(57)【要約】高温で作動する固体セラミック燃料電池は従来の技術から公知である。この種の燃料電池はいわゆるＳＯＦＣである。この種のＳＯＦＣは基本的にプレーナコンセプトまたはチューブラコンセプトに基づいて構成されている。チューブラコンセプトはさらに発展改良されて、すでにいわゆるＨＰＤタイプのものが開発された。本発明によれば、デルタ燃料電池において支持構造体の表面は形状加工によってフラットな表面に比較して部分的に形状が拡大されて、電気化学的活性表面積が拡大される。好ましくは、１方向から別の方向への統合空気流転向手段が支持構造体に組込まれている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス誘導のための多孔質導電性支持構造体で形成された、特にチューブラコンセプトまたはＨＰＤコンセプトによる高温固体電解質型燃料電池において、ガス誘導中空構造を有する多孔質導電性支持構造体の表面は、形状加工によってフラットな表面に比較して部分的に形状が拡大されて、セルの電気化学的活性表面積が拡大されていることを特徴とする高温固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
セル活性側の表面は波形構造であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
チャネル断面は三角形形状を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
頂角（α）は１５０°未満であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
頂角（α）は９０°〜３０°であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
角は丸められていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項７】
波形構造または三角形構造の斜面は段付けされていることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池。
【請求項８】
チャネル断面は長方形（「銃眼壁形状」）または曲折形状を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
チャネル断面は一様に湾曲した形状、特に楕円形状を有することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項１０】
支持構造体（１０）はカソード（１２）を形成し、該カソードに固体電解質（１５）及びアノード（３０）が被着されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１１】
支持構造体はアノードを形成し、該アノードに固体電解質及びカソードが被着されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１２】
支持構造体は電気化学的に中性であり、該構造体にカソード、固体電解質及びアノードが被着されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
支持構造体の背面には少なくともインターコネクタストリップ（４０）が電気的接触手段として被着されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１４】
隣接セルとの電気的接触はニッケルまたはニッケルクロムからなる編成組織、編組組織、フェルトまたはその他の柔軟な構造部材を介して行われることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項１５】
単電池のセル活性側がフラットな表面に比較して拡大された表面積を有する、少なくとも２つの固体電解質型燃料電池からなる燃料電池装置であって、請求項１または請求項２から１４のいずれか一項に記載の燃料電池を備え、複数の燃料電池（１０，１０'，．．．；２０，２０'，．．．）がスタックを形成していることを特徴とするる燃料電池装置。
【請求項１６】
スタックを形成する燃料電池（１０，１０'）は位相周期を同じくして積層されていることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池装置。
【請求項１７】
スタックを形成する燃料電池（２０，２０'，．．．）はそれぞれ１対ごとに周期長が半分だけずらされていることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池装置。
