JP2018520469A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料電池スタック（１２）を備え、燃料電池スタック（１２）は、少なくとも２つの部分スタック（１４，１６）を有し、部分スタック（１４，１６）は、それぞれ１つの支持プレート（１８，２０）と、それぞれ支持プレート（１８，２０）に配置された複数のチューブ状の燃料電池（２２）とを有する、燃料電池装置に関する。支持プレート（１８，２０）は、少なくともほぼ閉じた空気室（２４）を少なくとも部分的に画定しており、部分スタック（１４，１６）のチューブ状の燃料電池（２２）が、支持プレート（１８，２０）を起点として空気室（２４）内に突出している、ことが提案される。

Description

背景技術
本発明は、特許請求項１の上位概念に記載の燃料電池装置に関する。

燃料電池スタックを備え、燃料電池スタックは、少なくとも２つの部分スタックを有する、燃料電池装置がすでに知られている。この燃料電池装置では、部分スタックは、それぞれ１つの支持プレートと、それぞれ支持プレートに配置された複数のチューブ状の燃料電池とを有する。

発明の開示
本発明は、燃料電池スタックを備え、燃料電池スタックは、少なくとも２つの部分スタックを有し、部分スタックは、それぞれ１つの支持プレートと、それぞれ支持プレートに配置された複数のチューブ状の燃料電池とを有する、燃料電池装置に関する。

支持プレートが、少なくともほぼ閉じた空気室を少なくとも部分的に画定しており、部分スタックのチューブ状の燃料電池が、支持プレートを起点として空気室内に突出している、ことが提案される。「燃料電池装置」とは、本明細書の関連において、特に、少なくとも１つの燃料電池スタックを用いて特に電気エネルギおよび／または熱エネルギを定置式にかつ／または移動式に獲得する装置と解されるべきである。「燃料電池スタック」とは、本明細書の関連において、特に、少なくとも特に連続的に供給される少なくとも１種の燃料ガス、特に水素および／またはメタンおよび／または一酸化炭素と、少なくとも１種の酸化剤、特に酸素との化学反応エネルギを、特に電気エネルギへ変換するために設けられた少なくとも２つの燃料電池を有するユニットであると解されるべきである。この燃料電池は、特に固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）として構成されてもよい。「設けられる」とは、特に,特別にプログラミングされる、設計される、かつ／または装着されると解されるべきである。「特定の機能のための対象物が設けられている」とは、特に、この対象物がこの特定の機能を少なくとも使用状態でかつ／または動作状態で充足するかつ／または実施すると解されるべきである。「部分スタック」とは、本明細書の関連において、特に、特に電気的にかつ／または流体技術的にそれ自体が閉じたかつ／または特に燃料電池スタックの別の部分に依存せずに機能性を有する、燃焼電池スタックの部分ユニットと解されるべきである。特に、燃料電池スタックの部分スタックは、それぞれ燃料電池スタックの燃料電池の所定の部分容量を有する。部分スタック内の燃料電池は、電気的に直列にかつ／または並列に接続されている。「チューブ状の燃料電池」とは、本明細書の関連において、特に、管状の支持体を有する燃料電池と解されるべきである。特に、管状の支持体は、一方の端部側で閉じて構成されている。特に、支持体は、開放多孔質に構成された少なくとも１つの部分領域を有する。特に、チューブ状の燃料電池は、少なくとも部分的に多孔質に構成された少なくとも１つの部分領域に取り付けられた少なくとも１つの機能層を有する。「機能層」とは、本明細書の関連において、特に、特に少なくとも１つのアノードと、少なくとも１つのカソードと、少なくとも１つのアノードと少なくとも１つのカソードとの間に配置された少なくとも１つの電解質とを有する層と解されるべきである。特に、少なくとも１つの機能層は、支持体の内側にかつ／または外側に配置されてもよい。好適には、少なくとも１つの機能層は、完全に支持体の内側に配置されている。燃料ガスは、所定の動作状態で、特に流入要素を介して内側でチューブ状の燃料電池の支持体内へ導かれる。特に、酸素または空気を供給するための少なくとも１つの開放多孔質の部分領域が設けられている。

