JP3607718B2 - 燃料電池設備の水及び不活性ガス排出方法と装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は複数の燃料電池を備える設備からの陰極側の水及び不活性ガスの排出及び／又は陽極側の不活性ガスの排出のための方法及び装置に関する。その際燃料電池の型式としてはＰＥＭ燃料電池（ただしＰＥＭは重合体電解質膜又はプロトン交換膜の略称である）又は酸性又はアルカリ性燃料電池が対象となる。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は一般に通電板、陰極、イオンを導く中間層、陽極及びもう一つの通電板から成り、これらは前記順序に平板として積層され、その際陽極、電解質及び陰極が膜・電極ユニットを形成する。
【０００３】
この構造の燃料電池は特にアッペルバイ（Ａｐｐｅｌｂｙ ）及びフォールクス（Ｆｏｕｌｋｅｓ ）の著書「燃料電池ハンドブック（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｈａｎｄｂｏｏｋ）」、ニューヨーク、１９８９年及びシュトラッセル（Ｋ． Ｓｔｒａｓｓｅｒ ）の論文「電気駆動のための燃料電池（Ｂｒｅｎｎｓｔｏｆｆｚｅｌｌｅｎ ｆｕｅｒ Ｅｌｅｋｔｒｏｔｒａｋｔｉｏｎ ）」、ＶＤＩ会誌、第９１２号、１９９２年、第１２５〜１４５ページ、及びドイツ連邦共和国特許第２７２９６４０ 号明細書から知られている。燃料電池は化学的に結合したエネルギーを直接電気エネルギーへ変換することができるので、燃料電池は効率がいわゆるカルノーサイクルにより制限される従来から知られた通常の内燃機関が果たし得る以上に高い効率及び環境に対する少ない負荷で、例えば水素、天然ガス、バイオガスのような燃料を電気エネルギーへ変換することができる。
【０００４】
燃料電池設備は通常交互に重ね合わされた膜・電極ユニット、ガス室、冷却ユニット及び圧力クッションから構成されている。これらの個々の構成要素の間にはパッキン及び場合によってはスペーサも組み込まれている。設備の個々の液体室及びガス室には、パッキンを貫いて延びる軸線方向流路から半径方向流路を通って媒体が供給される。その際軸線方向流路とは燃料電池設備の積層された板状構成要素の面に対し垂直に延びる流路を指し、半径方向流路とは板面上を延びる流路を指す。
【０００５】
公知の燃料電池設備の運転において、特にＰＥＭ燃料電池から構成された設備において、例えば技術的に純粋な水素を陽極側に供給する場合及び技術的に純粋な酸素を陰極側に供給する場合でさえ、燃料電池中での水素及び酸素の電気化学的反応により生じる水ばかりでなく例えば窒素、二酸化炭素、及び希ガスのような不活性ガスまでも、供給ガスが循環回路中を導かれる間に濃縮されるという問題がある。水及び不活性ガス成分又は不活性ガス成分を陰極側のガス混合体又は陽極側のガス混合体から排出するために従来用いられた方法は、陰極側では重畳された圧縮機付き酸素循環回路に基づいており、この循環回路から液体の水が連続的に排出される。しかしながら不活性ガスが連続的に濃縮され、それにより電池電圧従って効率が低下する。排出率の増加さえも不活性ガスの濃縮に影響を与えない。それは水成分だけを低減する。その上排出率の増大と共に圧縮機の所要動力の増加が装置の効率を明らかに低下させる。ここで排出率とは陽極側又は陰極側のガス混合体の排出体積流量対供給体積流量の比である。
【０００６】
更に排出率の増加と共に加湿した酸素のための圧縮機の出力需要が増加し、かつそれにより効率を低減する。例えば圧縮機の部品を侵食する加湿した高温の酸素のような侵食性媒体を圧縮しなければならないので、圧縮機の出力増加と共に保守費が増加する。更に安全容器中に組み込まれた燃料電池設備では圧縮機の損失熱を排出しなければならないという問題がある。更に圧縮機の比較的高い騒音レベルを阻止すべきである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の課題は、燃料電池設備特にＰＥＭ燃料電池から成る設備を時間的に一定な効率において、不活性ガス及び／又は生成水の適当な排出によりほぼ１００％の燃料利用率で運転することができるような、方法及び装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
方法に関する上記の課題はこの発明に基づき、複数の燃料電池を備える設備から陰極側で水及び不活性ガスを排出し及び／又は陽極側で不活性ガスを排出するために、陰極側のガス混合体中の水及び不活性ガス成分又は陽極側のガス混合体中の不活性ガス成分がそれぞれのガス混合体の流れ方向へ濃縮され、少なくとも部分的に燃料電池設備から排出されることにより解決される。
【０００９】
それぞれのガス混合体の流れ方向への水及び不活性ガス成分又は不活性ガス成分の濃縮のゆえに、それにより起こる出力低下はガス混合体の流れ方向へ最後に配置された燃料電池に制限される。
【００１０】
装置に関する上記の課題はこの発明に基づき、燃料電池設備の燃料電池が並列に貫流される電池群に分割され、そして管路により相互に結合され、それぞれのガス混合体の少なくとも一部がこれらの電池群を連続的に貫流し、それぞれの混合ガスのうち電流に関係する別の部分がそれぞれのガス混合体の流れ方向へ最後に配置された電池群を貫流後に燃料電池設備から排出されることにより解決される。
【００１１】
電池群に分割された燃料電池のゆえに一つの電池群内のすべての燃料電池にわたる並列貫流が均等に分散させられる。このことは水及び／又は不活性ガス成分の一様な継続案内のために有利である。ガス混合体の少なくとも一部がこれらの電池群を連続的に貫流するので、ガス混合体中の水成分及び／又は不活性ガス成分がガス混合体の流れ方向へ濃縮される。流れ方向へ最後に配置された電池群を離れた後にガス混合体のうち電流に関係する部分が設備から排出され、燃料電池設備の入口で例えば新しい酸素ガス又は水素ガスにより置き替えられる。この電池群の電流の測定により、相応の量の水及び不活性ガス又は不活性ガスを燃料電池設備から排出でき、また技術的に純粋な新しい酸素又は水素ガスにより置き替えることができる。それにより燃料電池設備の常に高い全体効率が達成される。
【００１２】
燃料電池設備の出力の均一化のために、燃料電池設備が陰極側のガス混合体及び陽極側のガス混合体により逆向きに貫流されるのが合目的的である。それにより燃料電池設備を貫流中に例えば減少する陰極側のガス混合体の酸素含有量又は減少する陽極側のガス混合体の水素含有量に対して、新しい水素又は新しい酸素の高い濃度により対処することが可能である。
【００１３】
陰極側又は陽極側のガス混合体中の水素及び不活性ガス成分又は単なる不活性ガス成分の濃縮のためにこの発明に基づく別の実施態様によれば、一つの電池群の内部で並列に貫流される燃料電池の数が陽極側又は陰極側のガス混合体の流れ方向へ減少する。それにより更に起こり得る出力低下が主として流れ方向へ最後に置かれた電池群に制限される。その際この電池群は場合によってはただ一つの燃料電池を有することができる。
【００１４】
この発明の特に有利な実施態様は、陽極側又は陰極側のガス混合体全体が電池群を連続的に貫流し、その際陰極側のガス混合体のための管路中に相前後して続く二つの電池群の間に水分離器が設けられ、ガス混合体の流れ方向へ最後に配置された電池群から離れるガス混合体が燃料電池設備からの電流に関係して排出されるように、これらの電池群が相互に結合されているときに得られる。
