(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車の燃料電池システムの作動のため圧縮空気を吐出するように設計されたコンプレッサ用の駆動システムであって、
前記駆動システムは、
前記コンプレッサに駆動可能に接続された電動モータと、
前記燃料電池システムにより生成されたパワーが作動電圧で印加される第１のターミナルであって、該第１のターミナルは、該燃料電池システムにより生成された前記パワーを使用して作動中の前記電動モータを駆動するため該電動モータに、並びに、前記燃料電池システムの始動のため低電圧バッテリーに接続可能である、前記第１のターミナルと、
を含み、
前記低電圧バッテリーは前記作動電圧より実質的に低い出力電圧を提供し、前記電動モータは、前記作動電圧及び前記出力電圧から導出された電圧の両方で作動可能であり、
前記コンプレッサは、可変速度コンプレッサであり、前記燃料電池システムは、空気出口側を有し、制限装置が該空気出口側に設けられ、該制限装置は、該燃料電池システムの作動を駆動するときには前記燃料電池システムの該出口側から出たガスに対し制限効果を与え、該燃料電池システムの始動に対しては該燃料電池システムの該空気出口側から出たガスに制限効果を与えないか又は比較的小さい制限効果のみを与える、前記駆動システム。
【請求項２】
前記低電圧バッテリーの出力電圧が印加される第２のターミナルと、前記第１のターミナル又は該第２のターミナルを前記電動モータに選択的に接続するスイッチ装置と、を更に含む、請求項１に記載の駆動システム。
【請求項３】
前記スイッチ装置は、前記第１のターミナル又は前記第２のターミナルを、前記電動モータに接続された供給モジュールに選択的に接続する、請求項２に記載の駆動システム。
【請求項４】
前記スイッチ装置は、前記第１のターミナル及び前記第２のターミナルの間で電池選別をなすように設計される、請求項２に記載の駆動システム。
【請求項５】
前記スイッチ装置は接触器として形成される、請求項４に記載の駆動システム。
【請求項６】
前記低電圧バッテリーの出力電圧を、少なくともほぼ前記作動電圧に対応する導出電圧レベルにまでもってくるための電圧コンバータが設けられる、請求項１に記載の駆動システム。
【請求項７】
前記電動モータはＡＣモータであり、インバータの形態にある供給モジュールが該電動モータの前部に接続され、前記電圧コンバータが前記導出された電圧出力を有するＤＣ−ＤＣコンバータであり、該導出された電圧出力及び前記燃料電池システムにより配給された前記作動電圧を、前記インバータの入力部に供給することができる、請求項６に記載の駆動システム。
【請求項８】
前記電動モータは、ＤＣモータである、請求項１に記載の駆動システム。
【請求項９】
前記燃料電池システムの前記作動電圧は、１００Ｖ乃至５００Ｖの電圧範囲にある、請求項１に記載の駆動システム。
【請求項１０】
前記低電圧バッテリーの前記出力電圧は、１２Ｖ乃至４８Ｖの電圧範囲にある、請求項１に記載の駆動システム。
【請求項１１】
前記低電圧バッテリーの前記出力電圧は、総計１２Ｖに達する、請求項１に記載の駆動システム。
【請求項１２】
前記低電圧バッテリーの前記出力電圧は、総計４２Ｖに達する、請求項１０に記載の駆動システム。
【請求項１３】
牽引バッテリーが設けられていない、請求項１に記載の駆動システム。
【請求項１４】
前記コンプレッサは、スクリューコンプレッサである、請求項１に記載の駆動システム。
【請求項１５】
燃料電池システムの作動のための電気エネルギーにより駆動される装置であって、
前記装置は、前記燃料電池システムの作動のため圧縮空気を供給するようになったコンプレッサ用の駆動モータを少なくとも備え、
前記燃料電池システムは、作動中に、比較的高い出力電圧を生成し、比較的低い出力電圧を有するバッテリーを備え、該燃料電池システムの作動を始動するため該バッテリーからの電気エネルギーを用いて前記装置を駆動するための第１の接続、及び、前記比較的高い出力電圧で該燃料電池システムからの電気エネルギーを用いて前記装置を駆動するための第２の接続を有し、
前記装置は、前記比較的低い電圧で電気エネルギーが供給されたとき及び前記比較的高い電圧で電気エネルギーが供給されたとき作動することができると共に、前記燃料電池システムの排気ガスにより駆動することができるエキスパンダーを更に備え、追加のコンプレッサが設けられ、前記エキスパンダーが圧縮された空気の流れを前記コンプレッサに吐出するよう該追加のコンプレッサを駆動するように構成されている、前記装置。
【請求項１６】
前記燃料電池システムは、水素で作動されるアノード回路と、該アノード回路に含まれる水素再循環ポンプと、を有し、前記装置は、該水素再循環ポンプ用の駆動モータを更に備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記コンプレッサは、シャフトを有し、該シャフトを介して該コンプレッサに結合されるエキスパンダーが設けられ、該エキスパンダーを駆動するため、該エキスパンダーに前記燃料電池システムの排気ガスを供給するためのダクトを備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
