DE102013225919A1

DE102013225919A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Messen eines ohmschen Innenwiderstandes eines Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102013225919A1
Application number: DE102013225919.0A
Authority: DE
Inventors: Jae Hoon Kim
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2013-08-16
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2015-02-19
Also published as: US20180102559A1; US10347926B2; US9871262B2; US20150050524A1; KR20150019793A; KR101655506B1

Abstract

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen des ohmschen Innenwiderstandes von einem Brennstoffzellensystem, wobei der Widerstand durch ein Stromunterbrechungsverfahren in einfacher Weise gemessen werden kann, sogar während das Brennstoffzellensystem betrieben wird. Eine Unterbrechungsvorrichtung und eine externe Energieverbrauchsvorrichtung werden zwischen einer Brennstoffzelle und einer Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung zueinander parallel geschaltet, so dass ein Strom an die externe Energieverbrauchsvorrichtung durch Ein- und Ausschalten der Unterbrechungsvorrichtung angelegt und unterbrochen wird, sogar während das Brennstoffzellensystem in Betrieb gehalten wird, wodurch es möglich ist, den ohmschen Innenwiderstand der Brennstoffzelle ohne Umstände zu messen.

Description

HINTERGRUND
(a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen des ohmschen Innenwiderstandes von einem Brennstoffzellensystem und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen des ohmschen Innenwiderstandes von einem Brennstoffzellensystems unter Verwendung eines Stromunterbrechungsverfahrens, auch während das Brennstoffzellensystem betrieben wird.
(b) Stand der Technik
Ein in einem Brennstoffzellenfahrzeug montiertes Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, in dem ungefähr zehn bis hundert Brennstoffzellen gestapelt sind, ein Brennstoffversorgungssystem zum Zuführen eines Brennstoffs (Wasserstoffgas) an den Brennstoffzellenstapel, ein Luftversorgungssystem, umfassend ein Luftgebläse und eine Befeuchtungsvorrichtung zum Zuführen von Sauerstoffgas in der Luft, das ein für eine elektrochemische Reaktion erforderliches Oxidationsmittel darstellt, an den Brennstoffzellenstapel, und ein Wärme- und Wassermanagementsystem zum Steuern einer Betriebstemperatur und Kühlen des Brennstoffzellenstapels.
Wenn Wasserstoffgas an eine Brennstoffelektrode (Anode) des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird und Luft an eine Luftelektrode (Kathode) des Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, während das Brennstoffzellensystem betrieben wird, wird eine Oxidationsreaktion des Wasserstoffgases in der Brennstoffelektrode durchgeführt, so dass Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen erzeugt werden. Die erzeugten Wasserstoffionen und Elektronen werden zu der Luftelektrode durch eine Polyelektrolyt-Membran und eine bipolare Platte des Stapels bewegt, Wasser wird in der Luftelektrode durch eine elektrochemische Reaktion erzeugt, in der die von der Brennstoffelektrode bewegten Wasserstoffionen und Elektronen und Sauerstoffgas von der Luft beteiligt sind, und elektrische Energie wird gleichzeitig durch einen Fluss von Elektronen erzeugt.
Die tatsächliche Spannung gemäß der Erzeugung der elektrischen Energie der Brennstoffzelle wird als ein Wert bestimmt, der durch Subtrahieren eines Verlustes aufgrund eines inneren Stromes des Brennstoffzellenstapels, eines Verlustes aufgrund einer Reaktionsaktivierung des Stapels, eines Verlustes aufgrund eines ohmschen Widerstandes innerhalb des Stapels und eines Verlustes aufgrund einer Zufuhr von Reaktionspartnern von einer idealen Spannung erhalten wird.
Während das Brennstoffzellensystem betrieben wird, tendieren die eine Membran-Elektrolyt-Anordnung (MEA) bildende Polymerelektrolyt-Membran, und die Luftelektrode (Kathode) und die Brennstoffelektrode (Anode), die auf ihren gegenüberliegenden Oberflächen gestapelt sind, dazu, sich zu verschlechtern. Aufgrund dieser Verschlechterung verringert sich die Leistung der Brennstoffzelle nach einem Betrieb für eine bestimmte Zeitdauer. Zu diesem Zeitpunkt variiert ebenfalls der ohmsche Innenwiderstand der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von dem Grad der Verschlechterung des Stapels.
