JP6941925B2 - 損失回収システムを使用する燃料電池の調整 - Google Patents

Description

[0001]本明細書に記載の主題は、一般に流量制御システムに関し、より詳細には、燃料電池の背圧または湿度の調整から生じるエネルギーを回収する流量制御アセンブリ（ｆｌｏｗ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｓｓｅｍｂｌｙ）とともに、その調整を行うことに関する。

[0002]近年、燃料電池がますます多くの用途に利用されるようになっている。たとえば、電気車両の牽引電動機用の電力を供給するために燃料電池スタック（ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｓｔａｃｋ）が利用されることがある。通常は、燃料電池の電極の１つ又は複数に圧縮空気が供給されて、燃料電池の効率的な動作を実現する。この空気流は、燃料電池の下流でのエネルギー回収の機会をもたらす。したがって、燃料電池を出る流れからエネルギーを回収するためにタービンを利用する従来技術のシステムが開発されてきた。従来、タービンは、共通の回転軸を介して入力空気コンプレッサに機械的に結合されることにより、タービンが回収したエネルギーを活用してコンプレッサに動力を供給する。ただし、これは、ターボコンプレッサアセンブリの設計の際に複雑性を増し、自動車両に設置されるときに、収容性又は配管系統にある種の制約を課す可能性がある。さらに、燃料電池内を通る調整されていない空気流が燃料電池スタックの湿度を望ましくないかたちで下げる可能性がある。

したがって、効率を犠牲にすることなく収容性又は配管系統の制約を低減しながら、燃料電池の空気流の制御を可能にする燃料電池スタックからエネルギーを回収する方法を提供することが望ましい。

[0003]タービンアセンブリ、スロットル損失回収システム、及び関連する車両電気系統並びに動作方法が提供される。ある例示的な車両システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックを出る流体流を調整するための流量制御弁と、流体流に対する流量制御弁の配向に基づいて流量制御弁をバイパスする流体流のバイパス部分に応答して電気エネルギーを生成するための、流量制御弁に平行な流量制御アセンブリとを備える。

[0004]別の例示的な実施形態の車両システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックからの排出流体流のための導管と、導管内に配置された弁と、導管に対する弁の配向に基づいて排出流体流のバイパス部分を受けるためのタービンアセンブリとを備える。

[0005]タービンアセンブリを動作させる例示的な方法は、入力ノードにおける出力電圧での電力を車両電気系統に提供する燃料電池スタックの湿度情報を取得するステップと、湿度情報に基づいて燃料電池スタックの下流の弁の配向を調節するステップとを含む。弁の配向は、タービンアセンブリによって生成される電気エネルギーに影響し、方法はさらに、燃料電池スタックの電圧出力に対応する電圧レベルで、タービンアセンブリからの電気エネルギーを入力ノードに提供する。

[0006]次に、同様の番号が同様の要素を示す以下の図面と併せて、本主題の実施形態が記載される。

[0007]１つ又は複数の例示的な実施形態における燃料電池スタックの下流に損失回収アセンブリを備える車両システムのブロック図である。 [0008]例示的な一実施形態における図１の車両システムでの使用に適した損失回収アセンブリの断面図である。 [0009]１つ又は複数の実施形態による、図１の車両システムと一緒に使用するのに適した例示的な管理工程の流れ図である。 [0010]１つ又は複数の実施形態による、図３の管理工程とともに図１の損失回収アセンブリと一緒に使用するのに適した例示的なタービンアセンブリの電子機器モジュール（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｍｏｄｕｌｅ）を示すブロック図である。

[0011]本明細書に記載の主題の実施形態は、流量制御弁の周囲の流体流のバイパスとして機能して、バイパスする流体流からエネルギーを生成する流量制御アセンブリを備える車両システムに関する。説明のために、本主題は、弁のバイパスとして機能し、電気エネルギーを生成する発電機を備えるタービンアセンブリとの関連で本明細書に記載される。ただし、本明細書に記載の主題は、タービンとの併用には限定されず、他の適切な機械装置又は別の適切な流量制御弁のためのバイパスを設けるように構成された流量制御アセンブリに対して同様に実装されてもよいことを理解されたい。さらに、本主題は、ターボ発電機として構成されているタービンアセンブリとの関連で本明細書に記載されているが、本明細書に記載の主題は、ターボ発電機との併用には限定されず、他の適切な構成に対して同様に実装されてもよい。

[0012]本明細書に記載の例示的な実施形態では、流量制御弁が燃料電池スタックと車両排気システムの間の導管内に配置されて、燃料電池スタックを出る流体流を調整し、それによって燃料電池スタックの湿度を調整するか、又はそれ以外の方法で管理する。タービンアセンブリは、内部に弁が配置された導管の中間部分に平行な流体経路を設けており、そのため、流体流に対する弁の配向が、弁をバイパスしてタービンを通る排出流体流の量に影響する。例示的な実施形態では、発電機出力部が燃料電池スタックの電気出力部に結合されて、燃料電池の出力電圧に対応する電圧レベルで、燃料電池を出る流れのバイパス部分から得られる生成された電気エネルギーを出力する。例示的な実施形態では、電子機器モジュールが発電機出力部と燃料電池の電圧出力部の間に設けられて、生成された電気エネルギーの分配を制御する。この点に関して、発電機の速度超過の可能性又は過剰なエネルギー生成を防ぐために、電子機器モジュールは、生成された電気エネルギーの少なくとも一部を散逸させるか、又は場合によっては、車両電気系統バス電圧を下回る（又は代替えとして燃料電池の出力電圧を下回る）電圧で、生成された電気エネルギーを出力して、生成された電気エネルギーを車両電気系統から事実上逸らすことができる。

