JP5879440B2 - 燃料電池システムを運転するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念にて詳細に定義された方法による、燃料電池システムを運転するための方法に関する。

燃料電池システムは、一般的な従来技術で公知である。この燃料電池システムは例えば、空気、酸素と水素から電気エネルギーを発生させるために、ＰＥＭ燃料電池として形成されていてもよい燃料電池を利用する。この種の燃料電池システムは、例えば自動車において電気による駆動力を発生させるために使用することができる。

原則的にはその場合には、空気が供給されるカソード室と、水素または水素含有の気体が供給されるアノード室とを有する燃料電池は、特にアノード室が片側が閉じられたアノード室として形成されているように運転することができる。アノード室に純粋な水素のみが供給される場合には、この水素は燃料電池にて理論的に完全に変換され、その結果、アノード室からは媒質は流出されない。実際にはその場合には、この構想は機能しないかまたは満足できるようには機能しない、というのも、燃料電池内で生じる生成水のわずかな部分がアノード室の領域内で生じるからであり、かつ不活性気体、例えば窒素、がカソード室からアノード室内に拡散することができるからである。デッド・エンドとも呼ばれる、このような片側が閉じられたアノード室の代わりに、実際にはしばしばいわゆるニア・デッド・エンド・アノード室が使用される。このアノード室はアノード出口を有する。このアノード室は水素のわずかな過剰量で駆動され、その結果、燃料電池で変換されなかった残りの水素からの生成水および不活性気体がアノード室から排出される。この構造は原則的に著しく簡単かつ効果的であり、かつ適当な形態、例えばアノード室の活性面のカスケード構造、によって著しくわずかな水素過剰量で運転することができる。それにもかかわらずこの場合にもある一定の水素過剰量は、不活性気体および特に生じる生成水を間違いなくかつ確実に排出するため、さらに生成水によって活性面を「ブロック」しないようにするために必要である。

実際には上記の問題は、アノード排ガスのための再循環系およびアノード室が備えられることによって回避するのが通常である。この構造の場合にはアノード室の出口におけるアノード排ガスは再循環導管を経由してアノード室の入口に返送され、そしてそこで新たに供給された水素とともにアノード室に改めて供給される。この構造によって、水素のアノード室内で変換された量に比して比較的大きな量の供給される水素の使用が可能となり、かつしたがって生成水および不活性気体を確実にアノード室から洗い流すことが可能となる。そのうえ、この構造によって特に水蒸気状の生成水の一部がアノード室の領域内に返送され、かつしたがってアノード室の給湿が改善され、そのことはＰＥＭ燃料電池が使用される場合には有利であることができる。しかしながら、この種の構造は比較的高価であり、かつ再循環導管およびアノード室における圧力損失の補償のために常に再循環運搬装置を必要とする。このような再循環運搬装置は通常、１個の送風機および／または、燃料電池システムの出力に応じて並列または直列に相互に接続されている１個または複数の気体ジェットポンプである。例えば、アノード排ガスのための再循環系とアノード室とを備えた燃料電池システムが記載されている特許文献１が参照される。上記出願に見て取れるように、その最も簡単な構造が既に比較的複雑であり、かつ相応の取付けスペースおよび、アノード室を巡って循環させることができるようにするために比較的大きな再循環運搬装置を必要とする。

アノード排ガスのためのこのような再循環のもう１つの問題点は、時間の経過とともに生成水および不活性気体が再循環の領域内で増大することである。そのことによって、再循環導管の一定の容積という理由から水素の濃度が低下し、かつ燃料電池の性能が悪化する。したがって、時々または絞りを介して連続的に水および不活性気体を排出することおよび、これら水および不活性気体を例えば周囲に、触媒ユニットおよび／または燃料電池のカソード室への通風の流れに供給することは一般に公知でありかつ通常のことである。

