DE102013225624A1

DE102013225624A1 - Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Fehlers eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102013225624A1
Application number: DE102013225624.8A
Authority: DE
Inventors: Kwi Seong Jeong; Young Bum Kum; Sae Hoon Kim; Haengjin Ko; Young-Hyun Lee; Uck-Soo Kim; Hyun-seok Park
Original assignee: Hyundai Motor Co; Industry Academia Cooperation Foundation of Kangnam University; Hyundai Autron Co Ltd
Current assignee: Hyundai Motor Co; Industry Academia Cooperation Foundation of Kangnam University; Hyundai Kefico Corp
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2014-06-12
Also published as: KR101416399B1; KR20140075982A; CN103872360B; CN103872360A; US9425472B2; US20140162157A1

Abstract

Eine Fehlerdiagnosevorrichtung, die eine Wechselstrom-(AC)Absorptionseinheit umfasst, die mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist und auf der Grundlage eines angelegten AC-Signals geschaltet wird, um zu ermöglichen, dass ein Strom von dem Brennstoffzellenstapel fließt. Darüber hinaus ist ein AC-Signalgenerator eingerichtet, um das AC-Signal zu erzeugen und um das erzeugte AC-Signal an die AC-Absorptionseinheit zuzuführen. Da der Stapelstrom von dem Brennstoffzellenstapel durch die AC-Absorptionseinheit auf der Grundlage eines alternierenden Signals absorbiert wird, umfasst ein in eine Diagnose-Verarbeitungseinheit eingegebener Stapelstrom eine AC-Komponente, wodurch die Diagnose-Verarbeitungseinheit einen Fehler des Brennstoffzellenstapels durch Analysieren einer Frequenz der AC-Komponente diagnostizieren kann.

Description

HINTERGRUND
(a) Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Fehlers von einem Brennstoffzellenstapel.
(b) Beschreibung des Standes der Technik
Eine Brennstoffzelle stellt eine Art von Batterie dar, die durch eine Oxidation von Brennstoff erzeugte chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandelt, die von einer beliebigen Anzahl von Vorrichtungen verwendet werden kann. In den meisten Fällen ist eine Brennstoffzelle insofern mit einer chemischen Zelle identisch, dass sie eine Oxidations- und Reduktionsreaktion zum Erzeugen von Energie verwendet. Jedoch werden in einer Brennstoffzelle die Reaktionspartner von einer äußeren Quelle intermittierend zugeführt und somit werden die Reaktionsprodukte aus einem Brennstoffzellensystem fortlaufend entfernt. In einer chemischen Zelle wird die Batteriereaktion jedoch innerhalb eines geschlossenen Systems durchgeführt.
Derzeit hat die Kommerzialisierung der Brennstoffzelle zu starten begonnen, weil das Reaktionsprodukt der Brennstoffzelle reines Wasser ist und somit sehr umweltfreundlich ist. Demzufolge ist die Forschung zum Verwenden von Brennstoffzellen als eine Energiequelle für Fahrzeuge in der Automobilindustrie von großem Interesse.
Eine Brennstoffzelle besteht oft aus einer Stapelanordnung, in der eine Mehrzahl von Elementarzellen eine neben/über der anderen aufeinanderfolgend angeordnet ist, was in der Industrie als ein Brennstoffzellenstapel bezeichnet wird. Elektrische Energie wird dadurch erzeugt, indem jede Elementarzelle des Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel versorgt wird. Wenn jedoch eine Verschlechterung der Leistung oder ein Fehler in einer Zelle unter den Elementarzellen auftritt, die den Brennstoffzellenstapel bilden, verschlechtert sich die gesamte Leistung des Brennstoffzellenstapels und somit kann kein stabiler Betrieb erreicht werden.
