(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池システム用可燃流体再循環アセンブリの提供。【解決手段】入口において可燃流体を受け取り、出口において電気エネルギー、余剰可燃流体および廃棄流体を供給する電気化学変換ユニット２を備えた燃料電池システム１用の再循環アセンブリ４は、前記変換ユニット２で使用されない余剰可燃流体の圧力を増加させて、前記変換ユニット２で再度利用可能とするための圧縮手段１２と、この圧縮手段１２を駆動し且つ電気化学変換ユニット２からの廃棄流体の残余エネルギーによって動力供給されるタービン１１と、を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口において可燃流体を受け取り、出口において電気エネルギー、余剰可燃流体および廃棄流体を供給する電気化学変換ユニット（２）を備えた燃料電池システム（１）用の再循環アセンブリ（４）であって、
前記ユニット（２）で使用されない余剰可燃流体の圧力を増加させて、前記ユニット（２）で余剰可燃流体を再度利用可能とするための圧縮手段（１２）と、
前記圧縮手段（１２）を駆動するための駆動手段（１１）と、
を備え、
前記駆動手段（１１）が、前記ユニット（２）からの前記廃棄流体の残余エネルギーによって動力供給されることを特徴とする、燃料電池システム用再循環アセンブリ。
【請求項２】
前記駆動手段（１１）と前記圧縮手段（１２）とを角度的に接続するための磁気的または電磁気的接続手段（１６）を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム用再循環アセンブリ。
【請求項３】
前記接続手段（１６）が、前記駆動手段（１１）および前記圧縮手段（１２）とそれぞれ一体であり、磁気的または電磁気的に結合され且つ離間している第１および第２の結合部（２２ａ、２２ｂ）を有することを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム用再循環アセンブリ。
【請求項４】
前記可燃流体が前記廃棄流体と混合するのを防止するために、前記駆動手段（１１）および前記圧縮手段（１２）がそれぞれ別体のケーシング（１８、２３；２０、２４）内に収容されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム用再循環アセンブリ。
【請求項５】
前記駆動手段が、耐食性材料で外部から被覆され、または耐食性材料によって全体的に形成され、または耐食性を付与する表面処理が施された羽根車（１９）を有するタービン（１１）を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム用再循環アセンブリ。
【請求項６】
前記圧縮手段が、耐食性材料で外部から被覆され、または耐食性材料によって全体的に形成され、または耐食性を付与する表面処理が施された羽根車（２１）を有するコンプレッサ（１２）を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム用再循環アセンブリ。
【請求項７】
入口において可燃流体を受け取り、出口において電気エネルギー、余剰可燃流体および廃棄流体を供給する電気化学変換ユニット（２）と、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の、余剰可燃流体を再循環させるための再循環アセンブリ（４）と、
を備える、燃料電池システム（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム用再循環アセンブリに関する。
【０００２】
以下の記載は純粋に実施例として地上車への応用について言及するものである。
【０００３】
燃料電池システムは、化学エネルギーを、電気駆動モータによって地上車に機械的エネルギーを供給することができる電気エネルギーに変換するためのものとして公知である。燃料電池システムのゼロ汚染要因や高エネルギー効率の観点から、これら燃料電池システムは、地上車を駆動する手段として内燃機関に替わる有効な代替物である。
【０００４】
燃料電池システムは、燃料電池電気化学変換ユニットと、この変換ユニットに供給する燃料タンクと、変換ユニットによって供給される電気回路と、を実質的に備えている。燃料に蓄えられた化学エネルギーを、電気駆動モータを駆動するための電気エネルギーに変換するためには、燃料酸化剤が必要とされる。
【０００５】
地上車の用途において、特に電気化学変換ユニットは電気的に直列に接続された多数の別々の燃料電池により画定され、システムによって生成される電気エネルギーを増加させる。
【０００６】
