(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用の電極装置であって、
当該電極装置は２つの終端部側と、直列接続された複数の電極束（１〜６）を有しており、
当該各電極束は、第１の終端部と第２の終端部を有する電極であって、相互に並列接続された複数の電極（７）をそれぞれ含んでおり、
前記複数の電極束の各電極束内の前記複数の電極の前記第１の終端部は、前記終端部側のうちの１つの終端部側でまとめられ、電気的に接続されており、
前記複数の電極束の各電極束内の前記複数の電極の前記第２の終端部は、前記終端部側のうちの他方の終端部側でまとめられ、電気的に接続されており；
前記終端部側の１つの側にある第１のヘッドプレートは、複数の導電性セクターを有しており、当該導電性セクターは相互に絶縁されており、前記各電極束は当該導電性セクターによって前記終端部側のうちの前記１つの終端部側で保持されており、前記複数の電極束のうちの２つの電極束の反対の極は、前記複数の導電性セクターのうちの１つのセクターによって導電接続されており、これによって前記複数の電極束のうちの２つの電極束が直列接続され；
他方の終端部側上に第２のヘッドプレートが設けられており、前記第１のヘッドプレートはｎ個の導電性セクターを有しており、前記第２のヘッドプレートはｎ＋１個の導電性セクターを有しており、ここでｎは２以上の整数をあらわしている、
ことを特徴とする電極装置。
【請求項２】
前記複数の電極（７）は相互に間隔が空けられている、請求項１記載の電極装置。
【請求項３】
前記導電性セクター（１０〜１２）は円のセクターである、請求項１記載の電極装置。
【請求項４】
前記導電性セクター（１０〜１２）は、非導電性ウェブ（１７〜１９）によって相互に分離されている、請求項１記載の電極装置。
【請求項５】
前記非導電性ウェブ（１７〜１９）は前記２つの終端部側のうちの前記１つの終端部側で中央部で保持され、自由端部を有しており、当該自由端部は星型に、前記中央部から半径方向に外側に向かって延在している、請求項４記載の電極装置。
【請求項６】
前記ウェブの自由端部を囲むリング（２６）を含んでいる、請求項５記載の電極装置。
【請求項７】
前記リング（２６）は、軸方向に延長されたスリーブを有している、請求項６記載の電極装置。
【請求項８】
前記第２のヘッドプレートにおいて、各電極束は、前記導電性セクター内に、前記２つの終端部側のうちの他方の終端部側で保持されており、中央ポールが前記第１のヘッドプレートと前記第２のヘッドプレートの中央部を接続している、請求項５記載の電極装置。
【請求項９】
直線状の前記複数の電極（７）が並列に延在するように配置されている、請求項１記載の電極装置。
【請求項１０】
前記電極は螺旋状に配置されている、請求項１記載の電極装置。
【請求項１１】
前記電極束のうちの１つの電極束は１つの共通外側電極を有している、請求項１記載の電極装置。
【請求項１２】
前記共通外側電極は断面において円の１つのセクターを囲んでいる、請求項１１記載の電極装置。
【請求項１３】
複数の共通外側電極を有しており、当該共通外側電極は相互に隣接して円形を構成するように配置されている、請求項１１記載の電極装置。
【請求項１４】
前記複数の共通外側電極のうちの相互に隣接している共通外側電極の相互に対向している面は、電気的に相互に絶縁されている、請求項１３記載の電極装置。
【請求項１５】
円の２つの前記セクターは、１つの導電性セクターに相応する、請求項１３記載の電極装置。
【請求項１６】
燃料電池用の電極装置のための支持装置であって、
前記電極装置は直列に接続された複数の電極束（１〜６）を含んでおり、
当該各電極束は、第１の終端部と第２の終端部を有する電極であって、相互に並列接続された複数の電極（７）をそれぞれ含んでおり、
前記支持装置は：
第１のヘッド終端部と第２のヘッド終端部とを有しており、
前記第１のヘッド終端部は、中央部で接続され、当該中央部から半径方向に延在しているウェブを有しており、当該ウェブは前記電極束の電極の第１の終端部が収容される複数のセクターを定め、
前記第２のヘッド終端部は、中央部で接続され、当該中央部から半径方向に延在しているウェブを有しており、当該ウェブは前記電極束の電極の第２の終端部が収容される複数のセクターを定め、
