(57)【要約】【課題】比較的僅かな支出において高い効率を有する化学反応を実施するための装置を提供する。【解決手段】特に電気エネルギーを生成するための化学反応を実施するための装置において、第１反応媒体用の少なくとも１つの第１流れ通路と、第１反応媒体とは異なる第２反応媒体用の少なくとも１つの第２流れ通路と、第１温度調節媒体用の少なくとも１つの第３流れ通路と、第１温度調節媒体とは異なる第２温度調節媒体用の少なくとも１つの第４流れ通路とを有する。【選択図】図１【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に電気エネルギーを生成するための化学反応を実施するための装置であって、第１反応媒体用の少なくとも１つの第１流れ通路と、第１反応媒体とは異なる第２反応媒体用の少なくとも１つの第２流れ通路と、第１温度調節媒体用の少なくとも１つの第３流れ通路と、第１温度調節媒体とは異なる第２温度調節媒体用の少なくとも１つの第４流れ通路とを有する装置。
【請求項２】
それぞれ複数の第１、第２、第３および／または第４流れ通路を特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項３】
第１、第２温度調節媒体とは異なる第３温度調節媒体用の第５流れ通路を特徴とすることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項４】
少なくとも１つの第１および／または第２流れ通路が、特に第１または第２流れ通路と第３または第４流れ通路との間の隔壁の単数または複数の開口部を介して、少なくとも１つの第３および／または第４流れ通路と連通結合されている、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
第２温度調節媒体がその熱容量または凝集状態の点で第１温度調節媒体と相違している、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
第４流れ通路がその形状または横断面積の点で第３流れ通路と相違している、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
第１温度調節媒体が気体であり、特に空気を有し、または空気からなる、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項８】
第２温度調節媒体が液体であり、特に水を有し、または水からなる、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項９】
第１および／または第２反応媒体が気体であり、特に水素、酸素または空気を有し、またはそれらからなる、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項１０】
少なくとも１つの第３および／または第４流れ通路が第１もしくは第２温度調節媒体の化学反応用触媒を有する、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項１１】
触媒がバルク材、特に粉末、顆粒、タブレット、ペレット等として構成され、またはバルク材内に含有されている、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項１２】
触媒が特に交換可能なカートリッジ内で保持されており、このカートリッジが好ましくはバルク材用保持器として構成されている、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項１３】
別の流れ通路から断熱された表面上に触媒が配置されている、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項１４】
別の流れ通路から断熱されたディスク要素上に触媒が配置されている、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項１５】
各通路壁、および／または別の流れ通路から断熱されたディスク要素が、突起を有し、通路壁、および別の流れ通路から断熱されたディスク要素が、特に突起にのみ接触する、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項１６】
各通路壁、および／または各通路壁から断熱されたディスク要素が、特に表面被覆として構成される断熱体を有する、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項１７】
断熱されたディスク要素が、特に触媒被覆ハニカム体を含む、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項１８】
断熱されたディスク要素が部分的にまたは完全にセラミック材料からなる、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項１９】
