(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に形成された凹部（４１０）と、前記凹部（４１０）の外周側に設けられたガス通過のための開口部とを有するインターコネクタ（４００）と、
カソード（１２０）、電解質（１１０）、アノード（１３０）がこの順序で形成され、前記凹部（４１０）内に配置された電気化学セル（１００）と、
前記カソード（１２０）の外側の面に配置されたカソード側接触要素（２００）と、
前記アノード（１３０）の外側の面に配置されたアノード側接触要素（３００）と、
をそれぞれ備える複数の繰り返しユニットが上下に配置され、互いに電気的に導通する電気化学セル装置であって、
個々の平面の電気化学セル（１００）の面積は、いずれも個々の前記インターコネクタ（４００）の面積よりも小さく、
前記凹部（４１０）内の電解質（１１０）の上面は、いずれの場合も前記インターコネクタ（４００）の前記表面の平面と同一平面に仕上げられ、
いずれの場合も前記インターコネクタ（４００）の前記表面に取り付けられるのは、前記電解質（１１０）と前記インターコネクタ（４００）の前記凹部（４１０）の側面との間のギャップ（内部接合）及び２つの隣接する前記インターコネクタ（４００）のガス通過のための前記開口部間のギャップ（外部接合）をシールするための、一定の厚さを有するガラスはんだの単一のシール層（５００）であり、
隣接する前記繰り返しユニットの２つの対向する表面上にそれぞれ１つずつ配置された、２つのガラスはんだシートを重ねて配置することにより、一定の厚さを有する前記シール層（５００）を形成して、前記繰り返しユニット間の接合を形成する、
装置。
【請求項２】
前記装置は、一端側のトッププレート（７００）と、他端側のベースプレート（８００）とで閉鎖されていることを特徴とする、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記シール層は、前記カソード側接触要素（２００）又は前記アノード側接触要素（３００）が配置される領域、また、酸化剤又は燃料を供給するための、又は、ガラスはんだのオフガスを除去するための前記開口部により形成されるチャネルが形成される領域から離れている、
請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記シール層（５００）は、前記繰り返しユニットの、少なくとも１つの表面上に一定の厚さで形成されていることを特徴とする、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記シール層（５００）は、２０％の最大厚さ偏差を有することを特徴とする、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
個々の前記繰り返しユニットに対向して配置された表面上の前記シール層（５００）は、それぞれ異なる厚さを有し、個々の前記シール層（５００）の厚さが一定であり、前記繰り返しユニットの対向する表面上に形成された前記シール層（５００）は、焼結につながる熱処理の前に、それぞれの厚さが≦２０％の偏差を有する、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記ガラスはんだシートは、前記凹部（４１０）を囲むように配置された、前記シール層（５００）を形成する４つのガラスはんだシート要素（５１０、５２０、５３０、５４０）を含む、
請求項１に記載の装置。
【請求項８】
４つの前記ガラスはんだシート要素（５１０、５２０、５３０、５４０）は、各接合部で直接接触することを特徴とする、
請求項７に記載の装置。
【請求項９】
隣接する前記繰り返しユニットの２つの対向する表面上にそれぞれ１つずつ配置された、前記ガラスはんだシートは形状が同一であり、互いに１８０°回転して配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
燃料電池及び／又は電解槽としての、請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学セル装置及びその使用に関し、特に、電解セル及び／又は燃料電池、特に固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣｓ）又は固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣｓ）で用いられる平面セルスタックとして、コスト効率よく、且つ、自動化可能に製造できる、電気化学セルの接合要素及び接触要素に関する。本発明はさらに、電気化学セルのような隣接する繰り返しユニットの組み立て、及び、接合工程において電気化学セルの電極と金属バイポーラプレートとの間の接触を実現するための、ガラスからなるシートの効率的な使用に関する。