エネルギー変換器、特に燃料電池スタックまたは電解槽
本発明は、化学的エネルギーを電気的エネルギーに、および／または電気的エネルギーを化学的エネルギーに変換するための装置（１）であって、少なくとも１つの面（６）に向かって開いたハウジング（２、３、３ａ）を備え、ハウジング（２、３、３ａ）内に圧力チャンバ（４）が形成され、装置（１）がさらに、エネルギー変換用の少なくとも１つの電気化学的に活性のセル（５）を備え、セル（５）が、ハウジング（２、３、３ａ）の開いた面（６）からハウジング（２、３、３ａ）内に延在し、開いた面（６）が、プレート（７、３１）によって閉じられ、プレート（７、３１）が、セル（５）を保持する、および／またはセル（５）に電力を供給する装置（１）に関する。封止要素（８、９）が、ハウジング（２、３、３ａ）とプレート（７、３１）の間に配置され、ハウジング（２、３、３ａ）の開いた面（６）を液密および／または気密で閉じて圧力チャンバ（４）を形成し、少なくとも部分的に弾性材料から形成される。圧力チャンバ（４）内に延在する少なくとも１つのポケット（１０）が、封止要素（８、９）に形成され、セル（５）が、前記ポケット（１０）内に位置決めされ、前記ポケット（１０）のポケット壁（２８）が、弾性材料により可撓性であり、したがって、圧力チャンバ（４）内に過圧がかかった場合に、ポケット壁（２８）がセル（５）に当接する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学的エネルギーを電気的エネルギーに、または電気的エネルギーを化学的エネルギーに変換するための装置であって、少なくとも１つの開いた面を有するハウジングを備え、ハウジング内に圧力チャンバが形成され、装置がさらに、エネルギーを発生するための少なくとも１つの電気化学的に活性のセルを備え、セルが、ハウジングの開いた面からハウジング内に延在し、開いた面が、プレートによって閉じられ、プレートが、セルを保持する、および／またはセルに電力を供給する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
そのような装置は、燃料電池アセンブリまたは電解槽セルアセンブリ（接合体）として知られている。この場合、活性セルは、化学的エネルギーを電気的エネルギーに変換する燃料電池（燃料セル）、または電気的エネルギーを化学的エネルギーに変換する電解槽セルである。互いに横並びの複数のプレート形セルからなる構成は、スタック、特に燃料電池スタックまたは電解槽スタックと呼ばれる。
【０００３】
燃料電池アセンブリの場合、燃料および酸化剤がセルに継続的に供給される。２つの材料の反応中、電子の流れ、したがって電気的エネルギーが生成される。従来の個々の燃料電池は、約１．２Ｖの低い電圧を生成するが、これとは対照的に、活性反応面積１ｃｍ２当たり最大約３ａｍｐの比較的高い電流密度を生成し、ここで、この面積情報（Flaechenangabe）は燃料電池における活性領域のサイズに関係する。例えば高分子電解質膜（ＰＥＭ）およびその両側に位置する極板を備える現代の膜燃料電池では、これらの活性面積を１００ｃｍ２よりも大きくすることができるので、そのような個々の燃料電池は、約１．２Ｖの直流電圧で３００アンペア以上の電流を供給することができる。得られる電流は、ｃｍ２単位での活性面積と、最大電流密度との積として計算される。
【０００４】
多くの技術的な用途では、１．２Ｖの直流電圧では低すぎるので、従来の燃料電池アセンブリでは、複数のセルを直列接続して、それによりセルの電圧を足し合わせることが非常によくある。電気的な直列接続に加えて、供給構造の直列接続を行うこともでき、それにより、セルへの燃料および酸化剤の供給は、上流のセルからの燃料および酸化剤の放出と同時に行われる。そのような実施形態では、特にコンパクトな燃料電池を製造することができる。あるいは、供給構造の並列接続を採用することもできる。
【０００５】
通常、従来の燃料電池は、実質的に長方形の底面領域を有する扁平な平坦形状を有し、したがって、個々のセルを互いに平行に横並びに、または上下に積層することができる。これにより、平行六面体の全体の構造が得られ、その寸法はセルの数および面積に応じて決まる。積層内の個々のセルは互いに固定接続される。故障時に個々のセルをそのような堅固な結合から取り外すために、電気接続部、燃料および酸化剤の供給ラインおよび放出ライン、ならびに反応ラインの放出ラインを取り外さなければならない。さらに、燃料電池スタック全体を解体しなければならず、すなわち圧力プレートおよびバイポーラプレートを解体しなければならない。この過程で、良好なセルの損傷のない膜まで破壊されることがよくある。したがって、そのようなスタックから個々の燃料電池を取り外すには、かなりの技術的な労力をかけなければならず、時間もかかる。
【０００６】
対照的に、個々の燃料電池がモジュールとして燃料電池ハウジング内に着脱可能に挿入されるモジュール式の燃料電池スタックも知られている。各燃料電池が、閉じたユニットを形成する。
【０００７】
燃料電池の機能に関して、極板が、高分子電解質膜、または膜と極板の間に設けられた気体拡散層に圧力を及ぼす必要がある。実質的に、この圧力は、燃料電池内での反応によって生成される電子がカソードに達するように、極板と気体拡散層の間の所要の電気的な接触をもたらす。
【０００８】
様々な可能な圧力印加法が知られている。例えば、圧力印加は、極板をクラウニングすることによって行うことができ、極板は凹形湾曲を有するように形成される。燃料電池の組立て中、電気的に絶縁された状態で極板の縁部が互いに接続され、それにより縁部が一緒に引っ張られる。これは、極板のクラウニングおよび所望の接触圧力をもたらす。あるいは、クランプ、特に外部から燃料電池に配置されたばね鋼クランプによって接触圧力を生成することができる。さらに、圧接は液圧式に行うこともできる。これに関し、極板は、高い可撓性を有するように非常に薄い。このとき、外部から極板に及ぼされた圧力は、極板の対応する変形を生じ、圧力は気体拡散層に伝達される。これに関し、燃料電池のハウジングは圧力チャンバを形成し、圧力チャンバ内に、液体または気体、すなわち一般には加圧された媒体が含まれる。燃料電池は液体中に位置決めされ、したがって、大気圧を超える圧力が圧力チャンバ内で生成されるとき、液体が圧力を極板に伝達する。これが、液圧によるセルに対する圧接力となる。
【０００９】
そのような燃料電池アセンブリで故障した燃料セルを交換することになった場合、セルを解体する必要がある。圧力チャンバ内の過圧を低下させなければならず、媒体を完全に抜き出さなければならない。そうすることで初めて、故障した燃料電池を交換することができる。そのため、モジュール式システムの故障したセルの交換も労力および時間がかかり、したがって結局、燃料電池の修理にはより高いコストが伴う。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、上述した欠点を克服し、修理費が削減されるように、故障したセルを簡単にかつ迅速に交換することができるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的は、請求項１に記載の特徴によって実現される。有利な改良形態は、従属請求項に記載されている。
【００１２】
化学的エネルギーを電気的エネルギーに、または電気的エネルギーを化学的エネルギーに変換するための装置であって、少なくとも１つの開いた面を有するハウジングを備え、ハウジング内に圧力チャンバが形成され、装置がさらに、エネルギーを発生するための少なくとも１つの電気化学的に活性のセルを備え、セルが、ハウジングの開いた面からハウジング内に延在し、開いた面が、プレートによって閉じられ、プレートが、セルを保持する、および／またはセルに電力を供給する装置であって、ハウジングとプレートの間の閉止要素（封止要素）が、ハウジングの開いた面を液密で閉じて圧力チャンバを形成し、少なくとも部分的に弾性材料から形成され、閉止要素が、少なくとも１つのポケットを有し、ポケットが、圧力チャンバ内に延在し、ポケット内にセルが位置決めされ、ポケットのポケット壁が、弾性材料により可撓性であり、したがって、圧力チャンバ内に過圧がかかった場合に、ポケット壁がセルに当接する装置が提案される。
【００１３】
