(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
後続配置の燃料電池ユニット（１０）を運転するために空気を供給しながら、エネルギー担体から水素を発生するための改質ユニット（１８）を備え、この改質ユニット（１８）と燃料電池ユニット（１０）の間に、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための酸化装置（３４）が配置されている燃料電池装置において、
空気用二段型圧縮機（４９）が、燃料電池ユニット（１０）のカソード（１４）の空気供給のための第１段（５４）と、改質ユニット（１８）の空気供給のための、前記第１段より高圧の第２段（５６）とを備え、これら第１段と第２段の圧力差が前記改質ユニット（１８）から前記酸化装置（３４）を経て前記燃料電池ユニット（１０）へ至る管路での圧力損失に相当し、
前記空気用二段型圧縮機（４９）が、前記燃料電池ユニット（１０）におけるアノードとカソードの圧力が同じになるよう、改質ユニット（１８）と燃料電池ユニット（１０）に付設されていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
第２段（５６）の圧力が第１段の圧力（５４）よりも０．５〜０．９バール高いことを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項３】
圧縮機（４９）がピストン式圧縮機、ねじ圧縮機すなわちねじコンプレッサ（５０）または遠心圧縮機であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池装置。
【請求項４】
第１段（５４）の圧力が２．５〜３．５バールであることを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池装置。
【請求項５】
第２段（５６）の圧力が３．２〜４．２バールであることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一つに記載の燃料電池装置。
【請求項６】
改質ユニット（１８）が原料（２８）と空気のための混合器（２０）を備えていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項７】
燃料電池ユニット（１０）のカソード（１４）からの排気流（６６）内、燃料電池ユニット（１０）のアノード（１２）からの排気流（６０）内及び酸化ユニット（３４）からの清浄ガス流（３８）内のうち少なくとも何れかにおいて水分離装置（４０，６２，６８）が設けられ、この水分離装置（４０，６２，６８）がガス（３８，６０，６６）内に含まれる水を分離し、改質ユニット（１８）の手前に接続配置された水貯蔵装置（３０）に供給することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の燃料電池装置。
【請求項８】
独立した水回路（７２）が設けられ、この水回路が少なくとも１個の水分離装置（４０，６２，６８）、燃料電池ユニット（１０，１６）、燃料電池ユニット（１０）のカソード（１４）の空気供給部（４８）及び改質ユニット（１８，２０）の空気供給部のうち少なくとも何れかを冷却することを特徴とする請求項７記載の燃料電池装置。
【請求項９】
水の噴射装置（４６）が酸化ユニット（３４）に設けられ、水をこの酸化ユニット内に噴射することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の燃料電池装置。
【請求項１０】
触媒バーナー（８２）が設けられ、この触媒バーナーが燃料電池ユニット（１０）のアノード（１２）からの排気（６０）を燃焼し、その廃熱を熱交換器（２２）を経て改質ユニット（１８）に供給することを特徴とすることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の燃料電池装置。
【請求項１１】
触媒バーナー（８２）が原料のための貯蔵容器（２８）に接続されていることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池ユニット。
【請求項１２】
