JPH06203862A - 燃料電池設備の水及び不活性ガス排出方法と装置 - Google Patents

燃料電池設備の水及び不活性ガス排出方法と装置

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JPH06203862A JP5297354A JP29735493A JPH06203862A JP H06203862 A JPH06203862 A JP H06203862A JP 5297354 A JP5297354 A JP 5297354A JP 29735493 A JP29735493 A JP 29735493A JP H06203862 A JPH06203862 A JP H06203862A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 複数の燃料電池を備える燃料電池設備から陰
極側で水及び不活性ガスをまた陽極側で不活性ガスを適
当に排出することにより、ほぼ１００％の燃料利用率で
燃料電池を運転できるような方法及び装置を提供する。 【構成】 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、かつ少なくとも
部分的に燃料電池設備から排出される。

Description

【発明の詳細な説明】
【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（Brennstoffzel
len fuer Elektrotraktion ）」、ＶＤＩ会誌、第９１
２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≧０．６
０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、１
６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、ｎ
７０ａ、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〜ｎ７
０ｂが、また第２の電池群２２中では燃料電池ｎ４〜ｎ
１５が、また第３の電池群２４中では燃料電池ｎ２、ｎ
３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ｎ
１ａ〜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Ｉ
Ｇ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１
８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４
４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、Ｉ
H 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ｎ
７０ａ、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ｎ
７０ｂ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ｎ７
０ａは入口側を群５０に並列に接続され、燃料電池ｎ７
０ｂ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、ｎ７０
ｂ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〜ｎ７
０ｂ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１
０、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ｎ５
６〜ｎ６７を通って並列に流れる。燃料電池ｎ５６〜ｎ
６７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Ｐ
ＥＭ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、ｎ
７０ａ、ｎ７０ｂ 燃料電池

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 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（Ｈ
    2 、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。
  2. 【請求項２】 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。
  3. 【請求項３】 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。
  4. 【請求項４】 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 、Ｉ
    Ｇ）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。
  5. 【請求項５】 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（Ｏ
    2 、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 、Ｉ
    Ｇ）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。
  6. 【請求項６】 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、５０）に分割され、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（ｎ７０
    ｂ）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。
  7. 【請求項７】 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。
  8. 【請求項８】 水（４２）がガス流と共に燃料電池（ｎ
    １ａ〜ｎ７０ｂ）の陰極室から排出され、燃料電池（ｎ
    １ａ〜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。
  9. 【請求項９】 分離された水（４２）が燃料電池（ｎ１
    ａ〜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。
  10. 【請求項１０】 陽極側及び陰極側のガス混合体（Ｈ
    2 、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、ｎ７０
    ａ、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。
  11. 【請求項１１】 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（ｎ
    ７０）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。
  12. 【請求項１２】 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、２
    ０〜２４）に分割され、そして管路（５８、６０、６
    ２）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（１０〜１
    ６）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。
  13. 【請求項１３】 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（Ｈ2 、Ｏ2 、ＩＧ）の流れ方向へ減少
    することを特徴とする請求項１２記載の装置。
  14. 【請求項１４】 陽極側又は陰極側のガス混合体（Ｈ
    2 、Ｏ2 、ＩＧ）全体が電池群（１０〜１６、２０〜２
    ４）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、ｎ１
    ａ）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（１
    ０〜１６、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又は１３記載の装置。
  15. 【請求項１５】 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１
    ２又は１３記載の装置。
  16. 【請求項１６】 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又は１３記載の装置。
  17. 【請求項１７】 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（Ｈ2 、Ｏ2 、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１６の一つに記載の装置。
  18. 【請求項１８】 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
    １７の一つに記載の装置。
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