(57)【要約】【課題】燃料セルの効率を向上させること及び／又は燃料セルを均等に経年劣化させることを可能にする燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールを動作させる方法とを提供すること。【解決手段】本発明は、セル・スタック内に配置される複数の燃料セルを有する燃料電池モジュールであって、燃料セルには、動作及び冷却のための空気が空気分配スペースを介して空気供給システムによって供給される燃料電池モジュールに関する。本発明によれば、空気供給システム３５は、セル・スタック１３の軸方向１２において燃料セル１１を不均等に冷却するように設計されること、また空気供給システム３５は、セル・スタック１３の完全に径方向外側に配置されることが提案される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セル・スタック（１３）内に配置される複数の燃料セル（１１）と、
前記燃料セル（１１）を動作させるため又は冷却するために空気分配スペース（３１）内へ空気を供給する空気供給システム（３５）と
を有する燃料電池モジュールであって、
前記燃料セル（１１）は軸方向（１２）に積層され、また
前記空気供給システム（３５）は、前記軸方向（１２）に強さが一様でない前記燃料セル（１１）に供給される空気によって冷却が行われるように設計される
燃料電池モジュールにおいて、
前記空気供給システム（３５）は前記セル・スタック（１３）の完全に径方向外側に配置されることを特徴とする、燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記セル・スタック（１３）は前記軸方向（１２）に軸方向総延在範囲ｓ＿ｔｏｔａｌを有し、また前記空気供給システム（３５）は、前記セル・スタック（１３）の前記軸方向総延在範囲ｓ＿ｔｏｔａｌより小さい前記軸方向（１２）の軸方向延在範囲ｓ＿ｐａｒｔを有する供給領域（３４）内の前記空気分配スペース（３１）内にのみ空気が供給されるように設計されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記供給領域（３４）の前記軸方向延在範囲ｓ＿ｐａｒｔは、最大で前記セル・スタック（１３）の前記軸方向総延在範囲ｓ＿ｔｏｔａｌの８０％、詳細には７０％、特に５０％であることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池モジュール
【請求項４】
前記空気分配スペース（３１）は、軸方向延在範囲ｓ＿ｒｅｓｔ１を有し且つ空気が供給されない第１の残り領域（３６）を有し、また前記第１の残り領域（３６）は、前記セル・スタック（１３）の第１の端部（１６）のところに配置されることを特徴とする、請求項２又は３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記空気分配スペース（３１）は、軸方向延在範囲ｓ＿ｒｅｓｔ２を有し且つ空気が供給されない第２の残り領域（３７）を有し、また前記第２の残り領域（３７）は、前記第１の端部（１６）の反対側に位置する前記セル・スタック（１３）の第２の端部（１７）のところに配置されることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記第１の残り領域（３６）及び前記第２の残り領域（３７）は、異なる軸方向延在範囲ｓ＿ｒｅｓｔ１、ｓ＿ｒｅｓｔ２を有することを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池モジュール。
【請求項７】
前記燃料セル（１１）は、インタコネクタ（４１）とＰＥＮ要素（４２、４３）とを有し、また空気を貫流させるために前記インタコネクタ（４１）と前記ＰＥＮ要素（４２、４３）との間に複数の空気インタコネクタ通路（４０）が形成され、また前記複数の空気インタコネクタ通路（４０）の複数の入口（４４）の合計断面積が、前記燃料スタック（１３）のすべての燃料セル（１１）で同一ではないことを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項８】
前記空気供給システム（３５）は、前記セル・スタック（１３）と熱交換する構成要素上に直接空気が導かれるように、詳細には、前記燃料セル（１１）の排ガスを消散させるための排ガス通路（２５）上に直接空気が導かれるように設計されることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項９】
前記燃料セル（１１）は、前記軸方向（１２）に対して横方向に円形外側輪郭（２４）を有し、また４つの排ガス通路（２５）が前記外側輪郭（２４）のところに配置されることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１０】
前記セル・スタック（１３）は、前記供給領域（３４）に複数の通路開口部（２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、２９ｅ）を有する絶縁スリーブ（２８）内に配置されることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１１】
