JP2024513819A - 燃料電池システムのアノード回路内でアノードガスを再循環させる装置、燃料電池システム - Google Patents

Abstract

燃料電池システム（１０）のアノード回路（１１）内でアノードガスを再循環させる装置（１）は、新鮮なアノードガス、好ましくは水素を送給する駆動ノズル（３）を有する少なくとも１つのジェットポンプ（２）と、再循環されるアノードガスのための入口（４）と、新鮮なアノードガスと再循環されるアノードガスとのための出口（５）と、を備え、入口（４）の領域内には、入口（４）を閉鎖および解放する能動的に制御可能な弁（６）が配置されており、弁（６）は、往復可動の磁石可動子（８）に作用する磁石構成群（７）と、弁ばね（９）と、を有する。さらに、このような装置（１）を備える燃料電池システム（１０）を開示する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムのアノード回路内でアノードガスを再循環させる装置に関する。さらに、本発明に係る装置を備える燃料電池システムを提案する。

燃料電池は、水素と酸素とを電気的なエネルギに変換する。水素は、このために燃料電池のアノードに供給され、酸素は、カソードに供給される。燃料電池から出るアノードガスは、通例、まだ水素の残量を含んでいるので、再循環され、アノードに改めて供給される。この再循環は、その際、能動的に再循環ブロアによりかつ／または受動的にジェットポンプにより引き起こされ得る。

ジェットポンプが使用される場合、その使用は、問題をはらむことが明らかになり得る。それというのも、通常、再循環の作動なしには、新鮮な水素が追加調量され得ないからである。同じく問題であることが明らかなのは、部分負荷領域においてジェットポンプの再循環出力が弱まることである。この対策のため、より小型の第２のジェットポンプが使用される場合があり、第２のジェットポンプは、部分負荷領域に合わせて設計され、かつ第１のジェットポンプに対して並列に配置されている。一方のジェットポンプのみが作動されると、しかし、作動しているジェットポンプの圧送量が、作動していないジェットポンプを通して逆流してしまうことが生じる場合があるので、この流動路は、遮断、例えば組み込まれたチェック弁により遮断されなければならない。これにより、しかし、圧力損失が生じ、この圧力損失は、作動しているジェットポンプの再循環出力を減じてしまう。

本発明は、これらの問題の解決に取り組むものである。一方では、再循環を作動させずに新鮮な水素の追加調量が可能であることが望ましい。他方では、ジェットポンプが並列に接続されたときに、その都度の作動していないジェットポンプを通したアノードガスの逆流が、具体的には、できる限り低損失に防止されることが望ましい。

これらの問題を解決すべく、請求項１の特徴を備える装置を提案する。本発明の有利な発展形は、従属請求項に看取可能である。さらに、本発明に係る装置を備える燃料電池システムを提示する。

燃料電池システムのアノード回路内でアノードガスを再循環させるために提案する装置は、新鮮なアノードガス、好ましくは水素を送給する駆動ノズルを有する少なくとも１つのジェットポンプと、再循環されるアノードガスのための入口と、新鮮なアノードガスと再循環されるアノードガスとのための出口と、を備えている。入口の領域内には、この場合、入口を閉鎖および解放する能動的に制御可能な弁が配置されている。弁は、往復可動の磁石可動子に作用する磁石構成群と、弁ばねと、を有している。

能動的に制御可能な弁により、入口は、閉鎖あるいは遮断されることができ、その結果、アノードガスは、アノード回路を介して再循環されない。こうして、再循環なしに、新鮮な水素は、ジェットポンプを介してアノード回路内に、例えばアノード回路のドライ運転のために送給され得る。装置が、並列に接続される複数のジェットポンプを備えている場合、能動的に制御可能な弁により、１つのジェットポンプが適切に作動停止されることができ、この作動していないジェットポンプを通したアノードガスの逆流は、防止することができる。

能動的に制御可能な弁は、入口を閉鎖または解放する単純な低コストの切り換え弁として構成されていてもよい。このことは、再循環をオフにするために弁の絶対的な密封性が不要であり、加えて外部への漏れが生じ得ないため、可能である。

