(57)【要約】      （修正有）【課題】水素ガスによる酸素ガスの汚染又は酸素ガスによる水素ガスの汚染によって発生する爆鳴気の危険に対して、高い安全性を備えるレドックス装置を提供する。【解決手段】アルカリ燃料電池１６ａ−電解層としてのレドックス装置１０ａにおいて、水素ガスを浄化して酸素ガスによる汚染を取り除く及び／又は酸素ガスを浄化して水素ガスによる汚染を取り除くための少なくとも１つのガス浄化ユニット２０ａとして触媒ユニット２２ａを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に水素ガスである第１のガス及び／又は特に酸素ガスである第２のガスを消費及び／又は生成しながら少なくとも１つのレドックス反応を実施するために設けられている少なくとも１つのレドックスユニット（１２ａ〜ｆ、１４ｅ〜ｆ）を備えるレドックス装置、特に水素−酸素レドックス装置であって、
前記第１のガスを浄化して前記第２のガスによる汚染を取り除く、及び／又は前記第２のガスを浄化して前記第１のガスによる汚染を取り除く少なくとも１つのガス浄化ユニット（２０ａ〜ｆ）を特徴とするレドックス装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つのレドックスユニット（１２ａ；１２ｃ；１２ｅ〜ｆ）が、燃料電池（１６ａ；１６ｃ；１６ｅ〜ｆ）として形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のレドックス装置。
【請求項３】
前記燃料電池（１６ａ；１６ｃ；１６ｅ〜ｆ）が、アルカリ燃料電池（１６ａ；１６ｃ；１６ｅ〜ｆ）として形成されていることを特徴とする、請求項２に記載のレドックス装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つのレドックスユニット（１２ｂ；１２ｄ；１４ｅ〜ｆ）が、水素ガス及び／又は酸素ガスを生成する電解槽（１８ｂ；１８ｄ〜ｆ）として形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載のレドックス装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つのガス浄化ユニット（２０ａ〜ｆ）が、酸素ガスと水素ガスから水を生成する反応を触媒するための少なくとも１つの触媒ユニット（２２ａ〜ｆ、２４ｅ〜ｆ）を備えていることを特徴とする、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載のレドックス装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つの触媒ユニット（２２ａ〜ｆ、２４ｅ〜ｆ）が、少なくとも部分的に白金族金属から成る少なくとも１つの触媒エレメント（２６ａ〜ｆ、２８ａ〜ｆ、３０ｅ〜ｆ、３２ｅ〜ｆ）を有していることを特徴とする、請求項５に記載のレドックス装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの触媒エレメント（２６ａ〜ｂ；２６ｅ、２８ａ〜ｂ；２８ｅ、３０ｅ、３２ｅ）が、前記少なくとも１つのレドックスユニット（１２ａ〜ｂ；１２ｅ；１４ｅ）の少なくとも１つの電極（４２ａ〜ｂ；４２ｅ、４４ａ〜ｂ；４４ｅ、４６ｅ、４８ｅ）の、反応ゾーン（５０ａ〜ｂ；５０ｅ、５１ａ〜ｂ；５１ｅ、５２ｅ、５３ｅ）に向き合わない電極側面に取り付けられている触媒層として形成されていることを特徴とする、請求項６に記載のレドックス装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つの触媒エレメント（２６ｃ〜ｄ；２６ｆ、２８ｃ〜ｄ；２８ｆ、３０ｆ、３２ｆ）が、中空構造を有していることを特徴とする、請求項６又は７に記載のレドックス装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つの触媒エレメント（２６ａ〜ｆ、２８ａ〜ｆ、３０ｅ〜ｆ、３２ｅ〜ｆ）が、前記少なくとも１つのレドックスユニット（１２ａ〜ｆ、１４ｅ〜ｆ）のガススペース（５４ａ〜ｆ、５６ａ〜ｆ、５８ｅ〜ｆ、６０ｅ〜ｆ）に接して配置されており、前記ガススペースは前記少なくとも１つのレドックスユニット（１２ａ〜ｆ、１４ｅ〜ｆ）の少なくとも１つの電極（４２ａ〜ｆ、４４ａ〜ｆ、４６ｅ〜ｆ、４８ｅ〜ｆ）に隣接していることを特徴とする、請求項８に記載のレドックス装置。
【請求項１０】
少なくとも１つの別のレドックスユニット（１４ｅ〜ｆ）が、前記少なくとも１つのレドックスユニット（１２ｅ〜ｆ）と物質的に連結されていることを特徴とする、請求項１〜９のうちいずれか一項に記載のレドックス装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つのレドックスユニット（１２ｅ〜ｆ）及び前記少なくとも１つの別のレドックスユニット（１４ｅ〜ｆ）が、燃料電池−電解槽ペアとして形成されていることを特徴とする、請求項１０に記載のレドックス装置。
【請求項１２】
前記レドックス装置（１０ｅ〜ｆ）が、閉じられた状態で作動することを特徴とする、請求項１０又は１１に記載のレドックス装置（１０ｅ〜ｆ）の作動方法。