(57)【要約】【課題】監視ユニットを有する装置およびその操作方法を提供する。【解決手段】本発明は、可燃性ガス、特に水素を監視するための監視ユニットを有する装置に関し、この装置は、監視ユニットを電流／電圧供給源に連結することが可能であり、電流／電圧供給源に連結され、指定時間間隔後に休止状態から活動状態に監視ユニットを切り換えることができるウェイクアップ装置が提供される。本発明による装置は、燃料電池システムや、輸送手段、特に自動車に使用できる。さらに、本発明は、可燃性ガスの濃度を監視する方法に関する。【選択図】　　　図１
2004004013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流／電圧供給源に連結でき、可燃性ガスを監視する監視ユニット（１）を有する装置であって、前記電流／電圧供給源（３）に連結され、指定時間間隔後に休止状態から活動状態に前記監視ユニット（１）を切り換えるウェイクアップ装置（２）を有することを特徴とする、装置。
【請求項２】
上記監視ユニット（１）は、可燃性ガスまたは可燃性ガスの濃度を測定するためのセンサ（８）に連結されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
上記可燃性ガスは水素に富むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
上記監視ユニット（１）は、上記センサ（８）によって発生される信号を評価する評価ユニットを有することを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
上記電流／電圧供給源（３）はエネルギー貯蔵装置で形成されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
上記ウェイクアップ装置（２）は、上記監視ユニット（１）を喚起させるかまたは起動させる光、電気、または電子信号を発生することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
上記ウェイクアップ装置（２）は、上記監視ユニット（１）または上記センサ（８）を診断するための診断機能を具備することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
上記ウェイクアップ装置（２）は制御装置に統合されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
燃料電池システムにおいて、上記時間間隔の値または長さを該燃料電池システムの動作状態に依存させる、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置の使用方法。
【請求項１０】
輸送手段において、上記時間間隔の値または長さを該輸送手段の動作状態に依存させる、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置の使用方法。
【請求項１１】
可燃性ガスを監視する方法であって、該可燃性ガスの濃度は、指定時間間隔後に監視され、該時間間隔の値または長さが調節可能であることを特徴とする、方法。
【請求項１２】
上記時間間隔の値または長さは、上記可燃性ガス濃度の関数として設定されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
上記可燃性ガスについて許容できない濃度が検出された場合に警報状態が発生されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
上記時間間隔後に、上記可燃性ガスの貯蔵装置（９）への充填状態が決定されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
上記貯蔵装置（９）への許容できない充填状態が検出されると、警報状態が発生されることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
上記可燃性ガスについて許容できない濃度が検出される場合に警報状態が発生され、上記貯蔵装置（９）は、上記可燃性ガスを収容することを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
