DE102013226823A1 - Verfahren und System zum Messen einer Impedanz für eine Diagnose eines Brennstoffzellenstapels - Google Patents

Verfahren und System zum Messen einer Impedanz für eine Diagnose eines Brennstoffzellenstapels Download PDF

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Sae Hoon Kim
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Abstract

Ein Verfahren und System zum Messen einer Impedanz eines Brennstoffzellenstapels, die eine Impedanz von einer Mehrzahl von Frequenzen des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung eines Sinuswellensignals, in dem eine Mehrzahl von unterschiedlichen Frequenzen als ein Impedanzmess-Eingangssignal synthetisiert werden, für eine Diagnose des Zustandes eines Brennstoffzellenstapels schnell messen können, umfasst: Synthetisieren einer Mehrzahl von Sinuswellensignalen, die jeweils eine unterschiedliche Frequenz aufweisen; Anlegen des synthetisierten Signals als ein Eingangssignal zum Messen des Brennstoffzellenstapels; Messen eines Stromes und einer Spannung des Brennstoffzellenstapels; Umwandeln des gemessenen Stromes und der gemessenen Spannung des Brennstoffzellenstapels mit einem vorgegebenen Verfahren; und Berechnen einer Impedanz des Brennstoffzellenstapels der unterschiedlichen Frequenzen auf der Grundlage des Stromes und der Spannung des Brennstoffzellenstapels, die mit dem vorgegebenen Verfahren umgewandelt werden.

Description

  • HINTERGRUND
  • (a) Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren und System zum Messen einer Impedanz für eine Diagnose des Brennstoffzellenstapels, die eine Impedanz einer Mehrzahl von Frequenzen des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung eines Sinuswellensignals, in dem eine Mehrzahl von unterschiedlichen Frequenzen als ein Impedanzmessungs-Eingangssignal für eine Diagnose des Brennstoffzellenstapels synthetisiert wird, schnell messen kann.
  • (b) Hintergrund
  • Eine Brennstoffzelle ist eine Energieerzeugungsvorrichtung, die chemische Energie von einem Brennstoff in elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion des Brennstoffs mit einem Oxidationsmittel innerhalb eines Stapels umwandelt. Brennstoffzellen unterscheiden sich von Brennkraftmaschinen, die Energie durch Oxidation von Kraftstoff durch eine Verbrennung erzeugen.
  • Brennstoffzellen können verwendet werden, um Industrie-, Haushalts- und Fahrzeugantriebsenergie zuzuführen und auch um ein kleines elektrisches/elektronisches Produkt mit Energie zu versorgen.
  • Zum Beispiel sind als eine Leistungsversorgungsquelle zum Antreiben eines Fahrzeugs bestimmte Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen oder eine Protonenenaustauschmembran-Brennstoffzelle (polymer electrolyte membrane fuel cells/proton exchange membrane fuel cells – PEMFC) mit der höchsten Leistungsdichte unter den Brennstoffzellen umfassend erforscht worden. Diese Brennstoffzellen weisen eine schnelle Startzeit und eine schnelle Energieumwandlungs-Reaktionszeit aufgrund einer niedrigen Betriebstemperatur auf.
  • Eine solche PEMFC umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung (membrane electrode assembly – MEA), in der eine elektrochemische Reaktion auftritt. Eine Katalysatorelektrodenschicht ist an jeder Seite einer festen Polymerelektrolytdünnschicht angebracht, durch welche sich Wasserstoffionen bewegen. Die PEMFC umfasst ebenfalls eine Gasdiffusionsschicht (gas diffusion layer – GDL), die eine Funktion zum gleichmäßigen Verteilen von Reaktionsgasen und zum Übertragen einer erzeugten elektrischen Energie durchführt, eine Dichtung, eine Eingriffsvorrichtung zum Aufrechterhalten eines geeigneten Eingriffsdrucks und einer Luftdichtigkeit von Reaktionsgasen und eines Kühlmittels, und eine Bipolarplatte zum Bewegen von Reaktionsgasen und eines Kühlmittels.