Im Stand der Technik wird die Leistung des Brennstoffzellenstapels durch Messen der von jeder Elementarzelle des Brennstoffzellenstapels ausgegebenen Spannung diagnostiziert. Ein solches Diagnoseverfahren umfasst ein Klirrfaktor-Analyse-(total harmonic distortion analysis – THDA)Verfahren. Das THDA-Verfahren diagnostiziert die Zellenspannung durch Berechnen einer Verzerrungsrate durch Frequenzanalyse der Stapelspannung. Auch wenn das THDA-Verfahren einen Abfall der Zellenspannung einfach detektieren kann, ist es wesentlich schwieriger, quantitativ zu messen, was den Abfall der Zellenspannung verursacht hat.
Jedoch sind für die obige Fehlerdiagnose ein Gleichstrom-(DC)-DC-(DC-DC)Umwandler, der eine DC-Spannung erhöht, und ein DC-Wechselstrom-(AC)(DC-AC)Umwandler, der die erhöhte Gleichspannung (DC-Spannung) zu einer Wechselspannung (AC-Spannung) umwandelt, erforderlich, um den Wechselstrom in den Brennstoffzellenstapel einzuleiten. Da sowohl der obige Umwandler als auch ein Wechselrichter (Inverter) erforderlich sind, wird ein Aufbau einer Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Fehlers in dem Brennstoffzellenstapel schwierig und eine große Anzahl von Teilen ist erforderlich. Daher nimmt der Produktpreis zu. Zusätzlich erfordert die Fehlerdiagnosevorrichtung einen Kondensator, der beim Einleiten des Wechselstromes in den Gleichstrom entkoppelt. Wenn der Wechselstrom durch den obigen Kondensator fließt, tritt eine Verzerrung eines Signals auf. Demzufolge kann es schwierig werden, den Wechselstrom einer Sinuswelle zuzuführen.
Die oben in diesem Abschnitt offenbarten Informationen dienen nur der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und sie können daher Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der einem Durchschnittsfachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Fehlerdiagnosevorrichtung bereit, die unter Verwendung einer einfacheren Anordnung diagnostizieren kann, ob ein Brennstoffzellenstapel ausgefallen ist.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt eine Vorrichtung bereit, die einen Fehler in einem Brennstoffzellenstapel diagnostiziert, die Vorrichtung umfassend eine Wechselstrom-(AC)Absorptionseinheit, die mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist und gemäß einem angelegten AC-Signal geschaltet wird, um zu ermöglichen, dass ein Strom von dem Brennstoffzellenstapel fließt; einen AC-Signalgenerator, der eingerichtet ist, um das AC-Signal zu erzeugen, und um das erzeugte AC-Signal an die AC-Absorptionseinheit zuzuführen; und eine Diagnose-Verarbeitungseinheit, die eingerichtet ist, um eine Stapelspannung oder einen Stapelstrom des Brennstoffzellenstapels zu messen und um auf der Grundlage der gemessenen Stapelspannung oder des Stapelstromes zu diagnostizieren, ob der Brennstoffzellenstapel ausgefallen ist. Der AC-Signalgenerator kann eine Frequenz und eine Amplitude auf der Grundlage eines Steuersignals verändern, das von der Diagnose-Verarbeitungseinheit ausgegeben wird, um dadurch das AC-Signal zu erzeugen.
