JP2003203653A - 燃料電池水素タンクシステムの圧力調整 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧力レベルが比較的高い燃料源から来入する
気体状燃料を、消費体に送出するための送出システムを
提供する。 【解決手段】 この送出システムは少なくとも一つの機
械的圧力調整バルブを含む。この機械的圧力調整バルブ
は、ばねによって押圧されたバルブ部材を有し、燃料を
比較的高い圧力レベルから低下させて制御バルブへの供
給圧力として役立つ比較的低い圧力レベルに調整するよ
うに設計されている。制御バルブは、供給ラインを介し
て消費体に連結でき、燃料源から来入し且つ消費体に供
給される燃料の質量流量を決定する。制御バルブの消費
体側の圧力が、消費体の出力変化に従って変化する。本
送出システムは、制御バルブの消費体側の前記圧力、又
はこの圧力と比例する値、又は前記圧力と対応する値
を、制御ラインを介して機械式圧力調整バルブに供給
し、機械式圧力調整バルブのバルブ部材に作用するばね
押圧力を補助する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、比較的高い圧力レ
ベルの燃料源から来入する例えば水素等の気体状燃料
を、消費体、詳細には燃料電池スタックに送出するため
の送出システムに関する。この送出システムは、少なく
とも一つの機械的圧力調整バルブを含む。この機械的圧
力調整バルブは、ばねによって押圧されたバルブ部材を
有し、燃料を、比較的高い圧力レベルから低下させて制
御バルブへの供給圧力として役立つ比較的低い圧力レベ
ルに調整するように構成されている。制御バルブは、供
給ラインを介して消費体に連結でき、燃料源から来入し
且つ消費体に供給される燃料の質量の流れを決定する。
負荷バルブの消費体側の圧力が、消費体の出力変化に従
って変化する。本発明は、更に、燃料電池システムに関
し、更に気体状燃料を送出する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車の用途についての別態様の駆動の
概念の開発において、電気化学的エネルギ変換装置であ
る低温燃料電池システムと関連した電気的推進が、特に
増加している。これに関し、燃料の選択が、燃料電池シ
ステムの複雑さに重大な影響を及ぼす。例えばメタノー
ルやガソリン等の有機燃料を使用する場合には、燃料を
改質して水素分が多いガスを形成する必要があるため、
システムの複雑さが大きくなる。

【０００３】下文において、水素を専ら気体状燃料と呼
ぶ。しかしながら、本発明は、気体状燃料として水素を
使用することに限定されず、むしろ、原理的には、任意
の所望の気体状燃料を、使用される燃料について必要条
件が変化する任意の所望の消費体に供給することに関す
る。

【０００４】本発明を更に詳細に説明するため、燃料電
池システムは、水素タンクから圧縮水素が供給されるも
のと考えられる。水素ガスは、負荷状態に応じて燃料電
池スタックのアノード側に供給される。酸素又は不純物
が混じった酸素（空気）が、負荷に応じて燃料電池スタ
ックのカソード側に供給される。所望の負荷値は、本質
的には、運転者によって選択されるような車輛全体から
要求された性能（加速、制動、等）と、燃料電池システ
ムでの電気負荷の出力要件とによって決定される。

【０００５】この種の燃料電池システムでは、水素ガス
の圧力を、タンク内の高い圧力レベルから、タンクの出
口での燃料電池システム用の低い圧力レベルまで制限す
ることが必要である。低い圧力レベルは、単一の絶対圧
力点ではなく、むしろ、所定範囲の低レベルの圧力であ
る。

【０００６】これまで、気体状燃料を送出するための周
知の送出システムは、機械的に作動する少なくとも一つ
の圧力調整バルブ及び制御バルブが、比較的高い圧力レ
ベルの気体状燃料源と燃料電池システムとの間に直列に
連結されるように構成されてきた。機械的に作動する圧
力調整バルブの役割は、これまで、一定の供給圧力を発
生することであった。そして、制御バルブは、燃料電池
スタック供給される燃料の質量の流れを制御するため、
要求負荷に従って制御されていた。

