JPH06203863A - 燃料電池設備及びその不活性ガス排出調節方法 - Google Patents

燃料電池設備及びその不活性ガス排出調節方法

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JPH06203863A
JPH06203863A JP5297355A JP29735593A JPH06203863A JP H06203863 A JPH06203863 A JP H06203863A JP 5297355 A JP5297355 A JP 5297355A JP 29735593 A JP29735593 A JP 29735593A JP H06203863 A JPH06203863 A JP H06203863A
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gas
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fuel
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Willi Bette
ベツテ ウイリー
Josef Lersch
レルシユ ヨーゼフ
Arno Mattejat
マテヤート アルノ
Karl Strasser
シユトラツサー カール
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Siemens AG
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 電流に関係する不活性ガス排出調節のための
大電流側配線の出費を回避し、簡単な方法で不活性ガス
排出を実施できるようにした燃料電池設備を提供する。 【構成】 隣接する少なくとも二つの燃料電池2、4の
間に間隔を置いた二つの接点24〜27が、隣接する燃
料電池2、4の電極16、20に面接触する少なくとも
一つの双極板6、8に配置され、不活性ガスIGの高い
成分を含むガス室12、22を離れるガス混合体のため
のアクチュエータ32が設けられ、接点24〜27で測
定された電圧低下ΔUがアクチュエータ32の調節に用
いられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は燃料電池設備、及び燃
料電池を陰極側及び陽極側で貫流するガス混合体中の不
活性ガス成分の進行的上昇が起こるように、複数の燃料
電池を備える燃料電池設備からの不活性ガス排出調節方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池は一般に通電板、陰極、イオン
を導く中間層、陽極及びもう一つの通電板から成り、こ
れらは前記順序で平板として積層され、電解質・電極ユ
ニットを形成する。PEM燃料電池の場合には電解質・
電極ユニットは膜・電極ユニットとも呼ばれる。ここで
PEMとは重合体電解質膜又はプロトン交換膜を指す。
【0003】この構造の燃料電池は特にアッペルバイ
(Appelby )及びフォールクス(Foulkes )の著書「燃
料電池ハンドブック(Fuel Cell Handbook)」、ニュー
ヨーク、1989年、及びシュトラッセル(K. Strasse
r )の論文「コンパクト構造のアルカリ形シーメンス燃
料電池(Die alkalische Siemens-Brennstoffzelle inK
ompaktbauweise )」VDI会誌、第996号、199
0年、第25〜46ページから知られている。燃料電池
は化学的に結合したエネルギーを直接電気エネルギーに
変換できるので、燃料電池は効率がいわゆるカルノーサ
イクルで制限されている従来から知られた通常の内燃機
関が果たし得る以上に高い効率及び環境に対する少ない
負荷で例えば水素、天然ガス、バイオガスのような燃料
を電気エネルギーへ変換することができる。
【0004】燃料電池設備は交互に重ね合わされた電解
質・電極ユニット、ガス室、冷却ユニット及び圧力クッ
ションから構成されている。これらの個々の構成要素の
間にはパッキン及び場合によってはスペーサが組み込ま
れている。その際スペーサをばね板を間に挟んだ双極板
として構成することができる。設備の個々の液体室及び
ガス室にはパッキンを貫いて延びる軸線方向流路から半
径方向流路を通って媒体が供給される。その際軸線方向
流路とは燃料電池設備の積層された板状構成要素の面に
対し垂直に延びる流路を指し、半径方向流路とは板面上
を延びる流路を指す。
【0005】燃料電池設備の運転において、特にPEM
燃料電池から構成された設備において、技術的に純粋な
