(57)【要約】本発明の目的は、少なくとも１つの燃料電池を用いて電気エネルギーを生成する方法及び装置である。燃料電池は、電荷担体及び／又は反応生成物の直接的及び間接的分離及び／又は移送のための、膜ユニット（１）を有する。膜ユニット（１）は、水平に対して、４５度以下の傾斜角を有する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの燃料電池を使用して電気エネルギーを生成する方法であって、該燃料電池は、電荷担体及び／又は反応ガスの直接的または間接的分離及び／又は移送のための膜ユニットを有し、気体燃料は前記膜ユニットに属する高分子膜の片側の陽極に供給されること、酸化ガスは前記高分子膜の他方の側の陰極に供給されること、反応生成物は放出されること、が可能である方法において、
前記膜ユニット（１）は、前記燃料電池の運転中、水平に対して４５度以下の傾斜角を有する位置に保持されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記膜ユニット（１）は、重力の方向（１１）に対し直角に伸びる平面に保持されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
少なくとも１つの燃料電池を有する電気エネルギーを生成する装置であって、該燃料電池は、電荷担体及び／又は反応ガスの直接的または間接的分離及び／又は移送のための膜ユニットを有し、気体燃料は前記膜ユニットに属する高分子膜の片側の陽極に供給されること、酸化ガスは前記高分子膜の他方の側の陰極に供給されること、反応生成物は放出されること、が可能である装置において、
前記燃料電池の膜ユニット（１）は、水平に対して４５度以下の傾斜角を有するよう取り付け台に結合されることを特徴とする装置。
【請求項４】
前記膜ユニット（１）は、貨物及び／又は乗用自動車（１２）の燃料電池において、前記自動車（１２）が水平位置にあるときに重力の方向（１６）に対して直角もしくはほぼ直角に伸びる平面に沿って配置されることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの燃料電池を使用して電気エネルギーを生成する方法および装置に関するものであり、該燃料電池は、電荷担体及び／又は反応ガスの直接的または間接的分離及び／又は移送のための膜ユニットを有し、気体燃料は膜ユニットに属する高分子膜の片側の陽極に供給されること、酸化ガスは高分子膜の他方の側の陰極に供給されること、気体反応生成物は放出されること、が可能である。
【背景技術】
【０００２】
電気モータ、燃料電池、燃料タンク、水貯蔵器、エバポレータ、及び改質器を有する自動車の駆動装置は公知である。燃料タンクはメタノールを含み、水貯蔵器からの水と共に、エバポレータで気体状態に転化され、次いで改質器に送られ、そこで触媒式燃焼装置によって熱が供給されると、実質的に、水素と、二酸化炭素と、一酸化炭素とが形成される。一酸化炭素は、酸化剤を使用して酸化することができる。改質器からの水素含有燃料ガスは、圧縮機を用いて、多数の個別の燃料電池モジュールが組み込まれた燃料電池スタックを備える燃料電池へ供給される。加湿された空気は別の圧縮機によって燃料電池へ供給される。燃料電池では、電気モータ用の電気エネルギーが、水素と大気中の酸素とから生成される（特許文献１）。
【０００３】
対流駆動の物質移動を伴う燃料電池（特許文献２）も知られている。燃料電池は、燃料電池モジュールのスタック（積み重ね）を備える。このスタックは、細長い形状で、幅対高さの比は約１：５で、燃料の再循環用の循環路に配置される。循環路は、下部転換点と上部転換点とを有する。燃料は、燃料電池の外側の循環路の中を下部転換点へ流れ、そこから燃料電池の中へ流れ込み、その中で加熱されそれによって上に上昇する。消費されない燃料は上部転換点まで上昇し、次いで冷却フィンが設けられた循環路部へ送られ、そこで冷却され、それによって重力の影響下で下部転換点へ流れて戻る。この運転の方式によると、ポンプおよび圧縮機は使用せず、この燃料電池の効率は高まる。
【０００４】
