JPH10134831A - 複数の平面高温燃料電池を有するバッテリ - Google Patents

複数の平面高温燃料電池を有するバッテリ

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JPH10134831A
JPH10134831A JP9250778A JP25077897A JPH10134831A JP H10134831 A JPH10134831 A JP H10134831A JP 9250778 A JP9250778 A JP 9250778A JP 25077897 A JP25077897 A JP 25077897A JP H10134831 A JPH10134831 A JP H10134831A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】安価な材料から形成されたインターコネクタを
備えた複数の平面高温燃料電池を有するバッテリを提供
すること。 【解決手段】バッテリは複数の電気化学的に活性なエレ
メント2及びインターコネクタ1を積層状に交互に配置し
た構造体を有し、インターコネクタ1は空気熱交換器と
して形成され、かつ空気側及びガス側を分離する基体3
と、同基体3によって主に決定される熱膨張とを有す
る。電気伝導及び伝熱を行う構造物層4,5が基体3の両側
部にそれぞれ配置され、空気は一方の層4に沿って流動
し、燃焼ガスは他方の層5に沿って流動する。基体3及び
エレメント2の熱膨張はほぼ等しい。基体3は空気熱交換
器として形成され、かつ恒久的な酸化物層を酸素の存在
をともなうバッテリの動作条件下において自身の表面上
に形成する材料からなる。層4は基体3の空気側に結合さ
れ、同結合は層4及び基体3の間の接点43における酸化物
形成から基体3を保護する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は複数の平面高温燃料
電池を有するバッテリ（Batterie mit planarenHochtem
peratur-Brennstoffzellen）に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】この種
のバッテリは欧州特許出願第９５８１０３９．５号（＝
Ｐ．６６７８）に開示されている。バッテリの各電池は
電気化学的に活性なプレート（elektrochemisch aktive
Platte）と、空気熱交換器（Luftwaermetauscher）と
して形成された３層インターコネクタ（dreilagigen In
terkonnektor）とを有する。インターコネクタの中間層
は電気化学的に活性なプレートとほぼ同じ熱膨張率を有
するプレートからなる。側面層は中間層のプレートより
実質的に更に薄い金属シートから形成されている。金属
シートはレリーフ状の構造を有するとともに、多数の接
点を介して中間プレートに強固に結合されている。側面
金属シートは電気化学的に活性なプレートと、隣接する
電池の対応するプレートとに対して当接すべく形成され
ている。
【０００３】高い動作温度と、インターコネクタの表面
における金属酸化物の形成とに起因して、少なくとも２
５％のクロムを含み、かつ酸化クロム保護層を形成する
合金を使用する必要がある。酸化アルミニウムは酸化ク
ロムとは異なり導電性を有さない。従って、高温での使
用が可能なアルミナイドの使用は検討に値しない。しか
し、酸化クロムの形成には問題がある。即ち、酸化クロ
ムは燃料電池の動作温度において特定の揮発性を示す。
この結果、酸化クロムが電気化学的に活性なプレートの
電極表面に堆積する。酸化クロムの堆積は電気化学的に
活性なプレートの劣化を招来し、同劣化はプレートの効
率を連続的に低下させる。この問題は適切なコーティン
グにより対処可能であり、同コーティングの例は欧州特
許出願公開第０７１４１４７号（＝Ｐ．６６５１）に開
