(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池スタック用の密閉配列とこのような密閉配列を製造するための工程の提供。【解決手段】燃料電池スタック用の密閉配列１１８を提供するために、燃料電池スタックは複数の燃料電池ユニット１０２を包含し、燃料電池ユニットは積層方向１０４に連続的に配置され、積層方向で密閉配列１１８は、電気的な絶縁効果を有し、燃料電池スタックの高い運転温度でも十分な電気的絶縁効果及び十分な機械的強度をまた有していて、密閉配列１１８は、セラミック材料と金属材料との混合物から形成される少なくとも一つのセラミック−金属層を包含する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層方向（１０４）に連続的に配置される複数の燃料電池ユニット（１０２）を包含する燃料電池スタック（１００）用の密閉配列であって、
前記密閉配列（１１８）が電気絶縁効果を有し、
前記密閉配列（１１８）が、セラミック材料と金属材料の混合物から形成される少なくとも一つのセラミック−金属層（１９２）を包含することを特徴とする、燃料電池スタック（１００）用の密閉配列。
【請求項２】
前記セラミック−金属層（１９２）が、サーメット層として形成されることを特徴とする、請求項1に記載の密閉配列。
【請求項３】
前記セラミック−金属層（１９２）が、熱的な溶射された、詳細には大気プラズマ溶射された、真空プラズマ溶射された、又はフレーム溶射された層であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の密閉配列。
【請求項４】
前記セラミック−金属層（１９２）が、高速プラズマ溶射層であることを特徴とする、請求項3に記載の密閉配列。
【請求項５】
前記セラミック−金属層（１９２）が、セラミック材料の粉末と金属粉との混合物から形成されることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の密閉配列。
【請求項６】
前記金属粉が、高温耐腐食性合金を包含することを特徴とする、請求項5に記載の密閉配列。
【請求項７】
前記金属粉が、アルミニウムから酸化形成される合金を包含することを特徴とする、請求項5又は6に記載の密閉配列。
【請求項８】
主な金属成分に加えて、前記金属粉がまた、クロミウム、アルミニウム、及び／又はイットリウムを含有することを特徴とする、請求項5から7のいずれか一項に記載の密閉配列。
【請求項９】
前記セラミック−金属層（１９２）のセラミック材料が、酸化アルミニウム及び／又は二酸化タイタニウム及び／又は二酸化ジルコニウム及び／又は酸化マグネシウムを包含することを特徴とする、請求項1から8のいずれか一項に記載の密閉配列。
【請求項１０】
前記セラミック−金属層（１９２）のセラミック材料が、イットリウム安定化二酸化ジルコニウムを包含することを特徴とする、請求項1から9のいずれか一項に記載の密閉配列。
【請求項１１】
前記セラミック−金属層（１９２）のセラミック材料が、アルミニウム−マグネシウムのスピネルを包含することを特徴とする、請求項1から10のいずれか一項に記載の密閉配列。
【請求項１２】
前記セラミック−金属層（１９２）のセラミック材料対金属材料の、重量で分けた平均混合比率が、約1:1から約8:1に、好ましくは約2:1から約6:1になることを特徴とする、請求項1から11のいずれか一項に記載の密閉配列。
【請求項１３】
前記セラミック−金属層（１９２）のセラミック材料対金属材料の混合比率が、層の厚さ方向（１０４）で変化することを特徴とする、請求項1から12のいずれか一項に記載の密閉配列。
【請求項１４】
前記セラミック−金属層（１９２）が、金属半田層（１９０）によって前記燃料電池スタック（１００）の構造部品（１１２）に半田付けされ、前記セラミック−金属層（１９２）の金属材料の重量割合が、前記半田層（１９０）からの距離の増加に伴って減少することを特徴とする、請求項13に記載の密閉配列。
【請求項１５】
前記セラミック−金属層（１９２）の平均の層厚さが、約10μmから約100μm、好ましくは約30μmから約50μmであることを特徴とする、請求項1から14のいずれか一項に記載の密閉配列。
【請求項１６】
前記セラミック−金属層（１９２）に加えて、前記密閉配列（１１８）が、電気的に絶縁するセラミック材料から構成される絶縁層（１６２）を包含することを特徴とする、請求項1から15のいずれか一項に記載の密閉配列。
【請求項１７】
前記セラミック−金属層（１９２）が、金属半田層（１９０）によって前記燃料電池スタック（１００）の構造部品（１１２）に半田付けされ、前記絶縁層（１６２）が、前記セラミック−金属層（１９２）の前記半田層（１９０）と反対側に配置されることを特徴とする、請求項16に記載の密閉配列。
【請求項１８】
前記絶縁層（１６２）が、熱的に溶射された、詳細には大気プラズマ溶射された、真空プラズマ溶射された、又はフレーム溶射された層であることを特徴とする、請求項16又は17に記載の密閉配列。
【請求項１９】
前記絶縁層（１６２）が、高速プラズマ溶射層であることを特徴とする、請求項18に記載の密閉配列。
【請求項２０】
前記絶縁層（１６２）のセラミック材料が、酸化アルミニウム及び／又は二酸化タイタニウム及び／又は二酸化ジルコニウム及び／又は酸化マグネシウムを包含することを特徴とする、請求項16から19のいずれか一項に記載の密閉配列。
【請求項２１】
前記絶縁層（１６２）のセラミック材料が、アルミニウム−マグネシウムのスピネルを包含することを特徴とする、請求項16から20のいずれか一項に記載の密閉配列。
【請求項２２】
前記絶縁層（１６２）の平均の層厚さが、約50μmから約200μm、好ましくは約100μmから約140μmであることを特徴とする、請求項16から21のいずれか一項に記載の密閉配列。
【請求項２３】
前記セラミック−金属層（１９２）に加えて、前記密閉配列（１１８）が、金属半田層（１９０）を包含することを特徴とする、請求項1から22のいずれか一項に記載の密閉配列。
【請求項２４】
前記半田層（１９０）が、熱的に溶射された半田材料を含有することを特徴とする、請求項23に記載の密閉配列。
【請求項２５】
前記半田層（１９０）が、添加の銅元素を含む銀ベース半田を含有することを特徴とする、請求項23又は24に記載の密閉配列。
【請求項２６】
前記半田層（１９０）が、添加の銅元素を含まない銀ベース半田を含有することを特徴とする、請求項23から25のいずれか一項に記載の密閉配列。
【請求項２７】
前記銀ベース半田が、添加の酸化銅を含有することを特徴とする、請求項26に記載の密閉配列。
【請求項２８】
前記半田層（１９０）が、添加のチタニウムを含む銀ベース半田を含有することを特徴とする、請求項23から27のいずれか一項に記載の密閉配列。
【請求項２９】
