JP6781757B2 - 漏れを診断するための方法および燃料電池システム - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムにおいて漏れを診断するための方法並びに燃料電池システムに関する。
従来技術によれば、流体を含有するかまたは内部で流体がガイドされる多様な異なるシステムが公知である。このような流体システム内で流体を保持するために、このような形式のシステムは通常では少なくとも部分的にシールされている。製造公差に基づいて並びに作動に基づく例えばシールの摩耗によって、システムに漏れが発生し、流体がシステムから漏れ出ることが起こりうる。従って、特に、安全にかかわるシステム、例えば燃料電池システムにおいて、漏れを監視することが有意義である。このために、所定の限界条件を下回る所定の作動ポイントで最大許容漏れ値が頻繁に規定される。従ってこれは特に、流体システムの耐用年数に亘って使用環境から何度も取り出され、実験室条件下で、所定の限界条件を有する前もって規定された作動ポイントが形成され、それによって、この条件下で漏れが検出され、最大許容漏れ値に対して検査され得る。
本発明は、方法の独立請求項に記載した方法、並びに装置の独立請求項に記載した装置に関する。
本発明のその他の特徴および詳細は、従属請求項、明細書および図面に記載されている。この場合、本発明による方法に関連して記載されている特徴および詳細は、もちろん本発明による燃料電池システムとの関連においても当てはまり、またその逆でもあるので、個別の発明態様の開示に関して常に相互に引き合いに出されてよい。
従属請求項に記載した手段によって、独立請求項に記載した方法の好適な実施態様および改良が可能である。
流体システムの少なくとも１つの第１の流体の漏れ（特に危機的な漏れ）を診断するための本発明による方法は、ステップａ）乃至ｄ）を有している。ステップａ）によれば、第１の流体の作動圧力の第１の基準勾配が提供される。ステップｂ）は、第１の作動ポイントにおける作動圧力の作動勾配を算出するステップを有している。ステップｃ）によれば、モデルによって作動圧力の第２の基準勾配が決定される。この際に、モデルが、第１の基準勾配および、第１の作動ポイントにおける少なくとも１つの別の作動パラメータを考慮する。作動勾配と第２の基準勾配との比較はステップｄ）で行われる。
この場合、漏れとは、特に流体システムからの時間単位当たりの第１の流体の体積損失であると解釈されてよい。また、危機的な漏れは、流体システムまたは周囲に危険を及ぼし得る漏れのことである。これが例えば第１の流体の消費に対する影響のように別の理由により重要であるとみなされる場合でも、漏れは危機的である。流体システムの第１の流体の漏れのための指標は、特に作動圧力の勾配であってよい。本発明の意図によれば、勾配とは、圧力の時間的変化、特に時間の経過に伴う圧力損失であると解釈されてよい。言い換えれば、例えば短い時間内の高い圧力損失、およびひいては特に、漏れに起因する圧力の高い勾配であってよい。従って、作動圧力の第１の基準勾配は、固定条件下における時間毎の圧力変化の限界として解釈されてもよく、この限界までに、この条件下で作動勾配が危機的でないかまたは危機的であると評価され得る。例えば、第１の基準勾配は、規定された条件下での最大許容圧力勾配を示していてよい。作動圧力の勾配を算出するために、好適には圧力が少なくとも２つの時点までの時間間隔に亘って測定されてよいので、測定時点の差と時間間隔の商から勾配が得られる。この場合、例えば数学的、特に分析的または数値的な関数であってよいモデルが、特に第１の基準勾配、並びに第１の作動ポイントにおける別の作動パラメータの形の少なくとも１つの環境条件から、第２の基準勾配を決定する。作動ポイントは、特に作動勾配を算出中の時間を含んでいてよい。この場合、第２の基準勾配は、特に実際の条件下における時間毎の圧力変化の限界を示し、この限界までに、作動勾配が危機的でないかまたは危機的であると評価され得る。特に、環境条件は、危機的な漏れの比較値の規定された限界から演算される。これによって、本発明の方法のために、少なくとも所定の限界内、例えばモデルが有効である温度範囲内で、漏れの診断がすべての作動ポイントにおいて実施可能であるという利点が得られる。