JP2002500420A

JP2002500420A - 燃料電池ユニット

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Publication number: JP2002500420A
Application number: JP2000526987A
Authority: JP
Inventors: レネベック・クラウス
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-12-28
Filing date: 1998-12-23
Publication date: 2002-01-08
Also published as: EP1042835B1; KR20010033723A; ATE249687T1; BR9814493A; EP1176304A3; ZA9811899B; NO20003353D0; CN1283314A; WO1999034464A2; EP1042835A2; EP1176304B1; CA2314907A1; NO20003353L; PL341699A1; WO1999034464A3; DE19860056C2; DE19860056A1; TW439315B; ATE250183T1; DE59809598D1

Abstract

(57)【要約】本発明は、陽極および正極を相互に離間するように支持する電解質を用い、化学エネルギーの変換によって連続的な電流を生成するための燃料電池ユニットに関する。本発明の燃料電池ユニットは、独立した微小中空ファイバーマトリクス電解質（２）を有する。中空微小ファイバーは約０．０１〜５０μｍの壁厚および約０．０５〜２８０μｍの相当外径を有する。中空微小ファイバーは、拘束されたフィラメントまたはフィラメントヤーン織物の形状をなし、その場合に中空微小ファイバーの端部（３）は寸法が安定するように拘束され且つ中空ファイバーの管孔への経路が確保されるように少なくとも部分的に自由とされるか、あるいは拘束されたステープルファイバーまたはステープルファイバーヤーン織物が拘束されてなり、その場合に中空微小ファイバーの端部（３）は寸法が安定するように拘束される。また本発明は、いくつかのこの種の燃料電池ユニットから作られた燃料電池積層体（１）、およびこの種の燃料電池ユニットの使用方法に関する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は、相互に離間した陽極および正極を備える、電解質を用いた化学エネ
ルギーの変換によって直流電流を発生させる燃料電池ユニットに関する。さらに
本発明は、複数のそのような燃料電池ユニットからなる燃料電池積層体ならびに
そのような燃料電池ユニットの使用方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】

周知のように、燃料電池は電流の発生、より正確には化学エネルギーを電気エ
ネルギーに変換するのに用いられる。ここに、陽極では水素イオンの放出ととも
に電子が放たれ、陽極は負に帯電する。したがって、２つの反応が固体電解質の
表層において、一方は陽極において他方は陰極において起こり、これらの両方が
燃料電池反応の原理をなす。電極電流は、陽極（正極）から電流消費手段を介し
て陰極（負極）に流れる。陽極から陰極への電子の流れが発生するのと同時に、
水または水蒸気（蒸留水または凝縮排出物）などの反応生成物の燃料電池からの
排出が行われる。

【０００３】燃料電池を作動させるためには、例えば水素または水素キャリア等からなる燃
料または作動材料の供給が必要である。燃料は触媒陽極に移送され、酸素または
酸素キャリアすなわち酸化剤は、電解質を介して陽極から離間された陰極表面に
移送される。燃料電池における理想的な電解質を用いた場合、電圧１．２３ボル
トの電流が発生する。

【０００４】燃料電池の例としては、米国特許第５，４１８，０７９号において、陽極及び
陰極が板状とされ、かつこれらが同様に板状とされた電解質の両側に配置された
燃料電池が開示されている。そのような板状電解質は、操作上十分な安定性を確
保するためには相対的に非常に厚くなければならないという不利な点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】

しかしながら、電解質の厚さの増加によってイオンの拡散経路もまた長くなり
、これにより燃料電池の起動温度が高くなるため、そのような板状電解質は、燃
料電池としての使用に適した限定された範囲に向いたものでしかない。さらに、
そのような燃料電池は、与えられた体積の割に、電気化学反応のための活性表面
を少ししか有しない。

【０００６】そこで、本発明の課題は、可能な限り最小の容積において大きな反応表面を有
し、製造が容易で、使用に際し高い柔軟性を示す、燃料電池ユニットを提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

本発明によれば、この課題は、請求項１に記載の燃料電池ユニットによって、
また複数のそのような燃料電池ユニットからなる燃料電池積層体によって解決さ
れる。

【０００８】すなわち、相互に離間した陽極および正極を備え、電解質を用いた化学エネル
ギーの変換によって直流電流を発生させるための、本発明の燃料電池ユニットは
、微小中空ファイバーマトリクス電解質を有し、微小中空ファイバーは、約０．
０１〜５０μｍの壁厚、および約０．０５〜２８０μｍの相当外径を有し、微小
中空ファイバーは、フィラメントまたはフィラメントヤーンの層のいずれか一方
の形状に構成されるとともに微小中空ファイバーの端部は安定形状をなすように
拘束され且つ中空ファイバーの管孔に通じるように少なくとも部分的に露出され
るか、あるいは微小中空ファイバーは、ステープルファイバーまたはステープル
ファイバーヤーンの層の形状に構成され、微小中空ファイバーの端部が安定形状
をなすように拘束されたものである。