Der ohmsche Widerstand der Brennstoffzelle entspricht Strukturen innerhalb des Brennstoffzellenstapels, die als ein Widerstand gemäß dem Ohmschen Gesetz dienen, und ist dafür bekannt, sich abhängig von dem Wasserfeuchtigkeitsgehalt der Membran-Elektrolyt-Anordnung der Brennstoffzelle zu ändern, die die Polyelektrolyt-Membran und die Luft- und Brennstoffelektroden umfasst, die auf den gegenüberliegenden Oberflächen der Polyelektrolyt-Membran gestapelt sind.
Somit können der Grad der Verschlechterung der Brennstoffzelle und der Wasserfeuchtigkeitsgehalt innerhalb der Membran-Elektrolyt-Anordnung indirekt durch die Messung des ohmschen Innenwiderstandes der Brennstoffzelle erhalten werden.
Ein Stromunterbrechungsverfahren und ein Wechselstrom-Impedanzverfahren können als ein typisches Verfahren zum Messen des ohmschen Innenwiderstandes der Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik veranschaulicht werden.
In dem Wechselstrom-Impedanzverfahren wird eine Funktionseigenschaft der Brennstoffzelle durch Messen des Widerstandswertes einer Zelle bei einer bestimmten Wechselstromfrequenz bestimmt. Durch dieses Verfahren ist eine separate Hardware zum Erzeugen eines Wechselstromsignals erforderlich und eine erhebliche Zeitdauer wird zum Messen des Widerstandes benötigt.
Indessen wird in dem Stromunterbrechungsverfahren eine Funktionseigenschaft der Brennstoffzelle durch eine Steigungscharakteristik einer Spannung gemäß der Zeit bestimmt, die sofort auftritt, wenn ein Strom unterbrochen wird. Hierzu ist eine Analysevorrichtung relativ einfach und eine geringe Zeitdauer wird zum Messen des Widerstandes im Vergleich zu dem Wechselstrom-Impedanzverfahren benötigt.
Nachstehend wird ein Verfahren zum Messen eines ohmschen Innenwiderstandes einer Brennstoffzelle unter Verwendung des Stromunterbrechungsverfahrens gemäß dem Stand der Technik unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 1 wird für eine Messung des ohmschen Widerstandes durch das Stromunterbrechungsverfahren gemäß dem Stand der Technik eine Brennstoffzelle 10 mit einer Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung 12 (zum Beispiel ein Antriebsmotor eines Brennstoffzellenfahrzeugs oder verschiedene elektrische Lasten) zum Anlegen eines Stromes verbunden, eine separate Spannungsmessungsvorrichtung 14 wird mit der Brennstoffzelle 10 verbunden und eine Unterbrechungsvorrichtung 16 (zum Beispiel ein Schalter, ein Relais, ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated Gate Bipolar mode Transistor – (IGBT)) oder dergleichen zum Anlegen oder Unterbrechen des Stromes wird zwischen der Brennstoffzelle 10 und der Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung 12 angeschlossen.
Unter Bezugnahme auf 2, die eine Ersatzschaltung der Brennstoffzelle zeigt, die einen Verlustwiderstand für eine Spannung der Brennstoffzelle darstellt, sind ein Aktivierungsverlustwiderstand gemäß einer Reaktionsaktivierung der Brennstoffzelle und ein ohmscher Innenwiderstand der Brennstoffzelle miteinander in Reihe geschaltet, und ein Kondensator, der ein Aktivierungsverlustwiderstand darstellt, ist parallel zu dem Aktivierungsverlustwiderstand gemäß der Reaktionsaktivierung der Brennstoffzelle geschaltet.
Zur Messung des ohmschen Innenwiderstandes der Brennstoffzelle, während die Verlustwiderstände vorhanden sind, ist die Unterbrechungsvorrichtung zwischen der Brennstoffzelle und der Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung ausgeschaltet, um einen von der Brennstoffzelle zu der Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung fließenden Strom zu unterbrechen.
