(57)【要約】  第１イオン交換膜を備えた燃料電池と、電気化学水素ポンプとして作動できる第２イオン交換膜を備えた電気分解セルを含むユニットを提供する。詳細には、電気分解セルは、水素を主要成分として含有する燃料電池アノード室の排出ガスを吸込み、水素を適当なアノード触媒上でイオン化し、このようにして形成した陽子を第２イオン交換膜を横切って適当なカソード触媒に送出し、ここで陽子を水素に再変換し、この水素を燃料電池の水素供給に混合する。このデバイスによって、燃料電池アノード室に内部水素再循環が形成され、これにより性能を向上できる。多数の燃料電池−電気分解セルユニットを組み立てて、高電圧の電気エネルギを発生できるパッケージ又はスタックを形成してもよい。【選択図】  図５
2008523550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素がアノード室に供給され且つ空気がカソード室に供給される膜燃料電池を含み、該膜燃料電池は、イオン交換膜によって一つのアノード室及び一つのカソード室に分割された水素移動電気化学セルに電気的に直列に接続されているユニットであって、
前記水素移動セルの前記アノード室には、前記燃料電池のアノード排気が供給され、前記水素移動セルの前記カソード室で発生（ｅｖｏｌｖｅｄ）した水素は、前記燃料電池のアノード供給の一部分として再循環される、ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載のユニットにおいて、
前記燃料電池及び前記水素移動セルは、二つの外側バイポーラープレートによって画定された一体の構造内で互いに積層されている、ユニット。
【請求項３】
請求項２に記載のユニットにおいて、
前記燃料電池の前記アノード室は、前記水素移動セルの前記カソード室と一致する、ユニット。
【請求項４】
請求項３に記載のユニットにおいて、
前記水素移動セルの前記カソード室と一致する前記燃料電池の前記アノード室は、金属製網状電流コレクタを収容する、ユニット。
【請求項５】
請求項１に記載のユニットにおいて、
前記燃料電池及び前記水素移動セルが二つの外側バイポーラープレートによって画定された一体の構造内で互いに積層されており、且つ、前記燃料電池を前記水素移動セルから分離する中間バイポーラープレートを備えている、ユニット。
【請求項６】
請求項５に記載のユニットにおいて、
前記中間バイポーラープレートには、前記燃料電池の前記アノード排気を前記水素移動セルの前記アノード室へ内部再循環できるようにする穴が設けられている、ユニット。
【請求項７】
請求項６に記載のユニットにおいて、
前記燃料電池及び前記水素移動セルは、周囲ガスケットを備えており、該ガスケットは、前記中間バイポーラープレートの前記穴と整合し、並置により、前記燃料電池の前記アノード排気を前記水素移動セルの前記アノード室へ内部再循環できるようにするダクトを形成する穴を備えている、ユニット。
【請求項８】
請求項１乃至７のうちのいずれか一項に記載のユニットにおいて、
前記燃料電池には、前記アノード排気を排出するための接続部が設けられており、この接続部は、前記水素移動セルの前記アノード供給及びパージ装置に接続されている、ユニット。
【請求項９】
請求項１乃至８のうちのいずれか一項に記載のユニットにおいて、
前記水素移動セルを一つのアノード室と一つのカソード室に分割する前記イオン交換膜は、炭化水素膜である、ユニット。
【請求項１０】
請求項１乃至９のうちのいずれか一項に記載のユニットにおいて、
前記水素移動セルを一つのアノード室と一つのカソード室に分割する前記イオン交換膜はアノード及びカソードを有し、貴金属の全含有量が０．５ｍｇ／ｃｍ2 を超えない、ユニット。
【請求項１１】
直流発生器であって、
電気的に直列に接続した、請求項１乃至１０のうちのいずれか一項に記載の複数のユニットを含む、直流発生器。
【請求項１２】
請求項１１に記載の発生器において、
水素を前記複数のユニットの前記燃料電池に供給するための共通のマニホールドを備えている、発生器。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載の発生器において、
前記水素移動セルの前記アノード供給に接続された前記燃料電池から前記アノード排気を排出するための共通のマニホールドを備えている、発生器。