本発明の基本的な着想は、化学的エネルギーを電気的エネルギーに、または電気的エネルギーを化学的エネルギーに変換するための装置、すなわち燃料電池または電解槽セルにおいて、ハウジングの内部を閉じることによって加圧することができるチャンバを形成することであり、上記内部は、燃料電池または電解槽セルを受け入れるための少なくとも１つのポケットを有する手段によって閉じられ、上記手段は、少なくともポケットの領域内で可撓性であり、ポケットはチャンバ内に延在する。これは、圧力チャンバ内で過圧を生成した後、ポケット壁が、ポケット内に挿入されたセルを押圧し、それによりセルの極板に圧力を及ぼすことを意味する。したがって、セルは、いわば皮膜の形態での保護層によって取り囲まれ、すなわち、ハウジング内部をセルから液密にかつ圧力封止して分離する手段のポケット壁によって取り囲まれ、それによりその手段が閉止要素を形成する。装置のハウジングと閉止要素とが一体となって、閉じたチャンバを形成し、チャンバ内で過圧を生成することができる。チャンバには流体を充填することができ、流体は、チャンバ内の過圧をポケットの外面に伝達し、ポケットの内面をセルの極板に押圧する。これにより、液圧または空気圧によるセルに対する圧迫力が得られる。
【００１４】
技術的な故障によりセルを交換する必要がある場合、チャンバ内の圧力を減少させるだけでよい。流体の排出は必要ない。減圧した後、セルを閉止要素のポケットから取り外すことができ、特に交換することができる。このため、従来の燃料電池または電解槽ユニットでのセルの交換に比べて最小限の時間しかかからない。
【００１５】
閉止要素は、その縁部で、少なくとも部分的にハウジングの上縁部に保定することができ、特に少なくとも１つの固定具によって固定することができる。これに関し、閉止要素は、その縁部で、ハウジングの開いた面に向かって面する側壁の上縁部に位置し、その位置で、接着、溶接、または別の方法で固定することができる。例えば、上縁部にねじ接続によって取り付けることができ、上縁部に閉止要素を押圧する固定具としてのフレームによって固定することができる。このようにして、ハウジングは、閉止要素によって液密に、特にまた圧力封止して閉じられ、ハウジング壁と閉止要素の間に圧力チャンバが形成される。
【００１６】
特に、本発明による装置は、複数の活性セルを備えることができ、これらのセルごとにポケットが閉止要素に形成される。このようにして、簡単にかつ迅速にセルを交換することができる燃料電池スタックまたは電解槽セルスタックを製造することができる。
【００１７】
平坦なセルの場合、ポケットを互いに平行に形成することができ、ハウジング内でセルのスタック形状の構成が得られる。
【００１８】
本発明による装置の有利な改良形態では、ハウジングは、少なくとも１つのポケットを有するそれぞれの閉止要素によってそれぞれ閉じられた２つの向かい合う開いた面を有することができる。この場合、ポケットはそれぞれ、開いた面の一方から圧力チャンバ内に延在する。向かい合う閉止要素のポケットは、互いに平行に横並びに提供することができる。このようにして、装置は、積層方向で、すなわち互いに横並びに配置されたセルの方向でかなり短縮することができる。
【００１９】
特に、複数のセル、特に多数のセルを有する燃料電池アセンブリおよび電解槽セルアセンブリの場合、セルは、ハウジングの２つの開いた面に分散させることができ、それにより、セルのいくつかは、一方の開いた面からハウジング内に延在し、セルの残りは、他方の開いた面からハウジング内に延在し、またはセルを取り囲むポケットが圧力チャンバ内に延在する。したがって、挿入方向でハウジングの中心平面に対してユニットの対称構造を実現することができる。ここで、閉止要素のポケットを、それぞれ向かい合う閉止要素のポケットに対して、２つの隣接するポケットの間隔の半分だけずらすことが有利であり、それにより、一方の閉止要素の２つのポケットの間の圧力側空間内に他方の閉止要素のポケットが配置され、他方の圧力要素の２つのポケットの間の圧力側空間に一方の圧力要素のポケットが配置される。これは、燃料電池または電解槽セルアセンブリに関して特にコンパクトな構成をもたらす。
【００２０】
第１の実施形態では、閉止要素は、力を加えることによって変形することができる実質的に寸法的に安定な成形部品から形成することができる。この成形部品は、例えば、射出成形法を使用することによってシリコーンまたはポリウレタンから形成することができる。この成形部品を使用するとき、閉止要素の形状を安定させるための追加の補助手段は必要なく、したがって本発明による装置を迅速にかつ簡単に組み立てることができる。
【００２１】
好ましくは、ポケットの内側形状は、ポケット内に挿入すべきセルの外側形状に適合させることができる。さらに、ポケットの内側寸法は、ポケット内に挿入すべきセルの外側寸法に適合させることができる。したがって、ポケット内へのセルの挿入、またはそれに対応して減圧状態でのポケットからのセルの取外しは、大きな力を加えずに行うことができる。さらに、形状を互いに適合させることで、ポケット壁とセルの間にエアギャップがなくなるので、圧力チャンバ内の過圧がセルに効果的に伝達されることが保証される。
【００２２】
代替実施形態では、閉止要素をテキスタイルシート（布地）として構成することができ、このテキスタイルシートは、ハウジングの開いた面に向かって開く２つの向かい合うハウジング側壁の長手方向切欠き内にループ状に位置決めされる。このとき、セルを受け入れるためのポケットが形成される。ポケットがハウジングの側壁に垂直になるように、向かい合う切欠きを互いに位置合わせすべきであり、すなわち互いに正面に向かい合うようにすべきである。
【００２３】
テキスタイルシートは、非常に高い可撓性および弾性を有するように、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの間、好ましくは１ｍｍの厚さを有することができ、大気圧を超える圧力が圧力チャンバに印加されるときに、全面でセルの極板に接するように位置させることができる。
【００２４】
テキスタイルシートは、補助手段なしでは安定な形状を維持しないので、突起部分によって切欠き内に摩擦係合により（互いの形状同士の係合によらず）固定することができ、突起部分は、形状および寸法に関して長手方向切欠きに対応する。突起部分は、切欠きの内側面にテキスタイルシートを押圧し、それにより圧力チャンバは、テキスタイルシートによって液密に、かつ圧力封止して閉じられる。
【００２５】
したがって、２つ以上のセルを有する装置においてこの構成形態を使用するために、２つ以上の向かい合う切欠きをハウジングの側壁に提供することができる。このとき、テキスタイルシートは、それぞれの突起部分によって、これらの各切欠き内に固定することができる。好ましくは、同じ側壁の切欠き内の突起部分は全て１つのバーで担持することができる。したがって、側壁にある切欠き内でのテキスタイルシートの張設は、単一の接合ステップによって全ての切欠きで同時に行われる。これは、装置の組立てをかなり単純化し、時間を短縮する。突起部分とバーは一体形成することができる。
【００２６】
複数のセルを有する装置の一実施形態では、２つの隣接するセルの互いに位置合わせされた極板を、機械的に剛性のブリッジによって互いに接続することができる。全ての隣接するセルでこれが行われる場合、これによりセルの直列接続が得られ、したがって、セルによって供給される電圧が足し合わされ、またはセルの直列接続に印加される電圧がセルにわたって実質的に均一に分散される。ここで、ブリッジは、一方のセルのアノードを他方のセルのカソードに接続する。
【００２７】
好ましくは、ブリッジを極板と一体形成することができる。すなわち、ブリッジを、極板と共に同一の材料から同じプロセスステップで形成することができる。あるいは、ブリッジは２枚の層板の一部でよく、各層板は、ポケット内に延在し、２つの隣接するセルのそれぞれの極板に当接する。鋼板または銅板、あるいはまた銅被覆鋼板を使用することによって製造を行うことができ、２枚の極板または２枚の層板とブリッジが一緒にシートから押し抜きされ、および／または１つのダイで同時に成形され、その後、曲げプロセスを使用して、極板／層板が最終的に互いに平行に向かい合わせに提供されるように極板または層板の形成が行われる。ここで、一方の極板が他方の極板／層板に対して１８０°屈曲される。電気ブリッジは実質的にＵ字形でよい。好ましくは、ブリッジは、極板の全長にわたっては延在しない。ブリッジは、極板の長さのわずか約２０〜５０％でよく、ブリッジに接続された極板が挿入された状態では、個別のセルに出入りする供給ラインを電気ブリッジの右および／または左に提供することができるようにブリッジを中央に提供することができる。
【００２８】
さらに、ポケットの底部にスペーサを提供することが有利である。そのようなスペーサは、圧力チャンバ内に過圧がかかっている状態で、テキスタイルシートがセルの極板に当接するときに、極板の鋭利な縁部によってテキスタイルシートが損傷されるのを防止する。このようにして、テキスタイルシートによって形成されるポケットの内面は、極板の縁部から離されている。
【００２９】
