DE102019129492A1

DE102019129492A1 - Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung und Verfahren zum Bestimmen des Zustands einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102019129492A1
Application number: DE102019129492.4A
Authority: DE
Inventors: Chiaki Mizutani; Ikuyasu Kato; Miho Hatazaki; Kazuo Yamamoto; Shigeki Hasegawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2020-05-28
Also published as: US11088386B2; CN111244505A; JP2020087764A; JP7156920B2; CN111244505B; US20200168939A1

Abstract

Eine Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung umfasst: einen Impedanzmessungsteil, der eine Impedanz an jeder Brennstoffzelle und eine Impedanz an einem Brennstoffzellenstapel als Ganzes misst; einen Wassergehalt-Schätzungsteil, der einen Wassergehalt-Schätzwert an jeder Brennstoffzelle unter Verwendung eines Gasdiffusionswiderstands berechnet, der aus einem Messergebnis bezüglich der Impedanz an jeder Brennstoffzelle erhalten wird, und einen Wassergehalt-Referenzschätzwert, der einen Wassergehalt in jeder Brennstoffzelle anzeigt, unter Verwendung eines Gasdiffusionswiderstands berechnet, der aus einem Messergebnis bezüglich der Impedanz an dem Brennstoffzellenstapel als Ganzes erhalten wird; und einen Bestimmungsteil, der das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung in der Brennstoffzelle und/oder das Auftreten eines Fehlers bei der Verteilung von reaktivem Gas an der Brennstoffzelle durch Bestimmen der Größenordnung des Wassergehalt-Schätzwertes relativ zu dem Wassergehalt-Referenzschätzwert detektiert.

Description

HINTERGRUND
GEBIET
Diese Offenbarung betrifft eine Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen des Zustandes einer Brennstoffzelle.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Als ein Beispiel zeigt JP2006-318669A eine Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung, die eine Impedanz an einer Brennstoffzelle gemäß dem Wechselstrom-Impedanzverfahren misst und anhand eines Ergebnisses der Messung eine Störung an der Brennstoffzelle detektiert.
Eine Impedanz an einer Brennstoffzelle ist ein Parameter, der mit verschiedenen Arten von Faktoren korreliert ist. Hier ist es in einigen Fällen allein durch den Vergleich eines gemessenen Impedanzwertes mit einem zuvor festgelegten Schwellenwert nicht möglich, einen Faktor für einen an einer Brennstoffzelle auftretenden Defekt korrekt zu identifizieren. Eine Technik, bei der eine an einer Brennstoffzelle auftretende Störung anhand eines gemessenen Impedanzwertes detektiert wird, ist noch verbesserungswürdig.
KURZDARSTELLUNG
Die Technik dieser Offenbarung ist in den folgenden Aspekten durchführbar.
Ein erster Aspekt ist als eine Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung bereitgestellt, die den Zustand eines Brennstoffzellenstapels, der mehrere gestapelte Brennstoffzellen umfasst, überwacht. Die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung dieses Aspekts umfasst: einen Impedanzmessungsteil, der dafür eingerichtet ist, ein Wechselstromsignal an den Brennstoffzellenstapel anzulegen, eine Spannung an jeder der Brennstoffzellen, eine Spannung an dem Brennstoffzellenstapel als Ganzes und einen Ausgangsstrom von dem Brennstoffzellenstapel zu detektieren und eine Impedanz an jeder der Brennstoffzellen und eine Impedanz an dem Brennstoffzellenstapel als Ganzes zu messen; einen Wassergehalt-Schätzungsteil, der dafür eingerichtet ist, einen Gasdiffusionswiderstand an jeder der Brennstoffzellen, der eine Korrelation mit einem Wassergehalt in jeder der Brennstoffzellen aufweist, unter Verwendung eines Messergebnisses bezüglich der Impedanz an jeder der Brennstoffzellen zu erhalten, einen Wassergehalt-Schätzwert als einen geschätzten Wert eines Wassergehalts in jeder der Brennstoffzellen unter Verwendung des Gasdiffusionswiderstands an jeder der Brennstoffzellen zu berechnen, einen Gasdiffusionswiderstand an dem Brennstoffzellenstapel, der eine Korrelation mit einem Wassergehalt in dem Brennstoffzellenstapel aufweist, unter Verwendung eines Messergebnisses bezüglich der Impedanz an dem Brennstoffzellenstapel als Ganzes zu erhalten und einen Wassergehalt-Referenzschätzwert, der einen Wassergehalt in jeder der Brennstoffzellen angibt, unter Verwendung des Gasdiffusionswiderstands an dem Brennstoffzellenstapel zu berechnen; und einen Bestimmungsteil, der dafür eingerichtet ist, das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung in den Brennstoffzellen und/oder das Auftreten eines Fehlers bei der Verteilung von reaktivem Gas an den Brennstoffzellen durch Bestimmen der Größenordnung des Wassergehalt-Schätzwertes relativ zu dem Wassergehalt-Referenzschätzwert zu detektieren.
Gemäß der Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung dieses Aspekts werden ein Wassergehalt-Schätzwert und ein Wassergehalt-Referenzschätzwert unter Verwendung eines Gasdiffusionswiderstands abgeleitet, der aus einem Messergebnis bezüglich einer Impedanz berechnet wird und eine hohe Korrelation mit einem Wassergehalt in den Brennstoffzellen oder dem Brennstoffzellenstapel aufweist. Der Wassergehalt-Schätzwert weist solche Eigenschaften auf, dass sich seine Größenordnung relativ zu dem Wassergehalt-Referenzschätzwert in Reaktion auf eine Katalysatorverschlechterung oder einen Fehler bei der Verteilung des reaktiven Gases an den Brennstoffzellen ändert. Die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung dieses Aspekts verwendet solche Eigenschaften des Wassergehalt-Schätzwertes als eine Grundlage zum Identifizieren einer Katalysatorverschlechterung und/oder eines Fehlers bei der Verteilung des reaktiven Gases an den Brennstoffzellen als ein Faktor für einen an der Brennstoffzelle auftretenden Defekt, wodurch eine korrekte Detektion des Auftretens des Defekts erreicht wird. Der Wassergehalt-Referenzschätzwert ändert sich in Reaktion auf den momentanen Zustand des Brennstoffzellenstapels als Ganzes, wie zum Beispiel eine Veränderung des Brennstoffzellenstapels als Ganzes im Lauf seiner Alterung. Die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung dieses Aspekts verwendet einen solchen Referenzwert, der sich in Reaktion auf den momentanen Zustand des Brennstoffzellenstapels als Ganzes ändert, um den Zustand der Brennstoffzellen zu bestimmen. Damit lassen sich Schwankungen der Bestimmungsgenauigkeit, die durch Zustandsänderungen des Brennstoffzellenstapels als Ganzes verursacht werden, unterdrücken.
Bei der Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung des oben angesprochenen Aspekts kann der Bestimmungsteil bestimmen, dass die Katalysatorverschlechterung an den Brennstoffzellen als einem Bestimmungsziel aufgetreten ist, wenn eine Bestimmungsbedingung erfüllt ist, welche die Maßgabe enthält, dass sich der Wassergehalt-Schätzwert ausgehend von dem Wassergehalt-Referenzschätzwert in einem Grad verringert hat, der einen zuvor festgelegten zulässigen Bereich überschreitet.
Gemäß der Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung dieses Aspektes wird das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung an den Brennstoffzellen korrekt detektiert.
Bei der Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung des oben angesprochenen Aspekts kann der Bestimmungsteil bestimmen, dass die Katalysatorverschlechterung an der Brennstoffzelle als einem Bestimmungsziel aufgetreten ist, wenn die Bestimmungsbedingung erfüllt ist, die eine Maßgabe enthält, dass eine negative Spannung detektiert wurde, sowie die Maßgabe enthält, dass sich der Wassergehalt-Schätzwert ausgehend von dem Wassergehalt-Referenzschätzwert in einem Grad verringert hat, der den zulässigen Bereich überschreitet.
Gemäß der Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung dieses Aspektes wird zusätzlich eine Spannung als eine Bestimmungsbedingung verwendet, damit das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung an den Brennstoffzellen mit einem höheren Genauigkeitsgrad detektiert werden kann.
Bei der Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung des oben angesprochenen Aspekts kann der Bestimmungsteil bestimmen, dass ein Fehler bei der Zufuhr des reaktiven Gases an der Brennstoffzelle als einem Bestimmungsziel aufgetreten ist, wenn detektiert wird, dass der Wassergehalt-Schätzwert größer ist als der Wassergehalt-Referenzschätzwert.
Gemäß der Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung dieses Aspektes wird das Auftreten eines Fehler bei der Zufuhr des reaktiven Gases an den Brennstoffzellen korrekt detektiert.
Ein zweiter Aspekt ist als eine Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung bereitgestellt, die den Zustand eines Brennstoffzellenstapels, der mehrere gestapelte Brennstoffzellen umfasst, überwacht. Die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung dieses Aspekts umfasst: einen Impedanzmessungsteil, der dafür eingerichtet ist, ein Wechselstromsignal an den Brennstoffzellenstapel anzulegen, eine Spannung an jeder der Brennstoffzellen und einen Ausgangsstrom von dem Brennstoffzellenstapel zu detektieren und eine Impedanz an jeder der Brennstoffzellen zu messen; einen Wassergehalt-Schätzungsteil, der dafür eingerichtet ist, einen Gasdiffusionswiderstand an jeder der Brennstoffzellen, der eine Korrelation mit einem Wassergehalt in jeder der Brennstoffzellen aufweist, unter Verwendung eines Messergebnisses bezüglich der Impedanz an jeder der Brennstoffzellen zu erhalten und einen Wassergehalt-Schätzwert als einen geschätzten Wert eines Wassergehalts in jeder der Brennstoffzellen unter Verwendung des Gasdiffusionswiderstands an jeder der Brennstoffzellen zu berechnen; und einen Bestimmungsteil, der dafür eingerichtet ist, das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung in den Brennstoffzellen durch Bestimmen der Größenordnung des Wassergehalt-Schätzwertes relativ zu einem Referenzwert, der in Reaktion auf einen momentanen Wassergehalt in dem Brennstoffzellenstapel als Ganzes schwankt, zu detektieren.
Gemäß der Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung dieses Aspekts werden die Eigenschaften des Wassergehalt-Schätzwertes, der unter Verwendung des aus dem Messergebnis bezüglich der Impedanz abgeleiteten Gasdiffusionswiderstands berechnet wird, verwendet, so dass das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung korrekt detektiert werden kann. Der für die Bestimmung der Katalysatorverschlechterung verwendete Referenzwert ändert sich in Reaktion auf die momentane Stromerzeugungsleistung des Brennstoffzellenstapels als Ganzes, die durch die Veränderung des Brennstoffzellenstapels als Ganzes im Lauf seiner Alterung bestimmt wird. Daher ist es möglich, korrekt eine Brennstoffzelle unter den Brennstoffzellen zu detektieren, bei der die Katalysatorverschlechterung besonders gravierend voranschreitet.
Ein dritter Aspekt ist als eine Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung bereitgestellt, die den Zustand eines Brennstoffzellenstapels, der mehrere gestapelte Brennstoffzellen umfasst, überwacht. Die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung dieses Aspekts umfasst: einen Impedanzmessungsteil, der dafür eingerichtet ist, ein Wechselstromsignal an den Brennstoffzellenstapel anzulegen und eine Impedanz an jeder der Brennstoffzellen zu messen; einen Wassergehalt-Schätzungsteil, der dafür eingerichtet ist, einen Gasdiffusionswiderstand, der eine Korrelation mit einem Wassergehalt in jeder der Brennstoffzellen aufweist, unter Verwendung eines Messergebnisses bezüglich der Impedanz an jeder der Brennstoffzellen zu erhalten und einen Wassergehalt-Schätzwert als einen geschätzten Wert eines Wassergehalts in jeder der Brennstoffzellen unter Verwendung des Gasdiffusionswiderstands zu berechnen; und einen Bestimmungsteil, der dafür eingerichtet ist, das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung in den Brennstoffzellen durch Befolgen einer zuvor festgelegten Reihenfolge an den mehreren Brennstoffzellen als Bestimmungsziele zu detektieren.
Der Bestimmungsteil verwendet den Wassergehalt-Schätzwert an der Brennstoffzelle als einen Referenzwert, der zuvor bestimmt wurde und bei dem keine Katalysatorverschlechterung detektiert wurde. Das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung an der Brennstoffzelle als einem momentanen Bestimmungsziel wird bestimmt, wenn eine Bestimmungsbedingung erfüllt ist, die eine Maßgabe enthält, dass sich der Wassergehalt-Schätzwert an der Brennstoffzelle als einem momentanen Bestimmungsziel ausgehend von dem Referenzwert in einem Grad verringert hat, der einen zuvor festgelegten zulässigen Bereich überschreitet.
Gemäß der Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung dieses Aspekts erfolgt eine Bestimmung unter Verwendung des Wassergehalt-Schätzwertes an einer anderen Brennstoffzelle, von der bestimmt wurde, dass sie keine Katalysatorverschlechterung aufweist, als einem Referenzwert. Damit kann die momentane und normale Tendenz des Wassergehalt-Schätzwertes an dem Brennstoffzellenstapel als Ganzes in einem Bestimmungsergebnis widergespiegelt werden, so dass Schwankungen bei der Bestimmungsgenauigkeit, die durch Zustandsänderungen des Brennstoffzellenstapels als Ganzes verursacht werden, vermieden werden können.
