JP2021535575A - 燃料電池システムおよび燃料電池モジュールのための統合バックプレーン - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料電池システム（１００）と、少なくとも１対の燃料電池モジュール（１１０）および少なくとも１つの空気モジュール（１２０）を保持するための統合バックプレーン（１０）とに関する。統合バックプレーン（１０）は、空気モジュール（１２０）を１対の燃料電池モジュール（１１０）の燃料電池モジュール（１１０）に対して対称位置に、具体的には燃料電池モジュール（１１０）の間に配置できるように、１対の燃料電池モジュール（１１０）および空気モジュール（１２０）のための位置決め手段（１２）を有する。統合バックプレーン（１０）は媒体・電気インターフェイス（２０）をさらに有する。媒体・電気インターフェイス（２０）は、燃料電池モジュール（１１０）および空気モジュール（１２０）に接続するためのモジュール接続ポートを含む。本発明に従うと、媒体・電気インターフェイス（２０）は、空気を空気モジュール（１２０）に送るための第１の空気通路と、圧縮空気を空気モジュール（１２０）から燃料電池モジュール（１１０）に送るためのモジュール接続空気通路と、燃料電池モジュール（１１０）からの消費された空気を排出するための排出空気通路とを含む。

Description

発明の背景
本発明は、燃料電池モジュールのための統合バックプレーンと、燃料電池システムとに関する。特に、本発明は、少なくとも１対の燃料電池モジュールと少なくとも１つの空気モジュールとを保持するための統合バックプレーンに関する。

モジュール式燃料電池システムは先行技術において周知である。ＤＥ１０ ２０１０ ０２８ ９６１Ａ１は、共通の統合バックプレーンに接続された数個の燃料電池ユニットを有するモジュール式燃料電池システムを開示している。統合バックプレーンは、プロセスガスおよび冷却媒体の供給および排出のための媒体チャネルシステムを含む。個々の燃料電池モジュールは、クイック結合たとえばスナップ接続によって統合バックプレーンに装着することができる。ＤＥ１０ ２０１０ ０２８ ９６１Ａ１に示されているモジュール式システムの短所は、すべての周辺機器（balance-of-plant）コンポーネントがモジュール式燃料電池システムの周囲の空間に分散していることである。そのため、空気システムでは、このシステム全体において一様でない圧力降下が生じることになる。

ＷＯ２０１２／１５０１７４Ａ１は、同一のモジュールハウジングが異なるシステム部品に使用されるモジュール式燃料電池装置のためのキットを示している。特に、オキシダント供給モジュールおよび燃料電池モジュールは、これらのモジュールを収容する車両等のシステム内の異なる場所にこれらのモジュールを配置できるよう、同一の寸法で設計される。ＷＯ２０１２／１５０１７４Ａ１に開示されているこのキットの短所は、個々のモジュールにはそれ自身の配線とそれ自身の媒体供給排出導管が必要であり、それに伴う建築費が必要であることである。

下は１ｋＷまたは２．５ｋＷまたは１０ｋＷという電力レベルから、場合によっては６００ｋＷよりも高い電力レベルまで対応可能な、モジュール式で拡大縮小可能な低コストの燃料電池システムを提供するためには、簡略化されたモジュール式接続システムが望ましい。

発明の概要
本発明に従い、少なくとも１対の燃料電池モジュールと少なくとも１つの空気モジュールとを保持するための統合バックプレーンが提案される。統合バックプレーンは、空気モジュールを１対の燃料電池モジュールの燃料電池モジュールに対して対称位置に配置できるように、１対の燃料電池モジュールおよび空気モジュールのための位置決め手段を有する。具体的には、いくつかの実施形態において、空気モジュールは一対の燃料電池モジュールの燃料電池モジュールの間に配置することができる。統合バックプレーンは、以下ＭＥＩと呼ぶ場合もある媒体・電気インターフェイスをさらに有する。媒体・電気インターフェイスは、燃料電池モジュールおよび空気モジュールに接続するためのモジュール接続ポートを含む。さらに、媒体・電気インターフェイスは、空気を、典型的には外気を空気モジュールに送るための第１の空気通路と、圧縮空気を空気モジュールから燃料電池モジュールに送るためのモジュール接続空気通路と、燃料電池モジュールからの消費された空気を排出するための排出空気通路とを含む。

統合バックプレーンは、媒体供給についての解決策をモジュールの支持と組み合わせたものであり、同時に、個々の周辺機器コンポーネントを収容することができる。

空気モジュールのサイズは必ずしも燃料電池モジュールのサイズと同じではない。本発明の中心は気流の最適化にある。本発明の方策により、空気モジュールの圧縮器と燃料電池モジュールの燃料電池スタックとの間の圧力降下を低くすることができる。

空気モジュールが燃料電池モジュールに対して対称位置にあるということには、非対称な配管を、したがって圧力の不均等を補償するためにバランス手段を設ける必要がないという利点がある。燃料電池モジュールの間に位置することで、圧縮器と燃料電池スタックとの間の配管を少なくし圧力損失を小さくすることができる。

空気モジュールを、接続可能なモジュールとして設計することで、故障時に交換することができる。空気モジュールは、たとえばサービスおよびメンテナンスのために、簡単に取り外して洗浄することができる。同様に、各燃料電池モジュールは、エラーメッセージが発生した場合、簡単に交換することができる。

媒体・電気インターフェイスは、周辺機器（ＢＯＰ）コンポーネントを含み得る。媒体・電気インターフェイスに位置する各周辺機器コンポーネントは、好都合にはＥＭＣシールドが施されて粉塵および水の侵入から保護される。媒体・電気インターフェイスは、たとえば、保護クラスＩＰ６７またはＩＰ６Ｋ６Ｋに従って製造することができる。保護クラスＩＰ６７は、ＤＩＮ ＥＮ ６０５２９（ＶＤＥ ０４７０−１）：２０１４−０９に従って理解される。保護クラスＩＰ６Ｋは、ＩＳＯ２０６５３：２０１３に従って理解される。周辺機器コンポーネントをＭＥＩに収容することには、それぞれのＢＯＰコンポーネントのためにハウジングまたは筐体を追加することに要するコストを節約できる、というさらに他の利点がある。

媒体・電気インターフェイスに設置された周辺機器コンポーネントは、具体的には、カソードサブシステムの加湿器、空気フィルタ、中間冷却器およびバルブ、冷却回路サブシステムの熱交換器、冷却ポンプ、フィルタ、バルブおよびイオン交換器、ならびに、アノードサブシステムの水分離器、圧縮器、熱交換器、バルブ、特にパージバルブおよびインジェクタバルブ等であってもよい。

一実施形態において、媒体・電気インターフェイスは、少なくとも１つの加湿器のためのハウジングを提供する。モジュール接続空気通路は、圧縮空気を空気モジュールから加湿器に送るための第２の空気通路と、加湿された圧縮空気を燃料電池モジュールに送るための第３の空気通路とを含む。

いくつかの実施形態において、排出空気通路は、消費された湿潤空気を燃料電池モジュールから加湿器に送るための第４の空気通路と、余剰空気を加湿器から排出するための第５の空気通路とを含む。

したがって、加湿器を空気モジュール自体の中に配置する必要はない。いわゆるカソード経路または空気経路または空気プールはそれぞれ、空気モジュール内の第１の部分と統合バックプレーン内の第２の部分とに分割される。加湿器は統合バックプレーンに位置するので、圧縮器および中間冷却器等の構成部品は空気モジュールに配置される。これに代えて、中間冷却器を統合バックプレーンに配置することも可能である。

加湿器は、燃料電池モジュールの空気出口からの、消費され加湿された空気から、水分を取り出し、外から取り入れた新鮮な空気の水分に加える。加湿器の例は当業者には周知である。

