JP2010530600A - 燃料電池システムのガス供給手段に組込む密閉セパレータユニット - Google Patents

Abstract

本発明の目的は、燃料電池システムの運転信頼性を、特にガス供給手段に考慮して、向上することである。そのために、燃料電池システムのガス供給手段に組込み、ガス供給手段から液体を分離する密閉セパレータユニット（１）を提供し、該セパレータユニットには、液体を分離するセパレータ（５）を備え、セパレータユニット（１）を密閉するハウジング（２）を備え、セパレータ（５）をハウジング（２）のガス空間（２１）に配設し、及び／又はガス空間と熱的に接触させ、セパレータ（５）から液体を排出するラインシステム（６）を備えており、セパレータユニット（１）には、ラインシステム（６）に配設する少なくとも１つの流体力学的に作用する機能部品（７、８）を更に備え、該少なくとも１つの機能部品（７、８）をガス空間（２１）に配設する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムのガス供給手段に組込み、ガス供給手段から液体を分離する密閉セパレータユニットであり、液体を分離するセパレータを有し、セパレータユニットを密閉するハウジングを有し、セパレータをハウジングのガス空間に配設し、及び／又は該ガス空間と熱的に接触した状態にし、セパレータから液体を排出するラインシステムを備える、セパレータユニットに関する。

燃料電池システムは可動なエネルギー源として、例えば車両で使用されている。燃料電池システムの運転方法は、水素などの燃料と大気などの酸化剤とを電気化学反応させて、あるいは水素の化学エネルギーを変換させて、電気エネルギーを発生させることに基づくものである。

電気化学プロセスを実施するために、燃料電池システムは通常、カソード領域、アノード領域、及びこれら領域間に配置する膜を備えている。燃料をアノード領域に通過させ、酸化剤をカソード領域に通過させ、膜をこのプロセスで行われるイオン移動のためにイオン透過性とする。運転中、膜が早期摩耗しないように膜を規定した湿度に維持する必要があることが、明らかになっている。従って、水分を管理する構成要素を、アノードガス供給手段とカソードガス供給手段両方に設けて、確実に膜両側の湿度を所望のレベルに維持している。

水分管理構成要素としてよく使用されるのが、セパレータユニットであり、該ユニットはアノードガス供給手段に組込まれる。このセパレータユニットは、アノードガス供給手段から余分な水、より一般的には液体を分離する役割を果たす。

例えば、特許文献１では、燃料電池スタック用供給装置を開示しており、カソードガス供給手段に燃料電池から出た排出空気から水分を分離するための凝縮器を設けている。同文献では、凝縮器の構造設計及び仕組みについては全く開示されていない。

独国特許出願公開第１０２ １６ ９５３号明細書

本発明の目的は燃料電池システムの運転信頼性を、特にガス供給手段について考慮して、改善することである。

この目的を、請求項１の特徴を有する密閉セパレータユニットによって達成する。本発明の好適な又は有利な実施例については、従属請求項、以下の説明、添付図で開示する。

本発明は、燃料電池システムのガス供給手段、好適にはアノードガス供給手段又はカソードガス供給手段に組込むのに適当な及び／又は組込むように構成した密閉セパレータユニットを、提案する。この燃料電池システムは、好適には、可動な燃料電池システムとして構成し、特に車両で使用するよう設計される。この燃料電池システムは、１つ又は複数の燃料電池スタックを備え、該スタックには複数の燃料電池、好適には燃料電池スタック１個当り１００個以上の燃料電池が並んでおり、各燃料電池には、カソード領域及びアノード領域を備え、これら領域を膜（例えば、プロトン交換膜（ＰＥＭ））で分離している。

燃料電池システムは、燃料、特に水素を提供するための燃料補給可能なタンク又は改質器を任意に備えてもよい。

セパレータユニットを、ガス供給手段から液体を分離するのに適当なものにする及び／又は分離するよう構成する。このセパレータユニットは、液体を分離するセパレータを備え、該セパレータを、好適には、ガス流から液体を分離する凝縮器として構成する。セパレータを、同様にセパレータユニットの構成部品を成すハウジング内に密閉して配設するが、該セパレータをハウジング内部に位置するガス空間に配置する、及び／又はこのガス空間と熱的に接触させる。好適には、ガス空間を、周囲環境に対して液密及び／又は気密にハウジングによって密閉する。ハウジングを、好適には、セパレータの体積の１０倍より小さく、特には同体積の５倍より小さく、特には同体積の３倍より小さくする。好適には、レベルセンサをセパレータに配設し、該センサでセパレータ内に収集した液体の高さを測定する。好適には、レベルセンサも同様にハウジング内及び／又はガス空間内に配置する。

