JP2013511115A - アノード回路に液体分離器を備える燃料電池システム - Google Patents

Abstract

本発明はアノード回路（９）を有する燃料電池システム（１）に関し、このアノード回路によって、未使用のガスが燃料電池（２）のアノード領域（３）から再循環フィード装置（１１）を介してアノード領域（３）に戻されるようにできる。このアノード回路（９）には、少なくとも１つの液体分離器（８）が配置されている。この液体分離器（８）は、構造的に再循環フィード装置（１１）と一緒に１つのコンポーネントユニットに一体化されて実施されている。アノード領域（３）への新鮮な水素の供給は、液体分離器（８）への水素の供給によって行われる。
【選択図】図２

Description

本発明は、請求項１の前提部分に詳しく定義されている種類の、アノード回路を備える燃料電池システムに関する。

従来技術から、燃料電池システムにアノード回路を設けることが知られており、このアノード回路によって、燃料電池のアノード領域からでる未使用の排出ガスを再循環し、新鮮な水素と一緒に再び燃料電池のアノード領域に供給することができる。アノード領域において生じる圧力損失を補正するため、そのようなアノード回路部分には再循環フィード装置が必要である。この再循環フィード装置は、原則的に、ブロワ、コンプレッサなどから成り得る。しかし、ガス噴射ポンプ又はジェットポンプのような方法で、流入する新鮮な水素が再循環ガス流を吸入するように再循環フィード装置を形成することも考えられるであろう。また、これらの種類の再循環フィード装置を組み合わせることも考えられる。

しかし、通常は、再循環フィード装置としてブロワが用いられる。このようなブロワを確実に、高い信頼性をもって作動可能にするため、また、特にシステム停止時にブロワ部分の液滴が凍結してブロワホイールがブロックされるのを防ぐため、従来技術から、特許文献１の形態で再循環フィード装置の前後に液体分離器を配置することが知られている。これらは、測地学的に高い位置にある水分離器が、例えば第２の水分離器の部分又はその配管部分の中へ分離する水を流入させるように互いに接続することができる。新鮮な水素の供給は、この構成の場合、通常は、再循環フィード装置と第１の水分離器との間で行われる。このことは、これら両方の構成部品間の配管内で液滴が凝結するという課題と、場合によってはバルブ及び／又は再循環フィード装置の部分に戻るという課題とがある。このような燃料電池システムが氷点下の温度で停止すると、凝結した水が凍結する場合があり、再始動時に機能障害又は漏れを引き起こすおそれがある。

その他に、特許文献２から、コンポーネントユニットとしての分離器を再循環フィード装置に接続することが知られている。このことは、特に、液滴を分離するために再循環フィード装置の回転運転を利用して、全体としてできる限り簡単かつ効率的な構造にするために提案される。この場合、文献には、平行して第２の分離器が説明されており、この第２の分離器は、前述の文献に記載されている再循環フィード装置後の分離器に該当する。再循環フィード装置の流入部分において、流れる方向に向かって再循環フィード装置の前に分離器を組み込むことは、再循環フィード装置の部分に多量の水が発生するため、同様に凍結の危険が生じるという課題がある。

国際公開第２００６／０５６２７６Ａ１号パンフレット 独国特許出願公開第１０２００７０３３２０３Ａ１号明細書

本発明の課題は、上述の問題を回避し、単純で、確実な、しかも高い信頼性をもって作動するアノード回路用の構造を提供する、請求項１の前提部分に基づくアノード回路を備える燃料電池システムを提供することである。

本発明に基づき、この課題は、請求項１の特徴部分に記載される特徴によって解決される。その他の従属請求項には、本発明の有利な実施形態及び発展形態が示されている。

供給される新鮮な水素の液体分離器部分への配管によって、この新鮮な水素により、及び通常は非常に冷たい新鮮なガスから高い圧力が除去されることにより凝結する、ガス流内の残留液体が直接液体分離器の中で凝結するため、液体はこの分離器内に残ることが可能となる。この構造の場合、液体分離器は、構造的に再循環フィード装置と一体化されている。従って、場合によって凍結するおそれのある凝結した液体が配管エレメントに送られることが防止される。再循環フィード装置を一体型のコンポーネントユニットに統合することにより、さらにコンパクトな構造を達成することができる。

