JP2002516464A - 高分子電解質膜型燃料電池及び液体による加湿及び／又は冷却系を備えた高分子電解質膜型燃料電池システムの運転方法 - Google Patents
高分子電解質膜型燃料電池及び液体による加湿及び／又は冷却系を備えた高分子電解質膜型燃料電池システムの運転方法Info
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Abstract
(57)【要約】
この発明は、膜−電極ユニット（ＭＥ）と、構造通路を有する少なくとも１つのセパレータとから構成され、加湿及び／又は冷却系を備えた高分子電解質膜型（ＰＥＭ）燃料電池に関する。加湿及び／又は冷却のために、液体或いは泡が燃料の流れ及び／又は酸化剤の流れに付与される。
Description
【０００１】 この発明は、膜−電極ユニット（ＭＥ）と、構造通路を有する少なくとも１つ
のセパレータとから構成され、加湿及び／又は冷却系を備えた高分子電解質膜型
（ＰＥＭ）燃料電池に関する。
のセパレータとから構成され、加湿及び／又は冷却系を備えた高分子電解質膜型
（ＰＥＭ）燃料電池に関する。
【０００２】 ヨーロッパ特許第０７４３６９３号明細書から水で陽極側の加湿を行う燃料電
池が公知である。この燃料電池においては、燃料供給通路の全長にわたって伸長
している（図４）焼結金属からなる泡立器（６欄、４〜５行）によってガスと液
体とを混合し、この混合物を陽極室を通して導いている。この燃料電池において
は、陽極側の加湿に限られており、泡立器の構造が複雑であり、従って燃料電池
の容積、重量及びとりわけ製造コストにも不利に影響するという欠点がある。特
に、ＰＥＭ燃料電池を移動形システムに適用する場合、この構造はそれ故に好ま
しくない。
池が公知である。この燃料電池においては、燃料供給通路の全長にわたって伸長
している（図４）焼結金属からなる泡立器（６欄、４〜５行）によってガスと液
体とを混合し、この混合物を陽極室を通して導いている。この燃料電池において
は、陽極側の加湿に限られており、泡立器の構造が複雑であり、従って燃料電池
の容積、重量及びとりわけ製造コストにも不利に影響するという欠点がある。特
に、ＰＥＭ燃料電池を移動形システムに適用する場合、この構造はそれ故に好ま
しくない。
【０００３】 この発明の課題は、液体による陽極及び／又は陰極側の加湿及び／又は冷却系
を備えた燃料電池スタックを提供し、その構造を軽量かつ小容積にそれに伴って
その製造コストを低くしようとすることにある。
を備えた燃料電池スタックを提供し、その構造を軽量かつ小容積にそれに伴って
その製造コストを低くしようとすることにある。
【０００４】 この発明の対象は、２つのプロセスガス供給通路及び排出通路と、上側端板及
び下側端板と、少なくとも２つの燃料電池ユニットとを備え、この燃料電池ユニ
ットがそれぞれ膜−電極ユニット（ＭＥ）と、プロセスガス供給通路及び排出通
路に接続されている構造通路を両側に設けられたセパレータとを有し、燃料の供
給通路及び／又は酸化剤の供給通路が液体容器に接続されている高分子電解質膜
型（ＰＥＭ）燃料電池スタックである。さらに、この発明の対象は、少なくとも
１つのプロセスガス流がこのプロセスガス流と一緒に液体を通流させることによ
って及び／又はこのプロセスガス流が液体中を通流することによって加湿及び／
又は冷却される燃料電池システムの運転方法である。
び下側端板と、少なくとも２つの燃料電池ユニットとを備え、この燃料電池ユニ
ットがそれぞれ膜−電極ユニット（ＭＥ）と、プロセスガス供給通路及び排出通
路に接続されている構造通路を両側に設けられたセパレータとを有し、燃料の供
給通路及び／又は酸化剤の供給通路が液体容器に接続されている高分子電解質膜
型（ＰＥＭ）燃料電池スタックである。さらに、この発明の対象は、少なくとも
１つのプロセスガス流がこのプロセスガス流と一緒に液体を通流させることによ
って及び／又はこのプロセスガス流が液体中を通流することによって加湿及び／
又は冷却される燃料電池システムの運転方法である。
【０００５】 この発明の有利な実施態様は従属請求項及び明細書の説明により明らかにされ
