(57)【要約】【課題】  単純に構成され、わずかな必要空間を備え、水素残留物がわずかな手間でケーシングから除去され得る、燃料電池装置を提供すること。【解決手段】  ケーシング７並びに該ケーシング内に配置された、カソード及びアノードを有するダイヤフラム−電極装置６を備える燃料電池２と、カソード側で前記ダイヤフラム−電極装置６を通って延在する、カソードガスの搬送のためのカソードガス通路３と、前記ケーシング７を通って延在し、動作中に前記ケーシング７を洗浄する掃気を搬送するための掃気通路５とを有する燃料電池装置１において、掃気通路５の一部分がカソードガス通路３を通って延びている。
2017507464.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング（７）並びに該ケーシング内に配置された、カソード及びアノードを有するダイヤフラム−電極装置（６）を備える燃料電池（２）と、カソード側で前記ダイヤフラム−電極装置（６）を通って延在する、カソードガスの搬送のためのカソードガス通路（３）と、前記ケーシング（７）を通って延在し、動作中に前記ケーシング（７）を洗浄する掃気を搬送するための掃気通路（５）とを有する燃料電池装置（１）において、
掃気通路（５）の一部分がカソードガス通路（３）を通って延びていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
掃気通路（５）が、部分的に、前記燃料電池（２）へ延在する前記カソードガス通路（３）の入口側の部分（１３）及び／又は前記燃料電池（２）から離れるように延在する前記カソードガス通路（３）の出口側の部分（１４）を通って延びていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置（１）。
【請求項３】
前記掃気通路（５）が、前記ケーシング（７）の手前に接続され、かつ、分離された入口側の部分（１９）と、前記ケーシング（７）に後続配置され、かつ、分離された出口側の部分（２０）を備えており、前記掃気通路（５）が、前記カソードガス通路（３）の入口（８）から前記入口側の分離された部分（１９）の入口（１６）まで、及び／又は前記出口側に分離された部分（２０）の出口（２１）から前記カソードガス通路（３）の出口（１５）まで前記カソードガス通路（３）を通って延在していることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池装置（１）。
【請求項４】
前記分離された部分（１９，２０）の出口（２１）が前記カソードガス通路（３）の入口側の部分（１３）へ開口していることを特徴とする請求項３記載の燃料電池装置（１）。
【請求項５】
前記分離された部分（１９，２０）の出口（２１）が、ガスを案内するように、前記カソードガス通路（３）に配置されたコンプレッサ（１０）の入口側と接続されていることを特徴とする請求項３又は４記載の燃料電池装置（１）。
【請求項６】
前記分離された部分（１９，２０）の入口（１６）が、ガスを案内するように、カソードガス通路（３）のカソードガスフィルタ（９）の入口（８）の、搬送方向における後方で前記カソードガス通路（３）に接触していることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の燃料電池装置（１）。
【請求項７】
前記入口（１６）及び前記出口（２１）が、ガスを案内するように、互いに離間して前記カソードガス通路（３）に接触していることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の燃料電池装置（１）。
【請求項８】
前記カソードガス通路（３）の連続した部分（２４）が、ガスを案内するように、前記入口（１６）及び前記出口（２１）を互いに接続していることを特徴とする請求項７記載の燃料電池装置（１）。
【請求項９】
当該燃料電池装置（１）の動作中に掃気を送る前記入口（１６）と前記出口（２１）の間の差圧を生成するように前記連続した部分（２４）が形成されていることを特徴とする請求項８記載の燃料電池装置（１）。
【請求項１０】
掃気を搬送するためのブロワ（１８）を備えていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池装置（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケーシング並びに該ケーシング内に配置された、カソード及びアノードを有するダイヤフラム−電極装置を備える燃料電池と、カソード側でダイヤフラム−電極装置を通って延在する、カソードガスの搬送のためのカソードガス通路と、ケーシングを通って延在し、動作中にケーシングを洗浄する掃気を搬送するための掃気通路とを有する燃料電池装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特に、燃料電池が水素を含むアノードガスによって動作される場合には、燃料電池装置の選択された範囲から水素を除去する必要があることとなり得る。例えば、燃料装置の停止時には、水素残留物を除去するためにアノードガス通路から水素を洗浄することが必要となり得る。このような燃料電池装置が特許文献１に開示されている。また、アノードガス通路から排出される水素をケーシングから除去することができるように、ダイヤフラム−電極装置を包囲するケーシングを洗浄することが必要となり得る。このような燃料電池装置が特許文献２に開示されている。
