(57)【要約】  本発明は、非導電性スペーサ部品（１６）と、燃料電池スタックの作動温度においてその全範囲にわたって固体または粘性であり、かつ燃料電池スタックの接続される要素の少なくとも一方にスペーサ部品（１６）を気密式に結合する少なくとも１つのハンダ部材（１８）とを有する、燃料電池スタックの２つの要素（１２）を気密接続するシール（１０）に関する。本発明は、スペーサ部品（１６）がセラミックで構成されることを提供する。本発明はまた、本発明によれば、距離（スペーサ）部品（１６）から燃料電池スタックを軸方向に圧縮する力の流れが、接続される要素（１２）の少なくとも１つに直接作用する燃料電池スタックにも関する。本発明はまた、シール（１０）および燃料電池スタックの製造方法にも関する。
2010512626.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックの２つの要素（１２）の気密接続用のシーリング（１０）であって、非導電性スペーサ部品（１６）と、前記燃料電池スタックの作動温度においてその全範囲にわたって固体または粘性であり、かつ前記燃料電池スタックの接続される前記要素の少なくとも一方に前記スペーサ部品（１６）を気密式に結合する少なくとも１種のハンダ部材（１８）とを含むシーリングにおいて、前記スペーサ部品（１６）がセラミック材料で形成されることを特徴とする、シーリング。
【請求項２】
前記少なくとも１種のハンダ部材（１８）がガラスハンダを含むことを特徴とする請求項１に記載のシーリング（１０）。
【請求項３】
前記少なくとも１種のハンダ部材（１８）が金属ハンダを含むことを特徴とする請求項２または３に記載のシーリング（１０）。
【請求項４】
前記少なくとも１種のハンダ部材（１８）が活性ハンダを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のシーリング（１０）。
【請求項５】
前記スペーサ部品（１６）が、前記ハンダ部材（１８）で満たされた少なくとも１つの凹部（２０、２２）を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のシーリング（１０）。
【請求項６】
前記ハンダ部材（１８）の量が、前記凹部（２０、２２）の容積よりも多いことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のシーリング（１０）。
【請求項７】
前記凹部（２０）が、前記スペーサ部品（１６）の縁部（２４）に沿って延在することを特徴とする請求項５または６に記載のシーリング（１０）。
【請求項８】
前記凹部（２２）が、接続される要素に向く表面（２６）に配置され、かつ前記ハンダ部材（１８）の広がりに関して、前記表面（２６）によって垂直方向に境界を定められることを特徴とする請求項５または６に記載のシーリング（１０）。
【請求項９】
前記接続される要素（１２）の少なくとも１つへの前記スペーサ部品（１６）の結合を複数のハンダ接合によってもたらし、前記ハンダ接合のそれぞれが、無傷な状態で気密接続をもたらすことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のシーリング（１０）。
【請求項１０】
前記ハンダ部材（１８）が、接続される要素（１２）に向い合っている前記表面の全体に広がることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のシーリング（１０）。
【請求項１１】
前記スペーサ部品（１６）が、接続される要素（１２）に向い合っている表面（２６）に金属ハンダ部材（１８’）を、および反対側の表面（２６）にガラスハンダ部材（１８）を担持することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のシーリング（１０）。
【請求項１２】
前記スペーサ部品（１６）が気密式に焼結されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のシーリング（１０）。
【請求項１３】
前記スペーサ部品（１６）の軸方向の厚さが０．１〜０．２ｍｍであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のシーリング（１０）。
【請求項１４】
前記スペーサ部品（１６）の軸方向の厚さが０．３〜０．８ｍｍであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載のシーリング（１０）。
【請求項１５】
前記ハンダ部材（１８）の軸方向の厚さが０．０２〜０．２ｍｍであることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載のシーリング（１０）。
【請求項１６】
前記ハンダ部材（１８）を担持する前記スペーサ部品（１６）の前記表面を粗面にすることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載のシーリング（１０）。
【請求項１７】
前記スペーサ部品（１６）の熱膨張係数が１０．５〜１３．５×１０−６Ｋ−１の範囲であることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載のシーリング（１０）。
【請求項１８】
前記スペーサ部品（１６）が以下の材料：バリウムジシリケート、カルシウムジシリケート、バリウムカルシウムオルトシリケートの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項に記載のシーリング（１０）。
【請求項１９】
前記スペーサ部品（１６）が部分安定化酸化ジルコニウムを含むことを特徴とする請求項１〜１８のいずれか一項に記載のシーリング（１０）。
【請求項２０】
前記部分安定化酸化ジルコニウムに酸化アルミニウムが添加されることを特徴とする請求項１９に記載のシーリング（１０）。
【請求項２１】
前記ハンダ部材（１８）が、以下の材料：金、銀、銅の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項３〜２０のいずれか一項に記載のシーリング（１０）。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれか一項に記載の少なくとも１つのシーリング（１０）を含む燃料電池スタック。
【請求項２３】
軸方向に積み重ねられた複数の反復ユニット（２８）と、前記燃料電池スタックの２つの要素（１２）を気密式に接続する少なくとも１つのシーリング（１０）とを含む燃料電池スタックであって、前記シーリング（１０）が、非導電性スペーサ部品（１６）と、前記燃料電池スタックの前記接続される要素の少なくとも一方に前記スペーサ部品（１６）を結合する少なくとも１種のハンダ部材（１８）とを含む燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池スタックを軸方向に圧縮する力の分布が、前記スペーサ部品（１６）によって、前記接続される要素（１２）の一方に直接伝達されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２４】
前記スペーサ部品（１６）がセラミック材料で形成されることを特徴とする請求項２３に記載の燃料電池スタック。
【請求項２５】
前記少なくとも１種のハンダ部材（１８）がガラスハンダを含むことを特徴とする請求項２３または２４に記載の燃料電池スタック。
【請求項２６】
前記少なくとも１つのスペーサ部品（１６）が金属ハンダを含むことを特徴とする請求項２３〜２５のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項２７】
前記少なくとも１種のハンダ部材（１８）が活性ハンダを含むことを特徴とする請求項２３〜２６のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項２８】
前記スペーサ部品（１６）が、前記ハンダ部材（１８）で満たされた少なくとも１つの凹部（２０、２２）を含むことを特徴とする請求項２３〜２７のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項２９】
前記ハンダ部材（１８）の量が前記凹部（２０、２２）の容積よりも多いことを特徴とする請求項２３〜２８のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項３０】
前記凹部（２０）が、前記スペーサ部品（１６）の縁部（２４）に沿って延在することを特徴とする請求項２８または２９に記載の燃料電池スタック。
