JP2001143724A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ガスの適当な輸送手段および分離手段を装備
させることにより、実質的に費用の有効性および現在の
燃料電池の効率を高める。 【解決手段】 少なくとも次の要素：ａ）反応ガスのた
めの少なくとも１つのガス流路をそれぞれ備えた２個の
電極およびｂ）液体電解質を有する燃料電池の場合に、
各電極のそれぞれのガス流路が、少なくとも１つの入口
を有し、かつ電極の配置によって規定された電荷の下で
イオンの移動方向に対して垂直に延びている燃料電池。
させることにより、実質的に費用の有効性および現在の
燃料電池の効率を高める。 【解決手段】 少なくとも次の要素：ａ）反応ガスのた
めの少なくとも１つのガス流路をそれぞれ備えた２個の
電極およびｂ）液体電解質を有する燃料電池の場合に、
各電極のそれぞれのガス流路が、少なくとも１つの入口
を有し、かつ電極の配置によって規定された電荷の下で
イオンの移動方向に対して垂直に延びている燃料電池。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池、殊に電
解質で充填された電極を有する仕切のない燃料電池に関
する。
解質で充填された電極を有する仕切のない燃料電池に関
する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、化学エネルギーを電気エネ
ルギーに変換するエネルギー変成器である。燃料電池に
おいては、電解質の原理は、逆である。
ルギーに変換するエネルギー変成器である。燃料電池に
おいては、電解質の原理は、逆である。
【０００３】現在、種々の型の燃料電池が公知であり、
これらは、なかんずく動作温度の点で互いに異なる。し
かし、電池の構造は、原理的に全型において同一であ
る。この構造は、なかんずく反応が発生する２個の電
極、即ち１個の陽極および１個の陰極ならびにこれら２
個の電極の間の電解質を有する。この構造は、３つの機
能を有している。この構造は、イオン接触を確立し、電
気的接触を阻止し、また電極に供給されたガスの分離に
役立つ。電極には、一般に酸化還元反応において反応さ
れるガスが供給される。例えば、陽極には、水素が供給
され、陰極には、酸素が供給される。このガス供給の達
成のために、電極には、導電性のガスを分配する装置が
装備されている。この装置は、一般に微細な通路系から
なる格子状の表面構造を有する板である。１つの例外
は、直接的なメタノール燃料電池であり、この場合に
は、燃料は、ガス状ではなく、その代わりにメタノール
の水溶液である。全ての燃料電池中での全面に亘る反応
は、陽極二次工程（anodic substep）と陰極二次工程
（cathodic substep）とに分けられてよい。動作温度、
使用される電解質および可能な燃料ガスに関連する電池
の種々の型の間には、差異がある。
これらは、なかんずく動作温度の点で互いに異なる。し
かし、電池の構造は、原理的に全型において同一であ
る。この構造は、なかんずく反応が発生する２個の電
極、即ち１個の陽極および１個の陰極ならびにこれら２
個の電極の間の電解質を有する。この構造は、３つの機
能を有している。この構造は、イオン接触を確立し、電
気的接触を阻止し、また電極に供給されたガスの分離に
役立つ。電極には、一般に酸化還元反応において反応さ
れるガスが供給される。例えば、陽極には、水素が供給
され、陰極には、酸素が供給される。このガス供給の達
成のために、電極には、導電性のガスを分配する装置が
装備されている。この装置は、一般に微細な通路系から
なる格子状の表面構造を有する板である。１つの例外
は、直接的なメタノール燃料電池であり、この場合に
は、燃料は、ガス状ではなく、その代わりにメタノール
の水溶液である。全ての燃料電池中での全面に亘る反応
は、陽極二次工程（anodic substep）と陰極二次工程
（cathodic substep）とに分けられてよい。動作温度、
使用される電解質および可能な燃料ガスに関連する電池
の種々の型の間には、差異がある。
【０００４】低温燃料電池と高温系とは、基本的に区別
される。低温燃料電池は、一般に著しく高い電気効率を
有する。しかし、この低温燃料電池によって放出される
熱は、低い温度レベルのために利用することは困難であ
る。従って、この燃料電池は、短距離での加熱にのみ利
用されることができ、下降流のエネルギー変性法には利
用されることができない。従って、低温燃料電池は、移
動しながらの使用および分散される低電力の用途に適切
である。他面、電力発生段階により、生じた熱から電気
エネルギーを発生させるため、または生じた熱を処理熱
として利用するために高温系の下降流が設置されてよ
い。
される。低温燃料電池は、一般に著しく高い電気効率を
有する。しかし、この低温燃料電池によって放出される
熱は、低い温度レベルのために利用することは困難であ
る。従って、この燃料電池は、短距離での加熱にのみ利
用されることができ、下降流のエネルギー変性法には利
用されることができない。従って、低温燃料電池は、移
動しながらの使用および分散される低電力の用途に適切
である。他面、電力発生段階により、生じた熱から電気
エネルギーを発生させるため、または生じた熱を処理熱
として利用するために高温系の下降流が設置されてよ
い。
【０００５】燃料電池の公知技術水準は、次の工業的に
適切な型を含む：ＡＦＣ（alkaline fuel cell：アルカ
リ燃料電池）、ＰＥＦＣ（polymer electrolyte fuel c
ell：ポリマー電解質燃料電池）、ＰＡＦＣ（phosphori
c acid fuel cell：燐酸燃料電池）、ＭＣＦＣ（molten
carbonate fuel cell：溶融炭酸塩燃料電池）、ＳＯＦ
Ｃ（solid oxide fuel cell：固体酸化物燃料電池）。
適切な型を含む：ＡＦＣ（alkaline fuel cell：アルカ
リ燃料電池）、ＰＥＦＣ（polymer electrolyte fuel c
ell：ポリマー電解質燃料電池）、ＰＡＦＣ（phosphori
c acid fuel cell：燐酸燃料電池）、ＭＣＦＣ（molten
carbonate fuel cell：溶融炭酸塩燃料電池）、ＳＯＦ
Ｃ（solid oxide fuel cell：固体酸化物燃料電池）。
【０００６】ポリマー電解質燃料電池および燐酸燃料電