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのレドックスユニット（１２ｅ）から前記少なくとも１つの別のレドックスユニット（１４ｅ）へ流れる、又は前記少なくとも１つの別のレドックスユニット（１４ｅ）から前記少なくとも１つのレドックスユニット（１２ｅ）へ流れる少なくとも１つのガス流（７０ｅ、７２ｅ、７４ｅ、７６ｅ）が、前記少なくとも１つのレドックスユニット（１２ｅ）又は前記少なくとも１つの別のレドックスユニット（１４ｅ）を離れる前に、前記少なくとも１つのガス浄化ユニット（２０ｅ）によって浄化されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのレドックスユニット（１２ｆ）から前記少なくとも１つの別のレドックスユニット（１４ｆ）へ流れる、又は前記少なくとも１つの別のレドックスユニット（１４ｆ）から前記少なくとも１つのレドックスユニット（１２ｆ）へ流れる少なくとも１つのガス流（７０ｆ、７２ｆ、７４ｆ、７６ｆ）が、前記少なくとも１つのレドックスユニット（１２ｆ）又は前記少なくとも１つの別のレドックスユニット（１４ｆ）を離れる際に、前記少なくとも１つのガス浄化ユニット（２０ｆ）によって浄化されることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分に基づく、少なくとも１つのレドックスユニットを備えるレドックス装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池又は電解槽として形成されているレドックスユニットを少なくとも１つ備える、従来技術に基づくレドックス装置は、作動停止後に不活性のパージガス（ほとんどの場合は窒素が用いられる）によって清浄されるが、これは、停止後にレドックスユニットのガススペース内に残っている水素及び酸素などの使用済みの残留ガスが拡散によって互いに接触し、レドックスユニット内で爆発可能な混合気、例えば爆鳴気などを形成して、特にレドックスユニットを再稼働させた場合のエネルギー入力によりこの爆鳴気が爆発を引き起こし、これによってレドックスユニットが損傷しないようにするためである。特に燃料電池として形成されているレドックスユニット及び電解槽として形成されているレドックスユニットを備える現在開発中のレドックス装置の場合は、これらのユニットを、いわゆる「再生型燃料電池システム」として、閉じられた状態で作動させなければならないため、爆鳴気発生を防止するための前述の方法は、不活性のパージガスによる清浄のためにシステムの開口部が必要であることから、使用することができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の課題は、特に、爆鳴気の危険に対して高い安全性を提供するレドックス装置を準備することにあり、この場合、爆鳴気の危険は、水素ガスによる酸素ガスの汚染又は酸素ガスによる水素ガスの汚染によって発生する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この課題は、本発明に基づき、請求項１の特徴によって解決され、本発明の有利な実施形態及び発展形態は従属請求項に示されている。
【０００５】
本発明は、特に水素ガスである第１のガス及び／又は特に酸素ガスである第２のガスを消費及び／又は生成しながら少なくとも１つのレドックス反応を実施するために設けられている少なくとも１つのレドックスユニット、特に水素−酸素レドックスユニットを備えるレドックス装置、特に水素−酸素レドックス装置を前提としている。このレドックス装置は、水素ガスを浄化して酸素ガスによる汚染を取り除く及び／又は酸素ガスを浄化して水素ガスによる汚染を取り除くための少なくとも１つのガス浄化ユニットを有することが提案される。
【０００６】
「レドックス装置」とは、特に、少なくとも１つのレドックスユニットを備える装置を意味するものとする。「レドックスユニット」とは、１つが水素電極として形成され、１つが酸素電極として形成されている少なくとも２つの電極、これらの２つの電極を接続している電気回路、少なくともこれらの２つの電極の間に配置されている少なくとも１つの電解液及び／又は少なくともこれらの２つの電極の間に配置されている少なくとも１つの電解液充填膜又はイオン伝導性膜を備えるユニットを意味するものとし、このユニットによってレドックス反応が実施され、その場合、電流回路によって送り出される電力の形でエネルギーを発生しながら第１のガスが酸化され、第２のガスが還元され、１つの反応の中で第１のガスと第２のガスは好ましくは水である生成物に変換され、この生成物は周辺環境又は貯蔵タンクに送り出されるか、もしくは電力という形のエネルギーを消費しながら、好ましくは水である抽出物が、好ましくは分子水素である第１のガス及び好ましくは分子酸素である第２のガスを生成するために分解され、この第１のガス及び第２のガスが周辺環境又は貯蔵タンクに排出される。とりわけレドックスユニットは、電流生成によってエネルギーを供給しながら、好ましくは水素ガスの形での分子水素と好ましくは酸素ガスの形での分子酸素とが反応して水を生成する燃料電池として、及び／又は電流によってエネルギーを吸収しながら、水が分子酸素と分子水素とに分解される水素と酸素の電解槽として形成されている。基本的に、生成物又は抽出物としては、水の代わりに水素原子及び酸素原子を含むその他の化学物質を適用することもできる。例えば、レドックスユニットは、水素−酸素レドックスユニットの代わりに、この水素−酸素レドックスユニットのレドックス反応に類似したレドックス反応において別の物質を変換する別の物質のレドックスユニットとしても形成することができ、例えば一酸化炭素−酸素レドックスユニットとして形成される場合、このユニットは一酸化炭素と酸素ガスを二酸化炭素に変換するか、又は二酸化炭素を一酸化炭素と酸素ガスに分解する。「レドックス反応」とは、特に、少なくとも２つの化学物質が互いに反応し、このとき少なくとも１つの化学物質が電子を発生し、それによって酸化され、また少なくとも１つの化学物質が電子を吸収し、それによって還元される反応を意味するものとする。「水素ガス」とは、特に、分子の形で気体として存在している水素を意味するものとする。「酸素ガス」とは、特に、分子の形で気体として存在している酸素を意味するものとする。
【０００７】