液体を排出するために、セパレータユニットは、例えば、液体を外部、液体用貯留タンク、又は作動ガス、即ち燃料及び酸化剤を加湿する加湿器に排出するエゼクタを備えて構成されたラインシステムを有する。

本発明は、ラインシステムに配設され、特に流れ用に連結すると共に、ガス空間、即ち、セパレータユニットのハウジング内に配設された少なくとも１つの流体力学的に作用する機能部品を備える、密閉セパレータユニットを提案する。

本発明では、燃料電池システム、特にそのガス供給手段の運転信頼性が、環境条件によって大いに影響を受けることが確認された。特に周囲温度が０°Ｃ未満では、ガス供給手段の構成要素は凍結又は氷結し易く、これが機能性を著しく損ない、その結果ガス供給手段の運転信頼性、ひいては燃料電池システム全体の運転信頼性を著しく損なう可能性がある。

特に耐凍害性のガス供給設計にするために、本発明は、セパレータを、共通のハウジング内に、少なくとも１つの液体排出用の更なる流体力学的に機能するラインシステムの機能部品と共に配設することを、提案している。このように配設することで、セパレータを通過するガス供給手段の媒体流を使用して、熱をセパレータユニットに取入れ、その結果セパレータと少なくとも１つの流体力学的に有効な機能部品の両温度を、媒体流によって調整できる。

本発明の好適実施例では、更なる機能部品を、弁及び／又はフィルタ、好適には排水弁及び排水フィルタの形とし、夫々セパレータからの液体流出物を制御又は濾過する。厳密にはこれら２つ機能部品を、構成によっては、それらの設置位置のために、０°Ｃ未満の温度で凍結又は氷結する危険性のある、セパレータと排気管との間のラインシステムに位置させる。本発明により、これらの機能部品を能動的あるいは受動的に加熱するあるいは温度調整する設置空間に配設することで、その危険性を著しく軽減できる、あるいは排除すらできる。

本発明の有利な更なる発展例では、１つ又は複数の加熱装置をハウジング内に組込む。加熱装置は、好適には、外部エネルギーを変換して熱を提供する能動的加熱装置、又は熱交換器を使用して熱を提供する受動的加熱装置を意味するものと理解される。

加熱装置の可能な他の実施例として、燃料電池システムの冷却水回路の一部をハウジングに通す、及び／又は熱交換器を冷却水回路と熱的に接触するハウジングに組込むものが挙げられる。冷却水回路の冷却液が燃料電池システムの起動後遅くとも短時間で０°Ｃ超の温度を示すとすぐに、ガス空間の温度、ひいてはガス空間の機能部品の温度を、提案したハウジングと冷却水回路との間の熱結合の結果、調整できる。

別の他の実施例では、加熱装置を電熱装置として構成し、該装置を好適にはカートリッジヒータの形とする。カートリッジヒータを、直接機能部品に隣接するガス空間に配設するのが、特に好適である。

更なる他の実施例では、加熱装置を、アノードガス供給手段の一部として、特にアノードガス供給手段のパージ分岐部の一部として構成し、その部分の幾らかをセパレータユニットのハウジングを通して延伸させる。あるいは、熱交換器を、アノードガス供給手段、特にパージ分岐部と熱的に接触するハウジングに組込んでもよい。

上記加熱装置を起動中又は運転中に０°Ｃ未満で使用して、特に解凍面領域で凝縮水を解凍する、又は液化した凝縮水を保持してもよい。

本発明の好適な更なる発展例では、少なくとも１つの更なる流体力学的に作用する機能部品をハウジング及び／又はハウジングのガス空間に組込む。この例では、セパレータから液体を排出するラインシステムの構成部品である機能部品だけでなく、他の機能部品も、ハウジングに又はガス空間に組込んで該部品の温度を調整できる点を利用する。

