特許 7417526 電気化学システムの作動状態を判断するための方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-10

(45)【発行日】2024-01-18

(54)【発明の名称】電気化学システムの作動状態を判断するための方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04746 20160101AFI20240111BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20240111BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20240111BHJP

   C25B 15/08 20060101ALI20240111BHJP

   C25B 15/02 20210101ALI20240111BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04746

H01M8/04537

H01M8/00 Z

C25B15/08 302

C25B15/02

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2020531054

(86)(22)【出願日】2018-12-07

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-03-04

(86)【国際出願番号】 AT2018060288

(87)【国際公開番号】W WO2019109120

(87)【国際公開日】2019-06-13

【審査請求日】2021-12-06

(31)【優先権主張番号】A51019/2017

(32)【優先日】2017-12-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】AT

(73)【特許権者】

【識別番号】513131176

【氏名又は名称】アーファオエル・リスト・ゲーエムベーハー

(74)【代理人】

【識別番号】240000327

【弁護士】

【氏名又は名称】弁護士法人クレオ国際法律特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ポファール シュテファン

(72)【発明者】

【氏名】ヴィーランダー ルーカス

【審査官】橋本 敏行

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１２５９１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００５／０２６０４６３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０００８６９７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－２２２６１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００４／０１５７０９３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００７－１８８８５７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２５Ｂ １／００－ ９／７７

１３／００－１５／０８

Ｈ０１Ｍ ８／００－ ８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気化学システム（１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ）の作動状態を判断する方法であって、
前記電気化学システムは、
少なくとも１つの電極セクション（３，４）を有する電池スタック（２）と、
少なくとも１つのバルブ（５，６，２０，２１）と、少なくとも１つの流体ライン（２３）と、
を備え、
前記方法は、
－所定の変動パターンを用いて前記少なくとも１つのバルブ（５，６，２０，２１）により、前記少なくとも１つの流体ライン（２３）における少なくとも１つの流体を変動させて誘導するステップであって、前記変動パターンは前記少なくとも１つのバルブ（５，６，２０，２１）により流体流に適用される、ステップと、
－前記少なくとも１つの流体を変動させて誘導する間に、前記電池スタック（２）の電圧応答及び／又は電流応答を判断するステップであって、アノードセクション及び／又はカソードセクションにおいて前記流体の異なる濃度を判断する、ステップと、
－前記電圧応答及び／又は電流応答に基づいて、酸化剤不足及び／又は還元剤不足又は流体間の移動が生じているか否かを判断することにより、前記電気化学システム（１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ）の作動状態を判断するステップと、
を含む、ことを特徴とする方法。

【請求項2】

少なくとも１つの供給バルブ（５，６）が、前記少なくとも１つの電極セクション（３，４）の上流に配設され、かつ／又は、少なくとも１つの出口バルブ（２０，２１）が、前記少なくとも１つの電極セクション（３，４）の下流に設けられており、
少なくとも１つの流体が、前記所定の変動パターンを用いて前記少なくとも１つの供給バルブ（５，６）及び／又は少なくとも１つの出口バルブ（２０，２１）により変動されて誘導され、かつ、前記電池スタック（２）の電圧応答及び／又は電流応答は、前記少なくとも１つの流体を変動させて誘導する間に判断される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記電池スタック（２）は、アノードセクション（３）の形態をなす第１の電極セクションと、カソードセクション（４）の形態をなす第２の電極セクションと、を備え、前記アノードセクション（３）の上流に第１の供給バルブ（５）が配設され、前記カソードセクション（４）の上流に第２の供給バルブ（６）が配設され、
前記方法は、
－所定の第１の変動パターンを用いて前記第１の供給バルブ（５）により、前記アノードセクション（３）に対して第１の流体を変動させて供給するステップと、
－前記第１の変動パターンと異なる所定の第２の変動パターンを用いて前記第２の供給バルブ（６）により、前記カソードセクション（４）に対して第２の流体を変動させて供給するステップと、
－前記アノードセクション（３）に対して第１の流体を変動させて供給する間に、前記電池スタック（２）のアノードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答を判断するステップと、
－前記カソードセクション（４）に対して第２の流体を変動させて供給する間に、前記電池スタック（２）のカソードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答を判断するステップと、
－前記アノードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答、並びに／あるいは前記カソードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答に基づいて前記電気化学システム（１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ）の作動状態を判断するステップと、
を含む、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記電池スタック（２）は、アノードセクション（３）の形態をなす第１の電極セクションと、カソードセクション（４）の形態をなす第２の電極セクションと、を備え、前記アノードセクション（３）の下流に第１の出口バルブ（２０）が配設され、前記カソードセクション（４）の下流に第２の出口バルブ（２１）が配設されており、
前記方法は、
－所定の第１の変動パターンを用いて前記第１の出口バルブ（２０）により、前記アノードセクション（３）から第１の流体を変動させて排出するステップと、
－前記第１の変動パターンと異なる所定の第２の変動パターンを用いて前記第２の出口バルブ（２１）により、前記カソードセクション（４）から第２の流体を変動させて排出するステップと、
－前記アノードセクション（３）から前記第１の流体を変動させて排出する間に、前記電池スタック（２）のアノードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答を判断するステップと、
－前記カソードセクション（４）から前記第２の流体を変動させて排出する間に、前記電池スタック（２）のカソードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答を判断するステップと、
－前記アノードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答、並びに／あるいは前記カソードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答に基づいて前記電気化学システム（１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ）の作動状態を判断するステップと、
を含む、ことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の方法。

