DE102018113318A1

DE102018113318A1 - Überprüfungsverfahren für Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102018113318A1
Application number: DE102018113318.9A
Authority: DE
Inventors: Manabu Takahashi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2018-06-05
Publication date: 2018-12-27
Also published as: CN109103481A; JP6801594B2; US20180375119A1; JP2019008899A; US11127961B2; CN109103481B

Abstract

Das Überprüfungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel, der eine Mehrzahl an Einheitszellen umfasst, weist Folgendes auf: (a) Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das den Brennstoffzellenstapel und einen Anodengas-Zirkulationsströmungspfad umfasst, der zwischen einer Anodengas-Austragsöffnung und einer Anodengas-Zufuhröffnung des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, um Anodengas zu zirkulieren, unter einer vorgegebenen Bedingung, bei der flüssiges Wasser angesammelt wird, um flüssiges Wasser in dem Anodengas-Zirkulationsströmungspfad anzusammeln; (b) Veranlassen, nach Schritt (a), dass das Brennstoffzellensystem anhält und wartet, bis eine vorgegebene Neustartbedingung erfüllt ist; und (c) Neustarten des Brennstoffzellensystems nach Schritt (b), um die Stromerzeugung durch den Brennstoffzellenstapel zu implementieren, und Messen einer Spannung der Einheitszellen, um eine Einheitszelle zu erfassen, die negative Spannung aufweist.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-121099 , eingereicht am 21. Juni 2017, deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen wird.
HINTERGRUND
GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Erfassung einer Einheitszelle aus einer Mehrzahl an Einheitszellen in einem Brennstoffzellenstapel, dessen Anodengas-Einlassströmungspfad wahrscheinlich durch flüssiges Wasser verstopft bzw. blockiert ist.
STAND DER TECHNIK
Ein Anodengasströmungspfad für eine Einheitszelle in einem Brennstoffzellenstapel kann durch flüssiges Wasser, das durch eine Stromerzeugung erzeugt wird, verstopft bzw. blockiert werden. Ein Spülvorgang wird durchgeführt, um zu verhindern, dass der Anodengasströmungspfad durch das flüssige Wasser verstopft wird, wenn ein Brennstoffzellensystem angehalten werden soll. Ein in JP2014-197481A offenbartes Brennstoffzellensystem führt den Spülvorgang durch, wobei das Anodengas als Spülgas dient, um flüssiges Wasser, das in einem Ausflussströmungspfad für Anodenabgas verbleibt, aus der Einheitszelle auszustoßen. Daher wird verhindert, dass der Ausflussströmungspfad für Anodenabgas verstopft wird.
Die Erfinder fanden heraus, dass es möglicherweise eine Einheitszelle gibt, die aufgrund von einem übermäßig kleinen Durchmesser eines Anodengasströmungspfads, was einem Herstellungsfehler zuzuschreiben ist, wahrscheinlich durch flüssiges Wasser verstopft werden wird. Das Verstopfen durch das flüssige Wasser ist insbesondere bei einer Struktur mit einem örtlich kleinem Anodengasströmungspfad wahrscheinlich, wie zum Beispiel einem Anodengas-Einlassströmungspfad, der eine kammförmige Strömungspfadstruktur verwendet. Wenn der Anodengas-Einlassströmungspfad verstopft ist, tritt in einer Einheitszelle ein Mangel an Anodengas auf und sie weist eine negative Spannung auf. Daher kann die Einheitszelle nachlassen. Wenn die Einheitszellen einzeln überprüft werden, bevor der Brennstoffzellenstapel zusammengebaut wird, ist es leider schwierig, zu bestimmen, ob das Verstopfen durch das flüssige Wasser auftritt, da der lokal kleine Anodengasströmungspfad eine extrem kleine Größe aufweist. Daher ist eine Überprüfung für einen Brennstoffzellenstapel erwünscht, welche die Erfassung einer Einheitszelle ermöglicht, deren Anodengas-Einlassströmungspfad wahrscheinlich verstopft werden wird.
KURZFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung wurde vorgenommen, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen und kann in Form der folgenden Aspekte implementiert werden.
(1) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Überprüfungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel geschaffen, der eine Mehrzahl an Einheitszellen umfasst. Das Überprüfungsverfahren weist auf: (a) Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das den Brennstoffzellenstapel und einen Anodengas-Zirkulationsströmungspfad umfasst, der zwischen einer Anodengas-Austragsöffnung und einer Anodengas-Zufuhröffnung des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, um Anodengas zu zirkulieren, unter einer vorgegebenen Bedingung, bei der flüssiges Wasser angesammelt wird, um flüssiges Wasser in dem Anodengas-Zirkulationsströmungspfad anzusammeln; (b) Veranlassen nach Schritt (a), dass das Brennstoffzellensystem anhält und wartet, bis eine vorgegebene Neustartbedingung erfüllt ist; und (c) Neustarten des Brennstoffzellensystems nach Schritt (b), um eine Stromerzeugung durch den Brennstoffzellenstapel zu implementieren, und Messen einer Spannung jeder Einheitszelle, um eine Einheitszelle zu erfassen, die eine negative Spannung aufweist.
Bei dem Überprüfungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel gemäß diesem Aspekt sammelt sich aufgrund des Betriebs unter der Bedingung, bei der flüssiges Wasser angesammelt wird, das flüssige Wasser in dem Anodengas-Zirkulationsströmungspfad. Daher fließt das flüssige Wasser in dem Anodengas-Zirkulationsströmungspfad zum Zeitpunkt des Neustarts in einen Anodengas-Einlassströmungspfad von jeder Einheitszelle. Eine Einheitszelle mit übermäßig kleinem Anodengas-Einlassströmungspfad wird von dem flüssigen Wasser verstopft werden. Daher tritt bei einer Einheitszelle ein Anodengasmangel auf, während die Stromerzeugung fortfährt, und weist negative Spannung auf. Indem eine Brennstoffzelle erfasst wird, die die negative Spannung aufweist, ist es möglich, eine Einheitszelle zu erfassen, dessen Anodengas-Einlassströmungspfad wahrscheinlich verstopft ist. Während dem Bereitschaftszustand nach dem Betrieb unter der Bedingung, bei der flüssiges Wasser angesammelt wird, bewegt sich erzeugtes Wasser in jeder Einheitszelle von einer Kathodenseite zu einer Anodenseite. Daher sinkt ein räumliches Volumen des Anodengases in der Einheitszelle und die verbleibende Menge an Anodengas sinkt. Bei dieser Konfiguration ist es wahrscheinlich, dass nach dem Neustart ein Anodengasmangel in der Einheitszelle auftritt. Dies erleichtert die Erfassung der negativen Spannung, wodurch eine Einheitszelle, dessen Anodengas-Einlassströmungspfad wahrscheinlich verstopft ist, einfach erfasst wird.
