DE102018101630A1

DE102018101630A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102018101630A1
Application number: DE102018101630.1A
Authority: DE
Inventors: Yuji Ishikawa; Takashi Yamamoto; Shigeki Hasegawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-02-01
Filing date: 2018-01-25
Publication date: 2018-08-02
Anticipated expiration: 2038-01-26
Also published as: JP2018125189A; DE102018101630B4; JP6686920B2; US10714775B2; US20180219239A1; CN108390088B; CN108390088A

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem (1) umfasst: einen niederfrequenten Überlagerungsabschnitt (510), welcher eine Brennstoffzelle (10) mit einem niederfrequenten Signal überlagert; und einen Impedanzberechnungsabschnitt (520), welcher eingerichtet ist, eine niederfrequente Impedanz der Brennstoffzelle (10) zu einer Zeit zu berechnen, während der der niederfrequente Überlagerungsabschnitt (510) die Brennstoffzelle (10) mit dem niederfrequenten Signal überlagert. Das Brennstoffzellensystem (1) umfasst: einen Diagnoseabschnitt (530), der einen Trockenheitsgrad innerhalb der Brennstoffzelle (10) auf Basis niederfrequenter Impedanz diagnostiziert; und ein Oxidationsgasmengen-Einstellabschnitt (22, 23, 24), der eingerichtet ist, eine Oxidationsgasmenge in der Brennstoffzelle (10) anzupassen. Der Diagnoseabschnitt (530) ist eingerichtet, einen Trockenheitsgrad innerhalb der Brennstoffzelle (10) auf Basis der niederfrequenten Impedanz zu diagnostizieren, wenn der Oxidationsgasmengen-Einstellabschnitt (22, 23, 24) die Oxidationsgasmenge so anpasst, dass sie kleiner gleich der Referenzgasmenge ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle umfasst.
Beschreibung des Stands der Technik
Um einen Trockenheitsgrad innerhalb einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle nachzuvollziehen ist eine Technologie zum Berechnen eines Feuchtigkeitsgehalts einer Elektrolytmembran und des Feuchtigkeitsgehalts einer Katalysatorschicht auf Basis der Impedanz in einem Hochfrequenzbereich bekannt (siehe beispielsweise die japanische Offenlegungsschrift Nr. 2010-165463 ( JP 2010-165463 A )). In dieser JP 2010-165463 A wird beschrieben, dass die Impedanz der Brennstoffzelle bei etwa 1 kHz als hohe Frequenz als Impedanz im Hochfrequenzbereich gemessen wird.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Es wird eine Steuereinrichtung mit einer hohen Betriebsfrequenz benötigt, um die Impedanz der Brennstoffzelle bei etwa 1 kHz als hohe Frequenz zu messen. Allerdings führt das Erfordernis einer solchen Steuereinrichtung zu einem erheblichen Kostenanstieg eines Brennstoffzellensystems und ist daher nachteilig.
Angesichts des obigen Punktes sieht die Erfindung ein Brennstoffzellensystem vor, für das ein Trockenheitsgrad innerhalb der Polymerelektrolytbrennstoffzelle nachvollzogen werden kann, ohne dass Bedarf an einer Steuereinrichtung mit einer hohen Betriebsfrequenz besteht.
Die Erfinder führten Forschungen bezüglich einer Impedanzcharakteristik der Brennstoffzelle zu einer Zeit durch, während der die Brennstoffzelle mit einem niederfrequenten Signal überlagert wurde (nachfolgend auch als niederfrequente Impedanz bezeichnet).
In der Folge wurde herausgefunden, dass die niederfrequente Impedanz in einem Zustand unzureichender Oxidationsgasliefermenge an die Brennstoffzelle auf ähnliche Art und Weise geändert wurde wie die Impedanz der Brennstoffzelle zu einer Zeit, während der die Brennstoffzelle mit einem Hochfrequenzsignal überlagert wurde.
Angesichts der oben beschriebenen Erkenntnis ist ein Aspekt der Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle umfasst, die über eine elektrochemische Reaktion des Brenngases mit dem Oxidationsgases elektrische Energie ausgibt. Die Brennstoffzelle ist eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem umfasst: einen niederfrequenten Überlagerungsabschnitt, der eingerichtet ist, die Brennstoffzelle mit einem niederfrequenten Signal zu überlagern, wobei das niederfrequente Signal bei einer niedrigen Frequenz liegt, die kleiner gleich einer angegebenen Referenzfrequenz ist; einen Impedanzberechnungsabschnitt, der eingerichtet ist, eine Impedanz der Brennstoffzelle zu einer Zeit zu berechnen, während der der niederfrequente Überlagerungsabschnitt die Brennstoffzelle mit dem niederfrequenten Signal überlagert; einen Diagnoseabschnitt, der eingerichtet ist, einen Trockenheitsgrad innerhalb der Brennstoffzelle auf Basis der Impedanz zu diagnostizieren, die durch den Impedanzberechnungsabschnitt berechnet wird; und einen Oxidationsgasmengen-Einstellabschnitt, der eine Oxidationsgasmenge in der Brennstoffzelle anpasst. Der Diagnoseabschnitt ist eingerichtet, den Trockenheitsgrad innerhalb der Brennstoffzelle auf Basis der Impedanz zu diagnostizieren, wenn der Oxidationsgasmengen-Einstellabschnitt die Oxidationsgasmenge kleiner gleich einer angegebenen Referenzgasmenge einstellt.
Genau wie beschrieben ist eine Steuereinrichtung mit hoher Betriebsfrequenz, wenn sie eingerichtet ist, die Impedanz der Brennstoffzelle in einem Zustand zu berechnen, in dem das Oxidationsgas unzureichend ist, unnötig und es kann eine Steuereinrichtung mit einer niedrigen Betriebsfrequenz verwendet werden, um den Trockenheitsgrad innerhalb der Polymerelektrolytbrennstoffzelle nachzuvollziehen.
Figurenliste
Merkmale, Vorteile und technische und industrielle Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen.

1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausfiihrungsform;
2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Zelle in einer Brennstoffzelle;
3 ist eine schematische Ansicht einer internen Struktur der Zelle in der Brennstoffzelle;
4 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm einer Diagnosevorrichtung in dem Brennstoffzellensystem;
5 ist ein Graph, der ein niederfrequentes Signal darstellt, das durch einen Wechselstromkomponenten-ΔI-Addierabschnitt einer Ausgangsstromstärke der Brennstoffzelle überlagert wird;
6 ist eine Ansicht, die eine chemische Reaktion darstellt, die auf einer Luftelektrodenseite zu einer Zeit stattfindet, während der der Brennstoffzelle ausreichend Oxidationsgas zugeführt wird;
7 ist eine Ansicht, die eine chemische Reaktion darstellt, die in der Zelle zu einer Zeit stattfindet, während der eine Zuführmenge Oxidationsgas an die Brennstoffzelle unzureichend ist;
8 umfasst Graphen, die eine Änderung der niederfrequente Impedanz zu einer Zeit darstellen, während der eine Oxidationsgasliefermenge an die Brennstoffzelle unzureichend ist;
9 ist ein Flussdiagramm eines Diagnosevorgangs, der von einem Diagnosesteuerabschnitt in dem Brennstoffzellensystem durchgeführt wird; und
10 ist ein Flussdiagramm eines Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgangs, der von dem Diagnosesteuerabschnitt in dem Brennstoffzellensystem durchführt wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung wird auf Basis von 1 bis 10 gegeben. In dieser Ausführungsform wird eine Beschreibung von einem Beispiel gegeben, in dem ein Brennstoffzellensystem 1 der Erfindung auf ein Brennstoffzellenfahrzeug als eine Bauart eines Elektrofahrzeugs angewandt wird.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 10, welche elektrische Energie ausgibt, indem eine elektrochemische Reaktion zwischen wasserstoffhaltigem Brenngas und sauerstoffhaltigem Oxidationsgas (zum Beispiel Luft) genutzt wird. In dieser Ausführungsform wird eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle (eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle: PEFC) als Brennstoffzelle 10 verwendet. Die Brennstoffzelle 10 liefert einen Gleichstrom, der mittels Stromerzeugung erzeugt wurde, über einen Gleichspannungswandler 51a an nicht dargestellte Stromverbraucher wie beispielsweise einen Elektromotor und eine Sekundärbatterie für das Fahren des Fahrzeugs.
Die Brennstoffzelle 10 hat eine Stapelstruktur, bei der mehrere Zellen 10a, von denen jede als Basiseinheit dient, gestapelt werden. Von den mehreren Zellen 10a sind die benachbarten Zellen 10a elektrisch miteinander in Reihe geschaltet.
