JP2002513996A - 燃料電池の電解質の表面を濡らす方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 異なる極性の２つの多孔質電極（２，３）を備え、これら電極（２，３）の電解質側表面（５）間に、燃料ガス側表面（７）及び反応ガス側表面（８）を備える電解質（６）を配置した低温燃料電池（１）において、電解質表面（７，８）の少なくとも１つを濡らすため、半透過性の膜（１０）を備えた少なくとも１つの流路（９）に濡れ材を含む流体を流し、この半透過性の膜を通してこの流路に導かれた流体を電解質まで到達させ、電解質の表面の少なくとも１つに、少なくとも部分的に水膜を形成する。これにより電解質（６）で行われる反応を促進される。この発明によれば、圧力の調整により、また特に流体に付加的に搬送媒体を加えることにより、流体中の水の濃度によって適量配分が行える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 この発明は、燃料電池、特に低温燃料電池の電解質膜、特に陽子伝導性の電解
質膜の少なくとも１つの表面を濡らす方法並びに燃料電池に関する。

【０００２】 他の化学電池の場合と同様に、燃料電池においても、例えば水（Ｈ₂）と酸素
（Ｏ₂）との化学結合の際に自由になる結合エネルギーが電気エネルギーと熱に
変換される。燃料電池は、基本的には、低温燃料電池（約２００℃まで）と高温
燃料電池（約６００から１１００℃）とに区別される。これらの間に、約２００
から６００℃の作動温度を持ち、マトリックスに配置された液体電解質を備えた
いわゆる溶融炭酸塩型の燃料電池（ＭＣＦＣ）がある。

【０００３】 固体酸化物型の燃料電池（ＳＯＦＣ）のような高温燃料電池は、例えば、８５
０から１０５０℃の作動温度においてイオン伝導性である、酸化ジルコニウムか
らなる固体電解質を備えている。このような高温燃料電池は、主として分散型電
力供給装置のための据置型の設備において使用される。

【０００４】 低温燃料電池は、電動機と組み合わされ、特に車輛や鉄道システムにおいて、
従来の内燃機関にとって代わるものである。

【０００５】 公知の電動車輛においては、電気エネルギーは先ず発電所で作られ、車載型の
バッテリーに一時的に蓄電される。これらのバッテリーはコストが高く、重量が
大きく、耐久性も制約されかつ充電時間も長いという問題があり、この問題は従
来充分満足の行くようには解決されていない。

【０００６】 それ故、蓄電することなしに済ますことができれば、即ち車体において必要に
応じて電力を発生させるというコンセプト、特に陽子伝導性の電解質膜を備えた
燃料電池、いわゆる陽子交換膜燃料電池（ＰＥＭ燃料電池）を使用するというコ
ンセプトは、特に有望と思われる。ガス燃料、特に水素ガス及び酸素ガスを燃焼
させる必要はなく、いわゆる低温反応において直接電気エネルギーと水蒸気に変
換する。ＰＥＭ燃料電池の電解質はこの両ガスを互いに分離し、いわゆる高温反
応を阻止する。電解質における電気化学的な過程で陽子、即ち正に帯電した水素
イオン（Ｈ⁺）のみが通過する。水素原子の電子はこの通過の際に分離されて留
まり、水素イオンは酸素分子と他の側において反応する。電解質の水素側の電子
の過剰と酸素側の電子の欠乏とにより隣接する電極には電位差が生ずるので、こ
の電極を、負荷が接続されている外部の電流回路を介して電気的に接続すると、
電流が陽極から陰極に向かって流れる。その際、この電気エネルギーの他に、熱
並びに水が反応生成物として生ずる。

【０００７】 低温燃料電池、特にＰＥＭ燃料電池において、反応を促進し、効率を上げるた
めには、電解質の表面及び／又は隣接する電極の電解質側表面の湿度を保持せね
ばならない。このため、例えばドイツ特許第４３１８８１８号明細書により、燃
料電池を加湿したガスで作動させることは公知である。しかしながら、この加湿
ガスを、流体、特に水と混合できるようにするため、前もって圧縮せねばならず
、比較的面倒である。

【０００８】 この発明の課題は、電解質の充分な濡れを保証できるように、電解質の表面の
少なくとも１つを濡らす方法を提供することにある。この発明のさらに別の課題
は、電解質の少なくとも１つの表面を濡らすための構造的な費用が比較的小さい
燃料電池を提供することである。

