JP2006004948A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池装置であって、アノード側とカソード側とを分離するダイヤフラム５を備えた燃料電池２が設けられており、アノードガスの入口６および出口８が設けられており、カソードガスの入口７および出口）が設けられている形式のものを改良して、燃料電池装置の運転確実性の高められたものを提供する。
【解決手段】少なくとも１つの圧力補償エレメント１０，２０が設けられており、圧力補償エレメントが、ダイヤフラム５に作用する差圧を制限するようになっている
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池装置であって、アノード側とカソード側とを分離するダイヤフラムを備えた燃料電池が設けられており、アノードガスの入口および出口が設けられており、カソードガスの入口および出口が設けられている形式のものに関する。

燃料電池は、運転装置と見なされる、アノード側とカソード側とを分離するダイヤフラムで運転される。燃料電池は、ダイヤフラムが破損されると、公知の不都合な作用による爆鳴ガス反応の生じるリスクを有している。

ダイヤフラム損傷の考えられる理由は、システムにおける圧力変動である。電気化学式の電池に関する圧力補償は、米国特許第５６９３２０２号明細書から明らかである。前掲明細書で開示された技術的な思想は、ハイドロスタティック的な圧力補償を意図しており、このような圧力補償は、燃料電池領域に使用するのに適当なものではない。
米国特許第５６９３２０２号明細書

したがって本発明の課題は、冒頭で述べたような形式の燃料電池装置を改良して、燃料電池装置の運転確実性の高められたものを提供することである。

この課題を解決するための本発明の装置によれば、少なくとも１つの圧力補償エレメントが設けられており、圧力補償エレメントが、ダイヤフラムに作用する差圧を制限するようになっている。

そのように構成された圧力補償エレメントは、急激な圧力低下の場合、燃料電池のアノード側またはカソード側で、アノード側とカソード側との間に配置されたダイヤフラムが、急激に上昇する圧力差によって片側で負荷されて、場合によっては破損され、ひいては破壊されるのを防止する。

有利な実施形態では、少なくとも１つの圧力補償エレメントが、燃料電池の入口側および／または出口側に配置されている。これによって短い接続路を介して、圧力補償エレメントとして小さな構成ユニットを配置することができ、構成ユニットは燃料電池の形成に際して追加的なスペースをほとんど必要としない。

これに対する変化実施形態では、少なくとも１つの圧力補償エレメントが、入口の１つと出口の１つとの間に配置されている。そのような配置構成は、たとえば特別な運転動作、または場合によってはスペース的に特別な配置構造の場合に有利である。

格別な実施形態では、少なくとも１つの圧力補償エレメントが、排出開口の有効横断面を制御（Steuerung；開ループ制御）するための、圧力に応じて案内されるプランジャの内設されたシリンダとして形成されている。このような実施形態の利点によれば、適当な設計で、圧力補償エレメントの極めて迅速な応答動作を保証するパッシブ型のエレメントしか備えていない。

別の実施形態では、プランジャに、互いに分離された、圧力の作用する２つのプランジャ面が形成されている。これによって圧力補償エレメントは絶対圧に依存することなく、片面またはそれぞれ異なる程度に両面に生じる圧力変化に迅速に反応することができる。

有利な実施形態では、排出開口の有効横断面を調整（Regelung；閉ループ制御）するための各有効プランジャ面の大きさが、同じに形成されている。このような実施形態では、両方の供給路面が、同じ横断面を有していると有利である。

これに対する変化実施形態では、排出開口の有効横断面を調整するための有効プランジャ面の大きさが、それぞれ異なって形成されている。このような実施形態では、供給路における種々異なる横断面またはたとえば運転に起因する要求が、応答動作における種々異なる感度を要求する場合に有利である。

