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JP2002533869A - 改良した長期間性能を有するｐｅｍ燃料電池、ｐｅｍ燃料電池の操作方法およびｐｅｍ燃料電池蓄電池 - Google Patents

改良した長期間性能を有するｐｅｍ燃料電池、ｐｅｍ燃料電池の操作方法およびｐｅｍ燃料電池蓄電池

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JP2002533869A
JP2002533869A JP2000565578A JP2000565578A JP2002533869A JP 2002533869 A JP2002533869 A JP 2002533869A JP 2000565578 A JP2000565578 A JP 2000565578A JP 2000565578 A JP2000565578 A JP 2000565578A JP 2002533869 A JP2002533869 A JP 2002533869A
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pem fuel
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pem
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ゲブハルド，ウルリヒ
ヴァイダス，マンフレート
デッカース，グレーゴル
ボーエンセル，ハラルド
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セラニーズ・ヴェンチャーズ・ゲーエムベーハー
アヴェンティス・リサーチ・ウント・テクノロジーズ・ゲーエムベーハー・ウント・コー・カーゲー
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Abstract

(57)【要約】 本発明は新規なタイプの端部構造を有するPEM燃料電池に関し、そこには、膜と端部シールとの間の小ギャップ中に水の貯蔵部が形成され、当該貯蔵部は高分子電解質膜の利用時間を、特に乾燥プロセスガスにより、相当に改良する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、端部領域の設計が新規なタイプの高分子電解質膜(polymer electro
lyte membrane：PEM)燃料電池、および燃料電池の作動方法ならびに燃料電池蓄
電池に関する。
【０００２】 端部シールがフレーム部材により形成され、膜の上部および底部上に各々隣接
するコレクター極板を、当該３部材が互いに機械的に堅固に、気密に且つ電気絶
縁されて結合されるように圧縮するPEM燃料電池の端部領域の設計はDE-C 44 42
285により公知である（当該公報の図２を参照）。膜が各側で被覆されている二
枚の電極はこの端部領域にまで伸びていない。したがって、膜の電極被膜と端部
シールとの間の境界に形成される小ギャップがあり、そのギャップにおいて膜が
プロセスガスに直接露出される。すなわち、保護する電極層がない。これにより
、膜が乾燥しここで脆弱になる。さらに、例えば、膜−電極ユニットのホットプ
レス中にもたらし得る事前損傷は、膜がプロセスガスに直接露出されるこの位置
でガスのブレークスルーをもたらし得る。膜の利用時間または長期間性能は、膜
がプロセスガスに直接露出されるこのギャップにより相応して制限される。
【０００３】 本発明の目的は、改良した長期間性能を有するPEM燃料電池構造を提供するこ
とにある。 本発明の目的は、請求項１に記載したとおりのPEM燃料電池により、請求項３
に記載したとおりの当該燃料電池の製造方法により、そして請求項４に記載した
とおりの燃料電池蓄電池の提供により達成される。さらに、本発明の形態は明細
書の記述、図面およびその説明に与えられる。
【０００４】 本発明はPEM燃料電池に関し、当該燃料電池は膜を中に締め付ける少なくとも
二枚のターミナルプレートを含み、当該膜は、外縁部を除き、電極層により両側
を覆われ、当該膜の被覆は、少なくとも一層の電極層が燃料電池の構造上の端部
領域に突き出ている。この少なくとも一層の電極層の拡張は膜の少なくとも一方
側で膜がプロセスガスにもはや直接露出されないことを意味するばかりでなく、
端部領域の電極が被覆された膜と被覆されていない膜との間の領域で形成される
水の小貯蔵部さえもたらし、この水の貯蔵部は連続して膜を湿潤させる。
【０００５】 本発明はPEM燃料電池の作動方法に関し、当該方法では燃料電池の構造上の端
部領域における生成水の形成を、膜を湿潤させるのに利用する。 最後に、本発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の少なくとも二個のPEM燃
料電池を含むPEM燃料電池蓄電池に関する。
【０００６】 これに関して、ターミナルプレートという用語は、膜の反対側にある側上の燃
料電池のガススペースを包む、セパレーター、冷却用および接触プレートのいず
れかのタイプを意味するとして理解される。
【０００７】 燃料電池の「構造上の端部領域」は、活性電池領域の外側にある電池の領域を
意味し、したがって、その領域では、プロセスガスおよび反応生成物の通常の供
給および除去がない。
【０００８】 電極層はガス透過性層であり、好ましくは、活性触媒層と、例えばカーボン紙
のような支持体とを含む。 膜は、好ましくは、プロトン伝導性電解質フィルムであり、作動状態の際にそ
の水分は約２０〜４０重量％である。
【０００９】 端部領域では、好ましくは、ターミナルプレートと膜の間にシールを配置する
。 本発明の一形態では、フレーム部材が金属製であり、端部領域には電気絶縁層
がさらに存在し、個々の電池がショートの危険性がなく積み重ねられるとき直列
