(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池ユニットと、熱交換機、改質装置、予熱器、または再燃焼装置などの構成部品とを備え、良好な流れ特性をもたらすコンパクトな装置を提供する。【解決手段】装置は、長手方向軸および長手方向軸と同軸の主流方向１００を画定する複数の燃料電池を備えた燃料電池のスタック２を備える。さらに、主流方向に平行に配置された第１の流体導管を備える構成部品（熱交換機１、改質装置３）を備える。第１の流体導管は、構成部品の両端部に、主流方向にそって配置された第１の流体入口及び第１の流体出口を備える。構成部品１、３は、燃料電池ユニット２に隣接して配置され、流体流は、構成部品１、３の第１の流体導管内および燃料電池ユニット２内で、構成部品から燃料電池ユニットに、またはその逆に通過する際、装置の長手方向軸にほぼ平行に流れる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置において、
複数の燃料電池を備えた燃料電池ユニット（２）であって、前記燃料電池は、平行に配置されて前記装置の長手方向軸を画定し、かつ前記装置の前記長手方向軸と同軸の主流方向（１００）を画定し、燃料電池入口および燃料電池出口が、前記燃料電池ユニット（２）の両端部に前記主流方向（１００）にそって配置された、燃料電池ユニット（２）と、
前記主流方向（１００）に平行に配置された第１の流体導管を備える構成部品（１、３）であって、前記第１の流体導管が、前記構成部品の両端部に、前記主流方向（１００）にそって配置された第１の流体入口および第１の流体出口を備える、構成部品（１、３）とを備え、
前記構成部品（１、３）が前記燃料電池ユニット（２）に隣接して配置され、それにより、前記構成部品の前記第１の流体入口および前記第１の流体出口の少なくとも１つが、前記燃料電池出口および前記燃料電池入口の少なくとも１つに隣接して配置され、それにより、前記装置に入る流体流が、前記構成部品の前記第１の流体導管内および前記燃料電池ユニット（２）内で、前記構成部品から前記燃料電池ユニット（２）に、またはその逆に通過する際、前記装置の前記長手方向軸にほぼ平行に流れることができる、装置。
【請求項２】
前記燃料電池ユニット（２）の高さ（３００）および幅（４００）が、前記構成部品（１、３）の高さ（３００）および幅（４００）に対応する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
空隙（５５、６５）が、前記燃料電池ユニット（２）と前記構成部品（１、３）の間に配置される、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記構成部品が、熱交換機（１）または改質装置（３）である、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記構成部品（１、３）が、前記燃料電池ユニット（２）の一方の側に配置され、少なくとも１つの別の構成部品（３、１）が、前記燃料電池ユニット（２）の反対側に配置される、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
入口分配部分（５０）を備えた主要入口（５）をさらに備え、前記入口分配部分（５０）の深さが変化する、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記構成部品（１、３）が、第２の流体入口および第２の流体出口（３２００）を備えた第２の導管をさらに備え、前記第２の導管は、第２の流体が前記構成部品を通り抜けるためのものである、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記第２の流体入口が、前記構成部品（１、３）の側部の上流側領域内に配置され、前記第２の流体出口（３２００）が、前記構成部品の反対側の側部の下流側領域に配置され、それにより、前記第２の流体は、前記第２の導管の中央ゾーン（１３、３３）内で前記主流方向（１００）に本質的に平行に流れることができる、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記構成部品（１、３）が、前記第２の導管内に妨害手段をさらに備える、請求項７または８に記載の装置。
【請求項１０】
異なる妨害手段が、前記第２の導管の入口分配ゾーン（１１、３１）内、中央ゾーン（１３、３３）内、および出口収集ゾーン（１２、３２）内に配置され、それにより、前記中央ゾーン（１３、３３）内で妨害手段によって引き起こされる前記第２の流体の圧力降下は、前記入口分配ゾーン（１１、３１）内および前記出口収集ゾーン（１２、３２）内に妨害手段によって引き起こされる圧力降下より高くなる、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
主要入口開口部（５１）および主要出口開口部（６１）が、前記装置の両端部に、前記装置の同じ側からの主要流体の供給および主要流体の排出を可能にするように配置される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置において使用するための構成部品ユニット（９）であって、前記構成部品ユニットは、第１のスタック構成部品、第２のスタック構成部品を備え、前記第１のスタック構成部品および前記第２のスタック構成部品の各々が、主流方向（１００）に平行に、かつ互いに距離を離して配置されてスタックを形成する複数のプレートを備え、
これらのスタックが、前側および後側において開いており、それによって第１の流体が前記前側において前記スタックに入り、前記主流方向（１００）に沿って前記スタックを通過し、前記後側において前記スタックを離れ、前記第１および第２のスタックの各々は、さらに、
第２の流体入口および第２の流体出口を備えた第２の流体導管を備え、前記第２の流体入口が、前記スタックの横方向側に配置され、前記第２の流体出口が、前記スタックの反対側の横方向側に配置され、
前記第１のスタック構成部品および前記第２のスタック構成部品が、互いに対して所定の距離を離して配置され、前記第１のスタック構成部品の前記開いた後側は、前記第２のスタック構成部品の前記開いた前側に平行に配置される、構成部品ユニット（９）。
【請求項１３】
前記第１のスタック構成部品および前記第２のスタック構成部品を互いに対して所定の距離（８３）および配置に維持するための安定化フレーム（８）をさらに備える、請求項１２に記載の構成部品ユニット（９）。
【請求項１４】
請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置において、または請求項１２または１３のいずれか一項に記載の構成部品ユニットにおいて、使用するためのスタックの構成部品であって、前記スタックの構成部品は、主流方向（１００）に平行に、かつ互いに距離を離して配置されてスタックを形成する複数のプレート（３０１）を備え、
前記スタックが、前側および後側において開いており、それによって第１の流体が前記前側において前記スタックに入り、前記主流方向（１００）に沿って前記スタックを通過し、前記後側において前記スタックを離れ、さらに、
第２の流体入口および第２の流体出口（３２００）を備えた第２の流体導管を備え、前記第２の流体入口が、前記スタックの横方向側に配置され、前記第２の流体出口（３２００）が、前記スタックの反対側の横方向側に配置され、
前記第２の流体導管を形成する前記複数のプレート（３０１）のプレートの少なくとも１つが、入口分配ゾーン（１１、３１）の隣におよび出口収集ゾーン（１２、３２）の隣に配置された中央ゾーン（１３、３３）を含み、前記中央ゾーン（１３、３３）は、妨害手段を備える、スタック構成部品。
