JP2014523604A - 燃料電池システムのための再循環装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、アノード領域（３）とカノード領域（４）とを有する少なくとも１つの燃料電池（２）を備え、アノード領域（３）の出口（１１）と入口（１０）を結ぶ再循環装置（１２）を備え、再循環管（１２）の領域に設置され、液体および／またはガス用の排出弁（１７）付の排出管（１６）を有する液体分離器（１５）を備える燃料電池システム（１）のための再循環装置（１４）に関する。本発明は、排出管（１６）の領域において、排出弁（１７）の制御のための気泡センサ（１８）が設置されていることを特徴とする。この種の再循環装置（１４）からの液体および／またはガスの排出のための方法では、排出弁（１７）が開放され、次いで気泡センサ（１８）により検出される事象に応じて閉鎖されることが企図される。

Description

本発明は、請求項１の前提部分に基づく燃料電池システムの再循環装置に関する。

例えば、空気および水素または水素含有ガスのような、ガス状の反応物質を用いて作動する燃料電池システムは、一般的な先行技術から知られている。このシステムは、一般的にはアノード領域およびカソード領域を備える少なくとも１つの燃料電池を有する。典型的には、この燃料電池は、個別燃料電池のスタックから形成され、燃料電池スタックと呼ばれている。そのような燃料電池では、および特にＰＥＭ技術において実施される場合は、しばしば排気ガスはアノード領域から集められ、新鮮なガス、特に新鮮な水素と共に、アノード領域に新たに供給される。このために、再循環システムは不可欠である。

当該分野の特許文献１では、“燃料サイクル”の名の下、このような再循環装置が説明されている。この再循環装置では、燃料電池のアノード領域からの排気ガスは、液体分離器に通され、燃料電池へ流れる新鮮なガスと混ざり合ってアノード領域に再び供給される。再循環装置およびアノード領域の領域内の圧力損失を比較するために、再循環搬送装置を予め備えることができる。再循環搬送装置は、一般的な先行技術から知られており、典型的には、送風機および／またはガスジェットポンプまたはジェットポンプとして実施されている。

アノード領域の入口へ戻された排気ガス流の中に、次第に、不活性ガスおよび水が蓄積される。水を備えるアノード領域の洪水（Ｆｌｕｔｅｎ）を阻止するために、この水は、ガス流から液体分離器を経由して分離される。不活性ガス、特に、アノード領域内のカソード領域からの燃料電池の膜を介して拡散する窒素は、次第に、再循環装置に蓄積される。これにより、水素濃度は減少する。従って、燃料電池の良いパフォーマンスを保証するために、時折、再循環装置の循環から、水および不活性ガスを排出すべきである。

特許文献１は、液体分離器からの排出管における排出弁を説明している。これは、例えば液体分離器内の充填レベルセンサまたはレベルセンサに依存して、制御されていてよい。この場合、目標は常に、大量の水素を周辺に放つことなく、水を完全に循環の領域から取り除き、次いで、不活性ガスを完全に排出することである。

典型的には容量式に形成されている充填レベルセンサは、非常に汚染されやすく、その結果、センサの機能が非常に信頼性が低いことが示される。

実際には、非常によく、排出弁は、例えば、時折開かれ、一定期間後に再び閉じられるように、時間制御で作動している。時間は、その際、過剰の水素を放出することなく、水が完全に取り除かれ、いかなる場合も、全不活性ガスが取り除かれるように、特性マップや実験によって設定されている。燃料電池は、異なる負荷条件で作動させることができ、特に、車両での利用の際には典型的にはダイナミックに作動されるので、出力およびアノード領域で消費される水素に依存して生じる発生水量は、しばしば非常に変動する。その際、再循環装置の循環内の大量の水は、純粋な時間制御において、しばしば問題を生じる。液状の水が、アノード領域に侵入する場合、アノード領域の活性表面をブロックしうるので、このことは燃料電池のパフォーマンスにとって不利である。従って、時間制御はいかなる場合も、液状の水が常に完全に取り除かれるように設計される。特に部分負荷作動では、付加的に比較的大量の水素が浪費するぐらいに時間的経過が長いが、このことは望ましくない。