【０００７】制御バルブは、機械的圧力調整バルブの一
定の供給圧力と、当該制御バルブの燃料電池側のこれよ
りも低い圧力との間の全圧力範囲を取り扱うように設計
しなければならなかった。これにより、制御バルブの品
質及びその応答性に高い要求が置かれる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の主な目的は、
制御バルブに対する要求が小さいように、冒頭に記載し
た種類の送出システム、燃料電池システム、及び気体状
燃料を送出する方法を設計し、これにより、適切な価格
の制御バルブを使用でき、それにも拘わらず、送出され
た燃料の質量の流れを高品質で制御できることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的を満たすため、
比較的高い圧力レベル（Ｐ３）を有する燃料源から来入
する水素等の気体状燃料を消費体に送出するための装置
が提供される。この装置は、バルブ部材及びこのバルブ
部材にばね押圧力を及ぼすためのばねを持つ少なくとも
一つの機械式圧力調整バルブを含む。前記圧力調整バル
ブは、燃料を、前記比較的高い圧力レベル（Ｐ３）から
低下させて比較的低い圧力レベル（Ｐ２）まで調整する
ようになっている。本装置は、前記低い圧力（Ｐ２）の
燃料を受け入れるようになった入口と、出口とを持つ制
御バルブと、この制御バルブの前記出口を前記消費体に
連結するようになった供給ラインとを含む。制御バルブ
は、前記燃料源から前記消費体に供給された燃料の質量
の流れを決定するようになっており、前記制御バルブの
前記出口は低圧（Ｐ１）であり、この低圧（Ｐ１）は、
前記消費体の出力変化に従って変化する。また、前記制
御バルブの前記出口の前記低圧（Ｐ１）、この低圧と比
例した値、及び前記低圧と対応する値のうちの一つを前
記機械式圧力調整バルブに伝えるための制御ラインが設
けられており、これによって、機械式圧力調整バルブの
バルブ部材に作用する前記ばね押圧力を補助する。

【００１０】更に、この目的を満たすため、燃料電池シ
ステムが提供される。燃料電池システムは、複数の燃料
電池を含み、アノード入口及びアノード出口を持つアノ
ード側と、カソード入口及びカソード出口を持つカソー
ド側とを有する燃料電池スタックと、酸素及び空気のう
ちの一方を前記カソード入口を介して前記燃料電池スタ
ックの前記カソード側に送出するために前記カソード側
に設けられた酸素及び空気のうちの一方の源と、前記燃
料電池スタックの前記アノード側に気体状燃料を比較的
高い圧力レベルで送出できる気体状燃料源と、前記気体
状燃料源から前記アノード入口まで延びる供給ライン
と、バルブ部材と、このバルブ部材にばね押圧力を及ぼ
すばねとを有し、前記燃料を前記比較的高い圧力レベル
から低下させて比較的低い圧力レベルに調整することが
できる、前記供給ラインに設けられた少なくとも一つの
機械式圧力調整バルブと、前記機械式圧力調整バルブの
下流に配置されており、前記気体状燃料源から前記燃料
電池スタックのアノード側に供給される燃料の質量の流
れを決定することができる制御バルブと、前記燃料電池
スタックの前記アノード出口に連結されたアノード出口
バルブと、前記制御バルブと前記燃料電池スタックの前
記アノード側の前記アノード排気ガスバルブとの間の
点、及び、前記燃料電池スタックの前記カソード側の、
酸素及び空気のうちの一方の前記源の下流の点のうちの
一方から、前記機械式圧力調整バルブまで延び、前記ば
ね押圧力を補助するため、前記機械式圧力調整バルブに
連結されている制御ラインとを備える。

【００１１】更に、比較的高い圧力レベルで燃料源から
来入する気体状燃料を消費体に送出するための方法にお
いて、バルブ部材及びこのバルブ部材にばね押圧力を及
ぼすためのばねを有する機械的圧力調整バルブが設けら
れており、この機械的圧力調整バルブは、前記燃料を前
記高圧レベルから低下させて比較的低い圧力レベルに調
整するようになっており、前記低圧の燃料を供給圧力と
して受け入れ、別の圧力の燃料を供給ラインを介して前
記消費体に供給するための制御バルブが、前記消費体に
供給される燃料の質量の流れを決定し、前記制御バルブ
の消費体側の前記別の圧力が、前記消費体の出力の変化
に従って変化し、前記方法は、前記制御バルブの消費体
側の前記別の圧力、前記別の圧力と比例した値、及び前
記別の圧力と対応する値のうちの一つを、前記機械的圧
力調整バルブに伝え、前記機械的圧力調整バルブの前記
バルブ部材に作用する前記ばねの押圧力を補助する、方
法が提供される。

