(57)【要約】燃料電池の排水管（１３、２１、３１、３３）内の弁（１５、３５、３７、３９）の故障は、意識せずに燃料ガスを環境に流すことになりかねない。この問題を解決するため、本発明は、差圧センサ（２７、５３）を接続したベンチュリノズル（２３、４０）により、排水管（２５、４１）を通るガス流及び水流を監視する（６５）、燃料電池からの媒体の排出を監視する方法並びにその燃料電池設備を提供する。差圧センサ（２７、５３）により示された差圧の値（６７）及び時間的推移（６９）は、排水管（１３、２１、３１、３３）内の弁（１５、３５、３７、３９）の調整、及び弁の故障時に、燃料電池ブロック（１）を運転停止（７１）する基礎資料となる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池（１Ｄ）を管路（２５、３３）を経て排出した後、該管路（２５、３３）を弁（３９）により閉鎖し（６３）、ベンチュリノズル（２３、４０）の差圧測定手段（２７、５３）により管路（２５、３３）内の流れを測定し（６５）、限界圧力以上の差圧で燃料電池を遮断する（７１）燃料電池（１Ｄ）からの媒体の放出の監視方法。
【請求項２】
燃料電池（１Ｄ）の排水中、ベンチュリノズルで差圧を監視する（５７）ことにより、ベンチュリノズル（２３、４０）を通る水流のガス流への変化を検出し（５９）、ガス貫流後に管路（２５、３３）を弁（３９）により閉鎖する（６３）燃料電池からの媒体の排出を監視する方法。
【請求項３】
ガスの貫流終了後に、この弁を一定の設定時間（６１）後に閉鎖する（６３）請求項２記載の方法。
【請求項４】
管路（２５、４１）内に、差圧センサ（２７、５３）を有するベンチュリノズル（２３、４０）が配置されたことを特徴とする燃料電池ブロック（１）と管路（２５、４１）を有する燃料電池設備。
【請求項５】
管路が排水管（２５、４１）であることを特徴とする請求項４記載の設備。
【請求項６】
管路が燃料ガス管であることを特徴とする請求項４記載の設備。
【請求項７】
燃料電池ブロック（１）が閉鎖形の燃料電池ブロック（１）であることを特徴とする請求項４乃至６の１つに記載の設備。
【請求項８】
潜水艦内の電気機器の電流供給装置として使用される請求項４乃至７の１つに記載の設備。
【請求項９】
上記機器が潜水艦の駆動機器であることを特徴とする請求項８記載の設備。
【請求項１０】
ＰＥＭ燃料電池を有する請求項４乃至９の１つに記載の設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、燃料電池からの媒体の排出の監視方法と燃料電池設備に関する。
【０００２】
燃料電池では、水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）を一緒に供給することで電気化学反応が生じ電気エネルギーと熱が生ずる。そのため燃料電池に、水素と酸素を純粋な形で、又は水素分を含む燃料ガスと空気として給送する。水素は、アノードガス室に供給され、そこでアノードに沿って進み、気孔のある構造の故に、アノードを貫通しその下にある電解質に達する。一方酸素はカソードガス室内に供給され、カソードに沿って進み、カソードの気孔のある構造により、やはりそこからカソード下の電解質に、但し水素と反対側の電解質に達する。従って平面的に形成された電解質の一方の側に水素、他方の側に酸素が存在する。電解質の種類に応じ、酸素又は水素は電解質を貫通する。この燃料電池は、例えばＰＥＭ燃料電池である。ＰＥＭとはＰｏｌｙｍｅｒ‐Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ‐Ｍｅｍｂｒａｎｅ（ポリマー電解質膜）又はＰｒｏｔｏｎ　Ｅｘｃｈａｎｇｅ　Ｍｅｍｂｒａｎｅ（プロトン交換膜）の略称であり、従って水素は電解質を貫通する。水素はカソードの酸素と反応して水（Ｈ２Ｏ）になり、電気エネルギーと熱を発生する。
【０００３】
カソード室内で生じるこの水は、ガス流と共に燃料電池から排出され、水分離器内でガス流から分離される。燃料電池を通るガス流がこの水を運び出すのに不十分な場合、この水は、燃料電池のカソード室内に蓄積され、時間の経つうちに、このセルを満水にする。類似のことは、燃料電池のアノード室でも生じ、そこに湿潤水が蓄積され、セル内に入る前の湿潤化のため水素に添加される。
【０００４】