  • Beim Zusammenbauen eines Brennstoffzellenstapels unter Verwendung einer solchen Elementarzellenanordnung wird eine Kombination aus einer Gasdiffusionsschicht und einer MEA an dem innersten Abschnitt einer Zelle angeordnet. Die MEA weist ein Paar Katalysatorelektrodenschichten auf, d. h., eine Anode und eine Kathode, auf welche ein Katalysator aufgebracht wird, so dass Wasserstoff und Sauerstoff an beiden Oberflächen einer Polymerelektrolytdünnschicht reagieren können. An einem äußeren Abschnitt, an dem eine Anode und eine Kathode angeordnet sind, werden eine Gasdiffusionsschicht und eine Dichtung gestapelt.
  • An der Außenseite der Gasdiffusionsschicht wird ein Reaktionsgas (Wasserstoff, das einen Brennstoff darstellt, und Sauerstoff oder Luft, die ein Oxidationsmittel darstellen) zugeführt und eine Bipolarplatte mit einem Strömungsfeld, durch welches Kühlmittel strömt, wird angeordnet.
  • Durch Bilden einer solchen Konfiguration in einer Elementarzelle, nachdem eine Mehrzahl von Elementarzellen gestapelt ist, werden eine Endplatte zum Aufnehmen eines Stromabnehmers, eine Isolationsplatte und Stapelzellen an einem äußersten Abschnitt gekoppelt und durch wiederholtes Stapeln und Eingreifen von Elementarzellen zwischen den Endplatten wird ein Brennstoffzellenstapel gebildet.
  • Um ein für ein tatsächliches Fahrzeug erforderliches Potential zu erhalten, sollten die Elementarzellen entsprechend einem erforderlichen Potential gestapelt werden, und ein Stapel von Elementarzellen ist ein Brennstoffzellenstapel.
  • Ein in einer Elementarzelle erzeugtes typischerweise Potential beträgt ungefähr 1,3 V. Somit, um Energie zu erzeugen, die zum Antreiben eines Fahrzeugs erforderlich ist, muss eine Mehrzahl von Zellen in Reihe geschaltet werden.
  • Zum Beispiel wird in einem Brennstoffzellenfahrzeug eine Zellenspannung zum Bestimmen der Stapelleistung, eines Fahrzustandes und eines Fehlers verwendet. Die Zellenspannung kann ebenfalls für verschiedene Steuerungen eines Systems wie beispielsweise eine Flussregelung eines Reaktionsgases verwendet werden und wird repräsentativ durch Verbinden einer Bipolarplatte mit einer Zellenspannungsüberwachungsvorrichtung und einem Leitungsdraht gemessen.
  • Eine herkömmliche Zellenspannungsüberwachungsvorrichtung (cell voltage monitor – CVM) misst direkt eine Spannung von allen Zellen oder zwei Zellen innerhalb eines Stapels und eine Hauptsteuerung oder eine übergeordnete Steuerung, die Spannungen von allen Zellen sammelt, führt eine Integrationsverarbeitung von Messdaten durch und überwacht einen Spannungsabfall, der eher aufgrund einer Folge eines Fehlers als aufgrund einer Ursache eines Fehlers auftritt.
  • Solch eine CVM wird zum Messen einer Batterie verwendet. 1 zeigt ein Schaltbild, das eine herkömmliche CVM darstellt und stellt ein Beispiel einer CVM einer Batterie dar, in der 32 Zellen in Reihe geschaltet sind.
  • Da die herkömmliche CVM eine Zellenspannung direkt misst, weist die CVM den Vorteil auf, dass eine Positionsmessung einer fehlerhaften Zelle verfügbar ist, sie hat jedoch einen sehr komplizierten Schaltungsaufbau, und somit ist die Vorrichtung schwierig zu montieren und zu warten, ist teuer und kann eine Ursache eines Fehlers des Stapels nicht bestimmen.
  • Ferner kann bei einer weiteren bekannten Vorrichtung eine elektrochemische Impedanz-Spektroskopie (electrochemical impedance spectroscopy – EIS) zum Bestimmen einer Elektrodenreaktion oder einer Eigenschaft eines Komplexes in einem elektrochemischen Bereich verwendet werden, kann eine Eigenschaft erlangen und eine Struktur des Komplexes und synthetische Informationen einer Reaktion durch eine Analyse einer Systemantwort bestimmen. Die herkömmliche Vorrichtung kann ebenfalls als ein geeignetes Werkzeug in einer Anwendung im chemischen Bereich oder in der Medizintechnik und im bionischen Bereich verwendet werden.
  • Eine EIS erfordert jedoch eine lange Off-Line-Prüfzeit, kann keine Echtzeiterfassung durchführen, ist teuer und wird nur für einen Test einer Elementarzelle verwendet.
