(57)【要約】本発明は、燃料電池システム１における安全ガスの消費を低減する方法に関し、燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池ユニット５であって、該燃料電池ユニットの燃料電池２が、陽極側７、陰極側８及びそれらの間の介在される電解質９を含む、燃料電池ユニット５と、安全ガスを陽極側７に供給する手段１０と、陽極側７から来る消費された安全ガスを燃料電池ユニット５から抜く手段１１とを含む。本方法は、燃料電池の陽極側７から来る消費された特定比率の安全ガスを、燃料電池２の陽極側７へと再供給されるように適合することを含む。本発明は、本方法を実現する燃料電池にも関する。
2011527497.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムにおける安全ガスの消費を低減する方法であって、
前記燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池ユニットであって、該燃料電池ユニットの燃料電池が、陽極側、陰極側及びそれらの間の介在される電解質を含む、燃料電池ユニットと、安全ガスを陽極側に供給する手段と、陽極側から来る消費された安全ガスを前記燃料電池ユニットから抜く手段とを含み、
前記燃料電池の陽極側から来る消費された特定比率の安全ガスは、前記燃料電池の陽極側へと再供給されるように適合される、方法。
【請求項２】
前記燃料電池ユニットへの消費されていない安全ガスの供給流れは、前記陽極側で、前記安全ガスに含まれる還元成分若しくは複数の還元成分の所望の合計量、及び／又は、所望の安全ガスの流量を達成するために、同時に調整される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記燃料電池ユニットの陽極側から来る前記安全ガスの何パーセントかは、再循環され、該パーセントは、０−１００％であり、好ましくは５０％より大きく、最も適切には７５％よりも大きい、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記再循環される消費されたガスは、プレリフォーマ、脱硫装置及び／又は他の考えられる燃料前処理デバイスの上流側の未消費の安全ガス流れと結合され、若しくは、前記考えられる燃料前処理デバイスを過ぎて前記陽極側に再供給されて戻される、請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記燃料電池に供給される安全ガスの温度は、前記燃料電池ユニット若しくはそれに関連する要素を加熱及び／又は冷却するために同時に調整される、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記陽極側に流れる安全ガスは、前記陰極側に流れるガスに含まれる熱エネルギにより加熱される、請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
燃料電池システムにおける安全ガスの消費を低減する装置であって、
前記燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池ユニットであって、該燃料電池ユニットの燃料電池が、陽極側、陰極側及びそれらの間の介在される電解質を含む、燃料電池ユニットと、安全ガスを陽極側に供給する手段と、陽極側から来る消費された安全ガスを前記燃料電池ユニットから抜く手段とを含み、前記燃料電池は、少なくとも１つの燃料電池ユニットを含み、
前記燃料電池の陽極側から来る消費された特定比率の安全ガスは、前記燃料電池の陽極側へと再供給されるように適合される、装置。
【請求項８】
前記燃料電池ユニットへの消費されていない安全ガスの供給流れは、前記陽極側で、前記安全ガスに含まれる還元成分若しくは複数の還元成分の所望の合計量、及び／又は、所望の安全ガスの流量を達成するために、同時に調整可能である、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記燃料電池ユニットの陽極側から来る前記安全ガスの何パーセントかは、再循環され、該パーセントは、０−１００％の範囲内であり、好ましくは５０％より大きく、最も適切には７５％よりも大きい、請求項７又は８に記載の装置。
【請求項１０】
