(57)【要約】【課題】  本発明は、集合容器（１６）と燃料インジェクタ（２６）が付属する燃料電池スタック（１２）から生成水を取り出す方法に関し、および燃料電池システム（１０）に関する。【解決手段】  少なくとも次の各方法ステップが実施される：ａ）集合容器（１６）に付された排出弁（３０）の開放時点（４２）の前に前記燃料インジェクタ（２６）の制御値が検出され、ｂ）排出弁（３０）が開放され、燃料インジェクタ（２６）を通じて印加される燃料圧力によって燃料電池スタック（１２）および集合容器（１６）から生成水が押し出され、ｃ）すでに押し出された生成水の背圧の欠如による燃料インジェクタ（２６）の制御値上昇（８２）が検出され、ｄ）方法ステップｃ）に基づいて燃料インジェクタ（２６）の制御値上昇（８２）が検出された時点と一致する閉止時点（７４）で排出弁（３０）が閉止される。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集合容器（１６）と燃料インジェクタ（２６）が付属する燃料電池スタック（１２）から生成水を取り出す方法において、少なくとも次の各方法ステップを有する方法、
ａ）前記集合容器（１６）に付された排出弁（３０）の開放時点（４２）の前に前記燃料インジェクタ（２６）の制御値が検出され、
ｂ）前記排出弁（３０）が開放され、前記燃料インジェクタ（２６）を通じて印加される燃料圧力によって前記燃料電池スタック（１２）から生成水が押し出され、
ｃ）すでに押し出された生成水の背圧の欠如による前記燃料インジェクタ（２６）の制御値上昇（８２）が検出され、
ｄ）前記方法ステップｃ）に基づいて前記燃料インジェクタ（２６）で制御値上昇（８２）が検出された時点と一致する閉止時点（７４）で前記排出弁（３０）が閉止される。
【請求項２】
アノード側で生じる生成水が前記燃料電池スタック（１２）から押し出されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記方法ステップｄ）をもって前記燃料インジェクタ（２６）の制御値が、前記方法ステップａ）に基づいて検出された制御値に類似する前記燃料インジェクタ（２６）の制御値に合わせてリセットされることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記集合容器（１６）から押し出された生成水が排気配管（１８）を介して運び出されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記燃料電池スタック（１２）におけるそれぞれの圧力推移（５０，７３，８０）が少なくとも１つの圧力センサ（２８）を通じて検出されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記燃料電池スタック（１２）における前記それぞれの圧力推移（５０，７３，８０）が前記燃料電池スタック（１２）における燃料の再循環経路（２４）の内部で検出されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
時点（６２）で前記集合容器（１６）からの完全な放出（６０）がなされた後に前記排出弁（３０）の閉止時点（７４）で前記燃料電池スタック（１２）の圧力推移（７８）において前記燃料インジェクタ（２６）の検出される制御値の上昇が検知されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の方法に基づいて生成水が追い出される少なくとも１つの燃料電池スタック（１２）を有する、ＦＣＶ（燃料電池車両）のための燃料電池システム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池から、特に燃料電池スタックから、生成水を取り出す方法に関する。さらに本発明は燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＦＣＶ（燃料電池車両）の駆動装置として、または定置の設備として適用される燃料電池システムは、連続動作のとき水を特にアノード側で生成する。このような生成水は通常、集合容器に集められて、これが一定の間隔をおいて放出される。その際に留意すべきは、一杯になりすぎた集合容器が燃料電池スタックの下面からあふれることがあり、そのためにこれを損傷することである。しかし、集合容器に付属する放出弁が過度に長く開くと、その中に集められた生成水が完全に排出された後に、たとえば水素などの燃料も燃料電池スタックから流出してしまう。このことは、ひいてはＦＣＶの実現可能な到達距離を狭め、そのために燃料電池システムの効率を低下させる。
【０００３】
