特表 2023-526127 燃料電池スタックを作動させるための熱交換器システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-06-20

(54)【発明の名称】燃料電池スタックを作動させるための熱交換器システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20230613BHJP

   H01M 8/04014 20160101ALI20230613BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20230613BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20230613BHJP

   H01M 8/04111 20160101ALI20230613BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 J

H01M8/04014

H01M8/04746

H01M8/0432

H01M8/04111

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022571879

(86)(22)【出願日】2021-05-21

(85)【翻訳文提出日】2022-11-22

(86)【国際出願番号】 EP2021063675

(87)【国際公開番号】W WO2021244881

(87)【国際公開日】2021-12-09

(31)【優先権主張番号】102020206918.2

(32)【優先日】2020-06-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】591245473

【氏名又は名称】ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100177839

【弁理士】

【氏名又は名称】大場 玲児

(74)【代理人】

【識別番号】100172340

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 始

(74)【代理人】

【識別番号】100182626

【弁理士】

【氏名又は名称】八島 剛

(72)【発明者】

【氏名】ケマー，ヘラーソン

(72)【発明者】

【氏名】ブラウン，ヨッヘン

【テーマコード（参考）】

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H127AB04

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB26

5H127BB37

5H127CC01

5H127DB26

5H127DC28

(57)【要約】

燃料電池スタックを作動させるための熱交換器システムを提案する。前記燃料電池スタックに供給されるカソードガスのための第１の圧縮器および第２の圧縮器であって、前記第２の圧縮器が流動的に前記第１の圧縮器の後方に配置されている前記第１の圧縮器および前記第２の圧縮器と、前記第２の圧縮器と機械的に連結され、前記燃料電池スタックの排出された前記カソードガスの流れを受けるタービンと、前記第１の圧縮器と前記第２の圧縮器との間に供給された前記カソードガスに熱結合されている第１の熱交換器と、前記第２の圧縮器の後方に供給された前記カソードガスに熱結合されている第２の熱交換器と、前記タービンの後方に排出された前記カソードガスに熱結合されている第４の熱交換器とを有している。この場合、前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器を冷却するための熱交換を制御するため、前記第４の熱交換器は前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器と熱的に可変に結合されている。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池スタック（１９０）を作動させるための熱交換器システム（１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００）において、
前記燃料電池スタック（１９０）に供給されるカソードガスのための第１の圧縮器（１４２）および第２の圧縮器（１５０）であって、前記第２の圧縮器（１５０）が流動的に前記第１の圧縮器（１４２）の後方に配置されている前記第１の圧縮器（１４２）および前記第２の圧縮器（１５０）と、
前記第２の圧縮器（１５０）と機械的に連結され、前記燃料電池スタック（１９０）の排出された前記カソードガスの流れを受けるタービン（１５５）と、
前記第１の圧縮器（１４２）と前記第２の圧縮器（１５０）との間に供給された前記カソードガスに熱結合されている第１の熱交換器（１１０）と、
前記第２の圧縮器（１５０）の後方に供給された前記カソードガスに熱結合されている第２の熱交換器（１２０）と、
前記タービン（１５５）の後方に排出された前記カソードガスに熱結合されている第４の熱交換器（１４０）と、
を有し、
前記第１の熱交換器（１１０）および前記第２の熱交換器（１２０）を冷却するための熱交換を制御するため、前記第４の熱交換器（１４０）が前記第１の熱交換器（１１０）および前記第２の熱交換器（１２０）と熱的に可変に結合されている、
熱交換器システム（１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００）。

【請求項2】

第３の熱交換器（１３０）を有し、前記第３の熱交換器が、流動方向において前記タービン（１５５）の前方に排出された前記カソードガスと熱結合され、前記第３の熱交換器（１３０）を加熱するための熱交換を制御するため、前記第１の熱交換器（１１０）と前記第２の熱交換器（１２０）とが前記第３の熱交換器（１３０）と熱的に可変に結合されている、請求項１による熱交換器システム（１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００）。

