JP4949253B2 - 直列に接続された燃料電池からなり、燃料電池の隔離手段を有する電流製造装置および電流製造装置モニタ方法 - Google Patents

直列に接続された燃料電池からなり、燃料電池の隔離手段を有する電流製造装置および電流製造装置モニタ方法 Download PDF

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Description

本発明は、電気的に直列に接続された、少なくとも2つの燃料電池からなる、自動車の駆動モータ用の、電流製造装置に関する。
特に本発明は、正と負との2つの配電端子を介して自動車の電気装置、特に電気駆動モータへ電力を供給するための電流製造装置であって、上記電流製造装置は、それぞれ負電極と正電極とを有する、少なくとも2つの燃料電池を含み、上記燃料電池は、2つの上記配電端子の間に、電流が上流から下流方向に循環する電気接続線を介して電気的に直列に連結された電流製造装置に関する。
自動車の電気装置、特に電気駆動モータに電力を供給するために、電気自動車に燃料電池を設置することが知られている。燃料電池は、幾つかの利点の中で、特に自動車の高度の航続距離を保証しながら汚染物質を排出することなく電流を製造することを可能にするという利点を有する。
周知のように、燃料電池は、2つの2極板の間に軸方向に締め付けられた、個々のセルの軸方向の積層体からなる。2極板は、燃料電池の負電極と正電極を形成する。
各セルは、酸化剤を供給されるカソードと、燃料を供給されるアノードを有する。この場合、燃料は水素Hであり、酸化剤は大気中に含まれる酸素Oである。 各セルは、所定の電力の電流を作ることができる。2つの2極板の間に直列に取り付けられた、適正に積層されたセルは、直流発電機を形成する。
従って、燃料電池によって発生される最大電力は、積層された個々のセルの数に依存する。
通常、駆動モータのために充分強力な電流を供給するためのセルの積層体は、自動車に容易に搭載するためには軸方向に長過ぎる。このことが、積層体が、軸方向の長さが短い、「小さい」燃料電池を形成する、少なくとも2つの分離された積層体に分割される理由の1つである。分割された積層体は、長い「単体の」燃料電池と同じ電力の電流を生じるように直列に搭載される。
しかしながら、自動車に、直列に搭載された多数の燃料電池が装備される場合には、1個の燃料電池が故障したときには、その他の燃料電池が供給可能な電流も自動車は供給されなくなるという問題がある。
本発明は、上記問題を解消することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は「技術分野」に記載した電流製造装置において、各上記電気接続線は、閉位置と開位置へ制御可能な接続スイッチを有し、上記電流製造装置は、それぞれが、関連する上記燃料電池の直近の上流の上記電気接続線の上記接続スイッチの上流に接続された上流端と、関連する上記燃料電池の直近の下流の上記電気接続線の上記接続スイッチの下流に接続された下流端とを有する、バイパス線を含み、各上記バイパス線は、バイパススイッチを含み、上記燃料電池の少なくとも1つを、該燃料電池に関連する上記電気接続線の上記接続スイッチの位置と、上記バイパス線の上記バイパススイッチの位置を選択的に制御することによって、隔離することが可能であることを特徴とする、電流製造装置を提供する。
本発明のその他の特徴によれば:
−上記接続スイッチと、上記バイパススイッチと、上記バイパス線は、接続ケースの内部に配置され;
−上記電気接続線と上記バイパス線は、電流が誤った方向に循環することを回避する、単方向の半導体部品を含み;
−上記半導体部品は、上記接続ケースの内部に配置され;
−上記燃料電池の直近下流に配置される上記電気接続線は、上記接続スイッチの直近下流に配置されたヒューズを含み;
−上記ヒューズは、上記接続ケースの内部に配置され;
−上記ヒューズは、上記半導体部品を含み;
−各上記電気接続線は、上記接続ケースの外部の電気接続線を含み、外部の上記電気接続線は、上記接続ケースの側壁に配置されたコネクタを介して、上記燃料電池の上記負電極と上記正電極を、関連する上記接続スイッチへ連結し;
