DE102017221491A1

DE102017221491A1 - Verfahren zum diagnostizieren eines wasserhaltigen zustands eines brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102017221491A1
Application number: DE102017221491.0A
Authority: DE
Inventors: Sang Bok Won; Ki Chang Kim; Sung Ho Yang; Young Pin JIN
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2019-05-02
Also published as: US10964962B2; KR102506859B1; CN109713340B; CN109713340A; US20190131638A1; KR20190046548A

Abstract

Ein Verfahren zum Diagnostizieren eines wasserhaltigen Zustands eines Brennstoffzellenstapels enthält die folgenden Schritte: Anlegen eines Wechselstromsignals (AC-Signal) mit einer vorbestimmten Frequenz an den Brennstoffzellenstapel, um jeweils eine Elektrolytmembran-Impedanz, eine Anoden-Impedanz und eine Kathoden-Impedanz anhand einer Ausgangsspannung und eines Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels zu berechnen, die dem AC-Signal entsprechen; und Diagnostizieren des wasserhaltigen Zustands des Brennstoffzellenstapels basierend auf der Elektrolytmembran-Impedanz, der Anoden-Impedanz und der Kathoden-Impedanz.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Diagnostizieren eines wasserhaltigen Zustands eines Brennstoffzellenstapels.
Beschreibung der verwandten Technik
Ein Brennstoffzellenstapel, der eine Hauptleistungsversorgung eines Brennstoffzellensystems ist, ist eine Vorrichtung, die Elektrizität durch eine Oxidations-Reduktions-Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt.
Hochreiner Wasserstoff wird von einem Wasserstoffspeicherbehälter einer Anode des Brennstoffzellenstapels zugeführt und Luft aus der Umgebung wird in eine Kathode des Brennstoffzellenstapels durch einen Luftkompressor oder eine andere Luftzuführvorrichtung zugeführt.
In der Anode wird eine Oxidationsreaktion des Wasserstoffs durchgeführt, so dass Protonen und Elektronen erzeugt werden, und die wie oben beschrieben erzeugten Protonen und Elektronen werden zu der Kathode durch eine Elektrolytmembran und einen Separator bewegt. In der Kathode wird eine Reduktionsreaktion durchgeführt, bei der die Protonen und die Elektronen, die sich von der Anode weg bewegt haben, und Sauerstoff in der Luft, der durch die Luftzuführvorrichtung zugeführt wird, mitwirken, so dass Wasser und elektrische Energie durch einen Fluss der Elektronen gleichzeitig erzeugt werden.
Wenn der Brennstoffzellenstapel verglichen zu einem angemessenen Niveau trocken oder nass wird, tritt ein Ereignis auf, bei dem eine Bewegung eines Reaktionsgases durch Poren, wie beispielsweise eine Gasdiffusionsschicht, die Anode, die Kathode und dergleichen beschränkt wird oder die Elektrolytmembran beschädigt wird, so dass eine Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels herabgesetzt werden kann.
Ein Brennstoffzellensystem nach der verwandten Technik enthält jedoch keine Komponente, die einen wasserhaltigen Zustand des Brennstoffzellenstapels akkurat diagnostizieren kann. Daher weist das Brennstoffzellensystem nach der verwandten Technik ein Problem auf, dass eine Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels aufgrund von Austrocknung oder Überflutung des Brennstoffzellenstapels herabgesetzt werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung liefert ein Verfahren zum Diagnostizieren eines wasserhaltigen Zustands eines Brennstoffzellenstapels, das zum akkuraten Diagnostizieren des wasserhaltigen Zustands des Brennstoffzellenstapels fähig ist.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung liefert auch ein Verfahren zum Diagnostizieren eines wasserhaltigen Zustands eines Brennstoffzellenstapels, das zum einzelnen Diagnostizieren wasserhaltiger Zustände einer Elektrolytmembran, einer Anode und einer Kathode fähig ist.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung liefert auch ein Verfahren zum Diagnostizieren eines wasserhaltigen Zustands eines Brennstoffzellenstapels, das zum Steuern eines Wassergehalts des Brennstoffzellenstapels auf einem angemessenen Niveau in Abhängigkeit von einem Antriebsaspekt eines Brennstoffzellensystems fähig ist.
Nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält ein Verfahren zum Diagnostizieren eines wasserhaltigen Zustands eines Brennstoffzellenstapels Folgendes: einen Schritt (A) zum Anlegen eines Wechselstromsignals (AC-Signal) mit einer vorbestimmten Frequenz an den Brennstoffzellenstapel, um jeweils eine Elektrolytmembran-Impedanz, eine Anoden-Impedanz und eine Kathoden-Impedanz anhand einer Ausgangsspannung und eines Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels zu berechnen, die dem AC-Signal entsprechen; und einen Schritt (B) zum Diagnostizieren des wasserhaltigen Zustands des Brennstoffzellenstapels basierend auf der Elektrolytmembran-Impedanz, der Anoden-Impedanz und der Kathoden-Impedanz.
Der Schritt (A) kann einen Schritt (A1) zum Messen einer ersten Ausgangsspannung und eines ersten Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels in einem Zustand, in dem ein erstes AC-Signal mit einer vorbestimmten ersten Frequenz an den Brennstoffzellenstapel angelegt wird, und Einstellen einer ersten Impedanz des Brennstoffzellenstapels, die von der ersten Ausgangsspannung und dem ersten Ausgangsstrom abgeleitet wird, auf die Elektrolytmembran-Impedanz enthalten.
Die erste Frequenz kann derart bestimmt werden, dass ein Verhältnis der Anoden-Impedanz und der Kathoden-Impedanz zu der ersten Impedanz kleiner als ein vorbestimmtes Bezugsverhältnis ist.
Der Schritt (A) kann ferner einen Schritt (A2) zum Messen einer zweiten Ausgangsspannung und eines zweiten Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels in einem Zustand, in dem ein zweites AC-Signal mit einer zweiten Frequenz, die niedriger als die erste Frequenz ist, an den Brennstoffzellenstapel angelegt wird, und Einstellen eines Impedanzwertes, der durch Subtrahieren der im Schritt (A1) abgeleiteten Elektrolytmembran-Impedanz von einer zweiten Impedanz des Brennstoffzellenstapels berechnet wird, die von der zweiten Ausgangsspannung und dem zweiten Ausgangsstrom abgeleitet wird, auf die Anoden-Impedanz enthalten.
Die zweite Frequenz kann derart bestimmt werden, dass ein Verhältnis der Kathoden-Impedanz zu der zweiten Impedanz kleiner als ein vorbestimmtes Bezugsverhältnis ist.
Das Verfahren zum Diagnostizieren eines wasserhaltigen Zustands eines Brennstoffzellenstapels kann ferner vor dem Schritt (A2) einen Schritt (C) zum Steuern der zweiten Frequenz enthalten, so dass das Verhältnis der Kathoden-Impedanz zu der zweiten Impedanz kleiner als das Bezugsverhältnis ist, wobei der Schritt (C) Folgendes enthält: einen Schritt (C1) zum Zuführen von Luft zu der Kathode durch eine vorbestimmte Standardströmungsrate oder Steuern eines Drucks der Kathode, um ein vorbestimmter Standarddruck zu sein, und zur gleichen Zeit Anlegen des zweiten AC-Signals mit der zweiten Frequenz an den Brennstoffzellenstapel, um die Anoden-Impedanz zu messen; einen Schritt (C2) zum Zuführen der Luft zu der Kathode durch eine Strömungsrate, die geringer als die Standardströmungsrate ist, oder Steuern des Drucks der Kathode, um ein niedrigerer Druck als der Standarddruck zu sein, und zur gleichen Zeit Anlegen des zweiten AC-Signals mit der zweiten Frequenz an den Brennstoffzellenstapel, um die Anoden-Impedanz zu messen; und einen Schritt (C3) zum Erhöhen der zweiten Frequenz um einen vorbestimmten Bezugswert, wenn eine Differenz zwischen der Anoden-Impedanz, die im Schritt (C2) gemessen wird, und der Anoden-Impedanz, die im Schritt (C1) gemessen wird, ein vorbestimmtes Bezugsverhältnis überschreitet.
Im Schritt (C3) kann die zweite Frequenz unverändert beibehalten werden, wenn die Differenz zwischen der im Schritt (C2) gemessenen Anoden-Impedanz und der im Schritt (C1) gemessenen Anoden-Impedanz das Bezugsverhältnis oder kleiner ist.
Der Schritt (A) kann ferner einen Schritt (A3) zum Messen einer dritten Ausgangsspannung und eines dritten Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels in einem Zustand, in dem ein drittes AC-Signal mit einer dritten Frequenz, die niedriger als die zweite Frequenz ist, an den Brennstoffzellenstapel angelegt wird, und Einstellen eines Impedanzwertes, der durch Subtrahieren der im Schritt (A1) abgeleiteten Elektrolytmembran-Impedanz und der im Schritt (A2) abgeleiteten Anoden-Impedanz von einer dritten Impedanz des Brennstoffzellenstapels berechnet wird, die von der dritten Ausgangsspannung und dem dritten Ausgangsstrom abgeleitet wird, auf die Kathoden-Impedanz enthalten.
Die dritte Frequenz kann derart bestimmt werden, dass ein Verhältnis der Kathoden-Impedanz zu der dritten Impedanz ein vorbestimmtes Bezugsverhältnis oder größer ist.
Der Schritt (B) kann Folgendes enthalten: einen Schritt (B1) zum Bestimmen, ob die Elektrolytmembran-Impedanz eine vorbestimmte Bezugs-Elektrolytmembran-Impedanz überschreitet; und einen Schritt (B2) zum Bestimmen, dass sich der Brennstoffzellenstapel in dem Fall in einem trockenen Zustand bzw. Trockenzustand befindet, in dem die Elektrolytmembran-Impedanz die Bezugs-Elektrolytmembran-Impedanz überschreitet.
Der Schritt (B2) kann durch Bestimmen, dass sich die Kathode in dem Fall in einem Trocken-Kathodenvorspannungszustand befindet, in dem die Anoden-Impedanz eine vorbestimmte Bezugs-Anoden-Impedanz überschreitet und die Kathoden-Impedanz eine vorbestimmte Bezugs-Kathoden-Impedanz oder kleiner ist, durchgeführt werden.
Das Verfahren zum Diagnostizieren eines wasserhaltigen Zustands eines Brennstoffzellenstapels kann ferner einen Schritt (D) zum Steuern des Brennstoffzellenstapels enthalten, so dass die Kathode in dem Fall geflutet wird, in dem sich die Kathode in dem Trocken-Kathodenvorspannungszustand befindet.
Der Schritt (B2) kann durch Bestimmen durchgeführt werden, dass sich die Anode in dem Fall in einem Trocken-Anodenvorspannungszustand befindet, in dem die Anoden-Impedanz eine vorbestimmte Bezugs-Anoden-Impedanz oder kleiner ist und die Kathoden-Impedanz eine vorbestimmte Bezugs-Kathoden-Impedanz überschreitet.
Das Verfahren zum Diagnostizieren eines wasserhaltigen Zustands eines Brennstoffzellenstapels kann ferner einen Schritt (E) zum Steuern des Brennstoffzellenstapels derart, dass die Anode in dem Fall geflutet wird, in dem sich die Anode in dem Trocken-Anodenvorspannungszustand befindet, enthalten.
Der Schritt (B) kann ferner Folgendes enthalten: einen Schritt (B3) zum Bestimmen, ob eine summierte Impedanz bzw. Summenimpedanz, die durch Summieren der Anoden-Impedanz und der Kathoden-Impedanz berechnet wird, eine vorbestimmte Bezugs-Summenimpedanz in dem Fall überschreitet, in dem die Elektrolytmembran-Impedanz die Bezugs-Elektrolytmembran-Impedanz oder kleiner ist; und einen Schritt (B4) zum Bestimmen, dass sich der Brennstoffzellenstapel in dem Fall in einem Flutzustand befindet, in dem die Summenimpedanz die Bezugs-Summenimpedanz überschreitet.
Der Schritt (B) kann ferner einen Schritt (B5) zum Bestimmen, dass sich der Brennstoffzellenstapel in dem Fall in einem optimalen Zustand bzw. Optimalzustand befindet, in dem die Summenimpedanz die Bezugs-Summenimpedanz oder kleiner ist, enthalten.
Der Schritt (B5) kann durch Bestimmen, dass sich die Kathode in dem Fall in einem Flut-Kathodenvorspannungszustand befindet, in dem die Anoden-Impedanz eine vorbestimmte Bezugs-Anoden-Impedanz überschreitet und die Kathoden-Impedanz eine vorbestimmte Bezugs-Kathoden-Impedanz oder kleiner ist, durchgeführt werden.
Das Verfahren zum Diagnostizieren eines wasserhaltigen Zustands eines Brennstoffzellenstapels kann ferner einen Schritt (F) zum Steuern des Brennstoffzellenstapels derart, dass die Kathode in dem Fall trocken wird, in dem sich die Kathode in dem Flut-Kathodenvorspannungszustand befindet, enthalten.
Der Schritt (B5) kann durch Bestimmen, dass sich die Anode in dem Fall in einem Flut-Anodenvorspannungszustand befindet, in dem die Anoden-Impedanz eine vorbestimmte Bezugs-Anoden-Impedanz oder kleiner ist und die Kathoden-Impedanz eine vorbestimmte Bezugs-Kathoden-Impedanz überschreitet, durchgeführt werden.