Außerdem kann die AC-Absorptionseinheit einen Transistor umfassen, von dem ein Kollektoranschluss mit einem ersten Anschluss des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, von dem ein Emitteranschluss mit einem zweiten Anschluss des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, und von dem ein Basisanschluss mit einem Ausgangsanschluss des AC-Signalgenerators verbunden ist. Eine Last kann zwischen dem ersten Anschluss des Brennstoffzellenstapels und dem zweiten Anschluss des Brennstoffzellenstapels angeschlossen werden, und der von dem Brennstoffzellenstapel ausgegebene Stapelstrom kann eine Summenbildung eines Absorptionsstromes, der durch die AC-Absorptionseinheit fließt, und eines Laststromes, der durch die Last fließt, sein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt eine Vorrichtung bereit, die einen Fehler in einem Brennstoffzellenstapel diagnostiziert, die Vorrichtung umfassend eine AC-Absorptionseinheit, die zwischen beiden Anschlüssen des Brennstoffzellenstapels angeschlossen ist und gemäß einem angelegten AC-Signal geschaltet wird, um zu ermöglichen, dass ein Strom von dem Brennstoffzellenstapel absorbiert wird und fließt; eine Lasteinheit, die zwischen beiden Anschlüssen des Brennstoffzellenstapels angeschlossen ist und in der der Strom von dem Brennstoffzellenstapel fließt; einen AC-Signalgenerator, der eingerichtet ist, um das AC-Signal zu erzeugen und um das erzeugte AC-Signal an die AC-Absorptionseinheit zuzuführen; und eine Diagnose-Verarbeitungseinheit, die eingerichtet ist, um einen Stapelstrom zu messen, der einen Absorptionsstrom, der durch die AC-Absorptionseinheit fließt, und einen Laststrom, der durch die Lasteinheit fließt, umfasst, um eine Stapelspannung des Brennstoffzellenstapels zu messen und um auf der Grundlage der gemessenen Stapelspannung oder des Stapelstromes zu diagnostizieren, ob der Brennstoffzellenstapel ausgefallen ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann es möglich sein, einen Fehler in einem Brennstoffzellenstapel unter Verwendung einer einfacheren Anordnung zu diagnostizieren. Insbesondere, auch wenn kein DC-DC-Umwandler und ein DC-AC-Umwandler, der eine erhöhte DC-Spannung in einen Wechselstrom umwandelt, verwendet werden, kann es möglich sein, zu ermöglichen, dass ein Strom des Brennstoffzellenstapels einen Wechselstrom aufweist. Demzufolge kann ein Aufbau der Fehlerdiagnosevorrichtung vereinfacht werden und eine relativ kleine Anzahl von Teilen kann verwendet werden. Daher können die Produktionskosten der Fehlerdiagnosevorrichtung reduziert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, das einen Aufbau einer Vorrichtung, die einen Fehler in einem Brennstoffzellenstapel diagnostiziert, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 zeigt einen beispielhaften Graphen, der eine Kennlinie eines Stapelstromes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt; und
3 zeigt einen beispielhaften Graphen, der eine Spannungs-Strom-Kennlinie gemäß einem Betriebszustand von jeder Zelle eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es ist zu beachten, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, Wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
Obwohl das Ausführungsbeispiel derart beschrieben wird, dass es eine Mehrzahl von Einheiten verwendet, um den beispielhaften Prozess durchzuführen, versteht es sich, dass die beispielhaften Prozesse ebenfalls durch ein oder eine Mehrzahl von Modulen durchgeführt werden können. Darüber hinaus versteht es sich, dass sich der Ausdruck Steuerung auf eine Hardware-Vorrichtung bezieht, die einen Speicher und einen Prozessor umfasst. Der Speicher ist eingerichtet, um die Module zu speichern, und der Prozessor ist insbesondere eingerichtet, um die besagten Module auszuführen, um einen oder mehrere Prozesse durchzuführen, die weiter unten beschrieben werden.
Darüber hinaus kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nichtflüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium ausgeführt werden, das ablauffähige Programmbefehle umfasst, die durch einen Prozessor, eine Steuerung oder dergleichen ausgeführt werden. Beispiele von computerlesbaren Speichermedien umfassen in nicht einschränkender Weise ROM, RAM, Compact-Disc(CD)-ROMs, Magnetbänder, Floppydisks, Flash-Laufwerke, Smart Cards und optische Datenspeichervorrichtungen. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann ebenfalls in netzgekoppelten Computersystemen dezentral angeordnet sein, so dass das computerlesbare Medium in einer verteilten Art und Weise gespeichert und ausgeführt wird, z. B. durch einen Telematik-Server oder ein Controller Area Network (CAN).
Die hierin verwendete Terminologie ist zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung einzuschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen ”ein”, ”eine/einer” und ”der/die/das” dazu vorgesehen, dass sie ebenso die Pluralformen umfassen, wenn aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke ”aufweisen” und/oder ”aufweisend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck ”und/oder” jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung sind zur Veranschaulichung lediglich bestimmte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben worden. Wie der Fachmann auf dem Gebiet erkennen würde, können die beschriebenen Ausführungsformen auf verschiedene Weise geändert werden, ohne von der Lehre oder dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Dementsprechend sind die Zeichnungen und die Beschreibung als veranschaulichend und nicht als einschränkend anzusehen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente überall in der Beschreibung.