排出弁の切り替えの改善のための更なる可能性は、発生されたそれぞれの出力で生じたアノード領域内の水量を予め決定し、加算することで、発生した水量を予測することである。再循環装置の循環内に相応する水量が溜まったと同時に、排出弁は、次いでこの水量に相応する時間の間、開かれる。このことは、排出弁の純粋な時間制御された開放に対し、機能を改善する。もちろん、不安定さと不正確さは未だに存在し、その結果、望まれているよりもより多くの窒素をここでも浪費し、同じ理由で、前記した通り、いかなる場合も、再循環装置の領域から全ての水を放つために、開放時に常に確かな確実性を維持させるべきである。

制御を改善するための更なる可能性は、典型的には、バルブ装置の後ろの排出管内に水素センサを配置することである。しかしながら、これは比較的費用がかかる上、障害に敏感で、高価である。

更なる可能性は、特許文献２で説明されている。ここでは、水素センサは放棄され、代わりに、排出された媒体流は、カソードの領域またはカソードに流れる通気の領域内に通される。カソードの領域内に水素が到達すると、これは、特に部分負荷で認識されることができる、燃料電池の電圧低下につながる。水素のカソード側へのこの到達は、水および不活性ガスが放たれることを示す。排出弁は適切に閉じられることができる。

またこの方法も、なぜなら、水素はまず、排出弁およびカソード領域間の管の長さを克服しなければならず、そうして初めて検出されることができるために、ここでは不可欠な量よりも明らかに多くの水素を浪費するという、決定的な欠点がある。従って、この管長内にある水素は各排出工程の際、必然的に未使用のまま失われる。

ＷＯ ２００８／０５２５７８ Ａ１ ＤＥ １０ ２００９ ０３６ １９７ Ａ１

本発明の課題は、確実に、また信頼性をもって作動し、その結果、容易に、また能率的に構成される燃料電池システムのための再循環装置を示すことである。加えて、水素の損失を最小化する、そのような再循環装置からの液体および／またはガスの排出ための方法が示されるべきである。

本発明によれば、この課題は請求項１の特徴部分に記載の特徴によって解決される。装置の有利な態様はこの従属クレームから判明する。更に、請求項５に記載の特徴を備えるそのような再循環装置から液体および／またはガスを排出するための方法は、課題を解決する。方法の有利な形態はこの従属クレームから判明する。最後に、請求項１０では更にこのような再循環装置またはそのような方法の使用が述べられる。
本発明による燃料電池システムのための再循環装置は必然的に、燃料電池のアノード領域の出口をその入口に接続する再循環管を含む。この再循環装置の領域に、液体および／またはガスのための排出弁を備える排出管を有する液体分離器が配置される。本発明によれば、排出管の領域内に、排出弁を制御するための気泡センサが配置される。そのような気泡センサを通して、容易に、また非常に能率的に、排出管内を流れる液体と排出管内を流れるガスとを区別することができる。そのような気泡センサにより、その際、流れる液体およびこれに続くガス間の境界を把握し、検出することができる。このことは、排出弁の制御のために使用することができる。センサはその場合、特に、接触なく形成されることができ、好ましくは、超音波センサ、光学センサまたは同様のものとして形成されることができる。このような気泡センサは、高い信頼性と高分解像と共にマーケットで低コストで利用可能であり、その結果、燃料電池システムのための再循環装置の容易で、信頼できる、低コストの実現が可能となる。

この場合、気泡センサは本発明による再循環装置の特に好都合で有利な更なる態様により、排出弁の下流の、排出された体積流量の流れ方向の排出管の領域内に配置することができる。特に、排出弁の後ろのこの領域内で、液体からガスへの決定的な経過を検出することができ、このことは、排出弁の閉鎖および、排出工程の終了につながる。それにより、排出の際に共に排出される水素の量は適切に最小化されることができる。

