(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セル積層体（２）を有する燃料セル電池であって、
ａ）セル積層体（２）は、電気化学的活性プレートとしてのＰＥＮ（陽極−固体電解質−陰極）（３）及びインターコネクタ（４）を有し、
ｂ）ＰＥＮ（３）及びインターコネクタ（４）が交互に配置され、
ｃ）ＰＥＮ（３）及びインターコネクタ（４）はそれぞれ第１の辺縁（２１）と第２の辺縁（２２）とを備え、第１の辺縁（２１）と第２の辺縁（２２）との間には一定の幅を有する直線状または湾曲した領域（２０）が延び、
ｄ）インターコネクタ（４）は第１の主面上及び前記第１の主面の反対側にある第２の主面上に複数のノブ状の隆起（４１）を有するとともに、前記第２の主面上に複数の櫛状の隆起（４２）を有し、かつ、複数のノブ状の隆起（４１）及び複数の櫛状の隆起（４２）はＰＥＮ（３）への電気的接点を与えるとともに、直線状または湾曲した領域（２０）が複数の櫛状の隆起（４２）によって小区画（２３）に分割されており、
ｅ）各小区画（２３）において、第１の辺縁（２１）には、インターコネクタ（４）の前記第１の主面の側に配置されたＰＥＮ（３）とインターコネクタ（４）との間に第１の流体（１１）を流入させるための流入口（２１１）が設けられ、かつ、第２の辺縁（２２）には、インターコネクタ（４）の前記第２の主面の側に配置されたＰＥＮ（３）とインターコネクタ（４）との間に第２の流体（１２）を流入させるための流入口（２１２）及び第１の流体（１１）と第２の流体（１２）とを流出させるための流出口（２１３）が設けられ、かつ、
ｆ）流出口（２１３）はセル積層体（２）全体の共通の通路（５）内に開口する燃料セル電池において、
インターコネクタ（４）は１層に形成されるとともに、第１の辺縁（２１）には第２の流体（１２）の流れの方向を反転させるための方向転換領域（２４）が設けられることを特徴とする燃料セル電池。
【請求項２】
個々のインターコネクタ（４）は予備形成かつ焼結した要素であるかまたは前記要素から製造されることを特徴とする請求項１に記載の燃料セル電池。
【請求項３】
前記複数の櫛状の隆起（４２）の少なくとも一部は螺旋形状を有するか、あるいは、直線状に形成されるとともに径方向に向けられることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料セル電池。
【請求項４】
各小区画（２３）において、第２の流体（１２）の流入口（２１２）から方向転換領域（２４）までの通路（４３）の深さは、方向転換領域（２４）から流出口（２１３）までの通路及び第１の流体（１１）の流入口（２１１）から流出口（２１３）までの通路の深さよりも深いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料セル電池。
【請求項５】
セル積層体（２）が中心に対して対称となるように構成されており、軸方向に延びる中央通路を介して第１の流体（１１）が供給され、前記中央通路に第１の流体（１１）を処理するためのリフォーマが配置され、共通の通路（５）が流出口（２１３）においてアウターバーナー室として設けられており、かつ、第２の流体（１２）を通過させるように構成されたスリーブ（１０）がセル積層体（２）の周囲に配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料セル電池。
【請求項６】
前記小区画（２３）はサイズが等しく、その数は４〜１０個であることを特徴とする請求項５に記載の燃料セル電池。
【請求項７】
電流供給要素としての、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料セル電池の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平面状セルの積層体を有する燃料セル電池及びその使用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
中心に対して対称である燃料セル電池は欧州特許公開公報第ＥＰ−Ａ−０４７３５４０号から知られる。この燃料セル電池のインターコネクタは特殊な温度平衡化体として構成されている。こうした平衡化体は熱交換体であり、これにより、供給された空気が、燃料セルの電気化学的活性要素であるＰＥＮ（ＰＥＮ：陽極（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ），固体電解質（ｓｏｌｉｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ），陰極（Ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ））に接触する前に反応熱が空気に伝達される。この熱交換体はプレート状の中空体であり、その内部空間において空気への熱伝達が行われる。インターコネクタの２つの外側面にはプロファイリングがなされていて、これによりＰＥＮの電極への電気的接触が生じる一方でインターコネクタと反応成分（空気、燃料ガス）の電極との間の間隙状の電極空間が形成される。
