(57)【要約】本発明は、電気化学的なエネルギー変換器、特にセルスタック（１０）の形態で配置されたセル（１２）を備えた燃料電池配置に関する。これらのセル（１２）はそれぞれ、陽極（１），陰極（２）及びこれらの電極間に配置されたイオン導電層（３）を有し、バイポーラ板（４）によって互いに分離されていて電気接触している。本発明によれば、それぞれ陽極（１）又は陰極（２）に接触させるために設けられているガス流コレクタ（４ａ，４ｂ）が、多孔性構造体によって形成されている。陽極媒体及び／又は陰極媒体を送る流路（１６，１７）が、この多孔性構造体中に形成されている。
2004533083.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学的なエネルギー変換器、特にセルスタック（１０）の形態で配置されたセル（１２）を備え、これらのセル（１２）はそれぞれ、陽極（１）と陰極（２）とこれらの間に配置されたイオン導電層、特に電解質マトリクス（３）を有し、バイポーラ板（４）によって互いに分離されていて電気接触していて、これらのセル（１２）はそれぞれ、陽極（１）面に沿ってこれらの陽極（１）に電気接触し、陽極媒体、特に燃料ガスをこれらの陽極（１）に送るガス流コレクタ（４ａ）を備え、陰極（２）面に沿ってこれらの陰極（２）に電気接触し、陰極媒体、特に陰極ガスをこれらの陰極（２）に送るガス流コレクタ（４ｂ）を備え、かつ陽極媒体と陰極媒体をこれらのセル（１２）に供給しかつこれらのセル（１２）から排出する燃料電池配置用のセル配置において、陽極（１）及び／又は陰極（２）のガス流コレクタ（４ａ，４ｂ）は、これらの陽極（１）及び／又は陰極（２）を支持する多孔性構造体によって形成されていて、陰極媒体及び／又は陽極媒体を送る流路（１６，１７）が、この多孔性構造体中に形成されていることを特徴とするセル配置。
【請求項２】
ガス流コレクタ（４ａ，４ｂ）を形成する多孔性構造体は、焼結材料の１つ又は多数の層から、特に多孔性のニッケル焼結材料から成り、この場合、これらの層の多孔性又は厚さが同一又は異なることを特徴とする請求項１に記載のセル配置。
【請求項３】
ガス流コレクタ（４ａ，４ｂ）を形成する多孔性構造体は、４％〜約７５％、特に４％〜３５％の含有量のニッケル発泡剤から成ることを特徴とする請求項２又は３に記載のセル配置。
【請求項４】
多孔性構造体（４ａ，４ｂ）の表面は、平坦であるか又は溝が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項に記載のセル配置。
【請求項５】
陽極（１）及び／又は陰極（２）は、層としてガス流コレクタ（４ａ，４ｂ）を形成する多孔性構造体上に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のセル配置。
【請求項６】
陰極媒体及び／又は陽極媒体を送る流路は、チャネル（１７）によって形成されていて、これらのチャネル（１７）は、溝として多孔性構造体の表面に沿って形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のセル配置。
【請求項７】
陽極媒体及び／又は陰極媒体を送るチャネル（１７）は、それぞれの電極（１，２）の反対側のガス流コレクタ（４ａ，４ｂ）を形成する多孔性構造体の表面に沿って設けられていて、特に触媒を収容するために使用されることを特徴とする請求項６に記載のセル配置。
【請求項８】
バイポーラ板は、隣接したセル（１２）のガス流コレクタ（４ａ，４ｂ）間に配置された平坦なバイポーラ金属板（４ｃ）を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のセル配置。
【請求項９】
イオン導電層（３）は、層として陽極（１）又は陰極（２）上に形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のセル配置。
【請求項１０】
触媒材料の層（１８）が、陽極（１）を支持してガス流コレクタ（４ａ）を形成する多孔性構造体上に設けられていて、この場合、これらの多孔性構造体は、１つ又は多数の層から形成されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のセル配置。
【請求項１１】
