(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの燃料電池を備える燃料電池システムであり、前記燃料電池に処理空気流を送る少なくとも１つの空気供給装置と、前記空気供給装置後に一方の側を前記処理空気流が通過し、他方の側を冷媒流が通過する少なくとも１つの熱交換器と、を備え、前記処理空気流の流れる方向に向かって前記熱交換器（１６）の前記一方の側の前又は前記熱交換器（１６）の前記一方の側の部分内に、触媒作用のある材料（２２）を備える部分が配置され、前記触媒作用のある材料（２２）を備える部分に燃料を供給することができる燃料電池システムであって、
前記熱交換器（１６）は、前記燃料電池を冷却可能な冷却回路の冷媒を通過させることができるコンポーネントとして形成されており、
前記冷媒流は、燃料電池（２）のカソード領域（３）から排出される排出エア流であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記触媒作用のある材料（２２）を備える前記部分が、前記熱交換器内（１６）に統合されて形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記熱交換器（１６）の、前記処理空気流の流れる部分全体又は一部が、前記触媒作用のある材料（２２）でコーティングされていることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記触媒作用のある材料（２２）を備える前記部分が、独立したコンポーネント（２３）として、前記処理空気流の流れる方向に向かって前記熱交換器（１６）の前記一方の側の前に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記触媒作用のある材料（２２）を備える部分に供給される燃料の流れが、前記燃料電池（２）の燃料の少なくとも一部を有する物質の流れであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料を有する部分に接続されている少なくとも１つのラインエレメント（１１、２０）が、前記熱交換器（１６）の前で、前記熱交換器（１６）へ流れる前記処理空気流に通じていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料を有する部分に接続されている少なくとも１つのラインエレメント（１１、２０）が、前記処理空気流が通過している前記熱交換器（１６）の部分内に通じていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
輸送手段において電力を提供するための、請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池システムの使用。
【請求項９】
前記輸送手段を駆動するために電力が利用され、前記輸送手段が車両として、特にレールのない地上用車両として形成されていることを特徴とする、請求項８に記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分に詳しく定義されている種類の、少なくとも１つの燃料電池を備える燃料電池システムに関する。さらに、本発明は、そのような燃料電池システムの使用にも関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システム自体は、一般的な従来技術から知られている。この場合、燃料電池には、しばしば、空気供給装置によって処理空気流が供給され、この処理空気流は、カソード領域に酸素を供給するために燃料電池のカソード領域を通過する。燃料電池に送られた空気は、例えばフローコンプレッサ、スクリュコンプレッサ、ルーツブロワなどの空気供給装置によって圧縮され、その際に加熱される。燃料電池システムにＰＥＭ燃料電池を使用する場合、このような処理空気の加熱により、燃料電池内の比較的敏感な膜が急速に乾燥する可能性がある。従って、この種の燃料電池システムでは、しばしば、インタクーラとして熱交換器が設けられており、この熱交換器を、一方では空気供給装置後の処理空気が通過し、他方では例えば燃料電池部分から排出される比較的冷たい排出エアである冷媒が通過することにより、燃料電池へ流れる空気供給装置後の処理空気を冷却し、それによって燃料電池の寿命と性能を向上させている。
