(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を用いて発電を行う装置であって、
‐燃料ガスを生じさせる燃料ガス発生手段（１）及び酸化剤ガスを生じさせる酸化剤ガス発生手段（１，１３）を有し、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスは、それぞれ、燃料電池（８）に送られるようになっており、前記燃料電池内において、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスは、電気エネルギーを生じさせるよう互いに化学的に反応し、
‐前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスのうちの一方のための少なくとも１つの状態調整ユニット（２，３，４，５，６，７，９，１０）を有し、前記状態調整ユニットは、前記燃料ガス又は酸化剤ガスを圧力下で貯蔵する前に前記状態調整ユニットを通過している前記燃料ガス又は酸化剤ガス中に含まれている水のうちの少なくとも幾分かを取り出すようになった少なくとも１つの脱水手段（３）、前記脱水手段の上流側及び下流側にそれぞれ１つずつ設けられた少なくとも２つの弁（６，７）、前記燃料ガス又は酸化剤ガスを圧力下で貯蔵する少なくとも１つの加圧貯蔵手段及び前記燃料ガス又は酸化剤ガスを貯蔵状態から取り出して減圧した後、前記燃料ガス又は酸化剤ガスを加湿する少なくとも１つの加湿手段を有し、
‐前記弁（６，７）は、第１の状態では、前記燃料ガス発生手段（１）又は前記酸化剤ガス発生手段、前記脱水手段（３）及び前記燃料ガス又は酸化剤ガスを圧力下で貯蔵する前記加圧貯蔵手段（５）を互いに直列に連結することによって発電装置をガス発生及び貯蔵動作モードで構成することができる、発電装置において、
前記弁（６，７）は、第２の状態では、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスのうちの一方を前記脱水手段（３）中に通して前記燃料電池（８）に送ることができるようにする燃料電池動作モードで前記発電装置を構成することができ、
前記脱水手段（３）は、燃料電池動作モードにおいて、前記脱水手段（３）を通過している前記燃料ガス又は酸化剤ガスを少なくとも部分的に加湿し、その動作温度が６０℃〜８０℃であるように構成され、且つ、ガス発生及び貯蔵モードにおいて、前記脱水手段を通過している燃料ガス又は酸化剤ガスから抽出された水のうちの少なくとも幾分かを戻すことによって前記脱水手段を通過しているガスを少なくとも部分的に加湿するよう構成され、
前記燃料電池を用いた前記発電装置は、ポンプ（１４）によって駆動される前記燃料電池（８）の冷却回路（１１）を有し、燃料電池動作モードにおいて前記脱水手段を通過している前記燃料ガス又は酸化剤ガスを少なくとも部分的に加湿する前記脱水手段（３）は、前記燃料電池（８）の前記冷却回路（１１）との熱交換の結果として前記脱水手段（３）の動作温度に少なくとも部分的に達するよう構成されている、燃料電池を用いた発電装置。
【請求項２】
燃料電池を用いた前記発電装置は、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの各々のための状態調整ユニット（２，３，４，５，６，７，９，１０）を有する、請求項１に記載の燃料電池を用いた発電装置。
【請求項３】
前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスは、それぞれ、気体水素及び気体酸素である、請求項２記載の燃料電池を用いた発電装置。
【請求項４】
気体水素を生じさせる前記燃料ガス発生手段と気体水素を生じさせる前記酸化剤ガス手段は、前記燃料電池（８）に連結された水貯蔵タンク（１２）から得られる水の電気分解を利用する発生手段（１）内に組み合わされている、請求項３記載の水素‐酸素燃料電池を用いた発電装置。
【請求項５】
燃料電池を用いた前記発電装置は、燃料ガスだけのための状態調整ユニット（２，３，４，５，６，７，９，１０）を有する、請求項１に記載の燃料電池を用いた発電装置。
【請求項６】
