(57)【要約】      （修正有）【課題】洗浄プロセスを行わずに、有害ガス、詳細には爆鳴気の形成を回避するレドックス装置を提供する。さらに、爆鳴気の発生による危険なしに、閉じられた作動で長期にわたって作動できるレドックス装置を提供する。【解決手段】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における停止モードにおいて、レドックスユニット１２ａ内の少なくとも１つの残留ガスを浄化して少なくとも１つのガス汚染物質を取り除く少なくとも１つの残留ガス浄化ユニット２０ａ、２２ａを備える。【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〜ｃ、１４ｃ）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、
前記レドックスユニット（１２ａ〜ｃ、１４ｃ）の少なくとも１つの停止モードにおいて前記レドックスユニット（１２ａ〜ｃ、１４ｃ）内の少なくとも１つの残留ガスを浄化して少なくとも１つのガス汚染物質を取り除く少なくとも１つの残留ガス浄化ユニット（２０ａ〜ｃ、２１ｃ、２２ａ〜ｃ、２３ｃ）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）が、燃料電池（１６ａ；１６ｂ）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；１６ｂ）が、アルカリ燃料電池（１６ａ；１６ｂ）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；１４ｃ）が、水素ガス及び／又は酸素ガスを生成する電解槽（１８ｂ〜ｃ）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つの残留ガス浄化ユニット（２０ａ〜ｃ、２１ｃ、２２ａ〜ｃ、２３ｃ）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（２４ａ〜ｃ、２５ｃ、２６ａ〜ｃ、２７ｃ）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（２４ａ〜ｃ、２５ｃ、２６ａ〜ｃ、２７ｃ）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（２８ａ〜ｃ、２９ｃ、３０ａ〜ｃ、３１ｃ）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（２８ａ〜ｃ、２９ｃ、３０ａ〜ｃ、３１ｃ）が、中空構造を有し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つの残留ガス浄化ユニット（２０ａ〜ｃ、２１ｃ、２２ａ〜ｃ、２３ｃ）が、水を分離するための少なくとも１つの凝縮水セパレータ（３２ａ〜ｃ、３３ｃ、３４ａ〜ｃ、３５ｃ）を備えている、請求項１〜７のうちいずれか一項に記載のレドックス装置。
【請求項９】
前記レドックスユニット（１２ａ〜ｃ、１４ｃ）の前記停止モード中に、前記少なくとも１つの残留ガス浄化ユニット（２０ａ〜ｃ、２１ｃ、２２ａ〜ｃ、２３ｃ）を通って前記少なくとも１つの残留ガスが継続的に循環するための少なくとも１つの残留ガス回路（６０ａ〜ｃ、６１ｃ、６２ａ〜ｃ、６３ｃ）を特徴とする、請求項１〜８のうちいずれか一項に記載のレドックス装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの残留ガス浄化ユニット（２０ａ〜ｃ、２１ｃ、２２ａ〜ｃ、２３ｃ）が、前記レドックスユニット（１２ａ〜ｃ、１４ｃ）が停止モードとは異なる少なくとも１つの作動状態にある間に、少なくとも１つの抽出ガス又は少なくとも１つの生成ガスを浄化するために設けら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】
少なくとも１つの別のレドックスユニット（１４ｃ）が、前記少なくとも１つのレドックスユニット（１２ｃ）と物質的に連結されていることを特徴とする、請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載のレドックス装置。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのレドックスユニット（１２ｃ）及び前記少なくとも１つの別のレドックスユニット（１４ｃ）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１１に記載のレドックス装置。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのレドックスユニット（１２ｃ）及び前記少なくとも１つの別のレドックスユニット（１４ｃ）が、少なくとも１つの共通のリザーバタンク（６４ｃ、６６ｃ、６８ｃ）によって接続されていることを特徴とする、請求項１１又は１２に記載のレドックス装置。
【請求項１４】
前記レドックスユニット（１２ａ〜ｃ、１４ｃ）の少なくとも１つの停止モードにおいて、前記レドックスユニット（１２ａ〜ｃ、１４ｃ）内の少なくとも１つの残留ガスが少なくとも１つの残留ガス浄化ユニット（２０ａ〜ｃ、２１ｃ、２２ａ〜ｃ、２３ｃ）によって浄化されて少なくとも１つのガス汚染物質が取り除かれることを特徴とする、請求項１〜１３のうちいずれか一項に記載のレドックス装置、詳細には水素−酸素レドックスユニットの作動方法。