水素を陽極側に供給し技術的に純粋な酸素を陰極側に供
給する際に、水素及び酸素の水への電気化学的反応のゆ
えに燃料電池中で生じる水、及び不純物成分として少な
いパーセント割合で技術的に純粋なガス中に含まれてい
る例えば窒素、二酸化炭素、希ガスのような不活性ガス
は、燃料電池から排出しなければならないという問題が
ある。
【0006】この問題は従来は電流に関係する調節及び
陽極側又は陰極側のガス混合体の流れ方向への不活性ガ
スの濃縮により解決された。その際欠点として大電流側
の配線に関する大きい出費が必要であるということを甘
受しなければならない。この種の燃料電池設備の大電流
側の配線はかさばり、重くかつ高価であり、このことは
特に例えば電動車両でのPEM燃料電池の大量使用の妨
げとなる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、前
記欠点を回避しながら簡単な方法で不活性ガスの排出を
実施できるようにする前記の種類の方法及び燃料電池設
備を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】方法に関する上記の課題
はこの発明に基づき、電圧低下に関係して不活性ガスに
富んだガス混合体が排出され、その際電圧低下が直接隣
接する少なくとも二つの燃料電池の間で測定されること
により解決される。
【0009】燃料電池設備に関する上記の課題はこの発
明に基づき、隣接する少なくとも二つの燃料電池の間に
間隔を置いた二つの接点が、隣接する燃料電池の電極に
面接触する少なくとも一つの双極板に配置され、不活性
ガスの高い成分を含みガス室を離れるガス混合体のため
のアクチュエータが設けられ、接点で測定された電圧低
下がアクチュエータの調節に用いられることにより解決
される。
【0010】それにより流れ経路に沿って反応ガス濃度
が変化する(不活性ガス成分及び水の濃度)場合に、双
極板に沿った半径方向へのこれに起因する電流密度変化
が不活性ガス排出の調節のために利用されるとういこと
が達成される。この電流密度変化は隣接する少なくとも
二つの燃料電池の間で部分的に半径方向へ流れる電流の
ために起こる。その際例えばこの電流は、電気的に直列
に接続されて連続する二つの燃料電池の間に組み込まれ
た双極板上を流れる。半径方向の電流は全体として板上
で軸線方向へ低下する電圧低下を発生させ、この電圧低
下は簡単な方法で測定でき、この電圧低下により不活性
ガスに富んだガス混合体を燃料電池設備から排出すると
き経由するアクチュエータの調節のための電気信号を容
易に導き出すことができる。
【0011】この発明の一実施態様では、電圧低下測定
のための接点を軸線方向に間隔を置いて又は軸線方向及
び半径方向に間隔を置いて双極板に配置することができ
る。すべてのこれらの場合に全電流の一部が流れる半径
方向電流通路中の電圧低下が測定され、この電流の一部
は個々の燃料電池中の電流密度分布の非対称性により半
径方向へ横流として流れる。
【0012】この発明の別の有利な実施態様によれば、
隣接する燃料電池の陽極ガス室及び陰極ガス室は陽極側
及び陰極側のガス混合体の流れ方向が隣接する燃料電池
のガス室中で逆向きとなるように結合されている。連続
しかつ電気的に直列接続された二つの燃料電池中の逆向
きの流れ方向のゆえに、この構成は不活性ガスに富んだ
ガス混合体の排出の特に敏感な調節に適している。なぜ
ならば電圧低下はこの実施態様の場合に比較的大きい絶
対値に到達できるからである。
【0013】
【実施例】次にこの発明に基づく燃料電池設備の一実施
例を示す要部断面図により、この発明を詳細に説明す
る。
【0014】図1には燃料電池設備1の要部断面図が示
されている。この断面図には二つの燃料電池2、4が示
され、これらの燃料電池は二つの双極板6、8及び双極
板6、8の間に配置され複数のばね弾性の接触舌状部か
ら成るばね板10を介して電気的に直列に接続されてい
る。各燃料電池2、4がスペーサ14を備える陰極ガス
室12、陰極16、重合体電解質膜(PEM)18、陽
極20、及びスペーサ14を備える陽極ガス室22を備
える。陰極16及び陽極20はそれぞれPEM18と反
対の側に例えばカーボン紙層である通電板23を有す
る。PEM18は例えば商品名「ナフィオン115」、
「ナフィンオン117」、「ダウXUS」のもとに市販
されている重合体材料から成ることができる。双極板
6、8には接点24、25又は26、27が取り付けら
れ、これらの接点で燃料電池2、4の間で低下する電圧
ΔUが測定される。図示の実施例では電圧低下ΔUは半
径方向に離れた接点24、26で測定される。電圧低下
ΔUは同様に軸線方向に離れた接点対25、27又は半
径方向及び軸線方向に離れた二つの接点対24、27及
