JP5340259B2 - 接点構造部および少なくとも１つの接点構造部からの燃料電池スタックの組立法 - Google Patents

Description

本発明は、第１の膜電極接合体のアノードと第２の膜電極接合体のカソードとの間に、アノード側に配置された少なくとも１つの接点要素およびカソード側に配置された少なくとも１つの接点要素を介して、導電性接続を確立するように配置されているインタコネクタ構造部を備える燃料電池スタック用、特にＳＯＦＣ燃料電池スタック用の接点構造部に関する。

さらに、本発明は、第１の膜電極接合体のアノードと第２の膜電極接合体のカソードとの間に、アノード側に配置された少なくとも１つの接点要素およびカソード側に配置された少なくとも１つの接点要素を介して、導電性接続を確立するために配置されているインタコネクタ構造部を含む少なくとも１つの接点構造部から燃料電池スタック、特にＳＯＦＣ燃料電池スタックを組み立てる方法にも関する。

さらに、本発明は、燃料電池スタック、特にＳＯＦＣ燃料電池スタックにも関する。

従来、複数の個々の燃料電池すなわち（ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ）膜電極接合体を組み合わせて、いわゆる燃料電池パックまたは燃料電池スタックにし、単一の燃料電池のみでもたらすことができる電気出力よりも大きな電気出力をもたらしている。その場合、燃料電池スタックにおいて隣接している燃料電池は、それらを接続するインタコネクタ構造部を介して互いに電気的におよび機械的に結合される。それゆえ、インタコネクタ構造部を介した個々の燃料電池の前記結合のために、直列に電気的結合されて積み重ねて留められた燃料電池が形成され、それらは共に燃料電池スタックを形成する。一般に、従来技術によれば、インタコネクタ構造部にはガス分配構造が形成されており、それを介して、各膜電極接合体に供給ガスが案内される。これらのガス分配構造を、例えばインタコネクタ構造部のハウジング部分によって部分的に形成し得る。このために、通常インタコネクタ構造部のハウジング部分に、ガスチャネルのチャネル壁部分を形成する隆起またはバーがチャネルのように延在する凹部が設けられている。他のチャネル壁部分は、燃料電池スタック内にインタコネクタ構造部を装着した状態において、例えば膜電極接合体によって部分的に、具体的には、隣接する膜電極接合体のアノードまたはカソードによって形成されていて、双方のチャネル壁部分からガスチャネルをハウジング部分の上下に形成している。そのような燃料電池スタックのガス分配構造をマニホルドと呼ぶことも多い。これらのマニホルドを使用して、各膜電極接合体への供給ガスを対応する電極スペースに分配するようにする。

一般的に、燃料電池スタックは主にフェライト系材料で作製されている。これらのフェライト系材料は、高温における機械的安定性が低く、流動または沿面漏れによってそれ自体が変形することが知られている。これは特に、上述のガスチャネルを備えるガス分配構造の場合のように、薄壁シートメタルからプレスされた構造によって空洞が形成されるときに発生する。そのような変形を回避するために、対応する空洞にスペーサすなわちディスタンスピースが挿入されることが多く、スペーサはインタコネクタ構造部のハウジング部分と膜電極接合体との間に設けられるので、燃料電池スタックの安定性に寄与する。例えば、インタコネクタ構造部の既知の実施形態では、特にマニホルドの周りの環状構造部によって、燃料電池スタックの周囲の縁部領域に延在するフレームが設けられていて、それらフレームはインタコネクタ組立体のハウジング部分のシートメタルから直接、少なくとも部分的に製造される。張力下にある燃料電池スタックでは、力の流れが主に、これらの領域、すなわち例えば縁部領域の環状構造部に案内される。しかしながら、そのように力の流れが案内されることにより、すなわち主に縁部領域のフレームを通過しかつそれよりも少ない程度で燃料電池スタックのマニホルドの中心領域を通過する力の伝達により、いくつかの重大な欠点が生じる。例えば、力の流れは、同じく燃料電池スタックの縁部領域に設けられたシーリング材料を通過する。シーリング材料は、個々の燃料電池または膜電極接合体それぞれと、それぞれのインタコネクタ構造部との間の溝に配置され、かつ主としてガラスセラミックスから形成される。しかしながらガラスセラミックスは、特に高温において沿面漏れまたは流動が生じる傾向があり、それが燃料電池スタックの動作中に生じる。それゆえ、燃料電池スタックの縁部領域におけるシールおよび燃料電池スタックの電気接点、具体的にはより内側に配置された接点要素（アクティブ領域）におけるシールは、常に縁部に配置されたシールとインタコネクタ構造部を介して競合している。特に、燃料電池スタックを組み立てるとき、ガラスセラミックスシールを使用することの不都合が生じ得る。これについては、図１および２を参照して以下詳細に説明する。図１に、従来技術の燃料電池スタックの、組立プロセスを実施する前の、具体的には焼結プロセス前の断面を示す概略図を示す。他方で図２は、図１の燃料電池スタックの、組立プロセスを実施した後の、具体的には焼結プロセス後の断面を示す概略図を示す。

