JP2015510223A - 燃料電池に空気を供給するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料電池（２）に空気を供給するための方法に関し、燃料電池（２）のカソード室（４）のために空気質量流量を搬送する制御可能な空気搬送装置を備える。本発明は、空気搬送装置（７）が、空気区間における圧力の既定値（ｐｓｏｌｌ）および／または空気区間の構成要素を横切る圧力損失の既定値（Δｐｓｏｌｌ）に調整されることを特徴とする。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に基づき詳細に定義された燃料電池に空気を供給するための方法に関する。本発明はさらに、この種の方法の利用に関する。

燃料電池システムにおける燃料電池に空気を供給するための方法は、一般の従来技術により公知である。このためには制御可能な空気搬送装置の使用が典型的であり、この装置では、例えばその回転数を、これによって燃料電池のために必要な空気体積あるいは空気質量が調整されるように制御することができる。特に乗り物における燃料電池システムの使用の場合、空気質量流量センサあるいは空気流メータが備えられることが公知かつ普通である。乗り物におけるこのような空気流メータの使用は、一般の従来技術から公知である。このような空気の塊の計測装置によって閉じた制御回路における空気質量流量が、空気供給装置を利用して、これに応じて調整することができる。

乗り物に関する技術から公知である空気質量流量センサは、しかしながら典型的には内燃機関のために設計されている。これらは比較的高価であり、内燃機関および燃料電池の異なる要求のため、燃料電池に空気を供給するために必要とされる目的には最適ではない。燃料電池システムに空気を供給するための条件は、内燃機関での条件とは異なるため、その後計測の際に大きな不正確性が生じ、また発明者が確認したところでは、空気質量流量センサが尚早に故障する。これはとりわけ、空気供給装置としての流体圧縮機をサージラインのあまりにも近くまで稼働させなければならない追加の必要性によって、ある特定のシステム構成において燃料電池の維持のために必要な空気質量流量が、通常内燃機関においてなされる吸気ラインではなく、空気供給装置の圧力側で測定されることが要求される場合に当てはまる。このような空気輸送装置の圧力側での計測においては、従来型の空気質量流量センサに重大な問題が生じ、その信頼性、計測の正確性、および寿命に対して非常にマイナスに作用する。

さらに特許文献１から、燃料電池システムの負担に依存した形の燃料電池システムの空気供給装置の制御が公知である。この制御可能な給気装置は、燃料電池によって得られた電力に依存して制御される。この制御は、純粋に電気量に基づけば、原則としては簡易である。しかしながら、空気質量流量あるいは空気体積流量に対する空気、温度、湿度、およびその他の影響量の流動条件がこの際全く考慮されないため、非常に大きな非正確性が生じる。

ＵＳ２０１１／０００３２２３Ａ１

したがって、ここに示す発明の課題は、これらの不利点を回避する燃料電池に空気を供給するための方法を示し、簡易かつ安価なシステムによって可能な限り正確な燃料電池のための空気質量流量の制御を提示することである。

本発明に基づき、この課題は請求項１の特徴部分の特徴によって解決される。この有利な構成と発展形態は、その他の従属する下位クレームにより提示される。さらに請求項９において、この方法の特に好ましい利用について提示されている。
本発明に基づく方法では、空気搬送装置が、燃料電池の空気区間における適した圧力の既定値および／または空気区間の構成要素を横切る圧力損失の既定値に調整されるものとする。

本発明に基づく方法では、手間のかかる、高額な、また燃料電池システムへの投入の際に非常に障害の起こりやすい空気質量流量センサを利用しなくてもよい。それでもなおこの方法では、圧力あるいは圧力損失の計測により、および有利な発展形態に基づき、既知の計測された大きさを用いた圧力または圧力損失の目標値の修正、および、簡易で信頼性が高く安価なセンサによる計測値を使用した空気質量流量あるいはこれに関連する値の決定が可能となる。ここで圧力センサは典型的には燃料電池システムにもともと備わっているため、この方法は設計上の追加の労力を要さずに、燃料電池システムの領域において簡易かつ効率的に実行することができる。圧力あるいは圧力損失はこの際、空気区間の全ての任意の位置で計測されることができる。このように、本発明に基づく燃料電池に空気を供給するための方法によって、所望の方法による確実で信頼性の高い燃料電池への空気供給が可能となる。空気を供給するために必要とされる構成要素の故障は絶対的最小限にまで抑えられる。

