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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Betriebszustandbestimmungsgerät und -verfahren
des Betriebszustands einer Brennstoffzellenbatterie, die durch Stapeln
einer Vielzahl von Einheitszellen gebildet ist.
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Ein herkömmliches Gerät zur Bestimmung des
Betriebszustands einer Brennstoffzellenbatterie ist in der japanischen
Patentoffenlegungsschrift Nummer 6-310161 offenbart. Dieses Gerät bestimmt, dass
sich die Brennstoffgasmengen anormal verringert hat, falls die Ausgangsspannung
von zumindest einer der Einheitszellen, die die Brennstoffzellenbatterie
bilden, unter einem vorbestimmten Wert abgefallen ist. Dann stoppt
das Gerät
den Betrieb der Brennstoffzellenbatterie, um die Brennstoffzellenbatterie
zu schützen.
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Das Phänomen, das die Ausgangsspannung einer
Einheitszelle unter einem vorbestimmten Wert abfällt (d. h. einer Ausgangsspannung
während
eines korrekten Betriebszustands) tritt nicht nur in dem Fall auf,
wenn das Brennstoffgas sich anormal verringert hat, d: h. wenn eine
unzureichende Brennstoffgasmenge vorliegt, sondern ebenfalls in
dem Fall, dass die Oxidiergasmenge unzureichend ist, in dem Fall, in
dem die Festelektrolytmembran einer Einheitszelle übermäßig trocken
wird (ausgetrockneter Zustand), und in dem Fall auf, in dem ein
Brennstoffgaskanal oder ein Oxidiergaskanal einer Einheitszelle
Wassertröpfchen
aufweist (gefluteter Zustand). Daher ermöglicht die bloße Erfassung
der Ausgangsspannung einer Einheitszelle, die unter einem vorbestimmten
Wert sich verringert, nicht eine ausführliche Kenntnis über den
Betriebszustand der Brennstoffzellenbatterie.
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Die Erfindung wurde in Hinblick auf
die vorstehend beschriebenen Probleme gemacht. Der Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, ein Betriebszustandbestimmungsgerät und -verfahren
bereitzustellen, die die Beschaffung einer ausführlichen Kenntnis des Betriebszustands
einer Brennstoffzellenbatterie ermöglichen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Zum Lösen der vorstehend beschriebenen Aufgabe
wenden das Betriebszustandsbestimmungsgerät und -verfahren für eine Brennstoffzelle gemäß der Erfindung
die folgenden Einrichtungen an.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird
die Aufgabe gelöst
durch ein Betriebszustandbestimmungsgerät zur Bestimmung des Betriebszustands
einer Brennstoffzellenbatterie, die durch Stapeln einer Vielzahl
von Einheitszellen gebildet ist, die jeweils einen Aufbau aufweisen,
in dem eine Festelektrolytmembran im nassen Zustand zwischen einer Anode,
der ein Brennstoffgas zugeführt
wird, und einer Kathode, der ein Oxidiergas zugeführt wird,
angeordnet ist, wobei das Gerät
aufweist: eine Spannungsmesseinrichtung zum Messen einer Spannung zumindest
einer der Einheitszellen oder einer Spannung eines Einheitszellenstapels,
der durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen geformt ist, und
eine Betriebszustandbestimmungseinrichtung zur Bestimmung, dass
der Betriebszustand ein erster Betriebszustand ist, der entweder
ein Zustand mit unzureichenden Brennstoffgas ist oder ein ausgetrockneter Zustand
ist, falls die durch die Spannungsmesseinrichtung gemessene Spannung
sich innerhalb eines unkorrekten Spannungsbereichs befindet, und
unterhalb einer vorbestimmten Spannung liegt, die vorab auf einen
niedrigen Wert eingestellt ist, der während eines Zustands mit unzureichendem
Oxidiergas und während
eines gefluteten Zustands im wesentlichen unmöglich ist, und zur Bestimmung,
dass der Betriebszustand ein zweiter Betriebszustand ist, der entweder
ein Zustand mit unzureichenden Oxidiergas oder ein gefluteter Zustand
ist, falls die durch die Spannungsmesseinrichtung gemessene Spannung innerhalb
des unkorrekten Spannungsbereichs liegt und oberhalb der vorbestimmten
Spannung liegt.
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Dieses Betriebszustandbestimmungsgerät misst
die Spannung einer Einheitszelle oder die Spannung eines Einheitszellenstapels.
Falls die gemessene Spannung innerhalb des vorbestimmten unkorrekten
Spannungsbereichs liegt und unterhalb der vorbestimmten Spannung
liegt, bestimmt das Betriebezustandbestimmungsgerät, dass
der Betriebszustand der erste Betriebszustand (der Zustand mit wenig
Brennstoffgas oder der ausgetrocknete Zustand) ist. Falls die gemessene
Spannung innerhalb des vorbestimmten unkorrekten Spannungsbereichs liegt
und oberhalb der vorbestimmten Spannung liegt, bestimmt das Betriebszustandbestimmungsgerät, dass
der Betriebszustand der zweite Betriebszustand (der Zustand mit
wenig Oxidiergas oder der geflutete Zustand) ist. Daher ist dieses
Gerät im
Vergleich zu Geräten
gemäß dem Stand
der Technik in der Lage, ausführliche
Kenntnis über
den Betriebszustand der Brennstoffzellenbatterie zu beschaffen.
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Die Bestimmung, ob die gemessene
Spannung innerhalb des unkorrekten Spannungsbereichs liegt, und
die Bestimmung, ob die gemessene Spannung unterhalb der vorbestimmten
Spannung liegt, kann vor der anderen durchgeführt werden. Falls eine gemessene
Spannung unterhalb der vorbestimmten Spannung liegt, liegt die gemessene
Spannung natürlich
innerhalb des unkorrekten Spannungsbereichs. Daher ist es möglich, falls
eine gemessene Spannung unterhalb der vorbestimmten Spannung liegt,
eine darauf folgende Bestimmung, ob die gemessene Spannung innerhalb
des unkorrekten Spannungsbereichs liegt, auszulassen. Der "unkorrekte Spannungsbereich" kann beispielsweise niedriger
eingestellt sein als ein Bereich von Spannungen, den die Brennstoffzellenbatterie
möglicherweise
während
eines korrekten Betriebszustands erzeugen kann, oder kann ebenfalls
in einen Variationsbereich eingestellt werden, der größer als
ein Spannungsvariationsbereich ist, der während eines korrekten Betriebszustands
der Brennstoffzellenbatterie möglich
ist. Die "vorbestimmte
Spannung" kann auf
der Grundlage eines empirischen Werts bestimmt werden, der im empirisch
als ein Spannungswert bestimmt wird, der während des Zustands mit wenig Oxidiergas
oder während
des gefluteten Zustands nicht angenommen werden kann, und der während des
Zustands mit wenig Brennstoffzellengas und während des gefluteten Zustands
angenommen werden kann. Insbesondere ist es vorzuziehen, dass die vorbestimmte
Spannung auf einen Wert eingestellt wird, der fast 0 Volt beträgt. Es ist
insbesondere vorzuziehen, dass die vorbestimmte Spannung innerhalb
eines Bereichs von -0,2 bis 0 Volt eingestellt wird.
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In dem Betriebszustandbestimmungsgerät kann die
Betriebszustandbestimmungseinrichtung auf der Grundlage von Spannungen,
die durch die Spannungsmesseinrichtung mehrfach während einer Zeitdauer
einer vorbestimmten Bestimmungszeit gemessen werden, nachdem bestimmt
worden ist, dass eine durch die Spannungsmesseinrichtung innerhalb des
unkorrekten Spannungsbereichs liegt, bestimmen, welcher des ersten
Betriebszustands und des zweiten Betriebszustands der Betriebszustand
ist. Daher kann der Betriebszustand korrekt bestimmt werden, wobei
zeitabhängige
Spannungsänderungen
berücksichtigt
werden.
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In dem Betriebszustandbestimmungsgerät bestimmt,
falls der Betriebszustand der zweite Betriebszustand ist, die Betriebszustandbestimmungseinrichtung,
dass der Betriebszustand der geflutete Zustand ist, wenn die Spannung
abfällt
und die Dauer des Spannungsabfalls kurz ist, und bestimmt die Betriebszustandbestimmungseinrichtung,
dass der Betriebszustand der Zustand mit wenig Oxidiergas ist, wenn
die Dauer lang ist. Gemäß den Ergebnissen in
Zusammenhang mit der Erfindung zeigt die gemessene Spannung eine
Tendenz zum Ansteigen innerhalb einer kurzen Zeit nach Hereinkommen
in den unkorrekten Spannungsbereich, falls der Betriebszustand der
Brennstoffzellenbatterie der geflutete Zustand war. Falls der Betriebszustand
der Zustand mit wenig Oxidiergas ist, zeigte die gemessene Spannung
eine Tendenz, in den unkorrekten Spannungsbereich zu gelangen und
dann auf einen im wesentliche konstanten Wert zu bleiben, mit oder
ohne einen darauf folgenden Spannungsanstieg. Daher ermöglicht die
Bestimmung, ob die Dauer des Spannungsabfalls kurz oder lang ist,
eine korrekte Unterscheidung zwischen dem gefluteten Zustand un
dem Zustand mit wenig Oxidiergas.