前記供給領域（３４）の１つの軸方向位置において、最大で１つの通路開口部（２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、２９ｅ）が各排ガス通路（２５）に関連付けられることを特徴とする、請求項９及び１０に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１２】
供給スペース（３０）を有する供給要素（３２）が前記絶縁スリーブ（２８）のところに配置され、それにより前記複数の通路開口部（２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、２９ｅ）が前記供給スペース（３０）に接続され、また前記供給要素（３２）は、前記セル・スタック（１３）の前記軸方向総延在範囲ｓ＿ｔｏｔａｌより小さい軸方向延在範囲ｓ＿ｖｅｒを有することを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１３】
前記絶縁スリーブ（２８）は円形外側輪郭を有し、また前記供給要素（３２）は前記絶縁スリーブ（２８）の周りでリング形状に配置されることを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１４】
前記供給要素（３２）は空気接続スタブ（３３）を１つのみ有することを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１５】
燃料電池モジュールを動作させる方法であって、前記燃料電池モジュールが、
セル・スタック（１３）内に配置される複数の燃料セル（１１）と、
前記燃料セル（１１）を動作させるため又は冷却するために空気分配スペース（３１）内へ空気を供給する空気供給システム（３５）と
を有し、
前記燃料セル（１１）は軸方向（１２）に積層され、また
前記燃料セル（１１）は前記軸方向（１２）において異なる量で冷却される
方法において、
前記空気供給システム（３５）は前記セル・スタック（１３）の完全に径方向外側に配置されることを特徴とする、燃料電池モジュールを動作させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分による燃料電池モジュール、及び請求項１５の前提部分による燃料電池モジュールを動作させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料セルは、エネルギー変換による燃料のエネルギーの利用を可能にする。この点に関連して、電気化学プロセスに基づいて生成される電気エネルギーと、高温の排ガスという形で生じる熱エネルギーとの両方が利用され得る。この目的のために、２つの反応物のガスの流動がセルを通して別々に伝達される。環境空気すなわち空気そのものという形の第１の反応物は酸化性成分を含み、第２の反応物は還元成分を含む。メタンを含む燃焼ガス（例えば、天然ガス）は、具体的には、第２の反応物として使用され、セルへの流入の前に改質器を通して伝達され、そこで水素及び一酸化炭素からなる還元成分、いわゆるプロセスガスに変換される。以降第２の反応物について、燃焼ガス又は天然ガスと称し、これは還元成分を有する他の適したガスであることもあると理解されたい。
【０００３】
各燃料セルは２つの部分を有し、つまり、いわゆるＰＥＮ要素（ＰＥＮ  ｅｌｅｍｅｎｔ）（ＰＥＮと略称する）と、プレート形状のインタコネクタ（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｏｒ）とを有する。少なくとも３つの層、すなわちＰ（カソード＝陽極）、Ｅ（電解質）及びＮ（アノード）を有するＰＥＮ要素は電気化学的に活性の要素であり、この電気化学的に活性の要素を用いて電気化学反応が行われ得る（７００℃〜９００℃）。この電気学的に活性の要素は、例えば円形の、薄いプレートの形態を有し、これは、層状固体電解質と、被覆加工によって加えられるＰ及びＮの２つの電極とを有する。
【０００４】
インタコネクタが、複数の燃料セルのセル・スタックを用いてプロセスガスから空気を分離させる。この目的のため、インタコネクタが、いわゆる空気側にある、媒体を伝達するための空気インタコネクタ通路と、いわゆるガス側にあるプロセスガス・インタコネクタ通路とを有する。
【０００５】
供給される空気は反応の反応物（ｒｅａｃｔｉｏｎ  ｒｅａｃｔａｎｔ）として機能するだけでなく、むしろ、とりわけ燃料セルを冷却するように、すなわち、燃料セルから熱を離す方向に誘導するように機能する。
【０００６】
燃料電池モジュール（ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ  ｍｏｄｕｌｅ）は、通常、いわゆるセル・スタック中に配置される複数の燃料セル（ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌｓ）を有する。この場合、個別の燃料セルは軸方向に積層され、共通して天然ガス及び空気を供給される。このような燃料電池モジュール、及び、このような燃料電池モジュールを動作させる方法が、例えば欧州特許第１８６４３４７Ｂ１号で説明されている。
