JP2008522352A - 液体分離器を有する燃料電池システム - Google Patents

液体分離器を有する燃料電池システム Download PDF

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Abstract

燃料電池システム（１０）は、アノード領域（１４）と、電解質（１６）によってアノード領域（１４）から分離されるカソード領域（１８）とが設けられる少なくとも１つの燃料電池（１２）、及び第１の液体分離器（４２）を備える。第１の液体分離器（４２）の液体出口（６０）は第１のバイパスライン（７８）を介して第２の液体分離器（４４）又はカソードガス排出ライン（２４）に接続される。

Description

本発明は、アノード領域と、電解質によってアノード領域から分離されるカソード領域とを有する少なくとも１つの燃料電池を有し、かつ第１の液体分離器を有する燃料電池システムに関する。
使用状態にある典型的な燃料電池では、カソード領域は、燃料電池の種類に応じて多様に使用される電解質によってアノード領域から分離される。例えば、プロトン伝導膜は高分子電解質型燃料電池の電解質として使用される。燃料電池の作動中に、水素はアノード側に供給され、酸素、例えば空気を含む酸化剤はカソード側に供給される。水素分子は、アノード領域に設けられるアノード触媒コンバータにおいて、次式に従って反応し、
Ｈ２→２・Ｈ＋＋２・ｅ−
この工程において、電子を電極に放出し、正帯電された水素イオンを形成する。
次は、アノード領域に形成されるＨ＋イオンは、電解質を通してカソードに拡散し、ここで、前記Ｈ＋イオンが、カソード領域に設けられるカソード触媒コンバータにおいて、次式に従って、カソードに供給される酸素と、外部回路を介してカソードを通過してきた電子とに反応して、
０．５・Ｏ２＋２・Ｈ＋＋２・ｅ−→Ｈ２Ｏ
水を形成する。
このようにして、すべての既知の燃料電池システムにおいて、燃料電池の電気化学処理の反応生成物として、水が生成される。さらに、いくつかの状況において、アノード領域に及び／又はカソード領域に供給すべき反応物と共に、追加の水が燃料電池システムに導入される。例えば、アノード領域に供給すべきアノードガスに、さもなければ、カソード領域に供給すべき酸化剤、例えば空気に、水分を含んでもよい。
しかし、液体は、燃料電池システムに、特に燃料電池の領域に設けられる流路を遮断し、したがって、システム内の及び燃料電池内のガス状反応物の均一な分布に悪影響を与えることがある。このことは、燃料電池の反応物の反応の程度に対して負の効果をもたらすことがあり、したがって、システム全体の効率に対して負の効果をもたらす。さらに、燃料電池システムの液体は低温時に凍結することがあり、このことによって、システム構成要素が損傷する場合がある。このため、既知の燃料電池システムは、システムから液体を除去するために、通常、システムの臨界点に配置された液体分離器を有する。
一例として、特許文献１は、燃料電池、アノードガス供給ライン、アノードガス再循環ライン、カソードガス供給ライン及びカソードガス排出ラインを有する燃料電池システムを記載している。液体を収容するための貯蔵容器を有する液体分離器は、カソードガス排出ライン及びアノードガス再循環ラインの各々に設けられる。貯蔵容器に収集される水は貯蔵容器から周期的に送出される。このため、各水分離器は、水分離器の貯蔵容器に接続される水排出ラインと、この水排出ラインに取付けられた弁とを有する。水分離器の貯蔵容器の水位が所定の高さを超えた場合、弁が開かれるので、貯蔵容器に収集された水は燃料電池システムから水排出ラインを介して送出することができる。
従来技術から知られている別の燃料電池システム１０が図１に示されている。燃料電池システム１０は、電解質１６によってカソード領域１８から分離されるアノード領域１４を有する燃料電池１２を有する。図１には、１つのみの燃料電池１２が示されているが、燃料電池システム１０は、いわゆる燃料電池スタックを形成するように上下に積層される複数の燃料電池１２を有する。
圧縮機２０を使用して、空気がカソードガス供給ライン２２を介して燃料電池１２のカソード領域１８に供給される。燃料電池１２のカソード領域１８は、カソード排気ガスを放出するためにカソードガス排出ライン２４にも接続される。加湿システム２５は、カソードガス供給ライン２２とカソードガス排出ライン２４とに接続され、例えば、ガス間の膜加湿剤の形態である。
対照的に、燃料電池１２のアノード領域１４はアノードガス供給ライン２６に接続され、このアノードガス供給ラインを通して、水素がアノード領域１４に供給される。第１の弁２８は、アノード領域１４への水素の供給を制御するためにアノードガス供給ライン２６に取付けられる。アノードガス排出ライン３０は、燃料電池１２のアノード領域１４から出てくるアノード排気ガスを回路に送るために、再循環ファン３２が取付けられる再循環ラインの形態である。センサ３４、３６は、アノード排気ガスの圧力、温度及び相対湿度とアノード排気ガスの水素濃度とを測定するために、再循環ラインの形態のアノードガス排出ライン３０に設けられる。さらに、アノードガス排出ライン３０は第２の弁３８を介してパージライン４０に接続される。燃料電池システムが停止されるとすぐに、第２の弁３８を開くことができ、パージライン４０を通して供給されるパージガス、例えば空気で、燃料電池１２のアノード領域１４をパージできる。
液体が、燃料電池１２のアノード領域１４又はカソード領域１８に入って、この領域の反応器の流路を遮断することを防止するために、液体分離器４２、４４の各々がアノードガス供給ライン２６とカソードガス供給ライン２２とに取付けられる。別の液体分離器４６は、低温時の水の凍結によって生じる損傷から、下流構成要素、例えばセンサ３４、３６及び再循環ファン３２を保護するために、アノードガス排出ラインに設けられる。
