(57)【要約】燃料電池設備は一般に一方では燃料を、他方では燃料電池の作動のために必要な酸化剤としての空気を供給される。種々の環境下での車両の運転時に場合により有害物質の高負荷により発生するおそれのある燃料電池モジュール（１０）の障害を回避するために空気が燃料電池設備に取り入れられる前に浄化される。このため燃料電池モジュール（１０）に空気浄化ユニット（５０）が付設される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自呼吸する少なくとも一つの燃料電池モジュールを備え、この自呼吸する少なくとも一つの燃料電池モジュールに燃料および空気を供給するようにした車両に使用可能な燃料電池設備の作動方法において、空気を燃料電池モジュールに取り入れる前に浄化することを特徴とする方法。
【請求項２】
多段階の空気浄化を行うことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
空気粒子の浄化と空気中の有害物質の浄化との２段階の空気浄化を行うことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
ＰＥＭ燃料電池、特にＨＴ−ＰＥＭ燃料電池を使用することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
少なくとも一つの燃料電池モジュールを備え、この燃料電池モジュールに燃料および空気を供給するようにした請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法を実施するための自動車用燃料電池設備において、任意の環境下で車両（１）を運転するため燃料電池モジュール（１０）に空気調整ユニット（５０）を前置接続したことを特徴とする燃料電池設備。
【請求項６】
空気調整ユニット（５０）が化学的空気浄化手段（４０）である吸着剤（４１）および/または触媒皮膜（４２）を含むことを特徴とする請求項５記載の燃料電池設備。
【請求項７】
吸着剤（４１）としてゼオライトを使用することを特徴とする請求項６記載の燃料電池設備。
【請求項８】
触媒皮膜（４２）が化学元素の周期表の白金族に属する貴金属であることを特徴とする請求項６記載の燃料電池設備。
【請求項９】
燃料電池モジュール（１０）に少なくとも一つのフィルタ（４５，４５‘）を前置接続したことを特徴とする請求項５記載の燃料電池設備。
【請求項１０】
フィルタ（４５，４５‘）がｎ段フィルタであることを特徴とする請求項９記載の燃料電池設備。
【請求項１１】
フィルタ（４５，４５‘）が多機能フィルタまたはマルチファンクションフィルタであることを特徴とする請求項９記載の燃料電池設備。
【請求項１２】
熱交換器（３０）を設けることを特徴とする請求項５記載の燃料電池設備。
【請求項１３】
熱交換器（３０）が化学的空気浄化手段（４０）を含むことを特徴とする請求項１２記載の燃料電池設備。
【請求項１４】
燃料電池モジュール（１０）がＰＥＭ燃料電池を含むことを特徴とする請求項５記載の燃料電池設備。
【請求項１５】
燃料電池モジュール（２０）がＨＴ−ＰＥＭ燃料電池を含むことを特徴とする請求項５記載の燃料電池設備。
【請求項１６】
燃料電池モジュール（１０）を車両（１）のシャシー（２）に車両（１）のｃｗ値およびその他の特性値が阻害されないように配置したことを特徴とする請求項５ないし１４のいずれか１項に記載の燃料電池設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に使用可能で燃料と空気を供給される燃料電池設備の作動方法に関する。更に本発明は、少なくとも一つの燃料電池モジュールを備え、この燃料電池モジュールに燃料と空気を供給する自動車用の付属の燃料電池設備に関する。
【０００２】
自動車における電動駆動のためのエネルギー供給用の燃料電池設備は各種の形態で知られている。これらの種々の燃料電池設備に共通するものは、水を発生する水素と酸素の化学反応である。
【０００３】
