(57)【要約】本発明は、燃料電池（１０）のアノード空間（１２）またはカソード空間（１３）を通る再循環方式で搬送されるガス混合物中のガス成分の含有量を決定する方法に関し、搬送は、変位原理に従って作動する搬送装置（２６）を介して行われる。本発明はさらに、この方法を実行するように構成された燃料電池システム（１００）に関する。本発明によれば、ガス成分の含有量は、搬送装置（２６）の幾何学的形状パラメータ（Ｖ，ξ）および作動パラメータ（ｎ，Ｕ，Ｉ）に依存してかつガス混合物の熱力学的状態変数（ｐ，Ｔ）に依存して決定される。従って、所望の目標変数例えばアノードガスの水素分率は、いずれにしろ知られているかまたは測定される変数から簡単かつ頑強な方法で決定可能である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池（１０）のアノード空間（１２）またはカソード空間（１３）を通る再循環方式で搬送されるガス混合物中のガス成分（ｙH2）の含有量を決定する方法であって、搬送は、変位原理に従って作動する搬送装置（２６）を介して行われ、ガス成分の含有量は、搬送装置（２６）の幾何学的形状パラメータ（Ｖ，ξ）および搬送装置（２６）の作動パラメータ（ｎ，Ｕ，Ｉ）に依存してかつガス混合物の熱力学的状態変数（ｐ，Ｔ）に依存して決定されることを特徴とする、方法。
【請求項２】
ガス成分の含有量は、搬送装置の回転ごとに搬送される体積の関数として決定され、この体積は、好ましくは、搬送装置（２６）によって包囲される体積（Ｖ）の関数として、および搬送装置（２６）の回転速度（ｎ）の関数として決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
搬送装置の回転ごとに搬送される体積は、さらに、搬送装置（２６）のギャップ損失（ξ）の関数として決定され、ギャップ損失は、好ましくは、搬送装置（２６）に亘る差圧（Δｐ）に依存して決定されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
ガス成分の含有量は、搬送装置（２６）によって搬送される体積流量（
2019503572.tif 000015
）の関数として決定され、この体積流量は、搬送装置（２６）によって包囲される体積（Ｖ）、搬送措置（２６）の回転速度（ｎ）およびギャップ損失（ξ）に依存して決定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項５】
ガス成分の含有量は、電力入力（Ｐel）および／または搬送装置（２６）によって体積仕事の形態で実行される電力出力（ＰV）の関数として決定されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
【請求項６】
電力出力（ＰV）は、搬送装置（２６）によって搬送される体積流量（
2019503572.tif 000016
）の関数として決定されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
それぞれガス成分の仮定される含有量（ｙH2）またはそれと相関する変数（ρgas）について、搬送装置（２６）の予想される電力入力または体積仕事の形態での搬送装置（２６）の予想される動力出力（ＰV）を決定し、
実際の電力入力（Ｐel）および／または、それに基づいて、搬送装置の実際の動力出力（ＰW）を決定し、
予想される電力入力または予想される動力出力（ＰV）を実際の電力入力（Ｐel）または実際の動力出力（ＰW）と比較し、
比較された２つの出力間の差に依存して、ガス成分の含有量（ｙH2）またはそれと相関する変数（ρgas）を修正する、
各ステップを含むことを特徴とする請求項５または６に記載の方法。
【請求項８】
ガス組成についての修正される値との比較は、実際の電力入力（Ｐel）または実際の動力出力（ＰW）が予想される電力入力（Ｐel）または予想される動力出力（ＰW）に匹敵するまで、繰り返されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
方法に使用されるモデルおよび／または特性図は、ガス成分の含有量（ｙH2）またはガス組成が十分に知られている燃料電池（１０）の作動点において、確認され、必要ならば、修正されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１０】
