(57)【要約】  本発明は、液状冷媒を用いて燃料電池（３）を冷却する方法であって、燃料電池に供給される反応物質と、燃料電池から排出される生成物とのうちの少なくとも一方が運転状態にて気体状であり、冷媒を冷媒輸送装置（１１）を用いて前記燃料電池（３）を通して送る方法に関する。本発明は、前記冷媒輸送装置（１１）の電力消費を設定された基準値と比較し、設定された基準値からの電力消費の偏差により液状冷媒中の気体を検出することによって特徴づけられる。
2014529861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液状冷媒を用いて燃料電池（３）を冷却する方法であって、前記燃料電池に供給される反応物質と、前記燃料電池から排出される生成物とのうちの少なくとも一方が運転状態にて気体状であり、前記冷媒を冷媒輸送装置（１１）を用いて前記燃料電池（３）を通して送る方法において、
前記冷媒輸送装置（１１）の電力消費を設定された基準値と比較し、前記設定された基準値からの前記電力消費の偏差により前記液状冷媒中の気体を検出することを特徴とする、方法。
【請求項２】
気体の検出により冷却回路（１０）および／または前記燃料電池（３）の緊急停止を行なうことを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記電力消費の評価を、前記冷媒輸送装置の回転数が前記冷媒輸送装置（１１）の定格回転数の３０％より上、好ましくは４０％より上で行なうことを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記冷媒輸送装置（１１）を電気駆動することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記基準値との前記冷媒輸送装置（１１）の電力消費の比較を前記冷媒輸送装置（１１）を駆動するための電気モータ（１４）の制御装置（１６）にて実行することを特徴とする、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記基準値を基準曲線として設定することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記基準値を前記冷媒輸送装置（１１）の回転数に依存して種々に設定することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記基準値を前記冷媒の圧力および／または温度に依存して種々に設定することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記燃料電池（３）を少なくとも部分的に電気駆動される乗物（２）における駆動電力を発生させるために使用することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念にて詳細に定義されたやり方に従った液状冷媒を用いて燃料電池を冷却する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、一般的な従来技術により知られている。これは電力の発生のために燃料電池を使用し，この燃料電池は例えばＰＥＭ燃料電池として形成されていてよい。電力および生成水以外に燃料電池内に一定量の余熱も常に発生し、この余熱は望ましいものではなく、一般的な従来技術によれば液状冷媒を介して燃料電池の領域外に排出される。通常、液状冷媒は少なくとも１つの冷媒輸送装置によって冷却回路内に送られ、さらに一方では余熱の吸収のために燃料電池を貫流し、かつ他方では吸収された余熱の、例えば周囲への、排出のために冷却器としての熱交換器を貫流する。
【０００３】