【請求項１８】
２つの燃料電池（１０，１０'；２０，２０'）は柔軟な接触コネクタ（５０）を介して接続されていることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池装置。
【請求項１９】
接触コネクタ（５０）はニッケルまたはニッケルクロム合金からなるメッシュ、ニットまたはフェルトからなることを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池装置。
【請求項２０】
スタックの両端は端板によって保持されることを特徴とする請求項１５から１９のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項２１】
ガス誘導構造のない容器内においてスタックの周囲を燃料ガスが流れることを特徴とする、請求項２０に記載の燃料電池装置。
【請求項２２】
所与の流れ方向からさらに別の流れ方向への統合空気流転向手段が設けられていることを特徴とする請求項１５から２１のいずれか一項に記載の高温固体電解質型燃料電池装置。
【請求項２３】
第１の流れ方向と第２の流れ方向とは流れの反転を含んでいることを特徴とする請求項２２に記載の燃料電池装置。
【請求項２４】
第１の流れ方向と第２の流れ方向とは側方への流出を含んでいることを特徴とする請求項２２に記載の燃料電池装置。
【請求項２５】
第１の流れ方向はいわゆる「上昇流」であり、第２の流れ方向はいわゆる「下降流」であることを特徴とする請求項２２に記載の燃料電池装置。
【請求項２６】
チャネル末端での流れ反転と少なくとも１本のパラレルチャネルによる還流が行われた後、９０°の転向による側方流出が行われることを特徴とする請求項２２に記載の燃料電池装置。
【請求項２７】
セル活性側の支持構造体表面は波形構造であることを特徴とする請求項２２に記載の燃料電池装置。
【請求項２８】
それぞれ２本の隣接した流れチャネル（１０１，１０１'，．．．）はチャネル（１１，１１１'，．．．）を介して流体連結されていることを特徴とする請求項２２に記載の燃料電池装置。
【請求項２９】
全ての流れチャネル（１０１，１０１'，．．．）はクロス溝（１３１）を介して流体連結されていることを特徴とする請求項２２に記載の燃料電池装置。
【請求項３０】
空気流反転手段として、隣接する流れチャネル（１０１，１０１'，．．．）を流体連結する内腔（１２１，１２１'，．．．）を有する、支持構造体と同一の材料からなる成形部材（１２０，１２０'，．．．）が設けられていることを特徴とする請求項２２に記載の燃料電池装置。
【請求項３１】
隣接する流れチャネル（１１１，１１１'，．．．）のそれぞれの壁面は、成形部材（１２０，１２０'，．．．）の内腔（１２１，１２１'，．．．）と連結するチャネル（１２２，１２２'，．．．）を有することを特徴とする請求項３０に記載の燃料電池装置。
【請求項３２】
成形部材（１２０，１２０'，．．．）と燃料電池（１００）とは焼結によって一体に結合されていることを特徴とする請求項３０または３１に記載の燃料電池装置。
【請求項３３】
単燃料電池のセル活性側がフラットな表面に比較して拡大された表面積を有する、少なくとも２つの固体電解質型燃料電池からなり、複数のセルがスタックとしてのセルバンドルを形成する燃料電池装置であって、単セル（１００，１００'，．．．）は互いにはんだ結合され、セル（１００，１００'，．．．）の末端にブロック（１３０，１４０）がスペーサとして取り付けられ、そのうち、セルバンドル（２００）の閉鎖端に配されたブロック（１３０）は内部空気流転向手段（１１２，１１２'，．．．；１２１，１２１'，．．．，１２２，１２２'，．．．；１１５）を含んでいることを特徴とする請求項２２または請求項２３から３２のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項３４】
セルバンドルとしてスタック（２００）を形成する燃料電池（１００，１００'，．．．）が位相を同じくして積層されていることを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池装置。
【請求項３５】
ガス誘導構造のない容器内においてスタック（２００）の周囲を燃料ガスが流れることを特徴とする、請求項１８に記載の燃料電池装置。
【請求項３６】
単燃料電池（１００，１００'，．．．）の流体連結のために流出空気流を誘導する空気流誘導チャネル（１１１ik）はクロスチャネル（２４５）を介して互いに連結されていることを特徴とする請求項１９に記載の燃料電池装置。
