(57)【要約】  電気化学的機能ユニット用のキャリア装置であって、導電性材料から成るフレームユニットと、導電性材料から成りかつ前記フレームユニット上で一体に形成される少なくとも１つの窓領域とを含み、前記少なくとも１つの窓領域が、多孔質材料から作製されかつその多孔性によりガス透過性であり、前記フレームユニットがその中実材料によりガス不透過性である、キャリア装置を実現する。
2010527102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学的機能ユニット（５２）のためのキャリア装置であって、
導電性材料から成るフレームユニット（１２）と、
導電性材料から成り、かつ前記フレームユニット（１２）上に一体に形成される少なくとも１つの窓領域（１８）と
を含むキャリア装置において、
前記少なくとも１つの窓領域（１８）が、多孔質材料から作製され、かつその多孔性によりガス透過性であり、更に
前記フレームユニット（１２）が、その中実材料によりガス不透過性である、
キャリア装置。
【請求項２】
請求項１に記載のキャリア装置であって、前記フレームユニットのフレーム要素（１４ａ、１４ｂ、１６ａ、１６ｂ）が、前記少なくとも１つの窓領域（１８）を側面に沿って包囲することを特徴とするキャリア装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のキャリア装置であって、前記少なくとも１つの窓領域（１８）が前記フレームユニット（１２）上に一体となって配置されることを特徴とするキャリア装置。
【請求項４】
先行する請求項のいずれか１項に記載のキャリア装置であって、前記少なくとも１つの窓領域（１８）及び前記フレームユニット（１２）が、同じ材料から作製されることを特徴とするキャリア装置。
【請求項５】
先行する請求項のいずれか１項に記載のキャリア装置であって、粉末冶金による作製を特徴とするキャリア装置。
【請求項６】
先行する請求項のいずれか１項に記載のキャリア装置であって、１つ又は複数の支持脚部（８２）を特徴とするキャリア装置。
【請求項７】
請求項６に記載のキャリア装置であって、前記フレームユニット（１２）上に１つ又は複数の支持脚部（８２）が配置されることを特徴とするキャリア装置。
【請求項８】
請求項６又は７に記載のキャリア装置であって、前記少なくとも１つの窓領域（１８）の下にガス室が形成されることに適合されるよう、前記支持脚部（８２）が配置及び設計されることを特徴とするキャリア装置。
【請求項９】
先行する請求項のいずれか１項に記載のキャリア装置であって、バイポーラ板としての設計を特徴とするキャリア装置。
【請求項１０】
先行する請求項のいずれか１項に記載のキャリア装置であって、インターコネクタとしての設計を特徴とするキャリア装置。
【請求項１１】
先行する請求項のいずれか１項に記載のキャリア装置であって、前記フレームユニット（１２）上に電気接触装置（７８）が配置され、前記接触装置を介して前記フレームユニット（１２）がハウジング（７２）上で支持可能であることを特徴とするキャリア装置。
【請求項１２】
先行する請求項のいずれか１項に記載のキャリア装置であって、前記少なくとも１つの窓領域（１８）に少なくとも１つの電気化学的機能層が配置されることを特徴とするキャリア装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載のキャリア装置であって、前記少なくとも１つの電気化学的機能層が、前記窓領域（１８）と一体に作製されることを特徴とするキャリア装置。
【請求項１４】
請求項１２又は１３に記載のキャリア装置であって、前記少なくとも１つの電気化学的機能層が、アノード層又はカソード層であることを特徴とするキャリア装置。
【請求項１５】
請求項１２又は１３に記載のキャリア装置であって、前記少なくとも１つの電気化学的機能層が、多孔質アノード基板層又は多孔質カソード基板層であることを特徴とするキャリア装置。
【請求項１６】
先行する請求項のいずれか１項に記載のキャリア装置であって、前記フレームユニット（１２）に１つ又は複数のチャネル（２０）が配置されることを特徴とするキャリア装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載のキャリア装置であって、１つのチャネル（２０）が、連続する開口として設計されることを特徴とするキャリア装置。
【請求項１８】
先行する請求項のいずれか１項に記載のキャリア装置であって、板としての設計を特徴とするキャリア装置。
【請求項１９】
先行する請求項のいずれか１項に記載のキャリア装置であって、焼結板としての設計を特徴とするキャリア装置。
【請求項２０】
先行する請求項のいずれか１項に記載のキャリア装置であって、前記フレームユニット（１２）及び前記少なくとも１つの窓領域（１８）が鋼から作製されることを特徴とするキャリア装置。
【請求項２１】
燃料電池モジュールであって、
電気化学的機能ユニット（５２；９２）と、
先行する請求項のいずれか１項に記載のキャリア装置（１０；７４；１１４；１２８）と
を含む燃料電池モジュールにおいて、
前記電気化学的機能ユニット（５２；９２）が前記キャリア装置（１０；７４；１１４；１２８）上に配置される燃料電池モジュール。
【請求項２２】
請求項２１に記載の燃料電池モジュールであって、前記電気化学的機能ユニット（５２；９２）が、カソード（５６）及び電解質（５４）を含むことを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２３】
請求項２０又は２１に記載の燃料電池モジュールであって、前記電気化学的機能ユニットが、アノード（４６；９０；１４０）を含むことを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２４】
