(57)【要約】【課題】運転物質流（１３）が貫流するカソード（３）を有する燃料電池設備であって、運転物質流（１３）が少なくとも１つの酸化剤、特に空気酸素を有しかつ酸化剤によるカソードガス供給をコントロールするためにカソードコントロールユニットを有する形式のものを比較的に低廉になるように改良すること。【解決手段】カソードコントロールユニットが、運転物質流（１３）における酸素含有量を検出する酸素センサ（１６）を有していること。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
運転物質流（１３）が貫流するカソード（３）を有する燃料電池設備であって、運転物質流（１３）は少なくとも１つの酸化剤、特に空気酸素を有しかつカソードに対する酸化剤の供給をコントロールするためにカソードコントロールユニットを備えている形式のものにおいて、カソードコントロールユニットが運転物質流（１３）における酸素含有量を検出するために酸素センサ（１６）を有していることを特徴とする、カソード物質流を有する燃料電池設備。
【請求項２】
酸素センサ（１６）が運転物質流（１３）の流動方向でカソード（３）の下流に配置されているか又はスタックに統合されて配置されている、請求項１記載の燃料電池設備。
【請求項３】
酸素センサ（１６）が運転物質流（１３）流動方向でカソード（３）の上流に配置されている、請求項１又は２記載の燃料電池設備。
【請求項４】
酸素センサがラムダゾンデ（１６）として構成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃料電池設備。
【請求項５】
酸素センサが運転温度を維持するための加熱装置を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃料電池設備。
【請求項６】
酸素含有量がコントロールユニットの導入値として設定されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃料電池設備。
【請求項７】
運転物質搬送装置（１４）の搬送量の調節が運転物質流（１３）の酸素含有量に関連して行われる、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃料電池設備。
【請求項８】
少なくとも１つの圧縮器（１４）が運転物質流（１３）を搬送するために設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃料電池設備。
【請求項９】
圧縮器（１４）の回転数が運転物質流（１３）の酸素含有量に関連して調節される、請求項８記載の燃料電池設備。
【請求項１０】
燃料電池設備が請求項１から９までのいずれか１項にしたがって構成されていることを特徴とする、車両。
【請求項１１】
燃料電池設備が請求項１から９までのいずれか１項にしたがって構成されていることを特徴とする、燃料電池設備を有する定置の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１の上位概念として記載されている、運転物質流が貫流するカソードを有する燃料電池設備に関する。この場合、運転物質は少なくとも１つの酸化剤、特に空気酸素を有している。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の使用には燃料電池駆動装置を有する自動車又は燃料電池をベースとした補助パワユニット（ＡＰＵ）の他に大量生産状態への前段における定置の燃料電池設備がある。陽子導性のダイヤフラム又は酸素を導くダイヤフラムをベースとした今日の燃料電池システム、特にＳＯＦＣは、燃料電池のための運転状態、特に質量流並びに運転圧を制御もしくは調整するために、カソード通路に例えばファンもしくはコンプレッサ、質量流センサ、圧力センサ及び／又は圧力調整弁を使用している。低圧システムの場合、つまり約１．５ｂａｒまでの圧力では、場合によっては圧力検出もしくは圧力調整を省略することができる。
【０００３】
燃料電池にどの運転点においても十分な酸素が与えられるためには、空気質量流が前記コンポーネントで測定されかつ調整又は制御されなければならない。これに対して択一的に、燃料電池ユニットに供給される酸素が不足することを確実に回避するために例えばファンを十分に大きい過剰空気搬送量で運転することもできる。しかし、この場合には燃料電池ユニットの総効率が低下する。
【０００４】
今日一般的であるいわゆる燃料電池スタックを成して相前後して配置された単個電池は、酸素量の減りが次第に大きくなることによって電池あたり供給される電圧は次第に少なくなる。この理由から当該システムは、燃料電池スタックの最後位の単個電池にも十分な酸素を供給するために、常に超化学量論的に稼働される。したがって一般的には今日の燃料電池システムにおいてはカソード側にて過剰酸素で働かされる。これは特に発生した電圧及び／又は発生した電流の検出により、質量流センサ、圧力センサ並びに実施形態によっては電気的なコンロトールユニット内に記憶された電流／電圧特性曲線、システムの数学的なモデル等の助けを借りて行われる。
