特表 2024-544267 燃料電池システムの動作方法、燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-11-28

(54)【発明の名称】燃料電池システムの動作方法、燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20241121BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20241121BHJP

   H01M 8/04303 20160101ALI20241121BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20241121BHJP

   H01M 8/04111 20160101ALI20241121BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 J

H01M8/04302

H01M8/04303

H01M8/04746

H01M8/04111

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024535363

(86)(22)【出願日】2022-12-05

(85)【翻訳文提出日】2024-06-13

(86)【国際出願番号】 EP2022084352

(87)【国際公開番号】W WO2023117384

(87)【国際公開日】2023-06-29

(31)【優先権主張番号】102021214682.1

(32)【優先日】2021-12-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】591245473

【氏名又は名称】ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100177839

【弁理士】

【氏名又は名称】大場 玲児

(74)【代理人】

【識別番号】100172340

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 始

(74)【代理人】

【識別番号】100182626

【弁理士】

【氏名又は名称】八島 剛

(72)【発明者】

【氏名】ケマー ヘラーソン

【テーマコード（参考）】

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H127AB04

5H127AB15

5H127AC05

5H127BA02

5H127BA28

5H127BA31

5H127BA57

5H127BA58

5H127BA59

5H127BA66

5H127BB02

5H127BB16

5H127BB37

5H127BB39

5H127BB46

5H127DA01

5H127DA11

5H127DC56

5H127DC57

5H127DC58

(57)【要約】

本発明は、それぞれカソード（１１０、２１０）とアノード（１２０、２２０）を有する複数の燃料電池スタック（１００、２００）を備える燃料電池システム（１）の動作方法に関し、カソード（１１０、２１０）にそれぞれ給気路（１１１、２１１）を介して空気が供給され、かつ燃料電池スタック（１００、２００）から流出する排気がそれぞれ排気路（１１２、２１２）を介して排出され、アノード（１２０、２２０）にそれぞれアノード回路（１２１、２２１）を介して水素が供給される。本発明によれば、燃料電池システム（１）の始動および／またはシャットダウン時に、燃料電池スタック（１００）から流出する排気が別の燃料電池スタック（２００）のアノード（２２０）および／またはカソード（２１０）を不活性化するために利用される。本発明は、方法を実行するための燃料電池システム（１）にも関する。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

それぞれカソード（１１０、２１０）とアノード（１２０、２２０）を有する複数の燃料電池スタック（１００、２００）を備える燃料電池システム（１）の動作方法であって、前記カソード（１１０、２１０）に、それぞれ給気路（１１１、２１１）を介して空気が供給され、かつ前記燃料電池スタック（１００、２００）から流出する排気がそれぞれ排気路（１１２、２１２）を介して排出され、前記アノード（１２０、２２０）にそれぞれアノード回路（１２１、２２１）を介して水素が供給される、方法において、
前記燃料電池システム（１）の始動および／またはシャットダウン時に、燃料電池スタック（１００）から流出する排気が別の燃料電池スタック（２００）の前記アノード（２２０）および／または前記カソード（２１０）を不活性化するために利用されることを特徴とする、方法。

【請求項2】

不活性化するために必要な燃料電池スタック（１００）の前記排気は、遮断弁（３）が組み込まれた接続ライン（２）を介して前記別の燃料電池スタック（２００）に供給され、このために前記遮断弁が開かれることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

不活性化するために必要な燃料電池スタック（１００）の前記排気は、前記別の燃料電池スタック（２００）の前記アノード（２２０）または前記カソード（２１０）に直接または間接的に、殊に前記別の燃料電池スタック（２００）のアノード回路（２２１）または前記給気路（２１１）を介して供給されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。

【請求項4】

前記燃料電池システム（１）の始動および／またはシャットダウン時に、空気搬送および空気圧縮システム（２１３）を切断することによって、ならびに／あるいは少なくとも１つの遮断弁（２１７）を閉じることによって、前記不活性化されるべき燃料電池スタック（２００）の空気供給が中断されることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。

【請求項5】

前記アノード回路（２２１）に組み込まれたパージ弁（２２２）および／またはドレン弁（２２８）を開くことによって、不活性化されたアノード（２２０）のアノードガスが前記燃料電池システム（１）から除去されるか、または接続ライン（４）を介して燃料電池スタック（１００、２００）の排気路（１１２、２１２）に導入されることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。

【請求項6】

不活性化するために必要な前記排気は、燃料電池スタック（１００、２００）の化学量論未満での動作によって生成されることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。

