DE102018107175A1

DE102018107175A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102018107175A1
Application number: DE102018107175.2A
Authority: DE
Inventors: Chiaki Mizutani; Yuji Ishikawa; Shigeki Hasegawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-04-10
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2018-10-11
Also published as: US20180294494A1; JP2018181534A; CN108695529B; US10892500B2; CN108695529A; JP6725449B2

Abstract

Ein Messfehler eines Wassergehalts ist abhängig von einer Phasendifferenz einer niedrigen Frequenz. Die niedrige Frequenz ist eine niedrigere von zwei Frequenzen in einem Wechselstromsignal, das zum Berechnen einer Impedanz einer Zelle verwendet wird. Die Phasendifferenz ist eine Differenz zwischen einer Phase eines Stromwertes eines in einen Brennstoffzellenstapel eingespeisten Wechselstromsignals und einer Phase eines Spannungswertes eines Ausgangsstroms. Der berechnete Wert des Wassergehalts wird nicht verwendet, wenn die Phasendifferenz der niedrigen Frequenz anzeigt, dass der Messfehler stark schwanken kann.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-77228 , eingereicht am 10. April 2017, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme hiermit in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
Beschreibung des Standes der Technik
JP2014-203562A offenbart ein Verfahren zum Anwenden eines Wechselstromsignals auf einen Ausgangsstrom eines Brennstoffzellenstapels, um einen Wassergehalt in einer Brennstoffzelle zu berechnen. Das Wechselstromsignal, das in dem in JP2014 - 203562A offenbarten Verfahren angewendet wird, hat zwei Frequenzen.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben herausgefunden, dass die Berechnungsgenauigkeit des Wassergehalts in Abhängigkeit von gewissen Bedingungen schwankt. Angesichts dessen besteht eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung in der Berechnung eines Wassergehalts unter Berücksichtigung der Genauigkeitsschwankung.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst: einen Brennstoffzellenstapel, der dafür ausgestaltet ist, mehrere Zellen zu umfassen und einen Ausgangsgleichstrom auszugeben, eine Signalüberlagerungseinheit, die dafür ausgestaltet ist, über den Ausgangsstrom ein Wechselstromsignal zu legen, dessen Stromwert gesteuert ist, wobei das Wechselstromsignal Wechselstromkomponenten mit einer ersten Frequenz und einer zweiten Frequenz, die höher ist als die erste Frequenz, umfasst, eine Spannungsmesseinheit, die dafür ausgestaltet ist, einen Spannungswert des Ausgangsstroms zu messen, an den das Wechselstromsignal angelegt wurde, eine Phasendifferenzerfassungseinheit, die dafür ausgestaltet ist, eine Phasendifferenz zwischen einer Phase der ersten Frequenz des Stromwertes in dem Wechselstromsignal und einer Phase der ersten Frequenz des durch die Spannungsmesseinheit gemessenen Stromwertes zu erfassen, eine Berechnungseinheit, die dafür ausgestaltet ist, eine Wassermenge in mindestens einer der mehreren Zellen unter Verwendung des Wechselstromsignals zu berechnen, und eine Verwendungsbestimmungseinheit, die dafür ausgestaltet ist zu bestimmen, ein durch die Berechnungseinheit erhaltenes Berechnungsergebnis nicht zu verwenden, wenn mindestens eine Bedingung, dass ein absoluter Wert der Phasendifferenz größer ist als ein erster absoluter Wert, und eine Bedingung, dass der absolute Wert der Phasendifferenz kleiner ist als ein vierter absoluter Wert, erfüllt sind, und zu bestimmen, das durch die Berechnungseinheit erhaltene Berechnungsergebnis zu verwenden, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb eines Bereichs zwischen einem zweiten absoluten Wert, der kleiner ist als der erste absolute Wert, und einem dritten absoluten Wert, der größer ist als der vierte absolute Wert, liegt.
Das durch die Berechnungseinheit erhaltene Berechnungsergebnis schwankt erheblich, wenn die Phasendifferenz kleiner ist als der erste absolute Wert oder größer ist als der vierte absolute Wert. Das durch die Berechnungseinheit erhaltene Berechnungsergebnis schwankt nicht erheblich, wenn die Phasendifferenz innerhalb des Bereichs zwischen dem zweiten absoluten Wert und dem dritten absoluten Wert liegt. Gemäß diesem Aspekt wird das Berechnungsergebnis verwendet, wenn die Schwankung klein ist, und es wird verhindert, dass es verwendet wird, wenn die Schwankung groß ist.
In dem oben beschriebenen Aspekt kann das Brennstoffzellensystem des Weiteren eine Strommesseinheit umfassen, die dafür ausgestaltet ist, einen Stromwert des Ausgangsstroms zu messen, an den das Wechselstromsignal angelegt wurde, und die Berechnungseinheit kann dafür ausgestaltet sein, eine Wassermenge in dem Brennstoffzellenstapel insgesamt zu berechnen, indem eine Impedanz, die der ersten Frequenz entspricht, und eine Impedanz, die der zweiten Frequenz entspricht, erhalten werden, wofür Messergebnisse verwendet werden, die durch die Strommesseinheit und die Spannungsmesseinheit erhalten werden. Gemäß diesem Aspekt wird ein Wassergehalt des gesamten Brennstoffzellenstapels berechnet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst: einen Brennstoffzellenstapel, der dafür ausgestaltet ist, mehrere Zellen zu enthalten und einen Ausgangsgleichstrom auszugeben, eine Signalüberlagerungseinheit, die dafür ausgestaltet ist, über den Ausgangsstrom ein Wechselstromsignal zu legen, dessen Spannungswert gesteuert ist, wobei das Wechselstromsignal Wechselstromkomponenten mit einer ersten Frequenz und einer zweiten Frequenz, die höher ist als die erste Frequenz, umfasst, eine Strommesseinheit, die dafür ausgestaltet ist, einen Stromwert des Ausgangsstroms zu messen, an den das Wechselstromsignal angelegt wurde, eine Phasendifferenzerfassungseinheit, die dafür ausgestaltet ist, eine Phasendifferenz zwischen einer Phase der ersten Frequenz eines Spannungswertes in dem Wechselstromsignal und einer Phase der ersten Frequenz des durch die Strommesseinheit gemessen Stromwertes zu erfassen, eine Berechnungseinheit, die dafür ausgestaltet ist, eine Wassermenge in mindestens einer der mehreren Zellen unter Verwendung des Wechselstromsignals zu berechnen, und eine Verwendungsbestimmungseinheit, die dafür ausgestaltet ist zu bestimmen, ein durch die Berechnungseinheit erhaltenes Berechnungsergebnis nicht zu verwenden, wenn mindestens eine Bedingung, dass ein absoluter Wert der Phasendifferenz größer ist als ein erster absoluter Wert, und eine Bedingung, dass der absolute Wert der Phasendifferenz kleiner ist als ein vierter absoluter Wert, erfüllt sind, und zu bestimmen, das durch die Berechnungseinheit erhaltene Berechnungsergebnis zu verwenden, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb eines Bereichs zwischen einem zweiten absoluten Wert, der kleiner ist als der erste absolute Wert, und einem dritten absoluten Wert, der größer ist als der vierte absolute Wert, liegt. Gemäß diesem Aspekt wird das Berechnungsergebnis verwendet, wenn die Schwankung klein ist, und es wird verhindert, dass es verwendet wird, wenn die Schwankung groß ist.