【請求項5】

前記電池スタック（２）は、アノードセクション（３）の形態をなす第１の電極セクションと、カソードセクション（４）の形態をなす第２の電極セクションと、を備え、
第１の供給バルブ（５）は、第１の供給ライン（２４ａ）において、前記アノードセクション（３）の上流側に配設され、
第２の供給バルブ（６）は、第２の供給ライン（２４ｂ）において、前記カソードセクション（４）の上流側に配設され
前記方法は、
－前記第１の供給ライン（２４ａ）における第１の定量流体を所定の第１の変動パターンを用いて前記第１の供給バルブ（５）により第１の流体ライン（２３ａ）における第１の流体に変動させて前記アノードセクション（３）に供給するステップと、
－前記第２の供給ライン（２４ｂ）における第２の定量流体を前記第１の変動パターンと異なる所定の第２の変動パターンを用いて前記第２の供給バルブ（６）により第２の流体ライン（２３ｂ）における第２の流体に変動させて前記カソードセクション（４）に供給するステップと、
－前記第１の流体に変動させて前記アノードセクション（３）に供給する間に、前記電池スタック（２）のアノードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答を判断するステップと、
－前記第２の流体に変動させて前記カソードセクション（４）に供給する間に、前記電池スタック（２）のカソードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答を判断するステップと、
－前記アノードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答、並びに／あるいは前記カソードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答に基づいて前記電気化学システム（１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ）の作動状態を判断するステップと、
を含む、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項6】

前記第１の流体は、燃料又は水であるか、あるいは燃料又は水を含み、かつ／又は、前記第２の流体は、空気であるか又は空気を含み、
前記第１の流体及び前記第２の流体は、１つの流体ライン（２３ａ，２３ｂ）にそれぞれ誘導される、ことを特徴とする請求項３～５のいずれかに記載の方法。

【請求項7】

前記少なくとも１つの流体は、１Ｈｚ～５００Ｈｚの周期で誘導される、ことを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の方法。

【請求項8】

前記電気化学システム（１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ）は、燃料電池又は電解槽である、ことを特徴とする請求項１～７のいずれかに記載の方法。

【請求項9】

前記電気化学システム（１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ）の作動状態の前記判断は、前記電気化学システム（１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ）の作動中に所定のタイムウィンドウで連続的又は自動的に実行される、ことを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載の方法。

【請求項10】

請求項１～９のいずれかに記載の方法を実行するように設計され構成され、記憶媒体（１２）に記憶されたコンピュータプログラム製品（１１）。

【請求項11】

請求項１０に記載のコンピュータプログラム製品（１１）を記憶した記憶媒体（１２）。

【請求項12】

請求項１～９のいずれかに記載の方法を実行するように設計され構成された電気化学システム（１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ）のための回路装置（１３）。

【請求項13】

少なくとも１つの電極セクション（３，４）を有する電池スタック（２）と、
少なくとも１つの供給バルブ（５，６）及び／又は少なくとも１つの出口バルブ（２０，２１）と、
少なくとも１つの流体ライン（２３）と、
請求項１２に記載された回路装置（１３）と、
を備える電気化学システム（１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ）であって、
前記少なくとも１つの供給バルブ（５，６）は、前記少なくとも１つの電極セクション（３，４）に対して少なくとも１つの流体を変動させて供給するように、前記少なくとも１つの電極セクション（３，４）の上流で前記流体ライン（２３）に配設され、かつ／又は、前記少なくとも１つの出口バルブ（２０，２１）は、前記少なくとも１つの電極セクション（３，４）から少なくとも１つの流体を変動させて排出するように、前記少なくとも１つの電極セクション（３，４）の下流で前記流体ライン（２３）に配設される、ことを特徴とする電気化学システム（１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ）。

【請求項14】

少なくとも２つの流体ライン（２３ａ，２４ａ）を備え、
少なくとも１つの流体ラインが第１の供給ライン（２４ａ）として形成され、前記少なくとも１つの供給バルブ（５）は前記第１の供給ライン（２４ａ）に配設されており、
前記第１の供給ライン（２４ａ）は、少なくとも１つの流量調整器（７）の下流において流体ライン（２３ａ）に開口している、ことを特徴とする請求項１３に記載の電気化学システム（１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ）。

【請求項15】

前記電池スタック（２）は、アノードセクション（３）の形態をなす第１の電極セクションと、カソードセクション（４）の形態をなす第２の電極セクションと、を備え、
第１の供給ライン（２４ａ）及び第２の供給ライン（２４ｂ）が配設されており、前記第１の供給ライン（２４ａ）に第１の供給バルブ（５）が配設され、前記第２の供給ライン（２４ｂ）に第２の供給バルブ（６）が配設されており、前記第１の供給バルブ（５）及び前記第２の供給バルブ（６）は、前記流体を誘導するために異なるように定期的に周期化され、
前記第１の供給ライン（２４ａ）は、前記アノードセクション（３）の上流において第１の流体ライン（２３ａ）に開口し、前記第２の供給ライン（２４ｂ）は、前記カソードセクション（４）の下流において第２の流体ライン（２３ｂ）に開口している、ことを特徴とする請求項１４に記載の電気化学システム（１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ）。

【請求項16】

前記電池スタック（２）は、アノードセクション（３）の形態をなす第１の電極セクションと、カソードセクション（４）の形態をなす第２の電極セクションと、を備え、
前記アノードセクション（３）の上流において第１の供給ライン（２４ａ）に第１の供給バルブ（５）が配設され、
前記第１の供給ライン（２４ａ）は、第１の流体を前記アノードセクション（３）に供給するように、第１の流量調整器（７）の下流で第１の流体ライン（２３ａ）に開口しており、
前記カソードセクション（４）の上流において第２の供給ライン（２４ｂ）に第２の供給バルブ（６）が配設され、
前記第２の供給ライン（２４ｂ）は、第２の流体を前記カソードセクション（４）に供給するように、第２の流量調整器（８）の下流で第２の流体ライン（２３ｂ）に開口しており、
前記第１の供給バルブ（５）及び前記第２の供給バルブ（６）は、前記流体を誘導するために異なるように定期的に周期化される、ことを特徴とする請求項１３に記載の電気化学システム（１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ）。