【請求項7】

それぞれカソード（１１０、２１０）とアノード（１２０、２２０）を有する複数の燃料電池スタック（１００、２００）を備える燃料電池システム（１）であって、前記カソード（１１０、２１０）がそれぞれ入口側で給気路（１１１、２１１）に接続されており、出口側で排気路（１１２、２１２）に接続されており、前記アノード（１２０、２２０）がそれぞれアノード回路（１２１、２２１）に連結されている、燃料電池システムにおいて、
燃料電池スタック（１００）の前記排気路（１１２）が別の燃料電池スタック（２００）の前記アノード（２２０）および／または前記カソード（２１０）に接続されており、それにより排気を用いて前記アノード（２２０）および／または前記カソード（２１０）を不活性化可能であることを特徴とする、燃料電池システム。

【請求項8】

燃料電池スタック（１００）の前記排気路（１１２）は、遮断弁（３）が組み込まれた接続ライン（２）を介して前記別の燃料電池スタック（２００）の前記アノード（２２０）および／または前記カソード（２１０）に接続されていることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム（１）。

【請求項9】

前記接続ライン（２）は、前記不活性化されるべき燃料電池スタック（２００）の前記アノード（２２０）または前記カソード（２１０）に直接接続されていることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システム（１）。

【請求項10】

前記接続ライン（２）は、前記不活性化されるべき燃料電池スタック（２００）の前記アノード（２２０）に前記アノード回路（２２１）を介して間接的に、または前記カソード（２１０）に前記給気路（２１１）を介して間接的に接続されていることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システム（１）。

【請求項11】

少なくとも１つの燃料電池スタック（１００、２００）の前記給気路（１１１、２１１）に空気搬送および空気圧縮システム（１１３、２１２）が組み込まれていることを特徴とする、請求項７から１０までのいずれか１項に記載の燃料電池システム（１）。

【請求項12】

少なくとも１つの燃料電池スタック（１００、２００）の前記アノード回路（１２１、２２１）にパージ弁（１２２、２２２）および／またはドレン弁（１２８、２２８）が組み込まれていることを特徴とする、請求項７から１１までのいずれか１項に記載の燃料電池システム（１）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、請求項１の前提部の特徴を有する燃料電池システムの動作方法に関する。さらに、本発明は、方法を実行するのに適した、もしくはこの方法に従って動作可能である燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

好ましい適用分野は、燃料電池車、殊にスタート・ストップモード（Ｓｔａｒｔ－Ｓｔｏｐｐ－Ｂｅｔｒｉｅｂ）を有する燃料電池車である。

【0003】

燃料電池は、電気化学的エネルギー変換器である。反応ガスとして、特に水素（Ｈ_２）と酸素（Ｏ_２）を使用することができる。これらは、燃料電池を用いて電気エネルギー、水（Ｈ_２Ｏ）および熱に変換される。燃料電池のコアを形成するのは膜電極接合体（ＭＥＡ）であり、これは、電極を形成するために両側が触媒材料でコーティングされている膜を含む。燃料電池の動作時には一方の電極であるアノードに水素が供給され、もう一方の電極であるカソードに酸素が供給される。

【0004】

実際には、電力を高めるために、多数の燃料電池を接続して燃料電池スタックもしくはスタックとされる。さらに、複数の燃料電池スタックもしくは燃料電池システムをつなぎ合わせることができる。

【0005】

燃料電池システムの動作時には、始動フェーズおよび／または停止フェーズで高い負荷がかかり、燃料電池を劣化させる可能性がある。その主な原因は、始動時はアノードにおける水素・空気フロントである。ストップ時もしくは停止時では、それはスタックから電気負荷が抜かれることなしにアノードに水素、カソードに酸素が供給されることによって引き起こされる高電圧の存在である。これは特に停止フェーズが長い場合に起こる可能性がある。

【0006】

始動フェーズおよび／またはストップフェーズにおいて燃料電池の劣化を防ぐために、追加の空気供給なしに電流が抜かれることにより、システムがシャットダウンする前にカソードに存在する酸素を使い果たすことができる。その間、アノードには水素が引き続き供給され、それによりセル電圧に問題はない。しかし、空気がカソードに拡散するとセル電圧が高くなり、そこに数時間とどまり、それによって害を及ぼす電気化学反応が引き起こされる。したがって、通常、停止する場合、空気がカソードに到達することを防ぐ遮断弁が入口側と出口側の両方に設けられる。しかしこれらの遮断弁は、特に耐用期間にわたって、完全には気密でないため、その有効性が限られている。さらに、遮断弁には少なからぬ圧力損失が伴う。