すでに述べたように、気泡センサはこの場合好ましくは、非接触気泡センサとして形成されることが可能である。これは、気泡センサが典型的には排出管をただ外部から取り囲み、その結果、排出管に流れる媒体と接触しないため、汚染に関して非常に好都合である、容易で能率的な構造につながる。先行技術から知られている体積流量内に配置された容量型充填レベルセンサに反して、この場合、この媒体による汚染は排除され、気泡センサは、このような汚染なく確実に信頼をもって機能する。

本発明による方法は、排出弁が開かれ、次いで、気泡センサにより検出される事象に依存して閉じられることが予定されている。

また、本発明による方法によれば、例えば、先行技術から知られている、好ましいストラテジーにより排出弁が開かれることが予定されている。これは例えば、時間制御された開放であってよく、または、二者選択的に、再循環装置内の予測水量に基づく、または例えば、燃料電池から放たれた出力と、そのつどの期間を通して測定されたまたは蓄積された出力に典型的な時間的経過との間の特性曲線に基づく開放であってもよい。排出弁がこの公知の方法で開かれている場合、気泡センサは相応する結果を検知するまで開いたままであり、その結果を基に排出弁はその後閉じられる。

本発明による方法の特に好都合で有利な態様においては、その際、気泡センサが、排出された液体とこれに続き排出されるガス間の遷移を検出するように、気泡センサが調整される。液体が完全に排出されることを示す、そのような事象は、次いで、排出弁を再び閉じるために利用される。好ましくは排出弁のすぐ下流かまたは排出弁の下流の体積流量の流れ方向に一定の距離の気泡センサの位置に応じて、気泡センサの領域内にガスが着き、かつそれとともに液体が液体分離器から完全に排出された場合に、排出弁はいかなる場合も始めて閉じられることが達成される。排出弁の閉鎖は、直ぐ行われてよく、この際排出弁および気泡センサ間に適当な距離がある場合において有利であり、または、相応して時間遅延して閉じられてよく、この際気泡センサが排出弁のすぐ下流に配置されている場合が有利である。そうして一定量のガス量が一緒に排出されることが常に保障され、その結果、排出された水に付加的な不活性ガスは、再循環装置から確実に信頼をもって除去される。

上述の構造では、プリセットされた時間間隔および／または気泡センサと排出弁との間の距離が、排出されるガスの量を、またそれにより場合によっては、浪費される水素の量をも、決定的に規定することになる。浪費される水素の量を最小限に抑えるため、本発明による構造を特に好都合かつ有利に発展させたものとして、既知または測定済みの排出弁前後の圧力差と、排出弁開放と、気泡センサの領域におけるガス検出との間の時間的間隔から、さらに場合によっては排出弁と気泡センサとの間の流れの距離から既知の排出弁の領域における流れ断面のもとで、排出される液体量が算出されることが企図されており、その際、排出される液体量に応じてプリセットされた時間が、排出弁閉鎖まで待たれる。実際に生じる液体量は、燃料電池の現在の稼動条件と、また特に燃料電池によって引き出される出力とに常に左右されるため、再循環装置内で発生する不活性ガスの量も、排出される液体量に左右される。こうして排出管中のガス検出と排出弁閉鎖との間のプリセット時間が、排出された液体量に応じて、例えば特性曲線によって確定されれば、確実かつ信頼性をもって常に不活性ガス全量が排出されることが可能であり、しかも不可避な量を超える水素が流れ出てしまうこともない。

本発明による再循環装置と、液体および／またはガスの排出方法とは、非常に効率的で、信頼性があり、容易に、かつ低コストで実現化され実行に移され得る。このため、この再循環装置と方法は、自動車内で特に駆動を目的として発電する燃料電池システム内に組み込まれるのに、特に適している。

特に自動車に使用する場合、そしてそれに応じた個数が必要となる場合に、単純かつ低コストの構造は、決定的に重要である。修理や保守点検を必要最低限に抑え、可能な限り長い自動車保守点検間隔を実現するためには、信頼のおける機能性も同様に決定的な重要性をもつ。

