JP5697451B2 - 少なくとも１つの燃料電池を備えた燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、電気接続ラインと接続されている少なくとも１つの燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

バッテリを車両のエネルギー源として用いる場合、電気機械式スイッチを開くことによって、電気エネルギー源、すなわちバッテリからのシステムの２極遮断又は切断を行うことが知られている。このようなバッテリのコントロール・ユニットは、通常、外部へ通じるコンタクトからバッテリを切り離す２つのゲートを有している。現在、このことは、燃料電池システムでも相応の方法で実現されている。このような実施形態の欠点は、安全基準を満たすために、アクチュエータが少なくとも２つなければならないため、構成部品のコストが比較的高いという点にある。このような実施形態のもう１つの欠点は、切り離した後も引き続き高い電圧が残っているために、人が危険にさらされる恐れがあることである。ゲートを備える周知の実施形態の欠点は、ゲートが一旦電流値の大きな電流に通電さられてしまうと、ゲートの信頼性が低下してしまうことである。さらに、直流を遮断する場合、高い要求が満たされなければならない。したがって、特にコンポーネントの数が多いという理由から、比較的大きな取付けスペースも必要であり、そのために組立て作業にも多くの労力が必要となる。さらに、その制御は比較的複雑であり、コンポーネントの多さから重量も増加する。これらのすべての欠点は、特に高コストにつながる。

本発明の課題は、コストを低下させるとともに、作動状態調整の安全性を達成することのできる燃料電池システムを作ることである。

この課題は、請求項１による特徴を有する燃料電池システムによって解決される。

本発明による燃料電池システムは、電気接続ラインと接続されている少なくとも１つの燃料電池を有している。この燃料電池は、緊急遮断が必要な場合に短絡が可能である。したがって、ここでは、短絡を意図的に生じさせることができ、それによって望ましい方法で決められた形に発生させることができる。確実かつコストのかからない方法で、事故場面において緊急遮断が必要である場合に望ましい作動状態を達成することが可能である。燃料電池の短絡により、人を危険にさらす恐れのある許容外の高電圧が防止されるため、電源からは何も（電気ショックという意味での）危険が生じることはない。特に、これによって、制御の複雑性、組立て作業及び必要スペースを減少させることができる。少なくとも２つのアクチュエータを必要としないことによって、さらに、構成部品の削減及びそれによって重量を低下させることも可能となる。

「ライン」とは、本発明の範囲においては、狭義の意味での電気ラインを意味するばかりではなく、例えばバスバー、導管及び類似のものも意味している。

好ましくは、この燃料電池システムは、着火式で作動可能な機械式スイッチを有する短絡装置を含んでいる。

また、この短絡装置が電気機械式に作動可能なスイッチを有することも可能である。

さらに、短絡装置が半導体スイッチを有し、燃料電池を短絡するためにそのスイッチ抵抗を限定的に低下させるように準備することができる。

さらに、短絡装置が、火花間隙、特にガスアレスタを有するように準備することができる。ガスアレスタは、当業者には、ガス放電アレスタ、スパークギャップ又はガス入り過電圧避雷器という概念でも知られている。ガスアレスタは、少なくとも１つの点火電極を備えたトリガーエレメントとして形成することができる。少なくとも１つの点火電極を、作動パルス（電流パルス又は電圧パルス）を発生させるために準備されている装置と、少なくとも一時的に電気的に導通するように接続することができる。

この短絡装置、特に火花間隙は、短絡を何度も起こすことができるように設計可能であり、このことが、メンテナンス費用及びメンテナンス作業を最小に抑えることにつながる。

代替の方法として、短絡が１回だけ発生するように短絡装置を設計することができる。

特に、この短絡装置は、少なくとも１つの追加のスイッチエレメントを有し、このスイッチエレメントは、緊急遮断とは異なる他の作動モードにおいて、システムを遮断するために形成されている。このような、緊急遮断とは異なる他の作動モードは、例えば、このようなシステムのメンテナンス時又は通常のサービス時がある。