さらに、水素の残りを通常含有するアノード室からの排ガスが燃焼器、好ましくは触媒燃焼器にて再燃焼することができることが一般的な従来技術から公知である。この排ガスはその場合にはタービンを介して膨張されることができ、その結果、熱エネルギーおよび圧力エネルギーを排ガス中に回収することができる。このようなタービンは特に、燃料電池のための空気輸送装置を駆動するために利用することができる。タービンは好ましくは電気機械と組み合わせて形成されていてよく、かついわゆる電動ターボ過給機（ＥＴＣ＝Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｕｒｂｏ Ｃｈａｒｇｅｒ）を形成する。このＥＴＣは電気機械によってタービンにて回収された出力に加えて必要である空気輸送装置のための駆動力が通常提供されるように構成されている。給気装置によって必要とされるより大きな出力がタービンの領域内で発生し、さらに、電気機械側として発電するために、電気機械を発電機的にも運転することができるようになる。

独国特許出願公開第１０２５１８７８号明細書

したがって、本発明の課題は、アノード室を巡るアノード排ガスのための再循環系を有する燃料電池システムを運転するための方法であって、燃料電池システムの著しく簡単でコンパクトな構造を燃料電池の良好な機能において可能にするものを提供することである。

本発明によれば上記課題は、請求項１の特徴部における特徴を有する方法によって解決される。本発明による方法の別の有利な形態および発展形態は、これに関しての従属請求項に示されている。
本発明は、燃料電池の設定された限界負荷未満では該燃料電池をアノード排ガスの再循環とともに運転し、かつ該燃料電池の限界負荷と全負荷の間では該燃料電池をこのようなアノード再循環なしに運転することを定めている。つまり、本発明による方法は、負荷に応じて、比較的大きな負荷から全負荷までの場合のニア・デッド・エンド・アノード室と、部分負荷の場合のアノード再循環を伴ったアノード室との間で変えられることを定めている。決定的な利点は、設定された限界負荷を下回る負荷の場合に、通常、つまり部分負荷範囲内で、一方では、返送された水蒸気によってアノード室の給湿が可能であり、かつ他方では、大きな水素損失を甘受せねばならぬことなく、比較的大きな水素過剰量を用いて、部分負荷運転の場合のアノード室からの水の排出にとって不利な条件にもかかわらず水を完全にアノード室から排出できるようにするために、運転することができることである。そのうえ、必要な再循環運搬装置、好ましくは気体ジェットポンプ、はその場合にはもっぱら部分負荷電流が出せるように設計されていなくはならず、かつ相応に小さく、簡単にかつ低コストに実現することができる。

中程度、および設定された限界負荷を上回る比較的高い負荷の場合に、生成水を間違いなくかつ確実に排出するのに、さらに燃料電池を、周囲または触媒再燃焼器へのわずかな水素損失の原因としかならない小さな水素過剰量でも間違いなくかつ確実に運転するのに、比較的わずかな水素過剰量で十分である。全体として、そのことによって全負荷までで運転される再循環送風機に比して明確なエネルギー的な利点を特に有する著しく低コストの解決が得られる。さらに、その新規の方法で運転される燃料電池システムがきわめていっそう小さな構造であり、その結果、比較的高い出力密度が可能となる。

本発明による方法の特に有利な発展形態の場合には、前記設定された限界負荷を燃料電池電流に応じて全負荷時の燃料電池電流最大値の３０％まで、好ましくは全負荷時の燃料電池電流最大値の５％〜２０％に、設定することが定められている。これに関しての特に有利な発展形態では、前記設定された限界負荷を燃料電池電流に応じて全負荷時の燃料電池電流最大値の１０〜１５％に設定することがその場合には定められている。

設定された限界負荷を下回る部分負荷範囲はつまり本発明のこの特に有利な形態の場合には、上限値より比較的小さく、かつ特に好ましくは５〜１０％のオーダーである。このような値を下回る、例えば全負荷の場合に燃料電池電流最大値の約１２％を下回る負荷の場合にのみ、アノード室を巡るアノード排ガスの再循環を行うことが必要である。これに応じて簡単で、小さくかつ効果的に、好ましくは気体ジェットポンプとして形成されている再循環運搬装置を実現することができる。他の全ての運転状態の場合にはニア・デッド・エンド・アノード室としてのアノード室は最小の水素過剰量で運転され、このことによって十分に良好な性能が保証それ、かつ高い出力密度を有する燃料電池システムの著しく簡単で効率的な構造が可能となる。

