JP6322712B2 - 圧力調節方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部により詳細に記載した技術による、燃料電池システムのカソード側での圧力調節方法に関する。

請求項１の前提部に従って形成された、空気供給装置を備えた燃料電池システムが、例えば特許文献１、特許文献２又は特許文献３に見られる。３つの事例すべてにおいて、同一軸上に配置された流体圧縮機および排気タービンが課題となっている。一方の事例では、電気機械が軸上に追加して配置され、もう一方の事例では、タービンおよび流体圧縮機が自由ロータとして形成され、それに加えて、追加した電気駆動される流体圧縮機が一列に配置されている。

３つの事例すべてにおいて、いわゆるブローアウト弁あるいはシステムバイパス弁が記載され、この弁は、圧縮機の出力側を排気タービンあるいはエキスパンダの入力側と連結し、とりわけ、圧縮機がそのサージ限界の領域に達する危険性がある場合に圧縮空気を直接再び放出する。

さらに、燃料電池システムでは、しかるべき手段を用いて燃料電池のカソードへ流れる方向に構築された空気搬送装置を介して送出された空気量とカウンタープレッシャーとの間の相互作用で適切な圧力調節が行われ、例えば特定の状況で圧力比を燃料電池内で適合させるようになっている。このような調節器は、原則的に先行技術で公知である。タービンが使用されていない場合は、そのような調節装置では、例えば圧力保持弁が重要となることがある。そのため、とりわけ、上記の文献のように、タービンが燃料電池システムの排気内で使用される場合は、所望のカウンタープレッシャーあるいは必要なカウンタープレッシャーを構築するために、圧力調節装置として可変タービンガイドベーンを使用できる。そのような可変タービンガイドベーンそれぞれをブローアウト弁と組み合わせたものが、例えば特許文献４および特許文献５に見られる。

とりわけ可変タービンガイドベーンは極めて費用がかかり、部品数が多くなり、必要だが故障しやすい。このほか、燃料電池システムの停止後に温度が氷点下に下がった際に、とりわけ排気セクションで使用されている各構成部品が凍結するという点で極めて危険にさらされることになる。このほか、このような構成部品は高価で構築スペースを必要とし、このスペースは、とりわけ車両に燃料電池システムを搭載する場合は、極めて小さなサイズでしか利用できない。

ＤＥ １０ ２００７ ０２８ ２９７ Ａ１ ＷＯ ２０１１／０１５２８２ Ａ１ ＤＥ １０ ２００８ ０１８ ８６３ Ａ１ ＷＯ ０２／０８６９９７ Ａ２ ＤＥ １０２ １６ ９５３ Ａ１

本発明の目的は、それ自体の圧力調節器なしで機能する、燃料電池システムのカソード側での圧力調節方法、とりわけ圧力上昇のための方法を提供することにある。

本発明によれば、この目的は、請求項１の特徴的部分の特徴を含む方法によって達成される。有利な形態および発展形態は、以下の説明に基づく従属請求項から明らかになる。

燃料電池システムのカソード側で圧力を調節するための本発明による方法は、空気搬送装置の加圧側の出口をエキスパンダの加圧側の入口に連結し、もともと利用可能であるシステムバイパスが、圧力上昇のために開かれることを想定している。本発明によるこの方法では、まず第一に、搬送された空気量がシステムバイパスを介して放出され、カソード側を通っては流れないという意外な作用がある。その際、それによって圧力が低下し、所望通りに上昇しないことが予想される。しかし、システムバイパスを開くことによってシステムバイパスを介して流れる空気量はエキスパンダの加圧側の入口に直接入り、それによって、エキスパンダの領域、典型的には排気タービンの領域でカウンタープレッシャーを適切に上昇させることができるということを本発明者は見出した。そのため、例えば可変タービンガイドベーンが閉じられるときと同じように、燃料電池システムのカソード側の他の構成要素での圧力低下がほとんど見られず、システム全体に伝わるカウンタープレッシャーがさらに高くなり、それによってとりわけ燃料電池のカソード側、あるいはそのカソード領域で所望の圧力上昇が起こることになる。その際、燃料電池に供給される空気質量流量の設定値は、特に変化のないままである。この構造によって、極めて容易かつ効果的になり、とりわけ圧力調節器を省略した状態で、圧力調節を少なくとも一時的に行うことができる。これは、例えば燃料電池の電圧を高めるため、あるいは圧力レベルによって燃料電池の加湿に影響を及ぼすために一時的な圧力上昇が望まれる場合に、とりわけ有利である。