好ましくは、この追加のスイッチエレメントがインバータ又は変流器に割り当てられている。インバータ又は変流器の代わりに、さらにブーストコンバータ、バックコンバータ又はこれらの組合せが考慮の対象となる。特に、追加のスイッチエレメントは、スイッチ又は好ましくはトランジスタであるように準備することができる。

特に、外部に通じる接続ラインの電圧は、燃料電池の短絡後遅くとも６０秒、好ましくは５秒、特に好ましくは３秒で６０Ｖより小さく、好ましくは３０Ｖより小さく、特に好ましくはほとんど０Ｖとなる。

また、このシステムが複数の燃料電池、すなわち燃料電池スタックを含み、これらの燃料電池は導電性エレメントによって短絡することができ、この導電性エレメントは緊急遮断の際に全ての燃料電池をブリッジ可能であり、接続ラインに電気的に接続することができる。

緊急遮断が必要な状況は、独自のセンサーによって検知することができる。燃料電池システムが、移動可能なシステムとして形成され、車両に配置されている場合には、例えば、車両の事故を検出することが可能である。このために、例えば、加速度センサーが準備されており、この場合、事故状況の検知に応じて、加速度センサーにより緊急遮断が決定されると、これに対応して燃料電池の短絡が可能となる。このことは、緊急遮断の特殊な状況を検知することのできるセンサーだけが例として挙げられる。これの追加又は代替として、例えば、エアバッグ作動が、次に続く燃料電池システムの緊急遮断を決定するように準備することもできる。

意図的かつアクティブに作動する、緊急遮断における燃料電池の短絡により、外部へ作用する電圧はほとんど０Ｖとなる。残りの残留電荷は、エネルギー源、すなわち燃料電池自体の中で変換され、その結果として、特に燃料電池の加熱を生じる。この方法により、燃料電池を放電するために、燃料電池作動中の緊急遮断のコントロールが極めて効率的に実施され、なおかつ低コストで実現することが可能となる。さらに、これによって、外部に対して生じる高電圧防止の安全基準を満たすことができる。

また、これによって、少なくとも２つのアクチュエータと複雑な制御とを伴う従来の実施形態と比べ、重量をかなり軽減することも可能となる。

特に、電圧が６０Ｖ（基準に基づく電圧限界）より大きい電気エネルギー源には、そうした電圧により生命を危険にさらす可能性があるため、高い安全基準が課せられている。

従って、そのような高電圧を生じるバッテリの場合は、接続の切れるスイッチが使用されるが、これらのスイッチは、非常に高い直流が想定されているために、それ相応に複雑性及び費用も高くなる。さらに、エネルギー源と車両との間における一方向の短絡のため、特にハウジングでは、２極を分離した形で設ける必要がある。

引き続き、本発明の実施例を図に基づいて詳しく説明する。

本発明に基づく燃料電池システムの第１の実施例である。 本発明に基づく燃料電池システムの第２の実施例である。 本発明に基づく燃料電池システムの第３の実施例である。 本発明に基づく燃料電池システムの第４の実施例である。

図の中では、同一のエレメント又は機能の同じエレメントには同じ番号が付されている。

図１は、燃料電池システム１の図であり、これに関して、ここでは本発明を理解する上で十分な燃料電池システム１のコンポーネントのみが示されている。

この燃料電池システム１は、移動可能な燃料電池システムとして形成され、車両に配置されている。燃料電池システム１は、本実施例において、好ましくはＰＥＭ燃料電池として形成されている複数の燃料電池を備えた燃料電池スタック２を含んでいる。

