(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの低温形の燃料電池ブロック（４）を備え、この燃料電池ブロック（４）のためのプロセスガスが、水をシール流体として用いる流体リングコンプレッサ（６）により前記燃料電池ブロック（４）に供給され、さらに、前記燃料電池ブロック（４）は、冷却水タンク（８）からの冷却水で冷却され、かつ前記流体リングコンプレッサ（６）は、前記燃料電池ブロック（４）冷却後の前記冷却水を前記シール流体として運転されることを特徴とする燃料電池設備（２）の運転方法。
【請求項２】
流体リングコンプレッサ（６）を通るプロセスガスの流量制御のためにプロセスガスの一部が流体リングコンプレッサ（６）を迂回したバイパス（１０）に導かれることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
プロセスガスが流体リングコンプレッサ（６）に前置された熱交換器（１０２）において加熱されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
プロセスガスが燃料電池ブロック（４）からの冷却水により、前記熱交換器（１０２）を介して加熱されることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
プロセスガスに燃料電池ブロック（４）からのプロセス排ガスが加湿及び加熱のために供給されることを特徴とする請求項１ないし４の１つに記載の方法。
【請求項６】
少なくとも１つの低温形の燃料電池ブロック（４）を備え、この燃料電池ブロック（４）のためのプロセスガスを前記燃料電池ブロック（４）に供給するために、水をシール流体として用いる流体リングコンプレッサ（６）が設けられており、さらに、前記燃料電池ブロック（４）は、冷却水タンク（８）からの冷却水で冷却され、かつ前記流体リングコンプレッサ（６）は、前記燃料電池ブロック（４）冷却後の前記冷却水を前記シール流体として運転されるように構成したことを特徴とする燃料電池設備（２）。
【請求項７】
流体リングコンプレッサ（６）を通るプロセスガスの流量制御のためにバイパス（１０）が設けられたことを特徴とする請求項６記載の燃料電池設備（２）。
【請求項８】
バイパス（１０）を通るプロセスガスの流量制御のために弁（１２）が設けられたことを特徴とする請求項７記載の燃料電池設備（２）。
【請求項９】
プロセスガスを加熱するための熱交換器（１０２）が流体リングコンプレッサ（６）に前置されたことを特徴とする請求項８記載の燃料電池設備（２）。
【請求項１０】
燃料電池ブロック（４）からのプロセス排ガスをプロセスガスに供給するプロセス排ガス帰還路（２０２）が設けられたことを特徴とする請求項６ないし８の１つに記載の燃料電池設備（２）。
【発明の詳細な説明】
この発明は、燃料電池設備の運転方法及びこの運転方法を実施するための燃料電池設備に関する。
水を電気分解する際に水の分子が電流によって水素と酸素とに分解されることは知られている。燃料電池においてはこの現象が逆方向に行われる。即ち、水素と酸素とを電気化学的に結合して水とする際に、電流が高効率で、またプロセスガスとして純粋な水素が使用されるときは、有害物質や二酸化炭素を放出することなく発生する。工業的燃料ガス、例えば天然ガス或いは石炭ガスと、純酸素の代わりに空気或いはＯ2を豊富にした空気とを使用した燃料電池では、化石エネルギー燃料で運転される他の発電装置より明らかに有害物質及びＣＯ2の発生が少ない。燃料電池の原理の技術的な発展により非常に様々な形態の解決策が、しかも種々の種類の電解液及び８０℃乃至１０００℃の間の運転温度を持つものが実現している。その運転温度に関連して燃料電池は、技術的実施形態において種々異なる、低温形、中温形及び高温形の燃料電池に分けられる。
専門文献ではまた「スタック」とも称される燃料電池ブロックは、通常、互に積み重ねられた多数の燃料電池単位から構成される。
低温形の燃料電池の場合、燃料電池ブロックに入る前のプロセスガス（水素を含む反応ガスおよび酸素を含む反応ガス）の加湿及び加圧に問題があることが明らかにされている。それは加湿のための蒸発エンタルピーが提供されねばならないからである。文献からは、例えばドイツ連邦共和国特許第４３１８８１８号から、加圧によりダイヤフラムを通して加湿或いは水噴射を行う加湿装置が公知である。この場合、無視できないのは、ダイヤフラム加湿器の構造上のサイズが燃料電池ブロックのサイズと同じ程度であり、これにより付加的な必要空間が生ずるということである。両解決策は価格を高めることが明らかである。
さらに、ドイツ連邦共和国特許出願公開第４２０１６３２号明細書からは、酸形或いはアルカリ形の燃料電池セルに流入する少なくとも１つの反応媒体を加湿するための方法が公知である。この場合この反応媒体は燃料電池セルから排出される同じ反応媒体から半透過性のダイヤフラムのみによって分離されている。