Wenn der Strom wie oben beschrieben sofort unterbrochen wird, wird eine Spannung entsprechend dem ohmschen Widerstand sofort erhöht und eine Spannung entsprechend dem Aktivierungsverlustwiderstand wird ebenfalls durch eine Entladung der in dem Kondensator gespeicherten elektrischen Ladungen langsam erhöht. Zu diesem Zeitpunkt misst eine Spannungsmessungsvorrichtung die Spannung.
Das heißt, die Spannungsmessungsvorrichtung misst die augenblicklich zunehmende Spannung V_ohmic, wenn die Unterbrechungsvorrichtung den von der Brennstoffzelle an die Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung angelegten Strom unterbricht, und der ohmsche Innenwiderstand R_ohmic der Brennstoffzelle kann durch Dividieren der Spannung V_ohmic durch den Strom I, den die Brennstoffzelle angelegt hat, wie durch Gleichung 1 angegeben, berechnet werden. R_ohmic = V_ohmic/I Gleichung 1
Der gemessene ohmsche Innenwiderstand wird erhöht, wenn die Leistung der Brennstoffzelle durch den Grad der Verschlechterung verringert wird oder der Wasserfeuchtigkeitsgehalt in der Membran-Elektrolyt-Anordnung verringert wird, und kann somit als Barometer zum indirekten Anzeigen des Verschlechterungsgrades und des Feuchtigkeitsversorgungszustandes der Brennstoffzelle genutzt werden.
Jedoch weist das oben beschriebene Verfahren zum Messen des ohmschen Innenwiderstandes der Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik die folgenden Probleme auf.
Beim Messen des ohmschen Innenwiderstandes der Brennstoffzelle wird der Strom von der Brennstoffzelle zu der Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung unterbrochen, wenn die Unterbrechungsvorrichtung zwischen der Brennstoffzelle und der Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung ausgeschaltet wird, so dass der Betrieb des Brennstoffzellensystems gestoppt werden muss.
Das heißt, das Brennstoffzellensystem kann nicht kontinuierlich betrieben werden, da der Betrieb des Brennstoffzellensystems für die Messung des ohmschen Innenwiderstandes der Brennstoffzelle augenblicklich gestoppt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Erfindung ist im Bestreben gemacht worden, um die oben beschriebenen und mit dem Stand der Technik verbundenen Probleme zu lösen. Demzufolge ist es eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen des ohmschen Innenwiderstandes eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, in denen eine Unterbrechungsvorrichtung und eine externe Energieverbrauchsvorrichtung zwischen einer Brennstoffzelle und einer Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung zueinander parallel geschaltet sind, so dass ein Strom für die externe Energieverbrauchsvorrichtung durch Ein-/Ausschalten der Unterbrechungsvorrichtung angelegt und unterbrochen wird, auch während das Brennstoffzellensystem in Betrieb gehalten wird, wodurch es möglich ist, den ohmschen Innenwiderstand der Brennstoffzelle ohne Umstände zu messen.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Messen des ohmschen Innenwiderstandes eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt, umfassend: eine Brennstoffzelle, die mit einer Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung verbunden ist, um Strom an die Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung anzulegen; und eine Spannungsmessungsvorrichtung, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist, wobei eine Unterbrechungsvorrichtung und eine externe Energieverbrauchsvorrichtung zwischen der Brennstoffzelle und der Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung zueinander parallel geschaltet sind.
Die externe Energieverbrauchsvorrichtung kann vorzugsweise einen Widerstand und/oder eine Heizvorrichtung und/oder eine Batterie und/oder einen Kondensator umfassen, die Energie der Brennstoffzelle verbrauchen.