とりわけ、このレドックス装置はいわゆる再生型燃料電池システムとして形成することができ、このシステムは少なくとも１つの燃料電池、及び少なくとも１つの燃料電池に連結されている少なくとも１つの水素−酸素電解槽を有しており、このとき、再生型燃料電池システムにおいてエネルギーを貯蔵するための充電プロセスでは、外部から電流を加えることによって、少なくとも１つの水素−酸素電解槽が貯蔵されている水を分子水素と分子酸素に分解し、この分子水素と分子酸素はそれぞれリザーバタンク内に送られ、電流によってエネルギーを供給するための放電プロセスにおいて分子水素と分子酸素は少なくとも１つの燃料電池の中で反応して水を生成する。従って、この再生型燃料電池システムは蓄電池の機能を満たしている。特に、この再生型燃料電池システムは閉じられた作動のために形成することができる。「閉じられた作動」とは、特に、再生型燃料電池システムが、周辺環境との物質交換なしに多数の充電−放電サイクルによって作動することを意味するものとする。「周辺環境との物質交換のない作動」とは、特に再生型燃料電池システムがリザーバタンクに水及び／又は分子酸素及び／又は分子水素の初期貯蔵を装備していることを意味するものとし、このとき、水及び／又は分子酸素及び／又は分子水素の初期貯蔵だけが多数の充電−放電サイクルによって変換され、初期貯蔵の補充は行われない。特に、周辺環境との物質交換のない作動ではリザーバタンクの取外しは設定されていない。「電解液」とは、特に、好ましくはアルカリ溶液などの溶液の形のイオン伝導性物質を意味するものとする。「ガス浄化ユニット」とは、特に固形物又は外部ガスによる汚染を、例えばフィルターによって又は外部ガスを液体又は固体の形に変換することによって（このとき変換には化学反応を用いることができる）取り除き、ガスを浄化するユニットを意味するものとする。好ましくは、水素ガスを浄化して酸素ガスによる汚染を取り除くため及び／又は酸素ガスを浄化して水素ガスによる汚染を取り除くためのガス浄化ユニットは、少なくとも部分的にレドックスユニットのガススペースに接して、及び／又はガススペース内に配置されており、特に好ましくはセルの壁によって取り囲まれているレドックスユニットの内側部分の範囲内に配置されている。特に、高い作動安全性を備え、作動経費が軽減されるレドックス装置は、不活性パージガスの貯蔵及び不活性パージガスの処理を節約することによって実現することができる。
【０００８】
さらに、少なくとも１つのレドックスユニットは、燃料電池として形成されることが提案される。特に、高い作動安全性を備え、作動経費が軽減される燃料電池は、不活性パージガスの貯蔵及び不活性パージガスの処理を節約することによって実現することができる。
【０００９】
さらに、この燃料電池は、アルカリ燃料電池として形成されていることが提案される。「アルカリ燃料電池」とは、特に、電解液としてアルカリ溶液、とりわけ水酸化カリウム溶液を使用する燃料電池を意味するものとする。電解液としては、例えばヒドラジンなどその他のアルカリ溶液の使用も同様に可能である。好ましいのは、水素電極及び酸素電極が、少なくとも部分的にニッケルから成ることである。特に、高い作動安全性を備え、作動経費が軽減されるアルカリ燃料電池は、不活性パージガスの貯蔵及び不活性パージガスの処理を節約することによって実現することができる。
【００１０】
さらに、少なくとも１つのレドックスユニットは、水素ガス及び／又は酸素ガスを生成する電解槽として形成されていることが提案される。特に、この電解槽は、電解液としてアルカリ溶液、とりわけ水酸化カリウム溶液を使用するアルカリ電解槽として形成されている。特に、高い作動安全性を備え、装置に係る経費が軽減される水素ガス及び／又は酸素ガスを生成する電解槽は、不活性パージガスの貯蔵及び不活性パージガスの処理を節約することによって実現することができる。
【００１１】
さらに、少なくとも１つのガス浄化ユニットが、酸素ガスと水素ガスから水を生成する再結合のための少なくとも１つの再結合触媒ユニットを備えていることが提案される。「再結合触媒ユニット」とは、特に、所定の箇所で水素と酸素の再結合を触媒するために設けられているユニットを意味するものとする。特に、この再結合触媒ユニットは、分子水素と分子酸素が反応して水を生成することが可能な少なくとも１つの平面を提供する。特に、この再結合触媒ユニットは、少なくとも部分的にレドックスユニットのガススペースに接して、及び／又はこのガススペースの中に配置されており、詳細には、特に好ましくは壁によって取り囲まれているレドックスユニットの内側部分の範囲内に配置されている。特に、この再結合触媒ユニットは、少なくとも部分的にレドックスユニットのガスリザーバから反応ゾーンへのガス流の範囲内に、及び／又はレドックスユニットの範囲内に配置され、好ましくは壁によって取り囲まれているレドックスユニットの内側部分の範囲内に配置されている。「反応ゾーン」とは、特に、水素電極と電解液及び／又は膜との間、又は酸素電極と電解液及び／又は膜との間の接触部分を意味するものとし、この反応ゾーンで水が水素及び／又は酸素に分解されるか、もしくは水素と酸素が水に合成される。特に、装置に係る経費が少ないガス浄化ユニットを実現することができる。
【００１２】
さらに、この再結合触媒ユニットは、少なくとも部分的に白金族金属から成る少なくとも１つの触媒エレメントを有していることが提案される。特に、少なくとも１つの触媒エレメントは、少なくとも１つの表面に少なくとも部分的に白金族金属のコーティングを有している。基本的に、少なくとも１つの触媒エレメントは、完全に１種類の白金族金属及び／又は複数の白金族金属から成ることができる。「白金族金属」とは、特に、白金又は化学的に白金と似た性質を有する、特にルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム及びイリジウムであるその他の貴金属を意味するものとする。特に、いわゆる白金族元素としてのニッケルとダームスタチウムは白金族金属とは区別されている。特に、高い触媒性能を備える耐薬品性の触媒エレメントを実現することができる。
【００１３】
