JP2002158026A - 燃料電池システムの作動のための駆動システム及び方法 - Google Patents
燃料電池システムの作動のための駆動システム及び方法Info
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 牽引バッテリー又は補助送風機を使用するこ
となく、燃料電池システムを始動するため十分な空気を
供給する。 【解決手段】 自動車の燃料電池システム２２の作動の
ため圧縮空気を吐出するように設計されたコンプレッサ
１０のための駆動システムは、燃料電池システム２２か
らの電気エネルギーを作動中に供給されることができ、
燃料電池システム２２の始動のためコンプレッサ１０を
駆動する電動モータ１２が、低電圧バッテリーからの電
気エネルギーで駆動され、該電動モータ１２は、低電圧
バッテリーの出力電圧よりもかなり高い作動電圧で作動
されることができることを特徴とする。エキスパンダー
９０が、カソード排気ガス９８のエネルギーを用いてコ
ンプレッサ１０を駆動するため該コンプレッサ１０に接
続することができる。水素の再循環ポンプ１１０も使用
することができる。燃料電池システムを作動する方法も
示される。
となく、燃料電池システムを始動するため十分な空気を
供給する。 【解決手段】 自動車の燃料電池システム２２の作動の
ため圧縮空気を吐出するように設計されたコンプレッサ
１０のための駆動システムは、燃料電池システム２２か
らの電気エネルギーを作動中に供給されることができ、
燃料電池システム２２の始動のためコンプレッサ１０を
駆動する電動モータ１２が、低電圧バッテリーからの電
気エネルギーで駆動され、該電動モータ１２は、低電圧
バッテリーの出力電圧よりもかなり高い作動電圧で作動
されることができることを特徴とする。エキスパンダー
９０が、カソード排気ガス９８のエネルギーを用いてコ
ンプレッサ１０を駆動するため該コンプレッサ１０に接
続することができる。水素の再循環ポンプ１１０も使用
することができる。燃料電池システムを作動する方法も
示される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車内の燃料電
池システムの作動のため圧縮空気を吐出するように設計
されたコンプレッサ用の駆動システムに係り、該駆動シ
ステムは、作動中に燃料電池システムから電気エネルギ
ーを供給され得る電動モータを含み、更には、本発明
は、電気エネルギーにより駆動される装置及び燃料電池
システムの作動のための方法に関する。
池システムの作動のため圧縮空気を吐出するように設計
されたコンプレッサ用の駆動システムに係り、該駆動シ
ステムは、作動中に燃料電池システムから電気エネルギ
ーを供給され得る電動モータを含み、更には、本発明
は、電気エネルギーにより駆動される装置及び燃料電池
システムの作動のための方法に関する。
【０００２】
【従来技術】上記駆動システムを備える燃料電池システ
ムは、とりわけ、燃料電池により配給される電気エネル
ギーが、適切な調整後に自動車の推進用のため役立つ１
つ又はそれ以上の駆動モータに印加されるところの、自
動車用のパワー設備として意図されている。しかし、燃
料電池システムの出力パワーの一部分は、コンプレッサ
を駆動するため必要とされる電動モータにも作動中に印
加される。
ムは、とりわけ、燃料電池により配給される電気エネル
ギーが、適切な調整後に自動車の推進用のため役立つ１
つ又はそれ以上の駆動モータに印加されるところの、自
動車用のパワー設備として意図されている。しかし、燃
料電池システムの出力パワーの一部分は、コンプレッサ
を駆動するため必要とされる電動モータにも作動中に印
加される。
【０００３】実際に、燃料電池システムの始動に伴って
問題が生じる。１つの既知の解答は、例えば２８８Ｖの
動作電圧の牽引バッテリーの使用を提供する。この牽引
バッテリーは、原理上、３つの異なるタスクを持ってい
る。
問題が生じる。１つの既知の解答は、例えば２８８Ｖの
動作電圧の牽引バッテリーの使用を提供する。この牽引
バッテリーは、原理上、３つの異なるタスクを持ってい
る。
【０００４】一方では、牽引バッテリーは、燃料電池シ
ステムに圧縮空気を供給してパワーが生成されるように
主要コンプレッサを駆動するため使用され、次に、該パ
ワーは、コンプレッサを駆動する電動モータ用の電源と
して牽引バッテリーを代用する。
ステムに圧縮空気を供給してパワーが生成されるように
主要コンプレッサを駆動するため使用され、次に、該パ
ワーは、コンプレッサを駆動する電動モータ用の電源と
して牽引バッテリーを代用する。
【０００５】牽引バッテリーの第２のタスクは、車両を
推進する１つ又はそれ以上の電動モータを動的に援助す
ることである。例えば、大きな加速度の間、即ち、速度
上昇において、牽引バッテリーの性能は、燃料電池シス
テムの電気出力パワーを増補する。
推進する１つ又はそれ以上の電動モータを動的に援助す
ることである。例えば、大きな加速度の間、即ち、速度
上昇において、牽引バッテリーの性能は、燃料電池シス
テムの電気出力パワーを増補する。
【０００６】第３のタスクは、実際に、牽引バッテリー
を、例えば再生成ブレーキ工程を実現するため使用でき
るということにある。即ち、車両の速度減少の間、与え
られた運動エネルギーは部分的に電気エネルギーに転換
され、牽引バッテリー内に蓄えておくことができる。
を、例えば再生成ブレーキ工程を実現するため使用でき
るということにある。即ち、車両の速度減少の間、与え
られた運動エネルギーは部分的に電気エネルギーに転換
され、牽引バッテリー内に蓄えておくことができる。
【０００７】牽引バッテリーを、これらの異なる目的の
ため役立たせることができるが、それは高価で重い構成
部品に相当しており、牽引バッテリー無しで済ませたく
なるものである。しかし、牽引バッテリー無しで済ませ
る場合、燃料電池システムの始動のために、もはやそれ
を用いることができなくなる。
ため役立たせることができるが、それは高価で重い構成
部品に相当しており、牽引バッテリー無しで済ませたく
なるものである。しかし、牽引バッテリー無しで済ませ
る場合、燃料電池システムの始動のために、もはやそれ
を用いることができなくなる。
【０００８】燃料電池システムを始動させるために、空
気が必要とされる。しかし、空気コンプレッサは、燃料
電池電圧により駆動されており、燃料電池は、まだ利用
可能ではない。牽引バッテリーを欠いている状態におい
て、１２Ｖの補助送風機、即ち、いわゆる始動送風機の
手段により十分な空気を燃料電池システムに供給し、そ
れにより燃料電池システムによるパワー生成がシステム
を作動状態に維持するのに十分となるまで、該パワーの
生成を始動させ、システムを次第に駆動させていくこと
が既に提案されている。
気が必要とされる。しかし、空気コンプレッサは、燃料
電池電圧により駆動されており、燃料電池は、まだ利用
可能ではない。牽引バッテリーを欠いている状態におい
て、１２Ｖの補助送風機、即ち、いわゆる始動送風機の
手段により十分な空気を燃料電池システムに供給し、そ
れにより燃料電池システムによるパワー生成がシステム
を作動状態に維持するのに十分となるまで、該パワーの
生成を始動させ、システムを次第に駆動させていくこと
が既に提案されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】牽引バッテリー及び補
助送風機のいずれを用いて作動させるかに拘わり無く、
多数の構成部品、例えば送風機、バルブ、配管、２８８
Ｖバッテリーなどが必要となり、システムを複雑にし、
より高価にさせている。従って、これら無しで済ませる
ことが好ましいであろう。
助送風機のいずれを用いて作動させるかに拘わり無く、
多数の構成部品、例えば送風機、バルブ、配管、２８８
Ｖバッテリーなどが必要となり、システムを複雑にし、
より高価にさせている。従って、これら無しで済ませる
ことが好ましいであろう。
【００１０】本発明の目的は、牽引バッテリー又は補助
送風機を使用することなく、燃料電池システムのため利
用可能な十分な空気を供給して該燃料電池システムを始
動し運転することである。
送風機を使用することなく、燃料電池システムのため利
用可能な十分な空気を供給して該燃料電池システムを始
動し運転することである。
【００１１】本発明の更なる目的は、燃料電池システム
の始動作動時に電気エネルギーを装置に供給するため、
好ましい価格で実現され高い信頼度で作動することがで
きる一般コンセプトを提供することである。
の始動作動時に電気エネルギーを装置に供給するため、
好ましい価格で実現され高い信頼度で作動することがで
きる一般コンセプトを提供することである。