【特許文献１】独国特許出願公開  第  ４４  １２  ４５０  Ａ１号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開  第１９６  ４２  ７５４  Ｃ２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、燃料電池を使用して電気エネルギーを生成する方法及び装置を提供するという課題に基づいており、該方法及び装置により、燃料電池の運転時における、反応ガスの分離、電荷担体の移送、及び反応生成物の放出にとって、より均一な状態が膜ユニットにおいて実現可能となる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
冒頭に記載した様式の方法においては、本発明に従い、膜ユニットが、燃料電池の運転中、水平に対して４５度以下の傾斜角を有する位置に保持されることによって、課題は解決される。ここでは、「水平」という用語は、「重力の方向に対して直角に伸びる平面」という意味で解釈されるものとする。本発明による方法は、重力による高さに応じてガス圧が異なることを、少なくともかなりの程度は回避し、従って、反応ガス及び高分子膜における水蒸気含有量が異なることも回避する。この結果、膜領域全体において、水分含有量又は電解質含有量は比較的均一となる。電解質に対する重力の影響は、同様により均一となる。従って、膜領域は、エネルギーの生成にとってより均一に寄与する。膜領域における不均一な負荷とそれによる膜耐用期間の短縮は、同様に回避することができる。ここでは、「膜ユニット」という用語は、「電荷担体及び／又は反応ガスを分離及び／又は移送するのに直接的または間接的に使用される燃料電池の構成要素」を意味するものとして解釈される。ここでは、「高分子膜」という用語は、「燃料電池モジュールの高分子膜」を意味し、さらに、例えばスタック内で直列に接続された、「燃料電池モジュールの高分子膜の組み合わせ」も意味するものとして解釈される。
【０００７】
特に、膜ユニットは、重力の方向に直角に伸びる平面に配置される。この方式の方向付けは、水分もしくは電解質の分布に関して高分子膜において特に良い状態を実現する。
【０００８】
冒頭に記載した様式の装置においては、本発明に従い、燃料電池の膜ユニットが、水平に対して４５度以下の傾斜角を有するよう、取り付け台に結合されることによって、課題は解決される。
【０００９】
好ましい実施形態では、燃料電池の膜ユニットは、乗客及び／又は貨物を輸送する路上走行車において、車両が水平位置にあるとき、重力の方向に対して直角もしくはほぼ直角に向けられた少なくとも１つの平面に沿って、配置される。
【００１０】
路上走行車は、通常、４５度まで傾斜した路面での走行は許容できず、換言すると、燃料電池は、運転の際一般に、水平に対して４５度よりかなり小さい傾斜角を有する。従って、膜ユニットの水分及び電解質の分布は、ほぼ常時均一となる。
【００１１】
本発明は、図面に示された例示的実施形態に基づいて、以下にさらに詳細に説明され、この図面からさらなる特徴、詳細及び利点が明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図面は、燃料電池モジュールの膜ユニット１の概略的部分斜視断面図である。電解質膜２は片側でガス透過性の陰極３に結合される。他方の側では、電解質膜２は、ガス透過性の陽極４に結合される。陰極３と陽極４とは、いずれも炭素繊維からなっていてもよい。ガス不透過性のプレート５は陰極３に隣接し、その陰極３に面した側に、規則的間隔で一連のフィン６を有する。フィン６の間の溝７は、陰極３と共に通路を形成し、その中を酸化ガス、例えば酸素を含有した空気等、が陰極３に供給される。
【００１３】
ガス不透過性プレート８は陽極４に隣接し、規則的間隔で配置されたフィン９を有する。フィン９は陽極４に接し、陽極４と共に通路１０を形成し、その中を、気体燃料、例えば水素含有ガス、が陽極４に供給される。隣接する燃料電池モジュールのプレート５、８は、いずれも両側にフィンを有してもよく、それによって隣接するセルに燃料ガス及び酸化ガスを供給できる。
【００１４】
電解質膜２は、高分子材料、例えばフッ素化樹脂、から作られたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿った状態で非常に優れた導電性を備えている。電解質膜２の表面は、触媒で覆われる。電解質膜２は、燃料電池の運転中、反応水と反応ガスの水分とによって湿潤化する。