スペーサの有利な改良形態では、スペーサは、セルの極板の縁部または層板の縁部を受け入れるための２つの長手方向溝を有する細長い成形部品として形成することができる。ここで、成形部品は、ポケットの全長にわたって延在することができ、それにより、ポケットの底部の各場所で、ポケット底部と極板の縁部との間に隙間が保たれる。さらに、スペーサは、ゴム弾性材料から形成することができる。スペーサに極板または層板を挿入することで、ポケットの寸法的な安定性が得られる。
【００３０】
以下、本発明のさらなる特徴および利点を、２つの具体的な実施形態および添付図面を参照して例示する。同一の参照番号は、同一または少なくとも機能的に同一の部分を示す。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】閉止要素として成形部品を備える第１の実施形態による燃料電池の分解図である。
【図２】組み立てられた状態での、積層方向で中心平面に沿った図１による燃料電池の断面図である。
【図３】成形部品の側面図である。
【図４】図２による燃料電池の断面図である。
【図５】閉止要素としてテキスタイルシートを備える第２の実施形態による燃料電池の分解図である。
【図６】図５による燃料電池の前面図である。
【図７】組み立てられた状態での、積層方向で中心平面に沿った図５による燃料電池の断面図である。
【図８】組み立てられた状態での図５による燃料電池の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１は、底部プレート（底板）２と４面の側壁３を備えるハウジングを有する本発明の第１の実施形態による燃料電池アセンブリ１を示す。したがって、ハウジングは、５面の閉じた面と、１面の開いた面６とを有する。この開いた面６は、寸法的に安定な成形部品または閉止要素８によって液密に、かつ圧力封止して閉じられる。成形部品８は外縁部カラー１５を有し、カラー１５は、側壁３の上縁部１４の上に被さり、特に固定具（図示せず）によって上縁部１４に押圧され、それにより、側壁３および底部と成形部品８とを有するハウジングが閉じたチャンバ４を形成する（図２参照）。
【００３３】
成形部品８は、チャンバ４内に、すなわちハウジングの底部２に向かう方向に延在する５個のポケットを有する。これらのポケット１０はそれぞれ、形状および内側寸法に関して燃料電池５と相補的であり、燃料電池５は、燃料電池アセンブリ１が組み立てられた状態では、ポケット１０のそれぞれ１つに挿入される。燃料電池５は、扁平であり、狭い端面にキャップ２４を有し、キャップ２４は、燃料電池の残りの部分よりも幅が広い。動作流体用の供給接続部２５と、集電器２３とが、キャップ２４から、プレート３１の対応する穴を通って外に延在する。このようにして、プレート３１が燃料電池５を所定の位置に保持する。
【００３４】
図２は、組み立てられたときの燃料電池アセンブリ１を示す。ここでは、成形部品８は、ハウジング２、３とプレート３１との間に設けられ、プレート３１は、成形部品８の外縁部１５を側壁３の上縁部１４に押圧する。そのようにして、チャンバ４は、底部２と、側壁３と、成形部品８とによって閉じられる。成形部品８に形成されたポケット１０は、チャンバ４内に延在する。各ポケット１０は、それぞれの燃料電池５を保持する。セルの供給接続部２５は、プレートの孔２９を通って延在する。集電器２３は、プレートの穴３０を通って延在し、それぞれのセル５の供給接続部２５と一列に位置合わせされている。
【００３５】
図３は、本発明による閉止要素８を拡大して示す。それぞれ実質的に扁平形状の５個の個別のポケット１０が閉止要素８に成形され、等間隔で配置され、互いに平行に、縁部カラーを形成する平坦領域から離れるように延在する。各ポケット１０は、それぞれの燃料電池５を受け取ることができるチャンバ３２と、それぞれの燃料電池を取り囲み、燃料電池を燃料電池アセンブリ１の残りの部分から隔離する壁２８とを形成する。ポケットチャンバは破線で示されている。さらに、各ポケット１０は、幅の広い第１のポケット区域１１と、狭い下側ポケット区域１２と、ポケット底部１３とを有する。上側ポケット区域１１は、それぞれのセルのキャップ２４を受け入れ、下側ポケット区域１２は、それぞれのセル５の活性部分を受け入れる。
【００３６】
図４は、燃料電池５を横切る図２による燃料電池アセンブリ１の平面図である。燃料電池５は、それぞれ２枚の極板１９を有し、極板１９は、それぞれのセルのアノードおよびカソードを形成する。極板１９の各対の間に、それぞれの高分子電解質膜（ＰＥＭ）２７がある。さらに、膜２７と極板１９の間に気体拡散層（図示せず）を設けることができる。動作流体、すなわち燃料および酸化剤を供給するチャネルが、膜２７と極板１９の間に形成される。極板１９は集電器２３に移行し、集電器２３は、プレート３１の穴３０を通って延在する。
【００３７】
図１〜図４による実施形態における成形部品８は、弾性変形可能であり、シリコーンまたはポリウレタンから一部片で形成される。成形部品の寸法安定性が保証されるように、ポケット壁２８の壁厚さ、および平坦領域の厚さ、特に縁部領域１５の厚さは、１〜４ミリメートルの間である。ポケット１０の形状が成形部品８をさらに補強する。
【００３８】
図５〜図８は、本発明の第２の実施形態を示す。この燃料電池アセンブリ１は、ハウジングを封止する閉止要素が、寸法的に不安定な可撓性のテキスタイルシート９によって形成されるという点で、図１のものとは異なる。テキスタイルシート９は、燃料電池５と、ハウジング３に燃料電池５を固定するための重畳部（Ueberstand；突出部）との幅にほぼ対応する幅を有する。テキスタイルシート９の長さは燃料電池の数に応じて決まり、長さＬを有するｎ個のセルの場合には、２×Ｌ×ｎよりも大きい。したがって、約１０ｃｍの長さを有する５個のセルのためのテキスタイルシートの長さは、約１．２ｍとなることがある。
【００３９】
ハウジングの２つの向かい合う側壁３ａは切欠き１６を有し、切欠き１６は、ハウジングの開いた面６に向かって開いている。側壁３ａにある切欠き１６は、互いに正面に向かい合っている。テキスタイルシート９は、ループ状に切欠き１６に嵌められる。側壁３、３ａの上縁部１４から延び出して、テキスタイルシートは、まず、切欠きの１つの内側面に沿って、切欠きの下端部に向かって下方向に延び、そこから、下縁部に沿って反対側の内側面にさらに進み、次いで切欠きの口部まで上方向に戻る。そこで、テキスタイルシート９は切欠き１６から出て、側壁３ａの上縁部を通して送られ、隣接する切欠き１６内に進む。このようにして、テキスタイルシートは、全ての切欠き１６を通って蛇行してループ状に供給される。
【００４０】
テキスタイルシート９は、突起部分１７によって切欠き１６内に保持される。突起部分１７は、長さおよび幅に関して切欠き１６の内側寸法に対応し、したがってテキスタイルシート９は、突起部分１７と切欠き１６の内縁部との間に押し込まれる。突起部分１７はバー１８で担持され、バー１８と一体形成される。したがって、バー１８は櫛形を有する。各バー１８は、それぞれの突起部分１７の端部を越えて延在し、突起部分１７を挿入した状態では、両端の切欠き１６を越え出たテキスタイルシート９を側壁３ａの上縁部１４にしっかりと押圧する。
【００４１】
２つの向かい合う切欠き１６の内側面に沿ってテキスタイルシート９を敷設し、切欠き１６内に突起部分を挿入することによって適切に固定することによって、テキスタイルシートは、ハウジングの側壁３ａから反対側の側壁３ａまでわたって広げられ、それによりそれぞれポケット１０を形成する。
【００４２】
また図５による実施形態では、５個のポケットが存在し、各ポケットがそれぞれの燃料電池５を受け入れる。前述した実施形態と同様に、燃料電池５はそれぞれ２つの隣接する極板１９を有し、極板１９の間に、膜２７がそれぞれのキャップ２４からそれぞれのポケット１０内に延在する。キャップ２４は、その狭い面に供給接続部２５を有し、供給接続部２５は、供給プレート７にプラグ接続することができ、またはプラグ接続されている。膜２７、ひいてはセル５自体が、供給プレート７によって保持され、供給プレート２７から動作流体を供給される。このために、供給プレート７は、入口開口と出口開口を有する経路構造を備えることができ、それらの開口を通して、全てのセル５が燃料供給され、または全ての反応生成物が排出される。そのような供給プレート７はバックプレーンとも呼ばれる。
【００４３】
１つの集電器２３が、各極板１９から供給プレート７に向かって延在し、外端部の燃料電池５の極板１９は、それらの端部で９０°湾曲された電気端子２３を有する。さらに、残りの各極板１９は、それぞれの機械的ブリッジ２０を介して、隣接するセル５の極板に電気的に接続され、１つのセルのアノードが、隣接するセル５のカソードに接続される。したがって、セル５は直列接続される。互いに接続される極板１９と、それらを接続するブリッジ２０は一部片で形成される。ブリッジ２０はＵ字形であり、その幅はセル５の約３分の１にすぎない。各ブリッジ２０の左右に供給ライン（図示せず）を提供することができるように、セル５の横方向で、ブリッジ２０はそれぞれ極板１９に対して中心を合わされる。
