(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両内の燃料電池を選択的に加熱するシステムであって、
空気圧縮機と、
上記空気圧縮機と接続されて該空気圧縮機からの圧縮空気が送り込まれると共に上記燃料電池と接続された空気用導管システムと、
上記空気用導管システムに設けられて上記圧縮空気を選択的に冷却する空気冷却用熱交換器と、
上記空気用導管システムに設けられて作動するバイパス弁とを備え、
上記空気用導管システムは、冷間始動状態で上記圧縮空気が上記空気冷却用熱交換器を選択的にバイパスして上記燃料電池へ直接供給されるように上記バイパス弁を作動させ、該燃料電池を加熱する一方、
少なくとも一つの作動特性を計測すると共に計測された車両の作動特性を表す信号を生成する少なくとも一つのセンサと、
上記バイパス弁と上記少なくとも一つのセンサとに通信可能に接続された制御器とを更に備え、
上記制御器は、受信した上記信号の値に基いて上記バイパス弁を選択的に作動させているシステム。
【請求項２】
水素ガスを上記燃料電池へ送る燃料用導管システムと、
上記空気用導管システム及び上記燃料用導管システムに接続されて該燃料用導管システムから水素ガスが送り込まれる燃料加熱用熱交換器とを備え、
上記燃料加熱用熱交換器は、上記燃料電池へ送られる前の水素ガスを上記空気用導管システム内の上記圧縮空気により加熱するようになっている請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
上記少なくとも一つの作動特性には、外気温度が含まれている請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
上記少なくとも一つの作動特性には、上記燃料電池の温度が含まれている請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
上記少なくとも一つの作動特性には、上記圧縮空気の温度が含まれている請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
空気と水素ガスを車両内の燃料電池へ供給するシステムであって、
上記水素ガスを選択的に貯蔵する燃料タンクと、
上記燃料タンクを上記燃料電池と選択的に接続して上記水素ガスを上記燃料電池へ選択的に送るための燃料用導管システムと、
上記空気を受けて圧縮する圧縮機と、
上記圧縮機と上記燃料電池に接続され、上記圧縮空気を受けて上記燃料電池へ選択的に送るための空気用導管システムと、
上記空気用導管システムに設けられて動作し、上記燃料電池へ送られる前に上記圧縮空気を選択的に冷却するための空気冷却用熱交換器と、
上記空気用導管システムに設けられて作動し、上記圧縮空気を選択的に上記空気冷却用熱交換器をバイパスさせるための少なくとも一つのバイパス弁と、
上記燃料用導管システムから水素ガスが送り込まれると共に上記空気冷却用熱交換器をバイパスした圧縮空気が選択的に送り込まれて上記水素ガスを選択的に加熱するための燃料加熱用熱交換器と、
上記バイパス弁と通信可能に接続されて該バイパス弁を選択的に駆動し、上記圧縮空気に上記空気冷却用熱交換器を選択的にバイパスさせるための制御器と、
少なくとも一つの車両の作動特性を計測すると共に計測された車両の作動特性を表す信号を生成する少なくとも一つのセンサとを備え、
上記制御器は、上記バイパス弁と上記少なくとも一つのセンサとに通信可能に接続されると共に、受信した上記信号の値に基いて上記バイパス弁を選択的に作動させているシステム。
【請求項７】
上記少なくとも一つのセンサには、温度センサが含まれている請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
上記温度センサは、外気温を計測する一方、
上記制御器は、上記計測された外気温度が冷間始動状態を表す所定値未満であるときにだけ上記バイパス弁をさせる請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
上記温度センサは、上記燃料電池の温度を計測する一方、
上記制御器は、上記計測された温度が所定値未満のときにだけ上記バイパス弁を作動させる請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
空気と水素ガスを車両内の燃料電池へ供給するシステムであって、