(2) Gemäß einem anderen Aspekt kann der Betrieb unter der Bedingung, bei der flüssiges Wasser angesammelt wird, in dem Schritt (a) Folgendes umfassen: einen Niedriglastbetrieb, bei dem das Brennstoffzellensystem so betrieben wird, dass der Brennstoffzellenstapel eine Stromstärke erzeugt, die niedriger ist als eine Nennstromstärke des Brennstoffzellenstapels; und einen keine Leistung erzeugenden Betrieb, der nach dem Niedriglastbetrieb durchgeführt wird, bei dem die Stromerzeugung durch den Brennstoffzellenstapel angehalten wird und das Brennstoffzellensystem betrieben wird, während das Anodengas weiter in dem Anodengas-Zirkulationsströmungspfad zirkuliert.
Bei dem Überprüfungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel gemäß diesem Aspekt fließt reaktives Gas aufgrund des Niedriglastbetriebs mit einer niedrigen Durchflussmenge bzw. Strömungsrate, wodurch das erzeugte Wasser in den Einheitszellen weniger wahrscheinlich ausgetragen wird. Daher verbleibt eine große Menge an flüssigem Wasser in den Einheitszellen. Ferner tritt in dem Anodengas-Zirkulationsströmungspfad aufgrund von dem keine Leistung erzeugenden Betrieb Kondensation auf, wodurch das flüssige Wasser in dem Anodengas-Zirkulationsströmungspfad angesammelt wird.
(3) Gemäß einem weiteren Aspekt, kann der Niedriglastbetrieb auf eine derartige Art und Weise durchgeführt werden, dass eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels aufgrund des Niedriglastbetriebs auf eine vorgegebene Temperatur eines abgeschlossenen Anheizens steigt, während eine Temperatur einer Anodengas-Umwälzpumpe, die in dem Anodengas-Zirkulationsströmungspfad platziert ist, nicht die Temperatur von einem abgeschlossenen Anheizen erreicht.
Bei dem Überprüfungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel gemäß diesem Aspekt steigt die Temperatur des Anodenabgases ausreichend, während die der Anodengas-Umwälzpumpe nicht so stark steigt. Dies führt zu einer Temperaturdifferenz, die zu Kondensation in der Anodengas-Umwälzpumpe führt, wodurch eine große Menge flüssigen Wassers angesammelt wird.
(4) Gemäß einem weiteren Aspekt, kann die Neustartbedingung mindestens entweder eine Bedingung umfassen, die erfüllt wird, wenn ein vorgegebener Bereitschaftszeitraum abläuft, nachdem das Brennstoffzellensystem angehalten wurde, und/oder eine Bedingung, die erfüllt wird, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels auf eine vorgegebene Bereitschaftsabschlusstemperatur fällt.
Bei dem Überprüfungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel gemäß diesem Aspekt wird sich das Wasser ausreichend von der Kathodenseite zu der Anodenseite der Einheitszelle bewegen, wodurch eine kürzere Überprüfungszeit erzielt wird.
(5) Gemäß einem weiteren Aspekt kann der Schritt (a) ausgeführt werden, um flüssiges Wasser in einer Anodengas-Umwälzpumpe anzusammeln, die in dem Anodengas-Zirkulationsströmungspfad angeordnet ist.
Bei dem Überprüfungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel gemäß diesem Aspekt wird sich das flüssige Wasser in der Anodengas-Umwälzpumpe ansammeln, wodurch das flüssige Wasser in der Anodengas-Umwälzpumpe dem Brennstoffzellenstapel zusammen mit dem Anodengas zugeführt wird, wenn das Brennstoffzellensystem neu gestartet wird.
(6) Gemäß einem weiteren Aspekt, kann der Schritt (c) die Zufuhr von Anodengas an den Brennstoffzellenstapel umfassen, bevor die Stromerzeugung durch den Brennstoffzellenstapel beginnt, um Gas, das auf einer Anodenseite der Einheitszellen verbleibt, durch das Anodengas zu ersetzen.
Bei dem Überprüfungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel gemäß diesem Aspekt verursacht der Anodengasaustauschschritt, dass das flüssige Wasser in dem Anodengas-Zirkulationsströmungspfad in den Anodengas-Einlassströmungspfad jeder Einheitszelle fließt.
Die vorliegende Offenbarung kann in Form verschiedener anderer Aspekte als den oben ausgeführten implementiert werden. Zum Beispiel kann die vorliegende Offenbarung als Überprüfungsvorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel implementiert werden.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das eine schematische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
2 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte schematische Konfiguration eines anodenseitigen Separators von Einheitszellen darstellt.
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Überprüfungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel darstellt.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für einen Ansammlungsvorgang von flüssigem Wasser darstellt.
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel darstellt, wie sich von dem Brennstoffzellenstapel erzeugter Strom, eine Strömungsrate an zugeführtem Wasserstoff und eine Strömungsrate an zirkulierendem Wasserstoff im Laufe der Zeit während eines Überprüfungsprozesses für den Brennstoffzellenstapel ändern.
6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel darstellt, wie ein Anodengas-Einlassströmungspfad von flüssigem Wasser verstopft wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist ein Diagramm, das eine schematische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt, das mit einem Brennstoffzellenstapel 20 ausgestattet ist, welcher ein Überpüfungsziel ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Brennstoffzellenstapel 20 überprüft, während der Betrieb des Brennstoffzellensystems nachgebildet wird, wie er tatsächlich stattfindet, wenn es in einem Fahrzeug zur Leistungsabgabe installiert ist, um als Leistungsquelle für das Fahrzeug zu dienen. Das Brennstoffzellensystem 10 hat eine Konfiguration, die derjenigen eines fahrzeugeigenen Brennstoffzellensystems ähnlich ist. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst den Brennstoffzellenstapel 20, ein Anodengas-Zufuhrzirkulationssystem 50, ein Kathodengaszufuhr-/ablasssystem 30, ein Kühlmittelzirkulationssystem 70, einen Controller 80, einen Gleichspannungswandler 90, eine Leistungssteuereinheit (nachfolgend als „PCU“ bezeichnet) 91 und eine Zellüberwachungsvorrichtung 95.
Der Brennstoffzellenstapel 20 umfasst eine Endplatte 21, eine Isolierplatte 22, eine Kollektorplatte 23, eine Mehrzahl an Einheitszellen 24, eine Stromabnehmerplatte 23, eine Isolierplatte 22 und eine Endplatte 21, die in dieser Reihenfolge gestapelt sind. Die Einheitszellen 24 umfassen jeweils eine Membranelektrodenanordnung (nicht dargestellt) und zwei Separatoren, welche die Membranelektrodenanordnung sowohl von ihrer Anoden- als auch ihrer Kathodenseiten zwischen sich nehmen.
Das Anodengas-Zufuhrzirkulationssystem 50 wird von dem Controller 80 derart gesteuert, dass es dem Brennstoffzellenstapel 20 Anodengas zuführt und das Anodengas zirkuliert. In dem in 1 dargestellten Beispiel wird Wasserstoff als Anodengas verwendet. Das Anodengas-Zufuhrzirkulationssystem 50 umfasst einen Gastank 40, ein Absperrventil 41, ein Anodengaszufuhrrohr 60, einen Regler 51, einen Injektor 54, ein Anodengasrückführrohr 61, eine Anodengas-Umwälzpumpe 55, einen Gas-Flüssigkeitsabscheider 56, ein Absperrventil 57 und ein Gas-/Flüssigkeitsablassrohr 58.