【請求項3】

前記カソードガスを前記第２の圧縮器（１５０）の前方または後方で冷却するため、前記第４の熱交換器（１４０）が、冷媒および第１の三方弁（１６１）により、前記第１の熱交換器（１１０）と前記第２の熱交換器（１２０）との双方に熱的に可変に結合されている、請求項１または２による熱交換器システム（１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００）。

【請求項4】

前記タービン（１５５）の前方に排出された前記カソードガスに熱を供給するため、前記第１の熱交換器（１１０）と前記第２の熱交換器（１２０）とが、冷媒および第２の三方弁（１６２）により、前記第３の熱交換器（１３０）と熱的に可変に結合されている、請求項３による熱交換器システム（１００，２００，４００，５００，６００，７００）。

【請求項5】

前記タービン（１５５）の前方に排出された前記カソードガスに熱を供給するため、前記第２の熱交換器（１２０）が冷媒により前記第３の熱交換器（１３０）と熱結合されている、請求項２または３による熱交換器システム（１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００）。

【請求項6】

冷媒ポンプ（１６５）を有し、前記第１ないし第４の熱交換器（１１０，１２０，１３０，１４０）の間で前記冷媒ポンプ（１６５）により前記冷媒の流動を生じさせるため、前記冷媒による熱結合部が設置されている、請求項３～５のいずれか一項による熱交換器システム（１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００）。

【請求項7】

第５の熱交換器（１７０）を備え、前記第５の熱交換器が、熱を受容するため、流動方向において前記第３の熱交換器（１３０）の前方に排出された前記カソードガスと熱結合され、且つ前記第１の熱交換器（１１０）と熱結合されている、請求項５による熱交換器システム（３００）。

【請求項8】

前記第５の熱交換器（１７０）が、冷媒により前記第１の熱交換器（１１０）と熱結合されている、請求項７による熱交換器システム（３００）。

【請求項9】

前記第４の熱交換器（１４０）と前記第１の熱交換器（１１０）および前記第２の熱交換器（１２０）との熱結合部の間に、クーラーアッセンブリを備えた熱結合部が挿入されている、請求項１～８のいずれか一項による熱交換器システム（４００，５００，６００，７００）。

【請求項10】

前記クーラーアッセンブリが、パワーエレクトロニクスクーラー（４１０）および／またはインバータクーラーおよび／またはモータクーラー（４２０）および／またはコンバータクーラーを有している、請求項９による熱交換器システム（４００，５００，６００，７００）。

【請求項11】

請求項１～１０のいずれか一項による熱交換器システム（１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００）を制御する方法において、前記熱交換器システム（１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００）が第１の温度センサと第２の温度センサとを有し、前記第１の温度センサが、前記第２の圧縮器（１５０）の前方に供給された前記カソードガスの温度を測定するために配置され、前記第２の温度センサが、前記タービン（１５５）の前方に排出された前記カソードガスの温度を測定するために配置され、前記第１の三方弁（１６１）および／または前記第２の三方弁（１６２）を、前記第２の温度センサの温度が最大になるように、および／または、前記第１の温度センサの温度が最小になるように制御する方法。

【請求項12】

請求項１～１０のいずれか一項による熱交換器システム（１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００）を、モバイルプラットホームに電気エネルギーを供給するために使用する方法。

【請求項13】

コンピュータによってコンピュータプログラムを実施する際に、前記コンピュータをして請求項１１に記載の方法を実施させる命令を含んでいるコンピュータプログラム。

【請求項14】

請求項１３に記載のコンピュータプログラム製品が記憶されている、機械読み取り可能な記憶媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

