(57)【要約】本発明は、冷却循環内の燃料電池循環の冷却媒体を脱イオン化する方法および装置に関する。本発明は、液体脱イオン化剤が冷却媒体に少なくとも断続的に作用し、これにより脱イオン化剤が冷却媒体からイオンを吸収することができる。この目的のために、少なくとも１個の燃料電池（１１）および少なくとも１個の燃料電池のための冷却循環（２０）を有する本発明の燃料電池装置（１０）が、少なくとも１個の脱イオン化装置（２３）を有し、前記脱イオン化装置内で液体脱イオン化剤が冷却媒体に作用することができる。脱イオン化装置は静的混合機（２８、３４）を有することができ、混合機の下流に膜分離器（２９，３５）が接続されている。
2005527936.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の冷却媒体を脱イオン化するための液体脱イオン化剤の使用。
【請求項２】
冷却循環内を循環する燃料電池の冷却媒体を脱イオン化する方法であり、その際液体脱イオン化剤が、冷却媒体に、前記脱イオン化剤が冷却媒体からイオンを吸収することができるように少なくとも断続的に作用する、冷却循環内を循環する燃料電池の冷却媒体を脱イオン化する方法。
【請求項３】
冷却媒体を連続的に脱イオン化する請求項２記載の方法。
【請求項４】
脱イオン化剤を冷却媒体と接触させる請求項２または３記載の方法。
【請求項５】
脱イオン化剤と冷却媒体を混合し、引き続き脱イオン化剤を冷却媒体から分離する請求項４記載の方法。
【請求項６】
脱イオン化剤を冷却媒体から分離するために相分離器を使用する請求項５記載の方法。
【請求項７】
脱イオン化剤を冷却媒体から分離するために膜ユニットを使用する請求項５記載の方法。
【請求項８】
脱イオン化剤と冷却媒体を直接または膜を介して互いに接触させる請求項４記載の方法。
【請求項９】
脱イオン化剤と冷却媒体が異なるｐＨ値を有する請求項８記載の方法。
【請求項１０】
脱イオン化剤としてイオンを錯化する物質の溶液を使用する請求項２から９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
脱イオン化剤として液体アミン、溶解したアミンまたは溶解した第四級アミンを使用する請求項２から９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
少なくとも１個の燃料電池（１１）および燃料電池のための少なくとも１個の冷却循環（２０）を有する燃料電池装置（１０）において、冷却循環（２０）内に少なくとも１個の脱イオン化装置（２３）が設けられ、脱イオン化装置内で液体脱イオン化剤が冷却媒体に作用することができることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項１３】
脱イオン化装置（２３）が少なくとも１個の混合機（２８，３４）および少なくとも１個の膜分離器（２９，３５）を有する請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
脱イオン化装置（２３）が少なくとも１個の混合機（２８）および相分離器（４９）を有する請求項１２記載の装置。
【請求項１５】
脱イオン化装置（２３）が少なくとも１個の接触器（３９，４０）を有する請求項１２記載の装置。
【請求項１６】
接触器（３９，４０）がイオン透過膜（４１，４２）を有し、前記イオン透過膜が冷却媒体と液体脱イオン化剤を互いに分離する請求項１５記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用冷却媒体を脱イオン化するための方法および前記方法を実施するための装置に関する。
【０００２】