【請求項１５】
前記入口分配ゾーン（１１、３１）、出口収集ゾーン（１２、３２）および中央ゾーン（１３、３３）の少なくとも２つが、異なる妨害手段を備える、請求項１４に記載のスタック構成部品。
【請求項１６】
前記入口分配ゾーン（１１、３１）および前記出口収集ゾーン（１２、３２）の少なくとも１つが、前記主流方向（１００）に沿った可変の延長部を含む、請求項１４または１５に記載のスタック構成部品。
【請求項１７】
前記複数のプレートが、燃料電池において使用するように適合された化学的に活性な表面を備えたセクションをさらに含み、前記スタック構成部品の第１の部分は、前記第２の流体導管を備え、熱交換機スタック（１）または改質装置スタック（３）を形成するように適合され、前記スタック構成部品の第２の部分は、前記スタック構成部品の前記第２の部分が、燃料電池ユニット（２）として使用するように適合されるようなセクションを備える、請求項１４から１６のいずれか一項に記載のスタック構成部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池ユニットと、たとえば熱交換機または改質装置などの構成部品とを備える装置に関する。また本発明は、たとえばそのような装置で使用するための、または一般的には流体流の通り抜けを必要とするデバイスと組み合わせて使用するためのスタック構成部品に関する。また本発明は、２つのスタック構成部品を備える構成部品ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックのエネルギー性能を最適化するために、これらは、熱交換機、再燃焼装置、改質装置、またはこれらの構成部品のいくつかと組み合わせられる。空間が限定されることが多いため、コンパクトなシステムが好まれる。国際公開第２００４／０８２０５７号では、モジュール構築された燃料電池システムが説明され、ここでは再燃焼装置、熱交換機および改質装置などのさらなる構成部品が、平坦な燃料電池スタックに続いて配置される。燃料電池スタックおよびさらなる構成部品の外側表面形状は、互いに合致する。構成部品内に配置されたプレートおよびチューブ内のボアホールを貫通して、流体は、構成部品内部で、１つの構成部品から別のものに誘導される。プレートは、全体の流れ方向に対して垂直に配置され、それにより、流れは、１つの構成部品から別のものまでチューブによって誘導される必要がある。偏向プレートが、システム内の個々の流体チャネルの橋渡しをするために必要とされ得る。したがって、このシステムは、流体流の偏向により、高い圧力降下および不均一な温度を有し、構成部品間の連結要素を収容するために追加の空間を必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００４／０８２０５７号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、燃料電池ユニットと、たとえば熱交換機、改質装置、予熱器、または再燃焼装置などの構成部品とを備え、良好な流れ特性をもたらすコンパクトな装置が必要とされる。また、そのような組み合わされたシステムの全体的性能を支援するために、たとえばそのような装置を形成するために２つのスタック構成部品を備える構成部品ユニット、またはたとえばそのような装置において使用するためのスタック構成部品を提供する必要性も存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、平行に配置されて装置の長手方向軸を画定し、かつ装置の長手方向軸に対して同軸の主流方向を画定する、複数の燃料電池を備えた燃料電池ユニットを備える装置が提供される。この中で、燃料電池入口および燃料電池出口は、燃料電池ユニットの両端部に、主流方向にそって配置される。装置は、さらに、主流方向に平行に配置された第１の流体導管を備える構成部品を備える。第１の流体導管は、構成部品の両端部に、主流方向にそって配置された第１の流体入口および第１の流体出口を備える。構成部品は、構成部品の第１の流体入口および第１の流体出口の少なくとも１つが燃料電池出口および燃料電池入口の少なくとも１つに隣接して配置されるように燃料電池ユニットに隣接して配置され、それにより、装置に入る流体流は、構成部品の第１の流体導管内および燃料電池ユニット内で、構成部品から燃料電池ユニットに、またはその逆に通過する際、装置の長手方向軸にほぼ平行に流れることができる。
【０００６】
燃料電池ユニット、および構成部品、好ましくは熱交換機または改質装置は、流体が、本質的に線形に主流方向に沿って構成部品および燃料電池ユニットを通り抜けて流れ、したがって本発明による装置を通り抜ける主要流体流を形成することができるように配置される。燃料電池ユニットおよび構成部品、ならびに燃料電池入口および構成部品の第１の流体出口または燃料電池出口および構成部品の第１の流体入口それぞれの隣接する配置は、流体が構成部品から燃料電池ユニットに、またはその逆に（構成部品および燃料電池ユニットが、主流方向に沿って互いの上流側または下流側に配置されるかに応じて）妨げられずにまたは偏向されずに通過することを可能にする。装置の部分間または部分内の流れ方向の逆流、またはたとえば９０度の方向変化は、本発明による装置内では起こらない。これは、装置内の全体的に低い圧力降下、均一な流速、および均一な温度分布、ならびに必要とされる構成部品が少ないことによるコンパクト設計をもたらすことができる。加えて、流れの均一性が、装置内および装置の個々の部分内で実現され得る。装置の部分間または構成部品内のインターフェースまたはチューブ連結は使用されず、コンパクトな装置を実現することを容易にする。エネルギー効率の向上もまた、装置内の温度分布が改良されることにより達成され得る。構成部品または燃料電池ユニットは、モジュールとして実現され、組み合わされて本発明による装置にしてよく、それによって本発明による装置の製造、取り付け、および保全を容易にすることができる。たとえば、構成部品または燃料電池ユニットの取り換えが、容易にされる。また、構成部品は、より容易に特有の燃料電池ユニット設計に適合され得る。
【０００７】
構成部品が、平行に互いの上方に配置された複数のプレートを備えるプレートスタックである場合、構成部品のプレートは、主流方向に平行に配置される。燃料電池ユニットが、平行にかつ互いの上方に配置された複数のプレートを備える平坦な燃料電池ユニットの場合、装置のすべてのプレートは、主流方向に平行に、特に、互いにも平行に配置され得る。しかし、構成部品または平坦な燃料電池ユニットのプレートは、装置の長手方向軸または主流方向に対応する回転軸の周りでそれぞれ回転されてよい。構成部品、燃料電池ユニット、別の構成部品の、または装置のいくつかの部分の互いに対するそのような回転は、たとえば、０度から１８０度の間の範囲内でよく、好ましくは９０度でよい。また、これらの実施形態では、装置のすべての部分のプレートは、主流方向に平行に配置される。しかし、たとえば、隣り合うスタックのプレートが、たとえば互いに垂直に配置されてよい。
【０００８】
一部の好ましい実施形態では、燃料電池ユニットは、たとえば固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）などの高温燃料電池のユニットである。特に高温燃料電池内では、高温の流体がさらに使用されることがあり、燃料電池用の燃料の一部分のみが、燃料電池それ自体内で消費される。したがって、さらなる効率性は、特に燃料電池を熱交換機または改質装置または好ましくはその両方と組み合わせたときに流れ特性を最適化することによって得られ得る。
【０００９】
