(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの燃料電池（１０）と、酸素のための第１の入口と、水素のための第２の入口と、第１の水分離器（２１）と、を有しており、前記燃料電池（１０）が、アノード側（１２）及びカソード側（１１）に付いている入力側及び出力側を具備し、酸素のための前記第１の入口が、前記燃料電池（１０）の前記カソード側（１１）の前記入力側に接続されており、水素のための前記第２の入口が、前記燃料電池（１０）の前記アノード側（１２）の前記入力側に接続されている、再循環型燃料電池デバイスであって、
当該再循環型燃料電池デバイスが、前記燃料電池（１０）の前記カソード側（１１）の前記出力側と、前記燃料電池（１０）の前記カソード側（１１）の前記入力側との間における接続部分である、カソード側への接続部分を具備し、
当該再循環型燃料電池デバイスが、前記燃料電池（１０）の前記アノード側（１２）の前記出力側と、前記燃料電池（１０）の前記アノード側（１２）の前記入力側との間における接続部分である、アノード側への接続部分を具備し、
前記第１の水分離器（２１）が、前記カソード側への接続部分に配置されており、
当該再循環型燃料電池デバイスが、前記燃料電池（１０）の前記カソード側（１１）の前記出力側に、プロセスガスの連続的な放出のためのプロセスガス用の気体排出バルブ（１５）を具備し、周囲の空気中の酸素濃度を検出する第１の酸素センサーを具備することを特徴とする、再循環型燃料電池デバイス。
【請求項２】
前記燃料電池（１０）の前記アノード側（１２）の前記出力側から退出する前記アノードガス全体を再循環させるように設計されていることを特徴とする、請求項１に記載の再循環型燃料電池デバイス。
【請求項３】
前記カソード側（１１）における前記気体排出バルブ（１５）が、スロットルバルブであることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の再循環型燃料電池デバイス。
【請求項４】
前記気体排出バルブ（１５）が、前記カソード側（１１）の前記出力側の不活性ガスの濃度を調節するように調整可能なものであることを特徴とする、請求項３に記載の再循環型燃料電池デバイス。
【請求項５】
前記気体排出バルブ（１５）が、前記第１の酸素センサーによって検出される周囲の空気中の酸素濃度に基づいて不活性ガスの濃度を調節するように調整可能なものであることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれかに記載の再循環型燃料電池デバイス。
【請求項６】
前記燃料電池（１０）の前記カソード側（１１）の前記出力側における酸素濃度を検出する第２の酸素センサーを具備することを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれかに記載の再循環型燃料電池デバイス。
【請求項７】
酸素のための前記第１の入口に接続された第１の加湿器（５１）を具備することを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれかに記載の再循環型燃料電池デバイス。
【請求項８】
水素のための前記第２の入口に接続された第２の加湿器（５２）を具備することを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれかに記載の再循環型燃料電池デバイス。
【請求項９】
カソードガスが再循環され、アノードガスが循環され、前記カソードガスの流れの一部が、燃料電池（１０）のカソード側（１１）の出力側において再循環から連続的に抜き出され周囲の空気に放出される、請求項１から請求項８のいずれかに記載の再循環型燃料電池デバイスを動作させるための方法であって、前記アノードガスの流れ全体が再循環されることを特徴とする、方法。
【請求項１０】