【請求項３７】
燃料電池の第２の流れ方向「下降流」は第１の流れ方向「上昇流」に隣接するチャネル内を流れることを特徴とする請求項２５に記載の燃料電池。
【請求項３８】
第２の流れ方向「下降流」は第１の流れ方向「上昇流」に隣接する燃料電池内を流れることを特徴とする請求項２５及び１５に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は特にチューブラコンセプトまたはＨＰＤコンセプトによる高温固体電解質型燃料電池に関する。さらに本発明はこの種の燃料電池から構成された当該燃料電池装置にも関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー発生のために専用の燃料電池が知られている。それらは特に、ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）と称される固体セラミック電解質を使用した高温型燃料電池である。
【０００３】
ＳＯＦＣ燃料電池はプレーナタイプとチューブラタイプが知られており、後者はＶＩＫレポート「燃料電池」、Ｎｏ．２１４、Ｎｏｖ．１９９９、ｐ．４９以下に詳細に述べられている。プレーナタイプ燃料電池は折り畳み製造が可能であり、その際、折り畳まれた多数の単燃料電池からなる積層構造を有したモノリシックブロックの燃料電池が得られる（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ  ａｎｄ  Ｔｈｅｉｒ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（ＶＣＥ  フェアラークスゲゼルシャフトｍＢＨ  １９９６、Ｅ４、図２０．５））。この種の燃料電池は今日に至るまで普及するには至っていない。
【０００４】
チューブラタイプ燃料電池の場合、単燃料電池チューブは電気的に直列及び／またはグループごとに並列に接続されている。チューブラタイプ燃料電池から、カソードを形成する、平行な溝を有したフラットな焼結体の外側に機能層例えば固体セラミック電解質及びアノードの被着される、いわゆるＨＰＤ（Ｈｉｇｈ  Ｐｏｗｅｒ  Ｄｅｎｓｉｔｙ）燃料電池が開発された（引用文献「Ｔｈｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｗｏｒｌｄ（２００４）」−Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、ｐ．２５８〜２６７）。カソードはその内側の溝によって空気電極として機能し、アノードは燃料電極として機能する。複数のこの種のＨＰＤセルを結合するため、フラット側にニッケル接触部材を有したインターコネクタが設けられている。個々のチューブラタイプ燃料電池に比較してＨＰＤコンセプトはより高性能、よりコンパクトであり、しかも特に取扱いがより容易である。
【０００５】
さらに欧州特許第０３２００８７号明細書から、該文献の図４にジグザグ状の支持構造体が示された燃料電池装置が知られている。該明細書の記述によれば、特にガス誘導のための中間構造体が狙いとされている。この種の燃料電池装置の効率及び出力密度についての記述は行われていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記から出発して本発明の目的は、チューブラコンセプトまたはＨＰＤコンセプトによる電極支持固体電解質型燃料電池のさらなる出力増加とパッケージング密度の向上とを達成するとともに、当該の燃料電池装置を創作することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題は単燃料電池に関しては請求項１に記載の特徴によって解決される。当該燃料電池装置は請求項１５に記載の特徴を有するものとして得られる。それぞれの発展態様は従属する請求項に記載されている。
【０００８】
本発明において、多孔質導電性材料が電気化学的活性機能層の支持構造体を形成する。この支持構造体にガス誘導チャネルが組込まれている。機能層を担持する支持構造体表面部分は形状加工によって形状が拡大されて、電気化学的活性表面積が拡大されている。
【０００９】
