JP2003535434A - 燃料電池用加湿装置、燃料電池膜を加湿するための方法、および燃料電池 - Google Patents

燃料電池用加湿装置、燃料電池膜を加湿するための方法、および燃料電池

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JP2003535434A JP2000613014A JP2000613014A JP2003535434A JP 2003535434 A JP2003535434 A JP 2003535434A JP 2000613014 A JP2000613014 A JP 2000613014A JP 2000613014 A JP2000613014 A JP 2000613014A JP 2003535434 A JP2003535434 A JP 2003535434A
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クロス，ホルガー
ザットラー，マルティン
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ヴィルヘルム，ハンス‐ディーター
ハープリッヒ，ユルゲン
エック，カール
コイツ，マルクス
ツァップ，トーマス
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Abstract

(57)【要約】 燃料電池用加湿装置（１）が、燃料電池のカソード排ガス（２０）に接続された膜（２）を含み、カソード排ガス（２０）は膜（２）の片側にある。接続要素（２２）が膜（２）の反対側を、燃料電池に至るアノードまたはカソード供給ガス（３０）に接続させる。動作中、膜（２）の両側での濃度勾配に基づいて水蒸気が膜（２）を通過し、これにより、燃料電池に供給されるガスが加湿される。濃度勾配を維持するために付加的に真空ポンプ（４）を設けておくことができる。計量ユニット（５）が、カソード供給ガス（３０）もしくはカソードに供給される外気の加湿の精確な計量を可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、燃料電池用加湿装置、燃料電池膜を加湿するための方法、および燃
料電池に関する。
【０００２】 燃料電池内では化学反応によって電流が発生する。その際、燃料と酸素が電気
エネルギーと反応生成物としての水とに変換される。燃料電池もしくはＰＥＭ燃
料電池は実質的にアノードと膜とカソードとからなり、これらはまとめて膜-電
極-ユニットもしくはＭＥＡと称される。膜は多孔質導電体からなり、イオン交
換のためにアノードとカソードとの間に配置されている。アノードの側で例えば
水素またはメタノール等の燃料が供給され、カソードの側で酸素または空気が供
給される。アノードで触媒反応によってプロトンもしくは水素イオンが発生して
膜を通してカソードへと移動する。カソードでは水素イオンが酸素と反応し、水
が発生する。
【０００３】 電極での反応は以下の如くである。 アノード： Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- カソード： 1/2Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ こうして電極で電流が発生して負荷へと供給される。
【０００４】 このような燃料電池はさまざまな刊行物から公知である。しかし、膜もしくは
ＭＥＡを湿潤保持せねばならない問題がある。膜は乾燥するとそのイオン伝導性
を失うであろうし、燃料電池はもはや機能不能となろう。
【０００５】 そこでＵＳ５４３２０２０では燃料電池に至るガス流に噴射ノズルによって微
噴霧水を添加することが提案されている。これにより、膜が冷却され湿潤保持さ
れる。
【０００６】 しかし貯水部を携行しなければならない問題が生じる。貯水部はスペースと、
例えば凍結防止等の他の措置を必要とし、そのことが付加的費用と結び付いてい
る。
【０００７】 そこで本発明の課題は、燃料電池膜の効果的加湿が省スペースで安価に行われ
る燃料電池用加湿装置を提供し、燃料電池膜を加湿するための方法を明示するこ
とである。さらに、その膜が確実に湿潤保持される安価な燃料電池が提供されね
ばならない。
【０００８】 この課題は、請求項１に記載された燃料電池用加湿装置、請求項６に記載され
た燃料電池膜を加湿するための方法、そして請求項１２に記載された燃料電池に
