JP2023159035A - 燃料電池システムの吸気圧及び排気背圧を制御するための空気管理システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高地で運転される燃料電池システムの空気圧を制御するための改良された解決策を提供することにある。【解決手段】本発明は、燃料電池システム（１）の吸気圧及び排気背圧を制御するための空気管理システム（１０）及び方法に関する。更に、本発明は、燃料電池システム及びこのような空気管理システムを備える装置、及び車両に関する。空気管理システムは、吸気を燃料電池システムの空気圧縮機に送るために配置された空気加圧装置（３）と、排気背圧を調整するために配置された圧力調整装置（４）と、周囲気圧を検出するための圧力検出装置（５）と、空気加圧装置及び弁を検出された周囲気圧に応じて制御するように構成された制御装置（６）であって、吸気圧を所定の第１の圧力レベルに制御し、排気背圧を所定の第２の圧力レベルに制御するように構成された、制御装置（６）と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムの吸気圧及び排気背圧を制御するための空気管理システムに関する。更に、本発明は、このような空気管理システム及び１つ又は複数の燃料電池システムを備える装置、このような装置を備える車両、及び燃料電池システムの吸気圧及び排気背圧を制御するための方法に関する。

本発明は、大型車、例えば、トラック、バス、及び建設機械に適用可能である。本発明は、トラックに関して説明するが、この特定の車両に制限されず、他の車両、例えば、乗用車及びオフロード車に用いられてもよい。また、本発明は、船舶、並びにグリッド接続補助発電機又は自立発電機のような据置きの用途に適用されてもよい。

燃料電池システムは、電気自動車に電力供給するためのバッテリーの代替品又は補完品として用いられるのみならず、グリッド接続発電機及び自立発電機のような据置きの用途に用いられてもよい。

燃料電池は、通常、水素ガス及び周囲空気からの酸素を反応物質として用いる。水素ガスは、水素貯蔵システムから供給される一方、周囲空気が酸素源として用いられる。燃料電池は、圧力変化に敏感であり、燃料電池の劣化又は寿命短縮を生じさせないために、典型的には、設定圧力下又は制限された圧力範囲内において動作させる必要がある。加えて、圧力変動が燃料電池システムの効率、従って、性能に悪影響を及ぼす。ただし、周囲気圧は、例えば、高度によって変動し、海面レベルにおける標準的な値～１０１ｋＰａと比較して、標高１００メートルごとに略１ｋＰａずつ減少する。

高地では、周囲気圧が低下すると、燃料電池システムの発電出力が制限される。これは、特に大型車にとっては問題である。何故なら、高度が高いと、高出力能力を必要とする急坂を登ることが多くなるからである。とりわけ、これは、比較的高い周囲温度下では厄介である。

燃料電池システムは、通常、燃料電池スタックの他に、「バランスオブプラント（Balance of Plant）」（BoP）、すなわち、弁、圧縮機、空気フィルタ、制御回路等のような補助的な構成要素及びシステムのための制御システムも備える自己完結型ユニットとして提供される。上記の課題に対する現状の解決策として、１つ又は複数の圧縮機及び弁を備える組込み式圧力制御システムを備える燃料電池システムが考えられる。

特許文献１は、２つの空気圧縮機を有する組込み式圧力制御システムを備えるこのような燃料電池システムであって、２つの空気圧縮機の一方がタービンに接続される、燃料電池システムを開示している。

しかしながら、高地で運転される燃料電池駆動式の車両及び建設機械並びに高地に配置される静止発電機等における圧力制御に対する更に適応性のある解決策が必要とされている。

国際公開第２０２１／０９２０２１号

本発明の主目的は、少なくともいくつかの態様では、高地で運転される燃料電池システムの空気圧を制御するための改良された解決策を提供することにある。特に、本発明の目的は、種々の異なる燃料電池システムによって利用可能なこのような解決策を提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、少なくとも上記の主目的は、請求項１に記載の空気管理システムによって達成される。

したがって、燃料電池システムの吸気圧及び排気背圧を制御するための空気管理システムが提供される。この空気管理システムは、
吸気を燃料電池システムの空気圧縮機に送るために配置された空気加圧装置と、
排気背圧を調整するために配置された圧力調整装置と、
周囲気圧を検出するための圧力検出装置と、
空気加圧装置及び圧力調整装置を検出された周囲気圧に応じて制御するように構成された制御装置であって、吸気圧を所定の第１の圧力レベルに制御し、排気背圧を所定の第２の圧力レベルに制御するように構成される、制御装置と、
を備える。

