(57)【要約】本発明は、酸素及び不活性ガスを含むカソード作動ガス並びに水素及び不活性ガスを含むアノード作動ガスを用いて作動するのにふさわしい燃料電池システム（１）、該燃料電池システム（１）を用いることにより作動される装置システム、及び該燃料電池システム（１）の作動方法に関する。本発明に係る方法によれば、作動ガスの単一成分が、分離的に貯蔵され、並びに燃料電池システムの作動中における必須の成分と混合され、それにより一定的に作動ガスの不活性成分を再循環する。【選択図】図１
2018517234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素及び不活性ガスを含むカソード作動ガス及び水素及び不活性ガスを含むアノード作動ガスを用いて作動させるのにふさわしい燃料電池システム（１）であって、
少なくとも１つの燃料電池（３）を有し、前記燃料電池が、カソード流域（１３）を有するカソード（１０）及びアノード流域（２３）を有するアノード（２３）を具備する燃料電池装置（２）、
酸素源（３０）、水素源（４０）及び不活性ガス源（５０）、
前記カソード作動ガスを前記カソード（１０）の前記カソード流域（１３）の中へ送り込むためのカソード作動ガス流路（１２）、前記カソード流域（１３）、前記カソード流域からカソード排出ガスを受ける及び前記カソード排出ガスを前記カソード作動ガス流路（１２）中へと再循環させるためのカソード排出ガス流路（１４）、及び前記カソード排出ガス流路（１４）が前記カソード作動ガス流路（１２）の中で移行する移行ポイント（１５）を具備するカソードガス回路（１１）、
前記アノード作動ガスを前記アノード（２０）の前記アノード流域（２３）の中へ送り込むためのアノード作動ガス流路（２２）、前記アノード流域（２３）、前記アノード流域（２３）からアノード排出ガスを受ける及び前記アノード排出ガスを前記アノード作動ガス流路（２２）中へと再循環させるためのアノード排出ガス流路（２４）、及び前記アノード排出ガス流路（２４）が前記アノード作動ガス流路（２２）の中で移行する移行ポイント（２５）を具備するアノードガス回路（２１）、
前記カソード排出ガス流路（１４）の中の前記カソード排出ガスから液体水を分離する手段（１６）及び前記アノード排出ガス流路（２４）の中の前記アノード排出ガスから液体水を分離する手段（２６）、
前記カソードガス回路（１１）の中にフローを発生させる手段（１７）及び前記アノードガス回路（２１）の中にフローを発生させる手段（２７）であって、前記手段（１７）及び／若しくは前記手段（２７）が好ましくはポンプ若しくはジェットノズルであり、
前記カソードガス回路（１１）における圧力センサ（１８）、前記アノードガス回路（２１）における圧力センサ（２８）、前記カソードガス回路（１１）の中のガスの実際量を測定するための前記カソードガス回路（１１）における温度センサ（１９）及び付属的に前記アノードガス回路（２１）の中のガスの実際量を測定するための前記アノードガス回路（２１）における温度センサ（２９）、
前記不活性ガス源（５０）から前記カソードガス回路（１１）における前記移行ポイント（１５）若しくは前記移行ポイント（１５）のポイント上流へと導く不活性ガス流路（５１、５２）及び前記不活性ガス源（５０）から前記アノードガス回路（２１）における前記移行ポイント（２５）若しくは前記移行ポイント（２５）のポイント上流へと導く不活性ガス流路（５１、５４）、
前記酸素源（３０）から前記カソードガス回路（１１）における前記移行ポイント（１５）へと導く酸素流路（３１）及び前記水素源（４０）から前記アノードガス回路（２１）における前記移行ポイント（２５）へと導く水素流路（４１）、
不活性ガスの基準量が前記カソードガス回路（１１）及び前記アノードガス回路（２１）に到達されるまで不活性ガスを前記カソードガス回路（１１）及び前記アノードガス回路（２１）に供給する手段、
酸素の基準量が前記カソードガス回路（１１）に到達されるまで酸素を前記カソードガス回路（１１）に供給する手段、並びに
水素の基準量が前記アノードガス回路（２１）に到達されるまで水素を前記アノードガス回路（２１）に供給する手段を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
更に、前記カソードガス回路（１１）の前記移行ポイント（１５）にて前記酸素流路（３１）からの酸素若しくは前記不活性ガス流路（５１、５２）からの不活性ガスのいずれかを送り込むための手段並びに／又は前記アノードガス回路（２１）の前記移行ポイント（２５）にて前記水素流路（４１）からの水素若しくは前記不活性ガス流路（５１、５４）からの不活性ガスのいずれかを送り込むための手段を具備する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記不活性ガスを前記カソードガス回路（１１）及び前記アノードガス回路（２１）に供給する手段が、前記不活性ガス流路（５１）における減圧器（５３）であり、前記酸素を前記カソードガス回路（１１）に供給する手段が、前記酸素流路（３１）における減圧器（３３）であり、並びに／又は前記水素を前記アノードガス回路（２１）に供給する手段が、前記水素流路（４１）における減圧器（４３）である請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
更に、液体水を貯蔵するための少なくとも１つの容器（６０）を具備し、該容器（６０）は、前記液体水を分離する手段（１６）及び／又は前記液体水を分離するための手段（２６）と、好ましくは水ポンプ（６１）を通じて流体連結している請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
更に、前記カソード排出ガス流路（１４）からガスを排出するための手段（５）及び／又は前記アノード排出ガス流路（２４）からガスを排出するための手段（７）を具備する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
更に、前記カソードガス回路（１１）に真空を発生させるための手段及び／又は前記アノードガス回路（２１）に真空を発生させるための手段を具備する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
カソード作動ガスとしての空気並びに水素及び窒素を含むアノード作動ガスを用いて作動させるのにふさわしい燃料電池システム（１）であって、
少なくとも１つの燃料電池（３）を有し、前記燃料電池が、カソード流域（１３）を有するカソード（１０）及びアノード流域（２３）を有するアノード（２３）を具備する燃料電池装置（２）、
酸素源（３０′）、水素源（４０）及び窒素源（５０）、
前記カソード作動ガスを前記カソード（１０）の前記カソード流域（１３）の中へ送り込むためのカソード作動ガス流路（１２）、前記カソード流域（１３）、及び前記カソード流域からカソード排出ガスを受けるためのカソード排出ガス流路（１４）、及び前記カソード排出ガス流路（１４）が前記カソード作動ガス流路（１２）の中で移行する移行ポイント（１５）を具備するカソードガス回路（１１′）、
前記アノード作動ガスを前記アノード（２０）の前記アノード流域（２３）の中へ送り込むためのアノード作動ガス流路（２２）、前記アノード流域（２３）、前記アノード流域（２３）からアノード排出ガスを受ける及び前記アノード排出ガスを前記アノード作動ガス流路（２２）中へと再循環させるためのアノード排出ガス流路（２４）、及び前記アノード排出ガス流路（２４）が前記アノード作動ガス流路（２２）の中で移行する移行ポイント（２５）を具備するアノードガス回路（２１）、
前記アノード排出ガス流路（２４）の中の前記アノード排出ガスから液体水を分離する手段（１６）、
前記アノードガス回路（２１）の中にフローを発生させる手段（２７）であって、前記手段（２７）が好ましくはポンプ若しくはジェットノズルであり、
前記カソードガス回路（１１′）における圧力センサ（１８）、前記アノードガス回路（２１）における圧力センサ（２８）、前記カソードガス回路（１１′）の中のガスの実際量を測定するための前記カソードガス回路（１１′）における温度センサ（１９）及び付属的に前記アノードガス回路（２１）の中のガスの実際量を測定するための前記アノードガス回路（２１）における温度センサ（２９）、
前記窒素源（５０）から前記アノードガス回路（２１）における前記移行ポイント（２５）若しくは前記移行ポイント（２５）のポイント上流へと導く窒素フロー路（５１、５４）、
前記水素源（４０）から前記アノードガス回路（２１）における前記移行ポイント（２５）へと導く水素流路（４１）、
窒素の基準量が前記アノードガス回路（２１）に到達されるまで窒素を前記アノードガス回路（２１）に供給する手段、
水素の基準量が前記アノードガス回路（２１）に到達されるまで水素を前記アノードガス回路（２１）に供給する手段、並びに
前記カソード排出ガス流路（１４）の中にバルブ（５′）を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池システムを具備する、例えば人間を乗せた若しくは乗せない潜水車両のような、装置システム。
【請求項９】
酸素及び不活性ガスを含むカソード作動ガス並びに水素及び不活性ガスを含むアノード作動ガスを用いることによる燃料電池システム（１）の作動方法であって、
前記燃料電池システム（１）は、
少なくとも１つの燃料電池（３）を有し、前記燃料電池が、カソード流域（１３）を有するカソード（１０）及びアノード流域（２３）を有するアノード（２３）を具備する燃料電池装置（２）、
カソード作動ガス流路（１２）、前記カソード流域（１３）、カソード排出ガス流路（１４）、及び前記カソード排出ガス流路（１４）が前記カソード作動ガス流路（１２）の中で移行する移行ポイント（１５）を具備するカソードガス回路（１１）、並びに
アノード作動ガス流路（２２）、前記アノード流域（２３）、アノード排出ガス流路（２４）、及び前記アノード排出ガス流路（２４）が前記アノード作動ガス流路（２２）の中で移行する移行ポイント（２５）を具備するアノードガス回路を具備し、
前記方法は、
酸素及び不活性ガスを含むカソード作動ガスを前記燃料電池（３）の前記カソード流域（１３）の中に送り込み、並びに水素及び不活性ガスを含むアノード作動ガスを前記燃料電池（３）の前記アノード流域（２３）の中に送り込む手段であって、前記カソード作動ガスにおける酸素濃度は予め決められた基準値を有し、及び前記アノード作動ガスにおける水素濃度は予め決められた基準値を有する手段、