この場合、更なる機能部品をアノードガス供給手段の構成部品として、特にアノードガス供給手段の構成部品又はアノードガス供給手段のパージ分岐部として構成することが、特に好ましい。アノードガス供給手段の媒体流を高温、例えば８０°Ｃに保つ必要があるため、セパレータ又は上記ラインシステムの機能部品の温度を、機能部品をハウジングに組込んで調整してもよい、あるいは更なる加熱装置を設けた場合、アノードガス供給手段の機能部品の温度を、セパレータやラインシステムの機能部品と共に該更なる加熱装置で調整してもよい。

この概念では、本発明の好適な更なる発展例では、更なる機能部品が、パージ分岐部の弁及び／又はフィルタ、従ってパージ弁及び／又はパージフィルタとして構成されることとする。

加熱装置を実装するに関して既に上述した可能性に加えて、該加熱装置を、パージ分岐部を直接加熱するよう構成及び／又は配設し、好適には加熱装置を電熱装置の形とすることを、提案する。

本発明の特に好適な構造的な実装例では、機能部品を、セパレータユニットを設置する際に、機能部品の取入口、特に排水弁及び／又は排水フィルタの取入口に残る液体を、重力によってセパレータへと還流するよう配設する。

あるいは、又は加えて、アノードガス供給手段の一部、及び／又はパージ分岐部及び／又は排水弁及び／又は排水フィルタを、アイドル状態で、残液がアノードガス供給手段に、特にアノードガス供給手段の主分岐部に還流するように、配設する。

液体を凍結の危険性を低くして領域に還流させるのを助けるために、機能要素の液体搬送面に、液体の流出を助ける撥水性コーティング、好適には疎水性コーティングを施す。

本発明の更なる特徴、利点、効果については、以下の本発明の好適な例示的実施例の説明の他、添付図により明らかとなろう。

本発明の例示的実施例の動作線図である。 図１の例示的実施例を側面から見た際の略図である。 図２の例示的実施例の略平面図を示す。

図１では、本発明の例示的実施例としてのセパレータユニット１について動作線図を示している。セパレータユニット１を、例えば可動のエネルギー源として車両で使用するような、燃料電池システムのアノードガス供給手段の一部とする。

セパレータユニット１をハウジング２で密閉し、該ハウジング２を独立した組立体として燃料電池システム（図示せず）内、又はアノードガス供給手段（図示せず）内に挿入する。

可能な限り単純な実施例では、セパレータユニット１には、ハウジング２と、燃料電池システムのアノードガス供給手段の再循環ラインにセパレータユニット１を組込むための連結部３と、燃料電池システムのアノード出口からアノード入口に繋がる再循環ラインと、を備えると共に、出口４ａと、入口３と出口４ａとの間の流れ用に配設するセパレータ５と、を備える。

セパレータ５は、再循環ラインを流れるガスを除湿する役割を果たし、液体をセパレータ５によって結合させてアノードガス供給手段から取出す。セパレータ５をラインシステム６と連結させ、該ラインシステムを介して、分離した液体を液体排出口４ｂまで搬送し、該排出口を、例えば排気管等に連結する及び／又は連結させてもよい。流体力学的に作用する機能要素を排水フィルタ７と排水弁８の形で、ラインシステム６に挿入し、これらによって結合して取出した液体を濾過するあるいは該液体の処理を制御する。

更に、レベルセンサ９をセパレータ５に配設し、該センサで、セパレータ５で分離した液体の液面を測定する。レベルセンサ９の信号を、例えば排水弁８を作動するのに使用する。単に、セパレータ５、排水フィルタ７、排水弁８をハウジング２に組込むことで、確実に、上記機能部品の温度を、入口３と出口４ａを介して貫流するアノードガス供給手段の媒体流で調整でき、それによりこれら機能部品を運転中に凍結から守る、あるいは燃料電池システムの起動時に即座に解凍する。

更にカートリッジヒータ１０を組込み、該ヒータにより能動的にハウジング２内部、特に排水フィルタ７の領域、排水弁８の領域及び／又はレベルセンサ９の領域の温度を、電気エネルギーを変換して調整することも、一選択肢として可能である。