不活性ガスの濃度が、前記気体排出バルブ（１５）を介した気体の排出によって調整されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記気体排出バルブ（１５）を介した気体の排出によって放出される酸素の量が、前記周囲の空気中の酸素濃度がほぼ一定に保たれるように調整されることを特徴とする、請求項９又は請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記カソードガスの流れの前記一部の放出によって、前記周囲の空気中の酸素濃度が、２５ｍｏｌ％の値を超過しないことを特徴とする、請求項９から請求項１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記燃料電池（１０）の前記カソード側（１１）の前記出力側における不活性ガスの濃度を上昇させて、前記カソードガスの流れの前記一部と一緒に放出される酸素を低減することを特徴とする、請求項９から請求項１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記燃料電池（１０）の前記カソード側（１１）の前記出力側における不活性ガスの濃度が、４０〜７０ｍｏｌ％に調節されることを特徴とする、請求項９から請求項１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
前記燃料電池（１０）の前記カソード側（１１）の前記出力側において前記カソードガスの流れの前記一部と一緒に再循環から抜き出され、前記周囲の空気に放出される不活性ガスの量が、酸素の入口を介して前記再循環型燃料電池デバイスに供給される不活性ガスの量と等しくなるように選択されることを特徴とする、請求項９から請求項１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
請求項１から請求項８のいずれかに記載の再循環型燃料電池デバイスを有する、潜水艦。
【請求項１７】
前記再循環型燃料電池デバイスが、前記気体排出バルブを介した当該潜水艦の乗員への空気供給のための呼吸ガスを提供することを特徴とする、請求項１６に記載の潜水艦。
【請求項１８】
請求項１６に記載の潜水艦での、請求項９から請求項１５のいずれかに記載の方法の実施。
【請求項１９】
前記カソードガスの流れの前記一部の放出によって放出される酸素の量が、調節されて、前記潜水艦の内部で消費される酸素の量に対応する、又は、前記潜水艦の内部で消費される酸素の量より少なくなることを特徴とする、請求項１８に記載の前記方法の実施。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応物質の放出が低減された、再循環型燃料電池デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
不活性ガスをなくした循環型燃料電池が、欧州特許出願公開第２８４０６３６号明細書から公知である。
【０００３】
反応物質出口を有する燃料電池は、米国特許出願公開第２００７／００６５７１１号明細書から公知である。
【０００４】
不活性ガスは、燃料電池の内部で反応せず、活性がないものとして振る舞う気体である。最も重要な不活性ガスは、窒素（Ｎ２）及びアルゴン（Ａｒ）である。他の不活性ガスには、例えば、ヘリウム（Ｈｅ）及びネオン（Ｎｅ）が挙げられる。他の不活性ガスには、より重い貴ガス及び反応性のないハロゲン化炭化水素も挙げることができる。
【０００５】
特に閉鎖空間、最も特定すると潜水艦の内部で燃料電池を動作させている場合、環境への反応物質、特に水素の放出は、不利であると判明している。閉鎖空間においては、水素の放出と酸素の放出の両方が危機をもたらす場合があるが、理由として、水素の放出という第１の場合では、爆鳴気が形成され、酸素の放出という第２の場合では、有毒濃縮物が蓄積されるという点がある。火災の危険性も高まり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２８４０６３６号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００７／００６５７１１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明によって対処される課題は、反応物質と一緒に導入された不活性ガスを燃料電池から排出し、同時に、この排出プロセスにおける反応物質、特に水素の放出を最小化することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題は、請求項１に記載の特徴を有する再循環型燃料電池デバイス、請求項１０に規定の特徴を有する再循環型燃料電池を動作させる方法、請求項１７に規定の特徴を有する潜水艦及び請求項１９に規定の特徴を有する前記方法の実施によって解決される。有利な発展形態は、従属請求項、下記の記載及び図面に見出すことができる。