【請求項３１】
前記凹部（２２）が、接続される要素（１２）に向い合っている表面（２６）に配置され、かつ前記ハンダ部材（１８）の広がりに関して、前記表面（２６）によって垂直方向に境界を定められることを特徴とする請求項２８または２９に記載の燃料電池スタック。
【請求項３２】
前記接続される要素（１２）の少なくとも一方への前記スペーサ部品（１６）の結合が複数のハンダ接合によってもたらされ、前記ハンダ接合のそれぞれが、無傷な状態で気密接続をもたらすことを特徴とする請求項２３〜３１のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項３３】
前記ハンダ部材（１８）が、接続される要素（１２）に向い合っている前記表面（２６）の全体にわたって広がることを特徴とする請求項２３〜３２のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項３４】
前記スペーサ部品（１６）が、接続される要素（１２）に向い合っている表面（２６）に金属ハンダ部材（１８’）を、および反対側の表面（２６）にガラスハンダ部材（１８）を担持することを特徴とする請求項２３〜３３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項３５】
前記スペーサ部品（１６）が気密式に焼結されることを特徴とする請求項２３〜３４のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項３６】
前記スペーサ部品（１６）の軸方向の厚さが０．１〜０．２ｍｍであることを特徴とする請求項２３〜３５のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項３７】
前記スペーサ部品（１６）の軸方向の厚さが０．３〜０．８ｍｍであることを特徴とする請求項２３〜３６のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項３８】
前記ハンダ部材（１８）の軸方向の厚さが０．０２〜０．２ｍｍであることを特徴とする請求項２３〜３７のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項３９】
前記ハンダ部材（１８）を担持する前記スペーサ部品（１６）の前記表面を粗面にすることを特徴とする請求項２３〜３８のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項４０】
前記スペーサ部品（１６）の熱膨張係数が１０．５〜１３．５×１０−６Ｋ−１の範囲であることを特徴とする請求項２３〜３９のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項４１】
前記スペーサ部品（１６）が、以下の材料：バリウムジシリケート、カルシウムジシリケート、バリウムカルシウムオルトシリケートの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２３〜４０のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項４２】
前記スペーサ部品（１６）が部分安定化酸化ジルコニウムを含むことを特徴とする請求項２３〜４１のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項４３】
前記部分安定化酸化ジルコニウムに酸化アルミニウムが添加される請求項４２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４４】
前記ハンダ部材（１８）が、以下の材料：金、銀、銅の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２６〜４３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項４５】
請求項２３〜４４のいずれか一項に記載の燃料電池スタック用シーリング（１０）。
【請求項４６】
燃料電池スタックの２つの要素（１２）を気密式に接続することができるシーリング（１０）の製造方法であって、前記シーリング（１）が、非導電性スペーサ部品（１６）と、前記燃料電池スタックの作動温度においてその全範囲にわたって固体または粘性であり、かつ前記燃料電池スタックの前記接続される要素の少なくとも一方へ前記スペーサ部品（１６）を気密式に結合する少なくとも１種のハンダ部材（１８）とを含む、方法において、前記スペーサ部品（１６）がセラミック材料で形成されることを特徴とする方法。
【請求項４７】
前記スペーサ部品（１６）が、セラミック粉末を乾式プレスすることにより作製されることを特徴とする請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記スペーサ部品（１６）が、フィルムのキャスティング、積層およびスタンピングによって作製されることを特徴とする請求項４６に記載の方法。
【請求項４９】
スタンピングされたフィルムの形態のガラスハンダが前記スペーサ部品（１６）に付与されることを特徴とする請求項４６〜４８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５０】
ペーストの形態のガラスハンダまたは金属ハンダが前記スペーサ部品（１６）に付与されることを特徴とする請求項４６〜４８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５１】
前記金属ハンダが付与される前に、前記スペーサ部品（１６）に接着剤層が付与されることを特徴とする請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
ハンダが付与される前に、前記スペーサ部品（１６）を粗面にすることを特徴とする請求項４６〜５１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５３】
軸方向に積み重ねられた複数の反復ユニット（２８）と、前記燃料電池スタックの２つの要素（１２）を気密式に接続する少なくとも１つのシーリング（１０）とを含む燃料電池スタックの製造方法であって、前記シーリング（１０）が、非導電性スペーサ部品（１６）と、前記料電池スタックの作動温度においてその全範囲にわたって固体または粘性であり、かつ前記燃料電池スタックの前記接続される要素の少なくとも一方へ前記スペーサ部品（１６）を気密式に結合する少なくとも１種のハンダ部材（１８）とを含む方法において、セラミック材料製であるスペーサ部品（１６）が使用されることを特徴とする方法。
【請求項５４】
前記燃料電池スタックの要素（１２）、およびガラスハンダのハンダ部材（１８）を含むシール（１０）が積み重ねられ、次いで、前記接続される要素が、前記シール（１０）を介して互いに同時に接続されることを特徴とする請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
反復ユニット（２８）、および金属ハンダのハンダ部材（１８）を含むシール（１０）が連続的に順々に互いに接続されることを特徴とする請求項５３に記載の方法。
【請求項５６】
−前記スペーサ部品（１６）が、接続される要素（１２）に向い合っている表面（２６）に金属ハンダ部材（１８’）を、および反対側の表面（２６）にガラスハンダ部材（１８）を担持するシール（１０）を使用し、
−前記スペーサ部品（１６）をまず前記金属ハンダ部材（１８’）を介して前記燃料電池スタックの要素に接続し、
−前記反復ユニット（２８）を完成させ、
−前記反復ユニット（２８）を積み重ね、および
−前記反復ユニット（２８）を、前記ガラスハンダ部材（１８）を介して互いに接続する
ことを特徴とする請求項５３に記載の方法。
【請求項５７】
前記金属ハンダ部材（１８’）を介して前記スペーサ部品（１６）を前記燃料電池スタックの要素へ接続した後に、前記反復ユニット（２８）を気密性に関して調べることを特徴とする請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
軸方向に積み重ねられた複数の反復ユニット（２８）と、前記燃料電池スタックの２つの要素（１２）を気密式に接続する少なくとも１つのシーリング（１０）とを含む燃料電池スタックの製造方法であって、前記シーリング（１０）が、非導電性スペーサ部品（１６）と、前記燃料電池スタックの前記接続される要素の少なくとも一方へ前記スペーサ部品（１６）を結合する少なくとも１種のハンダ部材（１８）とを含む方法において、前記ハンダ部材（１８）が前記スペーサ部品（１６）に配置されて、前記燃料電池スタックを軸方向に圧縮する力の分布が、前記スペーサ部品（１６）によって、前記接続される要素（１２）の少なくとも１つに直接伝達されることを特徴とする方法。
