JP2023549073A - 燃料電池システムの構成要素を保護するための方法 - Google Patents
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Abstract
燃料電池システム（１）の構成要素を保護するための方法であって、前記燃料電池システム（１）が燃料電池スタック（１０１）と、空気路（１０）と、排ガス管（１２）と、再循環回路（５０）を備えた燃料管（２０）とを有している前記方法において、前記空気路（１０）を欠陥に関して監視するステップと、前記空気路（１０）内にある第１の弁（６１）を閉じ、前記排ガス管（１２）内にある第２の弁（６２）を閉じるステップと、パージ弁（４１）を遮断するステップと、前記第１の弁（６１）の上流側で前記空気路（１０）内の圧力を低下させるステップと、前記燃料電池システム（１）の継続運転が可能である場合には、前記第１の弁（６１）の上流側で前記空気路（１０）内の圧力を上昇させるステップと、前記パージ弁（４１）の遮断を解除するステップと、前記第１の弁（６１）と前記第２の弁（６２）とを開くステップと、前記燃料電池システム（１）を継続運転させるステップとを含んでいる方法。
【選択図】 図１
【選択図】 図１
Description
本発明は、燃料電池システムの構成要素を保護するための方法から出発する。
水素をベースにした燃料電池システムは、排ガスとして水だけを排出し、迅速な燃料補給時間を可能にするので、将来のモビリティコンセプトとされている。この場合、燃料電池システムは電池内部での化学反応のために空気と水素を使用する。要求されるエネルギー量を提供するため、１つの燃料電池システム内部に配置される複数の燃料電池は互いに結線されて、いわゆる複数の燃料電池スタックを形成する。この場合、電池の排熱は冷却回路により搬出されて、周囲へ放出される。燃料電池システムの作動に必要な水素は、通常は高圧タンクからシステムに供給される。
本発明の対象は、方法に関する独立請求項の構成を備えた方法である。本発明の他の構成要件および詳細は、それぞれの従属請求項、説明および図面から明らかである。
本発明による方法は、導入した処置が望ましくない連続反応または二次ダメージを生じさせることなく、燃料電池システムの欠陥によるダメージおよびその結果生じる急速な圧力降下によるダメージから燃料電池システムの構成要素を保護するために用いる。
空気路内の欠陥は、たとえばチューブコネクタが外れることによって生じるような空気路内の漏れによって発生しうる。他の欠陥は、空気圧縮器の「ポンピング」によって発生しうる。
空気圧縮器の「ポンピング」という欠陥が検出されると、空気路内部を損傷させ、その中に配置されている構成要素、特に空気圧縮器または弁を損傷させる。
この理由から、このような欠陥の場合、空気圧縮器と燃料電池スタックとの間で圧力を急速に降下させねばならない。この場合、第１および第２の弁を閉じることにより、遮断領域内の圧力が変化しないこと、または、わずかしか変化しないことが確保され、その結果空気と燃料と冷却媒体とを含む３つの媒体系の間での圧力差に関する要求が満たされる。媒体系の間で圧力差が厳守されないと、燃料電池スタックの膜を損傷させることがある。
外れたチューブコネクタによるような空気路内の漏れによる欠陥の場合も、第１および第２の弁を閉じることにより、遮断領域内の圧力が変化しないこと、または、わずかしか変化しないことが確保される。
第１および第２の弁を閉じ、これにより燃料電池スタックを望ましくない圧力変動から防護した後、空気路内の圧力を低下させることができる。
欠陥後に空気路内の圧力を降下させることにより、空気路内の構成要素を望ましくないほど高い圧力による損傷または漏れによる損傷から保護することができる。これは構成要素の高寿命にとって重要であり、よって燃料電池システム全体の高寿命にとって重要である。
本発明による方法は、燃料電池システムの構成要素を保護するための方法であって、前記燃料電池システムが燃料電池スタックと、空気路と、排ガス管と、再循環回路を備えた燃料管とを有している前記方法において、
－前記空気路を欠陥に関して監視するステップと、
－前記空気路内にある第１の弁を閉じ、前記排ガス管内にある第２の弁を閉じるステップと、
－パージ弁を遮断するステップと、
－前記第１の弁の上流側で前記空気路内の圧力を低下させるステップと、
－前記燃料電池システムの継続運転が可能である場合には、
－前記第１の弁の上流側で前記空気路内の圧力を上昇させるステップと、
－前記パージ弁の遮断を解除するステップと、
