JP2012503280A - モジュラー構造を有する燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料電池装置であって、各々一つの陽極、陰極、および、陽極と陰極の間に配置された電解質を含む多数の燃料電池を有し、かつ、水平に配置された少なくとも一つの燃料電池スタックと、燃料電池の陽極に燃焼ガスを供給するための燃焼ガス供給手段と、陽極排ガスを陽極から取り除くための陽極ガス除去手段と、燃料電池の陰極に陰極ガスを供給するための陰極ガス供給手段と、陰極排ガスを燃料電池から取り除くための陰極ガス除去手段と、陽極排ガス及び／又は陰極排気の少なくとも一部を燃料電池の陰極に戻すためのリサイクル手段とを有する燃料電池装置に関する。本発明に係る燃料電池装置は、燃料電池装置が、標準化されたインターフェースを介して互いに連通する、モジュラー式の、互いに独立したアッセンブリーから構成され、その際、第一のアッセンブリーが、燃焼ガス供給手段と陽極ガス除去手段を有する燃料電池スタックを含んでおり、第二のアッセンブリーが、陰極ガス分配器、始動ヒーターおよび熱交換器を有する陰極ガス供給手段を含んでおり、第三のアッセンブリーが、陰極排気収集器、陰極排気導管、新気、陰極排気および陽極排ガスの混合のためのガス混合器、触媒燃焼器、並びにリサイクル手段の収集配管を含んでおり、かつ、第四のアッセンブリーが、リサイクル手段の運搬装置を含んでいることを特徴とする。

Description

本発明は、高温・燃料電池装置、特に溶融炭酸塩型燃料電池と、このような燃料電池装置を動かす方法に関する。

燃料電池を用いて電気エネルギーを発生させるためには、通常多数の燃料電池が、スタック状に配置され、その際、燃料電池は、それぞれ陽極、陰極およびその間に配置される電解質を有している。個々の燃料電池は、それぞれバイポーラ板によって互いに隔てられており、電気的に接している。陽極と陰極には、それぞれ電流整流器（Stromkollektor）が設けられており、これらが、陽極または陰極を一方で電気的に接触させ、他方で反応ガス（Reaktionsgase）を、これらを通り過ぎて供給するために使用される。陽極、陰極および電解質マトリックスの周辺領域には、各シール要素が設けられており、このシール要素が、燃料電池と、同時に燃料電池スタックの、陽極ガスおよび陰極ガスが流出することに対する側方からのシールを形成する。

溶融炭酸塩型燃料電池においては、電解質材料は典型的には、多孔性のマトリクス中に固定される、二進または三進のアルカリ融解炭酸塩（Alkalikarbonatschmelzen）から成る。動作中、溶融炭酸塩型燃料電池は、典型的には、およそ６５０℃の作動温度に達する。その際、両極側では、電子発生のもと、炭酸塩化によって水素の水および二酸化炭素への反応が起きる。陰極側では、酸素が二酸化炭素と反応し、電子を取り込み炭酸塩化する。その際、熱は無い。電解質として使用されるアルカリ融解炭酸塩は、一方で陽極半反応のために必要な炭酸塩化を提供し、他方で陰極半反応の際に発生する炭酸塩化を受け止める。実際には、燃料電池の陽極側にはしばしば、例えば天然ガスまたはバイオガスから発生し得る、例えばメタンのような、炭化水素を含んだエネルギーキャリアと水が供給される。この水から、陽極半反応のために必要な水素が、内部再生によって獲得される。陽極排ガスは、追加的に供給された空気とともに混合され、引き続いて、場合によっては存在する燃焼ガスの残りの構成要素を取り除くために、触媒参加される。発生するガス混合物は、二酸化炭素と酸素、つまり、ちょうど陰極半反応のために必要なガスを含んでいるので、陽極排ガスは、新気供給と触媒酸化の後に、陰極半セルに直接導入されることが可能である。

陰極出口に発生する熱い排気は、有害物質を含んでおらず、熱的に再利用することが出来る。溶融炭酸塩型燃料電池の電気的な効率は、すでに４５％から５０％であり、そして全プロセスにおいて発生する熱を利用することにより、全効率はおよそ９０％に達することが可能である。