Wie in 2 gezeigt, umfasst jede der Zellen 10a: eine Membran-Elektroden-Anordnung 100, die eingerichtet ist, indem eine Elektrolytmembran 101 von gepaarten Katalysatorschichten 102a, 102b von beiden Seiten gehalten wird; gepaarte Gasdiffusionsschichten 103a, 103b, die an beiden Seiten von der Membran-Elektroden-Anordnung 100 angeordnet sind; und Separatoren 110, die diese Bauteile dazwischen halten.
Die Elektrolytmembran 101 ist als Ionenaustauschmembran mit Protonenleitfähigkeit eingerichtet und eine solche Ionenaustauschmembran ist aus einem Polymermaterial mit einer wässrigen Eigenschaft ausgebildet, wie beispielsweise einem auf Fluorkohlenwasserstoff basierendem Material oder einem auf Kohlenwasserstoff basierendem Material. Die gepaarten Katalysatorschichten 102a, 102b bilden jeweils eine Elektrode. Insbesondere umfassen die gepaarten Katalysatorschichten 102a, 102b: eine brennstoffseitige Katalysatorschicht 102a, die eine Brennstoffelektrode bildet; und eine luftseitige Katalysatorschicht 102b, die eine Luftelektrode bildet.
Wie in 3 gezeigt, ist jede Katalysatorschicht 102a, 102b eingerichtet, indem sie folgendes umfasst: eine Substanz 102c, wie beispielsweise einen Platinpartikel, welcher die Katalyse bewirkt; tragender Kohlenstoff 102d, der das Substrat 102c trägt; und ein Ionomer (also ein Elektrolytpolymer) 102e, das den tragenden Kohlenstoff 102d bedeckt.
Die Gasdiffusionsschichten 103a, 103b verbreiten das Brenngas und das Oxidationsgas als Reaktionsgas jeweils durch die Katalysatorschichten 102a, 102b. Jede der Gasdiffusionsschichten 103a, 103b ist aus einem porösen Bauteil mit Gasdurchlässigkeit und Elektronenleitfähigkeit, wie beispielsweise Kohlepapier oder Kohletuch, ausgebildet.
Jede der Separatoren 110 ist beispielsweise aus einem Kohlesubstrat mit Elektronenleitfähigkeit ausgebildet. In den Separatoren 110 ist ein Wasserstoffkanal 111, durch den das Brenngas fließt, in einem Abschnitt gegenüber von der brennstoffseitigen Katalysatorschicht 102a ausgebildet und ein Luftkanal 112, durch den die Luft als Oxidationsgas fließt, ist in einem Abschnitt gegenüber von der luftseitigen Katalysatorschicht 102b ausgebildet.
Wenn ihnen das Brenngas und das Oxidationsgas zugeführt wird, gibt jede der Zellen 10a durch die elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, wie durch die nachfolgenden Gleichungen 1, 2 ausgedrückt, elektrische Energie aus.
(Brennstoffelektrodenseite) H₂ → 2H+ + 2e- ... (Gleichung 1) (Luftelektrodenseite) 2H+ + 1/2O₂ + 2e- → H₂O... (Gleichung 2) Unter Rückbezug auf 1 ist die Brennstoffzelle 10 über den Gleichspannungswandler 51a, der Leistung in beide Richtungen liefern kann, mit jeder der verschiedenen elektrischen Verbraucher elektrisch verbunden. Zusammen mit einem Spannungssensor 52a und einem Stromstärkensensor 52b bildet der Gleichspannungswandler 51a eine Stromsteuereinheit 51, die einen Stromfluss von der Brennstoffzelle 10 zu jedem der verschiedenen elektrischen Verbrauchern oder einen Stromfluss von jedem der verschiedenen elektrischen Verbrauchern an die Brennstoffzelle 10 steuert. Es ist zu beachten, dass die Stromsteuereinheit 51 in dieser Ausführungsform als Element dient, das die Diagnosevorrichtung 5 ausbildet.
Die Diagnosevorrichtung 5 ist mit der Brennstoffzelle 10 verbunden. Diese Diagnosevorrichtung 5 diagnostiziert einen Zustand der Brennstoffzelle 10. Die Diagnosevorrichtung 5 in dieser Ausführungsform ist eingerichtet, einen Trockenheitsgrad innerhalb der Brennstoffzelle 10 zu diagnostizieren. Die Diagnosevorrichtung 5 wird im Folgenden detailliert beschrieben.
Die Brennstoffzelle 10 ist mit Folgendem versehen: einem Lufteinlass 11a, aus dem die Luft als Oxidationsgas dem Luftkanal 112 jeder der Zellen 10a zugeführt wird; und ein Luftauslass 11b durch den erzeugtes Wasser und Verunreinigungen mit der Luft aus dem Luftkanal 112 jeder der Zellen 10a abgeführt wird. Ein Luftzufuhrrohr 20 ist mit dem Lufteinlass 11a verbunden. Ein Luftablaufrohr 21 ist mit dem Luftauslass 11b verbunden.
Eine Luftpumpe 22 ist in einem obersten Strömungsabschnitt des Luftzufuhrrohrs 20 vorgesehen und führt die Luft, die aus der Atmosphäre gesaugt wird, der Brennstoffzelle 10 unter Druck zu. Die Luftpumpe 22 ist eine elektrische Pumpe, die Folgendes umfasst: einen Kompressionsmechanismus, der für die Druckluftzufuhr verwendet wird; und einen Elektromotor, der verwendet wird, um den Kompressionsmechanismus anzutreiben.
In dem Luftzufuhrrohr 20 ist ein Luftdruckregler 23 zwischen der Luftpumpe 22 und der Brennstoffzelle 10 vorgesehen, der den Druck der Luft anpasst, die der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird. Der Luftdruckregler 23 ist eingerichtet, indem er Folgendes umfasst: einen Ventilkörper, der einen Öffnungsgrad eines Luftkanals, durch den die Luft fließt, in dem Luftzufuhrrohr 20 anpasst; und ein elektrisches Stellelement, welches diesen Ventilkörper antreibt.
Ein elektromagnetisches Ventil 24 ist in dem Luftablaufrohr 21 vorgesehen und führt das erzeugte Wasser, Verunreinigungen und dergleichen innerhalb der Brennstoffzelle 10 mit der Luft ab. Das elektromagnetische Ventil 24 ist eingerichtet, indem es Folgendes umfasst: einen Ventilkörper, der einen Öffnungsgrad eines Luftablaufrohrs, durch das die Luft abgelassen wird, in dem Luftabführrohr 21 anpasst; und ein elektrisches Stellelement, welches diesen Ventilkörper antreibt. Das Brennstoffzellensystem 1 in dieser Ausführungsform kann einen Gegendruck auf der Luftelektrodenseite in der Brennstoffzelle 10 anpassen, indem ein Öffnungsgrad des elektromagnetischen Ventils 24 angepasst wird. In dieser Ausführungsform bilden die Luftpumpe 22, der Luftdruckregler 23 und das elektromagnetisches Ventil 24 einen Oxidationsgasmengen-Einstellabschnitt, welcher eine Oxidationsgasmenge in der Brennstoffzelle 10 anpasst.
Die Brennstoffzelle 10 ist mit Folgendem versehen: einem Wasserstoffeinlass 12a, aus welchem das Brenngas an den Wasserstoffkanal 111 jeder der Zellen 10a zugeführt wird; und ein Wasserstoffauslass 12b, durch welchen nicht reagierter Wasserstoff und dergleichen aus dem Wasserstoffkanal 111 von jeder der Zellen 10a abgeführt wird. Ein Wasserstoffzufuhrrohr 30 ist mit dem Wasserstoffeinlass 12a verbunden. Ein Wasserstoffablaufrohr 31 ist mit dem Wasserstoffauslass 12b verbunden.
Ein Hochdruckwasserstoffbehälter 32 ist in einem obersten Strömungsabschnitt des Wasserstoffzufuhrrohrs 30 vorgesehen und mit Hochdruckwasserstoff gefüllt. In dem Wasserstoffzufuhrrohr 30 ist ein Wasserstoffregler 33 zwischen dem Hochdruckwasserstoffbehälter 32 und der Brennstoffzelle 10 vorgesehen, der den Druck des der Brennstoffzelle 10 zuzuführendem Wasserstoffs anpasst. Der Wasserstoffregler 33 ist eingerichtet, indem er Folgendes umfasst: einen Ventilkörper, der einen Öffnungsgrad eines Wasserstoffzufuhrkanals in dem Wasserstoffzufuhrrohr 30 anpasst; und ein elektrisches Stellelement, welches diesen Ventilkörper antreibt.
