(57)【要約】本発明は電気化学的モジュールに関する。これは、ガス透過性の中央領域（１０）及び周縁領域（１２）を備えた、多孔性でプレート状の金属製の支持サブストレート（８）と、前記支持サブストレートの第１の面（１３）の前記中央領域に配設された積層体（２６）と、溶接接合部（１８）を介して前記支持サブストレートの前記周縁領域と結合された、金属製で気密な少なくとも１つのケーシング部（１４）と、前記積層体から前記の気密なケーシング部まで広がっている気密ゾーン（３２）とを有している。前記気密ゾーンが、前記積層体から前記支持サブストレートの第１の面の表面で少なくとも前記溶接接合部まで広がっている気密な表面部（３０）と、この気密な表面部を前記ケーシング部と結合する前記溶接接合部とを有し、その溶接ゾーン（３６）が支持サブストレートの厚さの一部を通ってのみ延びている。【選択図】図２ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス透過性の中央領域（１０；５０）及び該中央領域を周回している周縁領域（１２；５２）を備えた、多孔性でプレート状の金属製の支持サブストレート（８；４８；６８）と、
前記支持サブストレートの第１の面（１３；５６）の前記中央領域に配設され、電気化学的に活性な層（２８，３０，４４；３０‘‘‘）を少なくとも１つ備えた積層体（２６）と、
溶接接合部（１８；１８‘；１８‘‘）を介して前記支持サブストレートの前記周縁領域と結合された、金属製で気密な少なくとも１つのケーシング部（１４；６６）と、
前記積層体から前記の気密なケーシング部まで広がっている気密ゾーン（３２）とを
有する電気化学的モジュール（４）において、
前記気密ゾーンが、
前記積層体から前記支持サブストレートの第１の面の表面で少なくとも前記溶接接合部まで広がっている気密な表面部（３０；３０‘‘‘；４１；４２）と、前記の気密な表面部を前記ケーシング部と気密に結合する前記溶接接合部とを有し、その溶接ゾーン（３６；３６‘；３６‘‘；７０）が前記第１の面から厚さ方向（３８）において支持サブストレートの反対側の第２の面（２０）に向かって、支持サブストレートの厚さの一部だけ延びている、ことを特徴とする電気化学的モジュール。
【請求項２】
前記支持サブストレート（８；４８；６８）が気密な表面部（３０；３０‘‘‘；４１；４２）の下側で、及び、前記溶接接合部（１８；１８‘；１８‘‘）の溶接ゾーン（３６；３６‘；３６‘‘；７０）の下側で、多孔性に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の電気化学的モジュール。
【請求項３】
前記支持サブストレート（８；４８；６８）の前記周縁領域（１２；５２）における多孔性部分（６４）の多孔度が前記中央領域（１０；５０）の多孔度よりも小さくなっていることを特徴とする、請求項２に記載の電気化学的モジュール。
【請求項４】
前記支持サブストレート（８；４８；６８）がＣｒ（クロム）基、及び／又は、Ｆｅ（鉄）基の材料組合せから粉末冶金的に１つの部品に作られていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の電気化学的モジュール。
【請求項５】
前記支持サブストレート（８；４８；６８）の前記周縁領域（１２；５２）における多孔性部分（６４）の多孔度が３％から２０％（いずれも境界値を含む）の範囲にあることを特徴とする、請求項２から４のいずれか１項に記載の電気化学的モジュール。
【請求項６】
前記溶接ゾーン（３６；３６‘；３６‘‘；７０）が前記第１の面（１３；５６）から厚さ方向（３８）において前記第２の面（２０）へ深さｔまで延びており、その深さｔが前記周縁領域（１２；５２）における前記支持サブストレート（８；４８；６８）の厚さｄの２０％≦ｔ≦８０％であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の電気化学的モジュール。
【請求項７】
前記溶接接合部（１８；１８‘；１８‘‘）で結合された前記ケーシング部（１４；６６）のケーシングセグメント（１６）が、前記支持サブストレート（８；４８；６８）の周縁領域（１２；５２）とオーバーラップして支持サブストレートの第１の面（１３；５６）に配設されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の電気化学的モジュール。
【請求項８】
前記溶接ゾーン（３６；７０）が厚さ方向（３８）において前記ケーシング部（１４；６６）を完全に貫通し、一部だけが前記支持サブストレート（８；４８；６８）に入り込んで延びていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の電気化学的モジュール。
【請求項９】
前記溶接ゾーン（３６‘；３６‘‘）が前記支持サブストレート（８）の縁（３４）に、及び／又は、前記ケーシング部（１４）の縁（４６）に形成され、前記厚さ方向（３８）においてケーシング部の厚さの一部だけ延びていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の電気化学的モジュール。
【請求項１０】
前記ケーシング部（１４）がフレーム状に形成されており、前記支持サブストレート（８）の周縁領域（１２）を周回して広がっていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の電気化学的モジュール。
【請求項１１】
前記ケーシング部（１４）が、複数のガス通流開口（４０）を備えたフレーム薄板であり、このフレーム薄板の外側縁部領域（６０）がインターコネクターと結合されていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の電気化学的モジュール。
【請求項１２】
前記の気密な表面部が電解質（３０；３０‘‘‘）を有し、この電解質は前記積層体（２６）の一部であり、この積層体を越えて支持サブストレート（８）の第１の面（１３）上で広がっていることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載の電気化学的モジュール。
【請求項１３】
前記の気密な表面部が、支持サブストレート材料から成る、支持サブストレート（８）の表面気密部分（４１）を有し、この表面気密部分が支持サブストレート材料の溶融相を有していることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか１項に記載の電気化学的モジュール。
【請求項１４】
前記の気密な表面部が、前記支持サブストレート（８）に被着された気密なシール材（４２）を有していることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか１項に記載の電気化学的モジュール。
【請求項１５】
次のステップを特徴とする、電気化学的モジュール（４）の製造方法：
Ａ）多孔性でプレート状の金属製の支持サブストレート（８；４８；６８）を粉末冶金的に製造するステップ。この場合、この支持サブストレートの少なくとも、周縁領域（１２；５２）で囲まれた中央領域（１０；５０）はガス透過性に形成される。
