JP4846951B2 - 燃料電池ブロック - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、少なくとも２つの隣接する要素がその間に中間空間を形成し、かつ該両要素間又は両要素の一方に中間空間と接続している一定数の半径方向の溝が形成され、気体又は液体媒質が軸方向の溝から中間空間に、或いはその逆に流れることができるよう、それらのうち幾つかが中間空間を少なくとも１つの軸方向の溝と接続する、積層して配置された要素と、積層方向に要素を突き抜けて延びる幾つかの軸方向の溝とから成る燃料電池ブロックに関する。
【０００２】
電解質が水である場合、水分子は電流により水素（Ｈ₂）と酸素（Ｏ₂）に分解される。燃料電池では、この過程は逆の経過をたどる。水素と酸素の電気化学的結合により水を生成しつつ電流を高効率で生じ、かつ作動ガスとして純水素を使用した場合、有害物質や二酸化炭素（ＣＯ₂）を排出しない。例えば天然ガスや石炭ガスのような工業用作動ガスでも、また純酸素の代わりに空気（補助的に酸素を富化されていてもよい）でも、燃料電池は化石エネルギー担体で作動する他のエネルギー発生器よりも明らかに有害物質、二酸化炭素の発生が少ない。
【０００３】
燃料電池の原理のこの技術的変換は、幾つかの解決策に、即ち異なる電解質と８０〜１０００℃の異なる作動温度で導く。それらの作動温度に応じて、燃料電池は低温、中温及び高温燃料電池に分類され、それらはまた、種々の技術的実施形態により区分される。
【０００４】
個々の燃料電池は、最大で１．１Ｖの作動電圧を生じる。従って多数の燃料電池を積層し、１つの燃料電池ブロックにまとめる。技術文献では、このブロックを「スタック」とも記載する。燃料電池ブロックの燃料電池を直列に接続することにより、燃料電池装置の作動電圧は数１００Ｖになる。
【０００５】
ある燃料電池の場合、周期的に異なる要素が順次積層されている。この種の要素は、例えば電解質−電極ユニット及びバイポーラ板である。それらを互いに積積層することで、平坦な要素の面に対しほぼ垂直に延びる積層方向が生ずる。燃料電池ブロックの実施形態に応じ、電解質−電極ユニットとバイポーラ板との間に、例えば圧力緩衝材、導電層又はパッキングのような他の要素が存在する。燃料電池の種類に応じ、バイポーラ板は例えば接合導電板として或いはその間に冷却水室を有する２枚の重ね合わせた板でできた冷却素子として形成される。
【０００６】
燃料電池ブロックの積層した要素間に、液体室及び気体室が配置される。それらは軸方向の溝から液体又は気体を供給される。この場合軸方向の溝は、燃料電池ブロックの積層方向とほぼ平行に、即ち上下に重ねた板状の要素の面に対し垂直に延びる。軸方向の溝と個々の液体室又は気体室との間の接続は、主にこれらの要素の平面内に延びる半径方向の溝により形成される。この種の構造を示す燃料電池ブロックは、例えば欧州特許第０５９１８００号明細書及び国際特許出願公開第９６／２０５１０号明細書から公知である。
【０００７】
この半径方向の溝は燃料電池ブロックの要素内に、例えばバイポーラ板の穿孔又は細い溝として形成される。半径方向の溝の形態により、軸方向の溝の気体室又は液体室への接合及びそれと共に軸方向の溝の機能が決定される。例えば２つの要素間に冷却水室として形成した中間空間を軸方向の溝と接続すると、この軸方向の溝は当然冷却液の貫流のみに使用される。
【０００８】
種類、大きさ又は性能による燃料電池ブロックの形態に応じ、燃料電池への液体又は作動ガスに異なる強さの流入が必要になる。このような差異に対処するため、異なる燃料電池ブロックで、燃料電池ブロックの各要素内に異なる半径方向の溝を形成することが必要になる。この結果、多くの異なる形の燃料電池ブロックを製造することになり、費用を要する。
【０００９】
燃料電池ブロック内部の種々の燃料電池に異なる液体又は気体流を供給せねばならないとき、１種類だけの燃料電池ブロックを製造することもまた費用を要するもとになる。この場合燃料電池ブロックは、例えば種々の型に形成した半径方向の溝により個々に仕上げた冷却素子のような、同種の要素を必要とする。
【００１０】
従って本発明の課題は、異なる燃料電池の異なる要求にも拘わらず、簡単かつ価格的に有利に製造できる燃料電池ブロックを提供することにある。
【００１１】
