(57)【要約】  本発明は、燃料電池装置であって、少なくとも１つの燃料電池チューブ（１２ａ；１２ｂ；１２ｃ）と、少なくとも部分的に燃料電池チューブ（１２ａ；１２ｂ；１２ｃ）の内側に配置されているとともに燃料ガスを燃料電池チューブ（１２ａ；１２ｂ；１２ｃ）内へ導入するために設けられている少なくとも１つの流入ランス（１４ａ；１４ｂ；１４ｃ）と、を備える燃料電池装置に関する。燃料電池ユニットは、ガス案内値を大幅に低減するために設けられた、少なくとも１つの組込み式の絞り要素（１６ａを；１６ｂ；１６ｃ）を備える、ことが提案される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池装置であって、
少なくとも１つの燃料電池チューブ（１２ａ；１２ｂ；１２ｃ）と、少なくとも部分的に前記燃料電池チューブ（１２ａ；１２ｂ；１２ｃ）の内側に配置されているとともに燃料ガスを前記燃料電池チューブ（１２ａ；１２ｂ；１２ｃ）内へ導入するために設けられている少なくとも１つの流入ランス（１４ａ；１４ｂ；１４ｃ）と、を備える燃料電池装置において、
ガス案内値を大幅に低減するために設けられた、少なくとも１つの組込み式の絞り要素（１６ａ；１６ｂ；１６ｃ）を備える
ことを特徴とする、燃料電池装置。
【請求項２】
前記燃料電池チューブ（１２ａ；１２ｂ；１２ｃ）は、少なくとも１つの排ガス出口チャネル（１８ａ；１８ｂ；１８ｃ）を有し、流れ技術的に該排ガス出口チャネル（１８ａ；１８ｂ；１８ｃ）の上流側に前記絞り要素（１６ａ；１６ｂ；１６ｃ）が接続されている、請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記絞り要素（１６ａ；１６ｂ；１６ｃ）は、前記流入ランス（１４ａ；１４ｂ；１４ｃ）と一体的に構成されている、請求項１または２記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記絞り要素（１６ａ；１６ｂ；１６ｃ）は、前記流入ランス（１４ａ；１４ｂ；１４ｃ）の脚部領域（２０ａ；２０ｂ；２０ｃ）に配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記流入ランス（１４ａ）は、少なくとも１つの排ガス捕集チャネル（２２ａ）を有し、該排ガス捕集チャネル（２２ａ）は、前記絞り要素（１６ａ）を介して流体技術的に前記燃料電池チューブ（１２ａ）の内室（２４ａ）と接続されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記絞り要素（１６ｂ）は、前記流入ランス（１４ｂ）のランプ状のフランジ要素（２６ｂ）として構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記絞り要素（１６ｃ）は、前記流入ランス（１４ｃ）の少なくとも実質的にねじ状のフランジ要素（２８ｃ）として構成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記絞り要素（１６ａ）は、前記流入ランス（１４ａ）のフランジ要素（３０ａ）として構成されており、該フランジ要素（３０ａ）は、少なくとも１つのガス通過開口（３２ａ）を有する、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃料電池装置。
【請求項９】
前記絞り要素（１６ｂ；１６ｃ）は、前記燃料電池チューブ（１２ｂ；１２ｃ）に設けられた排ガス出口チャネル（１８ｂ；１８ｃ）の横断面を低減するために設けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載の燃料電池装置。
【請求項１０】
