特表 2023-513509 再循環システムおよび当該再循環システムを備える供給システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-03-31

(54)【発明の名称】再循環システムおよび当該再循環システムを備える供給システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20230324BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20230324BHJP

   H01M 8/04313 20160101ALI20230324BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20230324BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 J

H01M8/04746

H01M8/04313

H01M8/04537

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022547681

(86)(22)【出願日】2021-02-04

(85)【翻訳文提出日】2022-09-27

(86)【国際出願番号】 IB2021050899

(87)【国際公開番号】W WO2021156781

(87)【国際公開日】2021-08-12

(31)【優先権主張番号】102020000002239

(32)【優先日】2020-02-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】IT

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】522211357

【氏名又は名称】アルコ フューエル セルズ ソチエタ レスポンサビリタ リミタータ

【氏名又は名称原語表記】ＡＲＣＯ ＦＵＥＬ ＣＥＬＬＳ Ｓ．Ｒ．Ｌ．

【住所又は居所原語表記】Ｖｉａ Ｅｒｃｏｌａｎａ ６７０， ４００５９ Ｍｅｄｉｃｉｎａ （Ｂｏｌｏｇｎａ）， Ｉｔａｌｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100159905

【弁理士】

【氏名又は名称】宮垣 丈晴

(74)【代理人】

【識別番号】100142882

【弁理士】

【氏名又は名称】合路 裕介

(74)【代理人】

【識別番号】100158610

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 新吾

(74)【代理人】

【識別番号】100132698

【弁理士】

【氏名又は名称】川分 康博

(72)【発明者】

【氏名】ダンツィ，アンジェロ

(72)【発明者】

【氏名】マンドゥリーノ，ピエトロ

【テーマコード（参考）】

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H127AB04

5H127AB29

5H127AC02

5H127AC03

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA23

5H127BA28

5H127BA33

5H127BA59

5H127BA60

5H127BB02

5H127DB53

5H127DB87

5H127DC04

5H127DC09

5H127DC87

(57)【要約】

燃料電池（１０１）内で水素を再循環させるためのシステムが説明される。再循環システムは、燃料電池の出口（１０３）に接続可能な入口（３）と、燃料電池に水素を供給するためのライン（１０４）に接続可能な出口（４）とを有するタンク（２）を備える。再循環システムは、第１の逆止弁（ＣＶ１）および第２の逆止弁（ＣＶ２）を備える。第１の逆止弁（ＣＶ１）は、燃料電池からタンクへの流れ（Ｆ１）を調整するために燃料電池の出口（１０３）とタンクの入口（３）との間に挿入することができ、第２の逆止弁（ＣＶ２）は、タンク（２）から供給ライン（１０４）への水素の流れ（Ｆ２）を調整するために、タンクの出口（４）と水素供給ライン（１０４）との間に挿入することができる。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つの基本的な燃料電池（１０１）のための、好ましくは基本的な燃料電池のスタックのための、水素の再循環システムであって、
前記基本的な燃料電池（１０１）は、第１の反応物、例えば水素のための第１の入口側（１０１ａ）と、第２の反応物、例えば酸素のための第２の入口側（１０１ｂ）とを有し、
前記第１の入口側（１０１ａ）は、前記第１の反応物のための入口（１０２）と、前記基本的な燃料電池で生じる反応の少なくとも第１の副生成物、例えば水のための出口（１０３）とを有し、
前記再循環システムは、前記基本的な燃料電池の前記出口（１０３）に接続することができる入口（３）と、前記第１の反応物を前記基本的な燃料電池に供給するためのライン（１０４）に接続することができる第１の出口（４）とを有するタンク（２）を備え、
前記再循環システムは、前記基本的な燃料電池から前記タンクへの第１の流れ（Ｆ１）を許容または阻止するために、前記基本的な燃料電池の前記出口（１０３）と前記タンクの前記入口（３）との間に挿入することができる少なくとも第１の逆止弁（ＣＶ１）と、前記タンク（２）から前記第１の反応物を供給するための前記ライン（１０４）への前記第１の反応物の第２の流れ（Ｆ２）を許容または阻止するために、前記タンクの前記出口（４）と前記第１の反応物を供給するための前記ライン（１０４）との間に挿入することができる少なくとも第２の逆止弁（ＣＶ２）と、を備え、前記第１の逆止弁（ＣＶ１）は一方向弁であり、前記第２の逆止弁は一方向逆止弁（ＣＶ２）である、再循環システム。

【請求項2】

前記タンク（２）は、使用時に、前記第１の出口（４）の下に配置される少なくとも前記第１の副生成物のための第２の出口（５）を有する、請求項１に記載の再循環システム。

【請求項3】

前記第２の出口（５）を介した前記タンク（２）からの前記第１の副生成物の流れを調整するための、前記第２の出口（５）と連通する第１の弁（６）を備える、請求項２に記載の再循環システム。