一般的に、焼結、すなわち焼結プロセスは、マスタ成形製造法である。焼結中、通常特に少なくとも粉末粒子すなわち粉末粒の凝集が最小となるように、粉末塊がまず形成される。予備プレスされたいわゆる「グリーン体（ｇｒｅｅｎ ｂｏｄｙ）」（独語では：「Ｇｒｕｅｎｌｉｎｇ」）は、次に、融解温度未満の熱処理を用いて圧縮され、硬化される。「グリーン体」の製造は、粉末塊をプレスすることによって、または成形しかつその後乾燥させることによって行うことができる。焼結プロセスは通常３つの段階を進み、その間に「グリーン体」の気孔率および体積が実質的に低減される。第１の段階では、「グリーン体」の圧縮が起こるのみであり、第２の段階では開放気孔率が著しく低減される。焼結体の堅固さは、第３段階において形成された焼結ネックに基づき、粉末粒子間の表面拡散により上昇する。

しかしながら、例えばガラスすなわち被焼結ガラスセラミックスを組み立てる場合には、プレスされた予備成形体すなわち予備プレスされた「グリーン体」は通常使用されない。この場合好ましいものは、フィルムキャスティングすなわち「テープキャスティング」またはテンプレート印刷可能なペーストもしくはテンプレート不要なペーストを使用して製造されたフィルムである。これらは結合剤を含むので、焼結プロセス前に結合剤を除去する。特にセラミックス部分すなわちガラスセラミックスにおける結合剤の除去後、いわゆる「ホワイトピース（ｗｈｉｔｅ ｐｉｅｃｅ）」または「ホワイト体（ｗｈｉｔｅ ｂｏｄｙ）」が得られる。これらは非常に多孔性であり、かつ堅固さは最低である。結合剤の除去後、焼結処理後に「ホワイト体」が対応する堅固さを得るように、「ホワイト体」を圧縮する。

