JP2020510293A - エネルギー変換器システム内の漏れを検知するための方法 - Google Patents

エネルギー変換器システム内の漏れを検知するための方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 本発明は、ガスを含んでいるエネルギー変換器システム（１）内の漏れを検知するための方法であって、前記エネルギー変換器システム（１）内のガス圧を調整するために圧力調整器（３）を使用し、該圧力調整器（３）がガス配量弁（４）を有し、以下のステップを含んでいる前記方法に関する。【解決手段】ａ．前記圧力調整器（３）の入口圧（１０）を測定し、前記圧力調整器（３）の出口圧（１２）を測定するステップ、ｂ．前記エネルギー変換器システム（１）の出力量（１６）を測定し、前記エネルギー変換器システム（１）の前記出力量（１６）を前提に、前記エネルギー変換器システム（１）内でのガス所要量を算出するステップ、ｃ．前記圧力調整器（３）の測定した前記入口圧（１０）と前記圧力調整器（３）の測定した前記出口圧（１２）とを前提に、前記圧力調整器（３）を貫流する第１の算出貫流量（２０）を特定するステップ、ｄ．前記ガス所要量を前提に、前記圧力調整器（３）を貫流する第２の算出貫流量（２２）を特定するステップ、ｅ．前記第１の算出貫流量（２０）と前記第２の算出貫流量（２２）とから第１の比較値（２４）を形成することによって、前記第１の算出貫流量（２０）を前記第２の算出貫流量（２２）と比較するステップ、ｆ．第１の制限値（２６）を特定し、前記第１の比較値（２４）の量が前記第１の制限値（２６）よりも大きい場合にエラー信号（３２）を発生させるステップ、を含む。【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスを含んでいるエネルギー変換器システム内の漏れを検知するための方法であって、前記エネルギー変換器システム内のガス圧を調整するために圧力調整器を使用し、該圧力調整器がガス配量弁を有している前記方法に関するものである。
特に、水素のような危険物質を含んでいる燃料電池のようなエネルギー変換器システムの場合、エネルギー変換器システムの密封性は大いに重要である。
燃料電池は、連続的に供給される燃料と酸化剤との化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換するガルヴァーニ電池である。すなわち、燃料電池は電気化学的エネルギー変換器である。公知の燃料電池では、特に水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）が水（Ｈ２Ｏ）、電気エネルギー、熱に変換される。
電解槽は、水（Ｈ２Ｏ）を電気エネルギーにより水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）に分解する電気化学的エネルギー変換器である。
とりわけ、プロトン交換膜(Proton-Exchange-Membran=PEM)型燃料電池が知られている。プロトン交換膜型燃料電池は、プロトンを透過させる、すなわち水素イオンを透過させる、中央に配置された膜を有している。これにより酸化剤、特に空気中酸素は、燃料から、特に水素から空間的に切り離されている。
プロトン交換膜型燃料電池は、さらに、アノードとカソードとを有している。燃料は燃料電池のアノードに供給され、触媒作用で電子を放出してプロトンに酸化される。プロトンは膜を通ってカソードに到達する。放出された電子は燃料電池から排出されて、外部の電気回路を介してカソードへ流れる。
酸化剤は、燃料電池のカソードに供給され、外部の電気回路からの電子の受容と、膜を通ってカソードへ到達したプロトンとを通じて反応し、水になる。このようにして発生した水は燃料電池から排出される。反応全体は以下のとおりである。
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ
この場合、燃料電池のアノードとカソードとの間に電圧が印加される。電圧を高めるために、複数の燃料電池を機械的に互いに直列に配置して１つの燃料電池積層体を形成し、これら複数の燃料電池を電気的に結合させることができる。燃料電池積層体はスタックとも呼ばれる。
ガスを含んでいるエネルギー変換器システムでは、機械的な、パッシブな減圧器および圧力調整器が使用されることが多く、パルス幅変調により制御されるガス配量弁を使用することも増えている。
