JP2003515873A - 燃料電池設備 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
燃料電池設備（４１）の停止後、燃料電池内に酸素が残る危険がある。この残留酸素は、燃料電池設備の出力と寿命を著しく低下する酸化を引起す。これに対処するため、燃料電池の陽極（３ａ、２３ａ、４４ａ）に接する陽極ガス空間（７ａ、５１ａ）を、燃料電池の陰極（３ｂ、２３ｂ、４４ｂ）に接する陰極ガス空間（７ｂ、５１ｂ）の少なくとも２倍の大きさとする。この結果、燃料電池設備の停止後、燃料電池内に残留する全部の酸素を電気化学反応で消費し尽くすのに充分な量の水素を燃料電池内に残すことができる。
Description
【０００１】
本発明は、各１つの陽極と１つの陰極とを備えた複数の燃料電池を含む少なく
とも１つの燃料電池ブロックを備え、前記陽極が陽極ガス空間に、陰極が陰極ガ
ス空間に各々接し、この陽極ガス空間と陰極ガス空間が各々気密に閉鎖可能な燃
料電池設備に関する。
とも１つの燃料電池ブロックを備え、前記陽極が陽極ガス空間に、陰極が陰極ガ
ス空間に各々接し、この陽極ガス空間と陰極ガス空間が各々気密に閉鎖可能な燃
料電池設備に関する。
【０００２】
水の電気分解時、水分子は電流により水素（Ｈ2）と酸素（Ｏ2）に分解される
。燃料電池では、この現象を逆方向に行わせる。即ち、水素と酸素を電気化学的
に結合して水にする際電流を高効率で、かつ燃料ガスとして純水素を使用する際
には、有害物質や二酸化炭素（ＣＯ2）を放出することなく発生する。工業的燃
焼ガス、例えば天然ガスや石炭ガスと、純酸素の代わりに空気（なお、この場合
空気を付加的に酸素リッチとする）を使用しても、燃料電池では、化石燃料で作
動する他の発電装置よりも、顕著に有害物質や二酸化炭素の発生が少ない。
。燃料電池では、この現象を逆方向に行わせる。即ち、水素と酸素を電気化学的
に結合して水にする際電流を高効率で、かつ燃料ガスとして純水素を使用する際
には、有害物質や二酸化炭素（ＣＯ2）を放出することなく発生する。工業的燃
焼ガス、例えば天然ガスや石炭ガスと、純酸素の代わりに空気（なお、この場合
空気を付加的に酸素リッチとする）を使用しても、燃料電池では、化石燃料で作
動する他の発電装置よりも、顕著に有害物質や二酸化炭素の発生が少ない。
【０００３】
燃料電池の原理の技術的展開により、種々の打開策、即ち多種多様な電解質や
８０〜１０００℃の作動温度を持つ打開策がもたらされてきた。その作動温度に
関係して燃料電池は低温、中温、高温燃料電池に分類され、これらはまたその多
様な工業的実施形態で互いに区別される。
８０〜１０００℃の作動温度を持つ打開策がもたらされてきた。その作動温度に
関係して燃料電池は低温、中温、高温燃料電池に分類され、これらはまたその多
様な工業的実施形態で互いに区別される。
【０００４】
個々の燃料電池は最大１．１Ｖの動作電圧を供給する。それ故、多数の燃料電
池を互いに積層して燃料電池ブロックを構成する。専門文献では、このようなブ
ロックを「スタック」とも呼ぶ。燃料電池ブロックの燃料電池を直列接続するこ
とで、燃料電池設備の動作電圧は数１００Ｖにもなる。
池を互いに積層して燃料電池ブロックを構成する。専門文献では、このようなブ
ロックを「スタック」とも呼ぶ。燃料電池ブロックの燃料電池を直列接続するこ
とで、燃料電池設備の動作電圧は数１００Ｖにもなる。
【０００５】
燃料電池は１つの電解質を含み、その一方側に陽極が、他方側に陰極が固定配
置されている。陽極には陽極ガス空間が接し、これを通して燃料ガスが燃料電池
の稼動の際に陽極に沿って流れる。陰極には陰極ガス空間が接し、これを通して
酸素又は酸素を含むガスが陰極に沿って流れる。燃料電池の陽極は、隣接する燃
料電池の陰極から隔離部材によって隔離される。燃料電池の様式に応じて、この
隔離部材は、例えばバイポーラ板や冷却部材として構成される。
置されている。陽極には陽極ガス空間が接し、これを通して燃料ガスが燃料電池
の稼動の際に陽極に沿って流れる。陰極には陰極ガス空間が接し、これを通して
酸素又は酸素を含むガスが陰極に沿って流れる。燃料電池の陽極は、隣接する燃
料電池の陰極から隔離部材によって隔離される。燃料電池の様式に応じて、この
隔離部材は、例えばバイポーラ板や冷却部材として構成される。
【０００６】
燃料電池の稼動時に燃料ガスは陽極ガス空間を通って陽極、酸素を含むガスは
陰極ガス空間を通って陰極に流れる。陽極と陰極は、特に多孔質の材料で作られ
ているので、燃料ガスと酸素を含むガスは、各々陽極及び陰極を通って電解質に
迄浸透する。電解質において、これらガスは互いに電気化学的に反応し、電流を
発生する。燃料電池設備を停止する場合、両ガス空間へのガスの供給が中断され
る。しかしながら、燃料電池にはある量のガスが残る。
陰極ガス空間を通って陰極に流れる。陽極と陰極は、特に多孔質の材料で作られ
ているので、燃料ガスと酸素を含むガスは、各々陽極及び陰極を通って電解質に
迄浸透する。電解質において、これらガスは互いに電気化学的に反応し、電流を
発生する。燃料電池設備を停止する場合、両ガス空間へのガスの供給が中断され
る。しかしながら、燃料電池にはある量のガスが残る。
【０００７】
燃料電池設備の停止状態では、燃料電池は電流負荷から電気的に分離されるこ