に接続できる。
【００１０】 本発明の一形態を添付の二図面を参照して説明する。 図１は燃料電池１を示す。当該燃料電池の全長さにわたって延びる膜２が中心
にある。この膜は両面上に電極３および４によって端部まで覆われている。電極
が終わる膜の両面に隣接してシール５および６を端部に見ることができる。ター
ミナルプレート７および８は、膜２から反対側上に燃料電池の二つの反応空間１
１および１２を画定するが、上部と下部に見ることができる。
【００１１】 図１において選択される燃料電池１の断面を貫通してプロセスガスのための供
給または除去ダクト９／１０が設けられている。したがって、各場合、二つの除
去または供給開口（その中を例えば、矢印によって示される方向にプロセスガス
が流れる）は、ターミナルプレート７および８中に見ることができる。供給およ
び除去ダクトの間の燃料電池領域は活性燃料電池領域である。燃料電池の端部領
域はダクトのその他の側にある。
【００１２】 作動中、プロセスガス（例えば、燃料）は分配ダクト１３より二つの反応空間
１１／１２の一方、例えば、アノード室１１中に入り、水および電流を形成させ
るために酸化体と燃料との反応が起こる活性燃料電池領域に沿って流れる。生成
水は通常通り活性燃料電池領域に沿って除去される。従来、活性燃料電池領域は
生成水が形成される燃料電池中の一点のみであった。本発明では、電池の構造上
の端部領域にまで少し拡張されて反応が起こり、そこに、本発明では電極層が膜
に沿って延びている。プロセスガスは、活性触媒層の支持体による（すなわち、
例えばカーボン紙による）拡散によってのみ実質的にこの領域に到達する。構造
上の端部領域中のターミナルプレートは分配ダクト１３を備えていないからであ
る。
【００１３】 上述したように、構造端部領域中のプロセスガス流は少量であるか流れはなく
、したがって、そこで形成された生成水は除去されることができない。結局、生
成水１４は形成し膜上の電極層の端部に隣接するギャップ中に集まる。結果とし
て、水の小さな貯蔵部１４をシール５および６と膜２との間に形成する。この水
の貯蔵部は次の利点を与える。すなわち、 1.)活性電極表面の外側にある膜表面は常に水により囲まれている。機械抵抗性
が水分に非常に依存する膜は、したがって、長期間安定して使用できる。 2.)例えば、ホットプレスによりもたらされる膜の端部領域に存在し得る損傷が
、従来（すなわち、水の貯蔵部がない）、ガスのブレークスルーをもたらした。
本発明では存在する水のクッションのため、水中に溶け込んでいるガスのみが膜
に拡散し得る。このガスの量は非常に少ないので局所過熱やさらに、例えば、ガ
スのブレークスルーのような、膜に対する損傷の可能性はない。 3.)膜は、端部領域において脆くなり乾燥するのが防止される。
【００１４】 図１中で丸で囲んだ領域の詳細を図２に示す。膜２（端部においてシール５お
よび６により囲まれている）は、中心に配置されている。燃料電池領域の中心に
向けて、電極３および４で被覆され、当該電極は触媒層３ａおよび４ａならびに
支持体３ｂおよび４ｂを含む。軸方向の供給ダクト１０、ターミナルプレート７
および８と反応空間１１および１２中のそれらの分配ダクト１３も見ることがで
きる。水の貯蔵部１４は膜の電極被覆の各終末に形成される。形成され得る生成
水が除去され得ないからである。
【００１５】 燃料電池の構造上の端部領域への電極層の新規な延長は、膜を湿潤させる水の
貯蔵部が膜上の局所にあるギャップ中の領域に形成されることを意味する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、燃料電池の断面の構造を示す。
【図２】 図２は、端部領域の詳細な拡大図を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＣＮ，Ｊ Ｐ，ＮＯ，ＵＳ (72)発明者 ゲブハルド，ウルリヒ ドイツ連邦共和国デー−91094 ランゲン ゼンデルバハ，ツェーダーンシュトラーセ 18 (72)発明者 ヴァイダス，マンフレート ドイツ連邦共和国デー−90427 ニュルン ベルグ，シュニーグリンガー・シュトラー セ 285 (72)発明者 デッカース，グレーゴル ドイツ連邦共和国デー−65929 フランク フルト，ヨハンネスアレ 41 (72)発明者 ボーエンセル，ハラルド ドイツ連邦共和国デー−65529 ヴァルデ ムス，ホーフガッセ ４アー Ｆターム(参考） 3J040 AA01 AA12 AA15 AA18 BA03 HA15 5H026 AA06 BB02 CC03 CX05 5H027 AA06

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 膜を中に締め付ける少なくとも二枚のターミナルプレートを
    有するPEM燃料電池であって、当該膜は、外縁部を除いて、電極層により両側を
    覆われ、当該膜の被覆は、少なくとも一層の電極層が燃料電池の構造上の端部領
    域に突き出ているPEM燃料電池。
  2. 【請求項２】 端部領域において、膜とフレーム部材との間にシールが配置
    される請求項１に記載のPEM燃料電池。
  3. 【請求項３】 膜を湿潤させるためにPEM燃料電池の構造上の端部領域中の
    生成水の形成を利用するPEM燃料電池の作動方法。
  4. 【請求項４】 電気的に直列結合される燃料電池から製造され、互いに機械
    的に結合される少なくとも２つの請求項１〜３に記載の燃料電池のスタックを含
    む燃料電池蓄電池。
JP2000565578A 1998-08-10 1999-07-01 改良した長期間性能を有するｐｅｍ燃料電池、ｐｅｍ燃料電池の操作方法およびｐｅｍ燃料電池蓄電池 Pending JP2002533869A (ja)

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