【請求項５９】
セラミック材料製のスペーサ部品（１６）が使用されることを特徴とする請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
前記燃料電池スタックの要素（１２）およびガラスハンダのハンダ部材（１８）を含むシール（１０）を積み重ね、次いで、前記シール（１０）を介して前記接続される要素を同時に互いに接続することを特徴とする請求項５８または５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記反復ユニット（２８）および前記シール（１０）が、金属ハンダのハンダ部材（１８）を使用して連続的に順々に互いに接続されることを特徴とする請求項５８または５９に記載の方法。
【請求項６２】
−前記スペーサ部品（１６）が、接続される要素（１２）に向い合っている表面（２６）に金属ハンダ部材（１８’）を、および反対側の表面（２６）にガラスハンダ部材（１８）を担持するシール（１０）を使用し、
−前記スペーサ部品（１６）をまず、前記金属ハンダ部材（１８’）を介して前記燃料電池スタックの要素に接続し、
−前記反復ユニット（２８）を完成させ、
−前記反復ユニット（２８）を積み重ね、および
−前記ガラスハンダ部材（１８）を介して前記反復ユニット（２８）を互いに接続する
ことを特徴とする請求項５８または５９に記載の方法。
【請求項６３】
前記金属ハンダ部材を介して前記スペーサ部品（１６）を前記燃料電池スタックの前記要素（１２）に接続した後、かつ前記反復ユニット（２８）を積み重ねる前に、前記反復ユニット（２８）を気密性に関して調べることを特徴とする請求項６２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの２つの要素の気密接続用シーリングであって、非導電性スペーサ部品と、燃料電池スタックの作動温度においてその全範囲にわたって固体または粘性であり、かつ接続される燃料電池スタックの要素の少なくとも一方にスペーサ部品を気密式に結合する少なくとも１種のハンダ部材とを含むシーリングに関する。
【０００２】
本発明はさらに、軸方向に積み重ねられた複数の反復ユニットと、燃料電池スタックの２つの要素を気密接続するための少なくとも１つのシーリングとを含む燃料電池スタックであって、シーリングが、非導電性スペーサ部品と、燃料電池スタックの接続される要素の少なくとも一方に間隔部品を結合する少なくとも１種のハンダ部材とを含む、燃料電池スタックに関する。
【０００３】
本発明はさらに、燃料電池スタックの２つの要素の気密接続に好適なシーリングの製造方法に関し、ここでシーリングは、非導電性スペーサ部品と、燃料電池スタックの作動温度においてその全範囲にわたって固体または粘性であり、かつ燃料電池スタックの接続される要素の少なくとも一方にスペーサ部品を気密式に結合する少なくとも１種のハンダ部材とを含む。
【０００４】
本発明はまた、軸方向に積み重ねられた複数の反復ユニットと、燃料電池スタックの２つの要素を気密接続するための少なくとも１つのシーリングとを含む燃料電池スタックの製造方法に関し、ここでシーリングは、非導電性スペーサ部品と、燃料電池スタックの作動温度においてその全範囲にわたって固体または粘性であり、かつ燃料電池スタックの接続される要素の少なくとも一方にスペーサ部品を気密式に結合する少なくとも１種のハンダ部材とを含む。
【０００５】
本発明はまた、軸方向に積み重ねられた複数の反復ユニットと、燃料電池スタックの２つの要素を気密接続するための少なくとも１つのシーリングとを含む燃料電池スタックの製造方法に関し、ここでシーリングは、非導電性スペーサ部品と、燃料電池スタックの接続される要素の少なくとも一方にスペーサ部品を結合する少なくとも１種のハンダ部材とを含む。
【背景技術】
【０００６】
化学結合されたエネルギーを電気エネルギーに変換するプレーナ型高温燃料電池（ｐＳＯＦＣ）が知られている。これらのシステムでは、酸素イオンが、それらのみを透過可能な固体電解質を通過し、水素イオンと反応して固体電解質の他方の側で水を生成する。電子は固体電解質を通過できないので、電極が固体電解質に取り付けられて電気負荷に接続されている場合に、電気的な仕事を行うために使用され得る電位差が生じる。２つの電極と電解質との組み合わせをＭＥＡ（「膜電解質組立体」）と呼ぶ。工学的応用では、ＭＥＡ、流体ダクト構造体および電気接点からなる複数の反復ユニットを組み合わせて、スタックを形成する。反復ユニットは、隣接する反復ユニットへ流体が通過するためのアパーチャを含む。反復ユニットの境界をバイポーラ板と呼ぶ。
【０００７】
バイポーラ板のアパーチャはシールを備えて、スタック内の流体が混合しないようにする必要がある。シールに関する種々の条件は、高温燃料電池の動作原理から生じる。シールは、約０．５バール以下の過圧である場合に気密で、−３０℃〜１，０００℃の範囲において使用可能で、熱サイクル可能であり、かつ約４０，０００時間の耐用期間にわたって長期安定性である必要がある。シールは、空気室から燃料ガス室を分離させるため、一方では耐還元性であり、他方では耐酸化性の材料で形成する必要がある。２つの反復ユニット間にシールを挿入する場合、シールは互いに対して電気的に絶縁されている必要がある。なぜなら、スタック内の漏れ電流がその性能を低下させるためである。その上、ほとんどの場合シールは、圧縮拘束力を受ける燃料電池スタックの直接的な機械的負荷経路に配置されるので、かけられる拘束力を１つの反復ユニットから隣の反復ユニットへ伝達する必要がある。例えば、燃料電池スタックの外部拘束またはスタックの上方の重量によってもたらされ得る前記拘束力は、個々の構成部品の良好な内部電気接点、それゆえシステム全体の性能にとって重要である。
【０００８】
反復ユニットと電解質との間のシールは、どちらの構成部品も同じ電位を有するため、電気的に絶縁されて形成される必要はない。
【０００９】
しかしながら、その代わりに、前記シールは、金属およびセラミックの２つの異なる種類の材料であることが多い、２つの異なる材料間に気密接続を提供する必要がある。これは、各材料によって異なる熱膨張係数および熱容量から生じる機械的歪みを再吸収または補償可能である必要があるということである。反復ユニットまたはバイポーラ板は、フェライト系高温鋼（ｆｅｒｒｉｔｉｃ  ｈｉｇｈ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｓｔｅｅｌ）、酸化物分散凝固合金（ＯＤＳ合金）、クロムをベースとした合金または他の耐高温材料で製造されることが多く、いくつかの実施形態に従って保護層を備えていてもよい。ほとんどの場合、電解質はイットリウム安定化酸化ジルコニウム（ｙｔｔｒｉｕｍ  ｓｔａｂｉｌｉｓｅｄ  ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ  ｏｘｉｄｅ）（ＹＳＺ）で構成されるが、他の材料、例えば、スカンジウム−、イッテルビウム−またはセリウム−安定化酸化ジルコニウムで構成されてもよい。ＭＥＡとバイポーラ板との熱特性を近づけることに関してこれまで満足な結果を得られていないので、異なる熱特性を中和させるために、接合が必要である。
【００１０】
前記接合接続では、必要なプロファイルが複雑であるため、適切なものは非常にわずかな材料のみである。例えば、（特許文献１）から公知のように、オプションはマイカシールである。原理上、マイカは、接合する部分同士が互いに堅く接合されていない圧縮性シールを可能とする利点を有する。このようにして、膨張係数を正確に調整する必要はなくなり、マイカシールにより、接合される部分間でのわずかな相対運動が可能となる。しかしながら、純粋なマイカシールは、マイカと各接合相手との間に１つおよび個々のマイカ薄層間にもう１つと、流体に２つの漏れ経路が存在するために、漏れ率が高いか非常に高い。しかしながら、２つの漏れ経路をシーリングするために、圧縮性マイカシールをさらに一層堅固に、所望の圧縮特性を失うようにするという異なる提案がされている。
【００１１】
マイカシールに関する第２の問題は耐温度変化性である。試験により、シーリングが良好なマイカ接続は、数回の温度サイクル後には非常に高い漏れ率を示すことが明らかとなった。この理由は、温度サイクル中に個々のマイカ薄層が粉砕され、それにより、マイカを通る漏れ経路が拡大されてシーリング特性がかなり低下することである。
【００１２】