池は、殊に据え付けた場合の使用および移動しながらの
使用の双方に通常著しく重要であり、その幅広い商品化
は、今にも起こりそうである。他面、他の型は、これま
でに幾つかの実験用プラントにおいて動作されているか
または動作されてきた、或いは特殊な用途のために、例
えば宇宙飛行の分野または軍事的目的のために動作され
ているかまたは動作されてきた。
池は、殊に据え付けた場合の使用および移動しながらの
使用の双方に通常著しく重要であり、その幅広い商品化
は、今にも起こりそうである。他面、他の型は、これま
でに幾つかの実験用プラントにおいて動作されているか
または動作されてきた、或いは特殊な用途のために、例
えば宇宙飛行の分野または軍事的目的のために動作され
ているかまたは動作されてきた。
【０００７】公知技術水準によれば、全ての燃料電池
は、三次元電極として公知である、ガス透過性の多孔質
電極を有している。この電極は、集約的な用語でガス拡
散電極（ＧＤＥ）と呼ばれる。それぞれの反応ガスは、
前記電極を通して電極に密接に輸送される（図１参
照）。全ての燃料電池中に存在する電解質は、燃料電池
中でのイオン電荷の輸送を保証する。この電解質は、２
個の電極の間の気密な障壁を形成する付加的な仕事を為
す。更に、電解質は、電解質反応が行なわれうる安定な
三相層の形成を保証しかつ促進させる。
は、三次元電極として公知である、ガス透過性の多孔質
電極を有している。この電極は、集約的な用語でガス拡
散電極（ＧＤＥ）と呼ばれる。それぞれの反応ガスは、
前記電極を通して電極に密接に輸送される（図１参
照）。全ての燃料電池中に存在する電解質は、燃料電池
中でのイオン電荷の輸送を保証する。この電解質は、２
個の電極の間の気密な障壁を形成する付加的な仕事を為
す。更に、電解質は、電解質反応が行なわれうる安定な
三相層の形成を保証しかつ促進させる。
【０００８】アルカリ燃料電池においては、電解質は、
液体であることができる。他面、燐酸燃料電池および溶
融炭酸塩燃料電池においては、無機の不活性支持体は、
電解質と一緒になってイオン伝導性で気密なマトリック
スを形成する。固体の酸化物燃料電池においては、高温
の酸素イオン導体は、一般に電解質および同時に膜とし
て役立つ。ポリマー電解質燃料電池は、有機イオン交換
膜を電解質として使用し、工業的に実現された場合に
は、過弗素化陽イオン交換膜を電解質として使用する。
液体であることができる。他面、燐酸燃料電池および溶
融炭酸塩燃料電池においては、無機の不活性支持体は、
電解質と一緒になってイオン伝導性で気密なマトリック
スを形成する。固体の酸化物燃料電池においては、高温
の酸素イオン導体は、一般に電解質および同時に膜とし
て役立つ。ポリマー電解質燃料電池は、有機イオン交換
膜を電解質として使用し、工業的に実現された場合に
は、過弗素化陽イオン交換膜を電解質として使用する。
【０００９】電極の構造および電解質の型は、三相境界
層を定める。逆に言えば、３つの型の各電池の境界層の
構造は、ガス拡散電極および電解質に対する特殊な要求
を生じる。この要求は、電流密度、温度条件ならびに支
持材料の有用性、ならびに触媒および助剤の有用性に関
連して制限を生じる。陽極および陰極での別々のガス空
間の密封により、複雑な構造をまねき、ひいては高い費
用および技術的な困難もまねく。
層を定める。逆に言えば、３つの型の各電池の境界層の
構造は、ガス拡散電極および電解質に対する特殊な要求
を生じる。この要求は、電流密度、温度条件ならびに支
持材料の有用性、ならびに触媒および助剤の有用性に関
連して制限を生じる。陽極および陰極での別々のガス空
間の密封により、複雑な構造をまねき、ひいては高い費
用および技術的な困難もまねく。
【００１０】現在の全ての燃料電池において、反応ガス
は、電極の反対側、即ちそのつど対向電極から離れた側
面からガス分配系を用いて電気化学的に活性の帯域に供
給される。ガスの輸送およびイオンの移動の双方は、電
荷の下で、電極間でのイオンの移動および反対側での電
極へのガスの移動を伴いながら、所定の幾何学的寸法の
電極に対して垂直に行なわれる。従って、全期間におい
て、ガスの輸送およびイオンの輸送は、平行に進行する
（図１参照）。これは、反応ガスの混合が特殊に備えら
れた分離媒体によって阻止されなかったかまたは幾つか
のＡＦＣにおいて電極上の電解質の定義された流れによ
って阻止されなかったとしても、２個の電極の間の境界
への良好なガス輸送がこの境界で反応ガスの混合をまね
くであろうという結果を有する。この反応ガスの混合
は、安全の理由から回避されなければならない。更に、
他の電極上に進行するガスは、各電極で混合された電位
形成をまねくであろう。これは、電力の重大な減少を生
じるであろう。しかし、適当な輸送手段および分離手段
を装備させることが困難であることにより、実質的に費
用の有効性および現在の燃料電池の効率が制限される。
更に、現在の燃料電池の前記動作原理は、電池の水平衡
および熱管理をいっそう困難にする。ＰＥＦＣの場合に
は、例えば形成される水は、他面で膜が導電性のままで
あることを保証するために系が十分に湿潤されたままで
なければならないのであるけれども、ガス拡散電極が”
水浸し”にならない程度に電池から除去されなければな
らない。更に、殆んど熱応力に耐えない材料、殊にイオ
ン交換膜のために、熱の除去は、同様に電池の長期間の
効率に対する重要な判断基準である。
は、電極の反対側、即ちそのつど対向電極から離れた側
面からガス分配系を用いて電気化学的に活性の帯域に供
給される。ガスの輸送およびイオンの移動の双方は、電
荷の下で、電極間でのイオンの移動および反対側での電
極へのガスの移動を伴いながら、所定の幾何学的寸法の
電極に対して垂直に行なわれる。従って、全期間におい
て、ガスの輸送およびイオンの輸送は、平行に進行する
（図１参照）。これは、反応ガスの混合が特殊に備えら
れた分離媒体によって阻止されなかったかまたは幾つか
のＡＦＣにおいて電極上の電解質の定義された流れによ
って阻止されなかったとしても、２個の電極の間の境界
への良好なガス輸送がこの境界で反応ガスの混合をまね
くであろうという結果を有する。この反応ガスの混合
は、安全の理由から回避されなければならない。更に、
他の電極上に進行するガスは、各電極で混合された電位
形成をまねくであろう。これは、電力の重大な減少を生
じるであろう。しかし、適当な輸送手段および分離手段
を装備させることが困難であることにより、実質的に費
用の有効性および現在の燃料電池の効率が制限される。
