(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を使用したエネルギー生成並びに水発生システムのために、燃料電池システムにて効率を向上するため及び排気ガスを減少するための方法において
上記燃料電池システムは燃料電池（３、４）を有しており、燃料電池（３）は作動温度が６００℃から１０００℃までの温度である高温・燃料電池であり、燃料電池（４）は低温・燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であって、
稼動時には燃料電池（３、４）の陰極側に、酸素発生器（８）においてガス濃縮方法によって酸素濃縮した空気（１）が供給され且つ燃料電池（３）の陽極側に炭化水素（ＣＸＨＹ）（２）が供給される燃料電池システムにて、
燃料電池（３）の陽極側のガス濃縮方法にて炭化水素の改質（リフォーミングプロセス）が実施され、その反応ガス（Ｈ２、ＣＶＨＷ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ２）が分離されて炭化水素中の水素部分が増加し、分離されたガスが次のように引き続き使用されること、即ち、
分離された水素（Ｈ２）が１つ又は複数の低温・燃料電池（４）に供給され、
分離された水（Ｈ２Ｏ）及び炭化水素（ＣＶＨＷ）が凝縮器（９）で凝縮されて上記リフォーミングプロセスに導き戻され、
分離された二酸化炭素（ＣＯ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び形成された窒素酸化物（ＮＯｘ）が排気ガス触媒（１４）に供給され、及び、
これらのガス（ＣＯ２、ＣＯ、ＮＯｘ）が上記排気ガス触媒（１４）にて二酸化炭素（ＣＯ２）及び分子窒素（Ｎ２）に変化して大気へと放出されることを特徴とする方法。
【請求項２】
燃料電池を使用したエネルギー生成並びに水発生システムのために、燃料電池システムにて効率を向上するため及び排気ガスを減少するための方法において
上記燃料電池システムは一つ又は複数の燃料電池（１０１）と改質器（１０５）とを有しており、当該燃料電池（１０１）は低温・燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であって、
改質器（１０５）におけるガス濃縮方法にて炭化水素の改質（リフォーミングプロセス）が実施され、その反応ガス（Ｈ２、ＣＶＨＷ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ２、）が分離されて炭化水素中の水素部分が増加し、分離されたガスが次のように引き続き使用されること、即ち、
稼動時には、燃料電池（１０１）の陰極側に、酸素発生器（１２３）においてガス濃縮方法によって酸素濃縮した空気（１２４）が供給され、且つ燃料電池（１０１）の陽極側に、分離された水素（Ｈ２）が供給され、
分離された水（Ｈ２Ｏ）及び炭化水素（ＣＶＨＷ）が凝縮器（１１４）で凝縮されて上記リフォーミングプロセスに導き戻され、
分離された二酸化炭素（ＣＯ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び形成された窒素酸化物（ＮＯｘ）が排気ガス触媒に供給され、及び、
これらのガス（ＣＯ２、ＣＯ、ＮＯｘ）が上記排気ガス触媒にて二酸化炭素（ＣＯ２）及び分子窒素（Ｎ２）に変化して大気へと放出されることを特徴とする方法。
【請求項３】
高温・燃料電池（３）の陽極側で実施されるリフォーミングプロセスによって水素が獲得されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
改質器（１０５）が水素を生成するために使用され、この改質器（１０５）には分子ふるい及び水素・バッファ容器（１０７）が後に接続され、その際、分子ふるい及びバッファ容器が別個に組み込まれることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
リフォーミングプロセスにより獲得された反応ガスがｔ＜８０℃に冷却され、水素（Ｈ２）が分子ふるいを介して他のガス（ＣＶＨＷ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ２）から分離され、得られた水素が１つ又は複数の低温・燃料電池（４、１０１）に供給されることを特徴とする、請求項１、２、又は３に記載の方法。
【請求項６】
冷却が、１つ又は複数のタービンステージを有する１つ又は複数のタービン（６、１０４）における緊張緩和を介して実施されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
低温・燃料電池（４、１０１）に供給される、酸素濃縮した空気がｔ＜８０℃に冷却されることにより適応されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項８】
冷却が、１つ又は複数のタービンステージを有する１つ又は複数のタービン（６、１０４）における緊張緩和を介して実施されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
