JP7429805B2 - 燃料電池システムに燃料供給する方法および燃料電池システム集合体 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に燃料を給送するための複数の燃料供給装置であって、燃料供給装置の各々が燃料電池のうちの少なくとも１つに割り当て可能であるか、または割り当てられている複数の燃料供給装置と、燃料電池および燃料供給装置の動作を監視および制御するために用いられる制御装置と、を備える、複数の燃料電池システムの集合体において動作する燃料電池システムに燃料供給する方法であって、集合体によって少なくとも１つの負荷にエネルギーが供給され、燃料電池システムがそれぞれ少なくとも１つの燃料電池を有する、方法に関する。さらに、本発明は、それぞれ少なくとも１つの燃料電池を有する複数の燃料電池システムにより少なくとも１つの負荷にエネルギーを供給するように企図および設定されている燃料電池システム集合体に関する。

燃料電池もしくは燃料電池システムは、今では広く使用されている。これは、車両の分野では、車両の駆動装置のみならず、例えば貨物を冷却するために電力を必要とする様々な構造物にも当てはまる。

燃料電池では化学反応によって電流が生成される。その際、燃料と酸化剤が反応生成物としての電気エネルギーと水に変換される。この場合、燃料電池は、実質的にアノード部と膜とカソード部とからなる。化学反応で放出された電子は電流として、例えば自動車の電気モータなどの消費機器を通って流れる。

このような燃料電池システムは、例えば特許文献１から知られている。

他の技術分野においても、燃料電池もしくは燃料電池システムを、例えばサーバファームでは、とりわけそれらの性能自体のために、そして冷却タスクにも用いることができ、船舶航行では、例えばクルーズ船やコンテナ船の補助電源装置が想起され得る。

例えば車両に使用されるような燃料電池システムについて考えると、安全技術上の理由から、燃料供給中はシステムをオフにする必要がある。これは、燃料供給過程中に燃料電池システムから電力を出力してはならないか、またはすることができないことを意味する。しかしその一方で、燃料供給過程中に必要な機能性（例えばシステム内のＨ_２濃度の監視など）を提供するために、燃料電池システムに電力が供給されることが保証されるべきでさえあるので、通常、車両に存在する、場合によってはそれ用に定めて設けられた車載のバッテリが使用される。他の形態では、例えばタンクステーション自体によって供給を確保することもできる。この場合、上記の形態は両方とも、供給装置の保有に関する、ならびにそれらの管理および保守のコストを上昇させる。

独国特許発明第１００２８３３１号明細書

本発明により、有利にも、燃料電池に割り当てられた、それぞれの燃料を供給するための燃料供給装置をより低いコストで実行することができ、それと同時に燃料電池システムによって動作させる負荷の中断のない動作を保証することができる、燃料電池システムに燃料供給する方法、および燃料電池システムの集合体が提供される。

本発明によれば、上記の利点は請求項１の特徴を有する方法によって実現される。

したがって、本発明の根底をなす思想は、冒頭で述べた種類の方法において、以下のステップ、
ａ）制御装置によって、センサ信号またはパラメータの予め定められた値をもとにして燃料供給装置のうちの少なくとも１つの燃料供給の必要性を認識するステップ、
ｂ）燃料供給されるべき燃料供給装置が割り当てられている燃料電池（単数または複数）が属する燃料電池システムの出力電力（Ｌｅｉｓｔｕｎｇｓａｂｇａｂｅ）を燃料電池システムの集合体から分離するステップ、
ｃ）残った燃料電池システムの集合体によって（）を動作させて、当該それぞれの燃料供給装置の燃料供給を実行するステップ、
ｄ）当該燃料供給装置の燃料供給過程を終了するステップ、
ｅ）先に分離された燃料電池システムを燃料電池システム集合体と再び接続するステップ、が実行されるということである。