【０００５】
カソード側における過剰酸素で燃料電池を稼働させることは比較的に多くの費用を必要としかつ不正確であるか又は効率的に不利である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、運転物質流が貫流するカソードを有する燃料電池設備であって、費用の安いものを提供することである。この場合には、運転物質は少なくとも１つの酸化剤、特に空気酸素を有し、酸化剤によるカソードガス供給をコンロトールするカソードコンロトールユニットが設けられているものとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
冒頭に述べた形式の燃料電池設備から出発して、本発明の課題は請求項１の特徴によって解決された。
【０００８】
従属請求項に記載した処置によっては本発明の有利な実施態様と変化実施態様とが可能である。
【０００９】
本発明による燃料電池設備の特徴は、運転物質流における絶対的又は相対的な酸素含有量を検出する少なくとも１つの酸素センサをカソードコンロトールユニットが有していることである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明による酸素センサによって酸素含有量は直接的に運転物質流にて検出されかつ有利にはコンロトールユニットで燃料電池設備を制御／調整するために使用される。これにより本発明による燃料電池設備のシステム複雑性は顕著に簡易化されるようになった。
【００１１】
さらに従来のセンサ装置、例えば質量流センサ、圧力センサ、電流／電圧センサ装置が省略されることよって構成的な労力が減少させられることに加えて、コスト的にも著しい低減が達成される。
【００１２】
さらに多くの構成形態で使用された、モデル状の書込みもしくは相応に記憶された関係を用いた公知技術によるカソード供給の間接的な決定によっても、これに結合された誤差、つまり、モデルと実際との間の差は、本発明によれば特にエレガントな形式で除去される。これにより本発明によれば公知技術に較べて著しく正確にカソード供給の調節が達成されかつ総効率が改善される。
【００１３】
択一的な実施形態又は有利には組合わされた実施形態では、酸素センサは運転物質流の流動方向でカソードの上流側及び／又は下流側に配置されるか又はスタックに統合されていることができる。同様に実際の組込み場所を既存の場所関係に関連づけるかもしくはこれに適合させることができる。
【００１４】
本発明による酸素センサを燃料電池ユニットの前に配置した場合には、カソードが酸化剤を公知の形式で消費する場合カソードの酸素供給は確実に保証される。有利には酸素センサはカソードの後ろに配置される。これにより燃料電池設備のコンロトールもしくは調整は特に著しく簡易化される。何故ならばこの場合には有利な形式でカソードの残留酸素含有量が直接的に検出可能でかつこれから不足又は過供給が特に簡単に認識可能であるからである。この場合、カソードの現今の酸素所要量及び／又は必要とされる酸素所要量の評価もしくはモデルは場合によっては完全に省略することができる。本発明のこの変化実施態様ではカソードへの酸素の供給の増加又は減少は検出された残留酸素に関連して特に簡単に行われる。
【００１５】
本発明の特別な構成では酸素センサはラムダゾンデとして構成されている。相応するラムダゾンデは既に市販されているので、特に経済的に好適な本発明の変更が達成可能である。例えば広幅ベルトラムダゾンデがカソード排気の残留酸素含有量を検出するために使用されることができる。
【００１６】
有利には酸素含有量はコンロトールユニットのための導入値として設定される。例えば所定の値が酸素含有量の目標値としてコンロトールユニットにおいて、例えば負荷の関数として記憶されかつ酸素センサにより検出された実際値と比較される。この両方の値の間に差があると、測定された差に関連して、両方の値を再びほぼ一致させる予備行程もしくはシステムパタメータの変化が実施される。
【００１７】
絶対的又は相対的な酸素含有量又は相対的な酸素含有量の他に導入値として別のスタックパラメータ、例えば運転圧を本発明による燃料電池設備をコンロトールするために設定することができる。これによって特別な使用例では本発明による燃料電池設備の更なる好適化が達成される。
【００１８】
有利な形式で運転物質搬送装置の搬送量は運転物質の酸素含有量に関連して調節される。酸素含有量と運転物質との間の前記有利な相関性によって運転物質搬送装置の助けを借りて、本発明の燃料電池設備の特に簡単な運転状態が異なる運転状態もしくは変化した運転状態のために実現可能になる。
【００１９】
さらに運転物質搬送装置は部分的に既に種々異なる変化態様で市販されている。したがって既に市販のコンポーネントを本発明による燃料電池設備のために用いることができる。これは本発明の経済的な変更に継がる。
【００２０】
有利な形式で少なくとも１つの圧縮器、特にファン及び／又はコンプレッサを運転物質流の搬送のために設けることができる。相応する圧縮器は比較的に簡単な既に高く評価されている方法で、その搬送しようとする量を変化させかつ多様な変化実施形態で得られる。
