DE102018221020A1 - Brennstoffzellensystem mit sauerstoffsensor und dessen steuerverfahren - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit sauerstoffsensor und dessen steuerverfahren Download PDF

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Jung Han Yu
Jong Kil Oh
Gun Hyung Park
Bo Ki Hong
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Hyundai Motor Co
Kia Motors Corp
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Abstract

Es werden ein Brennstoffzellensystem und dessen Steuerverfahren bereitgestellt. In dem System ist ein Sauerstoffsensor auf der Anodeneinlassseite und der Anodenauslassseite eines Brennstoffzellenstapels montiert, um eine Sauerstoffkonzentration zu messen. Auf Grundlage der gemessenen Sauerstoffkonzentration wird eine Steueroperation auf dem Brennstoffzellensystem durchgeführt, um die Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite zu reduzieren. Demgemäß werden die irreversible Verschlechterung der Brennstoffzelle, die aufgrund der Rückwärtsspannung der Zelle während eines Antreibens des Brennstoffzellenfahrzeugs auftritt, und die Kathodenkohlenstoffkorrosion, die aufgrund der Einströmung von Luft während des Parkens auftritt, wirksam reduziert, wodurch die Haltbarkeit der Brennstoffzelle und des Brennstoffzellenfahrzeugs erhöht wird.

Description

  • HINTERGRUND
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und dessen Steuerverfahren und im Besonderen ein Brennstoffzellensystem, das ein normales Antreiben eines Fahrzeugs selbst in einem irreversiblen Verschlechterungsmodus der Brennstoffzelle aufgrund der Rückwärtsspannung ermöglicht und außerdem auf die irreversible Verschlechterung reagiert, die durch das Einströmen von Außenluft (Sauerstoff) in eine Kathode während des Fahrzeugparkens und die Bewegung der Luft zu einer Anode verursacht ist, wodurch die Haltbarkeit der Brennstoffzelle und des Fahrzeugs verbessert wird, und dessen Steuerverfahren.
  • Beschreibung der verwandten Technik
  • Im Allgemeinen sind Brennstoffzellen ein Typ einer Leistungserzeugungsvorrichtung, die chemische Energie eines Brennstoffs mittels einer elektrochemischen Umsetzung eines Brenngases und eines Oxidationsgases in elektrische Energie umwandeln, und finden weite Verwendung als Energieversorgungen nicht nur für Industrie-, Haushalts- und Automotive-Geräte, sondern auch für kleine elektrische/elektronische Geräte oder tragbare Vorrichtungen. Eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) mit einer hohen Leistungsdichte wird heutzutage häufig als eine Brennstoffzelle für Fahrzeuge verwendet. Im Besonderen arbeitet die PEMFC als eine Leistungsquelle (beispielsweise Quelle einer elektrischen Leistung), die elektrische Leistung an einen Motor und vielfältige Elektrovorrichtungen liefert, die ein Fahrzeug antreiben, innerhalb eines Brennstoffzellenfahrzeugs. Die PEMFC verwendet Wasserstoff als ein Brenngas, und Sauerstoff oder sauerstoffenthaltende Luft als ein Oxidationsgas. Außerdem muss die PEMFC fähig sein zum zuverlässigen Betrieb über einen breiten Stromdichtenbereich, um eine Leistungsfähigkeit einer hohen Abgabe von wenigstens einigen zehn Kilowatt bei vielfältigen Betriebsbedingungen des Fahrzeugs zu erreichen.
  • Ferner enthält eine Brennstoffzelle Einheitszellen, die jeweils elektrische Energie mittels Umsetzung eines Brenngases und eines Oxidationsgases erzeugen, und die Einheitszellen sind typischerweise gestapelt und in Reihe geschaltet, um einen Abgabenachfragegrad zu erfüllen. Da eine hohe Abgabe erforderlich ist, sind Einheitszellen, die individuell elektrische Energie erzeugen, gestapelt, um die Erfordernisse zu erfüllen. Die Einheitszelle der PEMFC enthält von ihrer innersten Seite eine Membranelektrodenzusammensetzung (MEA, Membrane Electrode Assembly), eine Gasdiffusionsschicht (GDL, Gas Diffusion Layer), welche das Brenngas und das Oxidationsgas, die Reaktionsgase sind, an die Membranelektrodenzusammensetzung liefert und die erzeugte elektrische Energie transferiert, eine Dichtung und einen Befestigungsmechanismus, verwendet zum Beibehalten der Dichtigkeit und eines ausreichenden Dichtungsdrucks der Reaktionsgase und des Kühlwassers, und eine Separator- oder Bipolarplatte, die die Reaktionsgase und das Kühlwasser transferiert.
  • Unter den Komponenten, die die Einheitszelle einer derartigen Brennstoffzelle bilden, enthält die Membranelektrodenzusammensetzung (MEA) eine Polymerelektrolytmembran, die fähig ist zum Transportieren von Wasserstoffionen, und eine Anode und eine Kathode, die Elektroden sind, die an beiden Oberflächen der Polymerelektrolytmembran angebracht sind und mit einem Katalysator beschichtet sind, der es Wasserstoff als ein Brenngas und Luft (Sauerstoff) als ein Oxidationsgas ermöglicht, miteinander zu reagieren. Auf dem Außenabschnitt, d.h. dem Außenabschnitt der Anode und der Kathode, ist eine Gasdiffusionsschicht (GDL) laminiert zum gleichmäßigen Verteilen des Brenngases und des Oxidationsgases, und auf dem Außenabschnitt der Gasdiffusionsschicht ist die Separatorplatte daran angebracht zum Liefern des Reaktionsgases an die Gasdiffusionsschicht während einer Bereitstellung eines Strömungsfeldes, durch welches das Reaktionsgas und das Kühlwasser und durch die Reaktion produziertes Wasser strömen bzw. fließen.
  • Außerdem kann eine Dichtung oder dergleichen zum Abdichten des Fluids zwischen den Komponenten der Einheitszelle angeordnet sein, und die Dichtung kann integral mit der Membranelektrodenzusammensetzung oder der Separatorplatte geformt sein. Eine Endplatte zum Halten der Zellen ist mit der äußersten Seite der Einheitszellen verbunden, und ein Stapelbefestigungsmechanismus wird verwendet zum Koppeln der Zellen und der Endplatte, wodurch ein Brennstoffzellenstapel konstruiert ist. Im Besonderen migrieren Elektronen an die Kathode via eine externe Schaltung, um einen elektrischen Strom zu erzeugen.
  • Ferner reagieren in der Kathode Sauerstoffmoleküle, Wasserstoffionen und Elektronen miteinander, um Wasser als ein Reaktionsnebenprodukt zusammen mit Wärme zu erzeugen. Wasser, das bei der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle produziert worden ist, hilft beim Beibehalten der Befeuchtungseigenschaft der Membranelektrodenzusammensetzung, wenn eine zweckgemäße Menge vorhanden ist. Wenn jedoch das Wasser übermäßig produziert wird, tritt ein Fluten auf, welches ein Wasserüberlaufphänomen bei einer hohen Stromdichte ist, außer wenn es ordnungsgemäß entfernt wird. Bei dem Ereignis eines Überflutungsphänomens interferiert die überschüssige Wassermenge mit der wirksamen Lieferung der Reaktionsgase in die Brennstoffzelle, wodurch der Spannungsverlust weiter erhöht wird. Außerdem kann die Zellenleistungsfähigkeit der Brennstoffzelle verschlechtert werden.
  • Wenn die Spannung mancher Zellen in dem Brennstoffzellenstapel abnimmt, während ein Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug (FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle) betrieben wird, wird konventionell unterdessen die Strombegrenzung gestartet, und zu derselben Zeit wird/werden eines oder mehrere von dem Folgenden durchgeführt: Anodenentleerung, Erhöhung einer Wasserstoffversorgung, Erhöhung eines Wasserstoffdrucks, Erhöhung einer Luftversorgung, und Erhöhung eines Luftdrucks, um ein normales Antreiben des Fahrzeugs einzuleiten. Wenn die Spannungsverringerung mancher Zellen weiter zunimmt, wird der Abgabestrom des Brennstoffzellenstapels auf einen geringeren Pegel reduziert. Demgemäß wird konventionell eine Systemniveausteuerung für die Einleitung eines normalen Antreibens bzw. Fahrens durch eine vorbestimmte Steuerlogik durchgeführt, wobei ein R-Wert, der aus der Durchschnittszellenspannung und der minimalen Zellenspannung erhalten worden ist, verwendet wird zum Bestimmen des Grades einer Verringerung der Zellenspannung. Das R gibt den Grad einer Verringerung der Zellenspannung an, welches als eine Basis zum Bestimmen der Strombegrenzung in dem Brennstoffzellenfahrzeug verwendet wird, und kann durch die folgende Gleichung berechnet werden: R = Vmin/Vavg
    Figure DE102018221020A1_0001
    wobei Vmin die minimale Zellenspannung repräsentiert, Vavg die Durchschnittszellenspannung repräsentiert, und je kleiner der R-Wert ist, umso größer ist die Abweichung zwischen der minimalen Zellenspannung Vmin und der Durchschnittszellenspannung Vavg.
  • In der konventionellen Steuerlogik, wenn der R-Wert gleich oder größer als der gesetzte Wert R3 ist (R3 ≤ R ≤ 1), arbeitet die Brennstoffzelle in dem normalen Strombereich, der durch das System zugelassen wird, und das Fahrzeug wird normal angetrieben. Wenn jedoch der R-Wert geringer als der gesetzte Wert R3 ist (R2 < R < R3, R2 < R3), wird der Strombegrenzungsmodus aktiviert, und daher wird der verfügbare maximale Strom verringert, und zu derselben Zeit wird/werden eines oder mehrere durchgeführt von der Anodenentleerung, einer Erhöhung einer Wasserstoffversorgung, einer Erhöhung eines Wasserstoffdrucks, einer Erhöhung einer Luftversorgung, und einer Erhöhung eines Luftdrucks.
  • Danach, wenn der Zellendrift weiter zunimmt, das heißt wenn der R-Wert abnimmt (R1 < R ≤ R2, R1 < R2), wird der verfügbare maximale Strom zur Wiederherstellung der Zellenspannung weiter verringert, wobei der verfügbare maximale Strom sich mit einer konstanten Steigung verringert, wie/wenn der R-Wert sich verringert. Wenn der R-Wert sich verringert (R ≤ R1), wird ferner die Zellenspannungsabweichung extrem, was dazu führt, dass das Fahrzeug gestoppt wird.
  • Wie oben beschrieben, wird in dem Brennstoffzellenfahrzeug ein Strombegrenzungsmodus durchgeführt, in dem der verfügbare maximale Strom auf Grundlage des R-Wertes geändert wird, der den Grad der Zellenspannungsabweichung angibt. Obwohl die konventionelle Steuerlogik auf den Fall anwendbar ist, wo die Zellenleistungsfähigkeit reversibel wiederhergestellt werden kann, hat sie unterdessen eine Grenze in einem Modus einer irreversiblen Verschlechterung, so wie ein Überflutungsphänomen, in dem die Zellenleistungsfähigkeit aufgrund der Akkumulation oder Sammlung von Wasser in dem Brennstoffzellenstapel verschlechtert ist, was eine Unterbrechung der Strömung von Reaktionsgasen (Wasserstoff und Luft) verursacht.
  • Außerdem ist es bekannt, dass die Rückwärtsspannung (Engl.: reverse voltage), die in den Zellen in der Brennstoffzelle erzeugt wird, einen wesentlichen nachteiligen Effekt auf die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle hat, wodurch die Zellenspannung wesentlich reduziert wird. Im Allgemeinen wird der Wasserstoffmangel in einer Brennstoffzelle klassifiziert in ein „Gesamter-Wasserstoffhunger“-Phänomen, in dem die Wasserstoffversorgung unzureichend ist für die gesamte Brennstoffzelle, und ein „Lokaler-Wasserstoffhunger“-Phänomen, in dem trotz einer ausreichenden Wasserstoffversorgung für die gesamte Zelle eine Wasserstoffversorgung unzureichend wird aufgrund einer ungleichmäßigen Verteilung.
  • Das Wasserstoffmangelphänomen tritt häufig in Betriebsbedingungen auf wie beispielsweise einer ungleichmäßigen Versorgung und Lieferung von Wasserstoffgas, einem plötzlichen Anstieg des Lastbedarfs für die Brennstoffzelle, einem Hochfahren der Brennstoffzelle etc.. Wenn die Anode der Brennstoffzelle einen Mangel an Wasserstoff hat, nimmt auf diese Weise die Anodenspannung (Vanode) zu. Wenn/wie die Anodenspannung kontinuierlich zunimmt, nimmt die Anodenspannung weiter bezüglich der Kathodenspannung (Vcathode) zu, was in einem Rückwärtsspannungszustand resultiert, in dem die Zellenspannung (Vcell) kleiner als null wird (Vcell = Vcathode - Vanode < 0).
  • In einem durch einen Anstieg der Anodenspannung verursachten Rückwärtsspannungszustand tritt ferner zuerst eine Wasserelektrolysereaktion auf, so wie die folgende Reaktionsformel 1. H2O → 1/2O2 + 2H+ + 2e-, E° = 1,229 V (vs. SHE) Reaktionsformel 1 wobei E0 ein Standardelektrodenpotential repräsentiert, und SHE eine Standardwasserstoffelektrode repräsentiert.
  • Wenn/wie die Anodenspannung den Anstieg fortsetzt, wird jedoch die Kohlenstoffkorrosionsreaktion bei der Anode beschleunigt, wie in den folgenden Reaktionsformeln 2 und 3: C + 2H2O → CO2 + 4H+ + 4e-, E° = 0,207 V (vs. SHE) Reaktionsformel 2 C + H2O → CO + 2H+ + 2e-, E° = 0,518 V (vs. SHE) Reaktionsformel 3
  • Wenn der Rückwärtsspannungszustand in der Zelle andauert, und ein Übermaß-Rückwärtsspannungszustand erreicht wird, in dem die Zellenspannung geringer als ungefähr -2 V ist, wird die Wärmeerzeugung der Brennstoffzelle übermäßig, und daher werden im Allgemeinen die Membranelektrodenzusammensetzung (MEA), die Gasdiffusionsschicht (GDL) und dergleichen beschädigt, und im Besonderen können ernsthafte Probleme auftreten, dass Stiftlöcher in der Membranelektrodenzusammensetzung erzeugt werden, und folglich die Zellen elektrisch kurzgeschlossen werden können.
