JP2002512419A - 燃料電池プラントの起動方法並びに燃料電池プラント - Google Patents

燃料電池プラントの起動方法並びに燃料電池プラント

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JP2002512419A JP2000544522A JP2000544522A JP2002512419A JP 2002512419 A JP2002512419 A JP 2002512419A JP 2000544522 A JP2000544522 A JP 2000544522A JP 2000544522 A JP2000544522 A JP 2000544522A JP 2002512419 A JP2002512419 A JP 2002512419A
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Abstract

(57)【要約】 燃料電池プラントに供給する空気を、プラントの起動時及び運転時に電動機で駆動される圧縮器（２）から供給し、必要な動作圧の発生及び場合によっては空気の付加的な加湿を行う、特に車輛用の可搬式燃料電池プラントの起動方法において、圧縮器の電動駆動装置に、起動過程の間可搬式の起動バッテリー（５）から給電される電動機（４、２０）を設け、この起動バッテリーの出力電圧が燃料電池プラントの燃料電池スタック（１）の出力端における運転電圧に対して異なっていることから、起動バッテリー並びに燃料電池スタック（１）の出力端と電動機の入力端（８）との間に制御装置（１０）を設け、これにより、燃料電池スタックの出力電圧が充分な値に達したときに、起動バッテリーの出力端（６）から供給される起動電圧を遮断し、燃料電池スタックの出力電圧に切り換える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 この発明は、燃料電池スタックと、この燃料電池スタックに作動媒体を供給す
るための圧縮器と、この圧縮器を駆動するための電動機とを備えた燃料電池プラ
ントの起動方法に関する。さらに、この発明は、燃料電池スタックと、この燃料
電池スタックに作動媒体を供給するための圧縮器と、この圧縮器を駆動するため
の電動機とを備えた燃料電池プラントに関する。
【０００２】 ドイツ特許第４３２２７６７号明細書から、前述のような燃料電池プラント及
び燃料電池プラントの起動方法が公知である。そこに記載されている燃料電池プ
ラントは、空気と水素とで運転される燃料電池プラントである。この公知の設備
においては、空気を圧縮するため、電動機で駆動されるコンプレッサが設けられ
ている。この電動機は起動過程の間、可搬式の起動バッテリーから給電される。
【０００３】 この従来の技術において起動バッテリーの出力電圧は、燃料電池プラントの燃
料電池スタックの出力端に生じる燃料電池スタックの運転電圧に対し種々異なっ
ているので、当該技術においては、起動電動機の他に燃料電池スタックの高い方
の電圧に合わせて設計された別の電動機を設けている。このような装置は、２つ
の別々の電動機が必要であり、これらの電動機が圧縮器に連結されるとき多くの
場所や空間を必要とするので、相対的に費用がかかる。
【０００４】 この発明の課題は、圧縮器の運転が簡単であり、燃料電池プラントに関して構
造的及び空間的に少ない費用で済ますことのできる燃料電池プラントの起動方法
を提供することにある。
【０００５】 この最初に挙げた課題は、請求項１の特徴を備えた燃料電池プラントの起動方
法により解決される。
【０００６】 この方法のもしくは燃料電池プラントの有利な実施の形態は請求項２から１５
に記載されている。
【０００７】 この発明の核心は、電動機の電流供給を起動バッテリーから燃料電池スタック
に切り換え、必要に応じてまたそれを元に戻すことにある。この切り換えは、燃
料電池スタックの出力電圧が充分な値に達したときに行われる。即ち、起動バッ
テリーの出力端と電動機入力端との間の電気的接続を遮断し、電動機入力端を燃
料電池スタックの出力電圧に切り換える。なお、燃料電池スタックは複数の燃料
電池の積層体であり、専門文献でもそのように呼ばれている。
【０００８】 この発明の１つの実施例において、燃料電池プラントは、空気と水素で作動す
る、特に、例えば建設車輛、構内車輛或いはバス等の車輛用の可搬式燃料電池プ
ラントである。この燃料電池プラントには、起動及び運転時に、作動媒体として