【請求項4】

前記タンク（２）内の前記第１の副生成物の液面を監視するための液面センサ（７）を備え、前記第３の弁（６）は前記液面の関数として制御される、請求項３に記載の再循環システム。

【請求項5】

前記タンク（２）は、少なくとも、生じ得る前記反応の第２の副生成物のための第３の出口（８）を有し、前記第３の出口（８）は、好ましくは、使用時に、前記第１の出口（４）と実質的に同じ高さに配置されており、
前記再循環システムは、前記第３の出口（８）を介した前記タンク（２）からの前記第２の副生成物の流れを調整するための、前記第３の出口（８）と連通する第２の弁（９）を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の再循環システム。

【請求項6】

第１の反応物のための第１の入口側（１０１ａ）および第２の反応物のための第２の入口側（１０１ｂ）を有する複数の基本的な燃料電池を備える燃料電池のスタック（１０１）を備える発電プラントであって、
前記第１の入口側は、第１の反応物、特に水素のための入口（１０２）と、燃料電池の前記スタック（１０１）で生じる反応の少なくとも第１の副生成物、特に水のための出口（１０３）とを有し、
前記発電プラントは、燃料電池の前記スタック（１０１）に前記第１の反応物を供給するための供給ライン（１０４）と、前記第１の反応物を供給するためのシステム（１０５）と燃料電池の前記スタック（１０１）との間で前記供給ラインを遮断する供給弁（１０６）と、請求項１から５のいずれか一項に記載の再循環システム（１）と、を備え、
前記再循環システム（１）では、前記タンク（２）の前記入口（３）は、燃料電池の前記スタック（１０１）の前記出口（１０３）と前記タンク（２）の前記入口（３）との間に挿入された前記第１の逆止弁（ＣＶ１）を介して燃料電池の前記スタックの前記出口（１０３）と連通しており、前記タンク（２）の前記第１の出口（４）は、前記タンク（２）の前記出口（４）と前記第１の反応物の前記供給ライン（１０４）との間に挿入された前記第２の逆止弁（ＣＶ２）を介して前記供給ライン（１０４）の前記第１の反応物の流れに従って前記供給弁（１０６）の下流で、前記第１の反応物を供給するための前記供給ライン（１０４）と連通している、発電プラント。

【請求項7】

前記第１の逆止弁（ＣＶ１）は、前記第１の逆止弁（ＣＶ１）の上流側の圧力が、前記第１の逆止弁（ＣＶ１）の下流側の圧力より大きい場合に、前記燃料電池のスタック（１０１）から前記タンク（２）への前記第１の副生成物の流れを可能にするように構成されている、請求項６に記載の発電プラント。

【請求項8】

前記第２の逆止弁（ＣＶ２）は、前記第２の逆止弁（ＣＶ２）の上流側の圧力が前記第２の逆止弁（ＣＶ２）の下流側の圧力より大きい場合に、前記タンク（２）から前記第１の反応物の前記供給ライン（１０４）への前記第１の反応物の流れを可能にするように構成されている、請求項６または７に記載の発電プラント。

【請求項9】

前記供給弁（１０６）と通信しており、前記燃料電池のスタック（１０１）の性能が低下するとき、例えば前記燃料電池のスタック（１０１）の端子の電圧が不安定になったときに、前記供給弁（１０６）を閉じるように構成されたコンピュータ化された指令および制御ユニット（１１）を備える、請求項６から８のいずれか一項に記載の発電プラント。

【請求項10】

前記燃料電池のスタック（１０１）を制御するためのデバイス（１０８）を備え、前記コンピュータ化された指令および制御ユニット（１１）は、前記燃料電池のスタック（１０１）の前記端子の前記電圧が所定の値を下回った場合に、前記供給弁（１０６）を閉じるように構成されている、請求項９に記載の発電プラント。

【請求項11】

前記コンピュータ化された指令および制御ユニット（１１）は、前記液面センサ（７）と通信しており、前記タンク（２）内の前記第１の副生成物の液面の関数として前記第１の弁（６）を開くように構成されている、請求項４および請求項９または１０に記載の発電プラント。

