JP2024502593A - 加湿を改善した燃料電池システム - Google Patents

Abstract

アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置されている膜と、カソード入口と、カソード出口と、アノード入口と、アノード出口とを備えた少なくとも１つの燃料電池を有する燃料電池システムを提案する。前記燃料電池システムは、本発明によれば、前記アノード出口に生じる水を、少なくとも部分的に、前記カソード入口と結合されている酸化剤管内にある少なくとも１つの加湿接続部へ誘導し、その結果前記カソード入口へ流れる酸化剤流を加湿するために形成されていることを特徴としている。【選択図】 図１

Description

本発明は、少なくとも１つの燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものである。

電力が燃料電池システムによって提供され、駆動モータによって駆動される車両が知られている。その際、水素が酸化剤と、通常は周囲空気の酸素と触媒結合して水が形成され、この場合に電力が提供される。周囲空気は、空気搬送システムまたは空気圧縮システムを用いて燃料電池システムに供給される。水素は通常高圧タンク内に貯留され、管および弁を介して燃料電池システムに供給される。さらに、水素はアノード回路内またはアノード通路内で再循環させることができる。

ＰＥＭ燃料電池に基づいている燃料電池システムは、プロトンを誘導できるようにするため、十分に湿った膜を要求する。このため、燃料電池システム内での、特にカソード通路内および膜内での十分な水管理は、燃料電池システムの作動のために不可欠である。乾燥の危険は特にカソード入口領域において著しく高い。燃料電池システムを膜加湿機を用いて作動させること、および／または、空気からの吸水能をより低くするためにシステム圧をより高く設定することが知られている。さらに、個々の燃料電池内の流動通路による内部加湿は、かなり高いシステム圧と、比較的薄い膜とを要求する。このため、たとえば周囲温度が高い場合、山道走行の場合、燃料電池が劣化している場合などに、燃料電池システムがいくつかの作動領域において作動できなくなったり、或いは、出力を低下させなければ作動できなくなったりする。

したがって本発明の課題は、実現可能な作動限界を拡大させるために加湿の改善を達成させた燃料電池または燃料電池システムを提案し、この場合そのために燃料電池システムの複雑性およびコストをできるだけ増大させないか、著しく増大させないことである。

この課題は、独立請求項１の構成を備えた燃料電池システムによって解決される。有利な実施形態および更なる構成は、従属請求項と以下の説明から読み取れる。

アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置されている膜と、カソード入口と、カソード出口と、アノード入口と、アノード出口とを備えた少なくとも１つの燃料電池を有する燃料電池システムを提案する。この燃料電池システムは、本発明によれば、前記アノード出口に生じる水を、少なくとも部分的に、前記カソード入口と結合されている酸化剤管内にある少なくとも１つの加湿接続部へ誘導し、その結果前記カソード入口へ流れる酸化剤流を加湿するために形成されていることを特徴としている。

したがって、前記少なくとも１つの燃料電池はポリマー電解質膜（ＰＥＭ）型燃料電池である。これは、アノード側に水素または水素を有するガスが供給され、カソード側に酸素または酸素を有するガスが供給される。作動時にはアノードにも水が発生し、この水は本発明によれば酸化剤流を加湿するために使用される。

酸化剤流は、空気または酸素の形態で実現されていてよい。地上または屋外で作動させる車両の場合、特に空気が酸化剤として考えられる。というのは、空気は十分な量で提供され、場合によっては圧縮機を介して加圧させることができるからである。