各液体分離器４２、４４、４６は、貯蔵容器４８、５０、５２を有し、貯蔵容器４８、５０、５２の液位を測定するためのレベルセンサ５４、５６、５８を装備する。各液体分離器４２、４４、４６の液体出口６０、６２、６４は液体排出ライン６６、６８、７０に接続され、これらの液体排出ラインの各々には、弁７２、７４、７６が設けられる。関連付けられた液体分離器４２、４４、４６の貯蔵容器４８、５０、５２の水位が所定の高さに達したことをレベルセンサ５４、５６、５８が示した場合、この液体分離器４２、４４、４６に関連付けられた弁７２、７４、７６が開かれ、この結果、貯蔵容器４８、５０、５２に収集された水を燃料電池システム１０から液体出口６０、６２、６４と液体排出ライン６６、６８、７０とを通して送出できる。
図１に示されている既知の燃料電池システム１０では、各液体分離器４２、４４、４６は、液体分離器４２、４４、４６の貯蔵容器４８、５０、５２から水を周期的に制御して排出するために、レベルセンサ５４、５６、５８と、弁７２、７４、７６と、それらの弁を駆動するための適切な制御構成要素とを備える別個の構造を装備する。したがって、システムは、欠陥の影響を受けやすい複数の個々の構成要素を有し、結果として、全体が比較的複雑な構造を有する。
米国特許第５，２００，２７８号明細書
本発明は、液体がシステムから適切に送出されることを確実にすることを可能にするが、従来技術から知られているシステムよりも個々の構成要素の数が少なくて済み、したがって全体構造が簡略化される燃料電池システムを提供することを目的とする。
この目的を達成するために、第１の液体分離器を有する本発明による燃料電池システムの場合には、第１の液体分離器の液体出口が第１のバイパスラインを介して第２の液体分離器に又はカソードガス排出ラインに接続される。
本発明による燃料電池システムの実施形態は、第１の液体分離器用の貯蔵容器から液体を排出するための別個の構造、すなわち、貯蔵容器の液位を測定するためのレベルセンサと、貯蔵容器から液体を周期的に制御して排出するための弁と、弁用の制御システムとを第１の液体分離器に装備することを必要としないものである。この代わりに、第１の液体分離器によって分離された液体は、弁を介在させることなく簡単に、第１の液体分離器から第１のバイパスラインを介して連続的に送出される。
本発明による燃料電池システムの特に簡単な一実施形態では、第１の液体分離器の液体出口は第１のバイパスラインを介してカソードガス排出ラインに接続され、この結果、第１の液体分離器から通過される液体は、カソード排気ガスと共に、燃料電池システムから連続的に送出される。しかし、この代わりに、第１のバイパスラインを介して第１の液体分離器の液体出口を第２の液体分離器に接続することも可能である。次に、第１の液体分離器から第１のバイパスラインを介して通過される液体は、第２の液体分離器に連続的に供給される。
このようにして、本発明により、特に簡単な第１の液体分離器を使用することが可能になり、さらに、この特に簡単な第１の液体分離器は、所望の場合、第１の液体分離器への貯蔵容器の取付けを省略することがさらに可能なので、非常にコンパクトに設計することもできる。さらに、本発明による構造により、システム全体の個々の構成要素の数が有利に低減される。個々の構成要素の、特に制御構成要素の数が低減された本発明による燃料電池システムは、特に高い信頼性を特徴とする。最後に、本発明によるシステムは、従来技術から知られているシステムよりも少ない製造作業、組立作業及びメンテナンス作業で済む。
本発明による燃料電池システムにより、ある範囲の有利な改良形態が可能になる。例えば、第１の液体分離器をアノードガス供給ラインに取付けることができ、このアノードガス供給ラインを介して、水素が燃料電池のアノード領域に供給される。アノードガス供給ラインの第１の液体分離器の構造により、液体が、燃料電池のアノード領域に入って、この領域の反応流路を遮断することが防止される。さらに、このことにより、燃料電池のアノード領域のシステム構成要素が、低温時の水の凍結によって損傷されることが防止される。
第１の液体分離器の液体出口は、第１のバイパスラインを介して、カソードガス排出ラインに、又は例えばカソードガス供給ラインに取付け得る第２の液体分離器に接続される。カソードガス供給ラインに取付けられる第２の液体分離器により、燃料電池のカソード領域の反応流路が、液体によって遮断されることと、この領域に配置されるシステム構成要素が、低温時の水の凍結によって損傷されることが防止される。
しかし、この代わりに、例えば再循環ラインであるアノードガス排出ライン、又はカソードガス排出ラインに、第２の液体分離器を取付けることも可能である。このような本発明による燃料電池システムの改良形態は、燃料電池システムの敏感な構成要素（第２の液体分離器から後接続される）が、低温時の水の凍結による損傷から保護されるように意図されると特に価値がある。
本発明による燃料電池システムの別の有利な実施形態では、第１の液体分離器はアノードガス排出ライン（例えば再循環ラインである）に取付けられ、第２の液体分離器は、アノードガス供給ライン、カソードガス供給ライン又はカソードガス排出ラインに取付けられる。しかし、この代わりに、第１の液体分離器をカソードガス供給ラインに取付けることも可能であり、第２の液体分離器をアノードガス排出ライン（例えば再循環ラインである）、アノードガス供給ライン又はカソードガス排出ラインに取付けることも可能である。さらに、第１の液体分離器をカソードガス排出ラインに取付けることができ、第２の液体分離器をアノードガス排出ライン（例えば再循環ラインである）、アノードガス供給ライン又はカソードガス供給ラインに取付けることができる。