【請求項12】

第１の反応物のための第１の入口側（１０１ａ）および第２の反応物のための第２の入口側（１０１ｂ）を有する燃料電池のスタック（１０１）を備える発電プラントを再循環させるための再循環方法であって、前記第１の側は、第１の反応物、特に水素のための入口（１０２）および少なくとも第１の副生成物のための出口（１０３）を有し、前記方法は、
前記第１の反応物の前記入口（１０３）を、供給弁（１０６）を用いて、前記反応物を供給するための供給ライン（１０４）と連通させ、前記第１の反応物を前記燃料電池のスタック（１０１）に供給し、前記燃料電池のスタック（１０１）を作動圧力に維持するステップと、
前記燃料電池のスタックの前記出口（１０３）を、前記燃料電池のスタックからタンクへの前記第１の副生成物の流れ（Ｆ１）を可能にする第１の逆止弁（ＣＶ１）を使用して、前記タンク（２）と連通させるステップと、を含み、
前記第１の逆止弁（ＣＶ１）は、前記第１の逆止弁（ＣＶ１）の上流側の圧力が前記第１の逆止弁（ＣＶ１）の下流側の圧力よりも大きい場合に、前記燃料電池のスタック（１０１）から前記タンク（２）への前記第１の副生成物の流れを可能にするように構成されており、前記タンク（２）内の圧力は動作圧力に適合しており、前記方法は、
第２の逆止弁であって、特に当該第２の逆止弁（ＣＶ２）の下流の圧力が当該第２の逆止弁（ＣＶ２）の上流の圧力より小さい場合に、前記タンクから前記供給ラインへの気体の流れ（Ｆ２）を可能にする第２の逆止弁によって、前記タンク（２）を、前記供給弁（１０６）の下流で且つ前記燃料電池のスタック（１０１）の上流で、前記供給ライン（１０４）と連通させるステップと、
前記燃料電池のスタックの前記第１の側に過剰な水が存在する場合、例えば前記燃料電池のスタック（１０１）の端子の電圧が所定の値を超えて低下する場合に、前記供給弁を閉じて、前記燃料電池のスタックへの前記第１の反応物の供給を遮断するステップと、を含み、
供給の遮断は、前記第１の逆止弁（ＣＶ１）の上流および前記第２の逆止弁（ＣＶ２）の下流の負圧を決定し、
前記負圧は、前記タンク（２）内で圧縮された前記第２の反応物が前記燃料電池のスタック（１０１）に供給されるように、前記第１の逆止弁（ＣＶ１）の閉鎖および前記第２の逆止弁（ＣＶ２）の開放を決定し、
前記タンクから来る前記気体は、所定の最小圧力値に達するまで消費され、
前記方法は、前記第１の反応物の供給を遮断する前記ステップの後に、前記タンク内で前記所定の最小圧力値に達したときに前記供給弁を開くステップを含み、前記所定の最小圧力値は、前記供給弁の下流の前記供給ライン内の過圧を決定し、前記第１の反応物の前記供給ライン内の過圧は、前記第１の反応物によって、前記燃料電池のスタックに存在する反応の副生成物、特に水を前記タンク（２）に向かって押す、再循環方法。

【請求項13】

前記タンク（２）内の前記副生成物の最大液面に達したときに、前記反応の副生成物、特に水を前記タンクから空にするステップを含む、請求項１２に記載の再循環方法。

【請求項14】

前記燃料電池のスタックへの前記第１の反応物の供給を遮断する前記ステップおよび後続する前記供給弁を開く前記ステップが、前記システムの前記圧力値に関係なく、所定の時間間隔で定期的に実行される、請求項１２または１３に記載の再循環方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、再循環システムに関し、特に、電池、例えばリチウム電池の充電に適した、燃料電池に基づく発電プラントのための、水素を再循環させるためのシステムに関する。本発明はまた、再循環システムを備える発電プラントに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池は、水素および酸素を直接化学結合させることによって発電するように設計された特殊なデバイスである。これらの２つの反応物は、燃料電池のスタック、すなわち、適切な触媒膜によって分離された適切な材料で作られた一連のプレートに適切に運ばれる。

【0003】

各膜は、基本的に電極として機能し且つ膜を介して上記反応物の拡散を促進する、いわゆるガス拡散層（ＧＤＬ）と組み合わされる。

【0004】

各々触媒膜の片側（カソードまたはアノード）にある上記プレートの表面に形成された適切なフローチャネル内を流れる上記反応物は、反応の副生成物として、単純な水蒸気および電流である電子の流れを生成するように、結合する。

【0005】

基本セルのスタックに加えて、燃料電池はまた全体として、いわゆるＢＯＰ（バランスオブプラント）を備えており、ＢＯＰは、例えば、スタックの内部に空気を吹き込むためのブロワー、水素用の一連の弁、冷却水用の弁および導管など、燃料電池の正しい動作に必要な一連のデバイスからなる。

【0006】

燃料電池の通常の動作中、水素は基本セルまたはスタックのアノード側に送られ、そこから膜の触媒作用のおかげで、プロトンが膜自体を通って移動し、カソード側に存在する酸素と結合し、それによってセルのカソード側に蓄積する水蒸気を形成する。スタック内の水の存在は、燃料電池の正しい動作に不可欠である。特に、触媒膜およびガス拡散層の両方が反応のために十分に湿っていなければならない。