Ｂ）電気化学的に活性な層（２８，３０，４４；３０‘‘‘）を少なくとも１つ有する積層体（２６）が前記中央領域において前記支持サブストレートの第１の面に取り付けられることにより、さらに、
金属製で気密な少なくとも１つのケーシング部が溶接接合部（１８；１８‘；１８‘‘）を介して前記支持サブストレートの周縁領域と、その溶接ゾーン（３６；３６‘；３６‘‘；７０）が第１の面から厚さ方向（３８）で支持サブストレートの反対側の第２の面（２０）に向かって、支持サブストレートの厚さの一部だけ延びるように、結合されることにより、さらに、
前記支持サブストレートの第１の面の表面において、前記積層体から前記溶接接合部まで広がる気密な表面部（３０；３０‘‘‘；４１；４２）が形成されることにより、
前記支持サブストレートの第１の面（１３；５６）上で前記積層体（２６）を前記の金属製で気密な少なくとも１つのケーシング部（１４；６６）へ気密結合するステップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気化学的モジュール、特に燃料電池モジュールに関する。このモジュールは、多孔性で平板状で金属製の支持サブストレートと、電気化学的に活性な少なくとも１つの層を有する積層体と、金属製で気密な少なくとも１つのケーシング部と、気密ゾーンとを有し、前記支持サブストレートはガス透過性の中央領域及びこの中央領域を取り囲む周縁領域を有し、前記積層体は前記中央領域内で前記支持サブストレートの第１の面に配設されており、前記ケーシング部は溶接接合部を介して前記支持サブストレートの周縁領域と結合されており、前記気密ゾーンは前記積層体から前記の気密なケーシング部まで広がっている。
【背景技術】
【０００２】
本発明による電気化学的モジュールは、特に、高温燃料電池すなわち固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ；solid oxide fuel cell）として、固体酸化物・電解質電池（ＳＯＥＣ；solid oxide electrolyzer cell）として、並びに、可逆的固体酸化物燃料電池（Ｒ−ＳＯＦＣ）として、使用可能である。積層体の比較的薄く作られた複数の層のために、機械的な支持コンポーネントが必要であり、この支持コンポーネントは、例えば、積層体の複数の電気化学的活性層の中の１つの層により、例えば、それぞれ相応の厚さに作られた複数の機能層の中の電解質、アノード、又は、カソードにより、形成することができるし、あるいは、これらの機能層とは別に作られたコンポーネントにより、例えば、セラミックの、又は、金属製の支持サブストレートにより形成することができる。本発明は、別に作られた金属サブストレートを備えた後者のコンセプトに関するものであり、この金属サブストレートが積層体の複数の層のための支持機能を有する。このような金属サブストレートで支持されたシステム（ＭＳＣ；metal supported cell）は、熱的な及び酸化還元的な繰り返し可能性に関し、並びに、機械的な安定性に関して有利である。
ＭＳＣでは、厚さが薄くなるにつれて、及び、温度上昇につれて、電気抵抗が減少する電解質を比較的薄く作ることができるので（例えば、２から１０μｍの範囲、好適には３から５μｍの範囲の厚さで）、ＭＳＣは約６００℃から８００℃の比較的低い運転温度で運転することができる（一方、ＳＯＦＣは部分的に１，０００℃までの運転温度で運転される）。その独特の利点により、ＭＳＣは特に移動用の用途、例えば、自家用車又は商用車の電源（ＡＰＵ−auxiliary power unit：補助電源）に適している。
【０００３】
すべてがセラミックで構成されたシステムと比べて、これらの金属・セラミックＭＳＣシステム（すなわち、少なくとも部分的にセラミック積層体を有する金属の支持サブストレート）は、大幅に低減された材料費、及び、スタック組立ての新しい可能性という点で優れている。というのは、金属支持サブストレートでは、コスト的に有利で、且つ、長時間の耐久性があるろう付けプロセス及び溶接プロセスを適用できるからである。スタック組立てに関しては、金属サブストレートで支持された個々のセルを対応する（金属製の）ケーシング部（例えば、フレーム薄板、インターコネクターなど）と結合し、１つのスタック（Stapel）において積層して配置し、電気的に互いに直列に接続しなければならない。これらのケーシング部により、スタックの個々のセルにおけるプロセスガスの互いに分離されたガス供給（これは、燃料電池の場合には、アノードへの燃料の供給、及び、カソードへの酸化材の供給を意味する）、及び、電気化学反応で生成されたガスの排出が行われる。さらにこれらのケーシング部を介して、スタックの個々のセル相互の電気的な直列接続が行われる。
【０００４】
機能的に重要なことは、個々のセルにおける、１つのセルに関して電解質の両側に形成されている両方のプロセスガス空間の確実で気密な分離である。困難な課題は、特に、金属サブストレートで支持されたセルの隣接している１つ又は複数のケーシング部への結合である。というのは、積層体から、ないし、電解質がプロセスガスの分離を行っている積層体の領域から、隣接している１つ又は複数のケーシング部までの移行領域は（少なくともプロセスガス及び生成ガスに対して）気密に形成しなければならず、さらに、この気密性を長い使用期間にわたって、発生する機械的負荷及び温度変動に対して保証しなければならないからである。
【０００５】
特許文献１で燃料電池の製造方法が公知であり、この場合には、周縁領域に設けられた複数のガス流入開口部を備えた金属製の支持サブストレートが、プレート状で多孔性の本体を粉末冶金的に作ることによって得られ、その本体の周縁領域は単軸のプレス又は圧延により気密になるまで圧縮され、本体の周縁領域に複数のガス流入開口部が設けられる。この金属支持サブストレートの中央の多孔性領域に電気化学的に活性な複数の層を備えた積層体が取り付けられる。特許文献２には次の構成が記載されている。すなわち、金属製の支持サブストレートがガス透過性に形成されており、気密なゾーンを有しており、この気密なゾーンはそのサブストレートの厚さ全体を貫通し、溶接及び／又はろう付けによりケーシング部に固定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許第２１７４３７１Ｂ１号明細書
【特許文献２】欧州特許第１２７８２５９Ｂ１号明細書
【特許文献３】オーストリア実用新案第００８９７５Ｕ１号明細書
【特許文献４】国際公開第２０１４／１８７５３４Ａ１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の課題は、金属製の支持サブストレートと、この支持サブストレートの中央領域の多孔性領域に配置された電気化学的に活性な層を少なくとも１つ有する積層体とを備えた電気化学的モジュールを低コストで提供することにあり、この場合、積層体と、支持サブストレートに接するケーシング部との間のオーバーラップ領域が少なくともプロセスガス及び生成ガスに対して気密に形成されており、この気密性が機械的負荷及び温度変動に際しても長い使用期間にわたって保証されるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、請求項１による電気化学的モジュール、並びに、請求項１５による電気化学的モジュール製造方法により解決される。本発明の好適な実施形態は従属請求項に記載されている。
