(57)【要約】本発明は、電気化学モジュール（２０）用の多孔質成形品（１０，１０`、１０``）に関する。電気化学モジュール（２０）は、少なくとも１つの電気化学的活性層を含む層構造（２３）を有する少なくとも１つの電気化学セルユニット（２１）と、電気化学セルユニット（２１）と共に密閉処理ガス空間（２６）を形成する金属製の密閉筐体（２４、２５）とを備える。筐体（２４、２５）は、少なくとも１つの側面で、電気化学セルユニット（２１）の領域を越えて延在し、電気化学セルユニットに開口している処理ガス案内空間（２７）を形成し、かつ処理ガス案内空間（２７）の近くで、処理ガスを供給および／または除去するための少なくとも１つのガス通路開口（２８）を有する。本発明の成形品（１０，１０`、１０``）は、電気化学セルユニット（２１）とは別の構成要素として形成され、処理ガス案内空間（２７）内に配置され、かつ電気化学モジュールの積層方向（Ｂ）に沿って両側で筐体を支持するように適合されている。
2020511749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学モジュール（２０）用の多孔質または少なくとも部分的に多孔質の成形品（１０，１０`、１０``）であって、
前記電気化学モジュール（２０）が、少なくとも１つの電気化学的活性層を含む層構造（２３）を有する少なくとも１つの電気化学セルユニット（２１）と、
前記電気化学セルユニット（２１）と共に密閉処理ガス空間（２６）を形成する金属製の密閉筐体（２４、２５）とを備え、
前記筐体（２４；２５）が、少なくとも１つの側面で前記電気化学セルユニット（２１）の領域を越えて延在し、前記電気化学セルユニットに開放している処理ガス案内空間（２７）を形成し、かつ前記処理ガス案内空間（２７）の近くに、処理ガスを供給および／または除去するための少なくとも１つのガス通路開口（２８）を有し、
前記成形品（１０，１０`、１０``）が、前記電気化学セルユニット（２１）とは別の構成要素として形成され、かつ前記処理ガス案内空間（２７）内に配置され、前記電気化学モジュールの積層方向（Ｂ）に沿って前記筐体を両側で支持するように適合されていることを特徴とすることを特徴とする成形品。
【請求項２】
前記成形品（１０，１０`、１０``）が、少なくとも１つのガス通路開口（１１）を有することを特徴とする請求項１記載の成形品。
【請求項３】
前記成形品（１０，１０`、１０``）が、前記ガス通路開口（１１）から前記成形品の側縁までの主延在面において少なくとも１つの方向にガス透過性であることを特徴とする請求項２記載の成形品。
【請求項４】
前記ガス透過性が前記成形品の開気孔構造によって生成されることを特徴とする請求項３記載の成形品。
【請求項５】
前記成形品（１０，１０`、１０``）が、前記主延在面に沿って少なくとも１つの流路（１２）を有することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の成形品。
【請求項６】
前記１つまたは複数の流路（１２）が、前記ガス通路開口（１１）から前記側縁まで連続的に延在していることを特徴とする請求項５記載の成形品。
【請求項７】
前記１つまたは複数の流路（１２）が、前記ガス通路開口（１１）の近くで、前記ガス通路開口（１１）から放射状にまたはほぼ放射状に外側に延在していることを特徴とする請求項５又は６記載の成形品。
【請求項８】
前記複数の流路（１２）が、互いに平行またはほぼ平行に前記側縁に開口していることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の成形品。
【請求項９】
前記複数の流路の場合に、前記流路の長さに比例して、前記１つまたは複数の流路の断面積が大きくなることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の成形品。
【請求項１０】
前記１つまたは複数の流路（１２）が、前記成形品の厚さ全体にわたり少なくとも部分的に延在していることを特徴とする請求項５〜９のいずれか１項に記載の成形品。
【請求項１１】
前記成形品（１０，１０`、１０``）が、粉末冶金により製造された鉄および／またはクロム系のフェライト合金から形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の成形品。
【請求項１２】
前記成形品が前記処理ガス案内空間（２７）内に配置される、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の成形品の電気化学モジュール（２０）における使用。
【請求項１３】
少なくとも１つの電気化学的活性層を含む層構造（２３）を有する実質的に板状の電気化学セルユニット（２１）と、
前記電気化学セルユニット（２１）と共に密閉処理ガス空間（２６）を形成する金属製の密閉筐体（２４、２５）と、を備える電気化学モジュール（２０）であって、
前記筐体（２４、２５）が、少なくとも１つの側面で前記電気化学セルユニット（２１）の領域を越えて延在し、前記筐体（２４、２５）が、前記電気化学セルユニットに開口しいている処理ガス案内空間（２７）を形成し、処理ガスを供給および／または除去するために前記処理ガス案内空間（２７）の近くに少なくとも１つのガス通路開口（２８）を有し、