本発明はさらに、電流及び熱を生産するためのＳＯＦＣスタック、並びに、水素及び／又は合成ガスを高効率で生成するためのＳＯＥＣスタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー変換及び水素製造に使用するための平面セルスタックは、従来技術から知られている。一般に、複数の平面セルが接合され、カソード−電解質−アノードアセンブリ（「セル」として知られている）、バイポーラプレート（「インターコネクタ」として知られている）、接合要素及び接触要素からなる個々の繰返しユニットが積層方向に沿って互いに続く、セルスタックが形成される。個々の繰り返しユニット間の電気的接触は、熱処理（接合工程として知られる）によって達成される。インターコネクタ配置による個々のセルのこの電気的接続は、セルを電気的に直列に配置し、セルスタックを必要な電力までスケールアップすることを可能にする。
【０００３】
繰り返しユニットは、ここでは、個々の構成要素（セル、インターコネクタ、接合要素及び接触要素）から室温で組み立てられ、スタック構築の次のステップで用いられるスタック要素として定義される。燃料電池の用途において、典型的には、セルの空気側はカソード側（酸素還元が行われる）と呼ばれ、燃焼ガス側はアノード側（水素酸化が行われる）と呼ばれる。電解槽の用途において、空気側はアノード側（酸素の酸化が起こる）になり、燃焼ガス側はカソード側（水蒸気からの水素の還元が起こる）になる。
【０００４】
先行技術は、燃料電池として適用するための、このような繰り返しユニットの構築のための多くの変形を開示している（米国特許出願公開第２００３／０２３５７４６号明細書、独国特許発明第１０３３０４７６号明細書、独国特許発明第１０３５０４７８号明細書、欧州特許第２１３２８１４号明細書、国際公開２００８／０２２６３８号）。これらの変形例では、インターコネクタへのセルの融合した気密接続（内部接合（internal joining）として知られている）と、個々の繰り返しユニットの接続（外部接合（external joining））における燃焼ガス空間、及び、場合によっては空気空間（マニホールド）の封止（sealing）とは、これらの記述及び関連する文献において別々に考慮される。
【０００５】
前述の明細書の分析は、米国特許出願公開第２００３／０２３５７４６号明細書が、本質的に、セルのマルチ層ンターコネクタ（内部接合）との一体化を記載していることを示している。インターコネクタは、ここでは４つの金属フレームからなる。それぞれのセルは、ガラスはんだによってフレームに接続されている。この構成には、（支柱（struts）の形態の）カソード及びアノード接触要素が設けられ、これにより繰り返しユニットを形成する。繰り返しユニットのガス空間は、さらなるガラスはんだ層（外部接合）によって封止される。従って、この構成では、厚さの異なる、異なる積層面における２つのガラスはんだ層が必要とされ、そのような繰り返しユニットの費用対効果の高い製造を行うことがより困難になる。
【０００６】
独国特許発明第１０３３０４７６号明細書、特に図２は、厚さの異なる少なくとも２つのガラスはんだ部分が繰り返しユニットの片側に塗布されることが求められる繰り返しユニット構造を記載している。これには、異なる厚さのガラスはんだシートの使用が必要であり、少なくとも２つの塗布工程が必要である。
【０００７】
独国特許発明第１０３５０４７８号明細書は、セルを金属ハウジング上で焼結する（セルのインターコネクタへの焼結による内部結合）構造を記載している。その後、接触要素及び接合要素を生成された部品に適用して、繰り返しユニットを形成する。この解決策の実質的な欠点は、金属ハウジング上へのセルの焼結のための追加の熱処理工程にある。
【０００８】
欧州特許第２１３２８１４号明細書は、セルをインターコネクタに効率的に接触させる（内部接合）方法を記載しており、内部接合は、ガラスはんだ部品をインターコネクタの一方の側にのみ配置することを必要とする。このケースでは、外部接合は記載されていない。ガラスはんだ部品の片側塗布は、特に、厚い接合要素（厚さ＞０．４ｍｍ）の場合に問題であり、ガラスはんだシートの複数の連続的な塗装又は複数の連続的な積層が必要となり、追加コストがかかる。
【０００９】
国際公開第２００８／０２２６３８号パンフレットは、電解質のサイズ及び形状が金属フレームのサイズと同じであるため、内部接合及び外部接合を同時に実現することができる、セルのマルチ層インターコネクタとの一体化を本質的に記載している。この構成の外形寸法の拡張性は、電解質材料及び金属インターコネクタの熱膨張の差によって制限される。一般に、セルの大きさ（セルの大きさはセルの外寸によって決定される）は、金属インターコネクタのサイズよりも小さい。
【００１０】
この従来技術に基づいて、平面セルの面積のそれぞれの大きさがインターコネクタの面積よりも小さい、繰り返しユニットの構造を最適化する必要が引き続き存在する。これは、特に、使用される接合部品の数、及び、当該部品の適用及び接続に必要なステップ数に関連する。繰り返しユニットの最終的な厚さに関わらず、均一な厚さのガラスはんだ部品が外部及び内部接合に使用できる場合、この目的には理想的である。ここでの利点は、これらの部品を両方のインターコネクタ領域に対称的に適用できることである（均一な塗布技術）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／０２３５７４６号明細書