「セラミックハンドブック（Ｈａｎｄｂｕｃｈ  ｄｅｒ  Ｋｅｒａｍｉｋ）」（ＤＶＳフェアラークＧｍｂＨ、デュッセルドルフ、２００４）グループＩＩＫ  ２．１．４、シリーズ４１８からセラミックよりなるフラット膜がすでに知られており、この場合、膜はいわゆるマルチチャネルエレメントを形成する。このため、平坦なフラット部材に、中空チャネルを有した波形構造が付設されている。この種の膜は特に液体濾過用の分別ツールとして使用され、燃料電池テクノロジーへの転用は容易に考えられるものではない。それは純機械的な濾過に利用されるのみであって、接触面の大きさ以外に、導電性、イオン伝導性及び輸送現象も不可欠であると同時に９００〜１０００℃の高温時の電気的接続テクノロジーを必要とする電気化学的変換機能を全く有していないからである。
【００１０】
本発明の範囲においてさまざまな実施形態が可能である。それらは詳細には以下の通りである。
・表面構造は１方向、つまり形状加工時のプレス方向において一様な形状を有している。該構造体はこの形状で押出し成形可能である。別法として、該構造体は２つの押出し品／フィルムから合成することが可能である。
・表面構造は例えば形状加工によってさらに拡大することが可能である。
・表面構造は、場合により焼結工程とコンビネーションされたコーティング法または浸漬法によって、電気化学的活性層つまり、アノード、電解質、カソードを全面に被着し得るようにして成形される。これらの機能層は、インターコネクタ層以外の層であって、このインターコネクタ層は、機能層のフラットな裏面側において、同じくコーティング法または浸漬法によって被着される、適切な接触部材を介して隣接セルとの接触を実現するための気密性の層として形成される。こうして完全な電気化学的機能性を有する単セルが得られる。
・本発明において、極めて多様な表面構造が可能である。そうした表面構造形状の例を挙げれば、波板状（デルタ）、クサビ形状、長方形状（いわゆる「銃眼壁」形状）、半円弧状、蛇行状、階段状及びそれらの組合わせである。
・カソード材料からなる支持構造体に代えて、アノード材料からなる支持構造体も可能である。
・ガス透過性支持構造体は電気化学的に中性であってもよく、例えば多孔質金属または多孔質セラミックからなっていてもよい。
【００１１】
重要なのは、本発明による燃料電池装置において、スタック形成のための単セル同士の接触は柔軟な金属製成形部材によってインターコネクタ層を介して行われる点である。この接触は例えば一方のセルのアノードから他方のセルのカソードにインターコネクタ層を介して行われ、そのためにセル同士の間の接触手段として、例えばニッケルまたはニッケルクロム合金からなる例えばエキスパンデッドメタル、メッシュ、ニット、フェルトを使用することができる。
【００１２】
特にＳＯＦＣとしての固体電解質型燃料電池を実現するため、支持構造体は例えばドープされたＬａＣａＭｎＯ3（カソード支持型）またはＮｉ−ＹＳＺ−サーメット（アノード支持型）からなっている。電解質は例えばＹまたはＳｃで安定化されたジルコニアからなっている。
【００１３】
本発明において燃料電池スタックは、柔軟な接触用成形部材を用いて単セル同士を直列接続及び／または並列接続して構成し、端板で保持することができる。この場合、媒体誘導は特に以下の３つの異なった方法で行うことができる。
・並行して、つまり空気流はセルの内側を、天然ガス流／燃料流はセルの外部を（カソード支持型）、またはその反対に（アノード支持型）誘導される。
・セルの内部において個々のセルチャネルの間で交互に「上昇／下降」フロー誘導が行われる。これにはセル末端にガス誘導チャネル密閉部材が必要である。
・２つの隣接したセルによって「上昇／下降」フロー誘導が行われる。これには双方のセル間にセル連結部が必要である。
【００１４】
本発明による燃料電池装置において以下の点が有利である。
・セル内部での空気流反転なし（「一方向貫流」）の、空気流／ガス流供給端板によるセルの一端側シール及び他端側のシールなし組付けが行われる場合、隙間を介して残留ガスの燃焼が可能であることから、セルは一端でのみ固定されており、これによって、熱ストレスがかかる際に機械的縦応力が生じないこと。
・端板によるセルの両端シールが行われる場合、燃料循環及び空気循環の分離が行われ、これを例えば水素分離または二酸化炭素分離に利用し得ること。
【００１５】
本発明による燃料電池装置には以下が当てはまる。
・燃料流誘導は空気流に対して平行（並流）、逆平行（向流）または垂直（直交流）にて行われること。
・スタックを形成するために、セルと隣接セルとの支持構造体は位相を同じくしてまたは位相をずらして配置されること。
【００１６】