Die Technik dieser Offenbarung kann auch in verschiedenen anderen Aspekten als der Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung realisiert werden. Zum Beispiel kann die Technik dieser Offenbarung als ein Verfahren zum Bestimmen des Zustands eines Brennstoffzellenstapels, ein Verfahren zum Detektieren einer Katalysatorverschlechterung an einer Brennstoffzelle, ein Verfahren zum Detektieren eines Fehlers bei der Verteilung von reaktivem Gas an einem Brennstoffzellenstapel, ein Verfahren zur Steuerung einer Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung und ein Controller für die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung, ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung umfasst, und ein Verfahren zur Steuerung des Brennstoffzellensystems, ein Computerprogramm zur Realisierung eines der oben genannten Verfahren, ein nicht-transitorisches Aufzeichnungsmedium, welches das Computerprogramm speichert, und dergleichen realisiert werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems, das eine Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung einer ersten Ausführungsform umfasst;
2 ist eine schematische Schnittansicht, welche die Ausgestaltung einer Brennstoffzelle zeigt;
3 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Ablauf eines Überwachungsprozesses der ersten Ausführungsform zeigt;
4 ist eine erläuternde Ansicht, die Schritte des Berechnungsprozesses für den Wassergehalt-Schätzwert zeigt;
5 ist eine erläuternde Ansicht zum Erläutern eines Protonentransferwiderstands und eines Gasreaktionswiderstands;
6 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Beispiel einer Karte zeigt, die eine Korrelation zwischen einem Gasdiffusionswiderstand und einem Wassergehalt-Schätzwert darstellt;
7 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Ablauf eines Bestimmungsprozesses der ersten Ausführungsform zeigt;
8 ist eine erläuternde Ansicht, die zeigt, wie sich ein Wassergehalt-Schätzwert durch das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Katalysatorverschlechterung verändert;
9 ist eine erläuternde Ansicht, die eine Beziehung zwischen einem Gasdiffusionswiderstand und einem tatsächlichen Wassergehalt in der Brennstoffzelle zeigt;
10 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Ablauf eines Überwachungsprozesses der zweiten Ausführungsform zeigt;
11 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Ablauf eines Bestimmungsprozesses der zweiten Ausführungsform zeigt;
12 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Beispiel für ein Bestimmungsergebnis zeigt, das durch den Bestimmungsprozess der zweiten Ausführungsform erhalten wurde;
13 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Ablauf des Bestimmungsprozesses einer dritten Ausführungsform zeigt;
14 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Ablauf eines Überwachungsprozesses einer vierten Ausführungsform zeigt;
15 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Ablauf eines Bestimmungsprozesses der vierten Ausführungsform zeigt;
16 ist eine erläuternde Ansicht, die eine Änderung der Genauigkeit eines Wassergehalt-Schätzwertes relativ zu der Änderung des stöchiometrischen Verhältnisses von reaktivem Gas zeigt;
17 ist eine erläuternde Ansicht, die eine Beziehung zwischen einem Gasdiffusionswiderstand und einem tatsächlichen Wassergehalt in der Brennstoffzelle zeigt;
18A ist eine erläuternde Ansicht, die ein Beispiel für die zeitliche Änderung der Zellenspannung und die zeitliche Änderung des stöchiometrischen Verhältnisses von reaktivem Gas gemäß einem Vergleichsbeispiel zeigt;
18B ist eine erläuternde Ansicht, die ein Beispiel für die zeitliche Änderung der Zellenspannung und die zeitliche Änderung des stöchiometrischen Verhältnisses von reaktivem Gas zeigt, die in Reaktion auf die Implementierung des Überwachungsprozesses der vierten Ausführungsform auftreten;
19 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Ablauf eines Überwachungsprozesses einer fünften Ausführungsform zeigt;
20 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Ablauf eines Bestimmungsprozesses der fünften Ausführungsform zeigt;
21 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Ablauf eines Überwachungsprozesses einer sechsten Ausführungsform zeigt; und
22 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Ablauf eines Bestimmungsprozesses der sechsten Ausführungsform zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
ALLGEMEINE DARSTELLUNG DES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS
1 ist eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems 100, das eine Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 einer ersten Ausführungsform umfasst. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 20, der in Reaktion auf die Zufuhr von Brennstoffgas und oxidierendem Gas als reaktive Gase Energie erzeugt und bewirkt, dass der Brennstoffzellenstapel 20 in Reaktion auf eine Anforderung von einer externen Last 200 Energie erzeugt. Die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 überwacht den Brennstoffzellenstapel 20, während der Brennstoffzellenstapel 20 Energie erzeugt, und detektiert einen an dem Brennstoffzellenstapel 20 auftretenden Defekt. In der folgenden Beschreibung wird zunächst die Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 100 mit Ausnahme der Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 beschrieben, und danach wird die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 beschrieben.
In der ersten Ausführungsform wird das Brennstoffzellensystem 100 in einem Brennstoffzellenfahrzeug montiert und gibt Leistung ab, die für den Betrieb des Brennstoffzellenfahrzeugs verwendet oder durch Hilfsmaschinen oder elektrische Komponenten in dem Brennstoffzellenfahrzeug verbraucht werden soll. Die Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems 100 kann von außen zugeführt werden. In anderen Ausführungsformen muss das Brennstoffzellensystem 100 nicht in einem Brennstoffzellenfahrzeug montiert werden. Das Brennstoffzellensystem 100 kann auf einem mobilen Körper, wie zum Beispiel einem Schiff, montiert werden oder kann fest in einer Installation, wie zum Beispiel einem Gebäude, platziert werden.
AUSGESTALTUNG DES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS
Der Brennstoffzellenstapel 20 ist eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle und erzeugt Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff als Brennstoffgas und Sauerstoff als oxidierendem Gas. Der Brennstoffzellenstapel 20 weist eine Stapelstruktur mit mehreren gestapelten Brennstoffzellen 21 auf. Jede der Brennstoffzellen 21 ist ein Stromerzeuger, der allein Energie erzeugen kann. Der Brennstoffzellenstapel 20 ist mit einem in den Zeichnungen nicht gezeigten Verteiler als einem verzweigten Strömungspfad für reaktives Gas und ein Kältemittel versehen, der an jede der Brennstoffzellen 21 angeschlossen ist.
2 ist eine schematische Schnittansicht, welche die Ausgestaltung der Brennstoffzelle 21 zeigt. Die Brennstoffzelle 21 umfasst eine Membran-Elektroden-Baugruppe 50 als einen Stromerzeuger. Die Membran-Elektroden-Baugruppe 50 umfasst eine Elektrolytmembran 51 und zwei Elektroden 52 und 53. Die Elektrolytmembran 51 ist eine Membran aus Elektrolytharz, das im nassen Zustand eine günstige Protonenleitfähigkeit besitzt. Die Elektrolytmembran 51 besteht zum Beispiel aus einem Ionenaustauschharz auf Fluorbasis. Die erste Elektrode 52 und die zweite Elektrode 53 sind auf gegenüberliegenden Seiten der Elektrolytmembran 51 angeordnet. Die erste Elektrode 52 ist eine Anode, der das Brennstoffgas zugeführt wird. Die zweite Elektrode 53 ist eine Katode, der das oxidierende Gas zugeführt wird. Jede der Elektroden 52 und 53 umfasst eine Katalysatorschicht 54, die auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 51 angeordnet ist, und eine Gasdiffusionsschicht 55, die auf die Katalysatorschicht 54 gestapelt ist. Die Katalysatorschicht 54 umfasst einen Katalysator zum Beschleunigen der Energieerzeugungsreaktion und leitfähige Partikel, die den Katalysator stützen. Als ein Katalysator kann zum Beispiel Platin (Pt) verwendet werden. Als die leitfähigen Partikel können zum Beispiel Kohlenstoffpartikel verwendet werden. Die Gasdiffusionsschicht 55 besteht aus einer porenhaltigen Basis, die Gasdiffusionseigenschaften und Leitfähigkeit besitzt. Die Gasdiffusionsschicht 55 kann zum Beispiel aus Kohlepapier bestehen.
Die Brennstoffzelle 21 umfasst zwei Separatoren 61 und 62, zwischen denen die Membran-Elektroden-Baugruppe 50 angeordnet ist. Der erste Separator 61 ist der ersten Elektrode 52 zugewandt, und der zweite Separator 62 ist der zweiten Elektrode 53 zugewandt. Jeder der Separatoren 61 und 62 besteht aus einem plattenförmigen Element, das Leitfähigkeit und Gasundurchlässigkeit besitzt, wie zum Beispiel einer Metallplatte. Eine Fläche eines jeden der Separatoren 61 und 62 neben der Membran-Elektroden-Baugruppe 50 ist mit Nuten versehen, die einen Gasströmungspfad 63 zum Führen des reaktiven Gases bilden. Der Gasströmungspfad 63 in jeder Brennstoffzelle 21 ist mit dem in den Zeichnungen nicht gezeigten Verteiler verbunden. Der Gasströmungspfad 63 an dem ersten Separator 61 dient dem Strömen des Brennstoffgases. Der Gasströmungspfad 63 an dem zweiten Separator 62 dient dem Strömen des oxidierenden Gases. Eine Fläche eines jeden der Separatoren 61 und 62 auf der gegenüberliegenden Seite der Fläche mit dem Gasströmungspfad 63 ist als ein Kältemittelströmungspfad 64 zum Strömen des Kältemittels versehen.
Wie in 1 dargestellt, umfasst der Brennstoffzellenstapel 20 Endplatten 22, die an gegenüberliegenden Enden - in Stapelrichtung der Brennstoffzellen 21 gesehen - angeordnet sind. Jede der Endplatten 22 besteht zum Beispiel aus einer Metallplatte. Der Stapel der Brennstoffzellen 21 wird über die Endplatten 22 mit einem in den Zeichnungen nicht gezeigten Befestigungselement befestigt. Die Endplatten 22 sind mit Anschlüssen für den Anschluss an ein Rohr 32, ein Rohr 36, ein Rohr 41 und ein Rohr 44, die später noch beschrieben werden, für den Durchtritt der reaktiven Gase versehen.
Zwischen jeder der Endplatten 22 und dem Stapel der Brennstoffzellen 21 sind eine Stromsammelplatte 23 und eine Isolierplatte 24 angeordnet. Die Stromsammelplatte 23 besteht aus einem plattenförmigen Element, das Leitfähigkeit besitzt. Die Stromsammelplatte 23 steht mit dem Stapel der Brennstoffzellen 21 in Kontakt und ist mit jeder Brennstoffzelle 21 elektrisch leitfähig. Die Stromsammelplatte 23 dient als ein elektrischer Anschluss. Der Brennstoffzellenstapel 20 ist über die Stromsammelplatte 23 elektrisch mit der externen Last 200 verbunden, die einen Motor, Hilfsmaschinen und elektrische Komponenten umfasst. Die Isolierplatte 24 ist zwischen der Stromsammelplatte 23 und der Endplatte 22 angeordnet und isoliert die Stromsammelplatte 23 und die Endplatte 22 elektrisch voneinander.
STRUKTUR FÜR DIE ENERGIEERZEUGUNG DURCH DEN BRENNSTOFFZELLENSTAPEL
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst des Weiteren einen Systemcontroller 25, der den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 20 steuert, sowie eine Brennstoffgaszufuhr- und -auslasseinheit 30 und eine Oxidationsgaszufuhr- und -auslasseinheit 40 zum Zuführen und Abführen der reaktiven Gase in den und aus dem Brennstoffzellenstapel 20. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst des Weiteren eine Kältemittelzufuhreinheit zum Zuführen des Kältemittels zu dem Kältemittelströmungspfad 64 in dem Brennstoffzellenstapel 20, einen Konverter zum Steuern eines Ausgangsstroms, eine Sekundärzelle und dergleichen. Auf die detaillierte Beschreibung dieser Einheiten in der Spezifikation und die Veranschaulichung dieser Einheiten in den Zeichnungen wird aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit verzichtet.
Der Systemcontroller 25 wird mittels einer elektronischen Steuereinheit, auch ECU genannt, eingerichtet, die mindestens einen Prozessor und einen Hauptspeicher umfasst. Der Systemcontroller 25 führt ein Programm oder eine Anweisung aus, das bzw. die durch den Prozessor in den Hauptspeicher eingelesen wird, um verschiedene Funktionen zum Steuern der Energieerzeugung durch den Brennstoffzellenstapel 20 zu erfüllen. Mindestens ein Teil der Funktionen des Systemcontrollers 25 kann durch eine Hardwareschaltung realisiert werden. Der Systemcontroller 25 dient darüber hinaus als ein übergeordneter Controller für die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10. Der Systemcontroller 25 kann (später noch beschriebene), durch die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 gemessene Parameter, wie zum Beispiel einen Ausgangsstrom, eine Stapelspannung Vs, eine Zellenspannung Vc und einen Wassergehalt-Schätzwert Wc an dem Brennstoffzellenstapel 20, zum Steuern des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 20 verwenden.
Als ein Brennstoffgaszufuhrsystem umfasst die Brennstoffgaszufuhr- und auslasseinheit 30 einen Hochdrucktank 31, ein Zufuhrrohr 32, ein Ein-Aus-Ventil 33, einen Regler 34 und einen Injektor 35. Der Hochdrucktank 31 speichert das Brennstoffgas in einem Hochdruckzustand. Das Zufuhrrohr 32 verbindet den Hochdrucktank 31 mit einem anodenseitigen Verteilereinlass des Brennstoffzellenstapels 20, der an der Endplatte 22 angeordnet ist, um das Brennstoffgas in dem Hochdrucktank 31 zu dem Brennstoffzellenstapel 20 zu führen. In dem Zufuhrrohr 32 sind das Ein-Aus-Ventil 33, der Regler 34 und der Injektor 35 angeordnet. Der Systemcontroller 25 steuert das Öffnen und Schließen des Ein-Aus-Ventils 33, um das Strömen des Brennstoffgases aus dem Hochdrucktank 31 in das Zufuhrrohr 32 zu steuern. Der Regler 34 regelt den Druck stromaufwärts des Injektors 35. Der Injektor 35 bläst das Brennstoffgas unter der Steuerung des Systemcontrollers 25 in Richtung der Anode des Brennstoffzellenstapels 20 ein.
Als ein Brennstoffgasabgabe- und -zirkulationssystem umfasst die Brennstoffgaszufuhr- und -auslasseinheit 30 des Weiteren ein Zirkulationsrohr 36, eine Zirkulationspumpe 37, ein Abflussrohr 38 und ein Abflussventil 39. Das Zirkulationsrohr 36 ist mit einem anodenseitigen Verteilerausgang des Brennstoffzellenstapels 20, der an der Endplatte 22 angeordnet ist, verbunden. Die Zirkulationspumpe 37 ist mit dem Zirkulationsrohr 36 verbunden. Das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 austretende Anodenauslassgas wird durch die Zirkulationspumpe 37 über das Zirkulationsrohr 36 zu dem Zufuhrrohr 32 geleitet. Das Abflussrohr 38 ist über einen in den Zeichnungen nicht gezeigten Gas-Flüssigkeit-Separator mit dem Zirkulationsrohr 36 verbunden. Das Abflussrohr 38 dient zur Abfließen von Abwasser als einer flüssigen Komponente, die durch Abscheidung aus dem Anodenauslassgas entsteht und sich in dem Gas-Flüssigkeit-Separator ansammelt, nach außerhalb des Brennstoffzellenfahrzeugs. Das Abflussventil 39 ist an dem Abflussrohr 38 angebracht. Der Systemcontroller 25 steuert das Öffnen und Schließen des Abflussventils 39, um den Abfluss des Abwassers über das Abflussrohr 38 zu steuern.
Als ein Oxidationsgaszufuhrsystem umfasst die Oxidationsgaszufuhr- und -auslasseinheit 40 ein Zufuhrrohr 41 und einen Kompressor 43. Das Zufuhrrohr 41 ist an einem Ende mit einem katodenseitigen Verteilereinlass des Brennstoffzellenstapels 20, der an der Endplatte 22 angeordnet ist, verbunden und ist am gegenüberliegenden Ende mit einem in den Zeichnungen nicht gezeigten Lufteinlass des Brennstoffzellenfahrzeugs verbunden. Der Kompressor 43 ist mit dem Zufuhrrohr 41 verbunden. Unter der Steuerung des Systemcontrollers 25 saugt der Kompressor 43 sauerstoffhaltige Luft als das Oxidationsgas an, verdichtet die Luft und führt die verdichtete Luft dem Brennstoffzellenstapel 20 zu.
Als ein Oxidationsgasauslasssystem umfasst die Oxidationsgaszufuhr- und auslasseinheit 40 zusätzlich ein Abgaberohr 44 und ein Druckhalteventil 45. Das Abgaberohr 44 ist mit einem katodenseitigen Verteilerauslass des Brennstoffzellenstapels 20 verbunden, der an der Endplatte 22 angeordnet ist, um das von dem Brennstoffzellenstapel 20 abgegebene Katodenauslassgas nach außerhalb des Brennstoffzellenfahrzeugs zu leiten. Das Druckhalteventil 45 ist in dem Druckrohr 44 angeordnet. Der Systemcontroller 25 steuert einen Öffnungsgrad des Druckhalteventils 45 zum Regeln des Gegendrucks in dem Brennstoffzellenstapel 20.
