JP7490052B2 - 調量弁を制御するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム内の噴射ポンプの部分としての調量弁を制御するための方法、並びに噴射ポンプの部分としての調量弁に関する。

特許文献１は、燃料電池システムを運転するための方法に関する。陽極室と陰極室とを有する少なくとも１つの燃料電池が設けられており、この場合、陽極室に燃料源から燃料（Ｈ_２）が供給され、未燃焼排ガスが陽極室からガス噴射ポンプを介して、陽極室に流入する燃料に再循環され、ガス噴射ポンプは加熱可能なノズルを有している。ガス噴射ポンプのノズルの加熱は、燃料がガス噴射ポンプを通って流れないときにのみ行われる。

特許文献２は、燃料電池システムを停止させるための方法に関する。陽極再循環は、陽極排ガスを吸入するためのガス噴射ポンプを含んでおり、この場合、ガス噴射ポンプは、弁およびノズルを介してガス噴射ポンプ内に流入する燃料ガス流によって駆動される。燃料電池システムの冷却中に、弁とノズルとの間の領域内に、陽極再循環の領域内に形成される圧力と比較して同じかまたはそれよりも高い圧力が維持される。

例えば燃料電池内で水素を調量するために、磁気アクチュエータを有するガス弁が公知である。このような形式のガス弁は、例えば比例弁として構成されている。陽極ガスの必要な再循環を促進するために、燃料電池システム内で陽極回路内に噴射ポンプが使用される。このような形式の噴射ポンプは駆動ノズルを有しており、この駆動ノズルは、ガス調量弁の水素流によって貫流される。噴射ポンプの駆動ノズルは、ガス調量弁の部分である。ガス調量弁は、弁の駆動ノズルのアウトレットが軸方向で噴射ポンプの混合管の前に位置していて、駆動ノズルの周囲に吸込みのためのスペースが形成されるように、噴射ポンプ内に位置決めされている。

噴射ポンプおよびガス調量弁を組み込んだ上記配置構成において、噴射ポンプは湿った陽極ガスを駆動する。したがって、燃料電池の停止後に不都合な冷却状況が発生した場合、駆動ノズルのノズル孔内の湿気が凝縮し得る。相応に低い周囲温度において、最も不都合なケースではノズルが凍結することがある。この場合、水素の調量はもはや不可能であり、燃料電池はもはや始動できなくなる。

独国特許出願公開第１０２０１１１１４７９７号明細書 国際公開第２０１３０４５０４８号

本発明によれば、Ｈ_２を調量する組み込まれた調量弁を備えた、再循環パス内で陽極側のガス流を圧送するための噴射ポンプを有する燃料電池システムを停止させるための方法が提案される。凝縮水を取り除くために、燃料電池システムの冷却中に駆動ノズルが少なくとも１回、衝撃的に貫流される。

本発明に従って提案された方法によって、第１の冷却段階後に陽極ガス側のガス流内に含まれた湿気の大部分が凝縮した後で、これらの凝縮された湿気が駆動ノズルから取り除かれ得る。したがって、例えば燃料電池システムによって駆動される車両は、例えば寒い季節において外気温度が低くなったときでも、戸外で駐車することができる。

本発明による方法の別の実施態様によれば、氷点に達する直前に、駆動ノズルのさらなる衝撃的な貫流が作動され得る。低い外気温度において燃料電池システムの再始動が確実に行われることを保証するために、氷点に達する直前に駆動ノズルはもう１回、衝撃的に貫流され、それによって、場合によっては堆積した水がすべて確実に駆動ノズルから取り除かれる。

本発明に従って提案された方法の発展形態によれば、駆動ノズルは、燃料、特にＨ_２で負荷される。

本発明に従って提案された方法の発展形態では、駆動ノズルの衝撃的な貫流が、２０℃乃至３０℃の温度への燃料電池システムの冷却中に実施される。これによって、好適な形式で、陽極ガス内に含まれた湿気の大部分が既に凝縮されていて、したがって駆動ノズルの第１の衝撃的な貫流によって、凝縮された水が取り除かれることが保証され得る。