【０００９】この本発明に係る燃料電池ユニットによって、小さな容積で大きな活性表面、
例えば燃料電池体積１ｃｍ³あたり１１ｃｍ²を得ることができる。周知のように
、円形断面を有する幾何学的構造の相当直径がほぼ仮想的な円の直径である場合
、その仮想的な円の領域は、幾何学的構造の断面領域と等しいと理解しなければ
ならない。ここに、フィラメントの層という文言は、ステープルファイバーの層
における撚り合わせ無しに延在するファイバーとは反対に、１つまたはそれ以上
の撚り合わせを有する少なくともいくつかのファイバーからなるファイバーの層
を指している。ヤーンの層は、数本のファイバーまたはフィラメントが相互に撚
り合わされているところに特徴がある。

【００１０】本発明においては、固体電解質が中空ファイバー、すなわち細管または中空形
状をなしているので、薄い壁厚を機械的な安定性の問題無しに実現することがで
きる。本発明の他の有利な点は、前述の寸法の微小中空ファイバーは織物の属性
を有しており、そのため破損なしに容易に変形させることできるところにある。
微小中空ファイバーの内側表面および外側表面は陽極および陰極の各機能のため
に活性化される。活性化の種別は、微小中空ファイバーのための材料の選択に依
存する。例えば、適したコーティングにより活性化することが可能である。

【００１１】微小中空ファイバーの壁厚は、好適には約０．０５〜１０μｍの間、特に約０
．０５〜５μｍの間とされる。この場合、微小中空ファイバーの相当外径は、好
適には約１〜１００μｍの間、特には２〜２５μｍの間とされる。適した直径お
よび壁厚の具体的な選択は、使用材料に応じてなされなければならない。特に、
上記した壁厚および直径の下限値は、製造可能性によって定められたものである
。

【００１２】本発明の好ましい形態では、層は円盤プレート形状に構成され、微小中空ファ
イバーの端部が安定するように拘束されて、独立した円盤プレートリングが形成
され、その環状外周面に微小中空ファイバーの開口端部が露出されたものとされ
る。この円盤プレートは、断面からみて、平坦なプレートを形成することができ
、また波状ボール紙の堰相対のような形をゆうしていても良い。層を形成する微
小中空ファイバーは、好適には約０．５〜１００μｍの相当直径ならびに好適に
は約５０ｍｍ〜１０００ｍｍの長さを有するものとされる。この場合、ドイツ工
業規格（ＤＩＮ）Ａ４で約３〜５シートに相当する容積において、約１ｍ²の電解質表面を得ることができる。

【００１３】中空ファイバーは両端が開口しているので、その長さは管孔または経路の長さ
に相当し、その内側表面に陽極または陰極のいずれか一方が設けられる。特に好
適な長さは約３００ｍｍである。選択された微小中空ファイバーの長さは、好ま
しくは円盤プレートリングの直径に相当する。また微小中空ファイバーの長さは
、微小中空ファイバーの往復または屈曲により円盤プレートの直径の倍数に相当
するものとすることもできる。リングの厚さを約１ｍｍ〜３５ｍｍとするのが、
円盤プレートリングの形状安定手段としての機能が発揮されるのに、特に適して
いることが明らかになっている。円盤プレートリングの高さは、好適には約０．
５ｍｍ〜１５ｍｍとされる。この高さは、それぞれ上側にいくつかの微小中空フ
ァイバー層を収容するのに十分である。そのようなリングは、数個の燃料電池ユ
ニットの積層に適している。

【００１４】この代わりに、層は多角形、特に矩形状に構成されるとともに、微小中空ファ
イバーの端部が安定するように拘束され、多角形、特に矩形の独立フレームが形
成され、その外周面に微小中空ファイバーの開口端部が露出されたものとするこ
ともできる。この場合、個々の微小中空ファイバーは相互に平行をなすか又は相
互に交差するかのいずれかの配列とすることができ、微小中空ファイバーの長さ
は、好適にはフレームの長さ又は幅のそれぞれに凡そ相当するものとされる。

【００１５】好適には、微小中空ファイバーはポリマー材料、金属、セラミック、および／
または織物材料により形成される。またしかし、他の適した材料を用いることも
できる。その材料は、酸化物であっても非酸化物であっても良い。微小中空ファ
イバーを作るのに非フッ素処理ポリマー材料が使用される場合、その活性化は例
えばスルホン化によって行われる。