−同一の上記燃料電池の上記負電極と上記正電極に取り付けられる2つの外部の上記電気接続線は、上記電気接続線の中の電流の通過によって生じる磁界の強さを最小化するように互いに平行に近接して配置され;
−上記燃料電池の上記負電極と上記正電極の各々は2極板からなり、各上記2極板は、関連する外部の上記電気接続線への少なくとも1つの接続端子を有し、上記接続端子は、上記2極板の周辺端部から突出する上記2極板の概ね面内を伸びる。
また本発明は、以下の相次ぐステップ:
−モニタ手段が、上記燃料電池の1つが故障していることを検出する、検出ステップ;
−故障していることが検出された上記燃料電池への上記燃料および上記酸化剤の供給が停止される、停止ステップ;
−上記電流製造装置を上記電気駆動モータから切り離し、上記電気接続線と上記バイパス線における電流の循環が全面的に停止される、切り離しステップ;
−故障している上記燃料電池の直近の上流と直近の下流の上記電気接続線に取り付けられた上記接続スイッチは上記開位置へ制御され、故障している上記燃料電池の上記バイパス線に取り付けられた上記バイパススイッチは上記閉位置へ制御され、故障している上記燃料電池を短絡させる、隔離ステップ;
−上記電流製造装置を上記電気駆動モータへ再接続する、再接続ステップ;
を含むことを特徴とする、電流製造装置の制御方法も提供する。
本発明の電流製造装置の制御方法のその他の特徴によれば:
−上記切り離しステップにおいて、上記配電端子へ接続された上記電気接続線に取り付けられた上記接続スイッチを上記開位置へ制御することによって、上記燃料電池が切り離され;
−上記切り離しステップおよび上記隔離ステップにおいて、上記電気駆動モータは、補助電気供給手段から電気を供給され;
−上記補助電気供給手段はバッテリからなり;
−検出ステップにおいて上記燃料電池の1つが故障していることが検出されたときに起動され、警報手段が起動される、運転者に対して警報するステップを含む。
本発明のその他の特徴及び利点は、理解のために添付図面を参照する、本発明の詳細な説明を読むことによって明らかとなるであろう。これらの図面において:
−図1は、スイッチが設けられた電気接続線によって電気的に直列に連結された4つの燃料電池を含み、スイッチを有するバイパス線を含む、本発明による電流製造装置の模式図であり;
−図2は、バイパス線とスイッチが接続ケースの中に配置された、本発明による電流製造装置の変形の模式図であり;
−図3は、接続ケースの中のスイッチの配置を示す上面模式図であり;
−図4は、図1、2の燃料電池の斜視図であり;
−図5は、電流製造装置の制御方法を示す流れ図である。
以下の説明において、図1〜4における矢印「A」、「V」、「T」によって示された、軸、垂直、横方向を非限定的に採用する。
電気接続線における、1つの燃料電池の正電極から、次の燃料電池の負電極へ向かう、上流から下流への電流の循環方向を非限定的に採用する。
図1は、電流製造装置10を示す。電流製造装置10は、自動車に搭載され、例えば自動車のエンジンルームの中に搭載される。
電流製造装置10は、自動車に設置された電機装備、特に電気駆動モータに、電流を供給するためのものである。
ここでは、電流製造装置10は、4つの燃料電池14からなる。説明の簡単化のために、ここでは、燃料電池は軸方向に配置され、軸方向の順序に従って14A、14B、14C、14Dの符号が付けられている。しかしながら、本発明はこの配置に限定されるものではない。
燃料電池14の数は非限定的な例として示され、電流製造装置10は、少なくとも2つの燃料電池14を含む。
図4に示すように、各燃料電池14は、各セル15の軸方向の積層体によって作られ、各セル15は、負電極16と正電極18を形成する2つの2極板の間に軸方向に締め付けられる。
燃料電池14は、2つの供給回路(図示しない)によって、燃料と酸化剤を供給される。例えば、燃料は、水素Hであり、酸化剤は、酸素Oを主に含む空気である。燃料と酸化剤の流量を制御することによって、燃料電池14によって供給される電力が制御される。
燃料電池14は、電気接続線20を介して電気的に直列に接続される。このように、図1に示すように、電流製造装置10は、3つの電気接続線20を含む。電気接続線20の上流端は、前の燃料電池14A、14B、14Cの正電極に連結され、電気接続線20の下流端は、次の燃料電池14B、14C、14Dの負電極に連結される。