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Das Betriebszustandbestimmungsgerät kann weiterhin
eine Impedanzmesseinrichtung aufweisen, die eine Impedanz zumindest
einer der Einheitszellen oder einer Impedanz des Einheitszellenstapels
misst. In diesem Aufbau bestimmt, falls der Betriebszustand der
erste Betriebszustand ist und die durch die Impedanzmesseinrichtung
gemessene Impedanz nicht innerhalb eines gehäuften Impedanzbereichs liegt,
die Betriebszustandbestimmungseinrichtung, dass der Betriebszustand
der ausgetrocknete Zustand ist. Falls der Betriebszustand der erste Betriebszustand
ist und die durch die Impedanzmesseinrichtung gemessene Impedanz
innerhalb des vorbestimmten korrekten Impedanzbereichs liegt, bestimmt
die Betriebszustandbestimmungseinrichtung, dass der Betriebszustand
der Zustand mit unzureichendem Brennstoffgas ist. Daher kann eine Unterscheidung
zwischen dem ausgetrockneten Zustand und dem Zustand mit wenig Brennstoffgas
korrekt ausgeführt
werden, wohingegen die Durchführung
einer Unterscheidung dazwischen lediglich auf der Grundlage der
gemessenen Spannungen schwierig ist.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung
ist ein Betriebszustandbestimmungsverfahren zur Bestimmung des Betriebszustands
einer Brennstoffzellenbatterie, die durch Stapeln einer Vielzahl
von Einheitszellen gebildet ist, die jeweils einen Aufbau aufweisen,
in dem eine Festelektrolytmembran im nassen Zustand zwischen einer
Anode, der ein Brennstoffgas zugeführt wird, und einer Kathode,
der ein Oxidiergas zugeführt
wird, angeordnet ist, wobei das Verfahren aufweist: (a) einen Schritt
des Bestimmens, ob eine Spannung zumindest einer der Einheitszellen
oder einer Spannung eines Einheitszellenstapels, der durch Stapeln
einer Vielzahl von Einheitszellen geformt ist, innerhalb eines unkorrekten Spannungsbereichs
liegt, (b) einen Schritt des Bestimmens, ob eine Spannung unterhalb
einer vorbestimmten Spannung liegt, die auf einen vorab eingestellten
niedrigen Wert liegt, der während
eines Zustands mit unzureichendem Oxidiergas und während eines
gefluteten Zustands im wesentlichen unmöglich ist, und (c) einen Schritt
des Bestimmens, dass der Betriebszustand ein erster Betriebszustand
ist, der entweder ein Zustand mit unzureichenden Brennstoffgas ist
oder ein ausgetrockneter Zustand ist, falls die Spannung sich innerhalb
eines unkorrekten Spannungsbereichs befindet, und unterhalb der
vorbestimmten Spannung liegt, und des Bestimmens, dass der Betriebszustand
ein zweiter Betriebszustand ist, der entweder ein Zustand mit unzureichenden
Oxidiergas oder ein gefluteter Zustand ist, falls die Spannung innerhalb
des unkorrekten Spannungsbereichs liegt und oberhalb der vorbestimmten Spannung
liegt.
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Diese Betriebszustandbestimmungsverfahren
kann weiterhin aufweisen: (d) einen Schritt des Bestimmens, ob eine
Impedanz zumindest einer der Einheitszellen oder eine Impedanz des
Einheitszellenstapels innerhalb eines vorbestimmten korrekten Impedanzbereichs
liegt. In dem Schritt (c) wird, falls der Betriebszustand der erste
Betriebszustand ist und die Impedanz sich nicht in dem vorbestimmten korrekten
Impedanzbereich liegt, bestimmt, dass der Betriebszustand der ausgetrocknete
Zustand ist. Weiterhin wird, falls in dem Schritt (c) der Betriebszustand
der erste Betriebszustand ist und die Impedanz innerhalb des vorbestimmten
korrekten Impedanzbereichs liegt, bestimmt, dass der Betriebszustand
der Betriebszustand der Zustand mit unzureichendem Brennstoffgas
ist.
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Eine weiter Ausgestaltung der Erfindung
ist ein Betriebszustandbestimmungsgerät zur Bestimmung des Betriebszustands
einer Brennstoffzellenbatterie, die durch Stapeln einer Vielzahl
von Einheitszellen gebildet ist, die jeweils einen Aufbau aufweisen,
in dem eine Festelektrolytmembran im nassen Zustand zwischen einer
Anode, der ein Brennstoffgas zugeführt wird, und einer Kathode,
der ein Oxidiergas zugeführt
wird, angeordnet ist, wobei das Gerät aufweist: eine Impedanzmesseinrichtung
zur Messung einer Impedanz zumindest einer der Einheitszellen oder
einer Impedanz eines durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen
gebildeten Einheitszellenstapels, eine Spannungsmesseinrichtung
zum Messen einer Spannung zumindest einer der Einheitszellen oder
einer Spannung eines Einheitszellenstapels, und eine Betriebszustandbestimmungseinrichtung
zur Bestimmung auf der Grundlage der durch die Impedanzmesseinrichtung
gemessenen Impedanz und der durch die Spannungsmesseinrichtung gemessenen
Spannung, welcher eines Zustands mit unzureichenden Brennstoffgas,
eines Zustands mit unzureichendem Oxidiergas, eines gefluteten Zustands
oder eines ausgetrockneten Zustand der Betriebszustand ist.
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Dieses Betriebszustandbestimmungsgerät misst
die Impedanz einer Einheitszelle oder eines Einheitszellenstapels
und misst ebenfalls die Spannung einer Einheitszelle oder eines
Einheitszellenstapels. Auf der Grundlage der gemessenen Impedanz
und der gemessenen Spannung bestimmt das Gerät, ob der Betriebszustand der
Zustand mit wenig Brennstoffgas, der Zustand mit wenig Oxidiergas,
der geflutete Zustand oder der ausgetrocknete Zustand ist. Daher
können
im Vergleich mit dem Fall, in dem der Betriebszustand lediglich
auf der Grundlage der gemessenen Impedanz bestimmt wird, oder mit
dem Fall beschafft werden, in dem der Betriebszustand lediglich
auf der Grundlage der gemessenen Spannung bestimmt wird, ausführliche
Informationen in Bezug auf den Betriebszustand der Brennstoffzellenbatterie
erhalten werden. Es sei hier bemerkt, dass die Reihenfolge, in der
die Bestimmung auf der Grundlage der gemessenen Impedanz und die
Bestimmung auf der Grundlage der gemessenen Spannung ausgeführt wird,
nicht besonders beschränkt ist.
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In dem vorstehend beschriebenen Betriebszustandbestimmungsgerät kann die
Betriebszustandbestimmungseinrichtung auf der Grundlage von durch
die Impedanzmesseinrichtung mehrfach gemessenen Impedanzen und von
durch die Spannungsmesseinrichtung mehrfach gemessenen Spannungen
während
einer Zeitdauer einer vorbestimmten Bestimmungszeit nach Bestimmung,
dass eine durch die Spannungsmesseinrichtung gemessene Spannung
innerhalb eine vorbestimmten unkorrekten Spannungsbereichs liegt,
bestimmen, welcher des Zustands mit unzureichenden Brennstoffgas,
des Zustands mit unzureichendem Oxidiergas, des gefluteten Zustands
oder des ausgetrockneten Zustand der Betriebszustand ist. Daher
kann der Betriebszustand durch Berücksichtigung zeitabhängiger Spannungsänderungen
korrekt bestimmt werden.
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In dem Betriebszustandbestimmungsgerät kann die
Betriebszustandbestimmungseinrichtung bestimmen, dass der Betriebszustand
der ausgetrocknete Zustand ist, falls die durch die Impedanzmesseinrichtung
gemessene Impedanz keine vorbestimmte korrekte Impedanz ist. Auf
diese Weise kann eine Unterscheidung zwischen dem ausgetrockneten Zustand
und dem Zustand mit wenig Brennstoffgas korrekt durchgeführt werden,
wohingegen eine Unterscheidung dazwischen lediglich auf der Grundlage der
gemessenen Spannung schwierig ist. Weiterhin kann, falls die durch
die Impedanzmesseinrichtung gemessene Impedanz die korrekte Impedanz
ist, die Betriebszustandbestimmungseinrichtung auf der Grundlage
der durch die Spannungsmesseinrichtung gemessenen Spannung bestimmen,
welcher des Zustands mit unzureichenden Brennstoffgas, des Zustands
mit unzureichendem Oxidiergas, oder des gefluteten Zustands der
Betriebszustand ist. Falls die gemessene Impedanz die korrekte Impedanz
ist, das heißt,
falls der Betriebszustand nicht der getrocknete Zustand ist, ist
der Betriebszustand der Zustand mit wenig Brennstoffgas, der Zustand
mit wenig Oxidiergas oder der geflutete Zustand. Die Bestimmung, welcher
dieser Zustand der Betriebszustand ist, kann korrekt auf der Grundlage
lediglich der gemessenen Spannung durchgeführt werden. Weiterhin kann
die Betriebszustandbestimmungseinrichtung bestimmen, dass der Betriebszustand
der Zustand mit wenig Brennstoffgas ist, falls die durch die Impedanzmesseinrichtung
gemessene Impedanz die korrekte Impedanz ist und die durch Spannungsmesseinrichtung
gemessene Spannung unterhalb einer vorbestimmten Spannung liegt,
die auf einen niedrigen Wert vorab eingestellt ist, der während des
Zustands mit unzureichendem Oxidiergas und während des gefluteten Zustands
im wesentlichen unmöglich
ist. Falls die gemessene Impedanz die korrekte Impedanz ist, das
heißt,
falls der Betriebszustand nicht der getrocknete Zustand ist, kann
auf der Grundlage davon, ob die bemessene Spannung unterhalb der
vorbestimmten Spannung liegt, bestimmt werden, ob der Betriebszustand
der Zustand mit wenig Brennstoff oder einer der anderen Zustände ist.