陽極（１）と陰極（２）とこれらの電極を支持するガス流コレクタ（４ａ，４ｂ）とによって形成されたハーフセルが、特に陽極（１）又は陰極（２）及びガス流コレクタ（４ａ，４ｂ）を形成する多孔性構造体を包囲するＵ字状の外形をした密閉要素（２０）によって横側で密閉されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のセル配置。
【請求項１２】
密閉要素（２０）の材料の厚さに一致する肩（１９）が、陽極（１）又は陰極（２）及び陽極（１）若しくは陰極（２）を支持するガス流コレクタ（４ａ，４ｂ）の表面に沿って形成されていて、その結果、陽極（１）又は陰極（２）及びガス流コレクタ（４ａ，４ｂ）の表面が、密閉要素（２０）の表面を滑らかに前進することを特徴とする請求項１１に記載のセル配置。
【請求項１３】
セルスタック（１０）は、運転中に垂直に又は水平に配置されていること、及び、セル（１２）の挟持力が、僅かでありかつセル配置の運転状況に対して可変に適合可能であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のセル配置。
【請求項１４】
挟持力を発生させる手段が、セル配置の始動時に大きい挟持力を発生させ、引き続きスタック内の押圧力がこの始動後に一定に保持されるように、この挟持力が低下することを特徴とする請求項１３に記載のセル配置。
【請求項１５】
ガス流コレクタ（４ａ，４ｂ）は、多孔性構造体として焼結材料から、特に多孔性ニッケル焼結材料から作られること、及び、電極（１，２）は、層としてガス流コレクタ（４ａ，４ｂ）上に被覆されることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載のセル配置を製造する方法。
【請求項１６】
ガス流コレクタ（４ａ，４ｂ）を形成する多孔性構造体は、４％〜約７５％、特に４％〜３５％の含有量のニッケル発泡剤から製造されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
ガス流コレクタ（４ａ，４ｂ）を形成する多孔性構造体は、カルボニル法，析出，電気分解や発泡によって製造されることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の方法。
【請求項１８】
電極（１，２）を形成する層が、噴射可能な電極材料を噴射することによってガス流コレクタ（４ａ，４ｂ）を形成する多孔性構造体又は隣接した要素（マトリクス）上に被覆されることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
電極（１，２）を形成する層が、粘性の又はペースト状の電極材料を塗布することによってガス流コレクタ（４ａ，４ｂ）を形成する多孔性構造体又は隣接した要素（マトリクス）上に被覆されることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
電極（１，２）を形成する層が、液状の電極材料の成形，薄膜成形又は浸漬によってガス流コレクタ（４ａ，４ｂ）を形成する多孔性構造体又は隣接した要素（マトリクス）上に被覆されることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
電極（１，２）を形成する層が、最初に別に製造され、次いでガス流コレクタ（４ａ，４ｂ）を形成する多孔性構造体又は隣接した要素  （マトリクス）上に被覆されることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
触媒材料（１８）が、陽極（１）を支持し、ガス流コレクタ（４ａ）を形成する多孔性構造体上に被覆されることを特徴とする請求項１５〜２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
触媒材料（１８）は、噴射，成形，薄膜成形，塗布，浸漬又は被覆によって層の形態で被覆されることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
マトリクス（３）は、特に電解質を貯蔵する要素であり、液状の、粘性の、ペースト状の又はプラスチックの材料を塗布することによって製造されることを特徴とする請求項１５〜２３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２５】
マトリクス（３）は、噴射，成形，薄膜成形，塗布又は浸漬によって製造されることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
