(57)【要約】本発明は、燃料電池のような、物理システム（１）の作用に関連する基本的な物理パラメータ（Θ１０）の監視方法に特に関する。本発明の監視方法は、基本的な物理パラメータ（Θ１０）と結びついた、複数の物理パラメータ（Θｃ、Θｒ、Θａ）を表す測定値（Ｔｃ、Ｔｒ、Ｔａ）の集合を得るための計測作業と、測定値の分散を表す分散の量を作ることを含む解析作業と、分散の量の値を、動的物理システムの正常な作用に対して定義された閾値と比較することを含む検査作業と、分散の量が閾値を超える場合には、異常であると判断することを含む診断作業と、異常である場合に、測定値のうちで、分散の量の値に最も大きく寄与するものを識別して排除することを浄化作業とを含む。
2008503713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動的物理システム（１）の少なくとも１つの作用を特に表す、少なくとも１つの基本的な物理パラメータ（Θ１０）の監視方法であって、上記監視方法は計測作業を含む、少なくとも１つの物理パラメータの監視方法において、
上記計測作業は、ｍを２を超える整数として、ｍ個のセンサ（２１〜２３）の集合によって、それぞれ測定可能なｍ個の、主要な上記基本的な物理パラメータ（Θ１０）と結びついた、物理パラメータ（Θｃ、Θｒ、Θａ）を表す、対応するｍ個の測定値（Ｔｃ、Ｔｒ、Ｔａ）の集合を得ることを含み、
上記監視方法は、さらに、その値が上記ｍ個の上記測定値（Ｔｃ、Ｔｒ、Ｔａ）の分散を表す、分散の量（Ｓ、σ）を作ることを少なくとも含む解析作業と、上記分散の量（Ｓ、σ）の値を、上記動的物理システム（１）の正常な作用に対して定義された閾値（Ｓｓｅｕｉｌ、σｓｅｕｉｌ）と比較することを含む検査作業と、上記分散の量（Ｓ、σ）が上記閾値（Ｓｓｅｕｉｌ、σｓｅｕｉｌ）を超える場合には、異常であると判断することを含む診断作業と、異常である場合に、上記ｍ個の上記測定値（Ｔｃ、Ｔｒ、Ｔａ）のうちで、上記分散の量（Ｓ、σ）の値に最も大きく寄与するものを識別して排除することを少なくとも含む浄化作業を含む、
ことを特徴とする、少なくとも１つの物理パラメータの監視方法。
【請求項２】
上記解析作業は、重み付けマトリックス（Ｖ）と、構成要素として上記測定値（Ｔｃ、Ｔｒ、Ｔａ）を有する測定値ベクトル（ｙ）との積（Ｖ・ｙ）として定義される、留数ベクトル（ｒ）の決定を含み、上記重み付けマトリックス（Ｖ）は、単位に等しいノルム（Ｖ・Ｖτ）を有し、上記留数ベクトル（ｒ）の各構成要素は、上記重み付けマトリックス（Ｖ）の、平均値がゼロである重み付け係数による重み付けによって得られた、上記測定値（Ｔｃ、Ｔｒ、Ｔａ）の対応する線形結合から構成され、上記分散の量（Ｓ）は、上記留数ベクトル（ｒ）のノルム（ｒ・ｒτ）によって構成されることを特徴とする、請求項１に記載の、少なくとも１つの物理パラメータの監視方法。
【請求項３】
上記浄化作業は、各上記測定値について、上記留数ベクトル（ｒ）の、上記重み付けマトリックスの転置マトリックス（Ｖτ）から導かれるベクトル（ＶｉＴ）との積（Ｖｉτ・ｒ）として定義され、上記測定値に相対的な、対応するスカラー留数（ｒＣａｔｈｏｄｅ、ｒｒｅｆｒｏｉｄｉｓｓｅｍｅｎｔ、ｒＡｎｏｄｅ）の決定を含み、上記浄化作業は、異常である場合に、その絶対値がもっとも大きい上記スカラー留数（ｒＣａｔｈｏｄｅ、ｒｒｅｆｒｏｉｄｉｓｓｅｍｅｎｔ、ｒＡｎｏｄｅ）に該当する上記測定値を排除することによって実行される、ことを特徴とする、請求項２に記載の、少なくとも１つの物理パラメータの監視方法。
【請求項４】
上記解析作業は、上記分散の量（σ）として、上記測定値の平均値（／Ｔ）に対する、ｍ個の上記測定値（Ｔｃ、Ｔｒ、Ｔａ）の集合の、全体的なタイプの偏差の決定を含むことを特徴とする、請求項１に記載の、少なくとも１つの物理パラメータの監視方法。
