JP5705310B2 - 加湿するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分に詳しく定義されている種類の、燃料電池のアノード領域を、及び／又は燃料電池のアノード領域に流れる気体流を、加湿するための装置に関する。

燃料電池又は個別の燃料電池のスタック、いわゆる燃料電池スタックは、通常、アノード側が水素によって作動し、カソード側が酸素又は空気によって作動する。アノード側に流れる水素は、この場合、通常、圧縮ガスタンクから送り出される水素である。この水素は、多くの場合、圧力を低下させるバルブ装置を介して、加湿されないままアノード領域に流れ込む。この場合、燃料電池のアノード領域は、酸素サプライヤーとしての加湿された空気を使って作動することが非常に多い。このことは、特に自動車への適用で最も頻繁に使用されている燃料電池タイプであるＰＥＭ燃料電池の場合、ポリマー膜がある程度湿潤していることがセルの機能を正常に保つために必要なことから、重要かつ必要である。この場合、一般的には、燃料電池のカソード側の空気を加湿する方が比較的簡単に実現でき、少なくとも基本的な湿潤を確保するのにも十分である。

これに反して、水素は、一般的に、乾燥した状態で燃料電池の圧縮ガスタンクから供給される。このことは、特に、燃料電池スタック内の第１の個別セルにとって、又はカスケード構造の燃料電池スタックでは１列目の個別セルにとっては、これらの個別セルがアノード側で加湿されないことから問題である。このことは、このセル部分又はこの列の個別セル部分における膜のプロトン導電性が悪化する原因となり、従って電気的効率が低下する要因となる。

特許文献１又は特許文献２で開示されている燃料電池システムでは、アノード側の加湿コンセプトとカソード側の加湿コンセプトの両方が説明されている。各コンセプトは、この場合、水蒸気を通す膜を介して、アノード又はカソードの排出ガス流がそれぞれの気体、すなわち空気又は酸素の流れを相応に加湿するようになっている。さらに、水分離器が設けられており、この水分離器は、膜加湿モジュールを通過した後に残った水分を、それぞれの排出ガスから液体の形で分離する。次に、この水は収集され、ポンプ及びチェックバルブを介して、アノード領域又はカソード領域へ流れる気体部分に戻され、加湿のために膜モジュールを通過した後の気体部分に、例えば噴射することによって水が供給される。

膜モジュール及び水分離器で収集された水によって加湿するという形で複数の加湿装置を備えるこの構造は、この場合、比較的経費がかかるため非常にコストが高い。さらに、特にアノード部分に比較的広い取付けスペースが必要となり、このことは、ラインエレメント、コンポーネント等において比較的長い流れが生じるという決定的な欠点をもたらす。内部を流れる水素の密閉には比較的経費がかかり、ここでの拡散損失は実際に回避できないため、このことは、予想される水素消費に関してもある程度の欠点となる。

さらに水分離器の収集容器部分には、常にウォータポンプが必要であるため、このことによっても寄生的出力要求が生じ、これは燃料電池システムの効率全体を相応に悪化させる。このことが、燃料電池システムの第１のセル又は第１のセル列の加湿改善によってどの程度調整されるかは、実施された計算及び研究によれば、少なくとも燃料電池のアノード領域側ではむしろ疑わしい。
カソード側については、特許文献３においても同様に、圧力差によって水の再循環が達成されるというコンセプトが説明されている。

独国特許出願公開第１０１１０４１９Ａ１ 米国特許出願公開第２００１／０２１４６８Ａ１ 米国特許出願公開第２００７／０４８５７２Ａ１

本発明の課題は、上述した従来技術の主な特徴によって、燃料電池のアノード領域を、及び／又は燃料電池のアノード領域へ流れる気体流を、加湿するための装置を提供することであり、さらにこの装置は非常に単純で、小型化され、エネルギー効率に優れた構造を実現している。