【0007】

定置用途から、不都合な劣化を防ぐために、始動および／またはシャットダウン前にアノードと、場合によってはカソードを窒素で不活性化することが知られている。このために窒素がボンベに貯蔵される。これは、移動用途ではスペースの理由から不可能である。さらに、窒素ボンベを再び充填して保守する必要があるが、これはコストに不利に作用する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、燃料電池の劣化を防ぐために、移動式燃料電池システムでも不活性化を可能にするという課題に取り組むものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために、請求項１の特徴を有する方法、および請求項７に記載の特徴を有する燃料電池システムが提案される。有利な実施形態は、それぞれの従属請求項から読み取ることができる。

【0010】

それぞれカソードとアノードを有する複数の燃料電池スタックを備える燃料電池システムの動作方法が提案される。カソードには、それぞれ給気路を介して空気が供給され、燃料電池スタックから流出する排気はそれぞれ排気路を介して排出される。アノードには、それぞれアノード回路を介して水素が供給される。本発明によれば、燃料電池システムの始動および／またはシャットダウン時に、燃料電池スタックから流出する排気が別の燃料電池スタックのアノードおよび／またはカソードを不活性化するために利用される。

【0011】

燃料電池スタックの排気は酸素を含まないか、または少なくとも酸素が少なく、それにより、この排気は、別の燃料電池スタックのアノードおよび／またはカソードを不活性化するのに適している。したがって、提案される方法では、始動する場合および／または停止する場合に第１の燃料電池スタックの排気が第２の燃料電池スタックを不活性化するために利用される。

【0012】

本発明による方法を用いて、始動する場合および／または停止する場合に生じるスタックの劣化を効果的に解消または少なくとも低減することができる。その結果として、スタックの耐用期間が長くなる。別の利点は、不活性化するために、例えば窒素などの追加のガスを貯蔵する必要がなく、それにより燃料電池システムの所要スペースが実質的に変わらない。

【0013】

好ましくは、不活性化するために必要な燃料電池スタックの排気は、遮断弁が組み込まれた接続ラインを介して別の燃料電池スタックに供給され、このために遮断弁が開かれる。したがって、最も簡単な場合には、本発明による方法を実行するために、さらに１つのラインとさらに１つの弁のみが必要であり、それにより追加の所要スペースは無視できるほど少ない。したがって、この方法は、非常に簡単かつ安価に実現できる。

【0014】

さらに好ましくは、不活性化するために必要な燃料電池スタックの排気は、別の燃料電池スタックのアノードまたはカソードに直接または間接的に供給され、殊に間接的供給は、アノードが不活性されるのか、またはカソードが不活性化されるのかに応じて、別の燃料電池スタックのアノード回路または給気路を介して行われる。したがって、間接的供給では、遮断弁が組み込まれた提案される接続ラインは、不活性化されるべき燃料電池スタックのアノード回路または給気路に通じている。

【0015】

さらに、燃料電池システムの始動および／またはシャットダウン時に、空気搬送および空気圧縮システムを切断することによって、ならびに／あるいは少なくとも１つの遮断弁を閉じることによって、不活性化されるべき燃料電池スタックの空気供給が中断されることが提案される。それによって、不活性化されるべき燃料電池スタックのカソードに空気もしくは酸素が到達しないことが確保される。少なくとも１つの遮断弁を閉じることは、そのような弁がそもそも存在することを前提とする。燃料電池スタックもしくは燃料電池システムの設計によっては、これは必ずしも必要ではない。本発明による方法の実行は、カソードを遮断するための遮断弁を必要とせず、それにより給気路および／または排気路における遮断弁を省略することができる。これは、遮断弁にかかるコストを節約できることを意味する。その結果、圧力損失も生じず、それにより提案される方法を用いて、さらに水素の消費量を減じることができる。

【0016】

アノード回路に組み込まれたパージ弁および／またはドレン弁を開くことによって、不活性化されたアノードのアノードガスを燃料電池システムから除去することができる。代替的に、パージ弁および／またはドレン弁を開いて、不活性化されたアノードのアノードガスを、接続ラインを介して燃料電池スタックの排気路に導入することができる。これは、同一の燃料電池スタックであってもよいし、別の燃料電池スタックであってもよい。次いで、排気ラインにおいてアノードガスが排気と混合され、不活性ガス混合物として導出することができる。