AUSGESTALTUNG DER BRENNSTOFFZELLEN-ÜBERWACHUNGSVORRICHTUNG
Die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 umfasst einen Überwachungsvorrichtungs-Controller 11, der den Überwachungsprozess des Überwachens des Zustands des Brennstoffzellenstapels 20 ausführt und gleichzeitig die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 vollständig steuert. Der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 wird unter Verwendung eines Computers eingerichtet, der mindestens einen Prozessor und einen Hauptspeicher umfasst. Der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 kann als ein Teil des ECU eingerichtet sein, die den Systemcontroller 25 bildet. Der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 führt ein Programm oder eine Anweisung aus, das bzw. die durch den Prozessor in den Hauptspeicher eingelesen wird, um verschiedene Funktionen zum Ausführen des Überwachungsprozesses zu erfüllen.
Der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 umfasst als Funktionsteile zum Ausführen des Überwachungsprozesses einen Impedanzmessungsteil 11i, einen Wassergehalt-Schätzungsteil 11w und einen Bestimmungsteil 11j. Der Impedanzmessungsteil 11i misst eine Impedanz an dem Brennstoffzellenstapel 20 gemäß dem Wechselstrom-Impedanzverfahren. Der Wassergehalt-Schätzungsteil 11w umfasst einen Diffusionswiderstandsberechnungsteil 11r, der aus dem Ergebnis der Messung durch den Impedanzmessungsteil 11i einen später noch beschriebenen Gasdiffusionswiderstand berechnet. Der Wassergehalt-Schätzungsteil 11w berechnet einen Wassergehalt-Schätzwert als einen geschätzten Wert eines Wassergehalts in der Brennstoffzelle 21 unter Verwendung des durch den Diffusionswiderstandsberechnungsteil 11r berechneten Gasdiffusionswiderstands. Der Bestimmungsteil 11j detektiert das Auftreten eines Defekts an der Brennstoffzelle 21, indem er eine Bestimmung anhand des durch den Wassergehalt-Schätzungsteil 11w berechneten Wassergehalt-Schätzwertes vornimmt. In der ersten Ausführungsform detektiert der Bestimmungsteil 11j das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung an jeder Brennstoffzelle 21. Ein Verfahren zur Berechnung des Wassergehalt-Schätzwertes und ein Verfahren zum Bestimmen anhand des Wassergehalt-Schätzwertes werden später noch ausführlich beschrieben.
Die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 umfasst des Weiteren einen Signalüberlagerungsteil 12, einen Strommessungsteil 13, einen Stapelspannungsmessungsteil 14 und einen Zellenspannungsmessungsteil 15, die als Hardware zum Überwachen des Zustands des Brennstoffzellenstapels 20 bereitgestellt sind. Der Signalüberlagerungsteil 12 umfasst eine Wechselstromversorgung und legt unter der Steuerung durch den Impedanzmessungsteil 11i des Überwachungsvorrichtungs-Controllers 11 ein Wechselstromsignal über einen Ausgangsstrom von dem Brennstoffzellenstapel 20. Der Strommessungsteil 13 misst den Ausgangsstrom von dem Brennstoffzellenstapel 20 und gibt den gemessenen Ausgangsstrom an den Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 aus. Der Stapelspannungsmessungsteil 14 misst eine Stapelspannung, die eine Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 20 als Ganzes anzeigt, und gibt die gemessene Stapelspannung an den Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 aus. Der Zellenspannungsmessungsteil 15 misst eine Zellenspannung, die eine Spannung an jeder Brennstoffzelle 21 anzeigt, und gibt die gemessene Zellenspannung an den Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 aus.
ÜBERWACHUNGSPROZESS
3 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Ablauf des Überwachungsprozesses der ersten Ausführungsform zeigt. Die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 führt den Überwachungsprozess in einem zuvor festgelegten Zyklus durch, während der Brennstoffzellenstapel 20 Energie erzeugt. Der Überwachungsprozess der ersten Ausführungsform bestimmt das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Katalysatorverschlechterung an einer zuvor als ein Bestimmungsziel festgelegten Brennstoffzelle 21 zu bestimmen. Unter der hier im vorliegenden Text angesprochenen „Katalysatorverschlechterung“ ist eine Verschlechterung zu verstehen, die sich irreversibel an der Katalysatorschicht 54 entwickelt, wie zum Beispiel die Abtrennung des Katalysators durch Oxidation von Kohlenstoff in der Katalysatorschicht 54 oder Reduktion in einem Reaktionsbereich durch Aggregation des Katalysators. Mit solchen Arten von Katalysatorverschlechterung ist zu rechnen, wenn kontinuierlich Energie erzeugt wird, während zu wenig Brennstoffgas 21 in die Brennstoffzellen geleitet wird.
Alle Brennstoffzellen 21, die den Brennstoffzellenstapel 20 bilden, sind Ziele der Bestimmung durch den Überwachungsprozess der ersten Ausführungsform. In anderen Ausführungsformen können aus N Brennstoffzellen 21, die den Brennstoffzellenstapel 20 bilden, vorab n beliebige Brennstoffzellen 21 als Bestimmungsziele ausgewählt werden. Hier sind N und n natürliche Zahlen, die N > n erfüllen. Wenn nur einige der Brennstoffzellen 21 Bestimmungsziele sein sollen, so umfassen diese Bestimmungsziele zweckmäßigerweise mindestens eine Brennstoffzelle 21 an einem Ende des Brennstoffzellenstapels 20, in Stapelrichtung gesehen. Der Grund dafür ist, dass bei einer solchen Brennstoffzelle 21 an dem Ende tendenziell eine Katalysatorverschlechterung auftritt.
In Schritt S10 legt der Impedanzmessungsteil 11i ein Wechselstromsignal an den Brennstoffzellenstapel 20 an. In der ersten Ausführungsform veranlasst der Impedanzmessungsteil 11i, dass der Signalüberlagerungsteil 12 zwei Wechselstromsignale unterschiedlicher Frequenz über einen Ausgangsstrom von dem Brennstoffzellenstapel 20 legt. Der Impedanzmessungsteil 11i kann eine Überlagerung der beiden Wechselstromsignale unterschiedlicher Frequenz gleichzeitig oder abwechselnd veranlassen. Der Impedanzmessungsteil 11i veranlasst die Überlagerung eines Signals eines Sinuswellen-Wechselstroms in Reaktion auf die Größenordnung eines von dem Brennstoffzellenstapel 20 ausgegebenen Stroms. Ein Effektivwert des zu überlagernden Wechselstroms kann zum Beispiel im Bereich von etwa 5 bis etwa 10 % des Ausgangsstroms von dem Brennstoffzellenstapel 20 liegen. Von den Frequenzen der beiden Wechselstromsignale, die durch den Signalüberlagerungsteil 12 überlagert werden, wird die höhere Frequenz als eine „hohe Frequenz f_H “ bezeichnet und die niedrigere Frequenz als eine „niedrige Frequenz f_L “ bezeichnet. Die hohe Frequenz f_H liegt zum Beispiel im Bereich von 0,8 bis 1,2 kHz. Die niedrige Frequenz f_L liegt zum Beispiel im Bereich von 18 bis 22 Hz. Die hohe Frequenz f_H und die niedrige Frequenz f_L sind die Bezeichnungen zur Unterscheidung von Frequenzpegeln relativ zueinander und haben andere Konzepte als eine „niedrige Frequenz“ oder eine „hohe Frequenz“ nach allgemeinem Verständnis.
In Schritt S20, während der Signalüberlagerungsteil 12 die Wechselstromsignale überlagert, veranlasst der Impedanzmessungsteil 11i den Stapelspannungsmessungsteil 14, die Wellenform einer Ausgangsspannung von dem Brennstoffzellenstapel 20 als einem Bestimmungsziel zu messen, und veranlasst den Zellenspannungsmessungsteil 15, die Wellenform einer Ausgangsspannung von jeder Brennstoffzelle 21 zu messen. Des Weiteren veranlasst der Impedanzmessungsteil 11i den Strommessungsteil 13, die Wellenform eines Ausgangsstroms von dem Brennstoffzellenstapel 20 zu messen. Eine Zellenspannung Vc, eine Stapelspannung Vs und ein Ausgangsstrom Is, die durch diese Messungen erfasst werden, sind Spannungswerte oder Stromwerte eines durch die Überlagerung der Wechselströme erzeugten Antwortstroms.
Der Impedanzmessungsteil 11i berechnet anhand der Zellenspannung Vc und des Ausgangsstroms Is eine Impedanz an jeder Brennstoffzelle 21 als einem Bestimmungsziel. Des Weiteren berechnet der Impedanzmessungsteil 11i anhand der Stapelspannung Vs und des Ausgangsstroms Is eine Impedanz an dem Brennstoffzellenstapel 20 als Ganzes. Der Impedanzmessungsteil 11i berechnet zum Beispiel den Absolut- und den Phasenwinkel einer Impedanz an einer Brennstoffzelle 21 als einem Bestimmungsziel und die einer Impedanz an dem Brennstoffzellenstapel 20 als Ganzes bei jeder der hohen Frequenz f_H und der niedrige Frequenz f_L gemäß der schnellen Fourier-Transformation (auch FFT genannt).
Anhand der 4 bis 6 wird der Wassergehalt-Schätzwertberechnungsprozess in Schritt S30 beschrieben. In Schritt S30 berechnet der Wassergehalt-Schätzungsteil 11w einen Wassergehalt-Schätzwert Wc an jeder Brennstoffzelle 21 als einem Bestimmungsziel unter Verwendung der in Schritt S20 berechneten Impedanz an jeder Brennstoffzelle 21 als einem Bestimmungsziel.
4 ist eine erläuternde Ansicht, die Schritte des Berechnungsprozesses für den Wassergehalt-Schätzwert zeigt. Zunächst berechnet in Schritt S31 der Diffusionswiderstandsberechnungsteil 11r des Wassergehalt-Schätzungsteils 11w einen Protonentransferwiderstand R_mem und einen Gasreaktionswiderstand R_ct an jeder Brennstoffzelle 21.
Anhand von 5 werden der Protonentransferwiderstand R_mem und der Gasreaktionswiderstand R_ct beschrieben. 5 zeigt ein Cole-Cole-Diagramm als ein Kennliniendiagramm, das eine Beziehung zwischen einer Frequenz und einer Impedanz auf einer komplexen Ebene zeigt. Der Protonentransferwiderstand R_mem entspricht einem Impedanzwert auf der realen Achse bei der hohen Frequenz f_H . Der Gasreaktionswiderstand Ret entspricht einem Wert, der durch Subtrahieren eines Impedanzwertes auf der realen Achse bei der hohe Frequenz f_H von einem Wert auf der realen Achse an einem Schnittpunkt eines bogenförmigen Impedanzpfades und der realen Achse erhalten wird.
Der Protonentransferwiderstand R_mem ist eine Komponente, die aus der Umwandlung eines Widerstandsüberpotenzials in einen Widerstand resultiert. Das Widerstandsüberpotenzial erhöht sich in Reaktion auf die Austrocknung einer Elektrolytmembran. Der Protonentransferwiderstand R_mem wird unter Verwendung einer Impedanz berechnet, die in Reaktion auf einen Wechselstrom mit der hohen Frequenz f_H erfasst wird. Genauer gesagt, wird der Protonentransferwiderstand R_mem durch Anwenden eines absoluten R₁ und einer Phase θ1 der Impedanz bei der hohen Frequenz f_H auf die folgende Formel F1 berechnet: $R_{mem} = R_{1} \cdot cos θ_{1}$
Der Gasreaktionswiderstand R_ct ist eine Komponente, die aus der Umwandlung eines Aktivierungsüberpotenzials und eines Konzentrationsüberpotenzials in Widerstände resultiert. Der Gasreaktionswiderstand R_ct wird wie folgt unter Verwendung einer Impedanz, die in Reaktion auf einen Wechselstrom mit der niedrigen Frequenz f_L erhalten wurde, und des Protonentransferwiderstands R_mem berechnet. Zuerst werden der absolute Wert R₁ , ein absoluter Wert R₂ und eine Phase 02 der Impedanzen bei der entsprechenden niedrigen Frequenz f_L oder hohen Frequenz f_H auf die folgenden Formeln F2 und F3 angewendet, um eine Komponente φ und eine Komponente A zu berechnen, welche die Eigenschaften des Gasreaktionswiderstands R_ct in der Impedanz bei der niedrigen Frequenz f_L angibt, wie folgt: $φ= {tan}^{- 1} [(R_{2} \cdot sin θ_{2}) / {(R_{2} \cdot cos θ_{2}) - R_{mem}}]$
$A = (R_{2} \cdot sin θ_{2}) /sin φ$
Anschließend werden φ und A, die aus den vorangegangenen Formeln F2 und F3 erhalten wurden, auf die folgende Formel F4 angewendet, um den Gasreaktionswiderstand Ret zu berechnen: $R_{ct} = A/cos φ$
Gemäß 4 berechnet der Diffusionswiderstandsberechnungsteil 11r in den Schritten S32 bis S35 drei Gasdiffusionswiderstände R_total , R_wet und R_dry . Jeder der Gasdiffusionswiderstände R_total , R_wet und R_dry wird in einer Einheit „s/m“ ausgedrückt. Der Gasdiffusionswiderstand R_total ist ein Parameter, der die Schwierigkeit angibt, mit der das reaktive Gas in die Katalysatorschicht 54 diffundiert. Der Gasdiffusionswiderstand R_total entspricht der Summe der beiden Gasdiffusionswiderstände R_wet und R_dry . Und zwar ist: R_total = R_wet + R_dry.
Der Gasdiffusionswiderstand R_wet ist ein Parameter, der angibt, dass sich die Diffusionseigenschaften aufgrund der Flutung im Inneren des Brennstoffzellenstapels 20 ändert. Der Gasdiffusionswiderstand R_wet wird maßgeblich durch einen sich verändernden Zustand des Wassers in der Brennstoffzelle 21 beeinflusst. Der Gasdiffusionswiderstand R_dry ist ein Parameter, der angibt, dass sich die Diffusionseigenschaften aufgrund von Austrocknung verändern. Der Gasdiffusionswiderstand R_dry wird maßgeblich durch einen sich verändernden Austrocknungszustand in der Brennstoffzelle 21 beeinflusst.