本発明に基づく構造の特に適切かつ有利な発展形態においては、再循環フィード装置と一体化されて実施されている液体分離器が、再循環ガス流の流れの方向に向かって再循環フィード装置の後に配置されている。これによって、供給される新鮮な水素は再循環フィード装置を通って送られる必要がなくなり、液体分離器内では主に凝結した水が分離される。

さらに、本発明の有利な発展形態では、アノード回路内に第２の液体分離器が設けられ、この分離器は第１の液体分離器と接続されており、この第２の液体分離器は、再循環ガス流の流れの方向に向かって再循環フィード装置の前に配置されている。従って、第１の液体分離器では、新鮮な水素ガス流によって凝結された液体を分離するだけで済み、一方、アノード領域から運ばれる液体は、例えば第２の分離器で分離することができる。この構造により、再循環ガス流において分離される水の大部分となる生成水を、再循環フィード装置に達する前に分離することが可能となり、エネルギーを使用して、再循環フィード装置からこの生成水を送る必要はなくなる。再循環フィード装置の後、再循環フィード装置と一体化されて実施されている液体分離器では、新鮮な水素が供給され、それによって温度が低下することにより、まだ凝結している液体部分が分離される。従って、この構造により常に乾燥した状態で作動する再循環ブロワが達成されるため、液体が凍結する危険はない。液体分離器が互いに接続されていることにより、バルブ装置を備える唯一の配管エレメントによって、アノード回路からの水の排出が十分行われるため、この場合、特に水素の供給に関して、非常に漏れの生じやすい接続部を節約することができる。

本発明による考え方の非常に有利かつ適切な発展形態では、さらに、両方の液体分離器と再循環フィード装置とを、一体型のコンポーネントユニットとして形成することが可能になっている。この構造は、特にコンパクトである。周辺の配管エレメントに対して、この一体型のコンポーネントユニットの容積が比較的大きいことにより、冷却はゆっくりと行われるため、コンポーネントユニット部分の液体の凝結の危険が最小化される。さらに、その他の接続部分及び配管エレメントを節約することができ、このことは、特に、配管エレメント内の水素が漏れないように密閉する必要のある接続部分に関して、経費面及び取付けの面で重要な利点となる。

従って、本発明に基づく燃料電池システムにより、温度が氷点下の場合にも高い信頼性をもって作動し、最小の接続部数と構成部品数でできているアノード回路を実施することができる。このような簡単で、低コストの、しかも高い信頼性をもつ構造により、車両での使用が可能となる。従って、本発明に基づく燃料電池システムの好ましい使用は、駆動及び／又は補助負荷に電気エネルギーを供給するための車両内燃料電池システムの使用にある。

本発明に基づく燃料電池システムの有利なその他の実施形態は、残りの従属請求項に示されており、以下に図を用いて詳しく説明される実施例によって明らかになる。

本発明に基づく、コンポーネントが取り付けられたアノード回路を備える燃料電池システムの概要図である。 本発明に基づく液体分離器の実施図である。

図１には、中心に燃料電池２が形成されている燃料電池システム１が示され、この燃料電池はアノード領域３とカソード領域４を有し、例えばＰＥＭ燃料電池スタックとして形成することができる。カソード領域４には、空気供給装置５によって、酸素含有ガスとしての空気が供給される。カソード領域４から流出する空気は直接周辺に排出されるか、又はここに図示されていないコンポーネント（バーナー、タービンなど）によって周辺に排出することができる。

アノード領域３には、高圧下において水素をガスの状態で貯蔵している圧縮ガスタンク６から水素が供給される。この水素はシャットオフバルブ７（この部分で水素が膨張する）を介して、アノード領域３の、後で詳しく説明する液体分離器８に流れ込む。アノード回路９内の未使用の残留ガスは、アノード領域３から、第２の液体分離器１０と再循環フィード装置１１とを介して排水器（液体分離器）８の部分に達し、そこで、圧縮ガスタンク６からくる新鮮な水素と混ぜ合わされ、アノード領域３へ戻る。