【0017】

本発明の好ましい一実施形態によれば、不活性化するために必要な排気は、燃料電池スタックの化学量論未満での動作によって生成される。

【0018】

さらに、冒頭で述べた課題を解決するために、複数の燃料電池スタックを備える燃料電池システムが提案される。複数の燃料電池スタックは、それぞれカソードとアノードを有する。カソードは、それぞれ入口側で給気路に、および出口側で排気路に接続されている。アノードは、それぞれアノード回路に連結されている。本発明によれば、燃料電池スタックの排気路は、別の燃料電池スタックのアノードおよび／またはカソードに接続されており、それにより他の燃料電池スタックの排気を用いて別の燃料電池スタックのアノードおよび／またはカソードを不活性化することができる。

【0019】

したがって、提案される燃料電池システムは、特に、前述した方法を実行するのに適しているか、もしくはこの方法に従って動作可能であり、それにより同じ利点を達成することができる。特に、始動する場合および／または停止する場合に、燃料電池スタックのアノードおよび／またはカソードを簡単かつ安価に不活性化することができる。

【0020】

好ましくは、燃料電池スタックの排気路は、遮断弁が組み込まれた接続ラインを介して別の燃料電池スタックのアノードおよび／またはカソードに接続されている。これは、最も簡単な場合には、遮断弁が組み込まれた接続ラインの分だけ燃料電池システムを拡張しさえすればよいことを意味する。それによって、燃料電池システムの所要スペースはわずかしか増えない。

【0021】

その場合、接続ラインを不活性化されるべき燃料電池スタックのアノードまたはカソードに直接接続することができる。代替的に、接続ラインは、不活性化されるべき燃料電池スタックのアノードにアノード回路を介して間接的に、またはカソードに給気路を介して間接的に接続されてもよい。排気の間接的供給は、特に簡単に実現できる。

【0022】

さらに、少なくとも１つの燃料電池スタックの給気路に空気搬送および空気圧縮システムが組み込まれていることが提案される。空気搬送および空気圧縮システムを用いて、給気路に特定の空気質量流量と特定の圧力レベルを提供することができる。燃料電池スタックが不活性化されるべき場合、空気搬送および空気圧縮システムを停止することによって酸素含有空気の供給を中断させることができる。

【0023】

さらに好ましくは、少なくとも１つの燃料電池スタックのアノード回路にパージ弁および／またはドレン弁が組み込まれている。パージ弁および／またはドレン弁を開くことによって、アノード回路からアノードガスが排出される。これは特に、不活性化の後、アノードに水素を新たに充填すべき場合に必要である。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】第１の本発明による燃料電池システムの概略図である。

【図2】図１に示される燃料電池システムの本発明による動作方法の手順を示す図である。

【図3】第２の本発明による燃料電池システムの概略図である。

【図4】図３に示される燃料電池システムの本発明による動作方法の手順を示す図である。

【図5】第３の本発明による燃料電池システムの概略図である。

【図6】図５に示される燃料電池システムの停止する場合の本発明による動作方法の手順を示す図である。

【図7】図５に示される燃料電池システムの始動する場合の本発明による動作方法の手順を示す図である。

【図8】本発明による燃料電池システムの始動する場合の代替的な本発明による動作方法の手順を示す図である。

【図9】第４の本発明による燃料電池システムの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、本発明の好ましい実施形態を添付の図面をもとにして詳しく説明する。

【0026】

図１は、第１の燃料電池スタック１００と第２の燃料電池スタック２００を備える本発明による燃料電池システム１を示す。

【0027】

第１の燃料電池スタック１００は、カソード１１０とアノード１２０を有する。カソード１１０には給気路１１１を介して酸素供給体としての空気が供給される。空気は周囲環境から取り込まれ、空気フィルタ１１４を介して、特定の空気質量流と特定の圧力レベルを提供するために空気搬送および空気圧縮システム１１３に供給される。この場合、空気が暖められるため、空気は給気路１１１に組み込まれた熱交換器１１５を用いて冷却され、さらに下流で加湿器１１６を用いて加湿される。次いで、空気は第１の逆止弁１１７を介して燃料電池スタック１００のカソード１１０に到達する。

【0028】

燃料電池スタック１００の排気は、別の逆止弁１１７が配置された排気路１１２を介して排出される。逆止弁１１７の下流において、排気路１１２に加湿器１１６が組み込まれており、それにより給気を加湿するために湿った排気を利用することができる。加湿器１１６の下流において、排気は、タービン１３１に、続いて圧力調整器１３０に供給される。空気搬送および空気圧縮システム１１３はタービン１３１によって駆動可能であるため、タービンを用いることで、圧縮に用いられるエネルギーの一部を回収することができる。燃料電池スタック１００を迂回するために、給気路１１１と排気路１１２をバイパス弁１１９が組み込まれたバイパス路１１８を介して接続することができる。