【０００３】
掃気をケーシングへ向けて及びケーシングから離れるように案内することができるように、従来技術においては、案内のための管路と、例えば掃気のフィルタのための他の部材を設けることが知られている。しかしながら、これら追加の管路又は掃気通路のその他の追加的な部材により、燃料電池装置の構造が複雑化するとともに、追加の構造空間が必要となってしまう。まさに燃料電池装置が可搬に用いられる場合、例えば自動車に設けられる場合には、構造空間が限られてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】独国特許出願公開第１１２００８０００２５４号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００７／０２３１６２８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、単純に構成され、わずかな必要空間を備え、水素残留物がわずかな手間でケーシングから除去され得る、燃料電池装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
冒頭に記載した燃料電池装置について、上記課題は、掃気通路の一部分がカソードガス通路を通って延びていることによって解決される。
【０００７】
カソードガス及び掃気の案内のためにカソードガス通路の少なくとも一部分を用いることで掃気通路の分離して形成された部分に対してよりわずかな部材で済み、その結果、掃気通路に必要な構造空間が低減される。特に、掃気として、及びカソードガスとして、同一の気体、例えば燃料電池装置の周囲からの空気が使用される場合には、掃気を容易にカソードガス通路の一部分を通して案内することができる。
【０００８】
本発明による解決手段は、他の説明がない限り、それぞれ有利な、様々な、適宜互いに組合せ可能な形態によって更に改善され得る。これら形態及びこれに関連した利点を以下に説明する。
【０００９】
すなわち、掃気通路が、部分的に、燃料電池へ延在するカソードガス通路の入口側の部分及び／又は燃料電池から離れるように延在するカソードガス通路の出口側の部分を通って延びることができる。利用可能な構造空間を効率的に活用することができるように、少なくとも部分的に、掃気通路が空間的な条件に合わせてカソードガス通路へ統合されることが可能である。
【００１０】
掃気通路は、ケーシングの手前に接続された入口側の分離された部分及び／又はケーシングの後続配置された出口側の分離された部分を備えることができる。掃気通路は、カソードガス通路の入口から入口側の分離された部分の入口までカソード通路を通って延在することが可能である。これに代えて、又はこれに加えて、掃気通路は、出口側の分離された部分の出口からカソードガス通路の出口までカソードガス通路を通って延在することができる。したがって、カソードガス通路及び掃気通路の入口及び／又は出口を共通に形成することができ、その結果、掃気通路のための追加的な入口及び／又は出口が不要である。
【００１１】
掃気通路の分離して形成された部分の入口は、カソードガス通路の入口側の部分へ開口している。カソードガス通路の入口側の部分は、カソードガスを燃料電池へ案内し、例えばカソードガス通路の入口からダイヤフラム−電極装置へ延びている。掃気通路の分離された部分の出口がカソードガス通路の入口側の部分へ開口している場合には、掃気通路の長さは掃気通路の分離された部分の長さとカソードガス通路の少なくとも一部の長さの合計に相当し、このカソードガス通路を通して、掃気が燃料電池の動作中に案内される。掃気通路が少なくとも部分的にカソードガス通路を通って延在していない場合には、特に、掃気の搬送方向における燃料電池の後方では、掃気通路の全長は燃料電池の後方の掃気通路の出口側の長さよりも長いことがあり得る。ケーシングからすすぎ出される水素は、掃気通路の出口側の長い長さにより、例えば掃気通路がカソードガス通路を通って延在する部分において、触媒によって変換されることができる。したがって、ケーシングからすすぎ出される水素の変換のための分離された装置は不要である。
【００１２】
好ましくは、分離された部分の出口が、ガスを案内するように、カソードガス通路に配置されたコンプレッサの入口側と接続されている。特に出口は、コンプレッサの手前に接続された合流箇所においてカソードガス通路に開口することができる。例えば、出口が、コンプレッサの手前に接続されたカソードガスフィルタとコンプレッサの間に配置されているとともに、好ましくは掃気を案内するようにカソードガス通路に接続されている。掃気通路の分離された部分の出口が掃気を案内するようにカソードガス通路に配置されたコンプレッサの入口に接続されていれば、燃料電池装置の動作中にカソードガス通路においてコンプレッサの入口でのガス圧が掃気管路の入口における圧力及び例えば燃料電池装置の周囲の圧力よりもわずかであり得る。このような差圧は、例えば周囲から来る掃気を掃気通路を通して、及び特にケーシングを通して送るのに十分であり得るため、動作中に掃気を掃気通路を通して移動させるブロワが不要である。これにより、燃料電池装置に必要な構造空間を更に削減される。そのほか、これにより、ブロワの動作に必要なエネルギーも削減される。