Ein elektromagnetisches Ventil 34 ist in dem Wasserstoffablaufrohr 31 vorgesehen und führt eine geringe Menge nicht reagiertem Wasserstoff und dergleichen nach Außen ab. Das elektromagnetische Ventil 34 ist eingerichtet, indem es Folgendes umfasst: einen Ventilkörper, der einen Öffnungsgrad eines Wasserstoffablaufkanals in dem Wasserstoffablaufrohr 31 anpasst; und ein elektrisches Stellelement, welches diesen Ventilkörper antreibt. Das Brennstoffzellensystem 1 in dieser Ausführungsform kann den Gegendruck auf der Brennstoffelektrodenseite in der Brennstoffzelle 10 anpassen, indem ein Öffnungsgrad des elektromagnetischen Ventils 34 angepasst wird.
Als Kühlsystem, welches eine Temperatur der Brennstoffzelle 10 anpasst, ist ein Kühlmittelzirkulationskreislauf 4 bzw. Kühlmittelkreislauf mit der Brennstoffzelle 10 in dieser Ausführungsform verbunden und ein Kühlmittel, welches Gefrierschutzmittel oder dergleichen beinhaltet, zirkuliert durch den Kühlmittelkreislauf 4. Der Kühlmittelkreislauf 4 ist mit Folgendem versehen: einer Kühlmittelpumpe 41, die ein Zirkulieren des Kühlmittels veranlasst; und einem Heizkörper 42, der Wärme des Kühlmittels, das durch die Brennstoffzelle 10 hindurchgeströmt ist, über einen Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und der Umgebungsluft abstrahlt. Der Heizkörper 42 kühlt das Kühlmittel über einen Umgebungsluftstrom ab, welcher durch einen elektrischen Ventilator 43 erzeugt wird.
Der Kühlmittelkreislauf 4 ist mit einem Bypasskanal 44 versehen, welcher den Heizkörper 42 umgeht und zwischen einem Einlass der Kühlmittelpumpe 41 und einem Kühlmittelauslass der Brennstoffzelle 10 verbunden ist. Der Kühlmittelkreislauf 4 ist ferner mit einem Dreiwegeventil 45 versehen, welches entweder den Bypasskanal 44 oder einen Kühlmittelauslass des Heizkörpers 42 mit dem Einlass der Kühlmittelpumpe 41 verbindet.
In dem Kühlmittelkreislauf 4 ist ein Temperatursensor 46 nahe dem Kühlmittelauslass der Brennstoffzelle 10 vorgesehen. Dieser Temperatursensor 46 erfasst eine Temperatur des Kühlmittels, welches durch die Brennstoffzelle 10 geflossen ist.
Hier ist die Temperatur des Kühlmittels, das durch die Brennstoffzelle 10 geflossen ist, beinahe gleich der Temperatur der Brennstoffzelle 10. Daher wird in dieser Ausführungsform ein Erfassungswert des Temperatursensors 46 als die Temperatur der Brennstoffzelle 10 betrachtet. In dieser Ausführungsform bildet der Temperatursensor 46 einen Zelltemperaturerfassungsabschnitt, welcher die Temperatur der Brennstoffzelle 10 erfasst.
Der Luftdruckregler 23, der Wasserstoffregler 33, jedes der elektromagnetischen Ventile 24, 34, die Luftpumpe 22, die Kühlmittelpumpe 41 und dergleichen in dieser Ausführungsform sind mit einer Ausgangsseite eines Diagnosesteuerabschnitts 50 der Diagnosevorrichtung 5 verbunden und sind jeweils eingerichtet, durch ein Steuersignal von dem Diagnosesteuerabschnitt 50 gesteuert zu werden.
Als nächstes wird die Diagnosevorrichtung 5 mit Bezug auf 4 beschrieben. In 4 werden, um eine interne Struktur der Brennstoffzelle 10 darzustellen, die Zellen 10a, welche die Brennstoffzelle 10 bilden, teilweise in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. Wie in 4 gezeigt, umfasst die Diagnosevorrichtung 5 als Hauptbestandteile den Diagnosesteuerabschnitt 50, die oben beschriebene Stromsteuereinheit 51, eine Verstärkerschaltung 53 und eine Zellkontrollvorrichtung 54.
Der Diagnosesteuerabschnitt 50 ist eingerichtet, indem er einen Mikrocomputer und eine Peripherieschaltung desselben umfasst und der Mikrocomputer umfasst eine CPU, ROM, RAM und dergleichen. Der Diagnosesteuerabschnitt 50 in dieser Ausführungsform hat einen Wechselstromkomponenten-AI-Addierabschnitt 510, einen ΔI_n-Berechnungsabschnitt 540, einen Z_n-Berechnungsabschnitt 520 und einen Diagnoseabschnitt 530.
Der Wechselstromkomponenten-ΔI-Addierabschnitt 510 ist ein niederfrequenter Überlagerungsabschnitt, in dem mittels dem Gleichspannungswandler 51a eine Ausgangsstromstärke der Brennstoffzelle 10 mit einem niederfrequenten Signal (eine Wechselstromkomponenten-ΔI) bei einer geringeren Frequenz als vorgegebene Referenzfrequenz (beispielsweise 200 Hz) überlagert wird.
Der Wechselstromkomponenten-ΔI-Addierabschnitt 510 überlagert die Ausgangsstromstärke der Brennstoffzelle 10 mit dem niederfrequenten Signal, welches eine in 5 gezeigte Wellenform aufweist. Die Frequenz des Signals, mit dem die Brennstoffzelle 10 überlagert wird, ist so eingestellt, dass sie innerhalb eines Niederfrequenzbereichs von 1 bis 200 Hz fällt. Hier beträgt das niederfrequente Signal, das durch den Wechselstromkomponenten-ΔI-Addierabschnitt 510 überlagert werden soll, vorzugsweise kleiner gleich 10 % der Ausgangsstromstärke (eine erzeugte Ausgangsstromstärke) der Brennstoffzelle 10 unter Berücksichtigung seines Einflusses auf einen Stromerzeugungszustand der Brennstoffzelle 10.
Der ΔI_n-Berechnungsabschnitt 540 berechnet auf Basis einer Erfassungsstromstärke I von dem Stromstärkensensor 52b eine niederfrequente Wechselstromkomponente ΔIn einer Gesamtstromstärke I, welche durch die Brennstoffzelle 10 fließt. Insbesondere berechnet der ΔI_n-Berechnungsabschnitt 540 die Wechselstromkomponente ΔIn unter Einsatz eines Verfahrens wie beispielsweise der Schnellen Fourier-Transformation. Es ist zu beachten, dass der Stromstärkensensor 52b einen Stromstärkenerfassungsabschnitt bildet, welcher die Gesamtstromstärke I, die durch die Brennstoffzelle 10 fließt, erfasst. Die Gesamtstromstärke I ist eine Stromstärke, welche die Ausgangsstromstärke der in 5 gezeigten Brennstoffzelle 10 und das in 5 gezeigte niederfrequente Signal umfasst.
Der Z_n-Berechnungsabschnitt 520 bildet einen Impedanzberechnungsabschnitt, welcher die Impedanz Zn der Zelle auf Basis eines Erfassungswert der Zellkontrollvorrichtung 54 und einen Erfassungswert des Stromstärkensensors 52b in einem Zustand berechnet, in dem der Wechselstromkomponenten-ΔI-Addierabschnitt 510 die Ausgangsstromstärke der Brennstoffzelle 10 mit dem niederfrequenten Signal überlagert.
Insbesondere berechnet der Z_n-Berechnungsabschnitt 520 eine Wechselstromkomponente ΔV einer Zellspannung für jede der Zellen 10a auf Basis einer Ausgangsspannung, welche von der Verstärkerschaltung 53 verstärkt wird. Die Zellspannung wird von jeder der Zellen 10a ausgegeben und die Wechselstromkomponente ΔV ist ein niederfrequentes Signal. Der Z_n-Berechnungsabschnitt 520 in dieser Ausführungsform berechnet die Wechselstromkomponente ΔV unter Einsatz eines Verfahrens wie beispielsweise der Schnellen Fourier-Transformation.
Der Z_n-Berechnungsabschnitt 520 teilt in dieser Ausführungsform die Wechselstromkomponente ΔV durch die Wechselstromkomponente ΔIn, welche von dem ΔIn-Berechnungsabschnitt 540 berechnet wird. Auf diese Art und Weise kann der Z_n-Berechnungsabschnitt 520 die niederfrequente Impedanz Zn (= ΔV/ΔIn) der Zelle 10a auf das niederfrequente Signal für jede der Zellen 10a berechnen. Die niederfrequente Impedanz Zn stellt einen absoluten Wert der Impedanz dar.