【請求項１４】
請求項１１乃至１３のうちのいずれか一項に記載の発生器によって電気エネルギを発生する方法であって、
前記水素移動セルで発生し、前記燃料電池に再循環される水素アノード供給の前記部分は、出力電流とは独立して、前記燃料電池の全アノード供給の半分に等しい、方法。
【請求項１５】
電流発生器であって、
説明及び図面の特徴的要素を含む、電流発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
燃料電池は、燃料と酸化剤との結合の化学的エネルギを電気エネルギに直接変換できることを特徴とする。このため、燃料電池には、中間の熱的段階に基づく周知のカルノーサイクルの制限が及ぼされず、従って、エネルギ効率が高いことを特徴とする。
【背景技術】
【０００２】
現在開発されている幾つかの種類のうち、イオン交換膜燃料電池は、特に自動車について、及び中型乃至小型の住宅用発電の用途で関心が持たれている。これは、コンパクトであり、作動が比較的簡単であり、構成材料の重要な腐朽現象がないためである。
【０００３】
イオン交換膜燃料電池で通常使用される酸化剤は、ほぼ大気圧の、又は３〜４バール（３００ＫＰａ〜４００ＫＰａ）以下の空気である。空気とほぼ同じ圧力で供給される燃料は、水素を二酸化炭素及び窒素等の他の成分とともに含有するガスである。このガスは、通常は、改質器として周知の反応器で炭化水素又はアルコールを変換することによって得られる。こうした反応器のうち、蒸気改質器及び自熱式改質器が最も一般的である。このような種類のガスには二つの重大な欠点がある。即ち、微量の一酸化炭素が残存する。一酸化炭素は、実際には、炭化水素又はアルコールを水素に変換する上で不可避の中間化合物である。更に、一酸化炭素及び窒素が燃料電池内部に許容不能な程、蓄積することがないように、燃料電池から大量のガスをパージする必要がある。一酸化炭素は、たとえ微量であっても、燃料電池の電極で使用される従来のプラチナ触媒をブロックできるため、更に高価であり且つ信頼性に確証がない特殊合金を使用せざるをえなくする。大量のパージ流量には、例えば自動車の用途で蒸気改質反応器の燃料として、又は住宅の用途で熱エネルギを発生するための燃料として、その中に含まれる水素を使用するという問題点があり、両方の場合において、システム全体をかなり複雑にする。
【０００４】
変形例として、燃料電池に純水素を供給してもよい。純水素は、特定の場合には、電気分解によって、又は、より一般的には、例えば金属又はポリマーでできた選択的膜に基づく、又は特定の種類の分子篩等の吸収材料に基づく適当な分離ユニットを介して蒸気改質反応器及び自熱式改質反応器で発生する同様のガス混合物から得られる。純水素が供給される燃料電池は、長期間に亘る作動の信頼性が広く知られている従来のプラチナ触媒を使用でき、原理的には単位化学量論的流量で、即ち、出力電流により消費される水素の量と正確に一致する流量で作動する。それにも関わらず、当業者に「デッドエンドモード（ｄｅａｄ−ｅｎｄ  ｍｏｄｅ）」として知られるこの作動モードには、少なくとも二つの問題点がある。第１の問題点は、燃料電池のカソード室の空気中に含まれる窒素がイオン交換膜を横切って拡散し、アノード側に、特に底部に存在する滞留水素中に徐々に蓄積し、その結果、水素が希釈されることにより、これらの領域での出力電流の優先的分配が、関連性の薄い窒素の存在により決定され、その結果、性能が劣化し、寿命が短くなるということである。第２の問題点は、窒素に関して生じたのと同様に、カソード室から拡散によって輸送された水蒸気が凝縮することによって形成された液体の水の存在によって生じる。液体の水が徐々に蓄積することにより、多孔質アノード触媒構造のフラッディング現象が生じ、性能が更に劣化する。これは、窒素の蓄積によって引き起こされる性能劣化に追加される。こうした不都合を未然に防ぐため、パージを定期的に行うことが提案された。これにより、作動時間中に蓄積した窒素及び水を除去できる。パージの頻度を適切に調節することによって、こうした性能劣化を防ぐことができる。しかしながら、この方法は圧力下で作動する燃料電池で有効である。これは、その状況でのみ、パージによる減圧が、アノードガスをより再生（ｄｅｅｐ  ｒｅｎｅｗａｌ）できるためである。それにも関わらず、このようにして発生した減圧は、壊れやすいイオン交換膜に対して異常な機械的要求を決定する。かくして、イオン交換膜の寿命が短くなる。