上記水素ガスを選択的に貯蔵する燃料タンクと、
上記燃料タンクを上記燃料電池と選択的に接続して上記水素ガスを上記燃料電池へ選択的に送るための燃料用導管システムと、
上記空気を受けて圧縮する圧縮機と、
上記圧縮機と上記燃料電池に接続され、上記圧縮空気を受けて上記燃料電池へ選択的に送るための空気用導管システムと、
上記空気用導管システムに設けられて動作し、上記燃料電池へ送られる前に上記圧縮空気を選択的に冷却するための空気冷却用熱交換器と、
上記空気用導管システムに設けられて作動し、上記圧縮空気を選択的に上記空気冷却用熱交換器をバイパスさせるための少なくとも一つのバイパス弁と、
上記燃料用導管システムから水素ガスが送り込まれると共に上記空気冷却用熱交換器をバイパスした圧縮空気が選択的に送り込まれて上記水素ガスを選択的に加熱するための燃料加熱用熱交換器と、
上記バイパス弁と通信可能に接続されて該バイパス弁を選択的に駆動し、上記圧縮空気に上記空気冷却用熱交換器を選択的にバイパスさせるための制御器とを備える一方、
上記バイパス弁は、ソレノイド弁を備えているシステム。
【請求項１１】
上記空気用導管システムでは、上記空気冷却用熱交換器を通過した圧縮空気が上記燃料加熱用熱交換器を通過することなく上記燃料電池へ供給される請求項１，６又は１０に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用燃料電池を急速予熱するシステム及び方法に関し、より具体的には、車両の燃料電池スタックを選択的かつ急速に加熱するために車両の空気圧縮機により生成される熱を利用するシステム及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
望ましくない排出物や化石燃料需要を低減するために、燃料電池の様な電気機器で駆動される自動車が設計されてきた。この様な「燃料電池駆動式電気自動車」は、内燃機関を無くすことにより（例えば完全電気自動車）、又はエンジンを最も効率的な、あるいは好ましい動作点でのみ運転することにより（例えばハイブリッド電気自動車）、排出物や在来の化石燃料の需要を低減するものである。
【０００３】
多くの燃料電池は、水素ガスと空気とを（例えば反応成分として）消費する。消費される水素と空気は、燃料電池と車両が効率的に作動できるように、所定の温度と圧力で、適切に貯蔵されて燃料電池へ送られねばならない。
【０００４】
この様な形式の燃料電池を用いる車両は、水素ガスと空気を貯蔵して燃料電池へ送るためのシステムや組立体を備える場合が多い。具体的に、水素ガスは、比較的高圧で、比較的高いポテンシャル・エネルギーを持って、タンク内に貯蔵されるのが典型的である。そして水素ガスは、幾つかの導管と、気体の圧力を所望の量だけ低下させる幾つかの圧力降下弁とを使って燃料電池へ送られる。燃料電池へ送られる空気は、大気圧状態で取り込まれるが、適切で効率的な燃料電池の作動を確保するために、そのシステムを経て加圧され若しくは圧送される。このシステムにおける空気の加圧や圧送は、圧縮機又はタービンを使って行われるのが典型的である。これら圧縮機又はタービンは、空気を所望又は所定の圧力まで圧縮し、空気の温度を高める。ある温度を越える空気は、燃料電池を損傷したり、その作動を非効率的なものにしたりする可能性がある。このため、空気は、燃料電池に入る前に熱交換器を通される。それによって、空気を冷却し、燃料電池に入る空気が所定の温度（例えば８０℃）を越えないことを保証する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ある種の状態、例えば、冷間始動又は低温状態において、最短の時間で確実に燃料電池を効率的に作動させるためには、車両の燃料電池を加熱するのが望ましい。燃料電池を冷間始動する際の制約を解消したり、燃料電池を所定の所望温度以上に保つための各種の方法が存在する。従来の車両のあるものは、車載バッテリーにより駆動される抵抗加熱要素などの、補助熱源を利用している。しかしながら、この様な補助熱源は、燃料電池システムのコストや重量、容積を増大させ、車両のバッテリーを消耗させ、車両の電気部品や補機を駆動するのに用いることができたであろう電気エネルギーを消費するといった悪影響を与える。燃料電池を予熱するための他の従来の方法としては、燃料電池における酸化剤の流路へ水素と空気の混合物を導入する方法がある。しかしながら、これら従来の手法は、複雑な制御システムを必要とし、それによって車両のコストと複雑さを増大させてしまう。