とがあり、燃料電池の内部に電圧が生じ、燃料の水素と酸素を含むガスの酸素と
の間のその後の電気化学反応は中断する。しかしこの状態でも、更に、酸素も又
水素も各々多孔質の材料からなる陽極及び陰極を通過し、電解質に迄浸透する。
燃料電池の構成形態によっては、酸素はまた電解質をも通過する。この酸素は、
その場合、多孔質の陽極も通過し、かくして陽極ガス空間に達する。燃料電池に
残存する残留酸素は、それ故、陽極ガス空間に酸化膜を発生させ、これにより燃
料電池の内部抵抗に悪影響を及ぼす。その場合、電解質を腐食し、これにより燃
料電池の寿命を縮める腐食が起る。この燃料電池の内部抵抗の増加も、構成部分
の腐食も、燃料電池の発生電圧を減少させる結果となる。
とがあり、燃料電池の内部に電圧が生じ、燃料の水素と酸素を含むガスの酸素と
の間のその後の電気化学反応は中断する。しかしこの状態でも、更に、酸素も又
水素も各々多孔質の材料からなる陽極及び陰極を通過し、電解質に迄浸透する。
燃料電池の構成形態によっては、酸素はまた電解質をも通過する。この酸素は、
その場合、多孔質の陽極も通過し、かくして陽極ガス空間に達する。燃料電池に
残存する残留酸素は、それ故、陽極ガス空間に酸化膜を発生させ、これにより燃
料電池の内部抵抗に悪影響を及ぼす。その場合、電解質を腐食し、これにより燃
料電池の寿命を縮める腐食が起る。この燃料電池の内部抵抗の増加も、構成部分
の腐食も、燃料電池の発生電圧を減少させる結果となる。
【０００８】
この問題の解決のため、ドイツ特許第２８３６４６４号明細書は、燃料電池設
備へのガス供給を、燃料電池に存在する燃料ガス圧が、酸素を含むガス圧よりも
常に高くなるよう確実に保証すべく構成することを開示している。これにより酸
素が陽極ガス空間に侵入するのを有効に回避する。かかる燃料電池設備は、圧力
調節機構を必要とする問題がある。この機構は高価なばかりか、燃料電池設備の
運転異常時に、確実に酸素が陽極ガス空間に到達しないよう保証し得ない。
備へのガス供給を、燃料電池に存在する燃料ガス圧が、酸素を含むガス圧よりも
常に高くなるよう確実に保証すべく構成することを開示している。これにより酸
素が陽極ガス空間に侵入するのを有効に回避する。かかる燃料電池設備は、圧力
調節機構を必要とする問題がある。この機構は高価なばかりか、燃料電池設備の
運転異常時に、確実に酸素が陽極ガス空間に到達しないよう保証し得ない。
【０００９】
特開平６−３３３５８６号の英文抄録は、燃料電池設備の停止時、先ず酸素を
含むガスの供給を中断し、次に電気的な負荷によって、電解質での電気化学反応
を中断しないようにし、燃料電池の電圧が低下したときに初めて燃料ガスの供給
も停止することが提案している。燃料電池の電圧低下は、この場合、殆ど全ての
酸素が消費済であることの指標となる。燃料電池には、その場合、主として燃料
ガスのみがなお残存する。かかる燃料電池設備は、ガス弁の制御を前提とし、こ
れは同様に高価であり、運転異常に対しては効果がない欠点を持つ。
含むガスの供給を中断し、次に電気的な負荷によって、電解質での電気化学反応
を中断しないようにし、燃料電池の電圧が低下したときに初めて燃料ガスの供給
も停止することが提案している。燃料電池の電圧低下は、この場合、殆ど全ての
酸素が消費済であることの指標となる。燃料電池には、その場合、主として燃料
ガスのみがなお残存する。かかる燃料電池設備は、ガス弁の制御を前提とし、こ
れは同様に高価であり、運転異常に対しては効果がない欠点を持つ。
【００１０】
国際特許出願公開９７／４８１４３明細書は、燃料電池設備の停止のため、第
一段階で酸素を含むガスの供給を停止し、燃料電池の酸素分圧を測定し、所定の
低い酸素分圧で燃料ガスの供給をも停止することを提案している。この方法でも
電気的負荷により電気化学反応、従って酸素の消費を維持する。陰極ガス空間の
酸素分圧が充分低ければ、燃料電池に残存する残留酸素が電気化学反応を維持し
つつ燃料電池に残存する燃料ガスからの水素と完全に反応する。この結果残留酸
素を最早燃料電池内に残さないようにできる。しかしこの方法もまた、高価でか
つ障害に対して安全ではないガス弁の制御を前提とする点で不利である。
一段階で酸素を含むガスの供給を停止し、燃料電池の酸素分圧を測定し、所定の
低い酸素分圧で燃料ガスの供給をも停止することを提案している。この方法でも
電気的負荷により電気化学反応、従って酸素の消費を維持する。陰極ガス空間の
酸素分圧が充分低ければ、燃料電池に残存する残留酸素が電気化学反応を維持し
つつ燃料電池に残存する燃料ガスからの水素と完全に反応する。この結果残留酸
素を最早燃料電池内に残さないようにできる。しかしこの方法もまた、高価でか
つ障害に対して安全ではないガス弁の制御を前提とする点で不利である。
【００１１】
本発明の課題は、燃料電池に残存する残留酸素による燃料電池の尚早の劣化を
簡単な方法で回避した燃料電池設備を提供することにある。
簡単な方法で回避した燃料電池設備を提供することにある。
【００１２】
この課題は、最初に挙げた燃料電池設備において、本発明によれば、陽極ガス
空間の容積が、その閉鎖された状態において、陰極ガス空間の閉鎖された状態に
おける容積の少なくとも２倍の大きさであることにより解決される。
空間の容積が、その閉鎖された状態において、陰極ガス空間の閉鎖された状態に
おける容積の少なくとも２倍の大きさであることにより解決される。