たとえば陽子伝導薄膜で作動するＰＥＭ(Polymer Electrolyte Membrane, Proton Exchange Membrane)燃料電池は、燃料としてガソリン、メタノール、または改質器により燃焼ガスとして水素を得られる他の高級炭化水素、および周囲空気からの酸素で作動する。特に高温で作動するＨＴ−ＰＥＭ燃料電池はそれ自体不純物に対し耐性を有するが、これは特に燃焼ガスに対してあてはまる。酸化剤としての酸素は周囲空気から得られ、これは原理的にはたとえば走行中の車両では吹き付けてくる風から得られる通常の周囲空気である。
【０００４】
特にＨＴ−ＰＥＭ燃料電池は不純物に耐性を有するとみなされているが、それでも作動ガスに対するある種の基準を達成しなければならない。たとえば都心内で負荷条件が種々に変化する自動車では、周囲空気の何らかの不純物により燃料電池設備に障害が生じることがまったくないようにしなければならない。
【０００５】
それゆえ本発明の課題は、自動車用燃料電池設備の機能をいかなる周囲状況においても保証する手段を提案し、また付属の燃料電池設備を提供することにある。
【０００６】
この課題は、方法に関しては本発明により請求項１に記載の手段により解決される。付属の燃料電池設備は請求項６の対象である。方法および付属の装置の実施態様はそれぞれ従属請求項の対象である。
【０００７】
すなわち本発明による方法によれば、空気は燃料電池に取り入れられる前に浄化される。浄化は、燃料電池が自分で呼吸（自呼吸）する際、すなわち走行時の風中の空気から燃料電池用の酸化剤を取り入れる際に行われると有利である。また多段階の空気浄化が行われると有利である。特に一方では粒子の浄化、他方では有害物質の浄化という２段階の空気浄化を行うことができる。
【０００８】
付属の燃料電池設備では燃料電池モジュールに、一方では有害物質を表面吸着するための吸着剤および/または有害物質を化学的に無害化するための触媒皮膜が、他方では触媒的に粒子をろ過するためのフィルタを有するユニットが前置接続される。たとえば触媒作用をする皮膜は組み込まれた熱交換器の面上に簡単に取り付けることができる。
【０００９】
本発明ではフィルタの構成に特別な機能を持たせる。このためマルチファンクションフィルタまたは多機能フィルタとして設計されたｎ段のフィルタが設けられる。
【００１０】
本発明の詳細および利点は特許請求の範囲に関連した図面に基づく実施例の図解から明らかにされる。
【００１１】
図１は燃料電池設備を組み込んだ自動車、図２は図１の自動車に使用される燃料電池モジュールと空気浄化ユニットからなるシステムを示す。
【００１２】
図１において自動車は１で示され、図では暗示されているにすぎないその電動駆動機構３は原理的には付属のシステムコンポーネントとして知られている燃料電池設備から給電される。燃料電池設備は主として燃料電池モジュール１０とその付属品からなる。少なくとも燃料電池モジュール１０は、適当な仕方で空気を供給できるように自動車のシャシーに取り付けなければならない。たとえば燃料電池モジュール１０は自動車１の床２の下にまたは中間床２‘により形成された自由空間内に配置される。さらに排出口８が概略表示されており、そこから純粋な水素および酸素による燃料電池モジュール１０の作動時に形成されるプロセス水および水素富化ガスの使用時の副生成物が排出される。
【００１３】
自動車１に装備された燃料電池設備では燃料電池モジュール１０はほとんどが走行中の風からエネルギーを供給される。すなわち燃料電池モジュール１０は自呼吸する。しかし低速運転時および/または高負荷時には一般に補助送風機が用いられる。このようにして酸素が燃料電池プロセスに必要な酸化剤として用意される。
【００１４】
自動車におけるモバイル利用のための燃料電池設備は膜電解質を有する膜燃料電池の原理で作動する。機械的手段を適当に使用することにより、すなわち偏向板および/またはノズル装置を用いることにより、走行中の風は燃料電池モジュール１０の最適利用を保証するように有効に利用される。燃料電池モジュール１０はこの場合平坦に形成され、その高さを制限する必要がある。特に自動車のｃｗ値などの空気力学的特性が著しく損なわれてはならないことが要求される。
【００１５】
