JP2024518325A - 空気供給装置、燃料電池システム、および車両 - Google Patents

Abstract

本発明は、２段圧縮による燃料電池システム用の空気供給装置（２８）に関する。本発明は、ターボコンプレッサー（１５、１６）が、電気的に並列接続された燃料電池スタック（２、３）への供給用に燃料電池スタック（２、３）の各々に対して設けられている事実により特徴付けられるものであり、このターボコンプレッサー（１５、１６）が、それぞれの燃料電池スタック（２、３）のための排気タービン（１７、１８）と機械的に連結されており、圧縮された空気の流れ方向においてそれぞれのターボコンプレッサー（１５、１６）の前に、少なくとも１つの電動のフローコンプレッサー（２８）が設けられており、このフローコンプレッサー（２８）が、ターボコンプレッサー（１５、１６）の少なくとも２つに対して並列に空気を供給する。少なくとも２つの燃料電池スタック（２、３）を備えた燃料電池システムは、このような空気供給部を含み、例えば車両（１）、とりわけ商用車に用いられ得る。

Description

本発明は、２段圧縮による燃料電池システム用の空気供給装置に関する。さらに本発明は、このような空気供給装置を備えた燃料電池システムおよびそのような燃料電池システムを備えた車両に関する。

例えば定置型の用途のための、またはさらにはとりわけ車両用の電動出力部としての、電力を生成するための燃料電池システムの使用は、大体のところでは先行技術から知られている。これに関しては、カソード側で酸素供給源としての空気が供給されるＰＥＭ燃料電池が用いられることが多い。この場合には、空気供給のためにしばしば１段式フローコンプレッサーが用いられる。特に多いのは、このフローコンプレッサーが、排気タービンおよび電気機械と結合されており、いわゆる電気ターボチャージャまたはモータ支援型ターボチャージャを形成することである。つまり、それぞれの燃料電池の排気中に内包されているエネルギーが、少なくとも部分的に回収されて、空気供給に用いられ得る。

常に問題となるのは、このような構造が、サージング限界に非常に近い動作特性曲線で動作するということである。したがって部分負荷運転中に、サージング限界を上回ることなく、燃料電池の信頼できる供給を保証するために、ウェイスト・ゲート・バルブとも呼ばれるいわゆる逃し弁が存在しているのが典型的である。

これは実際に、一方では動作点の自由な選択を制限し、他方では既に圧縮された供給空気が逃し弁を通って流れる場合、排気タービン内では、圧縮時に送給されたエネルギーの一部しか再び回収され得ないので、出力損失を生じさせる。

この問題に対処するため、特許文献１からは、２段式システムとして形成された燃料電池空気供給システムが知られている。これにより、サージング限界に左右されずに、体積流量および圧力の高い可変性が実現され得る。この構造は、第１の段が電動のフローコンプレッサーによって、および第２の圧縮段がターボコンプレッサーによって形成されるようになっている。ターボコンプレッサーはシャフトを介して直接的に排気タービンと連結されており、したがってフリーランナーとして実現されている。この場合、排気タービンが可変のタービン案内羽根を有している。そこで説明されている構造では、それでもなお逃し弁が引き続き設けられているが、しかしここでは原理的にはなくても済むであろう。
ＷＯ ０２／０８６９９７ Ａ２

今では燃料電池システムは、比較的大きな出力を提供するために、例えば乗合バス、トラック、またはその類似物のような商用車の駆動のために、ますます用いられるようになっている。これに関し、出力の簡単で、場合によっては商用車の様々な大きさに合わせてスケーリング可能でもある適合を達成するために、燃料電池システム内では複数の燃料電池スタックが電気的に組み合わされる。典型的な構造は、このような構造内で例えば２つの電気的に並列接続された燃料電池スタックを設けている。両方の燃料電池スタックは、燃料供給に関しても空気供給に関しても互いに独立して制御されるべきなので、一般的な先行技術から知られた構造では、典型的には２つの空気供給システムが互いに並列に設けられている。たいていこれは、２つの別々の、冒頭に記載した意味における電気ターボチャージャであり、これらの電気ターボチャージャは、この場合、２つの逃し弁、２つの変換器、２つの電気モータ、およびその類似物を必要とする。

したがって本発明の課題は、先行技術から原理的に知られているこの構造を相応に簡略化すること、および燃料電池システムの空気供給の際に達成されるべき可変性を改善することにある。