冷却のための熱交換器がタービン（６、１０４）の後に接続され、この熱交換器が冷却媒体として外気を用いて稼動されることを特徴とする、請求項６又は８に記載の方法。
【請求項１０】
本燃料電池システムでは陰極側において圧力付勢されたガスがもたらされ、その際、飛行高度における航空機内にて外気とキャビン空気（２８、１２５）との間の圧力差も圧力付勢として使用されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項１１】
本燃料電池システムが陽極側において圧力付勢されたガスがもたらされることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項１２】
高温・燃料電池（３）の陽極側において、及び／又は、低温・燃料電池（４）の陰極側において水（Ｈ２Ｏ）が獲得されて排出されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
低温・燃料電池（１０１）の陰極側において水（Ｈ２Ｏ）が獲得されて排出されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項１４】
獲得された低温・燃料電池の水が、全体的に又は部分的に、飲料水としての利用のために処理されることを特徴とする、請求項１、２、１２、又は１３に記載の方法。
【請求項１５】
獲得された高温・燃料電池（３）の水が、使用水（ＷＣ洗浄）（１８、２０）として使用されることを特徴とする、請求項１又は１２に記載の方法。
【請求項１６】
獲得された低温・燃料電池の水が、全体的に又は部分的に、エアコンディショナ（２１）における空気加湿のために使用されることを特徴とする、請求項１、２、１２、又は１３に記載の方法。
【請求項１７】
高温・燃料電池及び低温・燃料電池から発生された水が、別個に中間貯蔵部内に中間貯蔵されることを特徴とする、請求項１、又は１２に記載の方法。
【請求項１８】
中間貯蔵部内に含まれる水の充填レベルが制御ユニットによって検知されることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
高温・燃料電池（３）及び低温・燃料電池（４）の両方から生じる雑排水（２３）が、リフォーミングプロセスへの利用のために導き戻され、過剰の水量が排出される（２４）ことを特徴とする、請求項１、又は１２に記載の方法。
【請求項２０】
高温・燃料電池（３）及び低温・燃料電池（４）の両方から生じる下水（２２、２３）が部分的に脱水素されて洗浄されること、そのようにして獲得された水がリフォーミングプロセスに供給され、そこで水素が発生されること、及び、過剰の水量が排出される（２４）ことを特徴とする、請求項１又は１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムにて効率を向上するため及び排気ガスを減少するための方法に関し、この方法は、特に燃料電池・ベースにおけるエネルギー生成並びに水発生システムのためのものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池を稼動させるためには、通常、ガス状で存在する２種類の出発原料が必要とされる：これらは、陽極側の水素（Ｈ２）と陰極側の酸素（Ｏ２）である。
【０００３】
これらのガスは、燃料電池タイプに応じ、純粋なガスとして分子の形で存在するか、又は、ガス状混合物における構成要素であるか、又は、所謂改質器プロセス（リフォーミングプロセス：例えば炭化水素からの水素）で他の化合物から獲得されるものである。
【０００４】
例えば移動式の使用（モバイル使用）のためのような様々な使用ケースにおいて、燃料電池で必要とされる酸素部分は周囲空気から獲得され、この周囲空気は、混合比率で見ると、ほぼ、酸素（Ｏ２）が１８％であり、窒素（Ｎ２）が７８％であり、他のガス（ＣＯ２及び微量成分ガス）が４％である。このことは、燃料電池によって酸素側に導かれたガスのほぼ８２％が反応プロセスのためには利用できないことを意味する。ほぼ６００℃から１０００℃までの温度で作動する高温・燃料電池の場合には、更に、望まれない熱化学反応が行われ、これは例えば窒素酸化物（ＮＯｘ）の形成である。
【０００５】
燃料電池のための水素（Ｈ２）を獲得するために例えば鉱油（石油）から炭化水素を使用する場合、同様に、改質器プロセスにおいて、燃料電池のためには利用不能であり且つ排気ガスとして生じるガス（ＣＯ、ＣＯ２、ＣｘＨＹ）が発生する。
【０００６】
【特許文献１】
ドイツ特許発明第19821952号明細書(DE19821952C2)
【０００７】
前記特許文献１では、航空機の機内に設けられるエネルギー供給ユニットが記載されていて、これは、メインエンジンジェネレータ、所謂補助パワーユニット（ＡＰＵ）、ラムエアタービン（ＲＡＴ）、又はＮｉＣｄバッテリを代用するものである。直流電流を生成するための燃料電池が設けられていて、この際、この燃料電池の空気供給のためには航空機・エアコンディショナの排気又は航空機外気が使用される。燃料電池排気から航空機の水供給のための水が獲得され、この際、燃料電池排気は、引き続き、航空機周囲に排出される。燃料電池から発生する水素も航空機周囲に排出される。