このような空気管理システムを設けることによって、燃料電池システムに作用する吸気圧及び排気背圧は、燃料電池システム自体とは無関係に制御されることになる。これによって、典型的にはそれ自体の空気圧縮機及び弁を備える燃料電池システムに対して、適切な圧力の空気、例えば、標準的な海面レベルの周囲圧（ambient pressure）に対応する圧力レベルの空気を常に供給することができる。したがって、空気管理システムは、燃料電池システム及びその構成要素を周囲圧の望ましくない変動から保護するように機能する。これによって、燃料電池システムの構成要素の摩耗及びその摩耗によって必要とされる保守点検を低減させることもできる。

空気管理システムは、特に燃料電池駆動車に有用である。何故なら、このような車両には、現在の高度に依存する種々の異なる周囲圧が作用するからである。しかしながら、空気管理システムは、海面レベルの周囲圧での運転に最適化された燃料電池システムを、燃料電池システム自体を変更又は操作することなく高地での運転に適合させることができるので、高度変動の影響を受けない定置型の燃料電池発電機等にも有用である。したがって、空気管理システムは、燃料電池システムを高地での運転に適合させるように用いられるアドオンシステムとして機能する。

燃料電池システムとは別の空気管理システムを設けることによって、複数の燃料電池システムの吸気圧及び排気背圧を制御するために単一の空気管理システムを用いることが更に可能になる。これによって、いくつかの自己完結型燃料電池システムユニットを用いる適用例と比較して、効率及び簡素さが向上する。空気管理システムは、複数の燃料電池システムの圧力を同時に制御するために容易に拡張可能である。

制御装置は、好ましくは、燃料電池システムの１つ又は複数の燃料電池システム制御ユニットから分離しているとよいが、このような制御ユニットに通信可能に接続されてもよい。制御装置を分離して設けることによって、空気管理システムが燃料電池システムから自立することが確実になり、燃料電池システムとは無関係に動作可能になる。空気管理システムが車両内に配置される場合、制御装置は、車両の他の制御ユニット及び制御システムと更に通信可能に接続されてもよい。

任意選択的に、制御装置は、検出された周囲気圧が閾値未満であることに応じて空気加圧装置及び圧力調整装置を作動させるように構成される。閾値は、燃料電池システムの劣化及び効率を許容レベルに保つ値に設定されるとよい。閾値を用いることによって、圧力が許容レベルにある時、すなわち、閾値以上の時に空気管理システムの不必要な使用を防ぐことができる。

任意選択的に、閾値は、標準的な海面レベルの周囲圧未満に対応する値、例えば、標準的な海面レベルの周囲圧から１０％未満、好ましくは、５％未満、より好ましくは、４％未満の異なる値に対応する値に設定される。好ましくは、この値は、空気加圧装置及び圧力調整装置が、例えば、標準的な気象関連の圧力変動によって作動しないように、通常の周囲圧よりも小さく設定される。標準的な海面レベルの９０％、９５％、及び９６％の閾値は、それぞれ、海抜１０００ｍ、海抜５００ｍ、及び海抜４００ｍの高度に略対応する。このような圧力差は、標準的な気象関連の圧力変動の範囲外である。

周囲気圧が閾値未満である時に空気加圧装置を作動させることに加えて、制御装置は、出力増大が必要な時に空気加圧装置を一時的に作動させるように構成されてもよい。車両の場合、これは、急坂を上る時又は追越し中に必要になることがある。

任意選択的に、制御装置は、燃料電池システム制御ユニットに通信可能に接続されるように構成され、閾値は、燃料電池システム制御ユニットから受信した信号に応じて設定される。これによって、閾値を燃料電池の特性に適合させることができる。例えば、閾値は、燃料電池の経時劣化の結果として変更されてもよい。信号は、燃料電池の特性、例えば、燃料電池の効率及び温度に関する信号であってもよい。

制御装置が１つ又は複数の燃料電池システム制御ユニットに通信可能に接続される場合、制御装置は、追加的又は代替的に、燃料電池システムが現在の周囲状態においてその最大電力能力に達したことに応じて空気加圧装置及び／又は圧力調整装置を作動させるように構成されてもよい。これによって、一方では、少なくとも吸気圧を増大させることによって出力増大を達成することが可能である。この場合、所定の第１及び第２の圧力レベルは、互いに異なっていてもよい。他方では、１つ又は複数の燃料電池システム制御ユニットからの信号が所定の閾地未満の周囲気圧を検出したことに加えて燃料電池システム自体がもはやその圧力変動を補償できないことを明らかにした場合、低下した周囲気圧を補償することが可能である。燃料電池の制御システムは、典型的にはいくらかの周囲気圧の変動を補償することができるが、空気管理システムを用いることによって、最適な圧力レベルからのより大きな変動及びより長い偏差を補償することができる。

