JP2004507054A - マイクロリアクタ - Google Patents

Abstract

燃料電池の電極装置のための、電気的に高負荷可能である、機械的に頑丈なマイクロリアクタを提供するために、フィラメント（９８）が設けられていて、該フィラメントの少なくとも１つの流路（１０２）内を通って燃料成分が流れるようになっており、該フィラメント（９８）が、マイクロリアクタ（９７）の、半径方向内側に位置する導電性の電極として構成されていて、半径方向外側に位置するダイヤフラム（１０１）に接続されていて、該ダイヤフラム（１０１）を補強しながら支持しており、ダイヤフラム（１０１）の半径方向内側に位置する外周面が、フィラメント（９８）の基本的なコア（５５）に対してスポーク（１００）によって少なくとも部分的に間隔を保っていて、それによって少なくとも１つの流路（１０２）が形成されている。

Description

【０００１】
説明
本発明は、特に燃料電池の電極装置に使用されるマイクロリアクタに関する。燃料電池は有利にはいわゆるカルトゥーシュ（バロック様式の巻軸装飾）の形状で構成することができ、このカルトゥーシュにおいては、２つのヘッドプレート間のケージ内に組み付けられた繊維束が、電流を発生する個別の電池として並列接続されている。
【０００２】
燃料電池においては、電流を発生するために燃料成分としてガス又は液体が少なくとも２つの電極、アノードとカソードに供給され、ここで触媒反応によってイオンと電子とに分解される。この場合、イオン搬送と電子搬送とは空間的に分離され、一般的にはイオン搬送が電解質内で行われ、電子の導出若しくは導入が、導電性の電極、単数若しくは複数のカソード若しくはアノードによって行われる。この関連性において、これらの電極はコレクタとも称呼される。
【０００３】
イオン伝導性の電解液は解離することができ、この場合Ｈ＋又はＯＨ−イオンを形成する。このような形式の電解質は、アルカリ性で水性のアルカリ溶液例えばＫＯＨ、又は水性の酸例えばＨ_２ＳＯ_４等の液状の材料、又は硬いイオン伝導性の材料例えばダイヤフラムである。この場合、アルカリ性の電解質は陰イオン伝導性であって、酸性の電解質は陽イオン伝導性である。
【０００４】
現在では、２つの形式の燃料電池が有力となっており、これら２つの形式のどちらも燃料成分としてＯ_２を使用し、この場合、水素電池が別の燃料成分としてＨ_２を使用し、またダイレクトメタノール電池（しばしばＤＭＦＣと短縮されている）が別の燃料成分としてメタノールを使用する。酸素電池においては、水素が燃料電池内で電流に変換される前に、まずリフォーマによってメタノールから水素が生成される。ダイレクトメタノール電池においてはメタノールが直接燃料成分として供給される。
【０００５】
この場合、次の反応が得られる。
【０００６】
Ｈ_２／Ｏ_２電池：
アノード反応：　Ｈ２　　　　　　　　　　→　２Ｈ^＋２ｅ⁻　　　（酸化）
カソード反応：　Ｏ_２＋４Ｈ^＋　＋　４ｅ⁻　→　２Ｈ_２Ｏ　　　　　（還元）
ＭｅＯＨ／Ｏ_２電池：
アノード反応：　ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ　　　　→　ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻
（酸化）
カソード反応：　ｌ、５Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻　→　３Ｈ_２Ｏ　　　　　（還元）
ＵＳ４１００３３１号明細書によれば、燃料成分として水素と酸素が環状の分離された、内側で触媒を有するダイヤフラム内で使用されている水素燃料電池が公知である。ダイヤフラム内にはさらに螺旋状のそれぞれ１つの電極（カソードが酸素によって環流され、アノードが水素によって環流される）が配置されていて、この電極を介して電気的な流れがピックアップ（取り出）される。ダイヤフラム、触媒及び電極のそれぞれの配置は、この燃料電池においては電解液内で互いに平行に整列されている。
【０００７】
ＵＳ４４２０５４４号明細書によれば、ダイレクトメタノール電池が公知である。このダイレクトメタノール電池においては、やはり電解液つまりＨ_２ＳＯ_４内で、内側に位置している触媒コーティングを備えたダイヤフラムが配置されている。螺旋状に構成されたワイヤ電極はダイヤフラムによって取り囲まれており、ワイヤ電極には酸素が流れる。電解液内にはさらにメタノールが設けられていて、螺旋状のワイヤ電極と、電解液内に侵入する、ダイヤフラムから間隔を保っていて面状に延びる電極との間で解離が行われる。
【０００８】
別の実施例によれば、電解液内に侵入する電極が同様に螺旋状に構成されていて、ダイヤフラムの外周面に巻き付けられている。
【０００９】
１つのバッテリー電池と比較して、電圧上昇のためにこのような燃料電池は直列接続されるか、又は出力を高めるために並列に接続される。特に並列接続においては、ＤＥ４４３８３２７号明細書及びＤＥ４４０１０１４号明細書により公知であるように、冒頭に述べたような、ダイヤフラムモジュールが使用されているカルトゥーシュが有利である。
【００１０】