より詳細には、各燃料電池は、アノードとカソードを具備し、それらの間に電解質が挿入され、且つ、それらの上に適当な反応触媒が設けられる。純粋に例示の目的で以下に説明されるＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ：陽子交換膜）燃料電池システムにおいては、地上車を駆動するために使用される電解質は、陽子を通し且つ電子を通さない高分子膜によって画定される。
【０００７】
公知のシステムにおいて、燃料は水素であり、酸化剤は大気中の酸素である。適当な導管によって、水素と大気は、電気化学変換ユニットを画定する個々の燃料電池のアノードとカソードに夫々供給される。水素は、第１の触媒の助けにより、アノード上でイオン化し、陽子と電子を生成する。陽子は、それを通す電解質膜を通ってカソードに移動する。一方、電解質膜を通過できない電子は、外部の電気回路を経由してカソードに移動し、それによって、電気モータを作動し更に機械的回転部材を駆動することが可能な電流を発生させる。第２の触媒の存在下で、カソードに達した酸素は、電解質膜からの陽子および外部回路からの電子と反応して水蒸気を生成する。
【０００８】
このようにして、酸化剤（酸素）によって、燃料（水素）の化学エネルギーが電気エネルギーに変換可能であり、それに伴って、低酸素空気と熱と共に水蒸気の形の反応生成物を生じる。
【０００９】
燃料電池システムにおいては、アノードとカソードの両方に水が存在し、それは、システムが適切に機能するためには、燃料電池内部で均一に分布しなければならない。このことは、アノード側においては、燃料電池全体に均一に水を分布させることが可能な水素流を回路内に生成するシステムを用いて達成される。
【００１０】
この目的のために回転部材と流体密封シールとを備えたコンプレッサまたはポンプを用いることは、微小な水素分子のために困難であり且つとても実用的ではない。前記微小な水素分子はシールからの特に危険な漏洩を引き起こし、燃料電池が働いていない時でさえ、激しい爆発を生じる可能性があるからである。
【００１１】
気密にシールされ且つ電力供給されたコンプレッサを含む再循環アセンブリは、例えば米国特許出願２００３／００７７４９９号に記載されているように公知であるが、この再循環アセンブリには、燃料電池システムまたは外部のエネルギー源によってエネルギーを供給しなければならない。
【００１２】
水素導管に沿った回転部材のための流体密封シールを必要としない再循環アセンブリも、例えば、米国特許第６，０１３，３８５号に記載されているように公知であり、それは、燃料電池のアノードの出力端において、水素導管に沿って配置された１個または複数の圧力回復装置、すなわち所謂「エダクター（ｅｄｕｃｔｏｒ）」を備えている。そのような圧力回復装置は、水素圧力回復ノズルと、このノズル内に高速流体を注入するための注入導管と、を備えている。ノズルは、そこから発散断面部が始まる狭断面部に向かって幅狭となる収束断面部を有しており、注入導管はタンクから前記ノズルの狭断面部内に高速流体を注入すべく設けられる。このようにして、電気化学変換ユニットから、フィードバック水素が圧力回復装置のノズルの収束断面部に流れ込み、高速流体の注入時にノズルの発散断面部において圧力が増加する。
【００１３】
第１の圧力回復装置は、ノズルの収束部の入り口においてフィードバック水素を供給され、狭断面部において、注入導管によって燃料タンクから注入された高圧水素を供給され、燃料電池システムが定常運転状態にあるときに、フィードバック水素の圧力を効果的に回復する。
【００１４】
逆に、変換ユニットへの水素流が所定の閾値より下がると、正確な水素圧力回復はできない。
【００１５】
この場合には、第１の圧力回復装置と気学的に並列に接続された第２の圧力回復装置を設けなければならない。第２の圧力回復装置は、適当な調整弁によって、収束部の入り口においてフィードバック水素を供給され、狭断面部において、注入導管によって高速で注入された流体、通常は水を供給される。結果として、水タンクと、この水をポンピングするためのパワーポンプと、が必要となる。水タンクの限られた容量と、水ポンプを駆動するためのモーターが必要なこととにより、再循環アセンブリの効率が減少する。更に、この種類の再循環アセンブリは、その製造の複雑さのため、および、減少されてはいるが或る量の水素漏れを依然として内包していることのために、限られた利益しかもたらさない。
【００１６】
上記の欠点を排除するために、例えば、米国特許出願２００２／０１２２９６９号に記載されているように、水素タンクと電気化学変換ユニットのアノードとの間に配置されたポンプを備えた再循環アセンブリが考案されている。ポンプは、タンク内の水素の圧力によって駆動され、水素タンクと、電気化学変換ユニットに供給するポンプ出口導管との間の圧力低下によってフィードバック水素の圧力を回復する。
【００１７】