前記第１のヘッド終端部はｎ個のウェブを有しており、前記第２のヘッド終端部はｎ＋１個のウェブを有しており、ここでｎは２以上の整数を表しており、
前記第１のヘッド終端部の中央部と前記第２のヘッド終端部の中央部との間に接続される中央ポールを有しており、前記第１のヘッド終端部と前記第２のヘッド終端部は当該中央ポール上に配置されている、
ことを特徴とする支持装置。
【請求項１７】
前記第１のヘッド終端部、前記第２のヘッド終端部、および前記中央ポールは、非導電性材料から一体的に構成されている、請求項１６記載の支持装置。
【請求項１８】
前記第１のヘッド終端部および前記第２のヘッド終端部は、前記ウェブの自由端部を囲んでいるリング（２６）を含んでいる、請求項１６記載の支持装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、殊に燃料電池用の電極装置に関する。
【０００２】
ＷＯ００／５４３５８号から、燃料電池用電極を並列または直列に接続することが公知である。この文献では例えば、同軸状に構成された電極の自由端部に配置されたアノードを、別の同様の電極のカソードとして構成された表面と、直列接続のために電気的に相互に接続することが提案される。
【０００３】
さらに燃料電池モジュールの構造が説明されている。ここでは多数の個々の電極がそれぞれ面において枠に配置され、列状に接続されている。ここでは個々の電極のカソードとして構成された表面が直接的に接触され、モジュールの端面に個々の電極のアノードが相互に接続される。
【０００４】
このような個々のモジュールは、同じように列状および／または直列に接続可能である。
【０００５】
公知のモジュールの比較的複雑な構造並びに、直列接続における個々のモジュール相互の電気的絶縁の必要性は、著しい技術的コストを意味する。殊にこの種の例えば直列接続されたモジュールを有する燃料電池の作動安全性も不確かである。なぜなら唯一の電気的接続が中断された場合に、モジュール間に燃料電池全体の機能がもはや生じないからである。
【０００６】
このような技術的背景から本発明の課題は、簡単な構造を有しているが、非常に機能的であり、かつそのジオメトリーが容易に形成可能であり、殊に円形の断面を有している燃料電池用電極装置を提供することである。
【０００７】
上述の技術的問題は、独立請求項に記載された、並列接続された複数の電極からそれぞれ成る、直列接続された複数の電極束を有しており、この電極束はそれぞれ終端部側で統合され、電気的に接続されている、電極装置によって解決される。
【０００８】
この種の電極装置は、有利には次のような電極を前提条件とする。すなわちそのカソードないしはアノードが終端部側でタップ取り出し可能な電極である。その結果、終端部側で電極束の電極のアノードないしカソードを相互に電気的に接続することができる。これによって多数の電極を列状に接続することができる。この結果、電極束の１つ、場合によっては複数の電極の欠陥によってその機能性が侵害されることはほぼなくなる。
【０００９】
有利には同じように構成された複数のこの種の電極束がさらに直列接続される。このため変化して（wechselnd）電極束は１８０°回転して配置される。
【００１０】
電極は終端部側で統合される。これによって充分な安定性が全体的に与えられる。有利にはこの場合、電極束を構成している電極の終端部をまとめて一緒にすることに注意されたい。ここでまとめることによって電気的接続も行われる。殊にさらに直列接続された電極束をこのようにまとめることは機械的には一緒に、しかし電気的には相互に別個に実施される。
【００１１】
このような構造形成によって、ほぼ任意のジオメトリーの電極装置、殊に円形状断面の電極装置も可能である。
【００１２】
構造では、相互に電極の間隔を空けるようにすることができる。例えば燃焼ガスが個々の各電極に良好に当たって流れること（Anstroemen）ないし電極装置を良好に貫いて流れること（Durchstroemn）は、このような措置によって保証される。
【００１３】
構造ではさらに、電極束がそれぞれ終端部側で、共通のヘッドプレートの相互に絶縁された導電性セクターにおいて保持されるようにすることができる。簡単にはこれによって電極は終端部側でまとめられ、相互に電気的に接続される。ここで有利にはセクターを円形セクターとして構成することができる。これによって電極装置の円形の断面が構成される。