第１の液体分離器は、第１の圧力が存在する燃料電池システムの第１の領域に配置されることが好ましい。第１のバイパスラインにより、第１の液体分離器の液体出口が、好ましくは、第１の圧力未満の第２の圧力が存在する燃料電池システムの第２の領域に接続される。このような構造により、第１の液体分離器によって分離された液体が、第１の液体分離器の液体出口から、燃料電池システムで発生される圧力勾配の方向に簡単に連続的に送出されることが確実になる。
燃料電池のアノード領域の圧力は、通常、カソード領域の圧力よりも高い。このようにして、燃料電池のアノード領域に接続される第１の液体分離器、すなわち、アノードガス供給ライン又はアノードガス排出ラインに取付けられる第１の液体分離器は、第１のバイパスラインを介してカソードガス排出ラインに簡単に接続することができるか、あるいは燃料電池のカソード領域に接続される第２の液体分離器、すなわち、カソードガス供給ライン又はカソードガス排出ラインに取付けられる第２の液体分離器に接続することができる。次に、液体は、第１の液体分離器の液体出口から、燃料電池システムで発生される圧力勾配の方向に連続的に送出される。次に、アノードガス供給ラインに取付けられる第１の液体分離器の液体出口から、アノードガス排出ラインに取付けられる第２の液体分離器に液体を排出するために、アノードガス供給ラインとアノードガス排出ラインとの間に通常発生される圧力勾配を同様に用いることができる。最後に、圧力勾配は、カソードガス供給ラインとカソードガス排出ラインとの間にも通常発生され、カソードガス供給ラインに取付けられる第１の液体分離器の液体出口から、カソードガス排出ラインに、又はそれに取付けられる第２の液体分離器に液体を排出するために用いることができる。
燃料電池システムで発生された圧力勾配に抗して第１の液体分離器の液体出口から液体を排出するように意図された場合、本発明による燃料電池システムは、第１の液体分離器の液体出口からカソードガス排出ラインに又は第２の液体分離器に送出すべき液体を送給するための第１の送給装置を有することが好ましい。もちろん、例えばポンプの形態のこのような第１の送給装置を使用して、第１の液体分離器の液体出口からの液体の送出を補助することも可能である。このことは、第１の液体分離器の液体出口から出された液体が、非常に小さな圧力勾配の方向にあるように、又は第１の液体分離器を囲む領域の圧力と同一の圧力を有する燃料電池システムの領域の方向にあるように意図されると有利である。
第２の液体分離器は、貯蔵容器と、液体排出ラインに接続されている第２の液体分離器の液体出口を有する貯蔵容器の液位を測定するためのレベルセンサとを有することが好ましい。次に、第１の液体分離器から連続的に送出される液体は、第２の液体分離器によってガス流から分離された液体と共に、第２の液体分離器の貯蔵容器に収集することができる。
本発明による燃料電池システムの有利な一実施形態では、第２の液体分離器の貯蔵容器の液位が所定の高さに達した場合に液体排出ラインを開放するように設計される弁が、第２の液体分離器の液体出口に接続される液体排出ラインに取付けられる。結果として、第２の液体分離器の貯蔵容器に収集された液体は、必要に応じて、第２の液体分離器の貯蔵容器から制御して送出することができる。
しかし、この代わりに、第２のバイパスラインを介して、第２の液体分離器の液体出口を第３の液体分離器に又はカソードガス排出ラインに接続することも可能である。このような構造では、第２の液体分離器から液体を送るための分離部なしで、すなわち、レベルセンサ、弁、及び弁用の制御システムなしで、なおさらに、所望の場合には、貯蔵容器なしで、第２の液体分離器を設計することもできる。この代わりに、第１及び第２の液体分離器によって分離される液体は、第２の液体分離器から第２のバイパスラインを介して連続的に送出される。この結果、特に簡単かつコンパクトな構造の第２の液体分離器を使用することが可能になり、このようにして、システム全体の個々の構成要素の数をさらに低減することが可能になる。
第２の液体分離器の液体出口が第２のバイパスラインを介してカソードガス排出ラインに接続された場合、第１及び第２の液体分離器によって分離される液体は、カソード排気ガスと共に、特に簡単な構造の燃料電池システムから連続的に送出される。対照的に、第２の液体分離器の液体出口が第２のバイパスラインを介して第３の液体分離器に接続された場合、第１及び第２の液体分離器によって分離される液体は、第３の液体分離器に連続的に供給される。
第１の液体分離器がアノードガス供給ラインに取付けられた場合、第２及び第３の液体分離器は、例えば再循環ラインであるアノードガス排出ライン、カソードガス排出ライン又はカソードガス排出ラインに取付けられることが好ましい。一例として、第２の液体分離器をアノードガス排出ラインに取付けることができ、第３の液体分離器をカソードガス供給ラインに取付けることができる。
しかし、この代わりに、例えば再循環ラインであるアノードガス排出ラインに、第１の液体分離器を取付けることもできる。次に、第２及び第３の液体分離器は、アノードガス供給ライン、カソードガス供給ライン又はカソードガス排出ラインに取付けられることが好ましい。さらに、第１の液体分離器はカソードガス供給ラインに配置することができ、一方、第２及び第３の液体分離器は、例えば再循環ラインであるアノードガス排出ライン、アノードガス供給ライン又はカソードガス排出ラインに取付けられる。最後に、カソードガス排出ラインに第１の液体分離器を取付けることも可能であり、例えば再循環ラインであるアノードガス排出ライン、アノードガス供給ライン又はカソードガス供給ラインに、第２及び第３の液体分離器を取付けることも可能である。