本質的に、システムバイパスが単一のオン／オフ弁を備えている場合は、その弁を開いて燃料電池に所望の圧力上昇を起こすだけで十分である。ただし、本発明による方法の特に好適で有利なもう１つの発展形態によれば、通流可能なシステムバイパスの断面が所望の圧力に応じて変化するように構成できる。このように洗練された制御、あるいは適切な圧力測定とシステムバイパス弁を制御するためのフィードバックとを組み合わせた調節も、前述したオンとオフとの正確な「デジタル」制御として所望の圧力をいっそう厳密に適合させることを可能にするものである。通常どおり、そのように変化した流路断面は、システムバイパスでは当然ながら純粋なオン／オフ弁によっても達成でき、同弁は、対応する通流断面が時間的に調整されるように、パルス幅変調によって制御される。

すでに述べたように、本発明による方法では、カソード側のほかの圧力調節器を完全に省略でき、これによって本方法を極めて単純、安価、容易かつ小規模なものに実現できる。このほか、カソード側に圧力調節器を有する設計に比べ、明らかに信頼性が高いものである。なぜなら、そのような圧力調節器が突然停止する危険性は、例えば温度が氷点下になった場合にその圧力調節器が氷で閉塞される場合であるが、それが完全になくなるからである。

本発明による方法のその他の有利な実施形態は、残りの従属請求項および以下に図面に関連してさらに詳細に説明する実施例から明らかになる。

唯一の添付図面は、本発明による方法を実施するための車両における燃料電池システムの概略図を示す。

図面では、単なる例示として車両１が示され、この車両には、電気駆動力を供給するために使用することになっている燃料電池システム２があるのがわかる。燃料電池システム２については、この場合、本発明に関連する構成要素を説明するためだけに示している。ＰＥＭ燃料電池スタックとして形成される燃料電池３が燃料電池システム２の中核を形成する。単なる例として、燃料電池３をアノード領域４およびカソード領域５のみで示している。アノード領域４には水素（Ｈ_２）が供給され、そこから排ガスが出ていく。この構造は、本発明にはこれ以上関係ないため、アノード側についてはこれ以上記載しない。しかし、燃料電池システム２のアノード側の従来の構造は、当業者に公知のものである。当業者は、例えばアノード再循環を用いて、いわゆるデッドエンド型構造又はニアデッドエンド型構造として作製できる。

燃料電池３のカソード領域５には、空気搬送装置６、例えば流体圧縮機６によって空気が送られる。流体圧縮機６は、電気機械７およびエキスパンダとしての排気タービン８とともに、共通軸上に配置される。この構造は、電動ターボ過給機とも呼ばれる。排気タービン８によって、排気から熱エネルギーおよび圧力エネルギーの形態でエネルギーを回収できる。そのため、電気機械７によって得られる流体圧縮機６に対する駆動力を低減できる。特定の動作状況では、排気タービン８の領域では、流体圧縮機６が必要とするよりも高い性能になるようにすることもできる。その際、電気機械７は、使用者に電力を供給し、及び／又は、ここには図示していないエネルギー貯蔵装置、例えばバッテリに貯蔵するために、発電機として動作することもできる。

空気搬送装置６の次に、吸気は、図示したガス／ガス加湿器９を介して燃料電池３のカソード領域５に到達する。燃料電池３のカソード領域５から出た排気は、水分を供給するものとして再び加湿器９に流れ、その後、エキスパンダとしてすでに述べた排気タービン８を介してその周囲環境に到達する。燃料電池システム２は、これ以外にもいわゆるシステムバイパスを備え、このシステムバイパスは、システムバイパス管１３とシステムバイパス弁１４とで構成される。システムが停止され、システムバイパス弁１４が開いている場合、このシステムバイパスは、例えば、カソード領域５への空気の流入を最小にする役割を果たし、それにより凍結の可能性がある弁設備なしで、少なくなった空気量をカソード領域において停止状態のあいだ吸気管９で受け取ることができ、これによって、再始動の際に燃料電池３の寿命の点で明らかな利点を得ることが可能になる。このほか、システムバイパス弁１４によって、流体圧縮機６がそのサージ限界の領域に到達することを防止できる。この場合、前述した事例の先行技術のように、システムバイパス弁１４をブローアウト弁と呼ぶこともできる。