【請求項１５】
前記レドックス装置（１０ｃ）が、閉じられた状態で作動することを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載のレドックス装置の作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、詳細には水素−酸素レドックスユニットを備えるレドックス装置、詳細には水素−酸素レドックス装置に関し、請求項１の前提部分に基づいている。
【背景技術】
【０００２】
従来技術による燃料電池及び電解槽、詳細には生成物又は抽出物として水素、酸素及び水を使用する燃料電池及び電解槽は、作動していない停止モードにおいて空気又は中性ガスによる洗浄プロセスによって洗浄され、例えば爆鳴気などの爆発性の混合気が停止モード中に燃料電池又は電解槽のガススペース内に残っている残留ガスによって形成されるのを防止している。しかし、燃料電池及び電解槽を備えるシステムから成り、いわゆる閉じられた作動で蓄電池システムとして使用するために設けられている現在開発中のいわゆる再生型燃料電池システムでは、このような洗浄プロセスを適用することができない。なぜなら、この洗浄プロセスを使用する場合、再生型燃料電池システムに開口部が必要となるからである。しかし、そのような再生型燃料電池システムの場合は、より一層、爆鳴気による危険にさらされている。というのも、再生型燃料電池システムの充電中には電解槽だけが作動し、燃料電池は停止モードにあり、逆に再生型燃料電池システムの放電中には燃料電池だけが作動し、電解槽は停止モードになっているからである。
【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、洗浄プロセスを行わずに、有害ガス、詳細には爆鳴気の形成を回避する業界標準のレドックス装置を提供することにある。さらに、本発明の目的は、爆鳴気の発生による危険なしに、閉じられた作動で長期にわたって作動できるレドックス装置を提供することにある。
【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。
【０００６】
このレドックス装置は、レドックスユニットの少なくとも１つの停止モードにおいて、レドックスユニット内の少なくとも１つの残留ガスを浄化して少なくとも１つのガス汚染物質を取り除く少なくとも１つの残留ガス浄化ユニットを備えていることが提案される。
【０００７】
「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、少なくとも１つの陽極と少なくとも１つの陰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流回路、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。代替の方法として、この水素−酸素レドックスユニットは、生成物及び／又は抽出物として水、分子水素及び／又は分子酸素を使用する代わりに、水素原子及び酸素原子を有するその他の化学物質を使用するために形成されていてもよい。さらに、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化学物質を変換する別の化学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。「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。
【０００８】
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レドックス反応によって水に変換される。従って、この再生型燃料電池システムは蓄電池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、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。しかしながら、基本的に、この再生型燃料電池システムは取外し可能なリザーバを用いて形成することもでき、そのためこのシステムは、閉じられた作動での蓄電池機能に加え、充填されたリザーバタンクを別の燃料電池のために提供する充電ステーションとしての機能も引き受けている。
【０００９】
「残留ガス浄化ユニット」とは、特に固形物又は外部ガスによる汚染を取り除き、例えばフィルターによって残留ガスを浄化するユニットを意味するものとする。特に、この残留ガス浄化ユニットは、少なくとも一種類のガスを凝縮して、このガスをガス流から取り除く少なくとも１つのユニット、及び／又は少なくとも一種類のガスをガス流からろ過する少なくとも１つのユニット、及び／又は触媒を用いて少なくとも一種類のガスを少なくとも１つの別の種類のガスに変換する少なくとも１つのユニットを備え、このとき、この少なくとも１つの別の種類のガスは、ガス流からの除去のため、詳細にはろ過のため、及び／又は凝縮のために設けられていてもよい。好ましいのは、少なくとも１つの残留ガス浄化ユニットに、残留ガスから汚染物質を取り除くためにストックを使い果たしてしまう可能性のある材料、詳細には汚染物質の反応及び／又は結合に用いる反応材料、及び／又は結合材料を必要とするユニット及び／又はエレメントがないことである。