殊に水素を用いた燃料電池の運転の場合には燃料電池および燃料電池システム内の気体漏れが重大な危険であり、というのも水素と大気の酸素とから可燃性のまたはそれどころか爆発性の混合物が発生する可能性があるからである。殊に燃料電池それ自体の領域内では損害のケースの場合には気体、殊に水素が液状冷媒に入るということに至る可能性がある。通常、燃料電池は、単セルの積層物としての構造を有する。単セルは通常プレート状の構造を有し、かつアノード室およびカソード室に対する境界として、気体用通路が備えられたプレート状の要素を有する。この構造は例えば、これらプレートが逆極的にその裏側どうしを相互に向かい合せに、その際、各プレート間に冷媒のための室を残しながら、重ねられているようにして完成させることができる。隣接させた複数のセルが交互に逆極的に積層されている代替的な構造も当然のことながら考えられる。この構造の場合にも、単セルに隣接するプレートの領域内に液状冷媒のための複数の室ないしは液体用通路が備えられているのが通常である。そうなるとそのようなプレートの領域内の漏れまたはプレートの破損が生じた場合には、気体が燃料電池のカソード室および／またはアノード室から液状冷媒中に侵入する可能性がある。その際に気体は液状冷媒および冷媒輸送装置から冷却回路のシステムを通って導かれ、さらに、停止時温度と運転時温度間の冷媒の体積調整のために必要である調圧槽内に通常いつか到達する。調圧槽は通常、周囲とつながっている。このようにして気体はさらに周囲に到達しえ、かつそこで場合によっては、殊に水素ガスである場合には、可燃性の混合物を生成することができる。したがって通常の構造の場合の調圧槽の領域内ないしは調圧槽が周囲とつながっている領域内に水素センサが配置されなければならない。というのも起こりうる危険を排除できるようにするためである。このセンサはセンサそれ自体、センサのための配線（Ｌｅｉｔｕｎｇｓｆｕｅｈｒｕｎｇ）ならびにデータの評価に関して、批判を受けやすく、高価でエラーが発生しやすい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって本発明の課題は、上記課題を回避しかつ簡単で効果的な手段を用いて、エラーが発生しやすい構成部品、例えばセンサまたはそのようなものを必要とせずに燃料電池の間違いなくかつ確実な運転を可能にする燃料電池を冷却する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば上記課題は請求項１の特徴部における特徴を有する方法によって解決される。
【０００６】
本発明による方法の場合には冷媒輸送装置の電力消費を設定された基準値と比較し、そのことによって設定された基準値からの電力消費の偏差により冷媒中の気体を検出することが定められている。したがって、冷却回路内の調圧槽の領域内の費用がかかり、高価で故障しやすいセンサの代わりに、いずれにせよなければならない冷媒輸送装置が利用され、そのことによって液状冷媒中の気体が検出される。このために冷媒輸送装置の電力消費は、相応する基準値と比較される。冷媒輸送装置の領域内の気泡および気体の蓄積が生じる場合には、冷媒輸送装置はより少ない電力しか必要としないかないしはその電力消費が変動する。というのも液状冷媒の輸送に比して気体の輸送にはより少ないエネルギーしか必要としないからである。相応する基準値との比較によってこのように簡単かつ確実に冷媒中の気体を検出することができる。この気体はその場合にはつまり依然としてカソード室の領域に由来しかつ比較的危険性のない空気または酸素が欠乏した空気でありうるかまたはアノード室の領域に由来しかつ水素でありうるかのどちらかである。しかしながら、どちらの気体が液状の冷媒中に存在しているかに関係なく、液状冷媒中に気体が基本的に存在しているということは常に、燃料電池それ自体の領域内に漏れが生じた印である。これはいずれにせよ燃料電池の重大な障害であって、相応する対抗措置を必要としかつ例えば本発明による方法の特に有利なさらなる発展形態によれば燃料電池の緊急停止を正当化するものである。いずれにせよしたがって、その気体が水素である場合には周囲へのこの水素の流出、ひいては潜在的な危険を防止することができる。
【０００７】