る。
る。
【０００６】 この発明の有利な実施態様において構造通路は蛇行状に形成されている。この
構成は反応ガス室に液体を最適に分配するのに役立ち、それ故、特に液体量が少
量の場合、つまりプロセスガスと液体との混合物におけるプロセスガスと液体と
の比が大きい、即ち基本的に液体よりプロセスガスが多い場合に使用される。
構成は反応ガス室に液体を最適に分配するのに役立ち、それ故、特に液体量が少
量の場合、つまりプロセスガスと液体との混合物におけるプロセスガスと液体と
の比が大きい、即ち基本的に液体よりプロセスガスが多い場合に使用される。
【０００７】 この発明のこの実施態様においては、その上、冷却及び接触板がセパレータに
接して配置されることにより、例えば移動形としての適用の際に、相対風を燃料
電池の冷却に利用できるという利点がある。
接して配置されることにより、例えば移動形としての適用の際に、相対風を燃料
電池の冷却に利用できるという利点がある。
【０００８】 この発明により使用される液体はまた泡とすることもできる。液体としては特
に、起泡剤のような添加物を含む水が使用され、プロセスガスを液体（例えば、
界面活性剤を添加した水）と一緒に通流させることによって或いは界面活性剤を
含む液体が燃料電池スタックに入る直前にプロセスガスをこの液体に通流させる
ことによって、プロセスガスを含む泡を発生させ、これを燃料電池スタックに導
くことができる。この泡相におけるプロセスガスに対する液体の比は、使用され
た界面活性剤の量及び性質により並びにガス圧により決定され、従って、液体の
配量に関する面倒な制御を必要とすることなく、広い幅で変えることができる。
液体の配量制御は、それにもかかわらず、例えば、液体とプロセスガスが燃料電
池スタックに導かれる前に、これを配量弁を備えた２つの管路から一緒に通流さ
せる場合にも可能である。
に、起泡剤のような添加物を含む水が使用され、プロセスガスを液体（例えば、
界面活性剤を添加した水）と一緒に通流させることによって或いは界面活性剤を
含む液体が燃料電池スタックに入る直前にプロセスガスをこの液体に通流させる
ことによって、プロセスガスを含む泡を発生させ、これを燃料電池スタックに導
くことができる。この泡相におけるプロセスガスに対する液体の比は、使用され
た界面活性剤の量及び性質により並びにガス圧により決定され、従って、液体の
配量に関する面倒な制御を必要とすることなく、広い幅で変えることができる。
液体の配量制御は、それにもかかわらず、例えば、液体とプロセスガスが燃料電
池スタックに導かれる前に、これを配量弁を備えた２つの管路から一緒に通流さ
せる場合にも可能である。
【０００９】 他方、添加物なしの水或いは他の液体だけをこの発明のように加湿及び／又は
冷却に使用することもできる。その場合、その適用に応じて、特別な表面特性を
備えた液体が選択される。
冷却に使用することもできる。その場合、その適用に応じて、特別な表面特性を
備えた液体が選択される。
【００１０】 液体容器は例えばタンク或いは単に（水道）管、場合によっては起泡剤を付与
するための配量弁或いはそれに応じた供給管路を備えている管路とすることがで
きる。特に液体は室温或いは５℃〜８０℃の温度で導入されるのがよい。
するための配量弁或いはそれに応じた供給管路を備えている管路とすることがで
きる。特に液体は室温或いは５℃〜８０℃の温度で導入されるのがよい。
【００１１】 この発明の方法の１つの異なる実施態様としては、プロセスガスと液体との混
合物における液体もしくは泡に対するプロセスガスの比が小さく、従って実際に
気泡が液体中に分散し、この液体が燃料電池システムの冷却に足りるときには、
加湿が多くの液体及び／又は泡で行われる。その場合、なお付加的な通風冷却（
例えば、出力ピークにおいて）も行われないことが除外されるものではない。
合物における液体もしくは泡に対するプロセスガスの比が小さく、従って実際に
気泡が液体中に分散し、この液体が燃料電池システムの冷却に足りるときには、
加湿が多くの液体及び／又は泡で行われる。その場合、なお付加的な通風冷却（