【００４４】
図６は、スロットを設けられたハウジング側壁３ａの分解前面図で図５による構成を示す。
【００４５】
図７は、図５および図６による燃料電池アセンブリ１を組み立てられた状態で示す。テキスタイルシート９が、供給プレート７とハウジングの側壁３、３ａとの間に提供され、ハウジングの開いた面６を閉じ、それにより圧力チャンバ４が形成される。図７は、強調して拡大した詳細図Ａも示す。この詳細図Ａは、ポケット１０の底部領域を示し、スペーサ２２がポケット１０の底部２１に取り付けられている。スペーサ２２は、２つの長手方向溝を有する細長い成形部品によって形成される。スペーサ２２は、下に向かって丸められており、極板１９の縁部をテキスタイルシート９から離し、したがって、テキスタイルシート９が極板１９をどの側面から押しても極板１９の縁部がテキスタイルシート９に損傷を及ぼすことはない。
【００４６】
図８は、図５および図６による燃料電池を、完全に組み立てられた状態で示す。底部プレート、側壁３、３ａ、および供給プレート７によって形成される平行六面体ハウジングから、電気接続部２３が突出する。
【００４７】
図１〜図８による燃料電池１の動作中、チャンバ４は液体で満たされる。液体は圧縮可能でないので、大気圧を超える圧力がチャンバ４に印加されるとき、液体はこの圧力をポケット１０に伝達する。したがって、ポケット１０に対して外部から圧力が及ぼされ、その結果、ポケット１０の内面が極板１９に押圧され、極板１９がさらに膜２７に押圧されるか、または膜２７と極板１９の間の気体拡散プレートに押圧される。
【００４８】
故障によりセル５を交換しなければならない場合、チャンバ４の圧力を減少させるだけでよい。減圧した後、故障しているセル５を、それぞれのポケット１０から容易にかつ迅速に取り外すことができ、新たなセル５と交換することができる。このようにして、時間ひいてはコストを節約することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１ 装置、燃料電池
２ 底部プレート
３ 側壁
３ａ 切欠きのある側壁
４ 圧力チャンバ
５ 活性セル、燃料電池
６ ハウジングの開いた面
７ バックプレーン、供給プレート
８ 閉止要素、成形部品
９ 閉止要素、テキスタイルシート
１０ ポケット
１１ 上側ポケット区域
１２ 下側ポケット区域
１３ ポケット底部
１４ 側壁の上縁部
１５ 閉止要素の縁部領域
１６ 切欠き
１７ 突起部分
１８ バー
１９ 極板
２０ ブリッジ
２１ ポケットの底部
２２ スペーサ、ゴム成形部品
２３ 電流接続部
２４ キャップ
２５ 供給接続部
２６ 動作流体および反応物用の経路
２７ 膜
２８ ポケット壁
２９ 孔
３０ 穴
３１ プレート
３２ チャンバ
３３ 供給接続部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学的エネルギーを電気的エネルギーに、または電気的エネルギーを化学的エネルギーに変換するための装置であって、少なくとも１つの開いた面を有するハウジングを備え、ハウジング内に圧力チャンバが形成され、装置がさらに、エネルギーを発生するための少なくとも１つの電気化学的に活性のセルを備え、セルが、ハウジングの開いた面からハウジング内に延在し、開いた面が、プレートによって閉じられ、プレートが、セルを保持する、および／またはセルに電力を供給する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
そのような装置は、燃料電池アセンブリまたは電解槽セルアセンブリ（接合体）として知られている。この場合、活性セルは、化学的エネルギーを電気的エネルギーに変換する燃料電池（燃料セル）、または電気的エネルギーを化学的エネルギーに変換する電解槽セルである。互いに横並びの複数のプレート形セルからなる構成は、スタック、特に燃料電池スタックまたは電解槽スタックと呼ばれる。
【０００３】
燃料電池アセンブリの場合、燃料および酸化剤がセルに継続的に供給される。２つの材料の反応中、電子の流れ、したがって電気的エネルギーが生成される。従来の個々の燃料電池は、約１．２Ｖの低い電圧を生成するが、これとは対照的に、活性反応面積１ｃｍ２当たり最大約３ａｍｐの比較的高い電流密度を生成し、ここで、この面積情報（Flaechenangabe）は燃料電池における活性領域のサイズに関係する。例えば高分子電解質膜（ＰＥＭ）およびその両側に位置する極板を備える現代の膜燃料電池では、これらの活性面積を１００ｃｍ２よりも大きくすることができるので、そのような個々の燃料電池は、約１．２Ｖの直流電圧で３００アンペア以上の電流を供給することができる。得られる電流は、ｃｍ２単位での活性面積と、最大電流密度との積として計算される。
【０００４】
多くの技術的な用途では、１．２Ｖの直流電圧では低すぎるので、従来の燃料電池アセンブリでは、複数のセルを直列接続して、それによりセルの電圧を足し合わせることが非常によくある。電気的な直列接続に加えて、供給構造の直列接続を行うこともでき、それにより、セルへの燃料および酸化剤の供給は、上流のセルからの燃料および酸化剤の放出と同時に行われる。そのような実施形態では、特にコンパクトな燃料電池を製造することができる。あるいは、供給構造の並列接続を採用することもできる。
【０００５】
通常、従来の燃料電池は、実質的に長方形の底面領域を有する扁平な平坦形状を有し、したがって、個々のセルを互いに平行に横並びに、または上下に積層することができる。これにより、平行六面体の全体の構造が得られ、その寸法はセルの数および面積に応じて決まる。積層内の個々のセルは互いに固定接続される。故障時に個々のセルをそのような堅固な結合から取り外すために、電気接続部、燃料および酸化剤の供給ラインおよび放出ライン、ならびに反応ラインの放出ラインを取り外さなければならない。さらに、燃料電池スタック全体を解体しなければならず、すなわち圧力プレートおよびバイポーラプレートを解体しなければならない。この過程で、良好なセルの損傷のない膜まで破壊されることがよくある。したがって、そのようなスタックから個々の燃料電池を取り外すには、かなりの技術的な労力をかけなければならず、時間もかかる。
【０００６】
対照的に、個々の燃料電池がモジュールとして燃料電池ハウジング内に着脱可能に挿入されるモジュール式の燃料電池スタックも知られている。各燃料電池が、閉じたユニットを形成する。
【０００７】
燃料電池の機能に関して、極板が、高分子電解質膜、または膜と極板の間に設けられた気体拡散層に圧力を及ぼす必要がある。実質的に、この圧力は、燃料電池内での反応によって生成される電子がカソードに達するように、極板と気体拡散層の間の所要の電気的な接触をもたらす。
【０００８】
様々な可能な圧力印加法が知られている。例えば、圧力印加は、極板をクラウニングすることによって行うことができ、極板は凹形湾曲を有するように形成される。燃料電池の組立て中、電気的に絶縁された状態で極板の縁部が互いに接続され、それにより縁部が一緒に引っ張られる。これは、極板のクラウニングおよび所望の接触圧力をもたらす。あるいは、クランプ、特に外部から燃料電池に配置されたばね鋼クランプによって接触圧力を生成することができる。さらに、圧接は液圧式に行うこともできる。これに関し、極板は、高い可撓性を有するように非常に薄い。このとき、外部から極板に及ぼされた圧力は、極板の対応する変形を生じ、圧力は気体拡散層に伝達される。これに関し、燃料電池のハウジングは圧力チャンバを形成し、圧力チャンバ内に、液体または気体、すなわち一般には加圧された媒体が含まれる。燃料電池は液体中に位置決めされ、したがって、大気圧を超える圧力が圧力チャンバ内で生成されるとき、液体が圧力を極板に伝達する。これが、液圧によるセルに対する圧接力となる。
【０００９】
そのような燃料電池アセンブリで故障した燃料セルを交換することになった場合、セルを解体する必要がある。圧力チャンバ内の過圧を低下させなければならず、媒体を完全に抜き出さなければならない。そうすることで初めて、故障した燃料電池を交換することができる。そのため、モジュール式システムの故障したセルの交換も労力および時間がかかり、したがって結局、燃料電池の修理にはより高いコストが伴う。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、上述した欠点を克服し、修理費が削減されるように、故障したセルを簡単にかつ迅速に交換することができるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的は、請求項１に記載の特徴によって実現される。有利な改良形態は、従属請求項に記載されている。