燃料電池（１０）を備える燃料電池システム（１００）であって、燃料電池システム（１００）は、請求項１〜９のいずれか１つに記載の、燃料電池（１０）のアノード空間（１２）またはカソード空間（１３）を通る再循環方式で搬送されるガス混合物中のガス成分の含有量（ｙH2）を決定する方法を実行するように構成される、燃料電池システム（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のアノード空間またはカソード空間を通る再循環方式で搬送されるガス混合物中のガス成分の含有量を決定する方法に関し、搬送は、変位原理に従って作動する搬送装置を介して行われる。本発明はさらに、この方法を実行するように構成された燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料を水に変換する燃料の酸素との化学反応を用いて電気エネルギーを生成する。この目的のために、燃料電池の核心となる構成要素は、いわゆる膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）であり、膜電極アッセンブリは、イオン伝導性（通常プロトン伝導性）の膜と、膜の両側にそれぞれ配置された触媒電極（アノードおよびカソード）とから構成される構造である。触媒電極は通常、支持された貴金属、特に白金を含む。また、ガス拡散層（ＧＤＬ）が、電極の膜とは反対の側に配置可能である。通常、燃料電池は、積層された複数のＭＥＡによって形成され、これらの電荷は、加法的である。個々の膜電極アッセンブリの間にバイポーラプレート（流れ場プレートまたはセパレータプレートとも呼ばれる）が一般に配置されており、個々の電池への作動媒体すなわち反応物の供給を確実にし、また一般に冷却のために使用される。バイポーラプレートはまた、膜電極アッセンブリとの電気伝導性接触を確実にする。
【０００３】
燃料電池が作動している際に、燃料（アノード作動媒体）特に水素Ｈ2または水素含有混合物が、アノード側で開いているバイポーラプレートの流れ場を介してアノードに供給され、アノードで電子が放出されながらＨ2のプロトンＨ+への電気化学的酸化が生じる（Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-）。プロトンは、反応空間を互いに分離しかつ電気的に絶縁する電解質または膜を介して、アノード空間からカソード空間へ（水が結合してまたは水なしで）輸送される。アノードで提供された電子は、電気ラインを介してカソードに導かれる。電子が吸収されながらＯ2のＯ2-への還元が生じるように（１／２Ｏ2＋２ｅ-  →  Ｏ2-）、酸素または酸素含有混合物（空気など）が、カソード側で開いているバイポーラプレートの流れ場を介してカソードにカソード作動媒体として供給される。同時に、酸素陰イオンが、膜を介して輸送されたプロトンとカソード空間内で反応し、水を生成する（Ｏ2-＋２Ｈ+  →  Ｈ2Ｏ）。
【０００４】
燃料電池が作動している際に、アノード作動媒体すなわち燃料は、生成される電力に関して化学量論的に過剰に供給される。従って、燃料電池から排出されるアノード排気ガスは依然としてかなりの量の燃料、例えば水素を含有する。この燃料が未使用のままシステムから排出されるのを防止するために、アノード排気ガスは通常、再循環ラインを介して新鮮なアノード作動媒体中に再循環される。しかしながら、燃料電池の高分子電解質膜を通る拡散過程に起因して、カソード側から燃料電池のアノード空間に窒素および水が流入することで、これらの外来成分がアノードガス中に蓄積する。従って、アノード空間は、時々、純粋な燃料でパージされ、「古くなった」アノードガスが、システムから排出される。再循環率およびパージプロセスを制御するために、アノード空間を通過する体積流量および／または再循環される体積流量と、アノード作動媒体中の窒素含有量または水素含有量それぞれとを知る必要がある。このことを、可能な限りどんな場合にも、センサーを用いずに実現することが望ましいが、それは、これらの変数をモデルを用いて決定する必要があることを意味する。これは、組み合わされた２つのモデルの適用を必要とする。１つの困難は、体積流量を決定するモデルに窒素または水素それぞれの未知の濃度が少なくとも間接的に入ることであり、逆もまた同じく、各窒素または水素濃度を決定するモデルに未知の体積流量が含まれることである。
【０００５】
ＤＥ１０２００９０１９８３６Ａ１には、アノードガスの水素濃度および再循環される体積流量を決定する手順が記載されている。この方法は、再循環ファンの特性図および燃料電池スタックの特性圧力損失曲線を用いる。繰り返しプロセスで、最初に、水素濃度について任意の値を特定し、この任意の値に依存して、再循環される体積流量の中間の値を決定する。体積流量の中間の値に依存して、水素濃度の中間の値を決定し、水素濃度についてのモデル化された中間の値が以前のサイクルのものからもはやそれほどずれなくなるまで、これらのステップを繰り返す。この方法は、複雑な燃料電池およびサイドジェットファンモデルを含んでおり、システムの変化を考慮できない。
【０００６】