「残留ガス」とは、特に、レドックスユニットの停止モード中にレドックスユニットのガススペースに残っているレドックスユニット内のガス量を意味するものとする。「レドックスユニットの停止モード」とは、特に、レドックス反応が行われていないか、又はレドックス反応が通常の作動モードに比べ大幅に低減された出力で、例えば通常の作動モードに対して最大１０％の出力で、好ましくは最大５％の出力で、及び有利には最大１％の出力で行われる、レドックスユニットの少なくとも１つの作動状態を意味するものとする。「レドックス装置の停止モード」とは、特に、レドックス装置が外部の電流回路に接続されていない、レドックス装置の少なくとも１つの作動状態を意味するものとする。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。
【００１０】
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る燃料電池を実現することができる。
【００１１】
本発明の発展形態において、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。
【００１２】
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。好ましくは、この電解槽が、膜内に固定された水酸化カリウム溶液を電解液として用いるアルカリ電解槽として形成されている。基本的に、この電解槽は、抽出物の電気分解によって水素ガス及び／又は酸素ガスを発生する代わりに、その他のガスを発生させるために形成されていてもよい。特に、この電解槽は取外し可能に取り付けられているリザーバタンクに接続することができ、これらのタンクには電解槽から水素ガス及び／又は酸素ガスが充填され、例えば自動車で燃料電池を作動させるために、その燃料電池に接続することができる。特に、高い作動安全性を備え、作動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。
【００１３】
さらに、少なくとも１つの残留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反応を触媒するための少なくとも１つの触媒ユニットを備えていることが提案される。「触媒ユニット」とは、特に、所定の箇所で少なくとも１つの特定の反応、例えば水素と酸素から水が生成される反応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、この触媒ユニットは、反応が容易に行われる少なくとも１つの表面、例えば分子水素及び分子酸素に対して高い親和性を備える表面を提供することから、この表面では、水素ガスと酸素ガスから水が生成される反応の反応確率が高められる。特に、この触媒ユニットは、少なくとも１つの触媒エレメントを備え、このエレメントは、好ましくは少なくとも部分的に、酸素ガス及び水素ガスから水を生成する反応に対して触媒作用のある材料から成っている。特に、装置に係る費用が少なく、有効な残留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、少なくとも１つの触媒ユニットは、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、完全に一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、オスミウム又は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。
【００１５】
さらに、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作用のある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。
【００１６】
さらに、少なくとも１つの残留ガス浄化ユニットが、水蒸気を分離するための凝縮水セパレータを備えていることが提案される。「凝縮水セパレータ」とは、特に、部分ユニット及び／又はエレメントを使って少なくとも１つの気体の汚染物質を凝縮によってガス流から分離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、少なくとも１つの凝縮水セパレータは、少なくとも１つの熱交換器及び少なくとも１つのセパレータを備え、少なくとも１つの表面を凝縮のために提供している。特に、この凝縮水セパレータは、凝縮によって水蒸気を取り除くために設けられている。特に、残留ガスのガス流から少なくとも１つの汚染物質を取り除くための、装置として簡単なユニットを実現することができる。
【００１７】
さらに、本発明に基づくレドックス装置は、レドックスユニットの停止モード中に、少なくとも１つの残留ガス浄化ユニットを通って少なくとも１つの残留ガスが継続的に循環するための少なくとも１つの残留ガス回路を備えていることが提案される。「残留ガス回路」とは、特に、レドックスユニットの少なくとも１つのガススペースから出発して、同じレドックスユニットの同じ少なくとも１つのガススペースに戻るまでのガス回路を意味するものとし、このとき、残留ガス回路内のガス流は、少なくとも部分的に少なくとも１つの残留ガス浄化ユニットを介して送られる。特に、少なくとも１つの残留ガス回路は、ガスを循環させるための少なくとも１つのフィード装置、例えば少なくとも１つのポンプを備えている。特に、爆鳴気形成による危険に対してとりわけ高い安全性を備えるレドックス装置を実現することができる。