本出願人は、燃料電池スタックとすべての高温で作動するシステムコンポーネントを、一つの共通のガスを通さない保護ハウジング内に統合することに成功した。これによって一方では、装置の効率が改善され、そして他方では、陰極ガス流が保護ハウジングの内部室内で自由に循環し、かつ陰極排ガス流が、循環する陰極ガス流に自由に導入されることが可能な装置を実現することができた。従来の燃料電池スタックの場合は、陽極入口、陽極出口、陰極入口、および陰極出口に、それぞれガス分配器又はガス収集器が設けられており、これらが、燃料電池スタックに対して高費用でシールされなければならないのに対して、本出願人の公知の装置では、自由に保護ハウジング内で循環する陰極ガス流に基づいて、確かに燃料電池スタックに対してシールされるべきガス分配器が陽極入口に設けられるが、陰極入口にはガス分配器が必要でないので、全構造ははるかに単純化されることができる。

本出願人の公知の燃料電池装置は、例えば国際特許出願に係る特許文献１および２、ならびに独国特許出願に係る特許文献３に詳細に記載されている。

公知の燃料電池装置の本質的なコンポーネントは、図１および２に正面または側面断面図として簡略的に表わされている。全体的に符号１０をもって表わされている燃料電池装置は、水平方向にある、つまり垂直に配置されるプレート状の要素からなる燃料電池スタック１１を備えており、この燃料電池スタックは、熱的に隔離されている、ガスを通さない保護ハウジング１２の中に配置されている。燃焼ガスは燃焼ガス導管１３を介して、ガスを通さない保護ハウジング１２の中に案内され、そして熱交換器１４を介して、陽極入口１５に接し燃料電池スタック１１の下側に配置される燃焼ガス分配器１６内へ燃料電池スタック１１の陽極室内に導入される。燃焼ガスは、基本的に垂直方向で陽極室内を通り流れ、そして、燃料電池スタックの上側に存在する陽極出口１７へと再び現われる。熱交換器１４は、ガス・ガス熱交換器であり、これが一方では、燃焼ガスを通し流され、そして他方では、ガスを通さない保護ハウジング１２の内部を循環する陰極ガスの流れを通し流される。陰極ガスは、側方に配置される陰極入口１８において燃料電池スタック１１内へと進入し、そして燃料電池スタックの向かい側の陰極出口１９において、これを去る。図１より判る通り、陰極ガスと燃焼ガスの流れ方向は、互いに垂直である。ガス流の保護ハウジング１２内における保持は、燃料電池スタック１１の上方に配置される二つのファン２０，２１によって保持され、これらファンは、それぞれ電動モーター２２，２３により駆動される。燃料電池スタック１１の陽極出口１７の直上には、拡散器２４とこれに続く静的な混合器２５が設けられている。静的な混合気２５内では、陽極出口１７を去る陽極排ガスが、ハウジング１２内を循環する陰極ガス流と混合される。配管２６を介して、さらに新気が、静的な混合気２４内に導かれる。ファン２０，２１の作用のもと、陽極排ガス、循環する陰極ガスおより新気のガス混合物が、静的な混合気２５の上方に配置される触媒燃焼器２８内に導かれ、この触媒燃焼器内で、陽極排ガスの、燃焼可能な残りの構成要素が触媒燃焼され、そして利用可能な熱へと転換される。今や、酸素および二酸化炭素とともに、陰極反応の主構成要素を含んでいる、触媒燃焼器を去るガス混合気は、ファン２０，２１によって、燃料電池スタック１１を水平方向に横切る陰極入口１８のほうへ向けられる。上述したように、陰極出口１９に発生した後、陰極ガスの部分流は、静的な混合気２４へ戻って案内される。陰極入口１８の前には、好ましくはさらに一つの始動ヒーター２８が設けられており、この始動ヒーターは、プロセスガスを燃料電池装置１０の始動の際に、およそ６００℃の作動温度へともたらす。陰極入口１８の前には、その上、拡散器２９が設けられており、この拡散器は、ファン２０，２１および陰極入口１８の間に設けられる別の構造物とともに、電池スタックの均質な流れを可能とする。しかしながら、表わされている例のように、熱交換器１４が同様に陰極入口１８の前に設けられるとき、電池スタックの均質な流れは、熱交換器の適切な形態によっても保証されることが可能であるから、場合によっては追加的な拡散器２９は省略することが可能である。余剰の陰極排気は、ここでは単に簡略的にのみ示唆される陰極排気配管３０を通って、燃料電池スタック１１を去る。

ここで記載した燃料電池装置は、循環シリンダー式ハウジングとしてＨＭ３００と称されて本出願人により販売されている。

この公知の構造原理においては、静的な混合器、触媒燃焼器、およびこれに接続されるファンが、燃料電池スタックの陽極出口の直上に設けられ、このことは、循環ファンに高い流体技術上の要求をする、つまり、ファンの吸引方式に関して、新気、陽極排ガスおよび陰極排気の静的な混合器内での均一な混合を確実にするためであるとともに、ファンの放出方式に関して、セルスタックのガス混合器による均一な放出をも確実にするためにである。これら要求は、従前の構造では、整流器と流れ経路中の構造物によってのみ保証されていた。これらはしかしながら圧力損失に通じ、これが再び、高いファン性能を要求する。数百の個々のセルを有するセルスタックにおいてはさらに、均質な流れ比率を達成するために、セルスタックにそって配置される複数のファンが必要である。