任意選択的に、第１の圧力レベルは、第２の圧力レベルと等しい。これは、通常、高地での運転及び低下した周囲気圧の補償にとって望ましく、空気管理システムを用いることによって、標準的な海面レベルの周囲気圧を「模擬（simulate）」することができる。

任意選択的に、制御装置は、吸気圧及び排気背圧を少なくとも標準的な海面レベルの周囲圧に対応する所定の圧力レベル、例えば、標準的な海面レベルの周囲圧に対応する圧力レベルに制御するように構成される。標準的な海面レベルの周囲圧は、海面レベルでの地球の平均大気圧、すなわち、略１０１ｋＰａである。

任意選択的に、第１の圧力レベルは第２の圧力レベルよりも高い。これは、燃料電池システムの出力増大に有用である。

任意選択的に、空気管理システムは、燃料電池システムの空気圧縮機に流体的に接続可能な圧縮酸素貯蔵タンクを更に備える。圧縮酸素貯蔵タンクを燃料電池システムの空気圧縮機に流体的に接続するための制御可能な弁が設けられてもよい。タンクからの酸素は、特に高地において燃料電池システムへの酸素の流れを更に増大させるために用いられてもよいし、空気加圧装置を補完するものとして用いられてもよい。これは、例えば、燃料電池システムによって電力供給される車両が急坂を登坂中に燃料電池システムから追加の電力が要求される場合に特に有用である。追加の酸素供給によって、酸素供給をしない場合よりも迅速な出力増大が可能になる。これは、ある特定の負荷の電力需要に従う必要がある燃料電池発電機にとって特に価値がある。例えば、建設現場に自立発電機として提供される場合、ポンプ、ドリル、及び機械のような種々の負荷の作動及び停止によって、電力需要が急速に変化する可能性がある。もし、次に作用する負荷が分かっているなら、追加の酸素供給を正確に行うことができる。これは、ターボを用いる場合と比較して、急速な圧力変化を伴わずに出力を増大させる迅速な方法である。何故なら、圧縮酸素貯蔵タンクからの酸素を追加することによって、吸気中の酸素の割合を増大させることができるからである。この吸気の富化は、「酸素増大（oxygen boosting）」と呼ばれることがある。

任意選択的に、空気管理システムは、空気加圧装置から燃料電池システムの空気圧縮機に送られる吸気を冷却するために配置された冷却装置を更に備える。これによって、周囲温度が高い時の燃料電池システムの効率を更に改良することができる。何故なら、冷却によって、単位圧力当たりの酸素質量流量を高めることができるからである。

任意選択的に、空気管理システムは、周囲空気の空気密度を決定するように更に構成され、制御装置は、所定の酸素質量流量を少なくとも１つの燃料電池システムに供給するように空気加圧装置を制御するように構成される。これによって、燃料電池システムの動作条件が更に安定化するという利点が得られる。

任意選択的に、圧力調整装置は、少なくとも１つの燃料電池システムの排気出口内に配置されるように適合された弁及び膨張器の少なくとも１つから構成される。膨張器から構成される圧力調整装置を設けることによって、エネルギー浪費を低減させることができる。何故なら、膨張器は、空気加圧装置の駆動に貢献することができるからである。弁の形態にある圧力調整装置を設けることによって、制御システムを簡素化することができる。

圧力調整装置が膨張器から構成される場合、この膨張器と空気加圧装置、例えば、空気圧縮機とは、いくつかの実施形態において、共通シャフトに配置され、空気加圧装置は、少なくとも部分的に膨張器によって駆動される。しかしながら、膨張器及び空気加圧装置は、別々の構成要素として設けられてもよく、これによって、排気背圧を良好に制御することが可能になる。なお、この制御は、空気加圧装置と無関係である。

圧力調整装置は、いくつかの実施形態では、直列に配置される膨張器及び１つ又は複数の弁の両方から構成されてもよい。

本発明の第２の態様によれば、少なくとも主目的は、少なくとも１つの燃料電池システム及び第１の態様による空気管理システムを備える装置によって達成される。ここで、空気加圧装置は、少なくとも１つの燃料電池システムの空気圧縮機に流体的に接続され、圧力調整装置は、少なくとも１つの燃料電子システムの排気出口内に配置される。第２の態様の利点及び好ましい実施形態は、第１の態様の利点及び好ましい実施形態に大きく対応する。

任意選択的に、この装置は、２つ以上の燃料電池システムを備え、各燃料電池システムは、空気圧縮機を備える。空気加圧装置は、２つ以上の燃料電子システムの全てに吸気を送るために配置され、及び／又は圧力調整装置は、２つ以上の燃料電池システムの共通の排気出口内に配置される。したがって、共通の空気管理システムが、全ての燃料電池システムの吸気圧及び／又は排気背圧、好ましくは、吸気圧及び排気背圧の両方を制御するために用いられることになる。

