JP2023549839A - アノード回路 - Google Patents

Abstract

本発明は、アノード排ガスを再循環させるための少なくとも１つのガス・ジェット・ポンプ（６）を具備した燃料電池（３）用のアノード回路（８）であって、ガス・ジェット・ポンプ（６）が、燃料ガス流としての燃焼ガス（Ｈ_２）が貫流可能な少なくとも１つのノズル（１８）を有し、さらにガス・ジェット・ポンプ（６）が、燃料ガス・ライン（１４）と再循環ライン（７）と流出ライン（１５）とを有する、アノード回路（８）に関する。本発明によるアノード回路は、異なる幾何形状を具備した複数のノズル（１８）がノズル・ボディ（１６）に配置されており、ノズル・ボディ（１６）は、選択によりノズル（１８）の１つを使用可能であるように、燃料ガス・ライン（１４）に対して移動可能であることを特徴とする。

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに詳細に明示される方式の、複数のガス・ジェット・ポンプを具備した燃料電池用のアノード回路に関する。

燃料電池システム内でアノード排ガスを再循環させることは、広く一般に知られることであり、通例である。そのためにアノード排ガスは、大半のケースにおいては水分離器を経由してアノード入口に取り廻された再循環ラインを利用して戻されて、新鮮な燃焼ガスと混合されてアノード入口に供給され、それにより取り立てて言うほどの水素損失なく、アノードの活性面内に常に何がしかの過剰水素を投与することができる。そこではアノード排ガスを再循環させるために、様々な再循環ブロアが知られる一方で、それに代わる、またはそれを補足する種々のガス・ジェット・ポンプも知られている。

そこでは、ガス・ジェット・ポンプの効率は、類型的にはこれに計量投与される体積流量、いわゆる燃料ガス流に比例して変化する。理想的なケースにおいてはガス・ジェット・ポンプの幾何形状は、その時々の燃料ガス流に対応して構成されており、それにより投与される水素の体積流量がまちまちであっても、ある一定の理想的な再循環が保たれる。さらにこれを実地において実現するために、ガス・ジェット・ポンプのノズルにはめ合わされて、流れの向きにも、また流れの向きとは反対方向にも一定の運動を行うことによって、ノズル内に異なる流れ断面が開放されるようにする、様々な可動式ノズル・ニードルが多くのケースで採用されている。これはかなりの工数を要し、かつ様々な可動部品がノズル内に直接配置されることにより、凍結に対しかなり脆弱である。

一般慣行からは、それに加えて複数のガス・ジェット・ポンプを並列に配置することが知られている。そこでは複雑なバルブやラインを介してこれらは、ガス・ジェット・ポンプの内の一方または他方または複数を一緒に利用できるように接続される。これも同様にかなりの工数を要し、かつ多数のラインとバルブによってかなり高価である。

特許文献１は、唯一のガス・ジェット・ポンプ内に複数のノズル・ボディを具備した構造を受け継いで、ロータリー・バルブを介して前述の構造を最適化した装置をもたらす。このロータリー・バルブを介して回転可能なバルブ・ボディはピボットすることができ、それにより、これらのノズルの内の１つまたは複数が選択により使用される。その原理は、様々な冷却回路の分野からも原則的に知られているものであり、特許文献２には当該記述がなされている。
ＫＲ ２０１２ ００５７９９６ Ａ ＪＰ ２００５－１５５５７１ Ａ１

本明細書に提示される発明の課題は、請求項１のプリアンブルによるアノード回路について、再循環効率に関して効率的かつコンパクトな構造で、状況に応じて最適化することができるように、改良発展させることにある。

本発明によれば、この課題は、請求項１の特徴を具備したアノード回路により解決される。これに従属しているそれぞれの従属クレームからは、様々な有益な構成形態および展開構成例が明らかにされる。