従前の構造の別のデメリットは、触媒燃焼器が、セルスタックの上、静的な混合器とファンの間に配置されるという点にある。触媒は、しかしながら、運転期間中に汚染にさらされ、この汚染は、流れ通路の悪化とさらなる圧力損失に通じるので、触媒は規則的に洗浄されなければならない。従来の装置においては、このため全セルスタックが取り外されなければならず、これはきわめて高い作業労力に結びつくし、そしてメーカーのみが実施することが出来る。

公知の構造の別のデメリットは、供給されるスペースが少ないことに基づいて、混合器が、陽極出口のすぐ上にきわめてコンパクトに設けられなければならないので、満足いく混合は、多数の構造物と相応して高い圧力損失によってのみ達成可能であるという点にある。よって、従前使用されていた混合器の製造コストは高い。

最終的に、従来の燃料電池装置は、低い構造上の自由度のみしか与えない。よって、循環シリンダー式の保護ハウジングの使用によって、保護ハウジング内に配置される別のコンポーネントと燃料電池スタックの高さと幅の比率は、基本的に前もって定められ、そして保護ハウジング内に配置されるコンポーネントの配置と形状に関する自由度は低い。ここのコンポーネントの互いに適合された特別な設計は、装置の出力設計に応じて多数のコンポーネントが新しく構築されなければならないということにも通じる。さらに従来使用された燃料電池装置の組付け労力は大きい。

国際公開 第９６／２９５１Ａ１号パンフレット 国際公開 第９６／２０５０６Ａ１号パンフレット 独国特許出願 第１９５４８２９７Ａ１号明細書

よって本発明の課題は、保護ハウジング内で循環する陰極流を有する、保護ハウジング内に統合された燃料電池スタックの記載した構造原理をさらに改善することである。

本発明に従いこの技術的課題は請求項１に記載の特徴を有する燃料電池装置を提供することにより解決される。本発明の有利な改良形は、従属請求項の主題である。

本発明に従い、新気、陽極排ガスおよび陰極排気の混合物を、触媒燃焼器を横切った後に、ファンによって直接吸入するのでなく、まず、ファンに開口している吸入管内に集めることが提案される。吸入されたガスの混合と触媒燃焼は、吸入管の前ですでに行われているので、ファンによる最適な吸入が保証される。吸入管内での流れ案内に基づいて、ファンは、保護ハウジング内に配置されることが可能であり、そして標準化された吸入または放出パイプによってハウジングの内部室と連通することが可能である。保護ハウジングと、フランジマウントされたファンが、二つの独立したアッセンブリーを形成するので、両アッセンブリーは、互いに独立して構成され、そして独立して最適化されることが可能である。セルスタックの上部に確保される空間内には、ファンからくるガス混合物の縦分配のための最適化された分配器が設けられることが可能であるから、ファンの吸入および放出特性は全く危機的でない。燃料電池スタックの長手方向でくさび状に先細となる流れ分配器によって、費用の係る整流器および構造物なしでも、セルスタックの均一な流入流れが保証されるので、従来型の構造に対して圧力損失は、明らかに軽減されることが可能である。これに対応して、ファンに対する性能要求もまた減少する。驚くべきことに、本発明に従い提案される装置によって、６００個までの個々のセルを有するセルスタックが、唯一のファンによって管理可能であることが認められた。

発明にしたがい、触媒燃焼器を陰極出口側の、保護ハウジングの壁部と燃料電池スタックの間に配置することもまた提案される。この配置に基づいて、触媒が簡単にアクセス可能であるので、洗浄作業のためのメンテナンスが容易となる。保護ハウジングの壁部には、例えば洗浄開口部・充填開口部が設けられることができるので、セルスタックの分解はもはや必要ない。よって、触媒の洗浄は、ユーザー自身によって実施可能である。従来使用されていた燃料電池装置と反対に、触媒燃焼器は、上から下へと流されるので、バルク触媒（Schuettgutkatalysator）の使用もまた可能となる。先行技術においては、バルク触媒は使用することが不可能である、というのは下から上への流れにおいて、触媒粒子の浮上が気流中に生じ、これは触媒ボディの激しい機械的消耗をもたらすからである。しかしながら、それにも関わらず、変更された装置において、従来好ましくは使用されていたハニカム触媒も使用されることができる。

