(57)【要約】  本発明は、流体供給エレメントおよび／または流体コントロールエレメントを有する燃料電池システム（１）に関し、流体供給系統（３，４）において圧力変動および／または圧力ピークを検出するためのセンサ（３１）が設けられていることを特徴とする。
2010517245.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体供給エレメントおよび／または流体コントロールエレメント（５，２７，２９，３０，３２）を備えた燃料電池システム（１）において、
流体供給系統（３，４）において圧力変動を検出するためのセンサ（３１）が設けられていることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記センサは、流体供給エレメントおよび／または流体コントロールエレメント（５，２７，２９，３０，３２）に配属されている、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記センサは、流体圧縮器（１０，２９）および／または制御弁（３２）に配属されている、請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記流体圧縮器（１０，２９）はタービンコンプレッサである、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記センサは音波センサである、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記センサ（３１）は、固体伝搬音を検出するように構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記センサはノッキングセンサである、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項８】
コントロールユニット（３４）が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項９】
圧力センサ（２１）が設けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
空気量センサ（３７）が設けられている、請求項１から９までのいずれか１項記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の燃料電池システムに関する。
【０００２】
従来技術
燃料電池システムのアノード側の供給を行うために、該燃料電池システムは、燃料を供給する第１の流体供給系統を有する。カソード側の供給は第２の流体供給系統を介して行われ、この第２の流体供給系統を介して、燃料電池の動作に必要な酸素が、通常は周辺空気の供給によって供給される。
【０００３】
燃料電池に十分な供給を行うために、システムによって通常は、燃料も、酸素を輸送する空気も、過圧で供給される。その際には通常、燃料電池システムに部分的に高負荷をかける一方または他方の流体供給系統において圧力変動が発生する。
【０００４】
本発明の課題および利点
したがって本発明の課題は、冒頭に述べた形式の燃料電池システムを改善することである。
【０００５】
前記課題は請求項１の特徴によって解決される。従属請求項には本発明の有利な実施態様が示されている。
【０００６】
それによれば本発明は、流体供給エレメントおよび／または流体コントロールエレメントを有する燃料電池システムに関し、流体供給系統において圧力変動および／または圧力ピークを検出するためのセンサが設けられていることを特徴とする。
【０００７】
この流体供給系統は、カソード側の供給系統とも、アノード側の供給系統ともすることができる。いずれの供給系統でも圧力変動が発生し、この圧力変動を監視ないしは検出することによって適切な手段を講じることができる。
【０００８】
流体供給系統で発生するこのような変動は、通常は動作に起因する圧力変動の他に、動作状態に依存する圧力変動でもある。このような圧力変動はたとえば、そのつどの媒体における流動特性の急激な変化によって引き起こされ、たとえば、急激な流動断絶が発生するいわゆる「圧縮ポンプ」によって引き起こされる。また、過度に急激な開閉弁過程によっても、急激な圧力変動が引き起こされる。
【０００９】