【0029】

アノード１２０にはアノード回路１２１を介して新鮮なアノードガスもしくは水素、および再循環アノードガスを供給することができる。再循環はジェットポンプ１２４を用いて受動的に、および送風機１２３を用いて能動的に行われる。時間の経過とともに再循環アノードガスに窒素が蓄積され、このガスがカソード側からアノード側に拡散するため、アノード回路１２１にパージ弁１２２が設けられている。パージ弁１２２を開くことによって、窒素含有アノードガスがアノード回路１２１から排出され、開いた水素調量弁（図示せず）を介して新鮮なアノードガスと置き換えられる。それに加えて、再循環アノードガスには水が蓄積するため、アノード回路１２１には水分離器１２６が容器１２７と共に組み込まれている。ドレン弁１２８を開くことによって、容器１２７を時々空にすることができる。

【0030】

燃料電池スタック１００の動作中に発生する熱は、冷却回路１２９を用いて排出される。

【0031】

燃料電池スタック１００の排気路１１２は、遮断弁３が組み込まれた接続ライン２を介して別の燃料電池スタック２００のアノード回路２２１に接続されている。したがって、遮断弁３を開いた場合に、燃料電池スタック１００からの排気をアノード回路２２１に導入することができる。その場合、アノード回路２２１を介して、排気が蓄積されたアノードガスが燃料電池スタック２００のアノード２２０に到達する。停止する場合、図１に示される燃料電池システム１を、以下に説明される図２に示された方法に従って動作させることができる。

【0032】

図２に示される方法のステップＳ１０において、燃料電池スタック２００のアノード２２０の不活性化が開始される。このために、ステップＳ１１において、まず燃料電池スタック２００への空気供給が停止される。カソード２１０が遮断弁によって遮断可能である場合には、ステップＳ１２において、これらの遮断弁が閉じられる。次いで、ステップＳ１３において、燃料電池スタック２００のカソード２１０の酸素希薄化（Ｓａｕｅｒｓｔｏｆｆ－Ａｂｍａｇｅｒｕｎｇ）が続く。ステップＳ１４において、燃料電池スタック１００は希薄モード（Ｍａｇｅｒｂｅｔｒｉｅｂ）で動作され、それによりλ_ａｉｒ≦１である。ステップＳ１５において、燃料電池スタック２００の水素調量弁（図示せず）とパージ弁２２２を閉じることによって、新鮮なアノードガスの供給が中断される。次いで、ステップＳ１６において、接続ライン２における遮断弁３が開かれ、それにより第１の燃料電池スタック１００の排気路１１２からの排気が第２の燃料電池スタック２００のアノード回路２２１に到達する。このようにして、第２の燃料電池システム２００のアノード２２０が不活性化される。ステップＳ１７において、不活性化の完了が検査される。アノード２２０の不活性化が確認された場合（「イエス」）、続いて、ステップＳ１８において、接続ライン２における遮断弁３を再び閉じることができ、ステップＳ１９において、燃料電池スタック１００の希薄モードを通常モードに切り替えることができ、それによりλ_ａｉｒ≧１である。ステップＳ２０において、方法が終了する。

【0033】

第２の燃料電池スタック２００に供給された第１の燃料電池スタック１００の排気を、パージ弁２２２を開くことによって再び除去することができる。代替的に、この排気は、遮断弁５が組み込まれた別の接続ライン４を介して第１の燃料電池システム１００の排気路１１２に排出することができる（図１を参照）。この場合、ステップＳ１６において、両方の遮断弁３および５が開かれ、ステップＳ１８において、両方の遮断弁３および５が再び閉じられる。

【0034】

図３は、第１の燃料電池スタック１００と第２の燃料電池スタック２００を備える別の本発明による燃料電池システム１を示す。これらの燃料電池スタックは、図１に示される燃料電池システム１の２つの燃料電池スタック１００、２００に相当する。しかし図３では、接続ライン２‘および４‘は第２の燃料電池スタック２００のアノード回路２２１もしくはアノード２２０にではなく、カソード２１０に連結されている。