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In dem Betriebszustandbestimmungsgerät kann die
Betriebszustandbestimmungseinrichtung bestimmen, dass der Betriebszustand
der geflutete Zustand ist, wenn die durch Spannungsmesseinrichtung
gemessene Spannung in einen vorbestimmten unkorrekten Spannungsbereich
abfällt,
jedoch über einer
vorbestimmten Spannung bleibt, die auf einen niedrigen Wert vorab
eingestellt ist, der während
des Zustands mit unzureichendem Oxidiergas und während des gefluteten Zustands
im wesentlichen unmöglich
ist, und der Spannungsabfall kurz ist. Weiterhin kann die Betriebszustandbestimmungseinrichtung
bestimmen, dass der Betriebszustand der Zustand mit unzureichendem
Oxidiergas ist, wenn die durch Spannungsmesseinrichtung gemessene Spannung
in einen vorbestimmten unkorrekten Spannungsbereich abfällt, jedoch über einer
vorbestimmten Spannung bleibt, die auf einen niedrigen Wert vorab
eingestellt ist, der während
des Zustands mit unzureichendem Oxidiergas und während des gefluteten Zustands
im wesentlichen unmöglich
ist, und der Spannungsabfall lang ist. Gemäß den in Zusammenhang gewonnen
Erkenntnissen zeigte die gemessene Spannung in einer kurzen Zeit
nach Eintritt in den unkorrekten Spannungsbereich eine Tendenz zum
Anstieg, falls der Betriebszustand der Brennstoffzellenbatterie
der geflutete Zustand war. Falls im Gegensatz dazu der Betriebszustand
der Zustand mit wenig Oxidiergas war, zeigte die gemessene Spannung
eine Tendenz zum Eintritt in den unkorrekten Spannungsbereich und
darauf folgendes Verbleiben auf einen im wesentlichen konstanten
Werten, mit oder ohne einem darauf folgenden Spannungsanstieg. Daher
ermöglicht
die Bestimmung, ob die Dauer des Spannungsabfalls kurz oder lang
ist, eine korrekte Unterscheidung zwischen dem gefluteten Zustand
und dem Zustand mit wenig Oxidiergas.
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Die weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
ist ein Betriebszustandbestimmungsverfahren zur Bestimmung eines
Betriebszustands einer Brennstoffzellenbatterie, die durch Stapeln
einer Vielzahl von Einheitszellen geformt ist, die jeweils einen Aufbau
aufweisen, in denen ein Festelektrolytmembran im nassen Zustand
zwischen einer Anode, der Brennstoffgas zugeführt wird, und einer Kathode,
der Oxidiergas zugeführt
wird, dazwischen angeordnet ist, wobei das Verfahren die Schritte
aufweist: Messen einer Impedanz von zumindest einer der Einheitszellen
oder der Impedanz eines Einheitszellenstapels, der durch Stapeln
einer Vielzahl von Einheitszellen gebildet ist, Messen einer Spannung
von zumindest einer der Einheitszellen oder einer Spannung des Einheitszellenstapels,
und Bestimmen, welcher eines Zustands mit unzureichendem Brennstoffgas,
eines Zustands mit unzureichendem Oxidiergas, eines gefluteten Zustands
und eines ausgetrockneten Zustands der Betriebszustand ist, auf
der Grundlage der Impedanz und der Spannung. Daher ermöglicht dieses
Verfahren die Beschaffung einer ausführlichen Kenntnis des Betriebszustands
der Brennstoffzellenbatterie im Vergleich zu dem Fall, dass der
Betriebszustand lediglich auf der Grundlage der gemessenen Impedanz
bestimmt wird, oder zu dem Fall, in dem der Betriebszustand lediglich
auf der Grundlage der gemessen Spannung bestimmt wird. Es sei bemerkt,
dass die Reihenfolge, in der die auf der gemessenen Impedanz beruhende
Bestimmung und der die auf der gemessenen Spannung beruhende Bestimmung
durchgeführt
werden, nicht besonders eingeschränkt ist.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung
ist ein Betriebszustandbestimmungsgerät zur Bestimmung eines Betriebszustands
einer Brennstoffzellenbatterie, die durch Stapeln einer Vielzahl
von Einheitszellen geformt ist, die jeweils einen Aufbau aufweisen,
in denen ein Festelektrolytmembran im nassen Zustand zwischen einer
Anode, der Brennstoffgas zugeführt
wird, und einer Kathode, der Oxidiergas zugeführt wird, angeordnet ist, wobei
das Gerät aufweist:
eine Spannungsmesseinrichtung zum Messen einer Spannung von zumindest
einer der Einheitszellen oder einer Spannung eines Einheitszellenstapels,
der durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen gebildet ist,
und eine Betriebszustandbestimmungseinrichtung zur Bestimmung, ob
es eine Möglichkeit
gibt, dass der Betriebszustand ein Zustand mit unzureichendem Oxidiergas
ist, falls die durch die Spannungsmesseinrichtung gemessene Spannung
höchstens
eine erstvorbestimmte Spannung ist und zumindest eine zweite vorbestimmte Spannung
ist, die kleiner als die erste vorbestimmte Spannung ist, und zur
Bestimmung, dass es eine Möglichkeit
gibt, dass der Betriebszustand ein Zustand mit unzureichendem Brennstoffgas
ist, falls die durch die Spannungsmesseinrichtung gemessene Spannung
höchstens
die zweite vorbestimmte Spannung ist.
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Dieses Betriebszustandbestimmungsgerät misst
die Spannung einer Einheitszelle oder eines Einheitszellenstapels.
Falls die gemessene Spannung höchstens
die erste vorbestimmte Spannung und zumindest die zweite vorbestimmte
Spannung ist, bestimmt das Gerät,
dass es eine Möglichkeit gibt,
dass der Betriebszustand der Zustand mit wenig Oxidiergas ist. Falls
die gemessene Spannung höchstens
die zweite vorbestimmte Spannung ist, bestimmt das Gerät, dass
eine Möglichkeit
gibt, dass der Betriebszustand der Zustand mit wenig Brennstoffgas
ist. Daher ist das Gerät
im Vergleich zu den Geräten
gemäß dem Stand
der Technik in der Lage, eine ausführliche Kenntnis des Betriebszustands
der Brennstoffzellenbatterie zu beschaffen.
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Beispielsweise kann die "erste vorbestimmte Spannung" auf der Grundlage
einer empirischen Kenntnis unterhalb des Bereichs der Spannungen eingestellt
werden, die die Brennstoffzellenbatterie möglicherweise während eines
korrekten Betriebszustands erzeugen kann, und kann die "zweite vorbestimmte
Spannung" auf der
Grundlage einer empirischen Kenntnis auf einen Wert eingestellt
werden, der niedriger als ein typischer Wert ist, der während des
Zustands mit wenig Oxidiergas auftritt, und der höher als
ein typischer Wert ist, der während
des Zustands mit wenig Brennstoffzellengas auftritt.
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Das Betriebszustandbestimmungsgerät kann weiterhin
eine Impedanzmesseinrichtung zum Messen einer Impedanz von zumindest
einer der Einheitszellen oder einer Impedanz des Einheitszellenstapels
aufweisen. In diesem Gerät
bestimmt die Betriebszustandbestimmungseinrichtung, dass der Betriebszustand
der ausgetrocknete Zustand ist, falls die durch die Spannungsmesseinrichtung
gemessene Spannung höchstens
die zweite vorbestimmte Spannung ist, und die durch die Impedanzmesseinrichtung
gemessene Spannung nicht innerhalb eines korrekten Impedanzbereichs
liegt. Daher kann eine Unterscheidung zwischen dem ausgetrockneten
Zustand und dem Zustand mit wenig Brennstoffgas korrekt durchgeführt werden,
wohingegen die Durchführung
einer Unterscheidung dazwischen lediglich auf der Grundlage der
gemessenen Spannung schwierig ist.