燃料電池設備としては、固体電解質で作動しＰＥＭ(Polymer Electrolyte Membrane)燃料電池と呼ばれている燃料電池が使用される。この種の燃料電池は従来技術から公知であり、モバイル用にはこの種の燃料電池を従来専門書に書かれているよりも高温で作動すると有利である。それによりいわゆるＨＴ(High Temperature)−ＰＥＭ燃料電池が実現される。この種のＨＴ−ＰＥＭ燃料電池の作動温度は８０℃〜３００℃、特に１２０℃〜２００℃である。
【００１６】
特にＨＴ−ＰＥＭ燃料電池を有する燃料電池モジュールは平坦に形成できる。詳細には多数のＰＥＭ燃料電池が積層されるので、平面スタックと呼ばれる。この平面スタックは車両の床の下に、または乗用車でない場合は車両の屋根または自動車のシャシーのほかの適当な箇所に設置されると有利である。これにより走行中の風が好適に燃料電池に到達することが保証される。
【００１７】
図２では、上述のように個々のＨＴ−ＰＥＭ燃料電池が積層により一つの平面スタック、略してスタックに形成された燃料電池モジュール１０が使用される。この種のスタックには、燃料としてたとえばガソリンまたはメタノールなどの液体燃料、燃焼ガスとして改質により作られた水素または水素富化ガス、さらに酸化剤として周囲空気が供給される。ＨＴ−ＰＥＭ燃料電池は燃焼ガスの不純物に対して比較的耐性を有し、特にＣＯ不純物を１００００ｐｐｍまで許容するが、酸化剤に関しては問題がある。任意の環境、特に都市交通における一時的なＣＯまたはＣＯ2負荷において燃料電池で運転される車両の障害を回避するためには、燃料電池モジュール１０の前に空気浄化用の特殊な手段を有する空気調整ユニット５０が設けられる。
【００１８】
空気浄化手段は、化学的および/または物理的原理で作動するものをそれぞれ組合わせて一つの空気調整ユニット５０を構成するものが使用されるが、これを図２により詳細に説明する。
【００１９】
空気調整ユニット５０は，熱交換器３０，吸着剤４１および/または触媒皮膜４２を含んでいる。好適な吸着剤は公知のもの、たとえばゼオライトが使用される。触媒皮膜としては貴金属、たとえば白金または他の貴金属が使用可能である。この種の貴金属皮膜は実地では熱交換器の分野ですでに使用されている。吸着剤４１および触媒皮膜４２を組合わせて一つの空気浄化ユニット４０を形成することもできる。
【００２０】
図２では化学的空気浄化ユニット４０の前にフィルタ４５，４５‘から成る２段フィルタが設置される。フィルタ４５では一定値を超える粒子が流入空気から除去され、フィルタ４５’ではそれより小さい値を超える粒子が除去される。多機能フィルタまたはマルチファンクションフィルタとして構成されるｎ段のフィルタも実現可能である。このフィルタはたとえば吸着剤４１および/または触媒皮膜４２を含むこともできる。これは、一方では粒子の浄化、他方では有害物質の浄化を行うときに有利である。空気浄化ユニットに熱交換器３０を組み込み、空気温度を燃料電池モジュール１０の作動に適した値に調整することもできる。、
【００２１】
図２の装置により、従来酸化剤として空気を使用した燃料電池設備の作動を阻害するおそれのあった周囲空気中の有害不純物をプロセス空気から除去できることが判明している。これにより不純物による燃料電池プロセスの障害は大幅に回避される。これによりＰＥＭ特にＨＴ−ＰＥＭ燃料電池を備えた燃料電池設備の使用にあたり、酸化剤を用意するため周囲空気を躊躇なく利用することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】燃料電池設備を組み込んだ自動車の概略図である。
【図２】図１の自動車に使用するための燃料電池モジュールと空気浄化ユニットから成るシステムの概略図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  自動車
２  床
３  駆動機構
８  排出口
１０  燃料電池モジュール
３０  熱交換器
４０  空気浄化ユニット
４１  吸着剤
４２  触媒皮膜
４５  フィルタ
５０  空気調整ユニット
【図１】
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【図２】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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