DE102004042780A1 - Brennstoffzellensystem, dazugehöriges Verfahren und Strommessvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem - Google Patents

Brennstoffzellensystem, dazugehöriges Verfahren und Strommessvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem Download PDF

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Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem, ein zugeordnetes Steuerverfahren und eine Strommeßvorrichtung für eine Energieeinheit offenbart. Das Brennstoffzellensystem umfaßt eine Brennstoffzelle (12) mit lokalen Bereichen, die Betriebscharakteristika der Brennstoffzelle aufweisen, eine Strommeßvorrichtung, die wenigstens einem der lokalen Bereiche zugeordnet ist, um einen lokalisierten Strom zu messen, der einer spezifizierten Betriebscharakteristik zugeordnet ist, und einen Steuerabschnitt (18) zum Diagnostizieren eines Betriebszustands der Brennstoffzelle entsprechend dem lokalisierten Strom, um eine optimale Steuerung der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von einer spezifizierten Betriebscharakteristik zu ermöglichen, die durch den lokalisierten Strom definiert ist. Das Steuerverfahren steuert den Betriebszustand der Brennstoffzelle entsprechend dem lokalisierten Strom, der kennzeichnend ist für die spezifizierte Betriebscharakteristik der Brennstoffzelle. Die Strommeßvorrichtung umfaßt einen elektrisch leitenden Körper, der mit einem ausgenommenen Abschnitt ausgebildet ist, und ein lokales stromleitendes Element, das von dem ausgenommenen Abschnitt aufgenommen ist. Ein Stromsensor ermittelt direkt den durch das lokale stromleitende Element fließenden lokalisierten Strom. Ein magnetischer Sensor ermittelt ein Magnetfeld, das um das lokale stromleitende Element erzeugt wird.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, zugehörige Betriebsverfahren und Strommeßvorrichtungen zum Gebrauch in Brennstoffzellensystemen und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, ein zugehöriges Verfahren und eine Strommeßvorrichtung zum Gebrauch im Brennstoffzellensystem.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Es wurde bisher eine beträchtliche Forschungs- und Entwicklungsarbeit aufgewandt, um Brennstoffzellensysteme zu schaffen, die Brennstoffzellen benutzen, die als Erzeuger elektrischer Energie zur Bewegung von Objekten, wie etwa Fahrzeugen, Schiffen, tragbaren elektrischen Kraftquellen und elektrischen Kraftquellen für den häuslichen Gebrauch usw. dienen.
  • Bei dem Stand der Technik angehörenden Brennstoffzellen, die elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen, treten während des Betriebs der Brennstoffzellen verschiedene Störungen auf. Wenn beispielsweise in der Brennstoffzelle ein Mangel an Feuchtigkeit auftritt, trocknet eine Elektrolytmembran aus, was ein Absinken der Energieabgabe verursacht. Falls sich dazu im Gegensatz im Inneren der Brennstoffzelle im Übermaß Flüssigkeitströpfchen ansammeln, werden Elektroden der Brennstoffzelle mit Wasser bedeckt, was das Durchdringen der Gase beeinträchtigt und zu einem Absinken der Ausgangsleistung führt. Es ergibt sich deshalb die Notwendigkeit, eine Trocknungscharakteristik der Elektrolytmembran und eine Benetzungscharakteristik der Elektrode zu diagnostizieren, um in geeigneter Weise die Wasseransammlungsbedingungen und die Feuchtigkeitsbedingungen innerhalb der Brennstoffzelle zu steuern. Ein weiterer Punkt betrifft die Verknappung der der Brennstoffzelle zuzuführenden Reaktionsgase mit einem resultierenden Absinken der Ausgangsleistung. Es besteht deshalb ein Bedürfnis, eine Verknappung der Reaktionsgase festzustellen, um den Zustrom der Reaktionsgase in geeigneter Weise steuern zu können.
  • Um die vorgenannten Probleme zu bewältigen, wurden verschiedene Vorschläge gemacht, um Technologien zur Verfügung zu stellen, die das Auftreten eines Spannungsabfalls an der Zelle feststellen, um fehlerhafte Bedingungen zu diagnostizieren und dadurch einen Betriebszustand der Brennstoffzelle aufzuzeigen.
  • Die japanische provisorische Patentveröffentlichung Nr. 9-259913 offenbart eine Technologie zur Erkennung eines Mangels an Reaktionsgasen in Abhängigkeit von einem Stromverteilungsmuster des elektrischen Stroms der Brennstoffzelle zur Steuerung des Zuflusses der Reaktionsgase oder des Laststroms zur Verhinderung einer Beschädigung der Brennstoffzelle.
  • Mit einer solchen Technologie zur Ermittlung fehlerhafter Bedingungen der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von einem Abfall der Zellenspannung tritt die Schwierigkeit auf, die individuellen Faktoren für das Absinken der Ausgangsleistung zu bestimmen, weil die Zellenspannung bei jedem der Gründe absinken kann, die durch das Austrocknen der Elektrolytmembran, Reaktionsstörungen als Ergebnis übermäßiger Wasseransammlung in der Zelle und Verknappung der Versorgung mit Reaktionsgasen gegeben sind. Es ergibt sich somit die Schwierigkeit, die Brennstoffzelle in geeigneter Weise in Abhängigkeit von der individuellen Ursache des Leistungsabfalls zu steuern.
  • Zwischenzeitlich hat man mit der oben genannten Diagnosetechnologie eine Diagnose allein auf der Basis einer Verknappung der Reaktionsgase durchgeführt und somit wird es unmöglich, andere spezifische Faktoren für den Leistungsabfall zutreffend festzustellen. Es ist somit schwer, außer den Durchflüssen der der Brennstoffzelle zuzuführenden Reaktionsgase auch das Auftreten einer übermäßigen Wasseransammlung und das Auftreten eines ausgetrockneten Zustands der Elektrolytmembran festzustellen. Es treten deshalb ernsthafte Probleme bei der zuverlässigen Überwachung der Brennstoffzelle hinsichtlich der individuellen Faktoren auf, die ein Absinken der Leistungsabgabe verursacht haben könnten.
  • Weiterhin sind während der Aufwärmphase unmittelbar nach dem Start der Brennstoffzelle die Drücke des Brenngases und der Luft, die der Brennstoffzelle zugeführt werden sollen, nicht ausreichend und die Reaktionstemperatur des Brennstoffzellenkörpers ist noch nicht ausreichend angestiegen. Somit erreicht die Fähigkeit der Brennstoffzelle, elektrische Leistung abzugeben, nicht den Nennwert der elektrischen Belastungsfähigkeit und die Brennstoffzelle verbleibt hinsichtlich der Erzeugung elek trischer Energie in einem niedrigen Leistungsbereich. Wenn in diesem Zustand der Versuch unternommen wird, der Brennstoffzelle elektrische Energie zu entnehmen, die die Belastungsfähigkeit übersteigt, tritt ein rascher Spannungsabfall an der Brennstoffzelle auf, der eine Verschlechterung der Funktion der Brennstoffzelle verursacht.
  • Das U.S Patent Nr. 5,646,852 (ausgegeben an Lorenz et a1) offenbart ein Brennstoffzellensystem, bei welchem eine obere Grenze der zu erzeugenden Leistung in Abhängigkeit von einer Temperatur der Brennstoffzelle beschränkt ist, um zu verhindern, daß eine größere Leistungsanforderung gestellt wird, als es der verfügbaren Leistungsabgabe entspricht.
  • Weil bei einer solchen Betriebsweise die Brennstoffzelle die Form einer Konstruktion annimmt, bei der die Leistungsabgabe entsprechend der Temperatur der Brennstoffzelle beschränkt ist, muß beim Betrieb der Brennstoffzelle mit niedriger Temperatur damit gerechnet werden, daß die durch die Brennstoffzelle erzeugte, verfügbare Leistungsabgabe auf ein niedrigeres Niveau beschränkt ist, als es bei einer normalen Betriebsweise zur Verfügung steht, und daß deshalb die Wärmeentwicklung in der Brennstoffzelle ebenso beschränkt ist, was eine Zunahme der Aufwärmzeit der Brennstoffzelle verursacht. Zudem muß in Fällen, in denen die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von der Temperatur der Brennstoffzelle gesteuert wird, mit der Wahrscheinlichkeit gerechnet werden, daß die Leistungsabgabe temperaturabhängig in einem größeren Ausmaß gesteuert wird, als es erforderlich ist.
  • Die japanische provisorische Patentveröffentlichung Nr. 2002-343397 offenbart ein Brennstoffzellensystem, das so angeordnet ist, daß es eine Steuerung zur Veränderung der Durchflüsse und der Drücke der Reaktionsgase in Übereinstimmung mit Unregelmäßigkeiten des Spannungsausgangs von eine Brennstoffzelle bildenden Zelleneinheiten (unit cells) durchführt.
  • Bei einem solchen Steuerungsverfahren wird eine Gesamtspannung der Zelleneinheiten überwacht, wenn Unregelmäßigkeiten der Zellenspannungen festgestellt werden. Unter einer solchen Bedingung wird die fehlerhafte Zelleneinheit vollständig einer abnormalen Bedingung unterzogen, falls ein Spannungsabfall an einer fehlerhaften Zelleneinheit auftritt und Unregelmäßigkeiten der Zellenspannungen verursacht. Aus diesem Grund wird, selbst wenn der Versuch unternommen wird, die Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle nach dem Auftreten von Unregelmäßigkeiten bei den Zellenspannungen wiederherzustellen, eine Erholungszeit verlängert oder es kann keine Erholung stattfin den. Falls keine Erholung der Brennstoffzelle erreicht werden kann, tritt ein Problem auf, dergestalt, daß ein durch eine Brennstoffzelle angetriebenes Fahrzeug auf der Straße zum Stillstand kommt.
  • Außerdem, falls Wasser während des Stillstands im Inneren der Brennstoffzelle verbleibt, kann das Wasser in der Brennstoffzelle bei niedrigen Umgebungstemperaturen gefrieren. Wird die Brennstoffzelle unter solchen niedrigen Temperaturbedingungen gestartet, findet wegen Verstopfungen in den Strömungskanälen des Reaktionsgases oder wegen des Auftretens von Störungen bei der Zulieferung der Reaktionsgase (Wasserstoff und Luft) zur Elektrolytmembran in Gegenwart des zugeführten Reaktionsgases keine elektrochemische Reaktion statt, so das eine Schwierigkeit beim Starten der Brennstoffzelle auftritt.
  • Um auf dieses Problem einzugehen, schlägt die japanische provisorische Patentveröffentlichung Nr. 2002-343397 ein Brennstoffzellensystem vor, bei welchem während des Stopps der Brennstoffzelle während einer gegebenen Zeitspanne der Brennstoffzelle Luft zugeführt wird, um einem Luftstrom zu gestatten, eine Austreibungsaktion zur Entfernung von Feuchtigkeit aus der Brennstoffzelle durchzuführen.
  • Bei einem solchen Brennstoffzellensystem wird, weil die Zeitspanne für die Zufuhr von Austreibungsluft vorher festgelegt ist, die Austreibungsaktion während einer gewissen Zeitspanne durchgeführt ohne Rücksicht darauf, ob sich Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle befindet. Aus diesem Grund besteht die Möglichkeit, daß, wenn sich nur wenig Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle befindet, die Luftaustreibungsaktion länger durchgeführt wird, als es erforderlich ist. In einer solchen Situation kann eine Verknappung des Feuchtigkeitsgehalts eintreten, die ein Austrocknen der Elektrolytmembran verursacht, was die Befürchtung zur Folge hat, daß während des Wiederstarts der Brennstoffzelle ein Leistungsabfall auftritt.
  • Im Gegensatz dazu, wenn zu viel Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle verbleibt, tritt die Möglichkeit ein, daß nach Beendigung der Austreibungsaktion keine ausreichende Entfernung der Feuchtigkeit aus der Brennstoffzelle stattgefunden hat. In einer solchen Situation verbleibt überschüssige Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle, wodurch Befürchtungen veranlaßt werden, daß die Reaktionsgase nicht durchdringen können, während der Feuchtigkeitsgehalt bei niedrigen Umgebungstemperaturen gefriert.
  • Wie oben geschildert, trocknet die Elektrolytmembran aus, wenn die Brennstoffzelle an einem Mangel an Feuchtigkeit leidet, wodurch der innere Widerstand zunimmt und demzufolge die Leistungsabgabe sinkt.
  • Im Gegensatz dazu, wenn die Brennstoffzelle einen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt aufweist, sind die Katalysatoren der Elektrode mit Wasser bedeckt, was Störungen bei der Diffusion der Reaktionsgase verursacht. Es besteht deshalb die Notwendigkeit, Luft mit einem größeren Durchfluß zuzuführen, als dies für die beim normalen Betrieb zugeführte Luft erforderlich ist, um das Wasser aus der Brennstoffzelle zu drücken, oder Wasserstoff nach der Außenseite des Systems auszublasen, um dadurch das Wasser auszutreiben. Dies hat einen erhöhten Energieverbrauch zur Folge und eine Extramenge Wasserstoff wird verlustvoll nach der Außenseite des Systems entleert, wodurch der Wirkungsgrad verschlechtert wird.
  • Um die Brennstoffzelle mit hohem Wirkungsgrad zu betreiben, besteht die Notwendigkeit, ein Steuerungsverfahren vorzusehen, das sowohl eine Verknappung des Feuchtigkeitsgehalts als auch das Auftreten eines Übermaßes an Feuchtigkeit ausschließt.
  • Zu diesem Zweck schlägt die japanische provisorische Patentveröffentlichung Nr. 202-164069 ein Brennstoffzellensystem vor, bei welchem der Befeuchtungszustand einer Elektrolytmembran festgestellt wird, worauf, wenn der Befeuchtungszustand als unzureichend festgestellt wird, eine Kühlwassertemperatur gesenkt wird, um die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle zu verringern und dadurch die relative Feuchtigkeit anzuheben, um die Befeuchtung der Elektrolytmembran zu erleichtern.
  • Obwohl bei einem solchen Brennstoffzellensystem nur das Auftreten eines Wassermangels ermittelt wird, um die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle abzusenken, tritt innerhalb der Brennstoffzelle eine übermäßige Feuchtigkeit auf, falls die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle auf ein übermäßig niedriges Niveau abgeregelt wird. In diesem Zusammenhang erfolgt in der genannten Patentliteratur kein Vorschlag über eine Verfahrensweise zur Steuerung des Feuchtigkeitsgehalts in der Brennstoffzelle in einem genauen Verhältnis zum Auftreten einer Temperaturabsenkung in der Brennstoffzelle.
  • Weiterhin wurden bei dem Brennstoffzellensystem nach dem Stand der Technik bisher Vorschläge unterbreitet, die ein Kreislaufsystem anwenden, in dem von der Reaktion nicht erfaßter Wasserstoff (von der Reaktion nicht erfaßtes Reaktionsgas) durch einen Wasserstoffkreislaufkanal zur Wiederverwendung zu einem Brennstoffversorgungskanal zirkuliert. Eine andere Technologie besteht darin, nicht der Reaktion unterworfenen Wasserstoff durch einen Wasserstoffauslaßkanal zur Außenseite des Systems auszublasen.
  • Bei jedem der vorstehend geschilderten Systeme dringen, wenn die Brennstoffzelle veranlaßt ist, unter einem Zustand zu arbeiten, bei dem der Wasserstoffkreislaufkanal oder der Wasserstoffauslaßkanal geschlossen oder nahezu geschlossen sind, Stickstoff und Dampf durch eine positive Elektrode (Oxidant-Elektrode) und verursachen eine beachtliche Verringerung der Wasserstoffkonzentration insbesondere in einem dem Wasserstoffauslaßabschnitt eng benachbarten Bereich. Dies geschieht, weil das sich ergebende Durchdringen von Stickstoff und Dampf durch die Elektrode die Strömung des Wasserstoffs stört.
  • Falls die Brennstoffzelle unter diesem Zustand ihren Betrieb fortsetzt, bei welchem der Wasserstoff nicht ausreichend zum Wasserstoffauslaßabschnitt der Zelleneinheit diffundiert, tritt ein Abfall der Zellenspannung auf, nicht nur mit einem resultierenden Leistungsabfall, sondern auch mit einer resultierenden Verschlechterung der Elektrode in einem Bereich, in dem der Wasserstoffmangel stattfindet. Einem solchen Problem kann man begegnen durch eine Erhöhung des Durchflusses bei der Wasserstoffversorgung oder durch periodischen Ausstoß von Wasserstoff zur Außenseite des Systems. Blindlings Wasserstoff zur Außenseite des Systems auszustoßen führt nicht nur zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades, sondern auch zu einer Verschlechterung der Sicherheit. Es besteht deshalb Bedarf an einem Steuerverfahren, das den Anforderungen gerecht wird sowohl hinsichtlich der Aufrechterhaltung der Wasserstoffkonzentration im Wasserstoffauslaßbereich der Zelleneinheit auf einem einen unteren Grenzwert nicht unterschreitenden Niveau als auch zu Reduzierung des Durchflusses des auszustoßenden Wasserstoffs.
  • Zu diesem Zweck schlägt die japanische provisorische Patentveröffentlichung Nr. 2000-243417 ein Brennstoffzellensystem vor, bei welchem die Wasserstoffkonzentration in einem Wasserstoffzirkulationskanal durch einen Wasserstoffkonzentrationssensor ermittelt wird, wodurch, wenn die Wasserstoffkonzentration im Wasserstoffzirkulationskanal abnimmt, Wasserstoff in die Atmosphäre abgelassen wird.
  • Bei einem solchen Brennstoffzellensystem besteht die Notwendigkeit, das Gas in ausreichenden Kontakt mit dem Wasserstoffkonzentrationssensor zu bringen und den Durchfluß des zu zirkulierenden Wasserstoffs in einem gewissen Ausmaß sicherzustellen, was eine Zunahme der Last einer Pumpe zur Zirkulation des Wasserstoffgases verursacht.
  • Außerdem tritt in dem System ohne Zirkulation so gut wie keine Zirkulation des Wasserstoffs auf und es ist schwierig, die Wasserstoffkonzentration korrekt zu messen. Wenn beim System ohne Zirkulation Wasserstoff mit erhöhten Frequenzen zur Außenseite ausgestoßen wird, um eine korrekte Messung der Wasserstoffkonzentration zu ermöglichen, tritt ein anderes Problem auf, wenn der Durchfluß des zur Außenseite des Systems auszustoßenden Wasserstoffs zunimmt.
  • Wie bereits oben angemerkt, wird außerdem zur präzisen Steuerung der Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von individuellen Faktoren, die sich auf individuelle Betriebscharakteristika der Brennstoffzelle beziehen, eine Ausgangsspannung der die Brennstoffzelle bildenden Zelleneinheit gemessen und entsprechend den sich ergebenden Meßwerten wird während des Betriebs der Brennstoffzelle das Auftreten eines Fehlers in der Brennstoffzelle ermittelt. Es ist auch eine übliche Praxis, die elektrischen Strom-Spannungs-Charakteristika der Brennstoffzelle zu beobachten.
  • Jedoch schließen während des Betriebs der Brennstoffzelle auftretende abnormale Erscheinungen einen Mangel an zuzuführendem Sauerstoff, einen Mangel an zuzuführendem Wasserstoff und eine Zunahme des Innenwiderstands der Elektrolytmembran ein, und diese Fehler äußern sich in Form eines Spannungsabfalls an der Zelleneinheit. Als Konsequenz macht es das bloße Messen der Spannung der Zelleneinheit schwierig, die während des Betriebs der Brennstoffzelle auftretenden abnormalen Erscheinungen zu spezifizieren, die bei der Durchführung eines zuverlässigen Betriebs eine Schwierigkeit verursachen, das Problem einem bestimmten Faktor zuzuweisen.
  • Weiterhin nehmen im Fall einer Zunahme von Unregelmäßigkeiten der Qualität bearbeiteter Flächen der Zelleneinheit Unregelmäßigkeiten des Kontaktswiderstands der bearbeiteten Flächen der Zelleneinheit zu, was eine Zunahme von Unregelmäßigkeiten der Stromdichte zur Folge hat. Die Zelleneinheit mit einer solchen Zunahme der Bearbeitungsqualität ist einem Problem unterworfen, wenn der elektrische Strom dazu neigt, kollektiv durch einen Teilbereich zu fließen, was zu einer Verschlechterung der Zellen einheit bei erhöhten Geschwindigkeiten im Vergleich mit Zelleneinheiten führt, die mit geeigneter Qualität bearbeitet sind. Falls der Stapel der Zelleneinheiten teilweise eine schadhafte Zelleneinheit mit erhöhten Unregelmäßigkeiten der Bearbeitungsqualität enthält, fällt diese Zelleneinheit zu einem fiühen Zeitpunkt aus, und selbst wenn die anderen, nicht schadhaften Zelleneinheiten normal arbeiten, fällt der Batteriestapel aus. Falls die Brennstoffzelle aus einem Batteriestapel mit nicht schadhaften Zelleneinheiten besteht, weil die schadhaften Zelleneinheiten mit erhöhten Unregelmäßigkeiten bei der Bearbeitungsqualität vorab ausgeschieden wurden, ist der Batteriestapel in der Lage, eine hohe Lebensdauer zu erreichen. Jedoch besteht bei der Überprüfung der elektrischen Strom-Spannungs-Charakteristika auf einer Fertigungsstufe eine Schwierigkeit darin, herauszufinden, ob die gestapelten Zelleneinheiten teilweise eine schadhafte Zelleneinheit mit einer erhöhten Unregelmäßigkeit der Bearbeitungsqualität enthalten.
  • Zusätzlich entsteht ein weiteres Problem durch die Schwierigkeit, die abnormalen Erscheinungen der elektrischen Energieeinheit (power unit), wie der Luftbatterie (air battery), der Sekundärbatterie und der Kondensatoren, usw., die jeweils Zelleneinheiten zur Erzeugung elektrischer Energie enthalten, während des Betriebs zu spezifizieren oder die schadhaften Zelleneinheiten auf der Fertigungsstufe zu entdecken.
  • Die veröffentlichte US-Patentanmeldung Nr. 2004/95127A1 offenbart eine Stromdichte-Meßvorrichtung, die so ausgebildet ist, daß sie Stromdichten an der Elektrode einer Brennstoffzelle ermittelt. Die Stromdichte-Meßvorrichtung schließt eine Sensorlagerplatine ein, die eine große Zahl von Hall-Elementen trägt, die an Positionen vorgesehen sind, die mit Meßpunkten auf der Elektrodenoberfläche übereinstimmen.
  • Mit einer solchen Konstruktion ist die Stromdichte-Meßvorrichtung komplex aufgebaut und aufwendig herzustellen. Ein anderes großes Problem entsteht durch die Schwierigkeit, individuelle Betriebscharakteristika in bezug auf verschiedene Bereiche der Elektrolytmembran oder der Elektrode der elektrischen Energieeinheit zu messen, um einen besonderen Betriebsfaktor zu spezifizieren zum Diagnostizieren individueller, in der elektrischen Energieeinheit auftretender Fehler. Falls die eine solche Stromdichte-Meßvorrichtung tragende Brennstoffzelle in der Nähe anderer elektrischer Energieeinheiten, wie einem Wechselrichter, und einem Elektromotor angeordnet ist, leidet die Stromdichte-Meßvorrichtung unter Störungen der Magnetfelder, die durch den Wechselrichter und den Elektromotor erzeugt werden, was zur einer Reduzierung der Zuverlässigkeit der Stromdichtemessung führt. Beim oben genannten Stand der Technik wird keine Maßnahme ergriffen, die der magnetischen Störungen Rechnung trägt, was zu Schwierigkeiten bei der Verbesserung der Zuverlässigkeit des Betriebes führt.
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  • KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wurde vollendet angesichts des Vorstehenden und hat zur Aufgabe die Schaffung eines Brennstoffzellensystems, eines zugehörigen Verfahrens und einer Strommeßvorrichtung zum Gebrauch in einem Brennstoffzellensystem, die fähig sind, verschiedene Probleme zu überwinden, die beim Stand der Technik angetroffen wurden, und das Brennstoffzellensystem und die Strommeßvorrichtung in einer in hohem Maße zuverlässigen Weise zu betreiben, auf der Basis individuell lokalisierter, durch die Strommeßvorrichtung gemessener Ströme.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle umfaßt, die betrieben wird, um eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases mit einem Brenngas zur Erzeugung elektrischer Energie durchzuführen und die einen gegebenen lokalen Bereich aufweist. Eine Strommeßvorrichtung ist dem lokalen Bereich der Brennstoffzelle zugeordnet, um den lokalisierten Strom der Brennstoffzelle zu messen, sowie eine Diagnosevorrichtung zur Diagnostizierung des Betriebszustandes der Brennstoffzelle anhand des durch die Strommeßvorrichtung gemessenen, lokalisierten Stroms.
  • Durch eine solche Anordnung kann eine besondere Betriebscharakteristik der Brennstoffzelle spezifiziert werden, die es der Diagnosevorrichtung erlaubt, den Betriebszustand der Brennstoffzelle in einer hoch zuverlässigen Weise zu ermitteln. Das versetzt die Brennstoffzelle in die Lage, unter einem optimalen Betriebszustand gesteuert zu werden, was zu einer in hohem Maße gesteigerten Wirkungsweise der Brennstoffzelle führt.
  • Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Diagnoseverfahren für den Betriebszustand einer Brennstoffzelle vorgesehen, das es umfaßt, daß die Brennstoffzelle eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases mit einem Brenngas zur Erzeugung elektrischer Energie durchführt und einem spezifizierten lokalen Bereich der Zelleneinheit eine Strommeßvorrichtung zugeordnet ist, die eine Betriebscharakteristik anzeigt. Der lokalisierte, durch den lokalen Bereich der Brennstoffzelle fließende Strom wird gemessen und ein Betriebszustand der Brennstoffzelle entsprechend dem den Betriebszustand der Brennstoffzelle repräsentierenden lokalisierten Strom wird diagnostiziert.
  • Durch ein solches Diagnoseverfahren kann eine besondere Betriebscharakteristik der Brennstoffzelle spezifiziert werden und der Betriebszustand der Brennstoffzelle kann in einer hoch zuverlässigen Weise diagnostiziert werden. Das erlaubt es, die Brennstoffzelle unter einem optimalen Betriebszustand zu steuern, was zu einer in hohem Maße gesteigerten Betriebsweise der Brennstoffzelle führt.
  • Nach einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Diagnoseverfahren für den Betriebszustand einer Brennstoffzelle vorgeschlagen, das es umfaßt, daß die Brennstoffzelle eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases mit einem Brenngas zur Erzeugung elektrischer Energie durchführt und einem spezifizierten lokalen Bereich der Zelleneinheit, der zum Trocknen neigt und für eine Trocknungscharakteristik kennzeichnend ist, eine Strommeßvorrichtung zugeordnet ist. Lokalisierter Strom, der einen lokalen Bereich der Brennstoffzelle durchfließt, wird gemessen und ein Betriebszustand der Brennstoffzelle diagnostiziert entsprechend dem lokalisierten Strom, der für die Trocknungscharakteristik kennzeichnend ist.
  • Bei einem solchen Diagnoseverfahren kann die Trocknungscharakteristik der Brennstoffzelle richtig in einer in hohem Maße zuverlässigen Weise diagnostiziert werden. Dies ermöglicht es, die Brennstoffzelle so zu steuern, daß dem trockenen Zustand der Brennstoffzelle in einer in hohem Maße verläßlichen Weise entgegengewirkt wird und dadurch Schäden von der Brennstoffzelle abgewandt werden und eine hohe Lebensdauer ermöglicht wird.
  • Nach einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Diagnostizieren eines Betriebszustands einer Brennstoffzelle vorgeschlagen, das folgende Schritte umfaßt: Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases, das einen hauptsächlichen Anteil an Wasserstoff enthält, und eines Brenngases durchzuführen, um elektrische Energie zu erzeugen, Vorsehen einer Strommeßvorrichtung, die einem lokalen Bereich der Brennstoffzelle zugeordnet ist, der dazu neigt, zu trocknen und für eine Trocknungscharakteristik kennzeichnend ist. Ein lokalisierter Strom, der den lokalen Bereich der Brennstoffzelle durchfließt, wird gemessen und es wird diagnostiziert, daß die Brennstoffzelle sich in einem trockenen Zustand befindet, wenn der für die Trocknungscharakteristik kennzeichnende lokalisierte Strom geringer ist als ein gegebener Stromwert.
  • Bei einem solchen Diagnoseverfahren kann die Trocknungscharakteristik der Brennstoffzelle auf der Basis eines Vergleichs zwischen dem lokalisierten Strom und dem gegebenen Stromwert richtig spezifiziert werden und der trockene Zustand kann in hoch verläßlicher Weise diagnostiziert werden, um dem trockenen Zustand der Brennstoffzelle in einem in hohem Maße verläßlichen Weise entgegenzuwirken und dadurch Schäden von der Brennstoffzelle abzuwenden und eine hohe Lebensdauer zu ermöglichen.
  • Nach einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Diagnostizieren eine Betriebszustands einer Brennstoffzelle geschaffen, das folgende Schritte umfaßt: Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, um elektrische Energie zu erzeugen, Vorsehen einer Strommeßvorrichtung, die einem spezifizierten lokalen Bereich der Brennstoffzelle zugeordnet ist, der dazu neigt, einen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle aufzuweisen. Durch den spezifizierten lokalen Bereich der Brennstoffzelle fließender lokalisierter Strom wird gemessen und ein übermäßiger Feuchtigkeitszustand der spezifizierten Brennstoffzelle wird diagnostiziert entsprechend dem durch den Strommeßschritt gemessenen lokalisierten Strom.
  • Bei einem solchen Diagnoseverfahren kann der Feuchtigkeitszustand der Brennstoffzelle entsprechend dem lokalisierten Strom in verläßlicher Weise festgestellt werden. Das ermöglicht eine derartige Steuerung der Brennstoffzelle, daß einem verstopften Zustand der Brennstoffzelle in einer in hohem Maße verläßlichen Weise entgegengewirkt wird, was einen in hohem Maße zuverlässigen Betrieb der Brennstoffzelle ermöglicht.
  • Nach einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Diagnoseverfahren für den Betriebszustand einer Brennstoffzelle vorgeschlagen, das die Schritte umfaßt: Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases, das einen hauptsächlichen Anteil an Wasserstoff enthält, und eines Brenngases durchzuführen, um elektrische Energie zu erzeugen, Vorsehen einer Strommeßvorrichtung, die einem lokalen Bereich der Brennstoffzelle zugeordnet ist, der dazu neigt, zu trocknen und für eine Benetzungscharakteristik kennzeichnend ist, wo Flüssigkeitströpfchen sich leicht ansammeln. Durch den lokalen Bereich fließender lokalisierter Strom wird gemessen und es wird diagnostiziert, daß, wenn der Wert des lokalisierten Stroms geringer ist als ein gegebener Stromwert und eine Sinkgeschwindigkeit des lokalisierten Stroms geringer ist als eine gegebene Sinkgeschwindigkeit, sich die Flüssigkeitströpfchen in der Brennstoffzelle angesammelt haben.
  • Bei einem solchen Diagnoseverfahren kann die Benetzungscharakteristik der Brennstoffzelle richtig spezifiziert werden auf der Basis eines Vergleichs zwischen dem lokalisierten Strom und dem gegebenen Stromwert, und die Benetzungscharakteristik der Brennstoffzelle kann in einer in hohem Maße verläßlichen Weise diagnostiziert werden. Das heißt, daß, wenn der Wert der des lokalisierten Stroms geringer ist als der gegebene Stromwert und die Sinkgeschwindigkeit des lokalisierten Stroms geringer ist als die gegebene Sinkgeschwindigkeit, die Diagnose erfolgt, es möglich ist, richtig herauszufinden, ob sich Flüssigkeitströpfchen in der Brennstoffzelle angesammelt haben. Das bietet die Möglichkeit, die Brennstoffzelle so zu steuern, daß einer Verstopfung in hoch zuverlässiger Weise entgegengewirkt wird.
  • Nach einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Diagnose des Betriebszustands einer Brennstoffzelle geschaffen, das die folgenden Schritte umfaßt; Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, Vorsehen einer Strommeßvorrichtung, die einem spezifizierten lokalen Bereich der Brennstoffzelle zugeordnet ist, der für eine Brenngaskonzentrationscharakteristik kennzeichnend ist und der dazu neigt, einen Mangel an Brenngas aufzuweisen. Der durch den lokalen Bereich fließende lokalisierte Strom wird gemessen und ein Mangel an Brenngas in der Brennstoffzelle wird diagnostiziert entsprechend dem lokalisierten Strom, der dem spezifizierten lokalen Bereich der Brennstoffzelle zugeordnet ist.
  • Bei einem solchen Diagnoseverfahren kann die Verknappung des Brenngases in der Brennstoffzelle richtig ermittelt werden entsprechend dem lokalisierten Strom, der dem spezifizierten lokalen Bereich der Brennstoffzelle zugeordnet ist. Das ermöglicht es, die Brennstoffzelle so zu steuern, daß der Verknappung des Brenngases in der Brennstoffzelle in einer in hohem Maße zuverlässigen Weise entgegengewirkt wird, um den Durchfluß des Brenngases in einem optimalen Bereich zu halten, wodurch die Betriebsdurchführung der Brennstoffzelle verbessert wird.
  • Nach einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Diagnose eines Betriebszustandes einer Brennstoffzelle vorgesehen, das folgende Schritte umfaßt: Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, eine elektrochemi sche Reaktion eines Oxidantgases und eines Wasserstoff enthaltenden Brenngases durchzuführen, um elektrische Energie zu erzeugen, Vorsehen einer Strommeßvorrichtung, die einem spezifizierten lokalen Bereich der Brennstoffzelle zugeordnet ist, der kennzeichnend ist für eine Wasserstoffkonzentrationscharakteristik, und der zum Auftreten eines Wasserstoffmangels neigt. Der durch den lokalen Bereich der Brennstoffzelle fließende lokalisierte Strom wird gemessen und es wird diagnostiziert, daß, wenn der Wert des durch die Strommeßvorrichtung gemessenen lokalisierten Stroms geringer ist als ein gegebener Stromwert und eine Sinkgeschwindigkeit des lokalisierten Stroms geringer ist als eine gegebene Sinkgeschwindigkeit, ein Wasserstoffmangel in der Brennstoffzelle aufgetreten ist.
  • Bei einem solchen Diagnoseverfahren kann die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik der Brennstoffzelle richtig ermittelt werden, um den in der Brennstoffzelle auftretenden Mangel an Wasserstoff zu spezifizieren. Das heißt, daß, wenn der Wert des durch die Strommeßvorrichtung gemessenen lokalisierten Stroms geringer ist als ein gegebener Wert und die Sinkgeschwindigkeit des lokalisierten Stroms eine gegebene Sinkgeschwindigkeit übersteigt, die Diagnose erfolgt, daß in der Brennstoffzelle ein Mangel an Wasserstoff aufgetreten ist, was es ermöglicht, korrekt herauszufinden, ob die Brennstoffzelle einen Mangel an Wasserstoff in der Brennstoffzelle hat. Das ermöglicht eine solche Steuerung der Brennstoffzelle, daß dem Auftreten eines Wasserstoffmangels in der Brennstoffzelle in einer in hohem Maße zuverlässigen Weise entgegengewirkt wird, um die Wasserstoffkonzentration in einem optimalen Bereich zu halten, was zu einer besseren Betriebsweise der Brennstoffzelle führt.
  • Nach einem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Diagnoseverfahren für den Betriebszustand einer Brennstoffzelle geschaffen, das die folgenden Schritte umfaßt: Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen und Vorsehen einer Strommeßvorrichtung, die einem lokalen Bereich der Brennstoffzelle zugeordnet ist, in dem ein die Neigung besteht, daß ein Zustand übermäßiger Feuchtigkeit und Ein Mangel an Brenngas auftritt. Der lokalisierte Strom im lokalisierten Bereich wird gemessen, und das Auftreten eines Zustandes übermäßiger Feuchtigkeit und das Auftreten eines Brenngasmangels werden diagnostiziert um voneinander unterschieden werden zu können in Abhängigkeit von einer Sinkgeschwindigkeit des lokalisierten, dem lokalisierten Bereich der Brennstoffzelle zugeordneten Stroms.
  • Bei einem solchen Diagnoseverfahren kann das Auftreten eines Zustandes übermäßiger Feuchtigkeit und das Auftreten eines Brenngasmangels in der Brennstoffzelle durch eine Vergleichsmethode diagnostizier werden in Abhängigkeit von der Stromsinkgeschwindigkeit des lokalisierten Stroms der Brennstoffzelle. Das gibt die Möglichkeit, die Brennstoffzelle derart zu steuern, daß einem Verstopfungszustand und einem Brenngasmangel in der Brennstoffzelle in einer hoch verläßlichen Weise entgegengewirkt wird, was eine verbesserte Betriebsweise der Brennstoffzelle zur Folge hat.
  • Nach einem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Diagnoseverfahren für eine Brennstoffzelle geschaffen, das folgende Schritte umfaßt: Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Wasserstoff enthaltenden Brenngases durchzuführen, um elektrische Energie zu erzeugen, Vorsehen einer Strommeßvorrichtung, die einem lokalen Bereich der Brennstoffzelle zugeordnet ist, der für eine Benetzungscharakteristik und eine Wasserstoffkonzentrationscharakteristik kennzeichnend ist und in dem sich leicht Wassertröpfchen ansammeln und die Neigung zum Auftreten eines Wasserstoffmangels besteht. Der für die Benetzungscharakteristik und die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik kennzeichnende lokalisierte Strom wird gemessen und es erfolgt die Diagnose, daß, wenn der Wert des durch die Strommeßvorrichtung gemessenen lokalisierten Stroms geringer ist als der gegebene Stromwert und eine Sinkgeschwindigkeit des lokalisierten Stroms geringer ist als eine gegebene Sinkgeschwindigkeit, die Flüssigkeitströpfchen sich in der Brennstoffzelle angesammelt haben, und daß, wenn der Wert des lokalisierten Stroms geringer ist als der gegebene Stromwert und die Sinkgeschwindigkeit des lokalisierten Stroms die gegebene Sinkgeschwindigkeit übersteigt, in der Brennstoffzelle ein Wasserstoffmangel aufgetreten ist.
  • Bei einem solchen Diagnoseverfahren können die Benetzungscharakteristik und die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik der Brennstoffzelle ermittelt werden, um einen Verstopfungszustand und den Wasserstoffmangel in der Brennstoffzelle korrekt zu spezifizieren. Das heißt, es erfolgt die Diagnose, daß, wenn der Wert des durch die Strommeßvorrichtung gemessenen lokalisierten Stroms geringer ist als ein gegebener Stromwert und die Sinkgeschwindigkeit des lokalisierten Stroms geringer ist als eine gegebene Sinkgeschwindigkeit, sich die Flüssigkeitströpfchen in der Brennstoffzelle angesammelt haben und daß, wenn der Wert des lokalisierten Stroms geringer ist als der gegebene Stromwert und die Sinkgeschwindigkeit des lokalisierten Stroms die gegebene Sinkgeschwindigkeit übersteigt, Wasserstoffmangel in der Brennstoffzelle aufgetreten ist, was es ermöglicht, den Verstopfungszustand und das Auftreten eines Wasserstoff mangels in der Brennstoffzelle richtig herauszufinden. Das ermöglicht es, die Brennstoffzelle derart zu steuern, daß der Verstopfung und dem Wasserstoffmangel entgegengewirkt wird, was eine verbesserte Wirkungsweise der Brennstoffzelle zur Folge hat.
  • Nach einem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung des Betriebszustands einer Brennstoffzelle geschaffen, das folgende Schritte umfaßt: Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, um elektrische Energie zu erzeugen, Vorsehen einer Strommeßvorrichtung, die einem lokalen Bereich der Brennstoffzelle zugeordnet ist, der für eine Benetzungscharakteristik kennzeichnend ist und wo sich leicht Flüssigkeitströpfchen ansammeln. Ein lokalisierter, für die Benetzungscharakteristik kennzeichnender Strom wird gemessen und eine Aktion zur Begrenzung der Ausgangsleistung wird ausgeführt entsprechend dem für die Benetzungscharakteristik kennzeichnenden lokalisierten Strom, um die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle zu begrenzen, wenn der Wert des lokalisierten Stroms geringer ist als ein gegebener Strom zur Einleitung der Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion.
  • Bei einem solchen Steuerverfahren kann die Benetzungscharakteristik der Brennstoffzelle spezifiziert werden, um korrekt das Auftreten einer Verstopfung in der Brennstoffzelle herauszufinden. Das gibt die Möglichkeit, das Auftreten von Defekten in der Brennstoffzelle in einem frühen Stadium festzustellen. Auch kann die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion in geeigneter Weise ausgeführt werden, um eine Wiedererholung der Brennstoffzelle zum frühesten Zeitpunkt zu ermöglichen, was die Anwendung der Brennstoffzelle bei einem brennstoffzellengetriebenen Fahrzeug als Kraftquelle ermöglicht, die das Fahrzeug vor einem unerwünschten Stillstand bewahrt.
  • Nach einem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung des Betriebszustands einer Brennstoffzelle geschaffen, das folgende Schritte umfaßt; Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, um elektrische Energie zu erzeugen, Vorsehen einer Luftaustreibeinheit, die geeignet ist, der Brennstoffzelle einen Strom von Reinigungsluft zuzuführen, um in der Brennstoffzelle angesammeltes Wasser auszutreiben, und Vorsehen einer Strommeßvorrichtung, die einem lokalen Bereich zugeordnet ist, der für eine Betriebscharakteristik der Brennstoffzelle kennzeichnend ist. Der für die Betriebscharakteristik kennzeichnende lokalisierte Strom wird gemessen und die Luftaustreibeinheit wird aktiviert entsprechend dem lokalisierten Strom, derart, daß, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle unterbrochen wird, und wenn der lokalisierte Strom einen gegebenen Wert übersteigt, eine Luftaustreibaktion eingeleitet wird, um der Brennstoffzelle einen Strom an Reinigungsluft zuzuführen.
  • Bei einem solchen Steuerverfahren wird der für den Betriebszustand der Brennstoffzelle kennzeichnende lokalisierte Strom gemessen, um einen besonderen Betriebszustands zu spezifizieren und die Luftaustreibaktion wird auf der Basis des spezifizierten Betriebszustands der Brennstoffzelle ausgeführt. Das ermöglicht es, die Luftaustreibaktion zu einem geeigneten Zeitpunkt auszuführen, und den Feuchtigkeitsgehalt auf einem geeigneten Niveau zu halten, um eine verbesserte Betriebsweise zu erreichen. Deshalb wird keine exzessive Luftaustreibaktion durchgeführt und es wird dadurch ein Austreibzeitintervall verkürzt; während eine Elektrolytmembran vor dem Austrocknen bewahrt wird.
  • Nach einem dreizehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung des Betriebszustands einer Brennstoffzelle geschaffen, das folgenden Schritte umfaßt: Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, um elektrische Energie zu erzeugen, Vorsehen einer Strommeßvorrichtung, die einem lokalen Bereich zugeordnet ist, der für eine Betriebscharakteristik der Brennstoffzelle kennzeichnend ist. Der für die Betriebscharakteristik der Brennstoffzelle kennzeichnende lokalisierte Strom wird gemessen und ein Betriebszustand der Brennstoffzelle wird entsprechend dem lokalisierten, für die Betriebscharakteristik kennzeichnenden Strom so gesteuert, daß dem lokalisierten Strom gestattet ist, in einem gegebenen Bereich zu bleiben.
  • Durch ein solches Steuerverfahren kann der lokalisierte Strom die Betriebsbedingung der Brennstoffzelle spezifizieren und die Steuerung des lokalisierten Stroms derart, daß er in einem gegebenen Bereich liegt, resultiert in der Fähigkeit, den Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle in zuverlässiger Weise auf einem optimalen Niveau zu halten, aufgrund der Gegenwart einer Beziehung zwischen dem lokalisierten Strom und einem Feuchtigkeitszustand (Feuchtigkeitsgehalt) der Brennstoffzelle. Weil der lokalisierte Strom schnell auf Schwankungen des Feuchtigkeitsgehalts anspricht, kann die Brennstoffzelle schnell mit stark verbesserter Wirksamkeit gesteuert werden.
  • Nach einem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist ein Verfahren zur Steuerung des Betriebszustands einer Brennstoffzelle vorgesehen, das folgende Schritte umfaßt: Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Wasserstoff enthaltenden Brenngases durchzuführen, um elektrische Energie zu erzeugen, Vorsehen einer Strommeßvorrichtung, die einem spezifizierten lokalen Bereich der Brennstoffzelle zugeordnet ist, der kennzeichnend ist für eine Wasserstoffkonzentrationscharakteristik, und der zum Auftreten eines Wasserstoffmangels neigt. Der für die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik kennzeichnende lokalisierte Strom wird gemessen, und die Brennstoffzelle wird in Abhängigkeit von dem für die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik kennzeichnenden lokalisierten Strom gesteuert, um die Wasserstoffkonzentration in der Brennstoffzelle zu erhöhen, wenn der lokalisierte Strom geringer ist als ein gegebener Stromwert.
  • Mit einem solchen Steuerverfahren wird die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik des lokalen Bereichs der Brennstoffzelle ermittelt, um eine Wasserstoffkonzentration zu spezifizieren, die eine Wechselbeziehung zum lokalisierten Strom aufweist. Damit kann durch Erhöhung der Wasserstoffkonzentration der Brennstoffzelle, wenn der lokalisierte Strom unter einem gegebenen Stromwert bleibt, auf den Wasserstoffmangel in der Brennstoffzelle angesprochen werden, ohne eine Steigerung des Durchflusses von nicht von der Reaktion erfaßtem, rückzuführendem Brenngas zu veranlassen, oder eine Steigerung des Durchflusses von nicht der Reaktion unterworfenem Brenngas, das aus dem System ausgestoßen werden soll. Dies schließt eine Verschlechterung der Wirkungsweise und Sicherheit der Brennstoffzelle aus.
  • Gemäß einem fünfzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Strommeßvorrichtung zum Gebrauch in einem Brennstoffzellensystem vorgesehen, das geeignet ist, eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases zur Erzeugung elektrischer Energie durchzuführen, die einen elektrischen Leiter umfaßt, der in elektrischem Kontakt mit der Zelleneinheit gehalten wird, um dem elektrischen Strom zu gestatten, von der Zelleneinheit in den elektrischen Leiter zu fließen, und der einen ausgenommenen Abschnitt aufweist. Ein Stromleiter ist in dem ausgenommenen Abschnitt des elektrischen Leiters angeordnet und geeignet, in elektrischem Kontakt mit einem lokalen Bereich der Zelleneinheit gehalten zu werden, um lokalisiertem Strom zu gestatten, vom lokalen Bereich in den Stromleiter zu fließen. Ein Stromleiter ist vorgesehen zur Ermittlung des durch den Stromleiter fließenden lokalisierten Stroms.
