JP3605126B2 - プロセス制御装置に組み込むための部材 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、例えば燃料電池ブロック中で使用できるような、プロセス制御装置に組み込むための部材に関する。この部材は相互に平行に配置された二つの板を備える。プロセス制御装置には例えば化学式電池、物質移動装置、加湿機又はコンデンサが含まれる。
【０００２】
燃料電池は一般に通電板、陰極、イオンを導く中間層、陽極及び別の通電板から成り、これらはこの順序で平坦な板に積層されて電解質・電極ユニットを形成する。
【０００３】
このような構造の燃料電池は特に、アッペルバイ（Ａｐｐｅｌｂｙ ）及びフォールクス（Ｆｏｕｌｋｅｓ ）の著書「燃料電池ハンドブック（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｈａｎｄｂｏｏｋ）」、ニューヨーク、１９８９年、及びシュトラッセル（Ｋ． Ｓｔｒａｓｓｅｒ ）の論文「電気駆動のための燃料電池（Ｂｒｅｎｎｓｔｏｆｆｚｅｌｌｅｎ ｆｕｅｒ Ｅｌｅｋｔｒｏｔｒａｋｔｉｏｎ ）」、ファウデーイー会誌（ＶＤＩ−Ｂｅｒｉｃｈｔｅ）、第９１２号、１９９２年、第１２５〜１４５ページ、並びにドイツ連邦共和国特許第２７２９６４０ 号明細書から知られている。燃料電池は化学的に結合したエネルギーを直接電気エネルギーへ変換できるので、効率がいわゆるカルノーサイクルにより制限される従来から知られた通常の内燃機関が果たし得る以上に高い効率及び環境に対する少ない負荷で、例えば水素、天然ガス、バイオガスのような燃料を電気エネルギーへ変換することができる。
【０００４】
燃料電池ブロックは一般に交互に積層された電解質・電極ユニット、気体室、冷却ユニット及び圧力クッションから構成されている。
【０００５】
これらの個々のユニットの間にはパッキン及び場合によってはスペーサが組み込まれている。燃料電池ブロックの個々の液体室及び気体室は軸線方向流路からパッキンを貫通して板面上に延びる流路を通って供給される。その際軸線方向流路は燃料電池ブロックの積層された板状の構成要素の面に対し垂直に延びる。
【０００６】
液体室又は気体室への供給のために従来は、板面上に延びる溝を有する二つの中間層の重ね合わせにより形成される流路が用いられた。これらの溝はパッキンの領域内で支えなければならない。二つの中間層から形成される部材の機能は溝の配置により既に中間層の製造の前に制約されている。従ってほかの目的すなわち別の液体室又は気体室への供給のためにこの部材を用いることは不可能であるので不利である。この種の部材を有する燃料電池は例えばドイツ連邦共和国特許第１９３０１１６ 号及び同第２７２９６４０ 号明細書から知られている。二つの中間層から形成されたこれらの部材は、例えば重合体・電解質膜燃料電池から成るブロック中に用いることが種々の理由から不利となるほど、その厚さが構造上の理由から大きいという別の欠点を有する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の課題は、同じく二つの中間層から形成され、かつ板面上に延びる溝による供給及び排出を中間層の間の室に対してばかりでなく中間層の下方及び上方の室に対しても可能にするような、プロセス制御装置に使用される部材を提供することにある。その際部材を種々の機能（ガス供給、液体供給）への適合のために、例えば燃料電池ブロックの組み立ての前及び間に簡単に修正可能にしようとするものである。またこの種の部材の使用により、安い製作コスト、高い運転信頼性及び特に簡単な構造により優れているプロセス制御装置、例えば燃料電池ブロックを提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題は、この発明に基づき、例えば燃料電池ブロックのようなプロセス制御装置に組み込むための部材において、相互に平行に配置された二つの板を備え、これらの板が両側で接触する平坦な部品と共に装置の中で部材の両側にそれぞれ第１の室及び第２の室を形成し、両板により第３の室がこれらの板自体の間に気密に囲まれ、同じく板の間を板面上で延び入口側を任意の前室に結合された少なくとも一つの気密な流路が設けられ、この流路の開口側が必要に応じて三つの室のうちの少なくとも一つに接続され、装置の板の積層装置における前室が、これらの板中の貫通孔により形成され板面に対し垂直に延びる軸線方向流路であることにより解決される。