【請求項17】

前記電池スタック（２）は、アノードセクション（３）の形態をなす第１の電極セクションと、カソードセクション（４）の形態をなす第２の電極セクションと、を備え、
前記アノードセクション（３）の下流に、前記アノードセクション（３）から第１の流体を排出するための第１の出口バルブ（２０）が配設され、前記カソードセクション（４）の下流に、前記カソードセクション（４）から第２の流体を排出するための第２の出口バルブ（２１）が配設され、
前記第１の出口バルブ（２０）及び前記第２の出口バルブ（２１）は、前記流体を排出するために、異なるように定期的に周期化される、ことを特徴とする請求項１３に記載の電気化学システム（１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気化学システムの作動状態を判断するための方法に関する。さらに、本発明は、コンピュータプログラム製品、コンピュータプログラム製品が記憶された記憶媒体、コンピュータプログラム製品がインストールされた回路装置及び電気化学システムに関する。

【背景技術】

【0002】

電気化学システムでは、危機的な作動状態が生じることがある。例えば、そのような危機的な作動状態は、電解槽（電気分解槽）として形成された電気化学システムにおける水素の移動、あるいは燃料電池システムとして形成された電気化学システムにおける空気及び／又は燃料の不足に起因して生じる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

電気システムの作動状態をモニタし、危機的な作動状態の発生を早期に発見するための様々な方法が知られている。例として、セル電圧モニタリング（ＣＶＭ）が用いられている。しかし、このモニタリングでは、電池スタックの電圧だけが観測される。そのため、前記モニタリングでは、電圧偏差の原因を特定することができず、危機的な作動状態を早期かつ確実に発見することができない。

【0004】

上記問題を部分的に解消するため、電気化学システムにおいて調整装置により交流電気信号を印可する回路装置が開発されている。例えば、電圧及び／又は電流信号応答の測定により電気化学システムの作動状態を推定する方法を実施するため、電気化学システムにおける信号の印可が必要となる。そのような方法は、例えば、欧州特許出願公開第１６４６１０１号により公知になっている。当該方法では、燃料電池スタックにおいて所定の低周波電流信号が印可される。燃料電池スタックの個々のセル（電池）の作動状態は、燃料電池スタックにおいて測定された応答信号、通常、電圧信号との比較、特に２つの信号の高調波成分との比較により推定される。通常、非線形の電流・電圧特性曲線を有する燃料電池スタックにおいて、燃料電池スタックの作動状態、したがって電気化学システムの作動状態は、印可された信号の高調波成分と、燃料電池スタックの非線形の挙動により歪んだ応答信号の高調波成分とを比較することによって推定することができる。しかし、欧州特許出願公開第１６４６１０１号に開示された技術では、燃料電池スタックに応答信号を伝送する伝送リンクの非線形性は補償することができない。したがって、印可される信号の実際の値、すなわち、印可される信号の目標値に実信号が対応しない虞がある。

【0005】

本発明の目的は、電気化学システムの作動状態をより効率的に判断するための方法を提供することである。特に、発明の目的は、シンプルであり、信頼性及び費用対効果の高い電気化学システムの作動状態を判断するための方法、コンピュータプログラム製品、記憶媒体及び回路装置、並びに従来技術の代替手段である電気化学システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

前記目的は請求項に記載の発明により実現する。特に、前記目的は、請求項１に記載の方法、請求項１０に記載のコンピュータプログラム製品、請求項１１に記載の記憶媒体、請求項１２に記載の回路装置及び請求項１３に記載の電気化学システムにより実現する。従属請求項、詳細な説明及び図面により本発明のさらなる特徴が明らかになる。この場合、本発明の方法に関する特徴及び説明は、本発明のコンピュータプログラム製品、本発明の記憶媒体、本発明の回路装置及び本発明の電気化学システムに適用され、またその逆も同様である。したがって、本発明の個々の態様に関する開示を相互に参照することができる。

【0007】

本発明の第１の態様によれば、電気化学システムの作動状態を判断するための方法が提供される。電気化学システムは、少なくとも１つの電極セクションを有する電池スタックと、少なくとも１つのバルブと、少なくとも１つの流体ラインと、を備える。前記方法は、所定の変動パターンを用いて少なくとも１つのバルブにより少なくとも１つの流体を変動させて誘導するステップと、少なくとも１つの流体を変動させて誘導する間に、電池スタックの電流応答及び／又は電圧応答を判断するステップと、電圧応答及び電流応答を用いて電気化学システムの作動状態を判断するステップと、を含む。変動パターンはバルブにより流体流に適用される。

【0008】

好ましくは、所定の変動パターンを用いて少なくとも１つの流体を変動させて誘導することとは、電気化学システムにおける流体を周期化（ｃｙｃｌｅｄ）及び／又はパルス化させて（ｐｕｌｓｅｄ）誘導することとして理解されたい。流体を周期化させて誘導することとは、流体を第１のサイクルで誘導し、次のサイクルでは誘導せず、その後再び誘導することを意味する。さらに、第１のサイクルでは所定の低誘導量で流体を誘導し、次のサイクルでは低誘導量より高い所定の高誘導量で流体を誘導してもよい。異なる及び／又は変動する誘導量は、周期的に均一に異なるか、又は、所定の方法で不均一に変動する。好ましくは、本発明による誘導量の変動は、サイクル及び／又はパルスバルブ（供給バルブ及び／又は出口バルブ）を使用することにより実行される。そのようなバルブを使用することにより、電気的な励起のため電気化学システムに必要な付加的な及び／又は適合されたパワーエレクトロニクスが不要となる。したがって、前記方法を容易に実行することができ、したがって、システムを容易に作動させることができる。本発明のバルブは、一般的な電気化学システムに既に配設されているため、本発明の方法を使用する際に電気化学システムにおける複雑な実装が不要となる。本発明のバルブが電気化学システムに設置又は実装されていない場合であっても、容易かつ費用効果的に改良することができる。本発明の方法では、少なくとも１つの媒体流はモデル化又はパルス化される。これは、電池スタックの前又は後で行われる。流体はバルブにより周期化又はパルス化される。つまり、所定の周波数が流体に適用される。本発明による励起方法により、電気化学システムにおけるパワーエレクトロニクスの変更が不要となる。