【０００８】
【特許文献２】
ドイツ特許発明第19911018号明細書(DE19911018C1)
【０００９】
更に前記特許文献２から、航空機のための補助エンジン、所謂補助パワーユニット（ＡＰＵ）が知られていて、この補助エンジンは、燃焼室を有するガスタービン、圧縮機、並びにタービンを含んでいる。圧縮空気を生成するためには、タービンと連結されているコンプレッサが用いられ、それに対し、電気エネルギーを生成するために燃料電池が設けられている。
【００１０】
【特許文献３】
イギリス特許出願公開第2338750号明細書(GB2338750A)
【００１１】
前記特許文献３では、組込式燃料電池を有するジェットエンジンが記載されている。この刊行物からは、前記の両方の刊行物からもそうであるが、次の還元方法について読み取ることができない。即ちこの還元方法では、高温・燃料電池の排気ガス中のＣＯ及び／又はＮＯｘの含有量を減少することの他に、その中に含まれる水素が低温・燃料電池（ＰＥＭ・燃料電池）を更に利用するために燃料として供給されるというものである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の基礎を成す課題は、空気と炭化水素（或いは水素）で稼動される燃料電池の効率を向上するための方法を提供し、それと同時に、燃料電池、好ましくは高温・燃料電池にて生じる非所望の排気ガスを減少し且つそれにより航空機内での使用を可能とさせる方法を提案することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、本発明に従い、請求項１に記載された方法の特徴により解決される。
【００１４】
本発明による方法は、燃料電池のために利用可能なガスを濃縮すること、それと同時に、プロセスに関与しない他の全てのガスを減少すること或いは非所望の熱化学変化を回避することに基づいている。この際、２つの領域への区分が成される。即ち、酸素濃縮の領域或いは燃料濃縮の領域である。
【００１５】
本発明による方法の更なる構成は、従属請求項２〜１８に記載されている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、図面を用い、本発明の実施形態を説明する。
【００１７】
酸素濃縮について(Sauerstoffanreicherung)
【００１８】
酸素濃縮のためには様々な方法が使用される。通常、所謂分子ふるいにより、幾何学的構成に関してより小さい分子を有するガスは、存在する他のガスのより大きい分子から分離され得る。この場合、酸素の分子は、幾何学的構成に関し、空気中の窒素の分子及び二酸化炭素の分子よりも小さく、その結果、酸素は分子ふるいを通過するが、窒素及び二酸化炭素は分子ふるいを通過しない。従って、分子ふるいの反対側には酸素濃縮が発生する。
【００１９】
航空の分野では、容器内で対向して位置する２つの分子ふるいを用い、この容器内の通流方向を交互に操作することにより、乗客の酸素供給用の酸素を濃縮することが行われるという方法が知られている（ＯＢＯＧＳ）。また、セラミック製の基盤に基づき、静電充電の影響に基づく方法も知られている。
【００２０】
本システムの新しさは、酸素・濃縮方法に依存せず、これらの方法の１つ又はこれらの方法の組み合わせと１つ又は複数の燃料電池とを連係させるということにある。
【００２１】
そのために、本システムは供給側で圧力付勢され、空気が酸素・濃縮システム（例えば分子ふるい）によって圧縮され、この際、窒素分子及び二酸化炭素分子は抑制される。酸素の濃縮された濃縮システム後の空気は、直接的に燃料電池に供給される。
【００２２】
燃料電池自体内で酸素は水素原子と結合してＨ２Ｏ即ち水となる。この水は分離され、例えば燃料・改質器プロセス及び／又は水システムのようなその他の利用のために供給される。含有される全ての酸素が燃料電池で利用されるのではないので、即ち、実際の消費よりも量的な通流の方が大きいので、残留酸素は入力側で再び濃縮システムに供給される。濃縮システム及び燃料電池の圧力付勢はコンプレッサを用いて実現され、このコンプレッサは、燃料電池からの電気エネルギーを用いて稼動されるか、又は、高温・燃料電池を使用する場合には排気ガス・タービンから獲得される機械エネルギーを用いて稼動される。
【００２３】
燃料濃縮について(Brennstoffanreicherung)
【００２４】
炭化水素から燃料を濃縮するための方法では、高温・燃料電池と低温・燃料電池との間の配置構成が区別されなくてはならない。両方のケースにおいて、改質器プロセスでは、水素が炭化水素分子及び水分子の分解によって獲得される。この際、原子水素及び分子水素の他に様々な他の反応ガスも発生し、これらの反応ガスは燃料電池内では使いみちのないものである。
【００２５】
水素濃縮が燃料電池自体内で行われる改質器プロセスが高温・燃料電池において内部で行われると、この場合、低温・燃料電池の前には外部の改質器が接続されなくてはならない。高温・燃料電池における内部の改質器プロセスはここでは考慮されず、その理由は、この改質器プロセスがこの燃料電池タイプのためには方法に関して典型的なものであるためである。
【００２６】