断熱されたディスク要素が繊維材料、特に編布または不織布を含む、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項２０】
断熱されたディスク要素が部分的にまたは完全に金属からなり、特に少なくとも１つの通路壁と導電結合されている、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項２１】
少なくとも１つの第３および／または第４流れ通路が第１および／または第２流れ通路と連通している、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項２２】
第１、第２、第３もしくは第４流れ通路へともしくはそれらから各媒体を分配もしくは集合させるための少なくとも１つの第１、第２、第３および／または第４分配および／または集合通路を特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項２３】
装置がディスク要素を有し、少なくとも１つの第１、第２、第３および／または第４流れ通路が、２つの隣接するディスク要素の間の空隙によって形成される、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項２４】
２つの隣接するディスク要素が、特に相向き合う半殻として構成されている、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項２５】
少なくとも１つの第１、第２、第３および／または第４流れ通路がディスク要素の窪みとして構成されている、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項２６】
少なくとも１つの第１、第２、第３および／または第４流れ通路がサーペンタイン状に構成されている、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項２７】
ディスク要素が、単数または複数の分配および／または集合通路を形成するための開口部を有する、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項２８】
少なくとも１つの分配および／または集合通路がディスク要素の外側に配置され、２つのディスク要素の間の空隙と連通している、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項２９】
第１、第２流れ通路が互いに連通している、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項３０】
第１、第２流れ通路が、少なくとも１つの特に拡散透過性膜によって相互に分離されている、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項３１】
ディスク要素が金属または合金からなる、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項３２】
少なくとも１つの第１、第２、第３および／または第４流れ通路が少なくとも１つの表面積拡大要素を有する、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項３３】
少なくとも１つの表面積拡大要素が乱流挿入材または壁凹部および／または壁凸部によって形成される、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項３４】
２つの隣接するディスク要素が、特に溶接、蝋接および／または機械的塑性加工によって、周方向で密封して互いに結合されている、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項３５】
第１、第２、第３および／または第４流れ通路が密閉サイクルの一部である、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項３６】
第１、第２、第３および／または第４流れ通路が、流体移送機構を有するサイクルの一部である、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項３７】
第１および／または第２流れ通路と第３流れ通路との間に第４流れ通路が配置されている、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項３８】
少なくとも１つのディスク要素が少なくとも１つの窪み、特に第１、第２、第３および／または第４流れ通路を形成するための凹部を有することを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項３９】
ディスク要素が積み重ねられてディスクスタックを形成する、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項４０】