空気が供給され、この空気は電動機で操作される圧縮器を通して導入されて、必
要な動作圧力の発生を、場合によっては空気の付加的な加湿を確保している。好
適な燃料電池プラントは、ＰＥＭ燃料電池を備えたＰＥＭ燃料電池プラントであ
る。なお、ここでＰＥＭとは、プロトン交換膜或いはポリマー電解質膜を表す。
【０００９】 圧縮器の電動機は、燃料電池プラントの起動過程の間、起動バッテリーから給
電するのがよい。この起動過程の間、燃料電池ブロックはまだ全然或いは電動機
を作動させるために必要な電圧を発生していない。
【００１０】 この発明の有利な実施例において、電動機への電流供給の切り換えのために、
燃料電池スタックの出力電圧が充分な値に達したときに起動バッテリーの出力端
と電動機入力端との間の電気的接続を遮断し、電動機入力を燃料電池スタックの
出力電圧に切り換える制御装置が設けられる。
【００１１】 電動機の動作電圧は起動バッテリーの電圧と一致し、この制御装置は燃料電池
スタックの出力電圧を電動機の動作電圧に或いはそれ以下に制御する変換装置を
含むのがよい。電流調節器は、燃料電池スタックの出力電圧を直流電動機の動作
電圧にまで下げるように制御し、その場合この電動機を、好ましいことに一定回
転数に保つことができる。
【００１２】 この制御装置には、２重の機能を付加すると好ましい。即ち、その一つは、燃
料電池プラントの起動過程及び運転過程の間に電動機に供給される動作電圧の選
択並びに切り換えであり、他の一つは、電動機の永続的な制御である。このよう
な制御は、圧縮器が再生可能で望ましくは最適化された出力を出すべきものとさ
れるので、燃料電池スタックの最適運転のために重要である。
【００１３】 起動バッテリーから燃料電池スタックの出力端への切り換えは、好ましくは、
燃料電池スタックの出力電圧が起動バッテリーの電圧より高いときに行われる。
この場合には、変換装置により燃料電池スタックの出力電圧レベルの下方制御が
行われさえすればよいからである。
【００１４】 燃料電池スタックの出力電圧は、起動バッテリーの電圧の約２倍の高さに設定
するのがよい。この発明のこのような構成においては、可搬式のプラントに対す
る変換装置の電気及び電子部品をなお小さな寸法に保つことができる。
【００１５】 さらに、変換装置が直流チョッパ（ＤＣ／ＤＣチョッパ）であり、電動機が直
流電動機であることも有利である。
【００１６】 これに代わるこの発明の構成においては、電動機は同期或いは非同期電動機で
あり、制御装置が、コンバータとして、例えばＤＣ／３ＡＣ（直流／３相交流）
コンバータとして形成された変換装置を備え、さらに、この電動機は２つの別々
の巻線系を備え、その第一の巻線系は起動バッテリーの電圧に、第二の巻線系は
燃料電池スタックのより高い電圧に合わせて設計されている。
【００１７】 この場合、制御装置を介して、電動機制御も、また２つの電圧源の切り換え或
いは選択が行われる。起動バッテリーの電圧に合わせて設計された第一の巻線系
は遮断装置を介して電圧源から切り離すことができる。この遮断装置はＤＣ／３
ＡＣコンバータ形の切り換え装置により制御可能である。燃料電池スタックの運
転電圧に合わせて設計された第二の巻線系は、常時変換装置出力に接続される。
【００１８】 起動バッテリーからは、燃料電池スタックの出力電圧のレベルが所定の移行値
に達するまでの間だけ電流を取り出すのが目的に合っている。この値は起動バッ
テリーの電圧レベルより上である。
【００１９】 電気部品及び電動機を保護するため、電動機の第一巻線系の遮断は、電流零点
通過時に行うのがふさわしい。
【００２０】 第二に挙げた課題は、請求項１６の特徴を備えた燃料電池プラントにより解決
される。
【００２１】 この燃料電池プラントの有利な実施形態は、請求項１７〜２０に挙げてある。
【００２２】 好適な例では、この燃料電池プラントは、空気と水素とで運転される、車輛運
転用の可搬式燃料電池プラントである。この燃料電池プラントは、多数の燃料電
池からなる少なくとも１つの燃料電池スタックを含む。これらの燃料電池には各
１つの入口を介して、例えば水素及び圧縮空気が供給される。燃料電池のこの入
口には、起動バッテリーから給電可能な電動機を持つ電動駆動装置を備えた空気
圧縮器が接続されている。
【００２３】 この発明の別の実施例において、電動機は電子制御装置を介して電圧源に接続
されている。この制御装置は中間回路を備えた変換装置、例えば直流チョッパ或
いはコンバータを、圧縮器の電動機が直流電動機であるか、単相或いは３相交流