前記再循環される消費されたガスは、プレリフォーマ、脱硫装置及び／又は他の考えられる燃料前処理デバイスの上流側の未消費の安全ガス流れと結合され、若しくは、前記考えられる燃料前処理デバイスを過ぎて前記陽極側に再供給されて戻される、請求項７〜９のうちのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記燃料電池ユニット若しくはそれに関連する要素を加熱及び／又は冷却するために前記燃料電池に供給される安全ガスの温度を調整する手段が設けられる、請求項７〜１０のうちのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記陽極側に流れる安全ガスは、前記陰極側に流れるガスに含まれる熱エネルギにより加熱されるように適合される、請求項７〜１１のうちのいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムにおける安全ガスの消費を低減する方法であって、前記燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池ユニットであって、該燃料電池ユニットの燃料電池が、陽極側、陰極側及びそれらの間の介在される電解質を含む、燃料電池ユニットと、安全ガスを陽極側に供給する手段と、陽極側から来る消費された安全ガスを前記燃料電池ユニットから抜く手段とを含む、方法に関する。本発明は、また、本方法を適用する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、特にＳＯＦＣタイプの燃料電池システム（固体酸素燃料電池）に関し、かかるシステムでは、一般的に採用される重要な材料要素はニッケルである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ニッケルの欠点の１つは、酸化を受けやすく、結果として、酸化ニッケルになることである。ニッケルの酸化は、周辺のガス混合物が完全に還元性を有しない場合、即ち酸化反応に利用可能な酸素分子を含む場合に、直ぐにこっそりと生じる。酸化ニッケルが、十分な量で意図せずに形成する場合、陽極電極のモルフォロジ（morphology）は、不可逆的に変化する。陽極の電気化学的な活性は、顕著に落ち、最悪な場合のシナリオでは、全体の燃料電池の動作の停止をもたらす。
【０００４】
それ故に、特にＳＯＦＣシステムは、通常の稼動条件以外の状況下で、かかる酸化を防止するために措置が取られる。重要な対策は、燃料電池の陽極電極を酸化から守ることができる還元成分を含む安全ガスを陽極側に供給することである。実際に、安全ガスは、陽極側に陰極側から抜け出す若しくは奮闘する全ての自由な酸素を、電極により触媒作用で安全ガスにより燃やすことによって、結合するために使用される。安全ガスにより確立された還元ガス雰囲気は、燃料電池に実際の燃料が供給されていない状況において燃料電池の陽極電極に対して必要とされる。このような典型的な状況は、装置の始動及び停止を含む。安全ガスで採用される還元成分は、例えば、酸素と反応しそれを燃やして無くすために必要に応じて触媒を使用する、水素である。
【０００５】
しかしながら、安全性の理由のため、水素の濃度は、窒素のような適切な不活性ガスにより適切なレベルまで薄められなければならない。採用された安全ガスが水素含有ガス混合物であるとき、安全性の局面から、水素濃度が低いほど利点が大きいだろう。即ち、水素ガスの濃度は、水素ガスの点火ポイントに一致する濃度未満に各温度で留まるために十分低いレベルまで薄められなければならない。
【０００６】
しかし、水素の必要とされる希釈濃度による欠点は、例えば窒素のような、酸素を希釈するために使用される不活性ガスの量が別々に増加することによって、同時に高い容積の合計の流量を呈することである。他方、安全ガスの必要とされる合計の容積を制限するために、水素の濃度が高いほど利点が大きいだろう。水素のより高い濃度の使用は、窒素の及び更に安全ガスの合計の量に対する要求を和らげることができるだろう。
【０００７】