高温燃料電池のシーリングの別のオプションは、ＳｉＯ２を基にしたガラスまたはガラスセラミックスに酸化バリウム（ＢａＯ）および酸化カルシウム（ＣａＯ）を主要な添加物として含有させた、ケイ酸バリウムガラスまたはケイ酸カルシウムガラスと称するものの使用である。前記ガラスは、一方では、化学的には非常に安定しており、電気的に絶縁している。ガラスハンダ製のシールは、それらの製造において費用効果的であり、異なる技術を使用してバイポーラ板に容易に適用可能である。さらに、ガラスは、接合部の高さが変化する場合の補償能力が良好である。このようにして、５０μｍまでの接合間隙のばらつきを問題なく補償することができる。前記ガラスの熱膨張係数を、ＳＯＦＣの他の材料の熱膨張係数に調整するために、添加物Ｂａおよび／またはＣａの部分的なまたは完全な結晶化を使用する。このようにして、純粋なガラスの低膨張係数を、ＳＯＦＣの他の材料の値に調整できる。ガラスはオーバークールド（ｏｖｅｒｃｏｏｌｅｄ）溶融物であるので、結晶性固体から公知のように、粘度が突然変化する定められた点を有さずに、温度が上昇すると軟化する。これにより、燃料電池スタックの負荷の流れにあるガラスシールが、２つの隣接するバイポーラ板が接触し短絡するまで、時間と共に一層圧縮されるという欠点が生じる。しかしながら、ガラス溶融物の構成部品の結晶化は部分的にのみ起こるので、前記プロセスへの対抗が不十分であり、ガラスハンダでは、ＳＯＦＣに使用する場合に、高機械的負荷および／または高温が発生するとガラスハンダが軟らかくなるという問題が常につきまとう。部分的に結晶化されたガラスの熱膨張係数は約９×１０−６Ｋ−１であり、バイポーラ板の金属の熱膨張係数（約１２．５×１０−６Ｋ−１）よりもかなり低い。これは、セルの電解質をバイポーラ板の金属に結合するときに、有利に電解質を圧力歪み下におくままにするが、２つのバイポーラ板間の接続の負荷容量には不利な影響を与える。ガラスがバブルを形成する傾向は、バブルが漏れの原因となり、かつ接合のためにかけられる重量による力が粘性ガラスを平板化するので高さを約３００ｍｍに制限するため、別の欠点である。さらに、これまで使用した接合ガラスの絶縁抵抗よりも絶縁抵抗が大きいシーリング要素が望ましい。
【００１３】
例えば、（特許文献２）において提案されているように、スペーサ要素を導入することにより沈下を回避できる。その場合、好ましくは、粒子がシールされる間隙のサイズを有するために負荷を支えることができるセラミック粉末を、ガラスハンダに加える。しかしながら、これは、（特許文献２）によれば、約１００μｍまでと間隙の寸法が小さい時にのみ機能する。その上、粉末の粒子をガラスハンダに非常に均一に分散させて負荷を均一に受け入れる必要がある。このスケールの粉砕されたスペーサ要素の場合、別の問題、すなわち粒度分布の問題が生じる。これは、例えば、１００μｍの定格粒径を有する粉末は、常に１００μｍよりも大きい粒子および１００μｍよりかなり小さい粒径の粒子を含むので、導入された粉末の全てではなくその一部のみを、負荷の受け入れに利用できることを意味する。このようにして、好ましくは１０％の量でガラスハンダに加えられた粉末の有効使用部分が低減される。他方では、粉末の粒子の一部が１１０または１２０μｍの大きさを有する場合には、１００μｍの幅の定められた間隙に置くことは不可能である。粒度分布が非常に狭い粉末を使用することは可能である。しかしながら、これらは非常に高価であり、それゆえ、連続生産に適するようにはみえない。さらに、（特許文献２）で提案されている丸い粉末は、負荷を正確に伝達する。そのようなシーリングの変形例をＭＥＡシーリングに適用する場合、これにより、ＭＥＡに局所的に高い機械的なサージ電圧が生じ、それによりＭＥＡが破損される可能性がある。バイポーラ板の分野では、温度の上昇につれて粉末の強度が弱まるために粉末の粒子が金属に押圧されること、および粉末の粒子がほとんどないために金属が局所的に高い機械的応力を受けることが生じる可能性がある。
【００１４】
アパーチャのシーリングも、金属ハンダで実現可能である。この場合接合は、金属ハンダの融解温度を超える高温において、液体金属ハンダで接合面を濡らし、毛管力で接合間隙を埋め、金属ハンダを凝固させることにより、もたらされる。ガラスハンダと比較して非常に有利なことは、金属ハンダでは接合時間を短くすることができることである。接合がオーブンで行われると、オーブンにおける構成部品の加熱およびハンダ付け時間ならびに全ドウェル時間を、６０％超短縮することができる。抵抗ハンダ付けや誘導加熱ハンダ付けなどの最新の接合方法を使用することにより、さらに接合時間を短縮することが可能である
【００１５】
前記接合時間の短縮は、複数の好ましいパラメータによって実現可能である。一方では、加熱速度を上げることが用いられてもよく、加熱速度は、オーブンでのハンダ付けの場合には１０Ｋ／分までになり、誘導加熱の場合には３００Ｋ／分までになり得る。他方では、ハンダ付け時間の終了直後に冷却を行ってもよい一方、ガラスハンダの場合は、ハンダ付け終了後、部分的なまたは完全な結晶化のために、時間の間隔をあける必要がある。このようにしてのみ、ガラスハンダによる負荷の受け入れを実現できる。ハンダ膜の利用により、接合プロセスをさらに短縮する。金属ハンダの膜は、合金または積層された個々の膜であるため結合剤を全く含まない。それゆえ、ガラスハンダの膜と比較して、結合剤の除去のためのホールド時間をなくすことができる。
【００１６】
概して、金属ハンダを、接続要素をアノードへ接触させて取り付けるために、例えば、（特許文献３）で提案されているものなど、機械的に堅く導電性の接続に使用する。２つのバイポーラ板が金属ハンダを使用して接合される場合、構成部品の電気絶縁は、絶縁性の中間層を使用することによってのみ実現できる。燃料電池スタックの作動温度において液体である金属ハンダ合金に関連するセラミック材料のそのような非導電性の中間層は、（特許文献４）から公知である。
【００１７】
（特許文献５）から、絶縁性のセラミックコーティングを備えた金属基板を含むシーリング構成が公知である。それゆえ、セラミック表面を備える利用可能な構成部品を、ハンダ付けまたは溶接方法を使用して、接続される要素に結合する。
【００１８】
セラミック材料のハンダ付けは、金属材料のハンダ付けとは異なる。従来のハンダは、セラミック材料を濡らすことができない。一つの手法は、セラミック部品の金属化と、従来のハンダ付けプロセスを使用する接続とからなる。金属化は、例えば、モリブデン−マンガン法を使用して行われる。例えば、酸化モリブデンおよびマンガンのペーストをセラミック接合面に付与し、フォーミングガス中でセラミック表面を高温（＞１０００℃）で焼結する。濡れ性を高めるために、金属化セラミックはさらにニッケルまたは銅コーティングを備える。このようにして金属化されたセラミック材料は、続くステップにおいて従来の金属ハンダを使用してハンダ付けできる。
【００１９】
セラミック材料の接合の別の代替手段は、活性ハンダ技術である。その一段階過程では、セラミック表面の濡れを、特定の「活性化された」ハンダ材料を使用して達成する。前記金属合金は、チタニウム、ハフニウムまたはジルコニウムなどの境界面活性元素を少量含有するので、セラミック表面を濡らすことができる。
【００２０】
上述の技術により、セラミックスとセラミックスとの間またはセラミックスと金属との間での機械的に安定した気密接続が可能となる。一般的に、セラミックスと金属との組み合わせをハンダ付けする場合には、接合する材料の熱膨張係数が異なることを考慮する必要がある。金属ハンダはハンダの厚さに応じて、その靭性のため、接合間隙におけるせん断応力を妨げる。さらに、ほとんどの場合、金属の膨張係数はセラミック材料の膨張係数よりも大きい。これにより、セラミック材料は引張応力ではなく圧縮応力を受けることになる。それゆえ、引張応力によるセラミック材料の破損が排除される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】国際公開第２００５／０２４２８０Ａ１号パンフレット
【特許文献２】独国特許出願公開第１０１  １６  ０４６Ａ１号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１９８  ４１  ９１９Ａ１号明細書
【特許文献４】独国特許出願公開第１０１  ２５  ７７６Ａ１号明細書