び25、26のうちの一つでも同様に有利に測定でき
る。軸線方向は矢印aで、また二つの半径方向は矢印r
で示されている。
【0015】燃料電池2、4の陰極ガス室12及び陽極
ガス室22はそれぞれ固有の管路系28又は30により
相互に結合され、陰極側ガス混合体O2 、IG及び陽極
側ガス混合体H2 、IGが各電池2、4及び隣接する電
池2、4のガス室中で逆向きとなるようになっている。
管路系28中では燃料電池4の陰極ガス室12の出口側
にアクチュエータとして弁32が組み込まれ、この弁は
調節器34により調節される。弁32の調節のためのパ
ラメータとして、調節器34の入力端に印加される電圧
低下ΔUが用いられる。
【0016】燃料電池設備1の運転の際に陽極側及び陰
極側ガス混合体H2 、IG;02 、IGの供給は燃料電
池設備1の向かい合う側面上で行われるのが有利であ
る。例えばn=70個の電気的に直列に接続された燃料
電池2、4から成る燃料電池設備1の図示の部分図で
は、燃料電池2は燃料電池設備1の(n−1)番目の又
は最後から2番目の燃料電池に相当し燃料電池4はn番
目の又は最後の燃料電池に相当する。
【0017】このことは管路系30を経て入口側で燃料
電池4の陽極ガス室22に新しい陽極側ガス混合体H
2 、IGが供給されることを意味する。陽極側ガス混合
体は実施例では約0.05容積%の不活性ガスIGの成
分を含む技術的に純粋な水素H2 である。管路系28を
経て入口側で燃料電池2の陰極室12に供給される陰極
側ガス混合体O2 、IGは、既に燃料電池設備1の流れ
方向へ前置接続された(n−2)個の燃料電池を貫流し
ている。燃料電池中での水素H2 及び酸素O2 から水H
2 Oへの電気化学的反応のゆえに、燃料電池2の陰極ガ
ス室12中へ流入し当初は約0.5容積%の不活性ガス
IGの成分を含み技術的に純粋な酸素O2であった陰極
側ガス混合体が、先行する(n−2)個の燃料電池中で
の酸素O2の消費のゆえにかなりの割合の水H2 O及び
不活性ガスIGを有する。それにより既に強く不活性ガ
スIGを濃縮された燃料電池2、4の陰極ガス室12中
の陰極側ガス混合体O2 、IG、H2 Oには、燃料電池
2、4の陽極ガス室22中のほとんどまだ未使用の陽極
側ガス混合体H2 、IGが相対している。
【0018】燃料電池4のガス消費は燃料電池2の陰極
ガス室12中で絶え間ないガス流及び流れ方向への不活
性ガス成分の僅かな濃縮を引き起こす。弁32が閉鎖さ
れている場合には燃料電池4の陰極ガス室12中へ流入
する陰極側ガス混合体O2 、IGからはなお残っている
酸素O2 が奪い去られる。それゆえに流れ方向へ燃料電
池4の陰極ガス室12中で不活性ガスIGの濃縮がほぼ
100%まで上昇する。
【0019】この事実は半径方向における電流密度の変
動、すなわち陰極側ガス混合体の流れ方向における軸線
方向の電流密度の減少を引き起こす。隣接しかつ電気的
に直列接続された燃料電池2、4のガス室中での逆向き
の流れ方向のゆえに、燃料電池2、4により引き起こさ
れた電流が専ら軸線方向aへではなく部分的に半径方向
rへも流れる。このことはここで前記の方法で双極板
6、8及びばね板10を介して測定される燃料電池2、
4間の電圧低下ΔUとなって現れる。それぞれ約0.7
Vの燃料電池2、4の電圧UZと関連してこの電圧低下
ΔUは、不活性ガスIGの成分が高い場合に電池電圧U
Zの20%にまで達するおそれがある。一般に電圧低下
ΔUは10ないし100mVの範囲内にある。しかしな
がら基本的に電圧低下ΔUは広い限界内で調節可能であ
り、このことは例えばもっと多くの又は別の形のばね板
10の挿入又は別の中間層により実現される。
【0020】不活性ガスIGの成分の上昇と共にすなわ
ち酸素成分O2 の消費と共に上昇するこの電圧低下ΔU
に関係して、弁32が調節器34により調節されるか又
は案内される。弁32が開放されている場合には不活性
ガスに富んだガス混合体が(ここでは陰極側で)燃料電
池設備1から排出される。陰極側ガス混合体の燃料電池
設備1から排出される部分は大部分不活性な気体従って
不活性ガスIG及び水H2 Oから成るが、この部分は燃
料電池設備1の入口側で新しい陰極側ガス混合体O2
IG、ここでは技術的に純粋な酸素ガスにより置き替え
られる。弁32が閉じられている場合には酸素O2 の消
費のゆえに不活性ガスIG及び水H2 Oの成分の上昇が
急速に進行する。
【0021】弁32の調節は二種類の方法で行うことが
できる。一方では調節器34は弁32の開度を直接電圧
低下ΔUと基準値との間の差に適合させる作用を果すこ
とができる。他方では調節器34は、ΔUが所定のしき
い電圧を超えた後に弁32が開かれ、そして所定のガス