In dem oben beschriebenen Aspekt kann das Brennstoffzellensystem des Weiteren eine Spannungsmesseinheit umfassen, die dafür ausgestaltet ist, einen Spannungswert des Ausgangsstroms zu messen, an den das Wechselstromsignal angelegt wurde, wobei die Berechnungseinheit dafür ausgestaltet sein kann, eine Wassermenge in dem Brennstoffzellenstapel insgesamt zu berechnen, indem eine Impedanz, die der ersten Frequenz entspricht, und eine Impedanz, die der zweiten Frequenz entspricht, erhalten werden, wofür Messergebnisse verwendet werden, die durch die Strommesseinheit und die Spannungsmesseinheit erhalten werden. Gemäß diesem Aspekt wird ein Wassergehalt des gesamten Brennstoffzellenstapels berechnet.
In dem oben beschriebenen Aspekt kann das Brennstoffzellensystem des Weiteren umfassen: eine Zellenstrommesseinheit, die dafür ausgestaltet ist, einen Stromwert von Strom an einem Teil der mehreren Zellen zu erfassen, und eine Zellenspannungsmesseinheit, die dafür ausgestaltet ist, einen Spannungswert von Spannung an dem Teil der mehreren Zellen zu messen, wobei die Berechnungseinheit dafür ausgestaltet sein kann, eine Wassermenge in dem Teil der Zellen anhand von Messergebnissen zu berechnen, die durch die Zellenstrommesseinheit und die Zellenspannungsmesseinheit erhalten werden. Gemäß diesem Aspekt wird ein Wassergehalt eines Teils der Zellen berechnet.
In dem oben beschriebenen Aspekt kann die Verwendungsbestimmungseinheit dafür ausgestaltet sein zu bestimmen, das durch die Berechnungseinheit erhaltene Berechnungsergebnis zu verwenden, während eine niedrige Energieerzeugung ausgeführt wird, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb eines Bereichs zwischen dem dritten absoluten Wert und dem vierten absoluten Wert liegt. Gemäß diesem Aspekt wird das durch die Berechnungseinheit erhaltene Berechnungsergebnis verwendet, während eine niedrige Energieerzeugung ausgeführt wird, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb eines Bereichs zwischen dem dritten absoluten Wert und dem vierten absoluten Wert liegt.
In dem oben beschriebenen Aspekt kann die Verwendungsbestimmungseinheit dafür ausgestaltet sein zu bestimmen, das durch die Berechnungseinheit erhaltene Berechnungsergebnis zu verwenden, während ein Spülvorgang ausgeführt wird, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb eines Bereichs zwischen dem dritten absoluten Wert und dem vierten absoluten Wert liegt. Gemäß diesem Aspekt wird das durch die Berechnungseinheit erhaltene Berechnungsergebnis verwendet, während ein Spülvorgang ausgeführt wird, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb eines Bereichs zwischen dem dritten absoluten Wert und dem vierten absoluten Wert liegt.
In dem oben beschriebenen Aspekt kann die Verwendungsbestimmungseinheit dafür ausgestaltet sein zu bestimmen, das durch die Berechnungseinheit erhaltene Berechnungsergebnis zu verwenden, während eine hohe Energieerzeugung ausgeführt wird, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb eines Bereichs zwischen dem ersten absoluten Wert und dem zweiten absoluten Wert liegt. Gemäß diesem Aspekt wird das durch die Berechnungseinheit erhaltene Berechnungsergebnis verwendet, während eine hohe Energieerzeugung ausgeführt wird, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb eines Bereichs zwischen dem ersten absoluten Wert und dem zweiten absoluten Wert liegt.
Die vorliegende Offenbarung kann in verschiedenen anderen Aspekten als den oben beschriebenen Aspekten implementiert werden. Zum Beispiel kann die vorliegende Offenbarung in solchen Aspekten wie einem Verfahren zum Berechnen eines Wassergehalts, einem Programm zum Implementieren des Verfahrens, einem nicht-transitorischen Aufzeichnungsmedium, welches das Programm speichert, und dergleichen implementiert werden.
Figurenliste

1 ist ein Schaubild, das schematisch eine Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems veranschaulicht.
2 ist ein Schaubild, das schematisch eine elektrische Ausgestaltung des

Brennstoffzellensystems veranschaulicht.

3 ist ein Kurvendiagramm, das veranschaulicht, wie Strom eines Ausgangsstroms und ein Wechselstromsignal sich im zeitlichen Verlauf verändern.
4 ist ein Funktionsblockschaubild, das veranschaulicht, wie ein erster Diffusionswiderstand berechnet wird.
5 ist ein Schaubild, das ein Cole-Cole-Diagramm veranschaulicht.
6 ist ein Schaubild, das ein Cole-Cole-Diagramm veranschaulicht.
7 ist ein Flussdiagramm, das eine Wassergehalt-Berechnungsverarbeitung veranschaulicht.
8 ist ein Kurvendiagramm, das ein Ergebnis eines Experiments zum Untersuchen einer Beziehung zwischen einem Wassergehalt-Messfehler und einer Phasendifferenz veranschaulicht.
9 ist ein Kurvendiagramm, das veranschaulicht, wie sich eine Spannung des Ausgangsstroms und das Wechselstromsignal im zeitlichen Verlauf verändern.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine erste Ausführungsform wird beschrieben. 1 ist ein Schaubild, das schematisch eine Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems 100 veranschaulicht. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 10, eine Steuereinheit 20, eine Kathodengaszufuhreinheit 30, eine Kathodengasauslasseinheit 40, eine Anodengaszufuhreinheit 50, eine Anodengaszirkulations-/-auslasseinheit 60 und eine Kühlmittelzufuhreinheit 70.
Der Brennstoffzellenstapel 10 ist eine Festpolymer-Brennstoffzelle, die bei Empfang von Wasserstoff (Anodengas) und Luft (Kathodengas), die als Reaktionsgase zugeführt werden, Elektrizität erzeugt. Der Brennstoffzellenstapel 10 hat eine Stapelstruktur mit mehreren gestapelten Zellen 11. Jede der Zellen 11 umfasst eine Membranelektrodenanordnung und zwei Separatoren. Die Membranelektrodenanordnung ist ein Stromgenerator, der eine Elektrolytmembran aufweist, die auf beiden Flächen mit Elektroden versehen ist. Die Separatoren nehmen die Membranelektrodenanordnung zwischen sich auf.
Die Elektrolytmembran umfasst eine dünne Festpolymermembran, die im nassen Zustand eine ausgezeichnete Protonenleitfähigkeit besitzt. Die Elektroden enthalten Kohlenstoff. Ein Platinkatalysator zum Verstärken der Energieerzeugungsreaktion wird an einer Schnittstelle zwischen der Elektrode und der Elektrolytmembran gehalten. Jede der Zellen 11 ist mit (nicht veranschaulichten) Sammelrohren für die Reaktionsgase und ein Kühlmittel versehen. Die Reaktionsgase in den Sammelrohren werden einer Energieerzeugungsregion in jeder der Zellen 11 durch Gasströmungspfade, die an der Zelle 11 angeordnet sind, zugeführt.
Die Steuereinheit 20 empfängt eine Energieerzeugungsanforderung von einem Energieabnehmer 200 und steuert Komponenten des Brennstoffzellensystems 100, die später noch beschrieben werden, so, dass in Reaktion auf die Anforderung ein Ausgangsstrom aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgegeben wird.
Die Kathodengaszufuhreinheit 30 umfasst ein Kathodengasrohr 31, einen Luftkompressor 32 und ein Luftströmungsmessgerät 33. Das Kathodengasrohr 31 ist ein Rohr, das mit einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden ist. Der Luftkompressor 32 ist mit dem Brennstoffzellenstapel 10 durch das Kathodengasrohr 31 verbunden und liefert Luft, im Ergebnis des Verdichtens von angesaugter Außenluft, zu dem Brennstoffzellenstapel 10. Diese Luft dient als Kathodengas.