マトリクス（３）は、層として最初に別に製造され、次いで陽極（１）又は陰極（２）を形成する層上に被覆されるか、又は噴射によって電極を形成する片面又は両面上に形成されることを特徴とする請求項１５〜２３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２７】
マトリクスは、２層から成る二重層マトリクスの形態で製造されることを特徴とする請求項２４〜２６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２８】
マトリクス（３）は、陰極（２）上に被覆されることを特徴とする請求項２４〜２７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２９】
チャネル（１７）が、ガス流コレクタ（４ａ，４ｂ）を形成する多孔性構造体中に陽極媒体及び／又は陰極媒体を送る流路として形成されることを特徴とする請求項１５〜２８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３０】
チャネル（１７）は、電極（１，２）の反対側のガス流コレクタ（４ａ，４ｂ）を形成する多孔性構造体の表面に沿って形成されることを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
チャネル（１７）は、ガス流コレクタ（４ａ，４ｂ）を形成する多孔性構造体の成形時に既に形成されることを特徴とする請求項２９又は３０に記載の方法。
【請求項３２】
チャネル（１６）が、押出し，圧延又はプレスによってガス流コレクタ（４ａ，４ｂ）を形成する多孔性構造体に対して後で形成されることを特徴とする請求項２９又は３０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、請求項１に記載のセル配置、特に燃料電池配置及びこのセル配置を製造する方法に関する。
【０００２】
燃料電池配置、特に溶融炭酸塩型燃料電池が公知である。これらの溶融炭酸塩型燃料電池の場合、陽極，陰極及びこれらの電極の間に配置された多孔性の電解質マトリクスを有する多数の燃料電池が、１つの燃料電池スタックの形態で配置されている。このとき、個々の燃料電池が、バイポーラ板によって互いに分離されかつ電気的に接触されている。そして、陰極に電気的に接触しかつこれらの陰極に対して陰極ガスを供給するためのガス流コレクタが、これらの陰極に面して設けられているのと同様に、陽極に電気的に接触しかつこれらの陽極に対して燃料ガスを供給するためのガス流コレクタがそれぞれ、これらの陽極に面して設けられている。さらに、燃料ガスと陰極ガスを燃料電池に供給しこれらの燃料電池から排気するための手段が設けられている。
【０００３】
一方では多くの工数の製造ステップで製造する必要のある公知のこの種類の燃料電池は多数の個別要素を有するので、これらの燃料電池は、製造において比較的経費がかかると同時に高価である。
【０００４】
本発明の課題は、より僅かな経費で経済的に製造可能である電気化学的なエネルギー変換器用のセル（燃料電池，単電池）配置を提供することにある。さらに、本発明の課題は、このセル配置を製造する方法に関する。
【０００５】
この課題は、請求項１に記載のセル配置によって解決される。さらに、請求項１５に記載のセル配置を製造する方法によって解決される。セルスタックの形態で配置された複数のセルを有する１つのセル配置が、本発明によって提供される。この場合、これらのセルはそれぞれ、陽極，陰極及びこれらの電極間に配置されたイオン導電層を有し、バイポーラ板によって互いに分離されかつ電気的に接触されている。陽極に電気的に接触しかつこれらの陽極に対して陽極媒体を供給するためのガス流コレクタがそれぞれ、これらの陽極に面して設けられている。そして、陰極に電気的に接触しかつこれらの陰極に対して陰極媒体を供給するためのガス流コレクタが、これらの陰極に面して設けられている。さらに、陽極媒体と陰極媒体をセルに供給しこれらのセルから排気するための手段が設けられている。陽極と陰極のガス流コレクタが、これらの電極を支持する多孔性構造体によって本発明にしたがって形成されている。陽極媒体及び／又は陰極媒体を供給する流路が、この多孔性構造体内に形成されている。これによる利点は、このように形成されたガス流コレクタが非常に簡単に僅かな製造ステップで製造可能であり、この種類のセル配置において従来通りのガス流コレクタとして使用される点である。本発明のセル配置は、燃料電池と電解槽に適用可能である。