燃料電池スタック２は、第１の電気接続ライン３及び第２の電気接続ライン４と接続されている。

燃料電池スタック２の外部には、第１の接続ライン３が電気接続部５を有し、第２の接続ライン４が電気接続部６を有している。

さらに、燃料電池システム１は、スイッチ８を備える短絡装置７を有し、これは調整エレメント９によって操作することができる。

図１には、開いた状態の短絡装置７が示されている。

緊急遮断が必要な場合に、燃料電池スタック２の短絡を起こすため、スイッチ８が調整エレメント９によって電気接続部５及び６と電気的に接続され、そのことによって短絡が生じる。

図１では、スイッチ８及び調整エレメント９によって、着火式で作動する機械式スイッチが実施されている。

スイッチ８を、電気機械式に作動するスイッチとして実施することもできる。このような実施形態の場合、通常の状態を「開いた」状態と定義することも、「閉じた」状態と定義することも可能である。

着火式で作動する機械式スイッチ又は電気機械式で作動するスイッチの代替として、半導体スイッチ１０を設けることも可能であり、これは、図１の補足として燃料電池システム１の隣に例として示されている。この半導体スイッチ１０は、スイッチ８及び調整エレメント９の代わりに短絡装置７の中に配置することができる。

半導体スイッチ１０は、燃料電池スタック２の短絡を起こすため、適切に破損させることができるため、高抵抗の状態から低抵抗の状態に切り替わる。

また、サイリスタなどの可逆的に切替え可能な半導体スイッチも考慮の対象となる。このような半導体スイッチは、さらに、電流が０になると同時に自動的に開く。さらに、この目的のために特別に考案された合金を溶解させて、次に短絡を引き起こすスイッチも考慮される。

半導体スイッチ、着火式で作動する機械式スイッチ及び電気機械式で作動するスイッチの代替として、燃料電池スタック２の短絡を起こす火花間隙を設けることもできる。

補足的に、燃料電池システム１の隣に火花間隙、特にガスアレスタ１８が示されている。このガスアレスタ１８は、スイッチ８及び調整エレメント９の代わりに短絡装置７の中に配置することができる。ガスアレスタ１８は、詳しく図に示されていない少なくとも１つの点火電極を有し、この点火電極は、作動パルスを発生させるための装置（図示されていない）と、少なくとも一時的に電気的に導通するように接続することができる。

図２には、燃料電池システム１のもう１つの実施例が示されており、この場合、燃料電池スタック２は、導電性エレメント１１によって短絡できるようになっている。この導電性エレメント１１は、緊急遮断の際に、両方の接続ライン３及び４を接続し、燃料電池をブリッジすることができる。この実施形態では、緊急の場合に、燃料電池スタック２の上を横断して導電接続が行われるため、それぞれの個々の燃料電池を短絡させ、放電することができる。これによって、損傷を与える可能性のある、個々の燃料電池の転極が防止される。さらに、高電圧の短絡という困難な問題が、１Ｖよりも小さい電圧の短絡という問題に縮小される。

燃料電池スタック２の残留電荷は、ガス供給の調整（このことは緊急の場合にはいずれにせよ要求されるものであるが）の際、管理しやすいものであり、オーバーヒートに関して危険となる可能性はない。このような理由から、ターミナル電圧が６０Ｖより小さいという条件を満たすために、燃料電池スタック２を短絡することができる。

図１による実施形態で説明した代替の方法は、着火式で作動可能な機械式スイッチ８又は半導体スイッチ１０に該当するが、いわゆる使い捨てのスイッチエレメントとして形成されている。このことは、図１で説明されている電気機械式作動スイッチ８の実施形態又は図２で説明されている、調整エレメント１２によって操作可能な導電性エレメント１１によるスイッチ機構とは異なっている。最後に挙げたこの実施形態は、スイッチの切り替えを何度も行うエレメントとして設計されているため、短絡を起こすために繰り返し作動させることができる。