それに応じて、本発明による方法では、まず、動作中、すなわち少なくとも１つの負荷を動作させている間、燃料電池システムに割り当てられた燃料供給装置に、例えば連続的にその充填レベルに関して照会されるか、または少なくとも１つのセンサの相応の、継続的に更新されるセンサ信号が恒久的に存在する。それぞれの負荷の恒久的に一定の消費量が既知である場合、燃料供給装置の燃料供給の必要性を特定期間の経過から簡単に明らかにすることもできる。制御装置は、これに提供されたパラメータをもとにして、燃料供給過程の必要性を検知することができる。例えば、供給されるべき負荷について、途中時間での燃料供給過程が必要ないか、またはありそうにないと思わせる比較的長い動作が計画されているという状況からもこの必要性を明らかにすることができる。次のステップにおいて、燃料供給されるべき燃料供給装置によって燃料が供給される、すなわち燃料供給されるべき燃料供給装置が割り当てられた燃料電池を有する燃料電池システムの出力電力が、燃料電池システムの集合体から分離される。この場合、当該燃料電池システムは、周知のように、少なくとも１つの燃料電池を有してもよいし、複数の燃料電池を有してもよい。この場合、重要なのは、１つまたは複数の燃料電池を有するそれぞれの燃料電池システムを、集合体の出力電力から分離することであり、例えば、相応の安全要求があるので、燃料供給過程の間、それぞれの燃料電池システムをすべてオフにすることも考えられる。次のステップにおいて、負荷への出力電力から分離された燃料電池システム、もしくはその燃料電池に割り当てられた当該燃料供給装置の燃料供給が実行され、負荷を残った燃料電池システムの集合体によって引き続き動作させ、すなわち電気エネルギー（電力）が引き続き供給される。当該燃料供給装置の燃料供給過程が終了した後に、さらなるステップにおいて、燃料電池システムの集合体から分離された燃料電池システムが再びこれと接続される。

従属請求項において、本発明の有利な実施形態および改良形態が見いだされる。

燃料供給装置の十分な燃料供給を恒久的に確保するための本発明による方法の有利な一変形形態は、上記の方法ステップのうちの第１の方法ステップにおいて、燃料供給装置のうちの１つの燃料供給の必要性が新たに認識されるという条件のもとで、上記の方法ステップが新たに実行される方法ステップであり得る。この場合、基本的に、燃料電池システムの集合体の燃料供給装置のどれもが問題になり得る。すなわち、有利には、制御装置の側から燃料供給装置のうちの１つが燃料供給過程を必要とするかどうかの照会が行われ、それによりシステムの側で適時に必要な措置を開始することができる。これは、例えば、燃料電池システムの集合体のすべての燃料供給装置に自動的に順次燃料供給されるか、あるいは同時に必要な出力電力が保証されている限りで、所定のパターンまたはスキームに従って、さらには任意累積的に複数の燃料供給装置に同時に燃料供給することができるということにつながり得る。

本発明による方法の好ましい発展形態では、上記の方法ステップの実行中に、燃料電池システムの集合体の側で電力が連続的に生成され、少なくとも１つの負荷に提供され、それにより後者を中断のない連続動作で動作させることができる。

場合によっては外部から提供されるエネルギー源に依存しない本発明による方法の別の有利な一変形形態では、燃料供給中に燃料電池システムの集合体によって提供される電力によって、とりわけ、燃料供給された燃料供給装置に割り当てられた燃料電池システムの機能装置および／またはタンクステーションに供給することができる。上記の機能装置が対象として含む機能性は、例えばそれぞれの燃料電池システム内のＨ２濃度の監視であり得、それによりこのためにいつもなら設けられるバッテリを省略することができる。さらに、他の基本的に任意の電動の機能装置も考えられる。さらに、それぞれの１つまたは複数の燃料供給装置に燃料を給送するタンクステーションを提供された電力により供給／動作させることもさらに可能である。

電力の恒久的な供給は、少なくとも１つの燃料電池システムが燃料供給装置の燃料供給中に燃料供給されない本発明による方法の別の有利な変形形態により確保される。その場合、制御装置のタスクは、燃料電池システムの集合体の少なくとも１つの燃料電池システムの出力電力が恒久的に行われ、このようにして恒久的な電力供給が確保されるように燃料電池システムの集合体を監視することであり得る。

同様に有利にも、本発明を用いて、制御装置が、燃料供給装置のうちの少なくとも１つに燃料供給するためにこの燃料供給装置に割り当てられた燃料電池システムを燃料電池システムの集合体から（電気的に）分離し、場合によってはオフにするのに対して、その他の燃料電池システムの少なくとも一部は、残った集合体として、負荷に十分にエネルギー供給する、冒頭で述べた種類の燃料電池システムの集合体が提供される。