本発明の範囲において、有利には、セルの内部において個々のセルチャネルの間で交互の「上昇／下降」フローを達成することが可能であり、これはセル末端におけるガス誘導チャネル密閉部材によって保証されている。これに関連して、国際出願第０３／０１２９０７号パンフレットから、それぞれ１対ごとの隣接したチャネルにおいて空気流の方向反転とそれに続く側方への空気流流出とが実現されたＨＰＤ燃料電池がすでに知られている。ただし前記文献において提案された解決方法は、セル構造が共面フラットであることから、本願明細書に記載した片側が構造化されたセル形状に転用することはできない。
【００１７】
本発明により、今や、一方で空気流誘導チャネルの選択と、他方でモジュールスタックに積層された燃料電池による燃料電池装置の構成とに関して極めて広範な形成可能性が得られる。特に、両端に設けられる保持部材とそれらの気密はんだ接合とによって単燃料電池を容易に積層してコンパクトなモジュールとなし得る点が従来の技術に比較して有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照し、請求項の記載と関連させた実施例の説明によって、本発明のその他の詳細ならびに利点を明らかにする。
【００１９】
図１には単燃料電池の一部の断面が示されている。前記燃料電池は、フラットなベース部１１とその上に位置する特殊な形状の構造部１２とを有するセラミック構造体１０からなっている。前記構造体は例えば波形構造体または三角形構造体（デルタ）であってよいが、ただし、この構造体の特に頂角αは予め定められており、例えば６０°、４５°または３０°であってよい。
【００２０】
ベース部１１と構造部１２とは一体に形成し、セラミック材料押出し成形によって一体成形することができる。ただし双方の部材が別々に製造されて、続いて互いに接続されてもよい。
【００２１】
こうして形成された構造体は媒体が貫流するそれぞれ１つの内部空間１３を含んでいる。特にカソード支持型燃料電池を実現するために、ＬａＣａＭｎＯ3かまたはＬａＣａ（Ｓｒ）ＭｎＯ3からなるセラミック構造体がカソードを実現し、該構造体の上側面にさらに別の機能層が被着されている。それらは特に、ＹまたはＳｃ安定化ジルコニアからなる固体電解質１５及び、例えばＮｉ−ＹＳＺ−サーメットからなるアノード３０であり、これらの特殊セラミック材料は従来の技術から公知である。
【００２２】
基底面には、第１の燃料電池を第２の燃料電池と結合するためのニッケルめっき層４１が被着されたインターコネクタストリップ４０が配されており、この点についてはさらに以下の図３の説明を参照されたい。
【００２３】
図１に示した構造体（デルタ）の重要な特徴は、電気化学的活性表面積がフラットな表面を有する公知のＨＰＤ燃料電池に比較して拡大されていることである。これは図１に示した波形構造体ないし三角形構造体によって達成されるが、その際、表面積を追加的に拡大するために両側の斜面は階段状とされることもできる。
【００２４】
図２ｂ〜２ｇには適切なさまざまな形状が示されている。図２ａは比較のために、従来の技術によるＨＰＤ燃料電池の基本要素を示している。図２ｂに示した波形形状以外に、図２ｃに示した三角形形状が採用されてもよい。その他に、図２ｄに示した、いわゆる「銃眼壁」を形成する長方形形状も可能である。その他の形状として、連続的に湾曲した表面を有する、特に図２ｅに示した楕円形状、または図２ｆに示した段付けされた三角形形状も可能である。長方形形状は図２ｇに示したように曲折して形成されていてもよい。また、例えば角及びアンダカットを設けたその他の形状も可能である。
【００２５】
図２ｂ〜２ｇに示した全ての形状構造の場合に、図２ａに示した従来の技術による活性表面積に比較して大幅に拡大された活性表面積が得られる。
【００２６】
図３では、それぞれが単燃料電池を形成する、図１に対応した２つのセラミック構造体が積層されており、この場合、積層は位相を同じくして行われている。双方のセラミック構造体１０，１０'の間には、インターコネクタストリップ４０のめっき層４１と図３において詳細不図示のアノード３０との間の電気的接触をつくり出す、特にニッケルからなる柔軟なメッシュ５０が配されている。
【００２７】
インターコネクタ４０は公知のように電子伝導性を有するクロム酸ランタンから形成されており、これは長期使用に適しているとともに特に耐酸化性を有することも判明している。機械的応力の均衡を図るため、インターコネクタ４０はニッケルからなるメッシュないしニットからなる接触部材５０またはニッケルからなるフェルトを介して隣接セルと導電接触されている。
【００２８】
複数の単燃料電池１０，１０'，．．．によってスタックが形成されて、両端には保持用端板が設けられている。こうしたスタックは完全な燃料電池装置のコアを形成する。この場合、ガス誘導構造のない容器内でスタックの周囲を燃料ガスが流れる。