【０００３】
一般的な従来技術から、さらに、燃料電池システム、ここでは特に車両に用いられる燃料電池システムにとってコールドスタート性能が重要であることが知られている。この燃料電池システムが氷点下の温度においても確実に、高い信頼性をもって、とりわけ素早くスタートできるようにするためには、大きな経費がかかる。例えば、ドイツの特許文献１から、燃料電池スタックの冷却回路内の様々な熱源によって、燃料電池スタックを急速に加熱させることが知られている。これらすべての措置が十分でない場合、前述の特許文献１は、スタックのカソード側に水素を送り、燃料電池内にある電解触媒の部分で、この水素を処理空気と一緒に燃焼させることを提案している。これによって、比較的高い熱量を燃料電池自体の部分に発生させることができる。
【０００４】
燃料電池のカソード領域に比較的多量の水素を送るというこの措置は、カソード領域に水素を供給することによる燃焼のため、すなわち処理空気の酸素を使って水素を熱変換するために、その部分にある触媒が使用されるという大きな問題がある。このことにより、結果として、局所的に比較的高い熱が発生するため、燃料電池の寿命に大きな悪影響を及ぼす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２００８０４７８７１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、燃料電池の寿命に関して、上述のような問題を甘受する必要なしに、燃料電池システムの急速な加熱を保証する燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に基づき、この課題は、請求項１の特徴部分に記載された構成によって解決される。この種の燃料電池システムの特に有利な使用は、請求項８に示されている。有利な発展形態は、それぞれ、従属請求項に示されている。
【０００８】
本発明に基づき、熱交換器を装備した燃料電池システムが使用され、この熱交換器は、空気供給装置によって圧縮及び加熱された処理空気を冷却するためのインタクーラとして使用される。この場合、本発明に基づき、処理空気流が通過する熱交換器の前又は熱交換器の部分内に、触媒作用のある材料を備える部分が配置されている。さらに、触媒作用のある材料を備えるこの部分には、必要に応じて燃料が供給される。このことにより、燃料電池に送られる処理空気は、従来の作動におけるように、冷却が可能であるばかりでなく、この処理空気は、必要に応じて、及びここでは特にコールドスタートにおいて触媒作用のある材料を備える部分に燃料が供給されることによって、酸素と燃料との触媒変換により加熱することができ、水素含有燃料の場合は、発生する生成水によって加湿できるという可能性が生じる。その結果、燃料の供給により、処理空気及び燃料電池、さらには燃料電池システムの加熱を実現するという、極めて単純かつ効率的な方法が生まれる。熱交換器の前又は熱交換器の部分内に配置されている、このために特別に設計された触媒により、熱は、燃料電池自体の部分にではなく、その外で発生する。次に、この熱は、処理空気流によって燃料電池部分の中に入力される。従来技術による構造で知られ、一般的である燃料電池の寿命に関する問題は、これによって回避することができる。なぜなら、燃料電池自体の部分、特にそのカソード領域には燃料が到達しないため、それに対応して変換する必要がないからである。これによって、この燃料電池システム自体を、特に、空気供給部分に配置されている全ての構成部品に関して、極めて急速に作動温度まで上昇させることができる。
【０００９】
この場合、インタクーラとして使用される熱交換器は、原則的に冷却側のどのような種類の冷媒も通過させることができる。この熱交換器は、例えば、冷却回路内に統合して形成することができるため、空気供給装置後に加熱された処理空気は、例えば燃料電池も冷却可能な冷却回路の冷媒によって冷却される。この場合、熱交換器の前又は熱交換器の中で燃料と酸素との触媒変換によって発生する熱は、この熱交換器を介して処理空気流を加熱するばかりでなく、冷媒流も加熱するため、この熱交換器が冷却回路を温め、この冷却回路を介して同様に燃料電池システムの急速な加熱にも貢献する。
【００１０】