これによって、慢性的な漏れが早期に検出されるので、特に流体システムの整備コストが低減される。従って、例えば整備間隔を延長することができるので、この方法による運転進行の妨害は減少される。数学的根拠によって、この方法はさらに例えばコンピュータプログラムで自動的に実行されるか、またはコンピュータプログラムによって制御可能である。特に、作動圧力の作動勾配はより簡単に測定可能であるので、特に危機的な漏れの診断のための漏れ箇所の正確な位置確認は必要ない。好適な形式で、作動圧力の第１の基準勾配はさらに、この流体システムのために基準作動ポイントにおいて一度規定されるだけでよい。このような形式の１回限りのテストは、この流体システムを消費者に引き渡す前に、例えば予め実験室条件下で実施されてよいので、特に完成された各製品のために個別の公差決定が可能である。これによって、この方法の精度が高められる。何故ならば、第１の基準勾配において既に相応に実際の製造誤差が考慮されているからである。
さらに、流体システムは燃料電池システムであってよく、従って、本発明による方法は好適な形式で、燃料電池システム内の漏れ（特に危機的な漏れ）を診断するために構成されていてよい。また、好適には作動圧力は燃料電池システムの陽極圧力であってよい。これによって、燃料電池システムの安全性が特に著しく高められる。つまり、第１の流体は、燃料電池システム内で高い圧力に晒され、燃料電池システムから特に多量に流出すると潜在的な危険源となり得る、例えば水素であってよい。従って、燃料電池システム内の漏れを早期に検知することが特に望ましい。
さらに、この方法が車両の流体システムに使用されるか、若しくは流体システムが本発明による方法の実施中に車両に取り付けられることが考えられる。これは、相応に車両の運転時の安全性を高める。何故ならば特に、この方法は、実際の条件下で実施され、それによって実際の環境条件も考慮可能だからである。従って、この方法は、例えば車両の運転時に自動的に例えば永久的に、または規則的な間隔を保って、または停止している作動機能（例えば始動前または停止後）において、または運転者によって手動で作動されて行うことができる。選択的にまたは追加的に、この方法は工場で、例えば車両の検査時に実施されるようになっていてもよい。好適には、この方法は車両の始動時に実施されてよいので、運転進行の妨害は減少され、形成された漏れが前もって検知され、特に可能な危険に晒される前に検知される。
さらに、本発明による方法は、固定的な作動条件下で実施されることが考えられる。従って、例えば、流体システムの１区間は少なくとも１つの弁を閉鎖することによって少なくとも部分的に閉鎖されてよいか若しくは閉鎖されるようになっている。これによって、第１の作動ポイントにおける作動圧力の算出された作動勾配は、非常に確実に漏れに割り当てることができる。これは、この方法の精度を高め、ひいては流体システムの高い安全性が得られる。従って、固定的な作動条件とは、例えば、第１の流体の流れが定常状態にあるか、または第１の流体の追加的な圧力が例えばポンプによって流体システムの区分内で発生されないことであると解釈されてよい。
本発明の枠内でさらに、モデルが、第１の作動ポイントにおける別の作動パラメータを用いて第２の流体の補助圧力を考慮するようになっていてよい。補助圧力は、好適には燃料電池の陰極圧力であってよい。好適には、第２の流体とは気体または液体であると解釈されてよく、この場合、第２の流体は特に好適には酸素を含有していてよい。従って、第２の流体は例えば空気であってよい。モデルによる補助圧力の考慮に関して、補助圧力自体が燃料電池システム内の陽極と陰極との間の圧力差を表すか、または補助圧力に依存する別の値が別の作動パラメータを表してよい。これによって、第２の流体の補助圧力を考慮することによって、簡単に測定することができる周囲パラメータがモデルによって考慮され得る。特に陰極圧力は、結果の精度に大きく影響するので、燃料電池システム内で陰極圧力を考慮することによって、この方法の高い精度およびひいては燃料電池システムの高い安全性が得られる。