より詳細には、ポンプは、調整弁によって設定された圧力でタンクから水素を供給され、変換ユニットの入り口で要求されるよりも低い圧力で変換ユニットからフィードバック水素を受け取り、ポンプの入り口での圧力よりは低いが、変換ユニットの出口での圧力よりは高い圧力で水素を変換ユニットにフィードバックする。アノードの出力端と入力端との間でのフィードバック水素の圧力回復が、ポンプを出入りするタンク内の水素間の圧力低下によってもたらされるために、上記タイプの再循環アセンブリは、燃料電池システムからエネルギーを引き出さず、また、外部エネルギー源も必要としない。
【００１８】
このようなシステムは、理論的には有効であるが、実際に製造するのは、相当に多大なコストを必要とするために困難である。
【００１９】
本発明の目的は、公知の再循環アセンブリに典型的に付随する上述の欠点を排除すべく構成された燃料電池システム用再循環アセンブリを提供することである。
【００２０】
本発明によれば、入口において可燃流体を受け取り、出口において電気エネルギー、余剰可燃流体および廃棄流体を供給する電気化学変換ユニットを備えた燃料電池システム用の再循環アセンブリであって、
前記ユニットで使用されない余剰可燃流体をの圧力を増加させて、前記ユニットで余剰可燃流体を再度利用可能とするための圧縮手段と、
前記圧縮手段を駆動するための駆動手段と、
を備え、
前記駆動手段が、前記ユニットからの前記廃棄流体の残余エネルギーによって動力（電力）供給されることを特徴とする燃料電池システム用再循環アセンブリ、が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の好ましいが非限定的な実施の形態を、添付図面を参照して例示的に説明する。
【００２２】
図１において、番号１は、地上車用燃料電池システムの全体を示しており、このシステムは、燃料電池電気化学変換ユニット２と、このユニット２に供給する燃料タンク３と、電気化学変換に使用されない余剰の燃料を再循環させるための再循環アセンブリ４と、を備えている。
【００２３】
公知であり、それ故本明細書では本発明を明確に理解するために必要なようにのみ説明されるユニット２は、様々な公知の構成および技術のいずれに応じて動作してもよい。本実施形態では、それは、燃料として水素を、酸化剤として大気中の酸素を用いる陽子交換膜（ＰＥＭ）タイプである。しかしながら、本発明は上記タイプの電気化学変換ユニットには限定されず、如何なる構成または技術の電気化学変換ユニットと共に用いられてもよい。
【００２４】
ユニット２は、電気的に直列に接続された多数の積層燃料電池５によって公知の如くに構成され、全体として、カソード７およびアノード８を画定する。電気回路１３が、ユニット２のカソード（正極）７とアノード（負極）８を互いに結合し、システム１によって生成されたエネルギーによって、電気機械的負荷１５（この場合は、車両を駆動するための電気モータ）を駆動することができる。
【００２５】
ユニット２は、後に詳細に説明するように、その入り口において、導管９によって大気を供給され、燃料タンク３から、また、導管１０によって再循環アセンブリ４から水素を供給される。
【００２６】
より詳細には、大気供給導管９は、カソード７側でユニット２に入って、個々の燃料電池５に酸素を供給し、また、カソード７を出て、蒸気および低酸素空気によって構成される廃棄物を再循環アセンブリ４に導く。一方、水素供給導管１０は、アノード８側でユニット２に入って、個々の燃料電池５に水素を供給し、また、アノード８を出て、余剰の水素を再循環アセンブリ４に導く。
【００２７】
図１および図２を参照すると、再循環アセンブリ４は、ユニット２からの水素を圧縮するためのコンプレッサ１２と、このコンプレッサ１２を駆動するための駆動部材と、を実質的に有する。
【００２８】
本発明の一つの重要な特徴は、ユニット２からの廃棄物のエネルギーによって動力（電力）供給されるタービン１１により画定されている駆動部材にある。
【００２９】
より詳細には、タービン１１とコンプレッサ１２とは、後に詳細に説明する永久磁石または電磁石のジョイント１６によって角度的に結合されており、全体として、軸Ａのターボチャージャ６を構成している。
【００３０】
タービン１１は、渦巻状のケーシング１８と、このケーシング１８の内部で軸Ａを中心として回転する羽根車（インペラ）１９と、を有している。より詳細には、ケーシング１８は、ユニット２からの廃棄物のための円周方向入口部１８ａと、タービン１１によって膨張させられた廃棄物をシステム１から吐出するための出口部１８ｂと、を画定している。
【００３１】
より詳細には、タービン１１の羽根車１９は、タービン１１から突出したシャフト１４に嵌合している。本発明の好ましい実施形態においては、羽根車１９は、タービン１１内の脱イオン水蒸気による腐食から保護するために、例えば、テフロン（登録商標）等の耐食性材料によって被覆されるか、または、その全体が耐食性材料によって構成されてもよい。或いは、羽根車１９には、そのような腐食に抵抗する表面処理がなされてもよい。
