JP5689318B2 - 自動車の燃料電池駆動部 - Google Patents

Description

本発明は、自動車、特に商用車の燃料電池駆動部に関する。

特許文献１において、電流及び／又は熱を発生する燃料電池ユニット並びに燃料電池ユニットを冷却する冷却装置を備えた燃料電池システムが提案されている。この場合、冷却装置は、第１の冷却流体、特に冷却水の流れを発生させる少なくとも１つの第１の流れ発生器と、第２の冷却流体、特に冷却エアの流れを発生させる少なくとも１つの第２の流れ発生器を有している。冷却装置は、燃料電池ユニットの効率的な温度制御を目的としている。このために、第１の流れ発生器の第１の作動パラメータ又は第１の作動パラメータの変化と、第２の流れ発生器の第２の作動パラメータ又は第２の作動パラメータの変化とを比較するためのコントロールユニットが設けられている。この場合、流れ発生器の作動パラメータは、出力又は回転数及び／又は冷却流体流量であるのが好ましい。両方の流れ発生器の作動パラメータ又は作動パラメータの変化を比較することにより、作動状態又は作動状態の変化に応じて、もう一方の流れ発生器よりもより効率的に作用するか、又はより効率的に燃料電池ユニットの冷却循環回路から熱を取り去る流れ発生器が選択される。これによって、このコントロールユニットを用いることにより、それぞれ最も効率のよい流れ発生器が燃料電池ユニットの温度を制御することができる。この場合、このコントロールユニットは、好ましくは燃料電池ユニットの少なくとも１つのパラメータ又はパラメータの変化に応じて、両方の流れ発生器の第１及び／又は第２の作動パラメータをチェックするために形成されている。例えば、燃料電池ユニットのパラメータ又はパラメータの変化は、負荷又は出力アウトプット及び／又は熱放射である。

独国特許出願公開第２００４０３７９０１Ａ１号明細書

本発明は、自動車、特に商用車の燃料電池駆動部を提供するという課題に基づいており、その燃料電池は負荷に応じて冷却可能であるため、燃料電池は、可能な限り一定の設定可能な温度レベルで作動することができる。

この課題は、本発明に基づき、請求項１に示されている特徴を有する配置によって解決される。

本発明の有利な実施形態は、従属請求項の対象である。

本発明は、エネルギー源としての燃料電池システムと、燃料電池システムを負荷に応じて制御可能に冷却する燃料電池冷却システムと、を備える、自動車、特に商用車の燃料電池駆動部を提供する。この場合、燃料電池システムは、直列に接続された複数の燃料電池を備える、互いに独立して制御可能な少なくとも２つの燃料電池ユニットを含み、燃料電池冷却システムは、これらの各燃料電池ユニットのために専用の燃料電池冷却ユニットを有し、この冷却ユニットにより、各燃料電池ユニットの燃料電池が、少なくとも１つの制御値に応じて冷却可能である。適合する制御値は、特に、それぞれの燃料電池冷却ユニット及び／又は燃料電池ユニットの少なくとも１つ温度である。

本発明に基づく燃料電池駆動部の使用は、特にバスなどの商用車の駆動に有利である。互いに独立して制御可能な少なくとも２つの燃料電池ユニットが、それぞれ制御可能な専用の燃料電池冷却ユニットを備え、この燃料電池ユニット使用することにより、燃料電池システムの駆動力及び冷却を柔軟かつ低コストで車両及びその時の走行状態に適合させることができる。

例えば、商用車は、停止状態から加速段階の間及び上り坂において、非常に高い駆動力を必要とするため、現在使用可能な燃料電池ユニット１つだけではこの駆動力を達成できないか、又は費用効率が悪くなる。これに対し、ほぼ一定の比較的低い速度で走行する通常運転では、必要な駆動力は極めて小さくなる。

本発明に基づく燃料電池駆動部は、互いに独立して制御可能な少なくとも２つの燃料電池ユニットを備え、それぞれの燃料電池ユニットには専用の燃料電池冷却ユニットがあり、出力要求が高い場合も低い場合も、それぞれに適合した冷却力によって要求を満たすことができる。特に、このことにより、その時点の出力要求に適合した数の燃料電池ユニットによって車両を動かすことが可能となる。これによって、燃料電池ユニットの１つが故障しても、引き続きもう１つの又は残りの燃料電池ユニットで車両を駆動することができるため、車両エンジンの信頼性も高まる。