Der Diagnoseabschnitt 530 diagnostiziert den Trockenheitsgrad innerhalb der Brennstoffzelle 10 auf Basis der niederfrequenten Impedanz Zn, die von dem Z_n-Berechnungsabschnitt 520 berechnet wird. Mit anderen Worten, der Diagnoseabschnitt 530 diagnostiziert auf Basis der niederfrequenten Impedanz Zn, die von dem Z_n-Berechnungsabschnitt 520 berechnet wird, ob der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10 angemessen ist.
Die Verstärkerschaltung 53 ist mit der Zellkontrollvorrichtung 54 verbunden, verstärkt die Spannung, die von der Zellkontrollvorrichtung 54 ausgegeben wird und gibt die verstärkte Spannung an den Z_n-Berechnungsabschnitt 520 aus. Die Zellkontrollvorrichtung 54 ist ein Zellspannungserfassungsbereich, welcher für jede der Zellen 10a die Zellspannung erfasst, die von jeder der Zellen 10a ausgegeben wird. Daher verstärkt die Verstärkerschaltung 53 die Zellspannung, die von jeder der Zellen 10a ausgegeben wird.
Zusätzlich zu der Zellkontrollvorrichtung 54 weist die Diagnosevorrichtung 5 in dieser Ausführungsform den Spannungssensor 52a in der Stromsteuereinheit 51 auf. Dieser Spannungssensor 52a bildet einen Gesamtspannungserfassungsabschnitt, welcher eine Gesamtspannung erfasst, die von der gesamten Brennstoffzelle 10 ausgegeben wird, also einem gestapelten Körper der mehreren Zellen 10a.
6 ist eine Ansicht, die eine chemische Reaktion darstellt, welche auf einer Luftelektrodenseite der Brennstoffzelle 10 zu einer Zeit stattfindet, während der der Brennstoffzelle 10 ausreichend Luft als Oxidationsgas zugeführt wird. 7 ist eine Ansicht, die eine chemische Reaktion darstellt, die in der Zelle 10a zu einer Zeit stattfindet, während der eine Luftzufuhrmenge als Oxidationsgas an die Brennstoffzelle 10 unzureichend ist. Sowohl in 6 als auch in 7 wird eine interne Konfiguration der Zelle 10a in einem unteren Teil gezeigt und eine Äquivalenzschaltung bzw. ein Ersatzschaltbild zu der in dem unteren Teil gezeigten internen Konfiguration der Zelle 10a wird in einem oberen Teil gezeigt.
In dem Fall, in dem die Luft als das Oxidationsgas der Brennstoffzelle 10 ausreichend zugeführt wird, wie in 6 gezeigt, findet die chemische Reaktion, die durch die obenstehende Gleichung 2 ausgedrückt wird, auf der Luftelektrodenseite statt. Zu dieser Zeit kann die Luftelektrodenseite als Ersatzschaltbild ausgedrückt werden, bei dem parallele Verbindungskörper, die eine elektrische Doppelschicht C und Sauerstoffdiffusionsresistenz Z umfassen (Sauerstoffreduktionsreaktionsresistenz), bezüglich eines Protonentransferwiderstands Rohm in der Elektrolytmembran 101 in Reihe geschaltet sind.
In dem Fall, in dem die Brennstoffzelle 10 mit einem Hochfrequenzsignal bei etwa 1 kHz während ausreichender Luftzufuhr an die Brennstoffzelle 10 überlagert wird, wird, wie durch einen gestrichelten Pfeil in dem Ersatzschaltbild der 6 gezeigt, ein Strompfad von dem Protonentransferwiderstand Rohm zu der elektrischen Doppelschicht C in der Zelle 10a ausgebildet.
Der Protonentransferwiderstand Rohm hat eine solche Tendenz, dass ein Widerstandswert desselben erhöht wird, während der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10 reduziert wird. Wenn daher der Brennstoffzelle 10 ausreichend Luft zugeführt wird, kann eine Änderung des Protonentransferwiderstands Rohm, also ein Trockenheitsgrad innerhalb der Brennstoffzelle 10 auf Basis der Impedanz zu der Zeit, während der die Brennstoffzelle 10 mit dem Hochfrequenzsignal überlagert wird, nachvollzogen werden.
Unterdessen wird, in dem Fall, in dem die Brennstoffzelle 10 während ausreichender Luftzufuhr an die Brennstoffzelle 10 mit dem niederfrequenten Signal überlagert wird, wie durch einen gestrichelten Pfeil in dem Ersatzschaltbild der 6 gezeigt, ein Strompfad von dem Protonentransferwiderstand Rohm zu der Sauerstoffdiffusionsresistenz Z in der Zelle 10a ausgebildet.
Die Sauerstoffdiffusionsresistenz Z neigt dazu, von einem anderen Faktor als dem Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10 geändert zu werden (zum Beispiel einer Sauerstoffzufuhrmenge). Daher ist es, wenn der Brennstoffzelle 10 ausreichend Luft zugeführt wird, schwierig, den Trockenheitsgrad innerhalb der Brennstoffzelle 10 auf Basis der Impedanz zu der Zeit nachzuvollziehen, während der die Brennstoffzelle 10 mit dem niederfrequenten Signal überlagert wird.
Aus dem oben genannten Grund ist ein System des Stands der Technik eingerichtet, den Trockenheitsgrad der Brennstoffzelle 10 auf Basis der Impedanz der Zelle 10a zu der Zeit nachzuvollziehen, während der die Brennstoffzelle 10 mit dem Hochfrequenzsignal bei etwa 1 kHz überlagert wird.
Allerdings ist es erforderlich, dass eine Steuereinrichtung mit einer hohen Betriebsfrequenz die Impedanz der Zelle 10a zu der Zeit misst, während der die Brennstoffzelle 10 mit dem Hochfrequenzsignal bei etwa 1 kHz überlagert wird. Um die Impedanz zu messen, die innerhalb einem Hochfrequenzbereich von 200 Hz oder höher fällt, ist zum Beispiel eine solche Einrichtung erforderlich, bei der ein Abfragezyklus für AD-Wandlung kleiner gleich 1 ms ist und die Auflösung größer gleich 16 Bit ist. Allerdings führt das Erfordernis solcher Steuereinrichtungen zu einem erheblichen Kostenanstieg des Brennstoffzellensystems und ist daher nachteilig.
Unterdessen ist eine Steuereinrichtung mit der hohen Betriebsfrequenz unnötig, um die Impedanz der Zelle 10a zu der Zeit zu messen, während der die Brennstoffzelle 10 mit dem niederfrequenten Signal von 200 Hz oder weniger überlagert wird. Um die Impedanz zu messen, die innerhalb eines Niedrigfrequenzbereichs von 20 Hz fällt, ist zum Beispiel eine solche Einrichtung erforderlich, bei der der Abfragezyklus für die AD-Wandlung größer gleich 10 ms ist und die Auflösung kleiner gleich 16 Bit ist.
Um den Trockenheitsgrad innerhalb der Brennstoffzelle 10 unter Verwendung der Steuereinrichtung mit der niedrigen Betriebsfrequenz nachzuvollziehen, führten die Erfinder Forschung bezüglich einer Charakteristik der Impedanz der Brennstoffzelle 10 während der Zeit, während der die Brennstoffzelle 10 mit dem niederfrequenten Signal überlagert wurde, durch.
Als Ergebnis wurde herausgefunden, dass die niederfrequente Impedanz in dem Zustand unzureichender Zufuhrmenge der Luft als Oxidationsgas an die Brennstoffzelle 10 auf eine ähnliche Art geändert wurde, wie die Impedanz zu der Zeit, während der die Brennstoffzelle 10 mit dem Hochfrequenzsignal überlagert wurde (nachfolgend auch als Hochfrequenzimpedanz bezeichnet).
Im Falle, dass die Zufuhrmenge der Luft als Oxidationsgas an die Brennstoffzelle 10 unzureichend ist, findet, wie in 7 gezeigt, eine Wasserstoffpumpreaktion in der Zelle 10a statt. Wie durch die nachfolgenden Gleichungen 3, 4 ausgedrückt, verwandeln sich Protonen (H+), welche auf der Brennstoffelektrodenseite ionisiert wurden, bei der Wasserstoffpumpreaktion zurück zu Wasserstoff (H₂), nachdem sie auf die Luftelektrodenseite übertragen wurden.