－前記第１の弁と前記第２の弁とを開くステップと、
－前記燃料電池システムを継続運転させるステップと、
を含んでいる。
－前記空気路を欠陥に関して監視するステップと、
－前記空気路内にある第１の弁を閉じ、前記排ガス管内にある第２の弁を閉じるステップと、
－パージ弁を遮断するステップと、
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－前記パージ弁の遮断を解除するステップと、
－前記第１の弁と前記第２の弁とを開くステップと、
－前記燃料電池システムを継続運転させるステップと、
を含んでいる。
すでに上で挙げた利点以外に、第１の弁の上流側で空気路内の圧力を低下させる前にパージ弁を遮断することは有利である。というのは、もしそうしないと、空気路内の空気および排ガス管内の空気も、パージ工程によって生じる排ガス中のＨ２濃度を希薄化するために十分でなくなるからである。同様の利点は、空気路内の圧力が再び上昇して、その結果Ｈ２濃度を希薄化するために十分な量の質量流を使用できるようになったときに初めてパージ弁を遮断することが可能であることによって得られる。
従属請求項には、本発明による燃料電池システムの有利な構成および更なる構成が記載されている。
第１の弁と第２の弁とを閉じる時点で、第１の弁と燃料電池スタックとの間での空気路内の圧力を記憶するならば、有利である。というのは、この圧力は、燃料電池システムを継続運転する場合に第１の弁の上流側での圧力が遮断領域内の圧力に同一化されれば、参照値として用いることができるからである。
バイパス弁を開くことによって空気路内の圧力を低下させ、その結果空気が空気路からバイパス管を介して排ガス管内へ流れることができることは、迅速で効果的な圧力降下を可能にさせるので、有利である。
更なる利点は、空気路内の圧力を低下させるため、空気路内および排ガス管内の、他の弁、および／または、スロットルバルブ、および／または、タービンバイパスを開くならば、得られる。
空気路内の圧力を低下させるため、空気圧縮器の出力を低下させ、または、これを停止させるならば、有利である。というのは、このようにして空気圧縮器と第１の弁との間の領域には少量の空気が搬送され、または、もはや空気は搬送されず、これによって空気圧縮器を介して圧力比が低下するからである。
第１の弁と第２の弁とを開く前に、第１の弁の上流側での空気路内の圧力レベルを遮断領域内の圧力レベルに整合させ、これによって第１の弁および／または第２の弁を開く際に空気路内が圧力サージにならないようにするならば、有利である。この場合、第１の弁と第２の弁との同期開弁によって圧力レベルの整合を行ってよく、その結果異なる圧力レベルは小さなステップで接近する。
空気路内の圧力を上昇させるため、これまでに導入した処置に依存して、有利な態様では、バイパス弁を閉じ、および／または、空気路内および／または排ガス管内の、他の弁、および／または、スロットルバルブ、および／または、タービンバイパスを閉じてよい。択一的に、空気路内の圧力を上昇させるため、空気圧縮器の出力を上昇させてよい。
カソード路内での圧力整合に加えて、または、その代わりに、アノード圧も整合させてよい。（アノード側とカソード側との間での）スタックの圧力差に関する要求を厳守するため、パージ弁を開いてよい。これにより、再循環回路内の圧力を遮断領域６３内の圧力レベルプラスオフセットに整合させることができる。オフセットとは、燃料電池スタックが要求するアノード側とカソード側との間の圧力差である。
本発明による方法は、特に燃料電池で作動する自動車で使用することができる。しかしながら、同様にクレーン、船、軌道車両、飛行体のような燃料電池で作動する他の移動手段での使用も、或いは、燃料電池で作動する固定式の対象物での使用も考えられる。
図１には、少なくとも１つの燃料電池スタック１０１とともに、本発明の１実施形態による燃料電池システム１の概略的トポロジーが示されている。少なくとも１つの燃料電池システム１は、空気路１０と、排ガス管１２と、燃料管２０とを有している。少なくとも１つの燃料電池スタック１０１は、たとえばトラックでの高電力需要を伴うモバイルアプリケーションのために、或いは、たとえば発電機でのステーショナリアプリケーションのために使用できる。