本発明による方法は基本的に常に適用することができる。本発明による方法の特に有利なさらなる発展形態によれば、電力消費の評価を、冷媒輸送装置の回転数が、定格回転数の３０％より上で、好ましくは約４０％より上で行なうことが定められている。気体が適当な量で冷媒中に出現することにより生じる電力消費における変動は、基本的に常に検知することができる。しかしながら、定格回転数の約３０％の定格回転数、殊に定格回転数の約４０％の回転数より上では、前記検知は簡単かつ効果的手段を用いて、本発明による方法の適用がこの場合に相応に簡単かつ効果的なものとなり得る程度に良好かつ確実となる。冷却回路の運転時にほぼ全ての場合にいずれにせよ上記限界値を上回る冷媒ポンプの回転数が存在するのであるから、冷媒中の気体の検出に関して、電力変動の認識のためのこの簡略化された構造を用いても、依然として燃料電池の間違いなくかつ確実な運転が可能である。
【０００８】
電力消費は基本的に冷媒輸送装置のあらゆる駆動モードの場合に検知することができる。しかしながら、これには相応に費用がかかる可能性がある。したがって、本発明による方法の好ましくかつ有利なさらなる発展形態の場合には冷媒輸送装置は電気駆動である。殊にそのような電気駆動される冷媒輸送装置の場合には著しく簡単かつ効果的に、電力消費を検知することができかつ設定された基準値と比較することができ、それにより液状冷媒の領域内の気体が検出される。
【０００９】
本発明による方法の有利なさらなる発展形態の場合には、前記基準値が基準曲線として設定されていることがさらに定められていてよい。相応に有利なさらなる発展形態の場合には基準値は相応に、例えば冷媒輸送装置の回転数に依存して、あるいはまた殊に冷媒の圧力および／または温度に依存して、パラメータ化することができる。さらに種々の基準曲線を設定することができ、そのことによって冷媒において変化する運転、圧力および／または温度の状態に基づく冷媒輸送装置の電力消費における変動が、液状冷媒中の気体に基づく変化する電力消費によってその信頼性が損なわれることがない。
【００１０】
本発明による方法の別の著しく好ましい形態の場合には、燃料電池は少なくとも部分的に電気駆動される乗物における駆動電力を発生させるために使用されることがさらに定められている。殊に乗物の場合には安全への要求が相応に高い。このように、例えば乗物内にいる乗客が大気中の可燃性または爆発性の混合物および水素によって危険にさらされる可能性がある。そのうえ、乗物はしばしば、それ自体が可動性であることによって走行中、他の乗物および／または人間がその周囲環境に存在するかないしは当該乗物が当該乗物の範囲外の、人間を含む周囲環境に入っていくという状況におかれる。これら人間が危険にさらされることは同様に間違いなくかつ確実に排除されるべきであり、その為、本発明による方法による著しく簡単で安価かつ確実な安全監視が殊に乗物の場合に特に有利である。
【００１１】
本発明が意味するところの乗物とはその場合、陸、水あるいはまた空における全ての乗物だと理解してよい。乗物はその場合には軌道式（ｇｌｅｉｓｇｅｂｕｎｄｅｎ）または無軌道式（ｇｌｅｉｓｌｏｓ）であることができ、かつその場合には例えば自家用車交通（Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｖｅｒｋｅｈｒ）に、および／または貨物輸送に、近距離交通に、あるいはロジスティクス車両（Ｌｏｇｉｓｔｉｋｆａｈｒｚｅｕｇ）として使用することができる。乗物は運転者有りでも運転者無しでも運転することができる。
【００１２】
本発明による方法のさらなる有利な形態は残りの方法の従属請求項から明らかでありかつ、以下に図に関連して詳述されている実施例に基づいて明確になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この唯一の添付の図は、乗物におけるきわめて簡略化された燃料電池システムの概略的な描写を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