【０００７】
同様に、欧州特許第０５８０９１８Ａ１号もこのような燃料電池モジュールを説明している。この点に関して、空気はセル・スタックに対してその全体の高さにわたって／軸方向に均等に供給され、その結果、個別の燃料セルを均等に冷却することが達成される。
【０００８】
出願人の研究により、セル・スタックの軸方向の温度分布が、燃料電池モジュールの効率と、個別の燃料セルの均等な経年劣化（ａｇｉｎｇ）との両方に影響することが分かっている。
【０００９】
欧州特許第２７７５５５７Ａ１号は、外側に配置される燃料セルに比べてセル・スタックの中心に配置される燃料セルがより冷却される燃料電池モジュールを説明している。これは、個別の燃料セルに分配される前に空気が最初にセル・スタックを通して伝達され、したがって空気分配スペース（ａｉｒ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｓｐａｃｅ）に到達する前の段階でセル・スタックの中心に配置される燃料セルを既に冷却するように接触（ｃｏｏｌｉｎｇ  ｃｏｎｔａｃｔ）していることにより達成される。このように、これらの燃料セルは、供給されるすべての空気により常に冷却される一方で、このプロセスでは空気が加熱されることから、外側に配置される燃料セルに供給され得るのは予加熱された空気のみとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】欧州特許第１８６４３４７Ｂ１号
【特許文献２】欧州特許第０５８０９１８Ａ１号
【特許文献３】欧州特許第２７７５５５７Ａ１号
【発明の概要】
【００１１】
したがって、詳細には、本発明の目的は、燃料セルの効率を向上させること及び／又は燃料セルを均等に経年劣化させることを可能にする燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールを動作させる方法とを提供することである。この目的は、本発明に従って、請求項１の特徴を有する燃料電池モジュールと、請求項１５の特徴を含む燃料電池モジュールを動作させる方法とによって達成される。
【００１２】
燃料電池モジュールは、セル・スタック内に配置される燃料セルを有し、これらの燃料セルには動作又は冷却のための空気が空気供給システムにより空気分配スペースを介して供給される。具体的には、空気は、冷却のために機能することに加えて、燃料セル内で電気化学プロセスを行うため及びそれにより燃料セルを動作させるための酸素を供給する。この点に関して、このプロセスで生じる空気流れは１次空気流れと称されてよい。燃料セルは軸方向に積層される。空気供給システムは、供給される空気によって、強さが均等ではない冷却が軸方向に生じるように設計される。
【００１３】
本発明によれば、燃料供給システムはセル・スタックの完全に径方向外側に配置される。こうすることにより、空気分配スペースに入る前の段階で空気を燃料セルに依然として冷却するように接触させないようにし、空気分配スペースから離れた後でのみ燃料セルに冷却するように接触させることが達成される。したがって、有利には、冷気つまり依然として燃料セルによって加熱されていない空気をセル・スタックのすべての燃料セルまで誘導することが可能となる。これにより、個別の燃料セルの冷却を非常に正確に直接的に測定することが可能となり、したがって、セル・スタック内での温度分布を特に均等にすることが可能となる。
【００１４】
これに関連して、「ラジアル（ｒａｄｉａｌ）」つまり径方向とは、特定の軸方向に対して垂直であると理解されるべきである。「外側」に配置するとは、個別の燃料セルの径方向における表面領域の中心を通って延在する軸方向の軸に関連する。プレート状の燃料セルの場合には、所定の軸がその中心を通って延在し、長方形又は正方向の燃料セルの場合にはそれらの対角線の交点を通って延在する。
【００１５】
供給される空気により個別の燃料セルを冷却することの必要度は、セル・スタック内でのそれらの軸方向における位置に決定的に依存する。具体的な違いは、燃料セルに機械的に接触するように配置されるか又は見かけ上で接触する（ｖｉｓｕａｌ  ｃｏｎｔａｃｔ）ように配置される他の構成要素への、輻射、対流及び熱伝導による熱放散の差を原因とする。例えば、これらの所定の効果を原因とする熱放散は、セル・スタックの中心に配置される燃料セルよりもセル・スタックの端部に配置される燃料セルの方が大きい。したがって、個別の燃料セルを冷却することの必要度も異なってくる。この点に関して、供給される空気によって冷却することは能動的冷却とみなされ得、輻射、対流及び熱伝導による熱損失は受動的冷却とみなされ得る。
【００１６】