少なくとも１つの加湿接続部は、ただ１つの加湿接続部を有していてよいが、しかし複数の加湿接続部を有していてもよい。これらは酸化剤管の異なる個所に設けられていてよい。第１の加湿接続部がカソード入口のすぐ上流側に配置されていることが考えられる。これは、カソード入口と結合されてアノード出口から水を選択的に放出する第１の配量弁のすぐ上流側でもよい。第２の加湿接続部は中間冷却機の後に接続されていてよく、第３の加湿接続部は中間冷却機の前に接続されていてよい。第４の加湿接続部は、酸化剤流を加圧させて酸化剤管内へ搬送する圧縮機の前に接続されていてよい。さらに、第５の加湿接続部がエアフィルタの前にも配置されていてよい。もちろん更なる加湿接続部が考えられ、複数の加湿接続部を同時に使用することも考えられる。

本開示で使用される分類番号「第１の」、「第２の」、「第３の」、「第４の」、「第５の」は順番として理解すべきでなく、同じ種類の構成要素であるが、異なる位置に、異なる目的のために、または、異なる実施形態で設けられていてよい構成要素を識別するためのものにすぎないと理解すべきである。

実現された燃料電池システムにおいては、アノード出口で予想される圧力に適した適当な加湿接続部を選択することが可能である。予想される圧力がたとえば比較的低ければ、加湿接続部を圧縮機の下流側に設けるよりはむしろ加湿接続部を圧縮機の上流側に設けるほうが考慮に値する。

アノードには、カソードよりも少なくともわずかに高い圧力が供給されることがある。したがって、アノード出口とカソード入口のすぐ上流側の酸化剤管との間には正の圧力差があり、すなわち過圧がある。本発明によれば、この過圧は、アノードに生じる水を特別な処置なしに酸化剤流に混合させるために利用することができる。これによって、構成空間と付加的に必要な周辺機器とを著しく節減することができる。これは、公知の燃料電池システムに比べて本発明による燃料電池システムを明らかに簡潔化させ、コスト上好ましい製造を可能にさせることができる。さらに、酸化剤流の加湿により、空気供給路内での著しい圧力損失は発生しない。また、膜加湿器を必要とせず、その結果構成空間を節減できる。燃料電池システムの作動範囲を作動限界へ拡張させることができ、或いは、作動範囲のために予想される出力減少をかなり遅らせることができる。燃料電池システム内部の圧縮機に要求される出力を低下させることができ、および／または、全負荷点での少なくとも１つの燃料電池の設計を改善することができる。なぜなら、要求圧力の低下および空気圧縮システムの寄生出力を十分になくせることにより、総じて必要な出力が低減されるからである。したがって、本発明による燃料電池システムは、作動範囲および作動限界に関して、よって水素消費に関して最適化されており、しかもこのためにシステムコストを著しく上昇させない。

少なくとも１つの加湿接続部の後に、酸化剤・水混合物を均質化するための混合ユニットが配置されていれば有利である。混合ユニットは、少なくとも１つの燃料電池内への水滴の侵入を回避するために、酸化剤・水混合物を均質化するのを可能にさせる。さらに、混合ユニットは蒸発／気化を促進させることができる。混合ユニットの取り付け位置は、複数の実施形態で互いに異なっていてよい。たとえば、混合ユニットをカソード入口のすぐ上流側または遮断弁のすぐ上流側に配置することが可能である。さらに以下で説明するカソードバイパスを使用すれば、混合ユニットはカソードバイパスの引き込み個所の上流側に配置されていてよい。

さらに、少なくとも１つの加湿接続部の後に、水の蒸発または気化を促進するために、酸化剤流が貫流する多孔性の加湿体が配置されていれば有利である。アノード出口と当該加湿接続部との間の圧力差は、酸化剤管内への水の噴射または噴霧を阻止するため、小さすぎてよい。たとえば海綿状に実施されている多孔性の加湿体の使用により、水は非常に大きな表面積を湿らせ、このことは酸化剤流による気化または蒸発を容易にさせる。加湿体は、有利な実施形態では、酸化剤管の横断面を局所的に完全に充填し、その結果酸化剤流は加湿体を貫流せざるを得ない。