発明に従い、簡易でかつ圧力損失の少ないガス混合気もまた提供される。ガス混合気は、陰極排気が新気と混合される第一の混合区域と、陽極排ガスが陰極排気と新気の混合物へと導入される第二の混合区域を有する。混合器は、好ましくは、陰極出口側のセルスタックと保護ハウジングの壁部の間で、そこに同様に設けられる触媒燃焼器の上方に設けられている。これによって長い混合区域が実現されるので、均質な陰極排気流と陽極排気流と新気の均質な混合を保証するために、より少ない構造物と混合要素が必要である。これによって、混合器中の圧力損失が、公知の、燃料電池スタックの上に設けられる混合器に対して、明らかに減少される。さらに本発明に係る混合器は、簡単な薄板部材により軽量かつ安価に製造することができる。これは燃料電池装置の全コストを減少する。

本発明に係る燃料電池装置は、機能グループ内に設けられる。この機能グループは、大幅に互いに独立して設計され、そして最適化されることが可能である。

その際、一つの機能グループは、陽極入口分配器と陽極出口収集器を有する燃料電池スタックからなる。燃料電池スタックが、熱交換器、静的な混合気および触媒燃焼器のようなコンポーネントを有する従来の構造と反対に、提案されるアッセンブリーは、はるかに簡易に構築されることが可能である。別の機能グループは、分配チャネルを有する陰極ガス供給部、始動ヒーターおよび熱交換機からなる。この機能グループは、コンテナーの外で完全に事前組立てされ、そしてスタック使用の前に組み込まれることが可能である。

さらに別の機能グループは、新気、陰極排気および陽極出口ガスを混合するための薄板構造物を有する混合器ユニットおよび触媒ユニットから、触媒ハウジングおよび転向薄板を有する触媒出口収集器からなる。

さらに別の機能グループは、羽根車ハウジングを有する循環ファンと、吸入管を介しての触媒出口ハウジングに対してと、圧力側へ陰極ガス分配チャネルに対する吸入側接続からなる。

発明にしたがい、保護ハウジングが長方形状に形成されるので、本発明に係る燃料電池装置のコンポーネントの構造は、高さと幅の比率に因らない。

これら機能グループは、大部分がモジュールの外で予め組み立てられ、これによって組付けが簡単となり加速される。

本発明を、以下に添付の図面に表わされた実施例を参考にしつつ詳細に説明する。

先行技術による燃料電池装置の正面断面図 先行技術による燃料電池装置の側方断面図 本発明の一つの実施例に従う燃料電池装置の正面断面図 図３の円ＩＶで示された領域の拡大詳細図 図２に表わされた発明に係る燃料電池装置を、図３の線Ｖ−Ｖに沿って切断した側方断面図 図２に表わされた発明に係る燃料電池装置を、図３の線ＶＩ−ＶＩに沿って切断した断面上面図 図３−６の燃料電池装置のバリエーションの、ガスを通さないハウジングの簡略斜視図

先行技術に従う燃料電池は、図１および２と関連してすでに上述の通り説明された。

以下に、本発明に従う燃料電池装置の二つの好ましい実施例を、図３から７を参照しつつ説明する。その際、先行技術による燃料電池装置の構造要素と同一の構造要素、または同様のもしくは類似の機能を有する構造要素は、同一の参照符号でもって称されている。

全体的に符号１０を付された燃料電池装置はここでもまた、先行技術による燃料電池装置のように、垂直に設けられたプレート状の要素からなっている、水平方向に横たわる燃料電池スタック１１を有しており、この燃料電池スタックは、熱的に隔離された、ガスを通さない保護ハウジング１２の中に配置されている。先行技術による燃料電池装置の保護ハウジングと反対に、本発明に係る保護ハウジングは、基本的に長方形に形成されている。ガスを通さない保護ハウジング１２は、個々の、互いに接続された、例えば互いに溶接された金属プレート３１からなり、この金属プレートは、特に図７に表わされるように、その外側をスチールキャリア３２によって安定化されており、このスチールキャリアが、全燃料電池装置１０に必要な強度を与えている。金属プレート３１の内側面上には、適当な遮断材料２９が保護ハウジング１２の内部室の熱的隔離のためにもたらされている。保護ハウジング１２は、燃料電池スタックの変更された形状に簡単に合わせることができ、このことによって、様々な性能を有する燃料電池装置の安価な製造が可能とされる。