本発明に基づく燃料電池システムの有利な実施形態では、触媒作用のある材料を備える部分が、熱交換器内に統合されて形成されている。処理空気流の通過する熱交換機側に触媒作用のある材料を統合することにより、この場合、特にコンパクトな構造が可能となる。なぜなら、熱交換器のコンポーネントはインタクーラとして働き、また必要に応じて、処理空気流の流れる熱交換器側では物質の触媒変換にも用いられるからである。
【００１１】
本発明に基づく燃料電池システムの好ましい発展形態では、この熱交換器の、処理空気流の流れる部分全体又は一部が、触媒作用のある材料でコーティングされている。触媒作用のある材料による熱交換器のこのようなコーティングは、比較的簡単に行うことができる。従って、触媒作用のある材料、例えば白金又はパラジウムなどの最小限の使用によって、空気と燃料との効率的な触媒変換を達成することができる。同様に考え得る触媒作用のある材料を含むペレットなどを流し込む場合とは異なり、燃料電池部分への汚れの浸入がほぼ除外されるため、不必要な圧力損失を引き起こすおそれのあるフィルタエレメントなどを省略することができる。
【００１２】
本発明に基づく燃料電池システムの非常に適切かつ有利な発展形態では、冷媒流が、燃料電池のカソード領域から排出される排出エア流になっている。
【００１３】
この好ましい構造は、空気供給装置後に加熱される燃料電池の処理空気を冷却する通常モードにおいて、燃料電池のカソード領域から出る比較的冷たい排出エアを利用する。冷間時のスタート条件下において処理空気を十分強力に加熱して、液体の凝結及び／又はこの液体の凍結を防ぐには、処理空気の圧縮では不十分であるため、本発明に基づき、熱交換器の前又は熱交換器の部分内に触媒作用のある材料を備える部分が設けられ、ここに燃料を加えることによって燃料電池へ流れる処理空気流を加熱する。この熱は、そのような作動状況においても同様に、まだ比較的冷たい排出エア流にも有利に作用する。すなわち、排出エア流が加熱されることにより、水滴の凝結及び凍結による排出エアラインの凍結、又は例えば排出エア流内に配置されているタービンの凍結を防止することができる。熱交換器部分の触媒作用のある材料により、燃料電池システムのコールドスタート中に熱が入力されることは、排出エア側での燃料電池システムの作動性能を最適な方法で保証することにもつながる。
【００１４】
本発明に基づく燃料電池システムは、非常にコンパクトかつ単純に作ることができ、周辺温度が非常に低い場合でも極めて簡単かつ効率的にスタートできる燃料電池システムが提供可能であるという利点を有している。従って、好ましくは、この種の燃料電池システムが、燃料電池システムと一緒に可動システムを形成する輸送手段において電力を提供するために使用される。特にこの種の可動システムにおいては、不利な条件からのスタート、特に氷点下での温度からのスタートが極めて頻繁に行われる可能性がある。この場合、この種のシステムでは特に、システムの素早いスタートは必須である。というのも、例えば輸送手段として自動車に使用する場合、使用者はそのような素早いスタートを期待しているからであり、従来の駆動システムを備える自動車の場合も同様の性能があり、そのような性能が一般的に周知であるからである。本発明に基づく燃料電池システムは、特にこの種の構造においても優位性を証明することができる。
【００１５】
本発明に基づく装置の有利なその他の実施形態は、残りの従属請求項に示されており、以下に図を用いて詳しく説明される実施例によって明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に基づく燃料電池システムの第１の実施形態である。
【図２】本発明に基づく燃料電池システムのもう１つの実施形態である。