本発明の第３の態様によれば、少なくとも主目的は、第２の態様による装置を備える車両によって達成され、少なくとも１つの燃料電池システムは、車両に電力供給するように構成される。車両は、例えば、トラック、バス、又は建設機械のような大型車であるとよい。車両は、１つ又は複数の燃料電池システムの他に、車両に電力供給し、かつ１つ又は複数の燃料電池システムによって生じた過剰な電気エネルギーを蓄えるための１つ又は複数のバッテリーを備えてもよい。

本発明の第４の態様によれば、少なくとも主目的は、第１の態様による空気管理システムを用いて燃料電池システムの吸気圧及び排気背圧を制御するための方法によって達成される。この方法は、
周囲気圧を検出するステップと、
所定の第１の圧力レベルにある吸気を燃料電池システムの空気圧縮機に送るために、検出された周囲気圧に応じて空気加圧装置を制御するステップと、
排気背圧を所定の第２の圧力レベルに調整するために、検出された周囲気圧に応じて圧力調整装置を制御するステップと、を含む。

任意選択的に、空気加圧装置及び圧力調整装置は、周囲気圧が閾値未満であることを検出したことに応じてのみ作動される。圧力調整装置が弁である場合、完全な開状態以外の状態に制御された時に作動されると考えられる。

任意選択的に、この方法は、所定の酸素質量流量を燃料電池システムの空気圧縮機に供給するために、周囲空気の空気密度を決定し、空気加圧装置を決定された空気密度に応じて制御するステップを更に含む。これによって、燃料電池システムの更にいっそう安定した動作が得られることになる。

本発明の更なる利点及び有利な特徴は、以下の説明及び従属請求項に開示される。

以下、添付の図面を参照して、本発明の例示的な実施形態を更に詳細に説明する。

本発明の一実施形態による装置を備える車両の略側面図である。 本発明の一実施形態による空気管理システムの概略図である。 本発明による方法を例示するフローチャートである。

図１は、本発明の例示的な実施形態による車両１００の側面図を示す。車両１００は、本明細書では、トラック、更に具体的には、１つ又は複数のトレーラー（図示せず）を牽引するための大型トラックである。大型トラック１００が示されているが、本発明は、この形式の車両に制限されず、どのような他の形式の車両、例えば、バス、ホイールローダー及び掘削機のような建設機械、及び乗用車に用いられてもよいことに留意されたい。

車両１００は、その車両に対して推進力を生成するために用いられる１つ又は複数のモータ（図示せず）に電力供給するための２つの燃料電池システム１，２を備える装置２０を備える。装置２０は、追加的又は代替的に、車両１００の他の電力消費物、例えば、冷蔵システム用のモータ、空調システム用のモータ、又は車両１００の他の任意の電力消費機能に電力供給するために用いられてもよい。車両１００は、電気エネルギー貯蔵ユニット（図示せず）を更に備えてもよい。燃料電池システム１，２は、この電気エネルギー貯蔵ユニットに電気的に接続され、燃料電池システム１，２によって生成された電力をこの電気エネルギー貯蔵ユニットに貯蔵することができる。電気エネルギー貯蔵ユニットの例として、１つ又は複数のバッテリー、例えば、１つ又は複数のリチウムイオンバッテリーが挙げられる。車両１００は、車両１００内で必要に応じて電気エネルギーを変換するためのパワーエレクトロニクス（図示せず）を更に備えてもよい。このようなパワーエレクトロニクスとして、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータが挙げられる。

また、水素燃料を各燃料電池システム１，２のアノード側に供給するために、水素燃料貯蔵システム（図示せず）、例えば、水素燃料タンクが車両１００に搭載されるとよい。燃料電池システム１，２は、水素燃料（Ｈ_２）を周囲空気からの酸素と反応させて電流を生成するように構成される。

装置２０は、燃料電池システム１，２の吸気圧及び排気背圧、すなわち、各燃料電池システム１，２のカソード側に供給される吸気の圧力を制御するための空気管理システム１０を備える。このような空気管理システム１０は、図２により詳細に示される。なお、図示される空気管理システム１０は、単一の燃料電池システム１を備える装置２０の一部を成すものである。