【特許文献５】独国特許出願公開第１０  ２００４  ０４７  ５３９Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、気密性、安定性および使用される製造方法に関する機能強化および単純化を実現するシーリングおよび燃料電池スタックを提供するという目的に基づく。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、スペーサ部品がセラミック材料からなる一般的なシーリングに基づく。例えば、本発明によるシーリングを使用して２つのバイポーラ板を接合する場合、気密性の、電気的に良好に絶縁され、安定的で、熱変形性の、かつ同時に単純な構造をもたらす。セラミックが被覆された金属で形成されるスペーサ部品の構造と比較して、シーリングの製造に必要な工程段階数が少ない。さらに、スペーサ部品の熱挙動が、セラミック材料の熱特性によってもっぱら決定される。
【００２４】
例えば、少なくとも１種のハンダ部材がガラスハンダを含むことを考慮してもよい。
【００２５】
少なくとも１種のハンダ部材が金属ハンダを含むことも実現可能である。
【００２６】
少なくとも１種のハンダ部材が活性ハンダを含むことを考慮してもよい。
【００２７】
本発明の特に好ましい実施形態によれば、スペーサ部品が、ハンダ部材で満たされた少なくとも１つの凹部を含むことが考慮される。凹部は、接続される要素にシーリングを結合する前にハンダを収容することが可能である。それゆえ、凹部に導入されるハンダを含むスペーサ部品として、シーリングを取り扱うことが容易である。このようにして凹部の範囲にハンダを位置決めできるので、燃料電池スタックの接続される要素に向い合っている表面の他の領域にはハンダがなくてもよい。それゆえ、接続される要素間の距離はスペーサ部品によって決定される。なぜなら、スペーサ部品のハンダのない表面は、接続される要素に直接接触する、すなわち中間のハンダ層がないためである。
【００２８】
ハンダ部材の量が凹部の容積よりも多いことが考慮されることが好都合である。このようにして、ハンダは、接続される要素の方に向かって表面よりも突出し得る。それゆえ、ハンダは接合フェーズ中負荷を受けるので、ハンダの当方性の焼結収縮を、純粋な高さの収縮に変換する。焼結フェーズ後、ハンダは粘性を有しつつ、バイポーラ板がスペーサ要素と当接するまで流れる。従って、スペーサ要素は負荷の大部分を伝達する。バイポーラ板の接合がガラスハンダを使用して完全に達成される構造では、ガラスハンダが圧縮するため、隣接するバイポーラ板に短絡の生じる危険性がある。この危険性は、スペーサ部品およびハンダ部材を含む本構造では、隣接するバイポーラ板間の接触を剛性のスペーサ部品が完全に排除するために、排除される。
【００２９】
例えば、凹部がスペーサ部品の縁部に沿って延在することが考慮されてもよい。
【００３０】
たとえば、凹部がスペーサ部品の縁部に沿って延在することが可能である。このようにして、ハンダは、接合フェーズ中、スペーサ部品の接触面から流れることができる。
【００３１】
凹部が、接続される要素に向い合っている表面に配置され、かつハンダ部材の広がりに関して、この表面によって垂直方向に境界を定められるようにすることも可能である。そのような構造は、ハンダ部材が両側においてスペーサ部品によって固定されることを考慮して、有利であり得る。
【００３２】
接続される要素の少なくとも一方へのスペーサ部品の結合を、無傷の状態においてそれぞれ気密接続をもたらす複数のハンダ接合によってもたらすことが特に有用である。このようにして、シーリングが不良となる危険性が低減される。ガラスハンダでは、遷移温度未満で、すなわちガラスが事実上完全に固体である状態において温度変化がある場合、亀裂が生じる場合がある。この温度範囲において生じる亀裂は、ハンダの横断面全体にすぐに広がる。水素−および酸素−含有ガスを燃料電池に投入する場合、これらの位置に置いて火花が生じる原因となる。生じる局部過熱により、隣接する領域も損傷され、燃料電池システム全体が故障する可能性がある。複数のハンダ接合を用いたガラスハンダを使用することによって、一般的に機械的応力を受ける場合にも、機能しないハンダ接合は１つのみとなる。次いで亀裂は、第１のハンダ接合の亀裂付近において第２のハンダ接合の弱い点がある場合にのみ、第２のハンダ接合に広がる。これはあまり起こりそうになく、気密な全体的な接続は残存する。さらに、ガラスは、燃料電池が作動温度に達する場合、特に、作動温度がガラスの遷移温度よりも高いと、粘性を有して流れることによって亀裂を直すことができる。ガラスハンダの場合に特に有利である２つ以上のハンダ接合の構成は、金属ハンダを使用する場合にも有利であり得る。
【００３３】
さらに、ハンダ部材が、接続される要素に向い合っている表面の全体に広がることが考慮されてもよい。接続される要素へのハンダ部材の結合後、中間のハンダ層を生じるか、または力を加えることによってハンダ部材を外側に移動させ、この場合、最終的には、ハンダ部材が表面の全体に分散すると、縁部に沿って延在するハンダ接合も得られる。中間のハンダ層が非常に安全なままであると、気密性に関して複数の隣接するハンダ接合を使用する解決法と同程度の接続が得られる。
【００３４】
スペーサ部品が、接続される要素に向い合っている表面に金属ハンダ部材をおよび反対側の表面にガラスハンダ部材を担持することが考慮されてもよい。スペーサ部品および接続される要素の接合を、ハンダの分類系が異なる２つであるために２つのステップで行う。第１に、予め金属化されたスペーサ要素を、接続される要素の一方に金属ハンダを使用して、または活性ハンダプロセスを使用して直接、ハンダ付けする。このようにして、一方ではスペーサ要素が既に位置決めされる。他方では、既存の接続の気密性を調べてもよい。シーリングがバイポーラ板にハンダ付けされ、かつ膜電極構成が既にバイポーラ板に取り付けられている場合、この状態において気密性に関して反復ユニット全体を調べることが可能である。それゆえ、無傷の構成部品のみを組み立てて燃料電池スタックを形成することが保証される。気密性の調査が成功した後にのみ、ガラスハンダ接続を介した反復ユニットの接合がもたらされる。
【００３５】
スペーサ部品を気密式に焼結することが考慮されてもよい。
【００３６】
このようにまたは別の方法で製造されたセラミック材料に基づいて、スペーサ部品の軸方向の厚さは、０．１〜０．２ｍｍであることが可能である。
【００３７】
スペーサ部品の軸方向の厚さが０．３〜０．８ｍｍであることが特に有用である。
【００３８】
さらに、ハンダ部材の軸方向の厚さが０．０２〜０．２ｍｍであることが考慮されてもよい。
【００３９】
スペーサ部品とハンダ部材との間の接続を強化するため、好都合には、ハンダ部材を担持するスペーサ部品の表面を粗面にすることが考慮されてもよい。
【００４０】
有利には、スペーサ部品の熱膨張係数が１０．５〜１３．５×１０−６Ｋ−１の範囲であることが考慮されてもよい。このようにして、熱膨張係数を、従来使用される接合ガラスよりも、フェライト鋼の熱膨張係数に確実に良好に調整する。フェライト鋼の熱膨張係数は１２〜１３×１０−６Ｋ−１である。典型的な接合ガラスハンダの熱膨張係数は、９．６×１０−６Ｋ−１である。
【００４１】
例えば、スペーサ部品が、以下の材料：バリウムジシリケート（ｂａｒｉｕｍ  ｄｉｓｉｌｉｃａｔｅ）、カルシウムジシリケート（ｃａｌｃｉｕｍ  ｄｉｓｉｌｉｃａｔｅ）、バリウムカルシウムオルトシリケート（ｂａｒｉｕｍ  ｃａｌｃｉｕｍ  ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）の少なくとも１つを含むことが考慮されてもよい。前記セラミック材料は全て、１２×１０−６Ｋ−１の範囲の熱膨張係数を有するので、本発明に関連して使用するのに特に好適である。
【００４２】
スペーサ部品が部分安定化酸化ジルコニウムを含むことも可能である。部分安定化酸化ジルコニウムは、２．８〜５モル％の希土類金属酸化物、すなわちＹ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、ＭｇＯまたはＣａＯを含有する酸化ジルコニウムである。そのような分類系の熱膨張係数は約１０．８×１０−６Ｋ−１である。
【００４３】
部分安定化酸化ジルコニウムに酸化アルミニウムを添加することも可能である。
【００４４】
接続される要素にスペーサ要素を結合する金属ハンダの場合、ハンダ部材が、以下の材料：金、銀、銅の少なくとも１つを含むことが考慮される。
【００４５】
本発明はさらに、本発明によるシーリングを含む燃料電池スタックに関する。
【００４６】