【００１４】
電極束を直列接続するために有利にはこれに加えて、１つのセクター内に反対の極性に（gegenpolig）配置された２つの電極束が導電性に接続され、殊に統合もされる。この場合には、これらの電極束が合わせられてヘッドプレート内に終端部側でそれぞれ保持されるのが有利である。セクターは中央軸に関して相互に回転して配置される。
【００１５】
この場合に通常はさらに、第１のヘッドプレートがｎ個のセクターを有し、第２のヘッドプレートがｎ＋１個のセクターを有する（ここでｎは整数である）。これによって第２のヘッドプレートは、電極装置の陽極および陰極を、殊に相互に隣接するセクターにおいて有する。
【００１６】
個々のセクターは、絶縁層によって例えば相互に分けられる。しかし有利には非導電性ウェブが、セクターを電気的に相互に別個にする。ここでこれらのウェブには、セクターを接続するが電気的に相互に絶縁する機能の他に、支持する機能も与えられる。これは殊に共通のヘッドプレートが構成されている場合である。この場合にはさらに、燃料電池内の電極装置がこの非導電性ウェブにも例えば固定される。
【００１７】
有利な構成では、ウェブはスポーク状に一方の終端部で星形部分の中央にまとめられる。従って、セクターを円形セクターとして容易に構成することができる。殊に別の構成で、星形部分のウェブの自由終端部がリングによって囲まれている場合、本発明による電極装置が殊に容易に製造される。すなわち電極束の相応の終端部をセクター内に入れた後、この終端部の鋳込みを容易に行うことができる。なぜなら鋳込まれるべき領域は他の型等なしで既に形が与えられているからである。
【００１８】
電極装置の軸方向延長部全体のカバー部までリングをカプセル状（huelsenartig）に軸方向に延長することができる。従っていわばケーシングが構成される、および／または燃料電池内の固定可能性が提供される。
【００１９】
別の構造では、中央部分に対向するヘッドプレートが中央ポールによって接続される。殊に２つの星形部分の中央がこの種の中央ポールによって相互に接続される。これによって個々の電極束が正確に位置付けられる。軸方向負荷の場合には力の伝達も電極自体を介して行われるのではなく、中央ポールを介して行われる。従って高い機械的安定性が保証される。
【００２０】
電極は直線的かつ並列に延在するように配置される。これによって容易な構造が保証される。しかし択一的に電極は螺旋状に配置されてもよい。この結果、まっすぐに配置された電極と比較して、電極装置の軸方向延長部が同じ場合には、より長く構成された螺旋状電極によってより高い電圧が形成される。従ってより高いパッキング密度が得られる。
【００２１】
本発明による電極装置の別の形態では個々の電極の構成が簡単にされ、電極束に対して共通の外側電極が設けられる。この外側電極では囲まれた電極束に対する電圧ポテンシャルに対して容易にタップ可能である。
【００２２】
ここでは有利には共通の外側電極は断面において、円形セクターを囲む。殊に複数の共に相互に隣接して配置された外側電極は、円形を構成するように配置されている。これによって非常にコンパクトな構造形式が得られ、外側電極の電気的な接続によって容易に並列接続が可能になる。しかし有利には、相互に隣接する外側電極の対向する面は電気的に相互に分けて配置される。これによって、冒頭で説明したようにも列状接続できる。この場合には、相互に隣接する２つの外側電極の円形セクターは、ヘッドプレートの１つの導電性セクターに相応する。
【００２３】
このような電極装置に外側電極が設けられている場合、さらに別の電極を半径方向に（radial）間隔を空けて、これと並列に設けることができる。これは殊に種々異なる軸方向延長部も有することが可能である。
【００２４】
殊に、冒頭に記載した本発明による電極装置に対して、請求項２０に記載された支持装置を用いることが有利である。ここでは、中央部分から２つの星形部分の中央が、スパーク状にまとめられたウェブによって接続されている。この種の支持装置によって電極束の位置付けが正確に行われ、電極束はさらに機械的に安定して支持装置に接続される。ここで星形部分のウェブの数が１つだけ異なっているのは有利である。これによって容易に、ウェブを１つ多く有している星形部分へのより確実な電気的接続が可能である。