膨張器（９４）が燃料電池ユニット（１０）のカソード（１４）の排気流（６６）に設けられ、コンプレッサ（９６）が燃料電池ユニット（１０）の流入空気流（９８）内に設けられ、膨張器とコンプレッサが共通の軸（１００）に配置されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の燃料電池装置。
【請求項１３】
原料（２８）が水素を含む物質であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一つに記載の燃料電池装置。
【請求項１４】
燃料電池ユニットを運転するために、水素が改質プロセスで空気を供給しながら原料から発生させられ、改質プロセスの後でかつ燃料電池ユニットの前に一酸化炭素が二酸化炭素に酸化される、燃料電池装置によって電気エネルギーを発生するための方法において、
前記燃料電池ユニットにおけるアノードとカソードの圧力が同じになるように、二段型圧縮機の第１段から空気が燃料電池ユニットに供給され、該第１段よりも高圧の前記二段型圧縮機の第２段から空気が改質ユニットに供給されることを特徴とする方法。
【請求項１５】
圧縮機の第１段が、前記第２段よりも０．５〜０．９バールだけ低い圧力で、空気を燃料電池ユニットのカソードに供給することを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
一酸化炭素を二酸化炭素に酸化する際に、水が噴射されることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
水が蒸気状またはエアゾール状に噴射されることを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
一酸化炭素の酸化と燃料電池ユニットとの間のプロセスガス及び燃料電池ユニットのカソードのうち少なくとも何れかに、圧縮された空気が供給されることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
燃料電池ユニットのカソードからの排気流及び燃料電池ユニットのアノードからの排気流のうち少なくとも何れかから、水が分離され、改質プロセスに供給されることを特徴とする請求項１４〜１８のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２０】
燃料電池ユニットのアノードからの排気が燃焼させられ、その廃熱が改質プロセスに供給されることを特徴とする請求項１４〜１９のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２１】
原料が燃焼させられ、その熱エネルギーが改質プロセスに供給されることを特徴とする請求項１４〜２０のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２２】
水素を含む物質が原料として使用されることを特徴とする請求項１４〜２１のいずれか一つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、後続配置の燃料電池ユニットを運転するために空気を供給しながら、エネルギー担体、特に液状原料から水素を発生するための改質ユニットを備え、この改質ユニットと燃料電池ユニットの間に、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための酸化装置が配置されている、請求項１の上位概念に記載した、特に自動車の駆動装置としての燃料電池装置に関する。本発明は更に、燃料電池ユニットを運転するために、水素が改質プロセスで空気を供給しながら原料から発生させられ、改質プロセスの後でかつ燃料電池ユニットの前に一酸化炭素が二酸化炭素に酸化される、請求項１４の上位概念に記載した、特に自動車の駆動装置のための、燃料電池装置によって電気エネルギーを発生するための方法に関する。
【０００２】
欧州特許第０２１７５３２号公報により、触媒水素発生器が知られている。この水素発生器はオートサーミック改質ユニット内でメタノールと空気の混合気から水素を発生する。この場合、改質ユニット内に熱電対が配置され、改質ユニット内の熱電対の場所の温度が上昇するにつれて空気供給が減らされるように、この熱電対がメタノールと空気の混合気への空気供給に影響を与える。
【０００３】