本発明に基づき、この課題は、請求項１の特徴とする部分に記載された特徴によって解決される。本発明に基づく装置のその他の有利な実施形態は、従属請求項に示されている。

すなわち、本発明に基づく構造は、アノード領域と水分離器との間にチェックバルブが配置されており、このチェックバルブは水分離器の方向に通過可能であるように設けられている。さらに、気体を使って水分離器の加圧のための手段が設けられており、この手段によって、水分離器部分の圧力が少なくとも一時的に加湿装置部分の圧力を上回るように、水分離器部分の圧力を上昇させることができる。従って、この構造は、ポンプを備える水収集容器の代わりに、水分離器とアノード領域との間にチェックバルブなどを取り付けているため、この部分では、水分離器の方向にのみ通過が可能である。次に、適切な手段により、水分離器には、燃料電池の作動中、少なくとも一時的に加湿装置部分の圧力を上回る圧力を印加することができる。水分離器部分のより高い圧力により、その中に集められた水が加湿装置に送られ、この加湿装置から直接アノード領域を、及び／又はアノード領域に流れる気体流を、加湿することができる。この場合、本発明に基づき、この加圧は気体によって行われる。燃料電池システム部分には、通常、様々な圧力レベルの気体が存在していることにより、この気体は、いずれにせよ必要な圧力を有している部分から流用することができるため、燃料電池システムの作動中にこの気体を供給するための追加出力を全て省略することができる。

本発明に基づく装置の特に適切かつ有利な発展形態では、気体が水素を有している。この気体を使って水分離器に圧力が加えられるが、この気体は特に水素を有するか、又は水素であり得る。水素又は圧縮ガスタンクの部分には、いずれにせよ非常に高いレベルの圧力があるので、この水素は、水分離器に圧力を加え、アノード部分又はアノードへ流れる気体流の部分に分離した水を戻すために最適に使用することができる。水素は、通常、燃料電池のアノード領域に供給される気体でもあることから、この気体が加圧によってアノード領域の部分に一緒に流れ込んでも問題はなく、燃料電池の作動に不利にはならない。というのも、この気体が水素であるか、又は水素を有している場合、この気体は燃料電池の燃料供給に貢献できるからである。

本発明に基づく装置の特に適切かつ有利なもう１つの形態では、この気体はアノード領域からの排出ガス流である。特に、例えばカスケード構造のオープン・エンド燃料電池の場合、水と一緒にアノード領域の部分からある程度の量の残留水素が流出し、この水素は失われるか、又は例えば熱エネルギーを回復し、水素を周辺環境に排出しないために再燃焼などに送られる。この場合、アノード領域の排出ガス流からの気体の成分は、水分離器を加圧し、水と一緒にアノード領域に流れる気体部分に、及び／又はアノード領域自体に戻るために非常に良く適している。

本発明に基づく装置の非常に有利な発展形態では、少なくとも作動圧力に関する燃料電池の動的作動によって加圧が行われる。燃料電池、特に、車両の駆動エネルギーを提供するために用いられる燃料電池は、通常、静的ではなく、車両の出力要求に応じてハイダイナミックにまで動的に作動する。燃料電池システムのそのようなハイダイナミックの作動方法は、ハイダナミックなプロファイルにおける電力の取出しでのみ現れるのではなく、作動圧力のハイダイナミックな作動においても結果的に生じるか、又は少なくともそのような作動を可能にする。水分離器の加圧は、特に簡単かつ効率的な方法で、作動圧力に関する動的作動によって行うことができ、この作動圧力は、本発明に基づく装置を用いて加湿を実施するために特別に設計されているか、又はいずれにせよ燃料電池の動的作動のために設定されている。燃料電池部分で圧力上昇が生じると、水は水分離器の部分に溜まり、アノード領域に流れる気体部分の圧力がより高いことから、この気体部分又はアノード領域部分への水の流出は起こらない。アノード領域に流れる気体が燃料電池に供給される場合に圧力低下が生じると、少なくとも短時間、水分離器部分の圧力がアノード領域に流れる気体の圧力よりも高くなる。この作動状況では、次に、水は加湿装置を介してアノード領域又はアノード領域に流れる気体の中に排出され、それにより、このアノード領域／この気体が加湿される。

本発明に基づく装置の特に適切かつ有利な発展形態では、さらに、水分離器と加湿装置との間にチェックバルブが配置されており、このチェックバルブは加湿装置の方向に通過可能である。このことは、アノード領域に流れる気体によって水分離器の加圧が行われないことを確実にする。

本発明に基づく装置の特に適切かつ有利な発展形態では、さらに、加湿装置部分に水を飛散及び／又は気化させる手段が設けられている。そのような飛散／気化手段により、エアロゾル又は水蒸気が発生し、この水蒸気は、アノード領域の加湿及び／又はアノード領域に流れる気体流の加湿を実現するが、その際、湿気は十分にあるが、液体の水が多すぎることによってアノード領域の一部が水で「浸水」し、膜部品と気体との接触が液体の水によって阻止されないように実現される。