すなわち本発明による燃料電池用のアノード回路には、冒頭に掲記した先行技術文献に記載される構造のように、アノード排ガスを再循環させるための少なくとも１つのガス・ジェット・ポンプが含まれる。そこでも従来と同様に燃料ガス流として燃焼ガスが利用されるが、これが、上述の少なくとも１つのガス・ジェット・ポンプのノズルを貫流し、その際に再循環ラインからアノード排ガスを吸い込む。それにより生じた混合気は、それから流出ラインを通り、ガス・ジェット・ポンプから流れ出て、類型的には燃料電池の、特に複数の単セルからなる積層体もしくはスタックのアノード室に流れる。

そこでは本発明によれば、異なる幾何形状を具備した複数のノズルがノズル・ボディに配置されている。このノズル・ボディは、選択によりこれらのノズルの１つを使用可能であるように、燃料ガス・ラインに対して移動可能である。すなわちここでは、上述の従来技術とは異なり、全てのノズルをいつでも利用できるように保持し、必要時にガス流をこれらに個別にまたは並行して当てるのではなくて、共通ノズル・ボディ内の個々のノズルが、同じアクチュエータによって、燃料ガス・ラインの領域内に、例えば何らかの直線運動により、またはそれぞれのノズルをこの領域内へと旋回させることによって、移動される。そうすることによって、燃料電池内への現時点の水素投与量に依存して生じている現時点の燃料ガス流に応じて、この共通ノズル・ボディから適切なノズルを選択して利用位置へと移動させることが可能になる。

その際にこのノズル・ボディ自体は、例えばストリップ状に構成されたものであってもよく、その場合は、直動式アクチュエータを介して、理想的には有益な展開構成例にしたがって、流出ラインと一直線に並ぶ燃料ガス・ラインに対して横向きに、変位されるようにする必要がある。

ノズル・ボディが、回転式に構成される、詳しく言うと、燃料ガス・ラインに対して偏心で配置される回転軸まわりに回転可能に構成されている場合は、所要取付けスペースに関してとりわけ効率的で有利となる。その場合は非常に省スペース型に実現可能であるとともに、必要時には、リボルバーのドラムになぞらえられる回転動作によって所望の位置に回転することができるために、現時点で必要とされるノズルが、燃料ガス・ラインおよび特に流出ラインと一直線に並び、その後にはガス流がガス・ジェット・ポンプを貫流する際に、投与される水素のその時々の体積流量に見合った、再循環ラインからアノード排ガスを吸い込むために理想的な、類型的にはマッハ１を上回る流速の貫流を達成できる。

そこでは個々のノズルの中心軸が、理想的にはノズル・ボディの回転軸を中心とする一定半径に配置されている。そのため、例えばノズル・ボディの直径に応じて４つから６つの個々のノズルを保持し、それぞれのノズルを必要時にガス・ジェット・ポンプの燃料ガス・ラインへと回転させることが可能になる。

理想的には、このノズル・ボディは、燃料ガス流の流れ方向に先細りになるが、それにより吸い込まれる排ガス流にとっては流れ抵抗が相応に低減されることになり、この排ガス流は理想的な流れ形状でガス・ジェット・ポンプ内に導かれるようになる。

その際に再循環ラインは、任意の方式でガス・ジェット・ポンプ内に開口したものであってもよい。したがって例えば再循環されるガス流と燃料ガス流とを、互いに対して平行にガス・ジェット・ポンプ内に流入させることが可能である。また原則的にはガス・ジェット・ポンプ内で何らかの転向手段を用いて両者を非平行に配向することも考えられる。しかしながら再循環ラインが、燃料ガス・ラインおよび／または流出ラインに対して角度を付けて配置されている、特に一直線に並んだこれらの両ラインと直交する場合は、とりわけ有益であると言える。

本発明によるアノード回路およびそのガス・ジェット・ポンプのさらに有益な構成形態は、以下で図面を参照しながら詳細に説明する実施例からも明らかにされる。

少なくとも部分的に電気駆動される車両に搭載された燃料電池システムを示す原理図である。 第１動作状態にある本発明によるガス・ジェット・ポンプを示す断面図である。 第２動作状態にある図２によるガス・ジェット・ポンプを示す図である。 図２および図３によるガス・ジェット・ポンプ内にはめ込まれるノズル・ボディの上面図である。