前記燃料電池内で酸素及び水素の反応を有し、それにより電気エネルギー、不活性ガス及び水を含むカソード排出ガス及び不活性ガス及び水を含むアノード排出ガスを産出する手段、
前記カソード排出ガス及び前記アノード排出ガスから液体水を分離し、それにより液体水フリーのカソード排出ガス及び液体水フリーのアノード排出ガスを産出する手段、
前記液体水フリーのカソード排出ガス全部を前記カソード作動ガス流路（１２）の中に送り込み、並びに前記液体水フリーのアノード排出ガス全部を前記アノード作動ガス流路（２２）の中に送り込む手段、
前記カソード作動ガス流路（１２）における該ガスの前記酸素濃度の実際量を測定し、並びに前記アノード作動ガス流路（２２）における該ガスの前記水素濃度の実際量を測定する手段、
前記カソード作動ガスの前記酸素濃度の前記予め決められた基準値が到達されるまでに酸素を前記カソード作動ガス流路（１２）の中へ送り込み、並びに前記アノード作動ガスの前記水素濃度の前記予め決められた基準値が到達されるまでに水素を前記アノード作動ガス流路（２２）の中へ送り込む手段、並びに
前記カソードガス回路（１１）及び前記アノードガス回路（２１）におけるガス流量をメンテナンスすることを特徴とする燃料電池システムの作動方法。
【請求項１０】
前記燃料電池装置（２）を作動させる前に、
前記カソードガス回路（１１）及び前記アノードガス回路（２１）を真空排気により満たす並びに／又はそれぞれ十分かつ同時に前記燃料電池システム（１）の作動条件下で酸素を前記カソードガス回路（１１）の中へ送り込んだ時、前記酸素濃度の予め決められた基準値を伴うカソード作動ガスが形成され、及び前記燃料電池システム（１）の作動条件下で水素を前記アノードガス回路（２１）の中へ送り込んだ時、前記水素濃度の予め決められた基準値を伴うアノード作動ガスが形成されるというこのような量の不活性ガスを伴った不活性ガスに満たされる手段、
前記燃料電池システム（１）の前記作動条件を調節する手段、
前記カソード作動ガスの前記酸素濃度の前記予め決められた基準値が到達されるまでに酸素を前記カソード作動ガス流路（１２）の中へ送り込む手段、並びに十分且つ同時に、
前記アノード作動ガスの前記水素濃度の前記予め決められた基準値が到達されるまでに水素を前記アノード作動ガス流路（２２）の中へ送り込む手段が実行される請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記カソード作動ガス流路（１２）における前記酸素濃度及び前記アノード作動ガス流路（２２）における前記水素濃度が、規則正しく若しくは連続的に測定される請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
窒素が不活性ガスとして使用される請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
カソード作動ガスとして空気並びに水素及び窒素を含むアノード作動ガスを用いることによる燃料電池システム（１）の作動方法であって、
前記燃料電池システム（１）は、
少なくとも１つの燃料電池（３）を有し、前記燃料電池が、カソード流域（１３）を有するカソード（１０）及びアノード流域（２３）を有するアノード（２３）を具備する燃料電池装置（２）、
カソード作動ガス流路（１２）、前記カソード流域（１３）、カソード排出ガス流路（１４）、及び前記カソード排出ガス流路（１４）が前記カソード作動ガス流路（１２）の中で移行する移行ポイント（１５）を具備するカソードガス回路（１１′）、並びに
アノード作動ガス流路（２２）、前記アノード流域（２３）、アノード排出ガス流路（２４）、及び前記アノード排出ガス流路（２４）が前記アノード作動ガス流路（２２）の中で移行する移行ポイント（２５）を具備するアノードガス回路を具備し、
前記方法は、
カソード作動ガスとして空気を前記燃料電池（３）の前記カソード流域（１３）の中に送り込み、前記空気は酸素濃度を有する、といった手段、並びに、水素及び窒素を含むアノード作動ガスを前記燃料電池（３）の前記アノード流域（２３）の中に送り込み、前記アノード作動ガスにおける水素濃度は、前記空気における前記酸素濃度に対応する予め決められた基準値を有する、といった手段
前記燃料電池内で酸素及び水素の反応を有し、それにより電気エネルギー、窒素及び水を含むカソード排出ガス並びに窒素及び水を含むアノード排出ガスを産出する手段、
前記アノード排出ガスから液体水を分離し、それにより液体水フリーのアノード排出ガスを産出する手段、
前記液体水フリーのアノード排出ガス全部を前記アノード作動ガス流路（２２）の中に送り込む手段、
前記アノード作動ガス流路（２２）における該ガスの前記水素濃度の実際量を測定する手段、
付属的に前記カソード作動ガス流路（１２）における空気の前記酸素濃度の実際量を測定する手段、
前記アノード作動ガスの前記水素濃度の前記予め決められた基準値が到達されるまでに水素を前記アノード作動ガス流路（２２）の中へ送り込む手段、
前記カソードガス回路（１１′）及び前記アノードガス回路（２１）におけるガス流量をメンテナンスする手段、並びに
前記カソード排出ガス流路（１４）から前記カソード排出ガスを排出する手段を具備することを特徴とする燃料電池システムの作動方法。
【請求項１４】
前記燃料電池装置（２）を作動させる前に、
空気を前記カソードガス回路（１１′）の中に送り込む及び十分且つ同時に前記アノードガス回路（２１）を満たす並びに／又は前記燃料電池システム（１）の作動条件下で水素を前記アノードガス回路（２１）の中へ送り込んだ時、前記水素濃度の予め決められた基準値を伴うアノード作動ガスが形成されるというこのような量の窒素を伴った窒素に満たされる手段、
前記燃料電池システム（１）の前記作動条件を調節する手段、並びに、
前記アノード作動ガスの前記水素濃度の前記予め決められた基準値が到達されるまでに水素を前記アノード作動ガス流路（２２）の中へ送り込む手段が実行される請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記アノード作動ガス流路（２２）における前記水素濃度及び付属的に前記カソード作動ガス流路（１２）における前記酸素濃度が、規則正しく若しくは連続的に測定される請求項１３又は１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の主題は、不活性ガス成分を含むガスを作用させることで燃料電池システムを作動させる方法、不活性ガス成分を含むガスを作用させることで作動可能な燃料電池システム、並びにこのような燃料電池システムを備える装置システムである。この方法、燃料電池システム及び装置システムにおいて、燃料電池の排出ガスは、大気中に放出されたり、或いは燃料電池の作動中に蓄えられたりしない。代替の実施態様においては、少なくともアノードの排出ガスは、大気中に放出されたり、或いは燃料電池の作動中に蓄えられたりしない。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池において、電気エネルギーは、水の電気分解を転化させることによる化学エネルギーから生成される。単電池は、連続的に酸化物質（水素）及び酸化物（酸素）を連続的に供給する、並びに、酸化生成物を連続的に排出することにより、連続的に電流を送出する。原則的には、異なる種類の燃料電池、それらの構成成分及び作動の方法が知られている。
【０００３】
燃料電池は、いずれの装置のために電流を発生させるのに適している。それらは、環境的かつ親和的に信頼できる方法において、並びに高度な能率を伴って、必要とされる電力を供給する。
【０００４】
反応ガスの１つである酸素は、大抵空気の形で供給され、最も単純な場合には、大気から取り入れられる。反応後、生成水を増やしている、潜在的に残りの酸素、もっと正確に言えば、酸素が枯渇した空気は、大気中へ放出される。他の反応ガス、水素は、高圧ガス容器（ボンベ）のような貯蔵器から取られなければならない。反応後、消費されない水素は、大気中に戻されることが簡単にできない。それゆえ、燃料電池への水素の供給は、アノードで消費された量に限られなくてはならない、即ち、燃料電池は、アノード側で、デッドエンドモード（ｄｅａｄ−ｅｎｄ  ｍｏｄｅ）で作動され、或いはアノード排出ガスは、リサイクルされ、並びに／又はアノード排出ガスにて消費されない水素は、例えばバーナ操作といった別の目的で使用される。
【０００５】
燃料電池のいくつかの応用分野は、潜水用車両のような例えば密閉系での応用システムにて、燃料電池の作動中に環境への直接的な接触がないことを要求する。このような応用システムのために、同じく反応ガスとして酸素を適用し、別の方法として水素を適用する。酸素は、ボンベのような貯蔵器から供給されなくてはならず、そして潜在的に残りの酸素は、反応後に大気中に放出されることができない。その反応から生じた生成水のいずれもまた、密閉系に残存する。
【０００６】
問題は、もし密閉系における燃料電池が純粋な水素及び純粋な酸素で作動されるだけではなく、もし少なくとも１つの供給ガスも不活性成分を含む場合に起こる、即ちその成分は燃料電池に消散されない。このことは、カソード側での典型的な事実である。もし酸素が、純粋若しくは高濃度の状態で使用された場合、カソード触媒は、急速な酸化が起こり、該酸化が、劣化を引き起こし且つやがて触媒を破壊し、並びに燃料電池の反応を崩壊させるであろう。わずかに５０容積％の濃度で酸素を使用することが、推奨される。
【０００７】
このような理由のために、燃料電池における酸素は、作動ガスとして空気の形で大抵使用される。天然の空気は、ちょうど２１容積％の酸素、おおよそ７８容積％の窒素、並びに別に主にアルゴン、二酸化炭素及びごく少量の種々の希ガスを含む。
【０００８】
空気又は一般に不活性成分を含むガスを使用することの欠点は、もし圧縮若しくは液化した形が適用される場合、密閉系において燃料電池の作動中、多量の排出ガスが蓄積し、且つどこかに収集されるように、これら不活性成分が、燃料電池を変化させない状態にすることである。もし、十分な量の排出ガス貯蔵器がある場合、実行並びに排出ガスを圧縮若しくは液化することでさえ、発生した燃料電池エネルギーの重要な部分を無駄にするだろう。
【０００９】
