JP6022066B2 - 燃料電池へ空気を供給するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部に詳しく規定されたタイプの燃料電池へ空気を供給するための方法に関する。このほか本発明は、このような方法の使用に関する。

燃料電池システム内の燃料電池へ空気を供給するための方法は、一般的な従来技術により既知である。典型的にはその場合、制御可能な空気運搬装置が使われ、空気運搬装置は例えば回転数が制御されるようになっていて、それにより燃料電池に必要な空気量すなわち空気質量が調整されるようになっている。その際、特に燃料電池システムの自動車への適用においては、空気質量流量センサーもしくは空気質量流量メーターを設置することが一般的に既知であり通常である。そのような空気質量流量センサーは、内燃機関をもつ自動車への適用においても一般的に既知であり通常である。空気質量流量センサーによって空気質量流量が測定されることができ、燃料電池システム内での使用の際には、閉ループ制御系において、空気供給装置の助けを借りて適宜に調整されることができる。

このとき、自動車技術で既知の空気質量流量センサーは、典型的には内燃機関用に考案されたものである。これらの空気質量流量センサーは比較的高価であり、内燃機関の要件と燃料電池の要件との相違により、現出するすべての動作点における燃料電池へ空気を供給するためには、必ずしも最適化されていない。このことが特に当てはまるのは、空気質量流量センサーが流れ方向において空気運搬装置の下流に設置される場合である。本発明者たちには、空気の流れ方向において空気運搬装置の下流に空気質量流量センサーが設置された場合、しばしば非常に大きな問題が生じることと、これらの空気質量流量センサーが非常に故障しやすいことが明らかになった。このことは乗物の運転中において厄介である。なぜなら、この位置での空気質量流量センサーの故障は、しばしば乗物システム全体の故障という結果を招くからである。

空気質量流量センサーの設置のほかに従来技術で知られているのは、空気質量流量センサーを完全に省くことができるように、空気質量流量センサーの使用の代わりに空気量を適宜に計算することである。これについては一例として特許文献１が挙げられる。

特に燃料電池もしくは燃料電池への空気の供給において生じるもうひとつの問題は、燃料電池システム内のいわゆる空気流路のさまざまな位置において、異なる空気質量流量が発生することである。このことは、リークと、補機類と、いわゆるシステムバイパス管とによって特に惹起される場合がある。システムバイパス管とは、燃料電池への給気通路と燃料電池の排気通路との連結を可能にし、それにより、特定の動作状況において、送給空気を、燃料電池を迂回して流れさせるものである。それでもなお、空気質量流量の正確な知見が不可欠であるすべての位置において、しかるべき数値を把握するためには、空気質量流量センサーの数を増やして、不可欠な位置のすべてに空気質量流量センサーを設置することは、比較的容易に思いつく方法であろう。しかしながら、比較的高価なセンサーと、センサーの燃料電池システム用に限定された機能性により、この方法には大幅なコスト増が伴い、かつ、それでもなおすべての動作状況における確実かつ信頼のおける空気質量値測定は可能にならないのである。

ＤＥ１０２００８０４３７４０Ａ１

そこで、本発明の課題は、上記の諸欠点を回避し、かつ、燃料電池へ空気を供給するための容易で確実で信頼のおける手段を提供する、燃料電池へ空気を供給するための方法を提示することにある。

本発明によれば、この課題は、請求項１の特徴部に記載の特徴を有する方法により解決される。本発明による方法の有利な発展形態と様態は、請求項１以外の、請求項１に従属する従属請求項に明らかである。このほか請求項１０には、本発明による方法の特に好ましい使用法が示されている
本発明による方法では、燃料電池へ空気を供給するための空気流路中に少なくとも１つの空気質量流量センサーが配置されていることが企図されている。本発明によれば、流れ方向において少なくとも１つの（最初の）空気質量流量センサーから間隔をあけて配置された空気流路の少なくとも１つの位置のために、その位置における空気質量流量が推算される。本発明による方法は、しばしば燃料電池システムの空気流路内の少なくとも２つの異なる位置で、空気質量流量の信頼のおける数値が必要とされるという要求に応じることができる。ただ１つの空気質量流量センサーが設置されるだけで、別の位置では空気質量流量値の推算が可能にされることにより、追加の空気質量流量センサーは省略されることが可能になる。このことは、空気質量流量の知見が不可欠である別の位置が、空気質量流量センサーを用いた空気質量流量の測定に適さない領域に存在する場合に、特に有意義である。さらに補足的あるいは代替的に、複数の空気質量流量センサーが存在する場合でも、本発明による方法は利用可能であり、その場合には、他の１つまたは複数の空気質量流量センサーによって得られた測定値が推算を通じて検証され、それにより、他の空気質量流量センサーの確実で信頼のおける機能性が監視され得ることになる。

