特表 2023-540391 燃料電池システムの排気ガスラインにおける排気ガスの水素濃度を決定するための装置および燃料電池システム

(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】2023-09-22

(54)【発明の名称】燃料電池システムの排気ガスラインにおける排気ガスの水素濃度を決定するための装置および燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0444 20160101AFI20230914BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20230914BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0444

H01M8/04 N

H01M8/04 Z

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023516095

(86)(22)【出願日】2021-09-22

(85)【翻訳文提出日】2023-03-10

(86)【国際出願番号】 EP2021076042

(87)【国際公開番号】W WO2022063813

(87)【国際公開日】2022-03-31

(31)【優先権主張番号】102020212109.5

(32)【優先日】2020-09-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】591245473

【氏名又は名称】ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100177839

【弁理士】

【氏名又は名称】大場 玲児

(74)【代理人】

【識別番号】100172340

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 始

(74)【代理人】

【識別番号】100182626

【弁理士】

【氏名又は名称】八島 剛

(72)【発明者】

【氏名】ファルケナウ，トビアス

(72)【発明者】

【氏名】ボッシュ，ティモ

【テーマコード（参考）】

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H127AB04

5H127AC12

5H127BA02

5H127BB02

5H127DB14

5H127DB34

5H127EE24

5H127EE25

5H127EE27

(57)【要約】

管部（２）に配置されたセンサ（１４）を備える、燃料電池システム（１００）の排気ガスライン（１２）における流体のＨ２濃度を決定するための装置（１）であって、管部が流入開口（４）と流出開口（６）を有する、装置である。組み込み要素（８）が流入開口（４）を通って到達する排気ガスを第１の管容積（ＶＩ）を流れる第１の体積流と、少なくとも１つの別の管容積（Ｖ２）を流れる少なくとも１つの別の体積流とに分割する。パージライン（４１）が流入開口（４）とＨ２センサ（１４）との間で第１の管容積（Ｖ１）に通じている。センサ（１４）は、第１の管容積（Ｖ１）における排気ガスのＨ２濃度を測定する。
【選択図】 図２、図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

管部（２）に配置されたセンサ（１４）を備える、燃料電池システム（１００）の排気ガスライン（１２）における排気ガスの水素濃度を決定するための装置（１）であって、前記管部（２）が流入開口（４）と流出開口（６）を有する、装置において、前記流入開口（４）を通って到達する排気ガスが、組み込み要素（８）によって、第１の管容積（Ｖ１）を流れる第１の体積流と、少なくとも１つの別の管容積（Ｖ２）を流れる少なくとも１つの別の体積流とに分割され、前記センサ（１４）が、前記第１の管容積（Ｖ１）における排気ガスのＨ２濃度を測定することを特徴とする、装置。

【請求項2】

前記管部（２）は、パージライン（４０）のための接続部（４１）を有し、前記接続部（４１）を介して、前記パージライン（４０）のパージガスが前記第１の容積（Ｖ１）に導かれることを特徴とする、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記パージライン（４０）のための前記接続部（４１）は、前記流入開口（４）と前記センサ（１４）との間に配置されることを特徴とする、請求項２に記載の装置（１）。

【請求項4】

前記接続部（４１）と前記センサ（１４）との間に渦発生要素が配置されることを特徴とする、請求項３に記載の装置（１）。

【請求項5】

前記組み込み要素（８）は、少なくとも１つの矩形プレートによって形成されることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の装置（１）。

【請求項6】

前記組み込み要素（８）が管要素であることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載の装置（１）。

【請求項7】

前記管要素（８）は、前記管部（２）の外壁（３）と直接接触せず、かつ前記接続部（４１）および／または前記センサ（１４）の取付具を介して前記管部（２）内に取り付けられることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載の装置（１）。

【請求項8】

前記センサ（１４）は、前記管部（２）の外壁（３）または前記組み込み要素（８）に取り付けられることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載の装置（１）。

【請求項9】

少なくとも１つの燃料電池スタック（１０１）と、空気路（１０）であって、前記空気路（１０）を介して、空気が周囲から前記燃料電池へ到達する、空気路と、排気ガスライン（１２）と、燃料ライン（２０）であって、前記燃料ライン（２０）を介して、燃料が前記燃料電池スタック（１０１）へ移送される、燃料ラインと、循環ライン（５０）であって、パージライン（４０）を有する循環ライン（５０）と、を備える燃料電池システム（１００）において、前記排気ガスライン（１２）に、請求項１から８までのいずれか１項に記載の装置（１）が配置されることを特徴とする、燃料電池システム。