「支持プレート」とは、本明細書の関連において、特に、特に複数のチューブ状の燃料電池を実装するために設けられたプレート状のユニットと解されるべきである。特に、支持プレートは、少なくとも部分的に金属材料および／または好適にはセラミック材料から成ってもよい。特に、支持プレートは、支持プレートの内側に延在するチャネルを有し、チャネルは、チューブ状の燃料電池に媒体を供給するため、特に少なくとも１種の燃料ガスを供給するために設けられている。支持プレートは、特に１つのまたは複数の部分から構成されてもよい。複数部分から成る態様では、支持プレートは、特に、特にチューブ状の燃料電池を機械的に取り付けるために設けられていて、かつ特に周方向に片側で開いたチャネルを有するベースプレートと、ベースプレートのチャネルを閉じるために設けられたカバープレートとを有する。組付け状態で、チューブ状の燃料電池の長手延在方向は、支持プレートの主延在平面に対して少なくともほぼ垂直に延在している。所定の対象物の「長手延在方向」とは、特に、対象物を依然としてちょうど包囲する最小の仮想直方体の最も長い辺に対して平行である方向と解されるべきである。所定の対象物の「主延在平面」とは、特に、構成ユニットを依然としてちょうど完全に囲繞する最小の幾何学的な直方体の最大の側面に対して平行であり、かつ特に直方体の中心点を通って延在する平面と解されるべきである。「支持プレートが少なくともほぼ閉じた空気室を少なくとも部分的に画定する」とは、本明細書の関連において、特に、支持プレートが空気室を画定する少なくとも１つの壁を形成すると解されるべきである。「少なくともほぼ閉じた」とは、本明細書の関連において、特に、空気室を包囲する閉じた仮想の被覆面の少なくとも８０％、好適には少なくとも８５％、有利には少なくとも９０％、特に有利には少なくとも９５％が、特に気密の被覆部により覆われていると解されるべきである。空気室は、特に、チューブ状の燃料電池に、化学反応に必要な酸素、特に空気中酸素を供給するために設けられている。

このような構成により、空気室の画定および／または部分スタックの配置に関して改善された特性を有する、上位概念に基づく燃料電池装置を提供することができる。特に、支持プレートを空気室の画定部の一部として使用することにより、封止を好適には簡単化することできる。さらに、支持プレートにより、チューブ状の燃料電池のための媒体ガイドを、好適には、空気室の画定部に組み込むことができる。

さらに、部分スタックが、燃料電池スタック内で、複数のチューブ状の燃料電池が相互にはいり込むように配置されている、ことが提案される。特に、部分スタックは、支持プレートが相互に少なくともほぼ平行に向けられているように、配置されている。「ほぼ平行」とは、本明細書では特に、特に１平面内で基準方向に対して相対的な方向の向きと解されるべきであり、その際、基準方向に対する方向は、特に８°未満、好適には５°未満、特に好適には２°未満の差異を有する。部分スタックは、特に、チューブ状の燃料電池が支持プレートを起点としてそれぞれ別の支持プレートの方向へ延在するように配置されている。チューブ状の燃料電池が「はいり込む」とは、特に、部分スタックのチューブ状の燃料電池が、それぞれ別の部分スタックのチューブ状の燃料電池の間の中間室に入り込むと解されるべきである。これにより、好適には、燃料電池スタックの高い機械的な安定性、特に高い振動耐性を達成することができる。

本発明の１つの好適な態様では、支持プレートは、組付け状態で、１つの部分スタックのチューブ状の燃料電池の頭部領域が、別の１つの部分スタックのチューブ状の燃料電池の脚部領域の近傍に配置されるように、相互に間隔を置いている。特に、支持プレートの間の間隔は、チューブ状の燃料電池の高さに少なくともほぼ一致する。チューブ状の燃料電池の頭部領域が、動作中に、チューブ状の燃料電池の脚部領域よりも高い温度を有するので、これにより好適には、燃料電池スタック内で少なくとも十分な温度均一化を達成することができる。

さらに、支持プレートが、空気を空気室内へ導くために設けられた少なくとも１つの空所をそれぞれ有する、ことが提案される。好適には、支持プレートは、空気を空気室内へ導くために設けられた複数の空所をそれぞれ有する。特に、空所は、支持プレートの主延在平面に対して少なくともほぼ垂直に延在している。これにより、好適には容易に空気を空気室へ導くことができる。さらに、空気室へ空気を供給するための供給部を好適には容易に支持プレートに組み込むことができる。

さらに、空所が、空気が空気室内へ導入されるときに各々のチューブ状の燃料電池の少なくともほぼ均一な通流が生じるように配置されている、ことが提案される。好適には、空所は、チューブ状の燃料電池の位置の周りに円状に配置されている。チューブ状の燃料電池に「少なくともほぼ均一な通流」が行われるとは、特に、空所を通って空気室へ導入される空気が、チューブ状の燃料電池の外面の周りを少なくともほぼ完全に通流すると解されるべきである。これにより、好適には、燃料電池スタックの均一の動作を達成することができる。特に、燃料電池スタック内の効率の低減および／または不均一な温度分布を少なくとも十分に阻止することができる。