主流方向に流れる主要流体流は、たとえば、燃料電池および改質装置のカソード流でよく、熱交換機を通る高温ガスの流れでよい。好ましくは、主要流体流は、装置の燃料電池ユニットおよび構成部品を通る、より高い容積流量を有する流体流である。したがって、主要流体は、構成部品を通る第１の流体に対応し、一方で第２の流体は、通常、第１の流体の流量より低い容積流量を有する流量を有する。第２の流体はまた、第１、または主流より低い質量流量を有する流体流にもなり得る。しかし、より低い容積流はまた、主流（またはそれぞれ第１の流れ）の流体と同じ質量流量を有するがこれより低い温度を有する流体流によっても達成され得る。より高い容積流量を有する流体流を最適化する、特に均一化することにより、装置の大きな効率性が得られ得る。たとえば、改質装置のカソード流は、アノード流より約２桁分高くなり得る。
【００１０】
また、スタック構成部品の第２の流体導管内の第２の流体の流れも最適化され得る。第２の流体もまた、スタック構成部品のプレートに平行に流れる。
【００１１】
構成部品は、燃料電池ユニットの上流側または下流側に配置され得る。それにしたがって、（構成部品が燃料電池ユニットの上流側に配置される場合に）燃料電池入口に隣接して配置されるのは、構成部品の第１の流体出口であり、または（構成部品が燃料電池ユニットの下流側に配置される場合に）構成部品の第１の流体入口に隣接して配置されるのは、燃料電池出口である。
【００１２】
たとえば熱交換機、改質装置、再燃焼装置、または予熱器などの１つまたはいくつかのさらなる構成部品が、本発明による装置内に設けられる場合、好ましくは、このさらなる構成部品内には、流体用の導管が、第１の流体が主流方向に流れることを可能にするように配置される。装置は、したがって、その流れ特性またはそのコンパクト性を失うことなくさらなる構成部品によって拡張され得る。
【００１３】
有利には、たとえば本発明による装置内に使用される構成部品は、改質装置、またはたとえば再燃焼装置または予熱器のバージョンでもある熱交換機である。本発明による装置の一部の好ましい実施形態では、構成部品は、燃料電池ユニットの好ましくは上流側に配置され、少なくとも１つの別の構成部品は、燃料電池ユニットの好ましくは、下流側の反対側に配置される。たとえば、熱交換機は燃料電池ユニットの上流側に配置されてよく、それにより、高温ガスストリームが、装置の長手方向軸に平行に流れて、燃料電池ユニットの燃料電池内にカソード流として入ることができる。燃料電池ユニットを離れるとき、このカソード流は、依然として、装置の長手方向軸に平行な主流方向に沿って、燃料電池ユニットの下流側にこれに隣接して配置された改質装置に入り、ここを通って流れる。
【００１４】
装置のそのような配置では、熱交換機内の第２の流体流は、たとえば、燃料電池ユニットからのアノードガスおよび高温ガスの混合物でよい。この混合物は、次いで、熱交換機内で酸化される。生成された熱は、カソードガスを（さらに）昇温させるために使用され、このカソードガスは、その後燃料電池ユニットの燃料電池内に導かれる。燃料電池ユニットからの排出出口は、したがって、隣接して配置された熱交換機の第２の流体入口に直接的に連結され得る。燃料電池ユニット内に生成された熱は、さらに下流側に配置された改質装置内の改質作用に使用され得る。熱交換機が、燃料電池ユニットの下流側に配置される場合、第２の流体は、たとえば、熱交換機の高温の第１の流体によって加熱される冷却ガスまたは冷却液体でよい。
【００１５】
本発明による装置の一態様によれば、燃料電池ユニットの高さおよび幅は、構成部品の高さおよび幅に対応する。本発明による装置の部分の表面形状の合致は、装置の非常にコンパクトな設計ならびに向上した流れおよび温度特性を可能にする。個々の部分の隣接配置は、さらなるアダプタを必要とせず、合致するさらなる構成部品で容易に補完され得る。燃料電池ユニットは、燃料電池の平坦なスタックまたは管状燃料電池のスタックでもよい一方、構成部品、特に熱交換機および改質装置は、好ましくは、プレートスタックである。これらのプレートスタックでは、構成部品のプレートの幅は、燃料電池ユニットの幅に対応する。スタックの高さは、それにしたがって高さにおいて互いに合致し、すなわち構成部品および燃料電池ユニットは同じ高さを有する。スタックの長さは、構成部品において実施される所要の物理的または化学的プロセスに、または隣接する燃料電池ユニットまたは構成部品の仕様に適合され得る。たとえば、構成部品またはさらなる構成部品と燃料電池ユニットとの表面形状の合致は、スタックの高さが、隣の構成部品、たとえば燃料電池スタックの高さと同じになるように構成部品スタックのプレートの数を調整することを含む。これにより、たとえば熱交換機の出口の幅および高さは、燃料電池スタックの幅および高さと同一になり得る。
【００１６】
構成部品および燃料電池ユニットの表面形状の合致は、構成部品の物理的または化学的プロセスが実施される構成部品の部分を指す、「コア要素」または「コアスタック」の合致を意味する。構成部品は、通常、たとえば熱交換機用の冷却もしくは高温流体または改質装置用のアノード流体などの第２の流体のための第２の入口および第２の出口を備える。これらの供給入口および排出出口は、コアスタックの一部を形成しないが、たとえば装置の２つの両側に延びることができる。また、燃料電池ユニットには、供給入口、たとえば、１つの管状入口、または燃料電池ユニットのセグメントに各々が連結された小さいチューブの組が設けられてもよい。
【００１７】
主流方向にそって配置された第１の流体入口および出口ならびに燃料電池入口および出口は、互いに機械的に取り付けられ得る。好ましくは、装置の隣接する部分の入口および出口は、互いに機械的に取り付けられない。構成部品および燃料電池ユニットは、好ましくは互いに隣接して配置され、それにより、主要流体流（または第１の流体）が、別の流体、たとえば構成部品の第２の流体と混合されることが排除される。隣接配置はまた、装置内で主流方向に沿ったほぼ線形の流れを支援し、主流方向が装置の長手方向にほぼ平行であるように実施される。長手方向軸にほぼ平行な主流はまた、たとえば、装置の隣接する部分の異なる入口または出口の形態およびサイズにより、平行方向からの小さいずれを含むこともある。
【００１８】
本発明による装置の好ましい実施形態では、構成部品は、互いに平行にかつ互いの上部に配置されてスタック構成部品を形成する複数のプレートを備える。本発明による主要流体流の特別な誘導、および好ましくは、本明細書に説明するさらなる流れの特別な誘導にもより、プレートの表面全体が、流体流をプレートに沿って誘導するために使用可能である。スペーサが、プレートの縁に沿って個々のプレート間に配置されてプレートを分離することができる。これにより、単一の連続導管が、流体をプレート間で誘導するためにプレート間に生み出される。スペーサは、プレート間の側部を閉じる役割を直接的に果たすことができる。導管はまた、たとえばそれにしたがって形成されたプレート（輪郭付けされたプレート）によって、たとえば型成形または打ち抜き成形によって形成されてもよい。これらの場合、縁は、溶接またはろう付けによって直接的にシールされてよい。スペーサまたはプレートの側部を閉じるための他の閉鎖手段の隣には、プレートを通るまたはプレートに垂直な流路のための開口部またはチューブは存在せず、または必要とされない。したがって、構成部品内のプレートの表面全体が、流体をプレートに沿って誘導することに利用可能である。これにより、たとえば、表面全体はまた、物理的または化学的プロセス、たとえば熱交換または改質プロセスにも利用可能である。加えて、プレートの側部ゾーンは、たとえば、流れ方向を最適化するために使用されてよいが、依然としてプレートの大きい中央ゾーンは、熱交換、または構成部品が使用されることが意図される他のプロセスに利用可能である。また、１つのプレートから垂直に配置された入口または出口チューブへ流れの方向を変えることは、本発明による装置内では行われない。また、第１または第２の導管内には、導管を、大きな圧力降下および非均一な熱交換を招き得る個々の小さいチャネルに分離する分割要素は存在しない。したがって、流れならびに流れ内の圧力および温度はより均一である。