エネルギー変換器システムは、圧力調整器を有する制御ユニットを含んでいることができる。圧力調整器は、通常、入口側に入口圧を有し、二次側に出口圧を有している。一般的には、燃料電池内で圧力調整器を使用する際、有利にはアノード圧に対応する圧力調整器の出口圧が制御ユニットの制御により測定されて、目標値に調整される。
二次側での圧力調整器の出口圧は、ガスをさらに配量せずとも、ガスの減少のために低下する。ガスの減少は様々な性質によるもので、特にプロトン交換膜（ＰＥＭ）を通じて水素をカソードへ搬送することによる燃料電池内での水素の消費のようなガスの消費により、或いは、パージ弁またはドレン弁による洗浄により、或いは、エネルギー変換器システムの漏れによっても引き起こされる。パージ弁またはドレン弁によるガス排流は、使用する弁の既知の特性から検出可能である。ガスの消費量は、たとえば１つの燃料電池内で発生した流動を測定することによってダイレクトに検出可能である。エネルギー変換器システムの漏れは満足に検出できないことが多い。
通常、エネルギー変換器システム内での漏れはたとえば周期的な圧力維持テストまたは外部のガスセンサによって検出され、燃料電池内での漏れは特に燃料電池外部の水素センサによって、特に燃料電池上方の水素センサによって検出される。
特許文献１は、圧力調整器を記載している。この圧力調整器は、該調整器の減圧比を高めるために複数のバルブステップを含み、燃料電池システムのアノード入口側に対し特に使用される。圧力調整は貫流量制御型圧力調整器を用いて行われ、二重膜を備えた膜装置が設けられている。第１の膜が水素を透過させるとき、水素が第２の膜と圧力調整器の空気側とに到達する前に漏れを検出することができる。
特許文献２は、燃料電池システムを検査するための方法および装置を記載している。この方法または装置は、燃料電池システムがアノード側および／またはカソード側で気密であるかどうか、および／または、燃料電池システムのアノード側とカソード側との間に漏れがあるかどうかを調べるために構成されている。検査混合物が燃料電池システムのアノード側に供給され、弁が閉じている際に、検査充填圧力が時間とともに許容できないほどに低下しているかどうかが観察される。これは、たとえば外部制御部に接続されていることができる圧力センサを用いて実施される。さらに、貫流量測定機構を漏れ検査のために利用することができ、この場合燃料電池システムは特定の検査圧力まで充填され、その後、検査圧力を設定レベルで維持するために検査ガスが順次流動するかどうかが貫流量測定機構を用いて測定される。
従来技術のこれら方法の欠点は、所望の作動外で別個の圧力テストを実施せねばならないこと、或いは、付加的なガスセンサが必要なことである。
独国特許出願公開第１０２００６０２３４３３号明細書 独国特許出願公開第１０２３１２０８号明細書
ガスを含んでいるエネルギー変換器システム内の漏れを検知するための方法であって、前記エネルギー変換器システム内のガス圧を調整するために圧力調整器を使用し、該圧力調整器がガス配量弁を有し、以下のステップを含んでいる前記方法が提供される。
ａ．前記圧力調整器の入口圧を測定し、前記圧力調整器の出口圧を測定するステップ、
ｂ．前記エネルギー変換器システムの出力量を測定し、前記エネルギー変換器システムの前記出力量を前提に、前記エネルギー変換器システム内でのガス所要量を算出するステップ、
ｃ．前記圧力調整器の測定した前記入口圧と前記圧力調整器の測定した前記出口圧とを前提に、前記圧力調整器を貫流する第１の算出貫流量を特定するステップ、
ｄ．前記ガス所要量を前提に、前記圧力調整器を貫流する第２の算出貫流量を特定するステップ、
ｅ．前記第１の算出貫流量と前記第２の算出貫流量とから第１の比較値を形成することによって、前記第１の算出貫流量を前記第２の算出貫流量と比較するステップ、
ｆ．第１の制限値を特定し、前記第１の比較値の量が前記第１の制限値よりも大きい場合にエラー信号を発生させるステップ。
有利には、エネルギー変換器システムは、アノードとカソードとを含んでいる少なくとも１つの燃料電池を含んでいる。１つ以上の燃料電池は、有利には燃料電池スタックとして配置されている。さらに、有利にはガスは水素を含んでいる。より有利には、ガスは４０重量％以上が水素から成り、とりわけ有利には９０重量％以上が水素から成り、特に有利には９５重量％以上が水素から成っている。