【００２５】
有利な構成では支持部は電気的に絶縁性の材料、例えばプラスチックから一体的に製造される。
【００２６】
電極ないしは電極束の自由端部の鋳込みを可能にするためにさらに、星形部分のウェブの自由端部はリングによって囲まれる。この場合このリングは通常、ヘッドプレートの外側リングを装う。場合によってはこの種のリングは軸方向にカプセル状に延長される。
【００２７】
本発明を図面に基づきより詳細に説明する。図面で実施例は概略的にしか示されていない。
【００２８】
図１には、本発明による電極装置の等角図が示されている。
図２には、図１の矢印ＩＩに従った端面の図が示されている。
図３には、本発明による支持装置が示されている。
図４には、電極装置の別の実施例に対する断面図が示されている。
【００２９】
図１には、例として６つの電極束１〜６を有する、燃料電池に対する本発明の電極装置が示されている。ここでこれらの電極束はそれぞれ同じように、例として６つの個々の電極７から成る。これらの電極は並列に接続されている。
【００３０】
これに対して電極束１〜６自体は直列に接続されている。
【００３１】
電極としては殊にチューブ状の結合体が適している。この結合体は同軸状の構成を有しており、その陽極ないし陰極は終端部でタップ取り出しされる。このような電極７では定期的に同軸状の構造自体を介して電気化学的反応が例えば燃焼ガスとオキシダントの間で生じる。ここでその構成は、例えば燃焼ガスが電極７を貫いて流れるかまたは当たって流れるかに依存する。
【００３２】
殊に各電極７に当たって流れることを確実にするために、電極７は相互に間隔を有している。
【００３３】
電極７ないし電極束１〜６は終端部側でヘッドプレート８、９内に統合されており、このヘッドプレート８、９において電気的にも接続されている。
【００３４】
さらにヘッドプレート８、９は導電性材料から成るセクター、ここではヘッドプレート８の円形セクター１０〜１２ないしはヘッドプレート９の円形セクター１３〜１６に分割されている。ここでこれらの円形セクターは、非導電性材料から成るウェブ１７〜１９ないしはウェブ２０〜２３によって電気的に相互に別個にされている。
【００３５】
第１のヘッドプレート８は、３つのセクター１０〜１２のみを有している。また第２のヘッドプレート９は、セクターを１つ多く有している。この結果、そこで電極装置の陰極２４および陽極２５が例えばタップされる。一般的に言うと、第１のヘッドプレート８はｎ個のセクターを有しており、第２のヘッドプレート９はｎ＋１個のセクターを有している。ここでｎは整数をあらわしている。
【００３６】
直線的かつ並列に配置された電極７を有する第１の電極束１は、ヘッドプレート９の陰極２４を有するセクター１３と、ヘッドプレート８のセクター１０との間に延在し、セクター１０内で例えば導電性の鋳込みペースト（Vergussmasse）内に統合される。これによって電極束１の電極７のカソードも導電性に相互に接続され、その並列接続がそこで確実にされる。セクター１０内で第１の電極束１のこのカソードは＋記号によってあらわされている。
【００３７】
同じように導電性セクター１０内で電極束２のアノードが統合され、導電性に並列接続される。アノードは−記号によってあらわされている。
【００３８】
電極束２のカソードはヘッドプレート９内のセクター１４内に同じように並列接続され、同様に電極束３の並列接続されたアノードと導電性に接続されている。この電極束３はヘッドプレート８内の他の終端部でセクター１１において並列接続されたカソードを有している。
【００３９】
セクター１１内では同じようにアノード側で電極束４が終端部側で統合され、電気的にも接続されている。電極束４のカソード側並列接続はヘッドプレート９内のセクター１５において行われる。ここで電極束５のアノードがさらに並列に接続される。電極束５のカソードはセクター１２内で統合され、電極束６の電極のアノードと接続されている。ヘッドプレー９のセクター１６内で統合され、電気的に接続されている電極束６のカソードは、陽極２５として構成されている。
【００４０】