少なくとも１つの燃料電池チューブ（１２ａ；１２ｂ；１２ｃ）と、少なくとも部分的に前記燃料電池チューブ（１２ａ；１２ｂ；１２ｃ）の内側に配置されているとともに燃料ガスを前記燃料電池チューブ（１２ａ；１２ｂ；１２ｃ）内へ導入するために設けられている少なくとも１つの流入ランス（１４ａ；１４ｂ；１４ｃ）と、を備える特に請求項１から９までのいずれか１項記載の燃料電池装置（１０ａ；１０ｂ；１０ｃ）を製造する方法において、
少なくとも１つの組込み式の絞り要素（１６ａ；１６ｂ；１６ｃ）を形成することを特徴とする、燃料電池装置を製造する方法。
【請求項１１】
射出成形プロセスによる前記絞り要素（１６ａ）の製作時に、少なくとも１つのガス通過開口（３２ａ）を製作するために、少なくとも１つのピンを射出成形型に装入する、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記燃料電池チューブ（１２ａ；１２ｂ；１２ｃ）と前記流入ランス（１４ａ；１４ｂ；１４ｃ）とを組み合わせ、一緒に焼結することにより相互に結合するかつ／または相互に封止する、請求項１０または１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景技術
本発明は、特許請求項１の上位概念に記載の燃料電池装置および特許請求項１０の上位概念に記載の方法に関する。
【０００２】
少なくとも１つの燃料電池チューブと、少なくとも部分的に燃料電池チューブの内側に配置されているとともに燃料ガスを燃料電池チューブ内へ導入するために設けられている少なくとも１つの流入ランス、とを備える燃料電池装置がすでに知られている。
【０００３】
発明の開示
本発明は、少なくとも１つの燃料電池チューブと、少なくとも部分的に燃料電池チューブの内側に配置されているとともに燃料ガスを燃料電池チューブ内へ導入するために設けられている少なくとも１つの流入ランスと、を備える燃料電池装置に関する。
【０００４】
燃料電池装置は、ガス案内値を大幅に低減するために設けられた少なくとも１つの組込み式の絞り要素を備える、ことが提案される。「燃料電池装置」とは、本明細書の関連において、特に、燃料電池システムの特に機能性に優れた構成部材、特に構造コンポーネントおよび／または機能コンポーネントと解されるべきである。「燃料電池システム」とは、本明細書の関連において、特に、少なくとも１つの燃料電池スタックを用いて特に電気エネルギおよび／または熱エネルギを定置式にかつ／または移動式に獲得するシステムと解されるべきである。「燃料電池スタック」とは、本明細書の関連において、特に、特に連続的に供給される少なくとも１種の燃料ガス、特に水素および／またはメタンおよび／または一酸化炭素と、少なくとも１種の酸化剤、特に酸素との少なくとも化学反応エネルギを、特に電気エネルギへ変換するために設けられた少なくとも２つの燃料電池装置を有するユニットであると解されるべきである。「設けられる」とは、特に、特別にプログラミングされる、設計される、かつ／または装着されると解されるべきである。「特定の機能のための対象物が設けられている」とは、特に、この対象物がこの特定の機能を少なくとも使用状態でかつ／または動作状態で充足するかつ／または実施すると解されるべきである。この燃料電池装置は、特に固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）として構成されてもよい。好適には、燃料電池装置は、チューブ状の燃料電池装置として構成されている。「チューブ状の燃料電池」とは、本明細書の関連において、特に、少なくともほぼ管状の支持体と解されるべきである。特に、燃料電池チューブは、燃料電池装置の外側の被覆部の少なくとも一部を形成する。燃料電池チューブは、特に一方の端部側で閉じて構成されている。特に、燃料電池チューブは、ガス透過性に構成された少なくとも１つの部分領域を有する。特に、チューブ状の燃料電池装置は、少なくとも部分的にガス透過性に構成された少なくとも１つの部分領域に取り付けられた少なくとも１つの機能層を有する。