請求項２３に記載の燃料電池モジュールであって、前記アノード（４６；９０；１４０）又は前記カソードが、前記少なくとも１つの窓領域（１８；８４；１３２）に配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２５】
請求項２１〜２４のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールであって、ハウジング（３６；７２；９５；１２０）を特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２６】
請求項２５に記載の燃料電池モジュールであって、前記キャリア装置（１０；７４；１１４）が前記ハウジング（３６；７２；９５）上に配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２７】
請求項２５に記載の燃料電池モジュールであって、前記キャリア装置（１１４）が前記ハウジング（１２０）の一部であることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２８】
請求項２７に記載の燃料電池モジュールであって、前記キャリア装置（１２８）が、電極室（１３６）を閉鎖する前記ハウジング（１２０）の被覆要素を形成することを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２９】
請求項２７又は２８に記載の燃料電池モジュールであって、ガス密の電解質層（１４２）が前記少なくとも１つの窓領域（１３２）を完全に被覆することを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項３０】
請求項２５〜２９のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールであって、前記ハウジング（３６；７２；９５；１２０）が金属材料から作製されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項３１】
請求項２５〜３０のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールであって、前記フレームユニット（１２；７６；１３０）が、前記ハウジング（３６；７２）に、又は前記ハウジングの一部（１２２）にはんだ付けされることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項３２】
請求項３１に記載の燃料電池モジュールであって、前記フレームユニット（７６）が前記ハウジング（７２）に、対向する両側ではんだ付けされることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項３３】
電気化学的機能ユニットのためのキャリア装置の作製方法であって、中実材料によりガス不透過性であるフレームユニットが導電性材料から作製され、ガス透過性である少なくとも１つの多孔質窓領域が前記フレームユニット上に作製される方法。
【請求項３４】
請求項３３に記載の方法であって、前記フレームユニット及び前記少なくとも１つの窓領域が同じ材料から作製されることを特徴とする方法。
【請求項３５】
請求項３３又は３４に記載の方法であって、粉末冶金による作製を特徴とする方法。
【請求項３６】
請求項３３〜３５のいずれか１項に記載の方法であって、出発材料として、結合剤を含む金属粉末が使用されることを特徴とする方法。
【請求項３７】
請求項３６に記載の方法であって、前記少なくとも１つの窓領域を作製するための前記出発材料が、前記フレームユニットを作製するための前記出発材料よりも高い割合の結合剤を有することを特徴とする方法。
【請求項３８】
請求項３６又は３７に記載の方法であって、前記少なくとも１つの窓領域のための前記出発材料が細孔形成剤を含むことを特徴とする方法。
【請求項３９】
請求項３３〜３８のいずれか１項に記載の方法であって、予備体が焼結されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学的機能ユニット用のキャリア装置に関する。
【０００２】
更に本発明は、電気化学的機能ユニットを含む燃料電池モジュールに関する。
【０００３】
更に本発明は、電気化学的機能ユニット用キャリア装置の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
DE 198 41 919 A1は、アノード及びカソードにそれぞれの集電体を備えた燃料電池を有する燃料電池モジュールを開示している。アノードは、はんだを利用してその集電体に取り付けられている。
【０００５】
DE 20 2005 020 601 U1は、カソード−電解質−アノードユニットと、カソード−電解質−アノードユニットに導電接触するための少なくとも１つの接触要素とを含む燃料電池ユニットを開示している。少なくとも１つの接触要素は、複数の開口を備えた板を含む。
【０００６】
EP 1 318 560 A2は、反応物の供給のために及び／又は反応生成物の放出のために多孔質とされた、高温燃料電池の電気化学的機能ユニット用支持体を開示している。
【０００７】
WO 99/53558は、接続要素によって電気的及び機械的に相互に接続された数個の燃料電池を含む燃料電池スタックを開示している。接続要素は金属又は金属合金から成り、各接続要素は少なくとも１つの電極室と多孔質壁とを有する。接続要素の多孔質壁は、電極室と隣接するアノードとを分離する。
【０００８】