【００３２】
コンプレッサ１２は、渦巻状のケーシング２０と、このケーシング２０の内部で軸Ａを中心として回転する羽根車２１と、を有している。より詳細には、ケーシング２０は、ユニット２からのフィードバック水素のための軸方向入口部２０ａと、導管１０に接続された再循環導管２５に沿ってユニット２へ圧縮水素を供給するための円周方向出口部２０ｂと、画定している。
【００３３】
より詳細には、羽根車２１は、コンプレッサ１２から突出したシャフト１７に嵌合しており、ジョイント１６によってシャフト１４に角度的に結合可能である。本発明の好ましい実施形態においては、羽根車２１は、コンプレッサ１２内の脱イオン水蒸気による腐食から保護するために、例えば、テフロン（登録商標）等の耐食性材料によって被覆されるか、または、その全体が耐食性材料によって構成されてもよい。或いは、羽根車２１には、そのような腐食に抵抗する表面処理がなされてもよい。
【００３４】
ジョイント１６について、純粋に例示の目的で、詳細には説明しない公知の永久磁石軸流電気装置を参照して説明する。ジョイント１６は、シャフト１４からシャフト１７へ、それらを所定の軸方向距離だけ離間させながら且つ機械的接触部品無しで運動を伝達する。より詳細には、ジョイント１６は、シャフト１４の、タービン１１と反対側の端部に嵌合した円盤２２ａと、シャフト１７の、コンプレッサ１２と反対側の端部に嵌合した円盤２２ｂと、を備えている。円盤２２ａおよび円盤２２ｂは、多数の永久磁石を有しており、且つ、互いに所定距離だけ軸方向に離間している。
【００３５】
シャフト１４、１７間で機械的接触無しで運動を伝達するための上述したようなジョイント１６を用いて、廃棄物膨張環境を再循環水素圧縮環境から流体を密封する方法で分離することができ、結果として、シャフト１４および対応する円盤２２ａが、タービン１１のケーシング１８と一体の第１のケーシング２３内に収容され、一方、シャフト１７および対応する円盤２２ｂが、ケーシング２３とは別体で且つコンプレッサ１２のケーシング２０と一体の第２のケーシング２４内に収容される。
【００３６】
このようにして、コンプレッサ１２内で圧縮された水素と廃棄物とが互いに化学的に反応して、再循環アセンブリ４、従って、システム１の効率を決して減じることはない。
【００３７】
実際の使用においては、導管９からの廃棄物によって駆動されるタービン１１の羽根車１９が、シャフト１４と、このシャフト１４に一体の円盤２２ａを回転させ、円盤２２ａが、コンプレッサ１２のシャフト１７の軸Ａを中心とした同様の回転と角度的に一体であるタービン１１のシャフト１４の軸Ａを中心とした回転を生じさせるジョイント１６によって円盤２２ｂを回転させ、円盤２２ｂが、シャフト１７によってコンプレッサ１２の羽根車２１を回転させ、結果として、導管１０によってコンプレッサ１２に供給されたフィードバック水素の圧力を増加させる。
【００３８】
タービン１１からの廃棄物は、システム１の排気を構成し、一方、コンプレッサ１２からの水素は、再循環導管２５によって導管１０内に供給され、そこで、燃料タンク３からの水素と混合されて、ユニット２に供給される。
【００３９】
システム１をより良く調整するために、再循環アセンブリ４によってユニット２で利用可能とされた水素の補充に必要な燃料の量を調整するための調整弁２６および流量計２７を、燃料タンク３のすぐ下流に設けてもよい。
【００４０】
本発明による再循環アセンブリ４の利点は、以上の説明から明らかであろう。
【００４１】
特に、再循環アセンブリ４は、廃棄物の残りエネルギーを利用して、タービン１１によってシャフト１４を駆動し、また、ジョイント１６によってコンプレッサ１２を駆動し、フィードバック水素に、ユニット２に供給するのに必要な圧力をもたらす。それ故、付加的なエネルギー源を必要としない。
【００４２】
故に、再循環アセンブリ４は、コストや複雑さを増加させることなく、燃料電池システム１の効率を向上させる。
【００４３】
本明細書で例示的に説明した再循環アセンブリ４に対し、添付の請求項の範囲を逸脱しない範囲で変更が可能なことは明白である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、本発明による燃料電池システムを示す図である。
【図２】図２は、図１の再循環アセンブリの一部を、明確にすべく幾つかの部材を除去して示した拡大軸方向断面図である。
【図１】
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【図２】
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【外国語明細書】
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