(57)【要約】燃料電池に関する。設備は、それぞれ２つのアノード室（４１ および４２ ）で構成される電池、第１アノード室の出口（９１ ）と第２アノード室の入口（８２ ）との間の接続、第２アノード室の出口（９２ ）と第１アノード室の入口（８１ ）との間の接続、２つの開閉部材（１２１ および１２２ ）により制御される平行な２つの分岐（１１１ および１１２ ）により電池の前記アノード回路に水素を供給するための回路（１０）、前記部材の状態の反転を周期的に制御する手段を含む。空気−水素電池への適用。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の中での水素の交互循環により水素回路中に含まれる水分をパージするための方法であって、
−１対の第１および第２アノード室を含むようにそれぞれの電池を構成すること、
−第２アノード室のアノード回路の入口に第１アノード室の出口を接続すること、
−第１アノード室の入口に第２アノード室の出口を接続すること、
−電池のアノード回路の入口を２つの開閉部材により制御される２つの平行な分岐を通して水素供給回路と接続すること、
−前記部材の状態の反転を周期的に制御すること
からなることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記電池のアノード回路の出口の通路の断面が開閉弁により制御され、前記弁の状態の反転が周期的に制御されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記部材のおよび／または前記弁の状態の反転が、時間設定により周期的に制御されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記部材および／または前記弁の状態の反転が、それらを圧力しきい値に敏感にさせることにより周期的に制御されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記部材および／または前記弁が、それらを前記電池のアノード回路で優っている水素の分圧の検出器に合わせて配置することにより制御されることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
水が、最終の電池の少なくとも１つのアノード回路の出口に配置される少なくとも１つの分離装置により回収されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
ｎ個の電池で構成される燃料電池（１）の水素回路に含まれる水をパージするための設備であって、
−それぞれ１対の第１および第２アノード室（４１ および４２ ）を備える電池、
−前記第１アノード室の出口（９１ ）と前記第２アノード室の入口（８２ ）との間の接続、
−前記第２アノード室の出口（９２ ）と前記第１アノード室の入口（８１ ）との間の接続、
−２つの開閉部材（１２１ および１２２ ）により制御される２つの平行な分岐（１１１ および１１２ ）による電池のアノード回路のための水素供給回路（１０）、
−前記部材の状態の反転を周期的に制御する手段
を含むことを特徴とする設備。
【請求項８】
前記アノード出口（９１ および９２ ）の通路の断面を制御する開閉弁（１８１ および１８２ ）ならびに前記弁の状態の反転を周期的に制御する手段を備えることを特徴とする請求項７記載の設備。
【請求項９】
前記部材および／または前記弁の状態の反転を周期的に制御するための手段が時間設定されていることを特徴とする請求項７または８記載の設備。
【請求項１０】
前記部材および／または前記弁の状態の反転を周期的に制御するための手段が圧力しきい値に感受性の手段を含むことを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項記載の設備。
【請求項１１】
前記部材および／または前記弁の反転を周期的に制御するための手段が前記部材および／または前記弁を制御する電池のアノード回路の中の水素の分圧の検出器（１７）を備えることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか１項記載の設備。
【請求項１２】
前記アノード回路の出口の少なくとも１つに配置された少なくとも１つの水分分離装置（１４）を備えることを特徴とする請求項７ないし１１のいずれか１項記載の設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、燃料電池の技術分野に関し、特に、燃焼補助体（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｓｕｐｐｏｒｔｅｒ）として酸素を富化されているかされていない空気またはさらに純粋な酸素および燃料として水素を用いるタイプの電池に関する。
【０００２】
上記タイプの燃料電池の構造ならびにアノード室（ａｎｏｄｅ　ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ）の中での水素の消費に関わるその操作の原理は公知である。
【０００３】
そのような操作は、水のアノード回路における生成、カソード室からアノード室を分離する膜を通って拡散する窒素、ならびにあるとすれば、水素中に最初から存在し、濃縮する傾向がある不純物を特徴とする。
【０００４】
最適操作条件を維持するために、水、窒素および不純物は、一般的に、水素回路の規則的なパージを進行させることにより除去される。