空気管理システム１０は、燃料電池システム１のカソード側に設けられた空気圧縮機（図示せず）に吸気を送るために配置された空気加圧装置３を備える。空気加圧装置３は、送風機であってもよいし、又は圧縮機、例えば、電動圧縮機であってもよい。好ましくは、空気加圧装置３は、一般的に軸流圧縮機よりも大きい圧縮比を可能にする遠心圧縮機であるとよい。しかしながら、軸流圧縮機又はルーツブロアのような容積型圧縮機が用いられてもよい。また、空気加圧装置３は、空気管理システム１０の吸気ダクト内に配置された軸流ファンであってもよい。空気加圧装置３は、周囲吸気口に流体的に接続される。本明細書では、任意選択的な空気フィルタ８が、空気加圧装置３の上流に設けられる。

空気管理システム１０は、燃料電池システム１の排気背圧を調整するために配置された、本明細書では弁４の形態にある、制御可能な圧力調整装置４を更に備える。弁４は、背圧弁又はカソード排気弁と呼ばれることもある。何故なら、弁４は、燃料電池システム１の排気管内に取り付けられるからである。弁４は、単なる例示にすぎないが、バタフライ弁又はアイリス弁であるとよい。

弁４の代わりに又は弁４に加えて、膨張器（図示せず）が設けられてもよい。膨張器の例として、軸流タービン又は遠心タービン、例えば、可変タービン又は容積型膨張器が挙げられる。膨張器は、燃料電池システム１の排気管内、例えば、弁４の上流に配置されるべきである。また、追加的な弁、例えば、いくつかの運転モードにおいて膨張器をバイパスするためのバイパス弁を設けることも可能である。いくつかの実施形態では、膨張器は、弁４の下流に配置されてもよい。

燃料電池システム１を取り囲む空気、例えば、もし、燃料電池システム１が車両内に設けられているなら車両１００を取り囲む空気の周囲気圧を検出するために、圧力検出装置５が設けられる。圧力検出装置は、圧力センサであってもよいし、又は仮想圧力センサ、すなわち、他の測定データに基づいて気圧を決定するように構成された装置であってもよい。また、圧力検出装置５は、位置及び／又は地図データに基づいて又は他の近くの車両からのクラウドデータに基づいて気圧を決定するように構成された装置であってもよい。

空気加圧装置３及び圧力調整装置４を、検出された周囲気圧に応じて制御するように構成された電子式の制御装置６も設けられる。制御装置６は、例えば、圧力検出装置５が圧力センサの場合、この圧力検出装置５に通信可能に接続されるとよい。制御装置６は、例えば、前述したように圧力センサ以外のユニットから受信したデータに基づいて圧力を決定するように構成された圧力検出装置と一体であってもよい。制御装置６は、燃料電池システム１への吸気圧が所定の第１の圧力レベルとなるように空気加圧装置３を制御し、排気背圧が所定の第２の圧力レベルとなるように圧力調整装置４を制御するように構成される。第１及び第２の圧力レベルは、空気管理システム１０の動作モードに依存して、同じであってもよいし又は異なっていてもよい。

制御装置６は、本明細書に開示される方法を行うためのプログラムコード手段を含むコンピュータプログラムを実行するように適合された処理回路を備えるとよい。制御装置６は、このような方法を行うためのハードウエア及び／又はソフトウエアを含むとよい。一実施形態では、制御装置６は、コンピュータとして示されてもよい。制御装置６は、１つ又は複数の個別のサブ制御装置によって構成されてもよい。加えて、制御装置６は、有線及び／又は無線通信手段を用いて、例えば、センサ、他の１つ又は複数の制御ユニット等と通信されてもよい。例えば、空気管理システム１０が車両１００内に設けられた場合、制御装置６は、車両１００に搭載されてもよいし、及び／又は少なくとも部分的に車両１００から遠隔に配置されてもよい。制御装置６は、制御信号を発信することによって、及び空気管理システム１０の種々の部品から、任意選択的に、例えば、燃料電池システム１及び／又は車両１００の他の制御ユニットから状態情報を受信することによって、空気管理システム１０を制御するように構成されてもよい。

燃料電池システム１，２は、制御装置６に通信可能に接続されるそれ自体の１つ又は複数の電子制御ユニット（図示せず）を備えるとよい。車両用途では、１つ又は複数の燃料電池制御ユニットは、車両制御ユニットから受信した電力要求に応じて燃料電池システム１，２から電力を送達するように構成される。制御装置６は、このような燃料電池システム１，２の１つ又は複数の制御ユニットから分離して設けられるが、可能であれば、それらに通信可能に接続されるとよい。したがって、制御装置６は、それ自体が燃料電池システム１，２の動作を制御するように構成されるものではない。