能動的に制御可能な弁の磁石構成群は、単純なリニア磁気アクチュエータであってもよい。アノード回路内には、僅かな差圧しか発生しないので、弁も、僅かなアクチュエータ力しか必要なく、その結果、磁石構成群は、相応に小型に設計され得る。

好ましくは、弁の磁石構成群は、装置の、水素を案内する領域外に配置されている。こうして、水素を案内する領域の高い密封性が達成され得る。加えて、水素を案内する領域内に点火源が生じてしまう可能性は、回避される。

代替的または補足的に、磁石構成群の作用方向が、入口内の主流動方向に対して垂直に延びることを提案する。すなわち、磁石構成群により発生される磁力は、磁石可動子が入口内の主流動方向に対して垂直に往復動するように、磁石可動子に作用する。こうして、磁石可動子の単純な往復動により、入口は、閉鎖および解放され得る。

入口を閉鎖および解放すべく、好ましくは、磁石可動子は、弁閉鎖要素に連結されている。磁石可動子と弁閉鎖要素とは、これによりそれぞれ異なる素材から製造可能である。代替的には、磁石可動子が同時に弁閉鎖要素を形成することを提案する。こうして、能動的に制御可能な弁は、さらにより単純かつ低コストに製造され得る。入口を閉鎖すべく、好ましくは、弁閉鎖要素は、入口の側方の開口と係合可能である。すなわち、弁閉鎖要素は、弁の閉鎖時、入口を画定する壁面に当接されるだけでなく、壁面の開口内に係合する。こうして弁の密封性は、改善され得る。

本発明の発展形において、磁石可動子が、軸方向で少なくとも１つの圧力補償開口により貫通されていることを提案する。このことは、磁石可動子または弁閉鎖要素が、閉鎖時に入口の側方の開口内に係合するとき、特に有利である。開口は、アノードガスで満たされているため、こうして、弁が、開口内に形成される圧力に抗して閉鎖されなければならないことは、回避される。

さらに提案するに、磁石可動子は、弁ばねを収容すべく、少なくとも一部でスリーブ状に形成されている。能動的に制御可能な弁は、これにより、特に軸方向で、極めてコンパクトに構成され得る。同時に、磁石可動子の質量は、減じられる。

本発明の好ましい一実施形態によれば、磁石構成群は、外側磁極体により包囲される磁石コイルを有し、磁石コイル内には、非磁性の材料からなるポット状またはスリーブ状の隔離要素が装入されており、隔離要素を介して、磁石可動子は案内されている。外側磁極体は、磁石コイルの磁力を高める。同時に外側磁極体は、磁石コイルを外部の作用から保護する。磁石コイル内に装入されるポット状またはスリーブ状の隔離要素は、磁石可動子の案内時、磁石可動子と磁石構成群との間の磁気的な短絡を防止する。加えて隔離要素により、水素を案内する領域は、磁石構成群に対して封止され得る。

有利には、ポット状またはスリーブ状の隔離要素は、環状つばを介して装置のハウジング外壁面に直接的にまたは間接的にシール要素を介して支持されている。こうして、隔離要素は、同時に、水素を案内する領域を外部に対して封止するために使用され得る。シール要素、特にシールリングを隔離要素とハウジング外壁面との間に配置することで、シール作用は、最適化され得る。環状つばを介して、さらに隔離要素は、簡単にハウジング外壁面に取り付けられ得る。

能動的に制御可能な弁が配置されている入口は、好ましくは、ジェットポンプの吸い込み室内に開口し、吸い込み室内には、駆動ノズルが配置されている。駆動ノズルにより、アノードガスの再循環を引き起こす駆動力が発生され得る。しかし、入口が、能動的に制御可能な弁により閉鎖されると、再循環は、適切にオフにされ得る。吸い込み室は、好ましくは、混合管とディフューザとを介してジェットポンプの出口に接続されている。吸い込み室内では、再循環されるアノードガスと、新鮮なアノードガスとが合流する。続く混合管内では、再循環されるアノードガスと、新鮮なアノードガスとの混合が行われる。駆動ノズルを混合管およびディフューザに対して同軸に配置することができるように、好ましくは、再循環されるアノードガスのための入口は、側方で吸い込み室内に開口する。

