(57)【要約】【課題】容易かつ低コストに、燃料電池流体の理想的な湿度を伴う燃料電池装置の動作を実現する燃料電池装置並びに燃料電池装置の動作方法を提供すること【解決手段】第１の温度センサと第２の温度センサとが設けられており、第１の温度センサは、燃料電池のカソードの流体排出部近傍で冷却媒体の温度を測定し、第２の温度センサは燃料電池のカソードの流体排出部でまたは少なくとも流体排出部近傍で、カソード流体の温度を測定し、装置は、２つの温度測定に基づいて、少なくともカソード流体の湿度を変化させるように構成されている、燃料電池装置。【選択図】図３ａ
2015057777.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池装置（１）であって、
当該燃料電池装置（１）は、カソード（１１）とアノードとを備えた少なくとも１つの燃料電池（１０）を有しており、
前記カソード（１１）と前記アノードはそれぞれ１つの流体供給部（１２）と流体排出部（１３）とを有しており、
前記燃料電池装置（１）はさらに、冷却媒体によって、少なくとも、前記燃料電池（１０）の前記カソード（１１）を冷却する冷却装置（１４）を有しており、
前記燃料電池装置（１）はさらに、少なくとも１つのカソード流体の湿度を変化させる装置（１５）を有している燃料電池装置において、
第１の温度センサ（２０）と第２の温度センサ（２１）とが設けられており、前記第１の温度センサ（２０）は、前記燃料電池（１０）の前記カソード（１１）の前記流体排出部（１３）近傍で前記冷却媒体の温度を測定し、前記第２の温度センサ（２１）は前記燃料電池（１０）の前記カソード（１１）の前記流体排出部（１３）でまたは少なくとも当該流体排出部（１３）近傍で、前記カソード流体の温度を測定し、
前記装置（１５）は、前記２つの温度測定に基づいて、少なくとも前記カソード流体の前記湿度を変化させるように構成されている、
ことを特徴とする燃料電池装置（１）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの燃料電池（１０）は、燃料流体である純水素によって動作可能である、および／または、ポリマー電解質膜燃料電池（ＰＥＭ−ＢＺ）として構成されている、請求項１記載の燃料電池装置（１）。
【請求項３】
前記装置（１５）は、前記燃料電池装置（１）の化学量論組成を調整する、および／または、前記燃料電池装置（１）の動作温度を調整させるように構成されている、
および／または、
前記装置（１５）は、前記カソード（１１）の前記流体供給部（１２）内または前記カソード（１１）内に配置されている、カソード流体に湿気を与える加湿器である、請求項１または２記載の燃料電池装置（１）。
【請求項４】
前記加湿器は、前記カソード内に配置されている内部の加湿器である、請求項３記載の燃料電池装置（１）。
【請求項５】
前記装置（１５）は評価ユニットを有しており、
当該評価ユニットは、前記測定温度を少なくとも１つの境界値と比較するように構成されており、かつ、前記装置（１５）は、当該比較の結果に基づいて、少なくとも前記カソード流体の湿度を変化させるように構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃料電池装置（１）。
【請求項６】
前記評価ユニットは、前記測定温度の差を求めるように、および、当該求められた差を少なくとも１つの境界値と比較するように構成されている、請求項５記載の燃料電池装置（１）。
【請求項７】
前記カソード流体と前記冷却媒体は、前記少なくとも１つの燃料電池（１０）の前記カソード（１１）の前記流体排出部（１３）でまたは少なくとも当該流体排出部（１３）の近傍で、実質的に同じ向きの方向で流れる、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃料電池装置（１）。
【請求項８】
前記カソード流体と前記冷却媒体は、前記少なくとも１つの燃料電池（１０）の前記カソード（１１）の前記流体排出部（１３）でまたは少なくとも当該流体排出部（１３）の近傍で、実質的に正反対の方向で流れる、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃料電池装置（１）。