例えば高圧ガス容器から天然の空気を伴って、燃料電池が密閉系にて作動される場合、少なくとも７９容積％の供給ガス（少なくとも不活性成分）が供給されないであろう。たとえいまだにかなりの量の非放出の酸素を含んだとしても、放出ガスもまた再循環され得ない、というのは、このような態様において、作動時間を増加させるとともに、より多くの不活性ガスが、徐々に燃料電池へと供給されうるからである。燃料電池の性能が下がり、並びに燃料電池の反応が、同じ点にて、ガス回路における不活性ガスの増加濃縮に起因して停止するであろう。
【００１０】
今日まで、密閉系において、空気のような不活性成分を含むガスを作用させて燃料電池を作動させることは可能ではなかった、同様にあまりにも多くの貯蔵スペースが、当該システムの温度及び圧力条件下で不活性燃料電池排出ガスを収容するために必要であり、並びに／又はあまりにも多くのエネルギーが、不活性排出ガスを圧縮若しくは液化するのに必要である（空間排出物を完全に溶解することなく）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って本発明の目的は、とりわけ例えば潜水用車両のような限られた空間を伴う密閉装置システムにおいて、密閉装置システムにおける空気のような不活性成分を含むガスを作用させて燃料電池を作動させることを可能にすることである。
【００１２】
本発明の目的は、とりわけ例えば潜水用車両のような限られた空間を伴う密閉装置システムにおいて、密閉装置システムにおける燃料電池作動方法及び装置を提供することにあり、空気のような不活性成分を含む作用ガスが燃料電池に供給される。
【００１３】
本発明の別の目的は、燃料電池の作動中燃料電池排出ガスを大気中へと放出する及び燃料電池排出ガスを貯蔵する手段を有することなしで、燃料電池を作動させるために、空気のような不活性ガス成分を含む操作ガスを用いる、例えば車両のような、燃料電池密閉装置システムを提供することである。
【００１４】
本発明の別の目的は、周囲空気がカソード作動ガスとして使用され、且つ燃料電池反応後にカソード排出ガスとして大気中へ放出されると同時に、アノード排出ガスが、燃料電池作動中に耐久中に放出されず、且つ貯蔵もされないような方法、装置及び装置システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
その目的は、燃料電池システム、装置システム及び燃料電池システム作動方法であって、対応する独立クレームに定められている特徴をそれぞれ有することにより、達成される。本発明の態様は、対応する従属クレームに定められている。
【００１６】
本発明に係る燃料電池システム及び本発明に係る装置システムは、「密閉系コンパクトシステム」である。これらは、大気からの物質を取り入れたり、作動中に大気中へ放出したりのどちらでもないという点では密閉系であり、並びに排出ガス（「排出されるためのガス」に関して）を発生しない、及びそれゆえにガス状若しくは液体状の排出ガスを貯蔵するための貯蔵器を有さないといった点でコンパクトシステムである。これは、限られた空間を伴う装置システムにおいて、空間を大分省くことが可能になる。本発明によれば、このことは、反応ガスである酸素及び水素に加え、更に燃料電池システムの作動中以後の対応する成分からの不活性ガス成分をそれぞれ含む燃料電池作動ガスを混合させることにより、並びに不活性若しくは不消費反応ガスを含む燃料電池排出ガスを再循環することにより、達成される。連続的に消費反応ガスを供給することにより、燃料電池に供給され得る作動ガスは、連続的に再生される。燃料電池の作動開始時に導入された不活性ガスの量が連続的に循環されるとき、本発明に係る燃料電池システムは、それにより非常に少量の不活性ガスが適用できる。このことは、使用に適さない排出ガスの発生を防止し、該ガスは、貯蔵若しくは放出されなくてはならない。生成される唯一の反応生成物が水であり、液化されるための特別な処理のいずれもなしで液体状にて貯蔵され、そのために非常に小さな空間を必要とする。
【００１７】
本発明に係る燃料電池システムの１つの変形例において、アノード排出ガスのみが再循環されると同時に、カソード排出ガスが、大気中へ放出される。
【００１８】
以下において、本発明を記述するための用語を説明する。
【００１９】
アノード作動ガス及びカソード作動ガスは、それぞれ、燃料電池のアノード及びカソードに供給されるガスである。作動ガスは、反応ガス、不活性ガス成分（不活性ガス）及び潜在的にガス化した水を含む。
【００２０】
アノード反応ガス及びカソード反応ガスは、燃料電池反応に巻きこまれた作動ガスの成分である。本発明において、アノード反応ガスは水素であり、そしてカソード反応ガスは酸素である。
【００２１】
不活性ガス成分（不活性ガス）は、潜在的に含まれる気化水を除いて、アノード作動ガス及びカソード作動ガスそれぞれの成分であり、当該ガスは燃料電池反応には関連しない、即ちそれは、燃料電池においては放出せず、そして燃料電池排出ガスの一部分として燃料電池から抜け出す。
【００２２】
アノード排出ガス及びカソード排出ガスは、作動ガスが反応後に燃料電池から出る物質である。燃料電池排出ガスはまた、反応水のような液体成分を含むかもしれない。
【００２３】
燃料電池装置は、１つ以上の燃料電池を具備し、１つ以上の燃料電池スタックを形成することができる。
【００２４】
燃料電池システムは、例えばガス貯蔵器、パイプ、ポンプ、バルブ等といった燃料電池を作動させるために必要な要素を含む、燃料電池装置である。
【００２５】
装置システムは、例えば燃料電池を具備し、且つ電気エネルギーを用いて作動される車両のような、備え付け若しくは移動性のある装置であり、該電気エネルギーは、少なくとも部分的に、燃料電池システムにより発生する。
【００２６】
密閉系（燃料電池システム又は装置システム）は、備え付け若しくは移動性のあるシステムであり、大気中からの例えば作動ガスのような物質を受ける、または該システムにより実行されるための任務の間中大気中へと例えば排出ガスのような物質を放出するといった可能性がない。
【００２７】
コンパクトシステム（コンパクト燃料電池システム又はコンパクト装置システム）は、液体状で貯蔵された水を除いて、ガス若しくは液体状における燃料電池排出ガスを貯蔵する可能性を持たない、備え付け若しくは移動性のあるシステムである。
【００２８】
密閉コンパクトシステムにおいては、燃料電池の作動中における環境（例えば大気中）からの物質を受ける可能性も、燃料電池排出ガス（液体状の水を除く）を貯蔵する可能性もどちらもない。確かな装置システムにおける空間の状況は、燃料電池装置の中間付近において、例えばガスコンテナのような燃料電池の個々の構成要素を設置しないことを必要とすることが可能である。関係している構成要素が装置システムの中若しくは上に収容される限り、このようなシステムは、コンパクト密閉型燃料電池システム又はコンパクト密閉装置システムに重きが置かれる。
【００２９】
アノード側で閉じられているコンパクトシステムは、大気からアノード作動ガスを取り入れる又は燃料電池の作動中にアノード排出ガスを放出する若しくは該ガス（液体状の水を除く）を貯蔵する可能性を伴わない燃料電池システム若しくは装置システムである。このような「セミ‐クローズド」コンパクトシステムは、密閉空間において容易に作動されるという利点と、取り回し性の利点とを束ねる。
【００３０】
本発明に係る燃料電池システムのコアとなる要素は、少なくとも１つの燃料電池を具備する燃料電池装置である。一般的には、燃料電池装置は、１つ以上の燃料電池スタックの形に配置された複数の燃料電池を具備する。本発明において、高分子電解質膜を有する燃料電池が、好ましくは使用される。燃料電池は、既知の方法で構成される。燃料電池それぞれは、アノード側を通じて流れるアノード作動ガス及びカソード側を通じて流れるカソード作動ガスを有する。本発明において、各領域は、カソード流域及びアノード流域に関連する。
【００３１】
密閉燃料電池システムは、両方とも燃料電池装置に関係している、２つのクローズドガス回路を具備する。カソードガス回路は、カソード作動ガス流路、カソード流域及びカソード排出ガス流路を具備し、アノードガス回路は、アノード作動ガス流路、アノード流域及びアノード排出ガス流路を具備する。カソード作動ガス流路において、新鮮なカソード作動ガスが、燃料電池装置へと流れ、燃料電池装置のカソード流域（即ち、該配置の全燃料電池のカソード流域）を通じて流れ、最終的にはカソード排出ガスが、カソード排出ガス流路の中へ燃料電池装置しておく。同じように、アノード作動ガス流路において、新鮮なアノード作動ガスが、燃料電池装置へと流れ、燃料電池装置のアノード流域（即ち、該配置の全燃料電池のアノード流域）を通じて流れ、最終的にはアノード排出ガスが、カソード排出ガス流路の中へと燃料電池装置から離れる。
【００３２】
半密閉系（セミクローズドシステム）において、アノードガス回路のみが密閉される。カソード側で、該システムは、カソード作動ガス流路を備える開放カソードガス流路、カソード流域及びカソード排出ガス流路を具備する。カソード作動ガス流路は、空気不ローイングを有し、好ましくは大気から取り入れられ、ファン、ブロワ若しくはベンチレータのような空気供給手段を通じてフィードされる。
【００３３】
一般に、カソード作動ガスは、与えられた酸素濃度、即ち所定の基準値の酸素濃度を有し、該濃度は、１００容積％、好ましくは２０〜５０容積％、とりわけ好ましくは３０〜４０容積％のカソード作動ガスよりも少ない。アノード作動ガスは、与えられた水素濃度、即ち所定の基準値の水素濃度を有し、該濃度は、好ましくは５０〜１００容積％、とりわけ好ましくは１００容積％のアノード作動ガスである。本発明において、分圧補償に起因して、カソード作動ガス濃度は、おおよそアノード作動ガス濃度と同じくらいになる必要がある。本発明の密閉系における確実な交換は、おおよそ４０〜５０、とりわけ５０容積％に酸素濃度及び水素濃度の両方を設定することである。半密閉系において、カソード作動ガス中の酸素濃度の基準値は、空気の酸素濃度、即ちおおよそ２１容積％に限定される。従って、水素濃度もまた、おおよそ２１容積％に調節されなくてはならない。
【００３４】
カソード排出ガスは、酸素が枯渇する、又はもはや酸素を含まず、並びにアノード排出ガスは、水素が枯渇する、又はもはや水素を含まない。アノード排出ガス及びカソード排出ガスは、しかしながら、例えば燃料電池反応の結果として、気化及び液化した水を含む。アノード排出ガス及びカソード排出ガスは、もはや燃料電池反応には適さない「使い尽くされた」ガスである。それゆえに、それらガスは、しかしながら、確実な場合において可能ではないシステムから排出されなくてはならなかったであろう。本発明によれば、密閉系において、排出ガスは各作動ガス（再循環された）の中へとフィードされる、即ちカソード排出ガス流路及びカソード作動ガス流路並びにアノード排出ガス流路及びアノード作動ガス流路は、密閉カソードガス回路及び密閉アノードガス回路を形成するための転移点にて「出会う」。本項目で説明される本発明による測定法なしだと、この再循環は、燃料電池反応が中断されるように、カソードガス回路及びアノードガス回路の両方の不活性ガス成分及び水の強い濃色を速やかに引き起こす。半密閉系において、カソード排出ガスが開放カソード排出ガス流路から大気中へと放出されるとともに、アノード排出ガスのみが再循環される。