  • Mit einer solchen Bauform wird eine vereinfachte Strommeßvorrichtung geschaffen, zum Messen des lokalisierten Stroms der elektrischen Energieeinheit mit der Fähigkeit, das Auftreten abnormaler Faktoren in der elektrischen Energieeinheit zu spezifizieren. Auch wird es möglich, eine beschädigte Zelleneinheit der elektrischen Energieeinheit auf der Fertigungsstufe zu erkennen, wodurch es möglich wird, die beschädigte Zelleneinheit zurückzuweisen mit dem Ergebnis einer Qualitätssteigerung der elektrischen Energieeinheit. Zusätzlich bringt die Messung des elektrischen Stroms die Möglichkeit, Einflüsse zur frühestmöglichen Zeit festzustellen, weil Schwankungen des elektrischen Stroms in bemerkbarer Weise in einem früheren Stadium auftauchen als Spannungsschwankungen.
  • Gemäß einem sechzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Strommeßvorrichtung vorgesehen, für den Gebrauch in einem Brennstoffzellensystem, das geeignet ist zur Durchführung einer elektrochemischen Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases zur Erzeugung elektrischer Energie, mit einem ersten elektrischen Leiter, der geeignet ist, in elektrischem Kontakt mit der Zelleneinheit gehalten zu werden, um elektrischem Strom zu gestatten, von der Zelleneinheit in den elektrischen Leiter zu fließen, und der einen ausgenommenen Abschnitt besitzt. Ein säulenartiger Abschnitt ist in dem ausgenommenen Abschnitt des ersten elektrischen Leiters angeordnet und in elektrischem Kontakt mit einem lokalen Bereich der Zelleneinheit gehalten, umlokalisiertem elektrischem Strom zu gestatten, vom lokalen Bereich in den säulenartigen Abschnitt zu fließen. Ein magnetischer Sensor ist im ausgenommenen Abschnitt angeordnet zur Entdeckung eines Magnetfelds, das um den säulenartigen Abschnitt entsteht durch den über den säulenartigen Abschnitt fließenden lokalisierten Strom.
  • Bei einer solchen Bauform kann der elektrische Strom des lokalen Bereichs der elektrischen Energieeinheit in Abhängigkeit von der Größe des Magnetfelds gemessen werden, weil der lokalisierte Strom durch den säulenartigen Abschnitt fließt, um ein Magnetfeld um den säulenartigen Abschnitt zu erzeugen. Damit kann es durch die Benutzung der Strommeßvorrichtung mit einer solchen Struktur möglich werden, auftretende abnormale Faktoren beim Gebrauch der Brennstoffzelle zu spezifizieren. Es wird auch möglich, eine schadhafte Zelleneinheit der elektrischen Energieeinheit auf einer Fertigungsstufe zu entdecken, was es ermöglicht, die schadhafte Zelleneinheit zurückzuweisen, mit einer Qualitätssteigerung der Brennstoffzelle.
  • Gemäß einem siebzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Strommeßvorrichtung vorgesehen zum Gebrauch in einem Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Oxidantgas und einem Brenngas zu erzeugen, und die eine Membran-Elektroden-Anordnung aufweist, bestehend aus einer Elektrolytmembran und einem Paar von Elektroden, die auf beiden Oberflächen der Membran-Elektroden-Anordnung ausgebildet sind. Die Strommeßvorrichtung umfaßt einen elektrisch leitenden Trenner, der mit wenigstens einem Brenngaskanal versehen ist, durch den Brenngas fließt, und mit einem Oxidantgaskanal, durch den Oxidantgas fließt, und der über einer Außenfläche der Elektrolyt-Membran-Anordnung angeordnet und mit einem ausgenommenen Abschnitt versehen ist. Ein säulenartiger Abschnitt ist in dem ausgenommenen Abschnitt des Trenners angeordnet und in elektrischem Kontakt mit einem lokalen Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung gehalten, um lokalisiertem Strom zu gestatten, von dem lokalen Bereich in den säulenartigen Abschnitt zu fließen. Ein Magnetsensor ist in dem ausgenommenen Abschnitt angeordnet um die Größe eines Magnetfeldes zu ermitteln, das um den säulenförmigen Abschnitt erzeugt wird.
  • Mit einer solchen Bauform hat die Strommeßvorrichtung den gleichen Vorteil wie jenen der oben erörterten Strommeßvorrichtung. Außerdem besteht keine Notwendigkeit zur Vorbereitung zusätzlicher Komponenten, weil der Trenner elektrisch leitend ist und als elektrischer Leiter dient, weshalb sich eine Verringerung der Zahl der Komponenten ergibt.
  • Gemäß einer achtzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Strommeßvorrichtung zum Gebrauch in einem Brennstoffzellensystemvorgesehen, das geeignet ist, elektrische Energie zu liefern und einen elektrischen Leiter umfaßt, der geeignet ist, in elektrischem Kontakt mit der Zelleneinheit gehalten zu werden, um elektrischem Strom zu gestatten, von der Zelleneinheit in den elektrischen Leiter zu fließen, und der eine ausgenommenen Abschnitt aufweist. Ein säulenförmiger Abschnitt ist in dem ausgenommenen Abschnitt des elektrischen Leiters ausgebildet und in elektrischem Kontakt mit einem lokalen Bereich der Zelleneinheit gehalten, um lokalisiertem Strom zu gestatten, vom lokalen Bereich in den säulenförmigen Abschnitt zu fließen. Ein magnetischer Sensor ist in einem von einem Zentrum des elektrischen Leiters entfernten Bereich angeordnet, um die Größe eines Magnetfeldes zu messen, das um den säulenartigen Abschnitt erzeugt wird.
  • Bei einer solchen Bauform können magnetische Störungen, die durch einen anderen elektrischen Strom als den lokalisierten Strom verursacht werden, minimiert werden, was es ermöglicht, das Magnetfeld genau zu messen, das von dem durch den säulenartigen Abschnitt fließenden Strom erzeugt wird, was das Messen des lokalen Stroms mit erhöhter Genauigkeit und mit einer vereinfachten Konstruktion ermöglicht.
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  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und zur Darstellung, wie diese zur Wirkung gebracht wird, werden nun nur beispielsweise spezielle Ausführungsformen und Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die Folgendes zeigen:
  • 1 eine typische Ansicht zur Darstellung der Gesamtanordnung eines Brennstoffzellensystems einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine perspektivische Ansicht einer die Brennstoffzelle nach 1 bildenden Zelleneinheit;
  • 3 eine transparente Ansicht eines Lufttrenners von der rechten Seite der 2 her gesehen;
  • 4 eine transparente Ansicht eines Wasserstofftrenners von der rechten Seite der 2 her gesehen;
  • 5 eine vergrößerte, perspektivische Ansicht zur Darstellung eines wesentlichen Teils der in 2 gezeigten Strommeßvorrichtung;
  • 6 einen Querschnitt nach der Linie A1-A1 in 5;
  • 7 ein Diagramm zur Darstellung der Veränderung des lokalisierten Stroms und der Veränderung der Feuchtigkeit der der Brennstoffzelle zuzuführenden Luft in einer Situation, in der die Elektrolytmembran ausgetrocknet ist;
  • 8 ein Diagramm zur Darstellung der Veränderung des lokalisierten Stroms in einer Situation, in der die Elektrode übermäßig naß ist aufgrund einer Zunahme der Menge der Wassertröpfchen; die sich in einem Wasserstoffauslaßabschnitt der Brennstoffzelle sammeln;
  • 9 ein Diagramm zur Darstellung der Veränderung des lokalisierten Stroms in einer Situation, in der ein Mangel an Wasserstoff in der Brennstoffzelle auftritt;
  • 10 ein Diagramm zur Darstellung der Veränderung des lokalisierten Stroms in einer Situation, in der die Elektrode übermäßig naß ist und in der Brennstoffzelle ein Mangel an Wasserstoff auftritt;
  • 11 ein Diagramm zur Darstellung der Sinkgeschwindigkeit des lokalisierten Stroms in einer Situation, in der die Elektrode übermäßig naß ist und ein Mangel an Wasserstoff in der Brennstoffzelle auftritt;
  • 12 ein Flußdiagramm zur Darstellung einer Grundabfolge von durch den Steuerabschnitt des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems auszuführenden Vorgängen zur Durchführung eines zugehörigen Diagnoseverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 13 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen einem bei der Diagnose eines ausgetrockneten Zustands auftretenden Gesamtstromwerts und einem gegebenen Stromwert;
  • 14 eine typische Ansicht einer Gesamtanordnung des Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung;
  • 15 eine typische perspektivische Ansicht zur Darstellung einer in 14 gezeigten Brennstoffzelle;
  • 16 eine typische perspektivische Ansicht zur Darstellung einer in 14 gezeigten Brennstoffzelle;
  • 17 ein Diagramm zur Darstellung der Veränderung eines Differenzstroms in Gegenwart von Schwankungen des Feuchtigkeitsgehalts einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 18 ein Diagramm zur Darstellung eines Differenzstroms in Gegenwart von Schwankungen des Feuchtigkeitsgehalts der Brennstoffzelle;
  • 19 ein Flußdiagramm zur Darstellung einer Grundabfolge von durch den Steuerabschnitt des Brennstoffzellensystems der dritten Ausführungsform auszuführenden Vorgängen zur Durchführung eines zugehörigen Diagnoseverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 20 ein Diagramm zur Darstellung des Ausgangsstroms einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems nach einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Gegenwart von Schwankungen des Feuchtigkeitsgehalts der Brennstoffzelle;
  • 21 ein Diagramm zur Darstellung des Differenzstroms in Gegenwart von Fluktuationen des Feuchtigkeitsgehalts der Brennstoffzelle;
  • 22 ein Flußdiagramm zur Darstellung einer Grundabfolge von durch das Brennstoffzellensystem gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführten Vorgängen zur Steuerung des Feuchtigkeitsgehalts zur Dwchführung eines zugehörigen Diagnoseverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 23 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen dem örtlichen Innenwiderstand und dem inneren Feuchtigkeitsgehalt einer Brennstoffzelle eine Brennstoffzellensystems nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Durchführung eines zugeordneten erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 24 ein Diagramm zur Darstellung des örtlichen Innenwiderstands einer Brennstoffzelle in Gegenwart von Schwankungen des Feuchtigkeitsgehalts der Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems nach einer sechsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zur Durchführung eines zugeordneten Verfahrens;
  • 25 ein Diagramm zur Darstellung der Veränderung des Differenzwiderstands in Gegenwart von Schwankungen des Feuchtigkeitsgehalts der Brennstoffzelle;
  • 26 ein Flußdiagramm zur Darstellung einer Grundabfolge von durch ein Brennstoffzellensystem nach einer sechsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführten Vorgängen zur Steuerung des Feuchtigkeitsgehalts zur Dorchführung eines zugeordneten Verfahrens der vorliegenden Erfindung;
  • 27 ein Diagramm zur Darstellung des örtlichen Innenwiderstands einer Brennstoffzelle in Gegenwart von Schwankungen des Feuchtigkeitsgehalts einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems einer sechsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 28 ein Diagramm zur Darstellung des Differenzwiderstands in Gegenwart von Schwan
  • 29 ein Flußdiagramm zur Darstellung einer Grundabfolge von durch ein Brennstoffzellensystem nach einer siebten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung durchge führten Vorgängen zur Steuerung des Feuchtigkeitsgehalts zur Dorchführung eines zugeordneten Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 30 eine typische Ansicht der Gesamtanordnung eines Brennstoffzellensystems nach einer achten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 31 eine perspektivische Ansicht einer die in 30 gezeigte Brennstoffzelle bildenden Zelleneinheit;
  • 32 eine transparente Ansicht eines Lufttrenners von der rechten Seite der 31 aus gesehen;
  • 33 eine transparente Ansicht eines Wasserstofftrenners von der rechten Seite der 31 aus gesehen;
  • 34 eine vergrößerte, perspektivische Ansicht zur Darstellung eines wesentlichen Teils der in 31 gezeigten Strommeßvorrichtung;
  • 35 einen Querschnitt nach der Linie A2-A2 in 34;
  • 36e in Diagramm zur Darstellung der Veränderung des örtlichen Stroms in Abhängigkeit vom Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle;
  • 37 ein Flußdiagramm zur Darstellung einer Grundabfolge von durch einen Steuerabschnitt des in 30 gezeigten Brennstoffzellensystems ausgeführten Vorgängen zur Durchführung eines Programms gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 38 eine Zeittafel zur Darstellung der Zeitpunkte, zu denen verschiedene Steuerflags verändert werden;
  • 39 eine typische Ansicht der Gesamtanordnung eines Brennstoffzellensystems nach einer neunten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 40 ein Diagramm zur Darstellung der Veränderung des elektrischen Stroms während eines Luftaustreibvorgangs;
  • 41 ein Flußdiagramm zur Darstellung einer Grundabfolge von Vorgängen zur Ausführung eines Luftaustreibvorgangs durch den Steuerabschnitt eines in 39 gezeigten Brennstoffzellensystems zur Durchführung eines zugeordneten Steuerverfahrens der vorliegenden Erfindung
  • 42 ist eine Zeittafel zur Darstellung der Zeitpunkte zu denen verschiedene Steuerflags verändert werden;
  • 43 eine typische Ansicht der Gesamtanordnung einer Brennstoffzelle nach einer zehnten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 44 eine Ansicht zur Darstellung der schematischen Anordnung eines Lufttrenners einer in 43 gezeigten Brennstoffzelle;
  • 45 ein Flußdiagramm zur Darstellung der Grundabfolge von durch den Steuerabschnitt eines in 43 gezeigten Brennstoffzellensystems ausgeführten Vorgängen zur Durchführung eines zugeordneten Verfahrens der vorliegenden Erfindung;
  • 46 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle und dem örtlichen Strom:
  • 47 eine typische Ansicht der Gesamtanordnung eines Brennstoffzellensystems nach einer elften Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 48 ein Flußdiagramm zur Darstellung einer Grundabfolge von durch einen Steuerabschnitt des in 47 gezeigten Brennstoffzellensystems ausgeführten Vorgängen zur Durchführung eines Diagnoseverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 49 eine typische Ansicht einer Gesamtanordnung, die ein Brennstoffzellensystem nach einer zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 50 ein Flußdiagramm zur Darstellung der Grundabfolge von durch einen Steuerabschnitt des in 49 gezeigten Brennstoffzellensystems ausgeführten Vorgängen zur Durchführung eines zugeordneten Diagnoseverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 51 eine typische Ansicht einer Gesamtanordnung, die ein Brennstoffzellensystem nach einer dreizehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 52 ein Flußdiagramm zur Darstellung der Grundabfolge von durch einen Steuerabschnitt des in 51 gezeigten Brennstoffzellensystems ausgeführten Vorgängen zur Durchführung eines zugeordneten Diagnoseverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 53 eine typische Ansicht einer Gesamtanordnung, die ein Brennstoffzellensystem nach einer vierzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 54 eine typische Ansicht einer Gesamtanordnung, die ein Brennstoffzellensystem nach einer fünfzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 55 eine schematische Ansicht zur Darstellung eines Wasserstofftrenners einer in 54 gezeigten Brennstoffzelle;
  • 56 ein Flußdiagramm zur Darstellung der Grundabfolge von durch einen Steuerabschnitt des in 54 gezeigten Brennstoffzellensystems ausgeführten Vorgängen zur Durchführung eines zugeordneten Steuerverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 57A ein Diagramm zur Darstellung der Veränderung des einem Wasserstoffauslaßabschnitt der in 54 gezeigten Brennstoffzelle zugeordneten Stromwertes;
  • 57B ein Diagramm zur Darstellung der Veränderung des Wasserstoffausstoßes
  • 58 eine typische Ansicht einer Gesamtanordnung, die ein Brennstoffzellensystem nach einer sechzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 59 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelle, die mit einer Strommeßvorrichtung gemäß einer siebzehnten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist;
  • 60 eine schematische Seitenansicht der in 59 gezeigten Brennstoffzelle;
  • 61 eine perspektivische Ansicht der in 59 gezeigten Strommeßvorrichtung
  • 62A eine Frontansicht eines elektrischen Stromleiters der in 61 gezeigten Strommeßvorrichtung;
  • 62B eine Seitenansicht der in 62A gezeigten Strommeßvorrichtung;
  • 62C einen Querschnitt nach der Linie A3-A3 in 62A;
  • 62D einen Querschnitt nach der Linie B1-B 1 in 62A;
  • 63 eine transparente Ansicht eines in 60 gezeigten Lufttrenners;
  • 64 eine transparente Ansicht eines in 60 gezeigten Wasserstofftrenners;
  • 65 eine perspektivische Ansicht einer Strommeßvorrichtung nach einer achtzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 66A eine vergrößerte Frontansicht zur Darstellung eines wesentlichen Teils der in 65 gezeigten Strommeßvorrichtung;
  • 66B einen Querschnitt nach der Linie A4-A4 in 66A;
  • 67A eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teils einer abgewandelten Form der in den 66A und 66B gezeigten Strommeßvorrichtung;
  • 67B ein Querschnitt nach der Linie A5-A5 in 67A;
  • 68 eine perspektivische Ansicht einer Strommeßvorrichtung nach einer neunzehnten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 69A eine Draufsicht auf einen ersten elektrischen Leiter, der einen Teil der in 68 gezeigten Strommeßvorrichtung bildet;
  • 69B eine Draufsicht auf einen zweiten elektrischen Leiter, der einen anderen Teil der in 68 gebildeten Strommeßvorrichtung bildet;
  • 70 einen Querschnitt nach der Linie B2-B2 in 68;
  • 71A eine Draufsicht auf den in 68 gezeigten elektrischen Leiter;
  • 71B eine Draufsicht auf eine abgewandelte Form des zweiten Leiters der in 68 gezeigten Strommeßvorrichtung;
  • 72 einen Querschnitt nach der Linie B3-B3 in den 71A und 71B;
  • 73 einen Querschnitt zur Darstellung einer Strommeßvorrichtung nach einer zwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 74 einen Querschnitt zur Darstellung einer Strommeßvorrichtung nach einer einundzwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 75 einen Querschnitt zur Darstellung einer Strommeßvorrichtung nach einer zweiundzwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 76 eine Ansicht der Anordnung einer eine Strommeßvorrichtung einschließenden Stromüberwachungsvorrichtung nach einer dreiundzwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 77 eine perspektivische Ansicht der in 76 gezeigten Stromüberwachungsvorrichtung;
  • 78A eine Ansicht der rechten Seite der in 77 gezeigten Stromüberwachungsvorrichtung und einer Zelleneinheit;
  • 78B eine Draufsicht auf die in 77 gezeigte Stromprüfvorrichtung und die Zelleneinheit;
  • 79 ein aufgezeichnetes Diagramm mit gemessenen Beispielen von Stromwerten an verschiedenen lokalisierten Strommeßpunkten;
  • 80 ist ein Diagramm zur Darstellung eines Verlaufs des elektrischen Stroms bei der Zelleneinheit basierend auf den in 79 dargestellten Meßergebnissen;
  • 81 eine Ansicht der Anordnung einer eine Strommeßvorrichtung einschließenden Stromprüfvorrichtung nach einer vierundzwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 82 eine vergrößerte Draufsicht auf die in 81 gezeigte Stromprüfvorrichtung;
  • 83A eine perspektivische Ansicht einer eine Strommeßvorrichtung einschließenden Brennstoffzelle nach einer fünfundzwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 83B eine perspektivische Ansicht der in 83A gezeigten Strommeßvorrichtung;
  • 84 eine schematische Seitenansicht der in 83A gezeigten Brennstoffzelle;
  • 85 eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teils der in 83B gezeigten Strommeßvorrichtung;
  • 86 eine Entwurfsansicht zur Darstellung des Magnetfelds in der in 83B gezeigten Strommeßvorrichtung;
  • 87A eine Frontansicht einer Strommeßvorrichtung nach einer sechsundzwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 87B einen Querschnitt nach der Linie A6-A6 in 87A;
  • 88 eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellensystems nach einer siebenundzwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 89A und 89B Entwurfsansichten zur Darstellung der Magnetfelder in einer in das in 88 gezeigte Brennstoffzellensystem einbezogenen Strommeßvorrichtung;
  • 90A eine Frontansicht einer Strommeßvorrichtung nach einer achtundzwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 90B einen Querschnitt nach der Linie A7-A7 in 90A;
  • 91A eine Frontansicht einer Strommeßvorrichtung einer abgewandelten Form der in den 90A und 90B gezeigten achtundzwanzigsten Ausführungsform;
  • 91B einen Querschnitt nach der Linie A8.A8 in 91A;
  • 92A eine Frontansicht einer Strommeßvorrichtung einer neunundzwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung und
  • 92B einen Querschnitt nach der Linie A9-A9 in 92A.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen oder -zahlen gleiche oder äquivalente Bestandteile in allen Ansichten.
  • In Klammern gesetzte Ausdrücke beziehen sich nachfolgend auf einen Ausdruck, der in anderer Weise ausgedrückt ist, um eine Detailkomponente zu bezeichnen, die bei der Beschreibung der Ausführungsform später beschrieben wird.
  • Es wird in dieser Beschreibung der Ausdruck „Energieeinheit" zur Bezeichnung einer Brennstoffzelle, einer Luftbatterie, einer Sekundärbatterie und eines Kondensators usw. benutzt, die das Merkmal aufweisen, einer Mehrzahl von Zelleneinheiten zur Lieferung elektrischer Energie zu besitzen.
  • (Erste Ausführungsform)
  • Die 1 ist eine typische Ansicht zur Darstellung eines als ein elektrisches Energieeinheitssystem dienenden Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und eines zugehörigen Verfahrens. Das Brennstoffzellensystem kann beispielsweise bei einem elektrischen Fahrzeug verwendet werden.
  • Wie in 1 gezeigt, ist das Brennstoffzellensystem 10 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform so dargestellt, daß es eine Brennstoffzelle 12 umfaßt, die derart wirkt, daß sie eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases, wie Sauerstoff enthaltender Luft, und eines Brenngases, wie Wasserstoff, zur Erzeugung elektrischer Energie durchführt. Die Brennstoffzelle 12 ist geeignet, elektrische Energie einer elektrischen Einrichtung, wie einer elektrischen Last 14 und einer (nicht gezeigten) Sekundärbatterie, zuzuführen. In diesem Zusammenhang entspricht bei der Anwendung bei einem elektrischen Fahrzeug ein zum Fahrzeugantrieb dienender Elektromotor der elektrischen Last 14.
  • Beim gegenwärtig betrachteten Ausführungsbeispiel besteht die Brennstoffzelle 12 aus einer Brennstoffzelle in Form eines festen, ein Polymerisationsprodukt darstellenden Elektrolyten, die einen Stapel aus einer Mehrzahl von Zelleneinheiten einschließt, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. In der Brennstoffzelle findet eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff zur Erzeugung elektrischer Energie auf eine Weise statt, die ausgedrückt werden kann durch:
    Figure 00320001
  • Um die Ausgangsspannung der Zelleneinheiten zu ermitteln, ist ein Zellenmonitor 16 mit der Brennstoffzelle 12 als eine Zellenspannungsmeßeinheit verbunden, und die durch den Zellenmonitor 16 ermittelten Zellenspannungssignale werden in einen Steuerabschnitt 18 in einer unten beschriebenen Weise eingegeben: Außerdem ist ein Stromsensor 19 mit einem Ausgang der Brennstoffzelle 12 verbunden, um den Gesamtstrom der Brennstoffzelle 12 zu messen, wobei ein durch den Stromsensor 19 gemessener Gesamtstromwert durch den Zellenmonitor 16 zu dem unten beschriebenen Zweck auf den Steuerabschnitt 18 übertragen wird.
  • Das Brennstoffzellensystem 10 umfaßt weiter eine Luftversorgungsquelle wie eine Pumpe 20, die die atmosphärische Luft ansaugt, um Luftelektroden (positiven Elektroden) der Brennstoffzelle 12 über einen Luftkanal 22 Luft (Sauerstoff) unter Druck zuzuführen, sowie eine Wasserstoffversorgungsquelle 24.
  • Die Luftpumpe 20 schließt einen Luftverdichter ein, wie beispielsweise einen adiabatischen Luftverdichter, von dem aus der Brennstoffzelle 12 Druckluft zugeführt wird.
  • Die Wasserstoffversorgungsquelle 24 besteht aus einem Wasserstofftank gefüllt mit Wasserstoff oder einem (nicht gezeigten) Umformer, der aus einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff Wasserstoff gewinnt, der über eine Wasserstoffleitung 26 den Wasserstoffelektroden (negativen Elektroden) der Brennstoffzelle 12 zugeführt wird. Wie hier verwendet entspricht Luft dem Oxidantgas und Wasserstoff dem Brenngas.
  • Wie in 1 gezeigt, ist im Luftkanal 22 ein Befeuchter 28 zwischen der Pumpe 20 und der Brennstoffzelle 12 angeordnet um die der Brennstoffzelle 12 zugeführte Luft zu befeuchten. Von der Brennstoffzelle 12 geht ein Luftauslaßkanal 32 aus und stromab von der Brennstoffzelle 12 ist im Luftauslaßkanal 32 ein Druckregelventil 34 angeordnet, um den Druck der über den Luftkanal 22 der Brennstoffzelle 12 zugeführten Luft zu regulieren.
  • Gleichermaßen ist im Wasserstoffkanal 26 ein Befeuchter 36 angeordnet, der den der Brennstoffzelle 12 zugeführten Wasserstoff befeuchtet. Ein Wasserstoffdruckregelventil 38 ist im Wasserstoffkanal zwischen der Brennstoffzelle 12 und der Wasserstoffversorgungsquelle 24 abgeordnet, um den der Brennstoffzelle 12 über den Wasserstoffkanal 26 zugeführten Wasserstoff zu befeuchten.
  • Ein Brenngaszirkulationskanal 40 ist mit einem Ende mit einer Wasserstoffauslaßöffnung der Brennstoffzelle 12 und mit dem anderen Ende mit dem Wasserstoffkanal 26 an einer Abzweigung 41 zwischen der Wasserstoffversorgungsquelle 24 und dem Befeuchter 36 verbunden. Dies ermöglicht es, nicht der Reaktion unterzogenen Wasserstoff, der von der Brennstoffzelle 12 ausgestoßen wird, zur Wiederverwendung über den Brenngaszirkulationskanal 40 wieder der Brennstoffzelle 12 zuzuführen. Um den ausgestoßenen Wasserstoff durch den Brenngaszirkulationskanal 40 zu befördern, ist stromab von der Brennstoffzelle 12 im Brenngaszirkulationskanal 40 eine Wasserstoffpumpe 42 angeordnet.
  • Der Steuerabschnitt 18 schließt eine als Diagnosevorrichtung dienende Steuerung ein, die eine elektronische Steuerungseinheit (ECU) umfaßt, die als Diagnosevorrichtung dient, die einen Mikrocomputer einschließt, der aus einer CPU, einem ROM, einem RAM und der zugeordneten peripheren Schaltung besteht. Die Diagnosevorrichtung 18 wird mit den vom Zellenmonitor 16 gelieferten Zellenspannungssignalen und anderen Ermittlungssignalen versorgt, die von einer Strommeßvorrichtung ausgehen, die nachfolgend noch beschrieben wird. Die Diagnosevorrichtung 18 führt eine Berechnung auf der Basis der Zellenspannungssignale und der Ermittlungssignale aus, um Steuersignale zu erzeugen, die der Luftpumpe 20, den Befeuchtern 28, 36, dem Luftdruckregelventil 34, dem Wasserstoffdruckregelventil 38 und der Wasserstoffpumpe 42 zugeführt werden. Auf diese Weise wird die Diagnosevorrichtung 18 zur Diagnostizierung eines Betriebszustands der Brennstoffzelle 12 wirksam.
  • Die 2 ist eine perspektivische Ansicht zur Darstellung einer Zelleneinheit 12A, die einen Teil des Stapels der Brennstoffzelle 12 bildet. Die Zelleneinheit 12A besteht aus einer MEA (Membran-Elektrode-Anordnung: Elektrolyt/Elektrode/Katalysator-Verbundkörper), die eine Elektrolytmembran und ein Paar von Elektrodenumfaßt, die zu beiden Seiten der Elektrolytmembran angeordnet sind, einen Lufttrenner 44, der auf einer Seite der MEA 12A angeordnet ist, und einen Wasserstofftrenner 46, der auf der anderen Seite der MEA angeordnet ist. Des weiteren befindet sich auf einer Seite des Wasserstofftrenners 46 eine Stromsammlerplatte 48 mit einem negativen Anschluß. In diesem Fall dient der Lufttrenner 44 als Stromsammelplatte mit einem positiven Anschluß.
  • Die 3 ist eine transparente Ansicht des Lufttrenners 44 von der rechten Seite in 2 aus gesehen. Der Lufttrenner 44 besteht aus dem Trennerkörper 50, der mit einem Lufteinlaßabschnitt 50a ausgebildet ist, der mit dem Luftkanal 22 der Brennstoffzelle 12 (siehe 1) verbunden ist, einem Luftauslaßabschnitt 50b, der mit dem Luftauslaßkanal 32 der Brennstoffzelle 12 (siehe 1) verbunden ist, und einem Luftkanal 50c, der sich zwischen dem Lufteinlaßabschnitt 50a und dem Luftauslaßabschnitt 50b erstreckt, um zwischen diesen eine Luftströmung zu ermöglichen. Entsprechend dem hier angewandten Sprachgebrauch entspricht der Lufttrenner 44 einem ersten Trenner der vorliegenden Erfindung und der Luftkanal 50c entspricht einem Oxidantgas-Kanal. Gleichermaßen entspricht der Lufteinlaßabschnitt 50a einem Oxidantgas-Einlaßabschnitt und der Luftauslaßabschnitt 50b einem Oxidantgas-Auslaßabschnitt gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in den 2 und 3 gezeigt, besitzt der die Elektrolytmembran bildende Teil der MEA 12A einen spezifizierten lokalen Bereich in enger Nachbarschaft zum Lufteinlaßabschnitt 50a des Lufttrenners 44, wo die Elektrolytmembran dazu neigt, auszutrocknen. Zum besseren Verständnis ist dieser spezifizierte lokale Bereich der MEA 12A in 3 als schraffierte Fläche B dargestellt als ein Abschnitt, der eine dem Lufteinlaßabschnitt 50a der MEA 12A zugeordnete Trocknungscharakteristik aufweist.
  • Die 4 ist eine perspektivische Ansicht des Wasserstofftrenners 46 gesehen von der rechten Seite der 2 aus: Der Wasserstofftrenner 46 besteht aus einem Trennerkörper 52, an dem ein Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a ausgebildet ist, der mit dem Wasserstoffkanal 28 der Brennstoffzelle 12 (siehe 1) verbunden ist, einem Wasserstoffauslaßabschnitt 52b, der mit dem Wasserstoffauslaßkanal 40 der Brennstoffzelle 12 (siehe 1) verbunden ist, und einem Wasserstoffkanal 52c, der sich zwischen dem Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a und dem Wasserstoffauslaßabschnitt 52b erstreckt, um zwischen ihnen eine Wasserstoffströmung zu ermöglichen. Wie hier gebraucht, entspricht der Wasserstofftrenner 46 einem zweiten Trenner der vorliegenden Erfindung und der Wasserstoffkanal 52c entspricht einem Brenngaskanal. Gleichermaßen entspricht der Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a einem Brenngaseinlaßabschnitt der vorliegenden Erfindung und der Wasserstoffauslaßabschnitt 52b entspricht einem Brenngasauslaßabschnitt der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in den 2 und 4 gezeigt ist, besitzt der die Elektrolytmembran bildende Teil der MEA 12A einen anderen spezifizierten lokalen Bereich in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a des Wasserstofftrenners 46, wo die Elektrolytmembran dazu neigt, auszutrocknen. Zum besseren Verständnis ist dieser spezifizierte lokale Bereich der MEA 12A in 4 als schraffierte Fläche C dargestellt als ein Abschnitt, der eine dem Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a der MEA 12A zugeordnete Trocknungscharakteristik aufweist. Zusätzlich besitzt die Elektrolytmembran noch einen weiteren spezifizierten lokalen Bereich in der engen Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt 52b des Wasserstofftrenners 46, wo die Elektrolytmembran dazu neigt, einen überschüssigen Feuchtigkeitsgehalt aufzuweisen und wo die Elektrolytmembran dazu neigt, einen Mangel an Brenngas, wie Wasserstoff, aufzuweisen. Zum besseren Verständnis ist dieser spezifizierte lokale Bereich der MEA 12A in 4 als schraffierte Fläche D dargestellt als ein Abschnitt, der eine dem Wasserstoffauslaßabschnitt 52b der MEA 12A zugeordnete Benetzungscharakteristik und eine ihm zugeordnete Wasserstoffkonzentrationscharakteristik aufweist.
  • Die 5 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht zur Darstellung eines wesentlichen Teils der Stromsammlerplatte 48 mit dem negativen Anschluß, und 6 ist ein Querschnitt nach der Linie A1-A1 in 5.
  • Wie in den 2, 5 und 6 gezeigt, ist die Stromsammlerplatte 48 in eine Hauptstromsammlerplatte 48a und drei Hilfsstromsammlerplatten 48b, 48c und 48d unterteilt, die auf einem Isolatorrahmen 48e aus Isolationsmaterial in spezifizierten lokalen Bereichen der Stromsammlerplatte 48 so angeordnet sind, daß sie voneinander elektrisch isoliert sind.
  • Das heißt, die erste Hilfsstromsammlerplatte 48b ist auf dem Isolatorrahmen 48e in einem ersten lokalen Bereich angeordnet, der näher am Lufteinlaßabschnitt 50a des Luftkanals 50c des Lufttrenners 44 liegt als der Luftauslaßabschnitt 50b, d.h. in einem Bereich (der schraffierten Fläche B in 3 entsprechend), der in enger Nachbarschaft zum Lufteinlaßabschnitt 50a liegt und kennzeichnend für die Trocknungscharakteristik der Brennstoffzelle 12 ist, die zum Austrocknen neigt, und insbesondere in einem Bereich, wo die erste Hilfsstromsammlerplatte 48b dem Lufteinlaßabschnitt 50a gegenüberliegend diesen teilweise überdeckt. Die Hauptstromsammlerplatte 48a und die erste Hilfsstromsammlerplatte 48b sind durch eine erste, elektrisch leitende Stromsammlerverdrahtung 52 miteinander verbunden, um den Durchfluß eines ersten lokalisierten Stroms zu ermöglichen. Auf der ersten Stromsammlerverdrahtung 52 ist ein erster Stromsensor 54 angeordnet, der den Durchfluß des ersten lokalisierten Stroms durch die erste Stromsammlerverdrahtung 52 feststellt.
  • In ähnlicher Weise ist die zweite Hilfsstromsammlerplatte 48c auf dem Isolatorrahmen 48e in einem zweiten lokalen Bereich angeordnet, der näher am Wasserstoff einlaßabschnitt 52a liegt als der Wasserstoffauslaßabschnitt 52b, d.h. in einem Bereich (der schraffierten Fläche C in 4 entsprechend), der in engerer Nachbarschaft zum Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a liegt als der Wasserstoffauslaßabschnitt 52b des Wasserstoffkanals 52c und der kennzeichnend ist für die Trocknungscharakteristik der Brennstoffzelle 12, die zum Austrocknen neigt, und insbesondere in einem Bereich, in dem die zweite Hilfsstromsammlerplatte 48c, dem Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a gegenüberliegend, diesen teilweise überdeckt. Die Hauptstromsammlerplatte 48a und die zweite Hilfsstromsammlerplatte 48c sind durch eine zweite, elektrisch leitende Stromsammlerverdrahtung 56 miteinander verbunden, um den Durchfluß eines zweiten lokalisierten Stroms zu ermöglichen. Auf der zweiten Stromsammlerverdrahtung 56 ist ein zweiter Stromsensor 58 angeordnet, der den Durchfluß des zweiten lokalisierten Stroms durch die zweite Stromsammlerverdrahtung 56 feststellt.
  • In ähnlicher Weise ist die dritte Hilfsstromsammlerplatte 48d auf dem Isolatorrahmen 48e in einem dritten lokalen Bereich näher am Wasserstoffauslaßabschnitt 52b angeordnet als der Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a des Wasserstofkanals 52c, d.h. in einem Bereich (dem schraffierten Bereich D in 4 entsprechend), der in engerer Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt 52b liegt als der Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a des Wasserstoffkanals 52c und kennzeichnend ist für die Benetzungscharakteristik und die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik der Brennstoffzelle 12, wo sich Flüssigkeitströpfchen leicht ansammeln und die Neigung zum Auftreten eines Wasserstoffmangels besteht, und insbesondere in einem Bereich, in dem die dritte Hilfsstromsammlerplatte 48d, dem Wasserstoffauslaßabschnitt 52b gegenüberliegend, diesen teilweise überdeckt. Die Hauptstromsammlerplatte 48a und die dritte Hilfsstromsammlerplatte 48d sind durch eine dritte, elektrisch leitende Stromsammlerverdrahtung 60 miteinander verbunden, um den Durchfluß eines dritten lokalisierten Stroms zu ermöglichen. Auf der dritten Stromsammlerverdrahtung 60 ist ein dritter Stromsensor 62 angeordnet, der den Durchfluß des dritten lokalisierten Stroms durch die dritte Stromsammlerverdrahtung 60 feststellt.
  • Die Stromsensoren 54, 58 und 62 können auch vorzugsweise jeweils aus, beispielsweise, Hall-Elementen bestehen. In einem solchen Fall ist um jede der Stromsammlerverdrahtungen 52, 56, 60 jeweils ein Eisenkern mit einem Luftspalt angeordnet, wobei die Hall-Elemente jeweils im Luftspalt angeordnet werden können. Wenn die lokalisierten Ströme durch die Stromsammlerverdrahtungen 52, 56 bzw. 60 fließen, werden den jeweiligen lokalisierten Strömen entsprechende Magnetfelder um die Stromsammlerverdrahtungen 52, 56, 60 erzeugt. Die Hall-Elemente entdecken diese durch die lokalisierten Ströme erzeugten Magnetfelder und wandeln sie in entsprechende Spannungen um. Beispiele für den Magnetsensor umfassen auch ein MR-Element, ein MI-Element, ein Luftspaltmagnetometer oder dergleichen. Nach einer anderen Alternative ist es möglich, einen Stromsensor usw. unter Verwendung eines Nebenschlußwiderstands einzusetzen.
  • Es ist zu erkennen, daß die im ersten lokalen Bereich der Stromsammlerplatte 48 ausgebildete erste Hilfsstromsammlerplatte 48b, die erste Stromsammlerverdrahtung 52 und der erste Stromsensor 54, die im zweiten lokalen Bereich der Stromsammlerplatte 48 ausgebildete zweite Hilfsstromsammlerplatte 48c, die zweite Stromsammlerverdrahtung 56 und der zweite Stromsensor 58, sowie die im dritten lokalen Bereich der Stromsammlerplatte 48 ausgebildete dritte Hilfsstromsammlerplatte 48d, die dritte Stromsammlerverdrahtung 60 und der dritte Stromsensor 62 jeweils Strommeßvorrichtungen bilden, die den jeweiligen lokalen Bereichen der Brennstoffzelle zugeordnet sind, um lokalisierte Ströme zu messen, die durch den ersten bis dritten lokalen Bereich fließen.
  • Es wird nun der Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 mit der vorstehend beschriebenen Anordnung und ein zugeordnetes Verfahren beschrieben.,
  • Zunächst wird, ansprechend auf die Anforderung elektrischer Energie durch die elektrische Last 14 durch den Steuerabschnitt 18, der Durchfluß von Luft und Wasserstoff zur Versorgung der Brennstoffzelle 12 gesteuert. Insbesondere steuert der Steuerabschnitt 18 die Drehzahl der Luftpumpe 20, um dadurch den Durchfluß der Luft zur Versorgung der Brennstoffzelle 12 zu steuern, und steuert die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 42, um dadurch den Durchfluß des Wasserstoffs für die Versorgung der Brennstoffzelle 12 zu steuern. Wenn dies stattfindet, ist der Durchfluß der Luft vorab auf einen vorgegebenen Durchfluß eingestellt, um keine Schwankungen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 12 zu verursachen. In dieser Situation verursacht die Versorgung der Brennstoffzelle 12 mit Luft und Wasserstoff den Ablauf einer elektrochemischen Reaktion zur Erzeugung elektrischer Energie, die ihrerseits der elektrischen Last 14 zugeführt wird.
  • Der über die elektrische Last 14 fließende Strom fließt über den negativen Anschluß zur Stromsammlerplatte 48. Der der Stromsammlerplatte 48 zufließende elektrische Strom wird aufgeteilt in einen Hauptstrom, der in die MEA 42 fließt, einen ersten Strom, der über die erste Stromsammlerverdrahtung 52 und die erste Hilfsstrom sammlerplatte 48b in die MEA fließt, einen zweiten Strom, der über die zweite Stromsammlerverdrahtung 56 und die zweite Hilfsstromsammlerplatte 48c in die MEA fließt, und einen dritten Strom, der über die dritte Stromsammlerverdrahtung 60 und die dritte Hilfsstromsammlerplatte 48d in die MEA 42 fließt.
  • Der erste Strom, der durch die erste Stromsammlerverdrahtung 52 fließt, entspricht dem ersten lokalisierten Strom (nachfolgend als Lufteinlaßstrom Ia•ein bezeichnet), der durch den ersten lokalen Bereich der Stromsammlerplatte 48 fließt, der sich in enger Nachbarschaft zum Lufteinlaßabschnitt 50a der MEA 42 befindet, wodurch dem ersten Stromsensor 54 ermöglicht wird, den Lufteinlaßstrom Ia•ein zu ermitteln.
  • Weiter entspricht der zweite Strom, der durch die zweite Stromsammlerverdrahtung 56 fließt, dem zweiten lokalisierten Strom (nachfolgend als Wasserstoffeinlaßstrom Ih•ein bezeichnet), der durch den zweiten lokalen Bereich der Stromsammlerplatte 48 fließt, der sich in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a der MEA 42 befindet, wodurch dem zweiten Stromsensor 58 ermöglicht wird, den Wasserstoffeinlaßstrom Ih•ein zu ermitteln.
  • Zusätzlich entspricht der dritte Strom, der durch die dritte Stromsammlerverdrahtung 60 fließt, dem dritten lokalisierten Strom (nachfolgend als Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus bezeichnet), der durch den dritten lokalen Bereich der Stromsammlerplatte 48 fließt, der sich in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt 52b der MEA 42 befindet, wodurch dem dritten Stromsensor 62 ermöglicht wird, den Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus zu ermitteln.
  • Dabei wird, wenn der Durchfluß der der Brennstoffzelle 12 zuzuführenden befeuchtenden Luft abnimmt, der näher am Lufteinlaßabschnitt 50a befindliche erste lokale Bereich der Elektrolytmembran der MEA 42 veranlaßt zu trocknen. Die 7 zeigt Veränderungen des lokalisierten Stroms I in Abhängigkeit von der Zeit in einem getrockneten Bereich, der sich aus dem Auftreten eines getrockneten Zustands der Elektrolytmembran ergibt, verursacht durch eine Abnahme der Luftfeuchtigkeit a. Wie gezeigt nimmt der Protonenleitfähigkeitswiderstand im getrockneten Bereich der Elektrolytmembran zu, was ein Absinken des lokalisierten Stroms zur Folge hat.
  • In ähnlicher Weise wird, wenn der Durchfluß des der Brennstoffzelle 12 zuzuführenden befeuchtenden Wasserstoffs abnimmt, der näher am Lufteinlaßabschnitt 50a befindliche zweite lokale Bereich der Elektrolytmembran der MEA 42 veranlaßt zu trocknen und der Protonenleitfähigkeitswiderstand im getrockneten Bereich der Elektrolytmembran nimmt zu, was ein Absinken des zweiten lokalisierten Stroms zur Folge hat. Man erkennt, daß der für die Trocknungscharakteristik kennzeichnende zweite lokalisierte Strom des getrockneten Bereichs der Elektrolytmembran, der auf deren durch die Abnahme des Durchflusses des befeuchtenden Wasserstoffs zurückzuführenden getrocknetem Zustand beruht, sich in der gleichen Weise verändert wie der erste lokalisierte Strom, der absinkt, entsprechende der Reduzierung der Luftfeuchtigkeit Ψa, wie in 7 gezeigt.
  • Ausgehend von dieser Erscheinung, wird es durch das Messen der lokalisierten Ströme I, d.h. des Lufteinlaßstroms Ia•ein und des Wasserstoffeinlaßstroms Ih•ein, die dem ersten bzw. dem zweiten lokalen Bereich in enger Nachbarschaft zum Lufteinlaßabschnitt 50a und dem Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a zugeordnet sind, die beide zum Austrocknen neigen, möglich, den getrockneten Zustand der Elektrolytmembran der Brennstoffzelle 12 zu diagnostizieren. Insbesondere wenn der Lufteinlaßstrom Ih•ein und der Wasserstoffeinlaßstrom Ih•ein geringer sind als ein gegebener Stromwert, kann abgeschätzt werden, daß sich auf der Elektrolytmembran ein trockener Bereich befindet. Der vorgegebene Stromwert kann auch vorzugsweise so eingestellt werden, daß er annähernd 90% des Stromwertes beträgt, der auftritt, wenn auf der Elektrolytmembran kein trockener Bereich vorhanden ist.
  • Im Gegensatz dazu erscheint auf der Elektrode ein nasser Zustand mit übermäßigem Feuchtigkeitsgehalt dann, wenn Luft bzw. Wasserstoff in extensiver Weise befeuchtet werden. Wenn dies stattfindet, sammeln sich Flüssigkeitströpfchen meistens im lokalen Bereich D (siehe 4) der Elektrolytmembran in einer Position, die dem Wasserstoffauslaß 52b eng benachbart ist und darin einen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt verursacht, und diese Tendenz wird deutlich bemerkbar an der Elektrode der MEA 42 in dem lokalen Bereich der näher am Wasserstoffauslaß 52b liegt. Der Grund dafür, warum sich die Flüssigkeitströpfchen leicht in dem näher am Wasserstoffauslaßabschnitt 52b gelegenen lokalen Bereich sammeln, liegt darin, daß das Wasser durch den Wasserstoffkanal 52c vom Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a zum Wasserstoffauslaßabschnitt 52b. transportiert wird und zusätzlich die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffs mit zunehmendem Verbrauch von Wasserstoff sinkt, mit der Folge, daß die Fähigkeit, das Wasser auszutreiben, abnimmt.
  • Die 8 zeigt die Veränderung des lokalisierten Stroms I im übermäßig nassen lokalisierten Bereich in einer Situation, in der der Elektrolyt in einen übermäßig feuch ten Zustand versetzt ist als Ergebnis einer Zunahme des Volumens Vw der im Wasserstoffauslaßabschnitt 52b angesammelten Wassertröpfchen. Wie in 8 gezeigt, wird mit der Zunahme der Wassertröpfchen Vw die Durchdringung des Gases gestört mit einem resultierenden Absinken der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 12.
  • Weiterhin tritt in den Fällen, in denen bezogen auf die Menge der erzeugten elektrischen Leistung eine Verknappung des Wasserstoffdurchflusses besteht, eine Verknappung von Wasserstoff im lokalen Bereich des MEA 42 neben dem Wasserstoffauslaßabschnitt 52b auf, wodurch ein Absinken des dritten lokalisierten Stroms im dritten lokalen Bereich des MEA 42 von der dem Wasserstoffauslaßabschnitt 52b zugeordneten Position verursacht wird. Die 9 zeigt die Veränderung des lokalisierten Stroms I in dem näher am Wasserstoffauslaßabschnitt 52b gelegenen dritten lokalen Bereich des MEA 42, wenn er einer Verknappung des Durchflusses Qh des der Brennstoffzelle 12 zuzuführend Wasserstoffs ausgesetzt ist, und, wie gezeigt, sinkt der lokalisierte Strom I plötzlich und rasch ab, wenn in der Brennstoffzelle 12 ein Mangel an Wasserstoff besteht.