【００１５】
それにより一つの電池群にまとめられた燃料電池が並列に貫流される。その際水成分及び／又は不活性ガス成分は電池群ごとに濃縮され、燃料電池設備上を流れる電流に関係してガス混合体の流れ方向へ最後に配置された電池群を離れた後に排出できるということが達成される。更に電池群及びこれらの電池群を結合する管路のこの装置により陰極側のガス混合体の各部分の再循環のための圧縮機を省略できる。なぜならば電池群ごとに次の構成の場合よりも少ない燃料又は酸素又は不活性ガスを搬送すればよいからである。
【００１６】
この変形案によれば、燃料電池設備がそれぞれ並列に貫流される少なくとも二つの電池群に分割され、陰極側のガス混合体が一方では一つの電池群の貫流後に部分的に水を分離されて同じ電池群中へ再循環させられ、また他方では部分的にこの電池群に続く電池群中へ導入され、その際ガス混合体の流れ方向へ最後に配置された電池群を離れるガス混合体のうち少なくとも一つの燃料電池の電流に関係する部分が排出されるようにすることができる。その際ガス混合体のうちの電池群を連続的に貫流しない部分が水分離器及び圧縮機を経て再び燃料電池へ再循環させられる。それにより燃料電池設備のほとんどすべての燃料電池を一つの電池群にまとめることが可能である。不活性ガス成分の最後の濃縮は流れ方向へ最後に配置された数個の燃料電池に制限される。このことは不活性ガスの排出の調節に有利に影響する。なぜならば例えば電流に関する調節の感度が向上するからである。
【００１７】
電流に関係する有利な調節は、陽極側及び陰極側のガス混合体のうちの電流ＩＳ に関係する部分が燃料電池設備から排出され、その際ＩＳ は電気的に並列接続された二つの燃料電池のうちの一つを経て流れる電流であり、これらの両燃料電池は燃料電池設備の両ガス混合体のうちの少なくとも一つの混合体の流れ方向へ最後に配置され、燃料（例えばＨ２ ）及び酸化剤（例えばＯ２ ）が相互に化学量論的比率で供給されるときに得られる。それにより電流ＩＳ は燃料電池設備上を流れる電流Ｉに関連づけることができる。ＩＳ ／Ｉの比は簡単な調節パラメータであり、その際陰極側及び陽極側のガス混合体のうちの効率の維持のために必要な部分が、ＩＳ ／Ｉに対する目標値を超えた後に連続的に又は非連続的に燃料電池設備から排出される。
【００１８】
陰極側又は陽極側のガス混合体中の酸素又は水素含有量の特に良好な利用のために、燃料電池設備から排出される量のガス混合体の調節のために、陽極側のガス混合体及び陰極側のガス混合体の逆向きの案内の場合に、２ＩＨ ／Ｉ≧０．７０又は２ＩＯ ／Ｉ≧０．６０であるときに、陽極側又は陰極側のガス混合体がｎ個の燃料電池の燃料電池設備から排出されるようにすることができる。ここでＩは全燃料電池設備上を流れる電流であり、ＩＨ は共に設備の陽極側のガス混合体により最後に貫流される燃料電池を形成し電気的に並列接続された二つの燃料電池のうちの一つの上を流れる電流であり、ＩＯ は共に設備の陰極側のガス混合体により最後に貫流される燃料電池を形成し電気的に並列接続された二つの燃料電池のうちの一つの上を流れる電流である。それにより相互に分離して燃料電池への燃料ガス又は酸化剤の余分な又は過少の供給を確かめることが可能である。これにより測定技術的に化学量論的比率の維持を監視することが可能である。
【００１９】
陰極側のガス混合体からの水の特に均一な排出のために、親水性の挿入物が陽極側又は陰極側のガス混合体の排出のために用いられる半径方向流路中に設けられる。それにより流体としての液体の水及びガスから成る混合体にもかかわらず、再現性の良い絞り抵抗従って一様な排出が達成される。
【００２０】
排出過程の際に分離された水の再循環のために従って新しい水の節約のために、分離された水を燃料電池へ流入するガス混合体の加湿のために加湿器に供給することができる。
【００２１】
【実施例】
次に燃料電池設備の水及び不活性ガス排出装置の複数の実施例を示す図面によりこの発明を詳細に説明する。
【００２２】
図１は、第１の排出構想に基づく燃料電池設備２からの陰極側の水及び不活性ガスの排出及び陽極側の不活性ガスの排出の原理的構成を示す。燃料電池設備２は７２個の図示の燃料電池ｎ１ａ、ｎ１ｂ、ｎ２、ｎ３・・・ｎ６８、ｎ６９、ｎ７０ａ、ｎ７０ｂから構成されている。分かりやすくするために図１では図２及び図３と同様に、燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂの陰極側ガス室が同一の燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂの陽極側ガス室の下方に示されている。
【００２３】
燃料電池設備２の陰極側８は陰極側のガス混合体Ｏ２ 、ＩＧの流れ方向へまず電池群１０の中へ導入され、この群中では燃料電池ｎ１ａ〜ｎ５５が並列に貫流される。その際燃料電池ｎ１ａとｎ１ｂは電気的に並列に接続され、残りの電池はこの二つの電池に対し電気的に直列に接続されている。群１０に続く電池群１２は並列に貫流されかつ電気的に直列に接続された燃料電池ｎ５６〜ｎ６７を備える。群１２には電池群１４、１６が接続し、その際電池群１４は並列に貫流される三つの燃料電池ｎ６８〜ｎ７０ａを備え、電池群１６は燃料電池ｎ７０ｂだけを備える。電気的に電池群１４の燃料電池ｎ６８、ｎ６９は直列に接続されている。燃料電池ｎ７０ａは燃料電池ｎ７０ｂと電気的に並列に接続されている。燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂのこの電気的配線は図４に示されている。
【００２４】
燃料電池設備２の陽極側１８では燃料電池ｎ１ａ、ｎ１ｂ、ｎ２、ｎ３・・・ｎ６８、ｎ６９、ｎ７０ａ、ｎ７０ｂの電気的配線はもちろん同一である。ここでは第１の電池群２０中では燃料電池ｎ１６〜ｎ７０ｂが、また第２の電池群２２中では燃料電池ｎ４〜ｎ１５が、また第３の電池群２４中では燃料電池ｎ２、ｎ３が、陽極側のガス混合体Ｈ２ 、ＩＧにより並列に貫流される。電池群２０、２２、２４はこの順序に連続的に貫流される。燃料電池ｎ１ｂ、ｎ１ａがこれらの群に連続的に続く。
【００２５】
燃料電池設備２の運転の際に陰極側のガス混合体ここでは不活性ガス成分ＩＧを含む酸素ガスＯ２ が、加湿器４及び酸素供給管路６を経て燃料電池設備２中へ流れる。酸素供給管路６を経て陰極側で燃料電池設備２へ流入するガス混合体の酸素含有量は約９９．５容積％である。残りの０．５容積％は通常例えば窒素、二酸化炭素及び希ガスのような技術的に純粋な気体中に含まれる気体不純物を含む。これらの不純物は燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂ中での電気化学的反応に対して不活性に振る舞う。そして陰極側のガス混合体はガス側を直列に接続された電池群１０〜１６を経て流れ、制御可能な弁１９を備える残留ガス排出管路１７を経て燃料電池設備２を離れる。陽極側のガス混合体、すなわちここでは約０．０５容積％の不純物成分（以下で不活性ガス成分ＩＧと呼ぶ）を含む技術的に純粋な水素ガスＨ２ が、水素供給管路２６を経て電池群２０中へ供給されて、群２０に対しガス側で直列に接続された電池群２２、２４及び燃料電池ｎ１ａ、ｎ１ｂを貫流し、同様に制御可能な弁２９を備える別の残留ガス排出管路２８を経て陽極側１８を離れる。