【００１６】本発明の構成の範囲内において、特にそれらの微小中空ファイバーは、国際特
許出願ＷＯ９７／２６２２５に示され、その開示は全体的にここに含まれること
が明らかになっている。これらは、セラミック材料または相当する未焼成生産物
からなる微小中空ファイバーである。これに関して、セラミック材料と言及され
ているときには、これは広義に解釈される。それは、無機物且つ主に非金属の化
合物または成分により構成される材料のための集合的な名称であり、これは特に
特に体積率で３０％以上結晶材料を含む。これについては、Roempp Chemie Lexi
kon, 第９版, 巻３, 1990年, 2193-2195頁が参照される。セラミック微小中空フ
ァイバーは好適には、酸化物、ケイ酸塩、窒化物および／または炭化物のセラミ
ック材料からなるものとされる。特に好適なものは、アルミニウム酸化物、リン
酸カルシウム（アパタイト）若しくは結合されたリン酸塩、ポーセリン若しくは
菫青石のような組成物、ムライト、酸化チタン、チタン酸塩、酸化ジルコニウム
、ケイ酸ジルコニウム、ジルコン酸塩、尖晶石、エメラルド、サファイア、コラ
ンダム、珪素の窒化物もしくは炭化物、または他の化学成分、またはそれらの混
合物を基材とするセラミック中空ファイバーである。ＭｇＯ、ＣａＯ、ＺｒＯ₂ 、ＺｒＳｉＯ₄、Ｙ₂Ｏ₃のような、セラミック産業においてドープ剤として知られた物質、またはそれらの前駆物質は、無機主要成分に添加することができる。

【００１７】これらの微小中空ファイバーを製造するためには、好適には、セラミック材料
の前駆物質および加熱により除去可能なバインダー（結合剤）を含有するエマル
ジョン、分散液および／または懸濁液を、公知の手法により未焼成の微小中空フ
ァイバーとして形成するとともに、バインダーを加熱により除去する。この代わ
りに、目の詰まった有機ファイバーのコアに分散液を塗布することもでき、この
場合、続いてコアとバインダーの両方を加熱除去する。分散液は、例えば体積率
で９５％まで、より好適には体積率で約４０〜７０％、量が変化する分散媒を含
有する。さらにまた分散媒は、バインダーが例えば熱可塑性物質であり且つ容易
に判断できる低粘性化合物への分解なしに溶融されうるときには、減少する。

【００１８】上述のセラミック前駆物質としては、特に次のもの：粘度鉱物、特にカオリン
、イライト、モンモリロナイト（Montmorillit）、水酸化アルミニウム等の金属
水酸化物、ＡｌＯＨ、ＡｌＯＯＨ等の金属水酸化物／酸化物混成物、ＢｅＯ、Ｍ
ｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂およびＴｈＯ₂等の金属酸化物、Ａｌ（Ｎｏ₃）₃等の金
属硝酸塩、金属アルコラート、特にＡｌ（ｉＰｒＯ）₃、Ａｌ（ｓｅｃ−ＢｕＯ）₃等のアルミニウムアルコラート、マグネシウム−アルミノケイ酸塩（Magnesi
um-Alumosilicate）、長石、ゼオライト、ベームライト（Boehmrite）、または前述の材料の２種またはそれ以上の混合物、を用いることができる。

【００１９】加熱により除去可能なバインダーの選択に関しては、本発明の構成の範囲内に
おいて臨界的な限定は存在しない。しかしながら、バインダー薄膜形成するもの
が好ましい。それは例えば、尿素、ポリビニルアルコール、ワックス、ゼラチン
、寒天、たんぱく質、サッカリドである。任意に、バインダー、懸濁剤、消泡剤
および防腐剤等の有機助剤を用いることができる。セラミック材料の前駆物質の
混合物と加熱除去可能なバインダーとは分散液の形態で存在し、この用語はそれ
自体広義に解釈される。特にエマルジョンおよび懸濁液は通常ペーストの形態で
存在する。分散媒体の選択に関しては高い自由度がある。一般には、それは水で
あろう。しかしながら、液体としてアルコールまたはアセトン、任意に更に水を
混ぜたもの等の有機溶剤も用いることが可能である。ここで特に有利なのは、例
えば前述のポリビニルアルコールに基づくいわゆるゾル−ゲルプロセスである。

【００２０】本発明の構成の範囲内において、前述の微小中空ファイバーの未焼成製造物は
原理上そのまま使用できることは、強調される必要がある。この場合、微小中空
ファイバーの未焼成製造物を続いてスルホン化するのが特に有利である。これに
よって、望ましい陽子伝導性が改善されることとなる。

【００２１】特にスピニング方法の構成の範囲内で、前述の微小中空ファイバーならびに相
当する未焼成製造物を製造するためには、分散液をスピニング装置の供給タンク
または圧力容器に入れ、その分散液を、スピニング装置を介して約２０〜４００
℃の温度で流し移送し、ノズルリング開口部またはノズル外形開口部を押し通す
。

【００２２】ノズル開口部の領域に生ずる部分的な流れはガス吹き込みのためにコアによっ
て又は装置によって分離され、そして部分的な流れは加熱により又は反応相手の
供給により微小中空ファイバーとして凝固され、そして任意に、微小中空ファイ
バーを緻密化するために焼成される。更なる詳細は、前述の国際出願ＷＯ９７／
２６２２５に示されている。

【００２３】さらに微小中空ファイバーとして、よくある動物種の皮膚の毛を使用すること
が可能であり、これらの皮膚毛は内側に管腔を有している。かかる皮膚毛は、そ
れらのたんぱく質成分によって、陽子伝導度が高く、且つそれゆえ本発明の燃料
電池ユニットに適している。