燃料電池装置１１は、また、陰極入口側１８、陰極出口側１９、陽極入口側１５および陽極出口側１７を有している。

燃焼ガスは、燃焼ガス配管１３を有する燃焼ガス供給手段を介して、ガスを通さない保護ハウジング１２の中に至り、まず、先行技術と反対に燃料電池スタック１１の上方に設けられる熱交換機１４を通し案内される。熱交換機１４は、本発明に係る燃料電池装置１０においては、ガス／ガス・熱交換器として形成され、このガス／ガス・熱交換機は、一方で燃焼ガスを、そして他方で、ガスを通さない保護ハウジング１２の内部を循環する陰極ガスの流れを通されるので、燃焼ガスは、燃料電池スタック１１内に導入される前に予め温められる。熱交換器１４を通った後に、温められた燃焼ガスは、燃料電池スタックの正面に設けられる配管３３を介して、燃料電池スタック１１の下側に設けられる燃焼ガス分配器１６にいたる。この燃焼ガス分配器は、燃焼ガスをスタックの個々の燃料電池の陽極室入口に分配する。しかしながら、表わされる例において燃焼ガスは、陽極室内へ直接至らない。むしろ、燃料電池スタック１１のセル要素の間にプレート状に形成された再生要素が設けられ、この再生要素が、燃焼ガスの少なくとも一部分を、燃料電池の陽極室に導入する前に公知の方法で再生する。特別な、図３から６に表わされた本発明の実施形においては、熱せられた陽極ガスが、配管３３を介してまず、中空配管３４として形成された、陽極ガス分配器１６の端縁部内に案内される。この陽極ガス分配器は縦分配器として使用される。中空配管３４に沿って、多数の分配配管３５が側方へと分岐しており、これら分配配管３５が、燃焼ガスを、分配配管の端部に設けられたＶ字状の分配ボディ３６を介して、燃料電池スタックのプレート状の独立した再生要素へと導く。例えば、燃料電池スタック１１内の燃料電池要素と交替して設けられることができるか、または所定の数の燃料電池要素の後、例えば五個の燃料電池要素の後にそれぞれ設けられる再生要素を通った後、少なくとも部分的に再生された燃焼ガスが燃焼ガス分配器１６の内部室に戻り案内され、そしてそこからスタックの燃料電池要素の陽極入口へと至る。発明に係る燃料電池装置の一つの有利な実施形では、まず、いわゆる間接的な内部再生のためのこれら独立した再生要素に対して追加的に、燃料電池要素の陽極室内にもまた、いわゆる直接的な、内部再生のための再生触媒が設けられている。分配配管３５と燃焼ガス分配器１６の間のシールは、よって危機的でない、というのは、場合によってはありうる漏洩性によって直接燃焼ガス分配器１６の内部室に至る、再生されていない燃焼ガスが、燃料電池要素内で直接再生されることが可能だからである。下から上に燃料電池スタック１１を通った後、陽極排ガスは、陽極出口１７において燃料電池スタック１１の上側に現われ、そして、陽極排ガス収集器３７により受け止めれら、そして側方からガス混合器２５に導かれる。このガス混合器は、図３と特に、拡大して表わされた図４において認識可能であり、そして以下にさらに詳細に説明される。

ガスを通さない保護ハウジング１２内で循環する陰極ガスは、燃料電池スタック１１の開かれた陰極入口側１８で、燃料電池要素の陰極室に入り、そして燃料電池スタックを基本的に水平方向に横切った後、陰極出口側１９のスタックを去る。この陰極出口の上に陰極排気収集器３８が設けられている。開口部３９を介して、陰極排気収集器３８は、陰極排気配管４０と接続されており、この陰極排気配管を介して、余剰な陰極排気が、燃料電池装置１０から取り除かれる。

陰極排気の一部分は、しかしながら保護ハウジング１２内をさらに循環し、そして陽極排気とガス混合器２５内の新気との混合と、後述する触媒燃焼器２７内での引き続いての後燃焼の後に、いわゆる陰極ガスとして再び陰極入口側１８で燃料電池スタック１１内に現われる。