【００１２】更には、本発明は、燃料電池システムの作
動のため、即ち、燃料電池システムの作動を始動するた
めの新しい方法を提供することに関する。
動のため、即ち、燃料電池システムの作動を始動するた
めの新しい方法を提供することに関する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的を満足させるた
め、本発明の第１の態様によれば、燃料電池の始動のた
め、コンプレッサを駆動する電動モータが、低電圧バッ
テリーからの電気エネルギーで駆動することができ、該
電動モータは、低電圧バッテリーの出力電圧よりかなり
高い作動電圧で作動することができる提供がなされる。
め、本発明の第１の態様によれば、燃料電池の始動のた
め、コンプレッサを駆動する電動モータが、低電圧バッ
テリーからの電気エネルギーで駆動することができ、該
電動モータは、低電圧バッテリーの出力電圧よりかなり
高い作動電圧で作動することができる提供がなされる。
【００１４】換言すれば、本発明によれば、低電圧バッ
テリーの出力電圧及びコンプレッサを駆動させる電動モ
ータの作動電圧の間に電圧差が少なくないにも拘わら
ず、少なくとも低速回転において電動モータ（及びかく
してコンプレッサも）を駆動し、燃料電池システムを始
動するため、即ち、それを作動状態に置くため適切な空
気の流れを生成することを可能にすることが理解され
た。
テリーの出力電圧及びコンプレッサを駆動させる電動モ
ータの作動電圧の間に電圧差が少なくないにも拘わら
ず、少なくとも低速回転において電動モータ（及びかく
してコンプレッサも）を駆動し、燃料電池システムを始
動するため、即ち、それを作動状態に置くため適切な空
気の流れを生成することを可能にすることが理解され
た。
【００１５】このようにして、高価で重量のある牽引バ
ッテリーを省略することが直ちに可能となる。いずれに
しても、低電圧バッテリーは、自動車に搭載された慣例
電子機器類を、自動車の作動中に、パワー供給するため
燃料電池システムに設けられる。しかし、このバッテリ
ーは、慣例のパワー設備を備えた自動車にあるものより
もより小さくすることができる。高いスターターモータ
の電流を供給する必要が無いからである。この低電圧バ
ッテリーは、燃料電池システムの始動のためコスト的に
好ましい態様で使用することができる。
ッテリーを省略することが直ちに可能となる。いずれに
しても、低電圧バッテリーは、自動車に搭載された慣例
電子機器類を、自動車の作動中に、パワー供給するため
燃料電池システムに設けられる。しかし、このバッテリ
ーは、慣例のパワー設備を備えた自動車にあるものより
もより小さくすることができる。高いスターターモータ
の電流を供給する必要が無いからである。この低電圧バ
ッテリーは、燃料電池システムの始動のためコスト的に
好ましい態様で使用することができる。
【００１６】この接続では、コンプレッサが可変速度コ
ンプレッサであり、制限装置が燃料電池システムの空気
出口側に設けられるのが特に好ましく、該制限装置は、
該燃料電池システムの運転作動中に制限効果を与える
が、システムの始動に対しては、制限効果を全く実行し
ないか、或いは、比較的小さい制限効果のみしか与えな
い。
ンプレッサであり、制限装置が燃料電池システムの空気
出口側に設けられるのが特に好ましく、該制限装置は、
該燃料電池システムの運転作動中に制限効果を与える
が、システムの始動に対しては、制限効果を全く実行し
ないか、或いは、比較的小さい制限効果のみしか与えな
い。
【００１７】本発明によれば、出口側で背圧が小さい状
態に保たれるとき、可変速度コンプレッサを用いて比較
的高い空気スループットを達成することができることが
理解された。従って、燃料電池システムを作動状態に置
くため、比較的小さいパワーを用いてさえ適切な空気の
流れを達成することができる。
態に保たれるとき、可変速度コンプレッサを用いて比較
的高い空気スループットを達成することができることが
理解された。従って、燃料電池システムを作動状態に置
くため、比較的小さいパワーを用いてさえ適切な空気の
流れを達成することができる。
【００１８】本発明の好ましい実施形態によれば、作動
電圧を担うターミナル即ち燃料電池システムの出力ター
ミナルと、低電圧バッテリーの出力ターミナルとの間に
スイッチ装置が配置され、作動電圧及び低電圧のいずれ
かを、電動モータ又は該電動モータの前部に接続された
供給モジュールに選択的に接続する。
電圧を担うターミナル即ち燃料電池システムの出力ター
ミナルと、低電圧バッテリーの出力ターミナルとの間に
スイッチ装置が配置され、作動電圧及び低電圧のいずれ
かを、電動モータ又は該電動モータの前部に接続された
供給モジュールに選択的に接続する。
【００１９】このスイッチ装置は、好ましくは、作動電
圧を担うターミナルと、低電圧バッテリーの出力ターミ
ナルとの間で電池選別をなすように設計されるべきであ
る。この態様では、低電圧バッテリーが事実上より高い
作動電圧で負荷されることを防止することが可能とな
る。また、このようにして、明らかな連合性が、夫々の
電源と電動モータとの間で提供される。このスイッチ装
置は、例えば、接触器として形成することができ、これ
によって、該スイッチ装置は、自動車の作動寿命の間に
多数のスイッチプロセスを高信頼度で実行することがで
きる。その上、接触器は、燃料電池システムの始動に対
して、本発明による低電圧バッテリーを使用する上で好
ましい価格上の解答を表している。
圧を担うターミナルと、低電圧バッテリーの出力ターミ
ナルとの間で電池選別をなすように設計されるべきであ
る。この態様では、低電圧バッテリーが事実上より高い
作動電圧で負荷されることを防止することが可能とな
る。また、このようにして、明らかな連合性が、夫々の
電源と電動モータとの間で提供される。このスイッチ装
置は、例えば、接触器として形成することができ、これ
によって、該スイッチ装置は、自動車の作動寿命の間に
多数のスイッチプロセスを高信頼度で実行することがで
きる。その上、接触器は、燃料電池システムの始動に対
して、本発明による低電圧バッテリーを使用する上で好
ましい価格上の解答を表している。
【００２０】本発明の更なる実施形態は、電圧コンバー
タの提供にあり、これは、少なくとも電動モータの作動
電圧にほぼ一致する電圧レベルにまで低電圧バッテリー
の出力電圧をもってくる。この目的のため、電圧コンバ
ータは、例えば１２Ｖの低電圧バッテリーの電位を、約
２８８Ｖにまで高電圧変換するのに十分な、より低パワ
ーのＤＣ−ＤＣコンバータとすることができる。必要と
される出力パワーは、２００Ｗ付近にあり（比較する
と、電動モータの最大出力パワーは約７ｋＷである）、
その結果、低電圧バッテリーの対応する電流は、２０ア
ンペアより小さくなり、そこから、ＤＣ−ＤＣコンバー
タ及び低電圧バッテリーの両方が、本発明を実現すると
いう目的のためコスト的に好ましい態様で設計可能とな
ることが理解できる。
タの提供にあり、これは、少なくとも電動モータの作動
電圧にほぼ一致する電圧レベルにまで低電圧バッテリー
の出力電圧をもってくる。この目的のため、電圧コンバ
ータは、例えば１２Ｖの低電圧バッテリーの電位を、約
２８８Ｖにまで高電圧変換するのに十分な、より低パワ
ーのＤＣ−ＤＣコンバータとすることができる。必要と
される出力パワーは、２００Ｗ付近にあり（比較する
と、電動モータの最大出力パワーは約７ｋＷである）、
その結果、低電圧バッテリーの対応する電流は、２０ア
ンペアより小さくなり、そこから、ＤＣ−ＤＣコンバー
タ及び低電圧バッテリーの両方が、本発明を実現すると
いう目的のためコスト的に好ましい態様で設計可能とな
ることが理解できる。
【００２１】電動モータがその前部に接続されたインバ
ータの形態にある供給モジュールを備えたＡＣモータで
あること、電圧コンバータがＤＣ−ＤＣコンバータであ
ること、並びに、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力及び燃料
電池から配給された作動電圧の両方がインバータの入力
部に供給することができることが特に好ましい。
ータの形態にある供給モジュールを備えたＡＣモータで
あること、電圧コンバータがＤＣ−ＤＣコンバータであ
ること、並びに、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力及び燃料
電池から配給された作動電圧の両方がインバータの入力
部に供給することができることが特に好ましい。
【００２２】一方では、ＡＣモータは、コンプレッサの
作動のための好ましい価格設定のモータを意味してお
り、パワーインバータ（所謂ＰＩＭパワーインバータモ