更に、現在の燃料電池の前記動作原理は、電池の水平衡
および熱管理をいっそう困難にする。ＰＥＦＣの場合に
は、例えば形成される水は、他面で膜が導電性のままで
あることを保証するために系が十分に湿潤されたままで
なければならないのであるけれども、ガス拡散電極が”
水浸し”にならない程度に電池から除去されなければな
らない。更に、殆んど熱応力に耐えない材料、殊にイオ
ン交換膜のために、熱の除去は、同様に電池の長期間の
効率に対する重要な判断基準である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、現在
の燃料電池の上記動作原理における固有の欠点を回避さ
せる燃料電池を提供することである。
の燃料電池の上記動作原理における固有の欠点を回避さ
せる燃料電池を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】この目的は、少なくとも
次の要素： ａ）反応ガスのための少なくとも１つのガス流路をそれ
ぞれ備えた２個の電極および ｂ）液体電解質を有する燃料電池によって達成され、こ
の場合各電極のそれぞれのガス流路は、少なくとも１つ
の入口を有し、かつ電極の配置によって規定された電荷
の下でイオンの移動方向に対して垂直に延びていること
が見い出された。
次の要素： ａ）反応ガスのための少なくとも１つのガス流路をそれ
ぞれ備えた２個の電極および ｂ）液体電解質を有する燃料電池によって達成され、こ
の場合各電極のそれぞれのガス流路は、少なくとも１つ
の入口を有し、かつ電極の配置によって規定された電荷
の下でイオンの移動方向に対して垂直に延びていること
が見い出された。
【００１３】本発明の目的のためには、”垂直”とは、
ガス流路とイオンの移動方向との角度を意味し、この場
合この角度は、９０゜±４５゜、好ましくは９０゜±２
０゜、特に好ましくは９０゜±１０゜の範囲内にある。
ガス流路とイオンの移動方向との角度を意味し、この場
合この角度は、９０゜±４５゜、好ましくは９０゜±２
０゜、特に好ましくは９０゜±１０゜の範囲内にある。
【００１４】反応ガスがイオンに対して垂直に輸送され
るという結果として、本発明によれば、２個の電極の間
の境界での反応ガスの混合は、適当な分離媒体なしに回
避されるか、またはＡＦＣの場合には、電極上での電解
質の適当な流れは、回避されなければならない。これ
は、先に公知の燃料電池と比較して本発明の燃料電池の
経済性および効率を著しく改善する。即ち、ガスを離れ
たままにするために、膜はもはや必要とされない。
るという結果として、本発明によれば、２個の電極の間
の境界での反応ガスの混合は、適当な分離媒体なしに回
避されるか、またはＡＦＣの場合には、電極上での電解
質の適当な流れは、回避されなければならない。これ
は、先に公知の燃料電池と比較して本発明の燃料電池の
経済性および効率を著しく改善する。即ち、ガスを離れ
たままにするために、膜はもはや必要とされない。
【００１５】本発明のもう１つの好ましい実施態様にお
いて、２個の電極は、電解質で充填された電極である
か、または電解質で充填されていてよい電極である。従
って、電気化学的に活性の各帯域は、２個の電極の各表
面または２個の電極の相応する領域に制限されるのでは
なく、各電極内のガス流路の配置に依存して著しく大き
な空間を占めることができる。従って、本発明の燃料電
池は、空間に関連して極めて制限された、電気化学的に
活性の帯域のみを有する先の電池と比較して著しく経済
的である。更に、ガス拡散電極、即ち電気化学的に活性
の層に対してガス輸送を惹起させる多孔質のガス透過性
の物体の使用は、もはや不必要である。これまでに使用
されたガス拡散電極は、設定された親水性または疎水
性、多孔性、触媒の電荷または導電性を有する複雑な多
成分系である。このガス拡散電極は、極めて高価であ
り、ときどき化学的に不安定でもある。今や可能になっ
た膜の省略は、費用をも著しく減少させる。更に、本発
明による配置は、ガス拡散電極中と絶対必要な膜または
他の分離媒体中の双方でこれまでに生じた電圧損失を排
除する。結果として、本発明の燃料電池のエネルギー収
量、ひいては全効率は、公知技術水準と比較して増加さ
れている。
いて、２個の電極は、電解質で充填された電極である
か、または電解質で充填されていてよい電極である。従
って、電気化学的に活性の各帯域は、２個の電極の各表
面または２個の電極の相応する領域に制限されるのでは
なく、各電極内のガス流路の配置に依存して著しく大き
な空間を占めることができる。従って、本発明の燃料電
池は、空間に関連して極めて制限された、電気化学的に
活性の帯域のみを有する先の電池と比較して著しく経済
的である。更に、ガス拡散電極、即ち電気化学的に活性
の層に対してガス輸送を惹起させる多孔質のガス透過性
の物体の使用は、もはや不必要である。これまでに使用
されたガス拡散電極は、設定された親水性または疎水
性、多孔性、触媒の電荷または導電性を有する複雑な多
成分系である。このガス拡散電極は、極めて高価であ
り、ときどき化学的に不安定でもある。今や可能になっ
た膜の省略は、費用をも著しく減少させる。更に、本発
明による配置は、ガス拡散電極中と絶対必要な膜または
他の分離媒体中の双方でこれまでに生じた電圧損失を排
除する。結果として、本発明の燃料電池のエネルギー収
量、ひいては全効率は、公知技術水準と比較して増加さ
れている。
【００１６】従って、本発明の１つの好ましい実施態様
において、燃料電池は仕切のない電池である。それとい
うのも、本発明の原理を使用した場合には、電極空間の
分離は、もはや必ずしも必要ではなく、反応ガスは、制
御されない様式で相互の混合の危険をもはや有しない。
従って、仕切のある電池は、安全の理由からもはや不必
要である。
において、燃料電池は仕切のない電池である。それとい
うのも、本発明の原理を使用した場合には、電極空間の
分離は、もはや必ずしも必要ではなく、反応ガスは、制
御されない様式で相互の混合の危険をもはや有しない。
従って、仕切のある電池は、安全の理由からもはや不必
要である。
【００１７】本発明のもう１つの実施態様において、燃
料電池は、そのつど少なくとも１つの反応ガスをガス流
路または２個の電極の通路中に導入するための分配系を
有している。この場合には、有利に原理的に公知である
構造の使用が記載される。特に好ましくは、ミクロミキ
サー（micromixer）の使用が記載される［V. Hessel,W.