【００２６】
陰極側８では電池群１０の個々の燃料電池ｎ１ａ〜ｎ５５が水排出管路３０に接続されている。電池群１２の電池は水排出管路３２に、また電池群１４の電池は水排出管路３４に、また燃料電池ｎ７０ｂは水排出管路３６にそれぞれ接続され、これらの排水管路は共同管路３８に合流する。管路３８自体は水分離器４０へ合流する。水分離器４０中で分離された水４２は管路４４を経て加湿器４中へ導入され、そこで燃料電池設備２中へ流入する陰極側のガス混合体ここでは技術的に純粋な酸素Ｏ２ の加湿のために用いられる。余分な水は残留水管路４５を経て流出する。例えば窒素、二酸化炭素及び希ガスのような水４２と共に水分離器４０中へ供給された気体成分は排気管路４６を経て不活性ガスＩＧとして流出する。
【００２７】
電気的負荷を燃料電池設備２に接続後に、陰極側８に導入されたガス混合体ここでは９９．５容積％の酸素が燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂの陰極で２価の陰性に帯電させられた酸素イオンＯ２−へ変換される。このために必要な電子は、陽極側１８中へ導入された技術的に純粋な水素ガスＨ２ を水素イオンＨ＋ に変換する燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂの陽極中で遊離され、外部の電気的負荷を経て燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂの陰極へ流れるが、しかしこのことはここには図示されていない。水素イオンはここには示されていないＰＥＭを通ってＰＥＭ・陰極境界層へ移動し、そこで水を形成しながら酸素イオンと再結合する。この電気化学的変換のゆえに陰極側のガス混合体中では酸素含有量が、また陽極側のガス混合体中では水素含有量が各燃料電池を貫流する際に減少する。それにより陽極側１８では例えば希ガスのような不活性ガス成分ＩＧの濃度が上昇し、陰極側８では不活性ガス及び水の成分が上昇する。
【００２８】
それぞれ並列に貫流される燃料電池の連続的に貫流される電池群１０〜１６、２０〜２４中の燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂの装置により、陽極側のガス混合体中の不活性ガス成分又は陰極側のガス混合体中の水及び不活性ガス成分が電池群ごとに濃縮される。その際水は陰極側８で重力によりかつガス混合体の流れ方向により促進されて燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂの陰極室から搬出される。電流に関係して調節可能な弁１９、２９により燃料電池設備２の全効率の維持のために十分に大量の不活性ガスがそれぞれ放出される。実施例では陽極側の弁２９を介して値２ＩＨ ／Ｉ≧０．９５が調節される。ここでＩは燃料電池設備２上を流れる全電流であり、ＩＨ は電気的に並列接続された両燃料電池ｎ１ａ、ｎ１ｂのうちの一つの上を流れる電流である（図４参照）。陰極側の弁１９により値２ＩＯ ／Ｉ≧０．８０が調節される。ここでＩＯ は電気的に並列接続された両燃料電池ｎ７０ａ、ｎ７０ｂのうちの一つの上を流れる電流である（図４参照）。
【００２９】
図２には第２の排出構想が燃料電池設備２の水及び不活性ガス排出の原理回路図により示されている。陽極側１８での燃料電池設備２の構成全体は図１の構成と同一である。同様に燃料電池設備２中ではここでも７０個の燃料電池ｎ１〜ｎ７０が電気的に直列に接続され、その際燃料電池ｎ１ａとｎ１ｂ及びｎ７０ａとｎ７０ｂがそれぞれ相互に電気的に並列接続されている。
【００３０】
陰極側８では燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂが図１とは異なる方法で電池群に分割されている。その際燃料電池ｎ１ａ〜ｎ６９は一つの電池群５０にまとめられ、この群中で電池は並列に貫流される。燃料電池ｎ７０ａは入口側を群５０に並列に接続され、燃料電池ｎ７０ｂは前者に直列に接続される。電池群５０には再循環管路５２が接続されている。再循環管路５２により燃料電池ｎ１ａ〜ｎ６９を離れる陰極側のガス混合体が水分離器４０及び圧縮機５４を経て酸素供給管路６中へ再循環される。
【００３１】
燃料電池設備２の運転の際に、陰極側のガス混合体ここでは不活性ガス成分ＩＧを含む酸素Ｏ２ が酸素供給管路６を経てまず加湿器４中へ流れ、そこから更に電池群５０及び燃料電池ｎ７０ａ中へ流れる。こうして同様に燃料電池群２の運転の際に、不活性ガス成分ＩＧが陽極側１８では陽極側のガス混合体の流れ方向へ最後に配置された燃料電池ｎ１ａ、ｎ１ｂ中で濃縮され、残留ガス管路２８及び調節可能な弁２９を経て排出されることが保証される。燃料電池ｎ１ａ〜ｎ６９の燃料電池ｎ７０ａに対する入口側の並列接続、及び燃料電池ｎ７０ａに対し直列に接続された燃料電池ｎ７０ｂ、並びに陰極側のガス混合体の部分的な再循環により、陰極側８でも不活性ガス成分ＩＧが陰極側のガス混合体の流れ方向へ最後に配置された燃料電池ｎ７０ａ、ｎ７０ｂ中で濃縮されるということが達成される。そこから不活性ガスＩＧは残留ガス排出管路１７及び調節可能な弁１９を経て排出される。
【００３２】
酸素及び水素の電気化学的変換の際に生じる生成水４２は、水分離器４０中で再循環すべきガス混合体から分離され管路４４を経て加湿器４中へ導かれる。余分の水４２は加湿器４から更に残留水管路４５を経て周辺環境に放出される。その際弁１９、２９の調節は図１に示す排出構想の際の弁の調節の説明と同様である。この排出構想の場合に排出率を任意に選択することができる。しかしながらこれは圧縮機の出力と関係する。ここで排出率とは陰極側及び／又は陽極側のガス混合体の設備２から排出される体積流量対設備２中へ供給される体積流量の比である。
【００３３】
図３には第３の排出構想に基づく燃料電池設備２の水及び不活性ガス排出の原理回路図が示されている。陽極側１８での燃料電池設備２の構成は図１及び図２のそれと同一である。同様に燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂの電気的配線は不変である。陰極側８では燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂはここでも図１に示すように電池群１０、１２、１４、１６に分割されている。
【００３４】
陽極側１８では陽極側のガス混合体中の不活性ガスＩＧが、図１及び図２で説明したように、ガス混合体の流れ方向へ最後に配置された燃料電池ｎ１ａ、ｎ１ｂ中で濃縮され、弁２９の既に採用された調節に従い残留ガス排出管路２８を経て排出される。
【００３５】
