(57)【要約】本発明は、加湿器に流体的に接続された燃料電池スタックを有してなる燃料電池システムにおいて反応物を加湿する方法であって、加湿器は膜を有し、膜の面では、チャネルが形成される、反応物を加湿する方法に関する。液体水を一時的に貯蔵する貯蔵構成要素がチャネルの少なくとも１つと関連する。上記方法は、燃料電池スタックから液体水を除去し、この液体水を加湿器へ供給することと、貯蔵構成要素において液体水の少なくとも一部を収容し、貯蔵構成要素内の上記一部を一時的に貯蔵することと、液体水を蒸発させることにより貯蔵構成要素を少なくとも部分的に空にし、蒸発した液体水によって、燃料電池スタックへ供給すべき反応物を加湿することとを含む。液体水は、アノード側およびカソード側の双方において燃料電池スタックから除去される。  さらに、本発明は、上記方法を実行する燃料電池システムに関する。
2021520043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加湿器（１０）に流体的に接続された燃料電池スタック（２）を有してなる燃料電池システム（１）において反応物を加湿する方法であって、前記加湿器（１０）は膜（１１）を有し、前記膜（１１）の面（１２）では、チャネル（１３）が形成され、液体水を一時的に貯蔵する貯蔵構成要素（１４）が前記チャネル（１３）の少なくとも１つと関連する、前記反応物を加湿する方法において、
前記燃料電池スタック（２）から前記液体水を除去し、該液体水を前記加湿器（１０）へ供給することと、
前記貯蔵構成要素（１４）において前記液体水の少なくとも一部を収容し、前記貯蔵構成要素（１４）内の前記一部を一時的に貯蔵することと、
前記液体水を蒸発させることにより前記貯蔵構成要素（１４）を少なくとも部分的に空にし、蒸発した前記液体水によって、前記燃料電池スタック（２）へ供給すべき前記反応物を加湿することと、
を含み、
前記液体水は、アノード側およびカソード側の双方において前記燃料電池スタック（２）から除去されることを特徴とする、反応物を加湿する方法。
【請求項２】
前記膜（１１）の湿気が、予め決定された、または予め決定可能な閾値を下回るときに、前記液体水は前記貯蔵構成要素（１４）から空にされることを特徴とする請求項１に記載の反応物を加湿する方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法を実行する燃料電池システム（１）であって、燃料電池スタック（２）を有し、前記燃料電池スタック（２）は、前記アノード側でアノードガスを供給するアノード供給ライン（２０）およびアノード排気ガスを排出するアノード排気ガスライン（２１）に接続されるとともに、前記カソード側でカソードガスを供給するカソード供給ライン（４）およびカソード排気ガスライン（５）に接続され、前記カソード排気ガスライン（５）は加湿器（１０）に流体的に接続され、前記加湿器（１０）は水蒸気透過性膜（１１）を有し、該水蒸気透過性膜（１１）の面（１２）では、チャネル（１３）が形成され、液体水を一時的に貯蔵する貯蔵構成要素（１４）は前記チャネル（１３）の少なくとも１つと関連し、液体水供給ライン（７）が設けられ、該液体水供給ライン（７）は、前記アノード排気ガスライン（２１）に接続され、前記アノード側の液体水を前記加湿器（１０）へ供給する前記加湿器（１０）に間接的または直接的に接続されることを特徴とする燃料電池システム（１）。
【請求項４】
前記液体水供給ライン（７）は、前記カソード排気ガスライン（５）および／または前記カソード供給ライン（４）に接続されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項５】
前記チャネル（１３）は、前記面（１２）に配置された複数の流れウェブ（６）によって形成され、前記流れウェブ（６）の少なくとも１つが、前記チャネル（１３）の間の圧力の均等化のために、前記流れウェブ（６）の長手方向の広がりに対して直行して延びる接続チャネル（８）を備えることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項６】
前記接続チャネル（８）の直径は、前記貯蔵構成要素（１４）における前記液体水の表面張力によって、前記液体水が前記接続チャネル（８）を通過することを防止するように選択されることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項７】