【０００９】
それにより三つの前記室のうちの少なくとも一つに前室中へ流れ込む媒体を供給するか、又は三つの室のうちの少なくとも一つの中に存在する媒体をこの室から排出することが可能である。
【００１０】
この発明の有利な実施態様によれば、装置の板状部品の積層装置における前室を、これらの板状部品中の貫通孔により形成され板面に対し垂直に延びる軸線方向の流路とすることができる。このことは特に三つの前記室にそれぞれ異なる媒体を供給することが、板面上に延びる相応の流路を含む現存の三つの軸線方向流路により可能であるということを意味する。
【００１１】
これと共にこの発明の別の実施態様では複数の軸線方向流路を積層装置の縁領域に設けることができる。それによりプロセス制御装置例えば燃料電池ブロックの個々の部品への種々の媒体の供給を、積層装置の外側領域従って部材の板の外側領域中の軸線方向流路により行うことが可能である。それにより例えば、それぞれ例えば正方形の底面を有する平坦な層として設けられた陽極又は陰極又は電解質の収容のために内側領域を利用することができる。
【００１２】
その際軸線方向流路が相互に気密に閉鎖されていることが特に有意義である。それにより例えばパッキンにより軸線方向流路相互の気密な閉鎖が達成され、また軸線方向流路中へ流れ込む媒体が板面上に延びる少なくとも一つの流路だけを経て三つの前記室のうちの一つへ供給されるということが達成される。このことは、この発明に基づく部材を燃料電池の積層装置従って燃料電池ブロックの中の種々の個所に配置することができることのための前提でもある。こうして例えばこの発明に基づく二つの部材の間に板面に平行に陽極及び陰極を配置し、両極の間には酸素イオン、プロトン又は水酸化物イオンを導く電解質を設けることができる。それによりこの発明に基づく部材は電解質・電極ユニットの直接の域内で陽極気体室又は陰極気体室へのガスの供給のために、並びに冷却媒体の供給及び排出のために、また更に圧力クッションの構成のために適している。
【００１３】
更にこの発明に基づく二つの部材の間には板面に平行に加湿膜、気体室及び別の加湿膜をこの順序に配置することができる。それによりガス加湿ユニットの構成部品として燃料電池ブロック内でのこの発明に基づく部材の有利な使用が可能である。
【００１４】
液状又はガス状の媒体の供給及び排出の際にプロセス制御装置の特に高い運転信頼性を達成するために、部材は下記の特性のうちの一つ又は複数を有することができる。すなわち、
ａ）部材の両板は第３の室の気密な閉鎖のためにそれらの縁部を相互に溶接されている。
ｂ）部材の両板は壁領域中に組み込まれた貫通孔を囲んで気密に相互に溶接されている。
ｃ）板面上に延びる流路は第１又は第２の室への供給のために貫通孔を囲む溶接継目内で、相応の室を画成する板の孔開けにより所望の第１又は第２の室へ向かって開放される。
ｄ）両板の間の第３の室への供給のために板面上に延びる気密な流路は、これに従属する貫通孔の周囲溶接の際に溶接を省略される。
【００１５】
特に上記のｃ）及びｄ）に記載の特性は、三つの前記室のうちの少なくとも一つへの供給のための部材の容易な修正可能性をも保証する。更にこのことはプロセス制御装置の構成の際にも部材を容易に所望の使用目的に適合させることができるということを意味する。
【００１６】
【実施例】
次にプロセス制御装置に組み込むための部材の従来例及びこの発明に基づく一実施例を示す図面により、この発明を詳細に説明する。
【００１７】
図１に示す従来の燃料電池ブロックの中間層２、４から成る積層装置の部分断面図では、軸線方向流路１０に対し垂直に二つの半径方向流路１２、１４が配置されている。半径方向流路１２、１４を経てそれぞれ中間層２、４の間に設けられた室１６、１８に媒体が供給される。中間層４と中間層２との間には、例えばここに図示されていない冷却媒体又は圧縮ガス（圧力クッション）の収容のために用いることができる別の部品２０が組み込まれ、パッキン２２により中間層２、４に対し間隔を保ちかつ封止されている。図１に示された装置は液状又はガス状の媒体を室１６、１８へ供給するに適しているにすぎない。部品２０の上方、下方及び中間に存在する室２４、２６、２８にはこの装置により媒体を供給することはできない。