GB 2 368 450 Aは、基板を含むＳＯＦＣ型燃料電池を開示している。ここで基板は、フェライト鋼から成ると共に多孔質領域と非多孔質領域とを含み、非多孔質領域が多孔質領域を画する。フェライト鋼から成るバイポーラ板が、基板の多孔質領域の一方の表面上に位置決めされ、多孔質領域の周りで基板の非多孔質領域に密封接続により接続されている。基板の多孔質領域の他方の表面上に、第１電極層が配置されている。第１電極層上には電解質層が配置されており、電解質層上には第２電極層が配置されている。
【０００９】
GB 2 400 723 Aは、多孔質支持体と非多孔質フレームとを備えた鋼基板を含むＳＯＦＣ型燃料電池を開示している。ここで、フレームは多孔質支持体又は多数の多孔質支持体を収容する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】DE 198 41 919 A1
【特許文献２】DE 20 2005 020 601 U1 (US 2007/0042253 A1)
【特許文献３】EP 1 318 560 A2
【特許文献４】WO 99/53558 (US 6,528,197 B1)
【特許文献５】GB 2 368 450 A
【特許文献６】GB 2 400 723 A
【特許文献７】WO 93/13566 A
【特許文献８】US 2001/008722 A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の基礎をなす目的は、簡単なやり方で作製することができ、かつ有利な特性を有する、冒頭で特定された種類のキャリア装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的は、本発明によれば、前記キャリア装置が導電性材料から成るフレームユニットを含むと共に、導電性材料から成りかつ前記フレームユニット上に一体に形成された少なくとも１つの窓領域を含み、ここで、前記窓領域が多孔質材料から作製されかつその多孔性によりガス透過性である共に、前記フレームユニットがその中実材料によりガス不透過性である、というようにすることで達成される。
【００１３】
前記キャリア装置は、前記フレームユニット及び前記少なくとも１つの窓領域により導電性であるため、例えばバイポーラ板又はインターコネクタとして使用することができる。例えば、前記キャリア装置によりアノードへの電気接触を実現するようにしてもよい。その結果、前記キャリア装置は、例えばアノードの支持体として機能することができ、前記少なくとも１つの多孔質窓領域を介して前記アノードまで反応ガスを通過させることができる。
【００１４】
前記少なくとも１つの窓領域を前記フレームユニット上に一体に形成する結果として、接続のためにはんだ継ぎ目又は溶接継ぎ目が設けられる必要はない。結果として、はんだ継ぎ目又は溶接接続部に移行部がないことから、熱膨張率が急増することはない。更に、応力分布や合金成分等の急増も防止される。結果として、例えば前記キャリア装置にセラミック層が配置されることに関連する問題が回避される。
【００１５】
前記フレームユニットと前記少なくとも１つの一体型の窓領域とを備えた前記キャリア装置は、簡単なやり方で、例えば粉末冶金法により作製することができ、一体に作製することが可能である。結果として、作製ステップの数、従って生産資源を低く抑えることができる。
【００１６】
前記フレームユニットがその中実材料によりガス不透過性であり、前記少なくとも１つの窓領域がガス透過性である結果として、前記電気的機能ユニットに反応ガス、例えば可燃性ガス又は酸化剤を選択的に与えることができ、この場合、ガス室の不浸透性を高くすることも簡単なやり方で達成することもできる。前記フレームユニットに対応するチャネルが形成されるようにすることで、その中実材料によりガス不透過性である前記フレームユニットは、ガス室内への反応ガス用の供給ユニットとして使用することができる。従って前記フレームユニットは、反応生成物の放出ユニットとして使用することもできる。
【００１７】
前記フレームユニットのフレーム要素が、前記少なくとも１つの窓領域を側面に沿って包囲すると好ましい。結果として、ガス透過性である前記窓領域は、前記フレームユニットを介した側に対して密封することができる。
【００１８】
前記少なくとも１つの窓領域が前記フレームユニット上に一体となって配置されると、特に有利である。結果として、前記少なくとも１つの窓領域と前記フレームユニットとの間の材料固着式接続、形状固着式接続、又は同等のものが不要となる。
【００１９】
前記少なくとも１つの窓領域及び前記フレームユニットが、同じ材料から作製されると好ましい。結果として、前記少なくとも１つの窓領域と前記フレームユニットとの間の移行部では、熱膨張率、応力分布、合金寄与等の急増が生じない。
【００２０】
前記キャリア装置が粉末冶金により作製されると、特に有利である。結果として、均一な（一様な）材料分布を達成することができる。結果として、他方で、前記キャリア装置の耐酸化性は非常に高くなる。というのも、例えばエンボス加工によって作製されるキャリア装置と比較して、合金分布にむらがあるという理由による「酸化の欠点」が回避されるからである。更に、前記キャリア装置は高度の一様性で作製することができるため、ハウジング内に簡単なやり方で位置決めすることができる。結果として、他方で、前記キャリア装置を簡単なやり方で使用して、複数の燃料電池から成る燃料電池スタックを形成することが可能である。
【００２１】
前記キャリア装置が、１つ又は複数の支持脚部を含むことを実現することができる。前記キャリア装置は、基部上、例えばハウジング上で支持脚部を介して支持することができる。例えば前記基部への電気接触は、前記支持脚部を介して達成することもできる。更に、ガス室を形成することができ、前記ガス室を介して前記少なくとも１つの窓領域から前記電気化学的機能ユニットに反応ガスを供給することができる。
【００２２】
