(57)【要約】  本発明は一つのカソード室４及び一つのアノード室５を備える少なくとも一つの燃料電池２を有する、燃料電池システム１に関し、前記アノード室５からの排気ガスがアノード回路１４内の前記アノード室５の入り口へ導かれて戻り、水分離機１５が、ドレインライン１７により前記カソード室４への供給ライン７に接続される、前記アノード回路１４内に提供されており、追加水分離機１８が提供されており、前記追加水分離機１８は前記カソード室４の上流に前記供給ライン７内に配置されており、前記ドレインライン１７は前記追加水分離機１８の上流で前記供給ライン７に流入するか、又は前記追加水分離機１８に流入することを特徴をとする、燃料電池システム１。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード室（４）及びアノード室（５）を備える少なくとも一つの燃料電池（２）を有する燃料電池システム（１）であり、前記アノード室（５）からの排気ガスがアノード回路（１４）内の前記アノード室（５）の入り口へ導かれて戻り、水分離機（１５）が前記アノード回路（１４）に提供され、ドレインライン（１７）により前記カソード室（４）への供給ライン（７）に接続されており、
前記燃料電池システムには、追加水分離機（１８）が提供されており、前記追加水分離機（１８）は前記カソード室（４）の上流に前記供給ライン（７）に配置されており、前記ドレインライン（１７）は前記追加水分離機（１８）の上流で前記供給ライン（７）に流入するか、又は前記追加水分離機（１８）に流入することを特徴をとする、燃料電池システム（１）。
【請求項２】
前記追加水分離機（１８）が、水供給ライン（１９）により前記カソード室（４）の排気ライン（８）に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
絞り切り替え弁が、前記追加水分離機（１８）と前記排気ライン（８）の間の前記水供給ライン（１９）の領域に配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
弁装置（２０）が、前記追加水分離機（１８）と前記排気ライン（８）の間の前記水供給ライン（１９）の領域に配置されたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
絞り切り替え弁が前記水分離機（１５）と前記供給ライン（７）間の前記ドレインライン（１７）の領域に配置されたことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
弁装置（１６）は前記水分離機（１５）と前記供給ライン（７）の間の前記ドレインライン（１７）の領域に配置されたことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
少なくとも前記水分離機（１５，１８）の一つが前記水レベルの検出装置（２２）を備え、前記弁装置（１６，２０）が、前記各水分離機（１５，１８）の水レベルにより、この水分離機（１５，１８）の下流で制御または調整されることを特徴とする、請求項４または６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記水レベルの検出装置が、少なくとも一つの水レベルセンサー（２２）として設計されていることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記水レベルの検出装置が、計算ユニットとして設計され、前記水レベルは、前記燃料電池（２）の動作パラメータにより計算されるか、シミュレーションで予測されることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記水レベルの検出装置は前記ドレインライン（１７）の領域で前記水の貫流測定を用いることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１の前文に記載されているタイプの、少なくとも一つの燃料電池を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは一般的な先行技術で知られている。これらの燃料電池システムは、特に一連のＰＥＭ燃料電池を有する時、燃料電池の作動が必要な時には大量の新鮮な水素が燃料電池のアノード側に提供される様に動作されることが多い。これにより燃料電池のアノード室内に水素の均等な分配を促進し、利用可能な膜全体の表面上で活性物質及び電極の理想的な使用を可能とする。アノード室から流れ出る排気ガスは一般的に余分の水素及び不活性ガス、特に窒素を含み、この窒素は燃料電池の膜を通してアノード室に拡散する。其の上、燃料電池内に存在する生成物の水の一部はアノード室の領域に集められ、それと共にアノード排気ガスによって分配される。従ってアノード排気ガス中に存在する水素を無駄にするのを避ける為に、排気ガスはアノードからアノード入口に導き戻され、そして、新鮮な水素と共に、燃料電池のアノード室に導き戻される。
【０００３】
