電極と前記電解質によって画成されたペリメータの外側に延在する少なくとも１つの拡張部を有する導電性電流コレクタ
を備え、少なくとも１つの燃料電池スタックを画成する少なくとも１つの燃料電池、
（ｂ）  前記少なくとも１つのスタックの周り配置した被覆手段、及び
（ｃ）  前記被覆手段に圧縮力を加えるのに適合したクランプ手段
を備え、
前記圧縮力を前記少なくとも１つの燃料電池に前記第１及び第２の電極と前記電解質のペリメータの外でのみ加えるように配置する
ことを特徴とする燃料電池スタック組立体。
【請求項２】
互いに電気的に直列に配置された少なくとも２つの燃料電池を備える請求項１に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項３】
（ａ）  （ｉ）第１と第２の面を画成する電解質層で、前記第１の面が第１の電極上に載って、それと電気化学的に接触しており、前記第２の面が第２の電極上に載って、それと電気化学的に接触している電解質層、及び
（ii）前記第２の電極と接合もしくはその上に載る又はその中にあり、前記第２の電極と電気的に接触している導電性の電流コレクタで、前記第１及び第２の電極と前記電解質によって画成されたペリメータの外側に延在する少なくとも１つの拡張部を有する導電性電流コレクタ
を備え、少なくとも１つの燃料電池スタックを画成する少なくとも２つの燃料電池、
（ｂ）  前記少なくとも１つのスタックの周りに配置した被覆手段、及び
（ｃ）  前記被覆手段に圧縮力を加えるのに適合したクランプ手段
を備え、
前記圧縮力を前記燃料電池に前記第１及び第２の電極と前記電解質のペリメータの外でのみ加えるように配置し、
前記少なくとも２つの燃料電池を互いに電気的に並列に配置する
ことを特徴とする燃料電池スタック組立体。
【請求項４】
前記少なくとも２つの燃料電池のうちの少なくとも１つと電気的に直列に配置された少なくとも１つの追加燃料電池をさらに備える請求項３に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項５】
前記クランプ及び被覆手段が非固形のエンドプレートやクランプフレーム構造体を含む請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項６】
前記電解質層、第１の電極、第２の電極、そして電流コレクタを第１の軸上に配置し、前記電流コレクタが前記第２の電極から前記第１の軸に直角な軸上に延在する請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項７】
前記第１の電極を接合もしくは搭載する導電性の基板をさらに備える請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項８】
前記導電性の基板と前記少なくとも１つの電流コレクタ拡張部の間に搭載した非導電性の構造体をさらに備える請求項７に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項９】
前記非導電性の構造体を前記第１及び第２の電極と前記電解質で画成されたペリメータの外側に配置する請求項８に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１０】
前記非導電性の構造体が前記第１及び第２の電極と前記電解質を完全又は部分的に囲む請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１１】
前記非導電性の構造体がガス不透過性あるいは透過性である請求項１〜１０のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１２】
前記非導電性の構造体が非導電性のスペーサーと、非導電性のガスケットとからなる群の少なくとも１つを備える請求項１〜１１のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１３】
前記非導電性の構造体が圧縮性と非圧縮性のガスケットからなる群から選択した非導電性のガスケットを備える請求項１２に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１４】
前記第１の電極を頂部に搭載する導電性のインターコネクトをさらに備える請求項１〜１３のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１５】
前記導電性のインターコネクトが導電性のインターコネクトと導電性のスペーサーを備える請求項１４に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１６】
前記導電性のインターコネクトと前記導電性の基板を金属、フェライト系ステンレス鋼及び導電性セラミックスからなる群から独立して選択した材料から形成する請求項７に従属する請求項１４又は１５に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１７】
前記導電性のインターコネクトが上面と下面を有し、該上面が前記第１の電極の方に向き、前記上面と下面の少なくとも１つが少なくとも１つの突出部を備える請求項１４〜１６のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの突出部がディンプルからなる請求項１７に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項１９】
前記第２の電極が複数の電極層からなる請求項１〜１８のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項２０】
前記第２の電極が活性電極層と機能性電極層とからなる請求項１９に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項２１】
前記電流コレクタが金属製である請求項１〜２０のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項２２】