Der Gastank 40 speichert Wasserstoffgas unter hohem Druck, wie beispielsweise mehrere zehn MPa. Das Anodengaszufuhrrohr 60 ist zwischen dem Gastank 40 und einer Anodengas-Zufuhröffnung 25 des Brennstoffzellenstapels 20 verbunden, um dem Brennstoffzellenstapel 20 Wasserstoff aus dem Gastank 40 zuzuführen. Das Absperrventil 41, der Regler 51 und der Injektor 54 sind an dem Anodengaszufuhrrohr 60 in dieser Reihenfolge von einer Seite, die näher an dem Gastank 40 liegt, angeordnet. Der Regler 51 passt den Wasserstoffdruck an. Der Injektor 54 injiziert Wasserstoff, dessen Druck von dem Regler 51 angepasst wurde, in die Anodengas-Zufuhröffnung 25 des Brennstoffzellenstapels 20.
Das Anodengasrückführrohr 61 durch welches das Anodengas zurückgeführt wird, ist mit einer Anodengas-Austragsöffnung 26 des Brennstoffzellenstapels 20 und einem stromabwärtsseitigen Abschnitt 60d des Anodengaszufuhrrohrs 60 verbunden. Der Gas-Flüssigkeitsabscheider 56 und die Anodengas-Umwälzpumpe 55 sind in dem Anodengasrückführrohr 61 in dieser Reihenfolge von einer Seite, die näher an der Anodengas-Austragsöffnung 26 des Brennstoffzellenstapels 20 angeordnet ist, platziert. Der Gas-Flüssigkeitsabscheider 56 trennt Gas und Flüssigkeit, die aus der Anodengas-Austragsöffnung 26 des Brennstoffzellenstapels 20 ausgestoßen werden. Das aus der Anodengas-Austragsöffnung 26 ausgestoßene Gas umfasst hauptsächlich Wasserstoff, der nicht zu der Stromerzeugung beigetragen hat, Stickstoff, der sich von einer Kathodenseite zu einer Anodenseite durch die Einheitszellen 24 bewegt hat, und Wasserdampf, der durch die Stromerzeugung erzeugt wurde. Die aus der Anodengas-Austragsöffnung 26 ausgetragene Flüssigkeit umfasst hauptsächlich flüssiges Wasser, das durch die Stromerzeugung produziert wurde. Der Gas-Flüssigkeitsabscheider 56 trennt unter anderem Stickstoff und flüssiges Wasser und lässt Stickstoff und das flüssige Wasser durch das Absperrventil 57 und das Gas-/Flüssigkeitsablassrohr 58 nach Außen ab. In dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 56 verbleibender Wasserstoff und Wasserdampf werden von der Anodengas-Umwälzpumpe 55 an das Anodengasrückführrohr 61 als Anodengas zurückgeführt, um dem Brennstoffzellenstapel 20 durch den stromabwärtsseitigen Abschnitt 60d des Anodengaszufuhrrohrs 60 erneut zugeführt zu werden. Das Anodengasrückführrohr 61, der stromabwärtsseitige Abschnitt 60d des Anodengaszufuhrrohrs 60, der Gas-Flüssigkeitsabscheider 56 und die Anodengas-Umwälzpumpe 55 bilden einen Anodengas-Zirkulationsströmungspfad 62, der zwischen der Anodengas-Austragsöffhung 26 und der Anodengas-Zufuhröffnung 25 des Brennstoffzellenstapels 20 verbunden ist, und zirkuliert das Anodengas.
Das Kathodengaszufuhr-/ablasssystem 30 wird von dem Controller 80 derart gesteuert, dass es Kathodengas an den Brennstoffzellenstapel 20 zuführt und daraus ausstößt. In dem in 1 dargestellten Beispiel wird Luft als Kathodengas verwendet. Das Kathodengaszufuhr-/ablasssystem 30 umfasst ein Kathodengaszufuhrrohr 32, einen Verdichter 31, ein Dreiwegeventil 33, ein Bypassrohr 38, ein Druckregelventil 36 und ein Kathodengasablassrohr 39.
Das Kathodengaszufuhrrohr 32 ist mit dem Brennstoffzellenstapel 20 verbunden und führt dem Brennstoffzellenstapel 20 die Luft zu, die von der Außenseite her bezogen wurde. Ein Außentemperatursensor 35, ein Luftdurchflussmesser 34, der Verdichter 31 und das Dreiwegeventil 33 sind in dem Kathodengaszufuhrrohr 32 in dieser Reihenfolge von einer Lufteinlassseite aus gesehen platziert. Der Außentemperatursensor 35 misst die Temperatur der einzusagenden Luft. Der Luftdurchflussmesser 34 misst eine eingesaugte Luftmenge. Der Verdichter 31 verdichtet die eingesaugte Luft. Das Dreiwegeventil 33 ist mit dem Bypassrohr 38 verbunden und passt eine Strömungsrate der Luft an den Brennstoffzellenstapel 20 und das Bypassrohr 38 an. Das Bypassrohr 38 ist mit dem Kathodengasablassrohr 39 verbunden.
Das Kathodengasablassrohr 39 hat einen stromaufwärtsseitigen Endabschnitt, der mit dem Brennstoffzellenstapel 20 verbunden ist, und einen Zwischenabschnitt, der mit dem Bypassrohr 38 und dem Gas-/Flüssigkeitsablassrohr 58 des Anodengas-Zufuhrzirkulationssystems 50 verbunden ist. Das Kathodengasablassrohr 39 stößt Kathodenabgas, das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 ausgestoßen wurde, einen Teil der Luft, der abgezweigt wurde, um dem Bypassrohr 38 zugesandt zu werden, und Stickstoff und flüssiges Wasser, welches von dem Gas-/Flüssigkeitsablassrohr 58 ausgestoßen wurde, nach Außen aus. Das Kathodengasablassrohr 39 ist mit dem Druckregelventil 36 ausgestattet. Das Druckregelventil 36 ist näher an dem Brennstoffzellenstapel 20 positioniert als ein Abschnitt, wo das Kathodengasablassrohr 39 und das Bypassrohr 38 miteinander verbunden sind. Das Druckregelventil 36 passt den Druck der Luft an, die dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt wird.
Das Kühlmittelzirkulationssystem 70 wird von dem Controller 80 derart gekühlt, dass es den Brennstoffzellenstapel 20 kühlt. Das Kühlmittelzirkulationssystem 70 umfasst ein Kühlmittelzufuhrrohr 74, ein Kühlmittelablassrohr 73, einen Radiator 71, ein Bypassrohr 77, ein Dreiwegeventil 75 und eine Kühlmittelpumpe 72. Beispiele für das zu verwendende Kühlmittel umfassen Wasser, nicht gefrierendes Wasser wie Ethylenglykol und Luft. Die Kühlmittelpumpe 72 ist in dem Kühlmittelzufuhrrohr 74 angeordnet und führt dem Brennstoffzellenstapel 20 das Kühlmittel zu. Das Dreiwegeventil 75 passt die Strömungsrate des Kühlmittels zu dem Radiator 71 und dem Bypassrohr 77 an. Das Kühlmittelablassrohr 73 nahe einem Kühlmittelauslass 27 des Brennstoffzellenstapels 20 ist mit einem Kühlmittelablasstemperatursensor 76 ausgestattet. Der Kühlmittelablasstemperatursensor 76 misst die Temperatur des Kühlmittels, das durch den Kühlmittelauslass 27 des Brennstoffzellenstapels 20 fließt, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 zu messen, während das Brennstoffzellensystem 10 betrieben wird. Wenn das Brennstoffzellensystem 10 nicht betrieben wird, zirkuliert das Kühlmittel nicht. Daher wird die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 basierend auf einem Messwert geschätzt, der von dem Kühlmittelablasstemperatursensor 76 bezogen wurde, und einem Messwert, der von dem Außentemperatursensor 35 oder einem Außentemperatursensor (nicht dargestellt) für eine Klimaanlage in dem Fahrzeuginneren bezogen wurde. Eine solche Beziehung bezüglich der Temperatur wird auf einem nichtflüchtigen Speicher (nicht dargestellt) in dem Controller 80 als Kennfeld oder als Lookup-Tabelle gespeichert.
