(57)【要約】  自動車の運転中に、燃料電池（５）の薄膜（４）内の漏洩箇所（４′）を検知するための方法であって、前記燃料電池（５）によって供給された電力を、初期電力から最小値に低下させるステップと、最小値に低下された電力が前記燃料電池（５）によって供給されている間に、前記燃料電池（５）の実際の電池電圧の測定値を算出するステップと、漏洩箇所（４′）を検知するために、前記算出された測定値に基づいて前記燃料電池（５）の前記薄膜（４）の状態を評価するステップと、を有している方法において、この場合、実際の電池電圧の測定値の算出中に前記燃料電池（５）によって低下された前記電力を、少なくとも１つの別のエネルギ源によって同じレベルで供給する。  【選択図】  図１ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車の運転中に、燃料電池（５）の薄膜（４）内の漏洩箇所（４′）を検知するための方法であって、
ａ）前記燃料電池（５）によって供給された電力を、初期電力から最小値に低下させるステップと、
ｂ）最小値に低下された電力が前記燃料電池（５）によって供給されている間に、前記燃料電池（５）の実際の電池電圧の測定値を算出するステップと、
ｃ）漏洩箇所（４′）を検知するために、前記算出された測定値に基づいて前記燃料電池（５）の前記薄膜（４）の状態を評価するステップと、
を有している方法において、
実際の電池電圧の測定値の算出中に前記燃料電池（５）によって低下された前記電力を、少なくとも１つの別のエネルギ源によって同じレベルで供給することを特徴とする、燃料電池の薄膜内の漏洩箇所を検知するための方法。
【請求項２】
供給された電力を低下させる前に、前記方法の実際の実行可能性に関するテストを行い、この際に、前記テストが、全負荷下での前記燃料電池（５）の運転時間と比較値との比較を含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記燃料電池（５）によって供給された電力を、前記方法の実行中に低下させ、実際の電池電圧の測定値の算出後に、特に評価の実行後にかつ実行された評価に依存して、再び同じ値に高め、この際に、前記燃料電池（５）によって低下された電力を、少なくとも１つの別のエネルギ源によって供給し、少なくとも１つの別のエネルギ源によって供給された前記電力を、前記燃料電池（５）によって供給された電力の増大後に、相応に同じレベルだけ低下させることを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記燃料電池（５）によって供給された電力を、前記実際の電池電圧の測定値の算出前および／または算出中に、特に評価の実行中にかつ実行された評価に依存して、最大電力の２％よりも少ない値、好適には最大電力の１％よりも少ない値、特に最大電力の０．１％よりも少ない値に低下させること特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記燃料電池（５）によって供給された電力を、実際の電池電圧の測定値の算出前および／または算出中に、特に評価の実行中にかつ実行された評価に依存して段階的に低下させることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記測定値の算出を、１０秒よりも短い間、好適には５秒よりも短い間、特に２秒よりも短い間で行うことを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
燃料電池（５）の薄膜（４）内の漏洩箇所（４′）を検知するための状態の評価が、前記測定された値と基準値との間の少なくとも１回の比較を含んでおり、この場合、前記測定された値が好適には様々なセンサに由来していて、特に前記基準値との比較の前に算出されかつ／または重み付けされることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記評価に基づいて、警告指示を発信し、かつ／または前記燃料電池（５）を非常運転に切替えることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記方法の個別のステップを、前記燃料電池（５）の運転中に周期的に繰り返し行うことを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記方法を、車両、特に燃料電池車両で使用することを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