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In dem Betriebszustandbestimmungsgerät kann die
Betriebszustandbestimmungseinrichtung in einem Fall, wenn die durch
die Spannungsmesseinrichtung gemessene Spannung auf zwischen die
erste vorbestimmte Spannung und die zweite vorbestimmte Spannung
abfällt
und die Dauer des Spannungsabfalls kurz ist, bestimmen, dass der
Betriebszustand der geflutete Zustand ist. Daher ist es möglich, korrekt
zu bestimmen, ob der Betriebszustand der geflutete Zustand ist,
indem bestimmt wird, ob die Dauer des Spannungsabfalls kurz ist.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung
ist ein Betriebszustandbestimmungsverfahren zur Bestimmung eines
Betriebszustands einer Brennstoffzellenbatterie, die durch Stapeln
einer Vielzahl von Einheitszellen geformt ist, die jeweils einen
Aufbau aufweisen, in denen ein Festelektrolytmembran im nassen Zustand
zwischen einer Anode, der Brennstoffgas zugeführt wird, und einer Kathode,
der Oxidiergas zugeführt
wird, angeordnet ist, mit den Schritte: Messen einer Spannung von
zumindest einer der Einheitszellen oder einer Spannung eines Einheitszellenstapels,
der durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen gebildet ist,
und Bestimmen, dass es eine Möglichkeit
gibt, dass der Betriebszustand ein Zustand mit unzureichendem Oxidiergas
ist, falls die Spannung höchstens
eine erstvorbestimmte Spannung ist und zumindest eine zweite vorbestimmte Spannung
ist, die kleiner als die erste vorbestimmte Spannung ist, und des
Bestimmens, dass es eine Möglichkeit
gibt, dass der Betriebszustand ein Zustand mit unzureichendem Brennstoffgas
ist, falls die Spannung höchstens
die zweite vorbestimmte Spannung ist. Somit ermöglicht im Vergleich zu den
Verfahren gemäß dem Stand
der Technik dieses Verfahren eine Beschaffung einer detaillierten Kenntnis
des Betriebszustands der Brennstoffzellenbatterie.
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Es sei bemerkt, das gemeinsame Bezeichnungen
der Beschreibungen der verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung
im wesentlichen mit derselben Bedeutung verwendet sind.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Brennstoffzellensystems 20.
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2 zeigt
eine Schnittansicht einer Einheitszelle 31 einer Brennstoffzellenbatterie 30.
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3 zeigt
einen Graphen, der die Spannung V in Bezug auf die Zeit während eines
ausgetrockneten Zustands angibt.
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4 zeigt
einen Graphen, der die Spannung V in Bezug auf die Zeit während eines
gefluteten Zustands anzeigt.
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5 zeigt
einen Graphen, der die Spannung V in Bezug auf die Zeit während eines
Zustands mit wenig Brennstoffgas angibt.
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6 zeigt
einen Graphen, der die Spannung V in Bezug auf die Zeit während eines
Zustands mit wenig Oxidiergas angibt.
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7 zeigt
ein Flussdiagramm, das einen Datenbeschaffungsprozessablauf veranschaulicht.
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8 zeigt
ein Flussdiagramm, das einen Betriebszustandbestimmungsprozessablauf
veranschaulicht.
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9 zeigt
ein Flussdiagramm eines weiteren Betriebszustandbestimmungsprozessablaufs.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele
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Nachstehend sind bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnungen beschrieben. 1 zeigt eine schematische
Darstellung des Aufbaus eines Brennstoffzellensystems, dass als
Betriebszustandbestimmungsgerät
gemäß der Erfindung
arbeitet. Wie es in 1 gezeigt
ist, weist ein Brennstoffzellensystem 20 eine Brennstoffgaszufuhrvorrichtung 22,
die ein Wasserstoff enthaltendes Brennstoffgas zuführt, ein
Brennstoffgasbefeuchter 23, der das aus der Brennstoffgaszufuhrvorrichtung 22 zugeführte Brennstoffgas
befeuchtet, eine Oxidiergaszufuhrvorrichtung 24, die ein
Sauerstoff enthaltendes Oxidiergas (beispielsweise Luft) zuführt, ein
Oxidiergasbefeuchter 25, der das aus der Oxidiergaszufuhrvorrichtung 24 zugeführte Oxidiergas
befeuchtet, eine Festpolymer-Brennstoffzellenbatterie 30,
die elektrische Leistung erzeugt, wenn ihr das Brennstoffgas und
das Oxidiergas zugeführt
werden, eine Kühlvorrichtung 50,
die die Brennstoffzellenbatterie 30 kühlt, und eine elektronische
Steuerungseinheit 60 auf, die den Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 steuert.
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Die Brennstoffgaszufuhrvorrichtung 22 ist eine
Vorrichtung, die ein Wasserstoff enthaltendes Brennstoffgas zuführt und
kann beispielsweise ein Reformer sein, der Kohlenwasserstoff-Brennstoff
wie Methanol, Methan oder dergleichen reformiert und daher ein wasserstoffreiches
Brennstoffgas zuführt, oder
kann ein Brennstoffgasspeichertank sein, der ein Wasserstoff enthaltendes
Brennstoffgas speichert. Die Oxidiergaszufuhrvorrichtung 24 ist
eine Vorrichtung, die ein Sauerstoff enthaltendes Oxidiergas zuführt, und
kann eine Luftpumpe sein, die lediglich Luft zuführt, oder kann ein Oxidiergasspeichertank
sein, der ein anderes Oxidiergas als Luft speichert. Die Brennstoffgaszufuhrvorrichtung 22 und
die Oxidiergaszufuhrvorrichtung 24 sind mit der elektronischen
Steuerungseinheit 60 über
Signalleitungen verbunden, so dass die Menge des zugeführten Brennstoffgases
und die Menge des zugeführten
Oxidiergases durch die elektronische Steuerungseinheit 60 gesteuert
werden.
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Der Brennstoffgasbefeuchter 23 und
der Oxidiergasbefeuchter 25 sind Befeuchter, die Wasser verdampfen
(vaporisieren) dass aus einem Wassertank 26 heraus gepumpt
wird, und führen
Wasserdampf den Brennstoffgas und dem Oxidiergas zu. Der Brennstoffgasbefeuchter 22 und
der Oxidiergasbefeuchter 25 sind mit der elektronischen
Steuerungseinheit 60 über
Signalleitungen verbunden, so dass das Befeuchtungsausmaß des Brennstoffgases und
das Befeuchtungsausmaß des
Oxidiergases durch die elektronische Steuerungseinheit 60 gesteuert
werden.
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Die Brennstoffzellenbatterie 30 ist
eine Fest-Polymer-Brennstoffzellenbatterie,
die durch Stapeln einer Vielzahl von (beispielsweise einigen hundert)
Einheitszellen 31 gebildet ist. 2 veranschaulicht schematisch den Aufbau
einer Einheitszelle 31 der Brennstoffzellenbatterie 30.
Wie es in 2 gezeigt
ist, ist die Einheitszelle 31 aufgebaut aus: einer Festelektrolytmembran 32,
die eine protonleitende Membran ist, die durch ein hochmolekulares
Material wie Fluorkohlenwasserstoff-Harz oder dergleichen gebildet
ist, einer Anode 33 und einer Kathode 34, die
jeweils durch ein Kohlenstoffgewebe (Karbongewebe) geformt sind,
die darin einen Katalysator wie Platin oder eine Legierung von Platin
und einem anderen Metall hält,
und die eine Festelektrolytmembran 32 zwischen den Katalysator
enthaltenen Oberflächen
sandwichartig umschließen
und daher eine Sandwich-Struktur bilden, und zwei Trenner (Separatoren) 35,
die die Sandwich-Struktur von entgegengesetzten Seiten sandwichartig
umgeben, und Brennstoffgas- und Oxidiergaskanäle 36 und 37 zusammen
mit der Anode 33 und der Kathode 34 bilden, und
wobei jeder davon als eine Trennwand zwischen benachbarten Einheitszellen 31 dient.
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Die Brennstoffzellenbatterie 30 ist
mit verschiedenen darin angebrachten Sensoren und dergleichen wie
Voltmeter 40, die die Ausgangsspannung V der Einheitszellen 31 der
Brennstoffzellenbatterie 30 messen, einer Strommesseinrichtung 42,
die den Strom I erfasst, der aus der Brennstoffzellenbatterie 30 ausgegeben
wird, einem Brennstoffzellentemperatursensor 44, der die
Temperatur der gesamten Brennstoffzellenbatterie erfasst, Drucksensoren 46,
die den Gasdruck P des Brennstoffgases und des Oxidiergases erfassen,
einer Impedanzerfassungseinrichtung 48, die die Impedanz
der gesamten Brennstoffzellenbatterie erfasst, usw. versehen. Diese
Sensoren und dergleichen sind mit der elektronischen Steuerungseinheit 60 über Signalleitungen verbunden.
Bekannte Beispiele für
die Impedanzerfassungseinrichtung 48 umfassen einen Wechselstrom-Milliohm-Sensor,
der eine Impedanz der Wechselspannung bestimmt, die beim Anlegen
eines kleinen Wechselstroms an die Ausgangsanschlüsse der
Brennstoffzellenbatterie 30 auftritt. Die Impedanz der
Brennstoffzellenbatterie 30 kann grob in die Widerstandswerte
der Anoden 33, der Katoden 34 und der Trenner 35 sowie
der Widerstandswert der auf der Grundlage der Protonenleitfähigkeit
der Festelektrolytmembrane 32 im Hinblick auf die vorstehend
beschriebenen Aufbau der Brennstoffzellenbatterie unterteilt werden.