前記ダクトは、前記エキスパンダーを駆動するため該エキスパンダーに前記燃料電池システムのカソード排気ガスを供給するよう構成される、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記エキスパンダーは出口側を有し、制御可能な制限フラップが該エキスパンダーの該出口側に設けられる、請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
前記ダクト内に設けられた制御可能フラップを更に含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
フリーホイール装置が、前記コンプレッサ及び前記エキスパンダーの間に設けられる、請求項１７に記載の装置。
【請求項２２】
クラッチが、前記コンプレッサ及び前記エキスパンダーの間に設けられる、請求項１７に記載の装置。
【請求項２３】
前記クラッチは、制御可能なクラッチである、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
トランスミッションが、前記エキスパンダー及び前記コンプレッサの間に設けられる、請求項１７に記載の装置。
【請求項２５】
前記トランスミッションは、ステップダウントランスミッションであり、即ち、前記エキスパンダーは前記コンプレッサより速く作動する、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記水素再循環ポンプは、軸流コンプレッサ、遠心コンプレッサ及び側部チャンネル送風機を含むグループから選択されたコンプレッサである、請求項１６に記載の装置。
【請求項２７】
前記燃料電池システムの排気ガスにより駆動することができるエキスパンダーを更に含み、追加のコンプレッサが設けられ、前記エキスパンダーが前記コンプレッサの出口空気の流れを更に圧縮するように該追加のコンプレッサを駆動するようになっている、請求項１５に記載の装置。
【請求項２８】
前記エキスパンダー及び前記追加のコンプレッサは、排気ガス駆動型のターボチャージャー内で結合される、請求項１５に記載の装置。
【請求項２９】
前記エキスパンダー及び前記追加のコンプレッサは、排気ガス駆動型のターボチャージャー内で結合される、請求項２７に記載の装置。
【請求項３０】
前記排気ガス駆動型ターボチャージャー及び前記コンプレッサの間に中間冷却器が設けられる、請求項２８に記載の装置。
【請求項３１】
前記排気ガス駆動型ターボチャージャー及び前記コンプレッサの間に中間冷却器が設けられる、請求項２９に記載の装置。
【請求項３２】
燃料電池システムを作動させるための方法であって、該燃料電池システムは、作動中に該燃料電池システムから電気エネルギーが供給される少なくとも１つの装置を含み、
前記装置は、前記燃料電池システムの作動のため圧縮空気を吐出するように設計された該燃料電池システムのコンプレッサを駆動するため役立つ電動モータを少なくとも備え、
前記方法は、
低電圧バッテリーからの電気エネルギーを用いて前記燃料電池システムを始動させるため前記装置を駆動し、
前記燃料電池システムの始動の後、該燃料電池システムにより高電圧の電気エネルギーを生成し、
前記燃料電池システムからの高電圧の電気エネルギーで引き続いて前記装置を駆動する、各工程を含み、
前記燃料電池システムの始動時に、該燃料電池システムのカソード排気ガスの側に設けられた制限フラップが、低い空気抵抗を生成するため開放され、該制限フラップは、該燃料電池システムの首尾良い始動の後、より高い空気抵抗を確保する位置に移動される、前記方法。
【請求項３３】
前記燃料電池システムの始動時に、前記燃料電池システムの燃料電池内に水素の分配を生成するため水素の流れが該燃料電池システムのアノード回路に生成される、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記装置は、水素循環を生成するための水素再循環ポンプを更に備え、
前記方法は、
低電圧バッテリーからの電気エネルギーを用いて始動フェーズで前記ポンプを作動し、
前記燃料電池からの電気エネルギーを用いて該燃料電池システムの作動状態で前記ポンプを作動する、各工程を更に含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記燃料電池システムのカソード排気ガスの運動エネルギー及び圧力エネルギーのうち少なくとも１つが、エキスパンダーを駆動するため使用され、該エキスパンダーは、前記燃料電池システムの作動の間に、前記燃料電池システムのための圧縮空気を吐出させるように前記コンプレッサを駆動する、請求項３２に記載の方法。
【請求項３６】
前記制御可能な制限フラップは、前記燃料電池スタックのカソード出口に隣接して配置される、請求項３２に記載の方法。
【請求項３７】