【背景技術】

【0002】

水素をベースにした燃料電池は、水のみを放出し、迅速な燃料補給時間を可能にするので、将来のモビリティコンセプトの基礎と見なされる。たとえばＰＥＭ燃料電池（ＰＥＭ英語名：“ｐｒｏｔｏｎ－ｅｘｃｈａｎｇｅ－ｍｅｍｂｒａｎｅ”Ｐｒｏｔｏｎｅｎ－Ａｕｓｔａｕｓｃｈ－Ｍｅｍｂｒａｎ）は、燃料電池のカソードに供給されて酸化剤としての酸素を含んでいる空気と、燃料電池のアノードに供給される燃料としての水素とを用いて、電極触媒プロセスで作動させることで、電気エネルギーを高効率で提供することができる。

【0003】

圧縮されたカソードガスは、２００℃までの温度に達することがある。下流側に接続されているカソードガス加湿器のような構成要素または燃料電池スタック自体を保護するためには、たとえばいわゆるインタークーラーのような熱交換器によってカソードガスを＜１２０℃に冷却せねばならない。

【発明の概要】

【0004】

供給または排出されたカソードガス内の複数の熱交換器により、燃料電池スタックの主冷却回路の負荷を軽減することができ、タービンにより排ガスエンタルピー回復効率を向上させることができ、中間冷却により第２の圧縮器段の効率を改善でき、高すぎる空気進入温度から燃料電池スタックを保護することができる。なお、これらの効果の程度は、燃料電池スタックのその都度の作動状態に対し最適化されねばならない。

【0005】

本発明の観点に対応して、燃料電池スタックを作動させるための熱交換器システムと、熱交換器システムを制御する方法と、熱交換器システムを使用する方法と、コンピュータプログラムと、機械読み取り可能な記憶媒体とが独立請求項の構成に対応して提案され、これらは少なくとも部分的に前述の課題を解決する。有利な構成は、従属請求項および以下の説明の対象である。

【0006】

本発明は、熱交換器システムの複数の熱交換器の間での適当な熱的に可変な結合により、供給および／または排出されたカソードガスの温度を燃料電池スタックの種々の作動条件に対し最適化できるという認識に基づいている。

【0007】

１つの観点によれば、燃料電池スタックを作動させるための熱交換器システムが提案され、すなわち燃料電池スタックに供給されるカソードガスのための第１の圧縮器および第２の圧縮器を有し、第２の圧縮器が流動的に第１の圧縮器の後方に配置されている熱交換器システムが提案される。熱交換器システムは、さらに、第２の圧縮器と機械的に連結され、燃料電池スタックの排出されたカソードガスの流れを受けるタービンを有している。熱交換器システムは、さらに、第１の圧縮器と第２の圧縮器との間に供給されたカソードガスに熱結合されている第１の熱交換器と、第２の圧縮器の後方に供給されたカソードガスに熱結合されている第２の熱交換器と、タービンの後方に排出されたカソードガスに熱結合されている第４の熱交換器とを有し、この場合第１の熱交換器および第２の熱交換器を冷却するための熱交換を制御するため、第４の熱交換器は第１の熱交換器および第２の熱交換器と熱的に可変に結合されている。

【0008】

このような可変熱結合は、複数の熱交換器間での冷媒の交換によるガス・冷媒熱交換器により、複数の熱交換器間での複数のガス流の交換によるガス・ガス熱交換器により、或いは、複数の熱交換器間での熱交換のために伝熱性が異なる複数の材料によるまたは可変の接触面による、複数の熱交換器間での他の熱結合により達成できる。可変熱結合とは、特に作動中に変化させることができる熱結合と理解してよいが、しかしさらには、熱交換器システム内部の熱結合を構造的に可変に調整させる熱結合と理解してもよい。後者は特に流体流内で絞りを使用する、熱交換器間に接触面を使用するなどして調整する。