低温・燃料電池は、通常、可燃ガス（燃焼ガス）の汚染に対して極めて敏感であり、それにより、水素を有する可燃ガスの事前の濃縮、及びそれと共に百分率による汚染の減少が提供されている。
【００２７】
この際、本発明に従い、改質器内で生成された反応ガスは分子ふるいによって分離される。改質器プロセスでは、炭化水素（ＣＸＨＹ）及び水（Ｈ２Ｏ）から、反応ガスである、水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）が発生する。低温・燃料電池（例えば、ＰＥＭＦＣ・陽子交換膜・燃料電池）のために利用可能なガスは水素である。この水素は、酸素側におけるものに対応する方法で、分子ふるいを介して分離される或いは燃料電池の膜の前で濃縮される。他のガスは他の改質器プロセスに導かれ、そこで、これらのガスは、排気ガスとして排出される以前に、更に分解されて新たに水素が獲得される。
【００２８】
特殊な使用ケースである水発生システムについて。
【００２９】
特殊な使用ケースは、燃料電池をベースにした水発生システムである。
【００３０】
生成すべき水は、できるだけ高純度を有するべきであり、特に、炭化水素、アルコール等を含まないものであるべきで、潜在的に健康に害のある他の内容物質もそうである。
【００３１】
高温・燃料電池を使用する場合、利用可能な水は、陽極側、即ち、燃料供給側に生じる。可燃ガスとしての炭化水素では、燃料電池排気ガスからの水蒸気の凝縮により、水と炭化水素分子が混合することになり、また場合によっては煤粒子や健康に害のある他の内容物質も混合することになる。低温・燃料電池では、水が、酸素側或いは空気側で生成され、それにより最初から比較的高い純度を有する。しかし、例えば航空におけるような移動式の使用時には、効率の理由で、ガスタービンと組み合わされた、例えば酸化セラミック・燃料電池のような高温・燃料電池システムが（ＳＯＦＣ＋ＧＴ）有利である。高温・燃料電池において内部で行われる改質器プロセスでは、一方では高温・燃料電池自体、更には追加的な低温・燃料電池に水素供給するために、十分な水素が分離され得る。
【００３２】
本発明に従い、燃料濃縮（Ｈ２濃縮）のためのこの方法は、高温・燃料電池の燃料側と、低温・燃料電池の燃料側（水素側）との間に投入される。
【００３３】
低温・燃料電池、特に燃料電池の膜が熱負荷に対して敏感であるので、可燃ガス（Ｈ２）は高温・燃料電池から低温・燃料電池への経路において冷却（例えばｔ＜８０℃に冷却）されなくてはならない。このためには、例えば、後に接続されている冷却器を有するタービンが使用され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】航空機内における水発生のためにＰＥＭＦＣ・低温・燃料電池とＳＯＦＣ・高温・燃料電池とから組み合わされた燃料電池システムのための酸素・水素濃縮を示す図である。
【図２】航空機のための低温・燃料電池を有する燃料電池システムのための酸素濃縮を示す図である。
【符号の説明】
１    空気
２    燃料、炭化水素（例えばケロシン）
３    高温・燃料電池（ＳＯＦＣ）
４    低温・燃料電池（ＰＥＭＦＣ）
５    分子ふるい
６    タービン
７    コンプレッサ
８    酸素発生器（酸素ジェネレータ）
９    凝縮器（コンデンサ）
１０    冷却器（タービンからのガス流を冷却）
１１    蒸発器（エバポレータ、燃料調整）
１２    タービン
１３    コンプレッサ
１４    触媒
１５    連結器（クラッチ、電気モータとコンプレッサとの間）
１６    電気モータ
１７    浄化（精製、プリフィケーション）
１８    浄化（精製、プリフィケーション）
１９    塩処理
２０    ＷＣ・洗浄
２１    空気加湿／エアコン／飲料水／調理室／シャワー・洗浄水
２２    汚水・脱水素化
２３    雑排水・受留器
２４    オーバーフロー（ドレイン・マスト）
２５    汚水・廃棄処理
２６    加湿器
２７    乾燥器
２８    キャビン
１０１    低温・燃料電池
１０２    膜（メンブラン）
１０３    コンプレッサ
１０４    タービン
１０５    改質器（リフォーマ）
１０６    蒸発器（エバポレータ）
１０７    蒸発器（エバポレータ）
１０８    冷却器
１１０    燃料（炭化水素）
１１２    水
１１３    排気ガス
１１４    凝縮器（コンデンサ）
１１５    排気ガス
１１６    空気
１１７    分配空気（軽量分配空気）
１１８    スタートユニット
１１９    連結器（クラッチ）
１２０    プロセス始動用のジェネレータ
１２１    加湿器
１２２    水（Ｈ２Ｏ）
１２３    酸素発生器（酸素ジェネレータ）
１２４    大気（空気）
１２５    エアコン・パック
１２６    キャビン
１２７    窒素
１２８    分配空気（軽量分配空気）
１２９    空気
１３０    排気（キャビン）
１３１    空気
１３２    除湿器（ドライヤ）
【図１】
0004596745.tif 000002
【図２】
0004596745.tif 000003