示されている。
【０００４】インターコネクタの中間層は比較的高価な
合金から形成する必要がある。従って、本発明の目的は
安価な材料から形成されたインターコネクタを備えた複
数の平面高温燃料電池を有するバッテリを提供すること
にある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明に基づく複数の平
面高温燃料電池を有するバッテリは複数の電気化学的に
活性なプレート及びインターコネクタを積層状に交互に
配置した構造体を有する。インターコネクタは空気熱交
換器として形成され、かつ基体を有する。インターコネ
クタの熱膨張は基体によって主に決定される。各基体は
空気側をガス側から分離している。構造物層が基体の両
側部にそれぞれ配置されている。構造物層は電気伝導及
び伝熱を行うとともに、電気化学的に活性なプレートに
沿った空気及び燃焼ガスの少なくとも一方の移動を実現
する。基体の熱膨張は電気化学的に活性なプレートの熱
膨張にほぼ等しい。各基体は空気熱交換器として形成さ
れている。更に、各基体は恒久的な酸化物層を酸素の存
在をともなうバッテリの動作条件下において自身の表面
上に形成する材料からなる。構造物層は基体の空気側に
おいて同基体に結合され、同結合は構造物層及び基体の
間の接点における酸化物形成から基体を保護するように
行われる。
【０００６】カンチレバー・エレメントに相当する電気
化学的に活性なプレートに代えて、ＰＶＤまたはＶＰＳ
プロセスによってガス側に位置する構造物層上に形成さ
れたエレメントを使用し得る。ＶＰＳ（バキューム・プ
ラズマ・スプレー）プロセスを使用した製造は欧州特許
出願公開第０６５３８９６号（＝Ｐ．６５８３）に開示
されている。ＶＰＳプロセスにおいて、スプレーされた
層は金属フェルトからなる基材等の表面に形成される。
ＰＶＤ（物理蒸着法）プロセスを使用した製造は欧州特
許出願公開第０７２２１９３号（＝Ｐ．６６５８）に開
示されている。このプロセスでは、導電性セラミック・
フォーム構造物（elektrisch leitendekeramische Scha
umstruktur）を基材として効果的に使用できる。
【０００７】基体の材料は合金を含み得る。同合金は高
温に耐え得るとともに、アルミニウム及び珪素の少なく
ともいずれか一方を含む。更に、酸化物層は酸化アルミ
ニウムまたは酸化珪素から形成可能である。酸化アルミ
ニウム及び酸化珪素の少なくともいずれか一方からなる
保護層を形成することにより、基体をコーティングする
必要はなくなる。インターコネクタの空気側に位置する
構造物層は薄い延性金属シートから形成する必要があ
る。この種の構造物層の例は欧州特許出願第９５８１０
３９．５号に開示されている。薄い延性金属シートはク
ロムを含有するニッケル・ベースの合金からなり、かつ
酸化環境下において揮発性酸化クロムを形成する。従っ
て、導電性セラミック材料、特に水マンガン鉱（Ｌａ，
Ｃａ，Ｓｒ）ＭｎＯ3、亜クロム酸塩（Ｌａ，Ｓｒ）Ｃ
ｒＯ3、または輝コバルト鉱（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ3等か
らなる保護層を表面に設ける必要がある。ガス側におい
て、空気側に使用した金属シートと同じ金属シートを使
用し得る。しかし、ガスの還元環境に起因して保護層を
設ける必要はない。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１に示すインターコネクタ１は
基体３と、空気側に位置する構造物層４と、ガス側に位
置する構造物層５とを有する。図１は一点鎖線を用いて
層５の外側境界面５’のみを示す。２つの層４，５（図
２参照）は同じ構造を有し得る。構造物層４は基体３の
空気側において同基体３に結合されており、同結合は接
点４３における酸化物形成から基体３を保護するように
行われる。
【０００９】図１の構造物層４は深絞り加工によって形