燃料電池は燃料、例えばメタノール、エタノール、水素または相当する混合物が制御されたやり方で燃焼物質、例えば純粋酸素、空気、塩素ガスまたは臭素ガスと一緒に燃焼し、遊離される反応エネルギーが熱エネルギーだけでなく、電気エネルギーに変換される装置である。これらの燃料電池は、特に宇宙飛行で電気エネルギーを発生するために数十年間使用されている。高い効率、汚染物質の排出が少ないかまたは完全にないこと、運転中の少ないノイズの発生により、燃料電池を使用する関心は近年他の分野で大いに高まった。記載できる特別の例は自動車および発電所の分野である。
【０００３】
燃料電池は典型的にアノード室およびカソード室を互いに分離する電解質の形式により分類される。かなり小さい発電所および自動車の使用（例えば自動車の動力を供給するための）に特に適している燃料電池の特に関心のある形式はポリマー電解質燃料電池である。この形式の燃料電池において電解質としてイオン伝導性膜が使用される。個々の固体ポリマー燃料電池は一般に膜／電極ユニット（膜電極アセンブリ、ＭＥＡ）を有し、前記ユニット内にイオン伝導性膜がカソードとアノードの間に配置されている。イオン伝導性膜は同時に分離壁としておよび電解液として用いる。燃料電池中の反応を促進する触媒粒子が電極と膜の間の界面に配置される。電極は典型的に多孔質電流コレクターと接触し、電流コレクターは付加的に電極構造を安定化し、燃料および燃焼物質の導入を可能にする。１つのセルの作業電圧は一般に１ボルト未満であるので、多くの燃料電池は高い電圧を発生するために十分な個々のセルの組が互いに重なって積層され、連続的に接続されているセルのスタックから形成される。ポリマー電解質燃料電池の典型的な作業温度は約１００℃である。高い温度が電気化学的反応に有利であるが、膜を損傷することがある。
【０００４】
燃料と燃焼物質の電気化学的反応は発熱的に進行するので、所望の作業温度を維持し、膜の損傷を避けるために、一般に燃料電池を冷却しなければならない。作業温度と周囲温度の小さい温度差でかなり多くの量の熱を除去しなければならないので、典型的に十分に高い熱容量を有する液体冷却剤を使用する。従って水性冷却剤が特に有効である。
【０００５】
しかし水性冷却剤は冷却循環と燃料電池の金属成分の腐食の原因となる欠点を有する。更に電気的伝導性を有する冷却媒体はかなり高い電圧、例えば約５０ボルトで運転する燃料電池スタックに安全の問題を生じる。
【０００６】
冷却剤として脱イオン水を使用する場合に、これは同時に燃料電池に流入する反応物質を湿潤にし、ポリマー膜の十分な水和を保証するために使用することができる。作業条件に依存して、冷却水に凍結防止剤、例えばエチレングリコールまたは他の添加剤を添加することが必要である。しかしこれらの添加剤はイオン成分に分解し、この成分が更に腐食の危険を高める。更にこれらの分解生成物は触媒粒子の作用を阻害することがある。
【０００７】
イオン濃度が低下するとともに水性冷却媒体の電気的伝導性が低下するので、燃料電池の冷却媒体を、脱イオン化剤を使用して脱イオン化することがすでに提案された。米国特許第５２００２７８号およびＷＯ００／１７９５１号は冷却循環に固体イオン交換樹脂を有するフィルターの設置を開示し、水性冷却剤が燃料電池スタックに返送される前に大部分脱イオン化される。
【０００８】
しかし公知装置の欠点は樹脂状イオン交換体が一定の作業時間の後に消耗し、交換しなければならないことである。これは高いメインテナンスの要求および高い費用と結びつく。
【０００９】
本発明の課題は、第１にメインテナンス間隔が拡大し、第２にメインテナンスを実施しなければならない場合に、脱イオン化剤の交換または再生を簡単にかつ安い費用で実施できるように、燃料電池の冷却媒体の脱イオン化を簡単にすることである。
【００１０】
前記課題は液体脱イオン化剤の使用により解決される。従って本発明は最も一般的な形で燃料電池の冷却媒体を脱イオン化するための液体脱イオン化剤の使用を提供する。