[0013]図１は、燃料電池スタック１０４の下流で空気の流れを調節し、それによって、燃料電池スタック１０４を通る空気流の背圧を調整しながら、さらに、排出される空気流からエネルギーを回収するように構成された損失回収アセンブリ（ｌｏｓｓ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ａｓｓｅｍｂｌｙ）１０２を備える自動車両と一緒に使用するのに適した車両システム１００の例示的な一実施形態を示す。簡潔にするため、燃料電池スタック１０４は、本明細書においては単に代替として燃料電池と称されることもあるが、実際には、燃料電池スタック１０４は、積層されるか、又はそれ以外の方法で所望の出力電力レベルを実現するように構成された複数の個々の燃料電池を事実上含み得ることを理解されたい。

[0014]図に示すように、損失回収アセンブリ１０２は、車両の排気システム１１０に供給されるべき燃料電池スタック１０４を出る空気のための導管１０８内に配置された弁１０６（又はスロットル）を備える。弁１０６の上流にある燃料電池の出口導管１０８に隣接する導管１１２は、流体流１１４に対する弁１０６の配向（又は角度）によって影響される形で弁１０６をバイパスする、燃料電池スタック１０４を出る流体流１１４の少なくとも一部１１６を選択的に受けるように構成された入口を有する。この点に関して、排出流体流１１４を制限するために流体流１１４に対する弁１０６の角度が増加し、背圧が増加するにつれて、導管１１２を通り弁１０６をバイパスする流体流１１６の量が増加し、このことが、ひいては損失回収アセンブリ１０２によって生成され得る潜在的な電気エネルギーを増加させる。逆に、燃料電池背圧を下げるために排出流体流１１４に対する弁１０６の角度が減少するにつれて、導管１１２に入るバイパス流体流１１６の量が減少する。

[0015]導管１１２の出口は、タービンアセンブリ１２０の入口部（又は入力部）に結合されて、弁１０６の上流にある燃料電池の排出管路１０８と、タービンアセンブリ１２０のタービン１２２の入口との間に流体連通を確立する。この点に関して、バイパス流体流１１６は、タービン１２２の渦形室、ノズル、及び／又は羽根を通過し、タービン１２２のブレード（又はホイール）に当たってタービン１２２を回転させるタービン入力流体流として機能する。１つ又は複数の例示的な実施形態では、タービン１２２は、固定された外形のタービンとして実現される。タービンアセンブリ１２０はまた、シャフトを介してタービン１２２に結合された発電機１２４を備え、発電機１２４は、タービンに入る流体流１１６によって生じるシャフトの回転に応答して電気エネルギーを生成する。損失回収アセンブリ１０２は、タービン出力流体流のための流体連通を確立するために、タービン１２２の出口に結合された入口と、弁１０６の下流にある燃料電池の排出管路１０８に結合された出口とを有する別の導管１１８を備える。タービン１２２からのタービン出力流体流は、燃料電池排出流の残りの部分と再び合流して、弁１０６を通って入力流体流を車両の排気システム１１０に提供する。

[0016]図２は、図１の車両システム１００における損失回収アセンブリ１０２として使用するのに適した損失回収アセンブリ２００の例示的な一実施形態の断面図を示す。この点に関して、いくつかの実施形態では、損失回収アセンブリ２００は、燃料電池スタック１０４と排気システム１１０の間に導管の中間部分を設けた、一体化又は統合されたコンポーネントとして実現されてもよい。

[0017]損失回収アセンブリ２００は、入力流体（たとえば、流体流１１４）の流れ２１２を受けるように構成された流体導管２０２と、流体導管２０２の中に位置決めされた弁２０６とを備える。図示の実施形態では、タービン入口導管は、取り込み導管２０２によって少なくとも部分的に画定され、取り込み導管２０２から入力流体流２１２の少なくとも一部を選択的に受けるように構成されていてもよい入口２２０を有する。タービンホイール２２６は、発電機２２８に結合されたシャフト２３０に取り付けられており、この発電機はタービンホイール２２６が回転するときに電気エネルギーを生み出すように構成されている。図示のタービンアセンブリ２２４は渦形室２３２を有し、この渦形室は、タービン２２６を実質的に取り囲み、入口２２０を介して受け取った入力流体流２１２の一部をタービン２２６に供給する。図に示すように、いくつかの実施形態では、取り込み導管２０２、タービン出口導管２２２、及び渦形室２３２は一体型ハウジングによって画定されていてもよく、このハウジングはタービン２２６及び発電機２２８も保持して、比較的小型の損失回収アセンブリ２００をもたらす。

[0018]例示的な実施形態では、弁２０６は複数の位置の間に構成可能である。たとえば、いくつかの実施形態では、弁２０６は、スロットルプレート２３６を備える蝶形弁として実現される。電気モータ又はスロットルケーブルなどの調整機構は、スロットルプレート２３６の位置を調節すること、たとえば、長手方向軸を中心としてスロットルプレート２３６が結合されたシャフト２３８を回転させることによって、弁２０６を制御するように構成されていてもよい。実際には、位置センサは、弁２０６の下流で所望の吸入流体流を実現するために弁２０６の位置が調節され得るように、スロットルプレート２３６又はシャフト２３８の位置を検出し、スロットルプレート２３６の位置についてのフィードバックを提供することができる。この点に関して、図２は、タービン２２６への入口２２０が実質的に全くふさがれていないところまで開いている弁２０６を示す。したがって、入口２２０の少なくとも一部がスロットルプレート２３６によってふさがれていないときに、タービンアセンブリ２２４は、弁２０６の周りのバイパスとして働く。入力流体流２１２の少なくとも一部は入口２２０を介して、タービン２２６に送り込む渦形室２３２に入り、タービン２２６を出るタービン出力流体流２１４はタービン出口導管２２２を通過し、出口２４２を介して弁２０６の下流にある取り込み導管２０２に再び入る。図に示すように、出口２４２は、弁２０６の下流にある取り込み導管２０２の側壁の開口部によって画定されていてもよい。入力流体流２１２に対するスロットルプレート２３６の配向は動作中に変動し、このことがひいては、配向が変更されるか、又はそれ以外の方法でタービンアセンブリ２２４を介してスロットルをバイパスする入力流体流２１２の量を変えることが理解されよう。