【0009】

なお、方向に関する記載は該当する流動の方向に関する。

【0010】

このような熱交換器システムを用いると、特に熱交換器システム内部でのカソードガス流の温度を最適化することができる。
特に、第２の圧縮器のより優れた効率を達成するため、第１の圧縮器と第２の圧縮器との間でのカソードガスの温度を可変熱結合によって可能な限り低い温度へもたらすことができ、その結果電気圧縮部の負荷軽減も得られる。圧縮のためにわずかなエネルギーを消費すればよいので、燃料電池スタックの出力を減少させることができ、その結果コストが低減する。
有利な態様では、熱劣化に対する燃料電池スタックの特に優れた保護を可能にするために、よって寿命の向上を可能にするために、可変熱結合から、第２の圧縮器の後のカソードガスの冷却を可能な限り低い温度レベルにもたらすことができるという結果が得られる。さらに、冷却出力の一部がカソード空気を用いて達成されるので、主冷却回路の負荷軽減が得られて有利である。
有利な態様では、第４の熱交換器は、排気装置からの水滴を最小限にするために、排気装置の前方に排出されたカソードガスがより高い温度レベルへ加熱されることを生じさせる。

【0011】

１つの観点によれば、熱交換器システムが第３の熱交換器を有し、第３の熱交換器が、流動方向においてタービンの前方に排出されたカソードガスと熱結合され、第３の熱交換器を加熱するための熱交換を制御するため、第１の熱交換器と第２の熱交換器とが第３の熱交換器と熱的に可変に結合されていることが提案される。

【0012】

タービンのより優れた効率を生じさせ、これによって電気圧縮部の負荷軽減を生じさせるため、熱的に可変な結合により、タービンの前方に排出されたカソードガスの加熱を可能な限り高い温度レベルへ最適化することができる。この場合も、カソードガスの圧縮のために必要な電力を減少させることにより、燃料電池スタックの出力の低減が可能であり、その結果コストの低減も得られる。

【0013】

１つの観点によれば、カソードガスを第２の圧縮器の前方または後方で冷却するため、第４の熱交換器が、冷媒および第１の三方弁により、第１の熱交換器と第２の熱交換器との双方に熱的に可変に結合されていることが提案される。

【0014】

第１の熱交換器によって冷却された冷媒は、カソードガスが第１の熱交換器後も第２の熱交換器後も約７０℃冷却されるように、三方弁によって分割することができる。

【0015】

１つの観点によれば、タービンの前方に排出されたカソードガスに熱を供給するため、第１の熱交換器と第２の熱交換器とが、冷媒および第２の三方弁により、第３の熱交換器と熱的に可変に結合されていることが提案される。
第２の三方弁により、第１の熱交換器からの冷媒流と第２の熱交換器からの冷媒流とを最適化して混合させることができ、その結果第３の熱交換器は、燃料電池スタックから排出されたカソードガスを高い温度レベルへもたらすことができる。

【0016】

１つの観点によれば、タービンの前方に排出されたカソードガスに熱を供給するため、第２の熱交換器が冷媒により第３の熱交換器と熱結合されていることが提案される。
換言すれば、冷媒と第２の熱交換器および第３の熱交換器との間のダイレクトな流動結合により、たとえば両熱交換器の流動結合部内の、または、この流動結合部の直径部内の調整可能な絞りを用いて調整できる、特にダイレクトな熱結合が達成される。

【0017】

これにより、タービンの効率を改善するために、タービン前方の温度を上昇させることができる。

【0018】

１つの観点によれば、熱交換器システムが冷媒ポンプを有し、第１ないし第４の熱交換器の間で冷媒ポンプにより冷媒の流動を生じさせるため、冷媒による熱結合部が設置されていることが提案される。

【0019】

１つの観点によれば、熱交換器システムが第５の熱交換器を有し、第５の熱交換器が、熱を受容するため、流動方向において第３の熱交換器の前方に排出されたカソードガスと熱結合され、且つ第１の熱交換器と熱結合されていることが提案される。その際、特に第１の熱交換器と第５の熱交換器との間の結合部は熱的に可変に設置されていてよい。

