JP6469132B2 - 通常動作を開始する方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分でより詳細に規定される種類に従う、燃料電池及び燃料電池の電力を受け取るコンバータを有する電気システムの通常動作を開始する方法に関する。

燃料電池システム、特に車両において電気的駆動力を提供するために使用することができる燃料電池システムでは、燃焼エンジンを有する車両に対してと同様に、いわゆる開始停止動作が重要である。つまり、車両が電力を必要としないまたは非常に少ない電力を必要とする場合、燃料電池システムは、再び適合する電力量が必要になると、通常動作を再開するように、アイドルモードまたはスイッチオフ動作、いわゆる停止モードへ変わることを意味する。典型的には、燃料電池への空気供給は停止モードで停止され、それによって残留酸素が燃料電池内で、典型的により低いレベルで提供される水素と反応し、それにより、ある特定の期間の後燃料電池の電圧はゼロまで下がる。該停止モードを出た後燃料電池が再び電力をその全体に伝達できる前に、まず第１に空気または酸素が再び供給されなければならない。そのときになって初めて、全出力が燃料電池によって必要とされ得る。換言すれば、燃料電池の通常動作は、一旦その目的に必要なすべての条件が満たされて初めて可能である。

最先端の技術から、空気供給を開始した後、早すぎる、及び過度の電力要求に加えて、電圧の遮断を引き起こすことなく通常動作へと変化することが可能になるまで、一定のパラメーターに従って必要である、一定の待ち時間を提供することが今では普通である。

加えてまたはそれの代わりに、一般的な技術水準で例えばカソード圧力または空気流量などの待ち時間に影響を及ぼす更なる動作パラメーターが監視される。この可能性の欠点は次いで、観察される基準が観察及び計測するのに部分的に高価かつ不確実であり、燃料電池の応力性の見地から、それらは部分要因を構成するのみであり、それら自体で負荷容量を調査しないということである。対応する基準が明白に満たされるが、燃料電池はまだ応力に耐えることができないということが起こり得る。結果は、電力が電気システムによって必要とされるときに極めて望ましくない電圧の遮断である。

特許文献１は、停止モードからシステムが再開した後、どの時点で燃料電池が再び通常動作で完全に負荷をかけられることができるようになるかを知る問題を取り扱う。そうするために、燃料電池に接続されるコンバータ、このような場合、ＤＣ／ＤＣコンバータを介した燃料の電圧が、予め設定された電圧レベルに維持される。それまでは、燃料電池システムの状態は連続的に監視され、監視されるパラメーターがそれ自体を安定させるかどうかを知るためにその効果が観察された。監視されるパラメーターは例えば電圧及び供給される空気の体積流量であり得る。すべての該値がそれら自体を適宜に安定させた場合、燃料電池が再び応力に耐えることができ、通常動作がリリースされると推測される。

上述の一般的な技術水準と同様に、該方法は、一方で、苦労の上にようやく計測できるが非常に信頼できるわけでもなく、他方では確かに燃料電池が再び応力に耐えることができるというインジケータではあるものの、確実にこの状態を反映しはしない、空気流量との値を使用する欠点を有する。したがってまた、安定した値にもかかわらず、燃料電池の負荷に従うための電圧の遮断が現れる危険がある。

ＵＳ ２０１２／０１４１８９５ Ａ１

そして本発明の目的は、燃料電池及びコンバータを有する電気システムを停止モードから開始する方法を提供することであり、それはこれらの欠点を避け、通常の条件下で一旦再開がリリースされると、燃料電池が安全かつ信頼できるように働くことを非常に単純かつ信頼できるように保証する。

本発明の目的は、請求項１に記載の特徴を示す工程を用いて満たされる。追加の有利な実施形態及び本発明に従う方法の更なる発展が、従属請求項で明らかにされる。
本発明に従う方法では、中断された反応物質供給が最先端の技術のように再開信号から行われ、燃料電池電圧が規定され、これはトランスデューサーによって適宜調整される。反応物質が供給される電気的に無負荷の燃料電池がすべての場合に規定の燃料電池電圧を超えるように規定の燃料電池電圧が規定されることが、本発明に従って提供される。また、規定の燃料電池電圧を維持するために必要なトランスデューサーの電流が計測され、その後、通常動作がその実施のために必要な規定の電流の時点でリリースされることも規定される。本発明に従う方法はまた、該電圧が、反応物質を提供された正常に機能する燃料電池のアイドル電圧未満であるように規定の燃料電池電圧の上限を使用する。特に規定の燃料電池電圧は、それらの触媒での重大な腐食効果を燃料電池の寿命の見地から避けられるように、予め設定され得る。該規定の閾値未満の燃料電池によって伝達された電圧を維持するように、燃料電池の反応物質供給の開始時点で、電流は燃料電池からトランスデューサーを介して引き出される。トランスデューサーで引き出され測定された電流が、規定の電圧以下の電圧で現在の電流を維持するために必要な予め設定された値に達するとすぐに、燃料電池は再びストレスに耐えることができるはずである。一旦該規定の電流が達せられると、特に開始後の燃料電池の早い負荷による電圧の遮断などの、動作に関しての欠点を心配することなしに燃料電池の通常動作がリリースされる。