さらに、少なくとも１つの触媒エレメントは、少なくとも１つのレドックスユニットの少なくとも１つの電極の、反応ゾーンに向き合わない電極側面に取り付けられている触媒層として形成されていることが提案される。「反応ゾーン」とは、特に、水素と酸素から水分子への変換及び／又は水分子の水素と酸素への電気分解が行われる少なくとも１つの電極の部分を意味するものとする。特に、少なくとも１つのレドックスユニットの少なくとも１つの電極の、反応ゾーンに向き合わない電極側面に取り付けられている触媒層は、少なくとも１つのレドックスユニットのレドックス反応を触媒する、少なくとも１つの電極の触媒層とは区別されている。特に、少なくとも１つの電極の、反応ゾーンに向き合わない電極側面に触媒層を取り付けることは、反応ゾーンから漏れ出る酸素ガス（この酸素ガスは反応ゾーンとは切り離されている水素ガスのガススペース内に侵入し、そこで爆鳴気となる危険が生じる）及び／又は水素ガス（この水素ガスは反応ゾーンとは切り離されている酸素ガスのガススペース内に侵入し、そこで爆鳴気となる危険が生じる）を、ガススペース内に入る際及び／又は滞留している際に、触媒作用による水への再結合によって取り除くために特別に設けられており、このことは、反応ゾーン内の触媒層によっては達成することができない。特に、有利には水素ガス又は酸素ガスの発生ゾーンに近い配置及び／又は反応部分内への入口ゾーンに近い配置を有し、レドックス装置の高い作動安全性が達成されているガス浄化ユニットを実現することができる。
【００１４】
本発明の発展形態においては、少なくとも１つの触媒エレメントが中空構造を有していることが提案される。「中空構造」とは、特に、少なくとも１つの中空部、好ましくは多数の中空部を有している構造を意味するものとし、この中空部又はこれらの中空部によってガスが構造の一方の側面から構造の他方の側面へと拡散する、及び／又は流れることができる。特に、多数の中空部が細孔によって形成されている。中空構造を有する触媒エレメントは、基本的に、チャンネルとして形成されている中空部及び／又は格子網構造を有することもできる。特に好ましいのは、中空部の内側表面が、白金族金属から成る触媒層を備えていることである。特に、触媒作用のある表面の割合が大きく、それによって高い浄化能力を備えている触媒エレメントを実現することができる。
【００１５】
さらに、少なくとも１つの触媒エレメントが、少なくとも１つのレドックスユニットのガススペースに配置されており、このガススペースは少なくとも１つのレドックスユニットの少なくとも１つの電極に隣接していることが提案される。「レドックスユニットのガススペース」とは、特に、レドックスユニットの外壁、生成物及び／又は抽出物、特に水素ガス及び／又は酸素ガスを供給又は排出するために外壁内に設けられた開口部、及び水素電極又は酸素電極によって境界されているレドックスユニットのスペースを意味するものとする。特に、反応ゾーンに対して、及び発生するガス及び／又は反応ゾーンの中に入り込むガスに対して有利に近い、少なくとも１つの触媒エレメントの配置を実現することができる。
【００１６】
さらに、レドックス装置が、少なくとも１つの別のレドックスユニットを有し、この別のレドックスユニットは少なくとも１つのレドックスユニットと物質的に連結されていることが提案される。「連結されている」とは、特に、少なくとも１つのレドックスユニットの生成物が、少なくとも１つの別のレドックスユニットの抽出物として利用され、この少なくとも１つの別のレドックスユニットの生成物が他方のレドックスユニットの抽出物として利用されること、及び／又は少なくとも１つのレドックスユニット及び少なくとも１つの別のレドックスユニットが、共通の抽出物ストック及び／又は生成物ストックを有し、同じように形成された複数のレドックスユニットの中に抽出物が流れ込むことを意味するものとする。特に、完全には変換されない抽出物の利用が実現可能であるか、もしくは再生型燃料電池システムを提供することが可能である。
【００１７】
さらに、少なくとも１つのレドックスユニット及び少なくとも１つの別のレドックスユニットが、燃料電池−電解槽ペアとして形成されていることが提案される。特に、これにより、少なくとも１つのレドックスユニット及び少なくとも１つの別のレドックスユニットが再生型燃料電池システムを形成する。特に、レドックス装置の蓄電池機能が実現可能である。
【００１８】
さらに、少なくとも１つのレドックスユニットから少なくとも１つの別のレドックスユニットへ流れる、又は少なくとも１つの別のレドックスユニットから少なくとも１つのレドックスユニットへ流れる少なくとも１つのガス流が、少なくとも１つのレドックスユニット又は少なくとも１つの別のレドックスユニットを離れる前に、少なくとも１つのガス浄化ユニットによって浄化されることが提案される。「レドックスユニットを離れる」とは、特に、ガススペース、好ましくはレドックスユニットのセルフレームによって囲まれているガススペースから、好ましくはリザーバタンクへ通じるライン内に流出すること、又は反応しなかった余分の抽出ガスが再び入口ラインに流れてガススペース内に戻ることを意味するものとする。「レドックスユニットを離れる前の浄化」とは、特に、外部ガス及び残留ガスによる汚染がレドックスユニットのガススペースの範囲内で、好ましくはガススペース内への入口で、ガス浄化ユニットによって除去されることを意味するものとする。特に、高い作動安全性を実現することができる。
【００１９】
さらに、少なくとも１つのレドックスユニットから少なくとも１つの別のレドックスユニットへ流れる、又は少なくとも１つの別のレドックスユニットから少なくとも１つのレドックスユニットへ流れる少なくとも１つのガス流が、少なくとも１つのレドックスユニット又は少なくとも１つの別のレドックスユニットを離れる際に、少なくとも１つのガス浄化ユニットによって浄化されることが提案される。「レドックスユニットを離れる際の浄化」とは、特に、ガス浄化ユニットの少なくとも１つのエレメントが、ガススペースからリザーバタンクへ通じるラインへの移行部分に配置されていることを意味するものとする。特に、高い作動安全性を実現することができる。
【００２０】
