DE10007973A1

DE10007973A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE10007973A1
Application number: DE10007973A
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Nonobe
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-02-23
Filing date: 2000-02-22
Publication date: 2000-09-21
Anticipated expiration: 2020-02-23
Also published as: US6524733B1; JP2000243418A; JP4200576B2; DE10007973B4; US20020192520A1; US6790549B2

Abstract

In einem Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem (20) wird ein Zustand der Befeuchtung von Elektrolytmembranen präzise bestimmt und wird eine Regulierung durchgeführt, so daß der Zustand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen im wesentlichen innerhalb eines geeigneten Bereichs bleibt. Das System bestimmt einen Zustand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen der Brennstoffzelle, basierend auf einem Differentialwert des Widerstands der Brennstoffzelle, der von einem Widerstandsdetektor (48) erfaßt wird, wenn der von der Brennstoffzelle abgegebene elektrische Strom gleich einem vorbestimmten Wert ist. Der Strom der Zelle wird von einem Strommesser erfaßt. Die Brennstoffzelle wird gebildet durch Stapeln von elektrisch leitfähigen Elektroden und Separatoren und protonenleitfähigen Elektrolytmembranen. Die elektrische Leitfähigkeit der Elektronen und der Separatoren wird nicht durch deren Befeuchtungszustand beeinflußt, wohingegen sich die Protonenleitfähigkeit der Elektrolytmembranen abhängig von dem Zustand ihrer Befeuchtung in großem Maße ändert. Daher stellt die Änderungsrate des Widerstands der Brennstoffzelle direkt die Änderungsrate der Protonenleitfähigkeit der Elektrolytmembranen dar, so daß der Befeuchtungszustand der Elektrolytmembranen präzise bestimmt werden kann.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzel lensystem und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle besitzt, die durch Stapeln von Einheitszellen gebildet wird, wobei je de davon eine Elektrolytmembran und zwei in einer Sand wich-Anordnung zu der Elektrolytmembran stehende Elektro den besitzt.

2. Beschreibung des verwandten Fachgebiets

Vorgeschlagen wurde ein Brennstoffzellensystem, das basierend auf der Feuchtigkeit in einer Polymerelektro lyt-Brennstoffzelle und der von der Brennstoffzelle abge gebenen Spannung bestimmt, ob die Menge an Feuchtigkeit oder Wasser, die in den Elektrolytmembranen enthalten ist, unzureichend ist, und ein Brennstoffzellensystem, das bestimmt, ob die Menge an Wasser, die in Elektrolyt membranen einer Brennstoffzelle enthalten ist, ausrei chend ist, basierend auf einem Schwellwert des elektri schen Stroms, der unter Verwendung des Änderungsbetrags der Spannung und Temperatur als Parameter hergeleitet wird, und auf dem von der Brennstoffzelle abgegebenen Strom (beschrieben in zum Beispiel der Japanischen Offen gelegten Patentanmeldung Nr. HEI 7-272736). Diese Systeme leiten entsprechend einer erfaßten Reaktionstemperatur der Brennstoffzelle unter Verwendung einer Tabelle, die ein Verhältnis zwischen der zulässigen minimalen Span nung, die von der Brennstoffzelle abgegeben wird, und der Reaktionstemperatur der Brennstoffzellen angibt, eine zu lässige minimale Spannung als einen Schwellwert her. Wenn die von der Brennstoffzelle abgegebene Spannung geringer als der Schwellwert ist, wird bestimmt, daß die Menge des in der Elektrolytmembran enthaltenen Wassers unzureichend ist. Die Systeme leiten, unter Verwendung des Änderungs betrags der von der Brennstoffzelle abgegebenen Spannung und der Temperatur der Brennstoffzellen als Parameter, auch einen maximalen elektrischen Stromwert als einen Schwellwert her. Wenn der von der Brennstoffzelle abgege bene Strom größer als der Schwellwert ist, wird bestimmt, daß die Menge an in der Elektrolytmembran enthaltenem Wasser unzureichend ist. Wenn bestimmt wird, daß die Menge des in der Elektrolytmembran enthaltenen Wassers unzureichend ist, schränken die Systeme den den Verbrau chern zugeführten Strom ein.

Die oben beschriebenen Brennstoffzellensysteme besit zen jedoch einen Nachteil einer verringerten Genauigkeit bei der Bestimmung des in der Elektrolytmembran enthalte nen Wassers, da die Menge des in der Elektrolytmembran enthaltenen Wassers abhängig von der Brennstoffzellentem peratur, dem Brennstoffgasdruck, der Menge an zugeführtem Brennstoffgas und dergleichen sich beträchtlich ändert. Wenn ferner bestimmt wird, daß die Menge an in der Elek trolytmembran enthaltenem Wasser unzureichend ist, schränken die Systeme den den Verbrauchern zugeführten Strom ein, um so die Elektrolytmembranen vor einer Schä digung zu schützen. Es ist jedoch schwierig, einen geeig neten Bereich der Menge an in der Elektrolytmembran ent haltenem Wasser in den Systemen zu erreichen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist folglich eine Aufgabe der Erfindung, einen Zu stand der Befeuchtung von Elektrolytmembranen in einem Brennstoffzellensystem präzise zu bestimmen. Es ist eine andere Aufgabe, eine Regulierung derart durchzuführen, daß der Zustand der Befeuchtung innerhalb eines geeigne ten Bereichs bleibt. Es ist noch eine andere Aufgabe, zu bestimmen, daß eine Abnormität in einem Brennstoffzellen system vorliegt, wenn der Zustand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen nicht in einem geeigneten Bereich re guliert werden kann, und die Elektrolytmembranen vor ei ner Schädigung zu schützen, wenn bestimmt wird, daß eine Abnormität vorliegt.

Um zumindest eine der zuvor erwähnten und anderen Aufgaben der Erfindung zu erfüllen, stellt ein Aspekt der Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer Brenn stoffzelle vom Polymerelektrolyttyp zur Verfügung, die gebildet wird durch Stapeln von Einheitszellen, von denen jede eine Elektrolytmembran besitzt, die in einer Sand wich-Anordnung mit zwei Elektroden steht, wobei das System eine Brennstoffgaszuführung, die der Brennstoff zelle ein Brennstoffgas zuführt, einen Brennstoffgasbe feuchter, der das Brennstoffgas befeuchtet, einen Strom detektor, der einen von der Brennstoffzelle abgegebenen elektrischen Strom erfaßt, einen Widerstandsdetektor, der einen Widerstand der Brennstoffzelle erfaßt, und eine Be feuchtungszustandsbestimmungseinrichtung, die einen Zu stand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen auf Basis des von dem Stromdetektor erfaßten Stroms und des von dem Widerstandsdetektor erfaßten Widerstands bestimmt, ein schließt.

Dieses Brennstoffzellensystem bestimmt einen Zustand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen, basierend auf dem von der Brennstoffzelle abgegebenen Strom und dem elektrischen Widerstand der Brennstoffzelle, welcher di rekt bestimmt wird durch den Zustand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen. Das System stellt daher eine präzise Bestimmung des Zustands der Befeuchtung der Elektrolyt membranen zur Verfügung.

Ein anderer Aspekt der Erfindung stellt ein Brenn stoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle vom Polymer elektrolyttyp zur Verfügung, die gebildet wird durch Sta peln von Einheitszellen, von denen jede eine Elektrolyt membran besitzt, die in einer Sandwich-Anordnung mit zwei Elektroden steht, wobei das System eine Brennstoffgaszu führung, die der Brennstoffzelle ein Brennstoffgas zu führt, einen Brennstoffgasbefeuchter, der das Brennstoff gas befeuchtet, einen Stromdetektor, der einen von der Brennstoffzelle abgegebenen elektrischen Strom erfaßt, einen Spannungsdetektor, der eine von der Brennstoffzelle abgegebene Spannung erfaßt, eine Brennstoffgaszuführungs- Änderungseinrichtung, die eine Menge des der Brennstoff zelle zugeführten Brennstoffgases verändert, eine Be feuchtungszustandsbestimmungseinrichtung, die einen Zu stand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen basierend auf dem Strom und der Spannung, die von dem Stromdetektor bzw. dem Spannungsdetektor erfaßt werden, bestimmt, wenn die Menge des zugeführten Brennstoffgases durch die Brennstoffgaszuführungs-Änderungseinrichtung verändert wird, einschließt.