【0009】

流体流を周期化するための少なくとも１つのバルブが流体ラインに設けられる。このバルブは、例えば、電池スタックの下流又は上流に直接配設される。代替例では、このバルブは、供給ライン又は排出ラインとして形成された流体ラインに配設され、これにより、周期化又はパルス化された流体が流体ラインに供給されるか又は流体ラインから排出されるか、あるいは、計量供給又は計量排出される。さらに、任意選択的に、加湿をパルス化又は周期化するためのバルブを配設してもよい。このバルブはバイパスラインに配設される。バイパスラインは、流体ラインであり、向流加湿装置（countercurrent humidifier）などの半透性材料交換器（semipermeable material exchanger）を迂回するように構成され、配置されている。バイパスライン及びバルブによって誘導され周期化された流体は、半透性材料交換器の下流でかつ電池スタック、特にアノードセクションの上流における流体ラインに供給される。

【0010】

電気化学システムは、特に、化学結合エネルギーを電気エネルギーに変換するシステム、例えば、燃料電池システムとして、又は、電気エネルギーにより化学組成物を変換するシステム、例えば、電解槽として理解されたい。この場合、本発明の方法において、電気化学システムの動作モードから独立して、つまり、システムが燃料電池システム又は電解槽として設計され又は作動するか否かとは無関係に実行されるというさらなる利点が得られる。燃料電池システムは、低温燃料電池システム、例えば、プロトン交換膜燃料電池システム（ＰＥＭＦＣ）である。

【0011】

本発明の範囲において、電池スタックは、少なくとも１つの電極セクション又は１つの電極を有する電気化学リアクタとして理解されたい。特に、電池スタックは、例えば、カソード及びアノードなどの２つの電極を有する。例えば、電池スタックは、電気分解を実行するように構成され配設されてもよく、又はガルバニ電池として構成されてもよい。

【0012】

少なくとも１つの電極セクションは、燃料電池スタック又はＳＯＥＣシステムなどの電気化学リアクタのアノードセクション及び／又はカソードセクションである。この場合、電気化学リアクタは電池スタックに対応している。少なくとも１つの電極セクションに対する少なくとも１つの流体の変動する、特に周期化又はパルス化された供給に起因して周期化又はパルス化された信号が生じる。サイクル（周期化）又はパルス間の流体の不足又は少なくとも減少により、流体は、サイクル又はパルスの継続時間に亘って不均一に少なくとも１つの電極セクションで消費されるか又は少なくとも部分的に消費され、次のパルス中に、例えば拡散によって各々の電極に再び送られる必要がある。例えば、（周期化又はパルス化された）方形波信号により励起が行われる場合、電池スタック電圧の交流成分の振幅は、サイクル周波数又はパルス周波数によりのこぎり波状に偏向されて、情報分析される。

【0013】

電圧応答及び／又は電流応答の判断は、好ましくは、電圧及び電流から構成される混合信号の交流成分の測定又は検出として理解されたい。電圧応答及び／又は電流応答の判断では、流体又は媒体の異なる濃度が、少なくとも１つの電極セクション、つまりアノードセクション及び／又はカソードセクションにおいて判断される。このため、特に、流体供給の変更、例えば流体、例えばアノードセクションにおける燃料などの還元剤及び／又はカソードセクションにおける空気などの酸化剤の化学量の変更が判断される。電気化学システムの作動状態の判断は、特に電極セクションの状態、すなわち、例えば、アノードセクション及び／又はカソードセクションの状態の判断として理解されたい。この判断では、特に酸化剤不足及び／又は還元剤不足又は流体間の移動が生じているか否かが判断される。また、変動パターンの適用は変動パターンの付与としても理解することができる。流体流は実質的に流体に対応しており、本発明における意味においては、流体流には常に変動パターンが付与されている。

【0014】

判断された電気化学システムの作動状態に応じて、電極セクションへの作動流体の供給、例えば、カソードセクションへの空気の供給及び／又はアノードセクションへの燃料の供給が適合される。

【0015】

好ましくは、少なくとも１つの供給バルブが少なくとも１つの電極セクションの上流に設けられ、かつ／又は、少なくとも１つの出口バルブが少なくとも１つの電極セクションの下流に設けられる。少なくとも１つの流体は、所定の変動パターンを用いて少なくとも１つの供給バルブ及び／又は少なくとも１つの出口バルブによって誘導される。電池スタックの電流応答及び／又は電圧応答は、少なくとも１つの流体を変動させて誘導する間に判断される。したがって、本発明の方法は、パワーエレクトロニクスに変更を加える必要がないという利点をもたらすだけでなく、初期の実験においても先行技術よりも優れた分析能力が確認されている。