(Brennstoffelektrodenseite) H₂ → 2H+ + 2e- ... (Gleichung 3) (Luftelektrodenseite) 2H+ + 2e- → H₂ ... (Gleichung 4) Diese Wasserstoffpumpreaktion wird nicht von einer Sauerstoffreduktionsreaktion begleitet und die Sauerstoffdiffusionsresistenz Z in dem Ersatzschaltbild wird auf ein solches Niveau reduziert, dass die Sauerstoffdiffusionsresistenz Z ignoriert werden kann. Demnach umfasst im Zustand der unzureichenden Luftzufuhrmenge an die Brennstoffzelle 10 die niederfrequente Impedanz kaum Sauerstoffdiffusionsresistenz Z und korreliert stark mit dem Protonentransferwiderstand Rohm. Das heißt, in einem Zustand unzureichender Luftzufuhrmenge an die Brennstoffzelle 10 wird die niederfrequente Impedanz auf eine ähnliche Art geändert wie die Hochfrequenzimpedanz.
8 umfasst Graphen, die die Messergebnisse der Zellspannung und der niederfrequenten Impedanz zu einer Zeit zeigen, während der die Luftzufuhrmenge an die Brennstoffzelle 10 reduziert ist. Es ist zu beachten, dass der Graph in einem oberen Abschnitt der 8 eine temporäre Veränderungen in einem stöchiometrisches Luftverhältnis (das heißt, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis) als Verhältnis zwischen der Luftzufuhrmenge und einer Wasserstoffzufuhrmenge an die Brennstoffzelle 10 darstellt. In dem Graphen in einem unteren Bereich der 8 wird die niederfrequente Impedanz durch eine durchgezogene Linie und die Hochfrequenzimpedanz durch eine unterbrochene Linie markiert.
Wie in 8 gezeigt, wird im Fall, in dem das stöchiometrische Luftverhältnis reduziert wird, die Zellspannung auf einen Wert nahe null reduziert, nachdem eine nicht spezifizierte Zeitspanne ab einem Zeitpunkt, an dem begonnen wird, die Luftzahl zu reduzieren, vergangen ist. Zu dieser Zeit wird die Sauerstoffdiffusionsresistenz Z reduziert. Daher wird, wie in dem Graphen im unteren Abschnitt der 8 gezeigt, die niederfrequente Impedanz auf einen ähnlichen Wert wie die Hochfrequenzimpedanz reduziert.
Gemäß dieser Erkenntnisse ist der Diagnosesteuerabschnitt 50 in dieser Ausführungsform eingerichtet, den Trockenheitsgrad innerhalb jeder der Zellen 10a, die die Brennstoffzelle 10 bilden, auf Basis der niederfrequenten Impedanz Zn zu diagnostizieren, wenn die Luftmenge in der Brennstoffzelle 10 so angepasst wird, dass sie kleiner gleich einer angegebenen Referenzgasmenge entspricht.
Hier ist der Diagnosesteuerabschnitt 50 dieser Ausführungsform als die Steuereinrichtung mit der niedrigen Betriebsfrequenz eingerichtet, die die niederfrequente Impedanz Zn von 200 Hz oder weniger messen kann. In dieser Ausführungsform bildet bei dem Diagnosesteuerabschnitt 50 ein Steuerabschnitt, welcher den Oxidationsgasmengen-Einstellabschnitt einschließlich der Luftpumpe 22 und dergleichen steuert, einen Gasmengensteuerabschnitt 50a und der Gasmengensteuerabschnitt 50a steuert den Oxidationsgasmenge-Einstellabschnitt so, dass die Luftmenge in der Brennstoffzelle 10 kleiner gleich der angegebenen Referenzgasmenge wird.
Zudem ist der Diagnosesteuerabschnitt 50 in dieser Ausführungsform eingerichtet, einen Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang auszuführen, um den Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle 10 in dem Fall zurückzugewinnen, in dem der Diagnoseabschnitt 530 diagnostiziert, dass der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10 unzureichend ist. In dieser Ausführungsform bildet in dem Diagnosesteuerabschnitt 50 ein Steuerabschnitt, welcher den Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang ausführt, einen Ausführbereich 50b des Rückgewinnungsvorgangs.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf ein Flussdiagramm in 9 eine Beschreibung des Diagnosevorgangs gegeben, der von dem Diagnosesteuerabschnitt 50 in dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß dieser Ausführungsform ausgeführt wird. Ein in 9 gezeigter Steuerablauf wird in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen während des Betriebs einer Brennstoffzelle 10 oder dergleichen ausgeführt.
Wie in 9 gezeigt, bestimmt der Diagnosesteuerabschnitt 50 in Schritt S10 zuerst, ob eine angeforderte Leistung an die Brennstoffzelle 10 durch ein externes System, wie beispielsweise ein Fahrzeugsystem, kleiner gleich einer Referenzleistung ist. Die Referenzleistung ist so eingestellt, dass sie einen geringeren Wert aufweist, als normal angeforderte Leistung, welche für die Brennstoffzelle 10 zu einer Zeit angefordert wird, während der das Fahrzeug in einem Stadtgebiet fährt. Die Referenzleistung ist, beispielsweise, auf angeforderte Leistung zu einem Zeitpunkt eingestellt, zu dem ein Schalthebel des Fahrzeugs auf einen P-Bereich eingestellt ist, angeforderte Leistung während dem Leerlauf, während das Fahrzeug an einer Ampel wartet, oder angeforderte Leistung zu einer Zeit, während der das Fahrzeug mit einer konstanten Geschwindigkeit auf einer begrenzten Autobahn fährt.
Wenn als Folge des Bestimmungsvorgangs in Schritt S10 bestimmt wird, dass die angeforderte Leistung für die Brennstoffzelle 10 die Referenzleistung überschreitet, wird befürchtet, dass der Betrieb von bordeigenen Geräten des Fahrzeugs als Leistungsversorgungsziel instabil wird. Daher beendet der Diagnosesteuerabschnitt 50 den Diagnosevorgang.
Wenn andererseits als Folge des Bestimmungsvorgangs in Schritt S10 bestimmt wird, dass die angeforderte Leistung für die Brennstoffzelle 10 kleiner gleich der Referenzleistung ist, reduziert der Diagnosesteuerabschnitt 50 in Schritt S12 die Luftzufuhrmenge an die Brennstoffzelle 10 in einem Zustand, in dem eine Wasserstoffzufuhrmenge als Brenngas gehalten wird. Zum Beispiel kann die Luftzufuhrmenge durch Reduzieren einer Rotationsgeschwindigkeit der Luftpumpe 22 reduziert werden.
Als nächstes bestimmt in Schritt S14 der Diagnosesteuerabschnitt 50, ob die Brennstoffzelle 10 sich in einem Sauerstoffmangelzustand befindet, in dem die Luftzufuhrmenge an die Brennstoffzelle 10 unzureichend ist. Der Diagnosesteuerabschnitt 50 in dieser Ausführungsform bestimmt auf Basis der Zellspannung, ob die Brennstoffzelle 10 sich in dem Sauerstoffmangelzustand befindet.
Wenn die Brennstoffzelle 10 in den Sauerstoffmangelzustand gebracht wird, wird die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 behindert und daher wird die Zellspannung auf den Wert nahe null reduziert. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache bestimmt der Diagnosesteuerabschnitt 50 in dieser Ausführungsform in dem Fall, in dem die Zellspannung kleiner gleich einer Referenzspannung ist, die auf einen Wert nahe null eingestellt ist, dass sich die Brennstoffzelle 10 in dem Sauerstoffmangelzustand befindet.
Wenn als Folge des Bestimmungsvorgangs in Schritt S14 bestimmt wird, dass sich die Brennstoffzelle 10 nicht in dem Sauerstoffmangelzustand befindet, kehrt der Vorgang zu Schritt S12 zurück und der Diagnosesteuerabschnitt 50 reduziert weiter die Luftzufuhrmenge an die Brennstoffzelle 10.
Wenn andererseits als Folge des Bestimmungsvorgangs in Schritt S14 bestimmt wird, dass sich die Brennstoffzelle 10 in einem Sauerstoffmangelzustand befindet, misst der Diagnosesteuerabschnitt 50 in Schritt S16 die niederfrequente Impedanz Zn. Insbesondere in dem Zustand, in dem der Wechselstromkomponenten-ΔI-Addierabschnitt 510 die Brennstoffzelle 10 mit dem niederfrequenten Signal der Ausgangsstromstärke überlagert, berechnet der Diagnosesteuerabschnitt 50 die niederfrequente Impedanz Zn der Zelle 10a auf Basis der Zellspannung, welche von der Zellkontrollvorrichtung 54 und dem Erfassungswert des Stromstärkensensors 52b erfasst wird.
Als nächstes bestimmt der Diagnosesteuerabschnitt 50 in Schritt S18, ob die niederfrequente Impedanz Zn höher ist als ein vorgegebener Trockenheitsbestimmungsschwellwert Zth. Zum Beispiel wird der Trockenheitsbestimmungsschwellwert Zth mit einem elektrischen Widerstandswert zu einer Zeit, zu der die Elektrolytmembran 101 trocken ist, als Referenz eingestellt.