電動機であるかに応じて備える。
【００２４】 好ましくは、制御装置はその制御機能の他に、なお切り換え機能、従って電気
的に変換装置の入力端に直列接続されている切り換え装置を備える。
【００２５】 変換装置の出力端は、常に電動機の入力端に接続するのが目的に適っている。
【００２６】 制御装置がコンバータ、例えばＤＣ／３ＡＣコンバータとして構成されている
ときは、起動バッテリーの出力端も、また燃料電池スタックの出力端も、常時デ
カップリング用のダイオードを介してＤＣ／３ＡＣコンバータの入力端に接続す
ることができる。
【００２７】 この発明の別の有利な実施例においては、圧縮器用電動機は３相交流電動機と
して構成され、２つの別々の巻線系を備える。この場合、第一の巻線系は起動バ
ッテリーの低い方の電圧の供給用として、第二の巻線系はより高い電圧、即ち燃
料電池スタックへの電圧供給用として設計される。
【００２８】 低い方の電圧に合わせて設計された電動機の第一の巻線系は、移行電圧値に達
すると、直ちに遮断されるようにするのが目的に適っている。このような電圧値
は繊細な第一の巻線系を危険にさらすことがある。この本来の遮断装置は、電動
機もしくは圧縮器に組み込まれているのがよい。
【００２９】 この発明を図面の実施例を参照して詳細に説明する。 先ず図１に、可搬式の燃料電池プラントを、概略的にかつこの発明に関して基
本的なコンポーネントにより示す。図示の燃料電池プラントは多数の燃料電池を
備え、これらは燃料電池スタック１として形成されている。この燃料電池スタッ
ク１に、圧縮器２及び配管３を介して圧縮空気Ｌが供給される。この圧縮器２は
電動機４により駆動され、この電動機は燃料電池プラントの起動或いは始動過程
中は起動バッテリー５から給電され、その出力端６には、線路７を介して電動機
の入力端８に供給される２４Ｖの運転電圧が印加されている。電動機入力８は起
動バッテリー５の出力端６に接続されるだけでなく、燃料電池スタック１の出力
端９にも接続可能である。このために、変換装置１１を備える制御装置１０が設
けられている。この変換装置１１は、圧縮器２の、直流電動機として設計された
電動機４のための直流チョッパ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）である。
【００３０】 起動バッテリー５の出力端６から燃料電池スタック１の出力端９への切り換え
は、切り換え装置１２を介して行われる。その切り換え過程は、制御装置１０の
変換装置１１の出力端１３によって制御可能である。変換装置１１の出力端１４
は電動機４の入力端８に常時接続されている。
【００３１】 図２も、同様に、燃料電池プラントを示す。この場合、圧縮器２を作動させる
ための電動機２０は直流電動機ではなくて３相同期或いは非同期電動機であり、
２つの別々の巻線系２１、２２を備えている。第一の巻線系２１は起動バッテリ
ー５の出力電圧の供給用として設計され、第二の巻線系２２は燃料電池スタック
１のより高い電圧の供給用として設計されている。
【００３２】 電圧源の出力端６及び９における出力電圧は、図２に示す実施例において、明
らかに異なっている。即ち、起動バッテリー５は例えば４８Ｖの出力電圧を供給
する。燃料電池スタック１は、その出力端９に４００〜６８０Ｖの運転電圧を生
じるように設計されている。
【００３３】 起動バッテリー５の出力端６と制御装置１０の入力２５との間及び燃料電池ス
タック１の出力端９と制御装置１０の入力２６との間の電路には、デカップリン
グ用のダイオード２７が接続されている。制御装置１０は、電動機２０用の変換
装置３０、即ちコンバータ（ＤＣ／３ＡＣコンバータ）として形成された変換装
置３０を備えている。
【００３４】 電動機２０の範囲にはさらに遮断装置３１が組み込まれ、この遮断装置は制御
装置１０の出力端３２を介して活性化されて、巻線系２１を変換装置３０の出力
端３３から切り離す。この切り離しは、燃料電池スタック１の出力電圧が起動バ
ッテリーのそれよりも充分に高い値に達したときに行われる。その後、燃料電池
スタック１は直流成分を制御装置１０に供給する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明による燃料電池プラントの第一実施例の模式図。