【0016】

本発明の一実施例では、電池スタックは、アノードセクションの形態をなす第１の電極セクションと、カソードセクションの形態をなす第２の電極セクションと、を備える。アノードセクションの上流に第１の供給バルブが配設され、カソードセクションの上流に第２の供給バルブが配設される。変形例に係る構成において、本発明は、所定の第１の変動パターンを用いて第１の供給バルブによりアノードセクションに対して第１の流体を変動させて供給するステップと、第１の変動パターンと異なる所定の第２の変動パターンを用いて第２の供給バルブによりカソードセクションに対して第２の流体を変動させて供給するステップと、アノードセクションに対して第１の流体を変動させて供給する間に、電池スタックのアノードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答を判断するステップと、カソードセクションに対して第２の流体を変動させて供給する間に、電池スタックのカソードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答を判断するステップと、アノードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答、並びに／あるいはカソードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答に基づいて電気化学システムの作動状態を判断するステップと、を含む。

【0017】

したがって、特に詳細に説明する方法により、電気化学システムの作動状態を作動中に又はオンラインで判断することができる。より正確には、アノードセクションにおける作動状態及びカソードセクションにおける作動状態は、実質的に同時に判断され得る。この動作状態は、一方では、媒体の過剰供給又は供給不足によって損なわれる可能性があり、燃料電池の膜又は壁部を介した媒体の移動により妨げられる可能性がある。異なる変動パターンを用いる場合、どの信号がどの電極からのものであり、どの流体流又は媒体流がそれに対応しているかということを後に確実に判断することができる。したがって、アノードセクションについて及びカソードセクションについて測定及び計算することができる。望ましくない流体移動や流体不足が生じた場合、同様の方法でその原因を追跡しかつ／又は発見することができる。電気化学システム又は電池スタックが異なる２つの周波数を用いて励起される場合、対応する信号応答の周波数を検出することできる。検出された周波数に基づいて、信号がアノードセクション又はカソードセクションに割り当てるられる。次いで、対応する周波数の振幅プロファイルが再構成され、これにより、個々の電極の流体供給の変化を断定することができる。

【0018】

付加的に又は代替例として、好ましくは、電池スタックは、アノードセクションの形態をなす第１の電極セクションと、カソードセクションの形態をなす第２の電極セクションと、を備える。アノードセクションの下流に第１の出口バルブが配設され、カソードセクションの下流に第２の出口バルブが配設される。この変形例に係る構成において、前記方法は、所定の第１の変動パターンを用いて第１の出口バルブによりアノードセクションから第１の流体を変動させて排出するステップと、第１の変動パターンと異なる所定の第２の変動パターンを用いて第２の出口バルブによりカソードセクションから第２の流体を変動させて排出するステップと、アノードセクションから第１の流体を変動させて排出する間に、電池スタックのアノードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答を判断するステップと、カソードセクションから第２の流体を変動させて排出する間に、電池スタックのカソードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答を判断するステップと、アノードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答、並びに／あるいはカソードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答に基づいて電気化学システムの作動状態判断するステップと、を含む。

【0019】

この場合、媒体流は電池スタックの下流でパルス化される。その後、モデリングが行われる。前述の利点は、この変形例にも適用されるが、その理由についての詳細な説明は省略する。

【0020】

さらなる変形例では、電池スタックは、アノードセクションの形態をなす第１の電極セクションと、カソードセクションの形態をなす第２の電極セクションと、を備える。第１の供給バルブは、第１の供給ラインにおいて、アノードセクションの上流側に配設され、第２の供給バルブは、第２の供給ラインにおいて、カソードセクションの上流側に配設される。この変形例に係る構成において、前記方法は、第１の供給ラインにおける第１の定量流体を所定の第１の変動パターンを用いて第１の供給バルブにより第１の流体ラインにおける第１の流体に変動させてアノードセクションに供給するステップと、第２の供給ラインにおける第２の定量流体を第１の変動パターンと異なる所定の第２の変動パターンを用いて第２の供給バルブにより第２の流体ラインにおける第２の流体に変動させてカソードセクションに供給するステップと、第１の流体に変動させてアノードセクションに供給する間に、電池スタックのアノードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答を判断するステップと、第２の流体に変動させてカソードセクションに供給する間に、電池スタックのカソードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答を判断するステップと、アノードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答、並びに／あるいはカソードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答に基づいて電気化学システムの作動状態を判断するステップと、を含む。

【0021】

この変形例では、流体のパルス化又は周期化はそれぞれ独立したインダクタ経路におけるバルブを介して行われる。

【0022】

さらに、本発明の方法において、第１の流体が燃料又は水であるか燃料又は水を含み、及び／又は、第２の流体が空気であるか又は空気を含んでいてもよい。対応する電極に水、燃料及び／又は空気を供給することにより、いずれの場合においても電気化学システムにおけるプロセス流体が使用される。したがって、前記方法を容易に実行することができる。燃料として、メタノール又はエタノールなどの水素又は炭化水素を用いてもよい。通常、第１の流体は還元剤であり、第２の流体は酸化剤である。特に、還元剤はカソード側に導かれ、酸化剤はアノード側に導かれる。例えば、第２の流体が空気である場合、空気に加湿用の水又は窒素を混合してもよい。また、流体は、不活性流体であってもよく、例えば、ＳＯＥＣシステムにおけるカソード経路中の水素である。

【0023】

さらに、本発明の方法において、１Ｈｚ～５００Ｈｚ、特に３Ｈｚ～４００Ｈｚ、好ましくは４Ｈｚ～３５０Ｈｚの周期（ｃｙｃｌｉｎｇ）で少なくとも１つの流体が誘導される。１０Ｈｚ～３０Ｈｚ、特に約３Ｈｚの周期が特に有利であることが分かっている。
この場合、周期は流体を変動させて供給することに対応している。本発明の範囲内の実験により、この周期は有益な測定結果として十分であることが示された。さらに、費用対効果の高い供給バルブを用いることができる。