Wenn als Folge des Bestimmungsvorgangs in Schritt S18 bestimmt wird, dass die niederfrequente Impedanz Zn kleiner gleich des Trockenheitsbestimmungsschwellwerts Zth ist, wird angenommen, dass der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10 ausreichend gesichert ist. Daher beendet der Diagnosesteuerabschnitt 50 den Diagnosevorgang.
Wenn andererseits als Folge des Bestimmungsvorgangs in Schritt S18 bestimmt wird, dass die niederfrequente Impedanz Zn höher ist als der Trockenheitsbestimmungsschwellwert Zth, so diagnostiziert der Diagnosesteuerabschnitt 50 in Schritt S20, dass sich die Brennstoffzelle 10 in einem Feuchtigkeitsgehaltmangelzustand befindet, in dem der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10 unzureichend ist. Dann führt der Diagnosesteuerabschnitt 50 in Schritt S22 den Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang durch, um den Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10 zurückzugewinnen.
Der Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang in dieser Ausführungsform wird detailliert mit Bezug auf ein Flussdiagramm in 10 beschrieben. Das Flussdiagramm in 10 zeigt einen Fluss des Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgangs in Schritt S22 in 9.
Wie in 10 gezeigt, reduziert der Diagnosesteuerabschnitt 50 in Schritt S100 zuerst die Temperatur der Brennstoffzelle 10. Zum Beispiel reduziert der Diagnosesteuerabschnitt 50 die Temperatur der Brennstoffzelle 10, indem eine Rotationsgeschwindigkeit der Kühlmittelpumpe 41 erhöht wird und eine Zirkulationsmenge des Kühlmittels, welches durch die Brennstoffzelle 10 zirkuliert, erhöht wird. Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 reduziert wird, wird gesättigter Dampfdruck der Luft, die sich in der Brennstoffzelle 10 befindet, reduziert, was die Kondensation von Feuchtigkeit in der Luft fördert. Auf diese Art und Weise wird der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10 erhöht. Das heißt, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 reduziert wird, wird der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10 zurückgewonnen.
Als nächstes misst der Diagnosesteuerabschnitt 50 in Schritt S110, ähnlich wie in dem in 9 gezeigten Schritt S16, die niederfrequente Impedanz Zn. Dann bestimmt der Diagnosesteuerabschnitt 50 in Schritt S120, ähnlich wie in dem in 9 gezeigten Schritt S18, ob die niederfrequente Impedanz Zn höher ist als der Trockenheitsbestimmungsschwellwert Zth.
Wenn als Folge des Bestimmungsvorgangs in Schritt S120 bestimmt wird, dass die niederfrequente Impedanz Zn kleiner gleich des Trockenheitsbestimmungsschwellwerts Zth ist, wird angenommen, dass der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10 zurückgewonnen wurde. Daher beendet der Diagnosesteuerabschnitt 50 den Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang.
Wenn andererseits als Folge des Bestimmungsvorgangs in Schritt S120 bestimmt wird, das die niederfrequente Impedanz Zn höher ist als der Trockenheitsbestimmungsschwellwert Zth, erhöht der Diagnosesteuerabschnitt 50 in Schritt S130 den Gegendruck auf der Luftelektrodenseite in der Brennstoffzelle 10. Zum Beispiel erhöht der Diagnosesteuerabschnitt 50 den Gegendruck auf der Luftelektrodenseite in der Brennstoffzelle 10, indem der Öffnungsgrad des elektromagnetischen Ventils 24 reduziert wird. Wenn der Gegendruck auf der Luftelektrodenseite in der Brennstoffzelle 10 erhöht wird, wird der Dampfdruck der Luft, der in der Brennstoffzelle 10 vorhanden ist, erhöht, was die Kondensation der Feuchtigkeit in der Luft fördert. Auf diese Art und Weise wird der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10 erhöht. Das heißt, wenn der Gegendruck auf der Luftelektrodenseite in der Brennstoffzelle 10 erhöht wird, wird der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10 zurückgewonnen.
Als nächstes misst der Diagnosesteuerabschnitt 50 in Schritt S140, ähnlich wie in dem in 9 gezeigten Schritt S16, die niederfrequente Impedanz Zn. Dann bestimmt der Diagnosesteuerabschnitt 50 in Schritt S150, ähnlich wie in dem in 9 gezeigten Schritt S18, ob die niederfrequente Impedanz Zn höher ist als der Trockenheitsbestimmungsschwellwert Zth.
Wenn als Folge des Bestimmungsvorgangs in Schritt S150 bestimmt wird, dass die niederfrequente Impedanz Zn kleiner gleich des Trockenheitsbestimmungsschwellwerts Zth ist, wird angenommen, dass der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10 zurückgewonnen wurde. Daher beendet der Diagnosesteuerabschnitt 50 den Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang.
Wenn anderseits als Folge des Bestimmungsvorgangs in Schritt S 150 bestimmt wird, dass die niederfrequente Impedanz Zn höher ist als der Trockenheitsbestimmungsschwellwerts Zth, reduziert der Diagnosesteuerabschnitt 50 in Schritt S160 die Luftzufuhrmenge an die Brennstoffzelle 10. Zum Beispiel reduziert der Diagnosesteuerabschnitt 50 die Luftzufuhrmenge an die Brennstoffzelle 10, indem die Rotationsgeschwindigkeit der Luftpumpe 22 reduziert wird. Wenn die Luftzufuhrmenge an die Brennstoffzelle 10 reduziert wird, wird eine Wasseransammlung in der Brennstoffzelle 10 auf einer stromabwärts angeordneten Seite eines Luftstroms unterdrückt. Folglich ist es wahrscheinlicher, dass sich Wasser, das sich in einem Teil der Brennstoffzelle 10 angesammelt hat, in der gesamten Brennstoffzelle 10 ausbreitet. Daher wird verhindert, dass das Innere der Brennstoffzelle 10 trocknet.
Als nächstes misst der Diagnosesteuerabschnitt 50 in Schritt S170, ähnlich wie in dem in 9 gezeigten Schritt S16, die niederfrequente Impedanz Zn. Dann bestimmt der Diagnosesteuerabschnitt 50 in Schritt S180, ähnlich wie in dem in 9 gezeigten Schritt S18, ob die niederfrequente Impedanz Zn höher ist als der Trockenheitsbestimmungsschwellwert Zth.
Wenn als Folge des Bestimmungsvorgangs in Schritt S180 bestimmt wird, dass die niederfrequente Impedanz Zn kleiner gleich des Trockenheitsbestimmungsschwellwerts Zth ist, wird angenommen, dass der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10 zurückgewonnen wurde. Daher beendet der Diagnosesteuerabschnitt 50 den Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang.
Anderseits, wenn als Folge des Bestimmungsvorgangs in Schritt S180 bestimmt wird, dass die niederfrequente Impedanz Zn höher ist als der Trockenheitsbestimmungsschwellwert Zth, kehrt der Ablauf zurück zu Schritt S100 und der Diagnosesteuerabschnitt 50 setzt den Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang fort. In dem Fall, in dem der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10 nicht durch die kontinuierliche Ausführung des Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgangs zurückgewonnen wird, wird gewünscht, dass der Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang und der Betrieb der Brennstoffzelle 10 beendet werden.
Das Brennstoffzellensystem 1 in dieser Ausführungsform, das bisher beschrieben wurde, ist eingerichtet, die niederfrequente Impedanz der Brennstoffzelle 10 in dem Zustand zu messen, in dem die Luft als Oxidationsgas ungenügend ist, und den Trockenheitsgrad innerhalb der Polymerelektrolytbrennstoffzelle 10 auf Basis der niederfrequenten Impedanz nachzuvollziehen.
Gemäß dieser Ausführungsform ist die Steuereinrichtung mit der hohen Betriebsfrequenz unnötig und die Steuereinrichtung mit der niedrigen Betriebsfrequenz kann verwendet werden, um den Trockenheitsgrad innerhalb der Polymerelektrolytbrennstoffzelle 10 nachzuvollziehen. Diese Konfiguration leistet einen beträchtlichen Teil zur Kostenreduzierung des Brennstoffzellensystems 1.
Das Brennstoffzellensystem 1 in dieser Ausführungsform ist eingerichtet, die niederfrequente Impedanz der Brennstoffzelle 10 zu messen, während die Luftzufuhrmenge in dem Fall reduziert wird, in dem die angeforderte Leistung für die Brennstoffzelle 10 niedrig ist. Gemäß dieser Ausführungsform kann bei Ausführen des Vorgangs zum Nachvollziehen des Trockenheitsgrads der Brennstoffzelle 10 ein solcher Defekt, bei dem das Leistungsversorgungsziel aufgrund von unzureichender Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 10 instabil betrieben wird, verhindert werden.
