(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの動作状態で少なくとも一つの反応剤を収容するために設けられた少なくとも一つのガス室（１４）を全側面で画定する燃料電池ユニット（１２）を含む、
燃料電池装置において、
前記燃料電池装置は、チューブ状の燃料電池装置であり、
前記燃料電池ユニット（１２）は、燃料電池セルチューブとして構成された、少なくとも一つのカバーフード（１６）を有しており、
前記燃料電池ユニット（１２）は、管状に構成された、少なくとも一つの通流エレメント（１８）を有しており、
前記燃料電池ユニット（１２）は、全体に亘って一様な熱膨張係数を有しており、
前記少なくとも一つのカバーフード（１６）と前記少なくとも一つの通流エレメント（１８）とが、実装状態で、前記少なくとも一つのガス室（１４）を画定し、
前記少なくとも一つのカバーフード（１６）は、少なくとも部分的に多孔性に形成された少なくとも一つの部分領域（２４）を有し、当該少なくとも一つの部分領域（２４）は、前記少なくとも一つのカバーフード（１６）の、いずれも気密な材料によって形成された底部領域（２８）と上端（３８）との間に配置されており、
前記少なくとも部分的に多孔性に形成された前記少なくとも一つの部分領域（２４）の内面上に少なくとも一つの機能層（２６）が設けられており、当該少なくとも一つの機能層（２６）は、アノードとカソードとこれらの間に配置された電解質とを有しており、
前記燃料電池ユニット（１２）は、前記少なくとも一つの底部領域（２８）に、少なくともガス導通のために設けられた少なくとも一つのチャネル（３０）を有しており、
前記少なくとも一つの通流エレメント（１８）は、少なくとも一つの第１の封止面（２０）を有し、前記少なくとも一つのカバーフード（１６）は、前記少なくとも一つの第１の封止面（２０）に対応する少なくとも一つの第２の封止面（２２）を前記少なくとも一つの底部領域（２８）に有しており、
前記少なくとも一つの機能層（２６）は、実装状態で、少なくとも部分的に、前記少なくとも一つのチャネル（３０）、ならびに、前記少なくとも一つの第１の封止面（２０）と前記少なくとも一つの第２の封止面（２２）との間を通って延在している、
ことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記燃料電池ユニット（１２）は、少なくとも一つのセラミック材料から形成されている、
請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記少なくとも一つのカバーフード（１６）及び前記少なくとも一つの通流エレメント（１８）は、少なくとも一部が同一のセラミック材料から形成されている、
請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池装置（１０，３２）を少なくとも二つ含む燃料電池システムにおいて、
少なくとも二つの前記燃料電池装置（１０，３２）は、電気的に及び／又は流体技術的に、相互に接続されている、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来技術
本発明は、独立請求項の上位概念に記載の燃料電池装置、及び、これを含む燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも一つの動作状態で少なくとも一つの反応剤を収容するために設けられた少なくとも一つのガス室を少なくとも実質的に全側面で画定する燃料電池ユニットを含む燃料電池装置が既に公知である。ここで、燃料電池ユニットは、相互に著しく異なる熱膨張係数を有する複数の部分領域を含む。このため、少なくとも一つのガス室を充分にかつ特に持続的に封止することは高いコストに結びつく。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
発明の開示
本発明は、少なくとも一つの動作状態で少なくとも一つの反応剤を収容するために設けられた少なくとも一つのガス室を少なくとも実質的に全側面で画定する燃料電池ユニットを含む燃料電池装置、特にチューブ状の燃料電池装置を基礎としている。
【０００４】
本発明では、燃料電池ユニットが全体に亘って少なくとも実質的に一様な熱膨張係数を有するようにすることを提案する。
【０００５】