いくつかの実施形態において、加湿器は、燃料電池モジュールのそれぞれの位置の間に配置され、空気モジュールの位置に対向する。加湿器を空気モジュールに対向させることは利点であると考えられる。この配置の結果、圧縮器と燃料電池スタックとの間の圧力損失が小さくなる。

いくつかの実施形態において、少なくとも第２の空気通路、第３の空気通路、第４の空気通路および第５の空気通路は、燃料電池モジュールの位置に対して対称である。

いくつかの実施形態において、第１の空気通路は、燃料電池モジュールの位置に対して対称である。

いくつかの実施形態において、第６の空気通路は、燃料電池モジュールの位置に対して対称である。

空気通路の対称性を定める配置も、圧縮器と燃料電池スタックとの間の圧力損失の低下をもたらす。

いくつかの実施形態において、媒体・電気インターフェイスの空気通路のうちの少なくとも１つは、消音装置機能を提供するように成形されている。特に、空気通路には、直線部分における定在波の形成を妨げるために屈曲部が設けられてもよい。ここでの利点は雑音発生の低減である。このことは、空気ルートができる限り小さくされており空気チャネルは定在波の形成が少なくなるまたは振幅がより小さい定在波が形成されるように設計されるので発生する共鳴および雑音が少なくなることを、意味する。

いくつかの実施形態において、媒体・電気インターフェイスは外部媒体接続ポートを含む。外部媒体接続ポートは、冷却材入口と冷却材出口と空気入口と空気出口と燃料入口とを含み得る。外部媒体接続ポートを媒体・電気インターフェイスに配置することにより、統合バックプレーンを、特に同様であり同一設計である統合バックプレーンに適応的に拡張することができ、したがって、システムのスケーラビリティは、２から４、４から６となり、原則的に燃料電池モジュールの数は任意である。

いくつかの実施形態において、媒体・電気インターフェイスは、燃料電池モジュールの電流収集のための接続手段を含む。接続手段は、モジュール接続ポートと同じ側に配置されていてもよく異なる側に配置されていてもよい。

統合バックプレーンは、パワーエレクトロニクスを含むマウントを有し得る。パワーエレクトロニクスは、１つまたは数個の圧縮器の動作に適したものであってもよい。特に、電力を空気モジュールの圧縮器の動作のために使用することができる。

マウントは、ＤＣ／ＡＣまたはＤＣ／ＤＣ変換器またはインバータ等の電力変換装置を含み得る。変換装置は、燃料電池モジュールの電流収集手段に個別にまたは共通レールを介して接続可能であってもよい。

マウントは、燃料電池モジュールの少なくとも１つの動作パラメータをモニタリングするための少なくとも１つの燃料電池制御ユニットを含み得る。このような動作パラメータは、セル電圧、セル電流、セル温度、セル抵抗、モジュール電圧、モジュール電流、モジュール温度、モジュール抵抗などを含み得る。代替実施形態において、燃料電池モジュールは、動作パラメータをモニタリングするための燃料電池制御ユニットを含み得る。

マウントは、モジュールの反対側に配置されてもよい。そうすることで、ＤＣ／ＡＣまたはＤＣ／ＤＣ変換器またはインバータおよび／または燃料電池制御ユニットを、最小の電圧損失で電池モジュールに接続することが可能になる。

いくつかの実施形態において、媒体・電気インターフェイスは、冷却材を燃料電池モジュールに送るためおよび燃料電池モジュールから送るための冷却材マニホルドを含み得る。

媒体・電気インターフェイスは、水素等の燃料を燃料電池モジュールに送るための燃料パイプを含み得る。任意で、媒体・電気インターフェイスは、水素タンク出口バルブ等の燃料タンク出口バルブと結合するためのインターフェイスも含み得る。これに代えて、燃料パイプの経路がＭＥＩの外側から燃料電池モジュールまで設定されていてもよい。

一実施形態において、媒体・電気インターフェイスは、各燃料電池モジュールを選択的に動作状態もしくは非動作状態にできるように、または、１対の燃料電池モジュールを非動作状態にできるように制御されることが可能なシステムバイパスバルブのためのハウジングを提供する。いくつかの実施形態において、システムバイパスは、非動作状態にされたときにモジュール内の流れを逸らして各モジュールの総合的な性能および耐性を最大にできるようにする流れバイパスを含み得る。さらに、媒体・電気インターフェイスに統合されたコントローラを、モジュール間の負荷分散を実現するように構成することができる。

本発明に従い、上記統合バックプレーンを有する燃料電池システムが提案される。燃料電池システムは、位置決め手段に配置され媒体・電気インターフェイスに接続された少なくとも２つの燃料電池モジュールと少なくとも１つの空気モジュールとを有する。

いくつかの実施形態において、燃料電池システムは、位置決め手段に配置され媒体・電気インターフェイスに接続された、厳密に２つの燃料電池モジュールと厳密に１つの空気モジュールとを有する。

モジュール接続が、たとえば、組立のための機械的接続、気体接続、電気的接続、およびデータ通信接続により、提供される。すべての接続は、たとえ専門家でなくてもモジュールを交換できるようにする接続であってもよい。特に、クイックロックリリースシステムを提供することができる。

媒体・電気インターフェイスのモジュール接続を、たとえば、統合バックプレーンと、接続されたモジュールとを含む燃料電池システムが、保護クラスＩＰ６７またはＩＰ６Ｋ６Ｋに準拠するように、作製することができる。

特に、すべての接続は、たとえば粉塵、風、水等の侵入から保護するための封止、または面、端部もしくは周囲の封止手段を含み得る。

機械的接続は、特に、差込カップリング、プラグイン、スナップインカップリングなどを含み得る。特に、モジュールを媒体・電気インターフェイスに接続するためにねじを設けてもよく、ねじは、モジュールの背面から挿入されモジュール全体を通って媒体・電気インターフェイスにねじ込まれる。

気体接続については、好ましいフォームフィット（form-fit）接続手段、特にセルフシール接続が設けられる。電気的接続は、好ましくはプラグ接続である。すべての気体接続および電気的接続は、侵入からの保護および耐漏洩のための封止または封止手段を含み得るものであり、特に、封止は、面、端部、および／または周囲の封止を含み得る。

いくつかの実施形態において、空気モジュールは少なくとも１つの圧縮器を含む。典型的ではあるが限定されない、ファン、スクリュー圧縮器、ターボ圧縮器、ルート圧縮器、またはラジアル圧縮器を圧縮器として使用することができる。

いくつかの実施形態において、空気モジュールは中間冷却器を含む。中間冷却器は、圧縮器からの圧縮によって加熱された空気を、燃料電池スタックの動作状態に合わせて冷却する。

媒体・電気インターフェイスまたは位置決め手段は、車台に統合するための搭載ポイントを含み得る。

いくつかの実施形態において、燃料電池モジュールは、ランチボックス型であり、同一の外形を有する。

本開示の文脈において、漸進的ロックシステム（progressive locking system）を備えた筐体を有する燃料電池モジュールを、「ランチボックス型」筐体とも呼ぶこともできる。

このような燃料電池モジュールは、燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池を有し得る。燃料電池モジュールは、燃料電池スタックを囲う筐体を含み得る。この筐体は、底部アセンブリと蓋キャップアセンブリとを含み得る。底部アセンブリおよび蓋キャップアセンブリは、さまざまな圧縮圧力を燃料電池モジュールに与える漸進的ロックシステムを有し得る。

底部アセンブリは、少なくとも一部がスタックアーキテクチャにフォームフィットするようにされて内部位置合わせ機能を提供するジャケットと、燃料電池スタックに対して圧力で接触する底部プレートとを含み得る。