【図３】本発明に基づく燃料電池システムのもう１つの代替の実施形態である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１には、燃料電池システム１が示されている。燃料電池システム１の核を形成しているのは燃料電池２であり、この燃料電池は例えばＰＥＭ燃料電池スタックとして形成されている。この場合、燃料電池２のカソード領域３とアノード領域４とは、プロトン導電性膜５によって互いに分離されている。燃料電池２を作動するための酸化剤として、通常は空気中の酸素が用いられ、そのために、空気供給装置６によって空気がカソード領域３に供給される。アノード領域４には、水素又は水素含有ガスが供給される。ここで示されている実施例においては、燃料電池２のアノード領域４には圧縮ガスタンク７から水素が供給されることになっている。この圧縮ガスタンク７の中に高圧下で貯蔵されている水素は、バルブ装置８を介してアノード領域４に供給され、この時、燃料電池２の作動に適した圧力レベルまで緩和される。燃料電池２の燃料として純粋な水素を使用する場合、この水素は、通常、燃料電池２のアノード領域４で変換され得るよりも多い体積流量がアノード領域４に供給される。このことにより、プロトン導電性膜５の使用可能な全ての作動面に十分な量の水素をできるだけ均等に供給することができる。
使用されなかった水素は、次に、アノード領域４から再循環ライン９を介して排出され、例えば水素再循環ブロワ及び／又はガス噴射ポンプなどの再循環供給装置１０によって、圧縮ガスタンク７からくる新鮮な水素と一緒に再びアノード領域４に供給される。やがて、再循環ライン９の部分では窒素が増加し、この窒素は、膜５を通り抜けてアノード領域４に達し、同じく少量の生成水も燃料電池２のアノード領域４に発生する。この不活性物質は燃料電池内で変換することができないため、再循環ライン９とアノード領域４の容積内の水素濃度を徐々に低下させる。従って、アノード領域４の酸素濃度を正常に保つため、時々、再循環ライン９の部分にある物質が排出ライン１１とその中に配置されているバルブ装置１２とを介して排出される。この場合、排出ライン１１を介して、常に、ある程度の量の残留水素がシステムから排出される。従って、燃料電池２のカソード領域３において見込まれる残留水素を変換し、水素の排出を防止するため、処理空気流の部分に排出ライン１１を通すことが一般的に知られている。排出（いわゆるパージ）の際に時々発生する残留水素の量は極めて僅かであることから、燃料電池２の寿命に関して問題となる可能性はほとんどない。
【００１８】
燃料電池３の膜５は、乾燥に対して比較的弱い。空気供給装置６から供給される空気の体積流は、通常乾燥しているため、空気の体積流が増加するに従って膜５の乾燥は加速し得る。このことから、燃料電池システム１内に加湿装置１３を設けることができ、これは、例えばガス／ガス加湿装置として形成されている。このような加湿装置１３は、主に、水蒸気を通す膜のためにある。膜の一方の側では、空気供給装置６から送られる乾燥したガス流が流れている。膜のもう一方の側では、燃料電池２のカソード領域３から排出される排出ガス流が流れている。大部分の生成水が燃料電池２のカソード領域３で生じることから、この排気ガス流には水蒸気及び水滴の形で水分が含まれている。この水蒸気は膜を通り抜けて加湿装置１３で乾燥した供給エアを加湿することができるため、一方では排出エアが除湿され、他方では加湿された供給エアによって燃料電池２の膜５の加湿を確実に行うことができる。全ての状況においてこの完全な加湿が望ましくはないことから、さらに、加湿装置１３の回りにバイパス１４を配置することができる。この例ではバイパスがカソード領域３への供給エアラインの部分に取り付けられているが、原則的にはカソード領域３の排出エアラインの部分にも同様に取り付けることができる。このバイパスはバルブ装置１５によって制御され、加湿装置１３を通って流れる、加湿しなければならない体積流が適切に分配される。これにより、湿度の調整をカソード領域３の部分で達成することができる。
【００１９】
さらに、図１の燃料電池システム１の構造には、インタクーラとしての熱交換器１６が示され、この熱交換器を、一方では空気供給装置６後の供給エアが流れ、他方ではカソード領域３からの排出エアが流れる。空気供給装置６後では、送られる空気が圧縮の際に加熱されて熱くなっている。これに対して、カソード領域３からの排出エアは冷えている。インタクーラ１６によって、これらの両方のガス流との間で熱交換が生じるため、カソード領域３に送られる空気は冷却され、カソード領域３から排出される空気は加熱される。空気供給装置６後に冷却された空気により、燃料電池の膜５の乾燥の虞はさらに減少する。
【００２０】