前記流れウェブ（６）は、第１の直径を有する幅広チャネル（１５）と、前記第１の直径よりも小さい直径を有する幅狭チャネル（１６）とが形成されるように互いに対して配置され、前記幅狭チャネル（１６）の少なくとも１つが前記幅広チャネル（１５）の１つと隣接して配置されることを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項８】
前記貯蔵構成要素（１４）は、前記流れウェブ（６）に形成または配置されたポケットとして形成されることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の燃料電池システム（１）。
【請求項９】
少なくとも２つの突起（１７）は、前記貯蔵構成要素（１４）が前記２つの突起（１７）の間に形成されたポケットとして形成されるように前記チャネル（１３）の１つに形成されることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項１０】
少なくとも２つの突起（１７）は、前記貯蔵構成要素（１４）が前記２つの突起（１７）の間に形成されたポケットとして形成されるように前記幅広チャネルの１つに形成されることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の燃料電池システム（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加湿器に流体的に接続された燃料電池スタックを有してなる燃料電池システムにおいて反応物を加湿する方法に関し、加湿器は膜を有し、該膜の面では、チャネルが形成される、反応物を加湿する方法に関する。液体水を一時的に貯蔵する貯蔵構成要素がチャネルの少なくとも１つと関連する。上記方法は、燃料電池スタックから液体水を除去し、この液体水を加湿器へ供給することと、貯蔵構成要素において液体水の少なくとも一部を収容し、貯蔵構成要素内の上記一部を一時的に貯蔵することと、液体水を蒸発させることにより貯蔵構成要素を少なくとも部分的に空にし、蒸発した液体水によって、燃料電池スタックへ供給すべき反応物を加湿することとを含む。
【０００２】
また、本発明は、上記方法を実行する燃料電池システムに関し、該燃料電池システムは、燃料電池スタックを有し、該燃料電池スタックは、アノード側でアノードガスを供給するアノード供給ラインおよびアノード排気ガスを排出するアノード排気ガスラインに接続されるとともに、カソード側でカソードガスを供給するカソード供給ラインおよびカソード排気ガスラインに接続される。カソード排気ガスラインは加湿器に流体的に接続され、該加湿器は水蒸気透過性膜を有し、該水蒸気透過性膜の面では、チャネルが形成され、液体水を一時的に貯蔵する貯蔵構成要素はチャネルの少なくとも１つと関連する。
【背景技術】
【０００３】
独国特許第１０ ２０１５ １２２ １４４ Ａ１号明細書が、加湿器を有した燃料電池システムを開示している。液体水は、カソード側においてカソード排出ラインから加湿器へ供給される。加湿器は、液体水を収容する貯蔵構成要素を有した流れ場を備えており、液体水は、膜を介して乾燥したカソードガスへ分配され、液体水を加湿する。
【０００４】
さらに、液体水は燃料電池システムに一般に蓄積し、これは、液体水が燃料電池スタックに流入する場合には、スタックに動作障害および損傷を生じさせ得る。この理由のため、液体水は、分離器内に収集されることが多く、切換えバルブによってガス流れまたは道路へ連続的に排出され、従って大いに用いられることはない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の目的は、反応物を加湿する方法および該方法を実行する燃料電池システムを提供することであり、これによって、反応物の適切な加湿を可能にするのと同時に、加湿器の大きさを減少させることができる。
【０００６】
上記方法に関する目的の一部は、請求項１の特徴部を有する方法によって達成される。上記方法の適宜の改善を有した有利な実施形態が、本発明に従属した請求項において規定される。
【０００７】