【００１３】
しかしながら、コンプレッサが動作していないか、又は差圧がわずかすぎるときにケーシングを掃気で洗浄すべき場合には、掃気の搬送のためのブロワを設けることが可能である。このとき、燃料電池装置は、分離された部分の入口及び／又は出口の位置にかかわらずケーシングを備えることができ、ブロワは、好ましくは掃気通路の分離された部分の入口と出口の間に接続されている。例えば、周囲の圧力に比べて高い圧力によって掃気をケーシングへ搬送するために、掃気通路の入口と燃料電池のケーシングの間にブロワが配置されている。
【００１４】
これに代えて、掃気通路の出口及び特に掃気通路の出口側の分離された部分の出口をカソードガス通路から分離して形成することが可能であり、これにより、出口の配置を利用可能な構造空間により良好に適合可能であるとともに、カソードガス通路へ延びる掃気のための管路が不要である。特に、場合によっては大きな構造空間及び長い経路を必要とする、掃気通路の掃気搬送方向に沿って燃料電池の後方に位置する、カソードガス通路へ延びる掃気通路の部分の接続が不要である。これにより、掃気通路に必要な構造空間が更に削減される。また、燃料電池を通過するカソードガスを浄化するとともに、例えばその水分含有量を調整することが可能である。カソードガスを浄化するための要素を、カソードガスを浄化するために形成され、及び更にカソードガス通路を通って流れる掃気が形成される要素よりも小さく形成することが可能である。
【００１５】
掃気通路及び特にカソードガス通路から分離して形成された部分は、カソードガス通路から分離して形成された入口を備えることができる。カソードガス通路にかかわらず形成された掃気通路の入口により、掃気をカソードガスにかかわらず掃気通路へ導入することが可能である。例えば、掃気を直接周囲の空気から取り出すとともに、掃気フィルタを通して掃気通路へ案内することが可能である。このとき、掃気の更なる浄化は場合によっては不要である一方、カソードガスを浄化すること、及び特にその水分含有量又はその温度を調整することが必要となり得る。したがって、カソードガスの浄化のための燃料電池装置の要素は、これら要素がカソードガスのみを浄化し、掃気は浄化しないように寸法設定されることができる。したがって、カソードガスのみを浄化すべき場合には、これら浄化要素は、掃気も、またカソードガスも浄化される必要がある場合に比べて小さく寸法設定されることができる。
【００１６】
好ましくは、掃気通路の分離された部分の入口は、ガスを案内するようにカソードガス通路に接触する。例えばカソードガス通路の搬送方向においてカソードガス通路の入口の後方では、及び例えばカソードガスフィルタの入口の後方では、ガスを案内するように入口がカソードガス通路に接続されている。したがって、カソードガスフィルタは、カソードガスも、また掃気もフィルタすることが可能である。したがって、掃気のための分離されたフィルタは不要である。
【００１７】
特に、分離された部分の入口及び出口は互いに離間しつつガスを案内するようにカソードガス通路に接触することができ、これにより、分離された入口及び出口並びに掃気のための掃気フィルタが不要となる。カソードガス通路の連続した部分は、ガスを案内するように好ましくは掃気通路の分離された部分の入口と出口を直接互いに接続する。
【００１８】
好ましくは、連続した部分は、燃料電池装置の動作中に掃気を送る入口と出口の間の差圧を生成するように形成されている。特に、掃気通路の入口がカソードガス通路の流れ方向へ離間しており、掃気通路の出口の手前に配置されていれば、カソードガス通路の連続した管路部分にわたって例えば１００ミリバールの差圧が低減しうる。この差圧は、ガスが連続した部分を通って流れる場合に、連続した部分の流れ抵抗によって生じる。例えば、連続した部分は、２０〜１００ｍｍ２、好ましくは６０ｍｍ２の内側の管路断面積を有し、直線的な又は少なくとも１つのアーチ部を備えた延長部を有する管路である。このとき、掃気通路の分離された部分の入口を、流れ方向への、又は流れ方向におけるカソードガスのためのガスフィルタの後方に配置することが可能である。
【００１９】
連続した部分は、例えばカソードガス通路の入口又はカソードガスフィルタを、カソードガスを案内するように、カソードガス通路に沿ってカソードガスフィルタに後続配置されたコンプレッサの入口に接続する。したがって、カソードガスフィルタの入口を通ってカソードガス及び掃気が流れることができる。掃気通路の分離された部分の入口では、掃気がカソードフィルタの入口を通って流れたガスから分離されて、燃料電池を通って案内される。掃気通路の分離された部分の出口では、掃気が、再びカソードガス通路へ流入するとともに、そこからカソードガスと共にコンプレッサによってカソード側で燃料電池を通して案内されることが可能である。燃料電池から流出し、掃気を含み得るカソードガスは、容易に、かつ、場合によっては行われる浄化後に燃料電池装置から排出され得る。