この方法が２つの未知の作動パラメータを決定するためにどのモデルまたは特性図を使用するかに拘わらず、生じる１つの問題は、構成要素の特性図がその寿命に亘って変化すること、または、特性図に対する製造公差の影響が考慮されていないことである。例えば、燃料電池スタックまたは再循環ファンの圧力損失は、製造公差に起因して互いにずれ、経年変化に起因して構成要素の寿命に亘って変化する。これらの変化またはずれはそれぞれ、モデル誤差、および未知の目標変数の不正確な決定につながる。また、既知のモデルは、非常に複雑であり、時として、測定される追加の変数を必要とする。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の課題は、変位原理に従って作動する搬送装置を用いて、燃料電池のアノードまたはカソード空間を通る再循環方式で搬送されるガス混合物中のガス組成またはガス成分の含有量を決定する簡単かつ頑強な方法を提供することである。
【０００８】
これらの課題は、独立請求項の特徴を有する燃料電池システムによって解決される。
【０００９】
本発明による方法では、ガス成分の含有量は、搬送装置の幾何学的形状パラメータおよび作動パラメータに従ってかつガス混合物の熱力学的状態変数（ｐ，Ｔ）に従って決定される。これらの全てのパラメータまたは状態変数は、いずれにしろ既知のデータまたは変数であり、これらは、いずれにしろ現代の燃料システムに記録されている。従って、この方法によって、もっぱら既存／既知の変数および非常に簡単なモデルに基づいて、例えば、再循環されるアノード作動ガスの組成の、十分に正確な決定が可能になる。
【００１０】
好ましい実施例では、搬送装置の幾何学的形状パラメータは、搬送装置によってハウジングとロータとの間で包囲され、従って、搬送される体積と、搬送される体積を減少させる設計に関連するギャップ損失とを含む。一実施例では、搬送装置の作動パラメータは、その回転速度、その電圧および電流を含む。電力入力は、述べられるこれらの最後のパラメータから決定可能である。別の実施例では、ガス混合物の熱力学的状態変数は、その圧力および温度、特に搬送装置の入口における圧力および温度と、搬送装置の出口における圧力および温度とを含む。
【００１１】
本発明の有利な実施例によれば、ガス成分の含有量は、搬送装置の回転ごとに移動される体積の関数として決定され、この体積は、好ましくは、幾何学的形状パラメータとして搬送装置によって包囲される体積の関数として、および搬送装置の作動パラメータとしての回転速度の関数として決定される。このような仕方で、搬送装置によって搬送される体積流量は、第１近似で、包囲される体積と回転速度の積として決定可能である。
【００１２】
さらなる発展によれば、搬送装置の回転ごとに移動される体積は、さらに、搬送装置のギャップ損失の関数として決定される。ギャップ損失は、搬送装置に亘る差圧に依存して搬送装置の特性図から決定可能である。ギャップ損失も、小さな程度で、ガス組成に依存するとはいえ、ギャップ損失は、非常に良好な近似で、差圧に直線的であると仮定可能であり、それによって、ギャップ損失を考慮するのに一定の要因を考慮するだけである。搬送装置の回転ごとに移動される体積の決定の正確さは、ギャップ損失を考慮することで改善可能である。
【００１３】
方法の一実施例では、ガス成分の含有量は、搬送装置によって搬送される体積流量の関数として決定可能であり、この体積流量は、搬送装置によって包囲される体積、搬送措置の回転速度およびギャップ損失に依存して決定される。従って、搬送される体積流量は、既知のパラメータを除いて決定可能である。
【００１４】
方法の別の実施例では、ガス成分の含有量は、搬送装置の電力入力および／または体積仕事の形態での搬送装置の動力出力に依存して決定される。電力入力は、搬送装置の電圧および電流の関数として簡単な方式で決定可能である。搬送装置の電力入力および動力出力は、容易に決定可能な比較変数を提供し、この比較変数は、独立して決定可能であり、特に繰り返しの方法の一部として比較可能である。
【００１５】
体積仕事の形態での搬送装置の動力出力は、搬送装置によって搬送される体積流量の関数として決定されるのが好ましく、それ自体、上述したように決定可能である。
【００１６】
本発明による方法の特別な実行は、以下のステップ、すなわち、
それぞれガス成分の仮定される含有量またはそれと相関する変数（例えばガス密度）について、搬送装置の予想される電力入力または体積仕事の形態での搬送装置の予想される動力出力を決定し、
実際の電力入力および／または、それに基づいて、（体積仕事の形態での）搬送装置の実際の動力出力を決定し、
予想される電力入力または予想される動力出力を実際の電力入力または実際の動力出力と比較し、
比較された２つの出力間の差に依存して、ガス成分の含有量またはそれと相関する変数を修正する、
ことを含む。
【００１７】
第１のステップにおける予想される動力出力は、搬送装置の幾何学的形状パラメータと、ガス混合物の熱力学的状態変数とに依存して、特に体積流量に依存して発生し得る。第１のステップにおける搬送装置の予想される電力入力は、予想される動力出力と、搬送装置の全体の効率とから決定可能である。予想される電力入力または動力出力は、ガス成分の仮定される各含有量（またはそれと相関する変数）について決定される。第２のステップにおける実際の電力入力は、測定される電圧および測定される電流から決定可能であり、搬送装置の実際の動力出力（軸出力）は、搬送装置の全体の効率を用いて実際の電力入力から決定可能である。