本発明により、この課題は、請求項１における、ここではとりわけ請求項１の特徴部分における特徴を有する燃料電池システム用の空気供給装置によって解決される。さらに、このような空気供給装置を備えた燃料電池システムがこの課題を解決する。このような燃料電池システムを備えた車両もこの課題を解決し得る。さらに、空気供給装置および車両の有利な形態および変形形態は従属請求項から明らかである。

本発明による空気供給装置は、電気的に並列に動作する燃料電池スタックに供給するために、これら燃料電池スタックの各々に対してターボコンプレッサーを設けており、このターボコンプレッサーは、それぞれの燃料電池スタックのための排気タービンと機械的に連結されている。これに関し、圧縮された空気の流れ方向においてターボコンプレッサーの前に、少なくとも１つの電動のフローコンプレッサーが設けられており、このフローコンプレッサーはそれぞれ、ターボコンプレッサーの少なくとも２つに対して並列に空気を供給する。

それぞれフリーランナーとして、排気タービンと直接的に機械的に結合して形成されているターボコンプレッサーは、ここではつまり、２段式空気供給装置の第２のコンプレッサー段となっている。これらのターボコンプレッサーは、それぞれ燃料電池スタックの１つに割り当てられており、これらの燃料電池スタックは、システム全体の中では並列に動作しており、典型的には並列に電気接続されている。ただし電気的直列接続も原理的には考えられるであろう。

ここでは、空気供給装置内での圧縮の第１の段は、ターボコンプレッサーのそれぞれ少なくとも２つに対して１つの電動のフローコンプレッサーによって形成されている。つまり、２つの燃料電池スタックを備えた典型的な構造の場合、第１の圧縮段としての１つの電動のフローコンプレッサーが、圧縮の第２の段としての２つのターボコンプレッサーに供給し、これらのターボコンプレッサーの方は、それぞれ１つの割り当てられた燃料電池スタックに供給する。その後、この燃料電池スタックのカソード側の排気が、それぞれのターボコンプレッサーと結合した排気タービンを経て周囲に到達し、これにより排気中の残留エネルギーが排気タービンを介して、それぞれの燃料電池スタックのための第２の圧縮段を駆動する。この場合、両方のターボコンプレッサーが共通のフローコンプレッサーを有し、このフローコンプレッサーは、ターボコンプレッサーに低圧側で空気を供給し、それにより両方のターボコンプレッサーに共通の、圧縮の第１の段を形成する。

したがってこの構造は、サージング限界を超えるという危険を冒すことなく、動作点の選択の際に高い自由度を有するために、２段圧縮の利点を利用することを可能にする。そのうえこの構造は、第２の段としての両方のターボコンプレッサーの領域では、電気機械なしで、単純かつ効率的なフリーランナーになっているので、コンパクトで効率的である。この構造は、圧縮の第１の段として、１つの同様に単純なフローコンプレッサーを用い、このフローコンプレッサーは、中程度の回転数および相応に単純で安価な駆動モータの場合に必要な空気量を提供するため、例えば、両方のターボコンプレッサーより大きな周長のコンプレッサーホイールを有し得る。

総括すると、この構造は、両方の並列の燃料電池スタックのために、相応の変換器を備えた１つだけの電気モータしか必要とせず、かつ２段圧縮により、とりわけ逃し弁をなくすことができる。これは、節減されたコンポーネントに関して、とりわけ節減された電気コンポーネントおよびその制御に関して、費用および設置空間のかなりの利点を生じさせる。

本発明による空気供給装置の非常に好適な一変形形態によれば、排気タービンの少なくとも１つが、可変のタービン案内羽根を有する。好ましくは、有利な一変形形態によれば、すべての排気タービンが可変のタービン案内羽根を有してもよい。第２の圧縮段でのターボコンプレッサーを駆動する際の高い可変性を実現するために、排気を介して燃料電池からそれぞれの排気タービンに提供されるエネルギーは、排気タービンの領域でのこのような可変のタービン案内羽根により、相応に変化させられ得る。これにより、両方の並列に動作する燃料電池スタックは、それに供給される空気の量に関して互いに十分に独立して制御され得る。これは、燃料電池スタックの空気供給に関し、それぞれの燃料電池スタックの非常に有利で、別の燃料電池スタックから十分に独立した動作を可能にする。こうして、アノード側にある簡単に制御され得る水素用ドージングバルブと併せて、燃料電池スタックの各々は、それぞれ別の燃料電池スタックから独立して動作し得る。

さらなる非常に決定的な一態様は、制御部に関するコストも減らすために、少なくとも１つの可変のタービン幾何形状およびフローコンプレッサーの電動モータが、共通の制御部によって制御されることにある。制御部は、とりわけ、それぞれの燃料電池スタックのアノード側への水素のドージングも制御できることにより、少なくとも２つの並列に動作する燃料電池スタック内でもたらされる電力を個別に制御し得る。