【０００５】
必要なパージの頻度は、電池ならびに操作サイクルの特性に依存し、数秒から数分の範囲を取り得る。
【０００６】
そのような電池の操作特性の１つはまた、アノード回路の出口で、もし水、窒素および不純物の除去が周期的パージにより実施されているならば失われる残留量の消費されていない水素を残すことでもある。
【０００７】
水素の損失を回避するために、先行技術は、電池のアノード室の入口で混合気を再注入するようにアノード室の出口からの混合物の再循環を確保した。そのような再注入は、気体の継続する混合を保証し、不純物と窒素の存在下での操作を改善するが、しかしながら、操作の水力学的な均衡を促進する特に電池の加湿および／または冷却を保証するように回収されるべきである水の回収の問題を解決しない。
【０００８】
混合物の再循環についての進行の選択は、特定の技術手段を用いること、特に比較的複雑であり、特に液体水の存在下で感応する操作条件に供されるロータリー機械を構成する循環器の存在を必要とする。
【０００９】
そのようなロータリー機械は、実質的なメンテナンスを必要とする経費のかかる装備を有し、結果として、購入価格ならびに燃料電池の操作経費を実質的に大きくする。
【００１０】
さらに、特に基本混合物の速度が十分でないとき、混合気の再循環は常に、水を除去するのに有効に条件を改善しはしないこともわかっていた。この欠点は、より高速の再循環に混合物を供することにより少なくとも部分的に克服され得るであろうが、しかしその場合は、循環器の存在に固有の問題も比例して大きくなる。
【００１１】
上述した操作条件が何であれ、さらに、水の分離を保証することを可能とするように特に有効な相分離装置を有することが常に必要である。しかしながら、そのような分離装置は、比較的容積の大きい付属品を有し、それなりの体積を占め、燃料電池の操作の停止と開始の場合に惰性の問題を引き起こす。
【００１２】
本発明は、小さなサイズ、少ない経費、少ないメンテナンスの技術的手段を用いることにより上記欠点をなくすことを求める方法および設備に関し、交互循環燃料電池の水素循環において含まれる水分のパージによりもたらすのに適している。
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明によるパージ方法は、
−１対の第１および第２アノード室を含むようにそれぞれの電池を構成すること、
−第２アノード室のアノード回路の入口に第１アノード室の出口を接続すること、
−第１アノード室の入口に第２アノード室の出口を接続すること、
−電池のアノード回路の入口を２つの開閉部材により制御される２つの平行な分岐を通して水素供給回路と接続すること、
−前記部材の状態の反転を周期的に制御すること
からなることを特徴とする。
【００１４】
本発明はまた、その目的について、上記プロセスの実施のための設備も有し、そのような設備は、
−それぞれ１対の第１および第２アノード室で構成される電池、
−第１アノード室の出口と第２アノード室の入口との間の接続、
−第２アノード室の出口と第１アノード室の入口との間の接続、
−２つの平行な分岐により、２つの開閉部材により制御される電池のアノード回路のための水素供給回路、
−前記部材の状態の反転を周期的に制御する手段
を含むことを特徴とする。
【００１５】
様々の他の特徴は、発明を限定しない例として、本発明の構造および方法の態様を示す添付の図面を参照して以下に示される記述から明らかとなるであろう。
【００１６】
図１において示される単純化された態様において、１により示される燃料電池は、同じ構造上の特徴を有する２つの半電池（ｈａｌｆ−ｃｅｌｌｓ）２１ および２２ より構成される電池２を備える。それぞれの半電池は、（それぞれ、透過反応膜５１ 、５２ により分割されるカソード電極およびアノード電極を含む）カソード室３１ 、３２ およびアノード室４１ 、４２ を備える。
【００１７】
通常の様式では、室３１ および３２ は、純粋酸素または酸素で富化されているかいない空気のような酸化剤の供給のための回路６に接続される。また通常は、アノード室４１ および４２ は、水素と呼ばれる燃料の供給回路（本発明によれば、次に構造上の配置をもたらす）に接続される。
【００１８】
前記半電池２１ の水素供給回路は、参照７１ により示され、入口８１ および出口９１ を備え、一方、半電池２２ についての対応する回路は、入口８２ および出口９２ を備える。
【００１９】
本発明によれば、電池２２ の出口９２ は、第１半電池の室４１ の出口８１ に接続されている。同様に、室４１ の出口９１ は、第２半電池２２ の室４２ の入口８２ に接続される。
【００２０】
前記回路７１ および７２ は、さらに平行で（２つの開閉部材１２１ および１２２ により制御される）２つの分岐１１１ および１１２ により水素を供給するための回路１０に接続されている。
【００２１】
必要ではないが、好ましくは、前記部材１２１ および１２２ は、反転的に結合することにより二者択一タイプのものであり、特にタイマーのような適切な技術的手段により同期式の（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ）方式でその状態を反転させるように制御される。
【００２２】
電池２について記載される手段は、なされた必要な変化について、図１について記載される特徴に対応する２１ 、２ｎ のようなｎ個の電池２で構成される燃料電池１（図２）に取替え可能である。