【０００５】
変形例として、燃料電池を上述の化学量論的水素流量で作動することができる。余分な水素を排出することにより、イオン交換膜を横切って拡散する窒素及び水を、蓄積による性能の低下が生じる前に連続的に引き出すことができる。しかしながら、余分の水素を利用しなければならないため、改質器で発生したガス混合物を供給する場合について上文中に言及したのと同様に、システム全体が複雑になる。
【０００６】
窒素及び水の蓄積の問題に対する従来技術の最も優れた解決策は、おそらく、機械式ポンプによって排気水素を外部で再循環することを含む。再循環流量を適当に調節することによって、窒素濃度及び水の蓄積の両方を低レベルに保持するのに十分な水素流をアノード室内に発生できる。窒素及び水が過度に濃厚に（ｅｎｒｉｃｈｅｄ）ならないように、及び性能を劣化させる条件に戻らないようにするため、回路から少量のガスを取り出す。しかしながら、この方法の成功は、供給及び再循環を含む全水素流量が、ユーザー機器が通常必要とする高い電圧を得るために組み立てられなければならない多数の燃料電池に亘って、実質的に均等に配分されるという仮定に基付く。構造上の許容差、及び様々な構成要素の組み立てにおける些細ではあるけれども不可避の不完全さにより、ガスを個々の燃料電池に供給するための流路区分が設計値を中心としてランダムに分布するため、水素の流量は、幾つかの燃料電池では、平均値に関して低く、そのため、アノード室から液体の水を除去するのが更に困難になる。その結果、この良くない状況が生じる個々の燃料電池は、性能が低い。これは、極端な場合には、スタック全体を使用不能にしてしまう。この問題点は、多数の構成要素を含むシステムでは対処が困難であり、結局、再循環ポンプのエネルギ消費が悪くなる。
【０００７】
このことは、本発明に最も近い従来技術を開示する米国特許出願公開２００４／０１４２２１５号で配慮されている。米国特許出願公開２００４／０１４２２１５号は、外部再循環ポンプの代わりに少なくとも一つの水素移動電気化学セルを使用することを提案している。この種のセルは、燃料電池と設計上等価であり、イオン交換膜を含み、この膜の面にアノード及びカソードの二つの電極が用いられる。これらの電極には、水素をイオン化して陽子にするのに適した触媒及び陽子を再結合により水素にするのに適した触媒が適用されている。作動中、水素移動セルのアノード室に燃料電池の水素排気を供給する。アノードは、水素をイオン化して陽子にし、陽子は膜を横切って移動し、反対側のカソードで再結合し、純水素を発生する。この生成水素を主供給部に追加し、かくして機械式ポンプを設置することによって得られるのと同じ種類の外部再循環を実現する。水素移動セルの数と燃料電池の数との間の比が。再循環率を決定する。燃料電池とは別個のモジュールとして、又は単一のアッセンブリとして燃料電池と積層して設置された水素移動セルには、外部電源又は燃料電池の電気出力の一部が供給される。米国特許出願公開第２００４／０１４２２１５号のデバイスには、再循環ポンプ及びその回転部品等の壊れやすい構成要素をなくすという利点があるが、幾つかの個々の電池が故障し、通路断面が減少し、内部での水素の流量が低下する可能性があるという不都合が残っている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、従来技術の不都合を解消しようとするものであり、イオン交換膜燃料電池及び水素移動電気化学セルを含む新規なユニットを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の特徴では、本発明のユニットは、水素移動セルと一体化した膜燃料電池を含む。
本発明の一つの好ましい実施例では、水素移動セルと一体化した膜燃料電池が形成するユニットは、二つのバイポーラープレート間に配置されており、燃料電池の内部構成要素が水素移動セルの内部構成要素と一緒に積層してある。
【００１０】
本発明の第２の好ましい実施例では、ユニットは、水素移動セルと関連した膜燃料電池によって形成されており、燃料電池の内部構成要素を第３中間バイポーラープレートによって水素移動セルの内部構成要素から分離した状態で二つのバイポーラープレート間に配置されている。