その際、本発明による方法の非常に好都合な様態では、少なくとも１つの（最初の）空気質量流量センサーが、流れ方向において空気運搬装置の上流に配置されることが企図されている。空気質量流量センサーを空気運搬装置の上流に有するこうした構造により、空気質量流量センサーの測定値の比較的高い信頼性が獲得され得る。なぜなら、燃料電池システム内の空気質量流量センサーは、この位置では、空気運搬装置の下流よりも、高い信頼性と耐久性をもって稼働することが、発明者たちに明らかになったからである。これは、流れ方向において空気運搬装置の下流にある空気質量流量センサーは、空気運搬装置の上流よりも、はるかに故障しやすいことを意味する。本発明による方法により、空気運搬装置の上流に配置された空気質量流量センサーを用いて非常に信頼のおける測定値を獲得して、推算を通じて、空気流路の他の位置、特に空気運搬装置の下流にある位置における空気質量流量を適宜に見積ることが可能になる。

その際、本発明による方法の特に好都合で有利な発展形態では、１つの空気質量流量センサーのみが使用されることが企図されている。この１つの空気質量流量センサーの使用と、空気質量流量値の正確な知見が不可欠である他の１つまたは複数の位置の領域における空気質量流量値の推算とによって、非常に容易で効率的な構造が生まれ、この構造は、費用面で好都合であり、また空気質量流量センサーの適切な配置、例えば流れ方向において空気運搬装置の上流への配置を行えば、非常に耐久性と信頼性がある。

しかしながら本発明による方法の代案的な実施形態では、空気質量流量が推算される少なくとも１つの位置の領域に、追加の空気質量流量センサーが配置されることが企図されている。この場合、原則としてこの位置の領域中の空気質量流量は、この追加の空気質量流量センサーのために測定され得ることになる。このとき、本発明による方法に基づいて引き続き行われる、その位置にある空気質量流量の推算は、本発明の発案の特に好都合な発展形態に基づき、推算値と、追加の空気質量流量センサーの測定値との比較を通じて、この空気質量流量センサーの機能監視を可能にする。これにより、追加の空気質量流量センサーの確実で信頼のおける機能が監視され保証されることになり、故障の際にも、継続的な稼働が、推算により得られる数値に基づいて行われ得る。このこととは別に、例えば警報装置が操作され、スイッチが入れられるようにして、それにより、故障した空気質量流量センサーがただちに交換されるようにすることもできる。それでもなお、推算値を通じて引き続き有意義かつ信頼のおける稼働が行われ得る。

本発明による方法のこの態様の特に好都合な発展形態では、このほかに、燃料電池の動作状況に応じて、推算値または追加の空気質量流量センサーの測定値が、実際値として閉ループ制御の際に利用されるようになっている。この構造は、追加の空気質量流量センサーが流れ方向において空気運搬装置の下流に配置されていて、かつ最初の空気質量流量センサーが流れ方向においてそのような空気運搬装置の上流に配置されている場合に、特に決定的に有利である。空気運搬装置の下流では、測定値は燃料電池システムの動作条件に非常に大きく左右される。追加の空気質量流量センサーの機能性が限定されていることが分かっている状況においては、燃料電池システムの動作制御装置が、例えば圧力や温度や電気出力などといった他の種類の測定値から確認されるこの状況の通知を受け、動作制御装置によって適宜に切り替えが行われるようになっている。これにより、経験的に空気質量流量センサーの良好な機能性が判明している状況においては測定値が利用され、そうでない場合には推算値が利用される、という状態が確保される。特に測定値が利用される状況においては、同時に推算を通じて測定値の検証が行われて、それにより、追加の空気質量流量センサーの確実で信頼のおける機能性が保証される。