【００１９】
本発明による装置の一態様によれば、燃料電池ユニットと構成部品の間には空隙が配置される。この空隙により、燃料電池ユニットおよび構成部品の内側のかつそれらの間の機械的連結部は、必要とされず、または利用可能でない（外側ハウジングを除く）。これは、本発明による装置の取り付け、製造、および保全を容易にする。また、製造される装置の種類において一層の柔軟性が利用可能である。たとえば、個々の部分は、モジュールとして製造されてよく、個々に取り換えられてよい。たとえば、燃料電池ユニットはまた、燃料電池ユニットの異なるタイプに取り換えられてよい。空隙を設けることにより、さらなるインターフェースまたは偏向プレートは必要とされない。これは、コストを低減するのみならず、装置のさらに一層コンパクトな製造も可能にする。加えて、主要流体流の均一性がさらに支援され、機械的要素の存在による圧力降下が防止され得る。
【００２０】
いくつかの構成部品が設けられる場合、好ましくはすべての構成部品は、互いに隣接してまたは燃料電池ユニットに隣接してそれぞれ配置され、空隙が、すべての構成部品間および構成部品と燃料電池ユニットの間に設けられる。
【００２１】
空隙は、たとえば、１ｍｍから２５ｍｍ、たとえば２ｍｍから１５ｍｍ、たとえば３ｍｍから５ｍｍの範囲内の幅を有することができる。
【００２２】
本発明による装置の別の態様によれば、装置は、さらに、入口分配部分を備えた主要入口を備え、この場合入口分配部分の深さは、好ましくは構成部品の高さに沿って変化することが好ましい。入口分配部分は、装置のどの部分が最も上流側に配置されるかに応じて、燃料電池ユニットに隣接してまたは構成部品に隣接して配置される。主要流体は、主要入口内への主要入口開口部を通って導入され得る。主要流体は、次いで、入口分配部分の内側で好ましくは装置の側部全体にわたって、好ましくは燃料電池ユニットまたは構成部品のコアスタックの高さおよび幅全体にわたってそれぞれ分配される。主要入口の入口分配部分の深さを変更することにより、装置の長手方向の入口分配部分の拡張部が、変更される。有利には、主要入口開口部に向かう、たとえば装置の上部に向かう入口分配部分の端部領域は、たとえば装置の底部に向かう、主要入口開口部の反対側の入口分配部分の端部領域より広い。これにより、主要流体は、燃料電池または構成部品それぞれの側部全体に入ることができる。入口分配部分の深さを変更することにより、主要流体は、流体入口が一元化された場所にのみ配置されるという事実にも関わらず、スタック全体にわたって均一に分配され得る。これは、本発明による装置の性能をさらに支援する。
【００２３】
本発明による装置には、さらに、出口収集部分を備える主要出口が設けられ得る。出口収集部分は、主要分配部分と同じように構築されてよく、一方でたとえば深さは、入口分配部分の深さより異なっていてよい。主要出口は、装置の最も下流側部分に隣接して、たとえば別の構成部品に隣接して配置される。好ましくは、数ミリメートルの小さい空隙が、主要入口と、主要入口に隣接して配置された装置の部分との間に、ならびに主要出口と主要出口に隣接して配置された装置の部分との間に設けられる。
【００２４】
本発明による装置の別の態様によれば、構成部品は、さらに、第２の流体入口および第２の流体出口を備えた第２の導管を備える。第２の導管は、第２の流体が構成部品を通り抜けるように適合される。熱交換機（高温および冷却の流れ）または改質装置（高温および燃料を含む流れ）などの、本発明による装置において最も使用される構成部品は、第２の流れを必要とするため、構成部品における第２の流れの最適化、特に主流方向に流れる第１の流れに関する最適化は、本発明による装置の全体的性能をさらに支援することができる。全体的性能は、個々の流体間の質量流れを交換することなく達成され得る。
【００２５】
好ましくは、第２の流体入口および第２の流体出口は、構成部品またはスタックそれぞれの高さに沿って配置され、スタックの両側に配置される。これにより、第２の流体の供給は、構成部品の一方の側のみ（たとえば上側）にもたらされてよく、第２の入口内の構成部品の高さ全体にわたって分配される。次いで、第２の流体流は、第２の導管に入り、これもまた好ましくはプレートの表面全体にわたって延びる第２の導管を通り、第２の流体出口により構成部品を離れる。構成部品内の流れをさらに最適化するために、第２の流体入口は、構成部品の側部の上流側領域内に配置されてよく、第２の流体出口は構成部品の反対側の下流側領域に配置されてよい。これにより、第２の流体は、構成部品の側部から構成部品に入ることができるが、その後、構成部品の中央ゾーン内で主流方向に対して本質的に平行に流れ、反対側において構成部品を離れるようにされ得る。中央ゾーン内のそのような並行流の配置は、たとえば熱交換機または改質装置においても好ましくなり得る。しかし、対向流の配置では、第２の流体入口は、構成部品の側部の下流側領域に配置されてもよく、第２の流体出口は、構成部品の反対側の上流側領域に配置されてよい。
【００２６】
コンパクトな配置では、装置および構成部品のそれに応じた幅は、構成部品の長さより、すなわち装置の長手方向における構成部品の延長部より大きくなり得る。したがって、第２の流体流は、構成部品の幅全体にわたって、好ましくは均等に分配される必要がある。これは、好ましくは、プレートそれぞれの第２の導管の中央ゾーンが、好ましくは、構成部品の断面の大きいセクションを覆うように、また、好ましくは、低速を有する均一な流れがこの中央ゾーン内に達成されるように行われる。これにより、構成部品において実施されるいかなるプロセスも支援され得る。
【００２７】
本発明による装置の別の態様によれば、構成部品は、さらに、第２の導管内に妨害手段を備える。有利には、妨害手段は、構成部品の第２の導管内の第２の流体の局所的に可変の圧力降下または局所的に変化する流速を引き起こすために設けられる。流れ特性を局所的に変化させることにより、第２の導管内の第２の流体流の分配、誘導、収集、熱交換、化学反応またはそれらの組み合わせが支援され変更され得る。流体特性はまた、妨害手段を適切に選択することによって、構成部品の表面形状、または本発明による装置の他の要求事項にしたがって適合され得る。たとえば、構成部品の幅にわたる第２の流体の分配および第２の流体出口に向けられる第２の流れの収集が、支援されてよい。有利には、異なる妨害手段が、第２の導管の入口分配ゾーン内、中央ゾーン内、および出口収集ゾーン内に配置される。好ましくは、異なる妨害手段は、中央ゾーン内で妨害手段によって引き起こされる第２の流体の圧力降下が、入口分配ゾーン内および出口収集ゾーン内に引き起こされる圧力降下より高くなるようなものである。そのような異なる圧力降下は、たとえば、中央ゾーン内に妨害物を設けるが、入口分配ゾーンおよび出口収集ゾーンには設けないことによって達成されてもよい。入口分配ゾーン内の分配および出口収集ゾーン内の収集を支援するために、妨害手段もまた、ゾーンの内側で変化させることができる。たとえば、妨害手段は、入口または出口の近くでは、低い圧力降下だけが引き起こされ、一方で入口または出口のそれぞれの反対側近くかつ中央ゾーン内では、高い圧力降下が引き起こされるように設けられ得る。好ましくは、妨害手段は、流れ方向に適合される。
【００２８】