【００３５】
本発明によれば、密閉系におけるカソード作動ガス流路において、酸素濃度は、定期的且つ連続的にそれゆえ測定され、並びにアノード作動ガス流路において、水素濃度は、定期的且つ連続的にそれゆえ測定される。酸素濃度若しくは水素濃度の所定の基準値に関しての違いはそれぞれ、カソード作動ガス流路における酸素のための所定の基準値が届くまでに酸素貯蔵器から酸素を絶え間なく導入することにより、並びに、アノード作動ガス流路における水素のための所定の基準値が届くまでに水素貯蔵器から水素を絶え間なく導入することにより、補填される。カソードガス回路の中への酸素導入ポイントは、カソード排出ガス流路がカソード作動ガス流路の中に移行する転移点を定義する。アノードガス回路の中への水素導入ポイントは、アノード排出ガス流路がアノード作動ガス流路の中に移行する転移点を定義する。半密閉系において、酸素濃度が、おおよそ２１容積％であること又はアノード作動ガス流路にて２１容積％の酸素濃度を維持する若しくは正確に酸素濃度及び連続的に酸素供給を決定するために、十分な水素を供給することのいずれかが推測できる。
【００３６】
供給されるための酸素及び水素の量は、（半密閉系において、水素のみが供給されるのに必要となる。酸素を再供給する必要がない、というのは新鮮な空気がシステムに定常的に入ってくるからである。）例えば理想気体の状態方程式を用いることにより求められ、該方程式は、水素及び不活性ガス又は酸素及び不活性ガスから成るガス混合物のために良い結果を与える。カソードガス回路及びアノードガス回路の容積は、既知であり、並びにガス回路における圧力及び温度が測定され得る。更に、カソードガス回路及びアノードガス回路における不活性ガスの量、即ちカソードガス回路及びアノードガス回路により及ぼされる不活性ガスの部分圧は、既知である。酸素濃度の所定の基準値は、カソード作動ガス流路における基準値に対応し、並びに水素濃度の所定の基準値は、アノード作動ガス流路における基準圧力に対応する。カソード作動ガスにおける基準圧力及び測定圧力の違いは、再供給されるための酸素の量を表しており、アノード作動ガスにおける基準圧力及び測定圧力の違いは、再供給されるための水素の量を表す。本発明において、測定圧力と、所定の基準圧力とを比較する及び必要なガスの量を供給するのに適した手段が提供される。このようなふさわしい手段は、例えば、カソードガス回路へ向かう酸素流路及びアノードガス回路へ向かう水素流路における減圧器をいう。反応中に発生した発生水若しくはガス混合物中のガス化生成水の一部は、アウトセットにて計算され、及び必要な不活性ガスの圧力を設定するときに考慮される。
【００３７】
アノードガス回路及びカソードガス回路における基準圧力或いはカソード流路はそれぞれに、同じ且つ好ましくは３００〜１０００ｈＰａ（陽圧）の範囲である。温度もまた、同じ且つ５４〜６５℃の範囲である。
【００３８】
半密閉系において、カソードガス流路における望ましい基準圧力のメンテナンスは、基準圧力が届いた時に外へと流路を開放するカソード排出ガス流路における手段を備えることにより確実にされ、並びに同時にカソード外から排出ガス流路の中へと正流を防止する。ふさわしい手段とは、例えばばね懸架式逆止弁といった逆止弁、又はスロットルバルブである。半密閉系において、作動ガスの空気は、好ましくは、例えばブロワのようなカソードガス回路における流量を同時に発生させるような手段を通じて供給される。酸素を再供給する必要がない。水素は、先述のような密閉系のために再供給される。
【００３９】
一定のカソードガス回路及びアノードガス回路において、圧力を保持する代わりに、質量流量が一定に保持され得る。この目的のために、質量流量メータが、カソードガス回路及びアノードガス回路に備え付けられる。減圧器を用いることにより、酸素（密閉系のみ）及び水素はそれぞれ、カソードガス回路及びアノードガス回路における質量流量が一定に残存するように、更にまた再供給される。質量流量調節器が質量流量メータの代わりに使用される場合、減圧器が必要ではない。それぞれのガスの必要量は、容積流量調節器を用いることにより更に供給され得る。
【００４０】
密閉系のカソードガス回路及びアノードガス回路における水の連続的な濃縮は、液化した水を分離するためのカソード排出ガス及びアノード排出ガス通気手段を誘導することにより防止される。このようなふさわしい手段は、例えば水分離器である。液体水が、水分離器の中に蓄積すると同時に、不活性ガス、排出ガスの中に潜在的に存在する気化水及び未消費の酸素若しくは未消費の水素それぞれが、カソード作動ガス流路及びアノード作動ガス流路それぞれの中で再循環される。半密閉系において、カソードガス流路における水分離器は、付属品である。
【００４１】
燃料電池の信頼できる及びスムーズな機能として、燃料電池装置に係る全ての燃料電池並びにカソード流域及びアノード流域に係る全てのゾーンにおいて、できるだけ均一に分配されるカソード作動ガス及びアノード作動ガスを有すること、並びに、とりわけ液化した水のカソード流域及びアノード流域空白を保持することが最も重要である。本発明によれば、このことは、カソードガス回路及びアノードガス回路におけるガスの適切な流速を生み出すことにより、達成される。カソードガス回路及びアノードガス回路におけるふさわしい流速は、例えばそれぞれ２〜４ｍ／ｓ、好ましくはそれぞれ３ｍ／ｓである。流速を調節するために、再循環ポンプが、例えばカソード排出ガス流路に備え付けられ、並びに再循環ポンプが、例えばアノード排出ガス流路に備え付けられる。ガスを再び流すことはまた、ガス成分の均一な混合物を提供する。カソードガス回路及びアノードガス回路における流れを人工的に引き起こすことなしで、例えば再循環ポンプを用いて、消費された酸素が再供給された酸素により交換され、並びに消費された水素が再供給された水素により交換されるが、再供給された反応ガスの分配は、遅く且つとても不均一になり、並びに生成した反応水は、燃料電池の外へ運ばれる。燃料電池は、デッドエンドオペレーションにて実質的に作動される。燃料電池は、やがて「押し寄せられ」、並びに燃料電池反応は、停止するであろう。半密閉系において、カソードガス流路に備え付けられたポンプのような手段は付属的である、というのは、典型的に、それ自体流れを引き起こす手段、例えばブロワは、空気源として使用される。
【００４２】
再循環ポンプは、外側から操作される。操作中、ポンプの性能は、例えばおおよそ３アンペア時の感覚で、エネルギー発生に依存して、一定の間隔で好ましくは一時的に増加される。このことは、「デッドコーナー」におけるガスの蓄積若しくは水の蓄積を防止することである。例えばベンチュリノズルのような、ジェットノズルは、再循環ポンプの代わりに用いられることが可能である。
【００４３】
もし、燃料電池システムが、より長期間に渡ってエネルギーを供給することであるならば、例えば数時間若しくは数週間の間で、より多くの反応水が蓄積されるだろう。このような場合において、分離された液体水が、分離大型採取容器の中へ放出及び採取されるように、排出ガス流路において水を分離するための手段を適用することは理にかなっている。この目標を達成するために、排出ガス流路における水分離器は、例えば、レベルスイッチ及び水ドレインバルブに備え付けられる。もし、水分離器の中の水が、ある程度達したならば、水のドレインバルブは、例えばおおよそ２秒といった予め決まった時間で開放され、並びに出た水が、好ましくは水ポンプによる補助で、大型採取容器の中へと導入される。ガスが排出ガス流路から水分離器を通じて出ることの無いようするのを確実にするため、適当な時間の中で、水ドレインバルブを密閉するレベルスイッチがまた、水分離器の外側に備え付けられる。水ドレインバルブ並びに各レベルスイッチは、アノード側及び／又はカソード側に備え付けられる。半密閉系においては、カソード側の水分離器が付属品である。
【００４４】
上述したように、燃料電池装置は、予め決められた基準値を有するカソード作動ガスにおける酸素の濃度及び予め決められた基準値を有するアノード作動ガスにおける水素の濃度と共に、カソード作動ガス及びアノード作動ガスと共に作動される。しかしながら、燃料電池システムが酸素及び水素のあらかじめ決められた濃度を伴って作動するのが始める前に、これらの濃度は、初めに設定されなくてはならない。この目的を達成するために、カソードガス回路及びアノードガス回路は、燃料電池を作動させるとき並びに燃料電池装置を作動させる前のそれぞれの時に、燃料電池システムを作動させるために必要な十分な量の不活性ガスで満たされる。十分な量の不活性ガスは、順に、不活性ガスの状態方程式を用いることにより計算されるとともに、カソードガス回路及びアノードガス回路の容量、酸素濃度及び水素濃度の望ましい基準値、並びに燃料電池システム及び満たす温度の望ましい条件が、知られている。カソードガス回路及びアノードガス回路に沿って取られた燃料電池反応中に発生したガス化した水の量がまた、知られている。この量は、望ましい不活性ガスの圧力を設定した時に、システムのエレクトロニクスにより初めに計算され且つ検討される。
【００４５】
燃料電池システムのあらかじめ決められた作動条件（圧力、温度）の下で、密閉系のカソードガス回路のガスは、あらかじめ決められた圧力（基準圧力）並びにあらかじめ決められた転機を有している。カソード作動ガスにおける望ましい若しくは予め決められた酸素濃度（基準酸素濃度）は、カソード作動ガスにおける与えられた酸素分圧（基準酸素分圧）及び与えられた不活性ガス分圧（基準不活性ガス分圧）に対応する。類似して、アノードガス回路におけるガスは、望ましい、即ち予め決められた濃度（基準水素濃度）を有し、該濃度は、アノード作動ガスにおける与えられた水素分圧（基準水素分圧）及び与えられた基準不活性ガス分圧に対応する。
【００４６】
燃料電池装置を作動させる前、或いは、密閉系の燃料電池装置から電流を流すことを開始する前に、カソードガス回路及びアノードガス回路における作動ガス混合物は、それぞれの成分から産出され、該成分は、例えば圧縮ガスシリンダのようなふさわしい貯蔵器の中にそれぞれ蓄えられる。これらは、不活性ガス、水素、及び酸素のための分離型貯蔵器である。
