JP2001015139A - 燃料電池系 - Google Patents
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- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
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- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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- General Chemical & Material Sciences (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 燃料電池の始動過程でも燃料電池膜を加湿す
るのに十分な水分を供給し、また水の凝固点を下回る周
囲温度下でも十全に機能する燃料電池系を提供する。 【解決手段】 燃料電池系１０において、燃料電池２０
は燃料のための供給管路２３と、酸化剤のための供給管
路２５とを有している。液体貯蔵器３０と、その中にあ
る凍結防止剤の添加された液体３１が設けられており、
この液体によって、燃料および／または酸化剤が燃料電
池２０内に進入する前に加湿される。凍結防止剤が燃料
電池内に達しないように、液体貯蔵器３０から取り出さ
れた液体は加熱装置４０で加熱される。加熱装置４０は
閉じた系として形成された流動管路４２を有しており、
液体に放熱する前にバーナ４３によって加熱され加熱媒
体がこの流動管路４２を貫流する。
るのに十分な水分を供給し、また水の凝固点を下回る周
囲温度下でも十全に機能する燃料電池系を提供する。 【解決手段】 燃料電池系１０において、燃料電池２０
は燃料のための供給管路２３と、酸化剤のための供給管
路２５とを有している。液体貯蔵器３０と、その中にあ
る凍結防止剤の添加された液体３１が設けられており、
この液体によって、燃料および／または酸化剤が燃料電
池２０内に進入する前に加湿される。凍結防止剤が燃料
電池内に達しないように、液体貯蔵器３０から取り出さ
れた液体は加熱装置４０で加熱される。加熱装置４０は
閉じた系として形成された流動管路４２を有しており、
液体に放熱する前にバーナ４３によって加熱され加熱媒
体がこの流動管路４２を貫流する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料のための供給
管路と、酸化剤のための供給管路とを有する燃料電池を
具備する燃料電池系に関する。
管路と、酸化剤のための供給管路とを有する燃料電池を
具備する燃料電池系に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、すでにかなり以前から知ら
れており、特に近年は自動車産業の分野で重要性が著し
く増している。
れており、特に近年は自動車産業の分野で重要性が著し
く増している。
【０００３】燃料電池はバッテリー系と同様に化学的な
手段で電気エネルギーを発生するが、この場合個々の反
応体が連続的に供給され（陽極気体および陰極気体）、
反応生成物が連続的に排出される（陽極排気および陰極
排気）。その場合、燃料電池の機能原理は、電気的に中
性な分子または原子が互いに結合し、その際に電子を交
換するというものである。この過程は酸化還元プロセス
と呼ばれる。燃料電池では酸化プロセスと還元プロセス
とは空間的に分離されるが、この分離はたとえば膜を介
して行うことができる。このような膜は、陽子を交換す
るが、ガスは保留する性質を持っている。還元時に放出
される電子は電流として、負荷、たとえば自動車の電動
機に通すことができる。
手段で電気エネルギーを発生するが、この場合個々の反
応体が連続的に供給され（陽極気体および陰極気体）、
反応生成物が連続的に排出される（陽極排気および陰極
排気）。その場合、燃料電池の機能原理は、電気的に中
性な分子または原子が互いに結合し、その際に電子を交
換するというものである。この過程は酸化還元プロセス
と呼ばれる。燃料電池では酸化プロセスと還元プロセス
とは空間的に分離されるが、この分離はたとえば膜を介
して行うことができる。このような膜は、陽子を交換す
るが、ガスは保留する性質を持っている。還元時に放出
される電子は電流として、負荷、たとえば自動車の電動
機に通すことができる。
【０００４】燃料電池用の気相の反応相手には、たとえ
ば燃料（陽極気体）として水素および酸化剤（陰極気
体）として酸素を使用する。燃料電池を、容易に入手で
き貯蔵可能な燃料、たとえば天然ガスまたはメタノール
を用いて運転しようとすれば、これらの炭化水素は最初
に水素の豊富な気体に変換されなければならない。これ
はたとえば改質によって行うことができる。
ば燃料（陽極気体）として水素および酸化剤（陰極気
体）として酸素を使用する。燃料電池を、容易に入手で
き貯蔵可能な燃料、たとえば天然ガスまたはメタノール
を用いて運転しようとすれば、これらの炭化水素は最初
に水素の豊富な気体に変換されなければならない。これ
はたとえば改質によって行うことができる。
【０００５】燃料電池が正常に機能できるように、運転