【００１２】本発明に従って採られた方法により、機械
式圧力調整バルブの出口での圧力は、制御バルブの下流
の圧力変化に従って同方向に変化し、これによって、制
御バルブの入口側と制御バルブの出口側との間の圧力差
が小さくなる。このように、機械式圧力調整バルブと消
費体即ち燃料電池スタックとの間に配置された、必要量
の気体状燃料を負荷と独立して設定する制御バルブに対
する要求が小さくなる。

【００１３】制御バルブの出口側の実際の圧力を機械式
圧力調整バルブに戻すことは制御ラインにとってそれ程
重要ではなく、むしろ、制御バルブの出口での圧力レベ
ルにしたがって作用する（即ち、制御バルブの出口の圧
力レベルと同じ方向の、好ましくはこの圧力と比例した
変化に従って変化する）制御圧力として圧力を機械式圧
力調整バルブに加えるので十分である。機械式圧力調整
バルブの出口圧力は、機械式圧力調整バルブのバルブ部
材を追加の圧力に従って押圧することにより有効領域を
特別に設計することによって、制御バルブの出口側の出
口圧力に対して必要とされるように適合できる。従っ
て、制御ラインは、燃料電池スタックのアノード側の
（例えば、制御バルブ自体の出口の）、制御バルブと燃
料電池のアノード入口との間のラインの任意の所望の点
から分岐でき、燃料電池スタックのアノード側の分配通
路から分岐でき、又は燃料電池スタックのアノード出口
から排出バルブまで延びる出口ラインから分岐でき、確
かに、燃料電池スタックのアノード出口とアノード入口
との間に戻し流路が設けられている場合、このような戻
し流路内の所定の点から分岐できる。

【００１４】燃料電池システムのカソード側への酸素供
給が、同様に、負荷に従って制御されるため、制御ライ
ンもまた、空気コンプレッサーの下流の燃料電池スタッ
クのカソード側の所定の点から分岐できる。空気コンプ
レッサーは、通常設置されており、燃料電池スタックの
アノード側での圧力変化と同期して圧力変化が生じる位
置で分岐している場合、燃料電池スタック用酸素源とし
て作用する。

【００１５】本発明を、その実施例及び一つの図面を参
照して以下に更に詳細に説明する。

【００１６】

【発明の実施の形態】参照番号１０は、燃料電池スタッ
ク１２の形態の消費体を含む燃料電池システムを示す。
燃料電池スタック１２は、全体を参照番号１４で概略に
示す複数の個々の燃料電池（フューエルセル）を含む。
燃料電池スタック１２は、アノード入口１８及びアノー
ド出口２０を含むアノード側１６と、カソード入口２４
及びカソード出口２６を含むカソード側２２とを有す
る。

【００１７】個々の燃料電池１４の各々は、それ自体周
知の方法で、アノード、カソード、これらの間の膜（図
示せず）を有し、いわゆるＭＥＡ（膜電極アッセンブ
リ）の各々が、二枚のいわゆるバイポーラプレート（図
示せず）間に膜に設けられたアノード及びカソードを備
えた状態となっている。酸素又は大気中の酸素用の流れ
通路が、一方のバイポーラプレートとカソードとの間に
設けられており、同様に、水素をアノードに供給するの
に役立つ流れ通路が、他方のバイポーラプレートとアノ
ードとの間に設けられている。

【００１８】燃料電池のアノード側の流れ通路は、全て
の燃料電池に燃料をアノード入口１８を通して同時に供
給できるように、また、余分の水素や燃料電池の他の排
気ガス（例えば、水蒸気の形態の水と、カソード側に送
出された大気中の酸素からの窒素）を、アノード出口２
０のところで燃料電池スタックの外にライン５５を介し
て導き出すことができるように、互いに連結されてい
る。互いに連結された燃料電池のアノードを通る流れ
は、添付図面において、ライン２８で概略に示してあ
る。同様に、燃料電池のカソード側の流れ通路は互いに
連結され、カソード入口２４からカソード出口までの流
路３０を燃料電池スタック１２に形成する。カソード側
２２で発生する排気ガスは、ライン２５を介して大気中
に排出できる。個々の燃料電池１４のバイポーラプレー
トは、互いに直列に又は並列に接続されている。作動し
たとき、二つの出力端子３２及び３４のところに電圧が
発生する。この電圧は、ここに図示していない装置用の
電源として（例えば、燃料電池システムを組み込んだモ
ータ車輛の推進用の電源として、あるいは、燃料電池シ
ステムの作動に必要な他のユニットの駆動用の電源とし
て）利用できる。