【００２１】
本発明による有利な実施例においては、圧縮器の回転数が運転物質の酸素含有量に関連して調節される。圧縮器、例えばファン及び／又はコンプレッサにおいて搬送量を変化させるために回転数を調節することはカソードの酸素供給の特に簡単でかつ正確な調節を可能にする。これによって燃料電池ユニットの有利な運転形式を実現し、同時に特にシステムの効率が好適化される。
【００２２】
原則的には本発明によれば、有利な酸素センサの助けを借りて酸素含有量を検出することに基づき、システムの総効率の好適化が達成される。例えばカソードガス供給の調節が改善されることによって、相応する圧縮器コンポーネントの運転が好適化され、システムにおけるいわゆる寄生的な損失の低減が達成される。例えばファン出力は実際に必要な最低量に特に簡単な形式で下降させられることができる。
【００２３】
カソードガス量を必要な最小量に下降させることは有利な形式で湿らされたカソードガスの量を減少させ、ひいてはカソードを湿らすために必要であるエネルギ及び／又は水を減少させることにも継がる。これに相応してエネルギ及び／又は水のシステム固有の所要量は付加的に下降され、この結果、システムの総効率が一層高められることになる。
【００２４】
さらに圧縮器もしくはファン及び／又はコンプレッサの出力の減退によって相応するコンポーネントもしくはシステムの騒音レベルの下降が達成される。これは本発明による燃料電池設備の使用に際しての受入れを改善する。
【００２５】
一般的には改善された、特に正確なカソードガス供給の調節によって、十分な酸素供給が運転圧力の動的な変化に際して、特に圧力形成期にて、もしくは負荷変動に際して保証される。これはシステムの運転の確実性を改善する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図面には本発明の１実施例が示されており、以後これを唯一の図に基づき詳細に説明する。
【００２７】
図１には本発明による燃料電池設備が概略的に示されている。燃料電池設備は図示されていない多数の単個燃料電池から成る燃料電池スタック１を有している。
【００２８】
燃料電池スタック１は極概略的に示されたアノード２とカソード３とダイヤフラム４とを有している。このように構成された燃料電池スタック１のエンドプレート５においては電気的な消費機、例えばモータを運転するために必要とされる電圧がタップされる。
【００２９】
燃料電池スタック１に供給するためにはアノードもしくは燃料供給装置６とカソードもしくは酸素供給装置７とが設けられている。燃量供給装置６には第１の運転物質８、特に水素又は他の、有利な運転物質８が供給される。有利な運転物質８の助けを借りて例えば水素「Ｏｎ−Ｂｏａｒｄ」が特に炭化水素、例えばベンジン、ディーゼル又はそれに類似したものの改質によって発生させられる。水素発生Ｏｎ−Ｂｏａｒｄでは、水素８は選択的に貯蔵部９に、特に過圧化で中間貯蔵され、燃料電池スタック１に圧力調整弁１０及び／又は圧力センサ１１を用いてアノード側で供給される。燃料電池システムを水素で直接的に運転するためには、貯蔵部９は水素のための主貯蔵部（タンク）を成す。水素８の流れ方向で見てアノードの下流側には掃気弁１２が配置されている。詳細に説明するまでもなく、アノードが残留ガスの循環案内装置を有しているシステムは既に公知である。
【００３０】
酸素供給装置７には第２の運転物質１３、特に空気酸素１３が圧縮器１４を使用して供給される。圧縮器１４は例えばファンとして、特に低圧システムのためにかつ／又はコンプレッサとして、特に運転圧力の高められたシステムのために構成されている。さらに酸素供給装置７は選択的に圧力センサ１５を、特に高められた運転圧力を有するシステムの場合には有している。
【００３１】
空気１３の流動方向で見てカソード３の下流側ではカソード出口においては、酸素センサ１６もしくはラムダゾンデ１６と選択的に圧力調整弁１７とが配置されている。
【００３２】
図面を見やすくするために個々のコンポーネント、例えば運転物質流８，１３の湿し装置又は選択的に設けられる改質装置及び適当な掃除段は省略してある。燃料電池設備の前記コンポーネントは多様な構成で公知技術として既に公知である。
【００３３】
燃料電池出力Ｐ＿ｅｌのためには適当量の酸素Ｍ＿Ｏ２がカソードガス１３として必要とされる。この量の酸素が正確にカソード３に供給される場合には、この酸素は完全に水Ｈ２Ｏに変換される。燃料電池の電流／電圧特性線は酸素の分圧に関連するので燃料電池スタック１にて相前後して配置された単個燃料電池は、酸素Ｏ２の量の減少の増大によって次第に少ない電圧を発生させる。この理由から相当するシステムは一般的に常に超化学量論的に運転されるようになる。つまり、最後のもしくは流動方向で最後の燃料電池にも十分な酸素Ｏ２を供給するためには、例えば本来必要である酸素量Ｍ＿Ｏ２の１．５倍である空気量が提供される。
【００３４】