その他の利点は、以下の図から説明される。図には、本発明の６通りの実施例が示されている。これらの図、説明及び請求項には、組合せの形で多数の特徴が含まれている。当業者は、これらの特徴を個々においても有利なものとみなし、その他の有効な組合せにまとめるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】アルカリ燃料電池として形成されているレドックスユニット及びガス浄化ユニットを備える本発明に基づくレドックス装置であり、ガス浄化ユニットは、反応ゾーンに向き合わない電極側面に取り付けられている触媒層として形成されている触媒エレメントを備える再結合触媒ユニットを有している。
【図２】電解槽として形成されているレドックスユニット及び前述の実施例で実施されているガス浄化ユニットを備える代替のレドックス装置である。
【図３】アルカリ燃料電池として形成されているレドックスユニット及びガス浄化ユニットを備える本発明に基づくもう１つのレドックス装置であり、ガス浄化ユニットは、ガススペースのドレンに配置されている触媒エレメントを備える再結合触媒ユニットを有している。
【図４】電解槽として形成されているレドックスユニット及び前述の実施例で実施されているガス浄化ユニットを備える本発明に基づくもう１つのレドックス装置である。
【図５】アルカリ燃料電池として形成されているレドックスユニット、アルカリ燃料電池と物質的に連結されている、電解槽として形成されているレドックスユニット、及び図１と図２で実施されているガス浄化ユニットを備える本発明に基づくレドックス装置である。
【図６】アルカリ燃料電池として形成されているレドックスユニット、アルカリ燃料電池と物質的に連結されている、電解槽として形成されているレドックスユニット、及び図３と図４で実施されているガス浄化ユニットを備える本発明に基づくもう１つのレドックス装置である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、水素−酸素レドックス装置として形成されている本発明に基づくレドックス装置１０ａを示し、この装置は、第１のガスである水素ガスと第２のガスである酸素ガスを消費しながら少なくとも１つのレドックス反応を実施するために設けられた、水素−酸素レドックスユニットとして形成されているレドックスユニット１２ａを備えており、また図１は、水素電極として形成されている電極４２ａ、酸素電極として形成されている電極４４ａ、及びそれらの間に配置されている電解液充填膜３８ａを含んでいる。電極４２ａ、４４ａは、ニッケル電極として実施されている。レドックスユニット１２ａは燃料電池１６ａとして、特にアルカリ燃料電池１６ａとして実施されており、この中では電解液が水酸化カリウム溶液によって形成され、この電解液によって膜３８ａが満たされている。燃料電池１６ａの中では、電極４２ａ、４４ａでのレドックス反応によって水素ガスと酸素ガスが反応して水を生成し、このときエネルギーが電流の形で放出され、この電流は電極４２ａ、４４ａの間にある電流回路内に配置されている電気負荷３４ａを介して流れる。この電流回路のクローズは、電解液充填膜３８ａを介する電荷輸送によって実現される。燃料電池１６ａは、作動温度摂氏８０度〜２００度の温度範囲で作動する。燃料電池１６ａを作動温度まで加熱するため、燃料電池１６ａはヒータユニット７８ａを有しており、この中を熱輸送のための液体が流れている。さらにこのヒータユニット７８ａによって、燃料電池１６ａの作動時に発生する反応熱も放出されるため、燃料電池１６ａの過熱を防ぐことができる。
【００２３】
レドックス装置１０ａは、アルカリ燃料電池１６ａとして形成されているレドックスユニット１２ａにライン６２ａを介して接続されている、水素ガスを貯蔵するガスリザーバ８２ａ、及び燃料電池１６ａにライン６４ａを介して接続されている、酸素ガスを貯蔵するガスリザーバ８４ａを有している。純粋なガスとして、水素と酸素はガスリザーバ８２ａ、８４ａの中に分子の形で存在している。水素ガスのガス流７０ａは、ライン６２ａによってガスリザーバ８２ａからレドックスユニット１２ａのセルフレーム９０ａ及び水素電極として形成されている電極４２ａによって境界されているガススペース５４ａの中に送られ、そこからガス流は電極４２ａを通過して、膜３８ａと電極４２ａとの接触ゾーンによって形成されている反応ゾーン５０ａに達する。反応ゾーン５０ａでは、水素ガスの水素分子が水酸化イオンと反応して水が生成されるレドックス反応が起こり、このとき電子が放出され、これらの電子は電流の中で電気負荷３４ａを介して流れ、その際にエネルギーを供給する。余分な水素ガスは、ガス流７４ａでライン６３ａを介して排出され、このとき、この余分な水素ガスを新たに燃料電池１６ａに供給することができる。酸素ガスは、これに対応して、ガス流７２ａでライン６４ａを介してガススペース５６ａの中に送り込まれ、電極４４ａから膜３８ａと電極４４ａとの接触ゾーンによって形成されている反応ゾーン５１ａに達する。反応ゾーン５１ａでは、酸素ガスが、例えば水酸化カリウム溶液に由来するか、又はあらかじめ燃料電池１６ａ内で生成された水と反応するレドックス反応において還元され、電子を受け取ることによって水酸化イオンに変換される。この場合、反応ゾーン５０ａ、５１ａにおける反応全体では水が発生するが、これは、反応ゾーン５１ａにおいて酸素ガスと反応して水酸化イオンに変換される水分子よりも多くの水分子が反応ゾーン５０ａで生成されるからである。余分な酸素ガスは、ライン６５ａを介してガス流７６ａで排出される。発生する水は、反応生成物として水蒸気の形でガス流７４ａ、７６ａを介して排出される。
【００２４】