また、先行技術で記載される態様で、かかる安全ガスを使用するとき、プロセス動作ウインドは、不必要に小さいサイズに限定される。安全ガスの濃度は、考えられる漏れ（燃料電池は、典型的には、ガスをその近傍へと漏らす）から流れ出る混合物が、自動点火ポイントに一致する値未満、主にはＬＥＬ（爆発下限界）未満、即ち下方の自動点火ポイント未満にその特性留まるように、制御されなければならない。例えば、室温での水素と窒素の混合物の場合、これは、約６％の水素濃度を表す。温度が上昇するにつれて、この閾値濃度は、徐々に低くなりさえする。従って、水素濃度は、極めて厳密な制限が課される。例えば水素濃度における穏やかな小変動すらも、上述の点火ポイントを超えるものに対応する値へと近くなりすぎるガス混合物のパラメータをもたらす。従って、水素を含有する安全ガスを使用するとき、プロセスの動作パラメータ、及び特に水素濃度は、正確な監視体制を受けなければならない。これは、高い温度で特に関連する。安全ガスの点火に関して、その他の重要の局面は、安全ガスが漏れうる、周辺環境、特に燃料電池の周囲の空間の温度である。
【０００８】
燃料電池を一旦通って流れた後、消費された安全ガスは、燃料電池システムから追い出される。追い出されたガスは、燃料電池の固有の流出と共に、典型的には、アフタバーナに更に導かれ、そこで、還元ガスが燃やされて除去され、熱が回収されうる。
【０００９】
従って、現在利用可能なシステムに適用される動作原理によって、安全ガスの大きな合計容積に対する高い要求がある。従って、安全ガスの使用は、ちょうど原材料の形態で主要なコストを招く。安全ガスの高い容積の流れは、また、そのために必要とされる貯蔵施設が大きなスペースを必要とすることを意味し、これは、追加のコストと考えられる動作上の制約を生む。典型的には、この加圧された、たいていの場合は水素含有の安全ガスは、圧縮ガスシリンダ内に保管される。従って、例えば外国出荷の際、安全ガスの量は、貯蔵に必要とされる大きなスペース及び安全性の問題の双方により制限される。
【００１０】
本発明の目的は、上述の先行技術の問題点が軽減され若しくは完全に無くされることができる解決策を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、現に特定される本発明による方法は、請求項１の特徴部に記載されることにより特徴付けられる。他方、本発明の方法を実現する燃料電池システムの特徴的な特徴は、請求項７の特徴部に記載される。また、本発明の幾つかの好ましい実施例は、従属項に記載される。
【００１２】
本発明の原理上の概念は、燃料電池ユニットの陽極側から出る安全ガスのストリームの所望の比率は、陽極側での再循環をなすために適合されることである。従って、実際には、問題は、安全ガスの特別に適合されて再調整された再循環についてであり、意図は、安全ガスに含まれる自由な未消費の水素が、考えられる自由な酸素分子の低減のために燃料電池の陽極側で再利用されることである。燃料電池を通って流れ燃料電池から出る合計の安全ガスの流れの特定の大きさの部分は、燃料電池から排出される安全ガスの流れから分離し、燃料電池に先行する安全ガスの供給と各適切な場所で結合させることによって、陽極側を再度通過されるように分流される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、システム内に供給されるべき安全ガスに対する全体の要求の実質的な低減、及び、それにより原材料コストの節約を達成する可能性を提供する。安全ガスの低減された流れ、特にシステムからの安全ガスの流出と共に、安全ガスの再循環は、特に燃料電池システムの始動サイクル中に、熱の要求の低減も可能とする。他方、改善された熱効率は、システムの始動時間を短縮し、これにより、機能性を改善する。始動という用語は、ここでは、燃料電池の通常の動作を作動することができる温度までシステムを加熱することを称するために使用される。安全ガスに対する低減された要求の結果、従前よりも少ない量の貯蔵された安全ガスを用いて済ますことが可能である。これは、特に限定された貯蔵施設を備える動作現場にて、意味がある。低減された量の安全ガス、及び、それに伴い低減された量の高い爆発性の酸素ガスの結果として、従前よりも良好な安全レベルが到達される。換気の要求も従前よりも低減される。本発明により達成されるより多くの利点は、本発明の模範的な実施例から明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】陽極側から戻る安全ガスの一部が陽極側を通る他の流れのために再循環される、本発明の一構成の非常に概略的な図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して、本発明が詳説される。