【特許文献２】独国特許発明第１０３３０４７６号明細書
【特許文献３】独国特許発明第１０３５０４７８号明細書
【特許文献４】欧州特許第２１３２８１４号明細書
【特許文献５】国際公開２００８／０２２６３８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、本発明の目的は、電気化学セル装置の製造、特に組み立て及び接合を単純化し、周囲雰囲気に対して高いレベルの気密性を持続的に達成することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、この目的は、請求項１の特徴を有する装置によって達成される。請求項１２に使用が規定される。本発明の有利な実施形態及び発展は、従属請求項に特定された特徴によって実現され得る。
【００１４】
上下に配置され、互いに電気的に導通する本発明の電気化学セル装置は、繰り返しユニットを用いて形成される。繰り返しユニットは、少なくとも１つのインターコネクタ、いずれもカソード、電解質及びアノードの順に形成される電気化学セルからなる。インターコネクタにはガス通路ための開口部が形成されている。繰り返しユニットのさらなる要素は、アノード側及びカソード側の接触要素である。
【００１５】
電解質は、それぞれ、各インターコネクタの表面の平面と同一平面に仕上げられている。一定の厚さを有するガラスはんだの単一のシール層が、いずれの場合もインターコネクタの表面に取り付けられる。この単一のシール層により、内部接合と呼ばれる電解質とインターコネクタの間のギャップをシールし、外部接合として知られる２つの隣接するインターコネクタのガス通過のためのギャップをシールすることが可能である。
【００１６】
従って、本発明の場合には、個々のインターコネクタの表面上に形成された、一定の厚さを有するガラスはんだの単一のシール層のみで、外部接合及び内部接合を達成することができる。
【００１７】
装置は、一端側のトッププレートと、他端側のベースプレートとで閉鎖されている。
【００１８】
さらに、電気化学セルの個々の電解質の外縁部は、インターコネクタの表面に形成されたカソード凹部の縁部と面一に仕上げることができる。
【００１９】
密封される表面には、ガスの通過、特に酸化剤（例えば空気）及び燃料（例えば水素）の供給及びオフガスの除去のためのチャネルが形成される領域が形成され、電気化学セルの電極の一つの接触要素が配置されている領域は、ガラスはんだから離しておかなければならない。
【００２０】
以下では、燃料電池（カソード側＝空気側、アノード側＝燃焼ガス側）として電気化学的に適用するためのセルスタックの構成例を用いて本発明を説明する。セルスタックは、電解のためにも使用することができ、この場合、空気側がアノード側になり、燃焼ガス側がカソード側になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】繰り返しユニットの基本構成を斜視図及び断面図で示す。
【図２】繰り返しユニットの基本構成を斜視図及び断面図で示す。
【図３】シール層が形成される繰り返しユニットの２つの対向して配置された表面上に、グリーン状態のガラスはんだシート要素を有する、繰り返しユニットの基本的な構成の斜視図及び断面図である。
【図４】繰り返しユニットの表面上の平面内のガラスはんだシート要素の可能な実施形態及び配置を示す図である。
【図５】本発明の装置の一例を示す断面図である。
【図６】本発明の装置の一例の斜視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１及び図２は、本発明の内容において使用され得る既知の種類の繰り返しユニットの構成を示す。インターコネクタ４００は、間に適切な電解質１１０が配置されている、カソード１２０及びアノード１３０で形成されたユニットより大きな面積を有している。 インターコネクタ４００のカソード−電解質−アノードアセンブリ（ＣＥＡ）の領域には、少なくとも電解質１１０がインターコネクタ材料上の外側端部側に載るように、ＣＥＡを挿入することができるカソード凹部４１０が形成されている。カソード凹部４１０の領域では、隆起部及びくぼみは、酸化剤がカソード１２０に到達することができるガスチャネルを形成する。
【００２３】
図１及び図２の斜視図には、カソード凹部４１０に加えて、チャネルを形成し、これを用いて酸化剤（より詳しくは空気）又は燃料の供給、及び/又は、オフガスの除去を行うことができる、符号が付されていない切欠きが示されている。
【００２４】