自動車を運転するための、特に請求項１から１０までのいずれか１項に従って実行するためのシステムであって、
燃料電池（５）によって供給された電力を初期電力から最小値に低下させるための少なくとも１つのコントロールユニットと、
最小値に低下された電力が前記燃料電池（５）によって供給されている間に、前記燃料電池（５）の実際の電池電圧の測定値を算出するための少なくとも１つの測定ユニットと、
漏洩箇所（４′）を検知するために、算出された前記測定値に基づいて前記燃料電池（５）の薄膜（４）の状態を評価する少なくとも１つの処理ユニットと、
を有している形式のものにおいて、
前記システムが、実際の電池電圧の測定値の算出中に低下された電力を同じレベルで供給するための少なくとも１つの別のエネルギ源を有することを特徴とする、自動車を運転するためのシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、方法の独立請求項の前提部に記載した方法、およびシステムの独立請求項の前提部に記載したシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の頻繁な故障原因は、反応ガスを分離するために用いられる薄膜内の漏洩箇所が関係している。このような漏洩箇所の発生は、それぞれの製造プロセス内においても、続いて行われるテスト法を用いても排除できないので、このような漏洩箇所を検知するための方法およびシステムを省くことはできない。特にＰＥＭ燃料電池の使用時には、このような漏洩箇所の発生時に当該のシステムをできるだけ早期に遮断し、それによって爆鳴ガス反応により生ぜしめられ得る爆発を避けることができるようにするために、安全上重要な理由から大きい漏洩箇所を検出することが絶対に必要である。従来技術によれば、燃料電池の薄膜内の漏洩箇所を検知するために、排出ガス内の水素センサを用いて検出する方法の他に、特に電池電圧の監視（ＣＶＭ＝ｃｅｌｌ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）に基づく検出が公知である。この方法は、水素が薄膜の漏洩箇所を通して直接的に搬送されることによって生ぜしめられる、電池電圧の急激な低下の検出に基づいている。この場合、電池電圧の急激な低下は、薄膜を通って直に搬送された水素成分が陽極で陽子に酸化されず、それによって電池電位を上昇させるために役立たないという事実に基づいて発生する。
【発明の概要】
【０００３】
本発明の対象は、方法の独立請求項の特徴を有する方法、およびシステムの独立請求項の特徴を有するシステムである。本発明の別の特徴および詳細は、それぞれの従属請求項、明細書および図面から得られる。この場合、本発明による方法に関連して記載された特徴および詳細は、もちろん本発明によるシステムにも関連しており、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関連付けられてよい。
【発明の効果】
【０００４】
独立請求項による本発明の方法は、特に自動車の運転中に燃料電池の薄膜内の漏洩箇所を検知するために用いられる。この場合、この方法の利点は何よりも、全負荷条件下で実行することができる、特に有意義な測定方法が開示されている、という点にある。この場合、全負荷条件下での漏洩箇所の有意義な検知は、特に困難である。何故ならば、燃料電池の電池電圧は、稼働損および抵抗損に基づいて電池負荷が増大するにつれて低下するからであり、電池電圧の監視により漏洩箇所を検出するための方法は、まさに電池電圧の低下の検出に基づいているので、検出のために必要な電圧差は電池電圧が上昇するにつれてもはや記録不能だからである。従って、一般的な形式の前記方法による有意義な測定は、当該の電池がほとんどまたはまったく負荷されない状態でのみ行われ、従って燃料電池によって電流はほとんどまたはまったく供給されないかまたは読み取られない。しかしながらこれは、システムの持続的な電力供給が保証されていなければならないモバイルシステムに燃料電池を使用する際に特に不都合である。
