JP2010536125A - 燃料循環回路に配置されている再循環ブロワを備える燃料電池システムの作動方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料循環回路に配置されている再循環ブロワ（１１）を備える燃料電池システム（１）の作動方法及び装置に関し、再循環ブロワ（１１）を用いてアノード側で流出する燃料（ＢＳ）が再び前記燃料電池システム（１）に供給され、この再循環ブロワ（１１）は、ニューマチック式駆動タービン（１２）によって駆動され、その際、ニューマチック式駆動タービン（１２）は、圧縮空気（ｖＬ）を当てられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料循環回路に配置されている再循環ブロワを備える燃料電池システムの作動方法および装置に関する。

通常、燃料電池システムへのガス供給では、酸素としての外気が、まずコンプレッサー内で圧縮され、次に、インタークーラーにおいて冷却される。その際、電気的性能要件の低い範囲では、低いエア質量流量が、比較的高い圧力で必要とされる。なぜなら、コンプレッサー、特にターボコンプレッサーの場合は、必要な圧力が高いエア質量流量でしか供給されないため、この範囲においては、通常、必要以上に多いエア量が送られ、この空気は余剰空気として、コンプレッサー後にドレンバルブを介して排出される。次に、余剰空気は、加湿モジュールに流れ込み、この中において、カソード側で流出する燃料電池又は燃料電池スタックのカソード排出ガスから水蒸気を吸収する。次に、加湿された外気は、燃料電池又は燃料電池スタックの中に送られ、そこで電気化学的反応に関与する。カソード側で流出するカソード排出ガスは、その後、加湿モジュールに供給され、ここで、カソードに供給する空気に水蒸気を与えて、タービンに送られる。

この燃料電池システムのアノードには、例えば絞り弁などにより、燃料としての超化学量論的水素が供給される。未反応の水素及びカソードに入り込まれる窒素と水蒸気は、ブロワ（以下、再循環ブロワ）によって再び外気の圧力レベルまで圧縮され、再度水素供給流の中に送り込まれる。

通常、再循環ブロワは、この水素を返還するために、電動的に駆動される。そのためには、コストの高い電子機器と追加的な電動機とが必要である。

特許文献１から、ニューマチック式再循環ブロワが周知である。この場合、再循環ブロワは、カソード側で流出するカソード排出ガス、特に空気を当てられるタービンによって駆動される。ここで不利な点は、再循環ブロワを駆動するタービンに当てるためのカソード排出ガスを分岐することにより、燃料の返還がすべての負荷範囲において最適に行われないことである。

特開２００３−０３１２４４号明細書

本発明は、燃料の返還を向上させつつ、再循環ブロワを作動するための簡単な構成を備えた燃料電池システムの作動方法及び装置を提供するという課題に基づいている。

方法に関して、この課題は、本発明に基づき、請求項１に記載の特徴によって解決される。装置に関して、この課題は、本発明に基づき、請求項７に記載の特徴によって解決される。

本発明の有利な発展形態は、従属請求項により特定される。

燃料循環回路に配置されている再循環ブロワを備える燃料電池システムを作動するための、本発明に基づく方法では、再循環ブロワによって、アノード側で流出するアノード排出ガスが再び燃料電池システムに返還され、この再循環ブロワは、圧縮空気を当てられるニューマチック式駆動タービンによって駆動される。このために、好ましくは燃料電池システムの流入口側、すなわちカソード入口前で、圧縮された空気が分岐される。これによって、再循環ブロワを、すべての負荷範囲にわたって、すなわち低負荷でも、高負荷でも、最適に駆動することができる。これによって特に、例えば燃料電池システムのエアコンプレッサーなど、エア供給ユニットの部分負荷範囲において、過剰に送られる空気がエネルギー的に利用される。したがって、燃料電池システムの効率が改善される。

好ましいのは、駆動タービンと再循環ブロワとが、磁気的動力伝達によって連結されることである。磁気的動力伝達により、再循環ブロワにおいて、駆動タービンのドライブシャフトとブロワハウジングとの間を接続する必要がなくなるため、再循環ブロワは、ハウジングを完全に密閉した状態で取り付けられている。これによって、駆動タービンの駆動媒体としての空気と、アノード排出ガス、特に、再循環ブロワのフィード媒体としての水素含有ガスとの混合が確実に防止される。

一つの実施形態においては、エア供給ユニットと、このユニットの下流に置かれた熱交換器、特にインタークーラーとの間で、圧縮空気が取り出される。これによって、駆動タービンには、直接エア供給ユニットから流出する未冷却の圧縮空気が供給されるため、駆動タービン及び燃料電池システムは、すべての負荷範囲において十分に効率よく作動することが可能となる。

この代替又は補足として、カソード側で流出する燃料電池システムのカソード排出ガスを駆動タービンに当てることが可能である。特に、高負荷の場合は、駆動タービンに当てるために、燃料電池システムのカソード排出ガスだけが駆動タービンの駆動媒体として用いられる。このために、駆動タービンの前には、制御エレメント、特に３方向バルブが、駆動タービン用のフィードラインの中に配置されている。カソード排出ガスの分岐方法に応じて、タービンに当たる前に、このガスを冷却することができる。