  • Dies führt zu einem Zellenstörungszustand, in dem die Brennstoffzelle unfähig ist, normal betrieben zu werden. Der Gesamtwasserstoffmangel, der zu einer Zellenstörung führt, kann erfasst werden mittels Überwachen des Wasserstoffversorgungszustands mit Verwendung eines Sensors in einem Brennstoffzellenbetrieb-Apparat (Balance of Plant: BOP). Jedoch kann der lokale Wasserstoffmangel in manchen Zellen nur erfasst werden mittels genauem Überwachen der Spannung jeder Zelle des Brennstoffzellenstapels mit einer Stapelspannungsüberwachungs- (SVM, Stack Voltage Monitoring) Vorrichtung, also mit Bereitstellung eines komplexen Steuersystems. Deshalb ist es wichtig, ein Brennstoffzellensystem und eine Betriebssteuertechnologie zu entwickeln, die das Brennstoffzellenfahrzeug ordnungsgemäß betreiben können, bevor der Rückwärtsspannungszustand erreicht wird, um somit das Fahrzeug stabiler zu betreiben, und eine exzellente Haltbarkeit gegenüber einer Rückwärtsspannung bereitzustellen.
  • Selbst wenn eine Brennstoffzellenbetrieb-Steuerung durchgeführt wird gemäß dem R-Wert wie in der oben beschriebenen konventionellen Steuerlogik, wenn die Leistungsfähigkeit mancher Zellen sich aufgrund der Rückwärtsspannung drastisch verringert, tritt eine irreversible Verschlechterung der Zellenleistungsfähigkeit in der Brennstoffzelle auf, und in ernsthaften Fällen kann das Brennstoffzellenfahrzeug abgeschaltet werden, und die Sicherheit für den Fahrer und den Passagier kann bedroht sein. Eine andere irreversible Verschlechterung ist die Kohlenstoffkorrosionsverschlechterung der Kathodenkatalysatorschicht aufgrund des Einströmens von Außenluft (Sauerstoff) in die Kathode und der Bewegung der Außenluft zu der Anode während des Parkens. Wenn beispielsweise ein Ventil installiert ist in einer Luftversorgungsleitung, die mit der Kathodeneinlassseite des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, oder in einer Abgasleitung, die mit der Kathodenauslassseite in einem Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs verbunden ist, kann Außenluft in die Kathode durch eine Lücke in dem Ventil während des Parkens des Fahrzeugs eintreten.
  • Ferner kann sich ein Teil der in die Kathode zugeführten Luft zu der Anode durch die Kathode und die Elektrolytmembran bewegen. Da die Luft und der Wasserstoffbrennstoff zusammen in der Anode der Brennstoffzelle existieren, ist im Besonderen eine Luft/Wasserstoffbrennstoff-Grenze zwischen der Luft und dem Wasserstoffbrennstoff gebildet, und eine Luftregion und eine Wasserstoffbrennstoffregion sind in der Anode bereitgestellt. Im Vergleich mit der Luftregion innerhalb der Kathode, die gegenüberliegend zu der Wasserstoffbrennstoffregion in der Anode mit der dazwischen angeordneten Elektrolytmembran angeordnet ist, wird in der Luftregion innerhalb der Kathode, die gegenüberliegend zu der Luftregion in der Anode mit der dazwischen angeordneten Elektrolytmembran angeordnet ist, als ein Ergebnis eine hohe Spannung über 1 V erzeugt, und eine ernsthafte Kohlenstofferosion tritt bei dieser Position auf. Dies ist eine irreversible Verschlechterung, die zu einer schlechten Leistungsfähigkeit und einer verkürzten Lebensdauer führt, und sobald sie einmal aufgetreten ist, kann sie nicht wiederhergestellt werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das ein normales Antreiben eines Fahrzeugs selbst in dem Modus einer irreversiblen Verschlechterung der Brennstoffzelle aufgrund der Rückwärtsspannung ermöglicht und außerdem auf die irreversible Verschlechterung aufgrund des Einströmens von Außenluft (Sauerstoff) in eine Kathode während eines Fahrzeugparkens und der Bewegung (Übergang) der Luft zu einer Anode reagiert, wodurch die Haltbarkeit der Brennstoffzelle und des Fahrzeugs verbessert wird, und dessen Steuerverfahren bereit.
  • Um die obige Aufgabe zu erreichen, kann gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem enthalten: einen Brennstoffzellenstapel; eine Wasserstoffversorgungsvorrichtung, die ausgestaltet ist zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff; eine Luftversorgungsvorrichtung, die ausgestaltet ist zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels mit Luft; eine Steuervorrichtung, die ausgestaltet ist zum Betreiben einer Brennstoffzellenbetrieb-Vorrichtung; und einen Sauerstoffsensor, der innerhalb des Brennstoffzellenstapels installiert ist, zum Erfassen einer Sauerstoffkonzentration in Gasen auf der Anodenseite.
  • Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems kann die Steuervorrichtung ausgestaltet sein zum Bestimmen, ob eine aktuelle Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite eine vorbestimmte Bedingung erfüllt, von der vorhergesagt wird, eine Rückwärtsspannung zu erzeugen, auf Grundlage eines Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswertes, der durch den Sauerstoffsensor erfasst worden ist, und eines ersten Sauerstoffkonzentration-Referenzwertes, der dem aktuellen Brennstoffzellenbetriebsstrom entspricht. Wenn es bestimmt wird, dass die aktuelle Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite die vorbestimmte Bedingung erfüllt, kann die Steuervorrichtung ausgestaltet sein zum Betreiben der Brennstoffzellenbetrieb-Vorrichtung, die Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite zu reduzieren, um somit eine Verschlechterung auf der Anodenseite aufgrund der Erzeugung der Rückwärtsspannung in den Zellen des Stapels zu vermeiden.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems enthalten: Erfassen einer Sauerstoffkonzentration in Gasen auf einer Anodenseite durch einen Sauerstoffsensor, der innerhalb eines Brennstoffzellenstapels installiert ist, während eines Betriebs des Brennstoffzellensystems; Bestimmen, durch die Steuervorrichtung, ob eine aktuelle Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite eine vorbestimmte Bedingung erfüllt, von der vorhergesagt wird, dass sie eine Rückwärtsspannung erzeugt, auf Grundlage eines Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswertes, der durch den Sauerstoffsensor erfasst worden ist, und eines ersten Sauerstoffkonzentration-Referenzwertes, der dem aktuellen Brennstoffzellenbetriebsstrom entspricht. Wenn es bestimmt wird, dass die aktuelle Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite die vorbestimmte Bedingung erfüllt, kann das Verfahren ein Betreiben einer Brennstoffzellenbetrieb-Vorrichtung enthalten, die Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite zu reduzieren, um somit eine Verschlechterung auf der Anodenseite aufgrund der Erzeugung der Rückwärtsspannung in den Zellen des Stapels zu vermeiden.
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystem und dessen Steuerverfahren der vorliegenden Erfindung kann der Sauerstoffsensor auf der Anodeneinlassseite und der Anodenauslassseite des Brennstoffzellenstapels montiert sein, um die Sauerstoffkonzentration zu messen, und auf Grundlage der gemessenen Sauerstoffkonzentration kann eine Steueroperation auf dem Brennstoffzellensystem durchgeführt werden, um die Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite zu reduzieren, wodurch die irreversible Verschlechterung der Brennstoffzelle, die aufgrund der Rückwärtsspannung der Zelle während des Antreibens bzw. Fahrens des Brennstoffzellenfahrzeugs auftreten kann, und die Kathodenkohlenstoffkorrosion (Engl.: cathode carbon corrosion) aufgrund des Einströmens von Luft während des Parkens wirksam reduziert werden können.
  • Im Besonderen kann in der vorliegenden Erfindung die Konzentration von Sauerstoff, der in dem Elektrolyseschritt von Wasser vor der Kohlenstoffkorrosionsstufe zu der Zeit einer Rückwärtsspannung erzeugt wird, gemessen werden, und falls die Sauerstoffkonzentration über einem bestimmten Pegel ist, kann eine Steuerung für eine proaktive Reaktion vor einem Auftreten der Kohlenstoffkorrosion durchgeführt werden, die eine irreversible Verschlechterung ist, wodurch verhindert wird, dass die Kohlenstoffkorrosion auftritt. Im Vergleich mit der periodischen Entleerungsoperation zum Verhindern einer Kohlenstoffkorrosion ohne den Sauerstoffsensor während des Fahrzeugparkens können außerdem in der vorliegenden Erfindung, nur wenn die durch den Sauerstoffsensor gemessene Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite des Stapels zunimmt, um gleich oder größer als der Referenzwert zu sein, die Wasserstoffversorgung und die Anodenentleerungsoperation durchgeführt werden, wodurch hinsichtlich der Wirksamkeit und des Leistungsverbrauchs ein Vorteil erreicht wird.
  • Figurenliste
  • Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen klarer verständlich werden.
    • 1 ist ein Blockdiagramm, das ein Brennstoffzellensystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 2 bis 4 sind Ansichten, die den Zustand veranschaulichen, in dem Sauerstoffsensoren auf einem Brennstoffzellenstapel in dem Brennstoffzellensystem gemäß der beispielhaften Ausführungsform installiert sind.
    • 5, 6A und 6B sind Ansichten, die den Zustand veranschaulichen, in dem Sauerstoffsensoren auf einem Brennstoffzellenstapel in dem Brennstoffzellensystem gemäß der beispielhaften Ausführungsform installiert sind.
    • 7 ist eine Querschnittsansicht, die einen Fühlteil des Sauerstoffsensors in dem Brennstoffzellensystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 8 ist ein Flussdiagramm, das eine Prozedur zum Steuern des Brennstoffzellensystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 9 ist eine Ansicht, die die Steueroperation des Brennstoffzellensystems veranschaulicht, in der ein verfügbarer maximaler Strom bestimmt wird in Abhängigkeit von einem R-Wert, gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 10 ist ein Blockdiagramm, das ein Steuersystem veranschaulicht, das eine Steueroperation zur Vermeidung einer Kathodenkohlenstoffkorrosion durchführt, die bei der Einströmung von Luft in den Brennstoffzellenstapel auftritt, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 11 ist eine Ansicht, die die Anodenentleerungssteuerung in der Steueroperation des Brennstoffzellensystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Es wird verstanden, dass der Begriff „Fahrzeug“ oder „Fahrzeug-“ oder ein ähnlicher Begriff, wie er hier verwendet wird, allgemein Motorfahrzeuge einschließt, so wie Passagierautomobile einschließlich sportlicher Geländefahrzeuge (SUV), Busse, Lastwagen, vielfältige Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge mit einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeuge und dergleichen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge, wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und Fahrzeuge mit anderen alternativen Kraftstoffen bzw. Brennstoffen (beispielsweise Kraftstoffe bzw. Brennstoffe, die aus anderen Ressourcen hergestellt sind als Erdöl) enthält. Wie hier referenziert, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen hat, beispielsweise Fahrzeuge, die sowohl benzin-antrieben als auch elektro-angetrieben sind.
  • Obwohl eine beispielhafte Ausführungsform derart beschrieben wird, dass sie eine Mehrzahl von Einheiten zum Durchführen des beispielhaften Prozesses verwendet, wird es verstanden, dass die beispielhaften Prozesse auch durch ein oder eine Mehrzahl von Modulen durchgeführt werden können. Außerdem wird es verstanden, dass der Begriff Steuervorrichtung/Steuereinheit auf eine Hardware-Vorrichtung verweist, die einen Speicher und einen Prozessor enthält. Der Speicher ist ausgestaltet zum Speichern der Module, und der Prozessor ist spezifisch ausgestaltet zum Ausführen der Module, um einen oder mehrere Prozesse durchzuführen, die weiter unten beschrieben werden.
  • Darüber hinaus kann eine Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nicht-flüchtige computer-lesbare Medien auf einem computer-lesbaren Medium verkörpert sein, das ausführbare Programmanweisungen enthält, die durch einen Prozessor, eine Steuervorrichtung/Steuereinheit oder dergleichen ausgeführt werden. Beispiele des computer-lesbaren Mediums enthalten, ohne Beschränkung, ROM, RAM, Compact-Disc (CD)-ROMs, Magnetbänder, Floppy Disks, Flash-Speicher, Smartcards und optische Datenspeichervorrichtungen. Das computer-lesbare Aufzeichnungsmedium kann auch in netzwerk-gekoppelten Computersystemen verteilt sein, so dass die computer-lesbaren Medien in einer verteilten Weise gespeichert und ausgeführt werden, beispielsweise durch einen Telematikserver oder ein Controller Area Network (CAN).
  • Die hier verwendete Terminologie dient nur dem Zweck einer Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und hat nicht die Absicht einer Beschränkung der Erfindung. Wie hier verwendet, sollen die Singularformen „ein“ und „der“ beabsichtigungsgemäß auch die Pluralformen enthalten, es sei denn der Kontext gibt klar etwas anderes an. Es wird ferner verstanden werden, dass die Begriffe „umfasst“ und/oder „umfassend“, wenn in dieser Beschreibung verwendet, die Anwesenheit angegebener Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, aber nicht die Anwesenheit oder Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hier verwendet, enthält der Begriff „und/oder“ irgendeine und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der verknüpften angeführten Elemente.
  • Außerdem, wenn es nicht spezifisch angegeben oder aus dem Kontext offensichtlich ist, wird der Begriff „ungefähr“, wie hier verwendet, verstanden werden als innerhalb eines Bereichs einer normalen Toleranz in dem Fachgebiet, beispielsweise innerhalb von zwei Standardabweichungen des Mittelwertes. „Ungefähr“ kann verstanden werden als innerhalb von 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Wertes. Außer wenn es anders aus dem Kontext klar ist, sind alle hier bereitgestellten numerischen Werte durch den Begriff „ungefähr“ modifiziert.
  • Hier werden unten beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail mit Verweis auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, um dem Fachmann in dem Fachgebiet eine einfache Implementierung der Ausführungsformen zu ermöglichen. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese beispielhaften Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in anderen Formen implementiert sein.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Brennstoffzellensystem bereit, das ein normales Antreiben eines Fahrzeugs selbst in dem irreversiblen Verschlechterungsmodus einer Brennstoffzelle aufgrund der Rückwärtsspannung ermöglicht, und außerdem auf die irreversible Verschlechterung aufgrund der Einströmung von Außenluft (Sauerstoff) in eine Kathode während eines Fahrzeugparkens und der Bewegung (Übergang) der Luft zu einer Anode reagiert, wodurch die Haltbarkeit der Brennstoffzelle und des Fahrzeugs verbessert wird.
