(57)【要約】  本発明は、燃料電池セル装置の操作方法に係り、燃料電池セル装置は、外部空気が通り抜けて流れる（貫流する）冷却構造体と、燃料電池セルスタックとを有し、燃料電池セルスタックの排出空気流のうち少なくとも一部は、冷却構造体の方に導くことができ、導かれた排出空気流が、冷却構造体においてジェットポンプ原理により冷却構造体を通り抜ける外部空気の質量流を増加させ、燃料電池セルスタックの排出空気流の少なくとも一部は、ガス膨張装置を通るように導くことができ、排出空気流内に含まれていてガス膨張装置内において回生可能なエネルギー、及び／又は、ジェットポンプ原理により冷却構造体において回生可能なエネルギーの配分が、電子制御ユニットにより境界条件に合わせて変更される。上記の配分は、特に冷却構造体内で冷却すべき媒体の温度及び必要とされる燃料電池セルスタックの電気的な出力に応じて設定されるとともに、ガス膨張装置内部で支配的な流れの状態を意図した通りに設定することでガス膨張装置内での圧力低下が設定されるか及び／又はガス膨張装置を通して導かれる排出空気流の量が当該ガス膨張装置に対する制御可能なバイパスを用いて設定されることにより変更される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セル装置の操作方法であって、当該燃料電池セル装置は、外部空気が貫流する冷却構造体（９）と、燃料電池セルスタック（１）とを有し、
当該燃料電池セルスタックの排出空気流（４）から少なくとも或る一部は、前記冷却構造体（９）へと導くことができ、当該導かれた排出空気流（７）が、前記冷却構造体（９）においてジェットポンプ原理により前記冷却構造体（９）を通り抜ける外部空気の質量流を増加させるようになっており、
前記燃料電池セルスタック（１）の前記排出空気流（４）の少なくとも或る一部は、ガス膨張装置（５）を通るように導くことができ、
前記排出空気流（４）内に含まれていて前記ガス膨張装置（５）内において回生可能なエネルギー、及び／又は、ジェットポンプ原理により前記冷却構造体（９）において回生可能なエネルギーの配分が、電子制御ユニット（１０）により境界条件に合わせて変更される操作方法。
【請求項２】
請求項１に記載の操作方法であって、
前記排出空気流（４）から回生可能なエネルギーの前記配分は、前記電子制御ユニット（１０）により、前記冷却構造体（９）内で冷却すべき媒体の実際の温度及び／又は直近で予想される温度と、前記燃料電池セルスタック（１）の実際の出力及び／又は直近で必要とされる電気的な出力とに応じて、設定される操作方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の操作方法であって、
前記配分は、さらに、外部周辺温度及び／又は燃料電池セル装置が搭載された車両の走行速度が考慮される操作方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の操作方法であって、
システム効率を最適化するように、前記冷却構造体（９）を通り抜ける外部空気を送り出すファンの出力需要も考慮されるとともに適切に設定される操作方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の操作方法であって、
前記ガス膨張装置（５）を通して導かれる前記排出空気流（４）の量は、当該ガス膨張装置に対する制御可能なバイパス（６）を用いて設定される操作方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の操作方法であって、