量の通過(所定の開放時間)後に再び閉鎖されるように
弁32を制御することができる。
【0022】陰極側ガス混合体の不活性ガスIG及び水
2 Oの成分を排出するための図1に示された構成は、
陽極側のガス混合体H2 、IGの不活性ガスIGの成分
を排出するために、同様な方法で燃料電池設備1の第1
(n=1)及び第2(n=2)の電池にも設置すること
ができる。
【0023】すべての場合に水及び不活性ガス排出の電
圧に関係する調節は、従来電流に関係する調節に関して
負担しなければならなかった多大の出費を節約すること
ができる。約30〜40kWの電気的出力を有する燃料
電池設備1のためのこれに関連する節約は製作費の約1
0%に達する。この長所は例えば電気駆動される車両に
おけるような大量使用において特に重要性を増す。この
費用節約のほかに配線装置のかなりの体積及び重量も節
約される。
【0024】基本的に燃料電池設備1からの水及び不活
性ガス排出の電圧に関係する調節方法はPEM燃料電池
の使用に制限されず、同様にすべてのほかの電池型式の
場合に例えば別のプロトン又は水酸化物イオン又は酸素
イオンを導く電解質を備える燃料電池に対しても用いる
ことができる。
【0025】同様に燃料電池設備1内の複数の個所で隣
接する少なくとも二つの燃料電池間で低下する電圧ΔU
が測定され、かつ複数の個所に不活性ガスを含むガス混
合体の排出のための弁32が設けられるように、図1に
示す燃料電池設備1が変形させられるときにも、この方
法の使用による長所を達成できる。
【0026】図1では陽極側及び陰極側のガス混合体の
供給は燃料電池設備1の気体排出側とは逆の側で行われ
る。その際陽極側及び陰極側のガス混合体の流れ方向は
個々の燃料電池2、4の内部ばかりでなく隣接する燃料
電池に関しても逆方向に選ばれている。このことは現在
最高に有利な構造形式である。変形例としては、 a)陽極側及び陰極側のガス混合体の流れ方向が個々の
燃料電池2、4の内部では同じ向きに、しかし隣接する
燃料電池2、4に関しては逆向きに選ばれるか又は、 b)陽極側及び陰極側のガス混合体の流れ方向が個々の
燃料電池2、4の内部では逆向きに、しかし隣接する燃
料電池2、4に関しては同じ向きに選ばれるか又は、 c)陽極側及び陰極側のガス混合体の流れ方向が個々の
燃料電池2、4の内部ばかりでなく隣接する燃料電池
2、4に関しても同じ向きに選ばれるようにすることが
考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に基づく燃料電池設備の一実施例の要
部断面図。
【符号の説明】
1 燃料電池設備 2、4 燃料電池 6、8 双極板 10 ばね板 12 陰極ガス室 16、20 電極 22 陽極ガス室 24〜27 接点 28、30 ガス供給管路 32 アクチュエータ IG 不活性ガス成分 ΔU 電圧低下
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アルノ マテヤート ドイツ連邦共和国 91088 ブーベンロイ ト ヤーンシユトラーセ 3アー (72)発明者 カール シユトラツサー ドイツ連邦共和国 91058 エルランゲン ライプチガーシユトラーセ 79

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃料電池(2、4)を陰極側又は陽極側
    で貫流するガス混合体(O2 、H2 O、IG又はH2
    IG)中の不活性ガス成分(IG)の進行的上昇が起こ
    るように、複数の燃料電池(2、4)を備える燃料電池
    設備(1)からの不活性ガス(IG、H2 O)の排出調
    節方法において、電圧低下(ΔU)に関係して不活性ガ
    スに富んだガス混合体(IG)が排出され、その際電圧
    低下(ΔU)が直接隣接する少なくとも二つの燃料電池
    (2、4)の間で測定されることを特徴とする燃料電池
    設備からの不活性ガス排出調節方法。
  2. 【請求項2】 燃料電池設備(1)の始端及び終端に置
    かれた二つの燃料電池(2、4)の電圧低下(ΔU)が
    測定されることを特徴とする請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 直接隣接して配置された二つの燃料電池
    (2、4)の場合に両陽極ガス室(22)及び両陰極ガ
    ス室(12)が逆向きに貫流され、また各燃料電池
    (2、4)のガス室(12、22)が逆向きに貫流され
    ることを特徴とする請求項1又は2記載の方法。
  4. 【請求項4】 隣接する少なくとも二つの燃料電池
    (2、4)の間に間隔を置いた二つの接点(24、2