  • Die vorliegende Erfindung verhindert mit anderen Worten wirksam die Verschlechterung einer Anodenelektrode aufgrund der Rückwärtsspannung, die erzeugt wird während des Fahrens eines Brennstoffzellenfahrzeugs, und die Verschlechterung einer Kathodenelektrode, die durch die Bildung einer Schnittstelle zwischen Luft/Wasserstoff-Brennstoff bei der Anode während des Parkens des Brennstoffzellenfahrzeugs verursacht wird. In der vorliegenden Erfindung kann demgemäß ein Sauerstoffsensor auf den Einlass- und Auslassseiten der Anode der Brennstoffzelle montiert sein, um Sauerstoff schnell zu detektieren, welcher ein Nebenprodukt der Wasserelektrolysereaktion ist, vor der Kohlenstoffkorrosionsreaktion, auf die Rückwärtsspannung aufgrund des Wasserstoffmangels in der Anode hin, und somit kann verhindert werden, dass die Kohlenstoffkorrosionsreaktion fortschreitet, indem die Steuerung zum Vermeiden des Wasserstoffmangelproblems durchgeführt wird.
  • Ferner kann in der vorliegenden Erfindung die Sauerstoffkonzentration in den Gasen, die in der Anode während des Parkens vorhanden sein können, rasch durch den Sauerstoffsensor erfasst werden, und der Wasserstoff in der Anode kann entleert bzw. abgelassen werden, bevor die Bildung der Schnittstelle zwischen dem Luft/WasserstoffBrennstoff intensiviert wird, wodurch die Steueroperation zum Ablassen von Restsauerstoff aus der Zelle durchgeführt wird.
  • Der Sauerstoffsensor kann nahe gelegen bzw. benachbart zu jeder Zelle des Brennstoffzellenstapels installiert sein, und eine Systemsteuerung auf Grundlage des Signals von dem Sauerstoffsensor kann durchgeführt werden. Im Besonderen ist die vorliegende Erfindung hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, dass die Systemsteuerung durchgeführt werden kann, um einen Wasserstoffmangel in der Anode und verbleibenden Sauerstoff während des Parkens zu vermeiden, auf Grundlage der Signale von dem Sauerstoffsensor, der auf den Einlass- und Auslassseiten der Anode in dem Brennstoffzellenstapel installiert ist, wodurch das Auftreten einer Verschlechterung der Zelle verhindert wird.
  • 1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, in dem ein Sauerstoffsensor auf den Einlass- und Auslassseiten einer Anode in einem Brennstoffzellenstapel gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung montiert sein kann. Wie in der Figur gezeigt, kann das an einem Fahrzeug montierte Brennstoffzellensystem enthalten: einen Brennstoffzellenstapel 10, der ausgestaltet ist zum Erzeugen elektrischer Energie aus einer elektrochemischen Reaktion des reaktionsfähigen Gases (d.h. Wasserstoff als ein Brenngas und Sauerstoff in der Luft als ein Oxidationsgas); eine Wasserstoffversorgungsvorrichtung 20, die ausgestaltet ist zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels 10 mit Wasserstoff als ein Brenngas; eine Luftversorgungsvorrichtung 30, die ausgestaltet ist zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels 10 mit Luft, die Sauerstoff als ein Oxidationsgas enthält; ein Wärme-und-Wasserverwaltungssystem 40, das ausgestaltet ist zum Justieren der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 10 und zum Durchführen einer Wasserverwaltungsfunktion des Brennstoffzellenstapels; und eine Steuervorrichtung 60, die ausgestaltet ist zum Ausführen des Gesamtbetriebs einer Brennstoffzellenbetrieb-Vorrichtung mit der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 20 und der Luftversorgungsvorrichtung 30 und des Brennstoffzellensystems.
  • Im Besonderen kann die Wasserstoffversorgungsvorrichtung 20 einen Wasserstofftank 21, einen Druckregulator 22, ein Wasserstoffversorgungsventil 23, einen Wasserstoffrezirkulator und dergleichen enthalten. Die Luftversorgungsvorrichtung 30 kann ein Luftgebläse 31, einen Befeuchter 32 und dergleichen enthalten. Das Wärme-und-Wasserverwaltungssystem 40 kann eine elektrische Wasserpumpe (beispielsweise eine Kühlwasserpumpe) 41, ein Reservoir 42, einen Kühler 43, ein Drei-Wege-Ventil 44, einen Wasserabscheider 46 und dergleichen enthalten. In der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 20 kann Hochdruck-Sauerstoff, der von dem Wasserstofftank 21 geliefert wird, der als ein Wasserstoffspeicherabschnitt dient, auf einen zweckgemäßen Druck mit Verwendung des Druckregulators 22 und des Wasserstoffversorgungsventils 23 justiert werden und kann dann an den Brennstoffzellenstapel 10 geliefert werden.
  • Zu dieser Zeit kann der Wasserstoffrezirkulator ausgestaltet sein zum Rezirkulieren des nicht-reagierten Wasserstoffs, der von der Anode des Brennstoffzellenstapels 10 abgelassen worden ist, an die Anode mit Verwendung eines Ejektors 24 oder eines Rezirkulationsgebläses 25, und dann kann die Anode mit frischem Wasserstoff von dem Wasserstofftank 21 versorgt werden, zusammen mit dem rezirkulierten Gas, das durch eine Rezirkuliereinheit rezirkuliert wird, in einem gemischten Zustand. Die Wasserstoffrezirkulationsvorrichtung kann zu dem Zweck einer Wiederverwendung des nicht-reagierten Wasserstoffs verwendet werden, der in dem Brennstoffzellenstapel 10 verbleibt, und kann eine Rezirkulationsleitung L3 enthalten, die zwischen einer anodeneinlassseitigen Abgasleitung L2, die mit der Anodenauslassseite des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden ist, und einer Wasserstoffversorgungsleitung L1 angeschlossen ist, die mit der Anodeneinlassseite verbunden ist, mit dem Ejektor 24 und/oder dem Rezirkulationsgebläse 25 zusammen in der Rezirkulationsleitung L3 installiert.
  • Die Luftversorgungsleitung 30 kann ausgestaltet sein zum Befeuchten der durch das Luftgebläse 31 gelieferten Luft mit Verwendung des Befeuchters 32 und zum anschließenden Liefern der Luft an die Kathode des Brennstoffzellenstapels 10. Der Befeuchter 32 kann ausgestaltet sein zum Durchführen der Befeuchtung mittels eines Dampfaustausches zwischen der feuchten Luft, die von der Kathode des Brennstoffzellenstapels 10 abgelassen worden ist, und der an die Kathode gelieferten trockenen Luft. Das Wärme-und-Wasserverwaltungssystem 40 kann eine Vorrichtung enthalten, die ausgestaltet ist zum Justieren der Stapeltemperatur, die die elektrische Wasserpumpe 41, die zum Zirkulieren des Kühlwassers ausgestaltet ist, das Reservoir 42, das ausgestaltet ist zum Speichern des Kühlwassers, den Kühler 43, der ausgestaltet ist zum Abstrahlen von Wärme des Kühlwassers, und das Drei-Wege-Ventil 44 enthalten kann, das ausgestaltet ist zum Justieren einer Strömung des Kühlwassers, um zu veranlassen, dass das Kühlwasser selektiv zu dem Kühler 43 strömt.
  • Außerdem kann der Wasserabscheider 46 zur Wasserverwaltung auf der Anodenauslassseite des Brennstoffzellenstapels 10 angeordnet sein, um von der Anode des Brennstoffzellenstapels abgelassenes Wasser zu speichern, und ein Ablassventil 47 kann auf der Auslassseite des Wasserabscheiders 46 installiert sein. Das Ablassventil 47 kann ausgestaltet sein zum Öffnen, um das in dem Wasserabscheider 46 gespeicherte Wasser abzulassen. Ferner kann ein Entleerungsventil 26 in der anodenseitigen Abgasleitung L2 des Brennstoffzellenstapels 10 angeordnet sein.
  • Während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 10 gehen der Stickstoff in der an die Kathode gelieferten Luft und ein in der Kathode produziertes Wasserprodukt (Wasser und Wasserdampf) durch die Elektrolytmembran innerhalb des Stapels über, um sich zu der Anodenseite zu bewegen. Im Besonderen können Fremdsubstanzen, so wie Stickstoff, Wasser und Wasserdampf, die Unreinheiten sind, durch die Entleerungsoperation des periodischen Öffnens des Entleerungsventils 26 entfernt werden, das in der anodenauslassseitigen Leitung L2 angeordnet ist. Sperrventile 33 und 34 zum Verbessern der Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels 10 können bei der Luftversorgungsleitung L5, die mit der Kathodeneinlassseite des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden ist, bzw. bei der Abgasleitung L4 angeordnet sein, die mit der Kathodenauslassseite verbunden ist. Die Sperrventile 33 und 34 sperren das Brennstoffzellensystem und einen Strömungspfad der Luftversorgungsleitung L5 und der kathodenauslassseitigen Abgasleitung L4 während des Parkens des Fahrzeugs, um ein Einströmen von Luft in die Kathode in dem Stapel zu blockieren.
  • In dem Brennstoffzellensystem kann die Steuervorrichtung 60 ausgestaltet sein zum Betreiben jedes Ventils als auch des Luftgebläses 31, des Rezirkulationsgebläses 25, der elektrischen Wasserpumpe 41 etc. und kann ausgestaltet sein zum Empfangen der Signale von den Sauerstoffsensoren 51 und 52. Die Sauerstoffsensoren 51 und 52 können innerhalb eines Stapelgehäuses 11 installiert sein, das den Brennstoffzellenstapel 10 versiegelt, und können sowohl auf der Einlassseite als auch auf der Auslassseite der Anode in dem Brennstoffzellenstapel 10 bereitgestellt sein. Es gibt keine besondere Beschränkung für den Typ des Sauerstoffsensors 51 oder 52 in der vorliegenden Erfindung, sondern die Typen des anwendbaren Sauerstoffsensors können einen Halbleiter-Sauerstoffsensor, einen Verbrennungs-Sauerstoffsensor etc. enthalten.
  • Materialien, die Sauerstoff in Halbleiter-Sauerstoffsensoren adsorbieren und desorbieren, können Titandioxid (TiO2), Strontiumtitanoxid (SrTiO3), Gallium(III)-Oxid (Ga2O3), Ceroxid (CeO2) oder dergleichen enthalten. Ein Sauerstoffsensor, der eines oder mehrere dieser Materialien verwendet, kann verwendet werden. In der vorliegenden Erfindung können die Sauerstoffsensoren 51 und 52 auf den Einlass- und Auslassseiten der Anode angeordnet sein, und auf Grundlage der Signale von den Sauerstoffsensoren 51 und 52 können Steueroperationen durchgeführt werden zum Vermeiden der Rückwärtsspannungsverschlechterung während des Antreibens des Brennstoffzellenfahrzeugs (beispielsweise Steuerung zum Vermeiden einer Verschlechterung der Anode) und zum Vermeiden der Kathodenkohlenstoffkorrosion (beispielsweise Steuerung zum Vermeiden einer Verschlechterung der Kathode), die auftritt, wenn Luft in den Stapel während des Parkens des Brennstoffzellenfahrzeugs strömt.
  • 2 bis 4 sind Ansichten, die den Zustand veranschaulichen, in dem Sauerstoffsensoren in/auf einem Brennstoffzellenstapel installiert sind in dem Brennstoffzellensystem gemäß der beispielhaften Ausführungsform. In der vorliegenden Erfindung kann der Sauerstoffsensor 51, 52 auf der Anodenauslassseite des Brennstoffzellenstapel 10 installiert sein und kann im Besonderen, wie schematisch in 1 veranschaulicht, zusätzlich zu der Anodenauslassseite auch auf der Anodeneinlassseite installiert sein. In der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können mit anderen Worten die Sauerstoffsensoren 51 und 52 sowohl auf der Einlassseite als auch auf der Auslassseite der Anode in dem Brennstoffzellenstapel 10 installiert sein, und die Sauerstoffsensoren 51 und 52 und die Steuervorrichtung 60 können miteinander elektrisch so verbunden sein, dass die elektrischen Signale von den Sauerstoffsensoren 51 und 52, d.h. die Sauerstofferfassungssignale von den Sauerstoffsensoren 51 und 52, an die Steuervorrichtung 60 eingegeben werden können.
  • In der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Sauerstoffsensoren 51 und 52 in dem Brennstoffzellenstapel 10 bereitgestellt sein, um in einen Anodenauslassverteiler (111 in 6A und 6B), der der Anodenauslassdurchgangsabschnitt ist, und in einen Anodeneinlasskrümmer, der der Anodeneinlassdurchgangsabschnitt ist, eingesetzt zu werden. Im Besonderen verweisen der Anodenauslasskrümmer 111 und der (nicht gezeigte) Anodeneinlasskrümmer auf einen einzelnen kontinuierlichen Gaspfad, der gebildet ist durch Stapeln der Separatorplatten der Zellen in dem Brennstoffzellenstapel 10, um in den Separatorplatten gebildete Verteileröffnungen miteinander entlang der Stapelrichtung der Zellen zu verbinden.
  • Der Anodeneinlassverteiler ist ein anodeneinlassseitiger Durchgang in dem Stapel, der Wasserstoffgas an jede Zelle verteilt, und der Anodenauslassverteiler 111 ist ein anodenauslassseitiger Durchgang in dem Stapel, wo sich das durch die Zelle passierte anodenseitige Abgas sammelt. Genauer genommen ist der Anodeneinlassverteiler ein Einlassdurchgang, durch den Wasserstoff passiert, bevor er an Anodenkanäle der jeweiligen Zellen in dem Brennstoffzellenstapel 10 geliefert und verteilt wird, und der Anodenauslassverteiler 111 ist ein Auslassdurchgang, durch den das Gas nach dem Passieren durch den Anodenkanal jeder Zelle in dem Brennstoffzellenstapel 10 passieren darf. In der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie zuvor beschrieben, wie in 2 bis 4 gezeigt, können die Sauerstoffsensoren 51 und 52 eingesetzt und installiert entlang eines inneren Durchgangs des Anodeneinlassverteilers, der ein anodeneinlassseitiger Durchgang ist, und entlang eines inneren Durchgangs des Anodenauslassverteilers (111 in 6A und 6B) sein, der ein auslassseitiger Durchgang ist.