[0019]再び図１を参照すると、損失回収アセンブリ１０２はまた、発電機１２４の電気出力部と車両電気系統１３０の入力ノード１２８の間に結合された電子機器モジュール１２６を備える。電子機器モジュール１２６は、損失回収アセンブリ１０２によって生成された電気エネルギーを車両電気系統１３０に送達するために、発電機１２４によって生成された電気エネルギーを受け取り、発電機１２４の出力部と車両電気系統１３０の間にインターフェースを実現するように構成された電気要素又は電気コンポーネントを備える。たとえば、電子機器モジュール１２６は、発電機１２４の出力を、車両電気系統１３０のノード１２８における電圧レベルに対応する直流（ＤＣ）電圧レベルに整流するように構成された整流器を備えていてもよい。例示的な実施形態では、ノード１２８は、燃料電池１０４の電気出力から電圧出力を受け取るための入力ノードであり、したがって、損失回収アセンブリ１０２の電気出力部は、共通の電圧レベルで燃料電池１０４の電気出力部に結合されている。したがって、発電機１２４及び電子機器モジュール１２６によって提供される整流は、燃料電池１０４の出力電圧にほぼ等しい出力電圧を生み出すように設計又はそれ以外の方法で構成されている。

[0020]さらに、いくつかの実施形態では、電子機器モジュール１２６は、図３に関連して以下でより詳細に説明するように、タービン１２２についての速度超過状態の可能性又は車両電気系統１３０についての過剰なエネルギー状態を防ぐために、抵抗器、キャパシタ、インダクタ、ダイオード、トランジスタ、及び／又は発電機１２４によって生成された電気エネルギーの少なくとも一部を散逸させるように構成された他の電気回路素子を備えていてもよい。いくつかの実施形態では、電子機器モジュール１２６は、発電機１２４によって生成された電気エネルギーの少なくとも一部を電子機器モジュール１２６において散逸させることによって、車両電気系統１３０に提供される電圧出力を変動させることが可能である。この点に関して、電子機器モジュール１２６は、シリコン制御整流器、スイッチング装置、又は車両電気系統１３０に提供される出力電圧を、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１６０によって提供される目標電圧設定値に維持するために、電子機器モジュール１２６において電気エネルギーを散逸させるように動作させることができる他の電気コンポーネントを備えていてもよい。たとえば、電子機器モジュール１２６は、発電機出力部に平行に構成された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備えていてもよく、ＦＥＴは、生成された電気エネルギーの一部をＦＥＴが散逸させ、それによって、電子機器モジュール１２６の整流器による電圧出力が、ＥＣＵ１６０からの目標電圧設定値にほぼ等しくなるデューティサイクルで、パルスが加えられ、切り替えられ、又はそれ以外の方法で作動させられる。

[0021]図示の実施形態では、損失回収アセンブリ１０２はまた、弁１０６に結合され、弁位置指令に応答して流体流１１４に対する弁１０６の配向（たとえば、導管１０８に設けられた開口部のサイズ）を制御するように構成された、電子制御される作動装置１０９を備える。この点に関して、作動装置１０９は、電子制御されるスロットルに見られるような１つ又は複数のケーブル、リンク機構、又はモータなどを備えていてもよい。図示の実施形態では、作動装置１０９は、燃料電池スタック１０４を出る流体流１１４についての所望の背圧とすることによって、燃料電池スタック１０４内の所望の湿度を実現する弁位置指令をＥＣＵ１６０から受け取るためにＥＣＵ１６０に結合されている。それはそうとして、他の実施形態では、作動装置１０９は、ＥＣＵ１６０から受け取った信号又は命令に基づいて作動装置１０９の動作を指令し、又はそれ以外の方法で制御する媒介として働くことができる電子機器モジュール１２６に結合されていてもよい。

[0022]引き続き図１を参照すると、図に示すように、コンプレッサアセンブリ１３４が燃料電池１０４の上流に設けられて、（たとえば、空気フィルタなどを介して）吸気を受け、空気を圧縮して燃料電池１０４の所望の動作を実現する。図示のコンプレッサアセンブリ１３４は、燃料電池１０４の上流にある吸入流体流経路内のコンプレッサ１３６と、コンプレッサ１３６に（たとえば、共通の回転軸を介して）結合されたモータ１３８と、モータ１３８に結合され、ＥＣＵ１６０から受け取った指令又は命令に応じてモータ１３８を動作させて、コンプレッサ１３６について所望の回転速度、したがって圧縮比を実現するように構成されたコンプレッサ制御モジュール１４０とを備える。この点に関して、コンプレッサ制御モジュール１４０は、制御ハードウェア（たとえば、マイクロコントローラ又はマイクロプロセッサなど）、電力変換ハードウェア（たとえば、インバータ）、又はＥＣＵ１６０から受け取った信号もしくは指令に応答して、コンプレッサモータ１３８の動作、またそれによってコンプレッサ１３６をサポートするように構成された別の適切な組合せの電気コンポーネントを備えていてもよい。

[0023]コンプレッサアセンブリ１３４の下流で、熱交換器１４２が、燃料電池１０４のカソード電極１０３への空気入口に送られる圧縮空気流を冷却する。アノード電極１０５の入口が、水素源１０７などの燃料源に結合されて、酸化されてイオン及び電子になる燃料を受け取るか、又はそれ以外の方法で取得する。カソード電極１０３に入る圧縮空気は、アノード電極１０５における反応の副産物と反応して流体流１１４をもたらし、この流体流はその後カソード電極１０３の出口を出る。燃料電池１０４の電気出力部は、車両電気系統１３０の対応する燃料電池電圧入力ノード１２８に接続されて、所望の通りに電気エネルギーを車両電気系統１３０に提供する。