さらに有利な実施形態では、配量ユニットが、少なくとも１つの加湿接続部の前に配置され、水を配量し加圧して少なくとも１つの加湿接続部内へ放出するために形成されている。配量ユニットは、圧力の上昇によって、水の細かな噴霧を可能にさせることができる。圧力上昇は種々の方式で達成できる。たとえば、配量ユニットはポンプノズルユニットまたはこれに類似したものを有していてよい。たとえばピエゾアクチュエータを有する圧力上昇インジェクタが考えられる。同様に、小型のポンプまたは体積搬送ダイヤフラムポンプが考えられる。後者の実施形態には特別な利点があり、すなわちポンプストロークが正確に定義されており、配量された水の量を正確に量定することができる。市場ではすでに、車両内での使用のために、コスト的に好ましく、特に氷圧に強い、所定の搬送体積または配量体積を備えたダイヤフラムポンプを入手できる。配量ユニットは、配量弁との組み合わせで、または、配量弁の代わりに使用できる。特に上記のダイヤフラムポンプを使用する場合、そのコストはリーズナブルである。この圧力を上昇させる、噴霧の可能性を持った実施形態の利点は、－前記の混合機に比べて－圧力損が発生しないことである。

さらに、配量ユニットおよび／または少なくとも１つの加湿接続部は、水を噴射または噴霧するための噴射装置または噴霧装置を有していてよい。これは、酸化剤・水混合物の均質化を支援する。噴射装置または噴霧装置は、インジェクタの形態で実施されていてよい。

さらに有利な実施形態では、配量ユニットは、少なくとも一時的に水を集めるバッファーストレージシステムと結合されていてよい。これは、常にアノード出口からの水で充填される別個の容器であってよい。しかしながら、アノード出口と結合される排出管を、そこで水に対する十分な緩衝能力があるように実施してもよい。この場合配量ユニットは、バッファーストレージシステムからその中に集められた水が連続して供給されるので、連続的に作動できて有利である。

特に有利には、制御ユニットが、少なくとも１つの配量弁または前述の配量ユニットと連結されて、酸化剤管内へ流れる水の量を少なくとも１つの燃料電池の作動状態に依存して制御するために形成されていてよい。制御ユニットは加湿の適合を達成させることができる。配量は、燃料電池システムまたは少なくとも１つの燃料電池の作動状態または作動点に依存して行ってよい。少なくとも１つの燃料電池が作動範囲の大部分において自力で湿潤するように構成されていれば、水の計量配分を有利には作動範囲の限界で行うことで、この限界範囲で出力減少または乾燥を回避してよい。しかしながら、少なくとも１つの燃料電池が好都合に幾分加湿した酸化剤を常に利用できるように構成されていれば、アノード出口での水から出発して作動範囲全体にわたって加湿を適用してよい。さらに、燃料電池システムの寿命全体にわたって、少なくとも１つの燃料電池の劣化に基づいて作動戦略を適合させる必要がある。計量配分は、寿命にわたって適宜順応的に順次行ってよい。たとえば、少なくとも１つの燃料電池の新品状態では、いくつかの作動点でのみ計量配分を実施し、寿命が進行するにつれて作動範囲のより多くの部分で実施してよい。制御ユニットは、これらの過程の１つまたは複数を実施するために形成されていてよい。

有利な実施形態では、酸化剤管内へ流れる水の量を検知または検出するために形成されている水供給検出ユニットが設けられている。酸化剤管内へ流れる水の量に関する知識は、加湿装置による加湿を対応的に制御するために有用である。ダイレクトな検出とは択一的に、モデルをベースにした評価を介して水量を既存のデータ／センサデータおよび配量ユニットの起動制御に基づいて算出してよい。たとえば配量ユニット内または配量弁内の、流動を監視されるアクチュエータは、配量の際または搬送行程の際の流動特性によって、水を配量するか、ガスを配量するかが評価されてよい。流体の密度が大きく異なることにより、媒体状態（液状かガス状か）の推定を可能にさせるその都度異なる流動特性が得られる。たとえば、計量配分するための水がなければ、作動戦略を適合させるためにこの情報のフィードバックを考慮してよい。もちろん、水の配量を適当なセンサを用いて監視することも可能である。