【００２３】
そのような場合には、異なる電池２の入口および出口は、コレクター１３、１４、１５および１６により接続され、一方、回路部７１ および７２ は、２つの平行な分岐１１１ および１１２ により共通の供給１０に接続される。等価の手段は同じ機能を呈するために用いられ得るものであり、ある種の場合には、それぞれの電池２について２つの分岐および２つの部材１２を供給する回路の使用を考えることが可能であることが考慮されねばならない。
【００２４】
図１において示される設備において、部材１２１ は開放され、一方、部材１２２ は閉じている。結果として、供給回路１０の圧力の下での水素は、分岐１１１ を通って流れ、開放している部材１２１ を通過し、回路７１ に入って水素をアノード室４１ に供給する。
【００２５】
作動反応（ｏｐｅｒａｔｉｖｅ　ｒｅａｃｔｉｏｎ）は、そのカソード室が酸化剤を供給される半電池２１ において通常の方式で起こる。
【００２６】
この作動段階の間に、アノード室４１ を離れる本質的に気体混合物は、出口９１ を通して次の回路７２ 、そして、そのカソード室３２ もまた酸化剤を供給されている半電池２２ のアノード室４２ にリサイクルされるように流れる。
【００２７】
そのようにリサイクルされる残留水素は、その室４２ が、非最適操作条件であるにもかかわらず、アノード室４１ の出口からの混合物のリサイクルにより混合物の混合または循環に供される半電池２２ において消費される。
【００２８】
調節可能である所定の持続時間の時間設定を特徴とする作動段階の後、前記部材１２１ および１２２ の状態は、そのとき水素が、その出口９２ が半電池２２ の中で起こる反応から混合物について半電池２１ の室４１ の入口に向かってリサイクルすることを保証するアノード室４２ に供給されるように図３において示されるように反転する。
【００２９】
同じ利益はこのように得られ、最適条件の下で、例えば出口９１ または９２ において、またはさらにそれら２つの出口を越えて、水の除去のための出口１５を有する少なくとも２つおよび好ましくは２つの分離装置１４を介在させることにより含まれている水の分離を保証することを可能とする。
【００３０】
前記部材１２１ および１２２ は、弁または同様の装置により構成され得るものであり、それらはまた、所望であれば、非回帰性（ｎｏｎ−ｒｅｔｕｒｎ）技術手段と関連して圧力に感応するフラップ弁または他の部材によっても置換され得るものであることが考慮されなければならない。
【００３１】
そのような場合には、一方の半電池それから、他方の半電池の周期的供給の関数として起こる圧力変化は、前記部材１２１ および１２２ についてなされる調節のしきい値の関数として、分離制御にまたは連帯制御によるいずれかでそれらの状態の自動反転を許容する。
【００３２】
同じ機能を保証するために、前記部材１２１ および１２２ の状態の変化を制御する水素１７の分圧の検出器もまた用いられ得る。
【００３３】
図４および５は、出口９１ および９２ が（弁のような部材１８１ および１８２ により制御される変更された態様を示し、）それら弁は操作の類似条件に委ねられることにより前記部材１２１ および１２２ に直接関連して反転的に制御される。前記弁１８１ および１８２ もまた自動シーケンス制御タイプのものであるかまたは反対に、特に検出器１７による時間制御の下にあるか、圧力しきい値の検出の制御の下にあり得る。そのような配置において、アノード室４１ の供給が前記部材１２１ を開くことにより保証されると、弁１８はそれから好ましくは閉じられ、一方前記弁１８１ は任意に開かれるか閉じられ得る。
【００３４】
供給の反転の間に、前記部材１２１ は閉じられ、一方、前記部材１２２ は開かれ、同時に、弁１８１ は図５に示されるように閉じられる。
【００３５】
図４は、少なくとも１つの分離装置１７が出口９２ と弁１８２ との間にまたは出口９１ と弁１８１ との間に配置され得ることを示す。
【００３６】
分離装置１７は、弁１８１ 、１８２ のそれぞれの下流にも配置され得ることを考慮すべきである。
【００３７】
本発明は記述され、示された例には限定されない。というのは、様々の修正がその範囲を逸脱することなくそれらに加えられ得るからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
燃料電池の単純化された態様として本発明を示す模式図。
【図２】
ｎ個の電池により構成される燃料電池態様に関する模式図。
【図３】
図１と類似であるが、方法の１つの相を示す模式図。
【図４】
図１と類似であるが、本発明の改良された態様に対応する模式図。
【図５】
図３と類似であるが、本発明の改良された態様に対応する模式図。
【符号の説明】
１…燃料電池、２…電池、２１ ，２２ …半電池、３１ ，３２ …カソード室、４１ ，４２…アノード室、５１ ，５１ …透過反応膜、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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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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