更なる又は他の選択肢として、冷却水ライン１１の一部をセパレータユニット１のハウジング２を通して環状にすることも可能である。冷却水回路１１の冷却液を、燃料電池システムの運転中に、出来る限り短時間で、熱エネルギーが熱交換器（図示せず）を介してハウジング２内部へ出力されるように、加熱し、そうしてハウジング２内部の温度、その結果機能部品の温度を調整してもよい。任意に、スロットル１２をハウジング２内で延在する冷却水回路１１の部分に設けて、ハウジング２を通る流速を制限するようにする。

更なる任意の発展例として、少なくともパージライン１３の一部分をハウジング２に組込む。パージライン１３を、アノードガス供給が汚染された場合に、アノードガス供給手段から一部のガスを制御して放出するのに用いる。そのために、パージライン１３をハウジング２内で出口４ａとセパレータ５との接続ラインから分岐させ、第１フィルタ１４、スロットル１５、パージ弁１６を通し、次に、第２フィルタ１７を介して、パージ出口１８まで通す。パージ出口１８を、例えば排気管に連結して、アノードガスを環境に放出する、あるいは燃料電池システムのカソード領域への入口に連結する。暖められたアノードガスを、ハウジング２を通るパージライン１３のループに通すため、熱エネルギーを追加的にハウジング２に導入することになり、それにより排水フィルタ７、排水弁８及び／又はレベルセンサ９といった機能部品を調整できる。しかしながら、パージライン１３をパージ中に使用するだけであり、また最も好ましくない場合、凍結あるいは氷結する傾向がある。パージライン１３、特にフィルタ１４、１７、及びパージ弁１６をハウジング２に組込むことで、確実にこれらの更なる機能部品を、上述した機能部品と同じ又は同様の温度レベルに維持できると共に、凍結や氷結から保護できる。

更なる選択肢として、第２カートリッジヒータ１９を設けてもよく、特にこれを第２フィルタ１７の上流にあるパージライン１３の領域に配設する。

任意には、差圧センサ２０を同様にセパレータユニット１の構成部品とし、該差圧センサ２０を同様にハウジング２に、ハウジング延長部分を示す点線で図１に示したように、組込んでもよい。

特に好適な実施形態である図１の動作線図では、カートリッジヒータ１０を、まず排水弁８を加熱し、更に熱が伝導した結果、セパレータ５の下部が加熱され、このため一層急速に解凍できるように配設する。カートリッジヒータ１０による電気的加熱に加えて、セパレータ５の下部を特に冷却水ライン１１の冷却水によって加熱する。

図２は、図１のセパレータユニット１の可能な構造的実装例について、設置位置で、側面から見た際の略図である。図３は、図２の装置の略平面図を示している。

図２の側面図では、ハウジング２を２つのサブ領域に大凡分割して、セパレータ５を、図２右側に配置した、側面から見て矩形構造の第１サブ領域Ｉに組込んでもよい。セパレータ５の上側領域の直径ｄ１を、例えば約８５ｍｍとし、下端部の直径ｄ２を約４０ｍｍとする。レベルセンサ９を、約２０ｍｍの高さｈ１に配設し、円錐領域全体の高さを約４５ｍｍとする。

ハウジング２の第２サブ領域ＩＩを、第１サブ領域の左側に隣接させ、側面から見て、同様な矩形構造とするが、これら２つのサブ領域Ｉ及びＩＩを互いに開放的に広域に亘り連結し、それにより両領域で纏まって共通のガス空間２１を形成するようにする。サブ領域Ｉの高さｈ２を約１８５ｍｍとし、サブ領域ＩＩの高さｈ３は約１５０ｍｍとする。第２サブ領域ＩＩには、機能部品、特に排水フィルタ７、排水弁８、カートリッジヒータ１０を配設する。カートリッジヒータ１０をここでは、一方で排水弁８を、他方でセパレータ５の下側領域を加熱するように配置する。図面から明らかなように、機能部品を、アイドル状態で、セパレータ５から機能部品７及び８までの取入口２２にある液体をセパレータ５に還流させるように、配設する。この挙動を、撥水性コーティング、特に疎水性コーティングを排水フィルタ７、排水弁８又は流入部２２の液体搬送領域に施すことで、補助してもよい。