【0035】

このようにして、燃料電池システム１を始動する場合にカソードの不活性化をもたらすことができる。例えば、図４に示される方法を実行することができる。

【0036】

図４に示される方法のステップＳ３０において、燃料電池スタック２００のカソード２１０の不活性化が開始される。このために、ステップＳ３１において、第１の燃料電池スタック１００が希薄モードで動作される。ステップＳ３２において、接続ライン２‘に組み込まれた遮断弁３‘が開かれる。ステップＳ３３において、カソード２１０が不活性化されたかどうかが検査される。検査の結果が肯定的（「イエス」）である場合、ステップＳ３４において、遮断弁３‘が再び閉じられる。

【0037】

さらに、アノード２２０の不活性化が行われるべき場合、図３に示される燃料電池システム１に、図１に示される接続ライン２、４と遮断弁３、５を追加することができる。次いで、ステップＳ３４にステップＳ３５が続き、このステップにおいて、アノード２２０を不活性化するために遮断弁３、５が開かれる。ステップＳ３６において、不活性化が完了したかどうかが検査される。これが当てはまる場合（「イエス」）、ステップＳ３７において、遮断弁３、５が再び閉じられる。続いて、ステップＳ３８において、燃料電池スタック１００の希薄モードから通常モードに切り替えられ、それによりλ_ａｉｒ≧１である。次いで、ステップＳ３９において、方法が終了する。

【0038】

したがって、カソード２１０とアノード２２０の不活性化は、少なくとも３つの遮断弁３、３‘および５を必要とする。遮断弁３、３‘および５の数を低減するために、図５に例示的に示されるように、燃料電池システム１のトポロジをさらに簡略化することができる。

【0039】

図５に示される本発明による燃料電池システム１は、２つの燃料電池スタック１００、２００を有し、これらの燃料電池スタックは実質的に同じ構造であり、図１の燃料電池システム１の燃料電池スタック１００に相当する。したがって同じ参照符号が使用される。両方の燃料電池スタック１００、２００は、遮断弁３が組み込まれた接続ライン２を介して接続されており、接続ライン２は、第１の燃料電池スタック１００の排気路１１２を第２の燃料電池スタック２００のアノード回路２２１に接続する。

【0040】

停止する場合、燃料電池システム１を図６に示される方法に従って動作させることができる。

【0041】

ステップＳ５０において、燃料電池スタック２００の不活性化が開始される。このために、ステップＳ５１において、空気搬送および空気圧縮システム２１３を切断することによってカソード２１０の方向の空気供給が中断される。給気路２１１および／または排気路２１２に遮断弁が設けられている場合、これらの遮断弁はステップＳ５２において閉じられる。次いで、ステップＳ５３において、燃料電池スタック２００のカソード２１０の酸素希薄化が続く。ステップＳ５４において、燃料電池スタック１００は希薄モードで動作され、それによりλ_ａｉｒ≦１である。ステップＳ５５において、不活性化されるべき燃料電池スタック２００のアノード側に配置された圧力調整器２２５が閉じられる。続いて、ステップＳ５６において、接続ライン２に組み込まれた遮断弁３が開かれる。次いで、ステップＳ５７において、不活性化されるべき燃料電池スタック２００のパージ弁２２２および／またはドレン弁２２８が開かれる。クロック制御して開くこともできる。次いで、接続ライン２を介して供給された第１の燃料電池スタック１００の排気が、開いたパージ弁２２２および／または開いたドレン弁２２８を介して再び導出される。ステップＳ５８において実行された検査が、燃料電池スタック２００のアノード２２０が不活性化された（「イエス」）という結果になった場合、ステップＳ５９において、遮断弁３、パージ弁２２２および／またはドレン弁２２８を再び閉じることができる。ステップＳ６０において、燃料電池スタック１００の希薄モードが再び通常モードに切り替えられ、それによりλ_ａｉｒ≧１である。ステップＳ６１において、方法が終了する。

【0042】

開始する場合、図７に示される方法を実行することができる。

【0043】

図７に示される方法のステップＳ７０において、燃料電池スタック２００のカソード２１０の不活性化が開始される。このために、ステップＳ７１において、第１の燃料電池スタック１００が希薄モードで動作される。ステップＳ７２において、不活性化されるべき燃料電池スタック２００の排気路２１２に配置された圧力調整器２３０とバイパス路２１８のバイパス弁２１９が閉じられる。圧力調整器２３０および／またはバイパス弁２１９を完全に閉じる代わりに、これらを大きく絞るだけでもよい。給気路２１１および／または排気路２１２に遮断弁が設けられている場合、これらはステップＳ７３において閉じられる。続いて、ステップＳ７４において、接続ライン２に組み込まれた遮断弁３が開かれる。ステップＳ７５において、パージ弁２２２および／またはドレン弁２２８が開かれ、場合によってはクロック制御され、それにより第１の燃料電池スタック１００の排気路１１２からの排気が接続ライン２を介して第２の燃料電池スタック２００のアノード回路２２１に流入し、開いたパージ弁および／またはドレン弁２２２、２２８を介して再び流出する。次いで、ステップＳ７６において、アノード２２０が不活性化されたかどうかが検査される。検査の結果が肯定的（「イエス」）である場合、ステップＳ７７において、不活性化されるべき燃料電池スタック２００の遮断弁３とパージ弁および／またはドレン弁２２２、２２８が再び閉じられる。ステップＳ７８において、第１の燃料電池スタック１００の希薄モードから再び通常モードに切り替えられ、それによりステップＳ７９において、方法を終了することができる。