この発明の課題は、プロセスガスの加湿及び加圧のために加湿器における圧力の降下が回避され、構造上のサイズが低減されそして付加的なコストが節約されるような、燃料電池設備の運転方法を提示することにある。さらに、この方法を実施するための燃料電池設備を提示しようとするものである。
第一に挙げた課題は、この発明によれば、少なくとも１つの低温形の燃料電池ブロックを備え、この燃料電池ブロックに対するプロセスガスが、水をシール流体として用いる流体リングコンプレッサで前記燃料電池ブロックに供給され、さらに、前記燃料電池ブロックは、冷却水タンクからの冷却水で冷却され、かつ前記流体リングコンプレッサは、前記燃料電池ブロック冷却後の前記冷却水を前記シール流体として運転されることを特徴とする燃料電池設備の運転方法により解決される。
第二に挙げた課題は、この発明によれば、少なくとも１つの低温形の燃料電池ブロックを備え、この燃料電池ブロックに対するプロセスガスを前記燃料電池ブロックに供給するために、水をシール流体として用いる流体リングコンプレッサが設けられており、さらに、前記燃料電池ブロックは、冷却水タンクからの冷却水で冷却され、かつ前記流体リングコンプレッサは、前記燃料電池ブロック冷却後の前記冷却水を前記シール流体として運転されるように構成した燃料電池設備により解決される。
水をシール流体として用いる流体リングコンプレッサを使用することにより、必要とされるプロセスガスは加圧の際に同時に加湿される。加湿率は流体リングコンプレッサに供給される冷却水の温度及び流量を介して調整される。この方法は陽極側のプロセスガスに対しても、また陰極側のプロセスガスに対しても適用される。従来技術により公知のダイヤフラム加湿器は従って省略することができ、これにより同時に加湿器における圧力降下が回避され、従って燃料電池ブロックの運転のために必要な加圧器出力が低減される。その結果燃料電池設備の構造サイズも縮小される。それ故、燃料電池ブロックと同じ程度の構造サイズを持つ機器コンポーネントも省略される。これによって設備全体に対するコストも削減される。
特に、燃料電池ブロックは冷却水タンクからの冷却水で冷却され、流体リングコンプレッサは燃料電池ブロックからの冷却水で運転されるのがよい。冷却水は燃料電池ブロックから取り出されるので、プロセスガスは燃料電池ブロック温度で有利に加湿される。
特に、流体リングコンプレッサを通るプロセスガスの流量制御のために、プロセスガスの一部が流体リングコンプレッサを迂回するバイパスに導かれる。このバイパス制御により流体リングコンプレッサに対する付加的な回転数制御が省略される。この場合、流体リングコンプレッサの電動機は連続運転しているので、システムダイナミックが高いという利点が得られる。このことは、また同時に流体リングコンプレッサに対するコストの節約になることは明らかである。
他の構成においては、プロセスガスは流体リングコンプレッサに直列接続された熱交換器において加熱される。燃料電池設備の運転に比較的多量のプロセスガス流量が必要であるときには、流体リングコンプレッサを貫流する冷却水はそれ単独ではプロセスガスの加熱のために、また加湿のための蒸発エンタルピーの供給に充分ではない。付加的な外部加熱、即ち流体リングコンプレッサの外部でプロセスガスの加熱を必要とする。流体リングコンプレッサを通る冷却液の流量だけではこの場合少なすぎる。
好ましくは、プロセスガスは燃料電池ブロックからの、燃料電池で暖められた冷却水によって加熱される。その場合冷却水の熱は熱交換器において燃料電池ブロックに対するプロセスガスに伝達される。
特にプロセスガスには燃料電池ブロックからのプロセス排ガスが加湿及び加熱のために供給される。このようにして必要とされるプロセスガスの量が減少される。
他の構成においては、流体リングコンプレッサを通るプロセスガスの流量制御のためのバイパスが設けられる。
特に、バイパスを通るプロセスガスの流量制御のための弁が設けられる。
特に、プロセスガスの加熱のために熱交換器が流体リングコンプレッサに前置接続される。
他の構成においては、燃料電池ブロックからのプロセス排ガスをプロセスガスに供給するプロセスガス帰還路が設けられる。
この発明を、図面の実施例を参照してさらに説明する。図面において、図１乃至図３は概略的に示した燃料電池設備を示す。
図１において燃料電池設備２は、燃料電池ブロック４と、冷却水循環系２０と、生成水帰還系３０とプロセスガス流路系４０とを含む。
プロセスガス流路系４０は燃料電池ブロック４に対するプロセスガスのための供給路４２と燃料電池ブロック４からのプロセス排ガスのための排出路４４から構成されている。