また電流製造装置10は、それぞれ、最初の燃料電池14Aの負電極16を第1の配電端子24へ接続し、最後の燃料電池14Dの正電極18を第2の配電端子24へ接続する、上流と下流の2つの端部の電気接続線22を含む。このように、これらの端部の電気接続線22は、正と負の配電端子24へ接続される。配電端子24は、電流製造装置10を、電気駆動モータ12へ接続するためのものである。このように、燃料電池14は、配電端子24の間に電気的に直列に接続される。
本発明によれば、各電気接続線20、22に接続スイッチ26が設けられる。各接続スイッチ26は、他の接続スイッチから独立に、関連する電気接続線20、22を電流が循環することが可能な閉位置と、電流が循環することが不可能な開位置へ制御することができる。
また電流製造装置10は、それぞれ燃料電池14に取り付けられた、4つのバイパス線28を含む。
バイパス線28の上流側の端部は、関連する燃料電池14の直近の上流に位置する電気接続線20、22、より詳細には、上流側の電気接続線20、22の接続スイッチ26の上流に接続される。
バイパス線28の下流側の端部は、関連する燃料電池14の直近の下流に位置する電気接続線20、22、より詳細には、下流側の電気接続線20、22の接続スイッチ26の下流に接続される。
各バイパス線28は、関連する燃料電池14A、14B、14C、14Dに並列に配置され、関連する燃料電池14を短絡すなわちバイパスして、上流側の電気接続線20、22を、下流側の電気接続線20、22へ直接接続する。
各バイパス線28も、電気接続線20、22の接続スイッチ26と同様に、閉位置と開位置へ制御することが可能な、バイパススイッチ30を有する。
このようにして、接続スイッチ26が閉位置にあり、バイパススイッチ30が開位置にあるときには、燃料電池14は全て電気的に直列に連結される。
接続スイッチ26とバイパススイッチ30を選択的に制御することによって、他の燃料電池14が配電端子24へ電流を供給することを可能にしながら、1または複数の燃料電池14を隔離することが可能である。
したがって、例えば故障したための燃料電池14Bを隔離することが必要なときには、燃料電池14Bの直近の上流と直近の下流の電気接続線20の接続スイッチ26は、開位置へ制御され、燃料電池14Bに取り付けられたバイパス線28Bのバイパススイッチ30は、開位置へ制御される。
この場合、電気駆動モータ12は、他の3つの燃料電池14A、14C、14Dによって引き続き電力を供給される。電流は、燃料電池14Bの故障によって止められることはなく、バイパス線28Bを循環することによって、燃料電池14Bをバイパスする。
図2は、本発明の電流製造装置の第2の実施の形態を示す。
ここでは、4つの燃料電池14A、14B、14C、14Dは、軸方向に向けられた2つの列、すなわち、燃料電池14A、14Bと、燃料電池14C、14Dとの2対に配置されている。
電流製造装置10は、4つの燃料電池14A、14B、14C、14Dを直列に接続するための、接続ケース32を有する。このため、燃料電池14は、接続ケース32の2つの対向する側壁40に配置されたコネクタ38へ、外部の電気接続線34を介して、電気的に接続されている。
このように、各側壁40は、2対のコネクタ38を有する。個々の燃料電池14の負電極16と正電極18は、取り付けられた外部の電気接続線34を介して、コネクタ38の個々の対のコネクタへそれぞれ連結される。
接続ケースの端壁42は、電気駆動モータに電気的に連結された、第1の実施の形態の配電端子24に相当する、2つの配電端子24を有する。
図3に示すように、接続ケース32は、先に説明したような、電気接続線20、22と、バイパス線28と、関連する接続スイッチ26と、バイパススイッチ30を有し、先に説明したように、燃料電池14を直列に接続し、また少なくとも1つの燃料電池を隔離することが可能である。
このように、接続ケースは、関連する接続スイッチ26が設けられた電気接続線20、22と、関連するバイパススイッチ30が設けられたバイパス線28の、内部の電気接続線36を含む。