【００１８】
さらに、少なくとも１つの残留ガス浄化ユニットは、少なくとも１つのレドックスユニットが停止モードとは異なる少なくとも１つの作動状態にある間に、少なくとも１つの抽出ガス又は少なくとも１つの生成ガスを浄化するために設けられていることが提案される。特に、少なくとも１つの残留ガス浄化ユニットが、少なくとも１つの抽出ガスを少なくとも１つのレドックスユニットのガススペースに入る前及び／又は入る際に浄化する、又は少なくとも１つの生成ガスを貯蔵する前及び／又は貯蔵する際に浄化するために、設けられていてもよい。特に、水素ガス、酸素ガス及び／又は水の少なくとも１つの抽出ガス及び／又は少なくとも１つの生成ガスは、気体の形で形成されていてもよい。特に、レドックスユニットにおけるレドックス反応の危険及び／又は効率低下を軽減及び／又は回避することができる。
【００１９】
本発明の発展形態では、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。「物理的に連結されている」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前述の１つ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、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。
【００２０】
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いわゆる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機能が実現可能である。
【００２１】
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、少なくとも１つの共通のリザーバタンクによって接続されていることが提案される。「リザーバタンク」とは、特に、少なくとも１つのガス及び／又は少なくとも１つの液体のためのタンクを意味するものとする。特に、共通のリザーバタンクは、少なくとも１つのレドックスユニット及び／又は少なくとも１つの別のレドックスユニットが生成ガスを充填するために設けられているものであり、この生成ガスは、少なくとも１つの別のレドックスユニット及び／又は少なくとも１つのレドックスユニットによって抽出ガスとして使用される。特に、少なくとも１つの生成ガスは、共通のリザーバタンク内に入る前に、少なくとも１つの残留ガス浄化ユニットによって浄化されて汚染物質が取り除かれるか、又は少なくとも１つの抽出ガスは、共通のリザーバタンクの出口から出てガススペースに入る前に、少なくとも１つの残留ガス浄化ユニットによって浄化される。特に、共通のリザーバタンク内の水は、気体又は液体の形で送り込まれ、また液体の形で貯蔵及び排出されることが可能である。特に、必要なリザーバタンク数の低減を実現することができる。
【００２２】
さらに、本発明に基づくレドックス装置、詳細には水素−酸素レドックス装置の作動方法が提案され、この場合、レドックスユニットの少なくとも１つの停止モードにおいて、レドックスユニット内の少なくとも１つの残留ガスが、少なくとも１つの残留ガス浄化ユニットによって浄化されて少なくとも１つのガス汚染物質が取り除かれる。特に、高い作動安全性を備えるレドックス装置の作動を実現することができる。
【００２３】
さらに、少なくとも１つのレドックスユニット、詳細には水素−酸素レドックス装置と少なくとも１つの別のレドックスユニット、詳細には別の水素−酸素レドックスユニットとを備える本発明に基づくレドックス装置の作動方法が提案され、この場合、レドックス装置は閉じられた状態で作動している。「レドックス装置は閉じられた状態で作動する」とは、特に、レドックス装置が、水素、酸素及び／又は水を周辺環境と物質交換することなく、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。「充電−放電サイクル」とは、特に、最低でも、少なくとも１つの工程においてレドック装置が外部電源に接続されており、レドックス装置の電解槽が水を水素と酸素に分解するため外部電源によって作動し、少なくとも１つの別の工程においてレドックス装置が外部パワーコレクタに接続されており、燃料電池の作動によって外部パワーコレクタに電流を提供する、というサイクルを意味するものとする。特に、レドックス装置の蓄電機能が実現され、燃料電池による電流生成のために水素と酸素を補給する労力を省略することができる。
【００２４】
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】
【００２５】
【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を含む本発明に基づくレドックス装置であり、この装置は２つの残留ガス浄化ユニットを備え、それぞれのユニットは残留ガス回路を有している。
【図２】アルカリ電解槽として形成されているレドックスユニットを含む本発明に基づく代替のレドックス装置であり、この装置は２つの残留ガス浄化ユニットを備え、それぞれのユニットは残留ガス回路を有している。