  • Aus dieser Erscheinung, daß der lokalisierte Strom, d.h. der Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus im dritten lokalen Bereich in der Nähe des Wasserstoffauslaßabschnitts 52b der MEA 42 geringer ist als ein gegebener Wert. kann abgeschätzt werden, daß ein übermäßiger Feuchtigkeitsgehalt oder ein Mangel an Wasserstoff auftritt. Der vorgegebene Stromwert kann auch vorzugsweise auf einen Wert von annähernd 90% des Stromwerts gesetzt werden, der sich beim Auftreten eines übermäßigen Feuchtigkeitsgehalts und einer Verknappung des Wasserstoffs ergibt.
  • Hier findet während des Auftretens eines übermäßigen Feuchtigkeitsgehalts oder des Auftretens eines Mangels an Wasserstoff ein Absinken des lokalisierten Stroms I im lokalen Bereich statt, der in beiden Fällen näher am Wasserstoffauslaßabschnitt 52b der MEA 42 liegt, und es entsteht die Notwendigkeit, festzustellen, welcher Faktor die Ursache für das Absinken des lokalisierten Stroms ist.
  • Die 10 zeigt die Veränderung des lokalisierten Stroms I im lokalen Bereich näher am Wasserstoffauslaßabschnitt 52b des MEA 42 während des Auftretens eines übermäßigen Feuchtigkeitsgehalts und die Veränderung des lokalisierten Stroms I im lokalen Bereich näher dem Wasserstoffauslaßabschnitt 52b beim Auftreten einer Verknappung des Wasserstoffs. Außerdem zeigt die 11 eine Sinkgeschwindigkeit (nachfolgend als Stromsinkgeschwindigkeit bezeichnet) des lokalisierten Stroms I im lokalen Bereich näher dem Wasserstoffauslaßabschnitt 52b des MEA 42 während des Auftretens eines übermäßigen Feuchtigkeitsgehalts und der Verknappung des Wasserstoffs. Wie hier angewendet, bezieht sich der Ausdruck „Stromsinkgeschwindigkeit" auch auf einen absoluten Wert der Veränderung des elektrischen Stroms pro Zeiteinheit. In den 10 und 11 stellen durchgehende Linien charakteristische Kurven während des Auftretens eines übermäßigen Feuchtigkeitsgehalts dar, während unterbrochene Linien charakteristische Kurven beim Auftreten einer Verknappung des Wasserstoffs darstellen, und t1 kennzeichnet den Zeitpunkt, zu dem der Zustand der übermäßigen Nässe und der Verknappung des Wasserstoffs eintritt.
  • Wie in den 10 und 11 gezeigt, findet beim Vergleich mit dem lokalisierten Strom I beim Auftreten des Zustands mit übermäßiger Feuchtigkeit das rasche Absinken des lokalisierten Stroms I dann statt, wenn ein Mangel an Wasserstoff auftritt. Durch diese Erscheinung kann aufgrund der Stromsinkgeschwindigkeit, die sich beim Absinken des lokalisierten Stroms I ergibt, der verursachende Faktor für das Absinken des lokalisierten Stroms I bestimmt werden. Insbesondere kann dann, wenn der Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus geringer ist als der vorgegebene Stromwert und die Stromsinkgeschwindigkeit geringer ist als eine vorgegebene Sinkgeschwindigkeit dI1 (siehe 11), geschätzt werden, daß ein übermäßiger Feuchtigkeitsgehalt besteht. Gleichermaßen kann dann, wenn der Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus geringer ist als ein gegebener Stromwert und die Stromsinkgeschwindigkeit die vorgegebene Sinkgeschwindigkeit dI1 übersteigt, geschätzt werden, daß eine Verknappung des Wasserstoffs stattfindet. Die vorgegebene Sinkgeschwindigkeit dI1 wird vorab auf einen Wert von annähernd 1,0 (mA/SEC/cm2) eingestellt.
  • Als nächstes wird ein Verfahren zur Diagnose eines Ausgangssinkfaktors der Brennstoffzelle 12 unter Bezugnahme auf 12 beschrieben. Die 12 zeigt ein Flußdiagramm zur Darstellung einer Grundabfolge von Diagnoseschritten zur Diagnose des Ausgangssinkfaktors der Brennstoffzelle 12 unter durch den Steuerabschnitt 18 (siehe 18 des Brennstoffzellensystems 10 ausgeführten Steuervorgängen.
  • Zunächst tritt im Schritt S10 der Stromsensor 19 in Aktion, um den elektrischen Gesamtstrom zu ermitteln, der von der Brennstoffzelle 12 zur elektrischen Last 14 fließt, und im nächsten Schritt S12 mißt der erste Stromsensor 54 den Lufteinlaßstrom Ia•ein als ersten lokalisierten Strom, der dem Steuerabschnitt 18 zugeführt wird. Im folgenden Schritt S14 wird beurteilt, ob der Lufteinlaßstrom Ia•ein geringer ist als ein vorgegebener Stromwert. Der „erste gegebene Stromwert" ist ein Wert, der vorab für den Zweck festgelegt wird, einen trockenen Zustand der Brennstoffzelle 12 in einem Bereich in enger Nachbarschaft zum Lufteinlaßabschnitt 50a zu diagnostizieren. Wie in 13 gezeigt, ist der erste gegebene Stromwert im Verhältnis zum Gesamtstrom der Brennstoffzelle 12 aufgezeichnet und kann auf der Basis des im Schritt S10 gemessenen Gesamtstroms festgestellt werden.
  • Falls beim Schritt S14 festgestellt wurde, daß der Lufteinlaßstrom Ia•ein geringer ist als der erste gegebene Stromwert, dann erfolgt beim folgenden Schritt S16 die Diagnose, daß in der Elektrolytmembran der MEA 42 ein trockener Bereich vorhanden ist. Im Gegensatz dazu wird, wenn beim Schritt S14 gefunden wird, daß der Lufteinlaßstrom Ia•ein den ersten gegebenen Stromwert übersteigt, im folgenden Schritt S18 festgestellt, die Diagnose gestellt, daß in der Elektrolytmembran der MEA 42 kein trockener Bereich vorhanden ist. In diesem Zusammenhang wird, wenn beim Schritt S16 die Diagnose erfolgte, daß die Elektrolytmembran einen trockenen Bereich aufweist, geschlossen, daß die der Brennstoffzelle 112 zugeführte Luft eine niedrige Feuchtigkeit Ψa aufweist, weshalb der Steuerabschnitt 18 einen Befehl an den Befeuchter ausgibt, die Befeuchtung der der Brennstoffzelle 12 zugeführten Luft zu verstärken.
  • Danach wird beim folgenden Schritt S20 vom zweiten Stromsensor 58 der Wasserstoffeinlaßstrom Ih•ein als zweiter lokalisierter Strom gemessen, mit dem der Steuerabschnitt 18 beaufschlagt wird. Im folgenden Schritt S22 findet ein Vergleich statt, um festzustellen, ob der Wasserstoffeingangsstrom Ih•ein geringer ist als ein zweiter gegebener Stromwert: Der „zweite gegebene Stromwert" ist ein vorher mit dem Zweck festgelegter Wert, einen trockenen Zustand der Brennstoffzelle 12 in einem dem Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a eng benachbarten Bereich festzustellen. Der „zweite gegebene Stromwert" ist im Verhältnis zum Gesamtstrom der Brennstoffzelle 12 in gleicher Weise wie der erste gegebene Stromwert aufgezeichnet und kann auf der Basis des beim Schritt S10 gemessenen Gesamtstroms erhalten werden.
  • Falls beim Schritt S22 festgestellt wird, daß der Wasserstoffeinlaßstrom Ih•ein geringer ist als der gegebene zweite Stromwert, dann erfolgt beim nachfolgenden Schritt S24 die Diagnose, daß die Elektrolytmembran einen trockenen Bereich aufweist. Wenn im Gegensatz dazu beim Schritt S22 festgestellt wird, daß der Wasserstoffeinlaßstrom Ih•ein den zweiten gegebenen Wert übersteigt, erfolgt beim Schritt S26 die Diagnose, daß die Elektrolytmembran keinen trockenen Bereich aufweist. Falls in diesem Zusammenhang beim Schritt S24 diagnostiziert wird, daß die Elektrolytmembran einen trock enen Bereich aufweist, kann davon ausgegangen werden, daß eine zu geringe Befeuchtung des der Brennstoffzelle 12 zugeführten Wasserstoffs erfolgt, weshalb der Steuerabschnitt 18 den Befeuchter 36 derart steuert, daß die Befeuchtung des der Brennstoffzelle 12 zugeführten Wasserstoffs verstärkt wird.
  • Beim nächsten Schritt S28 mißt der dritte Stromsensor 62 den Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus. Beim nachfolgenden Schritt S30 wird ein Vergleich durchgeführt, um festzustellen, ob der Wasserstoffausgangsstrom Ih•aus geringer ist als ein dritter gegebener Stromwert. Der „dritte gegebene Stromwert" ist ein Wert. der vorher zu dem Zweck festgelegt wurde, einen übermäßig feuchten Zustand der Brennstoffzelle 12 festzustellen in einem Bereich, der sich in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt 52b befindet. Der „zweite gegebene Stromwert" ist im Verhältnis zum Gesamtstrom der Brennstoffzelle 12 aufgezeichnet und kann auf der Basis des beim Schritt S10 gemessenen Gesamtstroms erhalten werden.
  • Falls im Gegensatz beim Schritt S30 festgestellt wird, daß der Wasserstoffausgangsstrom Ih•aus den dritten gegebenen Stromwert übersteigt, wird im folgenden Schritt S32 die Diagnose gestellt, daß die Elektrolytmembran keinen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt oder keinen Mangel an Wasserstoff aufweist. Falls beim folgenden Schritt S34 die Stromsinkgeschwindigkeit des Wasserstoffauslaßstroms Ih•aus geringer ist als eine gegebene Sinkgeschwindigkeit, dann wird beim folgenden Schritt S36 die Diagnose gestellt, daß die Elektrolytmembran sich in einem übermäßig feuchten Zustand befindet. Falls in diesem Zusammenhang beim Schritt S36 festgestellt wird, daß sich die Elektrolytmembran in einem übermäßig feuchten Zustand befindet, kann angenommen werden, daß der Brennstoffzelle Luft oder Wasserstoff zugeführt wird, der im Übermaß befeuchtet ist oder daß die Fähigkeit zum Austreiben von Wasser gesunken ist durch eine Verringerung des Wasserstromdurchflusses durch die MEA 42. Deshalb steuert der Steuerabschnitt 18 den Befeuchter 28 derart, daß die Befeuchtung der Luft reduziert wird und steuert den Befeuchter 36 so, die Befeuchtung des Wasserstoffs abnimmt, während der Durchfluß des Wasserstoffs zur Versorgung der Brennstoffzelle 12 erhöht wird.
  • Weiterhin, falls beim Schritt S30 festgestellt wurde, daß der Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus geringer ist als der dritte gegebene Stromwert und beim Schritt S34 gefunden wurde, daß die Stromsinkgeschwindigkeit des Wasserstoffauslaßstroms Ih•aus die gegebene Sinkgeschwindigkeit überschreitet, dann wird beim Schritt S38 die Diagnose gestellt, daß die Elektrolytmembran einen Mangel an der Brennstoffzelle 12 zu zuführendem Wasserstoff aufweist. Falls in diesem Zusammenhang im Schritt S38 die Diagnose erfolgt, daß der Durchfluß des zuzuführenden Wasserstoffs zu gering ist, veranlaßt der Steuerabschnitt 18 die Erhöhung des Wasserstoffdurchflusses zur Brennstoffzelle 12.
  • Bei dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform mit der vorstehend erläuterten Anordnung diagnostiziert der Steuerabschnitt 18 den trockenen Zustand der Elektrolytmembran auf der Basis des Lufteinlaßstroms Ia•ein, während er einen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt und einen Mangel an Wasserstoff auf der Basis des Wasserstoffauslaßstroms Ih•aus und der Stromsinkgeschwindigkeit des Wasserstoffauslaßstroms Ih•aus feststellt, wobei die Fähigkeit gegeben ist, in geeigneter Weise zu diagnostizieren, welche Faktoren einen Leistungsabfall der Brennstoffzelle 12 verursachen. Die den Leistungsabfall der Brennstoffzelle 12 bedingenden Faktoren können spezifiziert werden, wodurch der Steuerabschnitt 18 befähigt wird, in Abhängigkeit von den spezifizierten Faktoren des Leistungsabfalls die geeignete Steuerung vorzunehmen.
  • Beim Brennstoffzellensystem 10 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform befähigt die Benutzung der mit der MEA 12A kombinierten Strommeßvorrichtungen zur Messung lokalen Bereichen zugeordneter, für Betriebscharakteristika, wie die Trocknungscharakteristik, Benetzungscharakteristik und die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik usw. der Brennstoffzelle, repräsentativer lokalisierter Ströme, die Diagnosevorrichtung 18 genau einen besonderen, durch die zugeordneten lokalisierten Ströme definierten Betriebszustand der Brennstoffzelle 12 auf der Basis der spezifizierten Charakteristika zu diagnostizieren. Somit können die für einen Leistungsabfall maßgeblichen Faktoren, wie der trockene Zustand, ein übermäßig feuchter Zustand und ein Mangel an Brenngas oder dergleichen, präzise diagnostiziert werden, was im Resultat zu einer in hohem Maße verbesserten Wirkungsweise der Brennstoffzelle 12 führt.
  • Darüber hinaus befähigt beim Brennstoffzellensystem 10 nach der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform der Gebrauch der Stromsammlerplatte 48 in Kombination mit der MEA 12A, wodurch lokalisierte Ströme an allen Punkten der MEA 12A zur Spezifizierung der besonderen Betriebscharakteristika der Brennstoffzelle 12 ermöglicht werden, das Brennstoffzellensystem 10 zu einer zuverlässigen Betriebsweise bei einer zugleich vereinfachten Konstruktion.
  • Zusätzlich kann durch das Brennstoffzellensystem 10 nach der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform der durch die Strommeßvorrichtung gemessene elektrische Strom mit einem gegebenen Stromwert verglichen werden, wodurch, wenn ein Wert an der Strommeßvorrichtung geringer ist als der gegebene Wert, die Diagnosevorrichtung 19 in der Lage ist, zu diagnostizieren, daß sich die Brennstoffzelle in einem trockenen Zustand befindet.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • Als nächstes wird ein Brennstoffzellensystem einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben unter Bezugnahme auf die 14 bis 16.
  • Die 14 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung der Gesamtanordnung des Brennstoffzellensystems der zweiten Ausführungsform; 15 ist eine perspektivische Ansicht einer einen Teil der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform darstellenden Brennstoffzelle; und 16 ist eine perspektivische Ansicht einer Zelleneinheit der Brennstoffzelle.
  • Das Brennstoffzellensystem 100 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform hinsichtlich der Anordnung der Strommeßvorrichtung, und die gleichen Bestandteile wie jene der ersten Ausführungsform sind zur Vereinfachung der Beschreibung durch gleiche Bezugszahlen gekennzeichnet.
  • Wie in 16 gezeigt, besitzt bei der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform die Stromsammlerplatte 48 Stromsammlerelemente 64 bis 70. Die Stromsammlerelemente 64 bis 70 sind aus stangenartigem, elektrisch leitendem Material gefertigt und so gestaltet, daß sie von einer Plattenoberfläche der ersten Stromsammlerplatte 48 vorstehen. Das zentrale Stromsammlerelement 64 ist auf der Hauptstromsammlerplatte ausgebildet; das erste Stromsammlerelement 66 ist auf der ersten Hilfsstromsammlerplatte 48b ausgebildet, das zweite Stromsammlerelement 68 ist auf der zweiten Hilfsstromsammlerplatte 48c ausgebildet; und das dritte Stromsammlerelement 70 ist auf der dritten Hilfsstromsammlerplatte 48d ausgebildet. Über der ersten Stromsammlerplatte 48 ist eine zweite Stromsammlerplatte 72 angeordnet, die mit Durchgangsbohrungen 72a bis 72d an Positionen versehen ist, die den Stromsammlerelementen 64 bis 70 zugeordnet sind.
  • Wie in 14 gezeigt, fließt der durch die Brennstoffzelle 12 erzeugte elektrische Strom zur elektrischen Last 14 durch die entsprechenden Stromsammlerelemente 64 bis 70. Wie in den 14 und 15 gezeigt, sind Stromsensoren 74, 76 und 78 für die Stromsammlerelemente 66, 68 bzw. 70 vorgesehen, um die durch die auf den entsprechenden Hilfsstromsammlerplatten 48b, 48c und 48d angeordneten Stromsammlerelemente 66, 68 und 70 fließenden lokalisierten Ströme zu messen. Beispiele für die Stromsensoren 74 bis 78 können Hall-Elemente oder andere Stromsensoren entsprechend der ersten Ausführungsform sein.
  • Der durch das erste Stromsammlerelement 66 fließende elektrische Strom entspricht dem Lufteinlaßstrom Ia•ein der MEA 12A und deshalb ist der erste Stromsensor 74 in der Lage, den für die Trocknungscharakteristik der Brennstoffzelle 12 kennzeichnenden Lufteinlaßstrom Ia•ein zu ermitteln. Gleichermaßen entspricht der durch das zweite Stromsammlerelement 68 fließende elektrische Strom dem Wasserstoffeinlaßstrom Ih•ein, und deshalb ist der zweite Stromsammler 76 in der Lage, den für die Trocknungscharakteristik der Brennstoffzelle kennzeichnenden Wasserstoffeinlaßstrom Ih•ein zu ermitteln. Zusätzlich entspricht der durch das dritte Stromsammlerelement 70 fließende elektrische Strom dem für die Benetzungscharakteristik und die Wasserstoffkonzentration in der Brennstoffzelle 12 kennzeichnenden Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus, und deshalb ist der dritte Stromsensor 78 in der Lage, den Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus zu ermitteln.
  • Des weiteren bilden die erste Hilfsstromsammlerplatte 48b, das erste Stromsammlerelement 66 und der erste Stromsensor 74, die zweite Hilfsstromsammlerplatte 48c, das zweite Stromsammlerelement 68 und der zweite Stromsensor 76, sowie die dritte Hilfsstromsammlerplatte 58d, das dritte Stromsammlerelement 70 und der dritte Stromsensor 78 jeweils Strommeßvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Bei dem Brennstoffzellensystem 100 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform besteht unter Benutzung der Strommeßvorrichtungen mit der vorstehend geschilderten Anordnung die Möglichkeit für den Steuerabschnitt 18, die Faktoren für den Leistungsabfall der Brennstoffzellen zu diagnostizieren wie bei der ersten Ausführungsform.
  • Des weiteren werden mit dem Brennstoffzellensystem 100 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform lokalisierte Ströme veranlaßt, von verschiedenen lokalen Bereichen zur Brennstoffzelle 12 zu fließen, um deren verschiedene Betriebscharakteristika zu spezifizieren und dadurch den Steuerabschnitt 18 zu befähigen, in verläßlicher Weise die besonderen Betriebscharakteristika der Brennstoffzelle zu diagnostizieren, was eine in hohem Maße verbesserte Betriebsweise der Brennstoffzelle 12 zur Folge hat.
  • (Dritte Ausführungsform)
  • Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 17 bis 19 beschrieben. Das Brennstoffzellensystem nach der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten und der zweiten Ausführungsform hinsichtlich der grundlegenden Reihenfolge bei der Steuerung des Feuchtigkeitsgehalts innerhalb der Brennstoffzelle 12 in dem Falle, daß die Brennstoffzelle 12 einen trockenen Bereich aufweist.
  • Die 17 zeigt eine Veränderung des Ausgangsstroms IT in Fällen, in welchen ein Feuchtigkeitszustand in einem den zum Trocknen neigenden Bereich B (siehe 3) der Brennstoffzelle 12 einschließenden Bereich in enger Nachbarschaft zum Lufteinlaßabschnitt 50a Schwankungen unterworfen ist. Bei dem in 17 gezeigten Beispiel diagnostiziert der Steuerabschnitt 18, daß sich das Innere der Brennstoffzelle in einem nassen Zustand befindet, wenn der Ausgangsstrom IT einen gegebenen Bezugswert I1 überschreitet. Im Gegensatz dazu diagnostiziert der Steuerabschnitt 18, daß sich das Innere der Brennstoffzelle 12 in einem trockenen Zustand befindet, wenn der elektrische Strom IT geringer ist als der gegebene Bezugswert I1. Bei einem trockenen Zustand im Inneren der Brennstoffzelle 12 ist der Ausgangsstrom IT der Brennstoffzelle um so kleiner, je geringer der Feuchtigkeitsgehalt im Inneren der Brennstoffzelle 12 ist.
  • Die 18 zeigt eine Veränderung des Differenzstroms I(II1), das ist die Differenz zwischen dem Ausgangsstrom IT und dem Bezugsstrom I1 in einem Fall, in welchem der Feuchtigkeitsgehalt in dem den zum Trocknenden neigenden Bereich B (siehe 3) der Brennstoffzelle 12 einschließenden Bereich in enger Nachbarschaft zum Lufteinlaßabschnitt 50a Schwankungen unterworfen ist. Wie in 18 gezeigt, steigt der Differenzstrom I über den Wert Null in dem Fall, daß sich das Innere der Brennstoffzelle 12 in einem nassen Zustand befindet, und er sinkt unter den Wert Null, wenn sich das Innere der Brennstoffzelle 12 in einem trockenen Zustand befindet. Wie oben dargelegt, kann der Feuchtigkeitszustand im Inneren der Brennstoffzelle 12 in Abhängigkeit von der Größe des Ausgangsstroms IT beurteilt werden, weil der Ausgangs strom IT der Brennstoffzelle in Abhängigkeit vom Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle 12 schwankt. Das heißt, in Fällen, in welchen der Ausgangsstrom IT in den Minusbereich absinkt, ist ein Feuchtigkeitsmangel im Inneren der Brennstoffzelle 12 um so größer, je größer der absolute Wert des Ausgangsstroms IT ist, und es kann somit beurteilt werden, daß sich die Elektrolytmembran in einem weiter getrockneten Zustand befindet.
  • Es wird nun die durch das Brennstoffzellensystem der derzeit betrachteten Ausführungsform durchgeführte Feuchtigkeitssteuerung unter Bezugnahme auf das in 14 gezeigte Brennstoffzellensystem 100 und das in 19 gezeigte Flußdiagramm beschrieben.
  • Zunächst mißt beim Schritt S40 der Stromsensor den lokalisierten Strom I im trockenen Bereich B (siehe 3), um dem Steuerabschnitt 18 zu ermöglichen, beim Schritt S42 den Differenzstrom I zu berechnen, der eine Differenz zwischen dem lokalisierten Strom I und dem Bezugsstrom I1 Beim folgenden Schritt S44 wird beurteilt, ob der Differenzstrom I geringer ist als Null. Falls beurteilt wird, daß der Differenzstrom I den Wert Null überschreitet, kann angenommen werden, daß sich das Innere der Brennstoffzelle 12 in einem nassen Zustand befindet und deshalb unterbricht der Steuerabschnitt 18 die Tätigkeit des Befeuchters 28, um die Befeuchtung der der Brennstoffzelle 12 zuzuführenden Luft auf Null zu bringen. Im Gegensatz dazu kann, wenn beurteilt wird, daß der Differenzstrom I geringer ist als Null, angenommen werden, daß das Innere der Brennstoffzelle 12 sich in einem trockenen Zustand befindet und beim Schritt S48 aktiviert der Steuerabschnitt 18 den Befeuchter 28, um die Menge des Befeuchtungswassers auf ein Niveau K1×I zu bringen. K1 ist ein Koeffizient zur Berechnung der Menge des Befeuchtungswassers.
  • Wie oben dargelegt, hängt die Steuerung der Menge des zu befeuchtenden Wassers aufgrund der Schätzung des Trocknungszustands der Brennstoffzelle 12 von der Größe des Differentialstroms I ab, d.h. die Differenz zwischen dem lokalisierten Strom I der Brennstoffzelle 12 und dem Bezugsstrom I1 ermöglicht einen angemessenen Feuchtigkeitszustand der Brennstoffzelle 12.
  • Mit dem Brennstoffzellensystem der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform wird es in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem durch die Strommeßvorrichtung gemessenen Stromwert und dem vorher bestimmten, gegebenen Stromwert möglich, den Grad des Trocknungszustands innerhalb der Brennstoffzelle 12 zu diagnostizieren.
  • Mit dem Brennstoffzellensystem der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform wird ein lokalisierter Strom, der dem lokalisierten Bereich zugeordnet ist, in dem die Brennstoffzelle 12 dazu neigt, einen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt aufzuweisen, und der für die Benetzungscharakteristik in Bezug den Wasserstoffausgangsabschnitt 52b des Wasserstofftrenners kennzeichnend ist, benutzt, um einen Differenzstrom zu berechnen, auf dessen Basis die Menge des befeuchtenden Wassers bestimmt wird, die es ermöglicht, die Brennstoffzelle 12 in einem optimalen Feuchtigkeitszustand zu halten, um einen hochwertigen Betrieb zu ermöglichen.
  • (Vierte Ausführungsform)
  • Als nächstes wird ein Brennstoffzellensystem nach einer vierten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 20 bis 22 beschrieben. Die vierte Ausführungsform unterscheidet sich von den oben beschriebenen Ausführungsformen hinsichtlich der grundlegenden Reihenfolge der Steuerung des Feuchtigkeitsgehalts innerhalb der Brennstoffzelle 12 beim Auftreten eines Zustandes mit übermäßiger Feuchtigkeit innerhalb der Brennstoffzelle 12.
  • Die 20 zeigt Veränderungen des Ausgangsstroms IT in Fällen, bei welchen der Feuchtigkeitsgehalt in dem dem Wasserstoffauslaßabschnitt 52b eng benachbarten, den Bereich D (siehe 4) einschließenden Bereich schwankt, wo die Brennstoffzelle 12 dazu neigt, einem übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt ausgesetzt zu werden. Wie in 21 gezeigt ist, überschreitet beim Auftreten eines geeigneten Feuchtigkeitsgehalts innerhalb der Brennstoffzelle 12 der Differenzstrom I einen Wert Null, und beim Auftreten des Zustandes mit übermäßiger Feuchtigkeit innerhalb der Brennstoffzelle 12 sinkt der Differenzstrom I unter Null. Wie oben dargelegt wurde, kann der Grad der Befeuchtung innerhalb der Brennstoffzelle 12 in Abhängigkeit von der Größe des Differenzstroms I geschätzt werden, weil der Ausgangsstrom IT der Brennstoffzelle 12 in Abhängigkeit vom Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle 12 schwankt. D.h. in Fällen, bei welchen der Differenzstrom bei Minus verbleibt, wird das in der Brennstoffzelle 12 auftretende Übermaß des Feuchtigkeitsgehalts um so größer sein, je größer der absolute Wert des Differentialstroms I ist.
  • Es wird nun unter Bezugnahme auf das in 14 gezeigte Brennstoffzellensystem 100 und ein in 22 gezeigtes Flußdiagramm die Feuchtigkeitssteuerung beschrieben, die durch das Brennstoffzellensystem nach der hier betrachteten Ausführungsform durchgeführt wird.
  • Zunächst mißt beim Schritt S50 der Stromsensor den lokalisierten Strom als Ausgangsstrom IT im getrockneten Bereich D (siehe 4), um dem Steuerabschnitt 18 zu ermöglichen, im Schritt S22 den Differenzstrom I zu berechnen, der eine Differenz ist zwischen dem lokalisierten Strom IT und dem Bezugsstrom I2. Beim folgenden Schritt S54 wird die Diagnose durchgeführt, ob der Differenzstrom I geringer ist als Null. Falls diagnostiziert wird, daß der Differenzstrom ΔI Null überschreitet, kann angenommen werden, daß das Innere der Brennstoffzelle 12 sich in einem geeigneten Feuchtigkeitszustand befindet. und deshalb setzt der Steuerabschnitt 18 die Steigerungsrate des Durchflusses des der Brennstoffzelle 12 zuzuführenden Wasserstoffs auf Null. Im Gegensatz dazu kann, wenn diagnostiziert wird, daß der Differenzstrom ΔI geringer ist als Null, angenommen werden, daß sich das Innere der Brennstoffzelle 12 in einem Zustand mit übermäßiger Feuchtigkeit befindet, und beim Schritt S58 steuert der Steuerabschnitt 18 die Steigerungsrate für den Wasserstoffdurchfluß auf einen Wert K2×I. Dabei ist K2 ein Koeffizient zur Berechnung der Steigerung des Wasserstoffdurchflusses.
  • Beim folgenden Schritt S59 steuert der Steuerabschnitt 18 den Durchfluß des der Brennstoffzelle 12 zuzuführenden Wasserstoffs auf einen Wert Wasserstoffbedarfsdurchfluß×(1+Wasserstoffdurchflußsteigerungsrate). Der Wasserstoffbedarfsdurchfluß ist eine Wasserstoffdurchfluß der bei der Brennstoffzelle 12 erforderlich ist, um die gewünschte elektrische Leistung abzugeben. Deshalb ermöglicht ein übermäßiger Zufluß von Wasserstoff zur Brennstoffzelle 12 einer Strömung von Wasserstoffgas Feuchtigkeit aus dem in einem Zustand mit übermäßiger Feuchtigkeit befindlichen Bereich D auszutreiben.
  • Wie oben dargelegt, befähigt die Abschätzung des Zustandes mit übermäßiger Feuchtigkeit im Inneren der Brennstoffzelle 12 in Abhängigkeit von der Größe des Differenzstroms ΔI, d.h. der Differenz zwischen dem lokalisierten Strom IT der Brennstoffzelle 12 und dem Bezugsstrom I2, zur Steuerung des Durchflusses des zuzuführenden Wasserstoffs die Brennstoffzelle 12, in einem weiter geeigneten Feuchtigkeitszustand zu bleiben.
  • Mit dem Brennstoffzellensystem der hier betrachteten Ausführungsform wird ein lokalisierter Strom, der dem lokalen Bereich zugeordnet ist, in dem die Brennstoffzelle 12 dazu neigt, einen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt aufzuweisen, der kennzeichnend ist für die Benetzungscharakteristik in Bezug auf den Wasserstoffauslaßabschnitt 52b des Wasserstofftrenners, benutzt, den Differenzstrom zu berechnen, auf dessen Basis der Durchfluß des der Brennstoffzelle 12 zuzuführenden Wasserstoffs genau bestimmt wird, so daß die Brennstoffzelle 12 befähigt wird, eine optimalen Durchfluß des Wasserstoffs aufrechtzuerhalten, um einen hochwertigen Betrieb durchzuführen.
  • (Fünfte Ausführungsform)
  • Als nächstes wird ein Brennstoffzellensystem nach einer fünften Ausführungsform unter Bezugnahme auf 23 beschrieben. Die fünfte Ausführungsform unterscheidet sich von den oben beschriebenen Ausführungsformen dadurch, daß der Steuerabschnitt 18 des in 14 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 einen Feuchtigkeitszustand der Brennstoffzelle 12 auf der Basis eines Widerstandswertes im Inneren der Brennstoffzelle 12 diagnostiziert.
  • Die 23 zeigt die Beziehung zwischen einem lokalisierten Innenwiderstand der Brennstoffzelle 12 und dem inneren Feuchtigkeitsgehalt. Wie in 23 gezeigt, besteht die Beziehung darin, daß mit der Zunahme des inneren Feuchtigkeitsgehalts innerhalb der Brennstoffzelle 12 der innere Widerstand der Brennstoffzelle 12 in einem gewissen Ausmaß abnimmt und mit der Abnahme des inneren Feuchtigkeitsgehalts der innere Widerstand zunimmt.
  • Demzufolge ist der Steuerabschnitt 18 in Abhängigkeit von lokalisierten Strömen, die den Bereichen B und C (siehe 3 und 4) zugeordnet sind, wo die Brennstoffzelle 12 dazu neigt, auszutrocknen, und die durch die Sensoren 74, 76 gemessen werden, und von Zellenspannungen, die durch den Zellenmonitor 16 gemessen werden, in der Lage, den lokalisierten inneren Widerstand R (= Zellenspannung/lokalisierten Strom) für die Bereiche der Brennstoffzelle 12 zu berechnen, die dazu neigen, auszutrocknen, und in Abhängigkeit von einem solchen lokalisierten, internen Widerstand, einen Trocknungszustand innerhalb der Brennstoffzelle zu diagnostizieren. Es ist einzusehen, daß das Brennstoffzellensystem 10 nach der ersten Ausführungsform entsprechend abgewandelt werden kann, um die durch die Stromsensoren 54, 58 gemessenen lokalisierten Ströme zur Berechnung der lokalisierten, inneren Widerstände zu benützen, wie beim in 14 gezeigten Brennstoffzellensystem 100.
  • Insbesondere diagnostiziert der Steuerabschnitt 18, daß das Innere der Brennstoffzelle 12 einen trockenen Zustand aufweist, falls der lokalisierte, innere Widerstand R geringer ist als der lokalisierte, innere Bezugswiderstand, der vorher festgelegt wird. Falls die Diagnose erfolgt, daß sich das Innere der Brennstoffzelle 12 in einem trockenen Zustand befindet, kann angenommen werden, daß die Befeuchtungsrate des der Brennstoffzelle zuzuführenden Wasserstoff niedrig ist, und der Steuerabschnitt 18 führt eine Aktion aus, um den Befeuchter 36 so zu betätigen, daß die Befeuchtungsrate des Wasserstoffs erhöht wird.
  • In ähnlicher Weise werden bei den in den 10 bzw. 14 gezeigten Brennstoffzellensystemen 10 und 100 lokalisierte Ströme, die beide dem Bereich D (siehe 4) zugeordnet sind, wo die Brennstoffzelle 12 dazu neigt, eine übermäßige Feuchtigkeit aufzuweisen, durch die Stromsensoren 62, 78 gemessen und die Zellenspannungen werden durch den Zellenmonitor 16 gemessen. Damit ist der Steuerabschnitt 18 in der Lage, jeden lokalisierten, internen Widerstand R in dem lokalisierten Bereich der Brennstoffzelle 12 zu berechnen, der dem Bereich D entspricht, um in Abhängigkeit von einem solchen lokalisierten, internen Widerstand R zu diagnostizieren, daß ein Zustand mit übermäßiger Feuchtigkeit innerhalb der Brennstoffzelle 12 auftritt.
  • Insbesondere diagnostiziert der Steuerabschnitt 18, daß sich das Innere der Brennstoffzelle 12 in einem Zustand mit übermäßiger Feuchtigkeit befindet. wenn der lokalisierte innere Widerstand R einen vorher festgelegten lokalisierten inneren Bezugswiderstand überschreitet. Wenn die Diagnose erfolgt, daß sich das Innere der Brennstoffzelle 12 in einem Zustand mit übermäßiger Feuchtigkeit befindet, kann angenommen werden, daß die Befeuchtungsraten für Luft und Wasserstoff, die der Brennstoffzelle 12 zuzuführen sind, zu hoch sind, oder daß aufgrund der Reduzierung des Wasserstoffdurchflusses die Fähigkeit gesunken ist, Wasser zu entfernen, und der Steuerabschnitt 18 führt die Aktion aus, um die Befeuchtungsrate von Luft und Wasserstoff bei den Befeuchtern 28, 36 zu senken, während der Wasserstoffdurchfluß erhöht wird.
  • Bei einer solchen, oben erwähnten Anordnung ist das Brennstoffzellensystem auch in der Lage, in geeigneter Weise die Faktoren zu diagnostizieren, die für einen Leistungsabfall der Brennstoffzelle 12 ursächlich sind. Des weiteren können die Faktoren für den Leistungsabfall der Brennstoffzelle 12 spezifiziert werden und demgemäß kann eine geeignete Steuerung entsprechend dem spezifizierten Leistungsabfallfaktor erreicht werden.
  • Bei dem Brennstoffzellensystem der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform wird von einem dem getrockneten Bereich der Brennstoffzelle 12 zugeordneten lokalisierten Strom und der Zellenspannung ein lokalisierter innerer Widerstand R erhalten, der es der Diagnosevorrichtung erlaubt, genau den getrockneten Zustand der Brennstoffzelle 12 in einer hoch verläßlichen Weise zu diagnostizieren.
  • (Sechste Ausführungsform)
  • Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die 24 bis 26 eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die sechste Ausführungsform unterscheidet sich von den oben beschriebenen Ausführungsformen dadurch, daß der der Grad des Trocknungszustands der Brennstoffzelle auf der Basis eines Widerstandswertes von der Innenseite der Brennstoffzelle 12 diagnostiziert wird.
  • Die 24 zeigt die Veränderung eine lokalisierten Widerstandswertes R in Fällen, bei welchen der Feuchtigkeitsgehalt im Bereich B (siehe 3) in der Nähe des Lufteinlaßabschnitts 50a schwankt, wo die Brennstoffzelle 12 die Neigung besitzt, zu trocknen. Bei dem in 24 gezeigten Beispiel wird, wenn der lokalisierte innere Widerstand R den inneren Bezugswiderstand R1 übersteigt, die Diagnose getroffen, daß sich die Innenseite der Brennstoffzelle in einem getrockneten Zustand befindet, und falls der lokalisierte innere Widerstand R geringer ist als der innere Bezugswiderstand R1, erfolgt die Diagnose, daß das Innere der Brennstoffzelle 12 sich in einem nassen Zustand befindet. In Gegenwart des getrockneten Zustands in der Brennstoffzelle 12 wird der lokalisierte innere Widerstand R der Brennstoffzelle 12 um so größer sein, je geringer der Feuchtigkeitsgehalt der Innenseite der Brennstoffzelle ist.
  • Die 25 zeigt die Veränderung des Differenzwiderstands ΔR (R-R1), d.h. der Differenz zwischen dem lokalisierten inneren Widerstand R und dem inneren Bezugswiderstand R1 in einem Falle, in dem der Feuchtigkeitsgehalt schwankt in dem den Bereich B einschließenden Bereich in enger Nachbarschaft zum Lufteinlaßabschnitt 50a, wo die Brennstoffzelle 12 dazu neigt, trocken zu sein. Wie in 25 gezeigt, fällt der Differenzwiderstand ΔR unter den Wert Null, wenn der Fall eintritt, daß die Innenseite der Brennstoffzelle 12 sich im nassen Zustand befindet„ und der Differenzwiderstand R übersteigt den Wert Null, wenn der Fall eintritt, daß die Innenseite der Brennstoffzelle 12 sich im getrockneten Zustand befindet. Wie oben dargelegt, kann weiterhin, weil der lokalisierte innere Widerstand R der Brennstoffzelle 12 in Abhängigkeit vom Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle 12 schwankt, der Grad des Feuchtigkeitsgehalts innerhalb der Brennstoffzelle 12 in Abhängigkeit von der Größe des Differenzwiderstands ΔR geschätzt werden. Das heißt, in Fällen, bei welchen der Differenzwiderstand RΔ plus ist, wird der Feuchtigkeitsmangel innerhalb der Brennstoffzelle 12 um so größer sein, je größer der absolute Wert des Differenzwiderstands RΔ ist, und somit kann die Diagnose gestellt werden, daß die Brennstoffzelle 12 in einem weiterhin trockenen Zustand bleibt.
  • Es wird nun unter Bezugnahme auf das in 14 gezeigter Brennstoffzellensystem 100 und das in 26 gezeigte Flussdiagramme die Feuchtigkeitssteuerung beschrieben, die durch das Brennstoffzellensystem nach der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform ausgeführt wird.
  • Zunächst mißt beim Schritt S60 der Stromsensor den lokalisierten Strom I im getrockneten Bereich B (siehe 3) und beim nächsten Schritt S62 mißt der Zellenmonitor 16 die Zellenspannung, worauf im folgenden Schritt S64 die Zellenspannung durch den lokalisierten Strom dividiert wird, um den lokalisierten inneren Widerstand R zu berechnen. Im nächsten Schritt S66 wird der Differenzwiderstand aus einer Differenz zwischen dem lokalisierten Widerstand R und dem lokalen inneren Bezugswiderstand R1 berechnet.
  • Beim folgenden Schritt S68 erfolgt die Diagnose, ob der Differenzwiderstand ΔR den Wert Null überschreitet. Als Ergebnis davon kann angenommen werden, daß sich die Innenseite der Brennstoffzelle 12 in einem nassen Zustand befindet, wenn diagnostiziert wird, daß der Differenzwiderstand ΔR geringer ist als Null. und deshalb inaktiviert der Steuerabschnitt 18 den Befeuchter 28 um die Befeuchtungsrate der der Brennstoffzelle 12 zuzuführenden Luft auf Null zu setzen. Im Gegensatz dazu wird, wenn diagnostiziert wird, daß der Differenzwiderstand ΔR Null überschreitet, angenommen, daß die Innenseite der Brennstoffzelle 12 sich im getrockneten Zustand befindet und beim Schritt S72 steuert der Steuerabschnitt 18 die Menge des Befeuchtungswassers, die dem Befeuchter 28 zugeführt wird, auf einen Wert K3×R. Hier ist K3 ein Koeffizient zur Berechnung der Menge des Befeuchtungswassers.
  • Wie oben dargelegt, kann bei der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform der Widerstandswert, der dem speziellen lokalen Bereich zugeordnet ist, in dem die Brennstoffzelle 12 dazu neigt, zu trocknen, berechnet werden, um dem Steuerabschnitt 18 zu ermöglichen, den Trocknungszustand der Brennstoffzelle 12 zu diagnostizieren. Dies befähigt die Diagnosevorrichtung 18 präzise den Trockungszustand der Brennstoffzelle 12 zu diagnostizieren. Die Abschätzung des Trocknungszustands im Inneren der Brennstoffzelle 12 in Abhängigkeit vom Differenzwiderstand ΔR zwischen dem lokalisierten inneren Widerstand R und dem inneren Bezugswiderstand R1 zur Steuerung der Menge des Befeuchtungswassers befähigt auch die Brennstoffzelle 12, weiter in einem geeigneten Feuchtigkeitszustand zu bleiben.
  • (Siebte Ausführungsform)
  • Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die 27 bis 29 ein Brennstoffzellensystem nach einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die siebte Ausführungsform unterscheidet sich von den oben beschriebenen Ausführungsformen dadurch, daß der Grad der übermäßigen Feuchtigkeit der Brennstoffzelle 12 auf der Basis eines Widerstandswertes der Innenseite der Brennstoffzelle 12 diagnostiziert wird, um dadurch den Feuchtigkeitsgehalt im Inneren des Brennstoffzelle 12 zu steuern.
  • Die 27 zeigt die Veränderung eines lokalisierten Widerstandswertes R in Fällen, in denen der Feuchtigkeitsgehalt schwankt in dem Bereich D (siehe 4), in der Nähe des Wasserstoffauslaßabschnitts 52b (siehe 4), wo die Brennstoffzelle 12 dazu neigt, eine übermäßige Feuchtigkeit aufzuweisen. In einem in 27 gezeigten Beispiel wird dann, wenn der lokalisierte innere Widerstand R der Brennstoffzelle 12 geringer wird als der innere Bezugswiderstand R2, die Diagnose gestellt, daß die Innenseite der Brennstoffzelle 12 einen geeigneten Feuchtigkeitsgehalt aufweist, und wenn der lokalisierte innere Widerstand R den inneren Bezugswiderstand R2 übersteigt, dann wird die Diagnose gestellt, daß die Innenseite der Brennstoffzelle sich in einem Zustand übermäßiger Feuchtigkeit befindet. In Gegenwart des Zustandes übermäßiger Feuchtigkeit im Inneren der Brennstoffzelle 12 wird der innere Widerstand R der Brennstoffzelle 12 um so größer sein, je größer der Grad des Feuchtigkeitsgehalts im Inneren der Brennstoffzelle 12 ist.
  • Die 28 zeigt die Veränderung des Differenzwiderstands ΔR (R-R2), d.h. der Differenz zwischen dem lokalisierten inneren Widerstand R und dem inneren Bezugswiderstand R2 in Fällen, bei welchen der Feuchtigkeitsgehalt schwankt in dem den Bereich D umfassenden Bereich in enger Nachbarschaft des Wasserstoffauslaßabschnitts 52b, wo die Brennstoffzelle 12 die Neigung besitzt, einen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt aufzuweisen. Wie in 28 gezeigt, fällt der Differenzwiderstand R unter den Wert Null, wenn der Fall eintritt, daß die Innenseite der Brennstoffzelle 12 einen geeigneten Feuchtigkeitszustand aufweist, und in dem Fall, daß das Innere der Brennstoffzelle 12 einen übermäßig feuchten Zustand aufweist, überschreitet der Differenzwiderstand ΔR den Wert Null. Wie oben dargelegt, kann weiter, weil der lokalisierte innere Widerstand R der Brennstoffzelle 12 in Abhängigkeit vom Feuchtigkeitsgehalt im Inneren der Brennstoffzelle 12 schwankt, der Grad des Feuchtigkeitsgehalts im Inneren der Brennstoffzelle 12 in Abhängigkeit von der Größe des Differenzwiderstands R abgeschätzt werden. Das heißt, es kann diagnostiziert werden, daß in den Fällen, in denen der Differenzwiderstand plus ist, der Grad des übermäßigen Feuchtigkeitsgehalts innerhalb der Brennstoffzelle 12 um so größer ist, je größer der absolute Wert des Differenzwiderstands ΔR ist.
  • Es wird nun unter Bezugnahme auf das in 29 gezeigte Flußdiagramm die Feuchtigkeitssteuerung beschrieben, die durch den Steuerabschnitt der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform ausgeführt wird.
  • Zunächst mißt beim Schritt S80 der Stromsensor den lokalisierten Strom I in dem Bereich D (siehe 4). In dem die Neigung besteht, daß er einem übermäßig feuchten Zustand ausgesetzt wird, und im nächsten Schritt S82 mißt der Zellenmonitor 16 die Zellenspannung, worauf im folgenden Schritt S84 die Zellenspannung durch den lokalisierten Strom dividiert wird, um den lokalisierten inneren Widerstand R zu berechnen. Im folgenden Schritt S86 wird der Differenzwiderstand ΔR aus der Differenz zwischen dem lokalisierten internen Widerstand R und dem inneren Bezugswiderstand R berechnet.
  • Beim nächsten Schritt S88 wird beurteilt, ob der Differenzwiderstand R den Wert Null überschreitet, mit dem Ergebnis, daß, falls festgestellt wird, daß der Differenzwiderstand R geringer ist als Null, angenommen werden kann, daß im Inneren der Brennstoffzelle 12 ein geeigneter Feuchtigkeitszustand vorhanden ist, worauf im folgenden Schritt S90 der Steuerabschnitt 18 die Steigerungsrate des Wasserstoffdurchflusses auf Null gesetzt wird. Im Gegensatz dazu kann, falls festgestellt wird, daß der Differenzwiderstand R Null übersteigt, angenommen werden, daß das Innere der Brennstoffzelle 12 sich in einem Zustand übermäßiger Feuchtigkeit befindet, und im Schritt S92 steuert der Steuerabschnitt 18 die Steigerungsrate des Wasserstoffdurchflusses so, daß sie bei einem Wert K4×R. Hier ist K4 ein Koeffizient zur Berechnung der Steigerungsrate für den Wasserstoffdurchfluß.
