| 【発明の名称】 |
ガス発生システムおよび該ガス発生システムを運転するための方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】ノルベルト ヴィースホイ
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| 【要約】 |
【課題】本発明の課題は、システム圧が１０バールよりも高い高圧システムの枠内における使用にも適しているガス発生システムを提供することである。
【解決手段】反応物質が、調量エレメント（１１，１４）を用いて付加的に圧力負荷されるようにした。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ガス発生システムであって、− ガス発生に関与する反応物質のための少なくとも１つの貯蔵容器（３，４）と、− 該貯蔵容器（３，４）に送入される作動媒体を用いて貯蔵容器（３，４）内の反応物質を圧力負荷するための少なくとも１つのコンプレッサ（６，７）と、− 反応物質が供給管路（５）を介して供給される少なくとも１つのガス発生ユニット（２）と、− 前記供給管路（５）において、前記貯蔵容器（３，４）と前記ガス発生ユニット（２）との間に配置された少なくとも１つの調量エレメント（１１）とを有している形式のものにおいて、反応物質が、調量エレメント（１１）により付加的に圧力負荷されることを特徴とする、ガス発生システム。
【請求項２】 調量ポンプ（１１）が調量エレメントとして働いている、請求項１記載のガス発生システム。
【請求項３】 特に請求項１または２記載のガス発生システムであって、− ガス発生に関与する反応物質のための少なくとも１つの貯蔵容器（３，４）と、− 該貯蔵容器（３，４）に送入される作動媒体を用いて貯蔵容器（３，４）内の反応物質を圧力負荷するための少なくとも１つのコンプレッサ（７）と、− 反応物質が供給管路（５）を介して供給される少なくとも１つのガス発生ユニット（２）と、− 前記供給管路（５）において、前記貯蔵容器（３，４）と前記ガス発生ユニット（２）との間に配置された少なくとも１つの調量エレメント（１４）とを有している形式のものにおいて、コンプレッサ（７）の下流に、少なくとも１つの蓄圧器（１３）が作動媒体のために接続されており、前記蓄圧器（１３）が十分な圧力下にあれば、コンプレッサ（７）を遮断していても、貯蔵容器（３，４）内の反応物質を、作動媒体を介して圧力負荷することが可能であることを特徴とする、ガス発生システム。
【請求項４】 ノズル（１４）が調量エレメントとして働いている、請求項３記載のガス発生システム。
【請求項５】 ノズル（１４）が実質的に定常的な特性曲線を有しているので、通過する体積流量が、少なくとも所定の圧力領域において、実質的に一定である、請求項４記載のガス発生システム。
【請求項６】 １つのコンプレッサ（６，７）が複数の貯蔵容器（３，４）のために設けられており、複数の貯蔵容器（３，４）が、コンプレッサ（６，７）によって送入される作動媒体により圧力負荷される、請求項１から５までのいずれか１項記載のガス発生システム。
【請求項７】 貯蔵容器（３，４）内に、可動な隔離手段、特に転動形ダイヤフラム（８）が、作動媒体と反応物質とを隔離するために配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のガス発生システム。
【請求項８】 少なくとも１つの逆止弁（１０）が、コンプレッサ（６，７）と貯蔵容器（３，４）との間に設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載のガス発生システム。
【請求項９】 少なくとも１つの別の供給管路（１２）が、作動媒体のために、コンプレッサ（７）からガス発生ユニット（２）に向かって設けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載のガス発生システム。
【請求項１０】 ガスが作動媒体として用いられている、請求項１から９までのいずれか１項記載のガス発生システム。
【請求項１１】 不活性ガス、特に窒素が作動媒体として用いられている、請求項１０記載のガス発生システム。
【請求項１２】 空気が作動媒体として用いられている、請求項１０記載のガス発生システム。
【請求項１３】 請求項１から１２までのいずれか１項記載のガス発生システムを運転するための方法において、貯蔵容器（３，４）の圧力負荷を、該貯蔵容器（３，４）の下流に接続されたシステムの圧力レベルに貯蔵容器（３，４）を維持するように、制御することを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項記載のガス発生システムを運転するための方法。