Das Verfahren zum Diagnostizieren eines wasserhaltigen Zustands eines Brennstoffzellenstapels kann ferner einen Schritt (G) zum Steuern des Brennstoffzellenstapels derart, dass die Anode in dem Fall trocken wird, in dem sich die Anode in dem Flut-Anodenvorspannungszustand befindet, enthalten.
Figurenliste
Die oben erwähnten und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlicher werden.

1 ist eine Ansicht, die eine schematische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems veranschaulicht.
2 ist ein Konzeptionsdiagramm, das eine Elementarzelle eines Brennstoffzellenstapels veranschaulicht.
3 ist ein Schaltplan, der eine Ersatzschaltung des in 2 veranschaulichten Brennstoffzellenstapels veranschaulicht.
4 ist ein Nyquist-Diagramm der in 3 veranschaulichten Ersatzschaltung.
5 ist ein Ablaufplan zum Beschreiben eines Verfahrens zum Diagnostizieren eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
6 ist ein Graph zum Beschreiben einer Korrelation zwischen einer Frequenz eines Wechselstromsignals (AC-Signal), das an den Brennstoffzellenstapel angelegt ist, und einer Kathoden-Impedanz.
7 ist ein Ablaufplan zum Beschreiben eines Verfahrens zum Diagnostizieren eines wasserhaltigen Zustands eines Brennstoffzellenstapels.
8 ist eine Klassifikationsansicht zum Klassifizieren wasserhaltiger Zustände eines Brennstoffzellenstapels für jede Art.
Die 9A bis 9C sind Konzeptionsdiagramme, die Aspekte veranschaulichen, bei denen Wasser in jedem Abschnitt eines Brennstoffzellenstapels in dem Fall verteilt ist, in dem sich der Brennstoffzellenstapel in einem Trockenzustand befindet.
Die 10A bis 10C sind Konzeptionsdiagramme, die Aspekte veranschaulichen, bei denen Wasser in jedem Abschnitt eines Brennstoffzellenstapels in dem Fall verteilt ist, in dem sich der Brennstoffzellenstapel in einem Flutzustand befindet.
Die 11A bis 11C sind Konzeptionsdiagramme, die Aspekte veranschaulichen, bei denen Wasser in jedem Abschnitt eines Brennstoffzellenstapels in dem Fall verteilt ist, in dem sich der Brennstoffzellenstapel in einem Optimalzustand befindet.
12 ist ein Ablaufplan zum Beschreiben eines Verfahrens zum Einstellen einer zweiten Frequenz eines zweiten AC-Signals.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es ist klar, dass der Ausdruck „Fahrzeug“ oder „Fahrzeug-“ oder ein anderer ähnlicher Ausdruck, der hierin verwendet wird, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen enthält, wie beispielsweise Personenkraftwagen, die Geländefahrzeuge (SUV), Busse, Lastwagen, verschiedene Geschäftswagen enthalten, Wasserfahrzeuge, die eine Vielzahl von Booten und Schiffen enthalten, Luftfahrzeuge und Ähnliches, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und Fahrzeuge mit anderen alternativen Brennstoffen enthält (z.B. Brennstoffe, die aus anderen Rohstoffen als Erdöl gewonnen werden). Wie hierin bezeichnet, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Leistungsquellen aufweist, wie beispielsweise sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch betriebene Fahrzeuge.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur zum Zweck des Beschreibens bestimmter Ausführungsformen und soll die Offenbarung nicht beschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen enthalten, sofern der Kontext dies nicht anderweitig klar erkennen lässt. Es wird zudem klar sein, dass die Ausdrücke „weist auf“ und/oder „aufweisend“, wenn in dieser Beschreibung verwendet, das Vorhandensein der genannten Merkmale, ganzen Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bauteile spezifizieren, aber nicht das Vorhandensein oder den Zusatz von einem/einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Bauteilen und/oder Gruppen derselben ausschließen. Wie hierin verwendet, enthält der Ausdruck „und/oder“ jedes beliebige und alle Kombinationen von einem oder mehreren der assoziierten, aufgelisteten Elemente. Sofern nicht ausdrücklich gegenteilig beschrieben, wird das Wort „aufweisen“ und Variationen, wie beispielsweise „weist auf“ oder „aufweisend“, überall in der Beschreibung verstanden werden, den Einschluss genannter Elemente, aber nicht den Ausschluss irgendwelcher anderer Elemente zu implizieren. Zudem bedeuten die Ausdrücke „-einheit“, „-er“ bzw. „-einrichtung“, „-or“ bzw. „-vorrichtung“ und „-modul“, die in der Beschreibung beschrieben sind, Einheiten zum Verarbeiten von zumindest einer Funktion und Operation und können durch Hardwarekomponenten oder Softwarekomponenten und Kombinationen derselben implementiert werden.
Ferner kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nichttransitorische computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Datenträger ausgeführt werden, der ausführbare Programmbefehle enthält, die durch einen Prozessor, eine Steuereinrichtung bzw. Steuerung oder dergleichen ausgeführt werden. Beispiele computerlesbarer Datenträger enthalten Festwertspeicher, Direktzugriffsspeicher, Compact-Disc-Festwertspeicher (CD-ROMs), Magnetbänder, Disketten, Flash-Laufwerke, Chipkarten und optische Datenspeichervorrichtungen, sind aber nicht darauf beschränkt. Das computerlesbare Aufnahmemedium kann auch in netzwerkgekoppelten Computersystemen verteilt sein, so dass das computerlesbare Medium auf verteilte Weise gespeichert und ausgeführt wird, z.B. durch einen Telematikserver oder ein Controller Area Network (CAN).
Nachstehend werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben werden. Es ist zu beachten, dass beim Anwenden von Bezugsnummern auf Komponenten der beiliegenden Zeichnungen die gleichen Komponenten durch die gleichen Bezugsnummern angegeben werden, auch wenn dieselben in verschiedenen Zeichnungen veranschaulicht sind. Ferner werden beim Beschreiben von beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung allgemein bekannte Konstruktionen oder Funktionen in dem Fall nicht detailliert beschrieben werden, in dem bestimmt wird, dass dieselben das Verständnis der beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unnötig verschleiern können.
Beim Beschreiben der Komponenten der vorliegenden Offenbarung werden die Ausdrücke ‚erster/erste/erstes‘, ‚zweiter/zweite/zweites‘, A, B, (a), (b) und dergleichen verwendet werden. Diese Ausdrücke werden lediglich zum Unterscheiden einer beliebigen Komponente von anderen Komponenten verwendet und Merkmale, Reihenfolgen oder dergleichen der entsprechenden Komponenten sind nicht durch die Ausdrücke beschränkt. Sofern nicht anderweitig definiert, haben alle Ausdrücke, die in der vorliegenden Beschreibung verwendet werden, einschließlich technischer und wissenschaftlicher Termini, die gleichen Bedeutungen wie Bedeutungen, die für gewöhnlich von jemanden mit Fähigkeiten in der Technik verstanden werden, zu der die vorliegende Offenbarung gehört. Es sollte interpretiert werden, dass Ausdrücke, die durch ein allgemein verwendetes Wörterbuch definiert sind, zu den Bedeutungen innerhalb des Kontexts der verwandten Technik identisch sind, und dieselben sollten nicht ideal oder übermäßig formal interpretiert werden, sofern der Kontext dies nicht anderweitig klar erkennen lässt.
1 ist eine Ansicht, die eine schematische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems veranschaulicht, 2 ist ein Konzeptionsdiagramm, das eine Elementarzelle eines Brennstoffzellenstapels veranschaulicht, 3 ist ein Schaltplan, der eine Ersatzschaltung des in 2 veranschaulichten Brennstoffzellenstapels veranschaulicht, und 4 ist ein Nyquist-Diagramm der Ersatzschaltung, die in 3 veranschaulicht ist.
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Diagnostizieren eines wasserhaltigen Zustands eines Brennstoffzellenstapels 10, der in einem Brennstoffzellensystem 1 enthalten ist. Nachstehend wird zunächst eine schematische Konfiguration des Brennstoffzellensystems 1 in Bezug auf 1 beschrieben werden.
In Bezug auf 1 kann das Brennstoffzellensystem 1 den Brennstoffzellenstapel 10, eine Wasserstoffzuführvorrichtung 20, ein Wasserstoffzuführventil 30, eine Luftzuführvorrichtung 40, ein Luftzuführventil 50, ein Spülventil 60, ein Luftabführventil 70, eine Steuerung 80 und dergleichen enthalten. Eine Art der Einrichtung, auf die das Brennstoffzellensystem 1 angewandt werden kann, ist nicht besonders beschränkt. Beispielsweise kann das Brennstoffzellensystem 1 in einem Brennstoffzellenfahrzeug montiert werden, das unter Verwendung von elektrischer Energie angetrieben werden kann, die von dem Brennstoffzellenstapel 10 als Leistungsquelle eines Motors 200 erzeugt wird.
Zunächst kann der Brennstoffzellenstapel 10, wie in 1 veranschaulicht, eine Vielzahl von Elementarzellen 12 enthalten, die in einer vorbestimmten Stapelrichtung gestapelt sind. Wie in 2 veranschaulicht, kann jede Elementarzelle 12 eine Elektrolytmembran 14, eine Anode 16, in der Protonen und Elektronen durch Durchführen einer Oxidationsreaktion von Wasserstoff erzeugt werden, der durch eine Wasserstoffzuführvorrichtung 20 zugeführt wird, die unten zu beschreiben ist, eine Kathode 18, in der elektrische Energie und Wasser durch Durchführen einer Reduktionsreaktion erzeugt werden, bei der die Protonen und die Elektronen, die sich jeweils von der Anode 16 weg bewegt haben, und Sauerstoff in der Luft mitwirken, der durch eine Luftzuführvorrichtung 40 zugeführt wird, die unten zu beschreiben ist, und dergleichen enthalten. Nachstehend werden die in allen Elementarzellen 12 enthaltenen Elektrolytmembranen 14 allgemein Elektrolytmembran 14 genannt werden, die Anoden 16, die in allen Elementarzellen 12 enthalten sind, allgemein Anode 16 genannt werden und die Kathoden 18, die in allen Elementarzellen 12 enthalten sind, allgemein Kathode 18 genannt werden.
Solch ein Brennstoffzellenstapel 10 kann durch eine Ersatzschaltung mit einer Widerstandskomponente und einer Reaktanzkomponente dargestellt werden. Wie in 3 veranschaulicht, kann die Elektrolytmembran 14 beispielsweise durch eine Widerstandskomponente R_M , die Anode 16 durch eine Widerstandskomponente R_A und eine Kapazitätskomponente C_A , die miteinander parallel geschaltet sind, und die Kathode 18 durch eine Widerstandskomponente R_C und eine Kapazitätskomponente C_C , die miteinander parallel geschaltet sind, dargestellt werden. Gemäß der Ersatzschaltung des Brennstoffzellenstapels 10 kann eine Impedanz Z_S des Brennstoffzellenstapels 10, wie durch die folgenden Gleichungen 1 bis 4 dargestellt, durch Summieren einer Elektrolytmembran-Impedanz Z_M , einer Anoden-Impedanz Z_A und einer Kathoden-Impedanz Z_C berechnet werden.
$Z_{M} (ω) = R_{M}$
$Z_{M} (ω) = \frac{R_{A}}{1 + i \cdot ω \cdot R_{A} \cdot C_{A}}$
$Z_{C} (ω) = \frac{R_{C}}{1 + i \cdot ω \cdot R_{C} \cdot C_{C}}$
$Z_{S} (ω) = Z_{M} (ω) + Z_{A} (ω) + Z_{C} (ω)$
Zudem wird gemäß der Ersatzschaltung des Brennstoffzellenstapels 10 die Impedanz Z_S des Brennstoffzellenstapels 10 in Abhängigkeit von einer Frequenz eines an den Brennstoffzellenstapel 10 angelegten Wechselstromsignals (AC-Signal) variiert. Wie in 4 veranschaulicht, kann daher die Frequenz des an den Brennstoffzellenstapel 10 angelegten AC-Signals variiert werden, um die Impedanzen Z_S des Brennstoffzellenstapels 10 für jede Frequenzkomponente zu berechnen, was zu einer Ableitung einer Ersatzschaltungs-Impedanzkurve I_C des Brennstoffzellenstapels 10 führt.
Als Nächstes kann die Wasserstoffzuführvorrichtung 20 einen Wasserstoffbehälter bzw. Wasserstofftank 22 enthalten, in dem Wasserstoff gespeichert wird. Der Wasserstofftank 22 kann mit dem Brennstoffzellenstapel 10 durch eine Wasserstoffzuführleitung 90 verbunden sein, um Wasserstoff der Anode 16 zuzuführen. Restlicher Wasserstoff mit Ausnahme des an einer Reaktion zum Erzeugen von Elektrizität mitwirkenden Wasserstoffs unter dem der Anode 16 zugeführten Wasserstoff, der oben beschrieben wurde, kann zu der Wasserstoffzuführleitung 90 durch eine Wasserstoffrückführungsleitung 100 geleitet und der Anode 16 erneut zugeführt werden. Eine Rückförderpumpe bzw. Rückführpumpe 110, die durch die Wasserstoffrückführungsleitung 100 strömenden Wasserstoff in Richtung der Wasserstoffzuführleitung 90 pumpen kann, kann auf der Wasserstoffrückführungsleitung 100 installiert sein.