それゆえ、センサを流体供給エレメントおよび／または流体コントロールエレメントに配属させることによって、流体供給系統における流動特性を可能な限り良好に監視することができる。こうすることにより、燃料電池システム内で発生した、特にクリティカルでありしばしば急激であるこのような圧力変動を、該圧力変動の原因の直近で検出することができる。このように原因に近いことにより、検出すべき信号をより良好に評価できるようになり、妨害信号は通常、伝達経路が長いことにより、比較的減衰された振幅で検出されるので、検出すべき信号と妨害信号とをより良好に区別できるようになる。
【００１０】
とりわけ、たとえばタービンコンプレッサ等である流体圧縮器および／または制御弁における流動断絶を早期ないしは予め検出するためには、センサを直接配属させるのが特に有利である。つまりこのことによって、流体供給系統において典型的には本当の流動断絶前に発生する変動もすでに検出することができ、適切な対抗手段を講じることができる。
【００１１】
特に有利な実施形態では、前記センサは音波センサとして構成されている。このことによって、流体供給系統内の圧力変動を固体伝搬音として検出することができる。このことにより、センサと流体供給系統とを必ず流体連通させなければならないということがなくなり、監視すべき流体供給エレメントおよび／または流体コントロールエレメントに良好に音波伝導接続するだけで十分である。
【００１２】
さらに、流体圧縮器の他に、流体供給系統において調量エレメントが圧力システムに及ぼす影響を監視することも有利であり、たとえば、アノードガス供給系統で燃料供給量を調量するために使用される開閉弁を監視することも有利である。
【００１３】
特に有利な実施形態では、前記センサとしてノッキングセンサが設けられている。このような音波センサは、通常は圧電センサ素子およびサイズモ質量体をベースとして構成され、内燃機関においてノッキングノイズを検出するために使用され、公知のように高信頼性で評価可能な信号を出力する。
【００１４】
コントロールユニットによって、このような信号をさらに検出して評価することができる。場合によっては、たとえば圧力センサおよび／または流体の圧力変動および／または圧力ピークを検出するセンサおよび／または空気量センサ等の別の検出手段と共働して、燃料電池システムの動作状態をより包括的に検出することができる。
【００１５】
このような検出されたデータに基づいて、少なくとも本発明によるセンサの検出データに基づいて、燃料電池システムの流体供給系統内のクリティカルな圧力変動が直接期待できるか否かを予測することもでき、場合によっては、クリティカルな圧力変動の発生前にすでに、相応の回避手段を講じることができる。
【００１６】
このようにして、燃料電池システムの最も脆弱なエレメントである分離膜と、電解質中の通常は非常に薄く形成された導電層との他に、燃料電池システムの他のコンポーネントも過剰な機械的負荷から保護することができる。
【００１７】
圧力変動を処理するためにこのようなセンサを使用する別の利点は、燃料電池システムの該当するコンポーネントを、クリティカルな圧力変動が各流体供給系統に現れ始める動作点に可能な限り近くで動作させることができることである。各コンポーネントの限界動作がこのようにして可能になることにより、公知の負荷要件で不必要な安全予備を省略して、各コンポーネントをより脆弱に構成することができる。というのも、システムにクリティカルな圧力変動および／または圧力ピークを高信頼性で阻止できるからである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】流体供給系統内の圧力変動を検出するためのセンサを有する燃料電池システムの一例を概略的に示す図である。
【００１９】
実施例
以下で、図面と、該図面を参照する説明とに基づいて、本発明を詳細に説明する。
【００２０】
図１には燃料電池システム１が詳細に示されており、該燃料電池システム１は、アノード系統３とカソード系統４とを有する燃料セル２を備えている。
【００２１】
燃料電池２は基本的に、アノード７とカソード８とこれらを分離する分離膜９とを有する。
【００２２】
カソード８の酸素供給を行うために、カソード系統４にはたとえば流体供給エレメント５として圧縮器１０が示されている。この圧縮器はフィルタ１１を介して空気を吸引して圧縮し、安全弁１３によって監視されるカソード８の圧力領域内の管路１２を介してこの空気をカソード８へ供給する。出口側に、カソード残留ガスユニット１４と、該カソード残留ガスユニット１４内に示された管路１５とが示されている。
【００２３】
アノードに燃料を供給することに関しては、アノード系統３にシステム内部の圧力タンク１７の形態の流体供給エレメント５が示されている。この圧力タンク１７自体には、タンク連結部１６を介して充填することができる。たとえば圧力タンク１７に、安全弁１８と溶融保護部１９と温度センサ２０と圧力センサ２１とが接続されている。