【０００９】 この課題は、この発明によれば、請求項１の特徴を備えた、電解質の表面の少
なくとも１つを濡らす方法により、また請求項７の特徴を備えた燃料電池により
解決される。なお、この方法並びに燃料電池のその他の有利な実施例及び構成例
はこれに関係する請求項に記載されている。

【００１０】 燃料電池における電解質、特に陽子伝導性の電解質膜の少なくとも１つの表面
を濡らすための、この発明による方法は、少なくとも１つの流路に濡れ材を含む
流体を供給することを特徴とする。この濡れ材の少なくとも一部は、この流路の
少なくとも１つの半透過性膜を通り抜けて電解質にまで達する。この方法により
電解質の少なくとも１つの表面のより確実なかつ信頼性ある濡れが得られる。

【００１１】 この濡れ材は好ましくは水である。

【００１２】 電解質の表面の少なくとも１つは、少なくとも部分的に、流路で導かれた濡れ
材により、特に水膜を付与される。このように水を通流することにより、電解質
表面の少なくとも１つに、永続的にかつ連続的に水膜が形成され、この水膜によ
り電解質の表面で進行する反応、特に水素原子のイオン化が促進される。特に、
電解質の少なくとも燃料ガス側の表面を濡らすのがよい。反応ガス側の表面では
濡れ材の必要量が、反応生成物としての水のため少ないからである。

【００１３】 この発明においては、流体に濡れ材の他に少なくとも１つの搬送媒体を含ませ
るのがよい。この場合、搬送媒体として特に空気が好適である。このような流体
は、その場合、電解質に多孔質の電極を通して容易に供給可能である。

【００１４】 流路は、この発明においては、少なくとも部分的に、少なくとも１つの電極の
ガス側表面に及び／又は少なくとも部分的に、少なくとも１つの電極に組み込ん
で配置するのがよい。流路は、その場合、少なくとも部分的に袋穴状の溜めとし
て形成するかもしくは配置することができる。また、複数の流路を、互いにほぼ
平行となるように配置することもできる。さらに、流路は電極の表面に対してほ
ぼ平行に配置される。その他の種々の構成も、燃料電池の配置、例えば上下に重
ねたいわゆるスタックの或いはまた帯状の並列配置に無関係に、電解質の少なく
とも１つの表面に濡れ材を簡単に、特に永続的にかつ連続的に通流させることが
可能である。

【００１５】 この発明において、流路は、特に電解質側において、この流路内に配置される
少なくとも１つの半透過性の膜を備えるのがよい。この半透過性の膜を通して濡
れ材が良好に電解質に達することができる。

【００１６】 構造的に簡単な実施例では、流路は少なくとも部分的にプラスチックの成形体
である。しかしまた、流路は、その目的に応じて、少なくとも部分的に電極自体
によっても形成することもできる。これは特に製造技術上有利である。

【００１７】 この発明においては、燃料電池は流体及び／又は流路によって冷却するのがよ
い。このために、流路は少なくとも部分的に冷却体として、特にリブ状に形成さ
れている。或いはまた、又はそれに加えて、流路は、特に冷却循環路として形成
されている冷却装置に接続することができる。燃料電池の冷却は特に高圧で供給
される燃料ガス及び／又は酸化ガスの場合に重要である。

【００１８】 この発明によれば、電解質に供給される濡れ材の量は使用される燃料電池の型
に関係してかつそれぞれの燃料電池の機器構成に整合可能なパラメータ、特に温
度に関係して調整される。

【００１９】 この発明の利点は、圧力の調整により、また特に流体が付加的に搬送媒体を含
んでいるときは濡れ材の濃度により、適量配分が可能なことにある。

【００２０】 この発明のその他の長所及び構成例を、特にＰＥＭ燃料電池を具体例として図
面を参照して説明する。

【００２１】 図１は、電極２のガス側表面４に蛇行状に配置された流路９を備えた低温燃料
電池１を平面図で示す。なお、図１、５、７、９で太い黒い矢は流路９の中の流
れ方向を示す。

【００２２】 図２及び３は、それぞれ図１による低温燃料電池１のＡ−Ａ線に沿った切断側
面図及びＢ−Ｂ線に沿った切断側面図である。電極２と３との間に電解質６が配
置され、この電解質は特に１０分の数ミリの厚さの陽子伝導性のポリマー膜であ
る。電極２のガス側の表面４には流路９が蛇行状に配置され、この流路は電解質
側に半透過性の膜１０を備え、これを通して流体、特に流体に含まれる濡れ材だ
けが電極６に到達することができる。