本発明による方法の特に有利で好ましい形態では、前記設定された限界負荷を下回る場合には前記アノード室に必要な燃料の１．５倍より多く、好ましくは約１．７〜１．８倍、を供給するすることがその場合には定められている。１．５より大きなこのようないわゆるアノード化学量論には、つまりアノード室に流入する５０％以上の燃料過剰量が利用される。したがって、いずれにせよ燃料の５０％以上がアノード室を燃焼せずに通過し、発生する生成水および膜を通って拡散する不活性気体を吸収し、さらにアノード室から排出することが保証されている。それにもかかわらず、アノード室の利用できる完全な活性面が間違いなくかつ確実に水素と接触し、かつしたがって全体的に電力の発生のためのその面積が利用されることが保証されている。

本発明による方法のもう１つの著しく有利で好ましい形態では、前記設定された限界負荷を上回る場合には前記アノード室に必要な燃料の１．２倍より少なく、好ましくは約１．０５倍、を供給するすることがその場合には定められている。このような比較的わずかな燃料過剰量、つまり１．０５のアノード化学量論、によって既に中程度負荷範囲および全負荷範囲内でアノード室の領域内での十分な圧力降下が保証され、その結果、水および不活性気体が確実に排出される。例えば約１．０５の比較的小さな値によって、わずかな量のみの水素が燃料電池の領域内で変換されず、さらに相応に周囲に到達することが他方では保証される。

本発明による方法のもう１つの著しく有利で好ましい形態では、前記アノード室または前記アノード室を巡る再循環からの排ガスを燃焼、特に触媒燃焼に供給し、その際、タービン内で燃焼排ガスを膨張させることがさらに定められている。アノード室を巡る再循環から排出されなければならず、かつ特にニア・デッド・エンド運転の場合にアノード室を出ていく過剰量の水素の排出は、つまり燃焼、特に触媒燃焼に供給することができる。殊にこれは、残留水素を含有する排ガスが残留酸素を含有するカソード室からの排ガスとともにこのような燃焼に供給されるように行われる。燃焼によって、その場合には一方では周囲への水素放出が回避され、かつ他方では排ガス中に残留する圧力エネルギーおよび残留水素の燃焼の際に生じる熱エネルギーは、例えば燃料電池システムのための空気輸送装置をその駆動時に補助するために、タービンの領域内で相応に利用することができる。

もう１つの特に有利で好ましい形態では、前記アノード室または前記アノード室を巡る再循環からの排ガスを、発生する生成水とともに、絞りおよび／または弁装置を介して排出することがその場合には定められている。排出はつまり連続的または不連続的に行わうことができる。殊に触媒燃焼が使用される場合には、排ガスの連続的な排出がいずれにせよが優先されなければならない、というのもこのことによって均一で信頼できる燃焼が保証され、かつタービンの領域内での著しく変動する条件が回避されるからである。このことによって排ガスないしは燃焼ガスからのエネルギーの回収が改善される。

本発明による方法のさらなる有利な形態はさらに残りの従属請求項に示されており、さらに、以下、図に関連して詳説する実施例に基づいて明らかとなる。

本発明による方法の実施に適当である燃料電池システムを示す概略図である。 第１の負荷範囲における本発明による方法の実施の形態を示す図である。 第２の負荷範囲における本発明による方法の実施の形態を示す図である。 燃料電池電流Ｉに対するアノード化学量論λを示す線図である。

図１には著しく概略化されて表現された燃料電池システム１が示されている。この燃料電池システムは本質的な構成要素として燃料電池２を含み、この燃料電池はＰＥＭ燃料電池として形成されていることとする。この燃料電池は、プロトンに対して透過性の膜４により燃料電池２のカソード室５から分離されて形成されているアノード室３を有する。通常、燃料電池２は、この燃料電池が単セルの積層物として、いわゆる燃料電池スタックとして形成されてているよう構成されている。