有利には、出力量は、エネルギー変換器システムから発生した電流である。特に燃料電池においては、発生した電流はガス消費量にダイレクトに依存しており、その結果取り出し可能な電流を前提にガス消費量を検出することができる。
有利には、圧力調整器の出口圧は燃料電池のアノード圧に対応し、とりわけ有利には、圧力調整器の出口圧は燃料電池のアノード圧に等しい。
有利には、ガス配量弁はインジェクタを含んでいる。圧力調整器の入口圧は、有利には５バールないし３０バール、より有利には１０バールないし２０バールである。
圧力弁を有利にはパルス幅変調により制御する。パルス幅変調は有利には同期性を有し、ステップｃ）での圧力調整器を貫流する第１の算出貫流量の特定を、圧力調整器の測定した入口圧と、圧力調整器の測定した出口圧と、同期性とを前提に、実施する。
有利には、ステップｂ）でのガス所要量は、エネルギー変換器システムの出力量を前提に算出されるガス消費量と、パージ流とを含んでいる。エネルギー変換器システムはパージ弁を含んでいてよく、該パージ弁により、該パージ弁が開いていれば、ガスは周囲に流出することができる。パージ流と呼ばれる意図的に逃がすガスを、エネルギー変換器システム内でのガス所要量を特定する際に考慮することで、パージ流のために間違ってエラー信号が発生するのを回避することができる。このため、エネルギー変換器システム内でのガス所要量の算出にパージ流を補正項として取り入れてよい。
ガス所要量の算出の際にパージ流を考慮する代わりに、パージ弁が開いている間、漏れを検知するための方法の実施を中断してよい。有利には、漏れを検知するための方法の実施の中断は最大期間に限定されていてよい。たとえば、漏れを検知するための方法の中断を、連続的なタイムインターバルとして１０秒に限定してよく、および／または、１分間当たり合計２０秒に限定してよい。
圧力調整器は、該圧力調整器の物理学的量の相互依存を描く特性曲線を有している。すなわち、圧力調整器を貫流する貫流量は入口圧、出口圧、および場合によってはパルス幅変調の同期性の関数として表わすことができる。圧力調整器の精密な製造と、使用する圧力調整器の正確な知識とにより、当業者にとっては圧力調整器の特性曲線は既知である。特性曲線の精度、すなわち圧力調整器の機能をモデル化する貫流量の理論的記述は、使用すべき圧力調整器の計測によって整合させることができ、且つ最適化させることができ、したがって第１の算出貫流量の特定をも整合、最適化させることができる。最適化は、有利には更なるパラメータを理論的モデルに取り込むことによって行われる。
有利には、圧力調整器の出口圧の調整は、クローズループ(close-loop)調整を用いて、まず特性曲線に依存せずに、すなわち現時点での入口圧、出口圧、および場合によっては同期性に依存せずに行われる。
第１の算出貫流量を特定するため、特性曲線を、したがって圧力調整器を貫流する予想貫流量を入口圧、出口圧、および場合によってはパルス幅変調の同期性の関数としてモデル化する。有利には、パルス幅変調の起動値を、第１の算出貫流量を特定するための特性曲線に取り入れる。
圧力調整器の入口圧および／または出口圧を、有利には冗長型センサ装置または状態監視型センサ装置によって測定する。
その後、エネルギー変換器システムの現時点での作動状態を検出する。このため、圧力調整器を貫流する第２の算出貫流量を特定し、これに、起こりうるガス減少を付加するのが有利である。ガス所要量、すなわちエネルギー変換器システム内でのガス減少の総量は、有利にはガス消費量とパージ流とから構成される。有利には、パージ弁の位置とも呼ぶことができるパージ弁のステータスを検出し、その結果この情報を、ステップｄ）での第２の算出貫流量の特定に取り入れることができる。パージ流は、エネルギー変換器システム内で、特に制御ユニット内で既知であるパージ弁の位置と、パージ弁の特性、特にパージ弁の流動率とから検出することができる。ガス消費量は、有利にはエネルギー変換器システムの出力量から、特に燃料電池の出力電流から算出される。
入口圧、出口圧、および場合によっては同期性をベースにしたモデリングから検出される第１の算出貫流量を、エネルギー変換器システムの現時点での作動状態を表す第２の算出貫流量と比較する。これらの貫流量の値に、定義した第１の制限値を上回るようなずれがある場合には、エラー信号を発生させる。エラー信号は、有利には警告の出力またはエネルギー変換器システムの作動態様の変更、特にガス供給の遮断を発動させる。