この課題は本発明により、軸方向の溝に接続しない袋溝として形成された、少なくとも１つの半径方向の溝を有する前述した形式の燃料電池ブロックにより解決される。
【００１２】
半径方向の溝とは、平坦な要素の平面内に延びている溝を意味する。しかしこの溝は、主に１つの要素の平面内のみに延びていても、２つの要素間に延びていてもよく、また例えば１つの要素を貫通し、或いはその上又は下にある要素に達し、或いはまた２つの要素間に達するため、その経路の一部でこの平面から逸れていてもよい。
【００１３】
本発明は第１段階で、半径方向の溝自体ではなく、半径方向の溝と軸方向の溝との接続が、種々の燃料電池の要求に応じて形成される場合にのみ、上述した従来技術による燃料電池ブロックの欠点を除けるという考え方から出発する。従って媒質の流れは、もはや半径方向の溝の形態、従って全体としての要素の形態によらず、半径方向の溝と軸方向の溝の間の接合の型のみに依存する。
【００１４】
第２段階で本発明は、複数の半径方向の溝が中間空間から軸方向の溝内へと通じ、かつ全ての半径方向の溝が中間空間に接続しているが、全ての半径方向の溝が必ずしも軸方向の溝と接続していないと云う考え方から出発する。軸方向の溝と接続している半径方向の溝の数に応じ、軸方向の溝と中間空間との間の媒質の流れは様々である。多くの半径方向の溝が軸方向の溝と接続し、軸方向の溝と中間空間との接続を形成すると、それに対応して多くの液体又は気体媒質が軸方向の溝から中間空間内に、或いはその逆の方向に流れることができる。ごく僅かな半径方向の溝が軸方向の溝と接続していると、軸方向の溝と中間空間との間の流れは相応して妨げられる。更に本発明は、中間空間から軸方向の溝に１本だけの半径方向の溝が通じている場合、この半径方向の溝と軸方向の溝との間の接続は、媒質が軸方向の溝から中間空間へ又はその逆に流れることができるか否かを決定すると云う考え方から出発する。
【００１５】
第３段階で本発明は、少なくとも１つの半径方向の溝が袋溝として形成され、軸方向の溝との接続がない場合、半径方向の溝と軸方向の溝との接続が変更可能になると云う考えから出発する。即ち、袋溝の端部を必要に応じ開口できる。かかる開口は、例えば袋溝の端部を穿孔し、こうして半径方向の溝と軸方向の溝とを接続することにより行える。また要素内にある軸方向の溝を切り開き、閉鎖された袋溝の端部を切断し、半径方向の溝の開口を軸方向の溝内に入り込ませるようにする。こうして袋溝として形成した半径方向の溝の一定数を開口させることで、軸方向の溝と中間空間との間の媒質の流れの強度に決定的な影響を及ぼすことが可能になる。
【００１６】
本発明により、燃料電池が媒質の異なる流れを要求する種々の燃料電池ブロックの製造に、例えば冷却素子等の同種の要素を異なる実施形態で製造する必要がなくなる。それら要素の製造プロセスで、同種の要素は全て同じに形成される。２つの要素間の中間空間と１つの軸方向の溝との間の所望の流れ強さは、袋溝として形成する半径方向の溝を、後から相応する数だけ開口することで生じる。同様の方法で、燃料電池ブロックも、１本だけの軸方向の溝を、軸方向の溝の流れ強さが全ての中間空間で同じにならないよう種々の中間空間に接続することで形成できる。燃料電池ブロック内の中間空間の位置に応じ、半径方向の溝を多くしたり、少なくしたりするでより、中間空間に補給する媒質の量を調整できる。
【００１７】
本発明の有利に実施形態では、袋溝は軸方向の溝の近傍で終わっている。かくして軸方向の溝の断面に応じ、半径方向の溝を多く又は少なくして軸方向の溝に接続できる。軸方向の溝が例えば小さい断面を有する場合、より多くの半径方向の溝が軸方向の溝に通じることなく袋溝の状態で終わる。軸方向の溝と半径方向の溝との接続の形態は、本発明の実施形態では、所定の断面積を持つ軸方向の溝を切断又は穿孔することで容易に形成できる。
【００１８】
袋溝の端部と軸方向の溝の間の好ましい間隔は１〜５０ｍｍである。このような間隔の場合、半径方向の溝と軸方向の溝の間の接続は、軸方向の溝の断面を変えることにより、つまり簡単な方法で形成できる。
【００１９】
本発明の他の有利な実施形態では、軸方向の溝は少なくとも１つの半径方向の溝を介して中間空間と接続される。このようにして半径方向の溝を介して軸方向の溝と接続された中間空間は、最大限にではなく、ごく部分的に軸方向の溝に接続している。中間空間をごく部分的に軸方向の溝に接続するとき、軸方向の溝の使用にとってこれまで未知の可能性を開く。即ち、このような軸方向の溝は例えば、液体で貫流される中間空間の排気溝の役目をし、不所望な気泡を運び出すことができる。この軸方向の溝を１個又は少数の半径方向の溝だけを介して、即ちごく部分的に中間空間と接続することによって、大量の液体が不所望に中間空間から軸方向の溝に入り込むのを阻止できる。