In der gesamten Beschreibung, sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil beschrieben wird, wird das Wort ”aufweisen/umfassen” oder Variationen wie ”weist auf/umfasst” oder ”aufweisend/umfassend” derart verstanden, dass sie die Einbeziehung der genannten Elemente, aber nicht der Ausschluss von irgendwelchen anderen Elementen bedeuten.
Nachstehend wird eine Vorrichtung, die einen Fehler in einem Brennstoffzellenstapel diagnostiziert, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. 1 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, das einen Aufbau einer Vorrichtung, die einen Fehler in einem Brennstoffzellenstapel diagnostiziert, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
Wie in 1 gezeigt, kann eine Vorrichtung 1 (nachfolgend als ”Fehlerdiagnosevorrichtung 1” bezeichnet), die einen Fehler in einem Brennstoffzellenstapel 2 diagnostiziert, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Wechsel-Strom-(AC)Absorptionseinheit 11, die mit dem Brennstoffzellenstapel 2 verbunden ist, einen AC-Signalgenerator 12, der eingerichtet ist, um ein AC-Signal zu erzeugen, das die AC-Absorptionseinheit 11 betreibt, und eine Diagnose-Verarbeitungseinheit 13, die eingerichtet ist, um eine Fehlerdiagnose durch Messen einer Spannung und eines Stromes des Brennstoffzellenstapels 2 durchzuführen, umfassen.
Für die Fehlerdiagnose des Brennstoffzellenstapels 2 und um zu ermöglichen, dass ein Stapelstrom eine AC-Komponente aufweist, kann die AC-Absorptionseinheit 11, die mit dem Brennstoffzellenstapel 2 verbunden ist, in der ein von dem Brennstoffzellenstapel 2 ausgegebener Strom fließt, einen Transistor TR1 umfassen. Außerdem kann eine Lasteinheit, das heißt, eine Last R1 in der Fehlerdiagnosevorrichtung 1 umfasst oder mit dieser verbunden sein, und die Last R1 bezieht sich kurz dargestellt auf alle Teile, die einen von dem Brennstoffzellenstapel 2 erzeugten Strom nutzen. Die Last verbraucht Leistung einer Brennstoffzelle und kann zum Beispiel einen Wechselrichter (Inverter), einen Motor, einen DC-DC-Umwandler, eine Batterie und dergleichen umfassen.
Ein Kollektoranschluss des Transistors TR1 kann mit einem ersten Anschluss (z. B. + Anschluss) des Brennstoffzellenstapels 2 verbunden werden, ein Emitteranschluss kann mit einem zweiten Anschluss (z. B. – Anschluss) des Brennstoffzellenstapels 2 verbunden werden und ein Basisanschluss kann mit einem Ausgangsanschluss des AC-Signalgenerators 12 verbunden werden. Ein Anschluss an einer ersten Seite der Last R1 kann mit dem ersten Anschluss des Brennstoffzellenstapels 2 verbunden werden und ein. Anschluss an einer zweiten Seite der Last R1 kann mit dem zweiten Anschluss des Brennstoffzellenstapels 2 verbunden werden. Demzufolge kann der von dem Brennstoffzellenstapel 2 ausgegebene Stapelstrom durch den Transistor TR1 und durch die Last R1 fließen. Ein Strom, der durch den Transistor TR1 fließt, wird als Absorptionsstrom bezeichnet, und ein Strom, der durch die Last R1 fließt, wird als Laststrom bezeichnet.
2 zeigt einen beispielhaften Graphen, der eine Kennlinie eines Stapelstromes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Absorptionsstrom kann eine AC-Komponente gemäß einem Schaltvorgang des Transistors TR1 wie in 2(b) gezeigt aufweisen, und der Laststrom kann eine DC-Komponente wie in 2(c) gezeigt aufweisen. Der von dem Brennstoffzellenstapel 2 gemäß einem Betrieb des Transistors TR1 ausgegebene Stapelstrom kann durch den Transistor TR1 fließen und wird dadurch eine AC-Komponente. Demzufolge, wie in 2(a) gezeigt, kann der Stapelstrom als eine Summenbildung des Laststromes und des Absorptionsstromes ausgedrückt werden.