【００１６】
図１は、燃料電池システム１を非常に概略的に示す。ここに含まれる燃料電池ユニット５は、連続的に直列接続された燃料電池２、重要な役割を果たす陽極側７、陰極側８及びそれらの間に設けられる電解質９と共に、ここの燃料電池の間にセットされる接続プレート、いわゆるインターコネクトからなる１つ以上の燃料電池スタックを含む。それは、バイポーラプレートの類として好ましくは設計され、即ち、それは、１つの個々の燃料電池２の陰極側と他の個々の燃料電池２の陽極側に配置され、それらの間で、制御されていない電池間のガスの流れを遮蔽するガス用のセパレータ壁として及び燃料電池間の電気的な電導体として双方の機能を果たす。最も重要なことは、それは、陽極側と陰極側の双方で、燃料電池において流れるガスに対する流路システムを提供することである。明瞭性の目的のため、図１は、単一の燃料電池２の形態で燃料電池ユニット５の燃料電池スタックを示すだけである。
【００１７】
この出願では、陽極側７は、燃料電池ユニット５の燃料電池２に含まれる陽極電極と、燃料の観点から、実際の個々の燃料電池の陽極に燃料電池ユニット５の領域内の燃料を導くための要素及び陽極から離れるようにガスを導くための要素の双方を指す。それぞれ、陰極側８は、陰極と共に、燃料電池ユニット５の領域内で陰極から及び陰極へと空気を導くための要素を指す。
【００１８】
更に、安全ガスを供給するために、陽極側７は、供給ライン１０により単にここでは表される、供給手段を備える。同様に、陽極側７から出て行く安全ガスを燃料電池ユニットから排出する排出手段が設けられる。ここで、これらは、排出ライン１１により表されるだけである。本来的には、複数のかかるライン１０，１１が存在してもよい。明瞭性のため、他の供給手段及び排出手段は、図示されない。図１に図示されるのは、プレリフォーマ４、脱硫装置３及び／又は他の考えられる燃料前処理デバイスである。
【００１９】
ここで、安全ガスは、燃料電池の陽極側若しくは燃料側で使用される。実際には、採用される還元成分は、酸素と反応することができる任煮の物質であることができるが、最も一般的に使用されるものは、水素ガスである。安全性の理由から、高い可燃性の水素ガスの濃度は、あるプロセスのセグメントにおける点火ポイントを構成する爆発危険要因より低く保たれるべきである。これは、例えば窒素及びアルゴンのような、不活性ガス成分で安全ガスを補足することによって達成することができる。本例では、安全ガスは、水素と窒素を含む。安全ガスは、燃料電池ユニット５の内部１８内に燃料電池供給ライン１０に沿って導かれ、陽極側７へと更に導かれる。燃料電池の陽極側７を通ってその流れを完了した安全ガスは、今度は、排出ライン１１に沿って燃料電池ユニット５から排出する。
【００２０】
還元成分の濃度は、還元成分のいくらかが酸化の結果として燃料電池内で消費されるので、低減する。完全な酸化を保証するために、燃料電池に安全ガスと共に供給される還元水素ガスの量が燃料電池を通って流れるときに消費される水素の量を超えることを絶対に確実にすることが重要である。これにより、水素の相当な部分が、未消費状態でシステムから出て、燃料電池システムの外に、安全ガスの残りと共に搬送され、通常、更にアフタバーナまで搬送され、そこで還元ガスが燃やされて除去される。
【００２１】
上述の先行技術の構成は、安全ガスの高い消費をもたらし、それにより、とりわけ、大きな原材料コストと共に相当な貯蔵要求を負わせる。
【００２２】
本発明によれば、安全ガスの陽極側を通る所望の容積の部分的な再循環が提供される。ニッケルベアリング要素のまわりのガス空間が還元状態で維持されることができ、酸化が除かれるという理由のため、システム内に供給される還元物質成分の量は、システムから出る量を超えなければならない。安全ガスの流出は依然として有用な形態で存在する水素Ｈ２を担持するので、この還元成分の再循環は、その合計の量が、即ち陽極側から見た一貫の流れで、システムに元来的に供給される量を超えるように至らせるために、使用されることができる。ここで、燃料電池システムから出てくる消費された安全ガスの所望の部分が供給へと戻るように分流されるので、安全ガスの主要な供給、即ち未消費の安全ガスの供給は、再循環されるべき安全ガス内に含まれる自由な水素Ｈ２に基本的に一致する量だけ低減されることができる。これは、ＳＯＦＣシステム内に供給されるべき還元成分Ｈ２の必要性を緩和し、それにより、供給される量を提言することを可能とする。本発明のこの主要な概念は、水素以外の還元成分にも本質的に適用されることができる。
