(57)【要約】燃料電池ブロック（１）は多数の通路と配管を含み、その結果多数の接続個所と密封個所を含む。特に車両においては、燃料電池ブロックへの衝撃が密封個所に応力および疲労を起す。これは燃料電池ブロックの作動につき安全性問題をもたらす。この問題の解決のために、端板（７ａ〜７ｅ）と、端板を通り抜ける作動媒体通路（１７ａ、１７ｂ、２７）と、少なくとも部分的に作動媒体通路内に配置されていている作動媒体制御装置（１５、１９、２３、２９、３１、３３）とを含み、かつ作動媒体制御装置を少なくとも部分的に端板内に組み込んだ燃料電池ブロックを提供する。
2005505116.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに積層られた多数の平形燃料電池と、端板（７ａ〜７ｅ）と、端板を通り抜ける作動媒体通路（１７ａ、１７ｂ、２７）とを備えた燃料電池ブロックにおいて、
少なくとも部分的に作動媒体通路内に配置されていて且つ少なくとも部分的に端板内に組み込まれている作動媒体制御装置（１５、１９、２３、２９、３１、３３）を備えることを特徴とする燃料電池ブロック。
【請求項２】
作動媒体制御装置（１５）が水分離器であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池ブロック。
【請求項３】
水分離器（１５）が完全に端板（７ｃ）内に収容されたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池ブロック。
【請求項４】
燃料電池の積層方向に対し平行な第１および第２の軸方向通路と、両軸方向通路の接続のために端板（７ｃ）内に形成された接続通路（１７ａ、１７ｂ）を備えること特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の燃料電池ブロック。
【請求項５】
接続通路（１７ａ、１７ｂ）内に配置され、且つ端板（７ｃ）内に組み込まれた水分離器（１５）を備えること特徴とする請求項４記載の燃料電池ブロック。
【請求項６】
多数のカスケード状に配置された多数の燃料電池ブロック段（５ｂ、５ｃ）を備え、１つのカスケード段（５ｂ）からの作動媒体移送のための第１の軸方向通路と、次のカスケード段（５ｃ）の作動媒体供給のための第２の軸方向通路とを備えることを特徴とする請求項４又は５記載の燃料電池ブロック。
【請求項７】
作動媒体制御装置（１５、１９、２３、２９、３１、３３）が、水分離器、流れ監視器、センサ、弁又は操作要素であ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに積層られた多数の平形燃料電池と、端板と、端板を通り抜ける作動媒体通路とを備えた燃料電池ブロックに関する。
【０００２】
水の電気分解の場合には水分子が水素（Ｈ2）と酸素（Ｏ2）に分解される。燃料電池では、このプロセスが逆方向に経過する。水素と酸素の水への電気化学的結合によって高効率で電流が生じ、しかも燃料ガスとして純粋な水素を使用すれば、有害物質や炭酸ガス（ＣＯ2）の放出なしに電流が発生する。
【０００３】
燃料電池の原理の技術的な置き換えが種々の解決策をもたらし、しかも種々の電解質および８０〜１０００℃の作動温度のものをもたらした。その作動温度に応じて、燃料電池は低温燃料電池、中温燃料電池、高温燃料電池に分類され、これらは、更にまた種々の技術的実施形態により区分けされている。
【０００４】
作動時に燃料電池は、例えば作動ガス、加湿水および冷却水の如き作動媒体を供給される。作動ガスとしては、水素を含む燃料ガスと、酸素を含む酸化剤ガスが用いられる。燃料としては、例えば天然ガス、石炭ガスが使用され、或いは純粋な水素（Ｈ2）も使用される。酸化剤ガスとして、一般には空気が使用されるが、純粋な酸素（Ｏ2）も使用される。加湿水は、低温燃料電池の少なからぬ実施形態、特にポリマー電解質膜を備えた燃料電池（ＰＥＭ燃料電池）に供給される。即ち、その電解質膜を湿った状態に保つ必要がある。この場合、作動ガスを、例えば液体リングコンプレッサや膜加湿器のような適切な装置で燃料電池の温度に加熱し、かつ水蒸気で飽和状態にする。
【０００５】
個々の燃料電池は最大で約１．１Ｖの作動電圧を供給する。従って、多数の燃料電池を接続し、燃料電池ブロックの構成部分である燃料電池スタックにまとめる。燃料電池の内部直列接続により、燃料電池ブロックの作動電圧は１００Ｖ以上になり得る。
【０００６】