この唯一の添付の図にはきわめて概略化された描写での燃料電池システム１が示されている。燃料電池システム１は該図では輪郭だけで示された乗物２に取り付けられていることとする。燃料電池システム１の中心部は燃料電池３であり、これは例えばＰＥＭ燃料電池として形成されているものとする。燃料電池３はその内部に３つの相互に分離されて配置された室を基本的に有し、これら室は通常の構造の場合にはそれぞれ単セルの形で実施されており、これら単セルは、さらに積み重ねられて燃料電池積層物、いわゆるスタックとなっている。相応するライン要素（Ｌｅｉｔｕｎｇｓｅｌｅｍｅｎｔｅ）ないしはコレクタ（Ｓａｍｍｌｅｒ）を介して、燃料電池スタック３の単セルの個々の室はさらに上下に結合されている。例えば単セルの、図に示された室はその場合にはアノード室４、カソード室５ならびに液状冷媒が貫流する室６、これは冷却熱交換器と呼ぶこともできる、である。自体公知の方法でカソード室５に空気輸送装置７を介して空気が酸素供与体として供給される。アノード室４に例えば水素が圧縮ガス貯蔵部８から圧力調節および定量装置９を介して供給される。消費されなかった水素および酸素が欠乏した残留空気はさらに燃料電池から適当な管路を介して出ていく。通常、残留水素はその場合には触媒ユニットまたはそのようなものを介して使い尽くされるかまたは残留水素はアノード室４の周りを循環してもよい。これらは本発明にとってさほど重要ではないので、該当する描写は省略される。当然のことながら、燃料電池システム１の周辺部はこれがここに例示されているより明らかに複雑な構造を有していてよい。
【００１５】
本発明にとって重要であるのは、燃料電池３における液状冷媒が貫流する室６と液状冷媒のための冷却回路１０のみである。この冷却回路１０はこの場合にはきわめて簡略化して示されており、かつこの場合には燃料電池３そのものの冷却にのみ使用されるものとする。当然のことながら、この冷却回路１０により燃料電池システム１の内部または燃料電池システム１が備えられた乗物２内の別の構成部品も相応に冷却することが可能である。冷却に影響を及ぼすためにさらに例えば、燃料電池３における液状冷媒が貫流する室６を迂回する、図示されていないバイパス管路が存在していてよい。ところで冷却回路１０内は液状の冷媒、通常、水と不凍液の混合物が流れる。この液状冷媒は冷媒輸送装置１１により冷却回路１０内を循環され、そしてこの場合には例えば、前記貫流を任意に補助する送風機１３を備えた乗物用冷却器として示されている冷却熱交換器１２の領域内で冷却される。冷却された冷媒はさらに燃料電池３の室６を通って流れ、そしてそこで燃料電池３の余熱を吸収し、この余熱は冷却熱交換器１２の領域内で再び周囲に放出される。既述のとおり、付加的な装備、例えばバイパス、体積調整槽（Ｖｏｌｕｍｅｎａｕｓｇｌｅｉｃｈｓｂｅｈａｅｌｔｅｒ）等が定められていてよい。これらは本発明にとってさほど重要ではないので、図を簡単にする為、その描写を省略した。
【００１６】
冷媒ポンプまたはポンプとも呼ばれる冷媒輸送装置１１は、ここに示された実施例の場合には電気モータ１４による電気駆動であることとする。冷媒輸送装置はその場合には燃料電池３の室６内における必要な冷却力に応じて例えば種々の回転数で駆動される。冷媒輸送装置１１の制御された駆動を保証するために、冷却回路１０内には通常、熱センサが存在する。２つのこの種の熱センサ１５は例えば、流れ方向で燃料電池３の室６の前後に示されている。冷媒輸送装置１０の回転数の変化量以外にも、室６と冷却熱交換器１２とのどちらの貫流も、各構成部品を迂回するバイパスを介して、適当な弁装置を用いて制御することがさらに可能であり、そのことによってこのようにしてバイパス後に混合温度が相応に得られる。これもまた本発明にとってさほど重要ではなく、かつ一般的な従来技術により知られている。したがって弁装置およびバイパス管路の描写は同じく省略した。
【００１７】
さてこのように、燃料電池３の領域内で個々の室間で漏れが生じる可能性がある。殊に燃料電池スタック３の単セルを限定するプレートのいわゆるプレート破損によって、そのような漏れがもたらされる可能性がある。水素ガスがアノード室４から液状冷媒のための室６内に侵入する場合が特に危機的である。しかし、空気がカソード室５から室６内の液状冷媒中に侵入することもまた燃料電池３の漏れとしてその機能にとって危機的なことであろう。そのような危機的な事象をこれからは簡単、迅速かつ確実に検出できるようにするために、燃料電池システム１のここに示された構造の場合には、冷媒輸送装置１１のための電気モータ１４のモータ制御装置１６が、冷媒輸送装置１１のいずれにせよ検知される電力消費を、殊に基準曲線の形での、設定された基準値と比較するよう相応に形成されていることが定められている。