制御可能なフラップが、前記燃料電池スタックのカソード出口から前記エキスパンダーの入口まで導くフィードバッグラインに接続される排気ガスダクト内に設けられ、該制御可能なフラップは、前記燃料電池システムの始動の間に開放され、該燃料電池システムの首尾良い始動の後に少なくとも部分的に閉じられる、請求項３２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車内の燃料電池システムの作動のため圧縮空気を吐出するように設計されたコンプレッサ用の駆動システムに係り、該駆動システムは、作動中に燃料電池システムから電気エネルギーを供給され得る電動モータを含み、更には、本発明は、電気エネルギーにより駆動される装置及び燃料電池システムの作動のための方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
上記駆動システムを備える燃料電池システムは、とりわけ、燃料電池により配給される電気エネルギーが、適切な調整後に自動車の推進用のため役立つ１つ又はそれ以上の駆動モータに印加されるところの、自動車用のパワー設備として意図されている。しかし、燃料電池システムの出力パワーの一部分は、コンプレッサを駆動するため必要とされる電動モータにも作動中に印加される。
【０００３】
実際に、燃料電池システムの始動に伴って問題が生じる。
１つの既知の解答は、例えば２８８Ｖの動作電圧の牽引バッテリーの使用を提供する。この牽引バッテリーは、原理上、３つの異なるタスクを持っている。
【０００４】
一方では、牽引バッテリーは、燃料電池システムに圧縮空気を供給してパワーが生成されるように主要コンプレッサを駆動するため使用され、次に、該パワーは、コンプレッサを駆動する電動モータ用の電源として牽引バッテリーを代用する。
【０００５】
牽引バッテリーの第２のタスクは、車両を推進する１つ又はそれ以上の電動モータを動的に援助することである。例えば、大きな加速度の間、即ち、速度上昇において、牽引バッテリーの性能は、燃料電池システムの電気出力パワーを増補する。
【０００６】
第３のタスクは、実際に、牽引バッテリーを、例えば再生成ブレーキ工程を実現するため使用できるということにある。即ち、車両の速度減少の間、与えられた運動エネルギーは部分的に電気エネルギーに転換され、牽引バッテリー内に蓄えておくことができる。
【０００７】
牽引バッテリーを、これらの異なる目的のため役立たせることができるが、それは高価で重い構成部品に相当しており、牽引バッテリー無しで済ませたくなるものである。しかし、牽引バッテリー無しで済ませる場合、燃料電池システムの始動のために、もはやそれを用いることができなくなる。
【０００８】
燃料電池システムを始動させるために、空気が必要とされる。しかし、空気コンプレッサは、燃料電池電圧により駆動されており、燃料電池は、まだ利用可能ではない。牽引バッテリーを欠いている状態において、１２Ｖの補助送風機、即ち、いわゆる始動送風機の手段により十分な空気を燃料電池システムに供給し、それにより燃料電池システムによるパワー生成がシステムを作動状態に維持するのに十分となるまで、該パワーの生成を始動させ、システムを次第に駆動させていくことが既に提案されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
牽引バッテリー及び補助送風機のいずれを用いて作動させるかに拘わり無く、多数の構成部品、例えば送風機、バルブ、配管、２８８Ｖバッテリーなどが必要となり、システムを複雑にし、より高価にさせている。従って、これら無しで済ませることが好ましいであろう。
【００１０】
本発明の目的は、牽引バッテリー又は補助送風機を使用することなく、燃料電池システムのため利用可能な十分な空気を供給して該燃料電池システムを始動し運転することである。
【００１１】
本発明の更なる目的は、燃料電池システムの始動作動時に電気エネルギーを装置に供給するため、好ましい価格で実現され高い信頼度で作動することができる一般コンセプトを提供することである。
【００１２】
更には、本発明は、燃料電池システムの作動のため、即ち、燃料電池システムの作動を始動するための新しい方法を提供することに関する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を満足させるため、本発明の第１の態様によれば、自動車の燃料電池システムの作動のため圧縮空気を吐出するように設計されたコンプレッサ用の駆動システムが提供され、該駆動システムは、該コンプレッサに駆動可能に接続された電動モータと、燃料電池システムにより生成されたパワーが作動電圧で印加される第１のターミナルであって、該第１のターミナルは、該燃料電池システムにより生成されたパワーを使用して作動中の電動モータを駆動するため該電動モータに、並びに、前記燃料電池システムの始動のため低電圧バッテリーに接続可能である、前記第１のターミナルと、を備え、低電圧バッテリーは前記作動電圧より実質的に低い出力電圧を提供し、前記電動モータは、前記作動電圧及び前記出力電圧から導出された電圧の両方で作動可能である。
【００１４】
本発明の第１の態様におけるコンプレッサは、可変速度コンプレッサであり、前記燃料電池システムは、空気出口側を有し、制限装置が該空気出口側に設けられ、該制限装置は、該燃料電池システムの作動を駆動するときには前記燃料電池システムの該出口側から出たガスに対し制限効果を与え、該燃料電池システムの始動に対しては該燃料電池システムの該空気出口側から出たガスに制限効果を与えないか又は比較的小さい制限効果のみを与える。