燃料電池ブロックは、少なくとも１つの燃料電池スタックの他に、一般に加湿セルスタックおよび所謂作動部（供給部）を含んでいる。加湿セルスタックは多数の室を持ち、これらの室で作動ガスを膜により加湿する。供給部は、例えばポンプ、コンプレッサおよび加湿器の如き連結機械と、弁、センサ、電子監視装置、水分離器などの装置に場所を提供する。機械の連結は導管および管継手によって行なう。これら管継手は基本的に漏損し易い。この場合、作動ガスを導く導管の漏れ個所は、作動安全性を著しく危うくする。なぜならば、水素と酸素を含有する作動ガスの使用に伴い、漏れ個所周囲の火災の危険があり、場合により爆発の危険すらあるからである。車両で燃料電池ブロックを用いる場合は、これに加えて付加的に燃料電池ブロックが衝撃や振動に曝されると言う問題がある。
【０００７】
本発明の課題は、振動の加わる作動時にも、管継手の気密性に関し高い信頼性要求を満たし得る燃料電池ブロックを提供することにある。
【０００８】
この課題は、本発明に従って、作動媒体制御装置が、少なくとも部分的に作動媒体通路内に配置され、且つ少なくとも部分的に端板内に組み込まれた、冒頭に述べた如き燃料電池ブロックによって解決される。
【０００９】
作動媒体制御装置とは、その助けにより作動媒体の量や状態に影響を及ぼし、又は作動媒体の状態（例えば圧力や温度）を測定する装置を意味する。影響を及ぼす作動媒体制御装置は、例えば弁、操作要素又は水分離器であり、測定する作動媒体制御装置は、例えば温度センサ、測定値発信器、圧力計又はレベル計の如きセンサや異状監視器である。
【００１０】
燃料電池ブロックの種々の構成部分、即ち１つ以上の燃料電池スタック、場合によっては加湿セルスタックおよび供給部は、少なくとも１つの端板、一般には両側の端板によって境を仕切られている。従って、端板は燃料電池ブロックの一端にあるか、又はそれら２つの構成部分の間にある。端板は、一般に燃料電池ブロックに確実な安定性を与える安定な金属板である。２つの構成部分間に配置される端板は、間挿板とも呼ぶ。供給部を外側に対し区画する端板は、燃料電池ブロックの接続端子に場所を提供する。端子板とも呼ばれるこの端板には、例えば作動媒体供給、排ガス排出のための貫通部、発生電流や測定信号取り出しのための貫通部が設けられる。燃料電池スタック又は加湿セルスタックを区画する端板は、スタックの最外側の接合導体板又は絶縁板と隣接し、その際燃料電池ブロックの実施形態に応じ、最外側の接合導体板と端板との間に他の構成部分が存在し得る。
【００１１】
本発明は、燃料電池ブロックの供給部で作動媒体の供給管と排出管が有する密封個所および接続個所が少なければ少ない程燃料電池ブロックの作動安全性が高まるという考慮に基づく。更に、本発明は次の考慮に基づく。即ち、例えば管片と弁の間の接続部の如き接続個所は、この個所が曝される機械的負荷が大きければ大きい程、気密漏れを起こしやすい。燃料電池に作動媒体、例えば作動ガスを供給する際には、作動ガスを先ず供給端子にて端子板を貫通して案内し、それから供給部の内部の管部分を走り抜けて燃料電池スタックへの作動ガス供給を制御する弁に到達させる。燃料電池ブロックの供給部内での接続個所の低減は、弁を端子板に直接に配置した場合に得られる。それにより、端子板と弁との間の管部分が不要となる。端子板と弁の間の接続個所において、負担に耐える特に高い能力を得るため、弁を部分的に端子板内に組み込む。端子板の中に、例えば弁座を埋め込み、該弁座に燃料電池ブロック組立時に弁を挿入固定する。それ故、弁と端子板は強固な接合を形成する。この結果、弁と端子板との間の接続個所内部の密封部は、非常に僅かな機械的負荷にしか曝されない。
【００１２】
従って、燃料電池ブロックの端板への作動媒体制御装置の少なくとも部分的な組み込みで、かかる端板と作動媒体制御装置との間の従来では通常の管部分を削減できる。この結果燃料電池ブロック内部の接続個所の数が減り、それに伴い燃料電池ブロック内部での気密漏れに関する作動安全性が高まる。部分的な組み込みにより次のことが達成される。即ち、作動媒体制御装置がしっかりと端板に接続され、端板と作動媒体制御装置との間の密封個所が端板内部に配置される。そのため、この密封個所の機械的負荷を低減し、このことが更に燃料電池ブロックの作動安全性向上をもたらす。この利点は、作動媒体制御装置を完全に端板内に組み込み、従って完全に端板に収容するとき、特に大々的に得られる。上述の弁の例では、これは次のことを意味する。即ち、弁を完全に端板内に形成し、それに伴い端板と弁との間の密封個所も、弁と後続の管部分又は他の作動媒体制御装置との間の密封個所も同様に、端板内又はその表面に直接に配置する。この結果、両密封個所は僅かな機械的負荷にしか曝されない。端板への作動媒体制御装置の完全な組み込みの際、場合により端板と作動媒体制御装置との間の密封個所を不要にすることすら可能である。何故なら、作動媒体制御装置が継ぎ目なしに端板へ移行するからである。