【００１３】
かかる燃料電池設備を、例えば燃料ガスとしての純水素と純酸素とで作動させ
ると、燃料電池設備の停止後、陰極ガス空間に存在する酸素の、容積的に少なく
とも２倍の水素が陽極ガス空間に残ることとなる。両作動ガスの供給を同時に停
止し、かつ電気化学反応を電気的な負荷で維持すると、陽極ガス空間からの水素
は陰極ガス空間からの酸素と電解質において反応する。水素と酸素の電気化学反
応で水になる際、酸素の２倍の水素を消費する。ガス空間の大きさで制約され、
陰極ガス空間内の酸素の２倍以上の水素が陽極ガス空間に存在し、酸素は完全に
消費され、その結果燃料電池設備の停止後短時間で燃料電池には水素のみが残存
することとなる。この結果燃料電池の構造部分の酸化を、燃料電池設備が燃料電
池設備を停止するための制御機構を備えることなく、有効に回避できる。
ると、燃料電池設備の停止後、陰極ガス空間に存在する酸素の、容積的に少なく
とも２倍の水素が陽極ガス空間に残ることとなる。両作動ガスの供給を同時に停
止し、かつ電気化学反応を電気的な負荷で維持すると、陽極ガス空間からの水素
は陰極ガス空間からの酸素と電解質において反応する。水素と酸素の電気化学反
応で水になる際、酸素の２倍の水素を消費する。ガス空間の大きさで制約され、
陰極ガス空間内の酸素の２倍以上の水素が陽極ガス空間に存在し、酸素は完全に
消費され、その結果燃料電池設備の停止後短時間で燃料電池には水素のみが残存
することとなる。この結果燃料電池の構造部分の酸化を、燃料電池設備が燃料電
池設備を停止するための制御機構を備えることなく、有効に回避できる。
【００１４】
なお、陽極ガス空間とは、以下のガス空間、即ち
ａ）少なくとも１つの陽極の陽極ガス反応空間と
ｂ）陽極ガス空間に接続された通路と配管により形成され、これら通路と配管が
陽極ガス空間から陽極ガス空間を閉鎖する閉鎖部に迄通じているガス空間と
を含むガス空間である。また１つの陽極の陽極ガス反応空間とは、直接陽極に隣
接するガス空間を意味する。この陽極ガス空間の内部で、燃料ガスは自由に多孔
質の陽極表面に沿って流れ、陽極に浸透する。陽極ガス反応空間には燃料ガスの
導入及び導出管が接続される。これら配管は、例えばホースや管路として形成さ
れる。しかし、これらは燃料電池ブロック内部の通路の形にも形成される。
接するガス空間を意味する。この陽極ガス空間の内部で、燃料ガスは自由に多孔
質の陽極表面に沿って流れ、陽極に浸透する。陽極ガス反応空間には燃料ガスの
導入及び導出管が接続される。これら配管は、例えばホースや管路として形成さ
れる。しかし、これらは燃料電池ブロック内部の通路の形にも形成される。
【００１５】
陽極ガス空間と同様陰極ガス空間も、少なくとも１つの陰極を備えた陰極ガス
反応空間と、陰極ガス空間につながる通路や配管で形成されたガス空間を含む。
反応空間と、陰極ガス空間につながる通路や配管で形成されたガス空間を含む。
【００１６】
陽極ガス空間と陰極ガス空間は、例えば同時に閉鎖可能な閉鎖弁で気密に閉鎖
できる。これは、例えばガス空間のガス容積を制限する閉鎖弁を、共通の電流回
路に接続し又は１つの制御装置により同時に接続することで容易に保証される。
できる。これは、例えばガス空間のガス容積を制限する閉鎖弁を、共通の電流回
路に接続し又は１つの制御装置により同時に接続することで容易に保証される。
【００１７】
この燃料電池設備を酸素で作動するように設計するとよい。この設備では、稼
動中に、酸素を陰極ガスとして供給する。燃料ガスとして燃料電池設備に純水素
を供給する場合、上述のように、燃料電池設備の停止後、燃料電池内部には酸素
が残らない。
動中に、酸素を陰極ガスとして供給する。燃料ガスとして燃料電池設備に純水素
を供給する場合、上述のように、燃料電池設備の停止後、燃料電池内部には酸素
が残らない。
【００１８】
しかし、同様にこの燃料電池設備は酸素を含むガス、例えば空気で作動すべく
設計できる。更に、燃料電池設備を空気で、また代替的に酸素で作動するように
も設計できる。空気で作動する燃料電池設備において、作動中に純水素を燃料ガ
スとして供給する場合、上述の問題は必然的に発生しない。と言うのは、空気は
約１／５迄しか酸素を含んでいないからである。しかし、空気で作動するよう構
成した本発明による燃料電池設備は、燃料電池設備の停止後、燃料電池の酸化の
危険を避けつつ、ガスバラストで作動させることもできる。ガスバラストでの作
動時、陽極排ガスの一部又は全部を再び燃料ガスとして燃料電池に環流する。こ
れにより不燃ガス、特に希ガスが陽極ガス空間に蓄積する。この結果、陽極ガス
空間における燃料ガス中の水素濃度が減少する。しかし燃料電池設備の停止時、
場合により燃料ガス中の水素濃度が低いにも係らず、燃料電池設備の停止と作動
ガス供給停止との後に、常になお充分な水素が陽極ガス空間にあり、陰極ガス空
間からの酸素を完全に電気化学反応させるのを保証できる。
設計できる。更に、燃料電池設備を空気で、また代替的に酸素で作動するように
も設計できる。空気で作動する燃料電池設備において、作動中に純水素を燃料ガ
スとして供給する場合、上述の問題は必然的に発生しない。と言うのは、空気は
約１／５迄しか酸素を含んでいないからである。しかし、空気で作動するよう構
成した本発明による燃料電池設備は、燃料電池設備の停止後、燃料電池の酸化の