好ましくは、妨害手段は、導管壁を形成するプレート表面内の構造体などの、導管壁内に設けられた構造体である。構造体は、畝部および谷部の周期的な組を備えた、プレート内の輪郭部でよい。畝部および谷部は、たとえば、プレートの中央ゾーン内でより小さい周期を有することができ、またはより小さい水力直径表す異なる輪郭部を有することができる。これもまた、構成部品の中央領域内の熱交換を容易にすることができる。
【００２９】
構造体はまた、たとえば、粗面によって、たとえば導管壁のコーティングによって実現されてよい。コーティングはまた、プレートの中央ゾーンまたは別のゾーンの一部分だけを覆うこともできる。コーティングは、たとえば、熱交換機または改質装置の中央ゾーンの少なくとも一部内の、たとえば触媒コーティングでよい。これにより、触媒反応は、構成部品の特有のゾーンに限定され得る。このゾーンは、たとえば流れが均一であるところ、温度プロファイルが、反応を起こすように、またはたとえば反応熱が効率的な方法で他の（主要）流れと交換するように、最適に適合されるところの領域においてのみ反応が起こるように選択され得る。
【００３０】
加えて、コーティングの厚さは、流れ導管の残りの厚さを低減することができ、それにより、圧力降下はコーティングされたセクション内で増大する。これは、さらに、このセクションにおける流れの均一性を容易にする。
【００３１】
妨害手段がプレート輪郭部の形態で実現される場合、これらは、好ましくは主要流路内の流れ分布に影響を与えないように設計される。しかし、主流は大きく、すでに大きい圧力降下を有するので、主流導管内の圧力降下を低減することが望ましくなり得る。これは、たとえば、プレートの畝部間の開放空間を低減することによって行われてよい。これらの畝部と谷部の間の開放空間は、このとき、プレートの他方の側部において、すなわち主流の側においてより大きくなる。これにより、主流の通路内の圧力降下を低減することができ、一方で第２の流れの圧力降下は増大される。
【００３２】
本発明による装置の別の態様によれば、主要入口開口部および主要出口開口部が、装置の両端部に、装置の同じ側からの主要流体の供給および主要流体の排出を可能にするように配置される。これにより、装置への流体供給およびそこからの排出は、容易にされる。好ましくは、流体は、装置の上側に供給され、そこから排出される。好ましくは、装置の部分のすべての入口および出口は、すべての流体供給およびすべての流体排出が同じ側に、好ましくは装置の上側に配置され得るように配置される。これにより、装置は、たとえば、装置のサイズと合致するサイズを有する区画内に挿入され得る。たとえば、第２の流体入口および出口は、たとえば装置の側部などに配置されてよく、それにより、これらは、燃料電池スタックの供給入口および排出出口に隣接し、ここではこれに連結されてよい。取り付けおよび保全は、このとき、装置の下側部分へのアクセスを必要とすることなく、装置の上部から実施され得る。
【００３３】
装置の底部に入口および出口を有さないことは有利である。これにより、装置は、たとえば装置すべての重量を支承する、平坦な表面、たとえば平坦な絶縁材料または鋼プレート上に装着され得る。
【００３４】
本発明の別の態様によれば、第１のスタック構成部品を備え、第２のスタック構成部品を備える構成部品ユニットが提供される。構成部品は、たとえば、本明細書に説明するような装置を形成するために燃料電池ユニットと組み合わせられてよい。第１のスタック構成部品および第２のスタック構成部品の各々は、主流方向に平行に、かつ互いに距離を離して配置されてスタックを形成する複数のプレートを備える。スタックは前側および後側において開いており、それによって第１の流体が前側においてスタックに入り、主流方向に沿ってスタックを通過し、後側においてスタックを離れる。第１および第２のスタックの各々は、さらに、第２の流体入口および第２の流体出口を備えた第２の流体導管を備える。第２の流体入口は、スタックの横方向側に配置され、第２の流体出口は、スタックの反対側の横方向側に配置される。構成部品ユニット内では、第１のスタック構成部品および第２のスタック構成部品は、互いに所定の距離を離して配置される。第１のスタック構成部品の開いた後側は、第２のスタック構成部品の開いた前側に平行に所定の距離を離して配置される。好ましい実施形態では、構成部品ユニットは、さらに、安定化フレームを備える。フレームは、構成部品の操作および作動中、特にさまざまな温度における作動中、第１のスタック構成部品および第２のスタック構成部品を互いに対して所定の距離および位置で安定化させるように設計される。安定化フレームは、構成部品が、たとえば水平もしくは垂直に移動すること、または互いに対して回転することを防止することができる。そのような移動または回転は、たとえば、熱膨張またはクリープによって引き起こされ得る。互いに対する変位は、流れが構成部品ユニットまたは装置それぞれの長手方向軸にほぼ平行に装置を通過するとき、流れを偏向または妨害する可能性がある。安定化部は、たとえば起動中、連続運転中、および冷却中、特にさまざまな温度および圧力における構成部品の最適な作用を支援または保証することができる。これらの事象は、構成部品の部分の急速なまたは非均一の加熱を引き起こす可能性があり、熱膨張によって、またはクリープによって変形を引き起こすことがある。さらには、フレームは、特に、起動中、連続運転中、および冷却中に存在し得るようなさまざまな温度および圧力においても２つの構成部品間の空洞のサイズを固定することができる。安定化フレームは、したがって、規定された用途のための構成部品ユニット、たとえば特有の燃料電池ユニットとの組み合わせをもたらすことができる。
【００３５】
本発明のさらに別の態様によれば、たとえば本発明による、また本明細書において説明する構成部品ユニットまたは装置に使用するためのスタック構成部品が提供される。スタック構成部品は、主流方向に平行に、かつ互いに距離を離して配置されてスタックを形成する複数のプレートを備える。スタックは前側および後側において開いており、それによって第１の流体が前側においてスタックに入り、主流方向に沿ってスタックを通過し、後側においてスタックを離れる。スタック構成部品は、さらに、第２の流体入口および第２の流体出口を備えた第２の流体導管を備える。第２の流体入口は、スタックの横方向側に配置され、第２の流体出口は、スタックの反対側の横方向側に配置される。第２の流体導管を形成する複数のプレートのプレートの少なくとも１つは、入口分配ゾーンの隣におよび出口収集ゾーンの隣に配置された中央ゾーンを含み、この場合中央ゾーンは妨害手段を備える。
【００３６】
好ましくは、第２の流体入口および第２の流体出口ならびに少なくとも１つのプレートの中央ゾーン内の妨害手段は、第２の流体入口を介してスタック構成部品に入った第２の流体が、少なくとも１つのプレートの中央ゾーン内でほぼ主流方向に流されるように配置される。
【００３７】
有利には、その間に第２の流体導管を形成する２つのプレートの少なくとも１つには、妨害手段を備える中央ゾーンが設けられる。
【００３８】
本発明によるスタック構成部品の一態様によれば、入口分配ゾーン、出口収集ゾーン、および中央ゾーンの少なくとも２つは、異なる妨害手段を備える。
【００３９】
本発明によるスタック構成部品の別の態様によれば、入口分配ゾーンおよび出口収集ゾーンの少なくとも１つは、主流方向に沿って可変の延長部を含む。好ましくは、入口分配ゾーンまたは出口収集ゾーンまたはその両方の主流方向に沿った延長部は、前側に沿って線形に変化する。好ましくは、入口分配ゾーンのサイズは、第２の流体入口から離れるにつれて小さくなる。好ましくは、出口収集ゾーンのサイズは、第２の流体出口から離れるにつれて小さくなる。好ましくは、入口分配ゾーンまたは出口収集ゾーンまたはその両方は、くさび形状である。
【００４０】