【００１３】
本発明によれば、端板への作動媒体制御装置の少なくとも部分的な組み込みにより管部分を節約し、それにより場所を節約できるという付加的な利点が生ずる。この結果、供給部、それに伴い燃料電池ブロック全体をコンパクトに構成できる。従って、燃料電池スタックと供給部を含む全体を、本発明により特に安定に且つ場所を節約して形成できる。これは、機械的負荷のみならず車両内の余裕のない場所供給も燃料電池ブロックに高い要求をする車両において特に有利である。
【００１４】
本発明の他の利点は、作動媒体制御装置が水分離器であるときに生ずる。燃料電池での水素（Ｈ2）と酸素（Ｏ2）の結合時に水（Ｈ2Ｏ）が生じる。この生成水は燃料電池から排出せねばならない。生成水は、例えば燃料電池から外へ導出し、且つ燃料電池で使用されなかった作動ガスの流れで一緒に運び、この流れから分離せねばならない。このため、燃料電池で使用されなかった作動ガスを水分離器に通し、この水分離器で水を作動ガスから分離する。低温燃料電池の相当数のタイプ、特にＰＥＭ燃料電池の場合には、燃料電池の電解質を常に湿った状態に保持せねばならないため、作動ガスを加湿させてから燃料電池に運び込む。このような燃料電池を有する燃料電池ブロックの場合、一般に、加湿した作動媒体を燃料電池に導く作動媒体供給管に水分離器を配置している。燃料電池の作動時、この供給管の内部で加湿水を凝縮させる。この凝縮した加湿水が燃料電池を水びたしにしないようにすべく、水分離器を少なくとも部分的に端板、例えば間挿板に組み込んで配置している。従って、燃料電池ブロックの供給部で加湿した作動ガスを、燃料電池スタックへの入口の直前において、間挿板の中又は表面に設けた水分離器を通す。更に、水分離器を端板としっかりと特に安定に且つ気密に接続することができる。
【００１５】
水分離器を端板内に完全に組み込むと好ましい。これにより、管継手と水分離器との間の密封個所が完全に不要となる。その結果大幅に構造体積も削減できる。作動媒体を端板に導き、そこの水分離器で過剰の加湿水又は生成水を除き、端板から再び導き出す。
【００１６】
水分離器のドレン弁は、部分的又は完全に端板の中に組み込むと望ましい。同様に、水位発信器も部分的又は完全に端板の中に組み込むとよい。この構成により、ドレン弁又は水位発信器と水分離器との間での気密漏れを効果的に回避できる。更に、これにより供給部を、そしてそれに伴い燃料電池ブロックを特にコンパクトに構成できる。
【００１７】
本発明の他の利点は、セルの積層方向に対し平行に向な２つの軸方向通路を互いに接続すべく端板に形成した接続通路により得られる。燃料電池スタック内部の軸方向通路は、作動ガスと冷却水を燃料電池に供給および排出するのに役立つ。例として、ここでは端板内部における冷却水案内通路について説明する。燃料電池スタックの冷却構想に応じ、例えば冷却水を、燃料電池ブロックの供給部から軸方向通路に導き、そこで燃料電池スタックに通し、軸方向通路からスタックの燃料電池へ分配し、それから別の軸方向通路に再び集める。燃料電池スタックの終端で冷却水を別の軸方向通路に導き、この別の軸方向通路で冷却水を燃料電池ブロックの供給部へ再び戻す。冷却水を収集する軸方向通路と、冷却水を燃料電池ブロックの供給部に帰還させる軸方向通路との間の接続管は、燃料電池スタックを外側に対し区画する端板内部の通路として形成する。この方法で、両軸方向通路間の接続部分を付加的に必要な密封個所と共に回避できる。この結果安全性が高まり、占有空間を節約できる。金属製の端板が燃料電池ブロック全体に安定性を与える故、端板は、一般に、問題なく作動媒体制御装置又は作動媒体通路に場所を提供できる厚みにする。
【００１８】
水分離器を接続通路に配置し、端板内に組み込むと好ましい。水分を除くべき作動ガスは、この構成の場合、付加的な導管を経て水分離器へ案内する必要はなく、燃料電池スタックからの出口直後又は燃料電池スタックへの入口直前で水分を除く。この結果次の付加的な利点が生ずる。即ち、さもなければ必要な導管で作動ガスが冷却され、付加的な水が凝縮に伴い分離してしまうことがない。この結果作動ガスを端板の温度に保ち、この簡単に制御可能な温度で作動ガスを燃料電池スタックに導くことができる。