従って６つの電極束１〜６は、並列接続された６つの電極自体とそれぞれ直列接続される。これはセクター１０〜１２および１４および１５内（セクター１３および１６は除いて）でそれぞれ反対の極性に配置された２つの電極束が導電性に接続されることによって行われる。この間で燃料電池ないし電極装置の与えられた電圧が極２４、２５でタッピングされる。
【００４１】
セクター１０〜１２ないし１３〜１６を電気的に別個にしているウェブ１７〜１９ないし２０〜２３、並びにヘッドプレート８ないし９を半径方向で囲んでいるリング２６、２７は、支持装置２８の構成部分である。図３に示された縮尺通りでない図面を参照されたい。
【００４２】
参照番号が図１と相応に付与されている図３では、ウェブ１７〜１９が一方の終端部で星形部分３０の中心２９でスポーク状にまとめられていることがわかる。ウェブ１７〜１９の自由な、半径方向外側終端部はリング２６によって取り囲まれている。このような措置によっていわば鋳型が得られる。この鋳型において電極束１〜６の終端部は例えば導電性の鋳込み樹脂によってまとめられ、電気的に接続される。
【００４３】
第２のヘッドプレート９のウェブ２０〜２３も、中心３２を有する星形部分３１を構成する。図３では、見やすくするために第２の星形部分３２を囲むリングが省略してある。
【００４４】
中心２９および３２は、中央ポール３３によって相互に接続されている。
【００４５】
支持装置２８に対して、電気的に絶縁された材料並びに一体構造が有利である。
【００４６】
この構造的な措置によって、図１の電極装置に作用する軸方向の力が中央ポール３３によって受け止められる、電極７の軸方向負荷はほぼ生じない。
【００４７】
択一的な実施形態ではさらに、リング２６がカプセル状に軸方向に延長して構成されても良い。場合によってはこのような延長によって、電極７を完全に内部に収容する外套壁部が得られる。
【００４８】
図１の並列かつ直線的に配置された電極を有する電極装置と比較して、軸方向のサイズが同じ場合、電極装置で螺旋状の配置構成におけるより長い個々の電極ないしは電極束を設けることも可能であり、例えばより長い個々の電極によって例えばより高い電圧が生成される。このためにここでは図面に対して単に星形部分３０、３１を相互に回転させることのみが必要である。
【００４９】
図４には電極装置の別の実施例が概略的に断面図で示されている。
【００５０】
ここでは例として簡単に示された、燃料コンポーネントが貫いて流れるおよび／または当たって流れる１０個の単独要素４１をそれぞれ有する６つの電極束３５〜４０が示されている。ここで電極束３５〜４０は、それぞれ共通の外側電極４２〜４７内に配置されている。これらの共通の外側電極４２〜４７は、図示された断面において円形セクターを囲んでいる。円形セクターの２面角（Oeffnungswinkel）はこの実施例では約６０°である。２面角はこの実施例では約６０°であり、このようなケーキピース状のジオメトリーによって、図４のシリンダ状構造の燃料電池が設けられる。この場合には電極束３５〜４０を相互に直列に接続するために、外側電極４２〜４７の対向する面が電気的に相互に絶縁されなければならない。このため支持装置は図３のように電気的絶縁性プラスチックから製造される。ここではウェブは軸方向に延長され、殊に対向するヘッドプレートまで達するように構成される。このようなウェブ４８〜５３は外側電極４２〜４７を分割し、さらに機械的な安定にも役立つ。なぜなら外側電極４２〜４７はいわば袋の中に収容されるからである。
【００５１】
前述した実施例に相応して、周囲を回って相互に隣接する電極束は変化して、ヘッドプレートの導電性セクター半部内にまとめられ、有利には外側電極も同じように変化してまとめられる、または他の方法で電気的に接続される。これによって外側電極４２〜４７はヘッドプレートの導電性セクターを半分で構成する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明による電極装置の等角図である。
【００５３】
【図２】図１の矢印ＩＩに従った端面の図である。
【００５４】
【図３】本発明による支持装置があらわす図である。
【００５５】
【図４】電極装置の別の実施例に対する断面図である。
【図１】
0004587271.tif 000002
【図２】
0004587271.tif 000003
【図３】
0004587271.tif 000004
【図４】
0004587271.tif 000005