Die Unterbrechungsvorrichtung kann vorzugsweise einen Schalter und/oder ein Relais und/oder einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) umfassen, die einen Strom unterbrechen.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Messen eines ohmschen Innenwiderstandes eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt, umfassend: Parallel Schalten einer Unterbrechungsvorrichtung und einer externen Energieverbrauchsvorrichtung zueinander zwischen einer Brennstoffzelle und einer Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung; Anlegen eines Stromes von der Brennstoffzelle an der Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung; Anlegen eines Stromes von der Brennstoffzelle an die externe Energieverbrauchsvorrichtung durch Schalten der Unterbrechungsvorrichtung, während der Strom von der Brennstoffzelle an die Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung angelegt wird; Unterbrechen des von der Brennstoffzelle an die externe Energieverbrauchsvorrichtung angelegten Stromes durch Ausschalten der Unterbrechungsvorrichtung nach einer vorgegebenen Zeitdauer; und Berechnen des ohmschen Innenwiderstandes durch Messen eines Betrages einer Strom- und Spannungsänderung, die die Brennstoffzelle an die externe Energieverbrauchsvorrichtung angelegt hat, wenn die Unterbrechungsvorrichtung ein- und ausgeschaltet wird.
Das Berechnen des ohmschen Innenwiderstandes kann vorzugsweise ein Dividieren eines Differenzwertes zwischen der durch die Brennstoffzelle angelegten Spannung, wenn die Unterbrechungsvorrichtung eingeschaltet ist, und der durch die Brennstoffzelle angelegten Spannung, wenn die Unterbrechungsvorrichtung ausgeschaltet ist, durch einen Differenzwert zwischen dem durch die Brennstoffzelle angelegten Strom, wenn die Unterbrechungsvorrichtung eingeschaltet ist, und dem durch die Brennstoffzelle angelegten Strom, wenn die Unterbrechungsvorrichtung ausgeschaltet ist, umfassen.
Wie oben beschrieben, kann gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein ohmscher Innenwiderstand einer Brennstoffzelle in einfacher Weise gemessen werden, während ein Brennstoffzellensystem ohne Unterbrechung kontinuierlich betrieben wird, indem eine Unterbrechungsvorrichtung und eine externe Energieverbrauchsvorrichtung zwischen der Brennstoffzelle und einer Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung parallel geschaltet werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen davon ausführlicher beschrieben, welche durch die beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, und welche im Folgenden nur zur Veranschaulichung dienen, und somit nicht für die vorliegende Erfindung einschränkend sind. In den Figuren zeigen:
1 eine Ansicht, die einen Aufbau einer Vorrichtung zum Messen eines ohmschen Innenwiderstandes eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik darstellt;
2 ein Schaltbild, das eine Ersatzschaltung einer Brennstoffzelle darstellt;
3 eine Ansicht, die einen Aufbau einer Vorrichtung zum Messen eines ohmschen Innenwiderstandes eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 einen Graphen, der eine Änderung der angelegten Spannung einer Brennstoffzelle in Abhängigkeit von der Zeit in einem Fall zum Messen eines ohmschen Innenwiderstandes eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 einen Graphen, der durch Verfahren gemäß dem Stand der Technik und der vorliegenden Lehre gemessene ohmsche Widerstände darstellt;
6 einen Graphen, der darstellt, dass durch Verfahren gemäß dem Stand der Technik und der vorliegenden Lehre gemessene ohmsche Widerstände in Abhängigkeit von einem Verschlechterungsgrad einer Brennstoffzelle erhöht werden; und
7 einen Graphen, der darstellt, dass ein durch ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemessener ohmscher Widerstand in Abhängigkeit von der relativen Feuchtigkeit einer Brennstoffzelle variiert wird.
Es ist zu beachten, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabgerecht sind und eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen bevorzugten Merkmalen darstellen, die der Veranschaulichung der Grundsätze der Erfindung dienen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich z. B. spezifischer Abmessungen, Orientierungen, Einbauorte und Formen werden zum Teil durch die eigens dafür vorgesehene Anmeldung und die Arbeitsumgebung bestimmt.
In den Figuren beziehen sich die Bezugszeichen auf die gleichen oder äquivalenten Teile der vorliegenden Offenbarung überall in den einzelnen Figuren der Zeichnungen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben, so dass ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, zu welchem die vorliegende Erfindung gehört, die Erfindung ohne Umstände ausführen kann.
Die vorliegende Erfindung ist insofern vorteilhaft, da sie ermöglicht, dass der ohmsche Innenwiderstand einer Brennstoffzelle in einfacher Weise gemessen werden kann, indem das Stromunterbrechungsverfahren ohne Stoppen des Betriebs eines Brennstoffzellensystems verwendet wird.
