(57)【要約】本発明は、それぞれが電極の入口と出口を有する２つの電極（９、１０）の少なくとも１つのセットと、２つの電極（９、１０）の間に位置する電解質膜（１１）とを有する燃料電池（２）を含んでなる自動車用の電気駆動装置において、電解質膜（１１）は、燃料電池によって作られた液状の水を２つの電極（９、１０）の１つへ向けて集中させるような濃度勾配に従って電解質膜（１１）の厚さの中に配分された陽子の導電性添加剤を含有し、集中された液状の水は、燃料電池から、唯一の電極の出口（１４、１５）を通って排出されることを特徴とする、自動車用の電気駆動装置に関する。
2005534154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが電極の入口と出口を有する２つの電極（９、１０）の少なくとも１つのセットと、上記２つの電極（９、１０）の間に位置する電解質膜（１１）とを有する燃料電池（２）を含んでなる自動車用の電気駆動装置において、上記電解質膜（１１）は、上記燃料電池によって作られた液状の水を上記２つの電極（９、１０）の１つへ向けて集中させるような濃度勾配に従って上記電解質膜（１１）の厚さの中に配分された陽子の導電性添加剤を含有し、集中された上記液状の水は、上記燃料電池から、唯一の電極の出口（１４、１５）を通って排出されることを特徴とする、自動車用の電気駆動装置。
【請求項２】
上記電解質膜（１１）は、多層膜であることを特徴とする、請求項１に記載の自動車用の電気駆動装置。
【請求項３】
上記燃料電池（２）によって作られた上記液状の水をアノード（９）へ向けて集中するように、上記電解質膜（１１）の上記導電性添加剤の最大濃度は、上記アノード（９）側に位置されることを特徴とする、請求項１または２に記載の自動車用の電気駆動装置。
【請求項４】
上記燃料電池（２）によって作られた上記液状の水をカソード（１０）へ向けて集中するように、上記電解質膜（１１）の上記導電性添加剤の最大濃度は、上記カソード（１０）側に位置されることを特徴とする、請求項１または２に記載の自動車用の電気駆動装置。
【請求項５】
上記燃料電池の上記唯一の電極の出口（１４、１５）が、唯一のコンデンサ（４）へ連結されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の自動車用の電気駆動装置。
【請求項６】
上記コンデンサ（４）から出る凝縮された水は、燃料から作られる水素を上記燃料電池（２）へ供給することが可能な改質装置（５）へ供給されることを特徴とする、請求項５に記載の自動車用の電気駆動装置。
【請求項７】
上記アノード（９）から出るガスのエネルギを回収するために、上記アノード（９）に連結された燃焼器（３）を更に有することを特徴とする、請求項５または６に記載の自動車用の電気駆動装置。
【請求項８】
請求項１または２に記載の自動車用の電気駆動装置において、上記燃料電池（２）によって作られた上記液状の水をアノード（９）へ向けて集中するように、上記電解質膜（１１）の上記導電性添加剤の最大濃度は、上記アノード（９）側に位置され、上記燃料電池の上記唯一の電極の出口（１４）が、唯一のコンデンサ（４）へ連結され、上記アノード（９）から出るガスのエネルギを回収するために、上記アノード（９）に連結された燃焼器（３）を更に有し、上記燃焼器（３）は上記コンデンサ（４）の下流に設けられることを特徴とする、自動車用の電気駆動装置。
【請求項９】
自動車用の電気駆動装置における燃料電池の使用方法において、以下の主要な段階：
−上記燃料電池（２）によって作られた液状の水の、濃度勾配に従って電解質膜（１１）の厚さの中に配分された陽子の導電性添加剤を含有する上記電解質膜（１１）を用いた、２つの電極（９、１０）の１つへ向けた集中、
−集中された上記液状の水の上記２つの電極（９、１０）の１つにおける蒸発、
−蒸発した上記水の上記２つの電極（９、１０）の１つに連結されたコンデンサの中における凝縮、
−凝縮した上記水の、上記燃料電池（２）へ供給する水素を発生することが可能な改質装置（５）へ供給するための利用、
を含んでなることを特徴とする、自動車用の電気駆動装置における燃料電池の使用方法。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか１つに記載の自動車用の電気駆動装置、または請求項９に記載の燃料電池の使用方法によって使用される燃料電池を含んでなる自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用の電気駆動装置及び燃料電池の使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、化学エネルギを電気と熱の形で直接使用可能なエネルギへ変換するための、最も低公害で最も高効率の変換器であることが次第に明らかになってきた。  