【００２４】目的の応用および使用される燃料しだいで、燃料電池ユニットは、ＰＥＭ、Ｄ
ＭおよびＳＯ燃料電池ユニットとすることができる。周知のように、略語「ＰＥ
Ｍ」、「ＤＭ」および「ＳＯ」は、それぞれ「プロトン交換膜（Proton Exchang
e Membrane）」、「直流膜（Direct Membrane）」および「固体酸化物（Solid O
xide）」に対するものである。

【００２５】特にＰＥＭ燃料電池ユニットに対しては、微小中空ファイバーの未焼成ポリマ
ー製造物が適しており、これに対して焼成状態の微小中空ファイバーは特にＳＯ
燃料電池ユニットの製造に適している。高温燃料電池のための開始材料としては
、高吸水能を示すことから、二酸化ジルコニウムおよび特にジルコニウムを推奨
することができる。さらに、本発明に係る使用方法の構成の範囲内においては、
ＰＥＥＫ（polyetheretherketon；ポリエーテルエーテルケトン）材料およびヴィクトレックス（Victrex；登録商標）が適していることが明らかになっている。したがって、適した材料の選択により、あらゆる種類の燃料電池を製造するこ
とができる。

【００２６】陽極は、微小中空ファイバーの管孔の内側表面に、また外周表面に設けること
ができる。しかし、さらに与えられる応用上の理由の更なる詳細のため、陽極は
電解質の外周に、および陰極は当該微小中空ファイバーの管孔の内側表面に配さ
れるのが好ましい。

【００２７】特に好適な形態では、燃料電池ユニットは、マイクロ波スクリーニングケージ
（またはマイクロ波選別籠）を備えたものとされる。これは、燃料電池を起動温
度、すなわち電気化学反応が起こる温度にするのにしばしば使用されるマイクロ
波加熱の輻射線を遮蔽する役目を果たす。

【００２８】マトリクス電解質を形成する個々の微小中空ファイバー間におけるショートを
避けるために、不活性表面を有するらせん状ファイバーの形態をしたショート保
護手段を備え、これが、微小中空ファイバーの周りに巻き付けられるとともに、
その端部に固定されたものとすることができる。

【００２９】本発明の燃料電池ユニットは、結合させて燃料電池積層体を形成することがで
き、これによって随意に、個々の燃料電池ユニットの容量を実質的に増加させる
ことができる。そのような積層体においては、安定した独立のフレームが形成さ
れるように、個々の燃料電池ユニットを嵌め込み又は成形することができる。こ
のフレームは、例えば既に前に説明した円盤プレートリングなど、どんな形状を
有していても良い。

【００３０】本発明の燃料電池積層体における個々の燃料電池ユニットは、波状または網板
形状とすることもできる。この形状では、個々の燃料電池ユニットを互いの上端
部に容易に配置することができる。

【００３１】本発明の燃料電池積層体は、熱交換器またはエアフィルタとして、不活性電極
表面を有する少なくとも１つの燃料電池ユニットを含むものとすることができる
。これは、微小中空ファイバーのマトリクス電解質を有する本発明の燃料電池ユ
ニットを構成する上で、特別に有利な点である。熱交換器および／またはエアフ
ィルタは、実をいえば、同じ材料及び構造のマトリクス電解質フィラメントから
構成され、唯一の違いはそれらの表面が活性化されておらず、そこで電流発生の
ための化学反応が起こりえないことである。このように、本発明の燃料電池ユニ
ットまたは電量電池ユニット積層体は、先ず個々の要素（燃料電池ユニット、熱
交換器、エアフィルタ等）を同一の要素として作り、続いて個々の微小中空ファ
イバーの特定の活性化によって機能を分けるという数工程で、著しく容易に製造
することができる。

【００３２】本発明の微小中空ファイバーマトリクス電解質は、連結する（例えば、つなぐ
又は編む）ことによって、個々の燃料電池ユニットにそれぞれ作り上げることが
できる。熱交換器および／またはエアフィルタとしての役割を果たす、不活性表
面を有する微小中空ファイバーは、好適には、電解質として機能する微小中空フ
ァイバーに対し、電気絶縁形態で、当該微小中空ファイバーの周りに螺旋状に巻
きつけられるように取り付けられる。絶縁螺旋巻き付け物は、好適には燃料電池
ユニットのマトリクス端部において、電解質として機能する微小中空ファイバー
に対してしっかりと且つ取り外し不能な形態で接続され、陽極表面は減少されな
い。このようにすると、マトリクスにおける電解質として機能する微小中空ファ
イバーの外側表面は、燃料接触のために露出された状態のままとなる。同時に、
絶縁螺旋物は、マトリクス電解質の中空ファイバー外側表面を、織物接触および
手で触れることから保護する役割を果たす。系列回路は、個々の細密な燃料電池
から層および積層体として製造される。