【００１９】燃料電池スタックの構造又はその内部に収
容された燃料電池の構造は様々な文献から周知であり、
燃料電池スタックの具体的な構造についてここで更に詳
細に説明する必要はない。

【００２０】燃料電池スタック１２のアノード側１６
に、気体状燃料を供給しなければならないということが
重要である。水素を使用する場合、水素は、水素タンク
３６の形態の源から取り出すことができる。更に詳細に
は、水素は、水素タンク３６から、機械式圧力調整バル
ブ３８を介して、また、ソレノイド作動式切替えバルブ
４０及び手動式遮断バルブ４２を介して、制御バルブ４
４に来入する。この制御バルブ４４は、ライン４６を介
して、燃料電池スタック１２のアノード入口１８に新鮮
な水素を供給する。

【００２１】作動に当たっては、必要な質量の流れの新
鮮な水素を燃料電池スタック１２のアノード側に供給す
るため、バルブ４０及び４２を開放した状態で、自走車
（自動車などの自動(推進)車両やモータ車輛）の運転者
が必要とする動力に従って、制御バルブ４４は制御装置
４８によって制御される。

【００２２】制御装置４８は、制御バルブ４４を負荷に
応じて制御すると同時に、電動モータ５０を制御する。
この電動モータは、コンプレッサー５２を駆動して大気
中の酸素をライン５４及びカソード入口２４を介して燃
料電池スタック１２のカソード側２２に供給する。

【００２３】燃料電池スタック１２では、供給された水
素によって送出された陽子が、個々の燃料電池のアノー
ド側１６から膜を通ってカソード側２２まで移動し、水
を形成するために設けられた触媒に供給された大気中の
酸素と反応する。この反応によりバイポーラプレートの
ところに電位が発生し、これらの電位を合わせ、端子３
２及び３４のところで取り出すことができる出力を形成
する。

【００２４】個々の燃料電池での電気化学的反応中、窒
素分子がカソード側からアノード側に拡散し、未消費の
水素及び水蒸気とともにアノード出口２０を通ってアノ
ード側１６を離れる。アノード排気ガスは、アノード排
気バルブ５６を介して連続的に排出できる。これらのア
ノード排気ガスは、次いで、通常、熱を回収するため、
ライン５７を介して触媒バーナー（図示せず）に供給さ
れ、熱を発生するために大気中の酸素とそこで反応す
る。バーナーを出た後の窒素及び水蒸気を含む排気ガス
は留まることなく大気中に排出できる。しかしながら、
アノード排気バルブ５６は、排気ガスを燃料電池スタッ
ク１２から時々排出するため（例えば、燃料電池スタッ
ク１２のアノード側の窒素濃度が、燃料電池スタックの
効率的作動を妨げるレベルまで上昇した場合に排出する
ため）、不連続に開放することもできる。しかしなが
ら、アノード排気ガスを燃料電池スタック１２のカソー
ド側２２に供給することも周知である。その結果、水素
成分がカソード側で酸素と直接反応して水を形成し、こ
のような方法で消散できる。本発明は、このようなシス
テムでも使用できる。

【００２５】しかしながら、アノード出口２０とアノー
ド入口１８との間に戻しラインを設ける場合もあり、そ
の場合、流れを維持するため、戻し側のガスの圧力レベ
ルをアノード入口１８でのガスの圧力レベルと適合させ
るポンプ６０が設けられる。このような戻し流れを使用
する場合、アノード排気ガスの一部を、アノード排気バ
ルブ５６及びライン５７を介して連続的に又は不連続に
排出することができる。

【００２６】添付図面では、水素タンク３６、機械式圧
力調整バルブ３８、ソレノイド作動式切替えバルブ４
０、及び手動式遮断バルブ４２が枠６２で囲って示して
ある。というのは、この部分が、それ自体公知の専門の
供給者によって供給されることが多いためである。