それぞれ幾つか、特に４つのディスク要素が積み重ねられてディスク束とされ、ディスク束が膜および／または電解質ユニットと交互に積み重ねられてディスクスタックを形成している、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
【請求項４１】
特に先行請求項のいずれか１項記載の装置を形成するためのディスク束であって、ディスク対の間の空隙が少なくとも１つの第３流れ通路を形成し、各ディスク対が２つのディスクを有し、ディスクの空隙が第４流れ通路を形成するディスク束。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度調節媒体もしくは反応媒体用流れ通路を有する化学反応を実施するための装置に関する。本発明はさらに、このような装置を形成するためのディスク束に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような装置によって化学エネルギーを電気エネルギーに変換することは、状況によっては、動作媒体の水素および酸素から電流を獲得するための効率的かつ親環境的方法である。ふつう２つの空間的に分離された電極反応が起き、その際に電子が遊離もしくは結合される。前文に係る装置内での２つの対応する電極反応の例は以下の反応である：
Ｈ２＝＞２Ｈ＋２ｅ−               （アノード反応）
２Ｈ＋＋２ｅ−＋１/２Ｏ２＝＞Ｈ２Ｏ   （カソード反応）
別の構造様式では以下の反応も観察することができる：
Ｈ２＋Ｏ２−＝＞Ｈ２Ｏ＋２ｅ−       （アノード反応Ｉ）
ＣＯ＋Ｏ２−＝＞ＣＯ２＋２ｅ−      （アノード反応ＩＩ）
Ｏ２＋４ｅ−＝＞２Ｏ２−            （カソード反応）
前文に係る別の装置は一部では別の反応を示す。共通するのは、輸送過程後に種を電気的中性状態に戻すために、電解質を通した電気的非中性な態様での種の輸送と、これと並行して推移する外部導体による電子の輸送である。
【０００３】
空間的に分離された反応帯域の電気的結合によって、その際に変換される反応エンタルピーの一部は直接に電流として獲得することができる。ふつう、電気的に直列に接続された複数の反応ユニットが積み重ねられ、こうして形成されるスタックが電流源として使用される。個々の反応ユニットは、反応物、特に水素と酸素もしくは水素／一酸化炭素と酸素を相互に分離しかつイオン伝導性、特にＨ＋陽子伝導性またはＯ２伝導性を有する膜等の１つの電解質ユニットと、触媒材料で覆われた２つの電極とからなる。電極はなかんずく、反応ユニットによって生成される電流を取り出すのに必要である。
【０００４】
反応物、例えば水素と酸素、反応生成物の水、場合によっては、過剰な反応熱を排出するのに役立つ媒体は、流体通路内を流れる。その際、反応物は必ずしも純粋な形で存在する必要がない。例えばカソード側の流体は、その酸素が反応に関与する空気としておくことができる。特に熱排出媒体を使用する場合、各流体通路の熱結合によって各流体の間に十分な熱伝達がもたらされる。
【０００５】
反応物と反応生成物は本発明の枠内で反応媒体と称される。装置もしくは反応帯域に熱を供給しまたはそこから排出するのに適した媒体は温度調節媒体と称される。
【０００６】
前文に係る装置内で発生する排熱は通常、冷却媒体と個別の冷却サイクルとを介して排出され、周囲に放出されねばならない。装置と周囲との間の温度差はふつう、匹敵する出力の内燃エンジンにおけるよりも小さいので、冷却支出もしくは冷却器寸法は効率が高いにもかかわらずしばしば一層大きい。
【０００７】
基本的に、化学反応を実施するためのガス冷却装置と液体冷却装置は区別することができる。空気冷却装置では、好適な冷却通路をプレートスタックの単一のプレートに統合し、これらの通路に空気流を流通させることによって熱収支が点検され、過剰の排熱はこの空気流で排出される。それに対して液体冷却装置は大抵は高い熱容量の液体冷却媒体を貫流させ、この冷却媒体は化学反応時に発生する排熱を吸収し、装置とは空間的に分離された外部冷却器内で周囲に放出し、この冷却器はそれ自体空気冷却されている。
【０００８】
冷却空気の熱容量が比較的小さく、それと結び付いて体積流量が比較的大きいので、空気冷却装置では、冷却空気流の圧力損失およびそれとともにエネルギー支出を限界内に保つために比較的大きな直線的空気冷却通路が要求される。冷却されるべき反応媒体はしばしばやはり気体であり、冷却空気と類似した比熱容量を有するので、空気冷却装置は大抵、冷却空気通路に沿って強い温度勾配を有する。ここでは特に、冷却空気入口に最も近い活性反応帯域の領域が特別強く冷却されるのに対して、冷却空気出口付近にある諸領域では熱伝達が殆ど起きない。そのことから帰結する不均一な温度分布が状況によっては装置の効率的作動にとって不利に作用することが判明した。
【０００９】