本発明に従って提案された方法では、衝撃的な貫流が、３ｂａｒ乃至１６ｂａｒの範囲内の十分なインレット圧力で実施される。

本発明による方法では、少なくとも前記衝撃的な貫流が、０．０１秒乃至０．１秒の時間間隔中に実施される。

本発明に従って提案された方法では、衝撃的な貫流を実施するための調量弁の制御時点で、燃料インレット、つまりＨ_２―インレット内に、駆動ノズル周囲の吸込み領域内に形成される圧力と比較して、より高い圧力が一時的に形成される。したがって、陽極からの媒体、特に湿気を含む媒体が、駆動ノズル若しくは調量弁内に逆流しないように保証されている。

さらに、本発明は、前記方法に従って陽極側のガス流を圧送するための、組み込まれた調量弁を備えた噴射ポンプであって、噴射ポンプの吸込み領域内に突入する駆動ノズルを有しており、この駆動ノズルの燃料インレット、特にＨ_２－インレットが、調量弁によって開放または閉鎖される噴射ポンプに関し、この場合、駆動ノズルがノズルアウトレットとバルブシートとの間に最小の死容積を有している。この最小の死容積は、例えば７０ｍｍ^３乃至２００ｍｍ^３の大きさである。

組み込まれた調量弁を有する噴射ポンプは、駆動ノズルのノズルアウトレットが軸方向で噴射ポンプの混合管の前に位置していて、再循環パスの吸込み領域が駆動ノズルの周囲に延在するように構成されている。

さらに、本発明は、車両を駆動するために用いられる燃料電池システムを停止させるための、前記方法の使用法に関する。

本発明に従って提案された解決策は、好適な形式で、特に寒い季節に発生する低い外気温度において、燃料電池システムの停止後に燃料電池システムを支障なく始動させることを可能にする。本発明に従って提案された解決策によって、燃料電池の停止後の不都合な冷却状況が考慮され得る。第１の冷却段階の終了後に、燃料電池システムが、一例としての温度範囲である例えば２０℃乃至３０℃の温度を有すると、駆動ノズルが衝撃的に貫流されることによって、陽極ガスから凝縮水の第１の取り除きが行われる。

低い外気温度においても燃料電池システムの確実な再始動を保証するために、本発明に従って提案された方法によって、氷点に達する直前に、駆動ノズルの新たな衝撃的な貫流が作動され、それによって、場合によっては集積された水が駆動ノズルから取り除かれることが可能であり、氷点を下回る外気温度において、氷による駆動ノズルの詰まりが発生することはない。氷は燃料電池システムの再始動を妨げるであろう。本発明に従って提案された解決策によって除去対策を講じることができる。

好適な形式で、この方法は、組み込まれた調量弁を有する噴射ポンプに使用され、この場合、組み込まれた調量弁を有する噴射ポンプは、陽極側のガス流を移送するために用いられる。本発明に従って提案された方法によって、噴射ポンプの駆動ノズルが湿気を含む陽極ガスの範囲内に位置しているという状況が考慮される。第１の冷却段階の終了後に、本発明に従って提案された方法によって、陽極ガス内の凝縮された湿気、つまり水の大部分が既に駆動ノズルから取り除かれ得る。好適な形式で、この方法は、組み込まれた調量弁を有する噴射ポンプにおいて使用され、この場合、駆動ノズルを噴射ポンプ内に組み込むことによって、駆動ノズルのノズルアウトレットとバルブシートとの間に最小の死容積が存在するだけであり、したがって、駆動ノズルを衝撃的に貫流させて、ここに含まれる水を吐き出すために、調量弁を非常に短時間制御するだけで十分である。０．０１秒乃至０．１秒の範囲内にある非常に短い貫流時間に基づいて、燃料電池の陽極システム内の高すぎる圧力上昇は避けられ得る。