【００１９】
燃料電池ブロックが多数のカスケード配置した燃料電池ブロック段を含み、しかも燃料電池ブロック段からの作動媒体移送のための第１の軸方向通路と、次に続く燃料電池ブロック段の作動媒体供給のための第２の軸方向通路とを備えると好ましい。多数のブロック段（カスケード段とも呼ぶ。）に区分した燃料電池ブロックは、燃料ガス又は酸化剤ガスからの水素（Ｈ2）と酸素（Ｏ2）が燃料電池ブロック内部で完全に消費される作動に特に適する。このようなブロックは、特に純水素および純酸素での作動のために使用する。と言うのは、この場合には作動ガスが完全に消費され、燃料電池ブロックは僅かな不活性ガス成分を除いて排気ガスを生じないからである。かかる燃料電池ブロックは、多数の互いに境を接し、且つ例えば間挿板で夫々互いに分離されている燃料電池スタックによって特徴付けられる。作動ガスも冷却水も、燃料電池ブロックの個々のカスケード段を通過する複雑な管又は通路の案内によって貫流する。燃料電池スタックの直近における配管の大部分は、カスケード段の端部又はカスケード段間の１つ以上の端板の内部に接続通路を形成することで省略できる。この結果、多数の密封個所を回避し、さもなければ必要な配管のための占有空間を節減できる。
【００２０】
作動媒体制御装置は弁、操作要素、センサ又は異状監視器であると望ましい。これら作動媒体制御装置の全ては、困難なく少なくとも部分的に燃料電池ブロックの端板内に組み込める。その結果、このような作動媒体制御装置と配管との間の密封個所を回避し、それによって気密漏れによる障害を除いて燃料電池ブロックの安全性を向上できる。
【００２１】
本発明の実施例を３つの図に基づき更に詳しく説明する。図１は１つの供給部、１つの加湿セルスタック、２つの燃料電池スタックおよび５つの端板を備えた燃料電池ブロックを示し、図２は水分離器を組み込んだ端板、図３は弁および温度センサを組み込んだ端板を示す。これらの図において、同じ対象には同じ符号を付している。
【００２２】
図１は、非常に簡単化且つ概略化して、供給部３と、加湿セルスタック５ａと、２つのＰＥＭ燃料電池からなる燃料電池スタック５ｂ、５ｃとを備えた燃料電池ブロック１を示す。スタックは燃料電池ブロック１の２つのカスケード段である。供給部３、加湿セルスタック５ａおよび２つの燃料電池スタック５ｂ、５ｃは、夫々１つの端板７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅで仕切られている。端板７ａは接続板として形成されている。この接続板は、燃料電池ブロック１で発生した電流の取り出しのために多数の電流端子９を有する。更に接続板は測定センサ出力１１と作動媒体端子１３を有し、作動媒体端子１３は作動媒体の燃料電池ブロック１への供給又は作動媒体の燃料電池ブロック１からの排出に用いられる。端板７ｂと７ｃは加湿セルスタック５ａを区切り、端板７ｃ、７ｄおよび７ｅは燃料電池スタック５ｂと５ｃを区切る。３つの端板、７ｂ、７ｃおよび７ｄは、板を通り抜ける、図示しない多数の作動媒体通路を備えた間挿板として形成している。燃料電池スタック５ｃを区切る端板７ｅは燃料電池ブロック１を外気から隔離する。
【００２３】
図２は、燃料電池ブロック１の加湿セルスタック５ａと燃料電池スタック５ｂとの間に間挿板として配置された端板７ｃを示す。端板７ｃには水分離器１５が形成され、これは完全に端板７ｃ内に組み込まれている。水分離器１５に接続通路１７ａが流入し、この通路は燃料電池スタック５ｂのスタック方向に延びる燃料電池スタック５ｂの軸方向通路を水分離器１５に接続する。燃料電池ブロック１の作動中、酸素を含む酸化剤ガスが燃料電池スタック５ｂの燃料電池を通って流れ、接続通路に接続された燃料電池スタックの軸方向通路に集まり、接続通路１７ｂを経て水分離器１５に流れる。水分離器１５では、燃料電池スタック５ｂの燃料電池から酸化剤ガスと一緒に運ばれてきた生成水が酸化剤ガスから分離され、水分離器１５の下部に集まる。
【００２４】
過剰の生成水を取り除かれた酸化剤ガスは、引き続く過程で接続通路１７ａを経て第２の軸方向通路へ流れる。該通路は加湿セルスタック５ａを貫通して燃料電池スタック５ｃにまで延びている。従って、第２の軸方向通路は酸化剤ガスについて、燃料電池スタック５ｃへの作動媒体供給に役立つ。接続通路１７ａと１７ｂは、燃料電池スタック５ｂに突出する第１の軸方向通路を燃料電池スタック５ｃに突出する第２の軸方向通路に接続する唯一の接続通路と見なし得る。