【０００９】
本発明によれば、この電気化学的モジュールは、多孔性でプレート状の金属製の支持サブストレートと、この支持サブストレートの第１の面の中央領域に配設された積層体と、金属製で気密な少なくとも１つのケーシング部と、気密ゾーンとを有しており、前記支持サブストレートは（その主広がり面に関して）ガス透過性の中央領域とこの中央領域を周回している周縁領域とを有し、前記積層体は少なくとも１つの、特に少なくとも２つの電気化学的に活性な層を備えており、前記ケーシング部は溶接接合部を介して前記支持サブストレートの周縁領域と結合されており、前記気密ゾーンは前記積層体から（少なくとも）前記の気密なケーシング部まで広がっている。この場合、前記気密ゾーンは、前記積層体から前記支持サブストレートの第１の（すなわち、積層体側の）面の表面で（少なくとも）前記溶接接合部まで広がっている気密な表面部と前記溶接接合部とを有し、この溶接接合部は前記の気密な表面部を前記ケーシング部と気密に結合し、その溶接ゾーンは前記第１の面から厚さ方向において支持サブストレートの反対側の第２の面に向かって支持サブストレートの厚さの一部だけ延びている。
【００１０】
本発明によれば、気密ゾーンが支持サブストレートの第１の面の表面のみで広がっているので、本発明により、粉末冶金的に１つの部品に作られた支持サブストレートを使用することが可能となり、この支持サブストレートの周縁領域を気密性が得られるまでプレスする必要はない。特に、クロム基の合金又はクロムの含有率が高い合金を形成しているようなプレスしにくい材料の場合に、非常に小さいプレス圧しか必要とせず、その結果、製造コストが節約され、不良品率が下がる。さらに、支持サブストレートの主広がり面に沿って一定の材料特性が得られ、これによって、特に、温度変動が大きい場合、及び／又は、機械的負荷が大きい場合に、クラック形成及び歪みのリスクが小さくなる。溶接ゾーンが第１の面から支持サブストレートの厚さの一部を通ってのみ延びているので、この溶接接合部により惹き起こされる支持サブストレート内部の材料特性の変化も比較的小さい。これにより、支持サブストレートの、粉末冶金的な製造プロセスから得られる有利な材料特性を広範に保持することが保証される。これとは異なり、（気密に形成された）溶接ゾーンが支持サブストレートの厚さ全体を通って延びる場合には、必要な溶接ゾーンが相対的により大きくなるので支持サブストレートの溶接時に、明らかにより大きいエネルギー注入が必要になるであろう。このような構造では、製造コストがより高くなるだけでなく、部品のより大きな歪み、この溶接ゾーンに隣接する領域でのマイクロストラクチャーにおける粒子の荒れ、これは材料特性に対してマイナスに作用する、並びに、溶接ゾーンに機械的な及び／又は熱的な負荷がかかった時のクラック形成のリスク又はそれどころか破断のリスクも生じるであろう。
【００１１】
本発明による電気化学的モジュールは、高温燃料電池すなわち固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ；solid oxide fuel cell）としての有利な使用の他に、固体酸化物・電解質電池（ＳＯＥＣ；solid oxide electrolyzer cell）としても、並びに、可逆的固体酸化物燃料電池（Ｒ−ＳＯＦＣ）としても、使用可能である。以下、金属サブストレートで支持された高温燃料電池（ＳＯＦＣ）の構成及び機序について、これらが如何にして本発明による電気化学的モジュールで実現されるか、説明する。この種の金属サブストレートで支持されたＳＯＦＣは本発明による電気化学的モジュールの好適な利用である。金属サブストレートで支持されたセル（ＭＳＣ）は、多孔性でプレート状の金属製の支持サブストレートで構成されており、この支持サブストレートの厚さは好適には１７０μｍから１．５ｍｍの範囲、特に２５０μｍから８００μｍの範囲であり、この支持サブストレートのガス透過性の中央領域に、電気化学的に活性な層としてのアノード、電解質及びカソードを有する、並びに、場合によっては他の複数の層（例えば、支持サブストレートとアノード間の例えば、セリウム  ガドリニウム  オキシド、又は、ランタン  クロム  オキシド  などから成る拡散バリアー層、電解質とカソード間のセリウム  ガドリニウム  オキシドから成る拡散バリアー層）を有する１つの積層体が被着されている。本発明による電気化学的モジュールでは、ここで電気化学的に活性な層全てを被着しておく必要はなく、むしろ、この積層体が１つの電気化学的に活性な層（例えば、アノード）だけを、好適には２つの電気化学的に活性な層（例えば、アノードと電解質）を備えることもでき、その他の複数の層、特に電気化学的セルを補完するための層は後から被着してもよい。積層体の層の被着は、好適には、ＰＶＤ（物理気相蒸着法）、例えばスパッタリング、及び／又は、熱的コーティング法、例えば、火炎溶射又はプラズマ溶射、及び／又は、湿式化学法、例えば、スクリーン印刷、湿式粉末コーティング、などを用いて行われる。電気化学的セルの積層体全体を作るには、上記の多数の方法を組み合わせることもできる。好適には、支持サブストレート上に最初に付けられる電気化学的に活性な層はアノードであり、他方、カソードは電解質の、支持サブストレートとは反対側に形成されている。しかし、この代わりに、両電極の逆の配置も可能である。
【００１２】
アノード（例えば、ニッケルと、イットリウムオキシドで完全安定化されたジルコニウム  ジオキシドとから成る複合体で構成されている）もカソード（例えば、（Ｌａ、Ｓｒ）（Ｃｏ、Ｆｅ）Ｏ３）のような混合導電性のペロブスカイトで構成されている）も、ガスを透過するように形成されている。アノードとカソードの間に、金属酸化物（例えば、イットリウムオキシドで完全安定化されたジルコニウム  ジオキシドから成る）から成る固体のセラミック材料で構成された気密な、酸素イオンは伝導するが電子は伝導しない、固体電解質が形成されている。代案として、この固体電解質はプロトンに対しては伝導性を有するが電子に対しては伝導性を有さないようにすることもでき、これは新世代のＳＯＦＣである（例えば、金属酸化物、特に、バリウム  ジルコニウム  オキシド、バリウム  セリウム  オキシド、ランタン  タングステン  オキシド、又は、ランタン  ニオブ  オキシドから成る固体電解質）。ＳＯＦＣの運転中はアノードに燃料（例えば、水素、又は、メタン、天然ガス、バイオガスのような炭化水素由来物質、これらは場合により完全に、又は、部分的に予め改質されている）が供給され、そこで電解的に酸化され電子を放出する。これらの電子は燃料電池から流出し電気的な負荷を介してカソードに流れ込む。カソードで酸化物質（例えば、酸素又は空気）が電子を受け取って還元される。酸素イオンに対して伝導性を有する電解質の場合にはカソードで発生する酸素イオンが電解質を通ってアノードへ流れ、対応する境界面で燃料と反応することによって、電気的な閉回路ができる。
【００１３】