前記密閉配列（１１８）が、前記燃料電池スタック（１００）の燃料電池ユニット（１０２）の好ましくは金属構造部品（１１４）にコーティングして形成されることを特徴とする、請求項1から28のいずれか一項に記載の密閉配列。
【請求項３０】
前記密閉配列（１１８）が、前記燃料電池スタック（１００）の燃料電池ユニット（１０２）の好ましくは金属構造部品（１１２）に半田付けされることを特徴とする、請求項1から29のいずれか一項に記載の密閉配列。
【請求項３１】
積層方向（１０４）に連続的に配列される複数の燃料電池ユニット（１０２）と、請求項1から30のいずれか一項に記載の少なくとも一つの密閉配列とを具備する、燃料電池スタック。
【請求項３２】
積層方向（１０４）に連続的に配列される複数の燃料電池ユニット（１０２）を包含する燃料電池スタック（１００）用の電気的に絶縁する密閉配列（１１８）の製造のための工程であって、
次の工程段階、
・セラミック材料と金属材料との混合物からセラミック−金属層（１９２）の製造
を含む工程。
【請求項３３】
前記セラミック−金属層（１９２）が、サーメット層として形成されることを特徴とする、請求項32に記載の工程。
【請求項３４】
前記セラミック−金属層（１９２）が、熱溶射によって、詳細には大気プラズマ溶射によって、真空プラズマ溶射によって、又はフレーム溶射によって生成されることを特徴とする、請求項32又は33に記載の工程。
【請求項３５】
前記セラミック−金属層（１９２）が、高速プラズマ溶射によって生成されることを特徴とする、請求項34に記載の工程。
【請求項３６】
前記セラミック−金属層（１９２）が、セラミック材料の粉末と金属粉との混合物から形成されることを特徴とする、請求項32から35のいずれか一項に記載の工程。
【請求項３７】
高温耐腐食性合金を包含する金属粉が使用されることを特徴とする、請求項36に記載の工程。
【請求項３８】
アルミニウムから酸化形成される合金を包含する金属粉が使用されることを特徴とする、請求項36又は37に記載の工程。
【請求項３９】
主な金属成分に加えて、クロミウム、アルミニウム、及び／又はイットリウムを含有する金属粉が使用されることを特徴とする、請求項36から38のいずれか一項に記載の工程。
【請求項４０】
前記セラミック−金属層（１９２）を製造するために、酸化アルミニウム及び／又は二酸化タイタニウム及び／又は二酸化ジルコニウム及び／又は酸化マグネシウムを包含するセラミック材料が使用されることを特徴とする、請求項32から39のいずれか一項に記載の工程。
【請求項４１】
前記セラミック−金属層（１９２）を製造するために、イットリウム安定化二酸化ジルコニウムを包含するセラミック材料が使用されることを特徴とする、請求項32から40のいずれか一項に記載の工程。
【請求項４２】
前記セラミック−金属層（１９２）を製造するために、アルミニウム−マグネシウムのスピネルを包含するセラミック材料が使用されることを特徴とする、請求項32から41のいずれか一項に記載の工程。
【請求項４３】
前記セラミック−金属層（１９２）を製造するために、セラミック材料対金属材料の重量で分けた平均混合比率が、約1:1から約8:1に、好ましくは約2:1から約6:1である混合物が使用されることを特徴とする、請求項32から42のいずれか一項に記載の工程。
【請求項４４】
セラミック材料対金属材料の混合比率が、前記セラミック−金属層（１９２）の製造中に変化することを特徴とする、請求項32から43のいずれか一項に記載の工程。
【請求項４５】
製造される前記セラミック−金属層（１９２）が、金属半田層（１９０）によって前記燃料電池スタック（１００）の構造部品（１１２）に半田付けされ、前記セラミック−金属層（１９２）の金属材料の重量割合が、前記半田層（１９０）からの距離の増加に伴って減少するように、セラミック材料対金属材料の混合比率が、前記セラミック−金属層（１９２）の製造中に変化することを特徴とする、請求項44に記載の工程。
【請求項４６】
前記セラミック−金属層（１９２）が、約10μmから約100μm、好ましくは約30μmから約50μmの平均の層厚さで製造されることを特徴とする、請求項32から45のいずれか一項に記載の工程。
【請求項４７】
電気的に絶縁するセラミック材料から構成される絶縁層（１６２）が、前記セラミック−金属層（１９２）に加えて形成されることを特徴とする、請求項32から46のいずれか一項に記載の工程。
【請求項４８】
製造される前記セラミック−金属層（１９２）が、金属半田層（１９０）によって前記燃料電池スタック（１００）の構造部品（１１２）に半田付けされ、前記絶縁層（１６２）が、前記セラミック−金属層（１９２）の前記半田層（１９０）と反対側に配置されるように製造されることを特徴とする、請求項47に記載の工程。
【請求項４９】
前記絶縁層（１６２）が、熱溶射によって、詳細には大気プラズマ溶射によって、真空プラズマ溶射によって、又はフレーム溶射によって生成されることを特徴とする、請求項47又は48に記載の工程。
【請求項５０】
前記絶縁層（１６２）が、高速プラズマ溶射によって生成されることを特徴とする、請求項49に記載の工程。
【請求項５１】
前記絶縁層（１６２）の製造のために、酸化アルミニウム及び／又は二酸化タイタニウム及び／又は二酸化ジルコニウム及び／又は酸化マグネシウムを包含する、セラミック材料が使用されることを特徴とする、請求項47から50のいずれか一項に記載の工程。
【請求項５２】
前記絶縁層（１６２）の製造のために、アルミニウム−マグネシウムのスピネルを包含する、セラミック材料が使用されることを特徴とする、請求項47から51のいずれか一項に記載の工程。
【請求項５３】
前記絶縁層（１６２）が、約50μmから約200μm、好ましくは約100μmから約140μmの平均の層厚さで製造されることを特徴とする、請求項47から52のいずれか一項に記載の工程。
【請求項５４】
金属半田層（１９０）が、前記セラミック−金属層（１９２）に加えて生成されることを特徴とする、請求項32から53のいずれか一項に記載の工程。
【請求項５５】
前記半田層（１９０）が、半田材料の熱溶射によって少なくとも部分的に生成されることを特徴とする、請求項54に記載の工程。
【請求項５６】
添加の銅元素を含む銀ベース半田が、前記半田層（１９０）を製造するために使用されることを特徴とする、請求項54又は55に記載の工程。
【請求項５７】
添加の銅元素を含まない銀ベース半田が、前記半田層（１９０）を製造するために使用されることを特徴とする、請求項54から56のいずれか一項に記載の工程。
【請求項５８】
添加の酸化銅を含有する銀ベース半田が、前記半田層（１９０）を製造するために使用されることを特徴とする、請求項57に記載の工程。
【請求項５９】
添加のチタニウムを含む銀ベース半田が、前記半田層（１９０）を製造するために使用されることを特徴とする、請求項54から58のいずれか一項に記載の工程。