Der AC-Signalgenerator 12 kann eingerichtet sein, um ein AC-Signal (oder kann ebenfalls als ein Steuerstrom bezeichnet werden) zu erzeugen, der den Transistor TR1 der AC-Absorptionseinheit 11 ansteuert, und kann eingerichtet sein, um das erzeugte AC-Signal an den Basisanschluss des Transistors TR1 auszugeben. Das AC-Signal kann ermöglichen, dass der Stapelstrom selbst mit einer im Wesentlichen kleinen Strommenge als eine AC-Komponente ausgedrückt wird. Ein Strom, der in dem Transistor TR1 fließt, kann ein Strom eines Verstärkungsbereichs des Transistors TR1 sein. Demzufolge fließt verglichen mit dem an dem Basisanschluss angelegten Strom ein durch eine Verstärkungsrate verstärkter Strom.
Der AC-Signalgenerator 12 kann eingerichtet sein, um ein AC-Signal gemäß einem von der Diagnose-Verarbeitungseinheit 13 ausgegebenen Steuersignal zu erzeugen. Die Diagnose-Verarbeitungseinheit 13 kann eingerichtet sein, um eine Frequenz des von dem AC-Signalgenerator 12 ausgegebenen Stromes gemäß dem Steuersignal einzustellen. Das an den Transistor TR1 der AC-Absorptionseinheit 11 zugeführte AC-Signal kann als I_text = I_max × sinωt ausgedrückt werden. Die Frequenz ω variiert entsprechend dem Steuersignal. Der AC-Signalgenerator 12 kann eingerichtet sein, um ein AC-Signal von 10 Hz gemäß zum Beispiel dem Steuersignal zu erzeugen, das von der Steuerstrom-Steuereinheit 131 ausgegeben wird, und kann eingerichtet sein, um das erzeugte AC-Signal an die AC-Absorptionseinheit 11 zuzuführen.
Wie oben beschrieben, da es erforderlich ist, dass der Strom des Brennstoffzellenstapels 2 nur durch den Transistor TR1 der AC-Absorptionseinheit 11 fließt, wird eine in den Brennstoffzellenstapel 2 einzubringende Strommenge nicht benötigt. Es ist erforderlich, dass das in den Basisanschluss des Transistors TR1 eingegebene AC-Signal nur in einer Form einer sinusförmigen Wellenform fließt und somit kann ein Aufbau der Fehlerdiagnosevorrichtung 1 vereinfacht werden und die Anzahl von verwendeten Teilen kann abnehmen. Darüber hinaus kann anstelle eines Einleitens eines Wechselstromes in einen Gleichstrom der Wechselstrom direkt in den Transistor TR1 fließen und somit ist ein Entkopplungskondensator möglicherweise nicht erforderlich. Dementsprechend kann eine Verzerrung des Wechselstromes nicht auftreten und somit ist es möglich, zu ermöglichen, dass der Wechselstrom nahe einer Sinuswellenform fließt.
Indessen kann die Diagnose-Verarbeitungseinheit 13 eingerichtet sein, um eine Stapelspannung und/oder einen Stapelstrom des Brennstoffzellenstapels 2 zu messen, und um basierend auf der gemessenen Stapelspannung und/oder dem Stapelstrom zu diagnostizieren, ob der Brennstoffzellenstapel 2 ausgefallen ist. Ferner wird ein Betrieb einer Vorrichtung, die einen Fehler in einem Brennstoffzellenstapel diagnostiziert, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auf der Grundlage der obigen Anordnung beschrieben.