  • U.S. Patent Nr. 7,531,253 (”U. S. '253”) betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Betriebszustandes eines Brennstoffzellenstapels und schlägt ein Verfahren zum Anlegen eines Niederfrequenzstromes [Itest(t)] oder eines Spannungssignals an den Stapel, Messen eines zu diesem Zeitpunkt auftretenden Strom- oder Spannungs- [V(t)] Signals des Stapels und Diagnostizieren eines Systems mit einer Oberwellenkomponente des gemessenen Strom- oder Spannungssignals und seiner Größe vor.
  • U.S. '253 bestimmt, ob eine Zellenspannung mit einer Änderung zu einem nicht-linearen Zustand in einem linearen Segment einer Systemkennlinie V/I fällt und bestimmt durch Messen der gesamten Stapelsignale ob ein System einen Defekt aufweist.
  • Ein Grundgedanke der U.S. '253 ist, einen Zustand eines Stapels nur durch Messen einer Stapelspannung zu diagnostizieren, und diagnostiziert eine Änderung einer Stapelspannung gemäß einer Änderung eines Stromes durch einen Zellenspannungsabfall des Stapels durch Analysieren einer Frequenz.
  • Hierbei weisen, wie in 2 gezeigt, bei normalem Fahren, die Spannungs-/Strom-Kennlinien des Stapels eine lineare Beziehung auf. In einem anormalen Fahrzustand werden die Spannungs-/Strom-Kennlinien zu einer nicht-linearen Beziehung geändert. Das heißt, wenn eine Nichtlinearität einer Stapelspannung gemessen wird, kann es bestimmt werden, dass ein Zustand des Stapels anormal ist.
  • Eine Diagnose wird durch zusätzliches Anlegen eines Frequenzgang-Diagnosestromes einer Sinuswellen [Bsin(ωt)]-Form an den Stapel während eines Ansteuerns eines Stapels durch Anschließen von Lasten durchgeführt, und in diesem Fall wird ein Strom des Stapels die Summe eines Basisbetriebsstromes und eines Sinuswellenstromes [current of stack = A + Bsin(ωt)].
  • Jedoch, weil ein herkömmliches Verfahren eine kleine Wechselstromänderung als eine Eingabe verwenden kann, weist das Verfahren ein Problem auf, dass eine Zerlegungsleistung niedrig ist und ein Verfahren zum Verbessern der Zerlegungsleistung erforderlich ist.
  • Ferner sollte gemäß einem herkömmlichen Verfahren, um Spannungs-/Strom-Kennlinien und Impedanzeigenschaften von mehreren unterschiedlichen Frequenzen zu diagnostizieren, eine Diagnose auf einer Frequenzbasis durchgeführt werden.
  • Die oben in diesem Hintergrundabschnitt offenbarten Informationen dienen nur der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Offenbarung.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und System zum Messen einer Impedanz für eine Diagnose eines Zustandes eines Brennstoffzellenstapels mit den Vorteilen zum schnellen Messen einer Impedanz einer Mehrzahl von Frequenzen des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung eines Sinuswellensignals bereit, wobei eine Mehrzahl von unterschiedlichen Frequenzen als ein Eingangssignal zum Messen einer Impedanz für eine Diagnose des Brennstoffzellenstapels synthetisiert werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung stellt ein Verfahren zum Messen einer Impedanz zum Diagnostizieren eines Zustandes eines Brennstoffzellenstapels bereit, umfassend: Synthetisieren einer Mehrzahl von Sinuswellensignalen, die jeweils eine unterschiedliche Frequenz aufweisen, um ein synthetisiertes Signal zu erlangen; Anlegen des synthetisierten Signals als ein Eingangssignal zum Messen des Brennstoffzellenstapels; Messen eines Stromes und einer Spannung des Brennstoffzellenstapels; Umwandeln des gemessenen Stromes und der gemessenen Spannung des Brennstoffzellenstapels mit einem vorgegebenen Verfahren; und Berechnen einer Impedanz des Brennstoffzellenstapels für jede der unterschiedlichen Frequenzen auf der Grundlage des Stromes und der Spannung des Brennstoffzellenstapels, die mit dem vorgegebenen Verfahren umgewandelt werden.
  • Das synthetisierte Signal bei dem Synthetisieren einer Mehrzahl von Sinuswellensignalen kann ein Stromsignal sein. Das heißt, die Mehrzahl von Sinuswellensignalen kann eine Mehrzahl von Sinuswellen-Stromsignalen sein.