新鮮なアノードガスを駆動媒体として利用することを可能にすべく、駆動ノズルの上流には、調整弁が接続されていてもよい。代替的には、駆動ノズルは、新鮮なアノードガスのための調量弁内に組み込まれていてもよく、その結果、コンポーネントの少ない、特にコンパクトに構成されるアッセンブリが提供される。

有利には、装置は、少なくとも２つのジェットポンプであって、並列に接続されていて負荷に応じて作動可能なジェットポンプを備えている。こうして、部分負荷領域においても、十分な再循環出力が保証され得る。同時に、一方のみのジェットポンプの運転中、入口内に配置される能動的に制御可能な弁により、作動しているジェットポンプの圧送量が、作動していないジェットポンプを通して逆流してしまうことは、防止され得る。

好ましい適用分野は、燃料電池システムであるので、さらに、本発明に係る装置を備える燃料電池システムを提案する。装置は、この場合、燃料電池システムのアノード回路内に組み込まれている。装置により、少なくとも１つの燃料電池から出るアノードガスは、再循環され得るので、所要燃料量は、低下する。ジェットポンプの入口内に配置される能動的に制御可能な弁により、再循環は、オフにされ得る。再循環が、並列に接続される複数のジェットポンプにより引き起こされる場合、少なくとも１つのジェットポンプは、作動停止され、このジェットポンプを通るアノードガスの逆流は、能動的に防止され得る。

本発明の好ましい実施形態について、以下に添付の図面を基に詳しく説明する。

アノードガスを再循環させる本発明に係る第１の装置を、入口が閉鎖されている運転状態で示す概略縦断面図である。 図１の装置を、入口が解放されている運転状態で示す概略縦断面図である。 アノードガスを再循環させる本発明に係る第２の装置の概略縦断面図である。 本発明に係る燃料電池システムのアノード回路の概略図である。

図１に概略的に示す本発明に係る装置１は、燃料電池システム１０のアノード回路１１内でアノードガスを再循環させるために用いられる（図４参照）。装置１は、このためにジェットポンプ２を備え、ジェットポンプ２は、入口４と出口５とを介してアノード回路１１内に組み込まれている、あるいは組み込み可能である。さらにジェットポンプ２は、駆動ノズル３を有し、駆動ノズル３は、上流に接続されていて新鮮なアノードガスをジェットポンプ２の吸い込み室２１内に送給可能な調整弁２４を有している。新鮮なアノードガスは、同時に駆動媒体として用いられる。それというのも、新鮮なアノードガスを駆動ノズルにより送給する際に、アノード回路１１内でアノードガスの再循環に至らしめる駆動力が発生されるからである。再循環されるアノードガスは、入口４を介して吸い込み室２１内に導入される。入口４は、側方で吸い込み室２１内に開口するのに対し、駆動ノズル３は、ジェットポンプ２の混合管２２およびディフューザ２３に関して同軸に配置されている。

入口４内には、能動的に制御可能な弁６が組み込まれており、弁６は、往復可動の磁石可動子８に作用する磁石構成群７を有している。弁６は、ここでは非通電時に閉鎖される弁として構成されており、すなわち、磁石構成群７が通電されていないとき、弁６は、閉鎖されている。この切り換え位置では、入口４も閉鎖されているので、再循環は、オフにされている。閉鎖力は、弁ばね９により発生され、弁ばね９は、このために磁石可動子８に支持されている。