【００１５】
本発明の第１の態様によれば、低電圧バッテリーの出力電圧及びコンプレッサを駆動させる電動モータの作動電圧の間に電圧差が少なくないにも拘わらず、少なくとも低速回転において電動モータ（及びかくしてコンプレッサも）を駆動し、燃料電池システムを始動するため、即ち、それを作動状態に置くため適切な空気の流れを生成することを可能にすることが理解された。
【００１６】
このようにして、高価で重量のある牽引バッテリーを省略することが直ちに可能となる。いずれにしても、低電圧バッテリーは、自動車に搭載された慣例電子機器類を、自動車の作動中に、パワー供給するため燃料電池システムに設けられる。しかし、このバッテリーは、慣例のパワー設備を備えた自動車にあるものよりもより小さくすることができる。高いスターターモータの電流を供給する必要が無いからである。この低電圧バッテリーは、燃料電池システムの始動のためコスト的に好ましい態様で使用することができる。
【００１７】
本発明の第１の態様によれば、出口側で背圧が小さい状態に保たれるとき、可変速度コンプレッサを用いて比較的高い空気スループットを達成することができることが理解された。従って、燃料電池システムを作動状態に置くため、比較的小さいパワーを用いてさえ適切な空気の流れを達成することができる。
【００１８】
本発明の好ましい実施形態によれば、作動電圧を担うターミナル即ち燃料電池システムの出力ターミナルと、低電圧バッテリーの出力ターミナルとの間にスイッチ装置が配置され、作動電圧及び低電圧のいずれかを、電動モータ又は該電動モータの前部に接続された供給モジュールに選択的に接続する。
【００１９】
このスイッチ装置は、好ましくは、作動電圧を担うターミナルと、低電圧バッテリーの出力ターミナルとの間で電池選別をなすように設計されるべきである。この態様では、低電圧バッテリーが事実上より高い作動電圧で負荷されることを防止することが可能となる。また、このようにして、明らかな連合性が、夫々の電源と電動モータとの間で提供される。このスイッチ装置は、例えば、接触器として形成することができ、これによって、該スイッチ装置は、自動車の作動寿命の間に多数のスイッチプロセスを高信頼度で実行することができる。その上、接触器は、燃料電池システムの始動に対して、本発明による低電圧バッテリーを使用する上で好ましい価格上の解答を表している。
【００２０】
本発明の更なる実施形態は、電圧コンバータの提供にあり、これは、少なくとも電動モータの作動電圧にほぼ一致する電圧レベルにまで低電圧バッテリーの出力電圧をもってくる。この目的のため、電圧コンバータは、例えば１２Ｖの低電圧バッテリーの電位を、約２８８Ｖにまで高電圧変換するのに十分な、より低パワーのＤＣ−ＤＣコンバータとすることができる。必要とされる出力パワーは、２００Ｗ付近にあり（比較すると、電動モータの最大出力パワーは約７ｋＷである）、その結果、低電圧バッテリーの対応する電流は、２０アンペアより小さくなり、そこから、ＤＣ−ＤＣコンバータ及び低電圧バッテリーの両方が、本発明を実現するという目的のためコスト的に好ましい態様で設計可能となることが理解できる。
【００２１】
電動モータがその前部に接続されたインバータの形態にある供給モジュールを備えたＡＣモータであること、電圧コンバータがＤＣ−ＤＣコンバータであること、並びに、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力及び燃料電池から配給された作動電圧の両方がインバータの入力部に供給することができることが特に好ましい。
【００２２】
一方では、ＡＣモータは、コンプレッサの作動のための好ましい価格設定のモータを意味しており、パワーインバータ（所謂ＰＩＭパワーインバータモジュール）から容易に制御することができる。他方では、この解答は、ＤＣ−ＤＣコンバータのオンオフを切り替えるため特別の手段が必要とされないように、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力部を、作動電圧を担うターミナルに永久的に接続する可能性を提供する。それは、電気システムがオンにスイッチされ、且つ、この作動電圧がＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧より低いときにだけ作動するからである。かくして、特別に高価な技術的な回路手段が、本実施形態を実現する上で必要とされない。
【００２３】
しかし、電動モータをＡＣモータとして実現することは必須ではない。適切な制御即ち適切な供給モジュールを備えたＤＣモータも考えることができる。
燃料電池システムの出力電圧即ち作動電圧のための典型的な値は、１００Ｖ乃至５００Ｖの範囲にある。これに対し、通常使用される低電圧バッテリーの出力電圧は、１２Ｖ乃至４８Ｖの範囲にあり、好ましくは、１２Ｖ又は２４Ｖのいずれかとなる。
【００２４】