    5、26、27)が、隣接する燃料電池(2、4)の電
    極(16、20)に面接触する少なくとも一つの双極板
    (6、8)に配置され、不活性ガス(IG)の高い成分
    を含みガス室(12、22)を離れるガス混合体のため
    のアクチュエータ(32)が設けられ、接点(24〜2
    7)で測定された電圧低下(ΔU)がアクチュエータ
    (32)の調節に用いられることを特徴とする複数の燃
    料電池(2、4)を備える燃料電池設備。
  5. 【請求項5】 二つの燃料電池(2、4)の間に相互に
    電気的に接触する二つの双極板(6、8)が配置されて
    いることを特徴とする請求項4記載の燃料電池設備。
  6. 【請求項6】 両双極板(6、8)がばね板(10)を
    介して導電結合されていることを特徴とする請求項5記
    載の燃料電池設備。
  7. 【請求項7】 接点(24、26;25、27)が軸線
    方向に間隔を置いて二つの燃料電池(2、4)の間に配
    置されていることを特徴とする請求項4ないし6の一つ
    に記載の燃料電池設備。
  8. 【請求項8】 接点(24〜27)が軸線方向及び半径
    方向に間隔を置いて二つの燃料電池(2、4)の間に配
    置されていることを特徴とする請求項4ないし7の一つ
    に記載の燃料電池設備。
  9. 【請求項9】 アクチュエータ(32)がすべての燃料
    電池(2、4)のうちのガス混合体(O2 、IG;H
    2 、IG)の流れ方向へ最後に配置されたガス室(1
    2、22)の出口側に接続されていることを特徴とする
    請求項4ないし8の一つに記載の燃料電池設備。
  10. 【請求項10】 アクチュエータ(32)が電池間電圧
    低下(ΔU)を測定される燃料電池(2、4)のうちの
    ガス混合体の流れ方向へ最後に配置されたガス室(2
    2)の出口側に接続されていることを特徴とする請求項
    4ないし9の一つに記載の燃料電池設備。
  11. 【請求項11】 隣接する燃料電池(2、4)の陽極ガ
    ス室(22)及び陰極ガス室(12)は、陽極側及び陰
    極側のガス混合体(H2 、IG;O2 、IG)の流れ方
    向が隣接する燃料電池(2、4)のガス室(22、1
    2)中で逆向きとなるように結合されていることを特徴
    とする請求項4ないし10の一つに記載の燃料電池設
    備。
  12. 【請求項12】 陽極側ガス混合体(H2 IG)及び陰
    極側ガス混合体(O2 、IG)の流れ方向が隣接する燃
    料電池(2、4)のガス室(22、12)中で同じ向き
    であることを特徴とする請求項4ないし10の一つに記
    載の燃料電池設備。
  13. 【請求項13】 陽極側ガス混合体(H2 、IG)及び
    陰極側ガス混合体(O2 、IG)の流れ方向が各燃料電
    池(2、4)の中で逆向きであることを特徴とする請求
    項4ないし12の一つに記載の燃料電池設備。
  14. 【請求項14】 陽極側ガス混合体(H2 、IG)及び
    陰極側ガス混合体(O2 、IG)の流れ方向が各燃料電
    池(2、4)のガス室(12、22)の中で同じ向きで
    あることを特徴とする請求項4ないし12の一つに記載
    の燃料電池設備。
  15. 【請求項15】 燃料電池(2、4)がガス側で直列に
    接続され、一方の側からは一方のガス混合体(H2 、I
    G)が導入されまた他方の側からは他方のガス混合体
    (O2 、IG)が導入されるように、燃料電池(2、
    4)が陽極側及び陰極側のガス混合体(H2 、IG;O
    2 、IG)のためのガス供給管路(28、30)に接続
    されていることを特徴とする請求項4ないし14の一つ
    に記載の燃料電池設備。
JP5297355A 1992-11-05 1993-11-01 燃料電池設備及びその不活性ガス排出調節方法 Withdrawn JPH06203863A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4237413 1992-11-05
DE4237413.8 1992-11-05

Publications (1)

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JPH06203863A true JPH06203863A (ja) 1994-07-22

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