JP2003500800A - 高温膜燃料電池、高温膜燃料電池発電器の運転方法及び高温膜燃料電池発電器 - Google Patents

高温膜燃料電池、高温膜燃料電池発電器の運転方法及び高温膜燃料電池発電器

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JP2003500800A JP2000619042A JP2000619042A JP2003500800A JP 2003500800 A JP2003500800 A JP 2003500800A JP 2000619042 A JP2000619042 A JP 2000619042A JP 2000619042 A JP2000619042 A JP 2000619042A JP 2003500800 A JP2003500800 A JP 2003500800A
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Abstract

(57)【要約】 高温膜燃料電池の始動時や低負荷運転時等電池が低温の状態にあるときに、電極反応で生成した液体の水により電極内に付与した電解質が洗い流されると言う問題が発生する。その解決のため、電極内に加熱素子を設けたり、触媒層等に直接通電したりして、電極又は電極室を局部的に限定して加熱可能な構成とする。この結果、生成水が燃料電池ユニット内部で液化するのを防ぎ、それによりバッテリー始動時や低負荷時の電解質の洗い流しを防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、高温膜燃料電池、該電池の運転方法及び発電器に関する。
【０００２】 従来技術から、電解質として［−ＳＯ3Ｈ］基をもつベースポリマーを持つ 、
高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池は公知である。その際電解伝導は水和プロト
ンにより行われる。従ってこの膜は、プロトンの伝導性を保証するため、常圧下
１００℃以下の運転温度において液状の水を必要とする。
【０００３】 運転温度の制限を解除する出発点は、［−ＳＯ3Ｈ］基を含む膜の代わりに別
の膜（イオン交換膜であってもよい）の使用、遊離リン酸や物理的、化学的に結
合しているリン酸を燃料電池の電解質として有するマトリックスを使用すること
にある。この燃料電池を高温膜燃料電池と呼ぶ。
【０００４】 しかし遊離リン酸を含む高温膜燃料電池を形成する場合、少なくとも１つの問
題、即ち１００℃以下の温度で、即ち燃料電池設備の始動時や無負荷運転時に、
電解質が洗い流されるという問題が起こる。即ちカソードに生成水が生じ、この
水が燃料電池ユニット中で液化し、液状の水として膜内に入り、そこに物理的に
結合されている、例えばリン酸のような電解質を稀釈し、結局洗い流してしまう
のである。この問題は主に、燃料電池を始動／停止動作で運転する時、即ち例え
ば自動車の駆動に使用する際に起こる。洗い流しによる電解質の損失は、電池の
機能的故障にまで至る電力損を招く。膜の両面が洗い流されて電解質は例えば微
細な滴下物の形でプロセスガス流と共に電池を出て行く。電池の機能を維持する
のに、電解質の補充が必要になる。
【０００５】 この問題は、リン酸燃料電池、即ちＰＡＦＣ（Phosphor Acid Fuel Cell）
から副次的にではあるが公知である。即ちＰＡＦＣをとりわけ長時間にわたり定
置的持続運転で使用する場合、電解質の流出の大部分は上述したように始動時に
起こるからである。しかし本発明により経済的利点も期待できることから、本発
明を固定的システムに使用できることは当然である。
【０００６】 従って本発明の課題は、燃料電池を形成し、その運転方法を提供することにあ
る。従って電解質を補充せずに機能する燃料電池発電器を形成することにある。
【０００７】 この課題は、本発明の請求項１、８及び１０に記載の特徴及び措置により解決
される。本発明の実施態様はそれぞれその従属請求項の対象である。
【０００８】 本発明は、膜及び２つの電極、即ちアノードとカソード、それらに付随する反
応ガス室を有し、その際電極の一方又は両方及び／又は反応ガス室の一方又は両
方を少なくとも局部的に加熱することのできる、高温膜燃料電池を対象とする。
【０００９】 更に本発明は、燃料電池スタックが１００℃以下の温度の時、少なくともその