【００１８】
例えば部品２０の下方の室２６へ液状又はガス状の媒体を供給できるようにするためには、図２に半径方向流路１３、１５により示したように、中間層２、４を図１とは異なって構成しその他の点では図１に比べて変わらない構造中に組み込まなければならない。従ってここに詳細に示されていない燃料電池ブロックの中間層２、４、パッキン２２及び部材２０の積層配置に沿って繰り返して並ぶ四つの室１６、２４、２６、２８への供給のために、図１及び図２に示された中間層２、４の部分図に加えて、別の相応の軸線方向流路を通って流入する液状又はガス状の媒体を室２４、２８へ供給するとき経由する更に別の半径方向流路を中間層２、４中に設けなければならない。
【００１９】
図１及び図２に示す半径方向流路１２〜１５の形状は、燃料電池が比較的大きい厚さ（約１．８ｍｍ）及び厚い電極（約１ｍｍ）の電解質室を有するときにだけ可能である。電解質が膜（約０．２ｍｍ）又は電解質マトリックス（約０．２ｍｍ）だけから成るにすぎずかつ薄い電極（＜０．１ｍｍ）だけが用いられるならば、中間層２、４は不要となる。そのときパッキン２２は膜状電解質又は電解質マトリックス又は電解質マトリックスが密に組み込まれた薄い枠に沿って直接封止するが、しかしパッキンの厚さは図１及び図２に示す半径方向流路１２〜１５に対しては不十分である。この場合には半径方向流路１２〜１５をパッキン２２中に又は部品２０中に組み込まなければならない。すべての別の形は高価な材料の消費及び燃料電池ブロックの内部抵抗を高め製作費を増大しかつ追加の重量及び体積を必要とする。
【００２０】
図３は、相互に平行に配置された二つの板４０、４２を含むこの発明に基づく部材３８を平面図で示す。板４０、４２は気密な溶接継目４４（一点鎖線で表示）により相互に結合されている。溶接継目４４により板４０と４２との間には、実施例では線７１、７３により囲まれた正方形の底面を備えた平坦な正方形の室が気密に封止される。板４０、４２は、図４ないし図６に示された板４０、４２の隆起が軸線方向流路に接触するように構成されている。この構成により同時に（板面上での）半径方向への液状及びガス状媒体のための通過性が板４０と４２との間で保証される。
【００２１】
板４０、４２には軸線方向流路５４〜６０の一部を形成する貫通孔４６〜５２が設けられている。軸線方向流路５４〜６０には板面上で延びる各二つの流路６２〜６８が接続している。その際流路６２〜６８は合同に型押しされた半円形の溝状凹所を有する板４０、４２の組み合わせにより生じる。流路６２、６４、６６はまず同一に構成され、そして供給すべき室に関係して上に向かうか又は下に向かって開放される。流路６８だけは流路６２〜６６に比べて長く構成され、まず板４０と４２との間の室への供給のために用いられる。しかし流路６８は流路６２〜６６のように溶接継目４４が流路６８に対し垂直に貫通させられるならば、同じく流路６２〜６６の機能を受け入れることができる。
【００２２】
図３のハッチングによりパッキン７０が示され、このパッキン７０は板４０、４２の上方及び下方に設けられて軸線方向流路５４〜６４を相互に封止し、また板４０、４２の上方の室及び下方の室を側方へ向かって周囲に対して封止する。パッキン７０は例えばエラストマから成りこの実施例では約３ｍｍの厚さを有する。板４０、４２の上方の室及び下方の室は、パッキン７０上に別の部材３８又は別の機能ユニットを積層することにより完全に画成される。これは例えば機能ユニットとして図４ないし図６で示された電解質・電極ユニットとすることができる。このユニット中には順番に接触板７７、カーボン紙から成る板、陽極８０、重合体・電解質膜８２、陰極８４、カーボン紙から成る別の板及び別の接触板７７が組み込まれている。
【００２３】
部材３８の下方の室は例えば、順番に加湿膜、気体室及び別の加湿膜を有する図示されていない機能要素により閉鎖することができる。図３に示された実施例では部材３８の板４０、４２の下方の室への供給は軸線方向流路５４及び流路６２を経て行われる。部材３８の板４０、４２の下方に加湿膜が設けられる場合には、加湿膜の下方に配置された気体室を通って流れるガスを加湿するためにこの室は水を供給される。この実施例ではこれは水素ガスである。
【００２４】