弁６の磁石構成群７は、外部に位置するように、すなわち、水素を案内する領域１２外に配置されている。このことは、水素を案内する領域１２の、外部に対する封止を容易にする。さらに、水素を案内する領域１２内に点火源が形成されてしまう可能性は、回避される。磁石構成群７は、外側磁極体１５を有し、外側磁極体１５内には、磁石コイル１６が収容されている。磁石コイル１６内には、ポット状の隔離要素１７が装入されており、隔離要素１７は、非磁性の材料から製造されている。ポット状の隔離要素１７は、磁石可動子８を案内するために用いられ、かつ同時に、磁石可動子８と磁石構成群７との間の磁気的な短絡を防止する。さらに隔離要素１７は、シール機能を果たす。一方では、隔離要素１７は、水素を案内する領域１２を磁石構成群７から隔離している。他方では、隔離要素１７は、水素を案内する領域１２を外部に対して封止している。隔離要素１７は、このために環状つば１８を有し、環状つば１８を介して装置１のハウジング外壁面１９に支持されている。シール作用を向上させるために、環状つば１８とハウジング外壁面１９との間には、シール要素２０が設けられている。

能動的に制御可能な弁６の磁石可動子８は、ここでは同時に弁閉鎖要素を形成し、弁閉鎖要素は、閉鎖位置で、入口を画定する内壁の側方の開口１３内に係合する。磁石可動子８の運動を妨げる圧力クッションが開口１３内に形成されてしまうのを防止するために、磁石可動子８は、圧力補償開口１４を有している。磁石可動子８は、略スリーブ状に形成されているので、弁ばね９を収容することができる。他端で弁ばね９は、ポット状の隔離要素１７に支持されている。

磁石構成群７の磁石コイル１６が通電されると、磁界が形成され、磁界の磁力は、磁石可動子８を磁石コイル１６に向かって動かす。このことは、弁６の開放に至らしめ、その結果、入口４は、解放されている。弁６のこの切り換え位置では、アノードガスが再循環され得る（図２参照）。再循環をオフにするには、弁６は、閉鎖されなければならない。このために、磁石コイル１６の通電は終了され、その結果、弁ばね９は、磁石可動子８を磁石可動子８の初期位置に復帰させる（図１）。

図３には、アノードガスを再循環させる本発明に係る別の装置１が看取可能である。この別の装置１は、図１および２の装置１とは、弁６の構成の点でのみ相違している。図３において、弁６は、非通電時に閉鎖される弁としてではなく、非通電時に開いている弁として構成されている。磁石可動子８は、このためにやや異なる形状を呈している。その他の点では、弁６は、図１および２の弁６と同様に形成されていてよい。

例示的に図１ないし３に示す本発明に係る装置１は、特に燃料電池システム１０のアノード回路１１において使用される。このことは、概略的に図４に示してある。

図示のアノード回路１１は、燃料電池３０のアノード２５を経由しており、燃料電池３０は、水素を酸素と合わせ、電気的なエネルギに変換する。酸素源として空気が用いられ、空気は、図４にはそれ以上示さないカソード経路を介して、燃料電池３０のカソード２６に供給される。

新鮮な水素（Ｈ_２）は、調整弁２４とジェットポンプ２とを介してアノード回路１１内に送給される。調整弁２４とジェットポンプ２とは、アノードガスを再循環させる装置１を形成している。ジェットポンプ２内で、それゆえ新鮮なアノードガスと、再循環されるアノードガスとが混ざり合う。再循環されるアノードガスには、時とともに、カソード側からアノード側に拡散する窒素（Ｎ_２）が濃縮するため、アノード回路は、時々パージされなければならない。このために、アノード回路１１内には、パージ弁２９が組み込まれている。パージ弁２９には、水分離器２７とドレイン弁２８とが前置されており、水分離器２７とドレイン弁２８とにより、燃料電池システム１０の運転中に生じる生成水（Ｈ_２Ｏ）は、アノード回路１１から除去され得る。

アノードガスを再循環させる装置１は、入口４と出口５とを介してアノード回路１１に接続されている。入口４内には、その際、能動的に制御可能な弁６が組み込まれている。弁６の切り換え位置に応じて、入口４は、解放されているか、または閉鎖されている。こうして、アノードガスを再循環させずに、新鮮なアノードガスをジェットポンプ２を介して送給することも可能である。能動的に制御可能な弁６により、これにより再循環は、オフにされ得る。