【００４７】
窒素は、好ましくは不活性ガスとして用いられる。以下では、本発明が、不活性ガスとしての窒素と共に記される、即ちカソード作動ガスが「人工空気」である。しかしながら、本発明では、不活性ガスとしては、決して窒素に限られない。密閉系において、例えば希ガスのような、他の不活性ガスが、代わりに使用可能である。好ましいガスは、ヘリウムであり、ヘリウムの存在下では、例えば窒素の存在下の時よりも少なく燃料電池反応を遮断されるため、特に高い燃料電池反応を達成することができる。同じ不活性ガスは、カソードガス回路及びアノードガス回路にて使用される。天然の空気を使用する場合、もちろん不活性ガスは通常窒素である。
【００４８】
作動を開始する前に、ガス回路は、大気圧下にあり、並びに不活性ガスで満たされている。必要ならば、作動前に、ガス回路は、例えば窒素のような操作で使用される不活性ガスを上気させる。その時、窒素の圧力が基準不活性ガス分圧に対応するまでに、カソードガス回路は、不活性ガス（ここでは窒素）で満たされる。そうすることにより、温度が通常充填処理の間中、典型的にはそれがより低い、作動温度とは異なるということが考慮されなくてはならない。カソードガス回路における窒素の圧力設定は、それに応じて調節される必要がある。同時に、カソードガス回路を充填することは、アノードガス回路が窒素で満たされる、即ち同じ窒素の圧力が、カソードガス回路又はその逆のように、アノードガス回路の中にセットされる。両方のガス回路を概ね同時に充填することが必要である、なぜならば、もし２つのガス回路の１つのみが窒素で満たされる場合、燃料電池の中の窒素が、燃料電池膜を通じて低い窒素分圧を有する側へと拡散するであろう。このプロセスは、分圧バランスが到達されるまで、即ち窒素の圧力が膜の両側で同じようになるまで続くであろう。
【００４９】
例えば酸素及び水素が送り込まれる同じところで、窒素は、窒素貯蔵器から、不活性ガス流路を通じて、カソードガス回路及びアノードガス回路の中へと送り込まれる。代わりに、他の送入点（フィードインポイント）が可能である。必要な窒素分圧は、基準作動ガス圧力を設定すると共に、類似的に調節される、即ち圧力及び温度が、好ましくは燃料ガス回路（カソードガス回路及びアノードガス回路）にて測定され、その時、高い窒素分圧が、測定された温度でなければならないよう計算され、並びに、例えば不活性ガス流路における減圧器のような手段を通じて、測定された窒素の圧力が、計算された基準窒素分圧と比較され及び窒素がその時、測定された窒素の圧力が基準窒素圧力に対応するまで供給されるのを継続される。代わりに、質量流量は、測定され、並びに例えば、質量流量調節器は、不活性ガスを供給するための手段として使用され得る。
【００５０】
その時、酸素及び水素はそれぞれ、カソード作動ガスの基準圧力若しくはアノード作動ガスの基準圧力がそれぞれ、充填処理の間中の温度を考慮の中に取り入れて届くまでに、カソードガス回路及びアノードガス回路の中に添加される。酸素及び水素は、燃料電池におけるアノード側及びカソード側の間でできるだけ低く、差圧を持続するために、十分かつ同時に好ましくは送り込まれるべきである。水素及び酸素の定義された濃度比が、設定される。設定された不活性ガス分圧及び設定された作動ガス圧力（アノード作動ガス圧力、カソード作動ガス圧力）の間の差圧は、反応ガスの分圧（酸素分圧、水素分圧）に対応する。水素分圧及び酸素分圧の間の比は、水素及び酸素の濃度に対応する。反応間中以来、水素の２倍が酸素として消費され、対応する高めの量の水素が、燃料電池の作動中再供給される必要がある。
【００５１】
燃料電池作動ガスにおける酸素及び水素の基準濃度を設定した後、燃料電池装置が、作動中の中へ採取され得る、即ち連続的な作動が、開始され、並びに電流が発生する。
【００５２】
密閉アノードガス回路及び開放カソードガス回路を具備する半密閉系において、予め決められた水素濃度のみが、燃料電池システムを作動させる前に、アノードガス回路の中に設定される必要がある。この水素濃度は、周囲（環境）空気中の酸素濃度に対応し、該空気は、カソード側での作動ガスとして使用される。作動条件下で、同じ温度及び基準作動ガス圧力は、アノードガス回路及びカソードガス流路の中、類似して密閉系に存在する。
【００５３】
半密閉系において、空気が最初にカソードガス流路へと送り込まれ、及び窒素が同時にアノードガス回路へと送り込まれ、それにより、カソードガス流路における空気の中の窒素分圧に対応する窒素分圧を設定することである。続いて、水素は、アノードガス回路及びカソードガス流路の中の圧力が同じになるまで、アノードガス回路の中へと添加される。その順序は、前述のステップのみがアノード側で実行され得ることを除いて密閉系のために前述のように原則的に同じであり、同時にカソード側で、空気がカソードガス流路を通じて連続的に流れる。この順序に伴い、アノードガス回路及びカソードガス流路の間に開始差圧があり、該差圧は、しかしながら、許容範囲内である。
【００５４】
燃料電池システムのスイッチを切った後に、ガスが、ガス流路に残存し、並びに液体水が、水採集容器に残存する。燃料電池システムを操作に再び入れる前に、水が、各水採集容器から取り除かれるべきであり、並びに好ましくは、ガスはまた、カソードガス回路若しくはカソードガス流路及びアノードガスガス回路それぞれから取り除かれるべきである。この目的の達成のために、適した開放若しくはバルブは、容器若しくはガス流路の中に備え付けられる。好ましくは、２つの利用、いや正確には燃料電池システムの２つの作動時間の間で、カソードガス回路若しくはカソードガス流路及びアノードガス回路それぞれが、潜在的に残存する水を取り除く及びシステムの再起動のための適切なガスを提供するために、不活性ガスを上気させる。
【００５５】
燃料電池システムが、相対的に小さい陽圧若しくは相対的に小さい不活性ガス濃度で操作されることである場合、ガス回路を操作に入れる前のガス回路の中に残存している不活性ガスの量は、大分多くなる、即ちセットされるための基準不活性ガス分圧が、大気圧若しくは雰囲気圧よりも小さくなる。このような場合、ガス回路（又はアノードガス回路、半密閉系の場合において）は、望ましい不活性ガス分圧が到達されるまで、又は、設定されるための基準不活性ガス分圧より低い圧力が到達されるまでに空にされ、並びにその時望ましい不活性ガス分圧が不活性ガスを供給することにより設定される。
【００５６】
環境、即ち大気中へ可能な限り少しの水素を放出するために、いわゆるブリーダ抵抗が、アノード終板及びカソード終板の間に接続される。その接続可能なブリーダ抵抗は、システムのスイッチオフ後に消費されるためにシステムの中に残存している反応ガス並びにカソードガス回路及びアノードガス回路の中に残存するための十分な不活性ガスをもたらす。
【００５７】
安全上の理由から、システムの最大圧力が超えられた場合にカソード作動ガス及びアノード作動ガスの圧力を測定並びに安全回路によりセーフモードにスイッチする圧力スイッチを、カソードガス回路若しくはカソードガス流路及び／又はアノードガス回路それぞれに、好ましくはそれらの両方に備え付けるのが好ましい。最大圧力を超えた時、ガスの供給が遮断される。ガスの供給の遮断は、燃料電池システムの安全ロジックにより検知され、該システムは、そのときにスイッチが切られる。
【００５８】
更に安全手段のように、ストップバルブが、各ガス（水素及び／又は窒素及び／又は酸素）をやがて悪い点にて入れられることから防止するために、ガス貯蔵器からカソードガス回路及びアノードガス回路それぞれに、導かれたガス流路の中に備え付けられる。更にふさわしい安全手段は、もし、誤って不活性ガス及び酸素の両方がカソードガス回路の中に送り込まれた（密閉系において）場合、或いはもし、誤って不活性ガス及び酸素の両方がアノードガス回路の中に送り込まれた場合、作動ガスを逆流から防止すするために、ガス貯蔵器（水素及び／又は窒素及び／又は酸素）からカソードガス回路及びアノードガス回路の中のガス送入ポイントへと導くガス流路に備え付けられる逆止弁である。
【００５９】
本発明に係る密閉系及び半密閉系は主に、アノード側で一致する。とりわけ、アノード側で、好ましくは両方が、いずれの望ましいコンビネーションでお互いに組み合わさっているという以下の特徴を有する。
【００６０】
燃料電池システムは、水素流路からの水素又は窒素フロー路からの窒素のいずれかをアノードガス回路の移行ポイントにてアノードガス回路の中へと送り込むための手段を具備する。
【００６１】
窒素をアノードガス回路へ供給する手段は、窒素フロー路の中にある減圧器であり、及び／又は水素をアノードガス回路へ供給する手段は、水素流路の中にある減圧器である。
【００６２】
アノードガス回路は、アノードガス回路の中で環境気圧よりも低い気圧を発生させるための手段を具備する。
【００６３】
燃料電池システムは、液体水を貯蔵するための少なくとも１つの容器を具備し、該容器は、アノード排出ガスから、好ましくは水ポンプを通じて、液体水を分離するための手段に、流体の形式によって、接続される。
【００６４】
燃料電池システムは更に、アノード排出ガスから液体水を分離するための手段におけるレベルスイッチ及び／又はアノード排出ガス流路からガスを放出するための手段を具備する。
【００６５】
燃料電池システムは、窒素源からアノードガス回路へと導く窒素フロー路にて、逆止弁及び／又はストップバルブを具備する。
【００６６】
燃料電池システムは、アノードガス回路における圧力スイッチを具備する。
【００６７】
燃料電池の作動中、アノードガス回路において、３００〜１０００ｈＰａの陽圧があり、及び／又はアノードガス回路におけるガス流速が、２〜４ｍ／ｓである。作動圧力及びガス流速は、アノードガス回路及びカソードガス回路若しくはカソードガス流路にて、それぞれ、同一である。
【発明の効果】
【００６８】
本発明に係る燃料電池システムは、電気エネルギーを伴ういずれの装置にも主にふさわしい。本発明の燃料電池システムに係る利点は、例えば密閉空間若しくは車両、とりわけ潜水用車両に用いられるための装置のような、密閉されるべき若しくはされなくてはならない、またこのことがテクニカルのものなのかそれとも他の理由でなるかという全ての装置システムにおいてとりわけ使用されるというものである。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施態様の概略図を示す。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの代わりの実施態様の概略図を示す。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの別の代わりの実施態様の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００７０】