Der Controller 80 ist als Computer ausgebildet, der einen Zentralrechner (CPU) und den nichtflüchtigen Speicher umfasst, und ist insbesondere eine elektronische Steuereinheit (ECU). Der Controller 80 gibt ein Signal aus, um das Starten und Anhalten des Brennstoffzellensystems 10 zu steuern. Sobald er eine Stromerzeugungsanforderung erhält, steuert der Controller 80 die Bauteile des Brennstoffzellensystems 10 an, um den Brennstoffzellenstapel 20 zu veranlassen, Strom zu erzeugen. Der Controller 80 steuert die Zellüberwachungsvorrichtung 95, um eine Zellspannung jeder der Einheitszellen 24 in dem Brennstoffzellenstapel 20 zu messen. Ein Wert der Zellspannung jeder der Einheitszellen 24, der von der Zellüberwachungsvorrichtung 95 gemessen wird, wird an eine Zellspannungsbenachrichtigungseinheit 82 des Controllers 80 übertragen, um als Benachrichtigung nach Draußen ausgegeben zu werden.
Der Gleichspannungswandler 90 wird von dem Controller 80 angesteuert, um die Spannungsabgabe von dem Brennstoffzellenstapel 20 zu erhöhen und die daraus resultierende Spannung an die PCU 91 zuzuführen. Die PCU 91 nimmt einen Wechselrichter auf und wird von dem Controller 80 angesteuert, um die Leistung einer Last zuzuführen. Während einer später beschriebenen Überprüfung des Brennstoffzellenstapels 20 wird die PCU 91 von dem Controller 80 angesteuert, um eine von dem Brennstoffzellenstapel 20 erzeugte Stromstärke anzupassen.
2 ist ein Diagramm, das eine schematische Konfiguration eines anodenseitigen Separators 100 der Einheitszelle 24 in dem Brennstoffzellenstapel 20 (1) aus Sicht von der Seite einer Membranelektrodenanordnung zeigt. In 2 ist eine X-Richtung eine Horizontalrichtung, eine Z-Richtung eine vertikal nach oben gerichtete Richtung und eine Y-Richtung ist eine Stapelrichtung der Einheitszellen 24. Der Separator 100 weist einen Endabschnitt in einer Längsrichtung auf, der mit einer Anodengas-Einlasssammelöffnung 110, einer Kühlmittel-Auslasssammelöffnung 160 und einer Kathodengas-Einlasssammelöffnung 130 versehen ist, die in dieser Reihenfolge von der oberen Seite zu der unteren Seite hin angeordnet sind. Der andere Endabschnitt des Separators 100 weist eine Kathodengas-Auslasssammelöffnung 140 auf, eine Kühlmittel-Einlasssammelöffnung 150 und eine Anodengas-Auslasssammelöffnung 120, die in dieser Reihenfolge von der oberen Seite zu der unteren Seite hin angeordnet sind. Die Anodengas-Einlasssammelöffnung 110 und die Anodengas-Auslasssammelöffnung 120 stehen jeweils mit der Anodengas-Zufuhröffnung 25 und der Anodengas-Austragsöffnung 26 des in 1 dargestellten Brennstoffzellenstapels 20 in Verbindung.
Der Separator 100 hat einen Mittelabschnitt, in dem ein Anodengasströmungspfad 105 in Form einer Mehrzahl an Streifen ausgebildet ist. In dem in 2 dargestellten Beispiel ist der Anodengasströmungspfad 105 ein gewundener Strömungspfad, in dem eine Mehrzahl an Einheitsströmungspfade 105p in Form von in gleichen Abständen angeordneten Vertiefungen in Windungen angeordnet ist. Ein Anodengas-Einlassströmungspfad 111 ist zwischen dem Anodengasströmungspfad 105 und der Anodengas-Einlasssammelöffnung 110 ausgebildet. Ein Anodengas-Auslassströmungspfad 121 ist zwischen dem Anodengasströmungspfad 105 und der Anodengas-Auslasssammelöffnung 120 ausgebildet. Der Anodengas-Einlassströmungspfad 111 umfasst eine Mehrzahl an Einheitseinlassströmungspfaden 111p in Form von Vertiefungen, die in gleichen Abständen in Z-Richtung angeordnet sind, und so eine Kammstruktur ergeben. Ähnlich umfasst der Anodengas-Auslassströmungspfad 121 eine Mehrzahl von Einheitsauslassströmungspfaden 121p in Form von Vertiefungen auf, die in gleichen Abständen in Z-Richtung angeordnet sind, und so eine Kammstruktur ergeben. Es ist zu beachten, dass der Anodengas-Einlassströmungspfad 111 und der Anodengas-Auslassströmungspfad 121 nicht die kammförmige Struktur aufweisen müssen.
Der Wasserstoff, der der Anodengas-Einlasssammelöffnung 110 zugeführt wird, fließt durch den Anodengas-Einlassströmungspfad 111 hindurch, um in den Anodengasströmungspfad 105 zu fließen. Der Wasserstoff, der in den Anodengasströmungspfad 105 geflossen ist, fließt in gewundener Art und Weise und passiert den Anodengas-Auslassströmungspfad 121, um die Anodengas-Auslasssammelöffnung 120 zu erreichen.
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Überprüfungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt. Dieser Fluss beginnt in einem Zustand, in dem das gesamte Brennstoffzellensystem 10 angehalten wurde, wobei der Brennstoffzellenstapel 20, der ein Überprüfungsziel ist, wie in 1 dargestellt montiert wurde. In Schritt S210 verwendet der Controller 80 die Temperaturmesswerte, die von dem Kühlmittelablasstemperatursensor 76 (1) und dem Außentemperatursensor 35 (1) bezogen wurden, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 zu schätzen.