【0044】

代替的に、始動する場合、不活性化されるべき燃料電池スタック２００のカソード２１０が、図３と同様に、遮断弁３‘が組み込まれた接続ライン２‘を介して第１の燃料電池スタック１００の排気路１１２に連結されている場合、図８に示される方法を実行することができる。

【0045】

図８の方法では、ステップＳ８０において、燃料電池スタック２００の不活性化が開始される。このために、ステップＳ８１において、燃料電池スタック１００が希薄モードで動作される。次いで、ステップ８２において、接続ライン２‘における遮断弁３‘が開かれ、それにより第１の燃料電池スタック１００の排気路１１２からの排気が第２の燃料電池システム２００のカソード２１０に供給される。ステップＳ８３において、カソード２１０の不活性化が完了したかどうかが検査される。「イエス」である場合、ステップＳ８４において、遮断弁３‘が閉じられる。続いて、ステップＳ８５において、接続ライン２における遮断弁３が開かれ、それにより第１の燃料電池スタック１００の排気路１１２からの排気が第２の燃料電池スタック２００のアノード回路２２１に到達する。さらに、ステップＳ８６において、不活性化されるべき燃料電池スタック２００のパージ弁２２２および／またはドレン弁２２８が開かれ、それにより、供給された量がこれを介して再び排出可能である。ステップＳ８７において、アノード２２０の不活性化が完了したかどうかが検査される。「イエス」である場合、ステップＳ８８において、遮断弁３とパージ弁および／またはドレン弁２２２、２２８が再び閉じられる。ステップＳ８９において、第１の燃料電池スタック１００の希薄モードが再び通常モードに切り替えられる。ステップＳ９０において、方法が終了する。

【0046】

図９は、２つの燃料電池スタック１００、２００を備える燃料電池システム１を示し、燃料電池スタック２００は変更されている。逆止弁２１７の代わりに、給気路２１１および排気路２１２において制御可能な遮断弁２３２、２３３が設けられている。アノード２２０の不活性化中に両方の遮断弁２３２、２３３を開いたままにすることによって、開いたパージ弁２２２および／または開いたドレン弁２２８を介して流出するアノードガスを用いて同時にカソード２１０を不活性化することができる。このために、アノードガスは、接続ライン２３４を介して、不活性化されるべき燃料電池スタック２００の排気路２１２に導入され、遮断弁２３２、２３３が開いた場合に、カソード２１０によって逆の流れ方向に導かれる（図９の矢印を参照）。このようにして、遮断弁３を１つだけ追加することにより、燃料電池スタック２００のアノード２２０とカソード２１０の両方を不活性化することができる。

【符号の説明】

【0047】

１ 燃料電池システム
２ 接続ライン
２‘ 接続ライン
３ 遮断弁
３‘ 遮断弁
４ 接続ライン
４‘ 接続ライン
５ 遮断弁
１００ 第１の燃料電池スタック
１１０ カソード
１１１ 給気路
１１２ 排気路
１１３ 空気搬送および空気圧縮システム
１１４ 空気フィルタ
１１５ 熱交換器
１１６ 加湿器
１１７ 逆止弁
１１８ バイパス路
１１９ バイパス弁
１２０ アノード
１２１ アノード回路
１２２ パージ弁
１２３ 送風機
１２４ ジェットポンプ
１２６ 水分離器
１２７ 容器
１２８ ドレン弁
１２９ 冷却回路
１３０ 圧力調整器
１３１ タービン
２００ 第２の燃料電池スタック
２１０ カソード
２１１ 給気路
２１２ 排気路
２１３ 空気搬送および空気圧縮システム
２１７ 逆止弁
２１８ バイパス路
２１９ バイパス弁
２２０ アノード
２２１ アノード回路
２２２ パージ弁
２２５ 圧力調整器
２２８ ドレン弁
２３０ 圧力調整器
２３２ 遮断弁
２３３ 遮断弁
２３４ 接続ライン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【手続補正書】