加湿された水素ガスは続いて例えば軸方向流路５６及び流路６４を通って板４０、４２の上方の室中へ導入され、それによりこの実施例で上方に配置された陽極に供給することができる。軸方向流路６０及び流路６８を経てこの実施例では板４０と４２との間の室が冷却水を供給される。軸線方向流路５８を通ってこの実施例では酸素が流れる。この実施例では部材３８を介して供給しようとする室が酸素を供給される必要がないので、流路６６は周囲を溶接され上側の板４０を貫いてもまた下側の板４２を貫いても孔開けされず、従って開放されていない。
【００２５】
部材３８の点対称の構成に基づき、軸線方向流路５４、５６、６０及び半径方向流路６２、６４、６８を経て供給される媒体を、部材３８の反対側（図では上側）で再び鏡面対称の流路を通って導出することが可能である。鏡面対称の流路は媒体がほぼ板面上の対角線の流れを描くように配置されている。
【００２６】
図４ないし図６にはこの発明に基づく複数の部材３８を備えた燃料電池ブロック３６を通る軸線方向の種々の部分断面図が示されている。
【００２７】
ここで図４に示された部分断面図は図３の切断線ＩＶ−ＩＶによる燃料電池ブロック３６の断面図を示す。この発明に基づく部材３８の図３に示された平面図とは異なりここではパッキン７０は断面で示されている。それぞれ二つの部材３８の間には順番に従って、打ち抜かれた接触舌状部７９を備える接触板７７、陽極８０、重合体・電解質膜８２及び陰極８４並びに別の接触板７７から成る電解質・電極ユニットが組み込まれている。陽極８０及び陰極８４はそれぞれ重合体・電解質膜８２と反対の側にカーボン紙から成る層を有するが、しかしこの層はここでは図示されていない。
【００２８】
軸線方向流路６０を通って流入する冷却水８６は流路６８を経て、板４０、４２により気密及び水密に囲まれた室７２中へ流れる。符号７６、７４により板４０、４２の上方又は下方に配置された室が示されている。
【００２９】
図５は図３の切断線Ｖ−Ｖによる燃料電池ブロック３６の断面図を示す。水素ガス（Ｈ_２ ）８８が軸線方向流路５４を通り更に流路６２を通って、板４２の下方に設けられた室７４中へ流れる。室７４は下に向かってそれぞれ軸線方向へ接触板７７の後ろに続く陽極８０及び重合体・電解質膜８２により仕切られている。板４０、４２により囲い込まれた室７２は溶接継目４４により流路６２に対して気密に閉鎖される。室７４への流路６２の開口は板４２の簡単な孔開けにより行われる。
【００３０】
図６は図３の切断線ＶＩ−ＶＩによる燃料電池ブロック３６の断面図を示す。軸線方向流路５８を酸素ガス（Ｏ_２ ）９０が貫流し半径方向流路６４を経て、板４０の上方に設けられた室７６中へ流入する。室７６はそれぞれ接触板７７の後ろに接続する陰極８４及び電解質膜８２により閉鎖されている。室７６へ向かう流路６４の開放は板４０の単なる孔開けにより行われる。
【００３１】
従って部材３８により、それぞれの任意の軸線方向流路５４〜６０を流路６２〜６８を経て選択的に三つの室７２、７４、７６のうちの一つへ通じさせることが容易に可能である。室７２への供給のためには半径方向流路６８は修正する必要はない。室７４、７６への供給のためには、溶接継目４４により囲まれた流路が図５及び図６に示すように板４２又は板４０中で開放されるべきである。その際板４０、４２及び溶接継目４４は、個々の液体室又は気体室中に燃料電池ブロック３６の運転の際に主として生じる圧力に耐えるように設計される。これは例えば２．０ｂａｒの水素圧力及び２．３ｂａｒの酸素圧力である。
【００３２】
板４０、４２の間隔保持のために半球形隆起の代わりに、構造が相互にずらして配置された半円溝形の隆起又は円錐台形の隆起を板４０、４２に設けることもできる。この半球形又は半円溝形又は円錐台形の隆起は板４０、４２により囲まれた室７２の容積及び構造を決定する。
【００３３】
個々の部品のコンパクトな積層装置を備えるプロセス制御装置中へ部材３８を組み込むために、板４０、４２がそれらの相互間隔を決定する円錐台形隆起を有するときに、部材３８の板４０、４２の隆起の特に有利な構成が得られる。隆起の中心点は正三角形の面を形成する。これらの正三角形は直接相隣接する板４０、４２に沿って隣接する円錐台形隆起の間隔の約半分だけ相互にずらして配置されている。その際円錐台形隆起の一番小さい半径は正三角形に外接する円の半径の半分より大きい。それにより例えば板４０の円錐台が板４２の三つの円錐台から形成される正三角形に対して同心に配置され、同時に三つの円錐台上に載る。それにより隣接する板４０、４２の隆起が滑ってはまり合うことが確実に防止される。