中は絶えず膜を加湿しなければならない。燃料電池内で
電流および熱を形成する際に相応の反応で水が発生する
ので、通常、この水が膜の加湿に使用される。
中は絶えず膜を加湿しなければならない。燃料電池内で
電流および熱を形成する際に相応の反応で水が発生する
ので、通常、この水が膜の加湿に使用される。
【０００６】従来慣用的に用いられているこのような燃
料電池膜の加湿の短所は、特に燃料電池系を始動する際
に、その時点ではまだ燃料電池内に水が生成されていな
いことである。しかし破損を防ぐために、すでにこの時
点でも燃料電池の膜を加湿しなければならない。
料電池膜の加湿の短所は、特に燃料電池系を始動する際
に、その時点ではまだ燃料電池内に水が生成されていな
いことである。しかし破損を防ぐために、すでにこの時
点でも燃料電池の膜を加湿しなければならない。
【０００７】ＵＳ５７８６１０４が開示している燃料電
池系は、それぞれ燃料および酸化剤のための供給管路お
よび排出管路を有しており、燃料のための供給管路およ
び／または酸化剤のための供給管路は水貯蔵器と接続さ
れている。供給管路はそれぞれ静的混合器（statischen
Mischer）を有している。この混合器は加熱可能であ
り、水貯蔵器から供給される水を蒸発させ、そうするこ
とによって燃料電池に供給される燃料および／または酸
化剤の加湿を達成できる。この明細書には、水の凝固点
を下回る温度下での加湿という問題については何も記載
されていない。
池系は、それぞれ燃料および酸化剤のための供給管路お
よび排出管路を有しており、燃料のための供給管路およ
び／または酸化剤のための供給管路は水貯蔵器と接続さ
れている。供給管路はそれぞれ静的混合器（statischen
Mischer）を有している。この混合器は加熱可能であ
り、水貯蔵器から供給される水を蒸発させ、そうするこ
とによって燃料電池に供給される燃料および／または酸
化剤の加湿を達成できる。この明細書には、水の凝固点
を下回る温度下での加湿という問題については何も記載
されていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、従来
技術から出発して、前記の短所を回避した燃料電池系を
提供することである。特に燃料電池の始動過程中も燃料
電池膜を加湿するのに十分な水分が供給され、水の凝固
点を下回る周囲温度下でも十全に機能し得る燃料電池系
を特に提供するものである。
技術から出発して、前記の短所を回避した燃料電池系を
提供することである。特に燃料電池の始動過程中も燃料
電池膜を加湿するのに十分な水分が供給され、水の凝固
点を下回る周囲温度下でも十全に機能し得る燃料電池系
を特に提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の構成では、液体貯蔵器内にある液体を加熱す
るために加熱装置が設けられており、当該加熱装置が燃
料のための供給管路および／または酸化剤のための供給
管路内に配置されていて、加熱装置の発熱力が液体内に
含まれている凍結防止剤を完全に蒸発させるようにそれ
は設計されており、かつ蒸発した凍結防止剤を捕集、凝
縮および返送するための装置が液体貯蔵器内に設けられ
ているようにした。
に本発明の構成では、液体貯蔵器内にある液体を加熱す
るために加熱装置が設けられており、当該加熱装置が燃
料のための供給管路および／または酸化剤のための供給
管路内に配置されていて、加熱装置の発熱力が液体内に
含まれている凍結防止剤を完全に蒸発させるようにそれ
は設計されており、かつ蒸発した凍結防止剤を捕集、凝
縮および返送するための装置が液体貯蔵器内に設けられ
ているようにした。
【００１０】液体貯蔵器を介して燃料および／または酸
化剤を湿らせることができる。次いで、湿らされた気体
流を介して燃料電池膜の加湿が行われる。特にそうする
ことによって、燃料電池の始動過程の間も燃料電池膜の
加湿が保証されている。なぜならば、燃料電池内に導入
される気体流は最初から燃料電池膜の加湿に十分な湿度
を有しているからである。このようにすることによっ
て、乾燥によって生じ得る燃料電池膜の破損が防止され
る。
化剤を湿らせることができる。次いで、湿らされた気体
流を介して燃料電池膜の加湿が行われる。特にそうする
ことによって、燃料電池の始動過程の間も燃料電池膜の
加湿が保証されている。なぜならば、燃料電池内に導入
される気体流は最初から燃料電池膜の加湿に十分な湿度
を有しているからである。このようにすることによっ
て、乾燥によって生じ得る燃料電池膜の破損が防止され
る。
【００１１】したがって、液体貯蔵器内にある液体は、
特に始動と燃料電池内の水生成との間の時間を橋渡しで
きる。
特に始動と燃料電池内の水生成との間の時間を橋渡しで
きる。
【００１２】燃料電池のための燃料として、ほんの一例
を挙げれば、メタノール、ベンジン、天然ガス、メタ
ン、石炭ガス、生物ガスなどから回収された水素を使用
できる。酸化剤に酸素を使用できることが有利である。
を挙げれば、メタノール、ベンジン、天然ガス、メタ
ン、石炭ガス、生物ガスなどから回収された水素を使用
できる。酸化剤に酸素を使用できることが有利である。
【００１３】液体容器内にある液体が水である場合、凝
固点を下げるために水に、たとえばメタノールまたはそ