【0024】

さらに、本発明の方法において、電気化学システムの作動状態の判断は、所定のタイムウィンドウにおける電気化学システムの連続的又は自動的な作動中に実行される。電気化学システムの継続的なモニタリングにより、常に異常や故障をタイムリーに認識することができ、起こり得るダメージを防止することができる。モニタユニットとシステム制御ユニットとの間のデータストリームは、例えば、電気化学システムの所定の作動状態における、自動化され目標として設定されかつ／又は選択されたモニタリングにより、例えば燃料不足などのスカラ変数（インジケータ）に低減される。例えば、インジケータは百分率で表される（１００％は完全に適用され、５０％は半分だけ適用され、０％は全く適用されない）。

【0025】

本発明のさらなる態様によれば、記憶媒体に記憶され、請求項に記載の方法を実行するように構成され、設計されたコンピュータプログラム製品が提供される。したがって、コンピュータプログラムは、広範に説明した本発明による方法の利点と同様の利点をもたらす。コンピュータプログラム製品は、例えば、ＪＡＶＡ（登録商標）又はＣ＋＋などの適切なプログラミング言語でコンピュータ可読命令コードとして実装される。コンピュータプログラム製品は、データディスク、リムーバブルドライブ、揮発性又は不揮発性のメモリあるいはインストールされたメモリ／プロセッサなどのコンピュータ可読記憶媒体に記憶される。命令コードは、所望の機能を実行するようにコンピュータ又は他のプログラム可能なデバイスのプログラムに用いられる。さらに、コンピュータプログラム製品は、ネットワーク、例えば、インターネット上に提供され、そこから必要に応じてユーザがダウンロードできるようにしてもよい。コンピュータプログラム製品は、コンピュータプログラム、つまりソフトウェアにより、一つ又は複数の特別な電子回路、つまりハードウエア又は任意のハイブリットな構成、つまりソフトウェアコンポーネント及びハードウエアコンポーネントに実装される。

【0026】

本発明のさらなる態様は、前記コンピュータプログラム製品が記憶された記憶媒体に関する。さらに、本発明は、前記方法を実行するように構成、設計された、電気化学システムのための回路装置に関する。したがって、記憶媒体及び回路装置により前述の利点がもたらされる。

【0027】

本発明のさらなる態様によれば、電気化学システムが提供される。電気化学システムは、少なくとも１つの電極セクション、少なくとも１つの供給バルブ及び／又は少なくとも１つの出口バルブを有する電池スタックを備える。少なくとも１つの供給バルブは、少なくとも１つの電極セクションに対して少なくとも１つの流体を変動させて供給するように少なくとも１つの電極セクションの上流に配設されており、かつ／又は、少なくとも１つの出口バルブは、少なくとも１つの電極セクションから少なくとも１つの流体を変動させて排出するように少なくとも１つの電極セクションの下流に配設されている。さらに、電気化学システムは、前述の回路装置を有する。

【0028】

また、電気化学システムは前述の利点をもたらす。プロセス流体は、電気化学システムの作動に必要な流体として理解されたい。プロセス流体は、例えば、空気、水、燃料、バイオガス、メタノール、エタノール及び／又は他の流体であり、これらに限定されない。好ましくは、供給バルブ及び／又は出口バルブは、サイクルバルブ又はパルスバルブとしてそれぞれ設計されている。

【0029】

好ましくは、少なくとも２つの流体ラインが配設される。少なくとも１つの流体ラインは供給ラインとして形成され、供給ラインに少なくとも１つの供給バルブが配設される。供給ラインは、少なくとも１つの流量調整器の下流において流体ラインに対して開口している。したがって、電池スタックの前にプロセス流体にサイクル又はパルスが適用される。これは、好ましくはプロセス流体の僅かな部分だけが誘導される個別の供給ラインで行われる。サイクル／パルスが適用されるプロセス流体は、流量調整器の下流において流体ラインに送られ、これにより、プロセス流体の大部分が周期化される。

【0030】

さらに、電池スタックが、アノードセクションの形態をなす第１の電極セクションと、カソードセクションの形態をなす第２の電極セクションと、を備える場合に有利である。第１の供給ライン及び第２の供給ラインが設けられ、第１の供給ラインに第１の供給バルブが配設され、第２の供給ラインに第２の供給バルブが配設される。第１の供給バルブ及び第２の供給バルブは、異なるように定期的に周期化されて流体を供給する。第１の供給ラインは、アノードセクションから上流の第１の流体ラインに通じている。第２の供給ラインは、カソードセクションから上流の第２の供給ラインに通じている。すなわち、第１の供給バルブ及び第２の供給バルブは異なる周期的な変動パターンを用いて構成される。第１の供給バルブ及び第２の供給バルブは、別々の供給ラインにそれぞれ配設されている。この周期性により作動状態の効果的な判断のために有益で特に均一な応答信号が生成される。

【0031】

好ましい変形例では、電池スタックは、アノードセクションの形態をなす第１の電極セクションと、カソードセクションの形態をなす第２の電極セクションと、を備える。アノードセクションの上流において第１の供給ラインに第１の供給バルブが配設されている。第１の供給ラインは、第１の流体をアノードセクションに供給するように、第１の流量調整器から第１の流体ラインへと下流に開口している。カソードセクションの上流において第２の供給ラインに第２の供給バルブが配設されている。第２の供給ラインは、第２の流体をアノードセクションに供給するように第２の流量調整器から第２の流体ラインへと下流に開口している。第１の供給バルブ及び第２の供給バルブは、流体を誘導するため、異なるように定期的に周期化される。すなわち、第１の供給バルブ及び第２の供給バルブは、異なる周期の変動パターンを用いて構成される。この周期性により作動状態の効果的な判断のために有益で特に均一な応答信号が生成される。

