JP2021502677A - 圧縮機に関連した中間圧力タップを有した燃料電池システム、および該燃料電池システムの使用 - Google Patents

Abstract

本発明は、ハウジング（２）に配置された少なくとも１つの膜電極ユニット（３）と、圧縮機（４）を有したカソード供給部（５）と、ハウジング換気装置とを備えた燃料電池システムに関し、ハウジング換気装置は、圧縮機（４）と関連した中間圧力タップ（１０）を備えている。本発明は、さらに、カソード再循環の方法に関する。

Description

本発明は、ハウジングに配置された少なくとも１つの膜電極ユニットと、圧縮機を有したカソード供給部と、ハウジング換気装置とを備えた燃料電池システムに関する。さらに、本発明は、カソード再循環のための本発明の燃料電池システムの使用に関する。

燃料電池システムは、プロトン伝導膜を有した膜電極ユニットを用いて、燃料、特に水素と酸素とを反応させることによって電気エネルギを生成するように意図され、膜電極ユニットでは、アノード電極がカソード電極と同様に配置されている。提供される電力を増加させるために、いくつかの膜電極アッセンブリが、ハウジングに配置されたスタックを形成するように一般に結合される。燃料電池システムの作動時には、供給される水素の量に対して十分な量の酸素がハウジング内に導かれることを確実にする必要がある。これを確実にするために、圧縮機が設けられる。

さらに、水素が膜電極ユニットからハウジングへ拡散し、ハウジング換気装置が、ハウジング内の可燃性の混合物を阻止するために要求されることを確実にすることが重要である。

同様に、独国特許出願公開第１０ ２０１５ ２２０ ６４１ Ａ１号明細書は、従来技術の付属物として、ハウジングの適切な換気を確実にするために、付加的な構成要素としての独立したブロワの使用を開示している。このブロワは、燃料電池システムの作動のための空間要求およびエネルギ要求を増加させる付加的な構成要素を表している。

独国特許出願公開第１０ ２０１３ ００３ ４７０ Ａ１号明細書は、燃料電池システムを示しており、この燃料電池システムでは、ハウジングが、環境への少なくとも一つのベント接続部を有し、空気の独立した流れが、圧縮機の作動中にハウジングに生成される。

独国特許出願公開第１０ ３１ ２３８ Ａ１号明細書は、燃料電池システムを有しており、この燃料電池システムでは、ハウジングが防爆仕様ファンによって換気される。

本発明の課題は、導入部で述べた形式の燃料電池システムを設計することであり、これにより、設計を簡素化し、電力消費を減少する。さらに、この課題は、カソード再循環のための簡潔な方法を規定することにある。

装置に関連した部分問題は、ハウジングに配置された少なくとも１つの膜電極ユニットと、圧縮機を有したカソード供給部と、ハウジング換気装置とを備え、ハウジング換気装置が圧縮機と関連した中間圧力タップを備えている燃料電池システムによって解決される。

上記燃料電池システムは、ハウジング換気ブロワが完全に冗長性を有すること、つまり、この構成要素、および該構成要素を作動するのに必要なエネルギの使用が必要ないことを特徴としている。さらに、圧縮機によって既に供給された空気流れが利用される。エネルギは空気流れを圧縮するため、および結果的に生じる加熱のために必要とされる。さらに、ブロワを不要にすることによって、過剰に圧縮された空気が換気の目的のために必要ないこと、十分多量の空気がより低圧でのハウジングの換気のために供給されること、および本発明によれば、圧縮機に関連した中間圧力タップがハウジングの換気のために使用されることができることを認めることによって、本発明はエネルギの使用を最適化する。ハウジングの換気の目的のためだけの高圧のエネルギ集約的な生成が避けられる。

本発明の範囲では、圧縮機が、作動中に内部に存在する中間圧力の領域に出口を備え、この出口は、排出ラインを介してハウジング開口部に接続されている。従って、中間圧力タップは、特に簡潔な形態で、つまり圧縮機の出口を形成することによって実現されることができ、上記出口は、さもなければブロワのために使用されていた排出ラインに接続されることができる。

また、出口および／または排出ラインおよび／またはハウジング開口部にバルブを関連させることが有利である。バルブは、最低圧力を超過したときに自動的に開く受動バルブとして設計されることができる。これにより、十分な体積の空気が利用可能なときにのみ、つまり排出ラインの各空気流が信頼性のあるハウジング換気を常に生成し、従って監視および制御を簡潔化することができるときにのみ、ハウジング換気が作動条件にあることが確実となる。これは、能動絞りエレメントが中間圧力タップに関連付けられ、これにより、引き出された空気体積が、例えばハウジングに配置された水素センサによって計測された値に基づいて再び制御されることができる場合にさらに有利である。