【請求項９】
燃料電池装置（１）の動作方法であって、
当該燃料電池装置（１）は、カソード（１１）とアノードとを備えた少なくとも１つの燃料電池（１０）を有しており、
前記カソード（１１）と前記アノードはそれぞれ１つの流体供給部（１２）と流体排出部（１３）とを有しており、
前記燃料電池装置（１）はさらに、冷却媒体によって、少なくとも、前記燃料電池（１０）の前記カソード（１１）を冷却する冷却装置（１４）を有しており、
前記燃料電池装置（１）はさらに、少なくとも１つのカソードガスの湿度を変化させる装置（１５）を有している、方法において、
前記燃料電池（１０）の前記カソード（１１）の前記流体排出部（１３）近傍で前記冷却媒体の温度を測定し、前記少なくとも１つの燃料電池（１０）の前記カソード（１１）の前記流体排出部（１３）でまたは少なくとも当該流体排出部（１３）近傍で、前記カソード流体の温度を測定し、
前記装置（１５）によって、前記２つの温度測定に基づいて、少なくとも前記カソード流体の前記湿度を変化させる、
ことを特徴とする、燃料電池装置（１）の動作方法。
【請求項１０】
請求項１から８までの少なくとも１項記載の燃料電池装置（１）を動作させる、請求項９記載の、燃料電池装置（１）の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載されている燃料電池装置に関する。ここで、この燃料電池装置は、カソードとアノードを備えた少なくとも１つの燃料電池を有している。本発明はさらに、請求項９の上位概念に記載されている燃料電池装置の動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を備えた燃料電池装置は、排出物として実質的に水しか出さないので、将来の駆動部として有効である。このような燃料電池装置の正常かつ最適な動作のためには、燃料電池装置の燃料電池内での水の出入りの管理、殊に湿度の閉ループ制御が、重要なファクターである。例えば湿度が不十分な場合、このような燃料電池装置の効率は著しく低下してしまう。これによって、燃料電池装置の性能歩留まりが悪化し、かつ、燃料電池装置の排熱生成が上昇してしまう。最悪の場合、殊に湿気が少なすぎる場合には、燃料電池装置の燃料電池の損傷も免れない。
【０００３】
従って、少なくとも１つの燃料電池流体の湿度を監視し、場合によっては変えることが必要である。ここで例えば、ＤＥ１０３６１６７２Ａ１号から、湿度センサを設けることが公知である。この湿度センサは、燃料電池流体の湿度（この場合には、水素と空気）の湿度を監視する。しかし、この湿度センサの欠点は、殊に、測定条件が飽和している場合、すなわち流体の湿度が約１００％である場合に、極めて不正確になってしまう、ということである。流体の流れにおいて、液体の水が存在する場合には、例えば滴が生じ得る。これは、このような湿度センサに長時間にわたって悪影響を与えてしまい、この湿度センサは、使用可能な信号を供給することができなくなってしまう。これに加えて、ＤＥ１０２００６０２２８６４Ａ１号から、択一的に次のことが公知である。すなわち、燃料電池に沿った冷却媒体流路において冷却媒体の温度経過を監視して、燃料電池内の所望の湿度を推測する、ないしは、所望の湿度を調整する、ことが公知である。しかしこれは次のことを前提条件にする。すなわち、燃料電池内の温度分布と、冷却媒体の温度分布が同じであることを前提条件にする。しかしこれは、燃料電池装置の動作時に、常に保証されるものではないので、この制御方法は誤りを有しやすく、不正確である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＤＥ１０３６１６７２Ａ１号