さらに、図２は、インターコネクタ４００の表面にシール層５００がどのように形成され、当該表面に接続されているかを示すことを意図している。この場合のシール層５００は、アノード１３０及び酸化剤、燃料及びオフガスのためのチャネルにそれぞれアクセスすることができる切欠きを有する。
【００２５】
図４を参照すると、インターコネクタ４００の２つの対向する表面上に融着接続されるシール層は、複数のガラスはんだシート要素５１０、５２０、５３０、５４０で形成され得ることが明らかになる。これらのガラスはんだシート要素５１０、５２０、５３０、５４０は、端面によって互いに当接し、アノード１３０及びチャネルの周りに途切れのないシール層５００を形成する。
【００２６】
ガラスはんだシート要素５１０、５２０、５３０、５４０の可能な幾何学的形状及び配置が、図４に示されている。
【００２７】
本発明の装置の一例が図５の部分断面図に示される。この場合、３つの繰り返しユニットは、一端側のトッププレート７００と、反対側に配置された端側のベースプレート８００とに挟まれており、これにより、トッププレート７００とベースプレート８００とで流体密閉を達成することができる。両方のプレート７００、８００は、導電性材料からなりうる。
【００２８】
さらに、繰り返しユニット間の封止は、いずれの場合も、シール層５００を有する繰り返しユニットのインターコネクタ４００の表面に直接隣接する繰り返しユニットのインターコネクタ４００の表面に融着接続された１つのシール層５００によって達成できることが明らかになる。
【００２９】
図５及び図６から、電気化学セルの面積、換言すればＣＥＡの面積は、インターコネクタ４００の面積よりも小さいこともまた明らかになる。
【００３０】
図６は、それぞれのインターコネクタ４００のそれぞれの表面に融着接続された、隣接する繰り返しユニット間にそれぞれ焼結されたシール層５５０を有する、熱処理後に得られた完成した装置を示す。また、酸化剤及び燃料が電極１２０、１３０に到達することができるガス供給構造によって流れる電流が、電極１２０及び１３０からそれぞれのインターコネクタ４００に達する、カソード側接触要素２００及びアノード側接触要素３００を認識することができる。
【００３１】
ガラスはんだシート要素５１０〜５４０の均一な全体厚さは、２つの平らな平面領域が互いに接続される場合にのみ利用することができる。本発明の根底をなす解決策は、セル１００の電解質１１０の表面がインターコネクタ表面の１つと同一面の平面を形成するような方法で起こる、インターコネクタ４００への電気化学セル１００の接続も含む（図１の例を参照）。この目的のために、それぞれのカソード接触要素３００、カソード１２０及び電解質１１０は、それぞれのインターコネクタ４００のカソード側の切欠き４１０に収容されてもよい。インターコネクタ４００の対向する面には切欠きがなく、ガラスはんだシート要素５１０〜５４０は、アノード側接触要素３００とアノード１３０の厚さ（この場合、＜５０μｍ）とをブリッジするだけでよい。薄いアノード側接触要素３００（＜１００μｍ）の場合、例えば、スクリーン印刷又はマスク印刷を、接合のために、インターコネクタ４００の対向面に均一な厚さでガラスはんだを塗布するのに利用することができる。
【００３２】
要素へのガラスはんだシートの塗布において、完成したガラスはんだシート部品を手動でインターコネクタの表面又は電気化学セルの表面に接着するために、補助剤を使用することが現在行われている。この工程では、幾何学的に正確な配置は困難であり、通常、補助剤又は適切な厚さの非常に硬いガラスはんだシートのみで達成することができ、これは非常に時間がかかる。本発明の内容において、ガラスはんだシート要素５１０〜５４０の適用は、打ち抜き工程及び塗布を連続して行うことができる半自動機械によって行うことができる。ガラスはんだシート要素５１０〜５４０の打ち抜きとパンチのダイへの固定の結果、ガラスはんだシート要素５１０〜５４０は形状及び位置の非常に高い精度を有する。塗布工程は、打ち抜きに利用される半自動又は好ましくは自動的に動作する機械の部分に直接接続された、プログラムされたロボットグリッパ（robot gripper）によって行うことができるので、ガラスはんだシート要素５１０〜５４０の位置決め又はマガジン加工（magazining）の必要はない。結果として、ガラスはんだシート要素５１０〜５４０をマイクロメータ精度で位置決めすることができる。これにより、打ち抜かれたガラスはんだシートの追加の取り扱いによって生じる欠点の全てを回避することが可能になる。
【００３３】