【請求項１４】 反応物質の圧力負荷のために、燃料電池のカソード（酸化極）に空気を供給する送入圧を使用する、燃料電池システムの枠内でガス発生システムを運転するための請求項１３記載の方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガス発生システムであって、ガス発生に関与する反応物質のための少なくとも１つの貯蔵容器と、該貯蔵容器に送入される作動媒体を用いて貯蔵容器内の反応物質を圧力負荷するための少なくとも１つのコンプレッサと、反応物質が供給管路を介して供給される少なくとも１つのガス発生ユニットと、前記供給管路において、前記貯蔵容器と前記ガス発生ユニットとの間に配置された少なくとも１つの調量エレメントとを有している形式のものに関する。さらに、本発明は、このような形式のガス発生システムを運転するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】このような形式のガス発生システムは、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９０９１４５号明細書により公知である。この明細書には、低圧システムのために構成されたガス発生システムの反応物質を圧力負荷するための装置が記載されている。この明細書では、反応物質はそれぞれ、ガス発生ユニットに供給される前に、貯蔵容器に蓄えられる。管路システムを介して貯蔵容器に接続されているポンプにより、貯蔵容器内に蓄えられた反応物質は圧力負荷される。このために、ポンプは作動媒体を貯蔵容器に送入する。この圧力負荷により、反応物質はガス発生ユニットに送入される。反応物質の調量は、貯蔵容器とガス発生ユニットとの間の供給管路に配置されている調量弁を介して行われる。
【０００３】
【特許文献１】ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９０９１４５号明細書【０００４】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の課題は、冒頭で述べた形式のガス発生システムを改良して、システム圧が１０バールよりも高い高圧システムの枠内における使用にも適しているガス発生システムを提供することである。
【０００５】さらに、本発明の別の課題は、このようなガス発生システムを運転するための方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するために本発明のガス発生システムの構成では、反応物質が、調量エレメントにより付加的に圧力負荷されるようにした。
【０００７】さらに、上記課題を解決するために本発明の方法では、貯蔵容器の圧力負荷を、該貯蔵容器の下流に接続されたシステムの圧力レベルに貯蔵容器を維持するように、制御するようにした。
【０００８】
【発明の効果】本発明によるガス発生システムは、調量エレメント、有利には調量ポンプを有しており、この調量エレメントにより反応物質が付加的に圧力負荷される。
【０００９】例えば、水素分子乖離膜（Ｈ２−Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎｓ−ｍｅｍｂｒａｎｅ）が使用されている燃料電池では、システム圧は通常１０バールを超えている。システム圧に対して十分な圧力勾配が存在する場合にのみ、反応物質は、そのような燃料電池システムのガス発生ユニットに送入される得る。そこで本発明により、相応の圧力勾配を、貯蔵容器の圧力負荷と該貯蔵容器の下流に接続されている調量ポンプとにより形成することを提案する。この関連において、貯蔵容器の圧力負荷を、該貯蔵容器内にシステム圧が支配するように制御することが有利なのは明らかである。そうすることで、反応物質を送入するのに必要な圧力勾配は、つまり極めて簡単に、圧力ストローク（Ｄｒｕｃｋｈｕｂ）が最大で１０バールである標準ポンプにより形成される。この場合、反応物質の調量に必要なエネルギー消費は、比較的少ない。
【００１０】コンプレッサの運転は一般に、使用者にとって不快な騒音発生に結び付く。本発明によるガス発生システムの有利な変化例において、コンプレッサの継続運転を省くために、コンプレッサの下流には、少なくとも１つの蓄圧器が作動媒体のために接続されている。このような形式で、蓄圧器が十分な圧力下にあれば、コンプレッサを遮断していても、貯蔵容器は圧力負荷される。この場合、蓄圧器内の圧力が所定の最低圧力、すなわちシステム圧より低圧であるべきではない最低圧力以下に低下したときにのみ、コンプレッサは接続される。蓄圧器内において所定の最高圧力に達すると、コンプレッサの遮断が行われる。貯蔵容器の下流に、調量ポンプが反応物質のために接続されていることで、蓄圧器により生ぜしめられた圧力変動は、調量ポンプを相応に制御することにより補償され得る。しかし、反応物質の調量は、貯蔵容器の下流に接続されたノズルにより行われても良い。この関連においては、少なくとも蓄圧器の圧力領域で実質的に定常的な特性曲線を有するノズルが特に適しているのが分かっており、それ故、通過する体積流量は、少なくともこの圧力領域において実質的に一定である。