図１および２に部分的に示す燃料電池スタック、具体的にはＳＯＦＣ燃料電池スタックは、バイポーラ板すなわちインタコネクタ構造部１０’、膜電極接合体（ＭＥＡ）５２’、アノードおよびカソード接点要素２８’、３０’を含む。加えて、図１および２に示すように、ＭＥＡ５２’の上側および下側それぞれにおいてガラスシール要素２０’の形態の被焼結ガラス組立部分が設けられている。それゆえ、従来技術によれば、ガラスセラミックスシール２０’をＭＥＡ５２’の両側に配置することを意図する。焼結中にガラスセラミックスシール２０’が収縮することが考えられるため、「ホワイト」状態ではＭＥＡ５２’の電極（アノード１２’またはカソード１６’）と接点要素２８’、３０’との間に中間スペースがある。すなわち図１に示す状態では、接点要素２８’および３０’がいまだＭＥＡ５２’の対応する電極１２’、１６’と接触していないため、依然として対応するインタコネクタ構造部を介して導電性接続が確立されていない。組立後すなわち焼結処理を実施した後にのみ、各インタコネクタ構造部１０’の対応する接点要素２８’、３０’を介して、具体的には焼結および粘性流動によりガラスセラミックスシール２０’が収縮するために、導電性接続が確立される。これは、各燃料電池スタックへの機械的永久負荷下すなわち燃料電池スタックに張力がかけられている状態において発生し、そうでなければ、ガラスセラミックスシール２０’の側方収縮が発生し、漏出の原因となり得る。対応するインタコネクタ構造部１０’を介した導電性接続は、高温における焼結および粘性流動に基づくガラスセラミックスシール２０’の堆積後にのみ形成し得る。しかしながら組立温度は、接点要素２８’、３０’を焼結させるには低すぎる。それゆえ、インタコネクタ構造部１０’とＭＥＡ５２’との電気的接続は、通常力による圧締めによってのみ達成される。この場合、インタコネクタ構造部１０’の接点要素２８’、３０’の接触面の適応性は限られている。それゆえ、接点要素２８’、３０’とＭＥＡ５２’との間に型締めも接着接合も存在しない。さらに、図１および２に部分的に示す燃料電池スタック５２’の構成は極度に精密であり、ガラスセラミックスシール２０’で形成されたガラスフレームがＭＥＡ５２’の両側に設けられてインタコネクタ構造部内部のガス分配構造用のシーリングの安定性を確実にしている。さらに、ガラスセラミックスシール２０’およびＭＥＡ５２’の両側の接触面すなわち接点要素２８’、３０’における、構造が異なることによる機械抵抗のために、ＭＥＡ５２’に曲げモーメントがもたらされる。これらは、通常非常に脆弱なＭＥＡ５２’を破損させる可能性がある。これは、例えばアノード接点要素として形成されるニッケル発泡体２８’がガラスセラミックスシール２０’よりも軟らかく形成されかつカソード接点要素３０’すなわち接触棒３０’がニッケル発泡体２８’に対向している場合である。接触棒３０’自体がＭＥＡ５２’の縁部においてニッケル発泡体２８’に押し進む。これは、ＭＥＡ５２’を破損させる可能性がある。

それゆえ、本発明の目的は、上述の欠点を少なくとも部分的に克服する、具体的には燃料電池スタックの膜電極接合体の破損の危険性を低くするように、一般的な接点構造部および燃料電池スタックの組立法を改良することにある。

この目的は、独立請求項の特徴によって達成される。

本発明の有利な実施形態および発展形態は、従属請求項によって達成される。

本発明の接点構造部は、インタコネクタ構造部の一方の側である、インタコネクタ構造部のアノードまたはカソードに面する側にのみ、少なくとも１つの被焼結構成要素を配置して、それを第１または第２の膜電極接合体と結合し、被焼結構成要素の焼結を用いて、アノード側またはカソード側の接点要素を介して導電性接続を確立し得るようにすることを、一般的な従来技術に追加する。それゆえ、燃料電池スタックの構成は著しく単純化される。例えば１つのガラスセラミックスシールのみすなわち１つのガラスセラミックスシールフレームのみがＭＥＡの一方の電極側すなわちインタコネクタ構造部、特にアノードスペースをシールするアノード側に被焼結構成要素として設けられ、かつ焼結されて、ガラスセラミックスシールの収縮および粘性流動によって、対応する接点要素がＭＥＡとインタコネクタ構造部との間に導電性接続を確立するためである。それゆえ、焼結プロセスは、対応する接点要素との接触、特にアノード接点要素と、対応するＭＥＡのアノードとの接触を形成する基礎を、収縮プロセス中のセットリング（ｓｅｔｔｌｉｎｇ）および粘性流動によりもたらす。例えばアノード接点要素としてのニッケル発泡体が軟らかくかつ可鍛性である場合、例えば型締めが得られる。さらに、例えばアノード接点要素とアノードの好適な材料により、接着接合を得ることもできる；例えば、アノード接点要素としてのニッケル発泡体および対応するＭＥＡのニッケルアノードの場合には、拡散プロセスにより接合で、接着接合を得ることができる。この燃料電池スタックの構成では、カソード側の導電性接続は、好ましくは対応するカソード接点要素を介して室温において既に確立されており、インタコネクタ構造部は、このカソード側接点要素を介して対応するＭＥＡにのみ結合される。これは、機械的結合の次に導電性接続をもたらす。複数のそのようなカソード側接点要素の場合、特にカソード側のＭＥＡの表面全体にわたってＭＥＡを均一に機械的に押圧することが可能となる。特にインタコネクタ構造部のみが、燃料電池スタックのアクティブ領域において、すなわち少なくともインタコネクタ構造部およびＭＥＡの電気接触が確立される領域において、カソード側接点要素を介してＭＥＡのカソードに結合される。好ましくは、ほぼ最終的な外形すなわちニアネットシェープへの製造を使用して得られるいわゆるワンプレート設計で形成されるかまたはメタルシートカセット設計の形態で構成されるそのような燃料電池スタックの構成に、インタコネクタ構造部すなわちバイポーラ板を使用する。上述の組立部分は、特にいわゆる内部組立体またはＭＥＡ組立体すなわち接合体である。当然のことながら、燃料電池スタックでは、他のまたは別の組立位置、例えば設計および構成がＭＥＡ組立体に調整される必要があるマニホルドシールも設けられる。本発明の接点構造部は、室温において既に存在するＭＥＡのカソード側との瞬時接点によるカソード接点要素を、室温において形成でき、かつ理想的には、ガラスセラミックスシールの焼結プロセス中に型締めおよび／または接着接合によってカソードに結合できる燃料電池スタック構成を提供する。この効果は、溶媒または湿ペーストを使用することによりさらに改良または後押しすることができる。それにより、特に燃料電池スタック構成は著しく単純化され、アノード側にフレーム様のガラス組立体すなわちガラスセラミックスシールが１つ形成されるのみである。それゆえ、組み立てられた燃料電池スタックは、高いレベルの機械的負荷容量を示し、可能な限りＭＥＡの破損を回避することができる。