【特許文献２】ＤＥ１０２００６０２２８６４Ａ１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、本発明の課題は、既知の燃料電池装置の上述した欠点を少なくとも部分的に解消することである。殊に、本発明の課題は、容易かつ低コストに、燃料電池流体の理想的な湿度を伴う燃料電池装置の動作を実現する燃料電池装置並びに燃料電池装置の動作方法を提供することである。ここで、閉ループ制御に使用されるセンサは殊にできだけ容易かつ頑強に構成されている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題は、独立請求項１の特徴部分に記載された構成を有する燃料電池装置によって、並びに、独立請求項９の特徴部分に記載された構成を有する燃料電池装置の動作方法によって解決される。本発明のさらなる特徴および詳細は従属請求項、明細書および図面に記載されている。ここで、本発明の燃料電池装置に関連して記載されている特徴および詳細は、当然ながら、本発明の燃料電池動作方法に関しても有効であり、本発明の燃料電池動作方法に関連して記載されている特徴および詳細は、本発明の燃料電池装置に関しても有効である。従って、個々の発明の態様に対する開示内容に関しては常に相互に関係を有している、ないしは、有することができる。
【０００７】
本発明の第１の態様では、この課題は、カソードと、アノードと、冷却装置と、少なくとも１つのカソード流体の湿度を変化させる装置とを備えた少なくとも１つの燃料電池を有する燃料電池装置によって解決される。ここでこのカソードとアノードは、それぞれ１つの流体供給部と流体排出部とを有しており、冷却装置は燃料電池の少なくともカソードを冷却媒体によって冷却する。殊に、本発明の燃料電池装置は、次のような特徴を有する。すなわち、カソードの流体排出部近傍で冷却媒体の温度を測定する第１の温度センサと、燃料電池のカソードの流体排出部でまたは少なくとも当該流体排出部近傍でカソード流体の温度を測定する第２の温度センサとが設けられており、この装置は、これらの温度測定に基づいて少なくとも前記カソード流体の湿度を変化させるように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来技術の燃料電池装置
【図２】燃料電池装置の測定抵抗
【図３ａ】本発明の燃料電池装置の一部の第１の実施形態
【図３ｂ】本発明の燃料電池装置の一部の第２の実施形態
【図４】本発明の燃料電池装置の湿度閉ループ制御
【発明を実施するための形態】
【０００９】
ここで、本発明の燃料電池装置は、１つの燃料電池または有利には複数の燃料電池も有している。ここでこれらの燃料電池は、いわゆる積層体で配置可能である。ここでは各個々の燃料電池に対して、１つの別個の冷却装置が設けられている。当然ながら、個々の燃料電池に対して１つの共通の冷却装置が設けられてもよい。各燃料電池に対する湿気を、各燃料電池の理想的な動作に対して調整するために、各燃料電池に個々に、燃料電池の各カソードの流体排出部で、または、少なくとも当該流体排出部近傍でカソード流体の温度を規定する温度センサを設けることができる。同様のことが、第２の温度センサに対しても当てはまる。この第２の温度センサは各個々の燃料電池に対して、これに属する冷却装置で、各燃料電池のカソードの流体排出部近傍に配置され得る。当然ながら、殊に、共通の冷却装置の場合に、個々の第２の温度センサのみが設けられてもよい。
【００１０】
殊にガス、有利には空気であるカソード流体の湿度は、殊に、当該カソード流体の温度に依存し、ひいては燃料電池の温度に依存する。燃料電池の温度は、同様に、冷却媒体の温度に依存する。なぜなら、燃料電池の排熱は、各燃料電池の冷却装置の冷却媒体によって除去されるべきだからである。両方の温度によって、カソード流体の湿度を求めることが可能になる。ここで殊に、２つの温度の変化によって絶対的に、または、相対的に、カソード流体の湿気の変化が推測される。このような温度変化は殊に負荷変化時に生じる。このような負荷変化時には例えば、燃料電池装置から取り出される電力が高くないしは低くされる。この結果、燃料電池装置の温度が高くなり、これによってカソード流体の湿度が変わり得る。しかし、燃料電池装置の不変の性能歩留まりを保証するためには、カソード流体の一定の湿度が必要である。主に、これらの温度測定に基づいて、少なくとも前記カソード流体の湿度を変えることができるように、カソード流体の湿度を変化させる装置が設計されていることによって、カソード流体の一定の湿度が保証される。これによって、殊に、負荷変化時にも、燃料電池装置の高い性能歩留まりを有する動作が保証される。