欧州特許第０５９６３６６号明細書から、満水の燃料電池又は水分離器から、水を排水管により排出することが公知である。これは、調整弁を開け、生成水を燃料電池から流出させ又は燃料電池内を支配する過圧で燃料電池から押出し、弁を再び閉鎖するようにして行う。しかしその際、弁が故障して閉鎖しないと、酸素や水素が燃料電池ブロックから大量に排出されるという問題が起こる。
【０００５】
それ故本発明の課題は、不所望な分量のガス流の排出を効果的に阻止でき、燃料電池からのガスと水（以後媒体と呼ぶ）の排出を監視する方法を提供することにある。更に本発明の課題は、管路による媒体の排出を確実に監視する装置を備えた燃料電池設備を提供することにある。
【０００６】
方法に関する課題は、燃料電池からの媒体の排出を監視する本発明の方法により解決される。この場合、燃料電池を管路により排水した後、該管路を弁により閉じ、ベンチュリノズルにおける差圧測定手段により、管路内の流れを測定し、限界圧力以上の差圧で燃料電池を遮断する。
【０００７】
ベンチュリノズルは、管路内の断面積を狭め、次いでこの断面を均等に拡げることで生ずる。ベンチュリノズルを流れる液体や気体が、その管路断面のテーパ区間を貫流する際に加速され、これが、ベンチュリノズル内で最も狭い部位の液体や気体の圧力を降下させる。差圧センサは、例えばベンチュリノズルの最狭窄部の液体や気体の差圧を測定する。この差圧はベンチュリノズルを通る液体や気体の流れの尺度となる。
【０００８】
従って差圧の監視で、媒体が管路を流れる時点と、流れない時点とを検出できる。また、弁が排水管を閉鎖する時点や、例えば弁の欠陥により気密でない又は弁が全く閉鎖しないか否かも検出できる。この弁を閉鎖すべき時点に、限界圧力以上の差圧を測定すれば、弁が気密でない、即ち殆ど閉鎖していないと判断できる。燃料電池又は排水管と接続した燃料電池ブロック全体の遮断で、燃料電池又は燃料電池ブロックからの不所望なガスの排出を確実に回避できる。
【０００９】
更に方法に関する課題は、本発明によれば、燃料電池の排水中に、ベンチュリノズルで差圧を監視することで、このノズルにより水流からガス流への転換を検出し、ガスの貫流後に弁により管路を閉鎖する燃料電池からの媒体の排出を監視する方法により解決される。
【００１０】
ベンチュリノズルは１つの相、例えば気体だけに適した流れ監視器ではない。ベンチュリノズルにより、燃料電池が排水され、その後にガスが排水管を流れる時点を検出することもできる。例えば液体から気体、又は気体から液体への相界がベンチュリノズルを通過する時点で、差圧は明らかに跳躍する。例えば差圧の跳躍に基づいて、燃料電池の排水中の相転換を明確に検出できる。こうしてベンチュリノズルは差圧センサとの共同動作で弁の閉鎖指示器の役目をする。こうして、不所望な分量のガスが排水管を通って流出するのを効果的に回避できる。
【００１１】
ガスの貫流後、この弁を一定時間後に初めて閉鎖するとよい。通常生成水の他に、一定量の不活性ガスも燃料電池から排出される。それ故弁の閉鎖時点に、相転換後に一定の時間を置く。こうすることで弁を閉鎖する前に、例えばまず燃料電池の生成水、次いで一定量の不活性ガスを排出する。更にベンチュリノズルにより確実に弁の閉鎖を監視し、弁の故障時に燃料電池を遮断する。この時間の長さは、例えば各排水後、一定の時間を経てガスが排水管を通り燃料電池から流出するよう、常に一定としてもよい。しかしこの時間を、排水工程中に燃料電池を出ていく水量に依存させてもよい。この水量は、ベンチュリノズルを通る水量、即ち水流の差圧と持続時間から算出できる。
【００１２】
この第２に挙げた課題は、本発明によれば、差圧センサを有するベンチュリノズルを配置した管路を持つ燃料電池ブロックを備える設備により解決される。
【００１３】
ベンチュリノズルは、管路内の流れを確実に示すのに適した差圧センサと関連する流れ監視器である。従って、例えば排水管を通って不所望に貫流するガスを確実に検出する。ベンチュリノズルの利点は、特にそれが二相混合体の貫流に感応しない点にある。通常燃料電池ブロック内は外気に比べ数バールの過圧の状態にある。従って水とガスは急速にベンチュリノズルを通り圧縮される。例えば懸濁液の流れ監視器のような他の流れ監視器は、高速で二相混合体が貫流すると、極めて迅速に感応することが判明している。例えば懸濁液の流れ監視器を、短時間ガスが、次いで水が貫流すると、この懸濁液は水にぶつかって激しく動揺し、そのためこれは短時間の運転の後、流れ監視器を破壊することになる。ベンチュリノズルは、特に可動部分を持たず、摩耗せず、また二相混合体中の流れの監視に適している。更にこのノズルは、動的にフィードバックせずに作動する。