このような能動的冷却の必要度の違いは冷却レベルを軸方向において変化させることによって考慮に入れることができ、セル・スタック内での、セルの軸方向における温度差を非常に小さくすることができる。燃料セルは例えば８００℃〜８５０℃などの特定の温度範囲でそれらの最適な効率及び最適な経年劣化挙動（ａｇｉｎｇ  ｂｅｈａｖｉｏｒ）を有する。燃料電池モジュールの個別の要素は温度差が小さいことで互いに適合することができ、その結果、セル・スタックのすべての燃料セルが最適な温度範囲で動作するようになる。各燃料セルが、したがってさらには燃料電池モジュール全体が非常に高い効率を有するようになり、非常に良好な経年劣化挙動を有するようになる。加えて、この場合、すべての燃料セル及びそれらに接続される構成要素はそれらの温度がほぼ等しいことを理由としてほぼ同じ量だけ膨張することから、個別の構成要素の熱膨張の差により生じるひずみも非常にわずかな程度のみとなる。
【００１７】
燃料セルは、具体的には、ＳＯＦＣタイプ（「固体酸化物形燃料セル（ＳＯＦＣ：ｓｏｌｉｄ  ｏｘｉｄｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）」）の高温型燃料セルとして設計される。具体的には、セル・スタックへの供給前にフィルタリングもされ得る環境空気が当該空気として使用される。燃料電池モジュールの動作状態では、軸方向は通常は地面に対して垂直となるように位置合わせされる。以降で「上」及び「下」と言うとき、これは、動作状態における燃料電池モジュールの説明した向きに関係する。
【００１８】
本発明の一実施例では、冷却レベルの差は次のようにして得られる。すなわち、空気供給システムは、セル・スタックが軸方向において軸方向総延在範囲（ｔｏｔａｌ  ａｘｉａｌ  ｅｘｔｅｎｔ）ｓ＿ｔｏｔａｌを有し、軸方向においてセル・スタックの軸方向総延在範囲ｓ＿ｔｏｔａｌより小さい軸方向延在範囲（ａｘｉａｌ  ｅｘｔｅｎｔ）ｓ＿ｐａｒｔを有する供給領域内の空気分配スペース内にのみ空気を供給させるように設計される。このようにして、軸方向の温度分布、さらにはそれにより燃料セルの効率及び経年劣化に、能動的に影響を与えることができる。この場合、供給される空気は、具体的には、軸方向において供給領域のやはり外側に配置されるすべての燃料セルに空気が供給されるように、空気分配システム内で軸方向に分配される。このようして空気分配スペース内で空気が分配され、これは２次空気流れと称されてよい。この点に関して、空気供給システムは、具体的には、供給領域全体で軸方向における燃料セルの冷却レベルを等しくするか又は少なくとも等しいレベルであるとみなすことができるように設計される。
【００１９】
しかし、軸方向総延在範囲にわたって空気分配スペースに対して１次空気流れとして空気を供給することも可能であり、また、例えば異なる直径を有する空気用通路開口部などといった異なる構造の通路開口により軸方向における冷却レベルを変化させることも可能である。このように、セル・スタックの端部には、セル・スタックの中心の通路開口部より小さい直径を有する通路開口部が設けられてよい。
【００２０】
また、軸方向においてセル・スタックの軸方向総延在範囲ｓ＿ｔｏｔａｌより小さい軸方向延在範囲ｓ＿ｐａｒｔを有する供給領域のみに空気を供給するように、また加えて、供給領域内の通路開口部を軸方向において変化させるように、つまり、例えば通路開口部の直径を変化させるように、空気供給システムを設計することも可能である。
【００２１】
加えて、軸方向に対して横向きの方向においても通路開口部が異なっていてもよい。
【００２２】
本発明の一実施例では、供給領域の軸方向延在範囲ｓ＿ｐａｒｔは、セル・スタックの軸方向総延在範囲ｓ＿ｔｏｔａｌの最大で８０％、具体的には最大で７０％、特には最大で５０％に達する。
【００２３】
本発明の一実施例では、空気分配スペースが軸方向延在範囲ｓ＿ｒｅｓｔ１を有する空気を供給されない第１の残り領域を有し、この第１の残り領域がセル・スタックの第１の端部のところに配置される。この点に関して、セル・スタックの第１の端部はセル・スタックの頂部又は底部のいずれに配置されてもよい。このようにして、セル・スタックの上側端部又は下側端部の残り領域において、１次空気流れでの冷却のための空気をセル・スタックまで伝達させないようにすることができる。しかし、空気分配スペースは、上述したように、電気化学反応のために必要な空気をそれでもすべての燃料セルに到達させるように、つまり残り領域内に配置される燃料セルにも到達させるように設計される。このように空気分配スペース内で空気を分配することは、空気が空気供給システムから離れた後で行われる。
【００２４】
セル・スタックのより内側に配置される領域と比較して、セル・スタックの一方の端部のところでは具体的には輻射、対流及び熱伝導を介してより多くの熱が導出されることを理由として、セル・スタックの軸方向における温度分布を特に均等することができる。セル・スタックの端部においても、より内側に配置される領域と同程度に冷却が行われてしまうと、より内側に配置される燃料セルと比較して、端部のところに配置される燃料セルの温度が大幅に低くなってしまう。このようにして、セル・スタック内での、セルの軸方向における温度差を非常に小さくすることができる。
【００２５】