  • Bei dem Umwandeln des gemessenen Stromes und der Spannung kann die Umwandlung eine Fourier-Transformation sein.
  • Das Synthetisieren einer Mehrzahl von Sinuswellensignalen kann ein Erzeugen eines Stromsignals von jedem Frequenzbereich durch Ausführen einer Fourier-Transformation des synthetisierten Stromsignals umfassen.
  • Das Berechnen der Impedanz des Brennstoffzellenstapels kann ein Erfassen einer Impedanz des Brennstoffzellenstapels von jeder der unterschiedlichen Frequenzen umfassen, indem jede Spannung einer Brennstoffzelle, in der eine Fourier-Transformation ausgeführt wird, durch einen entsprechenden Strom dividiert wird.
  • Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung stellt ein Impedanz-Messsystem zum Diagnostizieren eines Zustandes eines Brennstoffzellenstapels bereit, umfassend: einen Signalgenerator, der eine Mehrzahl von Sinuswellensignalen mit unterschiedlichen Frequenzen erzeugt; einen Signal-Synthesizer, der eingerichtet ist, um eine Mehrzahl von Sinuswellensignalen, die jeweils eine unterschiedliche Frequenz aufweisen, zum Erlangen eines synthetisierten Signals zu synthetisieren, und das synthetisierte Signal an den Brennstoffzellenstapel anlegt; eine Brennstoffzellenstapel-Strom-/Spannungs-Messvorrichtung, die eingerichtet ist, um einen Strom und eine Spannung des Brennstoffzellenstapels durch Anlegen des synthetisierten Signals an den Brennstoffzellenstapel zu messen; einen Fourier-Transformator, der eingerichtet ist, um eine Fourier-Transformation eines Signals, das in dem Signal-Synthesizer synthetisiert wird, und des Stromes und der Spannung des Brennstoffzellenstapels, die in der Brennstoffzellenstapel-Strom-/Spannungs-Messvorrichtung gemessen werden, auszuführen; und eine Impedanz-Berechnungsvorrichtung, die eingerichtet ist, um eine Impedanz des Brennstoffzellenstapels der unterschiedlichen Frequenzen auf der Grundlage eines Stromes und einer Spannung des Brennstoffzellenstapels, die durch den Fourier-Transformator umgewandelt werden, zu berechnen.
  • Wie oben beschrieben, kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung durch Bilden eines Impedanzmess-Eingangssignals für eine Zustandsdiagnose eines Brennstoffzellenstapels in einem Sinuswellensignal, in dem eine Mehrzahl von unterschiedlichen Frequenzen synthetisiert werden, eine Impedanz einer Mehrzahl von Frequenzen des Brennstoffzellenstapels schnell gemessen werden.
  • Das heißt, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung können Impedanzen eines Brennstoffzellenstapels aus mehreren Frequenzen zu einer Zeit schnell gemessen werden, eine tatsächliche Anwendung kann aufgrund der schnellen Impedanzmessung leicht durchgeführt werden und eines Betriebszustands eines Brennstoffzellenstapels und eine Diagnose eines Zustandes können verbessert werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer herkömmlichen CVM eines Brennstoffzellenstapels.
  • 2 zeigt ein Diagramm, das eine Diagnose des Zellenzustandes eines herkömmlichen Brennstoffzellenstapels darstellt.
  • 3 zeigt ein schematisches Diagramm eines Impedanz-Messsystems eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
  • 4 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Messen einer Impedanz eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt.
  • 5 und 6 zeigen Graphen, die einen Betrieb eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellen.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Die beschriebenen Ausführungsformen können auf verschiedene Weise geändert werden, ohne von der Lehre oder dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • 3 zeigt ein schematisches Diagramm eines Impedanz-Messsystems eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
  • Ein Impedanz-Messsystem eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung stellt ein System dar, das eine Impedanz von jeder einer Mehrzahl von Frequenzen des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung eines Signals schnell misst, in dem eine Mehrzahl von unterschiedlichen Frequenzen als ein Eingangssignal zum Messen einer Impedanz für eine Diagnose des Brennstoffzellenstapels synthetisiert werden.