の他の凍結防止剤を添加する。凍結防止剤はいかなる場
合も、液体よりも低い沸点を有するように選択されてい
る。この場合、燃料のための供給管路および／または酸
化剤のための供給管路と液体容器との接続管路内に加熱
装置が設けられており、水から凍結防止剤を溜出させ
て、燃料電池に純水のみが供給されるようにしている。
加熱装置は、たとえば燃料電池のための燃料および／ま
たは酸化剤の気体流に水を噴射できる噴射ノズル内に配
置されているのが合理的である。加熱装置はその出力に
ついて、燃料電池に供給されるべき各々の気体流と水と
が混合される前に、接続管路を通って流れる水流内に含
まれている凍結防止剤が完全に蒸発できるように設計さ
れている。加熱によって蒸発した凍結防止剤は、相応の
装置によって捕集され、凝集され、次いで液体貯蔵器に
返送される。
固点を下げるために水に、たとえばメタノールまたはそ
の他の凍結防止剤を添加する。凍結防止剤はいかなる場
合も、液体よりも低い沸点を有するように選択されてい
る。この場合、燃料のための供給管路および／または酸
化剤のための供給管路と液体容器との接続管路内に加熱
装置が設けられており、水から凍結防止剤を溜出させ
て、燃料電池に純水のみが供給されるようにしている。
加熱装置は、たとえば燃料電池のための燃料および／ま
たは酸化剤の気体流に水を噴射できる噴射ノズル内に配
置されているのが合理的である。加熱装置はその出力に
ついて、燃料電池に供給されるべき各々の気体流と水と
が混合される前に、接続管路を通って流れる水流内に含
まれている凍結防止剤が完全に蒸発できるように設計さ
れている。加熱によって蒸発した凍結防止剤は、相応の
装置によって捕集され、凝集され、次いで液体貯蔵器に
返送される。
【００１４】本発明により、これまで重大であった問
題、すなわち０°Ｃ以下の温度でも燃料電池系の使用が
可能でなければならないという問題が解決される。つま
り、このような低温では、特に水を使用した場合には、
液体貯蔵器内の液体は凍結する恐れがある。その結果と
して、燃料電池の始動時には、燃料電池膜の十分な加湿
は保証されなくなるであろう。凍結防止剤によって液体
の凍結が回避される。また、加熱装置によって、液体内
にある凍結防止剤は燃料電池に供給されるべき気体流に
添加される前に留出されることが達成される。
題、すなわち０°Ｃ以下の温度でも燃料電池系の使用が
可能でなければならないという問題が解決される。つま
り、このような低温では、特に水を使用した場合には、
液体貯蔵器内の液体は凍結する恐れがある。その結果と
して、燃料電池の始動時には、燃料電池膜の十分な加湿
は保証されなくなるであろう。凍結防止剤によって液体
の凍結が回避される。また、加熱装置によって、液体内
にある凍結防止剤は燃料電池に供給されるべき気体流に
添加される前に留出されることが達成される。
【００１５】本発明による燃料電池の好ましい態様が、
請求項２以下に記載されている。
請求項２以下に記載されている。
【００１６】燃料および／または酸化剤を湿らせるため
の液体を収容するための液体貯蔵器が設けられているこ
とが好ましい。好適な液体として水を使用することが有
利であり、これは酸化剤および／または燃料ならびに燃
料電池の膜を湿らせるのに適する。
の液体を収容するための液体貯蔵器が設けられているこ
とが好ましい。好適な液体として水を使用することが有
利であり、これは酸化剤および／または燃料ならびに燃
料電池の膜を湿らせるのに適する。
【００１７】必要および用途に応じて、酸化剤または燃
料のいずれかを湿らせることが考えられる。同様に、燃
料と酸化剤のいずれも湿らせることも可能である。
料のいずれかを湿らせることが考えられる。同様に、燃
料と酸化剤のいずれも湿らせることも可能である。
【００１８】加熱装置が電熱器として形成されているこ
とが好都合である。電熱器は有利には液体貯蔵器内に配
置されている。最初の時間、すなわち燃料電池が始動す
る時間には、必要とされる電気エネルギーは電気的バッ
テリーによって提供される。電熱器は、ほんの一例を挙
げれば、熱線、加熱コイルなどとして形成できる。
とが好都合である。電熱器は有利には液体貯蔵器内に配
置されている。最初の時間、すなわち燃料電池が始動す
る時間には、必要とされる電気エネルギーは電気的バッ
テリーによって提供される。電熱器は、ほんの一例を挙
げれば、熱線、加熱コイルなどとして形成できる。
【００１９】別の構成において、加熱装置は加熱媒体の
ための流動管路を有することができる。この場合、熱交
換面積を拡大するために流動管路はらせん管などとして
形成できる。加熱媒体が流動管路を貫流し、それによっ
て加熱媒体と液体との間の熱交換が行われる。
ための流動管路を有することができる。この場合、熱交
換面積を拡大するために流動管路はらせん管などとして
形成できる。加熱媒体が流動管路を貫流し、それによっ
て加熱媒体と液体との間の熱交換が行われる。
【００２０】加熱装置は閉じた系として形成されている
ことが好ましい。このようにすることによって、流動管
路内を循環する加熱媒体の量を減らすことができる。な
ぜならば、循環サイクルの間に加熱媒体は流動管路から
逃げられないからである。
ことが好ましい。このようにすることによって、流動管
路内を循環する加熱媒体の量を減らすことができる。な