Das Brennstoffzellensystem 1 in dieser Ausführungsform ist eingerichtet, den Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang auszuführen, wenn die Brennstoffzelle 10 in den Feuchtigkeitsgehaltmangelzustand gebracht wird, in dem der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10 unzureichend ist. Gemäß dieser Konfiguration kann ein Defekt, wie zum Beispiel ein Abbau der Brennstoffzelle 10, der durch mangelnden Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10 entsteht, verhindert werden.
Als Vorgang zur Rückgewinnung des Feuchtigkeitsgehalts der Brennstoffzelle 10 reduziert das Brennstoffzellensystem 1 in dieser Ausführungsform die Temperatur der Brennstoffzelle 10, erhöht den Gegendruck auf der Luftelektrodenseite in der Brennstoffzelle 10 und reduziert die Luftzufuhrmenge für die Brennstoffzelle 10.
Anders als bei einem Anstieg des Gegendrucks auf der Luftelektrodenseite in der Brennstoffzelle 10 und einem Reduzieren der Luftzufuhrmenge an die Brennstoffzelle 10 ändert ein Reduzieren der Temperatur der Brennstoffzelle 10 nicht die Zufuhrmengen des Reaktionsgases wie beispielsweise Wasserstoff und der Luft. Daher ist ein instabiler Betrieb des Leistungsversorgungsziels weniger wahrscheinlich.
Anders als bei dem Reduzieren der Luftzufuhrmenge für die Brennstoffzelle 10 reduziert außerdem der Anstieg des Gegendrucks auf der Luftelektrodenseite in der Brennstoffzelle 10 nicht die Zufuhrmengen des Reaktionsgases wie beispielsweise Wasserstoff und der Luft. Daher ist, verglichen mit der Reduzierung der Luftzufuhrmenge an die Brennstoffzelle 10, der instabile Betrieb des Leistungsversorgungsziels weniger wahrscheinlich.
Angesichts dieser Tatsachen ist das Brennstoffzellensystem 1 in dieser Ausführungsform eingerichtet, die Temperatur der Brennstoffzelle 10 schrittweise zu reduzieren, den Gegendruck auf der Luftelektrodenseite in der Brennstoffzelle 10 zu erhöhen und die Luftzufuhrmenge an die Brennstoffzelle 10 in dem Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang zu reduzieren. Gemäß dieser Konfiguration kann das Ausführen des Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgangs einen solchen Defekt verhindern, bei dem das Leistungsversorgungsziel instabil betrieben wird.
(Andere Ausführungsformen) Die Beschreibung wurde bisher bezüglich der repräsentativen Ausführungsform der Erfindung gegeben. Allerdings ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt und verschiedene Abwandlungen davon können wie folgt durchgeführt werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wurde die Beschreibung bezüglich des Beispiels gegeben, in welchem das Brennstoffzellensystem 1 der Erfindung auf das Brennstoffzellenfahrzeug angewandt wird. Allerdings ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Das Brennstoffzellensystem 1 der Erfindung kann nicht nur auf das Brennstoffzellenfahrzeug angewandt werden sondern beispielsweise auch auf einen in einem Haushalt, einer Fabrik oder dergleichen genutzten stationären Stromgenerator.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wurde die Beschreibung bezüglich dem Beispiel gegeben, bei dem der Z_n-Berechnungsabschnitt 520 die Impedanz Zn auf Basis des Erfassungswerts des Stromstärkensensors 52b berechnet, welcher die Gesamtstromstärke I, die durch die Brennstoffzelle 10 fließt, erfasst und auf Basis des Erfassungswerts der Zellkontrollvorrichtung 54. Allerdings ist die Erfindung nicht darauf beschränkt.
Das Brennstoffzellensystem 1 kann eingerichtet sein, die Impedanz Zn auf Basis eines Erfassungswerts eines lokalen Stromstärkensensors, der fähig ist eine lokale Stromstärke innerhalb einer Oberfläche der Zelle 10a zu erfassen, und des Erfassungswerts der Zellkontrollvorrichtung 54 zu berechnen.
Innerhalb der Oberfläche der Zelle 10a ist ein Abschnitt auf der Stromaufwärtsseite des Luftflusses in dem Luftkanal 112, also ein Abschnitt auf der Einlassseite des Luftkanals 112 am wahrscheinlichsten trocken. Angesichts dieser Tatsache ist der lokale Stromstärkensensor vorzugsweise so eingerichtet, dass er zumindest die lokale Stromstärke erfasst, die durch den Abschnitt auf der Stromaufwärtsseite des Luftstroms in dem Luftkanal 112 fließt.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wurde die Beschreibung bezüglich des Beispiels gegeben, bei dem die Luftzufuhrmenge an die Brennstoffzelle 10 während dem Diagnosevorgang reduziert wird, wenn die angeforderte Leistung für die Brennstoffzelle 10 kleiner gleich der Referenzleistung wird. Allerdings ist die Erfindung nicht darauf beschränkt.
Bei dem Diagnosevorgang kann die Luftzufuhrmenge an die Brennstoffzelle 10 reduziert werden, beispielsweise in dem Fall, in dem der Schalthebel des Fahrzeugs auf den P-Bereich eingestellt ist, in dem Fall, in dem sich das Fahrzeug in einem Leerlaufzustand befindet, während es an einer Ampel wartet, im Fall, in dem das Fahrzeug mit konstanter Geschwindigkeit auf der beschränkten Autobahn fährt, oder dergleichen.
Bei dem Diagnosevorgang wird die Luftzufuhrmenge an die Brennstoffzelle 10 vorzugsweise reduziert, wenn die angeforderte Leistung, die für die Brennstoffzelle 10 angefordert wird, reduziert wird. Allerdings ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Bei dem Diagnoseverfahren kann unabhängig von der Höhe der angeforderten Leistung, die für die Brennstoffzelle 10 angefordert wird, die Luftzufuhrmenge für die Brennstoffzelle 10 zu einem angegebenen Zeitpunkt reduziert werden.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wurde die Beschreibung bezüglich des Beispiels gegeben, bei dem die niederfrequente Impedanz Zn gemessen wird, nachdem die Luftzufuhrmenge für die Brennstoffzelle 10 während des Diagnoseverfahrens reduziert wird. Allerdings ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Bei dem Diagnosevorgang kann die niederfrequente Impedanz Zn an einem solchen Zeitpunkt gemessen werden, dass die Luftzufuhrmenge an die Brennstoffzelle 10 durch eine Anforderung von dem externen System, wie beispielsweise dem Fahrzeugsystem, reduziert werden.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wurde die Beschreibung anhand des Beispiels gegeben, bei dem die verschiedenen Vorgangsarten, wie beispielsweise das Reduzieren der Temperatur der Brennstoffzelle 10, das Erhöhen des Gegendrucks auf der Luftelektrodenseite in der Brennstoffzelle 10 und das Reduzieren der Luftzufuhrmenge für die Brennstoffzelle 10, in dem Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang ausgeführt werden. Allerdings ist die Erfindung nicht darauf beschränkt.
Das Brennstoffzellensystem 1 kann eingerichtet sein, ein oder mehrere Vorgangsarten auszuführen, die das Reduzieren der Temperatur der Brennstoffzelle 10, Erhöhen des Gegendrucks auf der Luftelektrodenseite in der Brennstoffzelle 10 und Reduzieren der Luftzufuhrmenge an die Brennstoffzelle 10 umfassen.
Bei dieser Konfiguration gibt es einen Fall, in dem die Feuchtigkeit von der Luftelektrodenseite zu der Brennstoffelektrodenseite in der Brennstoffzelle 10 durchdringt und sich die Feuchtigkeit auf der Brennstoffelektrodenseite sammelt. Wenn der Gegendruck auf der Brennstoffelektrodenseite in der Brennstoffzelle 10 erhöht wird, wird so ein Fluss der Feuchtigkeit, die sich auf der Brennstoffelektrodenseite angesammelt hat, zu der Elektrolytmembran 101 gefördert. Aus diesem Grund kann das Brennstoffzellensystem 1 eingerichtet sein, als Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang einen Vorgang auszuführen, um den Gegendruck auf der Brennstoffelektrodenseite in der Brennstoffzelle 10 zu erhöhen.
Wie in der oben beschriebenen Ausführungsform wird der Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang vorzugsweise in dem Fall ausgeführt, in dem diagnostiziert wird, dass die Brennstoffzelle 10 sich in dem Feuchtigkeitsgehaltmangelzustand befindet, in dem der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10 unzureichend ist. Allerdings ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann das Brennstoffzellensystem 1 eingerichtet sein, einen Vorgang auszuführen, um einen Benutzer oder dergleichen über den Feuchtigkeitsgehaltmangelzustand zu informieren, anstatt den Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang in dem Fall durchzuführen, in dem diagnostiziert wird, dass sich die Brennstoffzelle 10 in dem Feuchtigkeitsgehaltmangelzustand befindet, in dem der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10 unzureichend ist.