本発明による燃料電池システムの集合体の有利な一実施形態では、燃料供給装置は、少なくとも２つの燃料電池からなるそれぞれ１つの燃料電池システムに割り当てられている。それぞれの燃料電池システムに基本的に１つの燃料電池のみを企図および設定できる場合でも、故障安全性（Ａｕｓｆａｌｌｓｉｃｈｅｒｈｅｉｔ）を高めるという意味で、このために少なくとも２つの燃料電池を設けることが合目的的である。

本発明による燃料電池システムの集合体の好ましい一実施形態は、燃料供給装置の各々が同じ数の燃料電池に割り当てられるように企図および設定され得る。このようにして、例えば、燃料電池システムに２つの燃料電池を設定することができ、これらの燃料電池に共通の１つの燃料供給装置が割り当てられるのに対して、集合体は、これらの複数の燃料電池システムから構成されている。集合体にそれぞれ複数の同じ燃料電池システムを設定することは、集合体のスケーラビリティ（Ｓｋａｌｉｅｒｂａｒｋｅｉｔ）を促進し、そのこともまたシステム全体（集合体）の故障安全性を高めることができる。

本発明による燃料電池システムの集合体の特に好ましい実施形態では、これは、それぞれの使用目的に応じて、燃料電池システムの集合体の燃料電池システムのうちの１つだけでも、負荷に十分に供給するのに足りるように企図および設定され得る。この実施形態では、その他の、この燃料電池システムの燃料電池に割り当てられていない燃料供給装置の全部を同時に燃料供給する可能性と組み合わせて、高い故障安全性を見いだすことができる。

燃料電池の集合体の別の有利な実施形態では、集合体は、少なくとも１つの充填レベル、少なくとも１つの濃度、集合体からの燃料電池システムの分離、またはその遮断、あるいは燃料供給装置の燃料供給の状況の少なくとも有無を検出する、および信号で伝えるセンサ装置を有するように企図および設定されている。すなわち、通常、制御装置に割り当てられたセンサ装置は、実質的に、燃料供給装置のうちの少なくとも１つの燃料供給過程のために重要であり得る情報を制御装置に提供するように企図されている。すでに述べたように、これは一方では、燃料供給の必要性の確認に関して、または安全面の点で重要であり得る充填レベル情報または濃度情報であり得る。他方では、これは、燃料供給装置の少なくとも１つの燃料供給過程自体と結びつく情報、すなわち、例えば当該燃料供給装置が燃料電池システムの集合体から決められたとおりに分離されたかどうか、または燃料供給過程が実行中であるのか、終了したのかどうかであり得る。これは、例えば、燃料電池システムの集合体のすべての燃料供給装置の燃料供給の効率的な実行のために重要であり得る。

すなわち上記の本発明による方法および本発明による燃料電池システムの集合体をもってすれば、燃料電池に割り当てられた燃料供給装置にそれぞれの燃料をより低いコストで供給すること、それと同時に、燃料電池システムによって動作させる負荷の中断のない動作を保証することが可能である。

以下、実施例をもとに添付の図面の図を参照して本発明を詳しく説明する。この場合、部分的にかなり模式化した図で示される。

燃料電池を有する燃料電池システムとこれらに割り当てられた燃料供給装置の集合体の図である。 本発明による方法を実行する方法ステップの図である。 図２による方法の一部としての図１による燃料供給装置の燃料供給過程を示す図である。