本発明の接点構造部を、インタコネクタ構造部のアノードに面する側にのみ被焼結構成要素を配置することで、さらに有利に発展させることができる。上述のように、好ましくは対応するＭＥＡのアノードとインタコネクタ構造部、特にインタコネクタ構造部のバイポーラ板部分との間にガラスセラミックスシールが配置され、被焼結構成要素として焼結される。

さらに、本発明の接点構造部を、接点要素のみを介してインタコネクタ構造部を第２の膜電極接合体のカソードに面する側に結合させるように構成する。その場合、対応する接点要素の対応するＭＥＡのカソードへの結合は予め室温において実施でき、理想的には、焼結処理中に型締めおよび／または接着接合により対応するＭＥＡのカソードに固定する。被焼結ガラスセラミックスシールはインタコネクタ構造部の一方の側（アノード側）にのみ設けられる一方、インタコネクタ構造部の他方の側（カソード側）では、カソード側（カソード接点要素）に配置された接点要素と対応するＭＥＡとの機械的結合が予めされているため、少なくともカソード接点要素の型締めおよび／または接着接合を達成できる。

さらに、本発明の接点構造部を、ガラスセラミックスシールによって被焼結構成要素を形成するように実現し得る。特に、ガラスセラミックスシールを、本質的にＭＥＡの周囲、特にＭＥＡの電解質部に沿って延在するフレーム様のガラスセラミックスシールとして形成する。

さらに、本発明の接点構造部を、インタコネクタ構造部のアノードに向く側に、第１の膜電極接合体との導電性接続を確立するためにニッケル発泡体として形成された少なくとも１つの接点要素を設けるように設計し得る。

さらに、本発明の接点構造部を、カソードに向いてインタコネクタ構造部の複数の導電性接点要素が設けられ、カソード側に設けられた複数の導電性接点要素が、第２の膜電極接合体のカソードの全領域にわたって規則的に配置されて第２の膜電極接合体と結合しているように実現し得る。この場合カソードを、好ましくは非常に大きい面積を有するように形成する；特に、ＭＥＡのカソードの面積をアノードよりも大きく形成する。この関連において、カソードをＭＥＡの電解質部と同程度の大きさに形成することが特に好ましい。さらに、カソード接点要素すなわちカソード接触棒をＭＥＡの全領域にわたって好ましくは互いに一定間隔で配置し、前記領域はほぼカソード領域または電解質部の領域に対応する（燃料電池の積層方向で見る場合）。特に、カソードフローフィールドがカソードおよびカソード接触棒ならびにインタコネクタ構造部のハウジング部分によって形成される。カソード接触棒を、別個の部分として形成することも、インタコネクタ構造部のハウジング部分に構造的に組み込むこともできる；しかしながら、双方の組み合わせも可能である。カソードフローフィールドがインタコネクタ構造部のハウジング部分から直接棒によって少なくとも部分的に形成され、それらの棒が、特定の導電性薄層を介して対応するＭＥＡと接触する実施形態も考えられる。そのような層を、例えばロール塗布またはスプレー塗装などの塗布技術を使用して対応する棒に被覆することができる。他方で、アノードフローフィールドを例えば発泡構造、好ましくはニッケルから形成し得る。アノードフローフィールドもまたインタコネクタ構造部に組み込むことができる。この場合同様に、組み合わせることも可能である。

