JP2010512611A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

本発明は、アノード端部で水素に富むガス、およびカソード端部で酸化剤を供給して、燃料電池（２６）中で反応させることによって、アノード排出ガスおよびカソード排出ガスにする燃料電池（２６）と、アノード排出ガスが供給されるアフタバーナ（３６）と、アフタバーナ排出ガスが供給され、それを用いて、燃料電池（２６）のカソード端部に供給される酸化剤を予熱することができる熱交換器（４６）とを備える燃料電池システムに関する。本発明によれば、カソード排出ガス・ライン（４４）を介してアフタバーナ（３６）の上流にある熱交換器（４６）にカソード排出ガスの供給が可能である。本発明は更に、そのような燃料電池システムを備える自動車両にも関する。

Description

本発明は、アノード端部で水素に富むガス、およびカソード端部で酸化剤を供給して、その中で反応させることによって、アノード排出ガスおよびカソード排出ガスにする燃料電池と、アノード排出ガスの供給を受け取るアフタバーナと、アフタバーナ排出ガスの供給を受け取り、それを用いて、燃料電池のカソード端部に供給するための酸化剤を予熱することができる熱交換器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備える自動車両にも関する。

燃料電池システムは、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。燃料電池または燃料電池スタック内で水素と酸素が反応するので、使用される燃料は、燃料電池のアノードに供給されるガスができるだけ高い水素のパーセンテージを有するように調整されなければならず、これは改質器の仕事である。燃料電池のアノード端部に供給される水素に富むガスは、アノード端部出力でアノード排出ガスとして排出され、同様に、カソード端部に供給される酸化剤は、カソード端部出力でカソード排出ガスとして排出される。燃料電池のアノード排出ガスを燃焼させるために、燃料電池システムは一般にアフタバーナを利用し、アフタバーナは、天然空気供給を有するか、または燃料電池のカソード排出ガスを利用する。この後者の原理には、カソード排出ガス中に存在する熱エネルギーが一般に、アフタバーナの下流に配置された熱交換器を介して回収され、したがって、カソード排出ガス・ライン内に追加の回収熱交換器が不要になるという利点がある。そのような燃料電池システムが、例えば特許文献１において開示されている。しかし、この従来技術における欠点は、アノード排出ガス流へのカソード排出ガス流の割当てが固定されているため、カソード排出ガスをアノード排出ガスの燃焼に利用する際のアフタバーナの閉ループ制御が達成困難であり、または実際には達成不可能であるということである。

ドイツ公開特許公報ＤＥ １０１ ４２ ５７８ Ａ１

したがって、カソード排出ガスの熱エネルギーを利用すると同時に、アフタバーナのより良好な制御が今回達成できるように、一般的な燃料電池システムを高度化することが、本発明の目的である。

この目的は、請求項１に記載の特徴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、カソード排出ガス・ラインを介してアフタバーナの下流にある熱交換器までカソード排出ガスの供給が可能であるという点で、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、アフタバーナの良好な開ループまたは閉ループ制御と同時に、ただ１つの熱交換器を用いた、アノード排出ガスおよびカソード排出ガスからの熱エネルギーの回収が達成される。アノード排出ガスの熱エネルギーは、アフタバーナから出る排出ガス中に残り、アフタバーナの下流にある熱交換器内でカソード供給空気を予熱するために利用される。カソード排出ガスでアフタバーナをバイパスすることによって、アフタバーナへ別個に酸化剤を供給し、それにも関わらず、カソード排出ガスの熱エネルギーを、カソード供給空気を予熱するために依然として利用することが、この場合可能になる。アフタバーナに別に酸化剤を供給することがこのようにできることにより、カソード供給空気とカソード排出ガスとの結合がこの場合、有利に妨げられる。この構成の更なる利点は、アノードおよびカソード排出ガスの熱エネルギーを利用する際に、アフタバーナがこの場合、熱応力から解放されるということである。

更に、本発明による燃料電池システムは、弁が設けられ、それを用いて、燃料電池と熱交換器の間のカソード排出ガスをその場合完全に、または一部分岐し、したがってより高速な始動の利点を得ることができるように、更に高度化することができる。システムの始動時に、カソード排出ガスが熱交換器に完全に供給されなければならない場合、カソード供給空気が十分に予熱されるまで、より長い時間がかかることになる。これが、そのような弁を用いて、熱交換器へのカソード排出ガスの供給をこの場合制御し、つまり実際には、燃料電池システムの始動段階においてカソード排出ガスを熱交換器にほとんどまたは全く供給しないが、その代わりに熱いアフタバーナ排出ガスだけを供給することができる理由である。始動段階後、カソード排出ガスが十分に熱くなると、カソード排出ガスを熱交換器に完全に供給することができる。

更に、この更なる実施形態は、弁が、少なくとも燃料電池、アフタバーナ、および熱交換器を環境周囲から熱的に絶縁する絶縁物の外側に位置するように構成することもできる。この構成には、弁がこの場合、それが絶縁物の外側に位置することにより熱応力から解放され、したがってその場合、標準的な弁（ＥＧＲ）を使用することができるという利点がある。