図において、反対のことが何も示されない限り、同じ参照符号は同じか、または同じ機能のコンポーネントを示す。

図１において、全体を１０で示した燃料電池システムＳｙｓＡ、ＳｙｓＢの集合体の本発明による一実施例が見て取れ、図示された２つの燃料電池システムＳｙｓＡ、ＳｙｓＢは並べて、しかし互いに離間して配置されている。その場合、２つの燃料電池システムＳｙｓＡ、ＳｙｓＢの各々には、消費機器ＢｏＰｙが割り当てられたそれぞれ１つのタンクｙ（ｙ＝Ａ、Ｂ）を有する燃料供給装置２０が割り当てられ、これらの燃料供給装置はまた、これらに割り当てられる、消費機器ＢｏＰｘが割り当てられた燃料電池ＦＣｘ（ｘ＝１、２、３、４）に燃料を供給する。消費機器ＢｏＰｘは、これらがそれぞれ割り当てられている、例えば燃料電池の機能装置であり得る。この場合、各燃料電池システムＳｙｓＡ、ＳｙｓＢにそれぞれ２つの燃料電池ＦＣｘが割り当てられ、これらはそれぞれ同じ燃料供給装置２０によって、すなわちここでは、例えばＦＣ１およびＦＣ２がタンクＡを有する燃料供給装置２０によって、ＦＣ３およびＦＣ４がタンクＢを有する燃料供給装置２０によって供給されることが良好に見て取れる。したがって、この構成では、燃料供給されるべき一方の燃料電池システムＳｙｓＡ、ＳｙｓＢを集合体１０から分離した場合、それぞれもう一方の燃料電池システムＳｙｓＢ、ＳｙｓＡが残った集合体１０として、負荷１００の供給を単独で十分に担うことができるのに対して、燃料供給される燃料電池システムＳｙｓＡ、ＳｙｓＢは、負荷１００への出力電力から分離される。すなわち図１は、それぞれの消費機器ＢｏＰｘを有する燃料電池システムＦＣｘと、それぞれのタンクｙとそのそれぞれの消費機器ＢｏＰｙを有する燃料供給装置２０と、を示す。タンクＡを有する燃料供給装置２０に燃料供給されるべき場合、燃料電池システムＳｙｓＡを分離もしくは遮断することができる。すなわちその場合、ＦＣ１およびＦＣ２をオフにすることができる。燃料電池システムＳｙｓＡの燃料供給中、燃料電池システムＢは、燃料電池システムＳｙｓＡ、ＳｙｓＢの集合体１０の残った、分離されていない部分として負荷１００に引き続き電力を提供することができる。

さらに、図１は、場合によっては遮断された燃料電池ＦＣｘを有するそれぞれ分離された燃料電池システムＳｙｓＡ、ＳｙｓＢの消費機器ＢｏＰｘの動作のために使用することができる高電圧バッテリ７０も示す。しかし、必要な電力がそれぞれもう一方の分離されていない燃料電池システムＢ、Ａによって提供されるので、このバッテリ７０を省略することもできる。

図２において、集合体１０によって少なくとも１つの負荷１００に電気エネルギーが供給される複数の燃料電池システムＳｙｓＡ、ＳｙｓＢの集合体１０において動作させる燃料電池システムＳｙｓＡ、ＳｙｓＢに燃料供給する、本発明による方法を示す図が見て取れる。その場合、ステップＳ１において、詳しくは図示されない制御装置５０によって、センサ信号またはパラメータの予め定められた値をもとにして燃料供給装置２０のうちの少なくとも１つの燃料供給の必要性が認識される。ステップＳ２において、燃料電池システムＳｙｓＡ、ＳｙｓＢの集合体１０の、それぞれのタンクＡを有する燃料供給されるべき燃料供給装置２０が割り当てられた燃料電池ＦＣ１、ＦＣ２が属する燃料電池システムＡが出力電力から分離される。ステップＳ３において、残った燃料電池システムの集合体１０としての燃料電池システムＳｙｓＢによって負荷１００を動作させて、それぞれの燃料供給装置２０の燃料供給が実行される。ステップＳ４において、当該燃料供給装置２０の燃料供給過程が終了し、その後、ステップＳ５において、先に分離された燃料電池システムＳｙｓＡが燃料電池システム集合体１０と再び接続される。ステップＳ５の完了後、燃料供給の必要性の認識過程が新たに開始されることが破線で示唆される。Ｓ１において現在時点での必要性の存在が否定されるという状況についても同じことが当てはまる。

