JP2003532252A - 燃料電池システムに用いられる液状のまたはガス状の原燃料を調量するための調量ユニットおよび方法 - Google Patents

燃料電池システムに用いられる液状のまたはガス状の原燃料を調量するための調量ユニットおよび方法

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、燃料電池システムに用いられる液状のかつ／またはガス状の原燃料をフィードポンプによって調量するための調量ユニットに関する。該調量ユニットは、原燃料流を供給するための少なくとも１つの流入管路（１６）と、少なくとも１つの制御ピストン（１２）と、原燃料流を調整するための差圧弁（１４）とを有している。この場合、該差圧弁（１４）は、調整可能な絞り横断面（３９）を有している。該絞り横断面（３９）は、原燃料流を調整するために、制御ピストン（１２）によって形成された流れ圧に関連して自動的に可変である。流入管路（１６）は、制御ピストン（１２）に向かって案内されている。該制御ピストン（１２）と差圧弁（１４）との間には、第１の接続管路（２８）と第２の接続管路（２９）とが設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 背景技術 本発明は、独立請求項の上位概念部に記載した形式の、燃料電池システムに用
いられる液状のまたはガス状の原燃料を調量するための調量ユニットおよび方法
に関する。
【０００２】 目下、自動車に用いられる選択的な駆動コンセプトでは、特に燃料電池支持さ
れたシステムが著しく注目されている。通常、このシステムはＰＥＭ（固体高分
子膜）型燃料電池（ＰＥＭ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍ
ｂｒａｎｅ）を有している。このＰＥＭ型燃料電池はエネルギ担体としての水素
と空気とによって運転される。
【０００３】 自動車内での水素の貯蔵および吸蔵は相変わらず問題であると認められている
ので、水素は、前置された改質器段階において、良好に処理することができる燃
料、たとえばメタノール、メタン、ディーゼルまたはガソリンから必要に応じて
直接「オンボード」で製造されて即座に消費される。したがって、このような形
式の燃料電池システムでは、多数の成分流が、フレキシブルであるにもかかわら
ず極めて正確に調量されなければならない。このことは、液状の成分、たとえば
超純水、燃料および冷却水だけでなく、ガス状の媒体、たとえば空気またはメタ
ンにも当てはまる。調量時の問題は、特に搬送管路内の圧力変動が、個々の成分
の正確な調量を困難にするということにある。この圧力変動は、一方では、前置
されたポンプもしくはコンプレッサによって発生させられ得るものの、たとえば
改質器で実行される化学反応によっても発生させられ得る。この化学反応はプロ
セスガスを放出し、したがって、圧力反動を生ぜしめる。
【０００４】 ドイツ連邦共和国特許第４４２５６３４号明細書では、燃料電池システムに用
いられる液体を調量するための方法および装置が説明される。この場合、調量は
電磁弁のサイクル時間にわたって行われ、圧送管路と燃料電池システムとの間の
圧力差は差圧弁を介して調整される。この装置は、タイミング制御される切換弁
の使用によって容積流変動を搬送管路内に発生させる。このことは、燃料電池シ
ステムの反応中に実行される化学的な変換における問題を生ぜしめ得る。
【０００５】 自動車には、燃料の調量が種々異なる圧力比で可能となる燃料噴射システムが
使用される。Ｋジェトロニックと呼ばれるこのシステムは、制御ピストンと差圧
弁とから成る組合せを有している。この組合せは空気圧制御式のシステムである
。このシステムの使用は燃料の調量に限定されている。
【０００６】 本発明の課題は、燃料電池システムに用いられる液状のかつガス状の成分のた
めの調量ユニットを提供することである。この場合、搬送管路の内部の圧力変動
は補償され、正確な調量が可能となる。
【０００７】 発明の利点 独立請求項の特徴部に記載の特徴を備えた本発明による調量ユニットおよび方
法は、動的な負荷交番時でも、適宜な調整装置による容積流の手間のかかる測定
が必要となることなしに、液状のかつガス状の媒体の正確な調量が可能となると
いう利点を有している。本発明による調量ユニットは、タイミング制御されるシ
ステムとは異なり連続的な調量コンセプトを実現しているので、燃料電池システ
ムの搬送管路内の圧力変動は大きな成果を伴って回避される。このことは、制御
ピストンと差圧弁との組合せによって達成される。別の利点は、迅速に運動させ