【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アルカリ電解槽として形成されているレドックスユニットを含む本発明に基づく代替のレドックス装置であり、この装置は閉じられた作動で作動し、４つの残留ガス浄化ユニットを備え、それぞれのユニットは残留ガス回路を有している。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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を備えている。レドックスユニット１２ａは燃料電池１６ａとして、詳細には水酸化カリウム水溶液を電解液として使用するアルカリ燃料電池１６ａとして形成されており、８０℃〜２００℃の温度範囲にある作動温度で作動する。本発明に基づくレドックス装置１０ａは、２つの残留ガス浄化ユニット２０ａ、２２ａを備え、これらは、レドックスユニット１２ａの停止モード中に、レドックスユニット１２ａ内のそれぞれ１つの残留ガスを浄化してガス汚染物質を取り除く。燃料電池１６ａは２つのガススペース７０ａ、７２ａを備え、これらは電解液を充填した電極−膜−電極構造７４ａによって互いに切り離されている。電極−膜−電極構造７４ａでは膜が２つのブロック電極と隣接しており、これらの電極は電流回路内で外部のパワーコレクタ（図示されていない）と接続することができる。ガススペース７０ａには、１つの作動モードにおいて、開いたバルブ５４ａを介して水素リザーバ５０ａとして形成されているリザーバタンク６４ａから水素が送り込まれ、ガススペース７２ａには、開いたバルブ５６ａを介して酸素リザーバ５２ａとして形成されているリザーバタンク６６ａから酸素が送り込まれる。ガススペース７０ａ側を向いている電極−膜−電極構造７４ａの反応ゾーンでは、水素ガスの水素分子が電解液の水酸化イオンと反応して水を生成するレドックス反応が起こり、このとき放出された電子は、外部パワーコレクタを介して電流となって流出する。ガススペース７２ａ側を向いている電極−膜−電極構造７４ａの反応ゾーンでは、酸素ガスの酸素分子が、電解液に由来するか、又はあらかじめ燃料電池１６ａ内で生成可能な水と反応するレドックス反応が起こり、このとき、酸素分子の酸素電子が還元され、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、反応ゾーンにおける反応全体では水が発生するが、これは、ガススペース７２ａ側を向く反応ゾーン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ガススペース７０ａ側を向く反応ゾーンで生成されるからである。発生する水は、余分な水素ガスと酸素ガスのガス流によって水蒸気の形で排出される。
【００２７】
残留ガス浄化ユニット２０ａ、２２ａは、停止モードにおいてガススペース７０ａ、７２ａの中に残っている残留ガスを浄化して汚染物質を取り除くために設けられている。残留ガス浄化ユニット２０ａは、停止モードにおいてガススペース７０ａからの水素残留ガスを浄化して、電極−膜−電極構造７４ａを介してガススペース７２ａから放散される酸素ガス及び水蒸気による汚染を取り除く。これと同様に、残留ガス浄化ユニット２２ａは、停止モードにおいてガススペース７２ａからの酸素残留ガスを浄化して、水素ガス及び水蒸気による汚染を取り除く。レドックス装置１０ａは、レドックスユニット１２ａの停止モード中に残留ガス浄化ユニット２０ａ、２２ａを通って残留ガスが継続的に循環するための２つの残留ガス回路６０ａ、６２ａを備えている。残留ガス回路６０ａ、６２ａでは、それぞれポンプ４４ａ、４６ａとして形成されているフィードユニットによって残留ガスが循環する。さらに、残留ガス浄化ユニット２０ａ、２２ａは、レドックスユニット１２ａが停止モードとは異なる作動状態にある間に、抽出ガスを浄化するために設けられており、この作動状態においてガススペース７０ａ、７２ａから残留ガス回路６０ａ、６２ａにより残留ガス浄化ユニット２０ａ、２２ａを通って送られる余分な水素ガス及び酸素ガスを浄化する。
【００２８】
ガス浄化ユニット２０ａ、２２ａは、それぞれ、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２４ａ、２６ａを備え、これらのユニットは、部分的に白金族金属から成る触媒エレメント２８ａ、３０ａをそれぞれ有している。触媒エレメント２８ａ、３０ａ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ている。触媒エレメント２８ａ、３０ａの細孔構造の表面は白金で被覆されているが、基本的には、白金の代わりに、例えばパラジウム又はイリジウムなど、その他の白金族金属も使用することができる。触媒エレメント２８ａ、３０ａは広い白金被覆表面を提供し、この表面は水素分子と酸素分子とを結合させることが可能であることから、水が生成される反応の反応確率を高める。従って、外部ガスによる汚染は、触媒ユニット２４ａ、２６ａによって残留ガスから取り除かれる。触媒ユニット２４ａ、２６ａは、水リザーバ４８ａへの接続ラインを有し、このラインは液体の形で水を排出する。