本発明に従って提案された方法によって、燃料電池の冷却中に、噴射ポンプ内に組み込まれた調量弁は、駆動ノズル内に存在する凝縮水を取り除くことができるまで制御されるように、保証されている。調量弁の制御は、一回または複数回行われてよい。既に第１の冷却段階の終了後に、燃料電池システムの温度が２０℃乃至３０℃に達すると、制御が実施されるので、なお十分なガス圧、つまりＨ_２－圧力が調量弁の前の燃料側のインレット内に提供される。燃料電池システムの再始動を保証するために、かつ駆動ノズルが凍結するのを阻止することを保証するために、弁の温度若しくは周囲温度が氷点に達する直前に、駆動ノズルのさらなる衝撃的な貫流が作動されてよい。

さらに本発明に従って提案された方法によって、調量弁への燃料側のインレット内、つまりＨ_２－インレット内に、組み込まれた調量モジュールを有する噴射ポンプの流出側に形成される圧力と比較して、より高い圧力が制御点で形成されることが保証される。

これによって、湿気を含む媒体が再循環パスから駆動ノズル内に逆流することはなく、駆動ノズル内に不都合な水の堆積が生じることはないように、保証されている。

再循環パス、噴射ポンプおよび調量弁を有する燃料電池システムの構成要素の概略図である。 Ｈ_２－調量のための組み込まれた調量弁を有する陽極側のガス流を移送するための噴射ポンプの断面図である。

本発明の実施例を、図面および以下の記載を用いて詳しく説明する。

本発明の実施例の以下の説明において、同じまたは類似の要素には同じ符号が付けられており、この場合、個別のケースにおけるこれらの要素の繰り返しの説明は省く。図面は、本発明の対象を概略的に示しているだけである。

図１は、調量弁、噴射ポンプ、燃料電池並びにコントロールユニットを有する燃料電池システムの構成要素の図解を示す。

図１の図面から、燃料電池システム１０が、陽極側のパス１２並びに陰極側のパス１４を有していることが分かる。この燃料電池システムのうち、ここでは例として１つの燃料電池が示されている。燃料電池システム１０内で、周囲空気が陰極側のパス１４から陽極側のパス１２に向かってＮ_２－拡散１６になる。陽極側のパス１２と陰極側のパス１４との間で水交換１８が発生し、さらに陽極側のパス１２から陰極側のパス１４に向かってＨ_２－拡散２０が発生する。

燃料電池システム１０の出力側にセパレータ２２が位置しており、このセパレータ２２の下側に排出弁２４が配置されている。セパレータ２２を介して、再循環パス２６内で循環される陽極側のガス流から、液状の水、つまり水素が分離され得る。

図１からさらに分かるように、再循環パス２６はセパレータ２２から噴射ポンプ２８に延在している。噴射ポンプ２８は、内部に調量弁３６が組み込まれているポンプである（特に図２の図面参照）。噴射ポンプ２８は、再循環パス２６の再循環インレット３２、並びに図１に図示されていない燃料電池インレットを有している。再循環パス２６内の流体の流れを促進することを支援するために、再循環パス２６内に、ここでは詳しく図示していない再循環ブロワが組み込まれていてよい。調量弁３６の前に第１の圧力センサ３８が位置しており、第２の圧力センサ４０が調量弁３６の下流に位置していて、流れ方向で噴射ポンプ２８に後置接続されている。調量弁３６も第２の圧力センサ４０もコントロールユニット３４に接続されている。

図２に、組み込まれた調量弁３６を有する噴射ポンプ２８の断面図が示されている。

図２は、噴射ポンプ２８が、側方にフランジ接続された、組み込まれた調量弁３６を有していることを示す。噴射ポンプ２８はポンプ体４２を有している。このポンプ体４２は、混合管６４によって貫かれており、この混合管の混合管軸線は符号４４で示されている。混合管軸線４４に対して同軸的に駆動ノズル４６がポンプ体４２内に配置されている。駆動ノズル４６のノズルアウトレットは符号６２で示されていて、同様に混合管軸線４４と一直線に並んでいる。この場合、駆動ノズル４６は、調量弁３６の一部であって、ノズルアウトレット６２と向き合う側にバルブシート５０を有しており、このバルブシート５０はタペット４８によって開放されるかまたは操作可能である。駆動ノズル４６若しくはその別個のインサートも、調量弁３６のフランジも、シール５２を介してポンプ体４２内に受けられていて、このポンプ体４２に対してシールされている。