【００２７】機械式圧力調整バルブ３８は、水素タンク
３６内の比較的高い圧力レベルＰ３（例えば３５０ｂａ
ｒ程度）を調整し、例えば１ｂａｒを幾分上回る低い圧
力レベルＰ２まで低下させるのに役立つ。

【００２８】この種の機械式圧力調整バルブでは、ピス
トンに力を及ぼすばね６６に、調節ねじ６４によって、
予め応力が与えられている（すなわち、プレストレス
（予備応力）が及ぼされている）。ピストンは、この場
合、例えばバルブ部材を駆動する。このバルブ部材は、
機械式圧力調整バルブ内の対応する部材即ち弁座（図示
せず）と協働し、実際の調整機能を及ぼす。このような
機械式圧力調整バルブは、通常は、基準圧力として役立
つ大気への連結部を備えている。

【００２９】供給者から得ることのできる幾つかのシス
テム６２では、第２機械式圧力調整バルブが、圧力調整
バルブのタンク側に、ここに示す機械式圧力調整バルブ
３８と直列に設けられている。これは、一つの機械式圧
力調整バルブで圧力Ｐ３を約３５０ｂａｒから１ｂａｒ
を幾分上回る圧力まで低下させるのが困難であるためで
ある。第２機械式圧力調整バルブが設けられている場合
には、以下に更に詳細に説明するように、制御ライン
を、機械式圧力調整バルブ３８の外側から第２圧力調整
バルブの基準入力に差し向けることが知られている。

【００３０】本発明によれば、制御ライン７０が、制御
バルブ４４の出口側から圧力調整バルブ３８の基準圧力
入力まで延びており、そのため、制御バルブ４４の燃料
電池側で圧力が低下した場合、機械式圧力調整バルブ３
８の基準圧力が同様に低下する。基準入力からの力が前
記ばねと同じ方向に作用するため、機械式圧力調整バル
ブ３８の出口圧力Ｐ２及びかくして制御バルブ４４の入
口側の圧力もまた同様に低下する状況がもたらされる。
これによって、制御バルブ４４でのその入口側と出口側
との間の圧力差が小さくなる。このように、制御バルブ
４４によって制御しなければならない圧力差の範囲が常
に小さく保持され、そのため制御バルブ４４に対する要
求が小さくなる。これは、圧力差自体を小さく保持しな
ければならないということを意味せず、むしろ圧力差の
変動を常に小さく保持しなければならないということを
意味する。

【００３１】上述のように、ピストンに力を及ぼすばね
６６には、調節ばね６４によって予備応力が加えられて
いる。制御ライン即ち基準ライン７０内の圧力Ｐ１は、
圧力調節バルブ３８でばね６６と同じ方向に作用し、Ｐ
１×Ａに等しい力を加える。ここで、Ａは、圧力調節バ
ルブに加えられた制御圧力についての有効面積である。
バルブ出口圧力Ｐ２は、二つの力（ばね力、及び、制御
ラインの圧力）とは反対方向に作用する。この圧力に応
じて、バルブ部材に相当する或いはバルブ部材を作動す
るピストンが、開放位置又は閉鎖位置に移動する。

【００３２】電磁的に作動できる切替えバルブ４０が開
放状態にあり且つ遮断バルブ４２が開放状態にある作動
モードでは、燃料電池のアノードは、負荷の必要に応じ
て水素ガスを必要とする。この水素ガスは、制御バルブ
４４によって設定される。

【００３３】制御ライン７０をアノード側１６から圧力
調節バルブ３８に接続することには、タンク出口での圧
力Ｐ２が大気圧に対して一定に保持されるのでなく、ア
ノード圧力Ｐ１に従って変化するという利点がある。こ
のことは、燃料電池の作動中の制御バルブ４４の前後で
の圧力差（Ｐ２−Ｐ１）の変化が、従来の解決策におけ
るよりもかなり小さいということを意味する。バルブ４
４に亘る圧力差Ｐ２−Ｐ１の変化が小さいため、このバ
ルブの作動範囲についての要求が低下し、このことが費
用の低減に繋がる。更に、二段式タンク調整器、即ち直
列に連結された二つの圧力調整バルブを使用する場合、
更に安定した調整挙動を期待できる。上述のように、制
御ライン７０は、バルブ５６とバルブ５５との間の任意
の所望の点に連結できるが、直接的にバルブ４４の出口
のところにある点が好ましい。