入口分配ゾーンおよび出口収集ゾーンは、形態、サイズ、および妨害手段に関して対称になり得る。プレート全体は、プレートの中央に対して点対称になり得る。
【００４１】
好ましくは、入口分配ゾーンは、少なくとも１つのプレートのほぼ前側全体にわたって延び、出口収集ゾーンは、少なくとも１つのプレートのほぼ後側全体にわたって延びる。入口分配ゾーンおよび出口収集ゾーンが、くさび形状である場合、中央ゾーンは、矩形プレートの使用時にはほぼ平行６面体の形態を有する。たとえば表面構造体などの妨害手段が、入口分配ゾーンまたは出口収集ゾーンまたはその両方内に設けられる場合、そのような表面構造体は、好ましくは、第２の流体入口から遠隔の入口分配ゾーンの部分および第２の流体出口から遠隔の出口収集ゾーンの部分内では、入口または出口の隣の部分より明確なものにされる（より高密度、より高くなど）。
【００４２】
本発明によるスタック構成部品の一部の好ましい実施形態によれば、スタック構成部品は、さらに、スタック構成部品の前側に隣接して配置された主要入口部分またはスタック構成部品の後側に隣接して配置された主要出口部分の少なくとも１つを備える。主要入口部分は、主要流体流をスタック構成部品の高さ全体にわたってこれに入るように分配するために設けられ、一方で主要出口部分は、主要流体をスタック構成部品の高さ全体から収集し、主要流体を主要出口開口部に誘導するために設けられる。主要出口部分および主要入口部分は、好ましくは構成部品の高さに沿って変化する、変化する深さを有することができる。好ましくは、主要入口部分または主要出口部分またはその両方は、くさび形状である。
【００４３】
好ましくは、スタック構成部品は、燃料電池ユニットまたは触媒コンバータもしくは類似のものと組み合わせられる、たとえば再燃焼装置または予熱器の形態でもある熱交換機または改質装置である。しかし、スタック構成部品はまた、個々の構成部品だけでなく燃料電池ユニットまたは別の構成部品も備えるように設計され得る。
【００４４】
したがって、本発明によるスタック構成部品の一態様によれば、複数のプレートは、さらに、燃料電池ユニットにおいて使用するように適合された化学的に活性な表面、好ましくは触媒的に活性な表面を備えたセクションを含む。スタック構成部品の第１の部分、たとえば上流側部分は、第２の流体導管を備え、熱交換機スタックまたは改質装置スタックを形成するように適合される。スタック構成部品の第２の、たとえば下流側のまたはさらに下流側の部分は、スタック構成部品の第２の部分が、燃料電池ユニットとして使用するように適合されるようなセクションを含む。
【００４５】
そのようなスタック構成部品では、プレートは、たとえば熱交換機または改質装置の長さにわたって延びるだけでなく、燃料電池ユニットの長さにわたってさらに延びる長さを有する。それにしたがって、プレートの部分は、プレートスタックのその部分によって実施される機能の物理的および化学的特性を含む。たとえば、上流側構成部品が熱交換機または改質装置とする場合、プレートの上流側の第１の部分は、第２の流体導管のための妨害手段と、場合によっては改質または他の化学的反応のための触媒的に活性な表面を有する部分とを含む。第２の流体導管を備える、互いの上方に配置された複数のプレートは、このとき、熱交換機または改質装置（またはスタック構成部品の熱交換機または改質装置の部分）を形成する。プレートのさらに下流側の第２の部分は、プレートのその部分が燃料電池において電極として使用するための双極プレートを形成するために、対応する化学的に活性な物質によってコーティングされる。プレートのさらに下流側の第２の部分を含むプレートスタック構成部品の第２の部分は、このとき、平坦な燃料電池ユニットを形成する。
【００４６】
構成部品および燃料電池ユニットのそのような構築により、スタック構成部品または装置の高さおよび幅の表面形状の合致が、自動的に与えられる。また、主要流体流方向は、構成部品と燃料電池ユニットの間に空隙を有さない複数のプレートに沿ったものである。したがって、さらなる流れ均一性、温度均一性、より少ない単一の構成部品を備えたコンパクト配置が、達成され得る。
【００４７】
上記で説明した本発明による装置の部分が、プレートスタックである場合、個々のプレートスタックは、互いの隣に配置されて本発明による装置を形成するモジュールでよい。しかし、個々の部分のプレートは、１つの複数プレートだけで作製されてよく、この複数プレートは、構成部品にわたって、および燃料電池ユニットにわたって、場合によってはさらなる構成部品にわたって延びる。プレートの個々の部分は、それにしたがって、装置の部分のそれぞれの機能を実施するように準備され適合される。
【００４８】
本発明によるスタック構成部品の利点およびさらなる態様ならびに２つのスタック構成部品を備える構成部品ユニットは、上記の装置を参照して説明されてきたため、反復されない。スタック構成部品内では、前側は、装置の長手側に対応し、前側に沿った延長部は、それにしたがって装置の幅に対応する。
【００４９】
スタック構成部品ならびに構成部品ユニットは、好ましくは、高温燃料電池ユニットと組み合わせて使用され、または高温燃料電池を組み込んでたとえば本明細書で開示された装置を形成する。しかし、本発明によるスタック構成部品により、少なくとも１つの流体流を必要とするさらなるデバイスが最適化され得る。そのようなデバイスと、本発明による、また燃料電池ユニットに関連して本明細書において説明したスタック構成部品との組み合わせにより、主流方向が画定され、主要流体流ならびに第２の流体流の流れ均一性が、達成され得る。そのような別のデバイスは、たとえば自動車の排気システム内で使用されるような、たとえば触媒コンバータなどのコンバータでよい。
【００５０】
本発明は、さらに、以下の図を用いることによって例示された実施形態に関してさらに説明される。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明による装置の概略図である。
【図２】図１の装置を貫通する断面図である。
【図３】図１による装置において使用するための改質装置の斜視図である。
【図４】中間の熱交換機および改質装置セクションのための第２の流体流が示された、図１の装置の概略貫通図である。
【図５】改質装置または熱交換機内の第２の流体流の流れシミュレーションの図である。
【図６】２つの組み立てられたスタック構成部品を備えた構成部品ユニットを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
図１は、改質装置３および熱交換機１と組み合わされた燃料電池スタック２、たとえば固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックを備えたコンパクトな矩形の装置を示している。熱交換機１は、燃料電池スタック２の上流側に配置され、改質装置３は、燃料電池スタック２の反対側の下流側に配置される。改質装置３および熱交換機１は、複合プレート改質装置および複合プレート熱交換機であり、この場合個々のプレートは、図に示す実施形態では互いに平行に距離を離して、下から上の配置で配置される。燃料電池スタック２は、個々のプレート燃料電池または管状燃料電池の平行配置でよく、このときチューブ軸またはプレートは、装置の長さ５００または長手方向軸に平行に配置される。熱交換機１、燃料電池スタック２および改質装置２の外側寸法は、互いに対応し、特に、３つすべての部分１、２、３のスタック高さ３００は、同一であり、熱交換機１および改質装置３のプレート幅４００は、燃料電池のスタック幅４００と同一であり、これに対応する。装置の長手方向端部には、主要入口５および主要出口６が設けられる。これらにより、主要流体は、装置内へと向けられ、主流方向１００に沿って、熱交換機１、燃料電池２を通り、その後改質装置３を通るように誘導された後、主要流体は、主要出口６を通って装置の外に誘導される。装置の部分１、２、３を通る主流方向１００はまた、図２にも示され、この図は、図１に示す装置の長手方向断面上の図である。