「機能層」とは、本明細書の関連において、特に、特に少なくとも１つのアノードと、少なくとも１つのカソードと、少なくとも１つのアノードと少なくとも１つのカソードとの間に配置された少なくとも１つの電解質とを有する層と解されるべきである。特に、少なくとも１つの機能層は、燃料電池チューブの内側にかつ／または外側に配置されてもよい。好適には、少なくとも１つの機能層は、完全に燃料電池チューブの内側に配置されている。「流入ランス」とは、本明細書の関連において、特に、少なくとも組付け状態で少なくとも部分的に燃料電池装置の燃料電池チューブ内へ入り込むように設けられた、少なくともほぼ管状の要素と解されるべきである。燃料ガスは、所定の動作状態で、特に流入ランスを介して、内側で、燃料電池装置の燃料電池チューブ内へ導かれる。特に、酸素または空気を供給する少なくとも１つのガス通過性の部分領域が設けられている。
【０００５】
「組込み式の絞り要素」とは、本明細書の関連において、特に、燃料電池装置内に配置されたかつ／または燃料電池装置と一体的に構成された絞り要素と解されるべきである。「一体的に」とは、特に、たとえば溶接プロセス、接着プロセス、射出成形プロセスおよび／または他の専門家にとって合理的であると思われるプロセスにより少なくとも材料接続式に結合されると解されるべきであり、かつ／またはたとえば１つの注型品から製造することにより、かつ／または単一成分射出成形法または多成分射出成形法で製造することにより、好適には単一の素材から、一体的に成形されると解されるべきである。好適には、絞り要素は、流入ランスと一体的に構成されている。特に、絞り要素は、流れ技術的に燃料電池装置の燃料ガス入口と排ガス出口との間に配置されている。好適には、燃料電池チューブは、少なくとも１つの排ガス出口チャネルを有し、流れ技術的に排ガス出口チャネルの上流側に絞り要素が接続されている。「絞り要素が、ガス案内値を大幅に低減するために設けられている」とは、本明細書の関連において、特に、絞り要素が燃料電池装置内で燃料ガス管路および／または排ガス管路の少なくとも１つの管路横断面を大幅に狭窄すると解されるべきである。
【０００６】
このような構成により、改善された動作特性を有する、上位概念に基づく燃料電池装置を提供することができる。特に、組込み式の絞り要素により、好適には、燃料電池装置のアノードに沿った燃料ガス流れの少なくとも十分に均一な分配を達成することができる。さらに、複数の燃料電池装置が接続された燃料電池システムでは、各々の単一の燃料電池装置を越える燃料ガス流れの少なくとも十分に均一な分配を達成することができ、これにより、燃料電池システム内で好適には均一の発電を達成することができる。さらに、燃料電池装置への絞り要素の組込みにより、好適には、外部の絞り要素を設ける必要性を排除することができる。
【０００７】
さらに、絞り要素が流入ランスの脚部領域に配置されている、ことが提案される。流入ランスの脚部領域は、特に組付け状態で、燃料電池チューブの脚部領域に配置されている。これにより、燃料電池チューブの内側において好適な燃料ガス分配を達成することができる。
【０００８】
本発明の１つの好適な態様によれば、流入ランスは、少なくとも１つの排ガス捕集チャネルを有し、排ガス捕集チャネルは、絞り要素を介して流体技術的に燃料電池チューブの内室と接続されている、ことが提案される。特に、絞り要素は、少なくとも部分的に、排ガス捕集チャネルの、燃料電池チューブの内室の方を向いた壁部を形成する。絞り要素は、特に流入要素の周りに環状に延在している。好適には、絞り要素は、流入ランスのフランジ要素として構成されており、フランジ要素は、少なくとも１つのガス通過開口を有する。ガス通過開口は、特に円錐状に形成されてもよい。特に、ガス通過開口は、流れ方向に拡開している。特に、絞り要素は、複数のガス通過開口を有し、ガス通過開口を通ってガスがガス捕集チャネルに流入することができる。特に、ガス捕集チャネルは、流れ技術的に排ガス出口チャネルと接続されている。これにより、排ガスの好適な導出および／または均一の流出を達成することができる。
