(57)【要約】燃料電池装置（４１）の加湿セル（１）においては、水透過性の膜（５）がの加湿セル（１）の２つの外板（９）の間に配置されていて、膜（５）はそれの面の一部が外板（９）の少なくとも一方と密着し、それにより外板（９）によって部分的に覆われる。これによって、膜（５）の加湿出力が低下する。この問題の解決のために、膜（５）と外板（９）の一方との間に配置された水透過性の支持要素（７ａ、７ｂ）を有する加湿セル（１）を提案する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの外板（９）を備え、両外板間にガス室（２１）と、加湿水室（３１）と、両室（２１、３１）を隔離する水透過性の膜（５）とが配置されている燃料電池装置（４１）の加湿セル（１）において、膜（５）と外板（９）の一方との間に配置された水透過性の支持要素（７ａ、７ｂ）を有することを特徴とする加湿セル。
【請求項２】
膜（５）の両側に各々支持要素（７ａ、７ｂ）が配置されたことを特徴とする請求項１記載の加湿セル。
【請求項３】
支持要素（７ａ、７ｂ）が繊維網又は繊維フェルトで作られたことを特徴とする請求項１又は２記載の加湿セル。
【請求項４】
支持要素（７ａ、７ｂ）がカーボン紙からなることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の加湿セル。
【請求項５】
支持要素（７ａ、７ｂ）が親水性であることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の加湿セル。
【請求項６】
支持要素（７ａ、７ｂ）が膜（５）の平らな面の少なくとも半分を覆っていることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の加湿セル。
【請求項７】
作動媒体入口（１５、２９）の範囲で支持要素（７ａ、７ｂ）を覆う覆い装置（１３、３３）を備えること特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の加湿セル。
【請求項８】
電解質（５１）と、その両側に配置された電極（５３ａ、５３ｂ）とからなる電解質配列体を各々有する多数の燃料電池（４５）を備えた燃料電池装置（４１）において、請求項１乃至７の１つに記載の加湿セル（１）を備えることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項９】
膜（５）が電解質（５１）と同じ材料からなることを特徴とする請求項８記載の燃料電池装置。
【請求項１０】
電極（５３ａ、５３ｂ）の構造が支持体材料により定まり、支持要素（７ａ、７ｂ）が同じ支持体材料で作られたことを特徴とする請求項８又は９記載の燃料電池装置。
【請求項１１】
加湿セル（１）は、膜（５）と、その両側に配置された支持要素（７ａ、７ｂ）とからなる膜配列体を有し、膜配列体と電解質配列体の構造および寸法が同じであることを特徴とする請求項８乃至１０の１つに記載の燃料電池装置。
【請求項１２】
膜配列体と電解質配列体が同じ密封材料（３、６３）によって囲われたことを特徴とする請求項１１記載の燃料電池装置。
【請求項１３】
加湿セル（１）の外側形状と外側寸法が、燃料電池（４５）の外側形状および外側寸法と同じであることを特徴とする請求項８乃至１２の１つに記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの外板を備え、それら外板間にガス室と、加湿水室と、両室を隔離する水透過性の膜とが配置された燃料電池装置の加湿セルに関する。
【０００２】
燃料電池においては、電解質内での水素（Ｈ2）と酸素（Ｏ2）の水（Ｈ2Ｏ）への電気化学結合によって高効率で電流が発生する。この電流は、燃料ガスとして純粋な水素が使用される場合には有害物質や炭酸ガス（ＣＯ2）の放出なしに発生する。燃料電池のこの原理の技術的な置き換えが種々の解決策をもたらし、しかも種々の電解質および６０〜１０００℃の作動温度のものをもたらした。その作動温度に関して、燃料電池は低温燃料電池、中温燃料電池、高温燃料電池に分類され、これらは、更にまた種々の技術的実施形態により区分されている。