ここでの「燃料電池装置」とは、特には連続して供給される少なくとも一つの燃焼ガス、特に水素及び／又は一酸化炭素と、少なくとも一つの酸化剤、特に酸素との少なくとも一つの化学反応エネルギを、特に電気エネルギ及び／又は熱エネルギに変換するように構成された装置を特にいうものと理解されたい。少なくとも一つの燃料電池装置は、好ましくは、固体酸化物型燃料電池ＳＯＦＣとして構成される。ここでの「燃料電池ユニット」とは特に、燃料電池装置の外カバーを特に少なくとも部分的に形成するユニットをいうものと理解されたい。さらに、燃料電池ユニットは、特にガスの案内乃至導通のため及び／又は燃料電池装置の実装のための特に受動的な要素を含み得る。ここでの「反応剤」とは、特に燃料電池装置内の化学反応、特に合成プロセスにおいて使用されるべく設けられた化学物質及び／又は化学物質混合物を特にいうものと理解されたい。好ましくは、少なくとも一つの反応剤は、燃焼ガス又は酸素又は燃焼ガスを含むガス混合物又は酸素を含むガス混合物である。特には、少なくとも一つの合成ガスが、少なくとも一つの燃料電池装置において水及び／又は二酸化炭素を合成するために設けられる。特に、少なくとも一つの反応剤は、燃料電池装置の動作中に、特に連続して少なくとも一つのガス室へ供給される。「ガス室」とは特に、少なくとも部分的に、好ましくは燃料電池ユニットの可視の外面の反対側の、特に燃料電池ユニットの少なくとも部分的に不可視の内面を少なくとも実質的に全側面に亘って画定する空間領域をいうものと理解されたい。ここで、燃料電池ユニットが少なくとも一つのガス室を「少なくとも実質的に全側面で画定する」とは特に、少なくとも一つのガス室を包囲する仮想の閉じたカバー面の少なくとも８０％、好ましくは少なくとも８５％、有利には少なくとも９０％、特に有利には少なくとも９５％が、少なくとも一つの燃料電池ユニットによって形成される外カバーによって被覆されることをいうものと理解されたい。燃料電池ユニットが「全体に亘って少なくとも実質的に一様な」熱膨張係数を有するとは特に、燃料電池ユニット、特にその少なくとも一つの製造材料の熱膨張係数の変動、特に伸長係数及び／又は空間膨張係数の変動が、燃料電池ユニットの寸法全体に亘って、１５％未満、特には１０％未満、好ましくは５％未満、特に好ましくは１％未満となることをいうものと理解されたい。
【０００６】
斯かる構成により、冒頭に言及した形式の燃料電池装置について、封止に関する特性を改善して提供することができる。特に有利には、熱機械的ストレスを少なくとも大幅に回避して燃料電池装置の寿命を有利に増大することができる。さらに、ガス室の封止を有利に平易化することができ、これにより、特に作業の手間又は製造コストを低減することができる。
【０００７】
本発明の好ましい構成では、燃料電池ユニットは、少なくとも実質的に、少なくとも一つのセラミック材料から形成される。対象物が「少なくとも実質的に或る材料から形成される」とは特に、当該対象物が、少なくとも７５％、有利には少なくとも８５％、好ましくは少なくとも９５％の重量割合で当該材料から形成されることをいうものと理解されたい。ここでの「セラミック材料」とは特に無機の非金属材料をいうものと理解されたい。特には、当該少なくとも一つのセラミック材料は、少なくとも部分的に結晶性を有するものであり得る。ここで「非金属」とは特に、少なくとも一つのセラミック材料の少なくとも大部分が特に金属結合に基づく金属特性を有さないことをいうものと理解されたい。但し、この非金属のセラミック材料は、例えば金属酸化物及び／又は金属ケイ化物等の金属化合物を含んでいてもよい。これにより、有利には、少なくとも一つの燃料電池ユニットが全体に亘って一様な熱膨張係数を有するようにすることを簡単に達成することができる。
【０００８】
特には、燃料電池ユニットを一体形に構成することができる。「一体形」とは特に、物質結合によって、例えば溶接プロセス及び／又は接着プロセス等によって結合されており、特に有利には、注型成形での製造及び／又はシングルコンポーネント射出成形プロセス若しくはマルチコンポーネント射出成形プロセスでの製造等によって一体成形されていることをいうものと理解されたい。但し、好ましくは、燃料電池ユニットは複数の部材から構成される。ここでは、燃料電池ユニットに少なくとも一つのカバーフードを設けることが提案される。好ましくは、少なくとも一つのカバーフードは、燃料電池セルチューブとして構成される。特に、少なくとも一つのカバーフードは、少なくとも実質的に円筒状の基体を含む。特に、基体は、少なくとも実質的に丸形の、例えば円形若しくは楕円形の底面を有し、及び／又は、多角形の底面を有することができる。特に、基体の端部は少なくとも実質的に閉鎖され、好ましくは少なくとも実質的に気密に構成される。さらに、燃料電池ユニットに少なくとも一つの通流エレメントを設けることも提案される。ここで、通流エレメントとは特に、少なくとも実装状態で少なくとも部分的に少なくとも一つのカバーフード内へ、特には少なくとも一つのカバーフードの基体内へ突出するように構成された少なくとも実質的に管状のエレメントをいうものと理解されたい。特に、少なくとも一つのカバーフードと少なくとも一つの通流エレメントとは、実装状態で、少なくとも一つのガス室を、少なくとも実質的に全側面で画定する。特に、少なくとも一つの通流エレメントは、少なくとも一つの動作状態で少なくとも一つの反応剤を少なくとも一つのガス室へ導通するように構成される。これにより、燃料電池ユニットの製造を有利に平易化することができる。また、製造コストを有利に低減することができる。
【０００９】