Selbstverständlich sind Elemente, die die oben beschriebene Ausführungsform bilden, nicht notwendigerweise essentiell außer im Fall, in dem klar erwähnt wird, dass ein beliebiges Element besonders essentiell ist, in einem Fall, in dem angenommen wird, dass ein beliebiges Element prinzipiell offensichtlich essentiell ist und dergleichen.
In dem Fall, in dem numerische Werte wie die Anzahl, Mengen und Bereiche der Komponenten in der oben beschriebenen Ausführungsform erwähnt werden, ist die Erfindung nicht auf einen beliebigen dieser Werte beschränkt, außer wo klar erwähnt wird, dass ein beliebiger der Werte besonders essentiell ist, in einem Fall, in dem eine beliebige der Komponenten offensichtlich auf den/die bestimmten Wert(e) beschränkt ist und dergleichen.
Wenn Formen, Positionsverhältnisse und dergleichen der Komponenten und dergleichen in der oben beschriebenen Ausführungsform erwähnt werden, ist die Erfindung nicht auf eine beliebige dieser Formen, dieser Positionsverhältnisse und dergleichen beschränkt, außer in einem Fall, in dem die Form, das Positionsverhältnis oder dergleichen einer der Komponenten und dergleichen klar erwähnt wird, einem Fall, in dem eine beliebige der Komponenten und dergleichen auf die bestimmte Form, das Positionsverhältnis oder dergleichen im Prinzip oder dergleichen beschränkt ist.
(Kurzfassung) Gemäß einer ersten Perspektive, die in einem Teil oder der Gesamtheit der oben beschriebenen Ausführungsform beschrieben wird, diagnostiziert das Brennstoffzellensystem, wenn die Oxidationsgasmenge in der Brennstoffzelle an die Referenzgasmenge oder weniger angepasst wird, den Trockenheitsgrad innerhalb der Brennstoffzelle auf Basis der niederfrequenten Impedanz der Brennstoffzelle.
Gemäß einer zweiten Perspektive umfasst das Brennstoffzellensystem den Gasmengensteuerabschnitt, welcher den Oxidationsgasmengen-Einstellabschnitt steuert. Der Gasmengensteuerabschnitt ist eingerichtet, den Oxidationsgasmengen-Einstellabschnitt so zu steuern, dass die Oxidationsgasmenge der Referenzgasmenge entspricht oder weniger als dieselbe wird, wenn die angeforderte Leistung, die für die Brennstoffzelle angefordert wird, kleiner gleich der angegebenen Referenzleistung ist. Wie beschrieben wird, im Fall in dem die angeforderte Leistung, die für die Brennstoffzelle angefordert wird, niedrig ist, die Brennstoffzelle in den Zustand gebracht, in dem das Oxidationsgas unzureichend ist. Auf diese Weise kann ein Defekt, bei dem das Leistungsversorgungsziel aufgrund der mangelnden Ausgangsleistung der Brennstoffzelle instabil betrieben wird, unterdrückt werden.
Gemäß einer dritten Perspektive umfasst das Brennstoffzellensystem den Ausführbereich des Rückgewinnungsvorgangs, welcher den Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang ausführt, um den Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle zurückzugewinnen. Der Ausführbereich des Rückgewinnungsvorgangs ist eingerichtet, den Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang in dem Fall auszuführen, in dem der Diagnoseabschnitt diagnostiziert, dass die Brennstoffzelle sich in dem Feuchtigkeitsgehaltmangelzustand befindet, in dem der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle ungenügend ist. Wie beschrieben kann in dem Fall, in dem das Brennstoffzellensystem eingerichtet ist, den Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang auszuführen, wenn die Brennstoffzelle in den Feuchtigkeitsgehaltmangelzustand, in dem der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle ungenügend ist, gebracht wird, der Defekt, wie beispielsweise der Abbau der Brennstoffzelle, der durch den mangelnden Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle entsteht, verhindert werden.
Gemäß einer vierten Perspektive reduziert das Brennstoffzellensystem die Temperatur der Brennstoffzelle während dem Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang.
Gemäß einer fünften Perspektive erhöht das Brennstoffzellensystem den Gegendruck auf der Oxidationsgaselektrodenseite in der Brennstoffzelle während dem Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang.
Gemäß einer sechsten Perspektive reduziert das Brennstoffzellensystem die Zufuhrmenge des Oxidationsgases an die Brennstoffzelle während dem Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang.
Gemäß einer siebten Perspektive ist der Ausführbereich des Rückgewinnungsvorgangs des Brennstoffzellensystems eingerichtet, die Temperatur der Brennstoffzelle schrittweise zu reduzieren, den Gegendruck auf der Oxidationsgaselektrodenseite in der Brennstoffzelle zu erhöhen und die Zufuhrmenge des Oxidationsgases an die Brennstoffzelle zu reduzieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2010165463 [0002]
JP 2010165463 A [0002]

Claims

Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle (10) umfasst, die durch eine elektrochemische Reaktion des Brenngases mit dem Oxidationsgas elektrische Energie ausgibt, wobei die Brennstoffzelle eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle ist und wobei das Brennstoffzellensystem Folgendes aufweist: einen niederfrequenten Überlagerungsabschnitt (510), der eingerichtet ist, die Brennstoffzelle (10) mit einem niederfrequenten Signal zu überlagern, wobei das niederfrequente Signal bei einer niedrigen Frequenz liegt, welche kleiner gleich einer angegebenen Referenzfrequenz ist; einen Impedanzberechnungsabschnitt (520), der eingerichtet ist, die Impedanz der Brennstoffzelle (10) zu einer Zeit zu berechnen, während der der niederfrequente Überlagerungsabschnitt (510) die Brennstoffzelle (10) mit dem niederfrequenten Signal überlagert; einen Diagnoseabschnitt (530) eingerichtet ist, einen Trockenheitsgrad innerhalb der Brennstoffzelle (10) auf Basis der von dem Impedanzberechnungsabschnitt (520) berechneten Impedanz zu diagnostizieren; und einen Oxidationsgasmengen-Einstellabschnitt (22, 23 24), der eingerichtet ist, eine Oxidationsgasmenge in der Brennstoffzelle (10) anzupassen, wobei der Diagnoseabschnitt (530) eingerichtet ist, den Trockenheitsgrad innerhalb der Brennstoffzelle (10) auf Basis der Impedanz zu diagnostizieren, wenn der Oxidationsgasmengen-Einstellabschnitt (22, 23, 24) die Oxidationsgasmenge so anpasst, dass sie kleiner gleich der Referenzgasmenge ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, das ferner aufweist: einen Gasmengensteuerabschnitt (50a), der eingerichtet ist, den Oxidationsgasmengen-Einstellabschnitt (22, 23, 24) zu steuern, wobei der Gasmengensteuerabschnitt (50a) eingerichtet ist, den Oxidationsgasmengen-Einstellabschnitt (22, 23, 24) so zu steuern, dass die Oxidationsgasmenge so angepasst wird, dass sie kleiner gleich der Referenzgasmenge ist, wenn eine angeforderte Leistung, die für die Brennstoffzelle (10) angefordert wird, kleiner gleich der Referenzgasmenge wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, das ferner aufweist: einen Ausführbereich (50b) des Rückgewinnungsvorgangs, welcher einen Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang ausführt, um einen Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle (10) zurückzugewinnen, wobei der Ausführbereich (50b) des Rückgewinnungsvorgangs eingerichtet ist, den Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang in einem Fall auszuführen, in dem der Diagnoseabschnitt (530) diagnostiziert, dass die Brennstoffzelle (10) sich in dem Feuchtigkeitsgehaltmangelzustand befindet, in dem der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle (10) ungenügend ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei der Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang eine Temperatur der Brennstoffzelle (10) reduziert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei der Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang einen Gegendruck auf einer Oxidationsgaselektrodenseite in der Brennstoffzelle (10) erhöht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei der Feuchtigkeitsrückgewinnungsvorgang eine Zufuhrmenge an Oxidationsgas an die Brennstoffzelle (10) reduziert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei der Ausführbereich (50b) des Rückgewinnungsvorgangs eingerichtet ist, eine Temperatur der Brennstoffzelle (10) zu reduzieren, Gegendruck auf einer Oxidationsgaselektrodenseite in der Brennstoffzelle (10) zu erhöhen und eine Zufuhrmenge an Oxidationsgas an die Brennstoffzelle (10) zu reduzieren.