空気路１０は、燃料電池スタック１０１のカソード１０５に取込み部１６を介して周囲から空気を供給するために供給管として用いる。空気路１０内には、燃料電池スタック１０１の作動のために必要な複数の構成要素が配置されていてよい。空気路１０内には、空気を燃料電池スタック１０１のその都度の作動条件に応じて圧縮または吸い込む空気圧縮器１１および／またはコンプレッサ１１が配置されていてよい。空気圧縮器１１およびコンプレッサ１１の下流側には、空気路１０内の空気により高い湿度を供給する加湿器１５があってよい。
空気路１０の内部には、さらに、たとえばフィルタおよび／または熱交換器および／または弁のような他の構成要素が設けられていてよい。空気路１０を介して、燃料電池スタック１０１に含酸素空気が提供される。
さらに、燃料電池システム１は排ガス管１２を有し、排ガス管内では、水および空気路１０から来る空気の他の成分が燃料電池スタック１０１を通過した後に排出部１８を介して周囲へ搬送される。排ガス管１２の排ガスは水素（Ｈ２）を含んでいてもよい。なぜなら、水素の一部は燃料電池スタック１０１の膜によって拡散させることができ、或いは、パージ管４０を介して排ガス管内へ搬送されるからである。
空気路１０は、バイパス管６６を介して排ガス管１２と結合されている。バイパス管６６の内部には、空気路１０からの空気を燃料電池スタック１０１の傍らを通って排ガス管１２へ誘導するために、バイパス弁６５が配置されている。
バイパス管６６とカソード１０５との間には、空気路１０内に第１の弁６１が配置され、排ガス管１２内に第２の弁６２が配置されている。第１の弁６１と第２の弁６２とを閉じることによって、カソード１０５を固定圧力レベルに保持することができ、または、望ましくない圧力降下から防護することができる。
燃料電池システム１は、さらに、燃料電池スタック１０１の冷却のために形成されている冷却回路を有していてよい。冷却回路は、本発明の構成部分でないため、図１に図示していない。
燃料管２０の入口には、高圧タンク２１と遮断弁２２とがある。燃料電池スタック１０１のアノード側１０３に必要に応じて燃料を供給するため、燃料管２０内に更なる構成要素が配置されていてよい。
燃料電池スタック１０１に常に十分に燃料を供給するためには、燃料管２０を介しての燃料の超化学量論的配量の必要性がある。余分な燃料と、電池膜を通じてアノード側へ拡散するある程度の水および窒素とは、再循環回路５０内へ戻し、燃料管２０から配量された燃料と混合させる。
再循環回路５０内での流動を推進するため、たとえば配量された燃料で作動するジェットポンプ５１またはブロワー５２のような種々の構成要素が組付けられていてよい。ジェットポンプ５１とブロワー５２との組み合わせも可能である。
水および窒素の量は時間とともに常に増大し続けるので、再循環回路５０を時折洗浄しなければならないが、その結果燃料管２０内の窒素濃度が高すぎることによる燃料電池スタック１０１の性能の低下は起こらない。
再循環回路５０と排ガス管１２との間にパージ管４０が配置されており、その結果ガス混合物は再循環回路５０から排ガス管１２内へ流れることができる。
パージ管４０内には、再循環回路５０と排ガス管１２との間の結合部を開閉することができるパージ弁４１が配置されていてよい。パージ弁４１はほとんどの場合短時間開弁され、その結果ガス混合物はパージ管４０を介して排ガス管１２内へ誘導される。
図２は、燃料電池システム１の空気路１０内の構成要素を保護するための本発明による方法の個々のステップのフローチャートを示している。
方法ステップ１００で、空気路１０を欠陥に関して監視する。欠陥とは、たとえば、空気圧縮器１１と燃料電池スタック１０１との間での空気路１０内の圧力が高すぎること、或いは、空気路１０内部の漏れであってよい。高すぎる圧力は、特に空気圧縮器１１の「ポンピング」の際に発生することがある。この場合、空気圧縮器１１は特定の圧力で最小質量流を下回るときに特に発生するその特性マップの不安定な領域にある。
空気路１０内に欠陥が検出されると、方法ステップ２００で、空気路１０内にある第１の弁６１と、排ガス管１２内にある第２の弁６２とを閉じる。第１の弁６１と第２の弁６２とを閉じることによって、第１の弁６１と第２の弁６２との間にあって、燃料電池スタック１０１のカソード側１０５を含む遮断領域６３が生じる。
方法ステップ３００でパージ弁４１を遮断するが、これは、パージ弁４１を開く要求にこれ以上従わないことを意味している。
方法ステップ４００で、第１の弁６１の上流側で空気路１０内の圧力を低下させる。
空気路１０内の圧力を低下させるため、バイパス弁６５を開き、その結果空気が空気路１０からバイパス管６６を介して排ガス管１２内へ流れることができる。
択一的にまたは補助的に、空気路１０内の圧力を低下させるため、空気路１０内および／または排気ガス管１２内の、他の弁、および／または、スロットルバルブ、および／または、タービンバイパスを開いてよい。