【００２４】
管路１５と、中間接続された阻止弁２２と、流動方向に後続接続された減圧器２３とを介して、燃料供給経路はアノード７に流体連通接続されている。この中で最大許容可能な動作圧を監視するために、減圧器２３より下流にさらに安全弁２４が組み込まれている。さらに付加的に、同様に一例として示された開閉弁３２によって流体流に影響することもできる。
【００２５】
アノード出口側にアノード残留ガスユニット２５が一例として示されており、これは管路２６といわゆるパージ弁（ドレインバルブ）３８とを有する。
【００２６】
燃料システム１の効率を改善するためには、アノード残留ガスユニット２５にさらにアノード残留ガス圧縮機２９と再循環ポンプ３０とを設けることができる。これらによって残留ガスを圧縮し、後で使用するために、詳細に図示されていない一時蓄積器へ供給することができる。
【００２７】
燃料電池システム１の電気的接続が、電気的端子２７および車載電源網２８によって図示されている。これらも一例である。
【００２８】
本発明では、流体供給系統３，４内の圧力変動および／または圧力ピークを検出するための少なくとも１つのセンサ３１が設けられている。特に有利には、このようなセンサ３１は流体供給エレメント５および／または流体コントロールエレメント６に直接配属されている。たとえばこの流体供給エレメント５および／または流体コントロールエレメント６は、カソード系統４の空気供給部内の圧縮器１０、アノード系統３内の制御弁３２、アノード残留ガスユニット２５のたとえばパージ弁３８，アノード残留ガス圧縮器２９および／または再循環ポンプ３０等の要素である。流体圧縮器としてとりわけ適しているのは、いわゆるタービンコンプレッサである。このようなタービンコンプレッサは空気をいわゆるデフレクタによって吸入（schaufeln）し、とりわけ高回転数では場合によっては、本発明によって配置されたセンサによって監視しなければならない、圧力ピークの原因となる流動断絶が発生する。
【００２９】
センサ３１は音波センサとして構成されており、特に有利には、固体伝搬音を検出するために構成されている。それゆえ特に有利には、音波センサは、燃料電池システムの監視すべきユニットに固体伝搬音を伝導するように接続されている。特に有利な実施形態では、センサはノッキングセンサとして構成されており、このノッキングセンサにはたとえば、サイズモ質量体と圧電セラミックスとを設けることができる。
【００３０】
とりわけ妨害レベルを低減するために有利には主に局所的に行われる監視を明瞭にするため、カソード系統４内には一例として２つの円３３が、固体伝搬音を介して検出すべき圧力変動および／または圧力ピークを検出するための検出領域として示されている。概観しやすくするため、他の監視すべきコンポーネントに関するこのような検出領域３３を図示するのは省略した。
【００３１】
１つまたは複数のこのようなセンサ３１によって検出された信号はコントロールユニット３４を介して処理することができる。このコントロールユニット３４は特に有利には、この信号を検出し、処理して、場合によっては、監視すべき流体供給系統３，４のうち１つまたは双方の流体供給系統３，４内のクリティカルな圧力変動を回避するための手段を開始し、とりわけクリティカルな圧力ピークを回避するための手段を実施する。このことはたとえば、圧縮器の回転数低減や、弁の駆動制御を比較的ソフトに行うこと等によって、さらに行うことができる。
【００３２】
燃料電池システム１の動作パラメータをより一層包括的に検出するためには、温度センサ２０の信号、および／または圧力センサ２１の信号、および／または流体の圧力変動および／または圧力ピークを検出するためのセンサ３６の信号、および／または空気量センサ３７の信号も使用することができる。このことに関して図１に示された位置は一例として示されただけであり、これらの位置は一貫して、別の適切な位置に択一的または付加的に設けるか、別の組み合わせで設けることもできる。
【００３３】
外部のデータ取り出しおよび／またはデータアクセスを行えるようにするために、さらに一例として端子３５が示されている。
【図１】
2010517245.tif 000003
【国際調査報告】
2010517245.tif 000004
2010517245.tif 000005
2010517245.tif 000006
2010517245.tif 000007
2010517245.tif 000008
2010517245.tif 000009