(57)【要約】【課題】燃料電池システムの故障を検出することにより、部分的に障害を起こした燃料電池の性能を改善する。【解決手段】燃料電池システムにおける故障を検出する方法は、複数の燃料電池測定値を複数のレンジリミットのそれぞれ対応する値と比較して、複数のレンジフラグを生成することと、燃料電池測定値を微分して、複数の燃料電池レートを生成することと、燃料電池レートを複数のレートリミットのそれぞれ対応する値と比較して、複数のレートフラグを生成することと、レンジフラグ及びレートフラグを分類して、故障検出決定を生成することから成る。【選択図】図１
2004134361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池における故障を検出する方法において、
複数の燃料電池測定値を複数のレンジリミットの各々対応する値と比較して、複数のレンジフラグを生成することと、
前記燃料電池測定値を微分して、複数の燃料電池レートを生成することと、
前記燃料電池レートを複数のレートリミットのそれぞれ対応する値と比較して、複数のレートフラグを生成することと、
前記レンジフラグ及び前記レートフラグを分類して、故障検出決定を生成することから成る方法。
【請求項２】
前記燃料電池測定値は電圧、温度、電力、電流、圧力、ガス流量及び濃度から成る群から選択された少なくとも１つの量を含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
複数のフィルタ処理前燃料電池測定値をダイナミックフィルタリングして、前記燃料電池測定値を生成することを更に含む請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記燃料電池測定値から残差統計値を計算することと、
前記残差統計値を残差閾値と比較して、残差フラグを生成することと、
前記残差フラグを使用することを含む前記分類する過程とを更に含む請求項１記載の方法。
【請求項５】
燃料電池における故障を検出する方法において、
複数のフィルタ処理前燃料電池測定値をダイナミックフィルタリングして、前記燃料電池測定値を生成することと、
前記燃料電池測定値を複数のレンジリミットの各々対応する値と比較して、複数のレンジフラグを生成することと、
前記燃料電池測定値を微分して、複数の燃料電池レートを生成することと、
前記燃料電池レートを複数のレートリミットのそれぞれ対応する値と比較して、複数のレートフラグを生成することと、
前記燃料電池測定値から残差統計値を計算することと、
前記残差統計値を残差閾値と比較して、残差フラグを生成することと、
前記レンジフラグ、前記レートフラグ及び前記残差フラグを分類して、故障検出決定を生成することから成る方法。
【請求項６】
燃料電池（１０５）と、
前記燃料電池（１０５）からの複数の燃料電池測定値を複数のレンジリミットのそれぞれ対応する値と比較して、複数のレンジフラグを生成するレンジリミット比較器（１１０）と、
前記燃料電池測定値を微分して、複数の燃料電池レートを生成する微分器（１２０）と、、
前記燃料電池レートを複数のレートリミットのそれぞれ対応する値と比較して、複数のレートフラグを生成するレートリミット比較器（１３０）と、
前記レンジフラグ及び前記レートフラグを分類して、故障検出決定を生成する故障分類器（１４０）とを具備する装置（１００）。
【請求項７】
前記燃料電池測定値は電圧、温度、電力、電流、圧力、ガス流量及び濃度から成る群から選択された少なくとも１つの量を含む請求項６記載の装置（１００）。
【請求項８】
前記燃料電池（１０５）からの複数のフィルタ処理前燃料電池測定値をダイナミックフィルタリングして、前記燃料電池測定値を生成するダイナミックフィルタ（１５０）を更に具備する請求項６記載の装置（１００）。
【請求項９】
前記燃料電池測定値から残差統計値を計算する残差コンピュータ（１６０）と、
前記残差統計値を残差閾値と比較して、残差フラグを生成する残差閾値比較器（１７０）と、
前記残差フラグを使用する前記故障分類器（１４０）とを更に具備する請求項６記載の装置（１００）。
【請求項１０】
燃料電池（１０５）と、
前記燃料電池（１０５）からの複数のフィルタ処理前燃料電池測定値をダイナミックフィルタリングして、前記燃料電池測定値を生成するダイナミックフィルタ（１５０）と、
前記燃料電池（１０５）からの複数の燃料電池測定値を複数のレンジリミットのそれぞれ対応する値と比較して、複数のレンジフラグを生成するレンジリミット比較器（１１０）と、
前記燃料電池測定値を微分して、複数の燃料電池レートを生成する微分器（１２０）と、、
前記燃料電池レートを複数のレートリミットのそれぞれ対応する値と比較して、複数のレートフラグを生成するレートリミット比較器（１３０）と、
前記燃料電池測定値から残差統計値を計算する残差コンピュータ（１６０）と、
前記残差統計値を残差閾値と比較して、残差フラグを生成する残差閾値比較器（１７０）と、
前記レンジフラグ、前記レートフラグ及び前記残差フラグを分類して、故障検出決定を生成する故障分類器（１４０）とを具備する装置（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に燃料電池システムの分野に関し、特に燃料電池システムにおける故障検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