本発明による再循環装置と、その再循環装置から液体および／またはガスを排出するための本発明による方法との、上記のほかの有利な形態は、以下で図面に関連付けながら詳述される実施例に明らかである。

添付された唯一の図面には、燃料電池システムが、もしくはそうした燃料電池システムの本発明にとって不可欠な部分が、原理について概略的に示されている。

図面中の描写から、原理について概略的に示された燃料電池システム１が見て取れる。この燃料電池システム１の中核は燃料電池２であり、この燃料電池は個々の燃料電池の積み重ねとして、すなわちいわゆる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２はアノード領域３とカソード領域４を含んでおり、この両領域はプロトン伝導性膜５によって相互から分離されている。したがって燃料電池２はプロトン交換膜燃料電池である。燃料電池２のカソード領域４には、空気運搬装置６を通して濾過された空気が、酸素含有媒体として供給される。使われた排気は、排気管７を通じて、燃料電池システム１の外に到達する。この排気は例えば周辺環境中に排出されても、および／またはタービンを通して減圧されても、および／または燃焼装置に供給されてもよい。このことはしかし、本発明にとって重要ではない。

燃料電池２のアノード領域３には、圧縮ガス容器８から、弁・圧力調整装置９を通じて水素が供給される。新鮮な水素は、導管を通ってアノード領域３の入口１０に流れ着き、アノード領域３の中で、一部はカソード領域４から来た酸素と共に、電力と生成水とに転換される。転換されなかった水素は、アノード領域３の出口１１を通って再循環管１２に入り、これを通って再循環搬送装置１３を経て、アノード領域３の入口１０に流れ込む新鮮なガス流の領域に運び入れられる。このとき再循環搬送装置１３は、それ自体は既知である方法で再循環ブロワとして、および／または、典型的には圧縮ガス容器８から出る新鮮なガス流で駆動される、１つ以上のガスジェットポンプとして設計されていてもよい。燃料電池システム１のための再循環装置１４は、再循環管１２と再循環搬送装置１３のほかに、再循環管１２の領域に液体分離器１５を備えている。この液体分離器１５は液体の分離に、特に再循環装置１４のガス流の中の生成水の分離に役立つ。分離された水は液体分離器１５の中に集められたうえ、ときおり、排出弁１７を備えた排出管１６を通じて排出されるが、その目的は、液体分離器１５を空にすることと、再循環装置１４の領域内でアノード領域３の周辺に時間とともに蓄積される不活性ガスを排出することである。その際、排出管１６は、排出される水および／または排出されるガスを、周辺環境へと導くか、あるいは、排出管１６の破線で描かれた部分１６Ａに示されるように、カソード領域４に流れ込む空気の領域へと導く。

再循環装置１４は、排出管１６の領域に、さらに、気泡センサ１８と、気泡センサ１８の信号の解析および排出弁１７の制御を行うための電子制御装置１９とを有している。排出弁１７は純粋な開閉弁として設計されており、好ましくは電磁弁として実現化されてよい。排出弁１７は、制御装置１９を通じて、水と不活性ガスを再循環管１２の領域から排出するために、適切に制御され得る。その際、排出弁１７の開放は、それ自体は既知の方法で行われてよい。特に、排出弁１７の開放は、時間制御によって、すなわち、前回の開放後、プリセットされた時間的間隔後にそのつど行われる。この対案として、あるいはこれを補足するものとして、弁の開放はまた、燃料電池２から生み出された出力のデータが統合され、燃料電池がある一定の産物を生み出すごとに、その後で排出弁１７が開放される、という形で行われてもよい。もうひとつの可能性は、再循環管の領域と、アノード領域と、そしてそれに伴い最終的には液体分離器１５の領域において発生する予測された水量に連動させて、排出弁１７を開放することである。この水量は、例えば燃料電池の出力に応じて算出され、ないしは見積もられることができ、それにより排出弁１７は、液体分離器１５が例えば３分の２まで満たされることが予測される、ないしは見積もられる場合に、必ず開放されるようにできる。同様に先行技術から知られる、排出弁１７を開放する信号を発生させるための諸方法も、代替案として考え得るし、また可能である。