られる部分が腐食性の媒体、たとえば超純水にさらされていないことにある。こ
のことは、調量ユニットの、かなり長い耐用年数に表れている。
【０００８】 従属請求項に記載した手段によって、独立請求項に記載した調量ユニットの有
利な構成および改良ならびに独立請求項に記載した方法の有利な実施態様ならび
に改善が可能となる。
【０００９】 したがって、可能な限り正確な調量のためには、調量ユニットの制御ピストン
の位置をストロークセンサによって規定することができ、比例電磁石によって変
化させることができると有利である。
【００１０】 さらに、液状のまたはガス状の各媒体への調量ユニットの適合が可能となる。
なぜならば、調量ユニットの制御ピストンと差圧弁との間の接続管路内に絞りが
配置されており、この絞りによって、調量ユニットにおける減圧を調和すること
ができるからである。
【００１１】 別の有利な構成では、極めて動的な調量を可能にするために、差圧弁の下側の
弁室に、絞りを備えた流出管路が設けられている。この流出管路によって、差圧
弁に加えられた制御圧の迅速な変化が可能となる。
【００１２】 各媒体に対して、圧力提供のためのただ１つのフィードポンプしか必要となら
ず、調量を本発明による調量ユニットによって行うことができると特に有利であ
る。これによって、高価な調量ポンプの使用が不要となる。
【００１３】 実施例の説明 以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００１４】 図１に示した調量ユニット１０は制御ピストン１２と差圧弁１４とを有してい
る。調量ユニット１０には、燃料電池システムで必要となる液状のまたはガス状
の媒体を圧送するためのフィードポンプ１１が前置されている。このフィードポ
ンプ１１には、たとえばシステム圧調整器１３を並列に接続することができる。
このシステム圧調整器１３は、フィードポンプ１１を調量ユニット１０に接続す
る流入管路１６内のシステム進入圧（Ｓｙｓｔｅｍｖｏｒｄｒｕｃｋ）を調整す
る。流入管路１６は調量ユニット１０の内部にシリンダピストン区分１６ａを有
している。このシリンダピストン区分１６ａ内には、少なくとも部分的に制御ピ
ストン１２の流入管路側の端部１２ａが調節可能に案内されている。シリンダピ
ストン区分１６ａは、たとえば流入管路１６よりも大きな横断面を有している。
制御ピストン１２のハウジング側の端部１２ｂはシリンダピストン区分１６ａの
外部に位置している。制御ピストン１２のハウジング側の端部１２ｂには、たと
えばシリンダピストン区分１６ａの内部の制御ピストン１２の位置を変化させる
ための比例電磁石１８が位置している。
【００１５】 さらに、流入管路１６のシリンダピストン区分１６ａの内部の制御ピストン１
２の位置を可能な限り良好に検出することができるようにするためには、制御ピ
ストン１２のハウジング側の端部１２ｂにストロークセンサ２０が配置されてい
る。
【００１６】 制御ピストン１２はその流入管路側の端部１２ａに制御縁部２２を有している
。この制御縁部２２の位置はシリンダピストン区分１６ａの壁と共に第１の絞り
横断面２４を形成している。シリンダピストン区分１６ａの、制御ピストン１２
の流入管路側の端部１２ａの前方に設けられた領域には、たとえば圧縮ばねもし
くは引張りばね２６と空気抜き部２７とが位置している。
【００１７】 シリンダピストン区分１６ａは２つの接続管路２８，２９によって差圧弁１４
に接続されている。この差圧弁１４自体は上側の弁室３４と下側の弁室３２とを
有している。両弁室３２，３４は、可撓性のダイヤフラム３６によって互いに分
離されている。しかし、この分離は、ばね支持された運動可能なピストンによっ
て行われていてもよい。
【００１８】 下側の弁室３２には下側の接続管路２８が開口している。この下側の接続管路
２８は、たとえば絞り（図示せず）を有していてよい。接続管路２８を介して下
側の弁室３２は、フィードポンプ１１によって発生させられかつシステム圧調整
器１３によって修正されたシステム進入圧で負荷される。
【００１９】 差圧弁１４の上側の弁室３４には上側の接続管路２９が開口している。この上
側の接続管路２９ひいては上側の弁室３４内にも形成される流れ圧は、制御縁部
２２の位置と、これにより形成された絞り横断面２４とによって設定される。
【００２０】 ダイヤフラム３６は、たとえば引張りばねもしくは圧縮ばね３８によって差圧
弁１４のハウジングに結合されているので、ダイヤフラム３６は迅速にかつ可変
に圧力比の変化に反応することができる。
【００２１】 さらに、上側の弁室３４は流出管路４０を有している。この流出管路４０を介