【００１２】
化学的エネルギーを電気的エネルギーに、または電気的エネルギーを化学的エネルギーに変換するための装置であって、少なくとも１つの開いた面を有するハウジングを備え、ハウジング内に圧力チャンバが形成され、装置がさらに、エネルギーを発生するための少なくとも１つの電気化学的に活性のセルを備え、セルが、ハウジングの開いた面からハウジング内に延在し、開いた面が、プレートによって閉じられ、プレートが、セルを保持する、および／またはセルに電力を供給する装置であって、ハウジングとプレートの間の閉止要素（封止要素）が、ハウジングの開いた面を液密で閉じて圧力チャンバを形成し、少なくとも部分的に弾性材料から形成され、閉止要素が、少なくとも１つのポケットを有し、ポケットが、圧力チャンバ内に延在し、ポケット内にセルが位置決めされ、ポケットのポケット壁が、弾性材料により可撓性であり、したがって、圧力チャンバ内に過圧がかかった場合に、ポケット壁がセルに当接する装置が提案される。
【００１３】
本発明の基本的な着想は、化学的エネルギーを電気的エネルギーに、または電気的エネルギーを化学的エネルギーに変換するための装置、すなわち燃料電池または電解槽セルにおいて、ハウジングの内部を閉じることによって加圧することができるチャンバを形成することであり、上記内部は、燃料電池または電解槽セルを受け入れるための少なくとも１つのポケットを有する手段によって閉じられ、上記手段は、少なくともポケットの領域内で可撓性であり、ポケットはチャンバ内に延在する。これは、圧力チャンバ内で過圧を生成した後、ポケット壁が、ポケット内に挿入されたセルを押圧し、それによりセルの極板に圧力を及ぼすことを意味する。したがって、セルは、いわば皮膜の形態での保護層によって取り囲まれ、すなわち、ハウジング内部をセルから液密にかつ圧力封止して分離する手段のポケット壁によって取り囲まれ、それによりその手段が閉止要素を形成する。装置のハウジングと閉止要素とが一体となって、閉じたチャンバを形成し、チャンバ内で過圧を生成することができる。チャンバには流体を充填することができ、流体は、チャンバ内の過圧をポケットの外面に伝達し、ポケットの内面をセルの極板に押圧する。これにより、液圧または空気圧によるセルに対する圧迫力が得られる。
【００１４】
技術的な故障によりセルを交換する必要がある場合、チャンバ内の圧力を減少させるだけでよい。流体の排出は必要ない。減圧した後、セルを閉止要素のポケットから取り外すことができ、特に交換することができる。このため、従来の燃料電池または電解槽ユニットでのセルの交換に比べて最小限の時間しかかからない。
【００１５】
閉止要素は、その縁部で、少なくとも部分的にハウジングの上縁部に保定することができ、特に少なくとも１つの固定具によって固定することができる。これに関し、閉止要素は、その縁部で、ハウジングの開いた面に向かって面する側壁の上縁部に位置し、その位置で、接着、溶接、または別の方法で固定することができる。例えば、上縁部にねじ接続によって取り付けることができ、上縁部に閉止要素を押圧する固定具としてのフレームによって固定することができる。このようにして、ハウジングは、閉止要素によって液密に、特にまた圧力封止して閉じられ、ハウジング壁と閉止要素の間に圧力チャンバが形成される。
【００１６】
特に、本発明による装置は、複数の活性セルを備えることができ、これらのセルごとにポケットが閉止要素に形成される。このようにして、簡単にかつ迅速にセルを交換することができる燃料電池スタックまたは電解槽セルスタックを製造することができる。
【００１７】
平坦なセルの場合、ポケットを互いに平行に形成することができ、ハウジング内でセルのスタック形状の構成が得られる。
【００１８】
本発明による装置の有利な改良形態では、ハウジングは、少なくとも１つのポケットを有するそれぞれの閉止要素によってそれぞれ閉じられた２つの向かい合う開いた面を有することができる。この場合、ポケットはそれぞれ、開いた面の一方から圧力チャンバ内に延在する。向かい合う閉止要素のポケットは、互いに平行に横並びに提供することができる。このようにして、装置は、積層方向で、すなわち互いに横並びに配置されたセルの方向でかなり短縮することができる。
【００１９】
特に、複数のセル、特に多数のセルを有する燃料電池アセンブリおよび電解槽セルアセンブリの場合、セルは、ハウジングの２つの開いた面に分散させることができ、それにより、セルのいくつかは、一方の開いた面からハウジング内に延在し、セルの残りは、他方の開いた面からハウジング内に延在し、またはセルを取り囲むポケットが圧力チャンバ内に延在する。したがって、挿入方向でハウジングの中心平面に対してユニットの対称構造を実現することができる。ここで、閉止要素のポケットを、それぞれ向かい合う閉止要素のポケットに対して、２つの隣接するポケットの間隔の半分だけずらすことが有利であり、それにより、一方の閉止要素の２つのポケットの間の圧力側空間内に他方の閉止要素のポケットが配置され、他方の圧力要素の２つのポケットの間の圧力側空間に一方の圧力要素のポケットが配置される。これは、燃料電池または電解槽セルアセンブリに関して特にコンパクトな構成をもたらす。
【００２０】
第１の実施形態では、閉止要素は、力を加えることによって変形することができる実質的に寸法的に安定な成形部品から形成することができる。この成形部品は、例えば、射出成形法を使用することによってシリコーンまたはポリウレタンから形成することができる。この成形部品を使用するとき、閉止要素の形状を安定させるための追加の補助手段は必要なく、したがって本発明による装置を迅速にかつ簡単に組み立てることができる。
【００２１】
好ましくは、ポケットの内側形状は、ポケット内に挿入すべきセルの外側形状に適合させることができる。さらに、ポケットの内側寸法は、ポケット内に挿入すべきセルの外側寸法に適合させることができる。したがって、ポケット内へのセルの挿入、またはそれに対応して減圧状態でのポケットからのセルの取外しは、大きな力を加えずに行うことができる。さらに、形状を互いに適合させることで、ポケット壁とセルの間にエアギャップがなくなるので、圧力チャンバ内の過圧がセルに効果的に伝達されることが保証される。
【００２２】
代替実施形態では、閉止要素をテキスタイルシート（布地）として構成することができ、このテキスタイルシートは、ハウジングの開いた面に向かって開く２つの向かい合うハウジング側壁の長手方向切欠き内にループ状に位置決めされる。このとき、セルを受け入れるためのポケットが形成される。ポケットがハウジングの側壁に垂直になるように、向かい合う切欠きを互いに位置合わせすべきであり、すなわち互いに正面に向かい合うようにすべきである。
【００２３】
テキスタイルシートは、非常に高い可撓性および弾性を有するように、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの間、好ましくは１ｍｍの厚さを有することができ、大気圧を超える圧力が圧力チャンバに印加されるときに、全面でセルの極板に接するように位置させることができる。
【００２４】
テキスタイルシートは、補助手段なしでは安定な形状を維持しないので、突起部分によって切欠き内に摩擦係合により（互いの形状同士の係合によらず）固定することができ、突起部分は、形状および寸法に関して長手方向切欠きに対応する。突起部分は、切欠きの内側面にテキスタイルシートを押圧し、それにより圧力チャンバは、テキスタイルシートによって液密に、かつ圧力封止して閉じられる。
【００２５】
したがって、２つ以上のセルを有する装置においてこの構成形態を使用するために、２つ以上の向かい合う切欠きをハウジングの側壁に提供することができる。このとき、テキスタイルシートは、それぞれの突起部分によって、これらの各切欠き内に固定することができる。好ましくは、同じ側壁の切欠き内の突起部分は全て１つのバーで担持することができる。したがって、側壁にある切欠き内でのテキスタイルシートの張設は、単一の接合ステップによって全ての切欠きで同時に行われる。これは、装置の組立てをかなり単純化し、時間を短縮する。突起部分とバーは一体形成することができる。
【００２６】
複数のセルを有する装置の一実施形態では、２つの隣接するセルの互いに位置合わせされた極板を、機械的に剛性のブリッジによって互いに接続することができる。全ての隣接するセルでこれが行われる場合、これによりセルの直列接続が得られ、したがって、セルによって供給される電圧が足し合わされ、またはセルの直列接続に印加される電圧がセルにわたって実質的に均一に分散される。ここで、ブリッジは、一方のセルのアノードを他方のセルのカソードに接続する。
【００２７】