燃料電池２のカソード室５に酸素が空気供給体として空気輸送装置６を介して供給される。カソード室５からの、依然として一定量の残留酸素を含有する消費されていない排気は、次に燃焼器、好ましくは触媒燃焼器７の領域内に流れる。ここで排気は、後にさらに詳しく説明する方法でアノード室３の排ガスに由来する水素とともに再燃焼される。高温の排ガスはタービン８を介して膨張させる。このことによって排ガス中に存在する圧力エネルギーおよび排ガス中に存在する熱エネルギーの少なくとも一部が、同一の回転軸上に配置された空気輸送装置６を駆動するのに利用される。通常の運転状態ではタービン８の領域内に発生する出力は空気輸送装置６の単独の駆動には十分ではない。したがって、タービン８および空気輸送装置６から成る構造は、空気輸送装置６の駆動に必要な残りの出力を提供する電気機械９をなお有するのが通常である。タービン８の領域内で、空気輸送装置６によって必要とされるより大きな出力が発生する状況の場合には電気機械９を発電機的に運転することもまた可能であり、かつこの電気機械として電力を提供することが可能である。空気輸送装置６、電気機械９およびタービン８から成る構造は電動ターボ過給機またはＥＴＣ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｕｒｂｏ Ｃｈａｒｇｅｒ）とも呼ばれる。

燃料電池２のアノード室３に水素が圧縮ガス貯蔵部１０から圧力制御弁１１を介して供給され。この圧力制御弁１１はその場合には好ましくは連続圧力制御弁として形成されているべきであって、つまりパルス・タイミング弁として形成されているべきではない。連続圧力制御弁としての圧力制御弁１１のこのような形態は、パルス・タイミング弁とは異なり、圧力制御弁１１が原因の騒音発生および振動に関する明確な利点を可能にする。圧力制御弁１１の後で水素は気体ジェットポンプ１２の領域内に、さらにそこから逆止め弁１３を経て燃料電池２のアノード室３内に流れる。燃料電池２のアノード室３からの排ガスは再循環導管１４を経て気体ジェットポンプ１２の領域内に返送することができ、かつしたがって、圧縮ガス貯蔵部１０からの新鮮な水素とともにアノード室３に改めて供給することができる。さらに図１に表現された燃料電池システム１の構造は、気体ジェットポンプ１２を迂回する弁装置１６を備えたバイパス１５を示し、このバイパスについては後になお詳しく取り上げることとする。

時間とともにアノード室３を巡る排ガスの再循環内では、アノード室３内に生じた生成水および、カソード室５内の膜４を通過してアノード室３内に拡散している不活性気体が増大する。再循環の容積は一定であるから、そのことによって不可避的に水素の濃度は下がり、かつ燃料電池２の性能は衰える。そこから不連続的に、時々または燃料電池システム１の特定のパラメータに応じてか、あるいは、これに代えて、連続的に例えば絞りを介して、再循環導管１４の領域からの気体を排出する必要がある。このために、パージ導管１７とも呼ばれる排出導管１７が存在する。例えば図１の表現では、アノード室３ないしは再循環導管１４の領域からの排ガスの不連続または連続的な排出のための、例えば弁装置および／または絞りであることができる構成要素１８が書き入れられている。排ガスはいずれにせよ一定量の残留水素も有するであろう。したがって排ガスはカソード室５からの排ガスと混合され、さらに、既に前述の触媒燃焼器７で相応に再燃焼することができる。タービン８にて有効に動力に変換することができる燃焼ガスへの熱エネルギーの入力のほかに、この再燃焼には燃料電池システム１の周囲への水素放出が回避されるという付加的な効果がある。

既述のとおり燃料電池システム１の表現はきわめて著しく概略化されており、本質的に本発明の説明に必要な部分のみに限定さている。当然のことながら、一般に公知かつ通常の構成要素、例えば加湿器、種々の熱交換器、水分離器等が、たとえこれらがここでは表現されていないとしても、燃料電池システムの中に存在していてよい。

図１の枠内で記載された燃料電池システムによって、該燃料電池システムのアノード室３の本質的に２つの異なる運転モードが今や可能となり、これら運転モードについては以降、図２および３に基づいて記載することとする。図２および３は、わかりやすくするため、本発明にとって重要な領域のみを拡大した表示で示している。

図２の表示では燃料電池システム１の部分負荷範囲内の運転が示されているものとする。破線の矢印によって水素の流れおよび燃料電池２のアノード室３からの排ガスの流れが示されている。本発明の枠内での燃料電池システム１の部分負荷とは、その場合にはいずれにせよ３０％未満の負荷範囲、好ましくは５〜２０％の負荷範囲、特に好ましくは１０〜１５％の限界値を下回る負荷範囲のことと理解すべきである。この限界はその場合には特に、燃料電池２によって発生される、図４の表示では線図のＸ軸を形成する電流Ｉに基づいて測定することができる。設定された限界負荷に相応する限界電流Ｉ_ｘ、この限界電流は燃料電池２の最大電流Ｉ_ｍａｘの例えば約１２％である、の場合が、燃料電池システム１の部分負荷運転であるとする。