【００２５】
水分離器１５は水監視器として構成した作動媒体制御装置１９を含み、該装置１９は完全に端板７ｃ内に組み込まれている。水分離器１５の下部に集まった生成水の水位が予め与えたレベルを上回ったならば、水監視器は図２に示さない制御ユニットに信号を与え、この信号でドレン弁２３を作動させる。その結果端板７ｃのドレン通路２１を経て生成水が排出され、水分離器１５は空になる。ドレン通路２１には、流れ監視器として形成した作動媒体制御装置２４を配置している。流れ監視器は完全にドレン通路２１内に沈められていて、それ故端板７ｃに完全に組み込まれている。
【００２６】
端板７ｃへの分離器１５の完全な組み込みで、水分離器１５と、接続通路１７ａおよび１７ｂ並びにドレン通路２１との間の接続個所も密封もなくなる。更に水分離器１５に出入りする配管を省略できる。従って水分離器１５を経た酸化剤の案内を極めて安全に行なえる。更に水分離器、接続通路１７ａ、１７ｃおよび異状監視器付きドレン通路２１を非常にコンパクトに構成できる。この結果燃料電池ブロック１の全構成体積が減少する。
【００２７】
図３は端子板として構成した端板７ａの断面を概略的に示す。端子板は、作動媒体通路２７が貫通するドーム２５を持つ。作動媒体通路２７は、作動媒体端子１３の１つを燃料電池ブロック１の供給部３に配置した燃料電池ブロック１の供給装置に接続する。作動媒体通路２７内へ突出して、温度センサとして構成した作動媒体制御装置２９を配置している。温度センサは、完全に端板７ａ内に組み込めるように端板７ａに嵌め込んでいる。同様に作動媒体通路２７に、弁として形成した別の作動媒体媒体制御装置３１を配置している。この弁は、弁の操作要素として形成した作動媒体制御装置３３を配設しており、これは弁自体と同様に、完全に端板７ａ内に組み込めるように端板７ａに嵌め込んでいる。
【００２８】
端板７ａへの作動媒体制御装置２９、３１および３３の組み込みに伴い、それらは非常にしっかりと頑丈に端板７ａと結合している。そのため、作動媒体制御装置２９、３１および３３を取り囲む密封面に沿った機械的応力が生じない。それ故、これら密封個所の気密性に関し高い信頼性を保証できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】燃料電池ブロックの本発明実施例を示す斜視図
【図２】本発明実施例における水分離器を組み込まれた端板を示す断面図
【図３】本発明実施例における弁および温度センサを組み込まれた端板を示す断面図
【符号の説明】
【００３０】
１  燃料電池ブロック、３  供給部、５ａ  加湿セルスタック、５ｂ、５ｃ  燃料電池スタック、７ａ〜７ｅ  端板、９  電流端子、１１  測定センサ出力、１３  作動媒体端子、１５  水分離器、１７ａ、１７ｂ  接続通路、１９、２４、２９、３１、３３  作動媒体制御装置、２１  ドレン通路、２５  ドーム、２７  作動媒体通路
【国際公開パンフレット】
2005505116.tif 000003
2005505116.tif 000004
2005505116.tif 000005
2005505116.tif 000006
2005505116.tif 000007
2005505116.tif 000008
2005505116.tif 000009
2005505116.tif 000010
2005505116.tif 000011
2005505116.tif 000012
2005505116.tif 000013
2005505116.tif 000014
2005505116.tif 000015
2005505116.tif 000016
2005505116.tif 000017
2005505116.tif 000018
2005505116.tif 000019
2005505116.tif 000020
2005505116.tif 000021
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005505116.tif 000022
2005505116.tif 000023
【国際調査報告】
2005505116.tif 000024
2005505116.tif 000025
2005505116.tif 000026
2005505116.tif 000027
2005505116.tif 000028
2005505116.tif 000029