図３において、図１による燃料電池の集合体の図２によるステップＳ２～Ｓ５が、すべての燃料供給装置に順次燃料供給される一変形形態でさらに詳しく示される模式図が見て取れる。例えば図面の各図に詳しく示されないセンサ装置６０を、同様に詳しく示されない制御装置５０と共に用いて常時走査し、ステップＳ１の結果として、まずタンクＡを有する燃料供給装置２０に燃料供給されるべきであることを（図２のステップＳ１の結果として）信号で伝えることができる。ステップＳ２１において、集合体１０からの燃料電池システムＡの出力電力の分離、およびステップＳ２２において、燃料電池ＦＣ１およびＦＣ２がオフにされる。ステップＳ３１において、負荷１００は、集合体１０の別の燃料電池システムＢにより出力電力下に確保され、その後、ステップＳ３２において、タンクＡと図示されないタンクステーション装置（Ｔａｎｓｔｅｌｌｅｉｎｒｉｃｈｔｕｎｇ）との接続が解放されることによって燃料供給が実行される。ステップＳ４１における燃料供給過程の終了後、ステップＳ４２において、先に解放されたタンクＡとの接続が再び遮断され、それにより次に、ステップＳ５１において、ステップＳ５２において燃料電池システムＳｙｓＡを燃料電池システムＳｙｓＡ、ＳｙｓＢの集合体１０と再び接続するために、場合によってはまず燃料電池ＦＣ１およびＦＣ２を再び作動させる。燃料電池システムＢの燃料供給装置２０のタンクＳｙｓＢにも燃料供給が必要な場合、集合体１０のそれぞれ別の装置で同じ過程が行われる。

すなわち集合体１０において複数の燃料電池システムＳｙｓＡ、ＳｙｓＢを動作させる場合、集合体１０の一部である燃料電池システムＳｙｓＡ、ＳｙｓＢのうちの１つに、例えば水素が供給される間、例えば連続動作が可能であり、電力が連続的に生成される。したがって、燃料供給中、バッテリも使用されない。それどころか、タンクステーション自体に電力を供給することさえできる。電力の連続的生成と、これによって可能にされる当該負荷の連続動作は、冒頭で述べた例では、例えば車両の場合、これが燃料供給中に引き続き走行できること、車両の構造物（例えば貨物の冷却装置）を引き続き動作させることができること、サーバファームに燃料電池システムで供給される場合、燃料供給中、燃料電池システムの集合体が故障安全性をもたらすことができること、そしてさらに、燃料供給中、港でクルーズ船またはコンテナ船を引き続き動作させることができることを意味する。

本発明を好ましい実施例をもとにして説明したが、本発明はそれらに限定されず、様々に変更可能である。

１０ 集合体
２０ 燃料供給装置
５０ 制御装置
６０ センサ装置
７０ 高電圧バッテリ
１００ 負荷
ＦＣ１、ＦＣ２ 燃料電池
ＳｙｓＡ、ＳｙｓＢ 燃料電池システム
ＢｏＰｘ、ＢｏＰｙ 消費機器

Claims (10)