以下、図面を用いて本発明を更に説明する。なお、図面は、拡大して描かれているわけでも比例して描かれているわけでもない。更には、本発明を理解するための特徴の本質的要素のみが記される。追加的特徴が表れる並びに記されているすべての特徴が本発明の機能のために必須ではない。
【００７１】
図１は、本発明に係る燃料電池システム１に係る実施形態の概略図である。燃料電池システム１は、図示された態様においては、単一の燃料電池３から成る燃料電池装置２を具備する。実際には、燃料電池装置は、複数の燃料電池であって、それぞれ複数の燃料電池を有する通常はいくつかの燃料電池スタックを具備する。燃料電池は、例えばカソード１０及びアノード２０を有する高分子電解質膜燃料電池のような、実際には従来型の構造から成り、該電池は、可能な限りそれらのエリアの多くに、作動ガスをそれぞれに供給される。作動ガスは、通常は流れのフィールドに流れるが、該フィールドは、カソード流域１３及びアノード流域２３として模式的に図示される。冷却のために、図示された燃料電池３は、冷却板８を具備する。
【００７２】
燃料電池は、人工空気、即ち人工空気における酸素割合が好ましくは２０〜５０容積％、より好ましくは４０〜５０容積％である、酸素及び窒素の混合物で作動される。燃料電池１の作動中、人工空気が、連続的に酸素及び窒素成分から発生し、並びに燃料電池装置２へと供給される。アノード側での作動ガスは、水素及び窒素の混合物であり、該混合物はまた、水素及び窒素の成分から発生し、燃料電池システム１の作動中に燃料電池装置２へと供給される。アノード作動ガス内の水素濃度は、カソードガス回路内の酸素濃度と同じである。
【００７３】
反応ガスである酸素及び水素並びに不活性ガスである窒素は、適した貯蔵器に備え付けられ、図示された態様において、圧縮酸素シリンダ３０、圧縮水素シリンダ４０及び圧縮窒素シリンダ５０がその適した貯蔵器である。窒素貯蔵器は、反応ガス貯蔵器よりずっと小さい、というのは、全体の燃料電池作動中に、同じ量の窒素が計算されるために、窒素が燃料電池反応中消費されることがないからである。
【００７４】
ガス貯蔵器のサイズは、スケジュールされた燃料電池作動時間に依存する。無論、貯蔵器は、圧縮ガスシリンダに限られない。
【００７５】
本発明に係る必須の態様は、窒素若しくは酸素が中へと送り込まれる密閉カソードガス回路１１並びに水素若しくは窒素が中へと送り込まれる密閉アノードガス回路２１を伴った燃料電池システムの設備である。カソードガス回路１１は、カソード作動ガス流路１２から成り、該流路は、燃料電池ガス注入口にてカソードガス流域１３の中へ移行させ、順に燃料電池ガス出口にてカソード排出ガス流路１４の中へ移行させる。カソード排出ガス流路１４は、順に、移行ポイント１５にてカソード作動ガス流路１２の中へと開口する。アノードガス回路２１は、アノードガス作動ガス流路２２から成り、該流路は、燃料電池ガス注入口にてアノード流路２３の中へ移行させ、順に燃料電池ガス出口にてアノード排出ガス流路２４の中へ移行させる。アノード排出ガス流路２４は、移行ポイント２５にてアノード作動ガス流路２２の中へと開口する。本発明に係る燃料電池システムはそれゆえ、燃料電池排出ガスを十分に再循環し、並びにいかようの排出ガスを大気中へと放出させることないのに適している。流路は、ホースライン若しくはパイプである。
【００７６】
カソード流路１３及びアノード流路２３は、共に“ファンアウトされる”、即ち燃料電池ガス注入口にてガス分配器があり、該分配器は、全部の燃料電池装置２に可能な限り平等に、カソード作動ガス及びアノード作動ガスを分配し、並びに燃料電池ガス出口にて収集器があり、該収集器は、カソード排出ガス及びアノード排出ガスを収集し、及びそれらをカソードガス流路１４及びアノードガス流路２４それぞれに送り込む。
【００７７】
カソード作動ガス流路１２における圧力センサ１８及びカソード排出ガス流路１４における温度センサ１９は、カソードガス回路１１におけるガス圧力及びガス温度を測定する働きをする。アノード作動ガス流路２２における圧力センサ２８及びアノード排出ガス流路２４における温度センサ２９は、カソードガス回路２１におけるガス圧力及びガス温度を測定する働きをする。しかしながら、センサ１９、２９のうちの１つのみ、好ましくはカソードガス回路における温度センサ１９を備え付けることもまた十分である、というのは、アノードガス回路及びカソードガス回路におけるガス温度が、充填処理中及び燃料電池システムの作動中の双方とも概ね同じだからである。更に、センサは、カソードガス回路１１及びアノードガス回路２１における任意の場所に置かれる。システムエレクトロニックは、測定された圧力及び温度から、カソードガス回路１１及びアノードガス回路２１におけるガスの量を計算することができる。
【００７８】
図示された態様において、酸素は、カソードガス回路１１の中へと酸素を送り込むために、減圧器３３が中に置かれている酸素流路３１（酸素ライン３１）を通じて圧縮ガスシリンダ３０からバルブ３２へと送り込まれる。水素は、アノードガス回路２１の中へと水素を送り込むために、減圧器４３が中に置かれている水素流路（水素ライン）４１を通じて圧縮ガスシリンダ４０からバルブ４２へと導かれる。窒素は、カソードガス回路１１の中へと窒素を送り込むために、不活性ガス流路５１、５２を通じて圧縮ガスシリンダ５０からバルブ３２へと導かれ、並びに同様にアノードガス回路２１の中へと窒素を送り込むために、不活性ガス流路５１、５４を通じてバルブ４２へと導かれる。不活性ガス流路の部分断面５１において、減圧器５３及び付属ストップバルブ５５が備え付けられ、該ストップバルブ５５は、やがて不適切なポイントで、窒素がカソードガス回路１１及びアノードガス回路２１の中へ流れ込むのを確実に防止することが可能である。不活性ガス流路の部分断面５１に減圧器５３を備え付けることにより、同じ不活性ガス分圧が、カソードガス回路１１及びアノードガス回路２１にセットされるということが保証される。
【００７９】
図示された態様において、窒素及び酸素は、例えば供給酸素及び供給窒素の間を、スイッチ可能なバルブのような酸素若しくは窒素のいずれかが送り込まれるような共通手段３２を通じて、フィードインポイント（移行ポイント）１５にてカソードガス回路１１の中へと送り込まれる。窒素及び水素は、類似して、供給水素及び供給窒素の間をスイッチされることが可能な共通バルブ４２を通じて、フィードインポイント（移行ポイント）２５にてアノードガス回路３２の中へと送り込まれる。適切なバルブ３２及び４２は、例えば３−２ウェイ磁石バルブである。通常、磁石バルブは、好ましくは全てのバルブに使用される。
【００８０】
代わりに、酸素及び窒素をカソードガス回路１１へ別々に、並びに／又は水素及び窒素を別々にアノードガス回路２１へと供給することもまた可能である。酸素が送り込まれるポイントは、移行ポイント１５を定義し、並びに水素が送り込まれるポイントは、移行ポイント２５を定義する。窒素は、カソードガス回路１１及びアノードガス回路２１それぞれ任意の位置にて、無論燃料電池それ自体の外側で原則送り込まれることができる。もし供給が分離されるならば、不活性ガス流路にストップバルブを備え付けるのが好ましく、酸素流路及び水素流路は、窒素及び酸素が同時にカソードガス回路の中へ送り込まれるのを防止し、且つ窒素及び水素が同時にアノードガス回路の中へ送り込まれるのを防止する。
【００８１】
カソード側で、燃料電池装置２は、例えば５０容積％の酸素濃度を有する人工空気と共に、並びにアノード側で、水素／窒素の混合物と共に、作動される。もし酸素濃度が５０％ならば、水素濃度もまた５０容積％である。連続的に燃料電池を作動及び発電する前に、アノードガス回路２１及びカソードガス回路１１は、所望の作動ガスで満たされる。この手段は、後述するコンクリートの典型的な部材により説明される。
【００８２】
非常に良い近似で適用されることが可能な下記数１に示す状態方程式（ｐ＝圧力、Ｖ＝容積、ｍ＝質量、Ｍ＝モル質量、Ｒ＝気体定数、Ｔ＝温度）は、所望の反応ガス濃度（基準濃度）、圧力及び温度を設定する代わりとして、同様に混合ガスの質量及びモル質量並びに満たされるための容積が重要であることを示す。
【００８３】
【数１】
2018517234.tif 000003
カソードガス回路の典型的な容積をＶｇ＝０．００３５ｍ３、カソード作動ガスの所望の反応圧力（基準圧力）をｐｇ＝４４５１ｈＰａ絶対（４４５１００ｋｇ・ｍ−１・ｓ−２絶対（アブソリュート））、カソードガス回路におけるガス温度をＴｇ＝３２７Ｋ（５４℃）、及び所望の酸素濃度を５０容積％（ｘＯ２＝０．５）とし、酸素のモル質量をＭＯ２＝１５．９９９４ｇ・ｍｏｌ−１、窒素のモル質量をＭＮ２＝１４．００６７ｇ・ｍｏｌ−１、及び気体定数をＲ＝８．３１２Ｊ・ｍｏｌ−１・Ｋ−１、燃料電池の連続的作動前、即ちガス化若しくは液体水部分無しで電流を引っ張り始める前の時間の安定したポイントで、カソードガス回路における所望のガス質量をｍｇ＝ｍＯ２＋ｍＮ２としたとき、このことは次のような式で得る。
【００８４】
【数２】
2018517234.tif 000004
上記の数値を適用することは、カソードガス回路における必須且つ全部のガス質量として、１１ｍｇ＝９．１７０ｇを得る。酸素及び窒素のモル質量の比ＭＯ２／ＭＮ２＝１５．９９９４：１４．００６７とするとき、酸素の質量は、ｍＯ２＝４．５８５ｇとなり、窒素の質量は、ｍＮ２＝４．２８１ｇとなる。
【００８５】
もし窒素が、２３℃（２９６Ｋ）で満たされている場合、窒素分圧は次式から求められなくてはならない。
【００８６】
【数３】
2018517234.tif 000005
この分圧は、燃料電池システムを作動させたときに、カソードガス回路１１及びアノードガス回路２１において調節される。
【００８７】
しかしながら、上記の計算は、燃料電池の反応中、水が、反応生成物、カソードガス回路及びアノードガス回路における気化状態に沿って取られる確かな均衡であるということを考慮していない。気化水は、燃料電池システムを作動させるときに、それに応じてより少ない不活性ガスが、カソードガス回路１１及びアノードガス回路２１の中へ送り込まれなくてはならないように、不活性ガスの一部を置換する。生成した反応水を考慮するときの必要な不活性ガスの量は、ワグナー式（下記数４）により求めることが可能である。