【００２０】
中間空間と１個又は少数の半径方向の溝だけで接続される軸方向の溝は、軸方向の溝がなければそれほど強く貫流されないであろう中間空間の一定区間を増強して貫流させるためにも使用できる。種々の半径方向の溝が中間空間の異なる箇所と接続されていると、このような軸方向の溝の１つにより、選択的に中間空間の所定の箇所のみを貫流させることができる。こうして中間空間の貫流される部位の、目標通りの空間的な選択が行える。
【００２１】
本発明の別の実施形態では、軸方向の溝は半径方向の溝と接続しておらず、気密に中間空間と分離される。このような軸方向の溝は、中間空間を貫流させてはならない媒質の搬送に使用できる。
【００２２】
本発明の別の有利な実施形態では、軸方向の溝を燃料電池ブロックの隣り合う２つの要素間に形成した全中間空間から気密に分離する。このような軸方向の溝は、例えば直接中間空間を流れないもう１つの媒質の搬送溝として使用できる。燃料電池ブロックの作動との関連で、多数の媒質が燃料電池ブロック内及びその周りに通される。これら全ての媒質を通すため、溝又は導管が必要になる。従って、燃料電池ブロックは多数の溝又は導管を有する。燃料電池の特定の構造形態で、燃料電池を形成する要素内に、対称性のため燃料及び冷却剤用導管よりも多くの軸方向の溝を形成する必要があり、これら軸方向の溝を他の媒質を通すため使用すると合理的である。こうすることで、予め燃料電池の外側に通す導管を省略できる。これは費用を節約し、燃料電池ブロックの容量を低減させる。
【００２３】
本発明の別の有利な実施形態では、中間空間を形成する要素は、各々中心の下部要素と、少なくとも１つの外縁の下部要素とから形成され、その際軸方向の溝は外縁の下部要素を貫通して延びる。この中心及び少なくとも１つの外縁の下部要素は、燃料電池ブロックの完成状態で１つの構成要素にまとめられる。この接合は、例えば差込み接合、接着又は溶接により形成できる。構成要素のこのような組立ては、多くの異なる燃料電池ブロックの中心の下部要素を一緒に製造できる利点を有する。こうして、これら構成要素の大量生産が著しくコストを低減させる。各燃料電池ブロックの要素の要求に、外縁の要素を適合させるだけで足りる。これは燃料電池ブロックの要素の製造プロセスを著しく簡素化する。
【００２４】
もう１つの利点は、少なくとも１つの軸方向の溝の各断面が、同種の種々の要素内で異なっていることで得られる。要素の内部に配置された軸方向の溝は、多くの同種の要素、例えば多くのバイポーラ板又は冷却板を貫通する。燃料電池ブロック内の要素の位置に応じ、要素を形成する中間空間は異なる強さの媒質の流れを供給できる。上記した半径方向の溝の適切な構造では、軸方向の溝の断面形状と大きさは、軸方向の溝に接続する半径方向の溝の数に依存する。このようにして、同種の種々の要素内における軸方向の溝の断面の変更は、該要素により形成された中間空間に強さの異なる媒質の流れを供給する結果となる。
【００２５】
中間空間を形成する要素が、互いに接合された２枚の金属板であるとよい。半径方向の溝は、これら板の少なくとも１つに、例えば細溝として、更に簡単にはそれらの板の型押しで前もって与える。このような型板の１つの簡単な製造方法に、この種板を迅速かつ低価格で製造できる板の深絞りがある。但しこのような方法の場合、深絞り材料は極めて高価である。本発明により、種々の燃料電池ブロックに１つだけの同種の要素が必要であり、これら全ての要素を１つだけの深絞り材料型で製造できる利点が生ずる。これは製造費用を著しく低減させる。
【００２６】
本発明の有利な実施形態では、板は少なくとも１つの溶接継目により互いに接合される。この接合により、気密な中間空間が２枚の板間に、特に簡単かつ効果的に製造可能となる。しかし板を接着により互いに接合することも可能である。
【００２７】
もう１つの利点は、軸方向の溝と袋溝の端部との間に溶接継目を配置することで達成される。このような溶接継目は袋溝を軸方向の溝から分離する。袋溝が、軸方向の溝に通じる半径方向の溝に開口している必要がある場合、例えば溶接継目の一部を切り開くことで、この要素全体の安定性に悪影響を及ぼすことなく、この溶接継目を容易に切断できる。