【0020】

１つの観点によれば、第５の熱交換器が、冷媒により第１の熱交換器と熱結合されていることが提案される。

【0021】

１つの観点によれば、第４の熱交換器と第１の熱交換器および第２の熱交換器との熱結合部の間に、クーラーアッセンブリを備えた熱結合部が挿入されていることが提案される。
したがって、他のアッセンブリも最適に冷却することを達成できる。
１つの観点によれば、クーラーアッセンブリが、パワーエレクトロニクスクーラーおよび／またはインバータクーラーおよび／またはモータクーラーおよび／またはコンバータクーラーを有していることが提案される。
電動機駆動もタービン駆動もされていてよいモータクーラーに対する一例としてのロータ軸ユニットは、ロータ軸システム内での損失または摩擦のために、たとえば高回転数による軸受損のために、冷却されねばならない。
ここに列挙したクーラーは、直列でも、並列でも、直列と並列の混合でも熱結合されていてよい。
特にパワーエレクトロニクスは、しかしロータ軸ユニットもそうであるが、低温度を必要とするので、当初はパワーエレクトロニクスを、そしてその後にロータ軸ユニットを冷却するために、熱交換器システムの最低温度レベルを使用することができる。すなわち、熱結合部のシーケンシャル接続もパラレル接続も可能である。
したがって、有利な態様では、熱交換器システムのコンセプト全体の中に他の熱源を組み入れることが全体論的な最適化を伴って可能である。
さらに、熱交換器システムの空気圧縮要素および熱交換器構成要素をコンパクトに且つ統合的に含んでいる空気モジュール内への構造的統合が可能である。
しかも、パワーエレクトロニクスまたはロータ軸ユニットを冷却するために、すなわちモータ冷却のために、他の冷却システムへの別途接続が必要ないので、必要な構成空間に関する利点を得ることができる。

【0022】

上述した熱交換器システムを制御する方法が提案され、この場合熱交換器システムは第１の温度センサと第２の温度センサとを有し、第１の温度センサは、第２の圧縮器の前方に供給されたカソードガスの温度を測定するために配置され、第２の温度センサは、タービンの前方に排出されたカソードガスの温度を測定するために配置されている。その際、第１の三方弁および／または第２の三方弁は、第２の温度センサの温度が最大になるように、および／または、第１の温度センサの温度が最小になるように制御される。

【0023】

上述の熱交換器システムを、モバイルプラットホームに電気エネルギーを供給するために使用する方法が提案される。

【0024】

モバイルプラットホームは、移動式で少なくとも部分的に自動化されたシステムおよび／またはドライバーアシストシステムであってもよい。一例は、少なくとも部分的に自動化された車両、または、ドライバーアシストシステムを備えた車両であってよい。すなわち、これに関連して、少なくとも部分的に自動化されたシステムは、少なくとも部分的に自動化された機能性に関してモバイルプラットホームを内包しているが、しかしモバイルプラットホームは、ドライバーアシストシステムを含んだ車両および他のモバイルマシーンをも内包している。モバイルプラットホームの更なる例は、複数のセンサを備えたドライバーアシストシステム、たとえばロボット掃除機または芝刈り機のような移動型マルチセンサロボット、マルチセンサ監視システム、製造機械、パーソナルアシスタント、或いは、アクセスコントロールシステムであってよい。これらシステムのいずれも完全にまたは部分的に自律的なシステムであってよい。

【0025】

燃料電池システムの作動のための電気エネルギーの効果的な使用は特にモバイルプラットホームにおいて有意義なので、このようなシステムの利点は特にモバイルプラットホームの給電に対し得られる。
上述の燃料電池スタックを作動させるための熱交換器システムは、定置の適用に対しても使用できる。