好適な形式で、本発明の方法によれば、作動勾配が第２の基準勾配を上回るかまたは下回る場合、エラー反応が発生する。従って、例えば、特により精確な別のテストが必要であるかまたはシステムの遮断が実施されるべきであるとの警告メッセージが行われる。これによって、流体システムの安全性を高めることができる。
好適な形式で、本発明の方法によれば、モデルが、第１の作動ポイントにおける別の作動パラメータを用いて、流体システム内の水の凝縮を考慮するようになっていてよい。このために、水の凝縮は、好適には水の分圧によって表されてよい。特に、水の凝縮はそれ自体が、水の凝縮に依存する水の分圧を表すか、または水の凝縮に依存する別の値が別の作動パラメータを表す。第１の流体の冷却または外気温度に応じて、作動勾配の測定中に若しくはこの方法の実施中に、流体システム内で特に水蒸気が凝縮し、この場合、凝縮水の含有率は、特に水の露点に依存する。他方、水の凝縮は作動勾配の変化をもたらすので、モデルによる考慮が第２の基準勾配を実際の条件にさらに近づける。これによって、より精確な方法およびひいては流体システムの高められた安全性が得られる。
さらに、本発明の方法によれば、第１の流体が冷却剤によって冷却され、この際に、モデルが第１の作動ポイントにおける別の作動パラメータを用いて冷却剤の温度変化を考慮し、かつ／または方法の少なくともステップｂ）を実施する前に冷却を遮断する。このような冷却も、この方法の実施中に、特に作動勾配の算出中に、作動勾配への影響を有しているので、相応の圧力低下または相応の圧力増大は、完全には漏れに起因するものではない。好適な形式で、冷却剤の温度の変化自体または冷却剤の温度に依存する値が別の作動パラメータを表す。従って、モデルによって温度の変化を考慮することにより、若しくは冷却を遮断することによって、この方法の、特に第２の基準勾配のより高い精度が得られるので、流体システムの安全性が高められる。これによって、例えば危機的な漏れの誤判断の頻度は減少され得る。
さらに、本発明の方法によれば、モデルが反応項を有しており、該反応項が、第２の基準勾配に対する、流体システム内での化学反応の影響を、第１の作動ポイントにおける少なくとも１つの別の作動パラメータを用いて考慮することが考えられる。反応項とは、例えば燃料電池のメンブレンにおける化学反応の、特に数学的モデリングと解釈されてよい。従って、反応項の可能な依存性として、温度、酸素分圧、水素分圧および／または類似の作動パラメータが得られる。反応項は、好適には分析的な数学的関数として、または一般的に流体システムの個別製品またはシリーズのための規定された特性マップとして設けられていてよい。これによって、作動圧力の作動勾配に対する少なくとも第１の流体の残留反応の影響が考慮され、従ってより精確な結果が得られる。これは他方では、特に、高められた安全性を生ぜしめる。反応項は特にそれ自体が別の作動パラメータを表す。
さらに、本発明の枠内で、方法の少なくともステップｂ）乃至ｄ）が周期的に繰り返し行われるようになっていてよい。これによって、漏れが規則的に検査されるので、測定値のサンプリング範囲およびひいては方法の精度が高められる。周期的な繰り返しとは、本発明の意図によれば、例えば所定の時間間隔後に行われる繰り返しであると解釈されてよい。また好適には、周期的な繰り返しとは、この方法のステップが流体システムの作動サイクル毎に、例えば流体システムの始動時および／または遮断時に実施されると解釈されてもよい。従って、運転進行の中断は減少され、危機的な漏れの確実な検出が得られる。
好適な形式で、本発明の枠内で方法ステップは、ａ）乃至ｄ）の連続で行われてよい。しかしながら特に、技術的に有意義であれば、方法ステップが別の連続で実施され、かつ／または方法の個別のステップが繰り返されることも、同様に考えられる。
本発明の別の態様によれば、少なくとも１つの第１の流体と、少なくとも１つの作動圧力を検出するための少なくとも１つのセンサとを有している燃料電池システムが要求されている。この場合、燃料電池システムは、請求項１乃至９に記載した方法を実施するために適している。センサは、好適には圧力センサであってよいので、圧力勾配は簡単かつ安価な方法および形式で算出可能である。好適には、燃料電池システムは車両の燃料電池システムであってよいので、この方法によって車両の安全性が高められる。従って、本発明による燃料電池システムは、本発明による方法に関連して詳細に記載されているのと同じ利点をもたらす。