【０００９】
本発明の別の好適な態様によれば、絞り要素は、流入ランスのランプ状のフランジ要素として構成されている、ことが提案される。好適には、絞り要素は、流入ランスの少なくともほぼねじ状のフランジ要素として構成されている。「少なくともほぼねじ状」とは、本明細書の関連において、特に、絞り要素が、流入ランスの外周面の周りに少なくともほぼ一定の勾配で延在する曲線を描くと解されるべきである。好適には、絞り要素は、燃料電池チューブに設けられた排ガス出口チャネルの横断面を低減するために設けられている。これにより、特に燃料電池装置を製造するとき、絞り作用の好適な調整を可能にすることができる。特に、排ガス出口チャネルの横断面の低減を好適には自由に選択することができ、これにより、特にシステム要求に対する好適な適合を行うことができる。
【００１０】
さらに、少なくとも１つの燃料電池チューブと、少なくとも部分的に燃料電池チューブの内側に配置されているとともに燃料ガスを燃料電池チューブ内へ導入するために設けられている少なくとも１つの流入ランスと、を備える燃料電池装置を製造する方法が提案され、この方法において、少なくとも１つの組込み式の絞り要素を形成する。特に、絞り要素は、流入ランスと一体的に構成されている。択一的に、絞り要素は、特に燃料電池チューブと一体的に構成されてもよい。これにより、絞り要素が組み込まれた燃料電池装置の好適には容易なかつ／または低コストの製造を達成することができる。
【００１１】
さらに、射出成形プロセスによる絞り要素の製作時に、少なくとも１つのガス通過開口を製作するために、少なくとも１つのピンを射出成形型に装入する、ことが提案される。好適には、射出成形プロセスは、セラミック射出成形プロセスである。特に、ピンは、射出成形材料を注入する前に射出成形型内に装入される。特に、複数の特に同一のピンが射出成形型内に装入される。射出成形型は、特に流入ランスを付形するために設けられている。特に、ピンは、射出成形された構成部材を離型する際に射出成形型から抜き出される。これにより、好適には、簡単にガス通過開口を絞り要素に加工することができる。特に、ガス通過開口の事後的な機械的な加工を好適には省くことができる。
【００１２】
さらに、燃料電池チューブと流入ランスとを組み合わせ、一緒に焼結することにより相互に結合するかつ／または相互に封止する、ことが提案される。特に、燃料電池チューブおよび流入ランスは、射出成形プロセスにより成形される。流入ランスおよび燃料電池チューブは、組み合わされ、その際、流入ランスは、燃料電池チューブ内に導入される。特に、流入ランスは、焼結中に、燃料電池チューブよりも小さな収縮度を有する。好適には、流入ランスを成形するための射出成形材料は、燃料電池チューブを成形するための射出成形材料よりも僅かな固形分を有する。これにより、流入ランスと燃料電池チューブとの間の好適には安定したかつガス密な結合を達成することができる。
【００１３】
本発明に係る燃料電池装置は、本明細書では、上述の使用例および態様に限定されるべきではない。特に、本発明に係る燃料電池装置は、本明細書中に記述された機能性を充足するために、本明細書中に挙げられた数のとは異なる数の要素、構成部材およびユニットを有してもよい。
【００１４】
別の利点は、以下の図面に関する説明から明らかである。図面には、本発明の３つの実施の態様が示されている。図面、明細書および特許請求の範囲には、多数の特徴の組合せが含まれている。当業者は、これらの特徴を便宜的に個別に考察し、有意義な別の組合せにまとめる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】燃料電池チューブと流入ランスと組込み式の絞り要素とを備える燃料電池装置の断面図を示す。