外部の電気接続線34は、内部の電気接続線36から延伸され、第1の実施の形態と同様に、燃料電池14は直列に接続される。このように、第1の実施の形態において説明した電気接続線20、22は、ここでは、接続ケース32の側壁40の内側に設けられた関連するコネクタ38を介して電気的に接続された、外部の電気接続線34と、接続ケースの内部にある内部の電気接続線36からなる。
図3に示すように、接続スイッチ26とバイパススイッチ30は、それぞれが直列に連結された3つのスイッチを含む、軸方向に向けられた3つの平行な線44上に配置すると有利である。図3に示す例においては、側方の各線44は、バイパススイッチ30を介して連結された2つの接続スイッチ26を含むが、中央の線44は、接続スイッチ26を介して連結された2つのバイパススイッチ30を含む。
図3に示すように、接続ケース32を破損するリスクを及ぼす高電流が接続ケース32に流れることを回避するために、電気接続線20、22にヒューズ46を設けると有利である。
ヒューズ46は、接続ケース32の内側の、接続スイッチ26を燃料電池14の正電極へ連結する、内部の電気接続線36に挿入すると有利である。
図示しない変形によれば、電流が誤った向き、すなわち下流から上流の方向へ、負電極16から正電極18へ循環することを回避するために、電気接続線20、22に、単方向の半導体部品(図示しない)を挿入することができる。この半導体部品は、例えば、燃料電池14の正電極18を接続スイッチ26へ連結する、接続ケース32の内側の、内部の電気接続線36に挿入する。
図示しない他の変形によれば、ヒューズ46と上記の半導体部品は、これらの2つの部品の機能をともに満たす一つの部品からなる。
本発明の電流製造装置の他の一つの観点においては、燃料電池14によって供給される電流は、振幅は小さいが高周波の電磁波を生じる。図2を参照すると、個々の燃料電池14に関連する外部の電気接続線34が見える。これらの電気接続線34は、これらの電気接続線34の各々によって発生される電磁波が、全体として互いに打ち消されるように、有利に、互いに接近して平行に配置される。
本発明の電流製造装置のさらに他の一つの観点においては、図4に示すように、燃料電池14の負電極16と正電極18との2極板の各々は、2極板の横方向垂直面内を延び、周辺端部50から突出する、接続端子48を有する。
接続端子48は、負電極16と正電極18との2極板の周辺端部50の上部から上へ垂直方向に伸びる。負電極16と正電極18との2極板は、周辺端部50の2つの横方向の端部に配置され、個々の電気接続線34が2つの固定点において堅固に接続される、2つの接続端子48を有する。
これらの接続端子48は、特に、2極板すなわち負電極16と正電極18への、例えば、接続端子48の該当する取り付け穴52へ螺入される取り付けボルト(図示しない)による、電気接続線34の固定を容易にすることを可能にする。
各接続端子48の取り付け穴52は、様々な燃料電池14A、14B、14C、14Dの外部の電気接続線の空間的な配置を容易にするように、上下に垂直方向に離れた上の位置と下の位置に設けると有利である。
このようにして、図4に示すように、第1の外部の電気接続線34を、燃料電池14の負電極16の2極板の接続端子48の下の位置に固定し、第2の外部の電気接続線34を、燃料電池14の正電極16の2極板の接続端子48の上の位置に固定することが可能である。したがって、これらの外部の電気接続線は、この配置を得るために外部の電気接続線を曲げることを要することなく、互いに上下に配置される。
また本発明は、上述の実施の形態の任意に1つによる電流製造装置10の制御方法にも関する。
図5に模式図的に示すこの方法は、主に4つのステップからなる。
第1の検出ステップE1においては、モニタ手段(図示しない)は、燃料電池14A、14B、14C、14Dの1つが故障していることを検出する。
第1の検出ステップE1の結果が「正」、すなわち燃料電池の1つが故障していることが検出されたら、第2の停止ステップE2が起動される。第2の停止ステップE2においては、特に不必要に燃料および酸化剤を浪費しないように、燃料電池14A、14B、14C、14Dのうちの故障している燃料電池への燃料および酸化剤の供給は停止される。