代替の方法として、独立したヒータエレメントによって及び／又はレドックスユニット１２ａの熱によって、水を水蒸気に気化させることができるか、又は水の凝縮を防止することができ、それによって水は残留ガス回路６０ａ、６２ａの下流にある部分で分離される。残留ガス浄化ユニット２０ａ、２２ａは、水蒸気を分離するための凝縮水セパレータ３２ａ、３４ａをそれぞれ１つ備え、これらの凝縮水セパレータは、残留ガスを冷却するための熱交換器３６ａ、３８ａとセパレータ４０ａ、４２ａとをそれぞれ１つ有している。熱交換器３６ａ、３８ａ及びセパレータ４０ａ、４２ａによって、残留ガスの水蒸気が凝縮され、分離される。凝縮水セパレータ３２ａ、３４ａは、ラインを介して、水リザーバ４８ａとして形成されているリザーバタンク６８ａと接続されており、このとき、停止モードにおいてこのラインはバルブ５８ａのクローズによって閉じられる。アルカリ燃料電池１６ａのレドックス反応が起きないか、又は大幅に減少している停止モードの開始時に、バルブ５４ａ、５６ａは閉められる。従って、凝縮水セパレータ３２ａ、３４ａにより、レドックス反応で生じる水は燃料電池１６ａから水リザーバ４８ａへ貯蔵のために送られる。
【００２９】
レドックス装置１０ａの１つの作動方法において、レドックスユニット１２ａの停止モード中に、ガススペース７０ａ、７２ａの中に残っているレドックスユニット１２ａ内の水素と酸素の残留ガスは、残留ガス浄化ユニット２０ａ、２２ａによって浄化されて少なくとも１つのガス汚染物質が取り除かれる。さらに、このレドックス装置１０ａの作動方法では、余分の水素ガス及び酸素ガスが、再びガススペース７０ａ、７２ａに供給される前に、ポンプ４４ａ、４６ａによって残留ガス回路６０ａ、６２ａ内をガススペース７０ａ、７２ａから残留ガス浄化ユニット２０ａ、２２ａを通って送られることにより、水素及び酸素の抽出ガスは停止モードとは異なる作動状態において残留ガス浄化ユニット２０ａ、２２ａによって浄化されて汚染物質が取り除かれる。
【００３０】
図２及び３は、本発明のその他の２つの実施例を示している。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／又は説明が参照される。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及び３の実施例には、文字ａの代わりに文字ｂ〜ｃが用いられている。
【００３１】
水素−酸素レドックス装置として形成されている図２に示されたレドックス装置１０ｂ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た、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、及び前述の実施例と同様に形成されている２つの残留ガス浄化ユニット２０ｂ、２２ｂ、及び触媒エレメント２８ｂ、３０ｂを備える触媒ユニット２４ｂ、２６ｂ、ならびに水蒸気を分離するための凝縮水セパレータ３２ｂ、３４ｂを備えており、これらの凝縮水セパレータは、残留ガスを冷却するための熱交換器３６ｂ、３８ｂ及びセパレータ４０ｂ、４２ｂをそれぞれ１つ有している。残留ガス浄化ユニット２０ｂ、２２ｂは、残留ガス回路６０ｂ、６２ｂ内に配置されており、残留ガスはこれらの回路を介し、それぞれ１つのポンプ４４ｂ、４６ｂによってポンピングされる。水素ガスと酸素ガスを生成するためのアルカリ電解槽１８ｂとして形成されているレドックスユニット１２ｂは、図示されていない外部電源から送られる電気エネルギーを使用しながら、電気化学的レドックス反応において、水リザーバ４８ｂとして形成されているリザーバタンク６８ｂからの水であり、電解槽１８ｂ及びこの中にある電極−膜−電極構造７４ｂの膜に供給される水を、水素ガスと酸素ガスに変換し、次にこれらのガスは、水素ガスリザーバ５０ｂ及び酸素ガスリザーバ５２ｂとして形成されているリザーバタンク６４ｂ、６６ｂの中に貯蔵される。電解槽１８ｂの中で行われる水を電気分解するレドックス反応は、前述した実施例で示された水素ガスと酸素ガスから水を合成する反応の逆になっている。レドックス装置１０ｂの作動方法において、レドックスユニット１２ｂの停止モード中に、レドックスユニット１２ｂのガススペース７０ｂ、７２ｂの中に残っている水素と酸素の残留ガスは、残留ガス浄化ユニット２０ｂ、２２ｂによって浄化され少なくとも１つのガス汚染物質が取り除かれる。発生する水素ガスと酸素ガスは、貯蔵される前に、残留ガス浄化ユニット２０ｂ、２２ｂによる生成ガスの浄化に送られる。従って、レドックス装置１０ｂのこの作動方法においては、停止モードとは異なる作動状態において、水素と酸素の生成ガスが残留ガス浄化ユニット２０ｂ、２２ｂによって浄化されて汚染物質が取り除かれる。
【００３２】