【００１８】
すなわち、搬送装置の予想される出力は、一方で、ガス成分の仮定される含有量またはそれと相関する変数（すなわち、開始値）に依存して決定され、搬送装置の実際の出力は、他方で、電気作動パラメータに基づいて決定される。このような仕方で、２つの比較可能な特性変数が決定可能であり、その差は、ガス成分の仮定される含有量を確認または修正するために使用可能である。
【００１９】
ガス成分の含有量またはそれと相関する変数についての修正される値との比較は好ましくは、実際の電力入力または動力出力が予想される電力入力または動力出力に十分に匹敵するまで、繰り返される。
【００２０】
なおさらなる実施例では、方法に使用されるモデルおよび／または特性図は、ガス成分の含有量またはガス組成が十分に知られている燃料電池の作動点において、確認され、必要ならば、修正される。例えば、ガス組成、従ってガス密度が、十分に知られており、燃料電池の開始後または長期の停止後に較正のための開始点として使用可能である。また、出力パラメータが、上述したように決定および比較可能である。搬送装置の比較された２つの出力パラメータの間のずれの大きさは、結果として較正／調整になり得るか、あるいは、ずれが大きくなり過ぎる場合は、搬送装置の故障が決定される。
【００２１】
モデルの修正は、計算モデルに使用されるモデル定数の再決定または方法に使用される特性曲線の修正を含むことができる。このような特性曲線の修正は、例えば、オフセットシフト、および／または傾斜などの変更を含むことができる。
【００２２】
方法の実施例では、再循環されるガス混合物は、燃料電池のアノード空間を通って搬送されるアノード作動ガスである。特に、ガス成分の含有量は、アノード作動ガス中の燃料含有量（水素含有量など）または窒素含有量である。燃料電池のアノード空間内の窒素または水素含有量の知識は特に、アノードガス再循環を制御するために、例えば、ひどい窒素の蓄積に起因するパージプロセスを実行するために搬送装置および／またはパージ弁を制御するために、使用される。本明細書で使用される「含有量」という用語は、体積分率、質量分率、モル分率、分圧、体積または質量に関連する濃度、その他などのガス混合物中の検討中の成分の量的存在を記述する任意の変数を含む。
【００２３】
実施例によれば、方法はさらに、ガス成分の含有量またはそれと相関する変数に依存すて燃料電池の作動を制御することを含む。特に、制御は、燃料電池のアノード供給におけるアノードガス再循環を制御することを含むことができる。これは、搬送装置、またはアノードガスパージラインのパージ弁を制御することを含むことができる。
【００２４】
本発明はさらに、燃料電池を備える燃料電池システムに関し、燃料電池システムは、燃料電池のアノード空間またはカソード空間を通る再循環方式で搬送されるガス混合物中のガス成分の含有量を決定する本発明による方法を実行するように構成される。この目的のために、システムは特に、各コンピュータ可読アルゴリズムが格納されている制御装置を備えることができる。さらに、制御装置は、実行に必要とされる、モデル、特性図、その他などを含むことができる。
【００２５】
本発明の別の態様は、このような燃料電池システムを備える乗り物に関する。乗り物は好ましくは、燃料電池システムによって生成される電気エネルギーが電気モータおよび／またはトラクションバッテリーに供給するのに使用される電気自動車である。
【００２６】
本発明の他の好ましい実施例は、従属請求項に述べられる残りの特徴から結果として得られる。
【００２７】
本願に記載された本発明のさまざまな実施例は有利には、個々の場合に特に明記しない限り、互いに組み合わせ可能である。
【００２８】
本発明は、添付の図面を参照して例示的な実施例を用いて以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】好ましい実施例による燃料電池システムのブロック図を示す。
【図２】本発明の実施例により図１の燃料電池のアノード空間またはカソード空間を通る再循環方式で搬送されるガス混合物中のガス成分の水素および／または窒素含有量を決定する方法の流れ図を示す。
【図３】図２の方法に使用されるモデルを修正／較正する方法の流れ図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図１は、本発明の好ましい実施例による、全体に参照符号１００が付された燃料電池システムを示す。燃料電池システム１００は、さらには図示していない乗り物、特に燃料電池システム１００によって電力が供給される電気的トラクションモータを備えた電気自動車の一部である。
【００３１】