【００１４】
堅牢性に加えて、ベンチュリノズルは、更に極めて小さな流れも検知する点で優れている。これはまたベンチュリノズルの差圧を拡大する機能に帰することができる。即ちノズルの手前の圧力と、最も狭い個所の圧力の差は、ノズルの手前の圧力と、後方の圧力との間の差圧よりも大きい。そのためベンチュリノズルにより排水管の閉鎖弁内の小さな不気密性も感知できる。
【００１５】
更にベンチュリノズルは、他の流れ監視器に比べて別の利点を有する。即ちこのノズルは、ノズル内部での運動エネルギーの回復により僅かな背圧を管路内に形成するに過ぎない。それ故このノズルは、大きな圧力損なく作動する。更にベンチュリノズルは、極めて異なる流れに耐え、その測定さえできる。このノズルは過負荷に対して極めて安定である。ベンチュリノズルの差圧センサが、例えば１０ｍバールの差圧を生じる小さな流れの測定用に設計されていたとしても、このセンサは例えば４バールの衝撃圧力を耐え抜くことができる。
【００１６】
前記管路が排水管であると有利である。こうすることで不所望に多量のガスを排出することなく、確実に燃料電池の排水の監視を達成する。
【００１７】
それとは異なり、この管路は燃料ガス管であってよい。勿論ベンチュリノズルは、燃料電池設備内の単に排水管としての他の管路内にも装入できる。ベンチュリノズルを、例えば燃料電池ブロックの燃料ガス供給管内に組込める。こうすることで差圧センサにより燃料ガス流を監視し、かつ最適に調整できる。更にベンチュリノズルを、燃料電池ブロックからの排ガス又は不活性ガスの流出管内に組込んでもよい。それにより燃料電池ブロックからどの程度のガスが出ていくかを測定できる。この測定により燃料電池ブロックの作動方法を最適化できる。ベンチュリノズルはまた、直列式に連結した燃料電池ブロックの個々の直列段間に組込むのにも適する。こうして個々の直列段の燃料の消費を求め、この燃料電池ブロックの作動の状況に相応しく適合させることができる。
【００１８】
本発明の有利な実施形態では、燃料電池ブロックは閉鎖形の燃料電池ブロックである。かかるブロックを［Ｄｅａｄ ｅｎｄ ｂｌｏｃｋ］とも云う。閉鎖形の燃料電池ブロックは、主に排ガスを含まない、純水素（Ｈ２）と純酸素（ Ｏ２）での作動用に設計されている。水素と酸素は、燃料電池を通過する間に完全に消費され、水に変換する。従ってこの燃料電池ブロックは排ガス管を持たず、ブロックからの水素ガスと酸素ガスによる生成水及び湿潤水並びに不活性ガスのような、一定量の残留ガスを排出する単数又は複数の排管だけを持つ。即ちこのような燃料電池ブロックは、ここからごく少量のガスが出ていくように設計されている。それ故残留ガスの排水と廃棄を極めて厳密に調整することが特に重要である。ベンチュリノズルの閉鎖指示器及び弁監視器としての機能により、この種の調整をベンチュリノズルにより簡単かつ確実に行うことができる。
【００１９】
本発明を一般に全ての燃料電池設備内で使用できることは有利である。例えばＰＥＭ（Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ　Ｍｅｍｂｒａｎｅ）燃料電池のような低温の燃料電池の場合、特に自動車又は他の車輌のような可動用途に有利である。従って本発明は、潜水艦内の電気機器へ電流を供給する燃料電池設備に特に有利である。潜水艦内の燃料電池設備に対しては、全く特殊な要求が課される。即ち例えばこのような燃料電池設備は、Ｕボートから排ガスを出さず、Ｕボート内に留めるので、排ガスの放出をごく少なくする必要がある。それ故、ガスの排出量の極めて確実な監視、即ち燃料電池ブロックから排水管を通るガスの監視が是非必要になる。それ故ベンチュリノズルの、安全で摩耗が少なく、かつ確実な作動は、Ｕボート内への装入を特に好適なものとする。Ｕボートでの燃料電池設備に対する第２の特別な要求は、この設備ができるだけ騒音を出さずに作動することを必要とする点にある。可動部分を持つ流れ監視器は、高速の流れ監視器により圧縮される二相混合体中に必然的にカチャカチャ云う騒音、このような騒音が潜水艦の外板にも伝わるのを回避できない。従ってこの音は駆潜艇の特殊な装置で感知される可能性がある。こうしてＵボートはその所在を確認される。ベンチュリノズルが可動部分を持たず、かつ特別な乱流を二相混合体中に生じないので、カチャカチャ或いはガラガラと騒音を立てることなく機能する。従ってこのノズルにより燃料電池ブロックを騒音を立てることなく監視できる。