他の実施形態では、空気路１０内の圧力を低下させるための上に挙げた２つの可能性に加えて、空気圧縮器１１の出力を低下させるか、これを停止させてよい。
他の実施形態では、第１の弁６１と第２の弁６２とを閉じる時点での第１の弁６１と燃料電池スタック１０１との間での空気路１０内の圧力を記憶させてよい。この圧力値は、特に、重大な欠陥が存在せず、燃料電池システム１の継続運転が可能であれば、重要である。この事例では、記憶した圧力値を、遮断領域６３内の圧力と第１の弁６１の上流側での空気路１０内の圧力とを同一にするための参照値として利用する。
方法ステップ５００で、燃料電池システム１の継続運転が可能であるかどうかをチェックする。
継続運転が可能であれば、方法ステップ５１０で、第１の弁６１の上流側で空気路１０内の圧力を上昇させる。
継続運転は、空気圧縮器１１の「ポンピング」の結果、高圧が発生した場合に可能である。この場合には、その後の継続運転が問題なく且つシステムパラメータを事後的に整合させることなく可能である。継続運転は、空気圧縮システムが欠陥のために限定的にしか運転できない場合も可能である。これは、たとえば、空気圧縮器１１の欠陥のために、または、弁の欠陥のために起こりうる。
この事例では、燃料電池システム１は出力を低下させて限定的にしか継続運転ができない。このためには、燃料電池システム１の運転のために必要な複数のパラメータを整合させねばならない。これは、たとえば、パージ弁４１の開弁時間の短縮であってよい。というのは、Ｈ２濃度を希薄化するために使用する排ガス管１２内の空気の量は比較的少量だからである。パラメータの整合に対する詳細は、本発明のテーマではないので以下では立ち入らない。
空気路１０内の圧力を上昇させるため、バイパス弁６５、および／または、空気路１０内および／または排ガス管１２内の、他の弁、および／または、スロットルバルブ、および／または、タービンバイパスを閉じることができる。
択一的な実施形態では、空気路１０内の圧力を上昇させるため、択一的にまたは補助的に、空気圧縮器１１の出力を増大させてよい。
方法ステップ５２０で、パージ弁４１の遮断を解除することができる。これは、燃料電池システム１をパージする要求がある場合にこれが再び可能であることを意味している。空気路１０内の圧力上昇により、Ｈ２濃度を希薄化するために必要とする空気の質量流を排ガス管１２内でも再び提供できる。
オプションの方法ステップ５３０で、遮断領域６３内の圧力レベルを、第１の弁６１の上流側での空気路１０内の圧力レベルに整合させてよい。
遮断領域６３と空気路１０との間での圧力の整合に加えて、または、これとは択一的に、再循環回路５０内でも圧力を整合させて、（アノード側とカソード側との間での）スタックの圧力差に関する要求を厳守してよい。このため、パージ弁４１を開くことによって再循環回路５１内の圧力レベルの低下を行う。この場合、再循環回路内の圧力レベルは、遮断領域６３内の圧力プラスオフセットへ低下させるべきである。この場合オフセットは、２００ｍｂａｒの圧力を越えないように選定される。例外的な事例では、４００ｍｂａｒの圧力までのオフセットが可能である。しかしこれらの値は、燃料電池スタック１０１の種類および構成に強く依存している。
他の実施形態では、択一的または補助的に、圧力レベルの整合を第１の弁６１と第２の弁６２との同期開弁によって行ってよい。この場合、第１の弁６１と第２の弁６２とを完全に開弁させることができる程度に遮断領域６３内の圧力レベルと第１の弁６１の上流側での空気路１０内の圧力レベルとが同一になるまで、遮断領域６３内の圧力の段階的同一化を行う。
しかし、遮断領域６３と第１の弁６１の上流側での空気路１０との圧力の同一化は、たとえばこれらの領域の間の圧力差が大きすぎなければ、どのような場合も必要であるわけではない。
方法ステップ５４０では、方法ステップ５５０で燃料電池システム１の継続運転を行う前に、第１の弁６１と第２の弁６２とを開弁させる。
燃料電池システム１が重大な欠陥のために継続運転できなければ、方法ステップ５６０で“Ｂｌｅｅｄ－Ｄｏｗｎ”を導入することができ、すなわち流れを吸引することによって、遮断領域６３の空気中の酸素を大部分消費させる。
オプションで、この場合には、第１の弁６１と第２の弁６２とパージ弁４１とを並行的に短時間開弁することによっても、遮断領域６３での高い圧力レベルをもくろむことができる。このようにして、燃料電池スタック１０１のカソード側１０５の遮断領域６３内とアノード側１０３の再循環回路５０内とで圧力を並行的に且つ歩進的に低下させる。この工程は、パージ弁４１を開いた後の周囲のＨ２濃度を拡散によって低下させるために、より大きな時間間隔で実施してよい。