In Schritt S32 berechnet der Diffusionswiderstandsberechnungsteil 11r den Gasdiffusionswiderstand R_dry anhand des Protonentransferwiderstands R_mem. Der Protonentransferwiderstand R_mem korreliert mit einer Feuchtigkeit RH in der Brennstoffzelle 21, ausgedrückt durch die folgende Formel F5. Der Diffusionswiderstandsberechnungsteil 11r umfasst eine Karte M1, die eine Beziehung darstellt, in der zuvor gespeicherten Formel F5 definiert ist, und wandelt den Protonentransferwiderstand R_mem unter Bezug auf die Karte M1 in die Feuchtigkeit RH um. In der Formel F5 sind „a“ und „b“ Konstanten. $RH \propto a \cdot {(R_{mem})}^{- b}$
Der Gasdiffusionswiderstand R_dry korreliert mit einem Diffusionskoeffizienten D_dry , der durch die folgende Formel F6 ausgedrückt wird und umgekehrt proportional zu dem Diffusionskoeffizienten D_dry ist. Der Diffusionskoeffizient D_dry ist mit der Feuchtigkeit RH in der Brennstoffzelle 21 so korreliert, dass er mit zunehmender Feuchtigkeit RH größer wird. Der Diffusionswiderstandsberechnungsteil 11r berechnet den Diffusionskoeffizienten D_dry anhand der Feuchtigkeit RH unter Verwendung einer zuvor gespeicherten Karte M2, die die Korrelation zwischen der Feuchtigkeit RH und dem Diffusionskoeffizienten D_dry umfasst. Der Diffusionswiderstandsberechnungsteil 11r berechnet den Gasdiffusionswiderstand R_dry unter Verwendung des berechneten Diffusionskoeffizienten D_dry auf der Grundlage der Korrelation, die durch die folgende, im Voraus gespeicherte Formel F6 ausgedrückt wird. In dieser Formel ist „c“ eine Konstante, und „δ“ ist die Dicke der Gasdiffusionsschicht 55. $R_{dry} \propto c \cdot (δ {/D}_{dry})$
In Schritt S33 verwendet der Diffusionswiderstandsberechnungsteil 11r die folgenden Formeln F7 bis F11 zum Berechnen einer Begrenzungsstromdichte I_lim , die zur Berechnung des Gasdiffusionswiderstands Rtotai verwendet werden soll. In diesen Formeln ist „F“ eine Faraday-Konstante, „R“ ist eine Gaskonstante, „T“ ist eine Temperatur, „n“ ist eine Konstante, „I“ ist eine Stromdichte, „I_O “ ist eine Austauschstromdichte, „E“ ist eine Steuerspannung, „E_O “ ist eine theoretische elektromotorische Spannung, „η_c “ ist ein Konzentrationsüberpotenzial, „η_a “ ist ein Aktivierungsüberpotenzial, „η_R “ ist ein Widerstandsüberpotenzial und „q“ ist eine Konstante, die einen Ladungstransferkoeffizienten angibt. $I_{lim} = {e^{p} / (e^{p} - 1)} \cdot I$
$p = (η_{c} \cdot n \cdot F) / (2 \cdot R \cdot T)$
$η_{c} = E_{O} - E - η_{a} - η_{R}$
$η_{a} = (R \cdot T/2 \cdot q \cdot F) In ({I/I}_{O})$
$η_{R} = I \cdot R_{mem}$
In Schritt S34 wendet der Diffusionswiderstandsberechnungsteil 11r den in Schritt S31 erhaltenen Gasreaktionswiderstand R_ct und die in Schritt S33 berechnete Begrenzungsstromdichte I_lim auf die folgende Formel F12 als ein vorab gespeicherte Funktion an, um den Gasdiffusionswiderstand R_total zu berechnen. In der folgenden Formel sind „ρ“ und „ξ“ Konstanten, die durch Einpassen eines tatsächlich gemessenen Wertes und eines geschätzten Wertes eines vorab gemessenen Gasdiffusionswiderstands unter Verwendung einer Begrenzungsstromdichte, die durch Ändern einer Gaskonzentration von reaktivem Gas in der Brennstoffzelle 21 bestimmt wird, eingestellt werden. Der geschätzte Wert des Gasdiffusionswiderstands wird aus dem Gasreaktionswiderstand R_ct und der Begrenzungsstromdichte I_lim berechnet. $R_{total} = p \cdot {(R_{ct} \cdot I_{lim})}^{ξ}$
In Schritt S35 subtrahiert, wie in der folgenden Formel F13 gezeigt, der Diffusionswiderstandsberechnungsteil 11r den Gasdiffusionswiderstand R_dry von dem Gasdiffusionswiderstand R_total , um den Gasdiffusionswiderstand R_wet zu berechnen. $R_{wet} = R_{total} \cdot R_{dry}$
6 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Beispiel einer Karte M3 zeigt, die eine Korrelation zwischen dem Gasdiffusionswiderstand R_wet und einem Wassergehalt-Schätzwert an der Brennstoffzelle darstellt. Die durch die Karte M3 dargestellte Korrelation wird durch Auftragen tatsächlich gemessener Werte eines Wassergehalts in der Brennstoffzelle 21 relativ zu dem Gasdiffusionswiderstand R_wet erhalten.
In Schritt S36 verwendet der Wassergehalt-Schätzungsteil 11w, der die im Voraus gespeicherte Karte M3 umfasst, die Karte M3 zum Erhalten des Wassergehalt-Schätzwertes Wc an der Brennstoffzelle 21 relativ zu dem in Schritt S35 berechneten Gasdiffusionswiderstand Rwet. In Schritt S36 kann der Wassergehalt-Schätzungsteil 11w den Wassergehalt-Schätzwert Wc mittels der folgenden Formel F14, welche die in 6 gezeigte Korrelation annähernd darstellt, anstatt mittels der Karte M3 berechnen: $Wc = 10^{- 8} \cdot R_{wet}^{4} - 10^{- 7} \cdot R_{wet}^{3} - 10^{- 5} \cdot R_{wet}^{2} + 7 \cdot R_{wet}^{- 4}$
Wie oben beschrieben, leitet der Wassergehalt-Schätzungsteil 11w den Gasdiffusionswiderstand R_wet aus einem gemessenen Impedanzwert ab und leitet den Wassergehalt-Schätzwert Wc auf der Basis des abgeleiteten Gasdiffusionswiderstands R_wet ab. Der gemessene Impedanzwert selbst ist ein Parameter, der mit einem anderen Faktor als ein Zustand von Wasser in der Brennstoffzelle 21 schwankt. Im Gegensatz dazu ist der Gasdiffusionswiderstand R_wet eine der Komponenten, die aus dem gemessenen Impedanzwert abgeleitet werden, eine hohe Korrelation mit einem Wassergehalt in der Brennstoffzelle 21 aufweisen und mit hoher Empfindlichkeit in Reaktion auf einen Zustand von Wasser in der Brennstoffzelle 21 schwanken. Das heißt, wenn sich die Brennstoffzelle 21 in einem normalen Zustand befindet, zeigt der auf Basis des Gasdiffusionswiderstands R_wet abgeleitete Wassergehalt-Schätzwert Wc mit hoher Genauigkeit einen tatsächlichen Wassergehalt in der Brennstoffzelle 21 an.
Wie in 3 zu sehen, berechnet der Wassergehalt-Schätzungsteil 11w in Schritt S40 wie folgt aus einem Messergebnis bezüglich der Impedanz an dem Brennstoffzellenstapel 20 als Ganzes einen Wassergehalt-Referenzschätzwert Ws, der einen Wassergehalt in jeder Brennstoffzelle 21 angibt. Zuerst führt der Wassergehalt-Schätzungsteil 11w eine arithmetische Verarbeitung ähnlich wie in Schritt S31 in 4 unter Verwendung der in Schritt S20 gemessenen Impedanz an dem Brennstoffzellenstapel 20 als Ganzes aus, um einen Protonentransferwiderstand und einen Gasreaktionswiderstand an dem Brennstoffzellenstapel 20 als Ganzes zu erhalten. Der Wassergehalt-Schätzungsteil 11w dividiert den resultierenden Protonentransferwiderstand und Gasreaktionswiderstand durch die Anzahl der Brennstoffzellen 21 in dem Brennstoffzellenstapel 20, um einen Protonentransferwiderstand R_memA und einen Gasreaktionswiderstand R_ctA an jeder Brennstoffzelle 21 zu berechnen. Anschließend führt der Wassergehalt-Schätzungsteil 11w eine arithmetische Verarbeitung ähnlich wie in den Schritten S32 bis S35 in 4 unter Verwendung des Protonentransferwiderstands R_memA und des Gasreaktionswiderstands R_ctA anstelle des Protonentransferwiderstands R_mem und des Gasreaktionswiderstands R_ct an jeder Brennstoffzelle 21 aus, um einen Gasdiffusionswiderstand RwetA an dem Brennstoffzellenstapel 20 zu erhalten. Der Wassergehalt-Schätzungsteil 11w erhält einen Wassergehalt-Schätzwert relativ zu dem Gasdiffusionswiderstand RwetA an dem Brennstoffzellenstapel 20 als den Wassergehalt-Referenzschätzwert Ws unter Verwendung der Karte M3 in 6.
7 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Ablauf des Bestimmungsprozesses der ersten Ausführungsform zeigt, der in Schritt S50A durch den Bestimmungsteil 11j ausgeführt wird. Der Bestimmungsteil 11j nimmt in Schritt S101 wiederholt eine Bestimmung an jeder Brennstoffzelle 21 als einem Bestimmungsziel vor, um das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Katalysatorverschlechterung an allen Brennstoffzellen 21 als Bestimmungszielen zu bestimmen.
In Schritt S101 bestimmt der Bestimmungsteil 11j die Größenordnung des Wassergehalt-Schätzwertes Wc an der Brennstoffzelle 21 als einem Bestimmungsziel relativ zu dem Wassergehalt-Referenzschätzwert Ws als einem Referenzwert. Genauer gesagt, bestimmt der Bestimmungsteil 11j, ob eine Differenz, die durch Subtrahieren des Wassergehalt-Schätzwertes Wc an der Brennstoffzelle 21 als dem Bestimmungsziel von dem Wassergehalt-Referenzschätzwert Ws erhalten wird, größer ist als eine zuvor festgelegte positive Schwelle α. Falls die Beziehung Ws - Wc > α erfüllt ist, bestimmt der Bestimmungsteil 11j in Schritt S102, dass eine Katalysatorverschlechterung an der Brennstoffzelle 21 als dem momentanen Bestimmungsziel aufgetreten ist. Der Bestimmungsteil 11j setzt ein Flag, welches das Detektieren des Auftretens der Katalysatorverschlechterung anzeigt, in Verbindung mit einem Identifizierer zum Identifizieren der Brennstoffzelle 21 als das momentane Bestimmungsziel. Falls die Beziehung Ws - Wc > α in Schritt S101 nicht erfüllt ist, so trifft der Bestimmungsteil 11j in Schritt S101 eine Bestimmung bezüglich einer Brennstoffzelle 21 als einem nächsten Bestimmungsziel.
8 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Ergebnis eines Experiments zeigt, das ausgeführt wird, um zu untersuchen, wie die Genauigkeit eines Wassergehalt-Schätzwertes durch das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Katalysatorverschlechterung verändert wird. 8 ist ein Streudiagramm mit einer horizontalen Achse, die einen Wassergehalt-Schätzwert an der Brennstoffzelle anzeigt, und einer vertikalen Achse, die einen tatsächlich gemessenen Wert eines Wassergehalts anzeigt. In 8 zeigt eine als ein Strich-Punkt-Strich-Linie gezeichnete Gerade ideale Verteilungspositionen an, bei denen jeweils ein Wassergehalt-Schätzwert mit einem tatsächlich gemessenen Wert eines Wassergehalts übereinstimmt, und Strichlinien zeigen einen zulässigen Fehlerbereich eines Wassergehalt-Schätzwerts relativ zu einem tatsächlich gemessenen Wert eines Wassergehalts an. Dieses experimentelle Ergebnis zeigt, dass bei vielen normalen Brennstoffzellen ohne Katalysatorverschlechterung die meisten Unterschiede zwischen den Wassergehalt-Schätzwerten und den tatsächlich gemessenen Werten innerhalb des zulässigen Fehlerbereichs liegen. Im Gegensatz dazu wurden bei vielen Brennstoffzellen bei Vorliegen einer Katalysatorverschlechterung die Wassergehalt-Schätzwerte als Werte berechnet, die niedriger als die tatsächlich gemessenen Werte waren.
9 ist eine erläuternde Ansicht, die eine Beziehung zwischen dem Gasdiffusionswiderstand R_wet und einem experimentell ermittelten tatsächlichen Wassergehalt in einer Brennstoffzelle zeigt. Die Kurve G1 in 9 zeigt eine in einer normalen Brennstoffzelle erfasste Beziehung. Eine Kurve G2 und eine Kurve G3 zeigen jeweils eine Beziehung, die in einer Brennstoffzelle bei Vorliegen einer Katalysatorverschlechterung erfasst wurde. Die Katalysatorverschlechterung entwickelte sich in der Brennstoffzelle, die der Kurve G3 entspricht, schwerwiegender als in der Brennstoffzelle, die der Kurve G2 entspricht. Diese Kurvendiagramme zeigen, dass mit zunehmender Katalysatorverschlechterung der Gasdiffusionswiderstand R_wet bei gleichem Wassergehalt WA einen kleineren Wert annimmt. Ein möglicher Grund dafür ist, dass mit zunehmender Katalysatorverschlechterung der Gasreaktionswiderstand R_ct geringer wird.
Wie die experimentellen Ergebnisse in den 8 und 9 zeigen, sind die Eigenschaften des Wassergehalt-Schätzwertes Wc so, dass bei Auftreten einer Katalysatorverschlechterung der Wassergehalt-Schätzwert Wc als ein niedrigerer Wert berechnet wird als ein tatsächlicher Wassergehalt in der Brennstoffzelle 21. Diese Eigenschaften werden bei der Bestimmung in Schritt S101 verwendet, wobei, während der Wassergehalt-Referenzschätzwert Ws als ein Referenzwert in der Nähe eines tatsächlichen Wassergehalts verwendet wird, bestimmt wird, ob der Wassergehalt-Schätzwert Wc an einer Brennstoffzelle 21 als einem Bestimmungsziel ausgehend von dem Referenzwert Ws in einem Grad kleiner geworden ist, der einen zulässigen Bereich übersteigt. Die Schwelle α als eine Bestimmungsbedingung ist ein Wert zum Definieren dieses zulässigen Bereichs. Die Schwelle α kann ein theoretisch oder experimentell zuvor festgelegter Wert sein, der es ermöglicht zu detektieren, dass eine Katalysatorverschlechterung bis zu einem unzulässigen Grad vorangeschritten ist.
Der Bestimmungsprozess der ersten Ausführungsform verwendet den Wassergehalt-Referenzschätzwert Ws als einen Referenzwert, der einen Wassergehalt in jeder Brennstoffzelle 21 anzeigt, der aus einem Messergebnis bezüglich einer Impedanz an dem Brennstoffzellenstapel 20 als Ganzes gewonnen wurde. Der Wassergehalt-Referenzschätzwert Ws ist ein Wert, der in Reaktion auf eine Änderung der Energieerzeugungsleistung des Brennstoffzellenstapels als Ganzes 20 im Lauf der Alterung schwankt und in Reaktion auf einen momentanen Wassergehalt in dem Brennstoffzellenstapel 20 schwankt. Somit ist es selbst bei einer solchen Veränderung im Lauf der Alterung an dem Brennstoffzellenstapel 20 immer noch möglich, korrekt eine Brennstoffzelle 21 zu detektieren, bei der sich die Katalysatorverschlechterung besonders gravierend entwickelt.
Wie in 3 dargestellt, überprüft der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 in Schritt S60 das in dem Bestimmungsprozess in Schritt S50A gesetzte Flag, um das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Brennstoffzelle 21 als einem Bestimmungsziel, bei der das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung detektiert wurde, zu bestimmen. Wenn es keine Brennstoffzelle 21 gibt, bei der das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung detektiert wurde, so beendet der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 den Überwachungsprozess ohne weitere Schritte. Gibt es eine Brennstoffzelle 21, bei der das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung detektiert wurde, so führt der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 in Schritt S70 einen Prozess zum Unterdrücken der Entwicklung der Katalysatorverschlechterung durch.