Dieses Brennstoffzellensystem bestimmt einen Zustand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen auf Basis des Stroms, der Spannung und der Menge des der Brennstoffzel le zugeführten Brennstoffgases, welches ein Faktor ist, der den Zustand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen beeinflußt. Das System stellt daher eine präzise Bestim mung des Zustands der Befeuchtung der Elektrolytmembranen zur Verfügung.

Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung stellt ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle vom Polymerelektrolyttyp zur Verfügung, die gebildet wird durch Stapeln von Einheitszellen, von denen jede eine Elektrolytmembran besitzt, die in einer Sandwich-Anord nung mit zwei Elektroden steht, wobei das System eine Brennstoffgaszuführung, die der Brennstoffzelle ein Brennstoffgas zuführt, einen Brennstoffgasbefeuchter, der das Brennstoffgas befeuchtet, einen Spannungsdetektor, der eine von der Brennstoffzelle abgegebene Spannung er faßt, eine Brennstoffgaszuführungs-Änderungseinrichtung, die eine Menge des der Brennstoffzelle zugeführten Brenn stoffgases verändert, und eine Befeuchtungszustandsbe stimmungseinrichtung, die einen Zustand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen bestimmt auf Basis einer ersten Spannung, die von dem Spannungsdetektor erfaßt wird, be vor die Menge des zugeführten Brennstoffgases durch die Brennstoffgaszuführungs-Änderungseinrichtung geändert wird, und einer zweiten Spannung, die durch den Span nungsdetektor erfaßt wird, nachdem die Menge des zuge führten Brennstoffgases durch die Brennstoffgaszufüh rungs-Änderungseinrichtung verändert wurde, einschließt.

Dieses Brennstoffzellensystem bestimmt einen Zustand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen auf Basis der Spannung und der Menge des der Brennstoffzelle zugeführ ten Brennstoffgases, welcher ein Faktor ist, der den Zu stand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen beeinflußt. Das System stellt daher eine präzise Bestimmung des Zustands der Befeuchtung der Elektrolytmembranen zur Ver fügung.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung stellt ein Brenn stoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle vom Polymer elektrolyttyp zur Verfügung, die gebildet wird durch Sta peln von Einheitszellen, von denen jede eine Elektrolyt membran besitzt, die in einer Sandwich-Anordnung mit zwei Elektroden steht, wobei das System eine Brennstoffgaszu führung, die der Brennstoffzelle ein Brennstoffgas zu führt, einen Brennstoffgasbefeuchter, der das Brennstoff gas befeuchtet, einen Spannungsdetektor, der eine von der Brennstoffzelle abgegebene Spannung erfaßt, eine Brenn stoffgaszuführungs-Änderungseinrichtung, die eine Menge des der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffgases ver ändert, eine Befeuchtungszustandsbestimmungseinrichtung, die einen Zustand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen bestimmt auf Basis einer ersten Spannungsänderung, die durch den Spannungsdetektor erfaßt wird, bevor die Menge des zugeführten Brennstoffgases durch die Brennstoffgas zuführungs-Änderungseinrichtung verändert wird, und einer zweiten Spannungsänderung, die von dem Spannungsdetektor erfaßt wird, nachdem die Menge des zugeführten Brenn stoffgases durch die Brennstoffgaszuführungs-Änderungs einrichtung verändert wurde, einschließt.

In diesem Brennstoffzellensystem kann der Spannungs detektor eine Spannung einer jeden Einheitszelle der Brennstoffzelle erfassen oder kann eine Spannung eines jeden Moduls, das mindestens zwei der Einheitszellen be sitzt, erfassen. Eine Änderung in der Menge des der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffgases beeinflußt den Zustand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen. Wenn der Zustand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen sich ändert, erscheint die Änderung in der Veränderung (z. B. Varianz) der Spannungen der einzelnen Einheitszellen oder einzelnen Brennstoffzellenmodule.

Durch Bestimmung eines Zustands der Befeuchtung der Elektrolytmembranen auf Basis der Spannungen der Ein heitszellen oder der Brennstoffzellenmodule, welche den Zustand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen wider spiegeln, ist das System daher in der Lage, eine präzise Bestimmung des Zustands der Befeuchtung der Elektrolyt membranen zur Verfügung zu stellen.

In den oben beschriebenen Aspekten der Erfindung kann auf Basis der Bestimmung, die durch die Befeuchtungszu standsbestimmungseinrichtung gemacht wird, ein Befeuch tungsgrad in dem Brennstoffgas gesteuert werden. Auf diese Weise kann der Zustand der Befeuchtung der Elektro lytmembranen eingestellt werden.

Darüber hinaus kann eine Abnormität des Brennstoff zellensystems erfaßt werden, wenn der Zustand der Be feuchtung der Elektrolytmembranen trotz der Steuerung des Zustands der Befeuchtung, die während einer vorbestimmten Zeitdauer durchgeführt wird, sich nicht ändert. Um eine Anzeige des Auftretens einer Abnormität zur Verfügung zu stellen, kann eine die Abnormität betreffende Information ausgegeben werden. Der Betrieb des Brennstoffzellen systems kann auch bei einer Erfassung einer Abnormität gestoppt werden. Es wird daher möglich, die Brennstoff zelle vor einer Schädigung oder dergleichen, die während des Betriebs in Gegenwart einer Abnormität möglicherweise auftreten kann, zu schützen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorherigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der fol genden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform un ter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen gleiche Ziffern verwendet werden, um gleiche Elemente zu bezeichnen, und wobei:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung ist;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer Einheitszelle einer Brennstoffzelle ist;

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm ist, das eine Routine zur Steuerung der Befeuchtung veranschaulicht;

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm ist, das eine Routine zur Be stimmung des Befeuchtungszustands veranschau licht;

Fig. 5 ein Ablaufdiagramm ist, das eine andere Routine zur Bestimmung des Befeuchtungszustands veran schaulicht;

Fig. 6 ein Ablaufdiagramm ist, das noch eine andere Rou tine zur Bestimmung des Befeuchtungszustands ver anschaulicht; und

Fig. 7 ein Ablaufdiagramm ist, das eine weitere Routine zur Bestimmung des Befeuchtungszustands veran schaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen wird nachfolgend eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Auf baus eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung. Ein Brennstoffzellensystem 20 besitzt eine Polymerelek trolyt-Brennstoffzelle 30, die elektrische Energie er zeugt, wenn sie mit einem Brennstoffgas und einem oxida tiven Gas versorgt wird, eine Brennstoffgaszuführvorrich tung 22 zum Zuführen des wasserstoffhaltigen Brennstoff gases zu der Brennstoffzelle 30, einen Brennstoffgasbe feuchter 23 zum Befeuchten des Brennstoffgases, eine Zu führvorrichtung 24 für das oxidative Gas zum Zuführen des sauerstoffhaltigen oxidativen Gases (z. B. Luft) zu der Brennstoffzelle 30, einen Befeuchter 25 für das oxidative Gas zum Befeuchten des oxidativen Gases, eine Kühlvor richtung 50 zum Kühlen der Brennstoffzelle 30 und eine elektronische Steuereinheit 60 zur Steuerung des Betriebs des Brennstoffzellensystems 20.

Die Brennstoffgaszuführvorrichtung 22 kann zum Bei spiel ein Reformer, der einen Kohlenwasserstoffbrennstoff wie Methanol, Methan oder dergleichen zu einem wasser stoffreichen Brennstoffgas reformiert und das wasserstof freiche Brennstoffgas der Brennstoffzelle 30 zuführt, oder ein Brennstoffgas-Lagerungstank sein, der ein was serstoffhaltiges Brennstoffgas lagert. Die Zuführvorrich tung 24 für das oxidative Gas kann eine Luftpumpe, die auf einfache Weise Luft zuführt, oder ein Lagerungstank für das oxidative Gas sein, der ein von Luft verschiede nes oxidatives Gas lagert. Die Brennstoffgaszuführvor richtung 22 und die Zuführvorrichtung 24 für das oxida tive Gas sind über Signalleitungen mit der elektronischen Steuereinheit 60 verbunden, so daß die elektronische Steuereinheit 60 die Menge des zugeführten Brennstoffga ses und die Menge des zugeführten oxidativen Gases steu ert.