ぜならば、循環サイクルの間に加熱媒体は流動管路から
逃げられないからである。
【００２１】流動管路内に加熱媒体のための搬送装置が
設けられていることが有利である。このような搬送装置
によって、流動管路内部における加熱媒体の流速を必要
に応じて調節できる。すなわち、加熱媒体の流速が、加
熱媒体と液体貯蔵器内にある液体との間の熱交換率に影
響する。
設けられていることが有利である。このような搬送装置
によって、流動管路内部における加熱媒体の流速を必要
に応じて調節できる。すなわち、加熱媒体の流速が、加
熱媒体と液体貯蔵器内にある液体との間の熱交換率に影
響する。
【００２２】使用する加熱媒体の種類に応じて、搬送装
置は種々に形成できる。たとえば液状加熱媒体、たとえ
ば水、油などを使用する場合には、搬送装置をポンプと
して形成することが好ましい。加熱媒体として、たとえ
ば空気などの気体を使用する場合には、搬送装置を送風
機として形成することが好ましい。ただし、本発明は前
記の搬送装置に限定されるものではない。
置は種々に形成できる。たとえば液状加熱媒体、たとえ
ば水、油などを使用する場合には、搬送装置をポンプと
して形成することが好ましい。加熱媒体として、たとえ
ば空気などの気体を使用する場合には、搬送装置を送風
機として形成することが好ましい。ただし、本発明は前
記の搬送装置に限定されるものではない。
【００２３】別の構成において、加熱媒体を加熱するた
めの加熱部材が設けられている。加熱部材はバーナとし
て、特に接触バーナ（katalytischer Brenner）として
形成されていることが有利である。このバーナによっ
て、流動管路内にある加熱媒体を液体の加熱に使用する
前に、必要な温度に加熱する。しかしまた、加熱部材を
別様に、たとえば熱電対として形成することもできる。
本発明は加熱部材の特定の構成形態に限定されるもので
はない。
めの加熱部材が設けられている。加熱部材はバーナとし
て、特に接触バーナ（katalytischer Brenner）として
形成されていることが有利である。このバーナによっ
て、流動管路内にある加熱媒体を液体の加熱に使用する
前に、必要な温度に加熱する。しかしまた、加熱部材を
別様に、たとえば熱電対として形成することもできる。
本発明は加熱部材の特定の構成形態に限定されるもので
はない。
【００２４】燃料電池内で反応生成物として生じる水
は、燃料電池からの排気と共に排出される。それゆえ、
有利には、燃料のための排出管路および／または酸化剤
のための排出管路内に、液体に凝縮させるための装置が
設けられている。液体に凝縮させるための装置は液体貯
蔵器と接続されている。
は、燃料電池からの排気と共に排出される。それゆえ、
有利には、燃料のための排出管路および／または酸化剤
のための排出管路内に、液体に凝縮させるための装置が
設けられている。液体に凝縮させるための装置は液体貯
蔵器と接続されている。
【００２５】そうすることによって、電流の形成時に燃
料電池内で形成された生成水を回収することが可能とな
る。燃料電池の排気流は一般に非常に高温なので、燃料
電池の排気流内にある水は通常は水蒸気の形で存在す
る。液体に凝縮させるための装置により、水蒸気を液状
態に移行させることが可能なので、この水を引き続き、
燃料電池の周囲範囲における別のプロセス、特に燃料お
よび／または酸化剤を湿らせるためのプロセスに利用で
きる。
料電池内で形成された生成水を回収することが可能とな
る。燃料電池の排気流は一般に非常に高温なので、燃料
電池の排気流内にある水は通常は水蒸気の形で存在す
る。液体に凝縮させるための装置により、水蒸気を液状
態に移行させることが可能なので、この水を引き続き、
燃料電池の周囲範囲における別のプロセス、特に燃料お
よび／または酸化剤を湿らせるためのプロセスに利用で
きる。
【００２６】液体に凝縮させるための装置は、酸化剤の
ための排出管路（陰極排気）、燃料のための排出管路
（陰極排気）または両排出管路内に設けることができ
る。この装置は、特に排気流内に非常に多くの水が水蒸
気の形で存在している場所で常に有利である。しかし排
気流から水を回収する際に、燃料電池を破損する恐れの
ある有害な成分が一緒に運び出されて濃縮されることが
ないように確保しなければならない。本発明の有利な構
成において、特に酸化剤として酸素が使用される場合に
は、液体に凝縮させるための装置、特に水の凝縮装置が
酸化剤のための排出管路内に配置されている。
ための排出管路（陰極排気）、燃料のための排出管路
（陰極排気）または両排出管路内に設けることができ
る。この装置は、特に排気流内に非常に多くの水が水蒸
気の形で存在している場所で常に有利である。しかし排
気流から水を回収する際に、燃料電池を破損する恐れの
ある有害な成分が一緒に運び出されて濃縮されることが
ないように確保しなければならない。本発明の有利な構
成において、特に酸化剤として酸素が使用される場合に
は、液体に凝縮させるための装置、特に水の凝縮装置が
酸化剤のための排出管路内に配置されている。
【００２７】このようにして形成された水は液体貯蔵器
内に供給され得るので、別の水源は省くことができる。
この場合、液体貯蔵器は中間貯蔵器としての機能も満た
す。燃料電池の運転中に形成され燃料電池膜の加湿には
必要とされない過剰な水は、液体貯蔵器内に貯蔵され