【００３３】燃料電池積層体を作成するために、個々の微小中空ファイバーを、ランダムな
配置で或いは配列による層として、平坦な物に作り上げることができる。完成し
た積層体は熱交換器として用いることが可能であり、その場合、これら積層体の
微小中空ファイバー不活性表面を有するものとされる。個々の積層体を積層する
ことによって、それらを、活性化微小中空ファイバーの積層体と不活性微小中空
ファイバーの積層体とが交互とされた安定なモジュールに作り上げることができ
る。さらにまた、不活性積層体は、冷却装置、燃料の復熱装置または予熱装置と
して機能させることができる。個々の燃料電池積層体が円盤プレート状をなして
いる場合、積層によって取扱容易な稼動円柱体が形成される。

【００３４】燃料電池としての稼動のために、約０．０５μｍ〜４０μｍの間の壁厚および
約０．１μｍ〜約５０μｍの外径を有する微小中空ファイバーが特に適している
ことが明らかになっている。さらに個々の場合において、管孔直径は１００μｍ
を上限とするのが良い。これらの小さい直径および壁厚を得るために、好適には
前述の製造方法が用いられる。

【００３５】本発明の燃料電池ユニットまたは本発明の燃料電池積層体を使用して、燃料の
酸化において放出される化学エネルギーの変換によって直流電流を発生させる場
合、燃料および酸化剤の物質流が交差流となるように案内される。これは、一方
の物質流がフィラメントまたはファイバー層積層体の平面に対して直交し、他方
はこの平面に対して平行であることを意味する。これは、電解質はプレート状ま
たは平坦な膜状をなし、それゆえ燃料および酸化剤の物質流がプレート平面に沿
って平行または対向平行に案内される、公知の燃料電池の作用とは対照的である
。公知の燃料電池のこの配置は、例えば酸化剤の酸素濃度がプレート平面に沿っ
て移動するほどいっそう希薄になるという不利益を生ずる。これに対して、本発
明の燃料電池ユニットまたは燃料電池積層体を使用した場合、交差流形態の作用
により、酸化剤は微小中空ファイバーの両端からそれぞれ供給することができる
。これは、微小中空ファイバーの全長にわたり実質的に一定の酸素濃度が与えら
れ、その結果燃料電池ユニットの容量を一定に保持できることを意味する。

【００３６】水素含有燃料は、反応性が高いことから、本発明の燃料電池積層体を稼動させ
るのに特に適することが明らかになっている。

【００３７】好ましくは、反応生成物は燃料電池ユニットまたは他の連結された連続体の調
節、加熱、冷却および／または湿潤に用いられる。連結された連続体は、例えば
連結された燃料電池ユニットまたは燃料電池の独立要素である。この形態では、
燃料が数回利用され、著しく経済的なプロセスが実現される。燃料の多重使用の
意味においては、酸化反応生成物、例えば水は例えば自動車の空調システムに還
元され更に使用される。

【００３８】燃料電池反応を開始させるためには、一般に高温が必要とされ、これが燃料電
池の起動温度といわれている。本発明においては、この起動温度は、加熱媒体を
交差流の支流の１つにおいて燃料電池積層体を通して通過させることによって得
ることがことができる。この加熱媒体は、例えば電気化学反応生成物とすること
ができる。

【００３９】電解開始温度は、燃料および／または酸化剤を燃料電池ユニットに供給するの
に先立って加熱することによって得ることができる。この燃料および／または酸
化剤を加熱するのに必要な熱は、例えばゼオライトの湿潤により得ることができ
る。周知のように、吸水によりゼオライトは＋７０℃〜＋３７０℃の温度まで発
熱する。ゼオライトの湿潤は、好適には同様に、電気化学反応生成物（水蒸気）
によって行われる。

【００４０】電解開始温度は、金属水素化物、特に鉄、チタン、マグネシウムの水素化物の
湿潤によって得ることもできる。またもちろん、この湿潤にも電気化学反応最終
生成物を用いることができる。

【００４１】さらに、金属または水酸化バリウムの溶融液の直接的または間接的な循環によ
って得ることも可能である。これに関して、水酸化バリウムは約７８℃で既に液
体であり、それゆえ望ましい温度範囲で液体として循環させることができるので
、特に適している。この金属溶融液または水酸化バリウム溶融液は、もちろん燃
料および酸化剤の物質流から隔離して流通させなければならない。

【００４２】さらにまた、電解開始温度は燃料電池ユニットをマイクロ波で照射することに
よって得ることもできる。この場合、燃料電池または燃料電池積層体およびハウ
ジングは、マイクロ波が透過するように作らなければならず、その場合には全ユ
ニットが、重量軽減のために軽量構造として作られているマイクロ波スクリーニ
ングケージとして統合せざるをえない。この加熱形態は、前述した他の加熱方法
と組み合わせて用いることもできる。前述の全ての加熱方法は、加圧なしに実行
できる利点を有している。これは構造的観点からみた利点である。