さらに、支持プレートの間に少なくとも１つの管状のスペーサが配置されている、ことが提案される。好適には、支持プレートの間に複数の管状のスペーサが配置されている。好適には、管状のスペーサは、支持プレートの角隅に配置されている。これにより、好適には部分スタックの機械的な固定を達成することができる。

さらに、管状のスペーサが、少なくとも１つの壁貫通部を有し、かつ空気を空気室から導出するように設けられている、ことが提案される。好適には、管状のスペーサは、複数の壁貫通部を有する。特に、壁貫通部は、空気が空気室から管状のスペーサ内へ流入することを可能にするように設けられている。支持プレートは、特に空気出口孔を有し、空気出口孔に、管状のスペーサの端部が通じている。これにより、好適には容易にかつ／または確実に空気を空気室から導出することを達成することができる。

さらに、燃料電池装置のための部分スタックが提案される。特に、部分スタックは、１つの支持プレートと、支持プレートに配置された複数のチューブ状の燃料電池とを有する。これにより、好適には確実な燃料電池装置の好適には簡単な構造を達成することができる。

本発明に係る燃料電池装置は、本明細書では、上述の使用例および態様に限定されるべきではない。特に、本発明に係る燃料電池装置は、本明細書中に記述された機能性を充足するために、本明細書中に挙げられた数とは異なる数の個々の要素、構成部材およびユニットを有してもよい。

別の利点は、以下の図面に関する説明から明らかである。図面には、本発明の実施の形態が示されている。図面、明細書および特許請求の範囲には、多数の特徴の組合せが含まれている。当業者は、これらの特徴を便宜的に個別に考察し、有意義な別の組合せにまとめる。

非組付け状態の燃料電池スタックを有する燃料電池装置の斜視図を示し、燃料電池スタックは、２つの部分スタックを有し、部分スタックは、それぞれ１つの支持プレートと、それぞれ支持プレートに配置されたチューブ状の複数の燃料電池とを有する。 図１に示された燃料電池装置の断面図を示す。

実施の態様の説明
図１は、非組付け状態の燃料電池装置１０の斜視図を示す一方、図２は、組付け状態の燃料電池装置１０の断面図を示している。燃料電池装置１０は、燃料電池スタック１２を有し、燃料電池スタック１２は、２つの部分スタック１４，１６を有する。部分スタック１４，１６は、それぞれ１つの支持プレート１８，２０と、複数のチューブ状の燃料電池２２とを有する。チューブ状の燃料電池２２は、それぞれ支持プレート１８，２０に配置されている。チューブ状の燃料電池２２は、たとえばガラス用はんだを用いて支持プレート１８，２０に固定されてもよいかつ／または封止されてもよい。部分スタック１４，１６は、図示の態様では、たとえばそれぞれ６つのチューブ状の燃料電池２２を有する。しかし択一的に、６とは異なる数のチューブ状の燃料電池を有してもよい。さらに、様々な大きさの支持プレートを使用してもよい。支持プレート１８，２０は、特にセラミック材料および／または金属材料から成ってもよい。支持プレートは、図示の態様では、図示されていない、支持プレート１８，２０の内側に延在するチャネルを有し、チャネルは、チューブ状の燃料電池２２に燃料ガスを供給するかつ／または排ガスをチューブ状の燃料電池２２から排出するために設けられている。支持プレート１８，２０のチャネルへの燃料ガスの導入および／または導出は、燃料ガス入口／燃料ガス出口５２を介して行われる。組付け状態（図２参照）で、支持プレート１８，２０は、部分的に空気室２４の画定部を形成する。支持プレート１８，２０の周に取り付けられたセラミックプレートおよび／または金属プレート３８が、空気室２４を閉鎖する。セラミックプレートおよび／または金属プレート３８と支持プレート１８，２０との間に、空気室２４を封止するために、たとえばセラミックのシールストリップ４０が配置されている。組付け状態で、部分スタック１４，１６のチューブ状の燃料電池２２は、支持プレート１８，２０を起点として空気室２４内に突出している。