【００１１】
本発明の別の特徴では、燃料電池の水素排気を水素移動セルに導入し、水素移動セル内で発生した水素を燃料電池のアノード室に内部で再循環する。
本発明の別の特徴では、膜燃料電池によって排出された少量の水素を外部環境に放出する。
【００１２】
本発明の別の特徴では、燃料電池に供給された水素の流量の、水素移動セルが発生する純水素の流量に対する比は一定である。換言すると、移動セルで発生し、燃料電池に再循環される水素供給の一部は、燃料電池の全体アノード水素供給の半分に等しい。
【００１３】
本発明の別の特徴では、水素移動電気化学セルと一体化した又は機械的に関連した膜燃料電池によって各々形成された多数のユニットを組み立て、高電圧の電気エネルギを発生できるスタックを形成する。
【００１４】
本発明は、イオン交換膜燃料電池を電気化学的イオン交換膜水素移動セル（以下、水素移動セルと呼ぶ）と互いに積層することによって形成されたユニットに基づくイオン交換膜燃料電池の、新規な内部水素再循環システムを提供する。
【００１５】
添付図面を参照して本発明を以下に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明のユニットは、新規な水素内部再循環を発生する水素移動セルと共に積層し、一体化し、又は機械的に関連した燃料電池を含む。
燃料電池の内部構造の横断面を図１に示す。図１では、燃料電池（ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）全体に参照番号１が付してあり、内部構成要素を取り囲む導電性バイポーラープレートに参照番号２が付してある。内部構成要素には、イオン交換膜３と、アノード４及びカソード５と、反応ガス分配器の役割も果たす電流コレクタ６及び７と、反応ガスが周囲環境に漏出しないようにする周囲ガスケット８と、水素及び空気を供給／取り出しを行うため、可能な実施例に従ってガスケット８に設けられたダクト９及び１０と、出力電気エネルギのユーザー負荷１１が含まれる。純水素が化学量論的量で供給される場合には、この種の燃料電池は、カソード室から膜を横切って拡散する窒素及び液体の水が徐々に蓄積することによって性能が劣化する。
【００１７】
従来技術が提案する、この問題点に対する第１の解決策を図２に示す。図面を簡単にするために二つしか示してない燃料電池１のスタック１４からマニホールド１３に排出された水素１２は機械式ポンプ１５で吸引され、適当な圧力で分配マニホールド１６に戻され、次いで燃料電池１のアノード室に送られる。供給水素１７は、分配マニホールド１６に接続されている。供給空気１８は、分配マニホールド１９に送出された後、燃料電池１のカソード室に送出され、燃料電池１のカソード室から排出された空気は、マニホールド２０に集められた後、外部環境に放出される。高い水素流量（ｆｌｏｗ−ｒａｔｅ）は、この図には示してない僅かなパージと相まって、窒素濃度を低いレベルに維持でき、液体の水が燃料電池１のアノード室に溜まらないようにする。それにも関わらず、構成要素の製造許容差のため、及び実際に通常行われているように、特にスタック１４が多数の燃料電池を含む場合の組み立ての不具合のために水素が分配マニホールド１６から個々の燃料電池のアノード室へうまく配分されず、このため、幾つかの燃料電池での水素の流量が、計画平均値に関し、窒素濃厚化現象、及び特に液体の水が蓄積する現象が再度生じる程度まで、目立って減少する場合がある。図面を簡単にするため、図２では、作動温度をほぼ６０℃乃至１００℃の範囲内に維持するのに必要な燃料電池スタック冷却回路は示してない。同じ簡略化を図４、図５、図６、及び図７でも行う。
【００１８】
図３は、従来技術で周知の水素移動電気化学セルの横断面図である。詳細には、参照番号２１がセル全体に付してあり、２は、図１の燃料電池について説明したのと同様の二枚のバイポーラープレートであり、６及び７は、ガス分配器としても機能する、図１の燃料電池について説明した電流コレクタと等価な二つの電流コレクタであり、２２は、イオン交換膜であり、２３及び２４は、夫々、アノード及びカソードであり、２５及び２６は、外部環境に向かうガスをシールするための周囲ガスケットであり、これらのガスケットには、再循環される水素用の供給ダクト２７、及び再循環に送出されるべき適当な圧力が作用した水素排出ダクト２８が夫々設けられている。作動中、供給ダクト２７を通して供給された水素は、アノード２３上でイオン化されて陽子を発生し、これらの陽子が膜２２を横切ってカソード２４まで移動し、カソード２４上で陽子が再び水素に変換される。水素→陽子→水素の全体としての流れを矢印で示す。