Das Luftströmungsmessgerät 33 befindet sich auf einer stromaufwärtigen Seite des Luftkompressors 32 und misst die Menge der durch den Luftkompressor 32 angesaugten Außenluft. Ein durch die Messung erhaltener Messwert wird an die Steuereinheit 20 gesendet. Die Steuereinheit 20 betreibt den Luftkompressor 32 anhand des Messwertes, um die Menge der dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführten Luft in Verbindung mit der dem Energieabnehmer 200 zugeführten Leistung zu steuern.
Die Kathodengasauslasseinheit 40 umfasst ein Kathodenabgasrohr 41, ein Druckeinstellventil 43 und eine Druckmesseinheit 44. Das Kathodenabgasrohr 41, durch das Kathodenabgas nach Außerhalb des Brennstoffzellensystems 100 ausgelassen wird, ist mit der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden. Das Druckeinstellventil 43 stellt den Druck des Kathodenabgases in dem Kathodenabgasrohr 41 ein (Staudruck des Brennstoffzellenstapels 10). Die Druckmesseinheit 44 befindet sich auf einer stromaufwärtigen Seite des Druckeinstellventils 43 und misst den Druck des Kathodenabgases. Ein durch die Messung erhaltener Messwert wird an die Steuereinheit 20 gesendet. Die Steuereinheit 20 stellt die Öffnung des Druckeinstellventils 43 anhand des durch die Druckmesseinheit 44 erhaltenen Messwertes ein.
Die Anodengaszufuhreinheit 50 umfasst ein Anodengasrohr 51, einen Wasserstofftank 52, ein Ein-Aus-Ventil 53 und einen Regler 54. Der Wasserstofftank 52 ist mit der Anode des Brennstoffzellenstapels 10 durch das Anodengasrohr 51 verbunden und ist mit Wasserstoff gefüllt, der dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt werden soll.
Das Ein-Aus-Ventil 53 und der Regler 54 sind in dem Anodengasrohr 51 in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite oder von der Seite her, die näher an dem Wasserstofftank 52 liegt, angeordnet. Das Ein-Aus-Ventil 53 wird in Reaktion auf eine Instruktion von der Steuereinheit 20 so geöffnet und geschlossen, dass der Strom des Wasserstoffs aus dem Wasserstofftank 52 gesteuert wird. Der Regler 54 ist ein Druckminderungsventil zum Einstellen des Drucks des Wasserstoffs. Die Steuereinheit 20 steuert die Öffnung des Reglers 54.
Die Anodengaszirkulations-/-auslasseinheit 60 umfasst ein Anodenabgasrohr 61, einen Gas-Flüssigkeit-Separator 62, ein Anodengaszirkulationsrohr 63, eine Wasserstoffzirkulationspumpe 64, ein Anodenwasserauslassrohr 65 und ein Wasserauslassventil 66. Das Anodenabgasrohr 61 verbindet einen Auslass der Anode des Brennstoffzellenstapels 10 und den Gas-Flüssigkeit-Separator 62 miteinander und führt Anodenabgas, einschließlich nicht-reagierten Gases (wie zum Beispiel Wasserstoff und Stickstoff), das nicht bei der Energieerzeugungsreaktion verwendet wurde, zu dem Gas-Flüssigkeit-Separator 62.
Der Gas-Flüssigkeit-Separator 62 ist mit dem Anodengaszirkulationsrohr 63 und dem Anodenwasserauslassrohr 65 verbunden. Der Gas-Flüssigkeit-Separator 62 trennt das Anodenabgas in eine Gaskomponente und Wasser, die zu dem Anodengaszirkulationsrohr 63 bzw. dem Anodenwasserauslassrohr 65 geführt werden.
Das Anodengaszirkulationsrohr 63 ist mit dem Anodengasrohr 51 verbunden. Das Anodengaszirkulationsrohr 63 ist mit der Wasserstoffzirkulationspumpe 64 versehen, die Wasserstoff, in der Gaskomponente infolge der Trennung durch den Gas-Flüssigkeit-Separator 62, zu dem Anodengasrohr 51 pumpt. Auf diese Weise lässt das Brennstoffzellensystem 100 den Wasserstoff in dem Anodenabgas zirkulieren, um erneut dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt zu werden. Dadurch wird Wasserstoff effizienter verwendet.
Das Wasser, infolge der Trennung durch den Gas-Flüssigkeit-Separator 62, wird nach außerhalb des Brennstoffzellensystems 100 durch das Anodenwasserauslassrohr 65 ausgelassen. Das Wasserauslassventil 66 ist in dem Anodenwasserauslassrohr 65 angeordnet und öffnet und schließt in Reaktion auf eine Instruktion von der Steuereinheit 20. Die Steuereinheit 20 hält das Wasserauslassventil 66 während des normalen Betriebes des Brennstoffzellensystems 100 geschlossen und öffnet das Wasserauslassventil 66 an einem im Voraus eingestellten, zuvor festgelegten Wasserauslasszeitpunkt oder einem Zeitpunkt zum Auslassen von Inertgas in dem Anodenabgas.
Die Kühlmittelzufuhreinheit 70 umfasst ein Kühlmittelrohr 71, einen Radiator 72, eine Kühlmittelzirkulationspumpe 73 und eine Kühlmitteltemperatur-Messeinheit 74. Das Kühlmittelrohr 71, durch das ein Kühlmittel zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels 10 zirkuliert, verbindet ein Einlass-Sammelrohr und ein Auslass-Sammelrohr für das Kühlmittel, das dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeleitet wird. Der Radiator 72 ist an dem Kühlmittelrohr 71 angeordnet und kühlt das Kühlmittel durch Wärmetausch zwischen dem Kühlmittel, das in dem Kühlmittelrohr 71 strömt, und der Außenluft.
Die Kühlmittelzirkulationspumpe 73 ist weiter auf einer stromabwärtigen Seite als der Radiator 72 (näher an einem Kühlmitteleinlass des Brennstoffzellenstapels 10) an dem Kühlmittelrohr 71 angeordnet und pumpt das durch den Radiator 72 gekühlte Kühlmittel zu dem Brennstoffzellenstapel 10. Die Kühlmitteltemperatur-Messeinheit 74 ist nahe einem Kühlmittelauslass des Brennstoffzellenstapels 10 an dem Kühlmittelrohr 71 angeordnet und sendet den Messwert an die Steuereinheit 20. Die Steuereinheit 20 detektiert eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 10 anhand des Messwertes von der Kühlmitteltemperatur-Messeinheit 74. Die Steuereinheit 20 steuert den Radiator 72 und die Kühlmittelzirkulationspumpe 73 anhand des Detektionsergebnisses, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 einzustellen.
2 ist ein Schaubild, das schematisch eine elektrische Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 100 veranschaulicht. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 82, einen Gleichstrom/Wechselstrom-Inverter 83, eine Zellenspannungsmesseinheit 91, eine Strommesseinheit 92, eine Signalüberlagerungseinheit 93 und eine Zellenstrommesseinheit 94.
Der Brennstoffzellenstapel 10 ist mit dem Gleichstrom/Wechselstrom-Inverter 83 durch Gleichstromleitungen GSL verbunden. Der Gleichstrom/Wechselstrom-Inverter 83 ist mit dem Energieabnehmer 200 verbunden.
Der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 82 misst einen Spannungswert des Ausgangsstroms und speist das Messergebnis in die Steuereinheit 20 ein. Der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 82 stellt einen Spannungspegel der Gleichstromleitungen GSL in Reaktion auf eine Instruktion von der Steuereinheit 20 ein. Der Gleichstrom/Wechselstrom-Inverter 83 konvertiert den von dem Brennstoffzellenstapel 10 erhaltenen Gleichstrom in Wechselstrom und liefert den Strom an den Energieabnehmer 200.