電流を流すことによって、例えば水が水素と酸素に変換されるような酸化還元反応が惹き起こされる、固体酸化物・電解質電池（ＳＯＥＣ）の場合には、金属サブストレートで支持されたセル（ＭＳＣ）が上述した構成に対応して形成されている。この場合には、前記においてＳＯＦＣではアノードと記載された層がカソードとなり、逆になる。可逆的固体酸化物燃料電池（Ｒ−ＳＯＦＣ）はＳＯＥＣとしてもＳＯＦＣとしても運転可能である。
【００１４】
本発明の文脈においては「気密」とは特に、十分な気密度の場合の漏れ率が標準的に＜１０−３ｈＰａ＊ｄｍ３／ｃｍ２ｓ（ｈＰａ：ヘクトパスカル、ｄｍ３：立法デシメートル、ｃｍ２：平方センチメートル、ｓ：秒）であることを意味する（大気中で昇圧法によりRemscheid所在のDr.Wiesner社製測定器、タイプ：Integra DDVを使用して差圧ｄｐ＝１００ｈＰａで測定）。この気密度が特に気密ゾーン領域及び積層体の領域で実現される。
【００１５】
周縁領域はガス透過性の中央領域を特に周回するように配設されている。少なくとも１つのケーシング部、これは例えばクロムを高濃度含有している鋼（例えば、登録商標Crofer 22H、Crofer 22APU、ZMG 232Lで市販されている）から成る薄板として形成することができるが好適には、同様に周縁領域を周回して広がっており、周縁領域の周囲全体で溶接接合部を介して周縁領域と結合している。１つの溶接マイクロストラクチャーで形成された溶接ゾーン、これは本発明によれば支持サブストレートの厚さの一部を通ってのみ延びている、を例えば溶接接合部を通る断面で作られた検鏡試片から、光学顕微鏡又は走査型電子顕微鏡を使用して確認することができる。
【００１６】
別の実施形態では、中央領域及び周縁領域をモノリシックに、すなわち、１つの部品から形成することができる。これは、多数の部品ではないこと、場合によっては材料結合的に（例えば、ろう付け、溶接  など）互いに結合された複数の部品ではないこと、を意味する。別の実施形態では、この支持サブストレートはＣｒ（クロム）基の、及び／又は、Ｆｅ（鉄）基の材料組合せ、すなわち、クロム成分及び鉄成分が全体で少なくとも５０重量％である、から粉末冶金的に１つの部品に形成されている。この粉末冶金的な一体化された製造は支持サブストレートのマイクロストラクチャーから確認することができる。この支持サブストレートは気密なゾーンの下側で、その主広がり面にわたって典型的な焼結ストラクチャーを有している。この焼結ストラクチャーでは個々の粒子が焼結度に応じて、多かれ少なかれ形成されている焼結ネック部を介して互いに結合されている。クロム成分及び鉄成分は合計で特に、少なくとも８０重量％、好適には、少なくとも９０重量％である。この支持サブストレートは特に特許文献３により作ることができる。すなわち、これは鉄＞５０重量％、クロムが１５から３５重量％、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、マンガン、イットリウム、スカンジウム、希土類金属製のグループから選ばれた１つ又は複数の元素が０．０１から２重量％、モリブデン及び／又はアルミニウムが０から１０重量％、ニッケル、タングステン、ニオブ、タンタルのグループから選ばれた１つ又は複数の元素が０〜５重量％、酸素が０．１〜１重量％、残りが鉄及び不純物、を含む鉄基合金で構成することができ、この場合、イットリウム、スカンジウム、希土類金属製のグループの少なくとも１つの金属とクロム、チタン、アルミニウム、マンガンのグループの少なくとも１つの金属が混合酸化物を形成している。この支持サブストレートを作るために、好適には粒子径＜１５０μｍ、特に粒子径＜１００μｍの粉末が使用される。こうして、表面粗さを十分に小さく保つことができ、その結果、機能層のための良好な被覆性を保証することができる。さらに、これらの粒子の大きさは、支持サブストレートを薄く形成しようとすればするほど、小さく選ぶべきである。焼結プロセス後の多孔性サブストレートの多孔度は、好適には２０から６０％、特に４０〜５０％である。その厚さは、好適には１７０μｍから１．５ｍｍの範囲、特に２５０μｍから８００μｍの範囲である。
【００１７】
別の実施形態では、支持サブストレートが気密な表面部の下側で（すなわち、第２の面へ向かう方向で）、及び、溶接接合部の溶接ゾーンの下側で、多孔性を有するように形成されている。特にこの多孔性部分はさらにガス透過性を有している。このようにして、ガス透過性に形成することが必要な多孔性の中央領域から周縁領域まで（周縁領域を含む）、支持サブストレートの非常に均一な材料特性が得られる。さらに、クラック形成などのような材料弱体化及び材料疲労のリスクを生じさせる不連続な移行が避けられる。したがって、粉末冶金的に製造された支持サブストレートでは、周縁領域を固体材料のような気密状態にプレスする必要はなく、このことは、クロム含有粉末のプレスおよび加工が困難なことを考えれば、有利である。別の実施形態では、支持サブストレートの周縁領域の多孔性の部分では（すなわち、気密ゾーンを除いて）、中央領域よりも多孔度が小さくされている。これは、粉末冶金的に製造された支持サブストレートでは、周縁領域の、例えばプレスにより、特に単軸プレス又は型圧延により行うことができる。プレス工程において好適に、中央領域と周縁領域との間の連続的な移行がなされ、これにより、支持サブストレートにおける応力の発生が避けられる。密度の増大を伴うこの多孔度の減少は気密な表面部を形成するのに有利である。この気密な表面部が例えば被着されるカバー層により形成される場合には、この減少した多孔度によりその気密な形成が可能となり、付着性が改善される。これとは異なり、表面部が表面の溶融で作られる場合には、局所的に発生する体積変化がこの減少した多孔度により小さく抑えられる。別の実施形態では、支持サブストレートの周縁領域における多孔性部分の多孔度は３％から２０％（いずれも境界値を含む）の範囲にあり、好適には４％から１２％（いずれも境界値を含む）の範囲にある。この多孔度の範囲では通常はまだ気密性は得られない。
【００１８】
別の実施形態では、溶接ゾーンが第１の面から厚さ方向において第２の面へ深さｔまで延びており、その深さｔは周縁領域における支持サブストレートの厚さｄの２０％≦ｔ≦８０％である。この深さｔは厚さｄに対して、好適には、３０％≦ｔ≦５０％である。この範囲内では、一方では、ケーシング部と支持サブストレートとの結合が十分に大きい強度で得られ、他方、溶接時のエネルギー侵入が低く抑えられ、支持サブストレートは少なくとも部分的にその元のストラクチャーを保持する。
【００１９】
別の実施形態では、溶接接合部で結合されたケーシング部のケーシングセグメントが、支持サブストレートの周縁領域とオーバーラップして支持サブストレートの第１の面に配設されており、特に、このケーシングセグメントはオーバーラップ領域において平らに支持サブストレートの周縁領域に当接している。このような構成により、ケーシング部と支持サブストレートとの間の溶接接合部の機械的な安定性が高められ、同時に溶接工程を容易に実施することができる。
【００２０】
別の実施形態では、溶接ゾーンが厚さ方向においてケーシング部を完全に貫通し、一部だけが支持サブストレートに入り込んで延びている。特に、この溶接ゾーンは支持サブストレートの主広がり面に対してほゞ垂直に、すなわち、厚さ方向に沿って延びている。この方式の溶接接合部は、ケーシング部と支持サブストレートの周縁領域との間のオーバーラップ配置に際して、特に簡単にオーバーラップ領域に作ることができる。