【００２８】
少なくとも１つの軸方向の溝を、溶接継目により軸方向の溝を囲んで気密に中間空間と分離するとよい。本発明のこの形態では、半径方向の溝は軸方向の溝に通じていない。その結果、この軸方向の溝を、中間空間を流れてはならない他の媒質の搬送に使用できる。
【００２９】
本発明の有利な実施形態では、中間空間を形作る板は冷却素子を形成する。このような冷却素子は、冷却素子に属する燃料電池からの余分の熱を運び出す役目をする。燃料電池ブロック内の燃料電池の位置又は燃料電池ブロックの大きさ及び出力に応じて、燃料電池は、運び出さなければならない種々の熱量を生じる。本発明により、冷却素子を流れる冷却水の流れを、作動中の燃料電池が生じるであろう出力に適合させることができる。更に軸方向の溝を排気溝として使用することができ、或いは特に中間空間の流れのよくない範囲を、部分的に接続した軸方向の溝により改善して貫流させることができる。
【００３０】
燃料電池ブロックの作動中に冷却水を通すため、中間空間を設けると有利である。中間空間の実施形態に応じて、中間空間の一定の縁領域は各々決まった半径方向の溝と接続される。半径方向の溝を軸方向の溝に選択して接続することにより、選択した区域に目標通りに冷却水を貫流させることが可能になる。
【００３１】
本発明のもう１つの実施形態では、中間空間は、燃料電池ブロックの作動中に作動ガスを通すために設けられる。燃料電池ブロック内のセルの位置に依存するセルの出力又は作動ガスの種類に応じて、中間空間は半径方向の溝の、軸方向の溝への接続を多くしたり、少なくしたりして作動ガスを送り込む。燃料電池が例えば純粋な酸素で動作する場合、燃料電池を空気で動作させる場合よりも容積的に少ない作動ガスを供給することができる。
【００３２】
本発明の実施例を、７つの図面に基づき以下に詳述する。
【００３３】
図１には、冷却素子の金属板として形成された要素１を示す。冷却素子は要素１と、この要素１上に載っている、図１には示さないもう１枚の対称な板から成っている。この要素１は深絞りにより形成され、以下に記載する形状的な特徴を有する。即ち
ａ）この要素１と、同種のもう１つの要素及びパッキングとを接合し、これらの
要素間に４つの軸方向の溝２、３、４及び５を形成するためこの板から切り
取った４つの領域、
ｂ）縁領域６、
ｃ）縁領域６に対し、要素１に対称なもう１枚の要素と共に中間空間７を形作る
凹所７として形成された領域、
ｄ）軸方向の溝２、３及び４と中間空間７を接続する多数の半径方向の溝８ａ、
８ｂ、８ｃ、
ｅ）袋溝９ａ、９ｂとして形成された一定数の半径方向の溝、
ｆ）図１に破線で示され、完成した燃料電池ブロック内で要素１と、要素１に対
称な要素とを接合する溶接継目１０を設けるべく予定されている、線で示さ
れている複数の領域。
【００３４】
組立てた状態でその構成要素が要素１である冷却素子は、燃料電池ブロック内に冷却液が軸方向の溝２を流れるよう配置される。軸方向の溝２は、該溝２から冷却液が半径方向の溝８ａを通って中間空間７内に流れるよう、６本の半径方向の溝８ａと接続される。冷却液は中間空間７を貫流し、軸方向の溝３を中間空間と接続する６本の半径方向の溝８ｂを通って中間空間７から出ていく。軸方向の溝３は、冷却液を熱交換器（図示せず）に送り込み、その中で冷却液を冷却し、冷却素子を新たに貫流すべく、再び軸方向の溝２の方向にポンプで汲み上る。
【００３５】
要素１は、燃料電池ブロック内に、矢印の方向１１が上を向くよう積層して配置されている。従って燃料電池ブロックの積層方向は、ほぼ地表と同一方向にある。この積層方向により、中間空間７に達する気泡は中間空間７の上方範囲に集まる。この上方範囲内に中間空間７を軸方向の溝４と接続する３つの半径方向の溝８ｃが配置されている。これら３つの半径方向の溝８ｃを通り、気泡は中間空間７から軸方向の溝４内に出ていき、この溝を通って排気箇所に導かれる。軸方向の溝４が冷却水を入れ過ぎないよう、軸方向の溝４は中間空間７と３つの半径方向の溝８ｃだけで接続されている。中間空間７から軸方向の溝４の方を向いている別の３つの半径方向溝９ａは、軸方向の溝４内に通じておらず、袋溝として形成されている。これら半径方向の溝９ａを冷却水は流れることはできない。