陰極側８では陰極側のガス混合体ここでは不活性ガス成分ＩＧを含む酸素Ｏ２ が、酸素供給管路６を経てまず加湿器４中へ流れそこから更に酸素供給管路６を経て第１の電池群１０中へ流れる。この群では燃料電池ｎ１ａ〜ｎ５５が並列に貫流される。流出管路５８を経て第１の電池群１０から流出し既に不活性ガス及び水成分を有する陰極側のガス混合体が、水分離器４０及び供給管路５９を経て入口側で第２の電池群１２へ導入される。この群では陰極側のガス混合体が燃料電池ｎ５６〜ｎ６７を通って並列に流れる。燃料電池ｎ５６〜ｎ６７を貫流する際の陰極側のガス混合体中の酸素の電気化学的変換のゆえに不活性ガス成分が更に上昇する。燃料電池ｎ５６〜ｎ６７から流出するガス混合体は別の流出管路６０を経てもう一つの同一構造の水分離器４０へ供給され、そこから更に別の供給管路６１を経て第３の電池群１４へ導入される。第３の電池群１４中では燃料電池ｎ６８〜ｎ７０ａが並列に貫流される。そして陰極側のガス混合体が不活性ガス成分ＩＧの濃度の新たな上昇後に別の流出管路６２を経て別の同一構造の水分離器４０へ供給され、そこから別の再循環管路６３を経て更に最後に配置された燃料電池ｎ７０ｂ中へ導入される。三つの水分離器４０中で分離された水４２は管路４４を経て加湿器４中へ導入され、そこで陰極側のガス混合体の加湿のために利用される。余った水Ｈ２ Ｏは残留水管路４５を経て周囲環境に放出される。
【００３６】
最後に配置された電池群ｎ７０ｂへ流入する陰極側のガス混合体は、残留ガス排出管路１７及び調節可能な弁１９を経て燃料電池設備２から排出される。その際弁１９、２９の調節は既に図１及び図２の説明の際に述べたのと同一である。
【００３７】
図２の排出構想に比べて図３に示された第３の排出構想では、排出率が十分に小さいときには図２の圧縮機５４を省略できる。
【００３８】
基本的に図１ないし図３に示されたすべての燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂは軸線方向流路及び半径方向流路を経て供給及び排出される。その際軸線方向流路とは板状の燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂの積層装置の板面に対し垂直に延びる流路を指し、半径方向流路とはこの板面上に沿って延びる流路を指す。陰極側のガス混合体からの水分離を促進しかつ電池群１０〜１６を通る流れを均一化するために、陰極側のガス混合体のための燃料電池の半径方向排出流路中に親水性の挿入物が設けられている。親水性の挿入物とは、流体としての液体の水及び気体から成る混合物にもかかわらず再現性の良い絞り抵抗を有し、従って均一な排出を可能にするウィック状の挿入物を指す。
【００３９】
更に液体の水を分離しようとするときには、図３の陰極側８で説明した排出構想を陽極側１８でも用いることができる。これは例えば燃料電池設備がＰＥＭ燃料電池からではなく、アルカリ性又は酸性の燃料電池から構成される場合である。
【００４０】
並列に貫流される燃料電池を備える電池群への燃料電池の正確な分割は、流入するガス混合体中の水蒸気、窒素、二酸化炭素及び希ガスのような不活性で変換不能なガスＩＧの増加に著しく関係する。直列に接続された電池群への燃料電池の一層激しい細分化により第１の電池群中では水分離後のこの電池群中へのこのガス混合体の再循環時より少ない不活性ガス成分ＩＧが連行される。これに対し後置接続された電池群の場合には反応物（Ｏ２ 、Ｈ２ ）の成分が少なく同時に不活性ガス成分ＩＧが多い。従ってガス流量が少なく容易に補助のガス圧縮機を省略できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池設備の水及び不活性ガス排出装置のこの発明に基づく一実施例の回路図。
【図２】排出装置の異なる実施例の回路図。
【図３】排出装置の更に異なる実施例の回路図。
【図４】燃料電池の共通な配線図。
【符号の説明】
２ 燃料電池設備
４ 加湿器
１０、１２、１４、１６、２０、２２、２４、５０ 電池群
１７、５８、６０、６２ 管路
３０、３２、３４、３６、３８ 水排出管路
４０ 水分離器
４２ 水
５４ 圧縮機
Ｈ２ 陽極側のガス混合体（燃料）
Ｉ、ＩＨ 、ＩＯ 電流
ＩＧ 不活性ガス成分
Ｏ２ 陰極側のガス混合体（酸化剤）
ｎ１ａ、ｎ１ｂ、ｎ２、ｎ３・・・ｎ６８、ｎ６９、ｎ７０ａ、ｎ７０ｂ 燃料電池
【産業上の利用分野】
この発明は複数の燃料電池を備える設備からの陰極側の水及び不活性ガスの排出及び／又は陽極側の不活性ガスの排出のための方法及び装置に関する。その際燃料電池の型式としてはＰＥＭ燃料電池（ただしＰＥＭは重合体電解質膜又はプロトン交換膜の略称である）又は酸性又はアルカリ性燃料電池が対象となる。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は一般に通電板、陰極、イオンを導く中間層、陽極及びもう一つの通電板から成り、これらは前記順序に平板として積層され、その際陽極、電解質及び陰極が膜・電極ユニットを形成する。
【０００３】
この構造の燃料電池は特にアッペルバイ（Ａｐｐｅｌｂｙ ）及びフォールクス（Ｆｏｕｌｋｅｓ ）の著書「燃料電池ハンドブック（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｈａｎｄｂｏｏｋ）」、ニューヨーク、１９８９年及びシュトラッセル（Ｋ． Ｓｔｒａｓｓｅｒ ）の論文「電気駆動のための燃料電池（Ｂｒｅｎｎｓｔｏｆｆｚｅｌｌｅｎ ｆｕｅｒ Ｅｌｅｋｔｒｏｔｒａｋｔｉｏｎ ）」、ＶＤＩ会誌、第９１２号、１９９２年、第１２５〜１４５ページ、及びドイツ連邦共和国特許第２７２９６４０ 号明細書から知られている。燃料電池は化学的に結合したエネルギーを直接電気エネルギーへ変換することができるので、燃料電池は効率がいわゆるカルノーサイクルにより制限される従来から知られた通常の内燃機関が果たし得る以上に高い効率及び環境に対する少ない負荷で、例えば水素、天然ガス、バイオガスのような燃料を電気エネルギーへ変換することができる。
【０００４】
燃料電池設備は通常交互に重ね合わされた膜・電極ユニット、ガス室、冷却ユニット及び圧力クッションから構成されている。これらの個々の構成要素の間にはパッキン及び場合によってはスペーサも組み込まれている。設備の個々の液体室及びガス室には、パッキンを貫いて延びる軸線方向流路から半径方向流路を通って媒体が供給される。その際軸線方向流路とは燃料電池設備の積層された板状構成要素の面に対し垂直に延びる流路を指し、半径方向流路とは板面上を延びる流路を指す。
【０００５】
公知の燃料電池設備の運転において、特にＰＥＭ燃料電池から構成された設備において、例えば技術的に純粋な水素を陽極側に供給する場合及び技術的に純粋な酸素を陰極側に供給する場合でさえ、燃料電池中での水素及び酸素の電気化学的反応により生じる水ばかりでなく例えば窒素、二酸化炭素、及び希ガスのような不活性ガスまでも、供給ガスが循環回路中を導かれる間に濃縮されるという問題がある。水及び不活性ガス成分又は不活性ガス成分を陰極側のガス混合体又は陽極側のガス混合体から排出するために従来用いられた方法は、陰極側では重畳された圧縮機付き酸素循環回路に基づいており、この循環回路から液体の水が連続的に排出される。しかしながら不活性ガスが連続的に濃縮され、それにより電池電圧従って効率が低下する。排出率の増加さえも不活性ガスの濃縮に影響を与えない。それは水成分だけを低減する。その上排出率の増大と共に圧縮機の所要動力の増加が装置の効率を明らかに低下させる。ここで排出率とは陽極側又は陰極側のガス混合体の排出体積流量対供給体積流量の比である。
【０００６】