【００１１】
本発明は更に冷却循環内を循環する燃料電池の冷却媒体を脱イオン化する方法を提供し、前記方法は、液体脱イオン化剤が、冷却媒体に、前記脱イオン化剤が冷却媒体からイオンを吸収することができるように、少なくとも断続的に作用することを特徴とする。冷却媒体に存在する溶解したイオンの濃度は減少し、その代わりにイオンは脱イオン化剤に蓄積される。液体脱イオン化剤の特別の利点は、脱イオン化剤が固有の循環に搬送され、脱イオン化剤の再生または新しい脱イオン化剤による消費した脱イオン化剤の交換を冷却媒体循環に不利に影響させずに燃料電池の運転中に行うことができることである。
【００１２】
第１の構成において、脱イオン化を断続的に行うことができる。例えば冷却循環の導電性センサーがイオン濃度の増加に相当する冷却媒体の導電率の上昇を記録するとすぐに、脱イオン化剤を、例えば冷却循環の切り換え可能な弁を使用して冷却媒体と相互作用することができ、冷却循環からイオン部分を除去する。
【００１３】
第２の構成において冷却媒体を連続的に脱イオン化する。この場合に冷却循環に組み込まれた脱イオン化装置の使用が有利である。
【００１４】
冷却媒体に溶解したイオンを液体脱イオン化剤により効果的に吸収することを可能にするために、脱イオン化剤を有利に冷却媒体と接触する。本発明において、“接触”は２つの液体媒体の混合または物理的接触、すなわち液体脱イオン化剤と液体冷却媒体が共通の界面を有する場合だけでなく、２つの液体がイオン透過性の他の手段、例えば膜により分離されている場合も含む。
【００１５】
第１の変形において、脱イオン化剤と冷却媒体を、この２つの媒体の間に緊密な接触が保証されるようにまず混合し、引き続き脱イオン化剤を冷却媒体から再び分離する。これは、例えば相分離により、例えば相分離器を使用してまたは膜ユニットの膜セルを使用することにより達成することができる。これは実現すべきメインテナンス作業の間のきわめて長い間隔を可能にする。
【００１６】
本発明の方法の１つの有利な構成において、冷却媒体の脱イオン化を燃料電池の運転中に連続的に行う。脱イオン化剤からの冷却媒体の分離は有利に同様に連続的に行う。
【００１７】
連続的またはバッチ式相分離に適した装置は当業者に知られており、例えば化学的プロセス工学または装置の構造に使用される（例えばＣｈｅｍｉｅｔｅｃｈｎｉｋ、Ｄｒ.Ｅｃｋｈａｒｄ  Ｉｇｎａｔｏｗｉｔｚ、Ｖｅｒｌａｇ  Ｅｕｒｏｐａ−Ｌｅｈｒｍｉｔｔｅｌ、Ｇｒｕｎｄｌａｇｅｎｏｐｅｒａｔｉｏｎｅｎ  ｃｈｅｍｉｓｃｈｅｒ  Ｖｅｒｆａｈｒｅｎｓｔｅｃｈｎｉｋ、Ｗｉｌｈｅｌｍ  Ｒ.Ａ.Ｖａｕｃｋ、Ｈｅｒｍａｎｎ  Ａ.Ｍｕｅｌｌｅｒ、Ｄｅｕｔｓｃｈｅｒ  Ｖｅｒｌａｇ  ｆｕｅｒ  Ｇｒｕｎｄｓｔｏｆｆｉｎｄｕｓｔｒｉｅ、Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ２０００参照）。
【００１８】
膜ユニットは医学、食品および化学技術に広く使用されている。公知の適用例は血液透析、逆浸透による海水の脱塩またはナノ濾過による染料の脱塩である。ポリマー膜およびセラミック材料から形成された膜が使用できる。これらは平坦な、管状、毛細管またはらせんに巻かれたユニットの形で使用される（例えばＲ.Ｒａｕｔｅｎｂａｃｈ  Ｍｅｍｂｒａｎｖｅｒｆａｈｒｅｎ−Ｇｒｕｎｄｌａｇｅｎ  ｄｅｒ  Ｍｏｄｕｌ−ｕｎｄ  Ａｎｌａｇｅｎａｕｓｌｅｇｕｎｇ  Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  Ｖｅｒｌａｇ  Ｂｅｒｌｉｎ  Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ１９９７参照）。
【００１９】