その対処の１つの手段は、１つまたは複数の充填レベルセンサを集合容器に格納して、両方の状態を、特に「集合容器が完全に充填された」状態または少なくとも「集合容器が完全に放出された」状態を検出することにある。
【０００４】
「集合容器が完全に放出された」状態を、アノード側での圧力低下を通じて検知することが試みられた。
【０００５】
設計上のその他の特性に基づいて圧力低下を検知することができない燃料電池システムでは、別の対策が求められる。
【発明の概要】
【０００６】
集合容器放出を表示するために、本発明によると、集合容器と燃料インジェクタが付属する燃料電池スタックから生成水を放出する方法が提案され、この方法では少なくとも次の各方法ステップが実施される：
ａ）集合容器に付された排出弁の開放時点前に燃料インジェクタの制御値が検出され、
ｂ）排出弁が開放され、燃料インジェクタを通じて印加される燃料圧力によって燃料電池スタックから生成水が押し出され、
ｃ）すでに押し出された生成水の背圧の欠如による燃料インジェクタの制御値上昇が検出され、
ｄ）方法ステップｃ）に基づいて燃料インジェクタで制御値上昇が検出された時点と一致する閉止時点で排出弁が閉止される。
【０００７】
このような解決法により、燃料電池システムですでに具体化されている装置コストを超える別途の装置コストなしに、生成水の取出しを具体化できることを実現できるという利点がある。そのために、好ましくは気体状の水素が供給される燃料電池に供給される、燃料電池を付勢する燃料圧力が活用されるのが好ましい。特定の圧力のもとにある気体状の燃料による燃料電池スタックの連続的な付勢に基づき、この印加される圧力を生成水の押出しのために定期的なインターバルで利用することができる。本発明で提案される方法により、特に、アノード側で発生する生成水が燃料電池スタックから追い出される。さらに本発明で提案される方法によると、集合容器の完全な放出の後に燃料インジェクタの制御値が、排出弁の開放時点の前に燃料インジェクタの制御値が検出された方法ステップａ）に基づく制御値が有していた制御値に合わせてリセットされる。
【０００８】
さらに本発明によると、集合容器から押し出された生成水が、まず最初に、集合容器から分岐する流出配管を介して導出されることが提案され、この流出配管は分岐部のところで燃料電池スタックの排気配管に連通するのが好ましい。それにより既存のコンポーネントを利用できることによって、別途の装置上の、特に燃料電池システムの別途の配管敷設が必要ない。
【０００９】
さらに本発明で提案される方法によると、燃料電池スタックの内部の圧力推移が少なくとも１つの圧力センサを通じて連続的に検出される。少なくとも１つの圧力センサは、特に、通常は気体状の水素である燃料の再循環経路の内部にある。
【００１０】
１つの時点で集合容器から完全な放出がなされた後に、放出弁の閉止時点で燃料電池スタックの圧力推移において圧力最小値が検知されるのが好ましい。燃料電池スタックの圧力推移で検知される圧力媒体を、代替的に、集合容器の放出弁を開放するために同様に活用することもできる。
【００１１】
これに加えて本発明は、本発明の方法に基づいて生成水が追い出される少なくとも１つの燃料電池スタックを有する、たとえばＦＣＶ（燃料電池車両）の燃料電池システムに関する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明で提案される解決法の利点は、特に気体状の水素である気体状の燃料が燃料インジェクタを通じて連続的に供給される燃料電池スタックを有する燃料電池システムにおいて、アノード側で生じる生成水を燃料電池スタックから集合容器を介して追い出すために、発生している圧力を活用できるという点に見ることができる。それに伴い一方では、オーバーフローした集合容器によって燃料電池スタックが底面側から次第にあふれ出しを受けることが防止される；他方では、本発明で提案される解決法により、生成水が集合容器からすでに完全に放出されているにもかかわらず、生成水の放出後にさらに気体状の燃料が、特に気体状の水素が、燃料電池スタックから逃げていくことが確実な仕方で防止される。
【００１３】
これに加えて、本発明で提案される解決法によって充填認識／放出認識のためのセンサ機能の縮小を実現することができる。センサ機能の縮小により、不具合のあるセンサがシステムの障害につながり得るエラー発生を排除することができる。これに加えて、本発明で提案される解決法により、ドレーン容器であまりに長く続くあまりに多量の水素吐出がなされたときの燃料電池スタックの乾燥を回避することができる。センサ機能なしで済ませているシステムは多くの場合、生成水が燃料電池スタックからあふれ出すのを防止するためにいっそう長い放出インターバルを有し、そのため、乾燥によって気体状の水素を失うことになる。さらに本発明で提案される解決法により、流れ出る水素の還元を回避することができ、排出経路での爆発性の混合物の形成を排除することができる。
