JP5273414B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムを備えた車両 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分に基づく燃料電池システムに関する。周知のように、燃料電池システムには、燃料を酸化させる燃料電池が含まれている。現在、注目されているのは、作動中に水を伴う排気ガスを生じる燃料電池であり、この場合、排気ガスは、排気ガスラインを介して排出される。

水は、排気ガスとともに安易に周辺環境に排出されてはならない。というのも、特に、この燃料電池システムによって作動する車両の走行している道路が凍結するおそれがあるからである。ドイツでは、法律（すなわち、道路交通法第３２条）により、液状の水をそのまま排出することが規制されている。この理由から、排気ガスに伴われる水（水蒸気の状態でも）は、タンクの中に集められることが多い。このときに利用される分離方法は、従来技術の文献から知られている。例えば、特許文献１は、排気ガス流を直角に折れ曲がっているラインを介して送ることにより、水を排気ガス流から分離できることを説明している。特許文献２では、セパレータの中で水を分離することが説明され、タンクはこのセパレータの後ろに配置されている。特許文献３も、燃料電池システムの排気ガスの水分離器について説明している。

特許文献４において、分離エレメントを準備しているタンクが説明されており、この分離エレメントは、一度タンクに入った水が再び流出しないようにする働きがあるものの、意図的にタンクから水を再び流出させることは看過されている。

例えば、特許文献５では、排気ガスシステム内に配置された水用タンクを説明しており、このタンク内には、水を蒸発させるヒータが準備され、この場合、水蒸気は再び排気ガス流の中に運び込まれる。

特許文献６は、いわゆるバッファタンクの中に水を一時保存し、排出口を介して再び水を排出することを説明している。この場合、気流が水の流出にできるだけ影響を及ぼさないように、又は気流が設定された流れの方向に適切に水を運んでいくように、燃料電池装備車の中に排出口が適切に配置されている。

独国特許出願公開第１０１２９００９８Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０１２００１８Ａ号明細書 独国特許出願公開第１０２００６０４８１８７Ａ１号明細書 国際公開第２００５／１１２１５７Ａ２号パンフレット 米国特許出願公開第２００６／０２４０２９９Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２００７／０００７１９４Ａ１号明細書

従来技術において、タンクから水を再び排出しなければならない必要性が大きくなった理由は、ガソリンスタンドで燃料電池用の燃料を充填するときにだけタンクを空にするとなると、タンクがあまりにも大きくなり過ぎるためである。収集された水はある程度の重量があり、車両はこの重量を一緒に輸送しなければならない。しかし、この場合、水を蒸発させることは、比較的多くのエネルギーを用意しなければならないという欠点がある。水の排出口から直接水が再流出できる場合は、過剰な水が流出してしまう可能性がある。タンクに一時保存することなく、超音波を使って排気ガスから水を飛散させる方法がある。これも比較的エネルギーを多く消費する。さらに、タンクに一時保存することなく、排気ガスの水を適切に加熱する方法もある。このような解決方法も、非常に経費がかかることが多い。

本発明の課題は、排気ガスが直接周辺環境に排出されず、従来技術の燃料電池システムの課題を克服する燃料電池システムを提供することである。

本課題は、請求項１に基づく特徴を有する燃料電池システムによって解決される。従って、本発明に基づき、この燃料電池システムは、タンクの水を部分量に分けて再排出する手段を有している。

「部分量に分けて」とは、タンクの容量に比べて小さい容量の水が排出されるという意味を含む。他方で、この概念には、排出される水量は無限に小さいわけではないという意味も含まれており、すなわち、水分子の大きさよりの数サイズ大きい水量が排出される。

従って、本発明は、水が直接タンク（バッファタンク）から流れ出る、特許文献６の方法と、水が分子の状態で排出される、すなわち水を蒸発させる、特許文献５の方法との中間をとる。

通常、水を分割したものの典型は水滴であるため、ここでもタンクからの水を水滴の形で排出することが言及にされるであろう。

まず、水は一旦タンクに集められ、次に部分量に分けて再排出されることから、水の周辺環境への排出は、燃料電池によってもたらされる負荷、特に、燃料電池内の燃料が酸化する際に発生する水の生成とは無関係である。比較的大量の水が発生している場合、導入される水量よりも少ない量の水をタンクから再排出することが可能である。新しく発生する水の量が少ない場合は、取り入れられる水よりも多くの量の水が再排出されることによって、タンク内の水量は再び減少する。

タンクの総容量及び部分量に分けて再排出する手段によって、燃料電池と周辺環境との間で、ある種のバッファステージが導入される。ここでは、もちろん元の排気ガスによって再び水を伴わせることができる。従って、水を部分量の少量に分けて再排出する手段には、タンク内又はタンク部分に取り付けられ、タンク内に集められた水を排気ガスが通過する箇所に送るラインが含まれる。そうすると、この排気ガスは、ある程度、典型的には水滴の形で水を取り込む。

タンク内に集められた水を排気ガス流の中に再び取り込むことに追加して、又はその代替として、タンクの水が、ある程度周辺環境に直接排出されるようにすることもできる。このために、タンクには、透水性の壁が取り付けられる。

透水性の壁には、穴を設けることができ、この場合、水は大きな水滴となって外に出る。透水性の壁には、多数の小穴を形成することもでき、この場合、水は小さい滴で外に出る。

