JP2004510318A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

燃料電池モジュールの作動時に形成される外部領域から探知される磁界、即ち漂遊磁界を特に少なくするように形成した、直列に接続し燃料電池積層体にまとめた、複数の燃料電池を有する燃料電池モジュールを提供する。燃料電池積層体４の外側範囲に沿い、その積層方向に燃料電池積層体４の第２の極板１０の側の接触領域１４迄延び、燃料電池積層体４の第１の極板８と接続した複数の遮蔽導線１２を設ける。この導線に流れる磁界で、動作電流による磁界を相殺する。

Description

【０００１】
本発明は、燃料電池積層体にまとめられ燃料電池モジュールに関する。
【０００２】
燃料電池は環境に優しい電気の生成に用いられる。燃料電池内で、ほぼ電気分解の逆のプロセスが進行する。そのため１個の燃料電池には水素を含む燃料が陽極に、また酸素を含む補助物質が陰極に通される。その際陽極と陰極は電解質層により電気的に互いに分離されており、この電解質層は、確かに燃料と酸素との間にイオン交換を生じさせるが、燃料と補助物質の気密な分離を保証する。イオン交換により燃料に含まれている水素は酸素と反応して水を生成し、その際燃料側の電極、即ち陽極に電子が増え、補助物質側の電極、即ち陰極で電子が吸収される。従って燃料電池の運転時に利用できる電位差、即ち電圧が陽・陰極間に生じ、電気生成プロセスにより生じる廃棄物として水だけが発生する。従って、高温燃料電池の場合セラミックスの固体電解質として、低温燃料電池の場合ポリマー膜として形成可能な電解質層は、反応物を互いに分離し、イオンの形で電荷を運び、かつ電子の短絡を阻止する作用をする。
【０００３】
通常使用される材料の電気化学ポテンシャルに基づき、この種燃料電池内で、正常な作動条件下に、約０．６〜１．０Ｖの電極電圧を生じ、その作動中に保持される。従って、使用目的又は設定出力に応じて、著しく高い総電圧を必要とするような工業上の使用には、各燃料電池により供給される電極電圧の合計が、必要とされる合計電圧に相当し又はこれを越えるよう、通常多数の燃料電池が燃料電池積層体の形で直列に接続される。必要となる総電圧に応じ、このような燃料電池積層体中の燃料電池の数は、例えば５０個又はそれ以上になり得る。
【０００４】
この種の燃料電池積層体にまとめられた燃料電池の作動時に生ずる電位差を利用可能とするため、燃料電池積層体の配線には負荷が設けられる。その際燃料電池積層体に電気的に負荷を接続するには、直列に接続した最外側の燃料電池に、夫々所謂電気導通又は導出線を接続できる極板が配置される。
【０００５】
このような燃料電池の特殊な作動特性に基づき、特に水だけを唯一の主な廃棄物として生じることに関して、燃料電池はまた、特に例えば潜水艇のようなそれ自体において閉鎖した可動システムのエネルギー供給に適している。その際、特にごく限定された空間寸法の燃料電池設備内で比較的高い出力密度で、かつ通常の電圧レベルで、比較的高い出力電流を達成できることは、特に有利である。その上特に潜水艇内に使用する場合、燃料、即ち水素を含む材料は、比較的コンパクトな形で準備できる。その際補助材、即ち酸化剤として純酸素を使用できる。また水素は特に水素化物タンクに容れて運ぶことができる。
【０００６】
特に潜水艇に燃料電池を使用する場合、外部に出されるサイン、即ち潜水艇の運転時に外から探知され得る徴候を特に少なくすることが望ましい。このサインに、燃料電池の作動時に流入、流出する電流で生じる磁界も数えられる。
【０００７】
従って本発明は、その作動時に形成され、外部領域で追跡可能な磁界又は漂遊磁界を特に少なく保持し、燃料電池積層体にまとめられた、複数の直列に接続した燃料電池を有する燃料電池モジュールを提供することを課題とする。