In Schritt S70 fordert der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 den Systemcontroller 25 zum Beispiel auf, die Zufuhr des Brennstoffgases stärker als üblich zu erhöhen. Der Grund dafür ist, dass bei einer zu geringen Menge des Brennstoffgases mit der Entwicklung einer Katalysatorverschlechterung zu rechnen ist. In Schritt S70 kann der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 den Systemcontroller 25 auffordern, einen Ausgangsstrom von dem Brennstoffzellenstapel 20 zu begrenzen, um zu verhindern, dass der Ausgangsstrom einen zuvor festgelegten Wert übersteigt. Wurde in Schritt S70 eine Katalysatorverschlechterung an Brennstoffzellen 21 in einer größeren Anzahl als einer zuvor festgelegten Anzahl detektiert, so kann der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 den Systemcontroller 25 auffordern, die Energieerzeugung durch den Brennstoffzellenstapel 20 zu stoppen. In Schritt S70 kann der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 einen Prozess ausführen, mit dem der Benutzer des Brennstoffzellenfahrzeugs über das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung benachrichtigt wird. Bei diesem Benachrichtigungsprozess kann dem Benutzer auch ein Identifizierer einer Brennstoffzelle 21 mitgeteilt werden, bei der die Katalysatorverschlechterung aufgetreten ist. Nach der Implementierung des Prozesses in Schritt S70 beendet der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 den Überwachungsprozess.
SCHLUSSFOLGERUNG ZUR ERSTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Wie oben beschrieben, ist es gemäß der Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung-Vorrichtung 10 der ersten Ausführungsform möglich, eine an einigen der Brennstoffzellen 21 auftretende Katalysatorverschlechterung mit hoher Genauigkeit auf der Basis der Eigenschaften des Wassergehalt-Schätzwertes Wc zu detektieren, der aus dem Gasdiffusionswiderstand R_wet abgeleitet wurde, der aus einem Messergebnis bezüglich einer Impedanz erhalten wurde. Daher wird gemäß dem Brennstoffzellensystem 100, das die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 umfasst, das Auftreten eines Defektes aufgrund der Entwicklung einer Katalysatorverschlechterung vermieden. Des Weiteren werden gemäß der Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 der ersten Ausführungsform, dem Brennstoffzellensystem 100, das die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 umfasst, und einem Verfahren zum Bestimmen des Zustandes der Brennstoffzelle 21, das in der Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 und dem Brennstoffzellensystem 100 implementiert wird, verschiedene in der ersten Ausführungsform beschriebene Funktionen und Auswirkungen realisiert.
ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
10 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Ablauf eines Überwachungsprozesses der zweiten Ausführungsform zeigt. Der Überwachungsprozess der zweiten Ausführungsform wird durch die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 ausgeführt, die eine ähnliche Ausgestaltung hat wie die, die in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde. Die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 wird an dem Brennstoffzellensystem 100 montiert, das eine ähnliche Ausgestaltung hat wie die, die in der ersten Ausführungsform beschrieben ist. Der Ablauf des Überwachungsprozesses der zweiten Ausführungsform ist im Wesentlichen der gleiche wie der Ablauf des Überwachungsprozesses der ersten Ausführungsform, außer dass der Bestimmungsprozess in Schritt S50B anstelle des Bestimmungsprozesses in Schritt S50A der ersten Ausführungsform ausgeführt wird und dass Prozesse in Schritt S52 und Schritt S54 hinzukommen. Der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 folgt dem gleichen Weg wie dem, der in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, um den Wassergehalt-Schätzwert Wc und den Wassergehalt-Referenzschätzwert Ws in den Schritten S10 bis S40 zu berechnen. Dann veranlasst der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 den Bestimmungsteil 11j, das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Katalysatorverschlechterung in dem bestimmenden Prozess in Schritt S50B zu bestimmen.
11 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Ablauf des Bestimmungsprozesses in Schritt S50B zeigt. Der Bestimmungsprozess der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Bestimmungsprozess der ersten Ausführungsform dadurch, dass ein Ausfall aufgrund einer Katalysatorverschlechterung und ein Ausfall aufgrund einer Blockierung mit Wasser in dem Gasströmungspfad 63 voneinander unterscheidbar durch das Vorliegen oder Nichtvorliegen eines negativen Potenzials an der Brennstoffzelle 21 detektiert werden. Der Bestimmungsteil 11j führt die Prozesse von Schritt S110 bis Schritt S116 wiederholt an jeder Brennstoffzelle 21 als einem Bestimmungsziel durch.
In Schritt S110 bestimmt der Bestimmungsteil 11j, ob die Zellenspannung Vc an einer Brennstoffzelle 21 als einem Bestimmungsziel ein negatives Potenzial ist. Bei Auftreten einer Katalysatorverschlechterung oder Blockierung mit Wasser in dem Gasströmungspfad 63 an der Brennstoffzelle 21 wird die Zellenspannung Vc dieser Brennstoffzelle 21 zu einem negativen Potenzial. Wurde an der Brennstoffzelle 21 als dem Bestimmungsziel kein negatives Potenzial detektiert, so bestimmt der Bestimmungsteil 11j, dass keine Katalysatorverschlechterung und keine Blockierung mit Wasser in dem Gasströmungspfad 63 an der Brennstoffzelle 21 als dem Bestimmungsziel vorliegen, und beendet die Bestimmung an dieser Brennstoffzelle 21.
Wird das Auftreten eines negativen Potenzials an der Brennstoffzelle 21 als dem Bestimmungsziel detektiert, so bestimmt der Bestimmungsteil 1 1j in Schritt S111, ob eine Ursache für das negative Potenzial eine Katalysatorverschlechterung ist. Wie in Schritt S101 der ersten Ausführungsform, in dem der Bestimmungsprozess ausgeführt wird, bestimmt der Bestimmungsteil 11j in Schritt S111 die Größenordnung des Wassergehalt-Schätzwertes Wc anhand des Wassergehalt-Referenzschätzwertes Ws als eine Referenzgröße.
Ist eine Differenz, die durch Subtrahieren des Wassergehalt-Schätzwerts Wc von dem Wassergehalt-Referenzschätzwert Ws erhalten wird, größer als die zuvor festgelegte Schwelle α, so detektiert der Bestimmungsteil 11j das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung an der Brennstoffzelle 21 als dem Bestimmungsziel in Schritt S115. Der Bestimmungsteil 11j setzt ein Flag, welches das Detektieren des Auftretens der Katalysatorverschlechterung anzeigt, in Verbindung mit einem Identifizierer zum Identifizieren dieser Brennstoffzelle 21.
Ist eine Differenz, die durch Subtrahieren des Wassergehalt-Schätzwerts Wc von dem Wassergehalt-Referenzschätzwert Ws erhalten wird, kleiner als die zuvor festgelegte Schwelle α, so detektiert der Bestimmungsteil 11j das Auftreten einer Blockierung mit Wasser in dem Gasströmungspfad 63 an der Brennstoffzelle 21 als dem Bestimmungsziel. Der Bestimmungsteil 11j setzt in Schritt S116 ein Flag, welches das Detektieren des Auftretens der Blockierung mit Wasser in dem Gasströmungspfad 63 anzeigt, in Verbindung mit einem Identifizierer zum Identifizieren der Brennstoffzelle 21 als das momentane Bestimmungsziel.
12 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Beispiel für ein Bestimmungsergebnis zeigt, das durch den Bestimmungsprozess der zweiten Ausführungsform erhalten wurde. 12 zeigt die Wassergehalt-Schätzwerte Wc und die Zellenspannungen Vc an Brennstoffzellen 21 als Bestimmungsziele von einer ersten Brennstoffzelle 21 bis zu einer (m+1)-ten Brennstoffzelle 21. Unter der Annahme, dass es n Brennstoffzellen 21 als die Bestimmungsziele gibt, ist m eine beliebige natürliche Zahl, die (n-1) nicht überschreitet. Gemäß dem Beispiel in 12 wird durch die Implementierung des Bestimmungsprozesses der zweiten Ausführungsform das Auftreten einer Blockierung mit Wasser in dem Gasströmungspfad 63 an der (m-2)-ten Brennstoffzelle 21, an der nur das Auftreten eines negativen Potenzials detektiert wurde, detektiert. Die Katalysatorverschlechterung wird an der m-ten Brennstoffzelle 21 detektiert, an der das Auftreten eines negativen Potenzials und die Reduzierung des Wassergehalt-Schätzwertes Wc ausgehend von dem Wassergehalt-Referenzschätzwert Ws in einem Grad detektiert wurde, der einen zulässigen Bereich überschreitet.
Wie in 10 gezeigt, bestimmt der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 in Schritt S52 das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Brennstoffzelle 21 als einem Bestimmungsziel, an der das Auftreten einer Blockierung mit Wasser in dem Gasflussweg 63 detektiert wurde. Gibt es eine Brennstoffzelle 21, bei der das Auftreten einer Blockierung mit Wasser in dem Gasströmungspfad 63 detektiert wurde, so fordert der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 den Systemcontroller 25 in Schritt S54 auf, einen Prozess auszuführen, mit dem die Strömungsrate des reaktivem Gases stärker als üblich erhöht wird, um das den Gasströmungspfad 63 blockierende Wasser wegzublasen.
Als Nächstes folgt der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 in Schritt S60 dem gleichen Weg wie dem, der in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, um das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Brennstoffzelle 21 als einem Bestimmungsziel zu bestimmen, bei der das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung detektiert wurde. Gibt es eine Brennstoffzelle 21, bei der das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung detektiert wurde, so fordert der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 den Systemcontroller 25 in Schritt S70 auf, einen Prozess zum Unterdrücken der Entwicklung der Katalysatorverschlechterung, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, durchzuführen.
Wie oben beschrieben, trifft die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10, die den Überwachungsprozess der zweiten Ausführungsform ausführt, zusätzlich eine Bestimmung auf der Basis der Zellenspannung Vc als eine Bestimmung zum Detektieren der Katalysatorverschlechterung, wodurch die Genauigkeit beim Detektieren der Katalysatorverschlechterung erhöht wird. Darüber hinaus ermöglicht es die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 der zweiten Ausführungsform, einen Ausfall aufgrund einer Katalysatorverschlechterung und einen Ausfall aufgrund einer Blockierung mit Wasser in dem Gasströmungspfad 63 deutlich voneinander zu unterscheiden. Das Brennstoffzellensystem 100, das die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 der zweiten Ausführungsform umfasst, detektiert eine Katalysatorverschlechterung oder eine Blockierung mit Wasser in dem Gasströmungspfad 63 als ein Faktor für das Auftreten eines Ausfalls, um die Implementierung eines zweckmäßigen Abhilfeprozesses in Reaktion auf den Faktor für das Auftreten des Ausfalls zu ermöglichen. Des Weiteren werden gemäß der Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 der zweiten Ausführungsform, dem Brennstoffzellensystem 100, das die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 umfasst, und einem Verfahren zum Bestimmen des Zustandes der Brennstoffzelle 21, das in der Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 und dem Brennstoffzellensystem 100 implementiert wird, verschiedene Funktionen und Auswirkungen realisiert, die denen vergleichbar sind, die in der ersten Ausführungsform beschrieben wurden.
DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM
13 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Ablauf des Bestimmungsprozesses bei der Überwachung einer dritten Ausführungsform zeigt. Der Überwachungsprozess der dritten Ausführungsform wird durch die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 ausgeführt, die eine ähnliche Ausgestaltung hat wie die, die in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde. Die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 wird an dem Brennstoffzellensystem 100 montiert, das eine ähnliche Ausgestaltung hat wie die, die in der ersten Ausführungsform beschrieben ist. Der Ablauf des Überwachungsprozesses der dritten Ausführungsform ist im Wesentlichen der gleiche wie der Ablauf des Überwachungsprozesses der zweiten Ausführungsform, außer in den Details des Bestimmungsprozesses, der durch den Bestimmungsteil 11j ausgeführt wird. In der dritten Ausführungsform können der Prozess des Messens einer Impedanz an dem Brennstoffzellenstapel 20 als Ganzes in Schritt S20 und der Prozess des Berechnens des Wassergehalt-Referenzschätzwertes Ws in Schritt S40 weggelassen werden.
Der Bestimmungsprozess der dritten Ausführungsform ist im Wesentlichen der gleiche wie der in der zweiten Ausführungsform beschriebene Bestimmungsprozess, außer dass anstelle einer Bestimmung in Schritt S111 der Bestimmungsteil 11j eine Bestimmung in Schritt S112 zum Detektieren des Vorliegens oder Nichtvorliegens einer Katalysatorverschlechterung unter einer anderen Bestimmungsbedingung vornimmt. Der Bestimmungsteil 11j führt wiederholt Bestimmungen an allen von mehreren Brennstoffzellen 21 als Bestimmungsziele durch Befolgen einer zuvor festgelegten Reihenfolge durch. In der dritten Ausführungsform entspricht die Reihenfolge der Vornahme von Bestimmungen an den Brennstoffzellen 21 als den Bestimmungszielen der Reihenfolge, in der diese Brennstoffzellen 21 in dem Brennstoffzellenstapel 20 gestapelt sind.
Der Bestimmungsteil 11j nimmt in Schritt S112 an einer Brennstoffzelle 21, an der in Schritt S110 ein negatives Potenzial detektiert wurde, eine Bestimmung vor. In Schritt S112 trifft der Bestimmungsteil 11j eine Bestimmung unter Verwendung des Wassergehalt-Schätzwertes Wc an einer Brennstoffzelle 21 als einem Referenzwert Wp, der zuvor bestimmt wurde und bei dem keine Katalysatorverschlechterung detektiert wurde. Wenn die Bestimmung in Schritt S112 zum ersten Mal ausgeführt wird, so wird ein zuvor eingestellter Anfangswert als der Referenzwert Wp verwendet. Wenn der Wassergehalt-Schätzwert Wc an einer Brennstoffzelle 21 als einem momentanen Bestimmungsziel ausgehend von dem Referenzwert Wp in einem Grad reduziert wurde, der einen zuvor festgelegten zulässigen Bereich übersteigt, so bestimmt der Bestimmungsteil 11j, dass eine Katalysatorverschlechterung an der Brennstoffzelle 21 als dem momentanen Bestimmungsziel aufgetreten ist. Wenn in Schritt S112 ein Wert, der durch Subtrahieren des Wassergehalt-Schätzwertes Wc von dem Referenzwert Wp erhalten wird, größer als eine positive Schwelle β ist, die zuvor als der zulässige Bereich festgelegt wurde, so bestimmt der Bestimmungsteil 11j in Schritt S115, dass an dieser Brennstoffzelle 21 eine Katalysatorverschlechterung aufgetreten ist. Der Bestimmungsteil 11j setzt ein Flag, welches das Detektieren des Auftretens der Katalysatorverschlechterung anzeigt, in Verbindung mit einem Identifizierer zum Identifizieren der Brennstoffzelle 21 als das Bestimmungsziel. Wenn der Wert, der durch Subtrahieren des Wassergehalt-Schätzwertes Wc von dem Referenzwert Wp erhalten wird, kleiner als die Schwelle β ist, so detektiert der Bestimmungsteil 11j eine Blockierung mit Wasser in dem Gasströmungspfad 63 in Schritt S116 als eine Ursache für das an dieser Brennstoffzelle 21 in Schritt S110 detektierte negative Potenzial. Der Bestimmungsteil 11j setzt ein Flag, welches das Detektieren der Blockierung mit Wasser in dem Gasströmungspfad 63 anzeigt, in Verbindung mit einem Identifizierer zum Identifizieren der Brennstoffzelle 21 als das Bestimmungsziel.