危険を避けつつ、ガスバラストで作動させることもできる。ガスバラストでの作
動時、陽極排ガスの一部又は全部を再び燃料ガスとして燃料電池に環流する。こ
れにより不燃ガス、特に希ガスが陽極ガス空間に蓄積する。この結果、陽極ガス
空間における燃料ガス中の水素濃度が減少する。しかし燃料電池設備の停止時、
場合により燃料ガス中の水素濃度が低いにも係らず、燃料電池設備の停止と作動
ガス供給停止との後に、常になお充分な水素が陽極ガス空間にあり、陰極ガス空
間からの酸素を完全に電気化学反応させるのを保証できる。
【００１９】
本発明の有利な構成では、複数の陽極は各１つの陽極ガス空間に接し、複数の
陰極は各１つの陰極ガス空間に接する。両者の数は同じでなくてもよい。陽極ガ
ス空間は、例えば陽極に隣接する複数の陽極ガス反応空間、該空間の間にある配
管及び／又は通路と閉鎖弁迄のガス供給及びガス排出管により形成される。陽極
ガス空間での複数の陽極ガス反応空間のかかる組み合わせは、各陽極ガス反応空
間が別々に、例えば閉鎖弁で閉鎖可能でなくてもよいという利点を示す。本発明
のかかる構成において、燃料電池設備の１つの燃料電池ブロックには、複数の陽
極および陰極ガス空間が存在する。これは、例えば燃料ガス又は酸素を含むガス
を、燃料電池ブロックを通してカスケード状に導く場合の事例である。
陰極は各１つの陰極ガス空間に接する。両者の数は同じでなくてもよい。陽極ガ
ス空間は、例えば陽極に隣接する複数の陽極ガス反応空間、該空間の間にある配
管及び／又は通路と閉鎖弁迄のガス供給及びガス排出管により形成される。陽極
ガス空間での複数の陽極ガス反応空間のかかる組み合わせは、各陽極ガス反応空
間が別々に、例えば閉鎖弁で閉鎖可能でなくてもよいという利点を示す。本発明
のかかる構成において、燃料電池設備の１つの燃料電池ブロックには、複数の陽
極および陰極ガス空間が存在する。これは、例えば燃料ガス又は酸素を含むガス
を、燃料電池ブロックを通してカスケード状に導く場合の事例である。
【００２０】
本発明の有利な構成においては、燃料電池ブロックに唯一の陽極ガス空間と陰
極ガス空間とを設ける。このような陽極ガス空間又は陰極ガス空間は、燃料電池
ブロックの全ての陽極又は陰極を含む。かかる燃料電池設備において、燃料電池
ブロックの燃料電池内部で全ガス空間を気密に閉鎖するため、各々唯一の弁が燃
料ガスと酸素を含むガスを燃料電池ブロックへ供給する供給配管及びこれらのガ
スを燃料電池ブロックから排出する排出管に必要である。
極ガス空間とを設ける。このような陽極ガス空間又は陰極ガス空間は、燃料電池
ブロックの全ての陽極又は陰極を含む。かかる燃料電池設備において、燃料電池
ブロックの燃料電池内部で全ガス空間を気密に閉鎖するため、各々唯一の弁が燃
料ガスと酸素を含むガスを燃料電池ブロックへ供給する供給配管及びこれらのガ
スを燃料電池ブロックから排出する排出管に必要である。
【００２１】
好ましくは、陽極又は陰極ガス空間はガス容器のガス空間を含む。或いは陽極
ガス空間と陰極ガス空間が、各々ガス容器のガス空間を含む。ガス容器は、これ
により包囲されるガス空間を、他の陽極又は陰極ガス空間に設けたガス空間と合
わせて、陽極と陰極のガス空間の、所望の容積比を得るよう形成する。本発明の
この構成では、燃料電池ブロックの陽極ガス空間を燃料電池ブロックの陰極ガス
空間と構造的に同じに構成できる。これにより、燃料電池ブロックは従来のよう
に通常の配置とする。即ち陰極ガス空間と配置が同じ陽極ガス空間を設ける。陽
極又は陰極ガス空間に、唯一のガス容器を接続する。ガス容器の大きさに応じて
、陽極と陰極のガス空間の容積比を、燃料電池設備に供給する燃料ガス又は酸素
を含むガスに関係して腐食の危険なしに停止できるよう設定する。この場合、ガ
ス容器は燃料電池ブロックの外部に配置し又は燃料電池ブロックの内部に組み込
める。ガス容器として、例えば所謂「圧縮空気タンク」が使用できる。この種「
圧縮空気タンク」は多くの燃料電池設備において圧力衝撃の緩和に役立つ。
ガス空間と陰極ガス空間が、各々ガス容器のガス空間を含む。ガス容器は、これ
により包囲されるガス空間を、他の陽極又は陰極ガス空間に設けたガス空間と合
わせて、陽極と陰極のガス空間の、所望の容積比を得るよう形成する。本発明の
この構成では、燃料電池ブロックの陽極ガス空間を燃料電池ブロックの陰極ガス
空間と構造的に同じに構成できる。これにより、燃料電池ブロックは従来のよう
に通常の配置とする。即ち陰極ガス空間と配置が同じ陽極ガス空間を設ける。陽
極又は陰極ガス空間に、唯一のガス容器を接続する。ガス容器の大きさに応じて
、陽極と陰極のガス空間の容積比を、燃料電池設備に供給する燃料ガス又は酸素
を含むガスに関係して腐食の危険なしに停止できるよう設定する。この場合、ガ
ス容器は燃料電池ブロックの外部に配置し又は燃料電池ブロックの内部に組み込
める。ガス容器として、例えば所謂「圧縮空気タンク」が使用できる。この種「
圧縮空気タンク」は多くの燃料電池設備において圧力衝撃の緩和に役立つ。
【００２２】
本発明の構成において、ガス容器は水素又は酸素分離器とするとよい。この種
分離器は、燃料電池設備でしばしば使用されている。本発明のこの構成では、所
望の容積比を設定する目的で作った特別の構造部分は不要である。従って、この
構造は、特に容易かつ安価に実現できる。