【００８８】
【数４】
2018517234.tif 000006
ｐｓａｔは飽和圧力であり、ｐｃは臨界ガス圧力であり、並びにＴｃは、臨界水温度である。ｐｃは２２０６００ｈＰａであり、並びにＴｃは、６４１．１Ｋである。Ｔｇはそれぞれ、カソードガス回路及びアノードガス回路におけるガスの温度であり、並びにＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄはワグナー係数である（Ａ＝−７．７１３７４、Ｂ＝１．３１４６７、Ｃ＝−２．５１４４４、Ｄ＝−１．７２５４２）。ワグナー式及び前記の値に関して、レファレンスは、ＶＤＩ温度図表（ＶＤＩ  Ｈｅａｔ  Ａｔｌａｓ）第１０編、スプリンガーヴェルラグ  ベルリン、ハイデルベルグ  ２００６による。
【００８９】
パラメータを適用することは、カソードガス回路及びアノードガス回路における気化水の濃度ｘＨ２Ｏとして、ｘＨ２Ｏ＝ｐｓａｔ／ｐｇ＝０．２４９を得る。
【００９０】
ｐｇはそれぞれ、カソード作動ガス及びアノード作動ガスの基準圧力をいう（４４５１ｈＰａ絶対）。
【００９１】
燃料電池の作動中の時点で安定したポイントにて、カソードガス回路１１におけるガスの全質量ｍｇ＝ｍＯ２＋ｍＮ２＋ｍＨ２Ｏは、次の式で得る。
【００９２】
【数５】
2018517234.tif 000007
Ｖｇ、Ｔｇ及びｘＯ２は、上記のように気化水部分を除いた計算のために明示されることである。
【００９３】
パラメータを適用することは、酸素の質量をｍＯ２＝４．５８５ｇとして、窒素の質量をｍＮ２＝２．０１８ｇとして、並びに水の質量をｍＨ２Ｏ＝２．５６７ｇとして得る。ガスの全質量ｍｇは９．１７０ｇとなる。
【００９４】
温度が、燃料電池システムを作動させるときの窒素を伴ってアノードガス回路及びカソードガス回路を満たすとき、２９６Ｋである場合、窒素圧力は、次式から調節される必要がある。
【００９５】
【数６】
2018517234.tif 000008
これは、１０１３ｈＰａ絶対の窒素圧力ｐＮ２を得る。
【００９６】
燃料電池システム１を作動させるとき及び燃料電池装置２を作動させる前に、１０１３ｈＰａの窒素分圧は、カソードガス回路及びアノードガス回路の中で、同時且つ十分に調節される。カソードガス回路１１における１０１３ｈＰａの窒素分圧は、例えば、供給酸素及び供給窒素を切り替えることが可能な３−２ウェイバルブ３２への窒素フローを有する、不活性ガス流路５１におけるバルブ５５を開口することにより調節される。バルブ３２は、窒素が移行ポイント１５にて流路３４を通じてカソードガス回路１１の中へと流れるように、窒素供給に切り替える。窒素圧力は、圧力センサ１８により測定され、並びに不活性ガス流路５１における減圧器５３は、測定された圧力と、１０１３ｈＰａの基準値とを比較し、及び１０１３ｈＰａの窒素圧力に到達される（それぞれの圧力は、絶対圧力である。）まで窒素フローをさせる。
【００９７】
アノードガス回路２１は、同時且つ十分にカソードガス回路１１を満たすとともに、窒素で満たされている。カソードガス回路の中に存在する同じ窒素圧力を伴って、十分かつ同時にアノードガス回路を満たすということは、分圧の代償に起因する移動から窒素を妨げるために必要である。窒素でアノードガス回路２１を満たすために、供給水素及び窒素を切り替られる３−２ウェイバルブ４２は、窒素が、窒素フローパス４４を通じて、移行ポイント２５へと、並びにアノードガス回路２１の中へと流れるように、窒素に切り替える。アノードガス回路２１中の窒素圧力は、圧力センサ２８で測定される。減圧器５３は、圧が到達されるまでに、調節される及び窒素を流れさせるために、測定された圧力と、１０１３ｈＰａの基準圧力とを比較する。
【００９８】
その後、作動ガス混合物が産出される。この目的のために、バルブ３２は、酸素供給に切り替えられ、並びにバルブ４２は、水素供給に切り替えられる。本態様にて、カソード作動ガスが５０容積％の酸素成分を有するゆえ、調節されるための酸素分圧ｐＯ２は、反応水を考慮せずに、窒素の分圧ｐＮ２と同じであり、それゆえ２１４９ｈＰａである。２３℃の充填温度での全作動ガス圧力ｐｇのために、４１５６ｈＰａの圧力はそれゆえに、調節されることが必要である。この圧力は、類似的に窒素分圧へとカソードガス回路１１の中で調節される、即ち圧力ｐｇは、圧力センサ１８によって測定され、並びに減圧器３３は、測定された圧力と、必要な基準値とを比較する。測定された圧力が４１５６ｈＰａの必要な基準値よりも小さい限り、減圧器は、必要な基準値に届くために、十分な酸素をカソードガス回路の中へ流し込む運びで開口される。圧力センサにより測定された圧力が、必要な基準値に届いたらすぐに、減圧器３３のバルブは閉じる。同時に、アノードガス回路２１において、４１５６ｈＰａの圧力ｐｇ＝ｐＨ２＋ｐＮ２もまた、圧力センサ２８を用いてアノードガス回路２１における測定することにより及びその時減圧器４３の測定圧力を調節ポイントへと比較することにより、調節される。減圧器４３の値は、調節ポイントに届くまでに、水素をアノードガス回路２１の中へと流し込むために開口される。減圧器のバルブはその時閉まっている。バルブ３２及び４２は、位置を保持している、即ちそれらは、酸素フロー及び水素フローをそれぞれ設定されたままである。燃料電池システム１は、燃料電池装置２を作動させるためにいよいよ始まる。各々の圧力は、絶対圧力を参照する。
【００９９】
前記の例は、調節されるための窒素分圧が、大気圧におおよそ対応するように、且つふさわしい窒素分圧が、窒素を伴ってカソードガス回路及びアノードガス回路を単純にフラッシュすることにより調節されるように選択された。作動条件下、しかしながら、これは、本発明による好ましい３００〜１０００ｈＰａ（陽圧）という範囲を超える作動ガス圧力を得る。好ましい範囲における作動ガス圧力を調節するために、窒素分圧（絶対圧力）は、大気圧よりも小さくなるように調節される必要がある、即ちカソードガス回路及びアノードガス回路は、所望の不活性ガス圧力を調節する前に退避させられなくてはならない。この目的を達成するために、カソードガス回路及びアノードガス回路は、各々例えば真空ポンプ（図示せず）のような、そこに備え付けられる真空を発生させる手段を好ましくは有する。低スループットを有する小さくて軽いポンプが十分である、なぜならば、高真空を発生する必要がないからである。所望の窒素分圧（基準窒素分圧）が、前述のように窒素を供給することにより、調節され得るように、調節される（例えば２００〜８００ｈＰａ）ための窒素分圧若しくは調節されるための窒素分圧よりもわずかに低い圧力を発生させることができるのに十分である。
【０１００】
燃料電池装置２の作動前並びに好ましくは既にカソードガス回路１１及びアノードガス回路２１を満たす間に、再循環フローは、例えばカソード排出ガス流路１４における再循環ポンプ１７及びアノード排出ガス流路２４における再循環ポンプ２７を用いることにより、不活性ガス及び反応ガスの適正なガス配分及び混合を達成するために、カソードガス回路及びアノードガス回路双方で発生される。代わりに、１つ若しくは両方のポンプがジェットノズルにより再配置される。新鮮な作動ガスが連続的に燃料電池の中へ輸送される並びに燃料電池反応の間中形成される消費ガス及び水が燃料電池の外へ輸送されるということを確実にするために、流速をメンテナンスすることが重要である。
【０１０１】
燃料電池反応の間に生成した水は、燃料電池排出ガスから取り除かれる必要がある、なぜならば、さもなければそれ（水）が、カソードガス回路及びアノードガス回路の中で濃縮し、並びに燃料電池を結局浸してしまうことが続くだろうということであった。それゆえ、水分離器１６は、カソード排出ガス流路１４に備え付けられ、そして水分離器２６は、アノード排出ガス流路２４に備え付けられている。水分離器１６、２６において、液体水がガスフローから分離され且つ回収されると同時に、気化水が、カソード排出ガス及びアノード排出ガスに残存する。液体水を分離の後、全体の排出ガスは、カソード作動ガス流路１２の中へと送り込まれ、並びに全体のアノード排出ガスは、アノード作動ガス流路２２の中へと送り込まれる。燃料電池排出ガスが、燃料電池装置２の作動中、作動ガス流路の中へと送り込まれてから、作動ガスは、圧力センサ１８及び２８で測定された圧力が、カソード作動ガス流路１４及び／又はアノード作動ガス流路２４における、温度センサ１９及び／又は２９により測定された各ガス温度よりも低くなるように、反応ガスの酸素及び水素が枯渇する。本発明によれば、カソードガス回路１１及びアノードガス回路２１における圧力は、しかしながら、燃料電池装置２の作動中にも一定に保持される。この目的のために、酸素をカソードガス回路１１に供給する手段及び水素をアノードガス回路２１に供給する手段が、酸素及び水素の供給量が調節され得るように備わっている。図示された態様において、減圧器３３及び減圧器４３が使用される。カソードガス回路１１及びアノードガス回路２１における圧力は、それぞれ消費された酸素及び消費された水素を補うために、カソードガス回路１１及びアノードガス回路２１それぞれの中に酸素及び水素を流し込むために十分空いている減圧器３３のバルブ及び減圧器４３のバルブを有することにより、一定に保持される。
【０１０２】
酸素、水素及び窒素を適切に供給する代替の手段として、マスフローレギュレータが使用され得る。
【０１０３】
図示された態様において、水分離器１６及び２６は、それぞれレベルスイッチ６７及び６８に備え付けられ、且つそれぞれ水ドレインバルブ６４及び６５に備え付けられる。レベルスイッチ６７、６８は、水分離器１６、２６の充填レベルを絶えず監視し、且つあらかじめ決めた充填レベルが超えられないということを明確にする。水分離器１６、２６の水レベルがレベルスイッチを濡らすのに十分上昇したらすぐに、水ドレインバルブ６４、６５が開き、そして水が排水される。いくらかの水が、カソード排出ガス及びアノード排出ガスが外へ流れ込むのを防止するために、水分離器１６、２６の中に残存するように排水時間が選択される。ふさわしい排水時間は、１〜３秒である。排水された水は、パイプ６３を通じて、いつも水ドレインバルブ６４、６５のうち１つ或いはそれらの両方が開口されて操作される水ポンプ６１によりサポートされる、水収集タンク６０の中へと流れ込む。
【０１０４】