Ehrfeld, K. Golbig, V. Haverkamp, H. Loewe, T. Ri
chter, Proceedingsof the 2nd International Coferen
ce on Microreaction Technology, New Orleans, 199
8］。分配系は、本発明によれば、気泡の一定の微細な
流れが電極中で起こる程度に設計されている。これは、
系の電流密度を増加させる。反応ガスとして、好ましく
は、酸素および水素の使用が記載される。しかし、この
場合には、メタノールまたはメタンの使用も考えられ
る。本発明の別の好ましい実施態様において、反応ガス
は、少なくとも１つの適当な不活性ガスで希釈される。
この場合、好ましくは、窒素の使用が記載される。不活
性ガスとしてのＣＯ2の使用も考えられる。好ましくは
少なくとも１つの不活性ガスで希釈された反応ガスは、
好ましくは反応ガスがイオンと垂直に輸送される程度
に、下方から本発明の分配系を介して燃料電池室中に供
給され、各電極内での相応するガス流路に供給される。
これは、例えば反応ガスが２個の電極の間の間隙、即ち
陽極と陰極との間隙と平行に流れることを意味する。
料電池は、そのつど少なくとも１つの反応ガスをガス流
路または２個の電極の通路中に導入するための分配系を
有している。この場合には、有利に原理的に公知である
構造の使用が記載される。特に好ましくは、ミクロミキ
サー（micromixer）の使用が記載される［V. Hessel,W.
Ehrfeld, K. Golbig, V. Haverkamp, H. Loewe, T. Ri
chter, Proceedingsof the 2nd International Coferen
ce on Microreaction Technology, New Orleans, 199
8］。分配系は、本発明によれば、気泡の一定の微細な
流れが電極中で起こる程度に設計されている。これは、
系の電流密度を増加させる。反応ガスとして、好ましく
は、酸素および水素の使用が記載される。しかし、この
場合には、メタノールまたはメタンの使用も考えられ
る。本発明の別の好ましい実施態様において、反応ガス
は、少なくとも１つの適当な不活性ガスで希釈される。
この場合、好ましくは、窒素の使用が記載される。不活
性ガスとしてのＣＯ2の使用も考えられる。好ましくは
少なくとも１つの不活性ガスで希釈された反応ガスは、
好ましくは反応ガスがイオンと垂直に輸送される程度
に、下方から本発明の分配系を介して燃料電池室中に供
給され、各電極内での相応するガス流路に供給される。
これは、例えば反応ガスが２個の電極の間の間隙、即ち
陽極と陰極との間隙と平行に流れることを意味する。
【００１８】本発明の１つの好ましい実施態様におい
て、２個またはそれ以上の電極は、少なくとも１つの電
解質で充填されていてよい。
て、２個またはそれ以上の電極は、少なくとも１つの電
解質で充填されていてよい。
【００１９】本発明において、使用される電解質は、イ
オンを伝導する液体である。この場合、好ましくはアル
カリ金属水酸化物水溶液または鉱酸水溶液、例えば硫
酸、燐酸またはハロゲン化水素酸が記載される。本発明
の別の好ましい実施態様において、有機電解質が使用さ
れる。この場合、好ましくは、テトラアルキルアンモニ
ウム水酸化物またはテトラアルキルアンモニウム塩、ス
ルホン酸またはホスホン酸が記載される。しかし、他の
適当な全ての電解質も使用されてよい。
オンを伝導する液体である。この場合、好ましくはアル
カリ金属水酸化物水溶液または鉱酸水溶液、例えば硫
酸、燐酸またはハロゲン化水素酸が記載される。本発明
の別の好ましい実施態様において、有機電解質が使用さ
れる。この場合、好ましくは、テトラアルキルアンモニ
ウム水酸化物またはテトラアルキルアンモニウム塩、ス
ルホン酸またはホスホン酸が記載される。しかし、他の
適当な全ての電解質も使用されてよい。
【００２０】本発明の１つの好ましい実施態様におい
て、水は溶剤として使用される。別の好ましい実施態様
において、水混和性溶剤、例えばカルボン酸、アルコー
ル、カルボキサミドおよび／または置換尿素が使用され
る。本発明のもう１つの好ましい実施態様において、液
状塩および／または溶融塩、例えばテトラアルキルアン
モニウム塩および／またはテトラクロロアルミン酸塩、
例えばＮａＡｌＣｌ4が使用される。
て、水は溶剤として使用される。別の好ましい実施態様
において、水混和性溶剤、例えばカルボン酸、アルコー
ル、カルボキサミドおよび／または置換尿素が使用され
る。本発明のもう１つの好ましい実施態様において、液
状塩および／または溶融塩、例えばテトラアルキルアン
モニウム塩および／またはテトラクロロアルミン酸塩、
例えばＮａＡｌＣｌ4が使用される。
【００２１】本発明の目的のためには、電極の各ガス流
路は、互いに平行に延びているかまたは互いに逆平行、
即ち向流型で延びている。
路は、互いに平行に延びているかまたは互いに逆平行、
即ち向流型で延びている。
【００２２】本発明のもう１つの好ましい実施態様にお
いて、２個の電極は、垂直に配置されていないが、しか
し、任意の傾斜角度を有し、水平方向に配置されていて
もよい。従って、燃料電池は、要求に最適な方法で配置
されていてもよい。この燃料電池は、極めてコンパクト
であり、したがって空間を節約する。
いて、２個の電極は、垂直に配置されていないが、しか
し、任意の傾斜角度を有し、水平方向に配置されていて
もよい。従って、燃料電池は、要求に最適な方法で配置
されていてもよい。この燃料電池は、極めてコンパクト
であり、したがって空間を節約する。
