JP5307018B2 - 燃料電池スタックのサプライシステム及びサプライシステムの作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分に基づく燃料電池スタックのサプライシステム及びサプライシステムの作動方法に関する。

燃料電池スタックは、様々な用途において将来性のあるエネルギー源と見なされている。とくに、自動車業界においては、環境に配慮した車両用エネルギー源として、燃料電池スタックの開発が急速に進められている。

燃料電池スタックは、通常、電気化学プロセスによって、燃料（多くの場合、水素）と酸化剤（多くの場合、空気）から電気エネルギーを生み出す複数の燃料電池を有している。このために、個々の燃料電池は、それぞれアノード領域とカソード領域とを有し、これらの領域は膜によって互いに分割されている。燃料はアノード領域を流れ、酸化剤はカソード領域を流れる。中間に挟まれている膜を介した輸送プロセスによって、電流が触媒を介して発生する。

燃料電池の原理はすでにかなり以前から知られていたが、開発が急激に進められたことによって、燃料電池の実用化における新しい考え方が常に生み出されている。

特許文献１では、例えば、燃料電池構造の耐久性の向上に焦点が当てられ、燃料電池に保護ハウジングを取り付けることによってこれが達成されるとしている。この場合、燃料電池が均一な作動状態を保つために、保護ハウジングによって囲まれている内部は、閉鎖的循環サイクルに切り換えなければならない。

特許文献２は、アノードの残留気体が、再循環する代わりに、燃料電池スタックを取り囲んでいるハウジングの中で常に供給空気と混ぜ合わされ、その後、燃料電池スタックのカソード部分に送られる、燃料電池構造を開示している。

最も近い先行技術である特許文献３では、燃料電池システムと燃料電池システムの作動方法とが開示されている。この場合、燃料電池スタックのアノード側排ガスラインは、コンプレッサー吸引側で酸化剤の供給ラインに合流している。アノードガスを短時間で排出するパージの際、パージガスが酸化剤本流と混ぜ合わされ、コンプレッサーで圧縮されて、燃料電池スタックのカソード入口に供給される。

国際公開第０２／２３６５７号パンフレット 独国特許出願公開第１００５６５３６Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０２００４０５５１５８Ａ１号明細書

本発明の課題は、燃料電池スタックの作動状態を向上させるサプライシステムならびにその作動方法を提供することにある。

この課題は、請求項１の特徴を有するサプライシステムおよび請求項１０の特徴を有する方法によって解決される。発明の好ましい実施形態または有利な実施形態は、請求項および以下の説明もしくは添付の図に示される。

本発明に基づいて、少なくともひとつの燃料電池スタックに気体を供給するために適合および／または形成されているサプライシステムが提案される。燃料電池スタックは複数の燃料電池を有し、車両の駆動エネルギーを生成するために車両内で作動するように形成されるのが好ましい。とくに、この燃料電池スタックはＰＥＭ技術（プロトン交換膜）で実施されている。

このサプライシステムは、とくに空気などの酸化剤を燃料電池スタックのカソード入口に送り込むために配置および／または形成されているカソードガス供給ラインを有している。アノードガス供給ラインは、とくに水素ガスなどの燃料を燃料電池スタックのアノード入口に送り込むために形成および／または配置されている。アノード入口またはカソード入口は、燃料電池スタックの燃料電池カソード部分またはアノード部分と流体技術によって接続されている。

アノード出口から流出する、部分的に消費されたアノードガスは、アノードガス再循環ラインによってアノード入口に戻される。アノードガス再循環ラインの使用は、供給された燃料または水素が燃料電池スタックにおいて完全に電気化学的に変換されないという状況を考慮したものである。残った燃料または水素は、アノードガス再循環ラインによって戻され、使用されていない新しい燃料または水素で補充されて、アノード入口を介して燃料電池スタックに再び戻される。