別の実施形態では、溶接ゾーンが支持サブストレートの縁に、及び／又は、ケーシング部の縁に形成され、厚さ方向においてケーシング部の厚さの一部のみを通って延びている。特に、この溶接ゾーンの深さＴは結合すべき領域におけるケーシング部の厚さに対して２０％≦Ｔ≦８０％まで延びており、好適には、この深さＴはケーシング部の厚さに対して、３０％≦Ｔ≦５０％である。このようにして、溶接時のエネルギー侵入を特に低く抑えることができ、その結果、諸部品の歪みのリスクがさらに小さくなる。
【００２１】
別の実施形態では、ケーシング部がフレーム状に形成されており、支持サブストレートの周縁領域を周回して広がっている。このようにして、支持サブストレート  アセンブリの周回している気密な結合、その機械的な保持、並びに、その電気的な接触が、確実に、且つ、機械的負荷に耐えられるように保証される。別の実施形態では、ケーシング部が、複数のガス通流開口を備えたフレーム薄板であり、この場合、このフレーム薄板の外側縁部領域がインターコネクターと結合されており、この場合、特に、この結合は気密な結合である（例えば、溶接接合、場合によってはフレーム薄板とインターコネクターとの間のオーバーラップ領域とも結合されている）。これらのガス通流開口はプロセスガスの流入および排出のためである。インターコネクターが、これは同様にケーシングの一部である、スタック内で、電気化学的セルをそれぞれ１つ有している２つの積層配置された支持サブストレートアセンブリ間に配設されている。このインターコネクターは両側に形成された（例えば、節状の、リブ状の、又は、波状の）ストラクチャーにより、電気化学的セルの、ないし、支持サブストレートの中央領域の、ほゞ全面にわたり両側でプロセスガスの流入および排出を可能とする。さらに、このインターコネクターを介して、それぞれが１つの電気化学的なセルを有している隣接したサブストレート  アセンブリが互いに電気的に直列に接触される。好適には、このインターコネクターも相応の形状に作られた金属薄板で形成される。電解質の片側に、特に付設された支持サブストレートの側に、気密なガス空間が、次のようにして得られる。すなわち、サブストレート  アセンブリが周回状に且つ気密にフレーム状のケーシング部と結合され、さらに、フレーム状のケーシング部が同様に周回状に且つ気密にインターコネクターと結合されることによって気密なガス空間が得られる。すなわち、フレーム状のケーシング部及びインターコネクターにより、一種のケーシングが形成され、こうして、気密なプロセス空間が実現される。複数のガス通流開口部において、シールし且つそれぞれ所望のガスを通流させることは通常は、個別のインサート、シール、並びに、シール材（例えば、ガラスろう）の適切な取付けにより実現される。
【００２２】
第２の代案では、支持サブストレートが直接にインターコネクターと気密に結合されている。この場合、このインターコネクターは同様にケーシング部を形成し、上述したインターコネクターの特徴に応じて形成されている。この代案では、支持サブストレートの相応により大きく作られた周縁領域が上述したフレーム状のケーシング部の機能を受け持ち、特に、気密な表面部が積層体から溶接接合部まで広がっており、この溶接接合部により周縁領域がインターコネクター（ケーシング部）と結合されている。好適には、この周縁領域に複数のガス通流開口も設けられており、これらのガス通流開口は例えば、打ち抜き、切断、型押し、又は、これらと同様の方法で周縁領域に設けられる。好適には、支持サブストレートの内部に形成される、ガス通流開口の（例えば、円筒状の）壁も気密に形成される。特に、これらのガス通流開口の気密な壁も、これらのガス通流開口の周りを周回して形成されている気密な表面と気密に当接しており、このことにより、漏れのないプロセスガスの導入が保証される。複数のガス通流開口の壁の気密な形成は、例えば、これらのガス通流開口を、レーザーカッティング、電子ビームカッティング、イオンビームカッティング、ウオータージェットカッティング、摩擦切断のような熱的プロセスを用いて、取り込むことにより実現することができる。というのは、これらのプロセスにより支持サブストレート材料の表面溶融が生じるからであり、これによって、凝固後に壁に沿って表面に広がる気密な部分が得られ、この表面の気密部分は支持サブストレート材料の、特に支持サブストレート材料の完全に１つの溶融相で形成される、溶融相を有している。
【００２３】
第３の代案では、支持サブストレートの周縁領域が、上述されたような複数のガス通流開口を備えており、これらのガス通流開口の外側で周回状に且つ気密にフレーム状のケーシング部と結合されている。次にこのフレーム状のケーシング部は、第１の代案に関して上述したように、周回状に且つ気密にインターコネクターと結合されている。
【００２４】
別の実施形態では、気密な表面部が電解質を有し、この電解質は積層体の一部であり、積層体を越えて支持サブストレートの第１の面上で広がっている。この電解質は特に溶接接合部まで広がっている。
【００２５】
通常この電解質の厚さは２〜１０μｍの範囲、好適には３〜５μｍの範囲である。これは溶接接合部を越えて特に支持サブストレートの外側縁部まで広がることもできる（溶接接合部形成中の熱伝達は、３〜５μｍの上記厚さ範囲ではこの電解質による顕著な影響を受けない）。この電解質が、必要とされる気密な特性を有し、積層体の実現のために必要とされることによって、気密な表面部全体またはその一部のみの実現のためにこの電解質を使用することは有利である。
【００２６】
別の実施形態では、気密な表面部が、支持サブストレート材料から成る、支持サブストレートの表面気密部分を有し、この表面気密部分は支持サブストレート材料の溶融相を有している。これは特に表面後処理工程で得られ、これにより支持サブストレートの表面近傍領域における支持サブストレート材料の溶融相が作られる。この表面後処理工程は多孔性の支持サブストレート材料の局所的な表面での溶融により、すなわち、融点よりも高い温度への短時間で局所的な加熱により、達成され、さらに、機械的な、熱的な、又は、化学的な方法ステップを用いて、例えば、研磨、ブラストを用いて、又は、レーザービーム、電子ビームもしくはイオンビームの適用により、実施される。好適には、溶融相を有する表面部は高エネルギーのフォトン、電子、イオン、又は、他の適切な焦点を結ばせることが可能なエネルギー源の収束ビームを、周縁領域の表面に特定の作用深度まで作用させることにより得られる。この局所的な溶融及び溶融後の急速冷却により、その領域に変化した金属マイクロストラクチャーが形成され、その残多孔度は微々たるものであり、すなわち、非常に小さい。溶融相を有するこの変化したマイクロストラクチャーは、焼結ストラクチャーを特徴とする支持サブストレートのマイクロストラクチャーとは、例えば、支持サブストレートの厚さ方向に沿って作られた断面の検鏡試片の光学顕微鏡写真又は走査型電子顕微鏡写真（ＲＥＭ：Rasterelektronenmikroskop）で、明確に区別することができる。この溶融は一度だけ、または、何度も繰り返して行うことができる。この場合、その溶融深度は要求される気密度に合わせることができ、少なくとも１μｍ、特に１５μｍから５０μｍ（いずれも境界値を含む）、特に好適には２０μｍから４０μｍ（いずれも境界値を含む）の溶融深度が適切であることが判った。すなわち、この溶融相を有する表面部は、支持サブストレートの表面から測って、この溶融深度だけ支持サブストレートに入り込んで広がっている。この溶融相を有する表面部には、溶融相の他に別の相、例えばアモルファス  ストラクチャーが存在してもよい。この溶融相を有する表面部が完全に支持サブストレート材料の溶融相で形成されていると特に好適である。溶融プロセスにより、表面粗さの小さい非常に平滑な表面が得られる。このことにより、電解質層のような機能層のための良好なコーティングが可能となり、この電解質層は好適に積層体を越えて、溶融相を有する表面部の少なくとも一部にわたって広がっている。このような表面後処理工程が例えば特許文献４に記載されている。