【図２】図１に示された絞り要素の詳細図を示す。
【図３】図１に示された燃料電池装置の燃料電池チューブ内に設けられた排ガス出口チャネルの詳細図を示す。
【図４】燃料電池チューブと流入ランスと組込み式の絞り要素とを備える択一的な燃料電池装置の断面図を示す。
【図５】図４に示された流入ランスの斜視図を示す。
【図６】択一的な流入ランスの斜視図を示す。
【００１６】
実施の態様の説明
図１は、燃料電池チューブ１２ａと流入ランス１４ａとを備える燃料電池装置１０ａの断面図を示している。流入ランス１４ａは、燃料電池チューブ１２ａの内側に配置されている。流入ランス１４ａは、燃料ガス、特に水素を燃料電池チューブ１２ａ内へ導くために設けられている。燃料電池装置１０ａは、組込み式の絞り要素１６ａを備え、絞り要素１６ａは、ガス案内値を大幅に低減するために設けられている。絞り要素１６ａは、流入ランス１４ａと一体的に構成されている。絞り要素１６ａは、流入ランス１４ａの脚部領域２０ａに配置されている。図２は、絞り要素１６ａの一部の拡大詳細図を示している。
【００１７】
さらに、流入ランス１４ａは、排ガス捕集チャネル２２ａを有する。排ガス捕集チャネル２２ａは、絞り要素１６ａを介して、流体技術的に燃料電池チューブ１２ａの内室２４ａと接続されている。絞り要素１６ａは、排ガス捕集チャネル２２ａの、燃料電池チューブ１２ａの内室２４ａへ向いた側の壁部を形成する。絞り要素１６ａは、流入ランス１４ａのフランジ要素３０ａとして構成されており、フランジ要素３０ａは、複数のガス通過開口３２ａを有する。ガス通過開口３２ａは、円錐状に形成されており、ガス通過開口３２ａは、流れ方向に拡開している。
【００１８】
燃料電池チューブ１２ａは、排ガス出口チャネル１８ａを有する（図３参照）。絞り要素１６ａは、流れ技術的に排ガス出口チャネル１８ａの上流側に接続されている。排ガス出口チャネル１８ａは、流体技術的に排ガス捕集チャネル２２ａと接続されている。排ガス捕集チャネル２２ａは、排ガス出口チャネル１８ａの領域に、サイフォン３４ａを有し、サイフォン３４ａに、排ガス出口チャネル１８ａが通じている。
【００１９】
組込み式の絞り要素１６ａは、燃料電池装置１０ａの製造中に形成される。燃料電池チューブ１２ａおよび流入ランス１４ａは、セラミック射出成形法を用いて成形される。射出成形プロセスによる絞り要素１６ａの製作時に、ガス通過開口３２ａの数に対応する数のピンが、流入ランス１４ａの射出成形型に装入される。流入ランス１４ａの離型時に、ピンが抜き出され、これにより、ガス通過開口３２ａが絞り要素１６ａに形成される。別の方法ステップで、燃料電池チューブ１２ａと流入ランス１４ａとが組み合わされて、一緒に焼結される。焼結中に流入ランス１４ａと燃料電池チューブ１２ａとは収縮し、このとき、接触するまで接近し合う。収縮度の大きさは、主にＣＩＭ用コンパウンドの固形分により決定され、固形物量の変化により適合させることができる。特に好適には、流入ランス１４ａは、燃料電池チューブ１２ａよりも小さな収縮度を有するので、燃料電池チューブ１２ａは、流入ランス１４ａに被さるように収縮し、形状に精確な嵌め合いを形成することができる。適切な固形分は、たとえば燃料電池チューブコンパウンドにおいて５４体積パーセントのフォルステライトであり、流入ランスコンパウンドにおいて５６体積パーセントのフォルステライトである。焼結後に、流入ランス１４ａと燃料電池チューブ１２ａとは、互いに着脱不能に結合されていて、相互に封止されている。追加的に、封止材料の使用も考えられる。排ガス捕集チャネル２２ａの外側の壁部３６ａに設けられた、ピンにより生じる孔３８ａは、最終的にたとえばガラス化プロセスにより閉鎖され、封止される。
【００２０】