【図２】 この発明による燃料電池プラントの第二実施例の模式図。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック ２ 圧縮器 ３ 配管 ４ 電動機 ５ 起動バッテリー ６ 起動バッテリーの出力端 ７ 線路 ８ 電動機の入力端 ９ 燃料電池スタックの出力端 １０ 制御装置 １１ 変換装置 １２ 切り換え装置 １３ 変換装置の入力端 １４ 変換装置の出力端 ２０ 電動機 ２１，２２ 交流電動機の巻線系 ２５，２６ 制御装置の入力端 ２７ 絶縁ダイオード ３０ 変換装置 ３１ 遮断装置 ３２ 制御装置の出力端 ３３ 変換装置の出力端
───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｂ６０Ｌ 11/18 Ｂ６０Ｌ 11/18 Ｇ Ｈ０１Ｍ 8/00 Ｈ０１Ｍ 8/00 Ａ 8/10 8/10 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 DD03 KK54 MM26 5H115 PC06 PG04 PI18 PV03 PV09 QE01 QN00 SE03 SE06 TI05 TO13

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】燃料電池スタック（１）と、この燃料電池スタック（１）に作
    動媒体を供給するための圧縮器（２）と、この圧縮器（２）を駆動するための電
    動機（４、２０）とを備えた燃料電池プラントの起動のため、圧縮器（２）を駆
    動する電動機（４、２０）に先ず起動バッテリー（５）から、次に燃料電池スタ
    ック（１）から電流を供給することを特徴とする燃料電池プラントの起動方法。
  2. 【請求項２】燃料電池プラントが空気と水素とで運転される可搬式燃料電池
    プラントであり、この燃料電池プラントに起動時及び運転時に作動媒体として空
    気（Ｌ）を供給し、この空気（Ｌ）を電動機で運転される圧縮器（２）を通して
    導いて、必要な作動圧の発生及び場合によっては空気（Ｌ）の付加的な加湿を行
    うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】燃料電池プラントの起動過程の間、起動バッテリー（５）から
    圧縮器の電動機（４、２０）に給電することを特徴とする請求項１又は２記載の
    方法。
  4. 【請求項４】起動バッテリー（５）の電圧が、燃料電池スタック（１）の運
    転電圧と異なることを特徴とする請求項１から３の１つに記載の方法。
  5. 【請求項５】燃料電池スタック（１）の出力電圧が充分な値に達したとき、
    起動バッテリー（５）の出力端（６）及び／又は燃料電池スタック（１）の出力
    端（６）と電動機入力（８）との間にある制御装置（１０）が起動バッテリー（
    ５）の出力端から供給される起動電圧を遮断し、燃料電池スタック（１）の出力
    電圧を電動機（４、２０）に接続することを特徴とする請求項１から４の１つに
    記載の方法。
  6. 【請求項６】制御装置（１０）が変換装置（１１、３０）を含み、電動機（
    ４、２０）の動作電圧が起動バッテリー（５）の電圧に一致し、変換装置（１１
    、３０）が燃料電池スタック（１）の出力電圧を少なくとも電動機（４、２０）
    の出力電圧の値に下げるように制御することを特徴とする請求項１から５の１つ
    に記載の方法。
  7. 【請求項７】電動機（４、２０）の回転数を変換装置（１１、３０）により
    常時制御することを特徴とする請求項６記載の方法。
  8. 【請求項８】起動バッテリー（５）から燃料電池スタック（１）への切り換
    え接続を、燃料電池スタック（１）の出力電圧が起動バッテリー（５）の電圧よ
    り高いとき、直ちに行うことを特徴とする請求項１から７の１つに記載の方法。
  9. 【請求項９】燃料電池スタック（１）の出力電圧が起動バッテリー（５）の
    電圧の約２倍の値であることを特徴とする請求項１から８の１つに記載の方法。
  10. 【請求項１０】変換装置（１１）が直流チョッパであり、電動機（４）が直
    流電動機であることを特徴とする請求項６から９の１つに記載の方法。
  11. 【請求項１１】電動機（２０）が２つの別々の巻線系（２１、２２）を備え
    た同期電動機又は非同期電動機であり、第一の巻線系（２１）が起動バッテリー
    （５）の電圧に、第二の巻線系（２２）が燃料電池スタック（１）の運転電圧に
    合わせて設計され、特にコンバータとして構成された変換装置（３０）を含む制