１ 燃料電池システム
１０ 空気路
１１空気圧縮器
１２ 排ガス管
２０ 燃料管
４１ パージ弁
５０ 再循環回路
６１ 第１の弁
６２ 第２の弁
６５ バイパス弁
６６ バイパス管
１０１ 燃料電池スタック
１０ 空気路
１１空気圧縮器
１２ 排ガス管
２０ 燃料管
４１ パージ弁
５０ 再循環回路
６１ 第１の弁
６２ 第２の弁
６５ バイパス弁
６６ バイパス管
１０１ 燃料電池スタック
Claims (10)
- 燃料電池システム（１）の構成要素を保護するための方法であって、前記燃料電池システム（１）が燃料電池スタック（１０１）と、空気路（１０）と、排ガス管（１２）と、再循環回路（５０）を備えた燃料管（２０）とを有している前記方法において、
－前記空気路（１０）を欠陥に関して監視するステップと、
－前記空気路（１０）内にある第１の弁（６１）を閉じ、前記排ガス管（１２）内にある第２の弁（６２）を閉じるステップと、
－パージ弁（４１）を遮断するステップと、
－前記第１の弁（６１）の上流側で前記空気路（１０）内の圧力を低下させるステップと、
－前記燃料電池システム（１）の継続運転が可能である場合には、
－前記第１の弁（６１）の上流側で前記空気路（１０）内の圧力を上昇させるステップと、
－前記パージ弁（４１）の遮断を解除するステップと、
－前記第１の弁（６１）と前記第２の弁（６２）とを開くステップと、
－前記燃料電池システム（１）を継続運転させるステップと、
を含んでいる方法。 - 前記第１の弁（６１）と前記第２の弁（６２）とを閉じる時点で、前記第１の弁（６１）と前記燃料電池スタック（１０１）との間での前記空気路（１０）内の圧力を記憶することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記空気路（１０）内の圧力を低下させるため、バイパス弁（６５）を開き、その結果空気が前記空気路（１０）からバイパス管（６６）を介して前記排ガス管（１２）内へ流れることができることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記空気路（１０）内の圧力を低下させるため、前記空気路（１０）内および／または前記排ガス管（１２）内の、他の弁、および／または、スロットルバルブ、および／または、タービンバイパスを開くことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
- 前記空気路（１０）内の圧力を低下させるため、空気圧縮器（１１）の出力を低下させ、または、これを停止させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記第１の弁（６１）と前記第２の弁（６２）とを開く前に、前記第１の弁（６１）の上流側での前記空気路（１０）内の圧力レベルを前記遮断領域（６３）内の圧力レベルに整合させることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
- 前記圧力レベルの整合を、前記第１の弁（６１）および／または前記第２の弁（６２）の同期開弁によって行うことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
- 前記再循環回路（５０）内での圧力レベルの低下を、パージ弁（４１）を開くことによって行い、その結果前記再循環回路（５０）内の圧力を、前記遮断領域（６３）内の圧力レベルプラスオフセットへ低下させることを特徴とする、請求項２～７のいずれか一項に記載の方法。
- 前記空気路（１０）内の圧力を上昇させるため、前記バイパス弁（６５）を閉じ、および／または、前記空気路（１０）内および／または前記排ガス管（１２）内の、前記他の弁、および／または、スロットルバルブ、および／または、前記タービンバイパスを閉じ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方法。
- 前記空気路（１０）内の圧力を上昇させるため、前記空気圧縮器（１１）の出力を上昇させることを特徴とする、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。
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