水素に富むガスが上記可燃性ガスとして使用されることを特徴とする、請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特許請求の範囲の独立請求項の前段に記載の、監視ユニットを有する装置、燃料電池システム内に監視ユニットを有する装置の使用方法、輸送手段内に監視ユニットを有する装置の使用方法、および容易に点火されるガス（すなわち、可燃性ガス）を監視するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固定式および移動式の装置およびシステムは両方とも、開ループコントロール、閉ループコントロール、および／または監視のための電子ユニットが多用されることを特徴とする。電子ユニットは、一般に制御装置に統合される。監視中、通常、システムの関連状態変化を測定、および／または観察する。次にそれらの測定値を診断アルゴリズムによって評価する。このようにして、発生する故障を多くの場合予測的に検出することができ、故障をなくすか、または故障の影響を最小限に抑えるのに見合う対策をとることができる。結果として、これによって危機的状況を回避する。
【０００３】
例えば、自動車にエネルギーを供給するために使用される燃料電池システムでは、電気エネルギーは、水素に富むガスと、酸素に富むガスとから発生する。水素は爆発性ガスなので、水素濃度を確実に監視することが不可欠である。酸素は、約４％から始まる濃度で引火する。特許文献１は、燃料電池システムを備えた自動車内の水素に富むガスを監視するための装置を開示している。この装置は、水素感知センサを連結した評価ユニットを有する。これらのセンサを、２つのダクトに配置し、少なくとも部分的に、カスケード状に連結させる。これによって、装置を温度変動に耐えるものにする。
【０００４】
【特許文献１】
ＤＥ　１９９　５９　６９９　Ｃ１　明細書
【０００５】
【特許文献２】
ＤＥ　３５　４３　３３１　Ｃ　明細書
【０００６】
【特許文献３】
ＤＥ　３５　４３　３３１　Ｃ２　明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池システムや、水素および／または他の容易に引火する材料に富むガスを使用する他のシステムの、例えば、水素を燃料として供給する内燃機関の動作性能や安全性を確実にするために、水素の許容濃度または使用される可燃性ガスの濃度に対し、かかるシステムを監視することが必要となる。安全性のため、休止状態における場合だけでなく、全システムが作動している場合との両方の状態でこの監視を行われなければならない。水素または可燃性ガスがシステム内、特に貯蔵装置すなわちタンク内に存在する限り監視する必要がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、可燃性ガスを電気エネルギーの消費を低く抑えて監視できる装置を提供することである。本発明の目的はまた、可燃性ガスを低い電気エネルギーの消費で監視できる、燃料電池システムや輸送手段を提供することである。本発明はまた、可燃性ガスを監視するための方法を提供する目的に基づいており、その方法の適用は低電気エネルギー需要を特徴とする。
【０００９】
その目的は、特許請求の範囲の独立請求項における特徴によって本発明により達成される。
【００１０】
可燃性ガスは、可燃ガスまたはガス混合物、および／または爆発性ガスまたはガス混合物、および／または高可燃材料またはその混合物であってもよい。
【００１１】
本発明による装置または本発明による方法が、特に休止状態で使用される全システムにおいて、全システム内に提供される電流／電圧供給源、例えば、エネルギー貯蔵装置が僅かしか搭載されず、その結果としてストレスが加わるのを防ぐように水素濃度を監視できるという利点を本発明は特徴とする。予想される全システムは、例えば、燃料電池システムおよび／または輸送手段、例えば、自動車である。
【００１２】
本発明は自動車で都合良く使用され、ここでは自動車が動いていない状態、例えば、駐車しているときでも、ウェイクアップ装置の低エネルギー需要は自動車のバッテリで補われるので、監視ユニット用の低エネルギー需要のウェイクアップ装置のおかげでガス漏れを検出できる。ゆえに、自動車が非活動状態にある、例えば、自動車が静止状態または駐車しているときでも人間、自動車およびそれらの周囲についての安全性を確保できる。
【００１３】