本発明を改善する別の手段は、図面に概略的に示された、本発明の幾つかの実施例に関する以下の説明に記載されている。全体的に、請求項、明細書または図面から明らかな、構造的な詳細、空間的な配置および方法ステップを含む特徴および／または利点は、単独でもまた様々な組み合わせでも本発明にとって重要である。この場合、図面は記載された特性だけを有していて、本発明を何らかの形に限定することを想定したものではない、ということに注意されたい。
以下の図面では、同じ技術的な特徴のために、異なる実施例においても同じ符号が使用されている。
図１は、本発明の第１実施例による方法１００のステップａ）乃至ｄ）を示し、この場合、ステップａ）に従って、第１の流体の作動圧力２００の第１の基準勾配２１０が提供される。この提供は、例えば、基準作動ポイント２０３で作動圧力２００の第１の基準勾配２１０を測定することによって行われる。ステップｂ）に従って、第１の作動ポイント２０２における作動圧力２００の作動勾配２０１が決定される。ステップａ）で提供された第１の基準勾配２１０と少なくとも１つの別の作動パラメータ２２１とを考慮するモデル２２０によって、ステップｃ）に従って第２の基準勾配２１１が決定される。この場合、モデル２２０は数学的関数として予め設定されているので、第２の基準勾配２１１を決定するために、別の作動パラメータ２２１および第１の基準勾配２１０の代入が行われてよい。ステップｄ）に従って、作動勾配２０１と第２の基準勾配２１１との比較が行われる。特に、第２の基準勾配２１１よりも高い作動勾配２０１によって示されている時間的な圧力損失において、エラー反応２１２が生ぜしめられる。これによって、使用者に危機的な漏れが警告される。さらに、例えば別の作動ポイントを検査するために、特に少なくともステップｂ）乃至ｄ）が繰り返されてよい。
図２ａは、少なくとも１つの別の作動パラメータ２２１に対する圧力勾配の線図を示す。この場合、モデル２２０を表す曲線は、それぞれの作動ポイントに依存するそれぞれの基準勾配を示す。従って、図示の線図は簡単な二次元表示であるが、モデル２２０の、別の作動パラメータ２２１以外の追加的な作動パラメータへの依存性に関して、その代わりに多元的な線図も考えられる。モデル２２０の曲線はさらに、基準作動ポイント２０３と第１の基準勾配２１０との組合せによって形成されたポイントを通って延在する。これによって、特に第１の基準勾配２１０が算出される実験室条件が示される。さらに、第１の作動ポイント２０２に作動勾配２０１が示されており、この場合、作動勾配２０１は、モデル２２０の曲線の下にあり、ひいては第２の基準勾配２１１の下で第１の作動ポイント２０２にある。これによって、作動勾配２０１は、存在する漏れが危機的ではないと分類され得る。特に、圧力勾配は圧力勾配の大きさであってよい。図２ｂは、第１の作動ポイント２０２における作動勾配２０１を示し、この場合、作動勾配２０１はモデル２２０の曲線の上にあるので、作動勾配２０１は第１の流体１０の危機的な漏れを表す。
図３ａ乃至図３ｄは、モデル２２０の、様々な影響値への依存性に関するそれぞれ異なる実施例を示す。このために、線図は別の作動パラメータ２２１に対するそれぞれ１つの圧力勾配を示す。モデル２２０の曲線は、基準作動ポイント２０３に割り当てられた第１の基準勾配２１０と、第１の作動ポイント２０２に割り当てられた第２の基準勾配２１１とを含有している。基準作動ポイント２０３と第１の作動ポイント２０２とは、それぞれ別の作動パラメータ２２１に応じて異なっている。従って、モデル２２０の曲線は、基準勾配２１０およびそれぞれ別の作動パラメータ２２１を考慮する数学的関数に基づいて発生する。特に、第１の基準勾配２１０は定数として、モデル２２０の数学的モデリングに入る。図３ａでは、別の作動パラメータ２２１は陽極と陰極との間の圧力差であって、この場合、この圧力差は、燃料電池システム１内で陰極圧力に相当する補助圧力２２１．１に相応に依存する。図３ｂは、水の凝縮２２１．２に依存する水の分圧に対する圧力勾配の線図を示す。