【０００５】
この場合、燃料電池の薄膜内の漏洩箇所を検知するための本発明による方法は、特に、例えば自動車、クレーンまたはフォークリフト等の燃料電池車両に用いることができる。この場合、本発明の枠内で漏洩箇所とは、この箇所を通って、固体、液体または気体が流入するかまたは流出する切欠、特に開口または孔であると解釈されてよい。この場合、本発明の方法によれば、まず燃料電池によって供給された電力が初期電力から最小値に低下される。燃料電池によって供給された電力の最小値は、理想的なケースでは、０ワットの値、つまり燃料電池によって電力がまったく供給されないときに測定可能な値である。しかしながら、最小値はより高くてよく、例えば数キロワット等であってもよい。この場合、電力を最小値に低下させることは、段階的にまたは無段階に行うことができる。
【０００６】
燃料電池によって供給された電力を最小値に低下させた後で、本発明によれば、燃料電池によって電力を最小値に低下させている間に、燃料電池の実際の電池電圧の測定値の算出が行われる。この場合、測定値の算出は、直接的にまたは間接的に行われる。直接的な算出時に、例えば燃料電池の薄膜内の漏洩箇所を検知するために重要な値が直接測定され、これに対して、間接的な算出時には既に測定された値が受信されるだけである。測定値とは、特に燃料電池の実際の電池電圧の測定値である。
【０００７】
燃料電池の実際の電池電圧の測定値の算出後に、本発明による方法の枠内で、燃料電池の薄膜の状態の評価が、漏洩箇所を検知するための算出された測定値を用いて行われる。この場合、測定値を算出するための時間間隔も、また測定値算出の速度も、測定値を用いて評価が行われるまで、好適には自由かつ可変に選択されてよい。燃料電池の薄膜の状態の特に有意義な評価のために、評価は、好適な形式で測定値の所定回数の算出後に初めて、特に測定値の平均化および／または重み付け後に行われる。この場合、本発明による方法の枠内で評価される状態は、特に燃料電池の薄膜内の実際の漏洩箇所の大きさである。
【０００８】
具体的な方法の明確に示された特徴によれば、燃料電池によって低下された電力は実際の電池電圧の測定値の算出中に、少なくとも１つの別のエネルギ源によって同じレベルで供給される。少なくとも１つの別のエネルギ源は、好適な形式で、電気的な、特に電気化学的なエネルギ源である。この場合、エネルギ源は、電流または電圧源、例えばバッテリ、キャパシタ、スーパーキャパシタ等であってよい。同様に、燃料電池によって低下された電力は、１つより多い、例えば２つまたは３つのエネルギ源によって供給されてもよい。本発明による方法の枠内で、測定値の算出中に低下された電力を補正することによって、高感度の検知方法自体が全負荷中に可能である、ことが分かった。
【０００９】
確実な方法の枠内で、好適には本発明による方法を実行している間中、燃料電池によって低下された電力が少なくとも１つの別のエネルギ源によっても供給されることを保証するために、本発明によれば好適な形式で、供給された電力を低下させる前に、前記方法の実際の実行可能性に関するテストを行うようになっている。この場合、このようなテストは、少なくとも１つの別のエネルギ源の実際の充電状態のテストを含んでいてよい。さらにテストは、好適には、実際に供給可能な充電容量と、本発明による方法の実行中の予測されたエネルギ消費との比較を含んでいてよい。この場合、予測されたエネルギ消費は、少なくとも１つの別のエネルギ源が燃料電池によって低下されたエネルギ供給を補正する間の、例えばこの方法の実行の規定可能な時間長さに基づいていてよい。しかしながら、別のデータ、例えば実際のルートプロファイル、実際の気象状況、実際の交通状況、およびユーザー固有の優先順位、例えばできるだけ迅速な輸送等が、予測されたエネルギ消費の推定に算入されてよい。
【００１０】