液体脱イオン化剤が循環する冷却媒体と混合しないように、液体脱イオン化剤を使用する場合は、第２の変形により液体脱イオン化剤を冷却媒体と直接または膜、特にイオン透過膜を介して接触することができる。脱イオン化剤が実質的に冷却媒体と混合しない場合は、２つの成分を、脱イオン化剤が存在し、第２相を形成する冷却媒体が流れる容器内で接触することができる。脱イオン化剤が冷却媒体より高い密度を有する場合は、冷却媒体が脱イオン化剤を下から上に向かっておよびその反対に貫流する。きわめて有効な脱イオン化に有利である２つの液相間の大きい界面面積を保証するために、冷却媒体が有利に液体分配器を通して容器に導入する。冷却媒体は有利に冷却媒体に脱イオン化剤が一緒に運ばれることを避けるために、静かな帯域を介して容器を離れる。容器は抽出技術から当業者に知られている、トレー、充填体またはパッキングのような付加的な内装部品を備えることができる（例えばＫ.Ｓａｔｔｌｅｒ、Ｔｈｅｒｍｉｓｃｈｅ  Ｔｒｅｎｎｖｅｒｆａｈｒｅｎ、２ｎｄ  Ｅｄｉｔｉｏｎ  １９９５、ＶＣＨ−Ｖｅｒｌａｇｓｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ、Ｗｅｉｎｈｅｉｍ参照）。
【００２０】
しかし接触を、液相の界面が多孔質膜により安定化されている膜接触器内で行うこともできる。分離効率が装置の傾斜角度および機械的振動および衝撃に依存しないので、移動する適用に膜接触器が特に有利である。
【００２１】
液体脱イオン化剤と冷却媒体が混合できる場合に、膜接触器を使用することもできる。この場合に膜は冷却媒体から除去されるイオンを選択的に透過するが、脱イオン化剤を透過しない。これは、例えば冷却媒体から除去されるイオンより大きいが、脱イオン化剤の粒子より小さい細孔を有する膜により達成することができる。例えば２００ｇ／モルより大きく、有利に５００ｇ／モルより大きい分子量を有する１種以上のポリマー脱イオン化剤の使用によりこれを達成することができる。しかし必要な膜の選択率は第１に正または負の過剰の電荷を有する膜を使用することにより、第２に同じ符号の電荷を有する脱イオン化剤を使用することにより行うかまたは強化することができる。
【００２２】
他の変形において、脱イオン化を、二重ドンナン透析を使用して行うことができる。この場合にそれぞれ冷却媒体と異なるｐＨ値を有する、少なくとも２個の脱イオン化剤を使用する。このｐＨの相違が拡散工程の推進力であり、冷却媒体から除去されるイオンをそれぞれの濃度勾配に反対の方向に冷却媒体から取り出すことができる。１つの構成において、冷却媒体がアニオン交換膜とカチオン交換膜の間を流れる。アニオン交換膜の後に高いｐＨを有する水溶液、例えばＮａＯＨ溶液が第１脱イオン化剤として存在する。ＯＨ−イオンはこれから冷却媒体に拡散し、冷却媒体からアニオン交換膜の後に配置された第１脱イオン化剤に拡散するアニオンと交換する。相当して低いｐＨを有する水溶液、例えばＨ２ＳＯ４溶液はカチオン交換膜の後に第２脱イオン化剤として配置される。Ｈ３Ｏ＋イオンはこの第２脱イオン化剤から冷却媒体に拡散し、冷却媒体からカチオン交換膜の後に配置された第２脱イオン化剤に拡散するカチオンと交換する。
【００２３】
冷却媒体が脱イオン化剤と混合する代わりに直接または間接的に接触する前記のすべての変形において、脱イオン化剤は物質の移動を改良するために移動することができる。これは前記容器または膜ユニットに設置された撹拌装置を使用することによりまたはポンプを使用して外部循環を介して脱イオン化剤を循環することにより達成することができる。
【００２４】
冷却循環に一般に１個以上の熱交換機が設置されている。本発明の１つの変形において、１個のみの冷却循環が用意され、１個以上の熱交換機が、例えば空気または水または他の適当な冷却媒体と接触する。しかし第２循環（二次的循環）と熱的に接触する第１冷却循環（一次的循環）を用意することも可能である。
