JP2004200165A - スタート装置を有する燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】障害に対して従来技術よりも耐性があり、および／またはよりフレキシブルに適合することのできる燃料電池装置を提供することである。
【解決手段】燃料電池ユニットと、燃料電池装置の電気制御信号（３）を形成する第１の電制御装置とを有する燃料電池装置であって、
第１の制御ユニット（１）をスタートさせるための少なくとも１つのスタート装置（２）が、第１の電子制御ユニット（１）の電気入力信号（４，７）を形成する第２の電子制御ユニット（２）として構成されており、
少なくとも１つの別の電気信号（６）が第２の電子制御ユニット（２）のスタート信号（６）として設けられている形式の燃料電池装置において、
相互に独立した少なくとも２つの電気信号（６）が自動的に、第２の電子制御ユニット（２）の電子評価ユニットによって相互に結合される。
【選択図】図１

Description

本発明は請求項１の上位概念による、燃料電池ユニット、第１の電子制御ユニット並びにスタート装置を有する燃料電池装置に関する。

従来の燃料電池システムは例えば燃料電池ないし積層燃料電池を有し、これは半永久的なダイヤフラムを備えている。ここでは十分なイオン伝導を電解質により得るために動作温度は十分に高くなければならない。

さらにこの種の燃料電池システムは種々異なる触媒活性コンポーネント、例えばリフォーマ、ガスクリーニング段等を有し、これらにおいて動作温度は通常、いわゆる触媒機のライト・オフ温度以上でなければならない。これは所望の反応を完全に可能にするためである。

上記の燃料電池装置のコンポーネントの機能は、これにより設定される動作温度の到達に密接に結び付いているから、この種の燃料電池システムでは所要の能力が始動後の許容可能な短時間内では保証されないという困難性がある。このことはとりわけ移動物での適用ないし自動車において重要である。燃料電池ユニットにより形成される電気エネルギーはとりわけ電気自動車では電気モータの通電に、ハイブリッド自動車では電気モータによる補助駆動部および／またはいわゆる補助パワーユニット（ＡＰＵ）として車両の電気補助動力機関の給電のために使用される。

一般的に燃料電池ないしリフォーマには始動フェーズで熱エネルギーを供給しなければならない。これは例えば電気的ヒータ等によって行われ、これにより燃料の空気酸素との完全な変換のため、ないし電流供給のための所要の動作温度が保証される。場合により選択された変換プロセスに依存して付加的に水が必要とされるが、この水はそのためにしばしば加熱されるか、水蒸気化される。

従来の燃料電池システムは通常は機械的点火スイッチによって、ユーザないし運転者の始動希望時点で相応にスタートされる。これにより電子制御ユニットが電気始動信号を燃料電池装置ないし個々のコンポーネントに対して形成する。すなわち一般的には、機械的スイッチによって電子制御ユニットの通電が行われ、これにより燃料電池ユニットないし触媒活性コンポーネントの加熱が開始する。

これまでの燃料電池システムの待機時間ないし始動時間は、いわゆるＰＥＭである現在の燃料電池の場合は数１０秒の領域にあり、いわゆるＳＯＦＣの場合は２０分の領域にある。このことは自家用車の場合、現在の快適性の要求にはほど遠いものである。

さらにすでに「目覚ましシステム」が公知である。ここでは燃料電池システムをスタートさせる別個の命令が空間的および／または時間的に運転者による機械的スタータ操作から分離して設けられている（ＥＰ１２１１１２０Ａ１参照）。ここでは例えば遠隔操作、ガレージ灯またはドア接点によって発生される外部または内部電気信号が使用される。

しかしここでの欠点は、燃料電池システムがすでに個々の信号によって始動過程を開始していることであり、このことは信号発生器、ガレージ灯ないし運転者ドアのスイッチの故障時には、運転者が発進を望んでいなくても不要な暖機運転が行われ、ひいては燃料電池装置のエネルギー消費につながる。このことにより場合により、電気エネルギーが空となりシステムの始動がもはや確実には保証されなくなる。
ＥＰ１２１１１２０Ａ１

本発明の課題は、請求項１の上位概念に記載された燃料電池装置を改善し、障害に対して従来技術よりも耐性があり、および／またはよりフレキシブルに適合することのできる燃料電池装置を提供することである。

この課題は、燃料電池ユニットと、燃料電池装置の電気制御信号を形成する第１の電制御装置とを有する燃料電池装置であって、
第１の制御ユニットをスタートさせるための少なくとも１つのスタート装置が、第１の電子制御ユニットの電気入力信号を形成する第２の電子制御ユニットとして構成されており、
少なくとも１つの別の電気信号が第２の電子制御ユニットのスタート信号として設けられている形式の燃料電池装置において、
相互に独立した少なくとも２つの電気信号が自動的に、第２の電子制御ユニットの電子評価ユニットによって相互に結合されることにより解決される。