その作動原理は簡単である。それは、化学反応：
Ｈ２＋１／２ Ｏ２→Ｈ２Ｏ
に従う、水素と酸素の、電気と水と熱との同時発生を伴う、電気化学的で制御された燃焼である。この反応は、電解質によって分離されたアノードとカソードとの２電極から本質的に構成された構造の中で行われる、水の電気分解と逆の反応である。
【０００３】
自動車における燃料電池の使用に関連する制約条件の１つに、水を如何にして回収するかがある。水を回収するためには、燃料電池から出るガスの冷却装置が必要である。ガスの冷却装置は、特に改質装置へ供給するために必要な水を凝縮することを可能にする。装置に関する水の収支勘定をプラスにする、すなわち製造される水の量を改質装置によって消費される水の量よりも大きくするためには、燃料電池から出るガスを「下流温度」（コンデンサの出口における水の温度）と呼ばれる温度にして、必要な水の全てを回収する必要がある。冷却回路に関連する理由（補機による消費と容積の低減）のために、この下流温度は可能な限り高くする必要がある。
【０００４】
文献KR-2001096359Aには、水のカソードからアノードへの移動を妨げる特殊な多層膜を有する燃料電池が提案されている。特殊な混合物（水を吸収する材料、触媒）が種々の層に添加される。探求された目的は、カソードにおける充分な水和を持続して、カソード側の膜の品質低下の問題を回避することにある。
【０００５】
【特許文献１】KR-2001096359A
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、燃料電池の出口のガスの、高温の下流温度の値を得ることを可能にする、自動車用の電気駆動装置を提供することを課題とする。
【０００７】
また、本発明は、自動車用の電気駆動装置における燃料電池の使用方法を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による自動車用の電気駆動装置は、それぞれが電極の入口と出口を有する２つの電極の少なくとも１つのセットと、上記２つの電極の間に位置する電解質膜とを有する燃料電池を含んでなる。上記電解質膜は、上記燃料電池によって作られた液状の水を上記２つの電極の１つへ向けて集中させるような濃度勾配に従って上記電解質膜の厚さの中に配分された陽子の導電性添加剤を含有する。このようにして集中された上記液状の水は、上記燃料電池から、唯一の電極の出口を通って排出される。
【０００９】
上記電解質膜の中に存在する上記陽子の導電性添加剤の濃度勾配は、連続していてもよい。また、各層が異なる導電性添加剤の濃度を有する多層膜を用いてもよい。このように、当量の量が異なる、すなわち異なる導電性添加剤の濃度を呈するポリマー溶液の相次ぐ流し込みによって、導電性添加剤の濃度勾配が得られる。このタイプの膜は、望ましくは、溶液にすることができ、極めて薄い（１０マイクロメータのオーダの）膜の層を作成することを可能にする良好な被膜形成特性を有する、あらゆる陽子導電性のポリマーによって作成することができる。
【００１０】
下流温度は、装置の圧力と、水を搬送する乾燥ガスの量との関数で、次の法則に従う。  
ｎｖ＝ｐ（Ｔ）・ｎｓ／（Ｐ−ｐ（Ｔ））
ここに、
ｎｖ：排気に送り出されるガス状の水の流量、
ｎｓ：蒸気状の水を搬送する乾燥ガスの流量、
Ｐ：系の全圧、
ｐ（Ｔ）：コンデンサの出口における温度の水の分圧、
Ｔ：コンデンサの出口における水の温度、
上の式を書き変えると、
ｐ（Ｔ）＝Ｐ／（１＋ｎｓ／ｎｖ）
が得られ、蒸気を搬送する乾燥ガスの流量を減らすと、ｐ（Ｔ）の値が大きくなされ、従ってＴの値も大きくなされることが確認される。本発明は、この確認事項を利用する。水を唯一の電極へ集中し、蒸気を搬送する乾燥ガスの流量を減らして、下流温度Ｔの値を大きくする。
【００１１】
燃料電池によって作られる液状の水は、アノードとカソードのどちらへも集中できる。
【００１２】
燃料電池によって作られる液状の水をカソードへ集中させるためには、膜の導電性添加剤の最大濃度をカソード側に位置させるようにするか、あるいは多層膜の場合には、導電性添加剤の濃度が最も高くされた層をカソード側に位置させるようにするだけで充分である。このようにして、カソードで作られた水が、アノードへ向けて後方拡散することを制限する。
【００１３】