【００２３】２個またはそれ以上の電極の間の間隙は、
好ましくは平面状の幾何学的寸法を有する。しかし、本
発明の別の好ましい実施態様において、間隙は、平面状
の幾何学的寸法以外の幾何学的寸法を有し、例えば２個
またはそれ以上の電極は、環状間隙を形成させる程度に
互いに相対的に配置されている。
好ましくは平面状の幾何学的寸法を有する。しかし、本
発明の別の好ましい実施態様において、間隙は、平面状
の幾何学的寸法以外の幾何学的寸法を有し、例えば２個
またはそれ以上の電極は、環状間隙を形成させる程度に
互いに相対的に配置されている。
【００２４】本発明のもう１つの好ましい実施態様にお
いて、電極の幅は、各ガス流路の入口から相応するガス
流路の出口へと移るにつれて異なる。入口は、好ましく
は相応する出口よりも幅が広い。それというのも、大量
のガスが入口を通過し、他方、少量のガスは、消費の結
果として出口を通過するからである。従って、例えば電
極／間隙集成装置は、角錐台または円錐台を形成するか
または例えば台形の断面を有する。しかし、他の幾何学
的配列も考えることができる。
いて、電極の幅は、各ガス流路の入口から相応するガス
流路の出口へと移るにつれて異なる。入口は、好ましく
は相応する出口よりも幅が広い。それというのも、大量
のガスが入口を通過し、他方、少量のガスは、消費の結
果として出口を通過するからである。従って、例えば電
極／間隙集成装置は、角錐台または円錐台を形成するか
または例えば台形の断面を有する。しかし、他の幾何学
的配列も考えることができる。
【００２５】本発明のもう１つの好ましい実施態様にお
いて、２個またはそれ以上の電極の少なくとも１個は、
複数の個々の成分を有する。本発明の１つの好ましい実
施態様において、この電極は、結合された平行な複数の
板を有し、層状構造を形成する。生じる介在する空間に
おいて、ガスは、外側端部と平行に１つの端部の面から
反対の端部の面に輸送される。分配系は、気泡を供給
し、残留ガスを再び吸い上げる。循環される電解質系内
で、気泡は電極中に残留する。
いて、２個またはそれ以上の電極の少なくとも１個は、
複数の個々の成分を有する。本発明の１つの好ましい実
施態様において、この電極は、結合された平行な複数の
板を有し、層状構造を形成する。生じる介在する空間に
おいて、ガスは、外側端部と平行に１つの端部の面から
反対の端部の面に輸送される。分配系は、気泡を供給
し、残留ガスを再び吸い上げる。循環される電解質系内
で、気泡は電極中に残留する。
【００２６】このような電極は、ドイツ連邦共和国特許
第４１２０６７９号明細書の記載から公知である。この
ドイツ連邦共和国特許明細書中で、この電極は、毛管間
隙電極と呼ばれている。しかし、本発明とは異なり、ガ
スは、イオンおよびガスの輸送が平行な方向で起こる程
度に電極の反対側から系に供給され、その結果として、
この毛管間隙を使用した場合にも冒頭に記載された欠点
が生じる。更に、ドイツ連邦共和国特許第４１１９８３
６号明細書には、”表面領域”内でのガス輸送が各電極
の内部の場合よりも簡単であり、逆は不可能であること
が述べられている。この理由のために、この場合には、
仕切のある燃料電池も絶対に必要とされる。本発明の１
つの好ましい実施態様は、ガス輸送がイオン輸送と垂直
方向に行なわれる程度に２個の電極薄層の間の電解質空
間が構成されている点で前記電池と区別される。
第４１２０６７９号明細書の記載から公知である。この
ドイツ連邦共和国特許明細書中で、この電極は、毛管間
隙電極と呼ばれている。しかし、本発明とは異なり、ガ
スは、イオンおよびガスの輸送が平行な方向で起こる程
度に電極の反対側から系に供給され、その結果として、
この毛管間隙を使用した場合にも冒頭に記載された欠点
が生じる。更に、ドイツ連邦共和国特許第４１１９８３
６号明細書には、”表面領域”内でのガス輸送が各電極
の内部の場合よりも簡単であり、逆は不可能であること
が述べられている。この理由のために、この場合には、
仕切のある燃料電池も絶対に必要とされる。本発明の１
つの好ましい実施態様は、ガス輸送がイオン輸送と垂直
方向に行なわれる程度に２個の電極薄層の間の電解質空
間が構成されている点で前記電池と区別される。
【００２７】本発明１つの好ましい実施態様において、
電極の表面は、ガス流路または流路と同じ方向に延びて
いる通路を形成させる程度に構成されている。通路の輪
郭は、半円形、矩形、三角形または任意の他の形状であ
ることができる。通路は、好ましくは微粉砕、腐蝕およ
び／または他の技術によって固体電極材料で形成されて
いる。本発明の別の好ましい実施態様において、通路
は、金属シートまたはメタルメッシュを適当に波形にす
ることによって発生される。本発明のもう１つの好まし
い実施態様において、通路は、望ましい金属および／ま
たは合金が型板により適当にマスクされた支持体上に析
出される電気メッキ技術によって製造される。更に、他
の構造、例えば溝付き管、線材束もしくは穿孔多孔質金
属体またはこれらの構造体の適当な組み合わされた配置
も考えることができる。
電極の表面は、ガス流路または流路と同じ方向に延びて
いる通路を形成させる程度に構成されている。通路の輪
郭は、半円形、矩形、三角形または任意の他の形状であ
ることができる。通路は、好ましくは微粉砕、腐蝕およ
び／または他の技術によって固体電極材料で形成されて
いる。本発明の別の好ましい実施態様において、通路
は、金属シートまたはメタルメッシュを適当に波形にす
ることによって発生される。本発明のもう１つの好まし
い実施態様において、通路は、望ましい金属および／ま
たは合金が型板により適当にマスクされた支持体上に析
出される電気メッキ技術によって製造される。更に、他