【請求項６０】
前記セラミック−金属層（１９２）を包含する前記密閉配列（１１８）が、前記燃料電池スタック（１００）の燃料電池ユニット（１０２）の好ましくは金属構造部品（１１４）にコーティングして形成されることを特徴とする、請求項32から59のいずれか一項に記載の工程。
【請求項６１】
前記セラミック−金属層（１９２）を包含する前記密閉配列（１１８）が、前記燃料電池スタック（１００）の燃料電池ユニット（１０２）の好ましくは金属構造部品（１１２）に半田付けされることを特徴とする、請求項32から60のいずれか一項に記載の工程。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタック用の密閉配列に関していて、燃料電池スタックは複数の燃料電池ユニットを包含し、燃料電池ユニットは積層方向に連続的に配置され、積層方向で密閉配列は電気絶縁効果を有する。
【背景技術】
【０００２】
所望される運転電圧に調整するために、燃料電池ユニットは、ユニットの上に別のユニットを必要な数量配置されて、燃料電池スタックが形成される。電気的な短絡を予防するために、燃料電池スタックに連続的に配置される燃料電池ユニットの筐体は、互いに電気的に絶縁される。その上に、燃料電池スタックの燃料ガス導管を燃料電池ユニットの酸化剤チャンバから、及び燃料電池スタックの酸化剤導管を燃料電池ユニットの燃料ガスチャンバから気密仕様で分離することが必要である。
【０００３】
周知の燃料電池スタックにおいて、ガラス半田又はセラミック密閉材料から作られた密閉と絶縁の要素が、必要な電気絶縁効果と必要な密閉効果を得るために使用される。
【０００４】
通常使用される密閉材料のある物の場合に、電気抵抗は、高温燃料電池ユニットの（約800℃から約900℃の範囲の）運転温度において、満足な絶縁効果を得るための十分な高い値にもはやならない。さらに、通常使用される密閉材料のある物は、高温燃料電池ユニットでしばしば発生する（運転状態と停止状態との間の）温度変化に関して、低い安定性を有するに過ぎない。
【０００５】
密閉配列の、密閉機能と電気絶縁機能とは、互いに分離させることが可能である。故に電気絶縁は、セラミックコーティングによって提供され、セラミックコーティングは、金属半田を使用する半田付けによって燃料電池スタックの隣接する構造部品に接合される。この場合に、気密の半田付けは同時に、燃料電池スタックの燃料ガス導管又は酸化剤導管の密閉をもたらす。
【０００６】
【非特許文献１】R. Henne、W. Mayr及びA.Reusch著「高速真空プラズマ溶射のノズルの形状の効果」，（ドイツ），DVSレポートDVS152，熱溶射会議TS93（ドイツ、アーヘン），１９９３年３月３−５日，ｐ．７−１１
【非特許文献２】R. Henne、V.Borck、D.Siebold、W.Mayr、A.Reusch、M.Rahmane、G.Soncy、M.Boulos著「改良型大気プラズマ溶射のための収束−発散ノズル」，（ドイツ），VDIレポートNo.1166，１９９５年，ｐ．２４７−２６６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、絶縁するセラミックコーティングは、詳細にはセラミックコーティングが絶縁する金属部分に熱溶射によって塗布される時に、ポア及び／又はギャップを含有する可能性がある。使用される半田の毛管現象の作用によって、半田が、セラミックコーティングにあるポアやギャップの中に入り込むことができて、短絡の原因となる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の中心をなす目的は、前述したタイプの燃料電池スタック用の密閉配列を提供することであり、密閉配列は、燃料電池スタックの高運転温度において、十分な電気絶縁効果と十分な機械強度もまた有する。
【０００９】
この目的は、請求項1の前文の特徴を有する密閉配列を用いる本発明に従って達成され、請求項1の密閉配列は、セラミック材料と金属材料とから形成される少なくとも一つのセラミック−金属層を包含する。
【００１０】
驚くことに、半田の浸透、詳細には密閉配列の熱的に溶射された層の中への浸透の結果による短絡は、もしも密閉配列がセラミック−金属層から構成され、セラミック−金属層が、好ましくは密閉配列の半田付け中に使用される半田と直接接触しているならば、非常に良く防止出来ることが分かっている。
【００１１】
本発明は、SOFC（固体酸化物形燃料電池）タイプの高温燃料電池で使用するために特に適している。
【００１２】
本発明の所望される形態において、セラミック−金属層は、セラミック層として形成される。
【００１３】
セラミック−金属層は、好ましくは熱的な溶射による、詳細には大気プラズマ溶射による、真空プラズマ溶射による、又はフレーム溶射による層である。
【００１４】
もしも、セラミック−金属層が高速プラズマ溶射層であるならば、高速プラズマ溶射層は特に高密度と特に低空隙率を有するから、特に有利である。
【００１５】
高速プラズマ溶射（高速真空プラズマ溶射、略してHV-VPS）の工程が、例えば非特許文献1又は非特許文献2に記載されている。
【００１６】
テンプレートが、セラミック−金属層の横方向の拘束のために、熱溶射中に使用される。
【００１７】
以下のプラズマガス又はプラズマガスの組合せが、詳細にはプラズマ溶射中に使用される：
・   アルゴン
・   窒素
・   アルゴンとヘリウム
・   アルゴンと水素
・   アルゴン、ヘリウム及び水素。
【００１８】
セラミック−金属層は、詳細にはセラミック材料の粉末と金属粉末との混合物から形成される。
【００１９】
もしも金属粉末が、高温耐腐食性合金を包含するならば、セラミック−金属層の機械的な安定性に有利である。この結果として、セラミック−金属層の十分な耐腐食性は、SOFC（固体酸化物形燃料電池）ユニットの高い運転温度においてもまた達成される。
【００２０】
詳細には、金属粉末が、高温の溶射温度でほぼ安定性を保つアルミニウムの酸化形成物、すなわちアルミニウムから酸化形成された合金を包含することが提供される。
【００２１】
例えば、適切な金属粉末は、ベースの金属として金属M（詳細には鉄、ニッケル、コバルト）及び、これに加えてクロミウムとアルミニウムとイットリウムとを含有する、いわゆるMCｒAlY-合金を包含している。
【００２２】
FeCrAlY合金を包含する金属粉末の使用は、特に有利である。一般的なFeCrAlY合金は、以下の組成：重量比で30%のクロミウム、5%のアルミニウム、0.5%のイットリウム及び残りは鉄の組成を有する。
【００２３】
酸化アルミニウム及び／又は二酸化チタニウム及び／又は二酸化ジルコニウム及び／又は酸化マグネシウムは、例えばセラミック−金属層の形成のためにセラミック材料の粉末として使用される。
