JP2023524851A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

本発明は、アノード室（２０）およびカソード室（２１）を含む少なくとも１つの燃料電池積層体（１９）を備えた燃料電池システム（２）であって、給気管（２２）を介してカソード室（２１）に空気を供給するための少なくとも１つの空気搬送装置（３）と、カソード室（２１）からの排気管（２３）と、アノード室（２０）に燃料を供給するための少なくとも１つの燃料供給装置（２６）と、未使用の燃料をアノード室（２０）周囲に再循環させるための少なくとも１つのアノード・サイクル（２８）と、さらに、カソード・バイパス（３７）とを備える、燃料電池システム（２）に関する。本発明による燃料電池システムは、カソード・バイパス管（３７）が、給気管（２２）における弁装置（３５）の前方または弁装置（３５）の領域において給気管（２２）から分岐しており、排気管（２３）におけるさらなる弁装置（３６）の後方または弁装置（３６）の領域において排気管（２３）に合流しており、カソード室（２１）の周囲を流れる空気によって駆動可能なガス噴射ポンプ（３８）がカソード・バイパス（３７）に配置されており、ガス噴射ポンプ（３８）は吸気側がアノード室（２０）および／またはカソード室（２１）と切替可能に接続されていることを特徴とする。

Description

本発明は、請求項１の前文による燃料電池システムに関する。また、このような燃料電池システムの運用方法に関する。

少なくとも１つの燃料電池積層体を備えた燃料電池システムは、従来技術からある程度知られている。燃料電池システムは、例えば車両において電気駆動力を生成するために使用され得る。燃料電池は、特にこの用途の場合、通常はいわゆるＰＥＭ燃料電池、すなわち陽子透過性の膜を備えた低温燃料電池である。この種の燃料電池は、今では比較的普及している。しかし、その定期的運用における寿命に関してこの種の燃料電池には２つの重大な問題がある。それは、一方では、膜が乾燥すると燃料電池の寿命が大幅に短くなることがあるので、動作中に膜を常に十分に湿らせておく必要がある点である。もう１つの問題は、とりわけ、起動中に燃料電池に燃料および酸素、通常は水素および空中酸素を供給することに関連している。燃料電池システムのより長時間の停止後、水素がしばしば燃料電池のアノード室から拡散し、そこで空気または酸素が浸透される。この時点で燃料電池が起動されると、水素／酸素の前面がアノード室の触媒を越えて移動する。その結果、その酸化が進み、それによって燃料電池の寿命が永続的に短縮される。ところが、上述の車両における燃料電池システムの適用では、起動が比較的頻繁に行われる。起動は、より長時間の停止後、例えば車両を一晩停車させた後に行われることが非常に多い。そのため、この状況では、この空気／空気起動またはエア／エア起動とも呼ばれる望ましくない方法で燃料電池が起動されることが多い。そこで、数多くの対策が、例えば水素を時々追加的に添加することによって、または窒素を圧力ガス貯蔵装置に併せて導いてシステムが起動される前にそこに窒素を流すことによって、この問題へ対処しようとしている。この全ては、試験運用では機能するかもしれない。大型の車両隊において定期的に適用するには、これらの技術は全てあまりに複雑か、高コストであるか、またはあまりに多くの排出を伴う。

例示的な燃料電池システムは、特許文献１から知ることができる。このシステムには、一方では、圧力側を排気側と接続するためのシステム・バイパスが一方では設けられ、他方では、いわゆる吹出弁またはパージ弁を備えた吹出管を介したアノード側とカソード側との間の接続が設けられている。また、この種の燃料電池システムにおいて一般的であるガス／ガス加湿器が示唆されており、この加湿器は、燃料電池のカソード室への給気流をその湿潤な排気流で加湿する機能を有している。しかし、これらの構成要素は、実際には比較的大型で複雑で高価である。

ＤＥ １０ ２００９ ０４３ ５６９ Ａ１

そこで、ここでの本発明の課題は、その構成によって、ガス／ガス加湿器を不要とし、燃料電池の安全性および寿命を損なう多くの動作状況を回避することができる、改良された燃料電池システムを提供することにある。

本発明によれば、この課題は、請求項１の特徴を備えた燃料電池システムによって解決される。燃料電池システムの有利な形態および展開は、この請求項に従属する下位請求項から明らかになる。また、請求項１２では、この種の燃料電池システムの特に好ましい運用方法が提示されている。

本発明による燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池積層体を含み、この燃料電池積層体はアノード室およびカソード室を含む。燃料電池積層体は、好適にはＰＥＭ燃料電池積層体として多数の単セルから構成されてもよい。燃料電池積層体は、全体として燃料電池または燃料電池スタックとも呼ばれる。この燃料電池のカソード室には、少なくとも１つの空気搬送装置を介して、給気管を通して空気が供給される。空気は次に排気管を介して再びカソード室を出て、例えばその周囲に至る。また、アノード室に燃料を供給するための少なくとも１つの燃料供給装置が設けられている。この装置は、例えば燃料としての水素用の圧力ガス貯蔵装置であってもよい。また、燃料電池システムの構成は、通常、未使用の燃料、特に水素を再循環させる機能を有するいわゆるアノード・サイクルを有するであろう。水素はアノード室の周囲を再循環させられる、すなわちアノード室の出口から入口へ戻される。大抵の動作状況では、水素はそこで新たな水素と混ざり合って再びアノード室に導かれる。また、燃料電池システムはカソード・バイパス、すなわち例えばカソードに対して平行に形成されている配管を含む。

さて、本発明によれば、このカソード・バイパスは、給気管における弁装置の前方または弁装置の領域において給気管から分岐しており、さらなる弁装置の後方またはさらなる弁装置の領域において排気管に合流している。この場合、この全ては、システム側においてカソード室または燃料電池の周囲に構成されていてもよい。それはしかし、全体的または部分的に燃料電池および／またはそのハウジングと一体化されていてもよい。それによって、カソード室を隔絶することができ、本来カソード室へ流れてそこを流通する空気をカソード・バイパスを通して導くことができる。これらの両方の動作状態の混合形式も考えられ、可能であり、しばしば合理的でもある。この場合、本発明による燃料電池システムでは、カソード室の周囲を流れる空気によって駆動されるガス噴射ポンプがカソード・バイパスに配置されている。つまり、ガス噴射ポンプは、空気がカソード室の周囲を巡って導かれる場合に、推進ジェットとしてのこの空気によって駆動される。ガス噴射ポンプは、吸気側がアノード室ともカソード室ともそれぞれ切替可能に接続されている。それによって、ガスおよび場合によっては液体を、カソード室の体積からと同様にアノード室の体積またはアノード・サイクルからも吸い出すことができる。理想的な場合には、吸い出しがその際に比較的均等に行われることによって、カソード室とアノード室との間の過大な圧力差を回避すると共に膜の損傷を防ぐ。本発明によるガス噴射ポンプを備えたカソード・バイパスを介して、アノード室からもカソード室からもそれぞれ選択的または共にガスを吸い出せる可能性のみによっても、多数の新たな適用可能性がもたらされる。