【０００９】
本発明による再循環型燃料電池デバイスは、少なくとも１個の燃料電池、酸素のための第１の入口、水素のための第２の入口及び第１の水分離器を備える。燃料電池は、アノード側及びカソード側に付いている入力側及び出力側を備える。反応物質（酸素及び水素）は、燃料電池の入力側に供給され、生成物（水）は、燃料電池の出力側から排出される。水素（Ｈ２）からプロトン（Ｈ＋）への酸化がアノード側において起きる一方で、酸素（Ｏ２）からオキシド（Ｏ２−）への還元がカソード側において起きると、プロトンが膜を通過して、水（Ｈ２Ｏ）を形成する。酸素のための第１の入口は、燃料電池のカソード側の入力側に接続されており、水素のための第２の入口は、燃料電池のアノード側の入力側に接続されている。本デバイスは、燃料電池のカソード側の出力側と、燃料電池のカソード側の入力側との接続部分である、カソード側への接続部分を備える。本デバイスは、燃料電池のアノード側の出力側と、燃料電池のアノード側の入力側との接続部分である、アノード側への接続部分をさらに備える。カソード側への接続部分は、燃料電池内で反応しなかった酸素を再循環させるために使用され、アノード側への接続部分は、燃料電池内で反応しなかった水素を再循環させるように働く。第１の水分離器は、カソード側への接続部分に配置されている。水分離器は、燃料電池内で形成された水を分離し、回路から除去するために使用される。燃料電池のカソード側の出力側のところに、本デバイスは、プロセスガスの連続的な放出のための気体排出バルブを備える。燃料電池のカソード側の出力側から退出するカソードガス流の一部は、気体排出バルブを介して排出することができ、したがって、回路から抜き出すことができる。特に、酸素と一緒に導入された酸素中に不純物として含有されている不活性ガスは、この出口を介して回路から除去することが可能であり、これにより、酸素分圧の低下による燃料電池の効率低下を防止することができる。カソードガス流中の不活性ガスの濃度は、気体排出バルブを介して放出されるカソードガス流の一部の量によって、選択的に調節することができる。上記連続的な放出は、放出される酸素の量の選択的な調節を可能にする。これにより、不活性ガスの濃度を変更可能な場合であっても、動作状態も安定化しやすくなる。
【００１０】
特に好ましくは、燃料電池は、ポリマー電解質膜燃料電池（ＰＥＭ燃料電池）である。特に好ましくは、スルホン化テトラフルオロエチレンポリマー、例えばＮａｆｉｏｎ（ＤｕＰｏｎｔ）又はＦｌｅｍｉｏｎ（Ａｓａｈｉ）が、ポリマー電解質膜として使用される。
【００１１】
燃料電池は、単独の燃料電池であってもよいし、平行に接続されている別々になった複数の燃料電池であってもよいし、又は、スタック、言い換えると、直列に接続されている別々になった複数の独立した燃料電池であってもよい。
【００１２】
再循環型燃料電池デバイスは、アノード側への接続部分に配置された第２の水分離器を備えてもよい。特にＰＥＭ燃料電池を使用する場合、水を反応物質に添加して、膜の耐用寿命を延ばすことが有利である。水は、特定の膜を通り抜けるように拡散することもできる。したがって、水の量をさらに低減するために、第２の水分離器は、アノードガス流中に設置されることが好ましい場合がある。
【００１３】
本発明のさらなる一実施形態において、本デバイスは、燃料電池のアノード側の出力側から退出したアノードガス全体を再循環させるように設計されている。燃料電池のアノード側の出力側から退出したアノードガス全体を再循環させることにより、水素の放出を防止することができる。これにより、再循環型燃料電池デバイスの下流側に水素酸化デバイスを設置する必要がなくなる。さらに、水素全体が反応するため、損失を回避することができる。水素の貯蔵は非常に複雑であるため、貯蔵されている水素全体を使用し、変換することは、特に有利である。
【００１４】
本発明のさらなる一実施形態において、カソード側における気体排出バルブは、スロットルバルブである。スロットルバルブの使用により、カソードガス流のうち比較的少ない部分を分離し、周囲の空気に放出することが可能になる。このようにすれば、周囲の空気への不活性ガスの放出を、能動的な調整なしで比較的簡便に行うことができる。
【００１５】