【００１１】先述の通り、本発明によるガス発生システムはまた、複数の貯蔵容器をガス発生に関与する種々異なる反応物質のために有することもできる。廉価であることで有利な変化例では、１つのコンプレッサが複数の貯蔵容器を圧力負荷する働きをしている。複数の貯蔵容器を種々異なる圧力レベルに維持しなければならない場合は常に、複数のコンプレッサを使用することが推奨される。
【００１２】作動媒体と反応物質との混合を避けるために、つまり貯蔵容器内における作動媒体と反応物質との隔離を保証するために、本発明によるガス発生システムの有利な変化例では、可動な隔離手段、特に転動形ダイヤフラムが貯蔵容器内に配置されている。
【００１３】作動媒体の送入路に、すなわち本発明によるガス発生システムのコンプレッサと貯蔵容器との間に配置されている逆止弁により、ひとたび貯蔵容器内に形成された圧力は、簡単な形式で維持され得る。逆止弁が有利には非常逃し弁として構成されていて、そのために圧力は、少なくとも非常時において貯蔵容器から放出され得る。
【００１４】本発明によるガス発生システムの特に有利な変化例では、ガス発生に関与する反応物質が、作動媒体として、つまり貯蔵容器を圧力負荷するために使用される。この場合、ガス発生システムは、作動媒体のためにコンプレッサからガス発生ユニットに延びる少なくとも１つの別の供給管路を有している。
【００１５】貯蔵容器の圧力負荷は、有利には、ガス状の作動媒体により行われる。例えば窒素のような不活性ガスは、貯蔵容器内の反応物質と反応しないので、作動媒体として良好に適している。
【００１６】本発明によるガス発生システムが燃料電池システムの枠内において使用される場合には、空気も同様に反応物質としてガス発生に関与するので、作動媒体として空気を使用することは特に有利である。この場合、先述したように貯蔵容器の圧力負荷は、有利には、該貯蔵容器内に燃料電池システムのシステム圧が支配するように、制御される。このために、例えば燃料電池のカソード（酸化極）に空気を供給する送入圧が使用され得る。
【００１７】これまでの記載により明らかであるように、本発明の思想を有利な形式で形成および構成するのに、種々多様な可能性が存在する。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下に、図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。
【００１９】図示されているすべてのガス発生システムは、燃料電池１の上流に接続されていて、液状の炭化水素の触媒反応により水素の豊富なガスを発生させる働きをしている。炭化水素の触媒反応は、直列に接続された複数のステップ、すなわち本来の改質法および後続の段階的なシフト反応にしたがって行われ、改質法において、炭化水素は、熱力学的な平衡に応じてＨ２とＣＯとＣＯ２とに分解され、さらにシフト反応において、ＣＯはＨ２Ｏと共に、触媒反応によりＣＯ２とＨ２とに変性する。このことは、本発明によるガス発生システムの基礎となる原理を実現するのに重要ではないので、図中においては、触媒反応のすべてのステップを、１つのガス発生ユニット２に統合してある。
【００２０】さらに、図示されているすべてのガス発生システムは、水のための貯蔵容器３と、液状の炭化水素ＣｎＨｍのための貯蔵容器４とを有している。水も液状の炭化水素も、反応物質としてガス発生に関与する。貯蔵容器３，４は、供給管路５を介してガス発生ユニット２に連通されている。
【００２１】さらに、図示されている３つのすべての実施例では、コンプレッサ６（図１）もしくはコンプレッサ７（図２および図３ａ）が設けられており、コンプレッサ６もしくは７により、貯蔵容器３，４、もしくは該貯蔵容器３，４内の反応物質は圧力負荷される。このために、図示されている３つのすべての場合では、コンプレッサ６もしくは７は、空気をガス状の作動媒体として貯蔵容器３，４に送入する。
【００２２】図１に示した実施例において、燃料電池１のカソード（酸化極）に空気を供給する送入圧は、貯蔵容器３，４の圧力負荷のために使用されるので、これらの貯蔵容器３，４内には自動的に燃料電池１のシステム圧が生じる。これに対して、図２および図３ａに示したコンプレッサ７は、燃料電池１とは独立的なコンプレッサであり、このコンプレッサ７は、貯蔵容器３，４内の圧力を調節するために制御装置を必要とする。
【００２３】図示した３つのすべての実施例において、貯蔵容器３，４内には、可動な隔離手段が転動形ダイヤフラム（Ｒｏｌｌｍｅｍｂｒａｎ）８の形式で、ガスバイパスを阻止して液状の反応物質Ｈ２ＯおよびＣｎＨｍが作動媒体（空気）により濃化されることを防ぐために配置されている。その他に、コンプレッサ６もしくは７と貯蔵容器３，４との間に設けられた、作動媒体のための送入管路９には、逆止弁１０と非常逃し弁１５とが配置されている。通常運転時には、貯蔵容器３，４内の圧力は逆止弁１０により維持される。非常時には、圧力は非常逃し弁１５を介して放出される。