この点において、特に、前記フレームユニット上に１つ又は複数の支持脚部を配置することができる。結果として、対応する機械的安定性を達成することができる。結果として、例えば、前記基部に対する簡単な接続可能性も（例えば、はんだ付けによって）実現することができる。
【００２３】
この点において、前記１つ又は複数の支持脚部が、前記フレームユニット上に一体に形成されると好ましい。
【００２４】
更に、前記少なくとも１つの窓領域の下にガス室を形成することができるように前記支持脚部が配置され設計されると好ましい。その際、支持脚部の下面は前記少なくとも１つの窓領域の下面に対して離間されている。
【００２５】
前記キャリア装置が、バイポーラ板として設計される又はインターコネクタとして設計されることを実現することができる。その際、同時に、前記キャリア装置は電気化学的機能ユニット用の支持体とし、電気接触を実現することができる。
【００２６】
１実施形態において、前記フレームユニット上に電気接触装置が配置され、前記電気接触装置を介して前記フレームユニットはハウジング上で支持することができる。前記電気接触装置は、前記フレームユニットの一体部分とすることができ、例えば前記フレームユニット上に一体となって形成することができる。例えばメッシュの形態の別個の電気接触装置を前記フレームユニットに、例えばはんだ付けにより固定することも可能である。
【００２７】
好ましくは、前記少なくとも１つの窓領域に、少なくとも１つの電気化学的機能層が配置される。この電気化学的機能層は、セラミック層、又は非セラミック層、例えば金属層とすることができる。この電気化学的機能層は、前記少なくとも１つの窓領域及び前記フレームユニットの作製中に、例えば対応する出発材料が粉末冶金工程中に適切な位置にもたらされるようにすることで、一体部分として作製することができる。
【００２８】
１実施形態において、前記少なくとも１つの電気化学的機能層は、アノード層又はカソード層である。その際、前記アノードに可燃性ガスを供給することができ、又は、前記カソードに前記多孔質窓領域を介して酸化ガスを供給することができる。
【００２９】
前記少なくとも１つの電気化学的機能層を、導電性である一方でアノード層又はカソード層を位置決めすることができる多孔質アノード基板層又は多孔質カソード基板層とすることも可能である。
【００３０】
前記フレームユニットに１つ又は複数のチャネルを配置することを実現することができる。この点において、チャネルは特に、例えば穴の形態の連続する開口として設計される。結果として、例えばガス室に反応ガスを供給することができ、又は、前記フレームユニットから反応生成物を放出することができる。
【００３１】
前記キャリア装置を、例えば略平坦な上面と略平坦な下面とを備えた板として設計することを実現することができる。この点において、前記上面及び／又は前記下面にて脚部が突出することが可能である。
【００３２】
好ましくは、前記キャリア装置は焼結板として設計される。結果として、前記キャリア装置は簡単かつ安価なやり方で作製することができる。
【００３３】
本発明の基礎をなす更なる目的は、簡単なやり方で作製することのできる、冒頭で特定された種類の燃料電池モジュールを提供することである。
【００３４】
この目的は、本発明によれば、冒頭にて特定された燃料電池モジュールにおいて、本発明に係るキャリア装置が使用され、ここで、前記キャリア装置上に前記電気化学的機能ユニットが配置される、というようにすることで達成される。
【００３５】
本発明に係る前記燃料電池モジュールは、本発明に係る前記キャリア装置に関連して既に論じた利点を有する。
【００３６】
前記電気化学的機能ユニットは、特にカソード及び電解質を含む。その際、対応する電気化学的電池反応を実行することができる。
【００３７】
前記電気化学的機能ユニットが電極を含むことを実現することもできる。（原則として、前記電極が、前記キャリア装置の一部であること、又は前記電気化学的機能ユニットの一部であることが可能である。）
【００３８】
前記アノード又は前記カソードが、前記少なくとも１つの窓領域に配置されると好ましい。前記アノードに可燃性ガスを供給することができ、又は、前記カソードに前記窓領域を介して酸化剤を供給することができる。結果として、前記キャリア装置は、前記アノード又は前記カソード用の機械的保持装置となり、可燃性ガス又は酸化剤の供給可能性を実現する。
【００３９】
更に、ハウジングが設けられると好ましい。前記キャリア装置及び前記機能ユニットは、前記ハウジング内又は前記ハウジングにて収容することができる。ハウジングがある結果として、例えばアノード室（又はカソード室）を、前記アノードに可燃性ガスを供給できるようにするために設けることができる。更に、燃料電池スタックを形成するために、前記ハウジングを介した、隣接する燃料電池モジュール間の電気接触が可能である。
【００４０】
この点において、原則として、前記キャリア装置は、前記ハウジングとは別のユニットであってよく、又は前記ハウジングの一部であってもよい。後者の場合、前記燃料電池モジュールは、コンパクトなやり方で最小限の厚さに構成することができる。
【００４１】
１実施形態において、前記キャリア装置は、電極室を閉鎖する前記ハウジングの被覆要素を形成する。前記電極室は例えばアノード室であり、前記アノード室を介して前記少なくとも１つの窓領域からアノードに可燃性ガスが供給される。前記電極室は、その中実材料によりガス不透過性である前記フレームユニットを介して、ガス密なやり方で閉鎖することができる。
【００４２】
ガス密の電解質層が前記少なくとも１つの窓領域を完全に被覆すると好ましい。結果として、前記アノード側から前記カソード側へ可燃性ガスが通ることができず、前記カソード側から前記アノード側へ酸化ガスが通ることができないことを確実にすることができる。対応する電極（例えば、前記アノード）は前記ガス密の電解質層により被覆することができ、又、前記少なくとも１つの窓領域を完全に被覆することにより、電極（例えば、アノード）と少なくとも１つの窓領域とから成るように組み合わせたものは、他の電極（例えば、前記カソード）に対して液密となるように「密封」されることが確実になる。