再循環ブロワを備える燃料電池システムの作動装置に関しては、再循環ブロワが摩擦結合によってニューマチック式駆動タービンと結合可能であり、本発明に基づき、燃料電池の流入口側で分岐することのできる圧縮空気を、このニューマチック式駆動タービンに当てることができる。好ましくは、駆動タービンと再循環ブロワとが、磁気的動力伝達によって連結されている。これによって、酸化剤としての空気と燃料としての水素との混合を防止するための高コストの軸封が確実に回避される。

駆動タービンに供給される圧縮空気は、この場合、燃料電池システムのエア供給ユニットによって送られる。このエア供給ユニットは、特に、ターボコンプレッサーとして形成されているエアコンプレッサーである。

この圧縮空気は、エア供給ユニットと、このユニットの下流に置かれたインタークーラーとの間で取り出されるのが好ましい。実施形態に応じて、この場合は、空気又は冷媒を冷却する従来のインタークーラーが考えられる。

駆動タービンへの空気供給の変更例として、圧縮空気の追加又は代替として、カソード側で流出する燃料電池システムのカソード排出ガスを駆動タービンに供給することができる。さらに、このカソード排出ガスを、熱交換機を用いて供給前に冷却することもできる。この場合、熱交換機としては、空気と空気の間の熱交換機、特に加湿器が、カソードに供給する圧縮空気のために使用される。

本発明の実施例を図に基づいて詳しく説明する。

間接的ニューマチック式再循環ブロワを備えた燃料電池システムの作動装置図。

図１は、燃料電池２を備えた燃料電池システム１を作動するための装置を示している。この代替として、燃料電池システム１は、詳しくは示されていない方法で、燃料電池セット又は燃料電池スタックを備えることもできる。燃料電池２は、アノード３とカソード４からなる。燃料電池２の上流には、カソード側で酸化剤をカソードフィードラインＺ１に供給するため、エア供給ユニット５、特にエアコンプレッサーと、インタークーラー６と、加湿器７とが取り付けられている。この場合、バイパスＬ１によって、加湿器７を迂回することができる。このため、カソードフィードラインＺ１の中には、第１の制御エレメントＶ１、特に制御バルブが配置されている。カソード排出ガス側では、カソード４の下流に、排出ガスラインＡ１を介して、加湿器７と排出ガスタービン８とが取り付けられている。エア供給ユニット５と排出ガスタービン８とは、モーターによって駆動される。このために、駆動モーター９が、エア供給ユニット５と排出ガスタービン８との両方を駆動するために設けられている。アノード側では、燃料ＢＳ、特に水素を供給するために、燃料電池２の上流にアキュムレーター１０が取り付けられ、このアキュムレーター１０からアノードフィードラインＺ２がアノード３に通じている。絞り弁Ｖ２によって、燃料供給が制御可能である。アノード排出ガス側では、フィードバックラインＲ１に再循環ブロワ１１が配置されており、その際、フィードバックラインＲ１は、アノードフィードラインＺ２に通じている。フィードバックラインＲ１には、さらに、アノード排出ガスＡＧを排出するためのドレンバルブＶ３が配置されている。本発明に基づき、再循環ブロワ１１は、ニューマチック式駆動タービン１２によって駆動される。駆動タービン１２に空気を当てるため、分岐ラインＡＺ１が駆動タービン１２に通じ、この分岐ラインＡＺ１は、少なくともカソードフィードラインＺ１から圧縮空気ｖＬを供給される。この代替又は補足として、分岐ラインＡＺ１は、カソードの排出ガスラインＡ１から、カソード排出ガスＫＧ、特に湿った空気を供給される。このために、分岐ラインＡＺ１には、第２の制御エレメントＶ４、特に、３方向バルブなどの制御バルブが配置されている。

本装置の作動中は、酸化剤として空気Ｌ、特に外気またはその他の酸素含有媒体がカソード４に供給される。その際、空気Ｌは、エア供給ユニット５によって運ばれ、圧縮される。圧縮空気ｖＬは、次に、インタークーラー６で冷却され、加湿器７において、カソード側で流出して同じく加湿器７を通過するカソード排出ガスＫＧから水蒸気を取り込むことによって加湿される。加湿された空気ｂＬは、電気化学的反応（触媒改質）を行うためにカソード４を通り、カソード排出ガスＫＧ、水又は水蒸気としてカソード４から出る。水又は水蒸気は、流入する圧縮空気ｖＬを加湿するため、加湿器７に供給され、ここから排出ガスタービン８を介して排出される。

これと平行して、アノード３には、燃料ＢＳとして、水素又は水素含有媒体がアキュムレーター１０から供給され、水素又は水素含有媒体は、アノード側でアノード排出ガスＡＧとしてフィードバックラインＲ１に送られ、再循環ブロワ１１を介してアノードフィードラインＺ２に送り込まれる。