成されたレリーフ構造を有する薄い金属シートからな
る。レリーフ構造は複数のノブ状構造物エレメント４３
及び尾根状構造物エレメント４２を有する。複数のノブ
状構造物エレメント４３及び尾根状構造物エレメント４
２は中間プレートの両側において規則正しく配置された
突起部をそれぞれ形成する。効果的なレリーフ構造の別
例は欧州特許出願第９５８１０３９．５号に開示されて
いる。
【００１０】金属シート４は複数のノブ状構造物エレメ
ント４３を介して基体３に固定されており、同固定はハ
ンダ付けによって行うことが好ましい。ハンダ接合部は
基体３及び突起部４３の間の導電性を維持すべく酸化ア
ルミニウム及び酸化珪素を含んではならない。
【００１１】複数の側壁３１，３２及びキャビティ３０
を有する基体３は燃料電池内に供給された空気に対する
熱交換器として形成されている。キャビティ３０をチャ
ンバとして形成することと、キャビティ３０がチャネル
・システムを有することの少なくともいずれか一方が可
能である。基体３は恒久的な酸化物層を酸素の存在をと
もなうバッテリの動作条件下において自身の表面上に形
成する材料からなる。
【００１２】本発明に基づく複数の平面燃料電池を有す
るバッテリは複数のインターコネクタ１及び電気化学的
に活性なプレート２を積層状に交互に配置した構造体を
有する。電気化学的に活性なプレート２は“ＰＥＮエレ
メント（陽極／固体電解質／陰極（Positive Elektrode
/Feststoff-Elektrolyt/Negative Elektrode））”と称
される。図２はインターコネクタ１上に配置されたＰＥ
Ｎエレメント２を示す。インターコネクタ１の複数の構
造物層４，５は図１に示すレリーフ構造を有する。
【００１３】複数の構造物層４，５は主に積層の軸方向
に沿った電気伝導及び伝熱を可能にするとともに、ＰＥ
Ｎエレメント２に沿った空気（矢印６１，反応チャンバ
６４）及び燃焼ガス（矢印７１，反応チャンバ７５）の
移動をそれぞれ可能にする。
【００１４】ＰＥＮエレメント２及びインターコネクタ
１の間の電気伝導は隆起部分４２によって形成された接
点において行われる。熱の移動は放射及び伝熱によって
行われる。空気は複数の管路６を通って基体３のキャビ
ティ３０内に供給される。燃焼ガスはディストリビュー
タ７及びボア７０を通って反対側に位置する燃料電池の
ガス反応チャンバ７５内に供給される。空気はキャビテ
ィ３０内を流動し（矢印６０）、かつ熱を吸収した後、
ガス・ディストリビュータ７の側部に位置する複数の開
口３４を通って燃料電池の空気反応チャンバ６４内に流
入する。空気及びガスはＰＥＮエレメント２の複数の表
面に対して同一方向にそれぞれ流動し、かつエネルギー
供給プロセスをドライブし、さらには共通チャネル８
（矢印６２，７２）内に排出される。共通チャネル８内
のガス混合物をアフターバーナーに対して供給するか、
またはアフターバーニングをチャネル８内で実施し得
る。
【００１５】インターコネクタ１の熱膨張は基体３によ
って主に決定される。基体３の熱膨張は電気化学的に活
性なプレート２の熱膨張にほぼ等しい。空気側に位置す
る構造物層４は酸化クロムの遊離に対抗するバリアを形
成する導電性保護層を外側に有する必要がある。ガス側
に位置する構造物層５は保護層を有する必要がない。更
に、層５は複数の開口を有し得る。例えば、層５は格子
構造または多孔質構造を有し得る。更に、層５は金属フ
ェルトまたは金属フェルト部品（Metallfilz oder Meta
llfilzteilen）から形成し得る。図３は別の例としての
金属シートを示す。同金属シートは打抜きによって形成
された複数の開口５０と、両側にそれぞれ折曲げられた
複数の舌部５１，５２とを有する。複数の舌部５１，５
２は基体３及びＰＥＮエレメント２に対する接続部をそ
れぞれ形成する。
【００１６】バッテリは実質的に中心対称をなす構造
（zentralsymmetrischen Aufbau）、即ち積層の中心に
