JP2009541952A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも燃料および酸化剤をそれぞれが反応させるための改質器（２６）およびアフタバーナ（４８）と、改質器（２６）およびアフタバーナ（４８）に燃料を供給するための燃料供給装置（１０）とを備える燃料電池システムに関する。特に有利な実施形態では、燃料供給を制御するための少なくとも１つの流量制御弁（１６、２０）が、少なくとも改質器（２６）またはアフタバーナ（４８）の上流に接続される。本発明は更に、そのような燃料電池システムを有する自動車両にも関する。

Description

本発明は、少なくとも燃料および酸化剤をそれぞれが反応させるための改質器およびアフタバーナと、改質器およびアフタバーナに燃料を供給するための燃料フィーダとを備える燃料電池システムに関する。

本発明は更に、そのような燃料電池システムを有する自動車両にも関する。

一般的なシステムは、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する働きをする。そのようなシステムにとって主要な要素は、電気エネルギーを水素と酸素の制御された反応によって放出する燃料電池である。一般に普及している燃料電池システムは、例えば、室温から約１００℃の範囲の運転温度で一般に運転することができる陽子交換膜（ＰＥＭ）システムである。高温燃料電池、例として、例えば約８００℃の温度範囲内で動作する固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）システムが更に知られている。

改質器、燃料電池スタック、およびアフタバーナを含む従来型の燃料電池システムはしばしば、複数のポンプならびにいくつかの送風機を、それぞれ燃料電池システムの個々の構成要素に燃料および酸化剤を供給するために備える。結果として生じる多数の構成要素のため、そのようなシステムは製造に費用がかかる。

特許文献１は更に、燃料供給用の構成要素の数が低減された一般的な燃料電池システムを開示している。しかし、より少ない構成要素をそのシステムが有することによるコスト節減にも関わらず、燃料および酸化剤が送出される流量に変化があればそれが全ての構成要素に自動的に影響を及ぼすため、燃料電池システムの個々の構成要素を制御するその能力が損なわれている。

ドイツ公開特許公報ＤＥ １０３ ６０ ４５８ Ａ１

したがって、コスト効果の高い燃料電池システムを今回、利用できるようにすると同時に、良好な制御を可能にすることができるように、一般的な燃料電池システムおよびそのような燃料電池システムを有する自動車両を高度化することが、本発明の一目的である。

この目的は、請求項１から解釈されるとおりの燃料電池システム、および請求項８から解釈されるとおりの自動車両によって達成される。

本発明の有利な諸態様および更なる実施形態は、従属請求項から解釈される。

本発明による燃料電池システムは、燃料供給を制御するための少なくとも１つの流量制御弁が、少なくとも改質器またはアフタバーナの上流に含まれるという点で、一般的な従来技術に基づく。こうすることにより、この場合、少なくとも１つの燃料フィーダをなくすことが可能になり、したがって、燃料電池システムを製造するコストが低減される。同時に、こうした節減にも関わらず、要求される運転モードに応じて、それぞれが他のものとは無関係な燃料電池システムの個々の構成要素への燃料の供給を制御することが、この場合可能である。

本発明による燃料電池システムは更に、燃料供給を制御するための少なくとも１つの流量制御弁がアフタバーナの上流に含まれるという点、および改質器に至る燃料供給ラインに流量制御弁が設けられないという点で、有利に高度化することができる。こうすることにより、この場合、改質器の燃料供給ラインで少なくとも１つの弁が節減され、したがって、燃料電池システムのコストを更に低減することが可能になる。アフタバーナは、改質器よりも少ない燃料消費を特徴としてもつため、したがって改質器の供給が常に確保され、アフタバーナへの比較的少ない供給が、対応する流量制御弁を制御することにより達成可能である。

一代替手段として、本発明による燃料電池システムは、燃料供給を制御するための少なくとも１つの流量制御弁が、改質器およびアフタバーナの各々の上流に含まれるように構成することもできる。この実施形態では、先のものとは異なり、追加の流量制御弁が必要になるが、この実施形態では、燃料電池システムの一層良好な制御が可能になる。

本発明による燃料電池システムの好ましい一実施形態では、改質器およびアフタバーナに酸化剤を供給するために酸化剤フィーダが設けられ、したがって、少なくとも１つの酸化剤フィーダをなくすことができるので、燃料フィーダの場合と同じコスト節減が達成されることが更に実現される。

酸化剤フィーダが、更に燃料電池スタックにカソード供給空気を供給するのに適しており、したがって、燃料電池スタックに供給するための別の酸化剤フィーダの必要がなくなり、そのことがやはりコスト節減に役立つことから、更なる節減が実現する。