広範囲にわたる多様な用途で、燃料電池は化石燃料燃焼型発電装置と比較して相対的にクリーンであり且つ効率の良い電力を提供するために使用されている。従来の燃料電池システムは燃料電池と、燃料電池コントローラとを具備する。
【０００３】
燃料電池は、通常、燃料ガス、通常は水素と、酸化剤ガス、通常は空気又は酸素とを電解質膜の両面と接触させるための手段を具備する。化学反応は膜の両側に電圧を発生させ、この電圧を使用して外部の電気装置に給電することができる。反応の副産物は化学的副産物、通常は水と、熱とを含む。更に、燃料電池は、通常、燃料電池の重要な動作パラメータを測定するための多数のセンサと、燃料及び酸化剤の流量を調整するための多数のアクチュエータとを具備する。燃料電池コントローラは、通常、公称制御戦略を実現する電子プロセッサを具備するが、この公称制御戦略は、測定された動作パラメータ及び一組の所望の動作パラメータから気体流量の調整量を計算するアルゴリズムである。
【０００４】
しかし、公称制御戦略は燃料電池が正常に動作していることを前提としている。燃料電池の部分的な障害（「故障」とも呼ばれる）が起こると、システムの性能は一般に劣化する傾向を示す。そのような性能の劣化は、燃料電池の能力の低下、及び公称制御戦略と部分的に障害を起こした燃料電池の動的挙動との不一致という少なくとも２つの原因の組み合わせから起こる。第２の原因が重大な要因になっている場合、その故障を検出し、分類することが可能であれば、部分的に障害を起こした燃料電池の動的挙動に適合する、公称制御戦略に代わる制御戦略を採用し、それにより、失われた性能の一部を回復することも可能になるであろう。従って、燃料電池システムの故障を検出することにより、部分的に障害を起こしたいくつかの燃料電池の性能を改善する見込みはある。
【考案の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一実施例においては、先に説明した見込みの問題は、燃料電池システムにおける故障を検出する方法であって、複数の燃料電池測定値を複数のレンジリミットのそれぞれ対応する値と比較して、複数のレンジフラグを生成することと、燃料電池測定値を微分して、複数の燃料電池レートを生成することと、燃料電池レートを複数のレートリミットのそれぞれ対応する値と比較して、複数のレートフラグを生成することと、レンジフラグ及びレートフラグを分類して、故障検出決定を生成することから成る方法により対処される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、本発明の上記の特徴、面及び利点並びにその他の特徴、面及び利点は更に良く理解されるであろう。図面中、同じ図中符号は図全体を通して同様の部分を表す。
【０００７】
本発明の一実施例によれば、図は、燃料電池１０５、ダイナミックフィルタ１５０、レンジリミット比較器１１０、微分器１２０、レートリミット比較器１３０、残差比較器１６０、残差閾値比較器１７０及び故障分類器１４０を具備する装置１００のブロック線図が示されている。動作中、ダイナミックフィルタ１５０は燃料電池１０５からの複数のフィルタ処理前燃料電池測定値のダイナミックフィルタリングを実行して、複数の燃料電池測定値を生成する。レンジリミット比較器１１０は燃料電池測定値を複数のレンジリミットのそれぞれ対応する値と比較して、複数のレンジフラグを生成する。微分器１２０は燃料電池測定値を微分して、複数の燃料電池レートを生成し、レートリミット比較器１３０はそれらの燃料電池レートを複数のレートリミットのそれぞれ対応する値と比較して、複数のレートフラグを生成する。残差比較器１６０は燃料電池測定値から残差統計値を生成し、残差閾値比較器１７０はこの残差統計値を残差閾値と比較して、残差フラグを生成する。故障分類器１４０はレンジフラグ、レートフラグ及び残差フラグを分類して、故障検出決定を生成する。故障検出決定に応答して、燃料電池コントローラ１８０は燃料電池１０５の状態に適する制御戦略を採用する。
【０００８】
燃料電池１０５は流動燃料物質、流動酸化剤物質及び触媒物質から構成される何らかの装置又はシステムであり、流動燃料物質、流動酸化剤物質及び触媒物質の間の化学反応を促進するように構成されている。燃料電池１０５の例としては、ポリマー電解質膜燃料電池、アルカリ燃料電池、リン酸燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池及び固体酸化物燃料電池などがあるが、これらには限定されない。
【０００９】
ここで使用される用語「ダイナミックフィルタリング」は、入力信号の現在値及び過去の値から出力信号を計算する任意のプロセスを表す。ダイナミックフィルタリングの例としては、低域フィルタ、帯域フィルタ、高域フィルタ及びカルマンフィルタの離散時間実現及び連続時間実現、並びに中央値フィルタ、最小値フィルタ及び最大値フィルタを含む（ただし、これらには限定されない）離散時間ランクフィルタなどがあるが、これらには限定されない。ここで使用される用語「カルマンフィルタ」は、イノベーションを計算することにより伝搬されるダイナミックモデルを利用する信号処理の任意の方法を表す。尚、イノベーションとは入力信号と、ダイナミックモデルにより生成される信号推定との差である。カルマンフィルタの例としては、ウィーナーフィルタ、有限ホライゾンカルマンフィルタ及び無限ホライゾンカルマンフィルタ、ルーエンベルガーオブザーバ、並びに拡張カルマンフィルタなどがあるが、これらには限定されない。
【００１０】
ここで使用される用語「微分する」は、時間導関数を近似する任意の方法を表し、例えば、ＡＣ結合フィルタリング及び後退微分を含むが、これらには限定されない。