図１の図中において、図式的に示される車両１、例えば乗用車またはトラックを確認することができるが、これは、その電気駆動出力の少なくとも一部を符号２が付された燃料電池システムから引き出す。そこでは燃料電池３がこの燃料電池システム２の中核を形成する。この燃料電池３は、そこでは公然周知の方式で多数の単セルから構成される燃料電池積層体として構成されている。ここにはあくまでも例示的に共通アノード室４と共通カソード室５が示されている。この燃料電池３は、例えばＰＥＭ燃料電池として構成されるものとする。この燃料電池３は、ここには図示されない水素用の貯蔵容器から、例えば圧縮ガス貯蔵システムから水素Ｈ_２を供給する。この水素は、ガス・ジェット・ポンプ６を通り燃料噴流として燃料電池３のアノード室４内に到達する。アノード室４から出る排ガスは、再循環ライン７を通りガス・ジェット・ポンプ６に戻されて、それにより吸い込まれて、新鮮な水素と混合されて再びアノード室４に供給される。このいわゆるアノード回路８は、燃料電池システムに関する当業者には広く一般に知られている。

それに加えてこのアノード回路８は、時間の経過に伴いアノード回路８内に蓄積する水および／または不活性ガスを、例えば時折、または水素濃度に依存してアノード回路８から排出するために、水分離器および／または放出バルブ９を利用できる。それ以外にもこのアノード回路には、ガス・ジェット・ポンプ６の補足として、再循環ブロアを有してもよいかもしれないが、これは、上述の水分離器と同様に、ここには図示されていない。排出されたガスは、符号１０が付されたラインを通り、燃料電池システム２の排気ライン１１に到達する。

カソード室５には、空気送出デバイス１２と、ここには例示的に示されるガス／ガス加湿器１３とを介して、空気が酸素供給体として供給される。その後、その排気は、既述の排気ライン１１を通り、ガス／ガス加湿器１３を再び通過して雰囲気中に到達する。これらは全て、燃料電池システムの当業者には広く一般に知られていることであり、慣行ともなっている。当業者であれば、その際には、例えばインタークーラー、水分離器、ターボ・チャージャーおよびその類いのような、さらに別のコンポーネントも一緒に備えることができることを承知している。もっとも、ここに提示される発明にとっては、これらはみな、アノード回路８に関して副次的な役割しか果たさないものであるために、これについてはそれ以上立ち入らない。

図２は、図１に図式的に示される、噴流ポンプと呼ばれるガス・ジェット・ポンプ６を断面図で示す。そこでは燃料ガス・ライン１４と、これと一直線に並んでいる、構成形態の一例においてはベンチュリー管である流出ライン１５とを確認することができるが、燃料ガス・ライン１４を通り流れ込む燃料噴流と、再循環ライン７を通して吸い込まれるアノード室４の排ガスとからなる混合気は、この流出ライン１５を通過して再びアノード室４に向かって流れる。このガス・ジェット・ポンプ６では、特異な点として、符号１６が付されたノズル・ボディが、燃料ガス・ライン１４およびこれと一直線に並んだ流出ライン１５の中心軸とは相違する回転軸１７のまわりに回転できる。このノズル・ボディ１６内には、ここでは複数の個々のノズル１８が構成されている。図２の図中において、符号１８．１が付されたノズルが燃料ガス・ライン１４および流出ライン１５と一直線に並んだ位置にあるが、そこではこのノズルが、例示的にアノード室４に向かって流れる中程度の水素流を対象として設けられている。このノズルは、この体積流量のときには、再循環ライン７から排ガス流を吸い込むために良好な条件がもたらされるように、特に音速を上回る流速が発生して、それによりこの体積流量のときのガス・ジェット・ポンプ６の吸込み挙動が最適化されるように、その幾何形状が設計されている。