本発明のさらなる一実施形態において、気体排出バルブを調整して、不活性ガス濃度を調節することができる。不活性ガス濃度は、気体の排出の変更によって、選択的で安全に調節することができる。気体の排出が低減された場合、再循環型燃料電池デバイスの不活性ガス濃度が上昇する。不活性ガス濃度が高くなっていくほど、環境に放出される酸素が少なくなっていく。気体の排出の増大には、逆の効果がある。このようにすれば、放出される酸素の量を、環境下における酸素の消費に直接合致させることができる。
【００１６】
本発明のさらなる一実施形態において、本デバイスは、周囲の空気中の酸素濃度を検出する第１の酸素センサーを備える。周囲の空気中の酸素濃度が許容限界を超過した場合、気体排出バルブを介して放出されるカソードガス流の量を低減してもよい。これにより、燃料電池内の不活性ガスの濃度が上昇して、燃料電池の効率が低下する。しかしながら、同時に、不活性ガスの放出が同じままである場合、新たな平衡が確立されるとすぐに、カソードガス流中の酸素の濃度が低下することによって酸素の放出が低減され、この結果、周囲の空気中の酸素濃度を、１５％〜２５％までのしきい値、特に好ましくは２１％未満のしきい値、最も特に好ましくは人間の健康に有害なしきい値より低く保持することができる。
【００１７】
さらなる一実施形態において、気体排出バルブは、第１の酸素センサーによって検出される周囲の空気中の酸素濃度に基づいて不活性ガス濃度を調節するように調整可能である。環境中の酸素濃度が上昇した場合、例えば、気体の排出が低減され、再循環型燃料電池デバイス内の不活性ガス濃度が上昇する。これにより、気体の排出によって放出される酸素が少なくなる。環境中の酸素濃度が低下した場合、気体の排出を増大させてもよいが、再循環型燃料電池デバイス内の不活性ガス濃度が低下する。これにより、気体の排出によって放出される酸素が多くなる。
【００１８】
本発明のさらなる一実施形態において、本デバイスは、燃料電池のカソード側の出力側における酸素濃度を検出する第２の酸素センサーを備える。第２の酸素センサーの使用は、最適な不活性ガス濃度によって再循環型燃料電池デバイスを動作させるのに有利である。この最適は、効率を目的として不活性ガス濃度を可能な限り低くすること、酸素放出の最小化を目的として不活性ガス濃度を可能な限り高くすること、及び、燃料電池の耐用寿命を最適化し、燃料電池によって出力される電力を一定にすることを目的として不活性ガス濃度を可能な限り最も一定にすることの中から決定される。第２の酸素センサーを使用して、最適であると判明している４０〜７０ｍｏｌ％までの濃度、好ましくは４５〜６０ｍｏｌ％までの濃度になるように、カソードガス流中の酸素濃度を選択的に調節することができる。
【００１９】
本発明のさらなる一実施形態において、本デバイスは、酸素のための第１の入口に接続された第１の加湿器を備える。
【００２０】
本発明のさらなる一実施形態において、本デバイスは、水素のための第２の入口に接続された第２の加湿器を備える。
【００２１】
従来、反応物質ガスは、ほぼ乾燥した状態、言い換えると、含水量（相対湿度）がほぼ０％の状態で使用される。液体酸素、金属水素化物貯蔵システムからの水素又は圧縮気体タンクからの水素もしくは酸素等、一般的な貯蔵形態は、貯蔵方法のおかげで水分をほぼ含有しない。しかしながら、乾燥した反応物質が使用される場合、燃料電池膜の耐用寿命が短くなる。したがって、反応物質を湿潤すること、特に好ましくは、含水量をほぼ飽和させること、言い換えると、８０〜１００％までの含水量（相対湿度）、特に好ましくは９０〜１００％までの含水量を確保することが有利である。
【００２２】
本発明のさらなる一実施形態において、本デバイスは、液体酸素のための第１の貯蔵容器を備える。液体酸素は、特に効率的であると判明している。好ましくは、気体状酸素は、エバポレータ及び加熱器を使用して液体酸素から得る。
【００２３】
本発明のさらなる一実施形態において、本デバイスは、水素のための金属水素化物貯蔵システムを備える。金属水素化物貯蔵システムから得られた水素は、不活性ガスをほぼ含有しない。これにより、燃料電池の動作が単純化される。さらに、加圧水素又は液体水素に比較して、金属水素化物として貯蔵された水素は、取り扱いがはるかに容易であり、貯蔵しているときの歩留まりも高い。代替的には又はさらには、本デバイスは、リフォーマーガスを製造するためのリフォーマーを備える。リフォーマーにおいて、例えばディーゼル油を、水及び／又は酸素によって変換して、水素及び一酸化炭素又は二酸化炭素に変える。