図示された態様は、カソード作動ガス流路１２における圧力スイッチ４及びアノード作動ガス流路２２における圧力スイッチ６を具備する。もし、カソード作動ガス及びアノード作動ガスそれぞれの予め決まった圧力最大値が前述のように超えられた場合、圧力スイッチは、作動ガスの圧力を監視し、且つ安全回路によりセーフモードに全体のシステムを切り替える。
【０１０５】
窒素フローパス５２及び５４において、逆止弁５６、５７が備わっている。逆止弁５６は、もしバルブ３２が燃料電池装置２の作動中に、窒素フローに誤って切り替えられたとき、カソード作動ガスの逆流を防止し、並びに逆止弁５７は、もしバルブ４２が燃料電池装置２の作動中に、窒素フローに誤って切り替えられたとき、アノード作動ガスの逆流を防止する。
【０１０６】
本発明に係る密閉系燃料電池システム１の別態様は、図２にて模式的に図示される。構成の多くに関しては、図２に示されている態様に係る燃料電池システムは、図１に示されている燃料電池システムと一致する。同じ符号は、同じ若しくは対応する構成を参照のこと。図２に示されている燃料電池システムは、カソードガス回路１１に１つの温度センサ１９のみを具備する。接続可能なブリーディング抵抗器９は、燃料電池システムスイッチオフ後の燃料電池電力の発生ひいては反応ガスの消費のために備える。更に、図２に示されている態様において、カソードガス回路１１及びアノードガス回路２１の中にフローを発生させるための手段として、ベンチュリノズル１７及び２７が、カソードガス回路の移行ポイント１５及びアノードガス回路の移行ポイント２５に備え付けられる。ライン３４及び４４からそれぞれのベンチュリノズルの中にガスフローを有することにより、ライン１４及び２４からの排出ガスは、カソード作動ガス流路１２及びアノード作動ガス流路２２それぞれに吸い込まれ且つ送り込まれる。
【０１０７】
更に、図２に図示されている燃料電池システムは、カソードガス回路１１からの排出ガスのためのバルブ５及びアノードガス回路２１からの排出ガスのためのバルブ７を具備する。燃料電池システムのスイッチオフの後又は少なくとも燃料電池システムを再作動させる前に、当該システム中の残存ガス及び当該システム中の残存水が排出されるべきである。これは、例えばカソード排出ガス流路１４におけるバルブ５及びアノード排出ガス流路２４におけるバルブ７並びに水ドレインバルブ６６により実行され得る。ガスや水は、しかしながら装置システムにより実行されるミッションが完成された後に、燃料電池システムの環境中、或いは装置システムの中に建てられた燃料電池システムの中、燃料電池システムが中に建てられた装置システムの環境、即ち大気中へと放出される。しかしながら、進行中のミッションの間中、装置システムは、とりわけ潜水車両のような車両の場合において重要である、完全に密閉系を表す。しかしながら、装置システムによる実行されるためのミッションを完成させたのちに、ガスはまた、バルブ５、７とは異なる方法、例えばそれの排出口を通じて水分離器１６、２６の中に収集した水と共に、ガス回路から排出される。
【０１０８】
本発明に係る燃料電池システム１の別態様は、図３に模式的に図示される。図３に図示される態様は、半密閉系システム、即ち当該システムは、アノード側のみ密閉されていると同時に、カソード側で、空気が大気中から吸い込まれ、並びに酸素‐枯渇空気が、燃料電池反応の後に、大気中へと再放出される。図３に図示された態様による燃料電池システムは、アノード側では、図２に図示された燃料電池システムと一致する。同じ符号は、同じ若しくは対応する構成を参照のこと。
【０１０９】
図３における燃料電池システム１は、カソードガス流路１１′を具備し、該流路は、カソード作動ガス流路１２、カソード流域１３及びカソード排出ガス流路１４を具備する。カソード作動ガス流路１２及びカソード排出ガス流路１４は、お互いから流動的に分離する。空気、好ましくは自然環境の空気が、カソード作動ガスとして、空気源３０′を通じてカソードガス流路１１′の中に送り込まれる。好ましい空気源は、カソードガス流路１１′におけるカソード作動ガスの十分な流速を明確にするパフォーマンスを伴ったブロワである。
【０１１０】
カソードガス流路１１′は、供給されたカソード作動ガスにおける、酸素濃度及び窒素成分それぞれを検出するためのセンサ３５、圧力センサ１８、温度センサ１９及びそれに備わっている圧力スイッチ４を有する。センサ３５、１８及び１９並びに圧力スイッチ４は、付属的構成である。空気源３０′からカソードガス流路１１′を分離することを可能にする、図３に示されているストップバルブ３２′もまた、付属的である。空気源３０′及びバルブ３２′は、空気流路３１′により連結される。
【０１１１】
空気源３０′により供給された空気は、カソード作動ガス流路１２の中へと流れ込み、カソード流域１３を通じて流れ込み、及びカソード排出ガス流路１４を通じて酸素―枯渇カソード排出ガスとして、燃料電池装置に最終的に抜ける。カソード排出ガス流路１４は、カソード排出ガスを大気中へと放出する。例えばばねバイアスの逆止弁若しくはスロットルバルブのような抜け出たカソード排出ガスに対して確かな抵抗を提供する及び同じ時にカウンター方向におけるガスのポテンシャルフローを防止するための手段が、カソード排出ガス流路１４に備え付けられる。該手段５′は、燃料電池システム１の作動中における所望のカソード作動ガス圧力のメンテナンスを保証する。
【０１１２】
図３に係る燃料電池システムの作動前に、周囲（環境）空気が初めに、空気源３０′によりカソード作動ガス流路１２の中へと最初に送り込まれ、且つ同時に、窒素が窒素源５０（装置可能な場合は、初めにアノードガス回路２１を空にした後）からアノード作動ガス流路２２の中へと送り込まれ、それによりカソード作動ガス回路１２における空気の窒素分圧に対応する窒素分圧を設定する。アノードガス回路２１における必要な窒素分圧を設定することは、上記に述べた密閉系と同じ態様で実行される。その後、同じ圧力がアノードガス回路２１及びカソードガス流路１１′の中に残存するまでに、水素が、水素源４０からアノード作動ガス流路２２の中へと送り込まれる。アノード側では、その手段が、密閉系と同じである。もちろん、燃料電池システムの作動中、温度変化や水が形成されるということをここで考慮されなくてはならない。アノード側では、前述のように、生成水がアノード排出ガスから分離され及び収集容器に収集される必要がある。カソード排出ガスからの生成水の分離は、付属的である。代わりに、生成水はまた、カソード排出ガスと共に大気中へと放出が可能である。
【０１１３】
密閉燃料電池システムはまた、わずかな調節を伴って、アノード側で密閉系として又はカソード側を密閉系として作動される。もし、例えば、アノード側及びカソード側の両方が閉じられている図２に係るシステムが、アノード側で密閉され、カソード側で移行しているシステムとして、作動されるものであるならば、カソード排出ガス流路１４からカソード作動ガス流路１２を分離するための可能性は、カソード作動ガス流路１２及びカソード排出ガス流路１４の間、即ち水分離器１６及びベンチュリノズル１７の間に備え付けられなくてはならない。例えばこのことは、バルブ５若しくは５５のような単純なストップバルブにより実行される。カソードガス回路１１からガスを排出するためのバルブ５は、図３での手段５′により交換される、又はこのような手段５′は、カソード排出ガス排出路に付加的に備わる。減圧器３３及び３−２ウェイバルブ３２の間の酸素流路における接合点を用いることにより、酸素源３０は、空気源３０′により分離及び交換される。図２に示されている燃料電池システムはその時、アノード側のみで密閉されるシステムとして作動開始する。類似して、カソード側で密閉され、アノード側で開口するシステムは、アノード側での調節により達成される。
【符号の説明】
【０１１４】
１                        燃料電池システム
２                        燃料電池装置
３                        燃料電池
４、６                    圧力スイッチ
５、５′、７、３２、４２  バルブ
８                        冷却板
９                        ブリーディング抵抗器
１０                      カソード
１１、１１′              カソードガス回路
１２                      カソード作動ガス流路
１３                      カソード流域
１４                      カソード排出ガス流路
１５、２５                移行ポイント
１６、２６                水分離器
１７、２７                再循環ポンプ
１８、２８                圧力センサ
１９、２９                温度センサ
２０                      アノード
２１                      アノードガス回路
２２                      アノード作動ガス流路
２３                      アノード流域
２４                      アノード排出ガス回路
３０′                    空気源
３１                      酸素流路
３３、４３、５３          減圧器
３４                      流路（ライン）
３５                      センサ
４０                      水素源
４１                      水素流路
４４、５２、５４          窒素フローパス
５１、５２、５４          不活性ガス流路
５５                      ストップバルブ
５６、５７                逆止弁
６０                      水収集タンク（容器）
６１                      水ポンプ
６３                      パイプ
６４、６５、６６          水ドレインバルブ
６７、６８                レベルスイッチ
【図１】
2018517234.tif 000009
【図２】
2018517234.tif 000010
【図３】
2018517234.tif 000011
【国際調査報告】
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