分離器は、燃料電池設備でしばしば使用されている。本発明のこの構成では、所
望の容積比を設定する目的で作った特別の構造部分は不要である。従って、この
構造は、特に容易かつ安価に実現できる。
【００２３】
本発明の更に別の有利な構成では、第一の燃料電池の陽極と隣接する燃料電池
の陰極との間に、陽極と冷却部材との間のガス空間が陰極と冷却部材との間のガ
ス空間より実質的に大きくなるよう冷却部材を配置する。低温燃料電池では、冷
却部材は電気化学反応で発生した熱を燃料電池から排出するために用いる。これ
は、通常陽極と陰極との間に配置し、しかもこの冷却部材と陽極との間に陽極ガ
ス空間、冷却部材と陰極との間に陰極ガス空間が各々生ずるよう配置する。この
冷却部材は、従来、陰極と陽極の間に対称的に配置したので、陽極ガス空間と陰
極ガス空間は同じ大きさになっていた。陽極と陰極との間に冷却部材を非対称に
配置する場合、陽極と陰極のガス空間は異なる大きさになる。かくして、この冷
却部材の構成により、陽極と陰極のガス空間の容積比は、燃料電池設備にこの目
的のために特別な別部材を接続せずとも所望のとおり設定できる。
の陰極との間に、陽極と冷却部材との間のガス空間が陰極と冷却部材との間のガ
ス空間より実質的に大きくなるよう冷却部材を配置する。低温燃料電池では、冷
却部材は電気化学反応で発生した熱を燃料電池から排出するために用いる。これ
は、通常陽極と陰極との間に配置し、しかもこの冷却部材と陽極との間に陽極ガ
ス空間、冷却部材と陰極との間に陰極ガス空間が各々生ずるよう配置する。この
冷却部材は、従来、陰極と陽極の間に対称的に配置したので、陽極ガス空間と陰
極ガス空間は同じ大きさになっていた。陽極と陰極との間に冷却部材を非対称に
配置する場合、陽極と陰極のガス空間は異なる大きさになる。かくして、この冷
却部材の構成により、陽極と陰極のガス空間の容積比は、燃料電池設備にこの目
的のために特別な別部材を接続せずとも所望のとおり設定できる。
【００２４】
冷却部材は、ガス空間の大きさに応じ非対称に構成するとよい。この非対称構
成の場合、例えば冷却部材がその陽極側の側面において、陰極側の側面とは異な
る形状や高さの凹凸を備える。冷却部材の両面のこの凹凸、即ち形状は、陽極又
は陰極ガス空間の大きさに決定的に影響する。この結果、特に簡単な方法で陽極
と陰極のガス空間の容積比を予め規定したように設定できる。
成の場合、例えば冷却部材がその陽極側の側面において、陰極側の側面とは異な
る形状や高さの凹凸を備える。冷却部材の両面のこの凹凸、即ち形状は、陽極又
は陰極ガス空間の大きさに決定的に影響する。この結果、特に簡単な方法で陽極
と陰極のガス空間の容積比を予め規定したように設定できる。
【００２５】
本発明の利点は、燃料電池として特にＰＥＭ燃料電池を用いた際に得られる。
ＰＥＭ燃料電池は約８０℃の低温で作動し、良好な過負荷特性と高寿命を持つ。
更にこの燃料電池は、急激な負荷変動に際し良好な特性を示し、空気でもまた純
酸素でも作動可能である。これら全ての特性により、ＰＥＭ燃料電池は、例えば
各種の乗り物の駆動用のような、可搬領域での使用に特に適する。
ＰＥＭ燃料電池は約８０℃の低温で作動し、良好な過負荷特性と高寿命を持つ。
更にこの燃料電池は、急激な負荷変動に際し良好な特性を示し、空気でもまた純
酸素でも作動可能である。これら全ての特性により、ＰＥＭ燃料電池は、例えば
各種の乗り物の駆動用のような、可搬領域での使用に特に適する。
【００２６】
本発明の更に好ましい実施の形態では、陽極ガス空間の容積を陰極ガス空間の
容積の少なくとも１．５倍となるように変更する。燃料電池を作動させる作動ガ
スや酸素を含むガスに応じ、燃料電池設備の危険のない停止のために、陽極ガス
空間を陰極ガス空間の少なくとも１．５倍の大きさにすれば足りる。本発明のこ
の構成で、燃料電池ブロックは１：２の容積比より少し小さく構成できる。
容積の少なくとも１．５倍となるように変更する。燃料電池を作動させる作動ガ
スや酸素を含むガスに応じ、燃料電池設備の危険のない停止のために、陽極ガス
空間を陰極ガス空間の少なくとも１．５倍の大きさにすれば足りる。本発明のこ
の構成で、燃料電池ブロックは１：２の容積比より少し小さく構成できる。
【００２７】
本発明の実施例を３つの図により説明する。
図１は、平らに形成した電解質２と、これに固定して設けた電極、即ち陽極３
ａと陰極３ｂとを備える燃料電池１を示す。陽極３ａには、陽極３ａ側に属する
陽極ガス空間４ａが、そして陰極３ｂには陰極３ｂ側に属する陰極ガス空間４ｂ
が接している。この燃料電池１は純酸素Ｏ2と純水素Ｈ2で動作するように構成さ
れ、燃料ガス供給管５ａを通して水素Ｈ2、酸素供給管５ｂを通して酸素Ｏ2を供
給される。燃料電池１の作動時、燃料ガスは燃料ガス供給管５ａを通して陽極ガ
ス反応空間４ａに流入し、そこで燃料ガスは陽極３ａに沿って流れ、電解質２で
反応する。このプロセスで未消費の燃料は、燃料ガス排出管６ａを通して陽極ガ
ス反応空間４ａから流出し、燃料電池から排出される。同様に酸素は酸素供給管
５ｂから陰極ガス反応空間４ｂに流入し、陰極３ｂを通して電解質に浸透し、そ
こで反応する。このプロセスで未消費の酸素は、酸素排出管６ｂを通して陰極ガ
ス反応空間４ｂから排出され、燃料電池１から排出される。
ａと陰極３ｂとを備える燃料電池１を示す。陽極３ａには、陽極３ａ側に属する