本発明は、燃料電池スタックを軸方向に圧縮する力の分布が、スペーサ部品によって、接続される要素の少なくとも一方に直接伝達されるという一般的な燃料電池スタックに基づく。このようにして、スペーサ要素によって、隣接する接続される要素間の距離を正確に調整できる。剛性のスペーサ要素は、燃料電池スタックの作動中、ハンダ部材を媒介させずに負荷を受け入れる。それゆえ、負荷経路は剛性要素を通過するが、もはやシーリング効果をもたらすハンダ部材を通過はしない。それにより、接続されるバイポーラ板の場合に短絡をもたらす可能性のある、ハンダの圧縮による接続される要素の接触が、回避される。
【００４７】
好都合には、スペーサ部品がセラミック材料で形成されることが考慮される。接続される要素とスペーサ要素とを直接接触させることに関連して、任意の完全に非導電性のスペーサ要素を使用する場合でも、セラミック材料のスペーサ部品を製造することが特に有利である。これにより、本発明によるシーリングに関連して既述の特殊性および利点がもたらされる。これは、以下説明する本発明による燃料電池スタック特に有利な実施形態にも当てはまる。
【００４８】
例えば、少なくとも１種のハンダ部材がガラスハンダを含むように設計してもよい。
【００４９】
さらに、少なくとも１種のハンダ部材が金属ハンダを含むことが考慮される。
【００５０】
少なくとも１種のハンダが活性ハンダを含むことも可能である。
【００５１】
本発明による燃料電池スタックの別の実施形態によれば、スペーサ部品が、ハンダ部材で満たされた少なくとも１つの凹部を備えるように形成される。
【００５２】
これに関連して、ハンダ部材の量が凹部の容積よりも大きいことが特に有利である。
【００５３】
好ましくは、凹部は、スペーサ部品の縁部に沿って延在する。
【００５４】
さらに、凹部が、接続される要素に向い合っている表面に配置され、かつハンダ部材の広がりに関して、この表面によって垂直方向に境界を定められることが有利であり得る。
【００５５】
燃料電池スタックの信頼性の高いシーリングを考慮して、接続される要素の少なくとも一方へのスペーサ部品の結合が、無傷の状態においてそれぞれ気密接続をもたらす複数のハンダ接合によってもたらされることが考慮される。
【００５６】
信頼性の高いシーリングはまた、接続される要素に向い合っている表面の全体を覆うハンダ部材を有することによって提供される。
【００５７】
まず反復ユニットが製造されかつ気密性に関して調べられてからのみスタックが形成される燃料電池スタックの連続生産に関連して、スペーサ部品が、接続される要素に向い合っている表面に金属ハンダ部材を、および反対側の表面にガラスハンダ部材を担持することが有用であり得る。
【００５８】
スペーサ部品が気密式にハンダ付けされることが有用であり得る。
【００５９】
この場合、好ましくはスペーサ部品の軸方向の厚さは０．１〜０．２ｍｍである。
【００６０】
スペーサ部品の軸方向の厚さは０．３〜０．８ｍｍであることが特に好ましい。
【００６１】
好都合には、ハンダ部材の軸方向の厚さが０．０２〜０．２ｍｍであることが考慮される。
【００６２】
燃料電池スタックは、ハンダ部材を担持するスペーサ部品の表面を粗面にすることにより、安定的な気密構造を備えることができる。
【００６３】
別の利点は、スペーサ部品が１０．５〜１３．５×１０−６Ｋ−１の範囲の熱膨張係数を有することである。
【００６４】
これは、以下の材料：バリウムジシリケート、カルシウムジシリケート、バリウムカルシウムオルトシリケートの少なくとも１つを含むスペーサ部品によって実現されてもよい。
【００６５】
さらに、スペーサ部品が部分安定化酸化ジルコニウムを含むことが考慮されてもよい。
【００６６】
部分安定化酸化ジルコニウムに酸化アルミニウムが添加されることも可能である。
【００６７】
さらに、ハンダ部材が以下の材料：金、銀、銅の少なくとも１つを含むことが考慮されてもよい。
【００６８】
本発明はさらに、本発明による燃料電池スタック用シーリング、すなわち全体的に非導電性のスペーサ要素と、その上に配置されたハンダ部材とを含むシーリングに関する。
【００６９】
本発明は、ハンダ部材がセラミック材料製である一般的なシーリングの製造方法に基づく。これにより、本発明によるシーリングに関連して既述の利点および特殊性がもたらされる。
【００７０】
製造方法を考慮して、スペーサ部品が、セラミック粉末の乾式プレスによって製造されることが有用であり得る。
【００７１】
スペーサ部品を、フィルムのキャスティング、積層およびスタンピングによって製造することが考慮されてもよい。
【００７２】
そのようなスペーサ部品に基づいて、スタンピングされたフィルムの形態のガラスハンダをスペーサ部品に付与することが考慮されてもよい。
【００７３】
ペーストの形態のガラスハンダまたは金属ハンダをスペーサ部品に付与することも可能である。
【００７４】
金属ハンダ部材とスペーサ部品との間の接続を強化するために、金属ハンダの付与に先立って、スペーサ部品にボンディング層が付与されることが考慮されてもよい。
【００７５】
これに関連して、ハンダの付与前にスペーサ部品を粗面にすることがさらに有利であり得る。
【００７６】
本発明は、セラミック材料製のスペーサ部品を使用する一般的な燃料電池スタックの製造方法に基づく。
【００７７】
それゆえ、本発明による燃料電池スタックに関連する既述の利点および特殊性はまた、そのような燃料電池スタックの製造方法の枠組み内で実現される。
【００７８】
燃料電池スタックの要素およびガラスハンダのハンダ部材を含むシールを積み重ね、次に、シールを介して、接続される要素を同時に互いに接続することをさらに発展させてもよい。それゆえ、シーリング部品に接触する全結合領域の並列接続がもたらされる製造方法が可能である。
【００７９】
しかしながら、同時に、連続生産も可能であり、具体的には、反復ユニットおよび金属ハンダのハンダ部材を含むシールが、互いに連続的に順々に接続される。
【００８０】
有利には、スペーサ部品が、接続される要素に向い合っている表面に金属ハンダ部材を、および反対側の表面にガラスハンダ部材を担持し、スペーサ部品をまず、金属ハンダ部材を介して燃料電池スタックの要素に接続し、反復ユニットを完成させ、反復ユニットを積み重ね、およびガラスハンダ部材を介して反復ユニットを互いに接続するシールを使用することがさらに考慮されてもよい。
【００８１】
異なるハンダ分類系を含むシーリングを基にしたそのような製造法は、スペーサ部品を燃料電池スタックの要素に金属ハンダ部材を介して接合した後に反復ユニットを気密性に関して調べることを考慮して、特に有用である。
【００８２】
本発明は、ハンダ部材をスペーサ部品に配置して、スペーサ部品によって、燃料電池スタックを軸方向に圧縮する力の分布が、接続される要素の少なくとも一方に直接伝達されるようにする別の一般的な燃料電池スタックの製造方法に基づく。その製造方法では、原理的に異なるスペーサ部品を、それらが電気的に絶縁されている限り使用することができる。セラミック材料の使用が特に有利であっても、必ずしも考慮されるわけではない。
【００８３】
セラミックのスペーサ部品に基づく本発明による製造方法を用いる接続におけるように、この場合、燃料電池スタックの要素およびガラスハンダのハンダ部材を含むシールを積み重ねて、次いで、シールを介して、接続される要素を同時に互いに接続することが考慮されてもよい。
【００８４】
さらに、反復ユニットおよび金属ハンダのハンダ部材を含むシールを連続的に順々に互いに接続することが有用であり得る。
【００８５】
さらに、スペーサ部品が、接続される要素に向い合っている表面に金属ハンダ部材を、および反対側の表面にガラスハンダ部材を担持し、スペーサ部品を、まず金属ハンダ部材を介して燃料電池スタックの要素に接続し、反復ユニットを完成させ、反復ユニットを積み重ね、およびガラスハンダ部材を介して反復ユニットを互いに接続するシールを使用することが有利であろう。
【００８６】
ここでも、金属ハンダ部材を介した燃料電池スタックの要素へのスペーサ部品の接続後、かつ反復ユニットの積み重ね前に、反復ユニットを気密性に関して調べられることに関連して有利である。
【００８７】
本発明を以下、特に好ましい実施形態を用いて、添付の図面を参照して一例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明による燃料電池スタックの一部の軸方向の断面図である。
【図２】シールの異なる平面図を示す。
【図３】本発明によるシーリング、ならびにシーリングおよび燃料電池スタックを製造する本発明による製造方法を説明する異なる軸方向の断面図を示す。
【図４】本発明によるシーリング別の実施形態を説明する、ならびに本発明によるシールおよび本発明による燃料電池スタックを製造する製造方法を説明する異なる軸方向の断面図を示す。
【図５】本発明によるシーリングの別の実施形態を説明する、ならびに本発明によるシールおよび本発明による燃料電池スタックを製造する製造方法を説明する異なる軸方向の断面図を示す。