【００２５】
膜セルを使用する場合は、脱イオン化剤および任意の膜と接触する溶液の温度を低く保つために、脱イオン化の前に冷却媒体が有利に冷却される。この目的のために、例えば脱イオン化のユニットを第１冷却循環の冷却器または熱交換機の下流に（第１または１つの冷却循環内の冷却媒体の流動方向に対して）設置することが可能である。
【００２６】
従って燃料電池から温められた冷却媒体をまず熱交換機に導入し、ここで冷却する配置を使用することが有利である。引き続き冷却媒体を脱イオン化剤と混合する（例えば静的混合機内で）かまたは前記のように脱イオン化剤と接触し、その後脱イオン化剤と脱イオン化された冷却媒体を同じかまたは次のユニットで分離する。両方の工程を１段階でまたは複数の段階で行うことができる。
【００２７】
液体脱イオン化剤として、イオンを結合できる公知の液体を使用することができる。結合は、例えば公知の錯化剤の場合のように錯化による結合であってもよい。これらの化合物の例は、糖酸、クエン酸、酒石酸、ニトリロトリ酢酸（ＮＴＡ）、メチルグリシン二酢酸（ＭＧＤＡ）、エチレンジアミンテトラ酢酸（ＥＤＴＡ）および他のポリアミノポリカルボン酸およびポリアミノポリホスホン酸である。錯化される化合物が固体である場合は、液体脱イオン化剤は冷却媒体と混合できるかまたは混合できない液体中のこれらの化合物の溶液である。イオンはイオン相互作用により結合することができる。これは、例えばアミン、第四級アミンまたはポリエチレンイミンまたはポリビニルアミンのようなポリアミンを使用する場合である。イオン相互作用により作用する化合物と錯化剤の混合物、例えば前記化合物中の錯化剤の溶液も可能である。
【００２８】
本発明の目的のために、膜ユニットまたは膜分離器の膜としてポリマー膜およびセラミック材料からなる膜を使用することができる。完全な膜、すなわち均一な材料からなる膜および複合膜、すなわち所望の分離特性を有する該当する膜が、この膜と異なる材料からなる１個以上の粗い細孔を有する支持体層に取り付けられている膜を使用することができる。前記膜は、例えばＲ.Ｒａｕｔｅｎｂａｃｈ  Ｍｅｍｂｒａｎｖｅｒｆａｈｒｅｎ−Ｇｒｕｎｄｌａｇｅｎ  ｄｅｒ  Ｍｏｄｕｌ−ｕｎｄ  Ａｎｌａｇｅｎａｕｓｌｅｇｕｎｇ  Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  Ｖｅｒｌａｇ  Ｂｅｒｌｉｎ  Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ１９９７に記載されるように、平坦な、管状、毛細管またはらせんに巻かれたユニットの形で使用される。
【００２９】
冷却媒体と脱イオン化剤が基本的に混合しない変形において、有利に５０ｎｍより大きい細孔径を有し、有利に３０％より大きい高い気孔率を有するマクロポアーの膜を使用することが有利である。適当な膜材料は特にポリマー、例えばポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトンである。種々の相を互いに接触するために適した膜ユニットは、例えばＬｉｑｕｉ−Ｃｅｌ（登録商標）Ｃｅｌｇａｒｄ社の名称で販売されている。これは中空ポリプロピレン繊維からなるユニットである。
【００３０】
冷却媒体と脱イオン化剤が混合する変形において、冷却媒体から除去されるイオンを選択的に透過するが、それぞれの脱イオン化剤を透過しない前記の膜を使用することが有利である。当業者に知られた透析膜、限外濾過膜またはナノ濾過膜、例えばポリアミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンまたはポリエーテルケトンから形成される膜を使用することができ、前記膜は完全な非対称膜または複合膜であってもよい。複合膜は支持体層を被覆することによりまたは界面重合を使用して製造することができる。