Die Zellenspannungsmesseinheit 91 ist mit jeder der Zellen 11 des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden und misst einen Spannungswert oder eine Zellenspannung von jeder der Zellen 11. Die Zellenspannungsmesseinheit 91 sendet das so erhaltene Messergebnis an die Steuereinheit 20.
Die Strommesseinheit 92 ist mit den Gleichstromleitungen GSL verbunden, misst einen Stromwert des Ausgangsstroms von dem Brennstoffzellenstapel 10 und sendet den so erhaltenen Wert an die Steuereinheit 20. Die Zellenstrommesseinheit 94 ist mit jeder der Zellen 11 des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden und misst einen lokalen Stromwert einer jeden der Zellen 11. Die Zellenstrommesseinheit 94 sendet das so erhaltene Messergebnis an die Steuereinheit 20.
Die Signalüberlagerungseinheit 93 legt ein Wechselstromsignal über den Ausgangsstrom von dem Brennstoffzellenstapel 10. 3 ist ein Kurvendiagramm, das veranschaulicht, wie der Stromwert des Ausgangsstroms, auf den das Wechselstromsignal angewendet wird, sich im zeitlichen Verlauf verändert. Der Stromwert des durch die Signalüberlagerungseinheit 93 überlagerten Wechselstromsignals ist gesteuert.
Die Signalüberlagerungseinheit 93 bestimmt eine Frequenz der Wechselstromkomponente in Reaktion auf eine Instruktion von der Steuereinheit 20. Zwei Frequenzen werden für die Wechselstromkomponente anhand der Instruktion von der Steuereinheit 20 bestimmt. Dadurch hat die Wechselstromkomponente zwei Frequenzkomponenten, wie aus 3 zu erkennen ist. Die zwei Frequenzen umfassen eine niedrigere Frequenz, die als eine niedrige Frequenz f_L bezeichnet wird, und einer höhere Frequenz, die als eine hohe Frequenz f_H bezeichnet wird. Zum Beispiel beträgt die niedrige Frequenz f_L 1 bis 150 Hz. Die niedrige Frequenz f_L kann 50 Hz betragen, wenn eine Phasendifferenz, die später noch beschrieben wird, innerhalb eines Bereichs zwischen B und C liegt. Zum Beispiel beträgt die hohe Frequenz f_H 200 Hz oder mehr. Somit werden die hohe Frequenz f_H und die niedrige Frequenz f_L einfach aufgrund ihrer relativen Beziehung als hoch und niedrig bezeichnet und entsprechen nicht unbedingt den allgemeinen Begriffen von „hoher Frequenz“ und „niedriger Frequenz“.
Die Steuereinheit 20 berechnet eine Impedanz für jede der Zellen 11 anhand der Messwerte von der Zellenspannungsmesseinheit 91 und der Zellenstrommesseinheit 94. Die Impedanz wird für jede der niedrigen Frequenz f_L und der hohen Frequenz f_H berechnet. Die Steuereinheit 20 umfasst eine Phasendifferenzerfassungseinheit 21, die dafür ausgestaltet ist, eine Phasendifferenz zwischen einem Strom und einer Spannung eines alternierenden Signals zu erfassen, eine Berechnungseinheit 22, die dafür ausgestaltet ist, eine Wassermenge in den Zellen 11 anhand des alternierenden Signals zu berechnen, und eine Verwendungsbestimmungseinheit 23, die dafür ausgestaltet ist zu bestimmen, ob das Berechnungsergebnis der Berechnungseinheit 22 nicht verwendet werden soll.
4 ist ein Funktionsblockschaubild, das veranschaulicht, wie ein erster Diffusionswiderstand R_wet berechnet wird. Der erste Diffusionswiderstand R_wet ist ein Parameter in der Einheit von [s/m], der Diffusionseigenschaften in Abhängigkeit von der Flutung oder dem Wassergehalt in dem Brennstoffzellenstapel 10 anzeigt. Der erste Diffusionswiderstand R_wet wird zum Berechnen eines Wassergehalts verwendet, wie später noch beschrieben wird.
Die Funktionsblöcke zum Berechnen des ersten Diffusionswiderstandes R_wet umfassen eine Widerstandsberechnungseinheit 533a, eine Begrenzungsstromdichteberechnungseinheit 533b, eine Gasdiffusionswiderstandsberechnungseinheit 533c, eine zweite Diffusionswiderstandsberechnungseinheit 533d und eine erste Diffusionswiderstandsberechnungseinheit 533e. Die Steuereinheit 20 implementiert diese Funktionen durch Ausführen eines Computerprogramms.
Die Widerstandsberechnungseinheit 533a berechnet einen Protonentransferwiderstand R_mem und einen Gasreaktionswiderstand R_ct für jede der Zellen 11. Der Protonentransferwiderstand R_mem ist eine Komponente, die durch Konvertieren einer Widerstandsüberspannung erhalten wird. Die Widerstandsüberspannung steigt in dem Maße, wie die Elektrolytmembran trocknet. Der Gasreaktionswiderstand R_ct ist eine Komponente, die durch Konvertieren einer Aktivierungsüberspannung und einer Konzentrationsüberspannung erhalten wird.
Die Widerstandsberechnungseinheit 533a berechnet den Protonentransferwiderstand R_mem anhand einer Impedanz bei der hohen Frequenz f_H. Die Widerstandsberechnungseinheit 533a berechnet den Gasreaktionswiderstand R_ct unter Verwendung einer Impedanz bei der niedrigen Frequenz f_L und des Protonentransferwiderstands R_mem
Wie der Protonentransferwiderstand R_mem und der Gasreaktionswiderstand R_ct berechnet werden, wird unten unter Bezug auf 5 und 6 beschrieben. 5 und 6 sind Diagramme, die Cole-Cole-Kurven veranschaulichen. Cole-Cole-Kurvendiagramme sind Kennliniendiagramme, die eine Beziehung zwischen einer Frequenz und einer Impedanz auf einer komplexen Ebene veranschaulichen.
Wie in 6 gezeigt, entspricht ein Wert in einer realen Achse der Impedanz bei der hohen Frequenz f_H dem Protonentransferwiderstand R_mem, und ein Wert zwischen zwei Querabschnitten der Spur der Impedanzkurve, die eine Bogenform aufweist, und der realen Achse entspricht dem Gasreaktionswiderstand R_ct.
Genauer gesagt, wird der Protonentransferwiderstand R_mem anhand eines absoluten Wertes R1 und einer Phase θ1 der Impedanz bei der hohen Frequenz f_H unter Verwendung der folgenden Gleichung F1 berechnet. $R_{mem} = R_{1} cos θ_{1}$
Die Komponenten φ und A, welche die Kennlinie des Gasreaktionswiderstandes R_ct in der Impedanz bei der niedrigen Frequenz f_L zeigen, werden anhand des absoluten Wertes R₁ und eines absoluten Wertes R₂ der Impedanz bei der hohen bzw. der niedrigen Frequenz f_H und f_L und einer Phase θ₂ unter Verwendung der folgenden Gleichungen F2 und F3 berechnet. $φ= {tan}^{- 1} [(R_{2} sin θ_{2}) / {(R_{2} cos θ_{2}) - R_{mem}}]$
$A= (R_{2} sin θ_{2}) / (sin φ)$
Der Gasreaktionswiderstand R_ct wird anhand der berechneten Werte φ und A (die durch die oben beschriebenen Gleichungen F2 und F3 erhalten werden) unter Verwendung der folgenden Gleichung F4 berechnet. $R_{ct} = A / cos φ$
Die Begrenzungsstromdichteberechnungseinheit 533b berechnet eine Begrenzungsstromdichte I_lim. Genauer gesagt, wird die Begrenzungsstromdichte I_lim durch die folgenden Gleichungen F5 bis F9 berechnet. $I_{lim} = {e^{β} / (e^{β} - 1)} I$
$β = (η_{c} nF) / (2 RT)$
$η_{c} = Eo - E - η_{a} - η_{R}$
$η_{a} = {(RT) / (2 α F)} ln (I / Io)$
$η_{R} = {IR}_{mem}$
In den Gleichungen F5 bis F9 bezeichnet „F“ die Faraday-Konstante, „R“ bezeichnet eine Gaskonstante, „T“ bezeichnet einen Temperatur, „n“ bezeichnet eine Konstante, „I“ bezeichnet eine Stromdichte, „Io“ bezeichnet eine Austauschstromdichte, „E“ bezeichnet eine Steuerspannung, „Eo“ bezeichnet eine theoretische elektromotorische Spannung, „η_c“ bezeichnet eine Konzentrationsüberspannung, „η_a“ bezeichnet eine Aktivierungsüberspannung, „η_R“ bezeichnet eine Widerstandsüberspannung und „a“ bezeichnet einen Elektrische-Ladung-Bewegungskoeffizienten (a-Konstante).