【０００３】
個々の燃料電池は、最大で約１．１Ｖの作動電圧を供給する。従って、多数の燃料電池を接続して燃料電池配列体、例えば管状燃料電池の場合には管束体が形成され、平形燃料電池の場合には燃料電池ブロックの構成要素であるスタックが形成される。装置の燃料電池の内部直列接続により、配列体の作動電圧は１００Ｖ以上になり得る。
【０００４】
平形燃料電池は平らな電解質を含み、電解質の一方の平らな面に平らな陽極が接し、電解質の他方の平らな面に同様に平らな陰極が接する。両電極は電解質と共に所謂電解質電極ユニットを形成する。このユニットを簡単化のため電解質配列体と呼ぶ。陽極に接して陽極ガス室、陰極に接して陰極ガス室が各々配置される。１つの燃料電池の陽極ガス室とこの燃料電池に隣接した燃料電池の陰極ガス室との間に、接合導体板が配置される。この板は第一の燃料電池の陽極と第二の燃料電池の陰極との間の電気的接続を形成する。燃料電池の種類に応じて接合導体板は、例えば個別の金属板、或いは間挿された冷却水室を備え、互いに積み重ねられた２つの板を含む冷却要素として形成される。燃料電池の実施形態に応じ、燃料電池スタックには、例えば導電層、パッキング或いは圧力クッションのような他の構成要素が付属する。
【０００５】
燃料電池配列体の燃料電池は、その作動中に作動ガス、即ち水素を含む燃料ガスと、酸素を含む酸化剤ガスとを供給される。低温燃料電池の少なからぬ実施形態、特にポリマ電解質膜を備えた燃料電池（ＰＥＭ燃料電池）は、作動時に湿った作動ガスを必要とする。これら作動ガスは、例えば液体リングコンプレッサや膜加湿器のような適切な装置で水蒸気を飽和状態にされる。加湿装置および場合によってはその他の供給装置が、燃料電池配列体と共に燃料電池装置を構成する。
【０００６】
作動ガスを長い作動ガス供給管を経て加湿装置から燃料電池配列体へ導く際、途中で加湿した作動ガスの温度が周囲への熱放出に伴い低下する。これは加湿水の凝縮を起こす。作動ガスは、その後燃料電池で再び加熱され、その結果相対湿度が低下する。このため、常に湿った状態に保つべき、極端に乾燥に敏感な電解質が損傷し、電解質の寿命が低下する。従って、加湿装置はできる限り燃料電池の近くに配置することが望ましい。
【０００７】
米国特許第５２００２７８号および第５３８２４７８号明細書から、平形燃料電池からなるスタックと、平形加湿セルからなるスタックとを備えた燃料電池ブロックが公知である。両スタックは燃料電池ブロック内で直接に隣接して配置される。加湿セルは作動ガス室、加湿水室および両室間に配置した水透過性の膜を備えた膜加湿器として構成されている。作動ガスが燃料電池スタックの燃料電池に導かれる前に、作動ガスは加湿セルを貫流し、そこで加湿され、引き続いて燃料電池ブロックを離れることなしに燃料電池スタックへ流れ込む。加湿セルにおいては、水透過性膜が、この膜の両側に配置された加湿セル外板に隣接している。膜の一方の側に加湿水、膜の他方の側に作動ガスが、各々外板に形成した通路を経て流れる。しかし外板のブリッジに沿って、膜がブリッジにより覆われるので、加湿水又は作動ガスが膜に到達できない。そのため膜の加湿能力は、加湿水が自由に到達できる膜に比べて低下する。外板に大面積構造を使用した場合、膜は大面積にわたって外板と密着し、そのため加湿出力が大幅に低下する。
【０００８】
本発明の課題は、高い加湿出力を持つ燃料電池装置の加湿セルを提供することにある。
【０００９】
この課題は、本発明に従い、膜と外板の一方との間に水透過性の支持要素を配置した、冒頭に述べた加湿セルによって解決される。
【００１０】