有利な実施形態では、圧力補償エレメントがばね負荷されている。これによって圧力エレメントの比較的簡単な構造を実現することができる。

特に有利な実施形態では、圧力補償エレメントが圧力補正器（圧力補償器；Druckwaage）として形成されている。このような実施形態は、同じ大きさの有効プランジャ面を有するプランジャにも、それぞれ異なる大きさの有効プランジャ面を有するプランジャにも設けることができる。このような実施形態では、隣接する圧力比に応じて、プランジャがそれぞれ反対側から、結果として生じる力で負荷されるようになる。優位に作用する差圧に依存して、プランジャは、片側または別の片側にスライドされ、それも場合によっては排出開口が、許容可能な最大値に差圧が低下するまで部分的または完全に開放されるまでスライドされる。

格別な実施形態では、排出機能に関する有効横断面が、両方の供給側の、両方の有効横断面のうちの場合によっては比較的大きな横断面と少なくとも同じ大きさであるように、圧力補償エレメントが形成されている。これによって、その他の構成では場合によっては生じる動圧（Staudruck）による燃料電池の圧力上昇が生じることはない、ということが保証されている。

別の実施形態によれば、圧力補償エレメントが、反応時間に関して制御可能であるか、または調整可能である。これによってたとえばシステムにおける振動を防止することができる。

別の実施形態によれば、圧力補償エレメントが、圧力感度に関して制御可能であるか、または調整可能である。このような構成手段によって、システムの振動特性にポジティブに作用を及ぼすこともできる。

別の実施形態によれば、圧力補償エレメントが、減衰特性に関して制御可能であるか、または調整可能である。このような特性は、システムの振動特性にポジティブに作用を及ぼす。

別の実施形態によれば、圧力補償エレメントが、センサとアクチュエータとを備えている。アクティブ型の圧力補償エレメントとしての実施形態によって、パラメータ化にあとから作用を及ぼすこともでき、このことはとりわけ狭い構成状態が支配的であるか、またはたとえば燃料電池運転装置の試験段階でパラメータを頻繁に変更する必要がある場合に有利である。

さらに一般的に述べると、このような構成手段は、個々の独立した燃料電池だけでなく、もちろん燃料電池スタックにも有用である。過圧の作用する側は、燃料電池に関する破損を回避するために、短時間的に別の構成手段が作用するまで開放することができるので、過圧は外に、または適当な体積を有する物体に逃がすことができる。

次に本発明の実施の形態を図示の実施例を用いて詳しく説明する。

図１には、燃料電池２と、燃料電池２に対して並列に配置された圧力補償エレメント１０，２０とを備えた燃料電池装置１を概略的に示した。

一般的に純粋なＨ_２システムでは、燃料電池システムはデッドエンド運転形式で走行され、原則として再び放出されるものは何もない。パージ（掃気）においてのみ、不活性ガスにより多くの場合僅かに排出が行われる。

本発明では、入口６を介して燃料電池２にアノードガスが供給され、アノードガスは出口８を介して再び燃料電池２から離間する。カソードガスは入口７を介して燃料電池２に供給され、出口９を通って燃料電池２から離間する。アノード３とカソード４との間にダイヤフラム５が配置されており、ダイヤフラム５は、アノードガスとカソードガスとの間の差圧にさらされている。

従来慣用の燃料電池は、現在のところ３ｂａｒまでの圧力レベルで作動する。燃料電池に配置されたダイヤフラムは、たとえば５００ｍｂａｒまでの差圧に関して設計されている。

アノードガスまたはカソードガスの急激な圧力低下の場合に生じてダイヤフラム５に作用する差圧ΔＰを制限するために、本発明によれば、圧力補償エレメント１０，２０が、燃料電池２のアノード側６，８とカソード側７，９との間に配置されている。

図１では、雰囲気圧１９（Ｐ_ＡＴ）がアノードガスの圧力Ｐ１もしくはカソードガスの圧力Ｐ２に関する基準圧を成すように、圧力比が表されている。差圧ΔＰは、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２との間に作用する。