前記処理ガス案内空間（２７）内の前記ガス通路開口の近くで、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の少なくとも１つの成形品（１０，１０`、１０``）が配置され、前記成形品（１０，１０`、１０``）が、前記電気化学モジュール（２０）の積層方向（Ｂ）に沿った前記筐体の支持に用いられることを特徴とする電気化学モジュール（２０）。
【請求項１４】
前記層構造（２３）が、少なくとも前記層構造の近くで多孔質である実質的に板状の金属製の支持基板（２２）の前記処理ガス空間から外側を向いた第１の側面に配置されていることを特徴とする請求項１３記載の電気化学モジュール。
【請求項１５】
密閉筐体（２４、２５）が、前記支持基板の周囲を取り囲む少なくとも１つのフレームパネル（２５）と、インターコネクタ（２４）とから構成され、前記フレームパネル（２５）は、その内側の縁部で前記電気化学セルユニット（２１）に密閉接合され、円周溶接接続により外縁部でインターコネクタ（２４）に密閉接合されていることを特徴とする請求項１４記載の電気化学モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１に記載の電気化学モジュール内に配置するための多孔質成形品、および請求項１３に記載の電気化学モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明による多孔質成形品は、特に、高温燃料電池すなわち固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）および可逆作動型固体酸化物形燃料電池（Ｒ．−ＳＯＦＣ）として使用可能である電気化学モジュールにおいて使用される。基本構成では、電気化学モジュールの電気化学的に活性なセルが、ガス透過性アノードとガス透過性カソードとの間に配置された密閉固体電解質を含んでいる。アノード、電解質およびカソードのような電気化学的に活性な構成要素は、しばしば比較的薄い層として形成されている。結果として必要な機械的な支持機能は、それぞれ対応する厚さに形成された電気化学的に活性な層の１つ、例えば、電解質、アノードまたはカソードによって提供され（これらの場合、それぞれ電解質支持型セル、アノード支持型セルまたはカソード支持型セルと呼ばれる）、あるいは、これらの機能層とは別に形成された構成要素、例えば、セラミックまたは金属製の支持基板によって提供される。別に形成された金属製の支持基板を有する後者の方法では、金属基板支持型セル（ＭＳＣ；metal supported cell）と呼ばれる。ＭＳＣの場合を考えると、厚さの減少および温度の上昇に伴って電気抵抗が減少する電解質は、比較的薄く（例えば、２〜１０μｍの範囲内の厚さに）することができるので、ＭＳＣは、約６００℃〜８００℃の比較的低い動作温度で動作させることができる（これに対して、例えば、電解質支持型セルは、部分的に、１０００℃までの動作温度で動作する）。ＭＳＣは、それらの特定の利点のために、乗用車又は商用車の電源（ＡＰＵ−補助電源ユニット）などの自動車用途に特に適している。
【０００３】
電気化学的に活性なセルユニットは、通例、板状の個別要素として形成され、これらの要素は、対応する（金属）筐体部品（例えば、インターコネクタ、フレームパネル、ガス管等）と共に上下に配置されて積層電池を形成し、直列に電気接触される。対応する筐体部品は、積層電池の個々のセルにおいて、お互いに個別に処理ガスの供給（燃料電池の場合、アノードへの燃料の供給およびカソードへの酸化剤の供給）と、電気化学反応時に生成されるガスのアノード側およびカソード側での除去とを行う。
【０００４】
単一の電気化学セルに基づき、積層電池内において電解質の両側に、それぞれ１つの処理ガス空間が形成されている。積層電池は閉鎖構造にしてもよく、そこでは、それぞれ電解質と対応する筐体部分（インターコネクタ、必要に応じて、フレームパネルによって、またはＭＳＣの場合は、支持基板の縁部によって）とによって仕切られた両処理ガス空間が気密に密閉される。積層電池の場合は、開放構造にすることも可能であり、その場合、１つの処理ガス空間のみが気密に密閉される。燃料電池の場合は、例えば、燃料ガスが供給および/または反応生成物が除去されるアノード側の処理ガス空間のみが気密に密閉される。これに対して、例えば、酸化剤（酸素、空気）は積層電池内を自由に流動する。例えば、フレームパネル、インターコネクタに一体形成できる、あるいはＭＳＣの場合には、支持基板の縁部にも一体形成できるガス通路開口は、それぞれ密閉処理ガス空間への処理ガスの供給および密閉処理ガス空間からの処理ガスの除去に使用される。特許文献１には、ＭＳＣ用の開放構造の積層電池の配置が例として記載されている。
【０００５】
積層電池を機能させるためには、多数の処理ガス空間が確実に互いに密閉分離され、そしてこの密閉分離が、機械的荷重を受けた時にも、動作中に温度が周期的に変動する場合にも、維持されることが重要である。
特に、１つの積層電池の製造時には、複数のモジュールを縁部で互いにプレス成形したときに、これらの荷重により、溶接継ぎ目に撓み変形や亀裂が生じることがあり、それによって密閉状態が危険にさらされる。
【０００６】