【００４３】
前記ハウジングが金属材料から作製されると好ましい。
【００４４】
前記フレームユニットが、前記ハウジングに、又は前記ハウジングの一部にはんだ付けされることを実現することができる。結果として、電子伝導路を設けることができる。結果として、特に、電気接触装置を介して設けられる前記電子伝導路に加えて更に電子伝導路が設けられる。
【００４５】
前記フレームユニットが、前記ハウジングに、又は前記ハウジングの一部に、対向する両側ではんだ付けされると好ましい。前記フレームユニットは、例えば前記ハウジングの下部シェルに大きな領域にわたってはんだ付けすることができる。更に、追加の電子伝導路を設けるために、前記フレームユニットは、前記ハウジングの重複領域にはんだ付けすることができる。
【００４６】
本発明の基礎をなす更なる目的は、簡単なやり方で実行することのできる、冒頭で特定された種類の方法を提供することである。
【００４７】
この目的は、本発明によれば、冒頭で特定された方法において、その中実材料によりガス不透過性であるフレームユニットが導電性材料から作製され、かつ、ガス透過性である少なくとも１つの多孔質窓領域が前記フレームユニット上に作製されるようにすることで達成される。
【００４８】
本発明に係る前記方法は、本発明に係る前記キャリア装置及び本発明に係る前記燃料電池モジュールに関連して既に論じた利点を有する。
【００４９】
同様に、追加の有利な展開は、本発明に係る前記キャリア装置及び本発明に係る前記燃料電池モジュールに関連して既に論じている。
【００５０】
前記フレームユニット及び前記少なくとも１つの窓領域が同じ材料から作製されると特に有利である。結果として、前記少なくとも１つの窓領域と前記フレームユニットとの間の移行部での不整合問題が回避される。特に、熱膨張率、応力挙動、合金成分等の急増が生じない。
【００５１】
粉末冶金による作製が実現されると特に有利である。結果として、前記少なくとも１つの窓領域は、簡単なやり方で、前記フレームユニット上に一体に作製することができる。製造ステップは最小にすることができる。出発材料の成分から素地が作製され、この素地は、前記少なくとも１つの窓領域及び前記フレームユニット用の出発領域を含む。この素地が焼結され、前記キャリア装置が得られる。適用可能な場合、得られる前記素地は、例えば前記フレームユニットにガスチャネルを穿孔することにより、続けて機械加工することができる。
【００５２】
出発材料として、結合剤を含む金属粉末が使用されると好ましい。結果として、前記フレームユニットだけでなく前記少なくとも１つの窓領域をも作製することができる。この場合、特に、結合剤の割合を変化させることによって、対応する領域をガス透過性にするか、又はガス不透過性にするかを設定することができる。
【００５３】
前記少なくとも１つの窓領域を作製するための前記出発材料は、特に、前記縁部ユニットを作製するための前記出発材料よりも結合剤の割合を高くして与えられる。
【００５４】
更に、多孔性を相応に調節するために、前記少なくとも１つの窓領域用の前記出発材料に細孔形成剤が付加されることを実現することができる。
【００５５】
予備体、ただし異なる出発材料の成分から作製されるもの（素地）が焼結されると好ましい。こうして、前記キャリア装置を形成する焼結素体が得られる。
【００５６】
本発明をより詳細に説明するため、図面と関連させつつ、好適な実施形態を以下に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明に係るキャリア装置の１実施形態の平面図。
【図２】図１の線２−２に沿った略断面図。
【図３】本発明に係る燃料電池モジュールの第１実施形態の略断面図。
【図４】本発明に係る燃料電池モジュールの第２実施形態の略断面図。
【図５】本発明に係るキャリア装置を作製するための方法ステップの略図。
【図６】本発明に係る燃料電池モジュールの第３実施形態の略断面図。
【図７】本発明に係る燃料電池モジュールの第４実施形態の略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００５８】
図１に符号１０で示した本発明に係るキャリア装置の１実施形態は、板様の設計である。キャリア装置１０は、互いに対向して設置されかつ互いに平行に離間されたフレーム要素１４ａ、１４ｂを備えたフレームユニット１２を含む。フレーム要素１６ａ、１６ｂは、これらのフレーム要素１４ａ、１４ｂに対して横に、特に直角に向けられている。フレーム要素１６ａ、１６ｂは離間されており、特に、互いに平行に離間されている。
【００５９】
フレームユニット１２上で、（少なくとも）１つの窓領域１８が保持される。この窓領域１８は、フレーム要素１４ａ、１４ｂ、１６ａ、及び１６ｂに一体に接続されており、フレームユニット１２により、そのフレーム要素１４ａ、１４ｂ、１６ａ、１６ｂで包囲されている。
【００６０】
フレームユニット１２は、ガス不透過性である中実材料１９から作製される。
【００６１】
フレームユニット１２内（中実材料内）に、流路用の１つ又は複数のチャネル２０を配置することができる。例えば、チャネル２０がフレーム要素１４ａ及び１４ｂ内に形成される。チャネル２０は特に、連続する凹部として設計される。
【００６２】
窓領域１８は、開孔材料２２から作製されているため、ガス透過性である（ガスは図２に参照番号２４を付した矢印で示す）。フレームユニット１２の中実材料１９により、キャリア装置１０は、窓領域１８の外側ではガス透過性ではない（ガス透過性があるとすれば、打抜き穴等の形態の「巨視的」チャネルによってのみ具体化される）。
【００６３】