少なくとも１つの別のエネルギ源の実際の充電容量に関する特に簡単なテストは、例えば少なくとも１つの別のエネルギ源の直近の使用時間を用いて間接的に行うこともできる。従って、テストは、例えば全負荷下での燃料電池の運転時間を比較値と比較することを含んでいてよい。これによって特に簡単な形式で、少なくとも１つの別のエネルギ源が全負荷下での燃料電池の運転時間中に充電容量を供給せず、その充電容量はこの時間中に減少するのではなく、多くとも回生プロセス等によってさらに増大することが保証され得る。
【００１１】
本発明による方法の経済的かつ同時に確実な実行の枠内で具体的に、燃料電池によって供給された電力がこの方法中に低下し、実際の電池電圧の測定値の算出後に、特に評価の実行後にかつ実行された評価に依存して再び同じレベルだけ増大され、この際に、燃料電池によって低下された電力が少なくとも１つの別のエネルギ源によって供給され、少なくとも１つの別のエネルギ源によって供給された電力が燃料電池によって供給された電力の増大後に相応に同じ程度だけ低下されるようになっている。この場合、燃料電池によって低下された電力を、評価が終了するまで少なくとも１つの別のエネルギ源によって補正することは、特に漏洩箇所が検出された場合に問題が取り除かれるまで燃料電池の運転が再び開始されないようにするために、および／または別の安全上重要なステップ、例えばガス供給等の中断を実施するために、特に有意義である。これに対して、本発明による方法の特に経済的な実行の枠内で、この方法中に低下された電力を実際の電池電圧の測定値の算出後に既に再び燃料電池によって供給し、少なくとも１つの別のエネルギ源によってそれ以上供給しないようにしても有意義である。後者の場合、少なくとも１つの別のエネルギ源は、燃料電池によって低下された電力を、より短い時間だけ供給するので、エネルギ源はより小さく設計され得る。このことは、本発明による方法を車両に使用する場合、重さがより軽量であり、相応に車両の燃費が少ないことを意味する。
【００１２】
燃料電池の電池電圧は、冒頭に述べたように、稼働損および抵抗損に基づいて、電池の負荷が増大するにつれて低下し、このプロセスによって、燃料電池の薄膜内の漏洩箇所を検出するために必要な、漏洩状態と漏洩のない状態との間の電圧差が、電池負荷が増大するにつれて小さくなるので、できるだけ高感度の測定法の枠内で、本発明に従って好適な形式で、燃料電池によって供給された電力を、実際の電池電圧の測定値の算出前および／または算出中に、特に評価の実行中にかつ実行された評価に依存して、最大電力の２％よりも少ない値、好適には最大電力の１％よりも少ない値、特に最大電力の０．１％よりも少ない値に低下させるようになっている。これにより、当該の燃料電池システムの電力に応じて、燃料電池によって供給された電力は、例えば２ｋＷよりも小さい値、好適には１ｋＷよりも小さい値、特に０．１ｋＷよりも小さい値に低下され得る。感度に関連して可能な限り最良の測定条件、つまり本発明による方法を用いて最も高感度で検出され得る条件は、電力がまったく供給されないかまたはせいぜい電池電圧が印加されるときに得られる。従って、具体的な方法の特に高感度の実行に関連して、この方法は、少なくとも部分的に燃料電池の開回路電圧において実行されるようになっていてもよい。特に、具体的な方法の特に有意義な実行の枠内で、電池電圧の測定値を燃料電池の様々な電力値において算出し、理想的な曲線変化を用いて補外法で求めるのが有意義である。従ってこの場合、燃料電池によって供給された電力を開回路電圧まで低下させる必要はない。その代わり、燃料電池の様々な電力値における電池電圧の測定値が算出され、この値を用いて開回路電圧における電池電圧を補外法で求めることができる。このような形式で算出された、開回路電圧における電池電圧の値は、当該の燃料電池の薄膜内の漏洩箇所の存在に関する本発明による評価の枠内で評価され得る。
【００１３】
この場合、特に有意義な測定または評価の枠内で、特に燃料電池によって供給された電力を、実際の電池電圧の測定値の算出前および／または算出中に、特に評価の実行中にかつ実行された評価に依存して段階的に低下させれば、有意義である。供給された電力の段階的な低下に基づいて、値のより精確な補外法が可能であるかまたは曲線変化を理想的な曲線変化とより精確に比較することが可能である。
【００１４】