Zu diesem Zweck werden wie in 3 gezeigt, eine Unterbrechungsvorrichtung 16 und eine externe Energieverbrauchsvorrichtung 18 zwischen einer Brennstoffzelle 10 und einer Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung 12 zueinander parallel geschaltet, so dass die Brennstoffzelle 10 mit der Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung 12 (zum Beispiel ein Antriebsmotor eines Brennstoffzellenfahrzeugs oder verschiedene elektrische Lasten) verbunden wird und ein Strom angelegt werden kann; und eine separate Spannungsmessungsvorrichtung wird mit der Brennstoffzelle 10 verbunden.
Die externe Energieverbrauchsvorrichtung 18 kann vorzugsweise eines oder mehrere umfassen, die ausgewählt werden von einem Widerstand, der separat für das Brennstoffzellensystem verwendet wird, einer Heizvorrichtung für das Brennstoffzellensystem, und einer Batterie und einem Kondensator zum Laden eines erzeugten Stromes des Brennstoffzellensystems. Darüber hinaus kann die externe Energieverbrauchsvorrichtung 18 jegliche Vorrichtung umfassen, die in der Lage ist, einen durch die Brennstoffzelle zugeführten Strom zu verbrauchen.
Ferner kann die Unterbrechungsvorrichtung 16 einen oder mehrere umfassen, die ausgewählt werden von einem Ein-/Ausschalter, einem Relais und einem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT). Darüber hinaus kann die Unterbrechungsvorrichtung 16 eine beliebige Einheit zum Unterbrechen oder Anlegen eines elektrischen Signals umfassen.
Hierbei wird im Folgenden ein Verfahren zum Messen des ohmschen Innenwiderstandes von einem Brennstoffzellensystem auf der Grundlage der oben beschriebenen Anordnung beschrieben.
Wenn die Unterbrechungsvorrichtung 16 und die externe Energieverbrauchsvorrichtung 18 zu einer Leitung, durch welche die Brennstoffzelle 10 und die Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung 12 direkt miteinander verbunden sind, zueinander parallel geschaltet wird, wird der Strom in der Regel von der Brennstoffzelle 10 an die Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung 12 angelegt und das Brennstoffzellensystem wird normal betrieben.
Beim Messen des ohmschen Innenwiderstandes der Brennstoffzelle, während die Brennstoffzelle betrieben wird, wird die Unterbrechungsvorrichtung 16 zuerst eingeschaltet, so dass der Strom von der Brennstoffzelle 10 an die externe Energieverbrauchsvorrichtung 18 angelegt wird, so dass die externe Energieverbrauchsvorrichtung 18 sowie die Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung 12 den von der Brennstoffzelle angelegten Strom verbrauchen.
Zu diesem Zeitpunkt, da der Strom und die Spannung durch die Brennstoffzelle gleichzeitig an die Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung 12 und die externe Energieverbrauchsvorrichtung 18 mit der eingeschalteten Unterbrechungsvorrichtung 16 angelegt werden, wird der Strom von einem angelegten Strom I_before der Brennstoffzelle, der nur an die Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung angelegt wird, bevor die Unterbrechungsvorrichtung eingeschaltet wird, zu einem angelegten Strom I_after geändert, der größer als der angelegte Strom I_before ist. Ferner wird die Spannung der Brennstoffzelle von einer angelegten Spannung V_before der Brennstoffzelle, die nur an die Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung angelegt wird, bevor die Unterbrechungsvorrichtung eingeschaltet wird, zu einer angelegten Spannung V_after geändert, die kleiner als die angelegte Spannung V_before ist.
Wenn eine vorgegebene Zeitdauer (einige Mikrosekunden bis einige Sekunden) verstreicht, nachdem die Unterbrechungsvorrichtung 16 eingeschaltet ist, wird die Unterbrechungsvorrichtung 16 sofort abgeschaltet, um den an die externe Energieverbrauchsvorrichtung 18 angelegten Strom der Brennstoffzelle zu unterbrechen.