この場合、有利な発展形態においては、加湿装置部分に、水蒸気を通す少なくとも１つの膜が配置されており、この膜の一方の側が水と接触し、他方の側がアノード領域に流れる気体と接触している。この場合、本発明に基づく構造により膜の使用も可能となり、このことは、水分離器に加圧される気体が水素又は水素含有ガスではない場合に特に有利である。例えばカソード領域からの排出ガス、すなわち酸素又は窒素によって加圧する場合は、この膜によって水蒸気のみがアノード領域に流れる気体部分に達し、気体が混ぜ合わされることはないため、このことは大きな利点となる。

この場合、非常に適切かつ有利なもう１つの実施形態では、さらに、加湿装置が、アノード領域の中に、及び／又はアノード領域に流れる気体流の中に水を注入するノズル手段を有している。このとりわけ単純な構造により、特に加圧に利用する気体を利用することで、水は微細なエアロゾルになって飛散する。このことにより、非常に単純かつ効率的な加湿が可能となり、微細に分割された水滴が飛散することによって、より多量の液体の水がアノード領域に溢れるのを安全かつ確実に防止することができる。この場合、比較的多量の水を非常にエネギー効率よくアノード領域の中に、及び／又はアノード領域に流れる気体流の中に飛散させることができるため、この構造は極めて効率的である。

本発明に基づく装置の非常に有利なもう１つの実施形態では、さらに、加湿装置及び／又はアノード領域が、アノード領域へ流れる気体流／アノード領域内を流れる気体流への水の移行を改善する表面部分を有している。そのような表面は、例えば、相応の粗さ、適切な材料などによって表面積を拡大することによって、アノード領域へ流れる気体流の中への、又はすでにアノード領域にある気体の中への水の移行が容易になるように形成することができる。

この場合、特に適切かつ有利な発展形態では、さらに、この表面部分が加熱された状態で形成されている。例えば、粗い表面によって気体流が渦巻を形成して水の吸収を助け、取込みやすくする移行部とは別に、さらに、気体流の中に水を純粋に機械的に吸収させることに対する代替又は補足の方法として、表面部分を加熱することにより、水が気化するまで水に熱を加えることもできる。従って、気体の水の吸収はさらに改善される。

本発明に基づく装置の有利なその他の実施形態は、残りの従属請求項に示されており、以下に図を用いて詳しく説明される実施例によって明らかになる。

本発明に基づく装置の第１の可能な実施形態である。 本発明に基づく装置の第２の可能な実施形態である。 本発明に基づく装置における加湿装置の第１の実施形態である。 本発明に基づく装置における加湿装置の第２の実施形態である。

図１には、燃料電池システム１の部分が示されている。ここに示されている燃料電池２は、いわゆるＰＥＭ燃料電池として形成されているべきであり、個別セルのスタックとして構成されている。それぞれの個別セルは、アノード領域３とカソード領域４とを有し、これらは、ここに示されている実施例において例として示されている。アノード領域３とカソード領域４とは、プロトン導電性膜（ＰＥ膜）５によって互いに分離されている。カソード領域４には、周知の方法で、酸素サプライヤーとしての空気が供給され、酸素を消耗した排出エア流はカソード領域４から流出する。このことは、一般的な従来技術から知られているため、ここで示されている構造の中では詳しく説明しない。

燃料電池２のアノード領域３には、圧縮ガスタンク６から、圧力を下げるバルブ装置７を介して水素が供給される。この場合、圧縮ガスタンク６は、通常、３５０又は７００ｂａｒの圧力レベルで作動し、燃料電池２のアノード領域３に比較的高い純度の水素を供給する。圧縮ガスタンク６の水素は、バルブ装置７の後では比較的乾燥しているため、通常、燃料電池２のカソード領域４への供給エア流は湿潤しているにもかかわらず、アノード領域３の部分では少なくとも第１のセル又は燃料電池２の第１のセル列で乾燥が生じる可能性がある。いわゆるアノードループなしに作動する燃料電池２を使用する場合、燃料電池２は、この燃料電池２から気体が漏れ出さないデッド・エンド型燃料電池２として形成されるか、又はある程度の量の残留水素がアノード領域３から流出する、いわゆるオープン・エンド型燃料電池２として形成され、第１のセルの加湿又はアノード領域３がカスケード構造の場合は第１のセル列の加湿は重要な課題となる。