て、燃料電池が遮断され、後の時点で再び始動されると
きに利用できる。
内に供給され得るので、別の水源は省くことができる。
この場合、液体貯蔵器は中間貯蔵器としての機能も満た
す。燃料電池の運転中に形成され燃料電池膜の加湿には
必要とされない過剰な水は、液体貯蔵器内に貯蔵され
て、燃料電池が遮断され、後の時点で再び始動されると
きに利用できる。
【００２８】燃料と酸化剤のいずれも湿らせる場合も、
単独の気化器のみ設けることが推奨される。この気化器
内で加熱装置を介して凍結防止剤が蒸発し、この気化器
から間接的または直接的に管路が出ていて、これらの管
路は凍結防止剤が取り除かれた液体を燃料および酸化剤
のための両供給管路内に供給する。このとき、蒸発した
凍結防止剤は気化器から別の管路を介して除去され、凝
縮のために凝縮器内に送られる。そこで形成される凍結
防止剤の凝縮物は、別の管路を通って液体貯蔵器内に返
送される。
単独の気化器のみ設けることが推奨される。この気化器
内で加熱装置を介して凍結防止剤が蒸発し、この気化器
から間接的または直接的に管路が出ていて、これらの管
路は凍結防止剤が取り除かれた液体を燃料および酸化剤
のための両供給管路内に供給する。このとき、蒸発した
凍結防止剤は気化器から別の管路を介して除去され、凝
縮のために凝縮器内に送られる。そこで形成される凍結
防止剤の凝縮物は、別の管路を通って液体貯蔵器内に返
送される。
【００２９】液体貯蔵器内にある水は、たとえば蒸留プ
ロセスによっても回収できる。
ロセスによっても回収できる。
【００３０】前記の本発明による燃料電池系を自動車の
運転に使用できることは有利である。
運転に使用できることは有利である。
【００３１】車両部門における燃料電池技術の急速な発
展に基づき、燃料電池系をこのように使用することは、
現在特に良好な使用可能性を提供する。しかしまた別の
使用可能性も考えられる。たとえばコンピュータや携帯
電話などの可動式機器のための燃料電池から、発電所の
ための燃料電池まで考えられる。燃料電池技術は家屋、
産業施設などの分散型エネルギー供給にも適している。
展に基づき、燃料電池系をこのように使用することは、
現在特に良好な使用可能性を提供する。しかしまた別の
使用可能性も考えられる。たとえばコンピュータや携帯
電話などの可動式機器のための燃料電池から、発電所の
ための燃料電池まで考えられる。燃料電池技術は家屋、
産業施設などの分散型エネルギー供給にも適している。
【００３２】本発明はポリマー膜（ＰＥＭ）を有する燃
料電池と組み合わせて使用するのが有利である。これら
の燃料電池は高い電気的効率を有していて、最小限の排
出のみ誘発し、最適な部分負荷特性を有しており、機械
的摩耗がほとんどない。
料電池と組み合わせて使用するのが有利である。これら
の燃料電池は高い電気的効率を有していて、最小限の排
出のみ誘発し、最適な部分負荷特性を有しており、機械
的摩耗がほとんどない。
【００３３】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を唯
一の図面に基づいて詳細に説明する。
一の図面に基づいて詳細に説明する。
【００３４】図には、燃料電池２０、液体貯蔵器３０お
よび加熱装置４０を有する燃料電池系１０が示されてい
る。
よび加熱装置４０を有する燃料電池系１０が示されてい
る。
【００３５】燃料電池２０は、燃料、この場合は水素の
ための供給管路２３および排出管路２４と接続された陽
極部２１を有している。さらに、燃料電池２０は、酸化
剤、この場合は酸素のための供給管路２５および排出管
路２６と接続された陰極部２２を有している。陽極部２
１と陰極部２２とは膜２７、この場合はポリマー膜によ
って互いに分離されている。
ための供給管路２３および排出管路２４と接続された陽
極部２１を有している。さらに、燃料電池２０は、酸化
剤、この場合は酸素のための供給管路２５および排出管
路２６と接続された陰極部２２を有している。陽極部２
１と陰極部２２とは膜２７、この場合はポリマー膜によ
って互いに分離されている。
【００３６】燃料のための供給管路２３も、酸化剤のた
めの供給管路２５も、対応する管路３２、３３を介して
液体貯蔵器３０と接続されている。液体貯蔵器３０内に
は液体３１、この場合は水が貯蔵されている。供給管路
２３を貫流する燃料と、供給管路２５を貫流する酸化剤
とは液体３１によって加湿される。
めの供給管路２５も、対応する管路３２、３３を介して
液体貯蔵器３０と接続されている。液体貯蔵器３０内に
は液体３１、この場合は水が貯蔵されている。供給管路
２３を貫流する燃料と、供給管路２５を貫流する酸化剤
とは液体３１によって加湿される。
【００３７】以下に燃料電池系１０の作用を説明する。
燃料電池２０の機能を保証するために、膜２７を絶えず
湿った状態に保つことが必要である。燃料電池２０の運
転中、加湿は直接燃料電池２０内で形成された水によっ
て行われる。特に燃料電池２０の始動時には、まだ水が
発生していない。しかし、この時点でもすでに膜２７の
加湿が必要である。この理由から燃料流および酸化剤の
流れが液体貯蔵器３０を介して相応に加湿され、燃料電
池２０の始動段階において膜２７の加湿は湿った燃料流
と酸化剤の湿った流れによって行われる。
燃料電池２０の機能を保証するために、膜２７を絶えず