前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスは、それぞれ、気体水素及び空気である、請求項５記載の燃料電池を用いた発電装置。
【請求項７】
気体水素を生じさせる前記燃料ガス手段は、前記燃料電池（８）に連結された水貯蔵タンク（１２）から得られた水の電気分解によって動作し、前記酸化剤ガス発生手段は、空気圧縮機（１３）である、請求項６記載の燃料電池を用いた発電装置。
【請求項８】
前記脱水手段（３）は、顆粒状乾燥剤の入った少なくとも１つの脱水コラムによって形成されている、請求項１乃至７の何れか１項に記載の燃料電池を用いた発電装置。
【請求項９】
前記脱水コラム（３）の前記顆粒状乾燥剤は、シリカゲルタイプのものである、請求項８記載の燃料電池を用いた発電装置。
【請求項１０】
前記加圧貯蔵手段は、金属水素化物の形態で提供される、請求項１乃至９の何れか１項に記載の燃料電池を用いた発電装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れか１項に記載の燃料電池を用いた発電装置を備えた自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いて発電を行う装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、特に、燃料電池を用いて発電を行う「閉ループ」又は「一体形システム」装置、換言すると、燃料電池に供給されるガスを生じさせる手段、これらガスを状態調整又は温湿度調整して貯蔵する手段及び燃料電池それ自体が単一装置の状態に組み合わされた装置に関する。この種の一体形システムは、米国特許出願公開第２００４／１２６６４１号明細書及び国際公開第０３／０４１２０４号パンフレットに記載されている。
【０００３】
本発明を特に自動車業界への利用に関して説明するが、利用分野としてこれが全てであるというわけではなく、この技術は、大々的に研究されていて、大いに期待できるように思われる。本発明は又、有利には、船舶分野又は航空分野にも利用できる。
【０００４】
これら用途は、燃料電池を用いた発電を行う装置が車両に搭載されるモバイル型（移動設備）であり、或いは燃料電池を用いて発電を行う装置が車両の外部に設置された手段であり、また停車場でエネルギーを車両に供給するようになった定置型（固定設備）であっても良い。この用途は、エネルギー貯蔵のための定置分野にも利用できる。
【０００５】
モバイル用途の場合、燃料電池を用いた発電装置は、一般に、性質上電気である場合のある別のエネルギー源と組み合わされ、かかる源としては、太陽電池パネルが挙げられるが、これには限定されない。燃料電池を用いて発電を行うこの種の装置は、かくして、エネルギーを発生させたり貯蔵したりし、そして主エネルギー源が利用できない場合又は不適当である場合に要望に応じて電気エネルギーを供給するために利用できる。
【０００６】
燃料電池を用いると中間機械エネルギー変換を通らないで燃料ガス、例えば気体水素及び酸化剤ガス、例えば気体酸素又は空気を用いて電気化学的酸化還元反応によって電気を直接発生させることができるということが知られている。
【０００７】
燃料電池は、燃料ガス及び酸化剤ガスがそれぞれ気体水素及び気体酸素である場合に「水素‐酸素燃料電池」と呼ばれ、或いは、燃料ガス及び酸化剤ガスがそれぞれ気体水素及び空気である場合に「水素‐空気燃料電池」と呼ばれる。
【０００８】
燃料電池は、一般に、単位要素の直列組み合わせを含み各単位要素は、本質的に、電解質によって分離された自動車業界における用途で用いられる従来型電解質は、イオンがアノードからカソードに移ることができるようにする本質的にポリマーメンブレンで構成された固体電解質である。この種の特定のメンブレンの一例は、デュポン（DuPont）社によって“Nafion”という商品名で市販されているメンブレンである。これらメンブレンは、水素陽子がこれらメンブレンを通過するので高いイオン伝導率を備えなければならず、しかも、これらメンブレンは、電子が燃料電池の外部に位置する電気回路を通って動くようにするために電気絶縁性でなければならない。上述の形式のメンブレンに関するだけでなく燃料電池内の固体電解質として用いられる他のメンブレンに関しても、メンブレンのイオン伝導率は、これらの含水量の関数であることが知られている。その結果、燃料電池に供給されるガスは、十分な含水率を備えなければならない。かくして、燃料電池には十分ではあるが過剰ではない含水量を含む燃料ガス及び酸化剤ガスを供給しなければならない。