さらに、このサプライシステムは切換え可能なパージラインを有しており、このパージラインは、部分的に消費されたアノードガスをアノードガス再循環ラインからカソードガス供給ラインに排出するために配置および／または形成されている。以下、部分的に消費され、排出されたアノードガスを、パージガスと呼ぶ。パージガスであるアノードガスの排出は、とくに、再循環しているアノードガスの汚染が規定の限界値を超過し、燃料電池スタックの動作に不利に働くようになった時点で実行される。

本発明に基づき、サプライシステムは、上流のカソード入口前に配置されている調製構造を有している。この調製構造は、燃料電池スタックにまとめて供給される酸化剤の部分流を圧縮および／または加速および／または熱するために形成されている。また、調製構造には混合箇所があり、ここで前記の部分流がパージガスと混ぜ合わされ、ひとつの混合気流にまとめられる。場合によっては、酸化剤の部分流は、パージガスと混ぜ合わされてから熱せられる。さらに、調製構造は混合気流をカソードガス供給ラインに送るためにも形成されている。

従って、この調製構造は３つの機能を果たしている。すなわち、エネルギーを部分流または混合気流に供給すること、パージガスと部分流を混ぜ合わせること、混合気流をカソードガス供給ラインに引き入れることである。

本発明では、酸化剤の部分流をパージガスと混ぜ合わせる前に前処理すること、および／または、混合気流をカソードガス供給ラインに送り込む前に加熱することによって、燃料電池スタックに供給される総混合気の状態を極めて正確にコントロールすることができるという点が、有利である。状態コントロールが向上することによって、後ろに接続された、パージガスおよび総混合気内に含まれる残存水素の触媒変換をスムーズに行うことができるようになる。とくに、すべての酸化剤ではなく、酸化剤のひとつの部分流だけが、必要に応じて混合気流として前処理されるという状況は、結果として生じる混合気全体の状態コントロールを向上させる。

好ましい実施形態の場合、サプライシステムはパージバルブを有し、それによってパージラインを切り換えることが可能である。とくに、パージバルブは制御装置によって制御され、この制御装置は、例えば、燃料電池から取り出されたエネルギーや時間または測定されたアノードガスの汚染度に応じてパージを開始する。この実施形態の場合、パージラインは限定的、すなわちパージの間だけ気流が流れることが重要である。

サプライシステムを実際に実施する場合には、カソードガス供給ラインが第１のポンプを有しており、その際、調製構造の出口は上流の第１ポンプ前でカソードガス供給ラインに合流する。このことから、第１ポンプは、混合気流と、調製構造に送られない酸化剤の一部の気流とを吐出するのに働く。この第１ポンプは、任意の構造形状で形成するこができ、とくに移送式ポンプ、連続流ポンプまたはダイナミックポンプとして形成される。

この実施形態の発展形態では、調製構造内への酸化剤部分流のための供給部が、第１ポンプの前および／または調製構造の出口前で分岐している。従って、この発展形態の場合、調製構造の入口だけでなく、出口も上流の第１ポンプ前でカソードガス供給ラインに合流していることが重要である。

サプライシステムの好ましい実施形態では、調製構造が第２のポンプを有しており、このポンプは、とくに混ぜ合わされていない酸化剤の部分流を加速および／または圧縮するために形成されている。この第２ポンプは、とくに制御装置によって制御または調整可能であるため、第２ポンプによって部分流に供給されるエネルギーを調整することができる。

好ましい発展形態では、サプライシステムがハウジングを有しており、このハウジングはとくに気密性があり、燃料電池スタックを支持するために形成されている。このハウジングには貫流領域があり、この部分が燃料電池スタックと熱接続されている。とくに、この熱接続は熱交換器として形成されているため、作動中に燃料電池スタックは貫流領域を通って流れるガスを暖めるために利用される。

貫流領域の少なくともひとつの部分が調製構造の構成部分であるか、調製構造に組み込まれていることが好ましい。この場合、貫流領域のこの部分は、混合気流をガイドするために形成および／または配置されている。この形態では、作動中、混合気流は燃料電池から発生する熱エネルギーによって過熱される。

別の実施形態の場合では、貫流領域または貫流領域の少なくとも一部分が、混合されていない部分流を加熱するために形成されている。これによって、この実施形態の場合は、部分流が混合箇所でパージガスとミックスされる前に圧縮され、加熱される。