ここで使用される用語「残差統計値」は、燃料電池１０５が正常に動作しているときは公称で０であり、燃料電池１０５が故障を示したときには公称で０ではない任意の数学的量である。残差統計値を計算する方法の例には次のようなものがあるが、下記の例には限定されない。
（１）物理的冗長性を使用する。例えば、残留統計値をＳとし、燃料電池電圧測定値をＶ１、冗長燃料電池電圧測定値を
【００１１】
【数式１】
2004134361.tif 000003
【００１２】
とし、且つ実数の集合を
【００１３】
【数式２】
2004134361.tif 000004
【００１４】
とするとき、
【００１５】
【数式３】
2004134361.tif 000005
【００１６】
（２）物理適量を静的に又は動的に関係づけるために解析冗長性を使用する。例えば、電力測定値をＰとし、電圧測定値をＶとし、電流測定値を
【００１７】
【数式４】
2004134361.tif 000006
【００１８】
とするとき、
【００１９】
【数式５】
2004134361.tif 000007
【００２０】
。又は、例えば、燃料電池状態ベクトル（測定されたと仮定する）を
【００２１】
【数式６】
2004134361.tif 000008
【００２２】
とし、燃料電池入力ベクトルを
【００２３】
【数式７】
2004134361.tif 000009
【００２４】
（測定されたと仮定する）とし、且つ線形燃料電池モデルを
【００２５】
【数式８】
2004134361.tif 000010
【００２６】
、
【００２７】
【数式９】
2004134361.tif 000011
【００２８】
とするとき、
【００２９】
【数式１０】
2004134361.tif 000012
【００３０】
（３）カルマンフィルタのイノベーション。例えば、カルマンフィルタ状態ベクトルを
【数式１１】
2004134361.tif 000013
【００３１】
とし、測定された燃料電池出力ベクトルを
【００３２】
【数式１２】
2004134361.tif 000014
【００３３】
とし、燃料電池状態ベクトル（未測定と仮定する）を
【００３４】
【数式１３】
2004134361.tif 000015
【００３５】
とし、線形燃料電池モデル出力行列を
【００３６】
【数式１４】
2004134361.tif 000016
【００３７】
とし、且つカルマンフィルタ利得行列を
【００３８】
【数式１５】
2004134361.tif 000017
【００３９】
とするとき、
【００４０】
【数式１６】
2004134361.tif 000018
【００４１】
ここで使用される用語「レンジフラグ」、「レートフラグ」及び「残差フラグ」は、レンジリミット比較器１１０、レートリミット比較器１３０及び残差閾値比較器１７０がそれぞれレンジリミット、レートリミット及び残差閾値より大きい入力を感知したときに真の値を有し、そうでない場合には偽の値を有するそれぞれ対応する２進信号から成る、可能であればベクトル値の信号を表す。レンジフラグ、レートフラグ及び残差フラグは、例えば、それぞれ対応する比較器入力信号から成る補助信号を更に含んでいても良い。
【００４２】
ここで使用される用語「故障検出決定」は、燃料電池１０５の状態を燃料電池コントローラ１８０へ通信するために使用される任意の信号を表し、その例としては整数値信号及び復号２進信号などがあるが、これらには限定されない。ここで使用される語句「レンジフラグ、レートフラグ及び残差フラグを分類する」は、フラグを故障検出決定に静的にマッピングする任意の方法を表し、その例としては組合せ論理、決定ツリー及びテーブルルックアップなどがあるが、これらには限定されない。
【００４３】
レンジリミット比較器１１０、微分器１２０、レートリミット比較器１３０、故障分類器１４０、ダイナミックフィルタ１５０、残差コンピュータ１６０及び残差閾値比較器１７０は、指示されている機能を実行することが可能である任意の電気装置又は電子装置から構成される。その例としては、アレイプロセッサ、マイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ及びシングルチップデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を含むアナログ電子計算モジュール及びデジタル電子計算モジュール（デジタルコンピュータ）があるが、これらには限定されない。
【００４４】
図示した実施例に従った更に詳細な実施例においては、燃料電池測定値は電圧、温度、電力、電流、圧力、ガス流量及び濃度から成る群から選択された少なくとも１つの量を含む。これらの燃料電池測定値は、個別の電池に局所的な複数の量を表していても良いし、あるいは燃料電池１０５における電池のスタック全体に共通する量を表していても良い。
本発明のいくつかの特徴のみを図示し且つ説明したが、当業者には多くの変形及び変更が明白であろう。従って、添付の特許請求の範囲は本発明の真の趣旨の範囲内に入るそのような全ての変形及び変更を含むことを理解すべきである。
【００４５】
クレーム中の符号は、本発明の範囲の理解を容易にすることを目的とし、本発明の範囲を限定することは意図していない。
【図１】
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【外国語明細書】
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