【００１４】
次に図面を参照しながら、本発明についてさらに詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】少なくとも１つの燃料電池スタックを有する燃料電池システムを示す模式図である。
【図２】圧力制御がなされずに集合容器の放出がなされるときの燃料電池スタックでの圧力推移である。
【図３】燃料電池スタックに付属する燃料インジェクタを通じて圧力制御がなされる燃料電池スタックでの圧力推移である。
【図４】排出弁のさらに短い開放時間帯をもって燃料インジェクタで圧力制御がなされる燃料電池スタックでの圧力推移である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図面には、ＦＣＶ（燃料電池車両）の燃料電池システムの模式的な図面を見ることができる。
【００１７】
燃料電池システム１０は、少なくとも１つの燃料電池スタック１２を含んでいる。この燃料電池スタックはその下面にスタック底面１４を含んでいて、生成水を受容するための集合容器１６がこのスタック底面に配置されている。集合容器１６から流出配管１８が延びており、これが連通個所２２で、好ましくは少なくとも１つの燃料電池スタック１２から分岐する排気配管２０に連通する。少なくとも１つの燃料電池スタック１２は、少なくとも１つの燃料電池スタック１２の上側領域にある燃料インジェクタ２６を備えており、この燃料インジェクタを通じて、圧力の下にある気体状の燃料が、特に気体状の水素が、燃料電池システム１０の少なくとも１つの燃料電池スタック１２の中に入る。さらに少なくとも１つの燃料電池スタック１２の上側領域には、気体状の燃料のための再循環経路２４が示されている。その中には少なくとも１つの圧力センサ２８があり、これを通じて再循環経路２４の中の、およびそれに伴って少なくとも１つの燃料電池スタック１２の中の、気体状の燃料の圧力を検出することができる。
【００１８】
多くの場合に少なくとも１つの燃料電池スタック１２のスタック底面１４の下方にある集合容器１６には、好ましくは弁調節器３２を通じて操作することができる排出弁３０が付属している。
【００１９】
これに加えて、図１に模式的に示す燃料電池システム１０は制御装置３４を含んでいる。この制御装置は少なくとも１つの圧力センサ２８と接続されていて、その信号を検出する；さらに制御装置３４は、燃料インジェクタ２６ならびに弁調節器３２と接続されており、この弁調節器を通じて、生成水の集合容器１６に付属する排出弁３０が操作される。
【００２０】
図２は、圧力制御がなされない燃料電池システム１０の集合容器１６からの放出を示している。
【００２１】
図２は、集合容器１６に付属する排出弁３０が開放時点４２で開放されることを示している。開放時点４２で排出弁３０が開放されるまで、集合容器１６の中では連続的に推移する生成水の充填レベル上昇５６が生じている。充填レベル上昇５６が充填レベル最大値５８に達し、その到達時に排出弁３０が開放される。集合容器１６の生成水の放出６０が行われ、この放出は時点６２で終了し、すなわち、集合容器１６から生成水が完全に放出されたときに終了する。
【００２２】
集合容器１６から完全に放出がなされた時点６２に対する遅延６４をもって、圧力推移５０に示すように、少なくとも１つの燃料電池スタック１２の内部において時点６６で、燃料電池スタック１２における圧力低下５２の開始が起こる。このことは、時点６２での集合容器１６の完全な放出後の遅延６４の間に、まだ開いている排出弁３０を介して燃料が集合容器１６を通って流出配管１８へと流れ出し、それに伴って少なくとも１つの燃料電池スタック１２から流出することに原因がある。図２のグラフでは、排出弁３０が開放される開放時間帯４６の後に、時点４４で排出弁が閉止される。排出弁３０が閉止される時点４４で、圧力推移５０に示す燃料電池スタック１２の内部圧力は最小値５４に達する。排出弁３０の閉止をもって初めて、少なくとも１つの燃料電池スタック１２からの気体状の燃料の流出が停止する。
【００２３】
図３は、圧力制御がなされる、少なくとも１つの燃料電池スタック１２から生成水を放出する本発明で提案される方法のグラフの図面を示している。
【００２４】