好ましくは、ブリッジを極板と一体形成することができる。すなわち、ブリッジを、極板と共に同一の材料から同じプロセスステップで形成することができる。あるいは、ブリッジは２枚の層板の一部でよく、各層板は、ポケット内に延在し、２つの隣接するセルのそれぞれの極板に当接する。鋼板または銅板、あるいはまた銅被覆鋼板を使用することによって製造を行うことができ、２枚の極板または２枚の層板とブリッジが一緒にシートから押し抜きされ、および／または１つのダイで同時に成形され、その後、曲げプロセスを使用して、極板／層板が最終的に互いに平行に向かい合わせに提供されるように極板または層板の形成が行われる。ここで、一方の極板が他方の極板／層板に対して１８０°屈曲される。電気ブリッジは実質的にＵ字形でよい。好ましくは、ブリッジは、極板の全長にわたっては延在しない。ブリッジは、極板の長さのわずか約２０〜５０％でよく、ブリッジに接続された極板が挿入された状態では、個別のセルに出入りする供給ラインを電気ブリッジの右および／または左に提供することができるようにブリッジを中央に提供することができる。
【００２８】
さらに、ポケットの底部にスペーサを提供することが有利である。そのようなスペーサは、圧力チャンバ内に過圧がかかっている状態で、テキスタイルシートがセルの極板に当接するときに、極板の鋭利な縁部によってテキスタイルシートが損傷されるのを防止する。このようにして、テキスタイルシートによって形成されるポケットの内面は、極板の縁部から離されている。
【００２９】
スペーサの有利な改良形態では、スペーサは、セルの極板の縁部または層板の縁部を受け入れるための２つの長手方向溝を有する細長い成形部品として形成することができる。ここで、成形部品は、ポケットの全長にわたって延在することができ、それにより、ポケットの底部の各場所で、ポケット底部と極板の縁部との間に隙間が保たれる。さらに、スペーサは、ゴム弾性材料から形成することができる。スペーサに極板または層板を挿入することで、ポケットの寸法的な安定性が得られる。
【００３０】
以下、本発明のさらなる特徴および利点を、２つの具体的な実施形態および添付図面を参照して例示する。同一の参照番号は、同一または少なくとも機能的に同一の部分を示す。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】閉止要素として成形部品を備える第１の実施形態による燃料電池の分解図である。
【図２】組み立てられた状態での、積層方向で中心平面に沿った図１による燃料電池の断面図である。
【図３】成形部品の側面図である。
【図４】図２による燃料電池の断面図である。
【図５】閉止要素としてテキスタイルシートを備える第２の実施形態による燃料電池の分解図である。
【図６】図５による燃料電池の前面図である。
【図７】組み立てられた状態での、積層方向で中心平面に沿った図５による燃料電池の断面図である。
【図８】組み立てられた状態での図５による燃料電池の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１は、底部プレート（底板）２と４面の側壁３を備えるハウジングを有する本発明の第１の実施形態による燃料電池アセンブリ１を示す。したがって、ハウジングは、５面の閉じた面と、１面の開いた面６とを有する。この開いた面６は、寸法的に安定な成形部品または閉止要素８によって液密に、かつ圧力封止して閉じられる。成形部品８は外縁部カラー１５を有し、カラー１５は、側壁３の上縁部１４の上に被さり、特に固定具（図示せず）によって上縁部１４に押圧され、それにより、側壁３および底部と成形部品８とを有するハウジングが閉じたチャンバ４を形成する（図２参照）。
【００３３】
成形部品８は、チャンバ４内に、すなわちハウジングの底部２に向かう方向に延在する５個のポケットを有する。これらのポケット１０はそれぞれ、形状および内側寸法に関して燃料電池５と相補的であり、燃料電池５は、燃料電池アセンブリ１が組み立てられた状態では、ポケット１０のそれぞれ１つに挿入される。燃料電池５は、扁平であり、狭い端面にキャップ２４を有し、キャップ２４は、燃料電池の残りの部分よりも幅が広い。動作流体用の供給接続部２５と、集電器２３とが、キャップ２４から、プレート３１の対応する穴を通って外に延在する。このようにして、プレート３１が燃料電池５を所定の位置に保持する。
【００３４】
図２は、組み立てられたときの燃料電池アセンブリ１を示す。ここでは、成形部品８は、ハウジング２、３とプレート３１との間に設けられ、プレート３１は、成形部品８の外縁部１５を側壁３の上縁部１４に押圧する。そのようにして、チャンバ４は、底部２と、側壁３と、成形部品８とによって閉じられる。成形部品８に形成されたポケット１０は、チャンバ４内に延在する。各ポケット１０は、それぞれの燃料電池５を保持する。セルの供給接続部２５は、プレートの孔２９を通って延在する。集電器２３は、プレートの穴３０を通って延在し、それぞれのセル５の供給接続部２５と一列に位置合わせされている。
【００３５】
図３は、本発明による閉止要素８を拡大して示す。それぞれ実質的に扁平形状の５個の個別のポケット１０が閉止要素８に成形され、等間隔で配置され、互いに平行に、縁部カラーを形成する平坦領域から離れるように延在する。各ポケット１０は、それぞれの燃料電池５を受け取ることができるチャンバ３２と、それぞれの燃料電池を取り囲み、燃料電池を燃料電池アセンブリ１の残りの部分から隔離する壁２８とを形成する。ポケットチャンバは破線で示されている。さらに、各ポケット１０は、幅の広い第１のポケット区域１１と、狭い下側ポケット区域１２と、ポケット底部１３とを有する。上側ポケット区域１１は、それぞれのセルのキャップ２４を受け入れ、下側ポケット区域１２は、それぞれのセル５の活性部分を受け入れる。
【００３６】
図４は、燃料電池５を横切る図２による燃料電池アセンブリ１の平面図である。燃料電池５は、それぞれ２枚の極板１９を有し、極板１９は、それぞれのセルのアノードおよびカソードを形成する。極板１９の各対の間に、それぞれの高分子電解質膜（ＰＥＭ）２７がある。さらに、膜２７と極板１９の間に気体拡散層（図示せず）を設けることができる。動作流体、すなわち燃料および酸化剤を供給するチャネルが、膜２７と極板１９の間に形成される。極板１９は集電器２３に移行し、集電器２３は、プレート３１の穴３０を通って延在する。
【００３７】
図１〜図４による実施形態における成形部品８は、弾性変形可能であり、シリコーンまたはポリウレタンから一部片で形成される。成形部品の寸法安定性が保証されるように、ポケット壁２８の壁厚さ、および平坦領域の厚さ、特に縁部領域１５の厚さは、１〜４ミリメートルの間である。ポケット１０の形状が成形部品８をさらに補強する。
【００３８】
図５〜図８は、本発明の第２の実施形態を示す。この燃料電池アセンブリ１は、ハウジングを封止する閉止要素が、寸法的に不安定な可撓性のテキスタイルシート９によって形成されるという点で、図１のものとは異なる。テキスタイルシート９は、燃料電池５と、ハウジング３に燃料電池５を固定するための重畳部（Ueberstand；突出部）との幅にほぼ対応する幅を有する。テキスタイルシート９の長さは燃料電池の数に応じて決まり、長さＬを有するｎ個のセルの場合には、２×Ｌ×ｎよりも大きい。したがって、約１０ｃｍの長さを有する５個のセルのためのテキスタイルシートの長さは、約１．２ｍとなることがある。
【００３９】
ハウジングの２つの向かい合う側壁３ａは切欠き１６を有し、切欠き１６は、ハウジングの開いた面６に向かって開いている。側壁３ａにある切欠き１６は、互いに正面に向かい合っている。テキスタイルシート９は、ループ状に切欠き１６に嵌められる。側壁３、３ａの上縁部１４から延び出して、テキスタイルシートは、まず、切欠きの１つの内側面に沿って、切欠きの下端部に向かって下方向に延び、そこから、下縁部に沿って反対側の内側面にさらに進み、次いで切欠きの口部まで上方向に戻る。そこで、テキスタイルシート９は切欠き１６から出て、側壁３ａの上縁部を通して送られ、隣接する切欠き１６内に進む。このようにして、テキスタイルシートは、全ての切欠き１６を通って蛇行してループ状に供給される。
【００４０】
テキスタイルシート９は、突起部分１７によって切欠き１６内に保持される。突起部分１７は、長さおよび幅に関して切欠き１６の内側寸法に対応し、したがってテキスタイルシート９は、突起部分１７と切欠き１６の内縁部との間に押し込まれる。突起部分１７はバー１８で担持され、バー１８と一体形成される。したがって、バー１８は櫛形を有する。各バー１８は、それぞれの突起部分１７の端部を越えて延在し、突起部分１７を挿入した状態では、両端の切欠き１６を越え出たテキスタイルシート９を側壁３ａの上縁部１４にしっかりと押圧する。
【００４１】