特に、液体水はアノード側およびカソード側の双方において燃料電池スタックから除去される。流れ場における液体水の一時的な貯蔵および引き続いて起きる除去のために、加湿器の膜を通したより少量の液体水の移動が必要となり、これにより、加湿器の膜領域および結果として大きさを減少させることができる。液体水がカソード側だけでなくアノード側においても加湿器に供給されるので、より多量の液体水が、必要とされるように、加湿器に貯蔵され、除去されることができる。いずれの場合にも、アノード空間およびカソード空間に蓄積した水は、使用されずに排出される必要がなく、むしろ、再利用されることができる。
【０００８】
１つの有利な実施形態では、膜の湿気含有量が、予め決定された、または予め決定可能な閾値を下回るときに、液体水は貯蔵構成要素から空にされることが提供されている。この閾値は、加湿器の電気伝導率によって決定され得る。代替的に、液体水は、規則的な時間サイクルにおいて貯蔵構成要素から自動的に空にされることもできる。他の代替的な設計では、貯蔵構成要素は、液体水が供給されない、または燃料電池スタックから供給されることができないとき、もしくは水のより高い要求がある動作モードで燃料電池システムが動作するときに、空にされる。
【０００９】
燃料電池システムに関する目的の一部は、請求項３の特徴部を有した燃料電池システムによって達成される。燃料電池システムの適宜の改善を有した有利な実施形態が、本発明に従属する請求項において規定される。
【００１０】
特に、アノード排気ガスラインに接続された液体水供給ラインが設けられており、該液体水供給ラインは、加湿器でのアノード側における液体水の供給のために、加湿器に間接的または直接的に接続される。これにより、アノード側に蓄積する水が燃料電池システムから使用されずに排出されることはなく、むしろ、少なくとも１つの貯蔵構成要素に一時的に貯蔵されるために、加湿器へ供給されることができる。少なくとも１つの貯蔵構成要素における液体水のこのような効果的な一時的な貯蔵のため、液体水が除去されるときに、反応物の加湿が生じることができ、これにより、より少量の水の移動が加湿器の膜を通して必要となり、このため、加湿器の膜領域および結果として大きさを減少させることができる。この場合には、１つの設計では、アノード排気ガスラインは、加湿器が湿気供給ラインのための付加的な接続を有する点で、湿気供給ラインによって加湿器に直接的に接続されることができる。代替的および好ましい設計では、アノード排気ガスラインは、湿気供給ラインがカソード排気ガスラインおよび／またはカソード供給ラインに接続される点で、加湿器に間接的に接続される。湿気供給ラインは、圧縮機の下流側でカソード供給ラインに接続されることが特に好ましい。これにより、加湿器の２つの側からの液体水の供給が可能となり、流れ場での液体水のより均一な充填および貯蔵が生じる。ここで、これは、バルブとして形成されたアクチュエータが、各場合において、アノード排気ガスラインへの接続部に、および／またはカソード排気ガスラインへの接続部に、および／または加湿器への液体水の供給を制御するカソード供給ラインへの接続部に配置される場合に特に好ましい。
【００１１】
特に、チャネルに関連した複数の貯蔵構成要素が設けられる場合が好ましく、このため、加湿器の大きさを減少させつつ、液体水を貯蔵したより大きな流れ場および従って反応物の均一な加湿が可能となる。貯蔵構成要素は、面全体にわたって配置および（規則的に）分配されることができるか、もしくは面の個々の領域、特に、特に乾いた個々の領域に代替的に配置されることができる。
【００１２】
特に、面に配置された複数の流れウェブによってチャネルが形成される場合、および少なくとも１つの流れウェブが、チャネルの間の圧力の均等化のために、流れウェブの長手方向の広がりに対して直行して延びる接続チャネルを有する場合に有利である。これにより、液体水のより均一な分布が貯蔵されることができ、加湿器の安定性が向上する。少なくとも１つの貯蔵構成要素がチャネルに形成される、および／または流れウェブに配置および形成されることが特に提供される。こういうわけで、接続チャネルの数が貯蔵構成要素の数に一致する場合に好ましい。
【００１３】
さらに、貯蔵構成要素内の液体水の表面張力が接続チャネルを通した液体水の通過を防止するように、接続チャネルの直径が選択される場合が好ましい。これにより、貯蔵構成要素内に液体水を保持することができる。