本発明による方法のできるだけ経済的な実行に関連して、さらに、測定周期をできるだけ短くして測定することが有意義である。できるだけ短い測定周期によって、電力供給のために設けられた少なくとも１つの別のエネルギ源をできるだけ小さく、例えば単に２０乃至１００ｋＷを供給するために構成することが可能である。従って、本発明によれば、測定値の算出を、１０秒よりも短い間、好適には５秒よりも短い間、特に好適には２秒よりも短い間で行うように提案される。より小さいひいてはより軽量のエネルギ源を使用することによって、当該のシステムは、著しく僅かな燃費を有しており、従ってエコロジー的な観点からも好適である。さらに相応に小さいエネルギ源は場所をとらないので、非常に自由に配置することができる。
【００１５】
燃料電池の薄膜内の漏洩箇所の検知に関連した状態の評価のためのベースとして、本発明によれば、このような状態の評価が、測定された値と基準値との間の少なくとも１回の比較を含んでおり、この場合、測定された値は好適には様々なセンサに由来していて、特に基準値との比較の前に算出されかつ／または重み付けされる。この場合、重み付けは、特に値の説得力に関連して、例えば相応のセンサの位置および／または精度を考慮して行われる。本発明の枠内で、可変に規定可能な値が基準値とみなされ、この基準値を用いて燃料電池の薄膜内の漏洩箇所の検知に関連した状態の評価を行うことができる。最も簡単な場合、基準値は、相応に供給されたシステム電力において理論的に理想的な形式で予測しようとする電池電圧の値を示す。もちろん、基準値は特にシステムに依存していて、および／または実際の環境条件、例えば周囲温度、周囲圧力等に依存している。従って、より大きいシステムが例えば許容可能なより大きい漏れ率を有しているか、または相応の使用されたセンサ装置が環境条件に依存して可変な測定値を測定する。従って、予め設定された基準値との比較に関連して特に有意義な方法の枠内で、本発明によれば、理想的な形式で理論的に得られる、電池電圧の値を、当該のシステムおよび／または実際の環境条件を考慮して相応に適合させるように提案される。
【００１６】
測定値と基準値との本発明による比較に基づいて、燃料電池の薄膜内の漏洩箇所に関する状態を常に明確に判定することはできないので、本発明によれば同様に、得られた評価に基づいて警告指示を発信し、かつ／または燃料電池を非常運転に切替えることが考えられる。この場合、警告指示の種類および／または非常運転の種類は、特に漏洩箇所の大きさまたは評価に依存していてよい。従って、燃料電池は非常運転中に、もっぱら少なくとも１つの補助エネルギ源だけを介してまたは少なくとも部分的に少なくとも１つの補助エネルギ源を介して運転され得る。このように燃料電池の運転を非常運転に適合させることは、さらに少なくとも１つの別のエネルギ源の充填状態を考慮して行われ、または選択的に、特に当該の燃料電池システムの酸素源として周囲から吸い込まれた空気が使用される場合、周囲空気の実際の有害物質濃度に適合され得る。
【００１７】
燃料電池の薄膜内における漏洩箇所の発生に対する、確実で持続的かつ常に最適な保護を保証するために、本発明によれば好適な形式で、方法の個別のステップが燃料電池の運転中に周期的に繰り返されるようになっている。この場合、好適には本発明による方法の個別のステップは、短い間隔で連続的に行われるので、短期間発生する漏洩箇所にも反応することができる。さらに、エネルギ源が休止中に回生等によって再び充電されることを前提とする限り、本発明による方法の周期的な実行は、より小型の少なくとも１つの別のエネルギ源の使用を許容する。
【００１８】
同様に、本発明の対象は、装置の独立請求項の特徴を有する燃料電池薄膜内の漏洩箇所を検知するためのシステムである。この場合、具体的には、システムは、燃料電池によって供給された電力を初期電力から最小値に低下させるための少なくとも１つのコントロールユニットと、燃料電池による、最小値に低下された電力の供給中に、燃料電池の実際の電池電圧の測定値を算出するための少なくとも１つの測定ユニットと、漏洩箇所を検知するために、算出された測定値に基づいて燃料電池の薄膜の状態を評価する少なくとも１つの処理ユニットと、実際の電池電圧の測定値の算出中に低下された電力を同じレベルで供給するための少なくとも１つの別のエネルギ源を有するように構成されている。従って、本発明によるシステムは、本発明による方法に関連して既に詳しく説明されているのと同じ利点をもたらす。