して、上側の弁室３４内に案内された液状のかつガス状の媒体を、調量された量
で導出することができる。この場合、流出管路４０は、この流出管路４０の流入
側の開口とダイヤフラム３６との間に第２の絞り横断面３９が形成される程度に
上側の弁室３４内に突入している。第２の絞り横断面３９の大きさは、システム
進入圧の大きさと、第１の絞り横断面２４によって形成された流れ圧の大きさと
に応じて自動的に調整される。流入管路１６内の圧力変動も流出管路４０内の圧
力変動も同じく自動的に補償される。
【００２２】 図２には、本発明による調量ユニット１０の第２実施例が示してある。この第
２実施例は差圧弁１４′を有している。この差圧弁１４′の下側の弁室３２′は
流出管路４２を有している。この流出管路４２は可変な絞り４４を有している。
また、流出管路４２を介して、調量したい適宜な媒体がストックタンク内に戻し
案内される。下側の接続管路２８′は定置絞り４３を有している。この定置絞り
４３を介してシステム進入圧は減少させられる。流出管路４２によって、下側の
弁室３２′内に加えられたシステム進入圧を変化させることが可能となり、こう
して、差圧弁１４′の絞り横断面３９を変化させることが可能となる。このこと
は、制御ピストン１２の位置に関する制御が過度に鈍い場合に、特に燃料電池シ
ステムに生ぜしめられた動的な負荷交番に対する、調量ユニット１０を通過する
容積流の迅速な適合のために必要となる。調量ユニット１０の内部で付加的に容
積流の測定が行われると、この修正装置によって調量ユニット１０の調量精度を
著しく向上させることができる。
【００２３】 制御ピストン１２と差圧弁１４との組合せは一瞥して、単純な絞り装置に比べ
て手間のかかるものであるように思えるが、しかし、この組合せは大きな利点を
提供している。フィードポンプ１１によって発生させられかつシステム圧調整器
１３によって修正されたシステム進入圧は、通常、調量のために使用される絞り
装置で減少するだけでなく、管路システムの内部に設けられた絞り構成部材でも
減少する。したがって、絞り装置の絞り横断面の線形の変化は、管路システム内
の流れ圧の非線形の変化を生ぜしめる。相関的に形成された絞り横断面２４，３
９を備えた２つの絞り装置（制御ピストン１２および差圧弁１４，１４′）を接
続して調量ユニット１０を形成することによって、制御ピストン１２の位置が一
定である場合に調量ユニット１０における一定の減圧および減圧と第１の絞り横
断面２４との比例関係が得られる。さらに、制御縁部２２が適切に形成されてい
る場合には、制御ピストン１２のピストン行程と、調量ユニット１０を通過する
容積流との比例関係が付与されている。
【００２４】 図３には、燃料電池システム５０が概略的に示してある。この燃料電池システ
ム５０において、本発明による調量ユニット１０の使用を例示的に説明する。
【００２５】 燃料電池を運転するために必要となる水素の発生は燃料電池システム５０にお
いて直接、いわゆる「改質器５１」で行われる。水素は、選択的に水蒸気、空気
または水蒸気と空気とから成る混合物を添加して燃料を部分的に酸化することに
よって得られる。通常、変換は加熱可能な触媒で行われる。この場合、燃料とし
てガソリン、ディーゼル、メタンまたはメタノールを使用することができる。さ
らに、メタノール／水混合物またはガソリン／水乳濁液も適している。原燃料（
Ｅｄｕｋｔ）は全て改質器５１にガス状に供給される。このためには、燃料のた
めの蒸発器５３および場合によっては水のための蒸発器５２が必要となる。この
ために必要となるエネルギは、たとえば触媒バーナ５４を介して提供することが
できる。
【００２６】 改質器５１をあとにしたガス流はより大量のＣＯを含有している。このＣＯは
、ＰＥＭ（固体高分子膜）型燃料電池に設けられた触媒を不活性にする恐れがあ
る。この理由に基づき、システムには改質器５１と燃料電池６２との間に複数の
化学的な純化段階５５，５６が組み込まれている。これらの純化段階５５，５６
は、水を添加して一酸化炭素を二酸化炭素と水素とに変換する（シフト反応）。
付加的には、純化段階５５，５６の後、反応熱を導出するための熱交換器５７，
５８が選択的に設けられている。
【００２７】 本発明による調量ユニット１０を用いた燃料の調量は、このようなシステムで
は、有利には、燃料タンク５９と蒸発器５２との間の第１の箇所１０１もしくは
燃料タンク５９と改質器５１との間の第２の箇所１０２で行われ、必要に応じて
、燃料タンク５９と触媒バーナ５４との間の第３の箇所１０３で行われる。
【００２８】 超純水の調量は、水タンク６０と熱交換器５７，５８との間の第４の箇所１０