本発明の燃料電池装置では、電気的に独立した少なくとも２つの電気スタート信号が、第２の電子制御ユニットの電子評価ユニットにより相互に結合される。また第２の電子制御ユニットは、複数のスタート信号を相互に評価および／または論理結合するための少なくとも１つの評価ユニットを有している。例えば相互に独立して発生された複数の電気スタート信号を有利にはプログラミング可能な論理結合を用いて結合し、大きな確率を以て燃料電池装置ないし相応の車両がまもなく使用されることを予測する。このために種々異なる本発明によるスタート信号の相応の関連ないし関係を検査ないし評価ユニットにファイルすることができる。このことは例えばプログラミング可能な状態グラフ、特性曲線マップないしファジー論理回路等により実現することができる。

有利には燃料電池装置に実質的に依存しない機能を有するすでに存在する電気信号を付加的にスタート信号として本発明により使用する。すなわち本発明による電気信号はそれぞれ少なくとも２つの機能を満たす。すなわち少なくとも１つは、燃料電池装置に関連する重要な機能であり、少なくとも１つは燃料電池装置に関連しない重要でない機能である。例えば少なくとも次の信号発生ないし起動が本発明により使用される：信号としてドア接点、座席接点、発進ロックの解除、ドアの開錠、ブレーキスイッチランプないしブレーキペダル操作、点火スイッチ位置、スタータ、漏れ電流および／または車両負荷により空になったバッテリーの充電希望、ないしは相応の電圧レベルが低すぎること、または搭載電源磁石からの相応の信号、タイムスイッチ、とりわけ遠隔プログラミング可能なタイムスイッチ、ラジオ操作等である。本発明によれば２つまたはそれ以上のこれら始動信号が有利には相互に結合され、評価される。

これまでは燃料電池装置に依存しないで形成され、使用されていた既存の電気信号によって、有利な加熱フェーズないし加熱期間を燃料電池装置の本来の始動前に、ないしはユーザまたは運転者によるスタートエレメントの操作前に実現することができる。このことは有利には始動が近い将来、非常に高い確率で行われることに依存することができる。燃料電池装置の加熱フェーズをユーザによるスタートエレメント／点火エレメントの操作時点ないし希望始動から十分に時間的に分離することができる。

とりわけ複数のスタート信号を結合ないし検査することにより、信号形成器の技術的障害および／または車両が使用されないような普段の条件を識別することができ、燃料電池装置の不要な加熱ないし始動フェーズの不要な開始を効果的に阻止することができる。これによりシステムの効率ないし日常適格性が従来技術に対して格段に向上する。例えば１つのスタート信号がほぼ持続的に発生しても、第２のスタート信号がこれに続かなければ、これは運転者が実際には発進を希望しない場合である。例えば車両ドアがガレージ内で開放されたままとなっているが、発進ロックが解除されていないような状況である。またスタート信号が例えばブレーキペダルスイッチないし座席接点の故障により持続的に発生しても、それ以前にドアが開放されていないという状況もあり得る。

有利には燃料電池装置の電気制御信号は電気エネルギーの供給、および／または少なくとも１つの燃料電池ユニットを加熱するための加熱ユニットの加熱流体の供給、および／または触媒活性反応ユニットないし変換ユニットを動作温度に加熱するための制御に使用される。例えば加熱ユニットは電気加熱ユニットとして、および／または触媒バーナーとして構成することができる。触媒バーナーによって例えばリザーバに蓄積された水素含有燃料等をとりわけ空気酸素によって触媒的に変換することができ、その際に熱が放出される。場合よりこの触媒バーナーは付加的に電気加熱ユニットを予加熱のために有することができる。

さらに燃料電池システムを熱の供給なしでスタートさせる手段がある。例えば燃料電池システムを低温（例えば−２０℃まで）でも駆動することができる。ここで形成された熱により最初は比較的小さな出力が約１０秒の時間で公称出力まで上昇する。本発明により、この時間を有利に克服することができる。

触媒活性変換ユニット、とりわけリフォーマは少なくとも１つの流体、例えばガソリン、ディーゼル、天然ガス、メタノール等のような炭化水素含有燃料を化学的に変換するよう構成されている。さらに触媒活性変換ユニットはいわゆるシフト段および／または酸化段として水素含有リフォメートをクリーニングするように構成されている。ここではとりわけリフォメートの一酸化炭素成分が例えば二酸化炭素またはメタンに変換される。このことはとりわけ現在通常のＰＥＭ燃料電池の大気汚染を阻止する。