【００２０】
もう１つの利点は、この燃料電池設備がＵボートの駆動機器である場合に達成される。Ｕボートの駆動機器の電流供給の役目をする燃料電池設備は、大きな出力を持たなければならない。従ってこの設備は生成水を多量に作る。ベンチュリノズルは、その大きさに関係なく常に騒音を立てず、正確に、かつ摩耗することなく作動するので、このノズルを貫流する水量に関係なく、潜水艦の大きな燃料電池設備内への装入に特に適している。
【００２１】
燃料電池設備にＰＥＭ燃料電池を設けるとよい。各燃料電池の電解質を湿潤状態に保持せねばならないので、このような燃料電池内を多量の水が循環する。更に、この燃料電池は１００℃迄の低温及び５バール迄の圧力で運転される。
【００２２】
これら全ての運転条件は、ベンチュリノズルの利点が完全に満たすことができる。ＰＥＭ燃料電池の場合、生成水はカソード側に生ずる。そのためベンチュリノズルはＰＥＭ燃料電池ブロックのカソード側に装入するとよい。
【００２３】
しかし、水素も酸素と同様、燃料電池に入る前に１００％迄湿潤されるので、水はアノード側にも生ずる。この水は、場合により凝縮し、そのため燃料電池のアノード側にも溢流する可能性がある。それ故ベンチュリノズルの装入は、燃料電池ブロックから導出せねばならない二相混合体がアノード側にも存在することから、燃料電池ブロックのアノード部分の排水にも推奨できる。
【００２４】
本発明の実施例を３つの図面に基づき以下に詳述する。
【００２５】
図１は、３段に分割された、直列段１Ａ、１Ｂ、１Ｃと、所謂「浄化セル」１Ｄを有し直列に連結された燃料電池ブロック１を示す。この燃料電池ブロック１は所謂閉鎖形の、即ち「Ｄｅａｄ ｅｎｄ」形燃料電池ブロックであり、殆ど排ガスなしの作動用に設計されている。この燃料電池ブロックはＰＥＭ燃料電池から成り、潜水艦の駆動モータに電流を供給する役目をする。
【００２６】
燃料電池ブロック１の作動中、酸素（Ｏ２）は管路３を経て面状湿潤器として 形成された湿潤器５に給送される。次いで湿潤された酸素は、燃料電池ブロック１の第１の直列段１Ａに導かれる。そこで酸素は複数のＰＥＭ燃料電池を通過する。第１の直列段１Ａでの生成水（Ｈ２Ｏ）は、管路７を経て水分離器９に給送される。水分離器９内で生成水は水と酸素に分離される。酸素は管路１１を経て第１の直列段１Ａ、水は管路１３を通って湿潤器５に夫々戻される。管路１３内には、この管路を閉鎖する弁１５が配置されている。
【００２７】
次の過程で、酸素は直列段１Ａから、同じく複数のＰＥＭ燃料電池から成る直列段１Ｂ内に流れる。直列段１Ｂに集まる水は水分離器１７に導かれ、そこで水と酸素に分離される。酸素は管路１９を経て第１の直列段１Ａ内に戻され、水は管路２１を経てベンチュリノズル２３に、更にここを貫流し排水管２５により更なる使用のため排出される。ベンチュリノズル２３に差圧センサ２７が接続している。第３の直列段１Ｃ内に集まる水は、管路３１により同様にベンチュリノズル２３と接続した水分離器２９内に導かれる。燃料電池ブロック１の作動中に水、不活性及び汚染ガスは浄化セル１Ｄ内に集まる。それらは管路３３を経て同様にベンチュリノズル２３に導かれる。
【００２８】
水分離器１７、２９又は浄化セル１Ｄの排水が必要な場合、弁３５、３７又は３９が開き、それにより水分離器１７、２９からの水又は浄化セル１Ｄからの水は、不活性ガス及び汚染ガスと共に各々弁３５、３７、３９とベンチュリノズル２３を経て流出する。差圧センサ２７により、ベンチュリノズル２３を通って、どの相が流れるかが監視される。ガスが十分にベンチュリノズル２３を流れると、差圧センサ及び弁３５、３７、３９と接続している図１に示さない監視電子機器は、開いている弁の閉鎖を指示する。
【００２９】
全ての弁１５、３５、３７、３９を閉じ、差圧センサ２７が限界時間を越える時間にわたり限界圧力より高い差圧を報知する場合に、監視電子機器は、燃料電池ブロック１に停止を指示する。限界圧力は１０ｍバール、限界時間は３秒である。構成要素が燃料電池ブロック１である燃料電池設備が潜水艦の電気機器に電流を供給する役目をするので、差圧センサ２７に加速力が働く。ベンチュリノズル２３から差圧センサ２７への管路内には、常に何らかの水が、あるときは多く、あるときは少なく上下しており、従って差圧センサ２７の加速は、ベンチュリノズル内の差圧を追随する。経験的に、この差圧は５ｍバール以下である。加速し過ぎや測定誤差は、短時間でも１０ｍバール以上の差圧のシミュレートにつながる。それ故、監視電子機器は、これが燃料電池ブロック１を運転停止する前に、１０ｍバール以上の差圧となる３秒の限界時間の経過を待つ。