  • 2 ist eine Perspektivansicht, die den Brennstoffzellenstapel 10 zeigt, in dem ein Sauerstoffsensor in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung installiert ist. In jeder Zelle (Einheitszelle) des Brennstoffzellenstapels 10 können eine Membranelektrodenzusammensetzung (MEA, Membrane Electrode Assembly), in der eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode an beide Oberflächen einer Elektrolytmembran gebondet bzw. gebunden sind, Gasdiffusionsschichten (GDLs), die an äußere Oberflächen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode auf beiden Seiten der Membranelektrodenzusammensetzung gebondet bzw. gebunden sind, Anodenseparatorplatten und Kathodenseparatorplatten, die auf äußeren Oberflächen der beiden Gasdiffusionsschichten gestapelt sind, und Dichtungen bereitgestellt sein, die zwischen den Teilen der Zellen zum Versiegeln bzw. Abdichten der Teile angeordnet sind.
  • In dem konventionellen Brennstoffzellenstapel 10 können Endplatten 121 und 122 zum Halten der Zellen mit den äußersten Enden eines gestapelten Körpers 110 gekoppelt sein, in dem Zellen mit der oben beschriebenen Struktur gestapelt sein können, und in der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Sauerstoffsensoren 51 und 52 installiert sein, um in den Anodenauslassdurchgang und den Anodeneinlassdurchgang in dem Stapel 10 so eingesetzt zu sein, dass beide Enden davon mit den Endplatten 121 und 122 gekoppelt und durch diese gehalten werden. In der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können mit anderen Worten die Sauerstoffsensoren 51 und 52 angeordnet sein, um in den Anodeneinlassdurchgang (d.h. den Anodeneinlassverteiler) und den Anodenauslassdurchgang (d.h. den Anodenauslassverteiler) in dem Brennstoffzellenstapel 10 eingesetzt und entlang des Anodeneinlassdurchgangs und des Anodenauslassdurchgangs installiert zu sein, wobei beide Enden der Sauerstoffsensoren mit den Endplatten 121 und 122 gekoppelt und durch diese gehalten sein können.
  • Als ein Ergebnis können die Sauerstoffsensoren 51 und 52 längs in den Anodeneinlassdurchgang und den Anodenauslassdurchgang in der Zellenstapelrichtung eingesetzt sein. Im Besonderen passieren die Sauerstoffsensoren 51 und 52 sequenziell durch die Zellen, die zwischen den Endplatten 121 und 122 gestapelt sind, bei beiden Enden davon, entlang des Anodeneinlassdurchgangs und des Anodenauslassdurchgangs. Da die Sauerstoffsensoren 51 und 52 in dem Anodeneinlassdurchgang und dem Anodenauslassdurchgang installiert sein können, wie oben beschrieben, wird ein Leerraum, der durch den Sauerstoffsensor in jedem Durchgangsraum nicht belegt wird, ein Kanalraum, durch den das Gas passieren kann.
  • In der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Sauerstoffsensoren 51 und 52 eine gestreckte Form haben, um somit in den anodeneinlassseitigen Durchgang und den anodenauslassseitigen Durchgang eingesetzt zu werden. Kopplungsstifte 53 und 54 können bei beiden Enden der Sauerstoffsensoren 51 und 52 bereitgestellt sein zum Koppeln mit den Endplatten 121 und 122 und zum Halten des Sensors und der Führungszusammensetzung des Sensors. Ein Draht 55 zum Ausgeben eines Sensorsignals (Erfassungssignal) kann auf einer Seite der jeweiligen Sauerstoffsensoren 51 und 52 angeordnet sein. Nachdem sie in die jeweiligen Durchgänge eingesetzt worden sind, können die Sauerstoffsensoren 51 und 52 außerdem mit den Endplatten 121 und 122 gekoppelt werden mittels Befestigen der Kopplungsstifte 53 und 54 durch Stiftnuten 122b, die in den Endplatten 121 und 122 gebildet sind, bei beiden Enden der Sauerstoffsensoren 51 und 52, und der Draht 55 kann mit dem Äußeren durch ein Durchgangsloch 122a einer der Endplatten 121 und 122 verbunden sein.
  • Eine erste Endplatte 121 der zwei Endplatten 121 und 122 in dem Brennstoffzellenstapel 10 kann enthalten einen Anodeneinlassverteiler und einen Anodenauslassverteiler 111 des Zellenstapelkörpers 110; einen Kathodeneinlassverteiler und einen Kathodenauslassverteiler; eine Wasserstoffeinlassöffnung 124a und eine Wasserstoffauslassöffnung 123a in Kommunikation mit einem Kühlwassereinlassverteiler bzw. einem Kühlwasserauslassverteiler; eine Lufteinlassöffnung 123c und eine Luftauslassöffnung 124c; und eine Kühlwassereinlassöffnung 123b und ein Kühlwasserauslassloch 124b, wohingegen eine zweite Endplatte 122 nicht mit derartigen Einlass- und Auslassöffnungen versehen ist.
  • Übrigens haben die Wasserstoffeinlassöffnung 124a und die Wasserstoffauslassöffnung 123a in der Endplatte 121 eine Struktur, in der ein Abschnitt der Quadratöffnungsregion blockiert ist, anders als die Lufteinlassöffnung 123c und die Luftauslassöffnung 124c, und die Stiftnut 122b kann in dem blockierten Abschnitt gebildet sein. Außerdem kann die Endplatte 122 die Stiftnut 122b und die Öffnung 122a enthalten, um zu ermöglichen, dass die Kopplungsstifte 53 und 54 der Sauerstoffsensoren 51 und 52 in die Stiftnuten 122b der Endplatten 122 und 122 eingesetzt und in Eingriff damit gebracht werden, wodurch ermöglicht wird, dass die Sauerstoffsensoren 51 und 52 in vorbestimmten Positionen in den jeweiligen Durchgängen angeordnet und gehalten sind. Die Drähte 55 der Sauerstoffsensoren 51 und 52 können durch die in der Endplatte 122 gebildete Öffnung 122a eingesetzt und nach außen durch die Öffnung 122a exponiert sein und können mit der Steuervorrichtung 60 via eine leitfähige Leitung verbunden sein.
  • In der beispielhaften Ausführungsform kann ein Dichtungselement in der Öffnung 122a der Endplatte 122 angeordnet sein, durch welche(s) der Draht 55 des Sauerstoffsensors 51, 52 durchgeht, um die Luftundurchlässigkeit zwischen dem Draht 55 und der Öffnung bereitzustellen. Mittels Bereitstellung der Luftundurchlässigkeit durch das Dichtungselement 122c können die Sauerstoffsensoren 51 und 52 und die Steuervorrichtung 60 elektrisch miteinander verbunden sein, ohne ausschließende Faktoren, die eine elektrische Verbindung und den Draht 55 der Sauerstoffsensoren 51 und 52 in einer feuchten Umgebung innerhalb des Brennstoffzellenstapels in Mitleidenschaft ziehen.
  • 3 und 4 sind Ansichten, die die Struktur zeigen, in der die Sauerstoffsensoren 51 und 52 mit den Endplatten 121 und 122 bei beiden Enden des Stapels gekoppelt sein können, wobei der Zellenstapelkörper 110 entfernt ist. Die Kopplungsstifte 53 und 54, die bei beiden Enden der Sauerstoffsensoren 51 und 52 gebildet sind, können in die Stiftnuten 122b der beiden Endplatten 121 bzw. 122 eingesetzt sein. Die auf einer Seite der Sauerstoffsensoren 51 und 52 gebildeten Drähte 55 können elektrisch mit der Steuervorrichtung 60 durch die Öffnung 122a der Endplatte 122 verbunden sein.
  • 5, 6A und 6B sind Ansichten, die den Zustand veranschaulichen, in dem die Sauerstoffsensoren in/auf dem Brennstoffzellenstapel in dem Brennstoffzellensystem gemäß der beispielhaften Ausführungsform installiert sind, wobei 6A und 6B Querschnittansichten sind, die entlang der Linie A-A von 5 genommen sind. Bezugszeichen 111 bezeichnet einen Anodenauslassverteiler, der ein Anodenauslassdurchgang ist, Bezugszeichen 112 bezeichnet einen Kühlwassereinlassverteiler, und Bezugszeichen 113 bezeichnet einen Kathodeneinlassverteiler.
  • Wie in 5 gezeigt, kann ein Sauerstoffsensor (d.h. ein erster Sauerstoffsensor) 52 eingesetzt in und installiert an/auf dem Wasserstoffauslass des Zellenstapelkörpers 110 in dem Brennstoffzellenstapel 10, das ist der Anodenauslassverteiler 111, sein, der der anodenauslassseitige Durchgang ist, und ein Sauerstoffsensor (d.h. ein zweiter Sauerstoffsensor) 51 kann eingesetzt in und installiert an/auf dem Anodeneinlassverteiler sein, der ein Anodeneinlassdurchgang ist. 6A zeigt eine beispielhafte Ausführungsform mit Verwendung des Sauerstoffsensors 52, der einen integralen langen Fühlabschnitt 52a hat. 6B zeigt eine beispielhafte Ausführungsform mit Verwendung des Sauerstoffsensors 52, der eine Mehrzahl von Fühlabschnitten 52a hat, die in der Form individueller Sensorelemente bereitgestellt sind.
  • In der vorliegenden Erfindung können die Sauerstoffsensoren 51 und 52 bei Positionen installiert sein, die an die Anodenseite jeder Zelle angrenzen, um eine rasche Sauerstoffmessung in Echtzeit zu ermöglichen. Diese Ausgestaltung erleichtert eine schnelle Reaktionsfreudigkeit bezüglich des Auftritts der Rückwärtsspannung und der Kohlenstoffkorrosion, die während des Fahrzeugparkens auftritt/auftreten. Wie oben beschrieben, können die Sauerstoffsensoren 51 und 52 eingesetzt in den und installiert an/auf dem anodeneinlassseitigen Durchgang (Anodeneinlassverteiler) und dem anodenauslassseitigen Durchgang (Anodenauslassverteiler) 111 in dem Stapel sein. Wie in 6A gezeigt, kann es möglich sein, den Sauerstoffsensor 52 mit dem langen Fühlabschnitt 52a in den Durchgang 111 einzusetzen.
  • Wie in 6B gezeigt, kann der Sauerstoffsensor 52 verwendet werden, in dem eine Mehrzahl von Fühlabschnitten 52a, die jeweils einen langen stabförmigen Sensorkörper haben und bereitgestellt in der Form individueller Sensorelemente, entlang der Längsrichtung des Sensorkörpers angeordnet sein kann. In der beispielhaften Ausführungsform von 6B können die Fühlabschnitte 52a, die in der Form individueller Sensorelemente in dem Sensorkörper bereitgestellt sind, parallel durch interne Leiter verbunden sein, die in dem Sensorkörper bereitgestellt sind, und durch die Drähte 55 des Sauerstoffsensors 52 und externe Zuführungen, zusammen mit den internen Leitern, können die jeweiligen Fühlabschnitte 52a parallel zu der Steuervorrichtung 60 geschaltet sein.
  • Die Fühlabschnitte 52a können entlang der Längsrichtung in dem Sensorkörper angeordnet sein, um somit einen Fühlabschnitt 52a für jede Zelle anzuordnen. Zum Gewährleisten der Lücke und des Messintervalls zwischen den Fühlabschnitten 52a, wie in 6B gezeigt, können die Fühlabschnitte 52a in einer Zickzackweise angeordnet sein. In der beispielhaften Ausführungsform von 6B kann die anodenseitige Sauerstoffkonzentration gemessen werden für jede Zelle durch die Fühlabschnitte 52a, die parallelgeschaltet sind in den Sauerstoffsensoren 51 und 52, und die Sauerstoffkonzentration kann bei der jeder Zelle entsprechenden Position gemessen werden.
  • Ähnlich zum Überwachen der Zellenspannung kann deshalb die Steuervorrichtung 60 ausgestaltet sein zum Überwachen der anodenseitigen Sauerstoffkonzentration für jede Zelle. Als ein Ergebnis kann es gemäß der beispielhaften Ausführungsform von 6B möglich sein, genauer zu bestimmen, dass Zellen mit einer Sauerstoffkonzentration eines gewissen Pegels oder mehr unter sämtlichen Zellen erzeugt werden, und eine Steueroperation zum Vermeiden der Rückwärtsspannung und der Kohlenstoffkorrosion während des Parkens durchzuführen. Wenn die Sauerstoffkonzentration der Zelle einen höchsten Wert unter all den Zellen hat, d.h. wenn die maximale Sauerstoffkonzentration größer als ein bestimmter Pegel ist, kann eine Steueroperation zum Vermeiden der Rückwärtsspannung während des Antreibens des Fahrzeugs und der Kohlenstoffkorrosion während des Parkens des Fahrzeugs durchgeführt werden. Außerdem können gemäß der beispielhaften Ausführungsform von 6B die Verwaltung und Behandlung für die Rückwärtsspannungshistorie wirksam für jede Zelle in dem Aspekt einer Kundendienstleistung durchgeführt werden. Unterdessen können in der vorliegenden Erfindung die Sauerstoffsensoren 51 und 52 ausgestaltet sein zum Ausgeben eines elektrischen Signals, das der Sauerstoffkonzentration in dem anodenseitigen Gas entspricht. Einer der bekannten Sauerstoffsensoren 51 und 52 kann übernommen werden, solange wie er von dem Typ ist, der fähig ist zum Erfassen von Sauerstoff in dem Gas und zum Erzeugen eines elektrischen Signals, das der erfassten Sauerstoffkonzentration entspricht.
  • 7 ist eine Querschnittansicht, die die Ausgestaltung eines beispielhaften Fühlabschnitts 52a jedes Sauerstoffsensors 52 in dem Brennstoffzellensystem gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in der Figur gezeigt, kann der Fühlabschnitt 52a der Sauerstoffsensoren 51 und 52 enthalten ein Substrat 56, eine Katalysatorschicht 57, die auf der Oberfläche des Substrats 56 gebildet ist, eine sauerstoffpermeable Membran 58, die über der Katalysatorschicht 57 angeordnet ist, und eine Unterteilungsstruktur 59, die einen Fühlraum, der ein Raum zwischen der permeablen Membran 58 und dem Substrat 56 ist, und in dem die Katalysatorschicht 57 sich befindet, versiegelt oder in Unterräume während ihrer Versiegelung aufteilt.