【0026】

コンピュータによってコンピュータプログラムを実施する際に、コンピュータをして上述の方法の１つを実施させる命令を含んでいるコンピュータプログラムが提案される。このようなコンピュータプログラムは、種々のシステムでの上述の方法の容易な使用を可能にする。

【0027】

上述のコンピュータプログラム製品が記憶されている、機械読み取り可能な記憶媒体が提示される。

【0028】

次に、本発明のいくつかの実施形態を図１ないし図７を用いてより詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】燃料電池スタックを作動させるための熱交換器システムを示す図である。

【図2】燃料電池スタックを作動させるための熱交換器システムの変形実施形態を示す図である。

【図3】燃料電池スタックを作動させるための熱交換器システムの他の変形実施形態を示す図である。

【図4】燃料電池スタックを作動させるための熱交換器システムの他の変形実施形態を示す図である。

【図5】燃料電池スタックを作動させるための熱交換器システムの他の変形実施形態を示す図である。

【図6】燃料電池スタックを作動させるための熱交換器システムの他の変形実施形態を示す図である。

【図7】燃料電池スタックを作動させるための熱交換器システムの他の変形実施形態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

図１は、燃料電池スタック１９０のカソード側１９５と、第１の圧縮器１４２と、タービン１５５と機械的に連結されている第２の圧縮器１５０とを備えた、燃料電池スタックを作動させるための熱交換器システム１００の概要を示している。

【0031】

カソード通路内では、カソードガスを、燃料電池スタック１９０の、上流側にあるカソード側１９５に供給し、カソード側１９５の下流側で周囲へ誘導する。
上流側では、カソードガスとしての空気を、燃料電池スタック１９０のカソード側１９５への供給のために周囲１９１からエアフィルタ１４５を介して案内することで、有害な粒子および特に有害な化合物を空気から濾過する。モータＭで駆動される第１の圧縮器１４２により、濾過された空気のカソードガス流を、カソードガス流と熱結合されている第１の熱交換器１１０に供給する。第１の圧縮器１４２によって加熱されたカソードガスを、第２の圧縮器１５０を用いて第２の圧縮を行う前に冷却することで、カソードガス流の圧縮過程の効率を向上させるため、第１の熱交換器１１０は圧縮されたカソードガス流から熱を受け取る。この熱を、第１の熱交換器１１０は、当該第１の熱交換器１１０と熱結合されている冷媒に結合させる。冷却したカソードガス流は、さらに圧縮するために第２の圧縮器１５０に供給する。

【0032】

たとえばモータなしで駆動される第２の圧縮器１５０により、さらに圧縮したカソードガス流を、当該さらに圧縮されたカソードガス流と熱結合されている第２の熱交換器１２０に供給する。
第２の圧縮器１５０によって加熱されたカソードガスを冷却することで、燃料電池スタック１９０のカソード側１９５へのカソードガス流の進入温度をコントロールするため、第２の熱交換器１２０は前記さらに圧縮されたカソードガス流から熱を受け取る。この熱を、第２の熱交換器１２０は、当該第２の熱交換器１２０と熱結合されている冷媒に結合させる。この再度冷却したカソードガス流は、燃料電池スタック１９０のカソード側１９５の入口接続部へ誘導する。