Da die Anoden 33, die Katoden 34 und die Trenner 35 durch
elektrisch leitende Materialien gebildet sind, ändert sich ihre Impedanz nicht
wesentlich in Abhängigkeit
davon, ob sie befeuchtet sind. Die Festelektrolytmembrane 32 zeigen
eine gute protonische Leitfähigkeit
in einem nassen Zustand, zeigen jedoch eine verschlechterte protonische
Leitfähigkeit
in einem ausgetrockneten Zustand. Daher reflektiert die Impedanz
der Brennstoffzellenbatterie 30, ob die Festelektrolytmembrane 32 sich
in einem ausgetrockneten Zustand befinden.
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Ausstoßrohre der Brennstoffzellenbatterie 30 für das Brennstoffgas
und das Oxidiergas sind jeweils mit Druckregelventilen 27 und 28 versehen,
so dass der Gasdruck des Brennstoffgases und der Gasdruck des Oxidiergases
in der Brennstoffzellenbatterie 30 justiert werden können. Betätigungsglieder
der Druckregelventile 27 und 28 sind mit der elektronischen
Steuerungseinheit 60 über
Signalleitungen verbunden, und unterliegen daher der Betätigungssteuerung
durch die elektronische Steuerungseinheit 60.
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Die Kühlvorrichtung 50 weist
auf: einen Kühlwasserdurchlass 52,
der einen innerhalb der Brennstoffzellenbatterie 30 geformten
Kühlwasserkanal und
einen Umlaufsdurchlass zur Zufuhr und zum Ausstoß von Kühlwasser in Bezug auf den Kühlwasserkanal
aufweist, einen Wärmetauscher 56,
der an den Kühlwasserdurchlass 52 angebracht
ist und der das Kühlwasser
durch Wärmeaustausch
mit externer Luft kühlt,
eine Kühlwasserpumpe 54,
die das Kühlwasser
durch den Umlaufsdurchlass umlaufen lässt (zirkulieren lässt) und
einen Kühlwassertemperatursensor 58,
der die Temperatur des Kühlewassers
in dem Kühlwasserdurchlass 52 in
der Nähe
der Auslassöffnung
der Brennstoffzellenbatterie 30 erfasst. Die Kühlwasserpumpe 54 und
der Kühlwassertemperatursensor 58 sind
mit der elektronischen Steuerungseinheit 60 über Signalleitungen
verbunden, so dass die Kühlung
der Brennstoffzellenbatterie 30 durch die elektronische
Steuerungseinheit 60 gesteuert wird. Das heißt, dass
das Ausmaß der
Umlaufsströmung
des Kühlwassers
durch die elektronische Steuerungseinheit 60 gesteuert
wird, die die Kühlwasserpumpe 54 auf
der Grundlage der durch den Kühlwassertemperatursensor 58 erfassten
Kühlwassertemperatur
betreibt.
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Die elektronische Steuerungseinheit 60 ist als
ein Ein-Chip-Mikroprozessor
gebildet, der eine CPU 62 als Zentralkomponente aufweist.
Die elektronische Steuerungseinheit 60 ist mit einem ROM 64, das
Verarbeitungsprogramme speichert, einem RAM 66 zum zeitweiligen
Speichern von Daten, sowie (nicht gezeigte) Eingangs-/Ausgangsanschlüsse versehen.
Die elektronische Steuerungseinheit 60 empfängt über die
Eingangsanschlüsse
die Temperaturen und die Mengen des Brennstoffgases und des Oxidiergases,
die aus der Brennstoffgaszufuhrvorrichtung 22 und der Oxidiergaszufuhrvorrichtung 24 aus
Thermometern, (nicht gezeigten) Strömungsmetern usw. zugeführt werden,
Betriebszustände
des Brennstoffgasbefeuchters 23 und der Oxidiergaszufuhrvorrichtung 24,
die von der Brennstoffzellenbatterie 30 ausgegebenen Spannung
V aus Voltmetern 40, den von der Brennstoffzellenbatterie 30 ausgegebenen
Strom I von der Strommesseinrichtung 42, die Temperatur
der Brennstoffzellenbatterie von dem Brennstoffzellentemperatursensor 44,
die Gasdrücke P
des Brennstoffgases und des Oxidiergases der Brennstoffzellenbatterie 30 aus
den Drucksensoren 46, die Impedanz Z der Brennstoffzellenbatterie 30 aus
der Impedanzerfassungseinrichtung 48, die Temperatur des
Kühlwassers
aus dem Kühlwassertemperatursensor 58 usw.
Die elektronische Steuerungseinrichtung 60 gibt über Ausgangsanschlüsse Ansteuerungssignale
zu der Brennstoffgaszufuhrvorrichtung 22 und der Oxidiergasvorrichtung 24,
Ansteuerungssignale zu den Brennstoffgasbefeuchter 23 und
dem Oxidiergasbefeuchter 25, Ansteuerungssignale zu der
Kühlwasserpumpe 54 usw.
aus.
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Ein in der vorstehend beschriebenen
Weise aufgebautes Brennstoffzellensystem 20 wurde ununterbrochen
mit einem konstanten Laststrom (Io) in verschiedenen Zuständen betrieben,
die zwangsweise erzeugt worden ist, d.h. in einem ausgetrockneten Zustand,
in einem gefluteten Zustand, in einem Zustand mit wenig Brennstoffgas
und in einem Zustand mit wenig Oxidiergas betrieben. Während jedes
Betriebs wurden die Ausgangsspannung jeder Einheitszelle 31 der
Brennstoffzellenbatterie 30 und die Impedanz Z der gesamten
Brennstoffzellenbatterie gemessen. 3 bis 6 zeigen Graphen, die Änderungen
in der Spannung V der Einheitszellen 31 (die ebenfalls
als "Zellspannung" bezeichnet ist)
in Bezug auf die Zeit während
der vorstehend beschriebenen Betriebszustände angeben. Das heißt, dass
jeder der Graphen zeitabhängige Änderungen
in den Ausgangsspannungen V der gestapelten Einheitszellen 31 während eines
spezifischen Betriebszustands angibt. Die Messungen wurden zu jeder
Sekunde durchgeführt.
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Der ausgetrocknete Zustand wurde
zwangsweise hervorgebracht, indem das Befeuchtigungsausmaß von einem
normalen Pegel verringert wurde und in dem die Temperatur der gesamten
Brennstoffzellenbatterie durch Drosseln der durch die Kühlvorrichtung 50 durchgeführten Kühlung erhöht wurde. 3 gibt zeitabhängige Änderungen
der Ausgangsspannung V jeder Einheitszelle 31 während des
ausgetrockneten Zustands an. Wie aus 3 hervorgeht,
fällt während des
ausgetrockneten Zustands die Ausgangsspannung V jeder Einheitszelle 31 scharf
ab, und einige Einheitszellen 31 erreichten einen Minusbereich,
der allgemein als umgekehrtes Potential (reverse potential) bezeichnet
ist. Die Impedanz Z der gesamten Brennstoffzellenbatterie stieg zumindest
auf das dreifache eines normalen Pegels aufgrund einer Verschlechterung
in der protonischen Leitfähigkeit
an, die durch die Änderungen
von dem nassen Zustand zu den ausgetrockneten Zustand der Festelektrolytmembrane 32 verursacht
wurde.
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Der geflutete Zustand wurde zwangsweise hervorgebracht,
indem das Befeuchtigungsausmaß von
einem normalen Pegel erhöht
wurde und indem die Temperatur der gesamten Brennstoffzellenbatterie
durch die von der Kühlvorrichtung 50 durchgeführte ausreichende
Kühlung
verringert worden ist. 4 zeigt
die zeitabhängigen Änderungen
in der Ausgangsspannung V jeder Einheitszelle 31 während des
gefluteten Zustands an. Wie aus 4 hervorgeht,
fiel während
des gefluteten Zustands die Ausgangsspannung V jeder Einheitszelle 31 mit
verstreichender Zeit scharf ab, jedoch erreichte keine Einheitszelle 31 den
Minusbereich. Auf jeden Spannungsabfall folgte unmittelbar ein Anstieg.
Somit war die Dauer des Spannungsabfalls kurz. Das Auftreten der
kurzen Dauer kann wie folgt erklärt
werden. Das heißt,
dass in Betracht gezogen wird, dass die Ausgangsspannungen V der
Einheitszellen 31 aufgrund des Sammelns von Wasser in den
Kanälen 36 und 37 der
Trenner 35 der Einheitszellen 31 abfielen und dann
wieder anstiegen, als das Wasser mit Gas weggetragen worden ist.
Es sei ebenfalls bemerkt, dass während
des gefluteten Zustands die Impedanz der gesamten Brennstoffzellenbatterie
keinen Unterschied zu der Impedanz während eines korrekten Betriebszustands
zeigte.
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Der Zustand mit wenig Brennstoffgas
wurde zwangsweise hervorgebracht, indem die zugeführte Menge
des Brennstoffgases derart eingestellt wurde, dass Wasserstoff einen
stöchiometrischen
Wert unterschreitet, der für
die elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff
bestimmt ist. 5 zeigt
die zeitabhängigen Änderungen
der Ausgangsspannung V jeder Einheitszelle 31 während des
Zustands mit wenig Brennstoffgas. Wie aus 5 hervorgeht, fiel während des Zustands mit wenig
Brennstoffgas die Ausgangsspannung V jeder Einheitszelle 31 scharf
ab und fiel in den Minusbereich ab. Das Muster der Änderungen
in den Ausgangsspannungen V ist bemerkenswert ähnlich zu dem Muster der Änderungen
während
des ausgetrockneten Zustands. Es sei ebenfalls bemerkt, dass während des
Zustands mit wenig Brennstoffgas die Impedanz der gesamten Brennstoffzellenbatterie
keinen Unterschied zu der Impedanz während eines korrekten Betriebszustands
zeigte.