空気管理システム１０は、例えば、前述の圧力検出に加えて空気湿度及び周囲温度を検出することによって、周囲空気の空気密度を検出するように更に構成されてもよい。これらの変数は、センサを用いて直接測定されてもよいし、又はモデルを用いて他の測定データに基づいて及び／又は他の近くの車両からのクラウドデータに基づいて決定されてもよい。空気湿度を予測するために、気象データが用いられてもよい。制御装置６は、この場合、所定の酸素質量流量を燃料電池システム１，２に供給するように、空気加圧装置３を制御するように構成されるとよい。

空気管理システム１０は、種々の動作モード、例えば、空気管理システム１０が比較的低い周囲気圧を補償するように構成された補償動作モード、及び空気管理システム１０が燃料電池システム１からの出力電力を一時的に増大させるための条件をもたらすように構成されたパワー動作モードを備えるとよい。これらの動作モードは、車両１００のオペレータによって選択可能であってもよいし、又はいくつかの外部条件が満たされたことに応じて自動的に発動されてもよい。例えば、補償動作モードは、閾値未満の周囲気圧が検出された時に自動的に発動されるとよい。

補償動作モードでは、空気管理システム１０は、高地における比較的低い周囲気圧を補償するように構成される。このモードでは、制御装置６は、検出された周囲気圧が閾値、例えば、補償動作モードを自動的に発動する閾値未満であることに応じて、空気加圧装置３及び弁４を作動させるように構成されるとよい。閾値は、標準的な海面レベルの周囲圧よりもいくらか低い固定値、例えば、標準的な海面レベルの周囲圧よりも１０％未満、好ましくは、５％未満、更に好ましくは、４％未満の異なる所定値に設定されるとよい。したがって、所定値は、例えば、標準的な海面レベルの周囲圧の９０～１００％の範囲内の値に設定されるとよい。所定の閾値は、例えば、気象条件によって生じる標準的な変動が空気加圧装置３及び圧力調整装置４を作動させないように設定されるとよい。

補償動作モードでは、第１の圧力レベルは、第２の圧力レベルと等しくてもよい。すなわち、空気加圧装置３及び圧力調整装置４は、同一圧力をもたらすように制御されるとよい。制御装置６は、本明細書では、吸気圧及び排気背圧を燃料電池システム１の最適な作用圧に応じて標準的な海面レベルの周囲圧以上又は以下に対応する所定の圧力レベルに制御するように構成されるとよい。したがって、空気管理システム１０は、補償動作モードにおいて、所定の閾値レベルを下回って検出された周囲気圧に対しても、標準的な海面レベルの周囲圧と等しい吸気圧及び排気背圧をもたらすことになる。

他の実施形態では、制御装置６は、燃料電池システム１，２の制御ユニットからの信号を用いて、空気加圧装置３及び圧力調整装置４、例えば、弁４をいつ作動させるかを決定してもよい。例えば、制御装置６は、燃料電池システム制御ユニットから受信した信号が、燃料電池システム１，２がもはやそれ自体では低下した周囲気圧を補償することができないことを示した時にのみ空気加圧装置３及び圧力調整装置４を作動するように構成されてもよい。この時点で、空気加圧装置３及び圧力調整装置４は、前述したように低下した周囲気圧を補償するために作動されかつ用いられることになる。

更に他の実施形態では、制御装置６は、補償動作モードにおいて、検出された周囲気圧が「可動閾値（moving threshold）」未満であることに応じて、空気加圧装置３及び圧力調整装置４を作動させるように構成されてもよい。「可動閾値」は、燃料電池特性、例えば、燃料電池効率、空気温度、燃料電池電力要求、燃料電池最大電力レベル、空気フィルタの圧力降下等に依存して設定される閾値である。燃料電池最大電力レベルは、燃料電池システムの経時変化中に減少する傾向にあり、燃料電池システム１，２又は空気管理システム１０の空気フィルタを挟む圧力降下は、時間が経過すると、埃が空気フィルタに溜まることによって増大する。

パワー動作モードでは、空気管理システム１０は、比較的高い出力電力が燃料電池システム１，２から要求された時、短時間にわたって少なくとも吸気圧を標準的な海面レベルの周囲圧を超えて増大させるために用いられるとよい。パワー動作モードは、例えば、閾値レベルを超える電力要求が制御装置６によって検出された時に発動されるとよい。したがって、パワー動作モードは、補償動作モードが作動中に発動されてもよい。この場合、パワー動作モードは、一時的に作動され、パワー動作モードが中止された時に補償動作モードが即座に再開されるとよい。燃料電池システム１，２の吸気圧及び排気背圧は、パワー動作モードでは、種々の圧力レベルに制御されてもよい。すなわち、第１の圧力レベルは、第２の圧力レベルと異なってもよい。典型的には、第１の圧力レベルは、第２の圧力レベルよりも高くてもよい。しかしながら、第１及び第２の圧力レベルの両方が、標準的な海面レベルの周囲圧よりも高い値に設定されてもよい。