既に言及したように、自動車は、好ましくは、牽引バッテリーが与えられない態様で本発明の駆動システムを利用すると考えられる。コンプレッサは、例えば、所謂スクリューコンプレッサ（screw compressor）である。この種のコンプレッサは、背圧の無い低負荷の場合に作動するため利用することができる主要なコンプレッサを表している。対応する動作を行う他の型式のコンプレッサも利用することができる。
【００２５】
本発明の第２の態様によれば、燃料電池システムの作動のための電気エネルギーにより駆動される装置が提供される。該装置は、燃料電池システムの作動のため圧縮空気を供給するようになったコンプレッサ用の駆動モータを少なくとも備えている。前記燃料電池システムは、作動中に、比較的高い出力電圧を生成し、比較的低い出力電圧を有するバッテリーを備え、該燃料電池システムの作動を始動するため該バッテリーからの電気エネルギーを用いて前記装置を駆動するための第１の接続、及び、前記比較的高い出力電圧で該燃料電池システムからの電気エネルギーを用いて前記装置を駆動するための第２の接続を有する。前記装置は、前記比較的低い電圧で電気エネルギーが供給されたとき及び前記比較的高い電圧で電気エネルギーが供給されたとき作動することができると共に、前記燃料電池システムの排気ガスにより駆動することができるエキスパンダーを更に備え、追加のコンプレッサが設けられ、前記エキスパンダーが圧縮された空気の流れを前記コンプレッサに吐出するよう該追加のコンプレッサを駆動するように構成されている。
【００２６】
かくして、本発明の第２の態様によれば、燃料電池システムの始動の間に、低電圧バッテリーからのエネルギーを使用して、通常高電圧で作動される装置を駆動するというコンセプトは他の装置にも拡張することができることが理解された。例えば、当該コンセプトは、水素再循環ポンプの駆動にも拡張することができる。しかし、このコンセプトは、他の電気作動型構成部品の作動に対しても利用することができる。そのような他の構成部品は、例えば、フロストにより危険に曝されるバルブを予備加熱するための加熱装置、又は、水蒸気を生成するため使用される加熱装置である。
【００２７】
本発明の第３の態様によれば、燃料電池システムからの電気エネルギーが作動中に供給される少なくとも１つの装置を使用して燃料電池システムを作動させる方法が提供される。該装置は、前記燃料電池システムの作動のため圧縮空気を吐出するように設計された該燃料電池システムのコンプレッサを駆動するため役立つ電動モータを少なくとも備えている。本方法は、低電圧バッテリーからの電気エネルギーを用いて前記燃料電池システムを始動させるため前記装置を駆動し、前記燃料電池システムの始動の後、該燃料電池システムにより高電圧の電気エネルギーを生成し、前記燃料電池システムからの高電圧の電気エネルギーで引き続いて前記装置を駆動する、各工程を含み、 前記燃料電池システムの始動時に、該燃料電池システムのカソード排気ガスの側に設けられた制限フラップが、低い空気抵抗を生成するため開放され、該制限フラップは、該燃料電池システムの首尾良い始動の後、より高い空気抵抗を確保する位置に移動されることを特徴とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照して説明する。
ここで、図１を参照すると、参照番号１０は、例えばＡＣモータの形態の電動モータ１２により駆動することができる、コンプレッサを表している。モータ１２によるコンプレッサ１０の駆動の間、空気は、空気入口１６を通して、矢印１４に従ってコンプレッサにより吸引され、コンプレッサの空気出口１８を介して、燃料電池システム２２のカソード側における入口２０に、上昇した圧力で供給される。
【００２９】
この例では、燃料電池システムは、互いに平行及び／又は直列に接続された複数のＰＥＭ燃料電池（陽子交換膜燃料電池）により形成される。即ち、これらの電池は、所謂「スタック」の形態で与えられる。水素は、燃料電池システムのアノード側の入口２６を介して、矢印２４に従って、燃料電池システム２２に供給される。膜を通過した陽子は、電気エネルギーの生成と同時に水を形成するため、カソード入口２０に供給された大気中の酸素と燃料電池内で結合する。電気エネルギーは、それ自体知られた態様で、図示しない電気ラインを介して、２つのライン３０及び３２からなる高電圧バス２８に送られる。
【００３０】
燃料電池システム２２のアノード側では、過剰水素の形態でそこに存在するガス用の出口３４が設けられ、該過剰水素を、例えば、再利用又は燃焼させることができる。カソード側では、燃料電池システム２２から、過剰の酸素、窒素及び水を漏出させる出口３６が設けられており、水を分離し、コンプレッサ１８から出た空気を加湿して燃料電池システム２０（図示せず）に供給するためそれを使用することを可能としている。残りの構成要素、即ち、過剰酸素、窒素及び非回復水は、排気ガスとしてシステムから出る。
【００３１】
ここで与えられた燃料電池システムは、燃料として水素を使用するが、燃料として炭化水素で作動する他の燃料電池の型式も存在する。しかし、これらの炭化水素は、最初、改質により処理され、様々なシフト反応を経て実際の燃料電池のための水素の豊富な合成ガスへと転化させることが必要となる。
【００３２】
燃料電池に加えて、改質及びシフト反応を実行する幾つかの装置は、空気を供給しなければならず、その空気に対して、コンプレッサが同様に必要とされる。