前記排出空気流（４）内に含まれていて前記ガス膨張装置（５）内において回生可能なエネルギー、及び当該ガス膨張装置の下流でジェットポンプ原理により前記冷却構造体（９）において回生可能なエネルギーの前記配分は、ガス膨張装置内部で支配的な流れの状態を意図した通りに設定することで、前記ガス膨張装置（５）内での圧力低下が設定されることにより変更される操作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セル装置の操作方法に係り、燃料電池セル装置は、外部空気が通り抜けて流れる（貫流する）冷却構造体と、燃料電池セルスタックとを有し、燃料電池セルスタックの排出空気流のうち少なくとも一部を冷却構造体の方に導くことができ、この導かれた当該排出空気流が、冷却構造体においてジェットポンプ原理により冷却構造体を通る外部空気の質量流量を増加させるように設けられている。出願番号が１０２０１２２１１４２１．１及び１０２０１３２１４６０２．７の未公開の独国特許出願には、燃料電池セルスタックの相応の排気ダクトが記載されている。斯かる排気ダクトは、燃料電池セル排出空気流内に含まれるエネルギーの一部を利用して、いわゆる冷却構造体（この冷却構造体は、特に燃料電池セル装置における燃料電池セルスタックの燃料電池セルを冷却するために設けられている。）を通り抜ける外部空気を圧送する。さらに、特許文献１に例としてのみ示されているに過ぎないものの、燃料電池セルないし燃料電池セルスタックの排出空気流内に特に過剰圧力（Ｕｅｂｅｒｄｒｕｃｋ）の形で含まれるエネルギーの一部をタービン内か或いはその他のいわゆるエキスパンダ内において回収・回生できることも知られている。エキスパンダやそれに類するものは、本明細書ではガス膨張装置と呼ぶことにする。それは、その内部では、所定の圧力で燃料電池セルスタックから出て来る排出空気流が、特に圧力を減らしたり、上述の所定圧力がタービン等（ガス膨張装置）を動かすために利用されるからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０１１１２２３０６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
かくして、排出空気流内に含まれるエネルギーをいかにしたらできるだけ都合よくもっと上手く使えるのかが本明細書において示される必要がある（本発明の課題）。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この課題は、外部空気が貫流する冷却構造体と、燃料電池セルスタックとを有する燃料電池セル装置であって、燃料電池セルスタックの排出空気流から少なくとも或る一部を冷却構造体の方へと導くことができ、それにより、導かれた排出空気流が、冷却構造体においてジェットポンプ原理により冷却構造体を通り抜ける外部空気の質量流量を増加させるようになっており、燃料電池セルスタックの排出空気流の少なくとも或る一部を、ガス膨張装置を通り抜けるように導くことができ、排出空気流内に含まれるエネルギーであって且つガス膨張装置内において回収・回生可能なエネルギー、及び／又は冷却構造体においてジェットポンプ原理により回収・回生可能なエネルギーの配分が、電子制御ユニットにより境界条件（Ｒａｎｄｂｅｄｉｎｇｕｎｇ）に合わせて変更される燃料電池セル装置の操作方法によって解決される。
【０００５】
本発明によれば、燃料電池セルの排出空気流内に含まれるエネルギーを回収・回生（Ｒｕｅｃｋｇｅｗｉｎｎｕｎｇ）するための様々な手段が設けられ、これらの様々な手段への、目的に合わせた（意図した通りの）エネルギー回収・回生の割り当て（配分）が行われる。すなわち、その割り当て（配分）は、一方では（一般に公知とされているように）ガス膨張装置への割り当て（配分）であり、また他方では、ジェットポンプ原理を用いて上記の冷却構造体を通り抜ける外部空気を増幅して送り出すような（少なくとも内部の従来技術を構成する）手段への割り当て（配分）である。いかなる境界条件ないし観点のもとに上述のエネルギー回収・回生の割り当て（配分）が意図した通りに行えるのか、もっと詳しく説明する前に、先ず、そもそもこのような割り当て（配分）がどのように実行され得るのかが述べられるべきであろう。
【０００６】