Die Gasdiffusionswiderstandsberechnungseinheit 533c berechnet einen Gasdiffusionswiderstand R_total, der ein Parameter in der Einheit von [s/m] ist und der eine Schwierigkeit bezeichnet, dass Reaktionsgas in die Katalysatorschichten. Der Gasdiffusionswiderstand R_total umfasst den ersten Diffusionswiderstand R_wet und einen zweiten Diffusionswiderstand R_dry, das heißt R_total = R_wet + R_dry. Der zweite Diffusionswiderstand R_dry bezeichnet Diffusionseigenschaften in Abhängigkeit vom Trockenzustand.
Die Gasdiffusionswiderstandsberechnungseinheit 533c berechnet den Gasdiffusionswiderstand R_total anhand einer im Voraus gespeicherten mathematischen Funktion. Diese mathematische Funktion wird als ein Funktionsmodell im Hinblick auf die Korrelationseigenschaften des Gasdiffusionswiderstands R_total, der Begrenzungsstromdichte I_lim und des Gasreaktionswiderstands R_ct erhalten. Genauer gesagt, berechnet die Gasdiffusionswiderstandsberechnungseinheit 533c gemäß der vorliegenden Ausführungsform den Gasdiffusionswiderstand R_total anhand der Begrenzungsstromdichte I_lim und des Gasreaktionswiderstands R_ct unter Verwendung der folgenden Gleichung F10. $R_{total} = ρ (I_{lim} / R_{ct}) ξ$
Die Werte ρ und ξ in der Gleichung F10 sind konstante Werte, die durch Einpassen tatsächlich gemessener Werte und geschätzter Werte des Gasdiffusionswiderstands und des geschätzten Gasdiffusionswiderstands erhalten werden. Die tatsächlich gemessenen Werte des Gasdiffusionswiderstands werden im Voraus anhand der Begrenzungsstromdichte gemessen, wenn die Gaskonzentration des Reaktionsgases in der Zelle 11 variiert wird. Der geschätzte Gasdiffusionswiderstand wird durch den Gasreaktionswiderstand R_ct und die Begrenzungsstromdichte I_lim berechnet.
Die oben beschriebene Gleichung F10 ist ein Beispiel eines mathematischen Funktionsmodells im Hinblick auf die Korrelationseigenschaften. Gleichung F10 wird durch Definieren des Gasreaktionswiderstands Ret und der Begrenzungsstromdichte I_lim als eine Funktion des Gasdiffusionswiderstands R_total und einer Gaskonzentration des Reaktionsgases erhalten und Löschen von Termen bezüglich der Gaskonzentration des Reaktionsgases aus diesen Funktionen erhalten.
Die zweite Diffusionswiderstandsberechnungseinheit 533d berechnet den zweiten Diffusionswiderstand R_dry. Ähnlich dem Protonentransferwiderstand R_mem hat der zweite Diffusionswiderstand R_dry die Eigenschaft, in dem Maße größer zu werden, wie die Feuchtigkeit RF in dem Brennstoffzellenstapel 10 abnimmt. Der Protonentransferwiderstand R_mem ist mit der Feuchtigkeit RF korreliert, wie in der folgenden Gleichung F11 gezeigt. Des Weiteren verhält sich der zweite Diffusionswiderstand R_dry proportional zum reziproken Wert eines Diffusionskoeffizienten D_dry, der mit Feuchtigkeit RF korreliert ist, wie in der folgenden Gleichung F12 gezeigt. $RF \propto B {(R_{mem})}^{C}$
$R_{dry} \propto D (σ / D_{dry})$
Die in Gleichung F11 verwendeten Zeichen „B“ und „C“ bezeichnen konstante Werte, und „D“ und „σ“, die in Gleichung F12 verwendet werden, bezeichnen einen konstanten Wert bzw. eine Dicke der Diffusionsschicht in der Zelle 11.
Die zweite Diffusionswiderstandsberechnungseinheit 533d berechnet die Feuchtigkeit RF in dem Brennstoffzellenstapel 10 anhand des Protonentransferwiderstands R_mem unter Verwendung einer Steuerungskarte. Diese Steuerungskarte wird im Voraus gespeichert und definiert die Korrelation zwischen dem Protonentransferwiderstand R_mem und der Feuchtigkeit RF.
Die zweite Diffusionswiderstandsberechnungseinheit 533d berechnet den zweiten Diffusionswiderstand R_dry anhand der Feuchtigkeit RF, die unter Verwendung der Gleichung F12 und einer Steuerungskarte berechnet wurde. Diese Steuerungskarte wird im Voraus gespeichert und definiert die Korrelation zwischen der Feuchtigkeit RF und dem Diffusionskoeffizienten D_dry.
Die erste Diffusionswiderstandsberechnungseinheit 533e subtrahiert den zweiten Diffusionswiderstand R_dry von dem Gasdiffusionswiderstand R_total und erhält das Subtraktionsergebnis als den ersten Diffusionswiderstand R_wet (= R_total - R_dry). Als Nächstes wird beschrieben, wie der Wassergehalt unter Verwendung des ersten Diffusionswiderstands R_wet berechnet wird.
7 ist ein Flussdiagramm, das eine Wassergehalt-Berechnungsverarbeitung veranschaulicht, die durch die Steuereinheit 20 ausgeführt wird. Die Steuereinheit 20 führt periodisch die Wassergehalt-Berechnungsverarbeitung aus, während das Brennstoffzellensystem 100 arbeitet.
Zuerst wird eine Phasendifferenz der niedrigen Frequenz f_L erfasst (S310). Die Phasendifferenz der niedrigen Frequenz f_L wird im Folgenden einfach als eine „Phasendifferenz“ bezeichnet. Die Phasendifferenz ist eine Differenz, die durch Subtrahieren der Phase der durch den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 82 gemessenen niedrigen Frequenz f_L von der Phase der niedrigen Frequenz f_L des durch die Signalüberlagerungseinheit 93 überlagerten Signals erhalten wird. Der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 82 misst Spannungen, und dadurch wird die durch den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 82 gemessene niedrige Frequenz f_L als eine Wechselstromkomponente des Stromwertes gemessen.
Als Nächstes wird bestimmt, in welchem Bereich die Phasendifferenz vorhanden ist (S320). 8 ist ein Kurvendiagramm, das ein Ergebnis eines Experiments zum Untersuchen einer Beziehung zwischen einem Wassergehalt-Messfehler und der Phasendifferenz veranschaulicht. Der Wassergehalt-Messfehler ist eine Differenz, die durch Subtrahieren eines tatsächlich gemessenen Wertes eines Wassergehalts von einem Wert des anhand des ersten Diffusionswiderstands R_wet berechneten Wassergehalts erhalten wird. Der Wassergehalt im Sinne des vorliegenden Textes ist eine Masse von Wasser in einer einzelnen Zelle 11.