液体冷却装置は、特に電解質膜用にポリマー材料を使用する場合それが金属イオンによる汚染を受け易いので状況によっては問題が多い。例えば液体冷却装置を公知のアルミニウム熱交換器と合せて作動させたい場合、ポリマー膜の汚染を避けるために、金属イオンを輸送できない液体冷却媒体、例えば熱交換器油を使用する必要があり、または選択的に液体冷却媒体を浄化するためのイオン交換器カートリッジを使用する必要がある。これにより、比熱伝達能力の低下（熱交換器油）もしくは付加的システム支出（イオン交換器カートリッジ）の態様で諸欠点が生じる。
【００１０】
特に自動車の内部でガス発生時に装置内で必要とされる水素含有作動ガスを生成するために、出発の基盤として液体燃料（例えばガソリン、ディーゼル、メタノール等）または気体燃料（例えば天然ガス）を起用しなければならない。これらの燃料からの水素富化ガスの製造に関してはさまざまな方法が知られており、これらの方法は実質的に下記化学プロセスの１つまたは幾つかを組合せたものに立脚している：
ａ）例えばいわゆる熱分解によって、場合よっては触媒を介して、燃料をその出発物質に分解。１例はオクタンの反応：Ｃ８Ｈ１８→８Ｃ＋９Ｈ２。
【００１１】
ｂ）（空気中）酸素を化学量論的割合または不足当量的割合で添加しながら触媒を介して燃料を部分酸化。例はオクタンの反応：Ｃ８Ｈ１８＋８Ｏ２→８ＣＯ２＋９Ｈ２（化学量論的）もしくはＣ８Ｈ１８＋４Ｏ２→８ＣＯ＋９Ｈ２（不足当量的）。
【００１２】
ｃ）水を添加しながら触媒を介して燃料を水蒸気改質。１例はオクタンの反応：Ｃ８Ｈ１８＋１６Ｈ２→８ＣＯ２＋２５Ｈ２。
【００１３】
ｄ）部分酸化と水蒸気改質とを組合せて燃料を自熱改質し、吸熱水蒸気改質と発熱部分酸化とを組合せることによって総反応のエネルギー収支がちょうど補償されるようにする。
【００１４】
一般にこのようなプロセスはいわゆる改質器内で経過し、実際には完全変換は達成されず、生成されたガス中にかなり高い割合の一酸化炭素が残る。次に、いわゆるシフト段を利用することによって水性ガスシフト反応（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２）を応用し、好適な触媒を用いてＣＯ濃度を犠牲にして水素を獲得することができる。
【００１５】
ＣＯからのガスの浄化をさらに進めるために、必要なら、これに適した触媒を介して選択賛歌を実施することができる。その際、残存する一酸化炭素は（空気中）酸素を添加することによって二酸化炭素へと酸化される：２ＣＯ＋Ｏ２→ＣＯ２。
【００１６】
硫黄もしくは硫黄化合物からガスの浄化をさらに進めるために、燃料もしくは改質物中に存在する硫黄化合物の（例えばゼオライトへの）受動的吸着または鋼的な触媒もしくは吸着剤での触媒変換を実施することができる。脱硫は基本的に（液体燃料または蒸発燃料での）改質前または（改質物の）改質後に可能である。後者の場合、改質物内に残存する硫黄化合物は例えばＨＤＳ（水素添加脱硫法）過程によって水素と反応させられる。結果的に得られるＨ２Ｓは次に好適な材料（例えばＣｕ‐Ｚｎペレット）に吸着され、それとともに燃料ガスから取り去られる。
【００１７】
ふつうこれらのプロセスの多くまたはすべては、このためにそれぞれ特殊構成された装置内で起きる。この燃料電池システムのアーキテクチャに関する略概観を図８が示す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明の課題は、比較的僅かな支出において高い効率を有する化学反応を実施するための装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
この課題は、特に電気エネルギーを生成するための化学反応を実施するための装置であって、第１反応媒体用の少なくとも１つの第１流れ通路と、第１反応媒体とは異なる第２反応媒体用の少なくとも１つの第２流れ通路と、第１温度調節媒体用の少なくとも１つの第３流れ通路と、第１温度調節媒体とは異なる第２温度調節媒体用の少なくとも１つの第４流れ通路とを有する装置によって解決される。
【発明の実施の形態】
【００２０】
本発明によれば少なくとも４つの媒体が相互に別々に案内可能である。反応媒体は化学反応にとって必要な例えば水素、空気中酸素等の媒体を化学反応帯域に供給しもしくは単数または複数の反応生成物を排出するのに役立つ。第１温度調節媒体によって、特に例えばポンプ、送風機等を利用して、装置内で発生する排熱は例えば周囲に直接排出可能もしくは所要の熱を装置に直接供給可能である。この目的のために第１温度調節媒体として主に周囲空気が使用され、この周囲空気は好適な大きな量が装置内に通される。第２温度調節媒体、例えば冷却水は、主に密閉されたサイクル内を、主に好適な流体移送機構によって流れる。
【００２１】