  • Beim folgenden Schritt S94 steuert der Steuerabschnitt 18 den Durchfluß des der Brennstoffzelle 12 zuzuführenden Wasserstoffs auf einen Wert Wasserstoffbedarfsdurchfluß×(1+Wasserstoffdurchflußsteigerungsrate). Der Wasserstoffbedarfsdurchfluß ist ein Wasserstoffdurchfluß der bei der Brennstoffzelle 12 erforderlich ist, um die gewünschte elektrische Leistung abzugeben. Deshalb ermöglicht ein übermäßiger Zufluß von Wasserstoff zur Brennstoffzelle 12 einer Strömung von Wasserstoffgas, Feuchtigkeit aus dem in einem Zustand mit übermäßiger Feuchtigkeit befindlichen Bereich D auszutreiben.
  • Wie oben dargelegt, kann bei dem Brennstoffzellensystem der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform der dem lokalisierten Bereich, in dem die Brennstoffzelle 12 dazu neigt, einen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt aufzuweisen, zugeordnete lokalisierte innere Widerstand auf der Basis eines lokalisierten Stroms berechnet werden, der kennzeichnend ist für die Benetzungscharakteristik der Brennstoffzelle, um dem Steuerabschnitt zu gestatten, den Zustand übermäßiger Feuchtigkeit der Brennstoffzelle zu diagnostizieren. Dies befähigt die Diagnosevorrichtung präzise den Zustand übermäßiger Feuchtigkeit der Brennstoffzelle zu diagnostizieren, wodurch die Steuerung des Durchflusses des der Brennstoffzelle zuzuführenden Wasserstoffs auf einen optimalen Wert ermöglicht wird.
  • Durch die Abschätzung des Zustandes übermäßiger Befeuchtung im Inneren der Brennstoffzelle 12 in Abhängigkeit vom Differenzwiderstand R zwischen dem lokalisierten inneren Widerstand R und dem inneren Bezugswiderstand R2 zur Steuerung des Wasserstoffdurchflusses wird die Brennstoffzelle befähigt, weiter in einem geeigneten Feuchtigkeitszustands zu verbleiben.
  • (Achte Ausführungsform)
  • Als nächstes werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen 30 bis 38 ein Brennstoffzellensystem nach einer achten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung und ein zugeordnetes Verfahren beschrieben.
  • Die 30 ist eine typische Ansicht eines Brennstoffzellensystems 200 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform für den Gebrauch in einem elektrischen Fahrzeug.
  • Die gegenwärtig betrachtete Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, daß das Brennstoffzellensystem 200 eine Durchschnittsstrommeßeinheit 201 einschließt, die aus einem (nicht gezeigten) Stromsensor zum Messen eines Durchschnittsstromwertes besteht, eine Brennstoffzelle 202, einen Steuerabschnitt 204 und einen Temperaturfühler 206, der auf der Brennstoffzelle 202 befestigt ist, um eine Brennstoffzellentemperatur zu ermitteln, wobei in den Steuerabschnitt 204 die Zellenspannungen, der Betriebsstrom der Brennstoffzelle 202 und ein vom Temperaturfühler 206 ermitteltes Brennstoffzellentemperatursignal eingegeben wird.
  • Der Steuerabschnitt 204 schließt eine Begrenzungssteuerung für die Ausgangsleistung ein, die aus einem elektronischen Steuereinheit (ECU) besteht, die einen Mikrocomputer einschließt, der eine CPU, ein ROM, ein RAM und eine periphere Schaltung umfaßt. Die Begrenzungssteuerung 204 für die Ausgangsleistung führt eine Berechnung durch auf der Basis der Zellenspannungssignale, des Betriebsstromsignals und des Brennstoffzellentemperatursignals, um Steuerungssignale zu erzeugen, die der Luftpumpe 20, den Befeuchtern 28, 36, dem Luftdruckregelventil 34, dem Wasserstoffdruckregelventil 38 und der Wasserstoffpumpe 42 zur Steuerung dieser Komponenten in einer nachfolgend noch beschriebenen Weise zugeführt werden.
  • Bei dem Brennstoffzellensystem 200 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform dient die Begrenzungssteuerung 204 für den Leistungsausgang als eine auf die von den nachfolgend noch detailliert beschriebenen lokalisierten Stromsensoren gelieferten lokalisierten Ströme ansprechende Steuervorrichtung zur Begrenzung des Leistungsausgangs der Brennstoffzelle 202. Die Brennstoffzelle 202 ist auch geeignet, elektrische Energie an eine elektrische Ausrüstung, wie eine elektrische Last 14 und an eine (nicht gezeigte) Sekundärbatterie usw. zu liefern. Wenn sie bei einem elektrischen Fahrzeug angewandt wird, umfaßt die elektrische Last 14 einen Elektromotor, der als eine Fahrzeugantriebsquelle dient.
  • Die 31 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Zelleneinheit 210 zeigt, die die Brennstoffzelle 202 bildet. Die Zelleneinheit 210 besteht aus einer MEA (Membran-Elektroden-Anordnung) 212, die eine Elektrolytmembran einschließt und ein Paar von Elektroden, die an beiden Seiten der Elektrolytmembran ausgebildet sind, wobei ein Lufttrenner 214 an einer Seite der MEA 212 und ein Wasserstofftrenner 216 an der anderen Seite der MEA 212 angeordnet ist. Weiterhin ist auf der Oberfläche des Wasserstofftrenners 216 eine Stromsammlerplatte 218 angeordnet, die als negativer Anschluß dient. In diesem Zusammenhang dient der Lufttrenner 214 als Stromsammlerplatte mit einem positiven Anschluß.
  • Wie am besten aus 31 ersichtlich ist, besteht die Stromsammlerplatte 218 aus einem Isolatorrahmen 219, der mit einer Hauptstromsammlerplatte 220 ausgestattet ist, sowie einer ersten und einer zweiten Hilfsstromsammlerplatte 222, 224, die einem ersten und einem zweiten lokalen Bereich der Elektrolytmembran der MEA 212 zugeordnet sind. Eine Stromsammlerverdrahtung 226 erstreckt sich zwischen der Hauptstromsammlerplatte 220 und der ersten Hilfsstromsammlerplatte 222, und ein erster Stromsensor 228 ist auf der ersten Stromsammlerverdrahtung 226 angeordnet, um einen ersten lokalisierten, durch die erste Stromsammlerverdrahtung 226 fließenden Strom zu messen. In gleicher Weise erstreckt sich zwischen der Hauptstromsammlerplatte 220 und der zweiten Hilfsstromsammlerplatte 224 eine Stromsammlerverdrahtung 230, und ein zweiter Stromsensor 231 ist auf der zweiten Stromsammlerverdrahtung 230 angeordnet, um einen zweiten lokalisierten Strom zu messen, der durch die zweite Stromsammlerverdrahtung fließt.
  • Die 32 ist eine transparente Ansicht des Lufttrenners 214 von der rechten Seite der 31 aus gesehen. Der Lufttrenner 214 besteht aus einem Trennerkörper 240, der mit einem Lufteinlaßabschnitt 242 ausgebildet ist, der geeignet ist, mit dem Luftkanal 22 der Brennstoffzelle 202 (siehe 30) verbunden zu werden, mit einem Luftauslaßabschnitt 244, der mit dem Luftauslaßkanal 32 der Brennstoffzelle 202 (siehe 30) verbunden ist, und mit einem Luftkanal 246, der sich zwischen dem Lufteinlaßabschnitt 242 und dem Luftauslaßabschnitt 244 erstreckt, um zwischen ihnen eine Luftströmung zu ermöglichen.
  • Wie in den 31 und 32 gezeigt ist, besitzt die einen Teil der MEA 212 bildende Elektrolytmembran einen spezifizierten lokalen Bereich in enger Nachbarschaft zum Luftauslaßabschnitt 244 des Lufttrenners 214, in dem die Neigung besteht, daß sich in der Elektrolytmembran Flüssigkeitströpfchen ansammeln. Zum besseren Verständnis ist dieser spezifizierte Bereich in 32 als ein schraffierter Bereich E und als ein Teil gezeigt, das eine Benetzungscharakteristik aufweist, die dem Luftauslaßabschnitt 244 der MEA 212 zugeordnet ist.
  • Wie hier angewandt, entspricht der Lufttrenner 214 einem ersten Trenner der vorliegenden Erfindung und der Luftkanal 246 entspricht einem Oxidantgas-Kanal. Gleichermaßen entspricht der Lufteinlaßabschnitt 242 einem Oxidantgas-Einlaßabschnitt der vorliegenden Erfindung und der und der Luftauslaßabschnitt 244 entspricht einem Oxidantgas-Auslaßabschnitt gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Die 33 ist eine transparente Ansicht des Wasserstofftrenners 216 von der rechten Seite der 31 aus gesehen. Der Wasserstofftrenner 216 besteht aus einem Trennerkörper 250, der mit einem Wasserstoffeinlaßabschnitt 252 ausgebildet ist, der mit dem Wasserstoffkanal 26 der Brennstoffzelle 202 verbunden ist, mit einem Wasserstoffauslaßabschnitt 254, der mit dem Wasserstoffauslaßkanal 40 verbunden ist, und mit einem Wasserstoffkanal 256, der sich zwischen dem Wasserstoffeinlaßabschnitt 252 und dem Wasserstoffauslaßabschnitt 254 erstreckt, um zwischen ihnen eine Wasserstoffströmung zu ermöglichen:
    Wie in den 31 und 33 gezeigt besitzt der die Elektrolytmembran bildende Teil der MEA 212 einen weiteren spezifizierten Bereich in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt 254 des Wasserstofftrenners 216, in dem die Neigung besteht, daß sich in der Elektrolytmembran Flüssigkeitströpfchen ansammeln und wo die Elektrolytmembran dazu neigt, einen Mangel an Brenngas, wie Wasserstoff, aufzuweisen. Zum besseren Verständnis ist der spezifizierte Bereich der MEA 212 in 33 als ein schraffierter Bereich F und als ein Teil gezeigt, das eine Benetzungscharakteristik und eine Wasserstoffkonzentrationscharakteristik aufweist, die dem Wasserstoffauslaßabschnitt 254 der MEA 212 zugeordnet ist.
  • Wie hier benutzt entspricht der Wasserstofftrenner 216 einem zweiten Trenner der vorliegenden Erfindung und der Wasserstoffkanal 256 entspricht einem Brenngaskanal. Gleichermaßen entspricht der Wasserstoffeinlaßabschnitt einen Brenngaseinlaßabschnitt der vorliegenden Erfindung und der Wasserstoffauslaßabschnitt 254 entspricht einem Brenngasauslaßabschnitt der vorliegenden Erfindung.
  • 34 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines wesentlichen Teils des Stromsammlers 218 mit dem negativen Anschluß und 35 ist ein Querschnitt nach der Linie A2-A2 in 34
  • Wie in den 31, 34 und 35 gezeigt, ist die Stromsammlerplatte 218 in die Hauptstromsammlerplatte 220 und die erste und die zweite Hilfsstromsammlerplatte 222, 224 unterteilt, die in spezifizierten lokalen Bereichen der Stromsammlerplatte 218 auf dem Isolatorrahmen 219 ausgebildet sind, der aus Isoliermaterial besteht, und von einander elektrisch isoliert sind. Das heißt, die erste Hilfsstromsammlerplatte 222 ist auf dem Isolatorrahmen 219 in einem ersten lokalen Bereich im wesentlichen in Bezug auf den Luftkanal 246 des Lufttrenners 214 in einer Position ausgerichtet, die näher an dem Luftauslaßabschnitt 244 als am Lufteinlaßabschnitt liegt, d.h. an einem spezifizierten Ort E (siehe 32) in enger Nachbarschaft zum Luftauslaßabschnitt 244, um die Benetzungscharakteristik darzustellen, wo Neigung besteht, daß übermäßige Feuchtigkeit auftritt und es ermöglicht, daß sich Flüssigkeitströpfchen leicht ansammeln, und insbesondere in einer Position, in der die erste Hilfsstromsammlerplatte 222 den Luftauslaßabschnitt 244 längs der Richtung der Dicke der Brennstoffzelle 202 überlappt. Zwischen der Hauptstromsammlerplatte 220 und der ersten Hilfsstromsammlerplatte 222 ist verbindend die erste Stromsammlerverdrahtung 226 angeordnet, die elektrisch leitend ist, um den Durchfluß eines ersten lokalisierten Stroms zu gestatten. Auf der ersten Stromsammlerverdrahtung 226 ist der erste Stromsensor 228 angebracht, der den durch die erste Stromsammlerverdrahtung 226 fließenden ersten lokalisierten Strom mißt.
  • In ähnlicher Weise ist die zweite Hilfsstromsammlerplatte 224 auf dem Isolatorrahmen 219 in einem zweiten lokalisierten Bereich im wesentlichen in Bezug auf den Wasserstoffkanal 256 des Wasserstofftrenners 216 in einer Position ausgerichtet, die näher an dem Wasserstoffauslaßabschnitt 254 als am Wasserstoffeinlaßabschnitt liegt, d.h. an einem spezifizierten Ort F (siehe 33) in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt 254, um die Benetzungscharakteristik und die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik darzustellen, wo sich Flüssigkeitströpfchen leicht ansammeln und die Brennstoffzelle die Neigung besitzt. einen Mangel an Brenngas aufzuweisen, und insbesondere an einer Position, in der die zweite Hilfsstromsammlerplatte 224 teilweise den Wasserstoffauslaßabschnitt 254 längs der Richtung der Dicke der Brennstoffzelle 202 überdeckt. Zwischen der Hauptstromsammlerplatte 220 und der zweiten Hilfsstromsammlerplatte 224 ist verbindend die zweite Stromsammlerverdrahtung 230 angeordnet, die elektrisch leitend ist, um den Durchfluß eines zweiten lokalisierten Stroms zu gestatten. Auf der zweiten Stromsammlerverdrahtung 226 ist der zweite Stromsensor 231 angebracht, der den durch die zweite Stromsammlerverdrahtung 230 fließenden ersten lokalisierten Strom mißt.
  • Weiterhin bilden die im ersten lokalen Bereich der Stromsammlerplatte 218 ausgebildete erste Hilfsstromsammlerplatte 222, die erste Stromsammlerverdrahtung 226 und der erste Stromsensor 228, sowie die im zweiten lokalen Bereich der Stromsammlerplatte 218 ausgebildete zweite Hilfsstromsammlerplatte 224, die zweite Stromsammlerverdrahtung 230 und der zweite Stromsensor 231 Strommeßvorrichtungen, die den entsprechenden lokalen Bereichen zugeordnet sind der Brennstoffzelle 202 zugeordnet sind, um die lokalisierten Ströme zu messen, die durch die spezifizierten lokalen Bereiche fließen, wie im Detail unten diskutiert wird. Die Strommeßvorrichtungen können für alle Zelleneinheiten oder nur für einige Zelleneinheiten vorgesehen sein.
  • Es wird nun die Wirkungsweise der Stromsensoren 228, 231 beschrieben.
  • Zunächst steuert entsprechend der Anforderung elektrischer Leistung durch die Last 14 der Steuerabschnitt 204 den Durchfluß der Luft und den Durchfluß des Wasserstoffs zur Versorgung der Brennstoffzelle 202. Insbesondere steuert der Steuerabschnitt die Drehzahl der Luftpumpe 20, um dadurch der zuzuführenden Luft zu steuern und die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 42, um dadurch den Durchfluß des zuzuführenden Wasserstoffs zu steuern: Wenn dies stattfindet, wird der Durchfluß der zuzuführenden Luft vorab auf einen gegebenen Durchfluß eingestellt, um keine Schwankungen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 202 zu verursachen. Die Zufuhr von Luft und Wasserstoff zur Brennstoffzelle 202 verursacht den Ablauf einer elektrochemischen Reaktion zur Erzeugung elektrischer Energie, die ihrerseits der Last 14 zugeführt wird Der über die Last fließende elektrische Strom fließt in die Stromsammlerplatte 218, die den negativen Anschluß aufweist. Der in die Stromsammlerplatte 218 fließende elektrische Strom wird aufgeteilt in einen Hauptstrom, der in die MEA 212 fließt, einen ersten lokalisierten Strom, der in die MEA 212 durch die erste Stromsammlerverdrahtung 226 und die erste Hilfsstromsammlerplatte 222 fließt, sowie einen zweiten lokalisierten Strom der in die MEA 212 durch die zweite Stromsammlerverdrahtung 230 und die zweite Hilfsstromsammlerplatte 224 fließt.
  • Der erste Strom, der durch die erste Stromsammlerverdrahtung 226 fließt, entspricht dem ersten lokalisierten Strom (nachfolgend als Luftauslaßstrom Ia•aus bezeichnet), der durch den ersten lokalen Bereich der Stromsammlerplatte 218 fließt, der in enger Nachbarschaft zum Luftauslaßabschnitt 244 der MEA 212 der Stromsammlerplatte 218 angeordnet ist, wodurch der erste Stromsensor 228 befähigt wird, den Luftauslaßstrom Ia•aus zu ermitteln.
  • Weiter entspricht der zweite Strom, der durch die zweite Stromsammlerverdrahtung 230 fließt, dem zweiten lokalisierten Strom (nachfolgend als Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus bezeichnet), der den zweiten lokalen Bereich fließt, der sich in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt 254 der MEA 212 der Stromsammlerplatte 218 befindet, wodurch der zweite Stromsensor 230 befähigt wird, den Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus zu ermitteln.
  • Die 36 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle 202 und der Veränderung des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle 202. Wie in 36 gezeigt, nimmt mit zunehmendem Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle 202 der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 202 ab. Somit besteht eine Wechselbeziehung zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle 202 und deren Ausgangsstrom.
  • Weiterhin neigt ein Wert des lokalisierten Stroms in speziellen lokalen Bereichen (wie dem spezifizierten lokalen Bereich E in 32 und dem spezifizierten lokalen Bereich F in 33) abzusinken. Aus diesem Grund kann für den Fall, daß die den entsprechenden lokalen Bereichen zugeordneten lokalisierten Stromwerte in einem gewissen Ausmaß auf einen Wert absinken, der geringer ist als ein mittlerer Stromwert, geschlossen werden, daß die speziellen lokalen Bereiche E, F einen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt aufweisen, mit dem Ergebnis, daß in der Brennstoffzelle 202 Störungen auftreten. Als Konsequenz daraus wird ein gegebener Wert (Stromwert zur Einleitung der Begrenzung der Ausgangsleistung), der eine Bezugsgröße bildet, bei der eine Steuerung durchgeführt wird, um die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202 einzuleiten, so eingestellt, daß er einen Wert aufweist, der sich als Produkt des mittleren Stromwerts der Brennstoffzelle 202 multipliziert mit einem gegebenen Verhältnis (beispielsweise 50%) ergibt. Somit wird, wenn die Werte der den spezifizierten Bereichen E, F zugeordneten lokalisierten Ströme geringer werden, geschlossen, daß eine Störung in der Brennstoffzelle 202 auftritt und der Steuerabschnitt 204 führt die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202 durch.
  • Das heißt, daß durch Überwachung der dem entsprechenden lokalisierten Bereich in enger Nachbarschaft des Luftauslaßabschnitts 244 und dem entsprechenden lokalen Bereich in enger Nachbarschaft des Wasserstoffauslaßabschnitts 254 zugeordneten lokalisierten Ströme I, d.h. des Luftauslaßstroms Ia•aus und das Wasserstoffauslaßstroms Ih•aus, in Verbindung mit einem gegebenen Stromwert in angemessener Weise entschieden werden kann, ob die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202 durchgeführt werden soll. Der gegebene Wert, der die Bezugsgröße bildet, bei der die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202 eingeleitet wird, wird auf den gegebenen Wert (beispielsweise 50%) des mittleren Stromwertes der Brennstoffzelle 202 festgesetzt, welcher der Wert ist, der sich in Übereinstimmung mit dem Stromwert verändert, den die Brennstoffzelle ausgibt.
  • Nun wird im Detail die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202 während der Startphase des Brennstoffzellensystems 200 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 37 und 38 beschrieben. Die 37 ist ein Flußdiagramm, das eine Grundabfolge der Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion darstellt, die durch den Steuerabschnitt 204 des Brennstoffzellensystems 200 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform ausgeführt wird, und die 38 ist eine Zeittafel zur Darstellung der Zeitpunkte, zu denen die verschiedenen Flags verändert werden.
  • Zunächst wird beim Schritt 100 beurteilt, ob die durch den Temperaturfühler 206 ermittelte Temperatur der Brennstoffzelle 202 eine gegebene Temperatur (von beispielsweise 60°C) überschreitet, mit dem Ergebnis, daß, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 202 die gegebene Temperatur übersteigt, die Aktion beendet wird und nur, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 202 geringer ist als die vorgegebene Temperatur, die folgenden Schritte ausgeführt werden.
  • Beim folgenden Schritt S102 ermittelt der Stromsensor 201 den mittleren Stromwert der Brennstoffzelle 202 und die Stromsensoren 228, 231 ermitteln die lokalisierten Stromwerte. Im folgenden Schritt S104 wird festgestellt, ob die lokalisierten Stromwerte geringer sind als ein erster gegebener Wert (von beispielsweise 50% des mittleren Stromwerts). Falls mehrere Stromsensoren 228, 231 vorgesehen sind, kann die Aktion ausgeführt werden, um zu ermitteln, ob einer der lokalisierten, von den entsprechenden Stromsensoren 228, 231 gemessenen Stromwerte geringer ist als der gegebene Stromwert.
  • Wenn beim Schritt S104 der lokalisierte Stromwert nicht geringer ist als der erste gegebene Stromwert, wird als Konsequenz die Aktion wieder zum Schritt S100 zurückgeführt, wenn dagegen beim Schritt S104 der lokalisierte Stromwert geringer ist als der erste gegebene Stromwert, wird die die Aktion mit dem Schritt S106 fortgesetzt, um die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion durchzuführen. Wenn dies stattfindet, werden das dem Sinken des Stroms zugeordnete Flag und das der Ausgangsleistungsbegrenzung zugeordnete Flag eingeschaltet (38) Während der Durchführung der Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion übt der Steuerabschnitt 204 die Steuerung in einer Weise aus, die den mittleren Stromwert derart absenkt, daß der mittlere Stromwert der Brennstoffzelle 202 nahe dem lokalisierten Stromwert liegt. Insbesondere wird dies erreicht durch Steuerung des Luftdruckregelventils 34, derart, daß der Durchfluß des der Brennstoffzelle 202 zuzuführenden Oxidantgases (Sauerstoff) gesenkt wird oder durch Begrenzung der Leistungsanforderung der Last 14 an die Brennstoffzelle 202, wodurch der mittlere Stromwert gesenkt werden kann.
  • Weiterhin wird die Aktion so ausgeführt, daß die Ausgangsleistungsbegrenzungsoperation allmählich durchgeführt wird. Beispielsweise wird der mittlere Stromwert der Brennstoffzelle 202 nicht schnell auf das Niveau des lokalisierten Stromwerts abgesenkt, sondern der mittlere Stromwert wird so gesteuert, daß er sich allmählich dem lokalisierten Stromwert annähert. Wie in 38 gezeigt, wird in Fällen, in denen das Begrenzungsverhältnis auf 0% gesetzt ist, wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 202 nicht beschränkt ist, und in Fällen, in denen das Begrenzungsverhältnis auf 100% gesetzt ist, wenn der mittlere Stromwert der Brennstoffzelle auf den Wert 0 gesetzt ist, das Begrenzungsverhältnis nicht so gesteuert, daß der mittlere Stromwert schnell veranlaßt wird, sich dem lokalisierten Stromwert anzunähern, vielmehr wird die Steuerung so durchgeführt, daß allmählich das Begrenzungsverhältnis vom Wert 0% aus angehoben wird. Das setzt das Fahrzeug in die Lage, jedes unangenehme Gefühl für den Fahrer und dadurch das Auftreten von Störungen bei der Fahrfähigkeit zu unterdrücken.
  • Als nächstes ermittelt beim Schritt S108 der Stromsensor 201 den mittleren Stromwert der Brennstoffzelle 202 und die Stromsensoren 228, 231 ermitteln die lokalisierten Stromwerte. Im folgenden Schritt S 110 wird geprüft, ob der lokalisierte Stromwert geringer ist als ein zweiter gegebener Wert (Stromwert zur Beendigung der Begrenzung des Leistungsausgangs). Der zweite gegebene Wert ist ein Wert, der eine Bezugsgröße bildet, bei der eine Aktion ausgeführt wird, um die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202 zu beenden. Bei der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform wird das Verhältnis des zweiten gegebenen Wertes zum mittleren Stromwert der Brennstoffzelle 202 höher angesetzt als das des ersten gegebenen Wertes und beispielsweise auf den Wert 75%.
  • Demzufolge wird die Aktion, falls der lokalisierte Stromwert den zweiten gegebenen Wert nicht überschreitet, auf den Schritt S106 zurückgeführt, um die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion fortzusetzen. Im Gegensatz dazu wird, wenn beim Schritt S110 der lokalisierte Stromwert den zweiten gegebenen Wert überschreitet, beim Schritt S 112 die Aktion ausgeführt, wird die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion aufrechterhalten. Mit dem folgenden Schritt S114 wird festgestellt, ob sich die Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle 202 verändern, d.h. ob der Fahrer das Fahrpedal freigegeben hat. Wenn dies stattfindet, wird das dem Absinken des Stroms zugeordnete Flag abgeschaltet und das Begrenzungsverhältnis der Brennstoffzelle 202 wird aufrechterhalten (siehe 38).
  • Als Ergebnis wird die Aktion auf den Schritt S112 zurückgeführt, um die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202 fortzusetzen. Im Gegensatz dazu wird, wenn beim Schritt S114 der Fahrer das Fahrpedal freigibt, im Schritt S116 die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion abgebrochen. Dann wird die Aktion zum Schritt S100 zurückgeführt. Wenn dies stattfindet, wird die das der Ausgangsleistungsbegrenzung zugeordnete Flag abgeschaltet und das Begrenzungsverhältnis der Brennstoffzelle wird 0%.
  • Wenn der Fahrer beispielsweise fortfährt, das Fahrpedal niederzudrücken und falls die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202 abgebrochen wird, tritt eine Situation ein, bei der die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 202 plötzlich ansteigt und beim Fahrer ein unangenehmes Gefühl verursacht, das die Fahrfähigkeit beeinträchtigt. Im Gegensatz dazu wird es dann, wenn die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202 beibehalten wird, bis die Betriebsbedingung sich wie bei der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform verändert, möglich, den Fahrer davon zu befreien, an einem unangenehmen Gefühl zu leiden, und dadurch eine Verschlechterung der Fahrfähigkeit auszuschließen.
  • Wie oben dargelegt, ermöglicht es die Überwachung der einem Bereich der Brennstoffzelle 202, wo sich leicht Wassertröpfchen ansammeln, zugeordneten lokalisierten Stromwerte, das Auftreten von Störungen in der Brennstoffzelle 202 frühzeitig zu entdecken. Weiterhin kann durch die Ausführung der Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202 in Abhängigkeit vom lokalisierten Stromwert, die Brennstoffzelle 202 zum frühesten Zeitpunkt wiederhergestellt werden, wodurch es möglich wird, auszuschließen, daß ein brennstoffzellengetriebenes Fahrzeug auf der Straße zum Stillstand kommt.
  • Bei dem Brennstoffzellensystem 200 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform mit der oben geschilderten Anordnung erlaubt die Gegenwart einer Kombination zwischen der Strommeßvorrichtung zur Messung der dem lokalen Bereich der Brennstoffzelle 202, in dem sich leicht Wassertröpfchen ansammeln, zugeordneten lokalisierten Stromwertes und des Steuerabschnitts 204 der Brennstoffzelle 202 eine Betriebweise mit einer Ausgangsleistungsbegrenzung, die von dem durch die Strommeßvorrichtung gemessenen lokalisierten Strom abhängt. Dies ermöglicht die Überwachung des lokalisierten Stromwerts, der kennzeichnend ist für den lokalisierten Bereich der Brennstoffzelle 202, in dem die Neigung zur Ansammlung von Wasser besteht, was die Fähigkeit zur Folge hat, daß das Auftreten von Störungen an der Brennstoffzelle 202 in einem frühen Stadium erkannt werden kann. Durch die Überwachung des für das Auftreten solcher Störungen signifikanten lokalisierten Stroms kann auch die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion in Abhängigkeit vom lokalisierten Stromwert zustande gebracht werden. Dies erlaubt es einem mit der Brennstoffzelle 202 als Antriebsquelle ausgerüsteten Fahrzeug, die Notwendigkeit zu vermeiden, auf der Straße anhalten zu müssen.
  • Weiterhin wird mit dem Brennstoffzellensystem 200 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform die Durchschnittsstrommeßvorrichtung 201 zur Messung des mittle ren (durchschnittlichen) Stromwertes der Brennstoffzelle 202 vorgesehen, und der vorgegebene Wert wird auf den Wert eingestellt, der von dem durch die Durchschnittsstrommeßvorrichtung 201 gemessenen Durchschnittsstromwert durch Multiplikation mit dem gegebenen Begrenzungsverhältnis erhalten wird. Dies ermöglicht die geeignete Einleitung der Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202.
  • Außerdem wird beim Brennstoffzellensystem 200 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform während der Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion des Steuerabschnitts 204 der Durchschnittsstromwert derart abgesenkt, daß der Durchschnittsstromwert der Brennstoffzelle 202 sich dem lokalisierten Stromwert annähert. Dies ermöglicht eine zuverlässige Durchführung der Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202.
  • Überdies erlaubt es das Brennstoffzellensystem 200 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform, einen der Brennstoffzelle zugeordnete Temperaturfühlereinheit 206 zur Ermittlung der Temperatur der Brennstoffzelle 202, in Kombination mit dem Kontrollabschnitt 204, die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion zu unterbrechen, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 202 die gegebene Temperatur übersteigt. Die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202 kann in einer gewünschten Situation nur ausgeführt werden, wenn beispielsweise die Temperatur der Brennstoffzelle gesteuert wird und bei einer vorgegebenen kühlen Temperatur, wie einer niedrigen Brennstoffzellentemperatur eingestellt ist.
  • Außerdem ist bei dem Brennstoffzellensystem 200 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform die Brennstoffzelle 202 geeignet, in ein Fahrzeug eingebaut zu werden, und der Steuerabschnitt 204 übt eine derartige Aktion aus, daß, wenn der lokalisierte Strom einen Wert annimmt, der den gegebenen Stromwert zur Beendigung der Begrenzung des Leistungsausgangs übersteigt, der einen Grenzwert darstellt, auf dessen Basis die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion durch die Ausgangsleistungsbegrenzungsvorrichtung beendet wird, die Ausgangsleistungsbegrenzungsvorrichtung die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion fortsetzt, bis sich der Antriebszustand des Fahrzeugs verändert. Dadurch wird das Fahrzeug befähigt, den Fahrer davor zu bewahren, ein unangenehmes Gefühl zu erleiden, wodurch das Auftreten einer Verschlechterung der Fahrfähigkeit ausgeschlossen ist.
  • Obwohl das Brennstoffzellensystem 200 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform in Verbindung mit einem beispielhaften Fall beschrieben wurde, bei dem beim Schritt S114 die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202 unter der Bedingung abgebrochen wird, daß der Fahrer das Fahrpedal freigibt. Kann das Brennstoffzellensystem 200 eine Anordnung aufweisen, bei der die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202 in Anhängigkeit von anderen Veränderungen der Fahrsituation abgebrochen wird.
  • Obwohl das Brennstoffzellensystem 200 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform außerdem in Verbindung mit einem beispielhaften Fall beschrieben wurde, bei dem die Brennstoffzelle 292 mit zwei Stromsensoren 228, 231b versehen ist, um lokalisierte Ströme zu messen, die zwei lokalen Bereichen zugeordnet sind, ist keine Beschränkung auf eine solche besondere Anwendung beabsichtigt, und das Brennstoffzellen 200 kann eine Struktur annehmen, bei welcher ein Stromsensor vorgesehen ist, um den lokalisierten Strom in einem lokalen Bereich der Brennstoffzelle 202 zu messen, oder eine andere Struktur, bei der drei oder mehr Stromsensoren vorgesehen sind, um die drei oder mehr lokalen Bereichen der Brennstoffzelle 202 zugeordnete lokalisierte Ströme messen.
  • Obwohl das Brennstoffzellensystem 200 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform in Verbindung mit der Brennstoffzelle 202 beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Anwendung beschränkt und kann auch auf ein System einer elektrischen Energieeinheit angewandt werden, die eine Energieeinheit wie eine Sekundärbatterie und einen Kondensator usw. enthält.
  • (Neunte Ausführungsform)
  • Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die 31 bis 34 und 39 bis 42 ein Brennstoffzellensystem einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein zugeordnetes Verfahren im Detail beschrieben.
  • Die 39 ist eine typische Ansicht des Brennstoffzellensystems 300 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform zur Anwendung bei einem elektrischen Fahrzeug.
  • Die neunte Ausführungsform unterscheidet sich von der achten Ausführungsform dadurch, daß bei der achten Ausführungsform der Steuerabschnitt 204 aus der Ausgangsleistungsbegrenzungsvorrichtung zur Durchführung der Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion in Abhängigkeit vom lokalisierten Stromwert besteht. Die neunte Ausführungsform sieht dagegen einen Steuerabschnitt 304 vor und eine Luftaustreibeinheit 306, die so angeordnet ist, daß sie durch die Steuervorrichtung 304 aktivierbar ist, um einen Strom von Reinigungsluft in die Brennstoffzelle einzublasen, um Feuchtigkeit aus ihr auszutreiben, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle unterbrochen wird. Die Brennstoffzelle 202 des Brennstoffzellensystems 300 der neunten Ausführungsform ist identisch mit jener de Brennstoffzellensystems 200 der achten Ausführungsform und deshalb wird die detaillierte, in den 31 bis 34 gezeigte Anordnung hier für die Beschreibung der neunten Ausführungsform benutzt.
  • Es erfolgt deshalb eine detaillierte Beschreibung des Brennstoffzellensystems der neunten Ausführungsform, um das obige Unterscheidungsmerkmal klarzustellen.
  • Das heißt, beim neunten Ausführungsbeispiel schließt das Brennstoffzellensystem 300 die Luftaustreibeinheit 306 ein, die aus der Luftpumpe 20 und dem Luftdruckregelventil 34 besteht. Die Luftausreibeinheit 306 wird durch die Steuervorrichtung 304 in Abhängigkeit vom lokalisierten Stromwert aktiviert, der von den Stromsensoren 228, 231 (siehe 31) geliefert wird, die die lokalisierten Ströme der zugeordneten lokalen Bereiche der Brennstoffzelle 202 messen, wo sich Wassertröpfchen leicht ansammeln können.
  • Insbesondere schließt der Steuerabschnitt 304 ein Steuergerät ein, das aus einer elektronischen Steuereinheit (ECU) besteht, die einen Mikrocomputer umfaßt, der aus einer CPU, einem ROM und einem RAM und der peripheren Schaltung besteht. Der Steuerabschnitt 304 führt eine Berechnung auf der Basis der Zellenspannungssignale durch, die vom Zellenmonitor 16 geliefert werden, und der Betriebsstromsignale, die vom Stromsensor 19 kommen, und der lokalisierten Stromwerte, die von den Stromsensoren 228, 231 geliefert werden, um Steuersignale zu erzeugen, die der Luftpumpe 20, den Befeuchtern 28, 36, dem Luftdruckregelventil 34, dem Wasserstoffdruckregelventil 38 und der Wasserstoffpumpe 42 zugeführt werden, um diese Komponenten in der gleichen Weise zu steuern, wie dies oben mit Ausnahme der Steuervorrichtung 304 durchzuführenden Luftaustreibaktion beschrieben wurde, deren Aktivität unten noch beschrieben wird.
  • Bei dem Brennstoffzellensystem 300 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform dient der Steuerabschnitt 304 als eine Austreibsteuervorrichtung zur Erzeugung eines Steuersignals ansprechend auf die lokalisierten Stromsignale, die von den Stromsensoren 228, 231 zur Steuerung der Luftaustreibaktion geliefert werden, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle 202 unterbrochen wird.
  • Wie vorher bei der achten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 31 bis 35 angemerkt wurde, fließt der über die Last 14 fließende elektrische Strom über den negativen Anschluß in die Stromsammlerplatte 218. Der in die Stromsammlerplatte 218 fließende Strom wird unterteilt in einen Hauptstrom, der in die MEA 212 fließt, einen ersten lokalisierten Strom, der über die erste Stromsammlerverdrahtung 226 und die erste Hilfsstromsammlerplatte 222 in die MEA 212 fließt, und einen zweiten lokalisierten Strom, der über die zweite Stromsammlerverdrahtung 230 und die zweite Hilfsstromsammlerplatte 224 in die MEA 212.
  • Der durch die erste Stromsammlerverdrahtung 226 fließende erste Strom entspricht dem ersten lokalisierten Strom (Luftauslaßstrom Ia·aus), der durch den ersten lokalen Bereich fließt, der sich in enger Nachbarschaft zum Luftauslaßabschnitt 244 der MEA 212 der Stromsammlerplatte 219 befindet, wodurch er den ersten Stromsensor befähigt, den Luftauslaßstrom Ia·aus zu ermitteln.
  • Weiter entspricht der zweite Strom, der durch die zweite Stromsammlerverdrahtung 230 fließt, dem zweiten lokalisierten Strom (Wasserstoffauslaßstrom (Ih·aus), der durch den zweiten lokalen Bereich fließt, der sich in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt 254 der MES 212 der Stromsammlerplatte 218 befindet, wodurch er den zweiten Stromsammler 231 befähigt, den Wasserstoffauslaßstrom Ih·aus zu ermitteln.
  • Wie schon oben diskutiert wurde, entsprechen der erste und der zweite lokale Bereich den ausgewählten lokalen Bereichen der MEA 212 (siehe 31 bis 33), wo das Wasser dazu neigt, sich zu sammeln, und auf diese Weise wird der Steuerabschnitt 304 durch lokalisierte Ströme beaufschlagt, die von den Stromsensoren 228, 231 geliefert werden, um die Luftaustreibaktion der Brennstoffzelle 202 durchzuführen.
  • Die 40 zeigt die Veränderung des elektrischen Stroms I der Brennstoffzelle 202, wenn die Luftaustreibaktion ausgeführt wird. Wie in 40 gezeigt, nimmt der Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle 202 ab, wenn der Steuerabschnitt 304 die Luftaustreibaktion ausführt, und die Elektrolytmembran der MEA 212 (siehe 31) wird getrocknet. Wenn dies stattfindet, nimmt der Protonenleitfähigkeitswiderstand zu, wodurch ein Absinken des elektrischen Stroms verursacht wird. Somit besteht eine Wechselbeziehung zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle 202 und deren elektrischem Strom. Abhängig von einer solchen Wechselbeziehung ist der Steuerabschnitt 304 so programmiert, daß er einen gegebenen Stromwert enthält., der dem Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle 202 entspricht, der vorher festgelegt wurde als eine Bezugsgröße, bei der die Luftaustreibaktion beendet wird, wodurch dann, wenn die Luftaustreibaktion ausgeführt wird, um Wasser aus der Brennstoffzelle 202 zu entfernen, der Steuerabschnitt 304 befähigt ist, wahrzunehmen, daß, wenn der elektrische Strom I der Brennstoffzelle 202 unter den gegebenen Stromwert absinkt, der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 202 auf ein annehmbares Niveau absinkt. In diesem Fall kann, wenn die lokalisierten Ströme I, d.h. der Luftauslaßstrom Ia•aus und der Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus, die dem Luftauslaßabschnitt 244 des Lufttrenners 214 (siehe 32) bzw. dem Wasserstoffauslaßabschnitt 254 des Wasserstofftrenners 216 (siehe 33) zugeordnet sind, als geringer als der gegebene Stromwert befunden werden, entschieden werden, daß der Feuchtigkeitsgehalt in einem anderen Bereich auf natürliche Weise entfernt werden kann. Dementsprechend wird es durch den Gebrauch des Luftauslaßstroms Ia•aus und des Wasserstoffauslaßstroms Ih•aus, die durch die den lokalen Bereichen der Brennstoffzelle 202, an denen die Neigung besteht, daß sich Wasser ansammelt, zugeordneten Stromsensoren 228, 231 gemessen werden, möglich, in einer geeigneteren Weise den Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle festzustellen, zu entscheiden, wodurch der Steuerabschnitt 304 befähigt wird, verläßlich die Luftaustreibaktion durchzuführen um das Auftreten von Mängeln in der Brennstoffzelle 202 zu vermeiden.
  • Nun werden unter Bezugnahme auf die 41 und 42 die Grundabfolge von Aktionen des Brennstoffzellensystems 300 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform und eines zugeordneten Verfahrens beschrieben. Die 41 ist ein Flußdiagramm zur Darstellung einer durch den Steuerabschnitt 304 auszuführenden Steuerfolge für die Luftaustreibaktion und 42 ist eine Zeittafel zur Darstellung der Zeitpunkte, zu denen bei den verschiedenen Steuerflags Wechsel stattfinden.
  • Zunächst beginnt der Steuerabschnitt 304 die Luftaustreibaktion auszuführen, wenn der Insasse eines Fahrzeugs den (nicht gezeigten) Schlüsselschalter ausschaltet. Beim Schritt S120 wird die Luftpumpe 20 betätigt, die einen Teil der Luftaustreibeinheit 306 bildet, um einen Strom von Reinigungsluft in die Brennstoffzelle 202 zu fördern. Im folgenden Schritt 122 messen die Stromsensoren 228, 231 die lokalisierten Ströme, die den entsprechenden lokalen Bereichen der Brennstoffzelle 202 zugeordnet sind, wo das Wasser dazu neigt, sich anzusammeln, und im folgenden Schritt S124 wird die Entscheidung getroffen, ob die lokalisierten Stromwerte geringer sind als der vorgegebene Stromwert. In den Fällen, in denen mehrere Stromsensoren 228, 231 vorgesehen sind, kann entschieden werden, ob irgendeiner der lokalisierten Ströme der entsprechenden Stromsensoren 228, 231 geringer ist als der gegebene Stromwert.
  • Als Ergebnis wird dann, wenn beim Schritt S124 gefunden wird, daß die lokalisierten Stromwerte geringer sind als der gegebene Wert, die Luftaustreibaktion beendet. Im Gegensatz dazu werden dann, wenn beim Schritt S124 die lokalisierten Stromwerte nicht geringer sind als der gegebene Stromwert, im Schritt S126 die Aktionen in den Schritten S122 und S124 wiederholt ausgeführt, bis eine gegebenes Zeitintervall (von beispielsweise fünf Sekunden) vom Beginn der Luftaustreibaktion an verstrichen ist.
  • Falls die lokalisierten Stromwerte nicht geringer sind als der gegebene Stromwert, selbst wenn das Zeitintervall vom Beginn der Luftaustreibaktion an verstrichen ist, kann angenommen werden, daß ein großes Wasservolumen in der Brennstoffzelle zurückgeblieben ist, und im Schritt S128 erhöht der Steuerabschnitt 304 die Drehzahl der Luftpumpe 20, so daß der Durchfluß der in die Brennstoffzelle 202 zu fördernden Reinigungsluft erhöht wird. Wenn dies stattfindet, wird das Reinigungsluftdurchflußerhöhungsflag eingeschaltet (siehe 42). Beim folgenden Schritt S130 messen die Stromsensoren 228, 231 die lokalisierten Ströme, die den entsprechenden lokalen Bereichen der Brennstoffzelle 202 zugeordnet sind, wo sich die Wassertröpfchen leicht ansammeln, und im Schritt S132 setzt der Steuerabschnitt 304 die Luftaustreibaktion fort, bis die lokalisierten Stromwerte geringer werden als der gegebene Wert. Wenn die lokalisierten Stromwerte geringer werden als der gegebene Stromwert, wird das dem Absinken des Stroms zugeordnete Flag eingeschaltet, während das Luftaustreibflag und das Reinigungsluftdurchflußerhöhungsflag abgeschaltet werden (siehe 42).
  • Das Brennstoffzellensystem 300 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform kann eine alternative Struktur annehmen, bei der in einem Fall, bei dem die lokalisierten Stromwerte nicht unter einen gegebenen Wert absinken, obwohl eine gewisse Zeitspanne verstrichen ist, seitdem der Durchfluß der Reinigungsluft erhöht wurde, der Steuerabschnitt 304 entscheidet, daß wegen des Auftretens von Fehlern die Luftaustreibaktion zwangsweise beendet wird.
  • Wie oben dargelegt, ist beim Brennstoffzellensystem gemäß der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform der Steuerabschnitt 304 so programmiert, daß der Zeitpunkt, der auf den lokalisierten Stromwerten basieren, zu denen die Luftaustreibaktion unter der Bedingung beendet wird, daß der Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle 202 auf einem geeigneten Niveau gehalten ist. Demgemäß kann die Luftaustreibzeit verkürzt werden, weil keine Wahrscheinlichkeit auftritt, daß die Luftaustreibaktion weiter ausgedehnt wird als notwendig, was es ermöglicht, die Elektrolytmembran vor dem übermäßigen Trocknen zu bewahren. Zusätzlich tritt keine Wahrscheinlichkeit ein, daß die Luftaustreibaktion beendet wird, ohne angemessene Entfernung der Feuchtigkeit aus der Brennstoffzelle 202, weil die dem nassen Zustand der Elektrolytmembran zugeordneten lokalisierten Stromwerte überwacht werden, um den Steuerabschnitt 304 wirksam zu halten, die Luftaustreibaktion zu beenden nach der Feststellung, daß sich der Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle 202 in einem geeigneten Zustand befindet.
  • Weiterhin befähigt eine Kombination der Stromsensoren 228, 231, die die den lokalen Bereichen der Brennstoffzelle 202 zugeordneten lokalisierten Ströme ermitteln, wo die Neigung zur Ansammlung von Feuchtigkeit besteht, mit dem Steuerabschnitt 304, der wirksam ist, um in einer geeigneteren Weise den Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle 202 zu beurteilen, den Steuerabschnitt 304, zu dem Zeitpunkt aktiv zu werden, der in genauerer Weise bestimmt wird.