蓋キャップアセンブリは、燃料電池スタックと圧力で接触する圧縮プレートを含み得る。蓋キャップアセンブリは、媒体経路設定要素を含み得る。

本開示のその他の態様
第１の態様−はじめに
先行技術の燃料電池スタックおよびシステムの導入において、パッケージングおよび統合は、重要課題のうちの１つである。従来のまたは先行技術のスタック技術は、当業者の間では一般的に単位セルと呼ばれている、１対のバイポーラフローフィールドプレートに挟まれたＭＥＡを含む構成を用いる。ＭＥＡは、第１のガス拡散層（gas diffusion layer）（ＧＤＬ）と、アノードと、アノード触媒と、ポリマーメンブレン（polymer membrane）（ＰＭ）と、カソード触媒と、カソードと、第２のガス拡散層（ＤＧＬ）とを含む、１つ以上の層を含み得る。典型的に、ＭＥＡはこれらの層をすべて含むが、このことは本発明を限定するものではない。次に、単位セルを連続的に積層することにより、単位セルからなるアセンブリを形成する。次に、燃料電池スタックを形成するために、単位セルからなるアセンブリを、１組の圧縮ハードウェアと媒体プレートとの間に、または、場合によっては圧縮ハードウェアと統合媒体プレートとの間に挟む。この単位からなるアセンブリは、最終的なスタック構成に合わせて決まる単位セルの数次第で、媒体プレートおよび圧縮ハードウェアの固定中の個々の部品の位置合わせおよび位置合わせを維持する機能に起因する、大量生産における課題を示す可能性がある。

第１の態様の開示
スタックアセンブリ全体を簡略化しそのコストを下げるために、新たな筐体を提案する。好ましい実施形態において、この筐体は、スタックアーキテクチャにフォームフィットするようにされて内部位置合わせ機能を提供する底部成形アセンブリからなる。組立中、中央搭載プレートは、スタックが組み立てられている間、筐体の外部ジャケットが位置合わせを提供するように動きを与え、ジャケットは、組立プロセス中のスタックの高さの増加に応じて引き上げられる。最終高さになると、底部プレートは、位置合わせを提供する外部ジャケットに対する固定ポイントに達し、適所でロックされる。

この筐体の第２の構成要素は蓋キャップシステムである。蓋キャップシステムは、エンボス加工された統合圧縮プレートを有し、いくつかの実施形態では部分ジャケットを有する。いくつかの実施形態における圧縮プレートおよび代替実施形態におけるジャケットは、ロックシステムを含み、このロックシステムにより、底部の筐体ジャケットは上部の蓋キャップシステムにロックされる。接合中、蓋キャップシステムは、外部ジャケットの位置合わせガイドに従い、それに加えて、自身の追加位置合わせガイドを提供することができる。

蓋キャップシステムの接合時、蓋キャップシステムはロックシステムを通して底部ジャケットに挿入または接合され、スタックアセンブリ全体を適所に固定するために少量の予備圧縮が加えられるが、この圧力は、最終的な燃料電池圧力ではなく、組立の準備のため、および、組み立てられた筐体を所望の使用時間まで保管するために、位置合わせを保持しスタックの安定性を維持するために使用される、安定化クランプ力にすぎない。

一実施形態と同様、このアセンブリは漸進的ロックシステムで固定することができ、このシステムの場合、ロック段階が選択されることで、さまざまな圧縮圧力が提供される。一実施形態において、内部では、当業者各々が熟知している各種物理現象に基づいてスタックアセンブリが成長および収縮する間、スタックの圧縮圧力を一定に保つために、下側の固定プレートは変位に適応することができる。

これらの実施形態の変形が図１および図２に示される。図１は、外部ラチェット、ポーティング（porting）、および外部電気的接続のための可能な一組の実施形態に係るランチボックス型筐体を示す。

図２は、内部圧縮およびポーティングブロック、スタックアセンブリの位置合わせ特徴、ならびにＵ字型フロー機構のポート構成の、可能な一実施形態を示す、ランチボックス型筐体の断面を示す。

内部において、底部搭載プレートまたは上部蓋キャップまたはこれらの双方は、筐体の外部媒体インターフェイスからの水素、空気、および冷却液を、内部の単位セルの集合体に連結するための媒体経路を含む。一実施形態において、内部の媒体ポートおよびインターフェイスは、アセンブリの積層中に生じる位置合わせ許容誤差という問題を最小にするために、位置が重なるように設計されてもよい。外部媒体インターフェイスは、一元化されるかまたはセル筐体の周囲に分散される。一実施形態において、外部媒体インターフェイスを一元化することにより、組み立てられた「ランチボックス型」筐体を統合媒体バックプレーンに接続することができ、そうすると、複数の「ランチボックス型」筐体を、水素、空気および冷却材のための共通する一組の分配多岐管に接続することができ、搭載位置を固定することができ、共通して電力を収集することができる（これは、一実施形態においては共通バスを通して行うことができ、別の実施形態においてはバックプレーンと統合されるまたはバックプレーンに別途搭載される電力変換装置に接続される一連の独立したバスを通して行うことができる）。

代替実施形態において、筐体上の媒体インターフェイスは、複数の筐体がレゴ（登録商標）ブロックのように組み合わされこれらの筐体の結合により統合媒体バックプレーンを形成するように、設計される。各筐体は、受動加湿の統合、冷却材の流れを循環させる外部ジャケット、筐体内の個々のスタックの個々の電力の電力レベルに合わせた電力変換装置の統合、および、複数のユニットに対応する独立した燃料電池コントローラを、含み得る。接続が筐体ごとに形成される場合、筐体内の媒体経路は、カスケード形態で、またはこれに代えて個々の筐体ユニットに封入されたスタックの各々への並列接続を有するマニホルドとして、構成することができる。

提案している解決策は、配管およびコネクタを最小にすることができ、システムの実用性を改善し、スタックのためのよりコンパクトで簡略化されたパッケージングを提供し、運転前に行われる最終的な全面的圧縮に先立ってスタックを安定して予備圧縮することができる。

第２の態様−はじめに
下は１ｋＷまたは２．５ｋＷまたは１０ｋＷという電力レベルから、場合によっては６００ｋＷよりも高い電力レベルまで対応可能な、モジュール式で拡大縮小可能な低コストの燃料電池システムを提供するためには、簡略化されたモジュール式接続システムが望ましい。

第２の態様の開示
上記「ランチボックス型」燃料電池モジュールの概念に基づいて、統合バックプレーンを提案する。

統合バックプレーンは、プラグインタイプという概念を提供し、この場合、「ランチボックス型」筐体は、統合バックプレーンの媒体カップリングにプラグインされる（差し込まれる）。統合バックプレーンは、統合された空気および冷却材通路を含み、かつ、いくつかの実施形態では統合された水素経路を含む。

積層構成の一実施形態が図３および図４に示される。図３および図４は、統合バックプレーンの積層およびプラグインという概念としてのランチボックス型構成およびポーティングの正面図および背面図である。

バックプレーンは、一体化されたもの全体であってもよく、または、バックプレーン自体を、可能なモジュール接続の数を増減させるモジュール式で組み立ててもよい。バックプレーンは、入ってくる空気および冷却材の流れを提供するとともに、バックプレーンから出る使用後の流れをインターフェイスに集めて、周囲環境に、または、車両のラジエータ等の、燃料電池システムを接続しなければならないその他のサブシステムに、排出する。

一実施形態において、入ってくる空気の流れおよび出てゆく空気の流れは、統合バックプレーンに含まれるので、バックプレーンは、統合された加湿器または統合された一連の加湿器を含み得る。当業者により十分に理解されるように、これらの統合された加湿器は、それぞれの物理的原理に従って機能し、統合されることにより、これらの機能が一致することを保証する。

バックプレーンは、車台に統合するための搭載ポイントを含み、いくつかの実施形態において、バックプレーンは、圧縮器、冷却材ポンプ／ラジエータ出口、および／または水素タンク出口／低圧調整バルブを接続できる結合インターフェイスを含む。

いくつかの実施形態において、圧縮器入力は、いくつかの実施形態では圧縮器をバックプレーンに直接統合できる場所である、モジュールに最も近い背面に、直接設けることができる。すべての実施形態において、空気供給部、たとえば圧縮器を含む空気供給部の数は、わずか１つであってもよく、または、統合されるモジュールの数の２倍以下であってもよい。