[0024]図示の実施形態では、車両電気系統１３０は、燃料電池電圧入力ノード１２８に接続された入力部と、車両バッテリ１４６に対応するＤＣ電圧レベルを有する電圧バス１４５に接続された出力部とを有するＤＣ−ＤＣ電力変換器１４４を備える。これについては、燃料電池１０４によるＤＣ電圧レベル出力がバッテリ１４６のＤＣ電圧レベルと異なるとき、ＤＣ−ＤＣ変換器１４４は、入力ノード１２８における電圧レベルを、電圧バス１４５のＤＣ電圧レベルにおける対応する入力電流に変換する。たとえば、燃料電池１０４の出力電圧は１００ボルト程度又はそれ以上であってもよく、バッテリ１４６が約１２Ｖ〜約１４Ｖの公称電圧を有する場合、ＤＣ−ＤＣ変換器１４４は燃料電池の出力電圧をバッテリ電圧レベルに変換する。それはそうとして、いくつかの実施形態では、燃料電池の出力電圧（さらには回収アセンブリ１０２の出力電圧）はバッテリ電圧と一致していてもよく、その場合、ＤＣ−ＤＣ変換器１４４は必要ない。図示の実施形態では、１つ又は複数の追加の車両電気コンポーネント１４８は、その動作用の入力電力を受け取るために電圧バス１４５に結合されていてもよい。さらに、車両に牽引をもたらすために使用される入力電力を受け取るために、車両駆動システム１５０（たとえば、牽引電動機用の駆動電子装置）が電圧バス１４５に結合されていてもよい。

[0025]ＥＣＵ１６０は概して、エンジン制御ユニット又は本明細書に記載の車両システム１００の動作をサポートするように構成された別の組合せの１つ又は複数の監視電子制御ユニットを表す。ＥＣＵ１６０は、車両駆動システム１５０に結合され、アクセルペダル又はブレーキペダルなどを押し下げるといった駆動装置入力又はフィードバックに応じて車両牽引システムを動作させるための指令又は命令を提供するように構成されている。さらに、ＥＣＵ１６０は、車両電気系統１３０内のさまざまな車両電気コンポーネント１４８に結合されてそれらの動作を駆動装置又は他の車両乗員による入力又は選択に基づいて制御し、それによって、それらが消費する電圧バス１４５からの電力を制御することができる。ＥＣＵ１６０はまた、コンプレッサ制御モジュール１４０、弁作動装置１０９、及び損失回収アセンブリ１０２の電子機器モジュール１２６にも結合されて、以下でより詳細に説明するように、燃料電池１０４の所望の動作を実現するコンプレッサ１３６及びタービンアセンブリ１２０の動作をサポートする。この点に関して、分かりやすくするために図１には示されていないが、実際は、ＥＣＵ１６０は、燃料電池１０４、又は本明細書に記載の処理、タスク、及び動作をサポートするように構成された、その１つもしくは複数の構成要素（たとえば、燃料電池コントローラ、湿度センサ、又は圧力センサなど）に結合されていてもよい。さらに、いくつかの実施形態では、ＥＣＵ１６０はまた、燃料電池スタック１０４のアノード入口への入力燃料の流れの量又は速度を制御するか、又はそれ以外の方法でそれに影響を与えるために、水素源１０７に結合されていてもよい。

[0026]図３は、燃料電池スタックの電極が受ける湿度及び空気流を調整して燃料電池スタックの所望の動作を実現するための、車両システムへの実装に適した管理工程３００の例示的な一実施形態を示す。例示のために、以下の説明は、図１、図２に関連して既に述べた要素に言及することもある。実際は、管理工程３００の各部分は、車両システム１００の異なる要素、たとえばＥＣＵ１６０、電子機器モジュール１２６、作動装置１０９、コンプレッサ制御モジュール１４０、又は燃料電池スタック１０４などによって実施されてもよい。管理工程３００の実際の実施形態は任意の数の追加もしくは代替のタスクを含んでもよく、タスクは図示された順序で実施される必要はなく、かつ／又はタスクは同時に実施されてもよく、かつ／又は管理工程３００は、本明細書には詳細に記載していない追加の機能を有するより包括的な手順又は処理に組み込まれてもよいことを理解されたい。さらに、図３との関連で示し、説明するタスクの１つ又は複数は、意図した機能全体がそのまま残る限り、管理工程３００の実際の実施形態から省略されることもあり得る。

[0027]例示的な実施形態では、管理工程３００は、燃料電池スタックのカソード電極への所望の入力空気流を実現するためにコンプレッサアセンブリを動作させることによって始まる（タスク３０２）。この点に関して、ＥＣＵ１６０は、コンプレッサ制御モジュール１４０に指令、信号伝達、又はそれ以外の方法で命令することで、モータ１３８を、またそれによってコンプレッサ１３４を動作させて、カソード１０３への入口において所望の空気圧力を実現する。たとえば、ＥＣＵ１６０は、雰囲気圧力、アノード１０５への入口における燃料流速度、電圧バス１４５に関連する最新の電力消費（たとえば、車両駆動システム１５０及び／又は車両電気コンポーネント１４８の必要電力）の１つ又は複数を示すフィードバックを受け取り、それに基づいて、カソード１０３への入力空気流についての最適な入力圧力を決定して、所望の電力出力を実現することができる。そこから、ＥＣＵ１６０は、コンプレッサアセンブリ１３４のコンプレッサ１３６を動作させるための指令又は命令を計算又はそれ以外の方法で決定して、カソード入口におけるその最適な入力圧力をもたらす圧縮比を実現する。コンプレッサアセンブリ１３４がタービンアセンブリ１２０から物理的及び電気的に分離されていることによって、コンプレッサアセンブリ１３４の構成要素（すなわちコンプレッサ１３６及びモータ１３８）は、燃料電池スタック１０４への平均又は公称の空気流に合わせて設計又はそれ以外の方法で最適化されていてもよいことに留意されたい。言い換えれば、コンプレッサ１３６は、所望の量の圧縮を実現するようにサイズ決定され、次いでコンプレッサモータ１３８を、その圧縮量を実現するためのコンプレッサ入力電力に合わせてよい。