In Schritt S117 wird der Referenzwert Wp eingestellt, um für eine anschließende Bestimmung in Schritt S112 verwendet zu werden. Wenn in Schritt S112 keine Katalysatorverschlechterung detektiert wurde, so wird der Wassergehalt-Schätzwertes Wc an der Brennstoffzelle 21 als dem Bestimmungsziel in diesem Schritt als der Referenzwert Wp für eine spätere Bestimmung eingestellt. Wenn hingegen in Schritt S112 eine Katalysatorverschlechterung an der Brennstoffzelle 21 detektiert wurde, so zeigt der Wassergehalt-Schätzwert Wc an dieser Brennstoffzelle 21 das Auftreten der Katalysatorverschlechterung an. Die Verwendung dieses Wassergehalt-Schätzwertes Wc als der Referenzwert Wp für die Vornahme einer Bestimmung an einem späteren Bestimmungsziel ist daher nicht bevorzugt. Somit ändert der Bestimmungsteil 11j in diesem Fall den Referenzwert Wp nicht, sondern verwendet kontinuierlich einen bei der momentanen Bestimmung verwendeten Wert in unveränderter Form als den Referenzwert Wp.
Als ein Ergebnis des Bestimmungsprozesses der dritten Ausführungsform wird das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung an einer Brennstoffzelle 21 detektiert, die ein negatives Potenzial annimmt und deren Wassergehalt-Schätzwert Wc signifikant in einem Grad reduziert wird, der von der Tendenz der Brennstoffzellen 21 als Bestimmungsziele vollkommen abweicht. Dadurch ist es selbst bei Nichtvorliegen eines berechneten Wassergehalt-Referenzschätzwertes Ws immer noch möglich, eine Brennstoffzelle 21, die einer stärkeren Katalysatorverschlechterung ausgesetzt ist als die anderen Brennstoffzellen 21, mit hoher Genauigkeit zu detektieren, wie in dem Fall der Verwendung des Wassergehalt-Referenzschätzwertes Ws als einen Referenzwert für die Bestimmung. Des Weiteren werden gemäß der Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 der dritten Ausführungsform, dem Brennstoffzellensystem 100, das die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 umfasst, und einem Verfahren zum Bestimmen des Zustandes der Brennstoffzelle 21, das in der Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 und dem Brennstoffzellensystem 100 implementiert wird, verschiedene Funktionen und Auswirkungen realisiert, die denen vergleichbar sind, die in jeder der vorherigen Ausführungsformen beschrieben wurden.
VIERTE AUSFÜHRUNGSFORM
14 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Ablauf eines Überwachungsprozesses einer vierten Ausführungsform zeigt. Der Überwachungsprozess der vierten Ausführungsform wird durch die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 ausgeführt, die eine ähnliche Ausgestaltung hat wie die, die in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde. Die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 wird an dem Brennstoffzellensystem 100 montiert, das eine ähnliche Ausgestaltung hat wie die, die in der ersten Ausführungsform beschrieben ist. Die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 führt den Überwachungsprozess in einem zuvor festgelegten Zyklus durch, während der Brennstoffzellenstapel 20 Energie erzeugt.
Der Überwachungsprozess der vierten Ausführungsform dient dem Detektieren des Auftretens eines Fehlers bei der Verteilung des reaktiven Gases an jeder Brennstoffzelle 21 in dem Brennstoffzellenstapel 20 anhand des Wassergehalt-Schätzwertes Wc und des Wassergehalt-Referenzschätzwertes Ws, die in den Prozessen von Schritt S10 bis Schritt S40, die in der ersten Ausführungsform beschrieben wurden, erfasst wurden. Der „Fehler bei der Verteilung des reaktiven Gases“ meint einen Defekt, der auftritt, wenn die Zufuhr des reaktiven Gases, das über den Verteiler zu der Brennstoffzelle 21 verteilt wird, unter einen Referenzbetrag fällt, während der Brennstoffzellenstapel 20 Energie erzeugt.
Ein Bestimmungsziel in dem Überwachungsprozess der vierten Ausführungsform sind alle Brennstoffzellen 21, die den Brennstoffzellenstapel 20 bilden. In anderen Ausführungsformen muss nur ein Teil der Brennstoffzellen 21, die den Brennstoffzellenstapel 20 bilden, vorab als Bestimmungsziele ausgewählt werden. Wenn nur einige der Brennstoffzellen 21 Bestimmungsziele sein sollen, so umfassen diese Bestimmungsziele zweckmäßigerweise mindestens eine Brennstoffzelle 21 an einem Ende des Brennstoffzellenstapels 20, in Stapelrichtung gesehen. Der Grund dafür ist, dass ein Fehler bei der Verteilung des reaktiven Gases wahrscheinlich durch Flüssigkeit oder Wasser verursacht wird, die bzw. das sich in dem Verteiler an einer solchen Brennstoffzelle 21 am Ende ansammelt. In dem Überwachungsprozess der vierten Ausführungsform werden der Wassergehalt-Schätzwert Wc und der Wassergehalt-Referenzschätzwert Ws in den Schritten S10 bis S40 auf die gleiche Weise erfasst, wie es für die erste Ausführungsform beschrieben wurde. Dann wird der Bestimmungsprozess in Schritt S50D ausgeführt.
15 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Ablauf des Bestimmungsprozesses der vierten Ausführungsform zeigt, der durch den Bestimmungsteil 11j in Schritt S50D ausgeführt wird. Der Bestimmungsteil 11j nimmt in Schritt S121 wiederholt an jeder Brennstoffzelle 21 als einem Bestimmungsziel eine Bestimmung vor, um das Vorliegen oder Nichtvorliegen eines Fehlers bei der Verteilung des reaktiven Gases an allen Brennstoffzellen 21 als Bestimmungsziele zu bestimmen.
In Schritt S121 bestimmt der Bestimmungsteil 11j, ob der Wassergehalt-Schätzwert Wc an einer Brennstoffzelle 21 als einem Bestimmungsziel größer als ein der Wassergehalt-Referenzschätzwert Ws ist. Falls Wc > Ws erfüllt ist, so detektiert der Bestimmungsteil 11j das Auftreten eines Fehlers bei der Verteilung des reaktiven Gases an der Brennstoffzelle 21 als dem momentanen Bestimmungsziel in Schritt S122. Der Bestimmungsteil 11j setzt ein Flag, welches das Detektieren des Auftretens des Fehlers bei der Verteilung des reaktiven Gases anzeigt, in Verbindung mit einem Identifizierer zum Identifizieren der Brennstoffzelle 21 als das momentane Bestimmungsziel. Falls Wc > Ws in Schritt S121 nicht erfüllt ist, so beendet der Bestimmungsteil 11j die Bestimmung an der Brennstoffzelle 21 als dem momentanen Bestimmungsziel.
16 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Ergebnis eines Experiments zeigt, das ausgeführt wurde, um zu untersuchen, wie sich die Genauigkeit eines Wassergehalt-Schätzwertes relativ zur Änderung des stöchiometrischen Verhältnisses des reaktiven Gases ändert. 16 ist ein Streudiagramm mit einer horizontalen Achse, die einen Wassergehalt-Schätzwert an einer Brennstoffzelle anzeigt, und einer vertikalen Achse, die einen tatsächlich gemessenen Wert des Wassergehalts anzeigt. Wie in 8 zeigt eine als Strich-Punkt-Strich-Linie gezeichnete Gerade in 16 ideale Verteilungspositionen an, bei denen jeweils ein Wassergehalt-Schätzwert mit einem tatsächlich gemessenen Wert eines Wassergehalts übereinstimmt, und Strichlinien in 16 zeigen einen zulässigen Fehlerbereich eines Wassergehalt-Schätzwerts relativ zu einem tatsächlich gemessenen Wert eines Wassergehalts an.
Das „stöchiometrische Verhältnis des reaktiven Gases“ ist als das Verhältnis der tatsächlichen Zufuhr des reaktiven Gases zur Zufuhr des reaktiven Gases definiert, das theoretisch für den durch den Brennstoffzellenstapel 20 zu erzeugenden Energiebetrag benötigt wird. Die Kurven in 16 sind Verläufe, die an entsprechenden der stöchiometrischen Verhältnisse des reaktiven Gases gezeichnet sind, während die stöchiometrischen Verhältnisse des reaktiven Gases auf 1,1, 1,2, 1,5, 2,0 und 2,5 eingestellt sind. In 16 zeigen Zahlen in Kästchen die stöchiometrischen Verhältnisse des reaktiven Gases, bei denen die entsprechenden Kurven gezeichnet sind. Dieses experimentelle Ergebnis zeigt, dass bei dem stöchiometrischen Verhältnis des reaktiven Gases von weniger als ein 1,5 ein erfasster Wassergehalt-Schätzwert im Vergleich zu einem tatsächlich gemessenen Wert eines Wassergehalts hoch ist, so dass bestimmt wurde, dass die Genauigkeit des Wassergehalt-Schätzwerts von dem zulässigen Bereich abweicht.
17 ist eine erläuternde Ansicht, die eine Beziehung zwischen dem Gasdiffusionswiderstand R_wet und einem experimentell ermittelten tatsächlichen Wassergehalt in einer Brennstoffzelle zeigt. Die Kurven in 17 werden bei entsprechenden der stöchiometrischen Verhältnissen des reaktiven Gases erfasst, die auf 1,2, 1,3 und 2,0 eingestellt sind. In 17 zeigen Zahlen in Kästchen die stöchiometrischen Verhältnisse des reaktiven Gases, bei denen die entsprechenden Kurven gezeichnet sind. Diese Diagramme zeigen, dass bei Verringerung des stöchiometrischen Verhältnisses des reaktiven Gases der Gasdiffusionswiderstand R_wet bei gleichem Wassergehalt WA einen größeren Wert annimmt.
Wie die experimentellen Ergebnisse in den 16 und 17 zeigen, sind die Eigenschaften des Wassergehalt-Schätzwertes Wc so, dass bei einer weiteren Reduzierung des stöchiometrischen Verhältnisses des reaktiven Gases an der Brennstoffzelle 21 der Wassergehalt-Schätzwert Wc als ein höherer Wert berechnet wird als ein tatsächlicher Wassergehalt. In Schritt S121 wird der Wassergehalt-Referenzschätzwert Ws als ein Referenzwert verwendet, der einem tatsächlichen Wert eines Wassergehalts in jeder Brennstoffzelle 21 angenähert ist, der relativ zu dem momentanen stöchiometrischen Verhältnis des reaktiven Gases an dem Brennstoffzellenstapel 20 als Ganzes erhalten wurde. Wenn in Schritt S121 der Wassergehalt-Schätzwert Wc an einer Brennstoffzelle 21 als einem Bestimmungsziel größer ist als der Wassergehalt-Referenzschätzwert Ws, so wird bestimmt, dass das stöchiometrische Verhältnis des reaktiven Gases an dieser Brennstoffzelle 21 als dem Bestimmungsziel ausgehend von denen an den anderen Brennstoffzellen 21 reduziert wurde und dass daher ein Fehler bei der Verteilung des reaktiven Gases an dieser Brennstoffzelle 21 aufgetreten ist.
Wie in 14 dargestellt, überprüft der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 in Schritt S80 das in dem Bestimmungsprozess in Schritt S50D gesetzte Flag, um das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Brennstoffzelle 21 als einem Bestimmungsziel, bei der das Auftreten eines Fehlers bei der Verteilung des reaktiven Gases detektiert wurde, zu bestimmen. Wenn es keine Brennstoffzelle 21 gibt, bei der das Auftreten eines Fehlers bei der Verteilung des reaktiven Gases detektiert wurde, so beendet der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 den Überwachungsprozess ohne weitere Schritte.
Falls es eine Brennstoffzelle 21 gibt, bei der das Auftreten eines Fehlers bei der Verteilung des reaktiven Gases detektiert wurde, so führt der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 in Schritt S82 einen Prozess zum Beseitigen des Fehlers bei der Verteilung des reaktiven Gases durch. Der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 fordert den Systemcontroller 25 auf, einen Prozess des vorübergehenden Erhöhens der Zufuhrströmungsrate des reaktiven Gases in einer mehr als üblichen Höhe auszuführen. Es lässt sich sagen, dass dieser Prozess der Prozess ist, in dem das stöchiometrische Verhältnis des reaktiven Gases vorübergehend stärker als üblich erhöht wird. In Schritt S82 kann der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 einen Prozess ausführen, mit dem der Benutzer des Brennstoffzellenfahrzeugs über das Auftreten des Fehlers bei der Verteilung des reaktiven Gases benachrichtigt wird. Bei diesem Benachrichtigungsprozess kann dem Benutzer auch ein Identifizierer einer Brennstoffzelle 21 mitgeteilt werden, bei der Fehler bei der Verteilung des reaktiven Gases aufgetreten ist. In Schritt S82 kann die Zufuhr des reaktiven Gases in Reaktion auf einen beabsichtigten Strom in dem Brennstoffzellenstapel 20 in Reaktion auf eine größere Anzahl von Brennstoffzellen 21, bei denen Fehler bei der Verteilung des reaktiven Gases detektiert wurden, erhöht werden.
18A ist eine erläuternde Ansicht, welche die zeitliche Änderung einer Zellenspannung und die zeitliche Änderung des stöchiometrischen Verhältnisses des reaktiven Gases auf derselben Zeitachse gemäß einem Vergleichsbeispiel zeigt. In 18A zeigt eine durchgezogene Kurve Ss bezüglich des stöchiometrischen Verhältnisses das stöchiometrische Verhältnis des reaktiven Gases an dem Brennstoffzellenstapel als Ganzes, und eine als Strich-Punkt-Strich-Linie gezeichnete Kurve Sc zeigt das stöchiometrische Verhältnis des reaktiven Gases an einer einzelnen Brennstoffzelle als einem Ziel zum Detektieren eines Fehlers bei der Verteilung des reaktiven Gases. In 18A zeigt eine durchgezogene Kurve VcA bezüglich der Zellenspannung eine durchschnittliche Zellenspannung an dem Brennstoffzellenstapel als Ganzes, und eine als Strich-Punkt-Strich-Linie gezeichnete Kurve Vc zeigt eine Zellenspannung an einer einzelnen Brennstoffzelle als einem Ziel zum Detektieren eines Fehlers bei der Verteilung des reaktiven Gases. In diesem Vergleichsbeispiel wird, wenn die Zellenspannung Vc unter eine zuvor festgelegte Schwelle Vth sinkt, das Auftreten eines Fehlers bei der Verteilung des reaktiven Gases bestimmt. Dann wird ein Prozess der vorübergehenden Erhöhung des stöchiometrischen Verhältnisses des reaktiven Gases zur Beseitigung des Fehlers ausgeführt.
Der Prozess des Vergleichsbeispiels kann nicht bestimmen, ob die Reduzierung einer Zellenspannung durch temporäre Fehlerschwankungen oder durch einen Fehler bei der Verteilung des reaktiven Gases verursacht wurde. Dies verbietet eine Erhöhung des stöchiometrischen Verhältnisses des reaktiven Gases, bis sich die Zellenspannung in einem Grad verringert, der eine Schwelle übersteigt. Selbst wenn das stöchiometrische Verhältnis des reaktiven Gases erhöht wird, nachdem eine solche Verringerung der Zellenspannung detektiert wurde, wird Flüssigkeit oder Wasser in großen Mengen, die bzw. das den Fehler bei der Verteilung des reaktiven Gases verursacht, über einen relativ langen Zeitraum in dem Verteiler angesammelt, bevor die signifikante Verringerung der Zellenspannung detektiert wird, und das Entfernen dieser Flüssigkeit oder dieses Wassers braucht Zeit. Die Erhöhung der Strömungsrate des reaktiven Gases über einen längeren Zeitraum bewirkt das Austrocknen einer Elektrolytmembran. In einigen Fällen führt dies zu einer vorübergehenden Verringerung der Zellenspannung an jeder Brennstoffzelle, wie die Kurve VcA zeigt.