２つの向かい合う切欠き１６の内側面に沿ってテキスタイルシート９を敷設し、切欠き１６内に突起部分を挿入することによって適切に固定することによって、テキスタイルシートは、ハウジングの側壁３ａから反対側の側壁３ａまでわたって広げられ、それによりそれぞれポケット１０を形成する。
【００４２】
また図５による実施形態では、５個のポケットが存在し、各ポケットがそれぞれの燃料電池５を受け入れる。前述した実施形態と同様に、燃料電池５はそれぞれ２つの隣接する極板１９を有し、極板１９の間に、膜２７がそれぞれのキャップ２４からそれぞれのポケット１０内に延在する。キャップ２４は、その狭い面に供給接続部２５を有し、供給接続部２５は、供給プレート７にプラグ接続することができ、またはプラグ接続されている。膜２７、ひいてはセル５自体が、供給プレート７によって保持され、供給プレート２７から動作流体を供給される。このために、供給プレート７は、入口開口と出口開口を有する経路構造を備えることができ、それらの開口を通して、全てのセル５が燃料供給され、または全ての反応生成物が排出される。そのような供給プレート７はバックプレーンとも呼ばれる。
【００４３】
１つの集電器２３が、各極板１９から供給プレート７に向かって延在し、外端部の燃料電池５の極板１９は、それらの端部で９０°湾曲された電気端子２３を有する。さらに、残りの各極板１９は、それぞれの機械的ブリッジ２０を介して、隣接するセル５の極板に電気的に接続され、１つのセルのアノードが、隣接するセル５のカソードに接続される。したがって、セル５は直列接続される。互いに接続される極板１９と、それらを接続するブリッジ２０は一部片で形成される。ブリッジ２０はＵ字形であり、その幅はセル５の約３分の１にすぎない。各ブリッジ２０の左右に供給ライン（図示せず）を提供することができるように、セル５の横方向で、ブリッジ２０はそれぞれ極板１９に対して中心を合わされる。
【００４４】
図６は、スロットを設けられたハウジング側壁３ａの分解前面図で図５による構成を示す。
【００４５】
図７は、図５および図６による燃料電池アセンブリ１を組み立てられた状態で示す。テキスタイルシート９が、供給プレート７とハウジングの側壁３、３ａとの間に提供され、ハウジングの開いた面６を閉じ、それにより圧力チャンバ４が形成される。図７は、強調して拡大した詳細図Ａも示す。この詳細図Ａは、ポケット１０の底部領域を示し、スペーサ２２がポケット１０の底部２１に取り付けられている。スペーサ２２は、２つの長手方向溝を有する細長い成形部品によって形成される。スペーサ２２は、下に向かって丸められており、極板１９の縁部をテキスタイルシート９から離し、したがって、テキスタイルシート９が極板１９をどの側面から押しても極板１９の縁部がテキスタイルシート９に損傷を及ぼすことはない。
【００４６】
図８は、図５および図６による燃料電池を、完全に組み立てられた状態で示す。底部プレート、側壁３、３ａ、および供給プレート７によって形成される平行六面体ハウジングから、電気接続部２３が突出する。
【００４７】
図１〜図８による燃料電池１の動作中、チャンバ４は液体で満たされる。液体は圧縮可能でないので、大気圧を超える圧力がチャンバ４に印加されるとき、液体はこの圧力をポケット１０に伝達する。したがって、ポケット１０に対して外部から圧力が及ぼされ、その結果、ポケット１０の内面が極板１９に押圧され、極板１９がさらに膜２７に押圧されるか、または膜２７と極板１９の間の気体拡散プレートに押圧される。
【００４８】
故障によりセル５を交換しなければならない場合、チャンバ４の圧力を減少させるだけでよい。減圧した後、故障しているセル５を、それぞれのポケット１０から容易にかつ迅速に取り外すことができ、新たなセル５と交換することができる。このようにして、時間ひいてはコストを節約することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１ 装置、燃料電池
２ 底部プレート
３ 側壁
３ａ 切欠きのある側壁
４ 圧力チャンバ
５ 活性セル、燃料電池
６ ハウジングの開いた面
７ バックプレーン、供給プレート
８ 閉止要素、成形部品
９ 閉止要素、テキスタイルシート
１０ ポケット
１１ 上側ポケット区域
１２ 下側ポケット区域
１３ ポケット底部
１４ 側壁の上縁部
１５ 閉止要素の縁部領域
１６ 切欠き
１７ 突起部分
１８ バー
１９ 極板
２０ ブリッジ
２１ ポケットの底部
２２ スペーサ、ゴム成形部品
２３ 電流接続部
２４ キャップ
２５ 供給接続部
２６ 動作流体および反応物用の経路
２７ 膜
２８ ポケット壁
２９ 孔
３０ 穴
３１ プレート
３２ チャンバ
３３ 供給接続部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学的エネルギーを電気的エネルギーに、または電気的エネルギーを化学的エネルギーに変換するための装置（１）であって、少なくとも１つの開いた面（６）を有するハウジング（２、３、３ａ）と、前記ハウジング（２、３、３ａ）の開いた面（６）からハウジング（２、３、３ａ）内に延在する、エネルギー発生のための少なくとも１つの電気化学的に活性なセル（５）とを備え、前記ハウジング（２、３、３ａ）内には圧力チャンバ（４）が形成され、前記開いた面（６）が、前記セル（５）を保持しおよび／または前記セル（５）に電力を供給するプレート（７、３１）によって閉じられる、装置（１）において、前記ハウジング（２、３、３ａ）と前記プレート（７、３１）の間に閉止要素（８、９）が設けられ、前記閉止要素は、前記ハウジング（２、３、３ａ）の開いた面（６）を液密および／または気密に閉じて前記圧力チャンバ（４）を形成するとともに、少なくとも部分的に弾性材料から形成されていて、前記閉止要素（８、９）が、前記圧力チャンバ（４）内に延在する少なくとも１つのポケット（１０）を有し、前記ポケット（１０）内に前記セル（５）が位置決めされ、前記ポケット（１０）の前記ポケット壁（２８）が、前記弾性材料により可撓性であり、したがって、前記圧力チャンバ（４）内に過圧がかかった場合に、前記ポケット壁（２８）が前記セル（５）に当接することを特徴とする装置（１）。
【請求項２】
前記閉止要素（８、９）が、その縁部（１５）で、少なくとも部分的に前記ハウジング（２、３、３ａ）の前記上縁部（１４）に保定され、特に少なくとも１つの固定具によって固定されることを特徴とする請求項１に記載の装置（１）。
【請求項３】
複数の活性なセル（５）があり、それぞれのポケット（１０）が各セル（５）ごとに前記閉止要素（８、９）に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の装置（１）。
【請求項４】
前記活性なセル（５）が概して平坦であり、前記ポケット（１０）が互いに平行であることを特徴とする請求項３に記載の装置（１）。
【請求項５】
前記ハウジング（２、３、３ａ）が、２つの向かい合う開いた面（６）を有し、これらの面（６）がそれぞれ、少なくとも１つのポケット（１０）を有するそれぞれの閉止要素（８、９）によって閉じられ、前記ポケット（１０）が、それぞれの前記開いた面（６）から前記圧力チャンバ（４）内にそれぞれ延在し、互いに平行に横並びしていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項６】
前記閉止要素（８、９）が、実質的に寸法的に安定な成形部品（８）から形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項７】
ポケット（１０）の内側寸法が、それぞれの前記セル（５）の外側寸法に対応することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項８】
前記閉止要素（８、９）がテキスタイルシート（９）によって形成され、前記ハウジング（２、３、３ａ）の２つの向かい合う側壁（３、３ａ）がそれぞれ少なくとも１つの細長い切欠き（１６）を有し、前記切欠き（１６）が、前記ハウジング（２、３、３ａ）の前記開いた面（６）に向かって開いており、前記テキスタイルシート（９）が、前記切欠き（１６）内にループ状に延在して、前記ポケット（１０）を形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項９】
前記テキスタイルシート（９）が、前記細長い切欠き（１６）の形状に対応する形状を有する突起部分（１７）によって、前記切欠き（１６）内に摩擦係合で固定されることを特徴とする請求項８に記載の装置（１）。
【請求項１０】
前記側壁（３、３ａ）がそれぞれ２つ以上の切欠き（１６）を有し、一つの側壁（３、３ａ）の前記切欠き（１６）のための前記突起部分（１７）が、バー（１８）と一体に保持されることを特徴とする請求項９に記載の装置（１）。
【請求項１１】