Der Brennstoffgasbefeuchter 23 und der Befeuchter 25 für das oxidative Gas verdampfen Wasser, das aus einem Wassertank 26 gepumpt wird, und führen dem Brennstoffgas und dem oxidativen Gas Wasserdampf zu. Der Brennstoffgas befeuchter 23 und der Befeuchter 25 für das oxidative Gas sind über Signalleitungen mit der elektronischen Steuer einheit 60 verbunden, so daß die elektronische Steuerein heit 60 die Menge an Feuchtigkeit oder den Grad der Be feuchtung im Brennstoffgas und die Menge an Feuchtigkeit oder den Grad der Befeuchtung in dem oxidativen Gas steu ert.

Die Brennstoffzelle 30 ist eine Polymerelektrolyt- Brennstoffzelle, die gebildet wird durch Stapeln einer Vielzahl an Einheitszellen 31. Fig. 2 ist eine schemati sche Darstellung einer Einheitszelle 31 der Brennstoff zelle 30. Wie in Fig. 2 aufgezeigt, besitzt eine Ein heitszelle 31 eine Elektrolytmembran 32, die eine proto nenleitende Membran ist, die aus einem Polymermaterial wie Fluorkohlenstoffharz oder dergleichen gebildet wird, und eine Anode 33 und eine Kathode 34, welches Gasdiffu sionselektroden sind, die aus einem Kohlenstoffgewebe ge bildet werden, das einen Platinkatalysator oder einen Le gierungskatalysytor, der aus Platin und einem oder mehre ren anderen Metallen gebildet wird, trägt. Die Anode 33 und die Kathode 34 befinden sich in einer Sandwich-Anord nung zu der Elektrolytmembran 32, so daß die Elektrolyt membran 32 durch katalysatortragende Seitenflächen der Anode 33 und der Kathode 34 gehalten wird. Die Einheits zelle 31 schließt ferner zwei Separatoren 35 ein, die an gegenüberliegenden Seiten der oben beschriebenen Sand wichstruktur angeordnet sind. Zusammen mit der Anode 33 und der Kathode 34 definieren die Separatoren 35 Kanäle 36, 37 für das Brennstoffgas und das oxidative Gas. Die Separatoren 35 fungieren auch als Zwischenwände zwischen benachbarten Einheitszellen 31.

Die Brennstoffzelle 30 ist ausgestattet mit einem Voltmeter 40 und einem Strommesser 42 zum Erfassen der Spannung V und des Stroms I, die von der Brennstoffzelle 30 abgegeben werden, einem Brennstoffzellentemperatursen sor 44 zum Erfassen der Temperatur der Brennstoffzelle 30, einem Drucksensor 46 zum Erfassen des Gasdrucks P des Brennstoffgases und des oxidativen Gases, einem Wider standsdetektor 48 zum Erfassen des elektrischen Wider stands der Brennstoffzelle 30 und dergleichen. Diese Sen soren und dergleichen sind über Signalleitungen mit der elektronischen Steuereinheit 60 verbunden. Ein Beispiel des Verfahrens zur Bestimmung des Widerstands der Brenn stoffzelle 30 ist eines, in dem der Widerstand der Brenn stoffzelle 30 bestimmt wird aus einem Wert des Stroms von der Brennstoffzelle 30, der auftritt, wenn eine Wechsel spannung an die Ausgangsanschlüsse der Brennstoffzelle 30 angelegt wird. Der Widerstand der Brennstoffzelle 30 kann grob in die Widerstände der Anoden 33, der Kathoden 34 und der Separatoren 35 und dem Widerstand, der auf der Protonenleitfähigkeit der Elektrolytmembranen 32 basiert, unterteilt werden. Die Widerstände der Anoden 33, der Kathoden 34 und der Separatoren 35 bleiben, unabhängig davon, ob die Komponenten befeuchtet sind, unverändert, da die Anoden 33, die Kathoden 34 und die Separatoren 35 aus elektrisch leitfähigen Materialien gebildet sind. Im Gegensatz dazu verändert sich die Protonenleitfähigkeit der Elektrolytmembranen 32 merklich in Abhängigkeit da von, ob die Elektrolytmembranen 32 feucht sind. Daher spiegelt der Wert des Widerstands der Brennstoffzelle 30 den Grad der Feuchtigkeit der Elektrolytmembranen 32 wi der.

Die Auslaßrohrleitungen der Brennstoffzelle 30 für das Brennstoffgas und das oxidative Gas sind mit Druckre gulierventilen 27, 28 ausgestattet, so daß der Druck des Brennstoffgases und der Druck des oxidativen Gases in der Brennstoffzelle 30 eingestellt werden können. Aktuatoren 27a, 28a der Druckregulierventile 27, 28 sind über Si gnalleitungen mit der elektronischen Steuereinheit 60 verbunden, so daß die Aktuatoren 27a, 28a durch die elek tronische Steuereinheit 60 angetrieben und gesteuert wer den.

Die Kühlvorrichtung 50 besitzt eine Kühlplatte, die in der Brennstoffzelle 30 angeordnet ist, einen Kühlwas serkanal 52, der einen in der Kühlplatte ausgebildeten Kühlwasserdurchfluß und einen Zirkulationskanal ausbil det, einen Wärmetauscher 56, der in dem Kühlwasserkanal 52 angeordnet ist, zum Kühlen des Kühlwassers durch Wär meaustausch mit der Außenluft, eine Kühlwasserpumpe 54 zum Zirkulieren des Kühlwassers durch den Zirkulationska nal und einen Kühlwassertemperatursensor 58 zum Erfassen der Temperatur des Kühlwassers nahe einer Auslaßöffnung der Brennstoffzelle 30. Die Kühlwasserpumpe 54 und der Kühlwassertemperatursensor 58 sind über Signalleitungen mit der elektronischen Steuereinheit 60 verbunden, so daß die elektronische Steuereinheit 60 die Kühlung der Brenn stoffzelle 30 steuert. Das heißt, basierend auf der Kühl wassertemperatur, die von dem Kühlwassertemperatursensor 58 erfaßt wird, betreibt die elektronische Steuereinheit 60 die Kühlwasserpumpe 54, um so den Fluß des zirkulie renden Kühlwassers zu steuern.

Die elektronische Steuereinheit 60 ist als ein Einchip-Mikroprozessor ausgebildet, der als eine Haupt komponente eine CPU 62 besitzt. Die elektronische Steuer einheit 60 besitzt ferner einen ROM 64, der Verarbei tungsprogramme speichert, einen RAM 66 zur zeitlich be grenzten Datenspeicherung und Einlaß- und Auslaßanschlüs se (nicht aufgezeigt). Die Temperaturen und Flüsse des Brennstoffgases und des oxidativen Gases, die von der Brennstoffgaszuführvorrichtung 22 und der Zuführvorrich tung 24 für das oxidative Gas zugeführt werden, werden von Thermometern (nicht aufgeführt) und Durchflußmessern (nicht aufgeführt) über Eingangsanschlüsse in die elek tronische Steuereinheit 60 eingegeben. Die elektronische Steuereinheit 60 empfängt über Eingangsanschlüsse ferner Informationen hinsichtlich der Betriebsbedingungen des Brennstoffgasbefeuchters 23 und der Zuführvorrichtung 24 für das oxidative Gas, der Spannung V von dem Voltme ter 40, des Stroms I von dem Strommesser 42, der Tempera tur von dem Brennstoffzellentemperatursensor 44, des Gas drucks P von dem Drucksensor 46, des Widerstandswerts von dem Widerstandsdetektor 48, der Temperatur von dem Kühl wassertemperatursensor 58 und dergleichen. Die elektroni sche Steuereinheit 60 gibt über Ausgangsanschlüsse Steu ersignale zu der Brennstoffgaszuführvorrichtung 22, der Zuführvorrichtung 24 für das oxidative Gas, dem Brenn stoffgasbefeuchter 23, dem Befeuchter 25 für das oxida tive Gas und der Kühlwasserpumpe 54 aus und gibt ein Signal zum Einschalten einer Anzeigelampe 68 und derglei chen aus.

Es wird der Betrieb des wie oben beschrieben konstru ierten Brennstoffzellensystems 20 und insbesondere die Steuerung der Befeuchtung der Brennstoffzelle 30 be schrieben. Fig. 3 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Routi ne zur Steuerung der Befeuchtung darstellt, die von der elektronischen Steuereinheit 60 des Brennstoffzellen systems 20 ausgeführt wird. Diese Routine wird an jedem vorbestimmten Zeitpunkt während einer Periode durchge führt, die sofort nach dem Beginn des Betriebs des Brenn stoffzellensystems 20 beginnt, und die endet, wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 gestoppt wird.