位置する燃焼ガスの中心軸ディストリビュータ７と、基
体３の周辺部に位置する複数の空気供給ポイント６とを
有し得る。
【００１７】更に、バッテリは平行パイプ構造、即ちバ
ッテリの片側に位置する燃焼ガスのディストリビュータ
７と、ガス・ディストリビュータ７の反対側に位置する
複数の空気供給ポイント６とを有し得る。この場合、複
数の空気供給ポイント６は空気６０を基体３内において
ガス７１と反対の方向に流動させるべく形成されてい
る。この種の平行パイプ構造を有するバッテリの例はド
イツ特許出願公開第４４３１５１０号に開示されてい
る。
【００１８】基体３の材料はフェライト合金を含み得
る。フェライト合金はアルミニウム、クロム及び鉄を含
むか、または珪素、クロム及び鉄を含み、前記の各成分
の組成割合は、ａ）２２重量％Ｃｒ／５〜８重量％Ａｌ
／残りＦｅと、ｂ）１３〜１５重量％Ｃｒ／３．５〜５
重量％Ａｌ／残りＦｅと、ｃ）３〜５重量％Ｓｉ／３〜
５重量％Ｃｒ／残りＦｅと、ｄ）２〜４重量％Ｓｉ／８
〜１２重量％Ｃｒ／残りＦｅとのうちのいずれか１つで
ある。基体３の材料の熱膨張は電気化学的に活性なプレ
ート２の熱膨張と最大で約３・１０-6Ｋ-1異なる。
【００１９】以上詳述したように、本発明では、酸化ア
ルミニウム及び酸化珪素の少なくともいずれか一方から
なる保護層を形成することにより、基体の劣化を防止す
べく従来使用されているコーティングが必要なくなる。
これは製造コストの低減を可能にする。更に、インター
コネクタに使用されている前記の材料は従来の材料と比
べて比較的安価である。
【００２０】
【発明の効果】本発明によれば、安価な材料から形成さ
れたインターコネクタを備えた複数の平面高温燃料電池
を有するバッテリを提供するという優れた効果を発揮す
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づくバッテリの燃料電池のインター
コネクタを示す斜視図。
【図２】本発明に基づくバッテリの燃料電池の縦断面
図。
【図３】インターコネクタのガス側の構造物層の例を示
す斜視図。
【符号の説明】
１…インターコネクタ、２…電気化学的に活性なエレメ
ント、３…基体、４，５…構造物層、４２…突起部とし
ての尾根状構造物エレメント、４３…接点を形成する突
起部としてのノブ状構造物エレメント。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数の平面高温燃料電池を有するバッテ
    リであって、前記バッテリは複数の電気化学的に活性な
    エレメント（２）及びインターコネクタ（１）を積層状
    に交互に配置した構造体を有し、前記インターコネクタ
    （１）は空気熱交換器として形成され、かつ基体（３）
    と、同基体（３）によって主に決定される熱膨張とを有
    し、前記各基体（３）は空気側をガス側から分離し、電
    気伝導及び伝熱を行う構造物層（４，５）を基体（３）
    の両側部にそれぞれ配置し、前記基体（３）の一方の側
    部に位置する構造物層（４）は電気化学的に活性なエレ
    メント（２）に沿って空気を流動させるために使用さ
    れ、他方の側部に位置する構造物層（５）は電気化学的
    に活性なエレメント（２）に沿って燃焼ガスを流動させ
    るために使用され、前記基体（３）の熱膨張は電気化学
    的に活性なエレメント（２）の熱膨張にほぼ等しいバッ
    テリにおいて、前記各基体（３）は空気熱交換器として
    形成され、かつ恒久的な酸化物層を酸素の存在をともな
    うバッテリの動作条件下において自身の表面上に形成す
    る材料からなり、前記構造物層（４）は基体（３）の空
    気側において同基体（３）に結合され、同結合は構造物
    層（４）及び基体（３）の間の接点（４３）における酸
    化物形成から基体（３）を保護するように行われている
    バッテリ。