次に、インタクーラ１６から出る加熱された排出エアは、タービン１７の部分に流れ込み、このタービン１７の部分で膨張し、冷却される。これにより、タービン１７を介して、燃料電池システム１の排気ガス流から機械的なエネルギーを取り戻すことができる。ここに示されている実施例では、タービン１７を介して空気供給装置６に機械的エネルギーを直接供給することができる。さらに、電気機械１８を設けることができ、この電気機械は、タービン１７の部分において余剰エネルギーが発生した場合にジェネレータとして作動し、排気ガス流から追加的に電気エネルギーを再び獲得することができる。空気供給装置６が、タービン１７によって提供されるよりも多くのエネルギーを必要とする場合は、この電気機械１８はモータとしても作動することができる。この場合、電気機械は、空気供給装置６が空気流を送り出すために必要な残りのエネルギーを提供することになろう。タービン１７、電気機械１８及び空気供給装置６（通常、この構造ではフローコンプレッサとして形成されている）からなるこの構造は、一般的に、エレクトリックターボチャージャ１９又はＥＴＣ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｔｕｒｂｏ  Ｃｈａｒｇｅｒ）１９とも呼ばれる。
【００２１】
補足的に、タービン１７の作動を改善するため、例えば触媒バーナー、多孔質バーナー、マトリクスバーナーなどのバーナーを、オプションでインタクーラ１６後の排出エア流の中に設けることもでき、このバーナーによって、燃料電池２の排出ガス及び必要に応じてオプションの燃料を変換することができる。このことによって、タービン１７のために提供される排出ガス流が加熱され、タービン１７はより大きな出力を生成することができる。
【００２２】
図２には、上述した燃料電池システム１の代替として使用することのできる比較可能なシステム構造が示されている。この構造は、主として、燃料電池２のアノード領域４の回りに再循環ライン９がない点が異なっている。すなわち、この構造の場合、余剰の水素が別の方法で変換され（例えば上述したオプションのバーナーで燃焼され）、アノード領域４には余剰の水素が全く供給されないか、又は僅かしか供給されない。図２には、その他に、バルブ装置２１を備える水素ライン２０が示されており、この機能については後で詳しく取り上げる。
【００２３】
図１又は２に示されているような、燃料電池システム１の作動は、通常、空気供給装置６によって処理空気が燃料電池２のカソード領域に送られ、一方、圧縮ガスタンク７から水素が燃料電池２のアノード領域４に達するのが通常の作動例である。燃料電池２の中では、電気エネルギーと、システムからの排出ガス流によって送られる生成水とが発生する。周辺温度が極端に低い場合、この種の燃料電池システム１の作動は常に困難である。特に、そのような燃料電池システム１がスタートする場合、すなわち、このシステム自体がまだ非常に低い温度である場合、このことは大きな課題となる。というのも、凍結した構成部品によって、及び／又は再び凍結するおそれのある凝結した水分によって、燃料電池システム１の機能に悪影響が及ぶからである。
図１及び２の両方の燃料電池システム１は、熱交換器１６の部分に、例えば白金及び／又はパラジウムをベースとした触媒作用のある材料を有している。この触媒作用のある材料は、図１及び２では、処理空気流が燃料電池２に向かって通過する熱交換器１６の部分に点で表されているコーティング２２によって示されている。図１による構造の場合は排出ライン１１及びバルブ装置１２によって、図２による構造の場合は水素ライン２０及びバルブ装置２１によって、空気供給装置６後の処理空気流に燃料を供給することができる。図２による構造の場合、燃料は、直接圧縮ガスタンク７からバルブ装置２１と水素ライン２０とを介して、処理空気流の部分に流れることができる。図１に示されている種類の燃料電池システム１の構造の場合、コールドスタート時にバルブ装置１２を単純に開けておくことにより、いずれにせよ取り付けられている排出ライン１１とその中にあるバルブ装置１２とによって流れを実現することができる。アノード領域４に水素が供給されるとすぐに、処理空気の部分に水素の流れが発生する。原則的に、燃料電池システム１の両方の実施形態では、熱交換器の中に流れ込む処理空気流の部分には燃料を送らずに、熱交換器１６の部分に直接送り込むことも考えられるであろう。
【００２４】