図４〜図６には、本発明の別の２つの実施の態様が示されている。以下の説明および図面の記載は、主にこれらの実施の態様の間の相違点に限定されており、同一の名称の構成部材、特に同一の符号を有する構成部材については、原則として、特に図１〜図３の別の実施の態様の図面の記載および／または説明を参照することができる。実施の態様を区別するために、図１〜図３における実施の態様の符号の後ろにａの文字が付けられている。図４〜図６の実施の態様では、文字ａが文字ｂおよびｃに変更されている。
【００２１】
図４は、燃料電池チューブ１２ｂと流入ランス１４ｂとを備える択一的な燃料電池装置１０ｂの断面図を示している。流入ランス１４ｂは、燃料電池チューブ１２ｂの内側に配置されている。流入ランス１４ｂは、燃料ガスを燃料電池チューブ１２ｂ内へ導くために設けられている。燃料電池装置１０ｂは、組込み式の絞り要素１６ｂを備え、絞り要素１６ｂは、ガス案内値を大幅に低減するために設けられている。絞り要素１６ｂは、流入ランス１４ｂと一体的に構成されている。絞り要素１６ｂは、流入ランス１４ｂの脚部領域２０ｂに配置されている。図５は、絞り要素１６ｂを有する流入ランス１４ｂを斜視図で示している。絞り要素１６ｂは、流入ランス１４ｂのランプ状のフランジ要素２６ｂとして構成されている。
【００２２】
燃料電池チューブ１２ｂは、排ガス出口チャネル１８ｂを有する。絞り要素１６ｂは、流れ技術的に排ガス出口チャネル１８ｂの上流側に接続されている。絞り要素１６ｂは、燃料電池チューブ１２ｂに設けられた排ガス出口チャネル１８ｂの横断面を低減するために設けられている。
【００２３】
組込み式の絞り要素１６ｂは、燃料電池装置１０ｂの製造中に形成される。燃料電池チューブ１２ｂおよび流入ランス１４ｂは、セラミック射出成形法を用いて成形される。別の方法ステップで、燃料電池チューブ１２ｂと流入ランス１４ｂとが組み合わされて、一緒に焼結される。流入ランス１４ｂと燃料電池チューブ１２ｂとが組み合わされるとき、排ガス出口チャネル１８ｂに対して相対的な絞り要素１６ｂの配向により、絞り作用を調整することができる。焼結中に流入ランス１４ｂと燃料電池チューブ１２ｂとは収縮し、このとき、接触するまで接近し合う。収縮度の大きさは、主にＣＩＭコンパウンドの固形分により決定され、固形物量の変化により適合させることができる。特に好適には、流入ランス１４ｂは、燃料電池チューブ１２ｂよりも小さな収縮度を有するので、燃料電池チューブ１２ｂは、流入ランス１４ｂに被さるように収縮し、形状に精確な嵌め合いを形成することができる。適切な固形分は、たとえば燃料電池チューブコンパウンドにおいて５４体積パーセントのフォルステライトであり、流入ランスコンパウンドにおいて５６体積パーセントのフォルステライトである。焼結後に、流入ランス１４ｂと燃料電池チューブ１２ｂとは、互いに着脱不能に結合されていて、相互に封止されている。
【００２４】
図６は、絞り要素１６ｃの択一的な構成を有する流入ランス１４ｃを示している。絞り要素１６ｖは、流入ランス１４ｃのねじ状のフランジ要素２８ｃとして構成されている。この絞り要素１６ｃでも、流入ランス１４ｃと燃料電池チューブ１２ｃとが組み合わされるとき、燃料電池チューブ１２ｃの排ガス出口チャネル１８ｃに対して相対的な絞り要素１６ｃの配向により、絞り作用を調整することができる。
【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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【国際調査報告】
2018520470.tif 000009
2018520470.tif 000010
2018520470.tif 000011
2018520470.tif 000012
2018520470.tif 000013
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