本発明に基づく燃料電池システムを備えた車両も本発明に属する。

透水性の壁を備えたタンクが使用される場合、好ましくは、壁面を通り抜けた水が走行時に気流によって運ばれるように、この壁が配置されている。走行気流によって、水は極めて素早く連れ去られ、しかも、一部は気流に流れ去られる。さらに、水は気流によって車両外のあらゆる場所に運ばれ得るため、周辺環境への不利な影響はとりわけ少なくなる。このことは、車両に対する路面上の常に同じ箇所で一定量の水が発生するような、排気管から水を排出する場合と比べ、特に有利である。

透水性の壁は、特に、タンクの底面を形成することができるため、水は、重力によって流出する、すなわち適切に滴り落ちる。

以下に、本発明の有利な実施形態を、図を用いて説明する。

本発明の第１の実施形態に基づく燃料電池システムを説明した図。 第２の実施形態に基づく燃料電池システムの一部であり、使用されているタンクを示す図。

全体が符号１０で示されている燃料電池システムには、少なくとも１つの燃料電池、通常は、アノード領域１２とカソード領域１４とを備える複数の燃料電池が含まれている。燃料電池内では、燃料が酸化（燃焼）する。燃料は、ライン１６を介してアノード領域１２に送られるが、この場合、バルブ１８が燃料供給を制御することができる。通常、燃料は水素である。カソード領域１４には、酸化剤（通常は空気）が供給され、この場合、空気はライン２０を介して供給され、コンプレッサ２２によってあらかじめ圧縮される。燃焼しなかった水素は、アノード領域１２から再び出て、バルブ２５を介して、図示されていない出口につながるライン２４に送られる。ライン２４からフィードバックライン２６が分岐し、それによって、消費されなかった燃料は元に戻ることができる。燃料が燃焼する際、排気ガスが発生する。この排気ガスは、カソード領域１４から排気ガスライン２８を介して排出され、この場合、バルブ３０は、排気ガスの流れに影響を及ぼすことができる。排気ガスシステム内、すなわち、ここでは排気ガスライン２８内には、タンク３２が用意されており、この中で、周知の方法により排気ガスから水が分離されるか、又は冷たくなっているラインの中ですでに分離した水がここに集められる。水は、通常の場合、水素と空気中の酸素とが燃焼する場合の、燃料の燃焼生成物である。ここでは、タンク３２が多孔質の底面３４を有しており、ここから水は水滴となって流出する。タンク３２は、多孔質の浸透性の底面３４から流出する水滴３６が、矢印３８により記号で示されている気流によって連れ去られるように、本発明に基づく燃料電池システム１０を装備する車両の中に配置されている。

多孔質の浸透性の底面３４を介してタンク３２から水が排出される代わりに、水を水滴の形で排気ガス流に送ることもできる。この場合は、図２で使用されているタンク４０を利用することができ、このタンクは、図１の燃料電池システムにおける、底面３４を備えるタンク３２の場所に取り付けることができる。このタンク４０は、排気ガスライン２８の中に配置されている。このタンク４０は、タンクの中で排気ガス流からの水が凝縮され、タンク４０の壁４２に沈着し、また、ライン２８の上流でも凝縮された水が壁４２に付着するように、周知の方法によって構成されている。時間がたつと、一定量の水が集められる。タンク４０には、狭窄箇所４４が準備されているため、排気ガス流は、この狭くなっている開口部を通って流れなければならない。当然、排気ガス流は、この狭くなった開口部４４を介して、通常よりも速い速度でタンク４０を流れる。狭窄箇所４４を形成している壁４６の部分には、小さなライン（管）が、特に、その出口端部にノズルを備えたパイプ４８の形で形成されている。排気ガス流によって、水は壁４２から壁４６の方向へ押される。この水は、このライン４８から、矢印５０に従って、開口部４４を通過する気体状の排気ガス流の中に再び取り込まれる。

タンク４０を設けることの意味は、水が水滴の形で再び排気ガス流の中に取り込まれ、これによって、燃料電池システム１０全体から発生する水、特に燃料電池システム１０が使用されている車両から発生する水を均等に排出することが確実に行われることにある。従って、タンク４０はバッファ機能をもつ。水タンク３２もまた、燃料電池の負荷が高い場合、すなわち、一時的に燃料の燃焼が大きくなった場合に、過度の量の水が一度に周辺環境に持ち込まれないようにすることができる。

Claims (3)

1. 少なくとも１つの燃料電池を備える燃料電池システム（１０）であって、作動中に該燃料電池システムから水を伴った排気ガスが排気ガスライン（２８）を介して排出され、水を収集するタンク（３２；４０）が前記排気ガスライン（２８）に配置され、水（３６）を前記タンク（３２；４０）から部分量に分けて再排出するための手段（３４；４６、４８）が準備されている燃料電池システム（１０）であって、
   前記タンク（４０）内には狭窄箇所（４４）が壁（４６）によって形成され、該壁にライン（４８）が形成されており、排気ガス流が、前記狭窄箇所を介してより速く流れ、前記ライン（４８）から排出される水を水滴の形で取り込むようになっていることを特徴とする、燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムを搭載する燃料電池システム装備車。
3. 燃料電池システム内で水を伴う排気ガスが生成され、水が前記排気ガスから分離されタンク内に集められ、部分量に分けられて再び前記水槽から流出する、請求項１に記載の燃料電池システムの作動方法。

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