ジュール）から容易に制御することができる。他方で
は、この解答は、ＤＣ−ＤＣコンバータのオンオフを切
り替えるため特別の手段が必要とされないように、ＤＣ
−ＤＣコンバータの出力部を、作動電圧を担うターミナ
ルに永久的に接続する可能性を提供する。それは、電気
システムがオンにスイッチされ、且つ、この作動電圧が
ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧より低いときにだけ作
動するからである。かくして、特別に高価な技術的な回
路手段が、本実施形態を実現する上で必要とされない。
作動のための好ましい価格設定のモータを意味してお
り、パワーインバータ（所謂ＰＩＭパワーインバータモ
ジュール）から容易に制御することができる。他方で
は、この解答は、ＤＣ−ＤＣコンバータのオンオフを切
り替えるため特別の手段が必要とされないように、ＤＣ
−ＤＣコンバータの出力部を、作動電圧を担うターミナ
ルに永久的に接続する可能性を提供する。それは、電気
システムがオンにスイッチされ、且つ、この作動電圧が
ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧より低いときにだけ作
動するからである。かくして、特別に高価な技術的な回
路手段が、本実施形態を実現する上で必要とされない。
【００２３】しかし、電動モータをＡＣモータとして実
現することは必須ではない。適切な制御即ち適切な供給
モジュールを備えたＤＣモータも考えることができる。
燃料電池システムの出力電圧即ち作動電圧のための典型
的な値は、１００Ｖ乃至５００Ｖの範囲にある。これに
対し、通常使用される低電圧バッテリーの出力電圧は、
１２Ｖ乃至４８Ｖの範囲にあり、好ましくは、１２Ｖ又
は２４Ｖのいずれかとなる。
現することは必須ではない。適切な制御即ち適切な供給
モジュールを備えたＤＣモータも考えることができる。
燃料電池システムの出力電圧即ち作動電圧のための典型
的な値は、１００Ｖ乃至５００Ｖの範囲にある。これに
対し、通常使用される低電圧バッテリーの出力電圧は、
１２Ｖ乃至４８Ｖの範囲にあり、好ましくは、１２Ｖ又
は２４Ｖのいずれかとなる。
【００２４】既に言及したように、自動車は、好ましく
は、牽引バッテリーが与えられない態様で本発明の駆動
システムを利用すると考えられる。コンプレッサは、例
えば、所謂スクリューコンプレッサ（screw compresso
r）である。この種のコンプレッサは、背圧の無い低負
荷の場合に作動するため利用することができる主要なコ
ンプレッサを表している。
は、牽引バッテリーが与えられない態様で本発明の駆動
システムを利用すると考えられる。コンプレッサは、例
えば、所謂スクリューコンプレッサ（screw compresso
r）である。この種のコンプレッサは、背圧の無い低負
荷の場合に作動するため利用することができる主要なコ
ンプレッサを表している。
【００２５】対応する動作を行う他の型式のコンプレッ
サも利用することができる。 本発明の更なる態様によ
れば、電気エネルギーにより駆動される装置は、燃料電
池システムの作動のため設けられ、該燃料電池システム
から電気エネルギーを作動中に該装置に供給することが
できる。この装置は、燃料電池システムの始動に対して
低電圧バッテリーからの電気エネルギーで駆動されると
共に、低電圧バッテリーの出力電圧よりかなり高い作動
電圧で作動することができることを特徴とする。
サも利用することができる。 本発明の更なる態様によ
れば、電気エネルギーにより駆動される装置は、燃料電
池システムの作動のため設けられ、該燃料電池システム
から電気エネルギーを作動中に該装置に供給することが
できる。この装置は、燃料電池システムの始動に対して
低電圧バッテリーからの電気エネルギーで駆動されると
共に、低電圧バッテリーの出力電圧よりかなり高い作動
電圧で作動することができることを特徴とする。
【００２６】かくして、本発明によれば、燃料電池シス
テムの始動の間に、低電圧バッテリーからのエネルギー
を使用して、通常高電圧で作動される装置を駆動すると
いうコンセプトは他の装置にも拡張することができるこ
とが理解された。例えば、当該コンセプトは、水素再循
環ポンプの駆動にも拡張することができる。しかし、こ
のコンセプトは、他の電気作動型構成部品の作動に対し
ても利用することができる。そのような他の構成部品
は、例えば、フロストにより危険に曝されるバルブを予
備加熱するための加熱装置、又は、水蒸気を生成するた
め使用される加熱装置である。
テムの始動の間に、低電圧バッテリーからのエネルギー
を使用して、通常高電圧で作動される装置を駆動すると
いうコンセプトは他の装置にも拡張することができるこ
とが理解された。例えば、当該コンセプトは、水素再循
環ポンプの駆動にも拡張することができる。しかし、こ
のコンセプトは、他の電気作動型構成部品の作動に対し
ても利用することができる。そのような他の構成部品
は、例えば、フロストにより危険に曝されるバルブを予
備加熱するための加熱装置、又は、水蒸気を生成するた
め使用される加熱装置である。
【００２７】本発明の第３の態様によれば、燃料電池シ
ステムからの電気エネルギーが作動中に供給される少な
くとも１つの装置を使用して燃料電池システムを作動さ
せる方法は、当該装置が、低電圧バッテリーからの電気
エネルギーを用いて燃料電池システムの作動に対して駆
動されること、及び、燃料電池システムの始動及び該燃
料電池システムによる電気エネルギーの生成の後に、当
該装置が燃料電池システムから高電圧エネルギーを用い
て引き続き作動されることを特徴とする。
ステムからの電気エネルギーが作動中に供給される少な
くとも１つの装置を使用して燃料電池システムを作動さ
せる方法は、当該装置が、低電圧バッテリーからの電気
エネルギーを用いて燃料電池システムの作動に対して駆
動されること、及び、燃料電池システムの始動及び該燃
料電池システムによる電気エネルギーの生成の後に、当
該装置が燃料電池システムから高電圧エネルギーを用い
て引き続き作動されることを特徴とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を添付図面を参照して説明する。ここで、図１を参照す
ると、参照番号１０は、例えばＡＣモータの形態の電動
モータ１２により駆動することができる、コンプレッサ
を表している。モータ１２によるコンプレッサ１０の駆
動の間、空気は、空気入口１６を通して、矢印１４に従
ってコンプレッサにより吸引され、コンプレッサの空気
出口１８を介して、燃料電池システム２２のカソード側
における入口２０に、上昇した圧力で供給される。
を添付図面を参照して説明する。ここで、図１を参照す
ると、参照番号１０は、例えばＡＣモータの形態の電動
モータ１２により駆動することができる、コンプレッサ
を表している。モータ１２によるコンプレッサ１０の駆
動の間、空気は、空気入口１６を通して、矢印１４に従
ってコンプレッサにより吸引され、コンプレッサの空気
出口１８を介して、燃料電池システム２２のカソード側
における入口２０に、上昇した圧力で供給される。
【００２９】この例では、燃料電池システムは、互いに
平行及び／又は直列に接続された複数のＰＥＭ燃料電池
（陽子交換膜燃料電池）により形成される。即ち、これ
らの電池は、所謂「スタック」の形態で与えられる。水
素は、燃料電池システムのアノード側の入口２６を介し
て、矢印２４に従って、燃料電池システム２２に供給さ
れる。膜を通過した陽子は、電気エネルギーの生成と同
時に水を形成するため、カソード入口２０に供給された
大気中の酸素と燃料電池内で結合する。電気エネルギー
は、それ自体知られた態様で、図示しない電気ラインを
介して、２つのライン３０及び３２からなる高電圧バス
２８に送られる。
平行及び／又は直列に接続された複数のＰＥＭ燃料電池
（陽子交換膜燃料電池）により形成される。即ち、これ
らの電池は、所謂「スタック」の形態で与えられる。水
素は、燃料電池システムのアノード側の入口２６を介し
て、矢印２４に従って、燃料電池システム２２に供給さ
れる。膜を通過した陽子は、電気エネルギーの生成と同
時に水を形成するため、カソード入口２０に供給された
大気中の酸素と燃料電池内で結合する。電気エネルギー
は、それ自体知られた態様で、図示しない電気ラインを
介して、２つのライン３０及び３２からなる高電圧バス
２８に送られる。
【００３０】燃料電池システム２２のアノード側では、
過剰水素の形態でそこに存在するガス用の出口３４が設
けられ、該過剰水素を、例えば、再利用又は燃焼させる
ことができる。カソード側では、燃料電池システム２２
から、過剰の酸素、窒素及び水を漏出させる出口３６が