これは、３つの袋溝９ａと軸方向溝４の間に配置した溶接継目１０で保証され、冷却液が袋溝９ａの端部から両方の要素を通り軸方向の溝４内に押し入らないようにしてある。図１に示す要素１内で、軸方向の溝４は３本の半径方向の溝８ｃにより中間空間と接続されている。要素１に類似の要素を、少しだけ空気が中間空間７内に達するように装入すると、軸方向の溝４の断面を、１本又は２本の半径方向の溝８ｃだけで中間空間７を軸方向の溝４と接続するよう形成するだけで足りる。従って、中間空間７を軸方向の溝４と接続する半径方向の溝８ｃの数は、軸方向の溝４が要素１の範囲内で示す断面によって決定される。同様に、中間空間７のより良い貫流のため、３つ以上の半径方向の溝８ｃを、それらが中間空間７を軸方向の溝４と接続するよう開けることも好適と思われる。要素１の製造時の、軸方向の溝４に開いている半径方向の溝８ｃの数の調節は、軸方向の溝４の断面を相応して形成することで簡単に実行できる。要素１のこの範囲の軸方向溝４の断面を簡単に金属製の要素の一片を切り取り又は打ち抜くことで要素１から所望の断面形状が実現できる。
【００３６】
従って、比較的多数の燃料電池ブロックの要素１に類似する要素の製造は、例えば要素内に深絞りにより中間空間７及び半径方向の溝８ａ、８ｂ、８ｃ及び９ａ、９ｂの形を組入れるようにして行われる。場合によっては、この要素を更に被覆する。引続いての製造工程で、中間空間と半径方向の溝がこれら要素間に生ずるように、各々２つの要素１を互いに予め備えた線１０に沿って冷却素子として溶接する。或いは又、これら要素を接着又はろう接により接合してもよい。最後に加硫により、接合された要素にパッキングを施す。
【００３７】
この製造工程迄は、全ての要素は同じである。引続いての製造工程で初めて、軸方向の溝２、３、４及び５の開口が要素１内に、例えば打ち抜き又は切断により形成される。これは袋溝として予定された一定数の半径方向の溝８ａ、８ｂ、８ｃを、それらが冷却素子の完成状態で軸方向の溝２、３及び４を所望の方法で中間空間７と接続するように切り込んで行われる。
【００３８】
要素１を通る軸方向の溝５は、中間空間７と唯一の半径方向の溝によっても接続していない。６本の袋溝９ｂは、中間空間７から軸方向の溝５の方を向いているだけである。袋溝９ｂは軸方向の溝５の近傍で終わっている。袋溝９ｂの端部と軸方向の溝５の間隔は、例えば８ｍｍである。軸方向の溝５は気密に中間空間と分離されている。これは、冷却素子の完成状態で軸方向の溝５を囲む溶接継目１０により実現される。溶接継目１０は、軸方向の溝５の断面によりどの部位ででも切断されていない。従ってこの軸方向の溝５は、冷却水と無関係に気体状又は液体状媒質を通すことができる。軸方向の溝５がなければ、この媒質を燃料電池ブロックの外部に配置した敷設管を介して運ばねばならない。中間空間７と分離された軸方向の溝５の形態により、この外側の敷設管を省き、こうして場所を節約し、これが燃料電池ブロックを一層小さく形成するのに寄与する。
【００３９】
図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って切断した断面を示す。この切断線は縁領域６と、軸方向の溝３と中間空間７とを接続する６本の半径方向の溝８ｂを通って延びている。
【００４０】
図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って切断した断面を示す。この断面は、溶接継目１０により囲まれ、中間空間７と気密に分離された軸方向の溝５を通って延びている。この断面の更に先の部分は、袋溝９ｂの１つ、中間空間７並びに中間空間７と軸方向の溝４を接続する半径方向の溝８ｃの１つを通っている。
【００４１】
図４は、図１のＩＶ−ＩＶ線に沿って切断した断面を示す。この断面は、軸方向の溝５、３本の袋溝９ｂ、中間空間７、３本の半径方向の溝８ｂ及び半径方向の溝８ｂを介して中間空間７と接続された軸方向の溝３を通って延びている。
【００４２】
図２、３及び４から、中間空間７並びに半径方向の溝８及び袋溝９は、要素１内に凹所として形成されていることが見て取れる。縁領域６と、溶接継目１０が設けられる全ての領域は凹所の外側にある。これらの領域は、燃料電池ブロックの整備済みの状態の要素１と共に、中間空間７並びに半径方向の溝８ａ、８ｂ、８ｃ及び袋溝９ａ、９ｂを形成するもう１枚の要素に密接している。
【００４３】