この装置の発展形態の水素発生器がＷＯ９６／００１８６に記載されている。この場合、メタノールと空気の混合気が触媒を通って半径方向に流れるように、触媒はメタノールと空気の混合気のための入口管の周りに配置されている。
【０００４】
ドイツ連邦共和国特許第４３４５３１９号公報とドイツ連邦共和国特許第４３２９３２３号公報には燃料電池電流発生装置が開示されている。この場合、改質ユニット内でメタノールと水素の混合気から水素が発生させられる。この水素は電気的なエネルギーを発生するための後続配置の燃料電池に供給される。改質器内で充分な反応熱を発生するために、メタノールの一部がメタノールと水の混合気に添加されないで、付加的なバーナー内で燃焼される。
【０００５】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６２９０８４号公報により、燃料電池からなる駆動バッテリを備えた電気自動車が知られている。この場合、燃料電池は走行風によって冷却されるように配置されている。
【０００６】
ドイツ連邦共和国の定期刊行物である自動車技術(Autotechnik) 、第５／１９９７号、第２０／２１頁の記事“分かったぞ？(Heureka？)”には、燃料電池駆動装置を備えた自動車が記載されている。この場合、燃料電池を運転するために必要な水素は自動車自体でベンジンから作られる。その際、多段プロセスでベンジンが水素に変換される。変換の前に、ベンジンは蒸発器内で加熱によってガス状の状態になる。部分燃焼反応器内で酸素不足状態で水素と一酸化炭素が発生する。一酸化炭素を酸化するために、酸化銅触媒と酸化亜鉛触媒が設けられている。この場合、水蒸気は反応のための酸素供与体として供給される。他のステップでは、最後の約１％の一酸化炭素が慣用のプラチナ酸化触媒内で空気を供給しながら後燃焼させられる。このようにして得られた、水素、一酸化炭素および二酸化炭素の混合物はまだ１０ｐｐｍの一酸化炭素を含んでいる。これは後続配置の燃料電池にとって問題がない。従って、熱交換器で約８０°Ｃに冷却した後で、ガスは燃料電池に案内される。
【０００７】
日本の定期刊行物であるアジア自動車レポート、１９９８年１月２０日の第２７２巻、第３４〜３９頁の記事“代替燃料”により、自動車用の類似の燃料電池装置が知られている。この場合、メタノール改質ユニットが燃料電池用水素を発生するために設けられている。この場合、水素と酸素の電気化学的な反応時に発生する水は改質プロセスのために再び使用される。改質プロセスのために脱イオン化された水とメタノールが混合され、蒸発され、２５０°Ｃの温度で水素と二酸化炭素に変換される。この水素は燃料電池に供給され、この燃料電池はこの水素を空気中酸素と共に触媒プロセスで電気的なエネルギーと水に変換する。蒸発と改質プロセスのために必要な熱エネルギーは燃料電池の後に接続配置された触媒バーナーで発生させられる。このバーナーは燃料電池からの残留ガスで運転される。このガスは水素を含んでいる。なぜなら、燃料電池装置が供給される水素の約７５％だけを利用するからである。充分な残留水素が触媒バーナーに供されない場合には、燃料タンクからのメタノールが改質器の熱を回収するために使用される。改質器で発生したガスを水素成分と共に導入開始する前に、このガスは触媒反応によって浄化される。この場合、一酸化炭素が二酸化炭素に変換される。自動車用の燃料電池装置の図示実施の形態では、メタノール改質器は蒸発器、改質器および一酸化炭素用酸化ユニットを備えている。
【０００８】
ドイツ連邦共和国特許第４３２２７６５号公報には、燃料電池を備えた車両用のダイナミック出力制御のための方法と装置が開示されている。この燃料電池は電気式駆動ユニットに電気エネルギーを供給する。アクセルペダル位置に対応する要求出力から出発して、空気流量が計算される。この空気流量は燃料電池によって目標出力を準備するために必要である。燃料電池の吸込み管路内に配置したコンプレッサは必要な空気流に対応してその回転数が調節される。
【０００９】
欧州特許第０６２９０１３号公報により、燃料電池装置の空気供給方法と装置が知られている。この場合、プロセス空気が燃料電池に入る前に圧縮機によって圧縮される。燃料電池を通過した後で、排出される排気はエネルギーを回収するためにタービンを経て減張される。この場合、タービン、圧縮機および付加的な駆動モータは共通の軸に配置されている。圧縮機は回転数を変更可能に形成され、排気を減張するためのタービンとしての膨張器と共に共通の軸に配置されている。吸収力を変更する膨張器の使用によって、燃料電池のための空気流調節が行われる。