【００１５】
燃料電池の運転時、膜ユニット１は、重力の方向に対し直角に伸びる位置、又は少なくとも重力の方向に対し４５度未満の角度で傾斜した位置、に保持される。重力の方向は、図１では、破線の矢印１１という記号で図示する。「燃料電池の運転時」という用語は、「燃料電池が励起して電圧を生成し、適切な場合、陰極３と陽極４との間に電流を放出すること」という意味で解釈されるものとする。
【００１６】
重力の方向に関して、上記の方法で、本発明による膜ユニット１の方向付けを行うことで、電解質膜２の不均質な湿潤化は概ね避けられる。このことは、一般に、電荷移送に使用される電解質の水分に関して応用できる。電解質膜２の水又は他の電解質によるより均一な湿潤化が、膜領域の電荷を全体的により均一にさせる。電解質膜２は、異なる度合いの電荷を受けた領域を持たない場合、損傷に対してより保護され、これによって膜の耐用期間は増加する。
【００１７】
膜ユニット１の上記のような重力に対する水平な配置は（「水平」という用語は、４５度未満の傾斜も含むものとして解釈される）、さらに反応中に形成される水蒸気の除去を促進し、従って電解質膜２の脱湿を促進するという利点を有する。
【００１８】
図２は、乗用電気自動車１２の側面図を概略的に示す。電気モータ１３は、電気自動車１２を駆動する前車軸に設けられている。電気自動車１２に対し、特に電気モータ１３に対して、エネルギーを供給するには、燃料電池システム１４があり、本来知られている様式で、燃料タンク、水貯蔵器、エバポレータ、改質器および燃料電池１５を有し、該燃料電池は膜ユニット１を備えた燃料電池モジュールを含む。
【００１９】
電気自動車１２では、電気自動車１２が水平位置にあるとき、膜ユニット１が図２に矢印記号１６で表示される重力の方向と直角を形成する平面に沿って伸びるように、燃料電池モジュール１５が取り付け台上に配置される。
【００２０】
乗客及び／又は貨物輸送用車両は、通常は、限られた道の傾斜、例えば２０度未満、での運転が可能である。膜ユニット１を、図２に示すように、自動車の床部分又は水平路面に対して平行に配置することは、水分の分布が高さに左右されることはほとんどないという利点を有する。燃料電池の運転中の反応ガス形成の結果としての高分子膜２の湿潤化および脱湿は、高分子膜領域に渡り実質的に均一である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】燃料電池の膜ユニットの概略的部分斜視断面図。
【図２】電気駆動装置および駆動エネルギーを生成する燃料電池を備えた自動車の概略図。
【符号の説明】
【００２２】
１  膜ユニット
２  電解質膜（高分子膜）
３  陰極
４  陽極
５、８  プレート
６、９  フィン
７  溝
１０  通路
１２  電気自動車
１３  電気モータ
１４  燃料電池システム
１５  燃料電池モジュール
【図１】
2005536833.tif 000002
【図２】
2005536833.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】平成16年4月29日(2004.4.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの燃料電池を有する電気エネルギーを生成する装置であって、該燃料電池は、電荷担体及び／又は反応ガスの直接的または間接的分離及び／又は移送のための膜ユニットを有し、気体燃料は前記膜ユニットに属する高分子膜の片側の陽極に供給されること、酸化ガスは前記高分子膜の他方の側の陰極に供給されること、反応生成物は放出されること、が可能である装置において、
前記膜ユニット（１）は、貨物及び／又は乗用自動車（１２）の燃料電池において、前記自動車（１２）が水平位置にあるときに重力の方向（１６）に対して直角もしくはほぼ直角に伸びる平面に沿って、配置されることを特徴とする装置。
【国際調査報告】
2005536833.tif 000004
2005536833.tif 000005
2005536833.tif 000006
2005536833.tif 000007