１ 燃料電池システムのアノード回路内でアノードガスを再循環させる装置
２ ジェットポンプ
３ 駆動ノズル
４ 入口
５ 出口
６ 弁
７ 磁石構成群
８ 磁石可動子
９ 弁ばね
１０ 燃料電池システム
１１ アノード回路
１２ 水素を案内する領域
１３ 開口
１４ 圧力補償開口
１５ 外側磁極体
１６ 磁石コイル
１７ 隔離要素
１８ 環状つば
１９ ハウジング外壁面
２０ シール要素
２１ 吸い込み室
２２ 混合管
２３ ディフューザ
２４ 調整弁
２５ アノード
２６ カソード
２７ 水分離器
２８ ドレイン弁
２９ パージ弁
３０ 燃料電池

Claims (11)

1. 燃料電池システム（１０）のアノード回路（１１）内でアノードガスを再循環させる装置（１）であって、新鮮なアノードガス、好ましくは水素を送給する駆動ノズル（３）を有する少なくとも１つのジェットポンプ（２）と、再循環されるアノードガスのための入口（４）と、新鮮なアノードガスと再循環されるアノードガスとのための出口（５）と、を備え、前記入口（４）の領域内には、前記入口（４）を閉鎖および解放する能動的に制御可能な弁（６）が配置されており、前記弁（６）は、往復可動の磁石可動子（８）に作用する磁石構成群（７）と、弁ばね（９）と、を有する、燃料電池システム（１０）のアノード回路（１１）内でアノードガスを再循環させる装置（１）。
2. 前記弁（６）の前記磁石構成群（７）は、前記装置（１）の、水素を案内する領域（１２）外に配置されており、かつ／または前記磁石構成群（７）の作用方向は、前記入口（４）内の主流動方向に対して垂直に延びることを特徴とする、請求項１記載の装置（１）。
3. 前記磁石可動子（８）は、弁閉鎖要素に連結されているか、または弁閉鎖要素を形成し、前記弁閉鎖要素は、好ましくは、前記入口（４）を閉鎖すべく、前記入口（４）の側方の開口（１３）と係合可能であることを特徴とする、請求項１または２記載の装置（１）。
4. 前記磁石可動子（８）は、軸方向で少なくとも１つの圧力補償開口（１４）により貫通されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置（１）。
5. 前記磁石可動子（８）は、前記弁ばね（９）を収容すべく、少なくとも一部でスリーブ状に形成されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置（１）。
6. 前記磁石構成群（７）は、外側磁極体（１５）により包囲される磁石コイル（１６）を有し、前記磁石コイル（１６）内には、非磁性の材料からなるポット状またはスリーブ状の隔離要素（１７）が装入されており、前記隔離要素（１７）を介して、前記磁石可動子（８）は案内されていることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置（１）。
7. 前記ポット状またはスリーブ状の隔離要素（１７）は、環状つば（１８）を介して前記装置（１）のハウジング外壁面（１９）に直接的にまたは間接的にシール要素（２０）を介して支持されていることを特徴とする、請求項６記載の装置（１）。
8. 前記入口（４）は、前記ジェットポンプ（２）の吸い込み室（２１）内に開口し、前記吸い込み室（２１）内には、前記駆動ノズル（３）が配置されており、かつ／または前記吸い込み室（２１）は、混合管（２２）とディフューザ（２３）とを介して前記出口（５）に接続されていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置（１）。
9. 前記駆動ノズル（３）の上流には、新鮮なアノードガスを調量する調整弁（２４）が接続されており、または前記駆動ノズル（３）は、新鮮なアノードガスのための調量弁内に組み込まれていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置（１）。
10. 負荷に応じて作動可能な少なくとも２つのジェットポンプ（２）が並列に接続されていることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置（１）。
11. 燃料電池システム（１０）であって、請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置（１）を備え、前記装置（１）は、前記燃料電池システム（１０）のアノード回路（１１）内に組み込まれている、燃料電池システム（１０）。

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