燃料電池システム１００は、交互に積層された膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）１４およびバイポーラプレート１５（引き出し線図参照）により形成された複数の積層された個々の電池１１を備える、核心となる構成要素としての燃料電池スタック１０（本明細書では単に燃料電池とも呼ばれる）を含む。従って、個々の各電池１１は、ここではさらに図示しないイオン伝導性の高分子電解質膜または別の固体電解質と、その両側に配置された触媒電極すなわちアノードおよびカソードとを備える１つのＭＥＡ１４を含み、触媒電極は、燃料変換のそれぞれの部分反応に触媒作用を及ぼし、また、膜上の被覆として設計可能である。アノードおよびカソード電極は、大きな比表面積を有する導電性基体材料例えば炭素をベースにした材料に支持された形態で存在する白金などの触媒材料を備える。従って、アノード空間１２は、バイポーラプレート１５とアノードの間に形成され、カソード空間１３は、カソードと次のバイポーラプレート１５の間に形成される。バイポーラプレート１５は、アノード空間１２およびカソード空間１３内へと作動媒体を供給するように使用され、さらに、個々の燃料電池１１の間に電気的接続を確立する。任意選択的に、ガス拡散層が、バイポーラプレート１５の膜電極アッセンブリ１４間に配置されることができる。
【００３２】
燃料電池スタック１０に作動ガスを供給するために、燃料電池システム１００は、一方にアノード供給システム２０と、他方にカソード供給システム３０とを備える。
【００３３】
アノード供給システム２０は、水素などのアノード作動媒体（燃料）を燃料電池スタック１０のアノード空間１２に供給するように使用されるアノード供給経路２１を含む。この目的のために、アノード供給経路２１は、燃料貯蔵器２３を燃料電池スタック１０のアノード入口と接続する。燃料電池スタック１０のアノード側１２のアノード作動圧力は、アノード供給経路２１内の調節手段２４を用いて設定可能である。アノード供給２０はさらに、燃料電池スタック１０のアノード出口を介してアノード空間１２からアノード排気ガスを排出するアノード排気ガス経路２２を含む。また、アノード供給２０は、アノード排気ガス経路２２をアノード供給経路２１に接続する再循環ライン２５を備える。たいてい化学量論的に過剰に使用される燃料をスタックに戻してそれを使用するために、燃料を再循環させるのが一般的である。再循環される体積流量を設定するために使用可能な再循環搬送装置２６が、再循環ライン２５内に配置される。さらに、アノード排気ガス経路２２は、アノード排気ガスおよびカソード排気ガスが共通の排気ガスシステムを用いて排出されるように、図示した実施例のカソード排気ガス経路３２で終わるパージライン２７に接続される。代替の実施例では、パージライン２７は、環境内へと開くことができる。本実施例では水分離器と組み合わされたパージ弁２８によって、一方でパージライン２７を介するアノード排気ガスの排出と、他方で凝縮水の分離とが可能となる。
【００３４】
カソード供給システム３０は、酸素含有カソード作動媒体特に環境から吸引される空気を燃料電池スタック１０のカソード空間１３に供給するカソード供給経路３１を含む。カソード供給システム３０はさらに、燃料電池スタック１０のカソード空間１３からカソード排気ガス（特に排気空気）を（ここでは、アノード排気ガスと共に）排出し、これを任意選択的に本明細書では図示していない排気ガスシステムに導くカソード排気ガス経路３２を含む。カソード作動媒体を搬送しかつ圧縮するために、圧縮機３３がカソード供給経路３１内に配置される。図示した実施例では、圧縮機３３は、それぞれの電力電子機器ユニット３５を備えた電気モータ３４によって駆動される、主に電気モータで駆動される圧縮機として設計される。
【００３５】
圧縮機３３はさらに、共用シャフト（図示せず）を介してカソード排気ガス経路３２内に配置された補助タービン３６（任意選択的に、可変タービン形態で）によって駆動可能である。
【００３６】
カソード供給システム３０は、図示した例示的な実施例では、カソード供給ライン３１をカソード排気ガスライン３２と接続し、従って、燃料電池スタック１０のバイパスを表す、廃棄ゲートライン３７を備えることもできる。廃棄ゲートライン３７は、圧縮機３３を停止せずに、燃料電池スタック１０を通して過剰な質量の空気流れを導くことができる。廃棄ゲートライン３７内に配置された駆動手段３８が、燃料電池スタック１０を迂回するカソード作動媒体の量を制御するために使用される。燃料電池スタック１０を環境から隔離できるように、他の駆動手段がライン２１、２２、２７、３１、３２内に配置可能である。燃料電池システム１００の全ての駆動手段は、制御可能または制御不能の弁またはフラップとして設計可能である。
【００３７】