そこで、燃料電池セルスタックの排出空気流は、先ず全てガス膨張装置を通るように導かれることができ、それに続いて、冒頭に述べた特許出願に記載されているように、冷却構造体上へと（或いは冷却構造体内へと）導かれることができ、それにより、排出空気流が、この冷却構造体において、ジェットポンプ原理により、冷却構造体を通り抜ける（貫流する）外部空気の質量流を増加させる結果をもたらす。そのため、冷却構造体へと導く構成は、ガス膨張装置の下流側にある。どの程度の量のエネルギーが先ずガス膨張装置内で解放されるか（そして、そのために、ジェットポンプ原理にどの程度利用できないのか）は、ガス膨張装置内において支配的な流れの状態（Ｓｔｒｏｅｍｕｎｇｓｖｅｒｈａｅｌｔｎｉｓｓ）を意図的に（意図したとおりに）設定することにより決めることができ、換言すると、ガス膨張装置内の圧力低下は、例えばタービン内の調整可能な案内羽根（Ｌｅｉｔｓｃｈａｕｆｅｌ）（或いはそれに類するもの）を用いることによって、目的に合わせて適切に（意図した通りに）設定される。代替的には、燃料電池セル排出空気流の（第一の）部分だけがガス膨張室に供給され得る一方で、燃料電池セル排出空気流の他の（第二の）部分はそのまま冷却構造体に導かれ、それにより、冷却構造体において（好ましくは、ガス膨張装置から出て来る空気流と前もって再び一緒にされて）ジェットポンプ原理によって、上述の、冷却構造体を通り抜ける外部空気を送り出す圧力降下（Ｄｒｕｃｋｇｅｆａｅｌｌｅ）を生成することができる。もちろん、上記の二つの代替構成を組み合わせることもできる。
【０００７】
境界条件に関しては、当該境界条件に応じて電子制御ユニットが、一方では、燃料電池セル排出空気流からのエネルギー回収・回生のガス膨張室への割り当て（配分）、また他方では、燃料電池セル排出空気流からのエネルギー回収・回生の冷却構造体（本記載箇所及び他の記載箇所においては、冷却構造体の方に燃料電池セル排出空気流を導くことで、冷却構造体を通り抜ける外部空気の質量流をジェットポンプ原理により増加させるようにすることに対して、簡単のために単に“冷却構造体”という概念を用いる。）への割り当て（配分）を、本発明により行い、その際に、この電子制御ユニットが直接的ないし間接的に測定された、冷却構造体内で冷却すべき媒体（すなわち“冷媒”（Ｋｕｅｈｌｍｉｔｔｅｌ））の特には温度、さらには、それに伴い実質的に燃料電池セル装置の冷却能力需要（Ｋｕｅｈｌｌｅｉｓｔｕｎｇｓｂｅｄａｒｆ）を考慮する。このとき、実際に測定された（冷却すべき媒体か或いは冷却構造体そのものの）温度に加えて或いは代えて、適切なデータに基づいて計算により推定される直近において期待される温度が考慮されるのでもよい。その際には、直接的ないし間接的に、実際に及び／又は直近で要求される燃料電池セルスタックの電気的な出力も込みで考慮することができる。というのも、これにより、実際の温度状態だけでなく、直近に予想される温度状態も可能になるからである。
【０００８】
自動車の中に組み込まれた本発明による燃料電池セル装置の場合では、電子システム制御ユニットのこれまで述べた境界条件はよく知られているが、ここではさらに、燃料電池セル装置が搭載された車両の走行速度及び／又は外部周辺温度を上述の配分に対して考慮することを提案する。もちろん、ガス膨張装置における燃料電池セル排出空気流内の実際の圧力低下も、直接的ないし間接的（好ましくは適切な代替量の形で）に、電子制御ユニット内で行われる計算に込みで入れてもよいし或いはそうすべきであろう。
【０００９】
既に述べたように、上述の電子制御ユニットは、本発明による操作方法を実行することにより、液体冷却型の燃料電池セルスタックを有する自動車において、とりわけ、燃料電池セル装置の冷却循環経路の温度、自動車の走行速度、車両ないし燃料電池セル装置の出力要求量及びガス膨張装置における実際の圧力低下に応じて、ガス膨張装置における燃料電池セル排出空気の圧力低下を優先的に閉ループ制御ないし開ループ制御する。その場合、特に、必要とされる自動車の出力に関して、例えば来るべき登坂走行に関して、例えばＧＰＳデータに基づく等して、前もった計算を行うことができる。冷媒温度が上昇したり或いは予想する冷媒温度が所定の境界値を超えて上昇したりするようであれば、それまで意味があって行っていたガス膨張装置内でのエネルギー回収・回生を減らす。