本発明による燃料電池システムの好ましい一実施形態では、第２の液体分離器は、第２の圧力が存在する燃料電池システムの第２の領域に配置される。第２のバイパスラインにより、第２の液体分離器の液体出口が、好ましくは、第２の圧力未満の第３の圧力が存在する燃料電池システムの第３の領域に接続される。このような構造により、第１及び第２の液体分離器によって分離された液体が、第２の液体分離器の液体出口から、燃料電池システムで発生される圧力勾配の方向に簡単に連続的に送出されることが確実になる。
上記のように、燃料電池のアノード領域の圧力は、通常、カソード領域の圧力よりも高く、さらに、アノードガス供給ラインとアノードガス排出ラインとの間に又はカソードガス供給ラインとカソードガス排出ラインとの間に、圧力勾配が存在するので、第１の液体分離器がアノードガス供給ラインに取付けられ、第２の液体分離器がアノードガス排出ラインに取付けられ、第３の液体分離器がカソードガス供給ライン又はカソードガス排出ラインに取付けられた場合、燃料電池システムの個々の領域の間に発生されるこれらの差圧を特に効率的に用いることができる。
本発明による燃料電池システムでは、第２の液体分離器の液体出口からカソードガス排出ライン又は第３の液体分離器に送出しなければならない液体を送給するために、例えばポンプの形態の第２の送給装置を設けることができる。第２の液体分離器の液体出口からの液体が、燃料電池システムで発生される圧力勾配に抗して送出されるように意図されるか、あるいは第２の液体分離器の圧力出口から液体を送出する工程が、非常に小さな圧力勾配の方向で、又は第２の液体分離器を囲む領域の圧力と同一の圧力を有する燃料電池システムの領域の方向で行われるように意図された場合、第２の送給装置を設けると特に価値がある。
第３の液体分離器は、貯蔵容器と、その液位を測定するためのレベルセンサとを好ましくは有し、第３の液体分離器の液体出口は液体排出ラインに接続される。次に、第１及び第２の液体分離器から連続的に送出される液体は、第３の液体分離器によってガス流から分離される液体と共に、第３の液体分離器の貯蔵容器に収集することができる。
弁は、第３の液体分離器の液体出口に接続される液体排出ラインに取付けることができ、第２の液体分離器の貯蔵容器の液位が所定の高さに達した場合に液体排出ラインを開放するように設計される。このようにして、第３の液体分離器の貯蔵容器に収集された水は、必要に応じて、第３の液体分離器の貯蔵容器から制御して送出することができる。
しかし、この代わりに、第３のバイパスラインを介して、第３の液体分離器の液体出口をカソードガス排出ラインに接続することも可能である。このような構造では、第３の液体分離器から液体を送出するための別個の構造なしで、すなわち、レベルセンサ、弁、及び弁用の制御システムなしで、なおさらに、所望の場合、貯蔵容器なしで、第３の液体分離器を設計することもできる。この代わりに、第１及び第２の液体分離器によって分離される液体は、第３の液体分離器から第３のバイパスラインを介して連続的に送出され、この結果、特に簡単かつコンパクトな構造の第３の液体分離器を使用することも可能になり、このようにして、システム全体の個々の構成要素の数をさらに低減することも可能になる。第１の液体分離器がアノードガス供給ラインに取付けられ、第２の液体分離器がアノードガス排出ラインに取付けられ、第３の液体分離器がカソードガス供給ラインに取付けられ、さらに、第３の液体分離器の液体出口がカソードガス排出ラインに接続された場合、個々の液体分離器から液体を送出するために、燃料電池システムの個々の領域の間の上記の差圧を特に効率的に用いることができる。しかし、第３の液体分離器の液体出口から送出すべき液体を送給するための例えばポンプの形態の第３の送給装置を設けることも可能である。
燃料電池システムが３つ以上の液体分離器を有する場合、直列回路の形態のそれぞれのバイパスラインを介して液体分離器を互いに接続することもでき、この場合、上記のように、直列回路の「最後の」液体分離器の液体出口をカソードガス排出ラインに又は液体排出ラインに接続できることが自明である。並列回路の形態のそれぞれのバイパスラインを介して、１番目の液体分離器を２番目の液体分離器に又は選択された液体分離器に接続することも可能であり、上記のように、その液体分離器の液体出口をカソードガス排出ラインに又は液体排出ラインに接続できる。
特に簡単かつコンパクトな構造の燃料電池システムを実現することを目的とした場合に、液体分離器の液体出口をカソードガス排出ラインに接続すると特に価値がある。しかし、例えば直列回路の形態のこの液体分離器、又はこれに接続されるある他の液体分離器が、燃料電池のアノード領域に供給されるか又は燃料電池のアノード領域から送出されているガス流から液体を除去するために、アノードガス供給ラインに又はアノードガス排出ラインに取付けられた場合、いくつかの状況においては、このような構造により、水素がカソード排気ガスに導入され、このようにして、望ましくない水素エミッションを発生させる可能性がある。したがって、このような水素エミッションを回避するために、この液体分離器の液体出口は、上記のように、別個の液体排出ラインに接続されることが好ましい。
第１のバイパスラインは、第２の液体分離器の構造に応じて、第２の液体分離器の入口に接続される流体ラインに、すなわち、例えば、アノードガス供給ライン、アノードガス排出ライン、カソードガス供給ライン又はカソードガス排出ラインに通じることが好ましい。第２の液体分離器がカソードガス供給ラインに取付けられた場合、燃料電池のカソード領域に供給すべき空気を圧縮するための圧縮機をカソードガス排出ラインの第２の液体分離器の上流に設けることができる。第１のバイパスラインは、好ましくは、圧縮機の上流のカソードガス供給ラインに接続されるが、この理由は、カソードガス供給ラインのこの領域の圧力が特に低いからである。次に、第１の液体分離器の液体出口から液体を送出するために、燃料電池システムの異なる領域の間に発生される圧力勾配を最適に用いることができる。
