(57)【要約】相互に直列接続して燃料電池積層体にまとめられる一群の燃料電池（２）を有する、特に潜水艇用の燃料電池モジュール（１）は、このモジュールの作動時に発生し、外側から検知可能な磁場、即ち漂遊磁界を特に少なくするよう形成する必要がある。そのため本発明では、燃料電池（２）自体も、燃料電池に接続する接続構成要素又はそれらに属する補助要素も、容器（４、１０、１２）も、１．１以下の比透磁率を有する材料により形成する。
2004515050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器（４）内に配置され、２枚の極板により境界付けられ、２枚の導電接続板と境を接する電解質−電極ユニットから成り、電気的に直列に接続された各燃料電池（２）を有する燃料電池モジュール（１）において、容器（４）、極板及び導電接続板が、１．１以下の比透磁率（μｒ）を有する材料からなることを特徴とする燃料電池モジュール（１）。
【請求項２】
容器（４）、極板及び導電接続板が非金属材料又はオーステナイト鋼から形成されたことを特徴とする請求項１記載のモジュール（１）。
【請求項３】
燃料電池（２）を構成する材料、それらに接続する接続構成要素又はそれらに取付けられた補助成分の材料、更に容器（４）に使用される材料が、各々１．１以下の比透磁率（μｒ）を有することを特徴とする請求項１又は２記載のモジュール（１）。
【請求項４】
各燃料電池（２）が、ガス及び／又は冷却剤室を持ち、かつ接触板を備えた多数の支持板を含み、該支持板は各々グラファイトを添加されたチタンベースの保護層を備えたプラスチックボディで形成された請求項１乃至３の１つに記載のモジュール（１）。
【請求項５】
作動状態で１つ又は全ての燃料電池（２）の反応物との接触に曝される構成要素の少なくとも表面範囲が、ニッケルベース合金から形成された請求項１乃至４の１つに記載のモジュール（１）。
【請求項６】
表面範囲が約５０％のＮｉの合金成分を含む請求項５記載のモジュール（１）。
【請求項７】
補助構成要素が、特殊鋼又はニッケルベース合金から形成されたことを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載のモジュール（１）。
【請求項８】
補助構成要素の材料がＮｉを約５０％の合金成分として含む請求項７記載のモジュール（１）。
【請求項９】
補助構成要素が、１．３９５４、１．３９６４又は１．３９７４型の特殊綱から形成された請求項７記載のモジュール（１）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、容器内に配置され、電気的に直列に接続された一群の燃料電池を有する燃料電池モジュールに関する。
【０００２】
燃料電池は環境に優しい電気の生成に用いられる。燃料電池内では、ほぼ電気分解と逆のプロセスが進行する。そのため燃料電池では水素を含む燃料がアノードに、また酸素を含む補助物質がカソードに供給される。その際アノードとカソードは電解質層により電気的に互いに分離されており、この電解質層は、燃料と酸素との間にイオン交換を生じさせるが、燃料と補助物質の気密な分離を保証する。イオン交換により燃料中に含まれる水素は酸素と反応して水を生じ、その際燃料側の電極、即ちアノードで電子が増え、補助物質側の電極、即ちカソードで電子が吸収される。従って燃料電池の作動時に利用できる電位差、即ち電圧がアノード・カソード間に生じ、電気生成プロセスで生じる廃棄物として水だけが生じる。従って、高温燃料電池の場合セラミックスの固体電解質として又は低温燃料電池の場合ポリマー膜として形成可能な電解質膜は、反応物を互いに分離し、イオンの形で電荷を運び、かつ電子の短絡を阻止する作用を有する。
【０００３】