それに応じて、モデル２２０の曲線の数学的モデリングは第１の基準勾配２１０および水の凝縮２２１．２に基づいている。水の凝縮２２１．２は特に水の分圧を介して簡単に測定することができるので、水の凝縮２２１．２へのモデル２２０の依存性は、分圧を考慮することによって実現される。同様に、図３ｃに示した実施例では、モデル２２０内における温度変化２２１．３の考慮は、温度変化２２１．３に基づく作動圧力２００の特に理論的な物理的変化がモデル２２０内に数学的に入ることによって行われる。相応に、例えば基準作動ポイント２０３も温度変化２２１．３によって決定されるので、第１の基準勾配２１０は基準作動ポイント２０３に割り当てられる。図３ｄは、別の実施例で、第１の基準勾配２１０および反応項２２１．４を考慮するモデル２２０の曲線を示す。反応項２２１．４は特に、例えば少なくとも温度の影響、第１の流体１０および第２の流体１１の分圧を考慮した別の数学的関数として解釈されてよい。これにより、反応項２２１．４によって、この方法１００の実施中に燃料電池１の化学的残留反応が考慮され得る。
図４は、様々な入力値を有するモデル２２０を概略的に示す。従って、モデル２２０は、第１の基準勾配２１０と、例えば燃料電池システム１として構成された流体システム１内で陽極と陰極との間の圧力差によって表すことができる補助圧力２２１．１と、例えば水の分圧によって表すことができる水の凝縮２２１．２と、例えば温度変化２２１．３によって生ぜしめられる理論的な圧力差によって表すことができる温度変化２２１．３と、および化学的残留反応に基づく圧力の変化を特に数学的に表す反応項２２１．４とに依存している。このような形式の関連した値を考慮することにより、特に作動勾配２０１への環境条件の影響を第２の基準勾配２１１を適合させることによって考慮することが可能である。従って、第２の基準勾配２１１は、実際の作動ポイント２０２において換算された、基準作動ポイント２０３の危機的であるとみなされる漏れの限界を示す比較値を表す。
図５は、本発明による燃料電池システム１の別の実施例の概略図を示す。この場合、燃料電池システム１は、第２の流体１１が供給される陰極３と、第１の流体１０が供給される陽極２とを有している。燃料電池システム１内で第１の流体１０と第２の流体１１とが反応することにより、特に電圧が発生され得る。第１の流体１０の流路内にさらに２つの弁５と１つのセンサ６とが設けられている。固定的作動条件を形成するために、特に弁５が閉鎖されてよく、これによってセンサが一定の時間間隔に亘って、特に少なくとも第２の時点まで圧力を測定することによって、作動勾配２０１が算出される。弁５の閉鎖によって、作動勾配２０１は、陽極２における相応の区間の外で特に第１の流体１０の圧力条件に依存しない。さらに、燃料電池システム１は冷却器４によって冷却剤１２を用いて冷却され、この場合、この冷却は遮断可能、および／または冷却剤１２の温度変化が測定可能であるので、漏れの診断のために、特に燃料電池システム１の危機的な漏れの診断のために、この方法１００に対する、冷却剤１２の影響を低下させることができる。
図６は、本発明による燃料電池システム１を有する車両３００を示す。燃料電池システム１のために、特に危機的な漏れを診断するための方法１００が実行され、この場合、この方法１００は、車両３００のコントロールユニット３０１によって開始可能であり、特に開ループ制御可能である。
この実施例の前記説明は、本発明をもっぱら複数の例の枠内でだけ記載するものである。もちろん、技術的に有意義であれば、本発明の枠を逸脱することなしに、複数の実施例の個別の特徴を互いに自由に組み合わせてよい。
１ 燃料電池システム、流体システム
２ 陽極
３ 陰極
４ 冷却器
５ 弁
６ センサ
１０ 第１の流体
１１ 第２の流体
１２ 冷却剤
１００ 方法
２００ 作動圧力
２０１ 作動勾配
２０２ 第１の作動ポイント、実際の作動ポイント
２０３ 基準作動ポイント
２１０ 第１の基準勾配
２１１ 第２の基準勾配
２１２ エラー反応
２２０ モデル
２２１ 別の作動パラメータ
２２１．１ 補助圧力
２２１．２ 水の凝縮
２２１．３ 温度変化
２２１．４ 反応項
３００ 車両
３０１ コントロールユニット
ａ，ｂ，ｃ，ｄ ステップ
２ 陽極
３ 陰極