よって解決される。本発明のその他の有利な特徴、態様および詳細は従属請求項
、詳細な説明および図面から明らかとなる。
【０００９】 本発明による燃料電池用加湿装置は燃料電池のカソード排ガスに接続された膜
を含み、カソード排ガスは膜の片側にあり、さらに接続要素を含む。この接続要
素は、膜の反対側を管路でカソードまたはアノード供給ガスに接続させ、こうし
て動作中水蒸気が膜を通過して、アノードまたはカソードに供給されるガス、例
えば外気または酸素を加湿する。加湿装置は燃料電池の膜-電極-ユニットの確実
な加湿を可能とし、コンパクトで安価に製造可能である。それゆえにこの加湿装
置は特に大量生産に適している。
【００１０】 有利には加湿装置は膜の両側の間で水分の濃度勾配を維持するための真空ポン
プを含む。これにより、膜を通して特別有効な水分交換が達成される。
【００１１】 さらに、水蒸気もしくは水を収容および／または一時貯蔵するのに役立つ容器
を設けておくことができる。
【００１２】 好ましくは、カソードに送られるガス流を加湿するための計量ユニットが設け
られている。これにより、燃料電池の動作状態に依存してその都度必要とされる
水量で計量を行うことができる。
【００１３】 有利には、計量ユニットが制御回路に接続されており、この制御回路において
カソード供給空気の水分もしくはカソードに送られるガスの水分が測定される。
これにより、特別精確な計量を行うことができる。
【００１４】 燃料電池膜を加湿するための本発明による方法では、燃料電池のカソード排ガ
スが膜を介してアノードまたはカソード供給ガス、例えば外気または酸素に接続
され、膜の両側での水分の濃度勾配によって水蒸気がカソード排ガスから供給ガ
スもしくはカソード供給ガスへと移送される。水分子の膜透過を利用することに
よって水蒸気輸送は外部駆動なしにもしくは付加的エネルギー支出なしに行うこ
とができ、カソード排ガスと燃料電池に供給されるガスとの混合が起きることは
ない。
【００１５】 好ましくは、水蒸気の膜通過が真空ポンプの作動によって促進される。真空発
生によって濃度勾配は維持することができる。これにより、特別高くて均一な水
蒸気移送率が達成される。
【００１６】 濃度勾配は膜の片側での絶えざるガス交換によっても維持することができる。
そのことの利点としてポンプは必要でない。この解決は、部材が節約され、動作
中にエネルギー支出が減少しているので特別安価である。
【００１７】 好ましくは、水分は容器もしくは水タンク内に一時貯蔵され、その場合精確に
計量してカソード供給ガスに移送することができる。
【００１８】 本発明による燃料電池は本発明による加湿装置を有する。
【００１９】 本発明が以下に例示される。
【００２０】 図１が本発明による加湿装置１を示しており、この加湿装置は燃料電池のカソ
ード排空気２０と燃料電池に向うカソード供給空気３０との間に配置されている
。この図には燃料電池が図示されていない。水分を透過させる膜２はハウジング
２１内で、カソード排空気２０が膜２の片側を通過するように固着され配置され
ている。膜２の反対側にある空間３は膜２とハウジング２１とによって限定され
る。この空間３からガス管路の態様の接続部２２が分岐して、空間３を真空ポン
プ４および計量ユニット５を介してカソード供給空気３０に接続する。
【００２１】 燃料電池の動作中、反応生成物の水はカソード排空気中に含まれている。それ
ゆえにカソード排空気２０は温かくかつ湿っている。カソード排空気２０および
カソード供給空気３０の流れ方向が図１にそれぞれ矢印の方向で示してある。そ
れゆえにカソード供給空気３０、もしくはカソード供給空気として使用される外
気は、カソード排空気２０よりもはるかに乾燥している。それゆえに膜２の両側
の間に水分の濃度勾配が生じる。燃料電池の動作中水蒸気は透過に基づいて膜２
を通過し、こうしてカソード排空気２０から管路２２を通してカソード供給空気
３０へと輸送される。
【００２２】 真空ポンプ４によって濃度勾配が維持され、水蒸気の輸送は連続的に行うこと
ができる。
【００２３】 膜２を通してカソード排空気２０から取り出された水蒸気は計量ユニット５に
よって精確に計量され、すなわち燃料電池のその都度の動作状態に依存して必要
とされる量がカソード供給空気３０に供給される。このために計量ユニット５は
この図には図示されていない制御回路に接続されており、この制御回路はカソー
ド供給空気の水分を測定し、それに応じて所要水量を調整する。
【００２４】 他の実施形態では真空ポンプ４の代わりにガス交換装置が設けられており、こ