図３の図面から明らかなように、少なくとも１つの燃料電池スタック１２は燃料インジェクタ２６を介して連続的に、相応の圧力レベルを有する通常は気体状の水素である気体状の燃料の供給を受ける。少なくとも１つの燃料電池スタック１２で生じる圧力レベルは、図３の図面では圧力推移７３によって再現されている。図２の図面とは異なり、図３のグラフの図面では少なくとも１つの燃料電池スタック１２の圧力制御が、図１に示す燃料インジェクタ２６を通じて行われる。その制御曲線が図３のグラフの図面では符号７２で表されている。図３では、開放時点４２で集合容器１６の排出弁３０が開放される。時点４４まで、排出弁３０は開放時間帯４６のあいだ開いている。集合容器１６の中では、充填レベル上昇５６に示す充填レベルが充填レベル最大値５８まで上昇していく。開放時点４２で排出弁３０が開放され、その結果、放出６０に示すように生成水が集合容器１６から連続的に流出していき、図１に示す流出配管１８と排気配管２０を介して燃料電池システム１０から取り出される。時点６２で集合容器１６から完全に放出されるが、排出弁３０はこの時点では、すなわち時点６２では完全に開放されている。
【００２５】
時点６２を起点として、遅延６４の後に時点６８で、燃料インジェクタ２６の制御曲線７２に示す制御値の上昇が起こる。したがって、これを通じて追加の気体状の燃料の供給により、まだ開いている排出弁３０を通しての少なくとも１つの燃料電池システム１０からの気体状の燃料の流出が補償され、このことは時間帯７０に示すように行われる。排出弁３０の開放時間帯４６の終了後、時点４４で排出弁３０が閉止されるとともに、燃料インジェクタ２６の制御値も図３の制御曲線７２に示すように低下する。
【００２６】
図４の図面には、圧力制御がなされる、燃料電池システム１０の少なくとも１つの燃料電池スタック１２での集合容器１６からの放出、および排出弁３０の短縮された開放時間帯４６のグラフの図を見ることができる。
【００２７】
図３の図面と同様に排出弁は時点４２で開放され、その結果、充填レベル上昇５６の後の充填レベル最大値５８を起点として、集合容器１６の中でその連続的な放出６０が時点６２まで行われ、この時点で集合容器１６から生成水が完全に放出される。
【００２８】
燃料インジェクタ２６の第２の制御曲線を表す圧力推移８０に示すように、時点６２で集合容器１６から生成水が完全に放出された後に、第２の制御曲線８０に示すように制御値最大値８２への制御値の上昇が起こる。図４に示す最大値８２への制御値の上昇は制御装置３４によって検知される。第２の制御曲線８０に示す制御値が制御値最大値８２へ上昇する原因は、時点６２までに集合容器１６から完全に放出された生成水による背圧の欠如に基づいて制御値最大値８２が検知され、したがって制御装置３４に実装されている制御アルゴリズムが燃料インジェクタ２６に対する制御値を上昇させることにある。図４の第２の制御曲線８０に示すこのような制御値最大値８２への制御値の上昇が制御装置３４により認識されて、閉止時点７４で、弁調節器３２による開いた排出弁３０の閉止をもたらす。
【００２９】
閉止時点７４およびこれに伴って短縮される排出弁３０の開放時間帯７６は、図２および３に示す排出弁３０の開放時間帯４６よりも大幅に短い。
【００３０】
さらに図４に示すように、時点６２を起点として遅延６４の後に、少なくとも１つの燃料電池スタック１２の内部での圧力推移７８における圧力最小値８４が生じ、このことも、制御装置３４による弁調節器３２の相応の制御を通じて排出弁３０を閉止するための信号として同じく利用することができる。
【００３１】
これに加えて本発明は、上に説明した方法に基づいて生成水を、特にアノード側で生成される生成水を、またはその他の仕方で発生する水分を放出することができる、少なくとも１つの燃料電池スタック１２を含む燃料電池システム１０を対象としており、その結果、集合容器１６からの放出後の気体状の燃料の、特に気体状の水素の流出を回避することができ、それによってスタック底面１４からの燃料電池スタック１２の湿潤を回避することができ、特に、少なくとも１つの燃料電池スタック１２からの気体状の燃料の望ましくない流出を防止することができ、そのような流出はきわめて望ましくない効率低下、およびＦＣＶの最大到達距離のきわめて望ましくない短縮につながり得る。
【００３２】
本発明は、ここで説明した実施例およびその中で強調した態様だけに限定されるものではない。むしろ、特許請求の範囲に記載されている範囲内で、当業者の行為の枠内にある数多くの改変が可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  燃料電池システム
１２  燃料電池スタック
１６  集合容器
１８  排気配管
２４  再循環経路
２６  燃料インジェクタ
２８  圧力センサ
３０  排出弁
４２  開放時点
５０  圧力推移
６０  放出
６２  時点
７３  圧力推移
７４  閉止時点
７８  圧力推移
８０  圧力推移
８２  制御値上昇
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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