電気化学モジュールの効率のために重要なことは、電気化学的活性層に処理ガスを均一に流入させ、および発生した反応ガスを均一に除去することである。その際に、圧力降下が僅かであるのが好ましい。積層電池内の多数の電気化学モジュールは、対応する流路構造により垂直方向に形成されるのに対して、水平方向の１つの電気化学モジュールは、通常、インターコネクタに一体化された分配構造により形成される。隣接する電気化学セルユニット同士の電気接触を行う機能を有するインターコネクタは、この目的ために、両面に、例えば、ノブ状、リブ状または波状であってもよいガス案内構造を有している。多くの用途で、インターコネクタは、適切に形成された金属薄板部によって形成されており、この金属薄板部材は、積層電池内の他の構成要素と同様に、重量最適化のために可能な限り薄く設計されている。積層電池の接合中または動作中に生じるこの種の機械的応力の場合に、この薄い構造は、変形を生じ易く、そのため要求されるに密閉状態に関して極めて有害である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】欧州特許第１２７８２５９号明細書
【特許文献２】欧州特許第２１７４３７１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、電気化学モジュールの処理ガス空間の密閉状態が長い使用期間にわたり機械的荷重および温度変動のもとでも保証される、コスト効率の良い電気化学モジュールおよび電気化学モジュールの処理ガス空間内で使用する成形品を提供することにある。電気化学モジュールのさらなる発展形態は、有利なガス案内特性により区別される。すなわち、本発明の目的は、板状の電気化学セルユニットにわたって処理ガスができるだけ均一に分配されるように、処理ガス空間内での処理ガスの非常に均一な小さい圧力降下を達成することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的は、請求項１による成形品、請求項１２による成形品の使用および請求項１３による電気化学モジュールによって達成される。有利な改良点が従属請求項に記載されている。
【００１０】
本発明による成形品は、高温燃料電池すなわち固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ；solid oxide fuel cell）、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ；solidoxide electrolyzer cell）、可逆作動型固体酸化物形燃料電池（Ｒ−ＳＯＦＣ）として使用することができる電気化学モジュールに使用される。このような電気化学モジュールの基本構造は、少なくとも１つの電気化学的活性層を含む層構造を備えた電気化学セルユニットを特徴とし、支持基板を有してもよい。本明細書中で、電気化学的活性層、とりわけ、アノード層、電解質層又はカソード層を指すものと理解され、必要であれば、層構造は、さらなる層（例えば、電解質とカソードの間のセリウム−ガドリニウム酸化物からなる層）を有してもよい。その際に、全ての電気化学的活性層が存在する必要はなく、むしろ、層構造は、１つの電気化学的活性層（例えば、アノード）、好ましくは、２つの電気化学的活性層（例えば、アノードおよび電解質）のみを有してもよい。されなる複数の層、特に、電気化学セルユニットを完成するための層は、その後まで塗布することができない。電気化学セルユニットは、電解質支持型セル、アノード支持型セル、またはカソード支持型セルとして形成してもよい（セルにその名前が付いている層は、より厚く、機械的な耐荷重機能の役割を担っている）。本発明の好適な実施形態である金属基板支持型セル（ＭＳＣ）場合は、積層は、ガス透過性の中央部において、一般に、１７０μｍ〜１．５ｍｍの範囲、より好ましくは、２５０μｍ〜８００μｍの範囲の好適な厚さを有する多孔質の板状の金属支持基板上に配置されている。この場合、支持基板は、電気化学セルユニットの一部を形成している。積層の層は、周知の方法で、好ましくは、例えば、スパッタリングのようなＰＶＤ (ＰＶＤ：物理蒸着)、および／または、例えば、フレーム溶射もしくはプラズマ溶射のような熱被覆法、および／または、例えば、シルクスクリーン、湿式粉体塗装のような湿式化学法等によって行われる。電気化学セルユニットの層構造全体を実現するために、これらの方法の２つ以上を組み合わせることもできる。慣例上、アノードは、支持基板直後の電気化学的活性層である。一方、カソードは、支持基板から離れた側面に形成されている。しかし、その代わりに、両電極の逆の配置も可能である。
アノード（例えば、ニッケルと、酸化イットリウムで完全安定化された二酸化ジルコニウムとから成る複合物で形成されたＭＳＣの場合）だけでなく、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形成されたＭＳＣの場合）も、ガス透過性に形成されている。アノードとカソードの間に形成されているものは、金属酸化物（例えば、酸化イットリウムで完全安定化された二酸化ジルコニウム）の固体セラミック材料からなる密閉固体電解質であり、これは酸素イオンに対しては伝導性であるが電子に対しては伝導性ではない。その代わりに、固体電解質は陽子に対して導電性であってもよく、これは、より最近の世代のＳＯＦＣに関係する（例えば、金属酸化物、より好ましくは、酸化バリウムジルコニウム、酸化バリウムセリウム、酸化ランタンタングステン、または酸化ランタンニオブから成る固体電解質）。
【００１１】