限界電流Ｉ_ｘを下回っているこの部分負荷運転の場合には、この運転は、燃料電池システム１の重要部分の図２における表示に示されているとおり行われることとする。連続圧力制御弁として形成されている圧力制御弁１１を介して、比較的小さく設計され、かつしたがって小さくかつ簡単な構造の気体ジェットポンプ１２は駆動噴流としての新鮮な水素によって駆動される。新鮮な水素は逆止め弁１３を経てアノード室３に流入し、さらにそこである一定部分的に変換される。図４に示されたいわゆるアノード化学量論λの表示からわかるように、この範囲では、好ましくは１．５を超えるオーダー、好ましくは１．７〜１．８のオーダーでの比較的高いアノード化学量論が促進される。これはつまり、アノード室３で変換される水素の１．７〜１．８倍がアノード室３に供給されるということである。したがって、アノード室３で発生する一部の生成水および場合によっては、膜４を通ってアノード室３内に拡散している不活性気体は、アノード室３に供給された水素の過剰量とともにアノード室から排出され、さらに再循環導管１４を経て気体ジェットポンプ１２の領域内に戻り着く。この体積流量は新鮮な供給される水素によって吸い寄せられ、さらにこの水素とともに再びアノード室３に供給される。

この部分負荷条件下での燃料電池システム１の比較的長い運転の場合にはアノード室３を巡る再循環内でその場合には生成水および不活性気体は増大し、そのことにより水素濃度が低下する。部分負荷で運転を続行しながら燃料電池の性能を維持できるようにするために、アノード室３を巡る再循環からの媒質の一部が絞りを介して連続的に排出されなければならないかあるいは、弁装置を介して不連続的に時々排出されなければならないかのいずれかである。既に図１の表示の際に記載したとおり、絞りおよび／または弁装置から成るこの構造は図では１８で表された構成要素によって示されている。この場合には体積流量の小さな部分が連続的に排出されるかまたは不連続的に時々体積流量の部分が排出されるかのいずれかであるという事実は、図２では選択可能な形で暗に示されている。

バイパス１５における弁装置１６が閉じられた、図２に記載された方法での、燃料電池システムの運転は、つまり、アノード排ガスの再循環を伴った運転を示している。燃料電池２の限界電流Ｉ_ｘを下回る部分負荷範囲では上記運転は有利な運転モードを示しており、というのも比較的わずかな体積流量にもかかわらず１．５を上回る大きなアノード化学量論によってアノード室３からの生成水の確実で信頼できる排出を保証することができるからである。さらに、膜４にとって比較的厳しいこの運転状態の場合にはこの膜の給湿は、返送された水蒸気、この水蒸気は返送された水素とともにアノード室３に再び供給される、によって達成される。アノード室３を巡る再循環内の水素濃度の制御は、絞りないしは弁装置１８によって行うことができる。

増大する負荷ないしは増大する燃料電池電流Ｉとともに、今や設定された限界電流Ｉ_ｘ以降は代替の運転モードに変更される。このことは図３の表示に示されており、その際、この場合にも物質の流れが破線の矢印によって暗に示されている。違いは本質的には、バイパス１５における弁装置１６が開かれている点である。圧縮ガス貯蔵部１０からの水素は、その場合にはもはや気体ジェットポンプ１２を経由せずに、気体ジェットポンプ１２を迂回するバイパス１５を経由して流れる。逆止め弁１３により、気体ジェットポンプ１２および再循環導管１４の領域への水素の逆流は回避される。同時に構成要素１８は、この構成要素が弁装置である場合には、相応に開かれ、ないしはこの構成要素が絞りである場合には、構成要素１８を経由してアノード室３からの排ガスがこの運転フェーズの場合には通常、連続的に流出し、さらに、図１の表示からわかるように、触媒燃焼器７の領域に達し、そのことによってここで相応に再燃焼される。つまり、中程度の負荷、より高い負荷および全負荷における運転モードでは、ニア・デッド・エンド・アノード室３の方式のアノード室３が使用され、かつアノード排ガスの再循環を使用しない。その場合、再循環を介して達成することができる給湿が省略されるが、しかしながらこれはこの運転状態では通常不要である。そのうえ、水素の相応に高い体積流量の場合の、アノード室３を介した比較的高い圧力降下では、１．２を下回る水素の比較的わずかな過剰量、例えばアノード化学量論λ＝１．０５で、アノード室３からの生成水を完全に排出するのに十分である。このことは、図４の表示における燃料電池電流Ｉに対するアノード化学量論λの線図に示されている。