【００２４】
本発明のさらなる一実施形態において、カソード側への接続部分は、カソード側圧縮機を備え、アノード側への接続部分は、アノード側圧縮機を備える。圧縮機は、燃料電池内の圧力損失を補償するように働く。特に好ましくは、圧縮機は、水分離器の下流側に配置されている。この配置は、圧縮機の内部における凝縮を防止する。さらに、再循環ガス流の温度は、水分離器の内部において、燃料電池の出力側でガス流によって示される温度から燃料電池の入力側でガス流によって示される温度まで低下させることが好ましい。燃料電池の内部での反応中に熱が発生するため、ガス流が燃料電池の内部で昇温し、この結果、温度勾配が発生する。このガスは、１００％に近い相対湿度を有することが好ましいため、アノード側への接続部分又はカソード側への接続部分の温度を低下させることにより、凝縮が起きるであろう。
【００２５】
本発明のさらなる一実施形態において、再循環型燃料電池デバイスは、燃料電池のアノード側の入力側に接続された第３の入口を備え、前記第３の入口を介して不活性ガスを供給することができる。特に燃料電池を始動させるときには、不活性ガスの添加によって所望の不活性ガス濃度を直接調節することが有利である。この調節は、アノードガスの密度が組成に応じて大幅に変動する可能性があるため、特に有利であるが、例えば、例えば純粋な水素という組成から５０％の水素と５０％のアルゴンとの混合物という組成になると、密度が約１０倍に上昇する。これにより、流体特性、例えば圧縮機の内部における挙動が強く影響される。したがって、燃料電池の始動時に不活性ガスを添加することが有利である。
【００２６】
本発明のさらなる一実施形態において、再循環型燃料電池デバイスは、燃料電池のカソード側の入力側に接続された第４の入口を備え、前記第４の入口を介して不活性ガスを供給することができる。カソード側においてもやはり、燃料電池の始動時に不活性ガスを添加することが有利である。カソードガスの密度、したがって、カソードガスの流体特性は、カソード側においてあまり大きく変動しないが、不活性ガスの比率が上昇すると、酸素分圧の変化により、燃料電池のカソード側の電位が変化する。可能な限り一定な動作を確保するために、したがって、燃料電池の耐用寿命を最大化するためには、やはり、カソード側に不活性ガスを添加することが有利である。
【００２７】
さらなる一態様において、本発明は、カソードガスが、再循環され、アノードガスが、再循環される、再循環型燃料電池デバイスを動作させる方法に関する。カソードガス流の一部は、燃料電池のカソード側の出力側において再循環から連続的に抜き出され、周囲の空気に放出される。アノードガス流全体が、再循環される。上記連続的な放出は、放出される酸素の量の選択的な調節を可能にする。これにより、不活性ガスの濃度を変更可能な場合であっても、動作状態も安定化しやすくなる。
【００２８】
アノードガス流全体の再循環により、大気への水素の放出がなくなるが、これには、複数の利点が伴われる。第一には、潜在的に有害な水素（爆発的な気体の形成を起こす危険性がある）の放出が回避される。第二には、周囲の空気に放出される水素を厳密に酸化するための特殊なデバイスが必要でない。第三には、このようにすれば、水素全体が変換される。
【００２９】
本発明のさらなる一実施形態において、気体排出バルブを介した気体の排出によって、不活性ガス濃度を調整する。
【００３０】
本発明のさらなる一実施形態において、気体排出バルブを介した気体の排出によって放出される酸素の量は、周囲の空気中の酸素濃度がほぼ一定に保たれるように調整される。ほぼ一定とは、酸素濃度のバラつきが±４ｍｏｌ％、好ましくは±２ｍｏｌ％であることを意味すると理解されている。
【００３１】
本発明のさらなる一実施形態において、カソードガス流の一部の放出は、カソードガス流の一部の放出によって周囲の空気中の酸素濃度が２５ｍｏｌ％、好ましくは２３ｍｏｌ％、特に好ましくは２１ｍｏｌ％の値を超過しないように調整される。周囲の空気中の酸素濃度をモニタリングし、カソードガス流の一部の放出を能動的に調整することによって、再循環型燃料電池デバイスの環境における害、特に人間にとっての害は、最適な態様で低減することができる。
【００３２】
本発明のさらなる一実施形態において、カソードガス流の一部と一緒に放出される酸素の量は、燃料電池のカソード側の出力側における不活性ガス濃度によって調節される。