電気化学モジュールは、さらに、電気化学セルユニットと共に密閉処理ガス空間を形成する少なくとも１つの金属製の密閉筐体を有する。電気化学セルユニットの近くで、処理ガス空間は、密閉電解質によって仕切られる。反対側で、処理ガス空間は、通常、インターコネクタによって仕切られ、このインターコネクタは、本発明では、筐体の一部と見なされる。インターコネクタは、電気化学セルユニットの密閉部分に、必要ならば、処理ガス空間の残りの境界を形成する追加の筐体部品、より好ましくは、周囲を取り囲むフレームパネル等と組み合わせて、密閉接続されている。ＭＳＣの場合、インターコネクタの密閉取付けは、追加の筐体部品を介して、例えば、周囲を取り囲むフレームパネルを介して、はんだ接続および／または溶接接続によるのが好ましい。密閉電解質と共に、支持基板に密接に接続されている周囲を取り囲むフレームパネルの例では、密閉処理ガス空間を形成する。電解質支持型セルの場合、取付けは、焼結接続によって、または密封剤（例えば、ソルダーガラス）を塗布して行ってもよい。
本発明に関する「密閉」とは、特に、十分な密閉状態における漏れ量が、標準的に＜１０?３ ｈＰａ＊ｄｍ３／ｃｍ２ｓ（ｈＰａ：ヘクトパスカル、ｄｍ３：立方デシメートル、ｃｍ２：平方センチメートル、s：秒）に達することを意味する（大気中で昇圧法により、Remscheid所在のDr．Wiesner社製の測定器、IntegraDDVを使用して、差圧ｄｐ＝１００ｈＰａで測定)。
【００１２】
筐体は、電気化学セルユニットの少なくとも１つの側面において、電気化学セルユニット領域を越えて延在し、処理ガス空間の部分空間として、電気化学セルユニットに開口した処理ガス案内空間を形成する。したがって、処理ガス空間は、２つの部分領域、すなわち、電気化学セルユニットの層構造の直下の内部領域と、その内部領域を取り囲む処理ガス案内空間とに細分割されている（理論的に）。
処理ガス案内空間の近くでは、筐体に、処理ガスの供給および／または除去に用いられるガス通路開口が形成されている。ガス通路開口は、例えば、インターコネクタの縁部と、周囲を取り囲むフレームパネルのような筐体部品とに一体化することができる。
処理ガス空間の内部領域における電気化学セルユニットへの供給は、インターコネクタに好適に一体化された分配構造によって行われる。インターコネクタは、例えば、ノブ状、リブ状または波状の適切な形状の金属薄板部材によって構成するのが好ましい。
【００１３】
ＳＯＦＣとしての電気化学モジュールの動作中、アノードには、インターコネクタのガス通路開口および分配構造を介して、燃料（例えば、水素、またはメタン、天然ガス、バイオガス等の従来の炭化水素、必要に応じて、予め完全にまたは部分的に改質されたもの）が供給されて、そこで触媒作用により酸化され、電子が放出される。電子は、燃料電池から放出され、電気負荷を介してカソードに流れる。カソードでは、酸化剤（例えば、酸素または空気）が、インターコネクタのガス通路開口および分配構造を介して、電子を受け取ることによって還元される。電解質が酸素イオンに対して伝導性である場合に、カソードにおいて生じる酸素イオンが、電解質を介してアノードに流れ、対応する境界面において燃料と反応することによって、電気回路が閉成される。
固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）として電気化学モジュールが動作する場合には、電流を使用して、酸化還元反応、例えば、水の水素および酸素へ強制的に変換される。ＳＯＥＣの構造は、実質的に上記で概説したＳＯＦＣの構造に対応するが、カソードとアノードの役割が逆になっている。可逆作動型固体酸化物形燃料電池（Ｒ?ＳＯＦＣ）は、ＳＯＥＣとしても、ＳＯＦＣとしても動作可能である。
【００１４】
本発明により提供されるのは、電気化学セルユニットおよび筐体とは別の構成要素として形成されている成形品である。成形品は、粉末冶金によって製造されるため、例えば、縁部もしくは表面において、プレス成形または局所融解によって後処理される場合、多孔質であるか、または少なくとも部分的に多孔質である。多孔質成形品を使用することによって、同等の機械的特性を有する中実部品と比較して明白な軽量化を達成することができる。成形品は、板状に形成され、主延在面を有する1つの板状体を有する。本発明によれば、成形品は処理ガス案内空間内での配置に適合、換言すれば、その成形品の形状は処理ガス案内空間の内部空間に適合されている。電気化学モジュールの動作中、成形品は、完全に処理ガス案内空間内、すなわち、電気化学セルユニットの層構造の真下の領域外側の処理ガス空間に完全に配置されるのが好ましい。成形品は、その上側が処理ガス案内空間の上部筐体部分に当接し、その底側が処理ガス案内空間の下部筐体部分に当接するのが好ましい。したがって、成形品の厚さは処理ガス案内空間の空間内部高さに対応している。その結果、上部筐体壁および下部筐体壁は、積層方向に沿って、処理ガス案内空間の近くで支持される。
【００１５】
電気化学モジュールために、この成形品を使用することは、幾つかの点で有利である。
重要な仕事として、成形品は機械的支持機能の役割を果たす。既に上述したように、板状成形品はスペーサであり、押圧力が加えられると筐体縁部の圧縮を防止する支持要素として機能する。したがって、成形品は、個々のモジュールの積層時および後続の積層電池を形成するプレス成形時に発生するような垂直方向（電気化学モジュールの積層方向）の機械的荷重を受け入れ、これらの荷重を隣接するモジュールに伝達することができる。
さらに、成形品は、電気化学モジュールの縁部の機械的補強を行う。成形品の板状構造により、筐体縁部の撓み剛性およびねじり剛性が著しく増大したため、筐体縁部が撓みまたは他の変形から保護される。その結果、モジュールの縁部では、実際問題として密閉状態に関して弱点となることが多い、個々の筐体部分および/または電気化学セルユニット間の溶接継ぎ目または他の接合点、例えば、はんだ付けまたは焼結接合点への付加的応力を回避することができる。