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Der Zustand mit wenig Oxidiergas
wurde zwangsweise hervorgebracht, indem die zugeführte Menge
des Oxidiergases derart eingestellt worden ist, dass der Sauerstoff
einen stöchiometrischen
Wert unterschreitet, der für
die elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff
bestimmt ist. 6 zeigt
die zeitabhängigen Änderungen
der Ausgangsspannung V jeder Einheitszelle 31 während des
Zustands mit wenig Oxidiergas. Wie aus 6 hervorgeht, verringerte sich während des
Zustands mit wenig Oxidiergas der Ausgangsspannung V jeder Einheitszelle 31 zeitweilig
mit Verstreichen der Zeit, erreichte jedoch nicht den Minusbereich.
Die Ausgangsspannung V jeder Einheitszelle 31 war an dem abgefallenen
Wert für
eine gewisse Zeit lang stabil und begann dann sich zu erhöhen. Es
sei bemerkt, dass während
des Zustands mit wenig Oxidiergas die Impedanz der gesamten Brennstoffzellenbatterie
keinen Unterschied zu der Impedanz während eines korrekten Betriebszustands
zeigte.
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Die vorstehend beschriebenen Experimente geben
das folgende an. Das heißt,
dass der ausgetrocknete Zustand und der Zustand mit wenig Brennstoffgas
in den Verhalten der Ausgangsspannungen V der Einheitszelle 31 in
Bezug auf die Zeit ähnlich sind.
Das heißt,
dass während
des ausgetrockneten Zustands und während des Zustands mit wenig Brennstoffgas
die Ausgangsspannung V der Einheitszellen 31 sich in den
Minusbereich oder in die Nähe
des Minusbereichs verringerten. Jedoch tritt bei dem ausgetrockneten
Zustand ein anormaler Anstieg der Impedanz der gesamten Brennstoffzellenbatterie
auf, wohingegen ein derartiges Phänomen nicht während des Zustands
mit wenig Brennstoffgas beobachtet wurde. Während des gefluteten Zustands und
während
des Zustands mit wenig Oxidiergas verringert sich die Ausgangsspannung
V jeder Einheitszelle 31 nicht bis in den Minusbereich
hinein. Während
des gefluteten Zustands ist die Dauer des Abfalls der Ausgangsspannung
V der Einheitszellen 31 kurz. Im Gegensatz dazu ist während des
Zustands mit wenig Oxidiergas eine derartige Dauer lang. Daher ist
es auf der Grundlage dieser Ergebnisse möglich, eine ausführliche
Kenntnis über
einen spezifischen Betriebszustand einer Brennstoffzellenbatterie zu
erlangen, falls die Brennstoffzellenbatterie sich in einen inkorrekten
Betriebszustand befindet.
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Nachstehend ist der Betrieb des Brennstoffzellensystems 20,
das wie vorstehend beschrieben aufgebaut ist, und insbesondere ein
Prozess zur Bestimmung des Betriebszustands der Brennstoffzellenbatterie 30 und
ein Datenbeschaffungsprozess zur Beschaffung von Daten beschrieben,
die für
den Bestimmungsprozess erforderlich sind. 7 zeigt ein Flussdiagramm, das einen
Datenbeschaffungsprozessablauf veranschaulicht, dass durch die elektronische
Steuerungseinheit 60 des Brennstoffzellensystems 20 ausgeführt wird. 8 zeigt ein Flussdiagramm,
das den Betriebszustandbestimmungsprozessablauf veranschaulicht.
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Zunächst ist der Datenbeschaffungsprozessablauf
beschrieben. Dieser Ablauf wird wiederholt zu jeweils einer vorbestimmten
Zeit (beispielsweise alle 1 Sekunde) während einer Zeitdauer ausgeführt, die unmittelbar
dem Start des Brennstoffzellensystems 20 nachfolgt und
endet, wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 gestoppt
wird. Wenn der Datenbeschaffungsprozessablauf ausgeführt wird,
beschafft die CPU 62 die Spannung V jeder Einheitszelle 31 aus
den Voltmeter 40 jeder Zelle 31 und beschafft
die Impedanz Z der gesamten Brennstoffzellenbatterie aus der Impedanzerfassungseinrichtung 48,
und assoziiert (ordnete zu) die beschafften Spannungen V und die
beschaffte Impedanz Z mit der gegenwärtigen Zeit und speichert diese
in das RAM 66 (Schritt S100). Darauf folgend wird bestimmt,
ob irgendeine der in Schritt S100 beschafften Spannungen V innerhalb
eines vorbestimmten unkorrekten Bereichs liegt (Schritt S110). Falls
keiner der Spannungen innerhalb des unkorrekten Bereichs liegt, wird
der Ablauf unmittelbar beendet. Falls im Gegensatz dazu irgendeiner
der Spannungen V sich innerhalb des unkorrekten Bereichs befindet,
wird ein Flag (eine Kennung) F auf einen Wert 1 gesetzt (Schritt S120),
woraufhin der Ablauf beendet wird. Der unkorrekte Bereich der Spannung
ist ein Niedrigspannungsbereich (beispielsweise ≤ 0,3 Volt), der während eines
korrekten Betriebszustands niemals erreicht werden kann, der jedoch
erreicht werden kann, falls der Betriebszustand unkorrekt wird.
Der unkorrekte Bereich der Spannung wird auf der Grundlage empirisch
erhaltener Daten eingestellt. Das Flag F wird auf einen Wert 1 gesetzt,
wenn der Betriebszustand unkorrekt wird. Dann wird das Flag F auf
einen Wert 0 zurückgesetzt,
nachdem in den nachstehend beschriebenen Betriebszustandbestimmungsprozess
bestimmt worden ist, welcher des ausgetrockneten Zustands, des gefluteten
Zustands, des Zustands mit wenig Brennstoffgas und des Zustands
mit wenig Oxidiergas der vorliegende Betriebszustand ist.
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Der Betriebszustandbestimmungsprozessablauf
ist nachstehend beschrieben. Dieser Ablauf wird wiederholt zu jeweils
einer vorbestimmten Zeit (beispielsweise eine Minute) während einer
Zeitdauer durchgeführt,
die unmittelbar nach dem Start des Brennstoffzellensystems 20 beginnt,
und endet, wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 gestoppt
wird. Wenn der Betriebszustandsbestimmungsprozessablauf ausgeführt wird,
wird bestimmt, ob eine ansteigende Flanke des Flags F vom Wert 0 auf
den Wert 1 erfasst worden ist (Schritt S202). Falls eine ansteigende
Flanke erfasst wird, wird eine Zeitmessung über einen (nicht gezeigten)
Zeitgeber gestartet (S204), woraufhin der Ablauf beendet wird. Falls
im Gegensatz dazu keine ansteigende Flanke erfasst wird, wird der
Wert des Flags F überprüft (Schritt
S206). Falls der Wert des Flags F 0 ist, wird angegeben, dass der
Betriebszustand korrekt ist, weshalb der Ablauf beendet wird. Falls
der Wert des Flags 1 ist, wird angegeben, dass eine ansteigende Flanke
des Flags F vorher erfasst worden ist und dass die Zeitmessung gestartet
worden ist. Daher wird bestimmt, ob eine vorbestimmte Zeit zur Bestimmung
(beispielsweise einige Minuten) nach dem Start der Zeitmessung verstrichen
ist (S208). Falls die Bestimmungszeit nicht verstrichen ist, wird
der Ablauf unmittelbar beendet. Es sei an dieser Stelle bemerkt,
dass die Bestimmungszeit ein Zeitintervall ist, dass zur Bestimmung
erforderlich ist, welcher des ausgetrockneten Zustands, des gefluteten
Zustands, des Zustands mit wenig Brennstoffgas und des Zustands
mit wenig Oxidiergas der vorliegende Betriebszustand ist, und die
Bestimmungszeit wird auf der Grundlage empirischer Daten vorab bestimmt. Bis
zum Verstreichen der Bestimmungszeit wird der Datenbeschaffungsprozessablauf
gemäß 7 wiederholt ausgeführt. Daher
werden die erfassten Spannungen V und die Impedanzen Z mit der Zeit
in Zusammenhang gebracht, und werden in dem RAM 66 gespeichert.
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Falls in Schritt S208 bestimmt wird,
dass die vorbestimmte Bestimmungszeit verstrichen ist, werden die
in dem Datenbeschaffungsprozessablauf innerhalb der Bestimmungszeit
beschafften Daten, d. h. die Spannungen V und die Impedanzen Z ausgelesen
(Schritt S210), und dann wird bestimmt, ob irgendeine der ausgelesenen
Impedanzen Z größer als
ein vorbestimmter Schwellwert Zthr ist (Schritt S212). Es sei bemerkt,
dass der Schwellwert Zthr vorab eingestellt ist, so dass der Schwellwert
Zthr niedriger als die Impedanz ist, die auftritt, wenn der ausgetrocknete
Zustand zwangsweise erzeugt wird, und größer als die Impedanzen ist,
die während
der anderen Betriebszustände
auftreten. Falls in Schritt S212 bestimmt wird, dass die ausgelesenen
Impedanzen Z eine Impedanz Z aufweisen, die größer als der Schwellwert Zthr
ist, werden Informationen, dass der gegenwärtige Zustand der ausgetrocknete
Zustand ist, in dem Rahmen 66 gespeichert (Schritt S214).