【０００８】
この課題は、燃料電池積層体の外側範囲に沿い、その積層方向に燃料電池積層体の第２の極板の側の接触領域迄通じ、燃料電池積層体の第１の極板と接続する複数の遮蔽導線を備えた本発明による燃料電池モジュールにより解決される。
【０００９】
その際本発明は、燃料電池モジュールの作動時に動作電流が特に十分な程度に適切に磁気的に相殺し合い、燃料電池の外部領域で追跡可能な磁界を特に少なく保持できると言う考え方から出発する。磁気の相殺は、同軸配列形式で、動作電流が生じる空間領域を、適切に電流復帰線により囲むようにして行える。その際電流の戻り線を、そこを動作電流に対し逆方向に流れる相殺電流が、動作電流により形成される側方範囲の磁界を、十分に相殺するよう設計する必要がある。特に複数の直列に接続された燃料電池から成る燃料電池積層体の場合、作動時に燃料電池の活性により、有効な電流が燃料電池内に自ら生じる。この動作電流を逆電流の適切な操作により、磁気的に十分に遮蔽する必要がある。そのため遮蔽導線を燃料電池積層体の外側範囲に沿って通す。
【００１０】
本発明の有利な実施形態は従属請求項の対象である。
【００１１】
この燃料電池モジュールの外側範囲を特に均等に遮蔽する効果は、有利な実施形態では、遮蔽導線を燃料電池積層体の積層方向に延びる軸を中心に対称に配置することで達成される。この実施形態では、中心軸に対し略正方形の断面を有する燃料電池積層体の場合に、磁界の遮蔽は特に信頼できるものになる。
【００１２】
これとは異なり、又は付加的に有利な実施形態では、遮蔽導線は、積層方向に見出される燃料電池積層体の断面の周囲にほぼ均等な間隔で配置されている。このような形態は、特に正方形以外の、例えば長方形の断面の場合にも、確実な磁界の遮蔽に適している。例えば、燃料電池積層体のその断面の長さと幅の割合がほぼ２：１の場合、その長手側に各々２本の遮蔽導線を、またその幅側に各々１本の遮蔽導線を配置するように設けてもよく、その際各遮蔽導線は、そこで各々隣接する遮蔽導線に対しほぼ均等に間隔を置かれる。
【００１３】
特に簡単な方法で、遮蔽導線を先に延びている電流回路に接続可能とすべく、接触領域内の遮蔽導線を、第１の合流接点（これをスターポイント又は電流節点ともいう）に集結するとよい。この場合、例えば唯一の先に延びる回路を介し、合流接点又は直接負荷への接続を形成できる。この合流接点により、遮蔽導線により運ばれる電流は一点に集まり、そこから更に運ばれる。接続点又は負荷への接続を、例えば複数の導体で形成すると、遮蔽導線への不均一な電流分布も、合流接点は先に延びる回路への均等な電流分布を生じさせる。こうして、燃料電池モジュールの漂遊磁界が外部の影響に左右されないようにできる。
【００１４】
この実施形態の場合も、漂遊磁界を特に少なく保持するため、付加的に、燃料電池積層体の第２の極板に、遮蔽導線の数に相当する数の接続線を配置し、それらを第２の合流接点を形成すべく集め、この接触領域内の各接続線を、各々遮蔽導線の直近に通すとよい。この配置の場合、特に簡単な方法で、各々電流が流れている回路を、略同じ電流強度の反対方向に流れる１つの回路に直接隣接するようにできる。外側範囲に結果として生じる漂遊磁界の尺度として利用可能な、この電流と逆電流により囲まれる面は、この配置の場合特に小さく保持される。
【００１５】
このように適切に漂遊磁界を弱めるようにして、生じる漂遊磁界の少ない燃料電池モジュールも、電気的に負荷と接続するため、他の有利な実施形態では、第１の極板は電流回路と、第２の極板はこの電流回路を同軸配列形式で囲む回路システムと接続される。その際これらの接続は、特に上述した第１又は第２の合流接点を間に挿入して形成できる。
【００１６】