好ましくは本発明のインタコネクタ構造部を、各膜電極接合体のカソードの領域が、本質的に各膜電極接合体の電解質部の領域に対応するようにさらに発展させる。

これに関連して、各膜電極接合体のカソードおよび／または電解質部の面積が各膜電極接合体のアノードの面積よりも大きくなるように本発明の接点構造部を形成することを想定する。

本発明の方法は、インタコネクタ構造部の一方の側である、インタコネクタ構造部のアノードまたはカソードに向く側にのみ、少なくとも１つの被焼結構成要素を提供して、それを第１または第２の膜電極接合体と結合し、被焼結構成要素を焼結することにより、アノード側またはカソード側の接点要素を介した導電性接続を確立することを、一般的な従来技術に追加する。それにより、同じまたは類似の方法で本発明の接点構造部に関連して説明した利点を得ることができ、そのため、繰り返しを避けるために、本発明の接点構造部に関連する対応の説明を参照されたい。

以下の、本発明の方法の好ましい実施形態に関して同じことが同様に有効であり、そのため、この点に関し、繰り返しを避けるために、本発明の接点構造部に関連する対応の説明を参照されたい。

本発明の方法を、インタコネクタ構造部のアノードに向く側にのみ、被焼結構成要素を配置することによってさらに有利に発展させ得る。

さらに、本発明の方法を、インタコネクタ構造部のカソードに向く側を第２の膜電極接合体に、接点要素のみを介して結合することにより、実現し得る。

加えて、本発明の方法を、被焼結構成要素としてのガラスセラミックスシールを焼結することによって導電性接続を形成することにより設計し得る。

さらに、本発明の方法を、第１の膜電極接合体と導電性接続するために、ニッケル発泡体として形成された少なくとも１つの接点要素をインタコネクタ構造部のアノードに向く側に配置することによって実現し得る。

好ましくは、本発明の方法を、カソードに向いてインタコネクタ構造部の複数の導電性接点要素を配置して、カソード側に設けられている複数の導電性接点要素を、第２の膜電極接合体と結合させるために、第２の膜電極接合体のカソードの全領域にわたって規則的に配置させるように設計する。

本発明の方法を、各膜電極接合体のカソードの領域を各膜電極接合体の電解質部の領域に本質的に対応するように形成することによってりさらに改良する。

これに関連して、本発明の方法を好ましくは、各膜電極接合体のカソードおよび／または電解質部の面積を、各膜電極接合体のアノードの面積よりも大きくなるように形成することによって実施する。

本発明の燃料電池スタックは、少なくとも１つの本発明の接点構造部を含み、好ましくは本発明の方法によって組み立てられる。この場合も同様に、本発明の接点構造部に関連して説明したものと同じ利点が得られる。

本発明の好ましい実施形態を以下、図面によって例示的に説明する。

組立法を実施する前の従来技術による燃料電池スタックの断面を示す概略図である。 組立法を実施した後の図１の燃料電池スタックの断面を示す概略図である。 本発明の組立法を実施する前の燃料電池スタックの断面を示す概略図である。 本発明の組立法を実施した後の燃料電池スタックの断面を示す概略図である。 本発明の組立法を実施した後の、複数の膜電極接合体およびインタコネクタ構造部を備える燃料電池スタックの断面を示す概略図である。

図３に、本発明の組立法を実施する前の燃料電池スタック３４、特にＳＯＦＣ燃料電池スタックの断面を示す概略図を示す。図３では、具体的には膜電極接合体（ＭＥＡ）５２および部分的に図示する燃料電池スタック３４の２つのインタコネクタ構造部１０を示し、２つのインタコネクタ構造部１０はＭＥＡ５２の上下に配置されている。図３に部分的に図示する燃料電池スタック３４では、焼結によって組み立てられるまたは接合される燃料電池スタックの構成要素（以下詳細に説明する）は、いわゆる「ホワイト」状態にある。これは、焼結によって組み立てられる燃料電池スタック３４の構成要素がいわゆる「ホワイト体」であることを意味する。