Zu diesem Zeitpunkt, da der Strom zu der externen Energieverbrauchsvorrichtung 18 unterbrochen wird, wird der Strom der Brennstoffzelle wieder von dem angelegten Strom I_after zu dem ursprünglich angelegten Strom I_before geändert und die Spannung der Brennstoffzelle wird auch wieder von der angelegten Spannung V_after zu der ursprünglich angelegten Spannung V_before geändert.
Wenn die Unterbrechungsvorrichtung 16 von dem Ein-Zustand zu dem Aus-Zustand geschaltet wird, nimmt die angelegte. Spannung der Brennstoffzelle sofort zu, wie dies durch Del_V von 4 angegeben wird.
Da die Unterbrechungsvorrichtung 16 ein- und ausgeschaltet wird, kann der ohmsche Innenwiderstand R_ohmic durch Gleichung 2 berechnet werden, indem Beträge einer Änderung des angelegten Stromes und der angelegten Spannung der Brennstoffzelle 10 für die externe Energieverbrauchsvorrichtung 18 gemessen werden. R_ohmic = Del_V/(I_after – I_before) Gleichung 2
Das heißt, der ohmsche Innenwiderstand der Brennstoffzelle wird durch Dividieren eines Differenzwertes (V_after – V_before = Del_V) zwischen der angelegten Spannung V_after der Brennstoffzelle in dem Ein-Zustand der Unterbrechungsvorrichtung und der angelegten Spannung V_before der Brennstoffzelle in dem Aus-Zustand der Unterbrechungsvorrichtung durch einen Differenzwert (I_after – I_before) zwischen dem angelegten Strom I_after der Brennstoffzelle in dem Ein-Zustand der Unterbrechungsvorrichtung und dem angelegten Strom I_before der Brennstoffzelle in dem Aus-Zustand der Unterbrechungsvorrichtung berechnet.
Auf diese Weise werden die Unterbrechungsvorrichtung 16 und die externe Energieverbrauchsvorrichtung 18 zwischen der Brennstoffzelle 10 und der Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung 12 zueinander parallel geschaltet, so dass der ohmsche Innenwiderstand der Brennstoffzelle unter Verwendung des Stromunterbrechungsverfahrens in einfacher Weise gemessen werden kann, auch während das Brennstoffzellensystem ohne Unterbrechung kontinuierlich betrieben wird.
5 zeigt einen Graphen, der durch das Stromunterbrechungsverfahren und das Wechselstrom-Impedanzverfahren gemäß dem Stand der Technik und das Stromunterbrechungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemessene ohmsche Widerstände darstellt.
Wie in 5 dargestellt ist, sind in dem gesamten Strombereich die ohmschen Widerstände, die durch das Stromunterbrechungsverfahren gemäß dem Stand der Technik und dem Stromunterbrechungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gemessen werden, denen ähnlich, die durch das Wechselstrom-Impedanzverfahren, das eine allgemeine Grundlage darstellt, gemäß dem Stand der Technik gemessen werden, was beweist, dass der ohmsche Innenwiderstand der Brennstoffzelle in einfacher Weise gemessen werden kann, sogar während das Brennstoffzellensystem betrieben wird.
6 einen Graphen, der darstellt, dass durch Verfahren gemäß dem Stand der Technik und der vorliegenden Erfindung gemessene ohmsche Widerstände in Abhängigkeit von einem Verschlechterungsgrad einer Brennstoffzelle erhöht werden.
Wie in 6 gezeigt, nimmt der ohmsche Innenwiderstand zu, wenn die Verschlechterung der Brennstoffzelle fortschreitet, und eine Steigungsrate des ohmschen Innenwiderstandes gemäß der Erhöhung der Verschlechterung der Brennstoffzelle, der durch eine bestehende teure Ausrüstung zum Messen einer Wechselstromimpedanz gemessen wird, ist einer Steigungsrate des ohmschen Innenwiderstandes ähnlich, der unter Verwendung des Stromunterbrechungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung gemessen wird.
Demzufolge wird der Grad der Verschlechterung der Brennstoffzelle indirekt durch ein Messen des ohmschen Innenwiderstandes der Brennstoffzelle durch das Stromunterbrechungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bestimmt, so dass ein Referenzpunkt, der einen Betriebszustand der Brennstoffzelle optimieren kann, festgesetzt werden kann.