  • Außerdem wird die Beendigung der Luftaustreibaktion in einem frühen Stadium ermöglicht durch die Erhöhung des Durchflusses der Reinigungsluft gemäß der Steuerung durch den Steuerabschnitt 304, falls die lokalisierten Stromwerte nicht unter den gegebenen Wert sinken, selbst wenn die vorgegebene Zeitspanne nach dem Beginn der Luftaustreibaktion verstrichen ist. Beim Brennstoffzellensystem 300 der gegenwärtig betrachteten, oben erläuterten Ausführungsform ermöglicht es das Vorhandensein der zum Messen der Stromwerte der Brennstoffzelle 202 geeigneten Strommeßvorrichtung, der Luftaustreibvorrichtung 306 und der Steuereinheit 304 der Luftaustreibvorrichtung 306 die Luftaustreibaktion durchzuführen, wenn die durch die Strommeßvorrichtung 228, 231 gemessenen lokalisierten Ströme den gegebenen Wert während des unterbrochenen Betriebs der Brennstoffzelle 202 übersteigen. Dies bietet die Möglichkeit, auf der Basis des dem Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle 202 zugeordneten Stromwerts den Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem die Luftaustreibaktion beendet wird, und deshalb kann die Luftaustreibaktion bei einem Zustand beendet werden, zu dem die Brennstoffzelle einen geeigneten Feuchtigkeitsgehalt aufweist. Demzufolge kann, weil keine Notwendigkeit besteht, die Luftaustreibaktion länger als nötig auszudehnen, die Luftaustreibzeit wirksam verkürzt werden, was die Elektrolytmembran davor bewahrt, übermäßig auszutrocknen. Zusätzlich wird es möglich, auszuschließen, daß beim Auftreten einer ungeeigneten Entfernung von Feuchtigkeit aus der Brennstoffzelle 202 die Luftaustreibaktion beendet wird, weil die Luftaustreibaktion beendet wird durch die Überwachung des lokalisierten Stromwertes der Brennstoffzelle 202 und das Treffen der Entscheidung, daß die Brennstoffzelle 202 einen geeigneten Feuchtigkeitsgehalt aufweist.
  • Weiterhin wird es dadurch, daß das Brennstoffzellensystem 300 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform die Strommeßvorrichtung aufweist, die tätig wird, um den dem lokalen Bereich der Brennstoffzelle 202, in dem das Wasser sich leicht ansammelt, zugeordneten Stromwert zu messen, die Fähigkeit geschaffen, den Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle 202 genauer zu beurteilen, so daß der Zeitpunkt, zu dem die Luftaustreibaktion beendet wird, in einer angemesseneren Weise bestimmt werden kann.
  • Außerdem kann bei dem Brennstoffzellensystem 300 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform die Luftaustreibaktion zu einem frühen Zeitpunkt beendet werden, weil die Luftaustreibeinheit 306 wirksam ist, um den Durchfluß der Reinigungsluft zu erhöhen, wenn das vorgegebene Zeitintervall nach dem Beginn der durch die Luftaustreibeinheit 306 durchgeführten Austreibaktion abgelaufen ist.
  • Obwohl das Brennstoffsystem 300 gemäß der derzeit betrachteten Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Konstruktion beschrieben wurde, bei der die lokalisierten Ströme nach dem Beginn der Luftaustreibaktion überwacht werden, um den Zeitpunkt festzustellen, zu dem die Luftaustreibaktion beendet wird, kann das Brennstoffzellensystem 300 eine alternative Ausgestaltung annehmen, bei der die Luftaustreibaktion nicht eingeleitet wird, falls die lokalisierten Ströme vor dem Beginn der Luftaustreibaktion unter den gegebenen Wert absinken.
  • Weiterhin ist keine Begrenzung auf diese besondere Ausführungsform beabsichtig, obwohl das Brennstoffzellensystem 300 gemäß der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform in Verbindung mit einer beispielhaften Konstruktion beschrieben wurde, bei der die Brennstoffzelle 202 mit zwei Stromsensoren 228, 231 versehen ist, um die lokalisierten Ströme zu messen, die zwei lokalen Bereichen zugeordnet sind, und das Brennstoffzellensystem kann eine alternative Gestaltung annehmen, bei der ein Stromsensor vorgesehen ist, der einem lokalen Bereich der Brennstoffzelle 202 zugeordnet ist, oder eine andere Gestaltung, bei der drei oder mehr Stromsensoren vorgesehen sind, um die lokalisierten Ströme zu messen, die drei oder mehr lokalen Bereichen der Brennstoffzelle 202 zugeordnet sind.
  • Obwohl das Brennstoffzellensystem der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform in Verbindung mit der Brennstoffzelle 202 beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Gestaltung beschränkt und kann auf eine elektrisches Energiesystem angewandt werden, das eine Energiereinheit wie eine Sekundärbatterie und einen Kondensator usw. aufweist
  • (Zehnte Ausführungsform)
  • Als nächstes werden unter Bezugnahme auf die 43 bis 46 eine zehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein zugeordnetes Verfahren im Detail beschrieben.
  • Das Brennstoffzellensystem 400 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform wird bei einem elektrischen Fahrzeug angewandt (brennstoffzellengetriebenes Fahrzeug), das geeignet ist, durch ein Energieversorgungssystem in Form eines Brennstoffzellensystems angetrieben zu werden.
  • Die 43 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung der Gesamtanordnung des Brennstoffzellensystems 400 der zehnten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in 43 gezeigt, ist das Brennstoffzellensystem 400 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform umfaßt eine Brennstoffzelle, die Luftversorgungsquelle 20 bestehend aus einer Luftpumpe, ein Kühlsystem 408 und einen Steuerabschnitt 410.
  • Die Brennstoffzelle 402 ist ähnlich der Brennstoffzelle 12 der ersten Ausführungsform strukturiert und deshalb wird hier eine detaillierte Beschreibung der Einfachheit halber weggelassen. Auch die die jeweiligen Stromsensoren enthaltenden Strommeßvorrichtungen sind ihrer Struktur nach jenen der ersten bis dritten Ausführungsform ähnlich und deshalb wird hier eine detaillierte Beschreibung der Einfachheit halber weggelassen. Die durch die Brennstoffzelle 402 erzeugte elektrische Energie wird einer elektrischen Last 14 (in Form eines Antriebsmotors zur Bewegung des Fahrzeugs) über einen (nicht gezeigten) Stromwandler und eine (nicht gezeigte) Sekundärbatterie usw. zugeführt.
  • Die Brennstoffzelle 402 wird mit Wasserstoff als ein Brenngas von der Wasserstoffversorgungsquelle 24 und mit Luft als ein Oxidantgas von der Luftversorgungsquelle 20 versorgt.
  • Der Reaktion nicht unterworfener Wasserstoff wird durch den Brenngaskreislaufkanal 40 der Brennstoffzelle wieder zum Gebrauch zugeführt.
  • Nicht der Reaktion unterworfene Luft wird als Abgas durch einen Luftauslaßkanal 32 in die Atmosphäre entlassen.
  • Während des Betriebs der Brennstoffzelle 402 entstehen in der Brennstoffzelle aufgrund der elektrochemischen Reaktion zwischen dem Oxidantgas, wie der Luft, und dem Brenngas, wie dem Wasserstoff, Feuchtigkeit und Wärme.
  • Die Brennstoffzelle 402 muß während des Betriebs auf einer gegebenen Betriebstemperatur (beispielsweise etwa 80°C) gehalten werden, um elektrische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad zu erzeugen. Zu diesem Zweck ist das Brennstoffzellensystem 400 mit dem Kühlsystem 408 ausgestattet, das einen Wärmeträger benutzt, um in der Brennstoffzelle 402 erzeugte Wärme nach der Außenseite des Systems abzustrahlen, um die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 402 in einem gegebenen Bereich zu regeln. Es ist auch festzustellen, daß bei der gegenwärtig beschriebenen Ausführungsform ein frostsicheres Kühlwasser als Wärmeträger benutzt wird, das bei niedrigen Temperaturen nicht einfrieren kann.
  • Das Kühlsystem 408 dient als Temperaturregeleinheit und schließt eine als geschlossene Schleife geführten Wärmeträgerkanal 412 ein, durch den im Kreislauf Kühlwasser fließt und der aus einem Kühler 414 in Form eines Wärmetauschers zur Kühlung des Wärmeträgers, und einer Wasserpumpe 415 besteht, durch die ein Kühlwasserstrom gefördert wird. Das über die Brennstoffzelle 402 fließende Kühlwasser wird im Kreislauf über den Wärmeträgerkanal 412 zum Kühler 414 geführt, in dem der Wärmeaustausch zwischen dem Kühlwasser und der Atmosphäre stattfindet. Die Brennstoffzelle 401 besitzt eine Struktur, die es dem Kühlwasser ermöglicht durch die entsprechenden Zelleneinheiten zu zirkulieren, die die Brennstoffzelle 402 bilden.
  • Weiterhin umfaßt das Kühlsystem einen Bypasskanal 418, der die Kühlwasser die Umgehung des Kühlers 414 ermöglicht, wobei ein Dreiwegeventil 420 dazu dient, kontinuierlich ein Teilungsverhältnis für den Durchfluß des über den Kühler 414 geführten Kühlwassers und dem Durchfluß des den Kühler 414 umgehenden Kühlwassers zu regulieren, sowie einen Lüfter 422, der einen Kühlluftstrom zum Kühler 414 fördert.
  • Der Steuerabschnitt 410 schließt eine Steuerung ein, die aus einer elektronischen Steuereinheit (ECU) mit einem aus einer CPU, einem ROM und einem RAM bestehenden Mikrocomputer und der zugehörigen peripheren Schaltung besteht und dazu dient die Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle 402 zu steuern.
  • Wie in 43 gezeigt, umfaßt das Brennstoffzellensystem der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform weiter einen Stromsensor 430, der einen lokalisierten Stromsensor zum Messen des einem spezifizierten lokalen Bereich in einer nachfolgend noch erläuterten Weise zugeordneten lokalisierten Stroms einschließt.
  • Die Brennstoffzelle 402 ist in ihrer Struktur identisch mit der Brennstoffzelle 12 des Brennstoffzellensystems 10 der ersten Ausführungsform und schließt einen Stapel von Zelleneinheiten ein, deren jede die gleiche MEA umfaßt, wie jene der Brennstoffzelle 12 der ersten Ausführungsform, einen Lufttrenner 432 und einen (nicht gezeigten) Wasserstofftrenner, zwischen denen sandwichartig eine MEA angeordnet ist. Deshalb wird hier eine detaillierte Erläuterung zur Vereinfachung der Beschreibung weggelassen.
  • Die 44 zeigt eine schematische Struktur des mit der (nicht gezeigten) MEA verbundenen Lufttrenners 432. Der Lufttrenner 432 besteht aus einem Trennerkörper 434, der mit einem Lufteinlaßabschnitt 436 mit dem Luftkanal 22 verbunden ist, einen Luftauslaßabschnitt 438, der mit dem Luftauslaßkanal 32 verbunden ist und einen Luftkanal 440 in Form einer zwischen dem Lufteinlaßabschnitt 436 und dem Luftauslaßabschnitt 438 ausgebildeten Ausnehmung, die eine Luftströmung zwischen dem Lufteinlaßabschnitt 436 und dem Luftauslaßabschnitt 438 ermöglicht.
  • Der Lufttrenner 432 ist plattenartig gestaltet und der Lufteinlaßabschnitt 436 und der Luftauslaßabschnitt 438 erstrecken sich vollständig in einer Richtung rechtwinklig zur ebene des Trennerkörpers 343. Der Luftkanal 440 ist im Trennerkörper mäanderartig ausgenommen.
  • Obwohl bei der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform der Stromsensor 430 schematisch in 44 als in einem spezifizierten lokalen Bereich des Trennerkörpers 434 in der Nähe des Lufteinlaßabschnitts angeordnet gezeigt ist, ist anzumerken, daß tatsächlich der Stromsensor 430 in dem spezifizierten Bereich einer (nicht gezeigten) Stromsammlerplatte in ähnlicher Weise befestigt ist, wie dies bei der ersten Ausführungsform gezeigt ist. Das heißt, der Stromsensor 430 ist auf der MEA in einem spezifizierten Bereich angeordnet, der sich in enger Nachbarschaft zum Lufteinlaßabschnitt 436 des Lufttrenners 432 befindet, wo die Elektrolytmembran dazu neigt auszutrocknen, und der die Trocknungscharakteristik repräsentiert.
  • Dabei nimmt im Vergleich zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt auf einer stromauf gelegenen Seite des Luftkanals 440 und dem Feuchtigkeitsgehalt auf einer stromab gelegenen Seite des Luftkanals 440 der Durchfluß des Oxidantgases ab, wenn es sich in Richtung auf die stromab gelegenen Seite des Luftkanals bewegt, mit einer resultierenden Tendenz zur Abnahme des Feuchtigkeitsgehalts auf der stromauf gelegenen Seite. Deshalb ist bei der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform der Luftsensor 430 auf der Brennstoffzelle 402 in deren spezifiziertem lokalen Bereich befestigt, der dem Lufteinlaßabschnitt 436 des Lufttrenners 432 einspricht, um den lokalisierten Strom zu messen, der für die Trocknungscharakteristik kennzeichnend ist, wo die Neigung besteht, daß in den (nicht gezeigten) Zelleneinheiten der Brennstoffzelle 402 eine Abnahme des Feuchtigkeitsgehalts stattfindet. Es ist auch zu bemerken, daß der Luftkanal 440 einem Oxidantgaskanal entspricht und der Stromsensor 430 einer Strommeßvorrichtung.
  • Es erfolgt nun eine detaillierte Beschreibung einer Grundabfolge der Aktionen des Brennstoffzellensystems 400 und des zugeordnete Verfahrens unter Bezugnahme auf die 45 und 46. Die 45 ist ein Flußdiagramm zur Darstellung einer Grundabfolge der Aktionen zur Steuerung des Betriebszustands der Brennstoffzelle 402 durch Steueraktionen, die die durch den Steuerabschnitt 410 derart ausgeführt werden, daß der lokalisierte Strom der Zelleneinheiten in einem gegebenen Bereich liegt. Die 46 zeigt auch ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle 402 und einem lokalisierten Stromwert der Brennstoffzelle 402.
  • Zunächst wird beim Schritt S140 durch den Stromsensor 430 der lokalisierte Strom gemessen, der für den Trocknungscharakter kennzeichnend ist und es wird im folgenden Schritt S142 ermittelt, ob der lokalisierte Strom geringer ist als ein erster vorab gegebener Wert I (siehe 46).
  • Falls beim Schritt S142 der lokalisierte Strom geringer ist als der erste vorab eingestellte Stromwert I1, ist anzunehmen, daß die Elektrolytmembran in einem der Lufteinlaßabschnitt 436 eng benachbarten Bereich ausgetrocknet ist mit dem Ergebnis einer Zunahme des Widerstands der Elektrolytmembran, was den dem Lufteinlaßabschnitt 436 zugeordneten lokalisierten Strom veranlaßt, abzunehmen. Deshalb kann bei einer solchen Situation angenommen werden, daß der Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle 402 sich verknappt hat, und der Steuerabschnitt 410 steuert das Kühlsystem 408 so, daß die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle sinkt. Insbesondere übt der Steuerabschnitt 410 beim schritt S144 eine solche Steuerung aus, daß die Drehzahl des Lüfters 422 zunimmt, während beim Schritt S146 der Öffnungsgrad des Dreiwegeventils 420 so erhöht wird, daß der Durchfluß des über den Kühler 414 geführten Kühlwassers zunimmt, wodurch die Kühlleistung des Kühlsystems 408 auf einen über dem Normalbetrieb liegenden Wert angehoben wird. Dies erlaubt es der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 402 abzusinken, was eine Zunahme der relativen Feuchtigkeit innerhalb der Brennstoffzelle 402 zum Ergebnis hat, woraus sich eine Zunahme der Benetzung der Elektrolytmembran ergibt.
  • Im Gegensatz dazu wird, wenn im Schritt S142 der lokalisierte Strom den ersten vorgegebenen Stromwert I1 übersteigt, im folgenden Schritt S148 von der Steuervorrichtung 410 ein Stromsteuerwert beibehalten und die Aktion schreitet weiter zum Schritt S152.
  • Im folgenden Schritt S152 wird entschieden, ob der lokalisierte Strom einen zweiten vorgegebenen Stromwert I2 überschreitet (vorausgesetzt daß I1<I2, siehe 46).
  • Falls beim Schritt S 152 der lokalisierte Strom den zweiten vorgegebenen Stromwert I2 überschreitet, dann ist anzunehmen, daß im Inneren der Brennstoffzelle ein übermäßiger Feuchtigkeitsgehalt vorhanden ist, der in einem Bereich der Elektrolytmembran, in einer dem Lufteinlaßabschnitt 436 näher gelegenen Position, eine Abnahme des Widerstands verursacht, mit einer sich dadurch ergebenden Zunahme des dem Lufteinlaßabschnitt 436 zugeordneten lokalisierten Stroms. Deshalb besteht ein Bedürfnis, die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 402 anzuheben um die Verdampfung des Wassers zu erleichtern und den Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle 402 zu reduzieren, und dadurch das Auftreten einer übermäßigen Feuchtigkeit innerhalb der Brennstoffzelle 402 auszuschließen. Demgemäß wird beim Schritt S154 der Steuerabschnitt 410 derart aktiv, daß er die Drehzahl des Lüfters 422 abwärts steuert, während im folgenden Schritt S156 der Öffnungsgrad des Dreiwegeventils 420 so geändert wird, daß der Durchfluß des über den Bypasskanal 418 geführten Kühlwassers zunimmt und dadurch die Kühlleistung des Kühlsystems 408 auf ein niedrigeres Niveau als beim Normalbetrieb absinkt. Das ermöglicht es, die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 402 zu erhöhen und dadurch di Verdampfung des Wassers im Inneren der Brennstoffzelle 402 zu fördern.
  • Im Gegensatz dazu wird bei den folgenden Schritten S158, S160, wenn beim Schritt S152 der lokalisierte Strom geringer ist als der zweite vorgegebene Stromwert I2, durch den Steuerabschnitt 410 die Steuerung so ausgeführt, daß der Drehzahl des Lüfters 422 und dem Öffnungsgrad des Dreiwegeventils 420 gestattet wird, ihre jeweils dem Normalbetrieb zugeordneten Werte wieder einzunehmen, so das die Kühlleistung des Kühlsystems 408 auf das Niveau für den Normalbetrieb eingestellt wird.
  • Wie oben dargelegt wurde, steuert beim Brennstoffzellensystem 400 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform der Steuerabschnitt 410 die Brennstoffzelle so, daß der lokalisierte Strom der Zelleneinheit so gesteuert wird, daß er in einem gegebenen Bereich zwischen dem ersten gegebenen Stromwert I1 und dem zweiten gegebenen Stromwert I2 liegt. Wie in 45 gezeigt, besteht eine Wechselbeziehung zwischen dem lokalisierten Stromwert und dem Feuchtigkeitsgehalt. Somit wird durch eine derartige Steuerung der Brennstoffzelle 402, daß sie einem lokalisierten Strom, der der Zelleneinheit an dem spezifizierten lokalen Bereich zugeordnet ist, wo der Mangel an Feuchtigkeitsgehalt leicht stattfindet, gestattet, im gegebenen Bereich zwischen dem ersten gegebenen Stromwert I1 und dem zweiten gegebenen Stromwert I2 zu liegen, wodurch der Feuchtigkeitsgehalt im richtigen Verhältnis gesteuert wird.
  • Bei dem Brennstoffzellensystem 400 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform führt die Steuerung des lokalisierten Stroms in einer Weise, die ihn veranlaßt, in einem geeigneten Bereich zu liegen, zu der Fähigkeit, den Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 402 im richtigen Verhältnis zu steuern. Auch kann, weil der lokalisierte Strom der Zelleneinheit sich schnell entsprechend der Veränderung des Feuchtigkeitsgehalts der Brennstoffzelle 402 verändert, der lokalisierte Strom schnell gesteuert werden.
  • (Elfte Ausführungsform)
  • Ein Brennstoffzellensystem einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein zugeordnetes Verfahren werden unten unter Bezugnahme auf die 47 und 48 besprochen, wobei die gleichen Bestandteile wie beim zehnten Ausführungsbeispiel mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden, um Wiederholungen in der Beschreibung zu vermeiden.
  • Das Brennstoffellensystem 451 der elften Ausführungsform unterscheidet sich von der zehnten Ausführungsform dadurch, daß bei der zehnten Ausführungsform der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 402 durch Regulierung der Temperatur der Brennstoffzelle 402 gesteuert wird, während bei der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 402 gesteuert wird durch die Regelung der Befeuchtungsrate des der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden Reaktionsgases.
  • Die 47 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung der Gesamtanordnung des Brennstoffzellensystems 450 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform, und die 48 ist ein Flußdiagramm zur Darstellung einer Grundabfolge der Aktionen zur Steuerung eines Betriebszustands der Brennstoffzelle in der Weise, daß unter den Steueraktionen des Brennstoffzellensystems 450 der lokalisierte Strom in einem gegebenen Bereich liegt.
  • Wie in 47 gezeigt, schließt das Brennstoffzellensystem 450 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform eine Befeuchtungsvorrichtung 451 zur Steuerung wenigstens eines Befeuchtungsverhältnisses des der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden Oxidantgases und/oder eines Befeuchtungsverhältnisses des der Brennstoffzelle zuzuführenden Brenngases ein. Die Befeuchtungsvorrichtung 451 schließt einen Luftbefeuchter 452 ein, der zur Befeuchtung der Luft im Luftkanal 22 stromab von der Luftversorgungsquelle 20 angeordnet ist, und einen Wasserstoffbefeuchter 454, der zur Befeuchtung des Wasserstoffs im Wasserstoffkanal 26 stromab der Wasserstoffversorgungsquelle 24 angeordnet ist.
  • Das Brennstoffzellensystem 450 schließt weiter einen Steuerabschnitt 456 ein, durch den die Befeuchter 452, 454 der Befeuchtungsvorrichtung 451 in einer nachfolgend im Detail beschriebenen Weise gesteuert werden.
  • Wie in 48 gezeigt, mißt zunächst beim Schritt S162 der Stromsensor 430 den lokalisierten Strom der Zelleneinheit der Brennstoffzelle 402. Beim folgenden Schritt S164 erhöht dann, wenn der lokalisierte Strom geringer ist als der erste vorgegebene Stromwert I1, im Schritt S166 der Steuerabschnitt 456 das Luftbefeuchtungsverhältnis, wobei die Benetzung der (nicht gezeigten) Elektrolytmembran erleichtert wird. Im Gegensatz dazu wird, falls beim Schritt S154 der lokalisierte Strom den ersten gegebenen Stromwert I1 überschreitet, beim Schritt S168 vom Steuerabschnitt 456 ein Stromwert aufrechterhalten.
  • Beim nachfolgenden Schritt S170 betätigt der Steuerabschnitt 456, falls der lokalisierte Strom den zweiten vorgegebenen Wert I2 überschreitet, den Luftbefeuchter 452 derart, daß das Luftbefeuchtungsverhältnis abnimmt, wodurch der Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle 402 reduziert wird. Im Gegensatz dazu wird, falls beim Schritt S170 der lokalisierte Strom geringer ist als der zweite vorgegebene Stromwert I2, im folgenden Schritt S174 durch den Steuerabschnit 456 der Luftbefeuchter 452 derart betätigt, daß das Luftbefeuchtungsverhältnis wird auf den normalen wert zurückgesetzt wird.
  • Mit der vorstehend behandelten Struktur ermöglicht es die Steuerung des lokalisierten Stroms der Brennstoffzelle 402 dem lokalisierten Strom; im gegebenen Bereich zwischen dem ersten vorgegebenen Stromwert I1 und dem zweiten vorgegebenen Stromwert I2 zu bleiben, was eine verläßliche Betriebsweise zur Steuerung des Feuchtigkeitsgehalts der Brennstoffzelle 402 im richtigen Verhältnis zur Folge hat.
  • Mit dem Brennstoffzellensystem 450 der gegenwärtig betrachteten, vorstehend dargelegten Ausführungsform werden die gleichen vorteilhaften Wirkungen erzielt wie jene der zehnten Ausführungsform. Auch kann der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 402 schnell gesteuert werden, wenn der Feuchtigkeitsgehalt in der mit der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform beschriebenen Weise gesteuert wird.
  • Außerdem ist, obwohl das Brennstoffzellensystem 450 gemäß der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform in Verbindung mit einer beispielsweisen Struktur beschrieben wurde, bei der nur das Luftbefeuchtungsverhältnis gesteuert wird, keine Begrenzung auf eine solche besondere Anordnung beabsichtigt, und alternative Anordnungen können nur den Wasserstoffbefeuchter enthalten, durch den nur das Wasserstoffbefeuchtungsverhältnis gesteuert wird. Bei einer anderen Alternative können sowohl der Luftbefeuchter 452 und der Wasserstoffbefeuchter 454 betrieben werden, um das Luftbefeuchtungsverhältnis bzw. das Wasserstoffbefeuchtungsverhältnis zu steuern.
  • (Zwölfte Ausführungsform)
  • Es werden nun nachfolgend unter Bezugnahme auf die 49 und 50 ein Brennstoffzellensystem nach einer zwölften Ausführungsform und ein zugeordnetes Verfahren beschrieben, wobei die gleichen Bestandteile wie jene der zehnten Ausführungsform mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, um Weitschweifigkeiten der Beschreibung zu vermeiden. Die gegenwärtig betrachtete Ausführungsform unterscheidet sich von der zehnten Ausführungsform dadurch, daß bei der zehnten Ausführungsform der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle durch die Steuerung der Temperatur der Brennstoffzelle gesteuert wird, während bei der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform der Druck der der Brennstoffzelle 402 zugeführten Luft dem Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 402 steuert.
  • Die 49 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung der Gesamtanordnung eines Brennstoffzellensystems 460 gemäß der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform, und die 50 ist ein Flußdiagramm, das die Grundabfolge der Aktionen unter den Steueraktionen des Brennstoffzellensystems 460 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform darstellt, zur Steuerung des Betriebszustands der Brennstoffzelle in der Weise, daß der lokalisierte Strom in einem gegebenen Bereich liegt.
  • Wie in 49 gezeigt, schließt das Brennstoffzellensystem 460 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform eine Druckreglereinheit 461 ein, die ein Druckregelventil 462, umfaßt, das im Luftauslaßkanal 32 stromab von der Brennstoffzelle 402 angeordnet ist.
  • Das Brennstoffzellensystem 460 schließt weiter einen Steuerabschnitt 464 ein, durch den das Luftdruckreglerventil 462 in der unter im Detail beschriebenen Weise gesteuert wird.
  • Wie in 50 gezeigt, mißt beim ersten Schritt S176 der Stromsensor 430 den lokalisierten Strom der Zelleneinheit der Brennstoffzelle 402. Wird beim folgenden Schritt S178 festgestellt, daß der lokalisierte Strom geringer ist als der erste vorgegebene Stromwert I1, betätigt im folgenden Schritt S180 der Steuerabschnitt 464 das Luftdruckreglerventil 464 derart, daß der Druck der der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden Luft ansteigt, wodurch die relative Luftfeuchtigkeit angehoben wird, was die Benetzung der (nicht gezeigten) Elektrolytmembran erhöht. Wenn im Gegensatz dazu beim Schritt S178 der lokalisierte Strom den ersten gegebenen Wert I1 übersteigt, behält der Steuerabschnitt 464 den Stromsteuerwert bei.
  • Beim folgenden Schritt S184 betätigt der Steuerabschnitt 464, wenn der lokalisierte Strom den zweiten vorgegebenen Wert I2 übersteigt, das Luftdruckregelventil 462 derart, daß der Druck der der Brennstoffzelle zuzuführenden Luft sinkt, was die Verdampfung von Wasser innerhalb der Brennstoffzelle 402 erleichtert: Im Gegensatz dazu betätigt der Steuerabschnitt 464, wenn beim Schritt S184 der lokalisierte Strom geringer ist als der vorgegebene Wert I2, das Luftdruckregelventil 462 derart, daß der Druck der der Brennstoffzelle zuzuführenden Luft auf den normalen Wert zurückgesetzt wird.
  • Mit der oben erwähnten Anordnung erlaubt die Steuerung des Drucks der der Brennstoffzelle zuzuführenden Luft in Abhängigkeit von dem lokalisierten Strom der Zelleneinheit der Elektrolytmembran eine geeignete Feuchtigkeit zwischen dem ersten vorab eingestellten Stromwert I1 und dem zweiten vorab eingestellten Stromwert I2, was eine verläßliche Betriebsweise der Brennstoffzelle 402 zur Folge hat. Dementsprechend besitzt das Brennstoffzellensystem 460 nach der derzeit betrachteten Ausführungsform den gleichen Vorteil wie jene der zehnten Ausführungsform.
  • (Dreizehnte Ausführungsform)
  • Ein Brennstoffzellensystem einer dreizehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein zugehöriges Verfahren werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 51 und 52 beschrieben, wobei gleichen Elementen wie jenen der zehnten Ausführungsform gleiche Bezugszahlen zugewiesen wurden, um Wiederholungen in der Beschreibung zu vermeiden.
  • Die dreizehnte Ausführungsform unterscheidet sich von der zehnten Ausführungsform dadurch, daß in der zehnten Ausführungsform zur Steuerung der Feuchtigkeit der Brennstoffzelle 402 die Temperatur der Brennstoffzelle 402 benutzt wurde, während bei der dreizehnten Ausführungsform die Steuerung der Temperatur der der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden Luft zur Steuerung der Feuchtigkeit der Brennstoffzelle 402 benutzt wird.
  • Die 51 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung der Gesamtanordnung des Brennstoffzellensystems 407 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform und die 52 ist ein Flußdiagramm zur Darstellung der Grundabfolge von Aktionen zur Steuerung eines Betriebszustands der Brennstoffzelle 402 in der Weise, daß unter den Steuerungsaktionen des Brennstoffzellensystems 470 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform der lokalisierte Stromwert in einem gegebenen Bereich liegt.
  • Wie in 51 gezeigt, schließt das Brennstoffzellensystem 470 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform eine Temperaturreglereinheit 471 ein, die aus einem Kühler 472 besteht, der in den Luftkanal 22 stromab von der Luftversorgungsquelle 20 angeordnet ist, um einen Wärmetausch zwischen der der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden Luft und der Atmosphäre (der atmosphärischen Luft) durchzuführen, um die Temperatur des der Brennstoffzelle 402 zuzuführend Oxidantgases zu regeln, und aus einem Lüfter 474, der einen Luftstrom zum Kühler fördert. Das Brennstoffzellen system 470 schließt außerdem eine Steuerung ein, durch die der Kühler 472 und der Lüfter 474 in einer nachfolgend im Detail beschriebenen Weise gesteuert werden.
  • Wie in 52 gezeigt, mißt beim Schritt 5190 der Stromsensor 430 den lokalisierten Strom der Zelleneinheit der Brennstoffzelle 402. Wenn im festgestellt wird, daß der lokalisierte Strom geringer ist als der erste voreingestellte Stromwert I1, wird im Schritt S194 durch den Steuerabschnitt 476 der Lüfter 472 aktiviert, so daß der Durchfluß der dem Kühler 472 zuzuführenden Luft erhöht wird, um deren Kühlungskapazität zur Absenkung der Temperatur der der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden Luft zu erhöhen, wodurch die relative Feuchtigkeit zur Erleichterung der Benetzung der (nicht gezeigten) Elektrolytmembran erhöht wird. Im Gegensatz dazu behält im Schritt S196 der Steuerabschnitt 476 den Stromsteuerwert bei, wenn der lokalisierte Strom den ersten voreingestellten Stromwert I1 überschreitet.
  • Falls Im folgenden Schritt S197 festgestellt wird, daß der lokalisierte Strom den zweiten voreingestellten Stromwert I2 überschreitet, dann senkt der Steuerabschnitt 476 die Drehzahl des Lüfters 474, um die Kühlkapazität des Kühlers 472 zu senken, damit die Temperatur der der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden Luft erhöht wird, was die Verdampfung der Feuchtigkeit in der Bennstoffzelle 402 erleichtert. Falls beim Schritt S197 im Gegensatz dazu festgestellt wird, daß der lokalisierte Strom geringer ist als der zweite voreingestellte Stromwert I2, dann wird im folgenden Schritt S199 der Steuerabschnitt 476 den Durchfluß der vom Lüfter geförderten Luft so regeln, daß die Temperatur der zur Brennstoffzelle 402 zu fördernden Luft auf den normalen Wert zurückgeführt wird.
  • Bei der oben erwähnten Anordnung erlaubt die Regelung der Temperatur des der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden Oxidantgases in Abhängigkeit von dem dem spezifizierten Bereich der Elektrolytmembran zugeordneten lokalisierten Strom die genaue Steuerung der Feuchtigkeit der Brennstoffzelle 402, was zu einer verläßlichen Betriebsweise zur Steuerung des Feuchtigkeitsgehalts der Brennstoffzelle 402 im richtigen Verhältnis führt. Dementsprechend hat das Brennstoffzellensystem 470 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform den gleichen Vorteil wie jenes der zehnten Ausführungsform.
  • (Vierzehnte Ausführungsform)
  • Ein Brennstoffzellensystem gemäß der vierzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein zugeordnetes Verfahren werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 53 beschrieben, wobei den gleichen Elementen wie jenen der zehnten Ausführungsform gleiche Bezugszahlen zugewiesen wurden, um Wiederholungen in der Beschreibung zu vermeiden.
  • Beim Brennstoffzellensystem 480 der dreizehnten Ausführungsform wird die Feuchtigkeit der Brennstoffzelle 402 gesteuert durch die Steuerung der Temperatur der der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden Luft, und die gegenwärtig betrachtete Ausführungsform unterscheidet sich von der dreizehnten Ausführungsform dadurch, daß die vierzehnte Ausführungsform einen Wärmetauscher enthält zur Steuerung der Temperatur der der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden Luft, der eine im Detail unterschiedliche Struktur gegenüber der dreizehnten Ausführungsform aufweist.
  • Die 53 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung der Gesamtanordnung des Brennstoffzellensystems 480 der vierten modifizierten Form der vierten Ausführungsform.
  • Wie in 53 gezeigt, schließt das Brennstoffzellensystem 480 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform schließt eine Temperaturreglereinheit 482 ein, die im Luftkanal 22 stromab von der Luftversorgungsquelle 20 angeordnet ist, um einen Wärmeaustausch zwischen der der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden Luft und dem Kühlwasser des Kühlsystems 408 zu bewirken. Das Kühlsystem 408, das als Temperaturregler dient, schleißt weiter einen Kanal 484 für ein zur Luftkühlung dienendes Kühlmittel ein und ein zweites Dreiwegeventil 486, das in der Lage ist, kontinuierlich den Kühlwasserdurchfluß zur Temperaturreglereinheit 482 zu regeln. Das Brennstoffzellen system 480 schließt weiter einen Steuerabschnitt 488 ein, durch den das zweite Dreiwegeventil 486 gesteuert wird.
  • Bei einer solchen Anordnung mißt der Stromsensor 430 den lokalisierten Strom der Zelleneinheit der Brennstoffzelle 402. Und falls der lokalisierte Strom geringer ist als der erste vorab eingestellte Stromwert I1, dann bestätigt der Steuerabschnitt 488 das zweite Dreiwegeventil 486 derart, daß der Durchfluß des der Temperaturreglereinheit 482 zuzuführenden Kühlwassers erhöht wird, um DIE Kühlungskapazität der Temperaturreglereinheit 482 zu erhöhen und dadurch die Temperatur der der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden Luft zu senken, um dadurch die relative Feuchte zu erhöhen und die Benetzung der (nicht gezeigten) Elektrolytmembran zu erleichtern. Falls im Gegensatz dazu festgestellt wird, daß der lokalisierte Strom den ersten vorgegebenen Stromwert I1 übersteigt, dann steuert des Steuerabschnitt 488 das zweite Dreiwegeventil 486 derart, daß der Durchfluß des der Temperaturreglereinheit 482 zuzuführenden Kühlwassers so geregelt wird, daß die Temperatur der der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden Luft auf das normale Niveau zurückgesetzt wird.
  • Weiter steuert dann, wenn der lokalisierte Strom den zweiten vorgegebenen Stromwert I2 übersteigt, der Steuerabschnitt 488 das zweite Dreiwegeventil 486 so, daß der Durchfluß der zur Temperaturreglereinheit 492 zu fördernden Kühlwassers abnimmt, um die Kühlungskapazität der Temperaturreglereinheit 482 zu senken und die Verdampfung der Feuchtigkeit in Inneren der Brennstoffzelle 402 zu erleichtern. Falls dazu im Gegensatz festgestellt wird, daß der lokalisierte Strom geringer ist als der zweite vorgegebene Stromwert I2, dann steuert der Steuerabschnitt 488 das zweite Dreiwegeventil 486 derart, daß der Durchfluß des Kühlwassers zur Temperaturreglereinheit 482 geeignet ist, die Temperatur der der Brennstoffzelle 402 zugeführten Luft auf das normale Niveau zurückzuführen.
  • Bei der vorstehend geschilderten Anordnung ermöglicht es die Steuerung der Temperatur des der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden Oxidantgases in Abhängigkeit von dem dem spezifizierten lokalen Bereich der Brennstoffzelle 402 zugeordneten lokalisierten Strom, die relative Feuchte der Brennstoffzelle 402 so zu steuern, daß sie in einem optimalen Bereich liegt, was zu einer verläßlichen Betriebsweise bei der Steuerung des Feuchtigkeitsgehalts der Brennstoffzelle 402 im richtigen Verhältnis führt. Dem entsprechend bietet das Brennstoffzellensystem 480 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform den gleichen Vorteil wie jenes nach der zehnten Ausführungsform.
  • (Fünfzehnte Ausführungsform)
  • Als nächstes werden ein Brennstoffzellensystem gemäß einer fünfzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein ihm zugeordnetes Verfahren im Detail beschrieben unter Bezugnahme auf die 54 bis 56.
  • Das Brennstoffzellensystem der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform wird bei einem elektrischen Fahrzeug (brennstoffzellengetriebenes Fahrzeug) angewandt, das geeignet ist, durch eine Energiequelle in Form einer Brennstoffzelle betrieben zu werden.
  • Die 54 ist eine schematische Ansicht zu Darstellung der Gesamtanordnung des Brennstoffzellensystems 500 nach der fünfzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und die gleichen Elemente wie jene der ersten und der zehnten Ausführungsform tragen gleiche Bezugszahlen, um Wiederholungen in der Beschreibung zu vermeiden.
  • Wie in 54 gezeigt, umfaßt das Brennstoffzellensystem der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform eine Brennstoffzelle 402, eine Wasserstoffversorgungseinheit 501 einschließlich einer Wasserstoffversorgungsquelle 24 und eines Wasserstoffauslaßventils 502, das im Wasserstoffauslaßkanal 40 angeordnet ist, um den Wasserstoffauslaßkanal 40 zu öffnen und zu schließen, eine eine Luftpumpe umfassende Luftversorgungsquelle 20, ein Kühlsystem 408, das als Temperaturreglereinheit dient, und einen Steuerabschnitt 504, um die Wasserstoffkonzentration der Brennstoffzelle 402 zu verändern, die Kühlwasserpumpe 416, das Dreiwegeventil 420 und den Lüfter 422. Die Wasserstoffversorgungseinheit 501 dient der Steuerung der Wasserstoffkonzentration der Brennstoffzelle 402 in Abhängigkeit vom lokalisierten Strom, der repräsentativ ist für die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik der Brennstoffzelle 402 in einer nachfolgend im Detail beschrieben Weise.
  • Der Steuerabschnitt 504 schließt eine Steuerung ein, die eine elektronische Steuereinheit (ECU) umfaßt, die einen Mikrocomputer mit einer CPU, einem ROM, einem RAM und der zugehörigen peripheren Schaltung einschließt.
  • Die Brennstoffzelle 402 ist in ihrer Struktur identisch mit der Brennstoffzelle 12 des Brennstoffzellensystems 10 der ersten Ausführungsform und schließt einen Stapel von Zelleneinheiten ein, deren jede die gleiche MEA einschließt wie jene der Brennstoffzelle 12, bei der der Lufttrenner und ein Wasserstofftrenner 510 die MEA sandwichartig zwischen sich einschließen. Es wird deshalb eine detaillierte Beschreibung der Brennstoffzelle 402 hier zur Vereinfachung der Beschreibung weggelassen.
  • Die 55 zeigt eine schematische Struktur des der (nicht gezeigten) MEA zugeordneten Wasserstofftrenners 510. Der Wasserstofftrenner 510 besteht aus einem Trennerkörper 512, der mit einem Wasserstoffeinlaßabschnitt 514 ausgebildet ist, der mit dem Wasserstoffkanal 26 verbunden ist, einem Wasserstoffauslaßabschnitt 516, der mit dem Wasserstoffauslaßkanal 40 verbunden ist, und einem Wasserstoffkanal 518, der in Form einer Ausnehmung zwischen dem Wasserstoffeinlaßabschnitt 514 und dem Wasserstoffauslaßabschnitt 516 ausgebildet ist, um einem Wasserstoffstrom zu ermöglichen, vom Wasserstoffeinlaßabschnitt 514 zum Wasserstoffauslaßabschnitt 516 zu fließen.
  • Der Wasserstofftrenner ist in einer plattenartigen Gestalt ausgebildet und der Wasserstoffeinlaßabschnitt 514 und der Wasserstoffauslaßabschnitt 516 erstrecken sich durchgehend in einer zur Ebene des Trennerkörpers 512 rechtwinkligen Ebene. Der Wasserstoffkanal 518 ist im Trennerkörper 512 in einem Mäandermuster ausgeformt.
  • Obwohl die Lage des Stromsensor 430 in 55 schematisch so dargestellt ist, als sei er in einem lokalisierten Bereich des Trennerkörpers 512 in einer Position angeordnet, die sich nahe beim Wasserstoffauslaßabschnitt 516 befindet, ist doch zu verstehen, daß bei der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform der Stromsensor 430 tatsächlich in einem lokalen Bereich der Brennstoffzelle 402 montiert ist, die für eine Wasserstoffkonzentrationscharakteristik kennzeichnend ist und wo die Neigung. besteht, daß ein Wasserstoffmangel auftritt, d.h. in einer Position, in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt 516 des Wasserstofftrenners 510.
  • Es sei hier erwähnt, daß aufgrund des Vorhandenseins von Stickstoff oder Dampf, der durch die positive Elektrode (Oxidantelektrode) dringt, die Wasserstoffkonzentration im Wasserstoffkanal 518 speziell in einem in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt 516 gelegenen lokalisierten Bereich abnimmt. Deshalb ist bei der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform der Stromsensor 430 auf der Brennstoffzelle 402 in einem spezifizierten lokalen Bereich befestigt, der kennzeichnend ist für die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik, wo die Neigung zu einem Mangel an Wasserstoff besteht, d.h. in einer Position, die dem Wasserstoffauslaßabschnitt 516 des Wasserstofftrenners 512 entspricht, um den lokalisierten Strom zu messen, der die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik der Brennstoffzelle 402 repräsentiert. Es ist zu verstehen, daß der Wasserstoffkanal 518 einem Brenngaskanal und der Stromsensor 430 einer Strommeßvorrichtung entspricht.
  • Nun wird eine Grundabfolge der Aktionen des Brennstoffzellensystems 500 und eines zugeordneten Verfahrens unter Bezugnahme auf die 56 sowie 57A und 57B beschrieben. Die 56 ist ein Flußdiagramm zur Darstellung einer Basissequenz der Aktionen zur Steuerung eines Betriebszustands der Brennstoffzelle 402 unter den Steueraktionen, die von dem Steuerabschnitt 504 derart ausgeführt werden, daß die Wasserstoffkonzentration in Abhängigkeit vom lokalisierten Strom der Zelleneinheit geregelt wird. Die 57A und 57B zeigen Diagramme zur Darstellung der Bezie hung zwischen dem lokalisierten, dem Wasserstoffauslaßabschnitt zugeordneten Stromwert und der Auslaßmenge des Wasserstoffs.
  • Zunächst mißt beim Schritt S200 der Stromsensor 430 den lokalisierten Strom der Zelleneinheit in deren in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt 516 gelegenem lokalen Bereich und im folgenden Schritt S202 wird herausgefunden, ob der lokalisierte Strom geringer ist als ein gegebener Strom I0 (siehe 57A).
  • Falls beim Schritt S202 festgestellt wird, daß der die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik repräsentierende lokalisierte Strom geringer ist als der gegebene Strom I0, wird angenommen, daß in dem spezifizierten lokalen Bereich in der Nähe des Wasserstoffauslaßabschnitts 516 ein Wasserstoffmangel besteht. Deshalb öffnet in einer solchen Situation auf den Schritt S204 folgend der Steuerabschnitt 504 das Wasserstoffauslaßventil 502, um Stickstoff und Dampf, die im Wasserstoffauslaßabschnitt 516 verbleiben, zusammen mit nicht von der Reaktion erfaßtem Wasserstoff das Entweichen zur Außenseite des Systems zu ermöglichen. Dadurch wird übrigbleibendem Stickstoff und Dampf das Entweichen ermöglicht mit der Folge, daß die Wasserstoffkonzentration ansteigt, was dazu führt, daß der lokalisierte, dem Wasserstoffauslaßabschnitt 516 zugeordnete Strom ansteigt.
  • Falls im Gegenteil beim Schritt S202 der lokalisierte Strom den gegebenen Strom I0 übersteigt, wird angenommen, daß eine erforderliche Minimalmenge von Wasserstoff im Wasserstoffauslaßabschnitt 516 der Zelleneinheit erhöht wird, und deshalb schließt im folgenden Schritt S206 der Steuerabschnitt 54 das Wasserstoffauslaßventil 502, um den Austritt von nicht von der Reaktion erfaßtem Wasserstoff zu unterbrechen. Auf diese Weise wird Wasserstoff an die Atmosphäre in intermittierender Folge abgegeben, wie in 57B gezeigt. Nach der Ausführung einer Serie dieser Aktivitäten wird im Wasserstoffauslaßabschnitt 516 der erforderliche Minimalbetrag an Wasserstoff vergrößert und die Menge des nicht von der Reaktion erfaßten und nach außen entleerten Wasserstoffs wird minimiert, was ein Gleichgewicht zur Folge hat zwischen einer Anti- Verschlechterung der Elektrode und der Verhinderung einer Verschlechterung des Wirkungsgrades.
  • Wie oben dargelegt, kann mit dem Brennstoffzellensystem 500 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform das Auftreten einer Verknappung des Wasserstoffs in der Zelleneinheit der Brennstoffzelle wirksam verhindert werden, während die Menge des auszustoßenden, von der Reaktion nicht erfaßten Wasserstoffs so gering wie möglich ist, weil der Steuerabschnitt 504 vorgesehen ist, der eine solche Steuerung durchführt, daß, falls ein dem Wasserstoffauslaßabschnitt 516 der Zelleneinheit 402 zugeordneter lokalisierter Strom geringer ist als der gegebene Strom I0 nicht von der Reaktion erfaßter Wasserstoff usw. nach der Außenseite des Systems ausgestoßen werden, um die Wasserstoffkonzentration in der Zelleneinheit 402 zu erhöhen, während dann, wenn dem Wasserstoffauslaßabschnitt 516 zugeordnete lokalisierte Strom den gegebenen Strom I0 übersteigt, das Ablassen des nicht von der Reaktion erfaßten Wasserstoffs usw. unterbrochen wird.
  • Während das Brennstoffzellensystem 500 nach der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform oben in Verbindung mit einer beispielhaften Anordnung beschrieben wurde, in der das im Wasserstoffauslaßkanal 40 angeordnete Wasserstoffauslaßventil 502 voll geöffnet oder voll geschlossen ist, ist keine Beschränkung hierauf beabsichtigt und eine Alternative kann eine Anordnung einschließen, die ein Wasserstoffauslaßventil der Bauart aufweist, dessen Öffnungsgrad veränderlich geregelt werden kann, um die Menge des nicht von der Reaktion erfaßten Wasserstoffs usw. zu steuern, die ausgestoßen werden soll.