  • Das Impedanz-Messsystem des Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann umfassen einen Signalgenerator 100, der eine Mehrzahl von Sinuswellensignalen mit unterschiedlichen Frequenzen erzeugt; einen Signal-Synthesizer 200, der eine Mehrzahl von Sinuswellensignalen mit unterschiedlichen Frequenzen synthetisiert, um ein synthetisiertes Signals zu erlangen und um das synthetisierte Signal an den Brennstoffzellenstapel 300 anzulegen; eine Brennstoffzellenstapel-Strom-/Spannungs-Messvorrichtung 400, die einen Strom und eine Spannung des Brennstoffzellenstapels 300 durch Anlegen des synthetisierten Signals an den Brennstoffzellenstapel 300 misst; einen Fourier-Transformator 500, der eine Fourier-Transformation eines Signals, das in dem Signal-Synthesizer 200 synthetisiert wird, und/oder eines Stromes und einer Spannung des Brennstoffzellenstapels 300, die in der Brennstoffzellenstapel-Strom-/Spannungs-Messvorrichtung 400 gemessen werden, ausführt; und eine Impedanz-Berechnungsvorrichtung 600, die eine Impedanz des Brennstoffzellenstapels 300 von jeder der unterschiedlichen Frequenzen auf der Grundlage eines Stromes und einer Spannung des Brennstoffzellenstapels 300, die durch den Fourier-Transformator 500 umgewandelt werden, berechnet.
  • Der Signalgenerator 100, der Signal-Synthesizer 200, die Brennstoffzellenstapel-Strom-/Spannungs-Messvorrichtung 400, der Fourier-Transformator 500 und die Impedanz-Berechnungsvorrichtung 600 können zumindest ein Mikroprozessor sein, der durch ein vorgegebenes Programm oder eine den Mikroprozessor umfassende Hardware betrieben wird, und das vorgegebene Programm kann mit einer Reihe von Befehlen zum Durchführen eines Verfahrens zum Messen einer Impedanz eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung gebildet werden, das später beschrieben wird.
  • Der Signalgenerator 100, der Signal-Synthesizer 200, die Brennstoffzellenstapel-Strom-/Spannungs-Messvorrichtung 400, der Fourier-Transformator 500 und die Impedanz-Berechnungsvorrichtung 600 können in einem synthetisierten Körper gebildet werden.
  • In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann der Signalgenerator 100 zum Beispiel eine Mehrzahl von Sinuswellen-Stromsignalen I1sinω1t, I2sinω2t, ..., Insinωnt mit unterschiedlichen Frequenzen f erzeugen, wie dies in 5 dargestellt ist.
  • In der Mehrzahl von Sinuswellen-Stromsignalen gibt I eine Stärke eines Stromes an, ω gibt 2πf als eine Winkelfrequenz an, f gibt eine Frequenz an und n gibt die natürliche Zahl an.
  • In der Mehrzahl von Sinuswellen-Stromsignalen können I1, I2, ..., In gleich sein.
  • In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann der Signalgenerator 100 zum Beispiel Sinuswellen-Stromsignale von 1 hz, 10 hz und 1 khz erzeugen.
  • Der Signal-Synthesizer 200 kann ein synthetisiertes Stromsignal Iin(t) durch Synthetisieren einer Mehrzahl von Sinuswellen-Stromsignalen erzeugen, die in dem Signalgenerator 100 erzeugt werden. Iin(t) = ΣIi(t) = Isinω1t + Isinω2t + + Isinωnt
  • Ein synthetisiertes Stromsignal, das in dem Signal-Synthesizer 200 synthetisiert wird, kann eine Form aufweisen, die in 6 dargestellt wird. Das synthetisierte Stromsignal, das in 6 dargestellt wird, kann aus drei Stromsignalen, die in 5 dargestellt sind, synthetisiert werden.
  • Wenn ein Signal (z. B. Stromsignal), das in dem Signal-Synthesizer 200 synthetisiert wird, an den Brennstoffzellenstapel 300 angelegt wird, misst die Brennstoffzellenstapel-Strom-/Spannungs-Messvorrichtung 400 einen Strom und eine Spannung des Brennstoffzellenstapels 300 durch ein allgemeines Verfahren.
  • Die Spannung für jeden entsprechenden Strom kann durch V(ω), zum Beispiel (V(ω1), V(ω2), ..., V(ωn) dargestellt werden.