【００１４】
流れウェブは、第１の直径を有した幅広チャネルと、第１の直径よりも小さい直径を有した幅狭チャネルとが存在するように、互いに対して有利に配置される。特に、少なくとも１つの幅狭チャネルが幅広チャネルの１つに隣接して配置される場合が好ましい。これにより、液体水が幅広チャネルにおける速度よりも高い速度で幅狭チャネルを移動することができ、つまり、幅狭チャネルの静圧が幅広チャネルの静圧よりも低くなる。圧力の均等化が接続チャネルによって達成され、液体水が貯蔵へと吸い込まれる。
【００１５】
代替的な設計では、貯蔵構成要素が流れウェブに形成または配置されたポケットとして形成され、上記ポケットでは、液体水が収容されることができる。ポケットは、流れ方向に対向して開くように、幅広チャネルに形成されることが好ましい。
【００１６】
製造するのに特に簡単な膜の設計では、貯蔵構成要素が２つの突起の間にポケットとして形成されるように、少なくとも２つの突起がチャネルに形成されることを提供する。突起は、例えばノブとして形成されることができる。
【００１７】
他の代替的な設計では、貯蔵構成要素が２つの突起の間に形成されたポケットとして形成されるように、少なくとも２つの突起が幅広チャネルの１つに形成されている。特に、複数の突起が幅広チャネルに配置されることができる。
【００１８】
本発明の他の利点、特徴および詳細は、請求項、好ましい実施形態の以下の説明から、および図面を基礎として生じる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】燃料電池システムの概略図である。
【図２】加湿器の膜における第１の実施形態の概略図である。
【図３】加湿器の膜における第２の実施形態の概略図である。
【図４】加湿器の膜における第３の実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、本発明の好ましい１つの設計に従う燃料電池システム１を示している。燃料電池システム１は、該燃料電池システム１によって電気エネルギが供給される電気牽引モータを有する車両（より詳細には示されていない）、特に燃料電池車両の一部である。
【００２１】
燃料電池システム１は、核となる構成要素として燃料電池スタック２を備えており、該燃料電池スタック２は、スタックに配置された複数の燃料セル（より詳細には示されていない）を有している。各燃料セルは、アノード空間１８およびカソード空間１９に関連しており、これらの空間では、アノードおよびカソードが、イオン伝導ポリマ電解質膜によって互いに分離されている。さらに、バイポーラプレート（より詳細には示されていない）がこのような２つの膜電解質配置の間に配置され、アノード空間１８およびカソード空間１９へ反応物を供給するように用いられ、さらに、個々の燃料セルの間に電気接続を確立する。
【００２２】
燃料電池スタック２に反応物を供給するために、燃料電池スタック２のアノード側が、アノードガスリザーバ２２から水素含有アノードガスを供給するアノード供給ライン２０と、未反応のアノードガスを除去するアノード排気ガスライン２１とに接続されている。
【００２３】
燃料電池スタック２のアノード側におけるアノード動作圧力は、アノード供給ライン２０において第１アクチュエータ２３によって調整可能である。さらに、燃料電池システム１は、図示するように、アノード側に燃料再循環ライン２４を有することができ、該燃料再循環ライン２４は、アノード排気ガスライン２１をアノード供給ライン２０に接続する。燃料の再循環は、化学量論の超過で通常用いられる燃料を燃料電池スタック２へ戻して使用するために一般的である。再循環の割合を調整可能である再循環ファン（図示せぬ）が、燃料再循環ライン２４に配置されることができる。第２アクチュエータ２９も存在することができる。
【００２４】
カソード側では、燃料電池スタック２は、酸素含有カソードガスを供給するカソード供給ライン４に接続されている。カソードガスを運搬および加圧するために、圧縮機３が、乾燥供給ライン９として設計されるカソード供給ライン４の一部に配置されている。図示した設計では、圧縮機３は、電気モータによって主に駆動され、対応する電力電子機器回路２５を装備した電気モータ２６によって駆動される圧縮機３として設計されている。
【００２５】