設けられており、水を分離し、コンプレッサ１８から出
た空気を加湿して燃料電池システム２０（図示せず）に
供給するためそれを使用することを可能としている。残
りの構成要素、即ち、過剰酸素、窒素及び非回復水は、
排気ガスとしてシステムから出る。
過剰水素の形態でそこに存在するガス用の出口３４が設
けられ、該過剰水素を、例えば、再利用又は燃焼させる
ことができる。カソード側では、燃料電池システム２２
から、過剰の酸素、窒素及び水を漏出させる出口３６が
設けられており、水を分離し、コンプレッサ１８から出
た空気を加湿して燃料電池システム２０（図示せず）に
供給するためそれを使用することを可能としている。残
りの構成要素、即ち、過剰酸素、窒素及び非回復水は、
排気ガスとしてシステムから出る。
【００３１】ここで与えられた燃料電池システムは、燃
料として水素を使用するが、燃料として炭化水素で作動
する他の燃料電池の型式も存在する。しかし、これらの
炭化水素は、最初、改質により処理され、様々なシフト
反応を経て実際の燃料電池のための水素の豊富な合成ガ
スへと転化させることが必要となる。
料として水素を使用するが、燃料として炭化水素で作動
する他の燃料電池の型式も存在する。しかし、これらの
炭化水素は、最初、改質により処理され、様々なシフト
反応を経て実際の燃料電池のための水素の豊富な合成ガ
スへと転化させることが必要となる。
【００３２】燃料電池に加えて、改質及びシフト反応を
実行する幾つかの装置は、空気を供給しなければなら
ず、その空気に対して、コンプレッサが同様に必要とさ
れる。メタノールが直接供給される燃料電池も知られて
いる。そのような燃料電池システムは、パワー生成反応
のため酸素を必要とし、コンプレッサから空気を供給し
なければならない。
実行する幾つかの装置は、空気を供給しなければなら
ず、その空気に対して、コンプレッサが同様に必要とさ
れる。メタノールが直接供給される燃料電池も知られて
いる。そのような燃料電池システムは、パワー生成反応
のため酸素を必要とし、コンプレッサから空気を供給し
なければならない。
【００３３】「燃料電池システム」という用語は、ここ
では包括用語として使用される。即ち、燃料電池システ
ム２２は、自動車の作動に適した任意形態を持ち得る。
いずれにしても、コンプレッサは、圧縮空気を供給する
ため使用されよう。
では包括用語として使用される。即ち、燃料電池システ
ム２２は、自動車の作動に適した任意形態を持ち得る。
いずれにしても、コンプレッサは、圧縮空気を供給する
ため使用されよう。
【００３４】参照番号３８は、ソレノイド４０により作
動することができる制限装置を指し、該制限装置は、燃
料電池システムの始動のための完全開放位置と、該シス
テムが開始された後の該燃料電池システムの連続的な作
動の間に選択される制限位置との間を実際に切り替える
ことができる。幾つかの情況下では、この装置は、小さ
い空気処理量では、燃料電池は、いずれにしても、空気
処理量がより大きくなるとき最初に増加する小さいな空
気抵抗を提供するだけであるので、必要でなくなる。制
限装置への代替として、排気ガスは、燃料電池の始動時
に、即ち、有意な抵抗が無い状態で、制御可能なブラン
チを介して、環境に直接差し向けることができる。この
ブランチは、作動状態を達成した後、より大きな抵抗が
存在している水回復用の通常の排気ガスシステムに排気
ガスを戻すために、最初にリセットする。
動することができる制限装置を指し、該制限装置は、燃
料電池システムの始動のための完全開放位置と、該シス
テムが開始された後の該燃料電池システムの連続的な作
動の間に選択される制限位置との間を実際に切り替える
ことができる。幾つかの情況下では、この装置は、小さ
い空気処理量では、燃料電池は、いずれにしても、空気
処理量がより大きくなるとき最初に増加する小さいな空
気抵抗を提供するだけであるので、必要でなくなる。制
限装置への代替として、排気ガスは、燃料電池の始動時
に、即ち、有意な抵抗が無い状態で、制御可能なブラン
チを介して、環境に直接差し向けることができる。この
ブランチは、作動状態を達成した後、より大きな抵抗が
存在している水回復用の通常の排気ガスシステムに排気
ガスを戻すために、最初にリセットする。
【００３５】連続的な作動中には、燃料電池システム２
２は、電気エネルギーを生成し、その結果、作動電圧
が、高電圧バス２８のライン３２及び３０のターミナル
４２及び４４で与えられる。この電圧は、ライン４８を
介して電動モータ１２を駆動する所謂ＰＩＭ（パワーイ
ンバータモジュール）４６の形態で、インバータにライ
ン３０、３２を介して供給される。制御を含むこの型式
の駆動は、それ自体知られているので、本文中ではこれ
以上詳しく説明しない。
２は、電気エネルギーを生成し、その結果、作動電圧
が、高電圧バス２８のライン３２及び３０のターミナル
４２及び４４で与えられる。この電圧は、ライン４８を
介して電動モータ１２を駆動する所謂ＰＩＭ（パワーイ
ンバータモジュール）４６の形態で、インバータにライ
ン３０、３２を介して供給される。制御を含むこの型式
の駆動は、それ自体知られているので、本文中ではこれ
以上詳しく説明しない。
【００３６】参照番号５０は、燃料電池システム２２の
始動の間に、電動モータ１２の駆動のための電気エネル
ギーをＤＣ−ＤＣコンバータ５２を介してインバータ４
６に供給する低電圧バッテリーを表している。換言する
と、低電圧バッテリー５０は、対応する自動車に搭載さ
れた電子機器のための低電圧バス５４に接続され、スイ
ッチ６１を閉じた後に、低電圧バス５４を介してＤＣ−
ＤＣコンバータ５２に対応する電力を配給する。ＤＣ−
ＤＣコンバータ５２の出力は、既に説明したようにイン
バータ４６に直接導く、高電圧バス２８のライン３０及
び３２に、ライン５６及び５８を介して、高電圧変換さ
れた電圧を供給する。
始動の間に、電動モータ１２の駆動のための電気エネル
ギーをＤＣ−ＤＣコンバータ５２を介してインバータ４
６に供給する低電圧バッテリーを表している。換言する
と、低電圧バッテリー５０は、対応する自動車に搭載さ
れた電子機器のための低電圧バス５４に接続され、スイ
ッチ６１を閉じた後に、低電圧バス５４を介してＤＣ−
ＤＣコンバータ５２に対応する電力を配給する。ＤＣ−
ＤＣコンバータ５２の出力は、既に説明したようにイン
バータ４６に直接導く、高電圧バス２８のライン３０及
び３２に、ライン５６及び５８を介して、高電圧変換さ
れた電圧を供給する。
【００３７】かくして、燃料電池システムの作動の始動
時に、スイッチ６１を閉じた後、低電圧バッテリー５０
からＤＣ−ＤＣコンバータ５２に電力が印加され、制限
装置３８がソレノイド４０を介して開放される。電圧コ
ンバータ５２に適用された電圧の変圧後、この高電圧変
換された電圧は、ライン３０、３２を介してインバータ
４６に印加される。次に、後者のインバータは、電動モ
ータ１２を駆動するため役立ち、該電動モータは、燃料
電池システムに空気を供給するコンプレッサ１０の駆動
のためその出力シャフト６０を介して役立つ。
時に、スイッチ６１を閉じた後、低電圧バッテリー５０
からＤＣ−ＤＣコンバータ５２に電力が印加され、制限
装置３８がソレノイド４０を介して開放される。電圧コ
ンバータ５２に適用された電圧の変圧後、この高電圧変
換された電圧は、ライン３０、３２を介してインバータ
４６に印加される。次に、後者のインバータは、電動モ
ータ１２を駆動するため役立ち、該電動モータは、燃料
電池システムに空気を供給するコンプレッサ１０の駆動
のためその出力シャフト６０を介して役立つ。
【００３８】図２は、図１に従って駆動システムをスイ
ッチ切り替えするための実現可能性を示し、これによっ
て、図２は、図１に示された構成部品に加えて、キース
イッチ６２、電子制御回路６４、並びに、ライン６６、
６８、７０、７２及び７４を含んでいる。
ッチ切り替えするための実現可能性を示し、これによっ
て、図２は、図１に示された構成部品に加えて、キース
イッチ６２、電子制御回路６４、並びに、ライン６６、
６８、７０、７２及び７４を含んでいる。
【００３９】ユーザが彼の車両に入ったとき、彼は、例
えば、低電圧バッテリーの出力電圧が低電圧バスを介し
てＤＣ−ＤＣコンバータ５２に印加されるように、制御
回路６４がライン７０を介してスイッチ６１を閉じさせ
るためキースイッチ６２を操作する。
えば、低電圧バッテリーの出力電圧が低電圧バスを介し
てＤＣ−ＤＣコンバータ５２に印加されるように、制御
回路６４がライン７０を介してスイッチ６１を閉じさせ
るためキースイッチ６２を操作する。
【００４０】これと同時に、ソレノイド４０は、制御ラ
イン７４を介して、例えば任意の所望のスライダーの形