請求項１２に請求されている本発明による方法では、これについて記載されている。必要に応じて、アノード室および／またはカソード室からのガスの吸い出しを行うことができる。この点に関しては後ほどより詳しく述べると共に、これによって実現され得る可能性および利点を詳細に説明する。

燃料電池システムの構造的な構成に関して、発案の非常に有利な一形態によれば、アノード・サイクルにおいて、再循環搬送機としての送風機が排気管における排気タービンによって駆動されるということがさらに企図されていてもよい。このように、本発明による燃料電池システムでは、排気中のエネルギーを利用することができる。この場合、多くの従来の燃料電池システムの場合と異なり、このエネルギーは、電気ターボチャージャにおいて給気の圧縮を支援するために利用されるのではなく、アノード・サイクルにおいてアノード排ガスを再循環させるために利用される。後ほどより詳細に説明するが、これによって、例えば排気に含まれるエネルギーを利用するにもかかわらず効率的に排ガスを戻すことが可能になる。

その領域においてカソード・バイパスが分岐する、給気管および／または排気管における弁装置は、非常に有利な一形態によれば、それぞれ３／２方向弁として形成されていてもよい。原則的には、他の構成またはただ１つの３／２方向弁、および他の配管における遮断弁も考えられる。原則的には、空気がガス噴射ポンプを備えたカソード・バイパスを流通する間にカソード室に含まれる体積を遮断可能であることだけが保証されればよい。

好適には、本発明による燃料電池システムにおいて使用される空気搬送装置は２段式に形成されていてもよい。特にこのような２段式の空気搬送装置は、本発明による燃料電池システムの非常に有利な一展開によれば燃料電池システムに設けられており、十分に高い圧力に達し得ることによって、カソード・バイパスにおけるガス噴射ポンプを非常に効率的に動作させることができる。この場合、原則的には、あらゆる種類の２段式圧縮機、例えば２台の前後に接続された電気駆動の流体圧縮機が考えられる。

しかし、この発案の極めて好都合な一展開によれば、２段式の空気搬送装置が、フリーホイール・ターボチャージャの形で形成されており、このフリーホイール・ターボチャージャは、タービン側が空気圧縮機の第１の圧縮機ホイールの圧力側と接続されており、圧縮機側がこの空気圧縮機の第２の圧縮機ホイールの圧力側と接続されることが企図されていてもよい。つまり、この形態による本発明による燃料電池システムの空気圧縮機は、２つの圧縮機ホイールを有し、この形態の極めて好都合な一展開によれば、これらの圧縮機ホイールが対称に形成されており、共通の電気モータとともに軸に配置されている。その結果、圧縮機ホイールの対称な配置およびその間に配置された電気駆動部によって軸力の非常に良好な均一化が可能になる構成が実現される。摩擦を最小化することができるので、これによって効率を高めることができる。また、さらなる利点として、よりシンプルでより小型のスラスト軸受が可能になる。この構成によって、フリーホイール・ターボチャージャの圧縮機側およびタービン側に対して流れを生じさせることができる。つまり、両方の対称な圧縮機ホイールを備えた圧縮機は、フリーホイール機構の圧縮機側を担うことによってシーケンシャル・ターボ過給を実現する。同時に、他方の圧縮機ホイールを介してフリーホイール機構のタービンに対して流れが生じるので、この第２の圧縮機ホイールがフリーホイール機構の駆動部を担う。

これは極めてシンプルかつ効率的であり、カソード・バイパスにおけるガス噴射ポンプの動作にとって決定的な利点である相応に高い圧力を生成するという可能性の他に、いくつかのさらなる利点をもたらす。例えば電気駆動の流体圧縮機が第１の圧縮機ホイールにおいて１．５から２．５バールの圧力レベルを供給すれば、フリーホイール機構を介してこの圧力を例えば４．５バールまでさらに高めて燃料電池に供給することができる。また、この構成によって、燃料電池システムに非常に湿潤なガスを供給することが可能になる。というのは、燃料電池システムを不利な天候条件下でも起動可能にするために、フリーホイール機構が凍結した場合に第１の電気駆動の圧縮機ホイールの空気を依然として十分に通過させるようにフリーホイール機構の構成を設計することができるからである。これによって、例えば湿潤な排ガスを戻すことが可能になるが、これについては後ほどより詳しく述べる。

さらに、本発明による燃料電池システムのさらなる非常に好都合な一形態によれば、水分離器が、排気の流れ方向におけるカソード・バイパスの排気管への合流箇所の後方において排気管に配置されていることが企図されていてもよい。したがって、定期的運用においてカソード室の領域に生じる水をこの水分離器で分離して回収することができる。ここで、カソード室の領域には最も多くの生産水が生じ、これは燃料電池システムにおいて生じる主要な量の水である。好適にはアノード・サイクルおよびその吹出管もしくはパージ管、またはまたパージ／ドレン管を介してアノード・サイクルまたはアノード室が接続されることによって、水がガス噴射ポンプを介して燃料電池システムのこの領域からカソード・バイパスに、およびここから排気管における水分離器に到達する。つまり、この水分離器は燃料電池システムの全ての水を回収する。また、排気管に再循環搬送機としての送風機を駆動するためのタービンが配置されている変形例では、水分離器が流れ方向においてこの排気タービンの前方に位置することが企図されていてもよい。したがって、水分離器は、排気に含まれている可能性があり、場合によっては高速回転するタービンを損傷させ得る水滴から排気タービンを保護することができる。

さらに、本発明による燃料電池システムの極めて好都合な一形態では、排ガス戻し管が、カソード・バイパスの合流箇所の後方において、および排気タービンが設けられている場合にはこの排気タービンの後方においても、排気管を圧縮機の両方の段の間のシーケンシャル・ターボ過給管と切替可能に接続することが企図されていてもよい。この構成によって、排気と特に排気に含まれている湿気とをカソード室に戻すために排ガスを戻すことが可能になる。したがって、第２の圧縮機段、特にフリーホイール・ターボチャージャを排気の再循環に使用することができ、この排気は全体的または好適には部分的に再循環されて第２の圧縮機段、特にフリーホイール機構を通って循環される。これによって、燃料電池における反応の生成物としてカソード排気に伴って導かれる、水分離器が設けられている場合には液体水の形では既に分離されていない湿気を戻すことができる。その結果、一方ではカソード室への給気の加湿が達成され、他方ではカソード室への給気中の酸素含有量を減少させる、特に調節することができる。したがって、例えば燃料電池の電気負荷を低くしつつ、カソードにおける酸素含有量を減らすことができる。これにより、過剰に高いセル電圧ひいては燃料電池の単セルの損傷を回避することができる。この手法は、酸素欠乏または空気欠乏とも呼ばれる。この手法では、単セルの電圧を例えば０．９Ｖ未満に保持することによって、一方ではセルの損傷を抑制し、他方では燃料電池積層体の全体の電圧を最終的に制限することができる。これによって、例えば有用車両において使用されるような、とりわけ大型の燃料電池積層体において、燃料電池積層体の最高電圧の所与の限界値を確実に下回ることが可能になる。さらにその結果、所与の高電圧階級において相応に分類される場合に、この高電圧階級向けの所与の電圧限界値を、単セルの数がより多い場合にも確実に守ることが可能になる。このように、高電圧階級内において単セルの数、それとともに最終的に燃料電池の出力を高めることができる。仮に、排気が十分に戻されないために、酸素含有量を十分に大きく低下させることによって単セルの電圧がそれに対応して低くなることを保証できなければ、燃料電池システムの本発明による構成では、この状況において、空気の一部もカソード・バイパスおよびガス噴射ポンプを通して導かれ得る。その場合、カソードへの接続が開放されると、酸素が積極的にカソード室から吸い出される。これが単セル電圧を制限するさらなる一助となり、単セル電圧の限界値および燃料電池積層体の全体の限界値が守られることがより確実に保証される。