通常使用されている電子機器及び再循環ブロワ１１の駆動モーターを省略することによるコスト削減のため、あるいはもともとドレンバルブを介して排出される、エア供給ユニット５によって過剰に供給される空気Ｌをエネルギーとして利用するため、再循環ブロワ１１用の駆動タービン１２は、エア供給ユニット５の圧縮空気ｖＬが当てられる。これによって、部分負荷範囲に過剰に供給され、圧縮された空気ｖＬを利用することができる。さらに、従来技術から周知のドレンバルブを省略することができる。高負荷の場合にも、アノード排出ガスＡＧからの返還を可能にするため、駆動タービン１２は、特に冷却されたカソード排出ガスＫＧが当てられる。そのために、カソード排出ガスＫＧは、加湿器７の後で分岐され、第２の制御エレメントＶ４に供給される。

駆動タービン１２を駆動する媒体、すなわち圧縮空気ｖＬ及び／又はカソード排出ガスＫＧと、再循環ブロワ１１から供給される媒体、すなわち水素または水素含有媒体とが混合するのを回避するため、駆動タービン１２と再循環ブロワ１１とは、磁気的動力伝達によって連結されている。この場合、詳しく示されていない方法で、駆動タービン１２のドライブシャフト上に配置されている駆動マグネットが、再循環ブロワ１１のホイールマグネットに力を伝達する。図に示されていない再循環ブロワ１１のホイールは、これによって、図に示されていないブロワハウジング内で、専用のホイールシャフトの周りを回転する。この場合、駆動タービン１２のドライブシャフトとブロワハウジングとの間には接続がないことから、媒体の混入は生じない。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ アノード
４ カソード
５ エア供給ユニット
６ インタークーラー
７ 加湿器
８ 排出ガスタービン
９ 駆動モーター
１０ アキュムレーター
１１ 再循環ブロワ
１２ 駆動タービン
ＡＧ アノード排出ガス
ＡＺ１ 分岐ライン
Ａ１ 排出ガスライン
ｂＬ 加湿された空気
ＢＳ 燃料
ＫＧ カソード排出ガス
Ｌ 空気
ｖＬ 圧縮空気
Ｖ１ 第１の制御エレメント
Ｖ２ 絞り弁
Ｖ３ ドレンバルブ
Ｖ４ 第２の制御エレメント
Ｚ１ カソードフィードライン
Ｚ２ アノードフィードライン

Claims (12)

1. 燃料循環回路に配置されている再循環ブロワ（１１）を備える燃料電池システム（１）の作動方法であって、該再循環ブロワ（１１）を用いてアノード側で流出する燃料（ＢＳ）が再び燃料電池システム（１）に供給され、前記再循環ブロワ（１１）は、ニューマチック式駆動タービン（１２）によって駆動される、燃料電池システム（１）の作動方法において、
   前記ニューマチック式駆動タービン（１２）が、圧縮空気（ｖＬ）を当てられることを特徴とする方法。
2. 前記駆動タービン（１２）が、燃料電池システム（１）のエア供給ユニット（５）の圧縮空気（ｖＬ）を当てられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記圧縮空気（ｖＬ）が、前記エア供給ユニット（５）と、該エア供給ユニット（５）の下流に配置されているインタークーラー（６）との間から取り出されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記駆動タービン（１２）が、燃料電池システム（１）の、カソード側で流出するカソード排出ガス（ＫＧ）を当てられることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記カソード排出ガス（ＫＧ）が、前記駆動タービン（１２）に当たる前に冷却されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 前記駆動タービン（１２）と前記再循環ブロワ（１１）とが、磁気的動力伝達を用いて連結されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 燃料循環回路に配置されている再循環ブロワ（１１）を備える燃料電池システム（１）を作動する装置であって、該再循環ブロワ（１１）が、アノード側で流出する燃料（ＢＳ）を再び燃料電池システム（１）に供給し、該再循環ブロワ（１１）が、ニューマチック式駆動タービン（１２）と連結されている、燃料電池システム（１）を作動する装置であり、
   前記ニューマチック式駆動タービン（１２）が、圧縮空気（ｖＬ）を当てられることを特徴とする装置。
8. 前記駆動タービン（１２）に、燃料電池システム（１）のエア供給ユニット（５）の圧縮空気（ｖＬ）が供給可能であることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 前記圧縮空気（ｖＬ）が、前記エア供給ユニット（５）と、該エア供給ユニット（５）の下流に配置されているインタークーラー（６）との間から取り出し可能であることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 前記駆動タービン（１２）に、燃料電池システム（１）の、カソード側で流出するカソード排出ガス（ＫＧ）が供給可能であることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記駆動タービン（１２）が、冷却された前記カソード排出ガス（ＫＧ）を当てられることが可能であることを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
12. 前記駆動タービン（１２）と前記再循環ブロワ（１１）とが、磁気的動力伝達を用いて連結可能であることを特徴とする、請求項７〜１１のいずれか一項に記載の装置。

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