１つの電極及び／又は１つの反応ガス室を局部的に加熱し、その結果生じる生成
水が液化することなしに気体の形で燃料電池ユニットを出ていく、高温膜燃料電
池発電器の運転方法を対象とする。
【００１０】 最後に本発明は、少なくとも１つの燃料電池ユニットを含み、それらのカソー
ド、アノード及び／又はそれらの反応ガス室の１つが加熱可能である高温膜燃料
電池発電器も対象とする。
【００１１】 本発明の場合、カソード及び／又はカソードガス室を加熱するとよい。しかし
相応する措置を燃料電池のアノード側で行うことも可能である。
【００１２】 本発明のその他の詳細及び利点を、個々の特許請求項に関連する実施例につい
ての以下の記載から明らかにする。その際いわゆる高温ＰＥＭ燃料電池として形
成した公知の高温膜燃料電池から出発し、従って図面の説明は省略する。
【００１３】 個々の燃料電池ユニットは、両側に電極被覆を有し、中心に配置された膜から
成る。この電極被覆は、例えば炭素繊維の織物又は類似物から成る集電体と、膜
に直に接しており電気触媒を含む層であるガス拡散層とを含む。燃料電池ユニッ
トは各々極板により上下を囲まれており、その際この極板はセル板又はバイポー
ラ板とも呼ばれる。
【００１４】 専門家に燃料電池スタックと呼ばれる、個々の燃料電池ユニットの積層体は、
相応する端板と供給導管並びに冷却系統を有する少なくとも１つの燃料電池から
成り、その際この冷却系統はスタック外に配置した構成素子を備えてもよい。
【００１５】 １個の燃料電池発電器は少なくとも１つの燃料電池スタックと、それに付随す
る、例えば再生器のような電池内に配置される集合装置を有する。
【００１６】 上記の燃料電池の場合、高温膜燃料電池設備の始動時に電解質が洗い流されて
しまうという問題は、燃料電池スタック内を局部的に限定して１００℃以上の温
度に加熱し、それにより膜内に、不所望な洗い流しを惹起するであろう液状の生
成水が侵入しないうちに蒸発するようにすることで回避できる。それにより既に
高温膜燃料電池の運転温度以下の温度で、局部的に燃料電池の運転温度に相応し
い条件がシミュレーションされる。つまりこのようにして、これに関連して燃料
電池の始動時でも同じ条件から出発することが可能になる。
【００１７】 このシミュレーションが行われる局部的に限定された加熱範囲が、生じる生成
水が温度を上げなければ液化してしまう範囲であると有利である。
【００１８】 局部的加熱により生成水は蒸気状で存在する。この蒸気状の水は例えばガス流
、特に燃料電池のプロセスガス流と共に外に運び出される。
【００１９】 １００℃以下の始動温度で生成水を蒸発させる局部的加熱のために、加熱素子
が必要である。この加熱素子は第１の実施態様によれば、例えば電極の触媒層中
、ガス拡散層中及び／又は極板又はセル板中又はバイポーラ板中に埋込んだ少な
くとも１つの導線である。この導線は抵抗線として例えば蛇行曲線状又は類似の
形に巻かれており、その際電流により抵抗線内に熱を生ずる。
【００２０】 第２の実施形態によれば、触媒層は電極と直に接触して、例えば触媒バーナの
形で加熱素子の役目をし、その際燃料と酸化体（Ｏ2及び／又は空気）が交互に
触媒層上に通される。このような触媒バーナにより反応ガス室が加熱される、い
わゆる穏やかな燃焼になる。
【００２１】 第３の実施形態では、電極と接触している触媒層、ガス拡散層及び／又は極板
自体に例えば電流を通して直接加熱素子の役目をさせる。
【００２２】 最後に挙げた実施形態の変形例では、加熱可能な部分と加熱不可能な部分を有
するよう、電極、極板及び／又はガス拡散層の一部分だけに加熱素子を設ける。
【００２３】 電流を通す加熱素子を有する実施形態で、燃料電池発電器自体又は外部の発電
器により放出される電力を供給する。そのため、場合によっては燃料電池ユニッ
トに補助的に蓄電池を付加してもよい。別の場合には、加熱を直接燃料電池内に
存在する化学エネルギーの変換により行う。それには発熱プロセスを行う可燃性
ガスと酸化剤の再結合を利用する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゲプハルト、ウルリッヒ ドイツ連邦共和国 デー‐91094 ランゲ ンゼンデルバッハ ツェーデルンシュトラ ーセ 18 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB01 CX04 HH08 5H027 AA06 CC11 KK41 MM21