水素供給接続は、固定されたポートによって接続されたモジュールに対して中央マニホルドによって行われてもよく、いくつかの実施形態では、強固にまたは柔軟にホースで接続されたモジュールに対して中央マニホルドによって行われてもよい。

統合バックプレーンは、個々のモジュールすべてをともに接続するために使用される統合されたバスシステムを含み得るものであり、代替実施形態では、電力変換装置を直接バックプレーンに統合して電力変換装置が各モジュールからの入力を取り込みこれらの間で電力を平衡させるようにしてもよい。

バックプレーン内の各モジュールは、中央コントローラユニットを有していてもよく、または、いくつかの実施形態において、単一のコントローラユニットをバックプレーンに統合しサブコントローラをサブモジュールに統合することで、新たなモジュールが導入されたときの拡張性および適応性の機能を提供してもよい。

統合バックプレーンは、背面を任意の向きにした状態で平坦なレイアウトになるように配置することができる。

すべての実施形態において、スタックの向きは、個々のモジュールの向きを、重力の方向に対して最も望ましい向きになるように、調整できるよう、適応させることができる。

すべての実施形態において、個々のモジュールとバックプレーンとの間の接続は、配管および／または直接接続の長さを最小しそれによって全システム内の圧力損失を最小にするように、固定される。

モジュールコントローラ、および、いくつかの実施形態においてはバックプレーン内の統合コントローラは、モジュール間の負荷を平衡させるように、または、特定のモジュールを選択的に動作状態もしくは非動作状態にするように、構成することができ、後者の方法は、いくつかの実施形態において、フローバイパスと組み合わされることで、非動作状態にされたときにモジュール内の流れを逸らし、各モジュールの全体的な性能と耐性を最大にできるようにする。

第３の態様−はじめに
先行技術の燃料電池システムにおいて、従来の制御アーキテクチャは、空気、水素、加湿、および冷却のループの中に位置するセンサのアレイの使用に依拠している。スタックをモニタリングするために他のセンサが含まれていてもよく、これらのセンサは、スタックの中に統合されるか、または、スタックの構成要素の外部に位置する。そうすると、これらのセンサはすべて制御コンピュータと組み合わせて使用され、制御コンピュータは、センサからの入力値を取り込み、入ってくる水素、空気、冷却材の流れを、または入ってくる反応物の流れの加湿を調整する、燃料電池システム内のコントローラに対する適切な入力応答を決定するために、経験的もしくは半経験的モデルを、または予めロードされた一連のルックアップテーブルを使用する。

一般的に、この先行技術の燃料電池制御アーキテクチャは、システム内のセンサの数が多いので高コストであり、また、プログラミングの予め定められた境界の外側にある動作状態に対応する際の適応性に欠けるという点において非常に硬直している。加えて、この従来型のアーキテクチャのシステムの開発コストの負担がある。なぜなら、燃料電池システムが遭遇すると予測できる、起こり得る動作シナリオの最も広い範囲の下での積層動作の範囲を特徴付けるには、多大な手間と時間と被験物が必要であるからである。

第３の態様の開示
燃料電池システムの制御アーキテクチャについての先行技術の手法の欠点に対処しつつ燃料電池システムの総コストを下げるために、自己学習型で人工知能に基づく燃料電池制御システムを提案する。このシステムは、大半のセンサを排除することによってコストを下げ、自己学習型の人工知能アルゴリズムの使用を導入することにより、燃料電池システムが晒される動作環境と要求されるデューティサイクルとに直接基づいて、高度の適応性および最適化を提供する。

システムを制御し、かつ、空気、水素、および冷却材のループの調整コントローラに対して入力を与える能力が、依然として要求される。制御機能を提供するために、低コストの電圧モニタリングをスタックにおいて実現する。

統合された電圧モニタリングを、ある実施形態では、プレートのスロットに統合された低コストのメタルピンタイプのコネクタを使用することによって行い、別の実施形態では、フローフィールドプレートに統合された無線センサまたはＲＦＩＤタグを統合することによって行い、さらに他の方法では、接着剤を介してスタックの外部エッジに固定されたロールオン電圧センサを使用することによって行う。この場合、電圧の検知は、外部電界の測定を通してまたは導電材料との直接的な接触を通して行われる。

自己学習型の人工知能制御アーキテクチャをさらに可能にするために、高周波測定機能装置を、システムの制御盤またはＤＣ／ＡＣもしくはＤＣ−ＤＣ変換器もしくはインバータに統合してもよい。高周波測定機能装置により、スタック内の材料の水和に関係する周波数応答スペクトルをその場で収集することができる。

燃料電池の動作において、入力および応答の挙動を理解することが重要であり、先行技術において、これは、多数のセンサおよび基礎となる一連のモデルおよび／またはルックアップテーブルの使用を通して実現される。しかしながら、スタックおよびその中にある個々のセルの状態に対する最も直接的な応答は、実際、それぞれスタック電圧およびセル電圧である。スタック電圧およびセル電圧は、燃料電池スタックが動作しているときのその場での動作状態およびデューティサイクルに対する１対１の直接的な応答を提供する。しかしながら、基礎となる物理学の複雑さに基づくと、応答を解釈する能力は非常に複雑であり簡単に解明されるものではない。

システム内のセンサを低減または排除し、自己学習型の人工知能制御システムを可能にするには、セル電圧、全スタック電圧、およびスタック内の水和の現在の状態を知ることが必要である。セルベースの電圧および高周波抵抗の収集について先に概要を述べた実施形態を用いて、自己学習型の人工知能制御アーキテクチャのための制御アルゴリズムを提案する。

具体的には、制御側に形成された異なる波を使用することにより、（含まれている場合は）空気、水素、冷却、および加湿のループのための個々のコントローラへの入力信号を摂動させることができる。この摂動は、それぞれのループに対して個別に行うことができる、または、すべてのループに対して同時に行うことができるが、この場合は異なる摂動周波数を使用する。ループの制御摂動の間、セル電圧、スタック電圧、および高周波応答が収集される。次に、セル電圧およびスタック電圧の応答を使用することにより、応答が、性能の改善において良いものなのか、または性能を低下させる悪いものなのかを判断する。

高周波抵抗の収集を使用することにより、設定された動作ポイントに関連する水和の状態を判断し、システムの水和を制御することによって乾燥および氾濫を防止する。加えて、水和状態をセル電圧と組み合わせて使用することにより、サブゼロ動作等の条件に対するスタートアップおよびシャッドダウン中の動作状態を調整することができる。

個別の改善または一括した改善に基づいて、最適な摂動の方向を取得し、システムを一組の動作要求および条件に対する最適な構成ポイントするために、プロセスを繰り返す。

さらに、他の実施形態において、同じ摂動に基づく最適化を実現するために、当業者にとっては一般的であるグローバル最適化およびローカル最適化アルゴリズムの各種形態を適用することができる。この最適化が完了すると、人工知能システムは、動作ポイント、設定条件、および結果として得られる最適性能を追跡しモニタリングする。この追跡は、燃料電池制御ユニット内にローカル保存することを含み、その他の実施形態において、燃料電池コントローラだけでなく世界中のまたは地域的なその他の燃料電池コントローラユニットによる参照アクセスのための、中央データベースまたはローカルデータベースへのこのようなデータのアップロードを含む。

人工知能システムは、保存されたデータの使用を通して、データを学習し適用することにより、時間とともに最適化を向上させ、エージングの過程におけるスタック応答を追跡し制御することにより、システムループ入力挙動を調整することで、スタックの寿命を最大化し、コアの動作ポイント周辺において必要な摂動を最小にすることができる。これにより、代わりに周辺境界ポイントに対して実現されるデューティモニタリングおよび摂動を少なくすることができる。