その後、排出弁１７の閉鎖は、気泡センサ１８によって検出される事象に基づいて行われる。気泡センサ１８は、特に非接触式気泡センサとして、好ましくは超音波気泡センサとして、設計されていることが望ましい。そのような超音波気泡センサ１８は、排出管が遮断されることなしに、排出管の周囲に配置されることができる。気泡センサ１８は排出管１６の内壁を通して、非接触で、排出された媒体流の中に気泡が存在すればこれを検知する。検知のためには、気泡センサ１８と排出管１６の内部との間に、何の接続も必要ない。このため、気泡センサ１８が、排出管１６内を流れる媒体によって汚染される可能性はない。気泡センサ１８は、例えば液体流の中の最小サイズの気泡を検知するために、非常に感度良く調節されてよい。このとき、再循環装置１４の本発明による構造の中における気泡センサ１８は、液体分離器１５から出る水と、この水に続く不活性ガスとの間の遷移を検知するように調整されることが望ましい。すなわち気泡センサ１８は、水ないし液体の全量が気泡センサを通過し終え、その水に続いてガスが、それもここでは特に不活性ガスが、排出管１６を通って流れるときの事象を常にアウトプットする。更に、この事象は、制御装置１９によって適切に分析され、ただちに、または時間的に遅れて、排出弁１７の閉鎖に利用される。

排出弁１７の閉鎖の際の目的は、常に、水の全量と、さらには再循環管１２およびアノード領域３に蓄積された不活性ガスとを排出することであり、その際、水素が、もしくは不可避な量を超える水素が、周辺環境へと、もしくはカソード領域４に供給される空気流の中へと、到達しないようにすることである。

このことは、本発明の最初の非常に単純な実施形態において、液体からガスへの遷移が気泡センサ１８で検知されると、排出弁１７が常に閉鎖されるということによって、実現され得る。好ましくは排出弁１７のすぐ後ろか、あるいは、排出弁１７から流れの方向に短い距離をとったところに設置されている気泡センサ１８の位置に応じ、常に一定量のガス、ここでは特に、典型発生量の不活性ガスが、排出弁１７の閉鎖前には排出弁１７を通り流れている。もし排出弁１７と気泡センサ１８との間の排出管の距離に選択の余地がなく、この距離によって、時間オフセットが決定され得るのであれば、この種の時間オフセットは、追加的補足の形で、あるいは、短い距離をとる代わりに排出弁１７のすぐ後ろに気泡センサ１８を設置することで、相応にプリセットされ得る。このような構造により、生じた水の全量が常に排出されることが保障される。さらに、典型蓄積量の不活性ガスにおそらく相当すると思われるわずかな量のガスが一緒に排出される。

もう１つの実施形態で、気泡センサ１８によって、排出された水量も非常に正確に算出、ないしは把握され得る。このために排出弁１７の前後の圧力差が測定され、あるいは燃料電池システム１の作動圧力によってもいずれにせよ認識される。排出弁１７の領域において既知の流れ断面と共に、排出弁１７の開放と気泡センサ１８の領域におけるガス検知との間の時間的な長さから、さらに場合によっては、排出弁１７と気泡センサ１８との間の流れの距離から、排出される液体量が算出され得る。これは、例えば制御装置１９において実行され得る。排出される液体量は、特徴的に、燃料電池２に求められる出力に関連する、また例えば、時間制御による排出弁１７の開放の場合、燃料電池２に向けられている力学的要求次第で、非常に異なることがある。特徴的に、水の発生量と同時に不活性ガスの発生量も、同種のパラメータに左右される。前記方法で、排出時間によって算出される水の発生量により、再循環装置１２とアノード領域３に発生した不活性ガスの量が簡単に推論され得る。気泡センサ１８で結果が検知された後、排出弁１７が閉鎖されるまでのプリセット時間が、算出される水量に応じてプリセットされれば、不活性ガスの排出は安定し、確実に保障され得る。その際、不可避な量を超えた水素が流れ出ることはない。