【００３３】
本発明のさらなる一実施形態において、燃料電池のカソード側の出力側における不活性ガス濃度を上昇させて、カソードガス流の一部と一緒に放出される酸素を低減する。
【００３４】
カソードガス流の一部の放出を低減することによって、不活性ガスの放出が低減され、この結果、酸素中の不純物によって、回路から排出されるのより多くの不活性ガスが回路に導入される。このようにすれば、カソードガス流の一部の量が減ることによる不活性ガス濃度の上昇によって、導入された量と同じ量の不活性ガスが放出されるまで、不活性ガス濃度が上昇する。このようにすれば酸素の排出が低減される。
【００３５】
同様に、カソードガス流の部分を増大させることによって、不活性ガスの濃度を低下させることができ、したがって、環境への酸素の放出を増大させることができる。
【００３６】
本発明のさらなる一実施形態において、燃料電池のカソード側の出力側における不活性ガス濃度は、４０〜７０ｍｏｌ％、好ましくは４５〜６０ｍｏｌ％、特に好ましくは４５〜５５ｍｏｌ％に調節される。例えば欧州特許出願公開第２８４０６３６号から明らかなように、この不活性ガス濃度の範囲は、好ましいものではなく、理由として、この不活性ガス濃度の範囲においては、燃料電池の出力がすでに損なわれているという点がある。しかしながら、本発明によれば、この不活性ガス濃度の範囲は、環境への酸素の放出を比較的少なくしながら、不活性ガスの排出を一定にすることができるため、有利であると判明している。酸素（工業用純度、９９．５％）中の不活性ガスが０．５％という一般的な含量である場合、使用された酸素のうちわずか０．５％の比率の酸素が、周囲の空気に放出され、この結果、エネルギーが発生しなくなる。
【００３７】
本発明のさらなる一実施形態において、燃料電池のカソード側の出力側における不活性ガス濃度と、燃料電池のアノード側の出力側における不活性ガス濃度とが、等しくなるように調節される。等しい不活性ガス濃度が特に好ましく、理由として、特にＰＥＭ燃料電池の場合、不活性ガスが、やはり、燃料電池のカソード側からアノード側を隔てている膜を通り抜けるように拡散できるという点がある。この拡散は、等しい不活性ガス濃度によってのみ平衡が維持されることを意味する。平衡からのずれが大きくなるほど、平衡を確立するために燃料電池内で実施するプロセスが多くなる。
【００３８】
本発明のさらなる一実施形態において、再循環カソードガス及び再循環アノードガスは、圧縮される。再循環ガスの圧縮は、燃料電池の内部における圧力損失を補償する。再循環アノードガスが常に高い比率の不活性ガス、好ましくは４０〜７０ｍｏｌ％、好ましくは４５〜６０ｍｏｌ％、特に好ましくは４５〜５５ｍｏｌ％の不活性ガスを含有する場合、再循環アノードガスが比較的高い密度を有し、再循環アノードガスの圧縮が技術的に容易となるため、再循環アノードガスは、特に容易に圧縮することができる。
【００３９】
本発明のさらなる一実施形態において、燃料電池のカソード側の出力側においてカソードガス流の一部と一緒に再循環から抜き出され、周囲の空気に放出される不活性ガスの量は、酸素入口を介して再循環型燃料電池デバイスに供給される不活性ガスの量と等しくなるように選択される。これは、定常状態に対応する。
【００４０】
本発明のさらなる一実施形態において、不活性ガスの濃度が一定に保たれる。本発明の意味における一定とは、±３ｖｏｌ％の範囲で変動する濃度である。
【００４１】
さらなる一態様において、本発明は、本発明による再循環型燃料電池デバイスを有する潜水艦に関する。本発明による再循環型燃料電池デバイスは、潜水艦用として特に有利である。閉鎖環境であること、周囲の空気の体積に制限があること、及び、この閉鎖環境のすぐ近くで作業中の人々は退避できないことを理由として、反応物質の放出の低減は、特に有利である。実際の危険性は、水素の放出をなくすことによって最小化される。同様に、酸素の放出の低減により、乗員にとってやはり有害であり得る酸素濃度の上昇を防止することができる。
【００４２】
本発明のさらなる一実施形態において、再循環型燃料電池デバイスは、潜水艦の直流配電網への接続のための電気的接続を備える。
【００４３】
本発明のさらなる一実施形態において、再循環型燃料電池デバイスは、気体排出バルブを介した潜水艦の乗員への空気供給のための呼吸ガス、特に酸素を提供する。
【００４４】
さらなる一態様において、本発明は、潜水艦での本発明による方法の実施に関する。