燃料電池は平板状の電解質を含み、その一方の側面は平坦なアノードに、またもう一方の側面は同様に平坦なカソードに接する。この両電極は、電解質と共に所謂電解質−電極ユニットを構成する。アノードに隣接してアノードガス室が、またカソードに隣接してカソードガス室が配置される。燃料電池のアノードガス室と、この電池に隣接する燃料電池のカソードガス室との間に導電接続板が配置される。この接続板は、第１に挙げた燃料電池のアノードと、第２に挙げた燃料電池のカソードとの間に電気的接続を生じさせる。燃料電池の種類に応じ導電接続板は、例えば単一の金属プレートとして、又はその間に冷却水のスペースを有する２枚の互いに積層されたプレートから成る冷却素子として形成される。燃料電池の実施形態に応じて燃料電池積層体中に、例えば導電層、パッキン又は圧子のような他の構造部材が存在する。
【０００４】
通常使用される材料の電気化学的ポテンシャルに基づき、この種燃料電池内では、正常な作動条件下に、約０．６〜１．０Ｖの電極電圧を生じ、その作動中保持される。従って、使用目的や設定出力に依存して、著しく高い総電圧を必要とするような工業上の使用には、各燃料電池から供給される電極電圧の合計が、必要とされる合計電圧に相当し又はこれを越えるように、通常多数の燃料電池が燃料電池積層体の形で直列に接続される。必要となる総電圧に応じ、このような燃料電池積層体中の燃料電池の数は、例えば５０個又はそれ以上になり得る。
【０００５】
この種の燃料電池積層体にまとめられた燃料電池の作動時に生ずる電位差を利用可能とするため、燃料電池積層体の配線に負荷が接続される。その際、燃料電池積層体に電気的に負荷を接続すべく、直列接続した最外側の燃料電池に、各々電流を導出・入する所謂極板が配置される。
【０００６】
かかる燃料電池の特殊な作動特性に基づき、特に水だけを唯一の主な廃棄物として生じることに関して、燃料電池はまた、特に例えば潜水艇のような、それ自体閉鎖した可動システムのエネルギー供給に適している。その際、特にごく限定された空間寸法の燃料電池設備内で比較的高い出力密度で、かつ通常の電圧レベルで、比較的高い出力電流を達成できると特に有利である。その上、特に潜水艇内に使用する場合、燃料、即ち水素を含む材料は、比較的コンパクトな形で準備できる。その際補助剤、即ち酸化剤として純酸素を使用できる。水素は特に水素化物タンクに容れて運搬できる。
【０００７】
特に潜水艇に燃料電池を使用する際、外部に出る信号、即ち潜水艇の停止位置又は運転時に外から探知される徴候を特に少なくすることが望ましい。これらの信号に、燃料電池の作動時に流出・入する電流で生じる磁場も含まれる。
【０００８】
従って本発明は、外側範囲で探知可能な磁場、即ち漂遊磁場を特に少なく保持し、容器内に配置され、電気的に直列接続された一群の燃料電池を有する燃料電池モジュールを提供することにある。
【０００９】
この課題は、本発明によればその容器も、極板及び導電接続板も、１．１以下の比透磁率（μｒ）を有する材料から形成することにより解決される。
【００１０】
ここで、比透磁率μｒは、磁場強度Ｈと磁気誘導、即ち磁束密度Ｂとの間の物質に依存する比例定数のことである。この場合比透磁率μｒは、特に各々の物質がその構造又は分子の特性に基づき、所定の外部の磁束密度Ｂに感応して、全体として生じる磁場強度Ｈにいかに寄与するかを示す。
【００１１】
本発明は、燃料電池モジュールの外側部分内で検出可能な磁場が、能動的寄与によっても、受動的寄与によっても形成されるという考え方から出発する。従って燃料電池モジュールの外側部分内で検出可能な磁場を、特に少なく保持するために、このような両方の寄与を、相互に独立して、特に少なく保持しなければならない。例えば燃料電池モジュールの作動時の作動電流により誘導される能動的寄与に関しては、これが燃料電池モジュールの作動時の電流操作に関して設定基準値内で生じ得る。しかしまた付加的に、受動的寄与、即ち外からの所定の磁場又は流れる作動電流により形成される磁場に感応して、付加的に発生する寄与成分は、特に少なく保持すべきである。このような寄与の基準は、比透磁率μｒに見ることができる。従って燃料電池モジュールの材料には、その比透磁率μｒ及び所定の磁場に感応して生じる寄与分が特に少なくなるように選択する。
【００１２】
有利な材料として、例えば非金属材料又はオーステナイト鋼がある。それらは所望の低い透磁率を有し、化学的腐食に特に耐える。
【００１３】
燃料電池自体、燃料電池に接続する接続構成要素又はそれに取付けられる補助要素、更に容器に使用する材料にも、１．１以下の比透磁率を持つ材料が有利である。こうして高磁性材料も、これに伴い大きな信号を完全に回避できる。