  • Der Fourier-Transformator 500 führt eine Fourier-Transformation eines Signals des Signal-Synthesizers 200 und eines Stromes und einer Spannung, die durch die Brennstoffzellenstapel-Strom-/Spannungs-Messvorrichtung 400 gemessen werden, durch ein allgemeines Verfahren aus.
  • Ein Beispiel von Signalen (I(ω1), I(ω2), ..., I(ωn)) (V(ω1), V(ω2), ..., V(ωn)), in dem eine Fourier-Transformation durch den Fourier-Transformator 500 ausgeführt wird, wird auf der rechten Seite eines Graphen dargestellt, der in 5 und 6 gezeigt ist.
  • Wenn eine Fourier-Transformation eines Stromes und einer Spannung des Brennstoffzellenstapels 300 einer Mehrzahl von Frequenzen durch den Fourier-Transformator 500 ausgeführt wird, berechnet die Impedanz-Berechnungsvorrichtung 600 die Impedanzen (Z(ω1), Z(ω2), ..., Z(ωn)) von jeder der entsprechenden Frequenzen, indem die Spannungen (V(ω1), V(ω2), ..., V(ωn)) einer entsprechenden Frequenz, in denen eine Fourier-Transformation ausgeführt wird, durch die Ströme (I(ω1), I(ω2), ..., I(ωn)) einer entsprechenden Frequenz, in denen die Fourier-Transformation ausgeführt wird, dividiert werden. Z(ωi) = V(ωi)/I(ωi); i = 1, 2, n
  • Eine Impedanz einer entsprechenden Frequenz, die durch die Impedanz-Berechnungsvorrichtung 600 berechnet wird, kann für eine Diagnose eines Zustandes des Brennstoffzellenstapels verwendet werden.
  • Nachstehend wird ein Verfahren zum Messen einer Impedanz eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
  • 4 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Messen einer Impedanz eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt.
  • Wie in 4 dargestellt, synthetisiert der Signal-Synthesizer 200 eine Mehrzahl von Sinuswellensignalen (z. B. Sinuswellen-Stromsignalen) (Isinω1t, Isinω2t, ..., Isinωnt) mit unterschiedlichen Frequenzen, die durch den Signalgenerator 100 erzeugt werden (S100).
  • Der Signal-Synthesizer 200 synthetisiert die Mehrzahl von Sinuswellen-Stromsignalen und legt die synthetisierten Stromsignale (I(t) = ΣIi(t) = Isinω1t + Isinω2t + ... + Isinωnt) als ein Impedanzmess-Eingangsstromsignal an den Brennstoffzellenstapel 300 an (S200).
  • Wenn das synthetisierte Stromsignal an den Brennstoffzellenstapel 300 durch den Signal-Synthesizer 200 angelegt wird, misst die Brennstoffzellenstapel-Strom-/Spannungs-Messvorrichtung 400 einen Strom Iout(t) und eine Spannung Vout(t) des Brennstoffzellenstapels 300 (S300).
  • Ein Strom und eine Spannung des Brennstoffzellenstapels 300, die durch die Brennstoffzellenstapel-Strom-/Spannungs-Messvorrichtung 400 gemessen werden, weisen eine Signalform auf, in der unterschiedliche Frequenzen synthetisiert werden.
  • Wenn ein Strom und eine Spannung des Brennstoffzellenstapels 300 durch die Brennstoffzellenstapel-Strom-/Spannungs-Messvorrichtung 400 gemessen werden, führt der Fourier-Transformator 500 eine Fourier-Transformation des gemessenen Stromes und der Spannung des Brennstoffzellenstapels 300 aus, wie dies auf der rechten Seite des Graphen von 6 dargestellt wird (S400).
  • Der Fourier-Transformator 500 führt eine Fourier-Transformation eines Stromsignals, das in dem Signal-Synthesizer 200 synthetisiert wird, und erzeugt ein Stromsignal von jedem Frequenzbereich.
  • Wenn eine Fourier-Transformation eines Stromes und einer Spannung des Brennstoffzellenstapels 300 durch den Fourier-Transformator 500 ausgeführt wird, berechnet die Impedanz-Berechnungsvorrichtung 600 die Impedanzen (Z(ω1), Z(ω2), ..., Z(ωn)) einer entsprechenden Frequenz, indem die Spannungen (V(ω1), V(ω2), ..., V(ωn)) einer entsprechenden Frequenz, in denen eine Fourier-Transformation durch den Fourier-Transformator 500 ausgeführt wird, durch die Ströme (I(ω1), I(ω2), ..., I(ωn)) einer entsprechenden Frequenz, in denen die Fourier-Transformation ausgeführt wird, dividiert werden (S500).