[0028]図示の管理工程３００は、続いて燃料電池スタックの最新の湿度を示す情報を受信又はそれ以外の方法で取得し、最新の湿度情報に基づいて、損失回収システムの弁を動作させる（タスク３０４、３０６）。たとえば、燃料電池スタック１０４は、燃料電池１０４のカソード１０３の最新の湿度を計測又はそれ以外の方法で定量化するように構成された湿度センサを備えていてもよい。ＥＣＵ１６０は、カソード１０３の湿度についての最新の測定値を受け取るか、又はそれ以外の方法で取得し、それに基づいて、損失回収アセンブリ１０２の弁１０６をどのように動作させるかを決定するために、（燃料電池制御モジュールを介して直接的又は間接的のいずれかで）湿度センサに結合されていてもよい。代替実施形態では、電子機器モジュール１２６は、最新の湿度情報に基づいて損失回収アセンブリ１０２の弁１０６をどのように動作させるかを決定するために、燃料電池１０４に結合されていてもよく、あるいは燃料電池制御モジュールが、湿度を増加させるべきか減少させるべきかを判定するか、又はそれ以外の方法で弁１０６をどのように動作させるかを決定し、対応する指示をＥＣＵ１６０又は電子機器モジュール１２６に提供してもよい。

[0029]一実施形態において、ＥＣＵ１６０は、最新の湿度が目標湿度値を下回るか上回るかを判定し、その差分に基づいて弁１０６を動作させる。たとえば、１つ又は複数の因子に基づいて、ＥＣＵ１６０は、燃料電池１０４を最も効率的に動作させるのに最適な湿度レベルを決定し、次いで、最新の湿度測定値を目標の湿度値と比較してもよい。最新の湿度が最適な湿度を上回るとき、ＥＣＵ１６０は、作動装置１０９に信号伝達、指令、又はそれ以外の方法で命令することで、弁１０６の配向を調節して、導管１０８内の開口部のサイズを増加させ（又は流れ１１４に対する弁１０６の角度を減少させ）、それによって背圧を下げ、このことがひいては、カソード１０３の湿度を低下させることが可能な、制限を少なくしたカソード排出流１１４を容易にする。あるいは、最新の湿度が最適な湿度を下回るとき、ＥＣＵ１６０は、作動装置１０９に信号伝達、指令、又はそれ以外の方法で命令することで、弁１０６の配向を調節して、導管１０８内の開口部のサイズを減少させ（又は流れ１１４に対する弁１０６の角度を増加させ）、それによって背圧を高め、このことがひいては、カソード排出流１１４を制限して、カソード１０３の湿度の増加又は維持を容易にする。いくつかの実施形態では、ＥＣＵ１６０は、最新の湿度値と目標湿度値の差の大きさ及び最新の排出流１１４に関連する質量流量に基づいて弁１０６の角度が調節されるべき量を計算してもよい。

[0030]別の実施形態において、ＥＣＵ１６０は、最新の湿度が最小の湿度閾値以下であるかどうか、あるいは代替えとして、最大の湿度閾値を超えるかどうかを判定してもよい。最新の湿度が最小の湿度閾値以下であるという判定に応答して、ＥＣＵ１６０は、作動装置１０９に信号伝達、指令、又はそれ以外の方法で命令することで、弁１０６の配向を調節して、導管１０８内の開口部のサイズを減少させ、背圧を高める。逆に、最新の湿度が最大の湿度閾値を超えるという判定に応答して、ＥＣＵ１６０は、作動装置１０９に信号伝達、指令、又はそれ以外の方法で命令することで、弁１０６の配向を調節して、導管１０８内の開口部のサイズを増加させ、背圧を下げる。

[0031]引き続き図３を参照すると、例示的な実施形態では、管理工程３００は、続いて発電機の速度超過状態の可能性があることを検出又はそれ以外の方法で特定し、それに応答して、損失回収アセンブリの電子機器モジュールを動作させることによってエネルギーを散逸させて、速度超過状態の可能性を低減する（タスク３０８、３１０）。この点に関して、タービン１２２が固定された外形を有するとき、カソード排出流１１４の質量流量と併せた弁１０６のある配向で、タービン入力流１１６は、発電機１２４の設計限界を超え得る速度でタービン１２２を回転させることがある。したがって、潜在的な発電機の速度超過を防ぐために、ＥＣＵ１６０は、電子機器モジュール１２６に信号伝達、指令、又はそれ以外の方法で命令することで、抵抗性の経路を通る発電機１２４の電気出力を事実上ショートさせるか、又はそれ以外の方法で発電機１２４の電気装荷を増加させ、それによって速度超過状態を防ぐことができる。たとえば、電圧バス１４５に関連する最新の電力消費が燃料電池１０４と発電機１２４を合わせた電力出力よりも小さいことに基づいて、ＥＣＵ１６０は、速度超過状態の可能性が存在すると判定することができ、それに応答して、電子機器モジュール１２６に信号伝達することで、発電機１２４からの電気出力の少なくとも一部を散逸させて、速度超過状態の可能性を低減することができる。いくつかの実施形態では、ＥＣＵ１６０は、発電機速度のフィードバック信号を受信し、閾値を超える最新の発電機速度に基づいて、潜在的な速度超過状態を検出することができる。速度超過状態に応答して、ＥＣＵ１６０は、電子機器モジュール１２６に提供される目標電圧設定値を、ノード１２８における燃料電池１０４の最新の電圧出力から、電子機器モジュール１２６が生成された電気エネルギーの少なくとも一部を散逸させることになる、ある程度低い値に下げることができる。