【０００６】
それ故、冷間始動時又は低温時に車両の燃料電池スタックを選択的かつ迅速に予熱する、燃料電池駆動車両で用いられるための、新たな改良されたシステム及び方法が必要とされている。
【０００７】
本発明の限定するものではない第１の目的は、冷間始動又は低温状態で車両の燃料電池スタックを選択的かつ迅速に予熱し、そして従来のシステム及び方法の欠点を解消するシステム及び方法を提供することである。
【０００８】
本発明の限定するものではない第２の目的は、補助熱源や複雑な制御システムを必要とすることなしに、冷間始動又は低温状態で車両の燃料電池スタックを選択的かつ迅速に予熱するシステム及び方法を提供することである。
【０００９】
本発明の限定するものではない第３の目的は、燃料電池スタックを加熱するために燃料電池スタックへ送られる圧縮空気が保有する熱を利用する、冷間始動又は低温状態で車両の燃料電池スタックを選択的かつ迅速に予熱するシステム及び方法を提供することである。
【００１０】
本発明の限定するものではない第４の目的は、燃料電池スタックの予熱と水素ガスの予熱とを行うために圧縮空気が保有する熱を利用する、冷間始動又は低温状態で車両の燃料電池スタックを選択的かつ迅速に予熱するシステム及び方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の観点によれば、燃料電池を選択的に加熱するシステムが提供される。このシステムは、空気圧縮機と、上記空気圧縮機と接続されて該空気圧縮機からの圧縮空気が送り込まれると共に上記燃料電池と接続された導管システムとを備え、上記導管システムは、冷間始動状態で選択的に上記圧縮空気を上記燃料電池へ直接供給し、該燃料電池を加熱している。
【００１２】
本発明の第２の観点によれば、車両内の燃料電池へ空気と水素ガスを供給するシステムが提供される。このシステムは、上記水素ガスを選択的に貯蔵する燃料タンクと、該燃料タンクを上記燃料電池と選択的に接続して上記水素ガスを上記燃料電池へ選択的に送るための第１の導管システムと、上記空気を受けて圧縮する圧縮機と、上記圧縮機と上記燃料電池に接続され、上記圧縮空気を受けて上記燃料電池へ選択的に送るための第２の導管システムと、上記第２の導管システムに設けられて動作し、上記燃料電池へ送られる前に上記圧縮空気を選択的に冷却するための空気冷却用熱交換器と、上記第２の導管システムに設けられて作動し、上記圧縮空気を選択的に上記空気冷却用熱交換器をバイパスさせるための少なくとも一つのバイパス弁とを備えている。
【００１３】
本発明の第３の観点によれば、選択的に空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機に接続されて圧縮空気が送り込まれると共に燃料電池スタックに接続される空気導管システムと、該空気導管システムに設けられて上記圧縮空気を選択的に冷却するための空気冷却用熱交換器とを備える車両に設けられた燃料電池スタックを加熱する方法が提供される。この方法は、上記圧縮空気が上記空気冷却用熱交換器をバイパスして上記燃料電池スタックへ直接送られるようにし、それによって上記燃料電池を加熱する工程を備えている。
【００１４】
これらのものなどの、本発明の特徴、観点及び利点は、以下の説明を読み、添付の図面を参照することにより、明らかとなろう。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１には、システム１０のブロック図が示されている。このシステム１０は、本発明の好ましい実施の形態に従い製作され、車両１４内の一つ又は複数の燃料電池１２を選択的に予熱できるものである。具体的に、システム１０は、車両１４に動力を供給する一つ又は複数の水素ベースの燃料電池１２（例えば燃料電池スタック）を備える車両１４と組合わせての使用に適合している。好ましい実施形態において、車両１４は、電気自動車又はハイブリッド電気自動車である。また、燃料電池１２は、電力を発生するために、水素ガスと空気（例えば、空気中の酸素）を消費する化学反応を用いる。本発明の好ましい実施形態において、燃料電池１２は、水素ガスを用いる形式のものであるが、他の代替実施形態においては、燃料電池１２内で電力を発生するために他の圧縮気体を用いるものであってもよい。この場合においても、システム１０は、燃料電池１２を予熱するのに実質的に同一の態様で機能し、実質的に同様の効果を提供する。