所謂アノード回路又はアノードループを持つこの構造は、アノード回路に溜った水を分離する為に、水分離機を必要とする。其の上、ガスは、最低の体積流量でもって連続的に、又は対応してより大きな体積流量でもって時々、アノード回路から放出されるべきであり、これは、アノード回路での燃料電池の動作中常に水素の濃度が十分に高いのを確保する為に、アノード回路から窒素と他の不活性ガスを流し出すためである。
【０００４】
その様な構造は特許文献１により知られており、この場合、単一の水分離機の領域で、水の放出及び排気ガスの部分の放出の両方が起こる。これは、水とガスが燃料電池のカソード室への供給ラインの領域に導入される為に、ドレイン・パージの手段を使って実行される。これは本質的に有利である。その理由はカソード室の電解触媒の領域での余分の水素がガス中に解除され、これは大気への水素の放出を安全に及び確実に避けることが出来ることを意味する。
【０００５】
前述のこの構造の不利益な点に関して、特許文献２の図２に同様に述べてあるが、液体水がカソード室の領域に導入され、従ってカソード室の個々の領域またはカソード室をアノード室から分離する膜が水で湿されることである。それにより点状の電圧降下または個々の電池の領域内での電圧降下に導かれる。従って、作動戦略に関しては、十分な空気供給の流れが保障されている時にだけ水・アノード排気ガスの放出が起こるので、構造は比較的に複雑である。従ってその様な燃料電池システムの制御と作動方法は比較的に複雑である。
【０００６】
更なる先行技術として、特許文献３がある。これは非常に複雑な燃料電池システムを示し、この場合、水素及び酸素の両方または空気は湿ったカソード排気ガスにより加湿される。加湿された空気供給内の大部分の水を避け及び液滴の燃料電池の中に浸透を妨げる為に、水分離機が対応する加湿器の下流方向に配置される準備が出来ており、これによりこれらの液滴を止める。この構造に於いて、アノード回路からの排気ガスは、カソード室からの排気ガスと一緒に、この脱湿の後混合され、そして追加水分離機を介して大気中に放出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００８／０５２５７８号パンフレット
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１０／００９２２３号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００４／００３８１００号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、上記の課題点を避けて、安全で信頼性のある動作を簡単にそして効率的に可能にする燃料電池システムを提供することで、該燃料電池システムの効率をカソード室への水の流入により落とさないことである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によると、この目的は請求項１に記載された特徴により解決される。本発明による燃料電池システムの更なる有利な実施態様はこれに従属する下位の請求項から生じる。
【００１０】
本発明によると、追加的水分離機がこれにより提供され、供給ラインに配置されている。前記先行技術に記述されている構造と違って、水分離機は、水分離機のドレイン線を介して燃料電池のカソード室への供給から入る水を、アノード回路から分離する。この水は意図した通りに放出されることができ、一方では、供給線の領域に差し込まれたガスは、水と一緒に、この水とは完全に別の方法で、燃料電池のカソード室に流れ得る。これに含まれた余分の水素は、燃料電池システムからのその様な水素の放出を避ける為に、電解触媒の領域で解除し得る。カソード室の上流方向の供給ライン内の水分離機を更に使う事は基本的な利点があり、これにより、当システムの現在の動作状態及び当システムへの供給量とは関係なく、システムが動作している時、水とアノード排気ガスが放出され得る。アノード排気ガスと水を放出する戦略は、アノード回路の領域で最高に可能な水素濃度を常に保障する為に、燃料電池の動作状態とは全く関係なく実行され得る。
【００１１】
例えば燃料電池システムの同様に設計されたストップ動作に於けるように、酸素がカソード室に運ばれない場合だけであり、この場合、これがスタート・ストップとして動作されれば、カソード室の電気媒体の領域で同様に導入した水素を変換するのに利用できる酸素がないので、水とガスを放出することは必要ではない。しかし、燃料電池のカソード室へ少なくとも低い程度の供給物が流れている状態のすべて動作状態では、水とガスの放出は実行され、その理由は放出される水素の量が非常に低く、非常に低い供給の流れでも水素の放出を避ける為に十分である。
【００１２】
本発明による燃料電池システムの有利な発展形態に於いて、追加的水分離機が水供給ラインによるカソード室の排気ラインと繋ぐこともできる。水は比較的に直接な経路内でカソード室の排気ラインの領域に導入される。燃料電池内に存在する生成物の水の大部分はカソード室の排出にすでに含まれているので、追加的な水は簡単に及び効率的にここで放出され得る。溶液水を燃料電池システムから去るのを防ぐ為の可能対策は、カソード室から生成物の水だけてなく、もし必要ならば、更なる建設的な対策を必要とせず、アノード室から生成物の水用にもまた使われ得る。ガス・ガス加湿器、エンタルピー交換機、中間冷却器又は類似品が供給ラインと排気ラインの間に提供されているかどうかによって、水はこの前か又は後に追加的水分離機の領域から排気ラインに導入され得る。従って、これは比較的に暖かい排気空気内で蒸発し、必要な場合は、供給空気を加湿するために使い得る。