さらに、本発明の範囲は、ヘリカルスクリュ圧縮機およびルーツ圧縮機を有する群から圧縮機を選択することを規定する。例えば、スクリュ圧縮機は、圧力がスクリュの長手方向に沿って連続的に増加することを確実にし、中間圧力タップ付けが、圧縮機の中心に、つまり圧縮機の端部から十分な距離に出口を配置することによって簡潔に実施される。

ハウジング換気装置に起因してハウジングの内側に蓄積して増加する圧力であって、追加の空気の流入を和らげる圧力を避けるために、ハウジングは、換気出口を有している。この出口は、開いて外部環境へと導かれることが好ましい。しかし、出口からタービンの下流側のタービン出口へと延びるベントラインを有し、従って圧縮機によって供給された供給空気が再循環されることが好ましい。それは、第１遮断バルブが圧縮機の上流側に配置され、第２遮断バルブがタービン出口へのベントラインの接続部の下流側に配置されたときに有利となる。

このような構造上の設計は、カソード再循環を実現するために燃料電池システムを用いる方法の部分問題を解決する。この方法は、第１遮断バルブを閉じるステップと、第２遮断バルブを閉じるステップと、中間圧力タップを介した圧縮機によってハウジングからガスを吸い込むステップと、中間圧力の引き出し後に圧縮機の出口までガスを圧縮するステップと、ガスをハウジングを通して前記タービンへ通流させ、このガスをベントラインを介してハウジングを通して圧縮機に戻すステップと、を含む。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池の作動が緩和される、または廃止されることさえある観点、つまり始動時に膜電極ユニットのアノード側およびカソード側に酸素が存在する場合に、空気−空気始動問題が生じたときの燃料電池の損傷の観点からさらに不利であり、上記問題は、燃料電池システムのスイッチをオフにした後に酸素を導入したときに常に生じる。本明細書では、カソード再循環は、第１遮断バルブおよび第２遮断バルブによって閉じられたシステムを循環させることで残りの酸素を反応させるという目的を提供している。

さらに有利には、本発明の特徴部および詳細部が、好ましい例示的な実施形態の以下の説明および図面で述べられる。

中間圧力タップ付けのために修正された圧縮機を有した燃料電池システムの概略的かつ簡潔な図である。 ハウジング出口に関連したベントラインを有する、図１に対応した図である。 図１に対応したカソード再循環での使用に適する、さらに修正された実施形態の図である。 中間圧力タップを有したヘリカルスクリュ圧縮機として設計された圧縮機の概略図である。

図１は、燃料電池システム１を概略的に示しており、該燃料電池システム１では、複数の膜電極ユニット３が、ハウジング２に配置された長方形によって示されるスタックを形成するように結合されている。このスタックには、作動のための作動媒体、つまり、燃料、特に水素または水素含有ガス混合物、もしくはカソード作動媒体を形成する酸素含有ガス混合物、特に空気のいずれかが供給される必要がある。この空気は、フィルタを通して圧縮機４に供給され、該圧縮機４では、空気が圧縮され、従って加熱される。空気は、給気冷却器６を介して加湿器７へ供給され、該加湿器７からスタックへ供給される。

燃料電池１に付加される水素は、該燃料電池１から拡散してハウジング２へ流入することができ、従って、可燃性混合物を豊富にする危険性が生じる。これは、本発明に従うハウジング換気装置によって防止され、該ハウジング換気装置は、圧縮機４に関連する中間圧力タップ１０によって実現される。

図４に示す実施形態によると、圧縮機４は、ヘリカルスクリュ圧縮機として設計されることができ、この圧縮機では、圧力が、スクリュの長手方向に沿って連続的に増加する。穴が出口１１として圧縮機４の壁に形成されている場合には、圧縮機の長さに対応した圧力がこの開口部に存在し、この圧力は、圧縮機４の入口の圧力および圧縮機４の出口の圧力と比較した中間圧力として説明されることができる。