【００１６】
システム１０は、比較的高圧の水素ガスを受けて貯蔵する通常の貯蔵部若しくは燃料タンク１６と、第１熱交換器１８と、第２熱交換器２０と、圧縮機２２と、バイパス弁２６と、制御器３０と、車両センサ３２とを備えている。第１熱交換器１８は空気冷却用熱交換器を構成し、第２熱交換器２０は燃料加熱用熱交換器を構成する。
【００１７】
更に、システム１０は、燃料用導管システム４２を備えている。この燃料用導管システム４２は、車両１４の全体に亘って配設されて燃料タンク１６から燃料電池１２へ水素を選択的に輸送する一つ又は複数の管又は管路を備えている。また、燃料用導管システム４２は、一つ又は複数の一般的な減圧弁を備えるものであってもよい。図１に示すように、燃料用導管システム４２は、第２熱交換器２０と燃料電池１２を接続している。
【００１８】
空気用導管システム４４は、燃料電池１２と空気供給源を接続している。この空気用導管システム４４は、車両１４の外部に連通して外気を取り入れる第１の導管４８と、この導管４８に接続されてそこから空気を取り込む圧縮機２２とを備えている。更に、この空気用導管システム４４は、圧縮機２２とバイパス弁２６を接続する導管５０と、燃料電池１２とバイパス弁２６を接続する導管５２とを備えている。導管５２は、第１熱交換器１８を通っている。この第１熱交換器１８は、圧縮機２２から受けた空気を、燃料電池１２へ供給する前に冷却する。
【００１９】
第１熱交換器１８をバイパスする導管５４は、バイパス弁２６と燃料電池１２を接続している。第２熱交換器２０は、導管５４の途中に配置されて動作し、導管５４から送り込まれた空気を、燃料用導管システム４２内を流れる水素ガスの加熱に用いる。本発明は、前述の導管システム若しくは構成に限定されるものではなく、代替の実施形態において、異なる数の又は追加の導管がシステム１０の各種構成部品を相互に接続するのに用いられていてもよい。例えば、そして限定するものではないが、車両１４は、排気用またはリターン用の導管システム（図示せず）を備えていてもよい。この排気用またはリターン用の導管システムは、車両１４からの排気の処理や除去を行い、あるいは未利用の水素ガスを燃料電池１２へ戻す。
【００２０】
制御器３０は、電気信号の伝送経路(バス)５６をによってバイパス弁２６と、伝送経路６６によって車両センサ３２と、それぞれ通信可能に電気的に接続される。
【００２１】
好ましい実施形態において、制御器３０は、通常のマイクロプロセッサーをベースとする制御器であり、限定するものではない実施形態において、制御器３０は、通常のエンジン制御ユニット（engine control unit、略して“ECU”）の一部を構成する。他の代替実施形態において、制御器３０は、エンジン制御ユニットの外部に取り付けられていてもよい。
【００２２】
燃料タンク１６は、水素ガスのような圧縮気体燃料を比較的高圧の状態で受けて貯蔵するのに適合した通常の貯蔵タンクである。好ましい実施形態において、第２熱交換器２０は、通常の気体−気体の熱交換器であって、導管５４を流れる圧縮空気から燃料用導管システム４２を流れる水素ガスへ熱エネルギーを移動させる。
【００２３】
好ましい実施形態において、圧縮機２２は、タービン等の機器を含む通常の圧縮機である。この圧縮機２２は、導管４８に接続されており、この導管４８を通して空気を（例えば、外部環境から車両へ）吸い込んで圧縮し、導管５０と導管５２又は導管５４の何れかとを通じて圧縮空気を燃料電池１２へ送る。
【００２４】
第１熱交換器１８は、通常の気体−流体の熱交換器である。この第１熱交換器１８には、導管５２から選択的に圧縮空気が送り込まれ、外部供給源（図示せず）から冷却液（例えば水）が送り込まれる。第１熱交換器１８は、圧縮空気中の熱エネルギーを冷却液に吸収させ、若しくは冷却液に伝達し、それによって燃料電池１２へ送られる空気を冷却する。
【００２５】
センサ３２は、一般的で商業的に入手可能な車両作動センサで構成される。このセンサ３２は、システム内（つまり種々の導管内）の水素ガスや空気の圧力と温度、外気や雰囲気の温度などの種々の作動特性について、その計測や推定を行う。センサ３２は、この様な特性の計測や推定を行い、その計測値や推定値を表す信号を制御器３０へ送る。この制御器３０は、バイパス弁２６を作動させたり操作するために、センサ３２からの信号を利用する。
【００２６】