【提出日】2024-06-13

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

それぞれカソード（１１０、２１０）とアノード（１２０、２２０）を有する複数の燃料電池スタック（１００、２００）を備える燃料電池システム（１）の動作方法であって、前記カソード（１１０、２１０）に、それぞれ給気路（１１１、２１１）を介して空気が供給され、かつ前記燃料電池スタック（１００、２００）から流出する排気がそれぞれ排気路（１１２、２１２）を介して排出され、前記アノード（１２０、２２０）にそれぞれアノード回路（１２１、２２１）を介して水素が供給される、方法において、
前記燃料電池システム（１）の始動および／またはシャットダウン時に、燃料電池スタック（１００）から流出する排気が別の燃料電池スタック（２００）の前記アノード（２２０）および／または前記カソード（２１０）を不活性化するために利用されることを特徴とする、方法。

【請求項2】

不活性化するために必要な燃料電池スタック（１００）の前記排気は、遮断弁（３）が組み込まれた接続ライン（２）を介して前記別の燃料電池スタック（２００）に供給され、このために前記遮断弁が開かれることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

不活性化するために必要な燃料電池スタック（１００）の前記排気は、前記別の燃料電池スタック（２００）の前記アノード（２２０）または前記カソード（２１０）に直接または間接的に、殊に前記別の燃料電池スタック（２００）のアノード回路（２２１）または前記給気路（２１１）を介して供給されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。

【請求項4】

前記燃料電池システム（１）の始動および／またはシャットダウン時に、空気搬送および空気圧縮システム（２１３）を切断することによって、ならびに／あるいは少なくとも１つの遮断弁（２１７）を閉じることによって、前記不活性化されるべき燃料電池スタック（２００）の空気供給が中断されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。

【請求項5】

前記アノード回路（２２１）に組み込まれたパージ弁（２２２）および／またはドレン弁（２２８）を開くことによって、不活性化されたアノード（２２０）のアノードガスが前記燃料電池システム（１）から除去されるか、または接続ライン（４）を介して燃料電池スタック（１００、２００）の排気路（１１２、２１２）に導入されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。

【請求項6】

不活性化するために必要な前記排気は、燃料電池スタック（１００、２００）の化学量論未満での動作によって生成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。

【請求項7】

それぞれカソード（１１０、２１０）とアノード（１２０、２２０）を有する複数の燃料電池スタック（１００、２００）を備える燃料電池システム（１）であって、前記カソード（１１０、２１０）がそれぞれ入口側で給気路（１１１、２１１）に接続されており、出口側で排気路（１１２、２１２）に接続されており、前記アノード（１２０、２２０）がそれぞれアノード回路（１２１、２２１）に連結されている、燃料電池システムにおいて、
燃料電池スタック（１００）の前記排気路（１１２）が別の燃料電池スタック（２００）の前記アノード（２２０）および／または前記カソード（２１０）に接続されており、それにより排気を用いて前記アノード（２２０）および／または前記カソード（２１０）を不活性化可能であることを特徴とする、燃料電池システム。

【請求項8】

燃料電池スタック（１００）の前記排気路（１１２）は、遮断弁（３）が組み込まれた接続ライン（２）を介して前記別の燃料電池スタック（２００）の前記アノード（２２０）および／または前記カソード（２１０）に接続されていることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム（１）。

【請求項9】

前記接続ライン（２）は、前記不活性化されるべき燃料電池スタック（２００）の前記アノード（２２０）または前記カソード（２１０）に直接接続されていることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システム（１）。

【請求項10】

前記接続ライン（２）は、前記不活性化されるべき燃料電池スタック（２００）の前記アノード（２２０）に前記アノード回路（２２１）を介して間接的に、または前記カソード（２１０）に前記給気路（２１１）を介して間接的に接続されていることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システム（１）。

【請求項11】

少なくとも１つの燃料電池スタック（１００、２００）の前記給気路（１１１、２１１）に空気搬送および空気圧縮システム（１１３、２１２）が組み込まれていることを特徴とする、請求項７から１０までのいずれか１項に記載の燃料電池システム（１）。

【請求項12】

少なくとも１つの燃料電池スタック（１００、２００）の前記アノード回路（１２１、２２１）にパージ弁（１２２、２２２）および／またはドレン弁（１２８、２２８）が組み込まれていることを特徴とする、請求項７から１０までのいずれか１項に記載の燃料電池システム（１）。

【国際調査報告】