【０００６】
ガス流コレクタを形成する多孔性構造体は、好ましくは焼結材料、特に多孔性のニッケル焼結材料から成る。この多孔性構造体は、多孔性と厚さにあっては同じか又は異なる１つ又は多数の層（膜）から成り得る。これらの層は、孔の大きさ，孔の方向，材料及び固体の含有量において異なってもよい。
【０００７】
ガス流コレクタを形成する多孔性構造体は、好ましくは４％〜約７５％、特に４％〜３５％の含有量のニッケル発泡剤から成る。
【０００８】
多孔性構造体の表面は、特に平坦であるか又は溝が付けてある。この溝は、ガス流媒体を供給するために及び／又は触媒を収容するために使用され得る。
【０００９】
本発明のセル配置の特に好適なその他の構造では、陽極及び／又は陰極が、層としてガス流コレクタを形成する多孔性構造体上に設けられていることが提唱されている。このことは、製造をさらに簡単にする。より多くの層で形成する場合、陽極又は陰極を支持するために形成された層の構造が、多孔性，材料及び固体含有量の点でこれらの電極から反対側の層に対して異なってもよい。
【００１０】
特に、陽極媒体及び／又は陰極媒体を供給する流路がチャネルによって形成されている。燃料電池の場合、陽極媒体が燃料ガスであり、陰極媒体が陰極ガスである。電解槽の場合、陽極媒体又は陰極媒体が、循環されているアルカリ電解液中に含まれている。このような電解槽は、例えばドイツ連邦共和国未公開特許出願第 １０１ ５０ ５５７．４ 号明細書中に記されている。
【００１１】
陽極媒体及び／又は陰極媒体を供給するチャネルが、特にそれぞれの電極の表面に面しないガス流コレクタを形成する多孔性構造体の表面に沿って設けられている。
【００１２】
本発明のセル配置のその他の好適な構成では、バイポーラ板が隣接したセルのガス流コレクタに配置された平坦なバイポーラ金属板とバイポーラ金属板との間に入っている。このことは、セル配置のさらなる簡素化と製造経費の低減をもたらす。
【００１３】
本発明のセル配置の好適なその他の構成では、イオン導電層が層として陽極又は陰極上に形成されていることが提唱されている。このことは、セル配置のさらなる簡素化と製造経費の低減をもたらす。
【００１４】
本発明のセル配置のその他の好適な構成では、触媒物質の層が陽極を支持してガス流コレクタを形成する多孔性構造体上に設けられている。これによって、触媒装置が、簡単にセル配置内部に設けられ得る。
【００１５】
本発明の好適な実施形では、陽極と陰極とこれらの電極を支持するガス流コレクタとによって形成されたハーフセルが、特に陽極又は陰極及びガス流コレクタを形成する多孔性構造体を包囲するＵ字状の外形をした密閉要素によって横側で密閉されている。
【００１６】
この場合、特に密閉要素の材料の厚さに一致する肩が、陽極又は陰極及びこれらの電極を支持するガス流コレクタの表面に形成されていることが特に提唱されている。その結果、陽極又は陰極及びガス流コレクタの表面が、密閉要素の表面を滑らかに前進する。
【００１７】
セルスタックが運転中に垂直方向に又は水平方向に配置されていて、セルの挟持力 （Ｖｏｒｓｐａｎｎｋｒａｆｔ）が僅かでありかつセル配置の運転状況に対して不変に適合可能である点が特に利点である。特に水平に配置されたセルスタックの場合、等しい挟持力がこのセルスタック内の全てのセルにかかっていて、かつこの挟持力を僅かな値に設定可能である。その結果、これらのセルの要素に対して使用される材料に要求される気密性は僅かで済む。水平方向の配置は、特にガス流コレクタの多孔性構造体の厚さが僅かであるときに適している。垂直方向のセルスタックの場合は下のセルの重量負荷がより大きいために、多孔性構造体の厚さをより厚く選択する必要がある。
【００１８】
特に、挟持力を生成する手段がセル配置の始動時に大きい挟持力を発生し、その後にその挟持力を弱めることが提唱されている。ここでの利点は、個々の要素がセル配置の始動時に設定でき、製造許容差が補整される一方で、セル配置のその後の運転時には挟持力を弱めてセルの寿命をより長くする点である。特に、スタック内の押圧力が始動後に一定に保持されるように、挟持力が制御される。
【００１９】
上述した種類のセル配置を製造する本発明の方法は、ガス流コレクタが多孔性構造体として焼結材料から、特に多孔性のニッケル焼結材料から製造されること、及び電極が層としてガス流コレクタ上に被覆されることを提唱する。
【００２０】
この方法の利点は、セル配置が簡単にかつ僅かな経費で安価に製造可能である点である。