状況によっては、本発明に係る装置で僅かな構造支出が達成可能となるのは、温度調節媒体管路、温度調節媒体ポンプまたは熱交換器塔の付加的構成要素を省くことができるときである。というのも、装置自体が熱交換器として機能するからである。特に、異なる温度調節媒体用に流れ通路を設けることによって、均一な温度分布、場合によっては一様な温度放出もしくは温度供給、またこれにより状況によっては装置の効率向上が可能となる。熱容量および／または凝集状態の点で互いに相違した２つの温度調節媒体を使用すると、および／または温度調節媒体用流れ通路が異なる形状および／または横断面積を有すると、有利に作用する。
【００２２】
好ましい１構成によれば、本発明に係る装置は第１、第２流れ通路の間に主に拡散透過性膜を有し、こうして反応媒体が相互に分離されており、化学反応は膜を通して単数または複数の反応物の例えばイオン拡散を介して可能となる。
【００２３】
選択的１構成によれば、反応媒体用流れ通路が互いに連通しており、反応物は互いに直接接触し、状況によっては互いに混じり合うことができる。これにより化学反応は状況によっては加速され、装置の効率が高まる。
【００２４】
好ましくは、本発明に係る装置は第１、第２温度調節媒体とは異なる第３温度調節媒体用の第５流れ通路を有する。これにより、異なる機能の３つの異なる温度調節媒体を装置に付加することが可能となる。例えば、温度調節媒体は熱排出、熱供給、蒸発、および／または温度調節媒体自体の特に触媒支援変換に役立つ。
【００２５】
好ましい１構成によれば、反応媒体用の少なくとも１つの流れ通路は温度調節媒体用の流れ通路と連通している。これにより、温度調節媒体用の当該流れ通路は新鮮な、場合によっては予め温度調節された反応媒体用の供給通路として使用することができる。
【００２６】
有利な１実施形態によれば、第３または第４流れ通路が触媒を有し、特別好ましくは触媒被覆されている。その場合、第１もしくは第２温度調節媒体は吸熱反応によって熱を吸収し、または発熱反応によって熱を放出し、一方で熱排出もしくは熱供給が支援され、他方で装置が場合によっては他の機能、つまり触媒反応、特に改質を実行する。
【００２７】
好ましくは、触媒は別の流れ通路から断熱された表面に配置されている。それとともに触媒反応は別の流れ通路のものとは別の温度レベルで経過することもできる。特別好ましくは、触媒は別の流れ通路から断熱されたディスク要素上に配置されている。断熱は特に通路壁および／またはディスク要素の突起によって実現されており、その場合、単に点状および／または線状接触によって通路壁からディスク要素またはその逆への熱流が妨げられる。
【００２８】
付加的にまたは選択的に、各通路壁、および／または各通路壁から断熱されたディスク要素は、特に表面被覆として構成される断熱体を有する。断熱は、状況によっては触媒なしの流れ通路においても有利である。
【００２９】
好ましい１実施によれば、各通路壁から断熱されたディスク要素は、特に触媒被覆ハニカム体、特にその出発材料のゆえに断熱に関して特別適しかつ点状当接を利用または利用することなく使用可能なハニカムセラミックを含む。
【００３０】
他の好ましい実施によれば、各通路壁から断熱されたディスク要素は伸長された金属編布または伸長された金属不織布を含み、この編布または不織布は、特別好ましい実施においてフローフィールドの単数または２つの通路壁と例えば蝋付によって導電結合されている。
【００３１】
好ましい１実施によれば、少なくとも１つの第３および／または第４流れ通路は第１および／または第２流れ通路と連通している。これにより、少なくとも１つの反応媒体は、化学反応の前または後に、温度調節媒体としても役立つ。これは例えば、場合によっては反応排熱を回収しながら反応物の予熱に役立つ。このため特別好ましくは、第３もしくは第４流れ通路が触媒を備えており、本発明に係る装置内に少なくとも１つの反応物は比較的少ないエネルギー支出で製造可能である。
【００３２】
本発明の他の有利な実施形態は特許請求の範囲と実施例とから明らかとなり、以下で本発明は図面を参考に実施例に基づいて詳しく説明される。
【実施例】
【００３３】
図１による実施例は複数のディスク（１、２、５、６）を含み、各２つのディスクが対（１、２）もしくは（５、６）を形成する。ディスク対は有利には独国特許出願公開第１０２２４３９７号明細書により連通する半殻として構成されている。２つのこのような対（１、２）（５、６）の間に配置される第３流れ通路は空気冷却フローフィールド（３、４）として構成される乱流インサートを有し、この乱流インサートは例えば図示しない送風機によって第１温度調節媒体として冷却空気を供給することができる。それとともにディスク束は組立てられた部品１〜６から製造され、これらの部品は例えば溶接、蝋付または機械的塑性加工によって流体密に互いに結合される。
【００３４】
特別好ましい１実施において構成要素１、２、５、６は特殊鋼から作製され、互いに溶接または蝋付される。単一の部材で構成することもできる冷却フローフィールド（３、４）は例えばアルミニウムから作製され、構成要素１、２、５、６の接合過程後に機械的に配置される。つまりすべての構成要素で形成されるディスク束は次に、例えば冷却空気、冷却液、アノード供給ガスおよびカソード供給ガス用に相互に独立した流れ通路を有する。