【0007】

スタック内の必要な湿度を保証するために、適切なシステムが使用され、このシステムは、カソードに蓄積される水の再循環または外部の予備からの水の直接補充、または例えば、燃料電池から来るカソードのフローから水分を取り出し、それをブロワーから来る乾燥したフローに移す加湿器など、ガス状反応物の加湿を含む。しかしながら、セル内の水の量は一定の間隔内にとどまる必要があり、過剰であってはならない。

【0008】

セル内の大量の水の存在は実際、いわゆる「フラッディング」、すなわち、正しい反応、および、したがって燃料電池の動作を阻害し得る水の過剰な蓄積を発生させ得る。セル内の余分な水はすべて、アノード側およびカソード側の両方で適切にパージされなければならない。

【0009】

セル内の生じ得る大量の水は、好ましくは、水素および酸素が反応する場所、すなわち、カソード側で形成されるが、特定の量の水はまた、水素のみが存在するセルのアノード側に移動し得る。

【0010】

反応に必要な酸素を供給するためにスタックのカソード側を流れる空気は通常、動作自体の一部として適切な且つ非常に自然な態様で、余分な水を除去するのに十分な圧力を生成できる適切なファンまたはコンプレッサによって導入される。

【0011】

一方、アノード側では、水素が静的な態様で圧力下で存在しており、したがって、アノード側の水は徐々に増加する態様でのみ蓄積し得る。

【0012】

したがって、余分な水の排出および燃料電池の正しい動作を可能にするために、アノード側での適切な且つ繰り返しのパージ動作が必要である。アノード側でこれらのパージを実行するために、燃料電池は、例えば定期的に開くことができる専用のパージ弁を備える。

【0013】

すべての基本セルで実行されるこの必要且つ避けられないパージ動作には、いくつかの重大な欠点がある。

【0014】

通常、アノードのパージ動作および水素の管理による燃料電池の全体的な効率の低下は、最大１５％またはそれ以上にさえ達し、これは、例えば燃料電池システムなどの高効率システムにとって非常に大きな影響を与える値である。

【0015】

水素がアノード側で常に圧力下にあることを考慮すると、上記のパージ弁が開くと、突然の圧力降下およびスタックから抜け出す水素の流れが発生し、アノード側に存在する水を引き込む。

【0016】

しかしながら、パージ動作は、水を取り除くことに加えて、反応の目的に対して失われるかなりの量の水素を取り除き、セルの効率に悪影響を及ぼす。水素は事実上、最も密度の低い気体および元素であるので、少量および短時間のパージでも、かなりの量の失われた水素を特定できる。

【0017】

さらに、規制に従って可燃限界未満に濃度を抑えるために、外部および閉鎖環境に導入された水素をさらに希釈する必要があり、したがって、パージ弁からの出口で適切な空気の流れで希釈する必要がある。

【0018】

さらに、パージは、スタックの通常動作時の圧力と比較して低い圧力、通常、周囲圧力の環境に向かって強制的に実施されなければならないことを考慮すると、損失を避けるために、すなわち、パージされた水素を回収することが望ましい、または必要な場合には、セルの通常動作時の圧力値よりも高い圧力値にパージされた水素を再圧縮してシステム内の循環に戻す水素用の特定のコンプレッサを用いることが通常必要である。

【0019】

この解決策は、主に水素コンプレッサの比較的高いコストと、燃料電池によって吸収される、その動作に必要なエネルギーとのために、コストおよび効率の点で大きな影響を及ぼす。パージしている水素を失う方が、それをシステムに戻すよりも望ましい場合もある。

【0020】

数千または数万ワットのオーダーのかなりの電力出力の場合、そのようなデバイスの複雑さは、再循環される水素の量がシステムにとって重要になる場合に、セルのコストを数千または数万ユーロのオーダーという極めて多額に増大させ、その利用を市場の外に置きさえする。

【0021】

特許文書ＵＳ２００９１０４４７８Ａ１は、特に燃料電池のアノードの圧力を制御し、同時に水素の再循環を得るための、コンプレッサの使用に対する代替の解決策を示す。

【0022】

アノード側にある水および気体は、定期的に電磁弁３４を作動する制御ユニット３８によって制御される電磁弁３４を介してアノードから定期的に排出され、貯蔵タンクに集められて分離される。

【0023】

次に、気体の一部は、制御ユニット３８によって制御される電磁弁３７によって、タンクからアノードに再び供給される。

【0024】

制御ユニット３８はまた、タンク３０内の主圧力が所望の値に達するまで調整されるように、セルに水素を供給するための電磁弁３３を制御する。制御ユニット３８は、とりわけ、電磁弁３３および３７を適切に制御して、アノード内の圧力を所望のプリセット値に調整した状態に保つ。