Danach wird das Flag F zurückgesetzt
(Schritt S226), woraufhin der Ablauf beendet wird.
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Falls im Gegensatz dazu in Schritt
S212 bestimmt wird, dass keine der Impedanzen Z größer als der
Schwellwert Zthr ist, wird bestimmt, ob irgendeine der in Schritt
S210 ausgelesenen Spannungen niedriger als ein Schwellwert Vthr
ist (Schritt S216). Es sei bemerkt, dass der Schwellwert Vthr vorab
eingestellt ist, so dass der Schwellwert Vthr größer als die Spannung V ist,
die auftritt, wenn der Zustand mit wenig Brennstoffgas zwangsweise
erzeugt wird, und niedriger als die Spannungen V ist, die während des
Zustands mit wenig Oxidiergas oder des gefluteten Zustands auftreten.
Insbesondere ist der Schwellwert Vthr auf einen Wert eingestellt,
der ≤ 0 Volt
ist und ist vorzugsweise auf einen Wert innerhalb des Bereichs von
-0,2 bis 0 Volt eingestellt. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
ist der Schwellwert Vthr auf -0,1 Volt eingestellt. Falls in Schritt
S216 bestimmt wird, dass die ausgelesenen Spannungen V eine Spannung
V aufweisen, die niedriger als der Schwellwert Vthr ist, werden
Informationen, die angeben, dass der gegenwärtige Betriebszustand der Zustand
mit wenig Brennstoffgas ist, d. h. ein Zustand mit wenig Wasserstoff
ist, in das RAM 66 gespeichert (Schritt S218). Danach wird
das Flag F zurückgesetzt
(Schritt S226), woraufhin der Ablauf beendet wird.
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Falls im Gegensatz dazu in Schritt
S216 bestimmt wird, dass keine der Spannungen V niedriger als der
Schwellwert Vthr ist, wird bestimmt, ob die Dauer der Spannungen
V jeder Einheitszelle 31, die in Schritt S210 ausgelesen
worden sind, kurz oder lang ist (Schritt S220). In einem möglichen
Prozess wird beispielsweise die Spannung V einer Einheitszelle 31,
die in der vorhergehenden Ausführung
des Datenbeschaffungsprozessablaufs beschafft worden ist, von der
Spannung V der selben Einheitszelle 31 abgezogen, die in
der gegenwärtigen
Ausführung des
Ablaufs beschafft wird, um eine Differenz ΔV zu bestimmen. Die Differenz ΔV wird durch
eine Zeitdifferenz Δt
zwischen der vorhergehenden Ausführung und
der gegenwärtigen
Ausführung
des Ablaufs dividiert, wodurch ΔV/Δt bestimmt
wird. Eine Zeitdauer von dem Zeitpunkt, zu dem der Werts ΔV/Δt kleiner als
ein vorbestimmter negativer Wert wird, bis zu dem Zeitpunkt, zu
dem der Wert ΔV/Δt größer als
ein vorbestimmter positiver Wert wird, wird berechnet. Die Zeitdauer
wird als Dauer des Spannungsabfalls betrachtet. In diesem Fall ist
es ausreichend, den negativen Wert und den positiven Wert auf der
Grundlage empirischer Daten zu bestimmen. Das ΔV/Δt kann als zeitliche Ableitung
der Spannung V betrachtet werden. Es ist ebenfalls möglich, eine Zeitdauer
von dem Zeitpunkt, zu dem die Spannung V kleiner als eine vorbestimmte
Bestimmungsspannung wird, bis zu dem Zeitpunkt zu berechnen, wenn
die Spannung V größer als
die Bestimmungsspannung wird, und die Zeitdauer als die Dauer des
Spannungsabfalls zu betrachten. Es ist ausreichend, die Bestimmungsspannung
auf der Grundlage empirischer Daten zu bestimmen.
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Falls in Schritt S220 bestimmt wird,
dass die Dauer des Spannungsabfalls lang ist, werden Informationen,
die angeben, dass der gegenwärtige
Betriebszustand der geflutete Zustand ist, in das RAM 66 gespeichert
(Schritt S222). Falls im Gegensatz dazu in Schritt S220 bestimmt
wird, dass die Dauer des Spannungsabfalls lang ist, werden Informationen,
die angeben, dass der gegenwärtige
Betriebszustand der Zustand mit wenig Oxidiergas ist, d. h. der
Zustand mit wenig Luft ist, in das RAM 66 gespeichert (Schritt
S224). Nach Schritt S222 oder Schritt S224 wird das Flag F zurückgesetzt
(Schritt S226), woraufhin der Ablauf beendet wird.
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Nach dem Ende des Betriebszustandsbestimmungsprozessablaufs
kann die CPU 62 den Betriebszustand von dem RAM 66 zu
einer (nicht gezeigten) Anzeige ausgeben oder kann den Betriebszustand
aus dem RAM 66 über
einen (nicht gezeigten) Drucker ausdrucken. Die CPU 62 kann
ebenfalls die Betriebsbedingungen der Brennstoffzellenbatterie 30 auf
der Grundlage des in dem RAM 66 gespeicherten Betriebszustands ändern. Falls
beispielsweise der gespeicherte Betriebszustand der ausgetrocknete
Zustand ist, kann das Ausmaß der
durch den Brennstoffgasbefeuchter 23 bereitgestellte Befeuchtung
und das Ausmaß der
durch den Oxidiergasbefeuchter 25 bereitgestellten Befeuchtung
erhöht
werden, oder die Temperatur der gesamten Brennstoffzellenbatterie
kann verringert werden, indem die Ausstoßmenge aus der Kühlwasserpumpe 54 der Kühlvorrichtung 50 erhöht wird.
Falls der Betriebszustand der geflutete Zustand ist, können das
Ausmaß der
durch den Brennstoffgasbefeuchter 23 bereitgestellten Befeuchtung
und das Ausmaß der
durch den Oxidiergasbefeuchter 25 bereitgestellten Befeuchtung
verringert werden, oder die Temperatur der gesamten Brennstoffzellenbatterie
kann erhöht
werden, indem die Ausstoßmenge
aus der Kühlwasserpumpe 54 der
Kühlvorrichtung 50 verringert
wird, oder die Gasdrücke
können
zeitweilig angehoben werden und dann durch Betreiben der Druckregelventile 27 und 28 verringert
werden. Falls der in dem RAM 66 gespeicherte Betriebszustand
der Zustand mit wenig Brennstoffgas ist, kann die zugeführte Brennstoffgasmenge
durch Betreiben der Brennstoffgaszufuhrvorrichtung 22 erhöht werden.
Falls der gespeicherte Betriebszustand der Zustand mit wenig Oxidiergas ist,
kann die Menge des zugeführten
Oxidiergas durch Betreiben der Oxidiergaszufuhrvorrichtung 24 erhöht werden.
Anstelle oder zusätzlich
zu diesen Vorgängen
kann der Laststrom verringert werden.
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Bei dem ausführlich vorstehend beschriebenen
Brennstoffzellensystem 20 wird die Impedanz 20 der
gesamten Brennstoffzellenbatterie gemessen und werden die Spannungen
V der einzelnen Einheitszellen 31 gemessen. Auf der Grundlage
der Impedanz Z und der Spannungen V wird bestimmt, welcher der Zustände Zustand
mit wenig Brennstoffgas, Zustand mit wenig Oxidiergas, gefluteter
Zustand und ausgetrockneter Zustand der gegenwärtige Betriebszustand ist.
Daher kann eine ausführliche Kenntnis über den
Betriebszustand der Brennstoffzellenbatterie im Vergleich zu dem
Fall beschafft werden, in dem Betriebszustand lediglich auf der
Grundlage der Impedanz Z bestimmt wird, oder zu dem Fall beschafft
werden, in der Betriebszustand auf der Grundlage lediglich der Spannungen
V bestimmt wird.
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Weiterhin bestimmt das Brennstoffzellensystem 20,
welcher des Zustands mit wenig Brennstoffgas, des Zustands mit wenig
Oxidiergas, des gefluteten Zustands und des ausgetrockneten Zustands
der gegenwärtige
Betriebszustand ist, auf der Grundlage der Impedanzen Z und der
Spannungen V, die während
der Zeitdauer einer vorbestimmten Bestimmungszeit gemessen werden,
nach dem aufgetreten ist, dass ein Wert der Spannung V einer Einheitszelle 31 sich
innerhalb des unkorrekten Spannungsbereichs befindet. Somit werden Änderungen
in der Spannung in Bezug auf die Zeit berücksichtigt, um korrekt den
Betriebszustand zu bestimmen.