ユニット間の接続性を、直接、またはクラウドもしくは中央データベースを通して使用することにより、個々のユニットを、他のユニットの人工知能コントローラが学習した制御アルゴリズム応答を用いて最適化することができ、そうすることで、共同のまたは集合的な最適化を局所的に、地域的に、または世界的に実現することができる。

また、自己学習型の人工知能制御システムを使用することで、当該分野で必要な工場受け入れテストおよび／またはスタック調節を排除または最小にする。なぜなら、摂動および学習アルゴリズムは、実際、オンザフライの人工知能最適化制御ユニットであるからである。これにより、システムは、最初のスタックブレークインまたは調節期間中の漸進的に変化するセル応答に基づいて、フィールド調節および制御挙動を実施することができる。燃料電池スタックを所望のアプリケーションに適用する前のスタックの工場受け入れテストおよび／またはスタック調節を排除または最小にすることにより、燃料電池システムの全体的なコストを大幅に下げる。

実施形態の変形において、自己学習型の人工知能アルゴリズムを用いることにより、性能を最適化するかもしくは劣化率を最小にすることができる、または、ブレンドモードにおいて、ブレンド値ベースの最適化のために、これら双方を最適化しバランスを取ることができる。

学習アルゴリズムに、動作条件の選択を通して寿命最適化というタスクも与え、そうすると、セルベースおよび／またはスタックベースの単位時間当たりの劣化率が最小になる。

本発明の実施形態に係るランチボックス型筐体の斜視図である。 本発明の実施形態に係るランチボックス型筐体の断面図である。 統合バックプレーンおよびランチボックスが配置されたシステムの斜視図である。 統合バックプレーンおよびランチボックスが配置されたシステムの斜視図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの斜視図である。 図５の燃料電池システムの別の斜視図である。 図５の燃料電池システムの背面図である。 図５の燃料電池システムの側面図である。 図５の燃料電池システムの別の側面図である。 燃料電池モジュールを取り除いた図５の燃料電池システムの正面図である。 燃料電池モジュールおよび空気モジュールを取り除いた図５の統合バックプレーンの斜視図である。 図５の燃料電池システムのＭＥＩの内部の斜視図である。 図５の燃料電池システムのＭＥＩの内部の別の斜視図である。 図５の統合バックプレーンの空気モジュールの斜視図である。 ハウジングが開かれている図１４の空気モジュールの側面図である。 ハウジングが開かれている図１４の空気モジュールの斜視図である。

図面の説明
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながらより詳細に説明する。これらの実施形態は本発明の主題を限定するものと解釈されてはならない。当業者にとって、図面に示されていない多数の変形および組み合わせは、当業者の技術的知識に基づくと明らかであろう。

図面において、同一の参照符号は同一の要素をまたはその機能が同様である要素を特定するために用いられる。説明の繰り返しは可能であれば行わない。

図１は、外部ラチェット、ポーティングおよび外部電気接続のための可能な一組の実施形態に係るランチボックス型筐体を示す。

図２は、内部圧縮およびポーティングブロック、スタックアセンブリの位置合わせ特徴、ならびにＵ字型フロー機構のポート構成の、可能な一実施形態を示す、ランチボックス型筐体の断面を示す。

スタック構成の一実施形態が図３および図４に示される。図３および図４は、統合バックプレーンの積層およびプラグインという概念としてのランチボックス型構成およびポーティングの正面図および背面図である。

図５〜図９は、燃料電池システム１００の異なる斜視図を示す。図１０および図１１は、燃料電池モジュール１１０および空気モジュール１２０が如何にして統合バックプレーン１０に接続されるかを示す。図１２および図１３は、媒体・電気インターフェイス（media and electrical interface）（ＭＥＩ）２０の内部を示し、わかり易くするためにＭＥＩ２０の筐体を省略している。図１４〜図１６は空気モジュール１２０を示す。

より詳細には、図５は、本発明のある実施形態に係る燃料電池システム１００の斜視図を示す。燃料電池システム１００は統合バックプレーン１０を含み、統合バックプレーンは、相互に概ねＬ字になるように配置された位置決め手段１２とＭＥＩ２０とを有する。位置決め手段１２がＭＥＩ２０と一続きになるように製造される、たとえば成形、鋳造、３Ｄプリンティングなどによって一体的に形成されることが、好都合である。

２つの燃料電池モジュール１１０、すなわち１対の燃料電池モジュール１１０と、空気モジュール１２０とが、位置決め手段１２に配置される。空気モジュール１２０は、個々の燃料電池モジュール１１０の各々と隣接するように配置される。図示の実施形態において、空気モジュール１２０は、中央に、すなわち燃料電池モジュール１１０の間に位置するが、これは本発明を限定するものではない。

示されている具体例としての実施形態は、２つの燃料電池モジュール１１０と、その間に配置された１つの空気モジュール１２０とを明確に示しているが、本発明はこれに限定される訳ではない。言うまでもなく、本発明に係るＭＥＩ２０は、隣り合うように配置されたより多くの燃料電池モジュール１１０の対および空気モジュール１２０を収容するように設計できる。

空気モジュール１２０の外寸と燃料電池モジュール１１０の外寸とを事実上同一にすると、圧縮された冷却空気を十分にスタックに供給できることが明らかにされている。

図５は、外部媒体接続ポート２４を備えたＭＥＩ２０の斜視図を示しており、冷却材入口４０、冷却材出口４２、空気入口４４、および燃料入口４８が見えている。

「モジュール１１０、１２０」と呼ぶこともある燃料電池モジュール１１０および空気モジュール１２０の反対側において、マウント３０がＭＥＩ２０に装着されている。マウント３０は、典型的に、電子アセンブリ、特にＤＣ／ＡＣまたはＤＣ／ＤＣ変換器またはインバータ、パワーエレクトロニクスおよび燃料電池コントローラを含む。燃料電池モジュール１１０からマウント３０までの電気ラインおよびデータラインは、ＭＥＩ２０を通って延びていてもよい。対応するケーブル開口が、ＭＥＩ２０とマウント３０の両方に設けられていてもよい（図示せず）。

このように、ＭＥＩ２０は、マウント３０とモジュール１１０、１２０との間に位置する。図示されているが本発明を限定するものではない実施形態において、マウント３０は、ＭＥＩ２０と、方向ｄ_１およびｄ_３において実質的に同一の外寸を有し、これは図６で最も良く視認できる。実質的に立方体である外形は、燃料電池システム１００を極めてコンパクトな寸法にし、特に車両のような移動システムに統合するのに適したものにする。

マウント３０は、マウント３０の壁の窪み３４に配置された複数の固定手段３２で固定されている。マウント３０は、ＭＥＩ２０に、さまざまな方法、たとえばボルト締め、溶接、リベット締めなどで固定することができる。固定手段３２に対し、マウント３０の主要な寸法に垂直な方向、すなわち方向ｄ_２からアクセスできることが好都合である。示されているマウント３０の場合、マウント３０は、燃料電池システム１００の場所で取り外すことができるので、マウント３０に含まれる電子アセンブリは、損傷が生じると交換できる。

マウント３０上において、外部媒体接続ポート２４のうちのいくつかと同じ側に、制御バス接続ポート３６およびＡＶ端子３８が位置する。たとえば、図６からわかるように、制御バス接続ポート３６の側に、これらも外部媒体接続ポート２４である空気入口４４および空気出口４６がある。

図５はさらに燃料入口４８を示しており、燃料チャネルはＭＥＩ２０の内側にある。外部媒体接続ポート２４の側にアクセス窓２５があり、この窓を通して、燃料電池モジュール１１０に燃料パイプ７２（図１３に示される）を接続することができ、燃料モジュールから燃料パイプを取り外すことができ、燃料モジュールへの燃料パイプの接続を監視することができる。水素パイプを第２の燃料電池モジュール１１０に接続するために、別のアクセス窓２５が、マウント３０のほぼ中央からわずかにずれた場所に位置する。これらのアクセス窓２５はＭＥＩ２０に対して対称ではないが、このことが本発明を限定する訳ではない。