  2. 【請求項２】 前記基体（３）の材料は合金であり、同
    合金は高温に耐え得るとともに、アルミニウム及び珪素
    の少なくともいずれか一方を含み、前記酸化物層は酸化
    アルミニウムまたは酸化珪素からなる請求項１に記載の
    バッテリ。
  3. 【請求項３】 前記空気側に位置する構造物層（４）は
    基体（３）に対してハンダ付けされている請求項１また
    は２に記載のバッテリ。
  4. 【請求項４】 前記空気側に位置する構造物層（４）を
    レリーフ構造を有する薄い金属シートから形成し、好ま
    しくはガス側に位置する構造物層（５）も同様にレリー
    フ構造を有する薄い金属シートから形成し、前記各金属
    シートはレリーフ構造を有することによりインターコネ
    クタ（１）の熱膨張に実質的に影響を及ぼさない請求項
    １乃至３のいずれか一項に記載のバッテリ。
  5. 【請求項５】 前記レリーフ構造はノブ状構造物エレメ
    ント及び尾根状構造物エレメントの少なくともいずれか
    一方を有し、前記各構造物エレメントは規則正しく配置
    された突起部（４２，４３）を中央エレメントの両側に
    おいてそれぞれ形成している請求項４に記載のバッテ
    リ。
  6. 【請求項６】 前記空気側に位置する構造物層（４）は
    導電性保護層を外側に有し、前記導電性保護層は酸化ク
    ロムの遊離に抵抗するバリアを特に形成する請求項４ま
    たは５に記載のバッテリ。
  7. 【請求項７】 前記ガス側に位置する構造物層（５）は
    格子状の構造をなすか、または多孔性構造を有し、さら
    には金属フェルト、金属フェルト部品または導電性セラ
    ミック・フォーム構造物から形成されている請求項１乃
    至６のいずれか一項に記載のバッテリ。
  8. 【請求項８】 前記電気化学的に活性なエレメントはガ
    ス側に位置する構造物層に対して結合され、さらにはＰ
    ＶＤまたはＶＰＳプロセスによって形成されている請求
    項７に記載のバッテリ。
  9. 【請求項９】 前記積層状をなす構造体はほぼ中心対称
    の構造を有し、中心軸ディストリビュータ（７）を燃焼
    ガスのために設け、複数の空気供給ポイント（６）を基
    体（３）の周辺部に設けた請求項１乃至８のいずれか一
    項に記載のバッテリ。
  10. 【請求項１０】 前記積層状をなす構造体は実質的に平
    行パイプの形態をなす構造を有し、燃焼ガスのためのデ
    ィストリビュータ（７）を構造体の一方の側部に配置
    し、複数の空気供給ポイント（６）を前記ガス・ディス
    トリビュータ（７）の反対側に配置し、前記複数の空気
    供給ポイント（６）は空気（６０）がガス・フロー（７
    １）とは逆方向に基体（３）内に流入するよう形成され
    ている請求項１乃至８のいずれか一項に記載のバッテ
    リ。
  11. 【請求項１１】 前記基体（３）の材料はフェライト合
    金であり、かつアルミニウム、クロム及び鉄を含むか、
    または珪素、クロム及び鉄を含み、前記各成分の組成割
    合は、ａ）２２重量％Ｃｒ／５〜８重量％Ａｌ／残りＦ
    ｅと、ｂ）１３〜１５重量％Ｃｒ／３．５〜５重量％Ａ
    ｌ／残りＦｅと、ｃ）３〜５重量％Ｓｉ／３〜５重量％
    Ｃｒ／残りＦｅと、ｄ）２〜４重量％Ｓｉ／８〜１２重
    量％Ｃｒ／残りＦｅとのうちのいずれか１つである請求
    項１乃至１０のいずれか一項に記載のバッテリ。
  12. 【請求項１２】 前記基体（３）を構成する材料の熱膨
    張率は電気化学的に活性なエレメント（２）の熱膨張率
    と最大で約３・１０-6Ｋ-1異なる請求項１乃至１０のい
    ずれか一項に記載のバッテリ。
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