【０００９】
この目的のため、燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスは、水素‐酸素燃料電池の場合について以下に説明する多段プロセスによって生成されるのが良い。
【００１０】
国際公開第２０１０／０２４５９４号パンフレットに記載されているように、第１ステップは、水素‐酸素燃料電池の場合、電解槽と呼ばれている電気分解によるガスの生成手段を用いて気体水素及び気体酸素を生じさせるステップであり、水は、燃料電池の出口のところで回収可能である。この場合、電解槽から流れ出た気体水素及び気体酸素は、水蒸気で飽和状態にある。この第１ステップの終了時に、水素及び酸素ガスを別々に状態調整するが、以下において説明するステップは、所与のガスについて説明される。
【００１１】
第２ステップでは、各ガスの加圧貯蔵周りに各ガスを脱水し、換言すると、ガス又は少なくともガス中に含まれている水の部分抽出を行う。ガスの脱水は、水の凝縮によって貯蔵前にガスを圧縮するために使用される場合がある圧縮機の有効寿命が短くなると共にガス貯蔵タンクの寿命が短くなるので必要である。通常、ガスを冷却してこれを凝縮させるかガスを脱水手段に通すかのいずれかによってガスを乾燥させる。ガスを冷却して凝縮させることによる乾燥には、エネルギー入力が必要である。ガスを脱水手段に通すことによる乾燥は、通常、固相の乾燥剤を有する脱水手段を用いて実施される。特に、脱水手段は、国際公開第２００７／０５０４４７号パンフレットで言及されているように、一般に顆粒状乾燥剤、例えばシリカゲル顆粒が詰め込まれた脱水コラムであるのが良い。ガスを脱水コラムに通すことによる乾燥には顆粒状乾燥剤の保守が必要である。これは、乾燥させるべきガスを或る特定の回数のパス後、顆粒状乾燥剤は、水で飽和状態になり、したがって、これらの脱水作用に関して不作動状態になるからである。したがって、顆粒状乾燥剤は、定期的に新品と交換されて定期的な保守作業を必要とするか再生され、換言すると、電解槽によって生じたガスのうちの幾分かをパージして脱水コラムに通すことによって自動的に乾燥させられるかのいずれかであり、それにより電解槽により生じたガスのうちの約１０％の体積分が失われる。
【００１２】
第３ステップでは、圧縮機を用いて脱水手段から流れ出た乾燥状態のガスを圧縮し、そして圧縮状態の乾燥ガスを加圧貯蔵タンク内に貯蔵する。典型的には、脱水後における気体水素の貯蔵圧力は、２００〜３５０バールであり、これに対し、脱水後における気体酸素の貯蔵圧力は、約１３０バールである。水素貯蔵の代替手段は、低圧状態での、換言すると５〜１５バールの圧力状態での金属水素化物の形態での貯蔵である。この貯蔵圧力は、脱水手段から流れ出た気体水素の圧力に実質的に等しく、それにより圧縮機を用いることが不要になる。例えばニッケルとランタンの化合物であるのが良い微粉の形態の金属水素化物は、或る程度の圧力を受けると、気体水素を吸収する特性を有し、それに伴って熱が僅かに生じる。次に水素を放出するため、例えば燃料電池の熱損失を利用することによって熱を供給する必要がある。放出されると、水素は、再び、純粋気体水素の形態になる。
【００１３】
第４ステップは、圧縮乾燥ガスを貯蔵状態から取り出してこれを必要ならば安全弁に連結されている減圧装置によって膨張させるステップである。水素を水素が金属水素化物の形態で貯蔵されている貯蔵状態から取り出す特定の場合、このステップでは、上述したように金属水素化物によって吸収された水素を気体の状態で放出する。
【００１４】
第５ステップでは、膨張乾燥ガスを加湿して燃料電池に湿った水素燃料ガス及び湿った酸素の形態の酸化剤ガスを供給する。これは、湿ったガスが特に燃料電池の有効寿命の短縮を回避するために燃料電池の作動にとって必要不可欠だからである。多くの加湿方法が存在するが、かかる加湿方法は、複雑であり、厄介であり、しかもコスト高である場合がある。言及することができる方法としては、特に、米国特許出願公開第２００３／０３１９０６号明細書に記載されているように水素回路内での再循環方法、Ｎａｆｉｏｎマイクロチューブを備えた熱交換器の使用、エンタルピーホイールの使用及びウォータミスト注入が挙げられるが、これらは全てではない。