【0025】

圧力を制御する、より一般的には水素を再循環させるための特許文書ＵＳ２００９１０４４７８Ａ１のシステムは、適切な態様且つ特定の時間で電磁弁を制御するための非常に高度な電子機器を必要とする。

【0026】

圧力は、電力を供給して制御する必要のある対応する電磁弁によってプラントの個別のブランチで制御される。システムの平衡は、弁を正確に制御することによって得られる。

【発明の概要】

【0027】

これに関連して、本発明の主な目的は、上記の欠点の少なくともいくつかを克服することである。

【0028】

本発明の目的は、燃料電池のアノード側に蓄積した水の除去によってパージされた水素の１００％を回収することを理論的に可能にする、単純で安価な再循環システムを提供することである。

【0029】

この目的は、添付の特許請求の範囲の請求項の１つまたは複数に記載されている技術的特徴を備える再循環システムによって達成される。従属請求項は、本発明の可能な異なる実施形態に対応する。

【0030】

第１の態様によれば、本発明は、燃料電池発電システムのための水素を再循環させるためのシステムに関する。

【0031】

再循環システムは、燃料電池に提供される水のアノード出口に接続することができる入口と、燃料電池に水素を供給するためのラインに接続することができる出口とを有するタンクを備える。

【0032】

このシステムは、燃料電池からタンクへの流れを調整するために、燃料電池のアノード出口とタンク入口との間に挿入できる一方向逆止弁を備える。弁は、特に水素供給ラインに設けられた供給弁が開いているとき、発電システムの通常の動作圧力で開いている。

【0033】

供給弁は、燃料電池を水素源と連通させ、開かれると、必要に応じて減圧弁を介して、プラントを所定の作動圧力にし、水素を燃料電池に供給する。

【0034】

再循環システムは、タンクから水素供給ラインへの流れ、特に水素の流れを調整するために、タンク出口と供給弁の下流の水素供給ラインとの間に挿入できる一方向逆止弁を備える。

【0035】

このように、水素供給弁が開いているとき、燃料電池とタンクは所定の動作圧力にあり、燃料電池とタンクとの間の一方向逆止弁は開いており、タンクと供給ラインとの間の一方向逆止弁は閉じている。

【0036】

本発明の一態様によれば、例えばフラッディングによって燃料電池の性能が低下した場合、供給弁が閉じられる。

【0037】

このように、負圧がタンクと供給ラインとの間の一方向逆止弁および供給弁の両方の下流に発生する。

【0038】

この負圧はタンクから水素を引き出し、タンクと供給ラインとの間の一方向逆止弁が開く一方、燃料電池とタンクとの間の逆止弁が閉じる。

【0039】

タンク内に存在する水素は燃料電池に供給され、燃料電池それ自体が消費し、圧力がさらに低下する。

【0040】

本発明の一態様によれば、主に燃料電池による水素消費のために、タンク内の圧力が所定の最小値を下回ると、供給弁が開く。

【0041】

作動圧力で水素を供給するための新しい流れは、燃料電池とタンクの間の逆止弁の開放と、タンクと供給ラインの間の逆止弁の閉鎖とを決定する。タンクを作業圧力まで再び満たすことができるようにするには、水素供給の流れが、最初にアノード側のスタック内を通過させられなければならず、したがって、アノード側から余分な水を自然に取り除くことになる。

【0042】

アノード側から除去された水はその後、タンク、特にその底に集められる。

【0043】

燃料電池内とタンク内の圧力は再び作動圧力に達し、供給弁が新たに閉じるまで、すべてが上記のように進行する。

【0044】

本発明の一態様によれば、タンクに蓄積された水は、例えば適切な排出弁によって、水素を失うことなく下から除去することができる。

【図面の簡単な説明】

【0045】

本発明のさらなる特徴および利点は、関係する水素再循環システムを備える発電プラントの好ましいが非排他的な実施形態の以下の非限定的な説明においてより明白である。

【図1】本発明による水素再循環システムを備えた発電プラントのブロック図を示す。

【0046】

以下、本発明の範囲を限定することなく、本発明による水素再循環システムを備えた発電プラントのブロック図を示す、例示のみを目的として提供された添付の図面を参照して説明がなされる。

【発明を実施するための形態】

【0047】

添付の図面を参照して、数字１００は本発明による発電プラントを示し、当該発電プラントは本発明を理解するために必要な範囲においてのみ説明される。

【0048】

プラント１００は、水素と酸素との間の反応が既知の方法で起こり、電子の流れおよび水蒸気を生成する、複数の適切に積み重ねられた基本的な燃料電池によって既知の方法で形成された燃料電池のスタック１０１を備える。