極めて有利な一形態によれば、本発明による燃料電池システムは液体水システムを備えていてもよい。そのために、少なくとも１つの水分離器は、水タンクと接続されている、または水タンクを直接形成する。その際、水タンク自体は、水ポンプを介して圧力水分配器、例えばコモン・レールと接続されている。そして、この圧力水分配器から分岐管が液体水の消費地点まで分岐する。この場合、有利には、例えば燃料電池システムからの廃熱を介して、または電気加熱を介して液体水を加熱することができる。この種の構成部品は燃焼機関の領域でも使用されるので、市場において容易に費用効率良く入手可能である。

この発案のさらなる非常に好都合な一形態によれば、消費地点がフリーホイール・ターボチャージャの流体力学的軸受および／または給気における、少なくとも１つの加湿器を含むことが企図されていてもよい。この場合、この加湿器は、特に一元または二元物質ノズルの形で形成されていてもよい。つまり、フリーホイール機構が設けられている限り、液体水システムによってこのフリーホイール機構を流体力学的に支持することができる。

その結果、この構成要素の支持は極めてシンプルかつ効率的になり、フリーホイール機構が非常に少ない摩擦を伴って動作することが保証される。この場合、電気駆動のターボチャージャの場合とは異なり、流体力学的軸受の領域から湿気または水が流出しても、これらは燃料電池への排気または給気内に至るであろうから全く重大ではない。両方の空気流において、追加の水または追加の湿気は何らの作用も生じない、または何らの不利ももたらさない。給気の場合、この湿気はむしろ利点でさえある。

今では加湿器は一元または二元物質ノズルの形で特にシンプルに形成されていてもよい。この場合、この加湿器は給気において第２の圧縮機段の前方および／または後方に配置されていてもよい。これによって、注入された水、例えば二元物質ノズルからの細かく霧化された水による圧縮も対応して湿潤となり、二元物質ノズルにおいて本来の水ノズルの周囲を流れる空気によって霧化される。この場合、この霧状の水は、圧縮時に高温になる空気の冷却を促進し、その際に空気中で蒸発するので、この空気が理想的に加湿される。特に対応する加湿器の電気駆動の場合には、燃料電池の動作から独立して加湿を行うことができる。これは、この構成によって省略することができる、もっと複雑かつ大型かつ高価なガス／ガス加湿器に対するさらなる非常に決定的な利点である。

１つまたは他の本発明による形態の燃料電池システムは、カソード・バイパスにおけるガス噴射ポンプの動作を介して対応する利点を達成し、特に燃料電池の寿命にとって不利な動作状況を回避することに関する場合に、その特別な利点を発揮する。そのため、本発明による方法は、必要に応じてカソード室および／またはアノード室がガス噴射ポンプと接続され、それによってこれらの領域からガスが吸い出されることを企図する。

既に述べたように、この方法は例えば、主に排ガスまたは排気を戻すことによって開始することができる空気欠乏を必要に応じて支援するために、特に戻すための酸素が欠乏した十分な排気を利用できないシステム状態において使用することができる。

さらなる態様は、例えば、車両での使用時の燃料電池システムの安全性の向上に貢献することができる。車両の事故が起きた場合、引き続きアノード室が水素で満たされ、カソード室が酸素で満たされることによって燃料電池にそれに対応して高い電圧が生じるという危険が常にあり、これは乗員にとっても、場合によっては救助隊にとっても問題となり得る。しかし通常は、圧縮機およびターボチャージャは、これらが存在する場合、事故の時点でまだ動作している。車両の衝突センサーが事故を検出すると水素供給を中断し、カソード室の流通を弁を介して阻止することができる。動作時に非常に高速で回転する圧縮機および／またはターボチャージャの回転を停止させると、なおも十分な体積流量が生じるので、カソードおよびアノードからカソード・バイパスにおけるガス噴射ポンプを介して吸い出すことによって、可能な限り速やかに燃料電池の電位を低下させ、乗員および救助隊に迫る危険を最小化することができる。

本発明による燃料電池システムを使用するさらなる非常に好都合な可能性は、将来的な凍結起動に備えることにある。カソード・バイパスにおけるガス噴射ポンプを介してアノードおよびカソードから吸い出し可能であることによって、アノード室においてもカソード室においても燃料電池積層体の圧力を、しかも好適には均等に低下させることができる。この場合、例えば１００ミリバールまでの圧力低下が可能である。実際には、その結果、液体の形で燃料電池に存在しており、温度が凍結点を下回ったときに将来的な凍結の危険があるため燃料電池において望ましくない水が、２０から４０℃、特に２５から３０℃の非常に低い温度で既に蒸発される。これによって、燃料電池積層体の乾燥が可能になり、その際、比較的低い温度に基づいて燃料電池積層体の膜の乾燥が損傷を比較的抑制して達成され得る。対応してより高い温度、特に燃料電池積層体の動作温度である約８０℃での乾燥は、膜を非常に激しく乾燥させることによって極端に負担をかけてしまう。

液体水システムおよび加湿器を備えた好ましい本発明による構成では、必要に応じて膜の加湿が停止状態でも可能である。この場合、カソード側では、例えば一元物質ノズルを備えた電気駆動の噴射装置の形で形成可能な加湿器を介して、燃料電池システムに貯蔵する液体水が注入され、給気のカソード室への流入によって膜へ運ばれ、それによって膜を必要に応じて（追加的に）加湿することができる。

さらなる方法的利点は、冒頭で述べた燃料電池の有害なエア／エア起動を防止できることにある。本発明による燃料電池システムを用いた可能な解決手段では、少なくともカソード室および場合によっては全体的または部分的にアノードも真空に引かれることによって、圧力差が通常は５００ミリバール未満のままとなることが企図されている。それによって、カソードの領域における酸素が吸い出される。このプロセスは、これまで一般的であって今では不要となった水素の追加的な添加と同様に、例えば所与の時間パターンに応じて時々繰り返すことができ、例えば１０時間毎に、または少なくとも燃料電池システムの起動が差し迫っていることが分かったときに再度繰り返すことができる。この場合、温度が凍結点を上回っていれば、負圧に基づいて膜に含まれている水が蒸発するので、膜が持続的に非常に激しく乾燥する。この理由から、既に上述した膜の加湿は、好適には凍結点を上回る温度で時々実施することができ、そうすれば燃料電池システムまたはその燃料電池の全体の寿命にとって有利に作用する。