【００２４】
もしもセラミック−金属層のセラミック材料が、イットリウム安定化二酸化ジルコニウム及び／又はアルミニウム−マグネシウムのスピネルを包含するならば、特に有利である。
【００２５】
セラミック−金属層のセラミック材料対金属材料の、重量で分けた平均混合比率は、約1:1から約8:1、好ましくは約2:1から約6:1が都合よい。
【００２６】
セラミック−金属層のセラミック材料対金属材料の、混合比率は、セラミック−金属層の中でほぼ一定とすることも、又は層の厚さ方向で、すなわちセラミック−金属層の主表面と垂直になる方向で変化することも可能である。
【００２７】
混合比率の変化は、例えば、混合が溶射ジェットの中で発生する注入で、セラミック材料と金属材料の組成の、個別の注入を制御することよって達成することが可能である。
【００２８】
もしもセラミック−金属層が、金属半田層によって燃料電池スタックの構造部品に半田付けされるならば、そこでセラミック−金属層の金属材料の重量割合が、半田層からの距離を増加するにつれて減少することが都合よく提供される。
【００２９】
セラミック−金属層の平均の層厚さは、都合よくは約10μmから約100μmであり、好ましくは約30μmから約50μmである。
【００３０】
密閉配列の電気絶縁効果を確保するために、セラミック−金属層に加えて、密閉配列が、電気的に絶縁するセラミック材料から構成される絶縁層を包含することが、好ましくは提供される。
【００３１】
もしも金属半田層によって燃料電池スタックの構造部品に半田付けされるならば、そこで絶縁層は、セラミック−金属層の半田層と反対側に、好ましくは配置される。
【００３２】
もしも絶縁層が熱的な溶射による、詳細には大気プラズマ溶射による、真空プラズマ溶射による、又はフレーム溶射による層であるならば、有効であることが立証された。
【００３３】
もしも絶縁層が高速プラズマ溶射層ならば、高速プラズマ溶射層が著しい高密度と低空隙率を有するから、特に有利である。
【００３４】
原理的には、絶縁層は、どんなセラミック材料からでも形成することができ、セラミック材料は、燃料電池スタックの運転温度において十分に高い電気抵抗率を有する。
【００３５】
絶縁層のセラミック材料は、詳細には酸化アルミニウム及び／又は二酸化チタニウム及び／又は二酸化ジルコニウム及び／又は酸化マグネシウムを包含することができる。
【００３６】
絶縁層のセラミック材料は、好ましくはアルミニウム−マグネシウムのスピネルを包含する。
【００３７】
絶縁層の平均の層厚さは、都合よくは約50μmから約200μmであり、好ましくは約100μmから約140μmである。
【００３８】
燃料電池スタックの隣接する構造部品に、詳細には金属構造部品に密閉配列を接合するために、セラミック−金属層に加えて、密閉配列が金属半田層を包含することが提供される。
【００３９】
詳細には、半田層は熱的に溶射される半田材料を含有することが提供される。
【００４０】
半田材料は、部分的に熱溶射によって及び部分的に別の処理によって、例えばスクリーン印刷処理によって塗布される。
【００４１】
詳細には、第一半田成分（例えば、酸化銅と水素化チタン）は熱溶射によって塗布され、後段の第二半田成分（例えば、銀ペースト）は、スクリーン印刷処理によって塗布されることが提供される。
【００４２】
この場合に、半田成分は、共晶を形成することによって二つの半田成分が塗布された場所でのみ結合し、共晶によって、燃料電池スタックの隣接する構造部品と半田付け接合が可能となる。
【００４３】
半田層として使用される半田材料は、詳細には少なくとも一つの反応成分（言い換えるといわゆる反応半田）を有する半田であり、セラミックを含有する層を燃料電池スタックの金属の構造部品に直接半田付けすることが可能である。
【００４４】
例えばチタニウムのような活性要素を含有する、いわゆる活性半田もまた適している。
【００４５】
このような半田は、米国  94544  カリフォルニア州  ヘイワード  ウィップルロード  2425のウエスゴ  メタル社からの、品名銅−ABAとして市販されている。
【００４６】
この半田は、以下の組成：重量比で2%アルミニウム、92.7%銅、3%珪素、2.3%チタニウムを有する。
【００４７】
半田層は、また銀ベース半田を含有することも可能であり、例えばこのような銀ベースの半田は銅元素を添加して又は添加無しで使用される。
【００４８】
もしも、銀ベースの半田が銅元素の添加無しで使用され、それで、銀ベースの半田が添加された酸化銅を含有するならば、銀ベースの半田は、添加された酸化銅の結果としてより良好にセラミック表面を濡らすから、有利である。
【００４９】
加えて、半田層は、濡れ性を改善するために付加されたチタニウムを含むことができる。
【００５０】
燃料電池スタックの異なる構造部品の数量を減少するために、もしも密閉配列が、燃料電池スタックの燃料電池ユニットの好ましくは金属の構造部品の上にコーティングして形成されるならば、有利である。
【００５１】
さらに、密閉配列は、燃料電池スタックの燃料電池ユニットの好ましくは金属の構造部品に半田付けされることが提供されることも可能である。
【００５２】
請求項31は、燃料電池スタックに関していて、燃料電池スタックは、積層方向に連続的に配置される複数の燃料電池ユニットと、本発明に従う少なくとも一つの密閉配列とを包含する。
【００５３】
本発明に基づくさらなる目的は、燃料電池スタック用の電気的に絶縁する密閉配列を製造するための工程を提供することであり、燃料電池スタックは複数の燃料電池ユニットを包含し、燃料電池ユニットは積層方向に連続的に配置され、それによって燃料電池ユニットの筐体は互いに接続され、その結果十分な電気的絶縁効果と十分な機械的強度が、高い運転温度でもまた保障される。
【００５４】
この目的は以下の工程の段階を含む工程によって、本発明に従って達成される。
・   セラミック材料と金属材料の混合物からセラミック−金属層の製造
【００５５】
本発明に従う工程の特定の形態は、請求項33から61の主題であり、その利点は、本発明に従う密閉配列の特定の形態に関連して、上記ですでに説明されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
本発明のさらなる特徴と利点は、実施形態を表現する以下の記述と図面の主題である。
【００５７】
同一の又は機能的に相当する要素は、全ての図面の中で同一の符号が与えられる。
【００５８】
全体的な参照１００で与えられる、図5から16に示される燃料電池スタックは、複数の燃料電池ユニット１０２を包含し、各々は、同一の構造を有し、垂直な積層方向１０４でそれぞれの上部に積み上げられる。
【００５９】
各々の燃料電池ユニット１０２は、図1で個別に示される構成要素、すなわち筐体上部１０６、基盤１０９上のカソード−電解質−アノードユニット（CEA unit）１０８、接触部材１１０、筐体下部１１２及び中間要素１１４を包含する。