通常、燃料パイプ７２は金属からなる。燃料供給は、このシステムの安全性に関係する側面を表す。したがって、漏れのない供給を確実にして漏れを抑制するためには、アクセス窓２５を介して燃料入口４８に直接アクセスすることが好都合である。燃料電池モジュール１１０への接続は、取付具４９（図９に示される）を介して行うことができる。

図６は、図５の燃料電池システム１００を反対側から見た斜視図を示す。
図６では、燃料電池モジュール１１０および空気モジュール１２０を、これらの組立中の下側に相当する背面側から見ることができる。燃料電池モジュール１１０および空気モジュール１２０は、図５を参照しながら説明したように、位置決め手段１２上で隣り合わせになるように配置される。位置決め手段１２は、モジュール１１０、１２０のサイズに適合し、端がこれらのモジュールと同一面にある。

燃料電池モジュール１１０は、示されているが本発明を限定するものではない具体例としての実施形態において、いわゆるランチボックス型モジュールとして設計されている。ランチボックス型モジュールは、蓋キャップアセンブリ１１２に入れ子状に収められた底部アセンブリ１１４を含む。底部アセンブリ１１４と蓋キャップアセンブリ１１２との間には、スタックのフットプリントの２つの長辺の各々に配意されたポケット１１６があり、これらのポケットには漸進固定システムを配置することができる。漸進固定システムは、燃料電池モジュール１１０に位置する燃料電池スタックに対する圧縮圧力の範囲を可変にする。

本発明は、燃料セルスタックの各種実施形態に限定されない。燃料電池スタックは、電流収集のために上端プレートと下端プレートとで境界が定められ、一連の二極プレートとＭＥＡとＧＤＬとを含み得る。これに代えて単極プレートを使用することもできる。

図６に示されるランチボックス型の燃料電池モジュールにおいて、いわゆるスタック方向は、方向ｄ_２に相当する。したがって、個々の二極プレートは、この図の紙面において垂直に配置され、ＭＥＩ２０の主方向ｄ_３およびｄ_１に対して実質的に平行に延在する。この構成は、たとえば車両に設置された場合、化学反応に加わる分子、たとえば二極プレートの流体チャネルを通過する水滴に対する重力の効果を好都合に利用する。水滴はその出口に落ちる傾向があり、この出口はほとんどの実施形態において空気出口４６である。

搭載ポイント５４は燃料電池モジュール１１０の底部アセンブリ１１４のエリアにあり、ここでは一例として１つの燃料電池モジュール１１０当たり４つの搭載ポイント５４が設けられているが、これは本発明を限定するものではない。搭載ポイント５４のうちの２つが、底部アセンブリ１１４の角に位置し、搭載ポイントのうちの他の２つが、一例として燃料電池モジュール１１０のポケット１１６のエリアにある。言うまでもなく、その他さまざまな構成が可能であり、特に、搭載ポイント５４が４つよりも多いまたは少ない構成が可能である。

図７は、マウント３０が最も前にある統合バックプレーン１０の上面図を示す。マウント３０の下部エリアには燃料入口４８へのアクセスウィンドウ２５のための大きな窪み３４がある。底側において、位置決め手段１２に沿って延在する補強リブ１４が配置されている。

補強リブ１４は、衝撃および振動を吸収するように設計されている。これらのリブは、統合バックプレーン１０を補強することにより、燃料電池モジュール１１０を機械的衝撃から保護する。

図８において、燃料電池システム１００の側面図は、補強リブ１４が、位置決め手段１２の長さｌにわたって均等に突出しているのではなくウェッジヒール１８のような形状でもよいことを示している。

ウェッジヒール１８は、統合バックプレーン１０の下側のレイアウトの可能な１つの実施形態を表しているにすぎない。示されている実施形態には、単純に、燃料電池モジュール１１０がわずかに傾斜した位置で動作することで燃料電池スタックを通る空気および燃料等の媒体の流れを改善し得る、という利点がある。その他の実施形態において、補強リブ１４が均等に延在していてもよい。このようなウェッジヒール１８が設けられない実施形態において、燃料電池モジュール１１０は実質的に水平に動作することが可能であり、燃料スタックは二極プレートを垂直方向に位置合わせして動作することができる。よって、ウェッジヒール１８の寸法を定めることにより、重力の方向に対して最も望ましい向きになるように個々の燃料電池モジュール１１０の向きを調整できるようにスタックの向きを適合させることができる。

図８はまた、ＭＥＩ２０が、モジュール１１０、１２０と実質的に同じ高さｈであり、ウェッジヒール１８を無視すると、全体の外形が実質的に直方体である燃料電池システム１００が得られることを、示している。

図１０および図１１を参照して、いくつかのモジュール接続ポート２２および接続手段５２について説明する。

図１０は、先の図面を参照して説明した燃料電池システム１００の正面図を示す。２つの燃料電池モジュール１１０は示されておらず、空気モジュール１２０のみが位置決め手段１２に配置されている。

モジュール接続ポート２２は、燃料電池モジュール１１０の各々について同一である。そのため、同一の燃料電池モジュール１１０を接続することができる。

モジュール１１０、１２０のうちの１つのためのモジュール接続ポート２２のエリアは、参照符号２３で示される。接続ポート２２のこの特定の位置は本発明を限定するものではない。

モジュール接続ポート２２は冷却材入口４０と冷却材出口４２とを含み、これらは、モジュール接続エリア２３のそれぞれの領域の対角線方角の角に設けられている。モジュール接続ポート２２はさらに空気入口４４と空気出口４６とを含み、これらも、モジュール接続エリア２３の領域の両側に位置する。モジュール接続エリア２３の中央にあるのは、燃料電池モジュール１１０に設けられた対応する電流収集器に接続するための接続手段５２である。いくつかの実施形態において、接続手段５２は、モジュール１１０、１２０に存在し得るセンサを動作させるまたは制御するために使用することもできる。モジュール接続ポート２２は燃料出口５０をさらに含む。

データラインおよびセンサラインに対しては、制御バス接続ポート３６が設けられる。モジュール１１０、１２０からのデータおよびセンサ信号を、制御バス接続ポート３６を介して、マウント３０の対応する制御バスまたは制御装置に送信することができる。

各燃料電池モジュール１１０に対して２つの搭載ポイント５４が設けられ、これらのポイントは互いに正反対の側に位置し、燃料電池モジュール１１０をＭＥＩ２０に素早くかつ簡単に装着できるようにしている。

図１０と比較すると、図１１では空気モジュール１２０も取り外されているので、空気モジュール１２０のためのモジュール接続ポート２２を視認できる。空気モジュール１２０のためのモジュール接続ポート２２は、空気出口４６および空気入口４４を含み、これらは、燃料電池モジュール１１０それぞれのフットプリントエリア１３から等距離の場所に位置する。

いくつかの実施形態において、空気モジュール１２０に中間冷却器１２６が設けられる。図１６〜図１８を参照されたい。これに対応して、空気モジュール１２０のためのモジュール接続ポート２２は、空気モジュール１２０内の中間冷却器１２６に接続されることになる冷却材入口４０および冷却材出口４２を含む。

空気モジュール１２０内の圧縮器１２４の動作については、図１６〜図１８を参照されたい。接続手段５２は電源を提供する。接続手段５２は、空気モジュール１２０内にあってもよい制御センサを動作させるために使用することもできる。

図１１では、モジュール１１０、１２０が示されていないので、位置決め手段１２もより明確に視認できる。位置決め手段１２は、モジュール１１０、１２０のためのフットプリントエリア１３を含み、フットプリントエリア１３の境界がガイドレール１６によって定められる。ガイドレールは、モジュール接続ポート２２に対して位置決め補助を提供する。背面エリアにおいて、フットプリントエリア１３の境界は、直接ＭＥＩ２０によって定められる。正面エリアにおいて、フットプリントエリア１３には継ぎ目がない。このようにして、容易に、モジュール１１０、１２０を個別に統合バックプレーン１０に接続するまたは統合バックプレーン１０から切り離すことができる。