Wenn die Routine zur Steuerung der Befeuchtung ge startet wird, führt die CPU 62 einen Prozeß zur Bestim mung eines Befeuchtungszustands der Elektrolytmembranen 32 aus. Der Bestimmungsprozeß des Schritts S100 wird, wie in jeder der Fig. 4 bis 7 dargestellt, durch eine Routi ne zur Bestimmung des Befeuchtungszustands (die später ausführlich beschrieben wird) durchgeführt. Die Bestim mungsroutine gibt eine von drei Ergebnissen aus, das heißt, "geeignete Befeuchtung", "unzureichende Befeuch tung" und "übermäßige Befeuchtung".

Wenn die Bestimmung, die von dem Prozeß zur Bestim mung des Befeuchtungszustands des Schritts S100 durchge führt wird, eine "geeignete Befeuchtung" ist, setzt die CPU 62 in den Schritten S104 und S106 einen Zähler C1 und einen Zähler C2 zurück. Wenn die Bestimmung eine "unzureichende Befeuchtung" ist, führt die CPU 62 im Schritt S108 einen Prozeß zur Unterbrechung der unzurei chenden Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32 aus und erhöht im Schritt S110 den Zähler C1.

Beispiele des Prozesses zur Unterbrechung der unzu reichenden Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32 schlie ßen ein:

1. einen Prozeß der Erhöhung des Befeuchtungsgrads im Brennstoffgas und oxidativen Gas unter Verwendung des Brennstoffgasbefeuchters 23 und des Befeuchters 25 für das oxidative Gas;
2. einen Prozeß der Erhöhung des Gasdrucks P des Brennstoffgases und des oxidativen Gases in der Brenn stoffzelle 30 durch Schließen der Druckregulierventile 27, 28;
3. einen Prozeß der Verringerung der Betriebstempe ratur der Brennstoffzelle 30 durch Erhöhen des Flusses des Kühlwassers, das mittels der Kühlwasserpumpe 54 der Kühlvorrichtung 50 zirkuliert wird; und
4. einen Prozeß der Verringerung der Mengen an Brennstoffgas und oxidativem Gas, die der Brennstoffzelle 30 von der Brennstoffgaszuführvorrichtung 22 und der Zu führvorrichtung 24 für das oxidative Gas zugeführt wer den.

Der Prozeß (A1) unterbricht direkt die unzureichende Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32 durch ein Erhöhen des Befeuchtungsgrads im Brennstoffgas und oxidativen Gas. Der Prozeß (A2) unterbricht die unzureichende Be feuchtung der Elektrolytmembranen 32 basierend auf einer Tatsache, daß erhöhte Gasdrücke den Wasserdampfdruck im Brennstoffgas und oxidativen Gas erhöhen. Der Prozeß (A3) unterbricht eine unzureichende Befeuchtung der Elektro lytmembranen 32 basierend auf einer Tatsache, daß eine verringerte Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 30 die Brennstoffgastemperatur und die Temperatur des oxidativen Gases verringert und dadurch die Wasserdampfdrücke im Brennstoffgas und oxidativen Gas zunehmen. Der Prozeß (A4) unterbricht eine unzureichende Befeuchtung der Elek trolytmembranen 32 basierend auf einer Tatsache, daß ver ringerte Mengen an zugeführtem Brennstoffgas und oxidati vem Gas eine Wasserverdampfung von den Elektrolytmembra nen 32 reduzieren. Von solchen verschiedenen Prozessen zur Unterbrechung einer unzureichenden Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32 kann entweder ein einzelner Prozeß oder eine Kombination aus zwei oder mehreren Prozessen gewählt werden. Es ist ebenfalls möglich, den oder die durchzuführenden Prozesse für jeden Ausführungszyklus der Routine zur Steuerung der Befeuchtung sequentiell zu än dern.

Wenn der im Schritt S102 bestimmte Befeuchtungszu stand eine "übermäßige Befeuchtung" ist, führt die CPU 62 im Schritt S112 einen Prozeß zur Unterbrechung der über mäßigen Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32 durch und erhöht im Schritt S114 den Zähler C2.

Beispiele des Prozesses zur Unterbrechung einer über mäßigen Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32 schließen ein:

1. einen Prozeß der Verringerung des Befeuchtungs grads im Brennstoffgas und oxidativen Gas unter Verwen dung des Brennstoffgasbefeuchters 23 und des Befeuchters 25 für das oxidative Gas;
2. einen Prozeß der Verringerung des Gasdrucks P des Brennstoffgases und oxidativen Gases in der Brenn stoffzelle 30 durch Öffnen der Druckregulierventile 27, 28;
3. einen Prozeß der Erhöhung der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 30 durch Verringerung des Flusses des Kühlwassers, das mittels der Kühlwasserpumpe 54 der Kühl vorrichtung 50 zirkuliert wird; und
4. einen Prozeß zur Erhöhung der Mengen an zuge führtem Brennstoffgas und oxidativem Gas zu der Brenn stoffzelle 30 von der Brennstoffgaszuführvorrichtung 22 und der Zuführvorrichtung 24 für das oxidative Gas.

Der Prozeß (B1) unterbricht direkt eine übermäßige Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32 durch eine Verrin gerung der Befeuchtungsgrade im Brennstoffgas und oxida tiven Gas. Der Prozeß (B2) unterbricht eine übermäßige Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32 auf Basis einer Tatsache, daß verringerte Gasdrücke die Wasserdampfdrücke im Brennstoffgas und oxidativen Gas verringern. Der Pro zeß (B3) unterbricht eine übermäßige Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32 auf Basis einer Tatsache, daß eine erhöhte Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 30 die Brennstoffgastemperatur und die Temperatur des oxidativen Gases erhöht und dadurch die Wasserdampfdrücke im Brenn stoffgas und oxidativen Gas abnehmen. Der Prozeß (B4) un terbricht eine übermäßige Befeuchtung der Elektrolytmem branen 32 auf Basis einer Tatsache, daß erhöhte Mengen an zugeführtem Brennstoffgas und oxidativem Gas eine Wasser verdampfung von den Elektrolytmembranen 32 beschleunigen. Von solchen verschiedenen Prozessen zur Unterbrechung ei ner übermäßigen Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32 kann entweder ein einzelner Prozeß oder eine Kombination aus zwei oder mehreren Prozessen gewählt werden. Es ist auch möglich, für jeden Ausführungszyklus der Routine zur Steuerung der Befeuchtung den oder die durchzuführenden Prozesse sequentiell zu ändern.

Der Zählwert des Zählers C1 wird erhöht, wenn der Prozeß zur Unterbrechung einer unzureichenden Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32 sequentiell durchgeführt wurde. Gleichermaßen zeigt der Zähler C2 die Anzahl an, wie oft der Prozeß zur Unterbrechung einer übermäßigen Befeuchtung sequentiell durchgeführt wurde.

Nach einer Erhöhung des Zählwerts von C1 oder C2 im Anschluß an den Prozeß zur Unterbrechung einer unzurei chenden Befeuchtung oder einer übermäßigen Befeuchtung, entsprechend dem Ergebnis der Bestimmung des Befeuch tungszustands der Elektrolytmembranen 32, vergleicht die CPU 62 im Schritt S116 den Zählwert C1, C2 mit einem Schwellwert Cref. Der Schwellwert Cref wird voreinge stellt auf Basis der Anzahl der Ausführungen des Prozes ses oder der Zeitmenge, die notwendig ist, damit der Pro zeß zur Unterbrechung einer unzureichenden oder übermäßi gen Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32 als in ausrei chendem Maße durchgeführt angesehen werden kann. Wenn da her der Zählwert C1 oder C2 gleich oder größer als der Schwellwert Cref ist, bestimmt die CPU 62, daß eine Ab normität in dem Brennstoffzellensystem 20 aufgetreten ist, und schaltet im Schritt S118 die Anzeigelampe 68 an, um eine Betriebsperson von der Abnormität zu informieren. Anschließend stoppt die CPU 62 im Schritt S120 den Be trieb des Brennstoffzellensystems 20, um die Brennstoff zelle 30 und dergleichen zu schützen. Diese Routine endet dann. Wenn umgekehrt beide Zählwerte C1, C2 kleiner als der Schwellwert Cref sind, bestimmt die CPU 62, daß im Brennstoffzellensystem 20 keine Abnormität vorliegt und beendet die Routine dann.

Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, ist das Brennstoffzellensystem 20 gemäß der Erfindung in der Lage, den Befeuchtungszustand der Elektrolytmembranen 32 basierend auf dem Ergebnis einer Bestimmung des Befeuch tungszustands der Elektrolytmembranen 32 zu steuern, in dem die in Fig. 3 veranschaulichte Routine zur Steuerung der Befeuchtung durchgeführt wird. Eine unzureichende Be feuchtung oder eine übermäßige Befeuchtung der Elektro lytmembranen 32 können zum Beispiel durch irgendeinen oder mehrere der Prozesse (A1)-(A4) oder der Prozesse (B1)-(B4) unterbrochen werden.

Ferner ist durch ein Ausführen der Routine zur Steue rung der Befeuchtung, die in Fig. 3 dargestellt ist, das Brennstoffzellensystem 20 in der Lage, zu bestimmen, daß eine Abnormität in dem System aufgetreten ist, wenn eine unzureichende Befeuchtung oder eine übermäßige Befeuch tung nicht unterbrochen wird, trotz einer wiederholten Durchführung des Prozesses zur Unterbrechung einer unzu reichenden oder übermäßigen Befeuchtung der Elektrolyt membranen 32. In einem solche Fall informiert das Brenn stoffzellensystem 20 eine Betriebsperson von dem Auftre ten einer Abnormität und stoppt den Betrieb des Brenn stoffzellensystems 20. Daher macht es das Brennstoffzel lensystem 20 für eine Betriebsperson möglich, schnell das Auftreten einer Abnormität zu erkennen, und ist in der Lage, zum Beispiel eine Schädigung des Brennstoffzellen systems 20 zu verhindern, welche verursacht werden kann, wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 in Gegen wart einer Abnormität fortgeführt wird.

Es wird nun die Durchführung des Schritts S100 in Fig. 3 beschrieben, das heißt, des Prozesses zur Bestim mung eines Befeuchtungszustands der Elektrolytmembranen 32. Die Fig. 4 bis 7 sind Ablaufdiagramme, welche Bei spiele einer Routine zur Bestimmung eines Befeuchtungs zustands darstellen, die einen Befeuchtungszustand der Elektrolytmembranen 32 bestimmen. Im Schritt S100 in Fig. 3 kann irgendeine oder mehrere der vier Routinen zur Bestimmung eines Befeuchtungszustands durchgeführt wer den. Es ist auch möglich, für jeden Ausführungszyklus der in Fig. 3 dargestellten Routine zur Steuerung der Be feuchtung den oder die durchzuführenden Prozesse sequen tiell zu ändern.

Die in den Fig. 4 bis 7 dargestellten Routinen zur Bestimmung eines Befeuchtungszustands werden nachfolgend einzeln beschrieben.

Wenn die in Fig. 4 dargestellte Routine zur Bestim mung des Befeuchtungszustands gestartet wird, liest die CPU 62 im Schritt S200 einen Ausgangsstrom I der Brenn stoffzelle 30, der von dem Strommesser 42 erfaßt wird, und einen Widerstand R der Brennstoffzelle 30, der von dem Widerstandsdetektor 48 erfaßt wird, ein. Anschließend vergleicht die CPU 62 im Schritt S202 den Strom I mit ei nem vorbestimmten Strom Iset. Wenn der Strom I nicht gleich dem vorbestimmten Strom Iset ist, geht die CPU 62 zurück zum Schritt S200. Der vorbestimmte Strom Iset wird auf einen gewöhnlichen Stromwert, der weder besonders groß noch klein ist, voreingestellt. Daher ist der von der Brennstoffzelle 30 abgegebene Strom I oft gleich dem vorbestimmten Strom Iset.

Wenn der Strom I gleich dem vorbestimmten Strom Iset ist, ersetzt die CPU 62 im Schritt S204 den vorherigen Widerstand R0 gegen den im Schritt S200 erfaßten Wider stand R. Anschließend liest die CPU 62 im Schritt S206 einen von dem Widerstandsdetektor 48 erfaßten Wider stand R der Brennstoffzelle 30 ein. Im Schritt S208 setzt die CPU 62 einen Differentialwert dR/dt auf einen Wert, der erhalten wird durch Dividieren der Differenz des mo mentan eingelesenen Widerstands R von dem vorherigen Widerstand R0 durch eine infinitesimale Zeit Δt. Die in finitesimale Zeit Δt ist auf eine Zeit eingestellt, die zwischen dem Einlesen des Widerstands R, das im Schritt S200 durchgeführt wird, wenn der Strom I gleich dem vor bestimmten Strom Iset ist, und dem Einlesen des Wider stands R im Schritt S206 verstreicht. Die infinitesimale Zeit Δt wird bestimmt gemäß der Leistungsfähigkeit der CPU 62 der elektronischen Steuereinheit 60 und den Inhal ten der Verarbeitungen, die von der CPU 62 parallel aus geführt werden, und dergleichen.

Nach der Berechnung im Schritt S208 bestimmt die CPU 62 im Schritt S210, ob der Differentialwert dR/dt in nerhalb eines geeigneten Befeuchtungsbereichs liegt, der zwischen einem Schwellwert α und einem Schwellwert β ein gestellt ist. Wenn die Befeuchtung der Elektrolytmembra nen 32 unzureichend ist, nimmt die Protonenleitfähigkeit der Elektrolytmembranen 32 ab, so daß die Antwort auf ge ringe Änderungen des Befeuchtungszustands der Elektrolyt membranen 32 träge wird und daher der Differentialwert dR/dt klein wird. Wenn im Gegensatz dazu die Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32 übermäßig ist, nimmt die Pro tonenleitfähigkeit der Elektrolytmembranen 32 zu, so daß die Antwort auf Änderungen des Befeuchtungszustands der Elektrolytmembranen 32 schnell ist, sogar wenn eine der artige Änderung gering ist, und der Differentialwert dR/dt wird daher groß. Daher kann der Befeuchtungszustand der Elektrolytmembranen 32 bestimmt werden durch Bestim men eines Differentialwerts dR/dt, wenn der Befeuchtungs zustand der Elektrolytmembranen 32 innerhalb des geeigne ten Bereichs liegt, und Einstellen eines geeigneten Be feuchtungsbereichs durch die Verwendung des Schwellwerts α und des Schwellwerts β als eine untere Grenze bzw. eine obere Grenze, und Vergleichen des berechneten Differen tialwerts dR/dt mit dem geeigneten Befeuchtungsbereich.

Wenn der Differentialwert dR/dt innerhalb des geeig neten Befeuchtungsbereichs liegt, bestimmt die CPU 62 im Schritt S212, daß die Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32 geeignet ist (geeignete Befeuchtung). Wenn der Diffe rentialwert dR/dt gleich oder geringer als der Schwell wert α ist, bestimmt die CPU 62 im Schritt S214, daß die Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32 unzureichend ist (unzureichende Befeuchtung). Wenn der Differentialwert dR/dt gleich oder größer als der Schwellwert β ist, be stimmt die CPU 62 im Schritt S216, daß die Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32 übermäßig ist (übermäßige Be feuchtung). Diese Routine endet dann.

Durch die Durchführung der in Fig. 4 veranschaulich ten Routine zur Bestimmung des Befeuchtungszustands ist das Brennstoffzellensystem 20 in der Lage, einen Befeuch tungszustand der Elektrolytmembranen 32 auf Basis des von der Brennstoffzelle 30 abgegebenen Stroms I und des Wi derstands R der Brennstoffzelle 30 zu bestimmen. Da darüber hinaus der Widerstand R der Brennstoffzelle 30 direkt den Befeuchtungszustand der Elektrolytmembranen 32 widerspiegelt, kann der Befeuchtungszustand der Elektro lytmembranen 32 genauer bestimmt werden.

Als nächstes wird eine in Fig. 5 veranschaulichte Routine zur Bestimmung des Befeuchtungszustands beschrie ben. Wenn diese Routine gestartet wird, erhöht die CPU 62 im Schritt S300 zuerst die Menge des oxidativen Gases, das von der Zuführvorrichtung 24 für das oxidative Gase der Brennstoffzelle 30 zugeführt wird. Anschließend wie derholt die CPU 62 die Sequenz des Schritts S301 des Ein lesens des von dem Strommesser 42 erfaßten Stroms I und der von dem Voltmeter 40 erfaßten Spannung V und des Schritts S302 des Vergleichens des eingelesenen Stroms I mit einem vorbestimmten Strom Iset, bis der erfaßte Strom I gleich dem vorbestimmten Strom Iset ist. Der vor bestimmte Strom Iset ist derselbe wie der vorbestimmte Strom Iset, der in der in Fig. 4 veranschaulichten Routi ne zur Bestimmung des Befeuchtungszustands verwendet wird.