陽極ガス空間４ａが、そして陰極３ｂには陰極３ｂ側に属する陰極ガス空間４ｂ
が接している。この燃料電池１は純酸素Ｏ2と純水素Ｈ2で動作するように構成さ
れ、燃料ガス供給管５ａを通して水素Ｈ2、酸素供給管５ｂを通して酸素Ｏ2を供
給される。燃料電池１の作動時、燃料ガスは燃料ガス供給管５ａを通して陽極ガ
ス反応空間４ａに流入し、そこで燃料ガスは陽極３ａに沿って流れ、電解質２で
反応する。このプロセスで未消費の燃料は、燃料ガス排出管６ａを通して陽極ガ
ス反応空間４ａから流出し、燃料電池から排出される。同様に酸素は酸素供給管
５ｂから陰極ガス反応空間４ｂに流入し、陰極３ｂを通して電解質に浸透し、そ
こで反応する。このプロセスで未消費の酸素は、酸素排出管６ｂを通して陰極ガ
ス反応空間４ｂから排出され、燃料電池１から排出される。
【００２８】
陽極ガス反応空間４ａは陽極ガス空間７ａの一部であり、そのガス容積は陽極
ガス反応空間４ａのガス容積と燃料ガス供給管５ａ及び燃料ガス排出管６ａのガ
ス容積の和である。陽極ガス空間７ａの容積は、燃料ガス供給管弁８ａと燃料ガ
ス排出管弁９ａにより制限される。陽極ガス空間７ａの容積は、陰極ガス空間７
ｂの容積の約２．５倍である。そして陰極ガス空間の容積は、陰極ガス反応空間
４ｂの容積と酸素供給管５ｂ及び酸素排出管６ｂの容積との和である。陰極ガス
空間７ｂの容積は、酸素供給管弁８ｂと酸素排出管弁９ｂにより制限される。
ガス反応空間４ａのガス容積と燃料ガス供給管５ａ及び燃料ガス排出管６ａのガ
ス容積の和である。陽極ガス空間７ａの容積は、燃料ガス供給管弁８ａと燃料ガ
ス排出管弁９ａにより制限される。陽極ガス空間７ａの容積は、陰極ガス空間７
ｂの容積の約２．５倍である。そして陰極ガス空間の容積は、陰極ガス反応空間
４ｂの容積と酸素供給管５ｂ及び酸素排出管６ｂの容積との和である。陰極ガス
空間７ｂの容積は、酸素供給管弁８ｂと酸素排出管弁９ｂにより制限される。
【００２９】
図２は燃料電池ブロック２０の一部を示す。この部分図は、３つの電解質２２
と、該電解質に固定的に接する陽極２３ａと陰極２３ｂを部分的に示す。ある燃
料電池の陽極２３ａと、これに隣接する燃料電池の陰極２３ｂとの間に、各１つ
の冷却部材２４を配置してある。この冷却部材２４は、２つの薄板、即ち陽極板
２４ａと陰極板２４ｂを含む。陽極２３ａと隣接する冷却部材２４の陽極板２４
ａは、燃料電池の陽極ガス反応空間２５ａを区画し、燃料電池の陰極２３ｂは、
隣接する冷却部材２４の陰極板２４ｂとで燃料電池の陰極ガス反応空間２５ｂを
区画している。更に燃料電池ブロック２０の陽極ガス反応空間２５ａと陰極ガス
反応空間２５ｂを、図２に部分的に示すパッキン２６で区画する。該パッキン２
６に、燃料ガスと酸素を含むガスの各供給及び排出管路を形成しているが、図２
には示してない。陽極ガス反応空間２５ａと陰極ガス反応空間２５ｂの容積は、
寸法的に冷却部材２４の形状で定まる。陽極板２４ａと陰極板２４ｂの間に各１
つの冷却水空間２４ｃがあり、陽極ガス反応空間２５ａの容積を陰極ガス反応空
間２５ｂの容積の約２倍になるよう形成している。各幾つかの陽極ガス反応空間
と陰極ガス反応空間を、各１つの陽極ガス空間と陰極ガス空間に纏めている。
と、該電解質に固定的に接する陽極２３ａと陰極２３ｂを部分的に示す。ある燃
料電池の陽極２３ａと、これに隣接する燃料電池の陰極２３ｂとの間に、各１つ
の冷却部材２４を配置してある。この冷却部材２４は、２つの薄板、即ち陽極板
２４ａと陰極板２４ｂを含む。陽極２３ａと隣接する冷却部材２４の陽極板２４
ａは、燃料電池の陽極ガス反応空間２５ａを区画し、燃料電池の陰極２３ｂは、
隣接する冷却部材２４の陰極板２４ｂとで燃料電池の陰極ガス反応空間２５ｂを
区画している。更に燃料電池ブロック２０の陽極ガス反応空間２５ａと陰極ガス
反応空間２５ｂを、図２に部分的に示すパッキン２６で区画する。該パッキン２
６に、燃料ガスと酸素を含むガスの各供給及び排出管路を形成しているが、図２
には示してない。陽極ガス反応空間２５ａと陰極ガス反応空間２５ｂの容積は、
寸法的に冷却部材２４の形状で定まる。陽極板２４ａと陰極板２４ｂの間に各１
つの冷却水空間２４ｃがあり、陽極ガス反応空間２５ａの容積を陰極ガス反応空
間２５ｂの容積の約２倍になるよう形成している。各幾つかの陽極ガス反応空間
と陰極ガス反応空間を、各１つの陽極ガス空間と陰極ガス空間に纏めている。
【００３０】
冷却部材２４を非対称な形状とし、燃料電池設備の停止時、陽極ガス空間内の
残燃料が、陰極ガス空間内の酸素を含むガスの残りの約２倍となるよう簡単に構
成できる。この非対称性を、本実施例では冷却部材の陽極板２４ａと陰極板２４
ｂの形状を異ならせることで得ている。構造的に容易に実現可能なこの手段で、
燃料電池設備の停止時に燃料電池の構成部品が腐食する危険がなくなる。このこ
とは、特に酸素を含むガスの酸素分圧が、燃料ガスの水素分圧より小さい又は少
しだけ大きい燃料ガスで運転する燃料電池設備に当てはまる。
残燃料が、陰極ガス空間内の酸素を含むガスの残りの約２倍となるよう簡単に構
成できる。この非対称性を、本実施例では冷却部材の陽極板２４ａと陰極板２４
ｂの形状を異ならせることで得ている。構造的に容易に実現可能なこの手段で、
燃料電池設備の停止時に燃料電池の構成部品が腐食する危険がなくなる。このこ