【００１１】
殊に、本発明の燃料電池装置では、センサとして温度センサのみが使用される。１００％近傍の高い湿度において、極めてエラーになりやすい湿度センサとは異なり、これらの温度センサは格段にエラーになりにくく、かつ、頑強である。さらに、殊に、車両内で本発明の燃料電池装置を使用する場合には、このような湿度センサとは異なり、温度センサは幅広く知られており、かつ、存在している。センサの手間およびコストのかかる新たな開発を省くことができる。従って、温度センサの使用によって特に容易かつ低コストに、少なくとも１つのカソード流体の湿度を変化させる装置はデータの基礎を提供することができる。
【００１２】
有利には、本発明の燃料電池装置では、前記少なくとも１つの燃料電池装置は、燃料流体である純粋な水素で動作可能である、および／または、ポリマー電解質膜燃料電池（ＰＥＭ−ＢＺ）として構成されている。このような燃料電池は、排出物として水しか出さない。このようなほぼ無排出の動作様式なので、燃料電池は極めて環境に優しいエネルギー源である。さらに、このような燃料電池によって、従来の内燃機関と比べて、格段に高い効率が実現される。
【００１３】
さらに、本発明の燃料電池装置では、化学量論組成を整合させる装置および／または燃料電池装置の動作温度を整合させる装置が構成されている、および／または、この装置は、カソードの流体供給部またはカソード内に配置されている、カソード流体の湿度を与えるための加湿器である。カソード流体の湿度は、殊に、カソード流体の温度および化学量論組成に依存する。従って、例えば、燃料電池の温度の上昇は、冷却媒体の温度に関係して、カソード流体内の湿度を低減させる。空気の化学量論組成の上昇、すなわち空気超過も、温度状態が同じままの場合には、同様に、湿度の低減につながる。化学量論組成を整合させる装置および／または燃料電池装置の動作温度を整合させるための装置が構成されていることによって、カソード流体の湿度を直接的に変えることができる。有利には、この装置は、カソード流体に湿度を与える加湿器である。このような加湿器によって、カソード流体の湿度を直接的に変えることができる。特に有利にはこの加湿器は、燃料電池のカソード内に、直接的に組み込まれている。少なくとも前記カソード流体の湿度を変化させる装置の設計の幅が広いので、本発明の燃料電池装置を、構造時に、種々の場合によって起こりうる条件で調整することができる。
【００１４】
本発明の燃料電池装置の有利な発展形態では、加湿器は、カソード内に配置されている内部の加湿器である。内部の加湿器はここで、本発明では、その加湿原理が内部の加湿に基づく加湿器である。内部の加湿器はさらに、特に有利に構成される加湿器であり、高いカソード出力湿度を前提条件にする。燃料電池内では自動的に湿気ないしは水が排出物として、燃料電池の動作時に生じる。ここで、燃料電池内の湿気濃度は、カソード流体の流れ方向に沿って増大する。従ってカソード出力側に、多くの湿気が存在する。カソード内に入った乾燥したカソード流体はこの湿気によって自動的に加湿される。従って、このカソード内に組み込まれた内部の加湿器は、特に省スペースであり、かつ容易に、少なくとも前記カソード流体の湿度を変化させる装置となる。
【００１５】
さらに、本発明の燃料電池装置では、この装置は、測定された温度を少なくとも境界値と比較する評価ユニットを有しており、この装置は、この比較の結果に基づいて少なくとも前記カソード流体の湿度を変化させるように構成されている。ここでは、測定された温度の各々が、境界値と比較される。このような評価ユニットは、ここで、殊に、プログラマブルマイクロコントローラも有し得る。当然ながら、アナログ電子回路で評価ユニットを実現することも可能である。殊に事前に試験によって特定可能な境界値との比較によって、燃料電池装置の動作の最適な調整が可能である。
【００１６】