燃料電池システム１００はさらに、加湿器３９を備えることができる。一方で、加湿器３９は、カソード作動ガスが通過できるように、カソード供給経路３１内に配置される。他方で、それは、カソード排気ガスが通過できるように、カソード供給経路３２内に配置される。加湿器３９は一般に、平面状であるかまたは中空糸の形態で設計された複数の水蒸気透過膜を備える。比較的乾燥したカソード作動ガス（空気）が、膜の一方の側に亘って流れ、比較的湿ったカソード作動ガス（排気ガス）が、他方の側に亘って流れる。カソード排気ガス中の水蒸気のより高い分圧によって駆動されて、水蒸気は、膜を渡ってカソード作動ガス中へと移動し、このような方式で、カソード作動ガスは加湿される。
【００３８】
燃料電池反応で生成された生成水を凝縮させかつ排出するように、水分離器が、カソード排気ガス経路３２内、特にタービン３６の上流に設置可能でもある。
【００３９】
燃料電池スタック１０の通常の作動時、アノード作動ガス例えば水素は一般に、生成される電力に比較して化学量論的な過剰で作動される。従って、アノード排気ガス経路２２を介して燃料電池スタック１０から排出されるアノード排気ガスは、かなりの量の水素を含有し、この実施例では容積型機械として設計される搬送装置２６によって、アノード供給経路２１内へと供給され、従って、再循環ライン２５を介して通常作動時に再循環される。しかしながら、燃料電池反応からの窒素および生成水が、カソード空間１３から燃料電池１０のアノード空間１２内へと膜電極アッセンブリ１４の膜を介して拡散するので、これらの成分は、アノードガス中に蓄積し、結果として、水素含有量が減少し、窒素含有量が増加する。従って、窒素含有量が高くなり過ぎるかまたは水素含有量が低くなり過ぎる場合、パージ弁２８を開き、アノード空間１２を燃料タンク２３からの純粋な水素でパージする。
【００４０】
図１の燃料電池システム１００はさらに、パージ弁２８、再循環搬送装置２６、およびシステム１００の他の構成要素を制御するための制御装置５０を含み、さまざまな測定パラメータが、該制御装置に入力される。再循環制御のために、制御装置５０は、燃料電池１０のアノード空間１２を通る再循環方式で搬送されるアノードガス中の燃料の含有量、ここでは水素ｙH2を決定するための格納されたコンピュータ可読アルゴリズムを含む。同じ目的のために、搬送装置２６の作動パラメータすなわちその回転速度ｎ、その電圧Ｕおよびその電流Ｉが、制御装置５０内へと入力される。また、適切なセンサーが、再循環されるガス混合物の熱力学的状態変数を測定し、それらを制御装置５０に提供する。これらは、それぞれ搬送装置２６の上流または下流で記録される、ガス混合物の入口温度Ｔ1、出口温度Ｔ2、および入口圧力ｐ1、出口圧力ｐ2を含む。また、制御装置５０は、搬送装置２６のさまざまな幾何学的形状パラメータすなわち搬送装置２６により包囲される体積Ｖについての情報、および、搬送装置２６に亘る差圧Δｐに依存するギャップ損失ξについての情報を含む。従って、制御装置５０は、再循環されるガス混合物中の決定された水素（または窒素）の含有量に依存して、パージ弁２８および搬送装置２６をトリガーする。
【００４１】
再循環されるガス混合物中の水素（または窒素）の含有量を決定するそれぞれの方法について、図２の流れ図を参照して例示的な実施例において説明する。
【００４２】
方法は、例えば、乗り物の停止後、燃料電池システム１００の起動で開始する。Ｓ１において、ガス成分の含有量またはそれとまたはガス組成と相関する変数について、例えば、アノードガスの水素含有量ｙH2、窒素含有流ｙN2またはガス密度ρgasについて、開始値を決定する。これらの変数は、互いに変換可能なので、これらの変数のうちのどれを開始点として選択するかは重要でない。例えば、燃料電池システム１００の起動後の水素含有量は、１００％（ｙH2＝１．０）と仮定され、これは、結果として、窒素含有量が０％（ｙN2＝０．０）、ガス密度ρgasが水素の密度となる。
【００４３】
次のステップＳ２において、搬送装置２６の回転速度ｎ、電圧Ｕ、電流Ｉ、入口圧力ｐ1、出口圧力ｐ2、入口温度Ｔ1、および出口温度Ｔ2について、現在の値が導入される。
【００４４】
ステップＳ３において、搬送装置によってそのロータとハウジングとの間で包囲される体積Ｖ，回転速度ｎ、およびギャップ損失ξの関数としての、搬送装置２６によって搬送される体積流量
2019503572.tif 000003
【００４５】
の計算が続く。体積流量は、包囲される体積Ｖと回転速度ｎの積からギャップ損失ξを引いて得られる（式１）。後者は、搬送装置２６に亘る差圧Δｐ＝ｐ2−ｐ1に依存し、Δｐと搬送装置２６の幾何学的形状係数ａの積として良好な近似で表すことができ、それによって、体積流量
2019503572.tif 000004
【００４６】
は、式３に従って、搬送装置２６の幾何学的形状パラメータ、作動パラメータ、および差圧Δｐから導出される。
【００４７】
【数１】
2019503572.tif 000005
【００４８】