最初に挙げた使い捨てスイッチエレメントと呼ばれる実施形態の場合、追加的に、通常の停車時間及びサービスモードのために、信頼性の高い遮断方式を組み込むことが準備されている。このことは、例えば、図３による実施形態に示されている。このために、通常のゲートに代わって、追加のスイッチエレメント１４を設けることができ、このスイッチエレメントは変流器又はインバータ１３に割り当てられている。この変流器又はインバータ１３は、さらにインダクタンス１５とダイオード１６とを含んでいる。この追加のスイッチエレメント１４は、スイッチ又は例えばトランジスタでもあり得る。これに関して、図３による実施形態では、変流器又はインバータ１３の中にすでにある電気スイッチ１４によって実施されている。このスイッチは、事故の要求事項に合わせる必要がないため、追加のコンポーネントという意味での追加費用は必要ない。

この関連において、図４にもう１つの実施形態が示されており、この場合、トランジスタ１４’が、変流器又はインバータ１３’に割り当てられている。追加的に、もう１つのスイッチ１７が設けられている。ここで示されているケースでは、無電流で閉じられている追加のスイッチ１４’が示されている。このことは、無電圧（すなわち短絡）が、アクティブな制御なしに可能であるという利点がある。通常使用されているその他のコンバータ内トランジスタは、無電流で開かれているトランジスタである。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック
３、４ 電気接続ライン
５、６ 電気接続部
７ 短絡装置
８ スイッチ
９、１２ 調整エレメント
１０ 半導体スイッチ
１１ 導電性エレメント
１３、１３’ インバータ又は変流器
１４ スイッチエレメント
１４’ トランジスタ
１５ インダクタンス
１６ ダイオード
１７ スイッチ
１８ ガスアレスタ

Claims (11)

1. 複数の燃料電池を有する燃料電池スタック（２）を備えた車両の燃料電池システムであって、前記燃料電池スタック（２）の両端部がそれぞれ第１及び第２の電気接続ライン（３、４）と接続され、
   緊急遮断のために短絡装置（７）が設けられており、該短絡装置（７）が、着火式で作動可能な機械式スイッチ（８）又は火花間隙を有していること、
   前記燃料電池スタック（２）の外部には、前記第１の電気接続ライン（３）が第１の電気接続部（５）を有し、前記第２の電気接続ライン（４）が第２の電気接続部（６）を有すること、および
   前記緊急遮断が必要な状況がセンサーによって検知されたとき、前記短絡装置（７）による前記燃料電池スタック（２）の短絡が、前記第１及び第２の電気接続ライン（３、４）の前記第１及び第２の電気接続部（５、６）を電気的に接続することにより行われることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記火花間隙が、ガスアレスタ（１８）として形成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。
3. 前記短絡装置（７）が、１回の短絡を起こすために設計されていることを特徴とする、請求項１及び２のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
4. 前記短絡装置（７）が、追加のスイッチエレメント（１４、１４’）を有し、該スイッチエレメント（１４、１４’）は、緊急遮断とは異なる他の作動モードにおいて、システムを遮断するために形成されていることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記スイッチエレメント（１４、１４’）がインバータ又は変流器（１３、１３’）に割り当てられていることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記スイッチエレメント（１４、１４’）がトランジスタであることを特徴とする、請求項４又は５に記載の燃料電池システム。
7. 短絡装置（７）が、何度も繰り返し短絡を起こすために設計されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
8. 外部に通じる前記接続ライン（３、４）の電圧が、前記燃料電池スタック（２）の短絡後遅くとも６０秒後には６０Ｖより小さくなっていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
9. 外部に通じる前記接続ライン（３、４）の電圧が、前記燃料電池スタック（２）の短絡後遅くとも６０秒後にはほとんど０Ｖになっていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
10. 外部に通じる前記接続ライン（３、４）の電圧が、前記燃料電池スタック（２）の短絡後遅くとも３秒後には６０Ｖよりも小さくなっていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
11. 外部に通じる前記接続ライン（３、４）の電圧が、前記燃料電池スタック（２）の短絡後遅くとも３秒後にはほとんど０Ｖになっていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
    

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