【００３５】
図２は化学反応実施装置を形成するためのディスクスタックとしての複数のディスク束（７）の配置をやはり展開図で示す。ディスク束（７）は、両側に電極を備えた膜（８）と交互に積み重ねられる。
【００３６】
この図において接合されたディスク束が周設シール（９）を有し、このシールは第１温度調節媒体の冷却空気の流通用に入口穴および／または出口穴を形成するために中断部（１０）を有する。つまり第１温度調節媒体はディスク要素の外側で２つのディスク要素の間の空隙によって形成される第３流れ通路に分配され、もしくはこの流れ通路から集められる。この目的のためにディスクスタックに横方向で続く図示しない分配兼集合通路は第３流れ通路と連通している。付加的に、好適な方向転換通路を利用して第３流れ通路のサーペンタイン状流通を予定することが可能であり、２つ以上のサーペンタイン区域のそれぞれはやはり、特にさまざまなディスク空隙からなる並列に接続された複数の流れ通路を含むことができる。反応媒体と第２温度調節媒体はディスクスタックの内部で分配兼集合通路を介して供給もしくは排出され、このため個々のディスクは例えば長方形開口部を有する。
【００３７】
図３は冷却空気通路の長さｌに沿った反応媒体の温度Ｔの定性的推移を、化学反応を実施するための公知装置（１１）と本発明に係る装置（１２）とについて示す。明確に判明するように、付加的液冷却サイクルによって冷却空気通路に沿って均一な温度分布が達成可能である。液体冷却媒体用の第４流れ通路を反応媒体および冷却空気用の流れ通路の間にそれぞれ配置することによって、冷却空気通路に沿った温度分布は特別に均一化される。
【００３８】
他の特別好ましい実施形態において、内部（水蒸気）改質部を有する本発明に係る装置が利用される。これは、例えば結合管路を介してまたはディスクスタックの内部で第１もしくは第２流れ通路が第３流れ通路と連通することによって、冷却空気の代わりに反応物の１つが第３流れ通路、引き続き第１または第２流れ通路を流れることによって行われる。
【００３９】
特殊な１実施形態において生成される液体燃料蒸発領域は、本来の改質領域の前に機能上設けられ、但し化学的改質反応なしに蒸発を達成するために触媒被覆を備えていない。この応用事例においてセグメント（３、４）または相応する部材は少なくとも部分的に触媒被覆が備えられる。液体燃料成分の蒸発が予定される場合、改質ガサリン入口領域で始まる蒸発領域は１つの通路に沿って好適な広がりを備えており、この蒸発領域内では触媒被覆が取付けられない。
【００４０】
化学的に遊離されるエネルギーのうち電気的に利用不可能な排熱の割合は、可逆燃焼熱［１．４８Ｖ］と各動作点における電池電圧との差と可逆燃焼熱との比から生じる。蒸発および／または可異質に必要な熱量が排熱に一致するような改質プロセスが行われる場合、このようなシステムは自熱式に、まったく外部冷却器なしに作動させることさえできる。
【００４１】
特別好ましい１実施において、等温状態を調整するための冷却媒体として使用される燃料‐水混合物はプレート（１‐２）もしくは（５‐６）の間の冷却フローフィールドの領域で加熱され、次に改質フローフィールド（部品３‐４）の領域で水蒸気改質される。
【００４２】
他の好ましい１実施において燃料‐水混合物は圧力下に案内され、冷却フローフィールドの領域では液体の形で存在し、改質フローフィールドに流入する前に除圧され、ここで改質反応のための準備として急激な蒸発が起きる。
【００４３】
他の好ましい１実施においてスタックの動作点もしくは排熱は、燃料‐水混合物の加熱過程が水蒸気改質と合せて、化学反応時に発生する排熱によってエネルギー的に少なくとも部分的にカバーされ、自熱動作が促進される。基本的にこの配置はあらゆる吸熱反応または弱発熱反応組合せに適している。
【００４４】
内部過異質部（例えばメタノール改質部）を有する触媒冷却装置の枠内で改質は、触媒被覆領域全体での本発明に係る準等温温度分布によって、状況によっては一層効率的に経過させることができる。
【００４５】
図４は、例えば図２に従って構成されたバイポーラプレート１５を有する燃料電池システムクラスタ１３を示す。冷却帯域２３内の第３流れ通路１４は冷却空気の流通に役立つ。外から見ることのできない第４流れ通路内で特に密閉された液体冷却サイクルを利用することによって冷却空気の冷却効果は隣接するバイポーラプレートに伝達することができ、各第３流れ通路を冷却機能用に利用する必要はない。それとともにいわば自由となる第３流れ通路は燃料電池システム内でさまざまな別の課題のため利用することができる。
【００４６】
蒸発帯域１６において水または水‐燃料混合物１８が第３通路１７内で蒸発し、状況によっては改質器用前段としての独自の部材としての蒸発器は省くことができる。
【００４７】
改質帯域１９において部分酸化、自熱改質または水蒸気改質が起き、そこにある第３流れ通路２０は場合によっては、その都度の課題に適した触媒を有する通路壁の好適な触媒被覆を有する。それとともに状況によっては、独自の部材としての改質器は省くことができる。