供給路４２には流れ方向に順番に弁４６、流体リングコンプレッサ６、弁１２及び水分離器４８が配置されている。流体リングコンプレッサ６は冷却水循環系２０により冷却水が供給される。流体リングコンプレッサ６を使用することによりプロセスガスは加圧の際に同時に加湿される。加湿率は流体リングコンプレッサ６に供給される冷却水の温度及びその流量を介して調整される。この方法は燃料電池ブロック４の陽極側のプロセスガスに対しても、また陰極側のプロセスガスに対しても適用される。
弁４６と流体リングコンプレッサ６との間でバイパス１０が供給路４２から分岐し、このバイパス１０は流体リングコンプレッサ６と水分離器４８との間で供給路４２に配置されている弁１２に接続されている。このバイパス制御により流体リングコンプレッサ６の付加的な回転数制御を省略することができる。この構成は、流体リングコンプレッサ６の電動機が連続的に回転し、燃料電池ブロック４はそれにもかかわらず、その都度の電流に関係して、対応のプロセスガス流量を得るから、システムダイナミックが高いという利点を持っている。
燃料電池ブロック４からのプロセス排ガスの排出路４４には流れ方向に順番に生成水が燃料電池ブロック４から集められる生成水タンク５０と弁５２とが配置されている。
燃料電池ブロック４から分岐し、再びこれに接続されている冷却水循環系２０には燃料電池ブロックから出発して順番に弁６０、流体リングコンプレッサ６、冷却器２２、冷却水タンク８及び冷却水ポンプ２４が配置されている。冷却水ポンプ２４は従って、冷却水循環系２０を閉じ再び燃料電池ブロック４に接続される前の最後の機器である。
燃料電池ブロック４から排出され、燃料電池で暖められた冷却水は流体リングコンプレッサ６において燃料電池ブロック４のプロセスガスを加熱し、プロセスガスの加湿に必要な蒸発エンタルピーを与える。
燃料電池ブロック４と弁６０との間で配管６２が冷却水循環系２０から分岐し、再び流体リングコンプレッサ６と冷却器２２との間でこの冷却水循環系２０に接続されている。配管６２には直接燃料電池ブロック４から冷却器２２に流れる冷却水の分量を制御するために弁６４が接続されている。弁６０を介して流体リングコンプレッサ６に対する冷却水の分量が制御される。
生成水帰還系３０は生成水タンク５０から分岐し、冷却水タンク８に接続されている。生成水帰還系３０には生成水ポンプ３２が配置されている。
配管２６は水分離器４８から分岐し、生成水タンク５０に接続されている。水分離器４８内の余分の水は配管２６及び生成水帰還系３０を介して再び冷却水循環系２０に供給される。
図２による構成においてはプロセスガスの供給路４２において弁４６に熱交換器１０２が前置されている。
さらに、冷却水循環系２０から配管１０４が燃料電池ブロック４と流体リングコンプレッサ６との間で分岐している。配管１０４には冷却水が熱交換器１０２を通して流れ、再び冷却水循環系２０に流体リングコンプレッサ６と冷却器２２との間で接続されている。燃料電池設備２の運転に燃料電池ブロック４に対して比較的多量のプロセスガス流量を必要とする場合、冷却水はプロセスガスの加熱のためにまた加湿のための蒸発エンタルピーを生成するために充分ではない。その場合付加的な外部加熱、即ち流体リングコンプレッサ６の外部でプロセスガスの加熱が必要である。この場合燃料電池ブロック４に対するプロセスガスは付加的に熱交換器１０２で予備加熱される。
流体リングコンプレッサ６による冷却水の流量制御のために、冷却水循環系２０には冷却水循環系２０からの配管１０４の分岐と流体リングコンプレッサ６との間に付加的に弁１０６が配置される。
さらに、冷却水循環系２０から配管１０８が燃料電池ブロック４と冷却水循環系２０からの配管１０４の分岐との間で分岐し、配管１０４の冷却水循環系２０への入口と冷却器２２との間で再び冷却水循環系２０に接続されている。配管１０８には燃料電池ブロック４から直接冷却器２２に供給される冷却水分量を制御するために弁１１０が配置されている。
図３による第三の構成例においては、燃料電池ブロック４のプロセスガスに燃料電池ブロック４からのプロセス排ガスが加湿及び加熱のために供給される。このためにプロセス排ガス帰還路２０２が排出路４４から生成水タンク５０と弁５２との間で分岐され、供給路４２に弁４６とバイパス１０の分岐との間で接続されている。
プロセス排ガス帰還路２０２には帰還されたプロセス排ガスの流量を制御するために弁２０４が配置されている。
燃料電池ブロック４からのプロセス排ガスはその生成水分を、それがプロセス排ガス帰還路２０２に達する前に、生成水タンク５０に与える。その結果燃料電池ブロック４からのプロセス排ガスはプロセス排ガス帰還路２０２を通流した後再び燃料電池ブロック４のプロセスガスとして使用される。このようにして必要なプロセスガスの分量が低減され、付加的なコストが節約される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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