比較可能な回路は、ＷＯ００／５４３５８号明細書により公知である。この公知の明細書によれば、管状に構成された同軸的な電極装置が燃料成分によって環流される。基本となるマイクロリアクタは、管状の複合体として構成されていて、この複合体においては、電子を導電する材料の束及び／又はワイヤより成る、半径方向内側に位置する中空編み体（Ｈｏｈｌｇｅｆｌｅｃｈｔ）が、内側の電極を構成しており、この内側の電極が燃料成分によって貫流される。電極上には、電解質層が被着され、この電解質層上にはイオンの層を導電する材料が被着される。この材料にはさらに、電極の別の中空ブレードを導電する材料が対抗電極を包囲する電解質層として施され、この場合、種々異なる層／材料が互いに直接上下に位置して配置されている。
【００１１】
内側に位置する中空ブレードの孔若しくは腔（Ｌｕｍｅｎ）内には延長部を備えた中央の金属ワイヤが挿入され、この延長部によって、電流を導出するための、ワイヤと内側に位置する中空ブレードとの間の電気的な接触が得られる。また、単数若しくは複数のワイヤは、管状の複合体を安定化させるために用いられる。
【００１２】
機械的な形状安定性の他に、燃料電池においては、小さい出力増強しか可能ではないという問題がある。何故ならば特にダイヤフラム表面、及び触媒反応面特に接触ゾーンとしてのいわゆる３相ゾーンも、規則的に制限されているからである。
【００１３】
このような技術的な背景に基づいて、本発明の課題は、電気的な強い負荷に耐えることができ、しかも機械的に頑丈な、燃料電池の電極装置のためのマイクロリアクタを提供することである。
【００１４】
このような技術的な問題は、請求項１に記載した本発明によるマイクロリアクタにおいて、フィラメントが設けられていて、該フィラメントの少なくとも１つの流路内を通って燃料成分が流れるようになっており、該フィラメントが、マイクロリアクタの、半径方向内側に位置する導電性の電極として構成されていて、半径方向外側に位置するダイヤフラムに接続されていて、該ダイヤフラムを補強しながら支持しており、ダイヤフラムの半径方向内側に位置する外周面が、フィラメントの基本的なコアに対してスポークによって少なくとも部分的に間隔を保っていて、それによって少なくとも１つの流路が形成されていることによって、解決された。
【００１５】
ダイヤフラムとフィラメントとの間の補強し合う支持結合によって、まず機械的な強い形状安定性が得られる。特にマイクロリアクタは自己支持形式（ｓｅｌｂｓｔｔｒａｇｅｎｄ）で構成することができる。特にマイクロリアクタの形状安定性を得るために別個に設けられるワイヤは省くことができる。
【００１６】
有利な形式で、燃料成分が流れるフィラメントの非常に大きい表面、及びひいては大きい反応表面が提供される。このために、フィラメントの表面は適当な触媒を備えているか、又はフィラメント自体が触媒作用によって活性化する材料より成っているか若しくはこのような材料を含有している。
【００１７】
これはフィラメントの空間的な構造化によって得られる。このフィラメントは、燃料成分によって環流され、場合によっては貫流もされるコアを有しており、このコアから、横断面で見てスポーク状のウエブが突き出している。これらのスポークを介して、ダイヤフラムはコアから間隔を保っていて、電極として使用されるフィラメントのスポークとダイヤフラムとの間に多数の流路が形成され、それによって、触媒反応によって活性化する大きい面に亘って燃料成分が良好に流れるようになっている。
【００１８】
スポークの自由端部は適当に構成されていて、場合によってはさらに分岐しており、ダイヤフラムを直接支持することができる。選択的に自由端部は半径方向に延びる付加部を備えており、これらの付加部でダイヤフラムが支えられている。これらの付加部の半径方向外側に位置する外周面、また場合によってはスポークの自由端部は、フィラメントの外側の包囲面を形成しており、この包囲面に対して、半径方向内側に位置する、ダイヤフラムの外周面が少なくとも部分的に間隔を保っていてもよいので、少なくともこれらの区分に流路が形成される。
【００１９】
有利には、フィラメントとスポークとが一体的に構成されていて、スポークはフィラメントの全軸方向長さに亘って延びている。有利には、スポークの自由端部若しくはこの自由端部に設けられた半径方向の付加部におけるダイヤフラムの支持は、さらに触媒の結晶を介して行われる。しかしながら、フィラメント自体が管状又は内実のコアとして構成されていれば、ダイヤフラムの半径方向内方に位置する外周面とフィラメントの周壁との間の間隔維持は、別個に構成されたスポークによって行われる。
【００２０】
本発明によるマイクロリアクタにおいては、このような間隔維持は有利には、触媒の結晶自体から成るか、又は触媒の結晶を含有するか又は有するスポークが、ダイヤフラムを少なくとも区分的にフィラメントの外周面から間隔を保って支持することによって、得られる。
【００２１】
スポークの半径方向に延びる付加部が環状に閉鎖されていて、フィラメントが軸方向に延びる閉じた多数の腔を有していれば、ダイヤフラムの内側の周壁とフィラメントの外側の周壁との間に流路を形成することは必ずしも必要ではない。何故ならば、コア特に中央の中実なコアから突き出るスポークによって及び、付加部の半径方向内方に位置する面によって、大きい表面を有する多数の流路が提供されるからである。この場合には、フィラメントが多孔性の材料及び／又は通過性のメッシュを有する製織品より成っている。しかしながら有利には、ダイヤフラムは、フィラメントに対して触媒の結晶によって間隔維持される。
【００２２】
基本的に、本発明によるマイクロリアクタにおいて、燃料成分によって流過される面の増大は、フィラメントが軸方向の延長部で、その縦軸線を中心にして回転せしめられた横断面を有していることによって得られる。これによって、フィラメントは少なくとも区分的に、縦軸線を中心にして同様に弦巻線状に構成することができ、これによって、螺旋状に延びるウエブは、フィラメントの全軸方向長さよりも大きい長さを有している。