【００４８】
低温シフト帯域２１において第３流れ通路２２が水性ガスシフト反応用に設けられており、この反応は場合によっては触媒によっても促進される。それとともに状況によっては、独自の部材としての低温シフト反応器は省くことができる。
【００４９】
異なる帯域の第３流れ通路は詳しくは図示しない好適な結合通路を介して互いに結合されており、各流体は矢印２４、２５で示唆したように１つの帯域からそれぞれ次の帯域へと移行する。同様に、調製されたアノードガスは矢印２６で示唆したようにアノードガス分配通路２７に供給される。これと並行してカソードガス２８はカソードガス分配通路２９に供給される。
【００５０】
図示しない実施形態によれば、特定帯域において第３流れ通路は選択酸化またはアノード排ガス燃焼用に利用される。その場合、このために従来設けられた独自の部材は基本的に省くことができる。
【００５１】
他の１実施形態によれば、ＡＴＲ（「自熱改質」）改質器用の反応空気を第３流れ通路に付加することによって所要の空気が予熱され、状況によってはＡＴＲ反応が一層一様に経過し、独自の部材としての相応する予熱段は省かれる。
【００５２】
他の実施形態によれば、カソード側燃料電池プロセス用の反応空気を第３流れ通路に付加することによってカソードガスが予熱され、燃料電池スタックのカソードガス入口に現れる負の温度効果（例えば電解質老化、凝縮等）が減少しまたは防止される。
【００５３】
他の１実施形態によれば、好適な変換触媒（活性脱硫）または好適な吸着剤（受動的脱硫）を第３流れ通路に一体化することによって、例えば壁の被覆および／または、例えばペレット、タブレット等の化学的活性バルク材を注入し、流れ通路両端の例えば格子によって流れ通路範囲からの流出を防止することによって、使用した燃料の脱硫が可能となる。この脱硫は基本的に改質前に液体燃料または蒸気状燃料について行うことができ、または改質後に改質物について実施することもできる。これにより達成される改質物中の硫黄含有量低下によって、次に触媒活性成分の失活（例えばシフト段）が減少しまたは回避され、燃料電池システムの寿命と効率が高まる。
【００５４】
特別好ましい１実施において、定義された最低活性閾値に到達後、バルク材は未消費物と交換される。この交換を簡素化するためにバルク材は好適に成形された交換カートリッジの態様で４路バイポーラプレートに挿入し、場合によっては簡単に交換することができる。
【００５５】
大抵の上記課題にとっての前提条件は温度レベルが比較的高いことであり、この温度レベルは望ましくは燃料電池システムクラスタの作動によって、膜‐電極ユニットと合せて、高温ポリマー‐電解質‐膜を使用しかつ相応する定格動作温度（１００〜２００℃）を利用して提供することができる。
【００５６】
ここでは、電池温度が経過するプロセス（例えば蒸発、低温（ＮＴ）シフト反応、冷却）と、電池温度において開始できるのではあるがしかしふつう断熱的性質を有しかつ電池温度よりも高い温度で経過するプロセス（例えば自熱改質、部分酸化、低温シフト反応、選択酸化、アノードガス燃焼）とを区別することができる。
【００５７】
最後に指摘した種類のプロセスを高温ポリマー‐電解質‐膜‐燃料電池システムクラスタ内で経過させることができるようにするために、燃料電池システムクラスタの内部で異なる温度レベルの形成を可能とすることができる。この目的のために、各反応に適した触媒は好ましくは、別の流れ通路から断熱された表面上に配置されている。
【００５８】
図５と図６の例によれば、触媒は別の流れ通路から断熱されたディスク要素３１上に配置されている。特に第３流れ通路３３の通過壁の突起３２によって断熱は実現される。すなわち、ディスク要素３１が通路壁に単に点状に、つまり突起の先端に接触し、特に通路壁と蝋付されていることによって、ディスク要素３１から通路壁への熱流が妨げられる。ディスク要素３１を使用することによって断熱反応が多機能フローフィールドの壁温度から絶縁され、ここでは反応が高い温度で経過できる。
【００５９】
選択的に、または図７に示すように単なる点状接触を補足して、また希望する温度の値に応じて、第１、第２、第３および／または第４流れ通路の通路壁に断熱層３４を利用することによって反応は電池温度から遮蔽可能である。この使用目的に適しているのは、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、アルミニウム酸化チタン（Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＯ２）、ジルコニウムコランダム（Ａｌ２Ｏ３／ＺｒＯ２）、ムライト（Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２）、スピネル（Ａｌ２Ｏ３ＭｇＯ）、酸化ジルコニウム（Ｍｇ‐ＺｒＯ２）、ケイ酸ジルコニウム（ＺｒＳｉＯ４）等のセラミック断熱層である。
【００６０】