【００１９】
従来技術では、図２の機械式ポンプ１５の代わりにこの種の水素移動セルを使用することが開示されているが、図４及び図５に示す二つの変形例によれば、水素移動電気化学セル２１が、適当な外部電源３０に接続された別体のモジュールとして設置されているか或いは、燃料電池１と一緒に単一のスタックをなして機械的に組み立てられている。本図及び本願の他の図面において、簡略化を図るため、燃料電池は二つしか示してないが、原理的には、任意の数の燃料電池をスタックで積層してもよい。この場合、水素移動セルは、燃料電池の電気出力の一部を使用して作動する。回路の他の要素は、図２に示すのと全体として同じであり、従って、同じ参照番号が付してある。
【００２０】
作動時では、水素をアノード２３上でイオン化することにより、ある程度の減圧が生じ、ダクト２７を通って水素移動セルへの入口流を促し、陽子がカソード２４上で水素に再変換する際にある程度の加圧が生じ、これにより水素をマニホールド１６に差し向け、次いで燃料電池１のアノード室に差し向ける。図４及び図５の回路は、両方とも、図２の回路の場合に見られるのと同じ問題点がある。これは、上文中に言及したように、通常はスタックを形成する多数の燃料電池の各々に適切な水素流を維持するのが実際上困難であるためである。
【００２１】
本発明は、純水素が供給される膜燃料電池のアノード室に窒素及び液体の水が蓄積するという問題点を解決し、従来技術の欠点を解決することである。
本発明の第１実施例を図６に示す。図６は、単に図面を簡単にする目的で二つのユニットしか含まないスタックの側面図である。これらのユニットの各々は、図１の種類の１つの燃料電池１に図３の水素移動セル２１を共に積層し、一体化したものである。
【００２２】
スタックの側面図の一部が断面で示してあり、水素移動セル２１の構成要素と隣接した燃料電池１の構成要素との間の、本発明による一体化が示してある。詳細には、水素移動セル２１のカソード電流コレクタは、燃料電池のアノード電流コレクタをも形成し、ひいては、水素移動セル２１のカソード室は燃料電池１のアノード室としても作用する。その結果、二つの連続したバイポーラープレート間に形成される隙間が、左から右に向かって、水素移動セルのアノード室、燃料電池のアノード室と一致する水素移動セルのカソード室、及び燃料電池のカソード室の三つの部分に細分される。作動中、供給用純水素１７が分配マニホールド１６に、ひいては燃料電池１のアノード室に導入される。燃料電池からマニホールド１３に排出された水素１２は水素移動セルによって吸い込まれ、アノード２３上でイオン化されて陽子になる。これらの陽子は、膜２２を横切って移動し、カソード２４で水素に再変換される。カソード２４で形成された水素は、従来技術の場合のように外部分配マニホールド１６に送られるのではなく、その代わり、分配マニホールド１６から燃料電池内部に直接来入する供給水素と混合される。この方法により、スタック前後の電流のみに応じて水素が安全に再循環され、製造許容差や組み立ての不正確さと関連したガス流の分配の問題点の影響を受けない。水素移動セルのアノード室の水素→陽子→燃料電池のアノード室の水素という、内部での再循環の流れを矢印で示す。
【００２３】
本発明の第２の実施例を図７に示す。図７は、二つのユニットを含むスタックの側面図である。これらのユニットの各々は、図１の種類の燃料電池１に図３の水素移動電気化学セル２１を共に積層することによって機械的に関連させたものである。側面の部分断面は、水素移動セル２１及び隣接した燃料電池１が二枚の外側バイポーラープレート間に設けられており、別の中間バイポーラープレートによってこれらの電池及びセルの独自性を別々に保持する。この場合、水素移動セルと燃料電池との間の一体性は、機能上の事項であり、水素移動セルのカソード２４で発生した水素は、実際には、中間バイポーラープレートに設けられた、参照番号２９を付した一連の整合した穴を通して、燃料電池のアノード室内に注入される。詳細には、再循環された水素は、従来技術で行われているように外部分配マニホールド１６に送られるのではない。従って、後者の構造的解決策と同様に、内部での水素の再循環は、様々な構成要素の製造許容差及び組み立ての不正確さと関連した分配不良の問題点の影響を受けずに行われる。ガスケット２６及び８の内部に設けた適当なダクト（図示せず）を中間バイポーラープレートに設けられた対応する穴に接続することに基づく変形例の内部設計で、同様の結果が得られる。水素→陽子→水素移動セルのアノード室の水素→中間バイポーラープレートの穴→燃料電池のアノード室の水素という流れを矢印で示す。