【００４３】さらに、燃料電池の高速起動は、大気触媒バーナーすなわち気体−液体バーナ
ーによって実現することができる。この触媒バーナーもまた、燃料電池または燃
料電池積層体の昇温のための前述の方法の一つまたはいくつかと組み合わせて用
いることが可能である。

【００４４】触媒表面の活性化の種類によっては、これを、燃料電池積層体の載置または組
立てに先立っておよび燃料電池の作動後に、例えば仕上げのために実行すること
ができる。微小中空ファイバーの管孔の外側および内側表面は、交互に陰極また
は陽極として機能させることができる。

【００４５】燃料の噴霧は好適にはノズルを通して行う。そのノズルの開口は、直径０．１
μｍ〜１００μｍの微小中空ファイバーの管孔のように形成され、且つノズルの
注型成形または射出成形パーツに備えられたものとされる。この形態では、燃料
の正確な計量供給ならびに極めて良好な燃料の分配が可能となる。

【００４６】ノズルの開口が直径０．１μｍ〜１００μｍの微小中空ファイバーの管孔のよ
うに形成され、且つノズルの注型成形または射出成形パーツに備えられた、この
燃料噴射ノズルは、公知の燃料噴射ノズルをかなり改良したものとなる。このノ
ズルは、前述の方法によって外径の変動幅を僅かに約±６％として製造すること
ができる。前述サイズの開口および精密な直径を有するノズルは、しかしながら
、通常の金属ブランク内でのレーザー照射では非常に不正確となるので穿孔でき
ない。本発明のノズル開口を形成するためには、微小中空ファイバーを、ノズル
の注型成形パーツまたは射出成形パーツに配置した後に、それらに事実上のノズ
ル材料、例えば金属を満たすのが良い。微小中空ファイバーを微小ワイヤー、例
えばタングステングローランプワイヤーを用いて取り除けば、ノズルとして機能
する開口を形成することができる。この場合、ワイヤーは押出すようにして引き
抜くことにより、噴霧管孔が形成される。

【００４７】

【発明の実施の形態】

以下、添付図面を参照しつつ本発明について更に詳説する。なお添付図は制限
的な具体例として与えられたものではない。

【００４８】図１には、本発明に係る燃料電池積層体が図示されており、これには全体を通
して符号１が付されている。燃料電池積層体１は、電解質をなす微小中空ファイ
バー２から構成され、フィラメントまたはステープルファイバー層はランダムな
配置で又は整えられた配列によって平坦な物として形成されている。したがって
、この固体電解質はマトリクスの形態となっている。

【００４９】個々の微小中空ファイバーの端部３は開口されており、フレーム４、この例で
は矩形フレームの外周表面に露出している。フレーム４は、形状を安定化する役
割を果たし、好ましくは電気的に絶縁性の成形複合材で作られる。この例では、
微小中空ファイバーの端部３は、燃料電池積層体の製造の際にフレーム内に成形
することができる。

【００５０】しかし、他のどのような種類の、微小中空ファイバー２のフレーム４内への埋
め込みも可能である。例えば、単に固定せずに埋め込むことも可能である。

【００５１】図１に示された本発明に係る燃料電池積層体の具体例は、小型で安定な矩形燃
料電池が形成されるように積層されている。積層体の個々の複数の積層または個
々の積層の周囲には、ハウジング５が備えられ、これは、機械的、温度的、また
は化学的もしくはプロセス上の個々の構成要素に対する変形作用に応じて、例え
ばプラスチック、金属、ガラスまたはセラミックで作ることができる。燃料電池
を加熱するためにマイクロ波照射が用いられるときには、この種の照射線が透過
可能な材料がハウジングに用いられなければならない。この場合、操作者や使用
者を保護するために、スクリーニングケージがマイクロ波加熱部を含む装置全体
を取り囲むように備えられなければならない。好適には、燃料電池積層体の電気
絶縁性を確保するために、ハウジングを誘電性材料で作る。

【００５２】本発明の燃料電池積層体は、圧力や真空状態下で作動させることができる。前
者の場合、ハウジング５は当該圧力に適するように構成する必要がある。ここに
、具体的には、円筒形圧力容器が特に有利であることが明らかになっている。

【００５３】図１ａは、図１の断面を具体的に示している。図示例では、微小中空ファイバ
ー２が一方向に沿って平行に配列されている（図１および１ａでは、明瞭にする
ために、２，３の微小中空ファイバーだけを示している）。既に先に述べたよう
に、それらはしかし互いに十文字形に配列することもできる。ハウジング５の底
部６は、例えば高圧条件に耐えうるように凹面の底部として構成することができ
る。付言すると、圧力作動のためのコンプレッサーが必要になる。これは、図１
ａに象徴的に示されている。

【００５４】図２には、フレーム４が円盤プレートリング形状を有する、本発明の燃料電池
積層体１の他の具体例が図示されている。図２の微小中空ファイバー２は、明瞭
さのため個々のもののうちの一つが部分的に示されており、円盤プレートの直径
に沿って延在し、中空ファイバー端部３はリングの外側側面に露出している。