  • Bei einer solchen Anordnung kann das Wasserstoffauslaßventil 502 so geregelt werden, daß, wenn der dem Wasserstoffauslaßabschnitt 516 zugeordnete lokalisierte Strom der Zelleneinheit den gegebenen Strom I0 übersteigt, der Öffnungsgrad des Wasserstoffauslaßventils leicht reduziert wird, um nicht von der Reaktion erfaßten Wasserstoff usw. mit niedrigem Durchfluß nach der Außenseite des Systems auszutreibenden, während dann, wenn der dem Wasserstoffauslaßabschnitt 516 der Zelleneinheit zugeordnete lokalisierte Strom geringer ist als der gegebene Strom I0, der Öffnungsgrad des Wasserstoffauslaßventils erhöht wird, um nicht von der Reaktion erfaßtem Wasserstoff usw. zu gestatten, mit einem Durchfluß nach der Außenseite des Systems ausgetrieben zu werden, der höher ist als wenn der lokalisierte Strom den gegebenen Strom I0 übersteigt. Dies führt zu einem Erfolg darin, beim Wasserstoffauslaßabschnitt der Zelleneinheit einen Mangel an Wasserstoff zu vermeiden, was eine in hohem Maße gesteigerte Zuverlässigkeit des Betriebes zur Folge hat.
  • (Sechzehnte Ausführungsform)
  • Ein Brennstoffzellensystem einer sechzehnten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung und ein zugeordnetes Verfahren werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 58 beschrieben.
  • Das Brennstoffzellensystem 520 nach der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Brennstoffzellensystem 500 der fünfzehnten Ausführungsform darin, daß in der fünfzehnten Ausführungsform das Brennstoffzellensystem 500 eine Bauform ohne Kreislauf darstellt, bei welcher nicht von der Reaktion erfaßter Wasserstoff usw., die nicht für die Reaktion in der Brennstoffzelle benutzt wurden, nach der Außenseite des Systems durch den Wasserstoffauslaßkanal 40 ausgetrieben werden, und beim gegenwärtig betrachteten Ausführungsbeispiel besitzt die Wasserstoffversorgungseinheit 501 des Brennstoffzellensystems 520 eine Anordnung des Zirkulationstyps, bei welcher nicht von der Reaktion erfaßter Wasserstoff usw. über einen Gasrückführkanal 522 zum Wasserstoffkanal 26 zurückgeführt werden.
  • Die 58 ist eine schematische Ansicht, die eine Gesamtanordnung des Brennstoffzellensystems 520 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die gleichen Elemente wie jene der fünfzehnten Ausführungsform gleiche Bezugszahlen tragen, um die Beschreibung zu vereinfachen.
  • Wie in 58 gezeigt, umfaßt das Brennstoffzellensystem der der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform 520 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform zusätzlich einen Wasserstoffrückführkanal 522, der eine Verbindung zwischen dem Wasserstoffkanal 216 und dem Brenngasauslaßkanal 40 darstellt, eine Wasserstoffumwälzpumpe 524, die im Wasserstoffrückführkanal 522 angeordnet ist, um nicht von der Reaktion erfaßten Wasserstoff usw. unter Druck zum Brenngasauslaßkanal 40 zu fördern. Der Brenngasauslaßkanal 40 besitzt einen Zweigkanal 40a, der vom Wasserstoffrückführkanal 522 abzweigt, und das Wasserstoffauslaßventil 502 ist im Zweigkanal 40a angeordnet. Der Wasserstoffrückführkanal 522 entspricht einem Rückführkanal der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform und das Wasserstoffauslaßventil 502 entspricht einem Auslaßventil der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform. Ein Wasserstoffsteuerventil 526.
  • Wie in 28 gezeigt schließt das Brennstoffzellensystem 520 weiter einen Steuerabschnitt 528 ein, der aus einer Steuerung besteht, die auf den lokalisierten Strom der Zelleneinheit 402 anspricht, um Steuersignale zu erzeugen, die der Luftpumpe 20, der Kühlwasserpumpe 416, dem Dreiwegeventil 420, dem Lüfter 422, den Wasserstoffauslaßventil 502, der Wasserstoffumwälzpumpe 524 und dem Wasserstoffsteuerventil 526 zugeleitet werden.
  • Bei der in Betrieb befindlichen, vorstehend beschriebenen Anordnung mißt der Stromsensor 430 den lokalisierten Strom der Zelleneinheit 402 im spezifizierten lokalen Bereich in der engen Nachbarschaft des Wasserstoffauslaßabschnitts 516 (siehe 55) und es wird entschieden, ob der lokalisierte Strom geringer ist als ein gegebener Strom I0.
  • Falls der lokalisierte Strom geringer ist als der gegebene Strom I0, öffnet der Steuerabschnitt 528 das Wasserstoffauslaßventil 502, um im Wasserstoffauslaßabschnitt 516 der Zelleneinheit verbliebenen Stickstoff und Dampf zusammen mit nicht von der Reaktion erfaßtem Wasserstoff zur Außenseite des Systems zu entleeren. Das erlaubt es, den verbliebenen Stickstoff und den Dampf mit einer resultierenden Zunahme der Wasserstoffkonzentration auszutreiben, was zu einer Zunahme des dem Wasserstoffauslaßabschnitt 516 zugeordneten lokalisierten Stroms führt.
  • Falls im Gegensatz hierzu der lokalisierte Strom den gegebenen Strom I0 übersteigt, schließt der Steuerabschnitt 528 das Wasserstoffauslaßventil 502 um den Ausstoß von nicht von der Reaktion erfaßten Wasserstoff usw. zur Außenseite zu unterbrechen. Wenn dies stattfindet, wird die Wasserstoffumwälzpumpe 524 durch den Steuerabschnitt 528 aktiviert, um es zu ermöglichen, nicht von der Reaktion erfaßten Wasserstoff durch den Rückführkanal 522 und den Wasserstoffkanal 26 zur Wiederverwendung zur Brennstoffzelle 420 zurückzuführen.
  • Nach der Ausführung einer Serie dieser Aktionen wird die verbleibende Minimalmenge des Wasserstoffs im Wasserstoffauslaßabschnitt 516 vergrößert und die Menge des nicht von der Reaktion erfaßten Wasserstoffs wird minimiert, mit dem Ergebnis eines Gleichgewichts zwischen einer Anti-Verschlechterung an der Elektrode und einer Verhinderung der Verschlechterung des Wirkungsgrads. Somit hat das Brennstoffzellensystem 520 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform den gleichen Vorteil wie jene der fünfzehnten Ausführungsform.
  • Während das Brennstoffzellensystem 520 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform in Verbindung mit einer beispielhaften Anordnung beschrieben wurde, die dann, wenn der lokalisierte Strom geringer ist als der gegebene Strom I0, das Wasserstoffauslaßventil 502 öffnet, um die Wasserstoffkonzentration im Wasserstoffauslaßabschnitt 516 der Zelleneinheit 402 zu erhöhen, st durch eine spezielle Anwendung keine Begrenzung beabsichtigt.
  • Eine Alternative kann eine Struktur einschließen, bei der, falls der lokalisierte Strom den gegebenen Strom I0 übersteigt, der Steuerabschnitt 528 die Wasserstoffumwälzpumpe 524 mit einer niedrigen Drehzahl antreibt, um nicht von der Reaktion erfaßten Wasserstoff zur Zelleneinheit 402 mit geringem Durchfluß zurückzuführen, und falls der lokalisierte Strom geringer ist als der gegebene Strom I0, treibt der Steuerab schnitt 528 die Wasserstoffumwälzpumpe mit einer erhöhten Drehzahl an, um nicht von der Reaktion erfaßten Wasserstoff usw. mit einem höheren Durchfluß als dem Durchfluß, der eingestellt ist, wenn der lokalisierte Strom den gegebenen Strom I0 übersteigt, zur Brennstoffzelle 402 zurückzuführen, um dadurch Stickstoff und Dampf, die im Wasserstoffauslaßabschnitt 516 verbleiben, sicher zur Zelleneinheit 402 zurückzuführen und dadurch die Wasserstoffkonzentration im Wasserstoffauslaßabschnitt 516 der Brennstoffzelle 402 zu erhöhen.
  • Bei einer anderen Alternative kann das Brennstoffzellensystem 520 eine Struktur annehmen, bei welcher dann, wenn der lokalisierte Strom den gegebenen Strom I0 übersteigt, der Steuerabschnitt 528 die Aktion der Wasserstoffumwälzpumpe 524 unterbricht, um die Rückführung des nicht von der Reaktion erfaßten Wasserstoffs usw. zur Zelleneinheit 402 zu verhindern, während dann, wenn der lokalisierte Strom geringer ist als der gegebene Strom I0, der Steuerabschnitt 528 die Wasserstoffumwälzpumpe mit der erhöhten Drehzahl antreibt, um den nicht von der Reaktion erfaßten Wasserstoff usw. zur Zelleneinheit 402 zurückzuführen, um Stickstoff und Dampf, die im Wasserstoffauslaßabschnitt 516 verbleiben, zur Zelleneinheit zurückzuführen und dadurch die Wasserstoffkonzentration im Wasserstoffauslaßabschnitt 516 der Zelleneinheit 402 zu erhöhen.
  • Auch kann die Wasserstoffumwälzpumpe 524 einen Verdichter einschließen, oder eine Strahlpumpe usw. In diesem Zusammenhang versteht man unter Strahl- oder Ejektorpumpe eine die Wirkung der kinetischen Energie nutzende Pumpe, die ein Strömungsmittel durch eine Energieaustauschaktion fördert, die von einem mit hoher Geschwindigkeit austretenden Strömungsmittelstrahl ausgeübt wird, wobei die Pumpe insbesondere eine Anordnung aufweist, die die Strömungsenergie des von der Wasserstoffversorgungsquelle 24 zugeführten Wasserstoffs nutzbar macht, um damit den nicht durch die Reaktion erfaßten Wasserstoff usw. mitzuziehen und ihn dadurch zurückzuführen.
  • (Siebzehnte Ausführungsform)
  • Eine Strommeßvorrichtung einer siebzehnten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zum Gebrauch bei einem Brennstoffzellensystem wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 59 bis 64 im Detail beschrieben.
  • Die 59 ist eine perspektivische Ansicht zur Darstellung einer Brennstoffzelle als ein Beispiel einer Energieeinheit, die eine Strommeßvorrichtung der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform einschließt, die 60 ist eine schematische Seitenansicht der in 59 gezeigten Brennstoffzelle, die 61 ist eine perspektivische Ansicht der in 59 gezeigten Strommeßvorrichtung, 62A ist eine Frontansicht der Strommeßvorrichtung, 62B ist eine Ansicht der rechten Seite der Strommeßvorrichtung, 62C ist ein Querschnitt nach der Linie A3-A3 in 62A, 62D ist ein Querschnitt nach der Linie B1-B1 in 62A, 63 ist eine Transparentansicht eines Lufttrenners der in 60 gezeigten Brennstoffzelle und die 64 ist eine Transparentansicht eines in 60 gezeigten Wasserstofftrenners
  • Obwohl die Strommeßvorrichtung nach der der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform aus einer Mehrzahl von Stromsensoren besteht, ist als einbezogen in die in den 61 und 62A bis 62D gezeigte Strommeßvorrichtung nur ein einziger Stromsensor dargestellt.
  • Wie in 59 gezeigt schließt die Brennstoffzelle 550 eine feste Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle ein und besteht aus einem Stapel von Zelleneinheiten 552 die in Serie verbunden sind. Wie in 60 gezeigt, schließt jede der Zellen 552 eine MEA (Membrane Elektrode Assembly: Electrolyte and Electrode Complex body) [Membran-Elektrode-Anordnung: Elektrolyt und Elektrode-Komplexkörper] 553 ein, und einen Lufttrenner 555 und einen Wasserstofftrenner 557, zwischen welchen die MEA 553 sandwichartig angeordnet ist. Die MEA 654 besteht aus einer Elektrolytmembran, einer auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran ausgebildeten Luftelektrode (Sauerstoffelektrode) und einer Wasserstoffelektrode (Brenngaselektrode) auf der anderen Seite der Elektrolytmembran.
  • Die Trenner 555, 557 sind jeder aus einem plattenartigen Element gebildet, das aus Kohlenstoff oder einem elektrisch leitenden Metall besteht. Die Brennstoffzelle 550 besitzt außerdem Anschlußplatten 554 und 556, die auf beiden Seiten des Stapels 550 angeordnet sind, um dessen Ausgangsleistung aufzunehmen. Und die Strommeßvorrichtung 558 ist zwischen benachbarten Zelleneinheiten 552, 552 angeordnet.
  • Wie in 59 gezeigt, wird die Brennstoffzelle 550 mit Luft und Wasserstoff versorgt. Wie durch eine durchgehende Linie in 60 angezeigt, besitzt der Lufttrenner 555 einen Luftkanal 559 zur Verteilung von Sauerstoff zu den Oberflächen der Luftelektroden, und wie durch einen Pfeil in einer durchgehenden Linie in 60 angezeigt, wird den entsprechenden Zelleneinheiten 552 durch den Luftkanal 559 parallel Sauerstoff zugeführt. Gleichermaßen hat der Wasserstofftrenner einen Wasserstoffkanal 561, um Wasserstoff auf die Oberflächen der Brenngaselektroden zu verteilen, und wie durch einen Pfeil in der strichpunktierten Linie in 60 gezeigt ist, wird Wasserstoff mittels des Wasserstoffkanals 561 parallel den entsprechenden Zelleneinheiten 552 zugeführt. Um die Elektrolytmembran in einem geeigneten Befeuchtungszustand zu halten, werden die der Brennstoffzelle 550 zugeführten Ströme von Luft und Wasserstoff durch die Befeuchtungsvorrichtung in einer nachfolgend beschriebenen Weise befeuchtet.
  • Wie in 61 und den 52A bis 62D gezeigt, besteht die Strommeßvorrichtung aus einem plattenartigen elektrischen Leiter 570, der aus elektrisch leitendem Metall besteht und der mit einem ausgenommenen Abschnitt 571 ausgebildet ist, dessen eines Ende in einer Frontfläche und dessen anderes Ende in einer Seitenfläche des elektrisch leitenden Metallkörpers 570 liegt, und aus einem Stromleiter 572 aus elektrisch leitendem Metall, der als lokalisierter Strompfad dient und sich durch den ausgenommenen Abschnitt 571 des elektrischen Leiters 570 erstreckt. Der Stromleiter 572 endet mit einem Ende in der Frontfläche des elektrisch leitenden Metallkörpers 570 und mit dem anderen Ende in der Seitenfläche des elektrisch leitenden Metallkörpers 570.
  • Die Strommeßvorrichtung 558 umfaßt weiter eine elektrisch isolierende Schicht 574 die innerhalb des ausgenommenen Abschnitts 571 angeordnet ist, um eine elektrische Isolierung zwischen dem elektrischen Leiter 570 und dem Stromleiter 572 zu schaffen, eine äußere Anschlußleitung 576, die sich vom elektrischen Leiter 570 und dem Stromleiter 572 nach außen erstreckt, um eine elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Leiter 570 und dem Stromleiter 572 in einem Umleitungsbereich außerhalb der Zelleneinheit 552 zu schaffen, und einen Stromsensor 580, der in der äußeren Anschlußleitung 576 angeordnet ist, um den durch sie fließenden lokalisierten Strom zu ermitteln.
  • Ein Plattenelement 582, das aus dem elektrischen Leiter 570, dem Stromleiter 472 und der elektrisch isolierenden Schicht 574 besteht, ist zwischen die zwei Zelleneinheiten 552, 552 (siehe 59) eingefügt. In einer solchen Situation sind die beiden Endflächen 570a, 570b des elektrischen Leiters 570, die einer Stapelrichtung der Zelleneinheiten zugewandt sind, in elektrischem Kontakt mit den benachbarten Zellen 552, 552 gehalten.
  • Der Stromleiter 572 besitzt eine freie Endfläche 572a, die, ausgerichtet in Bezug auf die eine Endfläche 570a des elektrischen Leiters 570 im elektrischem Kontakt mit einer zugeordneten Zelleneinheit 552 gehalten werden kann, und eine andere freie Endfläche 572b, die in der Seitenfläche 570c des elektrischen Leiters 570 freiliegt und nicht in elektrischem Kontakt mit der Zelleneinheit 552 gehalten wird.
  • Die Seitenfläche 570c des elektrischen Leiters 570 und die andere freie Endfläche 572b des Stromleiters 572 sind elektrisch mit einer anderen elektrischen Anschlußleitung 576 verbunden um lokalisierten Strom zu leiten, der durch den Stromsensor 280 ermittelt wird.
  • Bei der vorstehend dargelegten Anordnung wird der von der Brennstoffzelle 550 abgeleitete Strom aufgeteilt, wenn er über die Strommeßvorrichtung fließt. Das heißt, der von einer Brennstoffzelle 552 gelieferte und durch die eine, in Kontakt mit der einen Zelleneinheit 552 gehaltene Endfläche 570a des elektrischen Leiters 570 zur anderen, in elektrischem Kontakt mit der anderen Endfläche 570b des elektrischen Leiters 570 stehenden Zelleneinheit 552, fließende Strom wird aufgeteilt in einen elektrischen Hauptstrom, der nur durch den elektrischen Leiter 570 fließt, und einen Hilfsstrom, der durch den Stromleiter 572, die äußere Anschlußleitung 576 und den elektrischen Leiter 570 fließt.
  • Der lokalisierte Strom fließt vom der einen freien Endfläche 572a, die auf der zugehörigen Zelleneinheit 552 in Fläche-an-Fläche-Zuordnung angeordnet ist, in den Stromleiter 572 und die äußere Anschlußleitung 576, wodurch es dem Stromsensor 580 ermöglicht wird, den lokalisierten Strom der Zelleneinheit 552 zu messen.
  • Die 63 ist eine Transparentansicht des Lufttrenners 555, von der rechten Seite der 60 aus gesehen. Wie in 63 gezeigt, besitzt der Lufttrenner 555 einen Lufteinlaßabschnitt 555a, geeignet zur Verbindung mit dem Luftkanal 559 der Brennstoffzelle 550, einen Luftauslaßabschnitt 555b geeignet zur Verbindung mit dem Luftkanal 559 der Brennstoffzelle 550, und einen Luftkanal 555c ausgebildet zwischen dem Lufteinlaßabschnitt 555a und dem Luftauslaßabschnitt 555b, um Luft hindurchzuleiten. Der Lufttrenner 555 entspricht auch einem ersten Trenner der vorliegenden Erfindung, der Luftkanal 555c entspricht einem Oxidantgaskanal, der Lufteinlaßabschnitt entspricht einem Oxidantgaseinlaßabschnitt und der Luftauslaßabschnitt 555b entspricht einem Oxidantgasauslaßabschnitt. Die 64 ist eine Transparentansicht des Wasserstofftrenners 557 von der rechten Seite der 60 aus gesehen. Wie in 64 gezeigt, besitzt der Wasserstofftrenner 557 einen Wasserstoffeinlaßabschnitt 557a, der geeignet ist, mit dem Wasserstoffkanal 561 der Brennstoffzelle 550 verbunden zu werden, einen Wasserstoffauslaßabschnitt 557b, der geeignet ist, mit dem Wasserstoffkanal 561 der Brennstoffzelle 550 verbunden zu werden, und einen Wasserstoffkanal 557c, der zwischen dem Wasserstoffeinlaßabschnitt 557a und dem Wasserstoffauslaßabschnitt 557b ausgebildet ist, um Wasserstoff hindurchzuleiten. Auch entspricht der Wasserstofftrenner 557 einem zweiten Trenner der vorliegenden Erfindung, der Wasserstoffkanal 557c entspricht einem Brenngasanal, der Wasserstoffeinlaßabschnitt 557a einem Brenngaseinlaßabschnitt und der Wasserstoffauslaßabschnitt einem Brenngasauslaßabschnitt
  • Der Stromleiter 572, die Isolationsschicht 574, die äußere Anschlußleitung 576 und der Stromsensor 580, die in 61 und 62A bis 62D gezeigt sind, sind in einem spezifizierten lokalisierten Bereich angeordnet, in der der lokalisierte Strom der Brennstoffzelle gemessen werden muß. Insbesondere sind der Stromleiter 572, die Isolationsschicht 574, die äußere Anschlußleitung 576 und der Stromsensor 580 in der Strommeßvorrichtung 558 angeordnet in einem ersten Bereich in enger Nachbarschaft zum Lufteinlaß0abschnitt 555a (ein Bereich F dargestellt durch einen schraffierten Bereich in 63), einem zweiten Bereich in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffeinlaßabschnitt 557a (ein Bereich G dargestellt durch einen schraffierten Bereich in 64) und einen dritten Bereich in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt 557b (ein Bereich H dargestellt durch einen schraffierten Bereich in 64).
  • Wenn der Anteil an der Brennstoffzelle 550 zuzuführender Befeuchtungsluft abnimmt, trocknet der näher am Lufteinlaßabschnitt 555a gelegene Bereich der Elektrolytmembran aus. Wie in der der ersten Ausführungsform zugeordneten 7 gezeigt, trocknet die Elektrolytmembran in dem in enger Nachbarschaft zum Lufteinlaßabschnitt 555a gelegenen Bereich, in dem der Protonenleitungswiderstand zunimmt, um ein Absinken des elektrischen Stroms zu verursachen, mit Abnahme der Luftfeuchtigkeit ψa aus.
  • In ähnlicher Weise wird der lokalisierte Bereich der Elektrolytmembran 555, der näher am Wasserstoffeinlaßabschnitt 557a liegt, austrocknen, wenn der Anteil des der Brennstoffzelle 550 zuzuführenden, befeuchtenden Wasserstoffs abnimmt. Der Protonenleitungswiderstand nimmt im getrockneten Bereich der Elektrolytmembran zu und veranlaßt ein Absinken des elektrischen Stroms. Auch verändert sich der elektrische Strom des getrockneten Bereichs aufgrund der Trocknung der Elektrolytmembran infolge der Reduktion des Anteils des befeuchtenden Wasserstoffs in der gleichen Weise wie der in 7 gezeigte elektrische Strom, der mit der Abnahme der Feuchtigkeit ψa abnimmt.
  • Deshalb wird es durch Messung der elektrischen Ströme I, d.h. des Lufteinlaßstroms Ia•ein und des Wasserstoffeinlaßstroms Ih•ein in enger Nachbarschaft zum Lufteinlaßabschnitt 555a und des Wasserstoffeinlaßabschnitts 557a, wo die Elektrolytmembran dazu neigt, auszutrocknen, möglich, einen trockenen Zustand der Elektrolytmembran der Brennstoffzelle 550 zu diagnostizieren. Insbesondere falls der Lufteinlaßstrom Ia•ein und der Wasserstoffeinlaßstrom Ih•ein geringer sind als ein gegebener Stromwert, kann angenommen werden, daß ein trockener Zustand der Elektrolytmembran besteht. Auch kann der gegebene Stromwert auf einen Wert gleich 90% eines Stromwertes gesetzt werden, bei dem kein trockener Zustand auftritt.
  • Falls im Gegensatz hierzu die Werte für die Befeuchtung von Luft und Wasserstoff übermäßig bleiben, erfährt die Elektrode einen nassen Zustand mit übermäßigem Feuchtigkeitsgehalt. Wenn das stattfindet, sammeln sich meistens Flüssigkeitströpfchen in dem Bereich in der Nähe des Wasserstoffauslaßabschnitts 557b an und verursachen das Auftreten eines übermäßigen Feuchtigkeitsgehalts und somit wird die Gegenwart eines übermäßigen Feuchtigkeitsgehalts in der Nähe des Wasserstoffauslaßabschnitts 557b feststellbar. Der Grund, warum der Bereich in enger Nachbarschaft des Wasserstoffauslaßabschnitts 557b zu übermäßiger Nässe neigt, beruht darauf, daß Wasser vom Wasserstoffeinlaßabschnitt 557a zum Wasserstoffauslaßabschnitt 557b durch den Wasserstoffkanal 557c transportiert wird und zusätzlich Wasserstoff verbraucht wird, mit einer daraus resultierenden Abnahme des Wasserstoffdurchflusses, was ein Absinken der Fähigkeit zur Folge hat, Wassertröpfchen auszutreiben. Die 8 zeigt die Veränderung des lokalisierten Stroms in dem lokalen Bereich, der einem übermäßigen Feuchtigkeitszustand der Elektrode in Fällen ausgesetzt ist, in denen mit der Zunahme des Volumens der Wassertröpfchen Vw, die sich im Wasserstoffauslaßabschnitt sammeln, die Elektrode unter der übermäßigen Feuchtigkeit leidet. Es wird somit, wenn das Volumen der Wassertröpfchen zunimmt, die Durchdringung von Gas gestört, was ein Absinken der Leistungsausgabe der Brennstoffzelle 550 verursacht.
  • Weiter tritt, wenn der Durchfluß des der Brennstoffzelle 550 zuzuführenden Wasserstoffs unzureichend ist, und auch weil sich in dem Bereich in der Nähe des Wasserstoffauslaßabschnitts ein Mangel an Wasserstoff zeigt, ein Absinken des elektrischen Stroms in dem Bereich in der Nähe des Wasserstoffauslaßabschnitts 557b der MEA 553 auf, wie dies in der auf die erste Ausführungsform bezogenen 9 gezeigt ist. Wie in 9 gezeigt, sinkt der Strom I in dem Bereich in der Nähe des Wasserstoffauslaßabschnitts sofort und schnell, wenn ein Mangel an Wasserstoff auftritt.
  • Nach einer solchen Erscheinung kann abgeschätzt werden, daß, wenn der elektrische Strom, d.h. der Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus im Bereich der MEA 553 näher am Wasserstoffauslaßabschnitt 557b geringer ist als der gegebene Stromwert; der übermäßige Feuchtigkeitszustand oder der Mangel an Wasserstoff in der Brennstoffzelle 550 auftritt. Auch kann der gegebene Stromwert auf einen Wert gesetzt werden, der 90% eines Stromwertes gleicht, der der auftritt, wenn die Elektrolytmembran sich in einem übermäßigen Feuchtigkeitszustand befindet und ein Mangel an Wasserstoff besteht.
  • Hier sinkt der elektrische Strom I in dem Bereich in der Nähe des Wasserstoffauslaßabschnitts 557b in jedem Fall beim Auftreten eines übermäßigen Feuchtigkeitszustandes und bei Verknappung des Wasserstoffs und es besteht kein Bedarf für eine Spezifizierung der Ursache für das Absinken des Stroms.
  • Der elektrische Strom I, der dem lokalen Bereich in enger Nachbarschaft des Wasserstoffauslaßabschnitts 557b zugeordnet ist, verändert sich in einer Weise, die im Diagramm der 10 dargestellt ist, die sich auf die erste Ausführungsform bezieht, während des Auftretens eines Wasserstoffmangels. Der dem lokalen Bereich in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt zugeordnete elektrische Strom I verändert sich beim Auftreten einer übermäßigen Feuchtigkeit und des Mangels an Wasserstoff mit der Sinkgeschwindigkeit, die in dem der ersten Ausführungsform zugeordneten Diagramm der 11 dargestellt ist, Hier bezieht sich der Ausdruck „Stromsinkgeschwindigkeit" auf den absoluten Wert des Betrages der Stromänderung pro Zeiteinheit. In den 10 und 11 bezeichnen die ausgezogenen Linien die Charakteristika während des Auftretens eines Wasserstoffmangels und tI kennzeichnet dien Zeitpunkt, zu dem eine übermäßiger Feuchtigkeitsgehalt und die Verknappung des Wasserstoffs auftreten.
  • Wie die 10 und 11 bei einem Vergleich zwischen elektrischen Strömen zeigen, die entstehen, während ein übermäßiger Feuchtigkeitszustand und ein Mangel an Wasserstoff besteht, fällt der elektrische Strom I rasch beim Auftreten eines Wasserstoffmangels. Es wird deshalb möglich, die Faktoren zu spezifizieren, die für das Absinken des elektrischen Stroms I verantwortlich sind, indem man die Stromsinkgeschwindigkeit benutzt, mit der der elektrische Strom während des Auftretens der Wasserstoffverknappung sinkt. Insbesondere, wenn der Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus geringer ist als der gegebene Stromwert und die Stromsinkgeschwindigkeit geringer ist als eine gegebene Stromsinkgeschwindigkeit d1 (siehe 11), kann angenommen werden, daß in der MEA 553 ein übermäßiger Feuchtigkeitsgehalt aufgetreten ist. Gleichermaßen kann, wenn der Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus geringer ist als der gegebene Stromwert und die Stromsinkgeschwindigkeit die gegebene Sinkgeschwindigkeit dIl überschreitet, angenommen werden, daß in der MEA 553 ein Mangel an Wasserstoff aufgetreten ist. Die gegebene Stromsinkgechwindigkeit dI1 wird auf den Wert von etwa 1,0 (mA/SEC/cm2) gesetzt.
  • Als nächstes wird ein Verfahren zum Diagnostizieren der Faktoren beschrieben, die für das Sinken der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 550 verantwortlich sind, unter Benutzung der Strommeßvorrichtung 558.
  • Zunächst mißt der auf der MEA 553 angebrachte Stromsensor 580 im Bereich in der Nähe des Lufteinlaßabschnitts 555 den Lufteinlaßstrom Ia•ein. Dieser lokalisierte Strom wird verglichen mit dem gegebenen Stromwert, und falls der Lufteinlaßstrom Ia•ein geringer ist als der gegebene Stromwert, kann angenommen werden, daß die Elektrolytmembran einen trockenen Bereich aufweist. Falls, im Gegensatz hierzu, der Lufteinlaßstrom Ia•ein den gegebenen Stromwert übersteigt, kann angenommen wer den, daß die Elektrolytmembran keinen trockenen Bereich aufweist. Deshalb kann in Gegenwart der Diagnose, daß die Elektrolytmembran keinen trockenen Bereich aufweist, angenommen werden, daß die Feuchtigkeit ψa der der Brennstoffzelle 550 zuzuführenden Luft sich am unteren Niveau befindet und der Befeuchter kann aktiviert werden, um das Befeuchtungsverhältnis der der Brennstoffzelle 550 zuzuführenden Luft anzuheben.
  • Als nächstes mißt der auf der MEA 553 in dem Bereich in der Nähe des Wasserstoffeinlaßabschnitts 557a angeordnete Stromsensor 580 den Wasserstoffeinlaßstrom Ih•ein, Dieser lokalisierte Strom wird mit dem gegebenen Stromwert verglichen und falls der Wasserstoffeinlaßstrom Ih•ein geringer ist als der gegebene Stromwert, kann die Diagnose erfolgen, daß die Elektrolytmembran einen trockenen Bereich aufweist. Falls im Gegensatz hierzu der Wasserstoffeinlaßstrom Ih•ein den gegebenen Stromwert übersteigt, kann die Diagnose erfolgen, daß die Elektrolytmembran keinen trockenen Bereich aufweist. Deshalb kann in Gegenwart der Diagnose, daß die Elektrolytmembran einen trockenen Bereich aufweist, angenommen werden, daß die Feuchtigkeit ψa der der Brennstoffzelle 550 zuzuführenden Luft sich am unteren Niveau befindet und der Befeuchter kann aktiviert werden, um das Befeuchtungsverhältnis der der Brennstoffzelle 550 zuzuführenden Luft anzuheben.
  • Dann mißt der auf der MEA 553 in dem dem Wasserstoffauslaßabschnitt 557b benachbarten Bereich angeordnete Stromsensor 580 den Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus. Dieser lokalisierte Strom wird mit dem gegebenen Stromwert verglichen und wenn der Wasserstoffausgangsstrom Ih•aus den gegebenen Stromwert überschreitet, kann die Diagnose erfolgen, daß keine übermäßige Feuchtigkeit vorhanden ist und in der Elektrolytmembran kein Mangel an Wasserstoff besteht. Falls hierzu im Gegensatz festgestellt wird, daß der Wasserstoffausgangsstrom Ih•aus geringer ist als der gegebene Stromwert und die Stromsinkgeschwindigkeit des Wasserstoffauslaßstroms Ih•aus geringer ist als die gegebene Stromsinkgeschwindigkeit, kann die Diagnose gestellt werden, daß an der Elektrode ein Zustand übermäßiger Feuchtigkeit herrscht. Daher kann in Gegenwart der Diagnose, daß sich die Elektrode in einem Zustand übermäßiger Feuchtigkeit befindet, angenommen werden, daß die Befeuchtungsverhältnisse von Luft und Wasserstoff übermäßig sind, oder daß aufgrund einer Reduzierung des Wasserstoffdurchflusses die Fähigkeit nachgelassen hat, Wassertröpfchen auszutreiben, und es kann die Maßnahme ergriffen werden, den Befeuchtungsgrad des der Brennstoffzelle 550 zuzuführenden Wasserstoffs zu senken, während zugleich der Wasserstoffdurchfluß erhöht wird.
  • Weiter kann, wenn der Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus geringer ist als der gegebene Stromwert und die Stromsinkgeschwindigkeit des Wasserstoffauslaßstroms Ih•aus die gegebene Sinkgeschwindigkeit übersteigt, die Diagnose erfolgen, daß die Elektrode einem Wasserstoffmangel unterliegt. Somit kann, wenn die Diagnose ergibt, daß der Wasserstoffdurchfluß zu gering ist, der Wasserstoffdurchfluß erhöht werden.
  • Bei der Anordnung der gegenwärtig betrachteten, oben erläuterten Ausführungsform ermöglicht es die Einbeziehung der Strommeßvorrichtung 558, die fähig ist, den lokalisierten Strom der Brennstoffzelle 550 zu messen, die Diagnose bezüglich des Trocknungszustands der Elektrolytmembran in Abhängigkeit von Lufteinlaßstrom Ia•ein und vom Wasserstoffeinlaßstrom Ih•ein zu machen, was in Abhängigkeit von der Stromsinkgeschwindigkeit des Luftauslaßstroms Ia•aus und des Wasserstoffauslaßstroms Ih•aus die Diagnose ermöglicht, ob das Auftreten eines übermäßigen Feuchtigkeitsgehalts oder das Auftreten eines Wasserstoffmangels an der Elektrode vorliegt. Dies ermöglicht es, die Faktoren für einen Leistungsabfall der Brennstoffzelle 550 genau zu diagnostizieren. Zusätzlich können die Faktoren für den Leistungsabfall der Brennstoffzelle 550 spezifiziert werden und es wird möglich, die Brennstoffzelle 550 in angemessener Weise zu steuern in Abhängigkeit von den Faktoren für den Leistungsabfall.
  • Beispielsweise sinkt im Falle eines Mangels an dem der Zelleneinheit 552 zuzuführenden Wasserstoff die Stromdichte in dem lokalen Bereich in der engen Nachbarschaft des Wasserstoffauslaßabschnitts 557b extrem ab. Falls die Brennstoffzelle 550 veranlaßt wird, unter dem Wasserstoffmangel ihren Betrieb durchzuführen, dann treten Schäden an der Elektrode der MEA 553 auf und deshalb muß eine solche Situation so fort entdeckt werden, damit die Brennstoffzelle 550 in einer Weise gesteuert werden kann, daß das Auftreten von Schäden verhindert wird. Zu diesem Zweck wird es durch Verwendung der Strommeßvorrichtung 558 zum Messen eines lokalisierten Stroms in einem lokalen Bereich, der in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt 557b liegt, um die Veränderung des lokalisierten Stroms über der Zeit festzustellen, möglich, den Versorgungszustand mit Wasserstoff zu diagnostizieren, den nur unter Verwendung der Zellenspannung herauszufinden für schwierig gehalten wird. Abhängig von einer solchen Messung macht es die Steuerung des Zustands der Versorgung mit Wasserstoff möglich, den Betriebszustand zu minimieren mit einer Wahrscheinlichkeit, Schädigungen so gering wie möglich zu halten.
  • Weil der Stromsensor 580 außerhalb des elektrischen Leiters 570 angeordnet ist, tritt bei der Strommeßvorrichtung 558 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform keine gegenseitige Störung des Stromsensors 558 und des elektrischen Leiters 570 auf. Es kann demnach der elektrische Leiter 570 zwischen benachbarte Zelleneinheiten 552, 552 eingefügt werden. Aus diesem Grund kann bzw. können ein einziges Stück einer Meßvorrichtung oder mehrere Meßvorrichtungen 558 in beliebiger Anordnung auf der Brennstoffzelle angebracht werden,
  • Beispielsweise ist die Zelleneinheit 552 in der Nähe des Zentrums der Brennstoffzelle 550 starker Strahlungshitze ausgesetzt mit der Folge eines Anstiegs der Temperatur der Brennstoffzelle und deshalb trocknet der zentrale Bereich der Brennstoffzelle 550 schneller als die Bereiche in der Nähe der Anschlußenden. Deshalb ermöglicht es die Anordnung der Strommeßvorrichtung 558 in einem Bereich in der Nähe des Zentrums der Brennstoffzelle 550, den Trocknungszustand der Brennstoffzelle 550 in besonders geeigneter Weise zu diagnostizieren. Außerdem neigt eine Zelleneinheit 552 näher am entfernten Ende der Brennstoffzelle 550 dazu, Hitze abzustrahlen, mit dem Ergebnis, daß die Temperatur der Brennstoffzelle 550 sinkt, so daß eine Tendenz zum Auftreten eines übermäßigen Feuchtigkeitsgehalts besteht. Deshalb befähigt die Positionierung der Strommeßvorrichtung 558 in dem Bereich, der nahe dem entfernten Ende der Brennstoffzelle 550 liegt, die genaue Diagnose der Gegenwart eines Zustandes übermäßiger Feuchtigkeit der Brennstoffzelle 550.
  • Während die Strommeßvorrichtung der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine Brennstoffzelle der Bauart mit einer festen Polymer-Elektrolyt-Membran beschrieben wurde, ist damit keine Beschränkung auf eine solche Ausführungsform beabsichtigt. Die Erfindung kann auch auf eine Brennstoffzelle mit einem Elektrolyten aus nichtorganischem Material angewandt werden.
  • (Achtzehnte Ausführungsform)
  • Eine Strommeßvorrichtung 600 einer achtzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 65, 66A und 66B beschrieben.
  • Die 65 ist eine perspektivische Ansicht der Strommeßvorrichtung der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform. Die 66A ist eine Frontansicht eines wesentlichen Teils der in 65 gezeigten Strommeßvorrichtung 600 und 66B ist ein Querschnitt nach der Linie A4-A4 in 66A.
  • Die Strommeßvorrichtung 600 nach der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform unterscheidet sich von jener der siebzehnten Ausführungsform dadurch, daß bei der siebzehnten Ausführungsfonn der Stromsensor 580 außerhalb des elektrischen Leiters 570 und bei der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform der Stromsensor innerhalb des elektrischen Leiters angeordnet ist. Die Strommeßvorrichtung 600 ist auf der Brennstoffzelle 550 angebracht wie bei der siebzehnten Ausführungsform.
  • Wie in den 65, 66A und 66B gezeigt, schließt die Strommeßvorrichtung 600 einen plattenartigen elektrischen Leiter 602 ein, der aus elektrisch leitendem Metall gefertigt ist. Der elektrische Leiter 602 ist zwischen den zwei Zelleneinheiten 552, 552 (siehe 60) unter einer Bedingung eingefügt, wonach der elektrische Leiter 602 eine Endfläche 602a und eine andere Endfläche 602b aufweist, die beide in einer Stapel richtung der Zelleneinheiten nach entgegengesetzten Richtungen orientiert sind und in elektrischem Kontakt mit den jeweils zugeordneten Zelleneinheiten 522, 522 stehen.
  • Insbesondere ist an einer Endfläche 602a des elektrischen Leiters 602 in einer nahe einer seiner Ecken gelegenen Position ein rechteckiger, ausgenommener Abschnitt 604 angeordnet, der sich in einer rechtwinklig zu einer Ebene der Endfläche 602a des elektrischen Leiters 602 verlaufenden Richtung erstreckt. Innerhalb des rechteckig ausgenommenen Abschnitts 604 befindet sich ein säulenartiger Abschnitt 606, der als ein Stromleiter dient, der eine massive rechteckige Form aufweist und dessen Endflächen geeignet sind, in elektrischem Kontakt mit Zelleneinheiten 522, 522 gehalten zu werden. Obwohl die in 65 gezeigte Struktur in Verbindung mit dem in rechteckiger Form ausgenommenen Abschnitt 604 und der säulenartige Abschnitt 606 in massiver rechteckiger Form gezeigt ist, ist damit keine Beschränkung durch die vorliegende Erfindung beabsichtigt und diese Komponenten können in anderer Gestalt ausgebildet werden, Beispielsweise kann der ausgenommene Abschnitt 604 eine zylindrische Form aufweisen und der säulenartige Abschnitt 606 kann ebenfalls eine andere Gestalt aufweisen, wie etwa als zylindrischer Körper.
  • In dem rechteckig ausgenommenen Abschnitt 604 ist derart, daß er den säulenartigen Abschnitt 606 umschließt, ein Eisenkern 608 angeordnet, dessen beide einander gegenüberliegende Enden durch einen Luftspalt 610 von einander getrennt sind, in dem ein Hall-Element 612 angeordnet ist. Somit bilden der Kern 608 und das Hall-Element einen magnetischen Sensor, der als Stromsensor dient.
  • Im elektrischen Leiter 602 ist derart, daß er sich vertikal zwischen dem ausgenommenen Abschnitt 604 und einer Bodenfläche 602c des elektrischen Leiters erstreckt eine Führungsausnehmung 603 ausgeformt, die es ermöglicht, eine Anschlußleitung 612a des Hall-Elements 612 aufzunehmen. Zusätzlich besitzt der elektrische Leiter vier Ecken mit einem Lufteinlaßkanal 602d, einem Luftauslaßkanal 602e, einem Wasserstoffeinlaßkanal 602f und einem Wasserstoffauslaßkanal 602g.
  • Wenn ein von dem der einen Endfläche des säulenartigen Abschnitts 606 gegenüberliegenden lokalen Bereich der Zelleneinheit 522 ausgehender lokalisierter Strom durch den säulenartigen Abschnitt 606 fließt, entsteht bei der oben dargestellten Struktur ein magnetisches Feld um den säulenartigen Abschnitt 606 mit einer Größe proportional dem elektrischen Strom. Das Hall-Element 512 entdeckt das durch den lokalisierten Strom erzeugte Magnetfeld, um das erzeugte Magnetfeld in eine Spannung umzuwandeln. Demgemäß wird es dadurch, daß man die Größe des Magnetfeldes des Eisenkerns 608 mißt, möglich, den durch den säulenartigen Abschnitt 606 fließenden Strom zu entdecken, d.h. den lokalisierten Strom der Zelleneinheit 522.
  • Bei der gegenwärtig betrachteten, oben erläuterten Ausführungsform ermöglicht der Gebrauch der Strommeßvorrichtung 600 die Entdeckung des lokalisierten Stroms der Zelleneinheit 522. Die Entdeckung des lokalisierten Stroms der Zelleneinheit 522 macht es möglich, das abnormale Auftreten von Faktoren während des Betriebs der Brennstoffzelle 550 zu spezifizieren.
  • Während des Auftretens von Mängeln ermöglicht das Messen elektrischer Ströme, weil die Veränderung eines elektrischen Stroms auf einer früheren Stufe bemerkbar auftaucht als die Veränderung einer Spannung, zur frühesten Zeit die Entdeckung des Auftretens von Mängeln.
  • Außerdem findet keine gegenseitige Störung zwischen dem magnetischen Sensor und der Zelleneinheit 522 statt aufgrund einer besonderen Anordnung, bei welcher der Eisenkern 608 und das Hall-Element 612, die den magnetischen Sensor bilden, in dem ausgenommenen Abschnitt 604 des elektrischen Leiters 602 untergebracht sind. Deshalb kann der elektrische Leiter 602 zwischen in leichter und verläßlicher Weise zwischen gestapelten Zelleneinheiten untergebracht werden.
  • Beispiele des magnetischen Sensors können ein MR-Element, MI-Element und ein Flux-gate sein. Die 67A ist eine vergrößerte Frontansicht eines wesentlichen Teils einer modifizierten Form der Strommeßvorrichtung 600, die einen durch ein MR- Element oder ein MI-Element gebildeten Magnetsensor 612A anwendet, und 67B ist ein Querschnitt nach der Linie A5-A5 in 67A.
  • In Fällen, in welchen der magnetische Sensor aus einem Hall-Element 612 besteht, muß das Hall-Element 612 so angeordnet werden, daß eine Längsachse des Hall-Elements 612 rechtwinklig zum Eisenkern, 608 verläuft (siehe 66B). In Fällen, in welchen das MR-Element oder das MI-Element als das Sensor-Element 612A benutzt werden, hat das Sensor-Element 612A eine am Eisenkern 608 ausgerichtete Längsachse, was die Reduzierung der Dicke des elektrischen Leiters 602 ermöglicht, mit einer sich daraus ergebenden Abnahme der Dicke der Strommeßvorrichtung 600A Auch kann die Strommeßvorrichtung der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform in einen Lufttrenner 555, 557 einbezogen sein. Das heißt, wenigstens einer der Trenner 666, 667 kann aus elektrisch leitendem Material gefertigt sein, das mit dem ausgenommenen Abschnitt versehen ist, in dem der säulenartige Abschnitt 606 ausgebildet ist, so daß er von dem ausgenommenen Abschnitt umgeben wird, um die Aufnahme des Eisenkerns und des Hall-Elements in dem ausgenommenen Abschnitt zu gestatten. Mit einer solchen Struktur wird es durch Messen der Größe des magnetischen Feldes des Eisenkerns 608 unter Benutzung des Hall-Elements möglich, das Fließen eines elektrischen Stroms durch den säulenartigen Abschnitt festzustellen, d.h. des lokalisierten Stroms der Zelleneinheit 552. Auch in diesem Fall verursacht der Gebrauch der Trenner 555, 557 keine Notwendigkeit für eine neue Vorbereitung des plattenförmigen elektrischen Leiters.
  • (Neunzehnte Ausführungsform)
  • Eine Strommeßvorrichtung einer neunzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beschrieben unter Bezugnahme auf die 68, 69A, 59B und 70. Die Strommeßvorrichtung 600A der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform nimmt eine Bauform an, die aus zwei Platten der elektrisch leitenden Körper der achtzehnten Ausführungsform besteht, und die gleichen Bestandteile wie jene der achtzehnten Aus führungsform tragen gleiche Bezugszahlen, um eine überflüssige Beschreibung zu vermeiden.
  • Die 68 ist eine perspektivische Ansicht der Strommeßvorrichtung 600A der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform; die 69A ist eine Frontansicht eines ersten elektrischen Leiters 602A; die 69B ist eine Frontansicht eines zweiten elektrischen Leiters 602b; und die 70 ist eine Querschnittsansicht entsprechend der Linie B2-B2 in 68.
  • Wie in den 68, 69A, 69B und 70 gezeigt, besteht die Strommeßvorrichtung 600A der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform aus den zwei Platten der elektrisch leitenden Körper 602A, 502B. Wie am besten in den 69A und 89B gezeigt, ist der elektrische Leiter 602A in seiner Bauform identisch mit dem in 6 gezeigten elektrischen Leiter und der elektrische Leiter 602B ist in seiner Bauform dem elektrischen Leiter 602A ähnlich mit der Ausnahme, daß die einander entsprechenden Komponenten in Bezug auf eine Mittellinie des elektrischen Leiters 602A symmetrisch angeordnet sind. Deshalb tragen die gleichen Komponenten wie jene des elektrischen Leiters 602A die gleichen Bezugszahlen im Interesse der Einfachheit der Beschreibung.