【００３４】変形例として、圧力調整バルブ３８の制御
ライン７０を、燃料電池システムのカソード側の任意の
所望の点に連結することもできる。これを行うための前
提条件は、カソードの圧力レベルがアノードと同期して
変化する、即ちカソードとアノードとの間の圧力差が、
センサの故障を別にして、一定であるということであ
る。

【００３５】制御ライン７０を燃料電池システムに連結
するための様々な方法があり、これらを参照番号７０
Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ、７０Ｄ、７０Ｅ、及び７０Ｆを付
した分岐線で示す。分岐線７０Ａは、燃料電池スタック
１２のアノード入口１８に直接設けられているのに対
し、分岐線７０Ｂは、アノード排気バルブ５６の直前に
設けられている。分岐線７０Ｃは、燃料電池スタック１
２のアノード出口側の戻しライン６５のところに連結さ
れているのに対し、分岐線７０Ｄは、戻しライン５８の
ポンプ６０の後に設けられている。分岐線７０Ｅは、燃
料電池システム１２のカソード入口側に設けられている
のに対し、分岐線７０Ｆは、燃料電池スタックのカソー
ド出口側に設けられており、出口ライン２５から分岐し
ている。

【００３６】二つの圧力調整バルブが直列に連結された
公知のシステムでは、二つの圧力調整バルブは、ライン
７２を介して取り出される水素の変化に従って圧力Ｐ２
の圧力挙動を動的に調整するため、制御ライン又は基準
ラインを介して互いに連通している。従って、これらの
二つの圧力調整バルブは、以下のように作動する。

【００３７】第２圧力調整バルブ、即ち燃料電池スタッ
クの最も近くに配置された圧力調整バルブは、本発明に
従って使用された圧力調整バルブ３８におけるように、
制御基準ラインを有するが、しかしながら、このライン
は、大気圧の作用で作動される。即ち、第２圧力段はア
ノードから情報を全く受け取ることができないが、大気
圧を基準計測点として使用し、及びかくして、ばねの押
圧力によって設定された、大気圧に対する圧力差に合わ
せて常に調整する。その結果、アノード圧力が変化する
既知のシステムを使用する場合、制御バルブ４４の前後
の圧力差が変化し、及びかくして制御バルブ４４の作動
範囲が不必要に拡がる。本発明の設計により、上文中に
論じたこの欠点をなくす。

【００３８】このような機械式圧力調整バルブ３８の構
造はそれ自体公知である。このような圧力調整バルブの
一例が、欧州特許出願第ＥＰ ０５８５８１０ Ｂ１号
から公知である。基準連結部６４は、圧力調整バルブを
設置することにより必要になる場合には、大気圧、又
は、ポンプから加えることができる比較的高い圧力のい
ずれかに連結されている。しかしながら、欧州特許出願
第ＥＰ ０５８５５１０Ｂ１号では、基準連結部は、本
発明の目的について膜の誤った側部に設けられている。
しかしながら、窪みカプセル（ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ
ｃａｐｓｕｌｅ）を配置することによって、バルブを本
発明の目的のために変換できる。制御圧力Ｐ１は、バル
ブ部材のばねとは反対側で前記窪みカプセルに供給さ
れ、弁座に対して同軸に案内されるピンを介して膜に連
結されており且つばねによって張力方向にも圧力方向に
も押圧される弁部材に作用する。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に従って設計された燃料電池シ
ステムの概略図である。

【符号の説明】

１０ 燃料電池システム １２ 燃料電池ス
タック １４ 個々の燃料電池 １６ アノード側（燃料極側又は負極側） １８ アノード入口 ２０ アノード出
口 ２２ カソード側（空気極側又は正極側） ２４ カソード入口 ２５ ライン ２６ カソード出
口 ２８ ライン ３０ 流路 ３２、３４ 出力端子 ３６ 水素タンク ３８ 機械式圧力調整バルブ ４０ ソレノイド
作動式切替えバルブ ４２ 手動式遮断バルブ ４４ 制御バルブ ４６ ライン ５５ ライン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ペーター・ヴィリモウスキー ドイツ国64287 ダルムシュタット，ハイ ンリヒシュトラーセ 145ベー (72)発明者 ミルコ・シュヴァーン ドイツ国35756 ミッテネール，ベルリー ナーシュトラーセ 21 Ｆターム(参考） 5H027 AA06 BA13 BA19 MM09