【００２３】 図４は図３による低温燃料電池１の一部を拡大して示す。濡れ材、特に水は小
さな矢で示しているが、先ず半透過性の膜１０を通り、次いで多孔質の電極２の
孔１１を通って電解質６にまで到達し、電解質６の燃料ガス側の表面７に濡れ膜
特に水膜を形成する。

【００２４】 図５は電極２に組み込まれて配置された、ほぼ平行に延びる第二の流路１２を
備える低温燃料電池１を平面図で示す。流体は、電極２に組み込まれた流路１２
を、この流路１２が、互いに接続され（図示せず）、従ってあるときは往路の流
路として、またあるときは復路の流路として形成されているときに、互いに逆向
きの流れ方向に流れる。

【００２５】 図６は図５による低温燃料電池１を、Ｃ−Ｃ線に沿う切断側面図で示す。電極
は２つの層、即ちガス側の層２ａと、電解質側の層２ｂとからなり、これら層２
ａ、２ｂにそれぞれ溝が設けられ、これらの層２ａ、２ｂを重ねたとき、この溝
の壁が流路１２を形成する。この２層システムは、特に流路的に有利である。

【００２６】 図７は、電極２に組み込まれて配置され、袋穴状の溜めとして形成された流路
１２を備える低温燃料電池１を平面図で示す。この溜めには流体が側面から供給
され（図示せず）、この流体は、図８に示すように、流路１２に配置された、半
透過性の膜１０に絶えず接し、これを通して直接電解質６に達し、特に電解質６
の燃料ガス側の表面７に永続的な水膜を形成している。

【００２７】 図８は、図７によるに低温燃料電池１を、そのＤ−Ｄ線に沿って切断した側面
面で示す。電極２は、図６の電極２と同様に、２つの層２ｃ、２ｄ、即ち、上側
の導電接触層２ｃと下側の層２ｄとにより構成され、この層の中に袋穴状の溜め
として形成された流路１２が組み込まれている。

【００２８】 図９は、電極２に組み込まれて配置され、袋穴状の溜めとして形成された流路
９を有する低温燃料電池１の平面図である。流体の溜めへの通流は、この場合、
電極２のガス側の表面４に配置された流路９を介して行われる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 電極のガス側表面に流路を持つ低温燃料電池を平面で示す。

【図２】 図１による低温燃料電池をＡ−Ａ線に沿って切断した側面図を示す。

【図３】 図１による低温燃料電池をＢ−Ｂ線に沿って切断した側面図を示す。

【図４】 図３による低温燃料電池の一部の拡大図を示す。

【図５】 電極に組み込まれた流路を備える低温燃料電池を平面で示す。

【図６】 図５による低温燃料電池をＣ−Ｃ線に沿って切断した側面図を示す。

【図７】 袋穴状の溜めとして形成された流路を備える低温燃料電池を平面で示す。

【図８】 図７による低温燃料電池をＤ−Ｄ線に沿って切断した側面図を示す。

【図９】 袋穴状の溜めとして形成された流路を備える低温燃料電池の異なる例を平面で
示す。

【符号の説明】

１ 低温燃料電池 ２ 電極 ２ａ〜２ｄ 層 ３ 電極 ４ 電極のガス側の表面 ５ 電極の電解質側の表面 ６ 電解質 ７ 電解質の燃料ガス側の表面 ８ 電解質の反応ガス側の表面 ９ 流路 １０ 半透過性の膜 １１ 孔 １２ 第二の流路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ベルクマン、アンドレ ドイツ連邦共和国 デー‐53797 ローマ ールアルテ ローマーラー シュトラーセ 36 (72)発明者 コニエクツニー、イエルク‐ロマーン ドイツ連邦共和国 デー‐53721 ジーク ブルク バーンホーフシュトラーセ 17 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 EE18 5H027 AA06 CC06 KK41 MM16