【００１３】
従って絞り切り替え弁及び・又は弁装置を、流れに影響する様に、水ライン及びドレインライン用の両方に使用されることが考えられる。例えば、継続的な下降流は絞り切り替え弁経由で起こり得及び・又は制御可能な放出は、例えば時間制御された方法で、または水分離機か又は追加水分離機に集まった水の量によって作動された弁装置を介して起り得る。弁装置と絞り切り替え弁の組み合わせも勿論考えられ、例えば、これは、耐久性のあるバイパスが継続下降流を可能とする弁装置の周りに配置されることも、考え得る。
【００１４】
本発明による燃料電池システムの有利な発展形態に於いて、更に少なくとも一つの水分離機が、制御可能な弁装置が存在する場合には、水レベルを決めるための器具を持つこともできる。この場合、弁装置は、水レベルによって、この水分離機の下流方向に制御または管理される。そして、これは、水レベルを検出する前記の装置を使うことにより可能であり、水分離機内の水レベルを使って弁装置を制御する為に、燃料電池の動作パラメータにより水レベルを決めるための処理ユニットにより少なくとも一つのレベルのセンサーで実行できるか、または一つの水分離機から追加水分離機への貫流を測ってさえも実行できる。従って放出は少なくとも対応する水レベルに達する時に確保される。特に供給ラインの領域内でのより遠くの水分離機では、水だけが排気ラインの領域に放出され、そして弁装置は、従って、余分の水が水分離機内にまだ存在する時、常に閉鎖されている事を其の上確保する。この様に、この発明に従って、水素の排気ラインの領域での散布は安全にかつ確実に妨げられ、及びにカソード室の方向への水素及び排気ラインの方向へ水の信頼できる分離は、追加水分離機を経由して実行される。
【００１５】
燃料電池システムの更なる有利な実施態様は残りの従属する下位の請求項に記載され、これは図を参照して、以下により詳細に記述する実施形態により明確にされる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は燃料電池システムの模式図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に燃料電池システム１が示され、該燃料電池は、理想的には、車両を作動する電気エネルギーを提供するために用いられる。これは例えば、一連の個々の電池として構成されている燃料電池２を含む。ここで、個々の電池は好ましくはＰＥＭ技術で具体化されており、燃料電池２のアノード室５からカソード室４を分離する膜３を持つ。空気が空気運搬装置６を介して酸素供給用にカソード室４に導かれる。これは供給ライン７を介してカソード室４の領域に到達し、酸素を使い果たして、カソード室４から排気ライン８介して流れて戻る。そして排気は大気に放出されるが、又は必要に応じて、それ自体一般先行技術でよく知られている様に、前もって適当なバーナー、タービンまたは類似のものを介して流れ得る。
【００１８】
水素は圧縮ガス貯蔵ユニット９から燃料電池２のアノード室５に導かれ、そして水素弁１０と水素供給ライン１１を介してアノード室５の領域に到達する。アノード室５の領域の消費されていない水素はアノード室５から再循環ライン１２を介して流れ、そして再循環運搬装置１３を介して水素供給ライン１１の領域に達する。排気ガスは圧縮ガス貯蔵ユニット９からの新鮮な水素とここで混合され、そしてアノード室５に供給返される。そして水素供給ライン１１と再循環ライン１２の構成はアノード回路１４又はアノードループとも呼ばれる。
【００１９】
燃料電池２の動作中、不活性ガスは時間経過と共にアノード回路１４の領域に集中し、特に窒素は、カソード室４からアノード室５へと膜３を通じて拡散する。其の上、燃料電池２の生成物水の部分はアノード室５の領域に生じるが、これはアノード回路１４に集まる。このために、圧縮ガス貯蔵ユニット９から加えられる新鮮な水素にもかかわらず、水素の濃度はアノード回路１４の既定の体積に於いて、時間が経つにつれて減り、アノード室５は再循環ライン内にある水で水びたしになる危険を冒す。この様に、水分離機１５は再循環ライン１２の領域内に提供され、再循環ライン１２はアノード回路１４の領域内にある液体の水を分離しそして集める。この水は、例えば時々又は適当な量の水がそこに集まった時に、弁装置１６とドレインライン１７を介して水分離機１５から放出される。従って弁装置１６の対応する長い開口継続時間は、集めた水だけではなく、またアノード回路１４からのガスの一部も放出されている事を保証する。この過程はドレイン・パージとしても知られている。アノード回路１４から排気ガスの一部を放出して、集めた不活性ガスの大部分が、一般的に水素の小さい部分と一緒に、放出される。ガスと水が放出された後で、非常に高い水素濃度がアノード回路１４に更に再び存在するので、燃料電池２は最適に動作できる。
【００２０】