Der Wassergehalt W wird anhand des ersten Diffusionswiderstands R_wet unter Verwendung der folgenden Gleichung F13 berechnet. $W = 10^{- 8} R_{wet}^{4} - 10^{- 7} R_{wet}^{3} - 10^{- 5} R_{wet}^{2} + 7 R_{wet}^{- 4}$
Die Gleichung F13 ist eine Näherungsgleichung, die anhand der tatsächlich gemessenen Werte des Wassergehalts in der Zelle 11 erhalten wird, der erhalten wird, wenn sich der erste Diffusionswiderstand R_wet in der Zelle 11 geändert hat.
Der Messfehler liegt innerhalb eines Bereichs von ±0,25 g/Zelle, wenn die Phasendifferenz innerhalb des Bereichs zwischen B (-45° in der vorliegenden Ausführungsform) und C (-29° in der vorliegenden Ausführungsform) liegt, wie in 8 veranschaulicht. Wenn also die Phasendifferenz innerhalb des Bereichs zwischen B und C liegt, so kann der Wassergehalt korrekt unter Verwendung der Gleichung F13 berechnet werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein absoluter Wert von B als ein zweiter absoluter Wert bezeichnet, und ein absoluter Wert von C wird als ein dritter absoluter Wert bezeichnet. In ähnlicher Weise wird ein absoluter Wert A als ein erster absoluter Wert bezeichnet, und ein absoluter Wert von D wird als ein vierter absoluter Wert bezeichnet.
In der vorliegenden Ausführungsform wird der Wassergehalt berechnet (S360), und die Wassergehalt-Berechnungsverarbeitung wird beendet, wenn die Phasendifferenz innerhalb des Bereichs zwischen B und C liegt, das heißt, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb eines Bereichs zwischen dem zweiten absoluten Wert und dem dritten absoluten Wert liegt (S320, zwischen dem zweiten absoluten Wert und dem dritten absoluten Wert).
Es wird bestimmt, ob die Hochtemperatur-Energieerzeugung ausgeführt wird (S330), wenn die Phasendifferenz innerhalb eines Bereichs zwischen A und B liegt, das heißt, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb eines Bereichs zwischen dem ersten absoluten Wert und dem zweiten absoluten Wert liegt (S320, zwischen dem ersten absoluten Wert und dem zweiten absoluten Wert). In S330 wird bestimmt, dass die Hochtemperatur-Energieerzeugung ausgeführt wird, wenn der durch die Kühlmitteltemperatur-Messeinheit erhaltene Messwert 74 mindestens so hoch ist wie eine Bezugstemperatur T1, und es wird bestimmt, dass die Hochtemperatur-Energieerzeugung nicht ausgeführt wird, wenn der durch die Kühlmitteltemperatur-Messeinheit 74 erhaltene Messwert niedriger ist als die Bezugstemperatur T1.
Wenn die Hochtemperatur-Energieerzeugung ausgeführt wird (S330, JA), so schreitet die Verarbeitung zu Schritt S360 voran, wo der Wassergehalt berechnet wird. Wenn die Hochtemperatur-Energieerzeugung nicht ausgeführt wird (S330, NEIN), so wird die Wassergehalt-Berechnungsverarbeitung beendet, ohne den Schritt S360 auszuführen.
Es ist wahrscheinlich, dass die Hochtemperatur-Energieerzeugung das Trocknen unterstützt. Daher ist es dringend notwendig, dass der Wassergehalt berechnet wird, während die Hochtemperatur-Energieerzeugung ausgeführt wird. Wenn jedoch der berechnete Wassergehalt viel größer ist als ein tatsächlicher Wassergehalt, so führt dies zu einer fehlerhaften Bestimmung, die NASS angibt, selbst wenn der tatsächliche Status TROCKEN ist. Daher ist es ratsam, sich nicht auf den berechneten Wassergehalt in einer Situation zu verlassen, die wahrscheinlich zu einem größeren Wert als dem tatsächlichen Wassergehalt führt, während die Hochtemperatur-Energieerzeugung ausgeführt wird. Der Messfehler eines positiven Wertes zeigt an, dass ein Wert, der größer als der tatsächliche Wassergehalt ist, berechnet wird. Der Messfehler ist wahrscheinlich ein positiver Wert, wenn die Phasendifferenz größer ist als C, das heißt, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz kleiner ist als der dritte absolute Wert.
Und auch, wenn der Messfehler wahrscheinlich ein negativer Wert ist, ist es nicht ratsam, sich auf den berechneten Wassergehalt in einer Situation zu verlassen, die zu einem übermäßig großen absoluten Wert des Messfehlers führt. Der absolute Wert des Messfehlers wird übermäßig groß, wenn die Phasendifferenz kleiner ist als A (-61° in der vorliegenden Ausführungsform), das heißt, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz größer ist als der erste absolute Wert. Wenn also die Hochtemperatur-Energieerzeugung ausgeführt wird, so wird der Wassergehalt berechnet, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb eines Bereichs zwischen dem ersten absoluten Wert und dem dritten absoluten Wert liegt. Es ist anzumerken, dass Schritt S330 ausgeführt wird, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb des Bereichs zwischen dem ersten absoluten Wert und dem zweiten absoluten Wert liegt, da der Wassergehalt ungeachtet dessen berechnet wird, ob die Hochtemperatur-Energieerzeugung ausgeführt wird, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb des Bereichs zwischen dem zweiten absoluten Wert und dem dritten absoluten Wert liegt.
Wenn die Phasendifferenz innerhalb eines Bereichs zwischen C und D liegt (-21° in der vorliegenden Ausführungsform), das heißt, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb eines Bereichs zwischen dem dritten absoluten Wert und dem vierten absoluten Wert liegt (S320, zwischen dem dritten absoluten Wert und dem vierten absoluten Wert), so wird bestimmt, ob eine Niedrigtemperatur-Energieerzeugung ausgeführt wird (S340). In Schritt S340 wird bestimmt, dass die Niedrigtemperatur-Energieerzeugung ausgeführt wird, wenn der durch die Kühlmitteltemperatur-Messeinheit 74 erhaltene Messwert kleiner ist als eine Bezugstemperatur T2, und es wird bestimmt, dass die Niedrigtemperatur-Energieerzeugung nicht ausgeführt wird, wenn der durch die Kühlmitteltemperatur-Messeinheit 74 erhaltene Messwert mindestens so groß ist wie die Bezugstemperatur T2. Die Bezugstemperatur T2 ist niedriger als die Bezugstemperatur T1.
Wenn die Niedrigtemperatur-Energieerzeugung ausgeführt wird (S340, JA), so schreitet die Verarbeitung zu Schritt S360 voran, wo der Wassergehalt berechnet wird. Wenn die Niedrigtemperatur-Energieerzeugung nicht ausgeführt wird (S340, NEIN), so wird bestimmt, ob der Spülvorgang ausgeführt wird (S350). Wenn der Spülvorgang ausgeführt wird (S350, JA), so schreitet die Verarbeitung zu Schritt S360 voran, wo der Wassergehalt berechnet wird. Wenn der Spülvorgang nicht ausgeführt wird (S350, NEIN), so wird die Wassergehalt-Berechnungsverarbeitung beendet, ohne den Schritt S360 auszuführen.