の構造、例えば溝付き管、線材束もしくは穿孔多孔質金
属体またはこれらの構造体の適当な組み合わされた配置
も考えることができる。
【００２８】本発明の燃料電池の特別な利点は、電気接
触的に活性の電極表面に関連して新しい自由度が提供さ
れることにある。個々の二次電極、即ち個々の薄層は、
組み立て前に任意の方法で処理されていてよく、電極全
体を形成させるので、この個々の二次電極は、適当な方
法で触媒により活性化されていてよい。この個々の二次
電極は、電気接触的に活性の材料、例えば貴金属、例え
ば白金、パラジウム、銀、ルテニウムもしくはイリジウ
ムまたはこれらの組合せ物で被覆することによって達成
される。これは、殊に金属の電界被覆または無電流析出
によって実施されてよい。特に有利な方法は、例えばド
イツ連邦共和国特許出願第１９９１５６８１．６号に記
載されている。
触的に活性の電極表面に関連して新しい自由度が提供さ
れることにある。個々の二次電極、即ち個々の薄層は、
組み立て前に任意の方法で処理されていてよく、電極全
体を形成させるので、この個々の二次電極は、適当な方
法で触媒により活性化されていてよい。この個々の二次
電極は、電気接触的に活性の材料、例えば貴金属、例え
ば白金、パラジウム、銀、ルテニウムもしくはイリジウ
ムまたはこれらの組合せ物で被覆することによって達成
される。これは、殊に金属の電界被覆または無電流析出
によって実施されてよい。特に有利な方法は、例えばド
イツ連邦共和国特許出願第１９９１５６８１．６号に記
載されている。
【００２９】本発明のもう１つの好ましい実施態様にお
いて、燃料電池は、付加的に電極と機能的に相互作用す
るように配置されている少なくとも１個のスペーサーを
有する。電極は、燃料電池内でスペーサーと組み合わさ
れ、したがって複数の個々の要素から形成された電極が
使用される。電極は、特に好ましくは層状構造を形成さ
せるために結合されている、平行に配置された板を有す
る。個々の導電性薄層は、電極内でのガスの通路が保証
される程度にスペーサーによって離れたままである。本
発明によれば、このようなスペーサーは、少なくとも次
の構成： ａ）間隔をあけることによって決まるフレーム、 ｂ）窓、 ｃ）ガス障壁 を有している。
いて、燃料電池は、付加的に電極と機能的に相互作用す
るように配置されている少なくとも１個のスペーサーを
有する。電極は、燃料電池内でスペーサーと組み合わさ
れ、したがって複数の個々の要素から形成された電極が
使用される。電極は、特に好ましくは層状構造を形成さ
せるために結合されている、平行に配置された板を有す
る。個々の導電性薄層は、電極内でのガスの通路が保証
される程度にスペーサーによって離れたままである。本
発明によれば、このようなスペーサーは、少なくとも次
の構成： ａ）間隔をあけることによって決まるフレーム、 ｂ）窓、 ｃ）ガス障壁 を有している。
【００３０】間隔をあけることによって決まるフレーム
は、個々の薄層の間隔を定義しかつ保証する。窓は、妨
害のないガスおよび電極の薄層間での電解質の流れを保
証する。ガス障壁は、陽極の窓と陰極の窓との間のウェ
ブから構成され、気泡の各対向電極の領域内への通過を
阻止する。ウェブは、種々の方法で配置されていてよ
い。例えば、このウェブは、波形の構造または折り畳ま
れた構造を有することができる。本発明の特に好ましい
実施態様において、ウェブは、他の間隔要素を備え、こ
れにより、電極／スペーサーの全単位装置の機能的構造
は、付加的に安定化される。
は、個々の薄層の間隔を定義しかつ保証する。窓は、妨
害のないガスおよび電極の薄層間での電解質の流れを保
証する。ガス障壁は、陽極の窓と陰極の窓との間のウェ
ブから構成され、気泡の各対向電極の領域内への通過を
阻止する。ウェブは、種々の方法で配置されていてよ
い。例えば、このウェブは、波形の構造または折り畳ま
れた構造を有することができる。本発明の特に好ましい
実施態様において、ウェブは、他の間隔要素を備え、こ
れにより、電極／スペーサーの全単位装置の機能的構造
は、付加的に安定化される。
【００３１】他の利点および可能な使用は、図と関連し
て本発明による燃料電池の次の実施態様の記載によって
示される。
て本発明による燃料電池の次の実施態様の記載によって
示される。
【００３２】
【実施例】図１は、公知技術水準による燃料電池１を概
略的に示す。一般に、このような燃料電池１は、２個の
ガス透過性の多孔質電極２を有し、この多孔質電極は、
互いに反対に位置した、ガス拡散電極（ＧＤＥ）という
表現によって公知である。この電極は、導電性の多孔質
支持体３および電気接触層４を有する。膜６は、電極２
の間に備えられた間隙５内に位置している。この膜６
は、同時に電解質を有している。この電解質は、燃料電
池内でのイオン電荷輸送を保証する。この電解質は、２
個の電極２の間に気密な障壁を形成させ、こうして電気
化学的に活性の帯域を保証し、この帯域内では、電界が
起こりうる。電解質は、液体であってよい。燐酸燃料電
池および溶融炭酸塩燃料電池において、無機の不活性支
持体は、電解質と一緒になって、イオンを伝導する気密
なマトリックスを形成させる。固体酸化物燃料電池の場
合には、高温の酸素イオン導体は、一般に膜として役立
つ。ポリマー電解質燃料電池は、有機イオン交換膜、例
えば過弗素化陽イオン交換膜を使用する。膜とガス拡散
電極との緊密な接触は、複雑な技術、例えばホットプレ
スおよび他の二次工程によって達成される。反応ガス７
は、電極２の反対側、即ちそのつど対向電極から離れた
側からガス分配系を介して電気化学的に活性の帯域に供
給される。即ち、ガス輸送（一方向を指す幅広の矢印）