車両の燃料電池システム２は、例えば必要な際に燃料電池３のカソード側の圧力を上昇させるために、ここでは圧力調節器を備えていない。このような必要性が生じる可能性があるのは、例えば、車両で利用可能な冷却能力が限られている場合に必要な電力をより少ない廃熱で供給するために、圧力上昇によって、燃料電池３に流れる吸気の加湿に適切な影響を及ぼす必要があるとき、あるいはとりわけ燃料電池３のカソード領域５の空気圧と、それに伴い燃料電池３の電圧とを上昇させる必要がある場合である。この状況では、圧力調節器が確実に望ましいであろう。しかし、別の状況、例えば燃料電池システムの温度が氷点下の温度まで下がったときは、凍結のリスクがあるため、重大な欠点も生じる。それでもなお、所望の圧力上昇を達成するために、例えば可変タービンジオメトリ又は圧力保持弁、あるいはスロットルバルブをカソード領域５への空気の流れ方向に組み込むことなく、所望の圧力上昇を達成する際にシステムバイパス弁１４を開くことができる。これは、例えばオン／オフ弁として形成されたシステムバイパス弁１４を単に開くことによって、あるいはまた、所望の圧力上昇に関係する該当断面を例えばダイアグラム又は同等のものを用いて解放することによって行われる。具体的な調節も考えられる。断面を連続して拡大・縮小できる比例弁に加え、パルス幅変調によって制御されるオン／オフ弁を使用することも考えられる。

システムバイパス弁１４を開くことによって、空気搬送装置６が送ったさらに多くの空気が排気タービン８の前に直接到達し、それによって圧力調節器自体の必要性もなしに排気セクションでカウンタープレッシャーを上昇させ、その結果、燃料電池システムのカソード領域５ではより高い所望の圧力が生じる。空気搬送装置６によって燃料電池３あるいはカソード領域５に誘導される空気質量流量は、その事前設定値に維持され、上昇しない。ただしこの場合、空気質量流量は、システムバイパス弁１４を通って追加的に送出されなければならないため、空気搬送装置６の回転数の増加をもたらす。したがって、すでに述べたように、最終的には、圧力形成は排気タービンで高まるのに対し、カソードセクションの残りの構成要素、すなわち加湿器９およびカソード領域５における圧力低下は変化しないままか、ほとんど変化しないままである。そのため、カソード領域５の圧力は増大する。空気搬送装置６に対して高い駆動力を提供して燃料電池３をやや高い負荷点で稼働させなければならない場合でも、燃料電池３の電圧は上昇し、廃熱はそれに応じて減少する。したがって、発生した廃熱を排出するための十分な冷却能力が車両１で利用できない場合、燃料電池３の電力の低下を極めて簡易かつ効果的に防止できる。

Claims (5)

1. 燃料電池システム（２）のカソード側で圧力を調節する方法であって、前記燃料電池システム（２）が、少なくとも１つの燃料電池（３）と、エキスパンダ（８）と共通軸上に配置された空気搬送装置（６）と、システムバイパス管（１３）およびシステムバイパス弁（１４）を介して前記空気搬送装置（６）の加圧側の出口を前記エキスパンダ（８）の加圧側の入口に連結するシステムバイパスとを備える方法において、
   前記システムバイパス弁（１４）が、前記燃料電池（３）内の圧力上昇のために開かれ、通流可能な前記システムバイパス弁（１４）の断面が、所望の圧力に応じて変えられ、前記システムバイパス管（１３）を介して流れる空気量が前記エキスパンダ（８）の加圧側の入口に直接入るものであり、前記システムバイパス弁（１４）が圧力上昇のために開かれている間、前記燃料電池（３）に送られる空気質量流量はその事前設定値に維持されることを特徴とする、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、所望の圧力上昇に関係する該当断面の開放が、ダイアグラムを用いて行われることを特徴とする、方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法であって、前記カソード側の圧力を上昇させるための圧力調節器が備えられていないことを特徴とする、方法。
4. 請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の方法の使用であって、前記圧力上昇が、前記燃料電池（３）の同等又はそれより大きい電力出力における前記燃料電池（３）からの廃熱の低減のために用いられることを特徴とする、使用。
5. 少なくとも１つの燃料電池（３）と、エキスパンダ（８）と共通軸上に配置された空気搬送装置（６）とを備える燃料電池システム（２）におけるシステムバイパス弁（１４）の使用であって、前記燃料電池システム（２）のカソード側で圧力を調節するために、前記システムバイパス弁（１４）がシステムバイパスに配置されており、前記システムバイパスはシステムバイパス管（１３）を介して前記空気搬送装置（６）の加圧側の出口を前記エキスパンダ（８）の加圧側の入口に連結するものであり、前記システムバイパス弁（１４）が、前記燃料電池（３）内の圧力上昇のために開かれ、通流可能な前記システムバイパス弁（１４）の断面が、所望の圧力に応じて変えられ、前記システムバイパス管（１３）を介して流れる空気量が前記エキスパンダ（８）の加圧側の入口に直接入るものであり、前記システムバイパス弁（１４）が圧力上昇のために開かれている間、前記燃料電池（３）に送られる空気質量流量はその事前設定値に維持されることを特徴とする、使用。

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