圧縮機の両段の間に合流する排ガス戻し管を備えた燃料電池システムの形態の場合、カソードの周囲を循環するように導くことも可能である。これによって、このサイクルにおける空気の酸素含有量を０％まで低下させることができる。このために、酸素が完全に使用されるまで、水素をカソード周囲のサイクルに加えることができる。この水素の添加は、例えばアノード室を介して行うことができ、アノード室では、ある一定の量の水素が添加された後、カソード・バイパスにおけるガス噴射ポンプを介してアノード室から再び吸い出される。その後、水素は空気中の酸素と混ざり合って、例えばカソードの触媒において、酸素が完全に使用されるまで反応することによって消散することができる。この代わりに、特に流れ方向においてガス噴射ポンプの後方に、追加の触媒を設けることも考えられる。それに続いて燃料電池において負圧が生じると、パージ弁を開放することによって、この基本的には窒素からなる、酸素が欠乏した空気をアノード室の領域に流入させることができる。この段階でカソード室に対してカソード・バイパスと平行に流通させることができ、そうすればカソード室もまた窒素で満たされる。その結果、アノード室もカソード室も窒素で満たされ、しかも窒素を複雑に伴って導く、および／または（中間）貯蔵する必要のない、損傷が極めて抑制された起動が可能になる。むしろ、本発明による燃料電池システムの特別な形態によって、この窒素を必要に応じて燃料電池システムで生成するという可能性がもたらされる。

燃料電池システムのさらなる態様は、定期的運用において生じる、運用継続時間とともに増加するアノード側の触媒の一酸化炭素による被毒である。この被毒のため、これまではエア／エア起動を時折行い、加えられた酸素によって一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させてシステムから排出する必要があった。この場合、燃料電池の寿命の短縮を容認しなければならない。しかし、既に何度か前述したように、このようなエア／エア起動は燃料電池の寿命を短縮する恐れがあることから、可能な限り避けるべきである。ここで、本発明による構成の燃料電池システムは、損傷が極めて抑制される手法を実現する。燃料電池自体、それとともにまた触媒が被毒しやすい燃料電池のアノード室が、既に前述のように、ガス噴射ポンプを備えたカソード・バイパスを使用することによって真空にされる。パージ弁を開放することによって、酸素を含む空気がほとんど逆方向にガス噴射ポンプを通ってアノードに至る。この空気はそこに受動的に留まることができ、または好適には、再循環送風機が存在していれば、これによって循環される。したがって、エア／エア起動を必要としなくとも、触媒を回復させてＣＯ汚染から解放することができる。そして、次回の起動の前に酸素および二酸化炭素がアノード室またはアノード・サイクルから再び吸い出される。

このように、燃料電池システムの構成における容易な変更によって、方法手順に関して多数の利点が得られるので、燃料電池の損傷が非常に抑制された運用を可能にする極めて効率的で長寿命の燃料電池システムを提供することができる。

本発明による燃料電池システムおよびその運用方法のさらなる有利な形態は、以下で図面を参照しながらより詳しく示される実施例からも明らかになる。

唯一の添付図面は、ここでは、本発明による燃料電池システムの可能な一実施形態を示している。

図１の描画には、燃料電池システム２用の空気圧縮機１が示されている。空気圧縮機１は、基本的に、共通の軸５に２つの圧縮機ホイール６、７とともに配置されている電気駆動モータ４によって構成されている。圧縮機ホイール６、７は軸５にこれらの間の中央に配置された電気駆動モータ４によって駆動され、基本的に対称に構成されている。これによって、共通の軸５に軸方向に作用する力が最小化される。これは、一方では摩擦出力損失を低減する一助となり、他方ではスラスト軸受のシンプルで効率的な形態を可能にする。２つの別々の、または任意的に共通の吸引路８を介して圧縮機ホイール６、７によって空気が吸引される。この描画では、通常存在する空気フィルタは省略されている。

圧縮機ホイール６からは、圧縮された空気がシーケンシャル・ターボ過給管９を介してフリーホイール機構１１とも呼ばれるフリーホイール・ターボチャージャ１１の圧縮機側１０に至る。このフリーホイール機構１１では、共通の軸１２が圧縮機側１０をタービン側１３と接続しており、タービン側１３は、空気圧縮機１の圧縮機ホイール７の圧力側と接続されており、したがって、空気流を介してこの圧縮機ホイール７によって駆動される。タービン側１３またはそのタービンの後方では、予めタービン管１４を介して圧縮機ホイール７からフリーホイール機構１１のタービン側１３に至っていた膨張空気が再び流れ去る。この図面の描画では、タービン側の排出は水素用の圧力ガス貯蔵装置２６を介して周囲に至っている。実際には、通常は、この圧力ガス貯蔵装置２６は水素が取り出されると非常に激しく冷却されるので、タービン側１３の排気中の廃熱を用いて理想的に保温することができる。また、この空気は、例えば圧力ガス貯蔵装置２６の周囲に配置されたハウジングに流通する等して、場合によっては生じる漏出を流し出すことができる。タービン側から来る排気のその他の使用も考えられ、例えば、燃料電池システム２に位置する熱を必要とする他の構成部品を暖める、例えば、後ほどより詳しく説明する水タンク４２を暖めることも考えられる。

フリーホイール機構１１の圧縮機側１０からは、今ではさらなる程度まで圧縮された給気が燃料電池システム２に至る。この構成によって、圧縮機ホイール６が第１の圧縮機段として生成する圧力を起点として、燃料電池システム２にとって必要な圧力をフリーホイール機構１１の圧縮機側１０において生成するためにフリーホイール機構１１を使用することが可能になる。つまりこれは、一種のシーケンシャル・ターボ過給である。したがって、フリーホイール機構１１および空気圧縮機１は共に２段式の空気搬送装置３を形成する。

追加的に、バイパス管１５に弁１６が設けられており、この弁１６によって、空気圧縮機１の圧縮機ホイール７を介して圧縮された空気の一部をタービン管１４からシーケンシャル・ターボ過給管９に導くことが可能になる。これによって、例えば弁１６が完全または部分的に開放されると、燃料電池システム２へのより高い空気の体積流量を実現することができる。同時に、フリーホイール機構１１のタービン側１３を通る空気流がそれに対応して減少されるので、体積流量がより高くても、燃料電池システム２内にはより低い圧力が存在する。バイパス管１５における弁１６をさらに閉鎖することによって、タービン側１３の出力が増加し、それとともにフリーホイール機構１１の圧縮機側１０の圧縮力もそれに対応して高まり、一方で同時に体積流量がより低くなる。これによって、より低い体積流量においてより高い圧力を実現することができる。また、流体装置は、バイパス管を介してより多くの空気がフリーホイール機構１１のタービン側１３に流れるようになっていてもよい。極端な場合には、空気圧縮機１の空気全体をフリーホイール機構１１の駆動に利用することができる。つまり、バイパス管１５における弁１６を介して空気の供給を制御することができる。弁１６を備えたバイパス管１５が特別な利点をもたらすとしても、このバイパス管１５はここでは純粋に任意的なものとして解釈すべきであり、原則的には省略することもできる。