本発明の燃料電池装置の有利な発展形態では、この評価ユニットは、測定された温度の差を求めるため、および、この求められた差を少なくとも１つの境界値と比較するために構成されている。ここで、冷却媒体とカソード出力部でのカソード流体との間の温度相違に基づいて、この温度差が推測される。例えば、内部の加湿器がカソード内で使用される場合には、カソード流体の湿気は、加湿器の流れている水の蒸発によって得られる。しかしこの蒸発は、カソード流体から熱を奪い去る。これは冷却媒体とカソード排出部でのカソード流体との異なる温度に反映される。ここで、大きい差から、例えば高い蒸発率が推測され、ここから同様に、低い湿度が推測される。ここで温度の差の検出と、少なくとも１つの境界値とこの求められた差との比較によって特に容易に、湿度を変化させるための装置は出力データを供給することができる。なぜなら殊に、パラメータが１つだけが監視されればよいからである。
【００１７】
さらに、本発明の燃料電池装置では、カソード流体と冷却媒体は、少なくとも１つの燃料電池のカソードの流体排出部でまたは少なくとも当該流体排出部近傍で、実質的に同じ流れ方向を有している。従って燃料電池のカソードと冷却装置はここで、原理的には、熱交換器を形成する。この熱交換器は、カソード流体の温度と空気の温度を適合させる。カソード流体の湿度が高い場合には、カソード内で、僅かな水分しか蒸発しない。従って、この蒸発によって、カソード流体から僅かな熱しか奪い取られない。これによって、燃料電池の出力側での冷却媒体の温度とカソード流体の温度との差は、僅かである。カソード流体の湿度が低く、高い蒸発率が付随する場合には、冷却媒体の温度とカソード流体の温度との適合（Angleichung）が弱まる。高い蒸発率によって、カソード流体から熱が奪われる。これによって、カソード流体の測定温度と冷却媒体の測定温度との差が大きくなる。冷却媒体とカソード流体の流れる方向が同じことによって、温度測定箇所で次のことが保障される。すなわち、良好な熱交換が、冷却媒体とカソード流体との間で行われることが保障される。これによって、２つの温度の差から、特に確実かつ正確に、カソード流体の湿度が推測される。これは殊に、次の場合に有利である。すなわち、冷却媒体の一定の入力温度が保障されない場合である。
【００１８】
本発明の燃料電池装置の選択的な実施形態では、カソード流体と冷却媒体とは、少なくとも１つの燃料電池のカソードの流体排出部でまたは少なくとも当該流体排出部の近傍で、実質的に正反対の（gegengleichgerichtete）流れ方向を有している。このような構成は、殊に次のような場合に有利である。すなわち、冷却装置用の冷却媒体が、実質的に一定の入力温度で提供される場合である。このような場合には、２つの測定温度のうち、実質的に、カソード流体の温度しか変化しない。ここから、上述したように、カソード流体の湿度が推測可能である。
【００１９】
両方の流れ方向で本発明の燃料電池装置が実現可能なので、殊に、カソード流体と冷却媒体の相対的な流れ方向に関して、本発明の燃料電池装置の企画ないしは構築時に制限は生じない。従って、本発明の燃料電池装置の使用領域は拡張される。
【００２０】
本発明の第２の態様では、この課題は、燃料電池装置の動作方法によって解決される。この燃料電池装置は、カソードとアノードとを備えた少なくとも１つの燃料電池を有している。ここでこのカソードとアノードは、それぞれ１つの流体供給部と流体排出部とを有している。この燃料電池装置はさらに、燃料電池の少なくとも前記カソードを冷却するための冷却装置と、少なくとも１つのカソードガスの湿度を変化させる装置とを有している。殊に、燃料電池装置の動作のための本発明の方法は、次の特徴を有している。すなわち、燃料電池のカソードの流体排出部近傍の冷却媒体の温度と、少なくとも１つの燃料電池のカソードの流体排出部でのカソード流体の温度、または、少なくとも当該流体排出部近傍でのカソード流体の温度が測定され、この装置によって、少なくとも前記カソード流体の湿度がこれらの温度測定に基づいて変えられる、という特徴を有している。
【００２１】
燃料電池装置の本発明の動作方法によって、次のことが可能である。すなわち、温度測定だけに基づいて、少なくとも前記カソード流体の湿度を変えることが可能である。殊にこれによって、カソード流体の湿度の開ループ制御および／または閉ループ制御も可能になる。本発明の方法の特別な利点は、ここで、次のようなものである。すなわち、格段に頑強性が低く、さらにエラーになりやすい使用センサによって行われる湿度測定を省くことができるという利点である。従って本発明の燃料電池装置の動作方法は、特に容易な、障害の起きにくい、頑強な、燃料電池装置の動作方法である。殊に、車両内で動作する燃料電池装置の場合には、本発明の方法は、特に有利な方法である。なぜなら、温度測定に使用されるセンサは既に使用可能な状態だからである。このようにして、手間およびコストがかかる新たな開発が回避される。