[0032]加えて、管理工程３００は、過剰なエネルギー状態の可能性があることを検出又はそれ以外の方法で特定し、それに応答して、損失回収アセンブリの電子機器モジュールを動作させることによってエネルギーを散逸させて、過剰なエネルギー状態の可能性を低減することができる（タスク３１０、３１２）。たとえば、弁１０６の配向及びカソード排出流１１４の質量流量によっては、発電機１２４が生成する電力は、燃料電池１０４が提供する電力出力と合わせたとき、電圧バス１４５の電力処理能力を超えることがある（たとえば、バッテリ１４６が完全に充電され、車両電気コンポーネント１４８がオフにされるなど）。したがって、バッテリ１４６の過充電又はそれ以外の方法で過剰なエネルギーを車両電気系統１３０に送ることを防ぐために、ＥＣＵ１６０は、電子機器モジュール１２６に信号伝達することで、発電機１２４からの電気出力の少なくとも一部を（たとえば、目標電圧設定値を下げることによって）散逸させて、ノード１２８における車両電気系統１３０への入力電力を減少させる。たとえば、車両の最新の速度（又は車両駆動システム１５０の最新の装荷）、バッテリ１４６の最新の充電状態及び／又は出力電圧、燃料電池１０４の最新の出力電力、弁１０６の配向、並びにカソード排出流１１４の質量流量に基づいて、ＥＣＵ１６０は、全入力電力（たとえば、燃料電池１０４の電力出力と発電機１２４の電力出力の和）と電圧バス１４５の最新の電力処理能力の差に基づいて、散逸させるべき過剰な電力の量を計算、推定、又はそれ以外の方法で決定することができる。ＥＣＵ１６０は次いで、損失回収アセンブリ１０２の電子機器モジュール１２６を動作させて、過剰な電力量を散逸させる。一実施形態において、電子機器モジュール１２６に提供される目標電圧設定値は、電圧バス１４５の電圧以下の電圧に設定され、それによって、タービンアセンブリ１２０が電圧バス１４５に少しも電流を供給しないようにする。

[0033]過剰なエネルギー状態の可能性又は速度超過状態の可能性がない場合、管理工程３００は、生成された電気エネルギーを車両電気系統に分配するように損失回収アセンブリの電子機器モジュールを動作させる（タスク３１４）。この点に関して、ＥＣＵ１６０は、電子機器モジュール１２６に信号伝達、又はそれ以外の方法で指令することで、（たとえば、目標電圧設定値を燃料電池の出力電圧に設定することによって）ノード１２８における燃料電池の出力電圧にほぼ等しい電圧を出力する。たとえば、ＥＣＵ１６０は、燃料電池の電圧入力ノード１２８又は燃料電池の電圧出力部に結合されて、最新の燃料電池の電圧出力を測定してもよく、それに基づいて、ＥＣＵ１６０は、電子機器モジュール１２６に、最新の燃料電池の電圧測定に等しい目標電圧設定値についての指令することができる。したがって、タービンアセンブリ１２０が生成する電力は、燃料電池１０４の電圧レベルで車両電気系統１３０の入力ノード１２８に提供され、ＤＣ−ＤＣ変換器１４４によってバス電圧レベルに変換され、電圧バス１４５を介して分配される。燃料電池の入力ノード１２８における出力電圧がバス電圧を超える実施形態では、発電機１２４のサイズは、低いバス電圧ではなく燃料電池の出力電圧に合うように発電機１２４を設計することによって減少させられることに留意されたい。

[0034]図４は、図３の管理工程３００とともに、図１のタービンアセンブリ１２０における電子機器モジュール１２６として使用するのに適した電子機器モジュール４００の例示的な一実施形態を示す。電子機器モジュール４００は、発電機１２４の出力部と車両電気系統１３０の入力ノード１２８の間に結合されたパワーエレクトロニクス４０２を備え、パワーエレクトロニクス４０２は概して、発電機１２４によって出力された電気エネルギーをフィルタリング、整流、又はそれ以外の方法で処理し、生成された電気エネルギーを車両電気系統１３０に送達するように構成された電子機器モジュール４００のハードウェアコンポーネントを表す。この点に関して、パワーエレクトロニクス４０２は、発電機１２４の出力部に結合された入力部４０６、車両電気系統１３０への入力ノード１２８に結合された出力部４０８を有し、パワーエレクトロニクス４０２は、入力部４０６において発電機１２４から受け取った入力された電気エネルギーを、目標電圧設定値に対応する出力部４０８における電圧レベルに変換する。

[0035]さらに、パワーエレクトロニクス４０２は、電子機器モジュール４００の制御モジュール４０４からの指令に応答して、生成された電気エネルギーを選択的に散逸させるように構成された回路構成を備えていてもよい。この点に関して、制御モジュール４０４は概して、ハードウェア、処理ロジック又はＥＣＵ１６０に結合され、本明細書に記載の電子機器モジュール１２６の動作をサポートするように構成された電子機器モジュール４００の他の構成要素を表す。実際は、制御モジュール４０４は、プロセッサ、コントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、又は任意の適切プログラマブル論理デバイスを含むか、又はそれ以外の方法でこれらとして実現されてもよい。１つ又は複数の実施形態では、制御モジュール４０４は、目標電圧設定値の指示をＥＣＵ１６０から受け取り、パワーエレクトロニクス４０２を動作させて、入力部４０６において発電機１２４から受け取った電気エネルギーを、出力部４０８における目標電圧設定値にほぼ等しい電圧レベルに変換する。目標電圧設定値が入力ノード１２８における電圧より小さいとき、制御モジュール４０４は、パワーエレクトロニクス４０２の回路構成を動作させて、損失回収アセンブリ１０２が回収する電力の少なくとも一部を散逸させる。