  • Im Besonderen kann das Substrat 56 längs auf einem Körper der Sauerstoffsensoren 51 und 52 installiert sein, und die Katalysatorschicht 57 und die Unterteilungsstruktur 59 können auf der oberen Oberfläche davon laminiert sein. Die Unterleitungsstruktur 59 ist eine Struktur, die auf der oberen Oberfläche des Substrats 56 zum Fixieren und Halten der sauerstoffpermeablen Membran 58 gestapelt sein kann. Selbst in dem Fall der Sauerstoffsensoren 51 und 52 mit dem einzelnen gestreckten Fühlabschnitt 52a wie in der beispielhaften Ausführungsform von 6A kann der Fühlabschnitt 52a eine mit dem gesamten Fühlabschnitt 52a integrierte eine Katalysatorschicht 57 haben oder kann eine Katalysatorschicht 57 haben, die über eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten für jeden Abschnitt des gesamten Fühlabschnitts integriert ist. In dem Fall der Unterteilungsstruktur 59 kann der Fühlteil 52a gebildet sein, um in eine vorbestimmte Form (beispielsweise eine rechteckige Form) einer vorbestimmten Fläche aufgeteilt zu sein.
  • In dem Fall der Sauerstoffsensoren 51 und 52 mit der Mehrzahl von Fühlabschnitten 52a wie in der beispielhaften Ausführungsform von 6B kann der Fühlabschnitt 52a von 7 ein Sensorelement werden, und die Mehrzahl von Fühlabschnitten 52a kann in dem Sensorkörper angeordnet sein, um einzeln für jede Zelle positioniert zu sein. Die sauerstoffpermeable Membran 58 in dem Fühlabschnitt 52a der Sauerstoffsensoren 51 und 52 kann eine Polytetrafluorethylen- (PTFE) Membran mit Poren unter Berücksichtigung einer wasserabweisenden Eigenschaft und Temperatur für eine feuchte Umgebung sein. Für den Halbleiter-Sauerstoffsensor kann außerdem die Katalysatorschicht 57 aus einem oder mehreren von Titandioxid (TiO2), Strontiumtitanoxid (SrTiO3), Gallium(III)-Oxid (Ga2O3), Ceroxid (CeO2) oder dergleichen gebildet sein.
  • Die obigen Oxide können allein als die Katalysatorschicht 57 verwendet werden, die alternativ in einer Form bereitgestellt sein kann/können, in der ein oder mehrere Typen derartiger Oxide hinzugefügt sind zu einem Halter, so wie Siliziumdioxid (SiO2), Aluminiumoxid (Al2O3) oder Zirkonoxid (Zirkondioxid, ZrO2). Außerdem kann die Katalysatorschicht 57 eine Film- oder Drahtform haben. In dem Fühlabschnitt 52a der Sensorstoffsensoren 51 und 52 kann ein Spannungssignal, das erzeugt wird, wenn Sauerstoff durch die sauerstoffpermeable Membran 58 passiert und in der Katalysatorschicht 57 reagiert, als ein elektrisches Signal ausgegeben werden, das eine Sauerstoffkonzentration angibt.
  • In 7 kann eine Messeinheit 61 ein Messelement in der Steuervorrichtung 60 sein, welche(s) ausgestaltet ist zum Empfangen des elektrischen Signals, das die Sauerstoffkonzentration angibt, und zum Akquirieren der Sauerstoffkonzentrationsinformation, die dieser entspricht. Ein Verfahren zum Berechnen einer Sauerstoffkonzentration kann ein Berechnen eines Widerstands enthalten (beispielsweise Halbleitertyp-Sauerstoffsensor), der sich während einer Sauerstoffadsorption/Desorption ändert, oder einer Reaktivität (beispielsweise Verbrennungstyp-Sauerstoffsensor) der Katalysatorschicht 57 aufgrund eines Einströmens von Sauerstoff. Jedoch beschränkt die vorliegende Erfindung das Fühlverfahren nicht darauf. Da die Ausgestaltung, das Fühlverfahren und das Sauerstoffkonzentration-Berechnungsverfahren des Sauerstoffsensors 51, 52 mit der Ausgestaltung des Fühlabschnitts 52a, in 7 gezeigt, der Halbleitertyp-Sauerstoffsensor oder der Verbrennungstyp-Sauerstoffsensor in dem Fachgebiet bekannt sind, wird deren detaillierte Beschreibung hier weggelassen werden.
  • 8 ist ein Flussdiagramm, das den Steuerprozess des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. In dem Steuerprozess kann die Sauerstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel 10 mit Verwendung der Sauerstoffsensoren 51 und 52 gemessen werden, wenn das Fahrzeug betrieben wird, und auf Grundlage der gemessenen Sauerstoffkonzentration kann eine irreversible Verschlechterung aufgrund der Rückwärtsspannung der Brennstoffzelle verhindert werden. Außerdem zeigt das Flussdiagramm von 8 auch einen Steuerprozess zum Wiederherstellen der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle, wenn die Zellenspannung aufgrund des Flutens oder dergleichen abnimmt. Wie oben beschrieben, kann der Verschlechterungsvermeidungs-Steuerprozess gemäß der vorliegenden Erfindung gleichzeitig mit dem Steuerprozess zur Wiederherstellung der Leistungsfähigkeit, die reduziert ist, wenn die Zellenspannung abnimmt, durchgeführt werden.
  • Wenn der Fahrer das Fahrzeug startet, indem er den Zündschlüssel (Schlüssel An) zum Antreiben/Fahren des Fahrzeugs anschaltet (S1), kann zuerst der Betrieb des Brennstoffzellensystems gestartet werden, und die Steuervorrichtung 60 kann ausgestaltet sein zum Betreiben des Brennstoffzellensystems während des Betriebs des Fahrzeugs. Wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems gestartet wird mittels Starten des Fahrzeugs wie oben beschrieben, kann, um die Konzentrationsmessfehler aufgrund des verbleibenden Sauerstoffs auf der Anodeneinlassseite und der Anodenauslassseite bei dem Beginn des Betriebs des Brennstoffzellensystems zu vermeiden, die Steuervorrichtung 60 ausgestaltet sein zum Bestimmen, ob die Kühlwassertemperatur (die die Betriebstemperatur des Stapels ist) Tc des Brennstoffzellenstapels 10, die durch einen Sensor erfasst worden ist, die gesetzte Temperatur Ts erreicht und stabilisiert ist (S2), und wenn die Kühlwassertemperatur Tc die gesetzte Temperatur Ts erreicht oder größer ist (Tc ≥ Ts), kann sie ausgestaltet sein zum Durchführen des nächsten Prozesses mit Verwendung des Signals von dem Sauerstoffsensor.
  • Wenn die Kühlwassertemperatur Tc ansteigt und gleich oder größer als die gesetzte Temperatur Ts nach dem Start des Betriebs des Brennstoffzellensystems wird, kann mit anderen Worten die Steuervorrichtung 60 ausgestaltet sein zum Bestimmen eines Sauerstoffkonzentration-Referenzwertes mit Verwendung des Signals der Sauerstoffsensoren 51 und 52 (S3-1) und zum Akquirieren eines Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswertes aus den Signalen der Sauerstoffsensoren 51 und 52 (S3-2). Obwohl es beschrieben ist, dass die Steuervorrichtung 60 ausgestaltet sein kann zum Bestimmen, dass die Kühlwassertemperatur Tc angestiegen ist, um die gesetzte Temperatur Ts zu erreichen, nach dem Betrieb der Brennstoffzelle, wie in 8 gezeigt, kann anstelle des Bestimmens, dass das Kühlwasser die gesetzte Temperatur erreicht hat, die Steuervorrichtung 60 ausgestaltet sein zum Bestimmen, ob die gesetzte Zeit nach dem Start des Betriebs des Brennstoffzellensystems mittels Starten des Fahrzeugs verstrichen ist, und nur wenn die gesetzte Zeit verstrichen ist nach dem Start des Betriebs des Brennstoffzellensystems, zum Durchführen des nächsten Prozesses mit Verwendung des Signals des Sensors.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform kann die gesetzte Temperatur Ts auf ungefähr 50°C gesetzt sein, und die gesetzte Zeit kann auf ungefähr 2 Minuten gesetzt sein. Wenn die Kühlwassertemperatur Tc, die die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 10 ist, gleich oder größer als ungefähr 50°C ist, die die gesetzte Temperatur Ts ist, oder wenn ungefähr zwei Minuten verstrichen sind seit dem Start des Brennstoffzellenstapels 10, kann die Steuervorrichtung 60 zu dem nachfolgenden Prozess schreiten.
  • Die Steuervorrichtung 60 kann ausgestaltet sein zum Empfangen der Signale der Sauerstoffsensoren 51 und 52, die in dem anodeneinlassseitigen Durchgang und dem anodenauslassseitigen Durchgang des Brennstoffzellenstapels 10 bereitgestellt sind, nach dem Start des Fahrzeugs, und wenn die Kühlwassertemperatur Tc angestiegen ist und die gesetzte Temperatur Ts erreicht hat (oder wenn die gesetzte Zeit verstrichen ist seit dem Start des Betriebs des Brennstoffzellensystems), wie oben beschrieben, kann die Steuervorrichtung ausgestaltet sein zum Durchführen des nachfolgenden Prozesses zum Bestimmen eines Sauerstoffkonzentration-Referenzwertes Cs für jeden Strombereich mit Verwendung der Signale der Sauerstoffsensoren 51 und 52 (S3-1). Wie oben beschrieben, kann außerdem die Steuervorrichtung 60 ausgestaltet sein zum Durchführen eines Sauerstoffkonzentration-Messprozesses zum Erhalten eines Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswertes (CO2) aus den Signalen der Sauerstoffsensoren 51 und 52 (S3-2).
  • In dem Steuerprozess gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Referenzkonzentrationswert (Cs) (hier im Nachfolgenden als ein „Sauerstoffkonzentration-Referenzwert“ bezeichnet) des Sauerstoffs, der sich von der Kathode zu der Anode nach dem Starten bewegt hat, verwendet werden zum Reduzieren der Rückwärtsspannungsverschlechterung. Der Sauerstoffkonzentration-Referenzwert Cs kann auf der Konzentration des Sauerstoffs in jedem Stapelbetrieb-Strombereich basieren, der von der Kathode zu der Anode in demselben Brennstoffzellensystem bewegt wird. Der Sauerstoffkonzentration-Referenzwert Cs kann als ein Durchschnitt-Sauerstoffkonzentrationswert für eine vorbestimmte Zeit bestimmt werden, genommen aus den Signalen der Sauerstoffsensoren 51 und 52 für jeden Brennstoffzellenstapelbetrieb-Strombereich, wenn die Kühlwassertemperatur Tc gleich oder größer als die gesetzte Temperatur Ts nach dem Schlüssel-An des Fahrzeugs wird.
  • Im Besonderen verweist der Betriebsstrombereich auf einen Strombereich eines vorbestimmten Bereichs auf Grundlage des Stapelbetriebsstroms. Beispielsweise kann der Betriebsstrombereich aufgeteilt sein in drei Bereiche, einen Niedriger-Strom-Bereich, einen Mittlerer-Strom-Bereich und einen Hoher-Strom-Bereich, von denen jeder einen vorbestimmten Strombereich hat. Der Betriebsstrombereich kann mit anderen Worten einen Niedriger-Strom-Bereich mit ungefähr 0A < I < 100A, einen Mittlerer-Strom-Abschnitt mit ungefähr 100A < I < 200A und einen Hoher-Strom-Abschnitt mit ungefähr 200A < I auf Grundlage des Stapelbetriebsstroms I enthalten.
  • Wenn das Brennstoffzellensystem den Betrieb startet, und die Kühlwassertemperatur Tc gleich oder größer als die gesetzte Temperatur Ts wird (oder die gesetzte Zeit verstrichen ist nach dem Start des Betriebs des Brennstoffzellensystems), wenn der Stapelbetriebsstrombereich in der Steuervorrichtung 60 gesetzt ist, kann der Durchschnittswert der Sauerstoffkonzentration für eine vorbestimmte Zeit berechnet werden von der Zeit, wenn der Betriebsstrom des Brennstoffzellenstapels in den entsprechenden Abschnitt eintritt, und dann kann der berechnete Durchschnittswert bestimmt werden als der Sauerstoffkonzentration-Referenzwert Cs des entsprechenden Stromabschnitts. Wenn beispielsweise die Kühlwassertemperatur Tc gleich oder größer als die gesetzte Temperatur Ts ist, kann der Durchschnittssauerstoffkonzentrationswert für eine vorbestimmte Zeit, nachdem der Betriebsstrom des Brennstoffzellenstapels in den Niedriger-Strom-Abschnitt eintritt, d.h. ein Durchschnittswert der durch die Sauerstoffsensoren gemessenen Sauerstoffkonzentration, berechnet werden, und der berechnete Durchschnittswert kann als der Sauerstoffkonzentration-Referenzwert Cs des entsprechenden Stromabschnitts (beispielsweise des Niedriger-Strom-Abschnitts) bestimmt werden.
  • Wenn die Kühlwassertemperatur Tc gleich oder größer als die gesetzte Temperatur Ts ist, kann ferner der Durchschnittssauerstoffkonzentrationswert für eine vorbestimmte Zeit, nachdem der Betriebsstrom des Brennstoffzellenstapels in den Mittlerer-Strom-Abschnitt eintritt, berechnet werden, und der berechnete Durchschnittswert kann als der Sauerstoffkonzentration-Referenzwert Cs des entsprechenden Stromabschnitts (beispielsweise des Mittlerer-Strom-Abschnitts) bestimmt werden. Wenn die Kühlwassertemperatur Tc gleich oder größer als die gesetzte Temperatur Ts ist, kann ferner der Durchschnittssauerstoffkonzentrationswert für eine vorbestimmte Zeit, nachdem der Betriebsstrom des Brennstoffzellenstapels in den Hoher-Strom-Abschnitt eintritt, berechnet werden, und der berechnete Durchschnittswert kann als der Sauerstoffkonzentration-Referenzwert Cs des entsprechenden Stromabschnitts (beispielsweise des Hoher-Strom-Abschnitts) bestimmt werden.
  • Die Bestimmung des Sauerstoffkonzentration-Referenzwertes Cs, wenn die Kühlwassertemperatur Tc gleich oder größer als die gesetzte Temperatur Ts ist, und die Bestimmung des Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswertes CO2 dienen zum Ermöglichen, dass die Sauerstoffkonzentration in dem stabilisierten Zustand des Brennstoffzellensystems gemessen wird, wie oben beschrieben, wodurch die Abweichung des gemessenen Wertes reduziert wird. Das Messen der Sauerstoffkonzentration für jeden Stromabschnitt kann eine Messvariation minimieren, da die Menge des Sauerstoffs, die sich von der Kathode zu der Anode bewegt, variiert werden kann gemäß einer Strömungsrate und eines Drucks der gelieferten Luft.