図３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レドックス反応を実施するために設けられたレドックスユニット１２ｃ及び少なくとも１つのレドックスユニット１２ｃと物質的に連結されている少なくとも１つの別のレドックスユニット１４ｃを備える本発明に基づくレドックス装置１０ｃを示している。本発明に基づくレドックスユニット１０ｃは、水素−酸素レドックス装置として形成されており、レドックスユニット１２ｃ及び別のレドックスユニット１４ｃは水素−酸素レドックスユニットとして形成されている。別のレドックスユニット１４ｃとのレドックスユニット１２ｃの物質的な連結は、レドックスユニット１２ｃの生成物が別のレドックスユニット１４ｃのための抽出物として利用され、別のレドックスユニット１４ｃの生成物はレドックスユニット１２ｃのための抽出物として利用されるように形成されている。レドックスユニット１２ｃはアルカリ燃料電池１６ｃとして形成され、別のレドックスユニット１４ｃは水素ガスと酸素ガスを生成するためのアルカリ電解槽１８ｃとして形成されている。従って、レドックスユニット１２ｃ及び別のレドックスユニット１４ｃは、燃料電池−電解槽ペアとして形成されている。基本的に、代替の実施形態では、一方は水素ガスを生成するため、他方は酸素ガス生成するために設けられている２つの別のレドックスユニット１４ｃを設けることも考えられる。レドックス装置１０ｃは、水素ガスと酸素ガスから水を生成しながらエネルギーを供給するための燃料電池１６ｃと、水を水素ガスと酸素ガスに分解することによって水を消費しながらエネルギーを吸収するための電解槽１８ｃとを交互に作動させ、それによって蓄電池として機能するために設けられている。レドックス装置１０ｃは、燃料電池１６ｃと電解槽１８ｃを交互に作動しながら多数の充電−放電サイクルによって、初期ストックの水素ガス、酸素ガス及び水が外部ストックによる補充なしに互いに変換される、閉じられた作動のために設けられている。レドックスユニット１２ｃ及び別のレドックスユニット１４ｃは、それぞれレドックス反応の抽出物又は生成物を貯蔵する共通のリザーバタンク６４ｃ、６６ｃ、６８ｃによって接続されている。
【００３３】
レドックス装置１０ｃは４つの残留ガス浄化ユニット２０ｃ、２１ｃ、２２ｃ、２３ｃを備え、これらはそれぞれレドックスユニット１２ｃ又は別のレドックスユニット１４ｃの停止モードにおいてガススペース７０ｃ、７１ｃ、７２ｃ、７３ｃからくる残留ガスを浄化する。残留ガス浄化ユニット２０ｃ、２１ｃ、２２ｃ、２３ｃは、酸素ガスと水素ガスから水が生成される反応を触媒するためのそれぞれ１つの触媒ユニット２４ｃ、２５ｃ、２６ｃ、２７ｃを備え、これらのユニットは中空構造を有するそれぞれ１つの触媒エレメント２８ｃ、２９ｃ、３０ｃ、３１ｃを備えており、その際、中空表面は白金で被覆されている。残留ガス浄化ユニット２０ｃ、２１ｃ、２２ｃ、２３ｃは、さらに、水蒸気を分離するためのそれぞれ１つの凝縮水セパレータ３２ｃ、３３ｃ、３４ｃ、３５ｃを備えており、これらの凝縮水セパレータはそれぞれ１つの熱交換器３６ｃ、３７ｃ、３８ｃ、３９ｃ及びそれぞれ１つのセパレータ４０ｃ、４１ｃ、４２ｃ、４３ｃを有している。残留ガス浄化ユニット２０ｃ、２１ｃ、２２ｃ、２３ｃは、残留ガス回路６０ｃ、６１ｃ、６２ｃ、６３ｃ内に配置されており、残留ガスはこれらの回路内でポンプ４４ｃ、４５ｃ、４６ｃ、４７ｃによって残留ガス浄化ユニット２０ｃ、２１ｃ、２２ｃ、２３ｃを通って送られる。
【００３４】
レドックス装置１０ｃの充電−放電サイクルは次のように実現される。第１の工程では、レドックスユニット１２ｃが大幅な停止モードで作動し、別のレドックスユニット１４ｃが停止モードとは異なる作動状態で作動する。バルブ５９ｃは、バルブ５８ｃが閉じている間に開かれるため、水リザーバ４８ｃとして形成されているリザーバタンク６８ｃからくる水は、ラインを介して電解槽１８ｃとして形成されている別のレドックスユニット１４ｃに供給され、別のレドックスユニット１４ｃ内で電極−膜−電極構造７５ｃへと達し、そこで水は、図示されていない外部のエネルギー源の電流によって水素ガスと酸素ガスに電気分解される。発生した水素ガスと酸素ガスとは、ガススペース７１ｃ、７３ｃ及びバルブ５５ｃ、５７ｃが開いているラインを介して、水素リザーバ５０ｃ及び酸素リザーバ５２ｃとして形成されている共通のリザーバタンク６４ｃ、６６ｃへと送られ、そのとき、水素ガスと酸素ガスは、あらかじめ生成ガスを浄化するために残留ガス浄化ユニット２１ｃ、２３ｃを通過する。従って、このレドックス装置１０ｃの作動方法において、残留ガス浄化ユニット２１ｃ、２３ｃは、別のレドックスユニット１４ｃが停止モードとは異なる作動状態にある間に、生成ガスを浄化するために設けられている。その間に、レドックスユニット１２ｃのガススペース７０ｃ、７２ｃ内の残留ガスは、残留ガス回路６０ｃ、６２ｃ内をポンプ４４ｃ、４６ｃによって循環し、残留ガス浄化ユニット２０ｃ、２２ｃの中で浄化される。ポンプ４４ｃ、４６ｃを作動するためのエネルギーは、外部電源、例えばバッテリーによって形成され得る別々の外部又は内部電源、もしくは大幅な停止モードでの、好ましくは僅かな出力による燃料電池１６ｃの作動によって提供され、大幅な停止モードは、バルブ５４ｃ、５６ｃをほんの僅かだけ開くことによって生じさせることができる。別の工程では、レドックス装置１０ｃが外部のパワーコレクタに接続されている間、レドックスユニット１２ｃは１つの作動状態で作動し、別のレドックスユニット１４ｃが停止状態で作動する。この工程では、バルブ５５ｃ、５７ｃ、５９ｃは閉じられ、一方、バルブ５４ｃ、５６ｃ、５８ｃは開かれているため、水素ガスと酸素ガスは水素リザーバ５０ｃと酸素リザーバ５２ｃからガススペース７０ｃ、７２ｃの中へと送られ、そこでこれらのガスは電極−膜−電極構造７４ｃにおいてすでに言及したレドックス反応により電気を供給しながら水を生成する。発生した水は、水蒸気として水素ガスと酸素ガスのガス流の中に送られ、凝縮水セパレータ３２ｃ、３４ｃによってガス流から分離される。分離された水は、ライン及び開いているバルブ５８ｃを介して、水リザーバ４８ｃとして形成されているリザーバタンク６８ｃの中に送られる。この工程において、別のレドックスユニット１４ｃ内の残留ガスは残留ガス浄化ユニット２１ｃ、２３ｃによって浄化され、このとき、残留ガスはポンプ４５ｃ、４７ｃによって残留ガス回路６１ｃ、６３ｃ内を循環する。ポンプ４５ｃ、４７ｃを作動するためのエネルギーは、レドックス装置１０ｃの内部エネルギー源から、又は好ましくは燃料電池１６ｃから供給可能である。