【００５３】
主要入口５には、入口開口部５１と、くさび形状の入口分配部分５０とが設けられる。くさび形状の入口分配部分５０は、熱交換機プレートスタック１に隣接して配置される。入口開口部５１および出口開口部６１は、装置の上部に配置される。入口分配部分５０は、（装置の長手方向を参照して）スタックの上部において最も広く、スタックの底部において最も小さい。主要出口６には、出口開口部６１およびくさび形状の出口収集部分６０が設けられる。くさび形状の出口収集部分６０は、改質装置スタック３に隣接して配置され、これもまたスタックの上部において最も広く、スタックの底部において最も小さい。くさび形状の分配部分５０および収集部分６０のサイズは、それぞれの部分５０、６０内で、流速、圧力降下、流れ均一性、および流れ分布または収集をそれぞれ最適化するように適合され得る。たとえば図示する実施形態では、収集部分６０のくさびのサイズは、分配部分５０のくさびのサイズより大きい深さのものである。
【００５４】
装置の部分、すなわち熱交換機１、燃料電池２および改質装置３は、互いに直接的に隣接して配置され、小さい空隙５５、６５だけ分離される。この空隙５５、６５は、通常、数ミリメートルの範囲内であり、たとえば２から１０ｍｍの間である。空隙サイズは、装置のサイズに適合され得る。装置の個々の部分間には、インターフェース、チューブ、アダプタ、マニホールド、または追加の圧力降下プレートは設けられない。また、主要入口５および主要出口６は、熱交換機１および改質装置３に隣接して配置され、小さい空隙４５、７５だけ分離される。主要流体は、スタックのプレート内にいかなる開口部または連結導管を必要とすることなく、主要入口５によって第１の導管すべてに分配され得る。加えて、主要流体は、スタックのプレート内にいかなる開口部または連結導管も有することなく、主要出口６によって第１の導管すべてから収集され得る。
【００５５】
熱交換機１および改質装置３の主要のまたは第１の流体流は、燃料電池スタック２を通る主要流体流に「則」し、この主流は、主流方向１００に流れている。熱交換機１および改質装置３のプレートは、主流方向１００に平行に配置されてそのような直接的な無偏向の流れを可能にする。燃料電池は、主流、通常はカソード流が、燃料電池スタックおよび装置の長手方向に配置されるように配置される。主要入口５を通って装置内に導かれた熱交換機１の１つの、好ましくは主流、たとえば高温ガス流は、くさび形状の入口分配部分５０から全体高さ３００に沿って熱交換機１に入り、熱交換機を通って装置の長手方向に流れる。また、改質装置３を通る主流、好ましくはカソード流も同様に、くさび形状の主要出口部分６０に入るまで改質装置全体を通って同じ長手方向に流れる。
【００５６】
装置を通る直線の主要流体流により、装置内の低い圧力降下、均一な温度および圧力分布が達成され得る。加えて、低減されたコストで少ない構成部品しか必要としないコンパクトな装置が、実現され得る。
【００５７】
燃料電池２、および装置全体の性能をさらに最適化するために、熱交換機１および改質装置２内の第２の流れもまた、たとえば、図１および図２に示されるように最適化される。矢印１５０によって示される第２の、容積的に小さい流れが、第２の入口チャネル１１０、３１０を介して、側部から熱交換機１および改質装置３それぞれ内に導入される。第２の流体は、構成部品の横向きの、ただし反対側の横方向側の第２の出口チャネル１２０、３２０を介して熱交換機１および改質装置３それぞれから外に誘導される。これにより、第２の流体は、スタック１、３の側部から、かつスタックの上部に配置されたそれぞれの第２の流体入口および出口開口部１１１、３１１、１２１、３２１を通って装置に与えられ、また装置から排出され得る。また、燃料電池用の二次供給入口および出口２１も、装置の上側に配置される。
【００５８】
これは、本発明による装置の取り付けを容易にするが、その理由は、供給または排出ラインが、装置の上部に、また上部から設けられ得るためである。特に、装置の底部には入口または出口は配置されない。
【００５９】
第２の流体は、スタックのプレート内にいかなる開口部または連結導管を必要とすることなく、第２の入口チャネル１１０、３１０によって第２の導管すべてに分配され得る。加えて、第２の流体は、スタックのプレート内にいかなる開口部または連結導管も有することなく、第２の出口チャネル１２０、３２０によって第２の導管すべてから収集され得る。
【００６０】
それぞれの第２の流体は、主流方向１００に垂直に構成部品内に導入され、構成部品１、３の中央ゾーン１３、３３内の主流に平行に流れるように向け直され、構成部品１、３を主流方向１００に垂直に離れるように再度向け直される。
【００６１】
装置の構成部品のプレートは、熱交換機１および改質装置３の入口分配ゾーン１１、３１、中央ゾーン１３、３３および出口収集ゾーン１２、３２などのさまざまなゾーンを含む。入口および出口ゾーンは、第２の流体入口１１０、３１０、および第２の流体出口１２０、３２０それぞれのすぐ後に続く。入口および出口ゾーン１１、３１は、幅４００全体にわたって、またはほぼ装置の幅全体にわたって延び、三角形の形状または三次元式に見たときにくさびの形態を有する（主要流体流の中間導管は、図１では省略される）。中央ゾーン１３、３３は、ほぼ平行６面体の形態を有する。入口、中央、および出口ゾーンは、第２の流れ挙動に与えるそれらの影響によって全体的に異なる。通常、流れ挙動などに影響を与える構造体が、１つ、２つ、または３つすべてのゾーン内に配置される。それぞれのゾーン内で達成されるべき必要とされる圧力降下、流れ方向、または流れ均一性により、それにしたがって構造体が設けられ配置される。好ましくは、高い圧力降下を引き起こす構造体は、中央ゾーン１３、３３内に配置される。入口ゾーン１１、３１、および出口ゾーン１２、３２には、構造体は設けられず、または中央ゾーンより少ない数の構造体が設けられ得る。構造体は、特にゾーン自体で異なり得る。
【００６２】
図３は、本発明のスタック構成部品を表す改質装置３を示し、ここでは矩形プレート３０１が、上から下の配置で互いに平行に配置されてプレートスタック３０を形成している。プレートスタック３０の２つの横方向の側部には、スタック３０の側部の一部分を環境に対して閉じる側壁部分３１１が設けられる。側壁部分３１１によって閉じられない改質装置の側部は、開いており、それにしたがって第２の流体入口および第２の流体出口３２００を形成する。第２の流体は、たとえば、燃料を含むアノード流でよい。
【００６３】
開いた前側は、流体流を、プレート３０１間に改質装置スタック３０の高さ全体に沿って入れることを可能にする。流体流は、主流方向１００に改質装置のプレート間を通り抜け、後側においてここでも改質装置の高さ全体に沿って改質装置を離れる。ここから、主流は、まっすぐ燃料電池スタック内に、または別の構成部品内にまたは図１を参照して説明した主要入口収集部分内に流れることができる。
【００６４】
図４では、図１による装置の貫通図が、概略的に示される。プレートのゾーンは、熱交換機および改質装置プレート配置の中間の第２の導管のために示されている。
【００６５】