本発明の着想の非常に有利な更なる発展において、規定の必要な電流が、上限電圧で典型的に現れる平均電流のおおよそ半分に予め設定されることが更に規定される。一旦、通常動作で典型的に現れる平均電流のおおよそ半分と一致する、かかる燃料電池のアンペア数が達せられると、燃料電池の性能は、発明者の知る限りでは制限されておらず、それによって燃料電池の再開の後に該燃料電池が適宜に負荷をかけられ、通常動作がリリースされ得る。

燃料電池は、一般的に既知であり、標準的であるように、個々の電池の積み重ねとして設計され得る。本発明に従う方法の有利な更なる発展において、規定の燃料電池電圧が、燃料電池の積み重ねの個々の電池ごとに８００〜９００ｍＶ、好ましくは８５０ｍＶに、予め設定されることが規定される。個々の電池ごとにほぼ８００〜９００ｍＶ程度の大きさのかかる電圧値は、一方では燃料電池の安全な及び信頼できる動作を保証するため、他方ではより高い電圧による腐食効果を最小限にするために理想的であり、同時に燃料電池のより長い寿命を達成できる。

本発明に従う方法の非常に都合のよい更なる実施形態に従って、通常動作がリリースされる活性電池表面に関連して規定の電流が、０．０２〜０．０５Ａ／ｃｍ^２、好ましくは０．０３〜０．０４Ａ／ｃｍ^２に規定されることが、したがって提供される。例えば、０．０３５Ａ／ｃｍ^２のかかる電流値は、発明者の経験及び実験に従って、理想的であると証明されている。したがって、電気システムの通常動作は、燃料電池の電圧を規定の電圧以下で維持することが起こるとすぐにリリースされ得る。

本発明の方法の都合のよい実施形態では、停止モードで燃料電池の酸素供給が中断されるが、酸素供給は燃料電池に空気を供給することによって実現され得ることが提供される。理想的には燃料電池の水素供給が維持されるときの酸素供給のかかる中断で、停止モードの要求は、比較的にエネルギー集約的かつ騒音を放出する空気供給装置が停止されるか、またはアイドルモードへと移され得、それによりエネルギーが節約され、停止モードでの排出を避けることができるゆえに理想的である。例えば流れ圧縮機が空気供給機として使用される場合、非常に早い再開を保証するゆえに、アイドル回転速度は停止モードの間理想的に有意義である。任意の流れ後の圧縮空気は、例えば追加の弁を介するような場合、該空気が燃料電池へと誘導されないように流れ出ることができ、それによって一方では電力が生成されず、他方では停止モードで燃料電池が乾燥しない。

本発明に従う方法は現在燃料電池及びトランスデューサーで構成される電気システム、特にトランスデューサーを有する燃料電池システムにとって理想的であり、それは例えば段階的にエネルギー及び排出を低減するためにしばしば停止モードで動作され、これには電力要求がないか、または小さい要求があるのみである。本発明に従う方法の好適な使用法は、電気システムが車両に駆動力を提供するために使用されることを定めるものであるため、かかる開始及び停止戦略を用いることは車両で特に有意義である。