【請求項５】
上記浄化作業は、各上記測定値について、上記測定値の上記平均値（／Ｔ）に対する、上記測定値に特有なタイプの偏差（σＣａｔｈｏｄｅ、σｒｅｆｒｏｉｄｉｓｓｅｍｅｎｔ、σＡｎｏｄｅ）の決定を含み、異常である場合に、上記特有なタイプの上記偏差（σＣａｔｈｏｄｅ、σｒｅｆｒｏｉｄｉｓｓｅｍｅｎｔ、σＡｎｏｄｅ）が最も大きい上記測定値を排除するために上記浄化作業が実行されることを特徴とする、請求項４に記載の、少なくとも１つの物理パラメータの監視方法。
【請求項６】
アノード（１３）と、カソード（１１）と、冷却回路（１２）とを含む燃料電池（１）において、それぞれ第１と、第２と、第３の温度測定値（Ｔｃ、Ｔｒ、Ｔａ）を発生し、それぞれ上記カソード（１１）と、上記冷却回路（１２）と、上記アノード（１３）に設けられた第１と、第２と、第３の温度センサ（２１〜２３）を含み、上記燃料電池は、上記燃料電池（１）の内部温度（Θ１０）を推定するために、上記第１と、上記第２と、上記第３の温度測定値（Ｔｃ、Ｔｒ、Ｔａ）に対して、請求項１〜５のいずれか１つに記載の、少なくとも１つの物理パラメータの監視方法を実行するのに適した、データ処理回路（３）をさらに含むことを特徴とする、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的に、動的システムの制御技術に関する。
【０００２】
より正確には、本発明の主要な観点によれば、動的物理システムの少なくとも１つの作用を特に表す、少なくとも１つの基本的な物理パラメータの監視方法に関し、この監視方法は、計測作業を含む。
【背景技術】
【０００３】
多くの動的物理システムは、その内部状態を完全に知ることに基づいて、有効、確実に制御することはできず、この内部状態は、直接測定可能な物理パラメータに基づいて再構成される。
【０００４】
しかしながら、幾つかのシステムは、直接の測定が困難または不可能なパラメータの形でしか表すことができない。
【０００５】
例えば、燃料電池の作動状態は、内部温度、すなわちより正確にはセルを構成する積層体の温度に極めて決定的に依存するが、この温度を直接測定することは現実的にできない。
【０００６】
この結果、この温度を間接的な測定手段によって推定する必要があるのみならず、さらに、例えば不完全なセンサの使用によって生じ得るような、体系的なあらゆる測定誤差を除去する必要がある。
【０００７】
故障の監視及び診断のための従来の方法は、測定及び制御装置に物理的冗長性を設けること、すなわち、センサと、アクチュエータと、計算機の数を増加することからなる。
【０００８】
この従来の方法は、概念的に極めて簡単であるという利点を有するが、その反面、製造コストと、使用する装置の嵩張りの増加をもたらすという欠点を有する。
【特許文献１】ＵＳ  ５  ６６１  ７３５  Ａ
【特許文献２】ＵＳ  ４  ７７２  ４４５  Ａ
【特許文献３】ＵＳ  ２００２／０９１４９９  Ａ１
【特許文献４】ＵＳ  ６  ５９４  ６２０  Ｂ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、不測の故障の識別を可能にしながら、体系的な物理的冗長性を設けることに代わる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本明細書の「技術分野」に先に記載した包括的な定義に適合する、本発明の少なくとも１つの物理パラメータの監視方法は、上記計測作業は、ｍを２を超える整数として、ｍ個のセンサの集合によって、それぞれ測定可能なｍ個の、主要な上記基本的な物理パラメータと結びついた、物理パラメータを表す、対応するｍ個の測定値の集合を得ることを含み、上記監視方法は、さらに、その値が上記ｍ個の上記測定値の分散を表す、分散の量を作ることを少なくとも含む解析作業と、上記分散の量の値を、上記動的物理システムの正常な作用に対して定義された閾値と比較することを含む検査作業と、上記分散の量が上記閾値を超える場合には、異常であると判断することを含む診断作業と、異常である場合に、上記ｍ個の上記測定値のうちで、上記分散の量の値に最も大きく寄与するものを識別して排除することを少なくとも含む浄化作業を含む、ことを特徴とする。