【００３４】
この発明に基づく部材３８は図３ないし図６に示された構成において、燃料電池ブロックのほかに例えば化学式電池、物質移動装置、加湿機及びコンデンサのようなプロセス制御装置にも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の燃料電池の積層装置の要部断面図。
【図２】図１に示す装置の異なる要部断面図。
【図３】この発明に基づく部材の一実施例を備えた燃料電池ブロックの平面図。
【図４】図３に示すブロックの切断線ＩＶ−ＩＶによる断面図。
【図５】図３に示すブロックの切断線Ｖ−Ｖによる断面図。
【図６】図３に示すブロックの切断線ＶＩ−ＶＩによる断面図。
【符号の説明】
３６ 燃料電池ブロック
３８ 部材
４０、４２ 板
４４ 溶接継目
４６〜５２ 貫通孔
５４〜６０ 前室
６２〜６８ 流路
７０ パッキン
７２、７４、７６ 室
８０、８４ 平坦部品

Claims (10)

1. 相互に平行に配置された二つの板（４０、４２）を備え、これらの板が両側で接触する平坦部品（８０、８４）と共に装置の中で部材（３８）の両側にそれぞれ第１の室（７６）及び第２の室（７４）を形成し、両板（４０、４２）により第３の室（７２）がこれらの板の間に気密に囲まれ、同じく板（４０、４２）の間を板面上に延び入口側を任意の前室（５４〜６０）に結合された少なくとも一つの気密な流路（６２〜６８）が設けられ、この流路（６２〜６８）の開口側が必要に応じて三つの室（７２〜７６）のうちの少なくとも一つに接続され、装置の板（４０、４２）の積層装置における前室（５４〜６０）が、これらの板（４０、４２）中の貫通孔（４６〜５２）により形成され板面に対し垂直に延びる軸線方向流路（５４〜６０）であることを特徴とするプロセス制御装置に組み込むための部材。
2. 複数の軸線方向流路（５４〜６０）が積層装置の縁領域中に設けられていることを特徴とする請求項１記載の部材。
3. 板（４０、４２）が第３の室（７２）の気密な閉鎖のためにそれらの縁部を相互に溶接されていることを特徴とする請求項１又は２記載の部材。
4. 両板（４０、４２）が縁部領域中に組み込まれた貫通孔（４〜５２）を囲んで気密に相互に溶接されていることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の部材。
5. 板面上で延びる気密な流路（６２〜６８）が第１又は第２の室（７６、７４）への供給のために貫通孔（４６〜５２）を囲む溶接継目（４４）の内部で、室を画成する板（４０、４２）の孔開けにより所望の第１又は第２の気体室（７６、７４）へ向かって開放されていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の部材。
6. 板面上に延びる気密な流路（６８）が両板（４０、４２）の間の第３の室（７２）への供給のために、この流路に従属する貫通孔（５２）の周囲溶接の際に溶接を省略されることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の部材。
7. 軸線方向流路（５４〜６０）がパッキン（７０）により相互に気密に閉鎖されていることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の部材。
8. 板（４０、４２）がこれらの板（４０、４２）の間に存在する第３の室（７２）を画成する構造を有することを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の部材。
9. 板（４０、４２）がそれらの相互間隔を決定する円錐台形の隆起を有し、隆起の中心点が正三角形の面を形成し、その際直接相隣接する板（４０、４２）の構造が隣接する円錐台の間隔の約半分だけずらして配置され、円錐台形隆起の最小半径が正三角形に外接する円の半径の半分より大きいことを特徴とする請求項８記載の部材。
10. 板（４０、４２）がさびない金属材料から成ることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の部材。

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