図５は、燃料電池ブロック２０を切断した部分断面図を示す。この燃料電池２０内には一定数の冷却素子２２が一定数の電解質−電極素子２３と交互に上下に積層されている。冷却素子２２と電解質−電極素子２３は、パッキング２４により互いに間隔を保っている。冷却素子２２は２枚の互いにほぼ対称な要素２５ａ及び２５ｂから形作られている。両方の要素２５ａ及び２５ｂは溶接継目２６により互いに接合され、その間に中間空間２７が形成される。電解質−電極素子２３は、その側面にアノード３２とカソード３３が配置されている電解質３１から成る。更に燃料電池ブロック２０は、その作動中に冷却液で貫流されるように配置した軸方向の溝３４を有する。
【００４４】
軸方向の溝３４は、冷却素子２２の要素２５ａ、２５ｂ間の中間空間２７と、半径方向の溝３５により接続されている。燃料電池ブロック２０の作動中、冷却液は軸方向の溝３４から半径方向の溝３５を通って冷却素子２２の中間空間内２７に流れる。冷却液は中間空間２７を通って図５には示さない燃料電池ブロック２０のもう１つの軸方向の溝内に流れる。
【００４５】
燃料電池ブロック２０は、冷却素子２２の中間空間２７に接続していないもう１つの軸方向の溝３８を有する。この軸方向の溝は、燃料電池ブロック２０の作動中に作動ガスを貫流するように形成されている。軸方向の溝３４も軸方向の溝３８も、燃料電池ブロック２０の要素２５ａと２５ｂの外側領域に配置された開口、パッキング２４並びにもう１つのパッキング３９により構成される。
【００４６】
図６は、燃料電池ブロック４０の一部を切断して５つの冷却素子４１ａ〜４１ｅを分解した形で示す。これら冷却素子４１ａ〜４１ｅは、この図６には示さない、中間空間を形作る各々２つの要素４２ａ〜４２ｅをその間に含む。更にそれらの要素４２ａ〜４２ｅは各々一定数の半径方向の溝４３ａ〜４３ｅと、更に図示していない袋溝をそれらの間に形成する。半径方向の溝４３ａ〜４３ｅは、軸方向の溝４４が各々２つの隣接する要素４２ａ〜４２ｅ間に形成された中間空間と接続する。燃料電池ブロック４０を組立てた状態で、軸方向の溝４４は、要素４２ａ〜４２ｅ内の開口と、冷却素子４１ａ〜４１ｅの外側領域内の各々２つの隣接する冷却素子４１ａ〜４１ｅ間に配置されたパッキングとで形成される。軸方向の溝４４の断面は、異なる冷却素子４１ａ〜４１ｅ内で様々である。冷却素子４１ａ内で、軸方向の溝４４の断面は、唯１つの半径方向の溝４３ａが冷却素子４１ａの中間空間を軸方向の溝４４と接続するように形成されている。中間空間から軸方向の溝４４に向かう他の（図示しない）半径方向の溝は、軸方向の溝４４のすぐ近くで終わっている袋溝として形成されている。冷却素子４１ｂ〜４１ｅ内で、軸方向の溝４４は２本、３本、４本もしくは５本の半径方向の溝４３ｂ−ｅを介して当該冷却素子の中間空間に接続されている。このようにして、各々図示されている冷却素子４１ａ〜４１ｅの中間空間は、軸方向の溝４４を通る冷却剤の強度の異なる流れを供給される。
【００４７】
図７は、要素５１と、その両側に配置され電解質−電極ユニットとして形成された要素５２とから成る燃料電池５０を示す。要素５１は中心の下部要素５１ａと、それに隣接する外縁の２つの下部要素５１ｂ及び５１ｃとから組立てられている。この中心の下部要素５１ａはバイポーラ板として形成されている。外縁の下部要素５１ｂ及び５１ｃ内に、各々３本の軸方向の溝が通じている。燃料電池５０を組立てた状態で、要素５２は中心の下部要素５１ａにぴったり密接し、これと一緒に各中間空間７１を形成する。２つの中間空間７１の一方が中心の下部要素５１ａの上側に配置されているのを図７内に見ることができるが、他方第２の中間空間が中心の下部要素５１ａの下側に配置されているのは図７内には見ることはできない。中間空間７１は軸方向の溝６２及び６５と、外縁の下部要素５１ｂ、５１ｃの切欠き７３ａ、７３ｂ内に通じる一定数の半径方向の溝７２とを介して接続されている。
【００４８】
或いはまた、半径方向の溝７２、７４、７３ａ及び７３ｂは、中心の下部要素５１ａもしくは外縁の下部要素５１ｂ及び５１ｃ内に穿孔として設けることもできる。このような半径方向の溝は切欠きのように上向きに開いておらず、従って容易に密閉可能である。
【００４９】