【００２３】
特に燃料電池のための、前記マイクロリアクタを有する電極装置においては、ダイヤフラムが、第２の電極を形成する導電性の中空フィラメント内で半径方向に間隔を保って配置されているので、ダイヤフラムの外側の周壁と外側の電極の半径方向内側の外周面との間にも少なくとも１つの流路が形成される。
【００２４】
半径方向内側に位置する電極を有するマイクロリアクタは、半径方向外側で特に同軸的に配置された対抗電極によって囲まれており、それによって燃料電池のためのコンパクトな電池ユニットを形成している。
【００２５】
半径方向で外側に位置する電極とマイクロリアクタとの間の結合は有利には、触媒の結晶より成る、或いは触媒の結晶を含有又は有するスポークが、ダイヤフラムの外側の外周面に対して間隔を保って、導電性の中空フィラメントを支持していることによって行われる。別個の構造的な手段は必要ない。
【００２６】
本発明によるマイクロリアクタ及び／又は電極装置においては、半径方向内側に位置する電極の少なくとも一端部が軸方向に突き出している。これによって簡単な形式で、１つのマイクロリアクタが保持されるか若しくは、マイクロリアクタのそれぞれ一端部に形成された特に導電性の電極を、この電極に対して垂直に位置するヘッドプレートに接続することによって、多数のマイクロリアクタ若しくは電極装置を枠状に包囲して支持することができる。
【００２７】
有利にはこのようなヘッドプレートはそれ自体が導電性に構成されている。一端部がヘッドプレートで保持された電極は、それぞれ他端部がこの他端部に存在するヘッドプレートに対して有利には離れて終わっている。導電性の電極によるヘッドプレート間の短絡は、これによって避けられる。これは特に同軸的な電極装置によって可能である。この電極装置は一端部が配置変えされておらず、他端部が雄、有利には雌／雄又は雄／雄配置で構成されている。
【００２８】
特に自己支持式のフィラメント若しくは電極は、ダイヤフラム及び／又は触媒を支持するために適している。従ってもはやダイヤフラムは、支持作用を有する、ヘッドプレートの間隔を維持する構成部材ではなく、むしろこのような支持作用は、電極若しくは電極装置の構成によって行われる。この場合、特に、各ヘッドプレートは多数のマイクロリアクタ若しくは電極を有していて、これらのマイクロリアクタ若しくは電極は、導電性のヘッドプレートにおいて、もはや相応に接続部によって互いに枠状に包囲して保持する必要はない。これによって簡単な並列接続が可能である。
【００２９】
直列に接続された接続回路の他に、燃料電池の電圧はここでは電極の軸方向長さによっても規定される。これに対して、ヘッドプレートによって保持された電極の数は、各電池の並列接続に応じて出力を規定する。
【００３０】
電極が中空繊維によって構成された、導電性の材料より成っていれば、電極の管壁は多孔性に構成されている。これは例えばセラミックより成る電極において得られる。電極のための別の有利な材料は、炭素を含有する材料特に炭素繊維であって、この炭素繊維は織られていてもよい。この場合、織り構造によって同時に所定の通過性が得られるので、管壁を通る必要な貫通拡散が可能となる。従って、いわゆる三相ゾーンを形成するできるだけ大きい接触面が形成される。
【００３１】
同軸的に内側に位置する電極の外側及び／又は同軸的に外側に位置する電極の内側に触媒が設けられている。このような燃料成分に合わせられた触媒は従来技術により公知である。
【００３２】
同様のことは、有利な形式で同軸的な配置において内側に位置する電極と外側に位置する電極との間のギャップ内に同軸的に配置されている場合に設けられているダイヤフラムの材料についても当てはまる。このギャップは、ダイヤフラムの厚さにも応じていて、１μｍと２００μｍとの間である。この場合、特にダイヤフラムが同様に、同軸的に配置された電極間の絶縁体として作用することも想定しなければならない。
【００３３】
マイクロリアクタ特に電極装置の半径方向で内側に位置する電極が軸方向で突き出している場合には、マイクロリアクタ若しくは電極装置の少なくとも一端部に、直接隣接し合う２つのヘッドプレートが設けられている。この場合、有利には軸方向で外側に位置するヘッドプレートは、マイクロリアクタの半径方向内側に位置する電極を枠状に包囲する。軸方向で内側に位置する第２のヘッドプレートは、例えばヘッドプレートに直接接続され、絶縁体として構成することができる。特に電極装置の２つの電極間の短絡は、このようなヘッドプレートが半径方向内側に位置する電極の出口を絶縁して覆い、半径方向外側の電極を導電性の外側のヘッドプレートに対して確実に離れて保持することによって、確実に避けられる。
【００３４】
選択的に、直接隣接し合うヘッドプレートは、導電性に構成されていて、互いに電気的に絶縁されて配置されており、これによって一方側で電極装置の電気的な接続が可能である。このために、軸方向外側に位置するヘッドプレートは半径方向内側に位置する電極及び軸方向内側に位置するヘッドプレートは、半径方向外側に位置する電極を把持するようになっている。
【００３５】
このような場合には、直接隣接し合う２つの導電性のヘッドプレートが、その間に配置された第３の非導電性のヘッドプレートによって、電気的に互いに絶縁されていて、機械的に互いに結合されていれば、有利である。これによって、機械的にも電気的にも頑丈でコンパクトな接続が得られる。
【００３６】