【００２２】
特に有利には、本発明の、燃料電池装置の動作方法では、この方法によって、本発明の第１の態様に記載された燃料電池が動かされる。本発明の第１の態様に記載された燃料電池装置に対して記載された全ての利点は、当然ながら、このような燃料電池装置を動かす、本発明の方法に対しても得られる。
【００２３】
本発明の燃料電池装置とその発展形態とその利点、および、本発明の方法とその発展形態とその利点を以降で、図面に基づいて詳細に記載する。
【実施例】
【００２４】
同じ機能と同じ作用とを有している素子には、図１、２、３ａ、３ｂおよび４においてそれぞれ、同じ参照番号が付けられている。
【００２５】
図１には、従来技術に則した、燃料電池装置１の燃料電池１０の典型的なカソード流体システムが示されている。燃料電池装置１のアノード部分は、図示されていない。この場合には空気である、カソード流体は、カソード１１内に入る前に、空気フィルタ２によって浄化される。次に、空気の圧力が、圧縮モータ５によって駆動されるコンプレッサ４によって高くされる。これに続いて、熱交換器３と、湿度を変化させる装置１５とによって、カソード流体は、流体供給部１２を通って、カソード１１内に入るための、必要な入場条件件を有するように調整される。流体排出部１３を通って、使用されなかったカソード流体が、燃料電池１０内に生じた反応生成物、殊に水とともに、再び、燃料電池１０から排出される。カソード流体の入力湿度はここで、外部の閉ループ制御部によって調整される。ここでは、カソード流体の湿度を測定するための湿度センサ２２が設けられている。絞り弁７によって、システム圧力が、質量流量に依存して調節される。例えば、コンプレッサ４がターボマシーン（例えば遠心圧縮機）として構成されている場合には、さらに、コンポーネント保護の理由から、絞り弁８を備えたバイパスが設けられる。湿度を変化させる装置１５はさらに同様に、絞り弁９を備えた加湿器バイパスを有することができる。従ってカソード流体の湿度は、従来技術に則した、図示された燃料電池装置１では、湿度センサ２２を介して測定される。しかしこの湿度センサ２２は、殊に流れる水が存在する場合には、頑強性が低く、殊に障害が生じやすい。この理由は殊に、次のようなものである。すなわち、水滴に当たる湿度センサ２２が、長時間にわたってデータを供給することができない、というものである。
【００２６】
図２には、種々のカソード湿度に対する電流密度にわたった、燃料電池１０の抵抗の多数の測定結果が示されている。ここでは、殊に、カソード湿度１００％に対する多数の測定結果３０と、カソード湿度７０％に対する多数の測定結果３１と、カソード湿度５０％に対する多数の測定結果３２と、カソード湿度３３％に対する多数の測定結果３３とが検出されている。カソード湿度が増すとともに、燃料電池１０の抵抗が低下することが明確に見て取れる。燃料電池１０の低い抵抗は、ここで、燃料電池１０の高い効率に相当する。なぜなら、燃料電池１０内での損失が低減されるからである。さらに、低いカソード湿度に相応して図２に示されている高い抵抗が、動作中の燃料電池の高い熱作用に付随して生じる。これは、場合によっては、燃料電池１０の損傷につながり得る。これによって次のことが明らかになる。すなわち、少なくとも１つのカソード流体の湿度の開ループ制御ないしは殊に閉ループ制御が、燃料電池１０と全体的な燃料電池装置１の性能歩留まりと寿命に対して高い影響力を有している、ということが明らかになる。
【００２７】