本発明に従う方法の更に有利な実施形態は、残りの従属請求項から派生し得、これらは例示的な実施形態に照らし、また図を参照しながら、以下でより詳細に述べられる。

燃料電池システムを用いた原理として表される車両を示す。 停止モードからかかる燃料電池システムの通常動作を開始するときの信号曲線の図式を示す。

図１の図面は、暗示的に表される車両１を示し、それは電気走行電動機２を介して駆動されなければならない。電気走行電動機２は、単に例としてここで説明される描写において、従動軸３を介して接続された、４で示される車両１の２つの駆動車輪を駆動する。車両１を駆動させるための電力は、燃料電池システム５の形態の電気システム５がそのために伝達する。該燃料電池システム５は、単に例として本明細書で示される実施形態の一般的に普通な、及び好適な形態で表される。燃料電池システム５の核心部は、その結果として、個々の電池の積み重ね、いわゆる燃料電池の積み重ねまたは燃料電池スタックとして、典型的に組み立てられる燃料電池６からなる。この燃料電池スタックは、アノード側及びカソード側を含み、共通のアノード室７及び共通のカソード室８が図１の描写で単に例として示される。アノード室７には、圧縮ガスリザーバ９から圧力調整及び投与ユニット１０を介して水素が供給される。消費されていない水素は、それ自体が再循環供給装置１２を用いて再循環管１１を通って既知の様式で戻り、新たに供給される水素と混合され、アノード室７に供給される。該組立体は、アノード回路としてもまた示される。送風機として説明される再循環供給装置１２の補足及び代わりとして、ガスジェットポンプもまた想定することができ、該ジェットポンプは圧縮ガスリザーバ９から新たに供給される水素ガスによって駆動される。時々アノード回路内の濃縮された水及び濃縮された不活性ガスを排出することを可能にするため、再循環管１１は排出弁１４を有する水分離機１３を更に備える。該組立体及びその操作戦略は、一般的な技術水準から既知であるため、更に詳細に述べる必要はない。

燃料電池６のカソード室８には、酸素の供給器としての空気供給機１５を介して、空気が供給される。したがって空気はオプションの加湿器１５を通ってカソード室８へと流れ、その中で加湿される。酸素が枯渇した湿った排出空気は、カソード室８を出て、そこに含まれる湿気を少なくとも部分的に空気取入口へ排出するように、オプションの加湿器１６を通って後方に流れる。次いでそれはタービン１７を通って周囲大気へと流れ込む。タービン１７は、電気機械１８及び空気供給機１５と共に、燃料電池６の最もエネルギー効率の良い空気供給のために設計された、いわゆる電気ターボチャージャーを形成する。空気供給機１５の出口及びタービン１７への入り口は、システムバイパス弁２０を有するシステムバイパス１９を介して互いに再び接続されることができ、それによりたとえ空気供給機１５がまだ運転中であっても、カソード室８への空気の侵入を避けるまたは制限するようにシステムバイパス弁２０を特定の状況で開くことができる。これは、制限を超過したとき、通常動作の流れ圧縮機として設計された空気供給機によって示された非常に速い回転速度による事例となり得る。

燃料電池６の電力は、本明細書で提案されている電線２１を通ってトランスデューサー２２によって受け取られる。トランスデューサー２２は、ＤＣ／ＤＣコンバータまたはバッテリコンバータの例として設計され得る。該コンバータは、電気エネルギー貯蔵装置としてオプションの高電圧バッテリ２３と接続されている。それは更に更なる電力電子機器２４、例として、少なくとも走行電動機２へ駆動力を提供するように形成されたＤＣ／ＡＣコンバータと接続されている。

車両１のかかる燃料電池システム５は、現在しばしば、いわゆる開始停止戦略で使用されるように駆動される。車両１が、バッテリ２３を通じていかなる問題も有することなしに利用できるいずれの駆動力も要求しない、またはほとんど要求しない場合、例えば車両が上り坂を走行し、赤信号で停止するとき、燃料電池システム５はエネルギーを節約するため及びこれらの停止フェーズで騒音の放出を低減するため、いわゆる停止モードへと切り替えられる。

典型的には、燃料電池６の空気供給はそのために中断され、低減されたレベルで水素供給が続く。燃料電池６の残留酸素は、次いで少なくとも部分的になお存在する水素と反応し、停止フェーズの長さに従って、少なくとも特定の時間ｔの後、燃料電池電圧Ｕ_ｂｚがゼロに下がる。これは図２の上段の図式のＡで示される右手区域で適宜に示唆され、期間ｔに渡って燃料電池６の電圧Ｕ_ＢＺ及び電流Ｉ_ＢＺを示す。電圧Ｕ_ＢＺは、したがって区域Ａの「ゼロ」で実線を用いて説明される。代わりの点線の描写、そこでは停止フェーズが長くは保たれず、区域Ａの端部に至るまで持続しているほとんどゼロまでの電圧の低下を示す。その図式は、電圧Ｕ及び電流Ｉを有する図式より低い停止モードの状態示す。該状態は領域Ａで１つ設定され、燃料電池システム５はしたがって停止モードである。停止モードの該要求は、領域Ａから領域Ｂへ切り替わるとき１からゼロに変化し、それは最終的に燃料電池システム５の再開信号に対応する。