【００１０】
ＷＯ９７／１６６４８号公報により、冷蔵庫用ねじコンプレッサが知られている。このねじコンプレッサは２つのポンプ室を備えている。第１のポンプ室の出口は第２のポンプ室の二次入口に接続されている。
【００１１】
本発明の根底をなす課題は、高効率で小型であると共に、特に自動車の駆動装置用の電気エネルギーを発生するための経済的で環境に優しい使用が可能となるように、冒頭に述べた種類の燃料電池装置を改良することである。
【００１２】
この課題は本発明に従い、請求項１に記載した特徴を有する上記種類の燃料電池装置によって、および請求項１４に記載した特徴を有する上記種類の方法によって解決される。本発明の有利な実施形は従属請求項に記載されている。
【００１３】
そのために、燃料電池装置の場合、本発明に従い、空気用の二段型圧縮機が改質ユニットと燃料電池ユニットに付設されている。
【００１４】
これは、管路長さが異なり、通過すべき段が互いに異なっているにもかかわらず、燃料電池ユニットのアノードとカソードのために同じ圧力が提供されるという利点がある。これはアノードとカソードの作用のためにきわめて重要である。燃料電池ユニットのカソードに空気を供給するために、比較的に低い圧力、例えば約２．５〜３．５バール、特に約３バールの圧力の空気流が圧縮機の第１段から取り出され、主として改質ユニット１８の空気供給に役立つ圧縮機の第２段から、比較的に高い圧力、例えば約３．２〜４．２バール、特に約３．７バールの圧力の空気流が取り出される。第２段のこの高い圧力は、改質ユニットから酸化ユニットを経て燃料電池ユニットへの他の経路で発生する圧力損失を最初から考慮する。
【００１５】
選定された圧力の絶対高さに依存しないで、第１段と第２段の間の圧力差は約０．５〜０．９バール、特に０．７バールである。
【００１６】
二段型圧縮機またはコンプレッサは、ピストン式圧縮機、ねじ圧縮機またはねじコンプレッサまたは遠心圧縮機として形成可能である。
【００１７】
経済性、特に必要スペースを更に改善するために、水噴射装置を酸化装置に設けることができる。この水噴射装置は酸化装置に水を噴射する。
【００１８】
これは、改質ユニットから出るプロセスガスから一酸化炭素を遠ざけると同時に、燃料電池ユニットのための高い割合の水素成分によって、充分な冷却または予冷が達成されるので、プロセスガスがコストのかかる冷却装置なしにまたはコストがあまりかからない冷却装置によって燃料電池ユニットに案内可能であるということにある。更に、噴射された水は一酸化炭素の酸化のために必要な酸素を供給する。この場合同時に、酸化反応によって、付加的な水素が遊離するので、酸化のための別個の酸素供給を量的に低減することができ、同時に酸化装置内の水素富化が燃料電池装置を小型にする。これは燃料電池装置の必要スペースと装置コストを低減する。
【００１９】
好ましい実施形では、改質ユニットが原料と酸素を含む物質、特に水及び空気のうち少なくとも何れかのための混合器を備えている。
【００２０】
燃料電池ユニットのカソードからの排気流内及び燃料電池ユニットのアノードからの排気流内のうち少なくとも何れかに、水分離装置、特に凝縮器が設けられ、この凝縮器が排気を含む水を分離し、オートサーミック改質ユニットの前に接続配置された水貯蔵装置に供給することにより、改質プロセスのために多量の水を一緒に運ぶ必要なしに、閉鎖水回路が達成される。
【００２１】
有利な実施形では、別個の水回路が設けられ、この水回路が水分離装置、燃料電池ユニット、燃料電池ユニットのカソードの空気供給部及び改質ユニットの空気供給部のうち少なくとも何れかを冷却する。
【００２２】
改質ユニット内の反応のために必要な熱エネルギーを発生するために、触媒バーナーが設けられ、この触媒バーナーが燃料電池ユニットのアノードからの排気を燃焼し、その廃熱を熱交換器を経て改質ユニットに供給する。
【００２３】
改質ユニットのための代替的な熱発生は、触媒バーナーが原料のための貯蔵容器に接続されていることによって達成される。
【００２４】
膨張器が燃料電池ユニットのカソードの排気流に設けられ、コンプレッサ、特に二段型コンプレッサが燃料電池ユニットの空気流内に設けられ、膨張器とコンプレッサが共通の軸に配置されていることにより、エネルギー回収が達成される。