本発明に基づく方法の特に好ましく有利な発展形態では、これに加えて、圧力および／または圧力損失の既定値が計測された影響因子によって修正されるものとする。典型的には、燃料電池システムの空気区間から異なる複数の計測値がもともと得られる。さらにこれは、温度やこれに類似する値等のような燃料電池システムからの他の計測値にも当てはまる。もともと計測され、かつ制御機器において典型的に備えられているこれらの全ての値は、圧力または圧力損失の目標値をこれに応じて修正し、また、計測された圧力または圧力損失の値の可能な限り正確な制御を所望の空気質量流量において確実にするために、利用することができる。空気質量流量に影響を及ぼし、修正のために利用することのできるこの種の計測された値の他に、空気質量流量に対して間接的にのみ影響を及ぼす他の値も、目標値の修正に適したモデル計算にしたがって制御のために利用することができる。有利な発展形態では、圧力および／または圧力損失の既定値が、モデル計算から得られたさらなる影響因子によって修正されるものとする。このモデル計算には全ての利用可能な計測値を使用することができ、例えばシステムのシミュレーションを用いて、空気質量流量およびこの種のものに対する水素消費から、空気質量流量に対する電力推定を計算することができる。これらの値もまた、その後、圧力および／または圧力損失の目標値の修正に利用でき、圧力値の空気質量流量への適応の正確さをさらに上昇させることができる。

本発明に基づく方法の好ましく有利な発展形態では、計測値の直接の修正のための計測された影響因子は、その後同様に圧力および／または圧力損失の目標値の修正へと導くモデル計算のベースとして、後に挙げる１つまたは複数の値に基づくことができる。値としては特に、周囲の温度、燃料電池の温度、および／または空気質量流量の温度が適している。空気質量流量の組成、燃料電池の稼働状態、および現在の燃料電池の発電量も適したベース値となり得る。同様に、空気区間における弁装置の位置、空気質量流量の湿潤、または計測されたもしくは既知の漏出による可能性としての空気損失も、修正または修正のためのモデル計算のベースとして機能し得る。

有利な発展形態ではこれに加えて、既定値の修正が計算によって、および／または計測された値もしくはモデル計算から得られた値と空気質量流量との相関関係に関する特性マップによってなされる。これにより、非常に簡単かつ効率的に燃料電池への空気供給の正確性を向上させることができる。

さらに、本発明に基づく方法の他の非常に好ましい構成では、これに加えて空気質量流量センサが空気区間に配置され、この際燃料電池の稼働状態に応じて空気搬送装置が、圧力、圧力損失および／または計測された空気質量流量の既定の値に調整されるものとする。本発明に基づく方法のこの有利な発展形態ではこのため、再び空気質量流量センサが１つまたは複数の圧力センサに追加して使用される。ここで制御は、空気質量流量センサの計測値と、圧力あるいは圧力損失の計測との好ましい組み合わせに基づき行うことができる。こうして例えば、周知のように空気質量流量センサの正確性が低い、空気質量流量またはこれに付随する燃料電池の稼働状況の領域において、圧力または圧力損失の制御が可能となる。空気質量流量センサが周知のようによく機能する他の燃料電池の稼働状況では、これを使用できる。これは特に、場合によっては圧力あるいは圧力損失に関する計測だけでは難しいか、または不正確である稼働状況に当てはまる。こうして全体として、全体の負荷領域あるいは燃料電池システムの全ての稼働状況を通して空気供給の非常に正確な制御がもたらされる。特にここでは、１つの測定原理だけを使用する場合よりも、特に空気質量流量センサのみを使用する場合よりも、より正確で信頼性が高くなる。