【0049】

この明細書はまた、基本的な燃料電池および基本的な燃料電池のスタックの同様の動作を前提として、単一の基本的な燃料電池を備えるプラント１００を指し得る。

【0050】

スタックは、第１の側１０１ａすなわちアノード側と、第２の側１０１ｂすなわちカソード側とを有する。

【0051】

アノード側１０１ａは、第１の反応物、特に水素の入口側であり、一方、カソード側１０１ｂは、スタック１０１で起こる反応のための第２の反応物、特に空気または酸素の入口側である。

【0052】

概略的に示されるように、アノード側１０１ａは、水素のための入口１０２と、水素およびスタック１０１で起こる反応の少なくとも１つの副生成物のための出口１０３と、を有する。

【0053】

プラント１００は、動作圧力または作動圧力で水素を、通常、スタック１０１に提供する、水素を供給するためのライン１０４を備える。

【0054】

ライン１０４は、所定の圧力でライン１０４に水素を供給する、ブロック１０５として概略的に表される供給システムにつながる。

【0055】

プラント１００は、システム１０５とスタック１０１との間のライン１０４を遮断する供給弁１０６、好ましくは電磁弁を備える。

【0056】

水素の圧力は、好ましくは、例えばブロック１０７として概略的に表される圧力調整器によって、水素を供給するための方向Ｖにおいて弁１０６の下流の動作圧力に調整される。

【0057】

調整器１０７は、動作圧力を、例えば、１．２０バールから１．７５バールの間の値に調整する。プラント１００の一実施形態では、動作圧力は、好ましくは、１．４５バールであり得る。

【0058】

１つの好ましい実施形態では、動作圧力は１．７５バールに等しい。

【0059】

プラント１００は、ブロック１０８で概略的に示された、スタック１０１を制御するためのデバイスであって、スタック１０１の正しい動作を監視するデバイスを備える。

【0060】

デバイス１０８は、例えば、スタック１０１の端子の電圧を監視するための電圧計、またはスタック１０１を構成する各単一セルの電圧を測定するための適切なシステムを備える。

【0061】

プラント１００は、再循環システム、特に、全体が数字１で示されるアノード再循環システムを備える。

【0062】

有利なことに、システム１は、水素を消失させないこと、すなわち、プラント１に水素全体を実質的に保持することを可能にする。

【0063】

システム１はまた、プラント１の動作に必要な水を超えた水であって、スタック自体をフラッディングさせて動作に悪影響を与える可能性のある水を、スタック１０１からパージする、すなわち排出するために使用される。

【0064】

再循環システム１は、再循環入口３および出口４を有するタンク２を備える。

【0065】

入口３は、スタック１０１のアノード側１０１ａの出口１０３に接続可能であり、図示の例では、当該出口１０３に接続されている。

【0066】

システム１は、図示の例では、出口１０３と入口３を連通させる弁ＣＶ１を備える。弁ＣＶ１は、開位置と閉位置との間で切り替えることができる。

【0067】

弁ＣＶ１は、スタックからタンクへの第１の流れＦ１を調整するために、スタック１０１の出口１０３とタンク２の入口との間に挿入することができ、図示の例では、スタック１０１の出口１０３とタンク２の入口との間に挿入されており、弁ＣＶ１が開いているとき、タンク２はスタック１０１と流体連通している。

【0068】

弁ＣＶ１は、好ましくは一方向タイプであり且つ弁ＣＶ１の上流の圧力が作動圧力以上である場合に、すなわち、弁ＣＶ１の上流の圧力が参考例の１．７５バールに等しい場合に開いている。

【0069】

弁ＣＶ１は、好ましくは、いわゆる逆止弁または逆流防止弁であり、すなわち、制御を必要とせず且つその動作がその上流および下流の圧力によって決定される自動弁である。

【0070】

弁ＣＶ１は、スタック１０１内の圧力がタンク２内の圧力よりも高い場合に、流れＦ１を通過させる。

【0071】

タンク２の出口４は、水素供給方向Ｖにおいて供給弁１０６の下流の供給ライン１０４に接続可能であり、図示の例では、水素供給方向Ｖにおいて供給弁１０６の下流の供給ライン１０４に接続されている。

【0072】

システム１は、図示の例では、タンク２の出口４を供給ライン１０４と連通させる第２の弁ＣＶ２を備える。弁ＣＶ２は、開位置と閉位置の間で切り替えることができる。

【0073】

弁ＣＶ２は、タンク２から供給ライン１０４への第２の流れＦ２を調整するために、タンク２の出口４と供給ライン１０４との間に挿入することができ、図示の例では、タンク２の出口４と供給ライン１０４との間に挿入されており、弁ＣＶ２が開いているとき、タンク２はライン１０４と流体連通している。