環境から吸い込まれたカソードガスは、圧縮機３を経由して、乾燥供給ライン９によって加湿器１０へ供給される。カソード供給ライン４の第２の部分が、加湿器１０を燃料電池スタック２に接続し、該燃料電池スタック２のカソード空間１８に、加湿されたカソードガスを伝達する。さらに、液体水および未反応のカソードガスは、カソード排気ガスライン５を介して加湿器１０に戻されるか、または未反応のカソード排気ガス（特に排気空気）は、燃料電池スタック２のカソード空間１８から排気システム（より詳細には示されていない）へ任意選択的に供給される。最後に、加湿器１０はまた、タービン２８が配置された加湿器排出ライン２７を備えており、タービン２８は、加湿器排出ライン２７を通して流れる加湿器排気ガスによって駆動され、これにより、次に、共通の軸（図示せず）によって圧縮機３の駆動を助ける。加湿器排出ライン２７は、タービン２８の前方に水分離器（図示せず）をさらに備えており、該水分離器は、水蒸気が加湿器１０を通して流れた後でさえも、カソード排気ガス内に閉じ込められた水蒸気によってタービン２８が損傷することを防止する。
【００２６】
さらに、液体水供給ライン７が設けられており、該液体水供給ライン７は、アノード排気ガスライン２１が液体水供給ライン７によってカソード排気ガスライン５に接続されているという点で、アノード排気ガスライン２１を加湿器１０に間接的に接続している。さらに、液体水供給ライン７は、圧縮機３の下流側のカソード供給ライン４に、つまり乾燥供給ライン９に接続されている。これにより、燃料電池スタック２のカソード側に蓄積する液体水（生成水）と、アノード側に蓄積する液体水との双方が加湿器１０へ供給されることが可能となる。液体水供給ライン７では、アノード排気ガスライン２１からの液体水の供給を制御する第３アクチュエータ３０と、カソード排気ガスライン５への液体水の供給を制御する第４アクチュエータ３１と、カソード供給ライン４または乾燥供給ライン９への液体水の供給を制御する第５アクチュエータ３２とが配置されている。
【００２７】
加湿器１０は、平らに形成された複数の水蒸気透過性膜１１を備えている。比較的乾燥したカソードガスが水蒸気透過性膜１１の一方の側にわたって流れ、比較的湿ったカソード排気ガス（排気ガス）が他方の側にわたって流れる。カソード排気ガス中の水蒸気のより高い分圧によって駆動され、水蒸気は、水蒸気透過性膜１１を介してカソード動作ガスへと通過し、このカソード動作ガスは、このように加湿される。
【００２８】
最後に、乾燥供給ライン９は、バイパスアクチュエータを有したバイパスライン３４を介して加湿器排出ライン２７に接続される。
【００２９】
図２〜図４は、加湿器１０の膜１１の面１２の種々の設計における大いに簡潔化された図を示している。面１２には、液体水を含むガス流れが流れ方向３５に沿って通流する複数のチャネル１３が形成されている。チャネル１３は、面１２に配置された流れウェブ６によって形成され、複数の貯蔵構成要素１４が、液体水の一時的な貯蔵のために、流れウェブ６に関連している。
【００３０】
図２に示した膜１１の設計では、流れウェブ６は、第１の直径を有した幅広チャネル１５と、該第１の直径よりも小さい直径を有した幅狭チャネル１６とが形成されるように配置されている。ポケットとして設計された貯蔵構成要素１４は、流れウェブ６上において幅広チャネル１５に配置されている。これら貯蔵構成要素１４は、流れ方向３５に対向しながら開くように設計されることが好ましい。ガス流れが幅狭チャネル１６よりも低速で幅広チャネル１５を移動し、従って、幅広チャネル１５の静圧よりも低い幅狭チャネル１６の静圧が存在する。各幅広チャネル１５は、幅狭チャネル１６に隣接して配置され、第１の幅狭チャネル１６をそれぞれ形成する２つの流れウェブ６は、互いに交互にオフセットして配置されている。これにより、貯蔵構成要素１４が、互いにオフセットして配置され、これに対応してより大きく形成されることが可能となる。この結果、貯蔵構成要素１４によって形成される流れ場が、液体水のためのより大きな貯蔵容量を有する。次に、これにより、加湿器１０の大きさが減少する。流れウェブ６は、幅広チャネル１５と幅狭チャネル１６との間の圧力の均等化のために、流れウェブ６の長手方向に対して直行して延びる複数の接続チャネル８を有している。この結果、液体水が貯蔵構成要素１４へ吸い込まれる。さらに、接続チャネル８の直径は、貯蔵構成要素１４における液体水の表面張力によって、液体水が接続チャネル８を通過することを防止するように選択される。