更に、本発明による燃料電池システムは、流量制御弁を電子制御器によって閉ループ制御するために、少なくとも１つの流量制御弁の下流にセンサが含まれるという点で、高度化することができる。燃料電池システムのいくつかの構成要素に、ただ１つの燃料フィーダから供給すると、構成要素の運転モードに変化があればそれが他の構成要素の燃料供給に自動的に影響を及ぼすことが、燃料消費の圧力が上昇または下降するためその場合起こり得るようになる。この影響を打ち消すために、上述の手段が、各構成要素の正確な閉ループ制御を確実にするために含まれる。

センサが流量センサであることが、特に実現される。

更に、本発明は、本発明によるそのような燃料電池システムを含む自動車両であって、対応する利点を特徴としてもつ自動車両も定義する。

次に、本発明の好ましい一実施形態を、添付の図面を例として参照して詳述する。

本発明による燃料電池システムの一例としての第１の態様の単線結線図である。 本発明による燃料電池システムの一例としての第２の態様の単線結線図である。

ここで図１を参照すると、本発明による燃料電池システムの一例としての第１の態様の単線結線図が示されている。燃料電池システムは、燃料フィーダ１０および酸化剤フィーダ１２を備え、それらの流量をそれぞれ、電子制御器１４を用いて他のものとは別に変更することができる。図中の全ての破線は、制御配線または感知用配線を表す。電子制御器１４によって作動される流量制御弁１６〜２４をそれぞれが含む供給ラインが、燃料フィーダ１０および酸化剤フィーダ１２の出力から分岐している。この場合、供給ラインは特に、そのラインが、燃料電池システムのある特定の構成要素の供給に専用にされて割当て可能になるある点から始まる供給ラインを意味する。燃料電池システムの改質器２６が、燃料、例えばディーゼル、ガソリン、または天然ガスの供給を、燃料フィーダ１０および流量制御弁１６を介して受け取るのは、この意味においてである。更に、酸化剤、例えば空気を、酸化剤フィーダ１２および流量制御弁１８を介して改質器２６に供給することができる。改質器２６に供給される燃料と酸化剤は、反応してリフォーメート２８になり、リフォーメート２８は、燃料電池スタック３０に供給される。燃料電池スタック３０は、スタックされ、直列に電気的に回路形成された個々の燃料電池からなる。改質器２６内で発生されたリフォーメート２８は、燃料電池スタック３０の個々の燃料電池のアノードにアクセスする。燃料電池スタック３０の燃料電池のカソードが、酸化剤フィーダ１２、流量制御弁２４、および熱交換器３２を介して、酸化剤としてカソード供給空気３４を受け取る。リフォーメート２８およびカソード供給空気３４の供給に合わせて、燃料電池スタック３０の個々の燃料電池が、一般に知られるとおりの様式で電気エネルギーを発生させ、それを、電気端子３６と３８の間で電圧として取り出すことができる。カソード排出空気４０が、燃料電池スタック３０から混合器４２に流れ、アノード排出ガス４４が、アフタバーナ４８の混合器４６に供給される。燃料も、燃料フィーダ１０および流量制御弁２０を介してアフタバーナ４８に供給するのに利用することができる。同様に、酸化剤が、酸化剤フィーダ１２および流量制御弁２２を介してアフタバーナ４８に供給される。燃料と酸化剤の混合物を、混合器４６を用いて、アノード排出ガス４４と任意選択で混合することができる。アフタバーナ４８の熱い排出ガスが、混合器４２内で、燃料電池スタック３０から出るカソード排出空気４０と混合される。結果として得られる混合物が、熱交換器３２を通って流れて、カソード供給空気３４を予熱する。燃料と酸化剤の供給を閉ループ制御するために、流量制御弁１６〜２４それぞれの後に、電子制御器１４に電気的に結合されたセンサ５０〜５８、すなわち流量制御弁１６〜２４の出力に配置されたセンサ５０〜５８が続く。センサ５０〜５８は、圧力または流量を感知して、結果として得られる流量制御弁１６〜２４の閉ループ制御用の信号を電子制御器１４に供給することができる。コリオリ型質量流量センサ（Ｃｏｒｉｏｌｉｓ ｍａｓｓ ｆｌｏｗ ｓｅｎｓｏｒ）、渦カウンタ流量センサ（ｖｏｒｔｅｘ ｃｏｕｎｔｅｒ ｆｌｏｗ ｓｅｎｓｏｒ）、または能動的圧流量センサ（ａｃｔｉｖｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｆｌｏｗ ｓｅｎｓｏｒ）がいずれも、流量センサとして有用である。