第１の制限値は、有利には、アノード圧、カソード圧、および／または、エネルギー変換器システムの経年年数、ガス温度、または有利にはエネルギー変換器システムによって包囲されている外部換気装置の設定のようなエネルギー変換器システムの更なる特殊なパラメータの関数である。これとは択一的に、第１の制限値として固定値を選定してよい。
有利には、第１の算出貫流量と第２の算出貫流量との間の差を形成することにより、第１の比較値を形成させる。第１の比較値を形成させる際、入口圧の絶対値および／または出口圧の絶対値を考慮してよく、有利には出口圧の絶対値を考慮してよい。
有利には、第２の制限値を特定し、第１の比較値をタイムインターバルにわたって検出し、該タイムインターバル（たとえば１秒であってよい）にわたって検出した第１の比較値から第２の比較値を形成する。さらに、ステップｆ）でのエラー信号の発生を、第２の比較値の量が第２の制限値よりも大きい場合だけ実施するのが有利である。
第２の比較値は、たとえば第１の比較値の関数を時間で積分することによって形成させることができる。この処理は、インテグラルデバウンシングと呼ぶこともできる。
第２の制限値とのマッチングにより、動的過程でのシステムの短時間のずれを補正でき、エラー信号の誤った発生を回避することができる。エネルギー変換器システムが実際に密封状態にあるときの不適切なエラー信号が誤ったものと見なされる。
本発明による方法は、作動中のエネルギー変換器システム内での漏れの検知と定量化とを可能にし、特に燃料電池システム内のアノードの非密封性の検知と定量化とを可能にする。このため、別個の流量計を必要とせずに、圧力調整器の貫流に対し２つの比較可能な量が検出される。さらに、ガスを特定するための、特に燃料電池システムの外部の水素を検出するための外部センサ装置を省略できる。漏れのより正確な診断とローメンテナンスのシステムが可能である。
本発明の実施形態を、図面と以下の説明を用いて詳細に述べる。
エネルギー変換器システムおよび圧力調整器のフローチャートである。 本発明による方法の概略的な工程図である。
図１は、アノード５とカソード７とを含んでいる燃料電池システム２を備えたエネルギー変換器システム１を示している。アノード５はガス、特に水素を含み、その圧力はガス配量弁４を含んでいる圧力調整器３によって調整される。アノード５の前では、圧力調整器３の出口圧１２が測定される。さらに、エネルギー変換器システム１はパージバルブ８を含んでいる。
図２は、本発明による方法の工程を概略的に図示している。まず、圧力調整器３の入口圧１０と出口圧１２とを測定する。なお、圧力調整器３のガス配量弁４のパルス幅変調の同期性１４は既知である。入口圧１０と出口圧１２とから、および、場合によっては同期性１４から、理論的モデルとしての圧力調整器３の特性曲線を用いて第１の算出貫流量２０を特定する。
さらに、有利には第１の算出貫流量２０を特定する各時点で、エネルギー変換器システム１の出力量１６を測定し、特に出力量１６として燃料電池システム２の発生した電流を測定する。
場合によっては、パージバルブ８の特性およびステータスから既知のパージ流１８を検出する。
出力量１６と、場合によってはパージ流１８とから、第２の算出貫流量２２を特定し、該第２の算出貫流量を、たとえば第１の算出貫流量２０と該第２の算出貫流量２２との間の差を表す第１の比較値２４を形成することによって、第１の算出貫流量２０と比較する。次に、第１の比較値２４を第１の制限値２６と比較する。第１の制限値は固定であってよく、或いは、出口圧１２、特にアノード圧、カソード圧、またはエネルギー変換器システム１の他の特殊なパラメータに依存していてよい。
第１の比較値２４の量が第１の制限値２６よりも大きければ、エラー信号３２を発生させる。エラー信号３２の発生は、場合によっては、第１の比較値２４を１つのタイムインターバルにわたって検知し、第２の比較値２８を形成し、該第２の比較値を第２の制限値３０と比較することによって中止され得る。第２の比較値２８が第２の制限値３０よりも小さくあるべきならば、エラー信号３２は発生させない。
本発明は、ここで説明した実施形態およびその中で強調された観点に限定されるものではない。むしろ、請求の範囲によって記載された範囲内であれば、当業者の処置の範囲内で多数の改変が可能である。
１ エネルギー変換器システム
２ 燃料電池システム
３ 圧力調整器
４ ガス配量弁
５ アノード
７ カソード
１０ 圧力調整器の入口圧
１２ 圧力調整器の出口圧
１４ 同期性
１６ エネルギー変換器システムの出力量
１８ パージ流
２０ 第１の算出貫流量
２２ 第２の算出貫流量