【００１８】
適当な基準曲線の記録のために種々の方法が一般的な従来技術により知られている。例えば、複数の同じ構造の、冷媒輸送装置１１として使用されるポンプの電力消費を相応に記録することができる。このために、それぞれのポンプの電力消費は、その全可能回転数範囲にわたって記録される。その場合には後の基準曲線にとって、とりわけ無負荷運転（Ｔｒｏｃｋｅｎｌａｕｆ）時の電力消費、つまり最小可能な電力消費ならびに絞り弁が閉じられた通常運転時の電力消費、つまり「通常運転」時の最小電力消費が重要である。このように各タイプのポンプについて測定された曲線は引き続き、平均され、それによりさらにポンプのそれぞれの構造についての基準曲線が明らかになる。この基準曲線は、殊に冷媒輸送装置１１の回転数に依存して、しかし冷媒における圧力および／または温度にも依存して相応にパラメータ化することができ、この場合、殊に温度はいずれにせよ冷却の制御のためにどのみち検知される。その場合には基準値ないしは基準曲線にまとめられた基準値によって、制御装置１６内で実行されるプロセスフローにより、冷媒輸送装置１１が期待どおりに作動しているかどうか、または電力消費の偏差が存在するかどうかを著しく間違いなくかつ確実に確認されることが可能となる。このような電力消費の偏差は、その場合には偏差の既知の特性曲線によって相応に評価することができる。特に重要であるのはこの場合には、液状冷媒中の気体の存在を認識することができるようなやり方での評価である。そのような気体は、漏れが燃料電池３の１つまたは２つの室４、５と燃料電池３における液状冷媒が貫流する室６との間に生じている場合にのみ液状冷媒中に現れうるのが通常である。したがって冷媒輸送装置１１のそのような気泡検出ないしは無負荷運転検出によって、簡単、効果的にかつ、調圧槽ないしは調圧槽の領域から出てくる冷却回路１０の気体の領域内の故障しやすい水素センサの使用なしに、間違いなくかつ確実に液状冷媒の領域内の気体を推し量ることができる。それにより、殊に燃料電池システム１の緊急停止を行なうことによって、冷媒輸送装置１１自体ならびに燃料電池３のどちらもさらなる破損から保護することができる。これにより一方では燃料電池システム１の関連する構成部品の安全および寿命が高められる、というのもさらなる損傷を冷媒輸送装置１０および燃料電池３が受けることが回避されるからであり、そして他方では乗物２の周囲または乗物２自体の中にいる人間の安全が高められる。
【００１９】
本発明者は、低い回転数範囲では基準曲線と測定された曲線との間の差が無負荷運転の出現時にも著しく小さいことを明らかにした。したがってこの範囲では、無負荷運転の間違いない検出を可能にする確実な比較を実施することは著しく困難である。しかしながら冷媒輸送装置１１の領域内でのそのような無負荷運転検出が、検出中にポンプ回転数が冷媒輸送装置１１の定格回転数の約４０％の回転数より大きい場合に、著しく簡単で効果的に実施されることができる。しかしながら、このことは燃料電池システム１の冷却回路１０の通常運転時には通常ほぼ常に該当する。その場合には気体漏れは約２リットル毎分の気体侵害（Ｇａｓｅｉｎｔｒａｇ）より上で、著しく確実かつ効果的に検出されることができる。この方法はその場合には冷却回路１０が周囲と結合する領域における相応するガスセンサの場合より簡単で安価かつエラーが発生しにくい。そのうえ、冷媒輸送装置１１の効果的な保護を直接一緒に行うことができるが、このことはセンサでは、液状冷媒中への気体侵害とこれの検出との間の時間的な遅延という理由から不可能である。
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【国際調査報告】
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