しかし、この代わりに、第１のバイパスラインは、第２の液体分離器に直接接続することもでき、例えば、第２の液体分離器用の貯蔵容器に通じることができる。
同様に、第２のバイパスラインは、第３の液体分離器の構造に応じて、第３の液体分離器の入口に接続される流体ラインに、すなわち、例えば、アノードガス供給ライン、アノードガス排出ライン、カソードガス供給ライン又はカソードガス排出ラインに通じることが好ましい。第３の液体分離器がカソードガス供給ラインに取付けられた場合、第３のバイパスラインは、燃料電池のカソード領域に供給すべき空気を圧縮するためにカソードガス供給ラインに同様に取付けられる圧縮機の上流のカソードガス供給ラインに接続されることが好ましい。次に、この領域の低い圧力は、第２の液体分離器の液体出口から液体を送出するために最適に用いることができる。
しかし、この代わりに、第２のバイパスラインは、第３の液体分離器に直接接続することもでき、例えば、第３の液体分離器用の貯蔵容器に通じることができる。
絞り機構は第１、第２及び／又は第３のバイパスラインに設けられることが好ましい。本発明による燃料電池システムの作動中に、バイパスラインを介して別の液体分離器に又はカソードガス排出ラインに接続される液体分離器によって、流体が、一定期間、分離されない作動状態が発生することがある。この期間中に、ガスは、液体分離器に接続される流体ラインからバイパスラインに出てくる場合がある。したがって、例えば、第１の液体分離器が、アノードガス供給ラインに取付けられ、燃料電池システムの特定の作動段階中に液体を分離しなかった場合、燃料電池のアノード領域に供給すべきアノードガスの第１のバイパスラインへの漏れが発生することがある。第１、第２及び／又は第３のバイパスラインに設けられる絞り機構により、第１、第２及び／又は第３のバイパスラインへのガスのこの漏れが、できるだけ少なく保持されることが確実になる。第１、第２及び／又は第３のバイパスラインを通した流量が、それぞれの流体ラインを通して供給される流量の５％未満であり、１．５ｍｍ未満の直径で流れるように、絞り機構が設計されることが好ましい。絞り機構を通過する流れの直径は１〜１．５ｍｍの範囲にあることが好ましい。特に、１．１ｍｍの直径が好ましい。
この代わりに又はこれに加えて、液体が充填されるＵ字管を第１、第２及び／又は第３のバイパスラインに配置することもできる。Ｕ字管は、好ましくは水で充填され、Ｕ字管の水柱は圧力を生成し、それは水柱の高さによって変化させることができ、かつ第１、第２及び／又は第３のバイパスラインに入るガス流の漏れを防止する。対照的に、第１、第２及び／又は第３の液体分離器の液体出口から送出すべき液体は、何らの問題もなしに、Ｕ字管を通して通過させることができ、Ｕ字管の下流に配置された液体分離器に又はカソードガス排出ラインに供給することができる。
本発明による燃料電池システムの有利な一実施形態では、第１、第２及び／又は第３のバイパスラインを加熱するための手段が設けられる。第１、第２及び／又は第３のバイパスラインへのガスの漏れをできるだけ少なく保持するために、第１、第２及び／又は第３のバイパスラインは、上記のように絞り機構の領域において好ましくは１．５ｍｍ未満である比較的小さな直径を有することが好ましい。したがって、低温時には、燃料電池システムが使用されていない場合に、バイパスライン及び／又は絞り機構が、水の凍結によって遮断されることが想定可能である。この問題は、例えば、電気的に加熱されるバイパスラインを設けることによって克服できる。
この代わりに又はこれに加えて、第１、第２及び／又は第３の１つ又は複数の液体分離器は、液体が氷点下の低い温度で１つ又は複数の液体分離器から適切に送出されることを確実にするために、第１、第２及び／若しくは第３のバイパスライン、並びに／又は、第１、第２及び／若しくは第３の絞り機構が燃料電池システムの作動中に十分に加熱されるまで、１つ又は複数の液体分離器から送出すべき液体を貯蔵できるように設計される貯蔵容器を有してもよい。
添付されている概略図を参照して、本発明による燃料電池システムの好ましい実施形態について以下により詳細に説明する。
図１に示されている上記のような燃料電池システムと同様に、図２に示されている燃料電池システム１０も、電解質１８によってカソード領域１８から分離されるアノード領域１４を有する燃料電池１２を有する。図２は、１つのみの燃料電池１２を示しているが、燃料電池システム１０は、いわゆる燃料電池スタックを形成するように１つの燃料電池が他の燃料電池の頂部に積層される複数の燃料電池１２を有する。
圧縮機２０を使用して、空気がカソードガス供給ライン２２を介して燃料電池１２のカソード領域１８に供給される。燃料電池１２のカソード領域１８は、カソード排気ガスを送出するためにカソードガス排出ライン２４にも接続される。例えばガス間の膜加湿剤の形態である加湿システム２５は、カソードガス供給ライン２２とカソードガス排出ライン２４とに接続される。