【０００３】
電池が動作する際、ＰＥＮにおいて径方向に温度勾配が生じる。この勾配は比較的小さく、熱応力によってＰＥＮの感受性固体電解質に特に亀裂などの損傷が与えられることはない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが熱交換体として構成されたインターコネクタは高価であり、燃料セル電池の製造コストに占める比重が非常に大きい。コストの低減を目的としたインターコネクタの製造のための提案が既にいくつかなされている。例として欧州特許公開公報第ＥＰ−Ａ−０９３６６８８号では、熱交換体として構成されたインターコネクタについて述べられている。その製造においては１乃至２の焼結体を用いるが、この焼結体は、粉体混合物を完成部品の形状に押し固め、その後に焼結することにより予備形成されている。
【０００５】
上記の課題点を鑑み、本発明の目的は、更なる製造コストの低減を可能とする燃料セル電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は請求項１に記載の発明によってその解決を図ることが可能である。
【０００７】
すなわち、請求項１に記載される、本発明に基づくセル積層体を有する燃料セル電池は以下の特徴を有する。
ａ）セル積層体は、電気化学的活性プレートとしてのＰＥＮ（陽極−固体電解質−陰極）及びインターコネクタを有する。
【０００８】
ｂ）ＰＥＮ及びインターコネクタが交互に配置される。
ｃ）ＰＥＮ及びインターコネクタはそれぞれ第１の辺縁と第２の辺縁とを備え、第１の辺縁と第２の辺縁との間には一定の幅を有する直線状または湾曲した領域が延びる。
【０００９】
ｄ）インターコネクタは第１の主面上及び前記第１の主面の反対側にある第２の主面上に複数のノブ状の隆起を有するとともに、前記第２の主面上に複数の櫛状の隆起を有し、かつ、複数のノブ状の隆起及び複数の櫛状の隆起はＰＥＮへの電気的接点を与えるとともに、直線状または湾曲した領域が複数の櫛状の隆起によって小区画に分割される。
【００１０】
ｅ）各小区画において、第１の辺縁には、インターコネクタの前記第１の主面の側に配置されたＰＥＮとインターコネクタとの間に第１の流体を流入させるための流入口が設けられ、かつ、第２の辺縁には、インターコネクタの前記第２の主面の側に配置されたＰＥＮとインターコネクタとの間に第２の流体を流入させるための流入口及び第１の流体と第２の流体とを流出させるための流出口が設けられる。
【００１１】
ｆ）流出口はセル積層体全体の共通の通路内に開口する。
本発明に基づき、インターコネクタは１層に形成されるとともに、第１の辺縁には第２の流体の流れの方向を反転させるための方向転換領域が設けられる。
【００１２】
本発明は以下の考察に関連する認識に基づくものである。その結果が欧州特許公開公報第ＥＰ−Ａ−０４７３５４０号に示されるモデル計算によって、ＰＥＮにおいて開放された反応熱は、主として熱放射によってインターコネクタに伝達されることが示された。空気で満たされた電極空間を通じた熱伝導による熱の輸送は事実上無視することが可能である。インターコネクタの壁は各点において、ＰＥＮ上の対応する点の温度と数ケルビンしか違わない温度を有する。すなわちこの温度は空間内で加熱されるべき空気の温度に大きくは依存していない。この理由は壁と空気との間の熱流量が比較的小さいためである。
【００１３】
こうした条件がインターコネクタにおける熱輸送において存在することはモデル計算の開示された結果では明らかではない。こうした条件に気付くことができるならば、欧州特許公開公報第ＥＰ−Ａ−０４７３５４０号に述べられる方法によって中空体として構成されたインターコネクタが反応熱を取り除くうえで実際に必要であるかとの疑問を抱くことが可能である。これを異なる方法によって行い得るという答えは本発明に基づく解決策によって与えられる。空気（第２の流体）を流入口において既にＰＥＮに接触させることにより、インターコネクタを２層中空体（２つの壁、１つの空間を有する）としてではなく、より経済的な１層に構成することが可能である。加熱を要する空気によりＰＥＮ内に更なる温度勾配が生じる。接線方向（方位角方向）に沿ったこうした勾配は、公知のセルにおいて生じる径方向の温度勾配と同程度の大きさを有する。したがって、１層インターコネクタの使用において熱応力が実質的に大きな値になることはないものと予想される。この温度勾配の更なる要素を比較的低く保つことが可能な手段を設けることも可能である。
【００１４】
上述の従来技術は中心に対して対称な燃料セル電池に関連するものであるが、本発明に基づく解決策は、例として、一側面において燃料ガス（第１の流体）が、反対側の側面において空気（第２の流体）が供給される長方形のセルを備える電池に適用することも可能である。更に、第１の流体として、燃焼可能な成分を有する任意のガス組成が使用され、第２の気体が酸素を含有するガスである場合、仮定上、これらのガスにより、電流を供給する発熱反応をＰＥＮにおいて行うことが可能である。