更に、本発明による燃料電池システムは、熱交換器の上流にあるカソード排出ガス・ライン内に温度センサが設けられるように構成することもできる。この温度センサにより、この場合、熱交換器に流れ込むアノード排出ガスの入力温度を、アフタバーナ・アノード排出ガスとカソード排出ガスとの関係の変化によって制御することが可能になる。更に、感知された温度が、カソード排出ガス・バイパス・ライン内の弁の開ループ制御に指令を出すための可変値として働く。

更に、カソード排出ガス・ラインが、アフタバーナを取り囲む覆い（ｓｈｒｏｕｄ）として構造化され、その結果、アフタバーナの熱応力の除去をもたらすことを実現することもできる。というのも、カソード排出ガス・ラインを、覆いの形でアフタバーナを取り囲むように構成することによって、それがアフタバーナを冷却するためのジャケットとして働くとともに、アフタバーナによって排出された熱を、カソード供給空気を予熱するために熱交換器に供給することができ、その結果として、アフタバーナはこの場合、それほど熱エネルギーを供給する必要がなく、したがって、燃料電池システム内に熱エネルギーが残っているにも関わらず、アフタバーナが十分に冷却されることが可能になるためである。

更に、本発明による燃料電池システムは、アフタバーナに酸化剤を供給するための酸化剤供給ライン内に、別に制御可能な送出手段がこの場合設けられ、それを用いて、酸化剤の供給を、カソード空気供給とは無関係に制御することができ、したがってアフタバーナの良好な開ループおよび閉ループ制御を達成することができるように構成することもできる。

本発明による自動車両がそのような燃料電池システムを組み込むと、上記で列挙した利点がそれに対応して、自動車両において得られる。

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。

第１の実施形態例による燃料電池システムの概略図である。 第２の実施形態例による燃料電池システムの概略図である。

ここで図１を参照すると、第１の実施形態例による燃料電池システムの概略図が示されている。自動車両内に設置された燃料電池システムは、改質器１２を備え、改質器１２は、燃料の供給を、第１の燃料ライン１４を介して燃料タンク１６から受け取り、燃料はまた、改質器１２に、第２の燃料ライン１８を用いて供給される。この燃料は、ディーゼル、ガソリン、バイオガス、または従来技術において知られる任意の他のタイプの燃料とすることができる。更に、改質器１２は、酸化剤、例えば空気の供給を、第１の酸化剤ライン２２を介して受け取る。改質器１２によって発生されるリフォーメートが、リフォーメート・ライン２４を介して燃料電池スタック２６に供給される。燃料電池スタック２６に代わる一手段として、ただ１つの燃料電池を設けることもできる。関係するリフォーメートは、水素に富むガスであり、このガスは、燃料電池スタック２６内で、カソード供給空気ライン２８を介して供給されたカソード供給空気（酸化剤）の助けを借りて反応し、その際に電気と熱を発生させる。発生された電気は、電気端子３０を介して取り出すことができる。図示のケースでは、アノード排出ガスがアノード排出ガス・ライン３２を介してアフタバーナ３６の混合器３４に供給される。アフタバーナ３６は、燃料の供給を、燃料タンク１６から第３の燃料ライン３８を介して受け取る。更に、アフタバーナ３６は、酸化剤の供給を、第２の酸化剤ライン４０を介して受け取る。燃料ライン１４、１８および３８内、酸化剤ライン２２および４０内、ならびにカソード供給空気ライン２８内に、例えばポンプまたは送風機、ならびに／あるいは流れの閉ループ制御用の制御弁など、対応する送出手段が設けられる。この構成では、第２の酸化剤ライン４０に割り当てられた送出手段の閉ループ制御が、第１の酸化剤ライン２２が割り当てられた送出手段の閉ループ制御とは別である。アフタバーナ３６内では、使い果たされたアノード排出ガスが、燃料および酸化剤の供給と反応して燃焼排出ガスになり、それが、混合器４２内で、カソード排出ガス・ライン４４を介して燃料電池スタック２６から混合器４２に供給されるカソード排出ガスと混合される。ほぼゼロの有害排出物質を含有する燃焼排出ガスが、排出ガス出口２０を介して最終的に燃料電池システムから出るまで、熱交換器４６を通って流れて、カソード供給空気を加熱する。混合器４２と熱交換器４６の間のラインの部分は、カソード排出ガス・ラインの部分であると同時に、アフタバーナ排出ガス・ラインの部分でもある。燃料電池システム、特に改質器１２、燃料電池スタック２６、アフタバーナ３６、および熱交換器４６は、これらの構成要素を環境から熱的に絶縁する熱絶縁物１０によって取り囲まれている。燃料および酸化剤供給ライン１４、１８、２２、３８および４０内に設けられた送出手段を作動し、閉ループ制御するための制御器（図示せず）が更に設けられる。