Die Niedrigtemperatur-Energieerzeugung umfasst wahrscheinlich das Fluten. Daher ist es dringend notwendig, dass der Wassergehalt berechnet wird, während die Niedrigtemperatur-Energieerzeugung ausgeführt wird. Wenn jedoch der berechnete Wassergehalt viel kleiner ist als ein tatsächlicher Wassergehalt, so führt dies zu der fehlerhaften Bestimmung, dass kein Fluten stattfindet, selbst wenn das Fluten in Wahrheit stattfindet. Daher ist es ratsam, sich nicht auf den berechneten Wassergehalt in einer Situation zu verlassen, die wahrscheinlich zu einem Wert führt, der kleiner als der tatsächlichen Wassergehalt ist, während die Niedrigtemperatur-Energieerzeugung ausgeführt wird. Der Messfehler eines negativen Wertes zeigt an, dass ein Wert, der kleiner ist als der tatsächliche Wassergehalt, berechnet wird. Der Messfehler ist wahrscheinlich ein negativer Wert, wenn die Phasendifferenz kleiner ist als B, das heißt, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz größer ist als der zweite absolute Wert.
Und auch, wenn der Messfehler ein positiver Wert ist, ist es ratsam, sich nicht auf den berechneten Wassergehalt in einer Situation zu verlassen, die zu einem übermäßig großen absoluten Wert des Messfehlers führt. Der absolute Wert des Messfehlers wird übermäßig groß, wenn die Phasendifferenz größer ist als D, das heißt, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz kleiner ist als der vierte absolute Wert. Wenn also die Niedrigtemperatur-Energieerzeugung ausgeführt wird, so wird der Wassergehalt berechnet, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb eines Bereichs zwischen dem zweiten absoluten Wert und dem vierten absolutes Wert liegt. Es ist anzumerken, dass Schritt S340 ausgeführt wird, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb des Bereichs zwischen dem dritten absoluten Wert und dem vierten absoluten Wert liegt, weil der Wassergehalt ungeachtet dessen berechnet wird, ob die Niedrigtemperatur-Energieerzeugung ausgeführt wird, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb des Bereichs zwischen dem zweiten absoluten Wert und dem dritten absoluten Wert liegt.
Die Verarbeitung, die ausgeführt wird, wenn der Spülvorgang ausgeführt wird, ist ähnlich derjenigen, die ausgeführt wird, wenn die Niedrigtemperatur-Energieerzeugung ausgeführt wird. Das hat folgenden Grund. Und zwar wird der Spülvorgang zum Auslassen von Wasser ausgeführt. Daher ist es wahrscheinlich, dass der Spülvorgang die Berechnung des Wassergehalts erfordert, wie für den Fall, dass die Niedrigtemperatur-Energieerzeugung ausgeführt wird. Logischerweise führt ein berechneter Wert, der kleiner ist als der tatsächliche Wassergehalt, zu einem unzureichenden Spülvorgang.
Wenn in Schritt S320 bestimmt wird, dass die Phasendifferenz kleiner ist als A, das heißt, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz größer ist als der erste absolute Wert, so wird der absolute Wert des Messfehlers übermäßig groß, wie oben beschrieben. Daher wird die Wassergehalt-Berechnungsverarbeitung beendet, ohne den Schritt S360 auszuführen, und zwar ungeachtet des Betriebszustandes.
Des Weiteren wird, wenn in Schritt S320 bestimmt wird, dass die Phasendifferenz größer ist als D, das heißt, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz größer ist als der vierte absolute Wert, der absolute Wert des Messfehlers übermäßig groß, wie oben beschrieben. Daher wird die Wassergehalt-Berechnungsverarbeitung beendet, ohne den Schritt S360 auszuführen, und zwar ungeachtet des Betriebszustandes.
Im normalen Betriebszustand wird der Wassergehalt nur berechnet, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb des Bereichs zwischen dem zweiten absoluten Wert und dem dritten absoluten Wert liegt. Das liegt daran, dass die Notwendigkeit der Berechnung des Wassergehalts nicht so groß ist wie im normalen Betriebszustand. Daher braucht die Berechnung nur in einer Situation ausgeführt zu werden, die zu einer hohen Genauigkeit führt.
Mit der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Phasendifferenz der niedrigen Frequenz fL verwendet, um zu bestimmen, dass ein Ergebnis der Wassergehalt-Berechnung nicht in einer Situation verwendet wird, in der der berechnete Wert erheblich schwankt.
Es wird eine zweite Ausführungsform beschrieben. Die zweite Ausführungsform wird hauptsächlich unter Bezug auf einen Unterschied gegenüber der ersten Ausführungsform beschrieben. Dinge, die nicht beschrieben werden, sind die gleichen wie die in der ersten Ausführungsform.
9 ist ein Kurvendiagramm, das veranschaulicht, wie ein Spannungswert des Ausgangsstroms, auf den das Wechselstromsignal angewendet wird, sich im zeitlichen Verlauf verändert. Der Spannungswert des Wechselstromsignals, das durch die Signalüberlagerungseinheit 93 in der vorliegenden Ausführungsform überlagert wird, ist gesteuert.
In Schritt S310 wird in der Wassergehalt-Berechnungsverarbeitung gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Differenz zwischen einer Phase des Stromwertes des durch die Signalüberlagerungseinheit 93 überlagerten Wechselstromsignals und einer Phase des durch die Strommesseinheit 92 gemessenen Stromwertes erfasst.
In der vorliegenden Ausführungsform kann die Wassergehalt-Berechnungsverarbeitung wie in der ersten Ausführungsform ausgeführt werden, wobei der erste absolute Wert bis vierte absolute Wert durch Untersuchen der Beziehung zwischen dem Wassergehalt-Messfehler und der Phasendifferenz mittels Experiment bestimmt werden.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen, Beispiele und Modifizierungen beschränkt und kann auf verschiedene Weise implementiert werden, ohne vom Wesen der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel können die technischen Merkmale in den Ausführungsformen, Beispielen und Modifizierungen, die den technischen Merkmalen in jedem Aspekt entsprechen, der im Abschnitt „Kurzdarstellung der Erfindung“ beschrieben wurde, nach Bedarf ersetzt oder kombiniert werden, um das oben beschriebene Problem ganz oder teilweise zu lösen oder um ganz oder teilweise die oben beschriebenen vorteilhaften Auswirkungen zu erreichen. Einige technische Merkmale, die im vorliegenden Text als nicht unbedingt notwendig beschrieben sind, können nach Bedarf weggelassen werden. Zum Beispiel können die folgenden Aspekte verwendet werden.
Der Wassergehalt kann selbst in einer Situation berechnet werden, die zu einer großen Schwankung des berechneten Wertes führt, solange der berechnete Wert nicht verwendet wird.
Das Ziel der Berechnung des Wassergehalts ist nicht auf jede einzelne Zelle 11 beschränkt. Zum Beispiel kann der Wassergehalt für jedes Paar Zellen 11 oder für den gesamten Brennstoffzellenstapel 10 berechnet werden. Wenn der Wassergehalt für den gesamten Brennstoffzellenstapel 10 berechnet wird, so kann die Impedanz unter Verwendung des durch den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 82 gemessenen Spannungswertes und des durch die Strommesseinheit 92 gemessenen Stromwertes berechnet werden.
Der Wassergehalt kann für jede einzelne Zelle 11 und für den gesamten Brennstoffzellenstapel 10 berechnet werden.
Der Wassergehalt braucht nicht berechnet zu werden, selbst wenn die Hochtemperatur-Energieerzeugung ausgeführt wird, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb eines Bereichs zwischen dem ersten absoluten Wert und dem zweiten absoluten Wert liegt.
Der Wassergehalt braucht nicht berechnet zu werden, selbst wenn die Niedrigtemperatur-Energieerzeugung oder der Spülvorgang ausgeführt wird, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb eines Bereichs zwischen dem dritten absoluten Wert und dem vierten absoluten Wert liegt.