燃料電池システム２は、通常は単セルの積層体である燃料電池１９を含んでいる。この燃料電池積層体またはスタック１９には、例示的にアノード室２０およびカソード室２１が示唆されている。カソード室２１には、空気圧縮機１およびフリーホイール機構１１を介して給気管２２を通して空気が供給される。排気は排気管２３を介して２４が付された弁装置に至る。この弁装置２４は排ガス戻し弁２４とも呼ぶことができる。選択的に、この弁装置２４を介して、排気を排気管２３から全体的または部分的に排気戻し管２５を通してシーケンシャル・ターボ過給管９に戻すか、または２３’が付された排気管２３の部分を通して環境に導くことができる。この場合、多くの従来のシステムとは異なり、排気は部分２３’において排気タービンをもはや通過しない。

アノード室２０には、圧力ガス貯蔵装置２６からの水素が供給される。このような圧力ガス貯蔵装置２６の代わりに、水素用の他の貯蔵手段、例えば冷凍タンクまたはハイブリッド・タンクも考えられる。この水素は圧力制御および注入装置２７を介してアノード室２０に至る。水分離器３０がそこに配置されていてもよい、２９が付された再循環管を備えたアノード・サイクル２８を介して、アノード室２０の出口からの排ガスが次にその入口に戻るように流れて、大抵の動作状態では、新たな水素と混ざり合ってアノード室２０に戻る。再循環管２９には、それ自体は公知の方法で、ガス噴射ポンプ（図示せず）の代替として、またはこれを補完するように、再循環送風機３１が配置されていてもよい。この場合、水分離器３０には、または代替的に再循環管２９の他の領域には、いわゆる吹出弁またはパージ弁１８もしくはパージ／ドレン弁を備えた吹出管１７が配置されており、この吹出管１７を介して、例えば時間に応じて、再循環管２９内の水素濃度に応じて、またはまた他のパラメータに応じて、再循環管２９からのガスが場合によっては水とともに水分離器３０から排出される。

燃料電池システム２のこの構成では、排ガス戻し管２５を介して弁装置２４が対応する位置にある状態で排気を全体的または部分的に戻すことによって、燃料電池１９のカソード側２１への給気管２２における給気の加湿を支援することが可能になる。図面の描画において破線で示唆されており後ほどより詳しく説明するように、これによって、液体水システム３４の使用の代替として、または特にこれを補完するように従来のガス／ガス加湿器を省略し得ることに貢献することができる。ただし、ここではフリーホイール機構１１の領域に湿気が至るリスクがある。システムが停止状態で温度が凍結点を下回る場合、これによりフリーホイール機構１１の凍結が生じ得る。しかし、空気圧縮機１の圧縮機ホイール６、７の凍結とは異なり、このことは比較的重大ではない。というのは、燃料電池システム２の起動にとっては、圧縮機ホイール６を介して、場合によってはバイパス弁１６が開放されたときに圧縮機ホイール７を介して送られ、フリーホイール機構１１の圧縮機側１０を通して給気管２２に吹き込まれる空気で十分足りるからである。したがって、フリーホイール機構１１が十分に解凍されたときに、これが再び動作を開始すればよい。このように、空気圧縮機１とフリーホイール機構１１との組み合わせを備えた構成によって、供給される空気の圧力および体積流量の制御性が高い最適な運用が可能となる。その他、この構成によって、温度が凍結点を下回った場合に空気搬送装置１全体が凍結するリスクを伴わずに排ガスを戻すことができるので、特に液体システム３４との組み合わせにおいて従来のガス／ガス加湿器を不要とすることができる。

燃料電池システム２からの圧力エネルギーが弱められて空気圧縮機１の駆動を支援する機能を追加的に有する従来の電気ターボチャージャの場合とは異なり、ここではこの圧力を空気搬送装置３のために利用することができない。通常設けられている再循環送風機３１の電気駆動部の代わりに、ここでは、燃料電池１９のカソード室２１からの排気が排気管２３に配置された排気タービン３２を介して流れる。この排気タービン３２は再循環送風機３１と出力を伝達するように連結されており、それがここでは共通の軸３３の形で示唆されている。これによって、燃料電池１９のカソード室２１の排気に含まれるエネルギーを介して再循環送風機３１を駆動することによって、このエネルギーを再び取り戻し、それとともにシステム全体のエネルギー効率を高めることが可能になる。この場合、排気タービン３２と再循環送風機３１との間の連結が磁力によって行われれば特に好都合である。それによって、一方では水素または水素を含むガスを、他方では空気を導く両方の体積を、互いに対して容易に密封することができる。これは図面では軸３３の領域の両方の線によって示唆されている。

ここに記載されている燃料電池システム２の構成にとって決定的であるのは、給気管２２においても排気管２３においても、弁装置３５が流れ方向においてカソード室２１の前方に、弁装置３６が流れ方向においてカソード室２１の後方に配置されており、しかもここではそれぞれがカソード室２１に比較的近接して配置されていることである。これらの弁装置３５、３６は好適には、ここに描画されているように３／２方向弁として形成することができる。ただし、基本的にはこれらの弁は、給気管２２にも排気管２３にも配置されており、さらにカソード・バイパス３７にも配置され得る独立型の弁装置によっても実現することができる。基本的に、大事なことは、弁装置３５、３６を介してカソード・バイパス３７が切替可能となり、しかもカソード室２１が閉鎖された状態またはカソード室２１を含む体積が閉鎖された状態において切替可能となることである。カソード・バイパス３７は、純粋なシステム・バイパスとは異なり、例えばベンチュリ管の形で形成することができるガス噴射ポンプ３８が設けられている。しかし、負圧効果および／または運動量交換によってカソード室２１の周囲を流れる空気からガスを吸入できる限り、他のあらゆる種類のガス噴射ポンプ、または噴射装置もしくはジェット・ポンプも同様に考えられる。そのために、ガス噴射ポンプ３８は吸気側が吹出管１７と接続されており、この吹出管１７は、パージ弁１８を介して切り替えることによって、吹出管１７とガス噴射ポンプ３８とを接続することができる。それによって、液体および特にガスをアノード・サイクル２８から、ひいてはアノード室２０からも吸い出すことができる。アノード・サイクル２８はそれ以外の場合は密閉されるように形成されており、水素供給が停止すると閉鎖された体積を形成するので、これによってアノード・サイクル２８に負圧を生じさせることができるが、これは後ほどさらに説明する理由から非常に好都合である。

また、ガス噴射ポンプ３８は吸気側がカソード吸気管３９とそこに配置されたカソード吸気弁４０を介して、カソード室２１と、または弁装置３５および３６の間に位置するカソード室２１を含む体積と接続されている。この場合、カソード吸気管３９は、カソード室２１の前方にも後方にも、すなわち給気管２２または排気管２３に合流するように配置することができる。原則的には、燃料電池積層体１９に直接接続することも考えられるが、この接続は、対応する配管２２、２３からの分岐より技術的にはるかに複雑である。ここでも、ガス噴射ポンプ３８を通してカソード・バイパス３７に流通している間にカソード吸気弁４０を開放することによってカソード室２１からガスを吸い出すことができる。その結果、弁装置３５および３６が閉鎖されると、燃料電池１９のカソードにおいても負圧を生成することができる。これについても後ほど特に有利な利用に関してより詳しく説明する。

