JP7469483B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部の特徴を有する燃料電池システムに関する。

水素ベースの燃料電池は、排気として水のみを放出し、迅速な補給時間を可能にすることから、将来のモビリティコンセプトとみなされる。燃料電池は、大抵の場合、燃料電池スタックに組み立てられる。燃料電池スタックは、大抵は周辺からの単純な空気から取得される酸素と、大抵は水素である燃料とを化学反応のために必要とする。

燃料電池システムでは、燃料電池スタックの電圧タッピングがパワー・ディストリビューション・ユニット（ＰＤＵユニット）により実現され、さらに処理される。ＰＤＵユニットに課せられた仕事は、典型的には、電圧の確保、電流測定、事故発生時のシステムからのスタック電圧の切り離し、ＤＣ／ＤＣ変換器へ、次いでバッテリへのスタック電圧の接続である。

ＰＤＵユニット内の部品およびコンポーネントは、電気的損失と抵抗にもとづいて高い熱発生にさらされる。この理由から、ＰＤＵユニットは冷却される必要がある。冷却の可能性として、ＰＤＵユニットのハウジング内の固有のファンおよび／または水冷が知られている。

独立請求項の特徴を有する本発明による燃料電池システムは、ＰＤＵユニットを冷却するための空気が空気路（カソード路）から取り出されるという利点を有する。このようにすることで、エンジンルーム周辺での必要な安全性を提供するとともに、ＰＤＵユニットのハウジングにクリーンな空気を吹き込む固有の冷却器を設置する必要がないため、コストを削減することができる。

水冷と比較すると、ＰＤＵユニットの部品が直接冷却され得るのに対して、水冷の場合、コンポーネントは、ハウジング内に温度勾配にもとづいて生じる空気流によって間接的に冷却されるだけである。ＰＤＵユニットを冷却するために用いられるヒートパイプおよびペルチェ素子は、直接空冷に比べて小さい冷却効果しか生成しない。

本発明による燃料電池システムによって、ＰＤＵユニットの効果的な冷却を確保することができる。ＰＤＵユニットのコンポーネントは、熱に変換される電気的損失を有し、それにより効果的な冷却なしではＰＤＵユニットの内部温度が上昇しつづけ、コンポーネントが過熱し、最悪の場合には故障する。

本発明による燃料電池システムの有利な実施形態および展開形態は、従属請求項に記載されている。

空気路内の空気を圧縮するコンプレッサと燃料電池スタックとの間に分岐箇所を配置することは、このようにすることで、分岐箇所と周辺との間に大きい圧力勾配を生成でき、それにより必要な場合に、冷却のために十分な大きさの空気質量流が冷却配管を介してＰＤＵユニットへ流れることができるため有利である。

コンプレッサと分岐箇所との間に配置される熱交換器は、このようにすることで、ＰＤＵユニットへ流れる空気の温度をさらに低減できるため有利である。

空気路において入口と分岐箇所との間に配置されているフィルタによって、このようにすることで、ＰＤＵユニットへ流れる空気は、埃および微粒子がすでに除去されているため、特別な利点が達成される。ＰＤＵユニット内の電子コンポーネントにとって、純粋な空気は重要な基本要件である。

冷却配管に調節可能なスロットルが配置されている場合、このようにすることで、ＰＤＵユニットへ流れる空気の量を可変に変化させることができるため有利である。ＰＤＵユニットのコンポーネントの熱負荷が大きい場合、調節可能なスロットルを介して大量の空気がＰＤＵユニットへ流れる。熱負荷が小さい場合、調節可能なスロットルは、その断面を縮小することができ、それによりＰＤＵユニットへ流れる空気が少なくなる。

効果的な冷却を確保するのに冷却配管内の空気の温度がまだ過度に高い場合、冷却配管内の冷却器が温度をさらに低減することができ、それにより同じ量の空気でより高い冷却効率が達成される。