本発明に基づく着想の有利な発展形態ではさらに、空気搬送装置がそれぞれ１つの値に調整されることも可能であり、この際、この値または別の値が制御の妥当性のチェックのために機能する。これにより妥当性に関する制御の観察が可能となり、こうして例えばセンサの故障またはこの種のものを簡単かつ効率的に発見することができる。既に上で述べたように、ある時は１つの計測手法を、またある時は別の計測手法を使用することが、燃料電池システムの稼働状態に応じて特に有意義であり得る。これらのそれぞれ別の計測手法はその後制御の妥当性の確認のために利用でき、こうして設置された両方の計測手法を燃料電池システムの通常の稼働に利用することができる。

燃料電池の必要に可能な限り正確に適応した空気質量流量による、可能な限り優れた空気供給の必要性は、極めてダイナミックに稼働される、つまり、必要とされる電力あるいは必要とされる空気と水素の供給における頻繁な切替えを伴うような燃料電池システムにおいて、特に重要となる。このようなシステムは特に乗り物で利用される。乗り物においては典型的には非常にダイナミックな電力供給が支配し、特に電力が少なくとも部分的に乗り物の駆動力として利用される場合にそうである。このため本発明に基づく燃料電池に空気を供給するための方法の好ましい利用は、乗り物のための電気的な力、特に電気的駆動力を供給するような燃料電池システムにおける燃料電池に空気を供給するための使用において見られる。このような乗り物は特に無軌道の地上車であり得るが、鉄道車両または船舶であってもよい。航空機における搭載型電力供給のための燃料電池システムの利用も、本発明に基づく乗り物に電力を供給する燃料電池システムの定義に含まれる。

本発明に基づく燃料電池に空気を供給するための方法の他の有利な構成は、以下に記載の図を参照して下記で詳細に説明する実施例に示す。

第一の可能な実施形態の方法の実施のための燃料電池システムの一部分を示す図である。 第二の可能な実施形態の方法の実施のための燃料電池システムの一部分を示す図である。 第三の可能な実施形態の方法の実施のための燃料電池システムの一部分を示す図である。 第四の可能な実施形態の方法の実施のための燃料電池システムの一部分を示す図である。 第五の可能な実施形態の方法の実施のための燃料電池システムの一部分を示す図である。

図１には、以下に記載する方法の実施のために関連する燃料電池システム１の一部分が示されている。これは主に、アノード室３とカソード室４を備えた燃料電池２を含む。燃料電池２自体は固体高分子形燃料電池のスタックとして構成されるものとする。燃料電池システム１はここに示す実施例において、一例として符号５のボックスによって示す乗り物の電気的駆動力を供給するものとする。燃料電池２のアノード室３の水素供給は本発明において重要な役割を持たないため、水素（Ｈ_２）の供給は単に一例として示されている。水素は例えば、符号６で示す燃料電池２のアノード室３を巡る循環路に戻されてもよい。再循環搬送装置や、循環路６における水および／またはガスの排出のための弁のような、一般的に見られる構成要素はここに示さないが、もちろんこれらを備えてもよい。

燃料電池２のアノード室４には酸素供給器として空気搬送装置７を通して空気が供給される。燃料電池２のカソード室４の理想的な空気供給あるいは酸素供給をいかなる状況でも確保するために、例えば流体圧縮機として構成され得る空気搬送装置７の回転数は、カソード室４の領域において所望の空気質量流量あるいは酸素流量が調整されるように制御される。空気搬送装置７の制御はここでは電子制御器８によってなされる。図１において電子制御器８は圧力ｐの入力値として機能し、この圧力は、ここに示す実施例では圧力センサ９によって燃料電池２のカソード室４の上流の空気区間において計測される。図２では空気区間における圧力センサ９の別の位置が、この実施例では燃料電池２のカソード室４の下流に示されている。このような圧力センサ９の位置も可能であり、考えられる。空気区間における圧力ｐの値の計測の代わりに、圧力損失Δｐも計測され得る。これは図３の類似の実施例で示す。圧力損失Δｐの値は図示するようにセンサ１０によって、または２つの圧力センサによって計測されてもよい。圧力ｐまたは圧力損失Δｐに基づいて、空気搬送装置７は電子制御器８によって、燃料電池２の要求を非常によく満たす形で制御されることができる。もちろんこれら両方の形の組み合わせも考えられ、可能である。これは図４から分かる。この構成においてはセンサ９，１０のうちいずれか１つの欠落を補うことができる。