【００１５】
本発明に基づく燃料セル電池のインターコネクタは１層に構成されることにより以下の更なる利点を与える。すなわち、ａ）電池の質量が公知の電池の質量よりも小さく、ｂ）構造的なサイズも小さくなっている点である。したがって本発明に基づく電池は、例として、自動車や使用される場所に迅速に運搬することが可能な緊急電力アグレゲートにおいて電流を供給する要素として、移動用途において容易に使用することが可能である。
【００１６】
従属請求項２乃至６は本発明の有利な実施形態に関するものであり、請求項７の主題は本発明に基づく燃料セル電池の使用方法である。
すなわち、請求項２に記載の燃料セル電池は、個々のインターコネクタが予備形成かつ焼結した要素であるかまたはその要素から製造されることを特徴とする。
【００１７】
請求項３に記載の燃料セル電池は、複数の櫛状の隆起の少なくとも一部が螺旋形状を有するか、あるいは、直線状に形成されるとともに径方向に向けられることを特徴とする。
【００１８】
請求項４に記載の燃料セル電池は、各小区画において、第２の流体の流入口から方向転換領域までの通路の深さが、方向転換領域から流出口までの通路及び第１の流体の流入口から流出口までの通路の深さよりも深いことを特徴とする。
【００１９】
請求項５に記載の燃料セル電池は、セル積層体が中心に対して対称となるように構成されており、軸方向に延びる中央通路を介して第１の流体が供給され、中央通路に第１の流体を処理するためのリフォーマが配置され、共通の通路が流出口においてアウターバーナー室として設けられており、かつ、第２の流体を通過させるように構成されたスリーブがセル積層体の周囲に配置されることを特徴とする。
【００２０】
請求項６に記載の燃料セル電池は、小区画のサイズが等しく、その数は４〜１０個であることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、運搬可能な電流供給要素として、本発明に基づく燃料セル電池を使用することを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１〜図８に基づき以下に詳細に説明する。
図１に概略的に示される燃料セル電池１は、それぞれＰＥＮ３及びインターコネクタ４からなる平面状セルの積層体２を備える（平面図にて示されている）。ＰＥＮ３及びインターコネクタ４は交互に配されている。ＰＥＮ３及びインターコネクタ４は、それぞれ第１の辺縁２１及び第２の辺縁２２を有する。辺縁２１と辺縁２２との間には領域２０が延びる。領域２０はこの図では直線状のものが示されているが、湾曲した構成も可能である。領域２０はほぼ一定の幅を有し、２つの辺縁２１と２２とをつなぐ側線２３ａ及び２３ｂを有する小区画２３に分割される。インターコネクタ４は図２に示されるようなプロファイリングを有し、これにより２種類の流体１１及び１２がセルを通じて別々に流れる。各小区画には、第１の辺縁において第１の流体１１の流入口２１１が、第２の辺縁において第２の流体の流入口２１２が、更には両方の流体のための流出口２１３が設けられている。流出口２１３は、積層体２に沿って延びる、第１の流体中に依然存在して依然反応可能な成分を燃焼させるための、アフターバーナー室として用いられる共通の通路５内に開口する。第２の流体１２はＰＥＮ３上で解放される反応熱のための熱担体媒体として与えられる。
【００２２】
本発明に基づけば、インターコネクタ４は１層に構成される。インターコネクタ４のプロファイリングのそれぞれは、流体１１及び１２がいずれも常にＰＥＮ３に接触して流れるように構成される。第１の辺縁２１１には方向転換領域２４が設けられ、これにより第２の流体１２の流れの方向が反転される。電池１は動作時にＰＥＮ３において熱応力が望ましくない値を上回ることのないような寸法に構成されている。この寸法の取り方はインターコネクタ４の厚さ、そのプロファイリング、及びその幅（＝領域３０の幅）に関連する。空気因子（化学量論的な空気過剰量を特定する因子）もこの寸法取り、及び、積層体２によって放射６として周辺に放出される熱量において一定の役割を果たす。
【００２３】
周辺には、セル積層体２、またはその周囲においてスリーブ１０が配される。セル積層体２が透過性を有することにより、放射熱６を第２の流体１２のセル積層体２への流入時に流体によって吸収することが可能である。ＰＥＮ反応において発生する熱のかなりの割合（少なくとも約１／３）が放射６によってセル積層体２から運び出される点は有利である。すなわち、第２の流体１２はセル積層体２内に比較的高温の状態で流入することが可能であるため、流体１２との直接的接触によりＰＥＮ３において生じる更なる熱応力は比較的小さい。第１の辺縁２１側にリフォーマを配することにより、吸熱反応によって燃料がＰＥＮ反応に好適な形態に変換されるため有利である。したがって放射６をこの吸熱反応の熱源として用いることが可能である。１層インターコネクタ４は有利に予備形成かつ焼結した構成部品であるか、またはこうした材料にて形成される。製造に用いられる材料はクロミウムを含有するため、焼結した部品にも適当な保護層を設けなければならない。