[0036]簡単にまとめると、本明細書に記載の主題は、損失回収アセンブリ１０２をコンプレッサアセンブリ１３４とは独立に設計及び収容することを可能にする。その結果、カソード出口から下流に進んで損失回収アセンブリ１０２を介して排気システム１１０へ至る配管系統が簡素化され得る。さらに、タービン１２２及び発電機１２４は、コンプレッサアセンブリ１３４とは独立に設計及びサイズ決定されてもよく、それによって、それらを公称のカソード排出質量流量について最適化することが可能になる。損失回収アセンブリ１０２の電子機器モジュール１２６、４００は、生成された電気エネルギーを散逸させて発電機の速度超過を防ぐことによって、必要に応じて発電機１２４に負荷をかけるために利用されてもよい。電子機器モジュール１２６、４００はまた、生成された電気エネルギーを散逸させるために利用されて、車両バッテリ１４６への過充電又はそれ以外の方法での車両電気系統１３０への過剰な電力供給を防ぐことができる。したがって、タービン１２２は、通常のカソード排出流１１４についての効率的な動作を実現するために、弁１０６と事実上平行に配置され、自由度を高めて（たとえば、発電機１２４又は車両システム１００とは独立に）サイズ決定された固定された外形を使用して実現されてもよい。さらに、発電機１２４は次いで、ノード１２８における燃料電池の出力電圧（たとえば、電圧バス１４５又はバッテリ１４６の電圧ではない）に合わせてサイズ決定され、それによって、発電機１２４のサイズを減少させることができ、このことが、タービン１２２の設計と相俟って、収容の観点から自由度を高める。コンプレッサアセンブリ１３４は、同様にタービンアセンブリ１２０とは独立して設計され、それによって、燃料電池１０４の上流での効率、配管系統、又は収容に対する自由度を高めることができる。

[0037]簡単にするため、タービン、タービン発電機、損失回収システム、コンプレッサ、燃料電池、燃料電池車両、車両電気系統、及びシステムの他の機能的側面（及びシステムの個々の動作コンポーネント）に関連する従来技法は、本明細書において詳細には説明されていないことがある。さらに、本明細書に含まれるさまざまな図に示された接続線は、種々の要素の間の例示的な機能的関係及び／又は物理的結合を表すことが意図されている。多くの代替又は追加の機能的関係又は物理的な接続が、本主題の実施形態に存在し得ることに留意されたい。

[0038]本主題は、機能的及び／又は論理的ブロックコンポーネントに関して、並びにさまざまなコンピューティングコンポーネント又は装置によって実施され得る動作、処理タスク、及び機能の記号表現を参照しながら本明細書に記載され得る。図面に示されたさまざまなブロックコンポーネントは、特定の機能を実施するように構成された任意の数のハードウェアコンポーネントによって実現され得ることを理解されたい。たとえば、システム又はコンポーネントの一実施形態は、１つ又は複数のマイクロプロセッサ又は他の制御デバイスの制御下で多様な機能を実施することができるさまざまな集積回路コンポーネント、たとえば、メモリ要素、デジタル信号処理要素、論理要素、又はルックアップテーブルなどを使用することができる。さらに、本明細書に記載の主題の各実施形態は、（たとえば、制御モジュール又は他の処理システムによって）実行されたときに上記の処理を容易にする、任意の適切な非一時的コンピュータ可読媒体に格納された、コンピュータが実行可能な命令又はデータとしてその媒体に格納され、符号化され、又はそれ以外の方法でその媒体によって具体化され得る。

[0039]前述の説明は、互いに「結合された」要素もしくはコンポーネント又は特徴を指すことがある。本明細書で使用される場合、別段の定めがなければ、「結合された」は、１つの要素／ノード／特徴が、直接的又は間接的に、必ずしも機械的にではなく別の要素／ノード／特徴に接合されている（又はその要素と直接的もしくは間接的に連通している）ことを意味する。したがって、図面が要素の１つの例示的な構成を示している場合はあるが、示された主題の一実施形態に、追加の介在する要素、装置、特徴、又はコンポーネントが存在する可能性がある。加えて、特定の術語が以下の説明で使用され得るのは参照のためにすぎず、したがって、限定することは意図されていない。たとえば、用語「第１の」、「第２の」、及び構造を指す他のそのような数字的な用語は、文脈が明確にそう示していない限り、順序又は順番を示唆してはいない。

[0040]上記の詳細な説明は本質的に例示にすぎず、本主題又は本出願の実施形態及びそのような実施形態の使用を限定することが意図されてはいない。本明細書で使用される場合、「例示的な」という語は、「例、実例、又は例証の働きをする」ことを意味する。例示として本明細書に記載されている任意の実装形態は、必ずしも他の実装形態よりも好ましい又は有利なものと解釈されるべきではない。さらに、前述の背景、発明の概要、又は詳細な説明に提示されたいずれの理論にも縛られる意図はない。

[0041]少なくとも例示的な一実施形態が上記の詳細な説明において提示されてきたが、数多くの変形形態が存在することを理解されたい。また、例示的な１つ又は複数の実施形態は例にすぎず、主題の範囲、適用可能性、構成のいずれも限定することは決して意図されていないことも理解されたい。むしろ、上記の詳細な説明は、本主題の例示的な一実施形態を実装するための便利な手引きを当業者に提供することになろう。添付の特許請求の範囲に記載の主題の範囲を逸脱しない限り、例示的な一実施形態で述べられた要素の機能及び構成にはさまざまな変更がなされてもよいことを理解されたい。したがって、前述の例示的な実施形態及び他の限定の詳細は、別段の明確な意図がなければ特許請求の範囲に解釈されるものとみなされるべきではない。