【００２７】
別の実施形態では、気密な表面部が、支持サブストレートに被着された気密なシール材、例えば、ガラスろう、金属ろう、または、場合によっては電気化学的モジュールの運転中にやっと硬化する無機ペースト、を有している。
【００２８】
気密な表面部は多数の気密な部分で構成することもでき、特に、電解質、支持サブストレート材料で形成され溶融相を有する支持サブストレートの表面気密部、及び／又は、気密なシール材の組合せで構成することができる。プレート状の支持サブストレートの主広がり面を基準にして、これらを多層に重畳して構成することができるが、場合によっては、そのオーバーラップ領域を部分的にのみ設けることもできる。
【００２９】
本発明はさらに電気化学的モジュールの製造方法に関し、これは次のステップを有している：
Ａ）多孔性でプレート状の金属製の支持サブストレートを粉末冶金的に製造するステップ。この場合、この支持サブストレートの少なくとも、周縁領域で囲まれた中央領域はガス透過性に形成される。
Ｂ）電気化学的に活性な層を少なくとも１つ有する積層体が前記中央領域において前記支持サブストレートの第１の面に取り付けられることにより、さらに、
金属製で気密な少なくとも１つのケーシング部が溶接接合部を介して前記支持サブストレートの周縁領域と、その溶接ゾーンが第１の面から厚さ方向で支持サブストレートの反対側の第２の面に向かって、支持サブストレートの厚さの一部だけ延びるように、結合されることにより、さらに、
前記支持サブストレートの第１の面の表面において、前記積層体から前記溶接接合部まで広がる気密な表面部が形成されることにより、
前記支持サブストレートの第１の面上で前記積層体を前記の金属製で気密な少なくとも１つのケーシング部へ気密結合するステップ。
【００３０】
本発明による方法により、本発明による電気化学的モジュールについて上述したのとほゞ同様のメリットが得られる。電気化学的モジュールについて前述した別の諸実施形態およびオプションとしての付加的な特徴も、ここで請求項に記載した製造方法に関して同様に実施可能であり、これにより上述したメリットが得られる。この場合、「気密な結合」（ステップＢ参照）に関して実施される個別のステップは順序を変えて実施することができる。気密な表面部を溶接接合部を越えて支持サブストレートの外側縁部まで広げる場合には、この気密な表面部は好適には、ケーシング部が溶接接合部を介して支持サブストレートの周縁領域と結合される前に、形成されるべきである。
【００３１】
支持サブストレートの様々な領域の多孔度を決定するために、ダイヤモンド  ワイヤー  ソーを用いて支持サブストレートから一部を切り出し、この部分を埋め込み材（例えば、エポキシ樹脂）内で固定し、硬化後に研磨する（順次、より細かい研磨紙を用いて）ことによって、プレート状の支持サブストレートの主広がり面に対して垂直な検鏡試片が作られる。次に、この試料が研磨用懸濁液で研磨され、最終的に電解研磨される。この試料が走査型電子顕微鏡（ＲＥＭ：Rasterelektronenmikroskop）および反射電子検出器（ＢＳＥ：back-scattered-electrons、独語:rueckgestreute Elektronen）（ＢＳＥ検出器ないし４象限リングディテクター）で解析される。ここでは走査型電子顕微鏡として、Zeiss社製のフィールドエミッション装置「Ultra Plus 55」が使用された。この走査型電子顕微鏡写真が評価すべき測定面内でそれぞれ立体方式を用いて定量的に評価される（使用ソフトウエア：「Leica Qwin」）。この場合、評価される測定面内に支持サブストレートの部分のできるだけ均一な部分が存在しているように留意する。多孔度の測定においては、評価される測定面全体に対する孔の面積割合が決定される。この面積割合が同時に体積％での多孔度である。評価される測定面内で部分的にしか存在していない孔は、この測定方法では考慮されない。走査型電子顕微鏡撮影のために次の調整が行われた：傾斜角：０°、加速電圧：２０ｋＶ、作動距離：約１０ｍｍ、拡大倍率２５０倍（機器表示）で、その結果、約６００μｍの水平画像エッジが得られた。この場合、非常に高い画像鮮明度を得ることを特に重要視した。
【００３２】
本発明の他のメリット及び実用性について添付された図面に基づき以下の諸実施例の説明により記載する。本発明の視覚化を容易とするために、寸法の比率は必ずしも実際のとおりではない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による電気化学的モジュールを２個備えたスタックの断面図。
【図２ａ】インターコネクターで結合された本発明による電気化学的モジュールの断面図。本図から、下記図２ｈにはそれぞれ、気密ゾーンの異なる代案が示されている。
【図２ｂ】インターコネクターで結合された本発明による電気化学的モジュールの断面図。
【図２ｃ】インターコネクターで結合された本発明による電気化学的モジュールの断面図。
【図２ｄ】インターコネクターで結合された本発明による電気化学的モジュールの断面図。
【図２ｅ】インターコネクターで結合された本発明による電気化学的モジュールの断面図。
【図２ｆ】インターコネクターで結合された本発明による電気化学的モジュールの断面図。
【図２ｇ】インターコネクターで結合された本発明による電気化学的モジュールの断面図。
【図２ｈ】インターコネクターで結合された本発明による電気化学的モジュールの断面図。
【図３】複数のガス導入開口部が組み込まれた金属製の支持サブストレートの斜視図。
【図４】金属支持サブストレートの周縁領域の、表面に溶融した支持サブストレート材料を有する検鏡試片の走査型電子顕微鏡写真。
【図５ａ】金属支持サブストレートの周縁領域表面の表面溶融前の走査型電子顕微鏡写真。
【図５ｂ】金属支持サブストレートの周縁領域表面の表面溶融後の走査型電子顕微鏡写真。
【図６ａ】本発明による電気化学的モジュールの溶接ゾーンの検鏡試片の光学顕微鏡写真で、侵入度の浅い溶接ゾーンの場合。