次に図２を参照すると、第２の実施形態例による燃料電池システムの概略図が示されている。冗長な繰返しを避けるために、第１の実施形態と比較して違う点だけを、以下に論じる。更なる実施形態例において論じるように、混合器４２を介してカソード排出ガスを混合すると生じる１つの影響は、始動時にカソード排出ガスが依然として冷たい、すなわち熱交換器４６を介してカソード供給空気を十分に予熱するのに十分なほど熱くないため、システムを始動する際に起こり得る遅延である。これが、第２の実施形態における有利な更なる発展形態では、カソード排出ガス・バイパス・ライン４８が、燃料電池スタック２６と混合器４２の間でカソード排出ガス・ライン４４から分岐されて、熱交換器４６の下流にある他方の端部のところの排出ガス出口２０内に移される理由である。カソード排出ガス・バイパス・ライン４８には、一種の絞り弁のような弁５０が設けられ、それを用いて、混合器４２に供給されるカソード排出ガスの流れを制御することができる。カソード排出ガスの温度を制御するために、温度センサ５２も、熱交換器４６の上流、より正確には、カソード排出ガス・ライン４４内のカソード排出ガス・バイパス・ライン４８の分岐の上流に配設される。一代替手段として、熱交換器４６に至るアノード排出ガスの入口温度を感知するために、温度センサ５２を混合器４２と熱交換器４６の間に配設することもできる。この温度センサを調べることにより、電子制御器５４がそれに対応して弁５０を作動させることができる。システム始動時に、弁５０は、カソード排出ガスの大部分がカソード排出ガス・バイパス・ライン４８を介して熱交換器４６をバイパスするように十分に開かれ、その結果、熱交換器４６が、高速システム始動ができるように、すなわちカソード供給空気ライン２８内のカソード供給空気の高速予熱ができるように、高温のアフタバーナ排出ガスだけを、またはそれを主として受け取る。システムがある運転温度に達し、その結果、カソード排出ガスの温度も上昇した後、弁５０が更に連続して閉じられ、したがって、より多くのカソード排出ガスが混合器４２に、したがって熱交換器４６に供給され、その結果、回収効果が達成される。弁５０がこのように制御される場合、温度センサ５２によって感知される温度は、指令変数としての働きをする。熱応力を除去するために、弁５０は、好ましくは、熱絶縁物１０の外側に構成され、したがって、自動車排気系で知られるＥＧＲ弁のような標準的な構成要素を使用することが可能になる。構造的には、カソード排出ガス・ライン４４は、好ましくはアフタバーナ３６を覆って構成される。例えば、カソード排出ガス・ライン４４を、アフタバーナ３６を取り囲むらせん管（スパイラル・チューブ）として構成することができる。一代替手段として、カソード排出ガス・ライン４４が、アフタバーナ３６を二重シェル・スリーブ（ｄｏｕｂｌｅ ｓｈｅｌｌ ｓｌｅｅｖｅ）として覆い、その隙間を通ってカソード排出ガスが流れることもできる。

更なるバージョンでは、カソード排出ガス・ライン４４に、カソード排出ガス流の閉ループ制御がそれを用いて可能な、制御可能な送出手段を設けることができる。

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…熱絶縁物、１２…改質器、１４…第１の燃料ライン、１６…燃料タンク、１８…第２の燃料ライン、２０…排出ガス出口、２２…第１の酸化剤ライン、２４…リフォーメート・ライン、２６…燃料電池スタック、２８…カソード供給空気ライン、３０…電気端子、３２…アノード排出ガス・ライン、３４…混合器、３６…アフタバーナ、３８…第３の燃料ライン、４０…第２の酸化剤ライン、４２…混合器、４４…カソード排出ガス・ライン、４６…熱交換器、４８…カソード排出ガス・バイパス・ライン、５０…弁、５２…温度センサ、５４…電子制御器

Claims (7)

1. 燃料電池（２６）における反応によりアノード排出ガスおよびカソード排出ガスにするために、アノード端部で水素に富むガスをまたカソード端部で酸化剤の供給を受け取る燃料電池（２６）と、
   前記アノード排出ガスの供給を受け取るアフタバーナ（３６）と、
   アフタバーナ排出ガスの供給を受け取り、それを用いて、前記燃料電池（２６）のカソード端部に供給するための酸化剤を予熱することができる熱交換器（４６）と、を備える燃料電池システムであって、
   カソード排出ガス・ライン（４４）を介して前記アフタバーナ（３６）の下流にある前記熱交換器（４６）まで、前記カソード排出ガスの供給が可能であることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池（２６）と熱交換器（４６）の間の前記カソード排出ガスを完全にまたは一部分岐することができる弁（５０）が設けら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。
3. 前記弁（５０）が、少なくとも前記燃料電池（２６）、前記アフタバーナ（３６）、および前記熱交換器（４６）を周囲から熱的に絶縁する絶縁物（１０）の外側に位置することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記熱交換器（４６）の上流にある前記カソード排出ガス・ライン（４４）内に、温度センサ（５２）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. 前記カソード排出ガス・ライン（４４）が、前記アフタバーナ（３６）を取り囲む覆いとしての構造を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記アフタバーナ（３６）に酸化剤を供給するための酸化剤供給ライン（４０）内に、別個に制御可能な送出手段が設けら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. 請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システムを備える自動車両。

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