陰極出口側に設けられた陰極排気収集器３８は、その上部領域４１に、基本的に燃料電池スタック１１の全長にわたって延在するスリット開口部４２を有しており、このスリット開口部を通って、陰極排気の、保護ハウジング１２内で循環する部分が、後続されるガス混合器２５へと至る。ガス混合器２５は、第一の混合区域４３を有しており、ここに、陰極排気収集器をスリット開口部４２を介して去る陰極排気と新気が導入される。新気は、燃料電池スタックに対して基本的に平行に延在する新気配管２６を介して供給される。この新気配管は、混合器に沿って少なくとも開口部４４、例えば長手方向に延在するスリット開口部、または複数の開口部を有し、これらを通って新気が第一の混合区域４３に至ることが可能である。ガス混合器２５はさらに、第一の混合区域４３、の流れ下流に配置された第二の混合区域４５を備えており、この第二の混合区域において、陽極排ガスが、陰極排気と新気の混合物中に導入される。ガス流は、第一の混合区域４３においては基本的に水平に延び、一方、第一の混合区域から第二の混合区域への移行領域４６では、下方に向かって転向される。さらに、ガス混合器２５は、第一の混合区域４３の流れ断面および流れるべき陽極排ガスの流れ断面が、第二の混合区域４５に向かって減少するので、陽極ガスと、すでに予め混合された陽極排気と新気の混合物とが、第二の混合区域４５に向かって加速されるように形成されている。第一の混合区域４３の領域では、陽極排ガス流と、陰極排気および新気の混合物とか、案内薄板４７によって分離される。この案内薄板は、第一の混合区域から第二の混合区域への移行領域で終了している。案内薄板４７のこの端部は、多数のリード４９を有しており、これらリードは、長手方向で交互に上にむかって、または下に向かって曲げられ、そしてガス混合器２５のハウジング２５の上側５０または下側５１と溶接されている。これらリード４９は、ガス混合物を追加的に渦巻かせることと、陽極排ガス、陰極排気および新気を均質に混合することに使用される。追加的にまたは代替として、他の静的な混合要素が設けられても良い。第二の混合区域４５は、さらに分配器５３を有しており、この分配器が、分配器の入口５４における第一の流れ断面から、分配器の出口５５における第二の流れ断面に拡大し、その際、分配器の出口の流れ断面は、基本的に、陽極排ガス中に含まれる燃焼ガスを燃焼させるための、ガス混合器２５に後接続される触媒燃焼器２７の上側の進入開口部の面積に相当する。特に図３から明らかなように、ガス混合器２５は、基本的に、燃料電池スタックと、燃料電池スタックを取り囲むガスを通さない保護ハウジングの側部壁５６との間に設けられている。よって、先行技術に対してより長い混合区域が実現されることができる。その上、流れていこうを高める、多数の静的な混合要素を過剰に使用することなく、効果的な混合が図られることが可能である。

ガス混合器２５に引き続く触媒燃焼器２７も同様に、燃料電池スタック１１の側方から、ガスを通さない保護ハウジングの側部壁５６に接し配置されている。触媒燃焼器２７は、少なくとも一つの進入開口部５７を有する上側を備えている。この進入開口部は、陽極排ガス、陰極排気および新気を混合するための混合器と連通している。その下側には、触媒燃焼器は、少なくとも一つの排出開口部５８を有しており、この排出開口部は、陰極入口に戻り案内される排ガスを収集するための収集配管５９と連通している。触媒燃焼器２７は、例えば一つのハニカム触媒を有している。発明にしたがい設けられる、排ガスの、上から触媒を通し下への流れ案内に基づいて、触媒材料は、高い磨耗にさらされることがないので、本発明に係る触媒燃焼器２７は、特に、バルク触媒として形成されることができる。燃料電池スタックの脇の横からの配置に基づいて、触媒燃焼器２７は、本発明に係る燃料電池装置１０の保護ハウジング１２の側部壁５６の直近にあるので、触媒材料は特に簡単に洗浄または交換されることが可能である。このため保護ハウジング１２の側部壁５６には、一または複数の洗浄開口部６０が設けられている。洗浄開口部６０は、特に、図３−６の実施形におけるバリエーションの図７の斜視図に見てとれる。触媒材料は、洗浄開口部６０を通して、例えば、吸入ファンを使って吸い取ることが可能である。よって、先行技術とは反対に、労力のかかる分解は必要ない。例えば、触媒燃焼器が、開口しつづける開口部を適当な高さに有しており、広範に及んでガスを通さない、入口の縁部の、保護ハウジング１２の側部壁５６の内側との封鎖部が保証されているとき、側部壁５６内の洗浄開口部６０を介して、触媒材料は直接取り扱うことができる。表わされている実施形のように、触媒燃焼器２７または、直接その上にある、洗浄開口部６０の高さの、分配器５３の斜めの部分は、触媒材料のための閉鎖可能な入口開口部６１を有している（図５参照）。

陰極ガス、つまり、触媒燃焼器内で後燃えする、陰極排気、陽極排ガスおよび新気の混合物の循環の維持のために、陽極排ガスの少なくとも一部と、陰極排気の少なくとも一部を、スタック１１の燃料電池の陰極室の陰極入口１８に戻り案内するための、リサイクル手段が設けられている。リサイクル手段は、燃料電池スタックの縦側に設けられ、戻り案内される排ガスを収集するための、少なくとも一つの収集配管５９を備えている。この収集配管は、燃料電池スタックの正面に設けられる運搬装置の進入部６２に口を開いており、前記運搬装置は、循環ファン２０と電動モーター２２を有している。循環ファンは、放出部６３を有しており、この放出部は、ガス混合物を陰極室の入口へと案内する陰極ガス供給手段と連通している。