本発明により達成される利点は特に、燃料電池積層体を、その作動中に貫流する動作電流を、燃料電池積層体の外側範囲に沿って対応する極板の側の接触領域へと戻すことで、燃料電池モジュールの外側範囲で検知される漂遊磁界も特に小さく保持できる点にある。即ちこの配列では、燃料電池積層体中を流れる動作電流を、燃料電池積層体の外側範囲で、この動作電流をその値の合計に相当する逆方向に流れる逆電流で囲む。こうして本来の燃料電池モジュールでも同軸の配列を形成し、燃料電池内に自ら流れる動作電流を確実に遮蔽できる。
【００１７】
本発明の実施例を、燃料電池モジュールを示す図１により以下に詳述する。
【００１８】
図１による燃料電池モジュール１は、複数の燃料電池２を含む。それら燃料電池２は電気的には直列に接続され、空間的には燃料電池積層体４にまとめられている。その際各燃料電池２は、電解質を介して空間的に、かつ電気的に互いに分離された２つの平面的に形成された電極を含む。各燃料電池２は、それら電極が隣接する燃料電池２に面する電極と各々直に接続している。それに対し、矢印６により示した燃料電池積層体の積層方向に見て、各々最初と最後の燃料電池２では、それらの電極が、燃料電池積層体４の各縁部に配置したマイナスの極板、即ち第１の極板８又はプラスの極板、即ち第２の極板１０と接続している。
【００１９】
その際上記の第１の極板８と第２の極板１０は、その作動中に燃料電池積層体４への動作電流を導通又は導出する役目をする。即ち燃料電池積層体４の作動時に、燃料電池２に供給される材料中の水素と酸素の再結合により、一方では上述した利用できる電位差を生じさせ、他方では連続的状態で燃料電池積層体４を流れる動作電流に相応する電子を再配分する。この動作電流は、燃料電池積層体４の外側領域に漂遊磁界を形成する。しかしこの燃料電池モジュール１は、この漂遊磁界を特に小さく保持するように設計されている。
【００２０】
更に、燃料電池積層体４の第１の極板８は、複数の遮蔽導線１２と接続している。遮蔽導線１２は、燃料電池積層体４の外側範囲の、その積層方向（矢印６で示す）に配置され、燃料電池積層体４の内部の燃料電池２を貫流する動作電流の復帰のため、第２の極板１０の範囲へと向けられている。その結果主に燃料電池積層体４により、これを囲む複数の第２の導線と、第１の導線とのほぼ同軸的な配列が自ら生じる。第１と第２の導線の対向する流れ方向により、燃料電池積層体４の外側範囲の電流よって形成される磁界はほぼ相殺され、とりわけ第１の導線、即ち燃料電池積層体４に流れる電流と、第２の導線、即ち遮蔽導線１２に全体として流れる逆電流の値は同じある。その際燃料電池積層体４の外側範囲の漂遊磁界の遮蔽効果は、十分離れた空間範囲に及ぶ。これに反して、ごく近い範囲の燃料電池積層体４の周りでは、その形状効果で特に、電流の戻りが、燃料電池設備４を完全に囲む外被内では行われないので、なお漂遊磁界が生じる。
【００２１】
遮蔽導線１２は、燃料電池積層体４の外側範囲から燃料電池積層体４の第２の極板１０の側の接触領域１４へと通じている。接触領域１４内では、遮蔽導線１２が電流回路１８と接続する第１の合流接点１６に集められている。この電流回路１８それ自体は、図示しない方法で、燃料電池モジュール１から給電される負荷と接続している。
【００２２】
更に燃料電池モジュール１は、遮蔽導線１２により接触領域内に形成された漂遊磁界をできるだけ小さく保持するように設計されている。そのため、第２の接点２２を形成するための、遮蔽導線１２の数に相応する数の接続線２０は、第２の極板１０を出発点とする。その際接続線２０は、空間的には、接触領域１４内で各接続線２０が各々の遮蔽導線１２の直近に存在するように導かれる。この配置により、各遮蔽導線１２内を流れる電流により形成された漂遊磁界は、この遮蔽導線１２内に各々配置された接続線２０を流れる電流により、反対方向に形成された磁界をほぼ相殺、即ち消滅させる。言い換えれば、各々遮蔽導線１２及び関連する接続線２０により限定された導線対により形成された漂遊磁界全体を、特に小さく保持し、導線対、即ち各遮蔽導線１２と、各接続線２０とにより囲まれる面の漂遊磁界を著しく小さく保持できる。