さらに、燃料電池システムが、所定のタイムインターバルの間にアノードとカソードとの間の圧力差を増大させ、前記タイムインターバルの間に水を少なくとも１つの加湿接続部内へ誘導するために形成されていれば有利でありうる。これは、特に配量ユニットなしで燃料電池システムを実現する際に特に有効である。これによって、水に作用する推進力を短時間で上昇させることができる。

さらに、過剰な水を排ガス通路内またはダイレクトに周囲へ搬出するためにカソード出口を選択的に酸化剤管と結合させるために形成されているカソードバイパスが設けられていてよい。このために、カソードバイパスはダイレクトに、すなわちスタックのそばを通って周囲または排ガス通路へ延びていてもよい。対応する配量弁または配量ユニットまたは水を導入するための他のいかなる機構も、凍結点以下の温度を有する必要がある場合には、或いは、凍結した水を含んでいる必要がある場合には、熱い空気をカソードバイパス内へ引き込むことによって溶かしてよい。

本発明を改善する更なる処置は、図を用いた本発明の有利な実施形態の説明とともに以下により詳細に示される。

燃料電池システムの概略図である。 水導入部の詳細図である。 水導入部の詳細図である。

図１は、燃料電池システム２を概略図で示している。燃料電池システム２は燃料電池４を有し、燃料電池はアノード６と、カソード８と、冷却ユニット１０とを有している。アノード６とカソード８との間には膜１２が配置されている。アノード６にはアノード入口１４を介して水素が供給され、水素は少なくとも部分的にアノード出口１６から再び排流する。再循環管１８は、圧縮機２０とジェットポンプ２２とを用いてアノード出口１６からアノード入口１４への水素の再循環を実施する。ここに図示していない水素タンクの水素は、ジェットポンプ２２を介して混合される。

周囲空気２４は、エアフィルタ２６を介して圧縮機２８に供給される。圧縮機は、ここでは、たとえばインバータ３２から電圧の供給を受ける電動機３０によって駆動される。これによって、加圧された空気は空気管として形成されている酸化剤管３４に供給される。

冷却され加圧された空気は、中間冷却機３６を介して、空気・水混合物を均質化する混合ユニット３８に入る。以下では、導水の種類について詳しく説明する。たとえば、混合ユニット３８内では、空気中に含まれている水が渦を巻き、その結果極めて小さな滴または霧が形成されて、水の気化または蒸発が促進される。混合ユニット３８には、下流側に、カソード入口４２と結合されている第１の遮断弁４０が接続している。カソード８から出る排出空気は、カソード出口４４を介して且つ第２の遮断弁４６を介して空気排出管４８内へ入る。この空気排出管は、空気を再び周囲空気２４に供給する調整弁５０を有していてよい。

空気管３４は、ここでは複数の加湿接続部を有し、これら加湿接続部を介してアノード出口１６からの水を空気流に供給することができる。水はここでは排出管５２に供給され、排出管は第１の配量弁５４を介してたとえば配量ユニット５６と結合されている。配量ユニット５６は、排出管５２から出て配分された量の水を、第１の遮断弁４０のすぐ上流側または混合ユニット３８のすぐ上流側にある第１の加湿接続部５８で加圧して、第２の加湿接続部６０内へ誘導するように構成してよい。同様に、中間冷却機３６のすぐ上流側に第３の加湿接続部６２が配置されていてよい。第４の加湿接続部６４は、圧縮機２８のすぐ上流側に位置決めされていてよい。さらに、第５の加湿接続部６６がエアフィルタ２６のすぐ上流側に設けられていてよい。アノード出口１６とカソード入口４２との間の圧力差に応じては、使用すべき１つの加湿接続部５８，６０，６２，６４または６６を選択してよい。複数を同時にまたは作動状態に依存して使用してもよい。