圧縮機４に関連する出口１１は、バルブ１４が出口１１および／または排出ライン１２および／またはハウジング開口部１３に関連することができるように、排出ライン１２を介してハウジング２のハウジング開口部１３に接続されている。図１〜図３に示す例示的な実施形態では、バルブ１４が、最低圧力を超過したときに自動的に開く受動バルブとして設計され、これにより、質量流量が望ましいハウジング換気を確実にするのに十分なときにのみ、空気流れが排出ライン１２に存在することが確実となるように、バルブ１４は排出ライン１２に配置されている。また、中間圧力タップ１０を有する、関連した能動絞りエレメントの選択肢もあり、このエレメントは、望ましいハウジング換気を達成するために、必要とされるよりも多くの空気が圧縮機４から引き出されないように、質量流量の下限に加えて上限を設定するためのバルブとして同様に設計される。

図１に示す例示的な実施形態では、ハウジング２は、環境へ空気を解放するハウジング換気出口１５を備えている。

図２は、代替的な例示の実施形態を示しており、該実施形態では、圧縮機４から中間圧力タップ１０を通してハウジング２へ供給された空気がハウジング２での使用後に再循環されることができるように、ベントライン１６が出口１５からタービン８の下流側のタービン出口へと延びている。

図３は、他の例示的な実施形態を示しており、該実施形態では、第１遮断弁１７が圧縮機４の上流側に配置されており、第２遮断バルブ１８がタービン出口へのベントラインの接続部の下流側に配置されている。本例示的な実施形態は、スイッチオフシステムの再始動時に所謂空気−空気始動の問題を防止するように用いられる簡素な方法のカソード再循環を実現し、上記問題は、酸素が膜電極ユニット３の膜のアノード側およびカソード側に存在するときに生じる。カソード再循環は、燃料電池システムが第１遮断バルブ１７を閉じ、第２遮断バルブ１８を閉じ、中間圧力タップ１０を介した圧縮機４によってハウジング２からガスを吸い込むことによって再始動されるときに開始される。中間圧力タップ１０を通して圧縮機４に流入するガスは、圧縮機の出口まで圧縮され、引き続き、ハウジング２を通してタービン８へと流れ、ベントライン１６を介してハウジング２を通して圧縮機４へ戻る。カソード再循環によって、存在する残りの酸素が反応する。

１・・・燃料電池システム
２・・・ハウジング
３・・・膜電極ユニット
４・・・圧縮機
５・・・カソード供給部
６・・・給気冷却器
７・・・加湿器
８・・・タービン
９・・・フィルタ
１０・・・中間圧力タップ
１１・・・出口
１２・・・排出ライン
１３・・・ハウジング開口部
１４・・・バルブ
１５・・・出口
１６・・・ベントライン
１７・・・第１遮断バルブ
１８・・・第２遮断バルブ

Claims (10)

1. ハウジング（２）に配置された少なくとも１つの膜電極ユニット（３）と、圧縮機（４）を有したカソード供給部（５）と、ハウジング換気装置と、を備え、
   前記ハウジング換気装置は、前記圧縮機（４）と関連した中間圧力タップ（１０）を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記圧縮機（４）は、作動中に内部に存在する中間圧力の領域に出口（１１）を備え、前記出口は、排出ライン（１２）を介して前記ハウジング（２）のハウジング開口部（１３）に接続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. バルブ（１４）が前記出口（１１）および／または前記排出ライン（１２）および／または前記ハウジング開口部（１３）に関連してい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. 前記バルブ（１４）は、最低圧力を超過したときに自動的に開く受動バルブとして設計されてい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. 能動絞りエレメントが前記中間圧力タップに関連してい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. 前記圧縮機（４）は、ヘリカルスクリュ圧縮機およびルーツ圧縮機を有する群から選択さ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. 前記ハウジング（２）はハウジング換気の出口（１５）を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. ベントライン（１６）が前記出口（１５）からタービン（８）の下流側のタービン出口へと延びていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 第１遮断バルブ（１７）が前記圧縮機（４）の上流側に配置され、第２遮断バルブ（１８）が前記タービン出口への前記ベントライン（１６）の接続部の下流側に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. カソード再循環を実現するための請求項９に記載の燃料電池システムの使用であって、
    前記第１遮断バルブ（１７）を閉じるステップと、
    前記第２遮断バルブ（１８）を閉じるステップと、
    前記中間圧力タップ（１０）を介した前記圧縮機（４）によって前記ハウジング（２）からガスを吸い込むステップと、
    前記中間圧力タップ（１０）の後に前記圧縮機の出口まで前記ガスを圧縮するステップと、
    前記ガスを前記ハウジング（２）を通して前記タービン（８）まで通流させ、前記ベントライン（１６）を介して前記ハウジング（２）を通して前記圧縮機（４）に戻すステップと、
    を含む、請求項９に記載の燃料電池システムの使用。

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