JP3883508B2 - 内燃機関を備えた車両における燃料電池システム及びその稼動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、請求項１或いは６の前提部に記載した、内燃機関を備えた車両における燃料電池システム及びその稼動方法に関する。
【０００２】
車両内の発電のために燃料電池を使用することは知られている。特有な実施形態では、車両の一次駆動部として従来の内燃機関が使用され、この内燃機関は、燃料ガスの燃焼によりピストンを介してクランクシャフトを駆動する。更に、機関に依存しない電力供給のためには、燃料電池が搭載電気系統を稼動するために使用される。燃料電池は、例えば水素又は改質器（リフォーマ）内で生成された燃料ガスを用いて稼動される。
【０００３】
燃料電池の最大出力は燃料ガス体積流に依存している。電気的な出力要求によって求められるよりも多くの燃料ガスが燃料電池に供給される場合、消費されない燃料ガスは、通常、周囲（周囲環境）へと放出される。燃料利用度は、このような処理方式の場合、特に改質器変換を使用する場合には、通常、80％よりも少ない。
【０００４】
更に、燃料電池を用いてもバッテリの場合のような負荷ジャンプを保証し得るためには、十分な量の反応ガスが常に使用可能な状態になくてはならない。このことは、従来の方式では、バッファ容器内で又は手間と費用のかかる調整装置により、燃料電池に対する反応ガスの放出を決定するということを結果として伴う。必要不可欠であるよりも多くの体積流を使用可能とすることも知られている。他の場合には、電気的な負荷の上昇が反応物供給の負荷変化特性だけに対応して行われ得る。
【０００５】
しかし、その際、電気的な負荷を急に取り除く場合には、対応的な遅延を伴う体積流が必要不可欠な量に減少され得るまで、上述したように燃料ガスが利用されずに燃料電池を通り抜けることになる。
【０００６】
本発明の課題は、燃料電池を稼動するために使用される燃料ガスが不必要に浪費されず且つシステムの全効率が向上され、それにもかかわらず常に十分な電気出力が使用可能である、燃料電池システム及びこの種のシステムの稼動方法を提供することである。
【０００７】
この課題は、選択的に、請求項１及び６に記載した特徴により解決される。
【０００８】
本発明の基本発想は、燃料電池のために十分な燃料・体積流を常に提供するということにあり、その結果、電気的な最大出力要求も満たされ得る。また、場合により生じる燃料電池からの燃料ガスの過剰分を周囲に放出してしまうのではなく更に利用可能とするために、燃料電池は、様々な実施バリエーションに対応し、内燃機関及び／又はアフタバーナと接続可能である。その際、過剰の燃料ガスは、後続接続されているシステムに供給され、そのシステム内で活用される。
【０００９】
全体として、内燃機関の稼動時には、燃料電池が、実質的に、比較的一定した燃料ガスの体積流を用いて稼動される。この体積流は、中期間的に、現在又は将来的に要求される最大電気出力が生成可能であるように設計されるべきである。その際に燃料ガスにおける過剰分が内燃機関で活用される場合、この過剰分は車両の補助的な駆動部のために用いられる。補助加熱器（アフタバーナ）内で過剰の燃料ガスを活用する場合には、例えば内燃機関のための冷却水が予熱され得る。このことは、始動時における機関の摩擦損失をより少なくさせるだけでなく、補助加熱機能をも可能とする。
【００１０】
内燃機関が停止している場合、燃料ガスの量は、例えば電気空気調節装置又は照明装置のようなに主消費装置に従って調整される。
【００１１】
内燃機関又は補助加熱装置への過剰の燃料ガスの流れを制御可能とするために、対応する流れ方向には、好ましくは制御可能なバルブが配設されている。このバルブが燃料電池の稼動時にも完全に閉鎖される必要のある場合には、周囲への排気可能性が設けられるべきである。
【００１２】
特に有利な実施形態に従い、過剰の燃料ガスは、選択的に、需要に応じて補助加熱装置及び／又は内燃機関に導かれ得る。この際、対応的な構成上の配置が考慮されなくてはならない。
【００１３】
当然のことであるが、燃料電池は常に最大体積流を用いて稼動され得る。しかし、特に有利な実施形態に従えば、体積流は稼動に依存して調節される。この際、制御装置は、使用可能な状態にあるインプット信号、例えば様々な消費装置の必要な電気出力を評価し、これらの要求を満たす燃料ガスのための体積流を選択する。空気調節装置、ライト、制御装置のためのエネルギー供給装置などのような、活動状態（アクティブ状態）にある電気装置における現在の出力消費量、又は、そのような装置における予測すべき将来的な出力消費量の他に、更に、補助的な車両稼動データ及び／又は制御装置の周囲データのような他の情報もインプット信号として供給され得る。例えば、周囲温度が低い場合、車両の予熱が必要不可欠であることが推論され得る。他方、外部の温度が高い場合、空気調節装置がスイッチオンされることが推論され得る。更に所謂ブレーキ・バイ・ワイヤ・システムが使用されるべき場合には、例えば高速時に、ブレーキのために十分な稼動出力が常に使用可能であることが考慮されなくてはならない。
【００１４】
次に、唯一の図面である図１に基づき、本発明の簡単な実施形態を詳細に説明する。
【００１５】
図１には燃料電池１２が示されていて、この燃料電池１２は水素タンク１０から水素を獲得する。水素タンク１０と燃料電池１２との間の流体接続部には、制御装置３０により付勢される体積流調整装置３２（バルブ/ポンプ）が配設されている。制御装置３０は、インプット情報Ｅ_１、Ｅ_２を獲得し、これらのインプット情報Ｅ_１、Ｅ_２に基づき、最大に必要とされる出力のための体積流を算出し、体積流調整装置３２を介して体積流の調節を行う。燃料電池１２は、電気エネルギーＵを生成し、この電気エネルギーＵを、要求に応じ、詳細には図示されていない搭載電気系統に対して使用可能とする。電気出力の生成のために必要不可欠であるよりも大きな体積流が燃料電池１２を通じて送られる場合、この体積流は燃料電池出口を介して内燃機関１６又はアフタバーナ１８へと移行する。この際、過剰燃料ガスの制御はバルブ装置１４によって引き受けられ、このバルブ装置１４は、要求に応じ、過剰の燃料ガスを内燃機関１６、アフタバーナ１８、又は、必要不可欠である場合には周囲（出口１５）へと排出する。内燃機関１６内では、過剰の燃料ガスが適切な方式で残りの燃料ガスに混合されるが、ここでは詳細にまで立ち入らないものとする。それに対し、過剰の燃料ガスがアフタバーナ１８に供給されると、それにより、熱交換器２２を介し、内燃機関１６の冷却循環路２０内の冷却水が加熱される。内燃機関１６或いはアフタバーナ１８から発生する排出ガスは、対応する出口２４及び２６を介して周囲へと排出される。燃料ガスとして水素が利用される場合には、水だけが排出ガスとして発生する。
【００１６】
本発明は，車両において電力供給時の負荷ジャンプを実現するという可能性を排除する必要なく、燃料電池を全効率的に最適の状態で稼動するという簡単な方法を提供する。内燃機関内で更に水素とは別の燃料ガスが使用されるのであれば、予熱により冷間始動エミッションも改善され得る。更に、排出ガス触媒も加熱され得て、このことは同様に冷間始動領域内のエミッション特性に肯定的な結果をもたらす。それに加え、冷却水を加熱するために燃料ガスを利用することにより補助加熱が使用可能であり、始動時には僅かな摩擦損失で機関が稼動され得る。それに加え、このシステムは、手間と費用のかかる余分な調整装置を必要とせず、構造部品はより少なくて済み、このことは、全体としてシステムのコスト、構成体積、及び全重量に肯定的な結果をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の簡単な実施形態を示す図である。