他方で図４には、図３の燃料電池スタック３４の、本発明の組立法を実施した後、具体的には組み立てられる燃料電池スタック３４の構成要素の焼結後（以下詳細に説明する）の断面を示す概略図を示す。

まず、図３および４を参照して本発明の方法の実施を詳細に説明する前に、組み立てられた状態にある燃料電池スタック３４の基本構成を、図５を詳しく参照して説明する。図５に、本発明の組立法を実施した後の、複数の膜電極接合体（ＭＥＡ）５２（図５では、一例として３つのＭＥＡを示す）および複数のインタコネクタ構造部１０（図５では、一例として２つの完全なインタコネクタ構造部を示す）を備える燃料電池スタック３４の断面の概略図を示す。燃料電池スタック３４は、それぞれ膜電極接合体５２およびインタコネクタ構造部１０からなる複数の繰返しユニットを含む。図５では具体的には２つの完全な繰返しユニットを示す。しかしながら、燃料電池スタック３４は、任意の数のそのような繰返しユニットからなることも可能である。図５から分かるように、インタコネクタ構造部１０は通常２つの隣接する膜電極接合体５２の間に配置され、各膜電極接合体５２はアノード１２、電解質部１４およびカソード１６を含む。具体的には、本明細書の関連では、各膜電極ユニット５２および膜電極接合体５２のアノード１２と接触しているインタコネクタ構造部１０が燃料電池スタック３４の繰返しユニットを形成する。

インタコネクタ構造部１０の全体を示す図５から分かるように、各インタコネクタ構造部１０は、ハウジング部分すなわちバイポーラ板部分２６を含み、図５から分かるようにバイポーラ板部分２６の上部は、ガラスセラミックスシール２０を介して、インタコネクタ構造部１０の上方に配置された膜電極接合体５２の電解質部１４に直接結合されている。さらに、ハウジング部分２６の下部は、このインタコネクタ構造部１０の下方に配置された膜電極接合体５２のカソード１６に、もっぱらそれに取り付けられた複数の接触棒３０のみを介して結合されている。それにより、任意の数の接触棒３０を使用することが可能である。ハウジング部分２６、ガラスセラミックスシール２０およびアノード１２ならびに部分的に電解質部１４が中間スペースを形成し、そこにニッケル発泡体２８が収容され、ニッケル発泡体２８は部分的に中間スペースを埋める。ハウジング部分２６と下部膜電極接合体５２との間であるハウジング部分２６の下側では、ハウジング部分２６の下側および下部膜電極接合体５２に設けられた接触棒３０によって個々のガスチャネル３２が形成される。この場合、好ましくはガスチャネル３２には高酸素含有量または純酸素のガスが案内される一方、ニッケル発泡体２８および中間スペースには高水素含有量または純水素のガスが案内される。さらに図５から、各膜電極接合体５２のアノード１２が、燃料電池の積層方向に垂直に（図５では左に）ほとんどガラスセラミックスシール２０に届きそうなところまで延在しており、燃料電池スタック３４の周囲領域において中間スペースを制限していることが分かる。他方で、電解質部１４およびカソード１６は、ほとんどガラスセラミックスシール２０の外周に届きそうなところまで半径方向に延在している。この場合、ガス注入口すなわち外部までさらに半径方向に延在する燃料電池スタック３４のマニホルド部分は図示していない。それゆえ、燃料電池の積層方向から見て電解質部１４およびカソード１６は本質的に等しい（突出した）面積を有する一方、アノード１２の面積は、電解質部１４およびカソード１６の面積と比べてかなり小さい。