本発明に基づくレドックス装置１０ａは、第１のガスである水素ガスを浄化して第２のガスである酸素ガスによる汚染を取り除く、及び／又は第２のガスである酸素ガスを浄化して第１のガスである水素による汚染を取り除くガス浄化ユニット２０ａを有している。酸素ガスによる水素ガスの汚染および水素ガスによる酸素ガスの汚染は、特にレドックス装置１０ａのレドックスユニット１２ａが停止している間に、ガススペース５４ａ、５６ａ及び反応ゾーン５０ａ、５１ａに残っている残留ガスがレドックスユニット１２ａの膜３８ａを介して放散することによって生じる可能性がある。ガス浄化ユニット２０ａは、酸素ガスと水素ガスから水を生成する反応を触媒するための触媒ユニット２２ａを備え、このユニットは、部分的に白金族金属から成る２つの触媒エレメント２６ａ、２８ａを有している。触媒エレメント２６ａ、２８ａはそれぞれ、アルカリ燃料電池１６ａとして形成されているレドックスユニット１２ａの電極４２ａ、４４ａの、反応ゾーン５０ａ、５１ａに向き合わない電極側面に取り付けられている触媒層として形成されている。この触媒層は白金層から成り、この層で水素と酸素が結合することにより、水素と酸素から水を生成する反応が触媒される。白金から成る触媒層の代わりに、例えばパラジウム、ルテニウム又はイリジウムなど、その他の白金族金属から成る触媒層も使用することができる。触媒エレメント２６ａ、２８ａがそれぞれ、電極４２ａ、４４ａの、反応ゾーン５０ａ、５１ａに向き合わない電極側面に配置されていることにより、反応ゾーン５０ａ、５１ａから発生してガススペース５４ａ、５６ａの中に侵入する外部ガスによる汚染を浄化することができる。従って、爆鳴気形成による燃料電池１６ａの危険が回避される。さらに、水素と酸素の再結合によって放出される反応熱が電極４２ａ、４４ａで直接放射され、レドックスユニット１２ａの加熱に利用されることにより、レドックスユニット１２ａを作動温度まで加熱するためのエネルギーコストを低減することができる。従って、レドックス装置１０ａの１つの作動方法においては、ガス流７４ａ、７６ａが、ガススペース５４ａ、５６ａを離れる前にガス浄化ユニット２０ａによって浄化される。
【００２５】
図２〜６には、本発明のその他の５つの実施例が示されている。以下の説明および図は、主としてこれらの実施例間の違いに限定され、同一の名称で表される構成部品に関して、特に同じ符号を持つ構成部品に関しては、基本的に、その他の実施例の図及び／又は説明も参照することができ、特に図１の図及び／又は説明を参照することができる。実施例を区別するため、図１の実施例の符号には文字ａが付けられている。図２〜６の実施例には、文字ａの代わりに文字ｂ〜ｆが用いられている。
【００２６】
図２には、本発明に基づくレドックス装置１０ｂの代替の実施形態が示され、この装置は、水素ガスによって形成される第１のガス及び酸素ガスによって形成される第２のガスを消費及び／又は生成しながらレドックス反応を実施するために設けられているレドックスユニット１２ｂ、及び水素ガスを浄化して酸素ガスによる汚染を取り除き、酸素ガスを浄化して水素ガスによる汚染を取り除くためのガス浄化ユニット２０ｂを備えている。レドックスユニット１２ｂは、水素ガス及び／又は酸素ガスを生成する電解槽１８ｂとして形成されており、この電解槽はこの目的のために水を電気分解する。電解槽１８ｂは、アルカリ電解槽１８ｂとして形成されている。レドックスユニット１２ｂの構造は、ほぼ前述の構造と同様である。水を分解するには電流の形でエネルギーが必要となるため、電流回路には直流電圧源として形成されている電源３６ｂが配置されており、この電流を供給している。反応ゾーン５０ｂにおいて電極４２ｂと電解液充填膜３８ｂとの接触部分に発生する水素ガスは、ガススペース５４ｂの中に入り、ここからガス流７０ｂでライン６２ｂを経由してガスリザーバ８２ｂに送られる。同様に、反応ゾーン５１ｂにおいて電極４４ｂと電解液充填膜３８ｂとの接触部分に発生する酸素ガスは、ガススペース５６ｂ及びライン６４ｂを介してガス流７２ｂでガスリザーバ８４ｂに送られる。電解液としては、同様に水酸化カリウム溶液が用いられる。レドックス装置１０ｂのガス浄化ユニット２０ｂは、同様に、酸素ガスと水素ガスから水を生成する反応を触媒するための触媒ユニット２２ｂを備え、このユニットは、部分的に白金族金属から成る２つの触媒エレメント２６ｂ、２８ｂを有している。触媒エレメント２６ｂ、２８ｂはそれぞれ、上述の例と同様に、電解槽１８ｂの電極４２ｂ、４４ｂの、反応ゾーン５０ｂ、５１ｂに向き合わない電極側面に取り付けられている白金触媒層として形成されている。従って、レドックス装置１０ｂの１つの作動方法においては、ガス流７０ｂ、７２ｂが、ガススペース５４ｂ、５６ｂを離れる前にガス浄化ユニット２０ｂによって浄化される。さらに、水素と酸素の再結合によって放出される反応熱がガススペース５４ｂ、５６ｂ内で放射され、レドックスユニット１２ｂの加熱に利用されることにより、レドックスユニット１２ｂを作動温度まで加熱するためのエネルギーコストを低減することができる。
【００２７】
本発明に基づくレドックス装置１０ｃのもう１つの実施形態では、この装置が、水素ガスによって形成される第１のガス及び酸素ガスによって形成される第２のガスを消費しながらレドックス反応を実施するために設けられているレドックスユニット１２ｃ、及び水素ガスを浄化して酸素ガスによる汚染を取り除き、酸素ガスを浄化して水素ガスによる汚染を取り除くためのガス浄化ユニット２０ｃを備え、レドックスユニット１２ｃは第１の実施例と同様に燃料電池１６ｃ、詳細にはアルカリ燃料電池１６ｃとして形成されている（図３）。このレドックス装置１０ｃは、ガス浄化ユニット２０ｃの仕様が第１の実施例で示されている仕様とは異なっている。ガス浄化ユニット２０ｃは、酸素ガスと水素ガスから水を生成する反応を触媒するための触媒ユニット２２ｃを備え、このユニットは、部分的に白金族金属から成る２つの触媒エレメント２６ｃ、２８ｃを有している。触媒エレメント２６ｃ、２８ｃはそれぞれ、担体材料内の細孔構造として実施されている中空構造を有し、このとき、細孔構造の表面には白金又はその他の白金族金属から成る触媒層が施されている。ガスが触媒エレメント２６ｃ、２８ｃの細孔構造を通過する場合、触媒作用を有する表面が大きくなるため、この細孔構造によって高い浄化効率が達成される。触媒エレメント２６ｃ、２８ｃは、それぞれがライン６３ｃ、６５ｃへのガススペース５４ｃ、５６ｃの出口に配置されており、余分な水素ガス及び酸素ガスをガス流７４ｃ、７６ｃでガススペース５４ｃ、５６ｃから排出する。従って、レドックス装置１０ｃの１つの作動方法においては、ガス流７４ｃ、７６ｃが、ガススペース５４ｃ、５６ｃを離れる際にガス浄化ユニット２０ｃによって浄化される。ガス浄化ユニット２０ｃの代替の実施形態では、例えば、中空構造をもつ触媒エレメント２６ｃ、２８ｃをガススペース５４ｃ、５６ｃの内部に配置することも考えられ、レドックス装置１０ｃの１つの作動方法においては、ガス流７４ｃ、７６ｃが、ガススペース５４ｃ、５６ｃを離れる前にガス浄化ユニット２０ｃによって浄化される。