この極めて簡略化して示されている燃料電池システム１の構造は、例えば、ここでは図でのみ示されている車両１２の中に取り付けることができ、車両の駆動及び／又は補助負荷に電気エネルギーを供給する。

図１による燃料電池システム１のアノード回路９の構造の特殊性は、両方の液体分離器８、１０の使用にある。この場合、液体分離器８は排水器とも呼ぶことができ、一方、第２の液体分離器１０は主要分離器を形成している。アノード回路９内を流れる再循環ガス流の方向により、この再循環ガス流は、まず、主要分離器１０に達する。燃料電池２において、生成水は主にカソード領域４で発生し、排出空気によって排出される。しかし、生成水の一部は、アノード領域３でも発生し、再循環ガス流を介して排出される。この水は主要分離器１０において分離され、通常は再循環ブロワとして形成されている再循環フィード装置１１の部分に液滴が達するのを防止している。次に、バルブ１４を備える配管エレメント１３は、主要分離器１０から周辺又はカソード領域４の供給エアへも通じているため、主要分離器１０で集められる水は徐々に排出することができる。さらに、主要分離器１０には、一般的な周知の跳ね返り防止が備えられているため、一旦ここに集められた水は、アノード回路９の配管部分に戻ることはできない。

主要分離器１０の部分において液滴から離れた水は、再循環フィード装置１１に達し、そこから排水器８に達する。排水器８の部分において、水は圧縮ガスタンク６から供給される新鮮な水素と混ぜ合わされる。この水素は、膨張の際の冷却により比較的冷えているため、再循環フィード装置１１後の比較的温かい湿ったガス流から水がさらに凝結する。次に、この水は排水器８の部分に集まり、この排水器は、同様に、該当する跳ね返り防止１９などによって、水が再循環ブロワ１１の方向へ戻るのを防止し、アノード領域３の方向へ進むのも防止するように形成することができる。さらに、図１で分かるように、排水器８と主要分離器１０との間に接続１５を設けることができる。この接続１５は、圧縮されたガスが主要分離器の部分に戻るのを防止又は最小化するため、特に断面積縮小部分を有することができる。しかし、接続１５を介して排水器８に集まった水は主要分離器の中に排出することができるため、アノード回路９の中で集められた全ての水を排出するために必要なのは、配管エレメント１３とバルブ１４だけである。これにより、構成部品の数と、特に水素を供給する配管において常に経費をかけて密閉しなければならない接続部の数とが明らかに削減される。

両方の水分離器８、１０の少なくとも一方、いずれにせよ排水器８は、再循環フィード装置１１と一緒に、一体型のコンポーネントユニット１６として形成されている。この一体化されたコンポーネントユニット１６が図２に示されている。ここでは、極めて簡略化された構造が示されている。この構造は、主に、ホイール１７とこのホイール１７用の一般的な電気駆動１８とを有する再循環ブロワ１１からなる。さらに、一体型のコンポーネントユニット１６は排水器８を有し、ここでは、この排水器が基本的な断面図で示されている。矢印によって示されているように、ガス流は主要分離器１０の部分からホイール１７の部分に流入し、ガス流はこのホイールによって排水器８の中に送り込まれる。ここで、ガス流は、圧縮ガスタンク６又はシャットオフバルブ７の部分から低い測地高さで流入する新鮮な水素と混ざり合う。そのように混ぜ合わされたガス流は、例えばここでは基本的に示されているバッフルプレート及び／又は織物からなり得る跳ね返り防止の適切な取付け装置１９を介して、ガス流の中で凝結している液滴を残して排水器８の上部に達し、そこからアノード領域３の方向に流出する。排水器８が規定に従って使用される場合、非常に低い測地高さの部分における新鮮な水素の流入と、比較的高い又は多少高い測地高さにおけるホイール１７部分からの再循環ガス流の流入と、明らかに高い測地高さにおけるアノード領域３の方向への混合ガス流の流出とにより、この場合、比較的確実かつ高い信頼性をもって、凝結している液滴を排水器８の部分に残して、アノード領域３の中に液滴が一緒に引き込まれないようにすることができる。アノード領域に液滴が入り込んだ場合、液滴は膜へのガス供給ダクトを詰まらせ、温度が氷点下になると凍結によってブロックするおそれがある。