図３の図中には、ガス・ジェット・ポンプ６の同じ構造が再度図示されている。ノズル・ボディ１６が回転軸１７まわりに相応に回転されることによって、ここでは符号１８．１を付したノズルが貫流領域外に配置されていると同時に、それよりも相応に小さい計量投与される水素の体積流量を対象とする符号１８．２を付したノズルが、燃料ガス・ライン１４と流出ライン１５との間の一直線に並ぶ位置へと旋回されて、今ではガス・ジェット・ポンプ６内で活性である。そこでは貫流方向に先細りするノズル・ボディ１６の構造は、ドラムリボルバーのドラムにほぼ相当するものであるが、図４の図中の上面図で、これを確認することができる。これが回転軸１７まわりに相応に回転可能であることによって、いずれも燃料ガス・ライン１４に対応する同一の開始径を具備して構成されているこれらのノズル１８．１～１８．４により、所望の個々の体積流量に首尾よく対処することができる。すなわちこれは、ここに図示される実施例においては、程度を異にする４通りの体積流量のそれぞれに対応した４種類のノズル１８．１～１８．４が自由な使用に供されていることを意味する。この構造について、ここでは回転対称形に構成されているノズル・ボディ１６内に、例えば５つ、６つ、７つまたはそれ以上の個々のノズル１８が構成されるように、拡張することができる。

概して、ガス・ジェット・ポンプ６のこのように極めてコンパクトで効率的な構造が生じ、この構造は、燃料ガス流として加えられた水素流への簡単な適合を許容し、この体積流量の大きさに応じ、それぞれ対応したノズル１８．１～１８．４を燃料ガス・ライン１４と流出ライン１５との間の配列に旋回させる。それにより、ガス・ジェット・ポンプ６、およびここでは特にベンチュリー管として構成された流出ライン１５の部分の理想的な貫流条件が可能となり、負圧効果と運動量交換効果とによって、再循環される排ガスの、燃料電池システム２もしくはそのアノード回路８の再循環ライン７からの最良の吸引が達成される。煩わしい配管の多重取り廻しや多数のバルブを採用することなく、かつ、ノズル・ニードルも使用することなくこれを実現することが可能である。

Claims (8)

1. アノード排ガスを再循環させるための少なくとも１つのガス・ジェット・ポンプ（６）を具備した燃料電池（３）用のアノード回路（８）であって、前記ガス・ジェット・ポンプ（６）が、燃料ガス流としての燃焼ガス（Ｈ_２）が貫流可能な少なくとも１つのノズル（１８）を有し、さらに前記ガス・ジェット・ポンプ（６）が、燃料ガス・ライン（１４）と再循環ライン（７）と流出ライン（１５）とを有する、前記アノード回路（８）において、
   異なる幾何形状を具備した複数のノズル（１８）がノズル・ボディ（１６）に配置されており、前記ノズル・ボディ（１６）は、選択により前記ノズル（１８）の１つを使用可能であるように、前記燃料ガス・ライン（１４）に対して移動可能であることを特徴とする、前記アノード回路（８）。
2. 前記ノズル・ボディ（１６）が、前記燃料ガス・ライン（１４）に対して偏心で配置される回転軸（１７）まわりに回転可能に構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のアノード回路（８）。
3. 前記ノズル（１８）の中心軸が、前記回転軸（１７）を中心とする一定半径に配置されていることを特徴とする、請求項２に記載のアノード回路（８）。
4. 前記燃料ガス・ライン（１４）と前記流出ライン（１５）とが一直線に並べられていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のアノード回路（８）。
5. 前記ノズル・ボディ（１６）が、その外周部において前記燃料ガス流の流れ方向に先細りになっていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のアノード回路（８）。
6. 前記再循環ライン（７）が、前記燃料ガス・ライン（１４）および／または前記流出ライン（１５）に対して角度を付けて形成されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のアノード回路（８）。
7. 前記角度が約９０°であることを特徴とする、請求項６に記載のアノード回路（８）。
8. 自動車（１）に電気駆動出力を提供するために利用される燃料電池システム（２）における使用によって特徴付けられる、請求項１から７のいずれか一項に記載のアノード回路（８）。
   
   

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