【００２９】
スタックを互いに形成するそれぞれ２つの単燃料電池を互いに半周期だけずらして、互いに積層される燃料電池の支持箇所を分散させることも有用である。これは図４において単燃料電池２０，２０'，．．．によって具体的に示されている。この場合、完全なスタックの機能性になんら変化は生じない。
【００３０】
特に図４に示したレイアウトによれば、モノリシックタイプまたはプレーナタイプの燃料電池に比較して、機械的応力が回避される。また、金属からなる接触手段は、マット、ストリング、エキスパンデッドメタル、押し抜き／型押し成形品またはそれらの組合わせタイプ／混合タイプであってもよい。
【００３１】
以下の表には、従来のセルタイプ（Ｔｕｂｅ、ＨＰＤ４、ＨＰＤ５、ＨＰＤ１０、ＨＰＤ１１）と本発明によるセルタイプ、デルタ９−６３°及びデルタ９−７８°との出力比較が示されている。この場合、従来使用されてきた円筒形セル「Ｔｕｂｅ」は１５０ｃｍの実効長さを有し、他方、全てのＨＰＤセル及びデルタセルは５０ｃｍの実効長さを有している。
【００３２】
【表１】
2008501217.tif 000003
【００３３】
表中の横欄には、５ｋＷ当たりのセル数、セル出力及び、重要な比較基準としての質量当たり出力と体積当たり出力が表されている。
【００３４】
表中には、従来の技術から、単円筒（「Ｔｕｂｅ」）として形成されたセルまたは、４、５、１０及び１１本の中空チャネルを有したＨＰＤセルが挙げられている。本発明による実施形態は最後の２つの欄に挙げられて、従来の技術と比較されている。
【００３５】
従来の開発によってすでに、「Ｔｕｂｅ」をＨＰＤセルに代えることにより構造は小型化され、質量当たり及び／または体積当たりの出力は増加することを示している。加えてさらに、新たなテクノロジーのデルタ９によって出力はさらに引上げられる。
【００３６】
上記の表は総じて、本発明による燃料電池の大幅な出力向上を証している。この種のセルの製造コストは発展改良された押出し技術及び蒸着技術によって従来のセルのそれと基本的に同等であることから、燃料電池に関して特に有利なコスト／出力比が実現される。
【００３７】
図５〜８にはデルタ燃料電池１００が示されている。これは、フラットなベース部１０１とその上に位置する特殊な形状の構造部１０２とを有するセラミック構造体からなっている。構造部１０２は波形構造体または三角形構造体であってよいが、ただし、この構造体の特に頂角αは予め定められている。例えば角度αは６０°、４５°または３０°であってよい。
【００３８】
ベース部１０１と構造部１０２とは一体に形成し、ＳＯＦＣ燃料電池に適したセラミック材料で一体押出し成形されている。
【００３９】
図１または図５に示した構造体の重要な特徴は、電気化学的活性表面積がフラットな表面を有した公知のＨＰＤ燃料電池に比較して拡大されていることである。これは例えば波形構造体ないし三角形構造体によって達成されるが、その際、表面積を追加的に拡大するために両側の斜面は階段状に形成されていてよい。
【００４０】
上述したデルタ燃料電池は燃料電池装置を構成するために積層することができる。燃料電池のそれぞれの端部領域に補完構造体を取り付けることにより、外側に対してシールされて、改善されたガス流出入手段、特に所定のガス流出入口を有する、積層可能な燃料電池バンドルが得られる。こうして燃料電池装置用の単モジュールがつくられる。
【００４１】
前述した燃料電池において、チャネルの内部には空気流が、セルの外側の開放チャネルには燃料ガス流が通される。この場合、燃料電池の一端から、一般に、それぞれ１本おきのチャネルに空気流が供給され、燃料電池全長を貫流した後反転されて、パラレルな空気流還流が行なわれる。これは燃料電池の末端で１８０°の空気流反転が行われなければならないことを意味している。
【００４２】
開放端において空気流は側方に有利に流出させられる。これは空気還流チャネルが開き、隣接セルとの連結チャネルに連結されて、空気流が同所で転向されることを意味している。
【００４３】
重要な点は先ず、燃料電池の閉鎖端での空気流反転である。これには、図５〜７に詳細に示したさまざまな方法が可能である。
【００４４】
図５には、偶数本例えば８本の誘導チャネル１１１、１１１'、．．．を有したこの種のデルタ燃料電池が表されている。この場合、それぞれ２本の隣接したチャネルが互いに組をなしており、つまり、空気流は第１のチャネルにおいて開放端から閉鎖端に向かって誘導され、同所で隣接するチャネルに案内されてこのチャネルを通って還流させられる。
【００４５】