さらには、これらの状況において、測定値と推算により得られた数値とを常時比較することによって、推算の適応的な調整を実施し、それにより推算が、燃料電池ないしは燃料電池システムの動作時間の進行につれて常に改善されていくようにすること、そしてゆっくりと進行する変化、例えば老朽化と摩耗（例えば空気運搬装置のベアリング領域や、パッキン領域などにおいて）による変化に対応できるようにすること、そして継続的に確実かつ信頼のおける機能性を保証するようにすることも可能である。

その際、本発明による発案の有利な発展形態では、推算が、モデルおよび／または特性マップに基づいて行われることが企図されている。そのような推算は例えば、特性マップに保存された燃料電池システムの特定の動作状況の測定データを通じて、かつ、燃料電池システム内にもともと存在している各センサーのさまざまな測定値を考慮に入れた上で、特性マップに保存された数値を利用することによって行われ得る。その補足として、もしくはその代替案として、シミュレーション計算ないしはシミュレーションモデルの利用も有意義かつ可能である。シミュレーション計算ないしはシミュレーションモデルにより、少なくとも１つの最初の空気質量流量センサーから間隔をあけた位置での空気質量流量の比較的正確かつ信頼のおける動的推算を行うことができる。

その際、この様態の非常に好都合な発展形態では、以下の値の少なくとも１つが、推算に加味されることが企図されている。これらの値とは特に次の通りである：
― 空気運搬装置の回転数および／または消費電力、
― 空気流路内の１つまたは複数の位置における圧力および／または温度、
― 空気流路内のバルブ装置の位置、
― システムバイパス内のバルブ装置の位置、
― 周辺温度、
― 燃料電池の温度、
― 空気質量流量の組成、
― 燃料電池の動作状態および／または現在の電力、
― 送給空気の湿気、および／または
― 空気流路内でのリークによる損失。

これらの値は燃料電池システム内で典型的に必ず把握されるものである。それは、特に温度と圧力は、容易に把握されることができ、燃料電池システムの閉ループ制御と開ループ制御のためにはどんな場合でも不可欠なものだからである。同様のことが、燃料電池の、例えば電流と電圧もしくは電力などにも当てはまる。これらの値はすべて、少なくとも１つの（最初の）空気質量流量センサーから間隔をあけた位置での空気質量流量の推算に対して多少なりとも大きな影響を与え、その種の計算に加味されるものであり、あるいは、もし計算が行われない場合または計算がモデルに基づくシミュレーション計算を通じてのみ行われる場合には、これらの値、例えば空気運搬装置の回転数や、空気運搬装置によって消費される電力などの値は、それぞれの特性マップを通じて計算に入れられる。

燃料電池の需要にできるだけ正確に適合した空気質量流量が燃料電池に供給されることによる、できるだけ良好な空気供給が不可欠であることが、特に燃料電池システムの場合、重要な点である。この燃料電池システムはハイダイナミックに稼働させられている、つまり、必要な出力ないし必要な空気供給において頻繁に切り替えが行われているのである。そのようなシステムが、特に乗物内に組み込まれているのが燃料電池システムである。乗物内において典型的には、特に出力が少なくとも部分的に乗物の駆動力として使用される場合に、非常に動的なダイナミックな需要が続いている。したがって、本発明による、燃料電池へ空気を供給するための方法の好ましい使用は、すなわち乗物のための電力、特に駆動電力を供給する燃料電池システム内の燃料電池への空気供給の使用である。そのような乗物とは、特に無軌道にあちこち移動する乗物、また軌条乗物や船舶もありうる。飛行機におけるオンボード電源のための燃料電池システムの使用も、電気出力を乗物に供給するという燃料電池システムの本発明の定義に包括されている。