【００２８】
本発明に基づくレドックス装置１０ｄのもう１つの実施形態では、この装置が、水素ガスによって形成される第１のガス及び酸素ガスによって形成される第２のガスを生成しながらレドックス反応を実施するために設けられているレドックスユニット１２ｄを備え、このレドックスユニット１２ｄは第２の実施例と同様に電解槽１８ｄとして、詳細にはアルカリ電解槽１８ｄとして、水素ガス及び／又は酸素ガスを生成するために形成されている（図４）。このレドックス装置１０ｄは、水素ガスを浄化して酸素ガスによる汚染を取り除き、酸素ガスを浄化して水素ガスによる汚染を取り除くためのガス浄化ユニット２０ｄを有し、このユニットは、酸素ガスと水素ガスから水を生成する反応を触媒するための触媒ユニット２２ｄを備えている。この触媒ユニット２２ｄは、部分的に白金族金属から成る２つの触媒エレメント２６ｄ、２８ｄを有しており、前述の実施例と同様に、表面が白金で被覆されている中空構造として形成されている。触媒エレメント２６ｄ、２８ｄは、ガスリザーバ８２ｄ、８４ｄに通じるライン６２ｄ、６４ｄへのガススペース５４ｄ、５６ｄの出口にあるため、ガス流７０ｄ、７２ｄはレドックスユニット１２ｄを離れる際にガス浄化ユニット２０ｄによって浄化される。
【００２９】
本発明に基づくレドックス装置１０ｅのもう１つの実施例では、この装置が、水素ガスによって形成される第１のガス及び酸素ガスによって形成される第２のガスを消費しながらレドックス反応を実施するために設けられているレドックスユニット１２ｅを備え、このレドックス装置１０ｅは別のレドックスユニット１４ｅを有し、このレドックスユニット１４ｅはレドックスユニット１２ｅと物質的に連結されている（図５）。レドックスユニット１２ｅと別のレドックスユニット１４ｅは、燃料電池−電解槽ペアとして形成されており、このとき、レドックスユニット１２ｅはアルカリ燃料電池１６ｅとして形成され、レドックスユニット１４ｅはアルカリ電解槽１８ｅとして形成されている。従って、レドックス装置１０ｅは再生型燃料電池システムとして実施されており、このシステムでは、電解槽１８ｅの中でエネルギーを消費しながら生成される水素ガスと酸素ガスがガスリザーバ８２ｅ、８４ｅに貯蔵され、一方の燃料電池１６ｅの作動においては、エネルギーを発生しながら水素ガスと酸素ガスが反応して水が生成される。特に、本発明に基づくレドックス装置１０ｅの１つの作動方法においては、レドックス装置１０ｅが閉じられた状態で作動するため、水素ガス、酸素ガス及び水の初期ストックの補充は、ガスリザーバ８２ｅ、８４ｅ及び水リザーバ８６ｅ内においても、レドックスユニット１２ｅ及び別のレドックスユニット１４ｅにおいても行われないように設定されている。電解槽１８ｅとアルカリ燃料電池１６ｅを交互に作動することにより、レドックス装置１０ｅは蓄電池機能を引き受けることができる。
【００３０】
アルカリ電解槽１８ｅとして形成されている別のレドックスユニット１４ｅには、ライン６８ｅを介して水流９４ｅが水リザーバ８６ｅから水酸化カリウム溶液で満たされている膜４０ｅへと供給される。膜４０ｅと電極４６ｅ、４８ｅが互いに隣接している反応ゾーン５２ｅ、５３ｅでは、水素ガスと酸素ガスが生成される。反応ゾーン５２ｅにおいて電極４６ｅで生成された水素ガスは、電極４６ｅから電解槽１８ｅのガススペース５８ｅに入り、ガス流７４ｅでライン６６ｅを介してガスリザーバ８２ｅに排出される。反応ゾーン５３ｅにおいて電極４８ｅで生成された水素ガスは、電極４６ｅからガススペース６０ｅに入り、ガス流７６ｅでライン６７ｅを介してガスリザーバ８４ｅに排出される。ライン６２ｅを介して、水素ガスはガスリザーバ８２ｅからガス流７０ｅで、アルカリ燃料電池１６ｅとして形成されているレドックスユニット１２ｅのガススペース５４ｅに送られ、同様に、酸素ガスはガス流７２ｅでライン６４ｅを介してガススペース５６ｅに送られる。余分な水素ガスは、ガス流７５ｅで燃料電池１６ｅのライン６３ｅを介して回路内に再び供給され、余分な酸素ガスは、ガス流８８ｅで燃料電池１６ｅのライン６５ｅを介して回路内に再び供給される。ガスの送り込みと排出を制御するため、すべてのライン６２ｅ、６３ｅ、６４ｅ、６５ｅ、６６ｅ、６７ｅ、６８ｅにはバルブが装備されている。ガスリザーバ８２ｅ及びライン６２ｅ、６３ｅ、６６ｅを介して、ならびにガスリザーバ８４ｅ及びライン６４ｅ、６５ｅ、６７ｅを介して、レドックスユニット１２ｅと別のレドックスユニット１４ｅとが接続されている。ガス流７０ｅ、７４ｅ及びガス流７２ｅ、７６ｅは、別のレドックスユニット１４ｅからレドックスユニット１２ｅへ流れる。酸素ガス及び水素ガスは、燃料電池１６ｅにおいて周知の方法で電極４２ｅと膜３８ｅに接する反応ゾーン５０ｅで、及び電極４４ｅと膜３８ｅに接する反応ゾーン５１ｅで反応して、電気負荷３４ｅによって使用されるエネルギーを発生させながら水を生成する。レドックスユニット１２ｅはヒータユニット８０ｅを有し、別のレドックスユニット１４ｅはセルフレーム９２ｅを有している。
【００３１】