【請求項10】

前記パージライン（４０）が前記装置（１）の接続部（４１）と接続されることを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池システム（１００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、請求項１の前提部の特徴を有する燃料電池システムの排気ガスラインにおける排気ガスの水素濃度を決定するための装置に関する。

【0002】

さらに、本発明は、請求項９の前提部の特徴を有する燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0003】

水素ベースの燃料電池は、排気ガスとして水のみを排出すること、および迅速な補給時間を可能にすることから、未来のモビリティコンセプトとみなされている。燃料電池は、たいていの場合、組み立てて燃料電池スタックとされる。燃料電池スタックは、化学反応のために、たいていは周囲からの単純な空気から取得される酸素と、たいていは水素である燃料を必要とする。

【0004】

空気路を通して燃料電池スタックに供給される空気質量流を介して、窒素が燃料電池スタックのカソード側に到達することが知られている。この窒素は、分かれて燃料電池スタックの膜を通ってアノード側に拡散し、アノード側の水素を押しのけ、それにより正常な反応が妨げられる。アノード側の窒素の割合を低減するために、弁がフラッシングライン（Ｓｐｕｅｌｌｅｉｔｕｎｇ）で燃料電池のアノード側もしくは循環ラインから排気ガスラインへ通じることができ、それにより窒素の割合を有するアノードガスが排気ガスラインを通して周囲に導かれる。排気ガスラインにおける水素の割合を検査するために、排気ガスラインに水素センサが配置される。

【0005】

その他に、水素がアノード側からカソード側へ到達することが知られている。水素は、部分的に触媒で燃焼し、部分的に、富化されたカソード空気（ａｎｇｅｒｅｉｃｈｅｒｔｅ Ｋａｔｈｏｄｅｎｌｕｆｔ）とともにカソード排気ガスに到達する。

【発明の概要】

【0006】

独立請求項に記載の特徴を有する燃料電池システムの排気ガスラインにおける排気ガスの水素濃度を決定するための本発明による装置および燃料電池システムは、排気ガスラインにおける水素含有量をより高い精度で決定できるという利点を有する。これは、過度に高い水素濃度、したがって爆発性の混合物を回避するため、場合によって措置をとることができるようにするために重要である。

【0007】

低割合の測定では、測定手段の測定精度が不釣り合いに大きく（ｕｅｂｅｒｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）低下するため、本発明による装置を用いなければ、センサが検出する排気ガス中の濃度が過度に低くなる、または過度に高くなる恐れがある。

【0008】

さらに、本発明による装置をもってすれば、アノードからの水素の導入をカソードからの特に低い濃度から良好に区別することができる。それにより、例えば、この値の上昇から、膜に穴があることを推測できる。

【0009】

経済的視点から、測定精度が変わらない場合、本発明による装置を用いることによりセンサに課せられる精度要求を下げることができ、それによりコストが削減される。

【0010】

その他に、本発明による装置による液体水に対する保護は、センサの信頼性および寿命にとって有利である。

【0011】

水素の過度に高い濃度に対処する可能性の１つは、アノード側からの水素の供給をパージとドレインによって遮断することである。別の可能性は、場合によってはバイパス接続を介して空気路から直接排気ガスラインに導くことができる、排気ガスラインの空気質量流量を的確に増加させることである。さらに別の可能性は、水素を触媒で燃焼させることである。

【0012】

従属請求項において、燃料電池システムの排気ガスラインにおける排気ガスの水素濃度を決定するための本発明による装置および燃料電池システムの有利な実施形態および発展形態が記載されている。

【0013】

管部がパージラインのための接続部を有する場合が有利である。なぜなら、接続部を介してパージラインのパージガスが第１の容積に導かれ、それによりパージガスの水素濃度を高い精度で決定できるからである。

【0014】

パージラインからのパージガスと排気ガスラインからの排気ガスとの可能な限り均一な混合を確保するために、接続部とセンサとの間に渦発生要素（Ｖｅｒｗｉｒｂｅｌｕｎｇｓｅｌｅｍｅｎｔ）が配置される場合が有利である。

【0015】

組み込み要素が少なくとも１つの矩形プレートによって形成される場合が有利である。なぜなら組み込み要素は、流れを的確にセンサの傍らを通過させるための簡単かつ安価な解決策だからである。

【0016】

組み込み要素が管要素として形成される場合が有利である。なぜなら組み込み要素をこの形にした場合、管部の中心部での測定をより容易に実現できるからである。

【0017】

管要素が接続部、および／またはセンサの取付具を介して管部内に取り付けられる場合が有利である。なぜなら追加の取付具が必要でなく、それによりコストを節約できるからである。