一般に、アノード側接触要素３００の厚さは、０．３ｍｍ〜０．５ｍｍである。１つの選択された例では、アノード側接触要素３００の厚さは、接合後の電気化学セル１００の全体の厚さを最終的に画定する。 相互に接合される要素は、焼結前に約５０％の収縮を考慮して、非焼結（又は「グリーン」）状態で約０．６〜１．０ｍｍの全体厚さを有する。この厚さの範囲内で、接合のためにガラスはんだシートを使用することが有用である。原理的には、テープキャスティングによって厚さの大きさの順にガラスはんだシート要素５１０〜５４０を製造することは技術的に可能である。しかし、乾燥した状態で約±１０μｍの許容厚さ公差を達成することはほぼ不可能である。このため、ガラスはんだシート要素５１０〜５４０をテープキャスティングにより０．２５ｍｍ〜最大０．４５ｍｍの厚さで製造し、それらを互いに積層する方がコスト的に有利である。片面塗布の場合、個々のガラスはんだシートを互いに接続する２〜４の積層工程が必要となる。この努力及び複雑さを回避するために、ガラスはんだシート要素５１０〜５４０をインターコネクタ４００の対向する表面上に対称的に配置することができる（図２、図３参照）。ここで、異なるバッチのテープキャスティングのプロセスで生じる、相互に逸脱した（又は、「相補的な」）厚さ公差を有するガラスはんだシート要素５１０〜５４０を使用することができ、ガラスはんだシート製造における不良率をかなり低減することができる。さらに、ガラスはんだシートは、単純な構成要素から構成することができるので、接合すべき部品の打ち抜き時の不良率を低減することができる。
【００３４】
図４は、アノード側の接触の厚さが３５０μｍであり、アノードの厚さが５０μｍのときに、シール層５００に使用することができるガラスはんだシート要素５１０、５２０、５３０、５４０の形状及び厚さを示す。ガラスはんだシート要素５１０、５２０、５３０、５４０は、厚さ３５０±２０μｍのグリーンガラスシートから打ち抜かれ、次のステップで、予め組み立てられた繰り返しユニット（図３）の表面上に自動的に配置される。ガラスはんだシート要素５１０、５２０、５３０、５４０は、事前に測定され、厚さのクラスに予め分類され、２つの対向する面上の共通の接合平面内に、互いに重ねて配置されたガラスはんだシート要素の合計厚さが７００±２０μｍとなる。
【００３５】
解決策が提示されると、個々のガラスはんだシート要素５１０、５２０、５３０、５４０の間で接合が起こり、その後の接合工程でガラスはんだの粘性流れによってこれらの接合部を閉じることができる状況が生じる。ここでは、予め組み立てられた繰り返しユニットの他方の側に同じガラスはんだシート要素５１０、５２０、５３０、５４０を配置する前に、インターコネクタ４００を１８０°回転させることが有利であろう。その結果、インターコネクタ４００の対向する面上のガラスはんだシート要素の接合部は、上下に配置されず（図５）、接合工程中により容易に閉じることができる。
【００３６】
インターコネクタ４００の表面へのガラスはんだシート要素５１０、５２０、５３０、５４０の半自動又は自動塗布は、異なる特性（非常に柔らかいシートを含む）を有するガラスはんだシートでの塗装が、効率的かつ高品質で行われることを可能にする。進行中の工程では、それぞれの電気化学セル１００は、そのアノード接触によってインターコネクタ４００の反対側に配置された表面に塗布される。ガラスはんだシート要素５１０〜５４０の第２の層は、１８０°の回転オフセットで、半自動又は自動のガラスはんだシート塗布装置を用いて、このアセンブリに塗布される。このアセンブリへのガラスはんだシートの手動塗布は、技術的理由及び時間的理由から、半自動又は完全自動方式で有利に行うことができる。これらの工程により、インターコネクタ４００及びガラスはんだシート要素５１０〜５４０用のカセットを利用することによって、ガラスはんだシートの完全自動塗布が可能である。
【００３７】
繰り返しユニットは上下に積み重ねられ、トッププレート７００及びベースプレート８００（図５）を備えている。その後、セルスタックは、ガラスはんだを利用して、熱処理によって不浸透的かつ融合的に接合される。この工程の過程で、図６に示すように、セル１００のアノード１３０とアノード側接触要素３００との間で、セル１００を互いに直列に接続するのと同様に、接触が達成される。電気化学的初期化手順に続いて、上下に配置された複数の繰り返しユニットで形成されたセルスタックは、燃料電池又は電解槽として使用する準備が整う。
【符号の説明】
【００３８】
１００  電気化学セル
１１０  電解質
１２０  カソード
１３０  アノード
２００  カソード／空気側接触要素
３００  アノード／ガス側接触要素
４００  保護層有／無インターコネクタ
４１０  カソード凹部
５００  グリーン状態のガラスはんだのシール層
５１０  ガラスはんだシート要素
５２０  ガラスはんだシート要素
５３０  ガラスはんだシート要素
５４０  ガラスはんだシート要素
５５０  組み立て状態のシール層
６００  小さいインサートプレート
７００  トッププレート
８００  ベースプレート
【図１】
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【図２】
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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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