収集配管５９は、基本的に水平に延在する収集配管であって、燃料電池スタック１１の足部領域に、基本的に燃料電池スタック１１の全長に渡って及んでいる。収集配管５９内には、多数の転向薄板６４が配置されており、これら転向薄板が、ガス混合器２５と触媒燃焼器２７から来る垂直なガス流を、水平なガス流に、収集配管５９の長手方向軸に沿って転向する。転向領域６４は、曲げられた薄板として形成され、そして水平および垂直方向において互いに置き換えられながら（versetzt）配置されているので、均一で水平な流れを、追加的な渦生成なしに発生することができる。好ましくは、転向領域は、空間の対角上に配置されており、これらは下側の、循環ファン２０の進入部６２から離れる、収集配管５９の水平な部分の端部から、上側の、収集配管５９の水平な部分の、進入部６２の方を向いた端部に向かって延びている。収集配管５９の水平な部分の端部には、ここでもまた、転向領域６５が設けられており、この転向領域がガス流を、上方へ向かって、基本的に垂直な配管部分６６内を循環ファン２０の進入部６２に向かって転向する。循環ファン２０の放出部６３には、ガス分配器６７が接続されており、このガス分配器は、燃料電池スタックの頭部領域に、基本的に燃料電池スタックの全長にわたって延在している。ガス分配器６７は、その長手方向軸に平行に分配されて配置されている、側方の放出か移行部６８を有しており、これを通ってガス混合物が、ガス分配器の放出開口部に後配置され、始動ヒーターとして使用される加熱装置２８内に流れ込むことが可能である。特に図６に見てとれるように、自身の長手軸に対して垂直に向けられた、ガス分配器６７の内部空間の断面平面は、その、循環ファン２０の放出部６３に配置される端部から、その、反対側の端部に向かって減少するので、放出開口部６８から側方に流出するガス量は、ガス分配器６７の全長にわたって基本的に一定である。ガス分配器６７に後配置される始動ヒーター２８は、燃料電池装置１０の始動の際に、ガス混合物を作動温度まで上昇加熱させる。始動ヒーター２８には、すでに上述した熱交換器１４が直接接続されており、この熱交換器内で、循環する陰極ガスと、保護ハウジング１２内に導入される燃焼ガスとが、熱的に接触するに至る。熱交換器１４を通し後、循環する陰極ガスは、保護ハウジング１２の内部空間６９を通って自由に、燃料電池スタック１１の陰極側の入口１８へと戻り流れる。

本発明に係る燃料電池装置の、図７に表わされたバリエーションにおいては、図３−６に表された実施形とは、図７のバリエーションにおける燃料配管１３が、まっすぐに熱交換器１４の高さで保護ハウジング１２に流れ込み、一方、図４−６の実施形における燃料配管１３は、新気配管２６の下方で、保護ハウジング内に流れ込み、そして、特に図５において見てとれる通り、保護ハウジング内では上方に向かって熱交換器１４の方向へと転向されるという点のみが異なっている。

表わされている実施形から判る通り、本発明に係る燃料電池装置は、大幅に互いに独立したアッセンブリーからなるモジュラー式の構造が有利である。これらアッセンブリーは、標準化されたインターフェースを介して互いに連通しあっている。

本発明に係る燃料電池装置においては、第一のアッセンブリー、燃焼ガス供給手段、つまり特に燃焼ガス配管１３と新気供給配管を有する燃料電池スタック１１、および陰極ガス排出手段、つまり特に陰極ガス収集器３７を有している。陰極ガス収集器３７は、ハウジング内のテンショニング装置（Spanneinrichtung）７０を用いて、燃料電池スタック、および陽極入口に配置された燃焼ガス分配器１６に留められている（verspannt）。

第二のアッセンブリーは、陰極ガス分配器６７、始動ヒーター２８および熱交換器１４を有する陰極ガス供給手段を有している。これらは取付け枠７１内で保護ハウジング１２の天井７２の下側に取付けられている。

第三のアッセンブリーは、陰極排気収集器３８、陰極排気配管４０、新気、陰極排気および陽極排ガスを混合するためのガス混合器２５、触媒燃焼器２７、並びにリサイクル手段の収集配管５９を有している。表わされた実施形では、第三のアッセンブリーは、陰極排気収集器３８と陰極排気配管４０を有する第一のサブアッセンブリーと、ガス混合器２５、触媒燃焼器２７およびリサイクル手段の収集配管５９を有する第二のサブアッセンブリーに細分化されている。