【0018】

組み込み要素によって、局所的な流れの状況次第で、センサを必要に応じて管部の外壁または組み込み要素に取り付けることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の第１の実施例による燃料電池システムの模式的なトポロジの図である。

【図2】燃料電池システムの排気ガスラインにおける流体のＨ２濃度を決定するための装置の模式図である。

【図3】本発明の第２の実施例による燃料電池システムの模式的なトポロジの図である。

【図4a】組み込み要素を備える燃料電池システムの排気ガスラインにおける流体のＨ２濃度を決定するための装置の模式図である。

【図4b】別の組み込み要素を備える燃料電池システムの排気ガスラインにおける流体のＨ２濃度を決定するための装置の模式図である。

【図4c】別の組み込み要素を備える燃料電池システムの排気ガスラインにおける流体のＨ２濃度を決定するための装置の模式図である。

【図5a】管として形成された組み込み要素を備える燃料電池システムの排気ガスラインにおける流体のＨ２濃度を決定するための装置の模式図である。

【図5b】管として形成された組み込み要素を備える燃料電池システムの排気ガスラインにおける流体のＨ２濃度を決定するための装置の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明による装置および本発明による燃料電池システムについて図面をもとにして詳しく説明する。

【0021】

図１において、少なくとも１つの燃料電池スタック１０１を備える、第１の実施例による燃料電池システム１００の模式的なトポロジが示される。少なくとも１つの燃料電池スタック１０１は、空気路１０と排気ガスライン１２と燃料ライン２０とを有する。少なくとも１つの燃料電池スタック１０１は、例えば貨物車など、高い電力量を必要とする移動用途、または、例えば発電機などの据置用途に用いることができる。

【0022】

空気路１０は、周囲からの空気を、吸入口１６を介して燃料電池スタック１０１に供給するために給気ラインとして用いられる。空気路１０には、燃料電池スタック１０１の動作のために必要なコンポーネントが配置されている。空気路１０には、燃料電池スタック１０１のそれぞれの動作条件に応じて空気を圧縮もしくは吸引する空気圧縮器１１および／またはコンプレッサ１１が配置されている。空気圧縮器１１および／またはコンプレッサ１１の下流に、空気路１０における空気に比較的高い液体濃度を富化する加湿器１５を設けることができる。

【0023】

空気路１０内には、さらに、例えばフィルタおよび／または熱交換器および／または弁などの他のコンポーネントを設けることができる。空気路１０を介して、燃料電池スタック１０１に酸素を含んだ空気が提供される。

【0024】

さらに、燃料電池システム１００は、水、および空気路１０からの空気の他の成分を、燃料電池スタック１０１を通過した後に吐出口１８を通して周囲に移送できる排気ガスライン１２を有する。水素の一部は燃料電池スタック１０１の膜を通って拡散できるので、排気ガスライン１２の排気ガスは水素（Ｈ２）も含有し得る。

【0025】

さらに、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０１を冷却するように形成された冷却回路を有することができる。冷却回路は本発明の構成要素ではないため、図１に描かれていない。

【0026】

燃料ライン２０の入口には、高圧タンク２１と遮断弁２２が設けられている。必要に応じて燃料電池スタック１０１に燃料を供給するために、燃料ライン２０に他のコンポーネントを配置することができる。

【0027】

燃料電池スタック１０１に燃料を常に十分に供給するために、燃料を、燃料ライン２０を介して過剰化学量論量で計量投与する必要がある。余分な燃料と、セル膜を通ってアノード側に拡散するある程度の量の水および窒素は、再循環ライン（Ｒｅｚｉｒｋｕｌａｔｉｏｎｓｌｅｉｔｕｎｇ）５０で戻され、燃料ライン２０からの計量投与された燃料と混合される。

【0028】

再循環回路（Ｒｅｚｉｒｋｕｌａｔｉｏｎｓｋｒｅｉｓ）５０を駆動するために、例えば計量投与された燃料で作動させるジェットポンプ５１または送風機５２などの様々なコンポーネントを設けることができる。ジェットポンプ５１と送風機５２を組み合わせることも可能である。

【0029】

水および窒素の量は時間とともにどんどん増加するので、再循環回路５０を時々フラッシングする必要があり、それによって、燃料ライン２０における窒素濃度が過度に高いことによる燃料電池スタック１０１の性能低下が生じない。

【0030】

循環ライン５０と排気ガスライン１２との間にパージライン４０が配置され、それによりガス混合物が循環ライン５０から排気ガスライン１２に流れ込むことができる。

【0031】

パージライン４０には、循環ライン５０と排気ガスライン１２との間の接続を開閉することができるパージ弁４４を配置することができる。パージ弁４４は、たいてい短時間開かれ、それによりガス混合物がパージライン４０を介して排気ガスライン１２に導かれる。