本発明の燃料電池スタックの組立法を以下の通り設計する。図３から分かるように、インタコネクタ構造部１０のハウジング部分２６とアノード１２との間の中間スペースに配置されたニッケル発泡体２８は、ハウジング部分２６のみと導電性接続しかつ機械的結合している。これは、図３に示す燃料電池スタックのこのセクションにあるガラスセラミックスシールの、焼結実施前における燃料電池の積層方向の厚さが、ニッケル発泡体２８およびアノード１２の厚さよりも厚いためである。他方、膜電極接合体５２の頂部側における接触棒は、焼結前に予め、膜電極接合体５２のカソード１６および別のインタコネクタ構造部のハウジング部分２６と導電性接続し、かつ機械的結合している。図４から分かるように、焼結後、膜電極接合体５２のアノード１２およびハウジング部分２６は、ガラスセラミックスシール２０の焼結および粘性流動によりニッケル発泡体２８を介して導電性接続され、かつ互いに機械的結合されている。他方で、頂部において膜電極接合体５２のカソード側を追加的なインタコネクタ構造部１０の接触棒３０に直接かつ独占的に結合させることにより、導電性接続および機械的結合を、変化を伴わずに維持する。この場合、膜電極接合体５２のカソード側に配置された接触棒３０は、ガラスセラミックスシール２０の焼結処理中に、型締めおよび／または接着接合によって対応する膜電極接合体５２のカソードに接合する。

少なくとも部分的に図３〜５に示す燃料電池スタックのジオメトリは、単純化されているすなわち概略的であることに留意されたい。例示を目的として、図３〜５では、例えばガラスセラミックスシール２０の、燃料電池の積層方向における厚さを、焼結前はニッケル発泡体２８およびアノード１２の厚さよりも厚く、焼結後はニッケル発泡体２８およびアノード１２の厚さと等しく示している。しかしながら、ガラスセラミックスシール２０の厚さは、好ましくは薄く設計する。ニッケル発泡体２８と接触させるために必要な高さ補償を、他の構成要素を対応させて設計することによってもたらすことができる；例えば、バイポーラ板を、厚い縁部領域および／または凹んだフローフィールドを有するように実装し得る。

上述の明細書、図面および特許請求の範囲で開示した本発明の特徴は、本発明を個別にまたはいずれかの組み合わせで実施することに関係し得る。

１０’ インタコネクタ構造部
１２’ 膜電極接合体のアノード
１４’ 膜電極接合体の電解質部
１６’ 膜電極接合体のカソード
２０’ ＭＥＡの上下にあるガラスセラミックスシール
２６’ ハウジング部分
２８’ ニッケル発泡体
３０’ 接触棒
３２’ ガスチャネル
５２’ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
１０ インタコネクタ構造部
１２ 膜電極接合体のアノード
１４ 膜電極接合体の電解質部
１６ 膜電極接合体のカソード
２０ ガラスセラミックスシール
２６ ハウジング部分
２８ ニッケル発泡体
３０ 接触棒
３２ ガスチャネル
３４ 燃料電池スタック
５２ 膜電極接合体

Claims (17)