ステップＳ４において、式４に従って、測定される電圧Ｕと電流Ｉの積から搬送装置２６の電力入力Ｐelが決定される。このような仕方で決定される電力入力は、実際の電力入力Ｐel,actに相当する。
【００４９】
【数２】
2019503572.tif 000006
【００５０】
ステップＳ５において、体積仕事（圧縮仕事、「ガスに対する仕事」）の形態で搬送装置２６が実行する、仮定されるガス密度ρgasについて予想される動力出力ＰVが決定される。動力出力ＰVは、式５に従って、質量流量
2019503572.tif 000007
【００５１】
と搬送装置２６の入口および出口におけるガスの比エンタルピー差Δｈの積として表現可能である。式６に従う密度定義を用いると、Ｓ１において仮定されるガス密度ρgasと、Ｓ３において決定される体積流量
2019503572.tif 000008
【００５２】
と、式８、式９に従って、入口圧力ｐ1、出口圧力ｐ2、入口温度Ｔ1、および出口温度Ｔ2から得られるポリトロピックエンタルピー差Δｈとに依存する式７に従って、電力入力ＰVが導出される。Ｒは、普遍気体状数（Ｒ＝８．３１４  Ｊ／（ｍｏｌ＊Ｋ））である。
【００５３】
【数３】
2019503572.tif 000009
【００５４】
ステップＳ６において、次に、式１０に従って、Ｓ４において決定される電力入力Ｐelと、差圧Δｐに依存する特性図から得られる搬送装置２６の機械効率ηmechと、搬送装置の電気効率ηelとから、動力出力ＰW（軸出力）が決定される。
【００５５】
【数４】
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【００５６】
ステップＳ７において、仮定されるガス密度ρgasについてＳ５から予想される動力出力ＰVが電力入力ＰWと比較される、調整が実行される。特定の公差を考慮しながら、２つの差ΔＰの量がゼロから（大幅に）ずれるかを特に確認する。これが該当する場合、すなわち、仮定されるガス密度ρGasに依存する予想される動力出力ＰVが、電力入力Ｐelから決定される軸出力ＰWから大幅にずれる場合、Ｓ７における質問は肯定して回答され、方法は、ステップＳ８を続ける。Ｓ８において、ガス密度ρgasは、上述の式を用いて差出力ΔＰに依存して新たに決定される。Ｓ８から、方法は、ステップＳ５に戻り、そこで、新たに決定されたガス密度ρgasを用いて、予想される動力出力ＰVが再度計算され、次いで、ステップＳ７において、動力出力ＰWを用いる別の調整に掛けられる。
【００５７】
Ｓ７における質問が否定して回答される場合、すなわち、仮定されるガス密度ρgasに依存する予想される動力出力ＰVが、電力入力Ｐelから決定される動力出力ＰWに十分に匹敵する場合、これは、最後に仮定されたガス密度ρgasが再循環されるガス混合物の実際の密度に相当することを意味する。この場合、方法は、ステップＳ９に進み、そこで、水素の含有量ｙH2が計算される。これは、式１１に基づいて行なわれ、式１１に従うと、ガス混合物のガス密度ρgasは、ガス混合物中のガス成分の全ての分率とそれらの密度の合計であり、式１２に従うと、全てのガス分率の合計は、１である。この式を水素ｙH2について解くと、結果として式１３になる。
【００５８】
【数５】
2019503572.tif 000011
【００５９】
ガス混合物が水蒸気で飽和している、すなわち、その相対湿度が１００％であると仮定すると、水の含有量ｙH2Oは、モデル内に格納されているテーブルから得られる。（代替として、モデルに基づく変数としての水の含有量ｙH2Oは、作動条件から導出できる。）同様に、水素、水蒸気、および窒素の密度は、圧力および温度に依存するモデル内に格納され、それによって、先に決定されたガス密度ρgasのみが、入力変数として計算内に含まれる。
【００６０】
ステップＳ７における動力出力の比較の代わりに、電力入力が同様に比較可能であること、すなわち、Ｓ４において決定される実際の電力入力Ｐelと、ステップＳ５において効率ηmech（Δｐ）およびηelを適用する予想される電力出力ＰVから決定される、予想される電力入力とを理解されたい。さらに、窒素含有量が、水素含有量の代わりにまたは水素含有量のほかに決定可能である。
【００６１】
搬送装置／容積型機械２６の全体の効率ηgesが一定のままである限り、モデルは十分に正確である。実際には、搬送装置の全体の効率ηgesは、特に機械効率ηmechが変化すると、その寿命に亘って変化し得る。式１４に従うと、全体の効率ηgesは、電気効率ηelと、熱力学効率ηtherと、機械効率ηmechとの合計から構成され、式１５に従うと、熱力学効率ηtherは、搬送装置２６に亘る等方性エンタルピー差Δｈisenおよびポリトロピックエンタルピー差Δｈpolyに依存して導出される。
【００６２】
【数６】
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【００６３】