態にある、制限装置３８を開放させる。制御信号は、制
御ライン７２を介してインバータ４６に送られ、該イン
バータがその作動を開始し、ライン４８を介して電動モ
ータ１２を駆動させる。電動モータ１２は、シャフト６
０を介してコンプレッサ１０を駆動させる。燃料電池シ
ステム２２のための空気供給部は、燃料電池システム２
２による所望の作動電圧の生成を短時間で導く。この作
動電圧は、高電圧バスのターミナル４２及び４４で利用
可能であり、インバータ４６のより高い出力電流を可能
にする。より高い出力電流によって、電動モータ１２の
出力パワーは、増加し、かくして、コンプレッサ１０の
速度が増加する。制限装置３８を閉じることができる。
今や燃料電池システムが通常の作動状態にある。
イン７４を介して、例えば任意の所望のスライダーの形
態にある、制限装置３８を開放させる。制御信号は、制
御ライン７２を介してインバータ４６に送られ、該イン
バータがその作動を開始し、ライン４８を介して電動モ
ータ１２を駆動させる。電動モータ１２は、シャフト６
０を介してコンプレッサ１０を駆動させる。燃料電池シ
ステム２２のための空気供給部は、燃料電池システム２
２による所望の作動電圧の生成を短時間で導く。この作
動電圧は、高電圧バスのターミナル４２及び４４で利用
可能であり、インバータ４６のより高い出力電流を可能
にする。より高い出力電流によって、電動モータ１２の
出力パワーは、増加し、かくして、コンプレッサ１０の
速度が増加する。制限装置３８を閉じることができる。
今や燃料電池システムが通常の作動状態にある。
【００４１】ＤＣ−ＤＣコンバータの出力ターミナルに
おける作動電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧に
等しいか、或いは、超えているので、該ＤＣ−ＤＣコン
バータは、もはや何の電流も生成せず、電動モータ１２
の供給は、燃料電池システム２２の高電圧バスを介して
十分に生じている。
おける作動電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧に
等しいか、或いは、超えているので、該ＤＣ−ＤＣコン
バータは、もはや何の電流も生成せず、電動モータ１２
の供給は、燃料電池システム２２の高電圧バスを介して
十分に生じている。
【００４２】図３は、低電圧バッテリーから電力を電動
モータ１２に供給する代替の方法を示している。図３に
示された構成部品は、広範囲に亘って、図１の実施形態
の構成部品に対応しており、同じ参照番号は同じ構成部
品を示すため使用される。図１及び２の実施形態に対し
て与えられた説明も、同じ参照番号が与えられた図３の
実施形態の構成部品に対し当てはめられる。接触器の形
態にあるスイッチ装置８０は、ＤＣ−ＤＣコンバータの
代わりに図３の実施形態で使用されており、該スイッチ
装置は、作動電圧を伝達する高電圧バス２８のターミナ
ル４２及び４４、又は、低電圧バッテリー５０の出力タ
ーミナルのいずれかにインバータ４６の入力ターミナル
８２及び８４を選択的に接続する。
モータ１２に供給する代替の方法を示している。図３に
示された構成部品は、広範囲に亘って、図１の実施形態
の構成部品に対応しており、同じ参照番号は同じ構成部
品を示すため使用される。図１及び２の実施形態に対し
て与えられた説明も、同じ参照番号が与えられた図３の
実施形態の構成部品に対し当てはめられる。接触器の形
態にあるスイッチ装置８０は、ＤＣ−ＤＣコンバータの
代わりに図３の実施形態で使用されており、該スイッチ
装置は、作動電圧を伝達する高電圧バス２８のターミナ
ル４２及び４４、又は、低電圧バッテリー５０の出力タ
ーミナルのいずれかにインバータ４６の入力ターミナル
８２及び８４を選択的に接続する。
【００４３】即ち、接触器８０は、可動スイッチアーム
８６及び８８の運動のため役立つ。このようにして、イ
ンバータ４６は、ターミナル４２、４４からの作動電
圧、又は、低電圧バス５４からの低電圧のいずれかが供
給されることができる。インバータ４６の出力電力は、
低電圧バッテリー５０からの低電圧をインバータに供給
するとき制限されるが、特に背圧の無い低負荷作動に対
して最適化されたコンプレッサを使用するとき、燃料電
池システム２２がターミナル４２及び４４で所望の作動
電圧を各々生成するため適切な電気エネルギーを生成す
るように空気の流れが燃料電池システム２２を通って生
成するためには十分となる。これが達成されるや否や、
低電圧バッテリー５０は、接触器８０によりインバータ
４６から引き離され、電動モータ１２を駆動するため適
切な電力がインバータ４６の出力で利用可能となり、か
くして、コンプレッサ１０がフルパワーで駆動する。
８６及び８８の運動のため役立つ。このようにして、イ
ンバータ４６は、ターミナル４２、４４からの作動電
圧、又は、低電圧バス５４からの低電圧のいずれかが供
給されることができる。インバータ４６の出力電力は、
低電圧バッテリー５０からの低電圧をインバータに供給
するとき制限されるが、特に背圧の無い低負荷作動に対
して最適化されたコンプレッサを使用するとき、燃料電
池システム２２がターミナル４２及び４４で所望の作動
電圧を各々生成するため適切な電気エネルギーを生成す
るように空気の流れが燃料電池システム２２を通って生
成するためには十分となる。これが達成されるや否や、
低電圧バッテリー５０は、接触器８０によりインバータ
４６から引き離され、電動モータ１２を駆動するため適
切な電力がインバータ４６の出力で利用可能となり、か
くして、コンプレッサ１０がフルパワーで駆動する。
【００４４】図４は、図１乃至図３の構成に非常に類似
した構成を示している。このため、共通の参照番号が、
共通の部品に対して使用され、これらの部品に対して与
えられた前述の説明が、異なる何かが述べられない限り
当てはまる。
した構成を示している。このため、共通の参照番号が、
共通の部品に対して使用され、これらの部品に対して与
えられた前述の説明が、異なる何かが述べられない限り
当てはまる。
【００４５】本実施形態で重要なものは、エキスパンダ
ー９０がコンプレッサ１０のロータ又はその駆動シャフ
ト６０に出力駆動シャフト６０Ａを介して接続されると
いう事実にある。参照番号３６でスタックから出るカソ
ード排気ガスは、この例では、ライン９２乃至９４を介
して、エキスパンダー９０の入口に供給され、参照番号
３６でスタックから出るカソード排気流れの運動エネル
ギー即ち圧力エネルギーが、該エキスパンダー内で、そ
の出力駆動シャフト６０Ａの回転運動に転化され、該回
転運動は、コンプレッサの駆動エネルギーの少なくとも
１部分が電動モータ１２による代わりにエキスパンダー
により出力されるようにコンプレッサ１０を機械的に駆
動させる。コンプレッサ１０に対するこの型式の駆動
は、最初に燃料電池システムが既に始動されたときその
作動状態に入る。既に上述したように、始動フェーズの
ため燃料電池システムの出口において低い空気抵抗を確
保することが、少なくとも推奨することができ、多数の
場合において必要となる。前述の実施形態では、この低
い空気抵抗は、ソレノイド４０の制御下で、始動フェー
ズのために開放される制限フラップ３８により達成され
る。制限フラップ３８及びソレノイド４０は、本実施形
態でも使用されるが、カソード排気ガスが矢印９８に従
って当該システムから出るように、カソード排気ガスダ
クト内というよりエキスパンダー内の排気ガスダクト９
６内に組み込まれる。
ー９０がコンプレッサ１０のロータ又はその駆動シャフ
ト６０に出力駆動シャフト６０Ａを介して接続されると
いう事実にある。参照番号３６でスタックから出るカソ
ード排気ガスは、この例では、ライン９２乃至９４を介
して、エキスパンダー９０の入口に供給され、参照番号
３６でスタックから出るカソード排気流れの運動エネル
ギー即ち圧力エネルギーが、該エキスパンダー内で、そ
の出力駆動シャフト６０Ａの回転運動に転化され、該回
転運動は、コンプレッサの駆動エネルギーの少なくとも
１部分が電動モータ１２による代わりにエキスパンダー
により出力されるようにコンプレッサ１０を機械的に駆
動させる。コンプレッサ１０に対するこの型式の駆動
は、最初に燃料電池システムが既に始動されたときその
作動状態に入る。既に上述したように、始動フェーズの
ため燃料電池システムの出口において低い空気抵抗を確
保することが、少なくとも推奨することができ、多数の
場合において必要となる。前述の実施形態では、この低
い空気抵抗は、ソレノイド４０の制御下で、始動フェー
ズのために開放される制限フラップ３８により達成され
る。制限フラップ３８及びソレノイド４０は、本実施形
態でも使用されるが、カソード排気ガスが矢印９８に従