たとえば図１には、燃料電池２の入口領域に、パッシブ型の圧力補償エレメント１０が示されている。圧力補償エレメント１０は、アノード側では接続部１１と圧力伝達式かつ体積伝達式に接続されていて、またカソード側では接続部１２と接続されている。生じる差圧ΔＰ＞０の場合、プランジャ１５は、シリンダ１４内で静止位置から移動されて、十分に大きな差圧が存在する場合、排出部（排出開口）１３を開放する。シール１６は、アノード側およびカソード側の両方のプランジャ室の相互的なシールに役立ち、プランジャ室に有効プランジャ面１５Ａ，１５Ｂが存在している。１つのシールに不都合な漏れの生じる場合でも、両方のガスは、シールの分割配置構造によって常に分離したまま維持される。

有効プランジャ面１５Ａに対して追加的に、プランジャに作用を及ぼすために、圧力補償エレメント１０のアノードガス側の領域にばね１７が配置されており、これに対抗してカソード側の領域にばね１８が配置されている。

パッシブ型の圧力補償エレメントの１実施例は、以下のように形成することができる。

プランジャ直径は、たとえば１０ｃｍ^２の面積を有しており、圧力差は瞬間的（跳躍的）には５００ｍｂａｒとする。したがって加速力は約５０Ｎである。したがって２００グラムのプランジャ質量では、約２５０ｍ／Ｓ^２の加速度が得られる。典型的な移動量は、２０ｍｓのオーダ範囲の時間で５ｃｍである。２倍のプランジャ面積では、この時間は半減する。したがってプランジャの運動は、追加的な弾性を形成しており、この弾性は、圧力変動を補償する。

アクティブ型の圧力補償エレメント２０の１実施例は、燃料電池２の両方の出口８，９の間に示されている。圧力比は、燃料電池２の流れ抵抗に応じて、入口側の圧力比とほぼ同じになっている。したがって燃料電池の圧力補償エレメントの配置構造は、前後に接続することができる。

図１には、アクティブ型もしくはパッシブ型の圧力補償エレメントの実施例を単に概略的に示した。アクティブ型の圧力補償エレメント２０は、センサ２４とアクチュエータ２５とを備えている。アクチュエータ２５が単に記号で示したセンサ／アクチュエータ接続部２６を介して適当な信号を受け取ると、排出部２３は開放される。もちろんアクチュエータ２５は、センサ２４の信号に基づいて別のエレメントによって応答させることもできる。

図２には、静止位置Ｐ１＝Ｐ２の場合の圧力補償エレメント１０を概略的に示した。両方のばね１７，１８は、アノード側１１とカソード側１２との間の圧力比が同じであることに基づいて均等に負荷されているので、プランジャ１５は、シリンダ１４のほぼ中央で位置決めされていて、出口１３を閉鎖している。

これに対して図３には、Ｐ１＞Ｐ２の場合の圧力補償エレメント１０のアクティブな位置を示した。この場合アノード側１１に、カソード側１２に対する過圧が作用する。プランジャ１５は、図示の実施例では、ばね力１８と、プランジャ面１５Ｂにかかる比較的小さな圧力に対抗する、プランジャ面１５Ａに作用する過剰の力に基づいて、プランジャ１５は、排出部１３がアノード側で開放されるまで移動される。

図４には、燃料電池装置１が概略的に示されており、ここではたとえば圧力補償エレメント１０は、燃料電池２のアノード側もしくはカソード側の入口と出口との間で交差配置されている。もちろんダイヤフラム５を確保するためには、単個の圧力補償エレメント１０の配置構造で十分である。特別な実施例では、少なくとも１つの第２の圧力補償エレメントを配置してもよい。

もちろん図１と図４との間の圧力補償エレメントの配置構造の組み合わせも実現可能である。パッシブ型のエレメントとアクティブ型のエレメントとの組み合わせも考えられる。

図示の実施例は、単に本発明を判りやすくするためのものでしかない。原則として、前述の形式の、アノードガス管路およびカソードガス管路の入口側と出口側との間の種々異なる接続部の組み合わせを有するような別の実施例も実現可能である。