【００２５】
原料は好ましくは水素を含む物質、特にメタノールまたはベンジンである。
【００２６】
上記種類の方法において本発明では、二段型圧縮機の第１段から空気が燃料電池ユニットに供給され、圧縮機の第２段から空気が改質ユニットに供給される。
【００２７】
これは、管路長さが異なり、通過すべき段が互いに異なっているにもかかわらず、燃料電池ユニットのアノードとカソードのために同じ圧力が提供されるという利点がある。これはアノードとカソードの作用のためにきわめて重要である。燃料電池ユニットのカソードに空気を供給するために、比較的に低い圧力、例えば約２．５〜３．５バール、特に約３バールの圧力の空気流が圧縮機の第１段から取り出され、主として改質ユニット１８の空気供給に役立つ圧縮機の第２段から、比較的に高い圧力、例えば約３．２〜４．２バール、特に約３．７バールの圧力の空気流が取り出される。第２段のこの高い圧力は、改質ユニットから酸化ユニットを経て燃料電池ユニットへの他の経路で発生する圧力損失を最初から考慮する。
【００２８】
経済性、特に必要スペースの一層の改善のために、水を噴射する水噴射装置が酸化装置に設けられている。
【００２９】
これは、改質ユニットから出るプロセスガスから一酸化炭素を遠ざけると同時に、燃料電池ユニットのための高い割合の水素成分によって、充分な冷却または予冷が達成されるので、プロセスガスがコストのかかる冷却装置なしにまたはコストがあまりかからない冷却装置によって燃料電池ユニットに案内可能であるということにある。更に、噴射された水は一酸化炭素の酸化のために必要な酸素を供給する。この場合同時に、酸化反応によって、付加的な水素が遊離するので、酸化のための別個の酸素供給を量的に低減することができ、同時にプロセスガス中における水素の占める割合が増加し、酸化装置内の水素富化が燃料電池装置を小型にする。これは燃料電池装置の必要スペースと装置コストを低減する。
【００３０】
水供給の効率を高めるために、水は蒸気状またはエアゾール状に噴射される。
【００３１】
一酸化炭素の酸化と燃料電池ユニットとの間のプロセスガス及び燃料電池ユニットのカソードのうち少なくとも何れかに、圧縮された空気が供給されることにより、燃料電池ユニットの付加的な効率上昇が達成可能である。
【００３２】
燃料電池ユニットのカソードからの排気流及び燃料電池ユニットのアノードからの排気流のうち少なくとも何れかから、水が分離され、改質プロセスに供給されることにより、改質プロセスのための多量の水を一緒に運ぶ必要なしに、閉鎖された水回路が達成可能である。
【００３３】
改質プロセスの反応のために必要な熱エネルギーを発生するために、燃料電池ユニットのアノードからの排気が燃焼させられ、その廃熱が改質プロセスに供給される。
【００３４】
原料が燃焼させられ、その熱エネルギーが改質プロセスに供給されることにより、改質プロセスのための代替的な熱発生が達成される。
【００３５】
好ましくは、水素を含む物質、特にメタノールまたはベンジンが原料として使用される。
【００３６】
本発明の他の特徴、効果および有利な実施形は、特許請求の範囲と添付の図に基づく本発明の次の説明から明らかになる。図は本発明による燃料電池装置の有利な実施の形態のブロック図である。
【００３７】
この燃料電池装置では、アノード１２、カソード１４および冷却要素１６を備えた燃料電池ユニット１０のための水素がオートサーミック改質ユニット１８によって発生させられる。この改質装置は混合器２０、熱交換器２２、蒸発器２４および触媒改質器２６を備えている。水素を発生するために、例えば原料としてのメタノールがメタノールタンク２８から、そして水が水タンク３０から混合器２０に供給される。蒸発器２４において、メタノールと水の混合物が蒸発させられ、触媒改質器２６において触媒反応で、高い割合の水素を有する生ガス３２の形をした反応ガスが発生する。
【００３８】