【００２３】
従って、本願では、未消費の安全ガスという用語は、外部から、安全ガス貯蔵施設又はその類からシステムへと供給されるガス混合物から少なくとも実質的になる安全ガスを称するために使用される。安全ガスは、供給ラインで互いにまだ混合されていないガス成分からなってもよく、それから、燃料電池に供給される前に適切なポイントにて所望の成分を備えるガス混合物が形成される。他方、消費された安全ガスという用語は、陽極側を通して少なくとも一回処理され、陽極を離れる過程にある安全ガスを称するために使用される。未消費若しくは消費されたガスのいずれにも含まれない部分、即ち、漏れ若しくは流出の結果としてシステムから出る安全ガスの部分は、先行技術と同様、好ましくはアフタバーナを介して導かれる。
【００２４】
尚、当然ながら、貯蔵状態の安全ガスは、ガスの形態である必要はない。注目すべき例は、メタノールと水の混合物であり、これは、プロセスへの組み込みの前に気化される。更に、ある準備的な対策により、安全ガスは、燃料から直接現場で生成でき、これにより、緊急停止を除いて、別のガス貯蔵を有する絶対的な必要性がない。当該状況では、燃料の供給が規則により完全に禁止される。
【００２５】
図１の動作例では、供給ライン１０と排出ライン１１との間で連通がライン１２の形態で確立されている。これにより、燃料電池ユニット５から出る消費された安全ガスストリームの所望の部分は、燃料電池に先立って安全ガス供給内に再方向付けられる。再方向付けられる部分は、例えばライン１０内へと導かれ、そこでは、新鮮な未消費の安全ガスが流れている。このポイントでは、新鮮な安全ガスは、依然として、その特定の供給ライン内の別の成分の形態であり若しくはすでに混合されたガス混合物の形態である。
【００２６】
実際には、消費された安全ガスの再循環は、再循環デバイス、例えばポンプ、エジェクタ若しくは幾つかの他の流れ促進デバイス２２により実現されることができる。燃料電池ユニット外部で実行される消費された安全ガスの再循環、及び、未消費の安全ガスの流れとの混和は、例えばプレリフォーマ４である少なくとも考えられる燃料事前処理デバイスの好ましくは上流で実際に生じる。可能性として、安全ガスの再循環の流れは、例えば燃料脱硫ユニット３若しくはそれに類するタイプのガススクラビング（scrubbing）デバイスのような、他の事前処理デバイスの上流のポイントに導かれることができる。しかし、再循環は、供給ライン１０内へとただ物理的に生じる必要はない。重要なことは、燃料電池から出る安全ガスが燃料電池の陽極側７を再度通るように至らされることができることである。安全ガスの再循環のための他の選択肢としてのルートは、本明細書で後に説明される。
【００２７】
非常に好ましい場合には、本発明による安全ガスの再循環は、実質的に連続的な動作で生じるように適合される、即ち、再循環は、暫定的な貯蔵無しで供給側へと直接戻るように生じる。これは、安全ガスの貯蔵に必要とされるスペースを小型化する観点からその他の顕著な効果を提供する。全体の流れに対する安全ガスの再循環の比率は、０−１００％の全体の範囲に亘って所望に従って基本的には任意である。
【００２８】
従って、少なくとも瞬間的には、全ての安全ガスが再循環されるような全体の再循環をも提供することは考えられる。全体の再循環は、再循環ストリームへの安全ガスの如何なる追加無しで、酸素の低減用に毎回必要とされる水素の消費と共に、燃料電池表面に通常的に存在する漏れにより、許容される限り基本的に保持されることができる。実際には、結局、燃料電池の表面から外に流れるある量のガスは常に存在する。同様に、安全ガスは、出口パイプ内へと陽極リストリクタ弁により少量だけ流れ出るようにセットされる。従って、安全ガス若しくはその成分は、それにもかかわらず、最も利便的には規則的な間隔で、ある量で付加されなければならない。非常に好ましくは、本実施例の状況において、システム内への安全ガスの少量の流れは、常時維持される。
【００２９】