【００１６】
これらの機械的機能に加えて、好適な発展形態における成形品は、処理ガス案内空間内のガス案内を改善するのに役立つ。ガス案内を最適化するために、成形品内に、ガス案内構造を形成して、ガス通路開口を通って処理ガス空間の内部領域内に流入するガスを、インターコネクタのガス案内構造へ運び、処理ガス空間の内部領域から流出するガスを、導出用のガス通路開口へ案内する。ガス案内構造は、成形品がガス分配器またはガス捕集器の機能を果たすかどうかに応じて、異なる設計にしてもよい。
【００１７】
好適な一実施形態では、成形品に、連続したガス通路開口が一体形成されている。成形品は、成形品のガス通路開口が処理ガス案内空間（筐体）のガス通路開口に開口し、垂直方向に連続したガス流路が積層電池内に形成されるように、電気化学モジュール内で整列されている。電気化学セルユニットへガスが流れることを可能にするために、成形品は、少なくとも１つの方向に、主延在面においてガス通路開口から内部の処理ガス空間に面する側縁までガス透過性である。この目的ために、成形品は、全体的にまたは少なくともこの方向に、開放し連続した多孔を有してもよい。ガスの流れを最適化するために、成形品のガス透過性（気孔率）は、空間的に変化させてもよく、例えば、成形品の気孔率の段階的変化または局所的に異なる圧縮によって（例えば、不均質プレス成形の結果として）、適切に調整してもよい。
その代わりまたはそれに加えて、成形品は、主延在面に沿って少なくとも１つの流路を有してもよく、これにより、指向性の高いガス案内および高いガススループット率が可能になる。良好なガス分配および高いガス処理量のために、複数の流路を設けるのが好ましい。１つ又は複数の流路は、表面上に形成するのが好ましく、例えば、フライス加工、プレス加工または圧延加工によって、対応する構造を成形品の表面に形成してもよい。本明細書中において、閉気孔と、ガス通路開口から側縁まで延びる表面流路構造とを有する多孔質成形品も、同様に、ガス通路開口から側縁までガス透過性であると見なされる。また、１つまたは複数の流路は、成形品の厚さ全体にわたって少なくとも部分的に延在、すなわち、流路を表面だけでなく形成することも好ましいと考えられる。高いガススループット率は、この実施形態の場合有利であるが、しかし成形品が一体のままで、ばらばらにならないことを留意しなければならない。これを防止するために、厚さ全体にわたって延在する流路を、それらの流路の経路にわたり、表面流路構造または多孔質構造へ変更してもよい。
【００１８】
流動特性を改善するために、流路の形状は、数々の方法によって最適化してもよい。
好適な一実施形態において、１つまたは複数の流路は、ガス通路開口から内部処理ガス空間に面する成形品の側縁まで連続的に延在している。このようにして、高いガススループット率および小さい圧力降下を達成することができる。
【００１９】
さらなる実施形態によれば、ガス通路開口の近くで、１つまたは複数の流路が、ガス通路開口から放射状また実質的に放射状外向きに延在している。ここで、放射状とは、流路がガス通路開口の近くで流路に接する局所的な接線が、ガス通路開口の中心（非円形ガス通路開口の幾何学的重心）を通って延びていることを意味する。実質的に放射状とは、ちょうど半径方向からの偏差が最大＋／−１５°であることを意味する。処理ガス空間内部のインターコネクタの分配構造へのおよびからの均一なガス流入もしくはガス流出を得るために、流路は、内部の処理ガス空間に面する側縁において、互いに平行、または互いに実質的に平行に開口してもよい。ここで互いに平行とは、側縁において、多数の流路に対する局所的な接線が互いに平行に延びているか、またはそれらが互いに実質的に平行である場合には、多くて角度＋／−１０°異なることを意味する。側縁において、個々の流路は、互いに等距離で、側縁にわたって均一に分布しているのが好ましい。
好適な一実施形態では、処理ガスの均一な分配または除去のための他の手段として、複数の流路がある場合に、各流路の長さに比例して、流路の断面積が大きくなる構成になっている。したがって、長い流路長にわたる大きな圧力降下は、流路の大きな断面積によって補償される。
【００２０】
流れを最適化させた好適な一発展形態によれば、複数の流路が、ガス通路開口から離れて放射状に延び、内部処理ガス空間に面する側縁に開口している。ガス通路開口から最初は内部処理ガス空間とは反対の方向に分岐する流路は、この場合、内部処理ガス空間の方向を示す側縁へ弧状に方向が変えられる。
【００２１】
好適には、成形品は複数のガス通路開口を有し、ここからは、それぞれガス案内構造が、内側処理ガス空間に面する成形品の縁部に向かって分岐している。これにより、内部処理ガス空間への効率的かつ均一なガス供給を可能にする。
【００２２】
多孔質成形品は、電気化学セル内の配置において内部処理ガス空間に面していない残りの側縁に対して密閉してプレス成形してもよい。というのは、電気化学モジュールの動作中に、これらの方向にはガス流を必要としないからである。
【００２３】