燃料電池装置とは、加湿装置と接続され、且つ場合により供給装置とも接続された燃料電池配列体である。この場合、燃料電池配列体は、１つ以上のスタックに積み重ねられた多数の平形燃料電池を含む。燃料電池装置は、例えば１つ以上の加湿セルスタックと、１つ以上の燃料電池スタックとを有する燃料電池ブロックであってよい。しかし加湿セルはある程度の距離だけ燃料電池から離して配置されていてもよい。同様に、燃料電池と加湿セルとを混合配置したスタックも可能である。
【００１１】
一方の外板に膜が部分的に密着することで水透過性膜の加湿能力が阻害されるのを、膜が外板間に自由に掛かるように配置することで防止できる。しかし、膜を形成する材料によっては、膜が非常に軟らかく曲りやすいため、膜が作動中にいつも、少なくとも部分的に外板の一方にもたれかかる。膜と外板の一方との間に配置した水透過性の支持要素により、膜は支持要素の範囲で外板から隔てて保持される。膜のどちら側に支持要素を配置したかに応じ、加湿水は、先ず支持要素を通り抜け、次に膜を通り抜けて加湿すべき作動ガスに到達するか、それとも先ず膜を通り抜けてから支持要素を通り抜けて加湿すべき作動ガスに到達するかのいずれかを採る。
【００１２】
支持要素は、例えば膜と強固に結合するとよい。この結果、膜を十分な剛性を備えた支持要素で、ガス室と加湿水室との間で膜が外板に密着しないよう所望位置に保持できる。本発明の代替の構成では膜が支持要素に緩くかつ解放可能に接し、例えば作動ガス圧又は加湿水圧により支持要素に向けて押す。この方法で膜を予め定めた位置に保持できる。
【００１３】
ガス室又は加湿水室を通る作動ガス又は加湿水の流れが、支持要素によって加湿セルの作動を阻害する程に邪魔されないようにすべく、支持要素がガス室又は加湿水室の全体を埋めるのではなくて、むしろなおも一部空間を残すと望ましい。
【００１４】
膜の両側に各々支持要素を配置すると、膜の所望の位置での保持が特に確実となる。膜が一方又は両方の支持要素に強固に接続されるか、それとも支持要素の間に緩く挟み込まれるかには関係なく、支持要素の範囲においては外板による膜の部分的な覆い隠しが起こらない。これによって膜の信頼性のある高い加湿出力が保障される。
【００１５】
膜の特に安定な姿勢と加湿セルの特に簡単な構成は、第１の外板、第１の支持要素、膜、第２の支持要素および第２の外板が各々互いに隣接することで達成される。この際、外板が、外板に沿って且つ外板に接する支持要素に沿って作動ガス又は加湿水が流れる通路又は型押し模様を有すると望ましい。この構成では、加湿セルが特に安定で、圧力に対して非常に強い接合を形成する。本発明のこの構成は、非常に平たいガス室および／又は加湿水室を有する非常に平たい加湿セルの場合に特に適している。
【００１６】
支持要素は、例えば線材組織や金網として又は延伸格子として形成できる。しかし、この場合に、金属の支持要素は、一般に軟らかい膜を傷つける鋭い角を持たないように配慮すべきである。膜にとって機械的な危険がなく特に割安に製造できるのは、繊維網又は繊維フェルトからなる支持要素である。繊維として、例えば作動ガスに対し十分に安定な合成樹脂、セルロース繊維又はその他の繊維が適する。
【００１７】
支持要素の製造にカーボン紙を用いると特に好ましいことが分かった。カーボン紙は、水と関連して純酸素および純水素に対しても十分な安定性を有し、更に加湿セルの効率的な作動を保証するのに十分な水透過性を示す。
【００１８】
加湿セルの特に高い加湿能力は、支持要素が親水性であるときに得られる。親水性の支持要素は水を吸い込み、水が気化する位置へ水を特に効率的に導く。支持要素としてカーボン紙を使用する場合、カーボン紙の親水性は、例えば化学処理で上昇させ得る。
【００１９】
支持要素は、加湿水又は作動ガスに接近可能な膜面を完全に覆うとよい。しかし、膜の良好な支持は、例えば支持要素の切欠きにより支持要素が膜の平らな面の一部のみを覆う場合にも保証できる。これにより、加湿水と作動ガスが妨げなしに膜へ接近でき、その結果加湿セルの加湿能力が高まる。しかし、支持要素が膜の平らな面の少なくとも半分を覆うように配慮すべきである。何故なら、この面を下回ると、一般に非常に柔軟な膜の十分な支持をもはや保証し得ないからである。