Wenn der erfaßte Strom I gleich dem vorbestimmten Strom Iset ist, ersetzt die CPU 62 im Schritt S304 die vorherige Spannung V0 gegen die im Schritt S301 erfaßte Spannung V. Anschließend liest die CPU 62 im Schritt S306 eine von dem Voltmeter 40 erfaßte Spannung V ein. Im Schritt S308 setzt die CPU 62 einen Differentialwert dV/dt auf einen Wert, der erhalten wird durch Dividieren der Differenz der momentan eingelesenen Spannung V von der vorherigen Spannung V0 durch eine infinitesimale Zeit Δt. Wie in der in Fig. 4 veranschaulichten Routine ist die infinitesimale Zeit Δt auf eine Zeit eingestellt, die zwischen dem Einlesen der Spannung V, das im Schritt S301 durchgeführt wird, wenn der Strom I gleich dem vorbe stimmten Strom Iset ist, und dem Einlesen der Spannung V im Schritt S306 verstreicht.

Nach Bestimmung des Differentialwerts dV/dt bestimmt die CPU 62 im Schritt S310, ob der Differentialwert dV/dt innerhalb eines geeigneten Befeuchtungsbereichs liegt, der zwischen einem Schwellwert γ und einem Schwellwert δ eingestellt ist. Wenn die Menge des zugeführten oxidati ven Gases im Schritt S300 erhöht wird, wird die Wasser verdampfung von den Elektrolytmembranen 32 beschleunigt. Wenn die Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32 unzurei chend ist, ändert sich die Protonenleitfähigkeit der Elektrolytmembranen 32 nicht signifikant, selbst wenn die Wasserverdampfung von den Elektrolytmembranen 32 be schleunigt ist, was eine weitergehende unzureichende Be feuchtung bewirkt. In diesem Fall wird daher der Diffe rentialwert dV/dt klein. Wenn im Gegensatz dazu die Be feuchtung der Elektrolytmembranen 32 übermäßig ist, bringt die Beschleunigung der Wasserverdampfung von den Elektrolytmembranen 32 den Zustand näher an eine geeig nete Befeuchtung, so daß die Protonenleitfähigkeit der Elektrolytmembranen 32 zunimmt. In diesem Fall wird daher der Differentialwert dV/dt groß. Der Befeuchtungszustand der Elektrolytmembranen 32 kann daher bestimmt werden durch Bestimmen eines Differentialwerts dV/dt, wenn der Befeuchtungszustand der Elektrolytmembranen 32 innerhalb des geeigneten Bereichs liegt, und Einstellen eines ge eigneten Befeuchtungsbereichs durch die Verwendung des Schwellwerts γ und des Schwellwerts δ als eine untere Grenze bzw. eine obere Grenze und Vergleichen des berech neten Differentialwerts dV/dt mit dem geeigneten Befeuch tungsbereich.

Wenn der Differentialwert dV/dt innerhalb des geeig neten Befeuchtungsbereichs liegt, bestimmt die CPU 62 im Schritt S312, daß die Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32 geeignet ist (geeignete Befeuchtung). Wenn der Diffe rentialwert dV/dt gleich oder geringer als der Schwell wert γ ist, bestimmt die CPU 62 im Schritt S314, daß die Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32 unzureichend ist (unzureichende Befeuchtung). Wenn der Differentialwert dV/dt gleich oder größer als der Schwellwert δ ist, be stimmt die CPU 62 im Schritt S316, daß die Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32 übermäßig ist (übermäßige Be feuchtung). Diese Routine endet dann.

Durch Ausführen der in Fig. 5 veranschaulichten Rou tine zur Bestimmung des Befeuchtungszustands ist das Brennstoffzellensystem 20 in der Lage, einen Befeuch tungszustand der Elektrolytmembranen 32 auf Basis der Spannung V und des Stroms I, die von der Brennstoffzelle 30 abgegeben werden, wenn die Menge des der Brennstoff zelle 30 zugeführten oxidativen Gases erhöht wird, zu be stimmen.

In der vorangegangenen Routine kann die Menge des der Brennstoffzelle 30 zugeführten Brennstoffgases mit Erhö hungen der Menge an der Brennstoffzelle 30 zugeführtem oxidativem Gas erhöht werden.

Als nächstes wird eine in Fig. 6 veranschaulichte Routine zur Bestimmung des Befeuchtungszustands beschrie ben. Wenn diese Routine gestartet wird, liest die CPU 62 im Schritt S400 zuerst eine von dem Voltmeter 40 erfaßte Spannung V ein. Anschließend ersetzt die CPU 62 im Schritt S402 die vorherige Spannung V0 durch die eingele sene Spannung V. Nach einem Erhöhen der Menge an der Brennstoffzelle 30 zugeführtem oxidativem Gas im Schritt 5404 liest die CPU 62 im Schritt S406 wiederum eine Span nung V ein. Anschließend berechnet die CPU 62 im Schritt S408 eine Spannungsabweichung ΔV durch Subtrahieren der vorherigen Spannung V0 von der eingelesenen Spannung V.

Anschließend überprüft die CPU 62 im Schritt S410, ob die Spannungsabweichung ΔV ein negativer Wert ist. Wenn die Menge an der Brennstoffzelle 30 zugeführtem oxidati vem Gas erhöht wird, wird die Wasserverdampfung von den Elektrolytmembranen 32 beschleunigt. Wenn jedoch die Elektrolytmembranen 32 geeignet befeuchtet sind, verän dert eine Beschleunigung der Verdampfung von den Elektro lytmembranen 32 bis zu einem bestimmten Ausmaß nicht sig nifikant die von der Brennstoffzelle 30 abgegebene Span nung V. Wenn sich im Schritt S410 ergibt, daß die Span nungsabweichung ΔV gleich oder größer als "0" ist, be stimmt die CPU 62 im Schritt S412, daß die Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32 geeignet ist (geeignete Be feuchtung). Wenn die Elektrolytmembranen 32 unzureichend befeuchtet sind, verschlimmert eine Erhöhung der Menge an der Brennstoffzelle 30 zugeführtem oxidativem Gas die Un zulänglichkeit der Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32, so daß die von der Brennstoffzelle 30 abgegebene Spannung V noch weiter abnimmt. Wenn sich daher im Schritt S410 ergibt, daß die Spannungsabweichung ΔV ge ringer als "0" ist, bestimmt die CPU 62 im Schritt S414, daß die Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32 unzurei chend ist (unzureichende Befeuchtung). Die Routine endet dann.

Durch Ausführen der in Fig. 6 veranschaulichten Rou tine zur Bestimmung des Befeuchtungszustands ist die CPU 62 in der Lage, einen Zustand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32 auf Basis der von der Brennstoff zelle 30 abgegebenen Spannung V, wenn die Menge an der Brennstoffzelle 30 zugeführtem oxidativem Gas erhöht wird, zu bestimmen.

Obwohl lediglich die Menge an der Brennstoffzelle 30 zugeführtem oxidativem Gas in der in Fig. 6 veranschau lichten Routine zur Bestimmung des Befeuchtungszustands erhöht wird, ist es auch möglich, die Menge an der Brenn stoffzelle 30 zugeführtem Brennstoffgas mit einer Erhö hung der Menge an der Brennstoffzelle 30 zugeführtem oxi dativem Gas zu erhöhen.

Als nächstes wird eine in Fig. 7 veranschaulichte Routine zur Bestimmung des Befeuchtungszustands beschrie ben. Zur Ausführung dieser Routine ist es erforderlich, daß das Voltmeter 40 der Brennstoffzelle 30 die Spannung einer jeden Einheitszelle 31 erfaßt. Die nachfolgende Be schreibung wird unter der Annahme gemacht, daß das Volt meter die Spannung V einer jeden Einheitszelle 31 der Brennstoffzelle 30 erfaßt.

Wenn die in Fig. 7 veranschaulichte Routine gestartet wird, liest die CPU 62 im Schritt S500 zuerst die von dem Voltmeter 40 erfaßte Spannung V einer jeden Einheitszelle 31 der Brennstoffzelle 30 ein. Anschließend berechnet die CPU 62 im Schritt S502 eine Varianz σ0 der eingelesenen Spannungen V der einzelnen Einheitszellen 31. Nach einer Erhöhung der Menge an der Brennstoffzelle 30 zugeführtem oxidativem Gas im Schritt S504 liest die CPU 62 im Schritt S506 erneut die von dem Voltmeter 40 erfaßte Spannung V einer jeden Einheitszelle 31 ein. Anschließend berechnet die CPU 62 im Schritt S508 eine Varianz σ1 der eingelesenen Spannungen V der Einheitszellen 31.