1. 燃料電池（ＦＣｘ）に燃料を給送するための複数の燃料供給装置（２０）であって、前記燃料供給装置（２０）の各々が前記燃料電池（ＦＣｘ）のうちの少なくとも１つに割り当て可能であるか、または割り当てられている複数の燃料供給装置と、燃料電池（ＦＣｘ）および燃料供給装置（２０）の動作を監視および制御するために用いられる制御装置（５０）と、を備える、複数の燃料電池システム（ＳＹＳＡ、ＳＹＳＢ）の集合体（１０）において動作する燃料電池システム（ＳＹＳＡ、ＳＹＳＢ）に燃料供給する方法であって、前記集合体（１０）によって少なくとも１つの負荷（１００）に電力が供給され、前記燃料電池システム（ＳＹＳＡ、ＳＹＳＢ）がそれぞれ少なくとも１つの燃料電池（ＦＣｘ）を有し、
   前記方法は、
   ａ）前記制御装置（５０）によって、センサ信号またはパラメータの予め定められた値をもとにして前記燃料供給装置（２０）のうちの少なくとも１つの燃料供給の必要性を認識するステップ（Ｓ１）と、
   ｂ）前記燃料供給されるべき燃料供給装置（２０）が割り当てられている燃料電池（単数または複数）（ＦＣｘ）が属する燃料電池システム（ＳＹＳＡ、ＳＹＳＢ）の出力電力を前記燃料電池システム（ＳＹＳＡ、ＳＹＳＢ）の集合体（１０）から分離するステップ（Ｓ２）と、
   ｃ）残った前記燃料電池システム（ＳＹＳＡ、ＳＹＳＢ）の集合体（１０）によって前記負荷（１００）を動作させて、当該それぞれの燃料供給装置（２０）の燃料供給を実行するステップ（Ｓ３）と、
   ｄ）前記当該燃料供給装置（２０）の燃料供給過程を終了するステップ（Ｓ４）と、
   ｅ）前記先に分離された燃料電池システム（ＳＹＳＡ、ＳＹＳＢ）を前記燃料電池システム集合体（１０）と再び接続するステップ（Ｓ５）と、
   を包含する方法。
2. ｆ）ステップａ）を新たに実行して別の燃料供給装置（２０）の燃料供給の必要性が認識される場合、前記ステップａ）～ｅ）を新たに実行する、さらなるステップを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記ステップａ）～ｅ）もしくはａ）ｆ）の実行中、前記燃料電池システム（ＳｙｓＡ、ＳｙｓＢ）の集合体（１０）によって連続的に電力が生成および利用可能にされる、請求項１または２に記載の方法。
4. 燃料供給中に前記燃料電池システム（ＳｙｓＡ、ＳｙｓＢ）の集合体（１０）によって利用可能にされた電力によって、とりわけ前記燃料供給された燃料供給装置（２０）に割り当てられた燃料電池システム（ＳｙｓＡ、ＳｙｓＢ）の機能装置（ＢｏＰｘ）および／またはタンクステーションに供給される、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
5. 少なくとも１つの燃料電池システム（ＳｙｓＡ、ＳｙｓＢ）は、燃料供給装置（２０）の燃料供給中に燃料供給されない、請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
6. それぞれ少なくとも１つの燃料電池（ＦＣｘ）を有する複数の燃料電池システム（ＳｙｓＡ、ＳｙｓＢ）が設けられ、かつ少なくとも１つの負荷（１００）に電力を供給するように設定されている燃料電池システム集合体（１０）であって、
   前記燃料電池（ＦＣｘ）に燃料を給送する複数の燃料供給装置（２０）であって、前記燃料供給装置（２０）の各々が、前記燃料電池（ＦＣｘ）のうちの少なくとも１つに割り当て可能であるか、または割り当てられている、複数の燃料供給装置と、前記燃料電池システム（ＳｙｓＡ、ＳｙｓＢ）および燃料供給装置（２０）の動作を監視および制御する制御装置（５０）と、を備え、前記制御装置（５０）が、前記燃料供給装置（２０）のうちの少なくとも１つに燃料供給するために、この燃料供給装置に割り当てられた前記当該燃料電池システム（ＳＹＳＡ、ＳＹＳＢ）の燃料電池（ＦＣｘ）を前記燃料電池システム（ＳｙｓＡ、ＳｙｓＢ）の集合体（１０）から電気的に分離し、場合によってはオフにするのに対して、残った集合体としてのその他の燃料電池システム（ＳｙｓＡ、ＳｙｓＢ）の少なくとも一部は前記負荷に電力を十分に供給する、燃料電池システム集合体。
7. 燃料供給装置（２０）は、少なくとも２つの燃料電池（ＦＣｘ）からなるそれぞれ１つの燃料電池システム（ＳｙｓＡ、ＳｙｓＢ）に割り当てられている、請求項６に記載の燃料電池システム集合体（１０）。
8. 前記燃料供給装置（２０）の各々が、同じ数の燃料電池（ＦＣｘ）に割り当てられている、請求項６または７に記載の燃料電池システム集合体（１０）。
9. 前記燃料電池システム集合体（１０）の前記燃料電池システム（ＳｙｓＡ、ＳｙｓＢ）の各々は、前記負荷（１００）に単独で十分に供給するのに足りるように企図および形成されている、請求項６から８までのいずれか１項に記載の燃料電池システム集合体（１０）。
10. 少なくとも１つの充填レベル、少なくとも１つの濃度、前記集合体（１０）からの燃料電池システム（ＳｙｓＡ、ＳｙｓＢ）の分離、またはその遮断、あるいは燃料供給装置（２０）の燃料供給の状況の少なくとも有無を検出する、および信号で伝えるセンサ装置（６０）を有するように企図および設定されている、請求項６から９までのいずれか１項に記載の燃料電池システム集合体（１０）。

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