  • Jede Impedanz einer entsprechenden Frequenz, die durch die Impedanz-Berechnungsvorrichtung 600 schnell berechnet wird, kann für eine Diagnose des Brennstoffzellenstapels 300 verwendet werden.
  • Dadurch kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung durch Bilden eines Impedanzmess-Eingangssignals für eine Diagnose eines Brennstoffzellenstapels in einem Sinuswellensignal, in dem eine Mehrzahl von unterschiedlichen Frequenzen synthetisiert wird, eine Impedanz einer Mehrzahl von Frequenzen des Brennstoffzellenstapels schnell gemessen werden.
  • Während diese Offenbarung 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.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Signalgenerator
    200
    Signal-Synthesizer
    300
    Brennstoffzellenstapel
    400
    Brennstoffzellenstapel-Strom-/Spannungs-Messvorrichtung
    500
    Fourier-Transformator
    600
    Impedanz-Berechnungsvorrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 7531253 [0017, 0018, 0019]

Claims (6)

  1. Verfahren zum Messen einer Impedanz zum Diagnostizieren eines Zustandes eines Brennstoffzellenstapels, das Verfahren aufweisend: Synthetisieren einer Mehrzahl von Sinuswellensignalen, die jeweils eine unterschiedliche Frequenz aufweisen, um ein synthetisiertes Signal zu erlangen; Anlegen des synthetisierten Signals als ein Eingangssignal zum Messen des Brennstoffzellenstapels; Messen eines Stromes und einer Spannung des Brennstoffzellenstapels; Umwandeln des gemessenen Stromes und der gemessenen Spannung des Brennstoffzellenstapels mit einem vorgegebenen Verfahren; und Berechnen einer Impedanz des Brennstoffzellenstapels für jede der unterschiedlichen Frequenzen auf der Grundlage des Stromes und der Spannung des Brennstoffzellenstapels, die mit dem vorgegebenen Verfahren umgewandelt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das synthetisierte Signal der Mehrzahl von Sinuswellensignalen ein Stromsignal ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei bei dem Umwandeln des gemessenen Stromes und der Spannung die Umwandlung eine Fourier-Transformation ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Synthetisieren einer Mehrzahl von Sinuswellensignalen ein Erzeugen eines Stromsignals von jedem Frequenzbereich durch Ausführen einer Fourier-Transformation des synthetisierten Stromsignals aufweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Berechnen der Impedanz des Brennstoffzellenstapels ein Erfassen einer Impedanz des Brennstoffzellenstapels von jeder der unterschiedlichen Frequenzen aufweist, indem jede Spannung einer Brennstoffzelle, in der eine Fourier-Transformation ausgeführt wird, durch einen entsprechenden Strom dividiert wird.
  6. Impedanz-Messsystem zum Diagnostizieren eines Zustandes eines Brennstoffzellenstapels, das Impedanz-Messsystem aufweisend: einen Signalgenerator, der eingerichtet ist, um eine Mehrzahl von Sinuswellensignalen, die jeweils eine unterschiedliche Frequenz aufweisen, zu erzeugen; einen Signal-Synthesizer, der eingerichtet ist, um eine Mehrzahl von Sinuswellensignalen zu synthetisieren, um ein Synthetisiertes Signal zu erlangen und um das synthetisierte Signal an den Brennstoffzellenstapel anzulegen; eine Brennstoffzellenstapel-Strom-/Spannungs-Messvorrichtung, die eingerichtet ist, um einen Strom und eine Spannung des Brennstoffzellenstapels durch Anlegen des synthetisierten Signals an den Brennstoffzellenstapel zu messen; einen Fourier-Transformator, der eingerichtet ist, um eine Fourier-Transformation des synthetisierten Signals und des Stromes und der Spannung des Brennstoffzellenstapels, die in der Brennstoffzellenstapel-Strom-/Spannungs-Messvorrichtung gemessen werden, auszuführen; und eine Impedanz-Berechnungsvorrichtung, die eingerichtet ist, um eine Impedanz des Brennstoffzellenstapels von jeder der unterschiedlichen Frequenzen auf der Grundlage des Stromes und der Spannung des Brennstoffzellenstapels, die durch den Fourier-Transformator umgewandelt werden, zu berechnen.
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