図２はさらに、調量弁３６若しくはそのタペット４８が電磁コイル５４を介して操作可能であって、この場合、電磁コイル５４の操作が、図１に示されたコントロールユニット３４を介して行われることを示す。タペット４８は、調量弁３６の本体内でタペット４８に対して同軸的に受けられているバルブスプリング５６に抗して作動し、この場合、バルブスプリング５６は調量弁３６の蓋部分で支持されている。

図２の図面から分かるように、駆動ノズル４６はノズル通路５８を有している。ノズル通路５８は一方ではノズルアウトレット６２によって仕切られていて、他方ではバルブシート５０によって仕切られている。図２からさらに分かるように、駆動ノズル４６は、ポンプ体４２内で吸込み領域６６によって取り囲まれている。吸込み領域６６内に再循環インレット３２が開口している。駆動ノズル４６のバルブシート５０の上方に燃料電池インレット、つまりＨ_２－インレット３０が開口している。

２つのインレット、再循環インレット３２並びにＨ_２－インレット３０は、噴射ポンプ２８のポンプ体４２内で互いにシールされている。吸込み領域６６から混合管６４が延在しており、この混合管はディフューザ部６８内に移行している。ディフューザ部６８は、同様に混合管軸線４４に対して対称的に延びている。混合管６４のディフューザ部６８は流出領域７０に移行しており、この流出領域７０は一方では蓋７４によって閉鎖されていて、他方では流出部７２を有しており、この流出部７２は再び再循環パス２６内に開口している。

本発明によって提案された、燃料電池システムを停止させるための方法は好適には、燃料、特にＨ_２を調量するための組み込まれた調量弁３６を備えた、図２に断面図で示された噴射ポンプ２８によって実行される。図１に示した燃料電池システム１０の停止後に、燃料電池システムが２０℃乃至３０℃の温度に達するまで、燃料電池システム１０の冷却段階が行われる。この温度で、陽極ガス内、つまり再循環パス２６内で移送されたガス内に含まれる湿気の大部分が、特に駆動ノズル４６のノズル通路５８の通路の領域内で凝縮される。所定時間間隔の経過後、若しくはこの温度範囲つまり２０℃乃至３０℃の温度範囲に達した後で、コントロールユニット３４によって調量弁３６の衝撃的な制御が行われ、その結果駆動ノズル４６の衝撃的な貫流が行われ、それによって凝縮水が確実にこの駆動ノズルから取り除かれる。

コントロールユニット３４によって若しくはこのコントロールユニット３４に対応配設された温度センサによって周囲温度が氷点に近づいたことが検知されると、氷点に達する直前にコントロールユニット３４によって、非常に短い時間だけ調量弁３６の新たな制御が開始され得る。これによって、氷点に達する直前に駆動ノズル４６のノズル通路５８の貫流が改めて行われるように保証されているので、場合によってはこの駆動ノズル４６内に存在する凝縮水が、まだ氷点に達する前に、つまり氷形成が始まる前に、駆動ノズル４６のノズル通路５８から確実に取り除かれる。したがって周囲温度がさらに低下しても影響はない。何故ならば、水の存在として、ノズル通路５８を貫流する氷が形成されることはないからである。したがって、例えば低い外気温度の戸外での駐車時後に、燃料電池システム１０を再始動することは問題なく可能である。何故ならば、氷は存在しないので、ノズル通路５８が詰まることはないからである。

本発明に従って提案された方法は、特に組み込まれた調量弁３６を有する噴射ポンプ２８で実現することができる。何故ならば、この構造バリエーションにおいて、バルブシート５０とノズルアウトレット６２との間に存在する死容積は最小であって、本発明に従って提案された方法に適した形式で、ノズル通路５８を衝撃的に貫流させて凝縮水を吐き出すために、調量弁３６をコントロールユニット３４によって非常に短時間制御するだけで十分だからである。