本発明によれば、少なくとも半分より多い安全ガス、最も適切には７５％より多い安全ガスは、陽極側に戻るように再循環される。最も適切な範囲の値は、システムの制限及び成分に全体として依存して、毎回選択可能である。例えば、可能な圧力レベル及び流量は、再循環デバイスの容量と同様、利用可能な調整ウインドに対する特定の閾値を課す。これは、とりわけ、再循環率のまさに調整において、考慮されるべきである。再循環の比率は、好ましくは、他のパラメータに依存してアクティブな調整として調整されるが、永久に一定の再循環率を使用することも可能であり、即ち、再循環の量は、一定であることができ若しくは、再循環の流れは、容積が一定であることができる。同様に、調整は、ある時間ギャップで実行されるだけとなるように適合されることができる。
【００３０】
本発明では、採用される原理上の調整パラメータは、好ましくは、陽極側での、例えば水素である還元成分の全体の量である。同時に、安全ガスの全体量は、水素の全体量及び消費された安全ガスの再循環率により調整される。再循環される安全ガスの比率が高くなるほど、それぞれ完全に省略することができる供給ラインへの安全ガスの主要な供給の比率が高くなる。安全ガスの再循環率の調整は、燃料電池内を再循環する安全ガスにおける成分物質の濃度に所望の影響をその側で与えるために使用されることができる。従って、再循環の比率に関する調整において、種々の成分の濃度間の相関及び変化を考慮することが可能である。いずれにしても特に重要なことは、各温度で点火ポイントに一致する濃度未満に自由な水素Ｈ２の量を維持することである。
【００３１】
ＳＯＦＣシステムの文脈における本発明の構成用の注目すべき例は、ワルトシラ（出願人の名称）・燃料電池工場プロトタイプ（ＷＣ２０ａｌｐｈａ）である。ここで使用される安全ガスは、水素及び窒素からなる。システムが本発明の安全ガスの再循環構成無しで動作されたとき、安全ガスの必要な量は、水素Ｈ２が約３６立方メートル（ＳＴＰ）であり、窒素が１９立方メートルであった。他方、安全ガスの再循環が本態様で使用されたとき、必要とされた安全ガスの量は、水素が５立方メートルまで低減され、窒素が３７立方メートルまで低減されることができた。実際に、これは、窒素の量の５倍より高い低減及び水素の量における７倍より高い低減を提供する。
［本発明の幾つかの他の実施例］
本発明により提供される装置は、上述した実施例に決して限定されることはなく、その単なる目的は、本発明の主要な原理を簡略化された態様及び構成で説明することだけである。
【００３２】
本発明により、未消費の安全ガス、即ちその主要な流れのアクティブな調整を追加的に使用することによって、未消費の安全ガスの量は、更に効率的に最小化することができる。新鮮な安全ガスは、それにより、そのうちのどのくらいの量が陽極側で消費されたか及び／又は再循環の比率はいくらかに従って、従前よりも正確に補給される。同様に、漏れの量及び安全ガスの流出は観測することができる。初期条件における調整設定値に関して、いくらかの特定の再循環率に従って算出された設定値を適用することは可能である。安全ガスの調整に関して、可能であることとして、この依然として極めて簡易な実施例では、安全ガスの再循環は、再循環が安全ガスの主要な供給と共に増加する際に、安全ガスが主要なガスの濃度にこれ以上干渉することなく低減される態様で、実行される。
【００３３】
他方、許容可能な圧力レベル及び流量のような上述の制限と共に、再循環デバイスの能力により課される特定の閾値、によって規定される調整ウインドは、本発明の解決策で説明したように、例えば、以下で説明するような安全ガスの水素濃度を増加することによって、補償することができる。
【００３４】
不活性ガス、即ち本例では窒素は、還元のために消費されないが、安全ガスの再循環のプロセスにおいて、陽極側を通過する間にそのいくらかが常に消費される水素よりも量的に及び比率的にも多く再循環されるだろう。従って、陽極側から出現するとき、安全ガスにおける窒素の比率は、入ったときよりも高い。従って、安全ガスを再循環するプロセスにおいて、水素の濃度は、窒素の比率がそれぞれ上昇する傾向にある一方で、低減する傾向を有する。これは、不活性ガス、即ち窒素の供給を別々に低減することによって補償することができる。即ち、本発明による安全ガスの再循環は、燃料電池システム内への安全ガスの主要な供給における還元成分及び不活性ガスの双方の比率を別々に調整することによって、従前よりも顕著に効率的でコストにやさしい態様で制御方法を提供する。
【００３５】