Die Funktionen und die Verarbeitung, die mit Software in den oben beschriebenen Ausführungsformen implementiert werden, können teilweise oder vollständig mit Hardware implementiert werden. Die Funktionen und die Verarbeitung, die mit Hardware implementiert werden, können teilweise oder vollständig mit Software implementiert werden. Die Hardware kann aus verschiedenen Schaltkreisen bestehen, einschließlich eines integrierten Schaltkreises, eines diskreten Schaltkreises und eines Schaltkreismoduls als eine Kombination dieser Schaltkreise.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 201777228 [0001]
JP 2014203562 A [0003]
JP 2014 [0003]
JP 203562 A [0003]

Claims

Brennstoffzellensystem (100), umfassend: einen Brennstoffzellenstapel (10), der dafür ausgestaltet ist, mehrere Zellen (11) zu enthalten und einen Ausgangsgleichstrom auszugeben, eine Signalüberlagerungseinheit (93), die dafür ausgestaltet ist, über den Ausgangsstrom ein Wechselstromsignal zu legen, dessen Stromwert gesteuert ist, wobei das Wechselstromsignal Wechselstromkomponenten mit einer ersten Frequenz und einer zweiten Frequenz, die höher ist als die erste Frequenz, umfasst, eine Spannungsmesseinheit (82), die dafür ausgestaltet ist, einen Spannungswert des Ausgangsstroms zu messen, an den das Wechselstromsignal angelegt wurde, eine Phasendifferenzerfassungseinheit (21), die dafür ausgestaltet ist, eine Phasendifferenz zwischen einer Phase der ersten Frequenz des Stromwertes in dem Wechselstromsignal und einer Phase der ersten Frequenz des durch die Spannungsmesseinheit gemessenen Stromwertes zu erfassen, eine Berechnungseinheit (22), die dafür ausgestaltet ist, eine Wassermenge in mindestens einer der mehreren Zellen unter Verwendung des Wechselstromsignals zu berechnen, und eine Verwendungsbestimmungseinheit (23), die für Folgendes ausgestaltet ist: Bestimmen, dass ein durch die Berechnungseinheit erhaltenes Berechnungsergebnis nicht verwendet werden soll, wenn mindestens eine Bedingung, dass ein absoluter Wert der Phasendifferenz größer ist als ein erster absoluter Wert (A), und eine Bedingung, dass der absolute Wert der Phasendifferenz kleiner ist als ein vierter absoluter Wert (D), erfüllt sind, und Bestimmen, dass das durch die Berechnungseinheit erhaltene Berechnungsergebnis zu verwenden ist, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb eines Bereichs zwischen einem zweiten absoluten Wert (B), der kleiner ist als der erste absolute Wert, und einem dritten absoluten Wert (C), der größer ist als der vierte absolute Wert, liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, das des Weiteren eine Strommesseinheit (92) umfasst, die dafür ausgestaltet ist, einen Stromwert des Ausgangsstroms zu messen, an den das Wechselstromsignal angelegt wurde, wobei die Berechnungseinheit dafür ausgestaltet ist, eine Wassermenge in dem Brennstoffzellenstapel insgesamt zu berechnen, indem eine Impedanz, die der ersten Frequenz entspricht, und eine Impedanz, die der zweiten Frequenz entspricht, erhalten werden, wofür Messergebnisse verwendet werden, die durch die Strommesseinheit und die Spannungsmesseinheit erhalten werden.
Brennstoffzellensystem (100), umfassend: einen Brennstoffzellenstapel (10), der dafür ausgestaltet ist, mehrere Zellen (11) zu enthalten und einen Ausgangsgleichstrom auszugeben, eine Signalüberlagerungseinheit (93), die dafür ausgestaltet ist, über den Ausgangsstrom ein Wechselstromsignal zu legen, dessen Spannungswert gesteuert ist, wobei das Wechselstromsignal Wechselstromkomponenten mit einer ersten Frequenz und einer zweiten Frequenz, die höher ist als die erste Frequenz, umfasst, eine Strommesseinheit (92), die dafür ausgestaltet ist, einen Stromwert des Ausgangsstroms zu messen, an den das Wechselstromsignal angelegt wurde, eine Phasendifferenzerfassungseinheit (21), die dafür ausgestaltet ist, eine Phasendifferenz zwischen einer Phase der ersten Frequenz eines Spannungswertes in dem Wechselstromsignal und einer Phase der ersten Frequenz des durch die Strommesseinheit gemessenen Stromwertes zu erfassen, eine Berechnungseinheit (22), die dafür ausgestaltet ist, eine Wassermenge in mindestens einer der mehreren Zellen unter Verwendung des Wechselstromsignals zu berechnen, und eine Verwendungsbestimmungseinheit (23), die für Folgendes ausgestaltet ist: Bestimmen, dass ein durch die Berechnungseinheit erhaltenes Berechnungsergebnis nicht verwendet werden soll, wenn mindestens eine Bedingung, dass ein absoluter Wert der Phasendifferenz größer ist als ein erster absoluter Wert (A), und eine Bedingung, dass der absolute Wert der Phasendifferenz kleiner ist als ein vierter absoluter Wert (D), erfüllt sind, und Bestimmen, dass das durch die Berechnungseinheit erhaltene Berechnungsergebnis zu verwenden ist, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb eines Bereichs zwischen einem zweiten absoluten Wert (B), der kleiner ist als der erste absolute Wert, und einem dritten absoluten Wert (C), der größer ist als der vierte absolute Wert, liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, das des Weiteren eine Spannungsmesseinheit (82) umfasst, die dafür ausgestaltet ist, einen Spannungswert des Ausgangsstroms zu messen, an den das Wechselstromsignal angelegt wurde, wobei die Berechnungseinheit dafür ausgestaltet ist, eine Wassermenge in dem Brennstoffzellenstapel insgesamt zu berechnen, indem eine Impedanz, die der ersten Frequenz entspricht, und eine Impedanz, die der zweiten Frequenz entspricht, erhalten werden, wofür Messergebnisse verwendet werden, die durch die Strommesseinheit und die Spannungsmesseinheit erhalten werden.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, des Weiteren umfassend: eine Zellenstrommesseinheit (94), die dafür ausgestaltet ist, einen Stromwert von Strom an einem Teil der mehreren Zellen zu erfassen, und eine Zellenspannungsmesseinheit (91), die dafür ausgestaltet ist, einen Spannungswert von Spannung an dem Teil der mehreren Zellen zu messen, wobei die Berechnungseinheit dafür ausgestaltet ist, eine Wassermenge in dem Teil der Zellen anhand von Messergebnissen zu berechnen, die durch die Zellenstrommesseinheit und die Zellenspannungsmesseinheit erhalten werden.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Verwendungsbestimmungseinheit dafür ausgestaltet ist zu bestimmen, das durch die Berechnungseinheit erhaltene Berechnungsergebnis zu verwenden, während eine niedrige Energieerzeugung ausgeführt wird, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb eines Bereichs zwischen dem dritten absoluten Wert und dem vierten absoluten Wert liegt.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Verwendungsbestimmungseinheit dafür ausgestaltet ist zu bestimmen, das durch die Berechnungseinheit erhaltene Berechnungsergebnis zu verwenden, während ein Spülvorgang ausgeführt wird, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb eines Bereichs zwischen dem dritten absoluten Wert und dem vierten absoluten Wert liegt.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Verwendungsbestimmungseinheit dafür ausgestaltet ist zu bestimmen, das durch die Berechnungseinheit erhaltene Berechnungsergebnis zu verwenden, während eine hohe Energieerzeugung ausgeführt wird, wenn der absolute Wert der Phasendifferenz innerhalb eines Bereichs zwischen dem ersten absoluten Wert und dem zweiten absoluten Wert liegt.