その際、調節可能なスロットルとＰＤＵユニットとの間に冷却器が配置されている場合、このようにすることで、ＰＤＵユニットへ流れる空気のみが冷却されるため有利である。

燃料電池システムが停止した場合、水素が燃料電池スタックから空気路に漏れ出る可能性がある。水素がＰＤＵユニットに侵入することを阻止するために、冷却配管に逆止弁が配置されている場合が有利である。燃料電池システムが停止した場合、停止中に分岐箇所の空気圧によって逆止弁の閉じ力に打ち勝つことができないため、逆止弁によって燃料電池スタックとＰＤＵユニットとの間のガス交換が阻止される。水素と空気の混合物を発火させる可能性のある発火源がＰＤＵユニットに存在し得るため、これは非常に重要である。

ＰＤＵユニットが、空気を周辺へ逃すことができる圧力補償要素または逆止弁を有する場合が有利である。この場合、圧力補償要素を、ガスを透過させるが、ＰＤＵユニットへの粒子および湿気の侵入を阻止するように形成することができる。

以下、図面をもとにして本発明による燃料電池システムおよび本発明による方法を詳しく説明する。

第１の実施例による燃料電池システムのトポロジの模式図である。

少なくとも１つの燃料電池スタック１０１を有する第１の実施例による燃料電池システム１００のトポロジが図１に模式的に示される。少なくとも１つの燃料電池スタック１０１は、空気路１０と排気路１２と燃料配管２０とを有する。少なくとも１つの燃料電池スタック１０１は、例えば貨物自動車などの高い電力要求の携帯用途、または例えば発電機などの定置用途に用いることができる。

空気路１０は、周辺からの空気を、入口１６を介して燃料電池スタック１０１に供給するための給気配管として用いられる。空気路１０には、燃料電池スタック１０１の作動のために必要とされるコンポーネントを配置することができる。空気路１０には、燃料電池スタック１０１のそれぞれの動作条件に応じて空気を圧縮する、または吸い込む空気圧縮器１１および／またはコンプレッサ１１を配置することができる。空気圧縮器１１および／またはコンプレッサ１１の下流側に、空気路１０内の空気をより低い温度に冷却する熱交換器１５を設けることができる。

空気路１０内には、例えば加湿器および／または弁などのさらに別のコンポーネントを設けることができる。空気路１０により、燃料電池スタック１０１に酸素含有空気が提供される。

空気路１０は、分岐箇所３３を介して冷却配管３０と接続されている。空気は、空気路１０から冷却配管３０を介してＰＤＵユニット３２に、もしくはＰＤＵユニット３２のハウジング３１に到達することができる。ＰＤＵユニット３２は、燃料電池スタック１０１で電圧タッピングを行い、この電圧タッピングをさらに処理および接続するパワー・ディストリビューション・ユニット３２である。

パワー・ディストリビューション・ユニット（ＰＤＵユニット）３２に課せられた仕事は、とりわけ、電圧の確保、電流測定、事故が検出された場合のシステムからのスタック電圧の切り離し、ＤＣ／ＤＣ変換器および／またはバッテリへのスタック電圧の接続である。

空気路１０から、冷却配管３０を介してＰＤＵユニット３２のハウジング３１に到達する空気を用いて、ＰＤＵユニット３２のハウジング３１内の部品を冷却することができる。

分岐箇所３３は、空気路１０内の空気を圧縮するコンプレッサ１１と燃料電池スタック１０１との間に配置されていることが好ましい。十分に冷えた空気を冷却配管３０に提供できるようにするために、コンプレッサ１１と分岐箇所３３との間に熱交換器１５を配置することができる。

空気路１０において、空気から粒子および異物をろ過して除去する少なくとも１つのフィルタ１３を入口１６と分岐箇所３３との間に配置することができる。このようにすることで、ＰＤＵユニット３２へ流れる空気は、不都合な粒子および異物がすでに除去されている。

空気路１０から冷却配管３０に到達する空気を必要に応じて制御するために、冷却配管３０に調節可能なスロットル３４を配置することができる。

空気路１０から冷却配管３０に流れる空気が所望の温度を有していない場合、冷却配管３０内の空気をさらに冷却する冷却器３５を冷却配管３０に配置することができる。一実施形態では、冷却器３５を調節可能なスロットル３４とＰＤＵユニット３２との間に配置することができる。