【００２１】
特に、４％〜約７５％、特に４％〜３５％の含有量のニッケル発泡剤から成るガス流コレクタを形成する多孔性構造体が、カルボニル法，析出，電気分解や発泡によって製造される。
【００２２】
電極を形成する多孔性構造体は、液体状の原料，ペースト状の原料又はプラスチックの原料を成形，鋳型成形，型プレス又は押出しによって形成され乾燥され次いで焼結され得る。
【００２３】
本発明の方法の好適な実施形では、電極を形成する層が、噴射可能な電極材料を噴射することによってガス流コレクタを形成する多孔性構造体又は隣接した要素上に直接被覆されることが提唱されている。
【００２４】
これとは別に、粘性のある電極原料又はペースト状の電極材料をドクターブレードによってガス流コレクタを形成する多孔性構造体又は隣接した要素上に被覆してもよい。
【００２５】
その他の別形態では、電極を形成する層が、液体状の電極材料を成形，薄膜成形又は浸漬によってガス流コレクタを形成する多孔性構造体又は隣接した要素上に被覆され得る。
【００２６】
最後のもう１つの別形態は、電極を形成する層がまず最初に別に製造され、次いでガス流コレクタを形成する多孔性構造体上に被覆されることを提唱する。
【００２７】
本発明の方法のその他の構成では、触媒物質が、陽極を支持してこの陽極のガス流コレクタを形成する多孔性構造体上に被覆されることが提唱されている。ここでの利点は、燃料ガスを内部で再生成する触媒の簡単でかつコストを抑えた製造である。
【００２８】
触媒材料は、特に噴射による層の形態で被覆され得る。本発明の方法のその他の非常に好適な構成では、イオン導電層が、液体状の材料，粘性のある材料，ペースト状の材料又はプラスチックの材料の層を陽極又は陰極を形成する層上に被覆することによって製造されることが提唱されている。このことは、セル配置の製造をさらに簡単にしてコストを下げる。
【００２９】
特に、マトリクスが、噴射，ドクターブレード，成形，鋳型成形又は押出しによって製造され得る。
【００３０】
別形態では、マトリクスが、イオン導電材料の層としてまず最初に別に製造され、次いで陽極又は陰極を形成する層上に被覆され得る。
【００３１】
本発明の方法のその他の構成では、マトリクスが、２層から成る二重層マトリクスの形態で製造される。
【００３２】
特に、マトリクスは、陰極を形成する層上に被覆される。
【００３３】
本発明の方法のもう１つのその他の構成では、チャネルが、陽極媒体及び／若しくは陰極媒体又は燃料ガス及び／若しくは陰極ガスを供給する流路として形成されることが提唱されている。このようなチャネルは、それぞれの媒体をガス流コレクタを形成する多孔性構造体にわたって分散させるために使用される。この場合、この陽極媒体又は陰極媒体は、これらのチャネルからガス流コレクタの多孔性によって形成された内部流路を通じて分散する。
【００３４】
特に、チャネルは、電極の表面に面しないガス流コレクタを形成する多孔性構造体の表面に形成される。
【００３５】
本発明の方法の１つの実施形では、チャネルが、ガス流コレクタを形成する多孔性構造体の形成時に既に形成される。
【００３６】
これに対して好適な別形態では、チャネルが、押出し，圧延又はプレスによってガス流コレクタを形成する多孔性構造体に対して後で形成される。
【００３７】
以下に、本発明のセル配置及びこのセル配置を製造する本発明の方法の実施の形態を燃料電池配置の図面に基づいて説明する。
【００３８】
図１中には、多数の燃料電池１２から構成された燃料電池スタック１０が示されている。これらの燃料電池はそれぞれ、陽極１，陰極２及びこれらの電極の間に配置された電解質マトリクス３を有する。隣接した燃料電池１２は、バイポーラ板４によって互いに分離されている。これらのバイポーラ板４は、燃料ガスＢと酸化ガスＯとを燃料電池１２の陽極１又は陰極２によって互いに分離して供給するために使用される。この場合、隣接した燃料電池１２の陽極１と陰極２が、バイポーラ板４によってガス技術的に互いに分離されているものの、それぞれのガス流コレクタ４ａ，４ｂによって電気的に接触している、すなわちガス流コレクタ４ａを陽極１に接触させ、ガス流コレクタ４ｂを陰極２に接触させる。燃料電池スタック１０は、終端板６，７間に連結されている挟持下の連結ロッド５によってこれらの燃料電池スタック１０の長手方向に沿って設けられている。挟持は、例えば弾性ベロー５１やバネによっても誘導可能でありかつ調整可能である。
【００３９】