例えば、出力ピークにおいて）も行われないことが除外されるものではない。
【００１２】 この方法の１つの実施態様では冷却媒体からの廃熱が熱交換器を介して、例え
ば移動形としての適用の際に、乗客室を暖房するように利用できる。
ば移動形としての適用の際に、乗客室を暖房するように利用できる。
【００１３】 プロセスガス流を液体と一緒に通流させることは２つの管路を結合することに
よって簡単に実現できる。しかし、液体をプロセスガスの流れに噴霧或いは垂ら
し込む或いはまたその逆にすることもできる。従来の技術による気相と液相とを
一緒に通流させるどのような方式も、この発明においても使用できる。
よって簡単に実現できる。しかし、液体をプロセスガスの流れに噴霧或いは垂ら
し込む或いはまたその逆にすることもできる。従来の技術による気相と液相とを
一緒に通流させるどのような方式も、この発明においても使用できる。
【００１４】 ＰＥＭ燃料電池はここでは電解質として陽子伝導性の高分子膜を備えた全ての
燃料電池を意味する。その場合、特に、フッ素置換、スルホン基置換の高分子を
ベースとする高分子膜が使用される。
燃料電池を意味する。その場合、特に、フッ素置換、スルホン基置換の高分子を
ベースとする高分子膜が使用される。
【００１５】 膜−電極ユニットは、ＰＥＭ燃料電池の核心であり、約０．１ｍｍの厚さで両
側に触媒を設けられている膜箔を言う。両側の触媒層の上には多孔性の電極があ
り、この電極を介して活性触媒層が燃料或いは酸化剤を導かれ、生成物（電流、
熱及び水）が放出される。この発明により加湿及び／又は冷却された側では多孔
性の電極は疎水性であり、電極への注水は阻止される。
側に触媒を設けられている膜箔を言う。両側の触媒層の上には多孔性の電極があ
り、この電極を介して活性触媒層が燃料或いは酸化剤を導かれ、生成物（電流、
熱及び水）が放出される。この発明により加湿及び／又は冷却された側では多孔
性の電極は疎水性であり、電極への注水は阻止される。
【００１６】 電極の回りの空間に接して少なくとも１つのセパレータが配置されている。こ
れにより、複数の燃料電池からなるスタックの場合１つの燃料電池の陽極室とそ
れに隣接する燃料電池の陰極室とは気密に隔離されている。このセパレータは、
積層された燃料電池が電気的に直列に接続されているように作られている。燃料
電池ユニット当たり１つ或いは２つのセパレータを設けることができる。さらに
、１つ或いは２つのセパレータに付加してなおそれぞれ１つの冷却及び接触板が
個々の燃料電池を熱的、電気的及び機械的に接続するために配置されている構造
もある。このような冷却及び接触板は例えば国際公開第９７／０１８２７号明細
書に開示されている。
れにより、複数の燃料電池からなるスタックの場合１つの燃料電池の陽極室とそ
れに隣接する燃料電池の陰極室とは気密に隔離されている。このセパレータは、
積層された燃料電池が電気的に直列に接続されているように作られている。燃料
電池ユニット当たり１つ或いは２つのセパレータを設けることができる。さらに
、１つ或いは２つのセパレータに付加してなおそれぞれ１つの冷却及び接触板が
個々の燃料電池を熱的、電気的及び機械的に接続するために配置されている構造
もある。このような冷却及び接触板は例えば国際公開第９７／０１８２７号明細
書に開示されている。
【００１７】 この発明による構造通路は特にセパレータの材料内に型押しで作られるのがよ
い。セパレータはその両側に構造通路が設けられているが、これらは同一であっ
ても異なっていてもよい。構造通路が蛇行状に形成されている燃料電池を構成す
る場合、この構造通路は両側で蛇行状とするのが、最も簡単に製作できるのでよ
い。この発明の範囲として、勿論、セパレータの材料自体と同じ或いは異なる材
料から作られたセパレータも考えられる。その場合、陽極側の構造通路を蛇行状
に、陰極側の構造通路を平行にした構成も可能である。構造通路は樋、溝、円形
或いは角形通路とすることができる。セパレータの材料は専門的に周知であり、
即ち金属、積層金属或いは積層プラスチックである。
い。セパレータはその両側に構造通路が設けられているが、これらは同一であっ