およびイオン輸送（両方向を指す幅広の矢印）は、平行
な方向に起こる。
略的に示す。一般に、このような燃料電池１は、２個の
ガス透過性の多孔質電極２を有し、この多孔質電極は、
互いに反対に位置した、ガス拡散電極（ＧＤＥ）という
表現によって公知である。この電極は、導電性の多孔質
支持体３および電気接触層４を有する。膜６は、電極２
の間に備えられた間隙５内に位置している。この膜６
は、同時に電解質を有している。この電解質は、燃料電
池内でのイオン電荷輸送を保証する。この電解質は、２
個の電極２の間に気密な障壁を形成させ、こうして電気
化学的に活性の帯域を保証し、この帯域内では、電界が
起こりうる。電解質は、液体であってよい。燐酸燃料電
池および溶融炭酸塩燃料電池において、無機の不活性支
持体は、電解質と一緒になって、イオンを伝導する気密
なマトリックスを形成させる。固体酸化物燃料電池の場
合には、高温の酸素イオン導体は、一般に膜として役立
つ。ポリマー電解質燃料電池は、有機イオン交換膜、例
えば過弗素化陽イオン交換膜を使用する。膜とガス拡散
電極との緊密な接触は、複雑な技術、例えばホットプレ
スおよび他の二次工程によって達成される。反応ガス７
は、電極２の反対側、即ちそのつど対向電極から離れた
側からガス分配系を介して電気化学的に活性の帯域に供
給される。即ち、ガス輸送（一方向を指す幅広の矢印）
およびイオン輸送（両方向を指す幅広の矢印）は、平行
な方向に起こる。
【００３３】図２のａには、本発明による燃料電池１が
概略的に示されており、この場合には、２個の電極セグ
メント２′および介在する間隙５が示されている。これ
は、仕切のない燃料電池であり、即ち陽極空間を陰極空
間と分離するために存在する膜または他の分離装置は存
在していない。電極セグメント２′は、電解質６で充填
されており、またこの電解質は、電極セグメント２′の
間の間隙または介在する空間内に存在する。電解質６
は、イオンを伝導する液体、例えばアルカリ金属水酸化
物水溶液または鉱酸水溶液、例えば硫酸、燐酸もしくは
ハロゲン化水素酸である。有機電解質、例えばテトラア
ルキルアンモニウム水酸化物またはテトラアルキルアン
モニウム塩、スルホン酸またはホスホン酸は、同様に使
用されてよい。各電極セグメント２′内で、電極セグメ
ント２′の間を間隙５と平行に延びるガス流路８が備え
られ、したがってガス輸送は、イオン輸送と垂直の方向
に生じる。これは、反応ガスの制御されない混合を阻止
する。各電極セグメント２′は、ガス供給管７を備えて
おり、それによって、好ましくは不活性ガス、例えば窒
素で希釈された各反応ガス、好ましくは水素または酸素
が供給される。
概略的に示されており、この場合には、２個の電極セグ
メント２′および介在する間隙５が示されている。これ
は、仕切のない燃料電池であり、即ち陽極空間を陰極空
間と分離するために存在する膜または他の分離装置は存
在していない。電極セグメント２′は、電解質６で充填
されており、またこの電解質は、電極セグメント２′の
間の間隙または介在する空間内に存在する。電解質６
は、イオンを伝導する液体、例えばアルカリ金属水酸化
物水溶液または鉱酸水溶液、例えば硫酸、燐酸もしくは
ハロゲン化水素酸である。有機電解質、例えばテトラア
ルキルアンモニウム水酸化物またはテトラアルキルアン
モニウム塩、スルホン酸またはホスホン酸は、同様に使
用されてよい。各電極セグメント２′内で、電極セグメ
ント２′の間を間隙５と平行に延びるガス流路８が備え
られ、したがってガス輸送は、イオン輸送と垂直の方向
に生じる。これは、反応ガスの制御されない混合を阻止
する。各電極セグメント２′は、ガス供給管７を備えて
おり、それによって、好ましくは不活性ガス、例えば窒
素で希釈された各反応ガス、好ましくは水素または酸素
が供給される。
【００３４】図２のａは、本発明による燃料電池１の１
つの実施態様の略示断面図を示し、図２のｂは、上斜め
から見た略示斜視図を示す。電極２は、同じ型の複数の
電極セグメント２′から構成され、さらにかかる２個の
電極２は、組み合わされ、全体系、燃料電池１を形成さ
せる。この場合、例えばそれぞれの第２のセグメント
は、それぞれの隣接するセグメントの鏡像であることが
できる。電極セグメント２′は、両側に通路を備えてい
てよいかまたは片側にのみ通路を備えていてよい。しか
し、通路構造は、他の電極セグメントの造形により、通
路構造が必要とされるかまたは通路構造を可能にするな
らば、それぞれの第２の電極セグメント上で省略されて
いてもよい。
つの実施態様の略示断面図を示し、図２のｂは、上斜め
から見た略示斜視図を示す。電極２は、同じ型の複数の
電極セグメント２′から構成され、さらにかかる２個の
電極２は、組み合わされ、全体系、燃料電池１を形成さ
せる。この場合、例えばそれぞれの第２のセグメント
は、それぞれの隣接するセグメントの鏡像であることが
できる。電極セグメント２′は、両側に通路を備えてい
てよいかまたは片側にのみ通路を備えていてよい。しか
し、通路構造は、他の電極セグメントの造形により、通
路構造が必要とされるかまたは通路構造を可能にするな
らば、それぞれの第２の電極セグメント上で省略されて
いてもよい。
【００３５】図３は、上斜めから見た、本発明による燃
料電池１の他の実施態様を示す。電極２は、複数の個々
の要素、即ち電極セグメント２′から構成されている。
この場合、電極セグメント２′は、平行に配置されかつ
層状構造を形成させるために結合された板を有する。ス
ペーサー９は、ガスの通過を保証する、離れた距離で個
々の導電性の板を保持する。
料電池１の他の実施態様を示す。電極２は、複数の個々
の要素、即ち電極セグメント２′から構成されている。