【0074】

弁ＣＶ２は、好ましくは一方向であり且つ弁ＣＶ２の下流の圧力が動作圧力よりも低い場合に、すなわち、弁ＣＶ２の下流の圧力が参考例の１．７５バール未満である場合に開く。

【0075】

弁ＣＶ２は、好ましくは、いわゆる逆止弁または逆流防止弁であり、すなわち、制御を必要とせず且つその動作がその上流および下流の圧力によって決定される自動弁である。

【0076】

弁ＣＶ２は、タンク２内の圧力が供給ライン１０４内の圧力よりも高い場合に、流れＦ２を通過させる。

【0077】

好ましくは、タンク２は、概略的に示されるように、使用時に、出口４の下に配置される排水出口５を有する。

【0078】

再循環システム１は、好ましくは、ブロック６として概略的に表される、出口５または排出を制御するための弁を備える。

【0079】

弁６は、例えば、電磁弁であり、以下でより詳細に説明するように、タンク２から出口５を通って出てくる副生成物の流れ、特に水の流れを調整するために、出口５が開いている開構成と、出口５が閉じている閉構成との間で制御することができる。

【0080】

システム１は、好ましくは、タンク２内の水位を監視するための、ブロック７として概略的に表される液面センサを備える。

【0081】

有利には、弁６は、センサ７によって検出されるタンク２内の水位の関数として制御される。

【0082】

図示の実施形態では、タンク２は、好ましくは、使用時に、再循環出口４と実質的に同じ高さに配置される通気出口８を有する。

【0083】

再循環システムは、出口８と連通している、ブロック９として概略的に表される通気弁を備える。

【0084】

弁９は、例えば、電磁弁であり、タンク２に存在する気体の流れを調整するために、出口８が開いている開構成と、出口８が閉じている閉構成との間で制御することができる。

【0085】

再循環システム１は、弁１０６の下流、特に調整器１０７の下流のプラント１００内の圧力に対応するタンク２内の圧力を監視するための、ブロック１０で概略的に示されている圧力センサを備える。

【0086】

定常状態では、通常の動作条件下で、センサ１０は、作動圧力または動作圧力を、例えば、供給ライン１０４によって維持される上記の１．７５バールを測定する。

【0087】

プラント１００は、好ましくは、プラント１００を制御するための、ブロック１１で概略的に示されているコンピュータ化された指令および制御ユニットを備える。

【0088】

ユニット１１は、供給弁１０６と通信しており、スタック１０１の性能が低下したときに、例えば、スタックの端子の電圧が不安定になったときに、弁１０６を閉じるように構成される。

【0089】

好ましくは、ユニット１１は、スタック１０１を制御するためのデバイス１０８と通信しており、例えば、スタック１０１の端子の電圧が所定値未満になった場合、またはスタックのセルの電圧が不安定になった場合に、供給弁１０６を閉じるように構成される。

【0090】

一実施形態では、ユニット１１は、定期的に、例えば、１分間隔で、または適切に設計された不規則な間隔で、供給弁１０６を閉じるように構成される。

【0091】

図示のように、ユニット１１は、好ましくは、液面センサ７および排水弁６と通信しており、タンク２内の水位の関数として弁６を開くように構成される。

【0092】

一実施形態によれば、弁６は、自動システムによって制御され、好ましくは、実質的に機械的な自動システムによって制御され、実質的に機械的な自動システムは、例えば液位計など、すなわち、それに組み込まれたものである。

【0093】

ユニット１１は、特に、弁１０６の下流の供給ライン１０４の圧力を監視するために、圧力センサ１０と通信している。

【0094】

コンピュータ化されたユニット１１は、センサ１０によって監視されるスタック１０１およびタンク２内の圧力が所定の最小値を下回った場合に、供給弁１０６を開くように構成されている。

【0095】

ユニット１１は、通気弁９と通信しており、通気弁９を開構成と閉構成との間で制御する。

【0096】

一実施形態によれば、弁ＣＶ１および／または弁ＣＶ２は電磁弁であり、弁ＣＶ１および／または弁ＣＶ２を操作するように構成されたコンピュータ化された指令および制御ユニット１１と通信している。

【0097】

使用時、供給弁１０６は、プラント１の開始時に開かれ、その下流の圧力は、スタック１０１内およびタンク２内の両方で、例えば圧力調整器１０７によって、作動圧力または動作圧力に、例えば上記の１．７５バールになる。プラントの動作圧力は弁ＣＶ１の開放を決定する。