って当該システムから出るように、カソード排気ガスダ
クト内というよりエキスパンダー内の排気ガスダクト９
６内に組み込まれる。
【００４６】エキスパンダーの構成及び設計の型式に応
じて、ソレノイド４０Ａを備えた追加のフラップ３８Ａ
を、エキスパンダー９０へと導くブランチ９４の下流に
あるライン９２にライン９５を介して接続することが必
要となり得る。始動フェーズにおいて、この追加のフラ
ップ３８Ａが開放され、矢印に従って参照番号３６でス
タックから出るカソード排気ガスは、最初にエキスパン
ダーに事実上存在する内部抵抗を克服する必要が無いよ
うに、燃料電池システムから現れることができる。本実
施形態では、制限フラップ３８及びソレノイド４０を省
略し、ソレノイド４０Ａを備えた追加のフラップ３８Ａ
のみを使用することも考えられる。モータ１２が始動フ
ェーズにおいてシャフト６０Ａを介してエキスパンダー
を駆動させなければならず、低電圧バッテリーに追加の
負荷がかかるとき、フリーホイール装置を使用すること
ができる。該フリーホイール装置は、エキスパンダーに
組み込まれるか、或いは、エキスパンダー９０及びコン
プレッサ１０の間の駆動シャフト６０Ａにおいて、破線
で参照番号１００で示されるように選択的に配置され
る。フリーホイール１００の代わりに、コンプレッサ及
びエキスパンダー９０の間に、クラッチ、例えば電磁作
動型クラッチ又は遠心性クラッチを配置してもよい。こ
れらの２部品の間に、トランスミッション、例えばステ
ップダウントランスミッションを介設することも考えら
れ、これによって、コンプレッサと比較して、エキスパ
ンダーのより高速な回転が可能となる。
じて、ソレノイド４０Ａを備えた追加のフラップ３８Ａ
を、エキスパンダー９０へと導くブランチ９４の下流に
あるライン９２にライン９５を介して接続することが必
要となり得る。始動フェーズにおいて、この追加のフラ
ップ３８Ａが開放され、矢印に従って参照番号３６でス
タックから出るカソード排気ガスは、最初にエキスパン
ダーに事実上存在する内部抵抗を克服する必要が無いよ
うに、燃料電池システムから現れることができる。本実
施形態では、制限フラップ３８及びソレノイド４０を省
略し、ソレノイド４０Ａを備えた追加のフラップ３８Ａ
のみを使用することも考えられる。モータ１２が始動フ
ェーズにおいてシャフト６０Ａを介してエキスパンダー
を駆動させなければならず、低電圧バッテリーに追加の
負荷がかかるとき、フリーホイール装置を使用すること
ができる。該フリーホイール装置は、エキスパンダーに
組み込まれるか、或いは、エキスパンダー９０及びコン
プレッサ１０の間の駆動シャフト６０Ａにおいて、破線
で参照番号１００で示されるように選択的に配置され
る。フリーホイール１００の代わりに、コンプレッサ及
びエキスパンダー９０の間に、クラッチ、例えば電磁作
動型クラッチ又は遠心性クラッチを配置してもよい。こ
れらの２部品の間に、トランスミッション、例えばステ
ップダウントランスミッションを介設することも考えら
れ、これによって、コンプレッサと比較して、エキスパ
ンダーのより高速な回転が可能となる。
【００４７】中間冷却器／熱交換器を備えた遠心コンプ
レッサ内の排気ガス駆動型ターボチャージャーの形態
で、コンプレッサ１０に機械的に連結されていないバー
ジョン（通例の自動車に対して本質的に知られている設
計）のエキスパンダー９０の実施化は、低電圧バッテリ
ー５０からのシステム始動と連結したとき有利となる。
与えられた教えの意味で排気ガス駆動型のターボチャー
ジャーを使用したとき、排気ガスタービンは、燃料電池
の排気ガスフラックスから圧力エネルギー即ち体積流れ
エネルギーを引き出す。高速回転タービンに機械的に動
かないよう連結された、追加のタービン駆動型コンプレ
ッサは、強化された上流圧力が追加のタービン駆動型コ
ンプレッサを介してコンプレッサ１０に利用可能にされ
るという点でコンプレッサ１０を援助する。これの代替
として、排気ガス駆動型ターボチャージャーを、該ター
ボチャージャーがコンプレッサにより吐出された空気の
流れを更に圧縮させるように使用することができる。コ
ンプレッサ１０からの機械的な引き離しに加えて、始動
中のそのような排気ガス駆動ターボチャージャーの利点
は、概ね遠心コンプレッサ及び流体装置の特性である。
この流体装置は、小さい貫通流れにおいて（例えば、コ
ンプレッサ１０を通してシステムを始動させるとき生成
される）において、コンプレッサが該コンプレッサ用の
駆動システムの始動中に不必要な負荷を受けないよう
に、最小相殺圧力のみが構築される情況へと導く。
レッサ内の排気ガス駆動型ターボチャージャーの形態
で、コンプレッサ１０に機械的に連結されていないバー
ジョン（通例の自動車に対して本質的に知られている設
計）のエキスパンダー９０の実施化は、低電圧バッテリ
ー５０からのシステム始動と連結したとき有利となる。
与えられた教えの意味で排気ガス駆動型のターボチャー
ジャーを使用したとき、排気ガスタービンは、燃料電池
の排気ガスフラックスから圧力エネルギー即ち体積流れ
エネルギーを引き出す。高速回転タービンに機械的に動
かないよう連結された、追加のタービン駆動型コンプレ
ッサは、強化された上流圧力が追加のタービン駆動型コ
ンプレッサを介してコンプレッサ１０に利用可能にされ
るという点でコンプレッサ１０を援助する。これの代替
として、排気ガス駆動型ターボチャージャーを、該ター
ボチャージャーがコンプレッサにより吐出された空気の
流れを更に圧縮させるように使用することができる。コ
ンプレッサ１０からの機械的な引き離しに加えて、始動
中のそのような排気ガス駆動ターボチャージャーの利点
は、概ね遠心コンプレッサ及び流体装置の特性である。
この流体装置は、小さい貫通流れにおいて（例えば、コ
ンプレッサ１０を通してシステムを始動させるとき生成
される）において、コンプレッサが該コンプレッサ用の
駆動システムの始動中に不必要な負荷を受けないよう
に、最小相殺圧力のみが構築される情況へと導く。
【００４８】ライン３６及び３４は、図面を簡単にする
ため、図１乃至３の前記実施形態に対して交換されたこ
とが、図４と関連して着目されるべきである。カソード
排気ガスが参照番号３６のところでスタックから出、ア
ノード排気ガスが参照番号３２でスタックから出るとこ
ろの正確なポイントは、単にスタックの内部設計の問題
である。
ため、図１乃至３の前記実施形態に対して交換されたこ
とが、図４と関連して着目されるべきである。カソード
排気ガスが参照番号３６のところでスタックから出、ア
ノード排気ガスが参照番号３２でスタックから出るとこ
ろの正確なポイントは、単にスタックの内部設計の問題
である。
【００４９】図５は、図４の実施形態の更なる変形を示
している。ここで、電動モータ１１２を備えた水素再循
環ポンプ１１０は、燃料電池システムのアノード側で水
素回路内に組み込まれている。再循環ポンプ１１０は、
ファン、又は、コンプレッサ、例えば遠心コンプレッ
サ、軸流コンプレッサまたは側部チャンネル送風機とす
ることができる。電動モータ１１２は、正確にモータ１
２と同じ仕方で本文中に作動され、即ち、燃料電池シス
テムの始動時に、モータ１１２は、低電圧バッテリー５
０からのエネルギーを用いてモータ１２と並列に付勢さ
れ、これにより、モータ１２は、５０乃至１００ワット
のパワー取り出し状態で公称回転速度の約１０％で駆動
する。燃料電池システムが十分な電気エネルギーを生成
するや否や、モータ１１２及びコンプレッサモータ１２
は、高電圧バス２８のライン３０及び３２を介して、オ
プションでインバータ４６を介して駆動することができ
る。
している。ここで、電動モータ１１２を備えた水素再循
環ポンプ１１０は、燃料電池システムのアノード側で水
素回路内に組み込まれている。再循環ポンプ１１０は、
ファン、又は、コンプレッサ、例えば遠心コンプレッ
サ、軸流コンプレッサまたは側部チャンネル送風機とす
ることができる。電動モータ１１２は、正確にモータ１
２と同じ仕方で本文中に作動され、即ち、燃料電池シス
テムの始動時に、モータ１１２は、低電圧バッテリー５
０からのエネルギーを用いてモータ１２と並列に付勢さ
れ、これにより、モータ１２は、５０乃至１００ワット
のパワー取り出し状態で公称回転速度の約１０％で駆動
する。燃料電池システムが十分な電気エネルギーを生成
するや否や、モータ１１２及びコンプレッサモータ１２
は、高電圧バス２８のライン３０及び３２を介して、オ
プションでインバータ４６を介して駆動することができ
る。
【００５０】例えばドイツ特許出願１００６２６７３．
４から、又は、国際特許出願ＷＯ９９／０５７４１号か
ら本質的に知られた水素再循環は、通常、燃料電池シス