特に、電極装置のマイクロリアクタの両端部にこのようなヘッドプレートの組み合わせを配置することが考えられる。これによって、マイクロリアクタが比較的大きい電気的な抵抗を有していても、マイクロリアクタの大きい軸方向長さが得られる。
【００３７】
有利には、ヘッドプレートは樹脂より成っており、この樹脂は導電性であっても非導電性であってもよい。これは、簡単な形式で、樹脂内にこのようなヘッドプレートの組み合わせを注型することによって得られる。
【００３８】
電極を同軸的に配置する他に、本発明の別の変化実施例によれば、燃料成分によって貫流される多数の電極又は燃料成分が流過する多数のマイクロリアクタが半径方向で間隔を保って、同軸的に配置された１つ又は多数の電極によって囲まれている。基本的に、燃料成分が流れてくる多数のマイクロリアクタは、前記形式で構成されている。つまり特に一方側がヘッドプレートに結合されていて、自己支持形式で構成されており、これに対して１つ又は多数の同心的に配置された第２の電極は、この電極に向き合うヘッドプレートに配置保持されている。
【００３９】
特に冒頭に述べた形式の電極装置を有する燃料電池に使用するためのマイクロリアクタを製造するためには、第１の電極としての、触媒を備えた中空繊維の外側の外周面にダイヤフラムを設け、第１の電極に被せ嵌められた、第２の電極としてのストッキング状の製織品を引き伸ばすことによって第１の電極に密着させるようにすれば有利である。
【００４０】
有利には、中空繊維は、触媒を含有する繊維より製造されている。
【００４１】
選択的に及び／又は付加的に、圧縮によって大きくされた、ストッキング状の製織品の孔内に触媒粒子が挿入される。
【００４２】
以下に本発明を、実施例が記載されている図面を用いて詳しく説明する。図面中、
図１〜図８は種々異なるフィラメント横断面、
図９：雄−雄配置による電極装置、
図１０：雌−雄配置による電極装置、
図１１：マイクロリアクタの第１実施例の横断面図、
図１２：図１１に示したマイクロリアクタに基づく電極装置の横断面図、
図１３：マイクロリアクタの第２実施例の横断面図、
図１４：図１３に示したマイクロリアクタに基づく電極装置の横断面図、
図１５：本発明による、唯一の電池を示す燃料電池の構造を示す概略図、
図１６：本発明による、並列接続された多数の電池を有する燃料電池の概略図、
図１７：別の実施例、
図１８：第３実施例、
図１９〜図２２は、ヘッドプレートの製造を説明する図、
図２３〜図２６は、本発明による電極装置の製造を説明する図である。
【００４３】
図１から図８を用いて、有利な実施例によるフィラメント横断面を詳しく説明する。フィラメントは、本発明によるマイクロリアクタの、導電性の中央の電極を形成している。このために、フィラメントは、半径方向外側に位置するダイヤフラムに接続されていて、このダイヤフラムを補強しながら支持している。
【００４４】
図１には、簡単なＹ字形の横断面が示されており、このＹ字形の横断面においてコア５０に３つのスポーク５１，５２，５３が同間隔で取り付けられている。スポーク５１，５２若しくは５２，５３若しくは５３，５１間には３つの流路が形成されており、これら３つの流路は半径方向外で、図示していないダイヤフラムによって閉鎖される。
【００４５】
図２には、複数のスポーク５４がコア５５から放射状に延びる、別の実施例によるフィラメント横断面が示されている。
【００４６】
スポーク５６からさらに、図３に示されているように、２つのブランチ（枝）５７，５８が分岐している。流路の数は、図３に示した実施例において２倍にされるようにして、増やすことができる。また、半径方向外側に位置するダイヤフラムのための支持箇所の数も増やすことができ、図示の実施例では２倍にすることができる。
【００４７】
図４及び図５に示した実施例においても同様にスポーク５９若しくは６０が分岐されている。分岐によって、スポーク５９若しくは６０の自由端部に半径方向の突き出す付加部６１，６２若しくは６３，６４が、ダイヤフラムのための載設部として構成される。
【００４８】
付加部６１，６２若しくは６３，６４は、半径方向でそれぞれ隣接し合う付加部から間隔を保っている。従ってギャップ６５若しくは６６を通って流れる燃料成分は、ダイヤフラム若しくはこのダイヤフラムに配置された触媒に直接接触することになる。
【００４９】
コア６９が相応の寸法を有している場合には、コア６９に、図６及び図８に示したような別の流路７０を形成することができる。
【００５０】
図７には、スポークの自由端部における、分岐部と付加部の構成との混合形状が示されている。図７に示された付加部は、半径方向で閉じられており、それによって、半径方向外側に位置する連続的な外周面７２が形成され、この外周面７２は触媒を備えダイヤフラムを支持する。このダイヤフラムは、例えば外周面７２のくびれ部７３の領域内でフィラメント若しくは触媒に当接するように構成することができる（必ずしもそうしなくてもよい）。
【００５１】
円環状に構成された外周面７４は、図８に示したようなフィラメントを有している。図８においては、ウエブ７５とコア７６との間の鋭い角縁部は避けられている。スポーク７５からリング状に閉じた環状の付加部への移行部も丸味を付けられており、それによって十分に丸い横断面を有する流路７７が形成されている。
【００５２】