本発明のさらなる好都合な改良点は、特許請求の範囲の従属請求項から、および図面を参照して以下で例示する典型的実施形態から明らかとなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明による装置を図１に概略的に示す。可燃性ガスを監視する監視ユニット１は、信号ライン４および電力供給ライン６を介してウェイクアップ装置２に接続する。可燃性ガスは、水素に富むガス、特に水素であるのが好ましい。信号ライン４および電力供給ライン６は、単一ラインとして実施することができる。ウェイクアップ装置２は、電力供給ライン５を介して電流／電圧供給源３に接続する。電流／電圧供給源３は、エネルギー貯蔵装置、例えば、バッテリおよび／またはスーパーキャップ（キャパシタ、ＳｕｐｅｒＣａｐ）であるのが好ましい。エネルギートランスデューサ、例えば、太陽電池を電流／電圧供給源３として使用しても良い。ウェイクアップ装置２は、低消費電力を有するので、バッテリ、例えば、自動車の車両用バッテリに連続的に接続できる。
【００１５】
ウェイクアップ装置２は、制御装置に統合されても良い。この制御装置は、主制御装置の機能を有するのが好ましい。ウェイクアップ装置２は、タイマーを備えているのが好ましい。監視ユニット１は、独立型ユニット、例えば、制御装置であっても良い。あるいは、監視ユニット１は、付加的機能を有する上位ユニットの、特に制御装置の構成要素であっても良い。
【００１６】
ウェイクアップ装置２は、ライン７を介して全システム（図示せず）（例えば、燃料電池システムおよび／または輸送手段または移動装置）、好ましくは上位のコントロールユニット（図示せず）に接続する。全システムが自動車である場合、ライン７は、自動車または上位の自動車制御装置への接続を構成しても良い。
【００１７】
可燃性ガスを測定するか、または可燃性ガスの濃度を測定するための１つまたはそれ以上のセンサ８をライン（詳細に明示せず）を介して監視ユニット１にも接続する。これらのセンサ８は、水素を測定するか、または水素濃度を測定するために使用するのが好ましい。異なる原理、例えば、電気化学的電池による検出、赤外吸収、半導体検出器での導電性の測定、触媒燃焼、および熱伝導度の測定に基づくセンサ８を、水素または可燃性ガスを検出するために使用しても良い。点線による１つのセンサ８の表現は、監視ユニット１に接続した多数のセンサ８が、図１で表されたセンサ８の数を上回っても良いことを説明するためである。
【００１８】
監視ユニット１は、センサ８によって発生、または測定した信号を、適切であれば、処理、例えば、濾波して、評価する評価ユニット（図示せず）を有するのが好ましい。あるいは、センサ８による測定値を、監視ユニット１によって評価ユニット（図示せず）に転送しても良い。可燃性ガスについて許容できない濃度が検出された場合、警報状態を発生させる。
【００１９】
特に、全システムが休止状態の場合、例えば、自動車が駐車しているとき、および／または原料が変換されていないとき、ウェイクアップ装置２は、指定時間間隔後に、好ましくは信号発生器（図示せず）によって監視ユニット１を喚起または起動させる信号を発生する。時間間隔を実施するために、ウェイクアップ装置２は、適切なタイマー、カウンタ、貯蔵装置および／または切換要素を具備する。このウェイクアップ信号は、光および／または電気および／または電磁信号であっても良く、好ましくはパルスである。信号の種類および形状は、全システムの、例えば、燃料電池システムの動作状態、または自動車で使用される場合、自動車の動作状態（例えば、渋滞時または信号でのスタート／ストップ動作モード、またはより長時間の静止状態、例えば、駐車時）に依存しても良い。光信号による伝送の利点は、防爆性伝送や、電磁放射に対する高イミュニティである。
【００２０】
図２は、座標系で実線で時間ｔに対してプロットした、ウェイクアップ信号を線図ａで、およびウェイクアップ信号に割り当てられる監視ユニット１の状態を線図ｂで例示する。ウェイクアップ信号は、経時と共に、実行可能性のため有限として表されるパルス形状を有する。パルスの持続期間は、１秒未満と数秒との間であるのが好ましく、監視ユニット１の電力供給源を切り換える目的を有する。ウェイクアップ装置は、ウェイクアップ信号によって監視ユニット１を指定時間間隔後に休止状態から活動状態に指定期間切り換える。監視ユニット１の活動状態は、値１によって線図ｂで表される。活動状態の持続期間は、監視ユニット１の電流／電圧供給源の種類を考慮に入れて、用途に依存しても良く、安全性の必要度の関数として設定できる。好ましくは、監視ユニット１の警報発令時間または活動状態は、１分足らずの範囲内であるが、複雑な監視用途の場合にはそれよりいっそう長くなる。図２の点線で示されるように、休止状態から活動状態への切換が、実例では、ウェイクアップ信号の下降端と共に起こる。この切換を、任意の他の所望時間、例えば、ウェイクアップ信号の上昇端と同時に起こるようにすることもできる。