湿った状態に保つことが必要である。燃料電池２０の運
転中、加湿は直接燃料電池２０内で形成された水によっ
て行われる。特に燃料電池２０の始動時には、まだ水が
発生していない。しかし、この時点でもすでに膜２７の
加湿が必要である。この理由から燃料流および酸化剤の
流れが液体貯蔵器３０を介して相応に加湿され、燃料電
池２０の始動段階において膜２７の加湿は湿った燃料流
と酸化剤の湿った流れによって行われる。
【００３８】特に燃料電池系が車両に使用される場合
は、燃料電池系１０の周囲の温度が凝固点以下に下がる
ことがある。この場合、液体貯蔵器３０内にある水３１
が凍る危険性がある。このとき、燃料電池２０の始動時
において膜２７の十分な加湿はもはや保証されない。
は、燃料電池系１０の周囲の温度が凝固点以下に下がる
ことがある。この場合、液体貯蔵器３０内にある水３１
が凍る危険性がある。このとき、燃料電池２０の始動時
において膜２７の十分な加湿はもはや保証されない。
【００３９】水３１の凍結を防ぐために、水に凍結防止
剤、たとえばメタノールが添加された。凍結防止剤が燃
料電池２０内に達しないように、加熱装置４０を備えた
気化器４４が設けられている。加熱装置により液体貯蔵
器３０から取り出された水３１を加熱でき、凍結防止剤
が蒸発して、純水３１のみが管路３２、３３を通って燃
料もしくは酸化剤のための供給管路２３、２５内に到達
する。
剤、たとえばメタノールが添加された。凍結防止剤が燃
料電池２０内に達しないように、加熱装置４０を備えた
気化器４４が設けられている。加熱装置により液体貯蔵
器３０から取り出された水３１を加熱でき、凍結防止剤
が蒸発して、純水３１のみが管路３２、３３を通って燃
料もしくは酸化剤のための供給管路２３、２５内に到達
する。
【００４０】図示の実施例において、加熱装置４０は閉
じた系として形成された流動管路４２を有している。流
動管路４２には好適な加熱媒体、たとえば水、油などが
貫流する。流動管路４２は気化器４４の領域でらせん管
として形成できる。そうすることによって、熱交換のた
めに、流動管路４２の大きい表面積が提供される。加熱
媒体は、気化器４４内にある流動管路４２の領域に達す
る前に、好適な加熱部材４３、この場合は接触バーナを
介して必要な温度にされる。こうして加熱された加熱媒
体は気化器４４を貫流し、そこで凍結防止剤と混合され
た水３１に熱を放出する。そうすることによって、凍結
防止剤は蒸発し、管路４６を通って蒸気として除去する
ことができる。気化器４４を出た後で冷却される加熱媒
体は、流動管路４２を介して再びバーナ４３に供給さ
れ、ここで加熱される。引き続いて、この加熱された加
熱媒体は再び気化器４４内に入る。流動管路４２を備え
た加熱装置４０に対して択一的に、電熱器４１を使用す
ることもできるが、これは図中では破線で示されてい
る。管路４６によって気化器４４から除去された凍結防
止剤の蒸気は凝縮器４５内に達し、そこで冷却によって
凝縮され、液相で管路４７を通って液体貯蔵器３０内に
返送される。
じた系として形成された流動管路４２を有している。流
動管路４２には好適な加熱媒体、たとえば水、油などが
貫流する。流動管路４２は気化器４４の領域でらせん管
として形成できる。そうすることによって、熱交換のた
めに、流動管路４２の大きい表面積が提供される。加熱
媒体は、気化器４４内にある流動管路４２の領域に達す
る前に、好適な加熱部材４３、この場合は接触バーナを
介して必要な温度にされる。こうして加熱された加熱媒
体は気化器４４を貫流し、そこで凍結防止剤と混合され
た水３１に熱を放出する。そうすることによって、凍結
防止剤は蒸発し、管路４６を通って蒸気として除去する
ことができる。気化器４４を出た後で冷却される加熱媒
体は、流動管路４２を介して再びバーナ４３に供給さ
れ、ここで加熱される。引き続いて、この加熱された加
熱媒体は再び気化器４４内に入る。流動管路４２を備え
た加熱装置４０に対して択一的に、電熱器４１を使用す
ることもできるが、これは図中では破線で示されてい
る。管路４６によって気化器４４から除去された凍結防
止剤の蒸気は凝縮器４５内に達し、そこで冷却によって
凝縮され、液相で管路４７を通って液体貯蔵器３０内に
返送される。
【００４１】さらに図には２つの凝縮器５０、５１が示
されている。これらの凝縮器５０、５１は陽極気体もし
くは陰極気体のための両排出管路２４、２６内に接続さ
れており、燃料電池２０の両排気流から水を凝縮する。
この凝縮物は管路５２を通って液体貯蔵器３０内に供給
されて、必要に応じて液面を補充できる。
されている。これらの凝縮器５０、５１は陽極気体もし
くは陰極気体のための両排出管路２４、２６内に接続さ
れており、燃料電池２０の両排気流から水を凝縮する。
この凝縮物は管路５２を通って液体貯蔵器３０内に供給
されて、必要に応じて液面を補充できる。
【図１】本発明による燃料電池系装置の概略図である。
１０ 燃料電池系 ２０ 燃料電池 ２１ 陽極部 ２２ 陰極部 ２３ 燃料供給管路 ２４ 燃料排出管路 ２５ 酸化剤供給管路 ２６ 酸化剤排出管路 ２７ 膜 ３０ 液体貯蔵器 ３１ 液体 ３２ 管路 ３３ 管路 ４０ 加熱装置 ４１ 電熱器 ４２ 流動管路 ４３ 加熱部材 ４４ 気化器 ４５ 凝縮器 ４６ 管路 ４７ 管路 ５０ 凝縮器 ５１ 凝縮器 ５２ 管路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トーマス・ツァップ ドイツ連邦共和国、デー 44265 ドルト ムント、ザウアーレンダーシュトラーセ 17