この場合、図１は、排出ガス流が水分離器８とスロットルバルブ９を介してアノード領域３から排出されるオープン・エンド型燃料電池としての燃料電池２の構造を示している。この残留水素は、次に、周辺環境に達するか、又は例えば触媒バーナー、多孔質バーナーなどのバーナーに送られ、その熱エネルギー含量を利用するために再燃焼させることができる。アノード領域３の排出ガス流部分の水分離器８は、この場合、同じく周知の方法で実施されており、排出ガス流部分で液体の水滴を分離するために用いられる。この液体の水は水分離器８の下部に集まり、水はラインエレメント１０を介して加湿装置１１の部分に送られ、アノード領域３を、及び／又はアノード領域に流れる気体流を加湿するために、直接アノード領域３に、及び／又はアノード領域３に流れる気体流に供給される。チェックバルブ１２は、アノード領域３と水分離器８との間にある部分に設けられている。このチェックバルブ１２は、アノード領域３の排出ガス流を水分離器８の方向に通過させることができる。

加湿装置１１の部分においては、アノード領域に流れる気体流の加湿が、例えば、ポンプなどを使って加えなければならない追加エネルギーなしに達成されるため、水分離器８には、バルブ装置１４を備えるラインエレメント１３を介して、バルブ装置７の部分又はバルブ装置７の手前部分で分岐している圧縮ガスタンク６から圧縮された水素が加えられる。次に、チェックバルブ１２により、圧縮された水素が「後ろから」燃料電池２のアノード領域３に流れ込むことを防止する。スロットル９の適切な調整により、燃料電池システム１から特記すべき量の水素が流出するのを防ぐことができる。次に、水分離器８内で圧力がかけられている水素により、ラインエレメント１０を介して水及び少なくとも水素の一部が加湿装置１１の部分に送られ、この水は、この部分において、アノード領域３を、及び／又はアノード領域３に流れる気体流を、加湿するために用いられる。この構造はとりわけ単純かつ効率的であり、ラインエレメント１３及び追加のバルブ装置１４を追加するだけで済み、燃料電池システム１の作動中に出力を必要とするような供給装置等を備える必要はない。

図２には、同様の機能を実現することができる、燃料電池システム１のさらに簡素化された構造が示されている。図２に示されている燃料電池システム１の構造では、ラインエレメント１３とバルブ装置１４が減らされている。ラインエレメント１０の部分には、この場合、もう１つのチェックバルブ１５が設けられ、これは、水分離器８から加湿装置１１への方向にのみ通過させることができる。それ以外では機能は同一であり、ここでは、水分離器８から加湿装置１１の部分への水の供給が、燃料電池システム１の動的作動中に行われる。この場合、第１の作動状態では、アノード領域３に流れる気体の圧力が比較的高くなっている。この状況では、チェックバルブ１５によって、この気体の水分離器８の部分への流入が効果的に阻止される。アノード領域３からの排出ガス流は、チェックバルブ１２を介して水分離器の中に送られる。液体の水はここで分離され、必要に応じて、継続的に又は時々スロットルバルブ９を介して、残留ガスを排出することができる。燃料電池システム２の動的作動により、アノード領域３に流れる気体部分で圧力が低下すると、水分離器８とアノード領域３との間に圧力差が形成される。この状況では、チェックバルブ１２が阻止しているため、水分離器８の部分からの排出ガス流はアノード領域３に戻ることはできない。同時に、チェックバルブ１５が開かれると、それによって水分離器８の部分で溜まった水が流出し、ラインエレメント１０を介して加湿装置１１の中に水が流れるようになる。水分離器８からの水により、加湿装置１１を介してアノード領域３の加湿及び／又はアノード領域３に流れる気体流の加湿を達成することができる。特に、電気的駆動力を発生させるために燃料電池を車両で使用する場合、燃料電池２の作動は、通常、ダイナミック又はハイダイナミックに行われるため、時間平均で燃料電池の作動時間にわたって、十分なアノード領域３の加湿又はアノード領域３に流れる気体流の加湿を確実に行うことができ、特に第１のセル又は第１のセル列の加湿された膜が乾燥するにはある程度の時間が必要なため、少なくとも統計的平均において膜が渇く前に、アノード領域３の再加湿及び／又はアノード領域３に流れる気体流の再加湿を行う新たな作動段階が圧力状態によって発生する。

図３には、加湿装置１１の第１の可能な実施形態が例として示されている。この加湿装置１１は、アノード領域３に流れる気体流が通過する第１の部分領域１６から成る。第２の部分領域１７は、水蒸気を通す膜１８によって部分領域１６から切り離されている。部分領域１７の部分には水分離器８からの水があり、この水は、この部分領域１７において例えば気化又は拡散することができる。発生した水蒸気は、膜１８を通過して部分領域１６に達するため、アノード領域３に流れる気体流を加湿することができる。残りの水蒸気は、図に示されているように、必要な場合は排出することができる。この構造は、水分離器８を加圧するために、アノード領域には送られない気体、例えば酸素、窒素などの不活性ガスを使用する場合、特に有利である。