【００２１】
監視ユニットが休止状態から活動状態に切り換えられる後の時間間隔の値すなわち長さは、全システムの、例えば、燃料電池システム、または自動車の動作状態に依存しても良い。自動車を、例えば、比較的長時間（例えば、自動車を駐車している場合）移動しない場合、例えば、自動車のスイッチを切った（イグニッション「ＯＦＦ」状態に相当する）直後、または渋滞中のスタート／ストップ動作モードにおける、または市街交通量での通常交通状況におけるよりも、いっそう長い時間間隔が選択されても良い。監視ユニットが休止状態から活動状態に変更された後の時間間隔は、例えば、冷却／加熱過程（熱の伝導）および／または乾燥に帰因する危険性を防止するために、全システムの動作終了後には適切により短く、例えば、数分の範囲内になるのが好ましく、全システムの停止時間または無活動状態が継続するときはより長くなる、ゆえに、例えば、数時間の範囲内になるのが好ましい。可燃性ガスの濃度の上昇が検出されると、監視ユニットが休止状態から活動状態に変更された後の時間間隔の維持期間は、監視の分解能を高めるために短縮できる。ゆえに、可燃性ガスの濃度が上昇すると、時間間隔を短縮し、ガス濃度が下降すると、時間間隔の維持期間をそれに対応して増加させる。監視期間は、例えば、信号ライン４および／またはＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）バスシステムを介して、監視ユニット１との通信後にウェイクアップ装置２によって、および／または監視ユニット１それ自体によって適合される。時間間隔が適合されると、監視ユニット１から入ってくるウェイクアップ信号を無視するのが好ましい。
【００２２】
活動状態の監視ユニット１は、センサ８を起動させ、それらの結果を評価する。許容できない濃度の可燃性ガス、特に水素が検出された場合、警報状態を、好ましくは監視ユニット１によって発生させる。警報状態は、その警報状態に対応して、例えば、信号ラインおよび／またはバスシステムを介して、監視ユニット１が対応する信号を送る上位制御装置によっても発生される。その活動化後、監視ユニット１は、一定時間後に好ましくは独立して休止状態に戻るように変わる、すなわち、監視ユニット１の不活動化が、好ましくは自動的または独立的に起こる。不活動化は、但し、ウェイクアップ装置、および／または上位コントロール装置、例えば、主制御装置のさらなる信号によっても実行される。このさらなる信号および／またはウェイクアップ信号は、バスシステム、好ましくはＣＡＮバスシステムの一部であっても良い信号ライン４を介して監視ユニット１に送られる。全システムが活動状態である場合（例えば、材料を変換する燃料電池、または運転中の内燃機関を備えた自動車）、監視ユニットはまた、好ましくは活動状態であり、連続的または類似した連続的監視が行われる。
【００２３】
警報状態において、例えば、対応する警報灯および／または音声出力で、可燃性ガス、特に水素が、全システム内または自動車内に許容できない濃度で存在することをユーザまたはドライバに指示することも可能である。警報状態において、自動車内のドライバや他の乗員に対し１つまたはそれ以上の緊急脱出カプセルを使用しても良い。
【００２４】
監視ユニット１は、全システム、例えば、燃料電池システムが活動状態であるか、または自動車がドライブスイッチまたはイグニッションによって活動化させる必要もなく、ライン６を介してウェイクアップ装置２によって電圧または電力が供給されるのが好ましい。このために、ウェイクアップ装置２は、好ましくはスイッチ（図示せず）、例えば、電磁式リレーを有し、スイッチが閉じるとそれを介して監視ユニット１またはライン６が電流／電圧供給源３またはライン５に接続する。ウェイクアップ信号がウェイクアップ装置２で発生されると、スイッチが閉じる。スイッチが電磁リレーで実施される場合、リレーの励起信号も、信号発生器によってウェイクアップ信号に加えて発生されるのが好ましい。
【００２５】
かかるウェイクアップ装置それ自体は、特許文献２から公知である。特許文献３は、自動車用の圧力媒体起動式ブレーキシステムについて記載しており、そのシステムは、ブレーキパラメータの関数として圧力コントロール弁を制御する電子制御装置を有する。圧力媒体起動式ブレーキシステムは、ドライブスイッチが開いているかまたはイグニッションが不活動化されるときウェイクアップ信号がそれに送られる場合ドライブスイッチを迂回することで制御装置を起動させる制御装置ウェイクアップ装置を有する。かかるウェイクアップ信号は、例えば、ブレーキペダルが活動化されるとき、または不活動化された自動車の車輪が回転するとき、発生される。かかるウェイクアップ装置は、本発明による装置で使用するのに適している。