【００３１】
本発明の方法の１つの変形において、冷却媒体からのアニオンおよびカチオンの除去を２つの分離ユニット内で行う。分離ユニット内の脱イオン化剤および冷却媒体の分離は同じかまたは異なる方法により行うことができる。カチオンを除去する複数のユニットとアニオンを除去する複数のユニットを結合することができる。以下の配置が１つの例である。冷却媒体をまず一次冷却循環の流動方向に、熱交換機に導入し、ここで冷却する。引き続き（流動方向に対して）冷却媒体部分をユニットに供給し、ここでＭＧＤＡ含有溶液との混合が生じる。この場合に存在する任意のカチオンはＭＧＤＡ錯体として結合する。この溶液を引き続き膜ユニットを使用して分離する。透過液はイオンが欠乏した冷却媒体である。脱イオン化剤を含有する保留液を再循環し、もう一度流入する冷却剤と混合する。次の工程で透過液を液体ポリアミンと混合し、ポリアミンがイオン相互作用により冷却媒体から存在するアニオンを除去する。冷却媒体からのポリアミンの分離は錯化剤に関して記載されるように行う。結果として冷却媒体からカチオンとアニオンが簡単な方法で除去される。
【００３２】
活性官能基の高い濃度によりこの脱イオン化剤に多くの量のイオンが結合することができる。これは非官能化ポリマーの高い割合を有する固体イオン交換樹脂よりすぐれた大きな利点である。更にここに記載される液体の能力が消耗した場合に、未熟な人間によっても簡単な排出工程を使用して装置から液体を除去することができる。延長したメインテナンス間隔のほかにメインテナンス自体が簡単になり、結果として費用がかからない。
【００３３】
前記方法は冷却媒体からイオン成分のみを除去する。従って例えば凍結防止剤としてグリコールを添加することができる。冷却媒体は更に付加的腐食防止剤、例えばドイツ特許第１００６３９５１号に記載されるオルト珪酸エステルを含有することができる。オルト珪酸エステルは有利にテトラ（アルコキシ）シランの形の４つの同じアルコキシド置換基を有する。適当な珪酸エステルの代表的な例は、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラ（ｎ−プロポキシ）シラン、テトラ（イソプロポキシ）シラン、テトラ（ｎ−ブトキシ）シラン、テトラ（ｔ−ブトキシ）シラン、テトラ（２−エチルブトキシ）シラン、テトラ（２−エチルヘキソキシ）シランまたはテトラ［２−［２−（２−メトキシエトキシ）エトキシ］エトキシ］シランのような純粋なテトラアルコキシシランである。前記物質は市販されているかまたは１当量のテトラメトキシシランと４当量の相当する長鎖アルコールまたはフェノールの簡単なエステル交換、メタノールの蒸留分離により製造することができる。
【００３４】
更に窒素および硫黄からなる群から選択される２個または３個のヘテロ原子を有する１個以上の５員の複素環式化合物（アゾール誘導体）を含有し、硫黄原子を全く有しないかまたは多くても１個有し、芳香環または６員の飽和縮合環を有してもよく、場合によりオルト珪酸エステルと組み合わせた、燃料電池駆動用冷却剤を使用することが可能である。この種の冷却剤はドイツ特許第１０１２８５３０号に詳細に記載されている。
【００３５】
最後に本発明は少なくとも１個の燃料電池および少なくとも１個の燃料電池の冷却循環を有する燃料電池装置に関し、冷却循環に少なくとも１個の脱イオン化装置が備えられ、脱イオン化装置内で液体脱イオン化剤が冷却媒体に作用することができる。
【００３６】
脱イオン化装置は有利に少なくとも１個の混合機、例えば静的混合機および膜分離器を有する。脱イオン化装置は少なくとも１個の混合機および相分離器を有することができる。
【００３７】