有利には第２の電子制御ユニットは、第１の電子制御ユニットのエネルギー供給をオン・オフするための電子スイッチ装置として構成される。例えば第２の電子制御ユニットは、これがほぼ恒久的に電気信号を検出ないし読出すことができるように構成される。すなわち第２の電子制御ユニットには恒久的に通電される。場合によっては「スリープモード」で機能性とエネルギー消費を低減し、本発明による電気信号を受信する際に「目覚ましモード」に移行して、完全な機能で動作し、エネルギー消費も増大する。

有利には第２の電子制御ユニットは、これが第１の電子制御ユニットに対して比較的小さなエネルギー消費を有するように構成されている。しかし本発明の電気信号は有利には受信器により受信することができる。例えば本発明の電気信号の受信の際に第２の電子制御ユニットは第１の電子制御ユニットをスイッチオンする。これの意味するのは、第１の電子制御ユニットに通電され、電気制御信号が燃料電池装置ないし加熱ユニット、触媒活性変換ユニット等に送信されることである。

通常のように、第２の電子制御ユニットないし目覚ましユニットを用いてまもなく燃料電池装置ないし車両が使用されることを推測させる電気信号を恒久的に読出すことにより、機能的に後置された第１の電子制御ユニットに電気エネルギーを供給することができる。これにより加熱過程をコンポーネントに相応して開始ないしトリガすることができる。

有利にはスタート信号は電気送信器の無線信号、電気時間発生器の時間信号、電子機械的スイッチ素子の切替信号、電気センサのセンサ信号および／または蓄電器の監視信号として構成されている。例えば本発明の無線信号を形成する送信器は遠隔制御部、通信システム等である。一般的に無線信号は電磁的無線信号であり、とりわけ技術的に高周波、マイクロ波領域にあるか、赤外線ビームまたはレーダービームである。

本発明の有利な実施形態では、電気的時間発生器として一般的に既存の車両搭載時計が使用される。これにより有利には燃料電池装置の所定の時点でほぼ自動的にスタートすることができる。このことは燃料電池装置が頻繁に所定の時点でスタート準備すべきである場合に特に有利である。これは例えば車両が平日に仕事場との往復に使用される場合である。ユーザの家庭時計および／または衛星サポート時計を時間発生器として使用することも考えられる。

電子機械的スイッチ素子ないし電気センサはドア接点、座席接点、車室センサ、ブレーキランプスイッチまたはその他の電子機械的スイッチないし車両の電気センサとして構成されている。

有利には第２の電子制御ユニットは少なくとも１つの学習アルゴリズムをそれ自体反復する動作条件に適合するため有する。有利には第２の電子制御ユニットはそれ自体反復する動作条件を記憶し、学習する。すなわち本発明の学習アルゴリズムによって、燃料電池装置のスタートを、燃料電池装置ないし車両の使用より前の所定の時点で開始することができる。これによりユーザないし運転者に対しては、待ち時間がほとんど発生しない。このことは規則的な走行、例えば仕事場との往復の場合に有利である。

有利には評価ユニットは少なくとも１つの時限素子を有する。これによりスタート時間の受信後であって、時限素子によって検知可能な所定の持続時間の経過後に別のスタート信号が存在する場合、ないし存在しない場合に、第１のスタート信号に基づいて開始された始動過程を、第２のスタート信号の存在ないし不存在に基づいて中止することができる。このことはとりわけ車両のドアが開放された場合に有利である。こればドアの開放によりスタート信号が形成されたが、車両の運転者はスタートを希望しておらず、従って例えばブレーキ接点、点火スイッチ等が操作されないままとなる場合である。これにより加熱フェーズは中止される。これにより有利には開始されたが、必要のない燃料電池システムの電気的および熱的損失が有利に阻止される。

さらに有利には蓄電器の監視のための電気信号を車両の搭載電源制御装置から読出し、第２の電子制御ユニットに読み込み、燃料電池装置のスタートのためのスタート信号として使用することができる。例えばこのためにいわゆるヘルス信号のチャージないしスタートを使用することができる。これはとりわけハイブリッドないしＡＰＵ車両適用で有利である。

一般的に燃料電池装置ないしその加熱フェーズは所定の閾値に達した際、ないしはスタート信号の状態が変化した際に開始することができる。例えば蓄電器の本発明による燃料電池装置による充電は蓄電器の充電状態についての相応の電気信号を受信した際に実行することができる。これにより有利には蓄電器の比較的高い充電状態が保証される。従って他のスタート過程に対して十分な電気エネルギーをシステムにより使用することができる。これは例えばいわゆるＡＰＵを備えるシステムにおいてバッテリーにより内燃機関の触媒機を加熱するため、または走行中に充電が不十分な場合にスタータバッテリーに給電するため、または走行開始直後に室内暖気するため等である。