本発明の一実施例では、空気分配スペースが、軸方向延在範囲ｓ＿ｒｅｓｔ２を有する空気を供給されない第２の残り領域を有する。この点に関して、第２の残り領域は、第１の端部の反対側に位置するセル・スタックの第２の端部のところに配置される。このようにして、セル・スタックの上側端部又は下側端部の残り領域において、１次空気流れでの冷却のための空気をセル・スタックまで伝達させないようにすることができる。このようにして、セル・スタックの両端部において輻射、対流及び熱伝導が強まることを考慮に入れることができ、セル・スタックの軸方向における温度差を非常に小さくすることが可能となる。
【００２６】
セル・スタックの両端部の、第１及び第２の残り領域が異なる軸方向延在範囲ｓ＿ｒｅｓｔ１、ｓ＿ｒｅｓｔ２を有することが特に有利である。軸方向延在範囲が異なることで、セル・スタックの両端部での能動的冷却の必要度の違いを考慮に入れることができる。能動的冷却の必要度の違いは、例えば、両端部での絶縁性の構成が異なること又は隣接する構成要素が異なることが原因である可能性がある。
【００２７】
存在する場合、第１の残り領域及び第２の残り領域は、具体的には、セル・スタックの軸方向総延在範囲ｓ＿ｔｏｔａｌの少なくとも１０％、より具体的には少なくとも１５％、特には少なくとも２５％に達する軸方向延在範囲ｓ＿ｒｅｓｔ１、ｓ＿ｒｅｓｔ２を有する。
【００２８】
本発明の一実施例では、燃料セルが、インタコネクタと、ＰＥＮ要素とを有する。空気を貫流させるための空気インタコネクタ通路が、インタコネクタとＰＥＮ要素との間に形成される。空気が、入口上を流れて空気インタコネクタ通路に入る。入口のところの空気インタコネクタ通路の合計断面積（ｔｏｔａｌ  ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎａｌ  ｓｕｒｆａｃｅ）は、セル・スタックのすべての燃料セルで等しいというわけではない。この所定の合計断面積が大きいほど、空気分配スペースから空気インタコネクタ通路へとより多くの空気が流れ、貫流する空気により燃料セルがより強く能動的に冷却される。合計断面積は、具体的には、能動的冷却の必要度が低い領域と比較して能動的冷却の必要度が高い領域において大きくなるように選択されてよい。したがって、合計断面積は、中央領域と比較してセル・スタックの両端部の領域で特に小さくなる。このようにして、供給される空気による冷却レベルを変化させることができる。さらに、これは、説明した空気の供給を軸方向において限定される供給領域のみにおいて行う場合、又は軸方向総延在範囲に跨る供給領域においても行う場合でも可能である。
【００２９】
それぞれの合計断面積は、具体的には、軸方向に異なる高さの空気インタコネクタ通路によって形成され得る。空気インタコネクタ通路の高さは例えば０．７ｍｍから２．０ｍｍの間に達してよい。
【００３０】
プロセスガス・インタコネクタ通路の合計断面積を変化させることも可能である。
【００３１】
本発明の一実施例では、空気供給システムは、セル・スタックと熱交換する構成要素上まで空気を直接に伝達するように、具体的には、燃料セルの排ガスを消散させるための排ガス通路上まで直接に空気を伝達するように設計される。所定の構成要素、具体的には排ガス通路は、セル・スタックのところに配置される。この所定の構成要素は追加的に別の機能を果たしてもよく、又は、やはり燃料セルを冷却することのみのために存在してもよい。この場合、より内側に配置される燃料セルは、所定の熱交換を介して、具体的には放射熱交換を介して冷却される。これにより特に効果的に冷却を行うことが可能になることが研究により分かっている。これに関連して、「構成要素上まで直接に、より具体的には排ガス通路上まで直接に空気を伝達させる」とは具体的には、構成要素上まで、具体的には排ガス通路上まで伝達させる前に空気を予加熱することなく、可能な限り低い温度で、構成要素上まで、具体的には排ガス通路上まで空気を伝達させることとして理解すべきである。これにより、単純な形で空気を誘導することが可能となり、さらにそれにより空気供給システムを単純にすること、したがって低コストにすることが可能となる。
【００３２】
燃料セルは、具体的には、軸方向に関して横方向に円形外側輪郭を有し、ここには、４つの排ガス通路が配置され、具体的には正確に４つの排ガス通路が配置される。これらの４つの排ガス通路は具体的には燃料セルの外周部の周りに均等に分布される。こうすることにより、燃料電池モジュールのデザインをコンパクトにすることができ、また、軸方向に関して横方向における温度の展開（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ）を均等にすることができる。空気は、排ガス通路に衝突した後、外側に、及び排ガス通路に沿う軸方向に対して主として横方向に流れ、次いで排ガス通路の間に供給されて電気化学反応のために燃料セルに到達する。
【００３３】
本発明の一実施例では、セル・スタックが、供給領域内に通路開口部を有する絶縁スリーブ内に配置される。燃料セルは動作中に具体的には７５０℃を超える温度を有することから、環境に対する絶縁体が絶対的に必要となり、したがって絶縁スリーブが絶対的に必要となる。この絶縁スリーブは具体的にはセラミック材料から製造され、このセラミック材料の中に単純且つ低コストな手法で通路開口部が導入され得る。したがって、この説明するデザインにより空気供給システムを低コストにすることが可能となる。通路開口部は具体的にはすべてが同じ直径を有する。しかし、直径は軸方向において及び／又は軸方向に関して横方向において、異なっていてもよい。したがって、セル・スタックの特定の位置がより強く又はより弱く冷却され得る。