カソード出口にて本発明による酸素センサ１６が配置され、この酸素センサ１６が排気もしくは残留ガスにおいて酸素の絶対的な又は相対的な％を測定すると、正確な残留酸素成分が判明する。この残留酸素の割合はλとして表現することができる（λ＝２は例えばカソードガスにおける１０％の酸素含有量、λ１．５は７％、λ１．２５は約４％）。この場合λは酸化過程に際して、最小空気量に対する、実際に酸化のために存在していた空気量の比を表す。この場合、最小空気量は燃料電池が送出する電流に直接的な形で関連する。１よりも小さい数値は空気不足を示し、１よりも大きい数値は空気過剰を示す。カソード３の下流に所定の規定された空気過剰が存在していると、エレガントな形式で、考えられ得るすべての運転状況でカソードに十分な酸素が供給されることが保証される。
【００３５】
カソード排気の酸素含有量は例えば、いわゆる広幅ベルトラムダゾンデで測定される。この酸素含有量は有利な形式で燃料電池システムの調整装置に使用される。酸素比が大きすぎると例えば圧縮器１４の回転数が下降される。酸素比が小さすぎると変化させたタクトを介して平均電圧を変化させることで回転数が上昇させられる。この場合、回転数の変化は圧縮器回転数センサを介して測定されなければならないことはなく、例えば有利な形式で、カソード３の下流に所望の酸素比が存在するまでもしくはこれがセンサ１６で測定されるまで変化させられる。これによって燃料電池１の負荷変動のような動的な変化の場合にも、例えば最大出力の１０％から３０％への変化の場合にも圧縮器回転数は残留酸素比に基づき有利に調整される。
【００３６】
所定の使用例のために、効率の理由から負荷の上昇と同時に、燃料電池１の運転圧力が高められた場合、特に圧力調整弁１１，１５を介して高められた場合には、公知技術では、しばしば減量期となる惧れがある。この場合には本発明によればきわめて簡単に、圧力値の他に残留酸素比の値を燃料電池システムのための導入値としてきわめて簡単に用いることができる。この場合には残留酸素比は通常、公知技術の場合のようにモデルを介して評価される必要はもはやなくなる。この場合には例えば燃料電池スタック１の降格又はその他の障害がモデル的に評価される。これは公知技術の場合にはしばしば誤ったモデル表現及び相応する不正確なもしくは誤差のある調整をもたらす。
【００３７】
本発明による正確な残留酸素比の認識で、例えば燃料電池電圧が闘値を下回ることから燃料電池スタック１の出力低下が認識できるようになるまで酸素過剰率は下降させられることができる。これは特別な使用では有利にはボードネットコンポーネントにより認識することができる。これにより騒音下降とファンもしくは圧縮器１４の所要出力の下降が達成され、この結果、総システム効率の上昇が達成される。
【００３８】
図１においては低圧システム、約１から１．３ｂａｒのアノード及びカソードのシステム圧が示されている。
【００３９】
破線ではカソード側にて圧力センサ１５と圧力調整弁１７とが記入されている。これらの圧力センサ１５と圧力調整弁１７は特に、運転圧が高められたシステムのために設けられる。
【００４０】
残留酸素センシング精度は調整精度にとって重要である。例えばラムダゾンデ１６によりもたらされる１〜２％の酸素含有量の解像精度は十分である。ラムダゾンデ１６は一般的には酸化シリコニュウムから成るガス透過性の鉢形のセラミック体から成っている。このセラミック体は内と外にプラチナから成る薄い層を備えている。ラムダゾンデ１６の１部は外気と結合され、他の部分はカソードガス１３で取巻かれている。セラミック材料は約３００℃で酸素イオンにとって導性を有するようになる。酸素比がラムダゾンデの両側で異なる値を有していると、ラムダゾンデ１６の両方の境界面の間に電圧が発生する。この電圧は残留酸素含有量の尺度となる。電圧は電子的な制御装置もしくはコンロトールユニットにおいて処理され、当該システムを所望の空気比に調整するために利用される。常温始動後及びガス温度が低い場合に迅速に約３００℃の最低運転温度を達成するためにはラムダゾンデ１６は一般的には電気的に加熱される。ラムダゾンデ１６の好適な運転温度はほぼ６００℃である。
【００４１】
ＰＥＭ燃料電池の比較的に低い約１００℃の排気温度はしたがって有利にはラムダゾンデの連続的な、特に電気的な加熱を必要とするのに対し、高温燃料電池（例えばＳＯＦＣ）における排気温度は事情によっては加熱を必要としない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明による燃料電池設備の概略図
【符号の説明】
【００４３】
１  燃料電池スタック、  ２  アノード、  ３  カソード、  ４  ダイヤフラム、  ５  エンドプレート、  ６  アノードもしくは燃料供給装置、  ７  カソードもしくは酸素供給装置、  ８  運転物質，水素、  ９  貯蔵部、  １０  圧力調整弁、  １１  圧力センサ、  １２  掃気弁、  １３  カソードガス、  １４  圧縮器、  １５  圧力センサ、  １６  ラムダゾンデ、  １７  圧力調整弁
【図１】
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