デルタ燃料電池が１つおきの谷ごとに肥厚した区画形成リブを具備するように適切な方法で押出し成形されて、十分な安定性を有していれば、隣接した２本のチャネル１１１、１１１'の連結はクロスチャネル１１２を設けることによって容易に達成することができる。これは図２に示した形状を有する８本の燃料電池チャネルのうちそれぞれ２本の隣接したチャネルが閉鎖端においてクロスチャネル１１２で連結されることを意味している。このレイアウト全体は端板１１０によって端部がシールされている。
【００４６】
図５に対する別法として、一様な谷を有した、任意の数のチャンネル数のセルを選択することができる。図６によれば、端板１１０を有した燃料電池１００には再度８本のチャンネル１１１、１１１'、．．．が設けられている。ただし、この場合には、波形構造体の各々の谷または１つおきの谷ごとに成形部材１２０、１２０'がはめ込まれている。成形部材１２０、１２０'、．．．はそれぞれ１本のクロスチャネル１２１、１２１'、．．．を有している。この場合、個々の燃料電池チャネル１１１、１１１'、．．．に対応する当該クロスチャネル１２１、１２１'を介し、第１の空気流誘導チャネル１０１から第１のチャネル１２１'、クロスチャネル１１３及び第２のチャネル１２１'を経て第２の空気流誘導チャネル１０１への連結がつくり出される。
【００４７】
図５及び図６に示した双方の実施例において、偶数本の空気流誘導チャネルが設けられている。これによって系統的な連結が行われ、デルタ燃料電池の双方の端縁チャネルにおいて反対向きの空気流誘導が行われる。
【００４８】
図７に示したさらに別の実施形態では、デルタ燃料電池１００の末端部全体にわたって連続的なクロスチャネル１１５が形成されている。これは８本の空気流誘導チャネル１１１から１１１'、．．．までが全て互いに流体連結されていることを意味している。したがって、流入口側から個々のチャネルへの給気を行うことにより、空気流は１本または複数本のチャネルを経て流れ、その他の任意のチャネルを経て還流することが実現される。この場合も端板１１０と、さらに補完成形部材１３０が設けられている。
【００４９】
図６に示した燃料電池において各々の谷に成形部材がはめ込まれるかぎり、同実施形態においても連続的なクロスチャネルの実現が可能である。製造技術的には、同じ原材料からなる、別々の圧粉体としての成形部材がはめ込まれて、燃料電池構造体とともに焼結される。
【００５０】
図８には、燃料電池１００の流入口領域において同じく波形構造体に補完部材１４０の載設が表されている。有利には、図８において、給気は下方から供給され、排気は分散した出口としての穴１４１、１４１'、．．．を経て側方に行われる。燃料電池１００の下端面は、ベースプレートとして密封式補完部材１４０の封止も行う端板１５０でシールされている。
【００５１】
図９には、図８に示した空気流入口／流出口と図７に示した空気流反転手段とを有した３つのデルタ燃料電池１００、１００'、１００''からなる燃料電池バンドルが表されている。この場合、燃料電池は位相を同じくして積層されてスタックを形成しており、該スタックの周囲をガス誘導構造のない容器内において燃料ガスが流れる。こうしたスタックは燃料電池装置のコアを形成する。
【００５２】
個々のデルタ燃料電池１００、１００'、１００''は図９に示した実施例においてそれぞれ９本のチャネルを有していることから、図７に応じた適切な流れ反転が行われる場合に両側端縁チャネルには同じ流れ条件が生ずる。
【００５３】
図９に示したレイアウトにおいて、空気流は下方から上方へ向かい（「上昇」）、端部において反転され、次いで上方から下方へ向かって流れ（「下降」）、下端で側方へ流出することが看取される。
【００５４】
原理的には燃料電池バンドルの配置は反対向きに行われていてもよい。また、水平に配向された配置も可能である。
【００５５】
図１０は側方の空気流出口の水準面で見たバンドル１２５の断面を示している。個々のデルタ燃料電池１００、１００'、１００''において、同位相でスタックされた燃料電池１００、１００'、１００''のそれぞれ２つの積層段の空気流誘導チャネル１１１ik（ｉ＝１〜ｍ，ｋ＝１〜ｎ）はそれぞれクロスチャネル２４５によって互いに連結されて、該クロスチャネルを介して外側流出口１４１、１４１'、．．．に通じていることが看取される。同図において、流入口は個々の空気流誘導チャネルと一つ一つ連結されている。
【００５６】
したがって、下端端板の平面図において、図１１に示したように、個々の流入口２４１は開放した空気流誘導チャネル１１１i±1,kに対応している。
【００５７】