【0032】

さらに好ましい変形例では、電池スタックは、アノードセクションの形態をなす第１の電極セクションと、カソードセクションの形態をなす第２の電極セクションと、を備える。アノードセクションから第１の流体を排出する第１の出口バルブは、アノードセクションの下流に配設されている。カソードセクションから第２の流体を排出する第２の出口バルブは、カソードセクションの下流に配設されている。第１の出口バルブ及び第２の出口バルブは、流体を排出するために異なるように定期的に周期化される。すなわち、第１の出口バルブ及び第２の出口バルブは、異なる周期的な変動パターンを用いて構成される。この周期性により作動状態の効果的な判断のために有益で特に均一な応答信号が生成される。

【0033】

本発明を改善するさらなる手段は、本発明の種々の例示的な実施例についての以下の説明により明らかになる。当該手段を概略的に図に示す。詳細な設計及び空間的配置を含む、特許請求の範囲、詳細な説明及び／又は図面から得られる全ての特徴及び／又は利点は、それ自体又は種々の組み合わせとして本発明に必須のものである。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】図１は、本発明の第１の実施例による方法を説明するためのブロック図である。

【図2】図２は、本発明の第２の実施例による方法を説明するためのブロック図である。

【図3】図３は、本発明の第３の実施例による方法を説明するためのブロック図である。

【図4】図４は、本発明の第４の実施例による方法を説明するためのブロック図である。

【図5】図５は、本発明の第５の実施例による方法を説明するためのブロック図である。

【図6】図６は、本発明の第１の実施例による電気化学システムのフローチャートである。

【図7】図７は、本発明の第２の実施例による電気化学システムのフローチャートである。

【図8】図８は、従来技術により公知の特性曲線プロファイルを説明するためのグラフである。

【図9】図９は、本発明による特性曲線プロファイルを説明するためのグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0035】

図１～図９において、同一の機能及び動作モードを有する構成要素については同一の参照符号を用いている。

【0036】

図１は第１の実施例による電気化学システム１ａを示している。図１に示したシステム１ａは、例えば、燃料電池システム又は燃料電池システムの少なくとも一部として理解されたい。電池スタック２は、例えば、アノードセクション３及びカソードセクション４としての第１の電極セクション及び第２の電極セクションを備える。第１の供給バルブ５は、アノードセクション３の上流に配設されている。第２の供給バルブ６は、カソードセクション４の上流に配設されている。供給バルブ５，６は、対応する電極セクション３，４に対してプロセス流体を変動させて供給するための周期化又はパルス化されたバルブとして構成されている。

【0037】

さらに、第１の供給バルブ５の上流には、第１の供給バルブ５への流体の流量を制御及び／又は調整するための第１の流量調整器７が配設されている。さらに、第２の供給バルブ６の上流には、第２の供給バルブ６への流体の流量を制御及び／又は調整するための第２の流量調整器８が配設されている。アノードセクション３の下流には、アノード領域を洗浄するためのフラッシュバルブ９（図１に図示せず）が配設されている。第１の供給バルブ５及び第２の供給バルブ６は、各々のプロセス流体の供給を異なるように変動させるため、異なるように定期的に周期化される。すなわち、第１の供給バルブ５は、第１の変動パターンを用いて構成されており、第２の供給バルブ６は、第１の変動パターンと異なる第２の変動パターンを用いて構成されている。流体ライン２３は、流量調整器７，８と供給バルブ５，６との間及び供給バルブ５，６と電池スタック２との間にそれぞれ設けられている。また、流体ライン２３は、電池スタック２の下流にも設けられている。アノード経路には第１の流体ライン２３ａが配設され、カソード経路には第２の流体ライン２３ｂが配設されている。

【0038】

さらに、図１に示したシステム１ａは、システム１ａを制御及び／又は調節するための回路装置１３を有する。回路装置１３は、コンピュータプログラム製品１１が記憶及び／又はインストールされる記憶媒体１２を備える。コンピュータプログラム製品１１は、図３，４を参照して説明する方法を実行するように構成されている。

【0039】

図２は、第２の実施例による電気化学システム１ｂを示している。電気化学システム１ｂは、周期化又はパルス化された１つの出口バルブ２０を備えている。カソードセクション及び／又は電池スタックについては図示省略する。アノードセクション３の下流に流体ポンプ１０が配設されている。流体ポンプ１０の下流にフラッシュバルブ９が配設されている。フラッシュバルブ９は、アノード領域を洗浄するように配設されている。回路装置１３は、第１の実施例において既に説明した回路装置に対応している。また、電気化学システム１ｂの個々の構成要素の間に流体ライン２３が設けられている。回路装置１３は図１に示した回路装置に対応している。アノードセクション３はカソードセクションとしても形成され得る。

【0040】

図３は、パルス化／周期化された第１の出口バルブ２０及びパルス化／周期化された第２の出口バルブ２１を備える電気化学システム１ｃを示している。第１の出口バルブ２０はアノードセクション３の下流に配設されている。第２の出口バルブ２１はカソードセクション４の下流に配設されている。本実施例では、出口バルブ２０，２１は、排出ライン２５ａ，２５ｂにそれぞれ配設されている。第１の排出ライン２５ａは、アノードセクション３の下流で第１の流体ライン２３ａから分岐している。第２の排出ライン２５ｂは、カソードセクション４の下流で第２の流体ライン２３ｂから分岐している。オーバフローバルブ１９は圧力保持バルブとして構成されており、流体ライン２３ａ，２３ｂにそれぞれ配設されている。回路装置１３は、他の例示的な実施例の回路装置に対応している。