前記電流コレクタが鋼からなる請求項２１に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項２３】
前記電流コレクタがフェライト系ステンレス鋼からなる請求項２２に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項２４】
前記電流コレクタが導電性の元素を備える材料からなる請求項１〜２３のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項２５】
前記電流コレクタが、メッシュ、織りメッシュ、編みメッシュ、有孔金属、機械的に穿孔した金属、化学的にエッチングした金属、エキスパンドメタル、金属フォーム、金属ウール、少なくとも１本の金属線ストランド、あるいはそれらの組み合わせの形状である請求項２４に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項２６】
前記電流コレクタが可撓性セクションを有し、該可撓性が折り曲げ、空隙率の増大、伸縮継ぎ手の設置、材料の薄肉化、可撓性セクションで別の導電性の材料を組み込み又は使用からなる群のいずれかにより付与される請求項１〜２５のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項２７】
前記第２の電極の上あるいはそれに隣接してディフューザー構造体をさらに備える請求項１〜２６のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項２８】
前記ディフューザー構造体をメッシュ、メッシュ状の構造体、複数のメッシュ層、織り材料及びフォームからなる群から選択する請求項２７に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項２９】
前記ディフューザー構造体が隣接する導電性のインターコネクトに従属する請求項２７又は２８に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項３０】
前記ディフューザーを前記インターコネクトにおけるステップリストリクション、Ｖ字型の断面を有する拡張領域、及び複数の成形された領域からなる群から選択する請求項２９に記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項３１】
開いた酸化剤吸気口と、閉じた酸化剤排気マニホールドと、閉じた燃料吸気・排気マニホールドとを備える請求項１〜３０のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体。
【請求項３２】
（ａ）  （ｉ）  第１と第２の面を画成する電解質層で、前記第１の面が第１の電極上に載って、それと電気化学的に接触しており、前記第２の面が第２の電極上に載って、それと電気化学的に接触している電解質層を設ける工程、および
（ii）  導電性の電流コレクタを前記第２の電極と接続、もしくはその上に載る又はその中に前記第２の電極と電気的に接触するように設け、該導電性電流コレクタを前記第１及び第２の電極と前記電解質によって画成されたペリメータの外側に延在させる工程
により少なくとも１つの燃料電池を設けて、少なくとも１つの燃料電池スタックを画成する工程、
（ｂ）  前記少なくとも１つのスタックの周りに被覆手段を配置する工程、および
（ｃ）  前記被覆手段に圧縮力を加えるのに適合したクランプ手段を設ける工程
を備え、
前記圧縮力を前記少なくとも１つの燃料電池に前記第１及び第２の電極と前記電解質のペリメータの外でのみ加えるように配置する
ことを特徴とする燃料電池スタック組立体の製造方法。
【請求項３３】
少なくとも２つの燃料電池を互いに電気的に直列に配置して設ける請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
（ａ）  （ｉ）  第１と第２の面を画成する電解質層で、前記第１の面が第１の電極上に載って、それと電気化学的に接触しており、前記第２の面が第２の電極上に載って、それと電気化学的に接触している電解質層を設ける工程、および
（ii）  導電性の電流コレクタを前記第２の電極と接続、もしくはその上に載る又はその中に前記第２の電極と電気的に接触するように設け、該導電性電流コレクタを前記第１及び第２の電極と前記電解質によって画成されたペリメータの外側に延在させる工程
により少なくとも２つの燃料電池を設けて、少なくとも１つの燃料電池スタックを画成する工程、
（ｂ）  前記少なくとも１つのスタックの周りに被覆手段を配置する工程、
（ｃ）  前記少なくとも２つの燃料電池を互いに電気的に並列に配置する工程、および
（ｄ）  前記被覆手段に圧縮力を加えるのに適合したクランプ手段を設ける工程
を備え、
前記圧縮力を前記燃料電池に前記第１及び第２の電極と前記電解質のペリメータの外でのみ加えるように配置する
ことを特徴とする燃料電池スタック組立体の製造方法。
【請求項３５】
前記少なくとも２つの燃料電池の少なくとも１つと電気的に直列に配置した少なくとも１つの追加の燃料電池を設けることをさらに備える請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記第２の電極層を湿潤電極層の形態にし、前記導電性の電流コレクタを第２の電極の上もしくはその中に配置する工程が、
（Ａ）  前記湿潤第２電極層を前記導電性の電流コレクタと接触させ、該導電性の電流コレクタが展開した形状では前記第１及び第２の電極と電解質で画成されたペリメータの外側に延在するような大きさにされ、
（Ｂ）  前記燃料電池を焼結プロセスで前記電流コレクタを前記第２の電極に結合させるように焼成する
工程を備える請求項３２〜３５のいずれかに記載の燃料電池スタック組立体の製造方法。
【国際調査報告】
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