【００１５】
第６の最終ステップは、燃料電池に加湿手段からそれぞれ得られた湿った気体酸素及び水素を供給するステップである。
【００１６】
水素‐空気燃料電池の場合、気体水素のみが上述の６つのプロセスステップを受ける。気体水素が水の電気分解により得られる第１ステップに関し、同時に生じるが、燃料電池に供給されることがない気体酸素を例えば大気中に放出するのが良い。一般に空気圧縮機から得られる酸化剤ガス、即ち空気に関し、これは、酸化剤ガスが燃料電池に入る前に、湿度交換器（humidity exchanger）を用いて燃料電池から流れ出た湿った空気によって加湿されるのが良い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／１２６６４１号明細書
【特許文献２】国際公開第０３／０４１２０４号パンフレット
【特許文献３】国際公開第２０１０／０２４５９４号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、特に脱水手段の定期的保守及び／又は最適とは言えない再生の観点において、更に加湿手段の複雑さ及びコストの観点における上述の加湿手段の欠点を解決しようとするものである。
【００１９】
本発明の目的は、脱水手段の自動的且つ効果的な保守を提供すると共に単純化された加湿手段を用いる燃料電池を用いて発電を行う装置を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
この目的は、燃料電池を用いて発電を行う装置であって、
‐燃料ガスを生じさせる手段及び酸化剤ガスを生じさせる手段を有し、燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれ、燃料電池に送られるようになっており、燃料電池内において、燃料ガスと酸化剤ガスは、電気エネルギーを生じさせるよう互いに化学的に反応し、
‐燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの一方のための少なくとも１つの状態調整ユニットを有し、状態調整ユニットは、ガスを圧力下で貯蔵する前に状態調整ユニットを通過しているガス中に含まれている水のうちの少なくとも幾分かを取り出すようになった少なくとも１つの脱水手段、脱水手段の上流側及び下流側にそれぞれ１つずつ設けられた少なくとも２つの弁、ガスを圧力下で貯蔵する少なくとも１つの手段及びガスを貯蔵状態から取り出して減圧した後、ガスを加湿する少なくとも１つの手段を有し、
‐これら弁は、第１の状態では、ガス発生手段、脱水手段及びガスを圧力下で貯蔵する手段を互いに直列に連結することによって発電装置をガス発生及び貯蔵動作モードで構成することができ、
‐これら弁は、第２の状態では、燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの一方を脱水手段中に通して燃料電池に送ることができるようにする燃料電池動作モードで発電装置を構成することができ、脱水手段は、燃料電池動作モードにおいて、脱水手段が少なくとも６０℃の温度で動作し、ガス発生及び貯蔵モードにおいて脱水手段を通過しているガスから抽出された水のうちの少なくとも幾分かを戻すことによって脱水手段を通過しているガスを少なくとも部分的に加湿するよう構成されていることを特徴とする燃料電池を用いた発電装置によって達成される。
【００２１】
燃料電池を用いて発電を行う装置は、第１に、燃料ガスを生じさせる手段及び酸化剤ガスを生じさせる手段を有する。これら発生手段は、通常、水素‐酸素燃料電池の場合、単一のガス発生手段の状態に組み合わされている。この共通ガス発生手段は、従来通り、水の電気分解によって気体水素と気体酸素を生じさせる電解槽である。電気分解を受けるべき水は、一般に、水タンク内に貯蔵され、この水タンクには、少なくとも部分的に、電解槽の下流側に位置決めされるのが良い凝縮器から得られると共に／或いは燃料電池から得られる再循環水が供給されるのが良い。水素‐空気燃料電池では、ガス発生手段は、別々であり、即ち、気体水素は、通常、電解槽から得られ、これに対し、空気は、一般に、空気圧縮機によって供給される。