【００６０】
図1は、さらに筐体上部１０６に基盤１０９を半田付けするための半田層１１６、及び気密と電気絶縁の方法として、筐体下部１１２に中間要素１１４を接合するための密閉配列１１８を示す。
【００６１】
筐体上部１０６は、ほぼ矩形でほぼ平面の薄金属板として形成され、ほぼ矩形の中央通路１２０を備え、燃料電池ユニットの完成された組立状態において、中央通路１２０を介して、燃料電池ユニット１０２のCEAユニット１０８は、積層方向１０４でその上に位置する燃料電池ユニット１０２の筐体下部１１２に接触するために接近が可能である。
【００６２】
通路１２０の一方の側で、筐体上部１０６は、複数の、例えば三つの燃料ガス供給開口部１２２を備え、それらは複数の、例えば四つの酸化剤供給開口部１２４と交互に配列される。
【００６３】
通路１２０の反対側で、筐体上部１０６は、複数の、例えば四つの燃料ガス排出開口部１２６を備え、それらは複数の、例えば三つの酸化剤排出開口部１２８と交互に配列される。
【００６４】
筐体上部１０６は、好ましくは高い耐腐食性の鋼鉄から、例えば合金クロファ（Crofer）22から作られる。
【００６５】
材料クロファ22は、以下の組成：重量比で22%クロミウム、0.6%アルミニウム、0.3%シリコン、0.45%マンガン、0.08％チタニウム、0.08％ランタニウム及び残りは鉄の組成を有する。
【００６６】
この材料は、ドイツ  ベルドール58791  プレテンバーグストラッセ2  テッセンクルップ VDM GmbHによって販売されている。
【００６７】
CEAユニット１０８は、基盤１０９の上面に直接配置されたアノード、アノードの上に配置された電解質、及び電解質の上に配置されたカソードを包含し、CEAユニット１０８の個々の層は、図面で個別に説明されていない。
【００６８】
アノードは、燃料電池ユニットの運転温度（約800℃から約900℃）で導電性のセラミック材料から、例えば酸化ジルコニア（ZrO2）又はニッケル／酸化ジルコニア（Ni/ZrO2）のサーメット（セラミック−金属の混合物）から形成され、基盤１０９を通過する燃料ガスが、アノードに隣接する電解質まで到達するように、アノードを通過することが可能なために多孔性である。
【００６９】
例えば、炭化水素又は純水素を含有する混合ガスは、燃料ガスとして使用が可能である。
【００７０】
電解質は、好ましくは固体の電解質であり、詳細には固体酸化物電解質の形態であり、例えばイットリウム安定化二酸化ジルコニウムから構成される。
【００７１】
電解質は、常温と運転温度の両方で電子的に非電導である。これに反して、電解質のイオン伝導性は温度の上昇と共に増大する。
【００７２】
カソードは、セラミック材料から、例えば（La0.8Sr0.2）0.98MnO3から形成され、燃料電池ユニットの運転温度で電導であり、酸化剤を、例えば空気又は純酸素を、カソードに隣接する酸化剤チャンバ１３０から、電解質まで通過することが可能であるように多孔性である。
【００７３】
ほぼ平行六面体の基盤１０９の端部は、CEAユニット１０８の端部を越えて延伸する。
【００７４】
CEAユニット１０８の気密電解質は、ガス透過性アノードの端部を越えて及びガス透過性のカソードの端部を越えて延伸し、その下面が基盤１０９の端部領域の上面に直接置かれる。
【００７５】
基盤１０９は、例えば、焼結金属粒子から作られた多孔性の焼結体として形成される。
【００７６】
基盤１０９と筐体下部１１２との間に配置される接触部材１１０は、例えばニッケル線から作られた、メッシュ、織物、又は不織布である。
【００７７】
筐体下部１１２は、金属板の成形品として形成され、ほぼ矩形のプレート１３２を包含し、プレート１３２は、積層方向１０４と垂直に方向付けられ、傾斜部分１３４を介してその端部で端部フランジ１３６となり、端部フランジ１３６もまた積層方向１０４にほぼ垂直に方向付けられる。
【００７８】
プレート１３２は、ほぼ矩形の中央接触領域１３８を有し、接触領域１３８は、一方の側で接触部材１１０に接合するための接触要素を備え、もう一方の側で隣接する燃料電池ユニット１０２のCEAユニット１０８のカソードを備え、前記接触要素は、例えば波板又はスタッド付きの形態に形成することが可能である。
【００７９】
接触領域１３８の一方の側で、プレート１３２は、複数の、例えば三つの燃料ガス供給開口部１４０を備え、燃料ガス供給開口部１４０は、複数の、例えば四つの酸化剤供給開口部１４２と交互に配列される。
【００８０】
筐体下部１１２の、燃料ガス供給開口部１４０及び酸化剤供給開口部１４２は、筐体上部１０６の、燃料ガス供給開口部１２２及び酸化剤供給開口部１２４のそれぞれと一直線になる。
【００８１】
接触領域１３８のもう一方の側で、プレート１３２は、複数の、例えば四つの燃料ガス排出開口部１４４を備え、燃料ガス排出開口部１４４は、複数の、例えば三つの酸化剤排出開口部１４６と交互に配列される。
【００８２】
筐体下部１１２の、燃料ガス排出開口部１４４及び酸化剤排出開口部１４６は、筐体上部１０６の、燃料ガス排出開口部１２６と及び酸化剤排出開口部１２８のそれぞれと一直線になる。
【００８３】
酸化剤排出開口部１４６は、好ましくは燃料ガス供給開口部１４０の向かい側にあり、燃料ガス排出開口部１４４は、好ましくは酸化剤供給開口部１４２の向かい側にある。
【００８４】
図11から13で最もよく分かるように、筐体下部１１２の酸化剤排出開口部１４６（酸化剤供給開口部１４２も同様に）は、それぞれ環状フランジ１４８によって囲まれ、環状フランジ１４８は、それぞれ開口部を環形状で囲い、積層方向１０４にほぼ垂直に方向付けられ、傾斜部分１４９を経由して筐体下部１１２のプレート１３２に接続される。
【００８５】
筐体下部１１２は、好ましくは高い耐腐食性の鋼鉄から、例えばすでに上で述べられた合金コルファ22から作られる。
【００８６】
中間要素１１４は、ほぼ矩形のフレーム部分１５２と導管の境界部分１５４もまた包含し、フレーム部分１５２は、燃料電池ユニット１０２の端部に沿って環形状に延伸し、導管の境界部分１５４は、フレーム部分１５２と継目無しに接合され、フレーム部分１５２と共に、中間要素１１４の、燃料ガス供給開口部１５６のそれぞれ又は燃料ガス排出開口部１５８のそれぞれを囲うために形成される。
【００８７】
中間要素１１４の、燃料ガス供給開口部１５６と燃料ガス排出開口部１５８は、筐体下部１１２の、燃料ガス供給開口部１４０と燃料ガス排出開口部１４４のそれぞれと、及び筐体上部１０６の、燃料ガス供給開口部１２２と燃料ガス排出開口部１２６のそれぞれと一直線になる。
【００８８】
中間要素１１４は、燃料ガス供給開口部１５６と燃料ガス排出開口部１５８とさらに中央通路１６０も、打ち抜きによってほぼ平面の金属板から作られる。
【００８９】
高い耐食性の鋼鉄が、例えばすでに上で述べられた合金クロファ22が、好ましくは中間要素１１４の材料として使用される。