マイクロリアクタ若しくは電極装置の基本的に同軸的な構成は図９及び図１０に示されており、この図９及び図１０においては、中央のフィラメントは見やすくするために単に管状に示されている。図９においては、電極有利にはアノードとして働くフィラメント７８は、半径方向外側に位置する電極７９有利にはアノードから、軸方向で両側に突き出していて、雄／雄配置を構成している。図１０の右側に示されているように、半径方向内側に位置するフィラメント８０場合によっては本発明によるマイクロリアクタも、半径方向外側に位置する電極８１から軸方向で突き出している。他方側の端部では、外側及び内側に位置する電極は同様に閉鎖されているか、又は図１０の左側に示されているように、外側の電極８１が内側の電極８０から軸方向で突き出していて、雌／雄配置を構成している。
【００５３】
図１１には、本発明によるマイクロリアクタ８５の横断面図が示されている。中央には円形の内実なフィラメント８６が設けられていて、このフィラメント８６自体がコアを形成している。管プロフィールは同様に適合されている。フィラメント８６の外周面９０から半径方向にスポーク８７が突き出している。この実施例ではこれらのスポーク８７は別個に取り付けられている。有利な形式で、スポーク８７は、触媒の結晶によって直接形成されている。取り付けられたスポーク８７を、１つの材料又は触媒を備えた材料より形成することも同様に可能である。スポーク８７はダイヤフラム８８を支持しており、ダイヤフラム８８の外周面８９は、スポーク８７によってフィラメント８６の外周面９０から間隔を保っており、これらの外周面９０と８９との間に流路８４が形成される。
【００５４】
マイクロリアクタ９１は、別の電極９２内に同軸的に配置される。ダイヤフラム９４の外側の外周面９３と電極９２との間の間隔は、別のスポーク９５によって保たれる。これらのスポーク９５は、スポーク８７と同様に構成されていて、図１２に示されているように有利にはやはり触媒の結晶から形成されている。これによってダイヤフラム９４の外側の外周面９３と電極９２との間に別の流路８３が形成される。
【００５５】
図１３に示したマイクロリアクタ９７においては、図２に示したフィラメント９８が設けられている。スポーク１００の自由端部９９は、ダイヤフラム１０１を有しており、このために、特に自由端部９９が触媒を備えている。こうして、スポーク１００とダイヤフラム１０１の内壁との間に流路１０２が形成される。
【００５６】
マイクロリアクタ９７を基礎とする電極装置１０３の同軸的な構成は図１４に示されている。有利には触媒を支持するスポーク１０４が外側の電極１０５を備えており、この外側の電極１０５は、マイクロリアクタ１０７の電極１０６から間隔を保っており、それによって流路８２が形成される。スポーク１０４を別個に構成するか又はダイヤフラム１０６に対して配属することも同様に可能である。
【００５７】
図１５には、２つの電極１，２の雄／雌配置が示されており、この雄／雌配置のうちの電極１とアノードとを形成するフィラメントは例として管状に構成されており、矢印３で示したように燃料成分によって貫流される。この実施例においては燃料成分としてＨ_２が使用される。
【００５８】
アノード１は一端部（図１５では左側）で、ヘッドプレート４（Ｐｏｔｔｅｉｎｇ：ポッティングとも称呼されている）に導電接続されている。
【００５９】
アノード１及びカソード２は、同軸配置されており、カソード２は同様に一端部（図１５では右側）で、第２のヘッドプレート５に導電接続されている。同軸的に外側に位置するカソード２の外側の外周面６は、第２の燃料成分（Ｏ_２）によって環流される（矢印７で示されている）。このためにアノード１とカソード２とから成る電極装置８がケーシング９内に気密に設けられている。
【００６０】
ヘッドプレート４，５は導電的に構成されていて、ケーシングも導電的に構成されており、従って簡単な手段例えばブラシ１０によって、ケーシング９とヘッドプレート４，５との間の電気接触が形成される。アノード１とカソード２とがケーシング９を介して短絡されないようにするために、ケーシング９は２つの部分より構成されていて、ケーシング半部１１，１２は絶縁体１３を介して電気的に分離されているが、機械的に互いに結合されている。従って、ケーシング半部１１，１２における電流ピックアップも、導体１４，１５によって示されているように可能である。
【００６１】
ケーシング９は、さらに出口１９を有しており、この出口１９を通じてＯ_２及び燃料生成物としてのＨ_２Ｏが再び排出される。また、ケーシング９の内部は運転圧力によって別個に付加されない。液状の電解質を別個に使用する必要もない。何故ならば、イオン導電はダイヤフラム１６によって行われるからである。その限りにおいて、もっぱら電極装置８の領域内で化学反応が行われる。
【００６２】
特にヘッドプレート４，５が導電的に構成されていれば、電極１，２によってヘッドプレート４，５間の電気的な短絡が生じることはない。これは簡単な形式で、電極１，２がそれぞれ一方側でヘッドプレート４，５内で保持され、他方側でヘッドプレート４，５から離れて終わっていることによって、つまり雄／雌配置によって得られる。
【００６３】
従って、相応に機械的に頑丈に、少なくとも１つの電極有利には２つの電極を構成し、特に自己支持式に構成してもよい。これは、適当な材料選択によって得られる。導電性のセラミック、炭素繊維又はこれと類似のものが有利であることが証明された。
【００６４】
電極１，２間の同軸的な配置によって生じた環状に延びるリング状のギャップは、約１μｍ〜２００μｍの半径方向寸法を有している。このギャップ内にダイヤフラム１６が挿入される。これによって従来技術のものとは異なり、ダイヤフラムが支持構造体を形成しているのではなく、支持構造体は、少なくとも１つの電極、有利には２つの電極１，２によって構成されているのである。