  • Da die Sauerstoffkonzentration auf Grundlage des Brennstoffzellenbetrieb-Systems oder des Brennstoffzellensystems variieren kann, kann die Sauerstoffkonzentration separat in jedem Stromabschnitt gemessen werden. Nachdem der Sauerstoffkonzentration-Referenzwert Cs für jeden Stromabschnitt in der Steuervorrichtung 60 gesetzt ist, kann die Steuervorrichtung 60 ausgestaltet sein zum Akquirieren eines Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswertes (CO2) für jeden Stromabschnitt des Fahrzeugs aus dem Signal des Sauerstoffsensors und zum Vergleichen des Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswertes (CO2) mit dem Sauerstoffkonzentration-Referenzwert Cs desselben Stromabschnitts, um zu bestimmen, ob die aktuelle anodenseitige Sauerstoffkonzentration eine vorbestimmte Bedingung erfüllt, die eine Rückwärtsspannung erzeugen kann (S4).
  • In diesem Prozess kann die Steuervorrichtung ausgestaltet sein zum Vergleichen des in Echtzeit gemessenen Sauerstoffkonzentrationswertes (CO2) mit einem Wert, der erhalten worden ist mittels Multiplizieren des Sauerstoffkonzentration-Referenzwertes Cs desselben Stromabschnitts und des Empfindlichkeitskoeffizienten S (Cs × S), wie in 8 gezeigt. Der Empfindlichkeitskoeffizient S kann im Voraus in der Steuervorrichtung 60 gesetzt sein. Der Empfindlichkeitskoeffizient S kann in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um den Fall zu vermeiden, wo der Brennstoffzellenstapel in einem dynamischen Zustand ist, wobei die Situation, dass der Sauerstoffkonzentrationswert temporär hoch ist, bestimmt wird, das Auftreten der Rückwärtsspannung zu sein.
  • Tabelle 1 unten fasst den Sauerstoffkonzentration-Referenzwert und den Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswert zusammen. Zum Reduzieren der Abweichung der Sauerstoffkonzentration kann der Stromabschnitt in drei oder mehr Abschnitte aufgeteilt sein. Tabelle 1
    Niedriger-Strom-Abschnitt (z.B. 0A <1 ≤ 100A) Mittlerer-Strom-Abschnitt (z.B. 100A <1 ≤ 200A) Hoher-Strom-Abschnitt (z.B. 200A < 1)
    Cs Durchschnittssauerstoffkonzentrationswert für eine gewisse Zeit nach Eintritt in Niedriger-Strom-Abschnitt bei 50 Grad C oder mehr des Kühlwassers Durchschnittssauerstoffkonzentrationswert für eine gewisse Zeit nach Eintritt in Mittlerer-Strom-Abschnitt bei 50 Grad C oder mehr des Kühlwassers Durchschnittssauerstoffkonzentrationswert für eine gewisse Zeit nach Eintritt in Hoher-Strom-Abschnitt bei 50 Grad C oder mehr des Kühlwassers
    CO2 Echtzeit-Sauerstoffkonzentration in Niedriger-Strom-Abschnitt bei 50 Grad C oder mehr des Kühlwassers nach Messung von Cs Echtzeit-Sauerstoffkonzentration in Mittlerer-Strom-Abschnitt bei 50 Grad C oder mehr des Kühlwassers nach Messung von Cs Echtzeit-Sauerstoffkonzentration in Hoher-Strom-Abschnitt bei 50 Grad C oder mehr des Kühlwassers nach Messung von Cs
    Vergleich von Cs und CO2 Vergleich in demselben Niedriger-Strom- Bereich Vergleich in demselben M ittlerer-Strom-Bereich Vergleich in demselben Hoher-Strom-Bereich
  • Im Schritt S4 kann die Steuervorrichtung 60 ausgestaltet sein zum Vergleichen des Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswertes (CO2) mit dem Produkt (Cs × S) des Sauerstoffkonzentration-Referenzwertes (Cs) und des Empfindlichkeitskoeffizienten (S). Wenn (CO2) ≥ Cs × S, kann bestimmt werden, dass die aktuelle Sauerstoffkonzentration die Bedingung erfüllt, dass die Rückwärtsspannung wahrscheinlich auftritt (beispielsweise kann die Steuervorrichtung ausgestaltet sein zum Vorhersagen des Auftritts der Rückwärtsspannung), und die Steuervorrichtung kann ausgestaltet sein zum Durchführen der Sauerstoffkonzentration-Reduzierungssteuerung zum Vermeiden einer Rückwärtsspannungserzeugung (S6). Wenn der Echtzeit-Sauerkonzentrationswert (CO2) geringer als das Produkt (Cs × S) des Sauerstoffkonzentration-Referenzwertes (Cs) und des Empfindlichkeitskoeffizienten (S) ist, kann die Steuervorrichtung 60 ausgestaltet sein zum Durchführen der normalen Betriebssteuerung des konventionellen Brennstoffzellensystems und der normalen Antriebssteuerung des Fahrzeugs (S5).
  • Wenn der Sauerstoffsensor 51 oder 52, wie in 6A gezeigt, sowohl in dem anodenauslassseitigen Durchgang (Anodenauslassverteiler) als auch dem anodeneinlassseitigen Durchgang (Anodeneinlassverteiler) in dem Brennstoffzellenstapel 100 installiert ist, kann in der vorliegenden Erfindung die Steuervorrichtung 60 ausgestaltet sein zum Bestimmen eines Sauerstoffkonzentration-Referenzwertes (Cs) und eines Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswertes (CO2) mit Verwendung einer höchsten Sauerstoffkonzentration unter den durch die zwei Sauerstoffsensoren (51, 52) erfassten Sauerstoffkonzentrationen. Wenn die Sauerstoffsensoren 51 und 52, wie in 6B gezeigt, in dem anodenauslassseitigen Durchgang (Anodenauslassverteiler) in dem Brennstoffzellenstapel 100 bereitgestellt sind, oder sowohl in dem anodenauslassseitigen Durchgang als auch dem anodeneinlassseitigen Durchgang (Anodeneinlassverteiler), kann ferner die Steuervorrichtung 60 ausgestaltet sein zum Bestimmen des Sauerstoffkonzentration-Referenzwertes (Cs) und des Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswertes (CO2) mit Verwendung der maximalen Sauerstoffkonzentration unter/aus den Sauerstoffkonzentrationen, die durch die jeweiligen Fühlabschnitte der zwei Sauerstoffsensoren 51 und 52 erfasst worden sind.
  • Wenn die Sauerstoffsensoren 51 und 52 ausgestaltet sind zum Messen der Sauerstoffkonzentration jeder Zelle, wie in der beispielhaften Ausführungsform von 6B, kann mit anderen Worten der Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswert bestimmt werden als die Sauerstoffkonzentration der Zelle mit der höchsten Sauerstoffkonzentration, d.h. die maximale Sauerstoffkonzentration in den Konzentrationen sämtlicher der Zellen. Dies wird identisch auf den mit Verweis auf 10 beschriebenen Kathodenkohlenstoffkorrosion-Vermeidungssteuerprozess angewendet.
  • In dem Sauerstoffkonzentrationsreduzierung-Steuerprozess können eine oder mehrere von der Anodenentleerungsoperation-Steuerung zum Ablassen des anodenseitigen Gases mittels Öffnen des Entleerungsventils 26, das auf der anodenauslassseitigen Abgasleitung L2 bereitgestellt ist, für eine gesetzte Zeitperiode jeden vorbestimmten Zyklus, der Steueroperation zum Betreiben der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 20 zum Erhöhen einer Wasserstofflieferung auf eine gesetzte Menge, und der Steuerung zum Betreiben der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 20 zum Erhöhen eines Wasserstoffdrucks auf einen gesetzten Druck durchgeführt werden (S6). Demgemäß kann die Sauerstoffkonzentration reduziert werden, und die Kathodenkohlenstoffkorrosionsbedingung kann vermieden werden. Wenn das Fahrzeug gestoppt und geparkt wird, kann die Sauerstoffkonzentration-Reduzierungssteuerung durchgeführt werden auf Grundlage der Aufweckperiode, wie oben beschrieben, und wenn die Echtzeit-Sauerstoffkonzentration (CO2) geringer als das Produkt des Sauerstoffkonzentration-Referenzwertes (Cs) und des Empfindlichkeitskoeffizienten wird, kann der Prozess zu Schritt S3-2 zurückkehren.
  • In der vorliegenden Erfindung kann der Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswert (CO2), der mit Verwendung der Sauerstoffsensoren 51 und 52 gemessen worden ist, verglichen werden mit dem Sauerstoffkonzentration-Referenzwert (Cs), der dem aktuellen Stapelstrom entspricht. Wenn der Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswert (CO2) größer als das Produkt des Empfindlichkeitskoeffizienten (S) und des Sauerstoffkonzentration-Referenzwertes (Cs) ist, kann die Steuervorrichtung 60 ausgestaltet sein zum Erkennen dieses Zustands als den Wasserelektrolyseprozess während des Rückwärtsspannungsprozesses und zum Durchführen von einem oder mehreren der Anodenentleerung, der Erhöhung einer Wasserstoffversorgung und der Erhöhung des Wasserstoffdrucks, wodurch das Auftreten des Rückwärtsspannungsphänomens und des Kathodenkohlenstoffkorrosionsphänomens der Brennstoffzelle und somit ihre irreversible Verschlechterung verhindert werden.
  • Wenn der Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswert (CO2) gleich oder größer als das Produkt des Sauerstoffkonzentration-Referenzwertes (Cs) und des Empfindlichkeitskoeffizienten (S) ist, selbst obwohl die Rückwärtsspannungsvermeidungssteuerung (Sauerstoffkonzentration-Reduzierungssteuerung) für eine vorbestimmte Zeit oder mehr durchgeführt wird, wenn ein Fahrzeug angetrieben/gefahren wird, kann jedoch die Steuervorrichtung ausgestaltet sein zum Bestimmen, dass die Rückwärtsspannungsvermeidung unmöglich ist, und der Betrieb kann in den Fahrzeugstoppmodus eintreten (S7, S8, S9), wodurch ein Auftreten einer irreversiblen Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels 10 verhindert wird. Zusätzlich zu dem oben beschriebenen Verschlechterungsvermeidungssteuerprozess kann unterdessen ein Steuerprozess (S10 bis S17) für eine Leistungsfähigkeitswiederherstellung zu der Zeit einer Zellenspannungsabnahme parallel durchgeführt werden. Der Steuerprozess zur Leistungsfähigkeitswiederherstellung zu der Zeit einer Zellenspannungsabnahme kann einen Strombegrenzungsprozess zum Begrenzen des Abgabestroms des Brennstoffzellenstapels 10 auf einen Stromwert enthalten, der auf Grundlage des Grades der Zellenspannungsabnahme bestimmt worden ist.
  • 9 ist ein Diagramm, das die verfügbaren maximalen Ströme 11, 12 und 13 gemäß dem R-Wert veranschaulicht, der den Grad des Zellenspannungsabfalls angibt. Wenn der Fahrer das Fahrzeug durch Anschalten des Zündschlüssels (Schlüssel An) startet, und das Fahrzeug angetrieben wird (S1), kann zuerst die Steuervorrichtung 60 ausgestaltet sein zum Berechnen eines R-Wertes aus einer Durchschnittszellenspannung (Vavg) und einer minimalen Zellenspannung (Vmin), die mit Verwendung der erfassten Sensorsignale erhalten worden ist/sind (S10). Der R-Wert gibt den Grad einer Abnahme der Zellenspannung an, der/die als eine Basis zum Bestimmen der Strombegrenzung in dem Brennstoffzellenfahrzeug verwendet wird, und kann durch die folgende Gleichung berechnet werden: R = Vmin/Vavg
    Figure DE102018221020A1_0002
    wobei Vmin die minimale Zellenspannung repräsentiert, Vavg die Durchschnittszellenspannung repräsentiert, und je kleiner der R-Wert ist, desto größer ist die Abweichung zwischen der minimalen Zellenspannung Vmin und der Durchschnittszellenspannung Vavg.
  • Wenn der berechnete R-Wert mit einem ersten gesetzten Wert (R3) verglichen wird (S11) und bestimmt wird, gleich oder größer als der erste gesetzte Wert zu sein (R3 ≤ R ≤ 1), kann das Brennstoffzellensystem in dem normalen Strombereich betrieben werden (beispielsweise der Strombereich gleich oder kleiner als der verfügbare maximale Strom 13 in 9), der durch das System zugelassen ist, und das Fahrzeug kann normal angetrieben werden (S5) (Abschnitt A in 9). Wenn der R-Wert kleiner als der erste gesetzte Wert R3 ist (R2 < R < R3, R2 < R3), kann der Strombegrenzungsmodus aktiviert werden, um den verfügbaren maximalen Strom von 13 auf 12 zu verringern (S12) (Abschnitt B in 9).
  • Zu derselben Zeit kann eines oder mehrere von einer Anodenentleerung, einer Erhöhung einer Wasserstoffversorgung, einer Erhöhung eines Wasserstoffdrucks, einer Erhöhung einer Luftversorgung, und einer Erhöhung eines Luftdrucks durchgeführt werden (S13). Es wird/werden mit anderen Worten eine oder mehrere durchgeführt von der Anodenentleerungsoperation-Steuerung zum Ablassen des anodenseitigen Gases mittels Öffnen des Entleerungsventils 26, das auf der anodenseitigen Abgasleitung L2 bereitgestellt ist, für eine gesetzte Zeitperiode jede vorbestimmte Periode, der Steueroperation zum Betreiben der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 20 zum Erhöhen einer Wasserstoffversorgung auf eine gesetzte Menge, der Steueroperation zum Betreiben der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 20 zum Erhöhen eines Wasserstoffdrucks auf einen gesetzten Druck, der Steueroperation zum Betreiben der Sauerstoffversorgungsvorrichtung 30 zum Erhöhen einer Sauerstoffversorgung auf eine gesetzte Menge, und der Steueroperation zum Betreiben der Sauerstoffversorgungsvorrichtung 30 zum Erhöhen eines Sauerstoffdrucks auf einen gesetzten Druck (S13).
  • Danach, wenn der R-Wert wieder gleich oder größer als der erste gesetzte Wert (R3) wird (R3 ≤ R ≤ 1), kann das Brennstoffzellensystem in dem normalen Strombereich (beispielsweise der Strombereich gleich oder kleiner als der verfügbare maximale Strom 13 in 9) betrieben werden, der durch das System zugelassen wird, und das Fahrzeug kann normal angetrieben werden (S14, S15, S5) (Abschnitt A in 9). Wenn der Zellendrift weiter zunimmt relativ zu dem Abschnitt „B“, d.h. wenn der R-Wert kleiner als ein zweiter gesetzter Wert (R2) wird (R1 < R ≤ R2, R1 < R2), kann der verfügbare maximale Strom zur Wiederherstellung der Zellenspannung weiter verringert werden von 12 auf I1 (S14, S15, S16) (Abschnitt „C“ in 9). Im Besonderen wird der verfügbare maximale Strom (I1) gesetzt, mit einer konstanten Steigung abzunehmen, wenn/wie der R-Wert abnimmt.