このため、ここに示す実施例において空気搬送装置７は空気質量流量センサを利用せずに、閉じた制御回路において圧力の既定値（目標値）ｐ_ｓｏｌｌおよび／または圧力損失の既定値（目標値）Δｐ_ｓｏｌｌに調整される。すなわち、空気搬送装置７の回転数は電子制御器８によって、圧力の計測値ｐおよび／または圧力損失の計測値Δｐが、圧力の既定値ｐ_ｓｏｌｌおよび／または圧力損失の既定値Δｐ_ｓｏｌｌに調整されるように変化させられる。これによって既に、燃料電池２の各条件において必要とされる空気質量流量あるいは酸素質量流量を伴う、燃料電池２への優れた空気供給が達成される。圧力の既定値ｐ_ｓｏｌｌおよび／または圧力損失の既定値Δｐ_ｓｏｌｌ、つまり制御のための圧力および／または圧力損失目標値がさらに他の影響因子によって修正されることによって、燃料電池２の空気供給の制御の質はさらに向上する。このような修正は、例えば電子制御器８に保存された計算および／または特性マップによってなされ得る。特にここでは、空気質量流量に直接または間接的な影響を与える燃料電池システム１の全ての計測値が考慮され得る。ここで影響因子は即座に計測され得る。影響因子をシミュレーション計算、または他の計測値に基づく類似の計算といったモデル計算によって導き出すか、あるいは計算することも考えられる。この際修正は基本的な性質によってなされ得るため、例えば修正は長期的に有効な値に依存してなされるか、または、個々の時点において高い時間分解能によって圧力ｐ_ｓｏｌｌあるいは圧力損失Δｐ_ｓｏｌｌの目標値が適応されることによって、その時点でなされ得る。モデル計算によって間接的に影響量に対して実行される考え得る影響量と計測値は、例えば下記のようなものであり得る。
・周囲の温度
・燃料電池２の温度
・空気搬送装置７の上流および／または下流の空気の温度
・空気質量流量の組成
・燃料電池２の稼働状態
・燃料電池２の現在の発電量
・空気区間の弁装置の位置
・空気の湿潤、および／または
・空気区間の漏出による損失

この方法によって、手間のかかり高額で、燃料電池システム１を特別に投入する際に非常に障害の起こりやすい空気質量流量センサを使用せずに、簡単に効率的に、かつ、必要とされるセンサは通常既に用意されているためセンサを追加する必要なく、燃料電池２への空気供給の非常に正確な制御を実現することができる。

この方法のさらに別の構成を図５に示す。図５は大部分において図４に示す構成に対応している。これに加えて、空気質量流量センサ１１が空気区間に配置される。圧力センサ９と１０に加えて燃料電池システム１に配置されたこの空気質量流量センサ１１は、空気供給の制御の向上のために使用され得る。これは図４に基づく実施形態の例において示されており、すなわち圧力ｐの取得のためのセンサ９と圧力損失Δｐの取得のためのセンサ１０を備える。同様に図１〜３に基づいて示す他の実施例での空気質量流量センサ１１の補足も考えられ、可能である。