本発明による成形品は、電気化学モジュールの残りの構成要素とは別に、粉末冶金によって製造するのが好ましい。この成形品は、モノリシック、すなわち１個から形成するのが好ましく、これは、おそらく溶解結合（例えば、はんだ付け、溶接など）によって互いに接合された複数の構成要素を含まないことを意味する。粉末冶金による１個の製造は、成形品の微細構造から明白である。成形品を製造するための出発材料として役立つのは、金属含有粉末であり、腐食安定性合金の粉末、例えば、Ｃｒ (クロム）および／またはＦｅ (鉄）系材料の組合せの粉末が好ましい。このことは、ＣｒおよびＦｅの割合は、合計で少なくとも５０重量％、好ましくは、合計で少なくとも８０重量％、より好ましくは、少なくとも９０重量％であることを意味している。この場合の成形品は、フェライト合金からなる。成形品は、好ましくは、出発粉末をプレス成形し、必要に応じて、有機結合剤を添加し、続いて焼結工程を行うことによって、周知の方法で製造される。
【００２４】
ＭＳＣで成形品を使用する場合、成形品は、ＭＳＣの支持基板と同じ材料で構成するのが好ましい。これは、この場合、熱膨張が同じであり、温度誘導応力が生じないので有利である。
【００２５】
別の構造、したがって、電気化学セルユニット（ＭＳＣ場合、金属基板を含む）の他の活性要素から成形品を個別に製造することは、幾つかの点で利点を有する。第１に、それによって柔軟性が与えられ、それぞれの構成要素は、例えば、異なる気孔率を設定することによって、特定の要求に対して互いに独立に最適化することができる。第２に、側縁のガス分配構造も考慮する必要がないことからそれほど複雑でないので、電気化学セルユニットの製造は、簡略化されより経済的にする。第３に、焼結工程後にさらに電気化学的活性層が被覆されるＭＳＣの金属基板と異なり、もはや熱後処理する必要がないので、成形品の製造時も利益をもたらす。したがって、成形品を高い最終輪郭度で製造することができる。
【００２６】
既に述べたように、本発明による成形品は、電気化学モジュール、特に、例えば、特許文献２に記載されているようなＭＳＣに使用される。好適な一実施形態では、処理ガスの供給および除去のための電気化学モジュールは、それぞれ異なるように形成された成形品を有する。この場合、成形品は、使用する材料、それらの形状、気孔率、流路構造などの形成されたガス誘導構造の形状などに関して異なっていてもよい。例えば、逆拡散を防止するために、ガス除去に使用される成形品の気孔率は、ガス供給に使用される成形品の気孔率よりも低くてもよい。
【００２７】
成形品は、電気化学モジュール内に、溶解接続によって、例えば、筐体に点溶接することによって固定するのが好ましい。この場合にも、成形品は、モジュールへの設置時に電気化学セルの別の構成要素に溶解接続される場合、本発明を、電気化学セルとは別に形成された構成要素を構成すると見なさないことに留意されたい。
【００２８】
上記の変形例において、多孔質成形品は、機械的支持機能を有し、処理ガス案内空間内のガス流を改善する役割を果たす。好適な一発展形態において、多孔質成形品は、処理ガスを扱うための触媒特性および／または反応特性を改善するために、その表面上でさらに機能化されている。すなわち、表面上で適切な機能化によって、処理ガスを取り込む（反応物側の処理ガスの処理および/または生成物側の後処理）ことができる。触媒特性および／または反応特性による機能化の場合に、多孔質成形品を使用することは有利である。なぜならば、通過する処理ガスと接触する表面が、多孔質部品の場合は中実部品と比べて著しく大きく、それに応じて反応し易いからである。
ＳＯＦＣで使用する場合には、例えば、処理ガスが、機能化された成形品により、反応物側でさらに改質再するか（炭素含有燃料ガスが、一酸化炭素と水素の混合物を含む合成ガスに変換されることを意味している）、および/または洗浄して硫黄または塩素などの不純物を除去できる。生成物側では、適切に機能化された成形品が、例えば、洗浄して揮発性クロムを除去することに寄与してもよい。
多孔質成形品の機能化は、処理ガスと触媒によっておよび／または反応によって作用する物質を、成形品の材料中に導入するか、表面被覆として塗布することによっても行うことができる。したがって、触媒および／または反応性物質は、焼結成形品を製造するための出発粉末に混入（「混ぜて合金にする」される）するか、および／または被覆工程によって焼結工程後に開気孔を有する成形品の表面上に塗布してもよい。この被覆工程は、当業者に周知の従来の方法によって行ってもよく、例えば、気相からの種々の堆積方法（物理気相成長、化学気相成長）によって、浸漬被覆（ここでは、構成要素が対応する機能材料を含む溶解物により含浸または浸透される）によって、または懸濁液またはペーストの塗布（特に、セラミック材料の場合）によって行われる。表面積拡大のために、被覆工程中に多孔質表面構造を維持しておくと有利である。すなわち、多孔質表面を上層で覆うのではなく、主として多孔質構造の内面のみを被覆する。
【００２９】
鉄および／またはクロムをベースとする合金から粉末冶金により製造された成形品を使用する場合、以下の材料による機能化が適切であることが分かっている。
反応物側で処理ガスの処理に以下の物質が使用される：
−  燃料ガスの触媒改質用：ニッケル、白金、パラジウム、および例えば、ＮｉＯ等これらの金属の酸化物；
−  反応ガス洗浄と硫黄および／または塩素の除去用：ニッケル、コバルト、クロム、スカンジウムおよび／またはセリウム；
−  酸素に対する反応ガスの精製用：クロム、銅および／またはチタン、この場合、チタンは同時に炭素に対して保持効果も有する。
生成物側で処理ガスの後処理のために以下の物質が使用される：