テムの連続的作動で役割を果たすだけであるが、本発明
に従って処理を始動することに対して有意な影響を持つ
ことができることが見出された。始動段階で発生する少
量の水素再循環は、水素が、燃料電池内で比較的均一に
分割された形態で存在し、これが、低空気スループット
で燃料電池システムの始動を容易にすることが確実にさ
れた。
４から、又は、国際特許出願ＷＯ９９／０５７４１号か
ら本質的に知られた水素再循環は、通常、燃料電池シス
テムの連続的作動で役割を果たすだけであるが、本発明
に従って処理を始動することに対して有意な影響を持つ
ことができることが見出された。始動段階で発生する少
量の水素再循環は、水素が、燃料電池内で比較的均一に
分割された形態で存在し、これが、低空気スループット
で燃料電池システムの始動を容易にすることが確実にさ
れた。
【００５１】システム内にそのような水素再循環ポンプ
を配置する多数の異なる可能性が存在することが指摘さ
れるべきである。本発明が関連する限りの重要なこと
は、とりわけ、この種の再循環ポンプ及びより高電圧で
作動される役割を持つオプションの更なる構成部品は、
低電圧バッテリーからシステムの始動プロセスの間に作
動することができ、始動フェーズの後、引き続いて高電
圧バスを介して作動し、低電圧バッテリーから引き離さ
れるというコンセプトである。
を配置する多数の異なる可能性が存在することが指摘さ
れるべきである。本発明が関連する限りの重要なこと
は、とりわけ、この種の再循環ポンプ及びより高電圧で
作動される役割を持つオプションの更なる構成部品は、
低電圧バッテリーからシステムの始動プロセスの間に作
動することができ、始動フェーズの後、引き続いて高電
圧バスを介して作動し、低電圧バッテリーから引き離さ
れるというコンセプトである。
【図１】図１は、燃料電池システムの空気コンプレッサ
のための本発明に係る第１の駆動システムの概略ブロッ
ク図である。
のための本発明に係る第１の駆動システムの概略ブロッ
ク図である。
【図２】図２は、図１に類似した表現図であるが、実現
可能な電気回路の詳細を更に備えた図である。
可能な電気回路の詳細を更に備えた図である。
【図３】図３は、燃料電池システムの空気コンプレッサ
のための本発明に係る駆動システムの更なる変形例を示
す図１に類似した表現図である。
のための本発明に係る駆動システムの更なる変形例を示
す図１に類似した表現図である。
【図４】図４は、前記表現に類似した表現図であるが、
エキスパンダーが使用された図である。
エキスパンダーが使用された図である。
【図５】図５は、前記表現に類似した表現図であるが、
水素の再循環ポンプが使用された図である。
水素の再循環ポンプが使用された図である。
１０ コンプレッサ １２ 電動モータ １４ 空気の吸引方向の流れ １６ コンプレッサ空気入口 １８ コンプレッサ空気出口 ２０ 燃料電池システムのカソード側入口 ２２ 燃料電池システム ２４ 水素の供給流れ方向 ２６ 燃料電池システムのアノード側入口 ２８ 高電圧バス ３０、３２ ライン ３６ 燃料電池システム２２から、過剰の酸素、窒素
及び水を漏出させる出口 ３８ 制限装置 ３８Ａ フラップ ４０、４０Ａ ソレノイド ４２、４４ 高電圧バスのターミナル ４６ インバータ ４８ ライン ５０ 低電圧バッテリー ５２ 電圧コンバータ ５４ 低電圧バス ５６、５８ ライン ６０、６０Ａ 出力シャフト ６１ スイッチ ６２ キースイッチ ６４ 電子制御回路 ６６、６８、７０、７２、７４ ライン ８０ 接触器 ８２、８４ 入力ターミナル ８６、８８ 可動スイッチアーム ９０ エキスパンダー ９２、９５ ライン ９６ 排気ガスダクト ９４ ブランチライン ９８ カソード排気ガスの流れ １００ フリーホイール装置 １１０ 水素再循環ポンプ １１２ 電動モータ
及び水を漏出させる出口 ３８ 制限装置 ３８Ａ フラップ ４０、４０Ａ ソレノイド ４２、４４ 高電圧バスのターミナル ４６ インバータ ４８ ライン ５０ 低電圧バッテリー ５２ 電圧コンバータ ５４ 低電圧バス ５６、５８ ライン ６０、６０Ａ 出力シャフト ６１ スイッチ ６２ キースイッチ ６４ 電子制御回路 ６６、６８、７０、７２、７４ ライン ８０ 接触器 ８２、８４ 入力ターミナル ８６、８８ 可動スイッチアーム ９０ エキスパンダー ９２、９５ ライン ９６ 排気ガスダクト ９４ ブランチライン ９８ カソード排気ガスの流れ １００ フリーホイール装置 １１０ 水素再循環ポンプ １１２ 電動モータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/00 Ｈ０１Ｍ 8/00 Ａ Ｚ // Ｈ０１Ｍ 8/10 8/10 Ｆターム(参考） 3H045 AA02 AA06 AA09 AA12 AA25 AA31 BA12 DA07 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA17 BA19 BC11 DD03 MM03 5H115 PC06 PG04 PI16 PI18 PI29 PI30 PU01 PV09 QA10 SE10
Claims (42)
- 【請求項１】 自動車の燃料電池システムの作動のため
圧縮空気を吐出するように設計されたコンプレッサ用の
駆動システムであって、 前記駆動システムは、 前記コンプレッサに駆動可能に接続された電動モータ
と、 前記燃料電池システムにより生成されたパワーが作動電
圧で印加される第１のターミナルであって、該第１のタ
ーミナルは、該燃料電池システムにより生成された前記
パワーを使用して作動中の前記電動モータを駆動するた
め該電動モータに、並びに、前記燃料電池システムの始
動のため低電圧バッテリーに接続可能である、前記第１
のターミナルと、を含み、 前記低電圧バッテリーは前記作動電圧より実質的に低い
出力電圧を提供し、前記電動モータは、前記作動電圧及
び前記出力電圧から導出された電圧の両方で作動可能で
ある、前記駆動システム。 - 【請求項２】 前記コンプレッサは、可変速度コンプレ
ッサであり、前記燃料電池システムは、空気出口側を有
し、制限装置が該空気出口側に設けられ、該制限装置
は、該燃料電池システムの作動を駆動するときには前記
燃料電池システムの該出口側から出たガスに対し制限効
果を与え、該燃料電池システムの始動に対しては該燃料
電池システムの該空気出口側から出たガスに制限効果を
与えないか又は比較的小さい制限効果のみを与える、請
求項１に記載の駆動システム。 - 【請求項３】 前記低電圧バッテリーの出力電圧が印加
される第２のターミナルと、前記第１のターミナル又は
該第２のターミナルを前記電動モータに選択的に接続す
るスイッチ装置と、を更に含む、請求項１に記載の駆動
システム。 - 【請求項４】 前記スイッチ装置は、前記第１のターミ
ナル又は前記第２のターミナルを、前記電動モータに接
続された供給モジュールに選択的に接続する、請求項３
に記載の駆動システム。 - 【請求項５】 前記スイッチ装置は、前記第１のターミ
ナル及び前記第２のターミナルの間で電池選別をなすよ
うに設計される、請求項３に記載の駆動システム。 - 【請求項６】 前記スイッチ装置は接触器として形成さ
れる、請求項５に記載の駆動システム。 - 【請求項７】 前記低電圧バッテリーの出力電圧を、少
なくともほぼ前記作動電圧に対応する導出電圧レベルに
までもってくるための電圧コンバータが設けられる、請
求項１に記載の駆動システム。 - 【請求項８】 前記電動モータはＡＣモータであり、イ
ンバータの形態にある供給モジュールが該電動モータの
前部に接続され、前記電圧コンバータが前記導出された
電圧出力を有するＤＣ−ＤＣコンバータであり、該導出
された電圧出力及び前記燃料電池システムにより配給さ
れた前記作動電圧を、前記インバータの入力部に供給す
ることができる、請求項７に記載の駆動システム。 - 【請求項９】 前記電動モータは、ＤＣモータである、
請求項１に記載の駆動システム。 - 【請求項１０】 前記燃料電池システムの前記作動電圧
は、１００Ｖ乃至５００Ｖの電圧範囲にある、請求項１
に記載の駆動システム。 - 【請求項１１】 前記低電圧バッテリーの前記出力電圧
は、１２Ｖ乃至４８Ｖの電圧範囲にある、請求項１に記
載の駆動システム。 - 【請求項１２】 前記低電圧バッテリーの前記出力電圧
は、総計１２Ｖに達する、請求項１に記載の駆動システ
ム。 - 【請求項１３】 前記低電圧バッテリーの前記出力電圧
は、総計４２Ｖに達する、請求項１１に記載の駆動シス
テム。 - 【請求項１４】 牽引バッテリーが設けられていない、
請求項１に記載の駆動システム。 - 【請求項１５】 前記コンプレッサは、スクリューコン