のガス交換装置は、水蒸気交換を促進する所要の濃度勾配を維持するために空間
３内の空気を絶えず交換する。このため、カソード供給ガスに至る管路が空間３
内に通じ、そこからさらに燃料電池へと通じている。それゆえに動作中空間３内
での空気もしくは酸素の交換によって膜２の両側の間で濃度勾配が維持される。
本発明の他の実施形態では膜２がカソード排空気もしくは排ガス管路の壁の一部
およびカソードガス供給管路の壁の一部であり、膜２の片側をカソード排空気２
０が流れ、膜２の反対側ではカソード供給空気３０が流れる。この解決は、特に
省スペースで安価である。
【００２５】 図に示した特別好ましい実施形態では膜ハウジング２１がカソード排空気管路
４２と一体に構成されている。カソード排空気管路４２と、カソード供給空気管
路４３の一部は、燃料電池の相応する付属の管路内に加湿装置１を嵌挿するため
に設けられている。こうして加湿装置１は容易にかつ僅かな支出で燃料電池に接
続することができる。
【００２６】 取り出された水もしくは水蒸気を一時貯蔵するための付加的容器は図示されて
いない。容器もしくは水タンクは、カソード供給空気３０を加湿するための予備
が常に存在する利点をもたらす。湿った空気流もしくはカソード排空気２０から
取り出された水分は水タンク内に集められ、必要な場合にカソード供給空気３０
に供給される。
【００２７】 加湿装置１は一般に、カソード排ガスもしくはカソード排空気から水蒸気もし
くは水分を取り出し、かつ燃料電池のカソードに供給されるガスもしくは外気に
水分もしくは水を付与するのに適している。本発明は凝縮ループ（Kondensation
sschleife）なしに除湿が行われる利点を有する。すなわち、凝縮点に到達する
のにカソード空気の冷却および加熱が必要でない。これによってエネルギーが節
約される。
【００２８】 さらに、加湿装置１の構造が単純であり、そのため故障しにくい。カソード排
空気２０とカソード供給空気３０との間で水蒸気もしくは水分を交換するのに、
多くの用途から知られている除湿膜を利用すると、燃料電池の膜-電極-ユニット
は僅かな支出で安価に確実に加湿される。
【００２９】 図２に略示する燃料電池１０がアノード部１１とカソード部１２を有し、両部
が本発明による加湿装置に接続されている。
【００３０】 アノード部１１には気体燃料（例えばアノードガスとしての純粋水素）がアノ
ード供給管路１６を通して供給される。アノード排ガスはアノード部１１からア
ノードガス排出管路１７を通して流出する。加湿装置の膜２がカソードガス排出
管路４２に、しかも図１と同じ仕方で、接続されている。この場合にも真空ポン
プ４と計量ユニット５が設けられている。付加的に、真空ポンプ４から計量ユニ
ット５に至る管路中に容器１３が挿嵌されており、この容器は水および／または
水蒸気を貯蔵するのに役立つ。計量ユニット５がカソードガス（新鮮空気）に水
／蒸気を添加してカソードガスを加湿し、このカソードガスはカソード供給空気
管路４３を通してカソード部１２に流入する。水／蒸気はカソード排ガスから膜
２および真空ポンプ４を通して回収される。カソードガスの実際の水分度を測定
するために、流れ方向で加湿箇所の背後で水分センサ１４がカソード供給空気管
路４３中に挿嵌されている。この水分センサが電気的に制御ユニット１５に接続
されており、この制御ユニットはカソードガスの水分が所定値に留まるように計
量ユニット５を調節する。
【００３１】 図３は本発明の別の、但し図２のものにきわめて類似した実施を示す。唯一の
違いとして、計量ユニット５と水分センサ１４はカソード空気供給管路４３中で
はなくアノードガス供給管路１６中に挿嵌されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の１実施形態の略図である。
【図２】 第２実施形態を示す。
【図３】 本発明の第３実施形態を示す。
【符号の説明】
１ 加湿装置 ２ 膜 ３ 空間 ４ 真空ポンプ ５ 計量ユニット １０ 燃料電池 １１ アノード部 １２ カソード部 １３ 容器 １４ 水分センサ １５ 制御ユニット １６ アノードガス供給管路 １７ アノードガス排出管路 ２０ カソード排空気もしくは排ガス ２１ ハウジング ２２ カソード供給空気に至る接続部 ３０ カソード供給空気もしくは供給ガス ４２ カソード排空気管路 ４３ カソード供給空気管路