【００２６】
監視ユニット１はまた、好ましくはエネルギー貯蔵装置およびエネルギートランスデューサ、例えば、太陽電池ユニットを有する車載電気系統から直に電力または電圧が供給される。
【００２７】
無論、ウェイクアップ装置２とは別に、全システム、例えば、燃料電池システムまたは自動車内にさらなる作動ユニット（図示せず）を提供することも可能であり、そのさらなる活動化ユニットは、休止状態から活動状態に、および選択的に休止状態に戻るようにそれらが監視ユニット１を切り換えできるように設計される。
【００２８】
好ましい一実施形態において、ウェイクアップ装置２は、バスシステム、好ましくは、ＣＡＮバスシステムの一部であっても良い信号ライン１０を介して、可燃性ガス、特に水素または水素に富むガスの貯蔵装置またはタンク９に付加的に接続される。信号ライン１０は、貯蔵装置９の充填レベルを測定するための手段またはセンサに接続するのが好ましい。充填レベル測定は、例えば、圧力または差圧測定装置によって、ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）サーミスタおよび／または静電容量の測定によって実行する。貯蔵装置９の現在充填レベルは、ゆえに、休止状態から活動状態への監視ユニット１の切換と同時に決定するのが好ましい。あるいは、充填レベルはまた、他の作動ユニット、好ましくは付加的制御装置および／または上位の制御装置、例えば、主制御装置によって決定される。可燃性ガスの許容できない濃度と、貯蔵装置９の現在充填レベルとを同時に測定すると、貯蔵装置９の予想される漏洩の検出が可能となる。
【００２９】
警報状態は、可燃性ガス、特に水素に富むガスが貯蔵装置９内に存在する場合にのみ発生し、存在しない場合には環境へのリスクも無いので発生しないことが好ましい。
【００３０】
さらなる好ましい実施形態において、監視ユニット１は、可燃性ガス、特に水素を監視することに加え、さらなる機能を有する。例えば、監視ユニット１は、好ましくは重大な状態変数または測定変数をさらに感知するためにさらに使用される。監視ユニット１は、ゆえに、例えば、イモビライザおよび／または冷却液温度管理の機能を果たし、および／または自動車のロック機能を実現でき、好ましくはこの目的のために組み合わされた装置に統合できる。これらの場合では、好ましくは監視ユニット１の一部のみが、ウェイクアップ装置２によって休止状態から活動状態に切り換えられ、その部分は主として、可燃性ガス、特に水素の濃度を監視する機能を有する。
【００３１】
さらなる好ましい実施形態では、ウェイクアップ装置２は、活動状態の監視ユニット１および／またはセンサ８の動作能力を監視できる診断機能を有し、故障信号または故障状態は、好ましくは、監視ユニット１および／またはセンサ８の動作モードが不完全であると発生する。
【００３２】
本発明による装置は、燃料電池システム、内燃機関、液体および／または圧縮ガス用のガス貯蔵装置（例えば、低温タンク）、複合貯蔵装置および／または同様の用途または全システムの、内部またはその周囲の可燃性ガスを監視するために使用する。内燃機関に関して、特に水素に富むガスを、燃料として使用でき、および／または廃棄ガスを精製するための内燃機関の下流に連結された触媒反応装置に送ることができる。水素に富むガスは、タンクで提供されても良く、および／または好ましくは車内で、改質装置および／または部分酸化によってメタノール、ディーゼル、ガソリン、天然ガスおよび／または他の炭化水素から得ても良い。
【００３３】
【発明の効果】
本発明により、可燃性ガスを低消費電力で監視することのできる装置、燃料電池システム、又は、輸送手段を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による装置の概略図である。
【図２】本発明による装置の監視ユニットのウェイクアップ信号（線図ａ）および状態（線図ｂ）を経時的に示した図である。
【符号の説明】
１　監視ユニット
２　ウェイクアップ装置
３　電流／電圧供給源
４　信号ライン
５　電力供給ライン
６　電力供給ライン
７　ライン
８　センサ
９　貯蔵装置
１０　信号ライン
【図１】
2004004013.tif 000003
【図２】
2004004013.tif 000004