その際、前記構造は、とりわけ単純かつ汚染と故障に対し強い。というのは、気泡センサ１８は非接触式作動により、排出管１６内で、媒体流と接触しないからである。それゆえ、媒体流によって、たとえば容量型レベルセンサを使用した場合もそうであるように、この構造が汚染される可能性はない。

要するに、前記説明の方法による再循環装置１４、さらに前記説明の、再循環装置１４の領域からの液体および／またはガス排出のための方法により、単純かつ効果的な構造が可能になる。この構造は、安定的かつ確実に作動し、それに相応し、低コストも実現可能である。それゆえ、この種の再循環装置１４を備えた燃料電池システム１は、好ましくは、高負荷システム内で使用可能である。高負荷システムは高動力により作動し、また個数が多いためリーズナブルな価格で提供可能なはずである。好ましい適用の１つは、自動車内での燃料電池システム１の使用で、ここでは特に自動車駆動目的の電力供給のための使用である。

Claims (10)

1. ガス状の反応物質を用いて作動する、アノード領域（３）とカソード領域（４）とを有する少なくとも１つの燃料電池（２）を備え、前記アノード領域（３）の出口（１１）と入口（１０）を結ぶ再循環管（１２）を備え、前記再循環管（１２）の領域に設置され、液体および／またはガス用の排出弁（１７）付の排出管（１６）を有する液体分離器（１５）を備える燃料電池システム（１）の再循環装置（１４）において、前記排出管（１６）の領域に、前記排出弁（１７）の制御のための気泡センサ（１８）が設置されていることを特徴とする燃料電池システム（１）の再循環装置（１４）。
2. 前記気泡センサ（１８）が、前記排出弁（１７）の下流の、排出される体積流量の流れ方向にある前記排出管（１６）の領域に設置されていることを特徴とする、請求項１に記載の再循環装置（１４）。
3. 前記気泡センサ（１８）は、非接触式気泡センサ（１８）として、特に超音波センサとして設計されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の再循環装置（１４）。
4. 前記気泡センサ（１８）が前記排出管（１６）の外側を囲んでいることを特徴とする、請求項１、２または３に記載の再循環装置（１４）。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の再循環装置（１４）から液体および／またはガスを排出するための方法であって、前記排出弁（１７）が開放され、次いで前記気泡センサ（１８）により検出される事象に応じて閉鎖されることを特徴とする、方法。
6. 前記気泡センサ（１８）が、排出される液体とこれに続く形で排出されるガスとの間の遷移を検出するように調整されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記排出弁（１７）が前記事象に従い、時間的に遅れて閉鎖されることを特徴とする、請求項５または６に記載の方法。
8. 既知あるいは測定済の圧力差、および前記排出弁（１７）の開放と、前記気泡センサ（１８）の前記領域での前記事象の検出との間の時間間隔から、さらに場合によっては、前記排出弁（１７）と前記気泡センサ（１８）との間の流れの距離から既知の前記排出弁（１７）の領域における流れ断面のもとで、排出される液体量が算出され、前記排出される液体量に応じてプリセットされた、前記事象と前記排出弁（１７）の閉鎖との間の時間が待たれることを特徴とする、請求項５、６または７に記載の方法。
9. 前記排出弁（１７）の開放が、燃料電池の出力値の合計に応じて、または、前記再循環装置（１４）に存在することが予測される算出された液体量により、時間制御によって実行されることを特徴とする、請求項５から請求項８までのいずれか１項に記載の方法。
10. 自動車内において、特に駆動目的のために発電する燃料電池システム（１）における、請求項１から４までのいずれか１項に基づく前記再循環装置（１４）の使用、および／または請求項５から９までのいずれか１項に基づく方法の使用。

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