【図６ｂ】本発明による電気化学的モジュールの溶接ゾーンの検鏡試片の光学顕微鏡写真で、侵入度の深い溶接ゾーンの場合。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１は本発明による電気化学的モジュール（４）を２個備えたスタック（２）の模式図であり、これらのモジュールはそれぞれ１つのインターコネクター（６）と結合されている。これらの電気化学的モジュール（４）はそれぞれ、粉末冶金的に製造された多孔性でプレート状の金属製の支持サブストレート（８）、及び、この支持サブストレート（８）の第１の面（１３）に載置された金属製のフレーム薄板（１４）を有し、前記支持サブストレートはガス透過性の中央領域（１０）及びこの中央領域よりもさらに圧縮された周縁領域（１２）を有し、前記フレーム薄板はその内側のフレーム領域（１６）のオーバーラップ領域において、周回している溶接接合部（１８）を介して支持サブストレート（８）の周縁領域（１２）と結合されている。この場合、この周縁領域（１２）の多孔度は中央領域（１０）よりも小さいが、それでもこの周縁領域はガスを透過するように形成されている。支持サブストレート（８）の第２の面（２０）ではそれぞれ、中央部にリブ構造（２２）を有するインターコネクター（６）が支持サブストレート（８）に部分的に当接しており、インターコネクター（６）とフレーム薄板（１４）はそれぞれ周回するように周縁領域と当接しており、さらに、溶接接合部（２４）を介して周回するように互いに結合されている。ここで、図１における視線の方向はリブ構造（２２）の延長方向に沿っている。
【００３５】
積層体の構成及び気密ゾーンについて図２ａを参照して以下説明する。この図は、インターコネクター（６）と結合された本発明による電気化学的モジュール（４）の積層体と気密ゾーンの部分を断面図でさらに詳細に、模式的に（図１とは違う大きさで）示すが、ここでは視線方向はインターコネクター（６）のリブ構造（２２）の延長方向とは垂直である。同一部品には図１の場合と同じ符号が付されている。中央領域（１０）には支持サブストレート（８）の第１の面の上に、ここでは支持サブストレート（８）上に配設されたアノード（２８）とこのアノード（２８）上に配設された電解質（３０）とを有する積層体（２６）が取付けられており、ここでは、通常はアノード（２８）と支持サブストレート（８）の間に設けられている拡散バリアー層は示されていない。積層体（２６）からフレーム薄板（１４）まで広がっている気密ゾーン（３２）が、気密な電解質（３０）が中央領域（１０）及びアノード（２８）を越えて第１の面（１３）上で支持サブストレート（８）の表面に沿ってフレーム薄板（１４）を含むオーバーラップ領域まで（それどころか、この場合には支持サブストレート（８）の外側縁部（３４）まで）延びるように形成されている。溶接接合部（１８）により電解質（３０）からフレーム薄板（１４）への周回状の気密な移行が行われる。この溶接接合部の１つの溶接ゾーン（３６）が第１の面（１３）から厚さ方向（３８）で反対側の第２の面（２０）の方向に支持サブストレート（８）の厚さの一部だけを通って延びている。ここで、厚さ方向（３８）として、プレート状の支持サブストレート（８）の主広がり面に対して垂直な方向が示されている。図２ａにはさらに、フレーム薄板（１４）に形成されたガス通流開口（４０）が示されている。
【００３６】
本発明の他の実施形態を図２ｂ〜２ｈを参照して以下に説明する。ここでは表示の仕方は、インターコネクター（６）のリブ構造（２２）及びガス通流開口（４０）が示されていないことを除けば、図２ａと同じである。以下においては気密ゾーンの構成の異なる代案についてのみ説明する。ここでは同一部品には同一符号が使用され、図１および図２ａとは異なる構造のみを説明する。図２ｂの実施例では、支持サブストレート（８）の周縁領域（１２）において第１の面（１３）の上に付加的に、支持サブストレート材料で作られた、支持サブストレート（８）の表面の気密部分（４１）が形成されており、この表面気密部分（４１）は支持サブストレート材料の溶融相を有し、支持サブストレート（８）の外側縁部（３４）まで広がっている。この表面気密部分（４１）は支持サブストレート材料の表面での溶融により作られたものである。こうして、２つの気密な層、すなわち、気密な電解質（３０）及び表面気密部分（４１）が積層して配設されている。図２ｃの実施形態では、電解質（３０）と支持サブストレート（８）の周縁領域（１２）との間に、シール材で形成されたシール層（４２）が設けられており、このシール層は同様に支持サブストレート（８）の外側縁部（３４）まで広がっている。この場合、製造に関しては、そのシール材は周縁領域（１２）において支持サブストレート（８）の第１の面（１３）の上に、電解質（３０）を取り付ける前に、被着される。気密な電解質（３０）及びシール層（４２）が、積層して形成された２つの気密な層を構成する。図２ａに対するもう１つの変更点は、図２ｃの電気化学的モジュールでは、電解質（３０）の上にすでにカソード（４４）が設けられていることであり、ここでは、通常は電解質（３０）とカソード（４４）の間に設けられている拡散バリアー層は示されていない。図２ｄでは、図２ｂとは異なり、溶接接合部（１８‘）の溶接ゾーン（３６‘）がフレーム薄板（１４）の内側縁部（４６）に周回するように形成されており、厚さ方向（３８）においてフレーム薄板（１４）の厚さの一部を通ってのみ（したがって、支持サブストレート（８）の厚さの一部を通ってのみ）延びている。図２ｅでは、図２ｂとは異なり、溶接接合部（１８‘‘）の溶接ゾーン（３６‘‘）が支持サブストレート（８）の外側縁部（３４）に周回するように形成されており、厚さ方向（３８）においてフレーム薄板（１４）の厚さの一部を通ってのみ（したがって、支持サブストレート（８）の厚さの一部を通ってのみ）延びている。図２ｆでは、電解質（３０‘‘‘）が同様に中央領域（１０）及びアノード（２８）を越えて第１の面（１３）上で支持サブストレート（８）の表面に沿って広がっているが、図２ｂとは異なり、フレーム薄板（１４）の内側縁部（４６）に達する前で、並びに、溶接接合部（１８）の前で終端している。さらに、図２ｂに示されているように、表面気密部分（４１）が設けられている。こうして、積層して配設され気密な２つの層は部分的にのみ設けられている。図２ｇでは、図２ｆについて説明したと同様の変更が行われているが、図２ｄとは異なっている。図２ｈでは、図２ｆについて説明したと同様の変更が行われているが、図２ｅとは異なっている。図２ａから図２ｈに基づき明らかなように、層スタックのパラメータ数及び構造、電解質の構成、表面気密部分の構成、シール層の構成、並びに、溶接ゾーンの構成及び配置、に関するさらなる組合せの可能性がある。特に、例えば、完全に又は部分的にのみオーバーラップしている、１つないし３つの気密な層（電解質、シール層、表面気密部分）を設けることができる。
【００３７】
図３には、粉末冶金的に製造された、多孔性でプレート状の金属製の支持サブストレート（８）のもう一つの代案が示されている。ここでは、金属製の支持サブストレート（８）はガス透過性の中央領域（５０）、及び、この中央領域よりもさらに圧縮された周縁領域（５２）を有し、前記中央領域に積層スタックを取り付けることができる。この場合、周縁領域（５２）の多孔度は中央領域（５０）よりも小さいが、それでもなおガスが透過するように形成されている。周縁領域（５２）には、互いに対向している２つの側にそれぞれ複数のガス通流開口（５４）が設けられており、これらのガス通流開口はそれぞれ周縁領域（５２）を貫通している。第１の面に、すなわち、積層スタックが取り付けられる側の面（５６）に、支持サブストレート材料から成る、支持サブストレート材料の溶融相を有する支持サブストレート（４８）の表面気密部（５８）が形成され、これは支持サブストレート（４８）の外側縁部（６０）まで広がっている。この表面気密部（５８）は支持サブストレート材料の表面溶融により作られたものである。ガス通流開口（５４）の円筒状の壁部（６２）も気密に形成されており、このことは、例えば、レーザーカッティングを用いることにより達成することができる。これらの壁部（６２）は表面気密部（５８）と気密に境を接している。