Als Nächstes kann das Wasserstoffzuführventil 30 auf der Wasserstoffzuführleitung 90 installiert sein und eine Strömungsrate des der Anode 16 zugeführten Wasserstoffs durch eine Steuerung eines Öffnungsniveaus steuern.
Als Nächstes kann die Luftzuführvorrichtung 40 einen Luftkompressor 42 enthalten, der Luft aus der Umgebung ansaugen und die angesaugte Luft verdichten kann. Der Luftkompressor 42 kann mit der Kathode 18 durch eine Luftzuführleitung 120 verbunden sein, um der Kathode 18 Luft zuzuführen. Restliche Luft mit Ausnahme des bei einer Reaktion zum Erzeugen von Elektrizität mitwirkenden Sauerstoffs unter der der Kathode 18 zugeführten Luft kann zu der Außenseite entlang einer Luftabführleitung 130 abgeführt werden.
Als Nächstes kann das Luftzuführventil 50 auf der Luftzuführleitung 120 installiert sein und eine Strömungsrate der der Kathode 18 zugeführten Luft durch eine Steuerung eines Öffnungsniveaus steuern.
Als Nächstes ist das Spülventil 60 vorgesehen, um Wasserstoff, der durch die Wasserstoffrückführungsleitung 100 strömt, zur Außenseite abzuführen. Zu diesem Zweck ist die Wasserstoffrückführungsleitung 100 mit der Luftabführleitung 130 durch eine Wasserstoffspülleitung 140 verbunden und das Spülventil 60 auf der Wasserstoffspülleitung 140 installiert. Das Spülventil 60 kann in dem Fall selektiv geöffnet werden, in dem eine vorbestimmte Spülbedingung erfüllt wird. Die Spülbedingung ist nicht besonders beschränkt. Die Spülbedingung kann beispielsweise sein, ob eine Wasserstoffkonzentration der Anode 16 eine vorbestimmte Bezugskonzentration oder kleiner ist. In dem Fall, in dem das Spülventil 60 geöffnet ist, können Wasserstoff und andere Gase, die durch die Wasserstoffrückführungsleitung 100 strömen, zu der Luftabführleitung 130 durch die Wasserstoffspülleitung 140 weitergeleitet werden und dann zusammen mit der Luft, die durch die Luftabführleitung 130 strömt, zu der Außenseite abgeführt werden.
Außerdem kann das Luftabführventil 70 auf der Luftabführleitung 130 installiert sein und Abfuhrmengen der Luft, des Wasserstoffs und von anderen Gasen, die durch die Luftabführleitung 130 strömen, und einen Druck der Kathode 18 durch eine Steuerung eines Öffnungsniveaus steuern.
Außerdem ist die Steuerung 80 vorgesehen, um das Antreiben verschiedener Komponenten zu steuern, die in dem Brennstoffzellensystem 1 enthalten sind.
In Bezug auf 1 kann das Brennstoffzellensystem 1 ferner eine Batterie 150, einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (DC-DC-Wandler) 160, einen Spannungsmesser 170, einen Strommesser 180, einen Impedanzmesser 190 und dergleichen enthalten.
Die Batterie 150 ist eine aufladbare Sekundärbatterie. Eine Art der Sekundärbatterie, die als die Batterie 150 verwendet werden kann, ist nicht besonders beschränkt. Beispielsweise kann die Batterie 150 eine Nickelmetallwasserstoff-Batterie sein. Wie in 1 veranschaulicht, kann die Batterie 150 in einen elektrischen Entladungsweg des Brennstoffzellenstapels eingesetzt werden, um mit dem Brennstoffzellenstapel 10 parallel geschaltet zu werden. Die Batterie 150 kann mit einem Überschuss einer Ausgangsleitung des Brennstoffzellenstapels 10, regenerativer Leistung des Motors 200 und dergleichen geladen werden. Eine Ausgangsleistung der Batterie 150 kann bei Bedarf Hilfsmaschinen, dem Motor 200 und dergleichen zugeführt werden.
Der DC-DC-Wandler 160 ist mit einer End- bzw. Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels 10 parallel geschaltet. Der DC-DC-Wandler 160 kann die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 10 auf eine DC-DC-Weise umwandeln und die umgewandelte Leistung als Ladeleistung der Batterie 150 zuführen und die Ausgangsleistung der Batterie 150 auf eine DC-DC-Weise umwandeln und die umgewandelte Leistung den Hilfsmaschinen, dem Motor 200 und dergleichen zuführen. Zudem kann der DC-DC-Wandler 160 die regenerative Leistung, die vom Motor 200 zum Zeitpunkt des regenerativen Bremsens erzeugt wird, umwandeln und die umgewandelte Leistung als Ladeleistung der Batterie 150 zuführen. Indessen kann ein Inverter 210, der die von dem DC-DC-Wandler 160 zugeführte DC-Leistung in eine Dreiphasen-AC-Leistung auf eine DC-AC-Weise umwandelt und die Dreiphasen-AC-Leistung zu dem Motor 200 transferiert oder eine von dem Motor 200 zugeführte Dreiphasen-AC-Leistung in DC-Leistung auf eine AC-DC-Weise umwandelt und die DC-Leistung zu dem DC-DC-Wandler 160 transferiert, zwischen dem DC-DC-Wandler 160 und dem Motor 200 installiert sein.
Der Spannungsmesser 170 kann eine Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10 erfassen und die erfasste Ausgangsspannung zu der Steuerung 80 übertragen und der Strommesser 180 kann einen Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 10 erfassen und den erfassten Ausgangsstrom zu der Steuerung 80 übertragen. Da der Spannungsmesser 170 und der Strommesser 180 die gleichen Strukturen wie die eines Spannungsmessers und Strommessers aufweisen, die in einem Brennstoffzellensystem allgemein verwendet werden, wird eine detailliertere Beschreibung des Spannungsmessers 170 und des Strommessers 180 weggelassen werden.
Der Impedanzmesser 190 ist zum Messen der Impedanz Z_S des Brennstoffzellenstapels 10 vorgesehen. Beispielsweise kann der Impedanzmesser 190 ein AC-Signal mit einer vorbestimmten Frequenz an den Brennstoffzellenstapel 10 anlegen und dann die Impedanz Z_S des Brennstoffzellenstapels 10, die einer Frequenzkomponente des AC-Signals entspricht, anhand der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels 10 berechnen, die jeweils durch den Spannungsmesser 170 und den Strommesser 180 erfasst werden.
5 ist ein Ablaufplan zum Beschreiben eines Verfahrens zum Diagnostizieren eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
In Bezug auf 5 kann das Verfahren zum Diagnostizieren eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels 10 nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung Folgendes enthalten: einen Schritt (S10) zum Anlegen des AC-Signals mit der vorbestimmten Frequenz an den Brennstoffzellenstapel 10, um jeweils die Elektrolytmembran-Impedanz Z_M , die Anoden-Impedanz Z_A und die Kathoden-Impedanz Z_C anhand der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels 10 zu berechnen, die der Frequenzkomponente des AC-Signals entsprechen; einen Schritt (S20) zum Diagnostizieren eines wasserhaltigen Zustands des Brennstoffzellenstapels 10 basierend auf der Elektrolytmembran-Impedanz Z_M , der Anoden-Impedanz Z_A und der Kathoden-Impedanz Z_C ; einen Schritt (S30) zum Vergleichen des wasserhaltigen Zustands des Brennstoffzellenstapels 10 und eines Soll-Zustands des Brennstoffzellenstapels 10 miteinander; einen Schritt (S40) zum Steuern des Brennstoffzellensystems 1 unter Verwendung des Brennstoffzellenstapels 10, so dass der wasserhaltige Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 in dem Fall gesteuert wird, um der Soll-Zustand zu sein, in dem sich der wasserhaltige Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 und der Soll-Zustand voneinander unterscheiden, und dergleichen.
6 ist ein Graph zum Beschreiben einer Korrelation zwischen einer Frequenz eines AC-Signals, das an den Brennstoffzellenstapel angelegt ist, und einer Kathoden-Impedanz.
Zunächst kann der Schritt S10, wie in 5 veranschaulicht, einen Schritt (S12) zum Anlegen eines ersten AC-Signals mit einer vorbestimmten ersten Frequenz ω₁ an den Brennstoffzellenstapel 10, um die Elektrolytmembran-Impedanz Z_M zu messen, einen Schritt (S14) zum Anlegen eines zweiten AC-Signals mit einer zweiten Frequenz ω₂, die niedriger als die erste Frequenz ω₁ ist, an den Brennstoffzellenstapel 10, um die Anoden-Impedanz Z_A zu messen, und einen Schritt (S16) zum Anlegen eines dritten AC-Signals mit einer dritten Frequenz ω₃ , die niedriger als die zweite Frequenz ω₂ ist, an den Brennstoffzellenstapel 10, um die Kathoden-Impedanz Z_C zu messen, enthalten.
Der Schritt S12 kann durch Messen einer ersten Ausgangsspannung und eines ersten Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels 10 in einem Zustand, in dem das erste AC-Signal mit der ersten Frequenz ω₁ an den Brennstoffzellenstapel 10 angelegt wird, und Einstellen einer ersten Impedanz Z_S1 des Brennstoffzellenstapels 10, die von der ersten Ausgangsspannung und dem ersten Ausgangsstrom abgeleitet wird, auf die Elektrolytmembran-Impedanz Z_M durchgeführt werden.
Wie oben beschrieben wurde, enthält die Elektrolytmembran 14 nur die Widerstandkomponente R_M und die Anode 16 und die Kathode 18 enthalten die Widerstandkomponenten R_A bzw. R_C und die Kapazitätskomponenten C_A bzw. C_C , die miteinander parallel geschaltet sind. Wenn die Frequenz des an den Brennstoffzellenstapel 10 angelegten AC-Signals erheblich hoch wird, werden daher die Anoden-Impedanz Z_A und die Kathoden-Impedanz Z_C niedrig, um sich 0mΩ·cm² zu nähern, so dass die Elektrolytmembran-Impedanz Z_M den größten Teil der Impedanz Z_S des Brennstoffzellenstapels 10 einnimmt. In Bezug auf 4 zeigt in dem Fall, in dem die Frequenz des an den Brennstoffzellenstapel 10 angelegten AC-Signals erhöht wird, die Impedanz Z_S des Brennstoffzellenstapels 10 einen Aspekt, bei dem dieselbe während einer Bewegung zu einem linken Bereich des Nyquist-Diagramms entlang der Ersatzschaltungs-Impedanzkurve I_C im Allgemeinen verringert wird und schließlich nur die Widerstandkomponente R_M der Elektrolytmembran 14 in der Impedanz Z_S des Brennstoffzellenstapels 10 bleibt.
Die erste Frequenz ω₁ kann unter Verwendung solch eines Prinzips derart bestimmt werden, dass ein Verhältnis der Anoden-Impedanz Z_A und der Kathoden-Impedanz Z_C zu der ersten Impedanz Z_S1 des Brennstoffzellenstapels 10 kleiner als ein vorbestimmtes Bezugsverhältnis ist. Das heißt, die erste Frequenz ω₁ wird derart bestimmt, dass die Anoden-Impedanz Z_A und die Kathoden-Impedanz Z_C im Wesentlichen 0mΩ·cm² werden. Beispielsweise kann die erste Frequenz ω₁ 3kPa sein. Wenn die erste Frequenz ω₁ wie oben beschrieben bestimmt wird, können die erste Impedanz Z_S1 des Brennstoffzellenstapels 10 und die Elektrolytmembran-Impedanz Z_M einander gleich werden, wie durch die Gleichung 5 dargestellt.
$Z_{S 1} (ω_{1}) = Z_{M} (ω_{1}) + Z_{A} (ω_{1}) + Z_{C} (ω_{1}) \approx Z_{M} (ω_{1})$
Die erste Frequenz ω₁ kann in einem Speicher der Steuerung 80 im Voraus gespeichert werden. Daher steuert die Steuerung 80 zum Zeitpunkt der Durchführung des Schrittes S12 den Impedanzmesser 190 derart, dass das erste AC-Signal mit der ersten Frequenz ω₁ an den Brennstoffzellenstapel 10 angelegt wird. In diesem Fall kann der Impedanzmesser 190 die erste Impedanz Z_S1 des Brennstoffzellenstapels 10 von der ersten Ausgangsspannung und dem ersten Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 10 ableiten, die jeweils durch den Spannungsmesser 170 und den Strommesser 180 erfasst werden, und dann die erste Impedanz Z_S1 des Brennstoffzellenstapels 10 auf die Elektrolytmembran-Impedanz Z_M einstellen. Nachstehend wird die Elektrolytmembran-Impedanz Z_M , die wie oben beschrieben im Schritt S12 abgeleitet wird, ‚HFR‘ genannt werden.