４、水タンク６０と燃料電池６２との間の第５の箇所１０５、水タンク６０と純
化段階５５，５６との間の第６の箇所１０６および純化段階５５と蒸発器５３と
の間の第７の箇所１０７で行われている。
【００２９】 方法変化形に応じて空気の添加調量も必要となる。この添加調量は特にコンプ
レッサ６１と触媒バーナ５４との間の第８の箇所１０８、コンプレッサ６１と純
化段階５６との間の第９の箇所１０９、コンプレッサ６１と燃料電池６２との間
の第１０の箇所１１０およびコンプレッサ６１と改質器５１との間のさらなる箇
所１１１で行われる。
【００３０】 本発明による調量ユニットは、説明した実施例に限定されておらず、接続され
た２つの絞り装置を備えた調量ユニットの別の構成が可能である。さらに、本発
明による調量ユニットは、たとえば液状の原燃料を、調量された量でかつ極微細
に分配される形状で改質器に供給するために、噴霧装置に接続されていてよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による調量ユニットの第１実施例の概略図である。
【図２】 本発明による調量ユニットの第２実施例の概略図である。
【図３】 本発明による調量ユニットを使用した燃料電池システムの概略図である。
【符号の説明】
１０ 調量ユニット、 １１ フィードポンプ、 １２ 制御ピストン、 １
２ａ 端部、 １２ｂ 端部、 １３ システム圧調整器、 １４ 差圧弁、
１４′ 差圧弁、 １６ 流入管路、 １６ａ シリンダピストン区分、 １８
比例電磁石、 ２０ ストロークセンサ、 ２２ 制御縁部、 ２４ 絞り横
断面、 ２６ 圧縮ばねもしくは引張りばね、 ２７ 空気抜き部、 ２８ 接
続管路、 ２８′ 接続管路、 ２９ 接続管路、 ３２ 弁室、 ３２′ 弁
室、 ３４ 弁室、 ３６ ダイヤフラム、 ３８ 引張りばねもしくは圧縮ば
ね、 ３９ 絞り横断面、 ４０ 流出管路、 ４２ 流出管路、 ４３ 定置
絞り、 ４４ 絞り、 ５０ 燃料電池システム、 ５１ 改質器、 ５２ 蒸
発器、 ５３ 蒸発器、 ５４ 触媒バーナ、 ５５ 純化段階、 ５６ 純化
段階、 ５７ 熱交換器、 ５８ 熱交換器、 ５９ 燃料タンク、 ６０ 水
タンク、 ６１ コンプレッサ、 ６２ 燃料電池、 １０１ 箇所、 １０２
箇所、 １０３ 箇所、 １０４ 箇所、 １０５ 箇所、 １０６ 箇所、
１０７ 箇所、 １０８ 箇所、 １０９ 箇所、 １１０ 箇所、 １１１
箇所
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーク バライス ドイツ連邦共和国 マルクグレーニンゲン パウリーネンシュトラーセ 35／１ (72)発明者 フランク イルクナー ドイツ連邦共和国 カールスルーエ マリ ーエンシュトラーセ 20 (72)発明者 ホルスト ハルンドルフ ドイツ連邦共和国 シュヴィーバーディン ゲン アウエンヴェーク 25 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 MM01 5H307 AA20 BB01 BB05 DD01 EE02 EE09 EE12 FF27 GG01 JJ03 KK02 KK08

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料電池システムに用いられる液状のかつ／またはガス状の
    原燃料をフィードポンプによって調量するための調量ユニットであって、原燃料
    流を供給するための少なくとも１つの流入管路と、少なくとも１つの制御ピスト
    ンと、原燃料流を調整するための差圧弁とが設けられており、該差圧弁が、調整
    可能な絞り横断面を有しており、該絞り横断面が、原燃料流を調整するために、
    制御ピストンによって形成された流れ圧に関連して自動的に可変である形式のも
    のにおいて、流入管路（１６）が、制御ピストン（１２）に向かって案内されて
    おり、該制御ピストン（１２）から、第１の接続管路（２８，２８′）と第２の
    接続管路（２９）とが、差圧弁（１４，１４′）に通じていることを特徴とする
    、燃料電池システムに用いられる液状のかつ／またはガス状の原燃料をフィード
    ポンプによって調量するための調量ユニット。
  2. 【請求項２】 流入管路（１６）内の制御ピストン（１２）の位置が、比例
    電磁石（１８）によって可変である、請求項１記載の調量ユニット。
  3. 【請求項３】 制御ピストン（１２）が、制御縁部（２２）を有しており、