【００３０】
図２は、燃料電池ブロックの排水管４１内に配置したベンチュリノズル４０を示す。燃料電池ブロックの作動中、排水管４１内の遮断弁が開いている場合、液体流や気体流は流動方向４２に流れる。この流れは断面の最も狭窄した帯域４３の手前で加速される。帯域４３内でこの気体や液体は高速で流れ、これは帯域４３内の測定圧力、即ち「静」圧も、ベンチュリノズル４０のテーパ区間の手前の帯域４５内の圧力より低下させることになる。管路４９と５１は帯域４５、４３から差圧センサ５３に通じる。該センサ５３は、帯域４５、４３内の気体や液体の圧力間の差を測定する。差圧センサ５３は最大４バール迄の圧力用に設計されている。差圧センサ５３の測定範囲は０〜１バール迄である。この差圧センサは０〜１００ｍバールの圧力範囲で極めて敏感に、従ってまた特に精確に圧力を測定する。帯域４３の適切な形（例えば帯域４５内の貫流断面積の５％）により、一定の時間、例えば３秒の間に狭窄帯域４３を通って、それほど多量のガスが入れないように行われる。こうしていずれの場合にもガスがベンチュリノズルを無視できない程貫流するのを阻止する。
【００３１】
図３は燃料電池からの媒体の排出を監視する方法のフローチャート図を示す。第１の処理工程５５で燃料電池の排水弁を開ける。排水管内のベンチュリノズルに水が流れ、同時にベンチュリノズル内の差圧を差圧センサにより測定し（５７）、監視電子機器に送る。この機器は、差圧の時間的推移における跳躍が所定の形であるか否かを精査する（５９）。このような跳躍は流体−気体の相転換がベンチュリノズルに発生していることの指標である。この種の跳躍が発生しない場合（−）、差圧を更に測定し、監視電子機器に送る（５７）。この種の跳躍が所定の形で発生した場合（＋）、排水弁の閉鎖信号が与えられる（６３）迄、監視電子機器により予めプログラムされた時間、弁の閉鎖を待つ（６１）。
【００３２】
差圧を差圧センサにより更に測定し、その測定値を監視電子機器に送る（６５）。該機器は、その測定値を大きさに基づき精査する（６７）。この値が閾値を越える場合（＋）、監視電子機器で差圧の時間的推移を精査する（６９）。例えば差圧が閾値をごく短期的に越える程度の問題のない推移（−）なら、差圧を更に測定し、監視電子機器に送る（６５）。問題となる推移（＋）が見られる場合、監視電子機器が燃料電池設備に運転停止の信号を出す。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池設備の概略系統図。
【図２】差圧センサと接続しているベンチュリノズル概略断面図。
【図３】燃料電池ブロックからの水と不活性ガスの排出工程のフローチャート。
【符号の説明】
１　燃料電池ブロック、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ　直列段、１Ｄ　浄化セル、
５　湿潤器、３、７、１１、１３、１９、４９、５１　管路、
９、１７、２９、３１　水分離器、１５、３５、３７、３９　弁、
２３、４０　ベンチュリノズル、 ２７　差圧センサ（差圧測定手段）、
１３、２１、２５、３１、３３、４１　排水管　４２　流動方向、
４３　狭窄帯域、４５、４７　流動帯域
【国際公開パンフレット】
2004510319.tif 000003
2004510319.tif 000004
2004510319.tif 000005
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2004510319.tif 000019
2004510319.tif 000020
2004510319.tif 000021
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004510319.tif 000022
2004510319.tif 000023
【国際調査報告】
2004510319.tif 000024
2004510319.tif 000025
2004510319.tif 000026
2004510319.tif 000027