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料電池、特に低温燃料電池の、特に陽子伝導性電解質の膜を
   形成する電解質の少なくとも１つの表面を濡らす方法において、半透過性の膜（
   １０）を備えた少なくとも１つの流路（９）に濡れ材を含む流体を供給し、その
   際この濡れ材の少なくとも一部が流路（９）の少なくとも１つの半透過性の膜（
   １０）を通して電解質（６）にまで達するようにする燃料電池、特に低温燃料電
   池の電解質の少なくとも１つの表面を濡らす方法。
2. 【請求項２】濡れ材が水の形で存在している請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】濡れ材を搬送媒体中に供給する請求項１又は２記載の方法。
4. 【請求項４】搬送媒体として空気を使用する請求項３記載の方法。
5. 【請求項５】少なくとも電解質（６）の燃料ガス側の表面（７）を濡らす請
   求項１ないし４の１つに記載の方法。
6. 【請求項６】電解質（６）に供給される流体の量、特にこの流体に含まれる
   水の量を、使用する燃料電池の型に関係してかつそれぞれの燃料電池の機器構成
   に整合可能なパラメータで、特に温度に関係して供給することを特徴とする請求
   項１ないし５の１つに記載の方法。
7. 【請求項７】ガス側の表面（４）並びに電解質側の表面（５）を有する、異
   なる極性の２つの多孔質電極（２、３）を備え、この電極（２、３）の電解質側
   の表面（５）の間に、燃料ガス側の表面（７）及び反応ガス側の表面（８）を備
   えた電解質（６）、特に陽子伝導性のポリマー膜が配置されている低温燃料電池
   において、燃料電池（１）が少なくとも１つの流路（９）に接続され、この流路
   が、電解質（６）の表面（７、８）の少なくとも１つが、流路（９）に導かれる
   濡れ材を含む流体によって少なくとも部分的に濡らされるように形成されている
   ことを特徴とする低温燃料電池。
8. 【請求項８】濡れ材が水であることを特徴とする請求項７記載の燃料電池。
9. 【請求項９】流体に少なくとも１つの搬送媒体が含まれていることを特徴と
   する請求項７又は８記載の燃料電池。
10. 【請求項１０】搬送媒体として空気を使用することを特徴とする請求項９記
    載の燃料電池。
11. 【請求項１１】流路（９）を、少なくとも１つの電極（２、３）のガス側の
    表面（４）に、少なくとも部分的に配置したことを特徴とする請求項７から１０
    の１つに記載の燃料電池。
12. 【請求項１２】流路（９）を、少なくとも１つの電極（２、３）に、少なく
    とも部分的に組み込んで配置したことを特徴とする請求項７から１１の１つに記
    載の燃料電池。
13. 【請求項１３】流路（９）を、少なくとも部分的に袋穴状の溜めとして形成
    したことを特徴とする請求項１１又は１２記載の燃料電池。
14. 【請求項１４】流路（９）を、少なくとも部分的にほぼ蛇行状に配置したこ
    とを特徴とする請求項１１又は１２記載の燃料電池。
15. 【請求項１５】複数の流路（９）を、互いにほぼ平行に配置したことを特徴
    とする請求項１１又は１２記載の燃料電池。
16. 【請求項１６】流路（９）を、電極（２、３）の表面（４、５）に対しほぼ
    平行に配置したことを特徴とする請求項１１から１５の１つに記載の燃料電池。
17. 【請求項１７】流路（９）に、少なくとも１つの半透過性の膜（１０）を設
    け、この膜を通して濡れ材を電解質（６）にまで到達させることを特徴とする請
    求項７から１６の１つに記載の燃料電池。
18. 【請求項１８】少なくとも１つの半透過性の膜（１０）を、流路（９）の、
    特に電解質側に配置したことを特徴とする請求項１７記載の燃料電池。
19. 【請求項１９】流路（９）が少なくとも部分的にプラスチック成形体である
    ことを特徴とする請求項７から１８の１つに記載の燃料電池。
20. 【請求項２０】流路（９）を、少なくとも部分的に電極（２、３）によって
    形成したことを特徴とする請求項７から１９の１つに記載の燃料電池。
21. 【請求項２１】流路（９）が、少なくとも部分的に、特にリブ状に形成され
    た冷却体であることを特徴とする請求項７から２０の１つに記載の燃料電池。
22. 【請求項２２】流路（９）を、特に冷却循環路として形成されている冷却装
    置に接続したことを特徴とする請求項７から２１の１つに記載の燃料電池。
23. 【請求項２３】電極（６）に供給する濡れ材の量を、使用される燃料電池の
    型に関係して、かつ各々の燃料電池の機器構造に整合可能なパラメータで、特に
    温度に関係して適量配分することを特徴とする請求項７から２２の１つに記載の
    燃料電池。