本発明のこの追加の実施例によれば、燃料電池の陽極側で酸化される水素は、標準的なガス混合物によってではなく、所望の程度まで濃くされた水素混合物によって置き換えられる。消費されるのは水素だけであり、窒素の消費は燃料電池において無視できるので、水素の比率は、安全ガスが再循環される際の置換の安全ガスの濃度において非常に大きく強調されることができる。例えば、実際には、窒素及び水素若しくは窒素、
別個の供給流れにおける別の圧力タンクからの濃縮された水素の混合物を使用することが実行可能であり、それらの供給及び混合比は必要に応じて調整される。これは、不必要な窒素の追加を要せずに窒素Ｎ２と水素Ｈ２の間のそれぞれの所望の混合比をより容易に達成することを可能とする。従って、窒素の消費における得に顕著な低減を達成することができる。また、入ってくる水素の濃度は、燃料電池から漏れる濃度が点火ポイントを超えることなく増加することができる。これは、本発明の１つの主要な利点であり、即ちＬＥＬ濃度により課される制約無しに明らかに高い水素濃度を使用することを可能とし、それにより、安全ガスの貯蔵用に必要とされるスペースの更なる小型化を可能とする。
【００３６】
本発明の更なる好ましい追加の実施例では、安全ガスの再循環に関連して、プレリフォーマ４及び他の燃料側事前処理デバイス３のような、システムの他の部分を加熱するための安全ガスに結合される熱の利用及びその温度の調整が更に提供される。図１では、参照符号１３は、これらの考えられる任意的な更なるルートを指定するために使用され、そのルートに沿って、安全ガスの搬送は、安全ガス流れへと戻されることも考えられる。従って、再循環される安全ガスは、考えられる事前処理デバイス及びその類いの装置を完全に過ぎてから搬送されることもでき、これは、特に、システムが、かかる装置を欠く場合に当てはまる。
【００３７】
再循環へと搬送を戻す前に再循環可能な安全ガスの処理のために要素２０を設けることも可能である。酸素、即ち実際、陽極へと戻る搬送前の安全ガスから離れる実際の水蒸気と、反応した水素を別離することが特に効果的である。この方法では、安全ガスは、可能か限り乾燥状態で維持され、同時に、水素の比率は、再循環可能なガスの全体流れにおいて増加することができる。図でマークされているのは、加熱手段２５であり、これにより、安全ガスの温度は、所望の態様で影響されることができ、加熱手段２５は、特に安全ガスにより燃料電池ユニットを加熱するためのものである。
【００３８】
本発明の更なるその他の実施例によれば、安全ガスの再循環は、燃料電池ユニット５内で少なくとも部分的に実行されることもできる。安全ガスの一部は、必ずしも全体のユニット５から全て排出される必要はないが、陽極側の流路を出たちょうどその時、考えられるポンプ２８若しくはその類のブースタの補助によりライン２３に沿って陽極側の供給流れへと直接戻るように分流されるだろう。これは、同時に、実際の燃料電池における安全ガスの流れを強化することを可能とする。同様に、例えば陰極側と陽極側の間の温度差は、可能な限り小さくすることができる。
【００３９】
本発明の更なる追加の実施例では、陽極側で再循環する空気の温度を加熱及び調整し、陽極側の加熱に含まれる熱を更に利用する手段が設けられる。暖機エアに含まれる熱は、陽極側へと燃料電池内を進み、その中を循環する安全ガス内へと進み、当該ガスは、更に、熱のいくらかを燃料電池ユニットに伝達し、その循環ループの他の部品に更に伝達する。従って、陽極側では、陽極側に含まれる要素を加熱するための別の加熱デバイス２１を完全に無くすことが可能である。それにより、温度は、陰極側だけで使用される熱によっても、燃料電池システムの種々の部品において効率的に且つスムーズに上昇できる。燃料電池において確立されている効率的な熱伝導及びガス流れによって、陽極側と陰極側の温度差は、制御下で同時に良好に維持される。
【図１】
2011527497.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】平成22年9月29日(2010.9.29)
【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】
燃料電池システムにおける安全ガスの消費を低減する方法であって、
前記安全ガスは、窒素のような１つ以上の不活性ガスと、水素のような燃料タイプのガスの双方を含み、