例えばＣｈｅｍｉｅｔｅｃｈｎｉｋ、Ｄｒ.Ｅｃｋｈａｒｄ  Ｉｇｎａｔｏｗｉｔｚ、Ｖｅｒｌａｇ  Ｅｕｒｏｐａ−Ｌｅｈｒｍｉｔｔｅｌ、Ｇｒｕｎｄｌａｇｅｎｏｐｅｒａｔｉｏｎｅｎ  ｃｈｅｍｉｓｃｈｅｒ  Ｖｅｒｆａｈｒｅｎｓｔｅｃｈｎｉｋ、Ｗｉｌｈｅｌｍ  Ｒ.Ａ.Ｖａｕｃｋ、Ｈｅｒｍａｎｎ  Ａ  Ｍｕｅｌｌｅｒ、Ｄｅｕｔｓｃｈｅｒ  Ｖｅｒｌａｇ  ｆｕｅｒ  Ｇｒｕｎｄｓｔｏｆｆｉｎｄｕｓｔｒｉｅ、Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ２０００に記載される、公知の広い範囲の相分離器を使用することができる。適当な膜セルは、例えばＲ.Ｒａｕｔｅｎｂａｃｈ  Ｍｅｍｂｒａｎｖｅｒｆａｈｒｅｎ−Ｇｒｕｎｄｌａｇｅｎ  ｄｅｒ  Ｍｏｄｕｌ−ｕｎｄ  Ａｎｌａｇｅｎａｕｓｌｅｇｕｎｇ  Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  Ｖｅｒｌａｇ  Ｂｅｒｌｉｎ  Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ１９９７に記載されている。
【００３８】
他の構成において、本発明の燃料電池装置は少なくとも１個の接触器を有し、接触器が脱イオン化剤と冷却媒体の直接または間接的接触を保証する。接触器は冷却媒体と液体脱イオン化剤を互いに分離するイオン透過性膜を有することができる。
【００３９】
本発明の方法および本発明の装置により不足した流れで達成できるイオン導電率は最初の導電率に依存して一般に１μＳ／ｃｍ未満である。
【００４０】
本発明を以下に図面に示された実施例により説明する。
【００４１】
図１は脱イオン化剤および冷却媒体が混合される２つの脱イオン化装置が設置されている冷却循環を有する本発明による燃料電池装置の第１実施例を示す。
【００４２】
図２は冷却媒体と脱イオン化剤が混合される場合と異なり間接的に接触している図１の燃料電池装置の変更例を示す。
【００４３】
図３は脱イオン化剤と冷却媒体が相分離器により分離されている図１の実施例の変更例を示す。
【００４４】
図１は本発明による燃料電池装置１０を示す。燃料電池装置１０は燃料、例えば水素ガスの供給ライン１２および燃焼物質、例えば空気または酸素の供給ライン１３を有する燃料電池スタック１１を有する。気体の物質を供給する場合は、燃料電池のポリマー膜の乾燥を避けるために、燃料電池スタック１１に導入する前に、供給される少なくとも１種のガスを湿潤にする。反応生成物は排出ライン１４，１５により燃料電池スタック１１を離れることができる。純粋水素および酸素を使用して燃料電池を運転する場合は、反応生成物として水が形成され、この一部をライン１２および１３により流入する気体を湿潤にするために使用することができる。燃料電池スタック１１により発生する電流は収集ライン１６、１７により正または負の端子１８，１９に搬送することができる。
【００４５】
燃料電池装置１０は参照符号２０により全体的に示される少なくとも１個の冷却循環を有する。冷却媒体として、例えば水を使用することができ、水は使用する分野に依存して更に凍結防止剤または腐食防止剤のような他の助剤を有することができる。冷却循環２０に循環ポンプ２１が配置され、循環ポンプは冷却媒体の搬送を行う。冷却媒体は熱交換機２２を介して搬送され、熱交換機はたとえば周囲の空気と熱的に接触する。しかし二次的冷却循環（図示されていない）との熱的接触も可能である。冷却循環内の熱交換機２２の下流に脱イオン化装置２３が存在し、この装置に冷却媒体流の少なくとも一部を導入することができる。脱イオン化装置２３に導入する冷却媒体流の割合を変動することができる。示された例において、冷却循環２０に弁装置２５を制御する導電性センサー２４が設置されている。冷却媒体の導電性が増加した場合に、より多くの冷却媒体を脱イオン化装置２３に導入し、導電性が低下した場合に、脱イオン化装置２３により少ない冷却媒体を導入するかまたは全く導入しない。脱イオン化されない冷却媒体の部分はバイパスライン２６により脱イオン化装置２３を迂回することができる。