【００１４】
燃料電池は、通常各々ガス室及び／又は冷却剤室を含み、かつ接触板を備え、冷却板とも呼ばれる多数の支持板を含む。実際の燃料電池に重要なこれら機能要素は、グラファイトを添加した、チタンベースの保護層を備えるプラスチックボディから形成するとよい。その際プラスチックで結合されたグラファイトを上述の構成要素の主な材料として選択することで、それらが特に僅かな比透磁率μｒを有し、従ってほぼ完全に非磁性であることを保証できる。またチタンをベースとして形成した保護層は、各機能構成要素が腐食性の雰囲気や環境内でも、さほど損なわれることのない作動可能性を保証する。即ちこれらの構成要素は燃料電池の作動時に、通常、例えば純酸素のような腐食性の雰囲気に曝され、それにより著しく腐食されることが予想されるからである。
【００１５】
プラスチックで結合したグラファイトを基本材料として選択した場合も、上記構成要素をこの種の腐食に対し安定化するため、チタンベースの保護層で不働態化すると有利である。
【００１６】
代替的な或いはより有利な実施形態では、作動状態で燃料電池、即ち個々の燃料電池の反応物と接触する燃料電池モジュールのこれらの構成要素の少なくとも表面範囲を、ニッケルベース合金から形成する。即ち、この種の材料の選択により、一方で比透磁率μｒを特に少なく保持できることが保証される。
【００１７】
更にまた、この種材料は比較的耐食性であり、従ってまた反応物の腐食性の雰囲気に接触しても、特に長い運転時間でも確実に作動する。従って各燃料電池内で直接電気化学プロセスに曝される、例えば極板、母線及び／又は冷却板等の導電接続板の如き構成要素は、ニッケル基のこの種の合金から製造する。
【００１８】
別の有利な実施形態では、上記表面範囲は約５０％以上のニッケルの合金成分を含む。その際特に合金成分としてＮｉ５０％、Ｃｒ１５％、Ｍｏ１５％及び比較的少量の鉄分から成り、ハステロイと呼ばれるニッケルベース合金も使用できる。該合金は、１．０８以下の比透磁率を持ち、従って燃料電池モジュールに使用するのに特に好ましい。又はクロム成分を他の適した材料と代えてもよい。
【００１９】
燃料電池モジュール内で、本来の燃料電池に、通常例えば弁、測定装置、センサ、管、ホース又は分離器のような作動部分とも言われる補助要素又は処理装置が取付けられている。これら補助的構成要素は、中枢となる上記構成要素と対照的に燃料電池モジュールの作動時、反応物質又は電気化学プロセスに直接曝されることはない。これら補助的構成要素は、１つには十分に低い透磁率μｒを確保すべく、また１つには製造上の出費を特に少なくするため、特殊鋼、特に磁化されることのごく少ない特殊鋼又はニッケルベース合金から形成するとよい。ニッケルベースの上記補助構成要素を製造する場合、それら材料が約５０％のニッケルを合金成分として含むと有利である。従って特に有利な実施形態では、上述したハステロイとも呼ばれる材料をこれらの構成要素に使用する。
【００２０】
上記の補助構成要素を特殊鋼から製造する際、材料として１．３９５４、１．３９６４又は１．３９７４の記号で入手可能な、窒素で安定化され、極めて磁化されることの少ない特殊鋼を使用するとよい。他のこのような特殊鋼として１．３８０２、１．３８０５、１．３８１３、１．３８１５、１．３８１７、１．３８１９、１．３９４１、１．３９４９、１．３９５２、１．３９５３、１．３９５８、１．３９６０、１．３９６２、１．３９６５、１．３９６７及び１．３９６８の記号を有する特殊鋼が対象となる。
【００２１】
本発明による利点は、特にこのような燃料電池にも、また使用される関連又は補助構成要素にも、更に燃料電池モジュールの容器にも、約１．１以下の比透磁率μｒの低い材料を選択することで、上記の構成要素又はそれらの構造部品も、燃料電池モジュールの容器も、比較的僅かに磁化されるに過ぎない点にある。従ってこれら構成要素又はそれらの材料により、外部の影響又は動作電流により生じ、ごく僅かに局部的に存在する磁場強度を生じるに過ぎない。従って燃料電池モジュールは、その外側範囲に特に僅かな信号を生ずるに過ぎない。
【００２２】