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年４月２日（２００１．４．２）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヘルデーク，ヴォルフガンク ドイツ連邦共和国、デー 72141 ヴァル トドルフヘスラッハ、シュルシュトラーセ 21 (72)発明者 クロス，ホルガー ドイツ連邦共和国、デー 81541 ミュン ヘン、ドルマンシュトラーセ 15 (72)発明者 ザットラー，マルティン ドイツ連邦共和国、デー 97486 ケーニ ヒスベルク、エルザヴェーク 10 (72)発明者 ヘス，ザビーネ ドイツ連邦共和国、デー 80469 ミュン ヘン、ガイヤーシュトラーセ 16 (72)発明者 ヴィルヘルム，ハンス‐ディーター ドイツ連邦共和国、デー 61267 ノイ- アンシュパッハ、ハットシュタイナーヴェ ーク ６ (72)発明者 ハープリッヒ，ユルゲン ドイツ連邦共和国、デー 63512 ハイン ブルク、ゲノッセンシャフツシュトラーセ 20 (72)発明者 エック，カール ドイツ連邦共和国、デー 60318 フラン クフルト、レーナウシュトラーセ 36 (72)発明者 コイツ，マルクス ドイツ連邦共和国、デー 64380 ロスド ルフ、アン・デア・ゴルトカンテ １ (72)発明者 ツァップ，トーマス ドイツ連邦共和国、デー 44265 ドルト ムント、ザウアーレンダーシュトラーセ 17 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CX04 HH05 5H027 AA06 BC06 BE07 KK31 MM03

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料電池用加湿装置において、膜（２）が燃料電池のカソー
    ド排ガス（２０）に接続されており、カソード排ガス（２０）が膜（２）の片側
    にあり、接続要素（２２）が、膜（２）の反対側を、燃料電池に至るアノードま
    たはカソード供給ガス（３０）に管路により接続させ、こうして動作中水蒸気が
    膜（２）を通過して、燃料電池に送られるガスを加湿することを特徴とする加湿
    装置。
  2. 【請求項２】 膜（２）の両側の間で水分の濃度勾配を維持するための真空
    ポンプ（４）を特徴とする、請求項１記載の加湿装置。
  3. 【請求項３】 水蒸気および／または水を収容するための容器を特徴とする
    、請求項１または２記載の加湿装置。
  4. 【請求項４】 カソードに至るガス流を加湿するための計量ユニット（５）
    を特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の加湿装置。
  5. 【請求項５】 計量ユニット（５）が制御回路に接続されていることを特徴
    とする、請求項４記載の加湿装置。
  6. 【請求項６】 燃料電池膜を加湿するための方法において、燃料電池のカソ
    ード排ガス（２０）が膜（２）を介してアノードまたはカソード供給ガス（３０
    ）に接続され、膜（２）の両側での水分の濃度勾配によって水蒸気がカソード排
    ガス（２０）からアノードまたはカソード供給ガス（３０）へと移送されること
    を特徴とする加湿方法。
  7. 【請求項７】 水蒸気の膜（２）通過が真空ポンプ（４）の作動によって促
    進されることを特徴とする、請求項６記載の方法。
  8. 【請求項８】 濃度勾配が真空ポンプ（４）によって維持されることを特徴
    とする、請求項６または７記載の方法。
  9. 【請求項９】 濃度勾配がガス交換によって維持されることを特徴とする、
    請求項６から８までのいずれか１項記載の方法。
  10. 【請求項１０】 水分が容器内に一時貯蔵されることを特徴とする、請求項
    ６から９までのいずれか1項記載の方法。
  11. 【請求項１１】 水分が計量されて供給ガス（３０）に移送されることを特
    徴とする、請求項６から１０までのいずれか１項記載の方法。
  12. 【請求項１２】 請求項１から５までのいずれか１項に記載された加湿装置
    を特徴とする燃料電池。
JP2000613014A 1999-04-19 2000-04-19 燃料電池用加湿装置、燃料電池膜を加湿するための方法、および燃料電池 Pending JP2003535434A (ja)

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