Claims (8)

1. 水素又は改質器内で生成された燃料ガスを用いて稼動可能な少なくとも１つの燃料電池（１２）と、同一の又は他の燃料ガスを用いて稼動される内燃機関（１６）と、燃料ガスを用いて稼動可能な補助加熱装置（１８）とを含んでいる、内燃機関を備えた車両における燃料電池システムにおいて、
   燃料電池（１２）からの排出ガスを補助加熱装置（１８）の燃焼室内に導入させるために、燃料電池（１２）の出口が補助加熱装置（１８）の入口と接続され得ることを特徴とする燃料電池システム。
2. 補助加熱装置（１８）が内燃機関（１６）の冷却水を加熱するために用いられることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 燃料電池（１２）からの排出ガスを選択的に内燃機関（１６）の燃焼室内にも導入させ得るために、燃料電池（１２）の出口が追加的に内燃機関（１６）の入口と接続され得ることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 一方の燃料電池（１２）と他方の内燃機関（１６）及び補助加熱装置（１８）との間における流れ接続部内に制御可能なバルブ要素（１４）が配設されていて、このバルブ要素（１４）が燃料電池（１２）から内燃機関（１６）及び／又は補助加熱装置（１８）への排出ガス流を決定することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. インプット信号（Ｅ１、Ｅ２）のための入力部を含んでいる制御装置（３０）が設けられていて、それらのインプット信号（Ｅ１、Ｅ２）に基づき、燃料電池（１２）を稼動するための体積流が決定可能であること、制御装置（３０）が、最大に必要とされる出力をインプット信号（Ｅ１、Ｅ２）から決定するために形成されていること、及び、制御装置（３０）が、燃料電池への供給ライン内に配設されていて燃料電池に所定の体積流を供給するための調整装置（３２）を付勢することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 請求項５に記載の燃料電池システムの稼動方法において、
   活動状態の又は活動状態にすべき電気消費装置からの情報（Ｅ１、Ｅ２）が制御装置（３０）に供給されること、それらの情報から、使用可能にすべき最大電気出力が決定されること、及び、制御装置が、燃料電池に対し、最大電気出力を生成し得るための体積流を使用可能とさせることを特徴とする方法。
7. 電気主消費装置からの情報が制御装置に供給されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 追加的に車両稼動データ及び/又は周囲データが制御装置に供給されることを特徴とする、請求項６又は７に記載の方法。

Images