本発明の実施例を、図面に基づき以下に説明する。
【００２３】
図１の燃料電池モジュール１は、燃料電池積層体の形にまとめられ、電気的に直列接続された一群の燃料電池２を有する。燃料電池２は、電気的に入口側で導線６と、また出口側で導線８を介して負荷（図示せず）と接続され、内側容器４により囲まれた燃料電池ブロックを形成する。
【００２４】
燃料電池積層体にまとめた燃料電池２に、内側容器４の外側の共同の容器区分１０内に配置された、弁、測定装置、センサ、ホース、管又は分離器のような一群の補助構成要素（図示せず）が取付けられている。内側容器４とそれに重ねられた容器区分１０は、それらがジャケットケースの形で囲んでいる外側容器１２内に一緒に配置され、燃料電池モジュール１の機械的な及び漏出に対する保護の役目を果たす。その際配線６、８は、外側容器１２にフランジを介して接合された接続部分１４により容器１２の外側範囲に導出される。
【００２５】
燃料電池モジュール１は、その作動時に、外側から探知可能な信号の発生をできるだけ低く保つように形成される。そのため燃料電池モジュール１は、その作動時に図中矢印１６により示す作動電流Ｉにより能動的に形成される磁場も、材料の反応によりこの磁場又は外側から印加される磁場で形成される付加的磁場も特に少なく保持するよう形成されている。そのため、配線６、８並びにこの実施例には図示しない他の導電部分及び導体要素を、そこを流れる電流により外側範囲内に形成される磁場が十分に相殺され、それにより特に残留磁場がごく少なくなるよう配置されている。更に受動的磁場に関しても、その寄与を燃料電池モジュール１により特に少なく保持すべく、更に使用する全材料を１．１以下の比透磁率μｒを有するよう選択している。
【００２６】
更に燃料電池２をこのように構成するために使用する材料も、燃料電池２に接続する接続構成要素又は容器区分１０内に配置する補助構成要素の製造にも、また内側容器４、容器区分１０及び外側容器１２に使用される、相応して低い比透磁率μｒを有する材料を選択する。
【００２７】
燃料電池２は、支持板とも言われ、冷却板として形成された導電接続板を有する。それらは、冷却水のスペースを囲む溝や鋳造体で互いに接続され又は電解質−電極ユニットと接続し、燃料（水素含有気体）及び補助剤（酸素含有気体）が流れるガス室を形成する。これら板は、主にグラファイトを添加したプラスチックボディで形成されている。このプラスチック結合グラファイトとも呼ばれるこのプラスチックボディは、実際に非磁性であり、約１．０の比透磁率μｒを有する。或いはまたニッケルをベースとする合金又は特殊鋼も主材料として使用できる。付加的に、作動時に電気化学プロセス、従ってまた特に腐食性の雰囲気で反応物に曝されるこれら構成要素を、特に長い作動時間用に形成するため、プラスチックボディに各々チタンベースの保護層を備える。極板はニッケルベース合金から形成する。この場合、材料としてＮｉ５０％、Ｃｒ１５％、Ｍｏ１５％並びにごく僅かに鉄分含むハステロイとも呼ばれる合金成分も使用できる。
【００２８】
容器区分１０内に配置する補助構成要素を、同様にこの種ニッケルベース合金から形成しても良い。
【００２９】
しかし本実施例では、補助構成要素を特殊鋼から形成しており、従って同様に極めて比透磁率が低く、またその容器区分１０に使用すべく耐食性も十分に与えられる。更に窒素の添加により特に安定化された非磁性の特殊鋼から成る補助構成要素が形成される。この実施例では、材料として１．３９６４の材料番号で入手可能な特殊鋼を備える。しかしまた材料番号１．３９５４又は材料番号１．３９７４で入手可能な特殊鋼も使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池モジュールの概略断面図。
【符号の説明】
１　燃料電池モジュール、２　燃料電池、４　内側容器、６、８　配線、
１０　容器区分、１２　外側容器、１４　接続部分、１６　作動電流
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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