【００２０】
本発明の好ましい実施形態では、加湿セルは、作動媒体入口の範囲において支持要素を覆う覆い装置を持つ。作動媒体入口は、加湿セルのガス室や加湿水室への管又は通路の開口であり、これを経て加湿セル作動中に作動ガスおよび加湿水（以下作動媒体と呼ぶ）が、ガス室又は加湿水室に流れる。即ち、作動媒体は作動媒体入口を経て加湿セルの各々の室へ流れる。作動媒体室の構成に応じて、作動媒体入口から作動ガス室又は加湿水室への作動媒体流が支持要素により妨げられることが分かった。作動媒体は、比較的高速で作動媒体入口から各室へ流れ、そこで支持要素に当たるか、比較的高速で支持要素に沿って流れる。その結果作動媒体に乱流が生じ、作動媒体流の減速を起こし、加湿セルを通過する作動媒体の流動抵抗上昇をもたらす。かかる乱流に伴う流動抵抗上昇は、作動媒体入口の範囲で支持要素を覆う覆い装置で大幅に回避できる。覆い装置として、例えば金属箔、金属被覆、合成樹脂片又は小さな金属薄板が使用でき、これにより作動媒体入口の周りで支持要素を作動媒体流から隔離する。覆い装置は作動媒体を作動媒体入口から各室へ導き、作動媒体が重大な乱流を起こすことなく当該室へ流れるよう配慮する。
【００２１】
本発明の有利な実施形態では、膜を、燃料電池装置の燃料電池の電解質配列体に用いる電解質と同じ材料で製造する。この材料としては、米国デラウェア州ウィミングトン在のDupont社製のポリマ、商品名“NAFION"が特に適する。この材料で加湿セルの製造が簡単になる。何故なら、燃料電池装置で既に使用中の材料を用い得るからである。
【００２２】
加湿セル製造の更なる簡単化は、電極構造が支持体材料により決まり、しかも支持要素が同じ支持体材料からなることで達成できる。燃料電池の電極には、加湿セルの支持要素に対するのと全く同様のことが要求される。支持要素と同様に、電極は作動ガスと水の混合物に対し十分な化学的安定性を有さねばならず、かつ電極は水と作動ガスに対し透過性でなければならない。従って、電極と支持要素は同じ支持体材料から製造できる。電極又は支持要素の特別の特性は、これら支持体材料の更なる処理により得られる。例えば支持要素のための繊維網又は繊維フェルトを化学的処理により親水性にする。電極と支持要素の、場合により若干異なる製造方法にも係わらず、電極と支持要素の製造のために同じ支持体材料を使用することで、燃料電池装置の製造が簡単になり、価格も安くなる。
【００２３】
本発明の別の利点は、加湿セルが膜と、膜の両側に配置した支持要素とからなる膜配列体を有し、しかも膜配列体と電解質配列体の構造および寸法が同一であることにより得られる。この場合、加湿セルは燃料電池装置の燃料電池と同じ構造を持つ。燃料電池の電解質に代えて、加湿セルが電解質と同じ材料からなる膜を備えると好ましい。電解質の平たい両面における電極の配置と同様に、加湿セルでも膜の平たい両面に支持要素が配置される。しかし、支持要素は膜としっかり結合せず、むしろ緩く膜に接するのがよい。この場合、支持要素が電極と同じ支持体材料を有すると望ましい。
【００２４】
別の利点は、燃料電池装置内の加湿セルと燃料電池が同じ構造を持つことで生ずる。これに伴い、燃料電池装置の製造が簡単になり、標準化も容易である。燃料電池では、電解質配列体の両側に酸化剤ガス室と燃料ガス室を配置している。同様の方法で、加湿セルの膜配列体の両側に、ガス室と加湿水室を配置する。燃料電池を、その平らな面の両側で接合導体板により区画するのと同じ方法で、加湿セルを、その平らな面の両側で外板により区画する。この場合、外板が接合導体板と同じ材料からなり同一形状を持つと望ましい。膜配列体の要素と電解質配列体の要素を同一寸法にすると、配列体の製造時に同じ工具と型を使用できる。これも燃料電池装置の製造を著しく簡単化する。
【００２５】