【００４５】
本発明の特に好ましい一実施形態において、本発明の方法は、カソードガス流の一部の放出によって放出される酸素の量を調節して、潜水艦内部で消費される酸素の量に対応する又は潜水艦内部で消費される酸素の量より少なくなるように、潜水艦で実施される。
【００４６】
潜水艦で本発明の方法が実施される場合、不活性ガス濃度を４０〜７０ｍｏｌ％、好ましくは４５〜６０ｍｏｌ％、特に好ましくは４５〜５５ｍｏｌ％に調節することが、特に好ましいことが判明した。この不活性ガス濃度の場合、燃料電池によって放出されたエネルギーは、必要なエネルギーの量に概ね対応し、同時に、放出される酸素の量は、乗員によって消費される酸素の量に概ね対応することが判明した。大ざっぱに見積もると、エネルギー及び酸素の必要量は、容器のサイズ、したがって、乗員のサイズに比例するため、このサイズの値は、容器のサイズの影響をほぼ受けない。
【００４７】
本発明による再循環型燃料電池デバイスについては、図面において示されている一実施形態を参照することにより、下記においてより詳細に記述する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】再循環型燃料電池デバイスの概略図
【発明を実施するための形態】
【００４９】
図１は、概略的な形態の再循環型燃料電池デバイスの一例を示している。再循環型燃料電池デバイスは、カソード側１１及びアノード側１２を有する燃料電池１０を備える。Ｏ２からＯ２−への還元は、カソード側１１において起きるが、Ｈ２からＨ＋への酸化は、アノード側１２において起きる。燃料電池１０のカソード側１１から退出したカソードガスは、第１の水分離器２１及び圧縮機３１によって再循環される。燃料電池１０のアノード側１２から退出したアノードガスは、第２の水分離器２２及び圧縮機３２によって再循環される。カソードガス流の一部は、気体排出バルブ１５を介して周囲の空気に連続的に又は周期的に放出される。水は、第１の水分離器２１及び第２の水分離器２２から水出口８５を介して、回路から除去することができる。
【００５０】
新たな反応物質の供給のために、再循環型燃料電池デバイスは、水素タンク６０及び酸素タンク７０、好ましくは液体酸素のための酸素タンク７０を有する。酸素は、第１の加湿器５１によってカソード回路に導入され、水素は、第２の加湿器５２によってアノード回路に導入される。好ましくは、第１の加湿器５１及び第２の加湿器５２は、透水性膜、好ましくはスルホン化テトラフルオロエチレンポリマー、例えばＮａｆｉｏｎ（ＤｕＰｏｎｔ）又はＦｌｅｍｉｏｎ（Ａｓａｈｉ）から製造された透水性膜を備える。第１の加湿器５１には、圧縮機４１及び熱交換器４３によって、第１の水分離器２１内で分離された水を供給する。第２の加湿器５２には、圧縮機４２及び熱交換器４４によって、第２の水分離器２２内で分離された水を供給する。当然ながら、水分離器内で分離された水を加湿器に供給するための他のすべての組合せも想定可能であり、特に、圧縮機４１及び熱交換器４３によって、第１の加湿器５１及び第２の加湿器５２に、第１の水分離器２１内で分離された水を供給することが想定可能である。
【００５１】
好ましくは、熱交換器４３、４４は、燃料電池１０からの冷却水を用いて動作する。この実施形態は、最も高い温度になった冷却水が、燃料電池１０の出力側にある燃料電池１０を退出するため、特に好ましい。このため、水、したがって、水と一緒に導入された酸素又は水素は適正な温度にあらかじめ予備加熱されている。冷却水は、燃料電池１０の入力側に広がっている温度に調節される。これは、システム自体が受動的に調整されるため、能動的な調整が必要とされないことを意味する。
【００５２】
燃料電池を始動させるために、不活性ガス供給装置８０によって不活性ガスをアノードガス回路及びカソードガス回路に導入することができ、この結果、所望の条件が設定される。
【符号の説明】
【００５３】
１０  燃料電池
１１  カソード側
１２  アノード側
１５  気体排出バルブ
２１  第１の水分離器
２２  第２の水分離器
３１  圧縮機
３２  圧縮機
４１  圧縮機
４２  圧縮機
４３  熱交換器
４４  熱交換器
５１  第１の加湿器
５２  第２の加湿器
６０  水素タンク
７０  酸素タンク
７５  加熱器
８０  不活性ガス供給装置
８５  水出口
【図１】
0006617161.tif 000002