−  揮発性クロムイオンに対する精製のためのゲッター構造用：酸化物セラミック、例えば、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｍｎスピネル；
−  酸素に対する生成ガスの精製と逆拡散の防止用：チタン、銅または準化学量論的スピネル化合物：チタン、銅または準化学量論的スピネル化合物。
【００３０】
添付の図面を参照した以下の実施例の説明から、本発明のさらなる利点が明らかになる。図では、本発明の説明のために、大きさの割合は、常に縮尺どおりに示しているわけではない。各種図において、同一の構成要素には、同一の参照番号を付与する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１ａ】図１ａは電気化学モジュールに使用するための成形品の第１の実施形態を斜視図を示す。
【図１ｂ】図１ｂは図１ａの成形品の平面図を示す。
【図１ｃ】図１ｃは図１ａの成形品の側面図を示す。
【図２ａ】図２ａは本発明による成形品がない従来技術による３つの電気化学モジュールを有する積層電池の断面図を示す。
【図２ｂ】図２ｂはそれぞれ１つの図１ａによる成形品を備えた３つの電気化学モジュールを有する積層電池の断面図を示す。
【図２ｃ】図２ｃは図１ａによる成形品を備えた図２ｂの電気化学モジュールの分解図を示す（図２ｃの電気化学モジュールは、流路のより良好な視認性のために、図２ａおよび図２ｂのモジュールと比較して上下逆に示していることに留意されたい）。
【図３ａ】図３ａは電気化学モジュールに使用するための成形品の第２の実施形態の斜視図を示す。
【図３ｂ】図３ｂは図３ａの成形品の平面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１ａは、電気化学モジュール（２０）において使用するための成形品（１０）の第１の実施形態の斜視図を示す。電気化学モジュール（２０）内の成形品（１０）の配置を図２ｂおよび図２ｃに示す。図１ｂは、成形品（１０）の平面図を示し、図１ｃには、その成形品を、電気化学モジュール（２０）内に配置した状態で処理ガス空間の内部に面する側面（Ａ）からの側面図を示す。成形品（１０）は、粉末冶金によって製造されているため多孔質である。成形品は板状で、主延在面を有する板状体を有する。これは、複数のガス通路開口（１１）を有し、図示された変形例では、３つの中央のガス通路開口（１１）を有し、電気化学モジュールの動作中に、これらの開口を通って処理ガスが供給または除去される。これらのガス通路開口から、それぞれ放射状に、流路（１２）が成形品の側縁（Ａ）まで延びており、この側縁（Ａ）は、電気化学モジュール内の配置において、電気化学モジュールの内部処理ガス空間に面している。ガス通路開口（１１）から最初は内部処理ガス空間から離れる方向に分岐する流路は、内部処理ガス空間の方向に側縁（Ａ）へ弧状に方向を変える。個々の流路（１２）は、ガス通路開口から側縁（Ａ）まで連続的に延在し、それによって、効率的なガス案内および処理ガス案内空間内の低い圧力降下が可能になる。
さらに、成形品（１０）は、ガス通路開口（１１）から側縁（Ａ）の方向においてガス透過性の開気孔構造を有する（すなわち、個々の隣接する気孔間のガス交換が可能である）。その他の側縁で、成形品（１０）は、一緒にプレス成形されており（１３）、したがって、これらのその他の側縁の方向にはガス不透過性である。
電気化学モジュールの動作中、処理ガスは、ガス通路開口（１１）から流路（１２）および気孔を通って成形品の側縁（Ａ）に流れ、そこから、さらに内部処理ガス空間に流れる。そのガスは、反対方向に流れてもよい。
流路の数および幾何学的形状は、内部処理ガス空間へ均一な供給を最大化するために最適化される。この目的のために、隣接する流路間の距離は、側縁（Ａ）においてほぼ等しく、これらの流路が広がったとき、これらの流路は、側縁にわたって均一に分布している。さらに、この実施例では、側縁（Ａ）の流路は、ほぼ直角に開口している。すなわち、流路は、この領域において、局所的に互いにほぼ平行に延びている。
図１ｃに示すように、流路は、表面上に形成され断面積が変化する。１つの流路の断面積は、その長さにわたってほぼ一定であるが、ガス通路開口（１１）から側縁（Ａ）までの流路の長さに一致して大きくなるように選択されている。これもまた、処理ガス空間の内部におけるインターコネクタの分配構造へのおよびからの最大限の均一なガス流入または除去を達成するための手段である。
【００３３】
図２ａは、本発明の成形品がない従来技術による３つの電気化学モジュールを有する積層電池を示す。電気化学モジュール（２０）における成形品の配置を図２ｂおよび図２ｃに示す。図２ａおよび図２ｂは、それぞれ、互いに積層された３つの電気化学モジュール（２０）を有する積層電池（３０）の断面の概略図を示す。電気化学モジュール（２０）は、それぞれ１つの電気化学セルユニット（２１）を有し、各電気化学セルユニット（２１）は、粉末冶金により製造された多孔質金属支持基板（２２）からなる。その支持基板（２２）上には、ガス透過性領域内に、少なくとも１つの電気化学的に活性な層を有する層構造（２３）が塗布されている。層構造（２３）を有する支持基板（２２）は、縁部で密閉してプレス成形されており、板状の下部構造を有している。変形例において、この下部構造は、より小さい長さスケールで表面積を増大させるために、局所的に湾曲されていてもよく、例えば、波形に形成してもよい。