この場合、電極セグメント２′は、平行に配置されかつ
層状構造を形成させるために結合された板を有する。ス
ペーサー９は、ガスの通過を保証する、離れた距離で個
々の導電性の板を保持する。
【００３６】図４は、本発明による燃料電池１の好まし
い実施態様におけるスペーサー９の種々の予想される配
置を示す。スペーサー９は、３つの型の機能的要素、即
ち間隔をあけることによって決まるフレーム１０、窓１
１およびガス障壁１２を有する。間隔をあけることによ
って決まるフレーム１０は、個々の板の間隔を定義しか
つ保証する。窓１１は、妨害のないガスおよび電極２の
板間での電解質の流れを保証する。ガス障壁１２は、陽
極の窓１１と陰極の窓１１との間にウェブを有し、気泡
が各対向電極の領域内へと通過することを阻止する。ウ
ェブ１２は、平面状（ａ）であってもよいし、複数のウ
ェブを互いに固着させることができる程度に、波形の構
造または折り畳まれた構造（ｃ参照）を有していてもよ
いし、或いは間隔要素１３（ｂ参照）を備えていてもよ
い。図４のｂに示されている好ましい実施態様におい
て、ガス供給管７は、スペーサー９に組み込まれてい
る。
い実施態様におけるスペーサー９の種々の予想される配
置を示す。スペーサー９は、３つの型の機能的要素、即
ち間隔をあけることによって決まるフレーム１０、窓１
１およびガス障壁１２を有する。間隔をあけることによ
って決まるフレーム１０は、個々の板の間隔を定義しか
つ保証する。窓１１は、妨害のないガスおよび電極２の
板間での電解質の流れを保証する。ガス障壁１２は、陽
極の窓１１と陰極の窓１１との間にウェブを有し、気泡
が各対向電極の領域内へと通過することを阻止する。ウ
ェブ１２は、平面状（ａ）であってもよいし、複数のウ
ェブを互いに固着させることができる程度に、波形の構
造または折り畳まれた構造（ｃ参照）を有していてもよ
いし、或いは間隔要素１３（ｂ参照）を備えていてもよ
い。図４のｂに示されている好ましい実施態様におい
て、ガス供給管７は、スペーサー９に組み込まれてい
る。
【図１】公知技術水準による燃料電池の構造を示す略
図。
図。
【図２】本発明による燃料電池の１つの実施態様の構造
を正面から見た略示断面図（ａ）および同じ構造を上斜
めから見た略図（ｂ）。
を正面から見た略示断面図（ａ）および同じ構造を上斜
めから見た略図（ｂ）。
【図３】本発明による、上斜めから見た他の燃料電池を
示す略図。
示す略図。
【図４】本発明による燃料電池の１つの実施態様におい
てスペーサーの１つの可能な配置を示す略図（ａ）、他
の配置を示す略図（ｂ）およびもう１つの配置を示す略
図（ｃ）。
てスペーサーの１つの可能な配置を示す略図（ａ）、他
の配置を示す略図（ｂ）およびもう１つの配置を示す略
図（ｃ）。
１ 燃料電池、 ２ 電極、 ２′ 電極セグメント、
３ 導電性の多孔質支持体、 ４ 電気接触層、 ５
介在する間隙、 ６ 電解質、 ７ ガス供給管、
９ スペーサー、１０ フレーム、 １１窓、 １２
ガス障壁、 １３ 間隔要素
３ 導電性の多孔質支持体、 ４ 電気接触層、 ５
介在する間隙、 ６ 電解質、 ７ ガス供給管、
９ スペーサー、１０ フレーム、 １１窓、 １２
ガス障壁、 １３ 間隔要素
Claims (13)
- 【請求項１】 少なくとも次の要素： ａ）反応ガスのための少なくとも１つのガス流路をそれ
ぞれ備えた２個の電極および ｂ）液体電解質を有する燃料電池において、各電極のそ
れぞれのガス流路が、少なくとも１つの入口を有し、か
つ電極の配置によって規定された電荷の下でイオンの移
動方向に対して垂直に延びていることを特徴とする、燃
料電池。 - 【請求項２】 仕切のない電池である、請求項１記載の
燃料電池。 - 【請求項３】 各電極のガス流路が少なくとも１つの出
口を有する、請求項１または２記載の燃料電池。 - 【請求項４】 ２個またはそれ以上の電極が１つの電解
質または複数の電解質で充填されていてよい、請求項１
から３までのいずれか１項に記載の燃料電池。 - 【請求項５】 そのつど少なくとも１つの反応ガスを２
個の電極の１つのガス流路または複数のガス流路中に導
入するための分配器系を有する、請求項１から４までの
いずれか１項に記載の燃料電池。 - 【請求項６】 反応ガスが少なくとも１つの不活性ガス
で希釈されている、請求項１から５までのいずれか１項
に記載の燃料電池。 - 【請求項７】 ２個の電極のそれぞれのガス流路が互い
に逆平行に延びている、請求項１から６までのいずれか
１項に記載の燃料電池。 - 【請求項８】 ２個の電極のそれぞれのガス流路が互い
に平行に延びている、請求項１から６までのいずれか１
項に記載の燃料電池。 - 【請求項９】 ２個の電極の少なくとも一方が個々の成
分を複数個有している、請求項１から８までのいずれか
１項に記載の燃料電池。 - 【請求項１０】 ２個の電極の少なくとも一方が複数の
結合された平行板を有し、層状構造を形成している、請
求項１から９までのいずれか１項に記載の燃料電池。 - 【請求項１１】 ２個の電極の少なくとも一方が少なく
とも１つの通路を有し、この通路が電極のガス流路と同
じ方向に延びている、請求項１から１０までのいずれか
１項に記載の燃料電池。 - 【請求項１２】 ２個の電極の少なくとも一方が複数の
通路を有し、この通路が電極のガス流路と同じ方向に延
びている、請求項１から１１までのいずれか１項に記載
の燃料電池。 - 【請求項１３】 電極と機能的に相互作用するように配
置されている少なくとも１個のスペーサーを付加的に有
する、請求項１から１２までのいずれか１項に記載の燃
料電池。
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