バイパス弁２６は、通常の電子制御弁（例えば電磁弁）である。このバイパス弁２６は、圧縮機２２からの圧縮空気が導管５２（そして第１熱交換器１８）を介して燃料電池１２へ送られる状態と、この圧縮空気が導管５４（そして第２熱交換器２０）を介して燃料電池１２へ送られる状態を切り換え可能としている。他の代替実施形態においては、異なる形式のバイパス弁を用いてもよい。
【００２７】
作動中のシステム１０は、圧縮空気が保有する熱エネルギーを利用し、冷間始動又は低温時において選択的に燃料電池１２と水素ガスを加熱する。具体的には、比較的低温状態若しくは冷間始動状態（例えば、０℃といった所定の閾値を下回る温度）において車両１４が始動される際、制御器３０は、バイパス弁２６を選択的に作動させ、それにより、導管５４を通じて圧縮空気を燃料電池１２へ送る。このことにより、圧縮されて温度上昇した圧縮空気で燃料電池１２を予熱することが可能となり、更に第２熱交換器２０を使用すれば、この圧縮空気で水素ガスを予熱することが可能となる。
【００２８】
バイパス弁２６を作動させるために、制御器３０は、センサ３２からの信号を受信する。このセンサ３２は、雰囲気温度、燃料電池１２の温度、燃料電池１２へ入る空気の温度（例えば圧縮空気の温度）や水素ガスの温度を表す値やそれらの推定値を供給する。雰囲気と燃料電池１２の温度が冷間始動状態を表す所定の閾値を下回るとき、制御器３０は、バイパス弁２６へ信号を送り、圧縮空気が第１熱交換器１８をバイパスして導管５４から燃料電池１２へ送られるようにバイパス弁２６を作動させる。加熱空気は、第２熱交換器２０を通り抜け、水素ガスと空気が燃料電池１２へ送られる前に水素ガスを加熱する。加熱された水素ガスと空気は、燃料電池１２を比較的迅速に加熱するのに役立つ。車両１４と燃料電池１２が作動してその温度が上昇し始めると、燃料電池１２へ送る前に圧縮空気から熱を奪っておく方が望ましくなってくる。制御器３０は、燃料電池１２の温度、雰囲気温度、圧縮空気温度を、センサ３２を使って監視する。燃料電池１２の温度又は雰囲気の温度が所定の閾値を越えると、制御器３０は、バイパス弁２６へ信号を送り、導管５２と第１熱交換器１８へ圧縮空気を流す。第１熱交換器１８は、圧縮空気を所望の温度まで冷却する。それにより、熱で燃料電池１２がダメージを受けるおそれを回避し、燃料電池１２を確実に効率的な温度で動作させるようにする。制御器３０に記録された所定の温度の閾値は、車両の形式や、システム１０で用いられる燃料電池の形式及び数に基くものとすることができる。代替実施形態において、バイパス弁２６を作動させる際に、制御器３０が、更に、センサ３２から受ける他の車両特性又は作動データを利用し又は考慮するようにしてもよい。もう一つの限定するものではない実施形態においては、第２熱交換器２０をシステムから取り除き、導管５４と燃料用導管システム４２のそれぞれを燃料電池１２へ直接接続してもよい。
【００２９】
以上の説明から判るように、前述のシステム１０によれば、燃料電池１２やそこへ送られる空気と水素ガスの選択的で比較的迅速な予熱が可能となる。更に言えば、システム１０は、この予熱機能を効率的で安価な態様で提供するものであり、補助的な電力供給部や加熱装置を必要としない。
【００３０】
本発明は、先に図示して説明してきた構造及び方法そのものに限定されるべきではなく、本発明の思想及び範囲から逸脱することなしに、各種の変更や改良がなされ得ることが、理解されるはずである。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べた様に本発明によれば、補助熱源や複雑な制御システムを必要とすることなしに、冷間始動又は低温状態で車両の燃料電池スタックを選択的かつ迅速に予熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施形態の内容に従い製作されるシステムであって、燃料電池駆動車両と共に使用され、冷間始動又は低温時に車両の燃料電池スタックを選択的かつ迅速に予熱するシステムのブロック図である。
【符号の説明】
１２    燃料電池
１８    第１熱交換器（空気冷却用熱交換器）
２０    第２熱交換器（燃料加熱用熱交換器）
２２    空気圧縮機
２６    バイパス弁
３２    センサ
４２    燃料用導管システム
４４    空気用導管システム
５０,５２,５４    導管
【図１】
0004386629.tif 000002