対照的に、燃料電池１２のアノード領域１４はアノードガス供給ライン２６に接続され、このアノードガス供給ラインを通して、水素がアノード領域１４に供給される。第１の弁２８は、アノード領域１４への水素の供給を制御するためにアノードガス供給ライン２６に取付けられる。アノードガス排出ライン３０は、燃料電池１２のアノード領域１４から出てくるアノード排気ガスを循環させるために、再循環ファン３２が取付けられる再循環ラインの形態である。センサ３４、３６は、アノード排気ガスの圧力、温度及び相対湿度とアノード排気ガスの水素濃度とを測定するために、再循環ラインの形態であるアノードガス排出ライン３０に設けられる。さらに、アノードガス排出ライン３０は第２の弁３８を介してパージライン４０に接続される。燃料電池システムが停止されるとすぐに、第２の弁３８を開くことができ、パージライン４０を通して供給されるパージガス、例えば空気で燃料電池１２のアノード領域１４をパージできる。
液体が、燃料電池１２のアノード領域１４に入って、この領域に設けられる反応流路を遮断することを防止するために、第１の液体分離器４２がアノードガス供給ライン２６に取付けられる。第２の液体分離器４６は、低温時の水の凍結によって生じる損傷から、下流構成要素、例えばセンサ３４、３６及び再循環ファン３２を保護するために、アノードガス排出ラインに設けられる。カソードガス供給ライン２２に取付けられる第３の液体分離器４４により、液体が燃料電池１２のカソード領域１８に入ることが防止される。
液体分離器４４、４６の各々は、貯蔵容器５０、５２を有し、その液位を測定するためのレベルセンサ５６、５８を装備する。液体分離器４４、４６の液体出口６２、６４は液体排出ライン６８、７０にそれぞれ接続され、これらの液体排出ラインの各々には、弁７４、７６が設けられる。関連付けられた液体分離器４４、４６の貯蔵容器５０、５２の水位が所定の高さに達したことをレベルセンサ５６、５８が示した場合、この液体分離器４４、４６に関連付けられた弁７４、７６が開かれ、この結果、貯蔵容器５０、５２に収集された水を燃料電池システム１０から液体出口６２、６４と液体排出ライン６８、７０とを通して送出できる。
これと対照的に、第１の液体分離器４２はレベルセンサも、関連付けられた弁も有さない。この代わりに、第１の液体分離器４２の液体出口６０は、第２の液体分離器４６の上流の電気的に加熱できる第１のバイパスライン７８を介してアノードガス排出ライン３０に接続される。第１の絞り機構８０は、第１のバイパスライン７８に設けられ、第１のバイパスライン７８の流量が、アノードガス供給ライン２６を通して供給される流量の５％未満であるように設計される。第１の絞り機構８０は、流れを通過させるために１．１ｍｍの直径を有する。
燃料電池システム１０の作動中に、第１の液体分離器４２によって分離された水は、第１の液体分離器４２用の貯蔵容器４８から第１のバイパスライン７８を介してアノードガス排出ライン３０に連続的に通過され、アノードガス供給ライン２６とアノードガス排出ライン３０との間に発生される圧力勾配を用いて、第２の液体分離器４６に供給される。水が、第１の液体分離器４２によって、燃料電池１２のアノード領域１４に供給すべきガス流から分離されず、第１のバイパスライン７８を介して送出されない作動段階中に、第１の絞り機構８０により、アノードガス供給ライン２６から第１のバイパスライン７８へのガスの漏れができるだけ少なく保持されることが確実になる。
第１のバイパスライン７８の、特に、第１の絞り機構８０の流れ断面は小さいので、低温時に、燃料電池システムが使用されていない場合、第１のバイパスライン７８及び／又は第１の絞り機構８０が、凍結水によって遮断されることを推定できる。したがって、第１の液体分離器４２用の貯蔵容器４８は、アノードガス供給ライン２６を通して通過されたガス流から分離されて、第１のバイパスライン７８が、第１のバイパスライン７８及び／又は第１の絞り機構８０の氷により生じる遮断を克服するために、電気加熱によって、及び／又は燃料電池システム１０の作動中に生成される熱によって十分に加熱されるまで、第１のバイパスライン７８を通して送出されるように意図される水をこのために貯蔵できるように設計される。
図３に示されている燃料電池システム１０は、第１のバイパスライン７８が、アノードガス排出ライン３０に通じず、第２の液体分離器４６用の貯蔵容器５０に直接接続されているという点で、図２に示されている構造とは異なる。このことは別として、図３に示されている燃料電池システム１０の設計及び作動は、図２に示されている構造の設計及び作動に一致する。
図４に示されている燃料電池システム１０は、アノードガス排出ライン３０に取付けられる第２の液体分離器４６がレベルセンサも、関連付けられた弁も有さないという点で、図３に示されている構造とは異なる。この代わりに、第２の液体分離器４６の液体出口６４は、カソードガス供給ライン２２に設けられる圧縮機２０の上流の電気的に加熱できる第２のバイパスライン８２を介してカソードガス供給ライン２２に接続される。第２の絞り機構８４は、第２のバイパスライン８２に設けられ、第２のバイパスライン８２の流量が、アノードガス排出ライン３０を通して供給される流量の５％未満であるように設計され、流れを通過させるために１．１ｍｍの直径を有する。
燃料電池システム１０の作動中に、第１の液体分離器４２によって分離された水は、第１の液体分離器４２用の貯蔵容器４８から第１のバイパスライン７８を介して連続的に通過され、アノードガス供給ライン２６とアノードガス排出ライン３０との間に発生される圧力勾配を用いて、第２の液体分離器４６用の貯蔵容器５２に供給される。それと同時に、水は、第２の液体分離器４６用の貯蔵容器５２から第２のバイパスライン８２を介してカソードガス供給ライン２２に連続的に送出される。圧縮機２０の領域の圧力は特に低いので、第２の液体分離器４６の液体出口６４から水を送出するために、アノードガス排出ライン３０と、圧縮機２０の上流に配置されるカソードガス供給ライン２２の当該領域との間に発生される圧力勾配を最適に用いることができる。次に、第２のバイパスライン８２を通してカソードガス供給ライン２２に通過された水は、燃料電池１２のカソード領域１８に供給すべき空気流と共に、圧縮機２０を通して第３の液体分離器４４に供給される。第２の絞り機構８４により、水が第２のバイパスライン８２を介して第１又は第２の液体分離器４２、４６から送出されない作動段階中に、アノードガス排出ライン３０から第２のバイパスライン８２へのガスの漏れができるだけ少なく保持されることが確実になる。