【００１１】
本発明の第１の実施の形態によれば、上記解析作業は、重み付けマトリックスと、構成要素として上記測定値を有する測定値ベクトルとの積として定義される、留数ベクトルの決定を含み、上記重み付けマトリックスは、単位に等しいノルムを有し、上記留数ベクトルの各構成要素は、上記重み付けマトリックスの、平均値がゼロである重み付け係数による重み付けによって得られた、上記測定値の対応する線形結合から構成され、上記分散の量は、上記留数ベクトルのノルムによって構成される。
【００１２】
本発明の第２の実施の形態によれば、上記解析作業は、上記分散の量として、上記測定値の平均値に対する、ｍ個の上記測定値の集合の、全体的なタイプの偏差の決定を含む。
【００１３】
本発明の第２の観点によれば、本発明は、アノードと、カソードと、冷却回路とを含む燃料電池に関し、上記燃料電池は、それぞれ第１と、第２と、第３の温度測定値を発生し、それぞれ上記カソードと、上記冷却回路と、上記アノードに設けられた第１と、第２と、第３の温度センサを含み、上記燃料電池は、上記燃料電池の内部温度を推定するために、上記第１と、上記第２と、上記第３の温度測定値に対して、上述の実施の形態のいずれか１つ方法を実行するのに適した、データ処理回路をさらに含むことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明のその他の特徴及び利点は、本発明の方法を適用する燃料電池を示す略図である唯一の添付図面を参照して、参考として、非限定的に行う以下の説明によって明らかとなるであろう。
【００１５】
先に述べたように、本発明は、動的物理システムの作用に結びついた基本的な１または複数の物理パラメータの監視方法に特に関し、これらのパラメータは、このシステムの機能を表し、従って誤って用いられたときにシステムに影響を及ぼしやすい。
【００１６】
本発明の方法を、燃料電池の内部温度Θ１０の監視に適用する場合について説明する。この内部温度Θ１０は、燃料電池１によって構成される動的システムの基本的な物理パラメータを構成する。
【００１７】
このような燃料電池は、周知のように、セルの積層体１０と、圧縮空気４１を供給されるカソード１１と、改質装置４３から水素を供給されるアノード１３と、冷却回路１２を含む。
【００１８】
燃料電池の内部温度Θ１０、すなわちセルの積層体１０の温度を直接測定することに代えて、本発明は、３つのセンサ２１〜２３を用いて、それぞれ物理パラメータである３つの温度Θｃ、Θｒ、Θａを表す、対応する３つの測定値Ｔｃ、Ｔｒ、Ｔａを得ることを提案する。３つの温度Θｃ、Θｒ、Θａは、それぞれ、カソード１１へ供給されるガスと、冷却回路１２の出口の液体と、アノード１３へ供給されるガスの温度である。
【００１９】
このように提案するのは、それらの物理的近さと、それらの接続と、それら相互間の流量の交換とを考慮すると、積層体１０と、カソード１１と、冷却回路１２と、アノード１３は、必然的に互いに関連付けされた、それぞれの温度Θ１０、Θｃ、Θｒ、Θａを有するからである。
【００２０】
本発明の燃料電池は、温度の測定値Ｔｃ、Ｔｒ、Ｔａを受け、出力として燃料電池１の内部温度Θ１０の推定値を表す量Ｔ１０を発生するのに適した、データ処理回路３を有する。