少なくとも一つのカバーフード及び少なくとも一つの通流エレメントが、少なくとも実質的に少なくとも大部分が同一のセラミック材料から形成される場合、有利には、特に少なくとも一つのカバーフードと少なくとも一つの通流エレメントとの間に種々に異なる熱膨張係数が発生することを少なくとも大幅に防止することができる。ここで、少なくとも一つのカバーフードと少なくとも一つの通流エレメントとが少なくとも実質的に「少なくとも大部分が同一の」セラミック材料から形成されるとは特に、少なくとも一つのカバーフードのセラミック材料が、物質上の組成の点において、少なくとも一つの通流エレメントのセラミック材料に少なくとも大部分で、好ましくは正確に対応することをいうものと理解されたい。
【００１０】
さらに、少なくとも一つの通流エレメントに少なくとも一つの第１の封止面を設け、少なくとも一つのカバーフードに少なくとも一つの第１の封止面に対応する少なくとも一つの第２の封止面を設けることが提案される。特に、少なくとも一つの通流エレメントの少なくとも一つの第１の封止面は、実装状態で、少なくとも一つの燃料電池セルチューブの対応する少なくとも一つの第２の封止面に少なくとも実質的に密に接するように構成される。封止作用を改善するために、少なくとも一つの第１の封止面と少なくとも一つの第２の封止面との間に封止材及び／又は封止エレメントを挿入することができる。封止材及び／又は封止エレメントは、少なくとも部分的に、特にガラス材料及び／又はセラミック材料及び／又はガラスセラミック材料及び／又はその他の適切な特に無機の材料から形成可能である。ここで「少なくとも実質的に密に」とは特に、カバーフードの少なくとも一つの第１の封止面と少なくとも一つの通流エレメントの少なくとも一つの第２の封止面との間の封止領域が、最大で１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ、有利には最大で１０−８Ｐａ・ｍ３／ｓ、好ましくは最大で１０−１０Ｐａ・ｍ３／ｓの漏れ率を有することをいうものと理解されたい。これにより有利には漏れ率を低減することができる。
【００１１】
また、少なくとも一つのカバーフードに、少なくとも部分的に多孔性に形成された少なくとも一つの部分領域を形成することが提案される。特に少なくとも一つの部分領域が開放多孔性を有するように形成される。ここでの「開放多孔性」とは特に、少なくとも一つのカバーフードのうち、特に流体技術的に相互に及び／又は周囲に接続された複数の中空室を有する領域をいうものと理解されたい。特に、少なくとも一つの部分領域は、少なくとも一つの第２の、特にガス状の反応剤、好ましくは酸素又は空気を導通するために設けられる。これにより、有利に簡単な手段で、少なくとも一つの第２の反応剤を燃料電池装置に供給することができる。
【００１２】
さらに、燃料電池装置が、少なくとも部分的に多孔性に形成された少なくとも一つの部分領域上に、少なくとも一つの機能層を有するようにすることが提案される。ここでの「機能層」とは、特には少なくとも一つのアノードと少なくとも一つのカソードとこれらの間に配置された少なくとも一つの電解質とを有する層を特にいうものと理解されたい。特に、少なくとも一つの機能層は、少なくとも一つのカバーフードの内面及び／又は外面に設けることができる。好ましくは、少なくとも一つの機能層は完全に少なくとも一つのカバーフードの内面に配置される。特に、少なくとも一つの機能層の層厚は、最大で５０μｍ、有利には最大で２５μｍ、特に有利には最大で１５μｍである。これにより、燃料電池装置の有利な構造を達成することができる。
【００１３】
燃料電池ユニット、特に少なくとも一つのカバーフードが、少なくとも一つの底部領域に、少なくともガス導通のために設けられた少なくとも一つのチャネルを有する場合、少なくとも一つの、特にガス状および／または蒸気状の反応生成物を、特に少なくとも一つのガス室から有利かつ確実に放出させることができる。ここでの「底部領域」とは特に、少なくとも一つのカバーフードの、好ましくは開放端部に位置する領域をいうものと理解されたい。特に、少なくとも一つの底部領域は、少なくとも実質的に気密の材料及び／又は蒸気密の材料によって形成される。特に、少なくとも一つのチャネルは、実装状態で流体技術的に少なくとも一つのガス室に接続される。特に、少なくとも一つの底部領域は、燃料電池システムに燃料電池装置を実装するために設けられる。
【００１４】
さらに、少なくとも一つの機能層が少なくとも部分的に少なくとも一つの底部領域内へ通じるように構成することが提案される。特に、少なくとも一つの機能層は、実装状態で、カバーフードの少なくとも一つの第１の封止面と通流エレメントの少なくとも一つの第２の封止面との間を通るように案内される。少なくとも一つの封止材が使用される場合、少なくとも一つの機能層を、導通部の領域で少なくとも部分的に少なくとも一つの封止材に埋め込むことができる。これにより、有利には、燃料電池装置の電気的接続を簡単に達成することができる。