更に排出率の増加と共に加湿した酸素のための圧縮機の出力需要が増加し、かつそれにより効率を低減する。例えば圧縮機の部品を侵食する加湿した高温の酸素のような侵食性媒体を圧縮しなければならないので、圧縮機の出力増加と共に保守費が増加する。更に安全容器中に組み込まれた燃料電池設備では圧縮機の損失熱を排出しなければならないという問題がある。更に圧縮機の比較的高い騒音レベルを阻止すべきである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の課題は、燃料電池設備特にＰＥＭ燃料電池から成る設備を時間的に一定な効率において、不活性ガス及び／又は生成水の適当な排出によりほぼ１００％の燃料利用率で運転することができるような、方法及び装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
方法に関する上記の課題はこの発明に基づき、複数の燃料電池を備える設備から陰極側で水及び不活性ガスを排出し及び／又は陽極側で不活性ガスを排出するために、陰極側のガス混合体中の水及び不活性ガス成分又は陽極側のガス混合体中の不活性ガス成分がそれぞれのガス混合体の流れ方向へ濃縮され、少なくとも部分的に燃料電池設備から排出されることにより解決される。
【０００９】
それぞれのガス混合体の流れ方向への水及び不活性ガス成分又は不活性ガス成分の濃縮のゆえに、それにより起こる出力低下はガス混合体の流れ方向へ最後に配置された燃料電池に制限される。
【００１０】
装置に関する上記の課題はこの発明に基づき、燃料電池設備の燃料電池が並列に貫流される電池群に分割され、そして管路により相互に結合され、それぞれのガス混合体の少なくとも一部がこれらの電池群を連続的に貫流し、それぞれの混合ガスのうち電流に関係する別の部分がそれぞれのガス混合体の流れ方向へ最後に配置された電池群を貫流後に燃料電池設備から排出されることにより解決される。
【００１１】
電池群に分割された燃料電池のゆえに一つの電池群内のすべての燃料電池にわたる並列貫流が均等に分散させられる。このことは水及び／又は不活性ガス成分の一様な継続案内のために有利である。ガス混合体の少なくとも一部がこれらの電池群を連続的に貫流するので、ガス混合体中の水成分及び／又は不活性ガス成分がガス混合体の流れ方向へ濃縮される。流れ方向へ最後に配置された電池群を離れた後にガス混合体のうち電流に関係する部分が設備から排出され、燃料電池設備の入口で例えば新しい酸素ガス又は水素ガスにより置き替えられる。この電池群の電流の測定により、相応の量の水及び不活性ガス又は不活性ガスを燃料電池設備から排出でき、また技術的に純粋な新しい酸素又は水素ガスにより置き替えることができる。それにより燃料電池設備の常に高い全体効率が達成される。
【００１２】
燃料電池設備の出力の均一化のために、燃料電池設備が陰極側のガス混合体及び陽極側のガス混合体により逆向きに貫流されるのが合目的的である。それにより燃料電池設備を貫流中に例えば減少する陰極側のガス混合体の酸素含有量又は減少する陽極側のガス混合体の水素含有量に対して、新しい水素又は新しい酸素の高い濃度により対処することが可能である。
【００１３】
陰極側又は陽極側のガス混合体中の水素及び不活性ガス成分又は単なる不活性ガス成分の濃縮のためにこの発明に基づく別の実施態様によれば、一つの電池群の内部で並列に貫流される燃料電池の数が陽極側又は陰極側のガス混合体の流れ方向へ減少する。それにより更に起こり得る出力低下が主として流れ方向へ最後に置かれた電池群に制限される。その際この電池群は場合によってはただ一つの燃料電池を有することができる。
【００１４】
この発明の特に有利な実施態様は、陽極側又は陰極側のガス混合体全体が電池群を連続的に貫流し、その際陰極側のガス混合体のための管路中に相前後して続く二つの電池群の間に水分離器が設けられ、ガス混合体の流れ方向へ最後に配置された電池群から離れるガス混合体が燃料電池設備からの電流に関係して排出されるように、これらの電池群が相互に結合されているときに得られる。
【００１５】
それにより一つの電池群にまとめられた燃料電池が並列に貫流される。その際水成分及び／又は不活性ガス成分は電池群ごとに濃縮され、燃料電池設備上を流れる電流に関係してガス混合体の流れ方向へ最後に配置された電池群を離れた後に排出できるということが達成される。更に電池群及びこれらの電池群を結合する管路のこの装置により陰極側のガス混合体の各部分の再循環のための圧縮機を省略できる。なぜならば電池群ごとに次の構成の場合よりも少ない燃料又は酸素又は不活性ガスを搬送すればよいからである。
【００１６】
この変形案によれば、燃料電池設備がそれぞれ並列に貫流される少なくとも二つの電池群に分割され、陰極側のガス混合体が一方では一つの電池群の貫流後に部分的に水を分離されて同じ電池群中へ再循環させられ、また他方では部分的にこの電池群に続く電池群中へ導入され、その際ガス混合体の流れ方向へ最後に配置された電池群を離れるガス混合体のうち少なくとも一つの燃料電池の電流に関係する部分が排出されるようにすることができる。その際ガス混合体のうちの電池群を連続的に貫流しない部分が水分離器及び圧縮機を経て再び燃料電池へ再循環させられる。それにより燃料電池設備のほとんどすべての燃料電池を一つの電池群にまとめることが可能である。不活性ガス成分の最後の濃縮は流れ方向へ最後に配置された数個の燃料電池に制限される。このことは不活性ガスの排出の調節に有利に影響する。なぜならば例えば電流に関する調節の感度が向上するからである。
【００１７】
電流に関係する有利な調節は、陽極側及び陰極側のガス混合体のうちの電流ＩＳ に関係する部分が燃料電池設備から排出され、その際ＩＳ は電気的に並列接続された二つの燃料電池のうちの一つを経て流れる電流であり、これらの両燃料電池は燃料電池設備の両ガス混合体のうちの少なくとも一つの混合体の流れ方向へ最後に配置され、燃料（例えばＨ２ ）及び酸化剤（例えばＯ２ ）が相互に化学量論的比率で供給されるときに得られる。それにより電流ＩＳ は燃料電池設備上を流れる電流Ｉに関連づけることができる。ＩＳ ／Ｉの比は簡単な調節パラメータであり、その際陰極側及び陽極側のガス混合体のうちの効率の維持のために必要な部分が、ＩＳ ／Ｉに対する目標値を超えた後に連続的に又は非連続的に燃料電池設備から排出される。
【００１８】
陰極側又は陽極側のガス混合体中の酸素又は水素含有量の特に良好な利用のために、燃料電池設備から排出される量のガス混合体の調節のために、陽極側のガス混合体及び陰極側のガス混合体の逆向きの案内の場合に、２ＩＨ ／Ｉ≧０．７０又は２ＩＯ ／Ｉ≧０．６０であるときに、陽極側又は陰極側のガス混合体がｎ個の燃料電池の燃料電池設備から排出されるようにすることができる。ここでＩは全燃料電池設備上を流れる電流であり、ＩＨ は共に設備の陽極側のガス混合体により最後に貫流される燃料電池を形成し電気的に並列接続された二つの燃料電池のうちの一つの上を流れる電流であり、ＩＯ は共に設備の陰極側のガス混合体により最後に貫流される燃料電池を形成し電気的に並列接続された二つの燃料電池のうちの一つの上を流れる電流である。それにより相互に分離して燃料電池への燃料ガス又は酸化剤の余分な又は過少の供給を確かめることが可能である。これにより測定技術的に化学量論的比率の維持を監視することが可能である。
【００１９】
陰極側のガス混合体からの水の特に均一な排出のために、親水性の挿入物が陽極側又は陰極側のガス混合体の排出のために用いられる半径方向流路中に設けられる。それにより流体としての液体の水及びガスから成る混合体にもかかわらず、再現性の良い絞り抵抗従って一様な排出が達成される。
【００２０】