とは、特に酸素を含むガスの酸素分圧が、燃料ガスの水素分圧より小さい又は少
しだけ大きい燃料ガスで運転する燃料電池設備に当てはまる。
【００３１】
図３は、燃料電池設備４１の構成を模式的に示す。燃料電池設備４１は、多数
の燃料電池からなる燃料電池ブロック４２を有する。各燃料電池は、電解質４３
と陽極４４ａと陰極４４ｂを有する。全燃料電池の陽極４４ａは、各１つの陽極
ガス反応空間４５ａに接する。全燃料電池の陰極４４ｂは、各１つの陰極ガス反
応空間４５ｂに接する。各燃料電池の陽極ガス反応空間４５ａは陽極４４ａ、例
えばバイポーラ板や冷却ユニットとして構成された隔離部材４６と、燃料電池の
回りに配置されたパッキン４７とで区画される。燃料電池には、燃料供給管４８
ａを経て燃料、酸素供給管４８ｂを経て酸素を含むガスが各々供給される。作動
ガスである燃料と酸素を含むガスは、各陽極ガス反応空間４５ａと陰極ガス反応
空間４５ｂを経て流れ、その際ガスの一部は電解質４３で電気化学的な反応で消
費される。燃料ガスの未消費分は、燃料排出管４９ａを経て燃料電池から排出さ
れる。この排出ガスは、次いで水素分離器として形成されたガス容器５０ａに達
する。電気化学反応で未消費の酸素を含むガスは、酸素排出管４９ｂを経て燃料
電池から排出され、酸素分離器を構成するガス容器５０ｂに導入される。
の燃料電池からなる燃料電池ブロック４２を有する。各燃料電池は、電解質４３
と陽極４４ａと陰極４４ｂを有する。全燃料電池の陽極４４ａは、各１つの陽極
ガス反応空間４５ａに接する。全燃料電池の陰極４４ｂは、各１つの陰極ガス反
応空間４５ｂに接する。各燃料電池の陽極ガス反応空間４５ａは陽極４４ａ、例
えばバイポーラ板や冷却ユニットとして構成された隔離部材４６と、燃料電池の
回りに配置されたパッキン４７とで区画される。燃料電池には、燃料供給管４８
ａを経て燃料、酸素供給管４８ｂを経て酸素を含むガスが各々供給される。作動
ガスである燃料と酸素を含むガスは、各陽極ガス反応空間４５ａと陰極ガス反応
空間４５ｂを経て流れ、その際ガスの一部は電解質４３で電気化学的な反応で消
費される。燃料ガスの未消費分は、燃料排出管４９ａを経て燃料電池から排出さ
れる。この排出ガスは、次いで水素分離器として形成されたガス容器５０ａに達
する。電気化学反応で未消費の酸素を含むガスは、酸素排出管４９ｂを経て燃料
電池から排出され、酸素分離器を構成するガス容器５０ｂに導入される。
【００３２】
この実施例では、燃料電池ブロック４２は唯一の陽極ガス空間５１ａしか持た
ない。空間５１ａの容積は、燃料電池ブロックの全陽極ガス反応空間４５ａの容
積と、燃料ガス供給管４８ａ、燃料ガス排出管４９ａの容積と、ガス容器５０ａ
に含まれる容積との和である。弁５２により、陽極と陰極のガス空間は気密に閉
鎖できる。陽極ガス空間５１ａの容積は、該空間５１ａと同様に構成した陰極ガ
ス空間５１ｂの約３倍の大きさである。両ガス空間の容積差は、ガス容器５０ａ
と５０ｂの異なる大きさで実現される。水素分離器として構成したガス容器５０
ａは、酸素分離器として構成したガス容器５０ｂよりはるかに大きい。
ない。空間５１ａの容積は、燃料電池ブロックの全陽極ガス反応空間４５ａの容
積と、燃料ガス供給管４８ａ、燃料ガス排出管４９ａの容積と、ガス容器５０ａ
に含まれる容積との和である。弁５２により、陽極と陰極のガス空間は気密に閉
鎖できる。陽極ガス空間５１ａの容積は、該空間５１ａと同様に構成した陰極ガ
ス空間５１ｂの約３倍の大きさである。両ガス空間の容積差は、ガス容器５０ａ
と５０ｂの異なる大きさで実現される。水素分離器として構成したガス容器５０
ａは、酸素分離器として構成したガス容器５０ｂよりはるかに大きい。
【００３３】
燃料電池設備の停止時、陽極ガス空間５０ａと陰極ガス空間５１ｂを、同時に
閉鎖可能な弁５２で気密に閉鎖する。燃料電池ブロックの電解質４３に沿う電気
化学反応は、燃料電池に過大な電圧が発生するのを防ぐ電気負荷で維持する。こ
のため陽極ガス空間５１ａ内の水素と陰極ガス空間５１ｂ内の酸素を、陰極ガス
空間５１ｂに酸素が殆ど残存しない程度迄消費させる。この結果、燃料電池設備
の停止後、最早殆ど酸素が燃料電池設備の燃料電池に存在しないようにし、燃料
電池の構造部分を酸化により尚早に劣化する危険に曝すことはない。
閉鎖可能な弁５２で気密に閉鎖する。燃料電池ブロックの電解質４３に沿う電気
化学反応は、燃料電池に過大な電圧が発生するのを防ぐ電気負荷で維持する。こ
のため陽極ガス空間５１ａ内の水素と陰極ガス空間５１ｂ内の酸素を、陰極ガス
空間５１ｂに酸素が殆ど残存しない程度迄消費させる。この結果、燃料電池設備
の停止後、最早殆ど酸素が燃料電池設備の燃料電池に存在しないようにし、燃料
電池の構造部分を酸化により尚早に劣化する危険に曝すことはない。
【図１】
陽極ガス空間と陰極ガス空間を備えた燃料電池の断面を示す。
【図２】
各々１つの冷却部材を備えた複数の燃料電池の断面を示す。
【図３】
燃料電池への作動ガス供給及び燃料電池からの作動ガス排出を模式的に示す。
１ 燃料電池
２、２２、４３ 電解質
３ａ、２３ａ、４４ａ 陽極
３ｂ、２３ｂ、４４ｂ 陰極
４ａ、２５ａ、４５ａ 陽極ガス反応空間
４ｂ、２５ｂ、４５ｂ 陰極ガス反応空間
５ａ、４８ａ 燃料ガス供給管
５ｂ、４８ｂ 酸素供給管
６ａ、４９ａ 燃料ガス排出管
６ｂ、４９ｂ 酸素排出管