【００５５】そのような積層の寸法例としては、次の値を示すことができる。円盤プレートリングの直径２３０ｍｍ円盤プレートリングの高さ５ｍｍ円盤プレートリングの厚さ３５ｍｍ微小中空ファイバーの外形１０μｍ

【００５６】微小中空ファイバーの活性表面は、特に分子スクリーン（Molekularsieb）、活性炭、黒鉛、アルミノケイ酸塩（Alumosilikat）、ゼオライトまたは海綿質材
料（spongioesen Materialien）ならびに第８亜族の成分および混成物により作ることができる。

【００５７】図３は、図２に示された円盤プレートリングをなすフレーム４を有する燃料電
池積層体１の斜視図である。この図から、燃料電池積層体における２つの電極８
，９がどのように誘電性フレーム４に配置されるかが理解できる。図示の電極の
据付によれば、いくつかの燃料電池積層体の相互に順列の配置によって、直列回
路を形成でき、それらを相互に上部に積層することにより並列回路を形成できる
。

【００５８】図３ａは、図３の燃料電池積層体の断面を示しており、そこには、更に図を明
瞭にするために、フレーム４内に延在する微小中空ファイバーが一つ示されてい
る。微小中空ファイバー２の外側表面に、微小中空ファイバーの２つの電極の一
つが位置しており、これを陽極または陰極とすることができる。微小中空ファイ
バーの電極１０は、フレームの外面に備えられた対応する電極９と直接接触され
る。微小中空ファイバーの内側表面に備えられた、２つの他の微小中空ファイバ
ー電極（図示せず）から、円盤プレートリングから出て、円盤プレートリングの
第２の電極８まで電線が導通される。

【００５９】陽極が微小中空ファイバーの内側表面に配されている場合、電気化学反応の生
成物は、陰極をなすファイバー外側表面に発生する。この場合、陰極のハウジン
グとの接点が直接に得られ、酸化剤または空気は微小中空ファイバーの層を通し
て濾過される。

【００６０】本発明の燃料電池積層体は、他の、自己充足的な燃料補給および反応性生物排
出自由の大気燃料（例えば水）電池として用いることができる。さらに、真空お
よび加圧方式稼動で用いることもでき、その形態は自動車における使用に特に適
し、移動により発生する風が燃料電池積層体内の真空を確保する。

【００６１】個々の微小中空ファイバーは独立しており、またその織物特性により顕著な可
撓性および耐久性を有する。微小中空ファイバーの壁厚が薄いので、低い起動温
度が実現可能である。本発明の微小中空ファイバーは、外径および壁厚の変動に
関して±６％の精密さで製造することができ、その場合には一定状態での稼動が
確保される。

【００６２】本発明の燃料電池積層体の使用方法の構成における噴射ノズルは、他の分野、
特にオットーキャブレターエンジン若しくはディーゼルエンジン、カルノーサイ
クルプロセス、又は他の類似のプロセス若しくは機械で用いるのにも適している
。