  • Die elektrisch leitenden Körper 602A und 602B sind in den 69A und 69B in einer organisierten Form dargestellt. Das heißt, der elektrische Leiter 602B hat einen linksseitigen Bereich, der mit dem Lufteinlaßkanal 602d und dem Luftauslaßkanal 602e ausgebildet ist, und einen rechtsseitigen Bereich, der mit dem Wasserstoffeinlaßkanal 602f und dem Wasserstoffauslaßkanal 602g ausgebildet ist. Zusätzlich ist im elektrischen Leiter 502B der ausgenommene Abschnitt 604 in einem Bereich in der Nähe des Wasserstoffauslaßkanals 602g ausgebildet wie im elektrischen Leiter 602A. Auch besitzt der elektrische Leiter 602B den säulenartigen Abschnitt 606, ausgebildet im ausgenommenen Abschnitt 604, und die Führungsausnehmung 603. Damit erzeugt das Laminieren des ersten und des zweiten elektrisch leitenden Körpers 502A und 602B die Strommeßvorrichtung 600A der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform, um es ent sprechenden Komponenten zu gestatten, in einer Ebene der Strommeßvorrichtung 600A zusammenzutreffen.
  • Wie in 70 gezeigt, werden der Eisenkern 608 und das (nicht gezeigte) Hall-Element in einem Raum aufgenommen, der durch die ausgenommenen Abschnitte 604, 604 der beiden Platten der elektrisch leitenden Körper 602A, 602B definiert wird, wenn diese Elemente laminiert werden. Der Eisenkern 608 und das Hall-Element sind mittels eines eine elektrische Isolationseigenschaft besitzenden Klebers in dem durch die ausgenommenen Abschnitte 604, 604 definierten Raum fixiert. Dies erlaubt es den ausgenommenen Abschnitten 604, 604 die säulenartigen Abschnitte 606, 606, den Eisenkern 608 und das Hall-Element davor zu bewahren, der Außenseite ausgesetzt zu sein.
  • Wenn die Strommeßvorrichtung 600A zwischen den benachbarten Zelleneinheiten 552 angeordnet wird, befindet sich die Strommeßeinheit 600A sandwichartig zwischen den Trennern 555, 557, die normalerweise mit einem Kühlmittelkanal nach Art einer Ausnehmung ausgebildet sind, um den Durchfluß von Kühlwasser zu gestatten. Mit der Bauform, bei welcher die rechteckig gestalteten, ausgenommenen Abschnitte 604, 604 in Kontakt mit den Oberflächen der Trenner 555, 557 gebracht werden, entsteht ein Bedürfnis, Kühlwasserkanäle in den Trennern 555, 557 zu gestalten, um damit diese ausgenommenen Abschnitte zu umgehen, was eine Verringerung der Gestaltungsfreiheit hinsichtlich der Kühlwasserkanäle zur Folge hat. Eine Bauform vorzusehen, bei der die rechteckig ausgenommenen Abschnitte 604, 604 nicht offenliegen, ermöglicht es, auf den entsprechenden Oberflächen der Trenner 555, 557 die Gestaltungsfreiheit hinsichtlich der Kühlwasserkanäle zu erweitern.
  • Weiter schließt die Anordnung des Eisenkerns 608 im Raum zwischen den beiden Platten der elektrisch leitenden Körper 602A, 502B den Eisenkern 608 davon aus, äußerer Last ausgesetzt zu werden, was es ermöglicht, dem Auftreten von Verzerrungen (Verspannungen) vorzubeugen. Damit wird es möglich, einer Verschlechterung der magnetischen Charakteristik des magnetischen Materials aufgrund von Verzerrungen vorzubeugen.
  • Die 71A und 71B und 72 zeigen eine abgewandelte Form der Strommeßvorrichtung 600A der neunzehnten Ausführungsform. Die 71A und 71 B entsprechen den 69A und 69B und die 72 entspricht der 70.
  • Wie in den 71A und 71B und 72 gezeigt, besitzt der erste elektrische Leiter 602A den ausgenommenen Abschnitt 604 und den säulenförmigen Abschnitt 606, während der zweite elektrische Leiter 502B keinen rechteckigen, ausgenommenen Abschnitt und keinen säulenartigen Abschnitt besitzt. Wenn man diese beiden elektrisch leitenden Körper 602A, 602B zu einer einzigen, in 72 gezeigten Struktur stapelt, hat diese Struktur die gleiche Wirkung wie jene der in den 68 bis 70 gezeigten Struktur.
  • (Zwanzigste Ausführungsform)
  • Als nächstes wird eine Strommeßvorrichtung 600C einer zwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 73 beschrieben.
  • Die 73 ist eine Querschnittsdarstellung ähnlich der Querschnittsansicht nach der Linie B2-B2 der 68.
  • Die Strommeßvorrichtung 600C der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform unterscheidet sich von der neunzehnten Ausführungsform dadurch, daß die Strommeßvorrichtung der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform ein Polsterungselement besitzt.
  • Wie in 73 gezeigt besteht die Strommeßvorrichtung aus einem ersten und einem zweiten elektrisch leitenden Körper 602A, 602B, die beide einen rechtwinkligen, ausgeschnittenen Abschnitt 604, 604 aufweisen, um den Raum zu bilden, in dem der Eisenkern 608 angeordnet wird. In den durch die ausgenommenen Abschnitte 604, 604 gebildeten Raum ist ein Polsterelement 614, durch das der Eisenkern 608 in dem zwischen den ausgenommenen Abschnitten 604, 604 gebildeten Raum fixiert befestigt wird. Ein Beispiel für ein Polsterelement 614 kann beispielsweise ein allgemein in Gebrauch befindliches federndes Material sein, wie etwa Gummi oder dergleichen.
  • Aufgrund des Bedürfnisses nach einer zwischen dem Eisenkern 608 und den ausgenommenen Abschnitten 604, 604 vorgesehenen elektrischen Isolation, können der Eisenkern 608 und die ausgenommenen Abschnitte 604, 604 aus einem elektrisch isolierenden Polstermaterial bestehen oder einem elektrischen Isolationsverfahren ausgesetzt werden, durch das Versehen des Eisenkerns und der ausgenommenen Abschnitte 604, 604 mit Isolationsschichten.
  • Die Verwendung des Polsterelements 614 zur fixierten Befestigung des Eisenkerns 608 und des Hall-Elements, wie bei der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform, schließt den Eisenkern 608 und das Hall-Element davon aus, in den durch die ausgenommenen Abschnitte 604, 604 definierten Raum lose eingepaßt zu sein. Das befähigt den Eisenkern 608 dazu, vor Verzerrungen (Verspannungen) bewahrt zu bleiben, was es ermöglicht, Verschlechterungen der magnetischen Charakteristik zu vermeiden.
  • (Einundzwanzigste Ausführungsform)
  • Als nächstes wird unten eine Strommeßvorrichtung einer einundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 74 beschrieben.
  • Die Strommeßvorrichtung 600D der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform unterscheidet sich von der zwanzigsten Ausführungsform dadurch, daß eine Platte eines federnden Elements 615 zwischen den ersten und den zweiten elektrisch leitenden Körper 602A und 602B eingefügt ist.
  • Die 74 ist eine Querschnittsdarstellung nach der Linie B2-B2 der 68. Wie in 74 gezeigt, ist bei der Strommeßvorrichtung 600D der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform das aus elektrisch leitendem Material gefertigte federnde Element 615 zwischen den ersten und den zweiten elektrisch leitenden Körper 602A und 602B eingefügt. Ein Beispiel des federnden Elements 615 mit elektrischer Leitfähigkeit kann ein elektrisch leitendes federndes Element einschließen, das aus mit einem Pulver aus elektrisch leitfähigem Material, (wie etwa Kohlenstoff), vermischtem Gummi besteht.
  • Bei der oben erörterten Bauform ermöglicht es die Anordnung des federnden Elements 615 mit elektrischer Leitfähigkeit zwischen den beiden Platten der elektrisch leitenden Körper 602A, 602B, Unregelmäßigkeiten der Zelleneinheit 552 oder der Strommeßvorrichtung 600D durch Bearbeitungs- oder Montagefehler auszugleichen. Zusätzlich können thermische Verspannungen, die sich aus Temperaturveränderungen ergeben, absorbiert werden. Das hat zur Folge, daß ein vorteilhafter elektrischer Kontakt zwischen der Zelleneinheit 552 und den elektrisch leitenden Körpern 602A, 602B geschaffen wird, der zur Verringerung des zwischen diesen Bauteilen auftretenden Kontaktwiderstands führt.
  • (Zweiundzwanzigste Ausführungsform)
  • Als nächstes wird unten eine Strommeßvorrichtung einer zweiundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 75 beschrieben. Die gegenwärtig betrachtete Ausführungsform unterscheidet sich von der siebzehnten Ausführungsform dadurch, daß bei der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform die Strommeßvorrichtung 558 sandwichartig zwischen federnden Körpern der Konstruktion der Brennstoffzelle 550 eingefügt ist.
  • Die 75 ist eine Seitenansicht zur Darstellung der Gesamtanordnung der Brennstoffzelle der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform. Wie in 75 gezeigt, ist die Strommeßvorrichtung 558 so an der Brennstoffzelle 550 angebracht, daß die Strommeßvorrichtung zwischen federnden Körpern 616, 618 eingefügt ist, die eine elektrische Leitfähigkeit besitzen. Beispiele der federnden Körper schließen elektrisch leitende, federnde Körper ein, die jeder aus Gummi gemischt mit leitendem Material (wie etwa Kohlenstoff) bestehen.
  • Damit ermöglicht es die Verwendung der elektrisch leitenden, federnden, zwischen den Zelleneinheiten 552 und der Strommeßvorrichtung 558 angeordneten Elemente 616, 618, Unregelmäßigkeiten durch Bearbeitungs- oder Montagefehler bei der Zelleneinheit 552 und der Strommeßvorrichtung 558 auszugleichen. Zusätzlich können thermische Verzerrungen, die sich aus Temperaturveränderungen ergeben, absorbiert werden. Das hat zur Folge, daß ein vorteilhafter elektrischer Kontakt zwischen der Zelleneinheit 552 und den elektrisch leitenden Körpern geschaffen wird, der zur Verringerung des zwischen diesen Bauteilen auftretenden Kontaktwiderstands führt.
  • (Dreiundzwanzigste Ausführungsform)
  • Eine Stromprüfvorrichtung 640 der dreiundzwanzigsten Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf die 76 und 7, die 78A und 78B und die 79 und 80 beschrieben. Die Stromprüfvorrichtung der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform bezieht die in der 61 und den 62A bis 62D gezeigten Merkmale der Strommeßvorrichtung 558 der siebzehnten Ausführungsform mit ein, und die gleichen Komponenten wie jene der siebzehnten Ausführungsform tragen die gleichen Bezugszahlen, um die Beschreibung dieser Ausführungsform zu vereinfachen.
  • Die 76 ist eine Ansicht der Anordnung der Stromprüfvorrichtung 640 unter Verwendung der Strommeßvorrichtung 558 der siebzehnten Ausführungsform; 77 ist eine perspektivische Ansicht der in 76 gezeigten Strommeßvorrichtung 640; 78A ist eine Ansicht von der rechten Seite zur Darstellung der Strommeßvorrichtung 640 und einer Zelleneinheit; 78B ist eine Draufsicht zur Darstellung der Strommeßvorrichtung 540 und der Zelleneinheit: 79 ist eine Ansicht zur Darstellung von Beispielen elektrischer Stromwerte, jeweils gemessen an verschiedenen lokalisierten Strommeßpunkten; und 80 ist eine Ansicht zur Darstellung eines elektrischen Stromverteilungsmusters in der Zelleneinheit, das auf der Basis des in 79 gemessenen Resultats erhalten wird.
  • In jeder der Zelleneinheiten der Brennstoffzelle hat die Zelleneinheit in dem Fall, daß in bemerkenswerter Weise Unregelmäßigkeiten in einer bearbeiteten Oberfläche der Brennstoffzelle auftreten, erhöhte Unregelmäßigkeiten der Stromdichte, die das Auftreten einer Verschlechterung in der Zelleneinheit bei einer hohen Geschwindigkeit verursachen. In Gegenwart der Zelleneinheit mit erhöhten Unregelmäßigkeiten in der bearbeiteten Oberfläche, die eine aus dem Stapel von Zelleneinheiten bildet, wird diese Zelleneinheit in einem frühen Stadium funktionsunfähig und deshalb wird der Brennstoffzellenstapel selbst in der Gegenwart anderer, normaler Zelleneinheiten funktionsunfähig.
  • Weiter nimmt, bei einer elektrischen Energiespeichereinheit mit einer großen Oberfläche, wie bei einer Sekundärbatterie und einem Kondensator, die jeweils aus einem Stapel mit einer großen Anzahl von Zelleneinheiten gebildet sind, falls ein Schaden, beispielsweise in der Verbindung zwischen Elektroden bei der Fertigung, auftritt, der elektrische Widerstand dieses Bereichs zu, woraus Unregelmäßigkeiten des elektrischen Stroms auf der ganzen Oberfläche der Zelleneinheiten resultieren. Bei Gegenwart der örtlich defekten Abschnitte in einer elektrischen Energieerzeugungscharakteristik, verschlechtert sich die Charakteristik der betreffenden Zelleneinheit in einem früheren Stadium als jene der Zelleneinheit mit weniger Unregelmäßigkeiten im elektrischen Strom auf der Oberfläche der Zelleneinheit. Jedoch der bloße Versuch, einfach nur die Strom-Spannungs-Charakteristik zu prüfen, führt zu der Schwierigkeit, die Zelleneinheit mit erhöhten lokalen Unregelmäßigkeiten bei den lokalen Fähigkeiten zur Erzeugung elektrischer Energie zu entdecken. Deshalb neigen die Sekundärbatterie oder der Kondensator, die mit einem Stapel aus einer großen Zahl von Zelleneinheiten gebildet sind, dazu, eine Mischung der Zelleneinheiten mit unterschiedlicher Lebensdauer aufzuweisen, was eine Verschlechterung der Zuverlässigkeit einer Baugruppe zur Folge hat.
  • Um ein solches Problem zu bewältigen, wird bei der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform die in 76 gezeigte Stromprüfungsvorrichtung benutzt, um ein Stromdichteverteilungsmuster jeder Zelleneinheit zu messen, um nur eine Zelleneinheit mit den geringsten Unregelmäßigkeiten des elektrischen Stroms auszuwählen.
  • Wie in 76 gezeigt, sind eine einzelne Zelleneinheit 650, die einen Teil einer elektrischen Speichereinheit bildet, wie einer Brennstoffzelle, einer Sekundärbatterie und eines Kondensators, und die Strommeßvorrichtung 640 in einer kanalartigen Prüfungs-Einspannvorrichtung 660 in engem Kontakt miteinander angeordnet. Die Zelleneinheit 650 und die Strommeßvorrichtung 640 werden mit einem relativ zur Prüfungs-Einspannvorrichtung 660 beweglichen Spannelement 665 gegen eine innere Oberfläche der Prüfungs-Einspannvorrichtung 660 gepreßt. Die Zelleneinheit 650 ist elektrisch mit der elektrischen Last 666 verbunden, durch die elektrische Energie verbraucht wird.
  • Bei der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform besteht für den Zweck, an einer großen Zahl von Meßpunkten in der Zelleneinheit 650 lokalisierte Ströme zu messen, die Strommeßvorrichtung 640 aus einer großen Zahl von Bauteilen, wie den Stromleitern 572, den (zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigten) Isolierschichten, den Anschlußleitungen 576 und den Stromsensoren 580.
  • Das heißt, wie in 77 und den 78A und 78B gezeigt, umfaßt die Stromprüfvorrichtung 640 eine einzelne Platte eines plattenförmigen elektrischen Leiters 570A aus elektrisch leitendem Metall, eine große Anzahl (deren acht sind in 77 gezeigt) von ausgenommenen Abschnitten 571, wobei die Stromleiter 572 in den entsprechenden ausgenommenen, im Stromleiter 570A ausgebildeten Abschnitten 571 angeordnet sind und deren jeder aus elektrisch leitendem Metall besteht, eine große Anzahl von (nicht gezeigten), in den entsprechenden ausgenommenen Abschnitten 571 angeordneten und eine elektrische Isolation zwischen dem elektrischen Leiter 570A und den entsprechenden Stromleitern 572 schaffenden Isolationsschichten, den äußeren An schlußleitungen 576 zwischen dem elektrischen Leiter 570A und den entsprechenden Stromleitern 572 in Bereichen außerhalb des elektrischen Leiters 570A und der entsprechenden Stromleiter 572, und die mit den entsprechenden äußeren Anschlußleitungen 576 verbundenen Stromsensoren 580.
  • Der elektrische Leiter 570A besitzt eine Endfläche 570a, der die einen Endflächen des Stromleiters 572 zugewandt sind, wobei die eine Endfläche 570a des elektrischen Leiters 570A und die entsprechenden Endflächen des Stromleiters 572 in elektrischem Kontakt mit der Zelleneinheit 650 gehalten werden.
  • Lokalisierte Ströme an acht Punkten der Zelleneinheit fließen durch die entsprechenden Stromleiter 572 und ermöglichen den Stromsensoren 580 die lokalisierten Ströme an den acht Punkten der Zelleneinheiten 650 zu entdecken.
  • In den 79 und 80 bezeichnet das Bezugszeichen „a" auf der Ordinatenachse einen Bereich, in dem ein lokalisierter Strom durch den ersten Stromsensor 580 entdeckt wird, das Bezugszeichen „b" auf der Ordinatenachse einen Bereich, in dem ein lokalisierter Strom durch den zweiten Stromsensor 580 entdeckt wird, das Bezugszeichen „c" auf der Ordinatenachse einen Bereich, in dem ein lokalisierter Strom durch den dritten Stromsensor 580 entdeckt wird , das Bezugszeichen „d" auf der Ordinatenachse einen Bereich, in dem ein lokalisierter Strom durch den vierten Stromsensor 580 entdeckt wird
  • In Beispielen der lokalisierten Ströme, die in den 79 und 89 aufgezeichnet sind, besitzt der lokalisierte Strom, der im Bereich d der Zelleneinheit 650 durch den vierten Stromsensor 580 gemessen wird, einen bemerkenswert niedrigeren Wert im Vergleich zu den anderen lokalisierten Strömen, die in den anderen Bereichen „a" bis „c" gemessen werden. In einem solchen Fall, in dem die Zelleneinheit Unregelmäßigkeiten der lokalisierten Ströme aufweist, wird entschieden, daß die betroffene Zelleneinheit ein Qualitätsproblem hat, und der Gebrauch einer solchen Zelleneinheit wird zurückgewiesen. Folglich wird hierdurch die Brennstoffzelle und die elektrische Energiespeichereinheit befähigt, aus Zelleneinheiten zu bestehen, die weniger Unregelmäßigkeiten der lokalisierten Ströme aufweisen, was Verbesserungen der Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle und der elektrischen Energiespeichereinheit zur Folge hat.
  • (Vierundzwanzigste Ausführungsform)
  • Eine Stromprüfvorrichtung 700 einer vierundzwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird unten unter Bezugsnahme auf die 81 und 82 beschrieben.
  • Die 81 ist eine perspektivische Ansicht der Stromprüfvorrichtung 700 der vierundzwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung und 82 ist eine Frontansicht eines wesentlichen Teils der in 81 gezeigten Stromprüfvorrichtung 700. Die Stromprüfeinrichtung 700 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform kann anstelle der in den 76 und 77 gezeigten Strommeßvorrichtung 640 benutzt werden.
  • Die Stromprüfvorrichtung 700 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform schließt das Merkmal der in 65 und in den 66A und 66B gezeigten Strommeßvorrichtung 600 der achtzehnten Ausführungsform ein und die gleichen Komponenten wie jene der achtzehnten Ausführungsform tragen gleiche Bezugszahlen, um eine überflüssige Beschreibung zu vermeiden.
  • Bei der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform besteht zum Zwecke der Messung lokalisierter Ströme an einer großen Zahl von Meßpunkten in der Zelleneinheit die Stromprüfvorrichtung 700 aus einer großen Zahl der ausgenommenen Abschnitte 604, der elektrisch leitenden, säulenartigen Abschnitte 606, jeweils in einer massiven, rechteckigen Form ausgebildet, den Eisenkernen 608 und den Hall-Elementen.
  • Das heißt, wie in den 81 und 82 gezeigt besteht die Stromprüfvorrichtung 700 aus einer einzelnen Platte eines plattenförmigen elektrischen Leiters 602A, der aus elektrisch leitendem Metall besteht und eine vordere Endfläche 602a aufweist, und einer großen Anzahl (deren fünfzehn in dem in 81 gezeigten Beispiel) von ausgenommenen Abschnitten 604 und den säulenförmigen Abschnitten 606, die von den ausgenommenen Abschnitten 604 umgeben sind, die alle auf der vorderen Endfläche 602a des elektrischen Leiters 602A angeordnet sind. Weiterhin ist, wie in 82 gezeigt, in jedem ausgenommenen Abschnitt 604, den säulenförmigen Abschnitt umschließend, der Eisenkern 608 angeordnet, bei dem beide einander gegenüberliegende Enden durch den Luftspalt 610 getrennt sind, in dem der magnetische Sensor 612, wie ein Hall-Element, angeordnet ist. Es ist auch zu verstehen, daß der Eisenkern und das Hall-Element einen magnetischen Sensor bilden.
  • Wenn die Stromprüfvorrichtung 700 anstelle der in 77 gezeigten Stromeßvorrichtung 640 verwendet wird, fließen Entladeströme an verschiedenen lokalen Bereichen der Zelleneinheit in Positionen, die den jeweiligen säulenartigen Abschnitten 606 entsprechen, durch die zugeordneten säulenartigen Abschnitte 606, wobei sie Magnetfelder mit Größen erzeugen, die jeweils im Verhältnis zu jedem lokalisierten Strom stehen. Demgemäß wird es dadurch, daß man es den Hall-Elementen 612 gestattet, die Größen der Magnetfelder der jeweiligen Eisenkerne 608 zu messen, möglich, elektrische Ströme zu ermitteln, die durch die jeweiligen säulenförmigen Abschnitte 606 fließen, d.h. lokalisierte Ströme an verschiedenen Punkten der Zelleneinheit 650. Abhängig vom Grad der Unregelmäßigkeiten bei lokalisierten Strömen, die auf diese oben diskutierte Weise an den fünfzehn Punkten ermittelt werden, kann ein Urteil getroffen werden, ob die jeweilige Zelleneinheit ein Qualitätsproblem besitzt,
  • (Fünfundzwanzigste Ausführungsform)
  • Eine Strommeßvorrichtung einer fünfundzwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung für den Gebrauch in einer elektrischen Energieeinheit, wie einer Brennstoffzelle, wird unter Bezugsnahme auf die 83A und 83B und die 84 und 85 beschrieben.
  • Die 83A ist eine perspektivische Ansicht der die Strommeßvorrichtung nach der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform einbeziehenden Brennstoffzelle, und die 83B ist eine vergrößerte Ansicht der in 83A gezeigten Strommeßvorrichtung; die 84 ist eine schematische Ansicht der Brennstoffzelle zur Darstellung einer Entwurfsansicht, die die Gasströmungen innerhalb der Brennstoffzelle zeigt.
  • Wie in den 83A und 83B und der 84 gezeigt, umfaßt die Brennstoffzelle 800, die der elektrischen Energieeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung entspricht, einen Stapel einer Mehrzahl von Zelleneinheiten 850. Jede Zelleneinheit 850 besteht aus einer MEA (Membran-Elektroden-Anordnung) 854 und einem Lufttrenner 856 sowie einem Wasserstofftrenner 858, zwischen die sandwichartig die MEA 854 eingefügt ist. Die MEA 854 besteht aus einer Elektrolytmembran, einer auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran ausgebildeten Luftelektrode (Sauerstoffelektrode) und einer Wasserstoffelektrode (Brenngaselektrode), die auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran ausgebildet ist.
  • Der plattenförmige Lufttrenner 856, der aus Kohlenstoffmaterial oder elektrisch leitendem Metall hergestellt ist, besitzt Luftkanäle 850A zur Verteilung von Sauerstoff auf die Luftelektroden, und, wie durch einen Pfeil in einer ausgezogenen Linie in 84 dargestellt ist, wird der Sauerstoff den entsprechenden Zelleneinheiten 850 mittels der Luftkanäle 850A in paralleler Richtung zugeführt. Gleichermaßen besitzt der aus Kohlenstoffmaterial oder elektrisch leitendem Metall hergestellte, plattenförmige Wasserstofftrenner 858 Wasserstoffkanäle zur Verteilung des Wasserstoffs auf die Oberflächen der Brenngaselektroden, und wie durch einen Pfeil in den unterbrochenen Linien in 84 dargestellt, wird der Wasserstoff mittels der Wasserstoffkanäle 850B in paralleler Richtung den entsprechenden Zelleneinheiten 850 zugeführt.
  • Wie in den 83B und 85 dargestellt ist, schließt die Strommeßvorrichtung 860 einen plattenförmigen elektrischen Leiter 862 ein, der aus elektrisch leitendem Metall besteht. Der elektrische Leiter 862 ist zwischen zwei Zelleneinheiten 850, 850 eingefügt (siehe 83A) in einem Zustand, bei welchem der elektrische Leiter 862 eine Endfläche und eine andere Endfläche aufweist, die beide in entgegengesetzter Richtung der Stapelrichtung der Zelleneinheiten zugewandt sind, und die in elektrischem Kontakt mit der jeweils zugeordneten Zelleneinheit 850, 850 gehalten werden.
  • Insbesondere besitzt der elektrische Leiter 862 einen rechtwinklig ausgenommenen Abschnitt 864, der sich in einer rechtwinklig zu einer Ebene des elektrischen Leiters 862 verlaufenden Richtung erstreckt und der sich in einem vom Zentrum des elektrischen Leiters 862 entfernt gelegenen Bereich nahe einer Ecke befindet und zwei Seiten nahe einem äußeren Umfang des elektrischen Leiters 862 aufweist.
  • In dem rechtwinkligen, ausgenommenen Abschnitt 864 ist ein säulenförmiger Abschnitt 866 angeordnet, der als ein Stromleiter dient und in einer massiven rechteckigen Form ausgebildet ist, die Endflächen besitzt, die in elektrischem Kontakt mit den zugeordneten lokalen Bereichen der Zelleneinheiten 850, 850 gehalten werden müssen.
  • Auch ist in dem rechtwinklig ausgenommenen Abschnitt 864 derart, daß er den säulenförmigen Abschnitt 866 umgibt, ein Eisenkern 868 angeordnet, dessen beide einander zugewandte Enden von einem Luftspalt 860 getrennt sind, der in einem Bereich ausgebildet ist, der näher am Umfangsrand 862a des elektrischen Leiters ausgebildet ist, in dem ein Hall-Element angeordnet ist. Auf diese Weise bilden der Eisenkern 868 und das Hall-Element 879 einen magnetischen Sensor, der im Eckbereich des elektrischen Leiters 862 angeordnet ist, um enger an dessen Umfangsrand angeordnet zu sein.
  • Bei der oben behandelten Bauform wird um den säulenförmigen Abschnitt 866 ein Magnetfeld mit einer Größe erzeugt, die dem elektrischen Strom proportional ist, wenn lokalisierter Strom, der aus dem lokalen Bereich der Zelleneinheit 850 entladen wird, der der einen Endfläche des säulenartigen Abschnitts zugewandt ist, durch den säulenartigen Abschnitt fließt. Bei der in 85 gezeigten Bauform fließt lokalisierter Strom von einem hinteren Bereich bezogen auf Zeichnungsebene der 85 zu einem vorderen Bereich, und das Magnetfeld wird im Gegenuhrzeigersinn erzeugt. Demgemäß wird es dadurch, daß die Größe des Magnetfeldes des Eisenkerns 868 gemessen werden kann, möglich, den elektrischen Strom zu ermitteln, der durch den säulenartigen Abschnitt 866 fließt, d.h. den lokalisierten Strom der Zelleneinheit 850.
  • Als nächstes wird unter Bezug auf 86 der Einfluß auf den magnetischen Sensor 876 beschrieben, der durch Störungen, wie ein durch einen anderen Strom als den lokalisierten Strom erzeugtes Magnetfeld, verursacht wird.
  • Die 86 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung eines Magnetfelds, das in der Strommeßvorrichtung 860 erzeugt wird. Wie in 86 gezeigt, leidet ein näher am Zentrum des elektrischen Leiters 862 gelegener Bereich des Eisenkerns 868 an dem Magnetfeld, das durch den elektrischen Strom erzeugt wird, der durch einen größeren Bereich des elektrischen Leiters mit Ausnahme des säulenartigen Abschnitts 866 fließt, das eine Größe aufweist, die größer ist als jene des Magnetfelds, das durch den lokalisierten Strom erzeugt wird, der durch den säulenartigen Abschnitt 866 fließt. Aus diesem Grund wird in dem Falle, daß der Versuch unternommen wird, das Magnetfeld in einem Bereich zu messen, der näher am Zentrum des elektrischen Leiters 868 liegt, eine Schwierigkeit auftreten, eine korrekte Messung des exakten Stroms durchzuführen, der durch den lokalen Strom erzeugt wird.
  • Im Gegensatz dazu wird ein vom Zentrum des elektrischen Leiters 862 entfernt gelegener Eckbereich des Eisenkerns 868 kaum eine schädliche Einwirkung verursachen, die von dem Magnetfeld ausgeht, das durch einen anderen elektrischen Strom als den lokalisierten Strom erzeugt wird, weil der andere Bereich des Eisenkerns, der näher zum Zentrum des elektrischen Leiters 862 liegt, das Magnetfeld abschirmt, das durch den größeren elektrischen Strom erzeugt wird, der durch den elektrischen Leiter 862 fließt.
  • Bei der Bauform der Strommeßvorrichtung 860 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform nimmt der magnetische Sensor 870 eine Position ein, die vom Zentrum des elektrischen Leiters 862 dadurch entfernt liegt, weil der ausgenommene Abschnitt 864 im Eckbereich so angeordnet ist, daß die beiden Seiten des ausgenommenen Ab schnitts 864 enger am Umfangsrand 862a des elektrischen Leiters liegen und durch Anordnung des Luftspalts 869 des Eisenkerns 868 im ausgenommenen Abschnitt 864 in einer Position, die enger am Umfangsrand 862a des elektrischen Leiters 862 liegt. Dies hat die Fähigkeit zur Folge, daß schädliche Einwirkungen durch magnetische Störungen, die dadurch verursacht werden, daß der größere Strom durch den elektrischen Leiter 862 fließt, unterdrückt werden, wodurch das durch den lokalisierten Strom erzeugte magnetische Feld genau gemessen werden kann.
  • (Sechsundzwanzigste Ausführungsform)
  • Eine Strommeßvorrichtung einer sechsundzwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zum Gebrauch in einer elektrischen Energieeinheit wird unter Bezugnahme auf die 87A und 87B beschrieben.
  • Die 87A ist eine Frontansicht der Strommeßvorrichtung der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform und 87B ist eine Querschnittsansicht nach der Linie A6-A6 in 87A.
  • Die Strommeßvorrichtung 860A Strommeßvorrichtung der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform unterscheidet sich von der fünfundzwanzigsten Ausführungsform dadurch, daß bei der fünfundzwanzigsten Ausführungsform eine besondere Anordnung der Komponenten der Strommeßvorrichtung 860 eine Verringerung der Meßfehler beim lokalisierten Strom ermöglicht und bei der Strommeßvorrichtung der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform die Strommeßvorrichtung ein magnetisches Abschirmelement 880 einschließt, um schädliche Einwirkungen zu minimieren, die durch magnetische Störungen verursacht werden, die durch einen anderen Strom als den lokalisierten Strom verursacht werden. Die gleichen Komponenten wie jene der fünfundzwanzigsten Ausführungsform tragen die gleichen Bezugszahlen, um eine überflüssige Beschreibung zu vermeiden.
  • Wie in den 87A und 87B gezeigt, besteht die Strommeßvorrichtung 860A aus einem elektrischen Hauptleiter 862A, der den Durchfluß des größeren elektrischen Stroms zuläßt und einen ausgeschnittenen Abschnitt 972 in einer Ecke des elektrischen Hauptleiters 862A besitzt, und einen elektrischen Hilfsleiter 862B„ der in dem ausgeschnittenen Abschnitt 872 in einer planparallelen Zuordnung zum elektrischen Hauptleiter 862A angeordnet ist,
  • Der ausgenommene Abschnitt 864 ist im elektrischen Hilfsleiter 862C angeordnet, in dem ein Vorsprung 866 innerhalb des ausgenommenen Abschnitts 864 angeordnet ist und sich von einer Bodenwandung des ausgeschnittenen Abschnitts 864 in Richtung einer Frontfläche des elektrischen Hilfsleiters 862B erstreckt. Die Strommeßvorrichtung 860A schließt weiter den Eisenkern 868 ein, der in dem ausgenommenen Abschnitt 864 angeordnet ist, und das Hall-Element 870, das im Luftspalt 869 des Eisenkerns 868 in der enger am Umfangsrand des elektrischen Hilfsleiters 862B gelegenen Position angeordnet ist.
  • Das magnetische Abschirmelement 880 hat einen L-förmigen Querschnitt und ist zwischen dem elektrischen Hauptleiter 862A und dem elektrischen Hilfsleiter 862B angeordnet, um diesen fixiert am elektrischen Hauptleiter 862A zu befestigen. Somit ist das magnetische Abschirmelement 880 in dem ausgeschnittenen Abschnitt 872 angeordnet in enger Nachbarschaft zum Eisenkern 868 in einer Position, die näher am Zentrum des elektrischen Hauptleiters 862A liegt. Die magnetische Abschirmelement 880 ist, beispielsweise, aus rostfreiem Stahl gefertigt und besitzt eine magnetische Permeabilität.
  • Bei der Strommeßvorrichtung der oben erörterten, gegenwärtig betrachteten Ausführungsform ermöglicht es die Anordnung des magnetischen Abschirmelements 880, eine schädliche Einwirkung, die sich aus dem Magnetfeld ergibt, das durch den elektrischen Hauptleiter 862A geschaffen wird, auszuschließen, um eine Fähigkeit zur Messung nur des Magnetfelds zu schaffen, das sich durch den lokalisierten Strom ergibt, und dadurch die Genauigkeit der Messung zu erhöhen.
  • Während die gegenwärtig betrachtete Ausführungsform in Verbindung mit der Bauform beschrieben wurde, bei der der magnetische Sensor näher am Umfangsrand des elektrischen Hilfsleiters 862B angeordnet ist, ist durch eine solche Bauform keine Begrenzung beabsichtigt. Das heißt, der magnetische Sensor 870, kann nicht nur in dem entfernt vom Zentrum des elektrischen Hauptleiters gelegenen Bereich, sondern auch sonstwo im ausgenommenen Abschnitt 864 angeordnet sein.
  • (Siebenundzwanzigste Ausführungsform)
  • Eine Strommeßvorrichtung einer siebenundzwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zum Gebrauch in einer elektrischen Energieeinheit wird unter Bezugnahme auf die 88, die 89A und 89B und die 90A und 90B beschrieben.
  • Die Strommeßvorrichtung der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform beabsichtigt die Vorkehrung eines magnetischen Abschirmelements zur Beseitigung schädlicher Einwirkungen eines Magnetfelds, das durch den Strom verursacht wird, der durch die andere elektrische Energieeinheit fließt.
  • Zunächst wird die schädliche Einwirkung, die sich durch das Magnetfeld ergibt, das durch den elektrischen Strom erzeugt wird, der durch die andere elektrische Energieeinheit fließt, unter Bezugnahme auf die 88, 89A und 89B beschrieben, und die gleichen Komponenten wie jene bei der in 85 gezeigten fünfundzwanzigsten Ausführungsform tragen die gleichen Bezugszahlen, um eine überflüssige Beschreibung zu vermeiden.
  • Die 88 ist eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellensystems 900, das Brennstoffzellen 902, 904 einschließt, die in Serie verbunden sind, und die Brennstoffzelle 902 ist mit der Strommeßvorrichtung 860B der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform versehen.
  • Wie in 88 gezeigt, hat das Brennstoffzellensystem 900, das die mit der Strommeßvorrichtung 906 versehene Brennstoffzelle 902 einbezieht, andere elektrische Energieeinheiten, wie eine Brennstoffzelle 904, einen Wechselrichter 908 und einen Elektromotor 910 in der Nähe der Brennstoffzelle 902, die mit der Strommeßvorrichtung 860B versehen ist.
  • Die 89A und 89B sind Entwurfsansichten, die darstellen, wie ein Magnetfeld auf die Strommeßvorrichtung 860B einwirkt.
  • Wie in den 89a und 89B gezeigt, ist es schwierig, ein Magnetfeld genau zu messen, das das durch einen lokalisierten Strom erzeugt wird, selbst wenn der magnetische Sensor 870 verwendet wird, um das Magnetfeld des Eisenkerns 868 zu messen, weil die Strommeßvorrichtung 860B unter dem schädlichen Einfluß der von einem Magnetfeld herrührt, das durch einen elektrischen Strom erzeugt wird, der durch die zweite Brennstoffzelle 904 fließt, die der ersten Brennstoffzelle 902 benachbart ist, Insbesondere wird der schädliche Einfluß groß in einem Bereich des Eisenkerns 868, der entfernt ist vom Zentrum des elektrischen Leiters 862. Auch besteht bei durch elektrische Energieeinheiten, wie den Elektromotor 910, verursachtem magnetischen Rauschen die Wahrscheinlichkeit einer schädlichen Einwirkung auf die Messung eines durch den magnetischen Sensor 870 zu ermittelnden Magnetfelds.
  • (Achtundzwanzigste Ausführungsform)
  • Die 90A ist eine Frontansicht einer Strommeßvorrichtung einer achtundzwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung und 90B ist eine Querschnittsansicht nach der Linie A7-A7 in 90A.
  • Wie in den 90A und 90B gezeigt, hat die Strommeßvorrichtung 860B der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform die gleiche Bauform wie die in 85 gezeigte und schließt weiter ein L-förmiges magnetisches Abschirmelement 912 ein, das in einer Ecke des elektrisch leitenden Körpers 862 in einer Position angeordnet ist, die näher am äußeren Umfang des Eisenkerns 868 in einer Position entfernt vom Zentrum des elektrischen Leiters 862 liegt. Bei einer solchen Bauform schirmt das magnetische Abschirmelement 912 die magnetischen Felder ab, die von den elektrischen Energieeinheiten 904, 908 und 910 stammen, mit Ausnahme der Brennstoffzelle 902, deren lokalisierter Strom gemessen werden soll, so daß die Strommeßvorrichtung 860B befähigt wird, den lokalisierten Strom mit einer hoch verbesserten Genauigkeit zu messen, Weiter befähigt es bei der Strommeßvorrichtung 860B der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform, wie bei der in den 83A, 83B und 85, der Gebrauch des im ausgenommenen Abschnitt in dem vom Zentrum des elektrischen Leiters 862 entfernten Bereich angeordneten magnetischen Sensors 870, den schädlichen Einfluß zu minimieren, der vom größeren Strom ausgeht, der durch den elektrischen Leiter 862 innerhalb der Strommeßvorrichtung 860B fließt. Dies befähigt die Strommeßvorrichtung 860B zu einer genaueren Messung des sich durch den lokalisierten Strom ergebenden Magnetfelds.
  • (Abgewandelte Form des achtundzwanzigsten Ausführungsbeispiels)
  • Eine Strommeßvorrichtung einer abgewandelten Form der achtundzwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf dir 91A und 91B beschrieben, und die gleichen Komponenten wie jene der dreizehnten Ausführungsform tragen die gleichen Bezugszahlen, um eine überflüssige Beschreibung zu vermeiden.
  • Die 91A ist eine Draufsicht auf eine Strommeßvorrichtung nach der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform und 91B ist eine Querschnittsansicht nach der Linie A8-A8 in 91A.
  • Wie in den 91A und 91B gezeigt, besteht die Strommeßvorrichtung 860C aus einem elektrischen Hauptleiter 862A, der den Durchfluß eines größeren Stroms gestattet und einen ausgeschnittenen Abschnitt 914 in einer Ecke des elektrischen Hauptleiters 862A aufweist und einen elektrischen Hilfsleiter 862B, der den Durchfluß eines lokalisierten Stroms zuläßt und im ausgeschnittenen Abschnitt 914 in einer planparallelen Beziehung zum elektrischen Hauptleiter 862A angeordnet ist.
  • Der ausgeschnittene Abschnitt 864 ist im elektrischen Hilfsleiter 862B ausgebildet, dessen säulenartiger Abschnitt 866 sich von einem Boden des ausgenommenen Abschnitts 864 in Richtung einer Frontfläche des elektrischen Hilfsleiters 862B erstreckt. Die Strommeßvorrichtung 860C schließt weiter einen Eisenkern 868 ein, der im ausgenommenen Abschnitt 864 angeordnet ist, und ein Hall-Element 870, das im Luftspalt 869 des Eisenkerns 868 in der enger beim Umfangsrand des elektrischen Hilfsleiters gelegenen Position angeordnet ist.
  • Ein magnetisches Abschirmelement 916 besitzt eine rechtwinklige Gestalt, um sich damit dem elektrischen Hilfsleiter 862B anzupassen, der mit dem ausgenommenen Abschnitt 864 ausgebildet ist, in dem der säulenartige Abschnitt 866 ausgebildet ist und vom Eisenkern 868 umgeben wird und im ausgeschnittenen Abschnitt 914 angeordnet und fixiert an zwei Seiten des elektrischen Hauptleiters 862A befestigt ist. Das magnetische Abschirmelement 916 ist beispielsweise aus rostfreiem Stahl gefertigt, der eine magnetische Permeabilität aufweist.
  • Bei einer solchen Bauform sind nicht nur die zwei Seiten des magnetischen Abschirmelements 916 in einer Position näher am Zentrum des elektrischen Hauptleiters 862A angeordnet, sondern auch die anderen zwei Seiten des magnetischen Abschirmelements 916 sind in einer vom Zentrum des elektrischen Hauptleiters 862A entfernten Position angeordnet, die Strommeßvorrichtung der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform hat den gleichen Vorteil wie jene der zwölften Ausführungsform. Das heißt, durch den Gebrauch des magnetischen Abschirmelements 916 wird nicht nur das magnetische Feld, das von der auf der Außenseite gelegenen elektrischen Energieeinheit erzeugt wird, abgeschirmt, sondern auch das Magnetfeld, das durch einen anderen elektrischen Strom als den lokalisierten Strom erzeugt wird, d.h. der größere Strom fließt durch den elektrischen Hauptleiter 862A, um magnetisch abgeschirmt zu werden. Auch bei der Bauform nach den 91A und 91B kann der magnetische Sensor 870 irgendwo im ausgenommenen Abschnitt 864 angeordnet sein.
  • (Neunundzwanzigste Ausführungsform)
  • Eine Strommeßvorrichtung einer neunundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 92A und 92B beschrieben, und die gleichen Komponenten wie jene der elften Ausführungsform tragen gleiche Bezugszahlen, um eine überflüssige Beschreibung zu vermeiden.
  • Die 92A ist eine Frontansicht der Strommeßvorrichtung 860D der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform, und 92B ist eine Querschnittsansicht nach der Linie A9-A9 in 92A.
  • Beim Messen der Präzision des magnetischen Sensors 870 findet eine Verschlechterung statt aufgrund von Faktoren, wie einer Verschlechterung, die sich durch Zeitablauf bei der Charakteristik des magnetischen Sensors 870 ergibt. Faktoren unter denen die Charakteristik des magnetischen Sensors 870 vom Zeitablauf leidet, schließen Berieb und Belastung unter hohen Umgebungstemperaturen und mechanische Belastungen unter Last ein. In Fällen, in denen der magnetische Sensor 870 in das Innere eines elektrisch leitenden Körpers 920 eingeschlossen ist, ist der magnetische Sensor einer Umgebung mit hoher Temperatur bei hohen Frequenzen ausgesetzt. Auch bei der Anordnung der Meßvorrichtung 860D in der Brennstoffzelle 800, um einen Teil des Stapels zu bilden, wird die Strommeßvorrichtung 860D von beiden Seiten unter Druck gesetzt um eine Last zu tragen. Wenn der magnetische Sensor 870 Phasen der Ausdehnung und der Zusammenziehung bei hohen Frequenzen ausgesetzt wird, als Ergebnis des Auftretens von Wärme in sich wiederholenden Zyklen, ist der magnetische Sensor 870 periodisch Lastveränderungen ausgesetzt, die der Anlaß sind, daß der magnetische Sensor 870 unter erhöhtem mechanischem Streß leidet.
  • Um ein solches Problem zu überwinden, besitzt der elektrische Leiter 920, wie in den 92A und 92B dargestellt, einen U-förmig ausgeschnittenen Abschnitt 920a, der als ausgenommener Abschnitt dient, dessen offenes Ende einer seitlichen Oberfläche 920b des elektrischen Leiters 920 zugewandt ist. Ein Eisenkern 922 ist in dem ausgeschnittenen Abschnitt 920a des elektrischen Leiters 920 untergebracht, und besitzt L-förmige äußere Verlängerungen 922a, 922a, deren einander gegenüberliegende Enden voneinander durch einen Luftspalt 924 getrennt sind, in dem der magnetische Sensor 870 außerhalb des elektrischen Leiters 920 angeordnet ist. Somit wird es durch die Anordnung des magnetischen Sensors außerhalb des elektrischen Leiters 920 für den magnetischen Sensor 870 möglich, nicht unter mechanischem Streß zu leiden, was zu einer Erhöhung der Meßgenauigkeit des magnetischen Sensors 870 führt.
  • Bei der Strommeßvorrichtung der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform nimmt der magnetische Sensor 870 wie bei der elften Ausführungsform eine vom Zentrum des elektrischen Leiters 920 entfernte Position ein, was ihn befähigt, schädliche Einwirkungen zu minimieren, die von dem Magnetfeld herrühren, das durch einen anderen als den lokalisierten Strom erzeugt wird, so daß das durch den lokalisierten Strom erzeugte Magnetfeld genau gemessen werden kann. Zusätzlich kann mit der Bauform nach der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform, wenn das magnetische Abschirmelement um den Eisenkern 922 angeordnet ist, eine schädliche Einwirkung, die von einem anderen elektrischen Strom als dem lokalisierten Strom herrührt, wie bei der zwölften und dreizehnten Ausführungsform abgeschirmt werden, wodurch nur das vom lokalisierten Strom herrührende Magnetfeld gemessen wird, mit der resultierenden Verbesserung der Meßgenauigkeit.