図３は、図２の仕組みを、上からの略平面図で示したものであり、第１サブ領域Ｉを円形断面で表し、直径ｄ３を約９０ｍｍとしている。第２サブ領域ＩＩの自由端での奥行きを約６０ｍｍとし、サブ領域ＩＩの中心を通る切断線までの幅ｂを１００ｍｍとしている。

１ セパレータユニット
２ ハウジング
３ 連結部、入口
４ａ アノードガスラインの出口
４ｂ 液体排出口
５ セパレータ
６ ラインシステム
７ 排水フィルタ
８ 排水弁
９ レベルセンサ
１０ カートリッジヒータ
１１ 冷却水ライン
１２ スロットル
１３ パージライン
１４ 第１フィルタ
１５ スロットル
１６ パージ弁
１７ 第２フィルタ
１８ パージ出口
１９ 第２カートリッジヒータ
２０ 差圧センサ
２１ ガス空間
２２ 取入口

Claims (12)

1. 燃料電池システムのガス供給手段に組込まれ、該ガス供給手段から液体を分離する密閉セパレータユニット（１）であり、
   液体を分離するセパレータ（５）を有し、
   セパレータユニット（１）を密閉するハウジング（２）を有し、前記セパレータ（５）を該ハウジング（２）のガス空間（２１）に配設し、及び／又はガス空間と熱的に接触させ、
   前記セパレータ（５）から液体を排出するラインシステム（６）を有するセパレータユニット（１）であって、
   少なくとも１つの流体力学的に作用する機能部品（７、８）を前記ラインシステム（６）に配設し、該少なくとも１つの機能部品（７、８）を前記ガス空間（２１）に設置すること、
   を特徴とするセパレータユニット（１）。
2. 前記機能部品（７、８）が排水弁（８）及び／又は排水フィルタ（７）の形を取ること、を特徴とする請求項１に記載のセパレータユニット（１）。
3. 加熱装置（１０、１１、１３、１９）を、前記ハウジング（２）に組込むこと、を特徴とする請求項１又は２に記載のセパレータユニット（１）。
4. 前記加熱装置が、前記燃料電池システムの冷却水回路（１１）の一部の形を取ること、を特徴とする請求項３に記載のセパレータユニット（１）。
5. 前記加熱装置が電熱装置（１０、１９）の形を取ること、を特徴とする請求項３又は４に記載のセパレータユニット（１）。
6. 前記加熱装置がアノードガス供給手段（１３）の一部分の形を取ること、を特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載のセパレータユニット（１）。
7. 少なくとも１つの更なる流体力学的に作用する機能部品（１６、１７、１８）を、前記ハウジング（２）に及び／又は前記ガス空間（２１）に組込むこと、を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のセパレータユニット（１）。
8. 前記更なる機能部品が、前記アノードガス供給手段の構成部品、特に前記アノードガス供給手段のパージ分岐部（１３）の構成部品の形を取ること、を特徴とする請求項７に記載のセパレータユニット（１）。
9. 前記更なる機能部品が、パージ弁（１６）及び／又はパージフィルタ（１４、１７）の形を取ること、を特徴とする請求項７又は８に記載のセパレータユニット（１）。
10. 前記加熱装置（１９）を、前記パージ分岐部（１３）を直接加熱するよう構成する及び／又は配設すること、を特徴とする請求項３〜９のいずれか１項に記載のセパレータユニット（１）。
11. 前記少なくとも１つの機能部品（７、８）及び／又は前記少なくとも１つの更なる機能部品（１６、１７、１８、２０）を、前記ハウジング（２）及び／又は前記ガス空間（２１）に、アイドル状態で設置し、前記機能部品（７、８、１６、１７、１８）への前記取入口（２２）の液体を前記セパレータ（５）に又は前記ガス供給手段に還流するようにして、配設すること、を特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のセパレータユニット（１）。
12. 前記機能部品（７、８、１６、１７、１８、２０）の液体搬送面に、撥水性及び／又は疎水性コーティングを施すこと、を特徴とする請求項１１に記載のセパレータユニット（１）。
    

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