第３の考えられる実施形態では、混合箇所がハウジングの内部、とくに貫流領域に配置されている。そのため、供給される混合されていない部分流も、供給される混合されていないパージガスも、排出される混合気流も過熱される。

考えられる３つの全形態には、全体のエネルギー収支に有利な方法で、エネルギーを補足的に気体に供給することができるという利点がある。

本発明のもうひとつの対象は、前述の請求項のひとつによる、車両内のサプライシステムの作動方法に関する。この場合、再循環しているアノードガスの汚染が臨界状態に達すると、パージラインが接続され、汚れたアノードガスがパージガスとしてアノードガス再循環ラインから調製構造に送られて、アノードパージが実行される。

ガスサプライシステムにおいて、本発明の第１の実施形態を示す燃料電池システムのブロック図である。 ガスサプライシステムにおける本発明の第２の実施形態であり、図１における燃料電池システムの変更例のブロック図である。 ガスサプライシステムにおける本発明の第３の実施形態であり、図１における燃料電池システムの変更例のブロック図である。

以下に、発明の好ましい実施例と添付の図から、その他の発明の特徴、利点および効果を説明する。これらの図の中で一致する箇所または対応している箇所には、それぞれ同じ記号が付けられている。

図１は、ガスサプライシステム３を介して作動に必要な作動ガスを供給する燃料電池システム１を示している。この燃料電池システム１は、例えば車両内において（図には示されていない）、エンジンの駆動エネルギーを生成するために使用される。燃料電池スタック２は、ＰＥＭ技術で形成されている複数の燃料電池を有している。

燃料電池スタック２の供給については、燃料である水素が、補給可能なリザーバ４から燃料電池システム１に供給され、周辺空気である酸化剤が供給口５から燃料電池システム１に供給される。周辺空気は供給口５から入り、第１ポンプ６によって圧縮され、カソード入口７から燃料電池スタック２に送られる。水素はリザーバ４から出て、バルブ８を介して燃料電池スタック２のアノード入口９に運ばれる。燃料電池スタック２では、酸化剤と燃料とが電気化学的に互いに変換されるが、その際、酸化剤はカソード領域で、燃料はアノード領域で処理され、この２つの領域はＰＥＭ膜１０によって相互に分けられている。電気化学反応で発生するカソード残留ガスは、出口１１から周辺環境に送り出される。

それに対して、部分的に消費されたアノードガスは、アノードガス再循環ライン１２を介してバルブ８に戻され、リザーバ４からの新しい水素を補充されて、再びアノード入口９に送られる。アノードガス再循環ライン１２には、任意で、水分離器１３および再循環されるアノードガスを圧縮するための再循環ポンプ１４が準備される。

再循環では、アノード出口から出るアノードガスの中にまだある水素を燃料電池スタック２の電気化学反応に利用し、これによって燃料電池システム１のエネルギー収支を最適化するために、アノード出口から出るすべてのアノードガスが戻される。

しかしながら、再循環によってアノードガスの汚れが蓄積するため、汚れたアノードガスまたは少なくとも一部を、時間をあけてそこから排出することが必要となる。いわゆる、このアノードパージのために、ガスサプライシステム１は、第２バルブ１５によって接続可能なパージライン１６を有し、このパージライン１６は、任意の場所で（この場合は水分離器１３と再循環ポンプ１４との間）、アノードガス再循環ライン１２から分岐している。

パージライン１６は、酸化剤の部分流がパージガスに混ぜられる混合箇所１７で終端する。酸化剤部分流は、供給口５から入り、第２ポンプ１８を介して流され、このポンプによって圧縮および／または加速される。下流では混合箇所１７の後で酸化剤の部分流とパージガスからなる混合気流が、引き続き燃料電池スタック２を取り囲むハウジング２０の貫流領域１９に送られる。貫流領域１９は、燃料電池スタック２と熱接続されているため、燃料電池スタック２は貫流領域１９を流れる混合気流によって過熱される。混合気流は、その後、貫流領域１９およびハウジング２０を出て、上流の第１ポンプ６の手前で残りの酸化剤気流に再び加えられる。