既に述べた液体水システム３４は図面に破線で描かれている。液体水システム３４は好適には、燃料電池システム２から回収される水で満たされ得る。通常、燃料電池システム２は、再循環管２９における水分離器３０および排気管２３の領域におけるさらなる水分離器４１を、ここでは可能な限り排気タービン３２の前方に備えている。この場合、ここに描画されている燃料電池システム２の実施例では、水分離器３０の水がガス噴射ポンプ３８およびカソード・バイパス３７を介して同様に水分離器４１に至る。この代替として、水分離器３０から例えば水分離器４１に、または直接液体水システム３４の水タンク４２に至る平行な配管も考えられ、その場合、水タンク４２には燃料電池システム２の全ての水分離器３０、４１の水の全体が集まる。４３が付された矢印で示唆されているように、この水タンク４２には今度は熱が供給される。この場合、原則的には、燃焼機関を備えた車両の分野におけるこの種の水タンクにおいて広く知られており一般的であるように、この熱供給は電気加熱でもよい。この代替として、または補完的に、燃料電池システム２の廃熱も利用することができる。例えば、燃料電池１９自体の廃熱、または排気中の廃熱、特に代替的にただし圧力ガス貯蔵装置２６を暖めるためにも利用可能なフリーホイール機構１１のタービン側１３から流れ去る排気中の廃熱も利用することもできる。

水タンク４２に貯蔵された水の温度は理想的な場合に約８０℃なので、水タンク４２は水タンク４２の不要な急速な冷却を防止するために断熱材４４を備えている。そして、水タンク４２からの水は、水ポンプ４５を介して、例えばいわゆるコモン・レールの形式である圧力水分配器５０に導かれる。この圧力下に置かれた圧力水分配器５０から、その際、個々の分岐管が分岐している。第１の分岐管４６は第１の加湿器４７に通じている。この加湿器４７は、一元物質ノズルまたは二元物質ノズルによって水を霧化する単純な加湿器４７として形成されている。この加湿器４７は、例えば電気エネルギーで、したがって燃料電池１９の動作から独立して動作させることができ、加湿に関して制御することができる。それによって、ここで、動作時に排ガスを戻すことと併せて、いずれにしても複雑な従来のガス／ガス加湿器を不要とすることができる。任意的に、同様に形成されたさらなる加湿器４８が設けられる。この加湿器４８は、シーケンシャル・ターボ過給管９に位置しており、第２の分岐管４９を介して圧力水分配器５０の圧力下に置かれた水が供給される。このように、この液体水システム３４のこれまでの構成は、既に言及したように、燃焼機関の駆動部、特にガソリン噴射を伴う燃焼機関の場合にも使用される。そのため、水ポンプ４５、加熱可能な水タンク４２、および加湿器４７、４８といった構成部品は、市場では十分に実証された部品として数多く存在しており、それに応じて安価に入手可能である。

２つのさらなる分岐管５１および５２を介してフリーホイール・ターボチャージャ１１の２つの流体力学的軸受５３、５４に水が供給されるので、このフリーホイール・ターボチャージャ１１は水によって支持される。この場合、燃料電池システム２に通常は十分な水が生じることによって給気流の加湿もフリーホイール・ターボチャージャ１１の支持も達成されるので、外部から水を導入せずに水の供給を行うことができる。

カソード・バイパス３７と、そこに配置されてカソード室２１に対して平行に流れる空気によって駆動され、カソード室２１からもアノード室２０からも切替可能に吸い出すことができるガス噴射ポンプ３８とを備えたこのような燃料電池システム２によって、これまでの燃料電池システムでは解決できなかった、または同程度に解決できなかった、燃料電池積層体１９の単セルの安全性、特に寿命に悪影響を与えていたいくつかの問題を解決することができるという多数の有利な可能性がここでもたらされる。

既に言及したように、このような燃料電池システムはここで運用管理において特別な利点を可能にする。排ガス戻し弁２４が相応に調節された状態で、フリーホイール・ターボチャージャ１１の動作時に、その圧縮機側１０を利用してカソード室２１周囲の排気の再循環を実現することができる。この場合、同時にこの再循環される空気の一部を、カソード・バイパス３７を通して、したがってガス噴射ポンプ３８を通して流すことができる。これによって、例えば、アノード室２０および／またはカソード室２１から、これらに対応してパージ弁１８またはカソード吸気弁４０が開放されているときに、ガスを吸い出すことが可能になる。この場合、様々な用途が考えられる。例えば、事故の場合に、ここでは不図示の好適には燃料電池システム２を備えた車両の衝突センサーがこの事故を検知すると、水素供給が停止され得る。空気圧縮機１およびフリーホイール機構１１が回転を終えると、残りの体積流量によって、次に、閉鎖されたカソード室２１およびアノード・サイクル２８、それとともにアノード室２０からガスを吸い出すことができる。これによって、負荷が取り除かれて燃料電池１９の流量がゼロまで減少された際に燃料電池１９の（無負荷）電圧を非常に迅速に低下させ、車両の乗客および救助隊に迫る危険を防ぐことができる。同様のことは、緊急停止スイッチまたは検知された燃料電池システム２自体の緊急事態の作動に対する反応にも当てはまる。定置型の燃料電池システムの場合にもこのことを同様に適用できる。

さらに、燃料電池１９の酸素含有量を低下させることによって、セル電圧を制限することができる。このために、相応量の酸素が欠乏した排気が排ガス戻し弁２４および排ガス戻し管２５を介して戻され、その際に給気の加湿も支援する。この排気が十分でなければ、必要に応じて、給気の一部をカソード・バイパス３７およびガス噴射ポンプ３８を介して導き、カソード吸気弁４０を開放することによってカソード室２１から酸素を積極的に吸い出すこともできる。これによって、単セルの電圧または燃料電池積層体１９全体の電圧がさらにより確実に制限可能に制限される。

この場合、燃料電池システム２の運用の際の２つの非常に決定的な点は、凍結起動に備えること、いわゆるＦＳＵ（Ｆｒｅｅｚｅ Ｓｔａｒｔ Ｕｐ）準備に関している。アノード室２０およびカソード室２１の圧力を例えば１００ミリバールまで低下可能であることによって、アノード室２０においてもカソード室２１においても存在する水を蒸発させてガス噴射ポンプ３８を介して積極的に吸い出すことが可能である。これを例えば、燃料電池１９の２５から３５℃の温度範囲で行うことができる。この場合、温度がより高い場合とは異なり、膜の乾燥がかなりの程度まで防止されるので、燃料電池１９をその損傷を非常に抑制して乾かすことができる。後に温度が凍結点を下回れば、燃料電池が所望の、または許容可能な基準を超えて凍結することを防止することができる。温度が再び凍結点を超えれば、燃料電池１９を積極的に起動させずとも、積極的な加湿を行うことができる。というのは、液体水システム３４を介して液体水を利用可能であり、この液体水を、例えば特に一元物質ノズルを備えた電動の加湿器として形成することができる加湿器４７を介して容易かつ効率的に給気に加えることができるからである。既に言及したように、この給気をサイクル内の排ガス戻し弁２４を介して導くことによって、膜を一方では十分に湿らせておき、他方では常に凍結起動に備えておくことができる。