Claims (9)
- 【請求項１】 燃料電池系であって、燃料のための供給
管路（２３）と、酸化剤のための供給管路（２５）と、
燃料のための排出管路（２４）と、酸化剤のための排出
管路（２６）とを有する燃料電池（２０）を具備してお
り、燃料のための供給管路（２３）および／または酸化
剤のための供給管路（２５）が液体貯蔵器（３０）、特
に水貯蔵器と接続されている形式のものにおいて、 液体貯蔵器（３０）内にある液体（３１）を加熱するた
めの加熱装置（４０）が設けられており、当該加熱装置
（４０）が燃料のための供給管路（２３）および／また
は酸化剤のための供給管路（２５）内に配置されてい
て、加熱装置（４０）の発熱力は液体内に含まれている
凍結防止剤が完全に蒸発するように設計されており、 蒸発した凍結防止剤を捕集、凝縮および返送するための
装置が液体貯蔵器（３０）内に設けられていることを特
徴とする燃料電池系。 - 【請求項２】 加熱装置（４０）が電熱器（４１）とし
て形成されていることを特徴とする、請求項１記載の燃
料電池系。 - 【請求項３】 加熱装置（４０）が加熱媒体のための流
動管路（４２）を有していることを特徴とする、請求項
１記載の燃料電池系。 - 【請求項４】 加熱装置（４０）が閉じた系として形成
されていることを特徴とする、請求項３記載の燃料電池
系。 - 【請求項５】 流動管路（４２）内に加熱媒体のための
搬送装置が設けられていることを特徴とする、請求項３
または４記載の燃料電池系。 - 【請求項６】 加熱媒体を加熱するための加熱部材（４
３）が設けられていることを特徴とする、請求項３から
５までのいずれか１項記載の燃料電池系。 - 【請求項７】 燃料のための排出管路（２４）および／
または酸化剤のための排出管路（２６）内に液体に凝縮
させるための装置が設けられており、この液体に凝縮さ
せるための装置が液体貯蔵器（３０）と接続されている
ことを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項
記載の燃料電池系。 - 【請求項８】 加熱装置（４０）によって加熱可能であ
る気化器（４４）が設けられており、当該気化器（４
４）から間接的または直接的に管路（３２、３３）が出
ていて、凍結防止剤の除かれた液体（３１）を燃料およ
び酸化剤のための供給管路（２３、２５）に供給し、 蒸発した凍結防止剤が気化器（４４）から出て管路（４
６）を通って凝縮器（４５）内に進入可能であり、さら
に管路（４７）を通って凝縮器（４５）から凝縮液とし
て液体貯蔵器（３０）内に還流可能であることを特徴と
する、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃料電
池系。 - 【請求項９】 請求項１から８までのいずれか１項記載
の燃料電池系の車両への使用。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19928068:1 | 1999-06-14 | ||
| DE19928068A DE19928068C2 (de) | 1999-06-14 | 1999-06-14 | Brennstoffzellensystem und dessen Verwendung |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001015139A true JP2001015139A (ja) | 2001-01-19 |
Family
ID=7911806
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000173080A Pending JP2001015139A (ja) | 1999-06-14 | 2000-06-09 | 燃料電池系 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6440595B1 (ja) |
| JP (1) | JP2001015139A (ja) |
| DE (2) | DE19928068C2 (ja) |
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| JPWO2002103829A1 (ja) * | 2001-06-15 | 2004-10-07 | 株式会社東芝 | 固体高分子型燃料電池および固体高分子型燃料電池発電システム |
| CN1322620C (zh) * | 2002-02-08 | 2007-06-20 | 日产自动车株式会社 | 燃料电池发电装置的防冻 |
| US20100047635A1 (en) * | 2008-05-01 | 2010-02-25 | Lyons Sean S | Hydrating A Reactant Flow Of An Electrochemical Stack |