7 zeigt einen Graphen, der darstellt, dass ein durch ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemessener ohmscher Widerstand in Abhängigkeit von der relativen Feuchtigkeit einer Brennstoffzelle variiert wird.
Wie in 7 dargestellt, je höher die relative Feuchtigkeit der Membran-Elektrolyt-Anordnung in der Brennstoffzelle, desto kleiner ist der ohmsche Innenwiderstand der Brennstoffzelle. Somit ist es ersichtlich, dass, je höher die relative Feuchtigkeit ist, desto kleiner ist der ohmsche Widerstand, der unter Verwendung des Stromunterbrechungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung gemessen wird.
Somit wird gemäß dem Stand der Technik der Wasserfeuchtigkeitsgehalt der Membran-Elektrolyt-Anordnung der Brennstoffzelle indirekt durch Messen der relativen Feuchtigkeit der Luft prognostiziert. Jedoch, da es möglich ist, den inneren Wasserfeuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle durch Messen des ohmschen Widerstandes unter Verwendung des Stromunterbrechungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung direkt zu ermitteln, kann die vorliegende Erfindung als ein Antriebslogik-Standard verwendet werden, wenn das Brennstoffzellenfahrzeug angetrieben wird.
Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf deren bevorzugte Ausführungsformen ausführlich beschrieben worden. Allerdings wird der Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass Änderungen in diesen Ausführungsformen gemacht werden können, ohne von den Grundsätzen und der Lehre der Erfindung abzuweichen, wobei deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten festgelegt ist.

Claims

Vorrichtung zum Messen eines ohmschen Innenwiderstandes von einem Brennstoffzellensystem, die Vorrichtung aufweisend: eine Brennstoffzelle, die mit einer Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung verbunden ist, um einen Strom an die Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung anzulegen; und eine Spannungsmessungsvorrichtung, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist, wobei eine Unterbrechungsvorrichtung und eine externe Energieverbrauchsvorrichtung zwischen der Brennstoffzelle und der Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung zueinander parallel geschaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die externe Energieverbrauchsvorrichtung einen Widerstand und/oder eine Heizvorrichtung und/oder eine Batterie und/oder einen Kondensator umfasst, die Energie der Brennstoffzelle verbrauchen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Unterbrechungsvorrichtung einen Schalter und/oder ein Relais und/oder einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) umfasst, die einen Strom unterbrechen.
Verfahren zum Messen eines ohmschen Innenwiderstandes eines Brennstoffzellensystems, das Verfahren aufweisend: Parallel Schalten einer Unterbrechungsvorrichtung und einer externen Energieverbrauchsvorrichtung zueinander zwischen einer Brennstoffzelle und einer Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung; Anlegen eines Stromes von der Brennstoffzelle an der Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung; Anlegen eines Stromes von der Brennstoffzelle an die externe Energieverbrauchsvorrichtung durch Schalten der Unterbrechungsvorrichtung, während der Strom von der Brennstoffzelle an die Haupt-Energieverbrauchsvorrichtung angelegt wird; Unterbrechen des von der Brennstoffzelle an die externe Energieverbrauchsvorrichtung angelegten Stromes durch Ausschalten der Unterbrechungsvorrichtung nach einer vorgegebenen Zeitdauer; und Berechnen des ohmschen Innenwiderstandes durch Messen eines Betrages einer Strom- und Spannungsänderung, die die Brennstoffzelle an die externe Energieverbrauchsvorrichtung angelegt hat, wenn die Unterbrechungsvorrichtung ein- und ausgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Berechnen des ohmschen Innenwiderstandes aufweist: Dividieren eines Differenzwertes zwischen der durch die Brennstoffzelle angelegten Spannung, wenn die Unterbrechungsvorrichtung eingeschaltet wird, und der durch die Brennstoffzelle angelegten Spannung, wenn die Unterbrechungsvorrichtung ausgeschaltet wird, durch einen Differenzwert zwischen dem durch die Brennstoffzelle angelegten Strom, wenn die Unterbrechungsvorrichtung eingeschaltet wird, und dem durch die Brennstoffzelle angelegten Strom, wenn die Unterbrechungsvorrichtung ausgeschaltet wird.