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 膜及び２つの電極、即ちアノード及びカソードと、それらに
    付随する反応ガス室とを有する高温膜燃料電池において、少なくとも一方の電極
    及び／又は少なくとも一方の反応ガス室が局部的に加熱可能であることを特徴と
    する高温膜燃料電池。
  2. 【請求項２】 電極がカソード及び／又はカソードガス室の反応ガス室である
    ことを特徴とする請求項１記載の電池。
  3. 【請求項３】 加熱素子が存在することを特徴とする請求項１記載の電池。
  4. 【請求項４】 加熱素子が、例えば蛇行曲線状に形成された、或いは巻かれ
    た導線であることを特徴とする請求項３記載の電池。
  5. 【請求項５】 加熱素子が触媒バーナであることを特徴とする請求項３記載
    の電池。
  6. 【請求項６】 電極と接続している触媒層、ガス拡散層及び／又は極板自体
    を、例えば電流を通すことにより、直接加熱素子として使用することを特徴とす
    る請求項３記載の電池。
  7. 【請求項７】 加熱素子が電極、極板及び／又はガス拡散層の一部分だけに
    存在し、従ってそれらの領域が加熱可能な部分と加熱不可能な部分を有している
    ことを特徴とする請求項６記載の電池。
  8. 【請求項８】 個々の燃料電池ユニットの１つの積層体から成る高温膜燃料
    電池発電器の運転方法において、燃料電池スタックの温度が１００℃以下であり
    、少なくとも１つの電極及び／又は反応ガス室を、そこに生じる生成水が気相状
    態で存在し、気体の形で燃料電池ユニットを出ていくような温度に局部的に加熱
    することを特徴とする高温膜燃料電池発電器の運転方法。
  9. 【請求項９】 加熱温度が１００℃以上であることを特徴とする請求項８記
    載の方法。
  10. 【請求項１０】 電極及びそれらに付随する反応ガス室を有する少なくとも
    １つの燃料電池ユニットを含んでいる高温膜燃料電池発電器において、個々の燃
    料電池ユニットの個々の電極及び／又はそれらの反応ガス室の１つを少なくとも
    局部的に加熱する手段があることを特徴とする発電器。
  11. 【請求項１１】 加熱媒体を供給するため、燃料電池ユニット及び／又は分
    離された発電器を利用することを特徴とする請求項１０記載の発電器。
  12. 【請求項１２】 加熱媒体を可燃性ガスと酸化剤の再結合により形成するこ
    とを特徴とする請求項１０記載の発電器。
JP2000619042A 1999-05-19 2000-05-12 高温膜燃料電池、高温膜燃料電池発電器の運転方法及び高温膜燃料電池発電器 Withdrawn JP2003500800A (ja)

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Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2378234A1 (en) * 1999-07-05 2001-01-11 Siemens Aktiengesellschaft Fuel cell installation, and method for its operation
US6818338B2 (en) * 2000-05-08 2004-11-16 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Fuel cell assembly
JP2002324563A (ja) * 2001-04-24 2002-11-08 Toyota Motor Corp 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
DE10214564A1 (de) * 2002-03-31 2003-10-23 Siemens Ag Verfahren zur gezielten, kurzzeitigen Befeuchtung einer HT-PEM-Brennstoffzelle sowie zugehörige HT-PEM-Brennstoffzellenanlage
DE10247710A1 (de) * 2002-10-12 2004-05-13 Volkswagen Ag Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Kraftfahrzeugs
JP4351431B2 (ja) * 2002-10-28 2009-10-28 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
US6979805B2 (en) * 2003-01-08 2005-12-27 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Fuel-cell resistors and methods
EP1680831A2 (en) * 2003-10-10 2006-07-19 Ballard Power Systems Inc. Water insoluble additive for improving conductivity of an ion exchange membrane
KR100570753B1 (ko) * 2004-02-13 2006-04-12 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템
US7977392B2 (en) 2005-12-22 2011-07-12 Daimler Ag Water insoluble additive for improving conductivity of an ion exchange membrane
CN105449242B (zh) * 2015-11-16 2018-04-24 武汉理工大学 一种车载金属双极板燃料电池低温启动控制系统及方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3929730A1 (de) * 1989-09-07 1991-03-21 Kernforschungsz Karlsruhe Wasserstoff/sauerstoff-brennstoffzelle
JP2951025B2 (ja) * 1991-04-08 1999-09-20 三洋電機株式会社 小型リン酸型燃料電池の運転方法
DE4132356A1 (de) * 1991-09-27 1993-04-01 Bernhard Ruck Mobile reinigungs- und massagevorrichtung
DE19523973C1 (de) * 1995-06-30 1996-12-19 Siemens Ag Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage und Verfahren zu ihrem Betrieb
JPH11154529A (ja) * 1997-11-21 1999-06-08 Tokyo Gas Co Ltd リン酸型燃料電池の停止方法及びリン酸型燃料電池
DE19807878C2 (de) * 1998-02-25 2001-10-31 Xcellsis Gmbh Brennstoffzellensystem

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