方法はさらに、方法において使用されるモデルおよび／または特性図を確認し、必要ならば修正すること、また、搬送装置２６の診断を実行することを可能にする。それぞれの方法は、図３を参照して例示的な実施例に基づいて説明する。
【００６４】
図３による診断および較正方法は、ガス組成、従ってガス密度ρgasが十分に知られている作動点において、ステップＳ１で開始する。これが該当するのは、例えば、燃料電池１０が始動した直後でアノード作動ガスが依然として１００％水素の場合、または、より長い駐車態様後で拡散過程に起因してアノード空間１２内に純粋な空気大気があると仮定できる場合である。
【００６５】
ステップＳ２〜Ｓ６が続くが、これらは、図２のものと同じであり、再度は詳細に説明しない。
【００６６】
図２と違って、ガス密度ρGasに依存して予想されるＳ５からの動力出力ＰVと電力入力Ｐelに基づいて決定される動力出力ＰWとの間の出力差ΔＰは、限界値Ｇ１、Ｇ２と比較される。従って、Ｓ１０における質問は最初、決定された出力差ΔＰが、第１の限界値Ｇ１を超えるかを問う。超えていない場合、システムは、適切に較正されており、使用されるモデルおよび特性図、特にＳ６における効率依存性は、十分に正確である。この場合、方法は、ステップＳ１１で終了する。
【００６７】
しかしながら、ステップＳ１０において、出力差ΔＰが第１の限界値Ｇ１を超えることが見出された場合、次のＳ１２における質問が、ΔＰが第１の限界値Ｇ１と第２のより高い限界値Ｇ２との間の範囲にあるかを確認する。間にある場合、ずれは依然として許容可能な範囲にあるが、使用されるモデル、特に全体の効率ηgesの較正が必要である。これはステップ１３において行われる。
【００６８】
しかしながら、Ｓ１２における質問が否定して回答される場合、ΔＰがＧ２を超えることを意味し、方法は、ステップ１４に進む。例えば、大き過ぎるずれは、結果として機械効率ηmech、従って全体の効率ηgesの劇的な低下を生じさせた搬送装置２６の機械軸受損傷を示す可能性がある。この場合、システムは、もはや較正できず、エラーが診断され、このエラーは、乗り物のエラーログ内に格納されかつ／またはエラーメッセージとして光学的また音響的に示される。
【符号の説明】
【００６９】
１００…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック／燃料電池
１１…個々の燃料電池
１２…アノード空間
１３…カソード空間
１４…膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）
１５…バイポーラプレート（セパレータプレート、流れ場プレート）
２０…アノード供給システム
２１…アノード供給経路
２２…アノード排気ガス経路
２３…燃料タンク
２４…駆動手段
２５…再循環ライン
２６…再循環搬送装置／容積型機械
２７…パージライン
２８…パージ弁
３０…カソード供給システム
３１…カソード供給経路
３２…カソード排気ガス経路
３３…圧縮機
３４…電気モータ
３５…電力電子機器ユニット
３６…タービン
３７…廃棄ゲートライン
３８…駆動手段
３９…加湿器
５０…制御装置
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【００７０】
…体積流量
Ｖ…搬送装置／容積型機械の包囲された体積
ξ…ギャップ損失
ａ…ギャップ損失係数
ｎ…搬送装置／容積型機械の回転速度
Ｕ…搬送装置／容積型機械の電圧
Ｉ…搬送装置／容積型機械の電流
Ｔ1…搬送装置／容積型機械の入口におけるガス混合物の温度
Ｔ2…搬送装置／容積型機械の出口におけるガス混合物の温度
ｐ1…搬送装置／容積型機械の入口における圧力
ｐ2…搬送装置／容積型機械の出口における圧力
Δｐ…搬送装置／容積型機械に亘る差圧
Ｐel…搬送装置／容積型機械の電力入力
ＰV…（ガス密度から決定される）搬送装置／容積型機械のガス混合物に対する体積仕事に起因する予想される動力出力
ＰV…（電力入力および効率から決定される）搬送装置／容積型機械のガス混合物に対する体積仕事に起因する実際の動力出力／軸出力
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【００７１】
…質量流量
Δｈ…比エンタルピー差
Ｒ…普遍気体状数、Ｒ＝８．３１４  Ｊ／（Ｋｍｏｌ）
ηges…搬送装置／容積型機械の全体の効率
ηel…搬送装置／容積型機械の電気効率
ηth…搬送装置／容積型機械の熱力学効率
ηmech…搬送装置／容積型機械の機械効率
ρ…密度
ρgas…ガス混合物の密度
ｙH2…ガス混合物中の水素の含有量／分圧／質量分率
ｙN2…ガス混合物中の窒素の含有量／分圧／質量分率
ｙH2O…ガス混合物中の水蒸気の含有量／分圧／質量分率
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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