本発明の実施例が図面に示されており、以下詳細に説明する。

図１には、本発明の２つの制御ユニット１，２の接続がブロック回路図で示されている。燃料電池制御ユニット１は、詳細に図示しない燃料電池装置のコンポーネントに対する制御信号を形成する。コンポーネントは例えば燃料電池ユニット、リフォーマ、クリーニング段等を加熱するための１つまたは複数の加熱装置、または燃料電池に供給するためのガス調量コンポーネントである。制御ユニット１は制御信号３を、電子目覚ましシステム２による初期化に基づいて形成し、送信する。

目覚ましシステム２は常時ないし恒久的に通電されている。すなわちこれは恒久的に電気エネルギー消費する。従って任意の時点で検出ないし読出された目覚まし信号６が制御ユニット１の通電４を直接、または搭載電源トポロジー４’、４”を介して起動し、これが再び制御信号３を発生する。

さらに目覚ましシステム２は制御ユニット１と通信のための別の電気信号７を交換する。

基本的に、第１のスタート信号に後続する別のスタート信号が所定の時間間隔にわたって存在しなければ、このことは目覚まし信号をセットしない、またはリセットすることに用い、システムは再び遮断される。それぞれの時間間隔は有利には第１のスタート信号に依存する。例えば発進ロック解除後、約５分の時間内にドア接点の信号の変化が存在することができる。

さらに本発明の実施例では、時間間隔を周囲温度ないし相応のセンサに依存させ、これに適合させることができる。これにより温度が低い場合にはシステムを、周囲温度が比較的暖かい場合よりもさらなるスタート信号が存在しない場合により許容的に構成することができる。

さらなるスタート信号が所定の時間間隔内に存在しなくても１つのスタート信号だけでシステムをスタートさせるのに十分なこともある。これは車両が完全には駐車されていない場合、例えばドアがロックされてない、または開放されたままであるような場合である。

基本的に機械的スタータの操作によりシステムはスタートないし停止する。

本発明の実施例を示すブロック回路図である。

Claims (12)

1. 燃料電池ユニットと、燃料電池装置の電気制御信号（３）を形成する第１の電制御装置とを有する燃料電池装置であって、
   第１の制御ユニット（１）をスタートさせるための少なくとも１つのスタート装置（２）が、第１の電子制御ユニット（１）の電気入力信号（４，７）を形成する第２の電子制御ユニット（２）として構成されており、
   少なくとも１つの別の電気信号（６）が第２の電子制御ユニット（２）のスタート信号（６）として設けられている形式の燃料電池装置において、
   相互に独立した少なくとも２つの電気信号（６）が自動的に、第２の電子制御ユニット（２）の電子評価ユニットによって相互に結合される、ことを特徴とする燃料電池装置。
2. 第２の電子制御ユニット（２）は、第１の電子制御ユニット（１）のエネルギー供給（４）をスイッチオン・オフする電子スイッチ装置（２）として構成されている、請求項１記載の燃料電池装置。
3. スタート信号（６）は電気送信器の無線信号（６）として構成されている、請求項１または２記載の燃料電池装置。
4. スタート信号（６）は電気時間発生器の時間信号（６）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項記載の燃料電池装置。
5. スタート信号（６）は電子機械的スイッチ素子の切替信号（６）として構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃料電池装置。
6. スタート信号（６）は電気センサのセンサ信号（６）として構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃料電池装置。
7. スタート信号（６）は蓄電器の監視信号（６）として構成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃料電池装置。
8. 評価ユニットは少なくとも１つの時限素子またはカウンタを有する、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃料電池装置。
9. 第２の電子制御ユニット（２）は、少なくとも１つの学習アルゴリズムを反復する動作条件への適合のために有する、請求項１から８までのいずれか１項記載の燃料電池装置。
10. 燃料電池ユニットと、燃料電池装置の電気制御信号（３）を形成する第１の電子制御ユニット（１）とを有する燃料電池装置を備える車両であって、
    少なくとも１つのスタート装置（２）が第１の制御ユニット（１）のスタートのために設けられている形式の車両において、
    燃料電池装置は請求項１から９までのいずれか１項に従って構成されている、ことを特徴とする車両。
11. 燃料電池ユニットと、燃料電池装置の電気制御信号（３）を形成する第１の電子制御ユニット（１）とを有する燃料電池装置のスタート方法であって、
    少なくとも１つのスタート装置（２）が第１の制御ユニット（１）のスタートのための設けられている形式の方法において、
    相互に独立する少なくとも２つの電気スタート信号（６）を自動的に第２の電子制御ユニット（２）の評価ユニットにより相互に結合する、ことを特徴とする方法。
12. 燃料電池装置を請求項１から９までのいずれか１項に従って構成する請求項１１記載の方法。

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