【００２２】
水素‐酸素燃料電池を用いて発電を行う装置は、水素及び酸素ガスの各々のための状態調整ユニットを更に有する。この状態調整ユニットは、ガスを圧力下で貯蔵する前にガスを脱水する少なくとも１つの手段、ガスを圧力下で貯蔵する少なくとも１つの手段及びガスを貯蔵状態から取り出した後、ガスを加湿する少なくとも１つの手段を有する。水素‐空気燃料電池の場合、気体水素だけが上述の６つのプロセスステップを受ける。
【００２３】
上述したように、脱水手段は、ガスを乾燥させ、換言すると、ガスを必要ならば圧縮機によって圧縮し、次に圧縮形態で加圧貯蔵手段、例えば貯蔵タンク内に貯蔵する前に、ガス中に含まれている水を少なくとも部分的に抽出する手段である。これは、圧縮機及び貯蔵タンクが一般に、金属化合物を含んでおり、したがって、これらと接触関係をなしてガス中に存在する水による腐食作用を受けるからであり、圧縮機及び貯蔵タンクの金属コンポーネントの長い有効寿命を達成するにはガスを乾燥させることが必要である。水素の場合の代替手段として、貯蔵は、圧縮機を用いないで、低圧状態で、換言すると５〜１５バールで水素化物の形態で提供されても良い。水素化物が用いられる場合、貯蔵手段の長い有効寿命を達成するには上述したようにガスを乾燥させることが依然として必要である。
【００２４】
水の電気分解により生じると共に水蒸気で飽和したガスを必要ならば部分的に乾燥させるのが良く、その手段として、このガスを凝縮器に通してこのガスから水のうちの幾分かを除去し、その後ガスを脱水手段に通す。この凝縮器は、周囲空気をその低温源として利用することができ又は船舶用途向きのより有利な形態では、熱交換器を介在させることにより海水を使用することができる。
【００２５】
加圧乾燥ガス貯蔵手段は、一般に、ガス圧力に耐えるよう設計された貯蔵タンクである。
【００２６】
次に、燃料電池への供給目的で、乾燥ガス、例えば気体水素又は気体酸素をその貯蔵タンクから取り出し、減圧装置によって減圧し、次に加湿手段に通し、その後、燃料電池に供給する。
【００２７】
本発明によれば、脱水手段の上流側及び下流側にそれぞれ位置決めされた少なくとも２つの弁から成る弁システムにより、発電装置を２つの動作モードで、即ち、ガス発生及び貯蔵モード及び燃料電池動作モードで構成することができる。これら弁は、例えば、三方弁である。
【００２８】
ガス発生及び貯蔵動作モードでは、第１の状態に構成された弁は、ガス発生手段、ガスの加圧貯蔵前にガスを脱水する手段及びガスを圧力下で貯蔵する手段を互いに直列に連結する。この連結によって、電気分解により生じ次に乾燥させられて圧縮されるガスの各々を貯蔵タンク内に貯蔵することができる。気体水素の場合、これは、変形例として、予備圧縮なしで金属水素化物の形態でタンク内に貯蔵されても良い。
【００２９】
燃料電池動作モードでは、第２の状態に構成された弁は、燃料電池への供給のために燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの一方を脱水手段に通すことができる。
【００３０】
本発明によれば、脱水手段は又、燃料電池動作モードにおいて、脱水手段が少なくとも６０℃の温度で動作し、ガス発生及び貯蔵モードにおいて脱水手段を通過しているガスから抽出された水のうちの少なくとも幾分かを戻すことによって脱水手段を通過しているガスを少なくとも部分的に加湿するよう構成されている。換言すると、脱水手段は、加湿手段として用いられる。かくして、脱水手段は、脱水と加湿の２つの機能を提供し、それにより燃料電池を用いて発電を行うための装置を単純化するという利点を有する。さらに、ガスの発生及び貯蔵モードでの湿ったガスの通過中に脱水手段により貯蔵される水は、燃料電池動作モードにおいて脱水手段を通過しているガスに少なくとも部分的に戻される。したがって、脱水手段により貯蔵されている水のうちの少なくとも幾分かの除去により、その脱水性能を維持し又は再生するための自動的保守、換言すると、人間が介在しない保守が可能である。これは、燃料電池を用いて発電を行う装置の全体的エネルギー効率を増大させるという有益な結果を有する。と言うのは、脱水手段が燃料電池により失われる自由エネルギーを利用することによって再生されるからである。