これは、システム効率を下げる結果にはなるが、同時に冷却能力を高めることになる。従って、特に、外部周辺温度が高いとき、出力要求量が高いとき及び車両走行速度が比較的遅いとき（例えば登坂走行のとき）に、燃料電池セルスタックがより高い出力を出すことができる。これに対して、燃料電池セル装置の冷却能力需要が低く、そのために追加的な冷却能力がさほど求められない場合は、好ましくは、ガス膨張装置における燃料電池セル排出空気流からの最大のエネルギー回収・回生が行われるが、この最後に述べたことは、一般的にも成り立つことで、つまりは自動車に組み込まれた燃料電池セル装置だけに限ったことではない。
【００１０】
自動車に使用する場合に話を戻すと、通常のナビゲーションシステム内にある経路データ（Ｓｔｒｅｃｋｅｎｄａｔｅｎ）ないし今後の運転に関する想定からの出力要求量及び実際の車両速度から、冷却需要が、或いは、液体冷却型の燃料電池セル装置の場合であれば冷媒温度が、大体においてどのように変化するだろうかを前もって計算することができる。温度が設定最大温度を上回ることが予想される場合であれば、予め先回りしてガス膨張装置での圧力低下を減らすとともに、燃料電池セル排出空気流からのエネルギー回収・回生のもっと多くの部分を上述の如く冷却構造体に供給し、つまりは、冷却構造体へと排出空気流を導き、それにより、冷却構造体において排出空気流が冷却構造体を通り抜ける外部空気の質量流量をジェットポンプ原理により増加させるようにする。
【００１１】
これとは逆に、車両にブレーキがかけられる場合であれば、冷却能力需要は少なくなるはずであり、燃料電池セル排出空気流内に含まれるエネルギーのもっと多くの部分が、好ましくは燃料電池セル排出空気流そのもののもっと多くの部分という形で、ガス膨張装置に供給され、それにより燃料電池セル装置の全体的な効率が向上するようになっている。とはいえ、燃料電池セル装置の冷却システムや（液体冷却型の）燃料電池セルスタックの冷媒の事前調整（Ｖｏｒｋｏｎｄｉｔｉｏｎｉｅｒｕｎｇ）が、例えば目前の車両加速プロセスのために優先されるべきであろう。
【００１２】
さらに、システム効率を最適化するように、冷却構造体を通り抜ける外部空気をごく普通に送り出すファン（Ｌｕｅｆｔｅｒ）の出力需要が電子制御ユニットの計算において考慮され、適合され、つまりは境界条件並びに実際に冷却構造体へと本発明により導かれる排出空気量に適宜調整されるように設けられていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明による方法を実施する際に用いられる要素の配置構成の実施例を示す機械的な接続図である。
【図２】本発明による方法を実施する際に用いられる要素の配置構成の実施例を示す機械的な接続図である。
【図３】電子制御ユニットにより処理される信号並びに発信器及び受信器を機能的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
添付された図１，２は、本発明による方法を実施する際に用いられる要素の配置構成の二つの実施例を機械的な接続図の形でそれぞれ示しており、他方、添付された図３には、電子制御ユニットにより処理される信号並びに発信器及び受信器を示す機能的な図が示されている。
【００１５】
図１，２には、符号１により燃料電池セルスタック（つまり、燃料電池セルの積層体）が示されており、当該燃料電池セルスタックには、矢印２の向きの外部空気２の他に、よくあるように水素３（矢印３）が燃焼のために供給される。供給された外部空気２の中から水素３の燃焼後に残る燃料電池セルスタックの排出空気流は、符号４を有している。コンプレッサ等により外部空気２を燃料電池セルスタック１内へと圧送するが故に周囲の空気圧力より高い圧力を有する上記排出空気流４は、排出空気流４の中に含まれるエネルギーを部分的に回生（或いは回収）するためにガス膨張装置５に供給されるか或いはバイパス６内のバイパスバルブ６ａの開度に応じてこのガス膨張装置５を迂回することができる。