【００３１】
図３に示した加湿器１０の第２膜も、面１２に幅広チャネル１５および幅狭チャネル１６を備えている。しかし、各幅狭チャネル１６は、他の幅狭チャネル１６と、幅広チャネル１５とに隣接して配置されている。全ての第２流れウェブ６のみが、該流れウェブ６の長手方向の広がり（ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）と直行して形成された複数の接続チャネル８を備えている。さらに、複数の突起１７が幅広チャネル１５において流れウェブ６の１つの隣に形成されており、ここで、各場合において、接続チャネル８が、流れウェブ６上の突起１７の間に形成されている。結果として、貯蔵構成要素１４が、突起１７の間にポケットとして形成される。さらに、接続チャネル８によって、液体水が貯蔵構成要素１４へ吸い込まれ、該貯蔵構成要素１４内に保持される。
【００３２】
図４は、製造が特に容易である、加湿器１０の膜１１の第３の設計を示している。この設計は、チャネル１３がほぼ同じ直径を有するように流れウェブ６が互いに対して配置されている点で異なる。さらに、突起１７は、貯蔵構成要素１４が突起１７の間に形成されるように流れウェブ６上に形成されている。
【００３３】
燃料電池システム１の反応物を加湿する方法が以下のステップを含む。
【００３４】
第１に、液体水は、燃料電池スタック２から除去される。これは、アノード側およびカソード側の双方で生じ、アノード側では、液体水が、アノード空間１９から液体水供給ライン７によってカソード排気ガスライン５またはカソード供給ライン４および従って加湿器１０へ伝達され、カソード側では、液体水が、カソード空間１８からカソード排気ガスライン５によって加湿器１０へ伝達される。そして、ガス流れによって膜１１へ伝達された液体水は、面１２に形成されたチャネル１３を通流し、少なくとも一部が貯蔵構成要素１４または貯蔵構成要素１４の一部に収容され、一時的に貯蔵される。最後に、貯蔵構成要素１４は、該貯蔵構成要素１４内に含まれる液体水の蒸発によって少なくとも部分的に空になり、燃料電池スタック２へ供給すべきカソードガスは、蒸発した液体水によって加湿される。空にすることは、特に、より多量の水が必要とされる動作モードで燃料電池システム１が動作するとき、または、膜１１が、予め決定された、または予め決定可能な湿気閾値を下回るときに、生じる。
【００３５】
貯蔵構成要素によって形成される加湿器１０の膜１１の流れ場における液体水の一時的な貯蔵および引き続いて起こる除去のために、膜１１を通したより少量の液体水の移動が必要となり、これにより、加湿器１０の膜領域および従って大きさを減少させることができる。
【符号の説明】
【００３６】
１  燃料電池システム
２  燃料電池スタック
３  圧縮機
４  カソード供給ライン
５  カソード排気ガスライン
６  流れウェブ
７  液体水供給ライン
８  接続チャネル
９  乾燥供給ライン
１０  加湿器
１１  膜（加湿器）
１２  面
１３  チャネル
１４  貯蔵構成要素
１５  幅広チャネル
１６  幅狭チャネル
１７  突起
１８  アノード空間
１９  カソード空間
２０  アノード供給ライン
２１  アノード排気ガスライン
２２  アノードガスリザーバ
２３  第１アクチュエータ
２４  燃料電池再循環ライン
２５  電力電子機器回路
２６  電気モータ
２７  加湿器排出ライン
２８  タービン
２９  第２アクチュエータ
３０  第３アクチュエータ
３１  第４アクチュエータ
３２  第５アクチュエータ
３３  バイパスアクチュエータ
３４  バイパスライン
３５  流れ方向
【図１】
2021520043.tif 000003
【図２】
2021520043.tif 000004
【図３】
2021520043.tif 000005
【図４】
2021520043.tif 000006
【国際調査報告】
2021520043.tif 000007
2021520043.tif 000008
2021520043.tif 000009
2021520043.tif 000010
2021520043.tif 000011