Der Schritt S14 kann durch Messen einer zweiten Ausgangsspannung und eines zweiten Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels 10 in einem Zustand, in dem das zweite AC-Signal mit der zweiten Frequenz ω₂ , die niedriger als die erste Frequenz ω₁ ist, an den Brennstoffzellenstapel 10 angelegt ist, und Einstellen eines Impedanzwertes, der durch Subtrahieren der im Schritt S12 abgeleiteten Elektrolytmembran-Impedanz HFR von einer zweiten Impedanz Z_S2 des Brennstoffzellenstapels 10, die von der zweiten Ausgangsspannung und dem zweiten Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 10 abgeleitet wird, auf die Anoden-Impedanz Z_A durchgeführt werden.
Im Allgemeinen wird die Kathoden-Impedanz Z_C hoch, während eine Konzentration des Sauerstoffs, der in der zu der Kathode 18 zugeführten Luft enthalten ist, niedrig wird. Die in 6 veranschaulichten graphischen Darstellungen repräsentieren Ergebnisse eines Versuches, der unter Berücksichtigung einer Korrelation zwischen der Kathoden-Impedanz Z_C und einer Sauerstoffkonzentration durchgeführt wird. Die in 6 veranschaulichten graphischen Darstellungen repräsentieren Ergebniswerte der Impedanzen Z_S des Brennstoffzellenstapels 10, die durch Anlegen von AC-Signalen mit unterschiedlichen Frequenzen an den Brennstoffzellenstapel 10 in einem Zustand einzeln gemessen werden, in dem die Luft aus der Umgebung der Kathode 18 optimal zugeführt wird, und Ergebniswerte der Impedanzen Z_S des Brennstoffzellenstapels 10, die durch Anlegen von AC-Signalen mit unterschiedlichen Frequenzen an den Brennstoffzellenstapel 10 in einem Zustand einzeln gemessen werden, in dem ein Gemischgas aus 80% Luft aus der Umgebung und 15% Stickstoff der Kathode 18 zugeführt wird. Jedes AC-Signal kann eine beliebige Frequenz der Frequenzen von 30Hz, 50Hz, 70 Hz, 100 Hz und 150 Hz aufweisen. In den in 6 veranschaulichten graphischen Darstellungen gibt eine horizontale Achse eine Stromdichte des an den Brennstoffzellenstapel 10 angelegten AC-Signals an und eine vertikale Achse die Impedanz Z_S des Brennstoffzellenstapels 10 an.
Da das Gemischgas ein Gemischgas aus 85% Luft aus der Umgebung und 15% Stickstoff ist, ist eine Sauerstoffkonzentration in dem Gemischgas niedriger als die von Sauerstoff in der Luft aus der Umgebung. Daher ist die Kathoden-Impedanz Z_C in dem Fall, in dem das Gemischgas der Kathode 18 zugeführt wird, höher als die in dem Fall, in dem die Luft aus der Umgebung der Kathode 18 zugeführt wird. Wie in 6 veranschaulicht, wird jedoch, während die Frequenz des AC-Signals hoch wird, eine Differenz zwischen der Impedanz Z_S des Brennstoffzellenstapels 10, die in einem Zustand gemessen wird, in dem nur die Luft der Kathode 18 zugeführt wird, und der Impedanz Z_S des Brennstoffzellenstapels 10, die in einem Zustand gemessen wird, in dem das Gemischgas der Kathode 18 zugeführt wird, erheblich gering. Gemäß solch einem Messergebnis kann eingesehen werden, dass ein Verhältnis der Kathoden-Impedanz Z_C zu der Impedanz Z_S des Brennstoffzellenstapels 10 erheblich gering wird, während die Frequenz des AC-Signals hoch wird. Zudem kann gemäß solch einem Messergebnis eingesehen werden, dass ein Verhältnis der Kathoden-Impedanz Z_C zu der Impedanz Z_S des Brennstoffzellenstapels 10 in einem rechten Abschnitt I_CR einer gekrümmten Linie bzw. rechten Kurvenabschnitt I_CR hoch ist, in dem die Frequenz des AC-Signals in der Ersatzschaltungs-Impedanzkurve I_C relativ gering ist, die in 4 veranschaulicht ist, und ein Verhältnis der Anoden-Impedanz Z_A zu der Impedanz Z_S des Brennstoffzellenstapels 10 in einem linken Kurvenabschnitt I_CL hoch ist, in dem die Frequenz des AC-Signals in der in 4 veranschaulichten Ersatzschaltungs-Impedanzkurve I_C relativ hoch ist. Wenn die Frequenz des AC-Signals hoch wird, um ein vorbestimmter Wert oder größer zu sein, wird daher die Kathoden-Impedanz Z_C niedrig, um sich 0mΩ·cm² zu nähern, und die Elektrolytmembran-Impedanz Z_M und die Anoden-Impedanz Z_A nehmen den größten Teil der Impedanz Z_S des Brennstoffzellenstapels 10 ein.
Die zweite Frequenz ω₂ kann unter Verwendung solch eines Prinzips derart bestimmt werden, dass ein Verhältnis der Kathoden-Impedanz Z_C zu der zweiten Impedanz Z_S2 des Brennstoffzellenstapels 10 kleiner als ein vorbestimmtes Bezugsverhältnis ist. Es wird bevorzugt, dass ein minimaler Wert der Frequenzen, bei dem die Kathoden-Impedanz Z_C im Wesentlichen 0mΩ·cm² wird, auf die zweite Frequenz ω₂ unter Berücksichtigung dieses Punktes eingestellt wird. Beispielsweise kann die zweite Frequenz ω₂ 200Hz sein. Wenn die zweite Frequenz ω₂ wie oben beschrieben bestimmt wird, kann der Impedanzwert, der durch Subtrahieren der Elektrolytmembran-Impedanz HFR, die im Schritt S12 abgeleitet wird, von der zweiten Impedanz Z_S2 des Brennstoffzellenstapels 10 berechnet wird, im Wesentlichen gleich der Anoden-Impedanz Z_A werden, wie durch die Gleichungen 6 und 7 dargestellt.
$Z_{S 2} (ω_{2}) = Z_{M} (ω_{2}) + Z_{A} (ω_{2}) + Z_{C} (ω_{2})$
$Z_{A} (ω_{2}) \approx Z_{S} (ω_{2}) - H F R$
Die zweite Frequenz ω₂ kann in dem Speicher der Steuerung 80 im Voraus gespeichert werden. Daher steuert die Steuerung 80 zum Zeitpunkt der Durchführung des Schrittes S14 den Impedanzmesser 190 derart, dass das zweite AC-Signal mit der zweiten Frequenz ω₂ an den Brennstoffzellenstapel 10 angelegt wird. In diesem Fall kann der Impedanzmesser 190 die zweite Impedanz Z_S2 des Brennstoffzellenstapels 10 von der zweiten Ausgangsspannung und dem zweiten Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 10 ableiten, die jeweils durch den Spannungsmesser 170 und den Strommesser 180 erfasst werden, und dann den Impedanzwert, der durch Subtrahieren der in dem Schritt S12 abgeleiteten Elektrolytmembran-Impedanz HFR von der zweiten Impedanz Z_S2 des Brennstoffzellenstapels 10 berechnet wird, auf die Anoden-Impedanz Z_A einstellen. Nachstehend wird die Anoden-Impedanz Z_A , die wie oben beschrieben im Schritt S14 abgeleitet wird, ‚MFR‘ genannt werden.
Der Schritt S16 kann durch Messen einer dritten Ausgangsspannung und eines dritten Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels 10 in einem Zustand, in dem das dritte AC-Signal mit der dritten Frequenz ω₃ , die niedriger als die zweite Frequenz ω₂ ist, an den Brennstoffzellenstapel 10 angelegt ist, und Einstellen eines Impedanzwertes, der durch Subtrahieren der im Schritt S12 abgeleiteten Elektrolytmembran-Impedanz HFR und der Anoden-Impedanz MFR, die im Schritt S14 abgeleitet wird, von einer dritten Impedanz Z_S3 des Brennstoffzellenstapels 10, die von der dritten Ausgangsspannung und dem dritten Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 10 abgeleitet wird, auf die Kathoden-Impedanz Z_C durchgeführt werden.
Die dritte Frequenz ω₃ kann derart bestimmt werden, dass ein Verhältnis der Kathoden-Impedanz Z_C zu der dritten Impedanz Z_S3 des Brennstoffzellenstapels 10 ein vorbestimmtes Bezugsverhältnis oder größer ist. Es wird bevorzugt, dass eine Frequenz, bei der das Verhältnis der Kathoden-Impedanz Z_C zu der dritten Impedanz Z_S3 des Brennstoffzellenstapels 10 ein maximaler Wert wird, auf die dritte Frequenz ω₃ unter Berücksichtigung dieses Punktes eingestellt wird. Wenn die dritte Frequenz ω₃ wie oben beschrieben bestimmt wird, kann der Impedanzwert, der durch Subtrahieren der Elektrolytmembran-Impedanz HFR, die im Schritt S12 abgeleitet wird, und der Anoden-Impedanz MFR, die im Schritt S14 abgeleitet wird, von der dritten Impedanz Z_S3 des Brennstoffzellenstapels 10 berechnet wird, im Wesentlichen gleich der Kathoden-Impedanz Z_C werden, wie durch die Gleichungen 8 und 9 dargestellt.
$Z_{S} (ω_{3}) = Z_{M} (ω_{3}) + Z_{A} (ω_{3}) + Z_{C} (ω_{3})$
$Z_{C} (ω_{3}) \approx Z_{S} (ω_{3}) - H F R - M F R$
Die dritte Frequenz ω₃ kann in dem Speicher der Steuerung 80 im Voraus gespeichert werden. Daher steuert die Steuerung 80 zum Zeitpunkt der Durchführung des Schrittes S16 den Impedanzmesser 190 derart, dass das dritte AC-Signal mit der dritten Frequenz ω₃ an den Brennstoffzellenstapel 10 angelegt wird. In diesem Fall kann der Impedanzmesser 190 die dritte Impedanz Z_S3 des Brennstoffzellenstapels 10 von der dritten Ausgangsspannung und dem dritten Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 10 ableiten, die jeweils durch den Spannungsmesser 170 und den Strommesser 180 erfasst werden, und dann den Impedanzwert, der durch Subtrahieren der im Schritt S12 abgeleiteten Elektrolytmembran-Impedanz HFR und der im Schritt S14 abgeleiteten Anoden-Impedanz MFR von der dritten Impedanz Z_S3 des Brennstoffzellenstapels 10 berechnet wird, auf die Kathoden-Impedanz Z_C einstellen. Nachstehend wird die Kathoden-Impedanz Z_C , die wie oben beschrieben im Schritt S16 abgeleitet wird, ‚LFR‘ genannt werden.
7 ist ein Ablaufplan zum Beschreiben eines Verfahrens zum Diagnostizieren eines wasserhaltigen Zustands eines Brennstoffzellenstapels und 8 ist eine Klassifikationsansicht zum Klassifizieren wasserhaltiger Zustände eines Brennstoffzellenstapels für jede Art.
Wie in 7 veranschaulicht, kann der Schritt S20 außerdem einen Schritt (S21) zum Bestimmen, ob die Elektrolytmembran-Impedanz HFR eine vorbestimmte Bezugs-Elektrolytmembran-Impedanz HFR1 überschreitet, einen Schritt (S23) zum Bestimmen, dass sich der Brennstoffzellenstapel 10 in dem Fall in einem Trockenzustand befindet, in dem die Elektrolytmembran-Impedanz HFR die Bezugs-Elektrolytmembran-Impedanz HFR1 überschreitet, einen Schritt (S25) zum Bestimmen, ob eine Summenimpedanz MFR+LFR, die durch Summieren der Anoden-Impedanz MFR und der Kathoden-Impedanz LFR berechnet wird, eine vorbestimmte Bezugs-Summenimpedanz R_T in dem Fall überschreitet, in dem die Elektrolytmembran-Impedanz HFR die Bezugs-Elektrolytmembran-Impedanz HFR1 oder kleiner ist, einen Schritt (S27) zum Bestimmen, dass sich der Brennstoffzellenstapel 10 in dem Fall in einem Flutzustand befindet, in dem die Summenimpedanz MFR+LFR die Bezugs-Summenimpedanz R_T überschreitet, einen Schritt (S29) zum Bestimmen, dass sich der Brennstoffzellenstapel 10 in dem Fall in einem Optimalzustand befindet, in dem die Summenimpedanz MFR+LFR die Bezugs-Summenimpedanz R_T oder kleiner ist, und dergleichen enthalten.
In 8 werden wasserhaltige Zustände des Brennstoffzellenstapels 10 für jede Art klassifiziert. Nachstehend wird ein Verfahren zum Klassifizieren von wasserhaltigen Zuständen des Brennstoffzellenstapels 10 für jede Art durch eine Analyse der Elektrolytmembran-Impedanz HFR, der Anoden-Impedanz MFR und der Kathoden-Impedanz LFR beschrieben werden.
Der Schritt S21 kann durch Vergleichen der Elektrolytmembran-Impedanz HFR und der Bezugs-Elektrolytmembran-Impedanz HFR1 miteinander durch die Steuerung 80 durchgeführt werden. Die Bezugs-Elektrolytmembran-Impedanz HFR1 wird vorzugsweise in dem Speicher der Steuerung 80 im Voraus gespeichert, ist aber nicht darauf beschränkt. Die Bezugs-Elektrolytmembran-Impedanz HFR1 ist nicht besonders beschränkt. Beispielsweise kann die Bezugs-Elektrolytmembran-Impedanz HFR1 70mQcm² sein.