１００ 車両システム
１０２ 損失回収アセンブリ
１０３ カソード電極
１０４ 燃料電池スタック
１０５ アノード電極
１０６ 弁
１０７ 水素源
１０８ 導管
１０９ 弁作動装置
１１０ 排気システム
１１２ 導管
１１４ 流体流
１１６ 流体流
１２０ タービンアセンブリ
１２２ タービン
１２４ 発電機
１２６ 電子機器モジュール
１２８ 入力ノード
１３０ 車両電気系統
１３６ コンプレッサ
１３８ モータ
１４０ コンプレッサ制御モジュール
１４２ 熱交換器
１４４ ＤＣ−ＤＣ変換器
１４５ 電圧バス
１４６ 車両バッテリ
１４８ 車両電気コンポーネント
１５０ 車両駆動システム
１６０ ＥＣＵ
２００ 損失回収アセンブリ
２０２ 導管
２０６ 弁
２１２ 流体流
２２０ 入口
２２４ タービンアセンブリ
２２６ タービンホイール
２２８ 発電機
２３２ 渦形室
２３６ スロットルプレート
２３８ シャフト
２４２ 出口
４００ 電子機器モジュール
４０２ パワーエレクトロニクス
４０４ 制御モジュール
４０６ 入力部
４０８ 出力部

Claims (15)

1. 入力ノードと、
   電圧バスと、
   前記入力ノードに結合された電気出力部を含む燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの上流にあり且つ前記電圧バスに結合されたコンプレッサアセンブリと、
   前記燃料電池スタックを出る流体流を調整する流量制御弁と、
   前記流体流に対する前記流量制御弁の配向に基づいて前記流量制御弁をバイパスする前記流体流のバイパス部分に応答して前記入力ノードにおいて電力を提供するための、前記流量制御弁に平行であり且つ前記入力ノードに結合された、タービンアセンブリであって、前記コンプレッサアセンブリは前記タービンアセンブリから物理的に分離される、タービンアセンブリと
   を備える、システム。
2. 前記流体流の前記バイパス部分のために前記タービンアセンブリとの流体連通をもたらす、前記流量制御弁の上流の導管をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記導管が、前記タービンアセンブリの上流において前記タービンアセンブリとの流体連通をもたらし、前記システムが、前記流体流の前記バイパス部分のために前記タービンアセンブリの下流で前記タービンアセンブリとの流体連通をもたらす、前記流量制御弁の下流の第２の導管をさらに備える、請求項２に記載のシステム。
4. 前記流量制御弁及び前記タービンアセンブリの下流に排気システムをさらに備える、請求項３に記載のシステム。
5. 前記導管が前記燃料電池スタックと前記流量制御弁の間に配置され、前記第２の導管が前記流量制御弁と前記排気システムの間に配置されている、請求項４に記載のシステム。
6. 前記燃料電池スタックの第１の電気出力部が、共通の電圧レベルで前記タービンアセンブリの第２の電気出力部に結合されている、請求項１に記載のシステム。
7. 前記タービンアセンブリが、
   前記流体流の前記バイパス部分に応答して回転可能なタービンと、
   前記タービンの回転に応答して電気エネルギーを生成するために前記タービンに結合された発電機と
   を備える、請求項６に記載のシステム。
8. 前記電気エネルギーを前記入力ノードにおける前記燃料電池スタックの出力電圧に変換するために、前記発電機と前記入力ノードとの間に結合された電子機器モジュールをさらに備える、請求項７に記載のシステム。
9. 前記電子機器モジュールが、前記電気エネルギーの少なくとも一部を選択的に散逸させる、請求項８に記載のシステム。
10. 前記タービンが、固定された外形のタービンを含む、請求項７に記載のシステム。
11. タービンアセンブリを動作させる方法であって、
    燃料電池スタックのカソード電極への所望の入力空気流を達成するために、車両電気系統のバスに結合された制御モジュールが、前記燃料電池スタックの上流のコンプレッサアセンブリのモータを動作させるステップと、
    前記燃料電池スタックについての湿度情報を取得するステップであって、前記燃料電池スタックが、入力ノードにおける出力電圧での電力を前記車両電気系統に提供する、ステップと、
    前記湿度情報に基づいて前記燃料電池スタックの下流の弁の配向を調節するステップであって、前記弁の前記配向が、前記タービンアセンブリによって生成される電気エネルギーに影響する、ステップと、
    前記タービンアセンブリからの前記電気エネルギーを、前記燃料電池スタックの電圧出力に対応する電圧レベルで前記入力ノードに提供するステップであって、前記タービンアセンブリと前記コンプレッサアセンブリとは物理的に分離している、ステップと
    を含む、方法。
12. 前記タービンアセンブリが、前記燃料電池スタックからの排出流体流のバイパス部分を受け取るために前記弁の上流に入口導管を有するタービンと、前記バイパス部分から得られる前記電気エネルギーを生成するために前記タービンに結合された発電機であって、前記排出流体流に対する前記弁の前記配向が、前記バイパス部分に影響する発電機とを備え、前記方法が、速度超過状態の可能性に応答して前記電気エネルギーの少なくとも一部を散逸させるために前記発電機と前記入力ノードの間に結合された電子機器モジュールを動作させるステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記タービンアセンブリが、前記燃料電池スタックからの排出流体流のバイパス部分を受け取るために前記弁の上流に入口導管を有するタービンと、前記バイパス部分から得られる前記電気エネルギーを生成するために前記タービンに結合された発電機であって、前記排出流体流に対する前記弁の前記配向が、前記バイパス部分に影響する発電機とを備え、前記方法が、過剰なエネルギー状態の可能性に応答して前記電気エネルギーの少なくとも一部を散逸させるために前記発電機と前記入力ノードの間に結合された電子機器モジュールを動作させるステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記コンプレッサアセンブリは前記電圧バスからの電力を消費する、請求項１に記載のシステム。
15. 前記コンプレッサアセンブリは、前記燃料電池スタックのカソード電極への所望の入力空気流を達成するように配向され、前記コンプレッサアセンブリは、前記電圧バスからの電力を消費し、
    前記流量制御弁の配向は、前記燃料電池スタックについての湿度情報に基づいて調節される、請求項１に記載のシステム。

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