18B ist eine erläuternde Ansicht ähnlich 18A, die ein Beispiel für die zeitliche Änderung der Zellenspannung und die zeitliche Änderung des stöchiometrischen Verhältnisses des reaktiven Gases auf derselben Zeitachse zeigt, die aus der Implementierung des Überwachungsprozesses der vierten Ausführungsform resultieren. Der Überwachungsprozess der vierten Ausführungsform nimmt eine Bestimmung unter Verwendung des Wassergehalt-Schätzwertes Wc hochempfindlich gegenüber Änderungen des stöchiometrischen Verhältnisses des reaktiven Gases vor. Dadurch ist es möglich, einen Fehler bei der Verteilung des reaktiven Gases mit hoher Genauigkeit frühzeitig zu detektieren, bevor es zu einer signifikanten Verringerung der Zellenspannung Vc kommt. Die Fähigkeit, einen Fehler bei der Verteilung des reaktiven Gases frühzeitig zu detektieren, ermöglicht es, den Zeitraum, in dem das stöchiometrische Verhältnis des reaktiven Gases erhöht wird, um den Fehler bei der Verteilung des reaktiven Gases zu beseitigen, im Vergleich zu dem Fall des Vergleichsbeispiels zu verkürzen. Dadurch wird das Auftreten eines Austrocknens der Elektrolytmembran, das durch eine vorübergehende Erhöhung des stöchiometrischen Verhältnisses des reaktiven Gases verursacht wird, reduziert.
Wie oben beschrieben, ermöglicht die Überwachungsvorrichtung 10, die den Überwachungsprozess der vierten Ausführungsform ausführt, das frühzeitige Detektieren eines Fehlers bei der Verteilung des reaktiven Gases an der Brennstoffzelle 21 mit hoher Genauigkeit unter Verwendung des Wassergehalt-Referenzschätzwertes Wc, der in Reaktion auf die Änderung des stöchiometrischen Verhältnisses des reaktiven Gases mit hoher Empfindlichkeit schwankt. Des Weiteren realisieren die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 der vierten Ausführungsform, das Brennstoffzellensystem 100, das die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 umfasst, und ein Verfahren zum Bestimmen des Zustandes der Brennstoffzelle 21, das in der Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 und dem Brennstoffzellensystem 100 implementiert wird, verschiedene Arten von Funktionen und Auswirkungen, die mit denen vergleichbar sind, die in jeder der vorherigen Ausführungsformen beschrieben wurden.
FÜNFTE AUSFÜHRUNGSFORM
19 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Ablauf eines Überwachungsprozesses einer fünften Ausführungsform zeigt. Der Überwachungsprozess der fünften Ausführungsform wird durch die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 ausgeführt, die eine ähnliche Ausgestaltung hat wie die, die in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde. Die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 wird an dem Brennstoffzellensystem 100 montiert, das eine ähnliche Ausgestaltung hat wie die, die in der ersten Ausführungsform beschrieben ist. Die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 führt den Überwachungsprozess in einem zuvor festgelegten Zyklus durch, während der Brennstoffzellenstapel 20 Energie erzeugt. Der Überwachungsprozess der fünften Ausführungsform dient dem Detektieren des Auftretens eines Fehlers an der Brennstoffzelle 21 anhand des Wassergehalt-Schätzwertes Wc und des Wassergehalt-Referenzschätzwertes Ws, die in den Prozessen von Schritt S10 bis Schritt S40, die in der ersten Ausführungsform beschrieben wurden, erfasst wurden. Des Weiteren wird bestimmt, ob ein Faktor für das Auftreten des detektierten Fehlers entweder eine Katalysatorverschlechterung oder ein Fehler bei der Verteilung des reaktiven Gases ist.
Alle Brennstoffzellen 21, die den Brennstoffzellenstapel 20 bilden, sind Ziele der Bestimmung durch den Überwachungsprozess der fünften Ausführungsform. In anderen Ausführungsformen muss nur ein Teil der Brennstoffzellen 21, die den Brennstoffzellenstapel 20 bilden, vorab als Bestimmungsziele ausgewählt werden. Wenn nur einige der Brennstoffzellen 21 Bestimmungsziele sein sollen, so umfassen diese Bestimmungsziele zweckmäßigerweise mindestens eine Brennstoffzelle 21 an einem Ende des Brennstoffzellenstapels 20, in Stapelrichtung gesehen, wie in der ersten und vierten Ausführungsform beschrieben. In dem Überwachungsprozess der fünften Ausführungsform werden der Wassergehalt-Schätzwert Wc und der Wassergehalt-Referenzschätzwert Ws in den Schritten S10 bis S40 auf die gleiche Weise erfasst, wie es in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde. Dann wird der Bestimmungsprozess in Schritt S50E ausgeführt.
20 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Ablauf des Bestimmungsprozesses der fünften Ausführungsform zeigt, der in Schritt S50E durch den Bestimmungsteil 11j ausgeführt wird. Der Bestimmungsteil 11j führt die Prozessschritte von S130 bis S134 wiederholt an jeder Brennstoffzelle 21 als einem Bestimmungsziel aus, um das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Katalysatorverschlechterung und eines Fehlers bei der Verteilung des reaktiven Gases an allen Brennstoffzellen 21 als Bestimmungszielen zu bestimmen.
In Schritt S130 bestimmt, wie bei dem in der ersten Ausführungsform beschriebenen Prozess in Schritt S101, der Bestimmungsteil 11j anhand der Schwelle α, ob sich der Wassergehalt-Schätzwert Wc an einer Brennstoffzelle 21 als einem Bestimmungsziel ausgehend von dem Referenzwert Ws des Wassergehalt-Schätzwertes Wc in einem Grad verringert hat, der einen zulässigen Bereich übersteigt. Falls die Beziehung Ws - Wc > α erfüllt ist, bestimmt der Bestimmungsteil 11j in Schritt S133, dass eine Katalysatorverschlechterung an der Brennstoffzelle 21 als dem momentanen Bestimmungsziel aufgetreten ist. Der Bestimmungsteil 11j setzt ein Flag, welches das Detektieren des Auftretens der Katalysatorverschlechterung anzeigt, in Verbindung mit einem Identifizierer zum Identifizieren der Brennstoffzelle 21 als das momentane Bestimmungsziel.
Wenn in Schritt S130 bestimmt wird, dass die Beziehung Ws - Wc > α nicht erfüllt ist, so bestimmt der Bestimmungsteil 11j in Schritt S131, ob der Wassergehalt-Schätzwert Wc an der Brennstoffzelle 21 als dem Bestimmungsziel größer ist als der Wassergehalt-Referenzschätzwert Ws, wie bei dem in der vierten Ausführungsform beschriebenen Prozess in Schritt S121. Falls Wc > Ws erfüllt ist, so detektiert der Bestimmungsteil 1 1j das Auftreten eines Fehlers bei der Verteilung des reaktiven Gases an der Brennstoffzelle 21 als dem momentanen Bestimmungsziel in Schritt S134. Der Bestimmungsteil 11j setzt ein Flag, welches das Detektieren des Auftretens des Fehlers bei der Verteilung des reaktiven Gases anzeigt, in Verbindung mit einem Identifizierer zum Identifizieren der Brennstoffzelle 21 als das momentane Bestimmungsziel. Wenn Wc > Ws in Schritt S131 nicht erfüllt ist, so bestimmt der Bestimmungsteil 11j, dass keine Katalysatorverschlechterung und kein Fehler bei der Verteilung des reaktiven Gases an der Brennstoffzelle 21 als dem momentanen Bestimmungsziel vorliegen, und beendet die Bestimmung an der Brennstoffzelle 21 als dem momentanen Bestimmungsziel.
Wie in 19 dargestellt, überprüft der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 in Schritt S92 das in dem Bestimmungsprozess in Schritt S50E gesetzte Flag, um das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Brennstoffzelle 21 als einem Bestimmungsziel, bei der das Auftreten eines Fehlers bei der Verteilung des reaktiven Gases detektiert wurde, zu bestimmen. Falls es eine Brennstoffzelle 21 gibt, bei der das Auftreten eines Fehlers bei der Verteilung des reaktiven Gases detektiert wurde, so führt der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 in Schritt S94 einen Prozess zur vorübergehenden Erhöhung der Zufuhrströmungsrate des reaktiven Gases zum Beseitigen des Fehlers bei der Verteilung des reaktiven Gases durch.
In Schritt S96 bestimmt der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Brennstoffzelle 21 als einem Bestimmungsziel, bei der das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung in dem Bestimmungsprozess in Schritt S50E detektiert wurde. Wenn es keine Brennstoffzelle 21 gibt, bei der das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung detektiert wurde, so beendet der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 den Überwachungsprozess ohne weitere Schritte. Gibt es eine Brennstoffzelle 21, bei der das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung detektiert wurde, so führt der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 in Schritt S98 einen Prozess zum Unterdrücken der Entwicklung der Katalysatorverschlechterung durch. Zum Beispiel fordert der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 den Systemcontroller 25 auf, die Zufuhr des Brennstoffgases stärker als üblich zu erhöhen. Wurde eine Katalysatorverschlechterung in Brennstoffzellen 21 in einer größeren Anzahl als einer zuvor festgelegten Anzahl detektiert, so kann der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 den Systemcontroller 25 auffordern, die Energieerzeugung durch den Brennstoffzellenstapel 20 zu stoppen.
Nach der Implementierung der oben angesprochenen Schritte beendet der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 den Überwachungsprozess. Wenn entweder das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung oder eines Fehlers bei der Verteilung des reaktiven Gases detektiert wurde, so kann der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 einen Prozess durchführen, mit dem einem Benutzer ein Identifizierer zum Identifizieren einer Brennstoffzelle 21, bei welcher der detektierte Fehler aufgetreten ist, und die Art des Fehlers mitgeteilt wird.
Die Überwachungsvorrichtung 10, die den Überwachungsprozess der fünften Ausführungsform ausführt, identifiziert das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung oder eines Fehlers bei der Verteilung des reaktiven Gases an der Brennstoffzelle 21 anhand des Wassergehalt-Schätzwertes Wc, der aus einem Messergebnis bezüglich einer Impedanz gewonnen wurde. Dadurch ist es möglich, einen zweckmäßigen Abhilfeprozess in Reaktion auf den detektierten Faktor für den Ausfall durchzuführen. Des Weiteren werden gemäß der Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 der fünften Ausführungsform, dem Brennstoffzellensystem 100, das die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 umfasst, und einem Verfahren zum Bestimmen des Zustandes der Brennstoffzelle 21, das in der Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 und dem Brennstoffzellensystem 100 implementiert wird, verschiedene Funktionen und Auswirkungen realisiert, die denen vergleichbar sind, die in jeder der vorherigen Ausführungsformen beschrieben wurden.
SECHSTE AUSFÜHRUNGSFORM
21 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Ablauf eines Überwachungsprozesses einer sechsten Ausführungsform zeigt. Der Überwachungsprozess der sechsten Ausführungsform wird durch die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 ausgeführt, die eine ähnliche Ausgestaltung hat wie die, die in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde. Die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 wird an dem Brennstoffzellensystem 100 montiert, das eine ähnliche Ausgestaltung hat wie die, die in der ersten Ausführungsform beschrieben ist. In der Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 der sechsten Ausführungsform muss der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 nicht den Wassergehalt-Schätzungsteil 11w umfassen, sondern muss nur die Funktion aufweisen, den Gasreaktionswiderstand R_ct aus einem gemessenen Impedanzwert zu berechnen.
Der Überwachungsprozess der sechsten Ausführungsform ist im Wesentlichen der gleiche wie der Überwachungsprozess der ersten Ausführungsform, außer dass die Prozesse in Schritt S30F, Schritt S40F und Schritt S50F anstelle der Schritte S30, S40 und S50A ausgeführt werden. Der Überwachungsprozess der sechsten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Überwachungsprozess der ersten Ausführungsform dadurch, dass das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Katalysatorverschlechterung an der Brennstoffzelle 21 unter Verwendung des Gasreaktionswiderstands R_ct bestimmt wird, der aus einem Messergebnis bezüglich einer Impedanz gewonnen wird.
In Schritt S30F folgt der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 dem gleichen Verfahren wie dem des Prozesses in Schritt S31 in 4, um den Gasreaktionswiderstand Ret an jeder Brennstoffzelle 21 anhand eines an jeder Brennstoffzelle 21 gemessenen Impedanzwertes zu berechnen, der in den Schritten S10 und S20 erfasst wurde. In Schritt S40F berechnet der Überwachungsvorrichtungs-Controller 11 den Gasreaktionswiderstand R_ctA an dem Brennstoffzellenstapel 20 anhand eines an dem Brennstoffzellenstapel 20 als Ganzes gemessenen Impedanzwertes, der in den Schritten S10 und S20 erfasst wurde. Der Gasreaktionswiderstand R_ctA ist ein Wert an jeder Brennstoffzelle 21 und entspricht einem Wert, der durch Dividieren eines Gasreaktionswiderstands an dem Brennstoffzellenstapel 20 als Ganzes durch die Anzahl der Brennstoffzellen 21 erhalten wird.
22 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Ablauf des Bestimmungsprozesses der sechsten Ausführungsform zeigt, der in Schritt S50F durch den Bestimmungsteil 11j ausgeführt wird. Der Bestimmungsprozess der sechsten Ausführungsform ist im Wesentlichen der gleiche wie der in der ersten Ausführungsform beschriebene Bestimmungsprozess, außer dass eine Bestimmung in Schritt S101F unter Verwendung der Gasreaktionswiderstände Ret und RetA anstelle einer Bestimmung in Schritt S101 ausgeführt wird. In der sechsten Ausführungsform stellt der Bestimmungsteil 11j fest, ob sich der Gasreaktionswiderstand Ret an einer Brennstoffzelle 21 als einem Bestimmungsziel ausgehend von dem Gasreaktionswiderstand R_ctA als einem Referenzwert an dem Brennstoffzellenstapel 20 als Ganzes in einem Grad verringert hat, der einen zulässigen Bereich überschreitet. Genauer gesagt, bestimmt der Bestimmungsteil 11j, ob ein Wert, der durch Subtrahieren des Gasreaktionswiderstands R_ctA an dem Brennstoffzellenstapel 20 als Ganzes von dem Gasreaktionswiderstand R_ct an der Brennstoffzelle 21 als dem Bestimmungsziel erhalten wurde, größer ist als eine Schwelle γ, die zuvor als der zulässige Bereich festgelegt wurde. Falls die Beziehung R_ct - R_ctA > γ erfüllt ist, so detektiert der Bestimmungsteil 11j das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung an der Brennstoffzelle 21 als dem momentanen Bestimmungsziel in Schritt S102. Falls die Beziehung R_ct - R_ctA > γ nicht erfüllt ist, so beendet der Bestimmungsteil 11j die Bestimmung an der Brennstoffzelle 21 als dem momentanen Bestimmungsziel.