【００２１】
量Ｔ１０は、温度の測定値Ｔｃ、Ｔｒ、Ｔａが充分な信頼度を有するなら、測定値Ｔｃ、Ｔｒ、Ｔａの線形結合、または適当なあらゆるその他の関数によって構成可能である。
【００２２】
本発明の重要な部分は、この信頼度を適正に評価し、測定値Ｔｃ、Ｔｒ、Ｔａの間のあらゆる疑わしい測定値を排除することからなる。
【００２３】
このため、本発明の物理パラメータの監視方法は、先ず第１に、データ処理回路３の中に、その値が様々な、温度の測定値Ｔｃ、Ｔｒ、Ｔａの分散を表す、分散の量を計算することからなる解析作業を含む。
【００２４】
以下に説明する第１の実施の形態においてはＳと記し、同じく以下に説明する第２の実施の形態においてはσと記す分散の量は、３つの測定値Ｔｃ、Ｔｒ、Ｔａが互いに近接しないほど、明らかに高い値を持つ。
【００２５】
次いで、本発明の物理パラメータの監視方法は、分散の量の値Ｓまたはσを、Ｓｓｅｕｉｌまたはσｓｅｕｉｌと記す、対応する閾値と比較することからなる検査作業を含む。この閾値は、燃料電池１を構成する動的システムの正常な動作に対して定義される。
【００２６】
次いで、本発明の物理パラメータの監視方法は、閾値Ｓｓｅｕｉｌまたはσｓｅｕｉｌを、対応する分散の量Ｓまたはσが超えた場合には、異常であると決定することからなる診断作業を含む。
【００２７】
最後に、本発明の物理パラメータの監視方法は異常である場合に実行され、分散の量の値Ｓまたはσに最も強く寄与する測定値Ｔｃ、Ｔｒ、Ｔａを特定し、それを排除することからなる浄化作業を含む。
【００２８】
この場合、データ処理回路３は、排除された測定値Ｔｃ、ＴｒまたはＴａをもはや考慮に入れないように、温度Θ１０の標準推定アルゴリズムを変更する。
【００２９】
本発明の第１の実施の形態においては、ｎ個の変数を測定するためにｍ個のセンサを使用するとして（ここにｍは、ｎの倍数の整数である。）：
−  時間ｔに依存し、構成要素として上記の測定値Ｔｃ、Ｔｒ、Ｔａを有する測定値ベクトルｙ；
−  時間ｔに依存する、状態変数ｘ；
−  時間ｔに依存する、故障ベクトルｆ（未知であるが、故障がないときにはゼロに等しい）；
−  計装ベクトルＣ；
を定義する。
【００３０】
時間ｔに対する依存性の明示の有無にかかわらず、これらの量は、関係式：
【００３１】
【数１】
2008503713.tif 000003
によって互いに結ばれる。
【００３２】
他方では、
【００３３】
【数２】
2008503713.tif 000004
ここに、
【００３４】
【数３】
2008503713.tif 000005
は、次元ｍ〜ｎの恒等マトリックス、
のような、重み付けマトリックスＶを定義する。
【００３５】
センサ２１〜２３のような３つのセンサの場合には、ベクトルｙ、Ｃ、Ｖは：
【００３６】
【数４】
2008503713.tif 000006
【００３７】
【数５】
2008503713.tif 000007
【００３８】
【数６】
2008503713.tif 000008
である。
【００３９】
解析作業は、時間ｔの関数であり、重み付けマトリックスＶと測定値ベクトルｙの積Ｖ・ｙとして定義される留数ベクトルｒの決定を含む。
【００４０】
従って、留数ベクトルｒは、次式：
【００４１】
【数７】
2008503713.tif 000009
によって与えられる。すなわち、ここでは２個である留数ベクトルｒの各構成要素は、測定値Ｔｃ、Ｔｒ、Ｔａの、重み付けマトリックスＶの、平均値がゼロである重み付け係数による重み付けによって得られた、Ｔｃ、Ｔｒ、Ｔａのような測定値の対応する線形結合によって構成される。
【００４２】
この場合、分散Ｓの量は、留数ベクトルｒのノルムによって構成される。すなわち：