図３ａと３ｂは、本発明の燃料電池装置１の燃料電池１０の冷却装置１４が配置された、カソード１１の２つの実施形態を示している。２つの実施形態は次の点において異なる。すなわち、図３ａでは、カソード１１を通るカソードガスの流れ方向と、冷却装置１４を通る冷却媒体の流れ方向とが同じ方向であり、図３ｂではこれらの流れ方向が正反対である、という点において異なる。２つの実施形態では、次のことが意図されている。すなわち、それぞれ第１の温度センサ２０と第２の温度センサ２１とが、燃料電池１０のカソード１１の流れ排出部１３に、ないしは、流れ排出部１３の近傍に、配置されている、ということが意図されている。これによって、本発明の燃料電池装置１の２つの実施形態では、次のことが可能である。すなわち、冷却装置１４における冷却媒体と、カソード１１におけるカソード流体との間の温度相違を求めることが可能である。この温度の相違、殊に、温度差は、カソード１１、殊にカソード出力側でのカソード流体の湿度を推測するのに使用可能である。さらに、カソード流体が、燃料電池１０の動作に対して理想的な湿度を有するように、少なくともカソード流体の湿度を変化させる装置１５を開ループ制御および／または閉ループ制御するために、温度、殊に温度差が使用可能である。
【００２８】
図４には、カソードガス内の湿度を変化させる装置１５内での湿度を制御するための、概略的な判断ダイヤグラムが示されている。このような判断ダイヤグラムは、ここでは、殊に、装置１５の評価ユニットにおいて処理される。ここでΔＴは、第１の温度センサ２０によって測定された冷却媒体の温度と、第２の温度センサ２１によって測定されたカソード流体の温度との差である。評価ユニット内で、測定された温度差ΔＴと比較可能である、ΔＴｍａｘとΔＴｍｉｎはそれぞれ境界値である。第１のステップにおいて、測定された温度差ΔＴが最大境界値ΔＴｍａｘよりも大きいことが確定すると４０、カソード流体内の湿度が十分には高くない、ということが推定される。なぜなら、大きい温度差から、殊に、低い湿度１１につながる、カソード１１内の高い蒸発率が推測される、ということである。従って湿度を変化させるための装置１５は、カソードガスの湿度が高くなるように、駆動制御されるないしは閉ループ制御される４２。測定された温度差ΔＴが上方の境界値ΔＴｍａｘよりも大きくない場合４１、次のステップにおいて、測定された温度差ΔＴが、最小境界値ΔＴｍｉｎよりも小さいか否かが比較される。そうである場合４０、湿度を変化させるための装置１５は、この装置によって、カソード流体の湿度が低減されるように、駆動制御されるないしは閉ループ制御される４３。この比較が否の結果である場合４１、ひいては２つの境界値ΔＴｍａｘとΔＴｍｉｎとの間に、測定された温度差ΔＴがある場合、カソード流体の湿度は次のような範囲内にある。すなわち、本発明の燃料電池装置１の理想的ないしは実質的に理想的な動作が可能である範囲内に存在する。この場合には、湿度を変化させる装置１５で閉ループ制御ないしは駆動制御は起こらず、カソード流体内の生じている湿度が保たれる４４。このようにして、第１の温度センサ２０と第２の温度センサ２１による２つの温度測定だけによって、カソード流体の湿度を推測することが可能である。従って、障害が生じやすい湿度センサ２２によるカソード流体の湿度の直接的な測定を省くことができる。
【図１】
2015057777.tif 000003
【図２】
2015057777.tif 000004
【図３ａ】
2015057777.tif 000005
【図３ｂ】
2015057777.tif 000006
【図４】
2015057777.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成26年11月4日(2014.11.4)
【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】
燃料電池装置（１）であって、
当該燃料電池装置（１）は、カソード（１１）とアノードとを備えた少なくとも１つの燃料電池（１０）を有しており、
前記カソード（１１）と前記アノードはそれぞれ１つの流体供給部（１２）と流体排出部（１３）とを有しており、
前記燃料電池装置（１）はさらに、冷却媒体によって、少なくとも、前記燃料電池（１０）の前記カソード（１１）を冷却する冷却装置（１４）を有しており、
前記燃料電池装置（１）はさらに、少なくとも１つのカソード流体の湿度を変化させる装置（１５）を有している燃料電池装置において、