図４には、加湿装置１１の代替の実施形態が示されている。この加湿装置１１は、この場合、アノード領域３に流れる気体流が通過する唯一の領域１９を有している。その他、ノズル２０が設けられており、このノズルにより、水分離器８からの水が加湿装置１１の部分に送られる。ノズル及び必要に応じてスロットル２１の形態を適切に選択することによって、アノード領域３に流れる気体流部分への水の拡散が、水分離器８を加圧する圧力と、スロットル２１及びノズル２０によって形成される、通過する気体の負圧と、によってのみ実現される。ここでは、水の拡散の他に、通常、加圧に用いられる気体が、アノード領域に流れる気体流の中に一緒に送られるため、この構造は、特に、水分離器８の加圧に用いる気体が水素であるか、又は少なくとも水素を含んでいる場合に適している。この水素は、次に、燃料電池のアノード領域３の部分において通常どおり変換させることができる。

加湿装置１１の両方の構造、並びに一般的な従来技術から知られている加湿装置１１の構造の場合、さらに、例えば相応の表面粗さ等を備える適切な表面２２を、加湿装置１１の部分又はアノード領域３自体の部分にも配置することができ、アノード領域３へ流れる気体の気体流又はすでにアノード領域にあり、そこでも同様に流れている気体の気体流がこれらの表面を通過することによって、これらの表面部分に付着する水を吸収することが容易になる。そのような表面２２が、図４の中に例として示されており、そうした効果を得るために、例えば適切な表面粗さ又は材料を有することができるであろう。特に、これらの表面２２は、例えば、図４で原理的に示されているヒータスパイラル２３のような電気ヒータなどのヒータを有することも可能であろう。そのような構造では、気体流への水の機械的移行の改善に対する代替又は補足の方法として、ヒータにより水の加熱又は気化が容易になるため、通過する気体流はさらにこの水を良く吸収することができる。

全体的に、ここで説明した構造に基づく燃料電池システムは、燃料電池２のアノード領域３を、又は燃料電池２のアノード領域３に流れる気体を加湿するための、非常に単純で、効率的な、コンパクト構造の、エネルギーを最適化したバリエーションとなる。特に第１のセル又はカスケード構造の燃料電池スタック２の場合は第１のセル列が、それによって十分に加湿されるため、燃料電池２の電気的性能をあらゆる作動条件において改善することができる。

Claims (7)

1. 燃料電池（２）のアノード領域（３）を、及び／又は前記燃料電池（２）の前記アノード領域（３）に流れる気体流を、加湿するための装置であり、前記アノード領域（３）からの排出ガス流内に水分離器（８）を備え、かつ前記アノード領域（３）に、及び／又は前記アノード領域（３）に流れる前記気体流に、水の少なくとも一部を供給するために形成された加湿装置（１１）を備え、前記水分離器（８）と前記加湿装置（１１）とがラインエレメント（１０）によって接続されている装置であって、
   前記アノード領域（３）と前記水分離器（８）との間にチェックバルブ（１２）が設けられ、該チェックバルブは前記水分離器（８）の方向への通過が可能であり、前記水分離器（８）の加圧のための手段が設けられ、該手段によって、前記水分離器（８）部分の圧力が少なくとも一時的に前記加湿装置（１１）部分の圧力を上回るように、前記水分離器（８）部分の圧力を上昇させることができ、前記加圧が圧縮ガスタンク（６）からバルブ装置（１４）を備えるラインエレメント（１３）を介して送られる気体を用いて行われ、前記アノード領域（３）に流れる前記気体流内にバルブ装置（７）が配置されていることを特徴とする、装置。
2. 前記気体が水素を有していることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記水分離器（８）と前記加湿装置（１１）との間にチェックバルブ（１５）が配置されており、該チェックバルブは前記加湿装置（１１）の方向に通過可能であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記水分離器（８）からのガスが、スロットルバルブ（９）を介して排出されることを特徴とする、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の装置。
5. 前記加湿装置（１１）部分に前記水を飛散及び／又は気化させる手段が設けられていることを特徴とする、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の装置。
6. 前記加湿装置（１１）部分に、水蒸気を通す少なくとも１つの膜（１８）が配置されており、該膜の一方の側が前記水と接触し、他方の側が前記アノード領域（３）に流れる前記気体と接触していることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 前記加湿装置（１１）が、前記アノード領域（３）の中に、及び／又は前記アノード領域（３）に流れる前記気体流の中に前記水を注入するノズル手段（２０）を有していることを特徴とする、請求項５又は６に記載の装置。
   

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