第2の停止ステップE2に、電流製造装置10を電気駆動モータから電気的に切り離す第3の切り離しステップE3が続く。第3のステップE3においては、燃料電池14の全体は、接続ケース32の内部、すなわち、接続スイッチ26とバイパススイッチ30を電流が循環しないように、自動車の様々な電気装置から切り離される。
燃料電池14A、14B、14C、14Dは、例えば上流と下流の端部の電気接続線22に取り付けられた接続スイッチ26を開位置に制御することによって切り離される。第3の切り離しステップE3が終わると、燃料電池14A、14B、14C、14Dのうちの故障している燃料電池を隔離する第4の隔離ステップE4が起動される。この第4の隔離ステップE4においては、故障している燃料電池の直近の上流と下流の電気接続線20、22に取り付けられた接続スイッチ26は開位置に制御され、故障している燃料電池のバイパス線28に取り付けられたバイパススイッチ30は閉位置に制御される。
第3の切り離しステップE3において、燃料電池14は、自動車の電気装置から切り離されているので、電流は、接続ケース32の中を循環しない。したがって、接続スイッチ26とバイパススイッチ30の、一つの位置から他の位置への切り換えによって、火災を起こす可能性がある電気アークが発生する危険はない。
第4の隔離ステップE4の終りにおいては、燃料電池14A、14B、14C、14Dのうちの故障している燃料電池は隔離され、活性な燃料電池14を電気駆動モータ12へ再接続する最終の再接続ステップE5において、活性な燃料電池14は、全く安全に、自動車の電気装置へ再接続することができる。
図示しない本発明の電流製造装置の変形によれば、第3の切り離しステップE3と第4の隔離ステップE4において、自動車の電気装置、特に電気駆動モータ12の作動を完全に停止しないために、自動車は、例えばバッテリまたはアキュムレータのような補助電気供給手段(図示しない)を有する。したがって、電気駆動モータ12は、これらの補助電気供給手段から電気の供給を受けることができる。
電流製造装置10が故障しており、燃料電池を修理または交換する必要があることを自動車の運転者に知らせるために、第1の検出ステップE1において、燃料電池が故障していることが検出されたときに起動される、運転者に対して警報するステップを設けることができる。この警報ステップにおいては、ダッシュボードに設けられた警報灯と音響信号との少なくとも一方のような、警報手段が、車内において起動される。

Claims (15)

  1. 正と負との2つの配電端子(24)を介して自動車の電気装置、特に電気駆動モータ(12)へ電力を供給するための電流製造装置(10)であって、上記電流製造装置(10)は、それぞれ負電極(16)と正電極(18)とを有する、少なくとも2つの燃料電池(14)を含み、上記燃料電池(14)は、2つの上記配電端子(24)の間に、電流が上流から下流方向に循環する電気接続線(20、22)を介して電気的に直列に連結された電流製造装置において、各上記電気接続線(20、22)は、閉位置と開位置へ制御可能な接続スイッチ(26)を有し、上記電流製造装置(10)は、それぞれが、関連する上記燃料電池(14)の直近の上流の上記電気接続線(20、22)の上記接続スイッチ(26)の上流に接続された上流端と、関連する上記燃料電池(14)の直近の下流の上記電気接続線(20、22)の上記接続スイッチ(26)の下流に接続された下流端とを有する、バイパス線(28)を含み、各上記バイパス線(28)は、バイパススイッチ(30)を含み、上記燃料電池(14)の少なくとも1つを、該燃料電池(14)に関連する上記電気接続線(20、22)の上記接続スイッチ(26)の位置と、上記バイパス線(28)の上記バイパススイッチ(30)の位置を選択的に制御することによって、隔離することが可能であることを特徴とする、電流製造装置。
  2. 上記接続スイッチ(26)と、上記バイパススイッチ(30)と、上記バイパス線(28)は、接続ケース(32)の内部に配置されることを特徴とする、請求項1に記載の電流製造装置。
  3. 上記電気接続線(20、22)と上記バイパス線(28)は、電流が誤った方向に循環することを回避する、単方向の半導体部品を含むことを特徴とする、請求項2に記載の電流製造装置。