一般に、ガス流コレクタ４ａ，４ｂは、陽極１又は陰極２を支持する多孔性構造体によって形成されている。このような多孔性構造体は、陽極１だけに設けてもよいし、陰極２だけに設けてもよいし又は陽極１と陰極２の双方に対して設けてもよい。流路が、ガス流コレクタ４ａ，４ｂを形成する多孔性構造体中に存在する。これらの流路は、燃料ガス又は陰極ガスをそれぞれの電極１，２に通過させ、これらの電極１，２に対して分散させるために使用する。
【００４０】
このような多孔性構造体によって形成された流路４ａ，４ｂとこの上に被覆された電極１，２の拡大した横断面を示す図２のように、燃料ガス又は陽極ガスを送るためのこれらの流路が一方ではその多孔性のために多孔性構造体の内部に存在する（微視的な）流路１６によって形成されていて、かつ多孔性構造体内に又は多孔性構造体面に沿って設けられている（巨視的な）流路１７によって形成されていることが分かる。図２中に示された実施の形態の場合、これらの流路１７は、それぞれの電極１，２の反対側のガス流コレクタ４ａ，４ｂを形成する多孔性構造体の面に沿って設けられている。
【００４１】
図３は、ガス流コレクタ４ａ，４ｂの投影図である。多孔性構造体の表面の流路の構造がこの図から分かる。
【００４２】
ガス流コレクタ４ａ，４ｂを形成する多孔性構造体は、特に焼結材料から、特にニッケル焼結材料から作られている。このような多孔性ニッケル焼結材料は、ここで記されている実施の形態では４％〜約７５％の含有量のニッケル発泡剤によって実現される。この示された実施の形態の場合、多孔性構造体４ａ，４ｂの表面が、電極１，２に面した表面もこの面の反対側の面も平坦である。その結果、この多孔性構造体は、電極１，２の反対側の面に形成された流路１７の凹部を有する平行平面のプレートを形成する。
【００４３】
ガス流コレクタ４ａ，４ｂを形成する多孔性構造体は、カルボニル法，析出，電気分解や発泡によって製造され得る。ニッケルが、電気分解的な方法、化学的な方法、ＰＶＤ法及びＣＶＤ法によって有機的な前留出物の発泡剤上に析出され得る。カルボニル法の場合、析出がモント処理にしたがって実施される。発泡の場合、金属粉の懸濁液が使用される。
【００４４】
図２がさらに示すように、電極１，２、すなわち陽極１又は陰極２が、層としてガス流コレクタ４ａ，４ｂを形成する多孔性構造体上に設けられている。縁部薄膜２１が、流路１７を含む多孔性ガス流コレクタ構造体の面上に設けてもよい。この縁部薄膜２１は、流路１７を多孔性構造体の表面と同一面上で密閉する。
【００４５】
これらの電極１，２を形成する層は、一般に多種多様に製造可能である。これを図７，８，９に基づいて説明する。電極を作るため、図７中に示されているように、ガス流コレクタ４ａ，４ｂを形成する多孔性構造体がまず形成される。
【００４６】
一般に図８中に示されているように、電極１，２を形成する層が、ガス流コレクタ４ａ，４ｂを形成するこの多孔性構造体上に被覆される。基本的に、全体的に活性な層又は吹付けられた層又は被覆された層が、隣接した要素上に生成される。すなわち、例えば陽極及び／又は陰極が、マトリクス上に直接吹付けられ得る。
【００４７】
図９中に示された実施の形態の場合、電極１，２を形成する層が、吹付け可能な、すなわち液状の、粘性の又はペースト状の電極材料を吹付けることによってガス流コレクタ４ａ，４ｂを形成する多孔性構造体上に被覆される。
【００４８】
これとは別に、電極１，２を形成する層を粘性の、ペースト状の又はプラスチック状の電極材料を塗布することによってガス流コレクタ４ａ，４ｂの多孔性構造体上に被覆してもよい。
【００４９】
別の方法にしたがって、電極１，２を形成する層を液状の電極材料の成形，薄膜成形又は浸漬によってガス流コレクタ４ａ，４ｂを形成する多孔性構造体上に被覆してもよい。
【００５０】
別の方法にしたがって、一般に図８中に示されているように、電極１，２を形成する層をまず別に作って、次いでガス流コレクタ４ａ，４ｂを形成する多孔性構造体上に被覆してもよい。
【００５１】
図１１が示すように本発明のその他の実施の形態にしたがって、触媒材料の層１８が、陽極１のガス流コレクタ４ａを形成する多孔性構造体上に被覆される。この触媒材料は、燃料ガスが陽極１に到達する直前に燃料電池スタック内部でその燃料ガスを内部改質するために使用される。この触媒材料１８は、この示された実施の形態では層の形態で噴射ヘッド５０によって塗布される。
【００５２】