【００９０】
図10から分かるように、中間要素１１４は、筐体下部１１２に面する上端部に、多層の密閉配列１１８を備える。
【００９１】
密閉配列１１８は、中間要素１１４の上面に直接配置される絶縁層１６２、中間要素１１４と反対側の絶縁層１６２の上面に配置されるセラミック−金属層１９２、及び絶縁層１６２と反対側のセラミック−金属層１９２の上面に配置される半田層１９０を包含する。
【００９２】
中間要素１１４の上面に直接塗布される絶縁層１６２は、熱的に溶射されるセラミックから、例えばアルミニウム−マグネシウムのスピネルから構成される。
【００９３】
例えば、大気プラズマ溶射、真空プラズマ溶射、又はフレーム溶射は、中間要素１１４の上面にこの電気絶縁層１６２を塗布するために適している。高速プラズマ溶射（高速真空プラズマ溶射、HV-VPS）は、特に適している。
【００９４】
この工程において、好ましくは溶射ジェットが、複数回、絶縁層１６２をコーティングされる中間要素１１４の表面上に向けられ、熱的に溶射されたセラミックのそれぞれの層が、各々の塗布面に形成される。
【００９５】
電気的に絶縁する絶縁層１６２の層の厚さは、例えば50μmから200μm、好ましくは100μmから140μmである。
【００９６】
絶縁層１６２は、例えばコーティングされるべき中間要素１１４の表面に繰り返し塗布することによって形成することが可能であり、そこで絶縁層１６２は、一つを別のものの上に付着させて熱的に溶射されたセラミック材料の複数層から成っている。
【００９７】
密閉配列１１８のセラミック−金属層１９２は、熱的に溶射されたセルメット層として形成され、セルメット層は、セラミック材料の粉末と金属粉の混合物から作られる。
【００９８】
例えば、大気プラズマ溶射、真空プラズマ溶射、又はフレーム溶射は、中間要素１１４と反対側の絶縁層１６２の上面に、セラミック−金属層１９２の熱溶射のために適している。高速プラズマ溶射（高速真空プラズマ溶射、HV-VPS）は、特に適している。
【００９９】
例えば、アルミニウムの酸化形成物のような高温耐腐食性合金は、好ましくはセラミック−金属層１９２の形成のために金属粉として使用され、高い溶射温度でほぼ安定性を残す。
【０１００】
いわゆるMCrAlY合金からなる金属粉は、特に適していて、ベース材料としての金属M（詳細には鉄、ニッケル、コバルト）と、これに加えてクロミウム、アルミニウム及びイットリウムを含有する。
【０１０１】
FeCrAlY合金を包含する金属粉の使用は、特に有利である。一般的なFeCrAlY合金は、次の組成：重量比で30%クロミウム、5%アルミニウム、0.5%イットリウム、及び残りが鉄の組成を有する。
【０１０２】
イットリウム安定化二酸化ジルコニウム（モル%単位で測定されたイットリウム成分が、3%と12%との間、好ましくは5%と8%との間に有る）又はアルミニウム−マグネシウムのスピネルが、例えばセラミックの粉末として、セラミック−金属層の形成のために使用される。
【０１０３】
セラミック材料と金属材料（詳細にはMCrAlY）との重量割合による混合比率は、例えば1:1から8:1の範囲にあり、好ましくは2:1から6:1の範囲にある。4:1の混合比率は、特に有利である。
【０１０４】
セラミック−金属層１９２の層の厚さは、例えば10μmから100μmの範囲にあり、好ましくは30μmから50μmの範囲にある。
【０１０５】
セラミック−金属層１９２は、好ましくは溶射ジェットがコーティングされる絶縁層１６２の表面上に複数回向けられて製造され、セラミック−金属層１９２の層が各々の塗布面上に形成される。
【０１０６】
セラミック−金属層１９２は、好ましくは四つのこのような層から形成される。
【０１０７】
この場合に、コーティングされるべき表面への各々の塗布において、セラミック材料と金属粉との間の混合比率は、層の厚さ（積層方向１０４と平行）の方向に沿って混合比率の勾配が形成されるように変化する。この混合比率の勾配は、セラミック−金属層１９２の全材料中の金属粉の重量割合が、絶縁層１６２の表面からの距離の増加に伴って増加するように管理される。
【０１０８】
密閉配列１１８の半田層１９０は、銀ベース半田から構成され、絶縁層１６２と反対側のセラミック−金属層１９２の上面に塗布される。
【０１０９】
原理的に、半田層１９０は、熱溶射、詳細には大気プラズマ溶射、真空プラズマ溶射又はフレーム溶射によってもまた生成することが可能である。高速プラズマ溶射（高速真空プラズマ溶射、HV-VPS）は、特に適している。
【０１１０】
使用される半田材料は、添加の銅元素を含む銀ベース半田、例えばAg-4Cu又はAg-8Cuの組成（モル％で）を有する銀ベース半田であることも可能である。
【０１１１】
筐体下部１１２の下面にこの半田層１９０の半田付けが、空気雰囲気で実施される。半田付け温度は、例えば1050℃になり、半田付け時間は、例えば約5分になる。酸化銅が、空気中で半田層付けしている間にその場で形成される。
【０１１２】
代替として、半田層１９０は、銅元素の添加無しで、銀ベース半田からまた形成することも可能である。このような銅を含まない半田は、より高いソリダス温度の（この値は、銅の添加なしで約960℃、銅の添加で約780℃となる）利点を有する。純銀は、セラミック表面を濡らさないから、酸化銅（II）が、濡れ角度を減少するために、銅の添加無しの銀ベースの半田に添加される。銅の添加無しの銀ベース半田を用いる半田付けは、空気雰囲気で又は保護ガス雰囲気で、例えばアルゴンを用いて実施される。
【０１１３】
銅元素を添加しない適切な銀ベース半田は、例えばAg-4CuO又はAg-8CuOの組成（モル％で）を有する。
【０１１４】
半田層１９０の半田材料にチタニウムを添加することは、さらに濡れ性（濡れ角度の減少）を改善するために使用される。粉末形態の適切な成分の完全な混合物が、半田を製作するために使用される。半田合金は、この完全な混合物からその場で形成される。チタニウムが、チタニウム水素化物の形態でこの完全な混合物に添加される。金属チタニウムは、約400℃で水素化物から形成される。
【０１１５】
銅元素の添加は無くて、タイタニウムが添加された、半田層１９０のための適切な銀ベース半田は、例えばAg-4CuO-0.5Ti又はAg-8CuO-0.5Tiの組成（モル％で）を有する。
【０１１６】
この場合の半田付け温度は、同様に好ましくは約1050℃で、半田付け時間は、例えば約5分となる。
【０１１７】
密閉配列１１８は、半田層１９０と絶縁層１６２との間に配置されるセラミック−金属層１９２を有するから、半田が絶縁層１６２を貫通する結果の短絡は発生せず、ゆえに密閉配列１１８は、完全に電気絶縁の機能を果たすことができる。
【０１１８】
上述した個別の要素から、図4に示す燃料電池ユニット１０２の製作手順は、以下のようになる。
【０１１９】