図２の一点鎖線によって示されるように、空気管理システム１０は、周囲吸気を濾過するために空気加圧装置３の上流に配置された空気フィルタ８を更に備えてもよい。また、空気管理システム１０は、例えば、空気加圧装置３の下流において燃料電池システム１，２の空気圧縮機に流体的に接続可能な圧縮酸素貯蔵タンク７を備えてもよい。圧縮酸素貯蔵タンク７は、例えば、酸素富化動作モードにおいて、追加的な酸素を燃料電池システム１，２に供給するために用いられるとよい。圧縮酸素貯蔵タンク７は、空気加圧装置３及び圧力調整装置４によって達成される増圧を補うものとして追加的な酸素を供給するように制御装置６によって制御されるとよい。

空気管理システム１０は、空気加圧装置３から燃料電池システム１，２の空気圧縮機に送られる吸気を冷却するために配置された冷却装置９を更に備えてもよい。冷却装置９は、本明細書では、吸気に追加的な湿気をもたらす利点を有する水噴射装置として示されている。水は、いくつかの実施形態では、燃料電池システム１，２のカソード出口から受け取る凝縮液であるとよい。水噴射によって、空気管理システム１０を用いて、海面レベルの湿度の高い日に経験するのと同様の状態を燃料電池システム１に与えることができる。

冷却装置９は、代替的に、周囲空気によって直接冷却されるか又は車両の冷媒によって間接的に冷却される熱交換器の形態にあってもよい。冷却装置９は、例えば、インタークーラ又はチャージエアクーラ（ＣＡＣ）であるとよい。いずれにしても、冷却装置９は、制御装置６によって制御可能であるとよい。

図３は、本発明の一実施形態による空気管理システム１０の動作方法を示す図である。この方法は、制御信号を空気管理システム１０の関連部分に発信することによって制御装置６によって実行されるとよい。

第１のステップＳ１では、周囲気圧が圧力検出装置５によって検出される。

第２のステップＳ２では、所定の第１の圧力レベルの吸気を燃料電池システム１，２の空気圧縮機に送るために、空気加圧装置３が検出された周囲気圧に応じて制御される。

第３のステップＳ３では、排気背圧を所定の第２の圧力レベルに調整するために、圧力調整装置４が検出された周囲気圧に応じて制御される。

空気加圧装置３及び圧力調整装置４は、いくつかの実施形態では、図３の破線ボックスによって示されるように、周囲気圧が閾値未満にあることを検出したことに応じてのみ作動されるとよい。これは、前述の補償動作モードにおいて特に当てはまる。もし、気圧が閾値未満でないなら、空気加圧装置３及び圧力調整装置４を作動させることなく、ステップＳ１における周囲気圧の監視が継続される。

空気管理システム１０の上記の説明に対応して、この方法は、燃料電池システム制御ユニットから信号を受信し、これらの信号に応じて閾値を設定することを含んでもよい。

この方法は、所定の酸素質量流量を燃料電池システム１，２の空気圧縮機に供給するために、周囲空気の空気密度を決定し、決定された空気密度に応じて空気加圧装置３を制御することを更に含んでもよい。空気管理システム１０が圧縮酸素貯蔵タンク７を備える場合、この方法は、検出された周囲気圧及び／又は燃料電池システム制御ユニットから受信した信号に基づいて圧縮酸素貯蔵タンク７から燃料電池システム１，２への酸素の供給を制御することを更に含んでもよい。

空気管理システム１０が空気加圧装置３から燃料電池システム１，２の空気圧縮機に送られる吸気を冷却するために配置された冷却装置９を備える場合、この方法は、検出された周囲気圧及び／又は燃料電池システム制御ユニットから受信した信号に応じて冷却装置９を動作させることを更に含んでもよい。

本発明は、記載かつ図示された実施形態に制限されないことを理解されたい。むしろ、当業者であれば、多くの変更及び修正が添付の請求項の範囲内においてなされ得ることを認識するだろう。

Claims (17)