【図面の簡単な説明】

【図１】 Fig.1は、本発明に係る燃料電池積層体の第１の形態を示す図であり、Fig.1ａ
はFig.1の断面図である。

【図２】 Fig.2は、本発明に係る燃料電池積層体の第２の形態の斜視図である。

【図３】 Fig.3は、特に本発明の燃料電池積層体の回路を示す、Fig.2の燃料電池積層体
の概略図であり、Fig.3ａはFig.3の縦断面図である。

【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１２年４月７日（２０００．４．７）

【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

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 8/24 Ｈ０１Ｍ 8/24 Ｅ (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】相互に離間した陽極および正極を備える、電解質を用いた化学
エネルギーの変換によって直流電流を発生させる燃料電池ユニットであって、ａ）前記電解質は、微小中空ファイバーマトリクス電解質とされ、ｂ）前記電解質の微小中空ファイバー（２）は、約０．０１〜５０μｍの壁厚
および約０．０５〜２８０μｍの相当外径を有し、ｃ）前記微小中空ファイバーは、フィラメントまたはフィラメントヤーンの層
のいずれか一方の形状をなすように構成されるとともに前記微小中空ファイバー
の端部（３）は安定形状をなすように拘束され且つ中空ファイバーの管孔に通じ
るように少なくとも部分的に露出されるか、あるいは前記微小中空ファイバーは
、ステープルファイバーまたはステープルファイバーヤーンの層の形状に構成さ
れ、前記微小中空ファイバーの端部（３）が安定形状をなすように拘束された、ことを特徴とする、燃料電池ユニット
【請求項２】前記微小中空ファイバーの壁厚が、約０．０５〜１０μｍの間
、特に約０．０５〜５μｍの間とされた、請求項１記載の燃料電池ユニット。
【請求項３】前記微小中空ファイバーの相当外径が、約１〜１００μｍの間
、特に約２〜２５μｍの間とされた、請求項１または２記載の燃料電池ユニット
。
【請求項４】前記層は円盤プレート形状に構成されるとともに、前記微小中
空ファイバーの端部が安定するように拘束されて、独立円盤プレートリングが形
成され、その環状外周面に前記微小中空ファイバーの開口端部が露出された、請
求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池ユニット。
【請求項５】前記層は多角形、特に矩形状に構成されるとともに、前記微小
中空ファイバーの端部が安定するように拘束されて、多角形、特に矩形の独立フ
レームが形成され、その外面に前記微小中空ファイバーの開口端部が露出された
、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池ユニット。
【請求項６】前記微小中空ファイバー（２）が、ポリマー材料、金属、セラ
ミック、および／または織物材料により形成されたものとされた、前記請求項の
少なくとも１項に記載の燃料電池ユニット。
【請求項７】前記燃料電池ユニットがＰＥＭ、ＤＭまたはＳＯ燃料電池ユニ
ットである、前記請求項の少なくとも１項に記載の燃料電池ユニット。
【請求項８】陽極が、前記微小中空ファイバーの管孔の内側表面に備えられ
た、前記請求項の少なくとも１項に記載の燃料電池ユニット。
【請求項９】陽極が、前記微小中空ファイバー（２）の外周表面に備えられ
た、前記請求項１〜７の少なくとも１項に記載の燃料電池ユニット。
【請求項１０】マイクロ波スクリーニングケージを備えた、前記請求項の少
なくとも１項に記載の燃料電池ユニット。
【請求項１１】不活性表面を有するらせん状ファイバーの形態をしたショー
ト保護手段を備え、これが、微小中空ファイバーの周りに巻き付けられるととも
に、その端部に固定されている、前記請求の少なくとも１項に記載の燃料電池ユ
ニット。
【請求項１２】前記請求項の少なくとも１つに記載の複数の燃料電池ユニッ
トからなる、燃料電池積層体（１）。
【請求項１３】前記個々の燃料電池は波状または網板形状とされたことを特
徴とする、請求項１２記載の燃料電池積層体。
【請求項１４】熱交換器またはエアフィルタとして、不活性電極表面を有す
る少なくとも１つの燃料電池ユニットを含むことを特徴とする、請求項１２また
は１３記載の燃料電池積層体。
【請求項１５】燃料の及び酸化剤の物質流が交差流となるように案内される
ことを特徴とする、燃料が酸化する間に放出される化学エネルギーの変換によっ
て直流電流を発生させるための、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の少なく
とも１つの燃料電池ユニットまたは燃料電池積層体の使用方法。
【請求項１６】水素含有燃料が使用されることを特徴とする、請求項１５記
載の使用方法。
【請求項１７】電気化学的酸化生成物が、燃料電池ユニットまたは他の連結
された連続体、特に連結された燃料電池ユニット連続体の、調節、加熱、冷却お
よび／または湿潤に用いられることを特徴とする、請求項１５または１６記載の
使用方法。
【請求項１８】電解開始温度が、加熱媒体を前記交差流の支流の１つにおい
て前記燃料電池ユニットの少なくとも１つまたは前記燃料電池積層体を通して通
過させることによって得られることを特徴とする、請求項１５〜１７の少なくと
も１項に記載の使用方法。
【請求項１９】電解開始温度が、前記燃料および／または前記酸化剤を燃料
電池ユニットに供給するのに先立って加熱することによって得られることを特徴
とする、請求項１５〜１７の少なくとも１項に記載の使用方法。
【請求項２０】前記燃料、酸化剤または加熱媒体の加熱に必要とされる熱が
ゼオライトの湿潤により得られることを特徴とする、請求項１８または１９記載
の使用方法。
【請求項２１】電解開始温度が、金属水素化物、特に鉄、チタン、マグネシ
ウムの水素化物の湿潤によって得られることを特徴とする、請求項１８記載の使
用方法。
【請求項２２】電気化学反応の最終生成物が前記湿潤に用いられる、請求項
２０または２１記載の使用方法。
【請求項２３】電解開始温度が、金属または水酸化バリウムの溶融液の直接
的または間接的な循環によって得られることを特徴とする、請求項１８記載の使
用方法。
【請求項２４】電解開始温度が、前記燃料電池ユニットをマイクロ波で照射
することによって得られることを特徴とする、請求項１５〜２３の少なくとも１
項に記載の使用方法。
【請求項２５】電解開始温度が、大気触媒バーナーを用いて得られることを
特徴とする、請求項１５〜２４の少なくとも１項に記載の使用方法。
【請求項２６】燃料の噴霧をノズルを通して行い、そのノズルの開口は、直
径０．１μｍ〜１００μｍの前記微小中空ファイバーの管孔のように形成され、
且つ前記ノズルの注型成形または射出成形パーツに備えられた、請求項１５〜２
５の少なくとも１項に記載の使用方法。
【請求項２７】ノズルの開口が、直径０．１μｍ〜１００μｍの前記微小中
空ファイバーの管孔のように形成され、且つノズルの注型成形または射出成形パ
ーツに備えられたことを特徴とする、特に請求項２６に記載の使用方法の構成中
の、燃料噴射ノズル。