排出過程の際に分離された水の再循環のために従って新しい水の節約のために、分離された水を燃料電池へ流入するガス混合体の加湿のために加湿器に供給することができる。
【００２１】
【実施例】
次に燃料電池設備の水及び不活性ガス排出装置の複数の実施例を示す図面によりこの発明を詳細に説明する。
【００２２】
図１は、第１の排出構想に基づく燃料電池設備２からの陰極側の水及び不活性ガスの排出及び陽極側の不活性ガスの排出の原理的構成を示す。燃料電池設備２は７２個の図示の燃料電池ｎ１ａ、ｎ１ｂ、ｎ２、ｎ３・・・ｎ６８、ｎ６９、ｎ７０ａ、ｎ７０ｂから構成されている。分かりやすくするために図１では図２及び図３と同様に、燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂの陰極側ガス室が同一の燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂの陽極側ガス室の下方に示されている。
【００２３】
燃料電池設備２の陰極側８は陰極側のガス混合体Ｏ２ 、ＩＧの流れ方向へまず電池群１０の中へ導入され、この群中では燃料電池ｎ１ａ〜ｎ５５が並列に貫流される。その際燃料電池ｎ１ａとｎ１ｂは電気的に並列に接続され、残りの電池はこの二つの電池に対し電気的に直列に接続されている。群１０に続く電池群１２は並列に貫流されかつ電気的に直列に接続された燃料電池ｎ５６〜ｎ６７を備える。群１２には電池群１４、１６が接続し、その際電池群１４は並列に貫流される三つの燃料電池ｎ６８〜ｎ７０ａを備え、電池群１６は燃料電池ｎ７０ｂだけを備える。電気的に電池群１４の燃料電池ｎ６８、ｎ６９は直列に接続されている。燃料電池ｎ７０ａは燃料電池ｎ７０ｂと電気的に並列に接続されている。燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂのこの電気的配線は図４に示されている。
【００２４】
燃料電池設備２の陽極側１８では燃料電池ｎ１ａ、ｎ１ｂ、ｎ２、ｎ３・・・ｎ６８、ｎ６９、ｎ７０ａ、ｎ７０ｂの電気的配線はもちろん同一である。ここでは第１の電池群２０中では燃料電池ｎ１６〜ｎ７０ｂが、また第２の電池群２２中では燃料電池ｎ４〜ｎ１５が、また第３の電池群２４中では燃料電池ｎ２、ｎ３が、陽極側のガス混合体Ｈ２ 、ＩＧにより並列に貫流される。電池群２０、２２、２４はこの順序に連続的に貫流される。燃料電池ｎ１ｂ、ｎ１ａがこれらの群に連続的に続く。
【００２５】
燃料電池設備２の運転の際に陰極側のガス混合体ここでは不活性ガス成分ＩＧを含む酸素ガスＯ２ が、加湿器４及び酸素供給管路６を経て燃料電池設備２中へ流れる。酸素供給管路６を経て陰極側で燃料電池設備２へ流入するガス混合体の酸素含有量は約９９．５容積％である。残りの０．５容積％は通常例えば窒素、二酸化炭素及び希ガスのような技術的に純粋な気体中に含まれる気体不純物を含む。これらの不純物は燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂ中での電気化学的反応に対して不活性に振る舞う。そして陰極側のガス混合体はガス側を直列に接続された電池群１０〜１６を経て流れ、制御可能な弁１９を備える残留ガス排出管路１７を経て燃料電池設備２を離れる。陽極側のガス混合体、すなわちここでは約０．０５容積％の不純物成分（以下で不活性ガス成分ＩＧと呼ぶ）を含む技術的に純粋な水素ガスＨ２ が、水素供給管路２６を経て電池群２０中へ供給されて、群２０に対しガス側で直列に接続された電池群２２、２４及び燃料電池ｎ１ａ、ｎ１ｂを貫流し、同様に制御可能な弁２９を備える別の残留ガス排出管路２８を経て陽極側１８を離れる。
【００２６】
陰極側８では電池群１０の個々の燃料電池ｎ１ａ〜ｎ５５が水排出管路３０に接続されている。電池群１２の電池は水排出管路３２に、また電池群１４の電池は水排出管路３４に、また燃料電池ｎ７０ｂは水排出管路３６にそれぞれ接続され、これらの排水管路は共同管路３８に合流する。管路３８自体は水分離器４０へ合流する。水分離器４０中で分離された水４２は管路４４を経て加湿器４中へ導入され、そこで燃料電池設備２中へ流入する陰極側のガス混合体ここでは技術的に純粋な酸素Ｏ２ の加湿のために用いられる。余分な水は残留水管路４５を経て流出する。例えば窒素、二酸化炭素及び希ガスのような水４２と共に水分離器４０中へ供給された気体成分は排気管路４６を経て不活性ガスＩＧとして流出する。
【００２７】
電気的負荷を燃料電池設備２に接続後に、陰極側８に導入されたガス混合体ここでは９９．５容積％の酸素が燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂの陰極で２価の陰性に帯電させられた酸素イオンＯ２−へ変換される。このために必要な電子は、陽極側１８中へ導入された技術的に純粋な水素ガスＨ２ を水素イオンＨ＋ に変換する燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂの陽極中で遊離され、外部の電気的負荷を経て燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂの陰極へ流れるが、しかしこのことはここには図示されていない。水素イオンはここには示されていないＰＥＭを通ってＰＥＭ・陰極境界層へ移動し、そこで水を形成しながら酸素イオンと再結合する。この電気化学的変換のゆえに陰極側のガス混合体中では酸素含有量が、また陽極側のガス混合体中では水素含有量が各燃料電池を貫流する際に減少する。それにより陽極側１８では例えば希ガスのような不活性ガス成分ＩＧの濃度が上昇し、陰極側８では不活性ガス及び水の成分が上昇する。
【００２８】
それぞれ並列に貫流される燃料電池の連続的に貫流される電池群１０〜１６、２０〜２４中の燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂの装置により、陽極側のガス混合体中の不活性ガス成分又は陰極側のガス混合体中の水及び不活性ガス成分が電池群ごとに濃縮される。その際水は陰極側８で重力によりかつガス混合体の流れ方向により促進されて燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂの陰極室から搬出される。電流に関係して調節可能な弁１９、２９により燃料電池設備２の全効率の維持のために十分に大量の不活性ガスがそれぞれ放出される。実施例では陽極側の弁２９を介して値２ＩＨ ／Ｉ≧０．９５が調節される。ここでＩは燃料電池設備２上を流れる全電流であり、ＩＨ は電気的に並列接続された両燃料電池ｎ１ａ、ｎ１ｂのうちの一つの上を流れる電流である（図４参照）。陰極側の弁１９により値２ＩＯ ／Ｉ≧０．８０が調節される。ここでＩＯ は電気的に並列接続された両燃料電池ｎ７０ａ、ｎ７０ｂのうちの一つの上を流れる電流である（図４参照）。
【００２９】
図２には第２の排出構想が燃料電池設備２の水及び不活性ガス排出の原理回路図により示されている。陽極側１８での燃料電池設備２の構成全体は図１の構成と同一である。同様に燃料電池設備２中ではここでも７０個の燃料電池ｎ１〜ｎ７０が電気的に直列に接続され、その際燃料電池ｎ１ａとｎ１ｂ及びｎ７０ａとｎ７０ｂがそれぞれ相互に電気的に並列接続されている。
【００３０】