  • Während die Strommeßvorrichtungen der verschiedenen oben erwähnten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf beispielhafte Bauformen beschrieben wurden, bei welchen die Strommeßvorrichtungen den elektrischen Leiter einschließt in Fällen, in denen die Strommeßvorrichtung benutzt wird, um den lokalisierten Strom der Brennstoffzelle zu messen, kann die Strommeßvorrichtung auch in die Trenner 8656, 858 (siehe 84) einbezogen sein. Das heißt, wenigstens einer der Trenner 856, 858 kann aus elektrisch leitendem Material bestehen, mit einem ausgenommenen Abschnitt, der mit einem säulenartigen Abschnitt ausgebildet ist, der von einem mit einem Luftspalt ausgebildeten Eisenkern umgeben ist, in dem der magnetische Sensor angeordnet ist. Das Messen der Größe eines Magnetfeldes des Eisenkerns gibt die Möglichkeit, elektrischen Strom, d.h. lokalisierten Strom der Zelleneinheit, der durch den säulenartigen Abschnitt fließt, in höchst zuverlässiger Weise zu ermitteln. Bei dieser Alternative besteht keine Notwendigkeit, einen plattenartigen elektrischen Leiter neu vorzusehen, weil die Trenner 856. 858 benutzt werden
  • Während spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, ist es für den Fachmann klar, daß verschiedene Modifikationen und Alternativen zu diesen Details im Lichte der allgemeinen Lehren dieser Offenbarung entwickelt werden können. Demgemäß sind die offenbarten einzelnen Anordnungen lediglich als Erläuterung zu verstehen und nicht als einschränkend für den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, der durch die volle Breite der folgenden Ansprüche und aller ihrer Äquivalente gegeben ist,

Claims (74)

  1. Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle (12, 202, 402) zur Durchführung einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem Oxidantgas und einem Brenngas zur Erzeugung elektrischer Energie, einer Strommeßvorrichtung (54, 58, 62, 74, 75, 78, 228, 231, 430) zum Messen des elektrischen Stroms der Brennstoffzelle (12, 202, 402) und einem Steuerabschnitt (18, 204, 304, 410, 456, 464, 476, 488, 405, 528) zum Diagnostizieren eines Betriebszustands der Brennstoffzelle (12, 202, 402), dadurch gekennzeichnet, daß die Strommeßvorrichtung (54, 58, 62, 74, 75, 78, 228, 231, 430) einem spezifizierten lokalen Bereich (B, C, D, E) der Brennstoffzelle (12, 202, 402) zugeordnet ist, um den lokalisierten Strom zu messen, der für eine Betriebscharakteristik der Brennstoffzelle (12, 202, 402) kennzeichnend ist, und der Steuerabschnitt (18, 204, 304, 410, 456, 464, 476, 488, 405, 529) geeignet ist, auf den für die Betriebscharakteristik der Brennstoffzelle (12, 202, 402) kennzeichnenden lokalisierten Strom anzusprechen, um dadurch einen Betriebszustand der Brennstoffzelle (12, 202, 402) zu diagnostizieren.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifizierte lokale Bereich wenigstens einen ersten Bereich (B, C) umfaßt, der für eine Trocknungscharakteristik kennzeichnend ist und in dem leicht Trocknungserscheinungen auftreten können, einen zweiten Bereich (D), der für eine Befeuchtungscharakteristik kennzeichnend ist und in dem die Brennstoffzelle leicht einen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt aufweisen kann, und einen dritten Bereich (D), der kennzeichnend ist für eine Wasserstoffkonzentrationscharakteristik und in dem leicht ein Mangel an Wasserstoff auftreten kann; daß die Strommeßvorrichtung (54, 58, 62, 74, 75, 78, 228, 231, 430) den lokalisierten Strom mißt, der für wenigsten eine Charakteristik aus der Gruppe kennzeichnend ist, die die Trocknungscharakteristik, die Befeuchtungscharakteristik und die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik umfaßt, und daß der Steuerabschnitt (18, 204, 304, 410, 456, 464, 476, 488, 405, 528) geeignet ist, den Betriebszustand der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von einem Wert des lokalen Stroms zu diagnostizieren.
  3. Brennstoffzellensystemnach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifizierte lokale Bereich einen lokalen Bereich (B, C) einschließt, der kennzeichnend ist für die Trocknungscharakteristik der Brennstoffzelle und in dem leicht Trocknungserscheinungen auftreten können; daß die Strommeßvorrichtung (54, 58) dem lokalen Bereich zugeordnet ist, zur Messung des lokalen Stroms, der für die Trocknungscharakteristik der Brennstoffzelle (12, 202, 492) kennzeichnend ist; und daß der Steuerabschnitt ((18, 204, 304, 410, 456, 464, 476, 488, 405, 528) geeignet ist, einen Trocknungszustand der Brennstoffzelle auf der Basis eines Wertes des lokalen Stroms zu diagnostizieren, der durch die Strommeßvorrichtung erhalten wird.
  4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diagnosevorrichtung (18) geeignet ist, zu diagnostizieren, daß, wenn der durch die Strommeßvorrichtung (54, 58) gemessene lokale Strom geringer ist als ein gegebener Stromwert, die Brennstoffzelle (12) einen trockenen Zustand aufweist.
  5. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (18) geeignet ist, einen Grad des Trocknungszustands der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen einem von der Strommeßvorrichtung (74, 76) gemessenen Wert des lokalen Stroms und einem vorbestimmten, gegebenen Stromwert zu diagnostizieren
  6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiter umfaßt: eine Zellenspannungsmeßvorrichtung (16) zur Messung der Spannung an der Brennstoffzelle und dadurch gekennzeichnet ist, daß der Steuerabschnitt (18) geeignet ist, einen Widerstandswert des spezifizierten, lokalen, für die Trocknungscharakteristik kennzeichnenden Bereichs der Brennstoffzelle zu berechnen, auf der Basis eines durch die Zellenspannungsmeßvorrichtung gemessenen Spannungswertes, und einen Wert des durch die Strommeßvorrichtung (78) gemessenen lokalen Stroms, und daß der Steuerabschnitt (18) geeignet ist, auf der Basis des Widerstandswertes den Trocknungszustand einer Innenseite der Brennstoffzelle zu diagnostizieren.
  7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle eine Membran-Elektroden-Anordnung umfaßt, die eine Elektrolytmembran und ein Paar von Elektroden (12A) einschließt, die über der Elektrolytmembran auf ihren beiden Seiten angeordnet sind, daß ein erster Trenner (44) über der Membran-Elektroden-Anordnung auf ihrer einen Seite angeordnet ist, und an ihm ein Oxidantgaslkanal (50c) ausgebildet ist, mit einem Oxidantgaseinlaßabschnitt (50a) und einem Oxidantgasauslaßabschnitt (50b), der den Durchfluß des Oxidantgases ermöglicht, und daß ein zweiter Trenner (48) über der Membran-Elektroden-Anordnung auf deren anderer Seite angebracht ist und einen Brenngaskanal besitzt, der den Durchfluß des Brenngases ermöglicht, und daß der lokale Bereich enger am Oxidantgaseinlaßabschnitt (50a) als der Oxidantgasauslaßabschnitt (50b) liegt, um der Strommeßvorrichtung die die Messung des lokalen Stroms in dem näher am Oxidantgaseinlaß gelegenen Bereich zu ermöglichen.
  8. Brennstoffzellensystem nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle eine Membran-Elektroden-Anordnung (12A) umfaßt, die eine Elektrolytmembran und ein Paar Elektroden einschließt, die über der Elektrolytmembran auf deren beiden Seiten ausgebildet sind, einen ersten Trenner (44) der über der Membran-Elektroden-Anordnung auf deren einen Seite angeordnet ist und einen Oxidantgaskanal (50c) für den Durchfluß des Oxidantgases aufweist, und einen zweiten Trenner (48) der über der Membran-Elektroden-Anordnung auf deren anderer Seite angeordnet ist und einen Brenngaskanal (52c) mit einem Brenngaseinlaß (52a) und einem Brenngasauslaß (52b) für den Durchfluß des Brenngases aufweist; und daß der spezifizierte lokale Bereich (C) näher am Brenngaseinlaßabschnitt (52a) als der Brenngasauslaßabschnitt (52b) liegt, um es der Strommeßvorrichtung zu ermöglichen, den lokalen Strom in dem näher am Brenngaseinlaßabschnitt gelegenen lokalen Bereich zu messen.
  9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strommeßvorrichtung (62) dem zweiten Bereich (D) zugeordnet ist, wo sich in der Brennstoffzelle (12) leicht ein übermäßiger Feuchtigkeitsgehalt ansammelt, um den lokalen, für die Befeuchtungscharakteristik der Brennstoffzelle kennzeichnenden Strom zu messen, und der Steuerabschnitt (18) geeignet ist, einen Zustand übermäßiger Feuchtigkeit auf der Basis eines Wertes des durch die Strommeßvorrichtung gemessenen lokalen Stroms zu diagnostizieren.
  10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerabschnitt (18) geeignet ist, auf den lokalen, für die Befeuchtungscharakteristik der Brennstoffzelle (12) kennzeichnenden Strom anzusprechen, um dann, wenn der dem zweiten lokalen Bereich zugeordnete lokale Strom unter einem gegebenen Stromwert liegt, einen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle (12) zu diagnostizieren.
  11. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerabschnitt (18) geeignet ist, in Abhängigkeit von einem Unterschied zwischen dem von der Strommeßvorrichtung gemessenen Wert des lokalen Stroms und einem voreingestellten Stromwert den Grad der übermäßigen Befeuchtung der Brennstoffzelle (12) zu diagnostizieren.
  12. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, weiter gekennzeichnet durch eine Zellenspannungsmeßvorrichtung (16) zur Messung der Spannung der Brennstoffzelle und dadurch, daß der Steuerabschnitt (18) geeignet ist, einen Widerstandswert des spezifizierten, für die Befeuchtungscharakteristik der Brennstoffzelle kennzeichnenden lokalen Bereichs zu berechnen auf der Basis eines durch die Zellenspan nungsmeßvorrichtung (16) gemessenen Spannungswertes und eines durch die Strommeßvorrichtung (74, 76, 78) gemessenen Wertes der lokalen Spannung, um daraufhin auf der Basis des Widerstandswertes den übermäßig feuchten Zustand auf der Innenseite der Brennstoffzelle (12) zu diagnostizieren.
  13. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strommeßvorrichtung (62) dem dritten Bereich (D) zugeordnet ist, wo die Brennstoffzelle (12) einen Mangel an Brenngas aufweisen kann, um den lokalen, für die Brenngaskonzentrationscharakteristik der Brennstoffzelle kennzeichnenden Strom zu messen, und der Steuerabschnitt (18) geeignet ist, auf der Basis eines durch die Strommeßvorrichtung gemessenen lokalen Stroms einen Zustand des Brenngasmangels in der Brennstoffzelle (12) zu diagnostizieren.
  14. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn der Wert des dem dritten lokalen Bereich (D) zugeordneten, durch die Strommeßvorrichtung (62) gemessenen, lokalen Stroms unter einem gegebenen Stromwert liegt und die Sinkgeschwindigkeit des lokalen Stroms eine gegebene Sinkgeschwindigkeit überschreitet, der Steuerabschnitt (18) geeignet ist, festzustellen, daß die Brennstoffzelle (12) einen Mangel an Brenngas aufweist.
  15. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifizierte lokale Bereich einen lokalen Bereich (D) einschließt, der für die Befeuchtungscharakteristik und die Brenngaskonzentrationscharakteristik kenn zeichnend ist, wo die Brennstoffzelle (12) leicht einen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt und leicht einen Mangel an Brenngas aufweist, und die Diagnose durch den Steuerabschnitt (18) geeignet ist, zwischen dem übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt und der Verknappung des Brenngases für die Diagnose zu unterscheiden in Abhängigkeit von der Sinkgeschwindigkeit des durch die Strommeßvorrichtung (62) gemessenen lokalen Stroms.
  16. Brennstoffsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerabschnitt (18) geeignet ist, zu diagnostizieren, daß, wenn der lokale Strom geringer ist als ein gegebener Stromwert und die durch die Strommeßvorrichtung (62) gemessene Sinkgeschwindigkeit des lokalen Stroms geringer ist als eine gegebene Sinkgeschwindigkeit, die Brennstoffzelle (12) einen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt aufweist, und daß, wenn der lokale Strom geringer ist als der gegebene Stromwert und die durch die Strommeßvorrichtung (62) gemessene Sinkgeschwindigkeit des lokalen Stroms die gegebene Sinkgeschwindigkeit übersteigt, die Brennstoffzelle (12) einen Mangel an Brenngas aufweist.
  17. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle (12) eine Membran-Elektroden-Anordnung (12A) aufweist, die eine Elektrolytmembran und ein Paar Elektroden einschließt, die über der Elektrolytmembran auf deren beiden Seiten ausgebildet sind, einen ersten Trenner (44) der über der Membran-Elektroden-Anordnung auf deren einen Seite angeordnet ist und einen Oxidantgaskanal (50c) für den Durchfluß des Oxidantgases aufweist, und einen zweiten Trenner (48) der über der Membran-Elektroden-Anordnung auf deren anderer Seite angeordnet ist und einen Brenngaskanal (52c) mit einem Brenngaseinlaßabschnitt (52a) und einem Brenngasauslaßabschnitt (52b) für den Durchfluß des Brenngases aufweist; und daß der spezifizierte lokale Bereich (D) näher am Brenngasauslaßabschnitt (52b) als der Brenngaseinlaßabschnitt (52a) liegt, um der Strommeßvorrichtung zu gestatten, den lokalen Strom in dem näher am Brenngasauslaßabschnitt gelegenen spezifizierten lokalen Bereich (D) zu messen.
  18. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifizierte lokale Bereich (E, F) einen Bereich einschließt, der für die Befeuchtungscharakteristik kennzeichnend ist, wo sich leicht Wassertröpfchen ansammeln, daß die Strommeßvorrichtung (228, 231) den lokalisierten Strom mißt, der für die Befeuchtungscharakteristik kennzeichnend ist, und daß der Steuerabschnitt (204) eine Ausgangsleistungsbegrenzungssteuerung aufweist, die die geeignet ist, ansprechend auf den lokalisierten Strom, der für die Befeuchtungscharakteristik der Brennstoffzelle (202) kennzeichnend ist, zur Ausführung einer Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion zur Begrenzung der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle, wenn der Wert des durch die Strommeßvorrichtung (228, 231) gemessenen lokalen Stroms geringer ist als ein gegebener Stromwert für die Einleitung einer Leistungsausgangsbegrenzung.
  19. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine Durchschnittsstrommeßvorrichtung (201) zum Messen eines mittleren Stromwerts der Brennstoffzelle, und dadurch, daß der gegebene Stromwert für die Einleitung einer Leistungsausgangsbegrenzung einen Wert aufweist, der als ein Produkt erhalten wird, das durch die Multiplikation des von der Durchschnittsstrommeßvorrichtung (201) gemessenen mittleren Stromwerts mit einem gegebenen Verhältniswert erhalten wird.
  20. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 19. dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsausgangsbegrenzungssteuerung (204) geeignet ist, die Leistungsausgangsbegrenzungsaktion derart auszuführen, daß der mittlere Stromwert der Brennstoffzelle abnimmt, um sich dem lokalen Strom anzunähern.
  21. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 19 bis 20, gekennzeichnet durch eine Brennstoffzellentemperaturermittlungseinheit (206) zur Ermittlung der Temperatur der Brennstoffzelle und dadurch, daß die Leistungsausgangsbegrenzungssteuerung (204) geeignet ist, die Leistungsausgangsbegrenzungsaktion zu unterbrechen, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle (202) eine vorgegebene Temperatur überschreitet,
  22. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle (202) zum Einbau in eine Fahrzeug geeignet ist und die Leistungsausgangsbegrenzungssteuerung (204) geeignet ist, daß sie, wenn der dem zweiten Bereich (E, F) zugeordnete lokale Strom einen gegebenen Stromwert für die Einleitung einer Leistungsausgangsbegrenzung überschreitet, der einen Bezugswert bildet, auf dessen Basis die Leistungsausgangsbegrenzungsaktion durch die Leistungsausgangsbegrenzungssteuerung (204) beendet wird, die Leistungs ausgangsbegrenzungsaktion fortsetzt, bis sich ein Antriebszustand des Fahrzeugs ändert.
  23. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Luftaustreibeinheit (306) umfaßt., die geeignet ist, der Brennstoffzelle (202) einen Strom von Reinigungsluft zur Entfernung von in der Brennstoffzelle angesammeltem Wasser zuzuführen, und daß der Steuerabschnitt (304) eine zur Durchführung einer solchen Austreibungssteuerung geeignete Austreibungssteuerungsvorrichtung (304) umfaßt, daß, falls der durch die Strommeßvorrichtung (228, 231) gemessene Strom beim Unterbrechen der Aktion der Brennstoffzelle einen gegebenen Stromwert übersteigt, die Luftaustreibeinheit (306) aktiviert wird, um die Luftaustreibaktion einzuleiten.
  24. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifizierte lokale Bereich einen Bereich (E, F) umschließt, der für die Befeuchtungscharakteristik kennzeichnend ist, wo sich leicht Wassertröpfchen ansammeln, und daß die Strommeßvorrichtung (228, 231) geeignet ist, den lokalisierten, für die Befeuchtungscharakteristik kennzeichnenden Strom zu messen.
  25. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Austreibungssteuerungsvorrichtung (304) geeignet ist, die von der Luftaustreibeinheit (306) durchgeführte Luftaustreibaktion so zu aktivieren, daß der Durchfluß der der Brennstoffzelle (202) zuzuführenden Reinigungsluft erhöht wird, wenn eine gegebene Zeitspanne seit dem Beginn der von der Luftaustreibeinheit (306) durchgeführten Luftaustreibaktion verstrichen ist.
  26. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle (202) geeignet ist, während der Luftaustreibaktion die Erzeugung elektrischer Energie fortzusetzen.
  27. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerabschnitt (410) eine Steuerung einschließt, die geeignet ist, den Betriebszustand der Brennstoffzelle entsprechend dem durch die Strommeßvorrichtung (430) gemessenen lokalisierten Strom derart zu steuern, daß der lokalisierte Strom in einem gegebenen Bereich liegt.
  28. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Strommeßvorrichtung (430) dem ersten, für die Trocknungscharakteristik der Brennstoffzelle kennzeichnenden Bereich zugeordnet ist.
  29. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (410) geeignet ist, den Betriebszustand der Brennstoffzelle so zu steuern, daß, wenn der lokalisierte Strom geringer ist als der gegebene Bereich, der Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle (402) zunimmt, während, wenn der lokale Strom in der Brennstoffzelle (402) den gegebenen Bereich überschreitet, der Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle (202) abnimmt.
  30. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Brennstoffzelle (402) eine Temperatursteuereinheit (408) verbunden ist, der geeignet ist, die Temperatur der Brennstoffzelle (402) zu steuern, und daß die Steuerung (410) geeignet ist, die Temperatursteuereinheit (408) entsprechend dem lokalen Strom zu steuern, um dadurch die Temperatur der Brennstoffzelle (402) innerhalb eines gegebenen Bereichs zu halten.
  31. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß eine Befeuchtungseinheit (451) geeignet ist, den Befeuchtungsgrad des Oxidantgases und/oder den Befeuchtungsgrad des Brenngases zu steuern, und daß die Steuerung (456) geeignet ist, die Befeuchtungseinheit (451) entsprechend dem lokalisierten Strom zu steuern, um dadurch den Befeuchtungsgrad des Oxidantgases und/oder den Befeuchtungsgrad des Brenngases zu steuern.
  32. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Temperaturreglereinheit (471, 482) zur Regelung der Temperatur des Oxidantgases besitzt und daß die Steuerung (476, 488) geeignet ist, die Temperaturreglereinheit (471, 482) entsprechend dem lokalen Strom zu steuern, um dadurch die Temperatur des Oxidantgases zu steuern.
  33. Brennstoffzellensystem nach den Ansprüchen 27 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Druckregeleinheit (461) besitzt, die geeignet ist, den Druck des der Brennstoffzelle (402) zuzuführenden Oxidantgases zu regeln, und daß die Steuerung (464) geeignet ist, die, Druckregeleinheit (461) entsprechend dem lokalen Strom zu steuern, um dadurch den Druck des Oxidantgases zu steuern.
  34. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle (402) einen Trenner (432) mit einem Oxidantgaskanal (440) für den Durchfluß des Oxidantgases aufweist, und daß die Strommeßvorrichtung (430) dem spezifizierten lokalen Bereich zugeordnet ist, der einem stromauf gelegenen Bereich des Oxidantgaskanal (440) entspricht, um den dem stromauf gelegenen Bereich des Oxidantgaskanals zugeordneten lokalisierten Strom zu messen.
  35. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Brenngas Wasserstoff enthält; daß die Strommeßvorrichtung (430) dem dritten Bereich zugeordnet ist, um den für die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik der Brennstoffzelle kennzeichnenden lokalisierten Strom zu messen, und daß der Steuerabschnitt (504) geeignet ist, die Wasserstoffkonzentration in der Brennstoffzelle zu erhöhen, wenn der lokalisierte Strom geringer ist als ein gegebener Stromwert.
  36. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle weiter eine Wasserstoffversorgungseinheit (501) zur Zuführung von Wasserstoff als Brenngas zur Brennstoffzelle (402) über einen Brenngasversorgungskanal (26) umfaßt, sowie einen Brenngasauslaßkanal (40), durch den nicht von der Reaktion erfaßtes Brenngas zur Außenseite der Brennstoffzelle (402) ausgestoßen wird, und daß der Steuerabschnitt geeignet ist, die Wasserstoffversorgungseinheit (501) entsprechend dem für die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik kennzeichnenden lokalisierten Strom so zu steuern, daß, wenn der lokalisierte Strom geringer ist als der gegebener Stromwert, die Wasserstoffversorgungseinheit (501) den nicht von der Reaktion erfaßten Wasserstoff zur Außenseite der Brennstoffzelle (402) ausstößt, während, wenn der lokale Strom den gegebenen Stromwert überschreitet, die Wasserstoffversorgungseinheit (501) den Ausstoß des nicht von der Reaktion erfaßten Brenngases zur Außenseite der Brennstoffzelle (402) unterbricht.
  37. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle (402) weiter eine Wasserstoffversorgungseinheit (501) zur Zuführung von Wasserstoff als Brenngas zur Brennstoffzelle (402) über einen Brenngasversorgungskanal (26) umfaßt, sowie einen Brenngasauslaßkanal (40), durch den nicht von der Reaktion erfaßtes Brenngas zur Außenseite der Brennstoffzelle (402) ausgestoßen wird, und daß der Steuerabschnitt (504) geeignet ist, die Wasserstoffversorgungseinheit (501) entsprechend dem für die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik kennzeichnenden lokalisierten Strom so zu steuern, daß, wenn der lokalisierte Strom geringer ist als der gegebener Stromwert, die Wasserstoffversorgungseinheit (501) den Ausstoß des nicht von der Reaktion erfaßten Wasserstoffs zur Außenseite der Brennstoffzelle (402) in stärkerem Ausmaß durchführt als den Ausstoß des nicht von der Reaktion erfaßten Wasserstoffs zur Außenseite, wenn der lokalisierte Strom den gegebenen Stromwert überschreitet.
  38. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 35 und 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle (402) weiter eine Wasserstoffversorgungseinheit (501) zur Zuführung von Wasserstoff zur Brennstoffzelle (402) über einen Brenngasversorgungskanal (26) umfaßt, sowie einen Brenngaskreislaufkanal (40, 522), durch welchen nicht von der Reaktion erfaßtes Brenngas zum Brenngasversorgungskanal (26) rückgeführt wird, und daß der Steuerabschnitt (528) geeignet ist, die Wasserstoffversorgungseinheit entsprechend dem für die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik kennzeichnenden lokalisierten Strom so zu steuern, daß, wenn der lokalisierte Strom geringer ist als der gegebene Stromwert, die Wasserstoffversorgungseinheit (501) den Durchfluß des nicht von der Reaktion erfaßten, über den Brenngaskreislaufkanal zu führenden Wasserstoffs auf einen größeren Wert anhebt als den des nicht von der Reaktion erfaßten, rückzuführenden Wasserstoffs, wenn der lokale Strom den gegebenen Stromwert übersteigt.
  39. Brennstoffsystem nach einem der Ansprüche 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle (402) weiter eine Wasserstoffversorgungseinheit (501) umfaßt, um der Brennstoffzelle (402) Wasserstoff als Brenngas über einen Brenngasversorgungskanal (26) zuzuführen, und einen Brenngaskreislaufkanal (40, 522), durch den von der Reaktion nicht erfaßtes Brenngas zum Brenngaskanal rückgeführt wird, und daß der Steuerabschnitt (528) geeignet ist, die Wasserstoffversorgungseinheit (501) entsprechend dem durch die Strommeßvorrichtung gemessenen lokalisierten Strom so zu steuern, daß, wenn der lokalisierte Strom geringer ist als der gegebene Stromwert, die Wasserstoffversorgungseinheit (501) dem nicht von der Reaktion erfaßten Brenngas die Rückführung zum Brenngasversorgungskanal (26) gestattet, während, wenn der lokale Strom den gegebenen Stromwert überschreitet, die Wasserstoffversorgungseinheit (501) den Rückfluß des nicht von der Reaktion erfaßten Brenngases zum Brenngasversorgungskanal (26) unterbricht.
  40. Brennstoffzellensystem nach den Ansprüchen 35 und 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle (402) weiter eine Wasserstoffversorgungseinheit (501) zur Zuführung des Wasserstoffgases als Brenngas zur Brennstoffzelle (402) über einen Brenngasversorgungskanal (26), einen Brenngaskreislaufkanal (40, 522), der nicht von der Reaktion erfaßtes Brenngas zum Brenngasversorgungskanal (26) zurückführt, und ein Auslaßventil (502), das geeignet ist, das nicht von der Reaktion erfaßte Brenngas über den Brenngaszirkulationskanal (522) nach der Außenseite der Brennstoffzelle (402) auszustoßen, umfaßt, und daß der Steuerabschnitt (528) geeignet ist, entsprechend dem durch die Strommeßvorrichtung (430) gemessenen lokalen Strom das Auslaßventil (502) so zu steuern, daß es dem nicht von der Reaktion erfaßten Brenngas gestattet wird, nach der Außenseite des Brennstoffzelle (402) zu gelangen, wenn der lokale Strom geringer ist als der gegebene Stromwert.
  41. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, daß, die Brennstoffzelle (402) einen Trenner (510) umfaßt, der mit einem Brenngaskanal (518) ausgebildet ist, über den das Brenngas geführt wird, und die Strommeßvorrichtung (430) dem spezifizierten lokalen Bereich zugeordnet ist, der dem stromab gelegenen Bereich des Brenngaskanals entspricht.
  42. Verfahren zum Diagnostizieren eines Betriebszustands einer Brennstoffzelle, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer Brennstoffzelle (12, 202, 402), die geeignet ist, zur Erzeugung elektrischer Energie eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, und einer Strommeßvorrichtung (54, 58, 62, 74, 78, 228, 231, 430) auf der Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, daß ein lokalisierter Strom in einem spezifizierten lokalen Bereich (B, C, D, E) gemessen wird, der kennzeichnend ist für eine Betriebscharakteristik der Brennstoffzelle (12, 202, 402), und daß ein Betriebszustand der Brennstoffzelle (12. 202, 402) entsprechend dem lokalisierten Strom diagnostiziert wird, der für die Betriebscharakteristik der Brennstoffzelle (12, 202, 402) kennzeichnend ist.
  43. Verfahren zum Diagnostizieren eines Betriebszustands einer Brennstoffzelle, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer Brennstoffzelle (12, 202, 402), die geeignet ist, zur Erzeugung elektrischer Energie eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, und eine Strommeßvor richtung (54, 62) auf der Brennstoffzelle (12, 303, 402), dadurch gekennzeichnet, daß der lokalisierte Strom in einem spezifizierten lokalen Bereich (B, C) gemessen wird, der leicht zu trocknen ist und für die Trocknungscharakteristik kennzeichnend ist, und daß ein Betriebszustand der Brennstoffzelle (12) in Abhängigkeit von dem für die Trocknungscharakteristik kennzeichnenden lokalen Strom diagnostiziert wird.
  44. Verfahren zum Diagnostizieren eines Betriebszustands einer Brennstoffzelle, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, zur Erzeugung elektrischer Energie eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, und einer Strommeßvorrichtung (54, 62) auf der Brennstoffzelle (12), dadurch gekennzeichnet, daß der lokale Strom in einem spezifizierten lokalen Bereich (B, C) gemessen wird, der leicht zu trocken- und für die Trocknungscharakteristik kennzeichnend ist, und daß ein Betriebszustand der Brennstoffzelle (12) derart diagnostiziert wird, daß die Brennstoffzelle (12) sich in einem trockenen Zustand befindet, wenn der für die Trocknungscharakteristik kennzeichnende lokalisierte Strom geringer ist als ein gegebener Stromwert.
  45. Verfahren zum Diagnostizieren eines Betriebszustands einer Brennstoffzelle, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, zur Erzeugung elektrischer Energie eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, und einer Strommeßvorrichtung (62) auf der Brennstoffzelle (12), dadurch gekennzeichnet, der lokale Strom in einem spezifizierten lokalen Bereich (D) gemessen wird, der leicht einen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle (12) aufweist, und daß ein übermäßiger Feuchtigkeitszustand der Brennstoffzelle (12) diagnostiziert wird in Abhängigkeit von dem durch den Strommeßschritt gemessenen lokalisierten Strom.
  46. Verfahren zum Diagnostizieren eines Betriebszustands einer Brennstoffzelle, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, zur Erzeugung elektrischer Energie eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, und einer Strommeßvorrichtung (62) auf der Brennstoffzelle (12), dadurch gekennzeichnet, daß der lokale Strom in einem spezifizierten lokalen Bereich (D) gemessen wird, wo sich leicht Tröpfchen ansammeln und der für eine Benetzungscharakteristik kennzeichnend ist, und daß ein Betriebszustand der Brennstoffzelle (12) derart diagnostiziert wird, daß, wenn der Wert des lokalisierten Stroms geringer ist als ein gegebener Stromwert, und eine Sinkgeschwindigkeit des lokalen Stroms geringer ist als eine gegebene Sinkgeschwindigkeit, sich in der Brennstoffzelle (12) Tröpfchen angesammelt haben.
  47. Verfahren zum Diagnostizieren eines Betriebszustands einer Brennstoffzelle, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, zur Erzeugung elektrischer Energie eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, und einer Strommeßvorrichtung (62) auf der Brennstoffzelle (12), dadurch gekennzeichnet, daß der lokalisierte Strom in einem spezifizierten lokalen Bereich (D) gemessen wird, in dem leicht ein Brenngasmangel auftreten kann und der für eine Brenngascharakteristik kennzeichnend ist, und daß ein Brenngasmangel in der Brennstoffzelle (12) diagnostiziert wird in Abhängigkeit von dem dem spezifizierten lokalen Bereich (D) der Brennstoffzelle (12) zugeordneten lokalisierten Strom.
  48. Verfahren zum Diagnostizieren eines Betriebszustands einer Brennstoffzelle, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, zur Erzeugung elektrischer Energie eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, und einer Strommeßvorrichtung (62) auf der Brennstoffzelle (12), dadurch gekennzeichnet, daß der lokalisierte Strom in einem spezifizierten lokalen Bereich (D) gemessen wird, wo ein Mangel an Brenngas leicht stattfindet und der kennzeichnend ist für eine Brenngascharakteristik, und daß ein Betriebszustand der Brennstoffzelle (12) derart diagnostiziert wird, daß, wenn der Wert des durch die Strommeßvorrichtung (62) gemessenen lokalisierten Stroms geringer ist als ein gegebener Stromwert, und eine Sinkgeschwindigkeit des lokalisierten Stroms eine gegebene Sinkgeschwindigkeit übersteigt, ein Mangel an Brenngas in der Brennstoffzelle aufgetreten ist.
  49. Verfahren zum Diagnostizieren eines Betriebszustands einer Brennstoffzelle, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, zur Erzeugung elektrischer Energie eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, und einer Strommeßvorrichtung (62) auf der Brennstoffzelle (12), dadurch gekennzeichnet, daß der lokalisierte Strom in einem spezifizierten Bereich (D) gemessen wird, in dem leicht ein übermäßiger Feuchtigkeitszustand und leicht ein Mangel an Brenngas auftreten kann, und daß ein Betriebszustand der Brennstoffzelle (12) entsprechend der Sinkgeschwindigkeit des lokalisierten Stroms im spezifizierten lokalen Bereich der Zelleneinheit (12) diagnostiziert wird, um das Auftreten des übermäßigen Feuchtigkeitszustands und das Auftreten eines Mangels an Brenngas von einander unterscheiden zu können.
  50. Verfahren zum Diagnostizieren eines Betriebszustands einer Brennstoffzelle, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, zur Erzeugung elektrischer Energie eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, und einer Strommeßvorrichtung (62) auf der Brennstoffzelle (12), dadurch gekennzeichnet, daß der lokalisierte Strom in einem spezifizierten Bereich (D) gemessen wird, in dem sich leicht Flüssigkeitströpfchen ansammeln können und leicht ein Mangel an Brenngas auftreten kann und der für eine Benetzungscharakteristik und eine Brenngaskon zentrationscharakteristik kennzeichnend ist, und daß ein Betriebszustand der Brennstoffzelle (12) derart diagnostiziert wird, daß, wenn der Wert des durch die Strommeßvorrichtung (62) gemessenen lokalisierten Stroms geringer ist als ein gegebener Stromwert, und die Sinkgeschwindigkeit des lokalisierten Stroms geringer ist als eine gegebene Sinkgeschwindigkeit, sich Flüssigkeitströpfchen in der Brennstoffzelle (12) angesammelt haben, und daß dann, wenn der Wert des lokalisierten Stroms geringer ist als der gegebene Stromwert und die Sinkgeschwindigkeit des lokalisierten Stroms die gegebene Sinkgeschwindigkeit steigt, in der Brennstoffzelle (12) ein Mangel an Brenngas aufgetreten ist.
  51. Verfahren zur Steuerung eines Betriebszustands einer Brennstoffzelle, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer Brennstoffzelle (202), die geeignet ist, zur Erzeugung elektrischer Energie eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, und einer Strommeßvorrichtung (228, 231) auf der Brennstoffzelle (202), dadurch gekennzeichnet, daß der lokalisierte Strom in einem Bereich (E, F) gemessen wird, wo sich leicht Flüssigkeitströpfchen ansammeln, und eine Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion durch eine Steuervorrichtung (204) entsprechend dem für die Benetzungscharakteristik kennzeichnenden lokalisierten Strom durchgeführt wird, um die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle (202) zu begrenzen, wenn der Wert des lokalisierten Stroms geringer ist als ein zur Einleitung der Ausgangsleistungsbegrenzung vorgegebener Strom.
  52. Verfahren zur Steuerung eines Betriebszustands einer Brennstoffzelle, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer Brennstoffzelle (202), die geeignet ist, zur Erzeugung elektrischer Energie eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, und einer Luftaustreibeinheit (306), geeignet zur Versorgung der Verfahren zur Steuerung eines Betriebszustands einer Brennstoffzelle, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer Brennstoffzelle (202), die geeignet ist, zur Erzeugung elektrischer Energie eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, Brennstoffzelle (202) mit einem Strom von Reinigungsluft, um in der Brennstoffzelle (202) angesammeltes Wasser zu entfernen, und einer Strommeßvorrichtung (228, 231) auf der Brennstoffzelle (202), dadurch gekennzeichnet, daß der lokalisierte Strom in einem für die Betriebscharakteristik der Brennstoffzelle (202) kennzeichnenden, spezifizierten lokalen Bereich (E, F) gemessen wird, und die Luftaustreibeinheit (306) durch einen Steuerabschnitt (204) entsprechend dem lokalisierten Strom derart aktiviert wird, daß, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle (202) unterbrochen wird, die Luftaustreibaktion eingeleitet wird, um den Strom der Reinigungsluft der Brennstoffzelle (202) zuzuleiten, falls der lokalisierte Strom einen gegebenen Stromwert übersteigt.
  53. Verfahren zur Steuerung eines Betriebszustands einer Brennstoffzelle, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer Brennstoffzelle (402), die geeignet ist, zur Erzeugung elektrischer Energie eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, und einer Strommeßvorrichtung (430) auf der Brennstoffzelle (402), dadurch gekennzeichnet, daß der lokalisierte Strom in einem spezifizierten lokalen Bereich gemessen wird, der für eine Betriebscharakteristik der Brennstoffzelle (402) kennzeichnend ist, und daß ein Betriebszustand der Brennstoffzelle (402) durch einen Steuerabschnitt (410) entsprechend dem für die Betriebscharakteristik kennzeichnenden lokalisierten Strom in einer Weise gesteuert wird, daß der lokalisierte Strom in einem gegebenen Bereich verbleiben kann.
  54. Verfahren zur Steuerung eines Betriebszustands einer Brennstoffzelle, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer Brennstoffzelle (402), die geeignet ist, zur Erzeugung elektrischer Energie eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Wasserstoff enthaltenden Brenngases durchzuführen, und einer Strommeßvorrichtung (430) auf der Brennstoffzelle (402), dadurch gekennzeichnet, daß der lokalisierte Strom in einem spezifizierten lokalen Bereich gemessen wird, der für eine Wasserstoffkonzentrationscharakteristik kennzeichnend ist und wo ein Mangel an Wasserstoff leicht stattfinden kann, und daß die Brennstoffzelle (402) entsprechend dem für die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik kennzeichnenden lokalisierten Strom so gesteuert wird, daß die Wasserstoffkonzentration in der Brennstoffzelle erhöht wird, wenn der lokalisierte Strom geringer ist als ein gegebener Stromwert.
  55. Strommeßvorrichtung für die Anwendung in einem zur Erzeugung elektrischer Energie geeigneten Brennstoffzellensystem, gekennzeichnet durch; einen elektrisch leitenden Körper (570, 602, 602A, 602B, 862, 862A, 862B, 920), dazu geeignet, in elektrischem Kontakt mit der Zelleneinheit (552, 850) gehalten zu werden, um das Fließen eines elektrischen Stroms von der Zelleneinheit (552, 850) in den elektrisch leitenden Körper (570) zu gestatten, und mit einem ausgenommenen Abschnitt (571), ein im ausgenommenen Abschnitt (571) angeordnetes, stromleitendes Element (572) des elektrisch leitenden Körpers, das geeignet ist, in elektrischem Kontakt mit einem lokalen Bereich der Zelleneinheit (552, 850) gehalten zu werden, um einem lokalen Strom zu gestatten, vom lokalen Bereich in das stromleitende Element (570, 602, 602A, 602B, 862, 862A, 862B, 920) zu fließen, und einen Stromsensor (580, 612, 512A, 870) zur Ermittlung des durch das stromleitende Element) fließenden lokalen Stroms.
  56. Strommeßvorrichtung nach Anspruch 55, weiter gekennzeichnet durch eine äußere Anschlußleitung (576), die elektrisch mit dem stromleitenden Element (572) verbunden ist, um es dem Stromsensor (580) zu gestatten, den lokalen Strom an einem Außenseitenbereich des elektrisch leitenden Körpers (570) zu ermitteln.
  57. Strommeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 56 oder 57, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Körper (570) zwischen benachbart gestapelten Zelleneinheiten (552) eingefügt ist.
  58. Strommeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 57 oder 58, bei welcher die Zelleneinheit (552) geeignet ist, zur Erzeugung elektrischer Energie eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelleneinheit (552) einen ersten Bereich (F, G) aufweist, der leicht getrocknet werden kann, einen zweiten Bereich (H), in dem leicht übermäßige Feuchtigkeitsbedingungen auftreten können, und einen dritten Bereich (H), wo leicht ein Brenngasmangel auftreten kann, und daß das stromleitende Element (572), die äußere Anschlußleitung (576) und der Stromsensor (580) im elektrisch leitenden Körper (5870) in einer Position angeordnet sind, die wenigstens einem Bereich des ersten bis dritten Bereichs entspricht.
  59. Strommeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 55 bis 59, dadurch gekennzeichnet, daß ein federnder Körper (616, 618), der eine elektrische Leitfähigkeit besitzt, zwischen der Zelleneinheit und dem elektrisch leitenden Körper angeordnet ist.
  60. Strommeßvorrichtung nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, daß das stromleitende Element einen säulenartigen Abschnitt (606, 864) einschließt, der in dem ausgenommenen Abschnitt (604, 864) des elektrisch leitenden Körpers (602, 602A, 602B, 862, 862A, 862B, 920) angeordnet und geeignet ist, in elektrischem Kontakt mit einem lokalen Bereich der Zelleneinheit (552) gehalten zu werden, um einem lokalen Strom zu gestatten, vom lokalen Bereich in den säulenartigen Abschnitt (606, 866) zufließen, und daß der Stromsensor einen magnetischen Sensor (612, 612A, 870) einschließt, der in dem ausgenommenen Abschnitt (604, 864) angeordnet ist, um ein Magnetfeld zu ermitteln, das um den säulenartigen Abschnitt (606, 864) durch den durch ihn fließenden lokalen Strom erzeugt wird.
  61. Strommeßvorrichtung nach Anspruch 60, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Körper (602, 602A, 602B, 862, 862A, 862B, 920) zwischen benachbarten, gestapelten Zelleneinheiten angeordnet ist.
  62. Strommeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 60 oder 61, bei welchen die Zelleneinheit (552) geeignet ist, zur Erzeugung elektrischer Energie eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelleneinheit (552) einen ersten Bereich (E, G) aufweist, der leicht zu trocknen ist, einen zweiten Bereich (H) in dem leicht übermäßige Feuchtigkeitsbedingungen auftreten können, und einen dritten Bereich (H), wo leicht ein Brenngasmangel auftreten kann, daß der säulenartige Abschnitt (606, 866) und der magnetische Sensor (612, 612A, 870) im elektrisch leitenden Körper (602, 602A, 602B, 862,862A, 862B, 920) in einer Position angeordnet sind, die wenigstens einem Bereich des ersten bis dritten Bereichs entspricht.
  63. Strommeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 60 oder 61, gekennzeichnet durch einen zweiten elektrisch leitenden Körper (602B), der eine mit einem ausgenommenen Abschnitt (604) versehene Oberfläche aufweist und über dem elektrisch leitenden Körper (602A) derart angeordnet ist, daß die eine Oberfläche des [zweiten] elektrisch leitenden Körpers (602B) mit einer gegenüberliegenden Fläche in Kontakt gehalten wird, auf der der säulenartige Abschnitt (606) des elektrisch leitenden Körpers (602A) angeordnet ist, und dadurch, daß der magnetische Sensor (612) in einem Raum angeordnet ist, der durch die ausgenommenen Abschnitte (604) der elektrisch leitenden Körper (602A, 602B) definiert ist.
  64. Strommeßvorrichtung nach Anspruch 63, gekennzeichnet durch einen federnden Körper (615), der eine elektrische Leitfähigkeit besitzt und zwischen dem ersten und dem zweiten elektrisch leitenden Körper angeordnet ist.
  65. Strommeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 60 oder 61, gekennzeichnet durch ein Polsterelement (614), das im ausgenommenen Abschnitt (604) angeordnet ist zur sicheren Fixierung des magnetischen Sensors an seinem Platz, und eine zwischen dem ausgenommenen Abschnitt und dem magnetischen Sensor ausgebildete Isolierschicht.
  66. Strommeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 60 oder 61, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Sensor (612) am ausgenommenen Abschnitt (604) befestigt und fixiert ist.
  67. Strommeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 60 oder 61, bei welcher die Zelleneinheit (850) eine Membran-Elektroden-Anord-nung (854) besitzt, die aus einer Elektrolytmembran und einem Paar Elektroden besteht, die auf beiden Oberflächen der Membran-Elektroden-Anordnung (854) ausgebildet sind, gekennzeichnet durch einen elektrisch leitfähigen Trenner (856, 858), der mit wenigstens einem Brenngaskanal (850A) für den Durchfluß des Brenngases und einem Oxidantgaskanal (850B) für den Durchfluß des Oxidantgases ausgebildet ist, der in der Zelleneinheit (850) über einer Außenfläche der Membran-Elektroden-Anordnung (854) angeordnet und mit einem ausgenommenen Abschnitt (864) ausgebildet ist, durch einen säulenartigen Abschnitt (866), der in dem ausgenommenen Abschnitt (864) des Trenners (856, 858) angeordnet und geeignet ist, in elektrischem Kontakt mit dem lokalen Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung (854) gehalten zu werden, um dem lokalen Strom zu gestatten, vom lokalen Bereich in den säulenartigen Abschnitt (866) zu fließen, und durch einen magnetischen Sensor (870). Der in dem ausgenommenen Abschnitt (864) angeordnet ist, um die Größe eines Magnetfelds zu ermitteln, das um den säulenartigen Abschnitt (866) erzeugt wird.
  68. Strommeßvorrichtung nach Anspruch 67, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelleneinheit (850) einen ersten Bereich aufweist, der leicht zu trocknen ist, einen zweiten Bereich, in dem leicht übermäßige Feuchtigkeitsbedingungen auftreten können, und einen dritten Bereich, wo leicht ein Brenngasmangel auftreten kann, und daß der säulenartige Abschnitt (866) und der magnetische Sensor (870) im Trenner (856, 858) in einer Position angeordnet sind, die wenigstens einem Bereich des ersten bis dritten Bereichs entspricht.
  69. Strommeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 60 oder 61, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Sensor in einem Bereich angeordnet ist, der vom Zentrum des elektrisch leitenden Körpers entfernt ist, um die Größe des um den säulenartigen Abschnitt erzeugten Magnetfelds zu messen.
  70. Strommeßvorrichtung nach Anspruch 69, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetisches Abschirmelement (880) um einen äußeren Umfang des ausgenommenen Abschnitts (864) wenigstens in einem enger am Zentrum des elektrisch leitenden Körpers (862) gelegenen Bereich angeordnet ist.
  71. Strommeßvorrichtung nach Anspruch 69, gekennzeichnet durch ein magnetisches Abschirmelement (912) das um einen äußeren Umfang des ausgenommenen Abschnitts (864) in wenigstens einem vom Zentrum des elektrisch leitenden Körpers (862) entfernten Bereich angeordnet ist.
  72. Strommeßvorrichtung nach Anspruch 69, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Sensor (870) außerhalb des elektrisch leitenden Körpers (920) angeordnet ist.
  73. Strommeßvorrichtung nach Anspruch 69, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eisenkern (868) in dem ausgenommenen Abschnitt (864) derart angeordnet ist, daß er den säulenartigen Abschnitt (866) umschließt und einen Luftspalt aufweist, in dem der magnetische Sensor (870) angeordnet ist, und daß eine magnetisches Abschirmelement (880) um den äußeren Umfang des ausgenommenen Abschnitts in wenigstens einem Bereich angeordnet ist, der enger am Zentrum des elektrisch leitenden Körpers (862A) liegt.
  74. Strommeßvorrichtung nach Anspruch 69, gekennzeichnet durch einen Eisenkern (922), der in einem ausgenommenen Abschnitt (920A) derart angeordnet ist, daß er den säulenartigen Abschnitt (866) umschließt, und der vom elektrisch leitenden Körper (920) nach außen ragende Vorsprünge (922a) aufweist, und dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (922a) einen Luftspalt (924) bilden, in dem der magnetische Sensor (870) in einem außerhalb des elektrisch leitenden Körpers (920) befindlichen Bereich angeordnet ist.
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