【００６５】
触媒は、ダイヤフラム１６の他に電極１，２によってさらに支持されている。この場合、同軸的に内側に位置する電極１はその外側の外周面１７で、及び／又は場合によっては同軸的に外側に位置する電極２がその内側１８で、触媒を有している。この場合、残りの触媒は例えば電極１，２を浸漬（Ｔａｕｃｈｅｎ）させることによって施される。
【００６６】
浸透（Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）を可能にするために、及び大きい反応面を得るために、電極１，２の管壁は多孔であるか、又は電極が繊維から織られていて、この織り構造によって同様に、電極１，２の管壁を通る浸透が可能である。
【００６７】
図１５に示したＨ_２／Ｏ_２燃料電池において、電極の長さ、特に同軸的なオーバーラップの範囲が、導体１４，１５を介して取り出される電圧を規定する。
【００６８】
燃料電池においては、並列接続された電池の数によって出力が規定される。従って図１６には示されているように、各ヘッドプレート２０，２１には、多数のマイクロリアクタ２２及び電極２３がそれぞれ接続されている。マイロリアクタ２２及び電極２３を有する電極装置の構造的な構成は、図１５に示した電極装置８の構成に相当しているか、若しくは冒頭に説明されている。特にヘッドプレート２０，２１が導電性に構成されていれば、マイクロリアクタ２２若しくは電極２３の接続は省かれる。導電性のヘッドプレート２０，２１は、導電性のプラスチックによって構成することができ、このプラスチックは同様に、電極２２，２３を、例えば端部側を流し込み成形することによって機械的に結合するために適している。
【００６９】
２つの部分より成る導電性のケーシング２４を介して、発生した電圧は再び取り出され、導体２５，２６を介して消費器２７に供給される。ケーシング２４はケーシング９に相応して構成されている。図１６に示された多数のケーシングは、電圧上昇のために比較可能なバッテリーに直列接続される。
【００７０】
それぞれの構成に応じて、ヘッドプレート２１は、マイクロリアクタ２２の電極によって完全に貫通されるので、電極は端面側で支持部材２８を介して燃料成分によって直接貫流される。燃料成分としては、図１６に示した実施例においてもやはりＨ_２が使用される。
【００７１】
選択的に、ヘッドプレート２１内に、マイクロリアクタ２２の電極の束が一緒に集められ、共通に支持部材２８内で開口させることができる。
【００７２】
同じことは、ヘッドプレート２２に場合によっては設けられている出口開口にも当てはまる。
【００７３】
ダイヤフラム１６は、ヘッドプレート５と、このヘッドプレート５の手前で終わっている電極１の端面側との間で軸方向に延びている、同軸的に配置された電極間の区分（図１５の右側半部に示されている）において、ダイヤフラム１６内で燃料成分３がさらにヘッドプレート５に、及びこのヘッドプレート５から場合によっては導出されるように、シール作用及びガイド作用を行う。
【００７４】
特に図１６に示した並列接続のための電極の構成において、冒頭に説明した、特に多数の閉じた腔を形成する、中空繊維状に構成されたフィラメントが有利である。このようなフィラメントは、炭素繊維から織られているか、場合によっては流し込み成形されている。
【００７５】
図１７に示した実施例におけるように、アノードを形成する、特に本発明によるマイクロリアクタ２９の電極（別の構成のマイクロリアクタであってもよい）は、その外側の外周面に例えば浸漬によって、触媒が被着され、次いでダイヤフラムがコーティングされる。このようにして構成されたマイクロリアクタ２９の固定は、図１７においては、左側のヘッドプレート３で行われる。このヘッドプレート３０はやはり導電性に構成されている。他方では、マイクロリアクタ２９の電極は、ヘッドプレート３２の非導電性の区分３１に固定されている。この区分３１は、電極２９を互いに絶縁し、また電極２９を対抗電極３３、カソードに対して絶縁する。この対抗電極３３は図示の実施例では例えば同心的に配置された２つの部分より成っている。この対抗電極３３は、ヘッドプレート３２の導電性の区分３４内に互いに導電接続された状態で保持されている。
【００７６】
マイクロリアクタ２９の電極が導電状態で保持されている場合には、この区分３１と、対抗電極３３を保持する導電性の区分３４と、対抗電極３３との間に、場合によっては絶縁体を設ける必要がある。
【００７７】
前記実施例におけるように、図１７に示した実施例においては、マイクロリアクタ１７は、燃料成分によって貫流され、図１７に示された電極装置３５はケーシング内に取り付けられており、このケーシングは、第２の燃料成分によって貫流されるので、燃料電池のイオン交換及び電子交換が行われる。
【００７８】
例えば２つの電極装置１１１，１１１を備えた雄／雌型の、燃料電池１１０の別の実施例は図１８に示されている。半径方向内側に位置する電極１１３，１１４は、両側で、半径方向外側に位置する電極１１５，１１６から軸方向に突き出していて、また両側で、特に、軸方向外側に位置する導電性のヘッドプレート１１７，１１８によって保持されていて、電気的に並列接続されていている。さらに、ヘッドプレート１１７，１１８に直接的に隣接して、軸方向内側に位置するヘッドプレート１１９，１２０が設けられており、これらのヘッドプレートは、軸方向の端部側で、半径方向外側に位置する電極１１５，１１６を支持していて、特に導電性に構成されていて、電極１１５，１１６を並列接続している。