In Schritt S220 bestimmt der Controller 80, ob die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20, die in Schritt S210 geschätzt wurde, auf oder unter eine Überprüfungsstarttemperatur gefallen ist. Die Überprüfungsstarttemperatur ist eine Temperatur, bei der der Brennstoffzellenstapel 20 als eine ausreichend niedrige Temperatur aufweisend angesehen werden kann; sie kann beispielsweise auf zwischen 20 °C und einschließlich 40 °C eingestellt werden. Wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 vor dem Starten auf oder unter die Überprüfungsstarttemperatur abgefallen ist, sammelt sich das flüssige Wasser bei einem später beschriebenen Ansammlungsvorgang von flüssigem Wasser in Schritt S320 leicht an. Wenn der Brennstoffzellenstapel 20 auf oder unter die Überprüfungsstarttemperatur gefallen ist, wird erwartet, dass die Temperatur anderer Komponenten (beispielsweise die Anodengas-Umwälzpumpe 55) des Brennstoffzellensystems 10 bei kleiner gleich der Überprüfungsstarttemperatur liegt. Trotzdem kann die Bestimmungsbedingung in Schritt S220 ferner eine Bedingung umfassen, die erfüllt wird, wenn die Temperatur der Anodengas-Umwälzpumpe 55 auf kleiner gleich der Überprüfungsstarttemperatur gefallen ist. Wenn bei Schritt S220 bestimmt wird, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 nicht auf oder unter die Überprüfungsstarttemperatur gefallen ist, kehrt der Prozess zu Schritt S210 zurück und die Temperaturschätzung wird fortgeführt. Wenn bei Schritt S220 bestimmt wird, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 auf oder unter die Überprüfungsstarttemperatur gefallen ist, geht der Prozess zu Schritt S310 über. Es ist zu beachten, dass die Schritte S210 und S220 ausgelassen werden können.
In Schritt S310 startet der Controller 80 das Brennstoffzellensystem 10. In Schritt S320 betreibt der Controller 80 das Brennstoffzellensystem 10 unter einer Bedingung, bei der flüssiges Wasser angesammelt wird, sodass sich das flüssige Wasser in dem Anodengas-Zirkulationsströmungspfad 62 ansammelt (1).
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für einen Ansammlungsvorgang von flüssigem Wasser in Schritt S320, der in 3 dargestellt ist, darstellt. In Schritt S322 führt der Controller 80 einen Niedriglastbetrieb aus. Der „Niedriglastbetrieb“ bezeichnet einen Betrieb des Brennstoffzellensystems 10, bei dem der Brennstoffzellenstapel 20 eine elektrische Stromstärke erzeugt, die niedriger ist als die Nennstromstärke des Brennstoffzellenstapels 20. Zum Beispiel wird eine elektrische Stromstärke zwischen 2 % und einschließlich 15 % der Nennstromstärke von dem Brennstoffzellenstapel 20 vorzugsweise im Niedriglastbetrieb erzeugt. Der Brennstoffzellenstapel 20, dessen Betrieb so bei niedriger Last gestartet wurde, führt aufgrund der niedrigen Last zu einer niedrigen Strömungsrate des Anodengases und des Kathodengases, wodurch verhindert wird, dass in der Einheitszelle 24 erzeugtes Wasser herausgetragen wird, und dazu führt, dass eine große Menge an erzeugtem Wasser in der Einheitszelle 24 verbleibt. Der Niedriglastbetrieb dient auch als Anheizbetrieb, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 zu erhöhen. Insbesondere steigt die Anodengastemperatur während dem Niedriglastbetrieb allmählich. Wie später noch beschrieben wird, endet der Niedriglastbetrieb vorzugsweise bevor die Temperatur in dem Anodengas-Zirkulationsströmungspfad 62 (insbesondere in der Anodengas-Umwälzpumpe 55) wesentlich steigt. Vorzugsweise werden das Anodengas-Zufuhrzirkulationssystem 50 und das Kathodengaszufuhr-/ablasssystem 30 während dem Niedriglastbetrieb so betrieben, dass ein stöchiometrisches Verhältnis von Anodengas und Kathodengas auf einen Wert innerhalb eines geeigneten Bereichs eingestellt wird (beispielsweise zwischen 1,20 und einschließlich 1,30). Dieses „stöchiometrische Verhältnis“ ist ein Verhältnis von einer tatsächlichen Reaktionsgasströmungsrate zu einer für die Stromerzeugung theoretisch erforderlichen Reaktionsgasströmungsrate.
In Schritt S324 bestimmt der Controller 80, ob der Niedriglastbetrieb beendet wurde. Eine Endbedingung des Niedriglastbetriebs kann erfüllt sein, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 beispielsweise eine vorgegebene Temperatur eines abgeschlossenen Anheizens erreicht. Zum Beispiel ist die Temperatur eines abgeschlossenen Anheizens auf zwischen 55 °C und einschließlich 60 °C eingestellt. Wenn der Niedriglastbetrieb abgeschlossen ist, erreicht die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 vorzugsweise die Temperatur eines abgeschlossenen Anheizens, während die der Anodengas-Umwälzpumpe 55 sie nicht erreicht. Folglich findet in der Anodengas-Umwälzpumpe 55 aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen dem Anodenabgas und der Anodengas-Umwälzpumpe 55 Kondensation statt, wodurch eine große Menge an flüssigem Wasser angesammelt wird. Wenn bestimmt wird, dass der Niedriglastbetrieb nicht abgeschlossen wurde, kehrt der Prozess zu Schritt S322 zurück und der Niedriglastbetrieb wird fortgeführt. Wenn bestimmt wird, dass der Niedriglastbetrieb abgeschlossen ist, schreitet der Prozess zu Schritt S326 fort.
In Schritt S326 führt der Controller 80 einen keine Leistung erzeugenden Betrieb aus. Der „keine Leistung erzeugende Betrieb“ bezeichnet einen Betrieb des Brennstoffzellensystems 10, bei dem die Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 20 angehalten wird, während das Anodengas weiter in dem Anodengas-Zirkulationsströmungspfad 62 zirkuliert wird. Zum Beispiel wenn der keine Leistung erzeugende Betrieb durchgeführt wird, wird die Wasserstoffzufuhr von dem Injektor 54 angehalten, aber die Anodengas-Umwälzpumpe 55 wird weiter betrieben, sodass das Anodengas zirkuliert. Der keine Leistung erzeugende Betrieb kann als „diskontinuierlicher Betrieb“ durchgeführt werden. Der „diskontinuierliche Betrieb“ bezeichnet einen Betrieb, bei dem die Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 20 vorübergehend angehalten wird, während das Brennstoffzellensystem 10 weiter betrieben wird. Während dem diskontinuierlichen Betrieb oder dem keine Leistung erzeugenden Betrieb kann der Brennstoffzellenstapel 20 geringen Strom erzeugen, sodass verhindert wird, dass die Spannung der Einheitszelle 24 eine Leerlaufspannung wird. Ein solcher Betrieb involviert im Wesentlichen keine Stromerzeugung und kann daher auch als „diskontinuierlicher Betrieb“ oder als „keine Leistung erzeugender Betrieb“ betrachtet werden. Während dem keine Leistung erzeugenden Betrieb kann die Kathodengaszufuhr fortgeführt oder angehalten werden.
Wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 oder des Anodengas-Zirkulationsströmungspfads 62 auf eine ausreichend niedrige Temperatur gefallen ist bevor der Niedriglastbetrieb in Schritt S322 beginnt, erreicht die Temperatur des Anodengas-Zirkulationsströmungspfads 62 einschließlich der Anodengas-Umwälzpumpe 55 und dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 56 nicht die Temperatur eines abgeschlossenen Anheizens, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 aufgrund des Niedriglastbetriebs die Temperatur eines abgeschlossenen Anheizens erreicht. Wenn daher hoch feuchtes Anodengas, das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 ausgestoßen wird, durch den Anodengas-Zirkulationsströmungspfad 62 fließt, findet in dem Anodengas-Zirkulationsströmungspfad 62 Kondensation statt, wodurch darin flüssiges Wasser angesammelt wird. Insbesondere die Anodengas-Umwälzpumpe 55 und der Gas-Flüssigkeitsabscheider 56 werden wahrscheinlich bei einer niedrigeren Temperatur als Leitungen gehalten, wodurch die Ansammlung von flüssigem Wasser in solchen Komponenten gefördert wird.
In Schritt S328 bestimmt der Controller 80, ob der keine Leistung erzeugende Betrieb beendet wurde. Zum Beispiel kann eine Endbedingung für einen keine Leistung erzeugenden Betrieb erfüllt sein, wenn eine Zeitspanne zur Ansammlung einer ausreichenden Menge an flüssigem Wasser in dem Anodengas-Zirkulationsströmungspfad 62 abläuft. Zum Beispiel wird die Zeitspanne zur Ansammlung einer ausreichenden Menge an flüssigem Wasser auf zwischen drei und einschließlich sieben Minuten eingestellt. Wenn bestimmt wird, dass der keine Leistung erzeugende Betrieb nicht abgeschlossen wurde, kehrt der Prozess zu Schritt S326 zurück und der keine Leistung erzeugende Betrieb wird fortgeführt. Wenn bestimmt wird, dass der keine Leistung erzeugende Betrieb abgeschlossen ist, ist der Prozess in 4 abgeschlossen und der Prozess in 3 schreitet zu Schritt S330 fort.
Anstelle des Niedriglastbetriebs und des keine Leistung erzeugenden Betriebs unter der obigen Bedingung, bei der flüssiges Wasser angesammelt wird, kann ein anderer Betrieb unter anderen Bedingungen, bei denen flüssiges Wasser angesammelt wird, durchgeführt werden. Zum Beispiel kann der Ansammlungsvorgang von flüssigem Wasser derart durchgeführt werden, dass das Brennstoffzellensystem den Anheizbetrieb durchführt, während die Außentemperatur soweit gesenkt wird, dass sie niedriger ist als die Gefriertemperatur. In dem Betrieb ist es möglich, eine größere Menge an flüssigem Wasser anzusammeln, indem die Temperatur des Anodengases, das dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, soweit gesenkt wird, dass sie niedriger ist als die Gefriertemperatur. Unter einer beliebigen Bedingung, bei der flüssiges Wasser angesammelt wird, ist die Temperatur der Anodengas-Umwälzpumpe 55 an dem Zeitpunkt, an dem der Betrieb unter der Bedingung, bei der flüssiges Wasser angesammelt wird, endet, vorzugsweise um eine vorgegebene Temperaturdifferenz (beispielsweise 10 °C) oder mehr niedriger als die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20. Dies stellt sicher, dass sich eine große Menge an flüssigem Wasser in dem Anodengas-Zirkulationsströmungspfad 62 einschließlich der Anodengas-Umwälzpumpe 55 ansammelt.
Zurück in 3 beendet der Controller 80 in Schritt S330 den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 nach der Ansammlungsvorgang von flüssigem Wasser in Schritt S320. In Schritt S410 verursacht der Controller 80, dass das Brennstoffzellensystem 10 in Bereitschaft steht, bis eine Neustartbedingung erfüllt ist. Zum Zeitpunkt von Schritt S410 wurde der Betrieb des Anodengas-Zufuhrzirkulationssystems 50, des Kathodengaszufuhr-/ablasssystems 30 und des Kühlmittelzirkulationssystems 70 angehalten. Der Bereitschaftszustand in diesem angehaltenen Zustand führt dazu, dass sich das erzeugte Wasser in den Einheitszellen 24, welches während dem Niedriglastbetrieb in Schritt S322 (4) erzeugt wurde, durch die Membranelektrodenanordnung von der Kathodenseite zu der Anodenseite bewegt. Daher sinkt das räumliche Volumen des Wasserstoffs in der Einheitszelle 24 und die Restmenge an Wasserstoff sinkt. Daher ist ein Wasserstoffmangel bei der Einheitszelle 24 während der später beschriebenen Stromerzeugung unwahrscheinlich, sodass eine negative Spannung leicht erfasst wird.
Wenn das Kühlmittelzirkulationssystem 70 während dem Bereitschaftszustand betrieben wird, um den Brennstoffzellenstapel 20 zwangsweise zu kühlen, ist es wahrscheinlicher, dass das erzeugte Wasser nahe an dem kathodenseitigen Separator bleibt. Dies führt zu einer kleineren Menge an Wasser, die sich auf die Anodenseite bewegt. Das erzeugte Wasser auf der Kathodenseite wird zusammen mit dem Kathodenabgas nach Außen von der Einheitszelle 24 abgelassen, wenn das Brennstoffzellensystem 10 neu gestartet wird. Daher wird bevorzugt, dass das System bei angehaltenem Kühlmittelzirkulationssystem 70 in Bereitschaft steht, sodass die Wassermenge auf der Anodenseite erhöht wird. Während dem Bereitschaftszustand bewegt sich auch Stickstoff in der Luft von der Kathodenseite auf die Anodenseite durch die Membranelektrodenanordnung und Wasserstoff auf der Anodenseite bewegt sich durch die Membranelektrodenanordnung auf die Kathodenseite, um mit der Luft auf der Kathodenseite zu reagieren.
In Schritt S420 bestimmt der Controller 80, ob die Bereitschaft des Brennstoffzellensystems 10 beendet wurde. Zum Beispiel kann eine Bereitschaftsendbedingung (oder eine Neustartbedingung) so eingestellt sein, dass sie mindestens eine der folgenden Bedingungen umfasst: eine Bedingung, die erfüllt wird, wenn ein vorgegebener Bereitschaftszeitraum abgelaufen ist, nachdem das Brennstoffzellensystem 10 angehalten wurde, und/oder eine Bedingung, die erfüllt wird, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 auf eine vorgegebene Bereitschaftsabschlusstemperatur fällt. Der „Bereitschaftszeitraum“ ist ein Zeitraum, der lang genug ist, dass sich das erzeugte Wasser ausreichend von der Kathodenseite auf die Anodenseite bewegen kann, und wird beispielsweise auf zwischen einer Stunde und einschließlich drei Stunden eingestellt. Die „Bereitschaftsabschlusstemperatur“ ist eine Temperatur, bei der sich der Wasserdampf in dem erzeugten Wasser ausreichend in flüssiges Wasser verwandelt und wird beispielsweise auf zwischen 30 °C und einschließlich 40 °C eingestellt. Mit einer so eingestellten Neustartbedingung wird ein kürzerer Überprüfungszeitraum erzielt, wobei sich ausreichend Wasser von der Kathodenseite auf die Anodenseite der Einheitszelle 24 bewegt. Wenn in Schritt S420 bestimmt wird, dass der Bereitschaftszustand noch nicht abgeschlossen wurde (die Neustartbedingung ist nicht erfüllt), kehrt der Prozess zu Schritt S410 zurück und der Bereitschaftszustand wird fortgeführt. Wenn bestimmt wird, dass der Bereitschaftszustand abgeschlossen ist (die Neustartbedingung ist erfüllt), schreitet der Prozess zu Schritt S510 fort.