【図６】本発明によるシーリングの別の実施形態を説明する、ならびに本発明によるシールおよび本発明による燃料電池スタックを製造する製造方法を説明する異なる軸方向の断面図を示す。
【図７】本発明によるシーリングの別の実施形態を説明する、ならびに本発明によるシールおよび本発明による燃料電池スタックを製造する製造方法を説明する異なる軸方向の断面図を示す。
【図８】本発明によるシーリング別の実施形態を説明する、ならびに本発明によるシールおよび本発明による燃料電池スタックを製造する製造方法を説明する異なる軸方向の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００８９】
以下の本発明の好ましい実施形態の説明では、同一または類似の構成部品には同一の参照符号を付す。
【００９０】
図１は、本発明による燃料電池スタックの一部の軸方向の断面図を示す。燃料電池スタックの２つの反復ユニット２８を示す。前記反復ユニット２８はそれぞれ、バイポーラ板１２を含む。バイポーラ板は、主面３０およびそれに対して軸方向に離して配置された補助面３２を規定する。主面３０および補助面３２に配置された板部分は半径方向に延在し、軸方向部分３４を介して互いに接続される。これにより、完全に導電性であるカートリッジ様の構造が得られる。主面３０に配置されたバイポーラ板１２の部分には、第１のガスダクト範囲３６が続く。前記ガスダクト範囲は、燃料電池スタック内で反応するガスを案内するために設けられる。さらに、ガスダクト範囲は、バイポーラ板１２と膜電極構成３８、４０、４２の第１の電極３８との間の電気接点を提供する。第１の電極３８の上には固体電解質４０が配置される。この固体電解質４０にも同様に、第２の電極４２が続く。第２の電極４２には、別のガスダクト範囲４４が続く。第１の電極３８がカソードであると、下部ガスダクト範囲３６が空気を案内する働きをする一方、上部ガスダクト範囲４４が、供給される水素を、隣接するアノード４２へ案内する。下部ガスダクト範囲３６へ空気を導入するために、軸方向の空気流路４６が設けられる。一方で、上部ガスダクト範囲４４の領域に、それゆえアノード４２に空気が流入することをシール１０、１０’によって妨げる。同様に、シール１０は燃料電池スタックからの空気の流出も妨げる。燃料電池スタックの別の断面図を考慮する場合には別の図が得られる。そのような図では、上部ガスダクト範囲４４、それゆえアノード４２に供給される水素を供給するための軸方向流路が認識できる一方、下部ガスダクト範囲３６ならびにカソードは、シールによって水素から保護される。バイポーラ板１２を互いに接続するシール１０は全て、非導電性材料で形成する必要がある。なぜなら、互いに向き合っている２つの隣接するバイポーラ板１２の側面の電位は反対であるからである。本発明の範囲内で説明するシーリング１０は、主に前記バイポーラ板１２の接続のために設けられる。しかしながら、燃料電池スタックに必要な他のシール、例えば固体電解質４０とバイポーラ板１２との間のシール１０’も、同様に設計されてもよい。
【００９１】
図２に、シールの異なる平面図を示す。図示の方向は、図１に示す図の方向に垂直である。例えば、燃料電池スタックの全周囲に沿って延在するシールの異なる形態を示す。矩形（図２ａ）、円形（図２ｂ）、楕円形（図２ｃ）および部分的な凹面形（図２ｄ）のシーリング形状であることが分かる。シールはまた、アパーチャを有してもよく、例えば両側に流体ダクトとして設けられた軸方向流路を、すなわち具体的には、流体ダクトを案内されるガスが到達してはならない雰囲気およびガスダクト範囲に関して、封止してもよい。
【００９２】
図３に、本発明によるシーリング、ならびにシーリングおよび燃料電池スタックを製造するための本発明による製造方法を説明する異なる軸方向の断面図を示す。図３ａに、本発明によるシーリング１０のスペーサ部品１６を示す。その縁部２４において、スペーサ部品１６は、ハンダ部材１８を収容可能な凹部２０を備える。ハンダ部材１８が導入されたスペーサ部品１６を図３ｂに示す。スペーサ部品１６およびハンダ部材１８は共にシーリング１０を形成する。図３ｃに、２つのバイポーラ板１２の間に封止された状態のシーリング１０を示す。図３ｂに示すように、ハンダ部材、例えばガラスハンダは、スペーサ要素１６よりも突出する。それゆえ、接合フェーズ中、すなわち図３ｃに示す状態への移行中、ハンダ部材１８は負荷を受ける。このようにして等方性の焼結収縮を純粋な高さの収縮に変換できる。焼結フェーズ後、ガラスは粘性を有しつつ、バイポーラ板１２がスペーサ要素１６に当接するまで流れる。燃料電池スタックに作用する拘束力が、実質的にスペーサ部品１６を介して伝達される。複数のハンダ接合部１８、図示の場合、一例として、２つのハンダ接合が各バイポーラ板１２の方に向いているため、ハンダ接合１８の一方の欠陥によってシステムに漏れを生じさせることはない。
【００９３】
図４に、本発明によるシーリングの別の実施形態を説明し、ならびに本発明によるシールおよび本発明による燃料電池スタックを製造する製造方法を説明する異なる軸方向の断面図を示す。図４ａによるスペーサ要素１６は、バイポーラ板１２に結合されるスペーサ部品１６の表面２６に設けられた凹部２２を含む。結合された状態を図４ｄに示す。この場合、ハンダ部材１８は凹部２２に追加的に導入される。この変形例では、ハンダ部材１８、すなわち具体的にはガラスハンダは、スペーサ要素によって完全に囲まれるので、接合およびシーリング領域に固定される。
【００９４】
図５に、本発明によるシーリングの別の実施形態を説明し、ならびに本発明によるシールおよび本発明による燃料電池スタックを製造する製造方法を説明する異なる軸方向の断面図を示す。ここでは、ハンダ部材１８をスペーサ部品１６の全表面に付与する。この場合、スペーサ部品１６は、図５ａに示す状態から図５ｂに示す状態への移行中、すなわち接合中に、ハンダ部材１８を配置できる容積部が設けられるように形成される。このようにして、ハンダ部材がスペーサ部品１６の全表面に配置されているにも関わらず、接合状態においてスペーサ部品１６がバイポーラ板１２に直接接触することが可能となる。
【００９５】
図６に、本発明によるシーリングの別の実施形態を説明し、ならびに本発明によるシールおよび本発明による燃料電池スタックを製造する製造方法を説明する異なる軸方向の断面図を示す。ハンダ部材１８としてガラスハンダが提供される。実施形態は、図５による実施形態と類似しているが、ここでは、スペーサ部品１６はハンダ部材１８の収容を考慮した特定の形状を有しない。図６ａによれば、ハンダ部材１８をスペーサ部品１６の全表面に付与する。図６ｂから分かるように、ハンダ部材１８の一部分は、接合後、スペーサ部品１６とバイポーラ板１２との間に残る。その残りの部分が、縁部領域に向かって移動する。中間層を形成するハンダは少量であるので、バイポーラ板１２とスペーサ部品１６との間の力の分布は、スペーサ部品１６がバイポーラ板１２に直接接触する場合に比べ、実質的にほとんど等しく直接的である。
【００９６】
図７に、本発明によるシーリングの別の実施形態を説明し、ならびに本発明によるシールおよび本発明による燃料電池スタックを製造する製造方法を説明する異なる軸方向の断面図を示す。ハンダ部材１８’として金属ハンダが提供される。それ以外は、図７による実施形態は図６による実施形態と同一である。ハンダ付けプロセスは、まずスペーサ要素１６の金属化をもたらしてから、従来の金属ハンダを使用してハンダ付けを行う２段階プロセスであってもよい。活性ハンダによる１段階プロセスを行うことも可能である。
【００９７】
図８に、本発明によるシーリングの別の実施形態を説明し、ならびに本発明によるシールおよび本発明による燃料電池スタックを製造する製造方法を説明する異なる軸方向の断面図を示す。ここで、ハンダをハイブリッドで使用したシステムを示す。図８ａに示す状態の前にスペーサ部品１６があり、スペーサ部品１６の縁部の一方の側に凹部２０が設けられている。次に、凹部２０と反対側に金属ハンダ部材１８’がもたらされる。それゆえ、所与の部分的なシーリングがバイポーラ板１２にハンダ付けされ得る。この状態において、スペーサ部品１６とバイポーラ板１２との間の金属部材１８’を介した接続の気密試験を行ってもよい。それゆえ、好ましくは部分的なシールを備えるバイポーラ板を、全燃料電池スタック用に予め作製し、次にガラスハンダ部材１８をスペーサ部品１６の凹部２０に導入する。その後、燃料電池スタックを組み立ててから、スペーサ部品１６とバイポーラ板１２との間のガラスハンダ部材１８を介した接続を、スタック全体と同時に結合してもよい。
【００９８】