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| US7482085B2 (en) | 1996-06-07 | 2009-01-27 | Bdf Ip Holdings Ltd. | Apparatus for improving the cold starting capability of an electrochemical fuel cell |
| DE10013687B4 (de) * | 2000-03-21 | 2007-06-28 | Nucellsys Gmbh | Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben desselben |
| DE10031062A1 (de) * | 2000-06-26 | 2002-01-17 | Siemens Ag | Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)-Brennstoffzelle mit Heizelement,PEM-Brennstoffzellenanlage und Verfahren zum Betreiben einer PEM-Brennstoffzellenanlage |
| DE10137847B4 (de) | 2001-08-02 | 2019-06-06 | General Motors Llc ( N. D. Ges. D. Staates Delaware ) | Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, bei dem Temperaturen im Gefrierbereich von Wasser auftreten können sowie Brennstoffzellensystem |
| US6562503B2 (en) * | 2001-08-22 | 2003-05-13 | Utc Fuel Cells, Llc | Freeze tolerant fuel cell power plant |
| US6528194B1 (en) * | 2001-08-22 | 2003-03-04 | Utc Fuel Cells, Llc | Freeze tolerant fuel cell power plant |
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| DE102018204827A1 (de) * | 2018-03-29 | 2019-10-02 | Ford Global Technologies, Llc | Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug |
| DE102018204828A1 (de) | 2018-03-29 | 2019-10-02 | Ford Global Technologies, Llc | Verhinderung von Glatteis durch Abwasser von Kraftfahrzeugen |
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|---|---|---|---|---|
| ATE153801T1 (de) * | 1990-11-23 | 1997-06-15 | Vickers Shipbuilding & Eng | Anwendung von brennstoffzellen in stromversorgungssystemen |
| US5306577A (en) * | 1992-07-15 | 1994-04-26 | Rockwell International Corporation | Regenerative fuel cell system |
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| US6013385A (en) * | 1997-07-25 | 2000-01-11 | Emprise Corporation | Fuel cell gas management system |
-
1999
- 1999-06-14 DE DE19928068A patent/DE19928068C2/de not_active Expired - Fee Related
-
2000
- 2000-06-09 DE DE20010497U patent/DE20010497U1/de not_active Expired - Lifetime
- 2000-06-09 JP JP2000173080A patent/JP2001015139A/ja active Pending
- 2000-06-12 US US09/591,667 patent/US6440595B1/en not_active Expired - Fee Related
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| DE19928068C2 (de) | 2001-05-17 |
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