４ 冷却器
５ 弁
６ センサ
１０ 第１の流体
１１ 第２の流体
１２ 冷却剤
１００ 方法
２００ 作動圧力
２０１ 作動勾配
２０２ 第１の作動ポイント、実際の作動ポイント
２０３ 基準作動ポイント
２１０ 第１の基準勾配
２１１ 第２の基準勾配
２１２ エラー反応
２２０ モデル
２２１ 別の作動パラメータ
２２１．１ 補助圧力
２２１．２ 水の凝縮
２２１．３ 温度変化
２２１．４ 反応項
３００ 車両
３０１ コントロールユニット
ａ，ｂ，ｃ，ｄ ステップ
Claims (9)
- 流体システム（１）である燃料電池システム（１）の少なくとも１つの第１の反応流体（１０）の漏れを診断するための方法（１００）において、
ａ）前記第１の反応流体（１０）の作動圧力（２００）の基準作動ポイント（２０３）における第１の基準勾配（２１０）を提供するステップを有し、
ｂ）前記基準作動ポイント（２０３）とは異なる第１の作動ポイント（２０２）における前記作動圧力（２００）の作動勾配（２０１）を算出するステップを有し、
ｃ）モデル（２２０）によって前記作動圧力（２００）の第２の基準勾配（２１１）を決定するステップを有し、この際に、前記モデル（２２０）が、前記第１の基準勾配（２１０）および、前記第１の作動ポイント（２０２）における少なくとも１つの前記作動圧力（２００）とは別の作動パラメータ（２２１）を考慮し、
ｄ）前記作動勾配（２０１）と前記第２の基準勾配（２１１）とを比較するステップを有しており、
前記モデル（２２０）が、前記第１の作動ポイント（２０２）における前記別の作動パラメータ（２２１）を用いて第２の反応流体（１１）の補助圧力（２２１．１）を考慮する、
漏れを診断するための方法（１００）。 - 前記方法（１００）を、車両（３００）の流体システム（１）において使用する
ことを特徴とする請求項１記載の方法（１００）。 - 前記方法（１００）を固定的な作動条件下で実施する
ことを特徴とする請求項１または２記載の方法（１００）。 - 前記作動勾配（２０１）が前記第２の基準勾配（２１１）を上回るかまたは下回る場合、エラー反応を発生させる
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の方法（１００）。 - 前記モデル（２２０）が、前記第１の作動ポイント（２０２）における前記別の作動パラメータ（２２１）を用いて、流体システム内の水の凝縮（２２１．２）を考慮する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の方法（１００）。 - 前記第１の反応流体（１０）を冷却剤（１２）によって冷却し、この際に、前記モデル（２２０）が前記第１の作動ポイント（２０２）における前記別の作動パラメータ（２２１）を用いて前記冷却剤（１２）の温度変化（２２１．３）を考慮し、かつ／または前記方法（１００）の少なくとも前記ステップｂ）を実施する前に冷却を遮断する
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の方法（１００）。 - 前記モデル（２２０）が、前記第２の基準勾配（２１１）に対する、前記流体システム（１）内での化学反応の影響を、前記第１の作動ポイント（２０２）における少なくとも１つの前記別の作動パラメータ（２２１）を用いて考慮する反応項（２２１．４）を有している
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の方法（１００）。 - 前記方法（１００）の少なくとも前記ステップｂ）乃至ｄ）を周期的に繰り返し行う
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の方法（１００）。 - 請求項１から８までのいずれか１項記載の方法（１００）を実施する車両（３００）の燃料電池システム（１）において、前記燃料電池システム（１）が、少なくとも１つの第１の反応流体（１０）と、少なくとも１つの作動圧力（２００）を検出するための少なくとも１つのセンサ（６）とを有している
燃料電池システム（１）
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