【0033】

燃料電池スタック１９０の下流側では、カソードガス流を、燃料電池スタック１９０のカソード側１９５の出口接続部１９２を介して、燃料電池スタック１９０のカソードガス側１９５から排出されたカソードガス流と熱結合されている第３の熱交換器１３０に供給する。
下流側に配置されているタービンの効率的な作動のために、排出されたカソードガス流の温度が上昇するように、当該排出されたカソードガス流を加熱するため、第３の熱交換器１３０は排出されたカソードガス流へ熱を放出する。この熱を、第３の熱交換器１３０は、当該第３の熱交換器１３０と熱結合されている冷媒から結合させる。この加熱され、排出されたカソードガス流を、当該排出されたカソードガス流からエネルギーを再利用してタービン１５５を作動させるために、タービン１５５へ案内する。
タービン１５５から、弛緩したカソードガス流を、当該弛緩したカソードガス流と熱結合されている第４の熱交換器１４０に供給する。
第４の熱交換器１４０は冷媒と熱結合されており、熱を冷媒から弛緩したカソードガスへ放出することで、冷媒の温度を低下させる。
このようにして加熱され、燃料電池スタック１９０のカソード側１９５の下流側で流れ、第４の熱交換器１４０から流出するカソードガス流を、次に燃料電池スタック１９０の周囲へ放出する。
冷却され、第４の熱交換器１４０から流出する冷媒を、第１の三方弁１６１を介して、第１の熱交換器１１０および第２の熱交換器１２０の双方に供給し、制御可能な三方弁１６１により、第４の熱交換器１４０と第１の熱交換器１１０および第２の熱交換器１２０との熱的に可変な結合を提供することができる。
加熱され、第１の熱交換器１１０および第２の熱交換器１２０から流出する冷媒を、第２の制御可能な三方弁１６２を介して第３の熱交換器１３０に供給し、これによって、第１の熱交換器１１０および第２の熱交換器１２０と第３の熱交換器１３０との熱的に可変な結合を提供することができる。このようにして、第１の三方弁１６１および第２の三方弁１６２の制御により、熱交換器間の熱交換を、当該熱交換を燃料電池スタックの異なる作動条件に対し最適化できるように、制御することができる。
第３の熱交換器１３０の冷媒の冷媒出口を第４の熱交換器１４０の冷媒入口と流動結合させている冷媒ポンプ１６５を用いて冷媒を前述の冷媒循環路内で循環ポンプ搬送することができ、したがって交換することができる。これにより、冷却循環路は閉じている。冷媒ポンプ１６５は他の位置に取り付けてもよく、たとえば熱交換器１４０と三方弁１６１との間に取り付けてもよい。
なお、すべての熱交換器１１０，１２０，１３０，１４０は、カソードガス流に関し冷媒でもって対向流原理で作動させてよい。

【0034】

図２は、前述の熱交換器システム１００に対する変形実施形態としての熱交換器システム２００の概要を示し、第２の熱交換器１２０の冷媒出口はダイレクトに流動結合部１６７を介して第３の熱交換器の冷媒入口と結合されている。変形実施形態であるこの熱交換器システム２００は第１の三方弁１６１だけを有しているにすぎないので、図によれば、第１の熱交換器１１０の冷媒出口はダイレクトに第４の熱交換器１４０の冷媒入口と結合されている。したがって、熱交換器システム２００内では、第１の三方弁１６１により、第４の熱交換器１４０と第１の熱交換器１１０および第２の熱交換器１２０との間に可変熱結合を提供することができる。

【0035】

図３は、図２で説明したシステム２００に対する変形実施形態として第５の熱交換器１７０を有している熱交換器システム３００の概要を示し、第５の熱交換器は、流動方向において第３の熱交換器の前方で、排出されたカソードガスと熱結合されているとともに、熱を吸収するために第１の熱交換器と熱結合されている。その際、この熱結合は、第１の熱交換器１１０の冷媒出口と第５の熱交換器１７０の冷媒入口との流動結合によって実現され、冷媒出口は、流動結合部１６９を介して、第３の熱交換器１３０の冷媒出口１６６と、冷媒ポンプ１６５の入口との双方に結合されている。その結果、第３の熱交換器１３０からの冷媒流も、第５の熱交換器１７０からの冷媒流も、共に冷媒ポンプ１６５の入口へ流れる。