第１の温度センサ（２０）と第２の温度センサ（２１）とが設けられており、前記第１の温度センサ（２０）は、前記燃料電池（１０）の前記カソード（１１）の前記流体排出部（１３）近傍で前記冷却媒体の温度を測定し、前記第２の温度センサ（２１）は前記燃料電池（１０）の前記カソード（１１）の前記流体排出部（１３）でまたは少なくとも当該流体排出部（１３）近傍で、前記カソード流体の温度を測定し、
前記装置（１５）は、前記２つの温度測定に基づいて、少なくとも前記カソード流体の前記湿度を変化させるように構成されている、
ことを特徴とする燃料電池装置（１）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの燃料電池（１０）は、燃料流体である純水素によって動作可能である、および／または、ポリマー電解質膜燃料電池（ＰＥＭ−ＢＺ）として構成されている、請求項１記載の燃料電池装置（１）。
【請求項３】
前記装置（１５）は、前記燃料電池装置（１）の化学量論組成を調整する、および／または、前記燃料電池装置（１）の動作温度を調整させるように構成されている、請求項１または２記載の燃料電池装置（１）。
【請求項４】
前記装置（１５）は、前記カソード（１１）の前記流体供給部（１２）内または前記カソード（１１）内に配置されている、カソード流体に湿気を与える加湿器である、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃料電池装置（１）。
【請求項５】
前記加湿器は、前記カソード内に配置されている内部の加湿器である、請求項４記載の燃料電池装置（１）。
【請求項６】
前記装置（１５）は評価ユニットを有しており、
当該評価ユニットは、前記測定温度を少なくとも１つの境界値と比較するように構成されており、かつ、前記装置（１５）は、当該比較の結果に基づいて、少なくとも前記カソード流体の湿度を変化させるように構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃料電池装置（１）。
【請求項７】
前記評価ユニットは、前記測定温度の差を求めるように、および、当該求められた差を少なくとも１つの境界値と比較するように構成されている、請求項６記載の燃料電池装置（１）。
【請求項８】
前記カソード流体と前記冷却媒体は、前記少なくとも１つの燃料電池（１０）の前記カソード（１１）の前記流体排出部（１３）でまたは少なくとも当該流体排出部（１３）の近傍で、同じ向きの方向で流れる、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃料電池装置（１）。
【請求項９】
前記カソード流体と前記冷却媒体は、前記少なくとも１つの燃料電池（１０）の前記カソード（１１）の前記流体排出部（１３）でまたは少なくとも当該流体排出部（１３）の近傍で、正反対の方向で流れる、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃料電池装置（１）。
【請求項１０】
燃料電池装置（１）の動作方法であって、
当該燃料電池装置（１）は、カソード（１１）とアノードとを備えた少なくとも１つの燃料電池（１０）を有しており、
前記カソード（１１）と前記アノードはそれぞれ１つの流体供給部（１２）と流体排出部（１３）とを有しており、
前記燃料電池装置（１）はさらに、冷却媒体によって、少なくとも、前記燃料電池（１０）の前記カソード（１１）を冷却する冷却装置（１４）を有しており、
前記燃料電池装置（１）はさらに、少なくとも１つのカソードガスの湿度を変化させる装置（１５）を有している、方法において、
前記燃料電池（１０）の前記カソード（１１）の前記流体排出部（１３）近傍で前記冷却媒体の温度を測定し、前記少なくとも１つの燃料電池（１０）の前記カソード（１１）の前記流体排出部（１３）でまたは少なくとも当該流体排出部（１３）近傍で、前記カソード流体の温度を測定し、
前記装置（１５）によって、前記２つの温度測定に基づいて、少なくとも前記カソード流体の前記湿度を変化させる、
ことを特徴とする、燃料電池装置（１）の動作方法。
【請求項１１】
請求項１から９までの少なくとも１項記載の燃料電池装置（１）を動作させる、請求項１０記載の、燃料電池装置（１）の動作方法。