プレッサである、請求項１に記載の駆動システム。 - 【請求項１６】 燃料電池システムの作動のための電気
エネルギーにより駆動される装置であって、 前記燃料電池システムは、作動中に、比較的高い出力電
圧を生成し、比較的低い出力電圧を有するバッテリーを
備え、該燃料電池システムの作動を始動するため該バッ
テリーからの電気エネルギーを用いて前記装置を駆動す
るための第１の接続、及び、前記比較的高い出力電圧で
該燃料電池システムからの電気エネルギーを用いて前記
装置を駆動するための第２の接続を有し、該装置は、前
記比較的低い電圧で電気エネルギーが供給されたとき及
び前記比較的高い電圧で電気エネルギーが供給されたと
き作動することができる、前記装置。 - 【請求項１７】 前記装置は、前記燃料電池システムの
作動のため圧縮空気を供給するようになったコンプレッ
サ用の駆動モータである、請求項１６に記載の装置。 - 【請求項１８】 前記燃料電池システムは、水素で作動
されるアノード回路と、該アノード回路に含まれる水素
再循環ポンプと、を有し、前記装置は、該水素再循環ポ
ンプ用の駆動モータである、請求項１６に記載の装置。 - 【請求項１９】 前記コンプレッサは、シャフトを有
し、該シャフトを介して該コンプレッサに結合されるエ
キスパンダーが設けられ、該エキスパンダーを駆動する
ため、該エキスパンダーに前記燃料電池システムの排気
ガスを供給するためのダクトを備える、請求項１７に記
載の装置。 - 【請求項２０】 前記ダクトは、前記エキスパンダーを
駆動するため該エキスパンダーに前記燃料電池システム
のカソード排気ガスを供給するよう構成される、請求項
１９に記載の装置。 - 【請求項２１】 前記エキスパンダーは出口側を有し、
制御可能な制限フラップが該エキスパンダーの該出口側
に設けられる、請求項１９に記載の装置。 - 【請求項２２】 前記ダクト内に設けられた制御可能フ
ラップを更に含む、請求項２０に記載の装置。 - 【請求項２３】 フリーホイール装置が、前記コンプレ
ッサ及び前記エキスパンダーの間に設けられる、請求項
１９に記載の装置。 - 【請求項２４】 クラッチが、前記コンプレッサ及び前
記エキスパンダーの間に設けられる、請求項１９に記載
の装置。 - 【請求項２５】 前記クラッチは、制御可能なクラッチ
である、請求項２４に記載の装置。 - 【請求項２６】 トランスミッションが、前記エキスパ
ンダー及び前記コンプレッサの間に設けられる、請求項
１９に記載の装置。 - 【請求項２７】 前記トランスミッションは、ステップ
ダウントランスミッションであり、即ち、前記エキスパ
ンダーは前記コンプレッサより速く作動する、請求項２
６に記載の装置。 - 【請求項２８】 前記水素再循環ポンプは、軸流コンプ
レッサ、遠心コンプレッサ及び側部チャンネル送風機を
含むグループから選択されたコンプレッサである、請求
項１８に記載の装置。 - 【請求項２９】 前記燃料電池システムの排気ガスによ
り駆動することができるエキスパンダーを更に含み、追
加のコンプレッサが設けられ、前記エキスパンダーが圧
縮された空気の流れを前記コンプレッサに吐出するよう
該追加のコンプレッサを駆動するようになっている、請
求項１６に記載の装置。 - 【請求項３０】 前記燃料電池システムの排気ガスによ
り駆動することができるエキスパンダーを更に含み、追
加のコンプレッサが設けられ、前記エキスパンダーが前
記コンプレッサの出口空気の流れを更に圧縮するように
該追加のコンプレッサを駆動するようになっている、請
求項１６に記載の装置。 - 【請求項３１】 前記エキスパンダー及び前記追加のコ
ンプレッサは、排気ガス駆動型のターボチャージャー内
で結合される、請求項２９に記載の装置。 - 【請求項３２】 前記エキスパンダー及び前記追加のコ
ンプレッサは、排気ガス駆動型のターボチャージャー内
で結合される、請求項３０に記載の装置。 - 【請求項３３】 前記排気ガス駆動型ターボチャージャ
ー及び前記コンプレッサの間に中間冷却器が設けられ
る、請求項３１に記載の装置。 - 【請求項３４】 前記排気ガス駆動型ターボチャージャ
ー及び前記コンプレッサの間に中間冷却器が設けられ
る、請求項３２に記載の装置。 - 【請求項３５】 燃料電池システムを作動させるための
方法であって、該燃料電池システムは、作動中に該燃料
電池システムから電気エネルギーが供給される少なくと
も１つの装置を含み、前記方法は、 低電圧バッテリーからの電気エネルギーを用いて前記燃
料電池システムを始動させるため前記装置を駆動し、 前記燃料電池システムの始動の後、該燃料電池システム
により高電圧の電気エネルギーを生成し、 前記燃料電池システムからの高電圧の電気エネルギーで
引き続いて前記装置を駆動する、各工程を含む、前記方
法。 - 【請求項３６】 前記装置は、前記燃料電池システムの
作動のため圧縮空気を吐出するように設計された該燃料
電池システムのコンプレッサを駆動するため役立つ電動
モータである、請求項３５に記載の方法。 - 【請求項３７】 前記燃料電池システムの始動時に、前
記燃料電池システムの燃料電池内に水素の分配を生成す
るため水素の流れが該燃料電池システムのアノード回路
に生成される、請求項３５に記載の方法。 - 【請求項３８】 前記装置は、水素循環を生成するため
の水素再循環ポンプを含み、 前記方法は、 低電圧バッテリーからの電気エネルギーを用いて始動フ
ェーズで前記ポンプを作動し、 前記燃料電池からの電気エネルギーを用いて該燃料電池
システムの作動状態で前記ポンプを作動する、各工程を
含む、請求項３７に記載の方法。 - 【請求項３９】 前記燃料電池システムのカソード排気
ガスの運動エネルギー及び圧力エネルギーのうち少なく
とも１つが、エキスパンダーを駆動するため使用され、
該エキスパンダーは、前記燃料電池システムの作動の間
に、前記燃料電池システムのための圧縮空気を吐出させ
るように前記コンプレッサを駆動する、請求項３５に記
載の方法。 - 【請求項４０】 前記燃料電池システムの始動時に、該
燃料電池システムのカソード排気ガスの側に設けられた
制限フラップが、低い空気抵抗を生成するため開放さ
れ、該制限フラップは、該燃料電池システムの首尾良い
始動の後、より高い空気抵抗を確保する位置にもってこ
られる、請求項３５に記載の方法。 - 【請求項４１】 前記制御可能な制限フラップは、前記
燃料電池スタックのカソード出口に隣接して配置され
る、請求項４０に記載の方法。 - 【請求項４２】 制御可能なフラップが、前記燃料電池
スタックのカソード出口から前記エキスパンダーの入口
まで導くフィードバッグラインに接続される排気ガスダ
クト内に設けられ、該制御可能なフラップは、前記燃料
電池システムの始動の間に開放され、該燃料電池システ
ムの首尾良い始動の後に少なくとも部分的に閉じられ
る、請求項３４又は３５に記載の方法。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE10041864 | 2000-08-25 | ||
| DE10041864.3 | 2000-08-25 | ||
| DE10130095.6 | 2001-06-21 | ||
| DE10130095.6A DE10130095B4 (de) | 2000-08-25 | 2001-06-21 | Brennstoffzellensystem mit einer Antriebseinrichtung, Brennstoffzellensystem mit einer mit elektrischer Energie betriebenen Einrichtung und Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002158026A true JP2002158026A (ja) | 2002-05-31 |
| JP3946475B2 JP3946475B2 (ja) | 2007-07-18 |
Family
ID=26006816
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001256257A Expired - Fee Related JP3946475B2 (ja) | 2000-08-25 | 2001-08-27 | 燃料電池システムの作動のための駆動システム及び方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6616424B2 (ja) |
| JP (1) | JP3946475B2 (ja) |
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