燃料電池へ空気を供給するための、本発明による方法の有利な発展的形態は、従属する請求項より明らかで、後述の実施例によって明確になる。この実施例は図に関連しつつ詳細に説明される。

単一の添付された図は、可能性のある一実施形態において本発明による方法の実施のための燃料電池システムの詳細を示している。

この単一の添付された図の表示の中に、後述される方法の実施のための重要な部分が認識できる。このシステムは、基本的に、燃料電池２を擁し、この燃料電池はアノード室３とカソード室４を有する。燃料電池２自体は、ＰＥＭ型燃料電池のスタックとして形成されるものである。燃料電池システム１は、ここで示された実施例では、自動車両のために駆動電力を供給するように設計され、その車両は５で示された囲みで大まかに表されている。本発明のための燃料電池２のアノード室３の水素供給は、主要な役割を果たすわけではないので、水素（Ｈ_２）の供給は例としてのみ大まかに説明される。水素は、例えば６で示される循環路の中で、燃料電池２のアノード室３に戻されることが可能である。ここでは、循環路６内の再循環運搬装置ないしは水および／またはガスを排出するためのバルブのような、一般的に使われている部品は表示されていないが、当然のことながら存在しうる。燃料電池２のカソード室４は、空気運搬装置７を経由し、酸素仕入れ先と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ないし酸素供給を、いかなる状況においも確保するために、空気運搬装置７が、例えば流れ圧縮機として形成されることも可能で、要求された空気質量流量もしくは酸素質量流量が生じるような回転数に調整される。そのとき、空気運搬装置７ないしその回転数Ｎの制御は、表示されていない電子制御装置によって行われる。その際、空気運搬装置７の回転数Ｎは、空気運搬装置７の制御によって認識できるか、もしくは、図中で符号８によって示される適切なセンサーによって認識される。空気質量流量は、原則としてＦ１で示された空気質量流量センサー９を経由し、空気運搬装置７の上流で、それ自体知られたやり方で測定される。他の重要なセンサーには、例えば圧力Ｐ用のセンサー１０、温度Ｔ用のセンサー１１および燃料電池システム１のいわゆる空気流路内の他の位置で圧力Ｐを同様に測定する追加のセンサー１２がある。

燃料電池システム１で、しばしば通例であるように、燃料電池２のカソード室４までの給気通路と燃料電池２のカソード室４からの排気通路の間に、制御可能なバイパスバルブが付いたいわゆるシステムバイパス１３が設置されている。その際、バイパス弁１４の制御、もしくはここでは原則的に説明されているセンサー１５によって把握されるのは、バイパス装置１４の現在の位置Ｙが知見され、さらにシステム制御に使用できるということである。燃料電池システム１ないしその空気流路内に通常存在するこれらの部材の他に、図の表示の中に、絞り１７付の管１６が表されている。このとき、絞り１７付の管１６は、実際のシステム内では典型的には不可避であるリークを表している。このような不規則なリークにより、空気が給気通路から失われる。その際、管１６経由のリークもシステムバイパス管１３もその機能性を果たすべく、空気流路の排気管に通じる必要はない。これらは周辺にも同じ様によく通じているのかもしれない、このことは、特に、ここで原則的にしか示されていない通常のリークにあてはまる。

ともかく、空気質量流量センサー９によって測定された数値に基づいて、カソード室４に流れ込む空気質量流量の正確な予測は、説明にあった構造により、システムバイパス等のリークにより、不可能であるということである。それゆえ、典型的には、空気流路内で、空気質量流量センサー９から間隔をあけた位置で、追加の空気質量流量センサー１８が企図されており、この空気質量流量センサー１８はここではオプション的な実施例として理解される。それとは別に、空気質量流量センサー１８が設置されている領域における参照符号１９で示された位置において空気質量流量を認識することは、燃料電池システムの確実で信頼のおける動作のために不可欠である。２つの空気質量流量センサー９、１８を使用すると労力や費用がかさむ他、空気運搬装置７の方向の領域において空気質量流量センサー１８が、非常に誤測定しやすく、故障しやすいという事実により、燃料電池２へ空気を供給するための方法において、位置１９の領域における空気質量流量の値が、推算により決定されることが企図されている。位置１９の領域における空気質量流量の値をこのように推算することで、第２の空気質量流量センサー１８を完全に削除することが可能であり、また、この空気質量流量センサー１８がなおかつ存在する場合、これはその機能性について監視され、万一の故障や万一の誤作動を素早く確実に信頼にあたる形で探知され得る。この第２の空気質量流量センサー１８が万一交換されるまで、燃料電池システム１ないし車両５の動作は、推算により決定される数値に基づいて維持され、その結果、車両５のユーザーによる万一の影響が限定されることが可能である。