両方の場合、触媒作用のある材料２２の部分で処理空気流内の酸素と、排出ライン１１又は水素ライン２０を介して供給される燃料との変換が生じる。酸素及びここに示されているケースで燃料として使用されている水素の触媒作用のある材料２２の部分における変換により、熱交換器１６とこの熱交換器を流れる処理空気とが加熱される。この加熱により、燃料電池システム１の燃料電池２の急速な加熱が可能となるが、その際、燃料電池２の部分にある触媒が基本材料の変換に使用されることはない。これによって、熱は、処理空気流を介して比較的良好に、均等に入力される。従って、冒頭で説明した、寿命に関する問題を回避することができる。
【００２５】
熱交換器１６の加熱は、その一方の側ではこの熱交換器は燃料電池２のカソード領域３から排出される排出エア流によって冷却されるが、燃料電池２へ流れる処理空気流を温めるばかりでなく、燃料電池２から排出される排出エア流も温める。従って、燃料電池から排出される排出エア流内の生成水の凝結がほぼ回避される。これにより、排出エア流の部分にある液滴が凍結するおそれはなくなる。この種の氷粒は、タービン１７にとって非常に不利であり、問題であると思われる。というのも、タービン１７が高速で回転する際、これらの氷粒がタービンホイールを損傷するおそれがあるためである。
【００２６】
インタクーラ１６内に配置されている触媒作用のある材料２２のその他の利点は、図１による燃料電池システム１の構造の場合、ノーマルモードにおいても、排出ライン１１を介して時々排出される物質の流れが、触媒作用のある材料２２の部分に達することにある。従って、通常この物質の流れの中にある残留水素は、インタクーラ１６内で変換されるため、燃料電池２のカソード領域３に負荷をかけない。この種の僅かな量の水素は燃料電池２の寿命に不利な影響を与えかねないということを差し当たり前提としない場合でも、触媒作用のある材料２２を備えるインタクーラ１６の追加的な利用が燃料電池システム１の使用において利点となり、それは、どのような場合にもカソード領域３への水素の供給が防止され得るからである。
【００２７】
図３には、燃料電池システム１の代替の実施形態が示されている。このシステムは、図２において説明した燃料電池システム１とほぼ同様に機能する。この実施例の場合、触媒作用のある材料２２だけが独自のコンポーネント、例えば触媒バーナー２３の中に統合され、このコンポーネントは、処理空気流の流れる方向に向かって熱交換器１６の前に配置されている。触媒バーナー２３の中で、必要に応じて加熱される処理空気は、触媒バーナー２３の後に熱交換器１６の処理空気側を通過し、そこで、熱交換器１６内に統合されている触媒作用のある材料２２を備える代替の実施形態の場合と同様の作用を展開するため、機能は実質的に同じである。
【００２８】
全体として、燃料電池システム１のための非常にコンパクトかつ信頼性の高い構造を実現することができ、この構造は、燃料電池２の寿命を損なうことなく、燃料電池システム１の極めて素早いスタートを可能にする。従って、燃料電池システム１は、輸送手段における発電に使用することが運命づけられている。この場合、輸送手段としては、特に近距離、長距離又は物流分野における人及び貨物を輸送するための、水上、空、又は地上での様々な輸送手段が考えられる。特に好ましい使用が、この場合、車両の分野、特にレールのない陸上用車両の分野であることは確実であり、そのような車両においては、例えば支援装置及び補助ユニットのため、及び／又は車両の電気駆動のために電力を提供する燃料電池システムが形成されている。
【符号の説明】
【００２９】
１      燃料電池システム
２      燃料電池
３      カソード領域
４      アノード領域
５      プロトン導電性膜
６      空気供給装置
７      圧縮ガスタンク
８      バルブ装置
９      再循環ライン
１０    再循環供給装置
１１    排出ライン
１２    バルブ装置
１３    加湿装置
１４    バイパス
１５    バルブ装置
１６    熱交換器
１７    タービン
１８    電気機械
１９    エレクトリックターボチャージャ
２０    水素ライン
２１    バルブ装置
２２    触媒作用のある材料
２３    触媒バーナー
【図１】
0005588021.tif 000002
【図２】
0005588021.tif 000003
【図３】
0005588021.tif 000004