【００３４】
本発明の一実施例では、最大で１つの通路開口部が供給領域の１つの軸方向位置においてそれぞれの排ガス通路に関連付けられる。したがって、絶縁スリーブは通路開口部を有さないか、又は、具体的には、各軸方向位置において最大で排ガス通路の数と等しい数の通路開口部を有する。したがって、必要となる通路開口部は具体的には少数であり、それにより絶縁スリーブを低コストにすることが可能となる。
【００３５】
本発明の一実施例では、供給スペースを有する供給要素が絶縁スリーブのところに配置され、その結果、通路開口部が供給スペースに接続される。供給要素は軸方向延在範囲ｓ＿ｖｅｒを有し、これはセル・スタックの軸方向総延在範囲ｓ＿ｔｏｔａｌより小さい。したがって、供給要素のために必要な材料の量（ｍａｔｅｒｉａｌ  ｅｆｆｏｒｔ）が低減され、それにより供給要素を低コストにすることが可能となる。
【００３６】
絶縁スリーブは具体的には円形外側輪郭を有し、供給要素が絶縁スリーブの周りでリング形態として配置される。これにより、燃料電池モジュールのデザインを単純且つ低コストにすることが可能となり、さらには、構成をコンパクトにすることが可能となる。
【００３７】
供給要素は、具体的には、空気接続スタブ（ａｉｒ  ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ  ｓｔｕｂ）を１つのみ有する。これにより、燃料電池モジュールのデザインを特に単純且つ低コストにすることが可能となる。
【００３８】
上記の所定の目的はまた、燃料電池モジュールを動作させる方法によって達成され、ここでは、燃料電池モジュールが、セル・スタック中に配置される燃料セルと、燃料セルを冷却することを目的として空気を供給するための空気供給システムとを有し、燃料セルが軸方向に積層され、燃料セルが軸方向において不均等なレベルで冷却される。本発明によれば、燃料供給システムがセル・スタックの完全に径方向外側に配置される。こうすることにより、具体的には、空気が径方向外側から空気分配スペースへと供給されて次いで燃料セルに到達する。
【００３９】
以下の実施例の説明を参照することにより、また同じ要素又は同じ機能を有する要素には同一の参照符号を付している図面を参照することにより、本発明の別の利点、特徴及び詳細が理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】燃料電池モジュールを示す長手方向断面図である。
【図２】燃料電池モジュールを示す断面図である。
【図３】非常に単純化してセル・スタックの細部を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図１によれば、燃料電池モジュール１０が、軸方向１２において互いの上に積層されてそれによりセル・スタック１３を形成する複数の燃料セル１１を有する。個別の燃料セル１１が円形断面（図２を参照）を有するプレート形状の基本形状を有し、したがって軸方向１２に対して横方向にすなわち垂直な方向に円形外部輪郭を有し、その結果、セル・スタック１３が円筒形の基本形状を有するようになる。軸方向１２を指す矢印がプレート状燃料セル１１の中心を通って延在する。しかし、燃料セルは、楕円形、長方形又は正方形などの、別の断面を有してもよい。
【００４２】
燃料セル１１が軸方向１２の中心に内側開口部１４を有し（図２を参照）、その結果、円筒形分配チャネル１５がセル・スタック１３内に形成され、プロセスガスが、この分配チャネルから、燃料セル１１で行われる電気化学反応のために各燃料セル１１まで供給され得る。プロセスガスは例えば外側からといったように別の手法で供給されてもよい。
【００４３】
セル・スタック１３は上方では上側アキュムレータ１６によって終端する。上側アキュムレータ１６は燃料セル１１と等しい基本形状を有するが、内側開口部を有さない。上側アキュムレータ１６は、セル・スタック１３によって生じる電圧のアノードを形成する。上側アキュムレータ１６は図示されない電気接続部（ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）を有し、この電気接続部を介して電気接点が実装され得る。
【００４４】