【００４３】
【数８】
2008503713.tif 000010
もし、分散Ｓの量が、燃料電池１を構成する動的システムの正常な動作に対して定義された閾値Ｓｓｅｕｉｌに相当する閾値を超えるなら、不良な測定値を排除することを可能にする浄化作業へ続く。
【００４４】
このため、浄化作業は、先ず第１に、各測定値について、重み付けマトリックスの転置マトリックスＶτから導かれるベクトル
【００４５】
【数９】
2008503713.tif 000011
と留数ベクトルｒの積として定義され、その測定値に関する、ｒＣａｔｈｏｄｅ（ｒカソード）、ｒｒｅｆｒｏｉｄｉｓｓｅｍｅｎｔ（ｒ冷却回路）、ｒＡｎｏｄｅ（ｒアノード）に相当するスカラー留数の決定を含む。この場合、この作業は：
【００４６】
【数１０】
2008503713.tif 000012
に導く。
【００４７】
次に、絶対値が最も大きいスカラー留数に該当する測定値を排除する浄化作業が続く。
【００４８】
換言すれば、もし：
【００４９】
【数１１】
2008503713.tif 000013
であれば、センサ２１は、不良とみなされ、測定値Ｔｃは排除される。
【００５０】
もし：
【００５１】
【数１２】
2008503713.tif 000014
であれば、センサ２２は、不良とみなされ、測定値Ｔｒは排除される。
【００５２】
また、もし：
【００５３】
【数１３】
2008503713.tif 000015
であれば、センサ２３は、不良とみなされ、測定値Ｔａは排除される。
【００５４】
本発明の第２の実施の形態においては、ｎ個の変数を測定するためにｍ個のセンサを使用するとして（ここにｍは、ｎの倍数の整数である。）、平均測定値を定義し、この場合：
【００５５】
【数１４】
2008503713.tif 000016
のような平均温度／Ｔを定義する。（オーバー  バーの代わりに／を使用する。以下同じ。）
解析作業は、分散の量として、これらの測定値の平均値／Ｔに対する、ｍ個の測定値Ｔｃ、Ｔｒ、Ｔａの集合の、全体的なタイプの偏差σ、すなわち
【００５６】
【数１５】
2008503713.tif 000017
の決定を含む。
【００５７】
もし、分散の量が、燃料電池１を構成する動的システムの正常な動作に対して定義された閾値に相当する閾値を超えるなら、すなわち、
【００５８】
【数１６】
2008503713.tif 000018
であれば、浄化作業は、各測定値について、平均値に対する、この測定に特有なタイプの偏差、すなわち下記の特有なタイプの偏差：
【００５９】
【数１７】
2008503713.tif 000019
の決定を含む。
【００６０】
最後に、特有なタイプの偏差が最も大きい測定値を排除するために浄化作業が実行される。
【００６１】
換言すれば、もし：
【００６２】
【数１８】
2008503713.tif 000020
であれば、センサ２１は、不良とみなされ、測定値Ｔｃは排除される。
【００６３】
もし：
【００６４】
【数１９】
2008503713.tif 000021
であれば、センサ２２は、不良とみなされ、測定値Ｔｒは排除される。
【００６５】
また、もし：
【００６６】
【数２０】
2008503713.tif 000022
であれば、センサ２３は、不良とみなされ、測定値Ｔａは排除される。
2008503713.tif 000023
【国際調査報告】
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2008503713.tif 000026
2008503713.tif 000027
2008503713.tif 000028
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