最初に、中間要素１１４が、上述の方法で密閉配列１１８を備える。
【０１２０】
それから、CEAユニット１０８をその上に配置する基盤１０９が、その上面の端部に沿って筐体上部１０６に半田付けされる。換言すれば、筐体上部１０６の通路１２０を囲む筐体上部１０６の領域の下面に半田付けされる。
【０１２１】
図1に示すように、このために必要な半田材料は、基盤１０９と筐体上部１０６との間に、半田ホイル１１６を適切な大きさに切断して挿入することが可能であり、又はディスペンサによって、基盤１０９の上面に及び／又は筐体上部１０６の下面に、半田材料をビードの形で塗布することが可能である。さらに、パターン印刷工程、例えばスクリーン印刷工程によって、基盤１０９の上面に及び／又は筐体上部１０６の下面に、半田材料を塗布することもまた可能である。
【０１２２】
添加の銅を含む銀ベース半田が、半田材料、例えばAg4Cu又はAg8Cuの組成（モル％で）を有する銀ベース半田として使用される。
【０１２３】
半田付けは、空気雰囲気で実施される。半田付け温度は、例えば1050℃になり、半田付け時間は、例えば約5分間になる。酸化銅が、空気中で半田付けする間にその場で形成される。
【０１２４】
代替として、銅を添加しない銀ベース半田もまた、使用することが出来る。このような銅を含まない半田は、より高いソリダス温度の（この値は銅の添加無しで約960℃となり、銅を添加して約780℃になる）利点を有する。純粋な銀は、セラミック表面を濡らさないから、酸化銅（II）が、濡れ角度を減少するために銅を添加しない銀ベース半田に添加される。銅を添加しない銀ベース半田を用いた半田付けは、空気雰囲気で又は保護ガス雰囲気、例えばアルゴンで実施される。
【０１２５】
この場合の半田付け温度は、好ましくはまた約1050℃になり、例えば半田付け時間は約5分になる。
【０１２６】
CEAユニット１０８をその上に配置する基盤１０９を筐体上部１０６に半田付けする代替として、CEAユニット１０８がまだその上に製作されていない基盤１０９が、筐体上部１０６に溶接され、溶接の後にCEAユニット１０８の電気化学的に活性な層、すなわちアノード、電解質、及びカソードが、真空プラズマ溶射の工程によって、すでに筐体上部１０６に溶接された基盤１０９の上に順次製作される。
【０１２７】
図２に示された状態は、基盤１０９が筐体上面１０６に接合された後に達成される。
【０１２８】
筐体下部１１２と遠い面で、密閉配列１１８を備える中間要素１１４が、半田層１９０の半田材料によって、中間要素１１４に面する側の筐体下部１１２に半田付けされる。
【０１２９】
この場合の半田付け工程は、基盤１０９と筐体上部１０６との半田付けに関して、上に述べたことと同一の条件で行うことができる。
【０１３０】
セラミック−金属層１９２にすでに接合された半田層１９０を使用する代わりに、必要な半田材料が、中間要素１１４と筐体下部１１２との間に、半田ホイル１１６を適切な大きさに切断して挿入させることもまた可能であり、又は分配器によって、密閉配列１１８の上面に及び／又は筐体下部１１２の下面に半田材料のビードの形で塗布することも可能である。さらに、パターン印刷工程、例えばスクリーン印刷工程によって、密閉配列１１８の上面に及び／又は筐体の下部１１２の下面に、半田材料を塗布することもまた可能である。
【０１３１】
図3に示された状態は、中間要素１１４が、筐体下部１１２に半田付けされた後に達成される。
【０１３２】
しかしながら、基盤１０９が筐体上部１０６に接合される前に、中間要素１１４を筐体下部１１２に半田付けすることもまた可能であり、又は一方において、中間要素１１４と筐体下部１１２との接合が、他方において、基盤１０９と筐体上部１０６との接合が同時に行なわれる。
【０１３３】
それから接触部材１１０、例えばニッケルのメッシュが、筐体下部１１２と筐体上部１０６との間に挿入され、それから筐体下部１１２と筐体上部１０６とが、溶接線１６４及び溶接線１６６に沿って気密のために共に溶接され、溶接線１６４は、筐体下部１１２の端部フランジ１３６の外端部の周囲及び筐体上部１０６の外端部の周囲を廻り、溶接線１６６は、筐体下部１１２の環状フランジ１４８の内端部の周囲、及び筐体上部１０６の酸化剤供給開口部１２４の端部と酸化剤排出開口部１２８の端部のそれぞれの周囲を廻る。
【０１３４】
この工程段階の後に、図４に示された状態が達成され、その状態において予め組立てられた燃料電池ユニット１０２があり、積層方向１０４に連続的に配列される複数の燃料電池ユニット１０２から成る燃料電池スタック１００を形成するために互いに接合されるに違いない。
【０１３５】
積層方向１０４で、連続的に配列された二つの燃料電池ユニット１０２の接合は、以下の方法で達成される。
【０１３６】
第一の燃料電池ユニット１０２ａと第二の燃料電池ユニット１０２ｂは、第二の燃料電池ユニット１０２ｂの筐体上部１０６の上側が、第一の燃料電池ユニット１０２ａの中間要素１１４の下側に接して高温状態にするために、溶接装置に挿入される。
【０１３７】
第一燃料電池ユニット１０２ａの中間要素１１４は、それから溶接線１６８及び溶接線１７０によって気密にするために、第二燃料電池ユニット１０２ｂの筐体上部１０６と共に溶接され、溶接線１６８は、中間要素１１４と筐体上部１０６の外側端部の周囲を廻り、溶接線１７０は、そこに配置される、中間要素１１４の燃料ガス供給開口部１５６の端部と筐体上部１０６の燃料ガス供給開口部１２２の端部との周囲のリングを、又はそこに配置される、中間要素１１４の燃料ガス排出開口部１５８の端部と筐体上部１０６の燃料ガス排出開口部１２６の端部との周囲のリングを廻る。
【０１３８】
二つの燃料電池ユニット１０２が、この方法で互いに接合された後で、燃料電池スタック１００は、燃料電池ユニット１０２が所定の数に達するまで、積層方向１０４に、第二燃料電池ユニット１０２ｂの中間要素１１４の上に又は第一燃料電池ユニット１０２ａの筐体上部１０６の上に、さらに燃料電池ユニット１０２を連続的に溶接することによってだんだんに組立てられる。
【０１３９】
完成した燃料電池スタック１００において、筐体上部１０６、筐体下部１１２、及び中間要素１１４のそれぞれに配列された燃料ガス供給開口部１２２、１４０、及び１５６は、それぞれに燃料ガス供給導管１７２を形成し、燃料ガス供給導管は、筐体下部１１２の上面と筐体上部１０６の下面との間の各々の燃料電池ユニット１０２において、燃料ガスチャンバ１７４に向かって開口し、燃料ガスチャンバ１７４は、一方の面として筐体下部１１２の接触領域１３８の上面と、もう一方の面としてCEAユニット１０８の基盤１０９の下面との間に形成される。
【０１４０】
筐体上部１０６、筐体下部１１２、及び中間要素１１４の、それぞれに配列された燃料ガス排出開口部１２６、１４４、及び１５８は、それぞれに燃料ガス排出導管１７６を形成し、燃料ガス排出導管１７６は、筐体下部１１２の上面と筐体上部１０６の下面との間の領域で、燃料ガス供給導管１７２と向かい合う各々の燃料電池ユニット１０２の側面に、燃料ガスチャンバ１７４に向かって開口する。