【００３８】
例えばレーザー加工で作られた表面気密部（５８）は、マイクロストラクチャー（ここでは：溶融相）に基づき、並びに、多孔度の違いに基づき、その下部の多孔性部（６４）と区別することができ、このことが図４の走査型電子顕微鏡写真から判る。表面気密部を作るためのレーザー加工の前（図５ａ）及びレーザー加工の後（図５ｂ）の、粉末冶金的に製造され、予め圧縮された周縁領域の表面の図５ａ及び図５ｂの走査型電子顕微鏡写真から、表面粗さが著しく減少していることが判る。このことにより、電解質の付着特性も改善され、または、シール層も得られる。図６ａ及び６ｂにそれぞれ、検鏡試片における、フレーム薄板（６６）と多孔性で粉末冶金的に製造された支持サブストレート（６８）との間の溶接接合部の断面が示されている。溶接接合部の溶接ゾーン（７０）は、一方は、当該領域（約±５％の変動幅を含む）における支持サブストレート（６８）の厚さｄの約２０％の深さｔまで延びており（図６ａ）、他方は、約７０％の深さｔまで広がっている（図６ｂ）。図６ａの溶接接合の溶接パラメータは、Ｐ＝５５０Ｗ、ｚｆ＝０ｍｍ、ΦFaser＝４００μｍ、ΦSpot＝４００μｍ、ｖｓ＝４ｍ／分であり、図６ｂに対しては、Ｐ＝６００Ｗ、ｚｆ＝０ｍｍ、ΦFaser＝４００μｍ、ΦSpot＝４００μｍ、ｖｓ＝４ｍ／分であった。ここで、Ｐはレーザーパワー、ｚｆは焦点位置、ΦFaserはファイバー直径、ΦSpotはスポット直径、ｖｓはビーム速度を表す。
【００３９】
製造例：
特許文献３に関連して上述した全体組成と粒径を有する原料粉末から、粉末冶金的な方法で（すなわち、原料粉末の圧縮ステップと焼結ステップを含む）、支持サブストレートが作られた。その結果、この支持サブストレートの厚さは０．８ｍｍ、多孔度は約４５体積％であった。焼結工程及び所望の形状に切断後、このサブストレートの周回している周縁領域が最大プレス力１５００ｔの一軸プレスを用いて圧縮される。プレス工程後のこの圧縮された周縁領域の残多孔度は８体積％であった。圧縮に次いで、ディスク  レーザー及びこれに同調された３Ｄレーザー光学系を用いて、周縁領域の第１の面が表面的に溶融される。この加工ステップのパラメータとして、ビーム速度４００ｍｍ／ｓ、スポット直径１５０μｍにおいて、レーザーパワー１５０Ｗが使用された。この被加工面（ここでは：周縁領域の第１の面の全面）は蛇行状にスキャンされるので、この面は全面にわたって加工される。次に、例えばマグネトロンスパッタリングのようなＰＶＤプロセスにより、セリウム  ガドリニウム  オキシドから成る拡散バリアー層が被着される。この処理工程の後で、電気化学的に活性なセルのために（燃料電池として運転される場合）必要なアノード、これはニッケルと、イットリウムオキシドで完全に安定化されたジルコニウム  ジオキシドとから成る複合体で構成されている、がスクリーン印刷により被着される。この場合、多層の勾配付きアノード（mehrschichtige gradierte Anode）は、表面が溶融された支持サブストレートの周縁領域上で終端しているので、オーバーラップ領域が形成される。減圧雰囲気及びＴ＞１０００℃の条件下での焼結工程により、アノードが焼結される。続いて、その上に、イットリウムオキシドで完全に安定化されたジルコニウム  ジオキシドから成る電解質層がＰＶＤプロセス（ガス  フロー  スパッタリング）により面全体に被着される。さらに、例えばＬＳＣＦ（（Ｌａ、Ｓｒ）（Ｃｏ、Ｆｅ）Ｏ３）のような混合導電性電極材を使用するために、拡散バリアー（セリウム  ガドリニウム  オキシド）が必要である。これは同様にＰＶＤプロセスにより非常に薄く被着することができる（例えば、マグネトロンスパッタリング）。差圧法により特性漏れ率を測定した後で、電極材ＬＳＣＦ（（Ｌａ、Ｓｒ）（Ｃｏ、Ｆｅ）Ｏ３）が被着される。これは通常は同様にスクリーン印刷工程で行われる。カソード層に必要な焼結は電気化学的セルの試運転時にその場で行われる。これによりこの電気化学的なセルはフレーム薄板への組み込みのための準備ができる。その際、層が付けられた支持サブストレートは冶具を用いて位置決めされる。そして、この支持サブストレートの、積層スタックも配設されている（第１の）面に、フレーム薄板の対応部分ができるだけ隙間なく張り付けられる。周回している溶接継目が、同様に３Ｄスキャナー光学系及びディスク  レーザーを用いて実現される。支持サブストレートとフレーム薄板の厚さに応じて、そのレーザーパワーを調節しなければならない。レーザーパワー６００Ｗ、スポット直径４００μｍ及びビーム速度４０００ｍｍ／分という調節されたパラメータにより、本出願による電気化学的セルを組み込むことができる。
【符号の説明】
【００４０】
２      スタック
４      電気化学的モジュール
６      インターコネクター
８      支持サブストレート
１０    中央領域
１２    周縁領域
１３    第１の面
１４    ケーシング部（フレーム薄板）
１６    ケーシングセグメント（フレーム領域）
１８    溶接接合部
２０    第２の面
２２    リブ構造
２４    溶接接合部
２６    積層体
２８    アノード
３０    電解質
３２    気密ゾーン
３４    外側縁部
３６    溶接ゾーン
３８    厚さ方向
４０    ガス通流開口
４１    表面の気密部
４２    シール層
４４    カソード
４６    内側縁部
４８    支持サブストレート
５０    中央領域
５２    周縁領域
５４    ガス通流開口
５６    第１の面
５８    表面の気密部
６０    外側縁部
６２    壁部
６４    多孔性部
６６    フレーム薄板
６８    支持サブストレート
７０    溶接ゾーン
ｄ      支持サブストレートの厚さ
ｔ      深さ
【図１】
2018528575.tif 000003
【図２ａ】
2018528575.tif 000004
【図２ｂ】
2018528575.tif 000005
【図２ｃ】
2018528575.tif 000006
【図２ｄ】
2018528575.tif 000007
【図２ｅ】
2018528575.tif 000008
【図２ｆ】
2018528575.tif 000009
【図２ｇ】
2018528575.tif 000010
【図２ｈ】
2018528575.tif 000011
【図３】
2018528575.tif 000012
【図４】
2018528575.tif 000013
【図５】
2018528575.tif 000014
【図６】
2018528575.tif 000015
【国際調査報告】
2018528575.tif 000016
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