【００３５】
レドックス装置１０ｃの１つの作動方法では、レドックスユニット１２ｃ又は別のレドックスユニット１４ｃの停止モード中に、レドックスユニット１２ｃ又は別のレドックスユニット１４ｃ内の残留ガスが残留ガス浄化ユニット２０ｃ、２１ｃ、２２ｃ、２３ｃによって浄化されてガス汚染物質が取り除かれる。さらに、レドックス装置１０ｃの作動方法では、レドックス装置１０ｃが閉じられた状態で作動する。特に、レドックス装置１０ｃの閉じられた作動方法では、残留ガス回路６０ｃ、６１ｃ、６２ｃ、６３ｃ内のポンプ４４ｃ、４５ｃ、４６ｃ、４７ｃを作動するためのエネルギーを供給するため、燃料電池１６ｃとして形成されたレドックスユニット１２ｃが少なくとも僅かな出力で常に作動している。レドックス装置１０ｃの停止モード中は、レドックス装置１０ｃが外部のパワーコレクタとも外部の電源とも接続されていないため、電解槽１８ｃが停止モードで作動し、燃料電池１６ｃは大幅な停止モードで作動する。大幅な停止モードは、燃料電池１６ｃがポンプ４４ｃ、４５ｃ、４６ｃ、４７ｃを作動させるのに十分な出力だけによって作動している燃料電池の作動状態に該当し、この出力は、燃料電池１６ｃが外部のパワーコレクタで電気を供給するために作動している通常モードでの出力の３０分の１に該当する。レドックス装置１０ｃの充電プロセスでは、レドックス装置１０ｃが外部電源に接続され、電解槽１８ｃが作動しているため、燃料電池１６ｃは大幅な停止モード又は停止モードで作動することができ、このとき、後者では、外部電源がポンプ４４ｃ、４５ｃ、４６ｃ、４７ｃにエネルギーを供給する。燃料電池１６ｃの作動モードでは、燃料電池１６ｃが外部パワーコレクタのためにエネルギーを供給するため、一部の電流をポンプ４４ｃ、４５ｃ、４６ｃ、４７ｃ作動のために分岐することができる。
【００３６】
基本的に、レドックス装置１０ｃの代替の実施形態では、水素リザーバ５０ｃ又は酸素リザーバ５２ｃからくるガス流を残留ガス回路６０ｃ、６２ｃの一部を通って送ることにより、これらのガス流をガススペース７０ｃ、７２ｃに入る前に浄化することが可能である。
【符号の説明】
【００３７】
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            残留ガス浄化ユニット
２１            残留ガス浄化ユニット
２２            残留ガス浄化ユニット
２３            残留ガス浄化ユニット
２４            触媒ユニット
２５            触媒ユニット
２６            触媒ユニット
２７            触媒ユニット
２８            触媒エレメント
２９            触媒エレメント
３０            触媒エレメント
３１            触媒エレメント
３２            凝縮水セパレータ
３３            凝縮水セパレータ
３４            凝縮水セパレータ
３５            凝縮水セパレータ
３６            熱交換器
３７            熱交換器
３８            熱交換器
３９            熱交換器
４０            セパレータ
４１            セパレータ
４２            セパレータ
４３            セパレータ
４４            ポンプ
４５            ポンプ
４６            ポンプ
４７            ポンプ
４８            水リザーバ
５０            水素リザーバ
５２            酸素リザーバ
５４            バルブ
５５            バルブ
５６            バルブ
５７            バルブ
５８            バルブ
５９            バルブ
６０            残留ガス回路
６１            残留ガス回路
６２            残留ガス回路
６３            残留ガス回路
６４            リザーバタンク
６６            リザーバタンク
６８            リザーバタンク
７０            ガススペース
７１            ガススペース
７２            ガススペース
７３            ガススペース
７４            電極−膜−電極構造
７５            電極−膜−電極構造
【図１】
2014165177.tif 000003
【図２】
2014165177.tif 000004
【図３】
2014165177.tif 000005