フレームユニット１２及び窓領域１８を備えたキャリア装置１０は、（同じ）導電性材料から作製される。特に、フレームユニット１２及び窓領域１８は、例えばクロムを１７％〜２８％の割合で含有しかつマンガンを一部に含有するフェライト鋼から作製される。多孔質設計（それ故、不完全な開口）の結果として、窓領域１８は電気接触路も提供する。
【００６４】
窓領域１８はフレームユニット１２上に一体に形成されるため、追加の接続手段、例えば、はんだ接続、溶接接続、又は接着接続は不要である。フレームユニット１２及び窓領域１８は、特に、一体を成すようなやり方で、例えば粉末冶金により作製される。
【００６５】
図５に概略的に示す作製方法の１実施形態において、異なる出発材料２６、２８が使用される。出発材料２６はフレームユニット１２の作製のために使用され、出発材料２８は窓領域１８の作製のために使用される。出発材料２６及び出発材料２８はそれぞれ、金属粉末及び結合剤を含む。結合剤の割合は、出発材料２６におけるよりも出発材料２８において高い。結合剤の割合は、焼結後に、フレームユニットがその中実材料によりガス不透過性となり、窓領域が多孔質及びガス透過性となるように選択される。
【００６６】
出発材料２６及び出発材料２８から予備体３０が作製される。この目的で、出発材料２６及び出発材料２８は、作製されるべきフレームユニット１２及び（少なくとも１つの）窓領域１８の形状に応じて位置決めされる。
【００６７】
１実施形態において、素地を形成する目的でプレス加工、続いて硬化が行われる。
【００６８】
従って、出発材料２６及び出発材料２８を、ダイカストによるＰＩＭ（粉末射出成形）法を介して位置決めすることも可能である。
【００６９】
例えば、フィルムキャスティング法において、出発材料２６及び出発材料２８上で、ペーストを相応に位置決めすることにより予備体３０を作製することも可能である。
【００７０】
予備体３０（素地）が焼結される。このことは、図５で参照番号３２を付した矢印により概略的に示されている。熱処理によって出発材料２８に細孔が形成され、窓領域１８が作製される。この窓領域１８はフレームユニット１２により包囲されており、この場合、窓領域１８はフレームユニット１２上に一体に形成されている。
【００７１】
こうして、キャリア装置１０が得られる。このキャリア装置は焼結板として設計されている。キャリア装置は導電性材料から作製されるため、バイポーラ板として使用して、例えば、一方の側でカソードに直接的又は間接的に接触させ、他方の側でアノードに直接的又は間接的に接触させることもできる。
【００７２】
フレームユニット１２及び１つ又は複数の窓領域１８の特別な設計は、特定の用途に適合される。例えば、フレームユニットの対応するフレーム要素により包囲される数個の窓領域を設けることができる。
【００７３】
その作製に関して、キャリア装置１０上に１つ又は複数の追加の層を一体に作製することもできる。例えば、キャリア装置１０の作製中、窓領域１８及び／又はフレームユニット１２上に１つ又は複数のセラミック層を直接かつ一体に配置することができる。この目的で、予備体３０を作製するために、追加の出発材料である１つ又は複数の追加の層が対応する領域に位置決めされる。
【００７４】
キャリア装置１０は例えば、高温燃料電池用、特に酸化物セラミック燃料電池（ＳＯＦＣ燃料電池）用のバイポーラ板又はインターコネクタとして使用することができる。
【００７５】
キャリア装置１０は、電気化学的機能ユニット用の基板として機能することができる。例えば、キャリア装置１０上にアノードの導電性キャリア基板が直接配置され、又は、アノードはキャリア装置１０の窓領域１８に直接配置される。
【００７６】
原則として、キャリア装置がカソードのキャリア基板であることも可能である。
【００７７】
図３に符号３４で示した燃料電池モジュールの第１実施形態は、フレームユニット１２及び窓領域１８を備えたキャリア装置１０を有する。
【００７８】
燃料電池モジュール３４は、第１ハウジング区域３８及び第２ハウジング区域４０を備えた、金属材料から成るハウジング３６を含む。第１ハウジング区域３８は、略平坦な内面４２を有する。この内面４２上に電気接触装置４４が配置されている。キャリア装置１０は、電気接触装置４４上で支持されており、この電気接触装置に例えばはんだ付けによって接続されている。電気接触装置４４自体は、第１ハウジング区域３８に例えばはんだ付けによって接続されている。
【００７９】
電気接触装置４４は、ハウジング３６と、キャリア装置１０上に配置された電気化学的機能ユニット４８のアノード４６との間に電気接触を提供するように設計されている。この電気接触装置はガス透過性となるように設計されているので、反応ガスが電気接触装置４４及びキャリア装置１０の窓領域１８をアノード４６まで通過することができ、アノードにて電気化学的電池反応を実行することができる。電気化学的接触装置４４は、例えばメッシュ又は織物又は編物として設計される。
【００８０】
キャリア装置１０とハウジング３６の内面４２との間にアノード室５０が形成される。例えばチャネル２０を介してアノード室５０内に反応ガス（可燃性ガス）を繋ぐことができ、アノード室５０を介してアノード４６に反応ガスを供給することができる。
【００８１】
電気化学的機能ユニット４８は、アノード−電解質−カソードユニット５２により形成される。このアノード−電解質−カソードユニットは、例えば触媒としてのイットリウム及びニッケルで安定化された酸化ジルコニウム等の酸化物セラミックス材料から作製されるアノード４６を含む。
【００８２】
アノード４６上には、ガス不透過性である電解質５４を備えた電解質層が配置される。この電解質５４は電子伝導性ではないが、酸素イオンは伝導する。この電解質は特に、例えばイットリウムで安定化された酸化ジルコニウム等のセラミック材料から作製される。
【００８３】