【0098】

弁ＣＶ１は、圧力変動のおかげで、外部からの介入なしに、自動的に開く。

【0099】

圧力センサ１０は、供給圧力を監視し、弁１０６は開いたままであり、弁１０６の下流のプラント内の圧力は、常に動作値または作動値のままである。

【0100】

同時に、供給ライン１０４は、弁１０６によって、スタック１０１内の反応によって消費された水素を継続的に回復させる一方、水は燃料電池のアノード側に蓄積し始める。

【0101】

アノード側に蓄積された水が過剰な値に達すると、スタックのフラッディングを防止するために、ユニット１１によってパージ動作が開始される。過剰な値は、デバイス１０８によって検出され、例えばスタック１０１の性能の低下によって浮き彫りにされる。

【0102】

コンピュータ化されたユニット１１は、供給弁１０６の閉鎖を強いる。

【0103】

これらの条件では、スタック１０１内の反応および関連する水素消費により、弁１０６の下流に負圧が生じる。

【0104】

この負圧は、弁ＣＶ１の自然な閉鎖および弁ＣＶ２の自然な開放を決定し、タンク２から供給ライン１０４内に水素を引き出す。

【0105】

実際、作動圧力でタンク２内にある水素は、逆止弁ＣＶ２を開き、スタック１０１は、タンク２内に存在する水素を、アノード側で供給される。

【0106】

反応により、タンク２内の圧力は動作圧力を下回り、スタック１０１に供給し続ける。

【0107】

圧力が所定の最小値、例えば、１．２５バールに達すると、ユニット１１は、弁１０６を開放させる。

【0108】

一実施形態では、弁１０６は、圧力センサ１０から来る信号によって直接電圧制御され得る。

【0109】

代替実施形態では、弁１０６の開閉は、必要に応じて、プラント内の圧力に関係なく、定期的に実行される。

【0110】

弁１０６が開くと、供給システム１０５から来る水素の流れは、スタック１０１に流れ、タンク２にも流れ、図示の例では、５００ミリバールである圧力ジャンプを有する。

【0111】

この水素の流れは、スタック１０１のアノード側からタンク２に余分な水を運び、圧力は動作圧力に戻る。

【0112】

排水された水は、タンクの上部に溜まるより軽い水素とは離れたままタンク２の底に溜まる。動作圧力でタンク２に存在する水素は、記載されるように、供給弁１０６が閉じられたときにスタック１０１に供給することができる。

【0113】

排水弁６は、タンク２の上部に残る水素を失うことなく水を除去するように、好ましくはコンピュータ化されたユニット１１を使用して、または液位計によって操作され得る。

【0114】

弁６の開閉は、好ましくは、液面センサ７によって見出されるタンク２内の水位に基づいて制御される。

【0115】

図示の例では、水位が例えば所定の値を超えると、ユニット１１は弁６を開く。

【0116】

通気弁９は、例えば、アノードに蓄積する微量の不活性ガスを除去するために使用される。

【0117】

有利には、それは、好ましくはユニット１１を使用して、水素の使用効率を維持しつつ、著しく低いまたは無視できる頻度で作動され得る。

【0118】

説明された解決策には、重要な利点がある。

【0119】

このシステムは、コンプレッサや複数の電磁弁に基づく高度な制御システムを必要とせずに、簡易で自然な方法で水素を再循環させる。

【0120】

このシステムでは、アノードの水のパージも可能である。

【0121】

使用される構成要素の消費量はゼロまたは低く、プラントの効率に悪影響を与えない。

【0122】

タンクは、燃料電池の通常動作中にアノード側から除去された余分な水を集めることができる。このタンクの容量は、スタックの公称電力に関連しているので、平均水素消費量に関連している。

【0123】

再循環システム１を備えたプラント１００は、例えば、リチウム電池パックおよびユーザ負荷と連動させることができる。

【0124】

特に、好ましい用途は、リフトトラックおよび同様のシステムのパワーパックであり、燃料電池およびリチウム電池パックセットは、従来の完全な鉛またはリチウム電気パックに対する代替物を構成する。

【0125】

このデバイスは、ガスボンベのような加圧式であろうと、金属水素化物（ただしこれに限定されるものではない）などの異なる方法であろうと、あらゆる貯蔵システムで利用可能なすべての水素を、および、燃料電池、より一般的にはあらゆる発電システムが、例えば、燃料電池とリチウム電池パックとの間に他の電力手段を使用するかまたはしないかに関わらず、電気自動車のような移動型システムの、または、ＵＰＳやＡＰＳのようなエネルギーを生成して貯蔵する定置型システムのユーザ負荷に接続されたリチウム電池パックに適切に接続されなければならないすべてのそれらの用途で利用可能なすべての水素を、効率的且つ経済的に使用するためにも使用され得ることを理解されるべきである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0126】

【特許文献1】ＵＳ２００９１０４４７８Ａ１

【図1】

【国際調査報告】