２４ 第１の比較値
２６ 第１の制限値
２８ 第２の比較値
３０ 第２の制限値
３２ エラー信号

Claims (10)

  1. ガスを含んでいるエネルギー変換器システム（１）内の漏れを検知するための方法であって、前記エネルギー変換器システム（１）内のガス圧を調整するために圧力調整器（３）を使用し、前記圧力調整器（３）がガス配量弁（４）を有する前記方法において、
    ａ．前記圧力調整器（３）の入口圧（１０）を測定し、前記圧力調整器（３）の出口圧（１２）を測定するステップと、
    ｂ．前記エネルギー変換器システム（１）の出力量（１６）を測定し、前記エネルギー変換器システム（１）の前記出力量（１６）を前提に、前記エネルギー変換器システム（１）内でのガス所要量を算出するステップと、
    ｃ．前記圧力調整器（３）の測定した前記入口圧（１０）と前記圧力調整器（３）の測定した前記出口圧（１２）とを前提に、前記圧力調整器（３）を貫流する第１の算出貫流量（２０）を特定するステップと、
    ｄ．前記ガス所要量を前提に、前記圧力調整器（３）を貫流する第２の算出貫流量（２２）を特定するステップと、
    ｅ．前記第１の算出貫流量（２０）と前記第２の算出貫流量（２２）とから第１の比較値（２４）を形成することによって、前記第１の算出貫流量（２０）を前記第２の算出貫流量（２２）と比較するステップと、
    ｆ．第１の制限値（２６）を特定し、前記第１の比較値（２４）の量が前記第１の制限値（２６）よりも大きい場合にエラー信号（３２）を発生させるステップと、
    を含んでいる方法。
  2. 前記エネルギー変換器システム（１）が、アノード（５）とカソード（７）とを含んでいる少なくとも１つの燃料電池を含み、前記ガスが水素を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 前記出力量（１６）が、前記エネルギー変換器システム（１）から発生した電流であることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記圧力調整器（３）の前記出口圧（１２）が前記燃料電池のアノード圧に対応していることを特徴とする、請求項２または３に記載の方法。
  5. 前記圧力調整器（３）の前記入口圧（１０）が５バールないし３０バールであることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記ガス配量弁（４）をパルス幅変調により制御し、前記パルス幅変調が同期性（１４）を有し、前記ステップｃ）での前記圧力調整器（３）を貫流する前記第１の算出貫流量（２０）の特定を、前記圧力調整器（３）の測定した前記入口圧（１０）と、前記圧力調整器（３）の測定した前記出口圧（１２）と、前記同期性（１４）とを前提に実施することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記ステップｂ）での前記ガス所要量が、前記エネルギー変換器システム（１）の前記出力量（１６）を前提に算出されるガス消費量と、パージ流（１８）とを含んでいることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記第１の制限値（２６）が、前記燃料電池の前記アノード圧、カソード圧、および／または、型式特有のパラメータの関数であることを特徴とする、請求項２から７までのいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記第１の比較値（２４）が、前記第１の算出貫流量（２０）と前記第２の算出貫流量（２２）との間の差であることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一項に記載の方法。
  10. 第２の制限値（３０）を特定し、前記第１の比較値（２４）をタイムインターバルにわたって検出し、前記タイムインターバルにわたって検出した前記第１の比較値（２４）から第２の比較値（２８）を形成し、前記ステップｆ）での前記エラー信号（３２）の発生を、前記第２の比較値（２８）の量が前記第２の制限値（３０）よりも大きい場合だけ実施することを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一項に記載の方法。
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