ても異なっていてもよい。構造通路が蛇行状に形成されている燃料電池を構成す
る場合、この構造通路は両側で蛇行状とするのが、最も簡単に製作できるのでよ
い。この発明の範囲として、勿論、セパレータの材料自体と同じ或いは異なる材
料から作られたセパレータも考えられる。その場合、陽極側の構造通路を蛇行状
に、陰極側の構造通路を平行にした構成も可能である。構造通路は樋、溝、円形
或いは角形通路とすることができる。セパレータの材料は専門的に周知であり、
即ち金属、積層金属或いは積層プラスチックである。
【００１８】 蛇行状とは個々の通路が不規則的に或いは規則的に湾曲した或いは曲線状の形
状を持つことを言う。
状を持つことを言う。
【００１９】 供給通路及び排出通路はここでは反応剤或いはプロセスガスの軸線方向の供給
通路及び排出通路である。これらの垂直方向の通路は高さ方向に向かって燃料電
池のスタックに沿って伸長しており、この発明の好ましい構造によれば、燃料電
池スタックを組み立てる際に個々の燃料電池ユニットを、管片或いは管突出片の
ような付加的な部品を必要とすることなく、パッキンを介挿して積層するだけで
形成される。しかしながら、この発明はこのような好ましい燃料電池スタックに
限定されない。
通路及び排出通路である。これらの垂直方向の通路は高さ方向に向かって燃料電
池のスタックに沿って伸長しており、この発明の好ましい構造によれば、燃料電
池スタックを組み立てる際に個々の燃料電池ユニットを、管片或いは管突出片の
ような付加的な部品を必要とすることなく、パッキンを介挿して積層するだけで
形成される。しかしながら、この発明はこのような好ましい燃料電池スタックに
限定されない。
【００２０】 燃料電池スタックの好ましい構造としては、ドイツ特許第４４４２２８５号明
細書により公知の構造が使用される。この構造においては、廃熱が液体とガスと
の混合物から取り出される、即ち、この発明による加湿が冷却に対しても足りる
場合、燃料電池スタックの積層構造はセパレータ、陰極室（触媒層及び電極を含
む）、膜、陽極室（触媒層及び電極を含む）、セパレータ、陰極室、膜等（なお
、１つの燃料電池ユニットは１つのセパレータ、１つの陰極室、１つの膜及び１
つの陽極室を含む）で満足するので、各２番目のセパレータは省略される。
細書により公知の構造が使用される。この構造においては、廃熱が液体とガスと
の混合物から取り出される、即ち、この発明による加湿が冷却に対しても足りる
場合、燃料電池スタックの積層構造はセパレータ、陰極室（触媒層及び電極を含
む）、膜、陽極室（触媒層及び電極を含む）、セパレータ、陰極室、膜等（なお
、１つの燃料電池ユニットは１つのセパレータ、１つの陰極室、１つの膜及び１
つの陽極室を含む）で満足するので、各２番目のセパレータは省略される。
【００２１】 燃料電池システムとは、少なくとも２つの燃料電池ユニットと、この燃料電池
ユニットとで燃料電池スタックを形成するための上側端板及び下側端板と、燃料
タンクに接続されている燃料供給管路と、酸化剤タンクに接続されている酸化剤
供給管路と、これに対するそれぞれの排出管路とを備え、燃料供給管路及び／又
は酸化剤供給管路が液体容器に結合されている構成を意味する。
ユニットとで燃料電池スタックを形成するための上側端板及び下側端板と、燃料
タンクに接続されている燃料供給管路と、酸化剤タンクに接続されている酸化剤
供給管路と、これに対するそれぞれの排出管路とを備え、燃料供給管路及び／又
は酸化剤供給管路が液体容器に結合されている構成を意味する。
【００２２】 プロセスガス供給通路を液体容器及び／又は起泡剤容器に結合することはＴ字
管のような簡単な導管として、或いはプロセスガス、液体及び／又は界面活性剤
の制御のために弁を備えたＶ字状の導入管として構成できる。
管のような簡単な導管として、或いはプロセスガス、液体及び／又は界面活性剤
の制御のために弁を備えたＶ字状の導入管として構成できる。
【００２３】 この発明は、従来の技術に較べて著しく重量及び容積を削減しており、大量生
産にも適しているので、特に、ＰＥＭ燃料電池の移動形への適用を考慮して構想