1. 燃料電池システム（１，２）の吸気圧及び排気背圧を制御するための空気管理システム（１０）であって、
   吸気を前記燃料電池システム（１，２）の空気圧縮機に送るために配置された空気加圧装置（３）と、
   前記排気背圧を調整するために配置された圧力調整装置（４）と、
   周囲気圧を検出するための圧力検出装置（５）と、
   前記空気加圧装置（３）及び前記圧力調整装置（４）を前記検出された周囲気圧に応じて制御するように構成された制御装置（６）であって、前記吸気圧を所定の第１の圧力レベルに制御し、前記排気背圧を所定の第２の圧力レベルに制御するように構成された、制御装置（６）と、
   を備える空気管理システム（１０）。
2. 前記制御装置（６）は、前記燃料電池システム（１，２）の１つ又は複数の燃料電池システム制御ユニットから分離している、請求項１に記載の空気管理システム。
3. 前記制御装置（６）は、前記検出された周囲気圧が閾値未満であることに応じて前記空気加圧装置（３）及び前記圧力調整装置（４）を作動させるように構成される、請求項１又は２に記載の空気管理システム。
4. 前記閾値は、標準的な海面レベルの周囲圧以下に対応する値、例えば、前記標準的な海面レベルの周囲圧から、１０％未満、好ましくは、５％未満、更に好ましくは、４％未満の異なる値に設定される、請求項３に記載の空気管理システム。
5. 前記制御装置（６）は、燃料電池システム制御ユニットに通信可能に接続されるように構成され、前記閾値は、前記燃料電池システム制御ユニットから受信した信号に応じて設定される、請求項３又は４に記載の空気管理システム。
6. 前記第１の圧力レベルは、前記第２の圧力レベルと等しい、請求項１～５のいずれか１項に記載の空気管理システム。
7. 前記制御装置（６）は、前記吸気圧及び前記排気背圧を少なくとも標準的な海面レベルの周囲圧に対応する所定の圧力レベル、例えば、前記標準的な海面レベルの周囲圧に対応する圧力レベルに制御するように構成される、請求項６に記載の空気管理システム。
8. 前記第１の圧力レベルは、前記第２の圧力レベルよりも高い、請求項１～５のいずれか１項に記載の空気管理システム。
9. 前記燃料電池システム（１，２）の前記空気圧縮機に流体的に接続可能な圧縮酸素貯蔵タンク（７）を更に備える、請求項１～８のいずれか１項に記載の空気管理システム。
10. 前記空気加圧装置（３）から前記燃料電池システム（１，２）の前記空気圧縮機に送られる前記吸気を冷却するために配置された冷却装置（９）を更に備える、請求項１～９のいずれか１項に記載の空気管理システム。
11. 前記圧力調整装置（４）は、前記少なくとも１つの燃料電池システム（１，２）の排気出口内に配置されるように適合された弁及び膨張器の少なくとも１つを備える、請求項１～１０のいずれか１項に記載の空気管理システム。
12. 請求項１～１１のいずれか１項に記載の少なくとも１つの燃料電池システム（１，２）及び空気管理システム（１０）を備える装置（２０）であって、前記空気加圧装置（３）は、前記少なくとも１つの燃料電池システム（１，２）の空気圧縮機に流体的に接続され、前記圧力調整装置（４）は、前記少なくとも１つの燃料電池システム（１，２）の排気出口内に配置される、装置（２０）。
13. 前記装置（２０）は、２つ以上の燃料電池システム（１，２）を備え、各燃料電池システム（１，２）は、空気圧縮機を備え、前記空気加圧装置（３）は、吸気を前記２つ以上の燃料電池システム（１，２）の全てに送るように配置され、及び／又は前記圧力調整装置（４）は、前記２つ以上の燃料電池システム（１，２）の共通の排気出口内に配置される、請求項１２に記載の装置。
14. 請求項１２又は１３に記載の装置（２０）を備える車両（１００）であって、前記少なくとも１つの燃料電池システム（１，２）から電力供給されるように構成される、車両（１００）。
15. 請求項１～１１のいずれか１項に記載の空気管理システム（１０）を用いて燃料電池システム（１，２）の吸気圧及び排気背圧を制御するための方法であって、
    周囲気圧を検出すること（Ｓ１）と、
    所定の第１の圧力レベルにある吸気を前記燃料電池システム（１，２）の空気圧縮機に送るために、空気加圧装置（３）を前記検出された周囲気圧に応じて制御すること（Ｓ２）と、
    前記排気背圧を所定の第２の圧力レベルに調整するために、圧力調整装置（４）を前記検出された周囲気圧に応じて制御すること（Ｓ３）と、
    を含む、方法。
16. 前記空気加圧装置（３）及び前記圧力調整装置（４）は、前記周囲気圧が閾値未満にあることを検出したことに応じてのみ作動される、請求項１５に記載の方法。
17. 所定の酸素質量流量を前記燃料電池システム（１，２）の前記空気圧縮機に供給するために、前記周囲空気の空気密度を決定し、前記空気加圧装置（３）を前記決定された空気密度に応じて制御するステップを更に含む、請求項１５又は１６に記載の方法。