その際、推算は部分的に特性マップおよび／またはモデルに基づくシミュレーションによって行われ、いかなる場合にも利用可能な、例えば回転数Ｎ、圧力Ｐ、温度Ｔのような値、そしてシステムバイパス１３におけるバルブ装置１４の位置Ｙが特に考慮される。これらの、必ず存在している測定値と、例えば燃料電池２の動作点、供給された全空気質量流量そして燃料電池２から実際に供給された電気出力等に基づく制御不可能なリークの推算を考慮に入れたうえで、位置１９の領域における空気質量流量の非常に確実で信頼のおける推算がこうして行われる。これによって、第２の空気質量流量センサー１８が例えば存在していない、故障している、もしくは燃料電池２の不利な動作条件ゆえに非常に不正確かつ悪い測定値が出ている場合、確実で信頼のおける機能が常に保証される。この場合では、存在しかつ基本的に正しく機能する追加の空気質量流量センサー１８においても、推算による数値を使用することは可能で、求められたやり方で燃料電池２の稼働を維持し、そして、追加の空気質量流量センサー１８による測定においてシステムに惹起する不正確さを排除することができる。これによって、全体的に非常に確実で信頼のおける稼働は、設置されたセンサー９、１８の単純な構造かつ長い寿命において達成される。

Claims (7)

1. 燃料電池（２）へ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）に空気質量流量を供給する制御可能な空気運搬装置（７）を使用し、および少なくとも１つの空気質量流量センサー（９、１８）を使用する方法において、
   前記燃料電池（２）のカソード室（４）の方向において前記少なくとも１つの空気質量流量センサー（９）から間隔をあけて配置された空気流路の少なくとも１つの位置（１９）のために、その位置における空気質量流量が推算されること、
   前記空気質量流量が推算される前記少なくとも１つの位置（１９）の領域に、追加の空気質量流量センサー（１８）が配置されること、および
   前記燃料電池（２）の動作状況に応じて、前記推算値または前記追加の空気質量流量センサー（１８）の測定値が、空気供給制御における実際値として考慮されることを特徴とする、方法。
2. 少なくとも１つ（最初）の空気質量流量センサーが、流れ方向において前記空気運搬装置（７）の上流に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記推算と前記追加の空気質量流量センサー（１８）の測定値によって、前記追加の空気質量流量センサー（１８）の機能監視が行われることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 追加の空気質量流量センサー（１８）が故障している場合、前記推算が、空気供給制御における実際値として考慮されることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
5. 前記推算が、モデルおよび／または特性マップに基づいて行われることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
6. 以下の値の少なくとも１つが、前記推算に含まれることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法：
   ― 前記空気運搬装置（７）の回転数（Ｎ）および／または消費電力、
   ― 前記空気流路内の１つまたは複数の位置における圧力（Ｐ）および／または温度（Ｔ）、
   ― 前記空気流路内におけるバルプ装置の位置（Ｙ）、
   ― システムバイパス（１３）内のバルプ装置（１４）の位置、
   ― 周辺温度、
   ― 前記燃料電池（２）の温度、
   ― 前記空気質量流量の組成、
   ― 前記燃料電池（２）の動作状況および／または現在の電力、
   ― 送給空気の湿気、および／または
   ― 前記空気流路内でのリークによる損失。
7. 乗物（５）のための電力、特に少なくとも部分的に駆動力として利用される駆動電力を供給する燃料電池システム（１）内の燃料電池（２）へ空気を供給するための、請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法の使用。
   

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