層構造の反対側の支持基板（２２）には、それぞれ１つのインターコネクタ（２４）があり、このインターコネクタ（２４）は、インターコネクタが支持基板（２２）に当接している領域にリブ構造（２４ａ）を有する。リブ構造の長手方向は、図２ａ及び図２ｂに示す断面に沿って延びている。インターコネクタ（２４）は、電気化学セルユニット（２１）の領域を越えて延在し、インターコネクタの外側縁部で、電気化学セルユニットを取り囲むフレームパネル（２５）に当接している。周囲を取り囲むフレームパネル（２５）は、フレームパネルの内側縁部が電気化学セルユニット（２１）に密閉接合され、フレームパネルの外側縁部が円周溶接によってインターコネクタ（２４）に密閉接合されている。したがって、フレームパネル（２５）およびインターコネクタ（２４）は、電気化学セルユニット（２１）と共に密閉処理ガス空間（２６）を画定する金属製の密閉筐体の構成部分を形成している。処理ガス案内空間（２７）は、処理ガス空間（２６）の部分空間であり、電気化学セルユニット（２１）の領域の外側の領域にわたり延在し、電気化学セルユニット（２１）に開口している。処理ガス案内空間の近くに、筐体（フレームパネルおよびインターコネクタ）内に、処理ガスを供給および／または除去するためのガス通路開口（２８）が形成されている（ガス通路開口の側面で切断されるので、図２ａおよび図２ｂには示していない）。筐体のガス通路開口（２８）と成形品のガス通路開口（１１）は、互いに整列している。積層電池内のガス案内は、垂直方向（積層電池の積層方向（Ｂ））に、通常は別のインレイ（２９）、密封、および密閉剤封（例えば、ソルダーガラス）の制御された塗布によってガス通路開口の近くに形成された適切な流路構造によって行われる。このように密閉された流路構造は、垂直方向において、隣接する電気化学モジュールの処理ガス案内空間を接続する。
【００３４】
図２ａは、成形品がない従来技術を示しているのに対して、図２ｂおよび図２ｃは、電気化学モジュール２０の処理ガス案内空間２７内の図１ａによる成形品の配置を示す。図２ｃでは、電気化学モジュールが、流路（１２）のより良好な視認性のために、図２ａおよび２ｂのモジュールと比較して上下逆に示していることに留意されたい。成形品の形状は、処理ガス案内空間の内部空間に適合されている。成形品は、その上面でフレームパネル（２５）、すなわち、処理ガス案内空間の上側境界に接しており、成形品は、その底側でインターコネクタ（２４）、すなわち、処理ガス案内空間の下部境界に接している。それぞれ、成形品は、その上側および／または底側で平面接触であるのが有利である。したがって、成形品の厚さは、処理ガス案内空間（２７）の空間内部高さに対応している。表面に形成された流路（１２）は、成形品（１０）の下側にある（図２ｃでは、成形品は上下逆に示されている）。処理ガス案内空間におけるガス案内機能と同様に、成形品は重要な機械的機能の役割を担っている。それは、積層電池の積層方向（Ｂ）に沿って筐体を支持するのに役立ち、押圧力を加えたときに、筐体縁部の圧縮が防止される。さらに、成形品の板状構造であるため、薄いフレームパネル（２５）および薄いインターコネクタ（２４）からなる筐体縁部の曲げ剛性およびねじり剛性が明白に増大し、機械的荷重を受けた状態での溶接部の亀裂の危険性が低減される。好適な一変形例で、成形品は、筐体に点溶接され、それによって固定される。処理ガスの供給および除去のために使用される成形品（１０，１０`）は異なるのが好ましい。それらの特性（材料、形状、多孔質、流路構造の幾何学的形状など）は、それらの使用目的ごとに互いに独立に最適化してもよい。
【００３５】
図３ａは、成形品のさらなる変形例の斜視図を概略的に示し、図３ｂは、成形品のさらなる変形例の平面図を概略的に示す。この変形例において、成形品の個々のガス通路開口（１１）は、追加の流路によって互いに連通している。この流路構造は、追加のガス均一化に寄与する。
【符号の説明】
【００３６】
１０`      成形品
１０``      成形品
１１        ガス通路開口
１２        流路
１３        その他の側縁
２０        電気化学モジュール
２１        電気化学セルユニット
２２        支持基板
２３        層構造
２４        インターコネクタ
２４ａ      リブ構造
２５        フレームパネル
２６        処理ガス空間
２７        処理ガス案内空間
２８        筐体
２９        インレイ
３０        積層電池
【図１ａ】
2020511749.tif 000003
【図１ｂ】
2020511749.tif 000004
【図１ｃ】
2020511749.tif 000005
【図２ａ】
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【図２ｂ】
2020511749.tif 000007
【図２ｃ】
2020511749.tif 000008
【図３ａ】
2020511749.tif 000009
【図３ｂ】
2020511749.tif 000010
【国際調査報告】
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2020511749.tif 000012
2020511749.tif 000013
2020511749.tif 000014
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