最後に、第四のアッセンブリーは、リサイクル手段の運搬装置を有する。この運搬手段は、羽根車ハウジングを有する循環ファン２０、第三のアッセンブリーの収集配管５９と連通する吸入側接続６３、第二のアッセンブリーの陰極ガス分配器６７と連通する圧力側接続６４、および循環ファンを駆動する電動モーター２２から成っている。

これらアッセンブリーは、ガスを通さない保護ハウジング１２の中に配置されており、その際、保護ハウジングは、基本的に直方体状の一般的形状を有している。

本発明に係る装置の特別なメリットは、第一および第三のアッセンブリーが挿入される前に、第二と第四のアッセンブリーが、予め保護ハウジングの内部壁と接続されることが可能である点にある。

１０ 燃料電池装置
１１ 燃料電池スタック
１２ 保護ハウジング
１３ 燃焼ガス配管
１４ 熱交換機
１５ 陽極入口
１６ 燃焼ガス分配器
１７ 陽極出口側
１８ 陽極入口
１９ 陰極出口
２０ ファン
２１ ファン
２２ 電動モーター
２３ 電動モーター
２４ 拡散器
２５ 混合器
２６ 配管
２７ 燃焼器
２８ 始動ヒーター
２９ 拡散器
３０ 陰極排気配管
３１ 金属プレート
３２ スチールキャリア
３３ 配管
３４ 中空配管
３５ 分配配管
３６ 分配器ボディ
３７ 陽極排ガス収集器
３８ 陰極排気収集器
３９ 開口部
４０ 陰極排気配管
４１ 上部領域
４２ スリット開口部
４３ 混合区域
４４ 開口部
４５ 混合区域
４６ 移行領域
４７ 案内薄板
４９ リード
５０ 上側
５１ 下側
５２ ハウジング
５３ 分配器
５４ 入口
５５ 出口
５６ 側部壁
５７ 進入開口部
５８ 排出開口部
５９ 収集配管
６０ 洗浄開口部
６１ 入口開口部
６２ 進入部
６３ 放出部
６４ 転向薄板
６５ 転向薄板
６６ 配管部分
６７ ガス分配器
６８ 放出開口部

Claims (5)

1. 燃料電池装置であって、
   各々一つの陽極、陰極、および、陽極と陰極の間に配置された電解質を含む多数の燃料電池を有し、かつ、水平に配置された少なくとも一つの燃料電池スタックと、
   燃料電池の陽極に燃焼ガスを供給するための燃焼ガス供給手段と、
   陽極排ガスを陽極から取り除くための陽極ガス除去手段と、
   燃料電池の陰極に陰極ガスを供給するための陰極ガス供給手段と、
   陰極排ガスを燃料電池から取り除くための陰極ガス除去手段と、
   陽極排ガス及び／又は陰極排気の少なくとも一部を燃料電池の陰極に戻すためのリサイクル手段とを有する前記燃料電池装置において、
   燃料電池装置が、標準化されたインターフェースを介して互いに連通する、モジュラー式の、互いに独立したアッセンブリーから構成され、
   その際、第一のアッセンブリーが、燃焼ガス供給手段と陽極ガス除去手段を有する燃料電池スタックを含んでおり、
   第二のアッセンブリーが、陰極ガス分配器、始動ヒーターおよび熱交換器を有する陰極ガス供給手段を含んでおり、
   第三のアッセンブリーが、陰極排気収集器、陰極排気導管、新気、陰極排気および陽極排ガスの混合のためのガス混合器、触媒燃焼器、並びにリサイクル手段の収集配管を含んでおり、かつ、
   第四のアッセンブリーが、リサイクル手段の運搬装置を含んでいることを特徴とする前記燃料電池装置。
2. 運搬装置が、羽根車ハウジングを有し、かつ、第三のアッセンブリーの収集配管と連通する吸引側接続、および第二のアッセンブリーの陰極ガス分配器と連通する圧力側接続を有する、動力駆動される循環ファンを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 燃料電池装置が、ガスを通さない保護ハウジングを含み、この保護ハウジングがアッセンブリーを取り巻いていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池装置。
4. 保護ハウジングが、基本的に直方体の一般的形状を備えていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
5. 第三のアッセンブリーが、陰極排気収集器と陰極排気配管を含む第一のサブアッセンブリーと、ガス混合気、触媒燃焼器およびリサイクル手段の収集配管を含む第二のサブアッセンブリーに細分化されていることを特徴とする請求項１から４の一項に記載の燃料電池装置。

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