本発明に従って提案された方法によってさらに、コントロールユニット３４による調量弁３６の制御時点で、駆動ノズルの衝撃的な貫流が行われる前に燃料側のインレット側に、つまりＨ_２－インレット３０に、より高い圧力が形成されることが保証されている。これによって、噴射ポンプ２８の流出側から湿気を含む陽極ガスが駆動ノズル４６内に逆流することは避けられ、駆動ノズル４６は水が侵入しないように保たれる。

本発明は、ここに記載された実施例およびこれらの実施例の中で強調された態様に限定されるものではない。むしろ、請求項に記載された範囲内で、当業者の実施の枠内にある多くの変化形が可能である。

１０ 燃料電池システム
１２ 陽極側のパス
１４ 陰極側のパス
１６ Ｎ_２－拡散
１８ 水交換
２０ Ｎ_２－拡散
２２ セパレータ
２４ 排出弁
２６ 再循環パス
２８ 噴射ポンプ
３０ Ｈ_２－インレット
３２ 再循環インレット
３４ コントロールユニット
３６ 調量弁
３８ 第１の圧力センサ
４０ 第２の圧力センサ
４２ ポンプ体
４４ 混合管軸線
４６ 駆動ノズル
４８ タペット
５０ バルブシート
５２ シール
５４ 電磁コイル
５６ バルブスプリング
５８ ノズル通路
６２ ノズルアウトレット
６４ 混合管
６６ 吸込み領域
６８ ディフューザ部
７０ 流出領域
７２ 流出部
７４ 蓋

Claims (9)

1. 燃料電池システム（１０）を停止させるための方法であって、前記燃料電池システム（１０）が再循環パス（２６）内で陽極側のガス流を圧送するための噴射ポンプ（２８）を備えていて、前記噴射ポンプ（２８）がＨ_２を調量するための調量弁（３６）と駆動ノズル（４６）とを有している方法において、
   前記駆動ノズル（４６）のノズル通路（５８）内の凝縮水を取り除くために、前記燃料電池システム（１０）の冷却中に前記駆動ノズル（４６）を少なくとも１回、衝撃的に貫流させ、
   前記駆動ノズル（４６）の前記衝撃的な貫流を、２０℃乃至３０℃の温度への前記燃料電池システム（１０）の冷却中に実施することを特徴とする、燃料電池システム（１０）を停止させるための方法。
2. 氷点に達する直前に、前記駆動ノズル（４６）をさらにもう１回、衝撃的に貫流させることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記駆動ノズル（４６）をガス状のＨ_２で負荷することを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
4. 前記衝撃的な貫流を、３ｂａｒ乃至１６ｂａｒの範囲内のインレット圧力で実施することを特徴とする、請求項１記載の方法。
5. 少なくとも前記衝撃的な貫流を、０．０１秒乃至０．１秒の時間中に実施することを特徴とする、請求項１記載の方法。
6. 前記調量弁（３６）の制御時点で、前記駆動ノズル（４６）周囲の吸込み領域（６６）内におけるよりも高い圧力がＨ_２―インレット（３０）内に形成されることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 請求項１から６までのいずれか１項記載の方法に従って陽極側のガス流を圧送するための調量弁（３６）を備えた噴射ポンプ（２８）であって、前記噴射ポンプ（２８）の吸込み領域（６６）内に突入する駆動ノズル（４６）を有しており、前記駆動ノズル（４６）のＨ_２－インレット（３０）が、前記調量弁（３６）によって開放または閉鎖される形式のものにおいて、
   前記駆動ノズル（４６）がノズルアウトレット（６２）とバルブシート（５０）との間に、７０ｍｍ^３乃至２００ｍｍ^３の大きさである最小の死容積を有していることを特徴とする、噴射ポンプ。
8. 前記駆動ノズル（４６）の前記ノズルアウトレット（６２）が、軸方向で混合管（６４）の前に位置していて、前記再循環パス（２６）の吸込み領域（６６）が前記駆動ノズル（４６）の周囲に延在していることを特徴とする、請求項７記載の組み込まれた調量弁（３６）を有する噴射ポンプ（２８）。
9. 請求項１から６までのいずれか１項記載の燃料電池システム（１０）を停止させるための方法を、車両の駆動のために使用する方法。

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