  • Wenn der R-Wert kleiner als der dritte gesetzte Wert (R1) wird (R ≤ R1), ist ferner die Zellenspannungsabweichung extrem, was dazu führt, dass das Fahrzeug gestoppt wird (Abschnitt „D“ in 9). Nach Eintritt in den Strombegrenzungsmodus kann die Strombegrenzung durchgeführt werden, um zu verhindern, dass die Stromabgabe von dem Brennstoffzellenstapel 10 den verfügbaren maximalen Strom überschreitet, indem der verfügbare maximale Strom gemäß dem R-Wert, der den Grad der Zellenspannungsabweichung angibt, geändert wird. Wenn der Fahrer den Zündschlüssel im Schritt S17 ausschaltet, während das Fahrzeug normal läuft, oder in dem strombegrenzten Modus, kann außerdem der Fahrzeugbetrieb gestoppt werden, nachdem das Brennstoffzellensystem abgeschaltet wird.
  • Darüber hinaus wird hier unten eine Beschreibung eines Steuerprozesses zum Vermeiden einer Kathodenkorrosion bereitgestellt werden, die auftritt, wenn Außenluft in den Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird, im Besonderen in die Anode des Brennstoffzellenstapels 10 durch das Spiel des Sperrventils 33, 34 in dem Zustand, wo das Fahrzeug gestoppt und geparkt wird/ist, wie oben beschrieben. 10 ist ein Ausgestaltungsdiagramm eines Systems zum Durchführen eines Steuerprozesses zum Vermeiden der Kathodenkorrosion, wenn Luft in den Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird, gemäß der vorliegenden Erfindung. Selbst obwohl das Brennstoffzellenfahrzeug geparkt ist, kann die Steuervorrichtung 60 ausgestaltet sein zum periodischen Aufwecken bzw. Aufwachen. Zu dieser Zeit können die Steuervorrichtung 60 und die Sauerstoffsensoren 51 und 52 mit Betriebsleistung versorgt werden, so dass die Sauerstoffsensoren 51 und 52 die Sauerstoffkonzentration (C) in den Gasen auf der Anodenseite des Stapels 10 messen und die elektrischen Signale, die der gemessenen Sauerstoffkonzentration (C) entsprechen, an die Steuervorrichtung 60 übertragen.
  • Die Steuervorrichtung 60 kann dann ausgestaltet sein zum Empfangen des elektrischen Signals, das der Sauerstoffkonzentration entspricht. Wenn die durch die Sauerstoffsensoren 51 und 52 gemessene Sauerstoffkonzentration (C) gleich oder größer als ein vorbestimmter Sauerstoffkonzentration-Referenzwert (L) (d.h. ein zweiter Sauerstoffkonzentration-Referenzwert) ist, kann die Steuervorrichtung ausgestaltet sein zum Bestimmen, dass Außenluft in die Anode des Stapels 10 zugeführt worden ist. Im Besonderen kann der Sauerstoffkonzentration-Referenzwert (L) (beispielsweise der zweite Sauerstoffkonzentration-Referenzwert) ein Wert sein, der unterschiedlich ist zu dem Sauerstoffkonzentration-Referenzwert (beispielsweise erster Sauerstoffkonzentration-Referenzwert) von 8, der auf Grundlage des Stapelstroms während des Antreibens/Fahrens eines Fahrzeugs bestimmt worden ist.
  • Beim Bestimmen der Zuführung von Außenluft kann die Steuervorrichtung 60 ausgestaltet sein zum Betreiben der Wasserstoffversorgungsvorrichtung 20 zum Versorgen der Anodeneinlassseite des Brennstoffzellenstapels 10 mit Wasserstoff. Die Steuervorrichtung 60 kann mit anderen Worten ausgestaltet sein zum Öffnen des Wasserstoffversorgungsventils 23, um zu ermöglichen, dass Wasserstoff, welcher das in dem Wasserstofftank 21 gespeicherte Brenngas ist, an die Anode des Brennstoffzellenstapels 10 geliefert wird, oder zusätzlich das Rezirkulationsgebläse 25 aktivieren, um Wasserstoff an die Anodeneinlassseite des Brennstoffzellenstapels 10 zu liefern. Die Steuervorrichtung 60 kann ausgestaltet sein zum Ausgeben eines Steuersignals zum Durchführen der Entleerungsoperation, wodurch das Entleerungsventil 26 geöffnet werden kann von dem Steuersignal, das durch die Steuervorrichtung 60 ausgegeben worden ist, um Sauerstoff in die Anode abzulassen, um die Sauerstoffkonzentration auf weniger als den Referenzwert zu verringern.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Steuervorrichtung 60 ausgestaltet sein zum Beibehalten des geöffneten Zustands des Entleerungsventils 26, bis die durch die Sauerstoffsensoren 51, 52 gemessene Sauerstoffkonzentration geringer als der Sauerstoffkonzentration-Referenzwert ist, wie in 11 gezeigt. Selbst wenn die Sauerstoffkonzentration kleiner als der Sauerstoffkonzentration-Referenzwert ist, so dass das Entleerungsventil 26 geschlossen wird, kann, wenn die Sauerstoffkonzentration wieder gleich oder größer als der Sauerstoffkonzentration-Referenzwert wird, wenn die Steuervorrichtung 60 und die Sauerstoffsensoren 51 und 52 in dem Aufweckzustand in der Aufweckperiode sind, die Steuervorrichtung 60 ausgestaltet sein zum erneuten Öffnen des Entleerungsventils 26, um Sauerstoff von der Anode des Stapels abzulassen.
  • Wenn das Öffnen des Entleerungsventils 26 der Zustand ist, in dem die Sauerstoffkonzentration größer als der Sauerstoffkonzentration-Referenzwert ist, kann die Steuervorrichtung 60 ausgestaltet sein zum Schließen des Entleerungsventils 26 nach dem Öffnen des Entleerungsventils 26 für eine vorbestimmte Zeitperiode, d.h. zum wiederholten Öffnen und Schließen des Entleerungsventils 26 in einem kurzen Zyklus. Demgemäß kann die Kathodenkorrosion sogar verhindert werden, wenn Außenluft in den Stapel während des Parkens des Fahrzeugs zugeführt wird. Der Sauerstoffkonzentration-Referenzwert (beispielsweise zweiter Sauerstoffkonzentration-Referenzwert) in dem Steuerprozess zum Verhindern der Korrosion der Kathode, wie oben beschrieben, kann derselbe wie oder unterschiedlich von dem Sauerstoffkonzentration-Referenzwert (beispielsweise erster Sauerstoffkonzentration-Referenzwert) sein, der bei dem Steuerprozess zum Verhindern einer irreversiblen Verschlechterung verwendet ist, welcher in 8 gezeigt ist.
  • Wie zuvor beschrieben, kann in der vorliegenden Erfindung der Sauerstoffsensor auf der Anodeneinlassseite und der Anodenauslassseite des Brennstoffzellenstapels montiert sein, um die Sauerstoffkonzentration zu messen, und auf Grundlage der gemessenen Sauerstoffkonzentration kann eine Steueroperation auf dem Brennstoffzellensystem durchgeführt werden, um die Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite zu reduzieren, wodurch eine irreversible Verschlechterung der Brennstoffzelle wirksam reduziert wird, die aufgrund der Rückwärtsspannung der Zelle während des Antreibens/Fahrens des Brennstoffzellenfahrzeugs auftreten kann, und der Kathodenkohlenstoffkorrosion aufgrund des Einströmens von Luft während des Parkens.
  • Als ein Ergebnis kann es möglich sein, die Leistungsfähigkeit und die Stabilität des Brennstoffzellenfahrzeugs und die Haltbarkeit und Sicherheit der Brennstoffzelle durch eine voreilende Reaktion auf die Rückwärtsspannungsverschlechterung zu gewährleisten. Obwohl die verwandte Technik auf die durch ein Fluten verursachte reversible Zellenverschlechterung reagieren kann, welches ein Wasserflutungsphänomen ist, war im Besonderen diese Technik unfähig, wesentlich auf eine durch eine Rückwärtsspannung verursachte irreversible Verschlechterung zu reagieren. In der vorliegenden Erfindung kann jedoch die Konzentration von Sauerstoff, der bei dem Elektrolyseschritt von Wasser erzeugt wird, vor der Kohlenstoffkorrosionsstufe zu der Zeit einer Rückwärtsspannung gemessen werden, und wenn die Sauerstoffkonzentration größer als ein gewisser Pegel ist, kann eine Steuerung für eine proaktive Reaktion vor dem Auftreten der Kohlenstoffkorrosion durchgeführt werden, die eine irreversible Verschlechterung ist, um somit das Auftreten der Kohlenstoffkorrosion zu verhindern, wodurch die Leistungsfähigkeit und Stabilität des Brennstoffzellenfahrzeugs und die Haltbarkeit und Sicherheit der Brennstoffzelle gewährleistet werden.
  • Im Vergleich mit der periodischen Entleerungsoperation zum Verhindern der Kohlenstoffkorrosion ohne den Sauerstoffsensor während des Parkens in einem Brennstoffzellenfahrzeug können darüber hinaus in der vorliegenden Erfindung, da der Sauerstoffsensor nicht einen hohen Leistungsverbrauch hat, die Wasserstoffversorgung und die Anodenentleerungsoperation durchgeführt werden, nur wenn die Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite des Stapels gleich oder größer als der Referenzwert ist, wodurch es hinsichtlich der Effizienz und des Leistungsverbrauchs vorteilhaft ist.
  • Obwohl eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für veranschaulichende Zwecke beschrieben worden ist, wird der Fachmann erkennen, dass vielfältige Modifizierungen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, wie er in den begleitenden Ansprüchen offenbart ist.

Claims (24)

  1. Brennstoffzellensystem mit: einem Brennstoffzellenstapel; einer Wasserstoffversorgungsvorrichtung, die ausgestaltet ist zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff; einer Luftversorgungsvorrichtung, die ausgestaltet ist zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels mit Luft; einer Steuervorrichtung, die ausgestaltet ist zum Betreiben einer Brennstoffzellenbetrieb-Vorrichtung; und einem Sauerstoffsensor, der in dem Brennstoffzellenstapel installiert ist, um eine Sauerstoffkonzentration in Gasen auf einer Anodenseite zu erfassen, wobei während des Betriebs des Brennstoffzellensystems die Steuervorrichtung ausgestaltet ist zum Bestimmen, ob eine aktuelle Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite eine vorbestimmte Bedingung erfüllt, die eine Rückwärtsspannung erzeugen wird, auf Grundlage eines Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswertes, der durch den Sauerstoffsensor erfasst worden ist, und eines ersten Sauerstoffkonzentration-Referenzwertes, der dem aktuellen Brennstoffzellenbetriebsstrom entspricht, und Betreiben der Brennstoffzellenbetrieb-Vorrichtung zum Reduzieren der Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite, wenn bestimmt wird, dass die aktuelle Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite die vorbestimmte Bedingung erfüllt, um eine Verschlechterung auf der Anodenseite aufgrund der Erzeugung der Rückwärtsspannung in der Zelle des Stapels zu vermeiden.
  2. Brennstoffzellensystem von Anspruch 1, wobei der Sauerstoffsensor längs eingesetzt und installiert entlang eines Anodenauslassverteilers ist, der ein anodenauslassseitiger Durchgang in dem Brennstoffzellenstapel ist.
  3. Brennstoffzellensystem von Anspruch 1, wobei der Sauerstoffsensor enthält: einen ersten Sauerstoffsensor, der längs eingesetzt und installiert entlang des Anodenauslassverteilers ist, der der anodenauslassseitige Durchgang in dem Brennstoffzellenstapel ist; und einen zweiten Sauerstoffsensor, der längs eingesetzt und installiert entlang eines Anodeneinlassverteilers ist, der ein anodeneinlassseitiger Durchgang in dem Brennstoffzellenstapel ist, wobei während eines Betriebs des Brennstoffzellensystems die Steuervorrichtung eine maximale Sauerstoffkonzentration der Sauerstoffkonzentration, die durch den ersten Sauerstoffsensor erfasst worden ist, und der Sauerstoffkonzentration, die durch den zweiten Sauerstoffsensor erfasst worden ist, als einen Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswert verwendet.
  4. Brennstoffzellensystem von Anspruch 3, wobei beide Enden des ersten Sauerstoffsensors und des zweiten Sauerstoffsensors an Endplatten auf beiden Enden des Brennstoffzellenstapels fixiert sind.
  5. Brennstoffzellensystem von Anspruch 4, wobei Kopplungsstifte von beiden Enden des ersten Sauerstoffsensors und des zweiten Sauerstoffsensors hervorstehen, und die Kopplungsstifte bei beiden Enden des ersten Sauerstoffsensors und des zweiten Sauerstoffsensors in Stiftnuten der Endplatten eingesetzt und fixiert sind.
  6. Brennstoffzellensystem von Anspruch 4, wobei Drähte des ersten Sauerstoffsensors und des zweiten Sauerstoffsensors jeweils mit der Steuervorrichtung durch Öffnungen verbunden sind, die in einer der zwei Endplatten bei beiden Enden des Brennstoffzellenstapels gebildet sind, wobei ein Dichtungselement in der Öffnung bereitgestellt ist, um den Draht abzudichten.
  7. Brennstoffzellensystem von Anspruch 3, wobei der erste Sauerstoffsensor und der zweite Sauerstoffsensor jeweils eine Mehrzahl von Fühlabschnitten enthalten, angeordnet in der Form individueller Sensorelemente entlang der Längsrichtung eines Sensorkörpers, wobei die Fühlabschnitte parallel zu der Steuervorrichtung angeschlossen sind, und wobei die Steuervorrichtung die maximale Sauerstoffkonzentration der Sauerstoffkonzentrationen, die durch Fühlabschnitte der zwei Sauerstoffsensoren erfasst worden sind, als den Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswert verwendet.
  8. Brennstoffzellensystem von Anspruch 7, wobei in jedem der Sauerstoffsensoren die Fühlabschnitte in einer Zickzackform entlang der Längsrichtung des Sensorkörpers angeordnet sind, um Lücken und Messintervalle zwischen den Fühlabschnitten zu gewährleisten.