しかしながら、望ましくは、燃料電池によって作られた水をアノードへ向けて集中させる。これは、得られる下流温度は、水がカソードへ集中されたときよりも一般に上昇されるからである。また、アノードに水を集中させる動作形態は、実際に実現するのがより容易である。この場合、膜の導電性添加剤の最大濃度をアノード側に位置させるようにするか、あるいは多層膜の場合には、導電性添加剤の濃度が最も高くされた層をアノード側に位置させるようにする。このようにして、水は、アノードへ向けて強く引き寄せられ、このことは、カソードで作られた水のアノードへ向けた後方拡散の流束をもたらし、カソードで作られた水の略全量をアノードで回収することを可能にする。
【００１４】
望ましくは、上記燃料電池の上記唯一の電極の出口が、唯一のコンデンサへ連結される。本発明は、このようにして、２つのコンデンサに代えて唯一のコンデンサのみを使用することを可能にし、従って、コンデンサの容積を節約することを可能にする。
【００１５】
上記コンデンサは、水タンクへ水を供給することができる。この水タンクは、改質装置に連結される。このようにして、上記コンデンサから出る凝縮された水を、燃料から作られた水素を上記燃料電池へ供給することが可能な改質装置へ供給することが可能である。
【００１６】
電気駆動装置は、上記アノードから出るガスのエネルギを回収するために、上記アノードに連結された燃焼器を更に有することが出来る。燃料電池によって作られた水がアノードへ向けて集中される場合には、上記燃焼器は上記コンデンサの下流に設けられる。
【００１７】
本発明は、自動車用の電気駆動装置における燃料電池の使用方法を提供することも目的とする。この方法は、以下の主要な段階：
−上記燃料電池によって作られた液状の水の、濃度勾配に従って電解質膜の厚さの中に配分された陽子の導電性添加剤を含有する上記電解質膜を用いた、２つの電極の１つへ向けた集中、
−集中された上記液状の水の上記２つの電極の１つにおける蒸発、
−蒸発した上記水の上記２つの電極の１つに連結されたコンデンサの中における凝縮、
−凝縮した上記水の、上記燃料電池へ供給する水素を発生することが可能な改質装置へ供給するための利用、
を含んでなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明のその他の利点及び特徴は、本発明による電気駆動装置の全く非限定的な２つの実施の形態の、詳細に説明され、図１、２によって例示された、記載を検討することによって明らかになるであろう。
【００１９】
これらの図において：
図１は、本発明の第１の実施の形態による自動車用の電気駆動装置の部分要素を図示し、
図２は、本発明の第２の実施の形態による自動車用の電気駆動装置の部分要素を図示する。
【００２０】
図１は、自動車用の電気駆動装置の部分要素１を表す。部分要素１は、燃焼器３と、コンデンサ４と、改質装置５とに連結された、燃料電池２を有する。
【００２１】
燃料電池２は、電解質膜１１によって分離されたアノード９とカソード１０を有する。燃料電池２によって作られた電流は、接続２ａから、図示しない変換手段と駆動用電気モータへ伝達される。燃料電池２は、改質装置５によって生成された水素を、アノードの入口１２から供給される。改質装置５は、燃料タンク６に蓄えられた炭化水素と、水タンク７から発生される水と、空気供給装置８から発生される空気を供給される。また、燃料電池２は、空気供給装置８によって、カソード１０の入口１３から、空気を供給される。
【００２２】
アノード９においては、次式の反応によって、改質装置５から供給された水素は、電子を開放しながら、イオンＨ＋に変わる。  
Ｈ２→２Ｈ＋＋２電子
カソード１０においては、空気供給装置８から供給された空気の酸素は、電子を捕捉して、次式の反応によって、イオン化された酸素を形成するようになる。  
０．５Ｏ２＋２電子→Ｏ２−
陽子Ｈ＋は、電解質膜１１を通ってカソード１０へ運ばれ、空気の酸素と反応する。この反応は次式の通りである。  
２Ｈ＋＋０．５Ｏ２＋２電子→Ｈ２Ｏ液体
本発明の第１の実施の形態においては、電解質膜１１は、カソード１０に作られた液状の水がアノード９へ向かって後方拡散することを妨げる。このことは、水がアノード９へ向かって後方拡散することができないように、電解質膜１１の厚さの中に、電解質膜１１の導電性添加剤の濃度が最も高い層が、カソード１０の側に位置するような濃度勾配に従って配分された陽子の導電性添加剤を含有する、多層膜によって実現される。  
従って、液状の水がカソード１０に集中される。この水は、次いで、燃料電池２の中の熱の影響を受けて蒸発され、その後、この蒸気は、カソードの出口１５へ、カソードのガスによって持ち出される。
【００２３】
このようにして、カソード１０に水を集中しながら、カソードのガスのみが水分を外へ連れだす。従って、水蒸気を運ぶ乾燥ガスの流量は減らされ、先に見たように、下流温度Ｔを上昇させる。このようにして、８０℃、絶対圧３ｂａｒで動作する燃料電池について、アノードとカソードにおける水の回収を伴う従来の動作においては下流温度は６１℃に近いが、カソードに水を集中すると、この温度は７１℃に近い。