既に言及したように、特に好適な一形態によれば、この構造は、正確に１つのフローコンプレッサーおよび正確に２つのターボコンプレッサーを有することができ、かつ２つの並列に動作する燃料電池スタックに空気供給するために設けられ得る。

さらなる有利な一形態は、これに加えて、流れ方向においてターボコンプレッサーの後ろにそれぞれ給気冷却器が配置されていることにより、２段圧縮プロセスにおける圧縮後には熱く、典型的には乾燥している過給気を、相応に冷却し、場合によっては給気冷却器に接続されたまたは給気冷却器と組み合わされた加湿器を介して加湿する。

本発明による燃料電池システムは、少なくとも２つの燃料電池スタックおよび説明した方式での空気供給装置を含み得る。これにより、１つの燃料電池システム内の少なくとも２つの燃料電池スタックの効率的な動作および個別の制御に対し、空気供給に関して説明した利点および空気供給を介して開かれた可能性が、理想的に利用され得る。

それに応じて本発明による車両は、少なくとも２つの、好ましくは正確に２つの燃料電池スタックを備えたこのような燃料電池システムを含む。この車両は、商用車として、例えばトラックまたは乗合バスとして形成されていてもよい。

本発明による空気供給装置ならびに本発明による燃料電池システムおよび／または車両のさらなる有利な形態は、以下に図を参照しながら詳しく解説する例示的実施形態からも明らかである。

先行技術に基づく２つの燃料電池スタックおよび２つの空気供給システムを備えた燃料電池システムを示す図である。 本発明に基づく可能な一実施形態での空気供給装置を備えた構造を図１での構造に倣って示す図である。

図１の表現では、車両１、例えば商用車が非常に強く概略化されて示唆されている。車両１は、その電動出力または電動出力の少なくとも一部を２つの燃料電池スタック２、３から受け取ることとする。燃料電池スタック２、３は、このために並列に動作し、とりわけ電気的に並列接続されている。この構造は、例えば圧縮ガス貯蔵器、クライオ貯蔵器、またはその類似物として形成され得る共通の水素源４を有する。水素源４により水素が、２つの別々の圧力調整バルブおよびドージングバルブ５、６を経て両方の燃料電池スタック２、３のアノード室７、８に導かれる。未使用の水素は、ここで図示した例示的実施形態では排ガスと一緒に周囲に到達する。

これは単なる概略図にすぎない。ここでは例えばアノード回路のようなさらなるコンポーネントが配置され得ること、または排ガスを相応に希釈するために例えば排気に送給する措置がとられ得ることが、当業者には明白である。しかしながらアノード側は本発明にとっては付随的なものなので、これにさらには立ち入らない。

両方の燃料電池スタック２、３の両方のカソード室９、１０に空気を供給するために、先行技術に基づくこの構成では、それぞれ電気ターボチャージャ１１、１２が設けられている。電気ターボチャージャ１１、１２は両方とも、電動機１３、１４およびターボコンプレッサー１５、１６を有する。この両方のコンポーネントと一緒に共通のシャフトに、さらにこの電気ターボチャージャの排気タービン１７、１８がそれぞれ配置されている。加えて、それぞれの燃料電池スタック２、３への給気管１９、２０にはそれぞれ給気冷却器２１、２２が設けられている。さらに両方の燃料電池スタック２、３への給気管１９、２０が、ウェイスト・ゲート・バルブとも呼ばれるいわゆる逃し弁２３、２４を介して燃料電池スタック２、３のそれぞれの排気管２５、２６と結合していることで、それぞれの燃料電池スタック２、３が部分負荷運転で動作する場合に、それぞれのターボコンプレッサー１７、１８の後の圧縮された空気を必要の際に放出することができる。これは、特定の動作点でのサージング限界の上回りを確実に阻止するために必要である。この構造は、両方の燃料電池スタック２、３の互いに独立した空気供給を可能にするが、しかし必要とされる部品およびその制御に関して比較的複雑である。

そこで図２の表現では、ここで決定的な利点を提供する空気供給装置２７を備えた構造を示している。供給管および排出管ならびに両方の給気冷却器２１、２２を備えた両方の燃料電池スタック２、３は、図１での表現に倣って示されており、かつ理解され得る。この構造にも、燃料電池システムのここでも例示的および概略的にのみ図示されたアノード側全体にも、さらには立ち入らない。