上記の説明、図面、および特許請求の範囲で開示した本発明の特徴は、個別に、ならびにいずれかの組み合わせの本発明の実現において重要であり得る。
【符号の説明】
【００９９】
１０  シーリング
１０’  シーリング
１２  バイポーラ板
１６  スペーサ部品
１８  ハンダ部材
１８’  ハンダ部材
２０  凹部
２２  凹部
２４  縁部
２６  表面
２８  反復ユニット
３０  主面
３２  補助面
３４  軸方向部分
３６  ガスダクト範囲
３８  電極
４０  固体電解質
４２  電極
４４  ガスダクト範囲
４６  空気流路
【図１】
2010512626.tif 000003
【図２ａ）】
2010512626.tif 000004
【図２ｂ）】
2010512626.tif 000005
【図２ｃ）】
2010512626.tif 000006
【図２ｄ）】
2010512626.tif 000007
【図３ａ）】
2010512626.tif 000008
【図３ｂ）】
2010512626.tif 000009
【図３ｃ）】
2010512626.tif 000010
【図４ａ）】
2010512626.tif 000011
【図４ｂ）】
2010512626.tif 000012
【図５ａ）】
2010512626.tif 000013
【図５ｂ）】
2010512626.tif 000014
【図６ａ）】
2010512626.tif 000015
【図６ｂ）】
2010512626.tif 000016
【図７ａ）】
2010512626.tif 000017
【図７ｂ）】
2010512626.tif 000018
【図８ａ）】
2010512626.tif 000019
【図８ｂ）】
2010512626.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成21年6月18日(2009.6.18)
【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】
燃料電池スタックの２つの要素（１２）の気密接続用のシーリング（１０）であって、非導電性スペーサ部品（１６）と、前記燃料電池スタックの作動温度においてその全範囲にわたって固体または粘性であり、かつ前記燃料電池スタックの接続される前記要素の少なくとも一方に前記スペーサ部品（１６）を気密式に結合する少なくとも１種のハンダ部材（１８）とを含むシーリングにおいて、前記スペーサ部品（１６）がセラミック材料で形成されることを特徴とする、シーリング。
【請求項２】
前記スペーサ部品（１６）が、前記ハンダ部材（１８）で満たされた少なくとも１つの凹部（２０、２２）を含むことを特徴とする請求項１に記載のシーリング（１０）。
【請求項３】
前記ハンダ部材（１８）の量が、前記凹部（２０、２２）の容積よりも多いことを特徴とする請求項２に記載のシーリング（１０）。
【請求項４】
前記凹部（２０）が、前記スペーサ部品（１６）の縁部（２４）に沿って延在することを特徴とする請求項２または３に記載のシーリング（１０）。
【請求項５】
前記凹部（２２）が、接続される要素に向く表面（２６）に配置され、かつ前記ハンダ部材（１８）の広がりに関して、前記表面（２６）によって垂直方向に境界を定められることを特徴とする請求項２または３に記載のシーリング（１０）。
【請求項６】
請求項１に記載の少なくとも１つのシーリング（１０）を含む燃料電池スタック。
【請求項７】
軸方向に積み重ねられた複数の反復ユニット（２８）と、前記燃料電池スタックの２つの要素（１２）を気密式に接続する少なくとも１つのシーリング（１０）とを含む燃料電池スタックであって、前記シーリング（１０）が、非導電性スペーサ部品（１６）と、前記燃料電池スタックの前記接続される要素の少なくとも一方に前記スペーサ部品（１６）を結合する少なくとも１種のハンダ部材（１８）とを含む燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池スタックを軸方向に圧縮する力の分布が、前記スペーサ部品（１６）によって、前記接続される要素（１２）の一方に直接伝達されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項８】
前記スペーサ部品（１６）が、前記ハンダ部材（１８）で満たされた少なくとも１つの凹部（２０、２２）を含むことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
前記ハンダ部材（１８）の量が前記凹部（２０、２２）の容積よりも多いことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記凹部（２０）が、前記スペーサ部品（１６）の縁部（２４）に沿って延在することを特徴とする請求項８または９に記載の燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記凹部（２２）が、接続される要素（１２）に向い合っている表面（２６）に配置され、かつ前記ハンダ部材（１８）の広がりに関して、前記表面（２６）によって垂直方向に境界を定められることを特徴とする請求項８または９に記載の燃料電池スタック。
【請求項１２】
燃料電池スタックの２つの要素（１２）を気密式に接続することができるシーリング（１０）の製造方法であって、前記シーリング（１）が、非導電性スペーサ部品（１６）と、前記燃料電池スタックの作動温度においてその全範囲にわたって固体または粘性であり、かつ前記燃料電池スタックの前記接続される要素の少なくとも一方へ前記スペーサ部品（１６）を気密式に結合する少なくとも１種のハンダ部材（１８）とを含む、方法において、前記スペーサ部品（１６）がセラミック材料で形成されることを特徴とする方法。
【請求項１３】
軸方向に積み重ねられた複数の反復ユニット（２８）と、前記燃料電池スタックの２つの要素（１２）を気密式に接続する少なくとも１つのシーリング（１０）とを含む燃料電池スタックの製造方法であって、前記シーリング（１０）が、非導電性スペーサ部品（１６）と、前記料電池スタックの作動温度においてその全範囲にわたって固体または粘性であり、かつ前記燃料電池スタックの前記接続される要素の少なくとも一方へ前記スペーサ部品（１６）を気密式に結合する少なくとも１種のハンダ部材（１８）とを含む方法において、セラミック材料製であるスペーサ部品（１６）が使用されることを特徴とする方法。
【請求項１４】
−前記スペーサ部品（１６）が、接続される要素（１２）に向い合っている表面（２６）に金属ハンダ部材（１８’）を、および反対側の表面（２６）にガラスハンダ部材（１８）を担持するシール（１０）を使用し、
−前記スペーサ部品（１６）をまず前記金属ハンダ部材（１８’）を介して前記燃料電池スタックの要素に接続し、
−前記反復ユニット（２８）を完成させ、
−前記反復ユニット（２８）を積み重ね、および
−前記反復ユニット（２８）を、前記ガラスハンダ部材（１８）を介して互いに接続する
ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
軸方向に積み重ねられた複数の反復ユニット（２８）と、前記燃料電池スタックの２つの要素（１２）を気密式に接続する少なくとも１つのシーリング（１０）とを含む燃料電池スタックの製造方法であって、前記シーリング（１０）が、非導電性スペーサ部品（１６）と、前記燃料電池スタックの前記接続される要素の少なくとも一方へ前記スペーサ部品（１６）を結合する少なくとも１種のハンダ部材（１８）とを含む方法において、前記ハンダ部材（１８）が前記スペーサ部品（１６）に配置されて、前記燃料電池スタックを軸方向に圧縮する力の分布が、前記スペーサ部品（１６）によって、前記接続される要素（１２）の少なくとも１つに直接伝達されることを特徴とする方法。
【請求項１６】
−前記スペーサ部品（１６）が、接続される要素（１２）に向い合っている表面（２６）に金属ハンダ部材（１８’）を、および反対側の表面（２６）にガラスハンダ部材（１８）を担持するシール（１０）を使用し、
−前記スペーサ部品（１６）をまず、前記金属ハンダ部材（１８’）を介して前記燃料電池スタックの要素に接続し、
−前記反復ユニット（２８）を完成させ、
−前記反復ユニット（２８）を積み重ね、および
−前記ガラスハンダ部材（１８）を介して前記反復ユニット（２８）を互いに接続する
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【国際調査報告】
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