陰極側８では燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂが図１とは異なる方法で電池群に分割されている。その際燃料電池ｎ１ａ〜ｎ６９は一つの電池群５０にまとめられ、この群中で電池は並列に貫流される。燃料電池ｎ７０ａは入口側を群５０に並列に接続され、燃料電池ｎ７０ｂは前者に直列に接続される。電池群５０には再循環管路５２が接続されている。再循環管路５２により燃料電池ｎ１ａ〜ｎ６９を離れる陰極側のガス混合体が水分離器４０及び圧縮機５４を経て酸素供給管路６中へ再循環される。
【００３１】
燃料電池設備２の運転の際に、陰極側のガス混合体ここでは不活性ガス成分ＩＧを含む酸素Ｏ２ が酸素供給管路６を経てまず加湿器４中へ流れ、そこから更に電池群５０及び燃料電池ｎ７０ａ中へ流れる。こうして同様に燃料電池群２の運転の際に、不活性ガス成分ＩＧが陽極側１８では陽極側のガス混合体の流れ方向へ最後に配置された燃料電池ｎ１ａ、ｎ１ｂ中で濃縮され、残留ガス管路２８及び調節可能な弁２９を経て排出されることが保証される。燃料電池ｎ１ａ〜ｎ６９の燃料電池ｎ７０ａに対する入口側の並列接続、及び燃料電池ｎ７０ａに対し直列に接続された燃料電池ｎ７０ｂ、並びに陰極側のガス混合体の部分的な再循環により、陰極側８でも不活性ガス成分ＩＧが陰極側のガス混合体の流れ方向へ最後に配置された燃料電池ｎ７０ａ、ｎ７０ｂ中で濃縮されるということが達成される。そこから不活性ガスＩＧは残留ガス排出管路１７及び調節可能な弁１９を経て排出される。
【００３２】
酸素及び水素の電気化学的変換の際に生じる生成水４２は、水分離器４０中で再循環すべきガス混合体から分離され管路４４を経て加湿器４中へ導かれる。余分の水４２は加湿器４から更に残留水管路４５を経て周辺環境に放出される。その際弁１９、２９の調節は図１に示す排出構想の際の弁の調節の説明と同様である。この排出構想の場合に排出率を任意に選択することができる。しかしながらこれは圧縮機の出力と関係する。ここで排出率とは陰極側及び／又は陽極側のガス混合体の設備２から排出される体積流量対設備２中へ供給される体積流量の比である。
【００３３】
図３には第３の排出構想に基づく燃料電池設備２の水及び不活性ガス排出の原理回路図が示されている。陽極側１８での燃料電池設備２の構成は図１及び図２のそれと同一である。同様に燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂの電気的配線は不変である。陰極側８では燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂはここでも図１に示すように電池群１０、１２、１４、１６に分割されている。
【００３４】
陽極側１８では陽極側のガス混合体中の不活性ガスＩＧが、図１及び図２で説明したように、ガス混合体の流れ方向へ最後に配置された燃料電池ｎ１ａ、ｎ１ｂ中で濃縮され、弁２９の既に採用された調節に従い残留ガス排出管路２８を経て排出される。
【００３５】
陰極側８では陰極側のガス混合体ここでは不活性ガス成分ＩＧを含む酸素Ｏ２ が、酸素供給管路６を経てまず加湿器４中へ流れそこから更に酸素供給管路６を経て第１の電池群１０中へ流れる。この群では燃料電池ｎ１ａ〜ｎ５５が並列に貫流される。流出管路５８を経て第１の電池群１０から流出し既に不活性ガス及び水成分を有する陰極側のガス混合体が、水分離器４０及び供給管路５９を経て入口側で第２の電池群１２へ導入される。この群では陰極側のガス混合体が燃料電池ｎ５６〜ｎ６７を通って並列に流れる。燃料電池ｎ５６〜ｎ６７を貫流する際の陰極側のガス混合体中の酸素の電気化学的変換のゆえに不活性ガス成分が更に上昇する。燃料電池ｎ５６〜ｎ６７から流出するガス混合体は別の流出管路６０を経てもう一つの同一構造の水分離器４０へ供給され、そこから更に別の供給管路６１を経て第３の電池群１４へ導入される。第３の電池群１４中では燃料電池ｎ６８〜ｎ７０ａが並列に貫流される。そして陰極側のガス混合体が不活性ガス成分ＩＧの濃度の新たな上昇後に別の流出管路６２を経て別の同一構造の水分離器４０へ供給され、そこから別の再循環管路６３を経て更に最後に配置された燃料電池ｎ７０ｂ中へ導入される。三つの水分離器４０中で分離された水４２は管路４４を経て加湿器４中へ導入され、そこで陰極側のガス混合体の加湿のために利用される。余った水Ｈ２ Ｏは残留水管路４５を経て周囲環境に放出される。
【００３６】
最後に配置された電池群ｎ７０ｂへ流入する陰極側のガス混合体は、残留ガス排出管路１７及び調節可能な弁１９を経て燃料電池設備２から排出される。その際弁１９、２９の調節は既に図１及び図２の説明の際に述べたのと同一である。
【００３７】
図２の排出構想に比べて図３に示された第３の排出構想では、排出率が十分に小さいときには図２の圧縮機５４を省略できる。
【００３８】
基本的に図１ないし図３に示されたすべての燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂは軸線方向流路及び半径方向流路を経て供給及び排出される。その際軸線方向流路とは板状の燃料電池ｎ１ａ〜ｎ７０ｂの積層装置の板面に対し垂直に延びる流路を指し、半径方向流路とはこの板面上に沿って延びる流路を指す。陰極側のガス混合体からの水分離を促進しかつ電池群１０〜１６を通る流れを均一化するために、陰極側のガス混合体のための燃料電池の半径方向排出流路中に親水性の挿入物が設けられている。親水性の挿入物とは、流体としての液体の水及び気体から成る混合物にもかかわらず再現性の良い絞り抵抗を有し、従って均一な排出を可能にするウィック状の挿入物を指す。
【００３９】
更に液体の水を分離しようとするときには、図３の陰極側８で説明した排出構想を陽極側１８でも用いることができる。これは例えば燃料電池設備がＰＥＭ燃料電池からではなく、アルカリ性又は酸性の燃料電池から構成される場合である。
【００４０】
並列に貫流される燃料電池を備える電池群への燃料電池の正確な分割は、流入するガス混合体中の水蒸気、窒素、二酸化炭素及び希ガスのような不活性で変換不能なガスＩＧの増加に著しく関係する。直列に接続された電池群への燃料電池の一層激しい細分化により第１の電池群中では水分離後のこの電池群中へのこのガス混合体の再循環時より少ない不活性ガス成分ＩＧが連行される。これに対し後置接続された電池群の場合には反応物（Ｏ２ 、Ｈ２ ）の成分が少なく同時に不活性ガス成分ＩＧが多い。従ってガス流量が少なく容易に補助のガス圧縮機を省略できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池設備の水及び不活性ガス排出装置のこの発明に基づく一実施例の回路図。
【図２】排出装置の異なる実施例の回路図。
【図３】排出装置の更に異なる実施例の回路図。
【図４】燃料電池の共通な配線図。
【符号の説明】
２ 燃料電池設備
４ 加湿器
１０、１２、１４、１６、２０、２２、２４、５０ 電池群
１７、５８、６０、６２ 管路
３０、３２、３４、３６、３８ 水排出管路
４０ 水分離器
４２ 水
５４ 圧縮機
Ｈ２ 陽極側のガス混合体（燃料）
Ｉ、ＩＨ 、ＩＯ 電流
ＩＧ 不活性ガス成分
Ｏ２ 陰極側のガス混合体（酸化剤）
ｎ１ａ、ｎ１ｂ、ｎ２、ｎ３・・・ｎ６８、ｎ６９、ｎ７０ａ、ｎ７０ｂ 燃料電池
Claims (17)