本発明に基づくレドックス装置１０ｅはガス浄化ユニット２０ｅを有し、このユニットは、レドックスユニット１２ｅ内に配置されている触媒ユニット２２ｅと別のレドックスユニット１４ｅ内に配置されている触媒ユニット２４ｅを備えている。触媒ユニット２２ｅは２つの触媒エレメント２６ｅ、２８ｅを有しており、これらのエレメントは白金から成り、第１の実施例と同様に、電極４２ｅ、４４ｅの、反応ゾーン５０ｅ、５１ｅに向き合わない電極側面に取り付けられている触媒層として形成されている。触媒ユニット２４ｅは２つの触媒エレメント３０ｅ、３２ｅを有しており、これらのエレメントは白金から成り、第２の実施例と同様に、電極４６ｅ、４８ｅの、反応ゾーン５２ｅ、５３ｅに向き合わない電極側面に取り付けられている触媒層として形成されている。従って、本発明に基づくレドックス装置１０ｅの１つの作動方法においては、すでに説明した方法で、電解槽１８ｅとして形成されている別のレドックスユニット１４ｅからレドックスユニット１２ｅへ流れるガス流７０ｅ、７２ｅ、７４ｅ、７６ｅが、別のレドックスユニット１４ｅを離れる前にガス浄化ユニット２０ｅによって浄化される。さらに、本発明に基づくレドックス装置１０ｅの１つの作動方法においては、ガスリザーバ８２ｅ、８４ｅへ流れるガス流７５ｅ、８８ｅが、レドックスユニット１２ｅを離れる前にガス浄化ユニット２０ｅによって浄化される。
【００３２】
図６には、本発明に基づくもう１つの代替のレドックス装置１０ｆが示されており、この装置は、水素ガスによって形成される第１のガス及び酸素ガスによって形成される第２のガスを消費しながらレドックス反応を実施するために設けられているレドックスユニット１２ｆ、このレドックスユニット１２ｆと物質的に連結されている別のレドックスユニット１４ｆ、及びレドックスユニット１２ｆ内に配置されている触媒ユニット２２ｆと別のレドックスユニット１４ｆ内に配置されている触媒ユニット２４ｆを備えているガス浄化ユニット２０ｆを有している。レドックスユニット１２ｆと別のレドックスユニット１４ｆは、燃料電池−電解槽ペアとして形成されており、このとき、レドックスユニット１２ｆはアルカリ燃料電池１６ｆとして形成され、レドックスユニット１４ｆは電解槽１８ｆとして形成されている。示されている実施例は、触媒ユニット２２ｆ、２４ｆの触媒エレメント２６ｆ、２８ｆ、３０ｆ、３２ｆの仕様が前述の実施例とは異なっており、これらの触媒エレメントはそれぞれ、表面が白金で被覆されている中空構造を有している。触媒ユニット２２ｆの触媒エレメント２６ｆ、２８ｆは、ガススペース５４ｆ、５６ｆ、５８ｆ、６０ｆからガスリザーバ８２ｆ、８４ｆへ向かうライン６３ｆ、６５ｆ、６６ｆ、６７ｆの出口に配置されている。従って、本発明に基づくレドックス装置１０ｆの１つの作動方法においては、別のレドックスユニット１４ｆからレドックスユニット１２ｆへ流れるガス流７０ｆ、７２ｆ、７４ｆ、７６ｆが、別のレドックスユニット１４ｆを離れる際に少なくとも１つのガス浄化ユニット２０ｆによって浄化される。さらに、本発明に基づくレドックス装置１０ｆの１つの作動方法においては、ガス流７５ｆ、８８ｆが、レドックスユニット１２ｆを離れる際にガス浄化ユニット２０ｆによって浄化され、そのとき、ガス流７４ｆ、７５ｆのそれぞれの水素ガス、従ってガス流７０ｆの水素ガスも酸素ガスによる汚染が取り除かれ、またガス流７６ｆ、８８ｆの酸素ガス、従ってガス流７２ｆの酸素ガスも水素ガスによる汚染が取り除かれる。基本的に、さらなる代替の実施形態において作動安全性をさらに高めるために、ライン６２ｆ、６４ｆの中又はライン６２ｆ、６４ｆのガススペース５４ｆ、５６ｆへの入口にも触媒エレメント２６ｆ、２８ｆを配置することができるか、又は電極４２ｆ、４４ｆ、４６ｆ、４８ｆの、反応ゾーン５０ｆ、５１ｆ、５２ｆ、５３ｆに向き合わない電極側面にも触媒層を塗布することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１０            レドックス装置
１２            レドックスユニット
１４            レドックスユニット
１６            燃料電池
１８            電解槽
２０            ガス浄化ユニット
２２            触媒ユニット
２４            触媒ユニット
２６            触媒エレメント
２８            触媒エレメント
３０            触媒エレメント
３２            触媒エレメント
３４            電気負荷
３６            電源
３８            膜
４０            膜
４２            電極
４４            電極
４６            電極
４８            電極
５０            反応ゾーン
５１            反応ゾーン
５２            反応ゾーン
５３            反応ゾーン
５４            ガススペース
５６            ガススペース
５８            ガススペース
６０            ガススペース
６２            ライン
６３            ライン
６４            ライン
６５            ライン
６６            ライン
６７            ライン
６８            ライン
７０            ガス流
７２            ガス流
７４            ガス流
７５            ガス流
７６            ガス流
７８            ヒータユニット
８０            ヒータユニット
８２            ガスリザーバ
８４            ガスリザーバ
８６            水リザーバ
８８            ガス流
９０            セルフレーム
９２            セルフレーム
９４            水流
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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