【0036】

図４は、図１で説明したシステム１００に対する変形実施形態としての熱交換器システム４００の概要を示し、第４の熱交換器１４０と第１の熱交換器１１０および第２の熱交換器１２０との熱結合部の間に、クーラーアッセンブリとの熱結合部が挿入されている。その際、クーラーアッセンブリは、パワーエレクトロニクスクーラーとモータクーラーとを有している。この熱結合は、熱交換器システム４００において、パワーエレクトロニクスを冷却するために第４の熱交換器１４０の冷媒出口がまずパワーエレクトロニクスクーラー４１０と流動結合し、次にモータを冷却するためにモータクーラー４２０と結合されていることによって実現されている。このとき、モータクーラー４２０の冷媒出口は第１の三方弁１６１と流動結合されている。

【0037】

図５は、図４で説明したシステム４００に対する変形実施形態として、第４の熱交換器１４０の冷媒出口をパワーエレクトロニクスクーラーおよびモータクーラー４２０と並列に結合させている熱交換器システム５００の概要を示している。その際、パワーエレクトロニクスクーラー４１０と第４の熱交換器１４０との流動結合部５３１は、パワーエレクトロニクスクーラー４１０とモータクーラー４２０との間の熱結合を調整するために、絞り５１０を有している。パワーエレクトロニクスクーラー４１０とモータクーラー４２０との両冷媒出口は流動的に合流して、第１の三方弁１６１に通じている。すなわち、熱交換器システム４００との相違は、両クーラー４１０と４２０による冷媒の並列案内にある。

【0038】

図６は、図４で説明したシステム４００に対する変形実施形態として、第２の圧縮器１５０のためのモータクーラー６１０を有している熱交換器システム６００の概要を示し、第２の圧縮器は、第４の熱交換器１４０と第１の三方弁１６１との間に流動的に且つ熱的に直列に接続されている。すなわち、モータクーラー４２０の冷媒出口はモータクーラー６１０の冷媒入口と流動結合され、モータクーラー６１０の冷媒出口は第１の三方弁１６１と流動結合されている。

【0039】

図７は、図５で説明したシステム５００に対する変形実施形態として、一方ではパワーエレクトロニクスクーラー４１０およびモータクーラー４２０との、他方では第２の圧縮器１５０のモータクーラー６１０との第４の熱交換器１４０の流動的且つ熱的に並列な結合部を有している熱交換器システム７００の概要を示している。すなわち、第４の熱交換器の冷媒出口から流出する冷媒流は、一方ではパワーエレクトロニクスクーラー４１０およびモータクーラー４２０の流動的に並列な結合部に合流し、他方では第２の圧縮器１５０のモータクーラー６１０によって流動的に並列に案内され、それぞれの並列に延びている冷媒分岐部は第１の三方弁１６１で合流する。その際、冷媒流は、並列に延びている冷媒分岐部の間で、モータ冷却部４２０への冷媒供給部内に配置されている第１の絞り７１０と、第４の熱交換器１４０および第２の圧縮器１５０のモータクーラー６１０の冷媒供給部内に配置されている第２の絞り７２０とにより、分割させることができ、したがって２つの冷媒分岐部で熱結合を調整することができる。
当業者は、ここで示した燃料電池スタックを作動させるための熱交換器システムのトポロジー以外の他のトポロジーによっても発明体系を実現できることを認識している。たとえば、多重圧縮装置またはポンプおよび弁の他の回路を備えたエアシステムを用いたようなものがそれである。

【符号の説明】

【0040】

１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００ 熱交換器システム
１１０ 第１の熱交換器
１２０ 第２の熱交換器
１３０ 第３の熱交換器
１４０ 第４の熱交換器
１４２ 第１の圧縮器
１５０ 第２の圧縮器
１５５ タービン
１６１ 第１の三方弁
１６２ 第２の三方弁
１６５ 冷媒ポンプ
１７０ 第５の熱交換器
１９０ 燃料電池スタック
４１０ パワーエレクトロニクスクーラー
４２０ モータクーラー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【手続補正書】

【提出日】2022-11-22

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0001】

本発明は、燃料電池スタックを作動させるための熱交換器システムに関する。

【国際調査報告】