【０１４１】
筐体上部１０６と筐体下部１１２のそれぞれに配列された酸化剤供給開口部１２４と１４２と、同様に中間要素１１４の燃料ガス供給開口部１４０の導管の境界部１５４の間にある中間要素１１４の通路１６０の領域とは共に、それぞれ酸化剤供給導管１７８を形成し、酸化剤供給導管１７８は、積層方向１０４で燃料電池ユニット１０２の筐体上部１０６の上面と燃料電池ユニット１０２の上に配置された筐体下部１１２の下面との間の、各々の燃料電池ユニット１０２の領域で、燃料電池ユニット１０２の酸化剤チャンバ１３０に向かって開口される。
【０１４２】
同様に、筐体上部１０６と筐体下部１１２のそれぞれに配列された酸化剤排出開口部１２８と１４６は、中間要素１１４の燃料ガス排出開口部１４４の導管の境界部１５４の間にある中間要素１１４の通路１６０の領域とそれぞれ共に、それぞれ酸化剤排出導管１８０を形成し、酸化剤排出導管１８０は、酸化剤供給導管１７８と燃料電池ユニット１０２の向かい側に配列され、積層方向１０４で、筐体上部１０６の上面とその上に配置された燃料電池ユニット１０２の筐体下部１１２の下面との間の、各々の燃料電池ユニット１０２の領域で、燃料電池ユニット１０２の酸化剤チャンバ１３０に向かって同様に開口される。
【０１４３】
燃料電池スタック１００の運転中に、燃料ガスは、燃料ガス供給導管１７２を経由しておのおのの燃料電池ユニット１０２の燃料ガスチャンバ１７４に供給され、CEAのアノードでの酸化から生じる排ガスも消費されなかった燃料ガスも、燃料ガス排出導管１７６を介して燃料ガスチャンバ１７４から排出される。
【０１４４】
同様に、酸化剤、例えば空気は、各々の燃料電池ユニット１０２の酸化剤チャンバ１３０に酸化剤供給導管１７８を介して供給され、消費されなかった酸化剤は、酸化剤排出導管１８０を介して酸化剤チャンバ１３０から排出される。
【０１４５】
燃料電池スタック１００の運転中に、CEAユニット１０８は850℃の温度となり、例えばその温度で各々のCEAユニット１０８の電解質は、酸素イオンに対し伝導性となる。酸化剤チャンバ１３０からの酸化剤がカソードから電子を吸収して、電解質に二価のマイナス電荷の酸素イオンを放出し、酸素イオンは電解質を通ってアノードに移動する。アノードで、燃料ガスチャンバ１７４からの燃料ガスが、電解質からの酸素イオンによって酸化され、そこでアノードへ電子を放出する。
【０１４６】
アノードでの反応の間に放出された電子は、アノードから、基盤１０９、接触部材１１０、及び筐体下部１１２を経由して、筐体下部１１２の接触領域１３８の下面と接する燃料電池ユニット１０２のカソードに供給され、それ故に、カソード反応が可能になる。
【０１４７】
各々の燃料電池ユニット１０２の筐体下部１１２及び筐体上部１０６は、溶接部１６４、１６６を介して互いに導電的に接続される。
【０１４８】
しかしながら、積層方向１０４に連続的に配置され、それぞれ筐体上部１０６、筐体下部１１２、及び中間要素１１４によって形成される燃料電池ユニット１０２の筐体１８２は、中間要素１１４の上面と筐体下部１１２の下面との間の密閉配列１１８を介して互いに電気的に絶縁される。この場合に、筐体下部１１２への中間要素１１４の半田付けの結果として、これらの構造要素間の気密接合が、同時に確保され、その結果、燃料電池ユニット１０２の酸化剤チャンバ１３０と燃料ガスチャンバ１７４とは、互いに及び燃料電池スタック１００の周囲領域から気密状態で分離される。
【図面の簡単な説明】
【０１４９】
【図１】図1は、燃料電池ユニットの要素の略組立分解図である。
【図２】図2は、図1から、燃料電池ユニットのCEA（カソード−電解質−アノード）ユニットの基板が、燃料電池ユニットの筐体上部に半田付けされた後の燃料電池ユニットの略組立分解図である。
【図３】図3は、図2から、燃料電池ユニットの中間要素が、燃料電池ユニットの筐体下部に半田付けされた後の燃料電池ユニットの略組立分解図である。
【図４】図4は、図3から、筐体上部と筐体下部とが、互いに溶接され、第二燃料電池ユニットの筐体上部と筐体下部とが、燃料電池スタックの積層方向に、この第一燃料電池ユニットの下に配置された後の燃料電池ユニットの略組立分解図である。
【図５】図5は、図4から、第一燃料電池ユニットの中間要素が、第二燃料電池ユニットの筐体上部に溶接された後の二つの燃料電池ユニットの略斜視図である。
【図６】図6は、燃料電池スタックの上方からの略平面図である。
【図７】図7は、燃料ガス導管の領域の部分断面を図示する燃料電池スタックの部分斜視図である。
【図８】図8は、図6の矢視8-8に沿った、燃料ガス導管の領域で燃料電池スタックを通過する略垂直断面図である。
【図９】図9は、燃料電池スタックの唯一つの燃料電池ユニットを通過する垂直断面を示す図8からの切り取り断面である。
【図１０】図10は、図9の領域Ｉの拡大組立分解図である。
【図１１】図11は、酸化剤導管の領域の部分断面で見た、燃料電池スタックの部分斜視図である。
【図１２】図12は、図6の矢視12-12に沿った酸化剤導管の領域で、燃料電池スタックを通過する略垂直断面図である。
【図１３】図13は、スタックの唯一つの燃料電池ユニットを通過する垂直断面を示す、図12からの切り取り断面である。
【図１４】図14は、燃料導管の外側の領域の部分断面で見た、燃料電池スタックの部分斜視図である。
【図１５】図15は、図6の矢視15-15に沿った、燃料導管の外側の領域で燃料電池スタックを通過する略垂直断面図である。
【図１６】図16は、燃料電池スタックの唯一つの燃料電池ユニットを示す、図15からの切り取り断面である。
【符号の説明】
【０１５０】
１００    燃料電池スタック
１０２    燃料電池ユニット
１０４    積層方向
１０６    筐体上部
１０８    カソード−電解質−アノードユニット
１０９    基盤
１１２    筐体下部
１１４    中間要素
１１８    密閉配列
１６２    絶縁層
１９０    金属半田層
１９２    セラミック−金属層
【図１】
2007005298.tif 000003
【図２】
2007005298.tif 000004
【図３】
2007005298.tif 000005
【図４】
2007005298.tif 000006
【図５】
2007005298.tif 000007
【図６】
2007005298.tif 000008
【図７】
2007005298.tif 000009
【図８】
2007005298.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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