加湿は、第１の配量弁５４および／または配量ユニット５６によって制御することができる。過剰な水は、空気排出管４８を介して周囲空気２４に供給するために、第２の配量弁６８を介して排出管５２から取り出してよい。しかも、排出管５２は凍結の危険がある場合にはこれを介して完全に空にしてよい。アノード６から出るアノード循環系内の窒素含有量を減少させるためのパージガス／洗浄ガスを洗浄して同様に周囲空気２４に供給するため、アノード洗浄弁７０が設けられていてよい。排出管５２は次のようなサイズに選定されていてよく、すなわち水に対しある程度の貯留容量を持ち、それによってバッファーストレージシステムとして使用可能であるようなサイズに選定されていてよい。したがって、参照符号５２はバッファーストレージシステムに対しても適用する。

必要に応じて空気管３４の加熱と、その中に配置されている構成要素、たとえば第１の遮断弁４０または混合ユニット３８の加熱とを行うため、バイパス弁７４を備えたカソードバイパス７２が設けられていてよい。

さらに、燃料電池システム２を制御するため、制御ユニット７６が設けられていてよく、制御ユニットは、ここに示した弁４０，４６，５０，５４，６８，７４並びに配量ユニット５６、インバータ３２および場合によってはセンサ（ここには示さず）と結合されている。

配量ユニット５６は省略してもよい。この場合は、水の導入をアノード出口１６とカソード入口４２との間にある圧力差だけで行ってよい。このためには、図３に示した詳細が有用である。

空気流内への水の導入は、制御ユニット３２によって制御することができる。このため、特に、空気管３４内の空気質量流のパラメータ、カソード８内の圧力のパラメータ、膜１２の湿潤状態での圧力のパラメータ、化学量論のパラメータを考慮してよい。配量は弁５４を介してクロック動作で行うことができ、この場合噴射の時間または配量ポンプのストローク数と周波数とを変化させることができる。

図２は、本発明による燃料電池システム２の１つの可能な詳細を示している。ここには、バッファーストレージシステム７８と連結されている排出管５２が示されている。バッファーストレージシステムは水を配量ユニット５６へ案内し、配量ユニットは水を空気管３４内へ配量するインジェクタ８０を有している。これによって水を噴射でき、その結果インジェクタ８０は噴射装置または噴霧装置として使用可能である。計量配分に適した場所として、混合ユニット３８の上流側に配置されている第２の加湿接続部６０が選定されている。水はカソードバイパス７２の上流側で導入される。これには、バイパス弁７４を開くことによってカソードバイパス７２を短時間開くことで、加湿を必要としない水を空気排出管４８内へ導入でき、この場合には配量弁６８を省略できるという利点がある。択一的に、混合ユニット３８を第２の加湿接続部６０の下流側にしてカソードバイパス７２の上流側に位置決めしてもよい。また、第２の配量弁６８を空気排出管４８内へ転用することも考えられる。この場合にはシステム２の汎用性はより高いが、しかしながら２つのアクティブな構成要素を使用する必要があり、たとえば２つの配量弁５４と６８、または、第２の配量弁６８と配量ユニット５６を使用する必要がある。

インジェクタ８０は電気起動制御されており、制御ユニット７６と連結されている。水体積流によってダイレクトに変化する流動特性を介して、制御ユニット７６は、現在の水体積流がどの程度の大きさなのかを検知または検出することができる。その際、放出される水の圧力は著しく高くなる。

その代わりに、これとは択一的に、図３に概略を図示したように、多孔性の加湿体８２を空気管３４内に組み込んでよい。加湿体には、配量ユニット５６によって、たとえば弁を介して水が供給される。そこでは、水を含んだ非常に大きな表面が網状化されて、空気流によって蒸発または気化される。その際、水の放出はもっぱらアノード出口１６とカソード入口４２との間にある圧力差によって推進される。