メタノールが直接供給される燃料電池も知られている。そのような燃料電池システムは、パワー生成反応のため酸素を必要とし、コンプレッサから空気を供給しなければならない。
【００３３】
「燃料電池システム」という用語は、ここでは包括用語として使用される。即ち、燃料電池システム２２は、自動車の作動に適した任意形態を持ち得る。いずれにしても、コンプレッサは、圧縮空気を供給するため使用されよう。
【００３４】
参照番号３８は、ソレノイド４０により作動することができる制限装置を指し、該制限装置は、燃料電池システムの始動のための完全開放位置と、該システムが開始された後の該燃料電池システムの連続的な作動の間に選択される制限位置との間を実際に切り替えることができる。幾つかの情況下では、この装置は、小さい空気処理量では、燃料電池は、いずれにしても、空気処理量がより大きくなるとき最初に増加する小さいな空気抵抗を提供するだけであるので、必要でなくなる。制限装置への代替として、排気ガスは、燃料電池の始動時に、即ち、有意な抵抗が無い状態で、制御可能なブランチを介して、環境に直接差し向けることができる。このブランチは、作動状態を達成した後、より大きな抵抗が存在している水回復用の通常の排気ガスシステムに排気ガスを戻すために、最初にリセットする。
【００３５】
連続的な作動中には、燃料電池システム２２は、電気エネルギーを生成し、その結果、作動電圧が、高電圧バス２８のライン３２及び３０のターミナル４２及び４４で与えられる。この電圧は、ライン４８を介して電動モータ１２を駆動する所謂ＰＩＭ（パワーインバータモジュール）４６の形態で、インバータにライン３０、３２を介して供給される。制御を含むこの型式の駆動は、それ自体知られているので、本文中ではこれ以上詳しく説明しない。
【００３６】
参照番号５０は、燃料電池システム２２の始動の間に、電動モータ１２の駆動のための電気エネルギーをＤＣ−ＤＣコンバータ５２を介してインバータ４６に供給する低電圧バッテリーを表している。換言すると、低電圧バッテリー５０は、対応する自動車に搭載された電子機器のための低電圧バス５４に接続され、スイッチ６１を閉じた後に、低電圧バス５４を介してＤＣ−ＤＣコンバータ５２に対応する電力を配給する。ＤＣ−ＤＣコンバータ５２の出力は、既に説明したようにインバータ４６に直接導く、高電圧バス２８のライン３０及び３２に、ライン５６及び５８を介して、高電圧変換された電圧を供給する。
【００３７】
かくして、燃料電池システムの作動の始動時に、スイッチ６１を閉じた後、低電圧バッテリー５０からＤＣ−ＤＣコンバータ５２に電力が印加され、制限装置３８がソレノイド４０を介して開放される。電圧コンバータ５２に適用された電圧の変圧後、この高電圧変換された電圧は、ライン３０、３２を介してインバータ４６に印加される。次に、後者のインバータは、電動モータ１２を駆動するため役立ち、該電動モータは、燃料電池システムに空気を供給するコンプレッサ１０の駆動のためその出力シャフト６０を介して役立つ。
【００３８】
図２は、図１に従って駆動システムをスイッチ切り替えするための実現可能性を示し、これによって、図２は、図１に示された構成部品に加えて、キースイッチ６２、電子制御回路６４、並びに、ライン６６、６８、７０、７２及び７４を含んでいる。
【００３９】
ユーザが彼の車両に入ったとき、彼は、例えば、低電圧バッテリーの出力電圧が低電圧バスを介してＤＣ−ＤＣコンバータ５２に印加されるように、制御回路６４がライン７０を介してスイッチ６１を閉じさせるためキースイッチ６２を操作する。
【００４０】
これと同時に、ソレノイド４０は、制御ライン７４を介して、例えば任意の所望のスライダーの形態にある、制限装置３８を開放させる。制御信号は、制御ライン７２を介してインバータ４６に送られ、該インバータがその作動を開始し、ライン４８を介して電動モータ１２を駆動させる。電動モータ１２は、シャフト６０を介してコンプレッサ１０を駆動させる。燃料電池システム２２のための空気供給部は、燃料電池システム２２による所望の作動電圧の生成を短時間で導く。この作動電圧は、高電圧バスのターミナル４２及び４４で利用可能であり、インバータ４６のより高い出力電流を可能にする。より高い出力電流によって、電動モータ１２の出力パワーは、増加し、かくして、コンプレッサ１０の速度が増加する。制限装置３８を閉じることができる。今や燃料電池システムが通常の作動状態にある。
【００４１】
ＤＣ−ＤＣコンバータの出力ターミナルにおける作動電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧に等しいか、或いは、超えているので、該ＤＣ−ＤＣコンバータは、もはや何の電流も生成せず、電動モータ１２の供給は、燃料電池システム２２の高電圧バスを介して十分に生じている。
【００４２】
図３は、低電圧バッテリーから電力を電動モータ１２に供給する代替の方法を示している。図３に示された構成部品は、広範囲に亘って、図１の実施形態の構成部品に対応しており、同じ参照番号は同じ構成部品を示すため使用される。図１及び２の実施形態に対して与えられた説明も、同じ参照番号が与えられた図３の実施形態の構成部品に対し当てはめられる。接触器の形態にあるスイッチ装置８０は、ＤＣ−ＤＣコンバータの代わりに図３の実施形態で使用されており、該スイッチ装置は、作動電圧を伝達する高電圧バス２８のターミナル４２及び４４、又は、低電圧バッテリー５０の出力ターミナルのいずれかにインバータ４６の入力ターミナル８２及び８４を選択的に接続する。