本発明によるシステムは、モバイルシステムまたは燃料電池システム自体に組み込むことができる。個別のシステムユニットのフレキシブルで単純かつ効果的な通信を保証するために、個別のシステム構成部品は、好適にはワイヤレスでサーバーベーシス「Ｓｅｒｖｅｒ−Ｂａｓｉｓ」若しくはクラウドベーシス「Ｃｌｏｕｄ−Ｂａｓｉｓ」と通信することができ、および／またはインターネットを介して通信することができる。エネルギ効率的な運転のために、システムはさらに学習ユニットとして構成され、蓄積されたデータおよび経験値をもとにしてパラメータを変えることによって運転を適合させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１ａ】漏洩箇所のない正常な燃料電池の断面図である。
【図１ｂ】燃料電池の薄膜内に存在する漏洩箇所を有する、欠陥のある燃料電池の断面図である。
【図２】正常なＰＥＭ燃料電池、および薄膜装置内に存在する漏洩箇所を有する欠陥のあるＰＥＭ燃料電池の分極曲線である。
【図３】本発明による方法の実行中における正常な燃料電池および欠陥のある燃料電池の電池電圧の変化のグラフである。
【図４】燃料電池の薄膜内の漏洩箇所を検知するための本発明による方法の流れを示すためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明のその他の利点、特徴および詳細は、図面を用いて本発明の実施例の詳細が記載されている以下の説明から得られる。この場合、請求項および明細書に記載された特徴は、それぞれ個別でもまたは任意の組み合わせでも発明にとって必須である。
【００２１】
図面中、同じ技術的特徴には同じ符号が使用されている。
【００２２】
図１ａは、漏洩箇所のない正常な燃料電池５の断面図を示す。燃料電池システムにおいて、より大きいエネルギ量を供給するために、複数の燃料電池５が１つの燃料電池スタックにまとめられている。簡単にするために、ここでは１つの燃料電池５だけが示されている。燃料電池５は、薄膜４によって互いに分離された陽極６と陰極８とを有している。陽極６も陰極８も薄膜４と電気的に接続されている。陽極６は、運転中に陽極ガスここでは水素１によって環流される。水素１の他に、陽極に存在するガスは個別の窒素分子２も有しており、この窒素分子２は、特に排気から再回収される水素１ではガス内に存在し得る。陰極８は、運転中に陰極ガスここでは酸素を含む新鮮空気によって環流され、新鮮空気は、窒素成分２および酸素成分３を含む。薄膜４は、ここでは陽子交換膜（ＰＥＭ−Ｍｅｍｂｒａｎ）として構成されており、この陽子交換膜は、陽子に対して透過性であるが、燃料電池反応の反応物、水素１および酸素３に対しては十分に不透過性である。燃料電池５の運転中に、燃料ここでは水素１は、陽極６で触媒作用により電子を放出し酸化して陽子になる。陽子は陽子交換膜を通って酸素含有ガスで満たされた陰極室内に達する。電子は、燃料電池５から導出され、ここでは図示されていない電気接続部を介して陰極８に流れる。陰極８で、酸化剤ここでは酸素１は電子を受け取って陰イオンに還元され、陰イオンはすぐに陽子と反応して水になる。以上のような反応によって、陽極と陰極との間で測定可能な電圧が発生し、この電圧は特に、反応物、電池の品質、電池の温度および負荷に依存する。水素／酸素燃料電池において論理的に得られる電池電圧は、２５℃の温度で１．２３Ｖである。ただし、特に電池の運転中に、電池の損耗プロセス、汚れた反応物による低い変換率に基づいて、通常は概ね１Ｖの電池電圧だけが得られる。
【００２３】
図１ｂは、陽子交換膜５内に存在する漏洩箇所４′を有する、欠陥のある燃料電池５の断面図を示す。この場合、反応物、ここでは陽極室内に存在する水素１の一部は、漏洩箇所を通って陰極室内に侵入し、ここで直ちに酸素３と反応して水になる。従って、このような形式で変換された水素１は、電池電圧に役立つことはないので、漏洩箇所４′の大きさに依存して僅かな電池電圧が測定され、僅かなエネルギしか得られない。しかも、漏洩箇所４′が大きい場合、このような形式の直接的な反応は、その高い反応エネルギに基づいて安全上重要な理由からも問題である。
【００２４】