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧力レベルが高い燃料源から来入する水
   素等の気体状燃料を消費体に送出するための装置であっ
   て、 バルブ部材と、このバルブ部材にばね押圧力を及ぼすた
   めのばねとを有し、前記燃料を前記高圧レベルから低下
   させてそれよりも低い圧力レベルに調整することができ
   る少なくとも一つの機械式圧力調整バルブと、 前記低圧の燃料を受け入れることができる入口と出口と
   を持つ制御バルブと、 前記制御バルブの前記出口を前記消費体に連結できる供
   給ラインとを備え、前記制御バルブは、前記燃料源から
   前記消費体に供給される燃料の質量の流れを決定するこ
   とができ、前記制御バルブの前記出口での低い圧力が、
   前記消費体の出力の変化に従って変化するようになって
   おり、 前記装置は、また、 前記制御バルブの前記出口の前記低い圧力、この低い圧
   力と比例する値、及び前記低い圧力と対応する値のうち
   の一つを前記機械式圧力調整バルブに伝達し、前記機械
   式圧力調整バルブのバルブ部材に作用する前記ばね押圧
   力を補助する制御ラインを備えた、装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の装置において、消費体
   と組み合わせられる、装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の装置において、前記消
   費体は燃料電池スタックである、装置。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の装置において、 前記圧力調整バルブは、前記バルブ部材と協働して前記
   圧力調整バルブの自由流れ断面を決定する、対応する部
   材を有する、装置。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の装置において、前記対
   応する部材は弁座である、装置。
6. 【請求項６】 請求項１に記載の装置において、 前記消費体は、アノード側及びカソード側を持つ燃料電
   池スタックであり、前記供給ラインは、前記気体状燃料
   を前記アノード側に供給することができ、前記燃料電池
   スタックは、作動時にアノード排気ガスを発生し、前記
   アノード側を離れるアノード排気ガス用のアノード出口
   ラインが設けられており、前記アノード排気ガスは、前
   記燃料電池スタックで消費されなかった気体状燃料を含
   み、アノード排気ガスを前記燃料電池スタックの前記ア
   ノード側から連続的に又は不連続に排出するため、アノ
   ード排気バルブが、前記アノード出口ラインに連結され
   ており、前記供給ライン、前記燃料電池スタックの前記
   アノード側、及び前記アノード出口ラインが流路を形成
   しており、前記制御ラインが前記流路から前記機械式圧
   力調整バルブまで延びている、装置。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の装置において、 さらに、前記アノード排気バルブの上流の前記アノード
   出口ラインから前記制御バルブの下流の前記供給ライン
   まで延びる戻しラインと、 前記アノード排気ガスの少なくとも一部を前記燃料電池
   スタックの前記アノード側に戻すために前記戻しライン
   に設けられた戻しポンプとを備えた、装置。
8. 【請求項８】 請求項１に記載の送出システムにおい
   て、 前記制御ラインは、前記制御バルブの下流側の直ぐ近く
   で前記制御バルブ及び前記供給ラインのうちの一方から
   分岐している、送出システム。
9. 【請求項９】 請求項６に記載の送出システムにおい
   て、 前記制御ラインは前記アノード排気ガスバルブの上流で
   前記アノード排気ガスラインから分岐する、送出システ
   ム。
10. 【請求項１０】 請求項７に記載の送出システムにおい
    て、 前記制御ラインは、前記ポンプの上流及び下流のうちの
    一方に配置された位置で前記戻しラインから分岐する、
    送出システム。
11. 【請求項１１】 請求項１に記載の送出システムにおい
    て、 前記消費体は、アノード側及びカソード側を持つ燃料電
    池スタックであり、 前記供給ラインは、前記気体状燃料を前記アノード側に
    供給できるようになっており、 前記燃料電池スタックは、作動時にアノード排気ガスを
    発生し、 前記アノード側を離れるアノード排気ガス用のアノード
    出口ラインが設けられており、 前記アノード排気ガスは、前記燃料電池スタックで消費