【００２０】
以下に、本発明を添付の図面に基づき実施例において説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による燃料電池装置の第１の実施例を概略的に示す図である。
【図２】本発明による燃料電池装置の別の実施例を概略的に示す図である。
【図３】本発明による燃料電池装置の第３の実施例を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明を図面に関連した複数の実施形態に基づいて例示的に説明する。ここで、実施形態の異なる特徴は、上述した個々の有利な形態におけるように、互いに独立して組み合わせることができる。
【００２３】
まず、図１の実施例に関連した本発明による燃料電池装置の構造及び機能を説明する。
【００２４】
図１には、燃料電池２、カソードガス通路３、アノードガス通路４の一部及び掃気通路５を有する燃料電池装置１が概略的に示されている。カソードガス通路３、アノードガス通路４及び掃気通路５を通るガスの搬送方向が矢印で図示されている。
【００２５】
燃料電池２はダイヤフラム−電極装置６及びケーシング７で形成されており、ダイヤフラム−電極装置６はケーシング７内に配置されている。
【００２６】
カソードガス通路３は入口８を備えており、この入口は、例えばカソードガスフィルタ９の入口として形成されることが可能である。カソードガス通路３に沿って好ましくはコンプレッサ１０が入口８に後続配置されており、このコンプレッサを用いてカソードガスがカソードガス通路３を通って搬送することができる。カソードガス通路３に沿って、カソードガスを浄化するための別の複数の要素がコンプレッサ１０に後続配置されていることも可能である。カソードガスを浄化するためのこれら要素は、カソードガス通路３に沿って例えばコンプレッサ１０と燃料電池２の間に配置されている。例えば、カソードガス通路３は、カソードガスの調温をするための熱交換器１１を備えることができる。これに代えて、又はこれに加えて、カソードガス通路３は湿度調整器１２を備えることができ、この湿度調整器により、カソードガスの水分含有量が変更可能である。熱交換器１１及び／又は湿度調整器１２は、バイパスによって橋渡し可能であり得る。図１の実施例では、湿度調整器１２のみがカソードガス通路３のバイパスを用いて橋渡し可能に図示されている。
【００２７】
カソードガス通路３の入口側の部分１３が入口８と燃料電池２の間で延在している。
【００２８】
カソードガス通路３は、カソード側でダイヤフラム−電極装置６を通って延在するとともに、ダイヤフラム−電極装置６のカソードへカソードガスを搬送する。カソードガス通路３の搬送方向においては、燃料電池２の後方でカソードガス通路３の出口側の部分１４が延在している。この出口側の部分１４は、カソードガス通路３の出口１５へ開口しているとともに、別の湿度調整器又は既に存在する湿度調整器１２を通って延在することができる。
【００２９】
掃気通路５の分離された部分の入口１６は、図１の実施例では、分離されているとともに、カソードガス通路３の入口８から離れて形成されているように図示されている。掃気通路５の分離された部分の入口１６は、例えば、掃気フィルタ１７の入口として形成されている。
【００３０】
掃気通路５の搬送方向における入口１６の後方には、掃気を掃気通路５を通して搬送するための任意のブロワ１８が設けられている。このブロワ１８を、特に掃気通路５に沿ってこの掃気通路の入口１６と燃料電池２のケーシング７の間に配置することが可能である。
【００３１】
掃気通路５は、燃料電池２を通って、特にダイヤフラム−電極装置６に沿ってケーシング７を通って延在している。ダイヤフラム−電極装置６を包囲するケーシング７内の体積を、掃気を用いて洗浄することが可能である。掃気通路５の分離された部分の入口側の部分１９は、入口１６と燃料電池２の間で延在している。
【００３２】
掃気通路５の搬送方向における燃料電池２の後方では、掃気通路５の分離された部分の出口側の部分２０が延在している。掃気通路５の分離された部分及び特にその出口側の部分２０は、燃料電池２からカソードガス通路３まで延在しており、このカソードガス通路３の入口側の部分１３において掃気通路５の分離された部分が開口している。したがって、図１の実施例の掃気通路５は、カソードガス通路３から分離して形成された部分、すなわち入口側１９及び出口側２０を備えている。掃気通路５の分離して形成された部分における燃料電池２に後続配置された出口２１には、掃気がカソードガスと混合される。
【００３３】
出口２１は、図１の実施例では、カソードガス通路３と燃料電池２の間、かつ、特にコンプレッサ１０の手前に接続されている。コンプレッサ１０の手前では、カソードガス通路３において燃料電池装置１の周囲及び掃気通路５の入口側の部分１９よりもわずかなガス圧が生じている。この差圧は、掃気を燃料電池２を通して十分に搬送するために十分であり得る。この圧力が十分でないか、又はコンプレッサ１０の停止時に燃料電池２を洗浄することができる場合には、任意のブロワ１８を設けることが可能である。