本発明の図１０中に示された別の実施の形態によれば、電解質マトリクス３が、層の形態で陽極１又は陰極２を形成する層上に作られる。このことは、液状の、粘性の、ペースト状の又はプラスチックの電解質材料の層を被覆することによって実施される。図１０中に示された実施の形態の場合、電解質の層が、噴射ヘッド４０の同一の媒体の噴射によって被覆される。これとは別に、マトリクス３を形成する層を塗布，成形，薄膜成形又は浸漬によって被覆してもよい。もう１つの実施の形態によれば、マトリクス３を電解質材料の層としてまず別に作り、次いで陽極１又は２を形成する層上に被覆してもよい。特に、マトリクス３は、陰極２上に被覆される。
【００５３】
別の形態によれば、マトリクス３を２層から成る２層マトリクスの形態で作ってもよい。
【００５４】
燃料ガスを陽極１に供給するか又は酸化ガスを陰極２に供給する（巨視的な）流路を形成する流路１７が、図１２中に示された実施の形態（陽極１を支持するガス流コレクタ４ａに接した流路１７の構造を参照）にしたがって電極の反対側の多孔性構造体の面に形成される。別の実施の形態によれば、ガス流コレクタ４ａ，４ｂを形成する多孔性構造体の上述した構造で流路１７を形成してもよい。これとは別に、流路１７を成形，圧延又はプレスによって多孔性構造体に対して後付けしてもよい。
【００５５】
図４ａ），ｂ）及び図５が示すように本発明のその他の実施の形態によれば、密閉要素２０が、陽極１又は陰極２及び陽極１若しくは陰極２を支持する電流コレクタ４ａ，４ｂによって形成されたハーフセルの横側に設けられている。これらの密閉要素２０は、これらのハーフセルを燃料ガス又は陰極ガスの漏洩に対して横から密閉するために使用される。この示された実施の形態の場合、これらの密閉要素２０は、それぞれのハーフセルを包囲するＵ字状の外形によって形成されている。
【００５６】
図４ｂ）中で示すように、Ｕ字状の密閉要素２０の材料の厚さに一致する肩１９が、陽極１又は陰極２及び陽極１若しくは陰極２を支持するガス流コレクタ４ａ，４ｂの表面に沿って形成されている。その結果、陽極１又は陰極２及びガス流コレクタ４ａ，４ｂの表面が、ガス流コレクタ４ａ，４ｂの対向する面と同様に密閉要素２０を滑らかに前進する。そのため、燃料電池スタック内部のハーフセルの配置が、均質な挟持によって保証される、図５も参照。
【００５７】
図５中に示された実施の形態によれば、バイポーラ板４ｃが、平らな板によって形成されている。この板は、ガス流コレクタ４ａ，４ｂ上に平らに当接する。
【００５８】
その他の実施の形態によれば、図６ｂ）中に示されているように燃料電池スタック１０が運転中に水平に配置される。このことは、均質な挟持と荷重が全ての燃料電池にかかることを意味する。これによって、個々の燃料電池の挟持と荷重が均質にかつ僅かに保持される。そのため、燃料電池の個々の要素と特にガス流コレクタ４ａ，４ｂを形成する多孔性構造体の破損が阻止される。これに対して図６ａ）のように垂直方向に配置された燃料電池スタック１０による燃料電池配置では、下のセルが、挟持に加えて上のセルの自重によって荷重され、これらの上のセル内にある要素に適した圧力よりも遥かに大きい圧力にさらされる。特に、燃料電池スタック１０内部の燃料電池１２の挟持力は僅かであり、かつ燃料電池配置の運転状況に対して可変に適合可能である。一般に、挟持力を発生させる手段が設けられている。これらの手段は、燃料電池配置の始動時に大きい挟持力を発生させ、引き続きその挟持力を低減させる。これによって、製造許容差が燃料電池配置の始動時に補整される一方で、セル配置のその後の運転時には挟持力を弱めることによって個々の燃料電池１２の要素の変形量を低減する。このことは、一方では寿命を制限する効果を抑え、他方ではガス流コレクタ４ａ，４ｂの寿命が大きい持続荷重によって影響を受けることなしに例えば説明した多孔性構造体をこれらのガス流コレクタ４ａ，４ｂに対して使用することを可能にする。
【００５９】