ここでは空気供給装置２７が、両方の燃料電池スタック２、３の互いに独立した空気供給に役立ち、かつ２段式空気供給装置２７として形成されている。第１の段は、両方の燃料電池スタック２、３に対して共通の、電動機２９を備えたフローコンプレッサー２８である。この電動機２９は、後でまた言及するさらなる部品と同様に、共通の制御部３０によって相応に制御される。この場合、フローコンプレッサー２８の空気流が、２つの並列の吸入管３１、３２に分割され、ここでもまた図１での表現に倣って符号１５、１６が付された２つのターボコンプレッサーに空気を供給する。したがってこの両方のターボコンプレッサー１５、１６が第２の圧縮段を形成し、この第２の圧縮段によって圧縮された空気を酸素供給源として、給気冷却器２１、２２を介して給気管１９、２０により両方の燃料電池スタック２、３のカソード室９、１０に届ける。

先行技術に基づく図１での構造とは違い、この両方のターボコンプレッサー１５、１６は、いわゆるフリーランナーとして形成されており、それぞれの排気タービン１７、１８と共通のシャフト上に配置されている。ただしこの構造は、先行技術に基づく両方の電気ターボチャージャ１２、１３の電気機械がなく、はるかに単純で効率的に実現され得る。ここでは、これまで図１の枠内で説明してきた構造に加えて、両方の排気タービン１７、１８がそれぞれ可変のタービン案内羽根３３、３４を有する。これに関し、このタービン案内羽根３３、３４の互いに独立した制御が、共通の制御部３０によって提供される。これにより、フローコンプレッサー２８による圧縮の第１の段が共有されている場合、両方のターボコンプレッサー１５、１６を介してそれぞれの燃料電池スタック２、３またはそのカソード室９、１０に送給される空気量を互いに独立して相応に調整することができる。図１の先行技術での構造の場合と同等に、少ない部品による比較的単純な構造にもかかわらず、両方の燃料電池スタック２、３の空気供給が互いに独立して制御され得る。こうして、いずれにしても非常に簡単に独立して実行されるべきドージングバルブ５、６の制御と併せて、両方の燃料電池スタック２、３の互いに十分に独立した動作が可能である。そのうえこの２段式により、逃し弁２３、２４をなくすことができ、とはいえ原理的にはもちろん、例えばシステムバイパス以外の理由から必要とされるかまたはそれに類する場合には、逃し弁２３、２４が設けられていてよいであろう。

Claims (9)

1. ２段圧縮による燃料電池システム用の空気供給装置（２７）であって、ターボコンプレッサー（１５、１６）が、電気的に並列接続された燃料電池スタック（２、３）への供給用に前記燃料電池スタック（２、３）の各々に対して設けられており、前記ターボコンプレッサー（１５、１６）が、それぞれの前記燃料電池スタック（２、３）のための排気タービン（１７、１８）と機械的に連結されており、圧縮された空気の流れ方向においてそれぞれの前記ターボコンプレッサー（１５、１６）の前に、少なくとも１つの電動のフローコンプレッサー（２８）が設けられており、前記フローコンプレッサー（２８）が、前記ターボコンプレッサー（１５、１６）の少なくとも２つに対して並列に空気を供給することを特徴とする、前記空気供給装置（２７）。
2. 前記排気タービン（１７、１８）の少なくとも１つが、可変のタービン案内羽根（３３、３４）を有することを特徴とする請求項１に記載の空気供給装置（２７）。
3. 前記排気タービン（１７、１８）の各々が、可変のタービン案内羽根（３３、３４）を有することを特徴とする請求項１または２に記載の空気供給装置（２７）。
4. 少なくとも１つの可変のタービン案内羽根（３３、３４）および前記フローコンプレッサー（２７）の駆動モータ（２９）が、共通の制御部（３０）によって制御されることを特徴とする請求項１、２、または３に記載の空気供給装置（２７）。
5. １つのフローコンプレッサー（２８）および正確に２つのターボコンプレッサー（１５、１６）が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の空気供給装置（２７）。
6. 給気冷却器（２１、２２）が、流れ方向においてそれぞれの前記ターボコンプレッサー（１５、１６）の後ろに配置されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の空気供給装置（２７）。
7. 少なくとも２つの燃料電池スタック（２、３）および請求項１から６のいずれか一項に記載の空気供給装置（２８）を備えた燃料電池システム。
8. 請求項７に記載の燃料電池システムを備えた車両（１）。
9. 商用車として設計されていることを特徴とする請求項８に記載の車両（１）。
   
   

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