    御装置（１０）を備えることを特徴とする請求項１から９の１つに記載の方法。
  12. 【請求項１２】電動機（２０）を変換装置（３０）の出力端（３３）に常時
    接続し、燃料電池スタック（１）の運転電圧に合わせて設定された第二の巻線系
    （２２）を変換装置（３０）の出力端（３３）に常時接続し、起動バッテリー（
    ５）の電圧に合わせて設計された第一の巻線系（２１）を、遮断装置（３１）を
    介して電圧源（１、５）から切り離し可能としたことを特徴とする請求項１１記
    載の方法。
  13. 【請求項１３】電動機（２０）の第一の巻線系（２１）の遮断を、電流零点
    通過時に行うことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
  14. 【請求項１４】燃料電池スタック（１）の出力電圧が起動バッテリー（５）
    の電圧を越えるある値に達する迄の間だけ、起動バッテリー（５）から電流を取
    り出すことを特徴とする請求項１から１３の１つに記載の方法。
  15. 【請求項１５】制御装置（１０）として中間回路を備えた変換装置（１１、
    ３０）を使用し、燃料電池スタック（１）の出力端（９）における運転電圧を連
    続的に高め、これにより変換装置（１１、３０）の中間回路における部品をより
    高い動作電圧に高めることを特徴とする請求項５から１４の１つに記載の方法。
  16. 【請求項１６】燃料電池スタック（１）と、この燃料電池スタック（１）に
    作動媒体を供給するための圧縮器（２）と、この圧縮器（２）を駆動するための
    電動機（４、２０）とを備え、この圧縮器（２）の電動機（４、２０）を選択的
    に起動バッテリー（５）からの電流或いは燃料電池スタック（１）からの電流で
    動作可能としたことを特徴とする燃料電池プラント。
  17. 【請求項１７】燃料電池プラントが、空気（Ｌ）と水素（Ｈ2）とで運転さ
    れる複数の燃料電池からなり、各１つの入口を介して水素（Ｈ2）及び空気（Ｌ
    ）が供給される燃料電池スタック（１）を備えた車輛駆動用の可搬式燃料電池プ
    ラントであり、この燃料電池スタック（１）の空気取入れ口が起動バッテリー（
    ５）から給電される電動機（４、２０）に接続された圧縮器（２）に接続されて
    いることを特徴とする請求項１６記載のプラント。
  18. 【請求項１８】電動機（４、２０）の入力端（８）を、変換装置（１１、３
    ０）を備えた電子制御装置（１０）を介して、起動バッテリー（５）の出力端（
    ６）並びにまた燃料電池スタック（１）の出力端（９）に接続可能とし或いは接
    続したことを特徴とする請求項１６又は１７記載のプラント。
  19. 【請求項１９】変換装置（１１）の入力端（１３）に電気的に直列接続され
    た切り換え装置（１２）を備えることを特徴とする請求項１８記載のプラント。
  20. 【請求項２０】起動バッテリー（５）もしくは燃料電池スタック（１）に接
    続された切り換え装置（１２）の入力端が自在に切り換え可能であることを特徴
    とする請求項１９記載のプラント。
  21. 【請求項２１】変換装置（１１）の出力端（１４）を電動機（４）の入力端
    （８）に常時接続したことを特徴とする請求項１８から２０の１つに記載のプラ
    ント。
  22. 【請求項２２】電動機（２０）が同期或いは非同期電動機であって、２つの
    別々の巻線系（２１、２２）を備え、この第一の巻線系（２１）をより低い電圧
    の供給用として、第二の巻線系（２２）をより高い電圧の供給用として設計した
    ことを特徴とする請求項１６から２１の１つに記載のプラント。
  23. 【請求項２３】起動バッテリー（５）の出力端（６）と、燃料電池スタック
    （１）の出力端（９）とを常にデカップリング用のダイオード（２７）を介して
    変換装置（３０）の入力端（２５、２６）に接続したことを特徴とする請求項２
    ２に記載のプラント。
  24. 【請求項２４】より低い電圧に合わせて設計した第一の巻線系（２１）が遮
    断可能であることを特徴とする請求項２２又は２３記載のプラント。
  25. 【請求項２５】遮断装置（３１）を電動機（２０）に組み込んだことを特徴
    とする請求項２４記載のプラント。
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