７ａ、５１ａ 陽極ガス空間
７ｂ、５１ｂ 陰極ガス空間
８ａ 燃料ガス供給管弁
８ｂ 酸素供給管弁
９ａ 燃料電池ガス排出管弁
９ｂ 酸素排出管弁
２０、４２ 燃料電池ブロック
２４ 冷却部材
２４ａ 陽極板
２４ｂ 陰極板
２６、４７ パッキン
４１ 燃料電池設備
４６ 隔離部材
５０ａ、５０ｂ ガス容器
５２ 弁
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 5H026 AA06 HH02
5H027 AA06 CC06
Claims (10)
- 【請求項１】各１つの陽極（３ａ、２３ａ、４４ａ）と１つの陰極（３ｂ、
２３ｂ、４４ｂ）とを備えた複数の燃料電池を含む少なくとも１つの燃料電池ブ
ロック（２０、４２）を備え、前記陽極（３ａ、２３ａ、４４ａ）が陽極ガス空
間（７ａ、５１ａ）、陰極（３ｂ、２３ｂ、４４ｂ）が陰極ガス空間（７ｂ、５
１ｂ）に各々接し、該陽極ガス空間（７ａ、５１ａ）と陰極ガス空間（７ｂ、５
１ｂ）が各々気密に閉鎖可能な燃料電池設備（４１）において、陽極ガス空間（
７ａ、５１ａ）の容積が閉鎖状態において陰極ガス空間（７ｂ、５１ｂ）の閉鎖
状態における容積の少なくとも２倍の大きさであることを特徴とする設備。 - 【請求項２】複数の陽極（２３ａ、４４ａ）が各１つの陽極ガス空間（５１
ａ）に、複数の陰極（２３ｂ、４４ｂ）が各１つの陰極ガス空間（５１ｂ）に接
することを特徴とする請求項１記載の設備。 - 【請求項３】燃料電池ブロック（４２）に唯一の陽極ガス空間（５１ａ）と
陰極ガス空間（５１ｂ）が設けられたことを特徴とする請求項１記載の設備。 - 【請求項４】陽極ガス空間（５１ａ）又は陰極ガス空間（５１ｂ）が、１つ
のガス容器（５０ａ、５０ｂ）のガス空間を含む又は陽極ガス空間（５１ａ）及
び陰極ガス空間（５１ｂ）が各１つのガス容器（５０ａ、５０ｂ）のガス空間を
含むことを特徴とする請求項２又は３記載の設備。 - 【請求項５】ガス容器（５０ａ、５０ｂ）が、水素又は酸素分離器であるこ
とを特徴とする請求項４記載の設備。 - 【請求項６】第一の燃料電池の陽極（２３ａ）と、隣接する第二の燃料電池
の陰極（２３ｂ）の間に冷却部材（２４）が、該部材（２４）と陽極（２３ａ）
間のガス空間が、陰極（２３ｂ）と冷却部材（２４）間のガス空間より大きくな
るように配置されたことを特徴とする請求項１から５の１つに記載の設備。 - 【請求項７】冷却部材（２４）が、ガス空間の大きさに関し非対称に形成さ
れたことを特徴とする請求項６記載の設備。 - 【請求項８】酸素で作動するように設定されたことを特徴とする請求項１か
ら７の１つに記載の設備。 - 【請求項９】燃料電池がＰＥＭ燃料電池であることを特徴とする請求項１か
ら８の１つに記載の設備。 - 【請求項１０】陽極ガス空間（７ａ、５１ａ）の容積が、陰極ガス空間（７
ｂ、５１ｂ）の容積の少なくとも１．５倍の大きさである請求項１から９の１つ
に記載の設備。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19953614.7 | 1999-11-08 | ||
| DE19953614A DE19953614A1 (de) | 1999-11-08 | 1999-11-08 | Brennstoffzellenanlage |
| PCT/DE2000/003767 WO2001035480A2 (de) | 1999-11-08 | 2000-10-25 | Brennstoffzellenanlage |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003515873A true JP2003515873A (ja) | 2003-05-07 |
Family
ID=7928246
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001537119A Withdrawn JP2003515873A (ja) | 1999-11-08 | 2000-10-25 | 燃料電池設備 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20020150809A1 (ja) |
| EP (1) | EP1259996A2 (ja) |
| JP (1) | JP2003515873A (ja) |
| CA (1) | CA2390027A1 (ja) |
| DE (1) | DE19953614A1 (ja) |
| WO (1) | WO2001035480A2 (ja) |
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| JP5000073B2 (ja) * | 2003-09-08 | 2012-08-15 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池スタックの氷点下起動方法、燃料電池スタックの氷点下起動システム、および燃料電池スタックの設計方法 |
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2002
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