電解質５４上にカソード５６が配置される。カソードは酸化物セラミックス材料から作製される。その作製には、例えば、ランタン−ストロンチウム−マンガン酸塩等の混合酸化物系が使用される。
【００８４】
高温燃料電池の場合、カソード５６にて以下の電池反応が生じる。
1/2Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
【００８５】
アノード３６には燃料が供給される。以下の電池反応が生じる。
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
【００８６】
対応する燃料電池は、約６５０℃〜１０００℃の範囲内の温度にて作動する。
【００８７】
例えば改質装置を介して、燃料（水素ガス、又は水素ガスを含有するもの）を送出することができる。
【００８８】
第２ハウジング区域４０は、キャリア装置１０と部分的に重複するように配置される。第２ハウジング区域は、カソード５６に関して横方向に離間されかつ内面４２の上方に設置された重複領域５８を有する。重複領域５８は側壁６０から離れるように突出している。好ましくは、重複領域５８は、内面４２に対して少なくともほぼ平行に、かつ側壁６０に対して横に、例えば直角に配置される。この点において、第２ハウジング区域４０及び第１ハウジング区域３８は同じ電位を有する。従って、これらのハウジング区域は互いに、例えば一体となって接続されている。
【００８９】
１実施形態において、キャリア装置１０は、導電性となるように、はんだ層６２を介して第２ハウジング区域４０の重複領域５８に接続される。はんだ層６２は、フレームユニット１２上に配置されている。更に、はんだ層は、アノード４６の端面６４及び電解質５４の端面６６に接する。更に、はんだ層は電解質５４の上面６８に接する。このはんだ層６２は、一面に広がるように設計される。はんだ層は、ハウジング３６とアノード４６との間に（その端面６４を介して）電気接触を生じさせ、キャリア装置１０更には電気接触装置４４へ電気接触を生じさせることとは別に、カソード５６に対してアノード室５０を密封する液密を実現する。更に、はんだ層は、キャリア装置１０及び電気化学的機能ユニットをハウジング３６内で適所に機械的に固定することを実現する。
【００９０】
アノード４６への電気接触は、電気接触装置４４に加えて、はんだ層６２を介して（端面６４を介して直接、及びフレームユニット１２上のはんだ層６２を介し、キャリア装置１０を介して間接的に）実現される。
【００９１】
この追加の接触の結果として、電気接触装置４４を介した電子伝導路に加えて、更なる電子伝導路が設けられる。
【００９２】
フレームユニット１２上ではんだ層６２を位置決めすることで、窓領域１８の大きさが低減されるものではない。
【００９３】
燃料電池スタックを形成するために、数個の燃料電池モジュール３４を互いに組み合わせることができる。例えば、カソード５６を隣接する燃料電池のハウジング３６に接触させる。
【００９４】
原則として、燃料電池モジュールは、アノード、電解質、及びカソードの配置に関して、逆の構成を有することが可能である。カソードは、第１層としてカソード支持体上に配置してもよい。電解質層はカソード上に配置され、アノードは最終層として電解質上に配置される。
【００９５】
図４に符号７０で概略的に示した燃料電池モジュールの第２実施形態において、例えばハウジング３６と同じ設計を有するハウジング７２内にキャリア装置７４が配置される。このキャリア装置はフレームユニット７６を有し、フレームユニット７６上に電気接触装置７８が一体に形成されている。キャリア装置７４は、ハウジング７２の内面８０上でこの電気接触装置７８を介して機械的に支持されている。この場合、同時に、例えばはんだ接続により電気接触が実現される。
【００９６】
電気接触装置７８は、例えばフレームユニット７６上に配置されかつ特には一体となって形成されている支持脚部８２により形成されている。
【００９７】
フレームユニット７６は、ハウジング７２の内面８０に対して離間された下面８６を有する１つ又は複数の窓領域８４を保持している。この間隔は、支持脚部８２によってもたらされる。窓領域８４の下面８６と内面８０との間に空間がある結果として、ハウジング７２内にアノード室８８が形成される。このアノード室を介して窓領域８４に可燃性ガスを供給することができ、可燃性ガスは、これらの窓領域８４の多孔質材料をアノード−電解質−カソードユニット９２のアノード９０まで通過することができる。
【００９８】
既述の実施形態において、電気接触装置７８はキャリア装置７４に一体化されている。
【００９９】
他の点では、燃料電池モジュール７０は、燃料電池モジュール３４に基づいて上述したように作動する。
【０１００】
本発明に係る解決法の結果として、導電性である（電子を伝導するための）電気化学的機能ユニット用のキャリア装置が設けられる。結果として、キャリア装置は、バイポーラ板又はインターコネクタとして設計することができる。キャリア装置は、電気化学的機能層を支持することができる。例えば、キャリア装置１０上に直接、又はアノード層上に、アノード基板が配置される。
【０１０１】
その際、１つ又は複数の窓領域１８は、フレームユニット１２に直接一体化されている。この目的のため、引き続きはんだ付け又は溶接を行う必要はない。はんだ付け又は溶接は歪曲を起こし得る応力をもたらす可能性がある。むらのある部分は燃料電池スタックの構成に適していない。一体型のキャリア装置１０の発明に係る解決法の結果として、はんだ継ぎ目又は溶接接続での移行部の問題は回避される。即ち、膨張率、応力分布、合金寄与等の急増は生じない。それ故に、キャリア装置１０上にセラミック層が配置されることに関する問題もなくなる。というのも、これらのセラミック層がはんだ継ぎ目又は溶接継ぎ目に配置されることがないからである。
【０１０２】