第１の液体分離器４２用の貯蔵容器４８と同様に、第２の液体分離器４６用の貯蔵容器５２も、第２のバイパスライン８２が、第２のバイパスライン８２の及び／又は第２の絞り機構８４の氷により生じる遮断を克服するために、電気加熱によって、及び／又は燃料電池システム１０の作動中に生成される熱によって十分に加熱されるまで、第２のバイパスライン８２を通して送出されるように意図される水をこのために貯蔵できるように設計される。
図５に示されている燃料電池システム１０は、第２のバイパスライン８２が、圧縮機２０の上流のカソードガス供給ライン２２に通じず、第３の液体分離器４４用の貯蔵容器５０に直接接続されるという点で、図４に示されている構造とは異なる。燃料電池システム１０の圧力関係は、この場合、アノードガス排出ライン３０の圧力が第３の液体分離器４４の領域の圧力よりも大きくなるように設定され、このようにして、水が第２の液体分離器４６の液体出口６４から第３の液体分離器４４に適切に送出されることが確実になる。このことは別として、図５に示されている燃料電池システム１０の設計及び作動は、図４に示されている構造の設計及び作動に一致する。
図６に示されている特に簡単な構造の燃料電池システム１０は、カソードガス供給ライン２２に取付けられる第３の液体分離器４４が、レベルセンサも、関連付けられた弁も装備しないという点で、図４に示されている構造とは異なる。この代わりに、第３の液体分離器４４の液体出口６２は、電気的に加熱できる第３のバイパスライン８６を介してカソードガス排出ライン２４に接続される。第３の絞り機構８８は、第３のバイパスライン８６に設けられ、第３のバイパスライン８６の流量が、カソードガス供給ライン２２を通して供給される流量の５％未満であるように設計され、流れを通過させるために１．１ｍｍの直径を有する。
燃料電池システム１０の作動中に、第１の液体分離器４２によって分離された水は、第１の液体分離器４２用の貯蔵容器４８から第１のバイパスライン７８を介してアノードガス排出ライン３０に連続的に通過され、アノードガス供給ライン２６とアノードガス排出ライン３０との間に発生される圧力勾配を用いて、第２の液体分離器４６に供給される。それと同時に、水は第２の液体分離器４６用の貯蔵容器５２から第２のバイパスライン８２を介してカソードガス供給ライン２２に連続的に送出される。圧縮機２０の領域の圧力は特に低いので、第２の液体分離器４６の液体出口６４から水を送出するために、アノードガス排出ライン３０と、圧縮機２０の上流に配置されるカソードガス供給ライン２２の当該領域との間に発生される圧力勾配を最適に用いることができる。次に、第２のバイパスライン８２を通してカソードガス供給ライン２２に通過された水は、燃料電池１２のカソード領域１８に供給すべき空気流と共に、圧縮機２０を通して第３の液体分離器４４に供給される。最後に、水は、カソードガス供給ライン２２とカソードガス排出ライン２４との間に発生される圧力勾配を用いて、第３の液体分離器４４用の貯蔵容器５０から第３のバイパスライン８６を介してカソードガス排出ライン２６にも連続的に送られる。第３の絞り機構８４により、水が第１、第２及び／又は第３の液体分離器４２、４６、４４から第３のバイパスライン８６を介して送出されない作動段階中に、カソードガス供給ライン２２から第３のバイパスライン８６へのガスの漏れができるだけ少なく保持されることが確実になる。
第１及び第２の液体分離器４２、４６用の貯蔵容器４８、５２と同様に、第３の液体分離器４４用の貯蔵容器５０も、第３のバイパスライン８６が、第３のバイパスライン８６の及び／又は第３の絞り機構８８の氷により生じる遮断を克服するために、電気加熱によって、及び／又は燃料電池システム１０の作動中に生成される熱によって十分に加熱されるまで、第３のバイパスライン８６を通して送出すべき水をこのために貯蔵できるように設計される。
従来技術から知られているような燃料電池システムの図面である。 本発明による燃料電池システムの第１の例示的な実施形態の図面である。 本発明による燃料電池システムの第２の例示的な実施形態の図面である。 本発明による燃料電池システムの第３の例示的な実施形態の図面である。 本発明による燃料電池システムの第４の例示的な実施形態の図面である。 本発明による燃料電池システムの第５の例示的な実施形態の図面である。

Claims (17)

  1. アノード領域（１４）、及び電解質（１６）によって前記アノード領域（１４）から分離されるカソード領域（１８）を有する少なくとも１つの燃料電池（１２）と、
    第１の液体分離器（４２）と、
    を有する燃料電池システム（１０）であって、
    前記第１の液体分離器（４２）の液体出口（６０）が第１のバイパスライン（７８）を介して第２の液体分離器（４６）に又はカソードガス排出ライン（２４）に接続されることを特徴とする燃料電池システム（１０）。