それに加え、冷却手法の多様性により、電動ファンの出力も節約することができるため、システム効率が高まる。

さらに、少なくとも２つの燃料電池ユニットの使用は、１ユニットあたりの費用が安くなるために、製造コストに関してもプラスに作用する。

詳細において、この燃料電池冷却ユニットは、好ましくはそれぞれ専用のクーラント循環回路を含み、少なくとも１つの循環ポンプと、少なくとも１つの熱交換器と、各熱交換器用の少なくとも１つのファンとを備えている。その際、少なくとも１つの循環ポンプのポンプ出力及び／又はそれぞれのファンの回転数は、少なくとも１つの制御値に応じて調整可能である。

これにより、個々の燃料電池ユニットのそれぞれの燃料電池冷却ユニットは、互いに独立して制御可能であるため、それぞれに属する燃料電池ユニットは、互いに独立し、かつ負荷に対応して冷却可能である。

さらに、本発明では、燃料電池を除いて、燃料電池システムを駆動するために必要な、冷却しなければならない全ての構成部品、例えば、コンバーター、エアコンプレッサー及び電子コントロールユニットが、燃料電池冷却ユニットとは無関係に低温冷却システムによって冷却可能であることが提案されている。これによって、１つには、燃料電池冷却システムの負荷が緩和され、他方では、全体の冷却システムの効率及びコストを最適化することができる。なぜなら、低温冷却システムによって冷却される構成部品の冷却力要求は、燃料電池冷却システムと比較してより低く、この低温冷却システムは、その要求に対応することができるからである。

本発明に基づく燃料電池駆動部の有利な実施形態では、燃料電池冷却システムの廃熱を車両のヒーター回路に送ることができるようになっている。これによって、この廃熱が利用可能となり、燃料電池駆動部及び車両のヒーター回路の効率全体が上昇する。

本発明に基づく燃料電池駆動部のもう１つの有利な実施形態では、燃料電池冷却システム又は低温冷却システムを用いて、例えば、車両のリターダ及び／又は回生制動によって供給されるエネルギーを消費するために設けられている制動抵抗器など、車両ブレーキ用の複数の電気制動抵抗器も冷却できるようになっている。このことにより、ブレーキ動作の間及び燃料電池駆動部を必要としない時点においては、燃料電池冷却システム又は低温冷却システムを制動抵抗器の冷却に使用できるため、車両エンジンとブレーキシステムからなるシステムの効率が高まる。

本発明のその他の利点、特徴及び詳細を、以下に図を用いて、実施例に基づき説明する。

２つの燃料電池ユニットと、２つの燃料電池冷却ユニットを備える燃料電池冷却システムと、を装備したバスの燃料電池システム。燃料電池冷却ユニットは、バスのヒーター回路及び制動抵抗器に連結されている。 燃料電池ユニットと、独立して作動可能なコンバーター及びファンをそれぞれ４つ備えた燃料電池冷却ユニット。 燃料電池ユニットと、コンバーター及び独立して作動可能なファンを４つ備えた燃料電池冷却ユニット。

互いに対応する部品は、全ての図の中で同一の記号が付されている。

図１は、燃料電池システム１と燃料電池冷却システム２とを備えたバスの燃料電池駆動部の本発明に基づく第１の実施例を示し、この場合、燃料電池冷却システム２は、バスのヒーター回路１０及び制動抵抗器１６．１、１６．２に連結されている。

この実施例において、燃料電池システム１は、互いに独立して制御可能な２つの燃料電池ユニット３．１及び３．２を含み、それぞれの燃料電池ユニットは、いわゆる燃料電池スタックに直列に接続されている複数の燃料電池を備えている。

燃料電池冷却システム２は、各燃料電池ユニット３．１及び３．２専用の燃料電池冷却ユニット４．１又は４．２を含み、これらの冷却ユニットは、それぞれに属する燃料電池ユニット３．１、３．２の燃料電池を冷却する。このために、各燃料電池冷却ユニット４．１、４．２は、クーラント循環回路５．１、５．２を含み、この回路の中に、それぞれに属する燃料電池ユニット３．１、３．２が取り付けられている。

第１の燃料電池冷却ユニット４．１のクーラント循環回路５．１は、第１の循環ポンプ６．１によって駆動可能であり、さらに、クーラントが平行に流れる２つの熱交換器７．１及び７．２を含んでいる。熱交換器７．１及び７．２を平行に流れるようにするため、クーラント回路５．１は、熱交換器７．１及び７．２の前で、２つの支流に分岐し、両方の支流は、熱交換器７．１及び７．２の後で再び１つにまとめられる。