キャリア装置１０には熱膨張率、応力分布、合金寄与等の急増がない。キャリア装置１０は、キャリア装置は最小限の数の作製ステップにより簡単なやり方で作製することができる。同時に、窓領域１８の作製に必要な作製ステップは、フレームユニット１２の作製に用いられる。
【０１０３】
図６に符号９４で示した本発明に係る燃料電池モジュールの第３実施形態は、第１ハウジング区域９６及び第２ハウジング区域９８を備えたハウジング９５を含む。原則として、第２ハウジング区域９８は燃料電池モジュール３４の第２ハウジング区域４０と同じ設計を有する。
【０１０４】
第１ハウジング区域９６は、「波形の」設計である基部領域１００を有する。この基部領域１００の内面１０２は、離間された隆起部１０４を含み、これらの隆起部の間にはチャネル１０６が形成される。チャネル１０６は、アノード室１０８が形成されるようなやり方で互いに接続されている。アノード室１０８は、第２ハウジング区域９８により上方に閉鎖されている。
【０１０５】
隆起部１０４は、略平面である包絡端部１１０を有する。
【０１０６】
隆起部１０４上に、アノードキャリア１１２が配置される。アノードキャリアは、例えば溶接又ははんだ付けにより隆起部１０４に接続されている。
【０１０７】
アノードキャリア上には、アノード、電解質層、及びカソードを備えた電気化学的機能ユニットが着座される。アノードキャリア（本発明に係るキャリア装置により形成される）の構成、及び電気化学的機能ユニットの構成、ならびに、第２ハウジング区域９８への接続は、原則として、実施形態３４に関して記載したことと同じである。
【０１０８】
燃料電池モジュール９４の場合、キャリア装置１１４（アノードキャリア１１２に対応する）は第１ハウジング区域９６上で直接支持される。電気接触装置４４に対応する電気接触装置は設けられない。
【０１０９】
第１ハウジング区域９６は、ガス分配器として設計されている。第１ハウジング区域９６の内面１０２上で隆起部１０４により形成されるガス分配器は、可燃性ガス用のガス分配器である。
【０１１０】
ガス分配器は、同じく、内面１０２に対向する外面１１６にも形成される。外面１１６には、隣接する燃料電池モジュールのカソードを接続することができ、ここで、カソードには、外面１１６の対応するチャネルから酸化ガスを供給することができる。
【０１１１】
他の点では、燃料電池モジュール９４の作動様式は、燃料電池モジュール３４の作動様式に対応している。
【０１１２】
図７に符号１１８で示した本発明に係る燃料電池モジュールの第４実施形態において、第１ハウジング区域１２２を備えたハウジング１２０が設けられている。第１ハウジング区域１２２は、下部シェルとして設計される。第１ハウジング区域１２２は、一面に広がり、略平坦な端面１２６を有する隆起した縁部領域１２４を含む。端面上で適所にキャリア装置１２８が着座され、例えばはんだ付け又は溶接により第１ハウジング区域１２２の縁部領域１２４に接続されている。キャリア装置１２８は、ガス不透過性であるフレーム領域１３０でもって縁部領域１２４上に置かれる。
【０１１３】
ガス透過性である多孔質窓領域１３２が、フレーム領域１３０上に一体に形成される。
【０１１４】
キャリア装置１２８は、特にそのフレーム領域１３０が第２ハウジング区域１３４を形成する。第２ハウジング区域１３４であるキャリア装置１２８、及び隆起した縁部領域１２４を備えた第１ハウジング区域１２２により、アノード室１３６は限定される。電気接触装置１３８は、このアノード室内に配置され、原則として、上述した電気接触装置４４のように作動する。電気接触装置１３８は特に、第１ハウジング区域１２２に接続されると共に、キャリア装置１２８に接続される。
【０１１５】
原則として、第１ハウジング区域１２２はキャリア装置１２８に直接接続することが可能である。
【０１１６】
キャリア装置１２８上にはアノード１４０が配置される。アノードは特に、窓領域１３２上に、これを越えて突出することなく着座されている。
【０１１７】
アノード１４０は、電解質層１４２により被覆される。電解質層１４２は、アノード１４０の側面１４４を越えてフレーム領域１３０へと延びる。即ち、電解質層１４２は、キャリア装置１２８のフレーム領域１３０上に設置される領域１４６を有する。
【０１１８】
電解質層１４２はガス密である。電解質層１４２は、アノード１４０を、外方かつ上方に、及び領域１４６を介した側に対して外方に被覆する。フレーム領域１３０上に領域１４６が置かれることから、可燃性ガスは、窓領域１３２からカソード側に横から直接通ったり、アノード１４０をカソード側へと通過したりすることはできない。
【０１１９】
原則として、電解質層１４２が、フレーム領域１３０を上方に完全に被覆することも可能である。結果として、隣接する燃料電池モジュールに対する燃料電池モジュール１１８の電子伝導に関する絶縁効果が増加する。
【０１２０】
電解質層１４２により被覆される表面積は、窓領域１３２の表面積よりも大きく、また、アノード１４０の表面積よりも大きい。
【０１２１】
他の点では、燃料電池モジュール１１８は上述のように作動する。
【図１】
2010527102.tif 000003
【図２】
2010527102.tif 000004
【図３】
2010527102.tif 000005
【図４】
2010527102.tif 000006
【図５】
2010527102.tif 000007
【図６】
2010527102.tif 000008
【図７】
2010527102.tif 000009
【国際調査報告】
2010527102.tif 000010
2010527102.tif 000011
2010527102.tif 000012
2010527102.tif 000013
2010527102.tif 000014
2010527102.tif 000015