    されなかった気体状燃料を含み、 アノード排気ガスを前記燃料電池スタックの前記アノー
    ド側から連続的に又は不連続に排出するため、アノード
    排気バルブが、アノード出口ラインに連結されており、 前記燃料電池スタックは、更に、酸素及び空気のうちの
    一方用の圧力源からの供給ラインと、カソード側で発生
    するカソード排気ガス用の、即ち未消費の酸素又は大気
    中の酸素用のカソード排気ガスラインとを有し、 前記供給ライン、前記燃料電池スタックの前記カソード
    側、及び前記カソード排気ガスラインが、カソード流路
    を形成し、 前記カソード流路は分岐点を有し、 前記制御ラインは、前記バルブ押圧力を補助するため、
    前記カソード流路から前記分岐点で分岐し、前記機械式
    圧力調整バルブまで延びており、 前記制御ラインの前記分岐点は、前記アノード側での圧
    力変化と前記カソード側での圧力変化との間で位相を少
    なくとも実質的に一致させるため、前記燃料電池スタッ
    クの前記カソード側に選択される、送出システム。
12. 【請求項１２】 燃料電池システムであって、 複数の燃料電池を含み、アノード入口及びアノード出口
    を持つアノード側と、カソード入口及びカソード出口を
    持つカソード側とを有する燃料電池スタックと、 酸素及び空気のうちの一方を前記カソード入口を介して
    前記燃料電池スタックの前記カソード側に送出するため
    に前記カソード側に設けられた酸素又は空気のうちの一
    方の源と、 前記燃料電池スタックの前記アノード側に燃料を比較的
    高い圧力レベルで送出することができる気体状燃料源
    と、 前記気体状燃料源から前記アノード入口まで延びる供給
    ラインと、 前記供給ラインに設けられた少なくとも一つの機械式圧
    力調整バルブとを備え、前記機械式圧力調整バルブは、
    バルブ部材と、このバルブ部材にばね押圧力を及ぼすた
    めのばねとを有し、前記燃料を前記比較的高い圧力レベ
    ルから低下させて比較的低い圧力レベルに調整すること
    ができ、 前記燃料電池システムは、また、 前記機械式圧力調整バルブの下流に配置されており、前
    記気体状燃料源から前記燃料電池スタックのアノード側
    に供給される燃料の質量の流れを決定することができる
    制御バルブと、 前記燃料電池スタックの前記アノード出口に連結された
    アノード出口バルブと、 前記制御バルブと前記燃料電池スタックの前記アノード
    側の前記アノード排気ガスバルブとの間の点、及び、前
    記燃料電池スタックの前記カソード側の、酸素及び空気
    のうちの一方の前記源の下流側の点のうちの一方から、
    前記機械式圧力調整バルブまで延び、前記ばね押圧力を
    補助するため、前記機械式圧力調整バルブに連結されて
    いる制御ラインとを備えた、燃料電池システム。
13. 【請求項１３】 請求項１２に記載の燃料電池システム
    において、 前記アノード出口バルブの上流の点から前記制御バルブ
    の下流の点まで延びる戻しラインが設けられており、 前記戻しラインは、ポンプを含み、戻し流路を形成して
    おり、 前記制御ラインが、前記戻し流路から前記機械式圧力調
    整バルブまで延びている、燃料電池システム。
14. 【請求項１４】 比較的高い圧力レベルで燃料源から来
    入する気体状燃料を消費体に送出するための方法であっ
    て、 バルブ部材と、このバルブ部材にばね押圧力を及ぼすた
    めのばねとを有する機械的圧力調整バルブが設けられて
    おり、前記機械的圧力調整バルブは、前記燃料を、前記
    高圧レベルから低下させて比較的低い圧力レベルに調整
    することができ、 また、前記低圧の燃料を供給圧力として受け入れ、別の
    圧力の燃料を供給ラインを介して前記消費体に供給する
    ための制御バルブが、設けられており、前記制御バルブ
    は、前記消費体に供給される燃料の質量の流れを決定
    し、前記制御バルブの消費体側の前記別の圧力が、前記
    消費体の出力の変化に従って変化し、 前記方法は、前記制御バルブの消費体側の前記別の圧
    力、前記別の圧力と比例した値、及び前記別の圧力と対
    応する値のうちの一つを、前記機械的圧力調整バルブに
    伝え、前記機械的圧力調整バルブの前記バルブ部材に作
    用する前記ばねの押圧力を補助する、方法。
15. 【請求項１５】 請求項１４に記載の方法において、前
    記消費体は燃料電池スタックを含む、方法。
16. 【請求項１６】 請求項１４に記載の方法において、前
    記気体状燃料は水素を含む、方法。