【００４３】
即ち、接触器８０は、可動スイッチアーム８６及び８８の運動のため役立つ。このようにして、インバータ４６は、ターミナル４２、４４からの作動電圧、又は、低電圧バス５４からの低電圧のいずれかが供給されることができる。インバータ４６の出力電力は、低電圧バッテリー５０からの低電圧をインバータに供給するとき制限されるが、特に背圧の無い低負荷作動に対して最適化されたコンプレッサを使用するとき、燃料電池システム２２がターミナル４２及び４４で所望の作動電圧を各々生成するため適切な電気エネルギーを生成するように空気の流れが燃料電池システム２２を通って生成するためには十分となる。これが達成されるや否や、低電圧バッテリー５０は、接触器８０によりインバータ４６から引き離され、電動モータ１２を駆動するため適切な電力がインバータ４６の出力で利用可能となり、かくして、コンプレッサ１０がフルパワーで駆動する。
【００４４】
図４は、図１乃至図３の構成に非常に類似した構成を示している。このため、共通の参照番号が、共通の部品に対して使用され、これらの部品に対して与えられた前述の説明が、異なる何かが述べられない限り当てはまる。
【００４５】
本実施形態で重要なものは、エキスパンダー９０がコンプレッサ１０のロータ又はその駆動シャフト６０に出力駆動シャフト６０Ａを介して接続されるという事実にある。参照番号３６でスタックから出るカソード排気ガスは、この例では、ライン９２乃至９４を介して、エキスパンダー９０の入口に供給され、参照番号３６でスタックから出るカソード排気流れの運動エネルギー即ち圧力エネルギーが、該エキスパンダー内で、その出力駆動シャフト６０Ａの回転運動に転化され、該回転運動は、コンプレッサの駆動エネルギーの少なくとも１部分が電動モータ１２による代わりにエキスパンダーにより出力されるようにコンプレッサ１０を機械的に駆動させる。コンプレッサ１０に対するこの型式の駆動は、最初に燃料電池システムが既に始動されたときその作動状態に入る。既に上述したように、始動フェーズのため燃料電池システムの出口において低い空気抵抗を確保することが、少なくとも推奨することができ、多数の場合において必要となる。前述の実施形態では、この低い空気抵抗は、ソレノイド４０の制御下で、始動フェーズのために開放される制限フラップ３８により達成される。制限フラップ３８及びソレノイド４０は、本実施形態でも使用されるが、カソード排気ガスが矢印９８に従って当該システムから出るように、カソード排気ガスダクト内というよりエキスパンダー内の排気ガスダクト９６内に組み込まれる。
【００４６】
エキスパンダーの構成及び設計の型式に応じて、ソレノイド４０Ａを備えた追加のフラップ３８Ａを、エキスパンダー９０へと導くブランチ９４の下流にあるライン９２にライン９５を介して接続することが必要となり得る。始動フェーズにおいて、この追加のフラップ３８Ａが開放され、矢印に従って参照番号３６でスタックから出るカソード排気ガスは、最初にエキスパンダーに事実上存在する内部抵抗を克服する必要が無いように、燃料電池システムから現れることができる。本実施形態では、制限フラップ３８及びソレノイド４０を省略し、ソレノイド４０Ａを備えた追加のフラップ３８Ａのみを使用することも考えられる。モータ１２が始動フェーズにおいてシャフト６０Ａを介してエキスパンダーを駆動させなければならず、低電圧バッテリーに追加の負荷がかかるとき、フリーホイール装置を使用することができる。該フリーホイール装置は、エキスパンダーに組み込まれるか、或いは、エキスパンダー９０及びコンプレッサ１０の間の駆動シャフト６０Ａにおいて、破線で参照番号１００で示されるように選択的に配置される。フリーホイール１００の代わりに、コンプレッサ及びエキスパンダー９０の間に、クラッチ、例えば電磁作動型クラッチ又は遠心性クラッチを配置してもよい。これらの２部品の間に、トランスミッション、例えばステップダウントランスミッションを介設することも考えられ、これによって、コンプレッサと比較して、エキスパンダーのより高速な回転が可能となる。
【００４７】
中間冷却器／熱交換器を備えた遠心コンプレッサ内の排気ガス駆動型ターボチャージャーの形態で、コンプレッサ１０に機械的に連結されていないバージョン（通例の自動車に対して本質的に知られている設計）のエキスパンダー９０の実施化は、低電圧バッテリー５０からのシステム始動と連結したとき有利となる。与えられた教えの意味で排気ガス駆動型のターボチャージャーを使用したとき、排気ガスタービンは、燃料電池の排気ガスフラックスから圧力エネルギー即ち体積流れエネルギーを引き出す。高速回転タービンに機械的に動かないよう連結された、追加のタービン駆動型コンプレッサは、強化された上流圧力が追加のタービン駆動型コンプレッサを介してコンプレッサ１０に利用可能にされるという点でコンプレッサ１０を援助する。これの代替として、排気ガス駆動型ターボチャージャーを、該ターボチャージャーがコンプレッサにより吐出された空気の流れを更に圧縮させるように使用することができる。コンプレッサ１０からの機械的な引き離しに加えて、始動中のそのような排気ガス駆動ターボチャージャーの利点は、概ね遠心コンプレッサ及び流体装置の特性である。この流体装置は、小さい貫通流れにおいて（例えば、コンプレッサ１０を通してシステムを始動させるとき生成される）において、コンプレッサが該コンプレッサ用の駆動システムの始動中に不必要な負荷を受けないように、最小相殺圧力のみが構築される情況へと導く。