図１３中に示されたセルの場合、ガス流コレクタ４ａが陽極１の側面上に、そしてガス流コレクタ４ｂが陰極２の側面上にそれぞれ２層に形成されている。バイポーラ板４ｃにそれぞれ密接する一番外側の層は、流路１７を含む。これらの流路１７は、ガス流コレクタ４ａ，４ｂの発泡構造体中に形成されている。この発泡構造体の含有量は、４と７５％との間で可変である。流路を含む外側の層は、平均孔径が０．１ と０．７ｍｍ との間にある電極に面した層よりも特に大きい平均孔径（０．３ 〜０．７ｍｍ ）を有する。孔径（孔の中空直径）及び含有量の選択は、それぞれの層の条件に対して適合され得る。より大きい孔は、ガスを送る層に対してより有益である。何故なら、流路の下の非常に強い発泡構造体の圧縮が、流路の圧縮時に阻止され、これによってガスに対する流路抵抗が小さく保持されるからである。電極側上の小さい孔は、スラリー（Ｓｃｈｌｉｃｋｅｒ） の吹き付け時に有益な作用をもたらす。小さい孔径は、スラリーの沈下をより少なくし、より薄い層を形成する。さらにより小さい孔は、活性な要素をより良好に機械的に補強する。さらに、触媒材料を含む層を層と層との間にさらに挿入できる点が利点である。孔の大きさは、最終的に製造コストにも影響しない。最適な構造が２層のガス流コレクタによって示され得る一方で、１層構造は２層に比べて妥協せざるを得ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実施の形態による燃料電池の概略的な断面図である。
【図２】
本発明の実施の形態によるガス流コレクタを形成する多孔性構造体とこの多孔性構造体上に配置された電極の一部を拡大した概略的な横断面図で示す。
【図３】
図２のガス流コレクタを形成する多孔性構造体をより小さい縮尺で示す。
【図４】
本発明の別の実施の形態による多孔性構造体によって形成されたガス流コレクタとこのガス流コレクタによって支持されている電極と燃料電池のハーフセルの横側を密閉する密閉要素とを有するこの燃料電池のハーフセルの横断面図を拡大し一部を投影的に示す。
【図５】
本発明の実施の形態による分離板を有する図４中に示されたハーフセルの投影図である。
【図６】
本発明の構造による燃料電池スタックの水平方向の配置を示す概略図である。
【図７】
本発明の実施の形態にしたがってガス流コレクタを形成する多孔性構造体上に電極を製造する方法ステップによる概略的な投影図である。
【図８】
本発明の実施の形態にしたがってガス流コレクタを形成する多孔性構造体上に電極を製造する方法ステップを概略的に示す。
【図９】
本発明の実施の形態にしたがってガス流コレクタを形成する多孔性構造体上に電極を製造する方法ステップを概略的に示す。
【図１０】
本発明の別の実施の形態による電解質マトリクスの製造を示す概略図である。
【図１１】
本発明のその他の実施の形態によるガス流コレクタを形成する多孔性構造体上への触媒層の形成を示す概略図である。
【図１２】
本発明のもう１つの実施の形態によるガス流路の製造を示す横断面図である。
【図１３】
２層のガス流コレクタを有するセルの横断面図である。
【符号の説明】
１        陽極
２        陰極
３        電解質マトリクス／イオン導電層
４ａ，ｂ  ガス流コレクタ
４ｃ      バイポーラ金属板
５        連結ロッド
６        終端板
７        終端板
１０      燃料電池スタック／セルスタック
１２      燃料電池／セル
１４      ガス分配器
１５      ガス分配器の密閉部
１６      流路
１７      流路
１８      触媒層
１９      肩
２０      密閉要素
２１      縁部薄膜
３０      噴射ヘッド
４０      噴射ヘッド
５０      噴射ヘッド
５１      ベロー
Ｂ        燃料ガス／陽極媒体
Ｏ        酸化ガス
【国際公開パンフレット】
2004533083.tif 000003
2004533083.tif 000004
2004533083.tif 000005
2004533083.tif 000006
2004533083.tif 000007
2004533083.tif 000008
2004533083.tif 000009
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2004533083.tif 000031
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004533083.tif 000032
2004533083.tif 000033
【国際調査報告】
2004533083.tif 000034
2004533083.tif 000035
2004533083.tif 000036
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2004533083.tif 000038
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