【００１５】
さらに、少なくとも二つの燃料電池装置を含む燃料電池システムが提案される。ここでは、少なくとも二つの燃料電池装置は、電気的に及び／又は流体技術的に接続される。このようにすれば、有利に高いエネルギ効率を有する燃料電池システムを簡単に実現することができる。
【００１６】
この場合、本発明に係る燃料電池装置は、上述した適用例及び構成例に限定されない。特に、本発明に係る燃料電池装置は、上述した動作方式を満足するために、上述したのとは異なる数の個々のエレメント、要素及びユニットを有し得る。
【００１７】
さらなる利点は、以下の図面の説明から得られる。図面には、本発明の実施形態が示されている。図面及び発明の詳細な説明及び特許請求の範囲は、多くの特徴の組合せを含む。当業者は、これらの特徴を目的に応じて個別に考察してもよいし、有意な別の組合せとして考察してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】二つの燃料電池装置を含む燃料電池システムの概略的な部分図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
実施形態の説明
図１には、二つの燃料電池装置１０，３２を含む燃料電池システム３４の概略的な部分図が示されている。燃料電池装置１０，３２は相互に同一に構成されているので、理解を容易にするために、以下では、一方の燃料電池装置１０のみについて説明する。即ち、総ての説明は、第２の燃料電池装置３２にも適合する。
【００２０】
燃料電池装置１０は、チューブ状の燃料電池装置として構成されている。燃料電池装置１０は、カバーフード１６と通流エレメント１８とを有する燃料電池ユニット１２を含む。カバーフード１６は、円形の底面を有する中空円筒状の基体３６を含む。カバーフード１６の基体３６は、上端３８の側が気密に構成されている。また、カバーフード１６は、開放多孔性を有するように形成された部分領域２４を有する。カバーフード１６の内面４２には、ここでは単に略示されている機能層２６が形成されている。また、選択的に、機能層をカバーフードの外面に形成してもよい。機能層２６は、ここでは詳細には示されていないが、アノードとカソードとこれらの間に配置された電解質とを有する。なお、燃料電池装置１０は、底部領域２８に、ガス導通のために設けられたチャネル３０を有する。このために、チャネル３０は、燃料電池装置１０のガス室１４に流体技術的に接続されている。
【００２１】
通流エレメント１８は管状に構成され、実装状態では図示のようにカバーフード１６内へ突出する。これに関して、通流エレメント１８は、少なくとも一つの動作状態で、反応剤、特に水素を、燃料電池装置１０のガス室１４内へ導通して機能層２６に供給するように構成されている。第２の反応剤、特に酸素又は空気は、カバーフード１６の多孔性の部分領域２４を介して機能層２６に供給される。反応生成物、特に水蒸気は、底部領域２８のチャネル３０を介して放出される。
【００２２】
ガス室１４は、図示のように、カバーフード１６及び通流エレメント１８によって画定される。通流エレメント１８をカバーフード１６に密に接続するために、通流エレメント１８は第１の封止面２０を有し、カバーフード１６は、第１の封止面２０に対応する第２の封止面２２を有する。通流エレメント１８は、ここでは、第１の封止面２０の領域において、例えば円錐状に構成されている。これとは異なる幾何学形状も同様に可能である。封止作用を高めるために、第１の封止面２０と第２の封止面２２との間に封止材４０が挿入される。但し、要求される封止性に応じて、封止材の挿入を省略してもよい。
【００２３】
カバーフード１６及び通流エレメント１８は、同一のセラミック材料から形成されている。また、封止材４０は、好ましくはセラミック及び／又はガラスセラミックの封止材である。これにより、燃料電池ユニット１２は、一貫して一様な熱膨張係数を有するので、燃料電池ユニット１２における熱機械的ストレスの発生を回避することができる。
【００２４】
燃料電池装置１０，３２を簡単に接続して燃料電池システム３４を形成することができるようにするために、機能層２６は、底部領域２８内へ連通している。ここで、機能層２６は、第１の封止面２０と第２の封止面２２との間を通るように案内されており、封止材４０内に埋め込まれている。同様に、各燃料電池は、チャネル３０を介して流体技術的に相互に接続されている。一つの燃料電池システム３４の隣り合う二つの燃料電池装置１０，３２間の接触領域４４は、必要に応じて、適当な封止材によって封止することができる。この場合の燃料電池装置１０，３２の電気的接続及び流体技術的接続は、双方とも単なる例示に過ぎない。ここでは、これに代えて、当業者に公知の、特にチューブ状の複数の燃料電池装置を接続する手段を用いることもできる。さらに、燃料電池システムは、ここに図示されているよりも多数の燃料電池装置を含み得る。
【図１】
0006516770.tif 000002