1. 接点要素を含むインタコネクタ構造部（１０）を有するＳＯＦＣ燃料電池スタック用の接点構造部であって、前記インタコネクタ構造部（１０）が、第１の膜電極接合体（５２）のアノード（１２）と第２の膜電極接合体（５２）のカソード（１６）との間に、前記アノード（１２）に接する少なくとも１つの接点要素および前記カソード（１６）に接する少なくとも１つの接点要素を介して導電性接続を確立するために配置される、インタコネクタ構造部（１０）を有する接点構造部において、
   前記インタコネクタ構造部（１０）の前記アノード（１２）に向く側または前記インタコネクタ構造部（１０）の前記カソード（１６）に向く側のいずれか一方の側にのみ少なくとも１つの被焼結構成要素（２０）が設けられ、前記被焼結構成要素（２０）が、前記被焼結構成要素（２０）の焼結によって前記アノード（１２）に接する前記接点要素（２８）を介した前記導電性接続を確立し得るように、前記第１の膜電極接合体（５２）に結合されるか、または前記被焼結構成要素（２０）の焼結によって前記カソード（１６）に接する前記接点要素を介した導電性接続を確立し得るように、前記第２の膜電極接合体（５２）に結合されることを特徴とする接点構造部。
2. 前記被焼結構成要素（２０）が、前記アノード（１２）に向く前記インタコネクタ構造部（１０）の側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の接点構造部。
3. 前記インタコネクタ構造部（１０）がその前記カソードに向く側において、接点要素（３０）のみを介して前記第２の膜電極接合体（５２）に結合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の接点構造部。
4. 前記被焼結構成要素がガラスセラミックスシール（２０）で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の接点構造部。
5. 前記第１の膜電極接合体（５２）との前記導電性接続を確立するためにニッケル発泡体として形成された少なくとも１つの接点要素（２８）が、前記インタコネクタ構造部（１０）の前記アノード（１２）に面する側に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の接点構造部。
6. 前記カソード（１６）に面して前記インタコネクタ構造部（１０）の複数の導電性接点要素（３０）が設けられており、前記カソード側に設けられた前記複数の導電性接点要素（３０）が、前記第２の膜電極接合体（５２）の前記カソード（１６）の全領域にわたって規則的に配置されて、前記第２の膜電極接合体（５２）に結合していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の接点構造部。
7. 各前記膜電極接合体（５２）の前記カソード（１６）の領域が、各前記膜電極接合体（５２）の電解質部（１４）の領域に本質的に対応していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の接点構造部。
8. 各前記膜電極接合体（５２）の前記カソード（１６）および／または前記電解質部（１４）の面積が、各前記膜電極接合体（５２）の前記アノード（１２）の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の接点構造部。
9. 接点要素（２８、３０）を有するインタコネクタ構造部（１０）を含む少なくとも１つの接点構造部からＳＯＦＣ燃料電池スタックを組み立てる方法であって、前記インタコネクタ構造部が、第１の膜電極接合体（５２）のアノード（１２）と第２の膜電極接合体（５２）のカソード（１６）との間に、前記アノード（１２）に接する少なくとも１つの接点要素（２８）および前記カソード（１６）に接する少なくとも１つの接点要素（３０）を介して導電性接続を確立するために配置される、インタコネクタ構造部（１０）を含む少なくとも１つの接点構造部からＳＯＦＣ燃料電池スタックを組み立てる方法において、
   前記インタコネクタ構造部（１０）の前記アノード（１２）に向く側または前記インタコネクタ構造部（１０）の前記カソード（１６）に向く側のいずれか一方の側にのみ、少なくとも１つの被焼結構成要素を設け、および前記被焼結構成要素（２０）の焼結によって前記アノード（１２）に接する前記接点要素（２８）を介して前記導電性接続を確立するように、前記被焼結構成要素（２０）を前記第１の膜電極接合体（５２）に結合させるか、または前記被焼結構成要素（２０）の焼結によって前記カソード（１６）に接する前記接点要素を介して導電性接続を確立するように、前記被焼結構成要素（２０）を前記第２の膜電極接合体（５２）に結合させることを特徴とする方法。
10. 前記インタコネクタ構造部（１０）の前記アノード（１２）に向く側に、前記被焼結構成要素（２０）を配置することを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記インタコネクタ構造部（１０）の前記カソードに向く側を、接点要素（３０）のみを介して前記第２の膜電極接合体（５２）に結合することを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。
12. 被焼結構成要素としてガラスセラミックスシール（２０）を焼結することによって前記導電性接続を形成することを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記インタコネクタ構造部（１０）の前記アノード（１２）に向く側に、ニッケル発泡体として形成された少なくとも１つの接点要素（２８）を配置して、前記第１の膜電極接合体（５２）との前記導電性接続を確立することを特徴とする請求項９〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記カソード（１６）に面して前記インタコネクタ構造部（１０）の複数の導電性接点要素（３０）を配置して、前記第２の膜電極接合体（５２）に結合させるために、前記カソード側に設けられた前記複数の導電性接点要素（３０）を、前記第２の膜電極接合体（５２）の前記カソード（１６）の全領域にわたって規則的に配置することを特徴とする請求項９〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 各前記膜電極接合体（５２）の前記カソード（１６）の領域を、各前記膜電極接合体（５２）の電解質部（１４）の領域に本質的に対応するように形成することを特徴とする請求項９〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 各前記膜電極接合体（５２）の前記カソード（１６）および／または前記電解質部（１４）の面積を、各前記膜電極接合体（５２）の前記アノード（１２）の面積よりも大きくなるように形成することを特徴とする請求項９〜１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の少なくとも１つの接点構造部を含み、および好ましくは請求項９〜１６のいずれか一項に記載の方法によって組み立てられているＳＯＦＣ燃料電池スタック。

Images