【００３１】
脱水手段を少なくとも６０℃の温度において加湿モードで動作させることにより、５℃〜２５℃の温度において乾燥モードで吸収される水と同量の水を脱着させることができる。かくして、貯蔵段階中に吸収される水と同量の水を脱着させるためには、加湿されるべきガスの温度は、乾燥させられるべきガスの温度よりも高くなければならない。
【００３２】
本発明の好ましい実施形態は、燃料電池動作モードにおいて加湿手段を通過しているガスを少なくとも部分的に加湿し、ポンプによって駆動される脱水手段は、その動作温度が６０℃〜１００℃又は好ましくは６０℃〜８０℃であるように構成された発電装置である。この動作温度は、脱水ステップ中に脱水手段により回収される水を水蒸気に変換することができるようなものである。好ましい温度範囲［６０℃，８０℃］は、燃料電池の通常の動作温度に対応している。温度範囲［８０℃，１００℃］は、依然として開発中の燃料電池のメンブレンについて選択される傾向のある動作温度に対応している。これらの温度が高いことは、かかる高い温度により例えば燃料電池の動作に必要な白金の量を減少させ又は燃料電池をより容易に冷却することができるので有利である。
【００３３】
先に述べた好ましい実施形態の変形例は、ポンプによって駆動される燃料電池の冷却回路を有する発電装置であり、かかる発装置では、燃料電池動作モードにおいて脱水手段を通過しているガスを少なくとも部分的に加湿する脱水手段が燃料電池冷却回路との熱交換の結果として脱水手段の動作温度に少なくとも部分的に達するよう構成されている。この変形実施形態により、既存の熱源、即ち燃料電池冷却回路を使用することができ、かくして経済的な利点が得られる。また、この変形実施形態により、脱水手段内に貯蔵された水を蒸発させるために必要な６０℃〜１００℃、又は好ましくは６０℃〜８０℃の動作温度を得ることができる。
【００３４】
また、発電装置は、燃料電池動作モードにおいて脱水手段を通過しているガスを少なくとも部分的に加湿する脱水手段に入ったガスの温度が６０℃〜１００℃又は好ましくは６０℃〜８０℃であるように構成されることが有利である。換言すると、脱水手段に入る乾燥膨張ガスは、貯蔵状態の水を蒸発させることができる温度まで予熱される。ガスの加熱は、上述した脱水手段の加熱と組み合わされるのが良い。
【００３５】
燃料電池を用いた発電装置が燃料電池冷却回路を有する場合、発電装置は、有利には、燃料電池冷却回路との熱交換の結果として、燃料電池動作モードにおいて脱水手段を通過しているガスを少なくとも部分的に加湿する脱水手段に入ったガスの温度に少なくとも部分的に達するよう構成される。この実施形態により、既存の熱源、即ち燃料電池冷却回路を用いて脱水手段内に貯蔵された水を蒸発させるために必要な６０℃〜１００℃、又は好ましくは６０℃〜８０℃の動作温度を得ることができる。
【００３６】
本発明の一実施形態では、燃料電池を用いた発電装置は、燃料ガス及び酸化剤ガスの各々のための状態調整ユニットを有する。かくして、２つの別々の状態調整ユニットを用いることによって、燃料ガス及び酸化剤ガスが燃料電池に供給される前に燃料ガスと酸化剤ガスの接触及びかくしてこれらの化学反応を回避することが可能である。
【００３７】
これは、特に、燃料ガス（気体水素）及び酸化剤ガス（気体酸素）がこれらのそれぞれの状態調整ユニットによって状態調整される水素‐酸素燃料電池を用いた発電装置の場合である。
【００３８】
水素‐酸素燃料電池を用いて発電を行う装置の場合、気体水素及び気体酸素を生じさせる手段は、燃料電池に連結された水貯蔵タンクから得られる水の電気分解によって動作する単一発電手段の状態に組み合わされる。水の電気分解により動作するこの発生手段は、気体水素と気体酸素を同時に生じさせる一般的に用いられている経済的な手段である。
【００３９】
本発明の別の実施形態では、燃料電池を用いた発電装置は、酸化剤ガスだけの状態調整ユニットを有する。
【００４０】
これは、特に、水の電気分解により生じる気体水素だけが本発明の意味において状態調整ユニットの作用を受ける水素‐空気燃料電池の場合である。一般に、圧縮機から、換言すると気体水素のために使用される発生手段とは別個の発生手段から得られる空気は、この種の状態調整ユニットを必要としない。
【００４１】