  9. Brennstoffzellensystem von Anspruch 1, wobei das Verringern der Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite eine oder mehrere enthält von einer Anodenentleerungsoperation-Steuerung zum Ablassen eines anodenseitigen Gases mittels Öffnen eines Entleerungsventils, das in einer anodenauslassseitigen Abgasleitung des Brennstoffzellenstapels installiert ist, einer Steueroperation zum Betreiben der Wasserstoffversorgungsvorrichtung zum Erhöhen einer Wasserstoffversorgung auf eine gesetzte Menge, und einer Steueroperation zum Betreiben der Wasserstoffversorgungsvorrichtung zum Erhöhen eines Wasserstoffdrucks auf einen gesetzten Druck.
  10. Brennstoffzellensystem von Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung ausgestaltet ist zum Vergleichen des Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswertes mit dem Produkt eines ersten Sauerstoffkonzentration-Referenzwertes und eines vorbestimmten Empfindlichkeitskoeffizienten und zum, wenn der Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswert gleich oder größer als das Produkt des ersten Sauerstoffkonzentration-Referenzwertes und des Empfindlichkeitskoeffizienten ist, Bestimmen, dass die vorbestimmte Bedingung erfüllt ist, die eine Rückwärtsspannung erzeugen wird.
  11. Brennstoffzellensystem von Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung ausgestaltet ist zum, wenn eine gesetzte Zeit verstrichen ist nach dem Start des Betriebs des Brennstoffzellensystems, oder wenn die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels eine vorbestimmte gesetzte Temperatur erreicht hat, Bestimmen, ob die aktuelle Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite die vorbestimmte Bedingung erfüllt, die eine Rückwärtsspannung erzeugen wird, mittels Verwenden des Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswertes, der durch den Sauerstoffsensor erfasst worden ist, um den Konzentrationsmessfehler zu vermeiden, der durch Sauerstoff verursacht ist, der in der Anode des Brennstoffzellenstapels verbleibt bei der Anfangsstufe des Betriebs des Brennstoffzellensystems.
  12. Brennstoffzellensystem von Anspruch 1, wobei der erste Sauerstoffkonzentration-Referenzwert für jeden Stromabschnitt bestimmt wird, und der erste Sauerstoffkonzentration-Referenzwert des Stromabschnitts, der dem aktuellen Brennstoffzellenstapelbetriebsstrom entspricht, verwendet wird zum Bestimmen, ob die aktuelle Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite die vorbestimmte Bedingung erfüllt, die eine Rückwärtsspannung erzeugen wird.
  13. Brennstoffzellensystem von Anspruch 12, wobei die Steuervorrichtung ausgestaltet ist zum, wenn eine gesetzte Zeit verstrichen ist nach dem Start des Betriebs des Brennstoffzellensystems, oder wenn die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels die gesetzte Temperatur erreicht hat, Bestimmen eines Durchschnittswertes der Sauerstoffkonzentrationen, die durch den Sauerstoffsensor erfasst worden sind, für eine vorbestimmte Zeit seit der Zeit, wenn der Betriebsstrom des Brennstoffzellenstapels in den Stromabschnitt eintritt, und Verwenden des bestimmten Durchschnittswertes als den ersten Sauerstoffkonzentration-Referenzwert des entsprechenden Stromabschnitts.
  14. Brennstoffzellensystem von Anspruch 1, wobei während eines Parkens eines Fahrzeugs die Steuervorrichtung ausgestaltet ist zum, wenn die durch den Sauerstoffsensor erfasste Sauerstoffkonzentration gleich oder größer als ein vorbestimmter zweiter Sauerstoffkonzentration-Referenzwert ist, Bestimmen, dass Luft in die Anode des Brennstoffzellenstapels zugeführt worden ist, und die Steuervorrichtung ausgestaltet ist zum Betreiben der Wasserstoffversorgungsvorrichtung zum Versorgen der Anode des Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff und zum Öffnen eines Entleerungsventils, das auf einer anodenauslassseitigen Abgasleitung des Brennstoffzellenstapels installiert ist, um das anodenseitige Gas abzulassen, um eine Verschlechterung auf der Kathodenseite aufgrund der Zuführung von Luft zu vermeiden.
  15. Brennstoffzellensystem von Anspruch 14, wobei der Sauerstoffsensor enthält: einen ersten Sauerstoffsensor, der längs eingesetzt und installiert entlang des Anodenauslassverteilers ist, der der anodenauslassseitige Durchgang in dem Brennstoffzellenstapel ist; und einen zweiten Sauerstoffsensor, der längs eingesetzt und installiert entlang eines Anodeneinlassverteilers ist, der ein anodeneinlassseitiger Durchgang in dem Brennstoffzellenstapel ist, wobei während eines Parken eines Fahrzeugs die Steuervorrichtung ausgestaltet ist zum Vergleichen der maximalen Sauerstoffkonzentration der Sauerstoffkonzentration, die durch den ersten Sauerstoffsensor erfasst worden ist, und der Sauerstoffkonzentration, die durch den zweiten Sauerstoffsensor erfasst worden ist, mit dem zweiten Sauerstoffkonzentration-Referenzwert, und zum, wenn bestimmt wird, dass die maximale Sauerstoffkonzentration gleich oder größer als der zweite Sauerstoffkonzentration-Referenzwert ist, Bestimmen, dass Luft in die Anode des Brennstoffzellenstapels zugeführt worden ist.
  16. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, umfassend: Erfassen, durch eine Steuervorrichtung, einer Sauerstoffkonzentration in Gasen auf einer Anodenseite mit Verwendung eines in einem Brennstoffzellenstapel installierten Sauerstoffsensors während eines Betriebs des Brennstoffzellensystems; Bestimmen, durch die Steuervorrichtung, ob eine aktuelle Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite eine vorbestimmte Bedingung erfüllt, die eine Rückwärtsspannung erzeugen wird, auf Grundlage eines Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswertes, der durch den Sauerstoffsensor erfasst worden ist, und eines ersten Sauerstoffkonzentration-Referenzwertes, der dem aktuellen Brennstoffzellenbetriebsstrom entspricht; und wenn bestimmt wird, dass die aktuelle Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite die vorbestimmte Bedingung erfüllt, Betreiben, durch die Steuervorrichtung, einer Brennstoffzellenbetrieb-Vorrichtung zum Reduzieren der Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite, um eine Verschlechterung auf der Anodenseite aufgrund einer Erzeugung der Rückwärtsspannung in der Zelle des Stapels zu vermeiden.
  17. Verfahren von Anspruch 16, wobei die Steuervorrichtung ausgestaltet ist zum: Vergleichen des Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswertes mit dem Produkt des ersten Sauerstoffkonzentration-Referenzwertes und eines vorbestimmten Empfindlichkeitskoeffizienten, und zum, wenn der Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswert gleich oder größer als das Produkt des ersten Sauerstoffkonzentration-Referenzwertes und des Empfindlichkeitskoeffizienten ist, Bestimmen, dass die vorbestimmte Bedingung erfüllt ist, die eine Rückwärtsspannung erzeugen wird.
  18. Verfahren von Anspruch 16, wobei die Steuervorrichtung ausgestaltet ist zum: Messen einer Steueroperationszeit, die eine Zeit ist, für welche die Steuerung zum Reduzieren der Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite durchgeführt wird, und wenn die vorbestimmte Bedingung, die eine Rückwärtsspannung erzeugen wird, noch erfüllt wird, selbst nachdem die Steueroperationszeit eine vorbestimmte Referenzzeit verstrichen ist, Einleiten der Abschaltung des Brennstoffzellensystems und eines Stopps eines Fahrzeugs.
  19. Verfahren von Anspruch 16, wobei die Steuervorrichtung ausgestaltet ist zum: wenn eine gesetzte Zeit nach dem Start eines Betriebs des Brennstoffzellensystems verstrichen ist, oder wenn die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels eine vorbestimmte gesetzte Temperatur erreicht hat, Bestimmen, ob die aktuelle Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite die vorbestimmte Bedingung erfüllt, die eine Rückwärtsspannung erzeugen wird, mit Verwenden des Echtzeit-Sauerstoffkonzentrationswertes, der durch den Sauerstoffsensor erfasst worden ist, um den Konzentrationsmessfehler zu vermeiden, der durch Sauerstoff verursacht ist, der in der Anode des Brennstoffzellenstapels verbleibt bei der Anfangsstufe des Betriebs des Brennstoffzellensystems.
  20. Verfahren von Anspruch 16, wobei die Steuerung zum Reduzieren der Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite eine oder mehrere enthält von einer Anodenentleerungsoperation-Steuerung zum Ablassen eines anodenseitigen Gases mittels Öffnen eines Entleerungsventils, das in einer anodenauslassseitigen Abgasleitung des Brennstoffzellenstapels installiert ist, einer Steueroperation zum Betreiben der Wasserstoffversorgungsvorrichtung zum Erhöhen einer Wasserstoffversorgung auf eine gesetzte Menge, und einer Steueroperation zum Betreiben der Wasserstoffversorgungsvorrichtung zum Erhöhen eines Wasserstoffdrucks auf einen gesetzten Druck.
  21. Verfahren von Anspruch 16, wobei der erste Sauerstoffkonzentration-Referenzwert für jeden Stromabschnitt bestimmt wird, und der erste Sauerstoffkonzentration-Referenzwert des Stromabschnitts, der dem aktuellen Brennstoffzellenstapelbetriebsstrom entspricht, verwendet wird zum Bestimmen, ob die aktuelle Sauerstoffkonzentration auf der Anodenseite die vorbestimmte Bedingung erfüllt, die eine Rückwärtsspannung erzeugen wird.
  22. Verfahren von Anspruch 21, wobei der Stromabschnitt einen Niedriger-Strom-Abschnitt, einen Mittlerer-Strom-Abschnitt und einen Hoher-Strom-Abschnitt enthält, von denen jeder einen vorbestimmten Strombereich hat.
  23. Verfahren von Anspruch 21, wobei die Steuervorrichtung ausgestaltet ist zum: wenn eine gesetzte Zeit nach dem Start eines Betriebs des Brennstoffzellensystems verstrichen ist, oder wenn die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels die gesetzte Temperatur erreicht hat, Bestimmen eines Durchschnittswertes der Sauerstoffkonzentrationen, die durch den Sauerstoffsensor erfasst worden sind, für eine vorbestimmte Zeit seit der Zeit, wenn der Betriebsstrom des Brennstoffzellenstapels in den Stromabschnitt eintritt; und Verwenden des bestimmten Durchschnittswertes als den ersten Sauerstoffkonzentration-Referenzwert des entsprechenden Stromabschnitts.
  24. Verfahren von Anspruch 16, ferner umfassend: Erfassen, durch die Steuervorrichtung, der Sauerstoffkonzentration in Gasen auf der Anodenseite mit Verwendung des Sauerstoffsensors, der in dem Brennstoffzellenstapel installiert ist, jede vorbestimmte Aufweckperiode während eines Parkens des Fahrzeugs; Vergleichen, durch die Steuervorrichtung in dem Aufweckzustand, der durch den Sauerstoffsensor erfassten Sauerstoffkonzentration mit einem vorbestimmten zweiten Sauerstoffkonzentration-Referenzwert; und wenn die durch den Sauerstoffsensor erfasste Sauerstoffkonzentration gleich oder größer als der zweite Sauerstoffkonzentration-Referenzwert ist, Bestimmen, durch die Steuervorrichtung, dass Luft in die Anode des Brennstoffzellenstapels zugeführt worden ist, Betreiben der Wasserstoffversorgungsvorrichtung zum Versorgen der Anode des Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff und Öffnen eines Entleerungsventils, das in einer anodenauslassseitigen Abgasleitung des Brennstoffzellenstapels installiert ist, um das anodenseitige Gas abzulassen, um eine Verschlechterung auf der Kathodenseite aufgrund der Zuführung von Luft zu vermeiden.
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018131160A1 (de) * 2018-12-06 2020-06-10 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zur Verringerung der Kohlenstoffkorrosion in einem Brennstoffzellenstapel sowie Kraftfahrzeug
JP7102358B2 (ja) * 2019-01-08 2022-07-19 株式会社東芝 燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法
US11414199B2 (en) * 2019-03-01 2022-08-16 Textron Innovations Inc. Fuel cell powered line-replaceable thrust module
CN112952154B (zh) * 2021-01-29 2022-06-10 上海捷氢科技股份有限公司 燃料电池的氢腔气体置换控制方法及其氢腔置换系统
CN113719460B (zh) * 2021-08-28 2023-12-26 深圳市深信创联智能科技有限责任公司 一种低能耗的氢燃料电池专用直驱高速离心式空气压缩装置
CN115000468A (zh) * 2022-06-10 2022-09-02 潍柴动力股份有限公司 一种燃料电池堆加速启停工况耐久性测试方法
CN116864733B (zh) * 2023-05-05 2024-02-27 武汉雄韬氢雄燃料电池科技有限公司 一种用于大功率燃料电池的富氧装置及大功率燃料电池系统

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6696190B2 (en) * 2001-06-29 2004-02-24 Plug Power Inc. Fuel cell system and method
JP3850721B2 (ja) 2001-12-03 2006-11-29 本田技研工業株式会社 固体高分子型燃料電池の制御方法
JP4687023B2 (ja) * 2004-07-06 2011-05-25 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2006054165A (ja) 2004-07-15 2006-02-23 Honda Motor Co Ltd 固体高分子型燃料電池及び固体高分子型燃料電池の製造方法
JP2007179786A (ja) * 2005-12-27 2007-07-12 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP5017907B2 (ja) * 2006-04-03 2012-09-05 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
KR101335879B1 (ko) * 2009-03-09 2013-12-02 도요타 지도샤（주） 연료 전지 시스템, 연료 전지 시스템의 제어 방법, 및 연료 전지의 상태 검출 방법
KR20120061661A (ko) * 2010-12-03 2012-06-13 현대자동차주식회사 연료전지 시스템 및 그 제어 방법
KR20120061282A (ko) * 2010-12-03 2012-06-13 현대자동차주식회사 연료전지 시스템 시동 장치 및 방법
KR101405800B1 (ko) 2012-08-29 2014-06-12 현대자동차주식회사 연료전지의 셀 역전압 모사 스택
DE102013212969A1 (de) * 2013-07-03 2015-01-08 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Starten einer Brennstoffzelle
FI125775B (en) * 2014-06-30 2016-02-15 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Method and system for preventing reverse current degeneration in fuel cells
KR101759141B1 (ko) * 2016-01-26 2017-07-18 현대자동차주식회사 연료 전지 시스템의 수소 농도 제어 장치 및 방법

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