水は、アノード回路１４からの排気ガスと共に、ドレインライン１７を介して、カソード室４の方の供給ライン７の領域に到達する。この構造は排気ガス内に含まれた余分の水素が、カソード室４の電気媒体上のカソード室４の領域内の空気運搬装置６によって運ばれる供給空気と反応して、水を形成する。これによって、燃料電池システム１の大気への水素の放出が妨げられる。一般的にアノード回路１４から放出される水素の量は低いので、媒体とカソード室上にこの様にして起こる応力は最低で、供給ライン７内で運ばれる少しの空気の量でさえも水素の放出を防ぐのに十分である。
【００２１】
そして、燃料電池システム１の構造において、追加水分離機１８は提供されており、カソード室４に入る前に供給ライン７内を流れる供給空気の流れの方向に配置されている。図に示されている様に、ドレインライン１７が供給ライン７に入って追加水分離機１８の上流を流れる。原則として、ドレインライン１７が水分離機１８に直接流れる事はもちろん考え得る。ドレインライン１７を介して供給ライン７に入る液体水は追加水分離機１８に安全にかつ確実に析出することだけを確認する必要がある。従って、結果的にはカソード室４に供給されるのは液体水ではなくして、アノード回路１４からの不活性ガスと余分の水素である。液体水は追加的に追加水分離機１８を介して析出し、水供給ライン１９を介してカソード室４から排気ライン８の領域に到着する。図の表現では、追加的弁装置２０が水配供給ライン１９の領域にも示してある。弁装置２０の使用に加えて、弁装置２０を使う事が考えることができ、これにより水供給ライン１９を通して、連続した体積の流れがある。これは、ドレインライン１７の領域に弁装置１６にも同様に応用でき、弁装置１６は絞り切り替え弁でも取り換えられ得る。もちろん考え得ることは、より大きい体積の流れを放出する弁装置及び継続した少ない体積の流れを保証の為のバッフルを持つ平行したバイパスを組み合わせである。
【００２２】
ここで示された燃料電池システム１の設計は又ガス・ガスの加湿器、エンタルピー交換機、供給ライン７と排気ライン８の間の中間冷却器又は類似品を備えうる。これは、例えばガス・ガス加湿器２１の形で任意に示してある。
【００２３】
図に示してある様に、燃料電池システム１の構造はこの時点で次の利点がある。ガスと水の放出は燃料電池２の理想的な性能に必要とされている様に、同様な高度柔軟な方法でアノード回路１４の領域から起こり、従ってアノード室５で理想的な水素濃度が提供される。水はカソード室４の領域で導入されなくて、むしろ追加水分離機１８を介して析出されるのという事実により、供給ライン７での最低量の空気の流れだけで水素の放出を安全にかつ確実に防ぐのに十分である。従って水及びガスをアノード回路１４から放出する戦略は起こり得、得に供給空気の流れには関係がない。
【００２４】
理想的には、これにより、追加水分離機１８は水レベルの検出用装置を備えている。これは水レベルセンサー２２により個々に附属された図に示してある。弁装置２０の起動は、水レベルセンサー２２及びそこに割り当てられた制御装置２３を介して起こることができ、それにより、水だけが追加水分離機１８の領域から放出され及び水分離機１８の領域か又は装置２０の前の水供給ライン１９の領域に残っている余分の最低量の水がいつもある。アノード回路１４からの排気ガス中の水素は安全にかつ確実に排気ライン８の領域に到達するのを妨げることができ、このため、環境に入るのを防がれる。この理由は弁装置２０と追加水分離機１８と供給ライン７の間には対応する水上限があるので余分の水素は常にカソード室４の領域に流れ、水だけが水供給ライン１９を介して流れ出す。
【００２５】
従って、実施態様として示される水レベルセンサー２２は水分離機１８の領域で二つの水レベルセンサーの形で配置され得る。代わりに、原則として、単一の水レベルセンサーの使用も考え得、これは加湿される時、弁装置２０を常に開口しそして乾燥した時は閉鎖する様に切り替えられる。水分離機１８でのセンサーの巧みな配置とセンサーの避けられない履歴現象の使用に起因して、望みの目的は単一のセンサーを使って安全に確実に成就され得る。水レベルを検出するそんな所謂レベルセンサーはもちろんのこと、燃料電池の動作パラメータに基づく適当なシミュレーションにより、特にそこで電力出力により、制御装置２３でもって水レベルを計算することも、もちろん考え得る。その理由は燃料電池内の機構はよく知れているのでアノード室の領域で偶発的な水の量は導かれた水の量として非常に正確に予測され得る。追加的にまたはこれの代わりに、更にドレインライン１７の領域で貫流測定を介して追加水分離機１８内で集めた水の量を検出する及び・又は予測することは更に考え得る。
【００２６】
追加水分離機１８用に記述した複数の装置はもちろん追加的にまたはこれの代わりに水分離機１５用にも存在し得、それは結果的にアノード回路１４からの水の放出と排気ガスの放出に影響を及ぼすためである。
【符号の説明】
【００２７】
１    燃料電池システム
２    燃料電池
３    膜
４    カソード室
５    アノード室
６    空気運搬装置
７    供給ライン
８    排気ライン
９    貯蔵ユニット
１０  水素弁