図９の両端部材ないしスタック部材はガラスはんだによって互いに気密結合されて、コンパクトな接合ブロックを形成している。燃料電池機能にとって不活なこれらの領域は活性燃料電池の電解質で覆われており、これは図１０において層２１５によって示唆されている。
【００５８】
図９に示したように、接合ブロック２３０と２４０とによって、総じて、燃料電池装置用の積層可能な燃料電池バンドルレイアウトがつくられている。接合ブロックの間には、公知の方法で単デルタ燃料電池をニッケル（Ｎｉ）またはニッケルクロム合金からなるフェルトないしニットによって導電結合するのに十分なスペースが存在している。
【００５９】
図９〜１１に示した燃料電池レイアウトを構成する際に、燃料電池の両端にそれぞれコンパクトな保持部材が形成されているのが特に好ましい。これらの部材は単デルタ燃料電池の不活領域及び波形構造体用の補完部材からなっており、既述したように、この領域において単燃料電池はガラスはんだによって互いに結合され、接合ブロックとしてのコンパクトな複合体はそれぞれ電解質膜で被覆されている。
【００６０】
上述したレイアウトは公知の全てのタイプの支持構造、詳細にはカソード支持型、アノード支持型または中立型支持構造に当てはまる。上述した特徴は、上述した波形形状ないし三角形形状の燃料電池（デルタ）の他に、既述したその他の形状にも当てはまる。重要な点は、電気化学的実効表面積の拡大及び空気流誘導チャネルにおける適切な手段による必要に応じた空気流の転向である。これらの手段はセル末端で特に１８０°の方向反転、または流出口で特に９０°の転向を実現する。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】新たな燃料電池の一部断面図である。
【図２ａ】図１に示した燃料電池の断面に相応して、従来の技術の燃料電池の概略断面を示す図である。
【図２ｂ】図１に示した燃料電池の断面に相当する概略断面図である。
【図２ｃ】図２ｂとは異なる燃料電池の概略断面図である。
【図２ｄ】図２ｂとはさらに異なる燃料電池の概略断面図である。
【図２ｅ】図２ｂとはさらに異なる燃料電池の概略断面図である。
【図２ｆ】図２ｂとはさらに異なる燃料電池の概略断面図である。
【図２ｇ】図２ｂとはさらに異なる燃料電池の概略断面図である。
【図３】インターコネクタを介して結合された少なくとも２つの燃料電池からなるスタックの構造を示す図であり、この場合、周期的な配置構造が生じている。
【図４】図３と同様なスタックの構造を示す図であり、ただしこの場合、変位した配置の燃料電池構造が生じている。
【図５】閉鎖端に配置された内部空気流転向手段を備えた燃料電池の透視図である。
【図６】外部空気流転向手段を備えた、図５に対する第１の別法を示す図である。
【図７】全てのチャネルをつなぐ外部手段を備えた、図５に対する第２の別法を示す図である。
【図８】図５〜７に示した単燃料電池からなる燃料電池バンドルの開放端の透視図である。
【図９】燃料電池装置を構成するための燃料電池バンドルの全体図である。
【図１０】空気流出入手段を備えた図９に示した燃料電池バンドルの開放端成形部材の断面図である。
【図１１】図９に示した燃料電池バンドルを流入口側から見た平面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０，１０'：支持構造体, 単燃料電池
１１：ベース部
１２：構造部, カソード
１３：内部空間
１５：固体電解質
２０，２０'：単燃料電池
３０：アノード
４０：インタコネクタ
４１：ニッケルめっき層
５０：メッシュ,接触部材
１００：デルタ燃料電池
１０１：ベース部
１０２：構造部
１１０：端板
１１１，１１１'：誘導チャネル
１１２，１１２'：クロスチャネル
１１５：クロスチャネル
１２０，１２０'：成形部材
１２１，１２１'：クロスチャネル
１３０：補完成形部材
１４０：補完部材
１４１，１４１'：穴
１５０：端板
２４１：流入口
２４５：クロスチャネル
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図２ｅ】
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【図２ｆ】
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【図２ｇ】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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