【００４６】
図１に示された変形において、脱イオン化装置２３は循環２７を有し、循環を第１脱イオン化剤が循環し、循環２７内に静的混合機２８および膜ユニット２９が設置されている。静的混合機２８内で冷却媒体と脱イオン化剤が互いに緊密に接触し、イオンが冷却媒体から脱イオン化剤に移動することができる。こうして形成される液体混合物を膜ユニット２９に導入し、ここで保留液と透過液に分離する。実質的に第１脱イオン化剤および濃縮されたイオンからなる保留液はポンプ３０を備えたライン３１により搬送され、静的混合機２８に戻される。この場合に第１脱イオン化剤は冷却媒体のカチオンを分離するために使用される。適当な第１脱イオン化剤の例は錯化剤、クエン酸またはメチルグリシン二酢酸の溶液である。透過液はライン３２により循環３３に搬送され、循環を第２脱イオン化剤が循環し、循環に再び静的混合機３４および膜ユニット３５が備えられている。第２脱イオン化剤は冷却媒体からアニオンを除去するために使用され、例えば液体ポリマーアミンを有することができる。液体の緊密な混合の後に混合物を静的混合機３４から膜ユニット３５に搬送し、ここで再び透過液と保留液に分離する。実質的に脱イオン化された冷却媒体からなる透過液はライン３６により燃料電池スタック１１に戻され、一方保留液はポンプ３７を備えたライン３８により搬送され、静的混合機３４に戻される。
【００４７】
図２は図１の実施例の変更例を示し、冷却媒体と脱イオン化剤が混合されないが、その代わりに間接的に互いに接触する。図１に関して記載された部品に相当する装置の部品は同じ番号で示される。図２の変形において、熱交換機２２に導入した冷却媒体は連続して２つの接触器３９および４０に供給され、これらは例えば膜接触器として形成することができる。これらの接触器内で脱イオン化剤および冷却媒体がイオン透過膜４１，４２により互いに分離される。接触器３９、４０内でアニオンとカチオンが分離され、それぞれＯＨ−イオンおよびＨ＋イオンに交換される。脱イオン化剤はポンプ４３および４４を使用してそれぞれ受け器４７および４８を介して循環４３および４４に搬送される。脱イオン化剤として、例えば循環４５にＮａＯＨ溶液および循環４６にＨ２ＳＯ４溶液を使用することができる。
【００４８】
最後に図３は図１の燃料電池装置１０の脱イオン化装置の１段階の変形を示し、脱イオン化剤を冷却媒体から相分離により分離する。他の工程は図１の変形と比べて変化していない。静的混合機２８から冷却媒体および脱イオン化剤を有する液体混合物を相分離器４９に供給する。脱イオン化された冷却媒体を有する下方の相をライン５０により燃料電池スタック１１に戻す。脱イオン化剤を有する上方の相をライン５１により静的混合機２８に返送する。
【００４９】
もちろん前記実施例の循環２７，３３，４５，４６およびライン５１は消耗した脱イオン化剤を取り出し、または新しい脱イオン化剤を供給する接続部分（図示されていない）を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】脱イオン化剤および冷却媒体が混合される２つの脱イオン化装置が設置されている冷却循環を有する本発明による燃料電池装置の第１実施例を示す図である。
【図２】冷却媒体と脱イオン化剤が混合される場合と異なり間接的に接触している図１の燃料電池装置の変更例を示す図である。
【図３】脱イオン化剤と冷却媒体が相分離器により分離されている図１の実施例の変更例を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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