気体ジェットポンプが今や専ら部分負荷範囲内では水素の比較的わずかな体積流量で運転されなければならないので、この気体ジェットポンプは相応に簡単に、小さくかつしたがって軽くかつ安価に形成することができる。従来技術では中程度および高い負荷の場合にそうであるように、著しく大きな体積流量を再循環しなければならない全体的な負荷範囲を網羅するための付加的な再循環運搬装置または複数の気体ジェットポンプの並列接続を、本発明による方法を基礎とする、ここに示された燃料電池システム１の構造の場合には、不使用とすることができる。これにより、例えば水素再循環送風機についての、構造体積、重量および寄生出力が削減される。

要するに、このようにして著しく簡単で効率的な構造が得られる。わずかな量、例えば５％の過剰量水素は、問題なく触媒燃焼器７にて再燃焼することができ、かつ次に大部分がタービン８にてやはりなお燃料電池システム１のための有効な出力に変換することができる。

Claims (6)

1. アノード室（３）およびカソード室（４）を有し、アノード排ガスが該アノード室（３）から流出することができる少なくとも１つの燃料電池（２）と、該アノード室（３）を巡る該アノード排ガスのための再循環系とを備えた燃料電池システム（１）を運転するための方法において、
   該燃料電池（２）の設定された限界負荷（Ｉ_ｘ）未満では該燃料電池を前記アノード排ガスの再循環とともに運転し、かつ該燃料電池（２）の前記限界負荷（Ｉ_ｘ）と全負荷（Ｉ_ｍａｘ）の間では該燃料電池を前記アノード排ガスの再循環なしに運転すること、
   前記設定された限界負荷（Ｉ_ｘ）を燃料電池電流（Ｉ）に応じて全負荷時の燃料電池電流最大値（Ｉ_ｍａｘ）の３０％までに設定すること、
   前記設定された限界負荷（Ｉ _ｘ ）を下回る場合には前記アノード室（３）に必要な燃料の１．５倍より多く供給すること、
   前記設定された限界負荷（Ｉ _ｘ ）を上回る場合には前記アノード室（３）に必要な燃料の１．２倍より少なく供給すること、
   前記設定された限界負荷（Ｉ_ｘ）未満では、前記アノード室（３）を巡る再循環からの前記アノード排ガスおよび生成水の一部を絞りおよび／または弁装置を介して排出すること、および
   前記設定された限界負荷（Ｉ _ｘ ）を上回る場合には、前記アノード室（３）からの前記アノード排ガスおよび生成水を前記絞りおよび／または前記弁装置を介して排出することを特徴とする方法。
2. 前記設定された限界負荷（Ｉ_ｘ）を前記燃料電池電流（Ｉ）に応じて全負荷時の燃料電池電流最大値（Ｉ_ｍａｘ）の１０〜１５％に設定することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記アノード排ガスの再循環を新鮮な燃料の流入によって駆動される気体ジェットポンプ（１２）を用いて維持することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記限界負荷（Ｉ_ｘ）を上回る場合には前記新鮮な燃料の流入を前記気体ジェットポンプ（１２）を迂回するバイパス（１４）によって行うことを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記気体ジェットポンプ（１２）に前記新鮮な燃料の流入を連続圧力制御弁（１１）を介して供給することを特徴とする請求項３または４に記載の方法。
6. 前記アノード室（３）または前記アノード室（３）を巡る再循環からの排ガスを燃焼器（７）に供給し、タービン（８）内で燃焼排ガスを膨張させることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
   

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