In Schritt S510 startet der Controller 80 das Brennstoffzellensystem 10 neu. In Schritt S520 führt der Controller 80 einen Vorgang aus, bei dem dem Brennstoffzellenstapel 20 Anodengas zugeführt wird, bevor die Stromerzeugung durch den Brennstoffzellenstapel 20 beginnt, um Gas, das auf der Anodenseite der Einheitszellen 24 verbleibt, durch das Anodengas zu ersetzen. Insbesondere betätigt der Controller 80 den Injektor 54 und die Anodengas-Umwälzpumpe 55, um dem Brennstoffzellenstapel 20 Wasserstoff zuzuführen, um Stickstoff und eine kleine Menge Wasserstoff, das auf der Anodenseite der Einheitszelle 24 im Bereitschaftsprozess in Schritt S410 verbleibt, durch das neue Wasserstoff zu ersetzen. Wenn die Anodengas-Umwälzpumpe 55 mit dem Betrieb beginnt, wird das aufgrund des Ansammlungsvorgangs von flüssigem Wasser in Schritt S320 in dem Anodengas-Zirkulationsströmungspfad 62 angesammelte flüssige Wasser der Anodengas-Zufuhröffnung 25 (1) des Brennstoffzellenstapels 20 zugeführt. Das flüssige Wasser, das der Anodengas-Zufuhröffnung 25 zugeführt wird, fließt in den Anodengas-Einlassströmungspfad 111 (2) der Einheitszellen 24. Daher wird eine Einheitszelle 24, dessen Einheitseinlassströmungspfad 111p aufgrund eines Herstellungsfehlers eine übermäßig kleine Durchfluss-Querschnittsfläche aufweist, von dem flüssigen Wasser verstopft. Es ist zu beachten, dass der Schritt S520 ausgelassen werden kann.
In Schritt S530 veranlasst der Controller 80 den Brennstoffzellenstapel 20, Strom zu erzeugen. Die Stromerzeugung wird vorzugsweise so durchgeführt, dass der Brennstoffzellenstapel 20 eine kleine Stromstärke erzeugt, um zu verhindern, dass die Spannung der Einheitszelle 24 zur Leerlaufspannung wird. Zum Beispiel wird die Stromerzeugung so durchgeführt, dass die Stromstärke zwischen 3 % und einschließlich 15 % der Nennstromstärke des Brennstoffzellenstapels 20 beträgt. Während der Brennstoffzellenstapel 20 weiter Strom erzeugt, wird der Wasserstoff in der Einheitszelle 24 aufgebraucht. Folglich weist die Einheitszelle 24, da der Anodengas-Einlassströmungspfad 111 verstopft ist, aufgrund von Wasserstoffmangel eine negative Spannung auf. Während der Stromerzeugung veranlasst der Controller 80, dass die Zellüberwachungsvorrichtung 95 (1) die Zellspannung jeder der Einheitszellen 24 misst, um die Einheitszelle mit der negativen Spannung zu erfassen. Der Controller 80 wird über ein Ergebnis der Messung benachrichtigt. Die Zellspannung der Einheitszelle 24 kann gemessen werden, nachdem die Stromerzeugung in Schritt S530 abgeschlossen wurde.
In Schritt S610 bestimmt der Controller 80, ob ein negativer Spannungsüberprüfungszeitraum abgelaufen ist. Zum Beispiel wird der negative Spannungsüberprüfungszeitraum auf zwischen 3 Sekunden und einschließlich 10 Sekunden eingestellt. Wenn bestimmt wird, dass der negative Spannungsüberprüfungszeitraum noch nicht abgelaufen ist, kehrt der Prozess zu Schritt S530 zurück und die Stromerzeugung wird fortgeführt. Wenn bestimmt wird, dass der negative Spannungsüberprüfungszeitraum abgelaufen ist, schreitet der Prozess zu Schritt S620 fort. In Schritt S620 gibt die Zellspannungsbenachrichtigungseinheit 82 des Controllers 80 eine Benachrichtigung aus, die einem Überprüfungspersonal die Einheitszelle angibt, die eine negative Spannung aufweist. Zum Beispiel umfasst die Benachrichtigung vorzugsweise eine Position der Einheitszelle 24 in dem Brennstoffzellenstapel 20 (Zellnummer) und einen Wert der negativen Spannung. Wenn die Einheitszelle mit einer negativen Spannung erfasst wird, wird ein Prozess wie beispielsweise ein Zerlegen des Brennstoffzellenstapels 20 und ein Austausch der Einheitszelle durch eine neue Zelle durchgeführt.
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel darstellt, wie sich die von dem Brennstoffzellenstapel 20 erzeugte Stromstärke, die Strömungsrate an zugeführtem Wasserstoff und die Strömungsrate an zirkulierendem Wasserstoff im Laufe der Zeit während des Überprüfungsprozesses für den Brennstoffzellenstapel 20 ändern. Das Brennstoffzellensystem 10 führt den Niedriglastbetrieb (4, Schritt S322) während einem Zeitraum von einem Zeitpunkt t0 und einem Zeitpunkt t1 durch. Der Betrieb wird durchgeführt, wobei der Brennstoffzellenstapel 20 eine Stromstärke I1 erzeugt, die niedriger ist als die Nennstromstärke. Daher führt der Injektor 54 Wasserstoff mit einer Strömungsrate S1 zu und die Anodengas-Umwälzpumpe 55 zirkuliert den Wasserstoff mit einer Strömungsrate R1. Die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 erreicht die Temperatur eines abgeschlossenen Anheizens am Zeitpunkt t1.
Das Brennstoffzellensystem 10 führt den keine Leistung erzeugenden Betrieb (4, Schritt S326) während einem Zeitraum zwischen dem Zeitpunkt t1 und einem Zeitpunkt t2 durch. Der Betrieb wird derart durchgeführt, dass von dem Brennstoffzellenstapel 20 kein Strom erzeugt wird und von dem Injektor 54 kein Wasserstoff zugeführt wird, und wobei die Anodengas-Umwälzpumpe 55 immer noch den Wasserstoff mit der Strömungsrate R1 zirkuliert. Wenn die Anodengas-Umwälzpumpe 55 so betrieben wird, fließt der Wasserdampf, der aufgrund des Niedriglastbetriebs erzeugt wird, in den Anodengas-Zirkulationsströmungspfad 62 (1), was Kondensation verursacht, die dazu führt, dass das flüssige Wasser in dem Anodengas-Zirkulationsströmungspfad 62 angesammelt wird. Das Brennstoffzellensystem 10 beendet zum Zeitpunkt t2 den Betrieb.