Die 9A bis 9C sind Konzeptionsdiagramme, die Aspekte veranschaulichen, bei denen Wasser in jedem Abschnitt eines Brennstoffzellenstapels in dem Fall verteilt ist, in dem sich der Brennstoffzellenstapel in einem Trockenzustand befindet.
Der Schritt S23 kann durch Diagnostizieren, dass sich der Brennstoffzellenstapel 10 in dem Trockenzustand befindet, durch die Steuerung 80 in dem Fall durchgeführt werden, in dem im Schritt S21 bestimmt wird, dass die Elektrolytmembran-Impedanz HFR die Bezugs-Elektrolytmembran-Impedanz HFR1 überschreitet. Der Trockenzustand des Brennstoffzellenstapels 10 gibt einen Zustand an, in dem ein Wassergehalt des Brennstoffzellenstapels 10 geringer als ein angemessenes Niveau ist.
Zudem kann im Schritt S23 zusätzlich bestimmt werden, ob die Kathoden-Impedanz LFR eine vorbestimmte Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 überschreitet und ob die Anoden-Impedanz MFR eine vorbestimmte Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 überschreitet, um wasserhaltige Zustände von jeweils der Elektrolytmembran 14, der Anode 16 und der Kathode 18 einzeln zu diagnostizieren.
Wie in 7 veranschaulicht, kann der Schritt S23 beispielsweise einen Schritt (S23a) zum Bestimmen, ob die Kathoden-Impedanz LFR die Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 überschreitet, einen Schritt (S23b) zum Bestimmen, ob die Anoden-Impedanz die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 in dem Fall überschreitet, in dem die Kathoden-Impedanz LFR die Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 überschreitet, einen Schritt (S23c) zum Bestimmen, ob die Anoden-Impedanz MFR die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 in dem Fall überschreitet, in dem die Kathoden-Impedanz LFR die Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 oder kleiner ist, und dergleichen enthalten.
Der Schritt 23a kann durch Vergleichen der Kathoden-Impedanz LFR und der Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 miteinander durch die Steuerung 80 durchgeführt werden. Die Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 wird vorzugsweise in dem Speicher der Steuerung 80 im Voraus gespeichert, ist aber nicht darauf beschränkt. Die Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 ist nicht besonders beschränkt. Beispielsweise kann die Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 90mΩ·cm² sein.
Der Schritt S23b kann durch Vergleichen der Anoden-Impedanz MFR und der Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 miteinander durch die Steuerung 80 in dem Fall durchgeführt werden, in dem im Schritt S23a bestimmt wird, dass die Kathoden-Impedanz LFR die Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 überschreitet. Die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 wird vorzugsweise in dem Speicher der Steuerung 80 im Voraus gespeichert, ist aber nicht darauf beschränkt. Die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 ist nicht besonders beschränkt. Beispielsweise kann die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 30mΩ·cm² sein.
In Bezug auf 8 kann die Steuerung 80 eine detaillierte Art des oben beschriebenen Trockenzustands des Brennstoffzellenstapels 10 diagnostizieren, bei der sich die Anode 16 und die Kathode 18 in dem Fall in einem trockenen-ebenen Zustand bzw. ebenen Trockenzustand (S23d) befinden, in dem im Schritt S23b bestimmt wird, dass die Anodenimpedanz MFR die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 überschreitet. In Bezug auf 9A gibt der ebene Trockenzustand der Anode 16 und der Kathode 18 an, dass sich die Anode 16 und die Kathode 18 in einem Zustand befinden, in dem dieselben gleichermaßen ausgetrocknet sind, so dass die Niveaus des Wassergehalts der Anode 16 und der Kathode 18 einander gleichen.
In Bezug auf 8 kann die Steuerung 80 eine detaillierte Art des oben beschriebenen Trockenzustands des Brennstoffzellenstapels 10 diagnostizieren, bei der sich die Anode 16 in dem Fall in einem Trocken-Anodenvorspannungszustand (S23e) befindet, in dem im Schritt S23b bestimmt wird, dass die Anodenimpedanz MFR die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 oder kleiner ist. In Bezug auf 9B gibt der Trocken-Anodenvorspannungszustand der Anode 16 an, dass sich die Anode 16 in einem Zustand befindet, in dem dieselbe verglichen zu der Kathode 18 weiter ausgetrocknet ist, so dass ein Niveau des Wassergehalts der Anode 16 niedriger als das der Kathode 18 ist.
Der Schritt S23c kann durch Vergleichen der Anoden-Impedanz MFR und der Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 miteinander durch die Steuerung 80 in dem Fall durchgeführt werden, in dem bestimmt wird, dass die Kathoden-Impedanz LFR die Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 oder kleiner ist. Hier ist die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 im Schritt S23c vorzugsweise gleich der Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 bei S23b, aber nicht darauf beschränkt.
In Bezug auf 8 kann die Steuerung 80 eine detaillierte Art des oben beschriebenen Trockenzustands des Brennstoffzellenstapels 10 diagnostizieren, bei der sich die Kathode 18 in dem Fall in einem Trocken-Kathodenvorspannungszustand (S23f) befindet, in dem im Schritt S23c bestimmt wird, dass die Anoden-Impedanz MFR die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 überschreitet. In Bezug auf 9C gibt der Trocken-Kathodenvorspannungszustand der Kathode 18 an, dass sich die Kathode 18 in einem Zustand befindet, in dem dieselbe verglichen zu der Anode 16 weiter ausgetrocknet ist, so dass ein Niveau des Wassergehalts der Kathode 18 niedriger als das der Anode 16 ist.
In Bezug auf 8 kann die Steuerung 80 eine detaillierte Art des oben beschriebenen Trockenzustands des Brennstoffzellenstapels 10 diagnostizieren, bei der sich die Anode 16 und die Kathode 18 in dem Fall in einem ebenen Trockenzustand befinden, in dem im Schritt S23c bestimmt wird, dass die Anodenimpedanz MFR die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 oder kleiner ist.
Der Schritt S25 kann durch Vergleichen der Summenimpedanz MFR+LFR aus der Anoden-Impedanz MFR und der Kathoden-Impedanz LFR und der Bezugs-Summenimpedanz R_T miteinander durch die Steuerung 80 durchgeführt werden. Die Bezugs-Summenimpedanz R_T wird vorzugsweise in dem Speicher der Steuerung 80 im Voraus gespeichert, ist aber nicht darauf beschränkt. Die Bezugs-Summenimpedanz R_T ist nicht besonders beschränkt. Beispielsweise kann die Bezugs-Summenimpedanz R_T 120mΩ·cm² sein.
Die 10A bis 10C sind Konzeptionsdiagramme, die Aspekte veranschaulichen, bei denen Wasser in jedem Abschnitt eines Brennstoffzellenstapels 10 in dem Fall verteilt ist, in dem sich der Brennstoffzellenstapel in einem Flutzustand befindet.
Der Schritt S27 kann durch Diagnostizieren, dass sich der Brennstoffzellenstapel 10 in dem Flutzustand befindet, durch die Steuerung 80 in dem Fall durchgeführt werden, in dem im Schritt S25 bestimmt wird, dass die Summenimpedanz MFR+LFR die Bezugs-Summenimpedanz R_T überschreitet. Der Flutzustand des Brennstoffzellenstapels 10 gibt einen Zustand an, in dem ein Wassergehalt des Brennstoffzellenstapels 10 größer als ein angemessenes Niveau ist.
Zudem kann im Schritt S27 zusätzlich bestimmt werden, ob die Kathoden-Impedanz LFR eine vorbestimmte Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 überschreitet und ob die Anoden-Impedanz MFR eine vorbestimmte Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 überschreitet, um wasserhaltige Zustände von jeweils der Elektrolytmembran 14, der Anode 16 und der Kathode 18 einzeln zu diagnostizieren.
Wie in 7 veranschaulicht, kann der Schritt S27 beispielsweise einen Schritt (S27a) zum Bestimmen, ob die Kathoden-Impedanz LFR die Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 überschreitet, einen Schritt (S27b) zum Bestimmen, ob die Anoden-Impedanz MFR die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 in dem Fall überschreitet, in dem die Kathoden-Impedanz LFR die Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 überschreitet, einen Schritt (S27c) zum Bestimmen, ob die Anoden-Impedanz MFR die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 in dem Fall überschreitet, in dem die Kathoden-Impedanz LFR die Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 oder kleiner ist, und dergleichen enthalten.
Der Schritt S27a kann durch Vergleichen der Kathoden-Impedanz LFR und der Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 miteinander durch die Steuerung 80 durchgeführt werden. Die Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 wird vorzugsweise im Speicher der Steuerung 80 im Voraus gespeichert, ist aber nicht darauf beschränkt. Die Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 ist nicht besonders beschränkt. Beispielsweise kann die Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 90mΩ·cm² sein.
Der Schritt S27b kann durch Vergleichen der Anoden-Impedanz MFR und der Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 miteinander durch die Steuerung 80 in dem Fall durchgeführt werden, in dem im Schritt S27a bestimmt wird, dass die Kathoden-Impedanz LFR die Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 überschreitet. Die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 wird vorzugsweise im Speicher der Steuerung 80 im Voraus gespeichert, ist aber nicht darauf beschränkt. Die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 ist nicht besonders beschränkt. Beispielsweise kann die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 30mΩ·cm² sein.
In Bezug auf 8 kann die Steuerung 80 eine detaillierte Art des oben beschriebenen Flutzustands des Brennstoffzellenstapels 10 diagnostizieren, bei der sich die Anode 16 und die Kathode 18 in dem Fall in einem ebenen Flutzustand befinden, in dem im Schritt S27b bestimmt wird, dass die Anoden-Impedanz MFR die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 überschreitet. In Bezug auf 10A gibt der ebene Flutzustand der Anode 16 und der Kathode 18 an, dass sich die Anode 16 und die Kathode 18 in einem Zustand befinden, in dem dieselben gleichermaßen geflutet sind, so dass die Niveaus des Wassergehalts der Anode 16 und der Kathode 18 einander gleichen.
In Bezug auf 8 kann die Steuerung 80 eine detaillierte Art des oben beschriebenen Flutzustands des Brennstoffzellenstapels 10 diagnostizieren, bei der sich die Anode 16 in dem Fall in einem Flut-Anodenvorspannungszustand (S27e) befindet, in dem im Schritt S27b bestimmt wird, dass die Anoden-Impedanz MFR die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 oder kleiner ist. In Bezug auf 10B gibt der Flut-Anodenvorspannungszustand der Anode 16 an, dass sich die Anode 16 in einem Zustand befindet, in dem dieselbe verglichen zu der Kathode 18 weiter geflutet ist, so dass ein Niveau des Wassergehalts der Anode 16 höher als das der Kathode 18 ist.
Der Schritt S27c kann durch Vergleichen der Anoden-Impedanz MFR und der Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 miteinander durch die Steuerung 80 in dem Fall durchgeführt werden, in dem im Schritt S27a bestimmt wird, dass die Kathoden-Impedanz LFR die Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 oder kleiner ist. Hier ist die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 im Schritt S27c vorzugsweise gleich der Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 im Schritt S27b, aber nicht darauf beschränkt.
In Bezug auf 8 kann die Steuerung 80 eine detaillierte Art des oben beschriebenen Flutzustands des Brennstoffzellenstapels 10 diagnostizieren, bei der sich die Kathode 18 in dem Fall in einem Flut-Kathodenvorspannungszustand (S27f) befindet, in dem im Schritt S27c bestimmt wird, dass die Anoden-Impedanz MFR die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 überschreitet. In Bezug auf 10C gibt der Flut-Kathodenvorspannungszustand der Kathode 18 an, dass sich die Kathode 18 in einem Zustand befindet, in dem dieselbe verglichen zu der Anode 16 weiter geflutet ist, so dass ein Niveau des Wassergehalts der Kathode 18 höher als das der Anode 16 ist.
In Bezug auf 8 kann die Steuerung 80 eine detaillierte Art des oben beschriebenen Flutzustands des Brennstoffzellenstapels 10 diagnostizieren, bei der sich die Anode 16 und die Kathode 18 in dem Fall in einem ebenen Flutzustand (S27d) befinden, in dem im Schritt S27c bestimmt wird, dass die Anoden-Impedanz MFR die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 oder kleiner ist.
Die 11A bis 11C sind Konzeptionsdiagramme, die Aspekte veranschaulichen, bei denen Wasser in jedem Abschnitt eines Brennstoffzellenstapels in dem Fall verteilt ist, in dem sich der Brennstoffzellenstapel in einem Optimalzustand befindet.
Der Schritt S29 kann durch Diagnostizieren, dass sich der Brennstoffzellenstapel 10 in dem Optimalzustand befindet, durch die Steuerung 80 in dem Fall durchgeführt werden, in dem im Schritt S25 bestimmt wird, dass die Summenimpedanz MFR+LFR die Bezugs-Summenimpedanz R_T oder kleiner ist. Der Optimalzustand des Brennstoffzellenstapels 10 gibt einen Zustand an, in dem ein Wassergehalt des Brennstoffzellenstapels 10 ein angemessenes Niveau ist.