【００４８】
ライン３６及び３４は、図面を簡単にするため、図１乃至３の前記実施形態に対して交換されたことが、図４と関連して着目されるべきである。カソード排気ガスが参照番号３６のところでスタックから出、アノード排気ガスが参照番号３２でスタックから出るところの正確なポイントは、単にスタックの内部設計の問題である。
【００４９】
図５は、図４の実施形態の更なる変形を示している。ここで、電動モータ１１２を備えた水素再循環ポンプ１１０は、燃料電池システムのアノード側で水素回路内に組み込まれている。再循環ポンプ１１０は、ファン、又は、コンプレッサ、例えば遠心コンプレッサ、軸流コンプレッサまたは側部チャンネル送風機とすることができる。電動モータ１１２は、正確にモータ１２と同じ仕方で作動され、即ち、燃料電池システムの始動時に、モータ１１２は、低電圧バッテリー５０からのエネルギーを用いてモータ１２と並列に付勢され、これにより、モータ１２は、５０乃至１００ワットのパワー取り出し状態で公称回転速度の約１０％で駆動する。燃料電池システムが十分な電気エネルギーを生成するや否や、モータ１１２及びコンプレッサモータ１２は、高電圧バス２８のライン３０及び３２を介して、オプションでインバータ４６を介して駆動することができる。
【００５０】
例えばドイツ特許出願１００６２６７３．４から、又は、国際特許出願ＷＯ９９／０５７４１号から本質的に知られた水素再循環は、通常、燃料電池システムの連続的作動で役割を果たすだけであるが、本発明に従って処理を始動することに対して有意な影響を持つことができることが見出された。始動段階で発生する少量の水素再循環は、水素が、燃料電池内で比較的均一に分割された形態で存在し、これが、低空気スループットで燃料電池システムの始動を容易にすることが確実にされた。
【００５１】
システム内にそのような水素再循環ポンプを配置する多数の異なる可能性が存在することが指摘されるべきである。本発明が関連する限りの重要なことは、とりわけ、この種の再循環ポンプ及びより高電圧で作動される役割を持つオプションの更なる構成部品は、低電圧バッテリーからシステムの始動プロセスの間に作動することができ、始動フェーズの後、引き続いて高電圧バスを介して作動し、低電圧バッテリーから引き離されるというコンセプトである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、燃料電池システムの空気コンプレッサのための本発明に係る第１の駆動システムの概略ブロック図である。
【図２】  図２は、図１に類似した表現図であるが、実現可能な電気回路の詳細を更に備えた図である。
【図３】  図３は、燃料電池システムの空気コンプレッサのための本発明に係る駆動システムの更なる変形例を示す図１に類似した表現図である。
【図４】  図４は、前記表現に類似した表現図であるが、エキスパンダーが使用された図である。
【図５】  図５は、前記表現に類似した表現図であるが、水素の再循環ポンプが使用された図である。
【符号の説明】
１０    コンプレッサ
１２    電動モータ
１４    空気の吸引方向の流れ
１６    コンプレッサ空気入口
１８    コンプレッサ空気出口
２０    燃料電池システムのカソード側入口
２２    燃料電池システム
２４    水素の供給流れ方向
２６    燃料電池システムのアノード側入口
２８    高電圧バス
３０、３２  ライン
３６    燃料電池システム２２から、過剰の酸素、窒素及び水を漏出させる出口
３８    制限装置
３８Ａ  フラップ
４０、４０Ａ    ソレノイド
４２、４４    高電圧バスのターミナル
４６    インバータ
４８    ライン
５０    低電圧バッテリー
５２    電圧コンバータ
５４    低電圧バス
５６、５８    ライン
６０、６０Ａ    出力シャフト
６１    スイッチ
６２    キースイッチ
６４    電子制御回路
６６、６８、７０、７２、７４    ライン
８０    接触器
８２、８４    入力ターミナル
８６、８８  可動スイッチアーム
９０    エキスパンダー
９２、９５    ライン
９６    排気ガスダクト
９４    ブランチライン
９８    カソード排気ガスの流れ
１００    フリーホイール装置
１１０    水素再循環ポンプ
１１２    電動モータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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