図１２は、特に本発明に関連するいくつかの媒体マニホルドチャネル２７を示すために、ＭＥＩ２０の内側を示す。媒体マニホルドチャネル２７は、冷却材マニホルド７０と空気マニホルド８０とを含む。

図１２において、第１の冷却材マニホルド７０がＭＥＩ２０の上部に設けられ、第２の冷却材マニホルド７０がＭＥＩ２０の下部に設けられる。冷却材マニホルド７０は、ＭＥＩ２０側において冷却材入口４０および冷却材出口４２を有する。これについては先の図面を参照して既に述べた通りである。モジュール接続ポート２２のエリアにおいて、個々の燃料電池モジュール１１０のための冷却材出口４２および冷却材入口４０は、冷却材マニホルド７０から分岐したものである。

図示されていないがいくつかの実施形態に含まれるのは、別の冷却材入口４０および別の冷却材出口４２であり、これらの入口および出口は、空気モジュール１２０内の中間冷却器１２６に冷却材を供給するために、ＭＥＩ２０の中央に置くことができる。

空気マニホルド８０は冷却材マニホルド７０の間に位置する。空気マニホルド８０は、先の図面を参照して既に述べた空気入口４４と空気出口４６とを含む。

示されている実施形態において、空気マニホルド８０は、ＭＥＩ２０の両側に２つの空気入口４４を含む。これは、雑音レベルを低減し、直径がより小さい空気マニホルド８０を使用できるようにする。空気マニホルド８０は、実質的にＴ字型であり、２つの空気入口４４よりも下に空気出口４６があり、これは貫通部と呼ばれることもある。２つの空気入口４４は、同じ高さに設けられる。この固有の空気経路設定は、空気マニホルド８０に定在波が発生するのを防止し、雑音を防止するかまたは少なくとも低減する。

空気マニホルド８０から出発して使用中の空気の流れを辿ると、空気出口４６は、空気モジュール１２０への接続のためにＭＥＩ２０の中央エリアに設けられ、空気モジュール１２０から与えられた圧縮空気を加湿器２６に供給するために空気入口４４が設けられる。

図１３においてより明確にわかるように、加湿器２６は、ＭＥＩ２０の中央において、燃料電池モジュール１１０のそれぞれの位置の間であって空気モジュール１２０の位置に対向している。湿った圧縮空気が加湿器２６から燃料電池モジュール１１０に導かれる。

燃料電池モジュール１１０のモジュール接続エリア２３の空気入口４４および空気出口４６に対応する、空気出口４６および空気入口４４が、ＭＥＩ２０の上側および下側にあり、これらは、互いに対称に、具体的にはＭＥＩ２０を通る長手方向軸についてミラー対称に配置されており、この長手方向軸は図６で軸ｄ_１として示されている。

図１２および図１３は、さらに詳しく、ＭＥＩ２０を通る空気通路６０、６２、６４、６６、６８を示す。

第１の空気通路６０は、空気マニホルド８０の空気入口４４から、空気モジュール１２０に接続するための空気出口４６へと延びている。空気モジュール１２０からの圧縮空気は、空気入口４４から第２の空気通路６２を介して加湿器２６に供給される。これはとりわけ図１３においてよくわかる。

加湿器２６を通って加湿された圧縮湿潤空気は、第３の空気通路６４を介して燃料電池モジュール１１０への接続のための空気出口４６に送られる。図１３に示されるように、第３の空気通路６４において空気の流れは気流分割器８２によって分割される。

燃料電池モジュール１１０からの消費された湿潤空気は、第４の空気通路６６を介して加湿器２６に戻され、加湿器で外気と出会い、さらに加湿されることが可能である。

第５の空気通路６８における、加湿器２６からの余剰空気が、ＭＥＩ２０の別の空気出口４６から排出される。示されている実施形態において、余剰空気が戻される方向は１つの横方向のみであるが、これは本発明を限定するものではない。当然ながら対称に空気を排出することもできる。

空気モジュール１２０を１対の燃料電池モジュール１１０の間に配置することは好都合である。空気モジュール１２０が２つの燃料電池モジュール１１０の間に位置するので、空気通路６０、６２、６４、６６、６８の導管長さが理想的に短い。これにより、空気モジュール１２０の圧縮器１２４によって生じる、ＭＥＩ２０および統合バックプレーン１０の全体にわたる空気の圧力降下を、極めて低くすることができる。

特に図５においてわかるように、空気モジュール１２０の幅は、燃料電池モジュール１１０よりも小さい。よって、この幅はモジュール寸法から明らかに離れており、燃料電池モジュール１１０と空気モジュール１２０とを交換することはできない。これらの寸法を、当業者が、空気通路６０、６２、６４、６６、６８の導管長さをできる限り短くできるように最適化してもよい。

さらに、加湿器２６も、２つの燃料電池モジュール１１０の間に配置され、かつ空気モジュール１２０に対向しているので、空気通路６０、６２、６４、６６、６８の管路長さは理想的に短い。このことも、空気モジュール１２０の圧縮器１２４によって生じる、ＭＥＩ２０または統合バックプレーン１０にわたる、空気の圧力降下を極めて低いものにするのに寄与する。

図１３では、燃料電池モジュール１１０から加湿器２６への消費された空気の排出のための第４の空気通路６６が、第１の屈曲部８４を有し、続いて流れ断面変更部８８があり、続いて第２の屈曲部８６があることも、視認できる。第１の屈曲部８４は実質的にＬ字型であり、燃料電池モジュール１１０の消費された空気を９０度偏向させる。第２の屈曲部８６において、空気の流れはさらに、ＭＥＩ２０の中央に位置する加湿器２６に向けて９０度偏向させられる。

第１の屈曲部８４と第２の屈曲部８６との間で、矩形の断面を有する空気の流れは、円形の断面を有する空気の流れに変えられる。そのためにテーパ状の構成要素が設けられているが、これは限定的に流れ断面変更部８８と呼ばれるものではない。

対応して、屈曲部または貫通部をすべての空気通路６０、６２、６４、６６、６８に設けて、直線状で遮蔽されていない気流チャネルが使用されないようにしてもよい。これにより、定在波および関連する邪魔な雑音の形成が減じられる。

図１３は、周辺機器のうちのさらに他の要素としてのシステムバイパスバルブ２８を示す。これに加えてまたはこれに代えて、アノード経路から、カソード経路から、および冷却回路からのその他の周辺機器コンポーネントが設けられてもよい。

図１４は、空気モジュール１２０の具体例としての実施形態の斜視図を示す。空気モジュール１２０のハウジング１２２は対応する直方体である。したがって、空気モジュール１２０は、本発明が提供する位置決め手段１２により、統合バックプレーン１０に適切に収容することができる。空気モジュール１２０のモジュール接続ポート２２は、ＭＥＩ２０のそれぞれのモジュール接続ポート２２と互換性がある。

図１１を参照して説明した空気モジュール１２０のためのモジュール接続ポート２２と比較して、図１４〜図１６に示される実施形態は、空気モジュール１２０内の個々の構成要素に対して分岐する冷却材入口４０および冷却材出口４２を提供する。このように、図１４および図１１は、異なる実施形態を示しているが、このことを当業者は容易に理解するであろう。しかしながら、本発明はこれらの実施形態に限定されない。

図１５および図１６は、空気モジュール１２０が、圧縮器１２４と、中間冷却器１２６と、パワーエレクトロニクスアセンブリ１２８とを含むことを示している。圧縮器１２４およびパワーエレクトロニクスアセンブリ１２８に対し、第１の冷却材入口４０および第１の冷却材出口４２が設けられ、これらの入口および出口は、図１４の空気モジュール１２０の正面の中央エリアに位置する。中間冷却器１２６に対し、第２の冷却材入口４０および第２の冷却材出口４２が、空気モジュール１２０の角のエリアに設けられている。図１５に示されるように、冷却材は、ハウジング１２２の内側の冷却材通路１３０を介して中間冷却器１２６に供給され、さらに他の冷却材通路１３０を介して冷却材出口４２に送られる。