各熱交換器７．１及び７．２は、専用のファン８．１又は８．２を備えている。このファン８．１、８．２を使って、それぞれの熱交換器７．１、７．２により熱せられたエアが排出可能である。このことは、例えば、典型的な平均速度が約２０ｋｍ／ｈである市内バスの場合など、低速で走行するバスにおいてすでに有利である。なぜなら、低速時に発生する走行中に入る空気は、熱交換器７．１及び７．２の廃熱を誘導するには十分ではないからである。

第２の燃料電池冷却ユニット４．２のクーラント循環回路５．２も、第１の燃料電池冷却ユニット４．１のクーラント循環回路５．１と同様に実施されている。これに従って、燃料電池冷却ユニット４．２は、第２の循環ポンプ６．２と、クーラントが平行に流れる２つの熱交換器７．３及び７．４を含み、これらの熱交換器はそれぞれ専用のファン８．３及び８．４を備えている。

クーラント循環回路５．１及び５．２は、共通のクーラントエクスパンションタンク１７と接続されており、このタンクにより、クーラント循環回路５．１及び５．２内のクーラントの、温度に起因する容積変化を補正することができ、クーラント循環回路５．１及び５．２内の圧力を調整することができる。

燃料電池冷却ユニット４．１又は４．２は、燃料電池ユニット３．１及び３．２の冷却が互いに独立して制御可能であるように形成されている。このために、循環ポンプ６．１及び６．２のポンプ出力と、ファン８．１〜８．４の回転数とが、互いに独立して調整可能になっている。それぞれの燃料電池ユニット３．１及び３．２を冷却するための制御値として、この実施例では、各クーラント循環回路５．１、５．２の中にある各３カ所のクーラント温度が用いられている。このために、第１のクーラント循環回路５．１のクーラントの温度は、第１の熱交換器７．１の出口後ろに取り付けられた第１の温度センサー９．１と、第２の熱交換器７．２の出口後ろに取り付けられた第２の温度センサー９．２と、第１の燃料電池ユニット３．１の前に取り付けられた第３の温度センサー９．３によって検知される。

これらのセンサーによってその時点で検知されたクーラントの温度に応じて、第１の循環ポンプ６．１のポンプ出力及び／又は第１と第２のファン８．１と８．２の回転数が調整可能であるため、第１の燃料電池ユニット３．１の入口及び／又は第１と第２の熱交換器７．１と７．２の出口でのクーラント温度は、設定可能な一定レベルを維持している。このために、例えば、コントロールユニットを用い、これらの各温度に対して、上下の限界値によるそれぞれの温度インターバルを設定することができ、クーラント温度がそれぞれの温度インターバルの範囲内にあるように、第１の循環ポンプ６．１のポンプ出力及び／又は第１と第２のファン８．１と８．２の回転数を設定することができる。

同様に、第２の燃料電池ユニット３．２の冷却は、第２のクーラント循環回路５．２に配置された対応する３つの温度センサー９．４〜９．６を用いて制御可能である。

温度センサー９．１〜９．６によって検知されるクーラント温度の代替又は追加として、燃料電池ユニット３．１及び３．２の冷却を制御するために、その他の又は別の制御値を使用することができる。第１の燃料電池ユニット３．１に適する制御値は、例えば燃料電池ユニット３．１自体の温度であり、及び／又はクーラント循環回路５．１内のもう１つの又は別の箇所（例えば、燃料電池ユニット３．１と熱交換器７．１及び７．２との間）でのクーラント温度である。該当するその他の又は別の制御値は、第２のクーラント循環回路５．２に適用される。

さらに、この実施例では、クーラント循環回路５．１及び５．２のそれぞれにバイパス１８．１、１８．２が設けられおり、これらのバイパスを使って、クーラントがそれぞれの燃料電池ユニット３．１、３．２を通過することができる。クーラントがそれぞれのバイパス１８．１、１８．２によって迂回するため、クーラント循環回路５．１及び５．２には、それぞれ調整可能なバイパスバルブ１９．１、１９．２が設けられており、バイパスバルブの位置に応じて、それぞれの燃料電池ユニット３．１、３．２又はそれぞれのバイパス１８．１、１８．２を通るクーラントの流れを制限することができる。これによって、各燃料電池ユニット３．１、３．２の冷却が必要でない場合、又は望ましくない場合に、各燃料電池ユニット３．１、３．２の冷却を互いに独立して中断することができる。後者は、例えばバスのコールドスタート時で、燃料電池システムを素早く最適な作動温度にするために有利である。