さらに、冷却配管３０には、燃料電池システム１００が停止した場合に、水素が燃料電池スタック１０１から冷却配管３０内に拡散することを阻止するガス逆止弁３７を配置することができる。

冷却配管３０を通ってＰＤＵユニット３２のハウジング３１に到達した空気を、ＰＤＵユニット３２のハウジング３１内に配置された少なくとも１つの圧力補償要素３８によって再び周辺へ排出することができる。一実施形態では、圧力補償要素３８は、ガスを透過させるが、ＰＤＵユニットへの粒子および湿気の侵入を阻止する。

代替の実施形態では、ＰＤＵユニット３２のハウジング３１内に別の逆止弁３８が配置され、冷却配管３０を通ってＰＤＵユニット３２のハウジング３１に到達した空気をこの逆止弁を介して周辺へ逃すことができる。

さらに、燃料電池システム１００は、空気路１０からの水、および空気の他の成分が燃料電池スタック１０１を通り抜けた後に出口１８を介して周辺へ運ばれる排気路１２を有する。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０１を冷却するように形成された冷却回路をさらに有することができる。冷却回路は、本発明の構成要件ではないため図に描かれていない。

燃料配管２０は、高圧タンク２１と遮断弁２２とを有する。燃料を必要に応じて燃料電池スタック１０１に供給するために、燃料配管２０に他のコンポーネントを配置することができる。さらに、本発明の構成要件ではないため図に示されない循環配管を設けることができる。

１０ 空気路
１１ 空気圧縮器、コンプレッサ
１２ 排気路
１３ フィルタ
１５ 熱交換器
１６ 入口
１８ 出口
２０ 燃料配管
２１ 高圧タンク
２２ 遮断弁
３０ 冷却配管
３１ ハウジング
３２ ＰＤＵユニット
３３ 分岐箇所
３４ スロットル
３５ 冷却器
３７ ガス逆止弁
３８ 圧力補償要素、別の逆止弁
１００ 燃料電池システム
１０１ 燃料電池スタック

Claims (9)

1. 少なくとも１つの燃料電池スタック（１０１）と、空気路（１０）であって、空気が周辺から前記空気路（１０）を介して前記燃料電池スタック（１０１）に到達する空気路と、排気路（１２）であって、前記燃料電池スタック（１０１）を通り抜けた水が前記排気路（１２）を介して周辺へ運ばれる排気路と、燃料配管（２０）であって、燃料が前記燃料配管（２０）を介して前記燃料電池スタック（１０１）に輸送される燃料配管と、を備える燃料電池システム（１００）において、前記空気路（１０）が分岐箇所（３３）を介して冷却配管（３０）と接続され、前記冷却配管（３０）がＰＤＵユニット（３２）と接続されていて、
   前記冷却配管（３０）に冷却器（３５）が配置されていることを特徴とする、燃料電池システム。
2. 前記分岐箇所（３３）は、前記空気路（１０）内の空気を圧縮するコンプレッサ（１１）と前記燃料電池スタック（１０１）との間に配置されてい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（１００）。
3. 前記コンプレッサ（１１）と前記分岐箇所（３３）との間に熱交換器（１５）が配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム（１００）。
4. 前記空気路（１０）において、入口（１６）と前記分岐箇所（３３）との間に少なくとも１つのフィルタが配置されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の燃料電池システム（１００）。
5. 前記冷却配管（３０）に調節可能なスロットル（３４）が配置されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の燃料電池システム（１００）。
6. 前記冷却器（３５）は、前記調節可能なスロットル（３４）と前記ＰＤＵユニット（３２）との間に配置されていることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池システム（１００）。
7. 前記冷却配管（３０）にガス逆止弁（３７）が配置されていることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載の燃料電池システム（１００）。
8. 前記ＰＤＵユニット（３２）は、空気を周辺に逃すことができる圧力補償要素（３８）または逆止弁（３８）を有することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載の燃料電池システム（１００）。
9. 前記圧力補償要素（３８）は、ガスを透過させるが、前記ＰＤＵユニット（３２）への粒子および湿気の侵入を阻止することを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システム（１００）。

Images