凍結起動の準備を行うためのこれまで一般的であった方策では、燃料電池システムの起動時にアノード室において空気／水素の前面が防止される時間を可能な限り長くするようにしている。この前面は、水素がアノード室２０から拡散されて空気が浸透されているときに常に生じる。ここで新たな水素が追加的に添加されれば、カソードを相応に損傷させて燃料電池１９の寿命に極めて不利で重大な影響を与える、この懸念される前面が生じる。ここに描画されている変形実施例における燃料電池システム２は、ここで、このようなエア／エア起動を防止するためのいくつかの可能性を有している。

第１の可能性は、カソード室２１を相応に真空にすることができることにある。カソード室２１に酸素が存在していなければ、アノード側に酸素が存在しており起動時に流入する水素によってこの酸素が押しのけられるときにも、前面はその有害な作用を発揮することができない。このシンプルな可能性では、例えばカソードを継続的に無酸素状態に保つようにしてもよい。そのためには、通常システムにおいて生じる密封時に、例えば１０時間毎等にカソード室２１を新たに真空にする必要がある。このように繰り返し生じる真空化は、膜が乾燥する可能性があることから膜にとって比較的危険であるので、この手法は、温度が凍結点を上回っており、燃料電池１９にある一定量の残留湿気がある場合にも安全で確実な起動が可能であるときに、特に上述の膜の加湿と並行して行うことができる。

燃料電池１９のエア／エア起動を回避するための第２の可能性は、燃料電池システム２の停止中にアノード室２０にも侵入していた空気を燃料電池１９の起動前にアノード室２０から再び吸い出すこと、すなわちアノード室２０を真空にすることにある。このために、空気が搬送され、カソード・バイパス３７およびガス噴射ポンプ３８を介して流れる。したがって、パージ弁１８が開放されると、停止中にアノード室２０に侵入していた空気を吸い出すことができる。これによって、燃料電池１９の起動時に水素が添加される前に、アノード室２０において、最終的にはアノード・サイクル２８においても、その体積中の酸素含有量を少なくとも大幅に減少させることが可能になる。これによっても、損傷を抑制した起動が実現され、燃料電池１９の寿命を延長することができる。

第３の可能性は、窒素、または酸素が欠乏した空気、特に酸素含有量が０％の空気の生成を利用することによって損傷が非常に抑制された起動を実現する。このために、カソード室２１周囲の循環が利用される。アノード・サイクル２８に添加された水素またはそこにまだ存在している残留水素は、パージ弁が開放されるとガス噴射ポンプ３８を介して吸入され、こうして酸素を含んだ空気とともにサイクル内に至る。このサイクルは、フリーホイール機構１１のタービン側１３に対して流れを生じさせ、それによって圧縮機側１０を動作させる空気圧縮機１の動作によって維持される。空気は次に、カソード室２１周囲を循環するように流れる。この場合、空気は部分的にカソード室２１および部分的にカソード・バイパス３７を通って流れる。その後、この空気は排気管２３および排ガス戻し弁２４ならびに排ガス戻し管２５を介してシーケンシャル・ターボ過給管９に戻り、そこからフリーホイール機構の圧縮機側１０によって動かされて再び給気管２２における弁装置３５へ戻るように流れる。この運用において水素と空気とが混ざり合うことによって、ここで、例えばアノード室２１の触媒において、または、例えばここに描画されているようにカソード・バイパス３７においてガス噴射ポンプ３８の後方に配置することができる、このために特別に設けられた触媒５５の領域において、水素および酸素の反応が起こる。追加的な触媒５５の場合、窒素を生成するためにカソード室２１に常に流通させなくてもよい。これによって、膜の乾燥が緩和され、その損傷が抑制される。ただし、上記で実施されているように、必要に応じて膜を追加的に湿らせることも可能である。

エア／エア起動を回避するための第４の可能性は、ある意味では第２および第３の可能性の組み合わせである。これには、圧力制御および注入装置２７のいずれの場合にも多段式に切替可能な弁の他に、水素をカソード側に添加可能にするための水素添加管５６が追加的に必要である。図面の描画から分かるように、この水素添加管５６は、パージ管１７と同様に、またはパージ管１７の代替として、カソード・バイパス３７におけるガス噴射ポンプ３８に接続されている。これによって、水素を予めアノード室２０を通り抜けるように流す必要なく、この水素を水素添加管５６を介して燃料電池システム２のカソード側に添加することが可能になる。このように、カソード室２１周囲のサイクル中のガス噴射ポンプ３８下流の既に上述した触媒５５によって、空気中の酸素を使用することができる。この空気は次に、弁装置３５、３６、弁１６、および排ガス戻し弁２４によって、フリーホイール機構１１の動作を通してこのサイクル内で自給自足的に再循環される。これは、触媒によって、および水素添加管５６を介してサイクル内に至った水素によって、元々の空気中の酸素含有量がガス噴射ポンプ３８の混合箇所の領域において１体積パーセント未満、特に約０体積パーセント未満まで低下するまで行われる。したがって、こうして再循環されたガスはほぼ酸素を含んでおらず、基本的に窒素から構成されている。

フリーホイール機構１１を介した再循環によってこのガスが同時に暖められ、その結果、触媒５５での触媒反応が促進されて酸素および水素が効率的に変換される。このためには、約＋６０から＋８０℃の温度範囲が理想的である。これによって、触媒転換を非常に良好に制御し、閉鎖された体積内の望ましくない窒素酸化物を回避することができる。この場合、副産物としてのこれらの窒素酸化物は、後にその排出が生じることから望ましくないが、燃料電池１９を寿命に関して損傷を抑制するように取り扱うことにおいてはそれ以上支障とならない。

しばらくして、十分な水素が利用可能であれば、または相応に追加的に添加されれば、酸素が全て使用される。つまり、今ではサイクル全体に酸素含有量が０％まで低下したガスが存在している。この場合、方法に悪影響を与えない二酸化炭素およびいくつかの希ガスを度外視すれば、このガスは基本的に窒素である。サイクル中に窒素が存在するようになった後、パージ弁１８を開放でき、フリーホイール機構１１およびそれとともに最終的に空気圧縮機１を停止させることができる。カソード吸気弁４０およびまたは弁装置３５、３６が開放される。すると、窒素がパージ管およびカソード吸気管および／または給気管を介して燃料電池１９に戻るように流れ、その結果、燃料電池１９が窒素で満たされる。これによって、次回の起動プロセスの際に、エア／エア起動の有害な作用を生じさせることなく、燃料電池をその損傷を極めて抑制して起動させることが可能になる。