前記燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池ユニットであって、該燃料電池ユニットの燃料電池が、陽極側、陰極側及びそれらの間の介在される電解質を含む、燃料電池ユニットと、安全ガスを陽極側に供給する手段と、陽極側から来る消費された安全ガスを前記燃料電池ユニットから抜く手段とを含み、
前記燃料電池の陽極側から来る消費された特定比率の安全ガスは、前記燃料電池の陽極側へと再供給されるように適合され、
前記燃料電池ユニットへの消費されていない安全ガスの供給流れは、前記陽極側で、前記安全ガスに含まれる還元成分若しくは複数の還元成分の所望の合計量、及び／又は、所望の安全ガスの流量を達成するために、同時に調整され、
還元成分若しくは複数の還元成分の濃度がその点火ポイント未満に留まるようにする、方法。
【請求項２】
前記燃料電池ユニットの陽極側から来る特定比率の前記安全ガスは、再循環され、該比率は、０−１００％であり、好ましくは５０％より大きく、最も適切には７５％よりも大きい、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記再循環される消費されたガスは、プレリフォーマ、脱硫装置及び／又は他の考えられる燃料前処理デバイスの上流側の未消費の安全ガス流れと結合され、若しくは、前記考えられる燃料前処理デバイスを過ぎて前記陽極側に再供給されて戻される、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記燃料電池に供給される安全ガスの温度は、前記燃料電池ユニット若しくはそれに関連する要素を加熱及び／又は冷却するために同時に調整される、請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記陽極側に流れる安全ガスは、前記陰極側に流れるガスに含まれる熱エネルギにより加熱される、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
燃料電池システムにおける安全ガスの消費を低減する装置であって、
前記安全ガスは、窒素のような１つ以上の不活性ガスと、水素のような燃料タイプのガスの双方を含み、
前記燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池ユニットであって、該燃料電池ユニットの燃料電池が、陽極側、陰極側及びそれらの間の介在される電解質を含む、燃料電池ユニットと、安全ガスを陽極側に供給する手段と、陽極側から来る消費された安全ガスを前記燃料電池ユニットから抜く手段とを含み、前記燃料電池は、少なくとも１つの燃料電池ユニットを含み、
前記燃料電池の陽極側から来る消費された特定比率の安全ガスは、前記燃料電池の陽極側へと再供給されるように適合され、
前記燃料電池ユニットへの消費されていない安全ガスの供給流れは、前記陽極側で、前記安全ガスに含まれる還元成分若しくは複数の還元成分の所望の合計量、及び／又は、所望の安全ガスの流量を達成するために、同時に調整可能であり、
還元成分若しくは複数の還元成分の濃度がその点火ポイント未満に留まるようにする、装置。
【請求項７】
前記燃料電池ユニットの陽極側から来る特定比率の前記安全ガスは、再循環され、該比率は、０−１００％の範囲内であり、好ましくは５０％より大きく、最も適切には７５％よりも大きい、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記再循環される消費されたガスは、プレリフォーマ、脱硫装置及び／又は他の考えられる燃料前処理デバイスの上流側の未消費の安全ガス流れと結合され、若しくは、前記考えられる燃料前処理デバイスを過ぎて前記陽極側に再供給されて戻される、請求項６又は７に記載の装置。
【請求項９】
前記燃料電池ユニット若しくはそれに関連する要素を加熱及び／又は冷却するために前記燃料電池に供給される安全ガスの温度を調整する手段が設けられる、請求項６〜８のうちのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記陽極側に流れる安全ガスは、前記陰極側に流れるガスに含まれる熱エネルギにより加熱されるように適合される、請求項６〜９のうちのいずれか１項に記載の装置。
【国際調査報告】
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