燃料電池システムの運転の際には、改質器２６、アフタバーナ４８、および燃料電池スタック３０への燃料または酸化剤の供給を、対応する燃料フィーダ１０または酸化剤フィーダ１２の流量、ならびに対応する流量制御弁１６〜２４の流量を電子制御器１４を用いて適切に設定することによって、任意選択で変更することができる。このために、電子制御器１４は、望まれる運転モードの必要に応じて、好ましくは所与のテーブルを用いて、燃料フィーダ１０、酸化剤フィーダ１２、ならびに個々の流量制御弁１６〜２４への燃料および酸化剤の必要な流量の作動化を決定する。確実に流量制御弁１６〜２４への望まれる流量が実際に達成されるようにすることが、センサ５０〜５８で感知される信号を評価して流量制御弁１６〜２４を閉ループ制御することによりなされる。

次に図２を参照すると、本発明による燃料電池システムの一例としての第２の態様の単線結線図が示されている。第２の態様は、単に流量制御弁１６および１８、ならびに割り当てられたセンサ５０および５２が省略され、したがって、２つの流量制御弁および２つのセンサがこの態様例において節減されていることで、第１のものとは異なる。改質器２６への媒体（燃料および酸化剤）の供給の方が、アフタバーナ４８への対応する媒体の供給よりも多いので、アフタバーナ４８ならびに割り当てられたセンサ５４および５６に供給するために、流量制御弁２０および２２を以前と同じように含まなければならない。改質器２６への媒体の供給が増大されると信号で伝えられるとともに、アフタバーナ４８への供給が一定のままであるべき場合、次いで、この変形形態では、燃料フィーダ１０および酸化剤フィーダ１２の流量が増大され、流量制御弁２０および２２の各流量が、閉ループ制御によって、すなわちこれらの流量制御弁の口径が低減されることによって、一定に維持される。これは、第１の態様例に関連して説明したのと同じように、電子制御器１４によって、センサ５４および５６によって供給される信号を評価して行われ、その結果、改質器２６の媒体の供給が増大するとともに、アフタバーナ４８の媒体の供給が一定に維持される。

改質器２６およびアフタバーナ４８がもはや、燃料供給用の単独の流量制御弁１６、２０として、また酸化剤供給用の単独の流量制御弁１８、２２として割り当てられない、上述の各態様例とは異なる変形では、以下の変形が可能である。例えば、改質器２６またはアフタバーナ４８は、燃料供給用の複数の流量制御弁および／または酸化剤の供給用の複数の流量制御弁が同時に割り当てられてもよい。例えば、燃料または酸化剤を、改質器２６および／またはアフタバーナ４８の蒸発器あるいは二次または三次の空気供給に、別の閉ループ制御内の流量制御弁を介して供給することが有利となり得る。

上記の説明において開示し、図中に示し、特許請求する本発明の特徴は、本発明をそれら自体でも、任意の組合せにおいても達成するのに極めて重要となり得ることが理解されよう。

１０…燃料フィーダ、１２…酸化剤フィーダ、１４…電子制御器、１６…流量制御弁、１８…流量制御弁、２０…流量制御弁、２２…流量制御弁、２４…流量制御弁、２６…改質器、２８…リフォーメート、３０…燃料電池スタック、３２…熱交換器、３４…カソード供給空気、３６…電気端子、３８…電気端子、４０…カソード排出空気、４２…混合器、４４…アノード排出ガス、４６…混合器、４８…アフタバーナ、５０…センサ、５２…センサ、５４…センサ、５６…センサ、５８…センサ

Claims (8)

1. それぞれ少なくとも燃料および酸化剤を反応させるための改質器（２６）およびアフタバーナ（４８）と、前記改質器（２６）および前記アフタバーナ（４８）に燃料を供給するための燃料フィーダ（１０）とを備える燃料電池システムであって、燃料供給を制御するための少なくとも１つの流量制御弁（１６、２０）が、少なくとも前記改質器（２６）または前記アフタバーナ（４８）の上流に含まれることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料供給を制御するための前記少なくとも１つの流量制御弁（２０）が、前記アフタバーナ（４８）の上流に含まれ、前記改質器（２６）に至る燃料供給ラインに流量制御弁が設けられないことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料供給を制御するための少なくとも１つの流量制御弁（１６、２０）が、前記改質器（２６）および前記アフタバーナ（４８）のそれぞれの上流に含まれることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記改質器（２６）および前記アフタバーナ（４８）に酸化剤を供給するために、酸化剤フィーダ（１２）が設けられることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記酸化剤フィーダ（１２）が、更に燃料電池スタック（３０）にカソード供給空気（３４）を供給するのに適していることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記流量制御弁（１６、２０）を電子制御器（１４）によって閉ループ制御するために、前記少なくとも１つの流量制御弁（１６、２０）の下流にセンサ（５０、５４）が含まれることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
7. 前記センサ（５０、５４）が流量センサであることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池システムを有する自動車両。

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