１１  水素供給ライン
１２  再循環ライン
１３  再循環運搬装置
１４  アノード回路
１５  水分離機
１６  弁装置
１７  ドレインライン
１８  水分離機
１９  水供給ライン
２０  弁装置
２２  水レベルセンサー
２３  制御装置
【図１】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年5月22日(2013.5.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード室（４）及びアノード室（５）を備える少なくとも一つの燃料電池（２）を有する燃料電池システム（１）であり、前記アノード室（５）からの排気ガスがアノード回路（１４）内の前記アノード室（５）の入り口へ導かれて戻り、水分離機（１５）が前記アノード回路（１４）に提供され、ドレインライン（１７）により前記カソード室（４）への供給ライン（７）に接続されており、
前記燃料電池システムには、追加水分離機（１８）が提供されており、前記追加水分離機（１８）は前記カソード室（４）の上流に前記供給ライン（７）に配置されており、前記ドレインライン（１７）は前記追加水分離機（１８）の上流で前記供給ライン（７）に流入し、
前記追加水分離機（１８）が、水供給ライン（１９）により前記カソード室（４）の排気ライン（８）に接続されており、
弁装置（２０）が、前記追加水分離機（１８）と前記排気ライン（８）の間の前記水供給ライン（１９）の領域に配置され、
少なくとも前記水分離機（１５，１８）の一つが前記水レベルの検出装置（２２）を備え、前記弁装置（１６，２０）が、前記各水分離機（１５，１８）の水レベルにより、この水分離機（１５，１８）の下流で制御または調整されることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
カソード室（４）及びアノード室（５）を備える少なくとも一つの燃料電池（２）を有する燃料電池システム（１）であり、前記アノード室（５）からの排気ガスがアノード回路（１４）内の前記アノード室（５）の入り口へ導かれて戻り、水分離機（１５）が前記アノード回路（１４）に提供され、ドレインライン（１７）により前記カソード室（４）への供給ライン（７）に接続されており、
前記燃料電池システムには、追加水分離機（１８）が提供されており、前記追加水分離機（１８）は前記カソード室（４）の上流に前記供給ライン（７）に配置されており、前記ドレインライン（１７）は前記追加水分離機（１８）に流入し、
前記追加水分離機（１８）が、水供給ライン（１９）により前記カソード室（４）の排気ライン（８）に接続されており、
弁装置（２０）が、前記追加水分離機（１８）と前記排気ライン（８）の間の前記水供給ライン（１９）の領域に配置され、
少なくとも前記水分離機（１５，１８）の一つが前記水レベルの検出装置（２２）を備え、前記弁装置（１６，２０）が、前記各水分離機（１５，１８）の水レベルにより、この水分離機（１５，１８）の下流で制御または調整されることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項３】
前記追加水分離機（１８）が、前記水レベルの検出装置（２２）を持つことを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
絞り切り替え弁が、前記追加水分離機（１８）と前記排気ライン（８）の間の前記水供給ライン（１９）の領域に配置されていることを特徴とする、請求項１、２又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
絞り切り替え弁が前記水分離機（１５）と前記供給ライン（７）間の前記ドレインライン（１７）の領域に配置されたことを特徴とする、請求項１、３又は４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
弁装置（１６）は前記水分離機（１５）と前記供給ライン（７）の間の前記ドレインライン（１７）の領域に配置されたことを特徴とする、請求項１、３又は４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水レベルの検出装置が、少なくとも一つの水レベルセンサー（２２）として設計されていることを特徴とする、請求項1〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記水レベルの検出装置が、計算ユニットとして設計され、前記水レベルは、前記燃料電池（２）の動作パラメータにより計算されるか、シミュレーションで予測されることを特徴とする、請求項1〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記水レベルの検出装置は前記ドレインライン（１７）の領域で前記水の貫流測定を用いることを特徴とする、請求項1〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【国際調査報告】
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