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Weiterhin wird in dem System 20 bestimmt, dass
die Brennstoffzellenbatteriezelle sich in dem ausgetrockneten Zustand
befindet, falls die Impedanz Z der gesamten Brennstoffzellenbatterie
größer als
der Schwellwert Zthr ist. Somit wird es möglich, ausgetrockneten Zustand
und den Zustand mit wenig Brennstoffgas zu machen, was schwierig
durchzuführen
ist, falls die Grundlage für
die Unterscheidung lediglich die Spannung V ist. Falls die Impedanz
Z der gesamten Brennstoffzellenbatterie den Schwellwert Zthr nicht überschreitet
sondern korrekt ist, kann korrekt bestimmt werden, welcher des Zustands
mit wenig Brennstoffgas, des Zustands mit wenig Oxidiergas und des
gefluteten Zustands der vorliegende Betriebszustand ist. Insbesondere
wird korrekt bestimmt, dass der gegenwärtige Betriebszustand der Zustand
mit wenig Brennstoffgas ist, falls eine Spannung V niedriger als
der Schwellwert Vthr ist. Falls dies nicht der Fall ist, wird die
Dauer des Abfalls der Spannung V überprüft. Falls die Dauer kurz ist,
wird bestimmt, dass der gegenwärtige
Betriebszustand der geflutete Zustand ist. Falls die Dauer lang
ist, wird bestimmt, dass der gegenwärtige Betriebszustand der Zustand
mit wenig Oxidiergas ist.
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Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel
kann wie folgt interpretiert werden. Das heißt, dass in der Bestimmung
in Schritt S110, ob eine Spannung V sich innerhalb des vorbestimmten unkorrekten
Bereichs befindet, bestimmt wird, ob die Spannung V kleiner oder
gleich einer ersten vorbestimmten Spannung (beispielsweise 0,3 Volt)
ist. Falls die Antwort in Schritt S110 positiv ist, wird dann in
Schritt S216 bestimmt, ob irgendeine aus der Vielzahl der Spannungen
V niedriger als der Schwellwert Vthr, d. h, eine zweite vorbestimmte
Spannung ist. Falls die Antwort in Schritt S216 positiv ist, wird
bestimmt, dass es die Möglichkeit
für den
Zustand mit wenig Brennstoffgas gibt. Falls die Antwort in Schritt S216
negativ ist, wird bestimmt, dass es eine Möglichkeit für den Zustand mit wenig Oxidiergas
gibt.
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Die Erfindung ist nicht durch das
vorstehende Ausführungsbeispiel
in irgendeiner Form beschränkt,
sondern kann in verschiedenen Formen innerhalb des technischen Umfangs
und der erfinderischen Idee umgesetzt werden.
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Beispielsweise folgt in den Betriebszustandbestimmungsprozessablauf
gemäß dem vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiel
den Vergleich der Impedanz Z mit dem Schwellwert Zthr (Schritt S212)
der Vergleich der Spannungen V mit dem Schwellwert Vthr (Schritt
S216) nach. Jedoch kann die Reihenfolge umgekehrt werden, das heißt, dass der
Vergleich der Spannungen V mit dem Schwellwert Vthr vor dem Vergleich
der Impedanz Z mit dem Schwellwert Zthr ausgeführt werden kann. Genauer wird,
wie es in 9 veranschaulicht
ist, nach Ausführung
des Prozesses der Schritte S202 bis S210 bestimmt, ob irgendeine
der ausgelesenen Spannungen V niedriger als der Schwellwert Vthr
ist (Schritt S252). Falls zu einer Spannung V unterhalb des Schwellwerts
Vthr gibt, wird darauf folgend bestimmt, ob irgendeine der ausgelesenen
Impedanzen Z größer als
der Schwellwert Zthr ist (Schritt S254). Falls es eine Impedanz
Z oberhalb des Schwellwerts Zthr gibt, werden Informationen, die
angeben, dass der gegenwärtige
Betriebszustand der ausgetrocknete Zustand ist, in das RAM 66 gespeichert
(Schritt S256). Danach wird das Flag F zurückgesetzt (Schritt S226), woraufhin
der Ablauf beendet wird. Falls demgegenüber die ausgelesene Impedanzen
Z nicht eine Impedanz Z aufweisen, die den Schwellwert Zthr überschreitet,
werden Informationen, die angeben, dass der gegenwärtige Betriebszustand
der Zustand mit wenig Brennstoffgas ist, in das RAM 66 gespeichert
(Schritt S258). Danach wird das Flag F zurückgesetzt (Schritt S226), woraufhin
der Ablauf beendet wird. Falls in Schritt S252 bestimmt wird, dass
die ausgelesenen Spannungen keine Spannung V aufweisen, die niedriger
als der Schwellwert Vthr ist, werden der vorstehend beschriebene
Prozess von Schritt S220 und die darauf folgenden Schritte ausgeführt. Im
Wesentlichen die selben Vorteile wie diejenigen gemäß dem vorstehend
beschriebenen Ausführungsbeispiel
werden erzielt, wenn der Betriebszustandbestimmungsprozessablauf
gemäß 9 ausgeführt wird. Der Ablauf gemäß 9 kann wie folgt interpretiert
werden. Das heißt,
dass, falls eine Spannung V sich innerhalb des unkorrekten Spannungsbereichs
befindet und sich unterhalb des Schwellwerts befindet, bestimmt
wird, dass der Betriebszustand der Zustand mit wenig Brennstoffgas oder
der ausgetrocknete Zustand ist. Falls die Spannung V sich innerhalb
des unkorrekten Spannungsbereichs befindet und oberhalb des Schwellwerts Vthr
liegt, wird bestimmt, dass der Betriebszustand der Zustand mit wenig
Oxidiergas oder der geflutete Zustand ist.
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Weiterhin ist es, obwohl gemäß dem vorstehend
beschriebenen Ausführungsbeispiel
die Spannung V jeder Einheitszelle 31 gemessen wird und
mit dem Schwellwert Vthr verglichen wird, ebenfalls möglich, die
Spannung zumindest einer Einheitszelle 31 zu messen, die
aus den gestapelten Einheitszellen 31 ausgewählt wird,
und die gemessene Spannung mit einen Schwellwert zu vergleichen.
Weiterhin ist es möglich,
die Spannung eines Einheitszellenmoduls einer Vielzahl von Einheitszellen 31 zu
messen und die gemessene Spannung mit einem Schwellwert zu vergleichen.
Es ist ebenfalls möglich,
die Spannung der gesamten Brennstoffzellenbatterie zu messen und
die gemessene Spannung mit einem Schwellwert zu vergleichen.
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Obwohl gemäß dem vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiel
die Impedanz Z der gesamten Brennstoffzellenbatterie gemessen wird
und mit dem Schwellwert Zthr verglichen wird, ist es ebenfalls möglich, die
Impedanz jeder Einheitszelle 31 zu messen und die gemessene
Impedanz mit einem Schwellwert zu vergleichen. Weiterhin ist es
möglich, die
Impedanz zumindest einer Einheitszelle 31, die aus den
gestapelten Einheitszellen 31 ausgewählt ist, zu messen und die
gemessene Impedanz mit einem Schwellwert zu vergleichen. Es ist
ebenfalls möglich,
die Impedanz eines Einheitszellenmoduls einer Vielzahl von Einheitszellen 31 zu
messen und die gemessene Impedanz mit einem Schwellwert zu vergleichen.
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Das vorstehend beschriebene Brennstoffzellensystem 20 kann
auf Brennstoffzellenfahrzeuge und Kraft-Wärme-Kopplungssysteme (co-generation systems)
angewandt werden und kann ebenfalls für beliebige andere Verwendungen
angewandt werden.
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Wie es vorstehend beschrieben worden
ist, ist ein Betriebszustandbestimmungsgerät 20 zur Bestimmung
des Betriebszustands einer Brennstoffzellenbatterie 30,
die durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen 31 gebildet
ist, die jeweils einen Aufbau aufweisen, in dem eine Festelektrolytmembran 32
im nassen Zustand zwischen einer Anode 33, der ein Brennstoffgas
zugeführt
wird, und einer Kathode 34, der ein Oxidiergas zugeführt wird,
angeordnet ist, ist gekennzeichnet durch: eine Spannungsmesseinrichtung 40 zum
Messen einer Spannung zumindest einer der Einheitszellen 31 oder
einer Spannung eines Einheitszellenstapels, der durch Stapeln einer Vielzahl
von Einheitszellen 31 geformt ist, und eine Betriebszustandbestimmungseinrichtung,
die bestimmt, dass der Betriebszustand ein erster Betriebszustand
ist, der entweder ein Zustand mit unzureichenden Brennstoffgas ist
oder ein ausgetrockneter Zustand ist, falls die durch die Spannungsmesseinrichtung 40 gemessene
Spannung sich innerhalb eines unkorrekten Spannungsbereichs befindet,
und unterhalb einer vorbestimmten Spannung liegt, die vorab auf
einen niedrigen Wert eingestellt ist, der während eines Zustands mit unzureichendem
Oxidiergas und während
eines gefluteten Zustands im wesentlichen unmöglich ist, und die bestimmt,
dass der Betriebszustand ein zweiter Betriebszustand ist, der entweder
ein Zustand mit unzureichenden Oxidiergas oder ein gefluteter Zustand
ist, falls die durch die Spannungsmesseinrichtung 40 gemessene Spannung
innerhalb des unkorrekten Spannungsbereichs liegt und oberhalb der
vorbestimmten Spannung liegt.