されたものである。しかしながら、この発明は他の定置形への適用もまた可能で
ある。
産にも適しているので、特に、ＰＥＭ燃料電池の移動形への適用を考慮して構想
されたものである。しかしながら、この発明は他の定置形への適用もまた可能で
ある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フォン ヘルモルト、 リットマール ドイツ連邦共和国 デー‐91052 エルラ ンゲン ドナウシュトラーセ 14 (72)発明者 ゲネンガー、ベルント ドイツ連邦共和国 デー‐91077 ヘッツ レス ノインキルヒェナー シュトラーセ ５ Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CX04 5H027 AA06 CC06 DD06 MM03 MM04 MM08 MM09
Claims (7)
- 【請求項１】２つのプロセスガス供給通路及び排出通路と、上側端板及び下
側端板と、少なくとも２つの燃料電池ユニットとを備え、この燃料電池ユニット
がそれぞれ膜−電極ユニットと、プロセスガス供給通路及び排出通路に接続され
ている構造通路を両側に設けられたセパレータとを有し、燃料の供給通路及び／
又は酸化剤の供給通路が、プロセスガス流に加湿及び／又は冷却のための液体が
供給されるように液体容器に接続されている高分子電解質膜型燃料電池スタック
。 - 【請求項２】構造通路が蛇行状に形成されている請求項１に記載の燃料電池
スタック。 - 【請求項３】セパレータに接して冷却及び接触板が配置されている請求項１
又は２に記載の燃料電池スタック。 - 【請求項４】少なくとも１つのプロセスガス流がこのプロセスガス流と一緒
に液体を通流させることによって及び／又はこのプロセスガス流がこの液体中を
通流することによって加湿及び／又は冷却される燃料電池システムの運転方法。 - 【請求項５】加湿が燃料電池システムの冷却に充分である請求項４に記載の
方法。 - 【請求項６】冷却及び加湿液体からの廃熱を利用可能にする請求項４又は５
に記載の方法。 - 【請求項７】燃料電池システムの廃熱を自動車の暖房に使用する請求項４乃
至６の１つに記載の方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19821764.1 | 1998-05-14 | ||
| DE19821764 | 1998-05-14 | ||
| PCT/DE1999/001300 WO1999060640A2 (de) | 1998-05-14 | 1999-05-03 | Pem-brennstoffzelle und verfahren zum betreiben eines pem- brennstoffzellensystems mit flüssiger befeuchtung und/oder kühlung |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002516464A true JP2002516464A (ja) | 2002-06-04 |
Family
ID=7867831
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000550160A Withdrawn JP2002516464A (ja) | 1998-05-14 | 1999-05-03 | 高分子電解質膜型燃料電池及び液体による加湿及び／又は冷却系を備えた高分子電解質膜型燃料電池システムの運転方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP1086501A2 (ja) |
| JP (1) | JP2002516464A (ja) |
| CA (1) | CA2331713A1 (ja) |
| WO (1) | WO1999060640A2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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