参照符号のリスト
１０ 統合バックプレーン
１２ 位置決め手段
１３ フットプリントエリア
１４ 補強リブ
１６ ガイドレール
１８ ウェッジヒール
２０ 媒体・電気インターフェイス（ＭＥＩ）
２２ モジュール接続ポート
２３ モジュール接続エリア
２４ 外部媒体接続ポート
２５ アクセス窓
２６ 加湿器
２７ 媒体マニホルド
２８ システムバイパスバルブ
３０ マウント
３２ 固定手段
３４ 壁の窪み
３６ 制御バス接続ポート
３８ ＨＶ端子
４０ 冷却材入口
４２ 冷却材出口
４４ 空気入口
４６ 空気出口
４８ 燃料入口
４９ 取付具
５０ 燃料出口
５２ 接続手段
５４ 搭載ポイント
６０〜６８ 空気通路
７０ 冷却材マニホルド
７２ 燃料パイプ
８０ 空気マニホルド
８２ 気流分割器
８４，８６ 屈曲部
８８ 流れ断面変更部
１００ 燃料電池システム
１１０ 燃料電池モジュール
１１２ 蓋キャプアセンブリ
１１４ 底部アセンブリ
１１６ ポケット
１２０ 空気モジュール
１２２ ハウジング
１２４ 圧縮器
１２６ 中間冷却器
１２８ パワーエレクトロニクスアセンブリ
１３０ 冷却材通路
１３２，１３４ 空気通路

Claims (15)

1. 少なくとも１対の燃料電池モジュール（１１０）と少なくとも１つの空気モジュール（１２０）とを保持するための統合バックプレーン（１０）であって、
   前記統合バックプレーン（１０）は、前記空気モジュール（１２０）を前記１対の燃料電池モジュール（１１０）の燃料電池モジュール（１１０）に対して対称位置に配置できる、たとえば前記燃料電池モジュール（１１０）の間に配置できるように、前記１対の燃料電池モジュール（１１０）および前記空気モジュール（１２０）のための位置決め手段（１２）を有し、
   前記統合バックプレーン（１０）は媒体・電気インターフェイス（２０）をさらに有し、
   前記媒体・電気インターフェイス（２０）は、前記燃料電池モジュール（１１０）および前記空気モジュール（１２０）に接続するためのモジュール接続ポート（２２）を含み、
   前記媒体・電気インターフェイス（２０）は、空気を前記空気モジュール（１２０）に送るための第１の空気通路（６０）と、圧縮空気を前記空気モジュール（１２０）から前記燃料電池モジュール（１１０）に送るためのモジュール接続空気通路（６２，６４）と、前記燃料電池モジュール（１１０）からの消費された空気を排出するための排出空気通路（６６，６８）とを含む、統合バックプレーン（１０）。
2. 前記媒体・電気インターフェイス（２０）は、少なくとも１つの加湿器（２６）のためのハウジングを提供し、
   前記モジュール接続空気通路（６２，６４）は、圧縮空気を前記空気モジュール（１２０）から前記加湿器（２６）に送るための第２の空気通路（６２）と、加湿された圧縮空気を前記燃料電池モジュール（１１０）に送るための第３の空気通路（６４）とを含む、請求項１に記載の統合バックプレーン（１０）。
3. 前記排出空気通路（６６，６８）は、消費された湿潤空気を前記燃料電池モジュール（１１０）から前記加湿器（２６）に送るための第４の空気通路（６６）と、余剰空気を前記加湿器（２６）から排出するための第５の空気通路（６８）とを含む、請求項２に記載の統合バックプレーン（１０）。
4. 前記第２の空気通路（６２）、前記第３の空気通路（６４）、前記第４の空気通路（６６）および前記第５の空気通路（６８）は、前記燃料電池モジュール（１１０）の位置について対称である、請求項３に記載の統合バックプレーン（１０）。
5. 前記加湿器（２６）は、前記燃料電池モジュール（１１０）のそれぞれの位置の間に配置され、かつ前記空気モジュール（１２０）の位置に対向する、請求項２、３または４のいずれか１項に記載の統合バックプレーン（１０）。
6. 前記媒体・電気インターフェイス（２０）の前記空気通路（６０，６２，６４，６６，６８）のうちの少なくとも１つは、消音装置機能を提供するように成形されている、先行する請求項のいずれか１項に記載の統合バックプレーン（１０）。
7. 前記媒体・電気インターフェイス（２０）は外部媒体接続ポート（２４）を含み、前記外部媒体接続ポート（２４）は、冷却材入口（４０）と冷却材出口（４２）と空気入口（４４）と空気出口（４６）と燃料入口（４８）とを含む、先行する請求項のいずれか１項に記載の統合バックプレーン（１０）。
8. 前記媒体・電気インターフェイス（２０）は、前記燃料電池モジュール（１１０）の電流収集のための接続手段（５２）を含み、前記接続手段（５２）は、任意で前記モジュール接続ポート（２２）と同じ側に配置される、先行する請求項のいずれか１項に記載の統合バックプレーン（１０）。
9. 前記統合バックプレーン（１０）はマウント（３０）を有し、
   前記マウント（３０）は、たとえば、前記空気モジュール（１２０）の圧縮器（１２４）の動作のため等の、１つまたは数個の圧縮器（１２４）の動作のための、パワーエレクトロニクスを含む、および／または、
   前記マウント（３０）は、ＤＣ／ＡＣまたはＤＣ／ＤＣ変換器等の電力変換装置を含み、前記変換装置は、前記燃料電池モジュール（１１０）の電流収集手段に個別にまたは共通レールを介して接続可能である、および／または
   前記マウント（３０）は、前記燃料電池モジュール（１１０）の少なくとも１つの動作パラメータをモニタリングするための少なくとも１つの燃料電池制御ユニットを含む、先行する請求項のいずれか１項に記載の統合バックプレーン（１０）。
10. 前記媒体・電気インターフェイス（２０）は、冷却材を前記燃料電池モジュール（１１０）に送るためおよび前記燃料電池モジュール（１１０）から送るための冷却材マニホルド（７０）を含む、先行する請求項のいずれか１項に記載の統合バックプレーン（１０）。
11. 前記媒体・電気インターフェイス（２０）は、水素等の燃料を前記燃料電池モジュール（１１０）に送るための燃料パイプ（７２）を含み、かつ、任意で、水素タンク出口バルブ等の燃料タンク出口バルブと結合するためのインターフェイスを含む、先行する請求項のいずれか１項に記載の統合バックプレーン（１０）。
12. 前記媒体・電気インターフェイス（２０）は、各燃料電池モジュール（１１０）を個別に非動作状態にできるまたは前記１対の燃料電池モジュール（１１０）を非動作状態にできるように制御されることが可能なシステムバイパスバルブ（２８）のためのハウジングを提供する、先行する請求項のいずれか１項に記載の統合バックプレーン（１０）。
13. 先行する請求項のいずれか１項に記載の統合バックプレーン（１０）を有し、かつ、前記位置決め手段（１２）に配置され前記媒体・電気インターフェイス（２０）に接続された少なくとも２つの燃料電池モジュール（１１０）と少なくとも１つの空気モジュール（１２０）とを有する、燃料電池システム（１００）。
14. 前記空気モジュール（１２０）は、圧縮器（１２４）を含み、かつ、任意で中間冷却器（１２６）を含む、請求項１３に記載の燃料電池システム（１００）。
15. 前記燃料電池モジュール（１１０）は、ランチボックス型であり、同一の外寸を有する、請求項１３または１４に記載の燃料電池システム（１００）。

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