本発明の好ましい実施形態では、ガス発生及び貯蔵モードにおいて加圧下でガスを貯蔵する前に脱水手段を通過しているガス中に含まれる水のうちの少なくとも幾分かを抽出するようになった脱水手段は、ガスが燃料電池動作モードにおいて脱水手段を通過するよう構成されている。換言すると、ガス発生及び貯蔵モードにおいて、ガスを加圧下で貯蔵する前に貯蔵手段を通過しているガスを乾燥させる脱水手段は又、この同じガスを貯蔵状態から取り出した後であってこれを燃料電池に供給する前に、燃料電池動作モードにおいてこのガスを加湿する。かくして、脱水手段は、同じガスについて脱水と加湿の２つの機能を提供する。したがって、有利には、同一化学組成のガスを脱水手段に通過させることができ、かくして脱水手段内における化学反応の恐れが回避される。かくして、水素‐酸素燃料電池の場合、気体水素回路と気体酸素回路は、互いに完全に別個である。
【００４２】
本発明の別の有利な実施形態では、ガス発生及び貯蔵モードにおいて加圧下でガスを貯蔵する前に脱水手段を通過している第１のガス中に含まれる水のうちの少なくとも幾分かを抽出するようになった脱水手段は、第２のガスが燃料電池動作モードにおいて脱水手段を通過するよう構成されている。換言すると、脱水手段は、ガス発生及び貯蔵モードにおいて、第１のガスを加圧下で貯蔵する前に脱水手段を通過している第１のガスを乾燥させ、燃料電池動作モードにおいて、第２のガスを貯蔵状態から取り出した後であってこれを燃料電池に供給する前に第２のガスを加湿する。かくして、脱水手段は、脱水と加湿の２つの機能を提供するが、互いに異なるガスについてこれら２つの機能を提供する。「第１のガス」という用語は、ガス発生及び貯蔵モードにおいて脱水手段を通過しているガスを意味し、「第２のガス」という用語は、燃料電池動作モードにおいて脱水手段を通過しているガスを意味している。一例を挙げると、水素‐空気燃料電池の場合、気体水素のための脱水手段は、圧縮空気を加湿することができ、それにより脱水手段が乾燥し、場合によっては、脱水手段を加熱することが不要になる。それ自体の脱水手段によっては加湿されることがない気体水素に関し、この気体水素は、この場合、燃料電池から流れ出ている余剰の湿った気体水素を再循環させることによって加湿可能である。
【００４３】
本発明の別の好ましい実施形態は、加湿手段が公知であり且つ成熟した技術である顆粒状乾燥剤の入った少なくとも１つの脱水コラムによって形成される燃料電池を用いた発電装置である。
【００４４】
先の好ましい実施形態の変形例では、脱水コラムの顆粒状乾燥剤は、この種の用途で通常用いられている材料であるシリカゲルタイプのものである。
【００４５】
また、水素貯蔵手段が金属水素化物の形態を取ることが有利である。と言うのは、この貯蔵手段により、脱水手段の下流側に位置する圧縮機を用いることが不要になるからである。
【００４６】
本発明は又、自動車用の本発明の燃料電池を用いた発電装置の使用を提案する。
【００４７】
本発明の特徴及び他の利点は、添付の図１〜図３から明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】ガス発生及び貯蔵モードにおいて燃料電池に供給される２つのガスのうちの一方の回路を示す図であり、この場合、燃料電池を用いて発電を行う装置が燃料ガス及び酸化剤ガスの各々のための状態調整ユニットを有する状態を示す図である。
【図２】燃料電池動作モードにおいて燃料電池に供給される２つのガスのうちの一方の回路を示す図であり、この場合、燃料電池を用いて発電を行う装置が燃料ガス及び酸化剤ガスの各々のための状態調整ユニットを有する状態を示す図である。
【図３】燃料電池動作モードにおいて燃料電池に供給される２つのガスの回路を示す図であり、この場合、燃料電池を用いて発電を行う装置が酸化剤ガスだけのための状態調整ユニットを有する状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
図１及び図２は、２つのガスのうちの一方だけの回路を概略的に示しており、これら２つのガスは、それぞれ、燃料ガス及び酸化剤ガスであり、この回路は、これらガスの各々についてほぼ同じである。
【００５０】