【００２４】
燃料電池を水素移動電気化学セルと共に積層し且つ一体化し、又は機械的に関連させた、本発明によるスタックは、確かに、燃料電池のみを含むスタックに典型的な容積及び重量よりも容積が大きく且つ重量があり、一見、容積及び重量を大幅に小さくしなければならない自動車の用途に向かないように見える。しかしながら、本発明のスタックは、水素を内部で再循環し、従って、外部の機械式ポンプ及び関連した接続部及び流量調節を不要にでき、その結果、全体としての有効容積及び重量は、実質的に変化しない。更に、本発明のスタックは作動の信頼性が確実に高い。これは、スタックが、実際上、固定された部品だけでできており、従って機械式再循環ポンプの回転部品がない固体デバイス（ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ  ｄｅｖｉｃｅ）であるためである。本発明のスタックは、最終的には、調節を特に簡単にできる。実際、水素移動セルが燃料電池に電気的に直列に（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｓｅｒｉｅｓ）接続されているため、電気的なユーザー負荷へのスタックの電流出力が、水素再循環流量を決定するためである。更に、出力電流が水素供給流量を決定するため、２つの流量、即ち、供給流量と再循環流量の間の比は常に一定であり、１に等しい。逆に、機械式外部再循環ポンプを持つ従来のシステムの場合には、出力電流と比例する信号を制御デバイスに送る必要があり、制御デバイスは、次いで、ポンプと関連した電動モータの回転速度の調節を行う。
【００２５】
本発明のスタックに対して持ち上がる別の問題点は、特に、燃料電池アッセンブリと同数の水素移動電気化学セルのアノード−膜−カソードアッセンブリに関して必要とされる投資に関する。燃料電池アッセンブリは、過フッ素処理(ｐｅｒｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ)膜を使用しなければならないため、実際に比較的高価な構成要素である。これは、この膜が、空気中の酸素を還元することによってカソード上に形成された強力なラジカル中間体に向かう適切な化学的慣性（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｉｎｅｒｔｉａ）を保証する、現在知られている唯一のものだからである。更に、酸素の反応速度は、プラチナを基材とした触媒の関連した量によってのみ適切になる。それにも関わらず、水素移動セルに組み込まれたアッセンブリは、かなり安価なものになる。この場合、実際には、アノード反応及びカソード反応の両方とも、水素の存在を必要とし、酸素及び関連したラジカル中間体を必要とせず、その結果、安価な炭化水素型イオン交換膜を使用できる。更に、水素をイオン化して陽子を形成するアノードでの反応、及び陽子を水素に再変換するカソードでの反応は、両方とも、反応速度が非常に速いため、プラチナを基材とした触媒の量を大幅に減少できる。水素移動セルに組み込まれたアッセンブリについての唯一の必要条件は、作動中に電気エネルギの大きくない部分を吸収するように、これらのアッセンブリの内部インピーダンスを、好ましくは、１００ｍΩ・ｃｍ2 乃至１５０ｍΩ・ｃｍ2 よりも高くない値に限定しなければならないということである。
【００２６】
本発明の一つの用途を以下の例に開示する。これは、
全く限定を意図したものではなく、得ることのできる利点を更に良く理解するための単なる例である。
【００２７】
７０個の燃料電池の間に同数の水素移動電気化学セルを挟み込んで組み立てられた図６に示す種類のスタックは、以下の特性要素を備えている。
各燃料電池及び各水素移動セルの活性面積：５００ｃｍ2 。
【００２８】