この生ガスは特に一酸化炭素（ＣＯ）を含んでいる。この一酸化炭素は燃料電池ユニット１０に入る前に除去しなければならない。そのために、生ガス３２を酸化ユニット３４に案内しなければならない。この酸化ユニットでは、管路３６から空気を供給しながら、一酸化炭素が二酸化炭素（ＣＯ2 ）に酸化されるので、２０ｐｐｍより小さなＣＯ含有量となる。同時に、水タンク３０から管路４４を経て水が供給される。この場合、供給される水は噴射装置４６によって酸化ユニット３４内に噴射される。これは酸化ユニット３４内で反応ガスを同時に冷却することになる。このようにして発生し冷却された清浄ガスから、アノードガス凝縮器４０内で、水が除かれる。この水は管路４２を経て水タンク３０に戻される。続いて、水素の高い含有率を有する清浄ガス３８は、燃料電池ユニット１０のアノード１２に案内される。清浄ガス３８は例えば約１８０〜２００°Ｃの温度の５０％のＨ2 、２５％のＮ2 そして２５％のＣＯ2 を含んでいる。アノードガス凝縮器４０では、清浄ガスはアノード１２に入る前に例えば約８５°Ｃに冷却される。
【００３９】
カソード側１４において、二段型ねじコンプレッサ５０として形成された圧縮機４９から、圧縮された空気が管路４８を経て燃料電池ユニット１０に供給される。すべての空気管路は図１において破線で示してある。これにより、燃料電池ユニットは公知の如く、次の反応
Ｈ2 ＋1/2 Ｏ2 →  Ｈ2Ｏ  ＋電気エネルギー
によって電気エネルギーを生じる。この電気エネルギーは電極１２，１４で取り出され、電動機５２に供給可能である。二段型ねじコンプレッサ５０は例えばカソード１４用の例えば約３バールの第１段５４と、アノード１２の供給される燃焼ガス、すなわち脱水素清浄ガス３８用の３．７バールの第２段５６とを含んでいる。ねじコンプレッサ５０から更に取り出すことによって管路５８を経て、圧縮ガスがアノードガス凝縮器４０の後の清浄ガス３８に供給される。
【００４０】
アノードガス流６０には水分離器６２が配置されている。この水分離器はアノード排気６０から水を分離し、管路６４を経て水タンク３０に供給する。カソード排気流６６には凝縮器６８が設けられている。この凝縮器はカソード排気６６から水を取り除き、管路７０を経て水タンク３０に供給する。これにより、プロセスガスのために閉鎖水回路が形成されるので、改質ユニット１８内で水素を製造するために多量の水を一緒に運ぶ必要がない。
【００４１】
混合器２０への空気供給部、アノードガス凝縮器４０、水分離器６２、凝縮器６８およびカソード１４への空気供給部４８を冷却するために、別個の水回路７２が設けられている。この水回路は波形の線で示してある。この別個の水回路７２は冷却水容器７４、イオン消失器を有する水容器７６およびカソード１４への空気供給部４８と混合器２０への空気供給部における熱交換器７８，８０を備えている。
【００４２】
アノード排気流６０は触媒バーナー８２内を流れる。この触媒バーナー内では、アノード排気６０は熱エネルギーを発生しながら更に燃焼する。この熱エネルギーは熱交換器２２によって蒸発器２４と触媒改質器２６に供給され、そこで水素を発生するための触媒反応を維持する。触媒バーナー８２には管路８４から空気が供給される。水タンク３０からの水は、管路８６を経て、選択的に触媒バーナー８２の過程後のアノード排気６０へ供給される。メタノールタンク２８から管路８８を経て触媒バーナー８２にメタノールを選択的に供給可能であるので、アノード排気流６０が充分でない場合、例えば燃料電池装置のスタート時に、改質ユニット１８のために充分な熱エネルギー発生が保証される。
【００４３】
カソード排気流６６は別個の水回路７２の熱交換器９０内で冷却され、続いて両排気流６０，６６が装置から出る前に、熱交換器９２を経てアノード排気流６０と熱的に結合される。
【００４４】
その際、カソード排気流６６は膨張タービン９４を経て案内される。この膨張タービンは、二段型コンプレッサ５０の手前に入口段として設けられている空気９８を吸い込むためのコンプレッサ９６と共に、共通の軸１００に設けられている。これによって、カソード排気流６６に含まれるエネルギーはコンプレッサ９６内で空気９８を圧縮するために回収される。
【００４５】
効率が高く、必要スペースが狭く、装置コストが少なくて済むというこの実施の形態の特別な利点は、自給自足の水回路３０，４０，４２，６２，６４，６８，７０と共に、酸化ユニット３４で一酸化炭素（ＣＯ）を選択的に酸化する際に、二段型コンプレッサ５０とオートサーミック改質ユニット１８を付加的に冷却する水噴射装置４６とを組み合わせることによって生じる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による燃料電池装置の有利な実施の形態のブロック図である。
【図１】
0004594523.tif 000002