【００２４】貯蔵容器３，４内に一時的に蓄えられた反応物質の調量はそれぞれ、各貯蔵容器３もしくは４とガス発生ユニット２との間に設けられた各供給管路５に配置されている調量エレメントを介して行われる。本発明のガス発生システムの、図１および図２に示した変化例の場合、調量ポンプ１１が調量エレメントとして働いており、この調量ポンプ１１により、反応物質は付加的に圧力負荷される。調量ポンプの上流には、それぞれ１つの遮断弁１６が接続されている。
【００２５】貯蔵容器３，４内を、該貯蔵容器の下流に接続されている燃料電池内と同じ圧力が支配している場合、システム圧に補償された抽出調量（Ｅｄｕｋｔｄｏｓｉｅｒｕｎｇ）と呼ばれる。この場合、調量ポンプ１１は、高圧システムにおいても、システムの個々の構成部分の流体抵抗さえ克服すればよく、これらの構成部分は、流体技術上の理由から極めて小さな流体抵抗に構成されているこのような形式のガス発生システムが起動されると、貯蔵容器３，４は、コンプレッサ６もしくは７により負荷される。システム内に圧力がまだ形成されていない間は、調量ポンプ１１は、貯蔵容器３，４の圧力負荷なしにも作動することができる。それ以外の場合では、反応物質の調量はシステム圧に抗して行われる。貯蔵容器３，４内の圧力が、送入路に位置している逆止弁１０により維持されている間は、この圧力は燃料電池１の起動過程に使用されてもよい。調量ポンプ１１の形式およびその制御次第で、定常的にも変動的にも抽出調量を実現することが可能である。
【００２６】図２に示したガス発生システムには、別の供給管路１２が設けられており、この供給管路１２を介してガス発生ユニット２に、コンプレッサ７により送入される作動媒体（空気）が、ガス発生の別の反応物質として供給される。
【００２７】本発明によるガス発生システムの図３に示した変化例は、特に定常的な使用に適している。本例では、コンプレッサ７の下流に蓄圧器１３が作動媒体（空気）のために接続されているので、貯蔵容器内の反応物質は、コンプレッサ７の遮断時においても、蓄圧器１３が十分な圧力下にある場合には、作動媒体を介して圧力負荷され得る。本例では、コンプレッサ７は常に、蓄圧器１３内の圧力が所定の最低圧力、すなわちシステム圧より低圧であるべきではない最低圧力以下に低下した時にのみ接続される。蓄圧器１３内の圧力が、所定の最高圧力に達するとすぐに、コンプレッサ７は再び遮断される。
【００２８】ここで示した実施例において、反応物質の調量は、供給管路５に配置されているノズル１４を介して行われ、この場合、蓄圧器１３内の最高圧力と最低圧力との間の圧力差が利用される。加えて、ノズル１４は比較的小さな流量に設計されているので、最高圧力と最低圧力との間の、ここで重要な圧力領域における圧力変化は、ノズル流量に影響を及ぼさない。ノズル特性曲線は、この圧力領域において、ほぼ定常的であって、このことは図３ｂに示されている。
【００２９】
【外１】
【００３０】このような形式のノズル構造は、燃料と水と空気とに等しく作用するので、いずれにせよ個々の反応物質を調量する際に生じる誤差が減少することが予測され得る。そもそも、ここで重要な圧力領域における圧力変化は、ノズル流量にあまり影響を及ぼさないので、蓄圧器１３は間欠的にも充填され得る。またノズル１４の上流には、それぞれ１つの遮断弁１６が接続されている。
【００３１】この場でもう一度明示しておくが、反応物質の調量は、貯蔵容器を圧力負荷するために蓄圧器を使用する場合においても、必ずしも前述したようなノズルを利用して行う必要はなく、例えば調量ポンプを用いて行うことも可能である。
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| 【出願人】 |
【識別番号】３９９００８９９９
【氏名又は名称】ダイムラークライスラー アクチエンゲゼルシャフト
【氏名又は名称原語表記】ＤａｉｍｌｅｒＣｈｒｙｓｌｅｒ ＡＧ
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| 【出願日】 |
平成１４年１０月２５日（２００２．１０．２５） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６１８１５
【弁理士】
【氏名又は名称】矢野 敏雄 （外４名）
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| 【公開番号】 |
特開２００３−２０５２３４（Ｐ２００３−２０５２３４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１５年７月２２日（２００３．７．２２） |
| 【出願番号】 |
特願２００２−３１１００９（Ｐ２００２−３１１００９） |
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