燃料電池システムクラスタの図示しない実施形態において液体冷却材用第４流れ通路は熱管の構成と同様の構成に取替えられる。これにより液体冷却媒体を循環させるのにポンプを利用することは省くことができ、これにより場合によってはさらなる構造空間利得、状況によってはシステム効率の向上が得られる。
【００６１】
本発明は、状況によっては、簡素化されたシステムの提供を可能とし、このシステムでは先行技術で必要な数の構成要素を省くことができ、場合によっては費用低減および／または構造空間低減が可能である。有利な１実施形態において本発明に係る装置は図８の全主要構成要素を単一の構造群‐燃料電池システムクラスタ‐にまとめる。これにより、燃料電池システムの構造空間需要が低減され、状況によっては費用低減が達成される。別の諸構成では、システムの諸機能を単に部分的にのみ燃料電池システムクラスタ内に引き継ぐことが実現され、機能的に自立した他の部材はシステム内に留まる。
【００６２】
図９が横断面で示すディスク束は上側膜‐電極ユニット（ＭＥＡ）４１と下側ＭＥＡ４２との間に配置されている。第１流れ通路４３は上側ＭＥＡ４１にカソードガスを付加するのに役立ち、第２流れ通路４４は下側ＭＥＡ４２にアノードガスを付加するのに役立つ。第３流れ通路４５は第１温度調節媒体、例えば冷却材または冷却空気を案内するのに役立つ。第１流れ通路４３は隣接ディスクの開口部４６を介して第４流れ通路と連通しており、これにより第１流れ通路に沿ってカソードガスの調量が可能となる。
【００６３】
図１０が横断面図で示す他のディスク束は上側膜‐電極ユニット（ＭＥＡ）５１と下側ＭＥＡ５２との間に配置されている。第１流れ通路５３は上側ＭＥＡ５１にカソードガスを付加するのに役立ち、第２流れ通路５４は下側ＭＥＡ５２にアノードガスを付加するのに役立つ。第３流れ通路５５は第１温度調節媒体、例えば冷却空気を案内するのに役立つ。第１流れ通路５３は相隣接する２つのディスクの一直線に並んだ開口部５６を介して第３流れ通路５５と連通しており、これにより第１流れ通路に沿って特に空気または酸素でのカソードガスの調量が可能となる。第４流れ通路は第２温度調節媒体、例えば液体冷却材を案内するのに役立つ。
【００６４】
特別好ましい１実施形態において幾つかまたはすべての第３流れ通路は片側で例えば圧縮機等のカソードガス源と結合され、反対側は閉鎖されている。
【００６５】
図１１が横断面で示すディスク束は上側膜‐電極ユニット（ＭＥＡ）６１と下側ＭＥＡ６２との間に配置されている。第１流れ通路６３は上側ＭＥＡ６１にカソードガスを付加するのに役立ち、第２流れ通路６４は下側ＭＥＡ６２にアノードガスを付加するのに役立つ。第３流れ通路６５は第１温度調節媒体、例えば冷却材または冷却空気を案内するのに役立つ。第１流れ通路６３は隣接ディスクの開口部６６を介して第４流れ通路６７と連通しており、これにより第１流れ通路に沿って例えば反応空気でのカソードガスの調量が可能となる。第５流れ通路６８は第３温度調節媒体、例えば液体冷却材または冷却空気を案内するのに役立つ。第３流れ通路６５および／または第５流れ通路６８がこの実施例では第１もしくは第３温度調節媒体の蒸発、変換等のためにも使用可能である。
【００６６】
図１２は第１流れ通路７３と第２流れ通路７４とを有するディスク束を示す。第３流れ通路７５は第１温度調節媒体、例えば冷却材または冷却空気を案内するのに役立ち、第４流れ通路７７、７８は第２温度調節媒体を案内するのに役立つ。第３流れ通路は第２温度調節媒体を案内するのに役立つ。第３流れ通路は並行に取付けられた多数のディスク要素７９によって複数の部分通路に区分されており、特別好ましい実施においてディスク要素は輪郭付与され、例えば波形フィンの態様である。これにより、場合によっては第１、第２および／または第４流れ通路から断熱された第３流れ通路７５の表面は例えば、特に触媒反応用に拡大される。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明に係る装置を形成するためのディスク束の展開図である。
【図２】化学反応を実施するための装置の展開図である。
【図３】化学反応を実施するための装置の温度分布を示す。
【図４】化学反応を実施するための装置を示す。
【図５】２つのディスク対を有するディスク束を示す。
【図６】３つのディスクの要部横断面図である。
【図７】３つのディスクの要部横断面図である。
【図８】燃料電池システムの図式である。
【図９】１つのディスク束の横断面図である。
【図１０】１つのディスク束の横断面図である。
【図１１】１つのディスク束の横断面図である。
【図１２】ディスク束を示す。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年10月19日(2007.10.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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