セル・スタック１３は、下方では、セル・スタック１３によって生じる電圧のカソードを形成する下側アキュムレータ１７によって終端する。下側アキュムレータ１７は、同様に、燃料セル１１と等しい基本形状を有し、円形内側開口部１８を有する。下側アキュムレータ１７は中空円筒形シース１９に対して溶接され、中空円筒形シース１９がガス供給ライン２０に接続され、ガス接続部２１がガス供給ライン２０のところに配置される。ここでは、天然ガスが、ガス接続部２１と、ガス供給ライン２０と、シース１９と、下側アキュムレータ１７の内側開口部１８とを介して、燃焼ガスとしてセル・スタック１３の分配チャネル１５に対して供給され得る。改質器２２がシース１９内に配置され、その中で、供給される天然ガス中に存在するメタンガスが、分配チャネル１５内へと供給される前に、水素及び一酸化炭素に変換され、つまり、いわゆるプロセスガスに変換される。アキュムレータ１７、シース１９、ガス供給ライン２０及びガス接続部２１は鋼の形態の導電性材料から形成され、それにより、ガス接続部２１はアキュムレータ１７に導電的に接続されるようになっている。より詳細には図示されない電気接続部２３がガス接続部２１のところに配置され、下側アキュムレータ１７に対する電気接続が電気接続部２３を介して確立され得る。
【００４５】
燃料セル１１内で行われる電気化学反応に必要な空気が、空気分配スペース３１を介して外側からセル・スタック１３へと供給される。図２を参照しながらこれを説明する。４つの等しい排ガス通路２５が、セル・スタック１３の、したがって燃料セル１１の、円形外部輪郭２４のところに、均等に分布されるように配置される。隙間２６が排ガス通路２５の間に形成され、これらの隙間２６を介して空気が燃料セル１１へと供給され得る。燃料セル１１は、隙間２６から分配チャネル１５の方向に延在する空気誘導要素２７を有する。空気誘導要素２７を用いて空気インタコネクタ通路４０が形成される（図３を参照）。このようにして、空気は、隙間２６から始まって、空気誘導要素２７を介して分配通路１５の方向に流れることができ、さらに、そこから再び外側へと流れることができ、ここでは、水素との電気化学反応及び一酸化炭素との電気化学反応を行うことが可能である。電気化学反応の排ガス及び依然として未反応の（ｎｏｎ−ｒｅａｃｔｅｄ）成分が排ガス通路２５内へと移動し、ここではさらに、未反応の水素及び未反応の一酸化炭素の酸化であるいわゆる再燃焼が行われる。より詳細には示されないが、排ガスが排ガス通路２５を介して導出される。
【００４６】
中空円筒形絶縁スリーブ２８がセル・スタック１３の周りに配置される。絶縁スリーブ２８はセラミック材料から形成され、外側から内側へと延びる通路開口部２９ａを有し、図２の断面平面では４つの通路開口部２９ａが配置されている。空気が、通路開口部２９ａを介して、外側に形成される供給スペース３０から、セル・スタック１３と絶縁スリーブ２８との間に形成される空気分配スペース３１の中へと、供給され得る。この点に関して、通路開口部２９ａは、排ガス通路２５上まで空気を直接に伝達させるように構成される。空気分配スペースに対して空気を供給することは、いわゆる１次空気流れにおいて行われる。この場合、空気は主として排ガス通路２５に沿う周方向に流れて上述の隙間２６に到達し、このようにして、説明したように分配通路１５の方向に流れるようになる。このようにして、供給される空気が排ガス通路２５を冷却し、それにより次いで放射熱交換を介してセル・スタック１３を冷却する。また、空気は部分的に軸方向にも流れ、通路開口部を直接には配置していない軸方向位置のところにおいても燃料セル１１に到達する。燃料セル１１内へと流れるときの圧力損失が比較的大きいことから、空気が分配スペース３１の軸方向で分配され、その結果、すべての燃料セル１１に対して等しく空気が供給されるようになる。この点に関して、空気分配スペース３１内に空気が分配されることを２次空気流れと称する。
【００４７】
供給スペース３０は外側において供給要素３２によって境界を画定される。供給要素３２は絶縁スリーブ２８の周りに円形形態で配置される。空気は空気接続スタブ３３のみを介して供給スペース３０へと供給される。この点に関して、これは、動作及び冷却に必要となる空気である。空気接続スタブ３３を介して多量の空気が供給され、それにより供給スペース３０内は実質上一定圧力となる。
【００４８】
図１に示されるように、供給要素３２は軸方向１２に軸方向延在範囲ｓ＿ｖｅｒを有し、これはセル・スタック１３の軸方向総延在範囲ｓ＿ｔｏｔａｌより小さい。この点に関して、セル・スタック１３の軸方向総延在範囲ｓ＿ｔｏｔａｌは、下側アキュムレータ１７の上側と上側アキュムレータ１６の下側との間の軸方向１２における間隔として理解される。
【００４９】
空気は、セル・スタック１３の軸方向総延在範囲ｓ＿ｔｏｔａｌより小さくさらには供給要素３２の軸方向延在範囲ｓ＿ｖｅｒより小さい軸方向１２における軸方向延在範囲ｓ＿ｐａｒｔを有する供給領域３４内の空気分配スペース３１のみに対して供給される。この目的のため、絶縁スリーブ２８が個別の４つの通路開口部２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、２９ｅを有し、これらは、供給領域３４の軸方向延在範囲ｓ＿ｐａｒｔにわたって軸方向１２に分布され、図２に示される通路開口部２９ａと同じ形で配置される。したがって、通路開口部２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、２９ｅは軸方向１２に対して垂直な合計で５つの高さのところに配置される。これにより、さらに、通路開口部２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、２９ｅのうちの正確に１つが供給領域３４の１つの軸方向位置のところにある各排ガス通路２５に関連付けられるようになる。この点に関して、供給領域３４の軸方向延在範囲ｓ＿ｐａｒｔは、最も下の通路開口部２９ｅの下側縁部と最も上の通路開口部２９ａの上側縁部との間の軸方向１２における間隔として理解される。