燃料電池冷却システム２のバスのヒーター回路１０への連結は、ヒーター熱交換器１１．１及び１１．２によって行われ、これらのヒーター熱交換器によって、クーラント循環回路５．１及び５．２から熱をヒーター回路１０に送ることができる。このために、第１のクーラント循環回路５．１の第１のヒーター熱交換器１１．１は、第１の燃料電池ユニット３．１と熱交換器７．１及び７．２との間に配置され、第２のクーラント循環回路５．２の第２のヒーター熱交換器１１．２は、第２の燃料電池ユニット３．２と熱交換器７．３及び７．４との間に配置されている。さらに、ヒーター循環回路１１．１及び１１．２は、ヒーター回路バイパスバルブ１５を介してバスのヒーター回路に直列に連結可能である。バスのヒーター回路１０は、その他にバス車内ヒーター１２、ヒーター循環ポンプ１３及びヒーター１４を含んでいる。

燃料電池冷却システム２により、この実施例では、バスのブレーキ、例えばリターダ及び／又は回生制動のための制動抵抗器１６．１及び１６．２も冷却することができる。そのために、第１の制動抵抗器１６．１が第１のクーラント循環回路５．１に、第２の制動抵抗器１６．２が第２のクーラント循環回路５．２に組み込まれている。

図２は、本発明に基づく燃料電池駆動部の専用の燃料電池冷却ユニット４．１を備えた燃料電池ユニット３．１の代替実施形態である。この燃料電池冷却ユニット４．１は、燃料電池ユニット３．１のあるクーラント循環回路５．１を含み、この回路は循環ポンプ６．１によって駆動可能である。クーラント循環回路５．１には、４つの熱交換器７．１〜７．４が互いに独立して接続可能である。

このために、クーラント循環回路５．１は、循環ポンプ６．１の後ろで２つのクーラント循環回路の支流２０．１と２０．２とに分割されている。第１のクーラント循環回路の支流２０．１は、第１の調整可能な３ウェイバルブ２１．１によって、第１の両方の熱交換器７．１と７．２とに接続可能である。この場合、第１の３ウェイバルブ２１．１の位置に応じて、第１のクーラント循環回路の支流２０．１と熱交換器７．１及び７．２の両方が接続するか、又は第１の熱交換器７．１のみが接続するか、又は第２の熱交換器７．２のみが接続するか、又は両方の熱交換器７．１及び７．２のどちらも接続しないか、のいずれかが可能である。

これに応じて、第２のクーラント循環回路の支流２０．２は、第２の調整可能な３ウェイバルブ２１．２の位置に応じて、第３の熱交換器と第４の熱交換器７．４と同時に接続するか、又は第３の熱交換器７．３とのみ接続するか、又は第４の熱交換器７．４とのみ接続するか、又は両方の熱交換器７．３と７．４のどちらとも接続しないか、のいずれかが可能である。

熱交換器７．１〜７．４の出口は、共通の配線によって燃料電池ユニット３．１と接続されており、この配線内に、クーラント温度を検知する温度センサー９が取り付けられている。

これにより、３ウェイバルブ１９．１及び１９．２の位置に応じて、熱交換器７．１〜７．４を任意に組合せたクーラント循環回路５．１を作ることができ、これらの熱交換器にクーラントを分配することができる。さらに、各熱交換器７．１〜７．４には、専用のファン８．１〜８．４が設けられており、この場合、ファン８．１〜８．４は、互いに独立して制御可能である。

燃料電池ユニット３．１の冷却は、温度センサー９．１によって検知されるクーラント温度に応じて、クーラント循環回路５．１に接続される熱交換器７．１〜７．４の数、それに属するファン８．１〜８．４の各回転数及び／又は循環ポンプ６．１のポンプ出力によって制御することができる。