従って、中断された空気供給が再開され、燃料電池６にはどんどん空気が供給される。同時に、燃料電池電圧Ｕ_ＢＺ、１が規定され、それは供給される燃料電池６のアイドル電圧Ｕ_ＯＣＶよりもわずかに低い。該電圧、それは例えば、燃料電池６の個々の電池ごとにほぼ８５０ｍＶ程度の大きさであり、それが「一点鎖」線で示される燃料電池６からの電流Ｉ_ＢＺを描くようにトランスデューサー２２によって適宜に調整される。燃料電池電圧Ｕ_ＢＺを規定の電圧値Ｕ_ｂｚ、１以下に維持するために、該電流は、酸素及び水素の燃料電池６への供給の増加とともに適宜に上昇されなければならない。燃料電池電流Ｉ_ＢＺが、規定の値Ｉ_ＢＺ、１を超えて増加すると、システムは燃料電池６の再開動作Ｂから通常動作Ｃへと切り替え、電流Ｉ_ＢＺ及び電圧Ｕ_Ｂｚは、電力要求にしたがって、車両１によって調整される。

典型的には、通常動作の間の平均電流Ｉ_ＢＺとして、約１０Ａの燃料電池電流Ｉ_ＢＺが、約３５０〜５００の個々の電池で構成される燃料電池６を用いて生じ得る。規定の電流値ｌ_Ｂｚ、１は通常動作Ｃが再びリリースされるとき大体値の半分、すなわち約５Ａに設定され、それは約０．０３５Ａ／ｃｍ^２の電流密度に対応する。

燃料電池電圧Ｕ_ＢＺを規定の電圧Ｕ_ＢＺ、１未満に維持するために必要な燃料電池電流Ｉ_ＢＺが、該規定の電流値ｌ_ＢＺ、１を超えたらすぐに、燃料電池システム５の完全な性能が再び利用可能になり、それによって通常動作Ｃがリリースされ得る。安全かつ信頼できる通常動作のリリースが簡単な電流の測定を通じて可能であるように、燃料電池６がより高いストレスを受けるとき、もはや電圧の遮断は要求されない。

Claims (10)

1. 燃料電池（６）及びトランスデューサー（２２）を有する電気システム（５）の通常動作（Ｃ）を停止モード（Ａ）から開始する方法であって、前記トランスデューサー（２２）は前記燃料電池（６）の電力を受け取るものであり、前記燃料電池（６）の少なくとも１つの反応物質の供給は中断されるが、前記中断された反応物質の供給は再開信号から再開され、そして燃料電池電圧（Ｕ_ＢＺ、１）が規定され、次いで前記トランスデューサー（２２）によって調整される前記方法において、
   反応物質が供給される電気的に無負荷の燃料電池（６）がすべての場合に規定の燃料電池電圧（Ｕ_ＢＺ、１）を超えるように前記規定の燃料電池電圧（Ｕ_ＢＺ、１）が規定され、かつ燃料電池電圧（Ｕ_ＢＺ）を前記規定の燃料電池電圧（Ｕ_ＢＺ、１）未満に維持するために必要な前記トランスデューサー（２２）の電流（Ｉ_ＢＺ）が計測され、前記通常動作（Ｃ）がその実施のために必要な規定の電流（ｌ_ＢＺ、１）の時点でリリースされることを特徴とする、前記方法。
2. 前記必要な規定の電流（ｌ_ＢＺ、１）は、前記規定の燃料電池電圧（Ｕ_ＢＺ、１）での通常動作（Ｃ）で典型的に現れる平均燃料電池電流（ｌ_ＢＺ）の約半分に設定されることを特徴とする、請求項１に記載の前記方法。
3. 前記燃料電池（６）が、個々の電池の積み重ねからなることを特徴とする、請求項１または２に記載の前記方法。
4. 前記規定の燃料電池電圧（Ｕ_ＢＺ、１）が、個々の電池ごとに８００〜９００ｍＶで規定されることを特徴とする、請求項３に記載の前記方法。
5. 前記通常動作（Ｃ）がリリースされる時点の前記規定の電流（ｌ_ＢＺ、１）が、０．０２〜０．０５Ａ／ｃｍ^２で規定されることを特徴とする、請求項３または４に記載の前記方法。
6. ＤＣ／ＤＣコンバータまたはバッテリコンバータが前記トランスデューサー（２２）として使用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前記方法。
7. 前記燃料電池（６）の酸素供給が停止モードで中断されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の前記方法。
8. 前記酸素供給が空気で行われることを特徴とする、請求項７に記載の前記方法。
9. 前記燃料電池（６）及び前記トランスデューサー（２２）を有する前記電気システムが燃料電池システム（５）として設計されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の前記方法。
10. 前記電気システム（５）が車両（１）に駆動力を供給するために使用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前記方法。

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