ポンプ６によって圧縮された後、結果として生じた総混合気は、燃料電池スタック２のカソード領域に送られ、その際、残留水素が触媒によって水に変換されるため、カソード残留ガスは無害な状態で周辺環境に放出される。

酸化剤気流の分割と第２ポンプ１８による調整とによって、燃料電池スタック２のカソード領域に送られる総混合気の状態を非常によくコントロールすることが可能となるため、危険な作動状態を効果的に防止することができる。

図２は、図１の燃料電池システム１の変更例を示している。この場合、圧縮された酸化剤部分流とパージガスとは別々にハウジング２０に送られるので、貫流領域１９の気流はハウジング２０の内部で混合される。

図３は、図１の燃料電池システム１の２つめの変更例を示している。この場合、混合箇所１７は下流のハウジング２０の後に配置されているので、圧縮された酸化剤部分流だけが貫流領域１９へ送られ、パージガスは送られない。

Claims (9)

1. 酸化剤を燃料電池スタック（２）のカソード入口（７）に送り込むためのカソードガス供給ラインと、燃料を前記燃料電池スタック（２）のアノード入口（９）に送り込むためのアノードガス供給ラインと、部分的に消費されたアノードガスをアノード出口から前記アノード入口（９）へ送り戻すためのアノードガス再循環ライン（１２）と、部分的に消費されたアノードガスをパージガスとして前記アノードガス再循環ライン（１２）から前記カソードガス供給ラインに排出するための切換え可能なパージライン（１６）とを有する、前記燃料電池スタック（２）のサプライシステム（３）であって、
   前記カソード入口（７）の上流に配置された調整構造であり、
   ａ）混合箇所において前記酸化剤の部分流を前記パージガスと混ぜ合わせ、
   ｂ）前記部分流を圧縮および／または加速し、かつ前記部分流あるいは前記混合気流を加熱し、
   ｃ）前記混合気流を前記カソードガス供給ラインへ送るように構成されている調整構造を有すること、および
   前記燃料電池スタック（２）を支持するためのハウジング（２０）を有し、前記ハウジング（２０）が前記燃料電池スタック（２）と熱接続されている、前記部分流あるいは前記混合気流のための貫流領域（１９）を有すること、
   を特徴とする、サプライシステム（３）。
2. 前記パージライン（１６）がパージバルブ（１５）によって切換え可能であることを特徴とする、請求項１に記載のサプライシステム（３）。
3. 前記カソードガス供給ラインが第１ポンプ（６）を有し、前記調製構造の出口が上流の前記第１ポンプ（６）の手前で前記カソードガス供給ラインに合流していることを特徴とする、請求項１または２に記載のサプライシステム（３）。
4. 前記酸化剤の部分流のための供給が、上流の前記第１ポンプ（６）の手前および／または前記調製構造の出口前で分岐していることを特徴とする、請求項３に記載のサプライシステム（３）。
5. 前記調製構造が第２ポンプ（１８）を有し、このポンプが前記酸化剤の部分流を加速および／または圧縮するために形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のサプライシステム（３）。
6. 前記調製構造が前記貫流領域（１９）を少なくとも部分的に有し、前記貫流領域（１９）が前記混合気流を通すために形成および／または配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のサプライシステム（３）。
7. 前記調製構造が前記貫流領域（１９）を少なくとも部分的に有し、前記貫流領域（１９）が混合されていない前記部分流を通すために形成および／または配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のサプライシステム（３）。
8. 前記調製構造が前記貫流領域（１９）を少なくとも部分的に有し、前記貫流領域（１９）に前記部分流と前記パージガスとを混ぜ合わせるための混合箇所（１７）が配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のサプライシステム（３）。
9. 再循環している前記アノードガスの汚れが臨界状態に達すると、前記パージライン（１６）が接続され、汚れた前記アノードガスがパージガスとして前記アノードガス再循環ライン（１２）から調製構造に送られ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サプライシステム（３）におけるアノードパージの実施方法。
   

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