Zudem kann im Schritt S29 zusätzlich bestimmt werden, ob die Kathoden-Impedanz LFR eine vorbestimmte Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 überschreitet und ob die Anoden-Impedanz MFR eine vorbestimmte Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 überschreitet, um wasserhaltige Zustände von jeweils der Elektrolytmembran 14, der Anode 16 und der Kathode 18 einzeln zu diagnostizieren.
Wie in 7 veranschaulicht, kann der Schritt S29 beispielsweise einen Schritt (S29a) zum Bestimmen, ob die Kathoden-Impedanz LFR die Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 überschreitet, einen Schritt (S29b) zum Bestimmen, ob die Anoden-Impedanz MFR die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 in dem Fall überschreitet, in dem die Kathoden-Impedanz LFR die Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 überschreitet, einen Schritt (S29c) zum Bestimmen, ob die Anoden-Impedanz MFR die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 in dem Fall überschreitet, in dem die Kathoden-Impedanz LFR die Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 oder kleiner ist, und dergleichen enthalten.
Der Schritt S29a kann durch Vergleichen der Kathoden-Impedanz LFR und der Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 miteinander durch die Steuerung 80 durchgeführt werden. Die Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 wird vorzugsweise in dem Speicher der Steuerung 80 im Voraus gespeichert, ist aber nicht darauf beschränkt. Die Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 ist nicht besonders beschränkt. Beispielsweise kann die Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 90mΩ·cm² sein.
Der Schritt S29b kann durch Vergleichen der Anoden-Impedanz MFR und der Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 miteinander durch die Steuerung 80 in dem Fall durchgeführt werden, in dem im Schritt S29a bestimmt wird, dass die Kathoden-Impedanz LFR die Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 überschreitet. Die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 wird vorzugsweise in dem Speicher der Steuerung 80 im Voraus gespeichert, ist aber nicht darauf beschränkt. Die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 ist nicht besonders beschränkt. Beispielsweise kann die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 30mΩ·cm² sein.
In Bezug auf 8 kann die Steuerung 80 eine detaillierte Art des oben beschriebenen Optimalzustands des Brennstoffzellenstapels 10 diagnostizieren, bei der sich die Anode 16 und die Kathode 18 in dem Fall in einem ebenen Optimalzustand befinden, in dem im Schritt S29b bestimmt wird, dass die Anoden-Impedanz MFR die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 überschreitet. In Bezug auf 11A gibt der ebene Optimalzustand der Anode 16 und der Kathode 18 an, dass sich der jeweilige Wassergehalt der Anode 16 und der Kathode 18 in einem Zustand befinden, in dem dieselben ein angemessenes Niveau sind, so dass die Niveaus des Wassergehalts der Anode 16 und der Kathode 18 einander gleichen.
In Bezug auf 8 kann die Steuerung 80 eine detaillierte Art des oben beschriebenen Optimalzustands des Brennstoffzellenstapels 10 diagnostizieren, bei der sich die Anode 16 in dem Fall in einem Optimal-Anodenvorspannungszustand befindet, in dem im Schritt S29b bestimmt wird, dass die Anoden-Impedanz MFR die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 oder kleiner ist. In Bezug auf 11B gibt der Optimal-Anodenvorspannungszustand der Anode 16 an, dass sich die Anode 16 in einem Zustand befindet, in dem dieselbe verglichen zu der Kathode 18 weiter geflutet ist, so dass ein Niveau des Wassergehalts der Anode 16 höher als das der Kathode 18 ist.
Der Schritt S29c kann durch Vergleichen der Anoden-Impedanz MFR und der Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 miteinander durch die Steuerung 80 in dem Fall durchgeführt werden, in dem im Schritt S29a bestimmt wird, dass die Kathoden-Impedanz LFR die Bezugs-Kathoden-Impedanz LFR1 oder kleiner ist. Hier ist die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 im Schritt S29c vorzugsweise gleich der Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 im Schritt S29b, aber nicht darauf beschränkt.
In Bezug auf 8 kann die Steuerung 80 eine detaillierte Art des oben beschriebenen Optimalzustands des Brennstoffzellenstapels 10 diagnostizieren, bei der sich die Kathode 18 in dem Fall in einem Optimal-Vorspannungszustand befindet, in dem im Schritt S29c bestimmt wird, dass die Anoden-Impedanz MFR die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 überschreitet. In Bezug auf 11C gibt der Optimal-Kathodenvorspannungszustand der Kathode 18 an, dass sich die Kathode 18 in einem Zustand befindet, in dem dieselbe verglichen zu der Anode 16 weiter geflutet ist, so dass ein Niveau des Wassergehalts der Kathode 18 höher als das der Anode 16 ist.
In Bezug auf 8 kann die Steuerung 80 eine detaillierte Art des oben beschriebenen Optimalzustands des Brennstoffzellenstapels 10 diagnostizieren, bei der sich die Anode 16 und die Kathode 18 in dem Fall in einem ebenen Optimalzustand befinden, in dem im Schritt S29c bestimmt wird, dass die Anoden-Impedanz MFR die Bezugs-Anoden-Impedanz MFR1 oder kleiner ist.
Der Schritt S30 kann durch Vergleichen des wasserhaltigen Zustands des Brennstoffzellenstapels 10, der im Schritt S20 diagnostiziert wird, und des Soll-Zustands des Brennstoffzellenstapels 10 miteinander durch die Steuerung 80 durchgeführt werden.
Der Soll-Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 ist nicht besonders beschränkt, kann aber ein wasserhaltiger Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 sein, der für einen gegenwärtigen Antriebsaspekt des Brennstoffzellensystems 1 angemessen ist.
In dem Fall, in dem das Brennstoffzellensystem 1 angetrieben wird, kann der Soll-Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 beispielsweise derart bestimmt werden, dass ein Wassergehalt des Brennstoffzellenstapels 10 gesteuert werden kann, um ein zum Antreiben des Brennstoffzellensystems 1 angemessenes Niveau zu sein. In diesem Fall kann das Auftreten eines anormalen Ereignisses aufgrund des Trockenzustands oder des Flutzustands des Brennstoffzellenstapels, wie beispielsweise eine Beschränkung der Bewegung eines Reaktionsgases, eine Zunahme eines Reaktionsverlusts des Wasserstoffs und Sauerstoffs, eine Beschädigung der Elektrolytmembran 14 oder dergleichen, verhindert werden, um eine Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels 10 zu verbessern.
In dem Fall, in dem das Antreiben des Brennstoffzellensystems 1 beendet wird, kann beispielsweise der Soll-Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 derart bestimmt werden, um den Brennstoffzellenstapel 10 durch Reduzieren eines Wassergehalts des Brennstoffzellenstapels 10 zu trocken. In diesem Fall kann eine Herabsetzung der Kaltstart-Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems 1 aufgrund von Wasser, das in dem Brennstoffzellenstapel 10 zum Zeitpunkt des Kaltstarts des Brennstoffzellensystems 1 enthalten ist, verhindert werden.
Der oben beschriebene Soll-Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 wird vorzugsweise in dem Speicher der Steuerung 80 im Voraus gespeichert, ist aber nicht darauf beschränkt.
Die Steuerung 80 kann den Soll-Zustand des Brennstoffzellenstapels 10, der wie oben beschrieben bestimmt wird, und den wasserhaltigen Zustand des Brennstoffzellenstapels 10, der im Schritt S20 diagnostiziert wird, miteinander vergleichen. Wie in 5 veranschaulicht, kann der Schritt S10, der oben beschrieben wurde, erneut durchgeführt werden, wenn der Soll-Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 und der wasserhaltige Zustand des Brennstoffzellenstapels 10, der im Schritt S20 diagnostiziert wird, einander gleichen, und ein Schritt S40, der nachstehend zu beschreiben ist, durchgeführt werden, wenn sich der Soll-Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 und der wasserhaltige Zustand des Brennstoffzellenstapels 10, der im Schritt S20 diagnostiziert wird, voneinander unterscheiden.
Der Schritt S40 kann durch Steuern des Brennstoffzellensystems 1 durch die Steuerung 80 derart, dass der Brennstoffzellenstapel 10 geregelt bzw. gesteuert wird, um der Soll-Zustand zu sein, durchgeführt werden. Zur Einfachheit der Erläuterung wird nachstehend ein Verfahren zum Steuern des Brennstoffzellenstapels 10, um der Soll-Zustand zu sein, an einem Beispiel eines Falles beschrieben werden, in dem der oben beschriebene Optimalzustand bestimmt wird, der Soll-Zustand des Brennstoffzellenstapel 10 zu sein.
Wenn sich der Brennstoffzellenstapel 10 in dem Trockenzustand befindet und sich die Anode 16 in dem Trocken-Anodenvorspannungszustand befindet, kann ein anormales Ereignis, wie beispielsweise eine Zunahme des Verlusts der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10, eine Beschädigung der Katalysatorschichten der Elementarzellen 12 augrund einer Radikalerzeugungsreaktion oder dergleichen, auftreten. In diesem Fall ist es wahrscheinlich, dass der Trockenzustand des Brennstoffzellenstapels 10 durch den Trocken-Anodenvorspannungszustand der Anode 16 verursacht werden wird. In dem Fall, in dem diagnostiziert wird, dass sich der Brennstoffzellenstapel 10 in dem Trockenzustand befindet und sich die Anode 16 in dem Trocken-Anodenvorspannungszustand befindet, kann die Steuerung 80 den Brennstoffzellenstapel 10 daher steuern, um sich im Optimalzustand zu befinden, und zwar durch ein Verfahren zum Steuern eines Aspektes, bei dem Wasserstoff der Anode 16 zugeführt wird, um den Trocken-Anodenvorspannungszustand der Anode 16 zu lösen. Die Steuerung 80 kann beispielsweise das Antreiben der Wasserstoffzuführvorrichtung 20, des Wasserstoffzuführventils 30 und des Spülventils 60 und dergleichen steuern, um eine Strömungsrate des der Anode 16 zugeführten Wasserstoffs zu verringern, einen Druck der Anode 16 zu erhöhen oder einen Wassergehalt der Anode 16 zu erhöhen.
Wenn sich der Brennstoffzellenstapel 10 in dem Trockenzustand befindet und sich die Kathode 18 in dem Trocken-Kathodenvorspannungszustand befindet, kann ein anormales Ereignis, wie beispielsweise eine Zunahme des Verlusts der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10, eine Beschädigung der Katalysatorschichten aufgrund einer Radikalerzeugungsreaktion oder dergleichen, auftreten. In diesem Fall ist es wahrscheinlich, dass der Trockenzustand des Brennstoffzellenstapels 10 durch den Trocken-Kathodenvorspannungszustand der Kathode 18 verursacht werden wird. Daher kann die Steuerung 80 in dem Fall, in dem diagnostiziert wird, dass sich der Brennstoffzellenstapel 10 in dem Trockenzustand befindet und sich die Kathode 18 in dem Trocken-Kathodenvorspannungszustand befindet, den Brennstoffzellenstapel 10 steuern, um sich in dem Optimalzustand zu befinden, und zwar durch ein Verfahren zum Steuern eines Aspektes, bei dem der Kathode 18 Luft zugeführt wird, um den Trocken-Kathodenvorspannungszustand der Kathode 18 zu lösen. Die Steuerung 80 kann beispielsweise das Antreiben der Luftzuführvorrichtung 40, des Luftzuführventils 50 und des Luftabführventils 70 und dergleichen steuern, um eine Strömungsrate der der Kathode 18 zugeführten Luft zu verringern, einen Druck der Kathode 18 zu erhöhen oder einen Wassergehalt der Kathode 18 zu erhöhen.
Wenn sich der Brennstoffzellenstapel 10 in dem Flutzustand befindet und sich die Anode 16 in dem Flut-Anodenvorspannungszustand befindet, kann ein anormales Ereignis, wie beispielsweise eine Zunahme des Verlusts der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10, eine Beschädigung der Katalysatorschichten der Elementarzellen 12 aufgrund einer Kohlenstoffkorrosionsreaktion oder dergleichen, auftreten. In diesem Fall ist es wahrscheinlich, dass der Flutzustand des Brennstoffzellenstapels 10 durch den Flut-Anodenvorspannungszustand der Anode 16 verursacht werden wird. Daher kann die Steuerung 80 in dem Fall, in dem diagnostiziert wird, dass sich der Brennstoffzellenstapel 10 in dem Flutzustand befindet und sich die Anode 16 in dem Flut-Anodenvorspannungszustand befindet, den Brennstoffzellenstapel 10 steuern, um sich in dem Optimalzustand zu befinden, und zwar durch ein Verfahren zum Steuern eines Aspektes, bei dem der Anode 16 Wasserstoff zugeführt wird, um den Flut-Anodenvorspannungszustand der Anode 16 zu lösen. Die Steuerung 80 kann beispielsweise das Antreiben der Wasserstoffzuführvorrichtung 20, des Wasserstoffzuführventils 30 und des Spülventils 60 und dergleichen steuern, um eine Strömungsrate des der Anode 16 zugeführten Wasserstoffs zu erhöhen, einen Druck der Anode 16 zu verringern, eine Spülung an der Anode 16 durchzuführen oder einen Wassergehalt der Anode 16 zu verringern.