    流入管路（１６）内の制御縁部（２２）の位置が、原燃料流を調整するための、
    調整可能な別の絞り横断面（２４）の大きさを設定している、請求項１または２
    記載の調量ユニット。
  4. 【請求項４】 流入管路（１６）内の制御ピストン（１２）の位置を規定す
    るためのストロークセンサ（２０）が設けられている、請求項１から３までのい
    ずれか１項記載の調量ユニット。
  5. 【請求項５】 差圧弁（１４，１４′）が、ばね支持された運動可能なピス
    トンを有しており、該ピストンの位置が、原燃料流を調整するための差圧弁（１
    ４，１４′）の絞り横断面（３９）を設定している、請求項１から４までのいず
    れか１項記載の調量ユニット。
  6. 【請求項６】 差圧弁（１４，１４′）が、運動可能なダイヤフラム（３６
    ）を有しており、該ダイヤフラム（３６）の変形が、原燃料流を調整するための
    差圧弁（１４，１４′）の絞り横断面（３９）を設定している、請求項１から４
    までのいずれか１項記載の調量ユニット。
  7. 【請求項７】 差圧弁（１４，１４′）が、上側の弁室（３４）と下側の弁
    室（３２，３２′）とを有しており、両弁室（３４，３２，３２′）が、ピスト
    ンまたはダイヤフラム（３６）によって互いに分離されている、請求項５または
    ６記載の調量ユニット。
  8. 【請求項８】 差圧弁（１４，１４′）の下側の弁室（３２，３２′）が、
    流入管路（１６）内に形成された液体圧もしくはガス圧で負荷されており、上側
    の弁室（３４）が、制御ピストン（１２）によって減少させられた液体圧もしく
    はガス圧で負荷されている、請求項７記載の調量ユニット。
  9. 【請求項９】 少なくとも１つの接続管路（２８；２８′；２９）が、絞り
    （４３）を有している、請求項１から８までのいずれか１項記載の調量ユニット
    。
  10. 【請求項１０】 下側の弁室（３２′）が、流出管路（４２）を有しており
    、該流出管路（４２）が、別の絞り（４４）を有している、請求項７から９まで
    のいずれか１項記載の調量ユニット。
  11. 【請求項１１】 燃料電池システムに用いられる液状のまたはガス状の原燃
    料を、請求項１から１０までのいずれか１項記載の調量ユニットによって調量す
    るための方法において、圧力変動を回避するために差圧弁（１４，１４′）を使
    用し、該差圧弁（１４，１４′）の絞り横断面（３９）を、制御ピストン（１２
    ）によって形成された流れ圧に関連して自動的に変化させることを特徴とする、
    燃料電池システムに用いられる液状のまたはガス状の原燃料を調量ユニットによ
    って調量するための方法。
  12. 【請求項１２】 調量ユニットによって燃料の調量を、燃料タンク（５９）
    と蒸発器（５２）との間の第１の箇所（１０１）および／または燃料タンク（５
    ９）と改質器（５１）との間の第２の箇所（１０２）および／または燃料タンク
    （５９）と触媒バーナ（５４）との間の第３の箇所（１０３）で行う、請求項１
    １記載の方法。
  13. 【請求項１３】 調量ユニットによって水の調量を、水タンク（６０）と熱
    交換器（５７，５８）との間の第４の箇所（１０４）および／または水タンク（
    ６０）と燃料電池（６２）との間の第５の箇所（１０５）および／または水タン
    ク（６０）と純化段階（５５，５６）との間の第６の箇所（１０６）および／ま
    たは純化段階（５５）と蒸発器（５３）との間の第７の箇所（１０７）で行う、
    請求項１１または１２記載の方法。
  14. 【請求項１４】 調量ユニットによって空気の調量を、コンプレッサ（６１
    ）と触媒バーナ（５４）との間の第８の箇所（１０８）および／またはコンプレ
    ッサ（６１）と純化段階（５６）との間の第９の箇所（１０９）および／または
    コンプレッサ（６１）と燃料電池（６２）との間の第１０の箇所（１１０）およ
    び／またはコンプレッサ（６１）と改質器（５１）との間のさらなる箇所（１１
    １）で行う、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の方法。
  15. 【請求項１５】 燃料電池に用いられる改質器の液状の原燃料を噴霧するた
    めの、請求項１から１０までのいずれか１項記載の調量ユニットの使用。
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