【００７９】
隣接し合うヘッドプレート１１７，１１９；１１８，１１９の２つの対の間での電気的な短絡を避けるために、隣接し合うヘッドプレート１１７，１１９；１１８，１２０はそれぞれ互いに電気的に絶縁されているか若しくは絶縁体１２１，１２２によって電気的に絶縁されている。このような絶縁体１２１，１２２は、ヘッドプレートとして構成してもよいので、電極装置１１１，１１２の端部側には、軸方向で特に接触し合うヘッドプレートのそれぞれ３つから成る組み合わせが提供される。
【００８０】
電極装置にヘッドプレートを接続する形式、及びこの３つのヘッドプレートから成る組み合わせについては、図１９〜図２２を用いて以下に説明されている。
【００８１】
図１９には、雌／雄配置で構成された電極装置１２３の束が示されている。この束は、端部側で、半径方向外側に位置し軸方向に突き出る電極１３０が、導電するように調整された注型用樹脂１２４内に浸し漬けられる。外側の電極１３０は、有利には半径方向内側に位置する電極１３１が、このようにして形成されたヘッドプレート１２５（図２０参照）の手前で終わるように、導電接続される。
【００８２】
これに相応して、図２０に示されているように、半径方向内側に位置する電極１３１は、導電調整された注型用樹脂、プラスチック又はこれと類似のものより成るヘッドプレート１２６内で保持され、この場合、図示のように、外側の電極１３０はヘッドプレート１２６の注型用樹脂に丁度接触されないようになっている。
【００８３】
図２１によれば、内側の電極１３２が外側の電極１３３から軸方向で突き出る領域は、電気的に絶縁された注型用樹脂より成る直接接続された第３のヘッドプレート１３４によってシールされている。
【００８４】
同様の形式で、図２２による雄／雌配置で構成された電極装置においては、３つのヘッドプレートの組み合わせが形成されており、非導電性のヘッドプレート１２９が導電性の２つのヘッドプレート１２７，１２８によって挟まれている。
【００８５】
図２３から図２６を用いて、電極装置のための製造方法についてさらに説明する。公知の形式で、中空繊維４０特に多数の腔を有するフィラメントが織られ又は注型されていて、例えば炭素繊維より成っている。特に織られた中空繊維４０が、図２３で矢印で示されているように、規則的に圧縮されている。圧縮の結果、長さが短縮されて織り構造の隙間の大きさを大きくしながら、中空繊維又はフィラメントの直径が増大され、例えば外側の外周面において材料の隙間内に触媒粒子３６が蓄積される（図２４参照）。中空繊維を負荷解除すると、触媒粒子３６は確実に電極の材料内に編み込まれる。
【００８６】
選択的に、このような触媒は繊維例えばシリコン・チタン・カーバイド繊維内に編み込まれる。この繊維は中空繊維若しくはフィラメントを巡って巻き付けられる。
【００８７】
場合によっては、中空繊維若しくはフィラメントは、このような形式の既に触媒を含有する繊維より形成される。
【００８８】
触媒を備えた中空繊維又はフィラメントにはさらに外側でダイヤフラム３８が備えられていて、例えばコーティングされている。
【００８９】
自己支持形式の、特に触媒及び／又はダイヤフラムを支持する、このようなマイクロリアクタにはさらに、例えばやはり炭素繊維より成るストッキング状の製織品３９が被せ嵌められる（図２５参照）。矢印方向で引き伸ばすことによって、製織品３９は、第２の電極としての内側の電極に遊び無しでしっかりと密着する。これによって、同時にエンドレス材料としても提供される非常に頑丈な電極装置が提供される。これによって、このような形式の電極装置の経済的な製造が得られる。この電極装置においても、電極自体が毛細管状の支持構造体を形成し、触媒並びにダイヤフラムが導電性の電極に被着されるようになっており、従来技術におけるように、ダイヤフラムが、触媒並びに導体が電極として被着される毛細管状の支持構造体を形成することはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】種々異なるフィラメント横断面である。
【図２】種々異なるフィラメント横断面である。
【図３】種々異なるフィラメント横断面である。
【図４】種々異なるフィラメント横断面である。
【図５】種々異なるフィラメント横断面である。
【図６】種々異なるフィラメント横断面である。
【図７】種々異なるフィラメント横断面である。
【図８】種々異なるフィラメント横断面である。
【図９】雄−雄配置で構成された電極装置の縦断面図である。
【図１０】雌−雄配置で構成された電極装置の縦断面図である。
【図１１】マイクロリアクタの第１実施例の横断面図である。
【図１２】図１１に示したマイクロリアクタに基づく電極装置の横断面図である。
【図１３】マイクロリアクタの第２実施例の横断面図である。
【図１４】図１３に示したマイクロリアクタに基づく電極装置の横断面図である。
【図１５】本発明による、唯一の電池を示す燃料電池の構造を示す概略図である。
【図１６】本発明による、並列接続された多数の電池を有する燃料電池の概略図である。
【図１７】別の実施例による燃料電池の概略図である。
【図１８】第３実施例による燃料電池の概略図である。
【図１９】ヘッドプレートの製造を説明する図である。
【図２０】ヘッドプレートの製造を説明する図である。
【図２１】ヘッドプレートの製造を説明する図である。
【図２２】ヘッドプレートの製造を説明する図である。
【図２３】本発明による電極装置の製造を説明する図である。
【図２４】本発明による電極装置の製造を説明する図である。