Um den Fehler des Brennstoffzellenstapels 2 zu diagnostizieren, kann die Fehlerdiagnosevorrichtung 1 eingerichtet sein, um einen Wechselstrom einer vorgegebenen Frequenz zu erzeugen und um den erzeugten Wechselstrom an die AC-Absorptionseinheit 11 zuzuführen. Ein AC-Signal einer vorgegebenen Frequenz, beispielsweise 10 Hz, das von dem AC-Signalgenerator 12 ausgegeben wird, wird an den Transistor TR1 der AC-Absorptionseinheit 11 zugeführt, der Transistor TR1 kann eingerichtet sein, um einen ein- und ausschaltbaren Schaltvorgang durchzuführen, und der von dem Brennstoffzellenstapel 2 ausgegebene Stapelstrom kann durch die AC-Absorptionseinheit 11 fließen. Zusätzlich kann der Stapelstrom durch die Last R1 fließen.
Demzufolge kann der in die Diagnose-Verarbeitungseinheit 13 eingegebene Stapelstrom wie in 2 gezeigt, einen Absorptionsstrom einer AC-Komponente, der durch den Transistor TR1 fließt, und einen Laststrom einer DC-Komponente, der durch die Last R1 fließt, umfassen. Die Diagnose-Verarbeitungseinheit 13 kann eingerichtet sein, um eine Stapelspannung und einen Stapelstrom zu messen, und um einen Fehler in dem Brennstoffzellenstapel 2 auf der Grundlage der gemessenen Stapelspannung und des gemessenen Stapelstromes zu diagnostizieren. Zum Beispiel kann die Diagnose-Verarbeitungseinheit 13 eingerichtet sein, um die Stapelspannung zu messen, eine Verzerrungsrate auf der Grundlage der gemessenen Stapelspannung zu berechnen und einen Fehler in dem Brennstoffzellenstapel 2 auf der Grundlage der berechneten Verzerrungsrate zu diagnostizieren. Eine Klirrfaktor-Analyse (THDA) kann als ein Verfahren zum Berechnen der Verzerrungsrate verwendet werden.
3 zeigt einen beispielhaften Graphen, der eine Spannungs-Strom-Kennlinie gemäß einem Betriebszustand von jeder Zelle eines Brennstoffzellenstapels darstellt.
Im Allgemeinen kann beim Zuführen eines Stromes einer Sinuswellenform an den Brennstoffzellenstapel 2 eine Spannung einer Zelle, die in dem Brennstoffzellenstapel 2 normal (z. B. kein Fehler) arbeitet, in einem linearen Bereich variieren, wie dies durch eine gestrichelte Linie von 3 angegeben ist, und eine Spannung einer Zelle, die in dem Brennstoffzellenstapel 2 anormal (z. B. mit Fehler) arbeitet, kann in einem nichtlinearen Bereich variieren, wie dies durch eine durchgezogene Linie von 3 angegeben ist. Demzufolge kann eine Spannung einer normalen Zelle gemäß einer Stromänderung eine verringerte Verzerrung aufweisen, wohingegen eine Spannung einer anormalen Zelle basierend auf einer Änderung des Zellenstromes eine erhöhte Spannungsamplitude und eine erhöhte Verzerrung aufweisen kann. Dementsprechend kann es möglich sein, einen Fehler in dem Brennstoffzellenstapel 2 durch Berechnen einer Verzerrungsrate unter Verwendung einer Frequenzanalyse des Stapelstromes und Diagnostizieren, ob die Zellenspannung abgesunken ist, auf der Grundlage der berechneten Verzerrungsrate zu diagnostizieren. Als ein Beispiel des obigen Fehlerdiagnoseverfahrens können andere Verfahren (z. B. ein Verfahren zum Messen einer Impedanz auf der Grundlage der Stapelspannung und des Stapelstromes, um dadurch eine Fehler in dem Brennstoffzellenstapel 2 zu diagnostizieren) verwendet werden.
Während diese Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben worden ist, was gegenwärtig als praktische Ausführungsbeispiele erachtet werden, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegensatz dazu vorgesehen ist, um verschiedene Abänderungen und äquivalente Anordnungen abzudecken, die innerhalb der Lehre und des Umfangs der beigefügten Ansprüche umfasst sind.