図３は、専用の燃料電池冷却ユニット４．１を備えた燃料電池ユニット３．１の、本発明に基づく燃料電池駆動部の第３の代替実施形態である。この実施例では、循環ポンプ６．１と、前述の実施例に比べより大きな熱交換器７．１とを有する燃料電池冷却ユニット４．１のクーラント循環回路５．１内に、燃料電池ユニット３．１が取り付けられている。この実施例において、熱交換器７．１には、独立して制御可能な４つのファン８．１〜８．４が設けられている。さらに、クーラント循環回路５．１内の熱交換器７．１の後にはクーラント温度を検知するための温度センサー９．１が設けられている。

この実施例において、例えば、燃料電池ユニット３．１が、負荷の小さいモードにおいて、すでに走行中に入る空気による熱交換器７．１の通風により十分冷却可能であるように、熱交換器７．１のサイズが決められている。

燃料電池ユニット３．１の負荷が大きい場合、熱交換器７．１は、８．１〜８．４の１つ又は複数のファンによって冷却可能である。その際、燃料電池ユニット３．１の冷却は、前述のような実施例と同じく、温度センサー９．１によって検知されるクーラント温度に応じて、接続されるファン８．１〜８．４の数、それらの各回転数及び／又は循環ポンプ６．１のポンプ出力によって制御可能である。

図２及び３に示されている実施例では、燃料電池ユニット３．１を制御するために、温度センサー９．１によって検知されるクーラント温度の代替又は追加として、例えば、燃料電池ユニット３．１自体の温度及び／又はクーラント循環回路５．１内のもう１つの又は別の箇所におけるクーラント温度など、その他の又は別の制御値を使用することができる。

Claims (6)

1. エネルギー源としての燃料電池システム（１）と、該燃料電池システム（１）を負荷に応じて制御可能に冷却するための燃料電池冷却システム（２）と、を備える、自動車の燃料電池駆動部であって、
   前記燃料電池システム（１）が、直列に接続された複数の燃料電池を備える、互いに独立して制御可能な少なくとも２つの燃料電池ユニット（３．１、３．２）を含み、前記燃料電池冷却システム（２）は、それぞれの燃料電池ユニット（３．１、３．２）のために専用の燃料電池冷却ユニット（４．１、４．２）を有し、該冷却ユニットにより、それぞれの燃料電池ユニット（３．１、３．２）の燃料電池が、少なくとも１つの制御値に応じて冷却可能であって、
   それぞれの前記燃料電池冷却ユニット（４．１、４．２）は、クーラントが平行に流れる複数の熱交換器（７．１〜７．４）と、それぞれの該熱交換器（７．１〜７．４）のために、個別に制御可能な専用のファン（８．１〜８．４）と、を有し、それぞれの前記燃料電池冷却ユニット（４．１、４．２）の前記熱交換器（７．１〜７．４）が、個別に、互いに独立して各クーラント循環回路（５．１、５．２）に接続可能であること、
   前記クーラントが前記それぞれの燃料電池ユニット（３．１、３．２）を迂回することができるようにバイパス（１８．１、１８．２）が前記各クーラント循環回路（５．１、５．２）に設けられていること、および
   前記燃料電池を除いて、前記燃料電池システム（１）の作動に必要な、冷却しなければならない全ての構成部品が、前記燃料電池冷却システム（２）とは無関係に低温冷却システムによって冷却可能であることを特徴とする燃料電池駆動部。
2. それぞれのクーラント循環回路（５．１、５．２）が、少なくとも１つの循環ポンプ（６．１、６．２）を有し、少なくとも１つの前記循環ポンプ（６．１、６．２）のポンプ出力又はそれぞれの前記ファン（８．１〜８．４）の回転数が、少なくとも１つの前記制御値に応じて制御可能であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池駆動部。
3. それぞれの燃料電池ユニット（３．１、３．２）の前記燃料電池を冷却するための少なくとも１つの前記制御値が、それぞれのクーラント循環回路（５．１、５．２）の少なくとも１つのクーラント温度又はそれぞれの燃料電池ユニット（３．１、３．２）の少なくとも１つの温度であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池駆動部。
4. それぞれの熱交換器（７．１〜７．４）が、調整可能な３ウェイバルブ（２１．１、２１．２）を介してクーラント循環回路（５．１、５．２）に接続可能であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池駆動。
5. 前記燃料電池冷却システム（２）の廃熱を、車両のヒーター回路（１０）に送ることができ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駆動部。
6. 前記燃料電池冷却システム（２）又は前記低温冷却システムを使って、車両ブレーキのための複数の電気制動抵抗器（１６．１、１６．２）をも冷却可能であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池駆動部。
   

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