Anschließend vergleicht die CPU 62 im Schritt S510 die berechneten Varianzen σ0 und σ1. Wenn die Menge an der Brennstoffzelle 30 zugeführtem oxidativem Gas erhöht wird, um die Wasserverdampfung von den Elektrolytmembra nen 32 zu beschleunigen, verändert sich der Zustand der Elektrolytmembranen 32 von einem übermäßig befeuchteten Zustand zu einem geeignet befeuchteten Zustand, so daß die Abweichung (Varianz) der Spannungen V der Einheits zellen 31 abnimmt. Wenn daher die Varianz σ0 gleich oder geringer als die Varianz σ1 ist, bestimmt die CPU 62 im Schritt S512, daß die Elektrolytmembranen 32 geeignet be feuchtet sind (geeignete Befeuchtung). Wenn die Varianz σ 0 größer als die Varianz σ1 ist, bestimmt die CPU 62 im Schritt S514, daß die Elektrolytmembranen 32 übermäßig befeuchtet sind (übermäßige Befeuchtung). Die Routine en det dann.

Durch Ausführen der in Fig. 7 veranschaulichten Rou tine zur Bestimmung des Befeuchtungszustands ist die CPU 62 in der Lage, einen Zustand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen 32 auf Basis der Abweichung der Span nungen V der einzelnen Einheitszellen 31 der Brennstoff zelle 30, die vor und nach einer Erhöhung der der Brenn stoffzelle 30 zugeführten Menge an oxidativem Gas auf tritt, zu bestimmen.

In der oben beschriebenen Routine kann die Menge an der Brennstoffzelle 30 zugeführtem Brennstoffgas mit ei ner Erhöhung der Menge an der Brennstoffzelle 30 zuge führtem oxidativem Gas auch erhöht werden.

Wenn darüber hinaus die oben beschriebene Routine auf ein Brennstoffzellensystem angewendet wird, das eine Vielzahl an Modulen einschließt, von denen jedes durch eine Vielzahl an Einheitszellen gebildet wird, ist es auch möglich, einen Zustand der Befeuchtung der Elektro lytmembranen 32 basierend auf der Abweichung (Varianz) der von den einzelnen Modulen abgegebenen Spannungen zu bestimmen.

Während die vorliegende Erfindung unter Bezug auf das, was derzeit als eine bevorzugte Ausführungsform da von betrachtet wird, beschrieben wurde, ist es selbstver ständlich, daß die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform oder Konstruktionen beschränkt ist. Im Gegensatz dazu beabsichtigt die Erfindung, verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abzudecken.

Es läßt sich zusammenfassen, daß in einem Polymer elektrolyt-Brennstoffzellensystem (20) ein Zustand der Befeuchtung von Elektrolytmembranen präzise bestimmt wird und eine Regulierung durchgeführt wird, so daß der Zu stand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen im wesent lichen innerhalb eines geeigneten Bereichs bleibt. Das System bestimmt einen Zustand der Befeuchtung der Elek trolytmembranen der Brennstoffzelle basierend auf einem Differentialwert des Widerstands der Brennstoffzelle, der von einem Widerstandsdetektor (48) erfaßt wird, wenn der von der Brennstoffzelle abgegebene elektrische Strom gleich einem vorbestimmten Wert ist. Der Strom der Zelle wird von einem Strommesser erfaßt. Die Brennstoffzelle wird gebildet durch Stapeln von elektrisch leitfähigen Elektroden und Separatoren und protonenleitfähigen Elek trolytmembranen. Die elektrische Leitfähigkeit der Elek troden und der Separatoren wird nicht durch deren Be feuchtungszustand beeinflußt, wohingegen sich die Proto nenleitfähigkeit der Elektrolytmembranen abhängig von dem Zustand ihrer Befeuchtung in großem Maße ändert. Daher stellt die Änderungsrate des Widerstands der Brennstoff zelle direkt die Änderungsrate der Protonenleitfähigkeit der Elektrolytmembranen dar, so daß der Befeuchtungszu stand der Elektrolytmembranen präzise bestimmt werden kann.

Claims

1. Brennstoffzellensystem (20) mit einer Brennstoffzelle (30) vom Polymerelektrolyttyp, die gebildet wird durch Stapeln von Einheitszellen (31), von denen jede eine Elektrolytmembran besitzt, die in einer Sand wich-Anordnung mit zwei Elektroden (33, 34) steht, wobei das Brennstoffzellensystem (20) dadurch charak terisiert ist, daß es folgendes umfaßt:
Brennstoffgaszuführmittel (22), das mit der Brenn stoffzelle (30) verbunden ist;
Brennstoffgasbefeuchtungsmittel (23);
Mittel (42) zum Erfassen des von der Brennstoffzel le abgegebenen elektrischen Stroms;
Mittel (48) zum Erfassen des Brennstoffzellenwider stands; und
Befeuchtungszustandsbestimmungsmittel (60) zum Be stimmen eines Zustands der Befeuchtung der Elek trolytmembranen basierend auf dem von dem Strom erfassungsmittel (42) erfaßten Strom und dem von dem Widerstandserfassungsmittel (48) erfaßten Wi derstand.

2. Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 1, wobei das Befeuchtungszustandsbestimmungsmittel (60) einen Zustand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen (32) basierend auf einer Änderung des von dem Widerstands erfassungsmittel (48) erfaßten Widerstands über die Zeit bestimmt, wenn der von dem Stromerfassungsmittel (42) erfaßte Strom gleich einem vorbestimmten Wert ist.

3. Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 2, wobei das Befeuchtungszustandsbestimmungsmittel (60) be stimmt, daß die Elektrolytmembranen 32 unzureichend befeuchtet sind, wenn die Änderung des Widerstands über die Zeit gleich oder geringer als ein erster vorbestimmter Wert ist, und wobei das Befeuchtungs zustandsbestimmungsmittel (60) bestimmt, daß die Elektrolytmembranen (32) übermäßig befeuchtet sind, wenn die Änderung des Widerstands über die Zeit gleich oder größer als ein zweiter vorbestimmter Wert ist, der größer als der erste vorbestimmte Wert ist.

4. Brennstoffzellensystem (20) mit einer Brennstoffzelle (30) vom Polymerelektrolyttyp, die gebildet wird durch Stapeln von Einheitszellen (31), von denen jede eine Elektrolytmembran (32) besitzt, die in einer Sandwich-Anordnung mit zwei Elektroden (33, 34) steht, wobei das Brennstoffzellensystem (20) dadurch charakterisiert ist, daß es folgendes umfaßt:
Brennstoffgaszuführmittel (22), das mit der Brenn stoffzelle (30) verbunden ist;
Brennstoffgasbefeuchtungsmittel (23);
Mittel (42) zum Erfassen des von der Brennstoffzel le abgegebenen elektrischen Stroms;
Mittel (40) zum Erfassen der von der Brennstoffzel le abgegebenen elektrischen Spannung;
Mittel (60) zum Ändern der Brennstoffgaszuführung der Brennstoffzelle; und
Befeuchtungszustandsbestimmungsmittel (60) zum Be stimmen eines Zustands der Befeuchtung der Elek trolytmembranen (32) basierend auf dem Strom und der Spannung, die von dem Stromerfassungsmittel (42) bzw. dem Spannungserfassungsmittel (40) er faßt werden, wenn die Menge des Brennstoffgaszu führmittels (22) durch das Mittel (60) zum Ändern der Brennstoffgaszuführung geändert wird.

5. Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 4, wobei, wenn die Menge des zugeführten Brennstoffgases durch das Mittel (22) zum Ändern der Brennstoffgaszuführung erhöht wird, das Befeuchtungszustandsbestimmungs mittel (60) den Zustand der Befeuchtung der Elektro lytmembranen (32) basierend auf einer Änderung der von dem Spannungserfassungsmittel (40) erfaßten Span nung über die Zeit bestimmt, wenn der von dem Strom erfassungsmittel (42) erfaßte Strom gleich einem vor bestimmten Wert ist.

6. Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 5, wobei, wenn die Änderung der Spannung über die Zeit gleich oder geringer ist als ein erster vorbestimmter Wert, das Befeuchtungszustandsbestimmungsmittel (60) be stimmt, daß die Elektrolytmembranen (32) unzureichend befeuchtet sind, und wobei, wenn die Änderung der Spannung über die Zeit gleich oder größer als ein zweiter vorbestimmter Wert ist, der größer als der erste vorbestimmte Wert ist, das Befeuchtungszu standsbestimmungsmittel (60) bestimmt, daß die Elek trolytmembranen (32) übermäßig befeuchtet sind.

7. Brennstoffzellensystem (20) mit einer Brennstoffzelle (30) vom Polymerelektrolyttyp, die gebildet wird durch Stapeln von Einheitszellen (31), von denen jede eine Elektrolytmembran (32) besitzt, die in einer Sandwich-Anordnung mit zwei Elektroden (33, 34) steht, wobei das Brennstoffzellensystem (20) dadurch charakterisiert ist, daß es folgendes umfaßt:
Brennstoffgaszuführmittel (22) das mit der Brenn stoffzelle (30) verbunden ist;
Brennstoffgasbefeuchtungsmittel (23);
Mittel (40) zum Erfassen der von der Brennstoffzel le abgegebenen elektrischen Spannung;
Mittel (60) zum Ändern der Brennstoffgaszuführung der Brennstoffzelle; und
Befeuchtungszustandsbestimmungsmittel (60) zum Be stimmen eines Zustands der Befeuchtung der Elek trolytmembranen (32) basierend auf einer ersten von dem Spannungserfassungsmittel (40) erfaßten Spannung, bevor die Menge des zugeführten Brenn stoffgases durch das Mittel (60) zum Ändern der Brennstoffgaszuführung verändert wird, und einer zweiten von dem Spannungserfassungsmittel (40) erfaßten Spannung, nachdem die Menge des zuge führten Brennstoffgases durch das Mittel (60) zum Ändern der Brennstoffgaszuführung verändert wurde.

8. Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 7, wobei, wenn die erste Spannung, die erfaßt wird, bevor die Menge des zugeführten Brennstoffgases durch das Mit tel (60) zum Ändern der Brennstoffgaszuführung erhöht wird, größer als die zweite Spannung ist, die erfaßt wird, nachdem die Menge des zugeführten Brennstoff gases durch das Mittel (22) zum Ändern der Brenn stoffgaszuführung erhöht wurde, das Befeuchtungszu standsbestimmungsmittel (60) bestimmt, daß die Elek trolytmembranen (32) unzureichend befeuchtet sind.

9. Brennstoffzellensystem (20) mit einer Brennstoffzelle (30) vom Polymerelektrolyttyp, die gebildet wird durch Stapeln von Einheitszellen (31), von denen jede eine Elektrolytmembran (32) besitzt, die in einer Sandwich-Anordnung mit zwei Elektroden (33, 34) steht, wobei das Brennstoffzellensystem (20) dadurch charakterisiert ist, daß es folgendes umfaßt:
Brennstoffgaszuführmittel (22), das mit der Brenn stoffzelle (30) verbunden ist;
Brennstoffgasbefeuchtungsmittel (23);
Mittel (40) zum Erfassen der von der Brennstoffzel le abgegebenen elektrischen Spannung;
Mittel (60) zum Ändern der Brennstoffgaszuführung der Brennstoffzelle; und
Befeuchtungszustandsbestimmungsmittel (60), welches einen Zustand der Befeuchtung der Elektrolytmem branen 32 basierend auf einer ersten Änderung der von dem Spannungserfassungsmittel (40) erfaßten Spannungen, bevor die Menge des zugeführten Brennstoffgases durch das Mittel (60) zum Ändern der Brennstoffgaszuführung verändert wird, und einer zweiten Änderung der von dem Spannungs erfassungsmittel (40) erfaßten Spannungen, nach dem die Menge des zugeführten Brennstoffgases von dem Mittel (60) zum Ändern der Brennstoffgaszu führung verändert wurde, bestimmt.

10. Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 9, wobei, wenn die erste Änderung der Spannungen, die erfaßt wird, bevor die Menge des zugeführten Brennstoffgases durch das Mittel (60) zum Ändern der Brennstoffgaszu führung erhöht wird, größer ist als die zweite Ände rung der Spannungen, die erfaßt wird, nachdem die Menge des zugeführten Brennstoffgases durch das Mit tel (60) zum Ändern der Brennstoffgaszuführung erhöht wurde, das Befeuchtungszustandsbestimmungsmittel be stimmt, daß die Elektrolytmembranen (32) übermäßig befeuchtet sind.

11. Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 9, wobei das Spannungserfassungsmittel (40) eine Spannung ei ner jeden Einheitszelle (31) erfaßt.

12. Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 9, wobei mindestens zwei der Einheitszellen (31) ein Modul bilden, und wobei das Spannungserfassungsmittel (40) eine Spannung eines jeden Moduls erfaßt.

13. Brennstoffzellensystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner ein Befeuchtungssteuerungsmittel (60) umfaßt zur Steue rung eines Grads der Befeuchtung in dem Brennstoff gas, was von dem Brennstoffgasbefeuchtungsmittel (23) bewirkt wird, basierend auf einer Bestimmung, die von dem Befeuchtungszustandsbestimmungsmittel (60) ge macht wird.

14. Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 13, wobei das Befeuchtungssteuerungsmittel (60) den Grad der Befeuchtung in dem Brennstoffgas erhöht, wenn das Be feuchtungszustandsbestimmungsmittel (60) bestimmt, daß die Elektrolytmembranen (32) unzureichend be feuchtet sind.

15. Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 13, wobei das Befeuchtungssteuerungsmittel (60) einen Druck des Brennstoffgases in der Brennstoffzelle erhöht, wenn das Befeuchtungszustandsbestimmungsmittel (60) be stimmt, daß die Elektrolytmembranen unzureichend be feuchtet sind.

16. Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 13, wobei das Befeuchtungssteuerungsmittel (60) eine Betriebs temperatur der Brennstoffzelle verringert, wenn das Befeuchtungszustandsbestimmungsmittel (60) bestimmt, daß die Elektrolytmembranen (32) unzureichend be feuchtet sind.

17. Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 13, wobei das Befeuchtungssteuerungsmittel (60) eine Menge des durch das Brennstoffgaszuführmittel (22) zugeführten Brennstoffgases verringert, wenn das Befeuchtungszu standsbestimmungsmittel (60) bestimmt, daß die Elek trolytmembranen (32) unzureichend befeuchtet sind.

18. Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 13, wobei das Befeuchtungssteuerungsmittel (60) den Grad der Befeuchtung in dem Brennstoffgas verringert, wenn das Befeuchtungszustandsbestimmungsmittel (60) bestimmt, daß die Elektrolytmembranen (32) übermäßig befeuchtet sind.

19. Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 13, wobei das Befeuchtungssteuerungsmittel (60) einen Druck des Brennstoffgases in der Brennstoffzelle verringert, wenn das Befeuchtungszustandsbestimmungsmittel (60) bestimmt, daß die Elektrolytmembranen (32) übermäßig befeuchtet sind.

20. Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 13, wobei das Befeuchtungssteuerungsmittel (60) eine Betriebs temperatur der Brennstoffzelle erhöht, wenn das Be feuchtungszustandsbestimmungsmittel (60) bestimmt, daß die Elektrolytmembranen (32) übermäßig befeuchtet sind.

21. Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 13, wobei das Befeuchtungssteuerungsmittel (60) eine Menge des durch das Brennstoffgaszuführmittel (22) zugeführten Brennstoffgases erhöht, wenn das Befeuchtungszu standsbestimmungsmittel (60) bestimmt, daß die Elek trolytmembranen (32) übermäßig befeuchtet sind.

22. Brennstoffzellensystem (22) nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch charakterisiert, daß es ferner ein Mittel (60) zum Erfassen einer Abnormität umfaßt, zum Erfassen einer Abnormität des Brennstoffzellensystems (20), wenn die von dem Befeuchtungszustandsbestim mungsmittel (60) durchgeführte Bestimmung unverändert bleibt, nachdem während einer vorbestimmten Zeitdauer eine Steuerung durch das Befeuchtungssteuerungsmittel (60) durchgeführt wurde.

23. Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 22, welches dadurch charakterisiert ist, daß es ferner ein Ausga bemittel für die Information einer erfaßten Abnormi tät umfaßt.

24. Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 22 oder 23, dadurch charakterisiert, daß es ferner Mittel (60) zum Stoppen des Betriebs des Brennstoffzellensystems (20) umfaßt, wenn das Mittel (60) zum Erfassen einer Abnormität die Abnormität erfaßt.