【図２５】本発明による電極装置の製造を説明する図である。
【図２６】本発明による電極装置の製造を説明する図である。

Claims (22)

1. マイクロリアクタにおいて、フィラメント（９８）が設けられていて、該フィラメントの少なくとも１つの流路（１０２）内を通って燃料成分が流れるようになっており、該フィラメント（９８）が、マイクロリアクタ（９７）の、半径方向内側に位置する導電性の電極として構成されていて、半径方向外側に位置するダイヤフラム（１０１）に接続されていて、該ダイヤフラム（１０１）を補強しながら支持しており、ダイヤフラム（１０１）の半径方向内側に位置する外周面が、フィラメント（９８）の支持部としてのコア（５５）に対してスポーク（１００）によって少なくとも部分的に間隔を保っていて、それによって少なくとも１つの流路（１０２）が形成されていることを特徴とする、マイクロリアクタ。
2. フィラメント（９８）とスポーク（１００）とが一体的に構成されている、請求項１記載のマイクロ。
3. スポーク（８７）が触媒の結晶を有している、請求項１又は２記載のマイクロリアクタ。
4. フィラメントが、軸方向に延びる閉じた多数の腔（７７）を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載のマイクロリアクタ。
5. フィラメントが軸方向の延長部で、その縦軸線を中心にして回転せしめられた横断面を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載のマイクロリアクタ。
6. ダイヤフラム（１０６）が、第２の電極（１０５）を形成する導電性の中空フィラメント内で半径方向に間隔を保って配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のマイクロリアクタ。
7. 触媒の結晶より成る、或いは触媒の結晶を含有又は有するスポーク（９５）が、ダイヤフラム（９４）の外側の外周面（９３）に対して間隔を保って、導電性の中空フィラメント（１０５）を支持している、請求項５記載の電極装置。
8. 半径方向内側に位置する電極（７８）の少なくとも一端部が軸方向に突き出している、請求項１から７までのいずれか１項記載の電極装置。
9. 請求項１から８までのいずれか１項又は多数項記載のマイクロリアクタの電極（１；２）を、これらの電極（１；２）に対して垂直に位置するヘッドプレート（４；５）に、一端部で導電接続することを特徴とする、電極装置。
10. ヘッドプレート（４，５）が導電性である、請求項８記載の電極装置。
11. それぞれ他方の端部で、電極（１，２）が、この位置に設けられたヘッドプレート（５，４）の手前で自由に終わっている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の電極装置。
12. 各ヘッドプレート（２０，２１）に多数の電極（２２，２３）が結合されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の電極装置。
13. マイクロリアクタの少なくとも一端部に、直接隣接し合う２つのヘッドプレート（１２７，１２９）が設けられている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の電極装置。
14. 直接隣接し合うヘッドプレート（１２７，１２９）が、導電性に構成されていて、互いに電気的に絶縁されて配置されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の電気装置。
15. 直接隣接し合うヘッドプレート（１２６，１１４）のうちの１つが導電性に構成されていて、１つが非導電性に構成されている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の電極装置。
16. 直接隣接し合う２つの導電性のヘッドプレート（１２７，１２９）が、その間に配置された第３の非導電性のヘッドプレート（１２８）によって、電気的に互いに絶縁されていて、機械的に互いに結合されている、請求項１から１５までのいずれか１項記載の電極装置。
17. ヘッドプレートが樹脂より成っている、請求項１から１６までのいずれか１項記載の電極装置。
18. 請求項１から４までのいずれか１項又は多数項記載の、燃料成分によって貫流される多数の電極（２９）又は燃料成分が流過する多数のマイクロリアクタが半径方向で間隔を保って、同軸的に配置された１つ又は多数の電極（３３）によって囲まれていることを特徴とする、燃料電池のための電極装置。
19. 特に請求項１から１８までのいずれか１項記載のマイクロリアクタを有する燃料電池に使用するための電極装置を製造するための方法において、
    フィラメントにストッキング状の製織品を被せ嵌め、この製織品を引き伸ばすことによってフィラメントに接触させることを特徴とする、電極装置を製造するための方法。
20. 第１の電極としての、触媒（３６）を備えた中空繊維（４０）の外側の外周面（３７）にダイヤフラム（３８）を設け、第１の電極に被せ嵌められた、第２の電極としてのストッキング状の製織品（３９）を引き伸ばすことによって第１の電極に密着させる、請求項１８記載の方法。
21. 中空繊維を、触媒を含有する繊維より製造する、請求項２０記載の方法。
22. 圧縮によって大きくされた、ストッキング状の製織品の孔内に触媒粒子（３６）を挿入する、請求項１９から２１までのいずれか１項記載の方法。