Wenn sich der Brennstoffzellenstapel 10 in dem Flutzustand befindet und sich die Kathode 18 in dem Flut-Kathodenvorspannungszustand befindet, kann ein anormales Ereignis, wie beispielsweise eine Zunahme des Verlusts der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10, eine Beschädigung der Katalysatorschichten der Elementarzellen 12 aufgrund einer Kohlenstoffkorrosionsreaktion oder dergleichen, auftreten. In diesem Fall ist es wahrscheinlich, dass der Flutzustand des Brennstoffzellenstapels 10 durch den Flut-Kathodenvorspannungszustand der Kathode 18 verursacht werden wird. Daher kann die Steuerung 80 in dem Fall, in dem diagnostiziert wird, dass sich der Brennstoffzellenstapel 10 in dem Flutzustand befindet und sich die Kathode 18 in dem Flut-Kathodenvorspannungszustand befindet, den Brennstoffzellenstapel 10 steuern, um sich in dem Optimalzustand zu befinden, und zwar durch ein Verfahren zum Steuern eines Aspektes, bei dem der Kathode 18 Luft zugeführt wird, um den Flut-Kathodenvorspannungszustand der Kathode 18 zu lösen. Die Steuerung 80 kann beispielsweise das Antreiben der Luftzuführvorrichtung 40, des Luftzuführventils 50 und des Luftabführventils 70 und dergleichen steuern, um eine Strömungsrate der der Kathode 18 zugeführten Luft zu erhöhen, einen Druck der Kathode 18 zu verringern oder einen Wassergehalt der Kathode 18 zu verringern.
Wie oben beschrieben wurde, kann indessen die Anoden-Impedanz MFR durch Anlegen des zweiten AC-Signals mit der zweiten Frequenz ω₂ , bei der die Kathoden-Impedanz Z_C im Wesentlichen 0mΩ·cm² wird, an den Brennstoffzellenstapel 10 im Schritt S14 berechnet werden. Im Allgemeinen wird jedoch ein Haltbarkeitszustand der Kathode 18 aufgrund einer Verschlechterung der Kathode 18 graduell verändert, während eine Zeitdauer verstreicht, in der der Brennstoffzellenstapel 10 verwendet wird. Daher wird eine Frequenz, bei der die Kathoden-Impedanz Z_C im Wesentlichen 0mΩ·cm² wird, graduell erhöht, während die Zeitdauer, in der der Brennstoffzellenstapel 10 verwendet wird, verstreicht. In dem Fall, in dem der wasserhaltige Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 erneut diagnostiziert wird, nachdem eine lange Zeit ab einem Zeitpunkt verstreicht, zu dem der wasserhaltige Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 zuvor diagnostiziert wird, besteht daher, wenn die zuvor verwendete zweite Frequenz ω₂ unverändert verwendet wird, um die Anoden-Impedanz MFR zu messen, ein Risiko, dass ein Fehler in einem Messergebnis der Anoden-Impedanz MFR erzeugt werden wird.
Um diese Problem zu lösen, kann das Verfahren zum Diagnostizieren eines wasserhaltigen Zustands des Brennstoffzellenstapels 10 nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ferner einen Schritt (S50) zum Steuern der zweiten Frequenz ω₂ derart, dass das Verhältnis der Kathoden-Impedanz Z_C zu der zweiten Impedanz Z_S2 des Brennstoffzellenstapels 10, die im Schritt S14 abgeleitet wird, kleiner als ein vorbestimmtes Bezugsverhältnis ist, enthalten. Der Schritt S50 wird vorzugsweise vor dem Schritt S14 durchgeführt, ist aber nicht darauf beschränkt.
Im Schritt S50 ist ein Verfahren zum Steuern der zweiten Frequenz ω₂ nicht besonders beschränkt. Wie in 12 veranschaulicht, kann der Schritt S50 beispielsweise einen Schritt (S51) zum Bestimmen, ob eine vorbestimmte Frequenzsteuerungs-Bedingung erfüllt wird, einen Schritt (S52) zum Zuführen von Luft zu der Kathode 18 durch eine vorbestimmte Standardströmungsrate oder Steuern eines Drucks der Kathode 18, um ein vorbestimmter Standarddruck zu sein, und gleichzeitig Anlegen des zweiten AC-Signals mit der zweiten Frequenz ω₂ an den Brennstoffzellenstapel 10, um eine Anoden-Impedanz R₁ abzuleiten, in dem Fall, in dem die Frequenzsteuerungs-Bedingung erfüllt ist, einen Schritt (S53) zum Zuführen der Luft zu der Kathode 18 durch eine geringere Strömungsrate als die Standardströmungsrate oder Steuern eines Drucks der Kathode 18, um ein geringerer Druck als der Standarddruck zu sein, und zur gleichen Zeit Anlegen des zweiten AC-Signals mit der zweiten Frequenz ω₂ an den Brennstoffzellenstapel 10, um eine Anoden-Impedanz R₂ abzuleiten, einen Schritt (S54) zum Vergleichen der im Schritt S53 abgeleiteten Anoden-Impedanz R₂ und der im Schritt S52 abgeleiteten Anoden-Impedanz R₁ miteinander, einen Schritt (S55) zum Erhöhen der zweiten Frequenz ω₂ um einen vorbestimmten Bezugswert (Δω), wenn eine Differenz zwischen der im Schritt S53 abgeleiteten Anoden-Impedanz R₂ und der im Schritt S52 abgeleiteten Anoden-Impedanz R₁ ein vorbestimmtes Bezugsverhältnis α überschreitet, und einen Schritt (S56) zum unveränderten Beibehalten der zweiten Frequenz ω₂ , wenn die Differenz zwischen der im Schritt S53 abgeleiteten Anoden-Impedanz R₂ und der im Schritt S52 gemessenen Anoden-Impedanz R₁ das Bezugsverhältnis oder kleiner ist, enthalten.
Im Schritt S51 ist die Frequenzsteuerungs-Bedingung nicht besonders beschränkt. Beispielsweise kann die Frequenzsteuerungs-Bedingung ein Fall sein, in dem eine Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels um ein vorbestimmtes Bezugsverhältnis verglichen dazu weiter verschlechtert wird, wenn der wasserhaltige Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 zuvor diagnostiziert wird, oder ein Fall sein, in dem ein Fahrzeug oder eine andere Einrichtung, in dem das Brennstoffzellensystem 1 montiert ist, um eine vorbestimmte Bezugsdistanz oder mehr gefahren wird, nachdem der wasserhaltige Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 zuvor diagnostiziert wird.
Der Fall, in dem die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 10 herabgesetzt wird, indiziert einen Fall, in dem eine Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10 in der gleichen Antriebsumgebung verringert wird. Das Bezugsverhältnis ist nicht besonders beschränkt. Beispielsweise kann das Bezugsverhältnis 1% sein.
Die Bezugsdistanz ist nicht besonders beschränkt. Beispielsweise kann die Entscheidungsdistanz 5000km sein.
Im Schritt S52 kann die Steuerung 80 das Antreiben der Luftzuführvorrichtung 40, des Luftzuführventils 50 und des Luftabführventils 70 und dergleichen steuern, so dass die Luft der Kathode 18 durch die vorbestimmte Standardströmungsrate zugeführt wird oder der Druck der Kathode 18 gesteuert wird, um der vorbestimmte Standarddruck zu sein, und zur gleichen Zeit das Antreiben des Impedanzmessers 190 derart steuern, dass das zweite AC-Signal mit der zweiten Frequenz ω₂ an den Brennstoffzellenstapel 10 angelegt wird. In diesem Fall kann der Impedanzmesser 190 eine Anoden-Impedanz R₁ basierend auf einer Umgebungsbedingung der Kathode 18 ableiten, die wie oben beschrieben gesteuert wird. Da ein Verfahren zum Ableiten der Anoden-Impedanz R₁ im Schritt S52 dem Verfahren zum Ableiten der Anoden-Impedanz MFR im Schritt S14, der oben beschrieben wurde, gleicht, wird eine detaillierte Beschreibung desselben weggelassen werden.
Im Schritt S53 kann die Steuerung 80 das Antreiben der Luftzuführvorrichtung 40, des Luftzuführventils 50 und des Luftabführventils 70 und dergleichen steuern, so dass die Luft der Kathode 18 durch eine Strömungsrate zugeführt wird, die um ein vorbestimmtes Bezugsverhältnis verglichen zu der Standardströmungsrate verringert ist, oder der Druck der Kathode 18 gesteuert wird, um ein Druck zu sein, der durch ein vorbestimmtes Bezugsverhältnis verglichen zu dem Standarddruck weiter verringert ist, und zur gleichen Zeit das Antreiben des Impedanzmessers 190 derart steuern, dass das zweite AC-Signal mit der zweiten Frequenz ω₂ an den Brennstoffzellenstapel 10 angelegt wird. In diesem Fall wird bevorzugt, dass die Steuerung 80 die Luft zu der Kathode 18 durch die Strömungsrate, die verglichen zu der Standardströmungsrate um das Bezugsverhältnis weiter verringert ist, im Schritt S53 in dem Fall zuführt, in dem die Luft der Kathode 18 durch die Standardströmungsrate im Schritt S52 zugeführt wird. Zudem wird bevorzugt, dass die Steuerung 80 den Druck der Kathode 18 im Schritt S53 in dem Fall steuert, um der Druck zu sein, der durch das Bezugsverhältnis verglichen zu dem Standarddruck weiter verringert ist, in dem der Druck der Kathode 18 im Schritt S52 gesteuert wird, um der Standarddruck zu sein. In diesem Fall kann der Impedanzmesser 190 die Anoden-Impedanz R₂ basierend auf einer Umgebungsbedingung der Kathode 18 steuern, die wie oben beschrieben gesteuert wird. Da ein Verfahren zum Ableiten der Anoden-Impedanz R₂ im Schritt S53 dem Verfahren zum Ableiten der Anoden-Impedanz MFR im Schritt S14, der oben beschrieben wurde, gleicht, wird eine detaillierte Beschreibung desselben weggelassen werden.
Im Schritt S54 kann die Steuerung 80 die im Schritt S53 abgeleitete Anoden-Impedanz R₂ und die im Schritt S52 abgeleitete Anoden-Impedanz R₁ miteinander vergleichen.
Zum akkuraten Ableiten der Anoden-Impedanz MFR, muss eine Frequenz, bei der die Kathoden-Impedanz Z_C im Wesentlichen Ω wird, bestimmt werden, die zweite Frequenz ω₂ zu sein. Wenn die Strömungsrate der der Kathode 18 zugeführten Luft verringert wird oder der Druck der Kathode 18 verringert wird, wird im Allgemeinen eine Reaktivität der in der Kathode 18 erzeugten Reduktionsreaktion beeinträchtigt. Daher wird die Kathoden-Impedanz Z_C um ein vorbestimmtes Verhältnis in dem Fall, in dem der Kathode 18 Luft durch die Strömungsrate zugeführt wird, die verglichen zu der Standardströmungsrate um das Bezugsverhältnis weiter verringert ist, oder der Druck der Kathode 18 gesteuert wird, um der Druck zu sein, der verglichen zu dem Standarddruck um das Bezugsverhältnis weiter verringert ist, höher als in dem Fall, in dem die Luft der Kathode 18 durch die Standardströmungsrate zugeführt wird oder der Druck der Kathode 18 auf den Standarddruck gesteuert wird. Zur Einfachheit der Erläuterung wird nachstehend der Fall, in dem die Luft der Kathode 18 durch die Standardströmungsrate zugeführt wird oder der Druck der Kathode 18 auf den Standarddruck gesteuert wird, als Fall genannt werden, in dem die Luft der Kathode 18 bei einer Standardbedingung zugeführt wird, und der Fall, in dem die Luft der Kathode 18 durch die Strömungsrate zugeführt wird, die verglichen zu der Standardströmungsrate um das Bezugsverhältnis weiter verringert ist, oder der Druck der Kathode 18 gesteuert wird, um der Druck zu sein, der verglichen zu dem Standarddruck um das Bezugsverhältnis weiter verringert ist, als ein Fall genannt werden, in dem die Luft der Kathode 18 bei einer Reaktivitätsabnahmebedingung zugeführt wird.
Wenn die oben beschriebene Frequenzsteuerungs-Bedingung erfüllt wird, besteht eine Wahrscheinlichkeit, dass die Frequenz, bei der die Kathoden-Impedanz Z_C im Wesentlichen 0mΩ·cm² wird, aufgrund einer Verschlechterung der Kathode 18 oder aufgrund anderer Ursachen verglichen dazu geändert werden wird, wenn der wasserhaltige Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 zuvor gemessen wird. Wenn die Frequenz, bei der die Kathoden-Impedanz Z_C im Wesentlichen 0mΩ·cm² wird, nicht geändert wird, nachdem der wasserhaltige Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 zuvor diagnostiziert wird, müssen die Anoden-Impedanz R₁ , die in einem Zustand abgeleitet wird, in dem die Luft der Kathode 18 bei der Standardbedingung zugeführt wird, und die Anoden-Impedanz R₂ , die in einem Zustand abgeleitet wird, in dem die Luft der Kathode 18 bei der Reaktivitätsabnahmebedingung zugeführt wird, den gleichen Wert aufweisen. Daher kann basierend auf einem Vergleichsergebnis zwischen der im Schritt S52 abgeleiteten Anoden-Impedanz R₁ und der im Schritt S53 abgeleiteten Anoden-Impedanz R₂ bestimmt werden, ob die Frequenz, bei der die Kathoden-Impedanz Z_C im Wesentlichen 0mΩ·cm² wird, geändert wird, nachdem der wasserhaltige Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 zuvor diagnostiziert wird.