半径方向の溝７２の他に、袋溝７４として形成されている各々３つの他の半径方向の溝がある。袋溝７４の形態は、袋溝７４が外縁の下部要素５１ｂ、５１ｃの切欠き内に通じておらず、外縁の下部要素５１ｂ、５１ｃの壁面に直に達していることにより得られる。各々上下に積層された同種の燃料電池５０間に配置されているパッキング（図７内には示さず）により、袋溝７４は閉鎖されている。上部に位置する要素５２は、燃料電池５０を組立てた状態でも袋溝７４を完全には覆わず、部分的に覆っているに過ぎない。
【００５０】
中間空間７１は、燃料電池ブロック５０の作動中に、作動ガス、例えば空気を通すべく形成されている。この空気は、上下に積層された一定数の燃料電池５０を含む燃料電池ブロック内を軸方向の溝６２を通って流れる。この空気は軸方向の溝６２から切欠き７３ａを通って流れ、更に半径方向の溝７２を通って中間空間７１内に流れる。その後この空気は、半径方向の溝７２と外縁の下部要素５１ｃ内の切欠き７３ｂを通って、軸方向の溝６５内に達して流れる。軸方向の溝６５を通して燃料電池５０の空気は再び運び出される。空気は、中間空間７１内を電解質−電極素子として形成された要素５２の電極に沿って流れ、その中心に配置された電解質で燃料電池５０が電流を発生する電気化学的反応が行われる。
【００５１】
もう１つの作動ガス、例えば水素含有ガスは、燃料電池ブロックの作動中に軸方向の溝６１を流れる。外縁の下部要素５１ｂ内の溝７５ａを通り、この作動ガスは、中心の下部要素５１ａの下側に配置された中間空間と接続している半径方向の溝７６に達する。作動ガスはこの中間空間を通って流れ、図７にはそれ以上示されていない半径方向の溝を通って、作動ガスが軸方向の溝６６内に案内する切欠き７５ｂに達するようにして、中間空間を再び出ていく。半径方向の溝７６の他に、袋溝７４と同じく袋溝７７として形成した別の３つの半径方向の溝を設けている。袋溝７４のように袋溝７７は、燃料電池５０を組立てた状態で外縁の下部要素５１ｂの壁面に達しており、燃料電池５０とそれらに隣接する燃料電池との間に配置したパッキングにより閉鎖されている。燃料電池５０に相当する燃料電池から組立てた複数の燃料電池ブロックの製造時に、各燃料電池の中心の下部要素は完全に等しく製造できる。同一の中心下部要素の大量生産は、各々に異なる形状の、多くの中心下部要素を製造するよりも価格的に極めて有利である。流入及び流出する作動ガスに対する燃料電池の異なる要求で、外縁の下部要素５１ｂ及び５１ｃ内の切欠き７３ｂ、７３ｃの幅だけを異ならせて形成する。切欠き７３ｂ、７３ｃの幅に応じて、様々な数の半径方向の溝７２が開けられる。この変更は極めて価格的に有利に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による燃料電池ブロックの１要素の平面図。
【図２】 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って切断した断面図。
【図３】 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って切断した断面図。
【図４】 図１のＩＶ−ＩＶ線に沿って切断した断面図。
【図５】 本発明による燃料電池ブロックを切断した部分断面図。
【図６】 燃料電池ブロックの一部を切断して５つの冷却素子を分解した形で示す図。
【図７】 本発明による燃料電池の分解図。
【符号の説明】
１、２５ａ、２５ｂ、４２ａ〜４２ｅ、５１、５２ 要素、
２、３、４、５、３４、３８、４４、６１、６２、６３、６４、６５、６６ 軸方向の溝、
６ 縁領域、
７、２７、７１ 中間空間、
８ａ、８ｂ、８ｃ、３５、４３ａ〜４３ｅ、７２、７６ 半径方向の溝、
９ａ、９ｂ、７４、７７ 袋溝、
１０、２６ 溶接継目、
１１ 積層方向の矢印
２０、４０ 燃料電池ブロック、
５０ 燃料電池、
２２、４１ａ〜４１ｅ 冷却素子、
２３ 電解質−電極素子、
２４、３９ パッキング
３１ 電解質、
３２ アノード、
３３ カソード、
５１ａ 中心の下部要素、
５１ｂ、５１ｃ 外縁の下部要素、
７３ａ、７３ｂ 外縁の下部要素の切欠き

Claims (15)