高速の第２の流体は、第２の流体入口チャネル１１０を介して熱交換機１に入り、第２の流体入口を通って第２の導管に入る。第２の流体は、熱交換機１のくさび形状の入口分配ゾーン１１内で徐々に減速される。流体流は、装置の長手方向軸に垂直な方向から向け直されて、（主流方向１００に対応して）熱交換機の第２の導管の中央ゾーン１０１内で装置の長手方向軸に本質的に平行に流れる。これは主に、熱交換プロセスが起こる中央ゾーン１０１内である。この中央ゾーン１０１では、流速は遅く、中央ゾーン１０１全体周りにわたってほぼ一様である。第２の流体が２つのプレート間の第２の導管の反対側の端部に到達したとき、流れは、再度向け直されて、主流方向１００に垂直に流れ、また、出口収集ゾーン１２に沿って第２の流体出口チャネル１２０まで導かれる。出口収集ゾーン１２では、第２の流体は速度を増し、それにより、第２の流体流は、ここでもより高速で熱交換機を離れる。熱交換機内のさまざまな流速およびさまざまな圧力降下ゾーンが、たとえば、熱交換機のプレートの適切な表面構造化によって達成され得る。これは、図５で改質装置を参照してより詳細に説明される。改質装置の第２の流体流用の第２の導管、ならびに改質装置内の流体流を誘導する構造体は、熱交換機のものと基本的には同じである。
【００６６】
熱交換機内の第２の流体は、熱交換機内で温められる、たとえば、冷却ガスまたは冷却液体などの冷却流体でよい。第２の流体は、第２の導管内で酸化され得る、たとえば、低い質量流れを有する高温流体、または高温流体およびアノードガスの混合物などの２つの流体の組み合わせでもよい。後者の用途の場合、熱交換機には、好ましくは、酸化反応を支援する触媒活性コーティングが設けられる。
【００６７】
図５では、改質装置内の流体流が、流れ線１５１を用いて抽象化された形態で示される。流れ線の密度は、流速を示す。全体的な第２の流れ方向は、矢印１５０によって示され、この場合主流方向は、ここでも矢印１００によって示される。
【００６８】
改質装置ゾーン３１、３２、３３の基本的な配置および設計は、均一な流れ分布と、主流方向１００に本質的に平行な流れ方向とを備えた中央ゾーン３３を生み出すために、熱交換機のものと類似する。したがって、中央ゾーン３３内では、均一な流れおよび低流速のための高い圧力降下がもたらされる。後者は、効率的な改質作用を支援し、特に、熱交換機の場合でも効率的な熱交換プロセスを支援する。くさび形状の内部分配および収集ゾーン３１および３２では、好ましくは、圧力降下は低く、プレート３０１の幅にわたって変化し得る。入口分配ゾーン３１および出口収集ゾーン３２は、プレート３０１の幅全体に沿っては延びない。ゾーン３１、３２は、プレート３０１の幅の端部の手前、距離３１５で終了する。距離３１５は、構成部品の用途に応じて選択され変更され得る。基本的には、距離３１５を拡大することにより、流体流は、図５に描いた実施形態に関しては、プレート３１０の底部右コーナおよび上部左コーナに到達する手前で減速され得る。したがって、これらのコーナ内に流体が集まることが防止され、中央ゾーン３３にわたる流れの一様な分布が、さらに支援され得る。また、分配および収集ゾーン３１、３２の幅３１６は、構成部品の用途に応じて変化し、より大きくまたはより小さくなることができる。
【００６９】
この幅は、長手方向（主流方向１００）のプレート３０１の延長部より大きい。これにより、最適な流れ特性を有する比較的大きい中央ゾーン３３が、生み出される。
【００７０】
圧力降下は、改質装置スタックまたは熱交換機スタックのプレートの表面構造体または輪郭部によってこれに応じて影響され得る。したがって、好ましくは、中央ゾーン３３には表面構造体が設けられ、一方で分配および収集ゾーン３１、３２は、全くまたは殆ど表面構造体を含まない。表面構造体は、たとえば、中央ゾーン３３内に施与された触媒コーティングと組み合わせられてよい。
【００７１】
図６では、構成部品ユニット９が示され、この場合、同じ参照番号が、同じまたは類似する要素に対して使用される。第１の構成部品、たとえば熱交換機スタック１は、第２の構成部品、たとえば改質装置スタック３の反対側に、そこから距離８３を離して配置される。構成部品の各々のところの（またはそのそばの）スタック壁１１３、３１３は、熱交換機１のプレート側壁または第１の流体出口それぞれ合わせることによって、ならびに改質装置３のプレート側壁または第１の流体入口それぞれ合わせることによって形成される。これら２つの壁１１３、３１３は、互いに平行に配置され、第１の流体の主流１００が熱交換機から熱交換機のプレート間を、そして改質装置へ改質装置のプレート間を直線方向に流れることを可能にする。連結手段は存在せず、たとえば燃料電池ユニットなどのデバイスは、２つの構成部品１、３間に設けられた空間内に挿入され、２つの構成部品のこのコンパクトで効率的な配置を利用することができる。
【００７２】
そのように配置されたスタック構成部品１、３は、安定化フレーム８を介して組み合わせられて、構成部品ユニット９を形成する。安定化フレーム８により、２つの構成部品間の位置は固定され、ユニット９は安定化され得る。この安定化は、構成部品１、３が、作動中、またさまざまな温度においても正しい距離、同じ高さ、および横方向位置を維持することを保証するために必要とされ得る。フレームは、構成部品の１つが、たとえば熱膨張またはクリープによって引き起こされて、他の構成部品に対して移動または回転することを防止するが、その理由は、この移動または回転が、主流方向１００に装置の長手方向軸にほぼ平行に流れが装置を通り抜けるとき、この流れを偏向させるまたは妨げる恐れがあるためである。安定化フレーム８は、構成部品の各々用のフレーム区画を有することができる。フレーム区画８０は、熱交換機１に対して設けられ、別のフレーム区画８１が、改質装置３に対して設けられて、これらの構成部品を、作動中、クリープまたは異なる熱膨張による変形に対して安定化することができる。中間区画８２は、たとえば、本明細書において説明したような装置を形成するために構成部品が組み合わされるべきデバイスのために設けられた空間または空洞である。
【００７３】
本発明は、図に示す実施形態を参照して説明されてきた。しかし、多くの変形、改変または変更が本発明の範囲から逸脱することなく可能であることが当業者に明確である。例にすぎないが、入口および出口の配置または主要入口および主要出口の形態は、多様になり得る。たとえば、第２の入口および第２の出口は、たとえば配置の異なる側などに異なって配置されてよい。また、導管および導管内の妨害手段、または主要入口および主要出口、ならびに第２の分配入口および第２の収集出口が、どのように具現化されるかは、図に実際に示すこれらの要素とは異なってよい。すべてのそのような変形、改変、または変更は、添付の特許請求の範囲によって規定された本発明の範囲内に入るよう意図される。
【符号の説明】
【００７４】
１  熱交換機
２  燃料電池のスタック（積み重ね体）
３  改質装置
５  主要入口
６  主要出口
８  安定化フレーム
９  構成部品ユニット
１１、３１  入口分配ゾーン
１２、３２  出口収集ゾーン
１３、３３  中央ゾーン
２１  二次供給入口および出口
３０  プレートスタック
４５、７５  空隙
５０  入口分配部分
５１  入口開口部
５５、６５  空隙
６０  出口収集部分
６１  出口開口部
８０  フレーム区画
８１  別のフレーム区画
８２  中間区画
８３  距離
１００  主流方向
１０１  中央ゾーン
１１０、３１０  第２の入口チャネル
１１１、３１１  入口開口部
１１３、３１３  スタック壁
１２０、３２０  第２の出口チャネル
１２１、３２１  出口開口部
１５０  矢印
１５１  流れ線
３００  スタック高さ
３０１  矩形プレート
３１３  スタック壁
３１５  距離
３１６  分配および収集ゾーンの幅
４００  スタック幅
５００  装置の長さ
３２００  第２の流体出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
2015090865000001.pdf