図１は、ガス発生手段（１）と加圧貯蔵手段（５）との間でのガス発生及び貯蔵モードにおける燃料電池に供給される２つのガスのうちの一方の回路を示している。この回路を水素‐酸素燃料電池に供給される気体水素に関して以下に説明する。加うるに、所与の動作モードに関して動作中における回路の一部が実線で示されており、他方、動作中にはない回路の部分は、破線で示されている。
【００５１】
水タンク（１２）内に貯蔵されている水の電気分解によってガス発生手段（１）を用いて気体水素及び気体酸素を生じさせる。水タンク（１２）には少なくとも部分的に、電解槽（１）の下流側に位置決めされた凝縮器（２）から得られる再循環水及び燃料電池（８）から得られた再循環水が供給される。ガス発生手段（１）に得られて水蒸気で飽和状態の気体水素を凝縮器（２）内で部分的に乾燥させる。次に、実際の脱水は、脱水手段（３）内において周囲温度で、換言すると、２０℃〜２５℃の温度状態で行われる。このようにして乾燥させたガスは、脱水手段（３）から出て、気体水素に関し代表的には２００バール〜３００バールの状態で圧縮機（４）内で圧縮され、次に加圧貯蔵手段又はタンク（５）内に貯蔵される。変形例として、水素の場合、圧縮機（４）の使用は、ガスが水素化物の形態で５〜１５バールの範囲の圧力状態でタンク（５）内に貯蔵される場合には不要である場合がある。脱水手段（３）の上流側及び下流側にそれぞれ位置決めされた三方弁（６），（７）は、ガス発生及び貯蔵モードで構成されており、換言すると、これら三方弁は、ガス発生手段（１）、ガスの加圧貯蔵前にガスを脱水する手段（３）及びガスを圧力下で貯蔵する手段（５）を互いに直列に連結する。
【００５２】
図２は、燃料電池動作モードにおいて燃料電池に供給されている２つのガスのうちの一方の回路を示しており、この回路は、加圧貯蔵手段（５）から燃料電池（８）まで延びている。図１の場合と同様、この回路を水素‐酸素燃料電池に供給される気体水素に関して以下において説明する。
【００５３】
燃料電池動作モードでは、乾燥状態の気体水素がその加圧貯蔵手段（５）から取り出されて減圧装置（９）によって減圧され、この減圧装置は、減圧装置（９）の下流側に位置決めされた安全弁（１０）と関連している。次に、減圧乾燥気体水素を６０℃〜１００℃又は好ましくは６０℃〜８０℃の動作温度にある加湿手段（３）へのその通過中に加湿する。この動作温度は、加湿手段（３）と燃料電池（８）の冷却回路（１１）との熱交換によって得られる。この冷却回路の液体は、ポンプ（１４）によって駆動される。
【００５４】
図３は、燃料電池動作モードにおいて燃料電池に供給される２つのガスの回路を示している。これは、例えば、水素‐空気燃料電池が用いられている場合である。この実施形態では、乾燥液体水素は、その加圧貯蔵手段（５）から取り出されて減圧装置（９）によって減圧され、この減圧装置は、減圧装置（９）の下流側に位置決めされた安全弁（１０）と関連している。次に、減圧乾燥気体水素を燃料電池（８）から流れ出る余剰の湿った気体水素の再循環によって加湿する。圧縮機（１３）から流れ出る空気が弁（７）を通って気体水素脱水手段（３）に入り、そしてこの中で加湿され、その後燃料電池（８）に供給される。
【００５５】
気体水素がそれ自体の脱水手段により加湿され、空気が燃料電池から流れ出る湿った空気によって加湿される気体水素だけのための単一状態調整ユニットを有するこの変形実施形態は図示されていない。
【００５６】
本発明は、上述すると共に図１〜図３に示された実施例に限定されるものと解されてはならず、他の実施形態に拡張可能であり、かかる他の実施形態は、
‐シリカゲル以外の種類の顆粒状乾燥剤を含むコラムの形態の脱水手段を有する燃料電池を用いた発電装置、
‐顆粒状乾燥剤とは異なる固相の乾燥剤を含む脱水手段を有する燃料電池を用いた発電装置、
‐複数の燃料電池と共に複数の脱水及び貯蔵手段を有する燃料電池を用いた発電装置が挙げられるが、これらには限定されない。
【００５７】
最後に、燃料電池を用いたこの種の発電装置は、自動車用の電気エネルギーの供給には限定されず、電気エネルギー供給源を必要とする任意の装置に利用できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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