  2. 前記第１の液体分離器（４２）は、第１の圧力が存在する前記燃料電池システム（１０）の第１の領域に配置され、前記第１のバイパスライン（７８）は、前記第１の液体分離器（４２）の前記液体出口（６０）を前記第１の圧力未満の第２の圧力が存在する前記燃料電池システム（１０）の第２の領域に接続することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記第１の液体分離器（４２）の前記液体出口（６０）から前記カソードガス排出ライン（２４）又は前記第２の液体分離器（４６）に送出すべき液体を送給するための第１の送給装置が設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記第２の液体分離器（４６）が、貯蔵容器（５２）と、該貯蔵容器（５２）の液位を測定するためのレベルセンサ（５８）とを有し、前記第２の液体分離器（４６）の液体出口（６４）が液体排出ライン（７０）に接続されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  5. 弁（７６）が、前記第２の液体分離器（４６）の前記液体出口（６４）に接続される前記液体排出ライン（７０）に取付けられ、前記第２の液体分離器（４６）の前記貯蔵容器（５２）の液位が所定の高さに達した場合に、前記弁（７６）が前記液体排出ライン（７０）を開放することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 前記第２の液体分離器（４６）の液体出口（６４）が第２のバイパスライン（８２）を介して第３の液体分離器（４４）に又は前記カソードガス排出ライン（２４）に接続されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記第２の液体分離器（４６）は、第２の圧力が存在する前記燃料電池システム（１０）の第２の領域に配置され、前記第２のバイパスライン（８２）は、前記第２の液体分離器（４６）の前記液体出口（６４）を前記第２の圧力未満の第３の圧力が存在する前記燃料電池システム（１０）の第３の領域に接続することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 前記第２の液体分離器（４６）の前記液体出口（６４）から前記カソードガス排出ライン（２４）又は前記第３の液体分離器（４４）に送出すべき液体を送給するための第２の送給装置が設けられることを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池システム。
  9. 前記第３の液体分離器（４４）が、貯蔵容器（５０）と、該貯蔵容器（５０）の液位を測定するためのレベルセンサ（５６）とを有し、前記第３の液体分離器（４４）の液体出口（６２）が液体排出ライン（６８）に接続されることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  10. 弁（７４）が、前記第３の液体分離器（４４）の前記液体出口（６２）に接続される前記液体排出ライン（６８）に取付けられ、前記第３の液体分離器（４４）の前記貯蔵容器（５０）の液位が所定の高さに達した場合に、前記弁（７４）が前記液体排出ライン（６８）を開放することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
  11. 前記第３の液体分離器（４４）の液体出口（６２）が第３のバイパスライン（８６）を介して前記カソードガス排出ライン（２４）に接続されることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  12. 前記第１のバイパスライン（７８）が、前記第２の液体分離器（４６）の入口に接続される流体ライン（３０）に通じるか、又は前記第１のバイパスライン（７８）が前記第２の液体分離器（４６）に直接接続されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  13. 前記第２のバイパスライン（８２）が、前記第３の液体分離器（４４）の入口に接続される流体ライン（２２）に通じるか、又は前記第２のバイパスライン（８２）が前記第３の液体分離器（４４）に直接接続されることを特徴とする請求項６〜１２のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  14. 絞り機構（８０、８４、８８）が前記第１、第２及び／又は第３のバイパスライン（７８、８２、８６）に設けられることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  15. 液体が充填されるＵ字管が前記第１、第２及び／又は第３のバイパスライン（７８、８２、８６）に配置されることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  16. 前記第１、第２及び／又は第３のバイパスライン（７８、８２、８６）を加熱するための手段が設けられることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  17. 前記第１、第２及び／又は第３の１つ又は複数の液体分離器（４２、４４、４６）が貯蔵容器（４８、５０、５２）を有し、液体が氷点下の温度でも１つ又は複数の液体分離器（４２、４４、４６）から適切に送出されることを確実にするために、前記第１、第２及び／若しくは第３のバイパスライン（７８、８２、８６）、並びに／又は、前記第１の絞り機構、前記第２の絞り機構及び／若しくは前記第３の絞り機構（８０、８４、８８）が十分に加熱されるまで、前記貯蔵容器が、前記１つ又は複数の液体分離器（４２、４４、４６）から送出すべき液体を貯蔵できるように設計されることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
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