排水器８は、その他に上部に２つのコネクタ２０を有し、これらは、例えば圧力センサ及び差圧センサのコネクタとして使用することができる。この一体化構造により、該当するコンポーネントユニット１６は、簡単かつ効率的に作動することができ、しかも僅かな接続部で作ることが可能となる。このコンポーネントユニットは、特にホイール１７の凍結及び構成部品間の随意の配管エレメントの凍結をほぼ回避することができるため、特に氷点下の温度における作動に関して比較的信頼性が高い。

図２に示されているような実施形態の他に、主要分離器１０を一緒にコンポーネントユニット１６の中に統合し、この場合、例えばこれを排水器８の下部に配置し、電気駆動１８をホイールの下部に移動することによって、非常にコンパクトな一体型のコンポーネントユニット１６を実現することも考えられるであろう。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ アノード領域
４ カソード領域
５ 空気供給装置
６ 圧縮ガスタンク
７ シャットオフバルブ
８ 第１の液体分離器（排水器）
９ アノード回路
１０ 第２の液体分離器（主要分離器）
１１ 再循環フィード装置（再循環ブロワ）
１２ 車両
１３ 配管エレメント
１４ バルブ
１５ 接続
１６ コンポーネントユニット
１７ ホイール
１８ 電気駆動
１９ 跳ね返り防止
２０ コネクタ

Claims (10)

1. アノード回路を備える燃料電池システムであり、燃料電池のアノード領域からの未使用のガスを、再循環フィード装置を介してアノード領域に戻し、前記アノード回路に少なくとも１つの液体分離器が配置され、該液体分離器は、構造的に前記再循環フィード装置と一緒に１つのコンポーネントユニットに一体化されて実施されている燃料電池システムであって、
   新鮮な水素の前記アノード領域（３）への供給が、前記液体分離器（８）への前記水素の供給によって行われることを特徴とする、燃料電池システム。
2. 前記再循環フィード装置（１１）と一体化されて実施されている前記液体分離器（８）が、再循環ガス流の流れの方向にそって前記再循環フィード装置（１１）の後に配置されてい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. 前記アノード回路（９）内に第２の液体分離器（１０）が設けられ、該分離器は前記第１の液体分離器（８）と接続（１５）されており、前記第２の液体分離器は、再循環ガス流の流れの方向にそって前記再循環フィード装置（１１）の前に配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記接続（１５）により、前記第１の液体分離器（８）から前記第２の液体分離器（１０）に液体の排出が行われることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 両方の前記液体分離器（８、１０）が、前記再循環フィード装置（１１）の中に一体型のコンポーネントユニット（１６）として形成されていることを特徴とする、請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
6. 前記新鮮な水素の供給が、規定に従った使用では、前記アノード領域（３）への混合ガス流の供給よりも前記第１の液体分離器（８）内の低い測地高さに配置されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記再循環ガス流の前記第１の液体分離器（８）への供給が、規定に従った使用では、前記新鮮な水素の供給と前記混合ガス流の供給との間にある測地高さに配置されてい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. 前記アノード回路（９）からの全ての液体の排出が、前記第２の液体分離器（１０）の部分から少なくとも１つのバルブ装置（１４）を備える配管エレメント（１３）を介して行われることを特徴とする、請求項４〜７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
9. 前記液体分離器（８、１０）の少なくとも１つが、跳ね返り防止（１９）を有していることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
10. 車両（１２）内において、駆動及び／又は補助負荷に電気エネルギーを供給するための、請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃料電池システムの使用。

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