【００２４】
図２に示されるインターコネクタ４は隔壁４０上にレリーフ状構造を形成するプロファイリングを有する。これらのプロファイリングはノブ状の隆起４１及び櫛状の隆起４２を有する。これらの隆起４１及び４２はＰＥＮ３への電気的接点を与える一方、櫛状隆起４２は、流体１１及び１２を、特に、辺縁２２からの流れ１２ａとして流れる第２の流体１２側において（図１）、方向転換領域２４（矢印１２’’）に流し、流れ１２ｂとして逆方向に向ける機能を有する。
【００２５】
燃料セル電池１は中心に対して対称となるように有利に構成される。図３では、小区画２３に対応する領域２０の部分が示されている。この構成では辺縁２１は中央通路の表面上に位置し、これを介して第１の流体１１をセル積層体２内に供給することが可能である。長尺かつ円筒状のリフォーマはこの通路内に有利に配される。
【００２６】
図４は空気側から見たプロファイリングを有するインターコネクタ４を示したものである。第２の流体１２の空気の流れが矢印にて示されている。櫛状隆起４２は螺旋形状を有する（図１〜４に基づく小区画は、図には示されていないが、対応する螺旋形状を有する。小区画は６個ある。）。第２の流体１２（矢印１２’）は流入口２１２から櫛状隆起４２によって形成される通路４３を通じて方向転換領域２４（矢印１２ａ）へと流れる。方向転換領域２４において第２の流体の流れの方向は逆転し（矢印１２”）、流体１２は逆方向に向かって辺縁２２へと流れる（矢印１２ｂ）。流体１２が逆方向に流れる通路４３の間の領域では、プロファイリングは×印４１’を有する範囲として部分概略的に示されるノブ状隆起４１からなる。流出口２１３において流体１２は通路状のアフターバーナー室５に流入する。
【００２７】
通路４３は螺旋形状の代りに直線により構成してもよく、インターコネクタ４の中心へと径方向に向けられる。インターコネクタ４のプロファイリングは６個の小区画２３の代りにこれよりも少ないかあるいは多い、有利には４乃至１０個の小区画２３を有することも可能である。
【００２８】
図５は、図４の１層インターコネクタ４の裏面を示したものである。この面では、第１の流体１１は中央通路（辺縁２１１内）から、ノブ状隆起４１’の間を通り、櫛状隆起４２によって外側の辺縁２１２の流出口２１３へと流れる。
【００２９】
図６は、図４及び５のインターコネクタ４を図４のＶＩ−ＶＩ線に沿って切った断面図である。セル３，４における熱輸送を図の平面内の矢印にて示してある。通路４３の断面はＰＥＮ３に直交する方向に残りのプロファイリングの深さと比較してより大きな深さを有する。通路の断面積が比較的大きいことにより、ＰＥＮ４の越流領域３４３からの熱抽出が最小である流体１２（矢印１２ａ）の流れが生ずる。この領域３４３の中央では電流を発生する反応は事実上起きない。熱はインターコネクタ４から領域３４３に流体１１側の櫛状隆起４２を介して供給される。
【００３０】
インターコネクタ４の空気側の側面は、第２の流体１２（矢印１２’，１２ａ）が供給される際にノブ状隆起４１を有するプロファイリングを通じて流れるように構成することが可能である（図６）。電流発生反応はこの供給領域においても同様に生じる。
【００３１】
図８に基づくインターコネクタ４を備えた更なる例示的実施形態では、図６及び７に基づく２つの実施形態から与えられる供給通路４３の特徴が組み合わされている。通路４３のノブ状隆起４１のため、電流を供給するＰＥＮ反応が、幾分低い程度ではあるもののここでもやはり同様に生じる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明により、燃料セル電池の製造において更なるコストの低減を図ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく燃料セル電池を示す概略図。
【図２】特定のセル及び隣接する第２のＰＥＮの断面図。
【図３】燃料セル電池の通常の基本的形態の特定領域を示す平面図。
【図４】空気側から見たプロファイリングを有するインターコネクタを示す概略図。
【図５】図４のインターコネクタの裏面を示す概略図。
【図６】セル積層体の一部の断面図。
【図７】図４のインターコネクタの一変形例を示す概略図。
【図８】更なる別のインターコネクタの断面図。
【符号の説明】
１…燃料セル電池、２…積層体、３…ＰＥＮ、４…インターコネクタ、５…共通通路、１１…第１の流体（燃料ガス）、１２…第２の流体（空気）、２４…方向転換領域、４１…プロファイリング（ノブ状隆起）、４２…プロファイリング（櫛状隆起）。
【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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【図７】
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【図８】
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