【００２４】
カソード１０からカソードの出口１５へ出るガスは、コンデンサ４へ送られる。コンデンサ４は、冷却源としての役割を果たし、カソードのガスの中に含まれる水蒸気を凝縮させることを可能にする。このようにして凝縮された水は、次いで、導管７ａから、改質装置５へ水を供給するための水タンク７へ送られる。凝縮されないガスは、コンデンサの出口１６を通って回路から排出される。アノードの出口１４にはコンデンサを必要としないので、本発明は２つのコンデンサの代わりに１つのコンデンサのみを使用すること、従ってコンデンサの容積を節約することを可能にする。
【００２５】
アノード９からアノードの出口１４へ出るガスは、改質装置５から出る中性のガスと、同じく改質装置５から出て、燃料電池２の中で反応しない水素を含有する。水はカソード１０に集中されるので、このガスは水を有しない。これらは、同じく空気供給装置８から導管８ａを介して空気を供給される燃焼器３へ送られる。燃焼器３から出るガスは、回路から燃焼器の出口１７へ排出される。
【００２６】
図２は、本発明の第２の実施の形態による自動車用の電気駆動装置の部分要素１を示す。図２において、図１におけるものと同じ部品には、同一の符号が付されている。
【００２７】
この実施の形態においては、燃料電池２によって作られる液状の水は、矢印Ｈによって示される向きで、アノード９に集中される。アノード９におけるこの集中は、多層膜１１ａによって実現される。多層膜１１ａは、多層膜１１ａの厚さの中に、導電性添加剤の濃度が最も高い層が、アノード９の側に位置するような濃度勾配に従って配分された陽子の導電性添加剤を含有する。このようにして、水はアノード９へ向けて強く引き寄せられる。このことは、カソード１０で作られた水の、矢印Ｈによって示される向きにおける、アノード９への後方拡散の流れをもたらし、カソード１０で作られた水の略全量をアノード９において回収することを可能にする。
【００２８】
アノード９に集中された液状の水は、次いで、燃料電池２の中の熱の影響を受けて蒸発し、その後、この蒸気は、アノードのガスによって、アノードの出口へ運ばれる。
【００２９】
このようにして、水をアノード９へ集中することによって、アノードのガスのみが水分を外へ連れだす。第１の実施の形態におけると同様に、従って、水蒸気を運ぶ乾燥ガスの流量は減らされ、先に見たように、このようにして下流温度Ｔを上昇させる。このようにして、８０℃、絶対圧３ｂａｒで動作する燃料電池について、アノードとカソードにおける水の回収を伴う従来の動作においては下流温度は６１℃に近いが、アノードに水を集中すると、この温度は８１℃に近い。
【００３０】
アノード９からアノードの出口１４へ出るガスは、唯一のコンデンサ４へ送られる。コンデンサ４は、冷却源としての役割を果たし、アノードのガスの中に含まれる水蒸気を凝縮させることを可能にする。このようにして凝縮された水は、次いで、導管７ａから、改質装置５へ水を供給するための水タンク７へ送られる。凝縮されないガスは、同じく空気供給装置８から導管８ａを介して空気を供給される燃焼器３へ送られる。燃焼器３から出るガスは、回路から燃焼器の出口１７へ排出される。
【００３１】
カソード１０から出るガスは、空気供給装置８から来た酸素と窒素である。水はアノード９に集中されるので、このガスは水を有しない。
【００３２】
文献KR-2001096359Aの教示を用いては実現されない本発明の幾つかの利点の中で、本発明における、もたらされる全ての水を転送することによる利益は、装置の観点から明らかである。常にこの場合において、本発明においては、導電性添加剤の濃度勾配を作って、水の全部をアノードまたはカソードへ送り出すために、膜の位置決めに応じて変更されるのは、導電性スルフォン化添加剤の量である。本発明の１実施の形態においては、水はアノードへ集中され、このことは、熱のより良好な収支バランスを得る特有の効果を有する。
【図１】
2005534154.tif 000003
【図２】
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【国際調査報告】
2005534154.tif 000005
2005534154.tif 000006
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2005534154.tif 000008
2005534154.tif 000009
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