図２は、正常な、および電池５の薄膜４内に存在する漏洩箇所４′を有する欠陥のあるＰＥＭ燃料電池１２の分極曲線を示す。燃料電池５を電流で負荷すると、稼働損および抵抗損に基づいて、負荷が増大するにつれて、負荷された電池５の電池電圧は低下する。この場合、変化する負荷に伴って、特徴的な連続的な電流−電圧変化、燃料電池５のいわゆる電流−電圧曲線または分極曲線が得られる。この特徴的な曲線変化に基づいて、なぜ、燃料電池５の薄膜４内の漏洩箇所を電圧降下により検出する本発明による方法が、測定感度に基づいて、せいぜい燃料電池５の完全な無負荷状態で開回路電圧１４（ＯＣＶ：ｏｐｅｎ  ｃｉｒｃｕｉｔ  ｖｏｌｔａｇｅ）において実行されるべきであるかが明らかである。この状態において、正常なシステム１０と、薄膜４内に存在する漏洩箇所４′を有する欠陥のあるシステム１２との間の電圧差Ｖａが最大である。これに対して、測定を燃料電池５の高い負荷時に行えば、電池電圧の差Ｖｂに基づいて漏洩箇所４′を検出することは非常に困難である。
【００２５】
図３は、本発明による方法の実行中における正常な燃料電池５および欠陥のある燃料電池５の電池電圧の変化を示す。この場合、変化は３つのセクションａ，ｂ，ｃに分割され得る。セクションａは、燃料電池５によって供給された電流３０ａにおける、燃料電池５によって供給された電力の低下前の電池電圧の変化を示し、これに対して、セクションｂは、燃料電池５によって供給された電力が、供給された電流３０ｂにおける最小値に低下された後の電池電圧の変化、および測定値４０を受信するための好適な測定セクションを示す。セクションｃは最後に、燃料電池５によって供給された電力が再び初期の供給された電流３０ｃに増大される、測定値受信の実施後の電池電圧の変化を示す。この場合、曲線３２は、少なくとも１つの別のエネルギ源によって供給された電流の変化を示す。曲線３４は、正常な燃料電池５の電圧変化を示し、これに対して曲線３６は、薄膜４内に存在する漏洩箇所４′を有する欠陥のある燃料電池５の電圧変化を示す。
【００２６】
電池によって供給された電流３０ａを有する燃料電池５の運転中に第１のセクションａ内では、正常な燃料電池の電池電圧３４ａと欠陥のある燃料電池の電池電圧３６ａとの間にほとんど差がない（図２の電圧差Ｖｂ参照）。しかしながら本発明に従って燃料電池電流が運転状態３０ａから最小値３０ｂに低下された後で、正常なシステムと欠陥のあるシステムとを電池電圧に基づいて明らかに区別することができる。正常な電池の電池電圧３４ｂは、電池が負荷されていない状態、つまり開回路電圧（図２参照）で得られる値に上昇する。これに対して、欠陥のある電池の電池電圧３６ｂは低下する。何故ならば、漏洩箇所４′によって反応物間の交換が行われ、その際に水素分子１と酸素分子３との間の直接反応が生ぜしめられ、このような形式で水に変換された水素１は電池電位に役立たないからである。好適な測定セクションを示し、かつ好適な形式で２乃至５秒の間継続するこの段階で、燃料電池５の薄膜４内の漏洩箇所４′は非常に高感度で検出され得る。
【００２７】
燃料電池５によって供給された電力または供給された電流が最小値３０ｂに低下される、このような段階４０中でも、燃料電池システムを運転できるようにするために、低下された電力は、少なくとも１つの別のエネルギ源の電流３２ａを電流３２ｂに増大させることによって補正され、それによって全運転過程中に該当する運転に対して一定の電力が供給される。
【００２８】
次いで、燃料電池５の薄膜４内の漏洩箇所に関する状態を評価するための測定値の受信が行われた後で、燃料電池５によって供給された電流は再び値３０ｃに増大され、これに対して、少なくとも１つの別のエネルギ源によって供給された電流は同程度だけ値３２ｃに低下される。それに反応して正常な電池の検出された電池電圧は再び低下し、これに対して欠陥のある電池の電池電圧は再び上昇するので、第１のセクションａにおけるのと同様に、正常な電池と欠陥のある電池とを電池電圧に基づいて区別することは非常に困難である。
【００２９】
図４は、燃料電池５の薄膜内の漏洩箇所を検知するための本発明による方法の流れを表すためのフローチャートを示す。この方法は、ステップ２０，２２，２４，２６，２８を有している。
【００３０】