２ 燃料電池システム
４ 燃料電池
６ アノード
８ カソード
１２ 膜
１４ アノード入口
１６ アノード出口
２４ 周囲
３４ 酸化剤管
３８ 混合ユニット
４２ カソード入口
４４ カソード出口
４８ 空気排出管（排ガス通路）
５２ 排出管
５４ 第１の配量弁
５６ 配量ユニット
５８ 第１の加湿接続部
６０ 第２の加湿接続部
６２ 第３の加湿接続部
６４ 第４の加湿接続部
６６ 第５の加湿接続部
６８ 第２の配量弁
７２ カソードバイパス
７６ 制御ユニット
７８ バッファーストレージシステム
８０ インジェクタ（噴射装置または噴霧装置）
８２ 加湿体

Claims (10)

1. アノード（６）と、カソード（８）と、前記アノード（６）と前記カソード（８）との間に配置されている膜（１２）と、カソード入口（４２）と、カソード出口（４４）と、アノード入口（１４）と、アノード出口（１６）とを備えた少なくとも１つの燃料電池（４）を有する燃料電池システム（２）において、前記燃料電池システム（２）は、前記アノード出口（１６）に生じる水を、少なくとも部分的に、前記カソード入口（４２）と結合されている酸化剤管（３４）内にある少なくとも１つの加湿接続部（５８，６０，６２，６４，６６）へ誘導し、その結果前記カソード入口（４２）へ流れる酸化剤流を加湿するために形成されていることを特徴とする燃料電池システム（２）。
2. 前記少なくとも１つの加湿接続部（５８，６０，６２，６４，６６）の後に、酸化剤・水混合物を均質化するための混合ユニット（３８）が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（２）。
3. 前記少なくとも１つの加湿接続部（５８，６０，６２，６４，６６）の後に、水の蒸発または気化を促進するために、前記酸化剤流が貫流する多孔性の加湿体（８２）が配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池システム（２）。
4. 配量ユニット（５６）が、前記少なくとも１つの加湿接続部（５８，６０，６２，６４，６６）の前に配置され、水を配量し加圧して前記少なくとも１つの加湿接続部（５８，６０，６２，６４，６６）内へ放出するために形成されていることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池システム（２）。
5. 前記配量ユニット（５４）および／または前記少なくとも１つの加湿接続部（５８，６０，６２，６４，６６）が、水を噴射または噴霧するための噴射装置または噴霧装置（８０）を有していることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池システム（２）。
6. 前記配量ユニット（５４）が、少なくとも一時的に水を集めるバッファーストレージシステム（５２，７８）と結合されていることを特徴とする、請求項４または５に記載の燃料電池システム（２）。
7. 少なくとも１つの配量弁（５４，６８）または請求項６に記載の前記配量ユニット（５４）と作用結合している制御ユニット（７６）が設けられ、前記制御ユニットは、前記酸化剤管（３４）内へ流れる水の量を前記少なくとも１つの燃料電池（４）の作動状態に依存して制御するために形成されていることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載の燃料電池システム（２）。
8. 前記制御ユニット（７６）は、前記酸化剤管（３４）内へ流れる水の量を検知または検出するために形成され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（２）。
9. 前記燃料電池システム（２）は、所定のタイムインターバルの間に前記アノード（６）と前記カソード（８）との間の圧力差を増大させ、前記タイムインターバルの間に水を前記少なくとも１つの加湿接続部（５８，６０，６２，６４，６６）内へ誘導するために形成され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（２）。
10. 過剰な水を排ガス通路（４８）内またはダイレクトに周囲（２４）へ搬出するために前記カソード出口（４４）を選択的に前記酸化剤管（３４）と結合させるために形成されているカソードバイパス（７２）が設けられてい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燃料電池システム（２）。

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