燃料電池装置の製造における他の簡単化は、電解質配列体と膜配列体を同じ密封材料で密封することにより達成できる。密封材料は配列体の位置を保ち、燃料電池装置の外気するガス室および加湿水室の気密な封鎖を実現する。
【００２６】
企画、設計、製造および据付の簡単化は、加湿セルの外側形状と外側寸法を、燃料電池の外側形状および外側寸法と同じにすることで達成できる。それにより、燃料電池と加湿セルの製造を標準化できる。更に、これにより燃料電池装置の構造を簡単化できる。何故なら、縛り部材、ケーシング又はカバー等のセルを取り囲む装置構成要素を、加湿セルおよび燃料電池の異なる大きさに合わせなくてもよいからである。
【００２７】
本発明の実施例を、５つの図に基づき更に詳しく説明する。
【００２８】
図１は方形の平形加湿セル１を概略平面図で示す。加湿セル１は密封材料３からなる枠に埋め込まれ、破断表示した膜５を含んでいる。膜５の下に、同様に破断表示した支持要素７が見える。支持要素７の下側に外板９があり、この外板は型押し構造１１を有する薄板として形成されている。型押し構造１１は、外板９の内部の丸い凸部部又は凹部からなる。外板９と支持要素７との間に、覆い装置１３が取り付けられている。覆い装置１３は作動媒体入口１５の範囲に配置されている。
【００２９】
図２は加湿セル１の線ＩＩ−ＩＩに沿う断面図を示す。加湿セル１は燃料電池装置の加湿セルスタックの部分である。加湿セル１の作動時、燃料ガスが加湿セル１の軸方向通路１７を経て流れる。軸方向通路１７は加湿セルスタックの積み重ね方向に平行に向いている。軸方向通路１７から各１つの放射方向通路１９が、加湿セルスタックの加湿セル１の内の１つへ分岐する。燃料ガスは放射方向通路１９を通り、続く過程で作動媒体入口１５を経て加湿セル１のガス室２１に達する。燃料ガスは、作動媒体入口１５から流出後、乱流を起こすことなく、一方で覆い装置１３、他方で加湿セル１の外板９に沿って流れる。
【００３０】
外板９は、２つの金属薄板からなる加熱要素として形成されている。金属薄板間に加熱水室があり、これを経て加湿セル１の作動中温かい加熱水が流れる。加熱水は加湿セル１を経て流れる燃料ガスと加湿水を、ほぼ燃料電池装置の燃料電池の温度迄加熱する。
【００３１】
燃料ガスは、ガス室２１で加湿水により加湿され、ガス室２１を貫流後ガス室２１の作動媒体出口２３に到達する。他の放射方向通路および他の軸方向通路を経て、燃料ガスは加湿された状態で流れて加湿セル１から再び離れて行く。作動媒体出口２３への燃料ガスの流入時に乱流を阻止すべく、作動媒体出口２３の範囲においても、支持要素７ｂが別の覆い装置２４で覆われている。
【００３２】
図３は、図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿う加湿セル１の断面図を示す。この断面は、軸方向通路２５に沿って延び、該通路２５は加湿セル１の作動時加湿水を導く。加湿水は軸方向通路２５を経て流れ、放射方向通路２７を経て別の作動媒体入口２９に達する。この入口２９を貫流した加湿水は加湿水室３１に達し、外板９と覆い装置３３との間を流れる。それから加湿水は支持要素７ａに達する。この要素は化学処理で親水化したカーボン紙である。加湿水の一部は親水性のカーボン紙を透過し、膜５に到達する。この水透過性の膜５に侵入後、加湿水は膜５の他方の面に配置された他の支持要素７ｂも透過する。支持要素７ｂのガス室２１側の面で加湿水が気化し、ガス室２１を経て流れる作動ガスを加湿する。加湿水の他の部分は使用されないまま加湿水室３１を貫流し、別の覆い装置３５に沿って流れてゆき、放射方向通路と別の軸方向通路を貫流後、加湿セル１を離れる。
【００３３】