【0041】

図４は、第４の実施例による電気化学システム１ｄを示している。第１の供給ライン２４ａ又は第２の供給ライン２４ｂは、アノードセクション３又はカソードセクション４の上流にそれぞれ配置されている。第１の供給ライン２４ａ及び第２の供給ライン２４ｂには供給バルブ５，６がそれぞれ配設されている。各々の供給ライン２４ａ，２４ｂは、電池スタック２の上流でかつ流量調整器５，６の下流において、第１の流体ライン２３ａ又は第２の流体ライン２３ｂにそれぞれ合流している。流量調整器５，６は必須のバルブであり、ソレノイドバルブとして設計されていてもよい。図４における電池スタック２の下流に、過度の圧力下での作動時に用いられる２つのオーバフローバルブが設けられている。回路装置１３は他の例示的な実施例における回路装置に対応している。

【0042】

図５は第４の実施例による電気化学システム１ｅを示している。この場合、バルブ５は、加湿をパルス化又は周期化するためのバルブであって、バイパスライン２６に配設されている。バイパスライン２６は流体ライン２３に対応しており、半透性材料交換器２２を迂回するように構成され、配置されている。バイパスライン２６及びバルブ５により誘導され周期化された流体は、流体ライン２３に向けて半透性材料交換器２２の下流でかつ電池スタック２、特にアノードセクション３の上流に供給される。アノードセクション３の下流にはオーバフローバルブ１９が配設されている。流体ライン２３は、オーバフローバルブ１９を半透性材料交換器２２に流体的に接続する。回路装置１３は、他の例示的な実施例における回路装置に対応している。

【0043】

種々の例示的な実施例は少なくとも部分的に他の実施例と組み合わされてもよい。また、ＰＥＭＦＣなどの燃料電池システムは、一つの例示的なものに過ぎないものと理解されたい。例えば、電気化学システムは、ＳＯＥＣシステムとして設計されてもよい。この変形例では、電極セクション（カソードセクション４又はアノードセクション３）の設計は、燃料電池システムと逆の設計となっている。

【0044】

図６は、図１～図５に示した電気化学システム１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅにおける作動状態を判断するための方法を第１の実施例に従い説明するフローチャートを示している。第１のステップＳ１において、流体又は水素からなるプロセス流体は、３０Ｈｚでパルス化された供給バルブ５によって変動されるように電池スタック２のアノードセクション３に供給される。第２のステップＳ２において、電池スタック２の電圧応答及び／又は電流応答が測定又は決定される。次に、ステップＳ３において、測定値が評価され分析される（例えば、ＴＨＤＡ法又は他の適切な方法により）。電気化学システム１ａ，１ｂの作動状態は、電圧応答及び／又は電流応答に基づいて判断される。この場合、所定のアルゴリズムにより、インジケータのプロファイル（図８における符号１４）を判断しかつ／又は計算することができる。インジケータが変化すると、これに応じて回路装置１３が水素の流れを適合させるように作動する。

【0045】

図７を参照して、第２の実施例の電気化学システム１ｂの作動状態を判断するための方法を説明する。第１のステップＳ１０において、水素であるプロセス流体は、２０Ｈｚでパルス化された第１の供給バルブ５によって変動されるように電池スタック２のアノードセクション３に供給される。さらに、少なくとも部分的に同時に実行される第２のステップＳ２０において、例えば空気であるプロセス流体は、４０Ｈｚでパルス化された第２の供給バルブ６によって変動されるように電池スタック２のカソードセクション４に供給される。この間又はその後、第３のステップＳ３０において、電池スタック２のアノードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答並びに電池スタック２のカソードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答が測定される。この測定は、電極３，４が信号応答で検出される異なる２つの周波数を用いて励起されるため可能となっている。第４のステップＳ４０において、アノードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答、並びに／あるいはカソードセクションに特有の電圧応答及び／又は電流応答に基づいて電気化学システム１ｂの作動状態が判断される。

【0046】

図８及び図９を参照して、従来技術における方法と比較した本発明による方法の利点を説明する。図８及び図９は、時間軸（ｓ）に対する電流軸（Ｉ／Ａ）又は電圧軸（Ｕ／Ｖ）を含むグラフを示している。グラフは、プロセス媒体インジケータ１４、スタック電圧１５、電流１６、酸素１７の化学量を１０倍した値（λ×１０）及び酸素濃度１８を示している。プロセス媒体インジケータ１４（０％～１００％）は強調して示されている。図８に示すように、プロセス媒体インジケータ１４は、時間の経過とともに全体的に増加し、上下に変動する振幅プロファイルを示している。これに対し、図９では、プロセス媒体インジケータ１４は、時間の経過とともに均一に上昇する振幅プロファイルを示している。このプロファイルは、図８に示したプロファイルと比べて、電気化学システム１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの作動状態の対応する指標又はインジケータとして、比較的容易かつ確実に認識することができる。

【0047】

本発明は、図示した実施例に加えて他の設計を許容する。すなわち、本発明は図示した実施例に限定されない。

【符号の説明】

【0048】

１ａ，１ｂ 燃料電池システム
２ 電池スタック
３ アノード（電極セクション）
４ カソード（電極セクション）
５ 供給バルブ
６ 供給バルブ
７ 流量調整器
８ 流量調整器
９ フラッシュバルブ
１０ 流体ポンプ
１１ コンピュータプログラム製品
１２ 記憶媒体
１３ 回路装置
１４ プロセス媒体インジケータ
１５ スタック電圧
１６ 電流
１７ 化学量比
１８ 水素量
１９ オーバフローバルブ
１９ａ オーバフローバルブ
１９ｂ オーバフローバルブ
２０ 出口バルブ
２１ 出口バルブ
２２ 半透性材料交換器
２３ 流体ライン
２３ａ 流体ライン
２３ｂ 流体ライン
２４ａ 供給ライン
２４ｂ 供給ライン
２５ａ 排出ライン
２５ｂ 排出ライン
２６ バイパスライン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】