燃料電池システムの運転中に、オプション的なステップ２０でまずこの方法の実際の実行可能性に関するテストが行われる。このオプション的な方法ステップはまず第１に、好適な形式で本発明による方法の全実行中に一貫して燃料電池５によって低下された電力が少なくとも１つの別のエネルギ源によっても供給され得ることを確認するために実行される。この場合、このような形式のテストは、特に少なくとも１つの別のエネルギ源の実際の充電状態のテストを含んでいてよい。さらに、このテストは好適には、本発明による方法の実行中における予測されたエネルギ消費と実際に供給可能な充電容量との比較を含んでいてよい。
【００３１】
本発明による方法の実際の実行可能性に関するテストのための、このオプション的なステップ後に、ステップ２２で、燃料電池５によって供給された電力の、初期電力から最小値への低下、およびそれと同時に少なくとも１つの別のエネルギ源によるこの電力の補正が行われる。燃料電池５によって供給された電力の最小値は理想的には０ワットの値、つまり電力が燃料電池５によってまったく供給されないときに測定可能な値である。しかしながら同様に、最小値はより高くても、例えば数キロワット等であってもよい。この場合、電力を最小値に低下させることは段階的にまたは無段階で行われてよい。少なくとも１つの別のエネルギ源は、好適には電気的な、特に電気化学的なエネルギ源である。
【００３２】
燃料電池５によって供給された電力が最小値に低下され、それと同時に少なくとも１つの別のエネルギ源によって補正された後で、本発明による方法のステップ２４で、燃料電池５の実際の電池電圧の測定値の算出が行われる。この場合、測定値を算出するための時間間隔も測定値算出の速度も、好適には自由かつ可変に選択可能である。この場合、算出は好適な形式で小さい時間窓内、例えば２乃至５秒内で行われる。
【００３３】
燃料電池５の実際の電池電圧の測定値の算出後に、本発明による方法の枠内において最後にステップ２６で、漏洩箇所を検知するための算出された測定値に基づいて燃料電池５の薄膜の状態の評価が行われる。この場合、このような状態の評価は、ここでは測定された値と基準値との間の少なくとも１回の比較を含んでおり、この場合、測定された値は好適な形式で様々なセンサに由来していて、特に基準値との比較の前に平均値が算出され、かつ／または重み付けされる。この場合、基準値はここでは好適には規定可能な可変な値であって、この値に基づいて燃料電池５の薄膜４内の漏洩箇所４′の検知に関する状態の評価が行われる。最も簡単な場合、基準値は、相応に供給された電流において理論的かつ理想的に予測される電池電圧の値を表す。ただし、基準値は特にシステムに依存しておりかつ／または実際の環境条件に依存しているので、基準値は、有意義な比較の前に好適には相応に適合されるべきである。
【００３４】
評価が行われた後で、最終的に最後のステップ２８で、少なくとも漏洩箇所４′が検知されない限り、少なくとも１つの別のエネルギ源によって供給された電力を相応に低下させながら、燃料電池５によって供給された電力の増大が行われる。もし、評価の枠内で、当該の燃料電池５の薄膜４内の漏洩箇所４′が検知されている場合は、選択的若しくは累積的な警告信号が生ぜしめられ、かつ／または燃料電池５が非常運転に切替えられるか若しくは再びスイッチオンされ得ない。
【符号の説明】
【００３５】
１  水素、水素分子
２  窒素分子、窒素成分
３  酸素、酸素成分、酸素分子
４  薄膜
４′  漏洩箇所
５  燃料電池
６  陽極
８  陰極
１０  正常なシステム
１２  欠陥のあるシステム、ＰＥＭ燃料電池
１４  開回路電圧
２０，２２，２４，２６，２８  ステップ
３０ａ  電流、運転状態
３０ｂ  電流、最小値
３０ｃ  電流、値
３２  曲線
３２ａ  電流
３２ｂ  電流
３２ｃ  電流、値
３４  曲線
３４ａ，３４ｂ  正常な燃料電池の電池電圧
３６  曲線
３６ａ，３６ｂ  欠陥のある燃料電池の電池電圧
４０  測定値、段階
ａ，ｂ，ｃ  セクション
Ｖａ  電圧差
Ｖｂ  電圧差
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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