両支持要素７ａと７ｂは緩く水透過性の膜５に接し、膜５の平らな外面を狭い外縁迄完全に覆っている。両支持要素７ａと７ｂは膜５と共に膜配列体を形成し、該配列体は加湿セル１の両外板９間に挟み込まれている。従って支持要素７ａ、７ｂは一方の面側で膜５に接し、他方の面側で外板９の一方と接している。支持要素７ａ、７ｂにより膜５はしっかりと位置決めされる。更に、支持要素７ａ、７ｂは次のことを生じさせる。即ち膜５が外板９のどこの個所にも接触せず、それ故外板９の一部により覆われない。従って加湿水と作動ガスは、膜５の殆ど全面に沿って支持要素７ａを経て膜５へ突き進む。
【００３４】
図４は、燃料電池装置４１を燃料電池ブロックの形で概略的に示す。燃料電池装置４１は、加湿セル４３からなるスタックと、燃料電池４５からなるスタックとを含む。加湿セル４３は燃料電池４５と同じ幅と高さを有する。このため、加湿セル４３と燃料電池４５の積み重ね方向に沿う燃料電池ブロックは、スタック軸に沿って均一の幅と高さを持っている。更に、加湿セル４３が燃料電池４５と同じ厚みを有する故、加湿セル４３の外側形状と外側寸法は燃料電池４５の外側形状および外側寸法と同じである。
【００３５】
燃料電池装置４１の燃料電池４５の断面を図５に示す。該電池４５は電解質５１と２つの電極５３ａ、５３ｂを含み、電極は各々電解質５１の平らな面に配置されている。電極５３ａに燃料ガス室５５が接し、該ガス室５５は電極５３ａと燃料電池４５の接合導体板５７ａの間に配置されている。電極５３ｂに酸化剤ガス室５９が接し、酸化剤ガス室５９は電極５３ｂと燃料電池４５の他の接合導体板５７ｂの間に配置されている。接合導体板５７ａと５７ｂは、間に冷却水室を囲う２つの金属薄板からなる冷却要素である。
【００３６】
燃料電池４５の作動時、燃料電池４５の冷却のために冷却水が接合導体板５７ａ、５７ｂを経て流れる。燃料電池４５の軸方向通路６１を通って酸化剤ガスが流れ、放射方向通路を経て酸化剤ガス室５９に到達する。
【００３７】
加湿セル１の膜配列体も、燃料電池４５の電解質配列体も密封材料３又は６３からなる枠で囲われている。加湿セル１の密封材料３は、燃料電池４５の密封材料６３と同じ材料である。支持要素７ａ、７ｂも電極５３ａ、５３ｂと同じ支持体材料、即ちカーボン紙からなる。しかし、電極５３ａと５３ｂのカーボン紙は、支持要素７ａ、７ｂとは違い、更に疎水化のために他の材料でコーティングされる。更に電極５３ａ、５３ｂは、電解質５１側の面に、燃料電池４５内の電気化学反応のための触媒として役立つ白金からなるコーティングを有する。電解質５１は水透過性の膜５と同様に“NAFION"からなっている。燃料電池４５と加湿セル１の類似構成に伴い、燃料電池装置４１に使用する材料点数並びに燃料電池装置の製造に必要な工具の個数をひと目で見通すことができる。この結果加湿セル１と燃料電池装置の製造コストが低減する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】加湿セルの本発明実施例を示す一部破断平面図
【図２】図１の加湿セルのＩＩ−ＩＩ断面図
【図３】図１の加湿セルのＩＩＩ−ＩＩＩ断面図
【図４】燃料電池装置の本発明実施例を示す斜視図
【図５】図４の燃料電池の断面図
【符号の説明】
【００３９】
１、４３  加湿セル、３、６３  密封材料、５  膜、７、７ａ、７ｂ  支持要素、９  外板、１１  型押し構造、１３、２４、３３、３５  覆い装置、１５、２９  作動媒体入口、１７、２５  軸方向通路、１９、２７  放射方向通路、２１、５９  ガス室、２３  作動媒体出口、３１  加湿水室、４１  燃料電池装置、４５  燃料電池、５１  電解質、５３ａ、５３ｂ  電極、５７ａ、５７ｂ  接合導体板
【図１】
2005518065.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005518065.tif 000007
【国際調査報告】
2005518065.tif 000008
2005518065.tif 000009
2005518065.tif 000010
2005518065.tif 000011
2005518065.tif 000012
2005518065.tif 000013