燃料電池用プリメア（プリメア（ＰＲＩＭＡ）は登録商標である）型アノード−過フッ素処理膜−カソードアッセンブリ。プラチナの総量は、１ｍｇ／ｃｍ2 である。日本国のゴア（Ｇｏｒｅ）社によって提供される。
【００２９】
水素移動用セルの、アノード−炭化水素型膜−カソード実験用アッセンブリ。プラチナの総量は、０．２ｍｇ／ｃｍ2 である。
ＡＩＳＩ  ３１６Ｌ型ステンレス鋼バイポーラープレート。
【００３０】
ニッケル−クロム金属発泡体でできた電流コレクタ。
ＡＢＳポリマー製の穿孔ガスケット。
空気を、１．３バール（１３０ＫＰａ）（絶対）の圧力で、各電流出力レベルで必要とされる理論的流量の２倍で供給する。
【００３１】
水素を、１．８バール（１８０ＫＰａ）（絶対）の圧力で、電流出力及びパージ（ｐｕｒｇｅ）の関数として自動的に調節して供給する。
水素を２０分毎にパージする。これは、全供給量の約２％に相当する。
【００３２】
スタックを一定の流量の冷却水で冷却し、入口温度及び出口温度を夫々５１℃及び５３℃にする。
出力電流：１００Ａ。
【００３３】
全スタック電圧：４７Ｖ。１２００時間の試験期間中に一定であった。
一つの燃料電池の平均電圧：０．７Ｖ。
一つの水素移動セルの平均電圧：０．０３Ｖ。
【００３４】
上掲のデータは、本発明の第１実施例によって得られた水素内部再循環により、大型のスタックで、時間的に安定な作動を得ることができるということを示す。更に、これらのデータは、全ての燃料電池で水素内部再循環を確実にするために水素移動セルによって吸収される電力が２１０Ｗ（０．０３×７０×１００）に等しいということを示す。これは、燃料電池が発生できる４９００Ｗ（０．７×７０×１００）電力の約５％に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】純水素及び空気が供給される、本発明のユニットの第１要素を示す、燃料電池の概略側面図である。
【図２】水素の外部再循環が、従来技術に従って、機械式ポンプによって行われる、図１の燃料電池のスタックの概略図である。
【図３】本発明の水素移動セルの概略側面図である。
【図４】水素の内部再循環が、従来技術に従って、別体の要素として設置された図３の水素移動セルによって行われる、図１の燃料電池のスタックの概略図である。
【図５】水素の外部再循環が、従来技術に従って、燃料電池と機械的に関連した図３の水素移動セルによって行われる、図１のイオン交換膜燃料電池のスタックの概略図である。
【図６】図１の燃料電池を図３の水素移動セルと互いに積層することによって一体化した二つのユニットを含む、本発明の第一実施例によるスタックの部分断面図であり、燃料電池構成要素及び水素移動セル構成要素は、二つのバイポーラープレート間に配置されており、水素を内部で再循環する。
【図７】図１の燃料電池を図３の水素移動セルと互いに積層することによって機械的に関連した二つのユニットを含む、本発明の別の実施例によるスタックの部分断面図であり、燃料電池構成要素及び水素移動セル構成要素は、二つの外側バイポーラープレート間に配置されており且つ別の中間バイポーラープレートによって分離された状態に保持されており、水素を内部で再循環する。
【符号の説明】
【００３６】
１  燃料電池
２  導電性バイポーラープレート
３  イオン交換膜
４  アノード
５  カソード
６、７  電流コレクタ
８  周囲ガスケット
９、１０  ダクト
１１  負荷
１２  水素
１３  マニホールド
１４  スタック
１５  機械式ポンプ
１６  分配マニホールド
１７  供給水素
１８  供給空気
１９  分配マニホールド
２０  マニホールド
２１  燃料電池
２２  イオン交換膜
２３  アノード
２３  カソード
２５、２６  周囲ガスケット
２７  供給ダクト
２８  水素排出ダクト
【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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【図７】
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【国際調査報告】
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