【００２３】
接続線２０と、これらにより形成された第２の接合接触部２２を介して、第２の極板１０は、電流線１８を同軸配列の形式で囲む回路システム２４と接続している。その際図１の実施例では、回路システム２４は、第１の導線２６及び第２の導線２８により形成され、それらは電流回路１８を側方から囲む。或いはまた、回路システム２４を形成するため、比較的多数の導線、即ち電流回路を完全に囲む例えば円筒状に形成された外被を設けてもよい。
【００２４】
燃料電池積層体４、及びこの積層体を構成する燃料電池２は、この実施例では、ほぼ正方形の断面を有する。これに適合させて、特に有利な遮蔽効果を達成するため、遮蔽導線１２は、矢印６で示す積層方向に延びる燃料電池積層体４の中心軸を囲んで対称に配置されている。その際特に正方形の断面の全外側に、各々遮蔽導線１２が同心的に配置されている。それにより遮蔽導線１２のほぼ均等な間隔も、積層方向に見た燃料電池積層体４の断面の周りに生じる。しかし正方形の形とは異なる燃料電池積層体４の断面の場合も、各々存在する断面の形に適合する遮蔽導線１２の別の対処法も考えられる。例えば断面長方形の燃料電池積層体４の場合、この断面の長手側に延びる遮蔽導線１２の本数と、狭い側に延びる遮蔽導線１２の本数の割合を、長手側と狭い側との長さの割合にほぼ等しくなるように断面の周囲に配分すればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の燃料電池モジュールの概略斜視図。
【符号の説明】
１　燃料電池モジュール、２　燃料電池、４　燃料電池積層体、６　積層方向、８　第１の極板、１０　第２の極板、１２　遮蔽導線、１４　接触領域、
１６、２２　合流接点、１８　電流回路、２０　接続線、２４　回路システム、２６　第１の導線、２８　第２の導線

Claims (7)

1. 燃料電池積層体（４）にまとめられ、直列に接続された複数の燃料電池（２）を有する燃料電池モジュール（１）において、燃料電池積層体（４）の第１の極板（８）と接続する複数の遮蔽導線（１２）が、燃料電池積層体（４）の外側範囲に沿って、その積層方向に燃料電池積層体（４）の第２の極板（１０）の側の接触領域（１４）に迄延びている燃料電池モジュール（１）。
2. 遮蔽導線（１２）が、燃料電池積層体（４）の積層方向に延びる軸を中心に対称に配置されている請求項１記載のモジュール（１）。
3. 遮蔽導線（１２）が、積層方向に見たその断面の周りにほぼ均等に配置されている請求項１記載のモジュール（１）。
4. 遮蔽導線（１２）が接触領域（１４）内で第１の合流接点　（１６）に集結されている請求項１乃至３の１つに記載のモジュール（１）。
5. その第２の極板（１０）が、遮蔽導線（１２）の数に相応する数の接続線（２０）を出発点として、それらが第２の合流接点（２２）を形成するため集結され、その際接触領域（１４）内に各々接続線（２０）が各遮蔽導線（１２）の直近に通されている請求項４記載のモジュール（１）。
6. 第１の極板（８）が電流回路（１８）と、また第２の極板　（１０）が同軸配列形式にこの電流回路（１８）を囲んでいる回路システム（２４）と接続している請求項１乃至５の１つに記載のモジュール（１）。
7. 第１の極板（８）と第２の極板（１０）が、少なくとも各々２つの電流回路（１８）と接続しており、第１の極板（８）の電流回路（１８）が、第２の極板（１０）の電流回路（１８）に対称に配列されている請求項１乃至５の１つに記載のモジュール。