部分スタック１４，１６は、燃料電池スタック１２内で、複数のチューブ状の燃料電池２２が相互にはいり込むように配置されている。支持プレート１８，２０は、組付け状態で、一方の部分スタック１４，１６のチューブ状の燃料電池２２の頭部領域２６が、それぞれ他方の部分スタック１４，１６のチューブ状の燃料電池２２の脚部領域２８の近傍に配置されるように、相互に間隔を置いている。チューブ状の燃料電池２２の頭部領域２６が、動作中に、チューブ状の燃料電池２２の脚部領域２８よりも高い温度を有するので、これにより、燃料電池スタック２２内で温度の均一化を達成することができる。

支持プレート１８，２０は、それぞれ空気室２４から離反する側に、面積の大きなキャビティ４４，５０を有する。空気流入は、それぞれ、キャビティ４４，５０に通じる空気入口チャネル４６を介して行われる。組付け状態で、キャビティ４４，５０は、それぞれカバープレート４８によりカバーされている。キャビティ４４を分かりやすくするために、ここでは１つのカバープレート４８だけが図示されている（図２参照）。支持プレート１８，２０は、それぞれ複数の空所３０を有する。空所３０は、空気を空気室２４内へ導くために設けられている。空所３０は、たとえば貫通孔として構成されてもよい。空所３０は、キャビティ４４，５０を、それぞれ空気室２４と接続する。空所３０は、チューブ状の燃料電池２２の位置の周りに円状に配置されている。したがって、空所３０は、空気が空気室２４内へ導入されるときにチューブ状の燃料電池２２のそれぞれに均一な通流が生じるように配置されている。

支持プレート１８，２０の間に、管状のスペーサ３４が配置されている。スペーサ３４は、それぞれ支持プレート１８，２０の角隅に配置されている。スペーサ３４は、燃料電池スタック１２の機械的な安定性を高めるために設けられている。さらにスペーサ３４は、空気を空気室２４から導出するように設けられている。そのために、管状のスペーサ３４は、壁貫通部３６を有し、壁貫通部３６は、空気が空気室２４から管状のスペーサ３４内へ流入することを可能にするために設けられている。支持プレート１８，２０は、空気出口孔４２を有し、空気出口孔４２に、管状のスペーサ３４の端部が通じている。空気出口孔４２を介して、空気が、空気室２４から導出される。

Claims (10)

1. 燃料電池装置であって、
   燃料電池スタック（１２）を備え、該燃料電池スタック（１２）は、少なくとも２つの部分スタック（１４，１６）を有し、該部分スタック（１４，１６）は、それぞれ１つの支持プレート（１８，２０）と、それぞれ前記支持プレート（１８，２０）に配置された複数のチューブ状の燃料電池（２２）とを有する、燃料電池装置において、
   前記支持プレート（１８，２０）は、少なくともほぼ閉じた空気室（２４）を少なくとも部分的に画定しており、前記部分スタック（１４，１６）の前記チューブ状の燃料電池（２２）が、前記支持プレート（１８，２０）を起点として前記空気室（２４）内に突出していることを特徴とする、燃料電池装置。
2. 前記部分スタック（１４，１６）は、前記燃料電池スタック（１２）内で、前記チューブ状の燃料電池（２２）が相互にはいり込むように、配置されている、請求項１記載の燃料電池装置。
3. 前記支持プレート（１８，２０）は、組付け状態で、一方の前記部分スタック（１４）の前記チューブ状の燃料電池（２２）の頭部領域（２６）が、他方の前記部分スタック（１６）の前記チューブ状の燃料電池（２２）の脚部領域（２８）の近傍に配置されるように、相互に間隔を置いている、請求項２記載の燃料電池装置。
4. 前記支持プレート（１８，２０）は、空気を前記空気室（２４）内へ導くために設けられた少なくとも１つの空所（３０）をそれぞれ有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃料電池装置。
5. 前記支持プレート（１８，２０）は、空気を前記空気室（２４）内へ導くように設けられた複数の空所（３０）をそれぞれ有する、請求項４記載の燃料電池装置。
6. 前記空所（３０）は、空気が前記空気室（２４）内へ導入されるとき、各々の前記チューブ状の燃料電池（２２）のほぼ均一な通流が生じるように配置されている、請求項４または５記載の燃料電池装置。
7. 前記空所（３０）は、前記チューブ状の燃料電池（２２）の位置の周りに配置されている、請求項５または６記載の燃料電池装置。
8. 前記支持プレート（１８，２０）の間に、少なくとも１つの管状のスペーサ（３４）が配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃料電池装置。
9. 前記管状のスペーサ（３４）は、少なくとも１つの壁貫通部（３６）を有し、かつ空気を前記空気室（２４）から導出するように設けられている、請求項８記載の燃料電池装置。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載の燃料電池装置（１０）のための部分スタック。

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