アノード側とカソード側とを分離するダイヤフラムと、アノードガスおよびカソードガスの入口および出口と、入口と出口とを接続する、差圧を制限するための圧力補償エレメントとを備えた燃料電池装置を示す概略図である。 均衡した圧力比Ｐ１＝Ｐ２の静止位置で圧力補償エレメントを示す図である。 均等でない圧力比Ｐ１＞Ｐ２の作動位置で、ΔＰが排出路の開放されるような大きさを有している圧力補償エレメントを示す図である。 入口と出口との間でそれぞれ圧力補償エレメントを備えた燃料電池装置を示す概略図である。

符号の説明

１ 燃料電池装置、 ２ 燃料電池、 ５ ダイヤフラム、 ６ 入口、 ８ 出口、 ９ 出口、 １０ 圧力補償エレメント、 １１ 接続部、 １２ 接続部、 １３ 排出部、 １４ シリンダ、 １５ プランジャ、 １５Ａ，１５Ｂ プランジャ面、 １６ シール、 １７ ばね、 １８ ばね、 １９ 雰囲気圧、 ２０ 圧力補償エレメント、 ２３ 排出部、 ２４ センサ、 ２５ センサ、 ２６ センサ／アクチュエータ−接続部

Claims (14)

1. 燃料電池装置であって、
   アノード側とカソード側とを分離するダイヤフラム（５）を備えた燃料電池（２）が設けられており、アノードガスの入口（６）および出口（８）が設けられており、カソードガスの入口（７）および出口（９）が設けられている形式のものにおいて、
   少なくとも１つの圧力補償エレメント（１０，２０）が設けられており、該圧力補償エレメント（１０，２０）が、ダイヤフラム（５）に作用する差圧を制限するようになっていることを特徴とする、燃料電池。
2. 少なくとも１つの圧力補償エレメント（１０，２０）が、燃料電池の入口側および／または出口側に配置されている、請求項１記載の燃料電池装置。
3. 少なくとも１つの圧力補償エレメント（１０，２０）が、アノードガスおよびカソードガスの入口（６，７）の１つと、アノードガスおよびカソードガスの出口（８，９）の１つとの間に配置されている、請求項１または２記載の燃料電池装置。
4. 少なくとも１つの圧力補償エレメント（１０）が、排出開口（１３）の有効横断面を制御するための、圧力に応じて案内されるプランジャ（１５）の内設されたシリンダ（１４）として形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃料電池装置。
5. プランジャ（１５）に、互いに分離された、圧力の作用する２つのプランジャ面（１５Ａ，１５Ｂ）が形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃料電池装置。
6. 排出開口（１３）の有効横断面を調整するための前記２つの有効プランジャ面（１５Ａ，１５Ｂ）が、同じ大きさで形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃料電池装置。
7. 排出開口（１３）の有効横断面を調整するための前記２つの有効プランジャ面（１５Ａ，１５Ｂ）が、それぞれ異なる大きさで形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃料電池。
8. 圧力補償エレメント（１０）が、ばね負荷されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃料電池装置。
9. 圧力補償エレメント（１０）が、圧力補正器として形成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の燃料電池装置。
10. 排出機能に関する有効横断面が、両方の供給側の、両方の有効横断のうちの場合によっては比較的大きな横断面と少なくとも同じ大きさであるように、圧力補償エレメント（１０）が形成されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の燃料電池装置。
11. 圧力補償エレメント（１０）が、反応時間に関して制御可能であるか、または調整可能である、請求項１から１０までのいずれか１項記載の燃料電池装置。
12. 圧力補償エレメント（１０）が、圧力感度に関して制御可能であるか、または調整可能である、請求項１から１１までのいずれか１項記載の燃料電池装置。
13. 圧力補償エレメント（１０）が、減衰特性に関して制御可能であるか、または調整可能である、請求項１から１２までのいずれか１項記載の燃料電池装置。
14. 圧力補償エレメント（２０）が、センサ（２４）とアクチュエータ（２５）とを備えている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の燃料電池装置。

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