- 複数の燃料電池（ｎ１ａ〜ｎ７０ｂ）を備える燃料電池設備（２）から陰極側で水及び不活性ガスを排出し陽極側で不活性ガスを排出するための方法において、陰極側のガス混合体（Ｏ2 、ＩＧ）中の水及び不活性ガス成分（ＩＧ）又は陽極側のガス混合体（Ｈ2、ＩＧ）中の不活性ガス成分（ＩＧ）がそれぞれのガス混合体の流れ方向へ濃縮され、かつ少なくとも部分的に燃料電池設備（２）から排出され、
更に燃料電池設備（２）がそれぞれ並列に貫流される少なくとも二つの電池群（１０〜１６、２０〜２４）に分割され、陰極側のガス混合体（Ｏ 2 、ＩＧ）中の水及び不活性ガス成分（ＩＧ）の濃縮又は陽極側のガス混合体（Ｈ 2 、ＩＧ）中の不活性ガス成分（ＩＧ）の濃縮が電池群（１０〜１６、２０〜２４）の連続的な貫流により実施され、
しかも一つの電池群（１０〜１６、ｎ１ａ、ｎ１ｂ、２０〜２４、５０、ｎ７０ａ、ｎ７０ｂ）の内部で並列に貫流される燃料電池の数が、陽極側又は陰極側のガス混合体（Ｈ 2 、Ｏ 2 、ＩＧ）の流れ方向へ減少する
ことを特徴とする燃料電池設備の水及び不活性ガス排出方法。 - 水及び／又は不活性ガス排出の調節のために、それぞれのガス混合体（Ｏ2、Ｈ2、ＩＧ）のうち少なくとも一つの燃料電池の電流（Ｉ、ＩH 、ＩO ）に関係する部分が燃料電池設備（２）から排出されることを特徴とする請求項１記載の方法。
- 陰極側のガス混合体（Ｏ2、ＩＧ）が少なくとも部分的に水を分離しながら燃料電池設備（２）中へ再循環させられることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
- 燃料電池設備（２）が陽極側のガス混合体（Ｈ2、ＩＧ）及び陰極側のガス混合体（Ｏ2、ＩＧ）により逆向きに貫流されることを特徴とする請求項１ないし３の一つに記載の方法。
- 燃料電池設備（２）がそれぞれ並列に貫流される少なくとも二つの電池群（１０〜１６、２０〜２４）に分割され、陰極側のガス混合体（Ｏ2、ＩＧ）中の水及び不活性ガス成分（ＩＧ）の濃縮又は陽極側のガス混合体（Ｈ2、ＩＧ）中の不活性ガス成分（ＩＧ）の濃縮が電池群（１０〜１６、２０〜２４）の連続的な貫流により実施され、その際陰極側のガス混合体（Ｏ2、ＩＧ）からは次の電池群中への流入前に水が取り去られ、ガス混合体（Ｏ2、ＩＧ）の流れ方向へ最後に配置された電池群（１６）を離れるガス混合体（Ｏ2、ＩＧ）が燃料電池設備（２）から排出されることを特徴とする請求項１ないし４の一つに記載の方法。
- 陰極側のガス混合体（Ｏ2、ＩＧ）が一方では一つの電池群（５０）の貫流後に部分的に水を分離されて同じ電池群（５０）中へ再循環させられ、また他方では部分的にこの電池群に続く電池群（ｎ７０ｂ）中へ導入され、その際ガス混合体（Ｏ2、ＩＧ）の流れ方向へ最後に配置された電池群（ｎ７０ｂ）を離れるガス混合体（Ｏ2、ＩＧ）のうち少なくとも一つの燃料電池の電流（Ｉ、ＩH 、ＩO ）に関係する部分が排出されることを特徴とする請求項１ないし４の一つに記載の方法。
- 水分離が燃料電池（ｎ１ａ〜ｎ７０ｂ）の陰極室中で実施されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
- 水（４２）がガス流と共に燃料電池（ｎ１ａ〜ｎ７０ｂ）の陰極室から排出され、燃料電池（ｎ１ａ〜ｎ７０ｂ）の外部で分離されることを特徴とする請求項１ないし６の一つに記載の方法。
- 分離された水（４２）が燃料電池（ｎ１ａ〜ｎ７０ｂ）中へ流入するガス混合体（Ｏ2、Ｈ2、ＩＧ）の加湿のために用いられることを特徴とする請求項１ないし８の一つに記載の方法。
- 陽極側及び陰極側のガス混合体（Ｈ2、Ｏ2、ＩＧ）のうち電流ＩS に関係する部分が燃料電池設備（２）から排出され、その際ＩS は電気的に並列接続された二つの燃料電池（ｎ１ａ、ｎ１ｂ、ｎ７０ａ、ｎ７０ｂ）のうちの一つを経て流れる電流であり、これらの両燃料電池は両ガス混合体（Ｏ2、Ｈ2）のうちの少なくとも一つの混合体の流れ方向へ燃料電池設備（２）の最後の個所に配置され、燃料（Ｈ2）及び酸化剤（Ｏ2）が相互に化学量論的比率で供給されることを特徴とする請求項１ないし９の一つに記載の方法。
- 陽極側のガス混合体（Ｈ2）及び陰極側のガス混合体（Ｏ2、ＩＧ）の逆向きの案内の場合に、２ＩH ／Ｉ≧０．７０又は２ＩO ／Ｉ≧０．６０であるときに、陽極側又は陰極側のガス混合体がｎ個の燃料電池（ｎ１ａ〜ｎ７０ａ）の燃料電池設備（２）から排出され、ここでＩは全燃料電池設備（２）上を流れる電流であり、ＩH は共に設備の陽極側のガス混合体により最後に貫流される燃料電池（ｎ１）を形成し電気的に並列接続された二つの燃料電池（ｎ１ａ、ｎ１ｂ）のうちの一つの上を流れる電流であり、ＩO は共に設備の陰極側のガス混合体により最後に貫流される燃料電池（ｎ７０）を形成し電気的に並列接続された二つの燃料電池（ｎ７０ａ、ｎ７０ｂ）のうちの一つの上を流れる電流であることを特徴とする請求項１ないし９の一つに記載の方法。
- 燃料電池設備（２）の燃料電池（ｎ１〜ｎ７０）が並列に貫流される電池群（１０〜１６、２０〜２４）に分割され、そして管路（５８、６０、６２）により相互に結合され、ガス混合体（Ｏ2、Ｈ2、ＩＧ）の少なくとも一部がこれらの電池群（１０〜１６）を連続的に貫流し、混合ガス（Ｏ2、Ｈ2、ＩＧ）のうち電流（Ｉ、ＩS 、ＩH 、ＩO ）に関係する別の部分がガス混合体の流れ方向へ最後に配置された電池群（ｎ１ａ、ｎ１ｂ、ｎ７０ａ、ｎ７０ｂ）を貫流後に燃料電池設備（２）から排出され、
かつ一つの電池群（１０〜１６、ｎ１ａ、ｎ１ｂ、２０〜２４、５０、ｎ７０ａ、ｎ７０ｂ）の内部で並列に貫流される燃料電池の数が、陽極側又は陰極側のガス混合体（Ｈ 2 、Ｏ 2 、ＩＧ）の流れ方向へ減少する
ことを特徴とする請求項１ないし１１の一つに記載の方法を実施するための装置。 - 陽極側又は陰極側のガス混合体（Ｈ 2 、Ｏ 2 、ＩＧ）全体が電池群（１０〜１６、２０〜２４）を連続的に貫流し、その際陰極側のガス混合体のための管路（５８、６０、６２）中に相前後して続く二つの電池群の間に水分離器（４０）が設けられ、ガス混合体の流れ方向へ最後に配置された電池群（１６、ｎ１ａ）から離れるガス混合体が燃料電池設備（２）からの電流に関係して排出されるように、これらの電池群（１０〜１６、２０〜２４）が相互に結合されていることを特徴とする請求項１２記載の装置。
- 電池群（１０〜１６）に接続された各水排出管路（３０〜３８）が共通の水分離器（４０）中への水排出のために合流することを特徴とする請求項１２記載の装置。
- 電池群（５０）に接続された水及び不活性ガス排出のための管路が、陰極側のガス混合体の流れ方向へ最後に配置された電池群（ｎ１ａ、ｎ７０ｂ）の管路（１７）を除いて、水分離器（４０）及び圧縮機（５４）を経て第１の電池群（５０）の入口側に合流することを特徴とする請求項１２記載の装置。
- 燃料電池（ｎ１ａ〜ｎ７０ｂ）の半径方向へすなわち板面上に延びる流路中に親水性の挿入物が絞り抵抗として組み込まれ、その際半径方向流路が陽極側又は陰極側のガス混合体（Ｈ 2 、Ｏ 2 、ＩＧ）の排出のために用いられることを特徴とする請求項１２ないし１５の一つに記載の装置。
- 分離された水（４２）が燃料電池設備（２）へ流入するガス混合体の加湿のために加湿器（４）に供給されることを特徴とする請求項１２ないし１６の一つに記載の装置。
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