この方法のこの実施例において空気質量流量の制御は、空気質量流量センサ１１とセンサ９および／または１０の計測値との有利な組み合わせに基づいてなされ得る。こうして例えば、周知のように空気質量流量センサ１１の正確性が低い、燃料電池２の空気質量流量あるいは稼働状況の領域において、空気供給は圧力ｐ_ｓｏｌｌあるいは圧力損失Δｐ_ｓｏｌｌの既定の目標値に調整され得る。しかし、燃料電池２の他の稼働状況においてはこの代わりに、制御のために空気質量流量センサ１１が投入され得る。このために、空気質量流量センサ１１によって計測された現在の空気質量流量ｄｍ／ｄｔが、既定の、必要とされる空気質量流量ｄｍ_ｓｏｌｌ／ｄｔの目標値に調整される。この特に有利な形式によって、全ての負荷領域あるいは燃料電池２の全ての稼働状況に関して非常に正確な空気質量流量の制御が実現する。制御は、１つの測定原理のみを使用する場合よりも、特に正確になる。

さらにこの構成では、基本的には、特に燃料電池２の稼働状態に応じて空気質量流量ｄｍ／ｄｔか、または、圧力値ｐあるいは圧力損失Δｐに調整することが考えられる。この計測値、またはこれらのそれぞれ別の複数の計測値は、その計測値の妥当性の確認、あるいは観察に利用することができる。これによってシステムの障害の起こりやすさを最小限にし、非常に確実で信頼できる燃料電池２への空気供給の制御がもたらされる。障害が認識された際は、さらに、別の計測値に制御を切り替えることができる。

Claims (12)

1. 燃料電池（２）に空気を供給するための方法であって、前記燃料電池（２）のカソード室（４）のために空気質量流量を搬送する制御可能な空気搬送装置を備える方法において、
   前記空気搬送装置（７）が、空気区間における圧力の既定値（ｐ_ｓｏｌｌ）および／または前記空気区間の構成要素を横切る圧力損失の既定値（Δｐ_ｓｏｌｌ）に調整されることを特徴とする方法。
2. 前記圧力損失の現在値（Δｐ）が、前記空気区間の構成要素を横切って計測されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記圧力損失の現在値（Δｐ）が、前記構成要素としての前記カソード室（４）を横切って計測されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記圧力の現在値（ｐ）が、前記カソード室（４）の上流で計測されることを特徴とする、請求項１、２または３に記載の方法。
5. 前記圧力の既定値（ｐ_ｓｏｌｌ）および／または前記圧力損失の既定値（Δｐ_ｓｏｌｌ）が、計測された影響因子によって修正されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記圧力の既定値（ｐ_ｓｏｌｌ）または前記圧力損失の既定値（Δｐ_ｓｏｌｌ）が、モデル計算によって得られる他の影響因子によって修正されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記モデル計算が、計測された値をベースとして実行されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記計測された影響因子および／または前記計測された値が、以下の変数、
   ・周囲の温度
   ・前記燃料電池（２）の温度
   ・前記空気搬送装置（７）の上流および／または下流の空気の温度
   ・前記空気質量流量の組成
   ・前記燃料電池（２）の稼働状態
   ・前記燃料電池（２）の現在の発電量
   ・前記空気区間の弁装置の位置
   ・前記空気の湿潤、および／または
   ・前記空気区間の漏出による損失
   のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項５または７に記載の方法。
9. 前記圧力の既定値（ｐ_ｓｏｌｌ）および／または前記圧力損失の既定値（Δｐ_ｓｏｌｌ）の修正が、計算および／または特性マップによってなされることを特徴とする、請求項５〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 追加として空気質量流量センサ（１１）が前記空気区間に配置され、前記燃料電池（２）の稼働状態に応じて、前記空気搬送装置（７）が、前記圧力の既定値（ｐ_ｓｏｌｌ）、前記圧力損失の既定値（Δｐ_ｓｏｌｌ）および／または空気質量流量（ｄｍ_ｓｏｌｌ／ｄｔ）の既定値に調整されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記空気搬送装置（７）が、各場合において前記値の１つに調整され、別の前記値が制御の妥当性のチェックのために利用されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 電力、特に少なくとも部分的に駆動力として使用される電力、を乗り物（５）のために供給する燃料電池システム（１）における燃料電池（２）に空気を供給するための請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法の使用。

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