  4. 上記半導体部品は、上記接続ケース(32)の内部に配置されることを特徴とする、請求項3に記載の電流製造装置。
  5. 上記燃料電池(14)の直近下流に配置される各上記電気接続線(20、22)は、上記接続スイッチ(26)の直近下流に配置されたヒューズ(46)を含むことを特徴とする、請求項2〜4のいずれか1つに記載の電流製造装置。
  6. 上記ヒューズ(46)は、上記接続ケース(32)の内部に配置されることを特徴とする、請求項5に記載の電流製造装置。
  7. 上記ヒューズ(46)は、上記半導体部品を含むことを特徴とする、請求項3に従属する場合の、請求項6に記載の電流製造装置。
  8. 各上記電気接続線(20、22)は、上記接続ケース(32)の外部の電気接続線(34)を含み、外部の上記電気接続線(34)は、上記接続ケース(32)の側壁(40)に配置されたコネクタ(38)を介して、上記燃料電池(14)の上記負電極(16)と上記正電極(18)を、関連する上記接続スイッチ(26)へ連結することを特徴とする、請求項2〜7のいずれか1つに記載の電流製造装置。
  9. 同一の上記燃料電池(14)の上記負電極(16)と上記正電極(18)に取り付けられる2つの外部の上記電気接続線(34)は、上記電気接続線(34)の中の電流の通過によって生じる磁界の強さを最小化するように互いに平行に近接して配置されることを特徴とする、請求項8に記載の電流製造装置。
  10. 上記燃料電池(14)の上記負電極(16)と上記正電極(18)の各々は2極板からなり、各上記2極板は、関連する外部の上記電気接続線(34)への少なくとも1つの接続端子(48)を有し、上記接続端子(48)は、上記2極板の周辺端部(50)から突出する上記2極板の概ね面内を伸びることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1つに記載の電流製造装置。
  11. 請求項1〜10のいずれか1つに記載され、各上記燃料電池(14)は燃料と酸化剤を供給される、上記電流製造装置(10)の制御方法において、以下の相次ぐステップ:
    −モニタ手段が、上記燃料電池(14)の1つが故障していることを検出する、検出ステップ(E1);
    −故障していることが検出された上記燃料電池(14)への上記燃料および上記酸化剤の供給が停止される、停止ステップ(E2);
    −上記電流製造装置(10)を上記電気駆動モータ(12)から切り離し、上記電気接続線(20、22)と上記バイパス線(28)における電流の循環が全面的に停止される、切り離しステップ(E3);
    −故障している上記燃料電池(14)の直近の上流と直近の下流の上記電気接続線(20、22)に取り付けられた上記接続スイッチ(26)が上記開位置へ制御され、故障している上記燃料電池(14)の上記バイパス線(28)に取り付けられた上記バイパススイッチ(30)は上記閉位置へ制御され、故障している上記燃料電池(14)を短絡させる、隔離ステップ(E4);
    −上記電流製造装置(10)を上記電気駆動モータ(12)へ再接続する、再接続ステップ(E5);
    を含むことを特徴とする、電流製造装置の制御方法。
  12. 上記切り離しステップ(E3)において、上記配電端子(24)へ接続された上記電気接続線(22)に取り付けられた上記接続スイッチ(26)を上記開位置へ制御することによって、上記燃料電池(14)が切り離されることを特徴とする、請求項11に記載の電流製造装置の制御方法。
  13. 上記切り離しステップ(E3)および上記隔離ステップ(E4)において、上記電気駆動モータ(12)は、補助電気供給手段から電気を供給されることを特徴とする、請求項11または12に記載の電流製造装置の制御方法。
  14. 上記補助電気供給手段はバッテリからなることを特徴とする、請求項13に記載の電流製造装置の制御方法。
  15. 上記検出ステップ(E1)において上記燃料電池(14)の1つが故障していることが検出されたときに起動され、警報手段が起動される、運転者に対して警報するステップを含むことを特徴とする、請求項11〜14のいずれか1つに記載の電流製造装置の制御方法。
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