1. 少なくとも２つの隣接する要素（１、２５ａ〜２５ｂ、４２ａ〜４２e、５１、５２）がそれらの間に中間空間（７、２７、７１）を形成しており、 またこの両方の要素（１、２５ａ〜２５ｂ、４２ａ〜４２e、５１、５２）の間又は両方 の要素（１、２５ａ〜２５ｂ、４２ａ〜４２e、５１、５２）の一方に、中間空間（７、 ２７、７１）と接続された半径方向の溝（８ａ、８ｂ、８ｃ、３５、４３ａ〜４３ｅ、７２、７６）が形成されており、気体又は液体媒質が軸方向の溝（２、３、４、３４、４４、６１、６２、６５、６６）から中間空間に、或いはその逆に流れることができるように、それらの内幾つかが中間空間（７、２７、７１）を少なくとも１つの軸方向の溝（２、３、４、３４、４４、６１、６２、６５、６６）と接続する、積み重ねて配置された要素（１、２５ａ〜２５ｂ、４２ａ〜４２e、５１、５２）と、積層方向に要素（１、２５ａ〜２５ｂ、４２ａ〜４２e、５１、５ ２）を貫通して延びる軸方向の溝（２、３、４、５、３４、３８、４４、６１、６２、６３、６４、６５、６６）とから成る燃料電池ブロック（４０）において、袋溝（９ａ、９ｂ、７４、７７）として形成され、かつ軸方向の溝（２、３、４、５、３４、３８、４４、６１、６２、６３、６４、６５、６６）とは接続しない少なくとも１つの半径方向の溝を備えることを特徴とする燃料電池ブロック。
2. 袋溝（９ａ、９ｂ、７４、７７）は、その端部を開口することにより、前記袋溝として形成された半径方向の溝と軸方向の溝とが接続可能とされることを特徴とする請求項１記載の燃料電池ブロック。
3. 袋溝（９ａ、９ｂ、７４、７７）の端部と軸方向の溝（４、５、３４、３８、４４、６１、６２、６５、６６）の間隔が１〜５０ｍｍであることを特徴とする１又は２記載の燃料電池ブロック。
4. 軸方向の溝（４、３４、４４、６１、６２、６５、６６）が中間空間（７、２７、７１）と、少なくとも１つの半径方向の溝（８ａ、８ｂ、８ｃ、３５、４３ａ〜４３ｅ、７２、７６）により接続されていることを特徴とする請求項２又は３記載の燃料電池ブロック。
5. 軸方向の溝（５、３８）がいずれの半径方向の溝（８ａ、８ｂ、８ｃ、３５、４３ａ〜４３ｅ、７２、７６）とも接続しておらず、気密に中間空間（７、２７）と分離されたことを特徴とする請求項２又３は記載の燃料電池ブロック。
6. 軸方向の溝（５、３８）が、２つの隣接する要素（１、２５ａ〜２５ｂ、４２ａ〜４２ｅ、５１、５２）間に形成された燃料電池ブロックの全ての中間空間と気密に分離されたことを特徴とする請求項５記載の燃料電池ブロック。
7. 中間空間（７１）を形成する要素（５１、５２）が各々中心の下部要素（５１ａ）及び少なくとも１つの外縁の下部要素（５１ｂ、５１ｃ）とから形成されており、その際軸方向の溝（６１、６２、６３、６４、６５、６６）が外縁の下部要素（５１ｂ、５１ｃ）を貫通して延びることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の燃料電池ブロック。
8. 同種の種々の要素（４２ａ〜４２ｅ）内で少なくとも１つの軸方向の溝（４４）の各々の断面が異なることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の燃料電池ブロック。
9. 中間空間（７、２７）を形成する要素（１、２５ａ〜２５ｂ、４２ａ〜４２ｅ）が、互いに接合された２枚の金属板であることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の燃料電池ブロック。
10. 金属板が、少なくとも１つの溶接継目（１０、２６）により互いに接合されていることを特徴とする請求項９記載の燃料電池ブロック。
11. 軸方向の溝（４、５、３４、３８）と袋溝（９ａ、９ｂ）の端部との間に溶接継目（１０、２６）が配置されたことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池ブロック。
12. 少なくとも１つの軸方向の溝（５、３８）が、この軸方向の溝（５、３８）を囲む溶接継目（１０、２６）により気密に中間空間（７、２７）と分離されたことを特徴とする請求項１１記載の燃料電池ブロック。
13. 中間空間（７、２７）を形成する板が、冷却素子（２２、４１ａ〜４１ｅ）を形成することを特徴とする請求項９乃至１２の１つに記載の燃料電池ブロック。
14. 中間空間（７、２７）が、燃料電池ブロック（４０）の作動中に冷却水を通すために形成されたことを特徴とする請求項１乃至１３の１つに記載の燃料電池ブロック。
15. 中間空間（７１）が、燃料電池ブロックの作動中に作動ガスを通すために形成されたことを特徴とする請求項１乃至１３の１つに記載の燃料電池ブロック。

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