【0032】

本発明の一実施形態では、排気ガスライン１２に、Ｈ２濃度を決定するための装置１が配置されている。

【0033】

図２は、Ｈ２濃度を決定するための装置１を模式図で示す。装置１は、流体の水素濃度を測定できるセンサ１４を有する管部２によって形成される。管部２は、流入開口４と流出開口６とを有する。さらに、管部２には、流入開口４を通って到達する排気ガスを第１の管容積Ｖ１を流れる第１の体積流と、第２の管容積Ｖ２を流れる第２の体積流とに分割する組み込み要素８が配置されている。

【0034】

本発明の別の実施形態では、管部２は、パージライン４０のための接続部４１を有することができる。接続部４１は、第１の容積Ｖ１とパージライン４０との間に接続を作成する。接続部４１を通って、パージライン４０のパージガスが第１の容積Ｖ１に導かれる。

【0035】

パージライン４０のための接続部４１は、流入開口４とセンサ１４との間に配置され、それによりセンサ１４は、測定時に、排気ガスライン１２からのＨ２濃度のみならずパージライン４０からのＨ２濃度も測定する

【0036】

図１は、接続部４１のない装置を備える燃料電池システム１００を示し、この装置では、パージライン４０が流れ方向で装置１の上流で排気ガスライン１２に通じる。

【0037】

図３において、接続部４１を有する装置１を備える燃料電池システム１００が示される。ここでは、パージライン４０が接続部４１と接続され、それによりパージガスが直接パージライン４０から接続部４１を介して管部２の第１の容積Ｖ１に流れ込むことができる。

【0038】

排気ガスライン１２からの排気ガスとパージライン４０からのパージガスとの可能な限り良好な混合を達成するために、接続部４１とセンサ１４との間の第１の管容積Ｖ１に渦発生要素を配置することができる。

【0039】

図４は、それぞれ少なくとも１つの矩形プレートによって形成される異なった組み込み要素４を有する３つの装置１の横断面を示す。

【0040】

図４ａ）では、矩形シート（Ｒｅｃｈｔｅｃｋｂｌａｔｔ）が管部２の中心垂直線（破線で示唆される）に対して平行に配置され、それにより小さい第１の管容積Ｖ１と、より大きい第２の管容積Ｖ２とが形成される。

【0041】

図４ｂ）では、３つの矩形プレートが管部２の中心垂直線（破線で示唆される）に対して平行に配置され、それにより４つの管容積Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３およびＶ４が形成される。

【0042】

図４ｃ）では、３つの矩形プレートが管部２の中心垂直線（破線で示唆される）に対して平行に配置され、その他に、２つの矩形プレートが中心垂直線に対して垂直に配置され、それにより１２個の管容積Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、．．．、Ｖ１２が形成される。

【0043】

図５は、組み込み要素８が管要素によって形成される装置１の実施形態を示す。図５ａ）は、切断面が主流れ方向に対して垂直に選択された装置１の横断面を示す。図５ｂ）は、切断面が主流れ方向に対して平行に選択された装置１の横断面を示す。

【0044】

図示される実施例では、組み込み要素８は円形の管要素であり、これは、切断面に２つの同心円が形成されるように管容積に配置されている。第１の管容積Ｖ１は、図示されるように、管要素８の内部に選択することができる。

【0045】

管要素（Ｒｏｈｒｅｌｅｍｅｎｔ）８は、管部（２）の外壁３と直接接触せず、接続部４１、および／またはセンサ１４の取付具を介して管部２内に取り付けられる。

【0046】

センサ１４は、第１の管容積Ｖ１の選択に応じて、管部２の外壁３に、または組み込み要素８に取り付けることができる。センサを外壁３に取り付けることもでき、それにより体積Ｖ２において測定される。

【符号の説明】

【0047】

１ 装置
２ 管部
３ 外壁
４ 流入開口
６ 流出開口
８ 組み込み要素
１０ 空気路
１２ 排気ガスライン
１４ センサ
１５ 加湿器
１６ 吸入口
１８ 吐出口
２０ 燃料ライン
２１ 高圧タンク
２２ 遮断弁
４０ パージライン
４１ 接続部
４４ パージ弁
５０ 循環ライン、再循環ライン
５１ ジェットポンプ
５２ 送風機
１００ 燃料電池システム
１０１ 燃料電池スタック
Ｖ１～Ｖ１２ 管容積

【図1】

【図2】

【図3】

【図4a】

【図4b】

【図4c】

【図5a】

【図5b】

【国際調査報告】