Der Gasreaktionswiderstand R_ct ist ein Parameter, der Schwierigkeiten bei der Erzeugung der elektrochemischen Reaktion durch den Katalysator anzeigt. Somit erlaubt der Bestimmungsprozess in Schritt S50F unter Verwendung des Gasreaktionswiderstands R_ct das Detektieren des Auftretens einer Katalysatorverschlechterung mit hoher Genauigkeit. Außerdem ermöglicht es die Verwendung des Gasreaktionswiderstands R_ctA als ein Referenzwert an dem Brennstoffzellenstapel 20 als Ganzes immer noch - selbst wenn sich der Katalysator als Ganzes in dem Brennstoffzellenstapel 20 im Lauf der Alterung verändert -, eine Leistungsminderung mit hoher Genauigkeit zu detektieren, die durch eine an einigen der Brennstoffzellen 21 auftretende Katalysatorverschlechterung verursacht wird.
Wie oben beschrieben, erlaubt die Überwachungsvorrichtung 10, die den Überwachungsprozess der sechsten Ausführungsform ausführt, das Detektieren des Auftretens einer Katalysatorverschlechterung an der Brennstoffzelle 21 mit hoher Genauigkeit unter Verwendung des Gasreaktionswiderstands R_ct , ohne dass der Wassergehalt-Referenzschätzwert aus einem gemessenen Impedanzwert gewonnen werden muss. Des Weiteren wird gemäß dem Brennstoffzellensystem 100, das die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung 10 der sechsten Ausführungsform umfasst, die Entwicklung der Katalysatorverschlechterung zweckmäßig unterdrückt, um eine Reduzierung des Auftretens eines Defekts aufgrund der Entwicklung der Katalysatorverschlechterung zu ermöglichen.
WEITERE AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden Beispiele für mögliche Änderungen der verschiedenen Arten von Ausgestaltungen gegeben, die in jeder der obigen Ausführungsformen beschrieben wurden. Wie jede der vorangegangenen Ausführungsformen werden auch alle nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen als beispielhafte Ausführungsformen zum Ausführen der Technik dieser Offenbarung angesehen.
WEITERE AUSFÜHRUNGSFORMEN 1
In jeder der obigen Ausführungsformen wird der Wassergehalt-Referenzschätzwert Ws, der zum Detektieren des Auftretens einer Katalysatorverschlechterung verwendet wird, aus einem Messergebnis bezüglich einer Impedanz an dem Brennstoffzellenstapel 20 als Ganzes gewonnen. Es kann aber auch ein anderer Wert als der Wassergehalt-Referenzschätzwert Ws als ein Referenzwert verwendet werden, mit dem die Größenordnung des Wassergehalt-Schätzwertes Wc, der zum Detektieren des Auftretens einer Katalysatorverschlechterung verwendet wird, bestimmt wird. Dieser Referenzwert kann ein Wert sein, der in Reaktion auf einen momentanen Wassergehalt in dem Brennstoffzellenstapel 20 als Ganzes schwankt. Beispielsweise kann ein Durchschnitt der Wassergehalt-Schätzwerte Wc an entsprechenden Brennstoffzellen 21 als Bestimmungsziele in unveränderter Form als der Referenzwert verwendet werden. Alternativ kann der Referenzwert ein Wassergehalt-Schätzwert an jeder Brennstoffzelle 21 sein, der anhand der durch den Brennstoffzellenstapel 20 erzeugten Energiemenge, der Zufuhr des reaktiven Gases und der Menge an Abflusswasser berechnet wird.
WEITERE AUSFÜHRUNGSFORMEN 2
In dem Bestimmungsprozess der in 13 gezeigten dritten Ausführungsform kann eine Bestimmung in Schritt S110 auf der Grundlage eines negativen Potenzials weggelassen werden. In diesem Fall muss, wie auch in dem Bestimmungsprozess der ersten Ausführungsvariante, nur das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung an einer Brennstoffzelle 21 als einem Bestimmungsziel detektiert werden.
SONSTIGES
In den obigen Ausführungsformen können einige oder alle durch Software realisierten Funktionen und Prozesse auch durch Hardware realisiert werden. Des Weiteren können einige oder alle Funktionen und Prozesse, die durch Hardware realisiert werden, auch durch Software realisiert werden. Verschiedene Arten von Schaltkreisen können als die Hardware verwendet werden, wie zum Beispiel ein integrierter Schaltkreis, ein diskreter Schaltkreis und ein Schaltkreismodul, das den integrierten Schaltkreis und den diskreten Schaltkreis in Kombination verwendet.
Die Technik dieser Offenbarung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen, Beispiele oder Modifikationen beschränkt, sondern ist in Form verschiedener Ausgestaltungen innerhalb einer Bandbreite möglich, die nicht vom Wesen dieser Offenbarung abweicht. Beispielsweise können technische Merkmale in den Ausführungsformen, jene in den Beispielen oder jene in den Modifizierungen, die jenen in jedem der Aspekte entsprechen, die in der Sektion KURZDARSTELLUNG beschrieben sind, gegebenenfalls ersetzt oder kombiniert werden, um einige oder alle der oben beschriebenen Probleme zu lösen oder einige oder alle der obigen Nutzeffekte zu realisieren. Zu den technischen Merkmalen, die in zweckmäßigen Fällen weggelassen werden können, gehören nicht nur diejenigen, die in dieser Spezifikation als nicht absolut notwendig beschrieben wurden, sondern auch diejenigen, die nicht in dieser Spezifikation als absolut notwendig beschrieben wurden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2006318669 A [0002]

Claims

Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung (10), die den Zustand eines Brennstoffzellenstapels (20) überwacht, der mehrere gestapelte Brennstoffzellen (21) umfasst, wobei die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung (10) Folgendes umfasst: einen Impedanzmessungsteil (11i), der dafür eingerichtet ist, ein Wechselstromsignal an den Brennstoffzellenstapel (20) anzulegen, eine Spannung (Vc) an jeder der Brennstoffzellen (21), eine Spannung (Vs) an dem Brennstoffzellenstapel (20) als Ganzes und einen Ausgangsstrom (Is) von dem Brennstoffzellenstapel (20) zu detektieren und eine Impedanz an jeder der Brennstoffzellen (21) und eine Impedanz an dem Brennstoffzellenstapel (20) als Ganzes zu messen; einen Wassergehalt-Schätzungsteil (11w), der dafür eingerichtet ist, einen Gasdiffusionswiderstand (R_wet) an jeder der Brennstoffzellen (21), der eine Korrelation mit einem Wassergehalt in jeder der Brennstoffzellen (21) aufweist, unter Verwendung eines Messergebnisses bezüglich der Impedanz an jeder der Brennstoffzellen (21) zu erhalten, einen Wassergehalt-Schätzwert (Wc) als einen geschätzten Wert eines Wassergehalts in jeder der Brennstoffzellen (21) unter Verwendung des Gasdiffusionswiderstands (R_wet) an jeder der Brennstoffzellen (21) zu berechnen, einen Gasdiffusionswiderstand (R_wetA) an dem Brennstoffzellenstapel (20), der eine Korrelation mit einem Wassergehalt in dem Brennstoffzellenstapel (20) aufweist, unter Verwendung eines Messergebnisses bezüglich der Impedanz an dem Brennstoffzellenstapel (20) als Ganzes zu erhalten und einen Wassergehalt-Referenzschätzwert (Ws), der einen Wassergehalt in jeder der Brennstoffzellen (21) angibt, unter Verwendung des Gasdiffusionswiderstands (R_wetA) an dem Brennstoffzellenstapel (20) zu berechnen; und einen Bestimmungsteil (11j), der dafür eingerichtet ist, das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung in den Brennstoffzellen (21) und/oder das Auftreten eines Fehlers bei der Verteilung von reaktivem Gas an den Brennstoffzellen (21) durch Bestimmen der Größenordnung des Wassergehalt-Schätzwertes (Wc) relativ zu dem Wassergehalt-Referenzschätzwert (Ws) zu detektieren.
Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei der Bestimmungsteil (11j) bestimmt, dass die Katalysatorverschlechterung an den Brennstoffzellen (21) als einem Bestimmungsziel aufgetreten ist, wenn eine Bestimmungsbedingung erfüllt ist, welche die Maßgabe enthält, dass sich der Wassergehalt-Schätzwert (Wc) ausgehend von dem Wassergehalt-Referenzschätzwert (Ws) in einem Grad verringert hat, der einen zuvor festgelegten zulässigen Bereich überschreitet.
Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung (10) nach Anspruch 2, wobei der Bestimmungsteil (11j) bestimmt, dass die Katalysatorverschlechterung an der Brennstoffzelle (21) als dem Bestimmungsziel aufgetreten ist, wenn die Bestimmungsbedingung erfüllt ist, die eine Maßgabe enthält, dass eine negative Spannung detektiert wurde, sowie die Maßgabe enthält, dass sich der Wassergehalt-Schätzwert (Wc) ausgehend von dem Wassergehalt-Referenzschätzwert (Ws) in einem Grad verringert hat, der den zulässigen Bereich überschreitet.
Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Bestimmungsteil (11j) bestimmt, dass ein Fehler bei der Zufuhr des reaktiven Gases an der Brennstoffzelle (21) als einem Bestimmungsziel aufgetreten ist, wenn detektiert wird, dass der Wassergehalt-Schätzwert (Wc) größer ist als der Wassergehalt-Referenzschätzwert (Ws).
Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung (10), die den Zustand eines Brennstoffzellenstapels (20) überwacht, der mehrere gestapelte Brennstoffzellen (21) umfasst, wobei die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung (10) Folgendes umfasst: einen Impedanzmessungsteil (11i), der dafür eingerichtet ist, ein Wechselstromsignal an den Brennstoffzellenstapel (20) anzulegen, eine Spannung (Vc) an jeder der Brennstoffzellen (21) und einen Ausgangsstrom (Is) von dem Brennstoffzellenstapel (20) zu detektieren und eine Impedanz an jeder der Brennstoffzellen (21) zu messen; einen Wassergehalt-Schätzungsteil (11w), der dafür eingerichtet ist, einen Gasdiffusionswiderstand (R_wet) an jeder der Brennstoffzellen (21), der eine Korrelation mit einem Wassergehalt in jeder der Brennstoffzellen (21) aufweist, unter Verwendung eines Messergebnisses bezüglich der Impedanz an jeder der Brennstoffzellen (21) zu erhalten und einen Wassergehalt-Schätzwert (Wc) als einen geschätzten Wert eines Wassergehalts in jeder der Brennstoffzellen (21) unter Verwendung des Gasdiffusionswiderstands (R_wet) an jeder der Brennstoffzellen (21) zu berechnen; und einen Bestimmungsteil (11j), der dafür eingerichtet ist, das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung in den Brennstoffzellen (21) durch Bestimmen der Größenordnung des Wassergehalt-Schätzwertes (Wc) relativ zu einem Referenzwert, der in Reaktion auf einen momentanen Wassergehalt in dem Brennstoffzellenstapel (20) als Ganzes schwankt, zu detektieren.
Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung (10), die den Zustand eines Brennstoffzellenstapels (20) überwacht, der mehrere gestapelte Brennstoffzellen (21) umfasst, wobei die Brennstoffzellen-Überwachungsvorrichtung (10) Folgendes umfasst: einen Impedanzmessungsteil (11i), der dafür eingerichtet ist, ein Wechselstromsignal an den Brennstoffzellenstapel (20) anzulegen und eine Impedanz an jeder der Brennstoffzellen (21) zu messen; einen Wassergehalt-Schätzungsteil (11w), der dafür eingerichtet ist, einen Gasdiffusionswiderstand (R_wet), der eine Korrelation mit einem Wassergehalt in jeder der Brennstoffzellen (21) aufweist, unter Verwendung eines Messergebnisses bezüglich der Impedanz an jeder der Brennstoffzellen (21) zu erhalten und einen Wassergehalt-Schätzwert (Wc) als einen geschätzten Wert eines Wassergehalts in jeder der Brennstoffzellen (21) unter Verwendung des Gasdiffusionswiderstands (R_wet) zu berechnen; und einen Bestimmungsteil (11j), der dafür eingerichtet ist, das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung in den Brennstoffzellen (21) durch Befolgen einer zuvor festgelegten Reihenfolge an den mehreren Brennstoffzellen (21) als Bestimmungsziele zu detektieren, wobei der Bestimmungsteil (11j) den Wassergehalt-Schätzwert (Wc) an der Brennstoffzelle (21) als einen Referenzwert (Wp) verwendet, der zuvor bestimmt wurde und bei dem keine Katalysatorverschlechterung detektiert wurde, und das Auftreten einer Katalysatorverschlechterung an der Brennstoffzelle (21) als einem momentanen Bestimmungsziel bestimmt wird, wenn eine Bestimmungsbedingung erfüllt ist, die eine Maßgabe enthält, dass sich der Wassergehalt-Schätzwert (Wc) an der Brennstoffzelle als einem momentanen Bestimmungsziel ausgehend von dem Referenzwert (Wp) in einem Grad verringert hat, der einen zuvor festgelegten zulässigen Bereich überschreitet.
Verfahren zum Bestimmen des Zustands eines Brennstoffzellenstapels (20), der mehrere gestapelte Brennstoffzellen (21) umfasst, das Folgendes umfasst: einen Schritt (S10) des Anlegens eines Wechselstromsignals an den Brennstoffzellenstapel (20), während der Brennstoffzellenstapel (20) Energie erzeugt, des Detektierens einer Spannung (Vc) an jeder der Brennstoffzellen und eines Ausgangsstroms (Is) von dem Brennstoffzellenstapel (20) und des Messens einer Impedanz an jeder der Brennstoffzellen (21) und einer Impedanz an dem Brennstoffzellenstapel (20) als Ganzes; ein Schritt (S35) des Erhaltens eines Gasdiffusionswiderstands (R_wet) an jeder der Brennstoffzellen (21), der eine Korrelation mit einem Wassergehalt in jeder der Brennstoffzellen (21) aufweist, unter Verwendung eines Messergebnisses bezüglich der Impedanz an jeder der Brennstoffzellen (21) und des Berechnens eines Wassergehalt-Schätzwerts (Wc) als einen geschätzten Wert eines Wassergehalts in jeder der Brennstoffzellen (21) unter Verwendung des Gasdiffusionswiderstands (R_wet) an jeder der Brennstoffzellen (21); und einen Schritt (S40) des Erhaltens eines Gasdiffusionswiderstands (R_wetA) an dem Brennstoffzellenstapel (20), der eine Korrelation mit einem Wassergehalt in dem Brennstoffzellenstapel (20) aufweist, unter Verwendung eines Messergebnisses bezüglich der Impedanz an dem Brennstoffzellenstapel (20) als Ganzes und des Berechnens eines Wassergehalt-Referenzschätzwertes (Ws) als einen geschätzten Wert eines Wassergehalts in jeder der Brennstoffzellen (21) unter Verwendung des Gasdiffusionswiderstands (R_wetA) an dem Brennstoffzellenstapel (20); und einen Schritt (S101; S111; S112; S130, S131) des Detektierens des Auftretens einer Katalysatorverschlechterung in den Brennstoffzellen (21) und/oder des Auftreten eines Fehlers bei der Verteilung von reaktivem Gas an den Brennstoffzellen (21) durch Bestimmen der Größenordnung des Wassergehalt-Schätzwertes (Wc) relativ zu dem Wassergehalt-Referenzschätzwert (Ws).