前記セル（５）が極板（１９）を有し、２つの隣接するセル（５）の隣接する極板（１９）が、機械的に剛性の電気的ブリッジ（２０）によって互いに接続されることを特徴とする請求項３〜１０のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項１２】
前記ブリッジ（２０）が前記極板（１９）と一体形成されることを特徴とする請求項１１に記載の装置（１）。
【請求項１３】
前記ブリッジ（２０）が、２枚の層板の一部であり、前記層板がそれぞれ、ポケット（１０）内に延在し、かつ２つの隣接するセル（５）のそれぞれの極板（１９）に当接することを特徴とする請求項１１に記載の装置（１）。
【請求項１４】
ポケット（１０）の底部（２１）にスペーサ（２２）が位置決めされることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項１５】
前記スペーサ（２２）が、それぞれの前記セル（５）の前記極板（１９）の縁部または前記層板の縁部を受け入れる２つの長手方向溝を有する細長い成形部品であることを特徴とする請求項１４に記載の装置（１）。
【請求項１６】
前記閉止要素（８、９）が、シリコーンまたは可撓性ポリウレタンからなることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項１７】
前記テキスタイルシートが、０．５ｍｍ〜２．５ｍｍの間、好ましくは１ｍｍ〜１．５ｍｍの間の厚さを有することを特徴とする請求項８〜１６のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項１】
化学的エネルギーを電気的エネルギーに、または電気的エネルギーを化学的エネルギーに変換するための装置（１）であって、少なくとも１つの開いた面（６）を有するハウジング（２、３、３ａ）と、前記ハウジング（２、３、３ａ）の開いた面（６）からハウジング（２、３、３ａ）内に延在する、エネルギー発生のための少なくとも１つの電気化学的に活性なセル（５）とを備え、前記ハウジング（２、３、３ａ）内には圧力チャンバ（４）が形成され、前記開いた面（６）が、前記セル（５）を保持しおよび／または前記セル（５）に電力を供給するプレート（７、３１）によって閉じられる、装置（１）において、前記ハウジング（２、３、３ａ）と前記プレート（７、３１）の間に閉止要素（８、９）が設けられ、前記閉止要素は、前記ハウジング（２、３、３ａ）の開いた面（６）を液密および／または気密に閉じて前記圧力チャンバ（４）を形成するとともに、少なくとも部分的に弾性材料から形成されていて、前記閉止要素（８、９）が、前記圧力チャンバ（４）内に延在する少なくとも１つのポケット（１０）を有し、前記ポケット（１０）内に前記セル（５）が位置決めされ、前記ポケット（１０）の前記ポケット壁（２８）が、前記弾性材料により可撓性であり、したがって、前記圧力チャンバ（４）内に過圧がかかった場合に、前記ポケット壁（２８）が前記セル（５）に当接することを特徴とする装置（１）。
【請求項２】
前記閉止要素（８、９）が、その縁部（１５）で、少なくとも部分的に前記ハウジング（２、３、３ａ）の前記上縁部（１４）に保定され、特に少なくとも１つの固定具によって固定されることを特徴とする請求項１に記載の装置（１）。
【請求項３】
複数の活性なセル（５）があり、それぞれのポケット（１０）が各セル（５）ごとに前記閉止要素（８、９）に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の装置（１）。
【請求項４】
前記活性なセル（５）が概して平坦であり、前記ポケット（１０）が互いに平行であることを特徴とする請求項３に記載の装置（１）。
【請求項５】
前記ハウジング（２、３、３ａ）が、２つの向かい合う開いた面（６）を有し、これらの面（６）がそれぞれ、少なくとも１つのポケット（１０）を有するそれぞれの閉止要素（８、９）によって閉じられ、前記ポケット（１０）が、それぞれの前記開いた面（６）から前記圧力チャンバ（４）内にそれぞれ延在し、互いに平行に横並びしていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項６】
前記閉止要素（８、９）が、実質的に寸法的に安定な成形部品（８）から形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項７】
ポケット（１０）の内側寸法が、それぞれの前記セル（５）の外側寸法に対応することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項８】
前記閉止要素（８、９）がテキスタイルシート（９）によって形成され、前記ハウジング（２、３、３ａ）の２つの向かい合う側壁（３、３ａ）がそれぞれ少なくとも１つの細長い切欠き（１６）を有し、前記切欠き（１６）が、前記ハウジング（２、３、３ａ）の前記開いた面（６）に向かって開いており、前記テキスタイルシート（９）が、前記切欠き（１６）内にループ状に延在して、前記ポケット（１０）を形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項９】
前記テキスタイルシート（９）が、前記細長い切欠き（１６）の形状に対応する形状を有する突起部分（１７）によって、前記切欠き（１６）内に摩擦係合で固定されることを特徴とする請求項８に記載の装置（１）。
【請求項１０】
前記側壁（３、３ａ）がそれぞれ２つ以上の切欠き（１６）を有し、一つの側壁（３、３ａ）の前記切欠き（１６）のための前記突起部分（１７）が、バー（１８）と一体に保持されることを特徴とする請求項９に記載の装置（１）。
【請求項１１】
前記セル（５）が極板（１９）を有し、２つの隣接するセル（５）の隣接する極板（１９）が、機械的に剛性の電気的ブリッジ（２０）によって互いに接続されることを特徴とする請求項３〜１０のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項１２】
前記ブリッジ（２０）が前記極板（１９）と一体形成されることを特徴とする請求項１１に記載の装置（１）。
【請求項１３】
前記ブリッジ（２０）が、２枚の層板の一部であり、前記層板がそれぞれ、ポケット（１０）内に延在し、かつ２つの隣接するセル（５）のそれぞれの極板（１９）に当接することを特徴とする請求項１１に記載の装置（１）。
【請求項１４】
ポケット（１０）の底部（２１）にスペーサ（２２）が位置決めされることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項１５】
前記スペーサ（２２）が、それぞれの前記セル（５）の前記極板（１９）の縁部または前記層板の縁部を受け入れる２つの長手方向溝を有する細長い成形部品であることを特徴とする請求項１４に記載の装置（１）。
【請求項１６】
前記閉止要素（８、９）が、シリコーンまたは可撓性ポリウレタンからなることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項１７】
前記テキスタイルシートが、０．５ｍｍ〜２．５ｍｍの間、好ましくは１ｍｍ〜１．５ｍｍの間の厚さを有することを特徴とする請求項８〜１６のいずれか一項に記載の装置（１）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２０１３−５１３９０８（Ｐ２０１３−５１３９０８Ａ）
【公表日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４２３８８（Ｐ２０１２−５４２３８８）
【出願日】平成２２年１２月６日（２０１０．１２．６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／００７３８４
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０６９６２５
【国際公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（５１２１５１４１４）
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月６日（２０１０．１２．６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／００７３８４
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０６９６２５
【国際公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（５１２１５１４１４）
【Ｆターム（参考）】
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