Claims

Vorrichtung, die einen Fehler in einem Brennstoffzellenstapel diagnostiziert, die Vorrichtung aufweisend: eine Wechselstrom-(AC)Absorptionseinheit, die mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist und auf der Grundlage eines angelegten AC-Signals geschaltet wird, um zu ermöglichen, dass ein Strom von dem Brennstoffzellenstapel fließt; einen AC-Signalgenerator, der eingerichtet ist, um das AC-Signal zu erzeugen, und um das erzeugte AC-Signal an die AC-Absorptionseinheit zuzuführen; und einen Prozessor, der eingerichtet ist, um: eine Stapelspannung oder einen Stapelstrom des Brennstoffzellenstapels zu messen; und den Fehler in dem Brennstoffzellenstapel auf der Grundlage der gemessenen Stapelspannung oder des Stapelstromes zu diagnostizieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: der AC-Signalgenerator eine Frequenz und eine Amplitude auf der Grundlage eines Steuersignals verändert, das von der Diagnose-Verarbeitungseinheit ausgegeben wird, um das AC-Signal zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die AC-Absorptionseinheit umfasst: einen Transistor, wobei ein Kollektoranschluss mit einem ersten Anschluss des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, ein Emitteranschluss mit einem zweiten Anschluss des Brennstoffzellenstapels verbunden ist und ein Basisanschluss mit einem Ausgangsanschluss des AC-Signalgenerators verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei: eine Last zwischen dem ersten Anschluss des Brennstoffzellenstapels und dem zweiten Anschluss des Brennstoffzellenstapels angeschlossen ist, und der von dem Brennstoffzellenstapel ausgegebene Stapelstrom eine Summenbildung eines Absorptionsstromes, der durch die AC-Absorptionseinheit fließt, und eines Laststromes, der durch die Last fließt, ist.
Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Fehlers in einem Brennstoffzellenstapel, die Vorrichtung aufweisend: eine AC-Absorptionseinheit, die zwischen beiden Anschlüssen des Brennstoffzellenstapels angeschlossen ist und auf der Grundlage eines angelegten AC-Signals geschaltet wird, um zu ermöglichen, dass ein Strom von dem Brennstoffzellenstapel absorbiert wird und fließt; eine Lasteinheit, die zwischen beiden Anschlüssen des Brennstoffzellenstapels angeschlossen ist und in der der Strom von dem Brennstoffzellenstapel fließt; einen AC-Signalgenerator, der eingerichtet ist, um das AC-Signal zu erzeugen und um das erzeugte AC-Signal an die AC-Absorptionseinheit zuzuführen; und einen Prozessor, der eingerichtet ist, um: einen Stapelstrom zu messen, der einen Absorptionsstrom, der durch die AC-Absorptionseinheit fließt, und einen Laststrom, der durch die Lasteinheit fließt, umfasst; eine Stapelspannung des Brennstoffzellenstapels zu messen; und den Fehler in dem Brennstoffzellenstapel auf der Grundlage der gemessenen Stapelspannung oder des Stapelstromes zu diagnostizieren.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die AC-Absorptionseinheit umfasst: einen Transistor, wobei ein Kollektoranschluss mit einem ersten Anschluss des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, ein Emitteranschluss mit einem zweiten Anschluss des Brennstoffzellenstapels verbunden ist und ein Basisanschluss mit einem Ausgangsanschluss des AC-Signalgenerators verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenstapel-Fehlerdiagnosevorrichtung, das Verfahren aufweisend: Erzeugen, durch einen Wechselstrom-(AC)Signalgenerator, eines Steuerstromes einer vorgegebenen Frequenz; Messen, durch einen Prozessor, einer Stapelspannung und eines Stapelstromes auf der Grundlage des erzeugten Steuerstromes; Berechnen, durch den Prozessor, einer Verzerrungsrate auf der Grundlage der gemessenen Stapelspannung; Einstellen, durch den Prozessor, einer Frequenz des Stapelstromes auf der Grundlage eines Steuersignals; Diagnostizieren, durch die Steuerung, eines Fehlers in dem Brennstoffzellenstapel auf der Grundlage der berechneten Verzerrungsrate.