Das Brennstoffzellensystem 10 bleibt in einem Zeitraum zwischen dem Zeitpunkt t2 und einem Zeitpunkt t3 in Bereitschaft (3, Schritt S410). In diesem Zustand wird kein Strom durch das Brennstoffzellensystem 10 erzeugt und der Injektor 54 und die Anodengas-Umwälzpumpe 55 werden nicht betrieben. Das erzeugte Wasser, das während dem Niedriglastbetrieb erzeugt wurde, bewegt sich auf die Anodenseite der Einheitszelle 24, wodurch das flüssige Wasser auf der Anodenseite angesammelt wird.
Das Brennstoffzellensystem 10 führt den Wasserstoffaustausch in einem Zeitraum zwischen dem Zeitpunkt t3 und einem Zeitpunkt t4 durch (3, Schritt S520). In diesem Zustand wird durch den Brennstoffzellenstapel 20 kein Strom erzeugt, der Injektor 54 führt den Wasserstoff mit einer Strömungsrate S2 zu und die Anodengas-Umwälzpumpe 55 zirkuliert den Wasserstoff mit einer Strömungsrate R2 (= S2). Wenn die Anodengas-Umwälzpumpe 55 derart betrieben wird, wird das in dem Anodengas-Zirkulationsströmungspfad 62 und auf der Anodenseite der Einheitszellen 24 angesammelte flüssige Wasser der Anodengas-Zufuhröffnung 25 (1) des Brennstoffzellenstapels 20 zugeführt.
Der Brennstoffzellenstapel 20 erzeugt in einem Zeitraum zwischen dem Zeitpunkt t4 und einem Zeitpunkt t5 Strom (3, Schritt S530). In diesem Zustand erzeugt der Brennstoffzellenstapel 20 Stromstärke I3. Daher führt der Injektor 54 den Wasserstoff mit einer Strömungsrate S3 zu und die Anodengas-Umwälzpumpe 55 zirkuliert den Wasserstoff mit einer Strömungsrate R3. Zum Zeitpunkt t5 läuft die negative Spannungsüberwachungszeit ab und daher hält das Brennstoffzellensystem 10 an.
6 ist ein Diagramm, das darstellt, wie der Anodengas-Einlassströmungspfad 111 der Einheitszelle 24 (1) mit der negativen Spannung von dem flüssigen Wasser verstopft wird. 6 stellt als Beispiel einen Bereich VI innerhalb eines gestrichelten Kreises aus 2 dar. Ein Vorsprung 112 wird jeweils zwischen benachbarten Einheitseinlassströmungspfaden 111p des Anodengas-Einlassströmungspfads 111 ausgebildet. Jeder Vorsprung 112 wird durch eine Lücke 111m, die dünner ist als der Einheitseinlassströmungspfad 111p, in zwei geteilt.
Wie in 6 dargestellt, saugen die Anodengas-Einlassströmungspfade 111p das flüssige Wasser Wa in der Einheitszelle 24, die wahrscheinlich den verstopften Anodengas-Einlassströmungspfad 111 aufweist, aufgrund der Lücke 111m auf, wenn flüssiges Wasser, das durch die Schritte S310 bis S520 in 3 angesammelt wurde, von der Anodengas-Zufuhröffnung 25 des Brennstoffzellenstapels 20 durch die Anodengas-Einlasssammelöffnung 110 des Separators 100 in den Einheitseinlassströmungspfad 111 fließt, was dazu führt, dass der Anodengas-Einlassströmungspfad 111 verstopft wird. Wenn der Strom bei verstopftem Anodengas-Einlassströmungspfad 111 erzeugt wird, fällt die Einheitszelle 24 in einen Wasserstoffmangelzustand und weist negative Spannung auf. Daher wird die Einheitszelle 24 erfasst, deren Anodengas-Einlassströmungspfad 111 wahrscheinlich verstopft ist, indem die Einheitszelle 24 erfasst wird, die die negative Spannung aufweist.
Wie oben beschrieben, ist es in einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung möglich, die Einheitszelle 24 zu erfassen, dessen Anodengas-Einlassströmungspfad 111 wahrscheinlich verstopft ist, indem eine Einheitszelle 24, die negative Spannung aufweist, während dem Überprüfungsprozess für den Brennstoffzellenstapel 20 erfasst wird.
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 2017121099 [0001]
JP 2014197481 A [0003]

Claims

Ein Überprüfungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel (20), der eine Mehrzahl an Einheitszellen (24) umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10), das den Brennstoffzellenstapel (20) und einen Anodengas-Zirkulationsströmungspfad (62) umfasst, der zwischen einer Anodengas-Austragsöffnung (26) und einer Anodengas-Zufuhröffnung (25) des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, unter einer vorgegebenen Bedingung, bei der flüssiges Wasser angesammelt wird, um flüssiges Wasser in dem Anodengas-Zirkulationsströmungspfad anzusammeln, um Anodengas zu zirkulieren; (b) Veranlassen nach Schritt (a), dass das Brennstoffzellensystem anhält und wartet, bis eine vorgegebene Neustartbedingung erfüllt ist; und (c) Neustarten des Brennstoffzellensystems nach Schritt (b), um eine Stromerzeugung durch den Brennstoffzellenstapel zu implementieren, und Messen einer Spannung jeder Einheitszelle, um eine Einheitszelle zu erfassen, die eine negative Spannung aufweist.
Überprüfungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei der Betrieb unter der Bedingung, bei der flüssiges Wasser angesammelt wird, im Schritt (a) Folgendes umfasst: einen Niedriglastbetrieb, in dem das Brennstoffzellensystem derart betrieben wird, dass der Brennstoffzellenstapel eine Stromstärke erzeugt, die niedriger ist als eine Nennstromstärke des Brennstoffzellenstapels; und einen keine Leistung erzeugenden Betrieb, der nach dem Niedriglastbetrieb durchgeführt wird, bei dem die Stromerzeugung durch den Brennstoffzellenstapel angehalten wird und das Brennstoffzellensystem so betrieben wird, dass eine Zirkulation des Anodengases in dem Anodengas-Zirkulationsströmungspfad fortgesetzt wird.
Überprüfungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 2, wobei der Niedriglastbetrieb auf eine derartige Art und Weise durchgeführt wird, dass eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels aufgrund des Niedriglastbetriebs auf eine vorgegebene Anheiztemperatur steigt, während eine Temperatur einer Anodengas-Umwälzpumpe (55), die in dem Anodengas-Zirkulationsströmungspfad angeordnet ist, nicht die Temperatur eines abgeschlossenen Anheizens erreicht.
Überprüfungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Neustartbedingung mindestens eine Bedingung umfasst, die erfüllt wird, wenn ein vorgegebener Bereitschaftszeitraum abläuft, nachdem das Brennstoffzellensystem angehalten wurde, und/oder eine Bedingung, die erfüllt wird, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels auf eine vorgegebene Bereitschaftsabschlusstemperatur fällt.
Überprüfungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schritt (a) ausgeführt wird, um flüssiges Wasser in einer Anodengas-Umwälzpumpe (55) anzusammeln, die in dem Anodengas-Zirkulationsströmungspfad angeordnet ist.
Überprüfungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schritt (c) die Zufuhr von Anodengas an den Brennstoffzellenstapel umfasst, bevor die Stromerzeugung durch den Brennstoffzellenstapel beginnt, um Gas, das auf einer Anodenseite der Einheitszellen verbleibt, durch das Anodengas zu ersetzen.