第５の可能性は、水素をシステム内に保持するためのこれまで一般的であった方法と組み合わせて、燃料電池システムの本発明による構成においても理想的に使用することができる。この場合、理想的には、周囲の雰囲気中の空気圧に対して低い静的正圧を適用して、アノード室２０およびカソード室２１の両方の体積が水素で満たされて低い正圧下に保持されることによって、１００パーセントに近い水素濃度によるこれらの体積の完全な不活性化が実現される。ここで通常起動の前に、カソード室２１に存在する残留水素をガス噴射ポンプ３８およびその動作を介して、既に搬送されているもののカソード室２１には流入していない給気によって再び除去することができる。これは、燃料電池システム２またはその燃料電池１９を起動可能にするために、カソード室２１の方向に弁装置３５を開放し、それによってカソード室２１に酸素または酸素を含む空気が侵入する前に、カソード室２１から水素を完全に吸い出すことによって行われる。

それでもなお時々アノード室２０に酸素を与えることによってそこに蓄積したＣＯ中毒を脱酸素するために、カソード・バイパス３７におけるガス噴射ポンプ３８を使用して燃料電池１９を再び真空にすることができる。パージ弁１８が開放されると、空気圧縮機が停止した状態で、空気または酸素を含むガスがアノード室２０の領域に到達する。この場合原則的には、一酸化炭素から二酸化炭素への酸化は消極的に考えられる。より効率的には、例えば、空気がアノード・サイクル２８にあふれた後、パージ弁１８をまず一度閉鎖した状態で空気圧縮機１を再び作動させることによって、再循環搬送機３１が作動させられる。これによって、ここに描画されている実施例では、送風機の形式の再循環搬送機３１が排気タービン３２を介して駆動される。そうすれば、触媒の回復が短時間、例えば１分間より短い時間で完了する。そして、酸素を含むガスを、パージ弁１８を再び開放することによってアノード・サイクルから再び吸い出すことができ、例えば上述の方法でシステムを窒素で満たすことによって次回の起動に備えることができる。

１ 空気圧縮機
２ 燃料電池システム
３ 空気搬送装置
４ 電気モータ
５ 軸
６ 第２の圧縮機ホイール
７ 第１の圧縮機ホイール
８ 吸入路
９ シーケンシャル・ターボ過給管
１０ 圧縮機側
１１ フリーホイール・ターボチャージャ
１２ 軸
１３ タービン側
１４ タービン管
１５ バイパス管
１６ 弁
１７ 吹出管
１８ パージ弁
１９ 燃料電池積層体
２０ アノード室
２１ カソード室
２２ 給気管
２３ 排気管
２４ 排ガス戻し弁
２５ 排ガス戻し管
２６ 燃料供給装置
２７ 圧力制御および注入装置
２８ アノード・サイクル
２９ 再循環管
３０ 水分離器
３１ 再循環搬送機
３２ 排気タービン
３３ 軸
３４ 液体水システム
３５ 弁装置
３６ 弁装置
３７ カソード・バイパス
３８ ガス噴射ポンプ
３９ カソード吸気管
４０ カソード吸気弁
４１ 水分離器
４２ 水タンク
４３ 矢印
４４ 断熱材
４５ 水ポンプ
４６ 分岐管
４７ 加湿器
４８ 加湿器
４９ 分岐管
５０ 圧力水分配器
５１ 分岐管
５２ 分岐管
５３ 流体力学的軸受
５４ 流体力学的軸受
５５ 触媒
５６ 水素添加管

Claims (12)

1. アノード室（２０）およびカソード室（２１）を含む少なくとも１つの燃料電池積層体（１９）を備えた燃料電池システム（２）であって、給気管（２２）を介して前記カソード室（２１）に空気を供給するための少なくとも１つの空気搬送装置（３）と、前記カソード室（２１）からの排気管（２３）と、前記アノード室（２０）に燃料を供給するための少なくとも１つの燃料供給装置（２６）と、未使用の燃料を前記アノード室（２０）周囲に再循環させるための少なくとも１つのアノード・サイクル（２８）と、さらに、カソード・バイパス（３７）と、を備える、燃料電池システム（２）において、
   前記カソード・バイパス（３７）が、前記給気管（２２）における弁装置（３５）の前方または前記弁装置（３５）の領域において前記給気管（２２）から分岐しており、前記排気管（２３）におけるさらなる弁装置（３６）の後方または前記弁装置（３６）の領域において前記排気管（２３）に合流しており、前記カソード室（２１）の周囲を流れる空気によって駆動可能なガス噴射ポンプ（３８）が前記カソード・バイパス（３７）に配置されており、前記ガス噴射ポンプ（３８）は吸気側が前記アノード室（２０）および／または前記カソード室（２１）と切替可能に接続されていることを特徴とする、燃料電池システム（２）。
2. 前記アノード・サイクル（２８）において、送風機が再循環搬送機（３１）として前記排気管（２３）における排気タービン（３２）によって駆動され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（２）。
3. 前記給気管（２２）および／または前記排気管（２３）における前記弁装置（３５、３６）の少なくとも一方が３／２方向弁として形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池システム（２）。
4. 前記空気搬送装置（３）が２段式に形成されていることを特徴とする、請求項１、２、または３に記載の燃料電池システム（２）。
5. ２段式の前記空気搬送装置（３）がフリーホイール・ターボチャージャ（１１）の形で形成されており、前記フリーホイール・ターボチャージャ（１１）は、タービン側が空気圧縮機（１）の第１の圧縮機ホイール（７）の圧力側と接続されており、圧縮機側が前記空気圧縮機（１）の第２の圧縮機ホイール（６）の圧力側と接続されてい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（２）。
6. 前記第１および第２の圧縮機ホイール（６、７）が対称に形成されており、共通の電気モータ（４）とともに軸（５）に配置されていることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池システム（２）。
7. 水分離器（４１）が、排気の流れ方向における前記カソード・バイパス（３７）の前記排気管（２３）への合流箇所の後方において前記排気管（２３）に配置されており、請求項２による実施の場合、特に排気の流れ方向において前記排気タービン（３２）の前方に配置されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム（２）。
8. 排ガス戻し管（２５）が、前記カソード・バイパス（３７）の前記合流箇所の後方において、および請求項２による実施の場合は特に前記排気タービン（３２）の後方において、前記排気管（２３）を、前記圧縮機の両方の段の間のシーケンシャル・ターボ過給管（９）と切替可能に接続することを特徴とする、請求項４から７のいずれか１項に記載の燃料電池システム（２）。
9. 少なくとも１つの水分離器（３０、４１）が水タンク（４２）と接続されており、または水タンク（４２）を形成し、前記水タンク（４２）が、水ポンプ（４５）を介して圧力水分配器（５０）と接続されており、前記圧力水分配器（５０）から分岐管（４６、４９、５１、５２）が消費地点まで分岐することを特徴とする、請求項７または８に記載の燃料電池システム（２）。
10. 前記消費地点が、前記フリーホイール・ターボチャージャ（１１）の流体力学的軸受（５３、５４）および／または給気における、特に一元または二元物質ノズルの形である少なくとも１つの加湿器（４７、４８）を含むことを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池システム（２）。
11. 前記少なくとも１つの加湿器（４７、４８）が、給気において、第２の圧縮機段の前方および／または後方に配置されていることを特徴とする、請求項１０および請求項４から８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
12. 必要に応じて、前記カソード・バイパス管（３７）において前記ガス噴射ポンプ（３８）を介して前記カソード室（３１）および／または前記アノード・サイクル（２８）からガスが吸い出されることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運用方法。
    
    

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