【００３４】
掃気通路５の分離された部分の出口２１の後方ではカソードガス通路３を通って掃気通路５が延在しているため、掃気は、カソードガス通路３の入口側の部分１３、燃料電池２及びカソードガス通路３の出口側の部分１４を通って流れる。カソードガス通路３の出口１５及び掃気通路５の出口２３は図１の実施例において共通の出口を形成しており、この出口を通して、カソードガス通路３の入口８及び掃気通路５の入口１６を通って入ってくるガスが動作中に排出される。
【００３５】
出口２１と出口１５の間のカソードガス通路３の部分は、掃気及びカソードガスを案内する集合管であり得る。
【００３６】
図２には、本発明による燃料電池装置１の別の実施例が示されている。機能及び／又は構造において図１の実施例の要素に相当する要素については、同一の符号が付されている。簡略化のために、以下では、図１の実施例に対する差異のみを説明する。
【００３７】
掃気通路５の分離された部分の入口１６は、図２の実施例においては分離して設けられていない。むしろ、掃気通路５の分離された部分の入口１６は、図２に実施例ではカソードガス通路３の入口８に後続配置されているとともに、例えば入口８とコンプレッサ１０の間に配置されている。ブロワ１８を有する入口側の部分１９は、入口１６と燃料電池２の間で延在している。例えば、入口１６は、カソードガスフィルタ９の出口に接続されることができる。これに代えて、破線に示されているように入口１６は、カソードガスフィルタ９に後続配置され、このカソードガスフィルタから離れるように延びる連続したカソードガス通路３の部分から例えばホース又はチューブを分岐することが可能である。
【００３８】
燃料電池２を流通した後、出口側の部分２０は、もはやカソードガス通路３へ開口しないように形成されることができる。例えば、掃気通路５の出口２３は、燃料電池装置１の周囲へ開口することができる。
【００３９】
掃気及びカソードガスを動作中に案内する図２の実施例の集合管は、入口８から入口１６まで延在している。
【００４０】
図３には、本発明による燃料電池装置１の別の実施例が概略的に示されている。機能及び／又は構造において上述の実施例の要素に相当する要素については、同一の符号が付されている。簡略化のために、以下では、上述の実施例に対する差異のみを説明する。
【００４１】
掃気通路５の入口側の部分１９は、図３に図示された実施例において、図２の実施例の入口側の部分に対応している。しかし、図３の実施例の掃気通路５の分離された部分の出口側の部分２０は、図１の実施例の掃気通路５の出口側の部分２０に対応している。連続した部分２４は、掃気通路５の分離された部分の入口１６をその出口２１にガスを案内するように接続している。カソードガス通路３の搬送方向においては、入口１６が出口２１の手前に配置されている。例えば、連続した部分２４は、カソードガスフィルタ９を含んでいる。これに代えて、連続した部分２４は、カソードガス管路、例えばチューブ又はホースのみによって構成されることも可能である。
【００４２】
図３の実施例の燃料電池装置１は２つの集合管、すなわち図１及び図２に図示された実施例の集合管を備えている。
【符号の説明】
【００４３】
１            燃料電池装置
２            燃料電池
３            カソードガス通路
４            アノードガス通路
５            掃気通路
６            ダイヤフラム−電極装置
７            ケーシング
８            カソードガス通路の入口
９            カソードガスフィルタ
１０          コンプレッサ
１１          熱交換器
１２          湿度調整器
１３          カソードガス通路の入口側の部分
１４          カソードガス通路の出口側の部分
１５          カソードガス通路の出口
１６          掃気通路の分離された部分の入口
１７          掃気フィルタ
１８          ブロワ
１９          掃気通路の分離された部分の入口側の部分
２０          掃気通路の分離された部分の出口側の部分
２１          掃気通路の分離して形成された部分の出口
２３          掃気通路の分離された部分の出口
２４          カソードガス通路の連続した部分
【図１】
2017507464.tif 000003
【図２】
2017507464.tif 000004
【図３】
2017507464.tif 000005
【国際調査報告】
2017507464.tif 000006
2017507464.tif 000007
2017507464.tif 000008
2017507464.tif 000009
2017507464.tif 000010
2017507464.tif 000011