ガス膨張装置５の下流側において、当該ガス膨張装置から出て来た排出空気部分流が、バイパス６を通って流れる排出空気部分流と一緒にされ、それから排出空気流７として分配管８内に至り、この分配管から排出空気流が冷却構造体９の手前ないし表面に出てくることで、この排出空気流７が、ジェットポンプ原理により、冷却構造体９を貫流する外部空気の質量流量を増加させるようになる。この冷却構造体９は、具体的には空冷式熱交換器（Ｌｕｆｔ−Ｋｕｅｈｌｍｉｔｔｅｌ−Ｗａｅｒｍｅｔａｕｓｃｈｅｒ）であり、この熱交換器内において、液体冷却型燃料電池セルスタック１の、循環させられる冷媒が再度冷やされる。電子制御ユニット１０は、図１において専らバイパスバルブ６ａの開度を制御し、それにより、一方ではガス膨張装置５と、他方では冷却構造体９（冷却構造体では、排出空気流７が冷却構造体９を貫流する外部空気流を増加させるようになる）との間で、排出空気流４からのエネルギー回生の配分を制御する。図２によれば、電子制御ユニットは、付加的に、例えばタービンの案内羽根を調整する等してガス膨張装置内における圧力低下を制御する。
【００１６】
図３は、電子制御ユニット１０がどの操作量ないし信号を処理するか、つまりは取得し（各矢印は、制御ユニット１０の方にのみ向いている。）或いは送信できる（各矢印は、制御ユニット１０から各要素にも向けられており、つまりは両方向を向く。）かを例として示す。
【００１７】
ここで、符号２０は、燃料電池セルスタック１に供給される外部空気流２の量を設定する要素についてのものである。符号２１は、冷却構造体９内で再冷却すべき燃料電池セルスタック１の冷媒の温度の測定についてのものである。符号２２は、燃料電池セルスタック１における或いは燃料電池セル装置を有する車両による出力要求量についてのものである。符号２３は、車両の走行速度に関するものであり、この走行速度から、燃料電池セル排出空気流７を利用せずとも冷却構造体９を通り抜ける外部空気流量が生じるが、その場合、冷却構造体９は、概ねよくある如く車両のフロント領域に配置されている。符号２４により、場合によっては設けられる調整ユニットが示され、この調整ユニットを用いて、冒頭に述べた未公開の二つの独国特許出願においてスライド弁（Ｓｃｈｉｅｂｅｒ）等の形態で少し触れられているように、分配管８から出て来る排出空気流７の流速及び／又は流れ方向が冷却構造体９に対して変更可能とされている。符号２５により、適した調整機構が示されており、当該調整機構を用いることで電子制御ユニット１０は、ガス膨張装置５を一方に、冷却構造体９を他方にして、これらの間で排出空気流４からのエネルギー回生を配分することができ、冷却構造体９では、排出空気流７が、冷却構造体９を通り抜ける外部空気流を増加させる。例えば、この調整機構２５は、図１，２に示されたバイパスバルブ６ａであってもよいし、代替的に（或いは付加的に）ガス膨張装置５における調整装置であってもよく、この調整装置を用いれば、例えば、タービンとして形成されたガス膨張装置における調整可能な案内羽根の形態により、ガス膨張装置内における圧力低下が変更可能である。さらに、冷却構造体９における外部空気に作用してこの外部空気をジェットポンプ原理により冷却構造体９を通すように送り出す圧力であって且つ冷却構造体９に適切に導かれる燃料電池セル排出空気流７により引き起こされる圧力を測定する測定装置２６が選択的に設けられていてもよい。
【００１８】
総じて、提供された操作方法によれば、燃料電池セルスタック１の一又は複数のもっと優れた冷却が可能であり、このことは、多くの観点において有利である。
【図１】
2017500683.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年3月25日(2016.3.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2017500683.tif 000005
【国際調査報告】
2017500683.tif 000006
2017500683.tif 000007
2017500683.tif 000008
2017500683.tif 000009