【００５０】
このようにして、供給要素３２と、通路開口部２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、２９ｅと、空気分配スペース３１とが、空気供給システム３５を形成する。したがって、空気供給システム３５はセル・スタック１３の完全に径方向外側に配置される。供給領域３４の上述した設計ため、セル・スタック１３の、したがって燃料セルの一様でない冷却が軸方向１２に結果として生じる。
【００５１】
通路開口部２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、２９ｅはすべて等しい直径を有する。しかし、通路開口部２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、２９ｅが、異なる平面で又はさらには同一平面で、異なる直径を有することも可能である。
【００５２】
図１に示される燃料電池モジュール１０では、供給領域３４の軸方向延在範囲ｓ＿ｐａｒｔがセル・スタック１３の軸方向総延在範囲ｓ＿ｔｏｔａｌの約５５％に達する。しかし、供給領域３４の軸方向延在範囲ｓ＿ｐａｒｔは、セル・スタック１３の軸方向総延在範囲ｓ＿ｔｏｔａｌの最大８０％、具体的には最大７０％又は最大５０％に達してもよい。
【００５３】
供給領域３４は、軸方向延在範囲ｓ＿ｒｅｓｔ１を有し且つ空気を供給されない第１の残り領域３６を、セル・スタック１３の第１の端部を形成する上側アキュムレータ１６の領域に形成するように、軸方向１２に配置される。軸方向延在範囲ｓ＿ｒｅｓｔ１はセル・スタック１３の軸方向総延在範囲ｓ＿ｔｏｔａｌの約２０％に達する。
【００５４】
加えて、供給領域３４は、軸方向延在範囲ｓ＿ｒｅｓｔ２を有し且つ空気を供給されない第２の残り領域３７を、セル・スタック１３の第２の端部を形成する下側アキュムレータ１７の領域に形成するように、軸方向１２に配置される。軸方向延在範囲ｓ＿ｒｅｓｔ２はセル・スタック１３の軸方向総延在範囲ｓ＿ｔｏｔａｌの約２６％に達し、したがって、第１の残り領域の軸方向延在範囲ｓ＿ｒｅｓｔ１より大きい。しかし、ｓ＿ｒｅｓｔ１をｓ＿ｒｅｓｔ２より大きくすることも可能である。
【００５５】
第１の残り領域３６及び第２の残り領域３７は軸方向延在範囲ｓ＿ｒｅｓｔ１、ｓ＿ｒｅｓｔ２を有し、これらは、具体的には、セル・スタック１３の軸方向総延在範囲ｓ＿ｔｏｔａｌの少なくとも１０％、具体的には少なくとも１５％、特には少なくとも２５％に達する。
【００５６】
セル・スタック１３の詳細の側面図が図３の側面図内に示される。インタコネクタ４１が軸方向１２において２つのＰＥＮ要素４２、４３の間に配置される。インタコネクタ４１は、同様に、プレート状の基本形状を有し、その下側に２つの空気誘導要素２７を有し、これらの空気誘導要素は断面が長方形であり、軸方向１２の横方向において互いに隣り合うように配置される。それにより、下方に隣接するＰＥＮモジュール４３と共に、空気インタコネクタ通路４０が空気誘導要素２７の両側にそれぞれ形成され、これは、空気誘導要素２７の軸方向延在範囲の結果として高さｈを軸方向に有する。供給される空気が入口４４上を流れて空気インタコネクタ通路４０に入る。この点に関して、インタコネクタ４１、具体的には、個別の燃料セル１１の空気インタコネクタ通路４０の高さは常に同じであってよく、又は異なっていてもよい。セル・スタックのすべての燃料セル１１のインタコネクタ４１が同じ場合、セル・スタック１３のすべての燃料セル１１の空気インタコネクタ通路４０の合計断面積も等しくなる。インタコネクタ４１の高さｈが特に異なる場合、セル・スタック１３のすべての燃料セル１１の空気インタコネクタ通路４０の合計断面積が等しくなるわけではない。
【符号の説明】
【００５７】
１０  燃料電池モジュール
１１  燃料セル
１２  軸方向
１３  セル・スタック
１４  内側開口部
１５  分配チャネル
１６  上側アキュムレータ
１７  下側アキュムレータ
１８  内側開口部
１９  シース
２０  ガス供給ライン
２１  ガス接続部
２２  改質器
２３  電気接続部
２４  外側輪郭／外部輪郭
２５  排ガス通路
２６  隙間
２７  空気誘導要素
２８  絶縁スリーブ
２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、２９ｅ  通路開口部
３０  供給スペース
３１  空気分配スペース
３２  供給要素
３３  空気接続スタブ
３４  供給領域
３５  空気供給システム
３６  第１の残り領域
３７  第２の残り領域
【図１】
2016119298.tif 000003
【図２】
2016119298.tif 000004
【図３】
2016119298.tif 000005