Im Schritt S55 kann die Steuerung 80 die zweite Frequenz ω₂ um den vorbestimmten Bezugswert erhöhen, wenn die Differenz zwischen der Anoden-Impedanz R₂ , die im Schritt S53 abgeleitet wird, und der Anoden-Impedanz R₁ , die im Schritt S52 abgeleitet wird, ein vorbestimmtes Bezugsverhältnis α überschreitet. Das heißt, die Steuerung 80 kann bestimmen, dass die Frequenz, bei der die Kathoden-Impedanz Z_C im Wesentlichen 0mΩ·cm² wird, aufgrund der Verschlechterung der Kathode 18 oder aufgrund anderer Ursachen geändert wird, und die zweite Frequenz ω₂ um den Bezugswert (Δω) erhöhen. Der Bezugswert (Δω) ist nicht besonders beschränkt. Beispielsweise kann der Bezugswert (Δω) 20Hz sein. Wie in 12 veranschaulicht, werden, nachdem die zweite Frequenz ω₂ wie oben beschrieben gesteuert wird, der Schritt S52 und der Schritt S53 vorzugsweise erneut durchgeführt, sind aber nicht darauf beschränkt.
Im Schritt S56 kann die Steuerung 80 die zweite Frequenz ω₂ unverändert beibehalten, wenn die Differenz zwischen der im Schritt S53 abgeleiteten Anoden-Impedanz R₂ und der im Schritt S52 abgeleiteten Anoden-Impedanz R₁ das Bezugsverhältnis α oder kleiner ist. Das heißt, die Steuerung 80 bestimmt, dass Faktoren, die die Frequenz ändern können, bei der die Kathoden-Impedanz Z_C im Wesentlichen 0mΩ·cm² wird, wie beispielsweise die Verschlechterung der Kathode 18 und dergleichen, nicht erzeugt werden, und behält die zweite Frequenz ω₂ unverändert bei.
Gemäß dem Schritt S50 kann eine Erzeugung eines Fehlers in einem Messergebnis der Anoden-Impedanz MFR aufgrund der Verschlechterung der Kathode 18 oder aufgrund anderer Ursachen verhindert werden, um den wasserhaltigen Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 akkurater zu diagnostizieren.
Die vorliegende Offenbarung betrifft das Verfahren zum Diagnostizieren eines wasserhaltigen Zustands eines Brennstoffzellenstapels und weist die folgenden Effekte auf.
Erstens können nach der vorliegenden Offenbarung die Elektrolytmembran-Impedanz, die Anoden-Impedanz und die Kathoden-Impedanz unter Verwendung von Charakteristiken, dass die Elektrolytmembran-Impedanz, die Anoden-Impedanz und die Kathoden-Impedanz in Abhängigkeit von Frequenzkomponenten relativ geändert werden, einzeln berechnet werden und der wasserhaltige Zustand des Brennstoffzellenstapels für jede Art der detaillierten Arten unter Verwendung der Elektrolytmembran-Impedanz, der Anoden-Impedanz und der Kathoden-Impedanz präzise diagnostiziert werden.
Zweitens kann nach der vorliegenden Offenbarung der Wassergehalt des Brennstoffzellenstapels in Abhängigkeit von dem wasserhaltigen Zustand des Brennstoffzellenstapels und dem Antriebsaspekt des Brennstoffzellensystems gesteuert werden, um die Leistungsfähigkeit und die Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels, die Kaltstart-Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems und dergleichen zu verbessern.
Im Vorstehenden wurde die vorliegende Offenbarung zwar in Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen und die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt, sondern kann von jemandem mit Fähigkeiten in der Technik, zu der die vorliegende Offenbarung gehört, verschieden modifiziert und geändert werden, ohne von dem Wesen und Bereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, die in den folgenden Ansprüchen beansprucht sind.
Bezugszeichenliste

1:: Brennstoffzellensystem
10:: Brennstoffzellenstapel
12:: Elementarzelle
14:: Elektrolytmembran
16:: Anode
18:: Kathode
20:: Wasserstoffzuführvorrichtung
22:: Wasserstofftank
30:: Wasserstoffzuführventil
40:: Luftzuführvorrichtung
42:: Luftkompressor
50:: Luftzuführventil
60:: Spülventil
70:: Luftabführventil
80:: Steuerung
90:: Wasserstoffzuführleitung
100:: Wasserstoffrückführungsleitung
110:: Rückführpumpe
120:: Luftzuführleitung
130:: Luftabführleitung
140:: Wasserstoffspülleitung
150:: Batterie
160:: Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (DC-DC-Wandler)
170:: Spannungsmesser
180:: Strommesser
190:: Impedanzmesser
200:: Motor
210:: Inverter

Claims

Verfahren zum Diagnostizieren eines wasserhaltigen Zustands eines Brennstoffzellenstapels, aufweisend: einen Schritt (A) zum Anlegen eines Wechselstromsignals (AC-Signal) mit einer vorbestimmten Frequenz an den Brennstoffzellenstapel durch einen Impedanzmesser, um jeweils eine Elektrolytmembran-Impedanz, eine Anoden-Impedanz und eine Kathoden-Impedanz anhand einer Ausgangsspannung und eines Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels zu berechnen, die dem AC-Signal entsprechen; und einen Schritt (B) zum Diagnostizieren des wasserhaltigen Zustands des Brennstoffzellenstapels basierend auf der Elektrolytmembran-Impedanz, der Anoden-Impedanz und der Kathoden-Impedanz durch eine Steuerung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (A) einen Schritt (A1) zum Messen einer ersten Ausgangsspannung und eines ersten Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels in einem Zustand, in dem ein erstes AC-Signal mit einer vorbestimmten ersten Frequenz an den Brennstoffzellenstapel angelegt wird, und Einstellen einer ersten Impedanz des Brennstoffzellenstapels, die von der ersten Ausgangsspannung und dem ersten Ausgangsstrom abgeleitet wird, auf die Elektrolytmembran-Impedanz enthält.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Frequenz derart bestimmt wird, dass ein Verhältnis der Anoden-Impedanz und der Kathoden-Impedanz zu der ersten Impedanz kleiner als ein vorbestimmtes Bezugsverhältnis ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt (A) ferner einen Schritt (A2) zum Messen einer zweiten Ausgangsspannung und eines zweiten Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels in einem Zustand, in dem ein zweites AC-Signal mit einer zweiten Frequenz, die niedriger als die erste Frequenz ist, an den Brennstoffzellenstapel angelegt wird, und Einstellen eines Impedanzwertes, der durch Subtrahieren der im Schritt (A1) abgeleiteten Elektrolytmembran-Impedanz von einer zweiten Impedanz des Brennstoffzellenstapels berechnet wird, die von der zweiten Ausgangsspannung und dem zweiten Ausgangsstrom abgeleitet wird, auf die Anoden-Impedanz enthält.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die zweite Frequenz derart bestimmt wird, dass ein Verhältnis der Kathoden-Impedanz zu der zweiten Impedanz kleiner als ein vorbestimmtes Bezugsverhältnis ist.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner vor dem Schritt (A2) mit einem Schritt (C) zum Steuern der zweiten Frequenz derart, dass das Verhältnis der Kathoden-Impedanz zu der zweiten Impedanz kleiner als das Bezugsverhältnis ist, wobei der Schritt (C) Folgendes enthält: einen Schritt (C1) zum Zuführen von Luft zu der Kathode durch eine vorbestimmte Standardströmungsrate oder Steuern eines Drucks der Kathode, um ein vorbestimmter Standarddruck zu sein, und zur gleichen Zeit Anlegen des zweiten AC-Signals mit der zweiten Frequenz an den Brennstoffzellenstapel, um die Anoden-Impedanz zu messen; einen Schritt (C2) zum Zuführen der Luft zu der Kathode durch eine geringere Strömungsrate als die Standardströmungsrate oder Steuern des Drucks der Kathode, um ein niedrigerer Druck als der Standarddruck zu sein, und zur gleichen Zeit Anlegen des zweiten AC-Signals mit der zweiten Frequenz an den Brennstoffzellenstapel, um die Anoden-Impedanz zu messen; und einen Schritt (C3) zum Erhöhen der zweiten Frequenz um einen vorbestimmten Bezugswert, wenn eine Differenz zwischen der im Schritt (C2) gemessenen Anoden-Impedanz und der im Schritt (C1) gemessenen Anoden-Impedanz ein vorbestimmtes Bezugsverhältnis überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei im Schritt (C3) eine zweite Frequenz unverändert beibehalten wird, wenn die Differenz zwischen der im Schritt (C2) gemessenen Anoden-Impedanz und der im Schritt (C1) gemessenen Anoden-Impedanz das Bezugsverhältnis oder kleiner ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt (A) ferner einen Schritt (A3) zum Messen einer dritten Ausgangsspannung und eines dritten Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels in einem Zustand, in dem ein drittes AC-Signal mit einer dritten Frequenz, die niedriger als die zweite Frequenz ist, an den Brennstoffzellenstapel angelegt wird, und Einstellen eines Impedanzwertes, der durch Subtrahieren der im Schritt (A1) abgeleiteten Elektrolytmembran-Impedanz und der im Schritt (A2) abgeleiteten Anoden-Impedanz von einer dritten Impedanz des Brennstoffzellenstapels berechnet wird, die von der dritten Ausgangsspannung und dem dritten Ausgangsstrom abgeleitet wird, auf die Kathoden-Impedanz enthält.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die dritte Frequenz derart bestimmt wird, dass ein Verhältnis der Kathoden-Impedanz zu der dritten Impedanz ein vorbestimmtes Bezugsverhältnis oder größer ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (B) Folgendes enthält: einen Schritt (B1) zum Bestimmen, ob die Elektrolytmembran-Impedanz eine vorbestimmte Bezugs-Elektrolytmembran-Impedanz überschreitet; und einen Schritt (B2) zum Bestimmen, dass sich der Brennstoffzellenstapel in dem Fall in einem Trockenzustand befindet, in dem die Elektrolytmembran-Impedanz die Bezugs-Elektrolytmembran-Impedanz überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt (B2) durch Bestimmen, dass sich die Kathode in dem Fall in einem Trocken-Kathodenvorspannungszustand befindet, in dem die Anoden-Impedanz eine vorbestimmte Bezugs-Anoden-Impedanz überschreitet und die Kathoden-Impedanz eine vorbestimmte Bezugs-Kathoden-Impedanz oder kleiner ist, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner mit einem Schritt (D) zum Steuern des Brennstoffzellenstapels derart, dass die Kathode in dem Fall geflutet wird, in dem sich die Kathode in dem Trocken-Kathodenvorspannungszustand befindet.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt (B2) durch Bestimmen, dass sich die Anode in dem Fall in einem Trocken-Anodenvorspannungszustand befindet, in dem die Anoden-Impedanz eine vorbestimmte Bezugs-Anoden-Impedanz oder kleiner ist und die Kathoden-Impedanz eine vorbestimmte Bezugs-Kathoden-Impedanz überschreitet, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner mit einem Schritt (E) zum Steuern des Brennstoffzellenstapels derart, dass die Anode in dem Fall geflutet wird, in dem sich die Anode in dem Trocken-Anodenvorspannungszustand befindet.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt (B) ferner Folgendes enthält: einen Schritt (B3) zum Bestimmen, ob eine Summenimpedanz, die durch Summieren der Anoden-Impedanz und der Kathoden-Impedanz berechnet wird, eine vorbestimmte Bezugs-Summenimpedanz in dem Fall überschreitet, in dem die Elektrolytmembran-Impedanz die Bezugs-Elektrolytmembran-Impedanz oder kleiner ist; und einen Schritt (B4) zum Bestimmen, dass sich der Brennstoffzellenstapel in dem Fall in einem Flutzustand befindet, in dem die Summenimpedanz die Bezugs-Summenimpedanz überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt (B) ferner einen Schritt (B5) zum Bestimmen enthält, dass sich der Brennstoffzellenstapel in dem Fall in einem Optimalzustand befindet, in dem die Summenimpedanz die Bezugs-Summenimpedanz oder kleiner ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt (B4) durch Bestimmen, dass sich die Kathode in dem Fall in einem Flut-Kathodenvorspannungszustand befindet, in dem die Anoden-Impedanz eine vorbestimmte Bezugs-Anoden-Impedanz überschreitet und die Kathoden-Impedanz eine vorbestimmte Bezugs-Kathoden-Impedanz oder kleiner ist, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner mit einem Schritt (F) zum Steuern des Brennstoffzellenstapels derart, dass die Kathode in dem Fall trocken wird, in dem sich die Kathode in dem Flut-Kathodenvorspannungszustand befindet.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt (B5) durch Bestimmen, dass sich die Anode in dem Fall in einem Flut-Anodenvorspannungszustand befindet, in dem die Anoden-Impedanz eine vorbestimmte Bezugs-Anoden-Impedanz oder kleiner ist und die Kathoden-Impedanz eine vorbestimmte Bezugs-Kathoden-Impedanz überschreitet, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner mit einem Schritt (G) zum Steuern des Brennstoffzellenstapels derart, dass die Anode in dem Fall trocken wird, in dem sich die Anode in dem Flut-Anodenvorspannungszustand befindet.